JP2003078196A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡便な方法でシリコン基板に、微細かつ低イ
ンピーダンスな高周波配線を形成し、光モジュールの広
帯域化及び低消費電力化をはかること。 【解決手段】 単結晶シリコンから成る基板１の主面上
に誘電体層４を介して形成した電気配線パターン上に、
半導体レーザー２を配設して成り、電気配線パターン
は、半導体レーザー２を配設する搭載部である半田電極
６５と、これに接続されるバイアス電圧印加用のパッド
部であるバイアス電圧印加用パッド６４と、これに接続
される終端抵抗付加用の抵抗体パターンである薄膜抵抗
５と、該抵抗体パターンに接続されるインピーダンス調
整用導体部（図３（ａ）に示す誘電体層４、中心導体６
０、第２誘電体層４１、接地導体６１、６３とから構
成）と、高周波信号が伝送されるコプレーナ線路６とか
ら成る光モジュールＭとする。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は広帯域の光ファイバ
通信システムに用いられる光モジュールに関する。 【０００２】 【従来の技術】近年、ＣＡＴＶや公衆通信網、構内通信
網（ＬＡＮ）といった分野において、光ファイバ通信が
実用化されている。また、同軸型あるいはバタフライ型
と呼ばれるパッケージ形状で、高速かつ高信頼性の光モ
ジュールが実現されている。 【０００３】しかしながら、光モジュールの小型化、機
能集積化、低コスト化が重要視される背景から、光部品
の実装面にＶ溝が形成されたシリコン（Ｓｉ）単結晶製
の光実装基板（シリコンプラットホームとも呼ばれる）
上で、光半導体素子と、レンズ等の光学素子、あるいは
光ファイバとを、機械的精度のみで高精度に位置決め実
装する技術が注目されている。これらは、例えば大都市
圏内のメトロ系と呼ばれる領域やＬＡＮでの実用化が期
待されている。 【０００４】例えば図４及び図５に模式的な平面図で示
すように、光半導体素子として半導体レーザー２を用
い、これが配設された光実装基板Ｊは、単結晶シリコン
から成る基板１の表層に形成された、レンズ搭載用Ｖ溝
３１、モニター用フォトダイオード１０の受光側に形成
された光路用Ｖ溝３２、シリカ（ＳｉＯ２）から成る誘
電体層（図示されない）、ＴａＮからなる薄膜抵抗５、
下層／上層でＣｒ／ＡｕまたはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからな
るコプレーナ線路６、及び半導体レーザー２を実装する
ための半田電極６２ａ，接続パッド６２ｂを備えたＤＣ
バイアス線６２から構成される。 【０００５】ここで、コプレーナ線路６は中心導体６０
と接地導体６１とからなり、高周波信号伝送に適した構
成を成す。また、中心導体６０の幅及び中心導体６０と
接地導体６１との間隔は、コプレーナ線路６の特性イン
ピーダンスが駆動用ＩＣの負荷インピーダンス（一般的
に２０〜５０Ω）に整合するように調整される。 【０００６】一般に、半導体レーザー２のインピーダン
スは負荷よりも低い（例えば、３〜１０Ω）ため、終端
抵抗を付加する必要があり、半導体レーザー２のごく近
傍に薄膜抵抗５がシリーズに接続される。半導体レーザ
ー２はシリコンテラス７上に実装され、レンズ搭載用Ｖ
溝３１に実装されたレンズ８を介して外部の光ファイバ
と光結合できるように配置される。 【０００７】シリコンテラス７は半導体レーザー２のキ
ャビティ長とほぼ等しい幅（一般的に２００〜４００μ
ｍ）が用いられる。また、半導体レーザー２は活性層が
下側となるように、光実装基板Ｊにフェースダウン実装
される。これにより、図５に示すように、光実装基板Ｊ
上の光軸高さのばらつきが抑制され良好な光結合が行え
る光モジュールＫとすることができる。 【０００８】図６に、光実装基板Ｊの外部回路として設
けられるレーザードライバの出力回路の最終段における
概略回路構成を示す。図示されているように差動増幅回
路を構成しているが、ＶｃｃＶｅｅ（ただし、Ｖｃｃ＞
Ｖｅｅ）間に電源電圧が印加され、Ｖｃｃが光実装基板
Ｊ上の接地導体６１に接続される。レーザードライバの
変調出力信号の電流経路は、コプレーナ線路６の中心導
体６０、薄膜抵抗５、半導体レーザー２のカソード電
極、アノード電極、ボンディングワイヤ９、接地導体６
１の順に確保される。また、ＤＣバイアス線６２がチョ
ークインダクタを介してカソード電極に接続される。 【０００９】そして、図４、図５に示すように、光実装
基板Ｊ上において、ＤＣバイアス線６２は半田電極６２
ａから接続パッド６２ｂに引き出され、パッケージ側の
配線にワイヤ６６によりボンディングされる。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成ではＤＣバイアス線６２へ高周波信号の一部が漏れる
ため、反射特性（Ｓ１１）が悪化し、半導体レーザー２
に高周波信号が適切に印加されないという問題があっ
た。特に、この問題は１０ＧＨｚ以上の矩形波をコプレ
ーナ線路６に伝送する際に顕著となる。 【００１１】すなわち、周波数が１０ＧＨｚ以上の高周
波になると、シリコンテラス７上において半導体レーザ
ー２の接地およびＤＣバイアス線６２の配線を行う必要
があるため、ＤＣバイアス線６２と接地導体６１が近接
し、ＤＣバイアス線６２の容量の増大により、高周波信
号のＤＣバイアス線６２への漏洩を適切に阻止できなく
なるのである。 【００１２】また、レーザードライバは低負荷（２０Ω
前後）で動作させるほど、消費電力を低く抑えられる上
に、半導体レーザー２への熱の流入が抑制されるため、
半導体レーザー２を効率良く動作させることができる。 【００１３】ところが、低負荷に対応するコプレーナ線
路６では、中心導体６０と接地導体６１との間隔を非常
に狭くする（〜１μｍ）必要があり、製造プロセスが困
難になる問題がある。そのため、半導体レーザー２の近
傍において、本来、導体間隔を狭くする必要のある領域
では特性インピーダンスの整合が困難であり、前述した
Ｓ１１特性を劣化させる問題があった。 【００１４】また、シリコンテラス７上においては、接
地導体６１を配置することが困難であることから、シリ
コンテラス７上では配線の特性インピーダンスが整合不
可能であり、Ｓ１１特性を劣化させる問題もあった。そ
のため、シリコンテラス７上の配線を極力短くする必要
から実装可能なレンズの大きさが制限されていた。 【００１５】そこで本発明は、上記従来の問題に鑑み提
案されたものであり、１０ＧＨｚ以上の高周波域でもＳ
１１特性の良好な光モジュールを提供することを目的と
する。 【００１６】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光モジュールは、単結晶シリコンから成る
基板の主面上に誘電体層を介して形成した電気配線パタ
ーン上に、半導体レーザーを配設して成る光モジュール
であって、前記電気配線パターンは、前記半導体レーザ
ーを配設する搭載部と、該搭載部に接続されるバイアス
電圧印加用のパッド部と、該パッド部に接続される終端
抵抗付加用の抵抗体パターンと、該抵抗体パターンに接
続されるインピーダンス調整用導体部と、高周波信号が
伝送されるコプレーナ線路とから成ることを特徴とす
る。 【００１７】 【発明の実施の形態】以下、本発明の光実装基板Ｓの実
施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１に光実装基
板の平面図を、図２にこれを用いた光モジュールＭの平
面図を、図３（ａ）に図１におけるＡ−Ａ’線断面図
を、図３（ｂ）に図１におけるＢ−Ｂ’線断面図をそれ
ぞれ示す。 【００１８】図中、１は例えば（１００）面を主面とす
る単結晶シリコンから成る基板、２は半導体レーザー、
３１は基板１の異方性エッチングで形成したレンズ搭載
用Ｖ溝、３２は同様に基板１の異方性エッチングで形成
したモニタフォトダイオードの光路用Ｖ溝、４は第1の
誘電体層（４１は第２の誘電体層）、５は抵抗体パター
ンである薄膜抵抗、６はコプレーナ線路（６０は中心導
体、６１は第１の接地導体で構成）、６３は第２の接地
導体、６４はバイアス線接続パッド、７はシリコンテラ
ス、８はレンズ、９はリボン状ワイヤ、１０はモニター
用フォトダイオード、１１はボンディングワイヤであ
る。 【００１９】半導体レーザー２は不図示の活性層電極
（カソード電極）を基板１側に配置し、半田電極６２ａ
上の所定の位置にアライメントされ、ＡｕＳｎはんだ等
で接合される。また、活性層の背面側の電極（アノード
電極）と接地電極６１とはボンディングワイヤ９で電気
的に接続される。また、レンズ８はレンズ搭載用Ｖ溝３
１上に実装されることにより、先に実装された半導体レ
ーザー２との間で高精度に機械的な光学的アライメント
がなされる。 【００２０】コプレーナ線路６は、前述したように中心
導体６０と第１の接地導体６１とから構成される。ま
た、コプレーナ線路６は負荷の目標インピーダンス（２
０〜５０Ω）に整合するように誘電体層４の厚みに従っ
て、中心導体６０の幅，中心導体６０と接地導体６１と
の間隔が各々制御される。また、半導体レーザー２の近
くに終端用の薄膜抵抗５が形成され、中心導体６０、薄
膜抵抗５、バイアス電圧印加用のパッド６４、半導体レ
ーザー２が搭載される半田電極６５の順に直列に接続さ
れる。 【００２１】このように、本発明の光モジュールＭは、
単結晶シリコンから成る基板１の主面上に誘電体層４を
介して形成した電気配線パターン上に、半導体レーザー
２を配設して成り、電気配線パターンは、半導体レーザ
ー２を配設する搭載部である半田電極６５と、これに接
続されるバイアス電圧印加用のパッド部であるバイアス
電圧印加用パッド６４と、これに接続される終端抵抗付
加用の抵抗体パターンである薄膜抵抗５と、該抵抗体パ
ターンに接続されるインピーダンス調整用導体部（図３
（ａ）に示す第１の誘電体層４、中心導体６０、第２の
誘電体層４１、第２の接地導体６３とから構成）と、高
周波信号が伝送されるコプレーナ線路６とから成ること
を特徴にしている。 【００２２】次に、各部の特徴的な形状、材質、寸法等
の詳細について述べる。誘電体層４には例えばシリカ
（ＳｉＯ２）やポリイミド樹脂等を用いることができ
る。これらの材質が選択される理由としては、絶縁性が
高く誘電正接が小さいため、マイクロ波の伝送損失を低
減できることによる。 【００２３】コプレーナ線路６が基板１の導電性や誘電
正接の影響を十分に受けなくするには、抵抗率の高い
（導電率の小さい）単結晶シリコンを選択し、第１の誘
電体層４をなるべく厚くする必要がある。 【００２４】しかしながら、第１の誘電体層４について
は作製プロセスとトレードオフの関係にあり、厚くしす
ぎると基板１と第１の誘電体層４の熱膨張係数差によ
り、基板１が変形したり第１の誘電体層４にクラックが
入る等の不具合が生じる他、作製に時間がかかり多くの
労力を要してしまう。 【００２５】 【表１】 【００２６】表１は作製コストのかかる第１の誘電体層
４の埋め込み形成を行わず、基板１に第１の誘電体層４
としてシリカ膜を直接形成したときの基板１の変形（そ
り量）を測定した結果である。ここで、そり量とは基板
１の表面に沿って３０ｍｍ幅、走引したときの凹凸の最
大幅をそり量としている。基板１のそり量としては１０
μｍ以下が望まれ、表１よりシリカ膜の場合は膜厚１０
μｍ以下にする必要があることが判明した。 【００２７】 【表２】 【００２８】表２は基板１上に第１の誘電体層４として
シリカ膜を用い、シリカ膜の厚さが０μｍ，１０μｍ
（誘電体層厚０μｍとは自然酸化膜のみであることを示
す）のそれぞれの場合について、１０ＧＨｚの高周波信
号をコプレーナ線路に伝送したときの伝送損失と基板１
の抵抗率との関係を示す。 【００２９】光実装基板Ｓの電気配線に要求される伝送
損失特性は、光の伝送距離や電気配線の距離によっても
異なるが、基板１内での配線距離として３ｍｍ程度まで
を想定すると、単位長当たり伝送損失は３ｄＢ／ｃｍ以
下（伝送損失１ｄＢ以下）が必要である。 【００３０】表２の結果によれば、第１の誘電体層４を
形成しない場合、基板１の抵抗率を２４０Ω・ｃｍ以上
にすることによって、前記条件を満足する。 【００３１】しかしながら、第１の誘電体層４が自然酸
化膜のみの場合、一般に、半導体レーザーは直流を重畳
して用いられるため、直流のリーク電流による不要な電
力を消費してしまう観点から、数百ｎｍ以上の誘電体層
を形成する必要がある。したがって、上記構成におい
て、シリコン基板の抵抗率を２４０Ω・ｃｍ以上、誘電
体層を１．０μｍ以下とすることにより、１０Ｇｂｐｓ
伝送用の光実装基板、光モジュールに好適に用いること
ができる。 【００３２】また、電気配線距離が３ｍｍを越える光電
子混載型基板に用いられるような場合にはＳｉ基板抵抗
率を１００００Ω・ｃｍ以上とし、誘電体層を１０μｍ
以下とすることにより、同様に１０Ｇｂｐｓ伝送用光実
装基板に好適に用いることができる。 【００３３】また、シリコンテラス７の幅ｗ１は半導体
レーザー２のキャビティ長と同じか若干狭くする必要が
ある。半導体レーザー２の実装強度を得るためには幅ｗ
１を大きくする必要があるが、幅ｗ１を半導体レーザー
２のキャビティ長よりも大きくすると、出射光がシリコ
ンテラス７のエッジで遮られ、光出力強度が減衰する問
題や反射戻り光によりレーザー発振が不安定になる問題
が生じる。 【００３４】また、レンズ８にボールレンズを用いる場
合、幅ｗ１は半導体レーザー２とレンズ８との距離に依
存し、特に、光学系にコリメート系が用いられる場合、
幅ｗ１は半導体レーザー２のキャビティ長よりもさらに
狭くする必要がある。一般的な半導体レーザーにおい
て、幅ｗ１は１００〜４００μｍの範囲で設計可能であ
る。 【００３５】薄膜抵抗５の材質はＴａＮ薄膜が使用可能
である。薄膜抵抗５の抵抗値はＴａＮ薄膜のサイズとシ
ート抵抗で制御できる。 【００３６】薄膜抵抗５と半田電極６２ａの間に形成さ
れるバイアス線の接続パッド６４のサイズ（８０μｍ
□）は、ワイヤボンド可能な範囲で小さくすることによ
りＳ１１特性が向上する。 【００３７】バイアス線の接続パッド６４に接続される
ボンディングワイヤ１１はチョークインダクタに電気的
に接続され、ボンディングワイヤ１１自身についてもそ
の自己インダクタンスにより高周波信号の通過が抑制さ
れる。 【００３８】中心導体６０の一部と第２の誘電体層４１
と第２の接地導体６３はインピーダンス調整用導体部で
あるマイクロストリップ線路を構成し、コプレーナ線路
６の特性インピーダンスに整合するように、中心導体６
０の幅ｄ１及び中心導体６０と接地導体６３との間隔ｄ
２が調整される。間隔ｄ２は第２の誘電体層４１の膜厚
で制御でき、薄膜を形成することにより１００ｎｍ程度
の間隔まで容易に近接させることができる。これにより
中心導体６０の幅が狭い領域においても低インピーダン
スの配線を形成できる。 【００３９】 【実施例】次に、本発明のさらに詳細かつ具体的な実施
例について説明する。 【００４０】まず、基板１には厚さ１．０ｍｍ、抵抗率
１０００Ω・ｃｍの単結晶シリコン基板を用いた。基板
１の外形は３．０ｍｍ×５．５ｍｍとし、レンズ８が実
装されるＶ溝３１の幅は０．８ｍｍ、シリコンテラス７
の幅ｗ１は２００μｍにした。 【００４１】コプレーナ線路６は基板１上で半導体レー
ザー２の実装部から基板１の外周に向かって１．３５ｍ
ｍの長さに配線した。誘電体層４は基板１上に熱酸化に
よって厚さ１μｍのシリカ（ＳｉＯ２）を形成した。そ
の上に薄膜抵抗５となるＴａＮをスパッタリングし、さ
らにその上にコプレーナ線路６として厚さ０．６μｍの
Ｃｒ／Ａｕ電極層を真空蒸着した。次に、その上に第２
の誘電体層４１として厚さ７μｍのシリカをＴＥＯＳ−
ＣＶＤ法によって成膜し、その上に、接地電極６３とし
て厚さ０．６μｍの下層／上層でＣｒ／Ａｕの電極層を
真空蒸着した。薄膜抵抗５及びコプレーナ線路６のパタ
ーン形成はフォトリソグラフィーにより作製した。 【００４２】コプレーナ線路６のサイズは、基板入力部
の中心導体の幅を８００μｍ、中心導体と接地導体との
間隔を１５μｍとした。これにより、特性インピーダン
スを２０Ωとすることができた。マイクロストリップ線
路部については中心導体の幅を５０μｍとした。同様に
特性インピーダンスを２０Ωとした。 【００４３】以上の構成により、２０ＧＨｚまでのＲＦ
の反射特性（Ｓ１１）、透過特性（Ｓ２１）を、それぞ
れＳ１１＜−１５ｄＢ、Ｓ２１＞−１ｄＢを得たので、
伝送速度１０Ｇｂｐｓの光通信に良好に用いることがで
きる。 【００４４】 【発明の効果】本発明の光モジュールによれば、単結晶
シリコンから成る基板の主面上に誘電体層を介して形成
した電気配線パターン上に、半導体レーザーを配設して
成る光モジュールにおいて、電気配線パターンは、半導
体レーザーを配設する搭載部と、該搭載部に接続される
バイアス電圧印加用のパッド部と、該パッド部に接続さ
れる終端抵抗付加用の抵抗体パターンと、該抵抗体パタ
ーンに接続されるインピーダンス調整用導体部と、高周
波信号が伝送されるコプレーナ線路とから構成するよう
にした。 【００４５】これにより、たとえコプレーナ線路に１０
ＧＨｚ以上の高周波が伝送される場合であっても、簡便
な作製方法で半導体レーザーへの配線における特性イン
ピーダンスを最適に制御でき反射特性が向上できる。ま
た、低インピーダンスの微小配線が可能であり、半導体
レーザーの直近まで特性インピーダンスを制御できるの
で、小型の半導体レーザーをより高速で動作させること
が可能で、また低インピーダンスの配線が可能なことか
ら、半導体レーザーの消費電力を抑制できる。 【００４６】以上により、高速動作もしくは、ヒートシ
ンクの簡素化・小型化が可能な優れた光モジュールを提
供できる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施形態に係る光実装基板を模式的に
説明する平面図である。 【図２】本発明の実施形態に係る光モジュールを模式的
に説明する平面図である。 【図３】（ａ）は図１におけるＡ−Ａ’線断面図であ
り、（ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ’線断面図である。 【図４】従来の光実装基板を示す平面図である。 【図５】従来の光モジュールを示す平面図である。 【図６】半導体レーザーの駆動回路の一部を示す回路構
成図である。 【符号の説明】 １：基板 ２：半導体レーザー ３１：レンズ搭載用Ｖ溝 ３２：光路用Ｖ溝 ４：第１の誘電体層 ４１：第２の誘電体層 ５：薄膜抵抗（抵抗体パターン） ６：コプレーナ線路 ６０：中心導体 ６１：第１の接地導体 ６２：バイアス線 ６２ａ：半田電極（搭載部） ６２ｂ：接続パッド ６３：第２の接地導体 ６４：バイアス電圧印加用パッド ７：シリコンテラス ８：レンズ ９：ワイヤボンド １０：モニター用フォトダイオード Ｓ：光実装基板 Ｍ：光モジュール

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 単結晶シリコンから成る基板の主面上に
   誘電体層を介して形成した電気配線パターン上に、半導
   体レーザーを配設して成る光モジュールであって、前記
   電気配線パターンは、前記半導体レーザーを配設する搭
   載部と、該搭載部に接続されるバイアス電圧印加用のパ
   ッド部と、該パッド部に接続される終端抵抗付加用の抵
   抗体パターンと、該抵抗体パターンに接続されるインピ
   ーダンス調整用導体部と、高周波信号が伝送されるコプ
   レーナ線路とから成ることを特徴とする光モジュール。