JP6540744B2 - 光デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、光デバイスに関するものである。
従来、光デバイスとして、光導波路と変調電極とを有する電気光学素子と、電気光学素子を収容する筐体と、外部から入力された変調信号を変調電極へ伝達する中継基板と、を有する光変調器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
上記光変調器の電気光学素子は、ＬｉＮｂＯ３結晶や電気光学高分子材料などの電気光学効果を示す材料を基板として用い、当該基板に光導波路が形成され、光導波路の上に変調電極が形成された構成を有する。
上記光変調器の筐体は、外部から変調信号を入力するためのコネクタ部を有する。コネクタ部は、同軸ピンを有する。
上記光変調器の中継基板は、誘電体基板と、誘電体基板上に形成された電極とを有する。中継基板は、筐体内部においてコネクタ部の同軸ピンと電気光学素子との間に配置され、コネクタ部に入力された変調信号を変調電極に伝達する。
一般にこのような光変調器では、外部からコネクタ部に入力された変調信号（電気信号）を、損失なく電気光学素子へ伝搬することが求められる。また、近年の光通信の高速化に伴い、より高い周波数の電気信号に対応する光変調器（光デバイス）が求められている。
ここで、変調電極の入出力部および中継基板の電極構成には、接続し易さを考慮し、コプレーナ線路（Coplanar Waveguide：ＣＰＷ）が用いられることが多い。
さらに中継基板においては、コプレーナ線路が形成された面の反対面にも導体を配し、一方の主面側の接地電極と、他方の主面側の導体とを接続したＣＢＣＰＷ（Conductor Backed Coplanar Waveguide）構成の基板が用いられることが多い。
ＣＢＣＰＷ構造の中継基板において伝達特性が劣化する要因の一つとして、誘電体基板への放射損失が挙げられる。誘電体基板への放射損失は、中継基板が有する電極の形状、大きさ、および中継基板が有する誘電体基板の誘電特性に応じて変化する。
ＣＢＣＰＷ構造の中継基板の放射損失を抑制する方法の一つとして、ＣＢＣＰＷ構造の中継基板が有する誘電体基板において、電極が形成されている面とは反対側の面に溝加工を施す方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。形成される溝は、中継基板の電気特性を考える上では、「低誘電率材料で構成された層」として考えることができる。
特許第４０２７１０９号公報
"Leakage Loss Analysis of Conductor Baked Coplanar Waveguide with Air-Gap-Spacing Dielectric Sheets", Hotta, et al., IEICE TRANS. ELECTRON., vol.E85-C, NO.7, JULY 2002
しかしながら、非特許文献１に記載の構成では、誘電体基板に対して微細な溝を加工するため、製造コスト増につながる。また、非特許文献１に記載の構成は、適用可能な誘電体基板の材料が、溝加工を施しても機械的強度を維持できるものに限られる。そのため、誘電体基板の材料選択の幅が狭くなってしまう。
これらより、信号の伝搬損失を抑制可能な中継基板を有し、高性能な光デバイスを実現する上で、非特許文献１に記載の構成と同様の効果を、より簡易な構成で実現可能とする技術が求められていた。
また、上記課題は、電気光学効果を利用した光変調器に限らず、電界吸収効果を利用した電界吸収型変調器においても同様に生じ得る。そのため、同様に改善が求められていた。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、高性能な光変調を実現する光デバイスを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、光学素子と、電気信号が入力または出力されるコネクタと、前記コネクタと前記光学素子とを電気的に接続する中継基板と、前記中継基板を支持する一対の支持部と、前記コネクタが固定されるとともに、前記光学素子、前記中継基板および前記一対の支持部を収容する筐体と、を備え、前記光学素子は、内部に光導波路が形成された基板と、前記基板の表面に形成された変調電極と、を有し、前記中継基板は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の主面に設けられた信号電極と、前記一方の主面に設けられた接地電極と、を有し、前記信号電極および前記接地電極は、前記変調電極および前記コネクタと電気的に接続され、前記一対の支持部は、平面視において前記中継基板を挟持し、前記中継基板の他方の主面と前記筐体の内部底面との間には、空隙が形成されている光デバイスを提供する。
本発明の一態様においては、前記一対の支持部の表面は、導電性材料で形成され、前記一対の支持部は、前記接地電極と前記筐体とに電気的に接続されている構成としてもよい。
本発明の一態様においては、前記一対の支持部は、前記筐体とは別体に形成された部材であり、前記筐体の内部空間に固定されている構成としてもよい。
本発明の一態様においては、前記一対の支持部は、それぞれ前記中継基板の周縁部を挿入可能なスリットを有する構成としてもよい。
本発明の一態様においては、前記基板は、電気光学効果を有する構成としてもよい。
本発明の一態様においては、前記信号電極と前記接地電極とがコプレーナ線路を形成している構成としてもよい。
本発明の一態様においては、前記光デバイスが光変調器である構成としてもよい。
本発明によれば、高性能な光変調を実現する光デバイスを提供することができる。
実施形態の光デバイスを示す概略斜視図。 中継部の近傍を示す概略拡大図。 中継部近傍を組み立てる様子を示す説明図。 中継部近傍を組み立てる様子を示す説明図。 支持部の変形例を示す模式図。
以下、図１〜図５を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る光デバイス１００について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。
図１は、本実施形態の光デバイス１００を示す概略斜視図である。図に示すように、本実施形態の光デバイス１００は、筐体１０と、電気光学素子２０と、中継部３０と、終端部４０とを有する光変調器である。
（筐体）
筐体１０は、電気光学素子２０を収容する平面視矩形の箱状部材である。筐体１０は、上部が開口した有底のケース１０１と、ケース１０１の上部の開口部を塞ぐ蓋材１０２とを有する。
筐体１０の形成材料は、電気光学素子２０の動作を阻害しないものであれば、電気光学素子２０の特性に応じて選択すればよく、特に限定されない。筐体１０の形成材料としては、例えばステンレス鋼やコバールを用いることができる。コバールの線膨張係数は、例えば、ステンレス鋼よりもセラミックの線膨張係数に近い。
光デバイス１００を他の機器に取り付ける際、筐体１０は基準電位点に接続される（接地される）。そのため、ケース１０１と蓋材１０２の表面は、ケース１０１や蓋材１０２の形成材料と比べて導電性が高い金属材料で被覆することが好ましい。このような金属材料として、例えばニッケルや金が挙げられる。
筐体１０の一端側１０ａにおいて、ケース１０１には貫通孔１０１ａが設けられている。貫通孔１０１ａには光ファイバ１１が挿入されている。光ファイバ１１は、電気光学素子２０の一端に接続されている。
筐体１０の他端側１０ｂにおいて、ケース１０１には貫通孔１０１ｂが設けられている。貫通孔１０１ｂには光ファイバ１２が挿入されている。光ファイバ１２は、電気光学素子２０の他端に接続されている。
筐体１０の側面１０ｃには、変調信号（電気信号）を入力するための同軸コネクタ（コネクタ）１３が設けられている。
筐体１０の内部空間の底面（内部底面）１０ｘには、電気光学素子２０、中継部３０、終端部４０が取り付けられている。
（電気光学素子）
電気光学素子２０は、基板２１、変調電極２２を有している。
基板２１は、電気光学効果を有する材料を形成材料とする板状部材である。基板２１の形成材料としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ジルコン酸チタン酸ランタン（ＰＬＺＴ）などの結晶材料を用いることができる。
基板２１の形成材料として結晶材料を用いる場合、結晶材料を形成材料とする板材に対するＴｉ等の金属の熱拡散、エッチング加工によるリブ形成、プロトン交換などの公知の技術を用いることで、光導波路を形成することができる。
また、基板２１の形成材料として、非線形光学有機化合物を高分子材料中に分散させた有機電気光学高分子材料も用いることができる。
基板２１の形成材料として有機電気光学高分子材料を用いる場合、まず、シリコンや石英などを基材とし、屈折率の異なる２種以上の高分子材料を用いて、基材上に高屈折率層および低屈折率層を積層する。さらに、高屈折率層や低屈折率層に対し、エッチング加工やインプリントによる成形を施すことにより、光導波路をパターニングする。このとき、高屈折率層と低屈折率層の少なくとも一部に有機電気光学高分子材料を用いることにより、基板２１を形成することができる。
基板２１は、内部に光導波路２１１が形成されている。図１に示すように、本実施形態の光デバイス１００が有する光導波路２１１は、単一のマッハツェンダ―型光導波路である。光導波路２１１は、基板２１の長手方向に延在する２本の平行な光導波路２１１ｃを有している。
変調電極２２は、信号電極２３と接地電極２４を含む。変調電極２２は、基板２１の上部の表面に設けられている。本実施形態においては、変調電極２２は、１つの信号電極２３と２つの接地電極２４を有している。
変調電極２２は、基板２１の法線方向からの視野（平面視）において、光導波路２１１ｃを構成する２本の平行な光導波路と重ならない位置に設けられている。具体的には、信号電極２３は、同視野において、光導波路２１１ｃを構成する２本の平行な光導波路の間に設けられている。接地電極２４は、同視野において、光導波路２１１ｃと基板２１の周縁との間に設けられている。
変調電極２２は、信号電極２３と接地電極２４との間に印加した電界により、光導波路２１１に電気光学効果を生じさせて光導波路２１１の屈折率を変化させる。これにより、光導波路２１１を伝搬する光の光変調を行う。
変調電極２２の種類は特に限定されない。例えば、ＬｉＮｂＯ３など結晶基板を基板２１として用いる電気光学素子では、コプレーナ線路を採用することが多い。また、有機電気光学高分子材料を用いた基板を基板２１として用いる電気光学素子では、マイクロストリップ線路を採用することが多い。
図１に図示した光デバイス１００では、変調電極２２の数は１つであるが、複数であってもよい。光デバイスが複数の変調電極２２を有する場合、変調電極２２の配置や数は、基板２１の結晶軸の向きや、電気光学素子２０の変調方式に応じて設定するとよい。
変調電極２２の端部には、中継基板３１との電気接続をし易くするため、接続用パッドが設けられていると好ましい。接続用パッドにおける電極の種類としては、コプレーナ線路やグランデッドコプレーナ線路を採用することができる。
（中継部）
中継部３０は、外部から供給される電気信号である変調信号を中継して電気光学素子２０に出力する。中継部３０の具体的な構成については、後述する。
図２は、中継部３０の近傍を示す概略拡大図である。図に示すように、中継部３０は、中継基板３１と、一対の支持部３２，３３とを有する。
（中継基板）
中継基板３１は、誘電体基板３１１と、信号電極３１２と、接地電極３１３，３１４と、を有している。信号電極３１２と、接地電極３１３，３１４とは、誘電体基板３１１の一方の主面３１１ａに設けられ、高周波の信号線路としてコプレーナ線路を形成している。
信号電極３１２および接地電極３１３，３１４は、本発明における「コプレーナ線路」に該当する。
誘電体基板３１１の形成材料としては、特に限定されないが、比誘電率の低い材料を好適に用いることができる。誘電体基板３１１の形成材料として、例えば比誘電率が１０以下の材料を好適に用いることができる。誘電体基板３１１としては、例えばＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックスを形成材料とするセラミックス基板や、サファイヤ基板、石英基板を用いることができる。
本発明においては、誘電体基板３１１として、例えばこのようなセラミックス基板を平面視矩形に成形した板材を用いることができ、溝や凹部等の微細加工は必要としない。また、誘電体基板３１１は、信号電極３１２および接地電極３１３，３１４を伝搬する変調信号の放射損失を抑制するために、薄い方が好ましい。誘電体基板３１１の厚みは、中継基板３１の機械的強度や、伝搬する変調信号の周波数に応じて設定するとよい。
一対の支持部３２，３３は、平面視において中継基板３１を挟持し、中継基板３１を支持している。一対の支持部３２，３３は、筐体１０の底面１０ｘに取り付けられている。一対の支持部３２，３３は、組み立てや取扱いが容易となるため、筐体１０とは別体に形成された部材であると好ましい。なお、一対の支持部３２，３３は、筐体１０と一体に成形されていても構わない。
支持部３２，３３は、例えば金属材料等の導電性材料で形成されていると好ましい。支持部３２，３３の形成材料としては、例えば筐体１０の形成材料と同様の材料を採用することができる。支持部３２、３３は、少なくとも表面が導電性材料で形成されているとよく、支持部３２，３３の全体が、導電性材料で形成されていてもよい。
本実施形態において、支持部３２および支持部３３は、略直方体状の部材である。中継基板３１を支持する姿勢において、支持部３２は、支持部３３に対抗する面にスリット３２１を有する。同様に、支持部３３は、支持部３２に対抗する面にスリット３３１を有する。支持部３２，３３が中継基板３１を支持する際、スリット３２１，３３１には中継基板３１の周縁部が挿入されている。中継基板３１を挿入可能であれば、スリット３２１，３３１の断面形状は種々の形状を採用することができる。
信号電極３１２の一端は、ボンディングワイヤ３９により、電気光学素子２０の基板２１表面に設けられた信号電極２３と電気的に接続している。
接地電極３１３，３１４の一端は、ボンディングワイヤ３９により、電気光学素子２０の基板２１表面に設けられた接地電極２４と電気的に接続している。
また、信号電極３１２の他端は、筐体１０の側面１０ｃに設けられた同軸コネクタ１３の中心導体１３１と電気的に接続している。中心導体１３１と信号電極３１２とは、例えばハンダや金錫等のロウ材３７で接続されている。
接地電極３１３，３１４の他端は、外部導体と電気的に接続している。本実施形態においては、外部導体として筐体１０を用いる。
また、接地電極３１３，３１４は、導電性材料で形成された支持部３２，３３とスリット３２１，３３１の内部でそれぞれ接している。支持部３２，３３は、筐体１０の底面１０ｘに取り付けられ導通している。これにより、電気光学素子２０は、接地電極３１３，３１４および支持部３２，３３を介して接地している。なお、接地電極３１３，３１４と支持部３２，３３とが、ハンダや金錫等のロウ材、導電性の接着剤等で接続されていてもよい。
また、接地電極３１３，３１４の他端は、筐体１０の側面１０ｃとハンダや金錫等のロウ材３８、導電性の接着剤等で接続されていてもよい。
このような中継部３０の取り付けは、例えば次の手順で行う。
まず、図３に示すように、一対の支持部３２，３３のスリット３２１，３３１に中継基板３１の周縁部を挿入し、中継部３０を組み立てる。
次いで、図４に示すように、筐体１０内であって同軸コネクタ１３近傍の所定位置に、組み立てた中継部３０を配置し固定する。中継部３０の固定には、ハンダや金錫等のロウ材が好適に用いられる。
その後、中継部３０と電気光学素子２０との電気的な接続や、同軸コネクタ１３と中継部３０との電気的な接続をすることにより、筐体１０に中継部３０を取り付けることができる。
このように、支持部３２，３３が筐体１０と別体で形成されていることにより、同軸コネクタ１３との相対位置や高さの調整が容易となる。この構成により、筐体１０の大きさや同軸コネクタの取り付け位置などについて、各構成部材の作製における製造誤差を含むとしても、誤差の補正が容易となる。
支持部３２，３３が上述のように中継基板３１を支持することにより、誘電体基板３１１の他方の主面３１１ｂと筐体１０の底面１０ｘとの間、すなわち中継基板３１と筐体１０の底面１０ｘとの間には、空隙Ｖが形成されている。
空隙Ｖを設けることにより、変調信号が中継基板３１を伝搬する際に、コプレーナ線路（信号電極３１２および接地電極３１３，３１４）に電界が集中しやすく、放射損失を抑制することができる。さらに、中継基板３１に入力する変調信号の周波数を高くした場合にも、同様に放射損失を抑制することができる。
また、光デバイス１００においては、支持部３２，３３で中継基板３１を挟持して支持することにより、空隙Ｖを形成している。すなわち、空隙Ｖを形成するにあたり、誘電体基板３１１への加工は不要である。そのため、簡易な構成で信号の伝搬損失を抑制することができる。
したがって、以上のような構成の光デバイス１００によれば、信号の伝搬損失を抑制し、高性能な光変調を実現する光デバイスを提供することができる。
なお、本実施形態の光デバイス１００においては、支持部として、スリット３２１，３２２をそれぞれ有する支持部３２，３３を用いることとしたが、これに限らない。
例えば、図５に示す支持部３５，３６のように、スリットの代わりに、中継基板３１を載置する載置面３５１，３６１と、載置面３５１，３６１に連続する壁面３５２，３６２とを有する構成としてもよい。壁面３５２，３６２は、載置面３５１，３６１にて中継基板３１を載置した際に、度当たりとして用いられる。これにより、中継基板３１の位置決めが容易となる。
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施形態においては、光デバイスが通信機器において送信側のトランシーバ等に用いられる光変調器であることとしたが、これに限らない。例えば、通信機器において受信側のレシーバ等に用いられる光受信器であってもよい。さらに、光スイッチであっても同様に発明の効果を得ることができる。
また、上述した実施形態においては、光デバイスが有する光学素子が、電気光学効果を利用した電気光学素子であることとしたが、これに限らない。本発明においては、光デバイスが有する光学素子が、電界吸収効果を利用した半導体素子であり、光デバイスが電界吸収型変調器であることとしてもよい。
また、光学素子が、熱光学効果を利用した石英系素子やポリマー素子であることとしてもよい。
この場合であっても、本発明に係る構成の中継基板を有する光デバイスとすることで、信号の伝搬損失を抑制し、高性能な光変調を実現することができる。
また、上述した実施形態においては、中継基板が変調信号を入力する同軸コネクタとの接続に用いられていることとしたが、これに限らない。
例えば、図１に示す光デバイス１００とは異なり、終端部が筐体の外に設置される場合には、筐体内の光学素子と筐体外の終端部とを電気的に接続する必要が生じる。このような場合、筐体に別途コネクタを設けるとともに、光学素子とコネクタとを上記実施形態で説明した中継基板で電気的に接続し、さらに、コネクタと筐体外の終端部とを電気的に接続することとしてもよい。
その他、光変調器においては、バイアス制御回路にフォトダイオードを接続し、動作を確認することがあるが、当該フォトダイオードと光学素子とを上記実施形態で説明した中継基板で接続することとしてもよい。
この場合であっても、本発明に係る構成の中継基板を有する光デバイスとすることで、信号の伝搬損失を抑制し、高性能な光変調を実現することができる。
１０…筐体、１０ｘ…底面（内部底面）、１３…同軸コネクタ（コネクタ）、２０…電気光学素子、２１…基板、２２…変調電極、２３…信号電極、２４…接地電極、３１…中継基板、３２，３３，３５，３６…支持部、１００…光デバイス、２０１，２１１…光導波路、３１１…誘電体基板、３１１ａ…一方の主面、３１１ｂ…他方の主面、３１２…信号電極、３１３，３１４…接地電極、３２１，３３１…スリット、Ｖ…空隙

Claims (6)

  1. 光学素子と、
    電気信号が入力または出力されるコネクタと、
    前記コネクタと前記光学素子とを電気的に接続する中継基板と、
    前記中継基板を支持する一対の支持部と、
    前記コネクタが固定されるとともに、前記光学素子、前記中継基板および前記一対の支持部を収容する筐体と、を備え、
    前記光学素子は、内部に光導波路が形成された基板と、前記基板の表面に形成された変調電極と、を有し、
    前記中継基板は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の主面に設けられた信号電極と、前記一方の主面に設けられた接地電極と、を有し、
    前記信号電極および前記接地電極は、前記変調電極および前記コネクタと電気的に接続され、
    前記一対の支持部は、平面視において前記中継基板を挟持し、全体が導電体材料で形成され、前記接地電極および前記筐体に電気的に接続しており、
    前記中継基板の他方の主面と前記筐体の内部底面との間には、空隙が形成されている光デバイス。
  2. 前記一対の支持部は、前記筐体とは別体に形成された部材であり、前記筐体の内部空間に固定されている請求項１に記載の光デバイス。
  3. 前記一対の支持部は、それぞれ前記中継基板の周縁部を挿入可能なスリットを有する請求項１または２に記載の光デバイス。
  4. 前記基板は、電気光学効果を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の光デバイス。
  5. 前記信号電極と前記接地電極とがコプレーナ線路を形成している請求項１から４のいずれか１項に記載の光デバイス。
  6. 光変調器である請求項１から５のいずれか１項に記載の光デバイス。
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