JP5263210B2 - 光導波路素子モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、光導波路素子モジュールに関し、特に、光導波路素子と接続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、光変調器や光スイッチなどの電気光学効果を有する基板に光導波路を形成した光導波路素子が多用されている。これらの光導波路素子は、通常、密閉される筐体（ケース）内に収容されて、光導波路素子モジュールを構成している。
特許文献１に示すように、光導波路素子モジュールの筐体内には、外部からの入力線を光導波路素子の制御電極に電気的に接続するための中継基板や、光導波路素子の制御電極の出力側に電気的に接続され、出力信号を吸収又はモジュール外に導出するための終端基板が収容されている。
通常は、接続部での不連続性を減らし周波数特性を向上するために、図１に示すように、光導波路素子を構成する変調用基板と中継基板の電極寸法や接地電極（ＧＮＤ）の間隔が等しくなるように設計されている。また、終端基板と変調用基板との接続でも同じことが言える。このように変調用基板と接続基板との電極の寸法や間隔を合わせると、光導波路素子の種類だけ接続基板を用意する必要があり、製造コストの増加の原因となる。
光導波路素子の高周波化（広帯域化）が進み、図２に示す中継基板にアルミナなど光導波路素子を構成する基板（変調用基板）と比較して低誘電率な材料が用いられるようになっている。また、基板モードなどによる周波数特性劣化を防ぐため、中継基板などの接続部の寸法も小さくなっている。このため、従来のように、ＧＮＤ間隔を等しく構成すると、光導波路素子の信号電極幅が小さくなり、ＬｉＮｂＯ３のような電気光学効果を有する基板又は半導体基板と、中継基板との信号線路の幅とが異なるため、接続部の不連続性が発生し電気特性が劣化する原因となっている。また、中継基板の入力側と出力側との間で、信号線路の幅や接地（ＧＮＤ）線路の間隔を急激に変化させると、インピーダンス不整合が発生し易くなり、電気的特性の劣化が一層顕著なものとなる。
さらに、外部からの入力線と中継基板及び光導波路素子のインピーダンスを整合させるため、図２（ｂ）（図２（ａ）の符号Ｘ部分の拡大図である。）のように、光導波路素子の信号電極の幅Ｓ１と中継基板の信号線路の幅Ｓ２とを異ならせ、かつ、光導波路素子の接地電極の間隔Ｗ１と中継基板の接地線路の間隔Ｗ２とを異ならせた場合には、中継基板と光導波路素子とでは信号部分と接地部分との電界強度が異なるなど、電気的接続における不連続性が発生し、電気特性の劣化を生じる。なお、符号１及び２は、光導波路素子と中継基板とを電気的に接続する配線である。
特開２００３−２３３０４３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、光導波路素子と接続基板（中継基板又は終端基板）との電気的接続の不連続性を減少させ、電気特性の劣化を防止した光導波路素子モジュールを提供することである。しかも、異なる種類の光導波路素子に対し共通の接続基板を利用することを可能とし、製造コストを低減した光導波路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、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、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を有する光導波路素子と、該光導波路素子の外部に設けられ、該制御電極と電気的に接続された配線を有する接続基板と、該光導波路素子と該接続基板とを筐体内に収容する光導波路素子モジュールにおいて、該制御電極は、信号電極と該信号電極を挟むように配置された接地電極とから構成され、該接続基板は、信号線路と該信号線路を挟むように配置された接地線路とが設けられ、該制御電極の入力端部又は出力端部における該接地電極の間隔Ｗ１が、該接続基板の該光導波路素子側の該接地線路の間隔Ｗ２よりも大きく、該制御電極は、該入力端部又は該出力端部から離れた部分に、該接地電極の間隔が該間隔Ｗ２よりも小さい部分を有し、該光導波路素子と該接続基板とを繋ぐ接地用の配線間隔Ｗは、少なくとも該間隔Ｗ１よりも小さい配線を有す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、該接地用の配線の該光導波路素子側の端部の接続位置は、該間隔Ｗ２よりも小さい部分に接続されてい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、該光導波路素子と該接続基板を繋ぐ前記接地用の配線を挟むように配置され、配線間隔が該間隔Ｗ１よりも大きい他の配線を有す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、該入力端部又は該出力端部における該信号電極の幅と、該光導波路素子側の該信号線路の幅とが異なる大きさであることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該接続基板の誘電率は、該光導波路素子を構成する前記基板の誘電率よりも低いことを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該光導波路素子と該接続基板とを繋ぐ配線は、ワイヤーボンディングであることを特徴とする。
請求項１に係る発明により、光導波路素子の制御電極の入力端部又は出力端部における接地電極の間隔Ｗ１が、接続基板の該光導波路素子側の接地線路の間隔Ｗ２よりも大きく、該制御電極は、該入力端部又は該出力端部から離れた部分に、該接地電極の間隔が該間隔Ｗ２よりも小さい部分を有し、該光導波路素子と該接続基板とを繋ぐ接地用の配線間隔Ｗは、少なくとも該間隔Ｗ１よりも小さい配線を有するため、信号部分と接地部分における電界強度が、接続基板と光導波路素子との間で異なることが抑制され、両者の接続部分における電気的な不連続部分が減少し、高周波特性など電気特性が劣化することを防止することが可能となる。しかも、電極の寸法や間隔の異なる光導波路素子に対しても共通の接続基板で対応が可能となり、製造コストの低減が実現できる。
請求項２に係る発明により、接地用の配線の光導波路素子側の端部の接続位置は、間隔Ｗ２よりも小さい部分に接続されているため、接続基板側から光導波路素子側への電界強度の変化をより連続的に変化させることができ、電気特性の劣化を抑制することが可能となる。
請求項３に係る発明により、光導波路素子と接続基板を繋ぐ接地用の配線を挟むように配置され、配線間隔が間隔Ｗ１よりも大きい他の配線を有するため、接地部分の電気的接続をより確実に行うことが可能となる。
請求項４に係る発明により、制御電極の入力端部又は出力端部における信号電極の幅と、光導波路素子側の信号線路の幅とが異なる大きさであるため、通常は、接続部による電気的不連続性が発生するが、光導波路素子と接続基板とを繋ぐ接地用の配線間隔Ｗを、間隔Ｗ１よりも小さく設定することで、電気強度の不連続性を抑制し、電気特性の劣化を防止することが可能となる。
請求項５に係る発明により、接続基板の誘電率は、光導波路素子を構成する基板の誘電率よりも低いため、インピーダンス整合を行った際には、通常は、接続部おける信号電極の幅や接地電極の間隔が、接続基板の信号線路や接地線路とは異なる値となるが、本発明により、接続部の不連続性を抑制することが可能となる。
請求項６に係る発明により、光導波路素子と接続基板とを繋ぐ配線は、ワイヤーボンディングであるため、接地用の配線間隔Ｗが、間隔Ｗ１よりも小さくなるように、容易に設定することが可能となる。
従来の光導波路素子モジュールを説明する図である。 中継基板に光導波路素子の基板より低誘電率の材料を用いた場合の電極構造等を説明する図である。 本発明の光導波路素子モジュールに利用される光導波路素子と接続基板との配線状況を説明する図である。 本発明と従来技術との光周波数応答の比較結果を示すグラフである。 本発明の光導波路素子モジュールにおける光導波路素子の接地電極の間隔が急に変化した場合の配線例を示す図である。 本発明の光導波路素子モジュールにおける光導波路素子の信号電極の幅と、接続基板の信号線路の幅とが等しい場合の配線例を示す図である。
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。
図３に示すように、本発明の光導波路素子モジュールは、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、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を有する光導波路素子と、該光導波路素子の外部に設けられ、該制御電極と電気的に接続された配線を有する接続基板と、該光導波路素子と該接続基板とを筐体内に収容する光導波路素子モジュールにおいて、該制御電極は、信号電極と該信号電極を挟むように配置された接地電極とから構成され、該接続基板は、信号線路と該信号線路を挟むように配置された接地線路とが設けられ、該制御電極の入力端部又は出力端部における該接地電極の間隔Ｗ１が、該接続基板の該光導波路素子側の該接地線路の間隔Ｗ２よりも大きく、該制御電極は、該入力端部又は該出力端部から離れた部分に、該接地電極の間隔が該間隔Ｗ２よりも小さい部分を有し、該光導波路素子と該接続基板とを繋ぐ接地用の配線３の間隔Ｗは、少なくとも該間隔Ｗ１よりも小さい配線を有することを特徴とする。
電気光学効果を有する基板としては、特に、ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ５又はＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）のいずれかの単結晶が好適に利用可能である。特に、光変調器で多用されているＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ５が、好ましい。また、基板に形成する光導波路は、例えば、ＬｉＮｂＯ３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などの高屈折率物質を熱拡散することにより形成される。また、光導波路の側面に溝を形成したり、光導波路部分の厚みを他の基板部分より厚く形成して、リッジ型導波路とすることも可能である。
制御電極は、信号電極や接地電極から構成され、基板表面に、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンを形成し、金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ２等のバッファ層を設けることも可能である。
本発明における「接続基板」とは、外部から電気信号が入力される入力端子と光導波路素子の信号入力部とを接続する中継基板や、光導波路素子の信号電極の出力端部に接続される、電気信号の反射を抑制するため、電気信号を抵抗器等で吸収する終端器、あるいは、光導波路素子の信号電極の出力端部と出力用端子とを接続する終端基板などを意味する。接続基板の基板材料は、光導波路素子の基板材料よりも誘電率が低い材料、例えば、アルミナや半導体材料が使用される。これは、光導波路素子の広帯域化に寄与するためである。
光導波路素子と接続基板とを繋ぐ配線は、金線や幅広の金リボンが利用可能であり、特に、金線をワイヤーボンディングする方法が、両者の配線方法としては好ましい。また、配線は、１本に限らず、同じ場所の近傍を複数本の金線で接続することも可能である。
図３に示すように、光導波路素子の接地電極の間隔Ｗ１と接続基板の接地線路の間隔Ｗ２とが異なり、特に、間隔Ｗ１が間隔Ｗ２より大きい場合には、接続基板と光導波路素子と電気的に接続する配線３の間隔Ｗを、間隔Ｗ１より小さくする。これにより、光導波路素子の信号電極と接地電極との間の電界強度と、接続基板の信号線路と接地線路との間の電界強度との差が小さくなり光周波数応答が改善する。
また、接地用の配線３の光導波路素子側の端部の接続位置は、間隔Ｗ２よりも小さい部分に接続することも可能である。このような場合には、接続基板側から光導波路素子側への電界強度の変化をより連続的に変化させることができるため、電気特性の劣化をより一層抑制することが可能となる。
図３に示すように、光導波路素子と接続基板を繋ぐ接地用の配線を挟むように配置され、配線間隔が間隔Ｗ１よりも大きい他の配線２を設けることも可能である。このような配線２は、図２に示す従来の配線２と同様である。接地電極を配線２及び３で接続することにより、接地部分の電気的接続をより確実に行うことが可能となる。
図３では、制御電極の入力端部又は出力端部における信号電極の幅と、光導波路素子側の信号線路の幅とが異なる大きさであるため、通常は、接続部による電気的不連続性が発生するが、本発明のように、光導波路素子と接続基板とを繋ぐ接地用の配線間隔Ｗを、間隔Ｗ１よりも小さいく設定することで、電気強度の不連続性を抑制し、電気特性の劣化を防止することが可能となる。
接続基板の信号線路の幅は０．１ｍｍ〜１ｍｍ、より望ましいのは０．２ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である。また、接続基板の厚さは０．１ｍｍ〜１ｍｍ、より望ましいのは０．２ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である。
光導波路素子を構成する信号電極の端部の幅は０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍ、より望ましいのは０．０５ｍｍ〜０．２５ｍｍである。
図５に示すように、接地電極の幅が急激に変化する場合などでも、本発明のように配線３を設けることで、電界強度の急激な変化を緩和させることが可能である。
また、図６に示すように、接続基板の信号線路の幅と、光導波路素子の信号電極の幅とを同じ程度に構成し、複数の金線、あるいは幅広の金リボンが利用して接続することで、高周波特性が向上させることが可能である。このような場合には、インピーダンス整合の関係から、接地線路の間隔と接地電極の間隔とが異なる可能性が高くなるため、本発明のような配線の接続方法が、より効果的に適用することが可能となる。
図３に示す本発明の光導波路素子モジュールの光周波数応答と、図２に示す従来技術による光周波数応答とを比較した結果を、図４に示す。図４のグラフにより、全体的な周波数帯域に渡って、本発明の光導波路素子モジュールの特性が向上していることが、容易に理解される。
以上説明したように、本発明によれば、光導波路素子と接続基板との電気的接続の不連続性を減少させ、電気特性の劣化を防止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。しかも、異なる種類の光導波路素子に対し共通の接続基板を利用することを可能とし、製造コストを低減した光導波路素子モジュールを提供することも可能となる。

Claims (6)

  1. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、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を有する光導波路素子と、該光導波路素子の外部に設けられ、該制御電極と電気的に接続された配線を有する接続基板と、該光導波路素子と該接続基板とを筐体内に収容する光導波路素子モジュールにおいて、
    該制御電極は、信号電極と該信号電極を挟むように配置された接地電極とから構成され、
    該接続基板は、信号線路と該信号線路を挟むように配置された接地線路とが設けられ、
    該制御電極の入力端部又は出力端部における該接地電極の間隔Ｗ１が、該接続基板の該光導波路素子側の該接地線路の間隔Ｗ２よりも大きく、
    該制御電極は、該入力端部又は該出力端部から離れた部分に、該接地電極の間隔が該間隔Ｗ２よりも小さい部分を有し、
    該光導波路素子と該接続基板とを繋ぐ接地用の配線間隔Ｗは、少なくとも該間隔Ｗ１よりも小さい配線を有することを特徴とする光導波路素子モジュール。
  2. 請求項１に記載の光導波路素子モジュールにおいて、該接地用の配線の該光導波路素子側の端部の接続位置は、該間隔Ｗ２よりも小さい部分に接続されていることを特徴とする光導波路素子モジュール。
  3. 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、該光導波路素子と該接続基板を繋ぐ前記接地用の配線を挟むように配置され、配線間隔が該間隔Ｗ１よりも大きい他の配線を有することを特徴とする光導波路素子モジュール。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該入力端部又は該出力端部における該信号電極の幅と、該光導波路素子側の該信号線路の幅とが異なる大きさであることを特徴とする光導波路素子モジュール。
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該接続基板の誘電率は、該光導波路素子を構成する前記基板の誘電率よりも低いことを特徴とする光導波路素子モジュール。
  6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路素子モジュールにおいて、該光導波路素子と該接続基板とを繋ぐ配線は、ワイヤーボンディングであることを特徴とする光導波路素子モジュール。
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