JP2005516404A - 高速ＴＯ−ｃａｎ光電子パッケージ - Google Patents

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。

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。

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。

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。

図１（ａ）は、本願明細書に記載されている従来構成のＴＯ−ｃａｎパッケージのデバイス配置およびＰＣ基板組立体を示す。 図１（ｂ）は、本願明細書に記載されている高速構成のＴＯ−ｃａｎパッケージのデバイス配置およびＰＣ基板組立体を示す。 図１（ｃ）は、本願明細書に記載されている従来構成のＴＯ−ｃａｎパッケージのデバイス配置およびＰＣ基板組立体を示す。 図１（ｄ）は、本願明細書に記載されている高速構成のＴＯ−ｃａｎパッケージのデバイス配置およびＰＣ基板組立体を示す。 図２は、（ａ）において、従来のボンドワイヤによってポストが接続されているＴＯ−ｃａｎパッケージの上面図を示し、（ｂ）において、（ａ）のＴＯ−ｃａｎパッケージの１２Ｇｂｐｓのアイダイアグラムを示す。 図３は、（ａ）において、本発明に従って形成された伝送線路によってポストが接続されているＴＯ−ｃａｎパッケージの上面図を示し、（ｂ）において、（ａ）のＴＯ−ｃａｎパッケージの１２Ｇｂｐｓのアイダイアグラムを示す。 図４は、図２および図３の２つのＴＯ−ｃａｎパッケージの挿入損を比較したグラフである。 図５は、３つのチップをそれぞれ離して搭載したＶＣＳＥＬのＴＯ−ｃａｎパッケージの図である。 図６は、伝送線路とモニターダイオードとで構成された、ＴＯ−ｃａｎパッケージ内のＶＣＳＥＬサブマウントの上面図を示す。 図７（ａ）は、ＴＯ−ｃａｎ内のレーザー素子とポストとの間に取り付けるフィルタを示す。 図７（ｂ）は、ＴＯ−ｃａｎ内のレーザー素子とポストとの間に取り付けるフィルタを示す。 図７（ｃ）は、少なくとも部分的にプリント回路基板上に取り付けるフィルタを示す。 図７（ｄ）は、少なくとも部分的にプリント回路基板上に取り付けるフィルタを示す。 図８は、本発明のさまざまな概念に従って改造しうるＴＯ−５６パッケージなどのＴＯ−ｃａｎパッケージ内に取り付け可能なサブマウント上に配置されたエッジ放出レーザーの斜視図である。 図９（ａ）は、エッジ放出デバイスおよび光検出器付きのＴＯ−ｃａｎパッケージの一実施態様の斜視図を示す。 図９（ｂ）は、図９（ａ）の垂直サブマウントの平面図を示す。 図９（ｃ）は、図９（ａ）の水平サブマウントの平面図を示す。 図１０は、エッジ放出デバイス付きのＴＯ−ｃａｎパッケージの別の実施態様の部分平面図を示す。 図１１は、ＴＯ−４６の集中素子モデルは、１０個の個別素子で構成される。 図１２は、ＴＯ−４６ Ｃａｎの概略図および周波数応答。その帯域幅は約３ＧＨｚである。 図１３は、隣接する２つのポストがボンドワイヤで接続されているときと、５０オームの伝送線路によって接続されているときのＴＯ−４６パッケージの応答シミュレーション。どちらの場合も、外部ポストのインダクタンスはない。 図１４は、隣接する２つのポストが５０オームの伝送線路で接続されているときのＴＯ−４６ Ｃａｎの応答シミュレーション。一方は、ＴＯ−ｃａｎがＰＣ基板に接触しており、もう一方は、オフセット距離２．５ｍｍである。 図１５（ａ）は、ミラーサブマウントを示す。 図１５（ｂ）は、エッジ放出レーザーをミラーサブマウント上に取り付けたＴＯ−４６ ｃａｎの断面図を示す。 図１５（ｃ）は、キャップを外した、ミラーサブマウント付きＴＯ−４６ ｃａｎの斜視図を示す。

Claims (48)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 伝送線路が共面導波路を含む、請求項２に記載の装置。
6. 伝送線路が低域フィルタを含む、請求項２に記載の装置。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 電気経路がボンドリボンを含む、請求項１に記載の装置。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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。
18. 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。
19. 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。
20. 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。
21. プリント回路基板をさらに含む、
    請求項２０に記載の装置。
22. 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。
23. 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。
24. 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。
25. 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。
26. 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。
27. 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。
28. 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。
29. 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。
30. 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。
31. 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。
32. 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。
33. 伝送線路が共面導波路を含む、請求項３０に記載の装置。
34. 伝送線路が帯域フィルタを含む、請求項３０に記載の装置。
35. 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。
36. 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。
37. 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。
38. 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。
39. 電気経路がボンドリボンを含む、請求項２８に記載の装置。
40. 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。
41. 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。
42. 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。
43. 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。
44. プリント回路基板をさらに含む、
    請求項４３に記載の装置。
45. 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。
46. 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。
47. 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。
48. 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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