JP6459245B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、基板と、該基板の上面側に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を制御するための制御電極と、該制御電極と該基板外の高周波線路とを電気的に接続する電気接続部とを有する光変調器に関する。

光通信分野や光計測分野において、光変調器、特に、基板に光導波路や当該光導波路を伝播する光波を制御する制御電極を備えた光変調器が多用されている。近年では、変調速度の高速化および大容量化が求められ、また、直角位相振幅変調（ＱＡＭ；Quadrature Amplitude Modulation）などの多値変調方式も利用されるようになり、従来よりもさらに広帯域で、周波数応答の平坦な光帯域特性が求められている。

特許文献１乃至３のように、高周波特性の改善のため、基板の裏面や側面を金属膜などの導電性膜で被覆することが開示されている。また、特許文献２では、筺体やコネクタ部との接地（ＧＮＤ）接続を強化するため、信号電極の入出力部に形成されるテーパ部に対応した部分とテーパ部端縁のフィーダ部の近傍を除き金属膜を除去し、はんだによる接続を行う構成が開示されている。

さらに、光変調器の基板にニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学結晶を用いた場合、焦電効果を抑制するために変調素子チップの側面に金属などにより導電膜を形成する構成も開示されている。

接続パッド周辺において、上述したように基板の側面に金属部分があると、電気的接続の前後の電界分布が乱れてしまい、高周波線路の信号線と基板側面の金属ＧＮＤ間に寄生容量が発生する。これにより、電気信号の伝送特性Ｓ２１で高周波帯域にディップが生じ、光帯域の高周波応答が劣化することとなる。

また、特許文献２に示すように、ＧＮＤ接続を改善するために、はんだによって接地電極を筐体に固定した場合には、制御電極の入出力部の数十ｍｍの距離が筐体に強固に固定されることとなる。これにより、外部環境温度の変化に対し、光変調器を構成する基板と筺体の線膨張係数の違いによる内部応力が基板に加わり、内部応力に応じて基板屈折率が変化することにより生じるバイアス点のシフトや、最悪の場合には基板が破損するという問題を生じる。

特開平５−１５８００２号公報 特開平１０−２３９６４８号公報 特開２００５−１８１５３７号公報 特開平４−２１４５２６号公報

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、高周波特性を改善し、焦電効果を抑制できる光変調器を提供することである。さらに、光変調器を構成する基板への内部応力の発生も抑制した光変調器を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光変調器は以下のような技術的特徴を有する。
（１） 基板と、該基板の上面側に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を制御するための制御電極と、該制御電極と該基板外の高周波線路とを電気的に接続する電気接続部とを有する光変調器において、該制御電極は、信号電極と該信号電極を挟むように配置された第一の接地電極と第二の接地電極から構成され、該基板で該電気接続部が配置される側の側面には、前記第一の接地電極と前記第二の接地電極とを電気的に接続すると共に、該信号電極から離間して配置された導電部が形成されており、該導電部の近傍における前記第一の接地電極と前記第二の接地電極との間隔Ｗ１は、該導電部と各接地電極とが電気的に接続した位置の間隔ｗより狭くなるように設定されていることを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の光変調器において、該高周波線路は、該信号電極と電気的に接続される信号導体と、該信号導体を挟むように配置され、前記第一及び第二の接地電極に電気的に接続される接地導体から構成され、該信号導体を挟んだ該接地導体の間隔Ｗ２は、該導電部と各接地電極とが電気的に接続した位置の間隔ｗと同じかそれ以下に設定されていることを特徴とする。

（３） 基板と、該基板の上面側に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を制御するための制御電極と、該制御電極と該基板外の高周波線路とを電気的に接続する電気接続部とを有する光変調器において、
該制御電極は、信号電極と該信号電極を挟むように配置された第一の接地電極と第二の接地電極から構成され、
該基板で該電気接続部が配置される側の側面には、前記第一の接地電極と前記第二の接地電極とを電気的に接続すると共に、該信号電極から離間して配置された導電部が形成されており、該高周波線路は、該信号電極と電気的に接続される信号導体と、該信号導体を挟むように配置され、前記第一及び第二の接地電極に電気的に接続される接地導体から構成され、該信号導体を挟んだ該接地導体の間隔Ｗ２は、該導電部と各接地電極とが電気的に接続した位置の間隔ｗと同じかそれ以下に設定されていることを特徴とする。

（４） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光変調器において、該電気接続部は、内部応力の発生を抑制する電気的接続手段を用いて該高周波線路と接続するよう構成されていることを特徴とする。

（５） 上記（１）乃至（４）に記載の光変調器において、該基板は焦電効果を有する材料で構成されていることを特徴とする。

本発明は、基板と、該基板の上面側に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を制御するための制御電極と、該制御電極と該基板外の高周波線路とを電気的に接続する電気接続部とを有する光変調器において、該制御電極は、信号電極と該信号電極を挟むように配置された第一の接地電極と第二の接地電極から構成され、該基板で該電気接続部が配置される側の側面には、前記第一の接地電極と前記第二の接地電極とを電気的に接続すると共に、該信号電極から離間して配置された導電部が形成されているため、電気的接続の前後の電界分布が乱れずに接続でき、高周波応答が劣化することを抑制することが可能となる。

特に、以下の（ａ）又は（ｂ）に示す条件に設定することで、上述した効果はより顕著となる。
（ａ） 該導電部の近傍における前記第一の接地電極と前記第二の接地電極との間隔Ｗ１は、該導電部と各接地電極とが電気的に接続した位置の間隔ｗと同じかそれ以下に設定されていること。
（ｂ） 該高周波線路は、該信号電極と電気的に接続される信号導体と、該信号導体を挟むように配置され、前記第一及び第二の接地電極に電気的に接続される接地導体から構成され、該信号導体を挟んだ該接地導体の間隔Ｗ２は、該導電部と各接地電極とが電気的に接続した位置の間隔ｗと同じかそれ以下に設定されていること。

また、本発明の光変調器において、該電気接続部は、内部応力の発生を抑制する電気的接続手段を用いて該高周波線路と接続するよう構成することで、基板自体に内部応力が加わることが無く、光変調器のバイアス点のシフトも抑制することが可能となる。

さらに、該基板が焦電効果を有する材料で構成されている場合でも、基板の両側面等には接地電極が形成されているため、焦電効果の発生を効果的に抑制することが可能となる。

本発明の光変調器に用いられる基板（チップ）の一例を示す斜視図である。 本発明の光変調器に用いられる光変調器モジュールの一例を示す平面図である。 基板上の制御電極と基板外の高周波線路とを接続する電気接続部の一例を示す平面図である。 図３の基板１の側面の様子を説明する図である。 光変調器の周波数特性を示すグラフである。

以下、本発明の光変調器について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光変調器は、図１に示すように、基板と、該基板の上面側に形成された光導波路（不図示）と、該光導波路を伝播する光波を制御するための制御電極（２，３１，３２）と、該制御電極と該基板外の高周波線路（不図示）とを電気的に接続する電気接続部とを有する光変調器において、該制御電極は、信号電極２と該信号電極を挟むように配置された第一の接地電極３１と第二の接地電極３２から構成され、該基板で該電気接続部が配置される側の側面には、前記第一の接地電極と前記第二の接地電極とを電気的に接続すると共に、該信号電極２から離間して配置された導電部４０が形成されていることを特徴とする。

本発明の光変調器に用いる基板は、ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_５又はＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）のいずれかの単結晶など、電気光学効果を有する基板が好適に利用可能である。特に、光変調器などの光制御素子で多用されているＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_５が、好ましい。これらの基板は焦電効果が発生し易いため、特許文献４に示すように、基板の表面に形成した制御電極だけでなく、基板の側面や裏面などにも焦電効果を抑制するための導電膜を形成することが好ましい。

基板には光導波路が形成されている。基板に形成する光導波路は、例えば、ＬｉＮｂＯ_３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などを熱拡散することにより形成される。また、基板に光導波路に沿った凹凸を形成したリッジ型光導波路も利用可能である。光導波路のパターン形状としてはマッハツェンダー型導波路や複数のマッハツェンダー型導波路を組み合わせたネスト型導波路など、光変調器の用途に応じて種々の形状を採用することが可能である。

制御電極は、図１に示すように、信号電極２や接地電極（３１，３２）から構成され、基板表面に、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンを形成し、金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設け、該バッファ層の上側に制御電極を形成することも可能である。信号電極は、図１に示すように１本の信号電極に限られるものではなく、光導波路の変調領域が複数ある場合には、その数に対応して、複数の信号電極を設けることが可能である。

本発明の光変調器の特徴は、高周波特性の向上や焦電効果の抑制を行うため、図１に示すように、基板の側面や裏面にも導電膜（４０，４２）を形成している。従来は、特許文献２又は３に示すように、制御電極と基板外の高周波線路とを電気的に接続する電気接続部が配置される側の基板の側面に、全体に渡って導電膜を設けたり、信号電極の接続パッドが形成される位置に対応する側面部分には、導電膜を形成しないように設定していた。

本発明では、図１示すように、信号電極２と該信号電極を挟むように配置された第一の接地電極３１と第二の接地電極３２に対し、側面の導電部４０は、前記第一の接地電極３１と前記第二の接地電極３２とを電気的に接続すると共に、該信号電極２から離間して配置されている。信号電極２の近傍には、導電部４０が形成されない領域４１が存在するが、当該側面内では、第一の接地電極３１と第二の接地電極３２とを電気的に接続する部分（領域４１の下側）が形成されている。

本発明のように、基板の側面に形成する導電部４０に、導電部を形成しない領域４１を設けると共に、２つの接地電極を電気的に接続する部分も設けることで、制御電極と高周波線路との電気的接続の前後において、電界部分布が乱れずに接続され、信号線と側面ＧＮＤ部間の寄生容量の発生を抑制することができる。これにより、光変調器の高周波特性をより向上させることが可能となる。

基板側面の導電部４０は、基板裏面に形成した導電膜と基板側面と基板裏面とのエッジ部分を介して電気的に接続することで、筐体ＧＮＤと電気的に接続される、もしくは、基板側面の下部の一部分と筐体ＧＮＤと電気的に接続されることにより、筺体ＧＮＤとの接続が強固になり高周波特性が更に改善する役割も果たす。さらに、側面の導電部が信号電極の両側に配置された接地電極を短距離で接続する役割も担っているため、後述するようにワイヤーボンディングなどの電気的接続手段を用いた場合においても、１０ＧＨｚを超える高周波域でも良好な特性を得ることができ、高周波特性に優れた光変調器を得ることができる。特に、基板の厚みが信号電極と接地電極との間隔（接続パッド付近における両者の間隔）よりも大きくなる場合には、この導電部４０による各接地電極の電気的接続により、高周波特性はより高くなる。

導電部４０の形成方法としては、ウェハ状の基板に光導波路や金メッキなどによる制御電極を形成した後、ウェハ基板をチップ形状に切断する。その後、チップの側面に蒸着などの成膜法やメッキ法により導電体（４０）を形成する。除去部４１は、導電体形成前にレジストなどでマスキングすることにより形成できる。また、導電体形成後、加工により除去してもよい。また、除去部４１の形状を、図１では半円形状としたが、除去部の形状はこれに限らず矩形や多角形であっても良い。

図２は、図１の光変調器のチップ１を筐体１０に組み込んだ光変調器モジュールを示している。チップに形成された光導波路（不図示）の入出力部に対応して、光ファイバ（９１，９２）が接続されている。図２では、光変調器の制御電極については、信号電極（２，２１，２２）のみを簡略化して示している。符号２１，２２は信号電極の接続パッドを示している。

図２では、チップ１上の制御電極の入力側には、高周波線路を具備した中継基板６とＲＦコネクタ部５が直接、電気的に接続されている。ＲＦコネクタ部の中心導体５１は、スライディングコンタクトやワイヤーボンディング等を利用して、中継基板の信号導体６１に接続され、信号導体６１と信号電極の接続パッド２１とは、ワイヤーボンディング８１で接続されている。ＲＦコネクタ部の周辺導体である接地部と中継基板の接地導体（不図示）、また接地導体とチップ１の接地電極とも、ワイヤーボンディング等で接続されている。

図２では、中継基板６を用いたが、本発明はこれに限らず、ＲＦコネクタ部５をチップ１の制御電極に直接に電気的接続することも可能である。中継基板やＲＦコネクタ部などの高周波線路とチップ上の制御電極とを接続する電気接続部は、チップ１の基板に熱膨張などによる内部応力の発生を抑制するよう構成することが好ましい。具体的には、ワイヤーボンディングや導電性リボンなどの可撓性のある材料で接続することが好ましい。また、スライディングコンタクトやはんだなどのように、チップ１とＲＦコネクタ部５又は筐体１０とを強固に固定する場合には、固定箇所は１箇所（制御電極の入力部又は出力部のいずれか）とし、特許文献２のように複数固定した場合の内部応力が発生する弊害を避けることが好ましい。

信号電極の出力用接続パッド２２には、終端基板７がワイヤーボンディング８２を介して接続されている。必要に応じて、制御電極の出力側にもＲＦコネクタ部を配置すること可能である。

図３は、図２の入力側接続部Ａ又は出力側接続部Ｂの様子を示した図である。
本発明の光変調器では、図３に示す制御電極を構成する第一の接地電極３１と第二の接地電極３２との間隔Ｗ１は、図４に示す導電部４０と各接地電極（３１，３２）とが接続した位置の間隔ｗと同じかそれ以下に設定されている。

また、図３に示す高周波線路は、信号電極２と電気的に接続される信号導体６１と、該信号導体を挟むように配置され、前記第一及び第二の接地電極（３１，３２）に電気的に接続される接地導体（６２，６３）から構成され、該信号導体を挟んだ該接地導体の間隔Ｗ２は、図４に示す導電部４０と各接地電極（３１，３２）とが接続した位置の間隔ｗと同じかそれ以下に設定されている。

図３及び４で説明した関係（ｗ≧Ｗ１又はｗ≧Ｗ２）を満足することで、電気接続部における接続前後の電界部分布がスムーズに接続され、信号線と側面ＧＮＤ部間の寄生容量の発生をより一層抑制することができる。

図５は、図４に示すように基板側面の導電部４０に導電部除去領域４１を設けた場合（本発明）と、当該導電部除去領域を設けない場合（全面金属）の周波数特性を示したグラフである。入力側接続部は、ＲＦコネクタ部と接続し、出力側接続部は、高周波基板で構成された終端基板と接続した。導電部除去領域の形状は図１に示した半円形で、作成したサンプルの導電部除去領域の幅ｗは、ｗ１、ｗ２に対して１．１〜２倍の範囲とした。

図５を見ると、図１のような導電部４０を備えた場合には、ディップ等のない滑らかな周波数応答が得られていることがわかる。

以上、説明したように、本発明によれば、高周波特性を改善し、焦電効果を抑制できる光変調器を提供することが可能となる。さらに、光変調器を構成する基板への内部応力の発生も抑制した光変調器を提供することができる。

１ チップ（光変調素子）
２ 信号電極
３１，３２ 接地電極
４０，４２ 導電部
４１ 導電体除去領域
５ ＲＦコネクタ部
６ 中継基板
７ 終端基板
９ 導波路
１０ 筐体

Claims (5)

1. 基板と、該基板の上面側に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を制御するための制御電極と、該制御電極と該基板外の高周波線路とを電気的に接続する電気接続部とを有する光変調器において、
   該制御電極は、信号電極と該信号電極を挟むように配置された第一の接地電極と第二の接地電極から構成され、
   該基板で該電気接続部が配置される側の側面には、前記第一の接地電極と前記第二の接地電極とを電気的に接続すると共に、該信号電極から離間して配置された導電部が形成されており、
   該導電部の近傍における前記第一の接地電極と前記第二の接地電極との間隔Ｗ１は、該導電部と各接地電極とが電気的に接続した位置の間隔ｗよりも狭くなるように設定されていることを特徴とする光変調器。
2. 請求項１に記載の光変調器において、該高周波線路は、該信号電極と電気的に接続される信号導体と、該信号導体を挟むように配置され、前記第一及び第二の接地電極に電気的に接続される接地導体から構成され、該信号導体を挟んだ該接地導体の間隔Ｗ２は、該導電部と各接地電極とが電気的に接続した位置の間隔ｗと同じかそれ以下に設定されていることを特徴とする光変調器。
3. 基板と、該基板の上面側に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を制御するための制御電極と、該制御電極と該基板外の高周波線路とを電気的に接続する電気接続部とを有する光変調器において、
   該制御電極は、信号電極と該信号電極を挟むように配置された第一の接地電極と第二の接地電極から構成され、
   該基板で該電気接続部が配置される側の側面には、前記第一の接地電極と前記第二の接地電極とを電気的に接続すると共に、該信号電極から離間して配置された導電部が形成されており、
   該高周波線路は、該信号電極と電気的に接続される信号導体と、該信号導体を挟むように配置され、前記第一及び第二の接地電極に電気的に接続される接地導体から構成され、該信号導体を挟んだ該接地導体の間隔Ｗ２は、該導電部と各接地電極とが電気的に接続した位置の間隔ｗと同じかそれ以下に設定されていることを特徴とする光変調器。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器において、該電気接続部は、内部応力の発生を抑制する電気的接続手段を用いて該高周波線路と接続するよう構成されていることを特徴とする光変調器。
5. 請求項１乃至４に記載の光変調器において、該基板は焦電効果を有する材料で構成されていることを特徴とする光変調器。

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