JP2005516404A - 高速TO−can光電子パッケージ - Google Patents
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Abstract
さまざまな方法および装置によって、TO−can光電子パッケージの有効動作速度を10Gbps以上に向上させる。本発明による光電子装置は、内部領域を画定するTO−canキャップおよびTO−canヘッダーと、TO−canヘッダーに接続された複数のポストと、内部領域に搭載されたレーザーと、前記レーザーと前記ポストのうちの少なくとも1つのポストとを結合する電気経路と、を含む光電子装置であり、前記レーザーと前記少なくとも1つのポストとの間のインダクタンスが600ピコヘンリー未満である。
Description
本発明は、半導体レーザーのパッケージ、送信器、および受信器に関し、特にTO−canパッケージ構成内の複数の光電子部品のパッケージングに関する。
レーザーは、特に電気通信業界において多くの用途に使用されている。エッジ放出レーザーは、最も一般的である。エッジ放出レーザーは、電気通信のすべての主要波長に利用可能であり、各種の用途のために複数の種類が市販されている。垂直共振器型面発光レーザー(VCSEL)は、安価な代替手段を提供し、より大量に半導体ウェハー上に製造することが可能である。これらのレーザーは、製造されたウェハーの表面から垂直に光を放射し、発光ダイオード(LED)と同じく面発光と低製造コストとを兼ね備え、多くのレーザーアプリケーションに必要な速度とパワーとを提供する。今日では、波長850nmで動作するVCSELは、10ギガビットの商用イーサネット(登録商標)ネットワークおよび光バックプレーンシステム向けのレーザー光源として選択されることが多い。
VCSELおよびエッジ放出レーザー用に広く受け入れられているパッケージは、TO−スタイルまたはTO−canパッケージとして周知である。従来の多くの半導体レーザー装置は、光電子パッケージング用に金属製または複合材のTO−canパッケージを使用しており、このパッケージは窓またはレンズを設けた、缶とヘッダーとの組立体を含む。このパッケージに内蔵されたレーザーからのレーザー発光は、TO−canのヘッダーまたはキャップ部分を通過する。TO−canの設計は、トランジスタ技術の初期から電子デバイスのパッケージングに使用されており、これらの窓付きトップや関連するファイバーピグテール接続などの特徴を有す。比較的安価なTO−can部品とパッケージングサービスとが広範に利用可能になったことによって、TO−canパッケージは光電子デバイス用の非常に魅力的なパッケージとなっている。現在では、2.5Gbpsおよび3.3Gbpsという高速のデータ転送に対応する光電子パッケージング用に、TO−18、TO−46、TO−56などの比較的小型のTO−canが使用されている。ただし、TO−canパッケージは、本来は比較的高いGbps速度用に設計されたものではない。高速の光電子デバイスは、主に、バタフライモジュールなどのより高価なレーザーパッケージングソリューションに頼ってきた。
これまでは、TO−canパッケージの構造に伴う寄生リアクタンスによって、高速用途向けの動作が制限されていた。秒あたり最大数ギガビットまでの速度は、業界で周知の「差動」駆動方式の実装によって達成されてきた。この方式は、パッケージのアース接続に伴う寄生の効果を最小限に抑える。仮想アースの構築によって、物理的アースを通る電流の流れを制限する。ただし、差動信号間の均衡を維持することが極めて重要であり、この課題は高速になるほど難しくなる。さらに、TO−canパッケージはさまざまな光電子部品およびポストの接続に一般にボンドワイヤを使用するので、このことも高速データ転送時にこれらの種類のパッケージにしばしば伴う望ましくない寄生効果の一因となる。これらの制限に対処するための適切な解決策が現在無いことから、今日10Gbps以上のデータ転送速度で光伝送リンクを動作させる必要がある高速デジタル通信サービスへの高まる需要に応じることができない。
初期のトランジスタは、メタル缶にパッケージングされていた。「トランジスタアウトラインパッケージ」、つまり「TO−can」は、1960年代にJEDEC組織によって標準化された最初のトランジスタパッケージであった。(JEDEC:Joint Electron Devices Engineering Councilは1958年に設立された。)光検出器などの光電子半導体デバイスが利用可能になると、これらの素子が光学窓付きのTO−canに収容されるようになった。TO−canは、本来は高速変調用に意図されたものではなかったが、年々高速化する変調速度をサポートしてきた。現在では、データ転送速度2.5Gbpsおよび3.3Gbpsという高速の光電子パッケージングに、TO−46などの小型TO−canが広く用いられている。安価なTO−can部品およびパッケージングサービスが広く利用可能になったことで、TO−canは光電子デバイス用の非常に魅力的なパッケージになっている。
本発明の目的は、半導体レーザー、送信器、受信器、およびその他の光電子素子用の高速TO−canパッケージングを提供することである。本願明細書に説明する対費用効果の高い改良点は、10Gbps以上のデータ転送速度を必要とする現在の高速用途向けの望ましい選択肢としてのTO−canパッケージングの市場における持続的成功をさらに促進しうるものである。
以下は、最大10Gbps以上の高速データ転送を必要とする用途向けのTO−canパッケージを実現するうえで、別個に、または一括して適用しうる、本発明のさまざまな態様の基本的概要である。
1. TO−canの外部ポストを短く切り、これらのポストをインピーダンスが制御されている伝送線路に直接接続し、TO−canをできるだけ適切にアース接続する。
2. レーザーまたは光検出器からポストまでの電気経路のインダクタンスを、たとえば600ピコヘンリー未満に、減らす。たとえば、伝送線路をインターコネクトとして組み込むことによって、TO−can隔室内部のボンドワイヤを相対的に短くする。電気経路のインダクタンスを減らすためのその他の例として、少なくとも2つの並列ボンドワイヤの使用、ボンドリボンの使用、および/またはアースに結合した少なくとも1つのコンデンサと複数のボンドワイヤとの直列接続などがある。ボンドワイヤは、全長500マイクロメートル未満にすることができ、さらに/または17ミクロン超の直径を1つまたは複数持つことができる。伝送線路は、インピーダンスを50オームとすることも、ある周波数範囲に対して他のインピーダンスを規定することもでき、さらに/または共面導波路を含めることもできる。
3. 相互接続用の伝送線路と、パワーモニターダイオード(群)および/またはミラー(群)などの他の必要な素子とを組み合わせてアクティブデバイス用の同一サブマウント上に搭載する。伝送線路および/または他の素子は、サブマウント上に搭載してもよいし、形成してもよい。形成する例として、たとえば、サブマウントの半導体材料によって、および/または金属化によって形成する。
4. フィルタなどの信号調整用および/または帯域幅拡張用の回路も、他のTO−can素子と同じサブマウント上に含めるか、またはPC基板上に含める。たとえば、低域フィルタは、一部をPCB上に配置し、一部にTO−canの少なくとも1つのポストを含め、さらに/またはTO−canの少なくとも1つのポストに結合されたPCB上に共面導波路帯域フィルタを配置することもできる。
これらの原則は、エッジ放出デバイスおよび垂直発光デバイス用のTO−18、TO−46、およびTO−56スタイルのパッケージを含むさまざまなTO−canパッケージに適用可能であり、本願明細書に説明されているような構成に固有の改造を組み込んでもよい。TO−canパッケージは任意の数のポストを含むことができ、ポストの数を4つ、5つ、またはそれ以上にすることも、4つ未満にすることもできる。本発明は全体として、その全内容を本願明細書に引用したものとする米国特許第5,838,703号、名称「パワー監視システムおよび光素子付きの半導体レーザーパッケージ」、米国特許第6,001,664号、名称「基板上にVCSELと光検出器とを近接配置するための方法」、米国特許第6,302,596号、名称「スモールフォームファクタの光電子トランシーバ」、および米国特許第6,314,117号、名称「レーザーダイオードパッケージ」に説明されているような当業者には公知のさまざまなレーザーパッケージおよびTO−canパッケージングに適用してもよい。
これらの原則は、エッジ放出デバイスおよび垂直発光デバイス用のTO−18、TO−46、およびTO−56スタイルのパッケージを含むさまざまなTO−canパッケージに適用可能であり、本願明細書に説明されているような構成に固有の改造を組み込んでもよい。TO−canパッケージは任意の数のポストを含むことができ、ポストの数を4つ、5つ、またはそれ以上にすることも、4つ未満にすることもできる。本発明は全体として、その全内容を本願明細書に引用したものとする米国特許第5,838,703号、名称「パワー監視システムおよび光素子付きの半導体レーザーパッケージ」、米国特許第6,001,664号、名称「基板上にVCSELと光検出器とを近接配置するための方法」、米国特許第6,302,596号、名称「スモールフォームファクタの光電子トランシーバ」、および米国特許第6,314,117号、名称「レーザーダイオードパッケージ」に説明されているような当業者には公知のさまざまなレーザーパッケージおよびTO−canパッケージングに適用してもよい。
図1(a)は、PC基板104上のTO−canパッケージ102の従来の配置および組立体100を示す。TO−canパッケージ102は、基板との通信用の複数のインターコネクト106に結合してもよい。TO−canパッケージ102は基本的に、ヘッダーベースとキャップ、つまり光を通す窓を設けたカバー構造、とを含む。窓には、レンズまたは他の光学素子を設けてもよい。TO−canタイプのパッケージ102は、VCSEL素子とその他の光検出器やフォトダイオードモニターなどの内容物を保護するためのエンクロージャを提供する。TO−canレーザーパッケージは、PC基板106への接続用信号線路を1つまたはそれ以上とアースポストとを含んでもよい。信号線路の一部を金属化し、基板上に直接形成してもよい。TO−can 140の内部領域の上面図も図1(c)に示す。パッケージのベースは、パッケージ用のアースポストと複数の信号線路または信号ポストとに接続してもよい。TO−can 140は、アースポスト142と複数の信号ポスト144、146、148とを含んでもよい。VCSEL 150は、図に示すようにボンドワイヤ152によって信号ポスト146に結合してもよい。パッケージ内に収容されているさまざまな光電子素子への接続用として、1つまたはそれ以上のポストを選択してもよい。ポストは、TO−canのベースに形成されている開口部を通してもよく、さらにガラス製フィードスルーまたは他の誘電材料で囲んでもよい。また、VCSELをcanベースの中央領域付近に配置し、ボンドワイヤによって、または丸型ボンドワイヤよりインダクタンスが小さい傾向があるリボンワイヤによって、該当する信号ポストに接続してもよい。
図1(b)は、本願明細書に説明されている本発明の概念に従って形成されたTO−canパッケージの一実施形態を示す。TO−canパッケージ122をPC基板124に接続および搭載することによって、TO−canパッケージと基板との組立体120が作られる。アースポスト130をTO−canパッケージ122に設け、本願明細書に説明するように、これをアース接点126と伝送線路128とに結合してもよい。外部寄生は、パッケージのポストの長さを短くし、TO−canパッケージ122と基板124との間の物理的間隙をなくすか、または実際上なくすことによって、最小限に抑えるか、または実質的に減らした。実質的に短縮されたアースポスト130は、アース接点つまりプレート126の近傍に配置してもよい。アースポスト130の長さを極力短くするには、アース接続接点つまりプレート126をPC基板124の縁に近接させる必要がある。さらに、伝送線路をインターコネクトワイヤの一部にほぼ沿わせて取り付けることによって、外部寄生を大幅に減らした。伝送線路の例として、マイクロストリップおよび共面導波路がある。TO−canパッケージ122をPC基板の縁に搭載し、インピーダンスが制御された伝送線路をTO−canパッケージに極めて近接させると、本願明細書に説明するように、所望の寄生低減がなされる。外部寄生をさらに減らすために、従来のポストの代わりに、基板のほぼ長手方向に沿わせた、本発明によるPC基板上の伝送線路128を信号ポスト132への接続用として選択してもよい。TO−canパッケージ160の内部上面図も図1(d)に含める。TO−canパッケージ160は、アースポスト162と信号ポスト164、166、168とを含む。VCSEL 170は、伝送線路172とその両端の相対的に短くした一対のボンドワイヤとによって、信号ポスト166に結合してもよい。本発明の一部の実施形態においては、伝送線路172を50オームのマイクロストリップとして形成する。ボンドワイヤ174によって伝送線路172を信号ポスト166に接続し、別のボンドワイヤ176によって伝送線路172をVCSEL 176に結合してもよい。伝送線路172を取り付けると、本発明のこの実施形態において使用されるボンドワイヤの合計長が基本的に短くなる。したがって、伝送線路を選択すると、TO−canパッケージ内の内部寄生が大幅に減る。TO−canパッケージ内のレーザーのための従来のボンドワイヤによる高速接続は、本願明細書に説明するように、本発明による伝送線路組立体に取り替えてもよい。
(速度制限の比較)
TO−canパッケージのポストをボンドワイヤのみで接続した場合と、本願明細書に説明するように伝送線路と短いボンドワイヤとで接続した場合との比較を次に示す。従来のTO−canパッケージの速度制限を、本発明に従って改造したパッケージと比較して以下に明らかにする。この実験作業を開始するにあたって、2つのTO−canパッケージ(Can#1およびCan#2)の外部ポストを実質的に短くし、PC基板の縁に搭載し、50オームの伝送線路をこれらのポストまで延ばした。PC基板までのオフセット距離をなくすか、または減らすと、TO−canの許容性能が約7GHzに達する。ボンドワイヤの長さを短くすると、その性能がさらに約12GHzに達する。パッケージングのインダクタンスおよびキャパシタンスは、ポストからTO−canまでの距離をできるだけ短くすることによって最小限に抑えた。一部の実施形態においては、データ転送速度12.5Gbpsという高速で動作するTO−can内に光電子送信モジュールと光電子受信モジュールとを含む。
(速度制限の比較)
TO−canパッケージのポストをボンドワイヤのみで接続した場合と、本願明細書に説明するように伝送線路と短いボンドワイヤとで接続した場合との比較を次に示す。従来のTO−canパッケージの速度制限を、本発明に従って改造したパッケージと比較して以下に明らかにする。この実験作業を開始するにあたって、2つのTO−canパッケージ(Can#1およびCan#2)の外部ポストを実質的に短くし、PC基板の縁に搭載し、50オームの伝送線路をこれらのポストまで延ばした。PC基板までのオフセット距離をなくすか、または減らすと、TO−canの許容性能が約7GHzに達する。ボンドワイヤの長さを短くすると、その性能がさらに約12GHzに達する。パッケージングのインダクタンスおよびキャパシタンスは、ポストからTO−canまでの距離をできるだけ短くすることによって最小限に抑えた。一部の実施形態においては、データ転送速度12.5Gbpsという高速で動作するTO−can内に光電子送信モジュールと光電子受信モジュールとを含む。
Can#1 200においては、図2(a)に示すように、隣接する2つの信号ポスト202と204とを単一のボンドワイヤ208によって接続した。図2(b)は、図2(a)に示す従来のボンドワイヤを含むCan#1のアイダイアグラム250を示す。アイダイアグラム250は、12Gbpsにおけるものであり、測定された立ち上がり時間は73ピコ秒である。Can#2 300においては、図3(a)に示すように、隣接する2つのポスト302と304との間に伝送線路308を取り付け、比較的短いボンドワイヤによってこの伝送線路308を各ポストに接続している。Can#2 300は、複数の信号ポスト302、304、および306を含んでもよい。2つのボンドワイヤ310および312によって、伝送線路308を信号ポスト302に結合してもよい。追加のボンドワイヤ314および316によって、伝送線路308をもう1つの信号ポスト304に結合してもよい。図3(b)は、図3(a)に示すTO−canを本発明に従って設計変更した場合のアイダイアグラム350を示す。このアイダイアグラム350も12Gbpsにおけるものであるが、測定された立ち上がり時間は36ピコ秒である。このようなアイダイアグラムは、オシロスコープによって生成することができ、基本的には波形の幅対時間のグラフである。目の垂直の開きは、雑音によるビットエラーに対する余裕を示し、目の水平の開きは、クロックの不完全回復によるタイミングエラーに対する余裕を示す。一般に、立ち上がり時間は短いほど好ましく、短くなるほどアイダイアグラムの「目の中心」部分がより大きくなる。したがって、対応するアイダイアグラムの目の中心が相対的に大きいCan#2の方が、より好ましい結果をもたらす。
図4は、図2(a)および図3(a)の2つのTO−canの該周波数領域における挿入損を比較したグラフであり、外部寄生の低減を実証するものである。また、TO−canパッケージのポストを短くし、TO−canパッケージと隣接するPC基板との間の物理的空間つまり間隙をほぼゼロにすることによって、外部寄生を減らした。図4に示すように、このグラフは各TO−canパッケージの挿入損と周波数との関係を示す。曲線410は、図3(a)のTO−canの相対的に低い挿入損を示し、もう1つの曲線420は、図2(a)のTO−canの挿入損を示す。ただし、より短いボンドワイヤを使用して伝送線路を図3(a)のTO−canの内部に取り付けると、本発明の概念に従って有効速度が約12GHzに達する。
本願明細書に説明されている改造によって、構造を大幅に改造しなくても、最大10Gbps以上の速度で本質的に使用可能なTO−canパッケージが提供される。本願明細書に説明するように、10GbpsのVCSELをこれらの広く受け入れられているTO−canパッケージ内に取り付け、PC基板上に搭載してもよい。高速時にTO−canパッケージを現在苛んでいる望ましくない寄生効果は、本願明細書に説明するように、外部寄生と内部寄生の両方を減らすという2つの観点からの取り組みによって大幅に減る。外部寄生は、ポストの長さを短くし、TO−canパッケージとPC基板の縁との間の物理的間隙をなくすことによって最小限に抑えてもよい。内部寄生は、TO−can内に、単一の連続ボンドワイヤの代わりに、伝送線路を比較的短い端部ボンドワイヤによって取り付けることによって減らすことができる。
(集積サブマウント)
本願明細書に記載のVCSELパッケージングは、レーザー、モニターフォトダイオード、または他の光電子部品を複数収容することも可能である。一定のコスト削減効果を図り、占有面積を減らすために、さまざまな部品を単一チップ上に設けてもよい。たとえば、モニターダイオードと伝送線路セグメントとを同一のサブマウント上に組み合わせることによって、部品数の削減が可能である。本開示発明を特徴付けるもう1つの側面は、伝送線路と他の光電子素子とを缶内に統合するために、TO−canパッケージの内部領域に配置する集積サブマウントを提供することである。
(集積サブマウント)
本願明細書に記載のVCSELパッケージングは、レーザー、モニターフォトダイオード、または他の光電子部品を複数収容することも可能である。一定のコスト削減効果を図り、占有面積を減らすために、さまざまな部品を単一チップ上に設けてもよい。たとえば、モニターダイオードと伝送線路セグメントとを同一のサブマウント上に組み合わせることによって、部品数の削減が可能である。本開示発明を特徴付けるもう1つの側面は、伝送線路と他の光電子素子とを缶内に統合するために、TO−canパッケージの内部領域に配置する集積サブマウントを提供することである。
図5は、本発明に従って提供されるTO−canパッケージの図である。パッケージのキャップつまりヘッダー502には、上記のようにアースポスト504といくつかの信号ポストとを設けてもよい。ポスト506はヘッダー502上に設けたVCSEL 505との通信専用とし、モニターフォトダイオード516用には別のポスト508を選択してもよい。特に、レーザーに対して差動駆動技術を使用する場合は、状況に応じて別のポスト510をモニター516またはVCSEL 505に接続してもよい。レーザー用のポスト506は、伝送線路512と2つの短いボンドワイヤ514とによって、VCSEL 505に接続してもよい。本願明細書に説明されている伝送線路組立体は、従来のTO−canパッケージ内にボンドワイヤのみを使用した場合に通常伴う内部寄生を大幅に低減できることを実証する。高速データ転送時により顕著となる代表的な寄生効果を実質的に減らすために、本願明細書に説明するように上記および他の光電子部品をTO−canパッケージ内に封入し、気密密閉してもよい。
図6に示す本発明の別の実施形態は、VCSELサブマウント600を含む。サブマウント600は、モニターダイオード620と高速接続用伝送線路とを含む。VCSEL 610は、サブマウント600のアース面630上に搭載または固定してもよい。伝送線路640は、VCSEL 610を信号ポスト650に結合する。ボンドワイヤ652によって、VCSEL 610を伝送線路640に結合してもよい。別のボンドワイヤ654によって、信号ポスト650を伝送線路640に結合してもよい。VCSELサブマウントは、パッケージ内のさまざまな内容物を担持し、特定のTO−canパッケージに対して相補的な寸法にしてもよい。本願明細書に説明されている伝送線路の代わりに、必要に応じて追加の信号調整機能を提供するように改造した他のインターコネクトを使用してもよい。
図15(a)に示す本発明の別の実施形態は、ミラーサブマウント1500を含む。サブマウント1500は、ミラー1510と1つまたはそれ以上の高速接続用伝送線路1520とを含む。図15(b)は、ミラーサブマウント1535上にエッジ放出レーザー1530を設けたTO−46 can 1525の断面図を示す。キャップを外した、ミラーサブマウント付きのTO−46 canの斜視図を図15(c)にも示す。
図7(a)に示す共面導波路(CPW)帯域フィルタ組立体700をTO−canパッケージ内のレーザーとそのポストとの間に取り付けてもよい。上記のように、導波路702は、相対的に短くしたボンドワイヤ706によって、ポスト704と面発光レーザーまたはエッジ放出レーザーとに接続してもよい。帯域フィルタの具体的な幾何学的形状および寸法は、所望の周波数に応じて、公知の方法に従って改造してもよい。帯域フィルタは、特定周波数間の特定の信号のみを通過させ、他の周波数の信号を制限することもできる。本発明においては、当業者には公知のように、許容周波数範囲内で信号レベルを増幅する増幅器を用いて一部の帯域フィルタを改造してもよい。このような増幅器を電源に接続することによってアクティブな帯域フィルタにし、本発明に従ってTO−canパッケージ内に配置してもよい。本発明においては、アクティブな帯域フィルタを組み込んでもよいし、あるいは上記のように電力を増幅も消費もせずに所望の信号調整を実現するパッシブな帯域フィルタを組み込んでもよい。したがって、複数のフィルタをTO−canパッケージ内にそれぞれ別個に取り付けても、一体に形成してもよく、あるいは1つのフィルタをコンデンサとボンドワイヤとの集合体によって形成してもよい。図7(b)に示すように、レーザー素子714に向けて、一連のコンデンサ710をTO−canのヘッダーまたはサブマウント712沿いに配置してもよい。レーザー714とその対応するポスト718との間の電気的接続を確立するために、いくつかのボンドワイヤ716を使用してもよい。この構成は、カットオフ周波数が10GHzを超えうる低域フィルタである。また、単一の長いボンドワイヤをなくすと、TO−canパッケージ内の内部寄生が減る。本願明細書において信号調整のためにボンドワイヤ716によって接続するコンデンサ710の具体的な幾何学的形状および数は、必要に応じて公知の方法によって変更してもよい。図7(c)は、PCB725上に配置された共面導波路帯域フィルタ720を示す。TO−can 730の1つのポスト732はフィルタ720に結合され、もう1つのポスト734はアース接点736に結合されている。図7(d)は、PCB755上に配置された一連のインダクタ740とコンデンサ742とを含むフィルタを示す。TO−can 750の1つのポスト760はこのフィルタに結合され、別のポスト762はアース接点766に結合されている。上記のように、本願明細書に記載されている改良点の多くは、垂直面発光レーザーとエッジ放出レーザーの両方に適用可能である。エッジ放出デバイスを収容した市販のTO−canパッケージは、本願明細書に説明するように伝送線路を取り込むことによって、寄生を減らし、比較的高速の用途の総合性能を向上することができる。図8は、エッジ放出デバイス向けの垂直サブマウント付きTO−canパッケージを示す。気密密閉された内部領域を形成するために、鋼製キャップ802とヘッダー804とを溶接または他の方法で接合してもよい。鋼製キャップ802には、ガラス窓806によって覆われた開口部を設けてもよく、このガラス窓806にレンズおよび/または適切な被膜を設けてもよい。ヘッダー804には、パッケージをアース接続するためのアースポスト808を設けてもよい。一対のレーザーポスト810および812は、ヘッダー804を通して内部領域まで延長し、レーザーダイオード814に接続してもよい。レーザー814は、一般には面発光レーザー用のヘッダーの中央部分付近に搭載するが、シリコン製サブマウント816に垂直に搭載してもよい。サブマウント816をさらにパッケージ内部の銅製ポスト818によって支えてもよい。第1のレーザーポスト810は、ボンドワイヤ820によってレーザー814に電気的に直接接続してもよい。第2のレーザーポスト812は、別のボンドワイヤ815によってレーザー814の導体パッド部分822に結合してもよい。一定のデータ転送速度において、第2のレーザーポスト812を公知の差動駆動機構のために利用してもよい。さらに、パッケージ内部に延ばした第2のレーザーポスト812の一部を、図のようにくさび状に形成してもよい。フォトダイオードポスト824もヘッダー804を通してパッケージ内部まで延ばし、PINバックファセットモニターフォトダイオードまたは他の光検出器826に接続してもよい。フォトダイオード826は、ボンドワイヤ828によって、その対応するポストに接続してもよい。
一部の実施形態においては、キャップとヘッダーとを一体に形成する。他の実施形態においては、キャップとヘッダーとをそれぞれ別個に形成し、その後接合する。
図9(a)は、図8に示すようにTO−canパッケージの内部に取り付けることが可能な水平サブマウントおよび垂直サブマウントの斜視図を示す。垂直サブマウント910と水平サブマウント920とを図のようにTO−canパッケージに含めてもよい。垂直サブマウント910をポスト915に結合し、レーザーダイオード925と伝送線路927、929とを支持するためのマウントまたはプラットフォームとして使用してもよい。垂直サブマウントおよび水平サブマウントの他の実施形態においては、1つの伝送線路、3つの伝送線路、またはこの任意の倍数の伝送線路を含むことができる。本発明の一実施形態においては、伝送線路を共面導波路(CPW)にしてもよい。垂直サブマウント910はさらに、それぞれボンドワイヤ937、939、および941によってポスト915に結合されるアース931、933、および935を含む。ボンドワイヤ943は、伝送線路927をレーザー接点945に結合する。差動駆動レーザー付きなどの他の実施形態においては、レーザーを伝送線路927および929などの少なくとも2つの伝送線路に接続することができる。また、伝送線路951および953と光検出器960とを水平サブマウント920に含めてもよい。光検出器の一実施形態は、MSM(金属―半導体―金属)光検出器である。伝送線路951および953は、方向を変え、不連続部を極力減らすために、曲線化することができる。伝送線路951は、ボンドワイヤ977によって伝送線路927に結合され、伝送線路953は、別のボンドワイヤ979によって伝送線路929に結合される。伝送線路951は、ボンドワイヤ983によってポスト981に結合され、伝送線路953は、ボンドワイヤ987によってポスト985に結合される。水平サブマウント920もまた、それぞれボンドワイヤ971、973、および975によってポスト915に接続されたアース955、957、および959を含む。光検出器接点962は、ボンドワイヤ964によってポスト966に接続される。ポスト966は、水平サブマウント920をその上に搭載する導体パッドを含む。別のポストは光検出器960を該ポストのうちの1つ(図示せず)に結合する。図9(b)および(c)はそれぞれ、図9(a)に示した垂直サブマウント910および水平サブマウント920の平面図を示し、図9(a)で使用したものと同様の参照番号を含む。
図10は、本願明細書に記述されている本発明のさらに別の実施形態の平面図を示す。TO−canパッケージ1000は、ポスト1015に結合された垂直サブマウント1010を含む。垂直サブマウント1010は、レーザーダイオード1025と伝送線路1027および1029とを含む。ボンドワイヤ1043は、レーザー接点1045を伝送線路1027に結合する。レーザーダイオード1025は、レーザーチャネル1044を含む。一実施形態においては、伝送線路はCPWである。本発明の他の実施形態においては、差動駆動レーザーを組み込んでもよく、この場合は、レーザーに結合する伝送線路1027および1029などの伝送線路を少なくとも2つ含むことができる。第1の伝送線路1027をポスト1081に結合し、第2の伝送線路1029をポスト1085に結合してもよい。公知のエポキシ材料および/または結合材によって伝送線路をポストに結合するために、各種の結合剤を選択してもよい。
差動駆動される一部の実施形態においては、すべての信号線路の長さおよび寄生リアクタンスが等しくないと差動信号の均衡を崩すことがあるので、差動線路の幾何学的対称性を維持する必要がある。
一部の実施形態においては、さまざまな信号線路間の放射干渉を避けるために、RF吸収材をPC基板の上またはエンクロージャ内の基板近くに配置することができる。
一部の実施形態においては、追加の回路素子によって寄生を打ち消す。寄生は、少なくとも部分的には、低域フィルタまたは「擬似伝送線路」に「吸収」させることができる。一実施形態は、複数の直列インダクタおよびシャントコンデンサ付きのフィルタを含み、寄生がこれらの素子のうちの数個を実現するようにする。残りの素子は、PC基板および/またはデバイスサブマウントに組み込んでもよい。この方式を手軽な方法で検証するには、基板からのオフセットが2.5〜3.0ミリメートルのTO−46パッケージの入力ポートと出力ポートとに0.25pFのシャントコンデンサを追加し、その帯域幅が2.0GHz向上することを確認する。
TO−46内に形成されるRFキャビティは十分小さいので、10Gbpsでは最低次共振を心配する必要はない。ピルボックスキャビティの1次共振は、その内径の1.3倍の波長である。内径4.22mmのTO−46の場合、キャビティの1次共振は55GHzにおいて発生する。チップとサブマウントとをパッケージ内に含めると、共振周波数は減るが、通常10Gbpsでは問題になるほどではない。TO−46の一部の実施形態において実際に観察される帯域幅制限は、3〜4GHzの範囲であり、大部分は寄生リアクタンスに起因する。一部のリアクタンスは、パッケージ構造に固有のものであり、TO−canを再設計しない限り変えることはできない。他のリアクタンスは、TO−can内部の部品の組み立て、およびPC基板上のTO−canの組み立てによって決まる。
従来のTO−46のシミュレーション性能は、よく知られている帯域幅制限である約3GHz、つまりほぼ4Gbpsを示す。これを図12に示す。
TO−canパッケージ内部のボンドワイヤのインダクタンスを下げ、TO−canパッケージ外部のポストのインダクタンスを下げた効果を調べてもよい。図13に示すシミュレーションにおいては、TO−canはPC基板に接触している。このゼロオフセットの組立体は、外部寄生を最小限に抑える。一部の実施形態においては、プリント回路基板とTO−canヘッダーとの間のオフセット距離は0.1ミリメートル未満である。さらに、TO−canパッケージ内部の接続がボンドワイヤによる場合と、50オームの伝送線路による場合との2つを比較する。ボンドワイヤ接続の場合、12GHzにおける挿入損は8dBに近いが、50オームの伝送線路の場合は2dB未満である。したがって、寄生を低減できる。
図14は、ポストのインダクタンスの効果のみを示す。TO−can内部の接続は、50オームの伝送線路である。一方は、ポストのインダクタンスはなく、TO−canパッケージはPC基板に物理的に接触している。他方は、TO−canの底(TO−canヘッダーの底)とPC基板の縁との間に2.5mmのオフセット距離がある。
TO−canパッケージの帯域幅制限においては、内部の寄生より、ポストのインダクタンスの方がより関与していることがわかる。ボンドワイヤの寄生とポストのインダクタンスとを排除すると、有効帯域幅が12GHzに達するので、TO−canを16Gbpsまでのデータ転送速度で使用することができる。10Gbpsでは、ボンドワイヤおよび/または外部ポストの一部のインダクタンスを許容できる。一実施形態においては、オフセット距離は1ミリメートル未満であり、ボンドワイヤの長さは500ミクロン未満である。
TO−46は、2ポートのネットワークとしてモデル化できる。これは、2ポートデバイスをTO−canパッケージの2つの隣接ポストに接続することによって行った。第3のポストは無視した。2ポートデバイスは、50オームの伝送線路または単一のボンドワイヤになるように選んだ。この構成のために開発した集中素子モデルを図11に示す。このモデルは、TO−46パッケージのRF特性を予測するために使用した。
上記に基づき、本発明によって高速データ転送用に適合可能なさまざまなTO−canスタイルのパッケージが提供される。本発明は上記の開示内容に説明されているが、当業者には明らかなように、本発明は、本発明の真の範囲を逸脱せずに、数多くの改造および置換が可能であることを理解されるべきである。したがって、本発明は限定ではなく例示の目的のために開示されており、本発明の範囲を判断するには、以下の請求項を参照されるべきである。
Claims (48)
- 内部領域を画定するTO−canキャップおよびTO−canヘッダーと、
TO−canヘッダーに接続された複数のポストと、
内部領域に搭載されたレーザーと、
前記レーザーと前記ポストのうちの少なくとも1つのポストとを結合する電気経路と、
を含む光電子装置であって、
前記レーザーと前記少なくとも1つのポストとの間のインダクタンスが600ピコヘンリー未満である光電子装置。 - 電気経路が2つまたはそれ以上のボンドワイヤと、所定のインピーダンスを持つ伝送線路と、
を含む、請求項1に記載の装置。 - 前記2つまたはそれ以上のボンドワイヤの合計長が600マイクロメートル未満である、請求項2に記載の装置。
- 所定のインピーダンスが50オームである、請求項2に記載の装置。
- 伝送線路が共面導波路を含む、請求項2に記載の装置。
- 伝送線路が低域フィルタを含む、請求項2に記載の装置。
- 電気経路がさらに、レーザーに結合された第2の伝送線路を少なくとも含む、請求項2に記載の装置。
- サブマウントを内部領域にさらに含み、このサブマウント上に伝送線路が搭載された、請求項2に記載の装置。
- サブマウント上に搭載された1つまたはそれ以上のモニターをさらに含む、請求項8に記載の装置。
- 1つまたはそれ以上のミラーをサブマウント上にさらに含む、請求項8に記載の装置。
- 電気経路が直径17ミクロン超のボンドワイヤを少なくとも1つ含む、請求項1に記載の装置。
- 電気経路が並列ボンドワイヤを少なくとも2つ含む、請求項1に記載の装置。
- 電気経路がボンドリボンを含む、請求項1に記載の装置。
- 電気経路が複数のボンドワイヤと少なくとも1つのコンデンサとを含み、前記複数のボンドワイヤと前記少なくとも1つのコンデンサが直列に結合されている請求項1に記載の装置であって、
前記少なくとも1つのコンデンサがアースに結合されている装置。 - レーザーが垂直共振器型面発光レーザーである、請求項1に記載の装置。
- レーザーがエッジ放出レーザーである、請求項1に記載の装置。
- レーザーが1回目に少なくとも10Gbpsの速度で駆動される、請求項1に記載の装置。
- レーザーを差動駆動するために第1の伝送線路と第2の伝送線路とが使用される、請求項7に記載の装置。
- 回路基板をさらに含む請求項1に記載の装置であって、前記光電子パッケージが前記回路基板上に搭載され、光電子パッケージが1つまたはそれ以上の電気信号を回路基板上の1つまたはそれ以上の伝送線路を介して受信する装置。
- 内部領域を画定するTO−canキャップおよびTO−canヘッダーと、
TO−canヘッダーをプリント回路基板に接続する複数のポストと、
TO−canヘッダーとTO−canキャップとの内部領域に搭載されたレーザーと、
を含む光電子装置であって、
前記複数のポストのうちの少なくとも1つのポストが、TO−canヘッダーとプリント回路基板との間に600ピコヘンリー未満の第1のインダクタンスを持つ光電子装置。 - プリント回路基板をさらに含む、
請求項20に記載の装置。 - プリント回路基板とTO−canヘッダーとの間のオフセット距離が1ミリメートル未満である、請求項20に記載の装置。
- 低域フィルタをさらに含む請求項20に記載の装置であって、
この低域フィルタが
少なくとも部分的にプリント回路基板上にある第1の部分と、
第1の部分に結合された第2の部分とを含み、この第2の部分が前記複数のポストのうちの少なくとも1つのポストを含む装置。 - 共面導波路帯域フィルタをプリント回路基板上にさらに含む請求項20に記載の装置であって、前記共面導波路帯域フィルタが前記複数のポストのうちの少なくとも1つのポストに結合されている装置。
- レーザーが垂直共振器型面発光レーザーである、請求項20に記載の装置。
- レーザーがエッジ放出レーザーである、請求項20に記載の装置。
- レーザーが1回目に少なくとも10Gbpsの速度で駆動される、請求項20に記載の装置。
- 内部領域を画定するTO−canキャップおよびTO−canヘッダーと、
TO−canヘッダーに接続されている複数のポストと、
内部領域に搭載されている光検出器と、
光検出器と前記複数のポストのうちの少なくとも1つのポストとを結合する電気経路と、
を含む光電子装置であって、
前記光検出器と前記少なくとも1つのポストとの間のインダクタンスが600ピコヘンリー未満である光電子装置。 - トランスインピーダンス増幅器を内部領域にさらに含み、このトランスインピーダンス増幅器が光検出器に結合されている、請求項28に記載の装置。
- 電気経路が2つまたはそれ以上のボンドワイヤと所定のインピーダンスを持つ伝送線路とを含む、請求項28に記載の装置。
- 2つまたはそれ以上のボンドワイヤの合計長が600マイクロメートル未満である、請求項30に記載の装置。
- 所定のインピーダンスが50オームである、請求項30に記載の装置。
- 伝送線路が共面導波路を含む、請求項30に記載の装置。
- 伝送線路が帯域フィルタを含む、請求項30に記載の装置。
- 電気経路が、光検出器に結合された第2の伝送線路を少なくとも含む、請求項30に記載の装置。
- サブマウントを内部領域にさらに含み、このサブマウントに伝送線路が搭載されている、請求項30に記載の装置。
- 電気経路が直径17ミクロン超のボンドワイヤが少なくとも1つに含む、請求項28に記載の装置。
- 電気経路が少なくとも2つの並列ボンドワイヤを含む、請求項28に記載の装置。
- 電気経路がボンドリボンを含む、請求項28に記載の装置。
- 電気経路が複数のボンドワイヤと少なくとも1つのコンデンサとを含み、前記複数のボンドワイヤと前記少なくとも1つのコンデンサとが直列に結合されている請求項28に記載の装置であって、
前記少なくとも1つのコンデンサがアースに結合されている装置。 - 光検出器が1回目に少なくとも10Gbpsの速度でデータを受信する、請求項28に記載の装置。
- 回路基板をさらに含む請求項28に記載の装置であって、光電子パッケージが前記回路基板に搭載され、前記光電子パッケージが回路基板上の1つまたはそれ以上の伝送線路を介して1つまたはそれ以上の電気信号をやり取りする装置。
- 内部領域を画定するTO−canキャップおよびTO−canヘッダーと、
TO−canヘッダーをプリント回路基板に接続する複数のポストと、
TO−canキャップとTO−canヘッダーとの内部領域に搭載されている光検出器と、
を含む光電子装置であって、
前記複数のポストのうちの少なくとも1つのポストがTO−canヘッダーとプリント回路基板との間に600ピコヘンリー未満の第1のインダクタンスを持つ光電子装置。 - プリント回路基板をさらに含む、
請求項43に記載の装置。 - プリント回路基板とTO−canヘッダーとの間のオフセット距離が1ミリメートル未満である、請求項43に記載の装置。
- 低域フィルタをさらに含む請求項43に記載の装置であって、前記低域フィルタが、
少なくとも部分的にプリント回路基板上にある第1の部分と、
第1の部分に結合された第2の部分とを含み、この第2の部分が前記複数のポストのうちの少なくとも1つのポストを含む装置。 - 共面導波路帯域フィルタをプリント回路基板上にさらに含み、前記共面導波路帯域フィルタが前記複数のポストのうちの少なくとも1つのポストに結合されている、請求項43に記載の装置。
- 光検出器が1回目に少なくとも10Gbpsの速度でデータをやり取りする、請求項43に記載の装置。
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