JP2011070026A - 光導波路素子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路素子の変調電極が有するインピーダンスと、光導波路素子の外部から変調信号を入力する伝送線路のインピーダンスとが異なる場合でも、変調信号の反射を抑制し、かつ、変調信号の減衰を抑制すると共に、光導波路素子の変調電極に変調信号を入力する線路上に、コンデンサを含むフィルタ回路を配置した場合でも、数十ＧＨｚの広帯域に渡り光応答周波数特性を平坦化可能な光導波路素子モジュールを提供する。
【解決手段】中継基板７上に形成され、外部信号線が接続されるコネクタ８と変調電極３とを接続する中継線路について、中継線路は信号電極を接地電極で挟むコプレーナ型線路であり、中継線路のインピーダンスが段階的又は連続的に変化し、光導波路素子モジュール内での変調信号の反射を抑制するよう構成される。また、中継線路の途中にはコンデンサを含むフィルタ回路が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路素子モジュールに関し、特に、光導波路素子の変調電極に変調信号を入力する外部信号線が接続されるコネクタと、該コネクタと該光導波路素子の変調電極とを接続する中継基板であり、該中継基板上に中継線路とフィルタ回路とを備えた中継基板とを有する光導波路素子モジュールに関する。

従来、光通信分野や光計測分野において、光波を制御する手段として、光変調器など、基板に光導波路を形成した光導波路素子が多用されている。
これらの光導波路素子では、光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極が設けられ、該変調電極には外部信号線が接続されるコネクタにより変調信号が入力されている。このため、外部信号線から変調電極に効率良く変調信号が入力されるためには、外部信号線と変調電極との間でインピーダンス整合を図り、伝送線路における変調信号の反射を防止することが必要である。

図１は、光導波路素子モジュールの一例を示したものである。光導波路素子は、電気光学効果を有する材料などで構成される基板１に、光導波路２を形成し、該光導波路２を伝搬する光波を変調する変調電極３（変調電極には信号電極と接地電極があるが、図１では簡略化のため信号電極の配置のみを図示している。）などで構成される。光導波路素子には、光波を入力するための入力用光ファイバ４や、変調された光波を出力するための出力用光ファイバ５が接続されている。光導波路素子は筐体９内に気密封止状態で収容され、光導波路素子モジュールを構成している。光導波路素子の変調電極３には、光導波路素子モジュールの外部に設けられた駆動用ドライバ６から変調信号がコネクタ８を介して印加されている。

駆動用ドライバ６からコネクタ８までのインピーダンスは、通常、５０Ωに設定されており、仮に、光導波路素子の変調電極のインピーダンスが４０Ωの場合には、上述したように、伝送線路のインピーダンスの不整合により、コネクタ８と変調電極３との間で変調信号の反射が発生する。このような不具合を解消するため、コネクタ８と光導波路素子との間に中継基板７を設け、図２に示すように該中継基板７に抵抗１１（この場合は１０Ω抵抗器）を配置し、コネクタ８から見て光導波路素子側のインピーダンスを見かけ上、５０Ωとすることが行われている。

このようなインピーダンス調整方法は、変調信号であるマイクロ波の反射抑制には一定の効果があるものの、抵抗１１によりマイクロ波の減衰が発生し、変調信号が光導波路素子に効果的に印加され難くなるという問題を生じる。

他方、近年、光導波路素子を評価する際に、光導波路素子を駆動した場合に得られる光信号の時間的揺らぎを示すジッターと呼ばれる特性が、注目されている。ジッターとは、光信号の時間的揺らぎを示す指標であり、光アイパターン波形を積算し、信号のクロスする場所の幅として定義される。

光導波路素子を駆動した場合に得られる光信号のジッターを改善するためには、光導波路素子や該光導波路素子を駆動制御する駆動用ドライバに対し、以下の特性改善が必要となる。
（１）駆動用ドライバ
入力した電気信号が劣化なく増幅されるよう利得が、低周波域から高周波域までフラットな周波数特性とする。
（２）光導波路素子
入力した電気信号が劣化なく光信号に変換されるよう、電気／光変換応答の周波数が低周波域から高周波域までフラットな周波数特性とする。

上記のように、駆動用ドライバと光導波路素子における周波数特性が、無限にフラット（周波数依存性が無い状態）である場合には、上述したジッターは発生しないが、実際には、駆動用ドライバも光変調器も共に、低周波域での周波数特性がフラットでなかったり、高周波域の周波数特性は右肩下がりに劣化する傾向にあるため、ジッターが発生する。特に、伝送速度がギガヘルツ・オーダーの光導波路素子では、このジッターの発生は重要な問題となっている。

光導波路素子に印加される電気信号と該光導波路素子から出力される光波の応答特性を平坦化する方法として、図３に示すように、光導波路素子の変調電極１０３に駆動用ドライバ１０６の変調信号を印加する際にフィルタ回路などの中継基板１０７を介して印加する方法や変調電極１０３の終端部に終端抵抗などの終端回路１０８を接続することが行われている。図３における光導波路素子は、電気光学効果を有する材料などの基板１０１に光導波路１０２を形成し、該光導波路１０２を伝搬する光波を変調するための変調電極１０３（変調電極には信号電極と接地電極があるが、図３でも簡略化のため信号電極の配置のみを図示している。）を形成したものである。また、光導波路素子には入力用光ファイバ１０４や出力用光ファイバ１０５が接続され、光導波路素子への光波の入射及び光導波路素子からの光波の出射を担っている。
光導波路素子は中継基板１０７や終端回路１０８などと共に、一つの筐体１０９内に収容される。

終端回路を用いたものとしては、特許文献１のように、光変調器の変調用電極の終端部のインピーダンスを調整することにより、光変調器の周波数特性を改善するものがある。
しかしながら、終端回路のみで数十Ｇｂｐｓ伝送を可能とする高周波領域まで周波数特性をフラットにすることは困難であり、特許文献１に開示されている終端部のインピーダンスの調整のみでは、進行波型光変調器の電気／光変換応答の周波数特性の内、調整すべき周波数を変更することも困難であった。

フィルタ回路を有する中継基板を用いたものとしては、特許文献２又は３に開示されている。電気／光応答の周波数特性を平坦化するためには、フィルタ回路の基本的な構成として、図４に示すようなコンデンサ１１０と抵抗１１１を並列で接続したハイパスフィルタが利用される。図４の符号１１２及び１１３は中継基板の電気線路であり、符号１０７はフィルタ回路を含む中継基板を示している。

特に、特許文献２では、中継基板上にフィルタ回路を構成するコンデンサや抵抗を、電気線路上の複数の薄膜によって構成することが開示されている。
このような薄膜を用いた回路構成は、フィルタ回路の小型化に寄与する反面、製造工程が複雑化し、特に、コンデンサを薄膜で構成するには多数回に渡る薄膜の形成・除去等の工程が必要となる。また、光導波路素子の周波数特性に応じてコンデンサや抵抗の値を調整することが必要であるが、抵抗の場合は薄膜の一部をトリミングするだけで、容易に調整可能であるのに対し、コンデンサの場合にはトリミングを行うと電極間が短絡する可能性があり、調整が困難なものとなる。

本発明者らは、コンデンサについては、積層セラミックコンデンサを用いることで、この問題を解消することを試みた。
具体的には、図５に示すように、中継基板本体１１４上に電気線路１１２及び１１３を形成し、二つの電気線路を接続するように、チップ型の積層セラミックコンデンサ１１０を配置した。積層セラミックコンデンサは、縦０．３ｍｍ×横０．６ｍｍ×高さ０．３ｍｍ（０６０３サイズ）のように、極めて小さく、安価に入手できる利点がある。

積層セラミックコンデンサは、図６（コンデンサの断面図を示す。）に示すようにセラミック材料１２４を挟むように電極１２２，１２３が櫛の歯状に形成されており、両端において各電極が端子１２０，１２１に接続されている。

しかしながら、積層セラミックコンデンサを使用した場合には、図７に示すように、光応答の周波数特性１３０が、共振現象（共振周波数ｆ_０）を発生することを見出した。このため、光導波路素子に接続するフィルタ回路の構成部品としては、積層セラミックコンデンサは不向きと考えられた。

また、本発明者らは、コンデンサとして、単板コンデンサを用いることについても検討した。
具体的には、図８に示すように、中継基板本体２１４上に電気線路２１２及び２１３を形成し、一方の電気線路２１２上に単板コンデンサ２１０を配置した。単板コンデンサを電気線路に配置する際には、単板コンデンサの下面の電極が電気線路２１２と電気的に接続するよう配置し、単板コンデンサの上面の電極には、電気線路２１３とを電気的に接続するように金線等の導電性ワイヤー２２０で接続した。

単板コンデンサは、図９（コンデンサの斜視図を示す。）に示すように、誘電体２１６を挟むように電極２１５，２１７が形成されている。誘電体の比誘電率ε_ｒ、真空の誘電率ε_０、電極（２１５，２１７）の面積Ｓ、及び電極（２１５，２１７）の間隔ｄとすると、静電容量Ｃは、次式で表現される。
静電容量Ｃ＝ε_ｒ・ε_０・Ｓ／ｄ

一般的には単板コンデンサの方が、積層セラミックコンデンサより、高周波特性が良いため、高周波特性が重要なデバイスには、単板コンデンサが良く使用される。
しかし、サイズの同じ単板コンデンサの静電容量を変化させるためには、その厚さ（電極間隔ｄ）を変化させるため、コンデンサの厚さに起因する特性変化には、注意が必要となる。
特に上述したフィルタ回路の場合、コンデンサの厚さが厚くなると、積層セラミックコンデンサと同様に、図７に示すような、電気／光応答の周波数特性１３０に発生する共振現象（共振周波数ｆ_０）が、特定の周波数範囲に発生し、高周波特性を劣化させることを見出した。

特許第３０８８９８８号公報 特開２００７−１０９４２号公報 特開２００８−８３４４９号公報 特開平６−２８９３４１号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光導波路素子の変調電極が有するインピーダンスと、光導波路素子の外部から変調信号を入力する伝送線路のインピーダンスとが異なる場合でも、変調信号の反射を抑制し、かつ、変調信号の減衰を抑制すると共に、光導波路素子の変調電極に変調信号を入力する線路上に、コンデンサを含むフィルタ回路を配置した場合でも、数十ＧＨｚの広帯域に渡り光応答周波数特性を平坦化可能な光導波路素子モジュールを提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明では、基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子と、該変調電極に変調信号を入力する外部信号線が接続されるコネクタと、該コネクタと該変調電極とを接続すると共に、中継基板上に形成された中継線路とを有する光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路は信号電極を接地電極で挟むコプレーナ型線路であり、該中継線路のインピーダンスが段階的又は連続的に変化し、該光導波路素子モジュール内での該変調信号の反射を抑制するよう構成され、該中継線路の途中にはコンデンサを含むフィルタ回路が配置されていることを特徴とする。
本発明における「光導波路素子モジュール」とは、光導波路素子に中継線路が接続されているものを意味し、図１（又は図３）に示すように、一つの筐体９（又は１０９）内に収容されているものに限られない。また、「中継線路」とは、変調信号を伝搬するだけの単純な信号線路に限らず、フィルタ回路などの変調信号を調整する回路を有する線路も含む。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路の長さは、変調信号であるマイクロ波波長の４分の１の整数倍とならない長さであることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路の長さは、変調信号であるマイクロ波波長の２分の１未満であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路のインピーダンスは段階的に変化し、各段階を構成するブロックでの中継線路の長さは変調信号であるマイクロ波波長の４分の１未満であることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路は、該信号電極と該接地電極とのギャップが、コネクタ側から光導波路素子側に向かって狭くなるように調整されていることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路の周囲に配置される一部の材料の誘電率が、コネクタ側から光導波路素子側に向かって大きくなるように調整されていることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該コンデンサは、複数の積層セラミックコンデンサをフィルタ回路基板上に積み重ねて配置すると共に、該積層セラミックコンデンサの１個の静電容量が３ｐＦ以下のもののみを使用することを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項７に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該フィルタ回路は、該中継基板上に形成された膜体による電気抵抗を有し、該電気抵抗に重ねて積層セラミックコンデンサを配置することを特徴とする。

請求項９に係る発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該コンデンサは単板コンデンサであり、該コンデンサ内の電極間の距離が０．０５ｍｍ以下、かつ、該電極間内の誘電体の比誘電率が１０００以下であり、該フィルタ回路による共振周波数が２０ＧＨｚより高いことを特徴とする。

請求項１０に係る発明は、請求項９に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該フィルタ回路は、該中継基板に形成された複数の電気線路の一つに、該単板コンデンサの下面の電極が接触するよう該単板コンデンサを配置し、該単板コンデンサの上面の電極と他の電気線路とを導電性ワイヤーで接続することを特徴とする。

請求項１１に係る発明は、請求項１乃至１０に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該フィルタ回路は、該中継基板上に形成された膜体による電気抵抗を含むことを特徴とする。

請求項１２に係る発明は、請求項１乃至１１のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該変調電極の終端部に終端回路を接続することを特徴とする。

請求項１に係る発明により、基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子と、該変調電極に変調信号を入力する外部信号線が接続されるコネクタと、該コネクタと該変調電極とを接続すると共に、中継基板上に形成された中継線路とを有する光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路は信号電極を接地電極で挟むコプレーナ型線路であり、該中継線路のインピーダンスが段階的又は連続的に変化し、該光導波路素子モジュール内での該変調信号の反射を抑制するよう構成され、該中継線路の途中にはコンデンサを含むフィルタ回路が配置されているため、変調信号を効率的に変調電極に印加でき、かつ、フィルタ回路を有する中継線路における変調信号の減衰も抑制することが可能となる。

また、本発明により、中継線路は信号電極を接地電極で挟むコプレーナ型線路であるため、中継線路のインピーダンス調整を、例えば、信号電極と接地電極との電極間隔の調整等で容易に行うことができ、光導波路素子モジュールの部品点数を増加させることがなく、また、製造プロセスを複雑化させることもない。

請求項２に係る発明により、中継線路の長さは、変調信号であるマイクロ波波長の４分の１の整数倍とならない長さであるため、中継線路内でマイクロ波の定在波が発生するのが抑制され、変調信号の反射を抑制することが可能となる。

請求項３に係る発明により、中継線路の長さは、変調信号であるマイクロ波波長の２分の１未満であるため、中継線路内でマイクロ波の定在波が発生するのが抑制され、変調信号の反射を抑制することが可能となる。

請求項４に係る発明により、中継線路のインピーダンスは段階的に変化し、各段階を構成するブロックでの中継線路の長さは変調信号であるマイクロ波波長の４分の１未満であるため、各段階を構成するブロックの内部にてマイクロ波の定在波が発生するのが抑制され、変調信号の反射を抑制することが可能となる。

請求項５に係る発明により、中継線路は、信号電極と接地電極とのギャップが、コネクタ側から光導波路素子側に向かって狭くなるように調整されているため、インピーダンスの調整に際して、光導波路素子モジュールの部品点数を増加させることがなく、また、製造プロセスを複雑化させることもない。

請求項６に係る発明により、中継線路の周囲に配置される一部の材料の誘電率が、コネクタ側から光導波路素子側に向かって大きくなるように調整されているため、例えば、信号電極や接地電極の形状・配置を変更、又は大幅に変更することなく、インピーダンスを段階的又は連続的に変化させることも可能となる。

請求項７に係る発明により、コンデンサは、複数の積層セラミックコンデンサをフィルタ回路基板上に積み重ねて配置すると共に、該積層セラミックコンデンサの１個の静電容量が３ｐＦ以下のもののみを使用するため、フィルタ回路に積層セラミックコンデンサを使用した場合でも、２０ＧＨｚを超える広帯域に渡り電気／光応答の周波数特性を平坦化することが可能となる。しかも、複数の積層セラミックコンデンサを使用する場合には、フィルタ回路基板上に積層セラミックコンデンサを積み重ねて配置するため、フィルタ回路基板が大型化せず、コンデンサの並列回路が容易に実現でき、３ｐＦより大きな静電容量が必要な場合にも対応可能なものとなる。

請求項８に係る発明により、フィルタ回路は、中継基板上に形成された膜体による電気抵抗を有し、該電気抵抗に重ねて積層セラミックコンデンサを配置するため、フィルタ回路をより小型化することが可能となる。

請求項９に係る発明により、コンデンサは単板コンデンサであり、該コンデンサ内の電極間の距離が０．０５ｍｍ以下、かつ、該電極間内の誘電体の比誘電率が１０００以下であり、フィルタ回路による共振周波数が２０ＧＨｚより高いため、フィルタ回路に単板コンデンサを使用した場合でも、比誘電率が低いため、コンデンサの電極間隔ｄの増加を抑制しながら、より低い静電容量を実現することが可能となる。これにより、フィルタ回路での電気信号の劣化や使用する周波数範囲での共振現象を抑制し、数十ＧＨｚを超える広帯域に渡り電気／光応答周波数特性を平坦化可能な光導波路素子モジュールを提供することができる。

請求項１０に係る発明により、フィルタ回路は、中継基板に形成された複数の電気線路の一つに、該単板コンデンサの下面の電極が接触するよう該単板コンデンサを配置し、該単板コンデンサの上面の電極と他の電気線路とを導電性ワイヤーで接続するため、単板コンデンサの上面の電極と電気線路とを容易に電気的に接続できる上、本発明で利用する単板コンデンサは高さを低くできるため、導電性ワイヤーが長くなることを防止し、さらには、電気／光応答周波数特性における使用する周波数範囲での共振現象も抑制することが可能となる。

請求項１１に係る発明により、フィルタ回路は、中継基板上に形成された膜体による電気抵抗を含むため、フィルタ回路の電気抵抗を小型化できる上、トリミング等により抵抗値を容易に調整することも可能となる。このため、コンデンサの容量調整は積層セラミックコンデンサや単板コンデンサなどのコンデンサを交換したり、積層セラミックコンデンサの場合には複数個利用することで対応し、電気抵抗の抵抗値の調整はトリミング等で行うことで、各光導波路素子に適したフィルタ回路を簡便に調整することが可能となる。

請求項１２に係る発明により、変調電極の終端部に終端回路を接続するため、電気／光応答周波数の平坦化をフィルタ回路と終端回路との両者を組み合わせて行うことができるため、より様々な光導波路素子に対しても平坦化調整が可能となる。また、終端回路による光導波路素子の反射特性（Ｓ１１特性）も改善することができる。

光導波路素子モジュールを説明するための概略図である。 中継基板に抵抗器を配置した例を示す図である。 光導波路素子モジュールの他の例を説明するための概略図である。 フィルタ回路の一例を示す図である。 フィルタ回路に積層セラミックコンデンサを配置した図である。 積層セラミックコンデンサの断面図である。 積層セラミックコンデンサをフィルタ回路に用いた場合の電気／光応答周波数特性を示す図である。 フィルタ回路に単板コンデンサを配置した図である。 単板コンデンサの斜視図である。 中継線路及びその前後でのインピーダンスの変化の様子を示す図である。 本発明に係る中継基板の第１の実施例を示す図である。 本発明に係る中継基板の第２の実施例を示す図である。 本発明に係る中継基板の第３の実施例を示す図である。 本発明に係る中継基板の第４の実施例を示す図である。 積層セラミックコンデンサを積み重ねて配置した様子を示す図である。 積層セラミックコンデンサを膜体の電気抵抗の上側に配置した様子を示す図である。 単板コンデンサと膜体の電気抵抗とを用いたフィルタ回路の様子を示す図である。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子と、該変調電極に変調信号を入力する外部信号線が接続されるコネクタと、該コネクタと該変調電極とを接続すると共に、中継基板上に形成された中継線路とを有する光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路は信号電極を接地電極で挟むコプレーナ型線路であり、該中継線路のインピーダンスが段階的又は連続的に変化し、該光導波路素子モジュール内での該変調信号の反射を抑制するよう構成され、該中継線路の途中にはコンデンサを含むフィルタ回路が配置されていることを特徴とする。
本発明の光導波路素子モジュールにおけるインピーダンス調整は、中継基板に形成された中継線路のインピーダンスの調整で行っている。このため、従来の光導波路素子モジュールの製造工程を大きく変えずに、変調信号の反射や減衰を抑制し、変調電極に効率良く変調信号を印加することが可能となる。しかも、コンデンサを含むフィルタ回路を中継基板に形成しても、変調信号の反射が抑制され、光応答周波数特性をさらに改善した光導波路素子モジュールを提供することができる。

本発明の基本的構成は、中継基板の構造を除き、図１又は図３の構成と同様であることから、適宜、図１等を用いて本発明を説明する。また、以下では、光導波路素子の例として、ニオブ酸リチウムを用いた光変調器を中心に説明するが、本発明が適用される光導波路素子が、これらの光変調器に限定されるものではない。例えば、半導体を用いた光変調器のように、変調信号により駆動される光導波路素子であれば、本発明が適用可能である。

本発明が適用される光導波路素子について説明する。
基板１は、電気光学効果を有する基板や半導体基板など、光導波路素子の種類に応じて種々の基板が利用される。電気光学効果を有する基板としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料から構成され、具体的には、これら単結晶材料の、Ｘカット板、Ｙカット板、及びＺカット板から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成されやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いることが好ましい。

光導波路２は、いわゆるマッハツェンダ型光導波路であり、基板１上に、例えばチタン（Ｔｉ）などを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることで形成することができる。また、別の方法として、特許文献４に示すように光導波路に対応する部分にリッジ構造を形成し、光導波路を構成することも可能である。さらに上述のＴｉ等を利用する方法とリッジ構造とを併用することも可能である。

光導波路２を伝搬する光波を変調するため、光導波路２の上側や近傍には、必要に応じて変調電極が配置される。
変調電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより、基板１の表面又は裏面などに形成することが可能である。また、変調電極は、変調信号（ＡＣ信号又はＤＣ信号）を伝搬する信号電極３と該信号電極の周囲に配置される接地電極から構成される。

また、特に図示してないが、基板１と上述した変調電極との間にはＳｉＯ_２などのバッファ層を形成することもできる。これによって、光導波路を伝搬する光波が、変調電極により吸収又は散乱されることを効果的に防止することができる。また、変調電極から印加される変調信号と、光導波路内を導波する光波との速度整合にも寄与する。

本発明の光導波路素子モジュールでは、中継基板に形成される中継線路のインピーダンスを、図１０に示すように連続的に又は段階的に調整し、外部信号線のインピーダンスＩ_０と変調電極のインピーダンスＩ_１との不整合に起因する変調信号の反射を抑制している。なお、外部信号線とは図１におけるコネクタ８から駆動用ドライバ６側の伝送線路を意味しており、中継線路は図１の中継基板７に形成される伝送線路を意味している。

中継線路のインピーダンスの調整方法としては、図１１乃至１３に示すように、中継線路を信号電極２１と接地電極２２とによるコプレーナ電極で構成し、信号電極２１と接地電極２２との電極間隔を連続的又は段階的に変化させる方法がある。なお、各図の符号ＦＣで表示している楕円状の点線部分には、コンデンサを含むフィルタ回路が配置される。フィルタ回路の構成については後述する。

図１１では、信号電極２１の入力側の幅Ｗ_０と出力側の幅Ｗ_１とを同じ幅に設定し、入力側の電極間隔Ｇ_０より出力側の電極間隔Ｇ_１を狭くなるように設定している。なお、矢印Ａは変調信号の伝搬方向を示している。

図１２では、２つの接地電極２２の間隔を一定に保持しながら、信号電極２１の入力側の幅Ｗ_０より出力側の幅Ｗ_１の方が大きくなるように設定している。その結果、入力側の電極間隔Ｇ_０より出力側の電極間隔Ｇ_１が狭くなる。図１１及び図１２を組み合わせ、図１１に示すように、２つの接地電極２２の間隔を徐々に狭くし、かつ、図１２に示すように、信号電極２１の幅を徐々に大きくするよう構成することも可能である。

中継線路内で変調信号であるマイクロ波が定在波を形成すると、中継線路でマイクロ波が反射する機会が増加する。これを避けるため、中継線路の長さＬを、変調信号であるマイクロ波波長の４分の１の整数倍とならない長さ、または、マイクロ波波長の２分の１未満の長さとすることにより、中継線路内でマイクロ波の定在波が発生するのを抑制することが可能となる。

次に、図１３に示すように、中継線路のインピーダンスを段階的に変化させることも可能である。図１３では、信号電極２１の入力側の幅Ｗ_０と出力側の幅Ｗ_１とを同じ幅に設定し、信号電極２１と接地電極２２との電極間隔（ｇ_１〜ｇ_３）を、入力側から出力側に向かって、段階的に減少させている。図１３では、信号電極の幅を一定としたが、図１２のように信号電極の幅が連続的に変化する形状や、段階的に増加する形状なども採用可能である。

図１３のようにインピーダンスが段階的に変化する場合には、各段階を構成するブロックでの中継線路の長さ（ｌ_１〜ｌ_３）は、変調信号であるマイクロ波波長の４分の１未満の長さとすることにより、各段階を構成するブロックの中継線路内部にてマイクロ波の定在波が発生するのが抑制され、変調信号の反射を抑制することが可能となる。

また、中継線路のインピーダンスを変化させる方法として、図１４（ａ）に示すように、信号電極２１の幅（Ｗ０，Ｗ１）や、信号電極２１と接地電極２２との間隔（Ｇ０，Ｇ１）を一定とし、中継線路の周囲に配置される一部の材料の誘電率が、コネクタ側から光導波路素子側に向かって大きくなるように調整することも可能である。具体的には、図１４（ａ）の矢印Ｂにおける断面図である図１４（ｂ）のように、中継基板のベース板２３の材質を段階的に変化させる等の方法で誘電率を変化させたり、図示していないが、信号電極２１と接地電極との間、さらには信号電極２１と接地電極の一部を覆うような形状で誘電体を配置し、信号電極に沿って誘電率の異なる膜を段階的に形成する等して調整するよう構成することもできる。

図１０乃至図１４では、中継線路のインピーダンスを光導波路素子側に向かって、段階的又は連続的に低下させるものを示したが、光導波路素子の変調電極のインピーダンスが外部信号線のインピーダンスより高い場合には、中継線路のインピーダンスは光導波路素子側に向かって、逆に増加するよう変化させることは、言うまでもない。

また、図１１乃至１４に示した実施例では、中継線路のインピーダンスを調整する方法を中心に説明しているが、各図の符号ＦＣで表示している楕円状の点線部分には、コンデンサを含むフィルタ回路が配置される。

次に、フィルタ回路で使用するコンデンサについて説明する。
本発明の光導波路素子モジュールでは、コンデンサとして積層セラミックコンデンサ１１０を、図５に示すように配置することができる。中継基板本体１１４上に電気線路１１２，１１３を形成し、両者を電気的に接続するように、積層セラミックコンデンサのチップを配置する。電気線路１１２，１１３の一例としては、図１１乃至図１４で説明した信号電極２１を途中で切断したものが利用できる。

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、共振現象を起こす原因は、図６に示すような櫛の歯状の電極に起因することを突き止め、しかも、コンデンサの静電容量に対応して、図７の共振周波数ｆ_０が変化する、特に、静電容量が増加するに従いｆ_０が低くなる傾向があることを発見し、本発明を完成する至ったものである。

よって、フィルタ回路に配置される積層セラミックコンデンサは、３ｐＦ以下のものであることが必要である。このような静電容量を有する積層セラミックコンデンサを使用することにより、図７に示すような電気／光応答周波数特性における共振周波数の発生を、ｆ_０＝２５ＧＨｚまでシフトさせることが確認されている。

また、３ｐＦより大きな静電容量を確保する場合には、複数の積層セラミックコンデンサを使用して対応することが好ましい。この場合には、図１５に示すように、中継基板１１４上に積層セラミックコンデンサ１１０を積み重ねて配置することにより、フィルタ回路基板を大型することなく、コンデンサの並列回路が容易に実現できる。

しかも、積層セラミックコンデンサを積み重ねることにより、共振周波数を、より高周波側にシフトすることができ、高周波特性を改善することができる。例えば、２ｐＦのコンデンサ１個を実装した場合、共振周波数は３０ＧＨｚであるが、１ｐＦのコンデンサを２個積み重ねた場合には、共振周波数は１ｐＦの共振周波数である４５ＧＨｚにシフトする。

フィルタ回路に電気抵抗を構成するには、コンデンサと同様にチップ型の抵抗を利用することも可能であるが、特許文献２に示すように基板１１４上に形成されたＴｉ_２Ｎ等の膜体による電気抵抗を用いることも可能である。このような膜体の電気抵抗は、フィルタ回路の電気抵抗を小型化できる上、トリミング等により抵抗値を容易に調整することも可能となる。

さらに、図１６に示すように、膜体の電気抵抗１１１に重ねて、積層セラミックコンデンサ１１０を配置することにより、フィルタ回路をより小型化することも可能となる。

次に、本発明の光導波路素子モジュールに関する、電気／光変換応答の周波数特性の変化について、実験例を説明する。
光導波路素子としてＬＮ変調器（住友大阪セメント社製、T.MXH1.5-10）を用い、入力インターフェースと変調電極との間に、図４に示すハイパスフィルタを設置した。

ハイパスフィルタのコンデンサは、積層セラミックコンデンサ（松下電器社製、ＥＣＤシリーズ０６０３サイズ）の静電容量１，２及び３ｐＦを使用し、抵抗は、Ｔｉ_２Ｎの薄膜で電気線路間に形成した、抵抗値は約１０Ωであった。

光コンポーネントアナライザ（アジレント社製，８６０３０Ａ）により、電気／光変換応答の周波数特性を測定し、共振周波数ｆ_０を測定したところ、３ｐＦの場合はｆ_０が２５ＧＨｚ、２ｐＦの場合はｆ_０が３０ＧＨｚ、さらに１ｐＦの場合はｆ_０が４５ＧＨｚであった。
このことから、積層セラミックコンデンサを使用する場合には、３ｐＦ以下のものを利用することで、電気／光応答周波数特性の平坦化を２０ＧＨｚ以上まで拡大可能なことが容易に理解される。

次に、コンデンサとして、単板コンデンサ２１０を、図８に示すように配置する。中継基板本体２１４上に電気線路２１２，２１３を形成し、単板コンデンサ２１０の下面の電極が電気線路２１２と電気的に接続するよう配置し、単板コンデンサ２１０の上面の電極には、電気線路２１３とを電気的に接続するように金線等の導電性ワイヤー２２０で接続する。電気線路２１２，２１３の一例としては、図１１乃至図１４で説明した信号電極２１を途中で切断したものが利用できる。

フィルタ回路に配置される単板コンデンサは、コンデンサ内の誘電体の比誘電率を１０００以下にするものを選択することにより、電極面積Ｓが０．０４〜０．２ｍｍ^２程度の場合には、電極間の距離ｄを０．０５ｍｍ以下に抑制することができるため、共振周波数も２０ＧＨｚ以下で発生することが抑制できる。しかも、静電容量Ｃが３ｐＦ以下を実現することが可能となる。このような単板コンデンサを用いることで、約２５ＧＨｚ以上の信号周波数についても効果的に通過するハイパスフィルタを実現することが可能となる。

フィルタ回路に電気抵抗を構成するには、チップ型の抵抗を利用することも可能であるが、特許文献２に示すように基板２１４上に形成されたＴｉ_２Ｎ等の膜体による電気抵抗を用いることも可能である。このような膜体の電気抵抗は、フィルタ回路の電気抵抗を小型化できる上、トリミング等により抵抗値を容易に調整することも可能となる。

さらに、図１７に示すように、膜体抵抗の厚みが電気線路の厚みより薄い場合には、電気抵抗２１１側に単板コンデンサ２１０を飛び出して配置し、単板コンデンサの上面の電極と電気線路２１３とを結ぶ導電性ワイヤーの長さをより短くすることも可能となる。なお、図３の膜体抵抗がない場合でも同様に、電気線路２１２から単板コンデンサを飛び出して配置することも可能である。

また、本発明の光導波路素子モジュールにおいては、コンデンサを含むフィルタ回路に加えて、図３に示すように、変調電極の終端部に終端回路１０８を接続することも可能である。これにより、特許文献１乃至３にも記載されているように、終端回路の電気／光応答周波数の平坦化効果や光導波路素子の反射特性（Ｓ１１特性）の改善効果も併せて期待できる。特に、本発明のフィルタ回路との組み合わせによる相乗効果も期待できる。

以上説明したように、本発明によれば、光導波路素子の変調電極が有するインピーダンスと、光導波路素子の外部から変調信号を入力する伝送線路のインピーダンスとが異なる場合でも、変調信号の反射を抑制し、かつ、変調信号の減衰を抑制すると共に、光導波路素子の変調電極に変調信号を入力する線路上に、コンデンサを含むフィルタ回路を配置した場合でも、数十ＧＨｚの広帯域に渡り光応答周波数特性を平坦化可能な光導波路素子モジュールを提供することが可能となる。

１，１０１ 基板
２，１０２ 光導波路
３，１０３ 信号電極
４，１０４ 入力用光ファイバ
５，１０５ 出力用光ファイバ
６，１０６ 駆動用ドライバ
７，１０７ 中継基板
８ コネクタ
９，１０９ 筐体
１１，１３ 抵抗器
１２ コンデンサ
１１ 電気抵抗（膜体抵抗）
２１ 信号電極
２２ 接地電極
２３ ベース板
１０８ 終端回路
１１０ コンデンサ（積層セラミックコンデンサ）
１１１，２１１ 電気抵抗（膜体抵抗）
１１２，１１３，２１２，２１３ 電気線路
１１４，２１４ 中継基板本体（フィルタ回路基板）
１２０，１２１ 端子
１２２，１２３ 電極
１３０ 電気／光応答周波数特性
２１０ コンデンサ（単板コンデンサ）
２１５，２１７ 電極
２１６ 誘電体
２２０ 導電性ワイヤー

Claims (12)

1. 基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子と、
   該変調電極に変調信号を入力する外部信号線が接続されるコネクタと、
   該コネクタと該変調電極とを接続すると共に、中継基板上に形成された中継線路とを有する光導波路素子モジュールにおいて、
   該中継線路は信号電極を接地電極で挟むコプレーナ型線路であり、該中継線路のインピーダンスが段階的又は連続的に変化し、該光導波路素子モジュール内での該変調信号の反射を抑制するよう構成され、
   該中継線路の途中にはコンデンサを含むフィルタ回路が配置されていることを特徴とする光導波路素子モジュール。
2. 請求項１に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路の長さは、変調信号であるマイクロ波波長の４分の１の整数倍とならない長さであることを特徴とする光導波路素子モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路の長さは、変調信号であるマイクロ波波長の２分の１未満であることを特徴とする光導波路素子モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路のインピーダンスは段階的に変化し、各段階を構成するブロックでの中継線路の長さは変調信号であるマイクロ波波長の４分の１未満であることを特徴とする光導波路素子モジュール。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路は、該信号電極と該接地電極とのギャップが、コネクタ側から光導波路素子側に向かって狭くなるように調整されていることを特徴とする光導波路素子モジュール。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継線路の周囲に配置される一部の材料の誘電率が、コネクタ側から光導波路素子側に向かって大きくなるように調整されていることを特徴とする光導波路素子モジュール。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該コンデンサは、複数の積層セラミックコンデンサをフィルタ回路基板上に積み重ねて配置すると共に、該積層セラミックコンデンサの１個の静電容量が３ｐＦ以下のもののみを使用することを特徴とする光導波路素子モジュール。
8. 請求項７に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該フィルタ回路は、該中継基板上に形成された膜体による電気抵抗を有し、該電気抵抗に重ねて積層セラミックコンデンサを配置することを特徴とする光導波路素子モジュール。
9. 請求項１乃至６のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該コンデンサは単板コンデンサであり、該コンデンサ内の電極間の距離が０．０５ｍｍ以下、かつ、該電極間内の誘電体の比誘電率が１０００以下であり、該フィルタ回路による共振周波数が２０ＧＨｚより高いことを特徴とする光導波路素子モジュール。
10. 請求項９に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該フィルタ回路は、該中継基板に形成された複数の電気線路の一つに、該単板コンデンサの下面の電極が接触するよう該単板コンデンサを配置し、該単板コンデンサの上面の電極と他の電気線路とを導電性ワイヤーで接続することを特徴とする光導波路素子モジュール。
11. 請求項１乃至１０に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該フィルタ回路は、該中継基板上に形成された膜体による電気抵抗を含むことを特徴とする光導波路素子モジュール。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該変調電極の終端部に終端回路を接続することを特徴とする光導波路素子モジュール。

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