JPH04505394A - インピーダンス・マッチング・カプラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 インピーダンス・マツチング・カブラ 本発明は高速電子装置へのおよび高速電子装置からの電気信号の結合に関する。

さらに詳細にいえば、本発明は、高周波数信号または非常に短いパルスによって 駆動される半導体レーザ・ダイオードへの、および高速フォトダイオードからの 、電気信号の結合に関する。

光通信の潜在能力を十分に活用するためには、高速光源を利用することが必要で ある。特に、半導体レーザを１５ＧＨｚ以上の周波数で変調する装置が開示され ている。ピコ秒光パルスおよびピコ秒以下の光パルスをレーザ・ダイオードで発 生することが、いくつかのグループ、例えば、バシレフ（Ｖａｓｉｌｌｅｖ）お よびサーゲエフ（Ｓｅｒｇｅｅｖ）名の「繰り返し速度１００ＧＨ２を育する帯 域幅限定２ｐｓパルスの発生・・・」　（エレクトロエックス・レターズ（Ｅｌ ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）　、！　９８９年２５）のようなグルー プによって報告されている。

レーザ・ダイオードをレーザ発振閾値以上に急速に立ち上げるために、大部分の 装置での１つの重要な因子は、レーザ・ダイオードを短い電気パルスでポンピン グすることである。適切な形状と強度レベルを有するパルスを発生することがで きる装置はいくつか知られているけれども、この強度の大部分は、通常の発生器 のインピーダンスとレーザ・ダイオードの特性インピーダンスとの間の不整合に より、半導体レーザから反射されて戻されてしまう。前記通常の発生器のインピ ーダンスは、典型的には、５０オ一ム程度であり、そして、前記レーザ・ダイオ ードの特性インピーダンスは５オーム以下である。

このような反射をできるだけ小さくするために、通常行なわれることは、レーザ と直列にそしてそれに物理的に接近して、約４５オームの抵抗器を挿入すること である。

けれども、この場合には、レーザに送られる電力は入力電力の１０％以下であっ て、残りの９０％もしくはそれ以上の電力が前記抵抗器の中で熱として失われる 。さらに、前記通常の装置では、レーザの漂遊静電容量放電（Ｓｔｒａｙ　ｃａ ｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）が、主としてレーザダイオードそれ 自身を通して起こる。それは、この抵抗器による分路インピーダンスが半導体レ ーザのインピーダンスよりも約１０倍大きいからである。このことにより、周波 数応答特性が限定される。

ＰＩＮフォトダイオードのような高速フォトダイオードによって、持続時間の短 い光パルスを検出する時、同じような問題点が存在する。その結合線路の分路イ ンピーダンスは、５０オ一ム程度であり、光検出器の放電時間を制限する。

よりよい整合をつるだめの別のよく知られている方法は、スタブを用いる方法で ある。この方法は周波数の狭い帯域に限定され、それゆえに、これは一般的に用 いられる方法ではない。

また別のよく知られている整合のための方法は、テーパ付きの線路部分を用いる 方法である。このような方法は、ドイツ国特許出願、第ＤＥ　２３＋１３０４号 に開示されている。この既知の整合装置は、着目する範囲内のインピーダンスを 整合するために必要である広い線路幅により、寄生横モード（ｐａｒａｓｉｔｉ ｃ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ　ｍｏｄｅ）を生ずるという欠点を存する。実際に は、例えば広い端部において５オームのインピーダンスを有するテーパ付き線路 部分は、厚さが０１６３５ｍｍの酸化ベリリウムの基板が用いられる場合、１８ ．２ｍｍの最大幅を必要とする。このような幅は、３．５ＧＨｚ以上で、寄生横 モードの発生を可能にし、したがって、この装置は高い周波数で動作するには適 切な装置てはない。

本発明の１つの目的は、これらの欠点がなく、かつ、約１０＝１までのインピー ダンス値の比を有する負荷に対して発生器を広い周波数帯域にわたって整合させ るのに適し、かつ、この周波数帯域にわたって実質的に一定の結合比か得られる 、インピーダンス・マツチング・カップリング装置を提供することである。

本発明のまた別の目的は、このような負荷と並列にインピーダンスを接続し、そ れにより放ｉｔ流の一部分を実効的に分路することにより、負荷の漂遊静電容量 放電時間を短くすることである。

本発明によれば、信号搬送導体が少なくとも２個の異なる平坦導体伝送線路構造 体によって共有され、一方、その対応する接地面導体が、前記信号搬送導体に対 して、このように結合された前記構造体のおのおのを特徴づける位置関係に独立 して保持され、前記接地面導体と前記信号搬送導体との間の間隔が徐々に変化す ることにより、また、前記導体の幅が変化することにより、この装置の特性イン ピーダンスの値が徐々に変化する、伝送線路状装置で構成された、異なるインピ ーダンス値を整合するための電気的カプラが得られる。

本発明の更なる特徴によれば、すべての前記寸法変化か、装置の長さに沿って加 算されるインピーダンス変化をもたらす。

本発明のさらなる特徴によれば、前記変化が連続的に行われる、または小さく段 階的に行われる。

本発明は、添付図面に示された実施例を参照して説明される。その実施例のイン ピーダンス・マツチング・カップリング装置は、半導体レーザ・ダイオードを駆 動するのに用いられるか、光検出器からの電気信号をまた別の電子回路に結合す るのに用いられる。

第１図は本発明の第１実施例の斜視図を示す。

第２図は本発明の第２実施例の斜視図を示す。

第３図は第２図に示されたカブラの特性インピーダンスの変化を示す。

第４図は光検出器により供給される電気信号の波形を示したもので、従来の伝送 線路に結合された場合の波形と、本発明のカブラに結合された波形とが示されて いる。

第５図は、従来の伝送線路によってレーザ・ダイオードが駆動された場合と、第 ２図に示されたカップリング装置によってレーザ・ダイオードが駆動された場合 との、該レーザ・ダイオードからの放射光の相対強度を時間の関数として示す。

第１図に示されているように、インピーダンス・マツチング・カップリング装置 は、厚さが均一で形状が実質的に長方形の誘電体板２１を有している。この誘電 体２１の上側表面には、信号搬送導電性ストリップ２２によって形成された同一 面上の伝送線路が中央に配置され、そしてこのストリップ２２の横側に、２個の 接地面２６および２７が配置されている。誘電体板２１の下側表面には、前記ス トリップ２２と組み合わさってマイクロストリップ伝送線路を構成する導電性接 地面２９が支持されている。接地面導体２６．２７および２９は、装置の両端部 およびいくつかの中間点で、短絡用ストラップまたは短絡用ワイヤ２５によって 、電気的に接続される。

カブラの出力端部に、半導体レーザ・ダイオード６１を支持する金属製の２次取 付用ブロック体６０が取り付けられている。前記ブロック体６０は、下側接地子 面２９と、接地半面２６および２７とに、ハンダ付けにより、電気的に接続され ている。レーザ・ダイオード６１の上側電極は、金線６２の両端部を熱圧着して 溶接することによって、信号搬送導電性ストリップ２２の広い端部２４に電気的 に接続されている。前記ブロック体６０とストリップ２２とが接触しないように 、ストリップ２２は、誘電体板２Ｉの後側表面（図示されていない）かられずか に引っ込められている。

第１図に示されているように、信号搬送金属導電性ストリップ２２は、カブラの 高インピーダンス入力端部２３では幅が狭く、低インピーダンス入力端部２４で は幅が広い。同時に、前記中央ストリップはカブラの入力端部で幅が広く、そし て出力端部に向けて次第に狭くなり、出力端部で最小の幅になる。

よく知られているように、ストリップ２２と接地面２９とて形成されるようなマ イクロストリップ線路のインピーダンスは、信号搬送ストリップの相対幅に逆比 例する（ホワードＷ、サムス社（Ｈｏｗａｒｄ　Ｗ、　Ｓａｍｓ　＆　Ｃｏ、） の［エンジニアのためのレファレンス・データ」第７版の２９頁〜２５頁、第２ ３図を参照）。したがって、この線路の入力端部でのインピーダンスは出力端部 のインピーダンスよりも大きい。さらに、同一面上の線路のインピーダンスは、 前記半面と前記ストリップとの間の間隙距離に正比例する（前記文献の２９頁〜 ２５頁、第２８図を参照）。したがって、ストリップ２２と半面２６および２７ とによって形成される同一面上の構造体は、カップラの入力端部において、高イ ンピーダンス値を育し、そしてこのインピーダンス値は装置の出力端部に向かっ て次第に小さくなる。その上、入力端部２３における前記ストリップ２２と接地 面２９との間の電磁的結合は、その同じストリップと半面２６および２７との間 の結合よりもはるかに強く、したがって、カブラのこの端部におけるインピーダ ンスは、主として、マイクロストリップ構造体によって決定される。

本発明の第１実施例は、厚さが０．２５４ｍｍ、長さが５国、幅が約２．７５ｃ ｍアルミナ基板（誘電率１０）を用いて作成された。その基板の下側表面には接 地面が設けられ、そして、前記基板の上側表面には、テーパ付き信号搬送導電性 金属ストリップがその中央に配置された。

このストリップの幅は、カブラの高インピーダンス端部での０．２５ｍｍから、 低インピーダンス端部での１．２１まで、直線的に変化する。前記ストリップの 横倒に、２個の接地半面が設けられた。前記ストリップと前記半面との間の距離 は、高インピーダンス端部でのＩ２．４＝から、低インピーダンス端部での１０ マイクロメートルまで変わる。カブラの特性インピーダンスの測定は、タイム・ ドメイン反射計（ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）を用 いて行われた。そのインピーダンス値は、入力ポートにおける５０オームから、 低インピーダンス出力ポートにおける１８オームまで降下した。

第２図は本発明の第２実施例を示す。この実施例では、第１図に示された構造体 に対し、追加の接地面３６か加えられている。前記面と信号搬送ストリップの面 との間の距離は、カブラの高インピーダンス端部で大きく、そして低インピーダ ンス端部に向けて次第に小さくなっている。このカブラでは、中央導体３１の両 側の２個の同一面上の半面３２および３３と、基板３５の上側表面上の接地面３ ４と、追加の接地面３６とが同時に存在することにより、電磁界は強く閉じ込め られる。したがって、出力端部に、非常に低いインピーダンスを実現することが できる。このことは、このように結合された構造体に関し、各構造体の中の下記 変化によってもたらされた、個々の特性インピーダンス変化が加算される結果で ある。

イ、　接地面３４と中央導電性ストリップ３１とによって形成されたマイクロス トリップ構造体においては、前記ストリップの幅が次第に大きくなることにより 、特性インピーダンスが次第に減少する。

口、　接地半面３２．３３と、中央導電性ストリップ３１とによって形成された 同一面上の構造体においては、間隙幅が次第に減少することにより、特性インピ ーダンスが次第に小さくなる。

ハ、　中央導電性ストリップ３１と接地面３４および追加の接地面３６とによっ て形成されたストリップ線路構造体においては、前記追加の接地面３６と前記ス トリップの面との間の距離が次第に小さくなることにより、特性インピーダンス 値が次第に小さくなる。

第２図に示されているように、すべての接地導体は、カップラの端に沿ったいく つかの位置において、短絡用ストラップ４１によって、電気的に結合されている 。これらの短絡用ストラップ４１はまた、追加の接地導体３６の位置を正確に定 めるための機械的に間隔をあける手段としての機能を果たしている。前記図面に おいて、剛体絶縁ブロック３７は、この導電性シートの裏打ち材としての役割り を果たしている。同じ効果か、前記接地導体３６の曲線に従う形状の上側表面を 存する金属ブロック体で達成できる。

第２図では、接地箔３６と信号導電性ストリップ３１との間の誘電体として空気 が示されているが、前記筒の表面に薄い絶縁シートまたは絶縁体膜を設けること ができる。それにより、カブラの低インピーダンス端部において、前記接地箔と 前記導電性ストリップとの間を非常に接近させることができる一方、物理的に接 触しその結果回路が短絡することを避けることができる。さらに、その隙間を誘 電体膜で埋める事により、温度または振動の効果による変化を受け難くすること ができ、モしてカブラの低インピーダンス値を安定化することかできる。

本発明の第２実施例は、第２図に示された構造体の基本線に沿って構成される。

この第２実施例では、誘電体板３５およびストリップ３１．３２．３３および３ ４は、前記第１実施例における対応する要素と同じ寸法を有する。高インピーダ ンス端部における前記追加の接地箔の間隙４２は８国であり、この間隙距離はカ ブラの反対側端部に向って小さくなっている。厚さ１０マイクロメートルのマイ ラ膜がこの箔の表面に取り付けられ、したがって、カブラの低インピーダンス端 部において、接地箔３６とストリップ３１との間の間隙を約ｌＯマイクロメート ルの最小間隙にすることができる。

ＨＰ１８１５Ｂタイム・ドメイン反射計と２０ｐｓの立ち上がり時間を有するＨ Ｐ　Ｉ　８１７Ａサンプラ（ｓａｍｐｌｅｒ）とを用いて測定したところ、第３ 図に示されているように、高インピーダンス端部における５０オームから低イン ピーダンス端部における５、５オームまで、インピーダンスが徐々に低下する。

この特定の測定では、２個の同じカブラか逆向きにマウントされた。したがって 、インピーダンスは最小値に進み、そして再び５０オームにまで増大する。図面 を明確にするために、測定曲線の前半部分だけが示されている。

このカブラの有効性を実験的に証明するために、このカブラによって与えられた レーザ・ダイオードの光応答特性が、整合用直列抵抗器を育しない従来の５０オ ーム伝送線路によって与えられた同じレーザの応答特性とが比較された。適当な 回路網を用いることにより、直流バイアス電流と短い電気パルスとがレーザ・ダ イオードに加えられた。この試験中、そのパルスの特性は、最大電圧１０Ｖまで 、そしてパルス幅は１００ｐｓまたは７０ｐｓのいずれかに変えられた。バイア ス電流が１１０ｍＡの場合、レーザを閾値以上にするのに必要な１００ｐｓパル スの電圧は、実施例２で説明したカブラを通して供給する時３Ｖであり、これは レーザに対し前記５０オーム線路を用いた時に必要であった電圧（６ｖ）の約半 分であった。

第５図は、前記インピーダンス・マツチング・カブラを通して供給されたレーザ からの光応答特性（曲線５１）と、４５オーム・マツチング抵抗器をそなえた５ ０オーム線路を通して供給されたレーザの応答特性（曲線５２）とを比較したも のである。この後者の場合には、７０ｐｓ！気パルスまたは１００ｐｓ電気パル スのいずれもレーザを閾値以上にすることはできなく、そして利用可能なエネル ギの大部分か消散していることを示している。

前記で説明したカブラの有用性は、レーザ・ダイオードの駆動に限定されない。

ＰＩＮフォトダイオードを結合するのに用いられる時、従来の５０オーム伝送線 路との結合に比べて、バンド幅の明確な増大は明らかにある。

用いられた光源は、波長０．５３２μｍで７０ｐｓパルスを生ずる、ＣＷモード ・ロックおよび周波数２倍化Ｎｄ：ＹＡＧレーザである。５０オーム負荷に対し ２００ｐｓ立ち上がり時間を育するテレフンケン（Ｔｅｌｅｆｕｎｋｅｎ）Ｓ　 ＩＢＩ　Ｐダイオードが、従来の５０オーム・マイクロストリップ伝送線路の端 部にまず接続され、そしてＨＰ　１１５９０Ａ　バイアス回路により５０Ｖに直 流バイアスされた。検出されたパルスは、テクトロニクス（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ）　Ｓ　４　サンプリング・ヘッドおよび７７０４オ　シロスコープにより、サ ンプリングされて表示された。交替に、前記フォトダイオードが前記インピーダ ンス・マツチング・カブラの端部に接続された。

第４図はオ　シロスコープで得られた波形である。曲線６１は、５０オーム線路 を通して結合された時のフォトダイオードの応答曲線である。曲線６２は、光検 出器から高速サンプリング・オ　シロスコープへ電気パルスを結合するのに前記 インピーダンス・マツチング・カブラが用いられた時の応答曲線である。すぐに わかるように、曲線６２の立ち上がり時間と立ち下がり時間のいずれもか著しく 短い。非常に小さな抵抗値の直列抵抗器を有するフォトダイオードに対して、一 層、大幅な改良の得られることを断っておく。

前記で説明したインピーダンス・マツチング・カブラは光・電子装置の結合用に 開発されたものであるが、その有用性は任意の形式の広帯域インピーダンス・マ ツチングに拡張される。

さらに、本発明は第１図および第２図に示された特定の実施例について説明され たけれども、当業者には、本発明の範囲内において、形式および細部において、 種々の変更のなしうることはすぐにわかるであろう。例えば、短絡用ストラップ ２５または４１は、連続した金属シートで置き換えることができ、または、板２ １または３２は低インピーダンス端部でさらに薄く作成することができる。前記 実施例における基板はアルミナであったが、誘電率のより大きな他の材料を用い ることができ、それにより、特性をさらによくすることができるとともに、寸法 をさらに小さくすることができる。

１＆　す昌　（ｍｙ）→ 要約書 本発明は、高速電子部品への電気信号の結合および高速電子部品からの電気信号 の結合に関し、特に、ダイオード・レーザへのおよび高速フォトダイオードから の高周波数信号または非常に短いパルスを結合するのに適している。カブラは、 少なくとも２個の異なる平面伝送線路構造体を結合することによって形成された 装置からなる。中央信号搬送導体（２２，３１）はこのように結合されたすべて の構造体の間で共育され、一方、接地面（２６，２７，２９，３２，３３，３４ ，３６）は、前記導体に対し、このように結合された構造体のおのおのを特徴づ ける位置関係を保持する。５０オームの通常の線路インピーダンスから５オーム のダイオード・インピーダンスまでの特性インピーダンス変化は、前記カブラの 横断面の寸法の前記カブラの長さに沿っての徐々の変化から生ずる、前記カブラ を構成する各伝送線路構造体の個別のインピーダンス変化の累積的な効果により 、前記装置に沿って徐々になされる。

国際調査報告 ｌ川向―内ＩＭ＠ｉ’ｗ”１１＋＋　ＰＣＴ／ＢＲ９０１０００２０国際調査報 告

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）信号搬送導体（２２，３１）が少なくとも２個の別の平坦導体伝送線路構 造体によって共有され、一方、その対応する接地面導体（２６，２７，２９，３ ２，３３，３４，３６）はそのように結合された構造体のおのおのに特有の位置 関係を独立に前記信号搬送導体に対して保持し、前記構造体の横断面の寸法がカ プラに沿って徐々に変化することにより装置の特性インピーダンスが徐々に変化 する、伝送線路状装置の構造体を有することを特徴とする、異なるインピーダン ス値を整合するためのインピーダンス・マッチング・カプラ。
2. （２）請求項１記載のインピーダンス・マッチング・カプラにおいて、前記構造 体に沿っての前記横断面の寸法の変化によってもたらされる前記結合された構造 体のおのおのに対応する個別のインピーダンス変化が同じ方向にあることを特徴 とするインピーダンス・マッチングカプラ。
3. （３）請求項１および請求項２記載のインピーダンスマッチング・カブラにおい て、前記横断面の寸法の変化が前記カプラの長さにわたって徐々に行われること を特徴とする、インピーダンス・マッチング・カプラ。 （３）請求項１および請求項２記載のインピーダンスマッチング・カプラにおい て、前記横断面の寸法の変化が前記カプラの長さ沿って段階的に行なわれる事を 特徴とするインピーダンス・マッチング・カプラ。
4. （４）添付図面を参照して実質的に説明されたインピーダンス・マッチング・カ プラ。