JP6764132B2 - 光制御素子モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光制御素子モジュールに関し、特に、筐体内に配置された光制御素子と、少なくとも一部が筐体の外部に配置された配線基板との間に、両者を電気的に接続する電気接続部を有し、該光制御素子の制御電極が配置された平面と交差する方向に沿って該電気接続部が延在している光制御素子モジュールに関する。

光通信分野において、光変調器などの光制御素子を用いた光送受信機が利用されている。近年、光伝送システムの小型化の要求により、光送受信機モジュール（トランスポンダ）内に搭載される光制御素子の電気インターフェース部であるＲＦインターフェース接続についても、短尺化する傾向になっている。

例えば、１００Ｇ ＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying）の伝送フォーマットにおける光変調器などでは、市場の低価格化、装置の小型化の要求に伴い、ＲＦインターフェース接続についても、従来の同軸コネクタを利用した接続構成から、特許文献１又は２に示すようなフレキシブル回路基板（ＦＰＣ）を用いて半田接続する接続構成を採用している。

図１は、光送受信機モジュールを構成する外部回路基板上に光制御素子モジュールを配置した様子を示している。短尺化を実現する手段として、ＦＰＣによる配線基板が用いられる。図２は、図１における矢印Ａ−Ａ’における断面状態を示している。光制御素子は、光制御素子を金属製筐体内に収容し、気密封止されている。筐体内に収容された光制御素子と外部回路基板とは、ＦＰＣの配線基板と、筐体の貫通孔に配置されるリードピンとを介して電気的に接続されている。リードピンは図面では「電気接続部」と表示している。また、配線基板とリードピンとは、直接接続される。リードピンと光制御素子との間は、金線等の電線でワイヤーボンディングされている。

次に、図３は、光制御素子と電気接続部との間に中継基板を配置した例を示す断面図である。図２又は図３に示す電気接続部には、気密封止の信頼性を確保するためガラスリードピンが多用されている。
また、中継基板には、例えばアルミナ等のセラミック材料が使用されている。ガラスリードピンは、図４に示すように、中心導体Ｓ３を取り囲むようにガラス材料等の絶縁材Ｃが配置され、さらにその外側に導体Ｇを配置している。従来は、ガラスリードピンは常に一定のインピーダンス、例えば、５０Ωを有するように設計されている。

一方、光変調器などの光制御素子では、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板を使用し、広帯域化や低駆動電圧化に対応するため、基板を薄くしたり、電極の厚みを高くしたり、又は信号電極と接地電極との間隔を狭くするなどの工夫が施されている。しかし、このような構成を採用した場合、光制御素子の特性インピーダンスは、２０〜４０Ω程度まで低下することとなる。

ＦＰＣなどの配線基板には外部回路基板から変調信号等の入力信号が導入される。しかしＦＰＣなどの配線基板の入力インピーダンスは、通常、５０Ωであることから、ＦＰＣなどの配線基板の特性インピーダンスと光制御素子の特性インピーダンスとの間に、ミスマッチが発生している。従来は、インピーダンス不整合によるマイクロ波の反射を抑制するため、光制御素子の制御電極Ｓ１や中継基板の配線Ｓ２において、インピーダンス調整用の伝送線路を形成していた。

しかしながら、光制御素子や中継基板にインピーダンス調整用の伝送線路を形成すると、光制御素子やそれを組み込む光制御素子モジュールを小型化することが難しくなるなど、新たな問題を生じていた。

特開２０１４−１９５０６１号公報 特開２０１２−４８１２１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、入力信号の入力インピーダンスと光制御素子の特性インピーダンスとの不整合による電気反射特性を改善しながら、光制御素子モジュール全体の小型化も実現可能な光制御素子モジュールを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光制御素子モジュールは、次のような技術的特徴を備えている。
（１） 基板に光導波路と制御電極とを備えた光制御素子と、該制御電極と電気的に接続され、該基板の該制御電極が配置された平面と交差する方向に沿って延在する電気接続部とが筐体内に配置され、該電気接続部と電気的に接続され、少なくともその一部が該筐体の外部に配置される入力信号線路を備えた配線基板と備えた光制御素子モジュールにおいて、該電気接続部のインピーダンスは、該入力信号線路のインピーダンスよりも小さく、かつ該制御電極のインピーダンスよりも大きく設定されていることを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の光制御素子モジュールにおいて、該電気接続部はガラスリードピンで形成されていることを特徴とする。

（３） 上記（２）に記載の光制御素子モジュールにおいて、該ガラスリードピンの外皮導体径は、リードピンの延在方向に沿って変化し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制御素子モジュールにおいて、該電気接続部のインピーダンスは、５０Ω以下であることを特徴とする。

（５） 上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光制御素子モジュールにおいて、該制御電極と該電気接続部との間を電気的に接続する中継信号線路を備えた中継基板を有し、該電気接続部のインピーダンスは該中継信号線路のインピーダンスよりも大きく設定され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制御素子モジュールにおいて、該配線基板はフレキシブル回路基板であることを特徴とする。

本発明は、基板に光導波路と制御電極とを備えた光制御素子と、該制御電極と電気的に接続され、該基板の該制御電極が配置された平面と交差する方向に沿って延在する電気接続部とが筐体内に配置され、該電気接続部と電気的に接続され、少なくともその一部が該筐体の外部に配置される入力信号線路を備えた配線基板と備えた光制御素子モジュールにおいて、該電気接続部のインピーダンスは、該入力信号線路のインピーダンスよりも小さく、かつ該制御電極のインピーダンスよりも大きく設定されているため、入力信号の入力インピーダンスと光制御素子の特性インピーダンスとの不整合による電気反射特性を改善しながら、光制御素子モジュール全体の小型化も実現することが可能となる。

外部回路基板上に光制御素子モジュールを配置した様子を示す図である。 図１の一点鎖線Ａ−Ａ’における断面図を示す図である。 筐体内に中継基板を配置した光制御素子モジュールの断面の一部を示す図である。 図２又は図３の電気接続部に使用されるリードピンの概略図である。 本発明の光制御素子モジュールに関する他の実施例を説明する断面図である。 図５の実施例に使用されるリードピンの側面図である。 図６のリードピンの断面図である。

以下、本発明の光制御素子モジュールについて、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光制御素子モジュールは、図２又は３に示すように、基板に光導波路と制御電極（Ｓ１）とを備えた光制御素子と、該制御電極と電気的に接続され、該基板の該制御電極が配置された平面と交差する方向に沿って延在する電気接続部（Ｓ３）とが筐体内に配置され、該電気接続部と電気的に接続され、少なくともその一部が該筐体の外部に配置される入力信号線路（Ｓ４）を備えた配線基板と備えた光制御素子モジュールにおいて、該電気接続部のインピーダンスは、該入力信号線路のインピーダンスよりも小さく設定されていることを特徴とする。

図２では、中継基板を用いていないが、図３に示すように、制御電極Ｓ１と電気接続部Ｓ３との間を電気的に接続する中継信号線路Ｓ２を備えた中継基板を使用することも可能である。通常、中継基板の中継信号線路Ｓ２が配置された平面（図３の左右方向を含み紙面に垂直な平面）は、光制御素子を構成する基板の制御電極Ｓ１が配置された平面（前述の説明と同じ）とは、互いに平行となるように配置されている。これにより、光制御素子と中継基板との電気的接続を容易にすると共に、電気信号の伝搬損失の低減を図っている。

本発明の特徴は、図２又は３に示すように、入力信号を配線基板（入力信号線路）から光制御素子（制御電極）に伝送する際に、両者を電気的に接続する線路の途中に電気接続部を設けていることである。そして、その電気接続部は、光制御素子を構成する基板の制御電極が配置された平面（図２又は３の左右方向を含む紙面に垂直な平面）と交差する方向（図２又は３では上下方向）に沿って延在している。

電気接続部としては、図４に示すガラスリードピンのような、信号線（Ｓ３）を取り囲む絶縁材（Ｃ）と、さらにその絶縁材の周りを取り囲む導電性の外皮（Ｇ）から構成される。電気接続部の外形は、図４のような円柱状に限定されず、角柱状であっても良い。また、後述する図５乃至７のように、円錐台又は角錐台のものも採用できる。絶縁材（Ｃ）は主にガラスが用いられるが、セラミック等の絶縁性の高い材料であれば、任意の材料をしようすることが可能である。

光制御素子は、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板材料又は半導体材料で形成された基板に、光導波路や制御電極を組み込むことによって構成される。マイクロ波のような高周波の入力信号を使用する場合には、マイクロ波の伝搬速度と光の伝搬速度とを整合（速度整合）させるため、基板の厚みを２０μｍ以下に薄く加工したり、制御電極の厚みを数十μｍ以上に厚く形成するなどの工夫が施される。また、入力信号の駆動電圧を低くするため、制御電極を構成する信号電極と接地電極との間隔を狭く構成することも行なわれている。

このような工夫が施された光制御素子の特性インピーダンスは、通常の５０Ωを下回り、２０〜４０Ω程度の値を示す。他方、外部に配置される入力信号線路（Ｓ４）の入力インピーダンスは、通常５０Ωである。このため入力信号線路（Ｓ４）の入力インピーダンスと光制御素子の特性インピーダンスとの間には、インピーダンス不整合が発生する。これを解決するため、インピーダンス調整用の伝送線路を設ける必要がある。

本発明では、インピーダンス調整用の伝送線路を、リードピンなどの電気接続部で行なっている。例えば、図２の光制御素子モジュールでは、光制御素子の特性インピーダンスが２５Ωであり、外部の駆動回路に接続される配線基板の入力インピーダンスが５０Ωの場合、それぞれの特性インピーダンスの相乗平均値である約３５．４Ωを電気接続部の特性インピーダンスとしてもよい。

特性インピーダンスが約３５．４Ωの電気接続部を図４のような円柱状のガラスリードピンで構成する場合には、絶縁材（Ｃ）の比誘電率を４とすると、中心導体（Ｓ３）の外径が０．３ｍｍであり、外皮導体（Ｇ）の内径（絶縁材の外径）は０．９８ｍｍとなる。
なお、電気接続部のインピーダンスが５０Ωの場合は、外皮導体（Ｇ）の内径（絶縁材の外径）は１．５ｍｍ程度となる。
つまり、中心導体（Ｓ３）の外径、絶縁材（Ｃ）の比誘電率、及び外皮導体（Ｇ）の厚さが同じであれば、特性インピーダンスが小さくなると、ガラスリードピンの外径も小さくなる。

言い換えるとガラスリードピンの外径は光制御素子モジュールの筐体サイズに影響するため、電気接続部にインピーダンス調整用の伝送線路を設けることにより筐体サイズを小型化することができる。
上記の例では特性インピーダンスが約３５．４Ωの場合の外皮導体（Ｇ）の内径（絶縁材の外径）０．９８ｍｍと、特性インピーダンスが５０Ωの場合の外皮導体（Ｇ）の内径１．５ｍｍとの差である０．５２ｍｍの分だけ筐体サイズを小型化することができる。

図３に示すように中継基板を用いる構成において、中継基板の特性インピーダンスを光制御素子の特性インピーダンスと同じにする場合には、電気接続部の特性インピーダンスは図２の場合と同様に約３５．４Ωに設定される。また、インピーダンス調整用の伝送線路は、電気接続部に加えて中継基板にも用いることが可能である。例えば、光制御素子を２５Ω、配線基板を５０Ωとし、インピーダンス調整を行なうため、中継基板の特性インピーダンスを約３１．５Ω、電気接続部の特性インピーダンスを約３９．７Ωに設定する。この際の電気接続部の寸法は、例えば、比誘電率４の絶縁材を用いる場合には、中心導体（Ｓ３）の外径が０．２ｍｍ、外皮導体（Ｇ）の内径（絶縁材の外径）が０．７５ｍｍとなる。
このような構成においても、電気接続部の特性インピーダンスが５０Ωの場合と比較して、ガラスリードピンの外径を小さくすることができるため筐体サイズを小型化することができる。

さらに、図５乃至７に示すように、電気接続部の特性インピーダンスが連続的に変化するよう構成することも可能である。インピーダンス調整の伝送線路において、インピーダンスが連続的に変化する部分を設けることは、より一層、インピーダンス不整合による電気反射特性を改善させることが可能となる。

図５の電気接続部では、円錐台形状のガラスリードピンを用いている。図６はリードピンの側面図であり、図７はリードピンの断面図である。例えば、図３の光制御素子の特性インピーダンスを２５Ω、中継基板の特性インピーダンスを約３１．５Ω、配線基板の入力インピーダンスを５０Ωに設定した場合、電気接続部の特性インピーダンスを約５０Ωから約３９．６Ωまで連続的に変化させるよう設定する。この場合、図６及び７に示す円錐台のリードピンの寸法は、絶縁材の比誘電率を４で、中心導体（Ｓ３）の外径が０．２ｍｍと仮定すると、円錐台の下底における外皮導体（Ｇ）の内径（絶縁材の外径）の直径が約１．０５ｍｍ、上底の直径が約０．７５ｍｍとなる。
このような構成においても、電気接続部の特性インピーダンスが５０Ωの場合と比較して、ガラスリードピンの外径を小さくすることができるため筐体サイズを小型化することができる。

図５の円錐台の電気接続部は、勿論、図２のものに適用することが可能である。円錐台のインピーダンスの変化も、配線基板の入力インピーダンスから、光制御素子又は中継基板の特性インピーダンスまで、連続的に変化するよう設定することも可能である。

配線基板は、特許文献１又は２に示されるように、フレキシブル回路基板で構成される。また、上記説明では、配線基板の入力インピーダンスを、外部の駆動回路と同じ５０Ωとしたが、配線基板の入力信号線路の途中に、インピーダンス調整のための構成を付加することも可能である。その場合であっても、電気接続部の特性インピーダンスも含めて、全体のインピーダンス調整が行なわれることが、好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、入力信号の入力インピーダンスと光制御素子の特性インピーダンスとの不整合による電気反射特性を改善しながら、光制御素子モジュール全体の小型化も実現可能な光制御素子モジュールを提供することができる。

Ｓ１ 光制御素子の制御電極
Ｓ２ 中継基板の中継信号線路
Ｓ３ 電気接続部（中心導体）
Ｓ４ 配線基板の入力信号線路
Ｃ 絶縁材
Ｇ 外皮導体

Claims (6)

1. 基板に光導波路と制御電極とを備えた光制御素子と、
   該制御電極と電気的に接続され、該基板の該制御電極が配置された平面と交差する方向に沿って延在する電気接続部とが筐体内に配置され、
   該電気接続部と電気的に接続され、少なくともその一部が該筐体の外部に配置される入力信号線路を備えた配線基板と備えた光制御素子モジュールにおいて、
   該電気接続部のインピーダンスは、該入力信号線路のインピーダンスよりも小さく、かつ該制御電極のインピーダンスよりも大きく設定されていることを特徴とする光制御素子モジュール。
2. 請求項１に記載の光制御素子モジュールにおいて、該電気接続部はガラスリードピンで形成されていることを特徴とする光制御素子モジュール。
3. 請求項２に記載の光制御素子モジュールにおいて、該ガラスリードピンの外皮導体径は、リードピンの延在方向に沿って変化していることを特徴とする光制御素子モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御素子モジュールにおいて、該電気接続部のインピーダンスは、５０Ω以下であることを特徴とする光制御素子モジュール。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光制御素子モジュールにおいて、該制御電極と該電気接続部との間を電気的に接続する中継信号線路を備えた中継基板を有し、該電気接続部のインピーダンスは該中継信号線路のインピーダンスよりも大きく設定されていることを特徴とする光制御素子モジュール。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光制御素子モジュールにおいて、該配線基板はフレキシブル回路基板であることを特徴とする光制御素子モジュール。

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