JP5367858B2

JP5367858B2 - Optical receiver module and method of manufacturing optical receiver module

Info

Publication number: JP5367858B2
Application number: JP2012038282A
Authority: JP
Inventors: 修加賀谷; 幸俊岡村; 篤三浦; 道秀笹田; 英之桑野
Original assignee: 日本オクラロ株式会社
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2026-01-27
Also published as: JP2012138601A

Description

本発明は光受信モジュールにかかり、特に概ね１０Ｇｂｉｔ/ｓの高速伝送レートを有する光受信モジュールに関する。 The present invention relates to an optical receiver module, and more particularly to an optical receiver module having a high-speed transmission rate of approximately 10 Gbit / s.

半導体フォトダイオードを受信素子として用いた光受信モジュールは光ファイバー伝送用トランシーバのキーデバイスの一つである。光受信モジュールは近年のブロードバンドネットワークの普及とともに高速化がはかられ、ビットレートが１０Ｇｂｉｔ/ｓまでのものが広く用いられるようになっている。上記用途に適した光受信モジュールは、小型・低コスト・低消費電力であるとともに、良好な周波数帯域特性を実現することが強く要求されている。 An optical receiving module using a semiconductor photodiode as a receiving element is one of key devices of an optical fiber transmission transceiver. As the optical receiving module increases in speed with the spread of broadband networks in recent years, those having a bit rate of up to 10 Gbit / s are widely used. Optical receiver modules suitable for the above applications are strongly required to be compact, low cost, low power consumption, and to realize good frequency band characteristics.

特許文献１には、半導体フォトダイオードとプリアンプをＴＯパッケージに搭載することで小型化、低コスト化を図り、プリアンプの接地パッドへのインダクタンス低減することで１０ＧＨｚの高速信号に対するインピーダンスを低くし、これにより良好な周波数特性の確保を図った光受信モジュールが記載されている。 In Patent Document 1, a semiconductor photodiode and a preamplifier are mounted in a TO package to reduce the size and cost, and by reducing the inductance to the ground pad of the preamplifier, the impedance for a high-speed signal of 10 GHz is lowered. Describes an optical receiver module that ensures better frequency characteristics.

特開２００４−２５４１２５号公報JP 2004-254125 A

ユーザの要求として、特に長距離伝送用途ではトランシーバの設計方式により、受信モジュールに対しリニアリティを必要とする場合と、受信モジュールに対し高い受信感度を必要とする場合とがある。 As a user's request, there are a case where linearity is required for the receiving module and a case where high receiving sensitivity is required for the receiving module depending on the design method of the transceiver particularly for long distance transmission.

上記背景技術において低消費電力化を図った場合、搭載するプリアンプの品種に応じ設計を変えた複数の品種の半導体フォトダイオードを作成する必要が生じる。その結果、半導体ウエハの利用効率が悪くなり、半導体フォトダイオードの低コスト化が困難になるという問題があった。 When the power consumption is reduced in the background art described above, it is necessary to create a plurality of types of semiconductor photodiodes whose design is changed according to the type of preamplifier to be mounted. As a result, there is a problem that the utilization efficiency of the semiconductor wafer is deteriorated and it is difficult to reduce the cost of the semiconductor photodiode.

従来は、３００ｐｉｎＭＳＡトランシーバ用途ではプリアンプの電源として−５.２Ｖと＋３.３Ｖの正負２電源が使用でき、動作電圧に充分余裕があったため、１種類のプリアンプを用いることで両者の要求を満足することができていた。これに対し、近年主流になりつつあるＸＦＰトランシーバ用途では低消費電力化のため、受信モジュールの駆動電圧も＋３.３Ｖ単一に低電圧化している。 Conventionally, in a 300 pin MSA transceiver application, -5.2V and + 3.3V positive and negative power supplies can be used as the power supply for the preamplifier, and there is a sufficient margin in the operating voltage, so the use of one type of preamplifier satisfies both requirements. Was able to. On the other hand, in the XFP transceiver application, which is becoming mainstream in recent years, the driving voltage of the receiving module is also reduced to + 3.3V single in order to reduce power consumption.

プリアンプは＋３.３Ｖ単一電源の場合、リニアリティと高受信感度とを同時に満足する設計が困難である。そこで、受信モジュールには高リニアリティ版と高感度版とで設計の異なる別種のプリアンプＩＣを用いる必要が生じる。 In the case of a + 3.3V single power supply, it is difficult to design a preamplifier that satisfies both linearity and high reception sensitivity at the same time. Therefore, it is necessary to use different types of preamplifier ICs having different designs for the high linearity version and the high sensitivity version.

発明者等の検討によると、２電源版のプリアンプの入力インピーダンスは３０Ω（ohm）程度であったのに対し、＋３.３Ｖ単一電源化に伴い入力インピーダンスの点でもプリアンプは分化している。すなわち、高リニアリティ版のプリアンプは、低利得化に伴い入力インピーダンスが７０Ω程度と高い。一方、高受信感度版のプリアンプは、初段低雑音化に伴い入力インピーダンスが２０−３０Ωと低い。 According to the study by the inventors, the input impedance of the two power supply version preamplifier was about 30 Ω (ohm), whereas the preamplifier is differentiated in terms of the input impedance as the single power supply is + 3.3V. In other words, the high linearity version preamplifier has an input impedance as high as about 70Ω as the gain is reduced. On the other hand, the high-reception sensitivity version of the preamplifier has an input impedance as low as 20-30Ω with the first stage noise reduction.

プリアンプの入力インピーダンスを入力抵抗Ｒｉｎで近似とすると、フォトダイオードからプリアンプ入力部までの高周波等価回路は、図１に示す通りである。図１において、Ｃｐｄはフォトダイオードの容量、Ｒｐｄはフォトダイオードの直列抵抗、Ｌはボンディングワイヤによるインダクタンスである。光受信モジュールにおいて所望の良好な周波数特性を得るには、Ｒｐｄ、Ｃｐｄ、Ｌの値を選択し、フォトダイオードに生ずるフォトカレントＩｐｈ(ω)が入力抵抗Ｒｉｎの両端に電圧Ｖｉｎ(ω)を生ずる周波数依存性(すなわち角周波数ω(omega)依存性)を最適にすれば良い。 When the input impedance of the preamplifier is approximated by the input resistance Rin, the high frequency equivalent circuit from the photodiode to the preamplifier input section is as shown in FIG. In FIG. 1, Cpd is the capacitance of the photodiode, Rpd is the series resistance of the photodiode, and L is the inductance due to the bonding wire. In order to obtain a desired good frequency characteristic in the optical receiving module, values of Rpd, Cpd, and L are selected, and a photocurrent Iph (ω) generated in the photodiode generates a voltage Vin (ω) across the input resistance Rin. The frequency dependence (that is, the angular frequency ω (omega) dependence) may be optimized.

式１より、例えば入力インピーダンスが３０Ωの高感度版プリアンプを用いて光受信モジュールの周波数特性を最適化したのち、プリアンプを入力インピーダンス７０Ωの高リニアリティ版プリアンプへ変更する場合を考える。この場合、ＲｐｄおよびＬをＲｉｎに比例して２.３倍(７０/３０)、ＣｐｄをＲｉｎに反比例して０.４３倍(３０/７０)に変更すれば良いことがわかる。Ｌはボンディングワイヤ長で容易に変更可能である。一方フォトダイオードにおいてはほぼ受光面積と容量Ｃｐｄとが比例、直列抵抗Ｒｐｄとは反比例との関係にあることより、Ｒｐｄ、Ｃｐｄの両者を満足するには受光径を０.６５倍(√(３０/７０))に縮小することが必要である。
From Equation 1, a case is considered in which, for example, the frequency characteristic of the optical receiving module is optimized using a high sensitivity version preamplifier with an input impedance of 30Ω, and then the preamplifier is changed to a high linearity version preamplifier with an input impedance of 70Ω. In this case, it is understood that Rpd and L may be changed to 2.3 times (70/30) in proportion to Rin and Cpd to 0.43 times (30/70) in inverse proportion to Rin. L can be easily changed by the bonding wire length. On the other hand, in the photodiode, since the light receiving area and the capacitance Cpd are approximately proportional and the series resistance Rpd is inversely proportional, the light receiving diameter is 0.65 times (√ (30 / 70)).

このように光受信モジュールにおいて入力インピーダンスの異なる２種類のプリアンプを用い、それぞれに同等の良好な周波数特性を得るには、従来の光受信モジュール構造では受光径の異なる２種類の受光素子を用意する必要があった。しかし重要部品である受光素子、特に長距離用に用いられるアバランシェフォトダイオードは高価であり、フォトダイオードを製造する観点からはプリアンプの種類によらずフォトダイオードの品種を統一することで半導体ウエハの利用効率を上げ、チップ単価の低減/生産在庫の削減を図りたいという強い要求がある。 In this way, in order to obtain the same good frequency characteristics using two types of preamplifiers having different input impedances in the optical receiving module, two types of light receiving elements having different light receiving diameters are prepared in the conventional optical receiving module structure. There was a need. However, light receiving elements, which are important components, especially avalanche photodiodes used for long distances, are expensive. From the viewpoint of manufacturing photodiodes, semiconductor wafers can be used by unifying the types of photodiodes regardless of the type of preamplifier. There is a strong demand to increase efficiency and reduce chip unit price / production inventory.

しかし、特許文献１に記載された発明おいてはこの要求を満足することができず、半導体フォトダイオードの低コスト化、ひいては光受信モジュールの低コスト化が困難になるという問題が生じる。 However, in the invention described in Patent Document 1, this requirement cannot be satisfied, and there arises a problem that it is difficult to reduce the cost of the semiconductor photodiode and consequently to reduce the cost of the optical receiving module.

本発明の目的は、同一設計の受光素子を用いながら入力インピーダンスの異なるプリアンプを用いた場合にでも良好な周波数通過特性(Ｓ２１)を実現できる光受信モジュール提供することにある。 An object of the present invention is to provide an optical receiver module capable of realizing good frequency pass characteristics (S21) even when using pre-amplifiers having different input impedances while using light receiving elements of the same design.

上記目的は、光信号を受光して電気信号に変換する受光素子と、受光素子の出力信号を増幅するプリアンプと、受光素子を搭載する絶縁性キャリア基板と、受光素子の出力信号がキャリア基板上の電極を介してプリアンプに入力されるように接続し、受光素子を搭載しない状態でキャリア基板上の２電極間の容量値を４０ｆＦ（フェムトファラッド）以上とした２電極を有することより達成できる。 The purpose is to receive a light signal and convert it into an electrical signal, a preamplifier that amplifies the output signal of the light receiving element, an insulating carrier substrate on which the light receiving element is mounted, and the output signal of the light receiving element on the carrier substrate. This can be achieved by having two electrodes with a capacitance value between the two electrodes on the carrier substrate of 40 fF (femtofarad) or more without connecting the light receiving element to the preamplifier.

また、上記目的は、光信号を受光して電気信号に変換する受光素子と、受光素子の出力信号を増幅するプリアンプと、受光素子を搭載する絶縁性キャリア基板と、受光素子の出力信号がキャリア基板上の電極を介してプリアンプに入力されるように接続し、受光素子を搭載しない状態でのキャリア基板の２電極間の容量値が受光素子のアノード電極−カソード電極間の容量値の４０％以上とすることにより達成できる。 In addition, the object is to receive a light signal and convert it into an electrical signal, a preamplifier that amplifies the output signal of the light receiving element, an insulating carrier substrate on which the light receiving element is mounted, and the output signal of the light receiving element as a carrier. The capacitance value between the two electrodes of the carrier substrate is 40% of the capacitance value between the anode electrode and the cathode electrode of the light receiving element when connected to be input to the preamplifier via the electrode on the substrate and the light receiving element is not mounted. This can be achieved.

本発明によれば、同一設計の受光素子を用いながら入力インピーダンスの異なるプリアンプを用いた場合にでも良好な周波数通過特性(Ｓ２１)を実現できる光受信モジュールを得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain an optical receiver module capable of realizing a good frequency pass characteristic (S21) even when using pre-amplifiers having different input impedances while using light receiving elements of the same design.

フォトダイオードからプリアンプ入力部までの高周波等価回路図である。It is a high frequency equivalent circuit diagram from a photodiode to a preamplifier input part. 光受信モジュールの主要部分を示す平面図である。It is a top view which shows the principal part of an optical receiver module. キャリア基板部分の部分透視平面図である。It is a partial perspective plan view of a carrier substrate portion. キャリア基板の斜視断面図である。It is a perspective sectional view of a carrier substrate. フォトダイオードからプリアンプ入力部までの高周波等価回路図である。It is a high frequency equivalent circuit diagram from a photodiode to a preamplifier input part. 入力インピーダンスと容量値の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an input impedance and a capacitance value. 効果を説明する受信モジュールの周波数特性である。It is the frequency characteristic of the receiving module explaining an effect. 光受信モジュールの主要部分を示す平面図である。It is a top view which shows the principal part of an optical receiver module. キャリア基板部分の部分透視平面図である。It is a partial perspective plan view of a carrier substrate portion.

以下本発明の実施の形態に付いて、実施例を用いて図面を参照しながら説明する。なお、同じ部分には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings using examples. Note that the same reference numerals are assigned to the same parts, and description thereof will not be repeated.

実施例１を図２ないし図７により説明する。ここで、図２は光受信モジュールの主要部分を示す平面図である。図３はキャリア基板部分の部分透視平面図である。図４はキャリア基板の斜視断面図である。図５はフォトダイオードからプリアンプ入力部までの高周波等価回路図である。図６は入力インピーダンスと容量値の関係を示すグラフである。図７は効果を説明する受信モジュールの周波数特性である。 Example 1 will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 2 is a plan view showing a main part of the optical receiving module. FIG. 3 is a partial perspective plan view of the carrier substrate portion. FIG. 4 is a perspective sectional view of the carrier substrate. FIG. 5 is a high-frequency equivalent circuit diagram from the photodiode to the preamplifier input section. FIG. 6 is a graph showing the relationship between input impedance and capacitance value. FIG. 7 shows the frequency characteristics of the receiving module for explaining the effect.

まず図２を用いて光受信モジュールの構成を説明する。光受信モジュールは筐体としてＣＡＮ型のパッケージ筐体を用いる。金属ステム１は、ＣＡＮ型筐体の主要部搭載用台座である。金属ステム１には円筒状の貫通穴を通して円柱状のリードピン１０〜１４を設け、封止ガラス２０〜２４により固定する。金属ステム１上にはプリアンプＩＣチップ２とキャリア基板３を搭載する。金属ステム１は電気的には接地電位として使用する。キャリア基板３の表面には金属電極４、５を設ける。キャリア基板３には半導体チップ６を、フェイスダウン実装であるフリップチップ実装により搭載する。 First, the configuration of the optical receiving module will be described with reference to FIG. The optical receiving module uses a CAN type package casing as a casing. The metal stem 1 is a pedestal for mounting a main part of a CAN type housing. The metal stem 1 is provided with columnar lead pins 10 to 14 through a cylindrical through hole and fixed by sealing glasses 20 to 24. A preamplifier IC chip 2 and a carrier substrate 3 are mounted on the metal stem 1. The metal stem 1 is electrically used as a ground potential. Metal electrodes 4 and 5 are provided on the surface of the carrier substrate 3. A semiconductor chip 6 is mounted on the carrier substrate 3 by flip-chip mounting which is face-down mounting.

半導体チップ６は、その表面に半導体フォトダイオード素子およびそのアノード電極とカソード電極を設けた裏面入射型フォトダイオードチップである。光ファイバーより光受信モジュールに入射された光変調信号は、結合レンズ（図中省略）を介して、金属ステム１の中央付近に配置した半導体チップ６に、紙面に垂直上方より入射される。半導体チップ６上の半導体フォトダイオード素子は受光した光変調信号を、フォトカレントの生成により電気変調信号に変換する。半導体チップ６のアノード電極より出力された電気変調信号は、金属電極５、ボンディングワイヤ７を介してプリアンプＩＣチップ２の入力端子に入力される。プリアンプＩＣチップ２は微弱な電気変調信号を増幅し、出力信号として差動インピーダンス１００Ωの差動信号をボンディングワイヤ１８、１９を介して出力リードピン１０、１１に出力する。半導体チップ６のカソード電極は金属電極４、ボンディングワイヤ８を介して平行平板容量９に接続し、この平行平板容量９により高周波的に金属ステム１に接地する。直流的にはさらにボンディングワイヤ３１を介してリードピン１４に接続し、ここから半導体フォトダイオード素子のバイアス電圧の供給を受ける。 The semiconductor chip 6 is a back-illuminated off O preparative diode chip having a semiconductor photodiode element and an anode electrode and a cathode electrode thereof on its surface. The optical modulation signal incident on the optical receiving module from the optical fiber is incident on the semiconductor chip 6 disposed in the vicinity of the center of the metal stem 1 through the coupling lens (not shown in the drawing) from vertically above the paper surface. The semiconductor photodiode element on the semiconductor chip 6 converts the received light modulation signal into an electric modulation signal by generating a photocurrent. The electric modulation signal output from the anode electrode of the semiconductor chip 6 is input to the input terminal of the preamplifier IC chip 2 through the metal electrode 5 and the bonding wire 7. The preamplifier IC chip 2 amplifies a weak electric modulation signal and outputs a differential signal having a differential impedance of 100Ω as an output signal to the output lead pins 10 and 11 via bonding wires 18 and 19. The cathode electrode of the semiconductor chip 6 is connected to the parallel plate capacitor 9 through the metal electrode 4 and the bonding wire 8, and is grounded to the metal stem 1 in high frequency by the parallel plate capacitor 9. In terms of direct current, it is further connected to the lead pin 14 through the bonding wire 31 and receives a bias voltage from the semiconductor photodiode element.

プリアンプＩＣチップ２の接地端子電極はボンディングワイヤ３２を介して金属ステム１に接続し、電源端子電極はバイパスコンデンサである平行平板容量１７を経由してリードピン１２に接続する。プリアンプＩＣの電源電圧は＋３.３Ｖであり、リードピン１２より外部供給を受ける。プリアンプ２の温度測定用サーミスタ１５は、ボンディングワイヤ３３を介してリードピン１３に接続する。平行平板容量１６は、ボンディングワイヤ３４を介してプリアンプＩＣチップ２の電極に接続する。このプリアンプＩＣチップ２の電極は、平行平板容量１６によって、高周波的に接地される。 The ground terminal electrode of the preamplifier IC chip 2 is connected to the metal stem 1 via a bonding wire 32, and the power supply terminal electrode is connected to the lead pin 12 via a parallel plate capacitor 17 which is a bypass capacitor. The power supply voltage of the preamplifier IC is + 3.3V and is supplied from the lead pin 12 to the outside. The temperature measuring thermistor 15 of the preamplifier 2 is connected to the lead pin 13 via the bonding wire 33. The parallel plate capacitor 16 is connected to the electrode of the preamplifier IC chip 2 through the bonding wire 34. The electrodes of the preamplifier IC chip 2 are grounded at a high frequency by a parallel plate capacitor 16.

ＣＡＮ型のパッケージ筐体としては例えばφ(phi)５.３ｍｍのＴＯ−ＣＡＮ型の筐体などを用いる。金属ステム１の材料としては安価な鉄を用いると低コスト化に好適である。キャリア基板３は厚さ２００μｍの窒化アルミで構成する。キャリア基板３の材料としてはアルミナなど他の誘電体材料を用いても良いが、特にキャリア基板３に窒化アルミを用いた場合、半導体チップ６にＩｎＰ基板を用いた時の両者の熱膨張係数差を小さくでき、受信モジュール特性の温度変動を抑えるのに好適である。半導体チップ６上の半導体フォトダイオード素子としてはアバランシェフォトダイオードやＰＩＮフォトダイオードを用いる。アバランシェフォトダイオードは高い受信感度を得られるため、特に長距離用途の受信モジュールを実現するのに好適である。 As the CAN-type package housing, for example, a φ-phi 5.3 mm TO-CAN-type housing is used. If inexpensive iron is used as the material of the metal stem 1, it is suitable for cost reduction. The carrier substrate 3 is made of aluminum nitride having a thickness of 200 μm. As the material of the carrier substrate 3, other dielectric materials such as alumina may be used. Particularly, when aluminum nitride is used for the carrier substrate 3, the difference in thermal expansion coefficient between the two when the InP substrate is used for the semiconductor chip 6 is used. This is suitable for suppressing the temperature fluctuation of the receiving module characteristics. As the semiconductor photodiode element on the semiconductor chip 6, an avalanche photodiode or PIN photodiode is used. Since an avalanche photodiode can obtain high receiving sensitivity, it is particularly suitable for realizing a receiving module for long-distance use.

次に図３および図４を用いてキャリア基板部の構成を説明する。図３（ａ）のキャリア基板３は入力インピーダンスが２０−３０Ωと低いプリアンプを実装する場合に用いる。一方、図３（ｂ）のキャリア基板１０３は入力インピーダンスが７０Ω程度と高いプリアンプを実装する場合に、キャリア基板３に替えて用いるものである。 Next, the configuration of the carrier substrate portion will be described with reference to FIGS. The carrier substrate 3 in FIG. 3A is used when a preamplifier having an input impedance as low as 20-30Ω is mounted. On the other hand, the carrier substrate 103 in FIG. 3B is used instead of the carrier substrate 3 when a preamplifier having a high input impedance of about 70Ω is mounted.

キャリア基板３においては金属電極４と金属電極５に近接対向部分を設け、この部分で容量を形成する。図４にキャリア基板３の近接対向部分の断面構造図を示す。キャリア基板３の内部に内部電極２５を設け、直流的にフロート電位とする。金属電極４−内部電極２５間の平行平板型容量と内部電極２５−金属電極５間の平行平板型容量とを直列接続する方式で金属電極４−５間の容量を形成し、その値を４０ｆＦ以上にする。 In the carrier substrate 3, the metal electrode 4 and the metal electrode 5 are provided with a close-facing portion, and a capacitance is formed in this portion. FIG. 4 shows a cross-sectional structure diagram of the proximity facing portion of the carrier substrate 3. An internal electrode 25 is provided inside the carrier substrate 3 and is floated in a DC manner. The capacitance between the metal electrodes 4-5 is formed by connecting the parallel plate type capacitance between the metal electrode 4 and the internal electrode 25 and the parallel plate type capacitance between the internal electrode 25 and the metal electrode 5 in series, and the value is set to 40 fF. That's it.

一方、キャリア基板１０３には金属電極１０４と金属電極１０５との間には近接対向部分および内部電極を設けず、両電極間の容量値を極力小さくする。半導体チップ６はキャリア基板３およびキャリア基板１０３に対し共通であり、その接続部はキャリア基板３とキャリア基板１０３との共通部分に設ける。半導体チップ６は、そのアノード電極とカソード電極間のダイオード容量は１００ｆＦ以下にする。 On the other hand, the carrier substrate 103 is not provided with the proximity facing portion and the internal electrode between the metal electrode 104 and the metal electrode 105, and the capacitance value between the two electrodes is minimized. The semiconductor chip 6 is common to the carrier substrate 3 and the carrier substrate 103, and the connection portion is provided at a common portion between the carrier substrate 3 and the carrier substrate 103. The semiconductor chip 6 has a diode capacitance of 100 fF or less between its anode electrode and cathode electrode.

次に図５および図６を用いて回路構成と動作を説明する。キャリア基板３の近接対向部分の容量値をＣｐａｄとすると、フォトダイオードからプリアンプ入力部までの高周波等価回路は図５に示すとおりになる。図５において、Ｃｐｄはフォトダイオードの容量、Ｒｐｄはフォトダイオードの直列抵抗、Ｌはボンディングワイヤによるインダクタンス、Ｒｉｎはプリアンプの入力抵抗である。入力抵抗Ｒｉｎの両端に生じる電圧Ｖｉｎ(ω)のは、角周波数をω、フォトダイオードに生ずるフォトカレントをＩｐｈ(ω)として式２で記述される。 Next, the circuit configuration and operation will be described with reference to FIGS. Assuming that the capacitance value of the proximity facing portion of the carrier substrate 3 is Cpad, the high frequency equivalent circuit from the photodiode to the preamplifier input section is as shown in FIG. In FIG. 5, Cpd is the capacitance of the photodiode, Rpd is the series resistance of the photodiode, L is the inductance due to the bonding wire, and Rin is the input resistance of the preamplifier. The voltage Vin (ω) generated at both ends of the input resistance Rin is described by Equation 2 with the angular frequency as ω and the photocurrent generated in the photodiode as Iph (ω).

式２において、容量Ｃｐａｄおよび周波数(ω/２π)が比較的小さいと仮定し、式３を得る。
In Equation 2, assuming that the capacitance Cpad and the frequency (ω / 2π) are relatively small, Equation 3 is obtained.

式３を用い、入力インピーダンスが７０Ωの高リニアリティ版プリアンプを用いて光受信モジュールの周波数特性を最適化したのち、プリアンプを入力インピーダンス３０Ωの高感度版プリアンプへ変更することを考える。
Consider using Equation 3 to optimize the frequency characteristics of the optical receiver module using a high linearity preamplifier with an input impedance of 70Ω, and then changing the preamplifier to a high sensitivity preamplifier with an input impedance of 30Ω.

素子容量に対しては電気的ＣＲ帯域確保のため、入力インピーダンスが高いほど小さな容量値が要求される。さらにアバランシェフォトダイオード素子を用いる場合には、増倍率が大きいほど増倍率の周波数依存性増加による帯域低下が生じるため、この帯域低下を補償すべく素子容量としてはさらに小さな容量値が要求される。発明者等の検討によると入力インピーダンス７０Ωの高リニアリティ版プリアンプを用い、光受信モジュールをビットレートが１０Ｇｂｉｔ/ｓへの適用する場合には、キャリア基板１０３を用いて金属電極間容量を極力小さくし、かつ容量Ｃｐｄが１００ｆＦ以下のフォトダイオードを用いることが高い周波数までの帯域を確保する上で必要である。この条件下で、最適な周波数特性を得るのに好適であった。 For the element capacitance, a smaller capacitance value is required as the input impedance is higher in order to secure an electrical CR band. Further, when an avalanche photodiode element is used, the larger the multiplication factor, the lower the band due to the increase in the frequency dependence of the multiplication factor. Therefore, a smaller capacitance value is required as the element capacitance to compensate for this band reduction. According to studies by the inventors, when a high linearity version preamplifier with an input impedance of 70Ω is used and the optical receiving module is applied to a bit rate of 10 Gbit / s, the capacitance between the metal electrodes is minimized by using the carrier substrate 103. In order to secure a band up to a high frequency, it is necessary to use a photodiode having a capacitance Cpd of 100 fF or less. Under these conditions, it was suitable for obtaining an optimum frequency characteristic.

ここで、概ね１０Ｇｂｉｔ/ｓのビットレートとは、ビットレート９.９５Ｇｂｉｔ/ｓ、１０.７Ｇｂｉｔ/ｓおよび１１.１Ｇｂｉｔ/ｓのＳＯＮＥＴ仕様、ビットレート１１.３Ｇｂｉｔ/ｓのＥｔｈｅｒ仕様を含み、これらに限定されない。 Here, the bit rate of about 10 Gbit / s includes SONET specifications with bit rates of 9.95 Gbit / s, 10.7 Gbit / s and 11.1 Gbit / s, and Ether specifications with a bit rate of 11.3 Gbit / s. It is not limited to.

次に同一のフォトダイオードを用いながらプリアンプを入力インピーダンス３０Ωの高感度版プリアンプへ変更し、さらに先と同様の良好な周波数特性を得るには、上記の関係式よりＬを(Ｒｉｎ＋Ｒｐｄ)に比例して変更し、(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)を(Ｒｉｎ＋Ｒｐｄ)に反比例して変更すれば良い。具体的には、フォトダイオードの直列抵抗Ｒｐｄが６０Ωの場合には、Ｌを０.６９倍((３０＋６０)/(７０＋６０))、(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)を１.４４倍((７０＋６０)/(３０＋６０))にすることで良好な周波数特性を実現できる。Ｌはボンディングワイヤ長で容易に変更可能である。一方(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)は同一の受光素子(容量Ｃｐｄ不変)を用いてもキャリア基板の近接対向部分の容量値Ｃｐａｄを増加することで変更可能である。 Next, to change the preamplifier to a high-sensitivity version preamplifier with an input impedance of 30Ω while using the same photodiode, and to obtain the same good frequency characteristics as before, L is proportional to (Rin + Rpd) from the above relational expression. And (Cpd + Cpad) may be changed in inverse proportion to (Rin + Rpd). Specifically, when the series resistance Rpd of the photodiode is 60Ω, L is 0.69 times ((30 + 60) / (70 + 60)) and (Cpd + Cpad) is 1.44 times ((70 + 60) / (30 + 60). ), A good frequency characteristic can be realized. L can be easily changed by the bonding wire length. On the other hand, (Cpd + Cpad) can be changed by increasing the capacitance value Cpad of the adjacently facing portion of the carrier substrate even if the same light receiving element (capacitance of Cpd is unchanged) is used.

プリアンプの入力インピーダンスＲｉｎの変化に対し、同様の周波数特性を得るために必要な容量値(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)の値の関係を図６のグラフに示す。図６において、容量値(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)はＲｉｎが７０Ωの場合の容量値を１とし、規格化している。発明者等の知見では、光モジュールに用いられるほとんどのフォトダイオードの直列抵抗Ｒｐｄは６０Ω以下の範囲にある。図６のグラフより、入力インピーダンス７０Ωのプリアンプを用いて光受信モジュールの周波数特性を最適化したのち、同一の受光素子と入力インピーダンス３０Ω以下のプリアンプを用いて光受信モジュールの周波数特性を最適化するには、容量値(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)を１.４倍以上にする必要があるという結果が得られている。 The graph of FIG. 6 shows the relationship between the capacitance value (Cpd + Cpad) necessary to obtain the same frequency characteristic with respect to the change in the input impedance Rin of the preamplifier. In FIG. 6, the capacitance value (Cpd + Cpad) is normalized by setting the capacitance value when Rin is 70Ω to 1. According to the knowledge of the inventors, the series resistance Rpd of most photodiodes used in the optical module is in the range of 60Ω or less. From the graph of FIG. 6, after optimizing the frequency characteristics of the optical receiver module using a preamplifier having an input impedance of 70Ω, the frequency characteristics of the optical receiver module are optimized using the same light receiving element and a preamplifier having an input impedance of 30Ω or less. Has a result that the capacitance value (Cpd + Cpad) needs to be 1.4 times or more.

次に図７により本実施例１の効果を説明する。図７(ａ)、(ｂ)は共に入力インピーダンス３０Ωの高感度版プリアンプを用いた光受信モジュールの小信号利得(Ｓ２１)特性である。半導体チップ６にはアバランシェダイオード素子を搭載し、増倍率が１０となるバイアス条件で動作させている。Ｃｐｄが１００ｆＦ以下の高感度版プリアンプをキャリア基板３に実装し、容量値(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)を１００ｆＦとした場合は、図７(ａ)に示す特性となる。図７(ａ)に示す特性は、１ＧＨｚから８ＧＨｚまでの帯域内利得減少量が−１.３５ｄＢと大きく、特に長距離伝送時のパワーペナルティに悪影響を及ぼした。 Next, the effect of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIGS. 7A and 7B are small signal gain (S21) characteristics of an optical receiving module using a high sensitivity version preamplifier with an input impedance of 30Ω. An avalanche diode element is mounted on the semiconductor chip 6 and is operated under a bias condition where the multiplication factor is 10. When a high-sensitivity version preamplifier having a Cpd of 100 fF or less is mounted on the carrier substrate 3 and the capacitance value (Cpd + Cpad) is 100 fF, the characteristics shown in FIG. In the characteristics shown in FIG. 7A, the amount of gain reduction in the band from 1 GHz to 8 GHz is as large as -1.35 dB, and particularly has an adverse effect on the power penalty during long distance transmission.

これに対し、高感度版プリアンプをキャリア基板１０３に実装した場合、容量値(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)を１４０ｆＦとした場合は、図７(ｂ)に示す特性となる。図７(ｂ)に示す特性は、１ＧＨｚから８ＧＨｚまでの帯域内利得変化を＋０.１５ｄＢに改善でき、長距離伝送時のパワーペナルティの低減に効果的であった。 On the other hand, when the high sensitivity version preamplifier is mounted on the carrier substrate 103, when the capacitance value (Cpd + Cpad) is 140 fF, the characteristics shown in FIG. The characteristic shown in FIG. 7B can improve the in-band gain change from 1 GHz to 8 GHz to +0.15 dB, and is effective in reducing the power penalty during long-distance transmission.

本実施例に拠れば、同一設計の受光素子を用いながら入力インピーダンスの異なるプリアンプを用いた場合にでも良好な周波数通過特性(Ｓ２１)を実現できる光受信モジュールを得ることができた。 According to the present embodiment, it is possible to obtain an optical receiver module that can realize good frequency pass characteristics (S21) even when using pre-amplifiers having different input impedances while using light receiving elements of the same design.

実施例１において、内部電極２５を設け、金属電極４と金属電極５の間の容量を平行平板形の容量で構成したが、内部電極を設けず金属電極４と金属電極５の間の容量を２枚のくしの歯を交互に組み合わせたインタディジタル形の容量で構成しても良い。この場合、キャリア基板３をコストの低い単層セラミックで製造でき、キャリア基板の製造コスト低減に好適である。 In Example 1, the internal electrode 25 is provided and the capacitance between the metal electrode 4 and the metal electrode 5 is configured by a parallel plate type capacitance. However, the internal electrode is not provided and the capacitance between the metal electrode 4 and the metal electrode 5 is increased. An interdigital type capacitor in which two comb teeth are alternately combined may be used. In this case, the carrier substrate 3 can be manufactured with a low-cost single-layer ceramic, which is suitable for reducing the manufacturing cost of the carrier substrate.

本発明の実施例２を図８および図９により説明する。図８は光受信モジュールの主要部分を示す平面図である。図９はキャリア基板部分の部分透視平面図である。図８において、実施例１の図２との主要な違いはキャリア基板２０３に半導体チップ６を搭載するパタンを複数設けた点にある。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a plan view showing the main part of the optical receiving module. FIG. 9 is a partial perspective plan view of the carrier substrate portion. In FIG. 8, the main difference between the first embodiment and FIG. 2 is that a plurality of patterns for mounting the semiconductor chip 6 are provided on the carrier substrate 203.

図９において、キャリア基板２０３上には第一の半導体チップ搭載パタンとして金属電極２０４、２０５を、第二の半導体チップ搭載パタンとして金属電極２０６、２０７を設ける。金属電極２０４と金属電極２０５との間には近接対向部分および内部電極を設けることで容量を形成し、その値を４０ｆＦ以上にする。一方金属電極２０６と金属電極２０７との間には近接対向部分および内部電極を設けず、両電極間の容量値を極力小さく（４０ｆＦ未満、更に好ましくは１０ｆＦ未満）する。 In FIG. 9, metal electrodes 204 and 205 are provided on a carrier substrate 203 as a first semiconductor chip mounting pattern, and metal electrodes 206 and 207 are provided as a second semiconductor chip mounting pattern. Capacitance is formed by providing a proximity facing portion and an internal electrode between the metal electrode 204 and the metal electrode 205, and the value is set to 40 fF or more. On the other hand, the proximity facing portion and the internal electrode are not provided between the metal electrode 206 and the metal electrode 207, and the capacitance value between both electrodes is made as small as possible (less than 40 fF, more preferably less than 10 fF).

図９(ａ)に示すように半導体チップ６を金属電極２０４、２０５上に搭載することで、入力インピーダンス３０Ωの高感度版プリアンプを用いたときの周波数特性を最適にできる。また、図９(ｂ)に示すようにキャリア基板２０３の向きを１８０°回転し、半導体チップ６を金属電極２０６、２０７上に搭載することで、入力インピーダンス７０Ωの高リニアリティ版プリアンプを用いたときの周波数特性を最適にできる。これら図９(ａ)、(ｂ)において、キャリア基板２０３の外形に対する半導体チップ６の相対位置を同一にすることによって、図８に示す各部品の配置を変更することなく光受信モジュールを製造することができる。 By mounting the semiconductor chip 6 on the metal electrodes 204 and 205 as shown in FIG. 9A, the frequency characteristics when using a high sensitivity version preamplifier with an input impedance of 30Ω can be optimized. 9B, when the orientation of the carrier substrate 203 is rotated by 180 ° and the semiconductor chip 6 is mounted on the metal electrodes 206 and 207, a high linearity version preamplifier having an input impedance of 70Ω is used. The frequency characteristics can be optimized. 9 (a) and 9 (b), by making the relative position of the semiconductor chip 6 with respect to the outer shape of the carrier substrate 203 the same, the optical receiving module is manufactured without changing the arrangement of the components shown in FIG. be able to.

本実施例２によれば、同一設計の受光素子および同一設計のキャリア基板を用いながら入力インピーダンスの異なるプリアンプを用いた場合にでも良好な周波数通過特性(Ｓ２１)を実現できる光受信モジュール構造を得ることができ、製造コストを低減する上でさらに効果的である。
なお、実施例２では金属電極を４つ設けているが、金属電極２０６と金属電極２０４とを接続して、３つの金属電極とすることもできる。 According to the second embodiment, an optical receiver module structure capable of realizing good frequency pass characteristics (S21) even when using pre-amplifiers having different input impedances while using light receiving elements of the same design and carrier substrates of the same design is obtained. This is more effective in reducing the manufacturing cost.
In the second embodiment, four metal electrodes are provided. However, the metal electrode 206 and the metal electrode 204 may be connected to form three metal electrodes.

１…金属ステム、２…プリアンプＩＣチップ、３…キャリア基板、４…金属電極、５…金属電極、６…半導体チップ、７…ボンディングワイヤ、８…ボンディングワイヤ、９…平行平板容量、１０〜１４…リードピン、１５…サーミスタ、１６…平行平板容量、１７…平行平板容量、１８…ボンディングワイヤ、１９…ボンディングワイヤ、２０〜２４…封止ガラス、２５…内部電極、３１〜３４…ボンディングワイヤ、１０３…キャリア基板、１０４、１０５…金属電極、２０３…キャリア基板、２０４〜２０７…金属電極。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Metal stem, 2 ... Preamplifier IC chip, 3 ... Carrier substrate, 4 ... Metal electrode, 5 ... Metal electrode, 6 ... Semiconductor chip, 7 ... Bonding wire, 8 ... Bonding wire, 9 ... Parallel plate capacity, 10-14 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Lead pin, 15 ... Thermistor, 16 ... Parallel plate capacity, 17 ... Parallel plate capacity, 18 ... Bonding wire, 19 ... Bonding wire, 20-24 ... Sealing glass, 25 ... Internal electrode, 31-34 ... Bonding wire, 103 ... carrier substrate, 104, 105 ... metal electrode, 203 ... carrier substrate, 204-207 ... metal electrode.

Claims

光信号を電気信号に変換するフォトダイオード素子と、
前記フォトダイオード素子が搭載されたキャリア基板と、
前記電気信号を増幅するプリアンプと、を備え、ビットレートが概ね１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号で動作する光受信モジュールであって、
前記プリアンプは、第１の入力インピーダンスを持つ第１のプリアンプまたは前記第１のプリアンプよりも高い第２の入力インピーダンスを持つ第２のプリアンプのいずれかから選択され、
前記キャリア基板は、前記第１のプリアンプが前記プリアンプに選択される場合に前記第１のプリアンプを接続するための第１のフォトダイオード素子搭載パタンと、前記第２のプリアンプが前記プリアンプに選択される場合に前記第２のプリアンプを接続するための第２のフォトダイオード素子搭載パタンと、を有し、
前記第１のフォトダイオード素子搭載パタンは、前記フォトダイオード素子のアノード電極に接続するための第１電極、および前記フォトダイオード素子のカソード電極に接続するための第２電極を有し、
前記第２のフォトダイオード素子搭載パタンは、前記フォトダイオード素子のアノード電極に接続するための第３電極、および前記フォトダイオード素子のカソード電極に接続するための第４電極を有し、
近接対向部分および内部電極が設けられることにより、前記第１電極と前記第２電極との間に形成される第１容量の値は４０ｆＦ以上であり、
近接対向部分および内部電極が設けられないことにより、前記第３電極と前記第４電極との間に形成される第２容量の値は４０ｆＦ未満である、
ことを特徴とする光受信モジュール。 A photodiode element for converting an optical signal into an electrical signal;
A carrier substrate on which the photodiode element is mounted;
An optical receiver module that amplifies the electrical signal, and operates with an optical signal having a bit rate of approximately 10 Gbit / s ,
The preamplifier is selected from either a first preamplifier having a first input impedance or a second preamplifier having a second input impedance higher than the first preamplifier;
In the carrier substrate, when the first preamplifier is selected as the preamplifier, the first photodiode element mounting pattern for connecting the first preamplifier and the second preamplifier are selected as the preamplifier. and a second photodiode element mounting pattern for connecting the second preamplifier when that,
The first photodiode element mounting pattern has a first electrode for connecting to the anode electrode of the photodiode element, and a second electrode for connecting to the cathode electrode of the photodiode element,
The second photodiode element mounting pattern has a third electrode for connecting to the anode electrode of the photodiode element, and a fourth electrode for connecting to the cathode electrode of the photodiode element,
By providing the proximity facing portion and the internal electrode, the value of the first capacitance formed between the first electrode and the second electrode is 40 fF or more,
By not providing the proximity facing portion and the internal electrode, the value of the second capacitance formed between the third electrode and the fourth electrode is less than 40 fF.
An optical receiver module.

請求項１に記載の光受信モジュールであって、
前記フォトダイオード素子の容量値は、１００ｆＦ以下であることを特徴とする光受信モジュール。 The optical receiver module according to claim 1,
The optical receiver module, wherein a capacitance value of the photodiode element is 100 fF or less.

請求項２に記載の光受信モジュールであって、
前記第２容量の値は、１０ｆＦ未満であることを特徴とする光受信モジュール。 The optical receiver module according to claim 2 ,
The value of the second capacitance is less than 10 fF.

請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の光受信モジュールであって、
前記第１の入力インピーダンスが３０Ω以下であることを特徴とする光受信モジュール。 The optical receiver module according to any one of claims 1 to 3 ,
The optical receiver module, wherein the first input impedance is 30Ω or less.

請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の光受信モジュールであって、
前記プリアンプの電源電圧が３．３Ｖ以下であることを特徴とする光受信モジュール。 The optical receiver module according to any one of claims 1 to 4 ,
An optical receiver module, wherein a power supply voltage of the preamplifier is 3.3 V or less.

請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の光受信モジュールであって、
前記フォトダイオード素子は、前記キャリア基板にフェイスダウン搭載された裏面入射型であることを特徴とする光受信モジュール。 The optical receiver module according to any one of claims 1 to 5 ,
The optical receiving module according to claim 1, wherein the photodiode element is a back-illuminated type mounted face down on the carrier substrate.

請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の光受信モジュールであって、
ＣＡＮ型筐体を更に有し、
前記キャリア基板および前記第１のプリアンプまたは前記第２のプリアンプは、前記ＣＡＮ型筐体内の金属ステム上に搭載されたことを特徴とする光受信モジュール。 The optical receiver module according to any one of claims 1 to 6 ,
A CAN-type housing;
The optical receiver module, wherein the carrier substrate and the first preamplifier or the second preamplifier are mounted on a metal stem in the CAN type casing.

光信号を電気信号に変換するフォトダイオード素子を準備する工程と、
前記電気信号を増幅する第１の入力インピーダンスを持つ第１のプリアンプを準備する工程と、
前記電気信号を増幅する前記第１のプリアンプより高い第２の入力インピーダンスを持つ第２のプリアンプを準備する工程と、
前記フォトダイオード素子のアノード電極に接続するための第１電極と前記フォトダイオード素子のカソード電極に接続するための第２電極とを有する第１のフォトダイオード素子搭載パタンと、前記フォトダイオード素子のアノード電極に接続するための第３電極と前記フォトダイオード素子のカソード電極に接続するための第４電極とを有する第２のフォトダイオード素子搭載パタンと、を備え、近接対向部分および内部電極を設けることにより前記第１電極と前記第２電極との間に形成される第１容量の値は４０ｆＦ以上であり、近接対向部分および内部電極を設けないことにより前記第３電極と前記第４電極との間に形成される第２容量の値は４０ｆＦ未満である、キャリア基板を準備する工程と、
前記第１のプリアンプと前記第２のプリアンプのいずれかを選択する工程と、
前記第１のプリアンプを選択した場合は、前記第１のフォトダイオード素子搭載パタンに前記フォトダイオード素子を搭載し、前記第１のプリアンプを前記第１のフォトダイオード素子搭載パタンに接続する工程と、
前記第２のプリアンプを選択した場合は、前記第２のフォトダイオード素子搭載パタンに前記フォトダイオード素子を搭載し、前記第２のプリアンプを前記第２のフォトダイオード素子搭載パタンに接続する工程と、
を有し、ビットレートが概ね１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号で動作する光受信モジュールの製造方法。 Preparing a photodiode element for converting an optical signal into an electrical signal;
Providing a first preamplifier having a first input impedance for amplifying the electrical signal;
Providing a second preamplifier having a second input impedance higher than the first preamplifier for amplifying the electrical signal;
A first photodiode element mounting pattern having a first electrode for connecting to an anode electrode of the photodiode element and a second electrode for connecting to a cathode electrode of the photodiode element; and an anode of the photodiode element A second photodiode element mounting pattern having a third electrode for connecting to the electrode and a fourth electrode for connecting to the cathode electrode of the photodiode element, and providing a proximity facing portion and an internal electrode Thus, the value of the first capacitance formed between the first electrode and the second electrode is 40 fF or more, and the proximity electrode and the internal electrode are not provided, so that the third electrode and the fourth electrode are not provided. Providing a carrier substrate , the value of the second capacitance formed between is less than 40 fF ;
Selecting either the first preamplifier or the second preamplifier;
Wherein when selecting the first preamplifier, the steps of the mounting the photodiode device to the first photodiode element mounting patterns, connecting said first preamplifier to the first photodiode element mounting pattern,
Wherein the case of selecting the second preamplifier, the steps of the mounting the photodiode device to the second photodiode element mounting patterns, for connecting said second preamplifier to the second photodiode element mounting pattern,
Have a method for manufacturing an optical receiver module operating optical signal bit rate approximately 10 Gbit / s.