JP2014191250A - Optical control element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光制御素子に関する。 The present invention relates to a light control element.
LiNbO3(LN)など電気光学デバイスチップの制御部、及び接続ランド、接続配線と電気コネクタ、中継基板などとの電気的接続は、ワイヤーボンディング、リボンボンディングが広く用いられており、電気光学デバイスチップ上における信号電極の接続ランド部(パッド部)は、工程に応じたサイズが必要である。光変調器(光制御素子)としての主要機能部分である信号電極が配される部分の光導波路の間隔は20μm〜200μm、広くても300μm程度が一般的であるが、接続ランド部の長さ分としてさらに数百μmが必要となる。その分、チップの幅が広くなり、1枚の電気光学デバイスを作製するウェハから得られる素子数が減ってしまう。また、ネスト型MZ変調器や複数の電極を有する変調器の場合、制御信号のタイミングを合わせる必要があり、配線電極を屈曲させるなどの構成が必要である。このような構成の場合、さらに広いチップ幅が必要になるので1枚のLNウェハから得られる素子数がさらに減ってしまう。 Wire bonding and ribbon bonding are widely used for the electrical connection between the control unit of the electro-optic device chip such as LiNbO 3 (LN) and the connection land, the connection wiring and the electrical connector, the relay substrate, etc. The electro-optic device chip The connection land portion (pad portion) of the signal electrode above needs to be sized according to the process. The interval between the optical waveguides in the portion where the signal electrode, which is the main functional portion as the optical modulator (light control element), is arranged is generally 20 μm to 200 μm, and at most about 300 μm. In addition, several hundred μm is required as a minute. Accordingly, the width of the chip is increased, and the number of elements obtained from a wafer for producing one electro-optic device is reduced. Further, in the case of a nested MZ modulator or a modulator having a plurality of electrodes, it is necessary to match the timing of the control signal, and a configuration such as bending the wiring electrode is necessary. In such a configuration, since a wider chip width is required, the number of elements obtained from one LN wafer is further reduced.
また、配線電極を大きく屈曲させることによる制御信号の減衰および高周波特性の劣化といった問題もある。さらには、LNのX板のように、基板主面内の誘電率の異方性が大きい材料を基板として用いてチップの側方に電極を取り出す場合、特許文献5や特許文献6に示される様な配線設計が必要であり、インピーダンスの不連続を防ぐための設計が複雑になるといった問題がある。 There are also problems such as attenuation of control signals and deterioration of high-frequency characteristics caused by bending the wiring electrodes greatly. Further, when an electrode is taken out to the side of the chip using a material having a large dielectric anisotropy in the main surface of the substrate, such as an LN X plate, as shown in Patent Document 5 and Patent Document 6. Such wiring design is required, and there is a problem that the design for preventing discontinuity of impedance becomes complicated.
この問題を解決するために、特許文献1が提案されている。これは、フリップチップ実装などを用いて、電気光学デバイスチップを配線基板にフェースダウンして実装する方式である。この構成では、接続ランド部の電極幅と光導波路との作用部での電極の幅が同じことを前提としており、LNを電気光学材料としたチップを用いた高周波変調器では、電極の幅が10μmまたはそれ以下で、高さは30μm以上の高アスペクト構造となる。 In order to solve this problem, Patent Document 1 is proposed. This is a method of mounting an electro-optic device chip face down on a wiring board using flip chip mounting or the like. In this configuration, it is assumed that the electrode width of the connection land portion is the same as the electrode width at the action portion of the optical waveguide. In a high-frequency modulator using a chip using LN as an electro-optic material, the electrode width is At 10 μm or less, a high aspect structure with a height of 30 μm or more is obtained.
しかしながら、このような細い電極では、半田との溶融による線切れが生じやすく、半田リフローによる配線基板との実装には、厳密な半田の量、温度の制御などが必要となり、量産への適用は容易ではない。また、高アスペクト構造のため、応力により変形しやすく、フリップチップボンディングによる接続では、信号電極の変形や倒れが発生しやすく、量産への適用は容易ではない。 However, with such thin electrodes, wire breakage due to melting with solder is likely to occur, and mounting on a wiring board by solder reflow requires strict control of the amount of solder, temperature, etc. It's not easy. In addition, since it has a high aspect structure, it is easily deformed by stress, and in connection by flip chip bonding, the signal electrode is likely to be deformed or collapsed, and it is not easy to apply to mass production.
半田リフロー工程やフリップチップボンディングが可能となるようなチップの構成については、基本的に接続ランド部を大きく形成するのだが、単純な構成で配線を太くした場合はインピーダンスの不整合や寄生容量が大きくなり、電気光学デバイスとしての特性、特に高周波帯での特性が大幅に劣化してしまう。 For the chip configuration that enables solder reflow process and flip chip bonding, the connection land is basically formed large. However, if the wiring is thick with a simple configuration, impedance mismatch and parasitic capacitance will occur. As a result, the characteristics as an electro-optical device, particularly in the high frequency band, are greatly deteriorated.
特に、特許文献2(図3)に記載されたような薄い電気光学デバイスチップの両面を電極で挟んだ構造においては上記の問題が顕著である。インピーダンスの不整合や寄生容量の問題は、特許文献3に記載されるように、接続ランド部のグラウンド電極を省くことにより、ある程度軽減することは可能である。しかしながら、薄い基板の場合、電気接続用ランドも薄い基板の上部に形成されることから、ボンディングを行う際の熱及び高周波により電気光学効果を有する薄い基板がダメージを受け、クラックや変形する問題が顕著である。そのダメージが光導波路部に達すると光損失の増大や消光比の劣化などデバイスとしての機能が大きく損なわれる。その対策として、配線ランド部を光導波路から遠く離しチップの幅が広くとる必要があった。このように、特許文献2のような構成の電気光学デバイスは、単位長さあたりの効率が極めて高く、デバイスのチップの長さを大幅に小さくすることが可能だが、電気信号線の接続時のダメージ回避のために、チップのサイズダウンには限界があった。 In particular, in the structure in which both surfaces of a thin electro-optical device chip as described in Patent Document 2 (FIG. 3) are sandwiched between electrodes, the above problem is remarkable. The problem of impedance mismatch and parasitic capacitance can be alleviated to some extent by omitting the ground electrode in the connection land portion, as described in Patent Document 3. However, in the case of a thin substrate, since the land for electrical connection is also formed on the thin substrate, there is a problem that the thin substrate having the electro-optic effect is damaged by cracking and deformation due to heat and high frequency during bonding. It is remarkable. When the damage reaches the optical waveguide portion, the device functions such as an increase in optical loss and a deterioration in extinction ratio are greatly impaired. As a countermeasure, it is necessary to increase the width of the chip by separating the wiring land portion from the optical waveguide. As described above, the electro-optical device configured as in Patent Document 2 has extremely high efficiency per unit length, and can greatly reduce the length of the chip of the device. There was a limit to downsizing the chip to avoid damage.
超分極率色素を含んだ電気光学ポリマー材料の場合、特許文献4に示される方法で、実装時のダメージを回避する方法が示されている。これは、作用部電極の上に保護層を設けて、ワイヤーボンディング時のダメージを緩和する方法であり、保護層の材料としては絶縁性材料であれば良い旨が示されている。この方法は、ダメージ防止には一定の効果が見込める、文献中に示される単純な矩形の接続ランドで機能するデバイスであれば、有効な方法でるあるものの、デバイスの高周波における動作特性への悪影響が避けられない。保護膜の誘電率、複素誘電率(tanδ)、それらの特性に応じた膜厚と電極形状、電極の配置の設計を行う必要がある。 In the case of an electro-optic polymer material containing a hyperpolarizability dye, a method for avoiding damage at the time of mounting by the method shown in Patent Document 4 is shown. This is a method in which a protective layer is provided on the working part electrode to alleviate damage during wire bonding, and it is shown that an insulating material may be used as a material for the protective layer. Although this method is effective for any device that works with a simple rectangular connection land as shown in the literature, it can be expected to have a certain effect in preventing damage, but it has an adverse effect on the operating characteristics of the device at high frequencies. Unavoidable. It is necessary to design the dielectric constant of the protective film, the complex dielectric constant (tan δ), the film thickness, electrode shape, and electrode arrangement according to these characteristics.
また、電気光学ポリマー材料の場合、非特許文献1の図8に示される方法で、インピーダンスの不整合や寄生容量の問題は軽減されることが知られている。電気光学ポリマーデバイスでは、電気光学効果を発現するためのポーリング処理を均質に行うために、スピンコート成膜法による電気光学ポリマー層の厚さを均質にする必要がある。しかしながら、非特許文献1の図8の様に、事前にBack Plane側に電極パターンの形成を行うと、電気光学ポリマー層を精密に均質な厚さにスピンコートすることは極めて困難になる。 In the case of an electro-optic polymer material, it is known that the problem of impedance mismatch and parasitic capacitance can be reduced by the method shown in FIG. In the electro-optic polymer device, it is necessary to make the thickness of the electro-optic polymer layer uniform by the spin coat film forming method in order to perform the poling process for expressing the electro-optic effect uniformly. However, as shown in FIG. 8 of Non-Patent Document 1, if an electrode pattern is formed on the Back Plane side in advance, it is extremely difficult to spin-coat the electro-optic polymer layer to a precise uniform thickness.
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、電気光学デバイス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。
また電気光学デバイスチップと回路基板との接続構成を工夫することにより、光制御素子の特性を劣化させることなく電気光学デバイスチップの小型化が可能な光制御素子を提供することを目的の一つとしている。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an optical modulator in which an electro-optical device chip and a circuit board are mounted in a small area.
Another object of the present invention is to provide a light control element capable of reducing the size of the electro-optic device chip without degrading the characteristics of the light control element by devising the connection configuration between the electro-optic device chip and the circuit board. It is said.
本発明に係る光制御素子は、配線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厚さ10μm以下の素子基板と、前記素子基板に形成された光導波路と、前記素子基板の厚さ方向一方の主面側に設けられた第1電極と、前記素子基板の他方の主面側に設けられた第2電極と、を備え、前記第1電極は、少なくとも信号電極と第一の接地電極とからなるコプレーナー型の電極であるとともに、信号電極は光導波路を通る光の位相を制御する制御部と当該制御部に接続された接続ランド部とからなり、該接続ランド部は該素子基板の主面よりも高い位置にビルドアップされると共に該素子基板の主面との間には該素子基板の誘電率よりも低い誘電率を有する低誘電率層が設けられており、前記第2電極は、少なくとも第二の接地電極を有するとともに前記制御部と協働して前記光導波路に電界を印加するように配置されており、前記接続ランド部は、前記制御部の電極幅よりも広い幅を有して当該制御部と接続されており、前記制御部と前記回路基板の前記配線電極とを電気的に接続していることを特徴とする。 The light control element according to the present invention includes a circuit board provided with wiring electrodes, an element substrate having a thickness of 10 μm or less made of a material having an electro-optic effect, an optical waveguide formed on the element substrate, and the element substrate A first electrode provided on one main surface side in the thickness direction and a second electrode provided on the other main surface side of the element substrate, wherein the first electrode includes at least a signal electrode and a first electrode The signal electrode is composed of a control unit for controlling the phase of light passing through the optical waveguide and a connection land unit connected to the control unit, and the connection land unit is a coplanar electrode composed of a single ground electrode. A low dielectric constant layer having a dielectric constant lower than the dielectric constant of the element substrate is provided between the principal surface of the element substrate and built up at a position higher than the principal surface of the element substrate. The second electrode has at least a second contact. It has an electrode and is arranged so as to apply an electric field to the optical waveguide in cooperation with the control unit, and the connection land portion has a width wider than the electrode width of the control unit. And the control unit and the wiring electrode of the circuit board are electrically connected.
また、前記低誘電率層は該接続ランド部と対向した該素子基板の主面を含むよう該素子基板上の一部に形成された構成としてもよい。 The low dielectric constant layer may be formed on a part of the element substrate so as to include a main surface of the element substrate facing the connection land portion.
また、前記接続ランド部が前記信号電極の長手方向端の少なくとも一方に設けられている構成としてもよい。 Further, the connection land portion may be provided on at least one of the longitudinal ends of the signal electrode.
また、前記信号電極を複数有し、これら複数の前記信号電極にはそれぞれ独立した制御信号が入力される構成としてもよい。 Further, a plurality of the signal electrodes may be provided, and independent control signals may be input to the plurality of signal electrodes.
また、前記接続ランド部がコプレーナー電極型であり、中心導体とグラウンド電極の間隔が低誘電率層の厚さより小さい構成としてもよい。 The connection land portion may be a coplanar electrode type, and the distance between the center conductor and the ground electrode may be smaller than the thickness of the low dielectric constant layer.
また、前記接続ランド部がコプレーナー電極型であり、前記接続ランド部の位置に相当する第一電極の層が各部の中心導体とグラウンド電極の間隔の総和より大きな幅の開口部を有する構成としてもよい。 The connection land portion may be a coplanar electrode type, and the layer of the first electrode corresponding to the position of the connection land portion may have an opening having a width larger than the sum of the distances between the central conductor and the ground electrode of each portion. Good.
また、前記低誘電率層は、樹脂を用いて形成されている構成としてもよい。 The low dielectric constant layer may be formed using a resin.
本発明によれば、光制御素子における電極構造は主要部電極がG−CPW構造となっている一方、接続ランド部における電極構造はG−CPW構造ではなくCPW構造にすることで、フリップチップボンディングやリフローボンディング等のコンパクト実装下でもインピーダンスの不整合や寄生容量の増加、高周波特性の劣化を回避することができる。 According to the present invention, the electrode structure in the light control element has a G-CPW structure in the main part electrode, while the electrode structure in the connection land part has a CPW structure instead of the G-CPW structure. Even under compact mounting such as reflow bonding, impedance mismatch, increase in parasitic capacitance, and deterioration of high frequency characteristics can be avoided.
従来は、制御部の端部を素子基板の側方へ向かって湾曲させる構造であったためチップの幅を広くとる必要があったが、本発明では、制御部の端部を素子基板の側方へ向かって湾曲させない構造のため、チップの幅を狭くすることができる。 Conventionally, since the end of the control unit is curved toward the side of the element substrate, it has been necessary to increase the width of the chip. However, in the present invention, the end of the control unit is arranged on the side of the element substrate. The chip width can be reduced because of the structure that does not bend toward the tip.
また、制御信号の伝搬方向が素子基板の主面において変わることがないので、誘電率に異方性がある材料を素子基板にした場合でも電極の設計が複雑にならない。 Further, since the propagation direction of the control signal does not change on the main surface of the element substrate, the electrode design does not become complicated even when a material having anisotropy in dielectric constant is used as the element substrate.
また、接続ランド部が、該素子基板の誘電率よりも低い誘電率を有する低誘電率層を介して該素子基板の主面よりも高い位置にビルドアップされているため、接続ランド部の配線幅が広い場合であっても、上記したようなインピーダンスの不整合の発生や寄生容量の増加を抑えることができ、特に、高周波領域での光変調の特性劣化を防止することができる。加えて、素子基板の主面において配線を取り回す必要が無くなり、複数信号の位相差の調整回路の設計などの自由度が著しく向上する。 In addition, since the connection land portion is built up at a position higher than the main surface of the element substrate through a low dielectric constant layer having a dielectric constant lower than that of the element substrate, the wiring of the connection land portion Even when the width is wide, it is possible to suppress the occurrence of impedance mismatch and the increase in parasitic capacitance as described above, and in particular, it is possible to prevent deterioration of characteristics of light modulation in a high frequency region. In addition, it is not necessary to route wiring on the main surface of the element substrate, and the degree of freedom in designing a circuit for adjusting the phase difference of a plurality of signals is significantly improved.
これにより、電極の設計自由度が向上するとともに、光制御素子の特性を劣化させることなく、1枚のウェハからのチップの取り数を大幅に向上することが可能となる。 As a result, the degree of freedom in electrode design is improved, and the number of chips taken from one wafer can be greatly improved without degrading the characteristics of the light control element.
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る光制御素子100の概略構成を示す断面図である。
図1に示すように、光制御素子100は、電気光学デバイスチップ10及び回路基板30を備えている。光制御素子100は、例えば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、電気光学デバイスチップ10と回路基板30とが接続されている。
図2は、電気光学デバイスチップ10の概略構成を示す平面図である。図3は、図2におけるX−X間の断面構成を示す図であり、便宜上、光導波路13a及び13dを図示している。
図2及び図3に示すように、電気光学デバイスチップ10は、誘電体であるニオブ酸リチウム結晶(LN)を用いて厚さ10μm以下の平板形状に形成された素子基板11を有している。素子基板11は、一方向に長手となるようにカットされている。素子基板11の内部には、複数の光導波路13a、13b、13c、13dが形成されている。複数の光導波路13a、13b、13c、13dは、素子基板11の第一面(一方の主面)11aの近傍または素子基板11の第二面(もう一方の主面)11bの近傍あるいは素子基板11の内部に配置されており、素子基板11の長手方向に沿って形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a
As shown in FIG. 1, the
FIG. 2 is a plan view showing a schematic configuration of the electro-
As shown in FIGS. 2 and 3, the electro-
光導波路13aは、一端が入力用の光ファイバ41に接続され、他端がY分岐によって2つの光導波路13b、光導波路13cに接続されている。光導波路13b、13cは、素子基板11の短手方向に並んで配置されている。光導波路13b、13cは、素子基板11の長手方向に沿って互いに平行に延在する直線部分を有している。当該直線部分は、光導波路13a〜13dのMZ干渉計の分岐した光が平行に伝搬する部分となる。光導波路13b、13cは、Y分岐によって1つの光導波路13dに接続され、他端は出力用の光ファイバ42に接続されている。本実施形態における光導波路13a〜13dは、マッツエンダー(MZ)型の光導波路を構成している。
One end of the
光導波路13a〜13dは、素子基板11の第一面11aまたは素子基板11の第二面(もう一方の主面)11bにおいて、光導波路13a〜13dの両側に凹部や溝を設けることで直接形成された、もしくは素子基板11の第一面11a上または素子基板11の第二面(もう一方の主面)11b上に部分的成膜により形成されたリッジ型光導波路であるが、本発明はこれに限定されることなく光導波路の両側に溝を有さない従来の構造など、他の光導波路構造においても適用可能である。
The
光導波路13a〜13dが配置された素子基板11の第一面11a上には、第一電極21及び低誘電率層12が形成されている。第一電極21は、信号電極14と、第一接地電極15とを有するコプレーナ型(Coplanar waveguide:CPW)の電極である。信号電極14及び第一接地電極15は、例えば金(Au)を用いて同一層に形成されている。
A
信号電極14は、平面視において、光導波路13b、13cの直線部分に重なる領域にそれぞれ1つずつ配置されており、直線状に形成されている。信号電極14に制御信号を印加することにより、光導波路13b、13cを並行する光の位相を変化させ、出力光の位相や強度を制御することが可能となっている。このように、信号電極14は、光導波路13b、13cにおける光の位相の変化に寄与する部分(制御部19)を有している。本実施形態では、信号電極14の長手方向の略全体の区間が制御部19に対応しているが、これに限られることは無い。例えば、信号電極14の長手方向の寸法を、光導波路13b、13cの直線部分の長手方向の寸法よりも大きくすることにより、信号電極14の長手方向の一部の区間のみが制御部19となるようにしてもよい。
The
本実施形態では2つの信号電極14が設けられた構成となっているが、1つ、あるいは3つ以上設けた構成としても構わない。例えばオートバイアス回路等を含む周辺経路が配置された回路基板30へ電気光学デバイスチップ10を実装する場合、これら複数の信号電極14にはそれぞれ独立した制御信号が入力されることになる。従来の構成では、3つ以上の電極を持つ光制御素子は電気光学デバイスチップの幅を更に大きくすることになるが、本発明の構成を適用することで電気光学デバイスチップの幅を抑えることができ、1枚のウェハからのチップの取り数を向上さることができるため、効果は更に大きいものとなる。
In the present embodiment, two
第一接地電極15には、光導波路13b、13c(信号電極14)の少なくとも直線部分(制御部19)に対応する領域を含む大きさで形成された一対の開口部15aが設けられている。開口部15aは信号電極14の形成領域よりも広い開口面積を有するもので、これら各開口部15a内の略中央部分に信号電極14が配置された構成となっている。開口部15aは、所定の寸法に形成されている。
The
低誘電率層12は、信号電極14、第一接地電極15を覆うと共に素子基板11の第一面11aのほぼ全面を覆うように形成されている。低誘電率層12の構成材料としては、例えばポリイミドやエポキシなどよりも誘電率(又は誘電損失)の小さい材料を用いることが高周波特性の確保の点から望ましい。このような材料としては、例えばBCBやフッ素樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。空孔構造をもつ樹脂、発泡樹脂やより低誘電率の樹脂の粒子を含む樹脂でも良い。低誘電率層12には、信号電極14に接続されたコンタクトホール14A、14Bと、第一接地電極15に接続されたコンタクトホール15Cとが形成されている。
The low dielectric
低誘電率層12の表面12aには、接続ランド部16A、16Bと、表面側グランド部16Cとが形成されている。接続ランド部16A、16Bは、電気光学デバイスチップ10を回路基板30上へ実装する際、電気光学デバイスチップ10の信号電極14と回路基板30の配線電極とを電気的に接続するためのものである。表面側グランド部16Cは、電気光学デバイスチップ10の第一接地電極15と回路基板30の接地電極とを電気的に接続するためのものである。
On the
接続ランド部16Aは、表面12aのうち、コンタクトホール14Aの上端から光ファイバ41側の端部(以下、第一端部と表記する。)へ向けて、素子基板11の長手方向に延びるように形成されている。接続ランド部16Aは、第一端部へ向けて、幅方向(延在方向に直交する方向)の寸法が徐々に大きくなるように形成されている。
The
接続ランド部16Bは、表面12aのうち、コンタクトホール14Bの上端から光ファイバ42側の端部(以下、第二端部と表記する。)へ向けて、素子基板11の長手方向に平行に延在するように形成されている。接続ランド部16Bは、第二端部へ向けて、幅方向の寸法が徐々に大きくなるように形成されている。
The
図4は、接続ランド部16A及び表面側グランド部16Cの構成を示す平面図である。以下、接続ランド部16A、16Bの構成を説明するに当たり、図4を用いて接続ランド部16Aを例に挙げて説明する。以下の説明は、接続ランド部16Bに対しても適用可能である。
FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the
接続ランド部16Aは、コンタクトホール14A側から第一端部側へ向けて配置された3つの部分(引き回し部61、テーパー部62、接続部63)を有している。引き回し部61は、コンタクトホール14Aに接続されており、均一な幅となるように形成されている。テーパー部62は、引き回し部61から接続部63へ向けて徐々に幅が広がるように形成されている。接続部63は、回路基板30の配線電極に接続される。接続部63は、延在方向の全体に亘って、テーパー部62によって拡大された幅W1を維持するように形成されている。接続部63の幅W1は、例えば信号電極14(制御部19)の幅よりも大きくなっている。
The
表面側グランド部16Cは、接続ランド部16Aを含む領域に形成された開口部64を有している。開口部64は、接続ランド部16Aの引き回し部61、テーパー部62及び接続部63の形状に対応する形状に形成されている。具体的には、開口部64は、接続ランド部16Aと表面側グランド部16Cとの間の距離(幅)W2及びW3が接続ランド部16Aの延在方向の全体に亘って形成されている。この構成により、接続ランド部16Aの設計自由度と特性が確保され、接続ランド部16Aのインピーダンスが不連続となるのを回避したり、信号の回り込みによる劣化を抑制したりすることができる。
The surface
なお、接続部63の幅W1と隙間65の幅W2及びW3との間は、例えばW1:W2:W3=1:5:5のように一定の比率の漏斗状とする設計が簡便だが、インピーダンスの不連続性が小さくなる形状であれば、放物線状のテーパー状、多段階の階段状などの形状であってもよい。インピーダンスの不整合による反射が最小となるように形成することが好ましいが、勿論当該比率に限られることは無い。また、開口部64の幅方向の寸法(W1+W2+W3)は、回路基板30の配線電極に接続しやすいように低誘電率層12の層厚D1(図2参照)よりも大きくしてもよい。開口部64の幅方向の寸法(W1+W2+W3)が広いこの構成は、本来、第一接地電極15と表面側グランド部16Cとの間で電界の回り込みが発生しやすく、電界の回り込みが第一電極層に達して制御信号のクロストークや干渉が起こりやすい構成であるが、下記の構成を取ることにより、低誘電率層12を挟んで形成される第一接地電極15と表面側グランド部16Cとの間で電界の回り込みが生じるのを防ぐことができる。低誘電率層12の層厚D1が隙間65の幅W2(又はW3)の値よりも大きい構成とする(D1>W2(又はW3))。回路特性設計上の都合や製上の制約などにより、層厚D1が隙間65の幅W2(又はW3)の値よりも小さくなる場合には、第一接地電極15の開口部15aと表面側グランド部16Cの開口部64との距離が幅W2(又はW3)よりも大きくなるように、第一接地電極15を切り欠いた構成とする。
Note that the design between the connecting
一方、素子基板11の第二面(他方の主面)11bには、第二電極22及び低誘電率層17が形成されている。第二電極22は、素子基板11の表面側に設けられた信号電極14と協働して光導波路13a〜13dに電界を印加する第二接地電極23を有する。第二接地電極23は、第二面11bの所定の領域に亘って形成されている。
On the other hand, the
低誘電率層17は、第二接地電極23を覆うと共に第二面11bのほぼ全面を覆うように形成されている。低誘電率層17の構成材料としては、例えば酸化シリコン、窒化ケイ素、アルミナなどの公知の材料や接着剤を含む樹脂などが挙げられる。素子基板11を構成する材質が強誘電体結晶や常誘電体結晶の場合は、当該材料は、素子基板11を構成する材質の誘電率よりも低い誘電率を有する材料で構成する方が高速動作の点で有利である。
The low dielectric
本実施形態においては、接続ランド部16A、16B以外の領域では、第二接地電極23の構成により第一電極21における電極構成がG−CPW構造とされ、接続ランド部16A、16Bにおける電極構成がCPW構造、マイクロストリップライン構造又は接続バンプ構造となっている。
In the present embodiment, in the regions other than the
低誘電率層17上には、補強基板(保持基板)18が設けられている。補強基板18は、石英ガラスなどのガラス基板より構成されている。補強基板18としては、誘電特性、導電性など電気的特性についての条件は特にないが、補強基板としての機械的特性が求められ、特に素子基板11を構成する材質と同じ熱膨張係数を有するものが望ましい。なお、低誘電率層12を厚く(例えば、100μm〜500μm程度に)形成することにより、所定の強度を確保することができるため、この場合には、補強基板18を省略することができる。
A reinforcing substrate (holding substrate) 18 is provided on the low dielectric
上記のように構成された電気光学デバイスチップ10の信号電極14に電圧を印加して電界を生じさせると、電気光学デバイスチップ10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、信号電極14の下層に配置された2つの光導波路13b、13cを通る光の位相がそれぞれ変化する。そして、これら2つの光導波路13b、13cが合成する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、光出力用の光ファイバ41から出力される光が変調される。
When a voltage is applied to the
次に、回路基板30の構成を説明する。
図5は、回路基板30の構成を示す斜視図である。
図5に示すように、回路基板30の基板31は、高周波に対応の配線基板であり材質は低誘電損失のセラミック、ガラスや樹脂を用いる。基板31の表面に電極及び配線が配置され、電気光学デバイスチップ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5においてこのような配線や回路部品は省略し、電気光学デバイスチップ10を接続する一対の信号電極32a、一対の信号電極32b、3つ接地電極33a及び3つの接地電極33bを示す。
Next, the configuration of the
FIG. 5 is a perspective view showing the configuration of the
As shown in FIG. 5, the
信号電極32aは基板31の長手方向一方の側部に配置され、信号電極32bは基板31の長手方向他方の側部に配置されており、信号電極32a及び32bの各々の一端には接続ランド部35a,35bが設けられている。具体的には、信号電極32aの信号電極32b側の一端には接続ランド部35aが設けられ、信号電極32bの信号電極32a側の一端には接続ランド部35bが設けられている。
The
図2等に示す電気光学デバイスチップ10をその表面側を回路基板30の表面と対向させて実装させたときに、電気光学デバイスチップ10の各信号電極14の一端にそれぞれ設けられた接続ランド部16Aが回路基板30の信号電極32aの接続ランド部35aにバンプ34を介して接続され、信号電極14の他端にそれぞれ設けられた接続ランド部16Bが回路基板30の信号電極32bの接続ランド部35bにバンプ34を介してそれぞれ接続されることとなる。
When the electro-
接地電極33aおよび接地電極33bは、信号電極32a、32bと平面視で重ならない領域にこれらとは所定の間隔をおいて配置されており、回路基板30の幅方向に、3つの接地電極33aと2つの信号電極32aとが交互に配置されているとともに、3つの接地電極33bと信号電極32bとが交互に配置されている。そして、接地電極33aおよび接地電極33bの一端にはそれぞれ接続ランド部36が設けられている。回路基板30上に電気光学デバイスチップ10を実装させた際に、接続ランド部36は電気光学デバイスチップ10の表面側グランド部16Cに接続されることとなる。
The
また、一対の信号電極32a及び一対の信号電極32bは、それぞれの一端側がゆるやかな曲率で基板31の短手方向一方の側方に向かう曲げ形状とされ、基板31の側方に達した各々の端部が不図示のコネクタに接続される。なお、信号電極32a,32b、接地電極33a,33bの配線形状やピッチはパッケージやそのコネクタ位置等の条件により適宜選択できる。
Each of the pair of
次に、回路基板30上への電気光学デバイスチップ10の実装方法について述べる。図6は、電気光学デバイスチップ10の実装動作を示す断面図である。回路基板30の信号電極32a,32b及び接地電極33a,33bと、電気光学デバイスチップ10の信号電極14及び第一接地電極15との接続は、次のように行う。
Next, a method for mounting the electro-
図6に示すように、まず、回路基板30の接続ランド部35a,35b及び接続ランド部36上に、金、半田等のバンプ34をそれぞれ形成する。そして、各接続ランド部35a,35b,36上にバンプ34が形成された回路基板30上に、電気光学デバイスチップ10を上下反対向きにして第一電極21が形成された側(第一面11a側)を回路基板30と対向させて載置させる。このとき、電気光学デバイスチップ10の接続ランド部16A,16B及び表面側グランド部16Cと、回路基板30の接続ランド部35a,35b,36との位置合わせを行いながら、回路基板30上に電気光学デバイスチップ10を載置させ、リフロー、熱圧着、超音波接合、表面活性化常温接合等の方法によりボンディングを行う。このようにして、図1に示した光制御素子100を構成する。
As shown in FIG. 6, first, bumps 34 such as gold and solder are formed on the
電気光学デバイスチップ10と回路基板30との接続方法には、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。電気光学デバイスチップ10の一対の接続ランド部16Aと回路基板30の一対の接続ランド部35a、電気光学デバイスチップ10の一対の接続ランド部16Bと回路基板30一対の接続ランド部35b、電気光学デバイスチップ10の表面側グランド部16Cと回路基板30接続ランド部36(接地電極33a,33b)とが、それぞれバンプ34を介して接続される。
As a method for connecting the electro-
LNのような比誘電率の高い材料からなる薄い基材を素子基板11として用いる場合、その厚さ方向で接続ランド部と接地電極とが対向するG−CPWの構成で接続ランド部の幅を広くすると、インピーダンスが非常に小さくなり、インピーダンス不連続の発生、あるいは、寄生容量の増大による高周波特性の劣化が生じてしまう。
When a thin base material made of a material having a high relative dielectric constant such as LN is used as the
しかしながら、本実施形態のように、接続ランド部16A、16Bが、該素子基板11の誘電率よりも低い誘電率を有する低誘電率層12を介して該素子基板11の第一面11aよりも高い位置にビルドアップされているため、接続ランド部16A、16Bの配線幅が広い場合であっても、上記したようなインピーダンスの不整合の発生や寄生容量の増加を抑えることができ、特に、高周波領域での光変調の特性劣化を防止することができる。
However, as in the present embodiment, the
また、図7に示す従来のように、信号電極14(制御部19)の端部を電気光学デバイスチップ10の側方へ湾曲させて形成する必要がないため製造が容易になる。また、従来は、信号電極14(制御部19)の端部を素子基板11の側方へ向かって湾曲させる構造であったためチップの幅を広くとる必要があったが、本発明では、信号電極14の端部を素子基板11の側方へ向かって湾曲させない構造のためチップの幅を狭くすることができ、1枚のウェハからのチップの取れ数を大幅に向上することが可能となる。特に、リッジ型光導波路の場合は工程数や加工時間も多くかかるためコスト面での効果が非常に大きい。また、電気光学デバイスチップ10および周辺回路を1枚の回路基板30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。
Further, unlike the prior art shown in FIG. 7, it is not necessary to form the end of the signal electrode 14 (control unit 19) by curving to the side of the electro-
また、信号電極14をストレートすなわち直線状に形成することで、制御信号の伝搬送方向が変わることがないので、誘電率に異方性のある材料を素子基板11にした場合でも、電極の設計が複雑になることはない。また、信号電極14を曲線構造にしていた従来の構成と異なり、高周波応答成分の劣化及び反射を低減することができる。また、信号電極14を電気光学デバイスチップ10上で取り回す必要がなくなり、複数信号の位相差の調整経路の設計などの自由度が増すとともに、短尺化も可能となり、特性の向上が得られる。
In addition, since the
また、接続ランド部16A、16Bは、電気光学デバイスチップ10と回路基板30との接続方法に応じて設定され、適当な幅(太さ)、平面形状とされる。これにより半田リフローによる接続の際、半田との溶融による線切れを回避することができるとともに、厳密な半田の量、温度の制御許容幅などが緩和され、量産への適用が容易になる。
The
また、信号電極14はG−CPW構造のため、回路基板30との接続のために単に線幅を広くしただけでは、インピーダンスの不整合の発生や寄生容量の増大が発生し、光制御素子100としての特性が大幅に低下してしまうことが懸念されていた。しかしながら、本実施形態のように、信号電極14の両端に信号電極14より広い幅を有する接続ランド部16A,16Bをそれぞれ設けることにより、回路基板30へのプリップチップボンディング実装時の応力による信号電極14の変形や倒れなどを回避することができる。また、電気光学デバイスチップ10の信号電極14と回路基板30とを接続ランド部16A,16Bを介して直接接続するため、過剰な寄生容量の増大を生じる余地が少ない。
Further, since the
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
例えば、図8及び図9に示すように、接続ランド部216A、216Bを更にビルドアップする構成としてもよい。この場合、低誘電率層12の上層側に第二低誘電率層212が形成されており、第二低誘電率層212の表面212aに接続ランド部216A、216B及び表面側グランド部216Cが形成されている。
The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and appropriate modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, as shown in FIGS. 8 and 9, the
接続ランド部216A、216Bは、第二低誘電率層212を貫通するコンタクトホール214A、214Bを介して、接続ランド部16A、16Bに接続されている。同様に、表面側グランド部216Cは、コンタクトホール215Cを介して表面側グランド部16Cに接続されている。
The
このように、接続ランド部216A、216Bを階層的にビルドアップすることにより、接続ランド部216A、216Bの大きさをより大きくすることが可能となる。なお、この場合において、開口部64の幅方向の寸法(W1+W2+W3)は、低誘電率層12の層厚D1(図9参照)及び第二低誘電率層212の層厚D2(図9参照)よりも大きくしてもよい。開口部64の幅方向の寸法(W1+W2+W3)が広いこの構成は、本来、第一接地電極15と表面側グランド部16Cとの間で電界の回り込みが発生しやすく、電界の回り込みが第一電極層に達して制御信号のクロストークや干渉が起こりやすい構成であるが、下記の構成を取ることにより、低誘電率層12を挟んで形成される第一接地電極15と表面側グランド部16Cとの間で電界の回り込みが生じるのを防ぐことができる。低誘電率層12の層厚D1が隙間65の幅W2(又はW3)の値よりも大きい構成とする(D1>W2(又はW3))。回路特性設計上の都合や製上の制約などにより、層厚D1が隙間65の幅W2(又はW3)の値よりも小さくなる場合には、第一接地電極15の開口部15aと表面側グランド部16Cの開口部64との距離が幅W2(又はW3)よりも大きくなるように、第一接地電極15を切り欠いた構成とする。
Thus, by building up the
また、例えば上記実施形態では、接続ランド部16A、16Bが直線状に形成された構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無い。例えば図10に示すように、接続ランド部16A、16Bが曲がった状態で形成された構成であってもよい。図10に示す構成においては、2つの接続ランド部16Aが電気光学デバイスチップ10の短手方向に拡大しつつ、当該電気光学デバイスチップ10の長手方向に延在するように形成されている。この構成によれば、接続ランド部16A同士の距離を大きくすることができ、配線間隔のピッチが拡大され外部配線回路のとの接続が簡便になる。
Further, for example, in the above embodiment, the configuration in which the
また、例えば図11に示すように、接続ランド部16A、16Bがコンタクトホール14Aの位置から電気光学デバイスチップ10の短手方向に延在するように形成された構成であってもよい。この構成を、QPSK光変調器、16QAM光変調器や光マトリクススイッチなどの複数の光に作用する機能部が集積されているデバイスに用いれば、制御信号配線の取り回しの自由度を大幅に上げることができる。特に遅延線の配置設計に有効である、さらに、接続ランド部16A、16Bがコンタクトホール14Aの位置から信号電極14のある方向に折り返した配置とすれば、チップの短尺化にも有効である。開口部64は、接続ランド部16の配置に応じて設計されるが、配線配置の都合で当該開口部64が一区間で設けられなかったり、開口部64が一区間で狭小箇所を含んだりしても、その一区間がデバイスの使用駆動周波数の波長の1/4以下の長さであれば、実用上の支障が無い。
For example, as illustrated in FIG. 11, the connection land portions 16 </ b> A and 16 </ b> B may be formed to extend from the position of the
また、上記実施形態では、信号電極14の延在方向の両端がそれぞれコンタクトホール14A、14Bを介してビルドアップされた構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無く、信号電極14のいずれか一方の端部のみがビルドアップされた構成であってもよい。
Further, in the above-described embodiment, the configuration in which both ends in the extending direction of the
また、上記実施形態では、接続ランド部16A、16B及び表面側グランド部16Cをビルドアップさせる構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無い。例えば、図12に示すように、接続ランド部16A、16Bのみを選択的にビルドアップさせる構成であってもよい。
Moreover, although the said embodiment gave and demonstrated the structure which builds up
図12に示す構成においては、低誘電率層312が局所的に設けられている。具体的には、信号電極14の延在方向の両端部を覆うように低誘電率層312が設けられている。低誘電率層312には、それぞれコンタクトホール14Aが形成されており、低誘電率層312の上面312aには接続ランド部16A、16Bが形成されている。
In the configuration shown in FIG. 12, the low dielectric
この構成によれば、信号電極14(制御部19)を伝搬する制御信号が低誘電率層312から受ける誘電損失の影響が小さくなるため、低誘電率層312としてポリイミドなどの誘電損失の比較的大きい材料を用いることができる。また、マイクロ波の速度低下もほとんど発生しないため、設計上の自由度が高められることになる。
According to this configuration, since the influence of the dielectric loss received from the low dielectric
以上、本発明の効果が特に高いLNを例にして説明したが、これに限られることは無く、例えばLiTaO3,KH2PO4,PZT、PLZT、KTPなどの強誘電体、KTNやSrTiO3などの高誘電率の常誘電体結晶、CLD型やFTC型の色素を含んだ電気光学ポリマー材料、InP,GaAs,InGaAs、歪みSiなどの半導体や、それらの複合材料などを用いたデバイスにおいても有効であることは、言うまでもない。 In the above, description has been given by taking LN as an example where the effect of the present invention is particularly high. However, the present invention is not limited to this. For example, ferroelectrics such as LiTaO 3 , KH 2 PO 4 , PZT, PLZT, KTP, KTN, SrTiO 3, etc. Also effective in devices using high dielectric constant paraelectric crystals, electro-optic polymer materials containing CLD and FTC type dyes, semiconductors such as InP, GaAs, InGaAs, and strained Si, and composite materials thereof It goes without saying that.
また、説明を簡単にするため、低誘電率層12とコンタクトホール14の作製についてビルドアップ配線法を用いて説明してきたが、他の方法での形成も可能である。例えば、いったん低誘電率層を他の材料より犠牲層として形成しておき、チップの実装の際、あるいは実装の後に、低誘電率層12またはその一部を、溶剤による溶解や溶出、腐食性ガスによる分解、機械的な剥離や研削、アブレーション、超音波破砕などの手法によって取りのぞいて、空洞としても良い。さらに、取りの除いた空間を他の低損失誘電体で置き換えても良い。取り除く場合も置き換える場合も、特性設計にあたっては最終のデバイス形態での材料の電気的特性(誘電率、透磁率、導電率など)を考慮が必要であることは、言うまでもない。低誘電率層17、補強基板(保持基板)18についても、同様である。
Further, for the sake of simplicity, the low dielectric
各図では、図が複雑になるのを回避するため、第一電極のグラインド電極、第2電極のグラウンド電極、表面側グラウンド電極の接続部の表示は省略してある。これらの接地電極はビアホール、スルーホール、支持筐体などを経由して互いに接続されている。 In each figure, in order to avoid complication of the figure, the display of the connection part of the grind electrode of the first electrode, the ground electrode of the second electrode, and the surface side ground electrode is omitted. These ground electrodes are connected to each other via via holes, through holes, a supporting housing, and the like.
10…電気光学デバイスチップ 11…素子基板 11a…第一面 11b…第二面 12…低誘電率層 12a…表面 13a〜13d…光導波路 14…信号電極 14A、14B…コンタクトホール 15…第一接地電極 15a…開口部 15C…コンタクトホール 16A、16B…接続ランド部 16C…表面側グランド部 19…制御部 21…第一電極 22…第二電極 23…第二接地電極 30…回路基板 100…光制御素子
DESCRIPTION OF
Claims (7)
電気光学効果を有する材料からなる厚さ10μm以下の素子基板と、
前記素子基板に形成された光導波路と、
前記素子基板の厚さ方向一方の主面側に設けられた第1電極と、
前記素子基板の他方の主面側に設けられた第2電極と、を備え、
前記第1電極は、少なくとも信号電極と第一の接地電極とからなるコプレーナー型の電極であるとともに、信号電極は光導波路を通る光の位相を制御する制御部と当該制御部に接続された接続ランド部とからなり、
該接続ランド部は該素子基板の主面よりも高い位置にビルドアップされると共に該素子基板の主面との間には該素子基板の誘電率よりも低い誘電率を有する低誘電率層が設けられており、
前記第2電極は、少なくとも第二の接地電極を有するとともに前記制御部と協働して前記光導波路に電界を印加するように配置されており、
前記接続ランド部は、前記制御部の電極幅よりも広い幅を有して当該制御部と接続されており、前記制御部と前記回路基板の前記配線電極とを電気的に接続していることを特徴とする光制御素子。 A circuit board provided with wiring electrodes;
An element substrate having a thickness of 10 μm or less made of a material having an electro-optic effect;
An optical waveguide formed on the element substrate;
A first electrode provided on one main surface side in the thickness direction of the element substrate;
A second electrode provided on the other main surface side of the element substrate,
The first electrode is a coplanar electrode composed of at least a signal electrode and a first ground electrode, and the signal electrode is connected to a control unit for controlling the phase of light passing through the optical waveguide and to the control unit. Consisting of the land part,
The connection land portion is built up at a position higher than the main surface of the element substrate, and a low dielectric constant layer having a dielectric constant lower than that of the element substrate is provided between the connection land portion and the main surface of the element substrate. Provided,
The second electrode has at least a second ground electrode and is arranged to apply an electric field to the optical waveguide in cooperation with the controller.
The connection land portion has a width wider than the electrode width of the control portion and is connected to the control portion, and electrically connects the control portion and the wiring electrode of the circuit board. A light control element characterized by the above.
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