JP5465999B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光変調器に関し、より詳細には、ＰＬＣ導波路およびＬＮ導波路を備える光変調器に関する。

従来、ＬＮ変調器のパッケージ内の高周波電気配線として、セラミック基板上に形成した配線回路が使用されている（例えば、非特許文献１参照）。セラミックは、ＬＮ変調器の材料であるニオブ酸リチウムやパッケージ材料として主に使用されるＳＵＳと熱膨張係数に差があるという問題があるものの、高周波特性に優れ、また熱的、経時的に安定した材料であり、配線回路の基板として適している。

しかしながら、ＬＮ導波路は伝搬損失や許容曲げ半径がＰＬＣ導波路と比べて大きく複雑な光回路の構成に不向きであることに鑑みてＬＮ導波路とＰＬＣ導波路を組み合わせた光変調器（以下「ＰＬＣ−ＬＮ変調器」という。）においては、セラミック基板の使用に問題が生じる。光変調器のパッケージには、光の入射端と高周波電気配線用の高周波コネクタとの間の距離を自由に設計できることが求められ、規格等の観点から当該距離を一定値以下にすることが求められる場合がある。たとえば、１００Ｇｂ／ｓ ＤＰ−ＱＰＳＫ（Ｄｕａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ−Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）変調器では、光変調器を実装するトランスポンダボードのサイズにより各部分に要求される寸法が決まっており、パッケージの入射端から４ポートある高周波（ＲＦ）コネクタの中心までの長さが３６ｍｍ程度、ＲＦコネクタの中心から出力端までの長さが１０４ｍｍ程度であることが要求される。しかし、ＰＬＣ−ＬＮ導波路では単体のＬＮ導波路と異なり、パッケージの入射端とパッケージ内のＬＮ導波路との間にＰＬＣ導波路が存在するため、ＲＦコネクタの自由な配置が困難である。たとえば、セラミック基板を用いた場合に入射端と高周波コネクタとの間の距離を一定値以下にしようとすると、配線長の増大を招くと共に、配線密度の増大がクロストークの原因となる。

Takashi Yamada, Yohei Sakamaki, Takashi Saida, Akimasa Kaneko, Akihide Sano, and Yutaka Miyamoto, ‘‘86-Gbit/s differential quadrature phase-shift-keying modulator using hybrid assembly technique with planar lightwave circuit and LiNbO3 devices,’’ Lasers & Electro-Optics Society, IEEE Oct. 2006 Page(s):963 - 964

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＰＬＣ導波路およびＬＮ導波路を備える光変調器において、ＬＮ導波路の高周波電気配線のためのＲＦコネクタをパッケージの自由な位置に配置可能とするとともに、高周波電気配線のクロストークを抑制することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、ＰＬＣ導波路及びＬＮ導波路を備える光変調器において、ＰＬＣ導波路及びＬＮ導波路で構成されたＰＬＣ−ＬＮ導波路と、前記ＰＬＣ−ＬＮ導波路を囲むパッケージと、前記パッケージに設けられた高周波コネクタと、前記高周波コネクタと前記ＬＮ導波路の高周波電極とを接続する高周波電気配線とを備え、前記高周波電気配線は、フレキシブル配線基板であり、前記ＰＬＣ導波路および前記ＬＮ導波路は、前記ＰＬＣ導波路と前記ＬＮ導波路との接続端にそれぞれヤトイを有し、前記高周波電気配線は、前記ＰＬＣ導波路または前記ＬＮ導波路の前記ヤトイに接着固定されており、前記ＬＮ導波路は、第１及び第２のチャネルを有し、前記高周波電気配線は、前記第１及び第２のチャネルのための第１及び第２の高周波電気配線を有し、前記第１の高周波電気配線と前記第２の高周波電気配線は交差していることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記高周波電気配線が、前記ＬＮ導波路の電極パッドに接続することを特徴とする。

本発明によれば、ＬＮ導波路の高周波電気配線にフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）を用いることにより、高周波電気配線のためのＲＦコネクタをパッケージの自由な位置に配置可能とするとともに、高周波電気配線のクロストークを抑制することができる。

実施形態１に係る光変調器を示す図である。 実施形態２に係る光変調器を示す図である。 図２に示す高周波電気配線とヤトイの位置関係の詳細を示す図である（（ａ）は断面図、（ｂ）は上面斜視図）。 実施形態３に係る光変調器を示す図である。 実施形態３に係る光変調器の変形形態を示す図である。 実施形態４に係る光変調器を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、実施形態１に係る光変調器を示す。光変調器１００は、ＰＬＣ−ＬＮ導波路１１０と、ＰＬＣ−ＬＮ導波路１１０を囲むパッケージ１２０と、パッケージ１２０に設けられた高周波（ＲＦ）コネクタ１２１と、ＲＦコネクタ１２１とＰＬＣ−ＬＮ導波路１１０を構成するＬＮ導波路１１１の高周波電極１１１Ａとの間の高周波電気配線１３０とを備える。高周波電極１１１Ａと高周波電気配線１３０とは、ワイヤ１３０Ａにより接続されている。図１には、パッケージ１２０に設けられたＤＣコネクタ１２２と、ＤＣコネクタ１２２とＬＮ導波路１１１のＤＣ電極１１１Ｂとの間のＤＣ電極配線１４０がさらに示されている。ＰＬＣ−ＬＮ導波路１１０は、ＬＮ導波路１１１と、ＬＮ導波路１１１の左右にそれぞれ接続されたＰＬＣ導波路１１２Ｌ及び１１２Ｒと、ＰＬＣ導波路１１２Ｌ及び１１２Ｒにそれぞれ接続されたファイバブロック１１３Ｌ及び１１３Ｒで構成されている。図１では図示を容易にするために省略してあるが、実際には、高周波電極１１１Ａから、電極パッドを有する電気配線が引き出され、高周波電気配線１３０の出口と電極パッドがワイヤ１３０Ａにより接続される。

ＬＮ導波路１１１上の高周波電極１１１Ａには、高周波電気配線１３０及びＲＦコネクタ１２１を通じて、高周波電圧信号が印加される。印加電圧量の変化によって、ＬＮ導波路１１１上の光導波路の屈折率が変化し、光の位相が変化する。光の位相を制御することによって、２本の光導波路からの光を干渉させて光強度の変調を行ったり、光の位相を０、πで変化させて位相変調を行なう光変調器として動作させることができる。このとき、ＬＮ導波路１１１上の光導波路を伝播する光に印加される高周波電圧信号は、光と電気信号の位相を合わせておく必要があるため、ＲＦコネクタ１２１から高周波電気配線１３０を介して高周波電極１１１Ａに至る長さは精密に制御されている必要がある。

本実施形態に係る光変調器１００では、高周波電気配線１３０としてフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）を用いる。ＦＰＣは、例えばポリイミドや液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の基板上に銅配線が形成されたものだが、これらの材料は比誘電率がセラミックよりも小さい。物性データを表１に示す。

クロストークや伝播損失は基板の比誘電率に依存するため、セラミック基板を用いた場合と配線長が同程度であっても、ＦＰＣを用いる本実施形態の光変調器１００では、クロストークや伝播損失が低減される。加えて、ＦＰＣの基板に使用されるポリイミドや液晶ポリマー等の材料は、配線材料である銅の熱膨張係数に近い組成が採用されるため１７×１０^-6／Ｋ程度の熱膨張係数を有する。この値は、セラミックと比較してパッケージ材料であるＳＵＳの値との差が小さく、熱膨張係数の差に起因する信頼性の低下が抑制される。

このように、本実施形態に係る光変調器１００では、高周波電気配線１３０としてフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）を用いることにより、高周波コネクタ１２１をパッケージ１２０の自由な位置に配置しても、セラミック基板を用いた場合と比して高周波電気配線１３０のクロストークが抑制される。たとえば、クロストークを抑制しつつ、パッケージ１２０の入射端からＲＦコネクタ１２１の中心までの距離Ｌを一定値以下にすることができる。

クロストークの抑制は、等長化を容易にする。ＰＬＣ−ＬＮ変調器ではＰＬＣ１１２Ｌ上に高周波電気配線を形成し、ＬＮ導波路１１１上の高周波電気配線１１１Ａに接続することが困難なため、光と電気信号の位相を合わせるための等長化は高周波電気配線１３０とＬＮ導波路１１１上に形成された高周波電極１１１Ａまでの電気配線長で行なう必要がある。このため高周波電気配線１３０上には、曲がり部分や折り返し等を含む複雑で高密度な配線が形成されている必要がある。高密度に高周波配線を行うと、高周波電気信号が隣接する高周波配線に乗り移るクロストークが発生する。このようなクロストークを低減させるためには比誘電率の低い材料を配線基板として採用することが有効である。

なお、ＲＦコネクタ１２１に繋がる高周波電気配線１３０のパッド部分はＬＮ導波路１１１上に形成される電極パッドよりも大きくすることが可能であるため、パッケージ搭載前に素子（光変調器）の特性を測定する際、より大きな電極パッドに接触して測定することができ、特性の測定が容易になる。また、パッケージ搭載前に素子の異常等を検知することが可能になるため、歩留まりの向上が可能となる。

（実施形態２）
図２に、実施形態２に係る光変調器を示す。光変調器２００は、実施形態１の光変調器１００とほぼ同じであるが、ＰＬＣ導波路およびＬＮ導波路に導波路間の接触面積を増加させるためのヤトイが設けられている点と、高周波電気配線の配置が異なる。

ＰＬＣ−ＬＮ導波路２１０は、ＬＮ導波路２１１と、ＬＮ導波路２１１の左右にそれぞれ接続されたＰＬＣ導波路２１２Ｌ及び２１２Ｒと、ＰＬＣ導波路２１２Ｌ及び２１２Ｒにそれぞれ接続されたファイバブロック１１３Ｌ及び１１３Ｒで構成されている。ＬＮ導波路２１１及びＰＬＣ導波路２１２Ｌの接続端には、それぞれヤトイ２１１Ｃ及び２１２Ｃが設けられ、ＬＮ導波路２１１及びＰＬＣ導波路２１２Ｒの接続端には、それぞれヤトイ２１１Ｄ及び２１２Ｄが設けられている。高周波電気配線２３０は、図２に示すように、ＰＬＣ導波路２１２Ｌ及びＬＮ導波路２１１のヤトイ２１２Ｃ及び２１１Ｃの上を通って、ＲＦコネクタ１２１とＬＮ導波路２１１の高周波電極２１１Ａとの間を接続する。高周波電極２１１Ａと高周波電気配線２３０とは、ワイヤ２３０Ａにより接続されている。必ずしも必要ではないが、図２では、ＤＣコネクタ２４０とＤＣ電極２１１Ｂとの接続についても同様としている。図３に詳細を示すが、実際には、高周波電極２１１Ａから、電極パッドを有する電気配線が引き出され、高周波電気配線２３０の出口と電極パッドがワイヤ２３０Ａにより接続される。

図３は、図２に示す高周波電気配線とヤトイの位置関係の詳細を示す図である。高周波電気配線２３０は、ヤトイ２１１Ｃ及び２１２Ｃの上を通り、ＬＮ導波路２１１のヤトイ２１１Ｃの上面と接着固定される。ＰＬＣ導波路２１２Ｌのヤトイ２１２Ｃの上面と接着させてもよい。ＬＮ導波路２１１上では、ワイヤ２３０Ａが高周波電気配線２３０を高周波電極２１１Ａに接続する。

このような構成により、実施形態２に係る光変調器２００では、ＰＬＣ−ＬＮ導波路の外部で高周波電気配線１３０を引き回す実施形態１の場合と比べて、高周波電気配線２３０の配線密度を少なくでき、これによりクロストークがさらに抑制可能である。実施形態１で説明したように、高周波配線の密度を下げると、クロストークが抑制され等長化も容易になる。加えて、高周波電気配線２３０の曲げ角度が小さくなるため、高周波特性が改善する。

さらに、実施形態２では、高周波電気配線２３０の出口をＬＮ導波路２１１に形成された高周波電極２１１Ａに接近させることができるため、高周波電気配線２３０の出口からＬＮ導波路２１１上に形成された高周波電極２１１Ａに至る電気配線長を実施形態１に比べて短くすることができる。実施形態１のようにＬＮ導波路の横まで電気配線を引き回す必要が無いため、多チャンネル配線時の配線面積が低減し、素子の小型化が可能となる。

（実施形態３）
図４に、実施形態３に係る光変調器を示す。光変調器４００は、実施形態２の光変調器２００とほぼ同じであるが、高周波電気配線およびＲＦコネクタが２組ある２チャネルのＱＰＳＫ変調器である点が異なる。

光変調器４００は、ＰＬＣ−ＬＮ導波路４１０と、ＰＬＣ−ＬＮ導波路４１０を囲むパッケージ４２０と、パッケージ４２０に設けられた高周波（ＲＦ）コネクタ４２１Ｉ及び４２１Ｑと、ＲＦコネクタ４２１Ｉ及び４２１ＱとＰＬＣ−ＬＮ導波路４１０を構成するＬＮ導波路４１１の高周波電極４１１ＡＩ及び４１１ＡＱとの間の高周波電気配線４３０Ｉ及び４３０Ｑとを備える。図４には、パッケージ４２０に設けられたＤＣコネクタ４２２と、ＤＣコネクタ４２２とＬＮ導波路４１１のＤＣ電極４１１ＢＩ及び４１１ＢＱとの間のＤＣ電極配線４４０がさらに示されている。ＰＬＣ−ＬＮ導波路４１０は、ＬＮ導波路４１１と、ＬＮ導波路４１１の左右にそれぞれ接続されたＰＬＣ導波路４１２Ｌ及び４１２Ｒと、ＰＬＣ導波路４１２Ｌ及び４１２Ｒにそれぞれ接続されたファイバブロック１１３Ｌ及び１１３Ｒで構成されている。ＬＮ導波路４１１はヤトイ４１１Ｃ及び４１１Ｄを、ＰＬＣ導波路４１２Ｌ及び４１２Ｒはそれぞれヤトイ４１２Ｃ及び４１２Ｄを有する。

本実施形態では、Ｉチャネル用の高周波電気配線４３０Ｉ及びＱチャネル用の高周波電気配線４３０Ｑを、図４に示すように交差させている。交差により、次に述べるようにＩチャネルとＱチャネルとの間の位相等長化が容易になる。ＱＰＳＫ変調器では、ＩチャネルとＱチャネルの位相を合わせることが要求される。高周波電気配線４３０Ｉ及び４３０Ｑを交差させず、ＲＦコネクタ４２１Ｉからの信号を高周波電極４１１ＡＱに、ＲＦコネクタ４２１Ｑからの信号を高周波電極４１１ＡＩに接続した場合、ＲＦコネクタ４２１Ｉから高周波電極４１１ＡＱに至る配線は長く、ＲＦコネクタ４２１Ｑから高周波電極４１１ＡＩに至る配線は短くなってしまう。このとき、曲げや折り返しを含む迂回配線を施して配線長の等長化を行なうと、損失やクロストークの原因となる。高周波電気配線４３０Ｉと４３０Ｑを交差させることで、曲げや配線密度を上げることなく容易に位相の等長化を行なうことができる。

また、高周波電気配線４３０Ｉおよび４３０Ｑの出口を、ＬＮ導波路４１１に形成された高周波電極４１１ＡＩおよび４１１ＡＱに接近させることができるため、高周波電気配線４３０Ｉおよび４３０Ｑの高周波電圧信号の出口からＬＮ導波路４１１上に形成された高周波電極４１１ＡＩ乃至４１１ＡＱに至る電気配線長を実施形態１に比べて短くすることができる。実施形態１のようにＬＮ導波路の横まで電気配線を引き回す必要が無いため、多チャンネル配線時の配線面積が低減し、素子全体の小型化が可能となる。

図５に、実施形態３に係る光変調器の変形形態を示す。図５の光変調器は、ＱＰＳＫ変調器が更に２つあるＤＰ−ＱＰＳＫ変調器である。図４のＱＰＳＫ変調器のように導波路上に電極を配置すると本来８個のＲＦポートが必要となるが、多くなりすぎるためシングルドライブ型（２本の光導波路からなるマッハツェンダ干渉計を１本の高周波電極で駆動するタイプ）で構成することが求められている。ＲＦポート数は４個で図４の場合と変わらないが、パッケージの中身は異なる。また、図５の場合、規格の関係でＲＦコネクタの位置が図１〜４に示したものと左右逆になっており、光の入力も右側からの入力になっている。背景技術においても説明したが、１００Ｇｂ／ｓ ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器では、光変調器を実装するトランスポンダボードのサイズにより各部分に要求される寸法が決まっており、パッケージの入射端から４ポートあるＲＦコネクタの中心までの長さが３６ｍｍ程度、ＲＦコネクタの中心から出力端までの長さが１０４ｍｍ程度であることが要求される。本実施形態では、高周波電気配線を交差させることにより、光の入射端とＲＦコネクタとの間の距離を自由に設計でき、規格を満たすよう当該距離を一定値以下にすることができる。

（実施形態４）
図６に、実施形態４に係る光変調器を示す。実施形態４の光変調器は、実施形態２に係る光変調器の変形形態であり、高周波電気配線２３０がＬＮ導波路２１１の電極パッドに対してハンダで接続されている。ハンダの代わりに、導電性ペーストを用いてもよい。

高周波電気配線２３０をＬＮ導波路２１１上に直接接続するのではなく（図３参照）、電極パッドに接続することにより、接着強度が増大し信頼性が向上する。

また、ＬＮ導波路２１１のヤトイ２１１Ｃに位置決め機構（穴、ピン等）を設けることで、接続精度を向上させることもできる。

１００、２００ 光変調器
１１０、２１０ ＰＬＣ−ＬＮ導波路
１１１、２１１ ＬＮ導波路
１１１Ａ、２１１Ａ 高周波電極
１１１Ｂ、２１１Ｂ ＤＣ電極
１１２Ｌ、１１２Ｒ、２１２Ｌ、２１２Ｒ ＰＬＣ導波路
１１３Ｌ、１１３Ｒ ファイバブロック
１２０ パッケージ
１２１ ＲＦコネクタ
１２２ ＤＣコネクタ
１３０、２３０ 高周波電気配線
１３０Ａ、２３０Ａ ワイヤ
１４０、２４０ ＤＣ電極配線
２１１Ｃ、２１１Ｄ、２１２Ｃ、２１２Ｄ ヤトイ
４００ 光変調器
４１０ ＰＬＣ−ＬＮ導波路
４１１ ＬＮ導波路
４１１ＡＩ Ｉチャネル用の高周波電極
４１１ＡＱ Ｑチャネル用の高周波電極
４１１ＢＩ Ｉチャネル用のＤＣ電極
４１１ＢＱ Ｑチャネル用のＤＣ電極
４１１Ｃ、４１Ｄ ヤトイ
４１２Ｌ、４１２Ｒ ＰＬＣ導波路
４１２Ｃ、４１２Ｄ ヤトイ
４２０ パッケージ
４２１Ｉ Ｉチャネル用のＲＦコネクタ
４２１Ｑ Ｑチャネル用のＲＦコネクタ
４２２ ＤＣコネクタ
４３０Ｉ Ｉチャネル用の高周波電気配線
４３０Ｑ Ｑチャネル用の高周波電気配線
４４０ ＤＣ電極配線

Claims (2)

1. ＰＬＣ導波路及びＬＮ導波路を備える光変調器において、
   ＰＬＣ導波路及びＬＮ導波路で構成されたＰＬＣ−ＬＮ導波路と、
   前記ＰＬＣ−ＬＮ導波路を囲むパッケージと、
   前記パッケージに設けられた高周波コネクタと、
   前記高周波コネクタと前記ＬＮ導波路の高周波電極とを接続する高周波電気配線と
   を備え、
   前記高周波電気配線は、フレキシブル配線基板であり、
   前記ＰＬＣ導波路および前記ＬＮ導波路は、前記ＰＬＣ導波路と前記ＬＮ導波路との接続端にそれぞれヤトイを有し、
   前記高周波電気配線は、前記ＰＬＣ導波路または前記ＬＮ導波路の前記ヤトイに接着固定されており、
   前記ＬＮ導波路は、第１及び第２のチャネルを有し、
   前記高周波電気配線は、前記第１及び第２のチャネルのための第１及び第２の高周波電気配線を有し、前記第１の高周波電気配線と前記第２の高周波電気配線は交差していることを特徴とする光変調器。
2. 前記高周波電気配線は、前記ＬＮ導波路の電極パッドに接続することを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
   

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