JP3923355B2

JP3923355B2 - 光変調装置

Info

Publication number: JP3923355B2
Application number: JP2002117171A
Authority: JP
Inventors: 航太浅香; 泰正須崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: JP2003315754A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報通信等で用いられる光変調装置に関するものであり、特に多重通信用の多チャンネル光変調装置に関する。。
【０００２】
【従来の技術】
近年、伝送容量拡大のために波長分割多重（ＷＤＭ）伝送方式を用いた光ファイバ通信について盛んに研究開発が進められている。モノリシック集積型の光半導体デバイスは、異なった機能を有する素子を同一半導体基板上に形成できるため、このようなＷＤＭネットワークにおいて光信号処理機能を実現する光コンポーネントとして非常に有効である。電界吸収型光変調器（以下、ＥＡ変調器と略記）は低駆動電圧で高速信号光を得ることができるだけでなく、高速ゲートスイッチや波長変換機能としての機能を有するためＷＤＭネットワークには必須の光半導体素子であると考えられている。
【０００３】
一方、波長多重数の増加に対応するために、同一の機能を持った複数の光半導体素子を、同一基板上に配置したアレイ化素子の需要が高まっている。例えばＥＡ変調器をアレイ化すると、ワンチップで多波長光変調器アレイ、または高速光ゲートスイッチアレイを実現できるため、デバイスの小型化と低コスト化に有利である。さらに、光半導体素子と光ファイバとでは、光のスポットサイズが大きく異なるため、光学接続点での結合損失が増大することが問題となっていた。そのため、光半導体素子と受動導波路型のスポットサイズ変換器を同一基板上に集積し、光ファイバとの結合損失の低減を図ることが行われている。また、ハイメサ構造を有する受動導波路は、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）や多モード干渉計（ＭＭＩ）といった合分波機能を有する受動導波路型機能デバイスと同じ構造を有している。このように、能動素子（例えば、レーザダイオードや光半導体増幅器）と受動導波路との集積化は、光半導体集積回路の高機能化を図ることができるため、ＷＤＭネットワーク用の光コンポーネントを実現する上で非常に有望である。
【０００４】
ところでＥＡ変調器は、電圧を印加すると吸収端波長が長波長側にシフトするという物理現象を利用して、連続光を断続した信号光に変換することが出来る。高速な信号光を生成するためには高周波電気信号をＥＡ変調器に給電する必要がある。よって、ＥＡ変調器モジュールヘは同軸ケーブルにより高周波電圧の供給を行い、モジュール内部ではマイクロストリップライン（ＭＳＬ）により素子の直近まで接続し、ＭＳＬからはワイヤボンディングにより素子上面の電極パッドと接続する。このときワイヤ長が長くなると、ボンディングワイヤの寄生インダクタンスの増加を招き、高周波特性が劣化する。そのため、ＥＡ変調器へのワイヤ長は、できるだけ短くする必要がある。
【０００５】
そこで、ワイヤボンディングに替わる電気的な接続法として、冨室らが開発したＩＰＦ（Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ−ｍａｔｃｈｅｄＦｉ１ｍ）キャリアが非常に有効であると考えられている（冨室他、特開平２−３４９４８号公報）。ＩＰＦキャリアとはインピーダンス整合型の電気配線膜（フィルムキャリア）のことで、絶縁性フレキシブル基板の両面に、金属導体のコプレーナ（ＣＰＷ）配線パターンとグランド面が形成されたグランドコプレーナ（ＧＣＰＷ）構造となっており、半導体素子の直上に配置して用いる。ＩＰＦキャリアの配線パターン端部には端子接続用の開口部にＡｕバンプを形成した短いリードを配置しており、熱超音波ボンディングによって、半導体素子の電極パッドと接続する。そのため、半導体素子の直近までインピーダンス整合のとれた電気配線を行うことが可能なため、非常に広い帯域において良好な周波数特性を得ることができる。恒次らは、ＩＰＦキャリアの周波数帯域特性としてＳパラメータを評価した（恒次他、電子情報通信学会誌、Ｖｏｌ．８４，Ｎｏ．６，ｐｐ．３９０−３９８，Ｊｕｎｅ２００１）。その結果、直線状の配線パターンの場合、ＤＣ〜５０ＧＨｚまでの広帯域な領域でＳ_２１<−０．８ｄＢ、Ｓ_１１<−２０ｄＢと優れた高周波特性を達成している。
【０００６】
一方、アレイ化した多チャンネルＥＡ変調素子の構造を図５に示す。図５は４チャンネルのＥＡ変調器アレイ素子の例であるが、ＥＡ変調器アレイ素子３には受動導波路４が４本形成されており、この光の入射面および出射面には反射防止膜１３が形成されている。それぞれの受動導波路４に対しては光ファイバアレイ５が光学的に結合されており、各受動導波路４においては配線用のボンディングワイヤ８を接続するためのＥＡ変調器用の電極パッド６が形成されており、ＥＡ変調器アレイ素子３の各チャンネルに信号電圧を印加する構造となっている。この電極パッド６と回路部分を形成しているＭＳＬ１４あるいは終端抵抗７とは熱超音波ボンディング等によりボンディングワイヤ８で配線されている。このため、素子中央部に配置されたＥＡ変調素子（図５で受動導波路ｂ、ｃ）へのワイヤ長を、素子端部（図５で受動導波路ａ、ｄ）に配置された場合よりも長くしておく必要がある。素子端部に配置された場合は、従来のＥＡ変調器単体における場合のワイヤ長とほぼ同等に接続できるが、中央部に配置された場合はワイヤ長が長くなるため寄生インダクタンスの増加を招き、高周波特性が劣化してしまうことが重要な問題となっていた。また、ワイヤ同士が接触すると短絡して、各チャンネルを独立な電気信号で変調することができなくなる。よって、ワイヤの引き回し工程には細心の注意を払う必要が生じるため、チャンネル数の増加に伴い実装工程が煩雑化し、歩留まりの低下を招くことが問題となっていた。
【０００７】
以上述べた問題を解決するために山田らは、図６に示した反射型の多チャンネル変調装置を開発した（Ｋ．Ｙａｍａｄａｅｔａｌ．，ＩＥＩＣＥＴｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．Ｅ８１−Ｃ，Ｎｏ．８，Ａｕｇｕｓｔ１９９８，ｐｐ．１２４５−１２５０）。この構造の光変調装置においては、回路との接続点を全て半導体基板の同一端面に寄せ、すなわち、電極パッド６を変調器アレイ素子３の高反射膜１５側に配置し、この高反射膜１５側に回路部分１６を配置している。これにより回路部分１６とＥＡ変調器アレイ素子３とは全てのチャンネルが同じ最短距離でボンディング出来ることになる。この場合、光の入力および出力は同じ反射防止膜１３が形成されている側から行なわれるため、チャンネル毎に入力光と出力光とを分離するための光サーキュレータ１７が必要となる。このため、ＥＡ変調素子の位置によらず、どのチャンネルに対しても従来のＥＡ変調器単体における場合のワイヤ長とほぼ等しく接続できるため、アレイ化を行っても良好な高周波特性を得ることができ、また、ワイヤの引き回し工程においてもＭＳＬ１４から各ＥＡ変調素子の電極パッド６までが近いので、他チャンネルのワイヤと接触する可能性が低く、よって、チャンネル数が増加しても、実装工程が煩雑化することがない、と言うメリットがある。しかしながら、この構造による光変調装置は同一の光ファイバにより光の入出力を行うため、チャンネル数分の光サーキュレータ１７を用いる必要がある。そのため、低コスト化が困難になるという重大な問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来提案されてきた各種のアレイ型光変調器においては周波数特性上、製造工程上あるいはコスト上の問題が何れも十分に解決されたものとはなっておらず、実用上の問題点となっていた。
本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、アレイ化されたＥＡ変調器モジュールにおいて、広帯域な領域で良好な高周波特性を示し、かつチャンネル数の増加に伴い実装工程が煩雑化することなく、さらに、コスト増加を招く光サーキュレータ１１を必要としない光変調装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては絶縁性フレキシブル基板の一方の面にコプレーナ配線パターンが形成されると共に、他方の面にグランド面が形成されたグランドコプレーナ構造のインピーダンス整合型線路で構成された電気配線と、複数の光変調器と該光変調器の両側に受動導波路が集積されている光半導体素子とを電気的に接続してなる光変調装置において、光入力端および光出力端にそれぞれ受動導波路が接続され、該各受動導波路の光入力端および光出力端が相対向する端面に設置されており、かつ、各光変調器となる部分が光の伝搬方向に沿って該光入力端からの距離が、チャンネル毎に互いに異なった位置に配置されており、駆動電気信号を入力するための前記電気配線の入力ポートが該受動導波路の該光入出力端と異なる端面にチャンネル毎に形成され、各チャンネルの前記入力ポートから当該チャンネルの光変調器に接続される配線パターンが、全てのチャンネルで曲げ部のない直線で構成されると共に、前記入力ポートが形成された端面に相対向する端面に形成された出力ポートに接続され、前記全チャンネルについて電気配線の入力ポートから出力ポートまでの長さを等しくし、該出力ポートにはそれぞれ終端抵抗を接続した構成光変調装置について規定している。
【００１０】
また、請求項２においては、請求項１記載の光変調装置において、インピーダンス整合型線路で構成された電気配線に高周波信号を給電する前記入力ポートを、隣接する前記チャンネル毎に反対側の端面に設置した構成の光変調装置について規定している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明における第１の実施の形態例に係わる光半導体素子の構成を表す上面図を示す。半導体素子は、ＥＡ変調器アレイ素子３とその両端に光入出力端を有する受動導波路４を有する素子を４つ集積したモノリシック集積型の多チャンネル変調器アレイ素子３となっている。図示はしないが、この受動導波路４の光入出力端には、水平方向のテーパー構造を用いることでスポットサイズを広げ、光ファイバとの結合損失低減を図った。多チャンネル光変調器アレイ素子３と光ファイバアレイ５を直接光結合するためと、チャンネル間ピッチを５００μｍにして多チャンネル変調器アレイ素子３サイズの小型化を図るために、多チャンネル変調器アレイ素子３との光結合には先球ファイバを用いた。素子のサイズは、２．５ｍｍ×２．５ｍｍであり、非常に小型なデバイスとなっている。
【００１２】
入力側の光ファイバアレイ５から入射した連続光は、受動導波路４の入力側を経てＥＡ変調器アレイ素子３に入射する。ＥＡ変調器アレイ素子３で変換された信号光は、受動導波路４の出力端より出力側に配置された光ファイバアレイ５ヘ出射する。このように、光の入出力端を別個に構成した導波路を用いるため、光サーキュレータが不要な構成となっている。
【００１３】
ところで、高周波電気配線パターンにおける曲げ部は、反射点や共振点の原因となるため、高周波特性を劣化させることが知られている。よって、本実施の形態例においては４つある各ＥＡ変調器を、光の入射面からの距離がチャンネル毎に導波路上で異なった位置に配置することにより、ＩＰＦキャリア２１の上にＧＣＰＷによる配線パターン９は全てのチャンネルで曲げ部のない直線で構成し、５０Ω抵抗７で終端している。これにより、図５における長さの異なるボンディングワイア８を空間的に配置して結線することがないため、広帯域において良好な高周波特性を得ることができる。
【００１４】
また配線パターンのチャンネル間ピッチは５００μｍと充分離すことで、チャンネル間電気クロストークの低減を図った。ＩＰＦキャリア２１上のＧＣＰＷ配線パターン９ヘの駆動信号の入力は、４チャンネル全て同一方向から行うと、図示はしないがモジュールの片側のみに同軸コネクタ等の高周波用コネクタが配置されるため、モジュールが大型化してしまう。そのため、図１に示すように１チャンネルずつ交互に両側から駆動電気信号を入力する。
【００１５】
本実施の形態では４チャンネル変調装置について示したが、チャンネル数が４つ以上になっても、熱超音波ボンディングによる接続点数が増加するだけで、１枚のＩＰＦキャリア２１により電気的に配線することができる。そのため、チャンネル数の増加による実装工程の煩雑化、あるいは歩留まりの低下が生じることはない。
【００１６】
図１に示した、直線状のＧＣＰＷ配線パターン９の高周波特性を解析するために、シミュレーションを行った。図２にシミュレーションに用いた解析モデルを示す。図２は１チャンネルあたりの上面図を示すもので、図２におけるＡ−Ａ’間の断面図を図３に示す。図２において１が高周波駆動電圧の入力ポートで、２は５０Ω終端抵抗７に接続された出力ポートである。信号線１０の線路長は、素子の横幅と同じ２．５ｍｍとし、この信号線１０の両側に図３に示すようにグランド線１１が配線されており、この配線面と反対側の面、すなわち、図２に示す上面の反対側の裏面はグランド１２の面としている。
【００１７】
また図３においてＣｕ配線パターン１９の厚みを無視し、無損失線路として解析を行った。実際には、表面の配線パターンの信号線１０およびグランド線１１と裏面のグランド１２はヴィアにより導通してグランド強化を図ったが、簡単のため本シミュレーションではヴィアを考慮に入れていない。また、ＥＡ変調素子とＩＰＦキャリア２１の絶縁を図るために、ＩＰＦキャリア２１の両面は絶縁性のポリイミド２０でコーティングされているが、簡単のため本シミュレーションでは考慮に入れていない。図４には、その解析結果（Ｓ_１１）を示す。図４より、１〜４０ＧＨｚまでの広い周波数領域において、Ｓ_１１<−２０ｄＢの良好な特性を達成していることが分かる。
【００１８】
なお、上述した実施の形態例では、４つの素子を集積したＥＡ変調器アレイを例に挙げて説明したが、４つ未満、あるいは５つ以上の素子を集積した光半導体アレイに適用できるのは無論のことである。
【００１９】
また、上述した実施の形態例では、電圧駆動型のＥＡ変調器を例に挙げて説明したが、電流駆動により直接変調を行うレーザダイオードなど、他の光半導体素子にも適用できる。また、上述した実施の形態例では、絶縁性のフレキシブル配線を例に挙げて説明したが、セラミック基板上に形成されたＣＰＷ配線板と光半導体素子をはんだバンプにより接続してなるフリップチップ実装型の光半導体モジュールに組み込まれる光半導体素子にも適用できる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によるアレイ型光変調装置は、インピーダンス整合型線路で構成された並列高周波電気配線膜による電気配線と、複数の電界吸収型光変調器とこの光変調器の両端に受動導波路が集積されている光半導体素子とを電気的に接続してなる光変調装置において、この変調器を光の伝搬方向に沿って互いに異なった位置に配置することにより、本発明による変調器に駆動電気信号を供給する電気配線膜において、曲げ部のない直線状の配線パターンを得ることができるようにしたため、広い帯域に渉って良好な高周波特性を得ることができ、かつチャンネル数の増加に伴い実装工程が煩雑化することもなく、ＷＤＭネットワークに必須の高速アレイ化デバイスが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光変調装置の構成図。
【図２】ＧＣＰＷ配線パターンの高周波特性シミュレーション用モデルの上面図。
【図３】上記モデルにおける配線パターンの断面図。
【図４】上記シミュレーション結果の特性図。
【図５】従来の多チャンネルＥＡ変調素子の構成図。
【図６】従来の反射型多チャンネルＥＡ変調素子の構成図。
【符号の説明】
１：入力ポート２：出力ポート
３：ＥＡ変調器アレイ素子４：受動導波路
５：光ファイバアレイ６：ＥＡ変調器電極パッド
７：終端抵抗８：ボンディングワイア
９：ＧＣＰＷ配線パターン１０：信号線
１１：グランド線１２：グランド
１３：反射防止膜１４：マクロストリップライン
１５：高反射膜１６：回路部分
１７：光サーキュレータ１９：Ｃｕ配線パターン
２０：ポリイミド２１：ＩＰＦキャリア

Claims

絶縁性フレキシブル基板の一方の面にコプレーナ配線パターンが形成されると共に他方の面にグランド面が形成されたグランドコプレーナ構造のインピーダンス整合型線路で構成された電気配線と、複数の光変調器と該光変調器の両側に受動導波路が集積されている光半導体素子とを電気的に接続してなる光変調装置において、
光入力端および光出力端にそれぞれ受動導波路が接続され、該各受動導波路の光入力端および光出力端が相対向する端面に設置されており、かつ、該各光変調器となる部分が光の伝搬方向に沿って該光入力端からの距離が、チャンネル毎に互いに異なった位置に配置されており、
駆動電気信号を入力するための前記電気配線の入力ポートが該受動導波路の該光入出力端と異なる端面に前記チャンネル毎に形成され、該各チャンネルの前記入力ポートから当該チャンネルの光変調器に接続される配線パターンが、全てのチャンネルで曲げ部のない直線で構成されると共に、前記入力ポートが形成された端面に相対向する端面に形成された出力ポートに接続され、前記全チャンネルについて電気配線の入力ポートから出力ポートまでの長さを等しくし、該出力ポートにはそれぞれ終端抵抗が接続されていることを特徴とする光変調装置。
請求項１記載の光変調装置において、インピーダンス整合型線路で構成された電気配線に高周波信号を給電する前記入力ポートを、隣接する前記チャンネル毎に反対側の端面に設置したことを特徴とする光変調装置。