特許 7567471 光変調器とそれを用いた光送信装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-07

(45)【発行日】2024-10-16

(54)【発明の名称】光変調器とそれを用いた光送信装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/035 20060101AFI20241008BHJP

【ＦＩ】

G02F1/035

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020219102

(22)【出願日】2020-12-28

(65)【公開番号】P2022104096

(43)【公開日】2022-07-08

【審査請求日】2023-08-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000183266

【氏名又は名称】住友大阪セメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100116687

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 爾

(74)【代理人】

【識別番号】100098383

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 純子

(74)【代理人】

【識別番号】100155860

【弁理士】

【氏名又は名称】藤松 正雄

(72)【発明者】

【氏名】片岡 利夫

(72)【発明者】

【氏名】高野 真悟

【審査官】百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／２３９６８３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平１０－２３９６４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１７４７６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０７１１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／２０２６０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１０２８４７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１－７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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中継する配線を設けた配線基板とを備えた光変調器において、
該配線基板は、該変調電極により変調が行われる作用部の全体を覆うように、該変調基板に重ねて配置され、
該配線基板には、該作用部に対向する位置の少なくとも一部に、電波吸収部材が配置されていることを特徴とする光変調器。

【請求項2】

請求項１に記載の光変調器において、該電波吸収部材は、該配線基板の接地配線又は該変調電極の接地電極のいずれかに接続されていることを特徴とする光変調器。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の光変調器において、該作用部では、複数のマッハツェンダー型光導波路が並列に配置され、各マッハツェンダー型光導波路に対応して変調電極が配置されていることを特徴とする光変調器。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器において、該変調電極は信号電極とそれを挟むように配置される接地電極を備え、該信号電極と該電波吸収部材までの距離は、該信号電極と該接地電極との間隔よりも大きいことを特徴とする光変調器。

【請求項5】

請求項３に記載の光変調器において、該変調電極は信号電極と接地電極で構成され、特定のマッハツェンダー型光導波路と隣接する他のマッハツェンダー型光導波路との間に、該接地電極と該電波吸収部材とを対向して配置することを特徴とする光変調器。

【請求項6】

請求項５に記載の光変調器において、該接地電極と該電波吸収部材とを平面視した場合に、該接地電極の内側に該電波吸収部材が配置され、両者の側辺の距離Ｓは、該接地電極に隣接する該信号電極の幅Ｗと該信号電極と該接地電極との間隔Ｇを用いて、以下の式を満足することを特徴とする光変調器。
Ｓ≧２Ｇ＋Ｗ ・・・・ 式

【請求項7】

請求項５又は６に記載の光変調器において、該電波吸収部材は、該信号電極に沿って、該作用部の外にまで延びていることを特徴とする光変調器。

【請求項8】

請求項１乃至７のいずれかに記載の光変調器において、該配線基板には、該変調電極と電気的に接続される終端器が配置されていることを特徴とする光変調器。

【請求項9】

請求項１乃至８のいずれかに記載の光変調器において、該変調基板に隣接して該変調電極に印加する変調信号を発生するドライバ回路素子が配置され、該ドライバ回路素子の出力端子は、該配線基板の配線に接続されていることを特徴とする光変調器。

【請求項10】

請求項９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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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中継する配線を設けた配線基板とを備えた光変調器に関する。

【背景技術】

【0002】

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。近年の光変調器は広帯域化や小型化が求められており、一つの光変調器に複数の異なる高周波信号を同時に印加することが行われている。

【0003】

変調信号が６０ＧＨｚ以上のマイクロ波となると、信号の直進性が高く、変調基板の変調電極にワイヤボンディングで電気接続した場合には、伝送損失が大きくなる。このため、特許文献１では、変調基板に重なるように配線基板を配置する構造を提案している。

【0004】

配線基板内の配線の曲りやビアなどで配線方向が変化する場合や、配線基板の配線から変調基板の変調電極に接続する場合などでは、変調信号の一部が外部に放出され、変調電極に混入するという不具合を生じる。このような変調信号のクロストークは、配線基板と変調基板が近接して配置される場合は、特に顕著になる。また、複数の異なる変調信号を同時に扱う場合や、変調電極が形成する電界が光導波路に作用する作用部が複数近接する場合にも、クロストークの解消は重要な課題となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１４－１９１２５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

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、変調基板に重なるように配線基板を配置した場合でも、変調信号のクロストークを抑制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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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中継する配線を設けた配線基板とを備えた光変調器において、該配線基板は、該変調電極により変調が行われる作用部の全体を覆うように、該変調基板に重ねて配置され、該配線基板には、該作用部に対向する位置の少なくとも一部に、電波吸収部材が配置されていることを特徴とする。

【0008】

（２） 上記（１）に記載の光変調器において、該電波吸収部材は、該配線基板の接地配線又は該変調電極の接地電極のいずれかに接続されていることを特徴とする。

【0009】

（３） 上記（１）又は（２）に記載の光変調器において、該作用部では、複数のマッハツェンダー型光導波路が並列に配置され、各マッハツェンダー型光導波路に対応して変調電極が配置されていることを特徴とする。

【0010】

（４） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光変調器において、該変調電極は信号電極とそれを挟むように配置される接地電極を備え、該信号電極と該電波吸収部材までの距離は、該信号電極と該接地電極との間隔よりも大きいことを特徴とする。

【0011】

（５） 上記（３）に記載の光変調器において、該変調電極は信号電極と接地電極で構成され、特定のマッハツェンダー型光導波路と隣接する他のマッハツェンダー型光導波路との間に、該接地電極と該電波吸収部材とを対向して配置することを特徴とする。

【0012】

（６） 上記（５）に記載の光変調器において、該接地電極と該電波吸収部材とを平面視した場合に、該接地電極の内側に該電波吸収部材が配置され、両者の側辺の距離Ｓは、該接地電極に隣接する該信号電極の幅Ｗと該信号電極と該接地電極との間隔Ｇを用いて、以下の式を満足することを特徴とする。
Ｓ≧２Ｇ＋Ｗ ・・・・ 式

【0013】

（７） 上記（５）又は（６）に記載の光変調器において、該電波吸収部材は、該信号電極に沿って、該作用部の外にまで延びていることを特徴とする。

【0014】

（８） 上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の光変調器において、該配線基板には、該変調電極と電気的に接続される終端器が配置されていることを特徴とする。

【0015】

（９） 上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の光変調器において、該変調基板に隣接して該変調電極に印加する変調信号を発生するドライバ回路素子が配置され、該ドライバ回路素子の出力端子は、該配線基板の配線に接続されていることを特徴とする。

【0016】

（１０） 上記（９）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。

【発明の効果】

【0017】

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中継する配線を設けた配線基板とを備えた光変調器において、該配線基板は、該変調電極により変調が行われる作用部の全体を覆うように、該変調基板に重ねて配置され、該配線基板には、該作用部に対向する位置に、電波吸収部材が配置されているため、変調基板に重なるように配線基板を配置した場合でも、変調信号のクロストークを効果的に抑制可能な光変調器を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明に係る光変調器の一例を示す図である。

【図2】図１の光変調器の一部を拡大する側面図である。

【図3】本発明に係る光変調器の他の実施例に使用される配線基板を説明する図である。

【図4】図３の光変調器に使用される変調基板を説明する図である。

【図5】図３及び４の光変調器に係る側面図である。

【図6】図５の光変調器に示す点線Ａ１～Ａ３における断面図である。

【図7】電波吸収部材の配置パターンの一例を示す図である。

【図8】図７の点線Ａ３における断面図である。

【図9】図８の一部の拡大図であり、電波吸収部材の配置位置を説明する図である。

【図10】本発明に係る光変調器に係るさらに別の実施例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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１０に示すように、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１０とを有する変調基板１と、該変調電極１０に印加される変調信号を中継する配線２２を設けた配線基板２とを備えた光変調器において、該配線基板は、該変調電極により変調が行われる作用部を覆うように、該変調基板に重ねて配置され、該配線基板には、該作用部に対向する位置の少なくとも一部に、電波吸収部材ＳＨが配置されていることを特徴とする。

【0020】

図１は、光変調器の一例を示す平面図である。従来は、光変調器の一方の端面に入力光を導入し、他方の端面から出力光を導出する形態が主流であるが、近年では、図１に示すように、光変調器の一辺（図の右側）に、入力光Ｌ１を導入する入力用コリメータ６と出力光Ｌ２を導出する出力用コリメータ６０を共に配置し、光信号に係る接続の利便性を図っている。変調基板１には光導波路が形成され、入力光Ｌ１が入射され、出力光Ｌ２に係る光波が出力されている。

【0021】

一方、光波の入出力部とは反対側に、変調信号Ｓｉｎを入力する入力端子４が設けられている。入力端子４は、フレキシブル配線やコネクタ端子などで構成される。また、変調信号Ｓｉｎ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。入力端子４から入力された変調信号Ｓｉｎは、回路基板４０を経て、ドライバ回路素子３に入力される。ドライバ回路素子３は、信号増幅器が多段に接続されたものであり、増幅された変調信号を出力する。ドライバ回路素子３が出力する変調信号は配線基板２を介して、変調基板１の変調電極に印加される。

【0022】

ドライバ回路素子３は、変調基板１と同様に筐体５内に収容されても良いが、筐体５の外部に配置することも可能である。また、符号５０は、筐体５を気密封止するための蓋部材を示している。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

図２は、図１（ｂ）の点線枠部分の拡大図であり、変調信号を伝搬する配線２２（２５）が、配線基板２に形成されている。配線基板２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２の配線基板２の上面又は下面に電気配線が形成されている。また、配線基板２には、変調信号のための終端器Ｔも形成されている。

【0029】

配線基板２には、ビア２３、２４が設けられ、基板の反対面に配線が接続されている。配線基板（配線基板の裏面に形成された接続用配線部分（パッド部））と変調基板１の変調電極１０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、配線基板のパッド部をＡｕ電極パッドで形成し、変調電極のＡｕ電極と、熱／振動印加による圧着で接続する方法や、導電性接着剤Ｂによるバンプ接続などがある。

【0030】

図２に示すように、変調信号は、配線２２からビア２３、バンプＢを経て、変調電極１０に導入される。その後、バンプ、ビア２４を経て、配線２５に至り、終端抵抗などで構成される終端器Ｔに至る。終端器Ｔは熱源となるため、基板１から可能な限り遠ざけることが好ましい。

【0031】

本発明の光変調器の特徴は、図２に示すように、配線基板２の変調基板１（変調電極１０の作用部）に対向する位置に、電波吸収部材ＳＨを配置することである。電波吸収部材としては、鉄、カーボン、ニッケル、コバール等を用いたフェライト焼結材で構成することが好ましい。

【0032】

電波吸収部材は、配線基板２に形成される配線の接地配線や、変調電極１の接地電極（変調電極の一部）のいずれかに接続され、接地電位に設定されることが好ましい。

【0033】

図３～９は、光導波路を２つのネスト型光導波路を用いた例を示したものである。図３、配線基板２を示し、他の変調基板に形成される光導波路を点線ＷＧで示している。符号３は、ドライバ回路素子であり、上面に形成された出力端子３０からワイヤボンディングＷＢを介して変調信号が、配線基板２の配線のパッド部２１に伝送される。変調信号は、パッド部２１から配線２２、ビア２３を経て、配線基板２の裏面へと導かれる。

【0034】

図５に示すように、ビア２３を経た変調信号は、配線基板２の裏面に形成された配線２３０に繋がり、バンプ接続Ｂ１を経て、変調基板１の変調電極１０に伝送される。図４は、変調基板１を平面視した図である。変調基板１には、光導波路ＷＧや変調電極１０、バイアス電極１１が形成されている。図面を簡略化するため、変調電極を挟むように形成される接地電極などは、記載を省略している。

【0035】

変調電極１０を通過した変調信号は、バンプ接続Ｂ２を経て配線基板２の配線２４０に伝搬し、さらに、ビア２４、配線２５を経て終端器Ｔに到達する。終端器Ｔは、終端抵抗などを組み合わせた回路構成をしており、変調信号が熱エネルギーに変換され、熱源となる。図１（ｂ）のように、配線基板２は、変調基板１と共に、金属筐体５内に気密封止されるため、変調基板１、特に変調電極１０の作用部から遠ざけて終端器Ｔを配置することが好ましい。

【0036】

光変調のバイアス電圧を制御するため、バイアス電極１１が変調基板１に形成されているが、当該バイアス電極１１への電圧供給も、図３及び５の配線基板２の配線２７、ビア２８、配線２８０、バンプ接続Ｂ３を経て行うことも可能である。

【0037】

図３及び図４に示すように、変調電極１０が光導波路に電界を作用させる作用部では、複数のマッハツェンダー型光導波路が並列に配置されている。そして、各マッハツェンダー型光導波路に対応して変調電極が配置されている。各変調電極１０には異なる変調信号が印加されており、互いにクロストークも発生する。本発明では、図５に示すように、変調電極１０の作用部に対応して、配線基板２に電波吸収部材ＳＨを配置している。この電波吸収部材ＳＨにより、配線基板２側から漏出する変調信号の一部が、変調電極１０に混入することが抑制される。なお、電波吸収部材ＳＨは配線基板２の表面に形成しているが、必要に応じて、配線基板２に凹部を形成し、該凹部に埋め込むように形成しても良い。

【0038】

図５の点線Ａ１～Ａ３における各断面図の一部を、図６（ａ）～（ｃ）に示す。ここで、図６（ｂ）及び（ｃ）に描かれる符号ＷＧ１とＷＧ２は、光導波路ＷＧの一つのマッハツェンダー型光導波路の分岐導波路を示している。

【0039】

特に、図６（ｃ）に示すように、変調電極は信号電極１０とそれを挟むように配置される接地電極ＧＮＤを備え、該信号電極１０と電波吸収部材ＳＨまでの距離Ｈは、該信号電極１０と該接地電極ＧＮＤとの間隔Ｇよりも大きくなるように設定される。これは、電波吸収部材の存在が、信号電極と接地電極との間に形成される電界を阻害しないようにするためである。

【0040】

図６では、信号電極の上方に電波吸収部材ＳＨを配置する実施例を示したが、この場合には、信号電極と接地電極とで形成する電界の一部が電波吸収部材に吸収され、分岐導波路ＷＧ１及びＷＧ２に印加される電界が弱くなる可能性がある。この不具合を解消するため、図７～９では、信号電極１０の間に配置される接地電極と対向して電波吸収部材を配置する実施例を説明する。

【0041】

図７は、図４の変調基板１の上に、配線基板２配置する電波吸収部材ＳＨの配置パターンを重ね合わせた図である。隣接するマッハツェンダー型光導波路の間、あるいは信号電極間に、電波吸収部材ＳＨを配置している。

【0042】

図８は、図７の点線Ａ３における断面図である。隣接するマッハツェンダー型光導波路の間（信号電極間）には、接地電極ＧＮＤが配置され、その接地電極に対向するように、配線基板２に電波吸収部材ＳＨが配置されている。この電波吸収部材ＳＨと接地電極ＧＮＤとが、隣接するマッハツェンダー型光導波路の作用部に印加される変調信号のクロストークを効果的に抑制する。しかも、信号電極の上側には電波吸収部材ＳＨが配置されていないため、信号電極の形成する電界を吸収することも抑制される。

【0043】

図９は、図８の一部をさらに拡大した図である。参考までに、接地電極ＧＮＤと配線基板２に設けられた接地配線とを電気的に接続するバンプＢも示している。バンプＢの高さＨは、５０μｍ程度である。

【0044】

図９の接地電極ＧＮＤと電波吸収部材ＳＨとを図面の上方から平面視した場合に、該接地電極ＧＮＤの内側に該電波吸収部材ＳＨが配置されている。また、両者の側辺の距離Ｓは、信号電極１０（ＳＩＧ１又はＳＩＧ２）が形成する電界に影響をできるだけ与えないように設定される。具体的には、接地電極に隣接する信号電極の幅Ｗと該信号電極と該接地電極との間隔Ｇを用いて、以下の式を満足するように設定される。
Ｓ≧２Ｇ＋Ｗ ・・・・ 式

【0045】

さらに、図７に示すように、電波吸収部材ＳＨの変調信号が伝搬する方向（信号電極１０に沿った方向）の長さを、信号電極１０の作用部の外にまで延ばすことにより、配線基板２の裏面に形成された配線２３０と変調基板１の変調電極１０との接続部であるバンプ接続Ｂ１から放射されるクロストーク信号を、効果的に遮断することが可能となる。なお、図７における作用部の領域（図面の横方向の幅）は、ほぼ信号電極１０の長さと一致している。図７では、信号電極１０の長さより電波遮蔽部材ＳＨの長さの方が長くなっている。

【0046】

図１０は、図５の変形例であり、配線基板２の裏面に、配線２２等が設けられている。そして、変調基板１に隣接して配置され、変調電極１０に印加する変調信号を発生するドライバ回路素子３が配置され、該ドライバ回路素子の上面に形成された出力端子に、該配線基板２の配線２２が接続されている。これにより、図５のワイヤボンディングＷＢも省略され、配線を簡略化することができる。図１０では、終端器Ｔは配線基板２の下面に設けられているが、当然、図５と同様に、配線基板２の上面に配置することも可能であることは言うまでもない。

【0047】

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。

【産業上の利用可能性】

【0048】

以上のように、本発明によれば、変調基板に重なるように配線基板を配置した場合でも、変調信号のクロストークを抑制可能な光変調器を提供することが可能となる。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もできる。

【符号の説明】

【0049】

１ 変調基板
２ 配線基板
３ ドライバ回路素子
ＳＨ 電波吸収部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】