JP2005050896A - 光送信モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】送信波形品質を良好に保つことができ、低消費電力化ができる光送信モジュール構造を提案し、１０Ｇｂｉｔ／ｓ用光伝送トランシーバに最適な光送信モジュールを提供すること。
【解決手段】半導体レーザ素子１１を駆動するための駆動用ＩＣチップ１３と、前記半導体レーザ素子を搭載した第１の絶縁基板１２と、結合光学系１７とをこの順にパッケージ内に配置し、薄膜インダクタンス素子１５と薄膜抵抗素子１６とを並列接続して第２の絶縁基板１４上に設け、その並列ＬＲ素子１５、１６を介して半導体レーザ素子１１へのバイアス電流を供給する。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体レーザ素子１１を駆動するための駆動用ＩＣチップ１３と、前記半導体レーザ素子を搭載した第１の絶縁基板１２と、結合光学系１７とをこの順にパッケージ内に配置し、薄膜インダクタンス素子１５と薄膜抵抗素子１６とを並列接続して第２の絶縁基板１４上に設け、その並列ＬＲ素子１５、１６を介して半導体レーザ素子１１へのバイアス電流を供給する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用の光送信モジュールに係り、特に１０Ｇｂｉｔ／ｓの高速伝送レートを有する光伝送用トランシーバの送信部に用いられる光送信モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザを用いた光送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。光送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送信モジュールとしては良好な送信波形品質を実現することとともに、小型、低消費電力、低コストであることが要求されている。
【０００３】
従来の光送信モジュールは例えば特開２００２−３７４０２８号公報において論じられている。図６は従来の光送信モジュールにおける半導体レーザのサブマウント基板図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。ここで１は半導体レーザダイオード、２はセラミックからなる絶縁基板、３は接地電極、４は信号伝送路、５は抵抗素子、６は薄膜インダクタ、７は裏面接地電極、８は薄膜インダクタ下部に形成した薄肉部である。この従来例では薄膜インダクタ６を形成した基板２上の薄膜インダクタ６に近接した位置に直接変調型の半導体レーザダイオード１を搭載し、レーザダイオード１へのバイアス電流を薄膜インダクタ６を介して供給する。この構成によりボンディングワイヤインダクタンスの低減とインダクタの寄生容量低減を図り、高周波信号に対する悪影響を最小限に抑えようとしていた。信号伝送路４はその両側に設けた接地電極および基板２の下部に設けた電極７との構成によりグラウンデッドコプラナ型の伝送線路を形成している。通常、外部には電圧駆動型の駆動用ＩＣが用いられている。その駆動用ＩＣの出力インピーダンス値（例えば５０Ω）に対し、抵抗素子５と半導体レーザダイオード１からなる直列抵抗値、および信号伝送路の特性インピーダンス値とを一致させることにより、駆動用ＩＣの電圧信号を反射することなく、すなわち整合状態で半導体レーザダイオード１に伝達することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３７４０２８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、低消費電力化をさらに進める上で、レーザ駆動用ＩＣを電圧駆動型ＩＣから電流駆動型ＩＣに変更することで、インピーダンス整合用抵抗で消費される電力分をゼロに削減することが考えられた。しかしながら、インピーダンス整合用抵抗をなくした場合、送信波形品質を良好に保つことが困難であるという課題を有していた。
【０００６】
また、上記従来技術においては、半導体レーザ素子と駆動用ＩＣとの間のインダクタンスを低減するにはこれらの距離を縮小する必要があるが、上記従来技術では薄膜インダクタと半導体レーザ素子を同一絶縁基板に搭載していたため、薄膜インダクタのサイズが制限要因となり、レーザ素子と駆動ＩＣとの距離を十分に小さくできなかった。
【０００７】
また、上記従来技術において薄膜インダクタの寄生容量は比較的小さく、ボンディングワイヤとの共振周波数を十分高くできたが、寄生容量と薄膜インダクタとで生じる共振周波数はＤＣ〜８ＧＨｚの範囲に存在したため、送信波形品質を十分良好にすることができなかった。
【０００８】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、送信波形品質を良好に保つことができ、低消費電力化ができる光送信モジュールを提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、１０Ｇｂｉｔ／ｓ用光伝送トランシーバに最適な光送信モジュールを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体レーザ素子（レーザダイオード素子）へのバイアス電流を、並列接続される薄膜インダクタ素子（例えば薄膜スパイラルインダクタンス素子も含む）及び前記薄膜抵抗素子を介して供給するように構成したことを特徴とする光送信モジュールである。
【００１１】
また、本発明は、前記光送信モジュールにおいて、前記半導体レーザ素子を搭載した第１の絶縁基板と、前記並列接続される薄膜インダクタ素子及び前記薄膜抵抗素子を形成した第２の絶縁基板とを別の絶縁基板で構成し、前記第１の絶縁基板上に形成された電極と前記並列接続される薄膜インダクタ素子及び前記薄膜抵抗素子の一端のパッドとの間をボンデイングワイヤ若しくはリボンで接続して構成したことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記光送信モジュールにおいて、前記第２の絶縁基板における前記薄膜インダクタ素子の対接地容量と前記ボンディングワイヤのインダクタンスとがなす共振回路の共振周波数が８ＧＨｚ以上であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記光送信モジュールにおいて、前記半導体レーザ素子を駆動するための駆動用ＩＣチップを前記第１の絶縁基板に隣接して設け、該駆動用ＩＣチップの端子と前記第１の絶縁基板上の電極との間をボンデングワイヤ若しくはリボンによって接続することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記光送信モジュールにおいて、前記駆動用ＩＣチップを電流駆動型ＩＣチップで構成したことを特徴とする。
【００１５】
以上説明した構成によれば、薄膜インダクタ素子及び薄膜抵抗素子の寄生容量を低減することができ、半導体レーザ素子からバイアス回路を見込んだ場合のインピーダンスが極小となる共振周波数を８ＧＨｚ以上にできる。我々の検討によると図４に示すようにバイアス回路を見込むインピーダンスが極小となる共振周波数を８ＧＨｚ以上にすることにより、図３に示すように光波形の品質を示すマスクマージン量をほぼ最大にすることができ、良好な波形を得ることができた。
【００１６】
また、図５に示すように並列接続した抵抗素子のコンダクタンスを４．４ｍＳ以上（すなわち抵抗値にして２２５Ω以下）とすることで光波形の品質を示すマスクマージン量をほぼ最大にすることができ、従来の方式に比べ光送信波形品質を改善する効果が得られた。
【００１７】
また、別の絶縁基板に薄膜インダクタ素子を形成することにより、インダクタ素子のサイズを大きくでき、電流容量の増加や直列抵抗の低減が可能になるという利点も有する。
【００１８】
また、半導体レーザ素子と薄膜インダクタ素子を別の絶縁基板に設けることにより、第１の絶縁基板の厚さを薄くすることによる半導体レーザ素子の放熱性の改善と、第２の絶縁基板の厚さを厚くすることによる薄膜インダクタ素子の寄生容量の低減との両立することができるという利点も有する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
まず、本発明に係る光送信モジュールの一実施の形態について図１及び図２を用いて説明する。図１は光送信モジュールの主要部分を示す構造図、図２は光送信モジュールの主要回路図である。
【００２１】
最近、本発明に係る光送信モジュールとして低電圧（例えば３．３Ｖ）、低消費電力化の要求が生じてきている。そのため、レーザ駆動用ＩＣとしては電流駆動型ＩＣ１３を用いるように構成し、インピーダンス整合用抵抗で消費される電力分をゼロに削減するためにインピーダンス整合用抵抗を無くすように構成した。このように電流駆動型ＩＣ１３を用いる場合、伝送データレートが１０Ｇｂｉｔ／ｓである場合、送信波形品質を良好に保つには、（１）半導体レーザ素子１１と駆動ＩＣ１３との間のインダクタンスをより小さくする。（２）半導体レーザ素子１１からバイアス回路（２３、１５、１６、２１、２２、２５）を見込んだ場合のインピーダンス特性として、極小値を示す共振周波数を８ＧＨｚ以上、ＤＣ〜８ＧＨｚの範囲には共振点を持たないことが重要であるということを見出したことにある。
【００２２】
また、半導体レーザ素子１１へのバイアス電流は、良好な送信波形を得るためには少なくとも５０ｍＡ〜１００ｍＡ程度必要であることより、電流容量値と直列抵抗による電圧低下量を加味すると、バイアス回路へ適用できる薄膜インダクタ１５の最小サイズとしては外形寸法で１ｍｍ×１ｍｍ程度が現実的である。
【００２３】
次に、本発明に係る光送信モジュールの構成の一実施の形態について図１を用いて説明する。１１は半導体レーザ素子（レーザダイオード素子）であり、例えば電流駆動型ＩＣである駆動用ＩＣ１３により電流増幅された例えば１０Ｇｂｉｔ／ｓの高速電気信号を光信号に変換し、結合光学系である結合レンズ１７を介して光ファイバーへレーザ光を出射する。１２は半導体レーザダイオード素子１１を搭載するチップキャリア用基板（第１の絶縁基板）であり、上記半導体レーザダイオード素子１１で発生した熱を裏側から逃がすために、絶縁基板（第２の絶縁基板）１４よりも薄く形成されている。電気信号方向及び光信号方向に対するチップキャリア基板１２の幅を、実装可能な範囲で最短になるようレイアウトすることによって、半導体レーザ素子１１と駆動用ＩＣ１３との間のインダクタンスを最小にすることができると共に半導体レーザ１１と結合レンズ１７とを近接させることが可能となる。なお、図１においては、チップチャリア用基板１２と結合レンズ１７とは、例えばＣｕＷ等の金属台座３５に位置決めされて搭載されることになる。そして、上記基板３５および駆動用ＩＣチップ１３は、テラス３６上に位置決めされて実装されることになる。
【００２４】
１４は絶縁基板（第２の絶縁基板）であり、その表層に薄膜インダクタ素子１５および薄膜抵抗素子１６を形成する。これらは並列に接続し、その一端のパッド３０をボンディングワイヤ２３を介して半導体レーザ素子１１が搭載された電極１２ａへ電気的に接続する。この経路を通じてバイアス電流が供給される。絶縁基板１４は誘電率を下げるためにチップキャリア基板１２よりも厚くする必要があり、そのためチップキャリア基板１２とは別基板で形成し、上記チップキャリア基板１２もしくは上記駆動用ＩＣチップ１３の例えば側方（上記電気信号方向、及び光信号方向に対して平面的に交差する方向）に隣接して配置する。なお、絶縁基板１４も、グランドであるテラス３７上に実装されることになる。
【００２５】
１８は入力信号線路、２３、２４、２５、２６、２７はボンディングワイヤである。ボンディングワイヤ２３は、電極１２ａとパッド３０との間を接続するものである。ボンディングワイヤ２４は、半導体レーザ素子１１とグランド電極１２ｂとの間を接続するものである。ボンディングワイヤ２５は、薄膜抵抗素子１６の他端のパッド３２と駆動用ＩＣ１３の電源端子との間を接続するものである。ボンディングワイヤ２６は、駆動用ＩＣ１３のトランジスタＱ２のコレクタ端子と半導体レーザダイオード素子１１との間を接続するものである。ボンディングワイヤ２７は、駆動用ＩＣ１３のトランジスタＱ１のコレクタに抵抗を介して接続された端子とグランド電極１２ｂとの間を接続するものである。そして、光送信モジュールの筐体１９はセラミックからなり、内部は気密封止されている。その筐体の一部分にレーザ光の出射部２０が設けられている。
【００２６】
チップキャリア用基板１２の材料としては、熱伝導率の高い窒化アルミを用いることが半導体レーザ素子１１の放熱性向上に対し好適である。また、絶縁基板１４の材料としては比較的安価なアルミナを用いるが、比誘電率がさらに小さいガラスエポキシなどを用いてもよく、この場合対接地寄生容量２１、２２のさらなる低減に好適である。
【００２７】
次に、図２を用いて回路構成を説明する。まず駆動用ＩＣ１３で増幅された変調信号電流は、出力段の差動トランジスタＱ１、Ｑ２によりボンディングワイヤ２４、２６、２７を介して半導体レーザ素子１１の両端に出力される。駆動用ＩＣ１３内の回路で生成するバイアス駆動電流Ｉｂｉａｓは、ボンディングワイヤ２４、２３、２５および並列接続された薄膜インダクタ素子（例えば薄膜スパイラルインダクタ素子）１５及び薄膜抵抗素子１６を介して半導体レーザ素子１１に供給される。容量２１、２２は絶縁基板１４上に形成された薄膜インダクタ素子１５、薄膜抵抗素子１６の両端のパッドにおいてグラウンドとの間に生じる対接地寄生容量である。
【００２８】
本実施の形態の構成によれば、例えば薄膜インダクタ素子１５を１０ｎＨ程度、薄膜抵抗素子１６を２２５Ω程度とし、ボンディングワイヤ２３のインダクタンスを１．４ｎＨ程度とした場合、寄生容量２１として約０．１５ｐＦがレイアウト上付加される。半導体レーザ素子１１よりボンディングワイヤ２３を介して見込んだバイアス回路インピーダンスは図４に示されるようになり、（１）インピーダンスが極小となる周波数、すなわちボンディングワイヤ２３と寄生容量２３とがなす共振周波数は９．６ＧＨｚと８ＧＨｚ以上が実現でき、（２）インピーダンスが極大となる周波数、すなわち薄膜インダクタ素子１５と寄生容量２３とがなす共振周波数におけるインピーダンスピークを抑圧し、共振による影響を解消することができる。
【００２９】
以上説明したように、まず、電気信号方向、及び光信号方向に対するチップキャリア基板１２の幅を、実装可能な範囲で最短になるようレイアウトし、半導体レーザ素子１１を駆動するための駆動用ＩＣチップ１３と、半導体レーザ素子１１を搭載したチップキャリア用基板（第１の絶縁基板）１２と、結合光学系１７とをこの順に電気信号方向、及び光信号方向にパッケージ内に配置することにより、半導体レーザ素子１１と駆動用ＩＣチップ１３との間の距離を最小にでき、ボンディングワイヤ（リボンでも良い。）２６及び２７によるインダクタンスを最小にできる。また、電気信号方向、及び光信号方向に対するチップキャリア基板１２の幅を、実装可能な範囲で最短になるようレイアウトしたことによって、半導体レーザ素子１１と結合レンズ１７とを近接することができ、結合光学系（例えば結合レンズ）１７のサイズを最小にすることができる。
【００３０】
また、薄膜インダクタンス素子１５と薄膜抵抗素子１６とを形成した絶縁基板（第２の絶縁体基板）１４を、第１の絶縁基板１２に隣接した位置に設け、かつ第１の絶縁基板１２と第２の絶縁基板１４とをボンディングワイヤ２３により接続することにより、薄膜インダクタ素子１５及び薄膜抵抗素子１６の両端のパッド３０、３２において生じる寄生容量２１、２２を低減することができ、半導体レーザ素子１１からバイアス回路（２３、１５、１６、２１、２２、２５）を見込んだ場合のインピーダンスが極小となる共振周波数を８ＧＨｚ以上にできる。我々の検討によると図４に示すようにバイアス回路を見込むインピーダンスが極小となる共振周波数を８ＧＨｚ以上にすることにより、図３に示すように、光波形の品質を示すマスクマージン量をほぼ最大にすることができ、良好な波形を得ることができた。我々の検討ではボンディングワイヤ２３を１ｍｍ程度まで長くしてもその範囲の共振周波数を得ることができた。
【００３１】
更に、半導体レーザ素子１１へのバイアス電流Ｉｂｉａｓを並列接続した薄膜インダクタ素子１５と薄膜抵抗素子１６とを介して供給することにより、薄膜インダクタの寄生容量２１と自己インダクタンスとで生じる共振を並列接続した抵抗素子１６により抑圧でき、図４に細線で示す並列抵抗素子を用いない従来の方式では４ＧＨｚ付近に極大ピークが存在していたバイアス回路のインピーダンスの急激なピークを抑圧することができた。これにより、図６に示すように、並列接続した抵抗素子１６のコンダクタンスを４．４ｍＳ以上（すなわち抵抗値にして２２５Ω以下）とすることで光波形の品質を示すマスクマージン量をほぼ最大にすることができ、コンダクタンスが０すなわち並列抵抗素子を用いていない従来の方式に比べ光送信波形品質を改善する効果が得られた。
【００３２】
さらに、上述したように、第１の絶縁基板１２がサイズの縮小が求められるのに対し、別の第２の絶縁基板１４に薄膜インダクタ素子１５を形成することにより、インダクタ素子１５のサイズを大きくでき、電流容量の増加や直列抵抗の低減が可能になるという利点も有する。
【００３３】
また、半導体レーザダイオード素子１１と薄膜インダクタ素子１５とを別の基板に設けることにより、第１の絶縁性基板１２の厚さを薄くすることによるレーザダイオード素子の放熱性の改善と、第２の絶縁基板１４の厚さを厚くすることによるインダクタ素子の寄生容量の低減との両立を実現することができる利点も有する。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、送信波形品質を良好に保ち、かつ消費電力を低減する光送信モジュールの構造を得ることができる効果を奏する。
【００３５】
また、本発明によれば、光伝送トランシーバに最適な光送信モジュールを実現することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光送信モジュールの一実施の形態の主要部を示す構造図である。
【図２】本発明に係る光送信モジュールの一実施の形態の主要回路図である。
【図３】本発明の原理であるインピーダンスが極小となる共振周波数［ＧＨｚ］とマスクマージン量［ａ．ｕ．］との関係を説明するグラフである。
【図４】本発明による効果である周波数［ＧＨｚ］とバイアス回路インピーダンス［Ω］との関係を説明するグラフである。
【図５】本発明による効果である並列抵抗素子のコンダクタンス［ｍＳ］とマスクマージン量［ａ．ｕ．］との関係を説明するグラフである。
【図６】従来技術による光送信モジュールの半導体レーザのサブマウント基板図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【符号の説明】
１１…半導体レーザ素子（レーザダイオード素子）、１２…チップキャリア用基板（第１の絶縁基板）、１２ａ…電極、１２ｂ…グランド電極、１３…駆動用ＩＣチップ（例えば電流駆動型ＩＣチップ）、１４…絶縁基板（第２の絶縁基板）、１５…薄膜インダクタ素子（例えば薄膜スパイラルインダクタ素子）、１６…薄膜抵抗素子、１７…結合光学系（例えば結合レンズ）、１８…入力信号線路、１９…筐体、２０…出射部、２１、２２…寄生容量、２３〜２７…ボンディングワイヤ若しくはリボン、３０、３２…パッド、３５…金属台座、３６、３７…テラス、Ｖｓｓ…電源電位、Ｑ１、Ｑ２…出力段トランジスタ、Ｉｂｉａｓ…バイアス駆動電流。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用の光送信モジュールに係り、特に１０Ｇｂｉｔ／ｓの高速伝送レートを有する光伝送用トランシーバの送信部に用いられる光送信モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザを用いた光送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。光送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送信モジュールとしては良好な送信波形品質を実現することとともに、小型、低消費電力、低コストであることが要求されている。
【０００３】
従来の光送信モジュールは例えば特開２００２−３７４０２８号公報において論じられている。図６は従来の光送信モジュールにおける半導体レーザのサブマウント基板図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。ここで１は半導体レーザダイオード、２はセラミックからなる絶縁基板、３は接地電極、４は信号伝送路、５は抵抗素子、６は薄膜インダクタ、７は裏面接地電極、８は薄膜インダクタ下部に形成した薄肉部である。この従来例では薄膜インダクタ６を形成した基板２上の薄膜インダクタ６に近接した位置に直接変調型の半導体レーザダイオード１を搭載し、レーザダイオード１へのバイアス電流を薄膜インダクタ６を介して供給する。この構成によりボンディングワイヤインダクタンスの低減とインダクタの寄生容量低減を図り、高周波信号に対する悪影響を最小限に抑えようとしていた。信号伝送路４はその両側に設けた接地電極および基板２の下部に設けた電極７との構成によりグラウンデッドコプラナ型の伝送線路を形成している。通常、外部には電圧駆動型の駆動用ＩＣが用いられている。その駆動用ＩＣの出力インピーダンス値（例えば５０Ω）に対し、抵抗素子５と半導体レーザダイオード１からなる直列抵抗値、および信号伝送路の特性インピーダンス値とを一致させることにより、駆動用ＩＣの電圧信号を反射することなく、すなわち整合状態で半導体レーザダイオード１に伝達することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３７４０２８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、低消費電力化をさらに進める上で、レーザ駆動用ＩＣを電圧駆動型ＩＣから電流駆動型ＩＣに変更することで、インピーダンス整合用抵抗で消費される電力分をゼロに削減することが考えられた。しかしながら、インピーダンス整合用抵抗をなくした場合、送信波形品質を良好に保つことが困難であるという課題を有していた。
【０００６】
また、上記従来技術においては、半導体レーザ素子と駆動用ＩＣとの間のインダクタンスを低減するにはこれらの距離を縮小する必要があるが、上記従来技術では薄膜インダクタと半導体レーザ素子を同一絶縁基板に搭載していたため、薄膜インダクタのサイズが制限要因となり、レーザ素子と駆動ＩＣとの距離を十分に小さくできなかった。
【０００７】
また、上記従来技術において薄膜インダクタの寄生容量は比較的小さく、ボンディングワイヤとの共振周波数を十分高くできたが、寄生容量と薄膜インダクタとで生じる共振周波数はＤＣ〜８ＧＨｚの範囲に存在したため、送信波形品質を十分良好にすることができなかった。
【０００８】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、送信波形品質を良好に保つことができ、低消費電力化ができる光送信モジュールを提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、１０Ｇｂｉｔ／ｓ用光伝送トランシーバに最適な光送信モジュールを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体レーザ素子（レーザダイオード素子）へのバイアス電流を、並列接続される薄膜インダクタ素子（例えば薄膜スパイラルインダクタンス素子も含む）及び前記薄膜抵抗素子を介して供給するように構成したことを特徴とする光送信モジュールである。
【００１１】
また、本発明は、前記光送信モジュールにおいて、前記半導体レーザ素子を搭載した第１の絶縁基板と、前記並列接続される薄膜インダクタ素子及び前記薄膜抵抗素子を形成した第２の絶縁基板とを別の絶縁基板で構成し、前記第１の絶縁基板上に形成された電極と前記並列接続される薄膜インダクタ素子及び前記薄膜抵抗素子の一端のパッドとの間をボンデイングワイヤ若しくはリボンで接続して構成したことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記光送信モジュールにおいて、前記第２の絶縁基板における前記薄膜インダクタ素子の対接地容量と前記ボンディングワイヤのインダクタンスとがなす共振回路の共振周波数が８ＧＨｚ以上であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記光送信モジュールにおいて、前記半導体レーザ素子を駆動するための駆動用ＩＣチップを前記第１の絶縁基板に隣接して設け、該駆動用ＩＣチップの端子と前記第１の絶縁基板上の電極との間をボンデングワイヤ若しくはリボンによって接続することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記光送信モジュールにおいて、前記駆動用ＩＣチップを電流駆動型ＩＣチップで構成したことを特徴とする。
【００１５】
以上説明した構成によれば、薄膜インダクタ素子及び薄膜抵抗素子の寄生容量を低減することができ、半導体レーザ素子からバイアス回路を見込んだ場合のインピーダンスが極小となる共振周波数を８ＧＨｚ以上にできる。我々の検討によると図４に示すようにバイアス回路を見込むインピーダンスが極小となる共振周波数を８ＧＨｚ以上にすることにより、図３に示すように光波形の品質を示すマスクマージン量をほぼ最大にすることができ、良好な波形を得ることができた。
【００１６】
また、図５に示すように並列接続した抵抗素子のコンダクタンスを４．４ｍＳ以上（すなわち抵抗値にして２２５Ω以下）とすることで光波形の品質を示すマスクマージン量をほぼ最大にすることができ、従来の方式に比べ光送信波形品質を改善する効果が得られた。
【００１７】
また、別の絶縁基板に薄膜インダクタ素子を形成することにより、インダクタ素子のサイズを大きくでき、電流容量の増加や直列抵抗の低減が可能になるという利点も有する。
【００１８】
また、半導体レーザ素子と薄膜インダクタ素子を別の絶縁基板に設けることにより、第１の絶縁基板の厚さを薄くすることによる半導体レーザ素子の放熱性の改善と、第２の絶縁基板の厚さを厚くすることによる薄膜インダクタ素子の寄生容量の低減との両立することができるという利点も有する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
まず、本発明に係る光送信モジュールの一実施の形態について図１及び図２を用いて説明する。図１は光送信モジュールの主要部分を示す構造図、図２は光送信モジュールの主要回路図である。
【００２１】
最近、本発明に係る光送信モジュールとして低電圧（例えば３．３Ｖ）、低消費電力化の要求が生じてきている。そのため、レーザ駆動用ＩＣとしては電流駆動型ＩＣ１３を用いるように構成し、インピーダンス整合用抵抗で消費される電力分をゼロに削減するためにインピーダンス整合用抵抗を無くすように構成した。このように電流駆動型ＩＣ１３を用いる場合、伝送データレートが１０Ｇｂｉｔ／ｓである場合、送信波形品質を良好に保つには、（１）半導体レーザ素子１１と駆動ＩＣ１３との間のインダクタンスをより小さくする。（２）半導体レーザ素子１１からバイアス回路（２３、１５、１６、２１、２２、２５）を見込んだ場合のインピーダンス特性として、極小値を示す共振周波数を８ＧＨｚ以上、ＤＣ〜８ＧＨｚの範囲には共振点を持たないことが重要であるということを見出したことにある。
【００２２】
また、半導体レーザ素子１１へのバイアス電流は、良好な送信波形を得るためには少なくとも５０ｍＡ〜１００ｍＡ程度必要であることより、電流容量値と直列抵抗による電圧低下量を加味すると、バイアス回路へ適用できる薄膜インダクタ１５の最小サイズとしては外形寸法で１ｍｍ×１ｍｍ程度が現実的である。
【００２３】
次に、本発明に係る光送信モジュールの構成の一実施の形態について図１を用いて説明する。１１は半導体レーザ素子（レーザダイオード素子）であり、例えば電流駆動型ＩＣである駆動用ＩＣ１３により電流増幅された例えば１０Ｇｂｉｔ／ｓの高速電気信号を光信号に変換し、結合光学系である結合レンズ１７を介して光ファイバーへレーザ光を出射する。１２は半導体レーザダイオード素子１１を搭載するチップキャリア用基板（第１の絶縁基板）であり、上記半導体レーザダイオード素子１１で発生した熱を裏側から逃がすために、絶縁基板（第２の絶縁基板）１４よりも薄く形成されている。電気信号方向及び光信号方向に対するチップキャリア基板１２の幅を、実装可能な範囲で最短になるようレイアウトすることによって、半導体レーザ素子１１と駆動用ＩＣ１３との間のインダクタンスを最小にすることができると共に半導体レーザ１１と結合レンズ１７とを近接させることが可能となる。なお、図１においては、チップチャリア用基板１２と結合レンズ１７とは、例えばＣｕＷ等の金属台座３５に位置決めされて搭載されることになる。そして、上記基板３５および駆動用ＩＣチップ１３は、テラス３６上に位置決めされて実装されることになる。
【００２４】
１４は絶縁基板（第２の絶縁基板）であり、その表層に薄膜インダクタ素子１５および薄膜抵抗素子１６を形成する。これらは並列に接続し、その一端のパッド３０をボンディングワイヤ２３を介して半導体レーザ素子１１が搭載された電極１２ａへ電気的に接続する。この経路を通じてバイアス電流が供給される。絶縁基板１４は誘電率を下げるためにチップキャリア基板１２よりも厚くする必要があり、そのためチップキャリア基板１２とは別基板で形成し、上記チップキャリア基板１２もしくは上記駆動用ＩＣチップ１３の例えば側方（上記電気信号方向、及び光信号方向に対して平面的に交差する方向）に隣接して配置する。なお、絶縁基板１４も、グランドであるテラス３７上に実装されることになる。
【００２５】
１８は入力信号線路、２３、２４、２５、２６、２７はボンディングワイヤである。ボンディングワイヤ２３は、電極１２ａとパッド３０との間を接続するものである。ボンディングワイヤ２４は、半導体レーザ素子１１とグランド電極１２ｂとの間を接続するものである。ボンディングワイヤ２５は、薄膜抵抗素子１６の他端のパッド３２と駆動用ＩＣ１３の電源端子との間を接続するものである。ボンディングワイヤ２６は、駆動用ＩＣ１３のトランジスタＱ２のコレクタ端子と半導体レーザダイオード素子１１との間を接続するものである。ボンディングワイヤ２７は、駆動用ＩＣ１３のトランジスタＱ１のコレクタに抵抗を介して接続された端子とグランド電極１２ｂとの間を接続するものである。そして、光送信モジュールの筐体１９はセラミックからなり、内部は気密封止されている。その筐体の一部分にレーザ光の出射部２０が設けられている。
【００２６】
チップキャリア用基板１２の材料としては、熱伝導率の高い窒化アルミを用いることが半導体レーザ素子１１の放熱性向上に対し好適である。また、絶縁基板１４の材料としては比較的安価なアルミナを用いるが、比誘電率がさらに小さいガラスエポキシなどを用いてもよく、この場合対接地寄生容量２１、２２のさらなる低減に好適である。
【００２７】
次に、図２を用いて回路構成を説明する。まず駆動用ＩＣ１３で増幅された変調信号電流は、出力段の差動トランジスタＱ１、Ｑ２によりボンディングワイヤ２４、２６、２７を介して半導体レーザ素子１１の両端に出力される。駆動用ＩＣ１３内の回路で生成するバイアス駆動電流Ｉｂｉａｓは、ボンディングワイヤ２４、２３、２５および並列接続された薄膜インダクタ素子（例えば薄膜スパイラルインダクタ素子）１５及び薄膜抵抗素子１６を介して半導体レーザ素子１１に供給される。容量２１、２２は絶縁基板１４上に形成された薄膜インダクタ素子１５、薄膜抵抗素子１６の両端のパッドにおいてグラウンドとの間に生じる対接地寄生容量である。
【００２８】
本実施の形態の構成によれば、例えば薄膜インダクタ素子１５を１０ｎＨ程度、薄膜抵抗素子１６を２２５Ω程度とし、ボンディングワイヤ２３のインダクタンスを１．４ｎＨ程度とした場合、寄生容量２１として約０．１５ｐＦがレイアウト上付加される。半導体レーザ素子１１よりボンディングワイヤ２３を介して見込んだバイアス回路インピーダンスは図４に示されるようになり、（１）インピーダンスが極小となる周波数、すなわちボンディングワイヤ２３と寄生容量２３とがなす共振周波数は９．６ＧＨｚと８ＧＨｚ以上が実現でき、（２）インピーダンスが極大となる周波数、すなわち薄膜インダクタ素子１５と寄生容量２３とがなす共振周波数におけるインピーダンスピークを抑圧し、共振による影響を解消することができる。
【００２９】
以上説明したように、まず、電気信号方向、及び光信号方向に対するチップキャリア基板１２の幅を、実装可能な範囲で最短になるようレイアウトし、半導体レーザ素子１１を駆動するための駆動用ＩＣチップ１３と、半導体レーザ素子１１を搭載したチップキャリア用基板（第１の絶縁基板）１２と、結合光学系１７とをこの順に電気信号方向、及び光信号方向にパッケージ内に配置することにより、半導体レーザ素子１１と駆動用ＩＣチップ１３との間の距離を最小にでき、ボンディングワイヤ（リボンでも良い。）２６及び２７によるインダクタンスを最小にできる。また、電気信号方向、及び光信号方向に対するチップキャリア基板１２の幅を、実装可能な範囲で最短になるようレイアウトしたことによって、半導体レーザ素子１１と結合レンズ１７とを近接することができ、結合光学系（例えば結合レンズ）１７のサイズを最小にすることができる。
【００３０】
また、薄膜インダクタンス素子１５と薄膜抵抗素子１６とを形成した絶縁基板（第２の絶縁体基板）１４を、第１の絶縁基板１２に隣接した位置に設け、かつ第１の絶縁基板１２と第２の絶縁基板１４とをボンディングワイヤ２３により接続することにより、薄膜インダクタ素子１５及び薄膜抵抗素子１６の両端のパッド３０、３２において生じる寄生容量２１、２２を低減することができ、半導体レーザ素子１１からバイアス回路（２３、１５、１６、２１、２２、２５）を見込んだ場合のインピーダンスが極小となる共振周波数を８ＧＨｚ以上にできる。我々の検討によると図４に示すようにバイアス回路を見込むインピーダンスが極小となる共振周波数を８ＧＨｚ以上にすることにより、図３に示すように、光波形の品質を示すマスクマージン量をほぼ最大にすることができ、良好な波形を得ることができた。我々の検討ではボンディングワイヤ２３を１ｍｍ程度まで長くしてもその範囲の共振周波数を得ることができた。
【００３１】
更に、半導体レーザ素子１１へのバイアス電流Ｉｂｉａｓを並列接続した薄膜インダクタ素子１５と薄膜抵抗素子１６とを介して供給することにより、薄膜インダクタの寄生容量２１と自己インダクタンスとで生じる共振を並列接続した抵抗素子１６により抑圧でき、図４に細線で示す並列抵抗素子を用いない従来の方式では４ＧＨｚ付近に極大ピークが存在していたバイアス回路のインピーダンスの急激なピークを抑圧することができた。これにより、図６に示すように、並列接続した抵抗素子１６のコンダクタンスを４．４ｍＳ以上（すなわち抵抗値にして２２５Ω以下）とすることで光波形の品質を示すマスクマージン量をほぼ最大にすることができ、コンダクタンスが０すなわち並列抵抗素子を用いていない従来の方式に比べ光送信波形品質を改善する効果が得られた。
【００３２】
さらに、上述したように、第１の絶縁基板１２がサイズの縮小が求められるのに対し、別の第２の絶縁基板１４に薄膜インダクタ素子１５を形成することにより、インダクタ素子１５のサイズを大きくでき、電流容量の増加や直列抵抗の低減が可能になるという利点も有する。
【００３３】
また、半導体レーザダイオード素子１１と薄膜インダクタ素子１５とを別の基板に設けることにより、第１の絶縁性基板１２の厚さを薄くすることによるレーザダイオード素子の放熱性の改善と、第２の絶縁基板１４の厚さを厚くすることによるインダクタ素子の寄生容量の低減との両立を実現することができる利点も有する。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、送信波形品質を良好に保ち、かつ消費電力を低減する光送信モジュールの構造を得ることができる効果を奏する。
【００３５】
また、本発明によれば、光伝送トランシーバに最適な光送信モジュールを実現することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光送信モジュールの一実施の形態の主要部を示す構造図である。
【図２】本発明に係る光送信モジュールの一実施の形態の主要回路図である。
【図３】本発明の原理であるインピーダンスが極小となる共振周波数［ＧＨｚ］とマスクマージン量［ａ．ｕ．］との関係を説明するグラフである。
【図４】本発明による効果である周波数［ＧＨｚ］とバイアス回路インピーダンス［Ω］との関係を説明するグラフである。
【図５】本発明による効果である並列抵抗素子のコンダクタンス［ｍＳ］とマスクマージン量［ａ．ｕ．］との関係を説明するグラフである。
【図６】従来技術による光送信モジュールの半導体レーザのサブマウント基板図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【符号の説明】
１１…半導体レーザ素子（レーザダイオード素子）、１２…チップキャリア用基板（第１の絶縁基板）、１２ａ…電極、１２ｂ…グランド電極、１３…駆動用ＩＣチップ（例えば電流駆動型ＩＣチップ）、１４…絶縁基板（第２の絶縁基板）、１５…薄膜インダクタ素子（例えば薄膜スパイラルインダクタ素子）、１６…薄膜抵抗素子、１７…結合光学系（例えば結合レンズ）、１８…入力信号線路、１９…筐体、２０…出射部、２１、２２…寄生容量、２３〜２７…ボンディングワイヤ若しくはリボン、３０、３２…パッド、３５…金属台座、３６、３７…テラス、Ｖｓｓ…電源電位、Ｑ１、Ｑ２…出力段トランジスタ、Ｉｂｉａｓ…バイアス駆動電流。
Claims (9)
- 半導体レーザ素子を駆動するための駆動用ＩＣチップと、該駆動用ＩＣチップに隣接して設けられ、前記半導体レーザ素子を搭載した第１の絶縁基板と、該第１の絶縁基板に隣接して設けられ、前記半導体レーザ素子からの光信号を光ファイバーへ出射させるための結合光学系と、前記第１の絶縁基板に隣接して設けられ、薄膜インダクタンス素子と薄膜抵抗素子とを形成した第２の絶縁基板とをパッケージ内に設け、前記第１の絶縁基板と前記第２の絶縁基板とをボンディングワイヤ若しくはリボンにより接続し、前記半導体レーザ素子へのバイアス電流を並列接続した前記薄膜インダクタ素子と前記薄膜抵抗素子とを介して供給するように構成したことを特徴とする光送信モジュール。
- 請求項１記載の光送信モジュールにおいて、前記駆動用ＩＣチップの端子と前記第１の絶縁基板上の電極との間をボンデングワイヤ若しくはリボンによって接続することを特徴とする光送信モジュール。
- 請求項１又は２記載の光送信モジュールにおいて、前記第２の絶縁基板における前記薄膜インダクタ素子の対接地容量と前記ボンディングワイヤのインダクタンスとがなす共振回路の共振周波数が８ＧＨｚ以上であることを特徴とする光送信モジュール。
- 請求項１、２又は３記載の光送信モジュールにおいて、前記駆動用ＩＣチップは、電流駆動型ＩＣチップで構成することを特徴とする光送信モジュール。
- 半導体レーザ素子へのバイアス電流を、並列接続される薄膜インダクタ素子及び前記薄膜抵抗素子を介して供給するように構成したことを特徴とする光送信モジュール。
- 請求項５記載の光送信モジュールにおいて、前記半導体レーザ素子を搭載した第１の絶縁基板と、前記並列接続される薄膜インダクタ素子及び前記薄膜抵抗素子を形成した第２の絶縁基板とを別の絶縁基板で構成し、前記第１の絶縁基板上に形成された電極と前記並列接続される薄膜インダクタ素子及び前記薄膜抵抗素子の一端のパッドとの間をボンデイングワイヤ若しくはリボンで接続して構成したことを特徴とする光送信モジュール。
- 請求項６記載の光送信モジュールにおいて、前記第２の絶縁基板における前記薄膜インダクタ素子の対接地容量と前記ボンディングワイヤのインダクタンスとがなす共振回路の共振周波数が８ＧＨｚ以上であることを特徴とする光送信モジュール。
- 請求項６又は７記載の光送信モジュールにおいて、前記半導体レーザ素子を駆動するための駆動用ＩＣチップを前記第１の絶縁基板に隣接して設け、該駆動用ＩＣチップの端子と前記第１の絶縁基板上の電極との間をボンデングワイヤ若しくはリボンによって接続することを特徴とする光送信モジュール。
- 請求項８記載の光送信モジュールにおいて、前記駆動用ＩＣチップを電流駆動型ＩＣチップで構成したことを特徴とする光送信モジュール。
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