JP5285719B2 - 高周波接続配線基板、およびこれを備えた光変調器モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光通信などで数十ＧＨｚの高速で動作させる光デバイスや電子デバイスとそれらと駆動するための電気ドライバとの接続に適用する高周波接続配線基板、およびこれを備えた光変調器モジュールに関する。

高速電気接続配線を適用する代表的な光デバイスとして、誘電体材料を用いた光変調器がある。近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されているが、このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、かつ低価格の光変調デバイスの開発が求められている。

このような要望に応える光デバイスとして、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（変調用基板であり、以下ＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）がある。このＬＮ光変調器は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｐｓ、１０Ｇｂｐｓの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに、複数のマッハツェンダ光導波路をネスト状に組み合わせた４０Ｇｂｐｓ、あるいは１００Ｇｂｐｓの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。

以下、従来、ＬＮ光変調器の概略と高周波接続配線基板を用いた光変調器モジュールについて説明する。

（従来技術）
図３に、特許文献１に開示されたＤＱＰＳＫ光変調器（光変調器チップ）４０を用いた光変調器モジュール５０を示す。本図は実際にモジュール化する際に使用する高周波接続配線基板を組み込んだ状態の概略上面図である。ここで１はｚ−カットＬＮ基板、２はＳｉＯ_２バッファ層、３は光導波路、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは相互作用光導波路、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは高周波電気信号用進行波電極の中心導体である。

なお、図面を簡単にするために、光変調器として使用されるＳｉ導電層や接地導体の図示は省略した。５ａ、５ｂはバイアス電極、６は外部コネクタとＬＮ光変調器を電気的に接続する高周波接続配線基板、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは高周波接続配線基板の中心導体、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅは高周波接続配線基板の接地導体である。９はビアであり、近年は空洞型のビアが一般に使用されている。１０はボンディングワイヤーである。また、２０は高周波接続配線基板６の基板であり、ここではＡｌ_２Ｏ_３からなるとする。

図４は高周波接続配線基板６の一部の拡大図である。ここで、１１ｄと１１ｃは中心導体７ｃと接地導体８ｃ、８ｄの間のギャップである。Ｗ_１とＷ_２はそれぞれ接地導体８ｄ、８ｃの幅を示し、Ｇ_１は信号伝送方向におけるビア９のギャップ、Ｇ_２は中心導体７ｃを間に挟んだ信号伝送方向と交わる方向におけるビア９のギャップを示している。

図３と図４からわかるように、従来技術では、高周波接続配線基板上の複数の空洞型のビア９の直径Ｄは全てほぼ同じである。ところが、実際の高周波接続配線基板６ではビア９を設ける接地導体（ここでは、８ｄ、８ｃ）の幅Ｗが狭い場合が多く、その場合には中心導体７ｃを介してのビア９間のギャップＧ_２が狭くなる。また場所によっては、接地導体内（ここでは８ｃ、８ｄ）でのビア９間のギャップＧ_１も狭くなる。

さて、ＬＮ光変調器モジュールを製作する際に時折発生する深刻な問題として高周波接続配線基板６のクラックがあげられる。−４０℃〜８０℃のヒートショック試験を５００サイクル行った結果生じるクラックの様子を図４に示している。本出願人が行った信頼性試験においては、２０個のサンプルのうち、４個に何らかのクラックが入っていた。２１は接地導体８ｄの中におけるビア９間のクラックであり、２２は中心導体７ｃを越えてのビア９間に入るクラックである。こうしたクラック２１、２２は高周波接続配線基板６を構成するＡｌ_２Ｏ_３基板２０とステンレスなどの金属材料からなる不図示のパッケージ筐体との熱膨張係数の違いにより生じる。

特開２００８−１２２７８６号公報

以上のように、従来技術では、高周波接続配線基板に設けるビアの直径がビア全てにおいてほぼ同じであった。そのため、接地導体の幅が狭くビアの直径に近い場合にはヒートサイクルやヒートショックのような環境温度を変化させる信頼性試験において、ビアのために高周波接続配線基板にクラックが入る場合があるという深刻な問題があった。そこで本発明は、環境温度が大きく変化しても破壊されない、信頼性の高い高周波接続配線基板、およびこれを備えた光変調器モジュールの提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の高周波接続配線基板は、基板上に中心導体と接地導体とを有し、前記中心導体の一端側から１０Ｇｂｐｓ以上の高周波電気信号が入力され、前記中心導体の他端側から前記高周波電気信号が出力され、前記基板の表面と裏面との間に導通のためのビアを複数有する高周波接続配線基板において、前記複数のビアは複数種類の直径で構成されており、環境温度変化により前記複数のビア間でクラックが発生しないよう、前記接地導体における幅の比較的狭い箇所に形成された前記ビアの直径が、前記接地導体における幅の比較的広い箇所に形成された前記ビアの直径よりも小さいことを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項２に記載の高周波接続配線基板は、請求項１に記載の高周波接続配線基板において、前記ビアの複数種類の直径は、１０μｍ以上２ｍｍ以下からなることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項３に記載の光変調器モジュールは、光変調器チップを備え、請求項１または２に記載の高周波接続配線基板を介して前記高周波電気信号が前記光変調器チップに入力されることを特徴としている。

本発明の高周波接続配線基板では、直径の異なるビアを組み合わせて用いる。つまり、面積的に広い箇所では直径の大きなビアを用い、面積的に狭い箇所では直径が小さなビアを用いる。その結果、高周波接続配線基板全体としての機械的な強度を保つことができるビア間の距離を確保でき、高周波電気特性を確保しつつ信頼性試験に耐えうる高周波接続配線基板、およびこれを備えた光変調器モジュールを実現できるという利点がある。

本発明の実施形態に係わる高周波接続配線基板の概略上面図 機械的強度の観点から本発明の原理を説明する図 光変調器モジュールの概略構成を示す上面図 従来の高周波接続配線基板の問題点を説明する図

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、図３と図４に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。光変調器モジュールとしての態様は図３に示す従来技術の態様と同様である。

（実施形態）
本発明による高周波接続配線基板の実施形態の上面図を図１に示す。本実施形態では１２ａ、１２ｂ、及び１２ｃの３種類のビアを用いている。また、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、及び１１ｄは高周波接続配線基板に形成したＣＰＷ電極のギャップである。１２ａは最も直径が小さく、１２ｃは最も直径が大きいビアである。そして、１２ｂはその中間の大きさで構成されている。

図２は、図１の一部を拡大した本発明の原理を説明する図である。本発明では接地導体のうち幅と面積が小さい図２のような領域では、直径の小さなビア１２ａを用いている。図中、Ｄ_ａはビア１２ａの直径である。ここでは直径Ｄ_ａの小さなビア１２ａを用いているため、従来技術と比較して中心導体７ｃを介してのビア９間のギャップＧ_ａ２を大きくすることができ、高周波電気特性を確保しつつ高周波接続配線基板６の機械的な強度を高めることができる。

また、面積的に狭い領域には小さなビアを用いることができるので、ビア以外の面積が増えることになり機械的な強度を高めることができ、またビア間のギャップＧ_ａ１を小さくできるので、優れた高周波電気特性を実現することも可能となる。さらに、１２ａのような直径の小さなビアを接地導体のコーナー部にも使用できるので、優れた高周波電気特性を実現することが可能となる。

本出願人は実際に、本実施形態について従来技術と同様に−４０℃〜８０℃のヒートショック試験を５００サイクル行った。その結果、試験を行った２０個においてクラックが入ったサンプルはなく、本発明の効果を確認できた。

なお、ビアの大きさとしては直径１０μｍから２ｍｍ程度の間で組み合わせると有効であることを確認した。

（各種実施形態）
高周波接続配線基板を形成する基板として以上において説明したＡｌ_２Ｏ_３基板の他に、ＡＬＮ、あるいは石英基板でも良いし、半導体基板でも良い。さらに、高周波接続配線基板に形成する電極構成としては構造が対称なＣＰＷ電極を用いた構成について説明したが、構造が非対称なＣＰＷ電極でも良いし、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）あるいは対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）など、その他の構成でも良い。

以上のように、本発明により高周波電気特性を確保しつつ、環境温度の変化に対して機械的に強く、信頼性について大幅に改善され高周波接続配線基板、およびこれを備えた光変調器モジュールを提供できる。

１：ｚ−カットＬＮ基板（ＬＮ基板）
２：ＳｉＯ_２バッファ層
３：マッハツェンダ光導波路（光導波路）
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ：相互作用光導波路
４：進行波電極（電極）
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ：ＬＮ光変調器の中心導体
５ａ、５ｂ：ＤＣバイアス電極
６：高周波接続配線基板
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ：高周波接続配線基板の中心導体
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ：高周波接続配線基板の接地導体
９、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ：ビア
１０：ワイヤー
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ：高周波接続配線基板に形成したＣＰＷのギャップ
２０：高周波接続配線基板の基板
４０：ＤＱＰＳＫ光変調器（光変調器チップ）
５０：光変調器モジュール

Claims (3)

1. 基板上に中心導体と接地導体とを有し、前記中心導体の一端側から１０Ｇｂｐｓ以上の高周波電気信号が入力され、前記中心導体の他端側から前記高周波電気信号が出力され、前記基板の表面と裏面との間に導通のためのビアを複数有する高周波接続配線基板において、
   前記複数のビアは複数種類の直径で構成されており、環境温度変化により前記複数のビア間でクラックが発生しないよう、前記接地導体における幅の比較的狭い箇所に形成された前記ビアの直径が、前記接地導体における幅の比較的広い箇所に形成された前記ビアの直径よりも小さいことを特徴とする高周波接続配線基板。
2. 前記ビアの複数種類の直径は、１０μｍ以上２ｍｍ以下からなることを特徴とする請求項１に記載の高周波接続配線基板。
3. 光変調器チップを備え、請求項１または２に記載の高周波接続配線基板を介して前記高周波電気信号が前記光変調器チップに入力されることを特徴とする光変調器モジュール。

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