JP2016180779A

JP2016180779A - 光回路

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Publication number: JP2016180779A
Application number: JP2015059583A
Authority: JP
Inventors: 慈金澤; Shigeru Kanazawa; 悠太上田; Yuta Ueda; 常祐尾崎; Tsunesuke Ozaki
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2035-03-23
Also published as: JP6322154B2

Abstract

【課題】高周波伝送線路の特性インピーダンスを調整して高周波特性を向上させる光回路を提供すること。【解決手段】光回路は、半導体レーザと、変調信号に応じて半導体レーザの光出力を変調する光変調器と、変調信号と、ＤＣ電源からのＤＣ電圧とを光変調器に印加する電気回路と、光変調器と接続され、終端抵抗を含むインピーダンス線路部と、ＤＣ電圧を印加するときにＤＣ電源から流れる電流のレーザ電極に電流を流す前と後での差分の値を前記光変調器に流れる光電流としてモニタし、そのモニタ電流に応じて、終端抵抗を含むインピーダンス線路部の特性インピーダンスを変化させる制御部とを含む。【選択図】図１７

Description

本発明は、光通信用途の光送信器等、高周波で動作する光デバイスの終端技術に関し、特に、ＥＡ変調器集積ＤＦＢ(Distributed FeedBack:分布帰還型)レーザ（ＥＭＬ：Electroabsorption Modulator integrated with DFB Laser）の５０オーム終端技術に関する。

近年、インターネットやＩＰ電話、動画のダウンロードなどの利用拡大により、必要とされる通信容量が急速に高まっており、光ファイバや光通信用機器に搭載される光送信器の需要が拡大している。光送信器またはそれを構成する部品は、プラガブル（Pluggable）と呼ばれ、搭載や交換がしやすいように、仕様によるモジュール化が急速に進展している。

また、ＸＦＰ（10 Gigabit Small Form Factor Pluggable）は、１０ギガビット・イーサネット（１０ＧｂＥ）の着脱モジュールの業界標準規格の一つであり、この規格により光送信器モジュールに搭載される光源もモジュール化が進んでいる。これは、ＴＯＳＡ（ＴｒａｎｓｍｉｔｔｅｒＯｐｔｉｃａｌＳｕｂ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれ、代表的なモジュール形態として、箱型形状のＴＯＳＡモジュールがある(非特許文献１)。

近年、光送信器の需要が増加しているが、一方で、光送信器の性能を維持しつつ低コスト化への要求も強くなっている。毎秒１００ギガビット伝送用ＴＯＳＡモジュールの開発や、毎秒４００ギガビットの超高速化に向けた標準化活動も活発であり、ＴＯＳＡに対する高性能への要求は大きくなっている。

典型的な箱型ＴＯＳＡモジュールの構成について、図１および図２を参照して説明する。図１は、典型的な箱型ＴＯＳＡモジュール１００の外観を示す図である。図２は、図１に示した筺体のモジュール内部の実装構成を示す図である。

図１に示すように、モジュール１００の筐体は、ＸＦＰ準拠により、焼結セラミックまたは金属で形成されている。

モジュール１００では、筺体のテラス部１０１から筺体内部側に向けて貫通する変調電気信号給電用配線端子１０２が少なくとも一つ設けられる。テラス部１０１にはさらに、ＤＣ給電用配線端子も設けられている。

図１において、モジュール１００には、セラミック部１０３および金属部１０４が形成される。

サブキャリアと呼ばれる薄板２０１は、筺体と離間して設置されている。サブキャリア２０１には、誘電体材料に金属メッキまたは蒸着することにより配線パターンが形成される。さらに、サブキャリア２０１には、光半導体デバイスに必要な素子、例えばレーザダイオード２０２、光変調器２０３、抵抗２０４およびコンデンサ２０５などが搭載される。

筺体はキャリア２０６と呼ばれる金属性の小板に載っており、キャリア２０６の下には、筺体下部に接する熱電冷却素子（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏ−ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｏｌｅｒ）２０７が搭載されている。このＴＥＣ２０７によって、サブキャリア２０１上の素子で発生した熱が吸熱され、筺体下部から排熱される。省電力化と部品点数削減の観点から、ＴＥＣ２０７を用いないＴＯＳＡの開発も行われている。

筺体の側面には、レンズ２１８（レンズ２１８はキャリア２０６上に載せる）または光取り出し用窓が設けられ、天板とともに抵抗溶接などにより光半導体デバイスがパッケージ内に封止される。

筺体外部から内部へ貫通している変調電気信号給電用配線２０８とサブキャリア２０１は、従来、ワイヤ状金線２０９やリボン状金線２１０で導通をとっている。

図３は、ＴＯＳＡモジュール１００と駆動用ドライバＩＣ３０１との接続例を示している。

駆動用ドライバＩＣ３０１の信号またはＤＣ電源からの給電（不図示）は、フレキシブルプリント基板３０２を用いて行われるのが一般的である。

フレキシブルプリント基板３０２は、柔軟性があり大きく変形させることが可能なプリント基板であり、フレキまたはＦＰＣ（ＦｌｅｘｉｂｌｅＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓ）とも呼ばれる。変調用電気信号の伝送またはＤＣ給電は、フレキシブル基板３０２を介してＴＯＳＡモジュール１００に対して行われる。

変調用電気信号は、駆動用ドライバＩＣ３０１からフレキシブル基板３０２を介してＴＯＳＡモジュール１００に伝送される。ＴＯＳＡモジュール１００では、その変調用電気信号は、変調電気信号給電用配線端子１０２、伝送線路２０８、ワイヤ２０９，２１０、およびサブキャリア上の伝送線路２１１を介して、光半導体素子２０３に伝送され、さらには終端抵抗２０４へ伝送される。

駆動用ドライバＩＣ３０１は、出力インピーダンスが５０オームで駆動波形を送出するよう設計されている。このため、伝送線路２１１および終端抵抗２０５についても、通常は５０オームに設定される。こうすることでインピーダンス整合をとるのが従来技術であった。

ＸＦＰ準拠のＴＯＳＡ光モジュールの動作周波数は、１０ＧＨｚにまで及んでおり、電気信号は波（マイクロ波）としての振る舞いが強くなる。すなわち、インピーダンス整合しない不連続点（反射点）では、そこを起点とする反射波が発生し、反射波が駆動ドライバＩＣ３０１に向かって進行してしまう。このような状況から、従来は、伝送線路２１１と終端抵抗２０４との間の不連続点（反射点）をなくすことが重要であった。

図４は、EA変調器集積DFBレーザの構成を示す図であって、（ａ）はEA変調器集積DFBレーザの実装図、（ｂ）はEA変調器集積DFBレーザの斜視図、（ｃ）はEA変調器集積DFBレーザの上面図（ＤＦＢレーザの電極４２２、EA変調器の電極４２３，４２４）を示す。なお、図４（ｃ）は、非特許文献２に開示されている構成を示している。

図４（ａ）に示したEA変調器集積DFBレーザ４００では、５０オームで設計された高周波配線（ＧＳＧ）４０１が、ワイヤ４０３によって、ＥＭＬのＥＡ変調器４０２に接続され、さらにＥＡ変調器４０２から５０オームの終端回路４０４に接続されている。

図４（ｂ）からわかるように、EA変調器集積DFBレーザ４００Ａでは、DFBレーザ４１３とEA変調器４１４が、n-InP基板４２０上に集積される。

DFBレーザ４１３の活性層４１６とEA変調器４１４の光吸収層４１７はともに、InGaAsP／InGaAsP多重量子井戸（MQW: Multi-Quantum Well）構造からなり、バットジョイント４１８によって接続されている。

活性層４１６および光吸収層４１７の上には、p-InP層４１９があり、これがメサ状に形成されたのち、半絶縁（SI: Semi-Insulating）InP４２１によって埋め込まれる。

図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、DFBレーザ４１３の電極４２２とEA変調器４１２の電極４２４との間には分離溝４１５が設けられる。

EA変調器の電極４２３には、ボンディングワイヤを形成するため、またはフリップチップボンディングのためのパット電極４２４が設けられる。DFBレーザ４１３の長さは450μm、EA変調器４１４の長さは150μmである。

なお、図４に示した例では、高周波配線４０１のグランドＧに接続されるｎ電極（n-InP基板４２０の下部）とシグナルＳに接続される電極４２４は、それぞれ、ＥＭＬの異なる面にある場合を示している。

一方、図５に示すように、グランドＧとシグナルＳとに接続される各電極が同一の面に設けられるＥＭＬも知られている。

図５（ａ）および（ｂ）は、フリップチップボンディングによる高周波配線とＥＭＬとの接続態様であって、グランドＧおよびシグナルＳに接続される各電極２３１，２４０が同一の面に設けられる場合について示している。図５（ａ）では、ｎ−ＩｎＰ基板２１３の上に、ｎ−コンタクト層２３８、ｎ−ＩｎＰ２３７、光吸収層２３５、ｐ−ＩｎＰ２３４およびｐコンタクト層２３３を有し、半絶縁（SI: Semi-Insulating）ＩｎＰ２３６により、メサが埋め込まれている。シグナルＳに接続されるｐ電極２３１、およびグランドＧに接続されるｎ電極２４０は、絶縁膜（例えばＳｉＯ₂）２３２の上に形成される。すなわち、ｎ電極２４０とｐ電極２３１はともに、同一の面に設けられる。

なお、各電極２３１，２４０上には、Ａｕバンプ２１５が形成され、ＥＭＬは、Ａｕバンプ２１５、金錫ハンダ（バンプ）２１８および電極パッド２１７を介して、高周波配線板２０１と接続される。

最近では、毎秒１００ギガビットや毎秒４００ギガビットといった超高速化の送信器の需要が高まりつつある。

図６は、従来の多チャネル光送信器５００の構成であって、（ａ）は多チャネル光送信器５００の全体構成、（ｂ）は１チャンネルの構成、（ｃ）は４チャネルの出力の概要、を示す。なお、多チャネル光送信器５００は、非特許文献３に開示されている。

多チャネル光送信器５００は、２５Ｇｂ／ｓで動作するＥＭＬが４つ設けられており、１００Ｇｂ／ｓで動作するようになっている。

ＥＭＬは、ＤＦＢレーザ（ＬＤ）と、ＤＦＢレーザからの出力光を２５Ｇｂ／ｓで変調するためのＥＡ変調器（ＥＡＭ）と、ＬＤの出力光をモニタするためのモニタＰＤ（ＭＰＤ）とからなる。図６（ｂ）は図４（ｃ）に対応しており、図６（ｂ）において、DFBレーザの電極４２２とEA変調器の電極４２３，４２４と、ＭＰＤ（モニタＰＤ：Photo Diode）４２５とが示されている。

４つのＥＭＬからの出力光の波長はそれぞれ異なり、それをＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−ＭｏｄｅＩｎｔｅｆｅｒｅｎｃｅ）型の光カプラで合波する。合波するための光カプラとして、波長カプラや偏波カプラを使うこともある。

図７は、４チャネルのＥＭＬと高周波配線との接続形態を示す図であって、（ａ）は従来のワイヤによる接続形態、（ｂ）は（ａ）の等価回路、（ｃ）は金バンプによる接続形態、（ｄ）は（ｃ）の等価回路、（ｅ）は２つの接続形態の各高周波特性、を示す。なお、図７（ｅ）において、ｔ１は図７（ｃ）に示した接続形態の高周波特性を、ｔ２は図７（ａ）に示した接続形態の高周波特性を、それぞれ示す。

図６に示した４チャネルのＥＭＬと高周波配線とをワイヤで接続するには、例えば図７（ａ）のような構造になる。すなわち、図７（ａ）において、ＥＭＬのＥＡ変調器（ＥＡＭ）と配線板６０４とは、ボンディングワイヤ６０１によって接続される。

図７（ａ）において、多チャネル光送信器６００は、信号線６０２、ＥＡＤＦＢレーザアレイ６０３、サブキャリア６０５、ＥＡＭパッド６０７およびスペーサ６０６を備える。

この図７（ａ）の多チャネル光送信器６００の等価回路は、図７（ｂ）に示すような回路になる。配線板６０４は、コイル（ボンディングワイヤに対応）６０４８を介してＥＡＭ６０４６と接続されるとともに、コイル（ボンディングワイヤに対応）６０４９を介して50オーム終端６０５０と接続される。

なお、図７（ｂ）において、Ｒｐクラッド６０４１、Ｃパッド６０４２、Ｃアクティブ６０４３、Ｒアクティブ６０４４、Ｒｎクラッド６０４５およびアクティブレイヤ（光吸収層）６０４７が示されている。

上述したＲｐクラッド６０４１は図４（ｂ）に示したクラッド層４１９の抵抗に、Ｃパッド６０４２は図４（ｂ）に示したパッド４２４の容量に、Ｃアクティブ６０４３は図４（ｂ）に示した光吸収層４１７の容量に、それぞれ対応する。また、Ｒアクティブ６０４４は図４（ｂ）に示した光吸収層４１７の抵抗に、Ｒｎクラッド６０４５は図４（ｂ）に示した基板４２０の抵抗に、それぞれ対応する。

なお、ＥＭＬの動作帯域をあげるために、上述したボンディングワイヤを使用せずに、図５に示したフリップチップボンディングによって、ＥＡＭの電極６０７と配線板６０４とを金バンプ（図５に示した例では、Ａｕバンプ２１５）で直接接続する方法がある。

図７（ｃ）は図５と同様のフリップチップボンディングの接続態様であり、図７（ｄ）はその接続態様の等価回路である。

図７（ｃ）において、ＥＭＬのＥＡ変調器（ＥＡＭ）と配線板６１４とは、金バンプ６１３によって接続される。

図７（ｃ）において、多チャネル光送信器６００Ａは、上層信号線６１０、下層信号線６１１、ＲＦビア６１２、高周波回路板６１４、サブキャリア６１５を備える。

図７（ｄ）において、配線板６１４は、ＥＡＭ６０４６Ａおよび50オーム終端６０５０Ａとそれぞれ接続される。

なお、図７（ｄ）において、アクティブレイヤ（光吸収層）６０４７Ａが示されている。

上述したフリップチップボンディングは、実装基板上にチップを実装する方法の１つであり、チップ表面と基板とを電気的に接続する際、ワイヤボンディングのようにワイヤによって接続するのではなく、アレイ状に並んだ金バンプによって接続する。これによりワイヤボンディングに比べてチップと配線基板との間の距離が短いため、配線が短くなる。このため、図７（ｅ）に示すように、フリップチップボンディングの場合の高周波特性ｔ１は、ワイヤボンディングの場合の高周波特性ｔ２よりも良くなる。

これは、フリップチップボンディングの場合は、周波数が増加するにつれ高周波特性が徐々に劣化していくのに対し、ワイヤボンディングの場合は、ワイヤボンディングの持つ寄生インダクタンスの影響で周波数応答特性がピーキングを持ち、さらに高周波側では急速に高周波特性が劣化する傾向にあるからである。

寄生インダクタンスを減らすことで、高周波特性を改善することを重要視している。

上述した配線板は、例えば図８（ａ）のようなマイクロストリップラインで形成される。図８（ａ）の誘電体基板において、長さがＷの上面導体７０１ａは伝送線路になり、下面導体７０１ｂはＧＮＤになる。導体７０１ａ，７０１ｂ間には、誘電体７０２が形成される。

伝送線路の特性インピーダンスは、図８（ｂ）に示すように、基板の比誘電率、厚さ、導体の厚さおよび幅などによって決まる。比誘電率の高い基板を使用すれば、回路を小型化することができる。一般に、次のような基板材料が使われることが知られている。ガラスエポキシ基板（比誘電率 ε_r＝４．８）、テフロン基板（比誘電率 ε_r＝２．６）、セラミック基板（比誘電率 ε_r＝１０．０）。

配線板は、例えば図８（ｃ）のようなコプレーナ・ラインで形成される。図８（ｃ）では、厚さ＝ｈ、比誘電率＝εr の誘電体基板の片面を導体面とし、その導体面に幅＝Ｓの２本のスロットが間隔Ｗで設けられている。誘電体基板は通常、両側の導体面がＧＮＤ、中央の導体がシグナルという、いわゆるＧＳＧ構造となる。図８（ｄ）は、ｗ／ｈ＝１．０の配線板におけるｓ／ｈの値に応じた特性インピーダンスを示してある。

図９は、フリップチップボンディングを用いた従来のＥＭＬの終端回路パターン８００の概略を示している。

図９（ａ）に示す回路パターン８００において、ＥＭＬのＥＡ変調器（ＥＡＭ）８０４に信号を送るための高周波線路Ｓ（８０１）も、終端抵抗８０３の直前の高周波線路８０１も同じ５０オーム設計である。図９（ａ）は、ＥＡＭの信号用電極も、ＧＮＤ電極Ｇ（８０２）も同一面にある場合の例を示しており、ＥＡＭの信号用電極は配線板の高周波線路Ｓに、ＥＡＭのＧＮＤ電極は配線板のグランド線路Ｇに、それぞれフリップチップボンディングされる。

５０オームの終端抵抗８０３は、チップ抵抗を配線板に半田づけしてもいいし、配線板に作りこんでもいい。配線板に作りこむ場合、終端抵抗８０３も５０オームになるように設定する。終端抵抗８０３は、寄生容量を少なくするため、なるべく短くなるようにする。終端抵抗８０３とその右側のグランド線路Ｇとの間には隙間を設けずに両者を直結して、寄生成分が含まないようにする。

なお、ＥＡＭのＧＮＤ電極が信号用電極の反対側（裏面）にある場合には、図９（ｂ）のように、信号用電極と配線板の高周波線路８０１とだけがフリップチップボンディングされる。この場合、裏面の電極およびグランドは、ボンディングワイヤ、または、ビアなどの方法で接続される。

図１０および図１１は、ＥＡＭのＧＮＤ電極が信号用電極の反対側（裏面）にある場合のＥＡＭのＧＮＤ電極とグランドとのビア接続形態を示している。図１０および図１１に示した接続形態は、図９（ｂ）の回路パターン８００に対応している。

図１０において、フリップチップボンディング８１３によって、高周波配線板８３０とサブキャリア８２０上のＥＡＭ８０４とが接続される。また、フリップチップボンディング８１５によって、高周波配線板８３０と配線引き回し用の高周波配線板８３１とが接続される。図１０の接続例では、電流パスＩは、フリップチップボンディング８１３→ＥＡＭ８０４の底面→サブキャリア８２０→高周波配線板８３１という経路になる。

図１１に示すように、ＥＡＭ８０４のシングルＳにフリップチップボンディング８１３が施され、サブキャリア８２０上には、例えば半田によってＥＡＭ８０４が搭載される。一般に、ＥＡＭ８０４の厚みは１５０μｍ程度であり、高周波配線板８３１よりも薄いので、サブキャリア８２０には図１１に示すような段差が設けられる。

なお、図１１において、２つのＡｕ電極８１６ａ，８１６ｂは、接続されている。

Ａｕ電極８１６ｂと高周波配線板８３１のグランドＧとはビア８３３によって接続され、２つの高周波配線板８３０，８３１はフリップチップボンディング８１５によって接続される。

上記高周波配線板によって伝送線路８０１の特性インピーダンスおよび終端抵抗８０３をそれぞれ５０オームに設定することでインピーダンス整合をとる構造は従来から存在するが、導体線路幅と、導体線路とグランド線路とのギャップ幅とを調整することにより特性インピーダンスを可変する高周波伝送線路も存在する（特許文献１）。

特開２００５−６４６３２号

Dongchurl Kim et.al., "Design and Fabrication of a Transmitter Optical Subassembly in 10-Gb/s Small-Form-Factor Pluggable Transceiver", IEEE JORNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS. VOL. 12,No.4, JULY/AUGUST 2006, pp776-782 Chengzhi Xu, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 24, NO. 22, 2012 Shigeru Kanazawa, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 32, NO. 1, 2014

上記高周波伝送線路のように、特性インピーダンスを可変することによりインピーダンス整合を行うことは従来から知られていたものの、ＥＡＭを含むインピーダンス整合が考慮されていない。

ＥＡＭはＤＦＢレーザの光を吸収し、光損失を増大させることで変調を行う。印加電圧は、例えば−３Ｖ（ＬＯＷ）〜−０．５Ｖ（ＨＩＧＨ）であり、受光電流が１５ｍＡ程度流れる。つまり、抵抗換算では例えば２００オームであり、５０オーム線路から大きく外れる可能性がある。さらに、受光電流は、光強度や波長、温度等によっても変化するので、ＥＡＭを含むインピーダンス整合を取ることが望ましい。

上記の課題を解決するための光回路は、半導体レーザと、変調信号に応じて前記半導体レーザの光出力を変調する光変調器と、前記光変調器と接続される終端抵抗を有し、前記変調信号を伝送するための高周波伝送線路と、前記光変調器に流れる光電流に応じて、前記終端抵抗の特性インピーダンスを変化させる制御部とを含む。

また、上記の課題を解決するための光回路は、半導体レーザと、前記半導体レーザの強度をモニタするモニタＰＤと、変調信号に応じて前記半導体レーザの光出力を変調する光変調器と、前記光変調器と接続される終端抵抗を有し、前記変調信号を伝送するための高周波伝送線路と、前記モニタＰＤに流れる光電流に応じて、前記終端抵抗の特性インピーダンスを変化させる制御部とを含む。

前記制御部は、前記モニタ電流の出力に対応付けられた制御電圧を、前記インピーダンス線路部に印加して前記特性インピーダンスを変化させるようにしてもよい。

前記制御部は、前記特性インピーダンスを変化させるための指示を、前記高周波伝送線路のシグナル線路とグランド線路との間の距離を可動させる可動機構に行うようにしてもよい。

前記高周波伝送線路は、前記終端抵抗と接続され、所定の特性インピーダンスを有する導体線路と、前記導体線路および前記終端抵抗に対して、所定の距離を隔てて対向配置されるとともに、前記導体線路と接続されるグランド線路とを備え、前記光変調器は、信号入力用電極とグランド用電極とを有し、前記信号入力用電極が前記導体線路に接続されるようにしてもよい。

前記導体線路は、前記終端抵抗の一端と接続され、前記所定の特性インピーダンスを有する第１導体線路と、前記終端抵抗の他端と接続される第２導体線路とを有し、前記第１導体線路および前記グランド線路は、それぞれ、前記終端抵抗側に向かって、線路幅が狭くなるように形成されるようにしてもよい。

前記グランド用電極は、前記グランド線路に接続されるようにしてもよい。

前記信号入力用電極と前記第１導体線路との接続がフリップチップ接続としてもよい。

本発明によれば、高周波特性が向上する。

典型的な箱型ＴＯＳＡモジュールの外観を示す図である。図１で示した筺体のモジュール内部の実装構成を示す図である。ＴＯＳＡモジュールと駆動用ドライバＩＣとの接続態様を示す図である。 EA変調器集積DFBレーザの構成を示す図である。フリップチップボンディングによる高周波配線とＥＭＬとの接続態様を示す図である。従来の多チャネル光送信器の構成を示す図である。従来の多チャネル光送信器において、ＥＡＭの電極と配線板との接続態様、等価回路および高周波特性を示す図である。従来の高周波誘電板において、その構成、誘電率に応じた特性インピーダンスを示す図である。フリップチップボンディングを用いた従来のＥＭＬの終端回路パターンの概略を示す図である。ＥＡＭのＧＮＤ電極が信号用電極の裏面にある場合のＥＡＭのＧＮＤ電極とグランドとの接続形態を示す斜視図である。図１０の接続形態を示す断面図である。本発明の実施形態の高周波伝送線路の構成例を示す図である。高周波配線板の一例を示す斜視図である。高周波配線板と接続されるＥＡＤＦＢレーザチップの一例を示す斜視図である。ＥＡＤＦＢレーザチップと高周波配線板との組み合わせ例を示す斜視図である。図１５の等価回路の一例を示す図である。シミュレーションで得られる等価回路の一例を示す図である。ＭＥＭＳによって高周波伝送線路の特性インピーダンスを可変する処理の一例を示す図である。抵抗体の長さを変えたときの強度を説明するための図である。抵抗体とＧＮＤとの間隔を変えたときの強度を説明するための図である。ピーキングにより帯域を改善させたときの強度を説明するための図である。実施形態の高周波伝送線路の変形例１を示す図である。実施形態の高周波伝送線路の変形例２を示す図である。

以下、本発明の高周波伝送線路１の実施形態について説明する。この高周波伝送線路１は、ＥＭＬに信号を伝送するように構成される。

［高周波伝送線路の構成］
まず、高周波伝送線路１の構成について、図１２および図１３を参照して説明する。図１２は、終端抵抗を含む高周波伝送線路１の構成例を示す模式図である。図１３は、高周波伝送線路１を示す斜視図である。

図１２に示すように、高周波伝送線路１は、第１導体線路１１と、この第１導体線路１１の終端抵抗１４と、終端抵抗１４と接続される第２導体線路１５と、第１導体線路１１、終端抵抗１４および第２導体線路１５に対して、所定の距離を隔てて対向配置されるとともに、第２導体線路１５と接続されるグランド線路１２とを備える。終端抵抗１４の一端は第１導体線路１１の一端に接続され、終端抵抗１４の他端はグランド線路１２の一端に接続される。

なお、本実施形態では、終端抵抗１４の長さは、「ｌ」とする。「ｌ」の値は、寄生インダクタンスを大きくなるように設定される。

導体線路１１，１５は、例えば高周波配線板である。第１導体線路１１の特性インピーダンスは、例えば５０Ωに設定される。

図１２において、ＥＭＬのＥＡＭ１６は、導体線路１１とグランド線路１２との間に接続される。この実施形態では、ＥＡＭ１６の信号用電極およびグランド用電極はともにＥＡＭの同一面に構成されるようになっているので、ＥＡＭ１６の信号用電極は導体線路１１に、ＥＡＭ１６のグランド電極はグランド線路１２に、それぞれフリップチップボンディングされる。フリップチップボンディングの接続形態は例えば図５で示したものと同じである。

第１導体線路１１は、終端抵抗１４側の端面において、内側に曲がる折り曲げ形状１３ｃ，１３ｄを有する。図１２の例では、折り曲げ形状１３ｃ，１３ｄは、例えば、線路幅が狭くなるテーパ形状となっている。

グランド線路１２は、上述した各折り曲げ形状１３ｃ，１３ｄに対応する位置において、外側に曲がる折り曲げ形状１３ｂ，１３ａを有する。図１２の例では、折り曲げ形状１３ａ，１３ｂは、例えば、GND電極幅が狭くなるテーパ形状となっている。

これにより、折り曲げ形状１３ａ〜１３ｄの部分の特性インピーダンスは、終端抵抗１４側に向かって、５０Ωよりも大きくなるように変化する。この部分は、図１３に示すインピーダンス遷移部３２を構成する。

図１２に示した終端抵抗１４およびそれと対向するグランド線路１２の部分は、特性インピーダンスが５０Ωよりも大きくなる。この部分は、図１３に示す第１の高インピーダンス部３３を構成する。

第２導体線路１５の一端は終端抵抗１４と接続され、他端はグランド線路１２と接続される。つまり、終端抵抗１４は、グランド線路１２と直接接続されない。なお、第２導体線路１５は、対応するグランド線路１２との組み合わせによって、図１３に示す第２の高インピーダンス線路部３４を構成する。この第２の高インピーダンス線路部３４は、スタブとして機能し、これにより、後述する周波数のピーキング量が調整されるようになっている。

なお、図１３において、５０Ω線路３１は、インピーダンス特性が５０Ωの導体線路１１の部分に対応する。

次に、この終端装置１と組み合わせられるEA変調器集積DFBレーザ（以下、「DFBレーザ」と略す。）２０について、図１４を参照して説明する。図１４は、DFBレーザ２０の一例を示す斜視図である。

図１４に示すように、DFBレーザ２０は、ＤＦＢレーザ電極２１と、金バンプ２２と、ＥＡＭの信号用電極２３と、レーザチップ２４と、サブキャリア２５とを備える。

図１５は、高周波伝送線路１とDFBレーザ２０とが組み合わせられた光回路の一例を示す斜視図である。

この例では、高周波伝送線路１は、金バンプ２２を介して、DFBレーザ２０と接続されるようになっている。

なお図１５では、ＤＦＢレーザ２０と高周波伝送路１が直角に交わるような形態になっているが、ＤＦＢレーザ２０と高周波伝送路１が同一方向から重なり合うように配置しても構わない。特にＤＦＢレーザ２０が単体でなく、アレイ構造の場合には、ＤＦＢレーザ２０と高周波伝送路１とを同一方向に配置するのが好ましい。

図１６は、高周波伝送線路１の等価回路４０である。

この等価回路４０は、５０Ω線路４１と、インピーダンス調整部４２とを備える。インピーダンス調整部４２は、５０Ω線路４１と直列接続されるインピーダンス遷移部４２１と、第１の高インピーダンス線路４２２と、第２の高インピーダンス線路４２３とを有する。ＥＡ部４２４の一端は、５０Ω線路４１とインピーダンス遷移部４２１との間に接続され、ＥＡ部４２４の他端は接地される。なお、図１６に示す回路要素４１，４２１，４２２，４２３はそれぞれ、図１３に示した５０Ω線路３１，インピーダンス遷移部３２，第１の高インピーダンス線路部３３と、第２の高インピーダンス線路部３４に対応する。

［シミュレーションの概要］
次に、本実施形態の高周波伝送線路１について、三次元電磁解析シミュレータを利用して、終端抵抗１４の長さｌ、終端抵抗１４とグランド線路１２との間隔、および、第２の高インピーダンス線路部３４の長さを変えて、光出力強度を計算した。このときの等価回路を図１７に示す。

図１７は、シミュレーションにより得られた回路要素４１，４２１，４２２，４２３，４２４を含む等価回路とコントローラ５０とを示している。図１７の例では、Ｒ１＝５０Ω、Ｌ１＝０．００３ｎＨ、Ｃ１＝０．０３８ｐＦ、Ｒ２＝２４．８Ω、Ｒ３＝９８Ω、Ｒ４＝２Ω、Ｃ２＝０．０５８ｐＦを示している。

なお、図４を参照すると、Ｒ２はＥＡＭのクラッド層４１９の抵抗に、Ｃ１はパッド４２４の容量に、Ｃ２は光吸収層４１７の容量に、それぞれ対応する。また、Ｒ３は光吸収層４１７の抵抗に、Ｒ４は基板４２０の抵抗に、それぞれ対応する。

図１７において、バイアスティー（バイアスＴ）５２には、高周波信号発生源であるＡＣと、ＤＣ電圧の発生源であるコントローラ５０とが接続される。バイアスＴ５２は、高周波信号とＤＣ電圧とを合成して回路要素４１に出力する。

コントローラ（制御部）５０は、ＤＣ電圧を印加するとともにその時にコントローラ５０に流れる電流５０１の光が出力されている時とされていない時の差分を、ＥＡＭに流れる受光電流としてモニタする。これは、ＥＡＭ４２４に流れる受光電流は、回路要素４２１，４２２，４２３に流れる電流が一定の値であるため、レーザ２１に電流を流す前と後での電流５０１の差分の値がＥＡＭに流れる受光電流に相当するからである。なお、構成によっては、回路要素４２１，４２２，４２３に流れる電流をより小さくするために、容量成分を付与することもできる。

なお、回路要素４２１〜４２２に流れる電流は、EAM回路４２４に流れる電流よりも大きくなるが、抵抗体の値は一定であるため、一定電圧である限り、回路要素４２１〜４２２に流れる電流も一定となるため、上記のような検出を採用した。

ここで、コントローラ５０は、変調信号とＤＣ電源からのＤＣ電圧とを光変調器に印加する電気回路としても機能する。

コントローラ５０は、電流５０１に応じて、終端抵抗を含む第１の高インピーダンス線路部４２２の特性インピーダンスを変化させる。

なお、コントローラ５０は、第１の高インピーダンス４２２だけでなく、第１の高インピーダンス線路部４２２と第２の高インピーダンス線路部４２３の両方の特性インピーダンスを変化させるようにすることもできる。また、コントローラ５０は、第１の高インピーダンス線路部４２２または／および第２の高インピーダンス線路部４２３の特性インピーダンスの変化に追従するよう、インピーダンス遷移部４２１の特性インピーダンスも変化させることができる。

図１７では、コントローラ５０は、上述したモニタする電流値５０１に対応する、第１の高インピーダンス線路部４２２に対する電圧値（制御信号）５０２を含むテーブル５１を備えており、このテーブル５１を参照して、モニタ電流値に対応する電圧値を抽出する。そして、コントローラ５０は、この電圧値を、第１の高インピーダンス線路部４２１の導体線路１１とグランド線路１２との間に印加する。例えばＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム）または液晶を用いた高周波伝送線路１の特性インピーダンスは、導体線路１１の幅、高周波伝送線路１の誘電率・厚さ、および、各線路１１，１２間のギャップにより決まる。したがって、例えば、高周波伝送線路１への印加電圧が変わる場合には、高周波伝送線路１の誘電率が変化することで、終端抵抗１４の特性インピーダンスが可変する。これにより、ＥＡＭを含むインピーダンス整合を正確に行いつつ、周波数特性を向上させることができる。

なお、DFBレーザ２０の光出力の変化によって受光電流が変化し、これは、図１７の等価回路において、抵抗Ｒ３の値の変化として表れる。本実施形態のコントローラ５０は、抵抗Ｒ３の変化に応じて、終端抵抗１４の特性インピーダンスを制御するようになっている。

図１７では、コントローラ５０が受光電流に対応する電圧値を高周波伝送線路１に印加する場合について説明した。これとは別に、可動機構としてのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）によって、特性インピーダンスを可変するようにしてもよい。

図１８は、ＭＥＭＳ７１によって高周波伝送線路１のグランド線路１２をシグナル線路に近づけたり、遠ざけたりすることで、特性インピーダンスを可変する処理を示している。図１８に示す例において、ＭＥＭＳ７１とグランド線路１２との間のカップリング量を制御して特性インピーダンスを可変させる。この場合、コントローラ５０は、終端抵抗１４の特性インピーダンスを変化させるための指示を、高周波伝送線路１のシグナル線路とグランド線路との間の距離を可動させるＭＥＭＳ７１に行う。

なお、特性インピーダンスを変える方法は、上述した例に限定されるものではない。例えばインピーダンスを変えることのできるトランジスタ回路や液晶等を設けておき、受光電流に応じて、トランジスタ回路や液晶等によって特性インピーダンスを変えることも可能である。

また、本実施形態では、コントローラ５０は、コントローラがＤＣ電圧を印加するときの電流（ＥＡＭに流れる受光電流）をモニタし、その受光電流（モニタ電流）に応じて特性インピーダンスを可変する場合について説明するが、ＭＰＤ（図６（ｂ）を参照）を流れる受光電流をモニタし、その受光電流（モニタ電流）に応じて特性インピーダンスを可変することもできる。

図１９は、終端抵抗１４の長さｌを変えたときにシミュレーションにより得られる強度を示している。強度Ｓ１１は、図１７に示したものを表し、Ｓ１２は、従来の図９（ａ）に示したものを表している。図１９に示すように、「ｌ」の値が２５μｍから１００μｍになることで、Ｓ１１で示される帯域幅が改善する。

図２０は、終端抵抗１４とグランド線路１２との間隔を変えたときにシミュレーションにより得られる強度を示している。強度Ｓ２１は、図１８に示したものを表し、Ｓ２２は、従来の図９（ａ）に示したものを表している。強度Ｓ２１，Ｓ２２に示すように、上記間隔が２０μｍから１００μｍに変化することで、４０ＧＨｚ付近でピーキングが生じ、これにより、Ｓ２１で示される帯域幅が改善する。

図２１は、第２の高インピーダンス線路部３４の長さを変えたときにシミュレーションにより得られる強度を示している。強度Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ３３は、それぞれ、第２の高インピーダンス線路部３４の長さが１５０μｍ，１００μｍ，５０μｍのものを表し、Ｓ３４は、従来の図９（ａ）に示したもの（すなわち、高インピーダンス線路部３４の長さが０μｍ）を表している。強度Ｓ３１〜Ｓ３４に示すように、第２の高インピーダンス線路部３４が長くなることで、４０ＧＨｚ付近でピーキングが生じ、これにより、帯域幅が改善する。

なお、上記シミュレーションでは、第２の高インピーダンス線路部３４の長さを変えることにより帯域が改善することがわかったが、この第２の高インピーダンス線路部３４の長さは、フォトリソグラフィにより±５μｍ以下の精度でパターン作製することができるので、所望のピーキング量とすることができる。

以上説明したように、本実施形態の高周波伝送線路１によると、第１導体線路１１およびグラウンド線路１２は、それぞれ、終端抵抗１４側に向かって、線路幅が狭くなるように形成される。この場合、終端抵抗１４および第２導体線路１５では、グランド線路１２との組み合わせによって特性インピーダンスを第１導体線路１１の特性インピーダンスよりも高くなる。これにより、周波数特性が向上する。

以上、実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、変更するようにしてもよい。

以上では、ＥＭＬのＥＡＭ８０４は、導体線路８０１とグランド線路８０２との間に接続される場合について説明した。しかしながら、ＥＡＭ８０４の信号用電極とグランド用電極とが異なる面に構成される場合も考えられる。例えば図２２では、かかる場合について、高周波伝送線路１Ａが、ＥＡＭの信号用電極およびグランド電極がともに、第１導体線路１１でフリップチップボンディングされる態様を例示している。

上述した高周波伝送線路１，１Ａは、様々な改変が可能である。例えば図２３は、終端抵抗１３Ｂと接続され、所定の特性インピーダンスを有する導体線路１１と、導体線路１１および終端抵抗１３Ｂに対して、所定の距離を隔てて対向配置されるとともに導体線路１１と接続されるグランド線路１２とを備える高周波伝送線路１Ｂを示している。この場合にも、ＥＡＭ１６は、信号入力用電極とグランド用電極とを有しており、信号入力用電極が導体線路１１に接続される。このようにしても上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、上述した折り曲げ形状（テーパ形状）１３ａ〜１３ｄは、特性インピーダンスが例えば５０Ωより高くなるものであればよく、他の様々な代替の形状によっても実施することができる。例えば、かかる形状として、段階的に、または曲面状に連続的に、変化するようにしてもよい。

図１２および図２２に示したものにおいて、テーパ形状は、第１導体線路１１のみに形成し、グランド線路１２は形成しないようにしてもよい。

上記実施形態および変形例等は、任意に組み合わせて実施することができる。

１，１Ａ，１Ｂ高周波伝送線路
１１第１導体線路
１２グランド線路
１３ａ〜１３ｄ折り曲げ形状
１４終端抵抗
１５第２導体線路
５０コントローラ

Claims

半導体レーザと、
変調信号に応じて前記半導体レーザの光出力を変調する光変調器と、
前記変調信号と、ＤＣ電源からのＤＣ電圧とを前記光変調器に印加する電気回路と、
前記光変調器と接続され、終端抵抗を含むインピーダンス線路部と、
前記ＤＣ電圧を印加するときに前記ＤＣ電源から流れる電流を前記光変調器に流れる光電流としてモニタし、そのモニタ電流に応じて、前記終端抵抗を含むインピーダンス線路部の特性インピーダンスを変化させる制御部と
を含むことを特徴とする光回路。
半導体レーザと、
前記半導体レーザの強度をモニタするモニタＰＤと、
変調信号に応じて前記半導体レーザの光出力を変調する光変調器と、
前記変調信号と、ＤＣ電源からのＤＣ電圧とを前記光変調器に印加する電気回路と、
前記光変調器と接続され、終端抵抗を含むインピーダンス線路部と、
前記モニタＰＤに流れる受光電流としてのモニタ電流に応じて、前記終端抵抗を含むインピーダンス線路部の特性インピーダンスを変化させる制御部と
を含むことを特徴とする光回路。
前記制御部は、前記モニタ電流の出力に対応付けられた制御電圧を、前記インピーダンス線路部に印加して前記特性インピーダンスを変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の光回路。
前記制御部は、前記特性インピーダンスを変化させるための指示を、前記インピーダンス線路部のシグナル線路とグランド線路との間の距離を可動させる可動機構に行うことを特徴とする請求項１または２に記載の光回路。
前記インピーダンス線路部は、
前記終端抵抗と接続され、予め設定された特性インピーダンスを有する導体線路と、
前記導体線路および前記終端抵抗に対して予め設定された距離を隔てて対向配置されるとともに、前記導体線路と接続されるグランド線路と
を備え、
前記光変調器は、信号入力用電極とグランド用電極とを有し、前記信号入力用電極が前記導体線路に接続されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光回路。
前記導体線路は、前記終端抵抗の一端と接続され、前記所定の特性インピーダンスを有する第１導体線路と、前記終端抵抗の他端と接続される第２導体線路とを有し、
前記第１導体線路および前記グランド線路は、それぞれ、前記終端抵抗側に向かって、線路幅が狭くなるように形成されることを特徴とする請求項５に記載の光回路。
前記グランド用電極は、前記グランド線路に接続されることを特徴とする請求項５に記載の光回路。
前記信号入力用電極と前記第１導体線路との接続がフリップチップ接続であることを特徴とする請求項５に記載の光回路。