JP2006284838A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＮチップと回路基板を少ない面積で実装した光変調器を提供する。
【解決手段】 ＬＮチップ１０の信号電極１４、グランド電極１５及び１６が設けられた面を下向きにしたときのこれらの電極の位置に合わせて回路基板２０に信号電極２４−１、グランド電極２５−１及び２６−１を設ける。そして、回路基板２０の信号電極２４−１、グランド電極２５−１及び２６−１の上部にバンプ２４ａ、２５ａ、２６ａを形成し、ＬＮチップ１０を下向きにし電極どうしの位置を合わせて載せ、ボンディングする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ_３、ニオブ酸リチウム）チップと回路基板から構成される光変調器に関する。

従来、ＬＮ変調器には、導波路及び電極が形成されたＬＮチップと、駆動回路、オートバイアス回路等を含む周辺回路が配置された制御回路基板を隣り合わせて配置し、封止ケースに内蔵したものがある。
まず、図６を参照して従来のＬＮチップ３０の構成について説明する。図６はＭＺ（マッハツェンダ）型のＬＮチップ３０の斜視図である。ＬＮチップ３０は、誘電体であるニオブ酸リチウムの結晶に変調用電極を形成し、細長い板状にカットしたものである。

このＬＮ素子３１の上部の表面近傍には導波路３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄが形成されている。導波路３３ａは一端が光ファイバ４１に接続され、他端がＹ分岐によって２つの導波路３３ｂ及び３３ｃに接続される。２つの導波路３３ｂ及び３３ｃは互いに平行な直線部分を有し、再びＹ分岐によって１つの導波路３３ｄに接続される。導波路３３ｄは一端が２つの導波路３３ｂ及び３３ｃと接続され、他端は光ファイバ４２に接続される。

導波路３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄが形成されたＬＮ素子３１の上部には、膜状のバッファ層が設けられているが図６においては省略している。このバッファ層は、光の導波損失を避けるためにＬＮ素子３１と各電極、すなわち信号電極３４、グランド電極３５及び３６との間に設けられたＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）の膜である。

信号電極３４、グランド電極３５及び３６は、上記のバッファ層の上に金属がメッキされたものである。これらは、導波路３３ｂ及び３３ｃの互いに平行な直線部分に対して平行に配置されているが、これらの電極の両側の端部はＬＮチップ３０とは別に設けられた制御回路基板６０（図７）の電極６４、６５、６６と接続するため、導波路３３ｂ及び３３ｃの互いに平行な直線部分に対して平行に配置された部分から側方に向かって小さな曲率半径の曲げ構造で形成されている。

３７、３８はそれぞれ光ファイバ４１、４２を保護してＬＮ素子３１に接続するためのガラスの部材である。ＬＮブロック３１ａ、３１ｂはＬＮ素子３１と同じ材質からなる直方体の部材であり、キャピラリ３７、３８をＬＮ素子３１に固定するためＬＮ素子３１の両端に設けられている。

上記のように構成されたＬＮ素子３１の信号電極３４に電圧を印加し電界を生じさせると、ＬＮ素子３１すなわちニオブ酸リチウムの結晶の屈折率が変化する電気光学効果により、２つの導波路３３ｂ及び３３ｃを通る光の位相がそれぞれ変化する。そして、２つの導波路３３ｂ及び３３ｃが１つの導波路３３ｄに接続されるＹ分岐において、位相の異なる２つの光が合波され強度変調が行われる。このようにして光ファイバ４１からの入力光が変調され、光ファイバ４２へ出力される。

上記のＬＮチップ３０を、周辺回路が配置された制御回路基板６０とともに封止ケースに内蔵する場合には、従来、これらは図７に示すように配置されている。ＬＮチップ３０を導波路３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、及び、信号電極３４、グランド電極３５及び３６が形成された面を上として封止ケースの底板部に固定するとともに、制御回路基板６０をＬＮチップ３０の信号電極３４、グランド電極３５及び３６が曲げ構造で形成された側に並べて配置し、封止ケースの底板部に固定する。そして、ＬＮチップ３０の信号電極３４、グランド電極３５及び３６と制御回路基板６０の電極６４、６５、６６とをそれぞれワイヤボンディング又はコンタクトスリーブにより接続する。ここでは、ボンディングワイヤ７４、７５、７６で接続した例を示す。なお、制御回路基板６０は、その表面に配置される周辺回路は省略し、電極６４、６５、６６のみ示す。
なお、従来技術として非特許文献１が知られている。
住友大阪セメント、「光通信用ＬｉＮｂＯ３変調器」［online］、［平成１７年２月２８日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.socnb.com/report/ptech/2001_ln.pdf＞

従来のＬＮチップ３０は変調電圧をＬＮ素子３１の側面から光導波路と直交方向から導入した後、信号電極３４及びグランド電極３５の形状を曲げ構造として、光導波路と平行にして変調効果を得た後、再び屈曲させて変調電極は終端される構造となっている。このとき光導波路との相互作用部まで曲げ構造を含めて、光導波路と直交方向に一定の長さを要するため、素子幅の大部分を占めており1ウェハ当りのチップ数を制限する主要因ともなっている。また電極の曲げ構造部の曲率（R半径）が小さい場合には、電気的損失が無視できなくなり、曲げ構造部の曲率を緩和するとチップ幅が広くなるトレードオフの関係にある。また、変調器を動作させるための電圧を導入するにあたり、制御回路基板６０をＬＮ素子３１の側面につけていたため小型化に限界があった。
本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、その目的は、ＬＮチップと回路基板を少ない面積で実装した光変調器を提供することである。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、電極が設けられた回路基板と、電気光学効果を有する材料からなる素子と、該素子に形成された導波路と、該導波路を通る光の位相を制御する電極とを有し、該電極が前記回路基板の電極にフェースダウンボンディングされるチップと、を具備することを特徴とする光変調器である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光変調器において、前記フェースダウンボンディングは、フリップチップボンディングであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の光変調器において、前記チップの電極は直線状に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、光変調器の実装面積を削減し、封止ケースを小型化することができる。また、ＬＮチップ及び周辺回路を１枚の回路基板に実装することができるので、低コスト化を図ることができる。また、従来のようにＬＮチップの電極の端部を小さな曲率半径の曲げ構造とする必要がなくなり、回路基板上では曲率が緩やかな電極を形成可能なため、ＬＮ素子上に電極を形成するよりも曲げ構造による伝搬損失が少なくて済む。また、素子幅を２００μｍ位まで狭くでき、１枚のＬＮウェハから多くの素子数を得ることができる。また、ＬＮチップの電極をストレートすなわち直線状に形成することにより、曲線構造において発生していた高周波応答成分の劣化及び反射を取り除くことができる。また、従来ＬＮチップ上に形成していた電極は、素子の幅や導波路との関係により形状に制約を受けていたが別の基板に電極を形成することで電極設計の自由度が増す。また、従来、ＬＮチップの電極と制御回路基板とを金線で接続していた場合と異なり直接接続するため寄生容量を生じる余地が少ない。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。この実施形態では、フェースダウンボンディングの一形態であるフリップチップボンディングにより、図２に示すＬＮチップ１０を図４に示す回路基板２０に接続する。まず、ＬＮチップ１０、回路基板２０について説明する。
図２に示すＬＮチップ１０は、図６に示す従来のＬＮチップ３０とは信号電極１４、グランド電極１５及び１６の形状が異なるが、その他は同様である。ただし、図６のＬＮチップ３０におけるキャピラリ３７、３８、ＬＮブロック３１ａ、３１ｂは、図２のＬＮチップ１０においては省略している。

ＬＮ素子１１はＬＮ素子３１と同様の組成、形状であり、ＬＮ素子１１の導波路１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、ＬＮ素子３１の導波路３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄと同様に形成され、導波路１３ａ、１３ｄはそれぞれ光ファイバ４１、４２と接続されている。また、ＬＮ素子１１の上部には、図示しない膜状のバッファ層が設けられている点も同様である。従来のＬＮチップ３０は電極を曲げ構造としているため幅が約１．５ｍｍから２ｍｍとなっているが、ここで用いるＬＮチップ１０は電極を曲げ構造とする必要がないため幅を最小で約２００μｍ位まで狭くすることができる。

ＬＮチップ１０の信号電極１４、グランド電極１５及び１６は、上記のバッファ層の上に設けられ、ＬＮチップ１０の平面図である図３に示すように、導波路１３ｂ及び１３ｃの互いに平行な直線部分に対して平行に配置され、ＬＮチップ３０の信号電極３４、グランド電極３５及び３６とは異なり、曲げ構造としない直線状に形成されている。

次に、図４に示す回路基板２０の構成を説明する。回路基板２０の基板２１は高周波に対応のプリント基板であり材質はセラミックを用いる。基板２１の表面に電極及び配線が配置され、ＬＮチップ１０を制御する駆動回路、オートバイアス回路等を構成する回路部品が取り付けられるが、図４においてはこのような配線や回路部品は省略し、ＬＮチップ１０を接続する信号電極２４−１、２４−２、グランド電極２５−１、２５−２、２６−１、２６−２のみを示す。これらの電極は、図２に示すＬＮチップ１０を上下反対向きにして回路基板２０の上から図５に示すように接続したときに、ＬＮチップ１０の信号電極１４の両端が回路基板２０の信号電極２４−１、２４−２に接続され、ＬＮチップ１０のグランド電極１５の両端が回路基板２０のグランド電極２５−１、２５−２に接続され、ＬＮチップ１０のグランド電極１６の両端が回路基板２０のグランド電極２６−１、２６−２に接続されるように配置されている。また、信号電極２４−１、グランド電極２５−１、２６−１は緩やかな曲率で側方に向かう曲げ構造でコネクタ５１（図５）に接続され、信号電極２４−２、グランド電極２５−２、２６−２も同様に緩やかな曲率で側方に向かう曲げ構造でコネクタ５２（図５）に接続される。

回路基板２０の信号電極２４−１、２４−２、グランド電極２５−１、２５−２、２６−１、２６−２とＬＮチップ１０の信号電極１４、グランド電極１５及び１６との接続は、次のように行う。まず、回路基板２０の信号電極２４−１、２４−２、グランド電極２５−１、２５−２、２６−１、２６−２の上に、金、半田等のバンプを形成する。すなわち、図４に示すように信号電極２４−１の上部にバンプ２４ａ、信号電極２４−２の上部にバンプ２４ｂ、グランド電極２５−１の上部にバンプ２５ａ、グランド電極２５−２の上部にバンプ２５ｂ、グランド電極２６−１の上部にバンプ２６ａ、グランド電極２６−２の上部に２６ｂをそれぞれ形成する。そして、図１に示すように、回路基板２０の信号電極２４−１、２４−２とＬＮチップ１０の信号電極１４、回路基板２０のグランド電極２５−１、２５−２とＬＮチップ１０のグランド電極１５、回路基板２０のグランド電極２６−１、２６−２とＬＮチップ１０のグランド電極１６の位置が合うように、回路基板２０の上からＬＮチップ１０を上下反対向きにして載せ、ボンディングする。この接続には一般的なフリップチップボンダ等の装置を用いることができる。これにより、回路基板２０の信号電極２４−１、２４−２、グランド電極２５−１、２５−２、２６−１、２６−２とＬＮチップ１０の信号電極１４、グランド電極１５及び１６とがバンプを挟んで接続されるため、これらの電極の間に空気層が設けられ、入力された光を正しく変調することができる。
なお、ＬＮチップ１０に形成される導波路及び電極の形状、これに対応する回路基板２０の電極の形状、電極上にバンプを形成する位置や個数は上記で説明した形態に限定されず、各種の形態とすることができる。

本発明は、ＬＮチップと回路基板から構成される光変調器に用いられる。また、本発明は、ＬＮ変調器に限定されるものではなく、半導体材料、ポリマー材料で作成された変調器においても利用可能である。

本発明の実施形態における回路基板２０とＬＮチップ１０との接続の仕方を説明する断面図である。 ＬＮチップ１０を示す斜視図である。 ＬＮチップ１０を示す平面図である。 回路基板２０を示す斜視図である。 回路基板２０にＬＮチップ１０を接続した斜視図である。 従来のＬＮチップ３０を示す斜視図である。 ＬＮチップ３０と制御回路基板６０を接続した図である。

符号の説明

１０、３０…ＬＮチップ
１１、３１…ＬＮ素子
１２…バッファ層
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ…導波路
１４、２４−１、２４−２、３４…信号電極
１５、１６、２５−１、２５−２、２６−１、２６−２、３５、３６…グランド電極
２０…回路基板
２１…基板
２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ…バンプ
３１ａ、３１ｂ…ＬＮブロック
３７、３８…キャピラリ
４１、４２…光ファイバ
５１、５２…コネクタ
６０…制御回路基板
６４、６５、６６…電極
７４、７５、７６…ボンディングワイヤ

Claims (3)

1. 電極が設けられた回路基板と、
   電気光学効果を有する材料からなる素子と、該素子に形成された導波路と、該導波路を通る光の位相を制御する電極とを有し、該電極が前記回路基板の電極にフェースダウンボンディングされるチップと、
   を具備することを特徴とする光変調器。
2. 前記フェースダウンボンディングは、フリップチップボンディングであることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記チップの電極は直線状に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光変調器。
   
   

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