JP4122577B2 - 光モジュールの実装構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光モジュールの実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような分野の技術としては、例えば、以下に示すようなものがあった。
【０００３】
（１）回路実装学会誌 Ｖｏｌ．１０、Ｎｏ．５（１９９５）ｐｐ．３０６−３０９、「半導体光制御デバイスと実装」 井戸 立身、井上 宏明
（２）電子情報通信学会論文誌 Ｃ−Ｉ，Ｖｏｌ．Ｊ７７−Ｃ−Ｉ，Ｎｏ．５、ｐｐ．３５２−３６２，１９９４、「集積ホトニクスを目指した光実装技術」 中島 啓幾
以下、上記文献（１）と（２）に開示される装置について、順次説明する。
【０００４】
図５は従来の光モジュールの構成を示す図であり、図５（ａ）はその光モジュールの平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。
【０００５】
これらの図において、１０１は光変調器、１０２はストリップライン、１０３は終端抵抗器、１０４はワイヤボンド、１０５はキャリア、１０６Ａ，１０６Ｂは非球面レンズ、１０７Ａ，１０７Ｂは光ファイバ、１０８は高周波コネクタ、１０９は入出力電気端子、１１０は電子冷却素子、１１１はパッケージである。
【０００６】
この装置は、図５に示すように、光変調器１０１とその光変調器１０１を搭載するためのキャリア１０５と光変調器１０１に光ファイバ１０７Ａからの光信号を入射させるための非球面レンズ１０６Ａと光変調器１０１から放射された光信号を光ファイバ１０７Ｂに入射させるための非球面レンズ１０６Ｂと光ファイバ１０７Ａ，１０７Ｂと光変調器１０１を恒温動作させるための電子冷却素子１１０と光変調器１０１に高周波電界を印加するための高周波コネクタ１０８とストリップライン１０２とインピーダンス整合のための終端抵抗器１０３とこれらを収納するためのパッケージ１１１から構成されている。キャリア１０５上に形成されたストリップライン１０２は、パッケージ１１１に固定された高周波コネクタ１０８に直接接続されている。
【０００７】
この光変調器１０１は、電界吸収型光変調器であり、ＰＩＮ構造を有する光導波路を有しており、このＰＩＮ層に電界を加えることによって光の吸収量を変化させ、光の強度変調を行う。この光変調器１０１の変調帯域は素子容量によって制限されているので、光変調器１０１の素子長を１００μｍ以下に短くして低容量化を図り、４０ＧＨｚ程度の広帯域化を実現している。
【０００８】
しかし、ストリップライン１０２と終端抵抗器１０３を形成した高周波基板は、少なくとも１ｍｍ以上の幅を必要とするので、キャリア部の素子を搭載する部分の幅Ｗ〔図５（ｂ）参照〕が、この高周波基板の幅により制限されてしまう。キャリア幅Ｗを高周波基板の幅に合わせると、レンズにより変調器両端面に集光する光がキャリア部分に当たってしまい、十分な集光（光結合）が得られず、また不要な光の散乱を生じてしまう。
【０００９】
そこで、この従来例では、素子長の短い従来の電界吸収型光変調器に光導波路を一体形成した導波路集積化電界吸収型光変調器を使用し、変調器領域の長さを短く保ったまま導波路領域を設けることにより、全体の素子長を長くし、上記問題点を解決し、実装を可能にしている。
【００１０】
次に、上記文献（２）に示される従来の装置について説明する。
【００１１】
図６は従来の他の光モジュールの回路図、図７はその光モジュールの構成を示す斜視図である。
【００１２】
これらの図において、２０１は変調器集積型ＤＦＢ−ＬＤ（ＥＡＭ／ＤＦＢ−ＬＤ）、２０２は信号入力部、２０３はＧ−ＣＰＬ（Ｇｒｏｕｎｄｅｄ Ｃｏｐｌａｎａｒ Ｌｉｎｅ）、２０４はサーミスタ、２０５はＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏ Ｅｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ：電子冷却素子）、２０６はＩＬＤ（ＬＤ電流端子）、２０７は終端抵抗器（５０Ω）、２０８，２１０は集光用レンズ、２０９はアイソレータ（ＩＳＯ）、２１１は光ファイバ、２１２は光出力、２１３は受光素子、２１４は高速フィードスルーコネクタ、２１５はメタルキャリア、２１６は配線である。
【００１３】
この光モジュールは、これらの図に示すように、変調器集積型ＤＦＢ−ＬＤ（ＥＡＭ／ＤＦＢ−ＬＤ）２０１とこのＥＡＭ／ＤＦＢ−ＬＤ２０１を搭載するためのメタルキャリア２１５と電子冷却素子（ＴＥＣ）２０５と高周波信号をＥＡＭ／ＤＦＢ−ＬＤ２０１に印加するための高周波伝送路であるＧ−ＣＰＬ２０３とパッケージ側の高周波伝送路である高速フィードスルーコネクタ２１４と光ファイバ２１２とアイソレータ（ＩＳＯ）２０９と集光用レンズ２０８，２１０などから構成されている。
【００１４】
ＥＡＭ／ＤＦＢ−ＬＤ２０１とＧ−ＣＰＬ２０３は、メタルキャリア２１５上に搭載され、さらにＴＥＣ２０５に搭載されている。このＧ−ＣＰＬ２０３と高速フィードスルーコネクタ２１４間は、パッケージ側からの熱の流量を防止するために物理的に離した構造となっており、配線２１６はワイヤボンディングで行っている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記文献（１）に示される従来の光モジュールでは、キャリア１０５上に形成されたストリップライン１０２は、パッケージ１１１に固定された高周波コネクタ１０８に直接接続されているので、外気の温度が変動した場合、高周波コネクタ１０８とストリップライン１０２が接続された部分を通して、パッケージ１１１外部からの熱が光変調器１０１へ流入するため、電子冷却素子１１０による冷却能力の低下と、その恒温動作の精度低下が生じるという問題点があった。
【００１６】
また、この構造では、ストリップライン１０２がパッケージ１１１に固定されているので、パッケージ１１１とキャリア１０５間に温度差が生じると、熱膨張差によって接続部にひずみが生じ、信頼性が低下するという問題点もあった。
【００１７】
この問題点を解決する構造として、上記（２）の従来の光モジュールがある。この光モジュールでは、Ｇ−ＣＰＬ２０３と高速フィードスルーコネクタ２１４間を、物理的に離した構造となっており、配線２１６はワイヤボンディングで行っているので、パッケージ側からの熱の流量を防止することが可能である。Ｇ−ＣＰＬ２０３と高速フィードスルーコネクタ２１４間の距離を離すと熱分離の効果は向上するが、一方ワイヤボンディング長が長くなり、寄生インダクタンスが増加し、高周波特性が劣化する。すなわち、熱特性と高周波特性は、トレードオフの関係にある。
【００１８】
また、上記文献（２）の従来の光モジュールでは、高周波伝送路にＧ−ＣＰＬ２０３を使用しているのでグランド（ＧＮＤ）−信号（ＳＩＧ）−グランド（ＧＮＤ）という伝送路の構成とするためキャリア上にＧＮＤを形成する領域が必要となる。このためキャリアの光軸方向の長さが長くなり、上記（１）の従来の光モジュールに適用した場合、レンズがキャリアにぶつかってしまい、また、この解決策として導波路集積化電界吸収型光変調器を使用しても導波路の集積化に伴う光挿入損失が増加するという問題点があった。
【００１９】
伝送線路としてマイクロストリップラインを用いると、形成スペースを小さくすることが可能となるが、伝送線路が形成される基板の裏面のみがＧＮＤとなっているので伝送線路間（この例では、高周波コネクタとの接続）が困難である。
【００２０】
本発明は、上記問題点を除去し、熱分離構造を有し、伝送線路の形成スペースが小さいマイクロストリップラインを用いるためのＧＮＤ接続構造を有する光モジュールの実装構造を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕光素子とこの光素子を搭載するための導電性のキャリアと光信号の入出力用の光ファイバと高周波電気信号を供給するために設けられた高周波端子と光素子を恒温するための電子冷却素子と第１のマイクロストリップラインが形成された第１の誘電体基板と上記構成部材を保持し、収容するためのパッケージからなる光モジュールの実装構造において、金属板とこの金属板上に設けられ第２のマイクロストリップラインが形成された第２の誘電体基板とを有する高周波端子がパッケージに設けられ、前記第１の誘電体基板は、前記高周波端子側のキャリア端においてキャリア表面を露出するように前記キャリアに搭載され、前記第２の誘電体基板は、前記キャリア側の金属板端において金属板表面を露出するように前記金属板に搭載され、前記第１のマイクロストリップラインと前記第２のマイクロストリップラインとがワイヤにより接続され、前記露出するキャリア表面と前記露出する金属板表面とがワイヤにより接続されるようにしたものである。
【００２２】
〔２〕上記〔１〕記載の光モジュールの実装構造において、前記第１の誘電体基板は、 凸形状に加工され、前記第１のマイクロストリップラインが先端部分まで形成されているとともに、前記高周波端子側のキャリア端においてキャリア表面の角部のみを露出するように前記キャリアに搭載されており、前記第２の誘電体基板は、凸形状に加工され、前記第２のマイクロストリップラインが先端部分まで形成されているとともに、前記キャリア側の金属板端において金属板表面の角部のみを露出するように前記金属板に搭載されるようにしたものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２４】
図１は本発明の実施例を示す光モジュールの構成図であり、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。
【００２５】
この実施例では、これらの図に示すように、光素子として光変調器チップ１４と、この光変調器チップ１４を固定するためのチップキャリア１と、光信号の入出力用の光ファイバ２と、高周波電気信号を供給するための高周波端子５と、光信号を光変調器チップ１４に入射するため及び光変調器チップ１４から放射された光を集光するためのレンズ６と、このレンズ６を保持固定するためのレンズホルダ７と、これらレンズ６及びチップキャリア１を搭載するためのベース８と、チップキャリア１に搭載した光変調器チップ１４を恒温するための電子冷却素子９と、上記構成部材を保持、収容するためのパッケージ４から構成されている。
【００２６】
なお、図１において、１０は終端抵抗器、１６はマイクロストリップライン、１８はリードである。
【００２７】
図２は本発明の第１実施例のチップキャリアとその周辺の詳細図であり、図２（ａ）はその平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の右側面図である。
【００２８】
これらの図に示すように、チップキャリア１は、高周波端子５からの高周波電気信号を光変調器チップ１４に供給するための高周波伝送線路であるマイクロストリップライン１６を形成した高周波基板（誘電体基板）１２と、高周波端子５側と逆側でこのマイクロストリップライン１６の端に形成した整合用の終端抵抗器１０と、この高周波基板１２と光変調器チップ１４を搭載する金属製のキャリアベース１５から構成されている。
【００２９】
このチップキャリア１の高周波端子５側の高周波基板１２は、その長さがキャリアベース１５よりも短くなっており、キャリアベース１５の表面が露出している。
【００３０】
パッケージ４側の高周波端子５は、セラミック等の表面にグランド（ＧＮＤ）−信号（ＳＩＧ）−グランド（ＧＮＤ）のパターンを形成したグランド付きコプレーナ伝送線路１９が接続されている。
【００３１】
高周波端子５とチップキャリア１に形成された伝送線路は、ボンディングワイヤ１７によってお互いに接続されている。高周波端子５側のＧＮＤ端子は、チップキャリア１のキャリアベース１５が露出している部分との間で接続され、高周波端子５側のＳＩＧ端子は高周波基板１２上のマイクロストリップライン１６と接続されている。
【００３２】
以上のように、第１実施例によれば、チップキャリア１の伝送線路に、高周波基板１２上のマイクロストリップライン１６を用い、このキャリア１のパッケージ側にキャリアベース１５が露出した部分を設けており、そしてパッケージ側の高周波端子５がグランド付きコプレーナ伝送線路１９であり、これらマイクロストリップライン１６と高周波端子５間をボンディングワイヤ１７で接続することが可能であるので、以下のような効果が得られる。
【００３３】
（１）チップキャリア１の伝送線路として形成スペースの小さいマイクロストリップライン１６（グランド付きコプレーナ伝送線路１９に比べ）が使用でき、レンズとキャリアとのぶつかりが防止でき、モジュールの小型化が可能となる。
【００３４】
（２）パッケージとキャリア間がハードな部材で固定されていないので、熱膨張差等によるモジュールの劣化を防止でき、信頼性が増す。
【００３５】
（３）パッケージとキャリア間がボンディングワイヤ１７でのみ接続されているので、冷却特性に優れている。
【００３６】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００３７】
図３は本発明の第２実施例を示すチップキャリアとその周辺の詳細図であり、図３（ａ）はその平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の右側面図である。
【００３８】
この実施例において、上記第１実施例と同様な部分については、同じ符合を付して、それらの説明は省略する。
【００３９】
図３に示すように、この実施例では、基本的には、第１実施例の高周波端子部のみが変更された構造である。
【００４０】
パッケージ４側の高周波端子５１は、マイクロストリップライン２０を形成したセラミック等の高周波基板（誘電体基板）２１と、そのＧＮＤとなる金属板２２から構成されている。この高周波端子５１のチップキャリア１側の高周波基板２１は、その長さが金属板２２よりも短くなっており金属板２２の表面が露出している。
【００４１】
高周波端子５１とチップキャリア１に形成された双方のマイクロストリップライン、つまり、第１のマイクロストリップライン１６と第２のマイクロストリップライン２０は、ボンディングワイヤ１７によってお互いに接続されている。また、そのマイクロストリップラインのＧＮＤとなるキャリアベース１５と金属板２２の露出部分もボンディングワイヤ１７によってお互いに接続されている。
【００４２】
以上のように、第２実施例によれば、チップキャリア１とパッケージ側の高周波端子５１が同様なマイクロストリップライン伝送線路から構成されており、ＧＮＤ接続用の金属部分が露出しており、同種の伝送線路を用いているため、第１実施例に比べ、高周波特性がさらに向上し、高周波端子５１が容易に形成でき低コスト化を図ることができる。
【００４３】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００４４】
図４は本発明の第３実施例を示すチップキャリアとその周辺の詳細図であり、図４（ａ）はその平面図、図４（ｂ）はその右側面図である。
【００４５】
この実施例において、上記第１及び第２実施例と同様な部分については、同じ符合を付して、それらの説明は省略する。
【００４６】
この実施例では、チップキャリア６１と高周波端子６５上のそれぞれの高周波基板（誘電体基板）６２と６６は、それが凸形状に加工され、マイクロストリップライン１６と２０が先端部分まで形成されている。この構造により、金属板２２とキャリアベース１５は、部分的に高周波基板６２と６６から見て露出している。ＧＮＤ配線は、この露出部分間で行われる。
【００４７】
以上のように、第３実施例によれば、露出部分を制限し、チップキャリア６１と高周波端子６５間のマイクロストリップラインの距離を、第１及び第２実施例に比べて短くすることが可能であるので、高周波特性をさらに向上することが可能となる。
【００４８】
本発明は、更に以下の利用形態を有する。
【００４９】
第１から第３実施例では、光素子として光変調器チップを適用した例について説明したが、光素子としては、レーザダイオード、ホトダイオードなどを用いた光モジュールにも適用可能である。また、第１から第３実施例で説明したチップキャリアと高周波端子構造をそれぞれ組み合わせた構成の光モジュールにも適用可能である。
【００５０】
また、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能でありこれらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００５２】
（１）請求項１記載の発明によれば、光素子キャリアとパッケージ側の高周波端子が同様なマイクロストリップライン伝送線路から構成されており、高周波端子のＧＮＤ接続用の金属部分が露出しており、同種の伝送線路を用いているため、第１実施例に比べて、高周波特性がさらに向上し、高周波端子を容易に形成することができ、低コスト化を図ることができる。
【００５３】
（２）請求項２記載の発明によれば、露出部分を制限し、チップキャリアと高周波端子間のマイクロストリップライン間の距離を、第２実施例に比べて短くすることが可能であるので、高周波特性をさらに向上することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す光モジュールの構成図である。
【図２】 本発明の第１実施例を示すチップキャリアとその周辺の詳細図である。
【図３】 本発明の第２実施例を示すチップキャリアとその周辺の詳細図である。
【図４】 本発明の第３実施例を示すチップキャリアとその周辺の詳細図である。
【図５】 従来の光モジュールの構成を示す図である。
【図６】 従来の他の光モジュールの回路図である。
【図７】 従来の他の光モジュールの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，６１ チップキャリア
２ 光ファイバ
４ パッケージ
５，５１，６５ 高周波端子
６ レンズ
７ レンズホルダ
８ ベース
９ 電子冷却素子
１０ 終端抵抗器
１２，２１，６２，６６ 高周波基板（誘電体基板）
１４ 光変調器チップ
１５ キャリアベース
１６，２０ マイクロストリップライン
１７ ボンディングワイヤ
１８ リード
１９ グランド付きコプレーナ伝送線路
２２ 金属板
５１，６５ 高周波端子

Claims (2)

1. 光素子と該光素子を搭載するための導電性のキャリアと光信号の入出力用の光ファイバと高周波電気信号を供給するために設けられた高周波端子と光素子を恒温するための電子冷却素子と第１のマイクロストリップラインが形成された第１の誘電体基板と上記構成部材を保持し、収容するためのパッケージからなる光モジュールの実装構造において、
   金属板と該金属板上に設けられ第２のマイクロストリップラインが形成された第２の誘電体基板とを有する高周波端子がパッケージに設けられ、
   前記第１の誘電体基板は、前記高周波端子側のキャリア端においてキャリア表面を露出するように前記キャリアに搭載され、
   前記第２の誘電体基板は、前記キャリア側の金属板端において金属板表面を露出するように前記金属板に搭載され、
   前記第１のマイクロストリップラインと前記第２のマイクロストリップラインとがワイヤにより接続され、
   前記露出するキャリア表面と前記露出する金属板表面とがワイヤにより接続されていることを特徴とする光モジュールの実装構造。
2. 請求項１記載の光モジュールの実装構造において、
   前記第１の誘電体基板は、凸形状に加工され、前記第１のマイクロストリップラインが先端部分まで形成されているとともに、前記高周波端子側のキャリア端においてキャリア表面の角部のみを露出するように前記キャリアに搭載されており、
   前記第２の誘電体基板は、凸形状に加工され、前記第２のマイクロストリップラインが先端部分まで形成されているとともに、前記キャリア側の金属板端において金属板表面の角部のみを露出するように前記金属板に搭載されていることを特徴とする光モジュールの実装構造。

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