JP2002141711A - 差動ストリップ線路垂直変換器および光モジュール - Google Patents
差動ストリップ線路垂直変換器および光モジュールInfo
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Abstract
動マイクロストリップ線路から差動トリプレート線路へ
垂直変換する場合、差動マイクロストリップ線路を構成
している線路導体間を広く開け、結合を無くした状態に
しなくてはならなかったため、差動動作の特徴である雑
音信号に対する信号劣化が少ないという点を生かすこと
が出来ず、また、垂直変換器の構成も大きいという問題
点があった。 【解決手段】 誘電体上に差動マイクロストリップ線路
10と差動トリプレート線路11を設け、これらの線路
をビア6にて接続して平行2線路とし、ビアの間隔を所
望のインピーダンスにすることによって、差動マイクロ
ストリップ線路10と差動トリプレート線路11間を差
動状態のまま、インピーダンスの整合を図りつつ、垂直
に接続することが可能となる。
Description
路垂直変換器、およびそれを搭載した光モジュールに関
するものである。
は受信し通信を行うためのデバイスである光モジュール
では、伝送速度の高速化が図られる一方、小型化も要求
されている。これらの要求を実現する一つの方法とし
て、例えば半導体レーザダイオードのような電気光変換
素子とこれを駆動する増幅器、MUX(多重化回路)/
DEMUX(多重分離回路)等の部品を一体化した光モ
ジュールが考えられている。また、上記モジュールを構
成する部品間では直流信号から高周波信号までを伝送す
る必要があるため、外部からの雑音、電源電圧変動を考
慮した信号線路形態として差動信号を伝送する差動スト
リップ線路が一般に用いられる。この様なモジュールを
構成するパッケージ構造としては、セラミック等の誘電
体を積層し、信号、電源線路等を誘電体と一体化して形
成した多層配線を設けることにより実現が可能となる。
このような多層配線が形成される多層基板にて、より実
装密度の高い光モジュールのパッケージ構造を実現する
ためには、差動ストリップ線路を誘電体間にて垂直に接
続する差動ストリップ線路垂直変換器を用いることが必
須となる。
プ線路垂直変換器を示したもので、図9は従来のストリ
ップ線路垂直変換器の透視斜視図、図10は図9におけ
るI-I'断面図、図11の(A)は上面図、(B)は図9
におけるAでの平面断面図、(C)は図9におけるBで
の平面断面図、(D)は図9におけるCでの平面断面図
である。1、2、3は誘電体、4はマイクロストリップ
線路、5はトリプレート線路、6は信号ビア、7、8は
地導体、9は整合ビアである。地導体7と地導体8を接
続した整合ビア9を信号ビア6の周囲に配置し、同軸状
に形成する構造となっており、信号ビア6は、それぞれ
マイクロストリップ線路4及びトリプレート線路5に接
続している。信号ビア6と整合ビア9の間隔を調整する
ことによって同軸線路としてのインピーダンスを変化さ
せることができるため、マイクロストリップ線路4、ト
リプレート線路5の特性インピーダンスに整合させるこ
とができる。そのため、整合がとれたストリップ線路垂
直変換器を形成することが可能となる。このストリップ
線路垂直変換器を用いて差動信号の垂直変換器を構成す
るには、差動線路を構成する線路のそれぞれにこのスト
リップ線路垂直変換器を設けることにより、差動線路と
してのストリップ線路垂直変換器を構成することができ
る。
トリップ線路垂直変換器は構成されているため、次の課
題があった。図12に差動マイクロストリップ線路の信
号伝送方向と直行する断面の模式図と、その電気力線を
示す。sは線路間の間隔であり、wは線路の幅である。差
動マイクロストリップ線路は差動マイクロストリップ線
路を構成する線路間の電界結合と地導体間の電界結合か
らなる伝送モードであり、その特徴としては外部からの
雑音に対して妨害を受け難いことが挙げられるが、この
特徴を生かすにはsを十分に狭くし、差動マイクロスト
リップ線路間に電界を集中させることが重要である。と
ころが、従来のストリップ線路垂直変換器では差動動作
であっても互いに電界が結合していない状態での垂直変
換であるため、差動動作の特徴を生かすことができず、
また、整合ビア9も必要であるため構造が複雑となりス
トリップ線路垂直変換器が大きくなるという問題点があ
った。
なされたもので、差動状態のままで動作する、整合ビア
を用いないようなより簡単な構造の差動ストリップ線路
垂直変換器、およびその変換器を搭載した光モジュール
を得ることを目的としている。
トリップ線路変換器は、第一の誘電体と、第二の誘電体
と、上記第一の誘電体の一方の面と上記第二の誘電体の
一方の面の間に設けられた第一の地導体と、上記第一の
誘電体の他方の面に設けられ、上記第一の地導体と電界
結合して差動信号を伝送する、第一のマイクロストリッ
プ線路導体および第二のマイクロストリップ線路導体か
ら成る差動マイクロストリップ線路と、第三の誘電体
と、上記第三の誘電体の一方の面に設けられた第二の地
導体と、上記第二の誘電体の他方の面と上記第三の誘電
体の他方の面との間に設けられ、上記第一の地導体およ
び上記第二の地導体と電界結合して差動信号を伝送す
る、第一のトリプレート線路導体および第二のトリプレ
ート線路導体から成る差動トリプレート線路とを備え、
上記第一のマイクロストリップ線路導体の端部と上記第
一のトリプレート線路導体の端部とは第一のビアで接続
され、上記第二のマイクロストリップ線路導体の端部と
上記第二のトリプレート線路導体の端部とは第二のビア
で接続され、上記第一の地導体は、上記第一のビアと上
記第二のビアとに接触しないように形成された刳り貫き
部を有するものである。
器は、上記第一のビアと上記第二のビアの間隔を、上記
第一、第二のマイクロストリップ線路導体間の間隔より
長くしたものである。
器は、上記第一のビアと上記第二のビアの間隔を、反射
損失が所望の特性となるように設定したものである。
器は、上記第一のビアと上記第二のビアの間隔を、上記
第一、第二のマイクロストリップ線路導体間の間隔と概
略同じとし、上記第一のビアと上記第二のビアの直径
を、0.1mmより小さくしたものである。
器は、上記第一のビアと上記第二のビアの間隔を、上記
第一、第二のマイクロストリップ線路導体間の間隔と概
略同じとし、上記第一のビアと上記第二のビアの直径
を、反射損失が所望の特性となるように設定したもので
ある。
器は、第一の誘電体と、第二の誘電体と、上記第一の誘
電体の一方の面に設けられた第一の地導体と、上記第一
の誘電体の他方の面と上記第二の誘電体の一方の面との
間に設けられ、上記第一の地導体および上記第二の地導
体と電界結合して差動信号を伝送する、第一のトリプレ
ート線路導体および第二のトリプレート線路導体から成
る第一の差動トリプレート線路と、第三の誘電体と、第
四の誘電体と、上記第二の誘電体の他方の面と上記第三
の誘電体の一方の面との間に設けられた第二の地導体
と、上記第四の誘電体の一方の面に設けられた第三の地
導体と、上記第三の誘電体の他方の面と上記第四の誘電
体の他方の面との間に設けられ、上記第二の地導体およ
び上記第三の地導体と電界結合して差動信号を伝送す
る、第三のトリプレート線路導体および第四のトリプレ
ート線路導体から成る第二の差動トリプレート線路とを
備え、上記第一のトリプレート線路導体の端部と上記第
三のトリプレート線路導体の端部とは第一のビアで接続
され、上記第二のトリプレート線路導体の端部と上記第
四のトリプレート線路導体の端部とは第二のビアで接続
され、上記第二の地導体は、上記第一のビアと上記第二
のビアとに接触しないように形成された刳り貫き部を有
するものである。
器は、上記第一のビアと上記第二のビアの間隔を、上記
第一、第二のトリプレート線路導体間の間隔または上記
第三、第四のトリプレート線路導体間の間隔と概略同じ
となるようにしたものである。
1の発明から第7の発明のいずれかに記載の差動ストリ
ップ線路垂直変換器を具備し、光半導体素子の搭載され
たモジュール内での信号伝送を行うものである。
の実施の形態1の差動ストリップ線路垂直変換器を示す
透視斜視図であり、図2は、この発明の実施の形態1を
示す図1のII-II'断面図、図3は、この発明の実施の形
態1を示す上面図及び平面断面図であり、図中(A)
は、上面図、(B)は図1のDにおける平面断面図、
(C)は図1のEにおける平面断面図、(D)は、図1
のFにおける平面断面図であり、図4はこの発明の実施
の形態1を示す変換器の動作を説明する図3(B)の信
号ビア6の拡大図、図5は、この発明の実施の形態1を
示す有限要素法によるシミュレーション特性図である。
図において10は差動マイクロストリップ線路、11は
差動トリプレート線路である。差動マイクロストリップ
線路10は誘電体1及び地導体7により差動マイクロス
トリップ線路として形成されており、差動トリプレート
線路11は誘電体2,3を上下に配置し、地導体7、8
を誘電体2,3の上下に配置することにより差動トリプ
レート線路として形成されている。差動マイクロストリ
ップ線路10と差動トリプレート線路11は、誘電体1
から誘電体2に貫通する信号ビア6によりそれぞれ接続
されている。
ストリップ線路10及び差動トリプレート線路11はそ
れぞれ図12においてs及びwを適当に選ぶことにより、
所望の特性インピーダンスを持つ線路を形成することが
可能である。このとき、sをなるべく狭くした方が良い
ことは言うまでも無い。一方、信号ビア6での特性イン
ピーダンスについて考えてみると、信号ビア6は平行2
線路と見なすことができ、このときの特性インピーダン
スZoは、数1で表すことができる。
間の距離、rはビアの直径である。平行2線路での差動
信号の電界分布から、仮想的に平行2線路の中心が0電
位と見なすことができるので信号ビア6の片側のインピ
ーダンスは数1の1/2の値となる。ここで、差動マイ
クロストリップ線路10、差動トリプレート線路11の
特性インピーダンスが50Ωの場合を例に動作を説明す
る。誘電体1,2,3の誘電体厚を0.2mm、εr=
8.6とすれば、差動マイクロストリップ線路10では
s=0.4mm、w=0.19mm、差動トリプレート
線路11ではs=0.4mm、w=0.08mmの諸元
にて特性インピーダンス50Ωの線路を実現できる。こ
こで、信号ビア6の直径rをr=0.2mmとし、間隔
dをsと等しくした場合、すなわちd=s=0.4mm
としたときの信号ビア6の特性インピーダンスを計算す
るとZo/2=28Ωとなる。一方、差動マイクロスト
リップ線路10、差動トリプレート線路11の特性イン
ピーダンスとインピーダンス整合を取るにはZo/2=
50Ωとなるようにする必要がある。数1より、Zo/
2=50Ωを満足するにはrすなわち信号ビア6の直径
を小さくするか、信号ビア6の間隔dを広げれば良いこ
とが分かるが、信号ビア6の製造上の制約によってはr
を小さくすることが不可能な場合がある。このような場
合、Zo/2=50Ωを満足するようにdを求めると、
数1よりd=1.2mmとなる。従って信号ビア6の間
隔dを1.2mmとすれば、整合がとれた状態を実現す
ることができる。このとき、dとsが異なるため、差動マ
イクロストリップ線路10、差動トリプレート線路11
の線路間隔sを信号ビア6の近傍にて徐々に広げるよう
にすれば良い。このとき、線路間隔sを広げるのに合わ
せて線路幅wを広げることによって、特性インピーダン
スを常に50Ωに保つことが可能であるため、整合性に
は問題無い。また、線路間を結合させながら間隔を広げ
るため、その差動動作には影響が無い。図5において反
射損失は差動ストリップ線路10、差動トリプレート線
路11、信号ビア6それぞれの特性インピーダンスの整
合性を示しており、図の下に行く程、整合が取れている
ことを示している。図5より、d=1.2mm、r=
0.2mmのとき、全ての周波数で反射損失が最も良
く、整合がとれていることを確認した。
よれば、製造可能な信号ビア6の直径を有しながら、イ
ンピーダンス整合をとって差動信号のままで変換を行う
ことが可能であり、また、地導体7、8間を接続する整
合ビア9も不要なため、小型化を図ることが可能であ
る。したがって、差動マイクロストリップ線路において
信号ビア6の直径が細いものを製造できなくても、垂直
に接続する信号ビア6の間隔を変えることによって、差
動動作のまま特性インピーダンスを最適の値に設定する
ことができるため、整合がとれ、かつ小型化を図った垂
直変換器を得ることができる。
間隔dを適当に配置することによってインピーダンスの
整合を取っていたが、信号ビア6の製造上の問題が無け
れば、信号ビア6の直径rを変えることにより特性イン
ピーダンスを適当に選び整合を取っても良い。ただし、
現状ではビアの直径が0.1mmより小さくなると、製
造が極めて難しくなる。
形態2の差動ストリップ線路垂直変換器を示す透視斜視
図であり、図2は、この発明の実施の形態2を示す図6
のII-II'断面図であり、図4はこの発明の実施の形態2
を示す変換器の動作を説明する信号ビア6の拡大図であ
る。誘電体1から誘電体2に貫通する信号ビア6によ
り、差動マイクロストリップ線路10と差動トリプレー
ト線路11を接続している。
施の形態1と同様の場合を考える。差動マイクロストリ
ップ線路10、差動トリプレート線路11の特性インピ
ーダンスを50Ωとし、線路間隔と等しい間隔で信号ビ
ア6を設けた場合、信号ビア6の特性インピーダンスは
Zo/2=28Ωとなる。差動ストリップ線路の特性イ
ンピーダンス50Ωとインピーダンス整合を取るには、
数1より、Zo/2=50Ωを満足するためにrすなわ
ち信号ビア径を小さくすれば良い。Zo/2=50Ωを
満足するようにrを求めると、数1よりd=0.4mm
のとき、r=0.07mmとなる。従ってここで求めた
直径を有する信号ビア6を製造することにより(可能で
あれば)、差動マイクロストリップ線路10、差動トリ
プレート線路11と等しい間隔で信号ビア6を配置する
ことが可能となり、より小型化を図った上で整合がとれ
た変換を実現することができる。なお、現状では0.0
8mm程度のビア径を製造できることが知られている。
形態3の差動ストリップ線路垂直変換器を示す透視斜視
図であり、図8は、この発明の実施の形態1を示す図7
のIII−III'の断面図である。12は誘電体、13は地
導体、14は差動トリプレート線路である。差動トリプ
レート線路14は誘電体1、12をそれぞれ上下に配置
し、地導体7,13を誘電体1、12の上下に配置する
ことによって、また、差動トリプレート線路11は誘電
体2,3を上下に配置し、地導体7、8を誘電体2,3
の上下に配置することによってそれぞれ差動トリプレー
ト線路を構成している。差動トリプレート線路14と差
動トリプレート線路11は誘電体1から誘電体2に貫通
する信号ビア6により、相互に接続されている。
ート線路11、14はこの発明の実施の形態1と同様に
所望の特性インピーダンスを持つように設定することが
できる。また、信号ビア6の特性インピーダンスも数1
にて表すことができる。この発明の実施の形態1と同様
の場合を考えた場合、線路間隔と等しい間隔で信号ビア
6を設けると、信号ビア6の特性インピーダンスはZo
/2=28Ωとなる。差動ストリップ線路の特性インピ
ーダンスとインピーダンス整合を取るにはZo/2=5
0Ωとなるようにする必要があるが、数1より、Zo/
2=50Ωを満足するためにrすなわち信号ビア径を小
さくするか、信号ビア6の間隔dを広げれば良い。信号
ビア6の直径、あるいは間隔はこの発明の実施の形態1
及び2と同様の寸法にすれば整合がとれた変換を実現す
ることができる。
よれば、差動トリプレート線路間の垂直給電接続も差動
信号のままで変換を行うことが可能である。
トリップ線路垂直変換器を用いて、内部に搭載されるLD
(レーザダイオード)素子駆動ドライバーとMUX/DEMUX
間の信号伝送を行うように、光モジュールを構成するこ
とにより、数Gbit/s〜数十Gbit/sの高周波信号を出
力する光モジュールが、より高い実装密度で構成するこ
とが可能となる。
ば、インピーダンス整合をとりつつ、整合ビアを用いず
に小型化を図った垂直変換器を得ることができる。
接続する信号ビア6の直径を変えることによって、差動
動作のまま特性インピーダンスを最適の値に設定するこ
とができるため、インピーダンス整合がとれ、かつ小型
化を図った垂直変換器を得ることができる。
接続する信号ビア6の間隔を、差動トリプレート線路の
間隔と概ね同じにしながらも、インピーダンス整合がと
れ、かつ小型化を図った垂直変換器を得ることができ
る。
器の実施の形態1、2を示す透視斜視図である。
器の実施の形態1、2を示す図1のII-II'断面図であ
る。
器の実施の形態1、2を示す上面図および平面断面図で
あり、(A)は上面図、(B)は図1のDにおける平面
断面図、(C)は図1のEにおける平面断面図、(D)
は図1のFにおける平面断面図である。
器の実施の形態1、2を示す図3中(B)の信号ビア6
の拡大図である。
器の実施の形態1を示すシミュレーション特性図であ
る。
器の実施の形態2を示す透視斜視図である。
器の実施の形態3を示す透視斜視図である。
器の実施の形態3を示す図6のIII−III'断面図であ
る。
斜視図である。
8のI-I'断面図である。
面図および平面断面図であり、(A)は上面図、(B)
は図8のAにおける平面断面図、(C)は図8のBにお
ける平面断面図、(D)は図8のCにおける平面断面図
である。
である。
Claims (8)
- 【請求項1】第一の誘電体と、第二の誘電体と、上記第
一の誘電体の一方の面と上記第二の誘電体の一方の面の
間に設けられた第一の地導体と、上記第一の誘電体の他
方の面に設けられ、上記第一の地導体と電界結合して差
動信号を伝送する、第一のマイクロストリップ線路導体
および第二のマイクロストリップ線路導体から成る差動
マイクロストリップ線路と、第三の誘電体と、上記第三
の誘電体の一方の面に設けられた第二の地導体と、上記
第二の誘電体の他方の面と上記第三の誘電体の他方の面
との間に設けられ、上記第一の地導体および上記第二の
地導体と電界結合して差動信号を伝送する、第一のトリ
プレート線路導体および第二のトリプレート線路導体か
ら成る差動トリプレート線路とを備え、上記第一のマイ
クロストリップ線路導体の端部と上記第一のトリプレー
ト線路導体の端部とは第一のビアで接続され、上記第二
のマイクロストリップ線路導体の端部と上記第二のトリ
プレート線路導体の端部とは第二のビアで接続され、上
記第一の地導体は、上記第一のビアと上記第二のビアと
に接触しないように形成された刳り貫き部を有すること
を特徴とする差動ストリップ線路垂直変換器。 - 【請求項2】 上記第一のビアと上記第二のビアの間隔
が、上記第一、第二のマイクロストリップ線路導体間の
間隔より長いことを特徴とする請求項1記載の差動スト
リップ線路垂直変換器。 - 【請求項3】 上記第一のビアと上記第二のビアの間隔
を、反射損失が所望の特性となるように設定したことを
特徴とする請求項2記載の差動ストリップ線路垂直変換
器。 - 【請求項4】 上記第一のビアと上記第二のビアの間隔
を、上記第一、第二のマイクロストリップ線路導体間の
間隔と概略同じとし、上記第一のビアと上記第二のビア
の直径を、0.1mmより小さくしたことを特徴とする
請求項1記載の差動ストリップ線路垂直変換器。 - 【請求項5】 上記第一のビアと上記第二のビアの間隔
を、上記第一、第二のマイクロストリップ線路導体間の
間隔と概略同じとし、上記第一のビアと上記第二のビア
の直径を、反射損失が所望の特性となるように設定した
ことを特徴とする請求項1記載の差動ストリップ線路垂
直変換器。 - 【請求項6】 第一の誘電体と、第二の誘電体と、上記
第一の誘電体の一方の面に設けられた第一の地導体と、
上記第一の誘電体の他方の面と上記第二の誘電体の一方
の面との間に設けられ、上記第一の地導体および上記第
二の地導体と電界結合して差動信号を伝送する、第一の
トリプレート線路導体および第二のトリプレート線路導
体から成る第一の差動トリプレート線路と、第三の誘電
体と、第四の誘電体と、上記第二の誘電体の他方の面と
上記第三の誘電体の一方の面との間に設けられた第二の
地導体と、上記第四の誘電体の一方の面に設けられた第
三の地導体と、上記第三の誘電体の他方の面と上記第四
の誘電体の他方の面との間に設けられ、上記第二の地導
体および上記第三の地導体と電界結合して差動信号を伝
送する、第三のトリプレート線路導体および第四のトリ
プレート線路導体から成る第二の差動トリプレート線路
とを備え、上記第一のトリプレート線路導体の端部と上
記第三のトリプレート線路導体の端部とは第一のビアで
接続され、上記第二のトリプレート線路導体の端部と上
記第四のトリプレート線路導体の端部とは第二のビアで
接続され、上記第二の地導体は、上記第一のビアと上記
第二のビアとに接触しないように形成された刳り貫き部
を有することを特徴とする差動ストリップ線路垂直変換
器。 - 【請求項7】 上記第一のビアと上記第二のビアの間隔
を、上記第一、第二のトリプレート線路導体間の間隔ま
たは上記第三、第四のトリプレート線路導体間の間隔と
概略同じとなるようにしたことを特徴とする請求項6記
載の差動ストリップ線路垂直変換器。 - 【請求項8】 上記請求項1から7のいずれかに記載の
差動ストリップ線路垂直変換器を具備し、光半導体素子
の搭載されたモジュール内での信号伝送を行うことを特
徴とする光モジュール。
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