JP6352789B2 - 伝送媒体および光送信器 - Google Patents

Description

本発明は、光送信器における半導体光素子を駆動する高周波電気信号の透過帯域および反射特性を改善するための伝送媒体技術に関する。

近年、光ファイバ通信の大容量化に伴い、通信網に設置される伝送装置と、それを構成するキーデバイスである光送信器の更なる高品質化が要求されている。光送信器は、高周波電気信号を伝達する伝送線路に半導体光素子を搭載し、半導体光素子を電気信号で駆動して光信号を送信する部品であり、従来、例えば非特許文献１などで取り上げられている。

半導体光素子に供給される高周波電気信号の特性を決定する重要なパラメータの１つは、伝送線路の特性インピーダンスである。前述の従来技術によれば、半導体光素子に高周波電気信号を供給する配線基板、配線基板を搭載する筐体と筐体内導入端子、および筐体内導入端子と駆動ＩＣを接続するための伝送線路は、それぞれ基準インピーダンスと同値の特性インピーダンスに設定され、電気信号を効率的に伝送し、導体光素子に供給される高周波電気信号の広帯域化、低ジッタ化といった高品質化が図られている。

"Compact 40-Gb/s EML Module using broadband FPC connection technique", 2010 Conference on Optical Fiber Communication - OFC 2010 Collocated National Fiber Optic Engineers Conference OFC/NFOEC 2010, San Diego CA, USA, OThC3

しかしながら、このような従来技術では、半導体光素子、伝送線路、信号導入端子（フィードスルー）、駆動ＩＣが、それぞれワイヤや半田、もしくは接着剤によって電気的に導通するように接続されているため、その接続部分においてインピーダンス不整合が生じるという問題点があった。これにより、不整合部からの反射波と信号源からの進行波によって、ボンディングワイヤ長、基板長、特性インピーダンスに依存した共振が発生し、半導体光素子を駆動する高周波電気信号の透過帯域および反射特性の劣化原因となる。

伝送線路間においては、従来技術のように線路の特性インピーダンスの値を基準インピーダンスと等しくすることや、接続部における不整合区間を極力短くすることで、特性劣化を削減できる。
しかしながら、半導体光素子を搭載する光送信器の場合、その素子自体が、低インピーダンスであるために、抵抗体でその部位を基準インピーダンスと同値に終端したとしても、半導体光素子の容量成分に起因するインピーダンス不整合が必然的に発生するという問題点があった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、半導体光素子の容量成分に起因して発生するインピーダンス不整合を補償でき、半導体光素子を駆動する高周波電気信号の透過帯域および反射特性を向上できる伝送媒体技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる伝送媒体は、光信号を出力する半導体光素子と、前記半導体光素子に信号源からの高周波電気信号を供給するためのマイクロストリップ線路またはコプレーナ線路から構成された伝送線路とを備える伝送媒体であって、前記伝送線路内の信号線路と離間して対置され、当該信号線路側の対向面と当該信号線路との間の距離が可変である導体板と、前記導体板を微動させることにより前記距離を調整する導体板駆動部とを備え、前記導体板駆動部は、前記伝送線路の特性インピーダンスが、前記伝送媒体のインピーダンス分布におけるインピーダンス最小値と前記信号源の基準インピーダンスとの間の値で、かつ、所望の変調周波数の反射率を低減する値となるように、前記距離を調整するようにしたものである。

また、本発明にかかる上記伝送媒体の一構成例は、前記伝送媒体から検出した時間領域反射率に基づいて前記伝送媒体のインピーダンス分布を算出する演算処理部をさらに備えている。

また、本発明にかかる光送信器は、前述したいずれか１つの伝送媒体を備えている。

本発明によれば、半導体光素子の容量成分に起因して発生するインピーダンス不整合を補償でき、半導体光素子を駆動する高周波電気信号の透過帯域および反射特性を向上することが可能となる。

本発明にかかる光送信器の構成を示すブロック図である。 本発明にかかる光送信器を模擬した等価回路である。 図２の等価回路に用いた回路要素のパラメータ例である。 適応型伝送路を用いない場合（従来技術）の反射特性の計算結果を示すグラフである。 適応型伝送路を用いない場合（従来技術）の透過特性の計算結果を示すグラフである。 本発明の光送信器を模擬した回路構成から得られる時間領域反射特性を示すグラフである。 適応型伝送路を用いた場合（本発明）の反射特性の計算結果を示すグラフである。 適応型伝送路を用いた場合（本発明）の透過特性の計算結果を示すグラフである。 適応型伝送路の構成例を示す機能的構成図である。 適応型伝送路の他の構成例を示す機能的構成図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる光送信器１００について説明する。図１は、本発明にかかる光送信器の構成を示すブロック図である。

この光送信器１００は、主な構成として、フレキシブル線路１０、フィードスルー２０、適応型伝送路３０、ボンディングワイヤ４１，４２，４３、ＥＡ変調器５１、分布帰還型レーザ５２、終端抵抗６０、パッケージ筐体７０、および光結合部８０が設けられている。これらのうちＥＡ変調器５１および分布帰還型レーザ５２が半導体光素子５０を構成する。

適応型伝送路３０は、ＥＡ変調器５１に電気信号を供給するための伝送線路であって、光送信器１００のインピーダンス分布におけるインピーダンス最小値と、信号源によって決められる基準インピーダンスとの間の値を有しており、後に説明するように、変調器に供給される高周波電気信号の特性を改善する機能を有する。

ＥＡ（ＥＡ：Electro-Absorption）変調器５１は、高周波電気信号に基づいて、入力された連続光を吸収／透過させることにより光を変調する電気吸収型の光変調器であり、ＬＤ（レーザダイオード）に変調信号を直接印加して光出力を変調する直接変調方式ではなく、ＬＤから出力された連続光をＬＤ外部で変調する外部変調方式に用いられる。

一般に、直接変調方式では、チャーピング（波長のゆらぎ）が大きくファイバによる波長分散の影響で高速・長距離伝送は困難であるが、外部変調方式では、チャーピングが小さく高速・長距離伝送が可能となるため、受信した電気信号を光信号に変換してファイバへ出力する光送信器に最適である。

分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed feedback）レーザ５２は、周期的な屈折率変化を与えるブラックグレーティング（回折格子）により、単一の波長の光を選択して出射する半導体レーザである。ブラックグレーティングは、光を閉じ込めて増幅する共振器全体に設けられているため、ブラックグレーティングのピッチに応じた単一の波長の光だけが選択されて共振器内で強力に増幅されて、発振光として外部に出力される。

本発明において、ＥＡ変調器５１が請求項の半導体光素子の一例であり、適応型伝送路３０が請求項の伝送線路の一例であり、光送信器１００が伝送媒体の一例である。この場合、光送信器１００のインピーダンス分布におけるインピーダンス最小値は、実質的にＥＡ変調器５１内の半導体素子のインピーダンス最小値に相当する。なお、半導体素子以外の絶縁素子が複数搭載されていて、これらが複合してインピーダンス最小値となりうる場合もある。

ＥＡ変調器５１、分布帰還型レーザ５２、適応型伝送路３０、終端抵抗６０、ボンディングワイヤ４１，４２，４３は、箱型のパッケージ筐体７０内に実装される。箱型筐体の代わりにＣＡＮ型筐体を用いてもよい。
フレキシブル線路１０は、可繞性を有し、パッケージ筐体７０のフィードスルー２０に接続され、駆動用ＩＣ１１０が出力した電気信号を、パッケージ筐体７０内の部品に供給する。

フィードスルー２０の信号線路２１，２２，２３と適応型伝送路３０の信号線路３１，３２，３３とは、ボンディングワイヤ４１，４２，４３を介してそれぞれ接続される。
フレキシブル線路１０、フィードスルー２０、適応型伝送路３０は、マイクロストリップ線路またはコプレーナ線路を構成する伝送線路である。これら伝送線路は、特性インピーダンスが定義されており、駆動ＩＣ１１０の出力インピーダンスである基準インピーダンスと等しい値に設計される。

ＥＡ変調器５１の素子上面（ｐ型クラッド層と導通する面）に設けられた変調電極５１Ａと適応型伝送路３０の信号線路３１との間は、ボンディングワイヤ３４を介して接続されている。ＥＡ変調器５１は容量成分を含むため低インピーダンスであることから、基準インピーダンスとの整合をとる必要があり、終端抵抗６０がＥＡ変調器５１と並列に設けられている。終端抵抗６０の一方の電極は、適応型伝送路３０の信号線路３１と導通し、他方の電極は、適応型伝送路３０の基板のグランド層と導通している。

分布帰還型レーザ５２の素子上面（ｐ型クラッド層と導通する面）に設けられた電流注入電極５２Ａと適応型伝送路３０との信号線路３２との間は、ボンディングワイヤ３５を介して接続されている。分布帰還型レーザ５２は、電流注入電極５２Ａに注入されたレーザ駆動用の直流電流により、連続な発振光を出力させる。
これらＥＡ変調器５１および分布帰還型レーザ５２のｎ型基板は、パッケージ筐体７０または適応型伝送路３０のグランド層と導通している。

駆動ＩＣ１１０から出力された高周波電気信号は、フレキシブル線路１０の信号線路１１、フィードスルー２０の信号線路２１、ボンディングワイヤ４１、適応型伝送路３０の信号線路３１、およびボンディングワイヤ３４を通して、ＥＡ変調器５１の変調電極５１Ａに供給される。

駆動ＩＣ１１０から出力されたレーザ駆動用の直流電気信号は、フレキシブル線路１０の信号線路１２、フィードスルー２０の信号線路２２、ボンディングワイヤ４２、適応型伝送路３０の信号線路３２、およびボンディングワイヤ３５を通して、分布帰還型レーザ５２の電流注入電極５２Ａに供給される。

分布帰還型レーザ５２の発振光は、ＥＡ変調器５１によって高周波電気信号により変調され、光合部９０において集光され、ピグテールファイバやレセプタクル等の光コネクタ接続機構を透過し光送信器１００から出射される。

また、パッケージ筐体７０内には、半導体光素子を所定の温度に保つために温調部９０が設けられている。
駆動ＩＣ１１０から出力された温度調節用の直流電気信号は、フレキシブル線路１０の信号線路１３、フィードスルー２０の信号線路２３、ボンディングワイヤ４３、適応型伝送路３０の信号線路３３、およびボンディングワイヤ３６を通して、温調部９０に供給される。

［周波数特性］
次に、本実施の形態にかかる光送信器１００に関する周波数特性について説明する。
まず、本発明にかかる適応型伝送路３０によるインピーダンス制御を実施しない場合（従来技術）の周波数特性について説明する。

図２は、本発明にかかる光送信器を模擬した等価回路である。ここでは、本回路構成を用いて電気的特性を計算する。図２において、高周波信号源Ｓは、基準インピーダンスＺｒｅｆを有しており、インピーダンスＺ０１，Ｚ０２，Ｚ０３，Ｚ０４および遅延時間ＴＤ＿１，ＴＤ＿２，ＴＤ＿３，ＴＤ＿４は、駆動ＩＣ１１０とフレキシブル線路１０との結合部、フレキシブル線路１０の信号線路１１、フレキシブル線路１０とフィードスルー２０との結合部、フィードスルー２０の信号線路２１の特性を示している。

また、インピーダンスＺ０＿ａおよび遅延時間ＴＤ＿ａは、適応型伝送路３０の信号線路３１の特性を示しており、インダクタンスＬ１および抵抗Ｒｔｒｍは、ボンディングワイヤ４１および終端抵抗６０の特性を示しており、インダクタンスＬ２、抵抗Ｒｅａ、容量Ｃｅａ、および電流源Ｉｐｈは、ボンディングワイヤ３４、ＥＡ変調器５１のＥＡ素子抵抗、ＥＡ素子容量、ＥＡ素子受光電流源の特性を示している。

図３は、図２の等価回路に用いた回路要素のパラメータ例である。フレキシブル線路１０、フィードスルー２０、適応型伝送路３０の特性インピーダンスは、基準インピーダンスと同じで５０Ωに設定する。本例では、２ポートのパラメータを計算するものとし、ポート１を駆動ＩＣ１１０とフレキシブル線路１０の接合部、ポート２をＥＡ変調器５１の変調電極５１Ａに設定する。

図４は、適応型伝送路を用いない場合（従来技術）の反射特性の計算結果を示すグラフであり、横軸が信号周波数［ＧＨｚ］、縦軸が反射信号強度［ｄＢ］を示している。図５は、適応型伝送路を用いない場合（従来技術）の透過特性の計算結果を示すグラフであり、横軸が信号周波数［ＧＨｚ］、縦軸が透過信号強度［ｄＢ］を示している。これら図４および図５に示されているように、反射特性Ｓ１１および透過特性Ｓ２１の絶対値に共振特性が現れており、帯域劣化の一因になっている。

次に、本発明にかかる適応型伝送路３０によるインピーダンス制御を実施した場合（本発明）の特性改善効果について説明する。図６は、本発明の光送信器を模擬した回路構成から得られる時間領域反射特性を示すグラフであり、横軸は入力パルスの往復時間［ｐｓ］、縦軸はインピーダンス［Ω］を示している。

時間領域反射特性ＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）において、ボンディングワイヤ４１，３４によるインピーダンスの上昇と、ＥＡ変調器５１が持つ容量成分によるインピーダンスの低下が現れている。適応型伝送路３０の特性インピーダンスＺ０＿ａは、ＴＤＲにおけるインピーダンス最小値Ｚｍｉｎと基準インピーダンスＺｒｅｆの間の値をとるように設定する。本実施例では、Ｚｒｅｆ＝５００Ω，Ｚｍｉｎ＝１５Ωであり、１５Ω＜Ｚ０＿ａ＜５０Ωを満たすように設定する。ここでは、Ｚ０＿ａとして５０Ω，４５Ω，４０Ω，３５Ω，３０Ωをとった場合のグラフＩＤ００，ＩＤ０１，ＩＤ０２，ＩＤ０３，ＩＤ０４が示されている。

図７は、適応型伝送路を用いた場合（本発明）の反射特性の計算結果を示すグラフであり、横軸が信号周波数［ＧＨｚ］、縦軸が反射信号強度［ｄＢ］を示している。図８は、適応型伝送路を用いた場合（本発明）の透過特性の計算結果を示すグラフであり、横軸が信号周波数［ＧＨｚ］、縦軸が透過信号強度［ｄＢ］を示している。これら図７および図８では、Ｚ０＿ａをパラメータとした、反射特性Ｓ１１および透過特性Ｓ２１の計算結果が示されている。

図７の反射特性Ｓ１１において、Ｚ０＿ａを調整することにより、反射率の絶対値がＺ０＿ａ＝５０Ωの場合と比較し、低減される効果を確認できる。また、図８の透過特性Ｓ２１においても、絶対値が平均して増加する効果を確認できる。これにより、半導体光素子５０の容量成分に起因して発生するインピーダンス不整合が補償されていることが分かる。
なお、反射特性Ｓ１１の絶対値特性が示すように反射率が低減する周波数が、Ｚ０＿ａにおいて変化することを利用して、特定の変調周波数の反射率を低減するようにＺ０＿ａを選択することも可能である。

［適応型伝送路］
次に、本実施の形態にかかる適応型伝送路の構成例について説明する。
図９は、適応型伝送路の構成例を示す機能的構成図である。図９に示した適応型伝送路３０は、高周波電気信号用の信号線路３１と、大気などの誘電体層を挟んで離間して対置された導体板３７を備えている。

図９において、適応型伝送路３０の誘電体層３０Ａには、その底面にグランド層３０Ｂが形成されており、配線面には信号線路３１が形成されている。また、配線面の一部には、ＥＡ変調器５１が搭載されている。ＥＡ変調器５１の誘電体層５１Ｂの底面と配線面との間にはグランド層５１Ｃが形成されており、配線面には変調電極５１Ａが形成されており、この変調電極５１Ａと信号線路３１とがボンディングワイヤ３４により接続されている。

導体板３７は、信号線路３１に対して近接／離間する方向に、信号線路３１と接触しない範囲で位置を変更することができ、導体板３７のうち信号線路３１側の対向面３２Ａと信号線路３１との間の距離Ｘを調整可能である。
したがって、距離Ｘの変更に応じて、適応型伝送路３０の特性インピーダンスが変化するため、この距離Ｘを調整することにより、適応型伝送路３０特性インピーダンスを、光送信器１００のインピーダンス分布におけるインピーダンス最小値と、信号源の基準インピーダンスとの間の値に制御することができる。

図１０は、適応型伝送路の他の構成例を示す機能的構成図である。図１０に示した適応型伝送路３０は、図９の構成に対して、導体板３７を信号線路３１に対して近接／離間する方向に移動させるための導体板駆動部３８を追加したものである。

反射率検出部３９Ａは、一般的な測定回路からなり、光送信器１００から時間領域反射率を検出する機能を有している。
演算処理部３９Ｂは、ＣＰＵなどの一般的な演算処理回路からなり、反射率検出部３９Ａで検出された時間領域反射率に基づいて送信器１００のインピーダンス分布を算出する機能を有している。

導体板駆動部３８は、演算処理部３９Ｂで算出された送信器１００のインピーダンス分布におけるインピーダンス最小値と基準インピーダンスとの間の値となるよう、導体板３７を信号線路３１に対して近接／離間する方向に移動させる機能を有している。この導体板駆動部３８は、例えば静電力を駆動力として駆動する微小なアクチュエータで実現することができ、一般的なマイクロマシニング技術を用いて形成できる。
図１０の構成によれば、適応型伝送路３０の特性インピーダンスを自動制御することが可能となる。

また、以上では、信号源が１つの場合を例として説明したが、複数の信号源がある場合でも、これら信号源ごとに複数の高周波電気信号線路を設けて、上記同様の手段で特性インピーダンスの設定や制御を行うことも可能である。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、適応型伝送路３０（伝送線路）の特性インピーダンスを、光送信器１００（伝送媒体）のインピーダンス分布におけるインピーダンス最小値と、信号源の基準インピーダンスとの間の値をとるようにしたので、半導体光素子５０の容量成分に起因して発生するインピーダンス不整合を補償でき、半導体光素子５０を駆動する高周波電気信号の透過帯域および反射特性を向上することが可能となる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１００…光送信器、１０…フレキシブル線路、１１，１２，１３…信号線路、２０…フィードスルー、２１，２２，２３…信号線路、３０…適応型伝送路、３１，３２，３３…信号線路、３４，３５，３６…ボンディングワイヤ、３７…導体板、３８…導体板駆動部、３９Ａ…反射率検出部、３９Ｂ…演算処理部、４１，４２，４３…ボンディングワイヤ、５０…半導体光素子、５１…ＥＡ変調器、５１Ａ…変調電極、５２…分布帰還型レーザ、５２Ａ…電流注入電極、６０…終端抵抗、７０…パッケージ筐体、８０…光結合部、９０…温調部、１１０…駆動ＩＣ。

Claims (3)

1. 光信号を出力する半導体光素子と、前記半導体光素子に信号源からの高周波電気信号を供給するためのマイクロストリップ線路またはコプレーナ線路から構成された伝送線路とを備える伝送媒体であって、
   前記伝送線路内の信号線路と離間して対置され、当該信号線路側の対向面と当該信号線路との間の距離が可変である導体板と、
   前記導体板を微動させることにより前記距離を調整する導体板駆動部とを備え、
   前記導体板駆動部は、前記伝送線路の特性インピーダンスが、前記伝送媒体のインピーダンス分布におけるインピーダンス最小値と前記信号源の基準インピーダンスとの間の値で、かつ、所望の変調周波数の反射率を低減する値となるように、前記距離を調整する
   ことを特徴とする伝送媒体。
2. 請求項１に記載の伝送媒体において、
   前記伝送媒体から検出した時間領域反射率に基づいて前記伝送媒体のインピーダンス分布を算出する演算処理部をさらに備えることを特徴とする伝送媒体。
3. 請求項１または請求項２に記載の伝送媒体を備える光送信器。

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