WO2013100119A1

WO2013100119A1 - 光導波路素子モジュール

Info

Publication number: WO2013100119A1
Application number: PCT/JP2012/084040
Authority: WO
Inventors: 加藤　圭; 徳一宮崎
Original assignee: 住友大阪セメント株式会社
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-07-04
Also published as: JP5915665B2; JPWO2013100119A1; CN104024926B; US9335570B2; US20150063743A1; CN104024926A

Abstract

　ボンディング配線の外れや断線を抑制でき信頼性の高い光導波路素子モジュールを提供すること。さらに、小型化及び製造コストの増加を抑制した光導波路素子モジュールを提供することを目的とする。　光導波路（不図示）と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極（Ｅ１～Ｅ４）とが形成された導波路基板１と、該導波路基板の近傍に配置され、該制御電極に電気的に接続される配線回路（ＴＭ１，Ｃ１）を備えた外部基板（２１～２４）と、該導波路基板と該外部基板とを収容する筐体３と、該筐体に設けられ、該制御電極に対して電気信号を供給又は導出するための外部電気回路（不図示）と接続される端子（Ｔ２１～Ｔ２４）とを有する光導波路素子モジュールにおいて、該導波路基板１又は該外部基板（２１～２４）のいずれか一部に、該制御電極又は該配線回路とは電気的に独立した中継用電極パッド（ＣＰ１，ＣＰ４）が形成され、該制御電極と該端子、又は該配線回路と該端子とを接続する少なくとも一つのボンディング配線（Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ４１，Ｗ４２）は、該中継用電極パッドを経由して行われていることを特徴とする。

Description

光導波路素子モジュール

　本発明は、光導波路素子モジュールに関し、特に、光導波路や該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とが形成された導波路基板と、該制御電極に電気的に接続される配線回路を備えた外部基板とを筐体内に収容した光導波路素子モジュールに関する。

　光計測技術分野や光通信技術分野において、光変調器等の光導波路素子を内蔵した光導波路素子モジュールが利用されている。ニオブ酸リチウム等の電気光学効果を有する基板を用いた光変調器の多くは、特許文献１に示すように、光導波路素子の制御電極（信号電極）に、変調信号である高周波信号と駆動電圧に対する変調動作点を調整するためのバイアス電圧（直流電圧）が印加されている。

　従来の光変調器では、図１に示すように、光導波路素子を構成する導波路基板１内に、１つの変調部（図１（ａ）参照）あるいは２つの変調部（図１（ｂ）参照）が直列接続された構造であり、導波路基板の周辺に配置される終端基板などの外部基板２の数や、モジュールの外部にある外部電気回路と接続される接続端子（Ｔ１～Ｔ４）の数も少なかった。しかも、筐体３の内部に導波路基板１や外部基板２を配置する十分なスペースが確保されており、さらに、信号を外部出力するためのＤＣ端子等の接続端子（Ｔ１～Ｔ４）の配置も、比較的自由に設計することができた。このため、導波路基板１と外部基板２、あるいは外部基板２と接続端子を接続するボンディング配線Ｗが、信頼性のある適切な長さになるよう、容易に設計することが可能であった。

　近年の高速・大容量光通信システムに対応した多値の変調方式が利用されるようになり、変調部の集積化が進み、筐体内部に使用する部品点数も増加している。また、国際基準によって信号の入出力端子（ＲＦコネクタ、ＤＣ端子）の取り付け位置や、光変調器を固定するためのネジ穴の位置、また光変調器の最大寸法が標準化されるようになったため、筐体内部の部品実装位置が従来の小型変調器よりも制限されるようになった。

　このため、例えば、終端基板とＤＣ端子等の接続端子との間などを接続するボンディング配線の長さが、従来の小型変調器よりも長くなり、１０ｍｍを超える箇所が発生した。

　光電子部品の衝撃・振動試験では、機械的衝撃として５００ｇ、１．０ｍｓの条件を５方向に対して、１方向に付き５回行うこと、振動として、２０ｇ、２０～２０００Ｈｚで２０Ｈｚ間隔で、１サイクル４分、１軸方向に４サイクルの条件で行うことが規定されている。ボンディング配線が所定の長さ以上になると、光変調器に振動あるいは衝撃が加えられた際に、ボンディング配線の外れや断線が発生し易くなる。これは、ボンディング配線自身の重さが大きくなるため接続部の機械的強度が不足したり、配線の長さが振動の共振周波数に一致し配線が大きく変位することなどが原因と考えられる。

　ボンディング配線の外れや断線を抑制するためには、ボンディング配線箇所を減らすこと、またボンディング配線を出来るだけ短くすることが望ましい。例えば、終端基板などの外部基板を制御電極や接続端子の近くに配置し、ボンディング配線の長さを短くすることが考えられる。

　あるいは、図２に示すように、終端基板（２１，２２）とＤＣ端子（Ｔ２１，Ｔ２２）との間に、中継用の基板２３を新たに設けることが考えられるが、ボンディング配線箇所が増加する上、部品点数の増加によるコストアップ、あるいは追加部品の実装など作業工数が増加するという問題も生ずる。

　しかも、図２に示すように、終端基板（２１，２２）とＤＣ端子（Ｔ２１，Ｔ２２）との間を埋めるように、中継基板２３のサイズも大きくする必要があり、モジュール全体をコンパクト化することも困難となる。

　さらに、良好な高周波特性を得るためには、外部基板には、アルミナ薄膜基板を使用することが望ましい。例えば光導波路素子の導波路基板にニオブ酸リチウム（ＬＮ）を使用した場合には、筐体にはステンレス（ＳＵＳ）が使用されることが多い。その場合、変調器の筐体に使用するＳＵＳ（線膨張係数：１８．７×１０^－６／℃）とアルミナ（線膨張係数：７．２×１０^－６／℃）の線膨張差が大きいため、図２の中継基板２３のような大きなアルミナ基板を使用した場合には、光変調器を高温加熱した際に、アルミナ基板に割れが生じる。これを防止する為には、アルミナ基板と筐体との間に、５０アロイ（５０Ｎｉ－Ｆｅ合金）や５２アロイ（５２Ｎｉ－Ｆｅ合金）などの中間材を設ける必要があり、更にコストアップの原因となる。

特許第３６４２７６２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、ボンディング配線の外れや断線を抑制でき信頼性の高い光導波路素子モジュールを提供することである。さらに、小型化及び製造コストの増加を抑制した光導波路素子モジュールを提供することを可能とする。

　上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とが形成された導波路基板と、該導波路基板の近傍に配置され、該制御電極に電気的に接続される配線回路を備えた外部基板と、該導波路基板と該外部基板とを収容する筐体と、該筐体に設けられ、該制御電極に対して電気信号を供給又は導出するための外部電気回路と接続される端子とを有する光導波路素子モジュールにおいて、該導波路基板又は該外部基板のいずれか一部に、該制御電極又は該配線回路とは電気的に独立した中継用電極パッドが形成され、該制御電極と該端子、又は該配線回路と該端子とを接続する少なくとも一つのボンディング配線は、該中継用電極パッドを経由して行われていることを特徴とする。

　請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継用電極パッドを経由するボンディング配線は、該制御電極に、低周波信号又は直流信号を供給する配線であることを特徴とする。

　請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該外部基板が、該制御電極に高周波信号を供給する中継基板、又は該制御電極から導出される高周波信号を終端処理する終端基板であることを特徴とする。

　請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該光導波路は、２つ以上のマッハツェンダー型光導波路を集積した形状を備えていることを特徴とする。

　請求項５に係る発明は、請求項２に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該外部基板の少なくとも１つが終端基板であり、当該終端基板の配線回路には、バイアス制御用の低周波信号又はバイアス電圧の直流信号を該制御電極に供給する回路が設けられ、該低周波信号又は該直流信号を供給する配線は、該導波路基板又は他の外部基板に設けられた中継用電極パッドを経由するボンディング配線であることを特徴とする。

　請求項１に係る発明により、光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とが形成された導波路基板と、該導波路基板の近傍に配置され、該制御電極に電気的に接続される配線回路を備えた外部基板と、該導波路基板と該外部基板とを収容する筐体と、該筐体に設けられ、該制御電極に対して電気信号を供給又は導出するための外部電気回路と接続される端子とを有する光導波路素子モジュールにおいて、該導波路基板又は該外部基板のいずれか一部に、該制御電極又は該配線回路とは電気的に独立した中継用電極パッドが形成され、該制御電極と該端子、又は該配線回路と該端子とを接続する少なくとも一つのボンディング配線は、該中継用電極パッドを経由して行われているため、ボンディング配線が長くなる箇所では、中継用電極バッドを経由して２つ以上に配線を分割することができ、１つのボンディング配線の長さを短尺化することが可能となる。これにより、振動・衝撃によるボンディング配線の外れや断線を抑制することができ、信頼性の高い光導波路素子モジュールを提供することが可能となる。また、中継用電極パッドは、既存の導波路基板や外部基板に形成されているため、部品サイズの大型化や部品点数の増加を抑制することも可能となり、小型化及び製造コストの増加を抑制した光導波路素子モジュールを提供することができる。

　請求項２に係る発明により、中継用電極パッドを経由するボンディング配線は、制御電極に、低周波信号又は直流信号を供給する配線であるため、中継用電極パッドを経由する際に配線の長さが変化した場合でも、光導波路素子の各種特性を劣化させることも無い。仮に高周波信号を伝送するボンディング配線について、中継用電極パッドを経由させた場合には、全体の配線の長さが変化し、高周波信号が制御電極に印加される位相に変化が生じる上、中継用電極バッドの接続部分での信号の反射も発生し易くなり、光変調器の変調特性など光導波路素子の各種特性が劣化する原因となる。

　請求項３に係る発明により、外部基板が、制御電極に高周波信号を供給する中継基板、又は該制御電極から導出される高周波信号を終端処理する終端基板であるため、既存の光導波路素子モジュールに使用されている外部基板を利用でき、部品点数の増加なしに、信頼性の高い光導波路素子モジュールを提供することが可能となる。

　請求項４に係る発明により、光導波路は、２つ以上のマッハツェンダー型光導波路を集積した形状を備えているため、一般に、光導波路を伝搬する光波を制御する制御電極の数も増加する上、終端基板などの外部基板の数もより多くなる。このような光導波路素子に対しても、上述した請求項１のような構成を適用することで、より信頼性の高い光導波路素子モジュールを提供することが可能となる。

　請求項５に係る発明により、外部基板の少なくとも１つが終端基板であり、当該終端基板の配線回路には、バイアス制御用の低周波信号又はバイアス電圧の直流信号を該制御電極に供給する回路が設けられ、該低周波信号又は該直流信号を供給する配線は、該導波路基板又は他の外部基板に設けられた中継用電極パッドを経由するボンディング配線であるため、低周波信号又は直流信号を供給するボンディング配線の長さを常に所定の長さ以下に設定でき、信頼性の高い光導波路素子モジュールを提供することが可能となる。

従来の光変調器の筐体内部の様子を説明する概略図である。終端基板と接続端子との間に中継基板を配置した様子を説明する図である。本発明の光導波路素子モジュールの概略を説明する図である。各種導波路基板における、光導波路と制御電極（信号電極）との配置例を説明する図である。本発明の光導波路素子モジュールで、ボンディング配線が重なる例を説明する図である。本発明の光導波路素子モジュールで、中継基板を利用する例を説明する図である。本発明の光導波路素子モジュールで、導波路基板に中継用電極パッドを配置する例を説明する図である。

　以下、本発明の光導波路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。
　本発明の光導波路素子モジュールは、図３に示すように、光導波路（不図示）と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極（Ｅ１～Ｅ４）とが形成された導波路基板１と、該導波路基板の近傍に配置され、該制御電極に電気的に接続される配線回路（ＴＭ１，Ｃ１）を備えた外部基板（２１～２４）と、該導波路基板と該外部基板とを収容する筐体３と、該筐体に設けられ、該制御電極に対して電気信号を供給又は導出するための外部電気回路（不図示）と接続される端子（Ｔ２１～Ｔ２４）とを有する光導波路素子モジュールにおいて、該導波路基板１又は該外部基板（２１～２４）のいずれか一部に、該制御電極又は該配線回路とは電気的に独立した中継用電極パッド（ＣＰ１，ＣＰ４）が形成され、該制御電極と該端子、又は該配線回路と該端子とを接続する少なくとも一つのボンディング配線（Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ４１，Ｗ４２）は、該中継用電極パッドを経由して行われていることを特徴とする。

　本発明に利用される光導波路素子としては、光変調器などのように、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板に光導波路と制御電極（信号電極と接地電極から構成）を形成した光導波路素子が好ましい。光導波路の形状としては種々のものがあり、特に限定されない。しかしながら、図４に示すように、導波路基板１に対して、（ａ）信号電極（Ｅ１，Ｅ２）の入力部（Ｐ１，Ｐ２）と出力部（Ｐ３，Ｐ４）が基板１の反対側に形成されている場合、（ｂ）信号電極（Ｅ１，Ｅ２）毎に基板の異なる側面側に入出力部（Ｐ１とＰ３，Ｐ２とＰ４）を配置する場合、さらには、（ｃ）複数の信号電極（Ｅ１～Ｅ４）が基板１の両側に配置される場合などでは、ボンディング配線が長くなり易いため、本発明を好適に適用可能である。

　また、光導波路は、図４のように、マッハツェンダー型光導波路（ＭＺ，ＭＺ１～３）を備えるものは、信号電極に駆動信号を印加する際に、動作点を最適に制御することが必要である。このため、信号電極には、特許文献１に示すように、高周波信号などの駆動信号とは別に、ＤＣバイアス電圧が印加される。また、ＤＣバイアス電圧を最適に制御するための低周波信号をＤＣバイアス電圧に重畳して印加する場合もある。

　特許文献１や図３のように、導波路基板１の外部には、高周波信号の終端処理を行うため終端抵抗を含む電気回路（ＴＭ１）を有する終端基板（２１～２４）が配置される。さらに、低周波信号やＤＣバイアス電圧を信号電極（Ｅ１～Ｅ４）に印加するため、終端基板には、入力パッド（Ｐ１）と電気回路Ｃ１が配置される。図面では、終端処理用の電気回路（ＴＭ１）とＤＣバイアス電圧等の印加用の電気回路（Ｃ１）とが簡略化して表示されているが、特許文献１のように、抵抗、コンデンサなどを組み合わせた電気回路が設けられる。

　図４（ｃ）のように、光導波路が、２つ以上のマッハツェンダー型光導波路を集積した形状を備えている場合には、光導波路を伝搬する光波を制御する制御電極の数も増加する上、終端基板などの外部基板の数もより多くなる。このような光導波路素子に対しては、特に、本発明の構成を適用することが好ましい。

　本発明の特徴は、導波路基板１自体や、終端基板などの導波路基板１の外部に配置される外部基板に、中継用電極パッド（ＣＰ１，ＣＰ２）を形成していることである。図３では、終端基板（２１～２４）の接地電極パターンの隅に、ボンディング配線可能なサイズの中継用電極パッドを１箇所設けている。図３では、４個の終端基板全てにボンディング配線可能な中継用電極パッドを１箇所ずつ設けているが、電気的に完全に分断されているため、各ボンディング配線の長さが効果的に短くなるよう、他の終端抵抗基板上に設けたパッドを経由してボンディング配線しても良い。ボンディング配線の長さは、１本が１０ｍｍ以内、好ましくは８ｍｍ以内に設定することが好ましい。

　中継用電極パッドは、各基板に配線された制御電極や電気回路と電気的に完全に分断されている。また、中継用電極パッドの形成位置や形成個数は、基板本来の高周波特性を損なわない範囲であれば、いずれの場所にいくつ配置しても良い。導波路基板や外部基板には、接地電極が形成される場合が多いため、接地電極パターンで他の電気回路から分断された場所に形成することが好ましい。当然、高周波特性に影響を及ぼさなければ、接地電極の領域以外の部分に中継用電極パッドを設けても良い。中継用電極パッドは、他の配線パターンと同時に形成する方が、部品の製造工程を簡略化する上でも好ましい。

　中継用電極パッドの大きさは、ボンディング配線が可能で、かつ適切なボンディング強度が得られるなどの理由から、０．２×０．２ｍｍ□～１×１ｍｍ□程度とするのが望ましい。また、中継用電極パッドと信号電極は、電気信号クロストークを防止するため信号電極の幅の２倍以上離れているか、間に接地電極が設けられていることが望ましい。

　また、筐体内に配置された複数個の外部基板全てに中継用電極パッドを設けておくことで、ボンディング配線の中継地点を自由に選択することが出来る。これにより、複数あるボンディング配線の長さをバランスよく短尺化することが可能となる。これにより、振動・衝撃によるボンディング配線の外れや断線を抑制することができ、信頼性の高い光導波路素子モジュールを提供することが可能となる。また、中継用電極パッドは、既存の導波路基板や外部基板に形成されているため、部品サイズの大型化や部品点数の増加を抑制することも可能となり、小型化及び製造コストの増加を抑制した光導波路素子モジュールを提供することができる。

　中継用電極パッドを経由するボンディング配線としては、制御電極に、低周波信号又は直流信号を供給する配線であることが好ましい。一般的に、中継用電極パッドを経由する際には、全体の配線の長さが変化する。仮に高周波信号を伝送するボンディング配線について、中継用電極パッドを経由させた場合には、全体の配線の長さが変化すると、高周波信号が制御電極に印加される位相に変化が生じる上、中継用電極バッドの接続部分での信号の反射も発生し易くなり、光変調器の変調特性など光導波路素子の各種特性が劣化する原因となる。

　このため、図４のように、マッハツェンダー型光導波路（ＭＺ）を備えた光導波路素子の場合には、外部基板の少なくとも１つが終端基板であり、当該終端基板の配線回路には、バイアス制御用の低周波信号又はバイアス電圧の直流信号を該制御電極に供給する回路が設けられ、該低周波信号又は該直流信号を供給する配線は、該導波路基板又は他の外部基板に設けられた中継用電極パッドを経由するボンディング配線で構成することが好ましい。

　上述した外部基板では、終端基板を中心に説明したが、外部基板は制御電極に高周波信号を供給する中継基板であっても良い。その場合には位相整合をとり、電気的反射が起こらないように設計する。このように、本発明では、既存の光導波路素子モジュールに使用されている外部基板を利用でき、部品点数の増加なしに、信頼性の高い光導波路素子モジュールを提供することが可能となる。

　図５に示すように、終端基板（２１～２４）や接続端子（Ｔ２１～Ｔ２４）が複数個、近い位置に配置される場合には、いくつかのボンディング配線が、一点鎖線の枠で示したように、重って配置され、状況によっては互いに接触する場合がある。当然、ボンディング配線自体が絶縁被覆を有する場合には、お互いが接触しても電気的な接続が生じない。ただし、振動・衝撃の繰り返しによりボンディング配線の被覆が剥がれて電気的な接続が生じる可能性や物理的な断線が生じる可能性も危惧される場合には、図３に示すように、ボンディング配線の中継地点を適切に選択することで、ボンディング配線の重なりや接触が発生しない配線ルートを確保することが好ましい。

　さらに、図６に示すように、ボンディング配線の長さを短くする必要がある場合には、終端基板（２１～２４）以外に配置されている既存の中継基板上に中継用パッドを設けても良いし、新たに中継用配線（Ｃ５１，Ｃ５２）を設けた中継基板２５を配置しても良い。ただし、新たな中継基板２５のサイズは、既存の外部基板が配置された空きスペースを有効利用する大きさに設定することが好ましい。

　図７は、図３に示した光導波路素子モジュールの応用例であり、中継用電極パッド（ＣＰ５）を導波路基板１に設けた例を説明する図である。配線回路ＴＭ１に繋がる入力パッドＰ１と端子Ｔ２１との間を、中継用電極パッドＣＰ５を経由して、ボンディング配線（Ｗ１１，Ｗ１２）で接続している。

　以上説明したように、本発明によれば、ボンディング配線の外れや断線を抑制でき信頼性の高い光導波路素子モジュールを提供することが可能となる。さらに、小型化及び製造コストの増加を抑制した光導波路素子モジュールを提供することが可能となる。

１　導波路基板
２，２１～２５　外部基板
３　筐体
Ｅ，Ｅ１～Ｅ４　制御電極（信号電極）
Ｃ，Ｃ１　電気回路
Ｗ，Ｗ１～Ｗ４２　ボンディング配線
Ｏ１，Ｏ２　入出力用光ファイバ
ＣＰ１，ＣＰ４　中継用電極パッド
Ｔ１～Ｔ２４　接続端子
ＴＭ１　終端抵抗回路

Claims

　光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とが形成された導波路基板と、該導波路基板の近傍に配置され、該制御電極に電気的に接続される配線回路を備えた外部基板と、該導波路基板と該外部基板とを収容する筐体と、該筐体に設けられ、該制御電極に対して電気信号を供給又は導出するための外部電気回路と接続される端子とを有する光導波路素子モジュールにおいて、
　該導波路基板又は該外部基板のいずれか一部に、該制御電極又は該配線回路とは電気的に独立した中継用電極パッドが形成され、
　該制御電極と該端子、又は該配線回路と該端子とを接続する少なくとも一つのボンディング配線は、該中継用電極パッドを経由して行われていることを特徴とする光導波路素子素子モジュール。
　請求項１に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該中継用電極パッドを経由するボンディング配線は、該制御電極に、低周波信号又は直流信号を供給する配線であることを特徴とする光導波路素子モジュール。
　請求項１又は２に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該外部基板が、該制御電極に高周波信号を供給する中継基板、又は該制御電極から導出される高周波信号を終端処理する終端基板であることを特徴とする光導波路素子モジュール。
　請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該光導波路は、２つ以上のマッハツェンダー型光導波路を集積した形状を備えていることを特徴とする光導波路素子モジュール。
　請求項２に記載の光導波路素子モジュールにおいて、
該外部基板の少なくとも１つが終端基板であり、
当該終端基板の配線回路には、バイアス制御用の低周波信号又はバイアス電圧の直流信号を該制御電極に供給する回路が設けられ、
該低周波信号又は該直流信号を供給する配線は、該導波路基板又は他の外部基板に設けられた中継用電極パッドを経由するボンディング配線であることを特徴とする光導波路素子モジュール。