JP7468279B2 - 光変調器とそれを用いた光送信装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光変調器とそれを用いた光送信装置に関し、特に、光導波路と該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する変調基板と、該変調電極に印加される変調信号を生成するドライバ回路素子とを筐体内に収容した光変調器に関する。
光通信分野や光計測分野において、光導波路と該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極とを有する変調基板を利用した光変調器が多用されている。近年の光変調器は小型／低消費電力化が進み、例えば、特許文献１に示すように、ＩｎＰ半導体の電気／光変換素子チップ（変調基板）とドライバＩＣ（ドライバ回路素子）を同じ筐体に収容した光変調器の開発が進んでいる。
また、広帯域化の要請により変調信号も６０ＧＨｚ以上のマイクロ波となり、ドライバ回路素子と変調基板との間を従来のワイヤーボンディングで接続した場合には、インダクタンス成分が増えることにより高周波特性が劣化する。
従来より、光変調器を駆動する変調信号には、差動信号（ディファレンシャル信号）とシングルエンド信号が利用されている。差動信号はノイズ耐性があり、配線長が長い線路に対して有効であるが、配線に係るデザイン上の制約を受け、伝送損失が大きい傾向がある。他方、シングルエンド信号は、外部からのノイズの影響を受けやすいが、デザインがしやすく、配線長を短くでき、伝送損失を少なくするメリットがある。
近年のデジタル信号処理技術の進展により、光伝送装置内にはデジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）デバイスが多用される。ＤＳＰデバイス内は小信号で動作するため、他のデバイスからのノイズ耐性を高める必要があり、変調信号は差動信号が多用される。
ＤＳＰから出力される変調信号は、光変調器の筐体内に配置されるドライバ回路素子まで差動信号を用いて配線される。ドライバ回路素子は、信号増幅器が多段に組み合わされた構造をしており、出力信号は、伝送線路の配線長が長い場合において信号品質が優れる、差動信号が多用される。このため、ドライバ回路素子から複数の信号を変調基板へ配線することにより、配線長も長くなる。その結果、変調信号の伝送損失が劣化する原因となる。
一方で、広帯域化のため、ドライバ回路素子にて増幅された変調信号を、電気／光変換素子（変調基板）に限りなく少ない伝送損失で配線（最短配線）する必要がある。また、変調基板も小型／集積化により、変調電極への配線はデザイン上の制約を受けるため、シングルエンド信号による配線が望ましい。
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、ドライバ回路素子から変調基板への高周波特性劣化を抑制した光変調器を提供することである。さらには、ドライバ回路素子から出力される差動信号を、シングルエンド信号として変調電極に効率的に印加することが可能な光変調器を提供することである。また、これらの光変調器を用いた光伝送装置を提供することである。
上記課題を解決するため、本発明の光変調器及び光送信装置は、以下のような技術的特徴を有する。
（１） 光導波路と該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する変調基板と、該変調電極に印加される変調信号を生成するドライバ回路素子とを筐体内に収容した光変調器において、該ドライバ回路素子の上面側に変調信号を出力する出力端子を設け、該出力端子と該変調電極とを電気的に接続する配線を備えた配線基板が、該ドライバ回路素子と該変調基板との上側で両者に跨って配置されており、該配線基板は、該ドライバ回路素子から差動信号を受入れ、該変調電極には該差動信号の一方の信号のみを出力するよう構成されていることを特徴とする。
（１） 光導波路と該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する変調基板と、該変調電極に印加される変調信号を生成するドライバ回路素子とを筐体内に収容した光変調器において、該ドライバ回路素子の上面側に変調信号を出力する出力端子を設け、該出力端子と該変調電極とを電気的に接続する配線を備えた配線基板が、該ドライバ回路素子と該変調基板との上側で両者に跨って配置されており、該配線基板は、該ドライバ回路素子から差動信号を受入れ、該変調電極には該差動信号の一方の信号のみを出力するよう構成されていることを特徴とする。
（２） 上記（１）に記載の光変調器において、該配線基板の配線と、該出力端子及び該変調電極とは、フリップチップボンディングで電気的に接続されていることを特徴とする。
（３） 上記（１）又は（２）に記載の光変調器において、該差動信号の他方の信号は、該配線基板に設けられた終端器により終端されていることを特徴とする。
（４） 上記（３）に記載の光変調器において、該終端器は、該配線基板の該変調基板に対向する面に対して裏側に位置する面に設けられていることを特徴とする。
（５） 上記（３）又は（４）に記載の光変調器において、該配線基板には、該終端器から発生する熱を放出する放熱手段が設けら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変調器と、該ドライバ回路素子に入力する変調信号を生成する信号発生器とを備えることを特徴とする光送信装置である。
本発明により、光導波路と該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する変調基板と、該変調電極に印加される変調信号を生成するドライバ回路素子とを筐体内に収容した光変調器において、該ドライバ回路素子の上面側に変調信号を出力する出力端子を設け、該出力端子と該変調電極とを電気的に接続する配線を備えた配線基板が、該ドライバ回路素子と該変調基板との上側で両者に跨って配置されているため、ドライバ回路素子から変調基板への伝送損失を低減した光変調器を提供することが可能となる。
しかも、該配線基板は、該ドライバ回路素子から差動信号を受入れ、該変調電極には該差動信号の一方の信号のみを出力するよう構成されているため、ドライバ回路素子から出力される差動信号を、シングルエンド信号として変調電極に効率的に印加することが可能な光変調器を提供することができる。
以下、本発明について好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、図１乃至３又は図４乃至６に示すように、光導波路２００と該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極１０とを有する変調基板１と、該変調電極に印加される変調信号を生成するドライバ回路素子２とを筐体（３）内に収容した光変調器において、該ドライバ回路素子の上面側に変調信号を出力する出力端子を設け、該出力端子と該変調電極とを電気的に接続する配線を備えた配線基板４が、該ドライバ回路素子と該変調基板との上側で両者に跨って配置されていることを特徴とする。
本発明は、図１乃至３又は図４乃至６に示すように、光導波路２００と該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極１０とを有する変調基板１と、該変調電極に印加される変調信号を生成するドライバ回路素子２とを筐体（３）内に収容した光変調器において、該ドライバ回路素子の上面側に変調信号を出力する出力端子を設け、該出力端子と該変調電極とを電気的に接続する配線を備えた配線基板４が、該ドライバ回路素子と該変調基板との上側で両者に跨って配置されていることを特徴とする。
変調基板としては、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）などの電気光学効果を有する強誘電体基板や、補強基板上にこれらの材料による気相成長膜を形成したものが利用可能である。
また、ＩｎＰなどの半導体材料や有機材料など種々の材料を利用した基板も利用可能である。
また、ＩｎＰなどの半導体材料や有機材料など種々の材料を利用した基板も利用可能である。
光導波路の形成方法としては、光導波路以外の基板表面をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリブ型光導波路を利用することが可能である。また、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に高屈折率部分を形成することで光導波路を形成することも可能である。リブ型光導波路部分に高屈折率材料を拡散するなど、複合的な光導波路を形成することも可能である。
光導波路を形成した変調基板の厚さは、変調信号のマイクロ波と光波との速度整合を図るため、１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下の薄板で構成しても良い。また、リブ型光導波路の高さは、２μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下に設定される。また、補強基板の上に気相成長膜を形成し、当該膜を光導波路の形状に加工することも可能である。
薄板で構成した変調基板は、機械的強度を高めるため、直接接合又は樹脂等の接着層を介して、補強基板に接着固定される。直接接合する補強基板としては、光導波路や光導波路を形成した基板よりも屈折率が低く、光導波路などと熱膨張率が近い材料、例えば石英等が好適に利用される。また、接着層を介して補強基板に接合する際には、ＬＮ基板など薄板と同じ材料を補強基板として利用することも可能である。
光導波路に沿って変調電極やバイアス電極が形成される。電極の形成方法としては、ＡｕやＴｉなどの下地金属の上にメッキ法によりＡｕを積層することで構成することができる。
図１及び２、又は図４に示すように、変調基板１に隣接して、ドライバ回路素子２が配置される。ドライバ回路素子２は、信号増幅器を多段に接続した構成をしており、変調信号である差動信号を入力し、増幅した差動信号を出力するよう構成されている。例えば、変調信号Ｓは、筐体外に配置されたデジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）などで発生される。変調信号Ｓは、図１、２及び４に示すような電気信号導入手段６を介して筐体３内に導入される。電気信号導入手段は、フレキシブル配線や、リードピン、またはコネクタ端子などの各種の配線手段が使用可能である。以下では、フレキシブル配線を中心に説明するが、これに限定されるものではない。
電気信号導入手段であるフレキシブル配線６は、筐体内の中継基板５に接続される。図３又は５に示すように、フレキシブル配線６には電気配線６０が、中継基板５には電気配線５０が各々に形成されている。これにより、外部の電気信号がドライバ回路素子２の入力端子に至る経路が確保されている。
図１に示すように、筐体３内に配置される変調基板１の光導波路には、外部から光ファイバーを介して光波Ｌ１が入力される。また、変調基板１から出力される光波は、外部に光ファイバーを介して出力光Ｌ２として出射される。符号７及び７０は、レンズ等を組み込んだコリメータである。図２等の符号３０は、筐体３の蓋部分である。
図４に示すように、変調基板１とコリメータ７及び７０との光波の接続には、レンズやプリズムなどの空間光学系による接続が用いられる。特に、２つの出力光を偏波合成する際には、偏光ビームスプリッターなどの光学部品の一部を筐体内に配置する。また、変調基板１の端面にレンズブロックなどを貼り付け、光学部品のアライメント調整作業を少なくすることも可能である。
図３は、図１及び２の変調基板１及びドライバ回路素子２を含む構成を、より詳細に説明する図である。また、図５及び６は、図４の変調基板１及びドライバ回路素子２を含む構成を、より詳細に説明する図である。図６は、図５の平面図であるが、図３の平面図であっても、図６のドライバ回路素子２から右側の図は、同じ図面となる。
図３のように、フレキシブル配線６を用いる場合には、フレキシブル基板上に配線６０が形成され、さらに、中継基板５には、ビア５０が設けられ、ビア５０を介して、配線６０はパッド部５１に電気的に接続されている。ドライバ回路素子２の入力端子であるパッド部２０と前記パッド部５１とはワイヤーボンディング８で接続されている。
図４の電気信号導入手段６（フレキシブル又はリジッドな基板が使用可能である。）を用いる場合は、図５に示すように、電気信導入手段６の配線６０から、中継基板５の配線５０を介して、ドライバ回路素子の入力端子（パッド部）２０とが電気的に接続される。端子間の接続にはワイヤーボンディング８が利用される。また、図５の平面図である図６に示すように、中継基板５上には、入力用端子５２と出力用端子５３を別途配置し、両者の端子間を配線５０で接続するよう構成しても良い。
ドライバ回路素子２と変調基板１の変調電極１０とを接続する配線基板４には、アルミナや窒化アルミのセラミックを利用した絶縁基板が用いられ、図３又は図５の配線基板４の上面又は下面に電気配線が形成されている。図６では、配線基板４の上面側に配線４０や終端器４１を配置している。
図３又は図５では、配線基板４を貫通するビア４３が形成され、配線基板４の下面に設けられたパッド部４２と上面に設けられた電気配線４０とが電気的に接続されている。配線基板（パッド部４２）とドライバ回路素子２の出力端子（２０’）との接続や、配線基板（パッド部４２’）と変調基板１の変調電極のパッド部１００との接続は、フリップチップボンドで行われている。具体的には、両者のパッド部をＡｕ電極パッドで形成し、熱／振動印加による圧着で接続する方法や、導電性接着剤９（９’）によるバンプ接続などがある。
図７は、図３又は図５（図６）などに使用される変調基板１の一例を示す平面図である。図７に示すように、変調基板１には光導波路２００が形成され、光導波路２００の作用部には変調電極１０が形成されている。変調電極は信号電極と接地電極で構成され、図７では、信号電極の一部のみ例示している。また、マッハツェンダー型光導波路を用いた干渉型光変調器のＤＣバイアス電圧を制御するためバイアス電極を設けることも可能である。
変調電極１０は、変調信号を入力する入力端子（パッド部）１００と、配線１０１により電気的に接続されている。図７では、光導波路は、変調基板の同じ端面から光波を入射及び出射するよう構成しているが、これに限らず、光導波路を直角に曲げ、変調基板の一側面から入射した光を当該側面に隣接する隣の側面から出射するよう構成することも可能である。また、図７の光導波路のマッハツェンダー型光導波路の分岐導波路を長く形成し、分岐導波路を１８０度曲げるように構成することも可能である。
図８は、配線基板４の一例を示す図である。説明を簡略化するため、１つの差動信号に関する配線のみを図示する。
図８の配線基板４の左側にはドライバ回路素子の出力信号が導入され、配線基板４上には、差動信号（Ｓ＋，Ｓ－）と接地（Ｇ）に対応した配線４０が設けられている。差動信号と接地の配置や配線の数は、ドライバ回路素子の出力端子に対応して設定される。また、図６の４つの差動信号を利用する場合のように、複数の変調信号を出力する場合には、配線基板４にも変調信号の数に対応して同様な配線パターンが並列に設けられる。なお、接地用の配線Ｇについては、隣接する配線間で共用する場合もある。
図８の配線基板４の左側にはドライバ回路素子の出力信号が導入され、配線基板４上には、差動信号（Ｓ＋，Ｓ－）と接地（Ｇ）に対応した配線４０が設けられている。差動信号と接地の配置や配線の数は、ドライバ回路素子の出力端子に対応して設定される。また、図６の４つの差動信号を利用する場合のように、複数の変調信号を出力する場合には、配線基板４にも変調信号の数に対応して同様な配線パターンが並列に設けられる。なお、接地用の配線Ｇについては、隣接する配線間で共用する場合もある。
図８では、差動信号の一方の信号（Ｓ＋）を変調電極にシングルエンド信号として出力し、他方の信号（Ｓ－）は、終端器で終端されている。終端器としては。信号配線と接地配線との間に終端抵抗４１Ｒを設けることで構成することが可能である。また、終端した信号配線（Ｓ－）の端部から放出されるマイクロ波を吸収するため、信号配線を取り囲むように接地配線間を接続する部分４００を設けることも可能である。また、終端抵抗４１Ｒの配置は、Ｓ－信号配線の不要な反射を防ぐために、ドライバ回路素子の電極の近傍（図８の左側）に可能な限り、配置するほうが望ましい。
終端器の構成は、図８に示すように終端抵抗４１Ｒとなる抵抗体膜を配置するだけでなく、抵抗器などを組み込んだ１つのチップ状の電気部品として構成することも可能であり、このようなチップ状の終端器の場合は、配線基板４上の配線４０に導電性接着剤で電気的に接続して固定される。
図９は、配線基板４の下面に図９（ａ）の配線を形成し、図９（ｂ）のように、終端器４１のみ配線基板４の上面に配置したものである。終端器４１の位置に対応して、配線用のビアが、配線基板４に形成されている。この配線基板を側面図で示すと図１０（ｂ）のような構成となる、図１０（ａ）は、図３又は図５と同様の構成であり、配線基板の上面に配線４０を形成し、同じく上面に終端器４１を配置している。図１０（ｂ）のアレンジで、図１０（ｃ）のように、配線基板の下面に配線４０と終端器４１を、共に配置することも可能である。さらに、図１０（ａ）のアレンジで、配線基板の上面に配線４０を配置し、下面に終端器４１を配置することも可能である。この場合には、配線４０と終端器４１とは、ビア４３”で接続されている。
図１０（ａ）や図１０（ｂ）のように、配線基板４の上面（配線基板の変調基板に対向する面に対して裏側に位置する面）に終端器を設ける理由は、信号配線（Ｓ－）の終端抵抗（終端部）において、電気信号が熱に変換されるため、熱に弱い変調基板の保護や熱によるドリフト現象を抑制するために、変調基板１より、より離れた位置に終端器を設けることによる。
また、配線基板４の放熱効果を高めるため、図１１に示すように終端器の周辺に貫通孔や貫通孔に導電部材を配置した放熱手段を設けたり、図１２に示すように、接地用配線の一部に貫通ビアを設け、放熱手段とすることが可能である。これらの貫通孔（特に導電部材を配置した貫通孔）や貫通ビアなどは、終端されたマイクロ波が変調基板側に伝搬するのを抑制することにも寄与する。
上述した光変調器と、該光変調器内のドライバ回路素子に入力する変調信号を生成する信号発生器（ＤＳＰなど）とを備えることで、同様の効果を有する光送信装置を提供することも可能となる。
以上のように、本発明によれば、ドライバ回路素子から変調基板への伝送損失を低減した光変調器を提供することが可能となる。さらに、ドライバ回路素子から出力される差動信号を、シングルエンド信号として変調電極に効率的に印加することが可能な光変調器を提供することも可能となる。また、これらの光変調器を用いた光伝送装置を提供することができる。
１ 変調基板
２ ドライバ回路素子
３ 筐体
４ 配線基板
２ ドライバ回路素子
３ 筐体
４ 配線基板
Claims (6)
- 光導波路と該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する変調基板と、
該変調電極に印加される変調信号を生成するドライバ回路素子とを筐体内に収容した光変調器において、
該ドライバ回路素子の上面側に変調信号を出力する出力端子を設け、
該出力端子と該変調電極とを電気的に接続する配線を備えた配線基板が、該ドライバ回路素子と該変調基板との上側で両者に跨って配置されており、
該配線基板は、該ドライバ回路素子から差動信号を受入れ、該変調電極には該差動信号の一方の信号のみを出力するよう構成されていることを特徴とする光変調器。 - 請求項１に記載の光変調器において、該配線基板の配線と、該出力端子及び該変調電極とは、フリップチップボンディングで電気的に接続されていることを特徴とする光変調器。
- 請求項１又は２に記載の光変調器において、該差動信号の他方の信号は、該配線基板に設けられた終端器により終端されていることを特徴とする光変調器。
- 請求項３に記載の光変調器において、該終端器は、該配線基板の該変調基板に対向する面に対して裏側に位置する面に設けられていることを特徴とする光変調器。
- 請求項３又は４に記載の光変調器において、該配線基板には、該終端器から発生する熱を放出する放熱手段が設けられていることを特徴とする光変調器。
- 請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調器と、該ドライバ回路素子に入力する変調信号を生成する信号発生器とを備えることを特徴とする光送信装置。
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