JP2011232583A - 光変調器モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高周波接続配線基板を有する光変調器モジュールにおいて、環境温度が大きく変化した際にも変調用基板の破損が生じない光変調器モジュールを提供する。
【解決手段】本体基板上に中心導体と接地導体とを有し、中心導体の一端側から１０Ｇｂｐｓ以上の高周波電気信号が入力され、中心導体の他端側から高周波電気信号が出力される高周波接続配線基板と、電気光学効果を有する変調用基板上に、光導波路と、中心導体と接地導体からなる電極が形成され、高周波接続配線基板から出力された高周波電気信号が入力されるよう、高周波接続配線基板と電気的に接続された光変調器チップと、高周波接続配線基板と光変調器チップとを内部に収納した筐体と、を具備し、高周波接続配線基板の端と光変調器チップの端とが、電気的に接続される部位において所定距離離れて対向配置され、該所定距離が６μｍ以上であり、かつ７００μｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信などで数十ＧＨｚの高速で動作させる光デバイスや電子デバイスとそれらと駆動するための電気ドライバとの接続に適用する高周波接続配線基板を備えた光変調器モジュールに関する。

高速電気接続配線を適用する代表的な光デバイスとして誘電体材料を用いた光変調器がある。近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されているが、このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、かつ低価格の光変調デバイスの開発が求められている。

このような要望に応える光デバイスとして、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ₃）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（変調用基板であり、以下ＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）がある。このＬＮ光変調器は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｐｓ、１０Ｇｂｐｓの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに、複数のマッハツェンダ光導波路をネスト状に組み合わせた４０Ｇｂｐｓ、あるいは１００Ｇｂｐｓの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。

以下、従来、ＬＮ光変調器の概略と高周波接続配線基板を用いた光変調器モジュールについて説明する。

図４に特許文献１に開示されたｚ−カットＬＮ基板を用いたＬＮ光変調器チップ３０の斜視図を示す。また、図５には図４のＡ−Ａ´における断面図を示す。ｚ−カットＬＮ基板１上に光導波路３が形成されている。この光導波路３は、金属Ｔｉを１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、後で述べるようにマッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。したがって、光導波路３の電気信号と光が相互作用する部（相互作用部と言う）には２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂ、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームが形成されている。

この光導波路３の上面にＳｉＯ₂バッファ層２とその上にｚ−カットＬＮ基板１を用いて製作したＬＮ光変調器に特有の焦電効果に起因する温度ドリフトを抑圧するためのＳｉ導電層２´を形成する。さらに、このＳｉ導電層２´の上面に進行波電極４が形成されている。進行波電極４としては、１つの中心導体４ａと２つの接地導体４ｂ、４ｃを有するコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を用いている。なお、通常、進行波電極４はＡｕにより形成されている。

変調用の１０Ｇｂｐｓ以上の高周波電気信号をこのＬＮ光変調器チップ３０の中心導体４ａと接地導体４ｂに供給すると、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間に電界が印加される。ｚ−カットＬＮ基板１は電気光学効果を有するので、この電界により屈折率変化を生じ、２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の位相にずれが発生する。このずれがπになった場合、光導波路３のマッハツェンダ光導波路としての合波部において高次モードを励振するので光はＯＦＦ状態になる。中心導体４ａと接地導体４ｂの間に電圧を印加すると、光信号（あるいは、光出力）はＯＮ→ＯＦＦ→ＯＮを繰り返す。

ＬＮ光変調器チップを実際に使用する際には、パッケージ（あるいは筐体）の中に入れた、いわゆる光変調器モジュールとして使用する。図６に光変調器モジュール５０の模式的な上面図を示す。ここで、５は筐体である。７ａ、７ｂは各々光入射用単一モード光ファイバ、及び光出射用単一モード光ファイバ、８は高周波コネクタ（あるいは、ＲＦコネクタと呼ぶ）、９は高周波コネクタの芯線である。また、６は筐体５に設けた空洞である。

また、Ｉは高周波コネクタの芯線９とＬＮ光変調器チップ３０とを電気的に接続するという極めて重要な役割をする高周波接続配線基板（あるいは、展開基板と呼ぶ）である。ここでは特許文献２に開示されたマイクロストリップ−ＣＰＷ変換型の構成として示す。

なお、１０は高周波接続配線基板Ｉの本体である本体基板（高周波基板、あるいは簡単に基板と呼ぶ）、１１は高周波接続配線基板Ｉの中心導体、１２と１３は高周波接続配線基板Ｉの接地導体、１４は筐体５と接地導体１２、１３との電気的導通をとるためのビアホール、１５、１６、１６´は高周波接続配線基板ＩとＬＮ光変調器チップ３０とを電気的に接続するワイヤーである。高周波接続配線基板ＩとＬＮ光変調器チップ３０は筐体５に形成された不図示の台座に固定されている。

高周波接続配線基板Ｉを介してＬＮ光変調器チップ３０に形成した中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極に高周波コネクタ９から入力された高周波電気信号を最も効率よく伝搬させるには、図６に示したように、好ましくは高周波接続配線基板Ｉの本体基板１０とｚ−カットＬＮ基板１の側面同士を密着させた方が良い。

さて、ＬＮ光変調器においては筐体５の材料として熱膨張係数がＬＮ基板に近いステンレスが使用される。例えば、ｚ−カットＬＮ基板１の長手方向の熱膨張係数は１７．２ｘ１０^-6〔１／Ｋ〕とステンレスの熱膨張係数１６．５ｘ１０^-6〔１／Ｋ〕に近い。

ところが、一般に高周波接続配線基板Ｉの本体基板として用いられる、例えばセラミックであるアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などの熱膨張係数は６．８ｘ１０^-6〔１／Ｋ〕と、上に述べたステンレスからなる筐体５やｚ−カットＬＮ基板１の熱膨張係数の値から大きく異なっている。従って、ＬＮ光変調器モジュールとして一般的に使用される−４０℃〜８０℃のヒートサイクル試験において、熱膨張係数の差によって主にｚ−カットＬＮ基板１にクラックが入ってしまうという重大な問題が時々生じていた。

そこで、このＬＮ基板のクラックを避けるためには簡単には高周波接続配線基板Ｉの本体基板（正確には、高周波接続配線基板Ｉの本体基板の側面）とｚ−カットＬＮ基板１（正確には、ｚ−カットＬＮ基板１の側面）とを充分に（一般に８００μｍ程度）離すのが慣習であった。しかしながら、そうすると高周波コネクタ９から入力された高周波電気信号のＬＮ光変調器チップ３０に形成した中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極への伝搬の効率が著しく悪化する、換言すると高周波電気信号のＳ₂₁やＳ₁₁の値が劣化してしまう場合があった。

特公平７−０１３７１１号公報 特開２００３−６０４０３号公報

以上のように、従来技術では光変調器モジュールを構成する筐体及びＬＮ基板と高周波接続配線基板の熱膨張係数が大きく異なっているため、光変調器モジュールの環境温度が変化した場合に、ＬＮ基板と高周波接続配線基板を相対向させて密着させるとＬＮ基板にクラックが入る場合があった。また、これを避けるために高周波接続配線基板とＬＮ基板とを８００μｍ程度離すと高周波電気信号の進行波電極への伝搬特性（Ｓ₂₁やＳ₁₁）が劣化するという問題があった。

本発明は環境温度が大きく変化してもＬＮ基板が破壊されず、かつ高周波電気信号を高周波コネクタから高周波接続配線基板を介して進行波電極へ効率よく伝搬させることが可能な光変調器モジュールの提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器モジュールは、本体基板上に中心導体と接地導体とを有し、前記中心導体の一端側から１０Ｇｂｐｓ以上の高周波電気信号が入力され、前記中心導体の他端側から前記高周波電気信号が出力される高周波接続配線基板と、電気光学効果を有する変調用基板上に、光導波路と、中心導体と接地導体からなる電極が形成され、前記高周波接続配線基板から出力された前記高周波電気信号が入力されるよう、前記高周波接続配線基板と電気的に接続された光変調器チップと、前記高周波接続配線基板と前記光変調器チップとを内部に収納した筐体と、を具備し、前記高周波接続配線基板の端と前記光変調器チップの端とが、前記電気的に接続される部位において所定距離離れて対向配置され、該所定距離が６μｍ以上であり、かつ１００μｍ以下であることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項２の光変調器モジュールは、本体基板上に中心導体と接地導体とを有し、前記中心導体の一端側から１０Ｇｂｐｓ以上の高周波電気信号が入力され、前記中心導体の他端側から前記高周波電気信号が出力される高周波接続配線基板と、電気光学効果を有する変調用基板上に、光導波路と、中心導体と接地導体からなる電極が形成され、前記高周波接続配線基板から出力された前記高周波電気信号が入力されるよう、前記高周波接続配線基板と電気的に接続された光変調器チップと、前記高周波接続配線基板と前記光変調器チップとを内部に収納した筐体と、を具備し、前記高周波接続配線基板の端と前記光変調器チップの端とが、前記電気的に接続される部位において所定距離離れて対向配置され、該所定距離が６μｍ以上であり、かつ２００μｍ以下であることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項３の光変調器モジュールは、本体基板上に中心導体と接地導体とを有し、前記中心導体の一端側から１０Ｇｂｐｓ以上の高周波電気信号が入力され、前記中心導体の他端側から前記高周波電気信号が出力される高周波接続配線基板と、電気光学効果を有する変調用基板上に、光導波路と、中心導体と接地導体からなる電極が形成され、前記高周波接続配線基板から出力された前記高周波電気信号が入力されるよう、前記高周波接続配線基板と電気的に接続された光変調器チップと、前記高周波接続配線基板と前記光変調器チップとを内部に収納した筐体と、を具備し、前記高周波接続配線基板の端と前記光変調器チップの端とが、前記電気的に接続される部位において所定距離離れて対向配置され、該所定距離が６μｍ以上であり、かつ７００μｍ以下であることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項４の光変調器モジュールは、請求項１乃至３のいずれか一項の光変調器モジュールにおいて、前記変調用基板がｚ−カットＬＮ基板であることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項５の光変調器モジュールは、請求項１乃至３のいずれか一項の光変調器モジュールにおいて、前記変調用基板がｘ−カットＬＮ基板であることを特徴としている。

本発明の光変調器モジュールでは、高周波接続配線基板の本体基板の側面とＬＮ基板の側面が密着しておらず、かつそれらの間に６μｍ以上で、かつ７００μｍ以下の幅の空隙を設けている。従って、環境温度が大きく変化した場合にもＬＮ基板にクラックが入ることがないとともに、また高周波コネクタから入力された高周波電気信号が高周波接続配線基板を介してＬＮ基板上に形成した中心導体と接地導体からなる進行波電極に低周波領域から高周波領域まで優れたＳ₂₁とＳ₁₁で伝搬するという利点がある。

本発明の実施形態に係わる光変調器モジュールの概略構成を示す上面図 機械的強度の観点から本発明の原理を説明する図 電気的特性の観点から本発明の原理を説明する図 従来の光変調器チップの概略構成を示す斜視図 図４のＡ−Ａ´から見た簡略的な断面図 従来の光変調器モジュールの概略構成を示す上面図

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、図４から図６に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。光変調器モジュールとしての態様は図６に示す従来技術の態様と同様である。

（実施形態）
本発明による光変調器モジュールの実施形態の上面図を図１に示す。図では、高周波接続配線基板ＩＩとｚ−カットＬＮ基板１に形成したＬＮ光変調器の接続部を拡大している。なお、高周波接続配線基板ＩＩに形成する電極としてＣＰＷ−ＣＰＷ変換型の線路を用いているが、これは一例であり、図６のようなマイクロストリップ−ＣＰＷ変換型などその他の各種線路でもよいことはいうまでもない。１７は高周波接続配線基板ＩＩの中心導体、１８と１９はその接地導体、２０は接地導体１８、１９と筐体５との電気的な導通をとるビアホールである。

図１からわかるように、本発明の実施形態では高周波接続配線基板ＩＩを構成する本体基板１０の側面（基板の端）１０ａとＬＮ光変調器を構成するｚ−カットＬＮ基板１の側面（基板の端）１ａとの間を所定距離離し、幅Ｇａｐの空隙２１を設けている。

図２は機械的な強度の観点から本発明の原理と効果を説明する図である。一般にヒートサイクル試験では−４０℃〜８０℃まで環境温度を変化させる。前述のように、ｚ−カットＬＮ基板１の長手方向の熱膨張係数は１７．２ｘ１０^-6〔１／Ｋ〕、ステンレスの熱膨張係数１６．５ｘ１０^-6〔１／Ｋ〕、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などセラミックの熱膨張係数は６．８ｘ１０^-6〔１／Ｋ〕であるから、本体基板１０の長さ（高周波電気信号の伝搬方向の基板長さ）を光変調器モジュール内においてよく使われる５ｍｍ程度と仮定すると、ヒートサイクル試験時における熱膨張の差は約６μｍとなる。

光変調器モジュールの環境温度を変化させた場合に発生する故障の様子について、実際に光変調器モジュールを製作して実験を行った結果を図２に示す。図２からわかるように、本体基板１０の側面１０ａとｚ−カットＬＮ基板１の側面１ａとの間に設けた空隙２１の幅Ｇａｐが５μｍ以下の場合にはほとんどの光変調器モジュールにおいてｚ−カットＬＮ基板１にクラックが入った。一方、空隙２１の幅Ｇａｐが６μｍ以上の場合には全ての場合においてｚ−カットＬＮ基板１にクラックが入ることは無かった。そして、５〜６μｍの場合にはクラックが入る場合と入らない場合とがあった。

以上のことから、光変調器モジュールの環境温度が変化し、熱膨張や熱収縮が発生した際、本体基板１０や筐体５、さらにｚ−カットＬＮ基板１の機械的強度の観点からは空隙２１の幅Ｇａｐとしては少なくとも６μｍ以上必要であると結論付けることができる。

図３は高周波電気信号の伝搬という電気的な特性の観点から本発明の原理と効果を説明する図である。図の横軸は図２と同じく、高周波接続配線基板ＩＩを構成する本体基板１０の側面１０ａとＬＮ光変調器を構成するｚ−カットＬＮ基板１の側面１ａとの間に幅Ｇａｐの空隙２１をとり、縦軸には高周波コネクタ８から印加された高周波電気信号が高周波接続配線基板ＩＩを介して、ｚ−カットＬＮ基板１に形成された中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極に伝搬する際の透過特性Ｓ₂₁と反射特性Ｓ₁₁を示している。

この図３からわかるように、本体基板１０の側面１０ａとｚ−カットＬＮ基板１の側面１ａに設けた空隙２１の幅Ｇａｐが２００μｍ以下では良い透過特性Ｓ₂₁と反射特性Ｓ₁₁であるということができる。特に、１００μｍ以下では、全く問題のない良い特性である。ところが、７００μｍを超えると急速に劣化することがわかる。使用に耐えることができたのは７００μｍ以下であった。このように、空隙２１による高周波電気信号の反射、及びそれに起因する共振により透過特性Ｓ₂₁と反射特性Ｓ₁₁は大きく変化することがわかる。

以上のことから高周波接続配線基板ＩＩを構成する本体基板１０の側面１０ａとＬＮ光変調器を構成するｚ−カットＬＮ基板１の側面１ａとの間の空隙２１の幅Ｇａｐは、機械的な強度の観点からは６μｍ以上とし、高周波電気信号の伝搬という電気的な観点からは空隙２１の幅Ｇａｐを１００μｍ以下とすると最も好適で有り、優れた特性を得ることが可能であるが、２００μｍ以下でも比較的良い特性を得ることができる。そして７００μｍ以下ならば使用に耐えることができると結論付けることができる。

なお、図３の結果を得た際の測定周波数は１０ＧＨｚである。また実際の波形伝送の実験的では１０Ｇｂｐｓ以上の高周波電気信号において本発明は極めて有効であることを確認している。

高周波接続配線基板ＩＩの本体基板１０の側面１０ａとｚ−カットＬＮ基板１の側面１ａに設けた空隙２１の幅Ｇａｐについて電気的な観点から注釈を加えると、高周波接続配線基板ＩＩに設けた中心導体１７と接地導体１８、１９のエッジと相対向するｚ−カットＬＮ基板１に形成された中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃのエッジ間の距離ともいう事ができる。

但し、上記の空隙２１の幅Ｇａｐについて１００μｍ、２００μｍ、７００μｍという値は、高周波接続配線基板ＩＩの比誘電率、中心導体１７と接地導体１８、１９のパターン形状、及びビア２０の配置により若干変動するので、空隙２１の幅Ｇａｐがこれらに近い値であれば本発明に属するといえる。

また機械的な観点からは空隙２１の幅Ｇａｐとは本体基板１０の側面１０ａとｚ−カットＬＮ基板１の側面１ａの間における距離である。

（各種実施形態）
以上において、本発明の光変調器モジュールとしてはｚ−カットＬＮ基板を用いる光変調器について説明したが、ｘ−カットＬＮ基板を用いても良いことはいうまでもないし、他の結晶方位のＬＮ基板や電気光学効果を有するその他の基板でも良いことはいうまでもない。

また、高周波電気信号は高周波コネクタから入力されるとしたが、筐体にフィードスルーを設け、そこから高周波電気信号を高周波接続配線基板に供給しても良い。さらに上記においては高周波信号の光変調器チップへの入力側に高周波接続配線基板を設けるの実施形態について説明したが、高周波電気信号が光変調器チップから出力される側について、本発明を適用しても良いことはいうまでもない。そして電極としては進行波電極として説明したが、集中定数型電極であっても良い。

また、高周波接続配線基板を形成する基板としてＡｌ₂Ｏ₃基板、ＡＬＮ、あるいは石英基板でも良いし、半導体基板でも良い。さらに、電極構成としては構造が対称なＣＰＷ電極を用いた構成について説明したが、構造が非対称なＣＰＷ電極でも良いし、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）あるいは対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）など、その他の構成でも良い。

また、本実施形態では高周波接続配線基板に1つのＣＰＷ（つまり、１つの中心導体）がある場合について説明したが、複数のＣＰＷ（つまり、複数の中心導体）がある実施形態や、ＤＱＰＳＫやＤＰ−ＱＰＳＫのような複数のマッハツェンダ光変調器を含むネスト構造にも適用可能である。

また、高周波接続配線基板を構成する本体基板の側面とＬＮ光変調器を構成するｚ−カットＬＮ基板の側面との間を所定距離離し、幅Ｇａｐの空隙を設ける構造として説明してきたが、接着剤等で両側面間を接続する構造としてもよい。

以上のように、本発明により環境温度の変化に対して機械的に強く、高信頼で、かつ高周波コネクタから光変調器の進行波電極への高周波電気信号の伝搬特性について大幅に改善された光変調器モジュールを提供できる。

１：ｚ−カットＬＮ基板（ＬＮ基板）
２：ＳｉＯ₂バッファ層
２´：Ｓｉ導電層
３：マッハツェンダ光導波路（光導波路）
３ａ、３ｂ：相互作用光導波路
４：進行波電極（電極）
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ：接地導体
５：筺体
６：空洞
７ａ：光入射用単一モード光ファイバ
７ｂ：光出射用単一モード光ファイバ
８：高周波コネクタ
９：高周波コネクタの芯線
１０：高周波接続配線基板の本体基板（基板）
１１、１７：高周波接続配線基板の基板の中心導体
１２、１３、１８、１９：高周波接続配線基板の基板の接地導体
１４、２０：ビアホール
１５、１６、１６´：ワイヤー
３０：ＬＮ光変調器チップ
２１：高周波接続配線基板ＩＩとＬＮ変調器チップ３０の間に設けた空隙
５０：光変調器モジュール
Ｉ、ＩＩ：高周波接続配線基板

Claims (5)

1. 本体基板上に中心導体と接地導体とを有し、前記中心導体の一端側から１０Ｇｂｐｓ以上の高周波電気信号が入力され、前記中心導体の他端側から前記高周波電気信号が出力される高周波接続配線基板と、
   電気光学効果を有する変調用基板上に、光導波路と、中心導体と接地導体からなる電極が形成され、前記高周波接続配線基板から出力された前記高周波電気信号が入力されるよう、前記高周波接続配線基板と電気的に接続された光変調器チップと、
   前記高周波接続配線基板と前記光変調器チップとを内部に収納した筐体と、を具備し、
   前記高周波接続配線基板の端と前記光変調器チップの端とが、前記電気的に接続される部位において所定距離離れて対向配置され、
   該所定距離が６μｍ以上であり、かつ１００μｍ以下であることを特徴とする光変調器モジュール。
2. 本体基板上に中心導体と接地導体とを有し、前記中心導体の一端側から１０Ｇｂｐｓ以上の高周波電気信号が入力され、前記中心導体の他端側から前記高周波電気信号が出力される高周波接続配線基板と、
   電気光学効果を有する変調用基板上に、光導波路と、中心導体と接地導体からなる電極が形成され、前記高周波接続配線基板から出力された前記高周波電気信号が入力されるよう、前記高周波接続配線基板と電気的に接続された光変調器チップと、
   前記高周波接続配線基板と前記光変調器チップとを内部に収納した筐体と、を具備し、
   前記高周波接続配線基板の端と前記光変調器チップの端とが、前記電気的に接続される部位において所定距離離れて対向配置され、
   該所定距離が６μｍ以上であり、かつ２００μｍ以下であることを特徴とする光変調器モジュール。
3. 本体基板上に中心導体と接地導体とを有し、前記中心導体の一端側から１０Ｇｂｐｓ以上の高周波電気信号が入力され、前記中心導体の他端側から前記高周波電気信号が出力される高周波接続配線基板と、
   電気光学効果を有する変調用基板上に、光導波路と、中心導体と接地導体からなる電極が形成され、前記高周波接続配線基板から出力された前記高周波電気信号が入力されるよう、前記高周波接続配線基板と電気的に接続された光変調器チップと、
   前記高周波接続配線基板と前記光変調器チップとを内部に収納した筐体と、を具備し、
   前記高周波接続配線基板の端と前記光変調器チップの端とが、前記電気的に接続される部位において所定距離離れて対向配置され、
   該所定距離が６μｍ以上であり、かつ７００μｍ以下であることを特徴とする光変調器モジュール。
4. 前記変調用基板がｚ−カットＬＮ基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。
5. 前記変調用基板がｘ−カットＬＮ基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。
   
   
   

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