JP2009026826A - 光送受信モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】光受信部へのクロストークを低減すると共に、小型化及び低コスト化を容易に実現すること。
【解決手段】光送受信モジュール1aは、相補的な差動信号で駆動され、外部に光信号を送信するレーザダイオード18と、外部からの光信号を受信するフォトダイオード20と、レーザダイオード18及びフォトダイオード20を収容するパッケージ10と、を備え、レーザダイオード18のアノードとパッケージ10との間の静電容量と、該レーザダイオード18のカソードとパッケージ10との間の静電容量とが略等しい。
【選択図】図1
【解決手段】光送受信モジュール1aは、相補的な差動信号で駆動され、外部に光信号を送信するレーザダイオード18と、外部からの光信号を受信するフォトダイオード20と、レーザダイオード18及びフォトダイオード20を収容するパッケージ10と、を備え、レーザダイオード18のアノードとパッケージ10との間の静電容量と、該レーザダイオード18のカソードとパッケージ10との間の静電容量とが略等しい。
【選択図】図1
Description
本発明は、光通信において用いられる光送受信モジュールに関するものである。
従来から、光送信部と光受信部とを一つのパッケージ内に収容した光送受信モジュールが知られている。この光送受信モジュールにおいては、光送信部が、レーザダイオードを駆動するための比較的大きな電流を扱う一方、光受信部は、フォトダイオードから出力された小さな光電流を扱う。そのため、光送信部から光受信部へのノイズの回り込み(クロストーク)が生じ易い。
このクロストークによる受信信号への影響を低減するために、下記特許文献1に記載の光送受信モジュールは、レーザダイオードのグラウンドとフォトダイオードのグラウンドとを、別々の金属板に搭載している。また、下記特許文献2に記載の光送受信モジュールは、レーザダイオードの裏面電極と基板とを直接電気接続させるとともに、受信側にシールド導体を設けている。このシールド導体は信号伝送導体と交差するように配置されている。更に、下記特許文献3に記載の光送受信装置は、各増幅部における、フォトダイオードからの出力信号のタイミングと、この出力信号に含まれるノイズのタイミングとをそれぞれ調整する遅延回路を備えている。
特開2005−203553号公報
特開2006−041234号公報
特開2006−253820号公報
しかしながら、上記特許文献1及び2に記載の光送受信モジュールは、いずれも物理的手段によりノイズを抑制するため、一定範囲の空間を確保したり、専用の部材を設けたりする必要がある。一方、上記特許文献3に記載の光送受信装置では、遅延回路を設ける必要があるため、全体の回路規模が大きくなってしまう。そのため、これら光送受信モジュールの小型化及び低コスト化が容易でない。
本発明は、上記課題を解決する為になされたものであり、光受信部へのクロストークを低減できると共に、小型化及び低コスト化を容易に実現できる光送受信モジュールを提供することを目的とする。
本発明の光送受信モジュールは、相補的な差動信号で駆動され、外部に光信号を送信するレーザダイオードと、外部からの光信号を受信するフォトダイオードと、前記レーザダイオード及び前記フォトダイオードを収容するパッケージと、を備え、前記レーザダイオードのアノードと前記パッケージとの間の静電容量と、該レーザダイオードのカソードと前記パッケージとの間の静電容量とが略等しい。
また本発明の光送受信モジュールでは、パッケージに収容されたヒートシンクと、ヒートシンクの上面に設けられ、アノードと、パッケージに設けられた第1リードピンとを電気的に接続する第1配線と、ヒートシンクの上面に設けられ、カソードと、パッケージに設けられた第2リードピンとを電気的に接続する第2配線と、を更に備え、第1リードピンとパッケージとの間の静電容量と、第1配線とパッケージとの間の静電容量との和と、第2リードピンとパッケージとの間の静電容量と、第2配線とパッケージとの間の静電容量との和とが略等しいことが好ましい。
これらの光送受信モジュールによれば、パッケージとレーザダイオードのアノードとの間の静電容量と、パッケージとレーザダイオードのカソードとの間の静電容量とがほぼ等しいので、レーザダイオードを駆動する相補的な差動信号が接地に漏れた場合に、接地電位がアノード及びカソードの中点電位として維持される。そのため、接地電位の揺らぎが小さくなり、フォトダイオードに伝播する接地電位の揺らぎも低減される。その結果、フォトダイオードが生成する電流信号のノイズ、すなわちクロストークを低減できる。また、このような光送受信モジュールでは、クロストークの低減の際に特別な遮蔽部材や特殊回路などを用いないので、光送受信モジュールの小型化及び低コスト化を容易に実現できる。
本発明の光送受信モジュールでは、前記第1配線及び前記第2配線のうち一方の配線がダイパッドを有し、前記レーザダイオードが、前記ダイパッド上に載置され、前記第1配線及び前記第2配線のうち他方の配線のリードピン側端部に拡大部が設けられていることが好ましい。
また本発明の光送受信モジュールでは、前記第1配線及び前記第2配線のうち一方の配線がダイパッドを有し、前記レーザダイオードが、前記ダイパッド上に載置され、前記第1配線及び前記第2配線のうち他方の配線が、前記一方の配線を取り囲むように屈曲して形成されていることが好ましい。
これらの光送受信モジュールによれば、第1配線及び第2配線のうち他方の配線の面積が拡張される。第1配線及び第2配線に係るパッケージに対する静電容量は、各配線の面積に基づいて決まるので、このように他方の配線の面積を拡張することで、レーザダイオードのアノードに係る静電容量とカソードに係る静電容量とが略等しくなる。そのため、接地電位がアノード及びカソードの中点電位として維持され、接地電位の揺らぎが小さくなるので、フォトダイオードに伝播する接地電位の揺らぎが低減される。その結果、フォトダイオードが生成する電流信号のノイズ、すなわちクロストークを低減できる。また、このような光送受信モジュールも、クロストークの低減の際に特別な遮蔽部材や特殊回路などを用いないので、光送受信モジュールの小型化及び低コスト化を容易に実現できる。
このような光送受信モジュールによれば、光受信部へのクロストークを低減できると共に、小型化及び低コスト化を容易に実現できる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
(第1実施形態)
図1は第1実施形態に係る光送受信モジュール1aの斜視図である。図2はその光送受信モジュール1aの上面図である。図3は図1に示すヒートシンク16上の配線を示す拡大斜視図である。図4は、光送受信モジュール1aの回路図である。
図1は第1実施形態に係る光送受信モジュール1aの斜視図である。図2はその光送受信モジュール1aの上面図である。図3は図1に示すヒートシンク16上の配線を示す拡大斜視図である。図4は、光送受信モジュール1aの回路図である。
光送受信モジュール1aは、1Gbps以上の双方向高速光データ通信に用いられる。光送受信モジュール1aは、略円形のステム10aと図示しないキャップとを有するパッケージ10を備えている。ステム10aの上面には、光出力モニタフォトダイオード(以下「光出力モニタ」という)12、波長フィルタ14、ヒートシンク16、レーザダイオード(以下「LD」という)18、フォトダイオード(以下「PD」という)20、及びプリアンプ22が設置されている。これらの構成部品は、図2に示すように、ステム10aの中心を中心点とする直径24mmの実装領域A内にほぼ収まるように配置されており、図示しないキャップをステム10aの上面に固定することによりパッケージ10内に収容される。
パッケージ10には複数のリードピン24が設けられている。これらリードピン24は、実装領域Aを囲むようにステム10aを貫通しており、低融点ガラスなどのシールガラス26によって固定されている。リードピン24は、給電、接地および電気信号の入出力端子として利用される。各リードピン24は、直径25μm程度の細径金ワイヤを介して半導体デバイス及び配線部材と接続されている。光送受信モジュール1aは、リードピン24aを介して電源電圧VCC端子と接続されると共に、リードピン24bを介して接地されている。更に光送受信モジュール1aは、リードピン24c及びリードピン24dを介してLD駆動回路3と接続されると共に、リードピン24e及びリードピン24fを介してリミティングアンプ回路(以下「LA回路」という)4と接続されている(図4)。
光出力モニタ12は、後述するLD18の出力を測定する部品である。波長フィルタ14は、光に含まれる波長成分を波長に応じて選択的に反射する部品である。
ヒートシンク16は直方体形状であり、光出力モニタ12と波長フィルタ14との間に設けられている(図3)。ヒートシンク16の上面には、第1配線28と、ダイパッドを兼ねる第2配線30(ダイパッドを備える第2配線)とが、それぞれ該ヒートシンク16の長手方向に延びるように設けられている。言い換えれば、第1配線28と第2配線30とは、ヒートシンク16上において互いに並行するように設けられている。
LD18は、第2配線30の一端部30a上(ダイパッド上)に載置されている。LD18にはn型基板が用いられており、LD18の下面(第2配線30と接する面)はカソード、上面はアノードである。なおp型基板を用いたLDの場合は、下面がアノード、上面がカソードとなる。したがって、LD18は、第2配線30上に載置されることにより、そのカソードと第2配線30とが電気的に接続される。
第1配線28の一端部28aとLD18のアノードとは、ボンディングワイヤW1により接続されており、第1配線28の他端部(リードピン側端部)28bとリードピン24cとは、ボンディングワイヤW2により接続されている(図3)。一方、第2配線30の他端部30bは、ボンディングワイヤW3を介してリードピン24dと接続されている(図3)。すなわち、リードピン24c及び24dは、それぞれ第1リードピン、第2リードピンとして機能する。これによりLD18は、LD駆動回路3からリードピン24c及び24dを介して供給される相補的な差動信号(電流パルス)により駆動され、その差動信号に応じた光信号を外部に出力する。なお、差動信号の電流値は数十mAp−p(peak−to−peak)である。
第1配線28の他端部28bは、第2配線30の他端部30b側に逆L字状に屈曲して形成されている。また、第1配線28の他端部28bは、ヒートシンク16の長手方向、すなわち第2配線30に沿う方向に拡大されている。すなわち、第1配線28の他端部28bには、ヒートシンク16の長手方向及び幅方向に拡大された拡大部が設けられている(図3及び4)。
PD20は、外部からパッケージ10に対して接続された光ファイバ(図示せず)からの光信号を受信して電流信号に変換する。PD20が生成する電流信号の電流値は数μAp−pである。PD20は、ボンディングワイヤW4を介してプリアンプ22と接続されている(図3)。
プリアンプ22は、PD20からの電流信号を増幅する。プリアンプ22はリードピン24aを介して電源電圧VCC端子に接続されると共に、リードピン24bを介して接地されている(図4)。更にプリアンプ22は、リードピン24e及びリードピン24fを介してLA回路4と接続されている。プリアンプ22とリードピン24aとを結ぶ配線の途中にはコンデンサCの一端が接続されている。コンデンサCの他端はリードピン24gに接続されている。
次に、LD駆動回路3からLD18に差動信号を供給した際の光送受信モジュール1aの特性について説明する。
リードピン24cとパッケージ10との間の静電容量をCLA、リードピン24dとパッケージ10との間の静電容量をCLK、第1配線28とパッケージ10との間の静電容量をCHA、第2配線30とパッケージとの間の静電容量をCHKとする。そして、各リードピン24が貫通するリード孔の内径を0.8mm、各リードピンの径を0.3mm、ステム10aの厚さを1.2mmとし、各リードピン24とステム10aとの間を誘電率が6.5のシールガラス26で充填した場合、静電容量CLA及びCLKは、それぞれ0.25pFである。この値は、中心導体と、誘電率6.5の絶縁体を挟んでその中心導体を取り巻く導電体との間の静電容量を計算することで得られる。
また、ヒートシンク16として厚さ0.55mmの窒化アルミを用いた場合、ヒートシンク16の誘電率は約9である。このヒートシンク16の厚さ及び誘電率と、第1配線28及び第2配線30それぞれの面積とに基づいて静電容量CHA及びCHKを計算すると、CHA=0.022pF、CHK=0.030pFとなり、両者の値が略等しくなる。
したがって、LD18のアノードとパッケージ10との間の静電容量をCA、LD18のカソードとパッケージ10との間の静電容量をCKとすると、
CA=CLA+CHA=0.272(pF)
CK=CLK+CHK=0.280(pF)
となる。すなわち、静電容量CAと静電容量CKとは略等しくなる。
CA=CLA+CHA=0.272(pF)
CK=CLK+CHK=0.280(pF)
となる。すなわち、静電容量CAと静電容量CKとは略等しくなる。
比較のために、図5及び6で示される従来の光送受信モジュール9の特性を示す。光送受信モジュール9が光送受信モジュール1aと異なるのは、L字状の第1配線90の他端部90bがヒートシンク16の長手方向(第2配線30に沿う方向)に延びていないことである。そのため、第1配線90の面積が、対応する第1配線28の面積よりも縮小する一方で、第2配線30の面積が拡張されている。この場合、光送受信モジュール9における静電容量CHA及びCHKは、それぞれ0.017pF、0.035pFとなる。なお、光送受信モジュール9におけるヒートシンク16の厚さ及び誘電率は、光送受信モジュール1aにおける場合と同じである。
したがって、
CA=CLA+CHA=0.267(pF)
CK=CLK+CHK=0.285(pF)
となる。
CA=CLA+CHA=0.267(pF)
CK=CLK+CHK=0.285(pF)
となる。
このように、光送受信モジュール1aと光送受信モジュール9とで静電容量CA及びCKが異なるのは、リードピン24cとLD18のアノードとを接続する配線の形状と、リードピン24dとLD18のカソードとを接続する配線の形状とが、光送受信モジュール1aと光送受信モジュール9で異なる結果、それらの配線の面積が光送受信モジュール1aと光送受信モジュール9で異なるからである。
光送受信モジュール1aでは、第1配線28の他端部28bを拡大することで第1配線28の面積を拡げているので、静電容量CA及びCKが略等しくなる。これにより、LD駆動回路3からの相補的な差動信号が第1配線28及び第2配線30に伝播し、差動信号がこれら二つの配線から接地に漏れた場合に、接地電位がアノード及びカソードの中点電位として維持されるので、接地電位の揺らぎが小さくなる。その結果、PD20に伝播する接地電位の揺らぎも低減されるので、PD20が生成する電流信号に対するノイズを抑制できる。
上述のように、差動信号の電流値とPD20が生成する電流信号の電流値との比は103を超える。実装領域Aの径は24mm程度であるため、LD18駆動時の差動信号によって実装領域A全域が電磁界によるノイズの影響を受ける。従来の光送受信モジュール9では、PD20が受信する微弱な光信号がそのノイズに埋没してしまう(クロストーク)。このようなクロストークは、データ信号の伝送速度が上がるほど顕著に現れる。それは、高周波ほど特性波長が短くなり、電磁界の効果の度合いが大きくなるからである。
これに対し、光送受信モジュール1aでは、上述のように、特別な遮蔽部材や特殊回路などを用いることなくクロストークの低減を実現できる。そのため、光送受信モジュール1aの小型化及び低コスト化を容易に実現できる。
なお、静電容量CA及びCKをほぼ等しくすることは、第1配線28の途中に拡大部を設けることでも実現できる。しかし、この場合には配線の特性インピーダンスが乱れてしまうので、拡大部は配線の端部に設けられるのが好ましい。光送受信モジュール1aでは、第1配線28の一端部28a付近にLD18が配置されているので、第1配線28の他端部28bを拡大することで第1配線28の面積を拡げるようにしている。一般に、ボンディングワイヤ単独ではインピーダンスの整合を確保することが困難であり、第1実施形態のように配線の端部を拡大してもボンディングワイヤを若干延長することにしかならず、拡大部に起因するインピーダンス不整合の影響を軽減できる。
(第2実施形態)
図7は、第2実施形態に係る光送受信モジュール1bのヒートシンク16上の配線を示す拡大斜視図である。図8は、光送受信モジュール1bの回路図である。この光送受信モジュール1bは、第1実施形態における第1配線28に代えて第1配線40を有する。第2実施形態の他の構成は第1実施形態と同じなので、説明を省略する。
図7は、第2実施形態に係る光送受信モジュール1bのヒートシンク16上の配線を示す拡大斜視図である。図8は、光送受信モジュール1bの回路図である。この光送受信モジュール1bは、第1実施形態における第1配線28に代えて第1配線40を有する。第2実施形態の他の構成は第1実施形態と同じなので、説明を省略する。
第1配線40は第2配線30を取り囲むように屈曲して形成されている。ボンディングワイヤW1は、LD18のアノードと第1配線40の一端部40aとを接続している。ボンディングワイヤW2は、リードピン24cと第1配線40の屈曲部40bとを接続している。
この場合も、第1配線40の面積が大きく確保される。このとき、静電容量CHA及びCHKを計算すると、CHA=0.031pF、CHK=0.034pFとなり、両者の値は略等しくなる。
したがって、
CA=CLA+CHA=0.281(pF)
CK=CLK+CHK=0.284(pF)
となる。すなわち、静電容量CA及びCKの差も略等しい。これにより、差動信号が第1配線40及び第2配線30から接地に漏れた場合に、接地電位がアノード及びカソードの中点電位として維持されるので、接地電位の揺らぎが小さくなる。その結果、PD20に伝播する接地電位の揺らぎも低減されるので、PD20が生成する電流信号に対するノイズを抑制できる。すなわち、特別な遮蔽部材や特殊回路などを用いることなくクロストークの低減を実現できる。
CA=CLA+CHA=0.281(pF)
CK=CLK+CHK=0.284(pF)
となる。すなわち、静電容量CA及びCKの差も略等しい。これにより、差動信号が第1配線40及び第2配線30から接地に漏れた場合に、接地電位がアノード及びカソードの中点電位として維持されるので、接地電位の揺らぎが小さくなる。その結果、PD20に伝播する接地電位の揺らぎも低減されるので、PD20が生成する電流信号に対するノイズを抑制できる。すなわち、特別な遮蔽部材や特殊回路などを用いることなくクロストークの低減を実現できる。
(第3実施形態)
図9は、第3実施形態に係る光送受信モジュール1cのヒートシンク16上の配線を示す拡大斜視図である。図10は、光送受信モジュール1cの回路図である。この光送受信モジュール1cは、第1実施形態における第1配線28に代えて第1配線42を有する。第3実施形態の他の構成は第1実施形態と同じなので、説明を省略する。
図9は、第3実施形態に係る光送受信モジュール1cのヒートシンク16上の配線を示す拡大斜視図である。図10は、光送受信モジュール1cの回路図である。この光送受信モジュール1cは、第1実施形態における第1配線28に代えて第1配線42を有する。第3実施形態の他の構成は第1実施形態と同じなので、説明を省略する。
ボンディングワイヤW1は、LD18のアノードと第1配線42の一端部42aとを接続している。ボンディングワイヤW2は、リードピン24cと第1配線42の他端部(リードピン側端部)42bとを接続している。第1配線42の他端部42bは、T字状に形成され、ヒートシンク16の長手方向、すなわち第2配線30に沿う方向に拡大されている。すなわち、第1配線42の他端部42bには、ヒートシンク16の長手方向及び幅方向に拡大された拡大部が設けられている。
この場合、第1配線42の面積が第1配線28よりも大きく確保される。このとき、静電容量CHA及びCHKを計算すると、CHA=0.028pF、CHK=0.031pFとなり、両者の値は略等しくなる。
したがって、
CA=CLA+CHA=0.278(pF)
CK=CLK+CHK=0.281(pF)
となる。すなわち、静電容量CA及びCKの差も略等しい。これにより、差動信号が第1配線42及び第2配線30から接地に漏れた場合に、接地電位がアノード及びカソードの中点電位として維持されるので、接地電位の揺らぎが小さくなる。その結果、PD20に伝播する接地電位の揺らぎも低減されるので、PD20が生成する電流信号に対するノイズを抑制できる。すなわち、特別な遮蔽部材や特殊回路などを用いることなくクロストークの低減を実現できる。
CA=CLA+CHA=0.278(pF)
CK=CLK+CHK=0.281(pF)
となる。すなわち、静電容量CA及びCKの差も略等しい。これにより、差動信号が第1配線42及び第2配線30から接地に漏れた場合に、接地電位がアノード及びカソードの中点電位として維持されるので、接地電位の揺らぎが小さくなる。その結果、PD20に伝播する接地電位の揺らぎも低減されるので、PD20が生成する電流信号に対するノイズを抑制できる。すなわち、特別な遮蔽部材や特殊回路などを用いることなくクロストークの低減を実現できる。
次に、図11を用いて、上記各実施形態に係る光送受信モジュール1a〜1c及び従来の光送受信モジュール9におけるクロストーク量の計算結果を示す。図11は、有限要素法による電磁界解析の結果を示すグラフである。図11のグラフの横軸は周波数(GHz)であり、縦軸はクロストーク量(db)である。図11に示すように、光送受信モジュール9の従来クロストーク量CT9は、周波数4GHzに対して約−87dbである。これに対応する光送受信モジュール1aのクロストーク量CT1、光送受信モジュール1bのクロストーク量CT2、及び光送受信モジュール1cのクロストーク量CT3は、いずれも−94db未満である。したがって、図11の矢印Dで示すように、光送受信モジュール1a〜1cにおけるクロストークは、光送受信モジュール9のそれと比較しておよそ8dB改善されていることになる。
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で以下のような様々な変形が可能である。例えば、第1配線の形状は、上記第1〜第3実施形態に示したものに限定されない。
1a,1b,1c…光送受信モジュール、3…LD駆動回路、10…パッケージ、16…ヒートシンク、18…LD、20…PD、24c…リードピン(第1リードピン)、24d…リードピン(第2リードピン)、28,40,42…第1配線(他方の配線)、28b,42b…第1配線の他端部(他方の配線のリードピン側端部)、30…第2配線(一方の配線)、CA…LDのアノードとパッケージとの間の静電容量、CK…LDのカソードとパッケージとの間の静電容量、CHA…第1配線とパッケージとの間の静電容量、CHK…第2配線とパッケージとの間の静電容量、CLA…第1リードピンとパッケージとの間の静電容量、CLK…第2リードピンとパッケージとの間の静電容量。
Claims (4)
- 相補的な差動信号で駆動され、外部に光信号を送信するレーザダイオードと、
外部からの光信号を受信するフォトダイオードと、
前記レーザダイオード及び前記フォトダイオードを収容するパッケージと、
を備え、
前記レーザダイオードのアノードと前記パッケージとの間の静電容量と、該レーザダイオードのカソードと前記パッケージとの間の静電容量とが略等しい、
光送受信モジュール。 - 前記パッケージに収容されたヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に設けられ、前記アノードと、前記パッケージに設けられた第1リードピンとを電気的に接続する第1配線と、
前記ヒートシンクの上面に設けられ、前記カソードと、前記パッケージに設けられた第2リードピンとを電気的に接続する第2配線と、
を更に備え、
前記第1リードピンと前記パッケージとの間の静電容量と、前記第1配線と前記パッケージとの間の静電容量との和と、前記第2リードピンと前記パッケージとの間の静電容量と、前記第2配線と前記パッケージとの間の静電容量との和とが略等しい、
請求項1に記載の光送受信モジュール。 - 前記第1配線及び前記第2配線のうち一方の配線がダイパッドを有し、
前記レーザダイオードが、前記ダイパッド上に載置され、
前記第1配線及び前記第2配線のうち他方の配線のリードピン側端部に拡大部が設けられている、
請求項2に記載の光送受信モジュール。 - 前記第1配線及び前記第2配線のうち一方の配線がダイパッドを有し、
前記レーザダイオードが、前記ダイパッド上に載置され、
前記第1配線及び前記第2配線のうち他方の配線が、前記一方の配線を取り囲むように屈曲して形成されている、
請求項2に記載の光送受信モジュール。
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