JP4599091B2

JP4599091B2 - 光モジュールおよび光伝送装置

Info

Publication number: JP4599091B2
Application number: JP2004148959A
Authority: JP
Inventors: 寛山本; 雅信岡安; 和民川本
Original assignee: 日本オプネクスト株式会社
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2024-05-19
Also published as: US20050259911A1; EP1602952A3; EP1602952B1; JP2005333332A; EP1602952A2; US7412120B2

Description

本発明は、光通信で用いられる光半導体素子を内部に収納する光モジュール、およびその光モジュールを用いた光伝送装置に関する。

光伝送装置は半導体レーザまたは／およびフォトダイオードを利用して光を送受信する装置である。
半導体レーザ素子を内蔵したレーザモジュールについて、以下簡単に説明する。

光送信装置では、半導体レーザ素子から出射される光をファイバに効率良く入射、結合させる必要がある。また半導体レーザ素子は主に金属製のパッケージ内に実装され気密封止されている。例えば、特許文献１では、金属、絶縁体、又は金属と絶縁体の複合体からなる枠体と枠体に固定された第１の底板と、第1の底板に固定された金属からなる第２の底板を備えている。

１０ＧＢｉｔ／ｓを超える信号伝送を実現するために、例えば特許文献２の従来例にあるように、パッケージ外部からの変調信号の入力部分に高周波コネクタを用いてパッケージ内部との信号の伝達を行い、パッケージ内部に形成された基板上の伝送線路やワイヤボンディングを経由して半導体レーザ素子まで接続する構成が知られている。

パッケージ内部の接続に関しては、半導体レーザ素子の特性を一定に保つために、冷却用クーラ素子（例えばペルチェ素子）を使用する。具体的には半導体レーザ素子を冷却するために、半導体レーザ素子の実装基板側を冷却面、パッケージ筐体側を放熱面とする構成が用いられる。このため、パッケージ壁面に設けられた高周波コネクタ部（放熱部）から半導体レーザ素子の実装基板（冷却部）に至る経路は熱的に分離する必要がある。例えば特許文献３や特許文献４に図示されているように、冷却用クーラ素子の実装基板とパッケージ内壁に実装されている基板同士をワイヤボンディング等で接続する構成が知られている。

以上、レーザモジュールについて説明したが、フォトダイオードを内蔵するフォトダイオードモジュールでも、高周波コネクタ部と接続する実装基板と、フォトダイオード素子を搭載した実装基板との間を、ワイヤボンディング接続することが知られている。また、高周波コネクタと接続する実装基板と、フォトダイオード素子を搭載した実装基板とを、それぞれ別個の導体でパッケージ筐体に固定することが知られている。

特開平１１−７４３９５号公報

特開２００４−４０２５７号公報特開２００４−７９９８９号公報特開平１１−８７８５２号公報

近年は４０ＧＨｚを超える、さらなる高周波用途の要求がますます増えている。このため、光モジュールの出入力に用いる高周波コネクタの広帯域化は、改良が進められている。一方、光モジュールのパッケージ内部の実装状態により４０ＧＢｉｔ／ｓの信号伝送を阻害する問題が起こっている。
半導体レーザ素子を収容する気密封止用パッケージは、放熱性や気密封止のための溶接性のよい鉄ニッケルコバルト（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）、鉄ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）、銅タングステン（ＣｕＷ）等の金属導体を使用するのが一般的である。また、光伝送装置への実装のためパッケージ高さは５ｍｍ〜１０ｍｍ程度のものが使用される。このサイズの筐体内で、ワイヤボンディング部等の電界閉じ込めが弱い不連続箇所で、電界により空洞内で共振を生じることが分かってきた。

本発明の目的は、上述した空洞内での共振を防止する光モジュールおよび光伝送装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では光モジュールの第１の高周波線路基板と、第２の高周波線路基板の接続点で発生する定在波の周波数を、光モジュールの供用帯域外とする手段を設ける。

本発明によれば、ワイヤボンディング等による接続部とパッケージ筐体との間の経路で発生する共振を防止することができる。これにより、高性能の光モジュールおよび光伝送装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する実施例を、図面を参照しながら説明する。なお、各図面では、煩雑を避けるために一部の部品や接着固定材料等の図示を適宜省略している。

本発明の第１の実施形態であるレーザモジュールの実施例１について、図１から図５を用いて説明する。図１は本発明の実施例１のレーザモジュールを説明する側面図、図２および図３は実施例１の変形実施例を説明するレーザモジュールの側面図、図４および図５は実施例の伝送特性を説明する図である。なお、各側面図において、手前側および奥側にあるパッケージ筐体２の壁の図示を省略した。これは、他の実施例でも共通である。

本実施例のレーザモジュール１００は、図１に示すようにパッケージ筐体２の外壁に高周波コネクタ部１を有する。パッケージ筐体２を高周波コネクタ１で通り抜けた高周波信号は、高周波コネクタ同軸ピン部３からはんだ（図示せず）にて接続された高周波コネクタ同軸ピン実装基板４上に設けられたグランディッドコプレーナ線路へ伝達される。半導体レーザ素子７は、半導体レーザ素子実装基板６、半導体レーザ素子実装基板搭載用導体８を介して冷却用クーラ素子９上に実装される。半導体レーザ素子実装基板６上にも同様にグランディッドコプレーナ線路が施され、半導体レーザ素子７の裏面と接続し、図示しないワイヤボンディングで表面へ接続されている。
本実施例のレーザモジュール１００は４０ＧＢｉｔ／ｓ用であり、４０ＧＢｉｔ／ｓの高周波信号（電気信号）を光信号に変換し図示しないファイバ伝送路に送出する。

高周波コネクタ同軸ピン実装基板４と半導体レーザ素子実装基板６とは熱的に分離するため所定の空隙を設けた後、リボン５にて接続されている。なお、パッケージ筐体２の内部に半導体レーザ素子７を気密封止するための金属フタ（図示せず）を用い、窒素置換等を施した後に全周溶接を行っている。なお、金属フタを含めて筐体と呼ぶ。

レーザモジュール１００は、半導体レーザ素子７をＡｕＳｎはんだ（図示せず）で搭載する半導体レーザ素子実装基板６と、半導体レーザ素子実装基板搭載用導体８上にＳｎＡｇはんだ（図示せず）を用いて搭載する。同様に高周波コネクタ同軸ピン実装基板４も高周波コネクタ同軸ピン実装基板搭載用導体１０にＡｕＳｎはんだ（図示せず）で搭載されている。

高周波コネクタ同軸ピン実装基板搭載用導体１０は、パッケージ筐体２と同電位となるように金属導体を用いる。また、高周波コネクタ同軸ピン実装基板４と、半導体レーザ素子実装基板６との間隙部（リボン５）から、パッケージ筐体２底面との間には、高周波コネクタ同軸ピン実装基板搭載用導体１０の一部が、少なくとも間隙部の幅より大きいひさし状１０aに形成されている。このひさし構造１０aは、間隙部から図１の下方のパッケージ底面内壁にいたる経路に、線路基板を搭載する導体１０で気密容器内の雰囲気に覆われた経路の一部を遮断（シールド）する構造となっている。

上述した構造の効果を図４および図５を用いて説明する。ここで、図４は、Ｓ２１特性の周波数依存性を示す図である。また、図５は、リボン５と導体間で発生する定在波の１／４波長を説明する図である。

Ｓ２１特性をシミュレーションしたレーザモジュールの構造について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、上述した実施例のひさし１０aを有する構造であり、図５（ｂ）は、ひさしのない構造である。図５（ｂ）の構造では、リボン５から垂直方向のパッケージ筐体２内壁に至る距離ｈ２が長いため、このｈ２の長さに応じた定在波が発生する。経路が全て不活性ガス雰囲気中でありｈ２＝３ｍｍの場合、λ／４波長の定在波は２５ＧＨｚとなり、４０ＧＨｚの伝送特性を阻害する成分になる。一方、図５（ａ）の構造では、高周波コネクタ同軸ピン実装基板搭載用導体１０にひさし状の凸部を設け、空隙部に定在波が立つ導体（シールド部）を形成する。これによって、リボン５から鉛直方向のパッケージ筐体と同じ電位の導体（シールド部）に至る距離ｈ１を小さくすることが出来る。ｈ１＝１．３ｍｍの場合、λ／４波長の定在波は５７．７ＧＨｚとなり、レーザモジュールの供用帯域である４０ＧＨｚより高周波側に共振周波数を追い出すことができる。これによって、良好な伝送特性を得ることができる。なお、４０ＧＨｚのλ／４波長は、１．８８ｍｍであるので、４０ＧＨｚ用のレーザモジュールのｈ１寸法は、少なくとも１．８８ｍｍ未満とする必要がある。ｈ１寸法が、１．３ｍｍはさらに好ましい寸法である。

図５に示した２種類の構造の伝送特性シミュレーションの結果を図４に示す。破線で示す図５（ｂ）の構造では、２７ＧＨｚ付近に共振に伴う伝送特性の大きなディップが見られる。これに対して、図５（ａ）の構造では、４０ＧＨｚまでの広い帯域で良好な特性を得られることが判る。このシミュレーションにより、導体の位置を制御することにより、電界閉じ込め部を形成し、伝送帯域内の共振による伝送劣化を改善することがわかる。

本実施例の変形例として、図２に示すように半導体レーザ素子実装基板搭載用導体８側にひさし状の凸部８aを設け、半導体レーザ素子実装基板を搭載する導体で気密容器内の雰囲気に覆われた経路の一部を遮断（シールド）する構造としても良い。また、図３に示すように、導体壁面は伝送経路に対して平行平面である必要はなく、半導体レーザ素子実装基板搭載用導体８ｃに示すような断面方向で斜めの面で形成しても良い。

また、上述した実施例では高周波線路として、グランディッドコプレーナ線路を用いたが、マイクロストリップ線路であっても、コプレーナ線路であっても良い。高周波コネクタ同軸ピン実装基板４と半導体レーザ素子実装基板６とは、ワイヤボンディング接続されてもよい。リボンボンディングのリボンと、ワイヤボンディングのワイヤとを、単に接続ワイヤと呼ぶ。はんだ付け・ロウ付け等の金属接合に用いる金属／方法は、プロセスに応じて適宜決めればよい。
さらに、上記実施例は、高周波コネクタ同軸ピン実装基板４と半導体レーザ素子実装基板６とのレーザ素子駆動用のリボン接続について記述したが、半導体レーザ素子実装基板６には、通常モニタＰＤ（フォトダイオード）やサーミスタが実装されるので、それらについても、本発明と同様な効果が得られる。
なお、上記実施例ではリボンとパッケージ筐体との間に生じる定在波について記載したが、リボンと金属フタとの間についても同様である。上述した変形例でも、以下記載する他の実施例でも共通である。

本発明の第１の実施形態であるレーザモジュールの実施例２について、図６から図８を用いて説明する。図６は本発明の実施例２のレーザモジュールを説明する平面図、図７は実施例２の変形実施例を説明するレーザモジュールの側面図、図８は実施例２の変形実施例を説明するレーザモジュールの平面図である。

本実施例のレーザモジュール１００を、図６に示す。図面の符号は実施例１と共通であるので、異なっている箇所のみを説明する。高周波コネクタ同軸ピン実装基板４を搭載する高周波コネクタ同軸ピン実装基板搭載用導体１０は、図５（ｂ）に記載された、ひさし状の凸部のない外形を有する。また、高周波コネクタ同軸ピン実装基板４と、半導体レーザ素子実装基板６とには、両者が対抗する辺の上面に導体１３が形成され、図示しない銀ペーストにてそれぞれ、基板を搭載する導体と接続されている。このように構成すれば、電界の閉じ込めの弱いリボンボンディング５部からパッケージ筐体２内に放射される電界を、パッケージ筐体２と同電位に施された導体１３を近接配置することで、抑制させる効果がある。

従って、本実施例に拠れば伝送帯域内の共振による伝送劣化を改善した４０Ｇｂｉｔ／ｓレーザモジュールを得ることができる。
さらに、本実施例に拠れば、導体１３は高周波線路の形成と同時に形成でき、搭載用導体の形状を複雑にすることなく製造できる。

本実施例の変形例として、図７に示すレーザモジュール１００ように、高周波コネクタ同軸ピン実装基板４と、半導体レーザ素子実装基板６とに、両者が対向する辺の側面に導体１３を形成する。導体１３は、たとえば銀ペーストである。導体１３は、それぞれ、基板を搭載する導体と接続されている。このように構成すれば、電界の閉じ込めの弱いリボンボンディング５部からパッケージ筐体２内に放射される電界を、導体と同電位にした導体１３を近接配置することで抑制できる。
従って、本実施例に拠れば伝送帯域内の共振による伝送劣化を改善した４０Ｇｂｉｔ／ｓレーザモジュールを得ることができる。

本実施例の他の変形例として、図８に示すレーザモジュール１００では、実施例２に加えて、２本のリボン５を用いて、導体１３間を信号伝送用のリボンを挟むように、それぞれ接続する。このように構成することによって、本変形実施例に拠れば、更なる電界閉じ込め効果を得ることが可能である。

本発明の第１の実施形態であるレーザモジュールの実施例３について、図９を用いて説明する。図９は本発明の実施例３のレーザモジュールを説明する側面図である。

本実施例のレーザモジュール１００を、図９に示す。図面の符号は実施例１と共通であるので、異なっている箇所のみを説明する。高周波コネクタ同軸ピン実装基板４を搭載する高周波コネクタ同軸ピン実装基板搭載用導体１０は、図５（ｂ）に記載されたひさし状の凸部のない外形を有する。また、高周波コネクタ同軸ピン実装基板４と、半導体レーザ素子実装基板６とを接続する方法として、ワイヤボンディングを用いた。さらに熱硬化性シリコーン樹脂（誘電率４〜７）で、直径２５μｍ（マイクロメータ）のボンディングワイヤの周囲を、直径１００〜３００μｍとなるようポッティングを実施し、熱硬化し、樹脂コートした。これによって、ワイヤボンディング部を５０Ω（オーム）線路に近づけることができる。

本実施例に拠れば、ワイヤボンディング部でも、高周波線路と同程度の電界閉じ込め効果を得ることができる。
従って、本実施例に拠れば伝送帯域内の共振による伝送劣化を改善した４０Ｇｂｉｔ／ｓレーザモジュールを得ることができる。

なお、本実施例では、熱硬化性樹脂を用いたが、光硬化性樹脂であっても良い。樹脂材料として、シリコーン系を用いたが、一般的なエポキシ系でも良いし、アクリレート系でも良い。
またワイヤボンディング径やポッティング径の組合せにより任意の線路インピーダンスも作成可能である。

なお、実施例１ないし３で示した電界の閉じ込め方法は、それぞれ独立であり、これらを組み合わせて実施することも可能である。

本発明の第２の実施形態であるフォトダイオードモジュールの実施例について、図１０を用いて説明する。図１は本発明の実施例のフォトダイオードモジュールを説明する側面図である。

本実施例のフォトダイオードモジュール２００を、図１０に示す。図面から分かるように、実施例１ないし３に示したレーザモジュールの構造ときわめて類似している。図示しない光ファイバ伝送路から伝送されてきた４０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号は、フォトダイオード素子１７で受信され、高周波電気信号に変換される。フォトダイオード素子１７は、グランディッドコプレーナ線路を形成したフォトダイオード素子実装基板１６に搭載され、グランディッドコプレーナ線路とは素子裏面と図示しないワイヤボンディングで接続される。高周波電気信号は、フォトダイオード素子実装基板１６のグランディッドコプレーナ線路から、高周波コネクタ同軸ピン実装基板４上に設けられたグランディッドコプレーナ線路へ伝達される。高周波コネクタ同軸ピン実装基板４上に設けられたグランディッドコプレーナ線路には、はんだ（図示しない）で高周波コネクタ同軸ピン部３と接続されている。従って、高周波電気信号は、パッケージ筐体２の外壁に取り付けられた高周波コネクタ部１から取り出すことができる。

フォトダイオード素子１７は、フォトダイオード素子実装基板１６、フォトダイオード素子実装基板搭載用導体１８を介してパッケージ筐体２に実装されている。
高周波コネクタ同軸ピン実装基板４とフォトダイオード実装基板１６とは、それぞれ別個の高周波コネクタ同軸ピン実装基板搭載用導体１０とフォトダイオード素子実装基板搭載用導体１８に搭載されているので、リボン５にて接続されている。なお、パッケージ筐体２の内部にフォトダイオード素子１７を気密封止するための金属フタ（図示せず）を用い、窒素置換等を施した後に全周溶接を行っている。

高周波コネクタ同軸ピン実装基板搭載用導体１０はパッケージ筐体２と同電位となるように金属導体を用いる。また、高周波コネクタ同軸ピン実装基板４と、フォトダイオード実装基板との間隙部（リボン５）から、パッケージ筐体２底面との間には、高周波コネクタ同軸ピン実装基板搭載用導体１０の一部が、少なくとも間隙部の幅より大きいひさし状に形成されている。このひさし構造は、間隙部から図１０の下方のパッケージ底面内壁にいたる経路に、線路基板を搭載する導体１０で気密容器内の雰囲気に覆われた経路の一部を遮断（シールド）する構造となっている。

本実施例のフォトダイオードモジュールと、実施例１のレーザモジュールとは、光信号の受信用、送信用との違いがある。このため、本実施例では、光素子１７、リボン５、高周波コネクタ部１の順に高周波電気信号が伝送されるのに対し、実施例１では、高周波コネクタ部１、リボン５、光素子７の順に伝送される違いがある。しかし、高周波線路でないリボン５の部分を４０Ｇｂｉｔ／ｓの電気信号が通ることは、同一であり、上記ひさし構造で共振周波数を４０ＧＨｚより高周波側に追い出すことができる。従って、本実施例によって、伝送帯域内の共振による伝送劣化を改善した４０Ｇｂｉｔ／ｓフォトダイオードモジュールを得ることができる。

また、レーザモジュールの実施例１の変形例、実施例２、３およびそれらの変形例ならびに上述の実施例変形例の組合せもすべて、フォトダイオードモジュールに適用可能なことはいうまでもない。

本発明の第３の実施形態である光伝送装置の実施例について、図１１を用いて説明する。図１１は、本発明の実施例の光伝送装置を説明するブロック図である。

図１１に示す光伝送装置３００は、２．５Ｇｂｉｔ／ｓ×１６の信号を多重化する信号多重部１０２によって４０Ｇｂｉｔ／ｓの電気信号に変換され、駆動部１０１を経由して、レーザモジュール１００に送信される。レーザモジュール１００は、４０ＧＨｚの電気信号を４０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号に変換し、上り伝送路ファイバ４００ａに送出する。下り伝送路ファイバ４００ｂからの４０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号は、フォトダイオードモジュール２００で受信され、４０Ｇｂｉｔ／ｓ電気信号に変換される。４０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号は伝送路で減衰しているので、電気信号も微弱信号である。この４０Ｇｂｉｔ／ｓの電気信号を増幅部２０１で増幅した後、信号分離部２０２で２．５Ｇｂｉｔ／ｓの電気信号１６本に分離する。

本実施例の光伝送装置では、実施例１ないし実施例３に記載したレーザモジュール１００を用いるので、伝送特性に優れた光送信ができる。また、本実施例の光伝送装置では、実施例４に記載したフォトダイオードモジュール２００を用いるので、伝送特性に優れた光受信ができる。

本実施例の光伝送装置を、光送受信装置と呼ぶ場合もある。また、図１１の、信号多重部１０２、駆動部１０１、レーザモジュール１００を光送信装置と呼ぶ。フォトダイオードモジュール２００、増幅部２０１、信号分離部２０２を光受信装置と呼ぶ。
なお、本明細書の記載において、光送信装置も光受信装置も、光伝送装置と呼ぶ。レーザモジュール１００とフォトダイオードモジュールとは、光モジュールと呼ぶ。しかし、光モジュールは、これらに限られず例えば変調器モジュールを含む。また、レーザ素子７とフォトダイオード素子１７とは、光素子と呼ぶ。しかし、光素子は、これらに限られず例えば変調器素子を含む。

本発明の実施例１を説明するのレーザモジュールの側面図である。本発明の実施例１を変形した他の実施例を説明するレーザモジュールの側面図である。本発明の実施例１を変形した他の実施例を説明するレーザモジュールの側面図である。本発明の実施例１のシミュレーション結果を説明する伝送特性図である。本発明の実施例１のシミュレーションを説明する図である。本発明の実施例２を説明するレーザモジュールの平面図である。本発明の実施例２の変形実施例を説明するレーザモジュールの側面図である。本発明の実施例２の他の変形実施例を説明するレーザモジュールの平面図である。本発明の実施例３を説明するレーザモジュールの側面図である。本発明の実施例４を説明するフォトダイオードモジュールの側面図である。本発明の実施例５を説明する光伝送装置のブロック図である。

符号の説明

１…高周波コネクタ部、２…パッケージ筐体、３…高周波コネクタ同軸ピン部、４…高周波コネクタ同軸ピン実装基板、５…リボン、６…半導体レーザ素子実装基板、７…半導体レーザ素子、８…半導体レーザ素子実装基板搭載用導体、９…冷却用クーラ素子、１０…高周波コネクタ同軸ピン実装基板搭載用導体、１１…定在波、１２…定在波、１３…導体、１４…グランディッドコプレーナ線路、１５…シリコーン樹脂、１６…フォトダイオード素子実装基板、１７…フォトダイオード素子、１８…フォトダイオード素子実装基板搭載用導体、１００…レーザモジュール、１０１…駆動部、１０２…信号多重部、２００…フォトダイオードモジュール、２０１…増幅部、２０２…信号分離部、３００…光伝送装置、４００…光ファイバ伝送路。

Claims

光素子を搭載した第１の高周波線路と、前記第１の高周波線路と接続ワイヤを介して接続される第２の高周波線路と、前記第１の高周波線路と前記第２の高周波線路とを収納する筐体とからなる光モジュールであって、
前記筐体内は不活性ガスにて気密封止され、
前記光素子と前記第１の高周波線路とが実装された第１の実装基板は、前記筐体内の冷却素子上の第１の実装基板搭載用導体上に搭載され、
前記第２の高周波線路が実装された第２の実装基板は、前記筐体内で前記筐体と同一電位の第２の実装基板搭載用導体上に搭載され、
前記第１の実装基板と前記第２の実装基板との間隙部から前記筐体底面との間に、前記第２の実装基板用導体の一部が前記間隙部の幅より大きいひさし構造部が形成されており、
前記接続ワイヤと前記ひさし構造部との距離を、４０GHｚの４分の１波長である１．８８ｍｍ未満とすることを特徴とする光モジュール。
請求項１に記載の光モジュールであって、
前記接続ワイヤと、前記ひさし構造部との距離が、１．３ｍｍ以下である光モジュール。
請求項１または請求項２に記載の光モジュールであって、
前記接続ワイヤを樹脂コートすることを特徴とする光モジュール。