JP3822599B2

JP3822599B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP3822599B2
Application number: JP2003422138A
Authority: JP
Inventors: 溶燦桂; 文圭朴
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: KR20040058658A; US20040126066A1; CN1512209A; US7056036B2; JP2004214651A; KR100480253B1; CN1256605C

Description

本発明は、光モジュールに関し、特に、高速伝送ができるように周波数特性を向上させた TO−CAN 構造の光モジュールに関する。

光モジュールは、光通信に必須的な部品であり、データ伝送量が増加するにつれて、光モジュールの高速伝送に対する要求が増大してきている。これによって、高速伝送に適した周波数光帯域幅を確保することも要求されている。現在、光モジュールにおいてレーザーダイオードやフォトダイオードのような光素子に対するパッケージとして TO−CAN構造が広く使用されている。

図１は、従来の１０Gbps TO−CANレーザーモジュールの一例を示し、Demeter Technologies Inc.によって最近生産された１０Gbps TO−CANレーザーモジュールである。図２は、従来の１０Gbps TO−CANレーザーモジュールの他の例を示し、Sumitomo Electric Industries, LTD.のIT Component Divisionによって開発された１０Gbps TO−CANレーザーモジュールである。

図１及び図２を参照すると、従来の TO−CAN構造の光モジュールは、レーザーダイオード１０をボンディングしたサブ−マウント(sub-mount)２０が装着されるステム４０、ステム４０の上面に備わるフォトダイオード３０、ステム４０を貫通してレーザーダイオード１０及びフォトダイオード３０に電気的に連結される多数のリード５０から構成される。サブ−マウント２０は、ＡｌＮ、ＳｉＣなどの材質からなり、ステム４０は、ＣｕＷ、ＫＯＶＡＲ、ｉｒｏｎなどの材質からなる。

これら従来の TO−CAN構造の光モジュールは、ボンディングワイヤーを使用(例えば、リードとサブ−マウント、レーザーダイオードとリードの連結のために)することによって、寄生キャパシタンス、インダクタンスが発生する。このようなパッケージ自体の寄生成分によって、３dB帯域幅が１または２GHzに限定されるので、ＲＦ特性が低下し、これによって、１０Gbps程度の高速伝送システムにおいて光モジュールを使用する時に困難が伴う。

さらに、従来の TO−CAN構造の光モジュールは、導波路(waveguide)構造として設計されたサブ−マウントを使用する。従って、サブ−マウントのサイズが大きくなることで、レーザーダイオードとフォトダイオードとの間の距離が遠くなり、十分なモニターフォト−電流を得ることが難しくなるという問題点がある。

本発明の目的は、 TO−CAN構造を最も効率的に使用し、高い周波数応答特性を有する光モジュールを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明による光モジュールは、ステムと、このステムに装着され、光反射特性を有するＶ形溝を備えたシリコン光ベンチと、Ｖ形溝に装着されるレーザーダイオードと、ステムに装着され、Ｖ形溝で反射したレーザーダイオードからの光を受光して電流に変換するフォトダイオードと、ステムに固定され、シリコン光ベンチと電気的に接続された多数のリードと、から構成されることを特徴とする。

この光モジュールでは、レーザーダイオードと電気的に連結されるようにシリコン光ベンチ上に配置されたチョーク用インダクタをさらに備えることができ、この場合、渦巻き形の薄膜インダクタをシリコン光ベンチ上にモノシリック構造で集積すると、モジュールサイズをコンパクト化することができる。

さらに、レーザーダイオードと電気的に連結されるようにシリコン光ベンチに配置されたＲＦマッチング抵抗素子を備えることもできる。また、多数のリードは、レーザーダイオードのアノードと電気的に連結された第１リードと、レーザーダイオードのＤＣ端子及びＲＦ端子のそれぞれに電気的に連結された第２、第３リードと、フォトダイオードのアノード及びカソードのそれぞれに電気的に連結された第４、第５リードと、から構成可能で、その第１リードと第５リードは、共通リードとしておくのがよい。これらリードは、エポキシまたはソルダーによってシリコン光ベンチと電気的に接続することができる。

また、本発明の光モジュールでは、ＲＦアイソレーションを達成するために、フォトダイオードのカソードとレーザーダイオードのアノードとの間に連結されたインダクタをさらに備えることができる。

本発明は、ＳｉＯＢをサブ−マウントとして使用することによって、高周波特性を向上させることができるので、既存の TO−CAN構造を維持しながらも１０Gbps動作を可能にする。

さらに、Ｖ形溝で反射した光を利用してレーザーダイオードの後面光をモニターすることによって十分なモニター電流を得ることができる。

さらに、バイアスティー(bias-tee)を TO−CANに内蔵してＤＣ電流による発熱を低減することによって、光電変化効率を高め、レーザーダイオードチップの温度上昇を抑制することができる。

さらに、薄膜制作工程によって制作されたインダクタとマッチング抵抗をＳｉＯＢに集積することによって、光モジュールのサイズをコンパクト化し、組立ての工程も単純化することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。図面中、同一な構成要素及び部分には、可能な限り同一な符号及び番号を共通使用するものとする。下記の説明において、本発明の要旨のみを明確にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。

図３は、本発明による TO−CANレーザーダイオードモジュールの好適な実施形態を示す図であり、図４は、図３の構成をより詳細に示す図である。

図３及び図４を参照すると、本発明による TO−CAN構造を有する光レーザーダイオードモジュールは、レーザーダイオード１０、フォトダイオード３０、ステム４０、多数のリード５０、及びＳｉＯＢ(Silicon Optical Bench)１００から構成される。また、ＲＦマッチング抵抗１０３、５０Ω特性インピダンスライン１０４，１０５及びインダクタ１０２，１０６をさらに有する。

ＳｉＯＢ１００は、Ｖ−グルーブ(Ｖ形溝)を有し、平板ステム４０に立設したヒートシンク６０(heat sink)上にダイ−ボンディング(die-bonding)されてサブ−マウントとして使用される。この時、ＳｉＯＢ１００及びリード５０は電気的に接続されている。この電気的接続は、ワイヤボンディングではなく、伝導性エポキシ(conductive epoxy)またはソルダー(AuSn、PbSn)などによる固定で実現している。ワイヤボンディングを使用しないことにより、１nH/mm程度のワイヤーのインダクタンスを低減できる。従って、ＲＦ特性を向上させることができる。追加的なＲＦ特性の向上のために、リードをセラミックフィード−スルー(feed-through)に代替する方法があるが、この場合、パッケージ費用が高めになる。コストをより低く抑えたい場合は、既存のガラスシールパウダー(glass seal powder)を使用してリード５０をステム４０に固定すればよい。この時、寄生キャパシタンスを低減するために、エポキシのうち低い誘電率を有するものを選択して使用する。本例に使用可能なガラスシールパウダーの代表的な例としては、誘電率５．５(1MHz、25℃)であるＢ２Ｏ３−ＳｉＯ２系列のハードガラス(BH-7/K)、誘電率６．７であるＮａ２Ｏ−ＢａＯ系列のソフトガラス(ST-4F/K)がある。

図４を参照すると、レーザーダイオード１０は、レーザービームを放出し、ＳｉＯＢ１００のＶ−グルーブ１０１の位置にダイボンディングで設置される。

ステム４０に対し水平に装着されたフォトダイオード３０は、レーザーダイオード１０から放射される光を電流に変換する機能を遂行する。フォトダイオード３０は、Ｖ−グルーブ１０１に反射された光を利用してレーザーダイオード１０の後面光(backface light)をモニターすることによって、１００μＡ以上の十分なモニターフォト−電流を得ることができる。フォトダイオード３０は、この他の形態での設置も可能で、ＳｉＯＢ１００上に装着（ボンディング）することもできる。

５０Ω特性インピダンスライン１０４，１０５は、信号ライン(signal line)１０４及び接地面(ground plane)１０５から構成される。信号ライン１０４は、レーザーダイオード１０のカソードとワイヤーボンディング１０７によって連結され、この信号ライン１０４上にＲＦマッチング抵抗１０３が配置される。接地面１０５は、レーザーダイオード１０のアノードとダイ−ボンディングによって直接連結され、ステムとも電気的に連結される。渦巻き形態のインダクタ(Spiral inductor)１０２は、チョーク(choke)用として、レーザーダイオード１０とワイヤーボンディング１０７によって連結される。マッチング抵抗１０３及びインダクタ１０２は、ＳｉＯＢ１００上に薄膜(thin-film)工程を通してモノシリック構造で形成することができ、これによって、レーザーモジュールパッケージをよりコンパクト(compact)に形成することができる。

ＳＭＤ(Surface Mountable Device、表面実装型)インダクタ１０６は、レーザーダイオード１０とフォトダイオード３０との間を高周波的にアイソレーション(RF isolation)する役割をもつ。

図５に示すように、リード５０は、レーザーダイオード１０のアノード及びフォトダイオード３０のカソードが共通連結(common)されたリード１、レーザーダイオード１０のＲＦリード２、フォトダイオード３０のアノードリード３、及びレーザーダイオード１０のＤＣリード４から構成される。

レーザーダイオード１０のＤＣリード４とＲＦリード２を別に分離し、 TO−CAN内部にバイアスティー(bias-tee)を採用することによって、５０Ωインピダンスマッチングラインを利用すると同時に、ＤＣ電流によるマッチング抵抗１０３の発熱を低減することができる。内部バイアスティーを使用しないと、ＲＦマッチング抵抗にＤＣ電流も共に流れてレーザーダイオードチップの温度上昇が生じ、これによって、光電効率が低下するなどの無冷却(uncooled)光モジュールの温度特性に致命的な影響を与える。

さらに、レーザーダイオード１０のアノードとフォトダイオード３０のカソードが共通(common)リード１に連結されるようにしてリードの数を減少させることができる。この場合、ＲＦクロス−トーク(cross-talk)が存在することがあり、ＲＦ信号のアイソレーション(isolation)のためにＳＭＤ型のインダクタを使用する。

このような構造によると、図６に示すような等価回路が構成される。図６に示すように、４番リードに連結されたインダクタ１０２は、渦巻き形態で形成されたＡＣチョーク用のインダクタであり、２番リードに連結された抵抗１０３は、マッチング抵抗である。さらに、３番リードにアノードが連結されたフォトダイオード(ＭＰＤ)３０のカソードと１番リードにカソードが連結されたレーザーダイオード(ＬＤ)１０との間に連結されたインダクタ１０６は、ＳＭＤ型のインダクタである。

以上、本発明を具体的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲は前述の実施形態によって限られるべきではなく、本発明の範囲内で様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。

従来の１０Gbps TO−CANレーザーモジュールの構成例を示す図。従来の１０Gbps TO−CANレーザーモジュールの他の構成例を示す図。本発明による TO−CANレーザーダイオードモジュールの実施形態を示す概略図。本発明による TO−CANレーザーダイオードモジュールの実施形態を示す詳細図。本発明による TO−CANレーザーダイオードモジュールのリード配置例を示す平面図。図３〜図５に示すTO−CANレーザーダイオードモジュールの等価回路図。

符号の説明

１０レーザダイオード
３０フォトダイオード
４０ステム
５０リード
１００ＳｉＯＢ（シリコンオプチカルベンチ）
１０１Ｖ−グルーブ
１０２，１０６インダクタ
１０３マッチング抵抗
１０４，１０５インピーダンスライン
１０７ボンディングワイヤ

Claims

ステムと、
該ステムに装着され、光反射特性を有するＶ形溝を備えたシリコン光ベンチと、
前記Ｖ形溝に装着されるレーザーダイオードと、
前記ステムに装着され、前記Ｖ形溝で反射した前記レーザーダイオードからの光を受光して電流に変換するフォトダイオードと、
前記ステムに固定され、前記シリコン光ベンチと電気的に接続された多数のリードと、から構成されることを特徴とする光モジュール。
レーザーダイオードと電気的に連結されるようにシリコン光ベンチ上に配置されたチョーク用インダクタをさらに備える請求項１記載の光モジュール。
インダクタは、渦巻き形の薄膜インダクタである請求項２記載の光モジュール。
レーザーダイオードと電気的に連結されるようにシリコン光ベンチに配置されたＲＦマッチング抵抗をさらに備える請求項１記載の光モジュール。
フォトダイオードは、シリコン光ベンチにダイボンディングされる請求項１記載の光モジュール。
多数のリードは、エポキシまたはソルダーによってシリコン光ベンチと電気的に接続される請求項１記載の光モジュール。
リードはステムに、セラミックの誘電率より低い誘電率を有するガラスシールパウダーを利用して固定される請求項１記載の光モジュール。
ガラスシールパウダーは、Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２系列のハードガラスまたはＮａ２Ｏ−ＢａＯ系列のソフトガラスのうちいずれかから選択される請求項７記載の光モジュール。
多数のリードは、
レーザーダイオードのアノードと電気的に連結された第１リードと、
前記レーザーダイオードのＤＣ端子及びＲＦ端子のそれぞれに電気的に連結された第２、第３リードと、
フォトダイオードのアノード及びカソードのそれぞれに電気的に連結された第４、第５リードと、から構成される請求項１記載の光モジュール。
第１リードと第５リードが共通リードである請求項９記載の光モジュール。
ＲＦアイソレーションを達成するために、フォトダイオードのカソードとレーザーダイオードのアノードとの間に連結されたインダクタをさらに備える請求項９記載の光モジュール。
ステムと、
該ステムに装着され、光反射特性を有するＶ形溝を備えたシリコン光ベンチと、
該シリコン光ベンチのＶ形溝に装着されるレーザーダイオードと、
前記ステムに装着され、前記Ｖ形溝で反射した前記レーザーダイオードからの光を受光して電流に変換するフォトダイオードと、
前記ステムに固定され、前記シリコン光ベンチと電気的に接続された多数のセラミックフィードスルーと、から構成されることを特徴とする光モジュール。