JP2013250441A - 光学デバイスおよび伝送線路 - Google Patents

Abstract

【課題】特性の劣化を抑制すること。
【解決手段】グランド電位に接続される基準パターン４４ａおよび４４ｂが表面に設けられた絶縁基板５０と、前記絶縁基板上に搭載された光素子１０と、前記絶縁基板上に形成され、その両側に前記基準パターンが配置された関係で信号線路４２を備え、先端が前記光素子と電気的に接続されるコプレーナ線路４０と、前記信号線路を跨いで、前記信号線路の両側の前記基準パターン同士を電気的に接続するボンディングワイヤ３４と、を備え、前記コプレーナ線路の先端と前記絶縁基板の端部との間における前記基準パターンの幅Ｌ１は５０μｍ以下である光学デバイス。
【選択図】図４

Description

本発明は、光学デバイスおよび伝送線路に関し、例えば、光変調器に入力する信号を伝送するコプレーナ線路を備える光学デバイスおよび伝送線路に関する。

高速光通信用の光モジュール等には、信号光を変調する光変調器が用いられる。光変調器は、電気入力信号に応じ出力する光信号を強度変調する。例えば、特許文献１には、ＥＡ（Electro-Absorption）光変調器を用いた光部品が記載されている。光変調器は入力された変調信号に基づいて、連続光を強度変調する。この変調信号は１０〜４０Ｇｂｐｓあるいはそれ以上に達する。このため、変調信号の伝送には高周波伝送を考慮した設計を行う。

特開２００５−２５２２５１号公報

光変調器に入力する信号を伝送する伝送線路としてコプレーナ線路を用いる場合、コプレーナ線路の基準パターンの幅が狭くなると伝送線路のインピーダンスが変化する。これにより、伝送特性が変化することがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、特性の劣化を抑制することを目的とする。

本発明は、グランド電位に接続される基準パターンが表面に設けられた絶縁基板と、前記絶縁基板上に搭載された光素子と、前記絶縁基板上に形成され、その両側に前記基準パターンが配置された関係で信号線路を備え、先端が前記光素子と電気的に接続されるコプレーナ線路と、前記信号線路を跨いで、前記信号線路の両側の前記基準パターン同士を電気的に接続するボンディングワイヤと、を備え、前記コプレーナ線路の先端と前記絶縁基板の端部との間における前記基準パターンの幅は５０μｍ以下であることを特徴とする光学デバイスである。本発明によれば、特性の劣化を抑制することができる。

上記構成において、前記第１ボンディングワイヤは複数設けられてなる構成とすることができる。

上記構成において、前記絶縁基板の裏面の電位は、他の電位から電気的に分離されてなる構成とすることができる。

上記構成において、前記絶縁基板の端部は、前記絶縁基板の端部のうち、前記光素子の端部が位置する端部である構成とすることができる。

上記構成において、前記光素子は、半導体レーザまたは光変調器である構成とすることができる。

上記構成において、前記絶縁基板の表面には、前記基準パターンとは電気的に分離された独立パターンが設けられてなり、前記独立パターンには、電子部品が接続されてなる構成とすることができる。

本発明は、グランド電位に接続される基準パターンが表面に設けられた絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成され、その両側に前記基準パターンが配置された関係で信号線路を備え、先端が前記光素子と電気的に接続されるコプレーナ線路と、前記信号線路を跨いで、前記信号線路の両側の前記基準パターン同士を電気的に接続するボンディングワイヤと、を備え、前記コプレーナ線路の先端と前記絶縁基板の端部との間における前記基準パターンの幅は５０μｍ以下であることを特徴とする伝送線路である。

本発明によれば、特性の劣化を抑制することができる。

図１（ａ）は、比較例に係る光変調装置の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面模式図である。 図２は、比較例および実施例に係る光変調装置の回路図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、比較例の平面図および断面図である。 図４は、実施例１に係る光変調装置の平面図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ比較例および実施例１における周波数に対するコプレーナ線路の反射特性を示す図であり、図５（ｃ）は、実施例１および比較例における周波数に対するコプレーナ線路の伝送特性を示す図である。 図６は、実施例１の変形例を示す平面図である。 図７（ａ）は、キャップを外した光モジュールの上面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

まず、比較例に係る光変調装置について説明する。図１（ａ）は、比較例に係る光変調装置の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面模式図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、比較例の光変調装置１０１においては、例えば酸化アルミニウムまたはセラミック等からなる絶縁基板５０の上に、例えばＡｕまたはＣｕ等からなる金属層５８が設けられている。金属層５８は、信号線路４２、金属層５２、金属層５４を含む。金属層５２と金属層５４とは電気的に分離されている。金属層５２はグランド電位等の基準電位に設定されている。

信号線路４２の両側には基準パターン４４ａおよび４４ｂに対応する金属層５２がスペース４１を介し離間して形成されている。信号線路４２、スペース４１および基準パターン４４ａおよび４４ｂである金属層５２はコプレーナ線路４０を形成する。すなわち、コプレーナ線路４０は、信号線路４２の両側に基準パターン４４ａおよび４４ｂが配置された関係で信号線路４２を備える。金属層５２上に、チップ１５が搭載されている。チップ１５は、半導体レーザ１２と光変調器１０が集積化されたチップである。半導体レーザ１２から出射される光は光変調器１０により変調される。変調信号は、ブリッジ７６に設けられたマイクロストリップ線路７６ａを経由して信号線路４２に供給される。また、このブリッジ７６の裏面全面にはグランド電位のグランド金属層が設けられている（図示せず）。金属層５２には、このグランド金属層を介してグランド電位が供給されている。

光変調器１０は、上面に入力信号が入力する電極１１を有している。電極１１は、ストライプ状の電極１１ａとストライプ状の電極１１ａに接続されたパッド電極１１ｂとを有している。ボンディングワイヤ３２（第２ボンディングワイヤ）の一端は、信号線路４２の端部に接合し、他端は、光変調器１０の上面のパッド電極１１ｂに接合する。これにより、コプレーナ線路４０の先端と光変調器１０の電極１１とが電気的に接続される。コプレーナ線路４０は、光変調器１０に入力する信号を伝送する。光変調器１０は、例えばＥＡ変調器であり、入力信号に応じ出力する光を変調する。

金属層５４（基準パターン４４ａおよび４４ｂとは電気的に分離された独立パターン）は、電子部品が搭載されかつ接続される領域である。比較例においては、金属層５４上にはチップコンデンサ２０が配置されている。チップコンデンサ２０は、上面と下面にそれぞれ電極２２および２４が設けられ、電極２２と２４との間に誘電体層２６が設けられている。チップコンデンサ２０の下面の電極２４は、金属層５４上に、金属層５４と電気的に接続するように配置されている。ボンディングワイヤ３０の一端は、パッド電極１１ｂに接合し、他端は、チップコンデンサ２０の上面の電極２２に接合する。これにより、電極１１とチップコンデンサ２０の電極２２とが電気的に接続される。抵抗素子１４の一端は、金属層５４に電気的に接続し、他端は、金属層５２に電気的に接続されている。ボンディングワイヤ３０および３２は、例えばＡｕ等の金属からなる。

図２は、比較例および実施例に係る光変調装置の回路図である。図２に示すように、入力端子Ｔｉｎは、分布定数線路Ｌ１３およびインダクタＬ１１を介しノードＮ１に電気的に接続されている。分布定数線路Ｌ１３は、コプレーナ線路４０に相当し、インダクタＬ１１はボンディングワイヤ３２に相当する。ノードＮ１は、電極１１に相当する。ノードＮ１には、光変調器１０のアノードが接続し、光変調器１０のカソードは、金属層５２を介し接地される。ノードＮ１は、インダクタＬ１２、キャパシタＣ、ノードＮ２および抵抗Ｒを直列に介し接地される。インダクタＬ１２は、ボンディングワイヤ３０に相当する。キャパシタＣは、チップコンデンサ２０に相当する。ノードＮ２は、金属層５４に相当する。抵抗Ｒは抵抗素子１４に相当する。

インダクタＬ１２、キャパシタＣおよび抵抗Ｒは、インピーダンス整合回路３８を形成する。インピーダンス整合回路３８は、光変調器１０の終端インピーダンスを、例えば５０Ωに整合させる。この場合、例えば抵抗Ｒの抵抗値を終端インピーダンスと同じ５０Ωとする。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、比較例の平面図および断面図である。図３（ａ）に示すように、光変調器１０の光出射面４５から出射された光４６は、レンズ８０を介し、光ファイバ４８の端面に入射する。このように、レンズ８０は、光変調器１０の光出射面４５と光ファイバ４８とを光結合させる。図３（ｂ）のように、ＴＥＣ（Thermoelectric
Cooler）６８上に、例えば鉄ニッケルコバルト合金（コバール）からなるキャリア７０が配置されている。絶縁基板５０は、キャリア７０上に配置されている。キャリア７０上にさらに絶縁性のサブキャリアが配置され、サブキャリア上に絶縁基板５０が配置されてもよい。なお、レンズ８０を保持するレンズホルダの図示を省略している。

このように、ＴＥＣ６８により、光変調器１０および半導体レーザ１２を冷却する場合、絶縁基板５０の下面に電位を供給することが困難な場合がある。また、絶縁基板５０の下面がグランドであると、絶縁基板５０上に設けられたグランド電位以外の電位を持つ部位との間で、寄生容量を生じてしまう。比較例では金属層５４は電子部品（チップコンデンサ）の搭載領域であるが、その下部との間で寄生容量が生じてしまうことを避けることが好ましい。よって、絶縁基板５０の下面はフローティング状態とすることが検討される。絶縁基板５０の下面がフローティング状態であるので、マイクロストリップ線路を用いることが難しく、伝送線路としてコプレーナ線路を用いることになる。なお、ここでフローティング状態とは、絶縁基板５０の裏面の電位が他のいずれの電位からも電気的に分離された状態であることを指す。

光変調器１０と光ファイバ４８との光結合効率を高めるためには、レンズ８０と光出射面４５との距離Ｌ２を近づけることが好ましい。あるいは絶縁基板５０の表面における反射による光学的な悪影響を避けるためには、光変調器１０の光軸上に位置する絶縁基板５０の平面部分は小さいことが好ましい。このことから、光変調器１０は、絶縁基板５０の端に近づけて設けることが好ましい。いっぽう、光変調器１０が絶縁基板５０の端に近いため、これに信号を供給するためのコプレーナ線路４０の先端も絶縁基板５０の端に近づける。しかし、コプレーナ線路４０の先端を絶縁基板５０の端に近づけると、コプレーナ線路４０の先端と絶縁基板５０の端との間の基準パターンの幅Ｌ１が小さくなってしまう。幅Ｌ１が小さいと、その部分のインダクタンスが大きくなる。この結果、幅Ｌ１の部分を通るリターンパスには、幅Ｌ１の部分におけるインダクタンス増大分だけ、幅Ｌ１の手前の部分（幅Ｌ１の基準パターン４４ｂとは反対側の基準パターン４４ａ）を通るリターンパスとの間でアンバランスが生じる。また、金属層５２のグランド電位は、ブリッジ７６の裏面におけるグランド電位から供給される。幅Ｌ１が大きい場合は幅Ｌ１の部分を通る経路も十分にグランド電位の経路として機能するため、金属層５２全面でグランド電位が安定する。しかし、幅Ｌ１が小さい場合には、この部分がグランド電位の均一化の経路として十分に機能できない。このため、コプレーナ線路４０の先端の両側における金属層５２は、そのグランド電位が、ブリッジ７６が接続された位置の近傍と比べて異なることがある。このような課題により、コプレーナ線路４０の伝送特性が劣化する。この問題は、前述のように、絶縁基板５０の下面が電気的にフローティングとなっている場合に顕著である。また、距離Ｌ１がゼロの場合もこの課題は顕著である。以下、図面を参照し本発明の実施例について説明する。

図４は、実施例１に係る光変調装置の平面図である。光変調装置１００においては、ボンディングワイヤ３４（第１ボンディングワイヤ）が、信号線路４２を跨いで、信号線路４２の両側に形成された基準パターン４４ａおよび４４ｂ同士を電気的に接続されている。箇所３４ａおよび３４ｂにおいて、ボンディングワイヤ３４が基準パターン４４ａおよび４４ｂとそれぞれ接合されている。ボンディングワイヤ３２と信号線路４２とが接合された箇所３２ａと箇所３４ａとの信号線路４２に沿った距離をＬ３ａ、箇所３２ｂと箇所３４ａとの信号線路４２に沿った距離をＬ３ｂとする。

信号線路４２は、信号の入力端４２ａから斜めに光変調器１０に近づく。出力端４２ｂ近くでは、信号線路４２は、光変調器１０にほぼ直角になる。すなわち、信号線路４２は、絶縁基板５０の端面５０ａにほぼ平行となる。このため、信号線路４２の端面５０ａ側の基準パターンの幅Ｌ１が狭くなる。信号線路４２の出力端４２ｂ近くにおいて、信号線路４２の絶縁基板５０の端面５０ａにほぼ平行とするのは、信号線路４２とボンディングワイヤ３２とをほぼ平行とするためである。これにより、コプレーナ線路４０とボンディングワイヤ３２との間の信号の損失を抑制できる。その他の構成は図４と同じであり説明を省略する。

図４の実施例１と、ボンディングワイヤ３４を設けないこと以外図４と同じ比較例と、においてコプレーナ線路４０の反射特性および伝送特性を測定した。反射特性は、入力端４２ａから入力された信号のＳ１１を測定し、伝送特性は、入力端４２ａから出力端４２ｂへのＳ２１を測定した。測定に用いたコプレーナ線路４０は、信号線路４２の幅を７０μｍ、基準パターンの幅Ｌ１を３０μｍ、信号線路４２の長さを１ｍｍ、スペース４１の幅を４０μｍ、コプレーナ線路４０の特性インピーダンスを５０Ω、ボンディングワイヤ３４の長さを０．２ｍｍ、ボンディングワイヤ３４の径を２５μｍ、距離Ｌ３ａおよびＬ３ｂをそれぞれ０．３ｍｍとした。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ比較例および実施例１における周波数に対するコプレーナ線路の反射特性Ｓ１１を示す図である。図５（ａ）に示すように、比較例においては、約３７ＧＨｚにおいて、反射特性にディップが発生している。図５（ｂ）に示すように、実施例１においては、ディップが抑制されている。図５（ｃ）は、実施例１および比較例における周波数に対するコプレーナ線路の伝送特性Ｓ２１を示す図である。比較例では、信号線路４２の幅を１５０μｍ、スペース４１の幅を７０μｍ、実施例１では、信号線路４２の幅を７０μｍ、スペース４１の幅を４０μｍとしている。図５（ｃ）に示すように、比較例に対し、実施例１においては、３５ＧＨｚ以上においてＳ２１が改善している。

基準パターンの少なくとも一部の幅Ｌ１（例えば、コプレーナ線路４０の先端と絶縁基板５０の端部との間における基準パターンの幅）が狭い場合、例えば幅Ｌ１が５０μｍ以下の場合、コプレーナ線路４０の特性が劣化する。そこで、実施例１にしたがい、ボンディングワイヤ３４を設ける。ボンディングワイヤ３４を設けたことにより、信号線路４２の両側の基準パターン４４ａと４４ｂとでリターンパスのバランスを改善でき、またコプレーナ線路４０の先端付近のグランド電位の均一化を図ることができる。また、幅Ｌ１が４０μｍ以下、さらに３０μｍ以下の場合、比較例の場合であればさらに特性の劣化が顕著であるが、実施例１の構成を採用することで、この劣化を改善できる。

ボンディングワイヤ３２の一端の接合箇所３２ａと、ボンディングワイヤ３４と基準パターン４４ａおよび４４ｂとの接合箇所３４ａおよび３４ｂとの距離Ｌ３ａおよびＬ３ｂは、いずれも信号波長の１／８以下であることが好ましい。これにより、ボンディングワイヤ３４を介した基準パターン４４ａと４４ｂとの間のリターン電流の位相差を抑制し、コプレーナ線路４０の特性劣化をより抑制できる。なお、信号がデジタル信号の場合、信号の周波数はビットレートの約１／２に相当する。

図６は、実施例１の変形例を示す平面図である。図６に示すように、複数のボンディングワイヤ３４および３６が設けられている。その他の構成は、図４と同じであり説明を省略する。ボンディングワイヤ３４および３６を複数設けることにより、ボンディングワイヤ３４および３６を介した基準パターン４４ａと４４ｂとの間のリターン電流の位相差を抑制し、コプレーナ線路４０の特性劣化をより抑制できる。なお、ボンディングワイヤ３４およびボンディングワイヤ３６と金属層５２との接合箇所３４ａおよび３４ｂと、３６ａおよび３６ｂと、の位置は、コプレーナ線路４０の先端に近い位置であることが望ましい。例えば、ボンディングワイヤ３２とコプレーナ線路４０との接合箇所３２ａと、各接合箇所３４ａ、３４ｂ、３６ａおよび３６ｂとの距離は、いずれも信号波長の１／８以下であることが好ましい。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例１に係る光変調装置をパッケージに搭載した態様を説明する図である。図７（ａ）は、キャップを外した光モジュールの上面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。なお、レセクタプル９８については断面でなく側面を図示している。図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、光モジュール１０６において、筐体８４内に、光変調器１０、半導体レーザ１２、変調駆動ＩＣ７４（駆動ドライバ）等が収納されている。ここでは、光変調器１０と半導体レーザ１２とは１チップに集積化されている。また、半導体レーザ１２に接続される配線およびボンディングワイヤなどは省略している。

筐体８４は、例えば金属等からなる。筐体８４の底面にはＴＥＣ６８が配置されている。ＴＥＣ６８上に、例えば鉄ニッケルコバルト合金（コバール）からなるキャリア７０が配置されている。キャリア７０上に例えば酸化アルミニウムまたはセラミックからなるサブキャリア７１とレンズホルダ７８とが配置されている。

サブキャリア７１上に、光変調器１０および半導体レーザ１２が一体となったチップ、およびフォトディテクタ７９が配置されている。レンズホルダ７８にはレンズ８０が保持されている。サブキャリア７１の上面には例えばＡｕまたはＣｕからなる金属層６７および信号線路６３が形成されている。

さらに、筐体８４の底面には銅タングステン（ＣｕＷ）または銅モリブデン（ＣｕＭｏ）等の金属からなるヒートシンク６６が配置されている。ヒートシンク６６上には、変調駆動ＩＣ７４、伝送線路７３を有する基板７２が配置されている。ヒートシンク６６の上面とサブキャリア７１の上面とはほぼ同じ高さである。

筐体８４の前側壁にはレンズ８２が保持されている。さらに、筐体８４の前面にレセプタクル９８が固定されている。筐体８４の後側壁には、主に絶縁体からなるフィードスルー６０が埋め込まれている。フィードスルー６０内には、筐体８４内の端子６４と筐体８４外の端子６２とを電気的に接続する配線が設けられている。

端子６４と基板７２の伝送線路７３とはボンディングワイヤ９０により電気的に接続されている。伝送線路７３と変調駆動ＩＣ７４とは、ボンディングワイヤ９２により電気的に接続されている。変調駆動ＩＣ７４とブリッジ７６内の信号線路とは、ボンディングワイヤ９４により電気的に接続されている。ブリッジ７６内の信号線路とサブキャリア７１上の信号線路６３とは、ボンディングワイヤ９６により電気的に接続されている。信号線路６３の両側には金属層６７がスペース（図示せず）を介して設けられている。なお、サブキャリア７１が図４の絶縁基板５０に対応し、信号線路６３が図４の信号線路４２に対応し、金属層６７が図４の金属層５２に対応する。

高周波信号である入力信号は、端子６２からフィードスルー６０内の配線、端子６４、ボンディングワイヤ９０、伝送線路７３およびボンディングワイヤ９２を介し、変調駆動ＩＣ７４に入力する。変調駆動ＩＣ７４は入力信号を増幅し変調電気信号として出力する。出力された変調信号は、変調駆動ＩＣ７４の出力端子を介し、ボンディングワイヤ９４、ブリッジ７６内の信号線路およびボンディングワイヤ９６を介し信号線路６３に入力する。信号線路６３は光変調器１０の電極とボンディングワイヤを介し電気的に接続されている。これにより、変調信号は、光変調器１０の電極に入力する。光変調器１０は、半導体レーザ１２の出力光を強度変調し出射する。このように、変調駆動ＩＣ７４の出力端子と光変調器の電極とはブリッジ７６により電気的に接続しており、変調駆動ＩＣ７４は光変調器を変調する。光変調器１０とレセプタクル９８中に挿入される光ファイバ（図示せず）とは、レンズ８０および８２により光結合されている。これにより、光変調器１０から出射された光は光ファイバ内に導入される。フォトディテクタ７９は、半導体レーザ１２の裏面から出射された光の強度を検出する。図示していない制御回路が、フォトディテクタ７９の出力に応じ、半導体レーザ１２に印加する電流をフィードバック制御する。ＴＥＣ６８は、半導体レーザ１２および光変調器１０の温度を一定に保持する。

実施例１において、半導体レーザ１２と光変調器１０とが同じチップ１５に集積化されているが、半導体レーザと光変調器１０とは別チップでもよい。また、本発明は半導体レーザを直接変調する場合にも採用することができる。その場合、光変調器１０は使用されない。半導体レーザを直接変調する場合であっても、光変調器１０を採用する場合と同様の理由から、その半導体レーザの端部を絶縁基板５０の端部に近づけることが要求される。コプレーナ線路４０の先端は、直接変調が行われる半導体レーザの駆動電極と接続される。このように、光素子は光変調器１０以外にも例えば半導体レーザでもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 光変調器
３０、３２、３４ ボンディングワイヤ
３４ａ、３４ｂ 箇所
４０ コプレーナ線路
４２ 信号線路
４４ａ、４４ｂ 基準パターン
５２、５４、５８ 金属層

Claims (7)

1. グランド電位に接続される基準パターンが表面に設けられた絶縁基板と、
   前記絶縁基板上に搭載された光素子と、
   前記絶縁基板上に形成され、その両側に前記基準パターンが配置された関係で信号線路を備え、先端が前記光素子と電気的に接続されるコプレーナ線路と、
   前記信号線路を跨いで、前記信号線路の両側の前記基準パターン同士を電気的に接続するボンディングワイヤと、
   を備え、
   前記コプレーナ線路の先端と前記絶縁基板の端部との間における前記基準パターンの幅は５０μｍ以下であることを特徴とする光学デバイス。
2. 前記第１ボンディングワイヤは複数設けられてなることを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。
3. 前記絶縁基板の裏面の電位は、他の電位から電気的に分離されてなることを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。
4. 前記絶縁基板の端部は、前記絶縁基板の端部のうち、前記光素子の端部が位置する端部であることを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。
5. 前記光素子は、半導体レーザまたは光変調器であることを特徴とする請求項１記載の光学デバイス。
6. 前記絶縁基板の表面には、前記基準パターンとは電気的に分離された独立パターンが設けられてなり、前記独立パターンには、電子部品が接続されてなることを特徴とする請求項３いずれか一項記載の光学デバイス。
7. グランド電位に接続される基準パターンが表面に設けられた絶縁基板と、
   前記絶縁基板上に形成され、その両側に前記基準パターンが配置された関係で信号線路を備え、先端が前記光素子と電気的に接続されるコプレーナ線路と、
   前記信号線路を跨いで、前記信号線路の両側の前記基準パターン同士を電気的に接続するボンディングワイヤと、
   を備え、
   前記コプレーナ線路の先端と前記絶縁基板の端部との間における前記基準パターンの幅は５０μｍ以下であることを特徴とする伝送線路。

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