JP4430114B2

JP4430114B2 - 光導波路素子モジュール

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Publication number: JP4430114B2
Application number: JP2008087593A
Authority: JP
Inventors: 亮清水; 徹菅又; 慎介菅野
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: CN101971079A; JP2009244325A; WO2009119282A1; US8774564B2; CN101971079B; US20110013863A1

Description

本発明は、光導波路素子モジュールに関し、特に、光導波路素子の変調電極に変調信号を入力する線路上に、コンデンサを含むフィルタ回路を配置する光導波路素子モジュールに関する。

従来、光通信分野や光計測分野において、光波を制御する手段として、光変調器など、電気光学効果を有する基板に光導波路を形成した光導波路素子が多用されている。
近年、光導波路素子を評価する際に、光導波路素子を駆動した場合に得られる光信号の時間的揺らぎを示すジッターと呼ばれる特性が、注目されている。ジッターとは、光信号の時間的揺らぎを示す指標であり、光アイパターン波形を積算し、信号のクロスする場所の幅として定義される。

光導波路素子を駆動した場合に得られる光信号のジッターを改善するためには、光導波路素子や該光導波路素子を駆動制御する駆動用ドライバに対し、以下の特性改善が必要となる。
（１）駆動用ドライバ
入力した電気信号が劣化なく増幅されるよう利得が、低周波域から高周波域までフラットな周波数特性とする。
（２）光導波路素子
入力した電気信号が劣化なく光信号に変換されるよう、電気／光変換応答の周波数が低周波域から高周波域までフラットな周波数特性とする。

上記のように、駆動用ドライバと光導波路素子における周波数特性が、無限にフラット（周波数依存性が無い状態）である場合には、上述したジッターは発生しないが、実際には、駆動用ドライバも光変調器も共に、低周波域での周波数特性がフラットでなかったり、高周波域の周波数特性は右肩下がりに劣化する傾向にあるため、ジッターが発生する。特に、伝送速度がギガヘルツ・オーダーの光導波路素子では、このジッターの発生は重要な問題となっている。

光導波路素子に印加される電気信号と該光導波路素子から出力される光波の応答特性を平坦化する方法として、図１に示すように、光導波路素子の変調電極３に駆動用ドライバ６の変調信号を印加する際にフィルタ回路などの中継基板７を介して印加する方法や変調電極３の終端部に終端抵抗などの終端回路８を接続することが行われている。図１における光導波路素子は、電気光学効果を有する基板１に光導波路２を形成し、該光導波路２を伝搬する光波を変調するための変調電極３（変調電極には信号電極と接地電極があるが、図１では簡略化のため信号電極の配置のみを図示している。）を形成したものである。また、光導波路素子には入力用光ファイバ４や出力用光ファイバ５が接続され、光導波路素子への光波の入射及び光導波路素子からの光波の出射を担っている。
光導波路素子は中継基板７や終端回路８などと共に、一つの筐体９内に収容される。

終端回路を用いたものとしては、特許文献１のように、光変調器の変調用電極の終端部のインピーダンスを調整することにより、光変調器の周波数特性を改善するものがある。
しかしながら、終端回路のみで数十Ｇｂｐｓ伝送を可能とする高周波領域まで周波数特性をフラットにすることは困難であり、特許文献１に開示されている終端部のインピーダンスの調整のみでは、進行波型光変調器の電気／光変換応答の周波数特性の内、調整すべき周波数を変更することも困難であった。
特許第３０８８９８８号公報

フィルタ回路を有する中継基板を用いたものとしては、特許文献２又は３に開示されている。電気／光応答の周波数特性を平坦化するためには、フィルタ回路の基本的な構成として、図２に示すようなコンデンサ１０と抵抗１１を並列で接続したハイパスフィルタが利用される。図２の符号１２及び１３は電気線路であり、符号７はフィルタ回路を含む中継基板を示している。
特開２００７−１０９４２号公報特願２００６−２６３９６２号（出願日：２００６年９月２８日）

特に、特許文献２では、中継基板上にフィルタ回路を構成するコンデンサや抵抗を、電気線路上の複数の薄膜によって構成することが開示されている。
このような薄膜を用いた回路構成は、フィルタ回路の小型化に寄与する反面、製造工程が複雑化し、特に、コンデンサを薄膜で構成するには多数回に渡る薄膜の形成・除去等の工程が必要となる。また、光導波路素子の周波数特性に応じてコンデンサや抵抗の値を調整することが必要であるが、抵抗の場合は薄膜の一部をトリミングするだけで、容易に調整可能であるのに対し、コンデンサの場合にはトリミングを行うと電極間が短絡する可能性があり、調整が困難なものとなる。

本発明者らは、コンデンサについては、単板コンデンサを用いることで、この問題を解消することを試みた。
具体的には、図３に示すように、中継基板本体１４上に電気線路１２及び１３を形成し、一方の電気線路１２上に単板コンデンサ１０を配置した。単板コンデンサを電気線路に配置する際には、単板コンデンサの下面の電極が電気線路１２と電気的に接続するよう配置し、単板コンデンサの上面の電極には、電気線路１３とを電気的に接続するように金線等の導電性ワイヤー２０で接続した。

単板コンデンサは、図４（コンデンサの斜視図を示す。）に示すように、誘電体１６を挟むように電極１５，１７が形成されている。誘電体の比誘電率ε_ｒ、真空の誘電率ε０、電極１５，１７の面積Ｓ、及び電極１５，１７の間隔ｄとすると、静電容量Ｃは、次式で表現される。
静電容量Ｃ＝ε_ｒ・ε_０・Ｓ／ｄ

一般的には単板コンデンサの方が、積層セラミックコンデンサより、高周波特性が良いため、高周波特性が重要なデバイスには、単板コンデンサが良く使用される。
しかし、サイズの同じ単板コンデンサの静電容量を変化させるためには、その厚さ（電極間隔ｄ）を変化させるため、コンデンサの厚さに起因する特性変化には、注意が必要となる。
特に上述したフィルタ回路の場合、コンデンサの厚さが厚くなると、図５に示す、電気／光応答の周波数特性３０に発生する共振現象（共振周波数ｆ_０）が、特定の周波数範囲に発生し、高周波特性を劣化させることを見出した。

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光導波路素子の変調電極に変調信号を入力する線路上に、コンデンサを含むフィルタ回路を配置する光導波路素子モジュールにおいて、該コンデンサに単板コンデンサを使用した場合でも、フィルタ回路での電気信号の劣化や使用する周波数範囲での共振現象を抑制し、数十ＧＨｚを超える広帯域に渡り電気／光応答周波数特性を平坦化可能な光導波路素子モジュールを提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明では、電気光学効果を有する材料で構成される基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子と、該変調電極に変調信号を入力する線路上に配置され、かつ、コンデンサを含むフィルタ回路とを含む光導波路素子モジュールにおいて、該コンデンサは単板コンデンサであり、該コンデンサ内の電極間の距離が０．０５ｍｍ以下、かつ、該電極間内の誘電体の比誘電率が１０００以下であり、該フィルタ回路による共振周波数が２０ＧＨｚより高いことを特徴とする。
本発明における「光導波路素子モジュール」とは、光導波路素子にフィルタ回路が接続されているものを意味し、図１に示すように、一つの筐体９内に収容されているものに限られない。また、フィルタ回路は、図１に示すように中継基板７に設けられるものに限定されず、光導波路素子が形成された基板上にフィルタ回路を組み込まれる場合も、本発明の技術的範囲に含まれる。

請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該フィルタ回路は、フィルタ回路基板に形成された複数の電気線路の一つに、該単板コンデンサの下面の電極が接触するよう該単板コンデンサを配置し、該単板コンデンサの上面の電極と他の電気線路とを導電性ワイヤーで接続することを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該フィルタ回路は、フィルタ回路基板上に形成された膜体による電気抵抗を含むことを特徴とする。

請求項４に係る発明では、請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該変調電極の終端部に終端回路を接続することを特徴とする。

請求項１に係る発明により、電気光学効果を有する材料で構成される基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子と、該変調電極に変調信号を入力する線路上に配置され、かつ、コンデンサを含むフィルタ回路とを含む光導波路素子モジュールにおいて、該コンデンサは単板コンデンサであり、該コンデンサ内の電極間の距離が０．０５ｍｍ以下、かつ、該電極間内の誘電体の比誘電率が１０００以下であり、該フィルタ回路による共振周波数が２０ＧＨｚより高いため、フィルタ回路に単板コンデンサを使用した場合でも、比誘電率が低いため、コンデンサの電極間隔ｄの増加を抑制しながら、より低い静電容量を実現することが可能となる。これにより、フィルタ回路での電気信号の劣化や使用する周波数範囲での共振現象を抑制し、数十ＧＨｚを超える広帯域に渡り電気／光応答周波数特性を平坦化可能な光導波路素子モジュールを提供することができる。

請求項２に係る発明により、フィルタ回路は、フィルタ回路基板に形成された複数の電気線路の一つに、単板コンデンサの下面の電極が接触するよう該単板コンデンサを配置し、該単板コンデンサの上面の電極と他の電気線路とを導電性ワイヤーで接続するため、単板コンデンサの上面の電極と電気線路とを容易に電気的に接続できる上、本発明で利用する単板コンデンサは高さを低くできるため、導電性ワイヤーが長くなることを防止し、さらには、電気／光応答周波数特性における使用する周波数範囲での共振現象も抑制することが可能となる。

請求項３に係る発明により、フィルタ回路は、フィルタ回路基板上に形成された膜体による電気抵抗を含むため、フィルタ回路の電気抵抗を小型化できる上、トリミング等により抵抗値を容易に調整することも可能となる。このため、コンデンサの容量調整は積層セラミックコンデンサの交換又は複数利用で対応し、電気抵抗の抵抗値の調整はトリミング等で行うことで、各光導波路素子に適したフィルタ回路を簡便に調整することが可能となる。

請求項４に係る発明により、変調電極の終端部に終端回路を接続するため、電気／光応答周波数の平坦化をフィルタ回路と終端回路との両者を組み合わせて行うことができるため、より様々な光導波路素子に対しても平坦化調整が可能となる。また、終端回路による光導波路素子の反射特性（Ｓ１１特性）も改善することができる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、電気光学効果を有する材料で構成される基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子と、該変調電極に変調信号を入力する線路上に配置され、かつ、コンデンサを含むフィルタ回路とを含む光導波路素子モジュールにおいて、該コンデンサは単板コンデンサであり、該コンデンサ内の電極間の距離が０．０５ｍｍ以下、かつ、該電極間内の誘電体の比誘電率が１０００以下であり、該フィルタ回路による共振周波数が２０ＧＨｚより高いことを特徴とする。
本発明の光導波路素子モジュールは、特定の単板コンデンサを用いたこと以外は、図１に示すような従来のものと基本的な構造に差異はない。このため、従来の製造工程を大きく変えずに、電気／光応答周波数特性を平坦化した光導波路素子モジュールを、容易に得ることができる。

本発明が適用される光導波路素子について説明する。
基板１は、電気光学効果を有する基板であり、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料から構成され、具体的には、これら単結晶材料の、Ｘカット板、Ｙカット板、及びＺカット板から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成されやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いることが好ましい。

光導波路２は、いわゆるマッハツェンダ型光導波路であり、基板１上に、例えばチタン（Ｔｉ）などを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることで形成することができる。また、別の方法として、特許文献４に示すように光導波路に対応する部分にリッジ構造を形成し、光導波路を構成することも可能である。さらに上述のＴｉ等を利用する方法とリッジ構造とを併用することも可能である。
特開平６−２８９３４１号公報

光導波路２を伝搬する光波を変調するため、光導波路２の上側や近傍には、必要に応じて変調電極が配置される。
変調電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより、基板１の表面又は裏面などに形成することが可能である。また、変調電極は、変調信号（ＡＣ信号又はＤＣ信号）を伝搬する信号電極３と該信号電極の周囲に配置される接地電極から構成される。

また、特に図示してないが、基板１と上述した変調電極との間にはＳｉＯ_２などのバッファ層を形成することもできる。これによって、光導波路を伝搬する光波が、変調電極により吸収又は散乱されることを効果的に防止することができる。また、変調電極から印加される変調信号と、光導波路内を導波する光波との速度整合にも寄与する。

本発明の光導波路素子モジュールでは、単板コンデンサ１０を、図３に示すように配置する。中継基板本体（光導波路素子を構成する基板を中継基板本体としても良い）１４上に電気線路１２，１３を形成し、単板コンデンサ１０の下面の電極が電気線路１２と電気的に接続するよう配置し、単板コンデンサ１０の上面の電極には、電気線路１３とを電気的に接続するように金線等の導電性ワイヤー２０で接続する。

フィルタ回路に配置される単板コンデンサは、コンデンサ内の誘電体の比誘電率を１０００以下にするものを選択することにより、電極面積Ｓが０．０４〜０．２ｍｍ^２程度の場合には、電極間の距離ｄを０．０５ｍｍ以下に抑制することができるため、共振周波数も２０ＧＨｚ以下で発生することが抑制できる。しかも、静電容量Ｃが３ｐＦ以下を実現することが可能となる。このような単板コンデンサを用いることで、約２５ＧＨｚ以上の信号周波数についても効果的に通過するハイパスフィルタを実現することが可能となる。

フィルタ回路に電気抵抗を構成するには、チップ型の抵抗を利用することも可能であるが、特許文献２に示すように基板１４上に形成されたＴｉ_２Ｎ等の膜体による電気抵抗を用いることも可能である。このような膜体の電気抵抗は、フィルタ回路の電気抵抗を小型化できる上、トリミング等により抵抗値を容易に調整することも可能となる。

さらに、図６に示すように、膜体抵抗の厚みが電気線路の厚みより薄い場合には、電気抵抗１１側に単板コンデンサ１０を飛び出して配置し、単板コンデンサの上面の電極と電気線路１３とを結ぶ導電性ワイヤーの長さをより短くすることも可能となる。なお、図３の膜体抵抗がない場合でも同様に、電気線路１２から単板コンデンサを飛び出して配置することも可能である。

また、本発明の光導波路素子モジュールにおいては、図１に示すように、変調電極の終端部に終端回路８を接続することも可能である。これにより、特許文献１乃至３にも記載されているように、終端回路の電気／光応答周波数の平坦化効果や光導波路素子の反射特性（Ｓ１１特性）の改善効果も併せて期待できる。特に、本発明のフィルタ回路との組み合わせによる相乗効果も期待できる。

以上説明したように、本発明によれば、光導波路素子の変調電極に変調信号を入力する線路上に、コンデンサを含むフィルタ回路を配置する光導波路素子モジュールにおいて、該コンデンサに単板コンデンサを使用した場合でも、フィルタ回路での電気信号の劣化や使用する周波数範囲での共振現象を抑制し、数十ＧＨｚを超える広帯域に渡り電気／光応答周波数特性を平坦化可能な光導波路素子モジュールを提供することが可能となる。

光導波路素子モジュールを説明するための概略図である。フィルタ回路の一例を示す図である。フィルタ回路に単板コンデンサを配置した図である。単板コンデンサの斜視図である。単板コンデンサをフィルタ回路に用いた場合の電気／光応答周波数特性を示す図である。単板コンデンサと膜体の電気抵抗とを用いたフィルタ回路の様子を示す図である。

符号の説明

１基板
２光導波路
３信号電極
４入力用光ファイバ
５出力用光ファイバ
６駆動用ドライバ
７中継基板
８終端回路
９筐体
１０コンデンサ（単板コンデンサ）
１１電気抵抗（膜体抵抗）
１２，１３電気線路
１４中継基板本体（フィルタ回路基板）
１５，１７電極
１６誘電体
２０導電性ワイヤー
３０電気／光応答周波数特性

Claims

電気光学効果を有する材料で構成される基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する光導波路素子と、
該変調電極に変調信号を入力する線路上に配置され、かつ、コンデンサを含むフィルタ回路とを含む光導波路素子モジュールにおいて、
該コンデンサは単板コンデンサであり、該コンデンサ内の電極間の距離が０．０５ｍｍ以下、かつ、該電極間内の誘電体の比誘電率が１０００以下であり、
該フィルタ回路による共振周波数が２０ＧＨｚより高いことを特徴とする光導波路素子モジュール。
請求項１に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該フィルタ回路は、フィルタ回路基板に形成された複数の電気線路の一つに、該単板コンデンサの下面の電極が接触するよう該単板コンデンサを配置し、該単板コンデンサの上面の電極と他の電気線路とを導電性ワイヤーで接続することを特徴とする光導波路素子モジュール。
請求項１又は２に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該フィルタ回路は、フィルタ回路基板上に形成された膜体による電気抵抗を含むことを特徴とする光導波路素子モジュール。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該変調電極の終端部に終端回路を接続することを特徴とする光導波路素子モジュール。