JP6609965B2 - 光変調器モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光変調器モジュールに関し、特に、電気光学効果を有する基板に光導波路と該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御電極とを設けた光変調素子と、該光変調素子を内部に収納する筐体とを有する光変調器モジュールに関する。

光通信分野や光計測分野において、電気光学効果を有するニオブ酸リチウムなどの基板を用いた光変調器が利用されている。図１は、光変調器モジュールの内部構造を示す概略図である。電気光学効果を有する基板に光導波路（不図示）と該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御電極（不図示）とを設けた光変調素子１は、通常、金属製筐体５内に収容され、気密封止されている。光変調素子１には、入力又は出力用の光ファイバ６が接続され、変調信号等の制御信号は、コネクタピン４と中継基板２を介して供給されている。また、制御電極の終端側には終端基板３が配置されている。

図２は、図１の矢印Ａ−Ａ’における断面図を示す。光変調素子１は筐体５の底面側に導電性接着剤で固定される。通常は、図２のように、面５０，５１及び５３により、筐体５の底面側に窪みを形成し、その窪みの中に光変調素子１を収容した状態で接着固定される。中継基板２や終端基板３については、光変調素子１に近接して配置し、筐体５の底面の一部５２に接着固定される。必要に応じて、中継基板２等に対応する窪みを当該底面に形成し、その窪みの中に中継基板２等を収容することも可能である。コネクタピン４と中継基板２とは、半田等で直接接続されたり、金ワイヤー又は金リボンを用いて導電性接続が行われる。中継基板２と光変調素子１との間は、金ワイヤー７等で導電性接続を行っている。符号８は、筐体の一部を構成する金属製の蓋である。

光変調器モジュールに変調信号であるマイクロ波を入力すると、筐体５（及び８）の内面でマイクロ波が反射し、空洞共振現象（空洞共振モード）が発生する。このような空洞共振現象が発生すると、光変調器の高周波電気信号特性にディップが発生し、周波数特性が劣化する原因となる。

特許文献１では、このような不具合を除去するため、筐体５内の内面形状が、光変調素子１の長手方向を二等分する垂線（図１の一点鎖線で示されたＰ軸）について、非対称となるように構成することが開示されている。

しかしながら、金属製筐体の線膨張係数（ＳＵＳ３０４，１７．３×１０^−６／Ｋ）と、光変調素子を構成する基板の線膨張係数（ＬｉＮｂＯ３，Ｚ軸７．５×１０^−６／Ｋ，Ｘ軸１５．４×１０^−６／Ｋ）とは異なるため、熱膨張による内部応力が光変調素子の基板に加わることとなる。しかも、特許文献１のように、筐体の内面形状が非対称である場合には、光変調素子に加わる内部応力により基板が歪み、温度ドリフト現象が発生したり、光変調器の特性が劣化することとなる。しかも、歪が大きくなると基板自体が破損することにもなる。

しかも、筐体の内面を、特許文献１に示すような各種の非対称構造に加工するには、加工時間や製作コストが増加することとなる。さらに、仮に内面形状の加工が完了しても、従来の光変調器モジュールと同様に、光変調素子を構成する基板側面（長手方向に沿った側面）と筐体の内面とが、接触又は近接して対向配置されると共に、接触又は近接する部分の長さが基板全体の半分程度以上にも達する。このため、光変調素子を構成する基板を筐体の内面の広い範囲に沿って、正確に配置するためには、当該範囲内における切削加工で生じた筐体の内面のバリ等の突起物を除去及び当該内面の突起物の検査を行うことが不可欠である。これにより、作業負担や製作コストが一層増加する原因となっていた。

さらに、光変調器の高周波電気信号特性の劣化を防止するには、光変調素子に対して中継基板等を、例えば１００μｍ以下程度の間隔で正確に配置し、金ワイヤー等で最短距離でボンディングすることが不可欠である。しかしながら、光変調素子と中継基板とをこのような精度で正確に配置固定するには、実体顕微鏡に備えられたスケールを確認しながら行う作業となり、作業性が悪く、生産性も低くなっていた。

特開２００３−２３３０４８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、筐体が光変調素子に及ぼす内部応力による歪みを抑制し、製造コストを抑制した光変調器モジュールを提供することである。しかも、光変調素子と中継基板等との間を正確に制御して、両者を簡便に配置固定することが可能な、光変調器モジュールを提供する。

上記課題を解決するため、本発明の光変調器モジュールは、次のような技術的特徴を備えている。
（１） 電気光学効果を有する基板に光導波路と該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御電極とを設けた光変調素子と、該光変調素子を内部に収納する筐体とを有する光変調器モジュールにおいて、該筐体の内面の少なくとも一部には、該光変調素子の上方から平面視した場合に、該光変調素子に向かって突出した突起が周期的に形成されると共に、隣接した該突起と前記隣接する該突起の間に形成される窪みと該光変調素子により、空洞共振モードが発生する小空間が形成され、該小空間で発生する空洞共振モードの周波数が４０ＧＨｚ以上となるように、該突起同士の間隔が設定されていることを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の光変調器モジュールにおいて、該突起の間隔が６．５ｍｍ以下であり、該突起の幅は該突起の間隔の逓倍にならないように設定されていることを特徴とする。

（３） 上記（１）又は（２）に記載の光変調器モジュールにおいて、該突起の一部が該光変調素子に接触又は近接配置されており、接触又は近接している突起の配置が、該光変調素子の上方から平面視した場合に、該基板の中心を通り、かつ該基板の長手方向に平行又は垂直な軸に対して、線対称となるように配置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モジュールにおいて、該突起の一部が該光変調素子に接触しており、接触している突起が、隣接する突起の間の窪みから突出している高さが５０μｍ以上、１５０μｍ以下であることを特徴とする。

（５） 上記（３）又は（４）に記載の光変調器モジュールにおいて、該光変調素子の裏面に対向する該筐体の内側底面には、該光変調素子の長手方向に対して垂直な方向に複数の溝が形成され、該溝の少なくとも一端部分は、該突起同士の間に形成される窪みの空間に連通していることを特徴とする。

（６） 上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光変調器モジュールにおいて、該筐体の内面の少なくとも一部は、表面が粗面化又は電波吸収体の塗布のいずれかが施されていることを特徴とする。
（７） 上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光変調器モジュールにおいて、該光変調素子と電気的に接続される中継基板又は終端基板を備え、該中継基板又は該終端基板の該光変調素子側の側面は、隣接する該突起の間に形成される窪みの側面に沿って配置されていることを特徴とする。

本発明は、電気光学効果を有する基板に光導波路と該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御電極とを設けた光変調素子と、該光変調素子を内部に収納する筐体とを有する光変調器モジュールにおいて、該筐体の内面の少なくとも一部には、該光変調素子に向かって突出した突起が周期的に形成されるため、該突起により、該光変調素子の該制御電極の一部に印加される変調信号による空洞共振モードの発生が抑制される。仮に、温度変化により、光変調素子を構成する基板と筐体の内面とが接した場合でも、両者の接触が該突起により行われるため、該突起を適正に配置することで、該基板に働く内部応力を抑制又は調整でき、歪みの発生を抑えることが可能となる。

しかも、該突起は、製造が容易な上、該突起と隣接する突起間の窪みを利用して、光変調素子と中継基板等との配置固定を正確に行うことも可能となる。

光変調器モジュールの概略を説明する平面図である。 図１の一点鎖線Ａ−Ａ’における断面図を示す図である。 本発明の光変調器モジュールの実施例を説明する図である。 筐体の内面に形成された突起の役割を説明する図である。 突起が形成する空間の種類や配置について説明する図である。 光変調素子の長手方向に沿って配置する突起を基板の左右（図面の上下）で千鳥状とした例を説明する図である。 突起及び隣接する突起間の窪みを利用して、光変調素子と中継基板を配置する方法を説明する図である。 図７の一点鎖線Ｂ−Ｂ’及びＣ−Ｃ’における断面図を示す図である。 光変調素子の裏面に対向する筐体の内側底面に溝を形成する例を説明する図である。 図９の筐体の内側底面に光変調素子１を配置した様子を説明する平面図である。 図１０の一点鎖線Ｄ−Ｄ’及びＥ−Ｅ’における断面図を示す図である。

以下、本発明の光変調器モジュールについて、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光変調器モジュールは、図３に示すように、電気光学効果を有する基板に光導波路と該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御電極とを設けた光変調素子１と、該光変調素子を内部に収納する筐体５とを有する光変調器モジュールにおいて、該筐体５の内面の少なくとも一部には、該光変調素子１に向かって突出した突起（５４，破線ａ１〜ａ３）が周期的に形成されることを特徴とする。この突起により、光変調素子の制御電極の一部に印加される変調信号による空洞共振モードの発生が抑制される。

本発明における「周期的」の意味は、複数の突起が繰り返し設けられていることを意味し、突起同士の間隔が常に一定であることに限定するものではない。

図３に示すように、筐体の内側底面には、光変調素子１を収容するための凹部が形成され、該凹部の側面（図２の側面５１又は５３に相当する）の形状は、突起５４や窪み５５を有している。これらの突起５４や窪み５５と光変調素子１により、小空間が形成されることになる。これらの小空間は、筐体の内部空間全体を利用した空洞共振現象の発生を抑制でき、仮に空洞共振現象が発生したとしても、これらの小空間の内部で発生することとなる。このため、従来のような空洞共振モードが抑制され、仮に発生した場合でも、発生する空洞共振モードの周波数は極めて高くなる。

空洞共振モードが発した場合でも、該空洞共振モードの周波数が４０ＧＨｚ以上となるように、該突起同士の間隔Ｌを設定することが好ましい。また、空洞共振モードは光変調素子の長手方向に沿った方向だけでなく、該長手方向に垂直な方向でも空洞共振モードが発生する。当該方向の空洞共振モードの周波数を調整するには、筐体の内側の側面（窪み５５）と光変調素子１との間隔Ｇを調整することが必要となる。

また、小空間（直方体を想定し、幅ａ、長さｂ、高さｃとする。）内部の空洞共振周波数ｆｑは、光速を３．０＊１０^８（ｍ／ｓ）とした場合に、次式で与えられる。
ｆｑ＝３×１０^８×｛（１／（２ａ））^２＋（１／（２ｂ））^２＋（１／（２ｃ））^２｝^１／２
そして、ｆｑが４０ＧＨｚ以上となるように、突起同士の間隔Ｌ（例えば、上記の長さｂに相当する。その場合、幅ａは図３のＧを含む基板長手方向に垂直な小空間の長さに相当し、高さｃは図３の図面に垂直な方向の窪みの深さとなる。）を設定する。

さらに、突起の幅Ｗ（図４参照）は間隔Ｌの逓倍にならないように設定する。具体的には、Ｗ≠Ｌ／２、Ｌ／３等である。そして、このように設定することで、さらに効果的に空洞共振の影響を抑えることができる。

図４は、図３の複数の突起が形成する小空間の様子を拡大して示す図であり、空洞共振モードの形成に関与する空間は、小空間ｂ１（窪み５５’と光変調素子１が形成する空間）やｂ２（窪み５５と光変調素子１が形成する空間）のみで無く、筐体の内面が囲む一領域である破線ｂ３の領域（小空間ｂ１と２及びそれに挟まれる光変調素子１によって形成される空間）も関係する。

突起５４の先端の幅Ｗは、小さくなり過ぎると、当該先端から光変調素子に向け放電が発生する危険性がある。したがって、突起５４の先端の幅は、放電現象を抑制できる程度の幅であることが必要である。当然、幅Ｗが大きくなり過ぎると、突起５４の側面に残ったバリ等を完全に除去する作業が発生し、作業量の増加の原因となる。

図５は、突起が形成する空間の種類や配置について説明する図である。図５（ａ）は同じ小空間ｓ１を複数配置し、光変調素子に接触又は近接している突起の配置が、該光変調素子の上方からの平面視した場合に、該基板の中心を通り、かつ該基板の長手方向に平行（Ｑ軸）及び垂直な軸（Ｐ軸）に対して、線対称となるように配置したものである。これにより、仮に、温度変化で該突起を介して光変調素子に内部応力が加わったとしても、内部応力が不均一であることに起因する歪みの発生は抑制することが可能である。

図５（ｂ）は、小空間ｓ１よりも、窪みの深さが深い（「突起の高さが高い」と同じ意味）小空間ｓ２とを組み合わせて用いた例を示している。この場合も、Ｑ軸及びＰ軸に対して、突起の配置が線対称となるように構成されている。なお、突起自体の配置であれば、図５の（ａ）と（ｂ）は全く共通であるが、突起の形状が同じものが線対称に配置されるよう構成することで、光変調素子に加わる内部応力を均一にすることが可能となる。

図５（ｃ）は、突起の形状も含めてＰ軸のみに線対称となるよう、突起を配置したものである。このような場合でも、光変調素子に加わる内部応力をある程度均一に保つことが可能である。

図６では、光変調素子１の長手方向に沿って配置する突起ａ１，ａ２を、光変調素子の基板の左右（図６では上下）で千鳥状に配置した例を説明する図である。このような配置を行うことで、図４で説明した破線ｂ３の空間領域が、図６では形成されにくくなり、このような空間領域を利用した空洞共振モードの発生が抑制されこととなる。突起ａ１とａ２との配置は、突起ａ１同士の間の中心に対応して、突起ａ２を必ず配置する必要は無い。図５（ａ）又は（ｂ）のように、Ｑ軸やＰ軸に線対称とすることがより好ましいが、それから少しずれても許容できることは言うまでも無い。

図７は、突起５４及び隣接する突起５４間の窪み５５を利用して、光変調素子１と中継基板２を配置する方法を説明する図である。なお、図８は、図７の一点鎖線Ｂ−Ｂ’及びＣ−Ｃ’における断面図を示す図である。例えば、光変調素子１を複数の突起５４に当接するように配置し、中継基板２の光変調素子側の側面を、窪み５５に沿って配置することで、光変調素子１と中継基板２との間隔を常に一定に保持することが可能となる。しかも、従来のような実体顕微鏡のスケールを使用する必要も無く、実装作業を簡便に行うことが可能となる。

突起５４の高さ（隣接する突起の間の窪みから突起が突出している高さ）Ｈを調整することで、容易に光変調素子と中継基板との間隔を調整できる。突起の高さＨとしては、５０μｍ以上、１５０μｍ以下が好ましい。これにより、実際の両者の間隔Ｈ’も、Ｈ＋α（αは、突起の側面の微小な凹凸や残存するバリ等の影響であり、α＜＜Ｈとなるような値である。）の距離（ほぼ５０〜１５０μｍ程度）に安定的に設定できる。

図９は、光変調素子の裏面に対向する筐体の内側底面５０に溝を形成する例を説明する図である。図１０は、図９の筐体の内側底面に光変調素子１を配置した様子を説明する平面図である。さらに、図１１は、図１０の一点鎖線Ｄ−Ｄ’及びＥ−Ｅ’における断面図を示す図である。

図９〜１１に示すように、光変調素子１の裏面に対向する筐体の内側底面５０に、該光変調素子の長手方向に対して垂直な方向に複数の溝５６（図面では１個のみ示す）が形成され、該溝５６の少なくとも一端部分は、該突起同士の間に形成される窪み５５の空間に連通している。

この溝の役割は、光変調素子１の裏面に導電性接着剤を塗布し、光変調素子を筐体の底面５０に貼り付けた際に、余分な接着剤がこの溝５６を通過して、窪み５５が形成する小空間に流れ込むことである（矢印Ｆ参照）。これにより、光変調素子の裏面にある接着材の厚みを一定にし、余分な接着剤が、光変調素子と筐体の側面との間から溢れ出し、光変調素子の表面や中継基板、さらには、金ワイヤーなどと接触する不具合を抑制することができる。また、この溝は、筺体に作用する応力のバランス調整の役割も兼ねている。

さらに、筐体の内面の少なくとも一部には、表面を粗面化するか、又は表面に電波吸収体（金メッキ等の導電性材料を含む）を塗布し必要に応じて接地電位と電気的に接続することにより、マイクロ波の空間共振現象をより効率的に抑制することが可能となる。

以上の説明では、筐体の内側の側面の形状を中心に説明したが、筐体の蓋８の内面８０（図２参照）についても、光変調素子１に近接して配置される場合は、上記筐体の内側の側面と同様に突起を形成し、空洞共振現象を抑制するよう構成することが好ましい。また、中継基板についての説明は、終端基板に対しても同様に適用できることは、言うまでも無い。

以上説明したように、本発明によれば、筐体が光変調素子に及ぼす内部応力による歪みを抑制し、製造コストを抑制した光変調器モジュールを提供することができる。さらに、光変調素子と中継基板等との間を正確に制御して、両者を簡便に配置固定することが可能な、光変調器モジュールも提供することが可能となる。

１ 光変調素子
２ 中継基板
３ 終端基板
４ コネクタピン
５ 筐体(本体）
６ 光ファイバ
７ ワイヤー（導線）
８ 筐体（蓋）
５４ 突起
５５ 窪み
５６ 溝

Claims (7)

1. 電気光学効果を有する基板に光導波路と該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御電極とを設けた光変調素子と、該光変調素子を内部に収納する筐体とを有する光変調器モジュールにおいて、
   該筐体の内面の少なくとも一部には、該光変調素子の上方から平面視した場合に、該光変調素子に向かって突出した突起が周期的に形成されると共に、隣接した該突起と前記隣接する該突起の間に形成される窪みと該光変調素子により、空洞共振モードが発生する小空間が形成され、
   該小空間で発生する空洞共振モードの周波数が４０ＧＨｚ以上となるように、該突起同士の間隔が設定されていることを特徴とする光変調器モジュール。
2. 請求項１に記載の光変調器モジュールにおいて、該突起の間隔が６．５ｍｍ以下であり、該突起の幅は該突起の間隔の逓倍にならないように設定されていることを特徴とする光変調器モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の光変調器モジュールにおいて、該突起の一部が該光変調素子に接触又は近接配置されており、接触又は近接している突起の配置が、該光変調素子の上方から平面視した場合に、該基板の中心を通り、かつ該基板の長手方向に平行又は垂直な軸に対して、線対称となるように配置されていることを特徴とする光変調器モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器モジュールにおいて、該突起の一部が該光変調素子に接触しており、接触している突起が、隣接する突起の間の窪みから突出している高さが５０μｍ以上、１５０μｍ以下であることを特徴とする光変調器モジュール。
5. 請求項３又は４に記載の光変調器モジュールにおいて、該光変調素子の裏面に対向する該筐体の内側底面には、該光変調素子の長手方向に対して垂直な方向に複数の溝が形成され、該溝の少なくとも一端部分は、該突起同士の間に形成される窪みの空間に連通していることを特徴とする光変調器モジュール。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調器モジュールにおいて、該筐体の内面の少なくとも一部は、表面が粗面化又は電波吸収体の塗布のいずれかが施されていることを特徴とする光変調器モジュール。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の光変調器モジュールにおいて、該光変調素子と電気的に接続される中継基板又は終端基板を備え、該中継基板又は該終端基板の該光変調素子側の側面は、隣接する該突起の間に形成される窪みの側面に沿って配置されていることを特徴とする光変調器モジュール。

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