JP2006030227A

JP2006030227A - 光モジュール

Info

Publication number: JP2006030227A
Application number: JP2004204143A
Authority: JP
Inventors: Osamu Kagaya; 修加賀谷; Noriko Sasada; 紀子笹田; Kazuhiko Naoe; 和彦直江
Original assignee: Opnext Japan Inc
Current assignee: Opnext Japan Inc
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-07-12
Also published as: EP1617279B1; CN100347916C; DE602005010006D1; US20060007516A1; JP4578164B2; CN1722551A; US7130100B2; EP1617279A1

Abstract

【課題】駆動インピーダンスが50Ω用に設計された光変調器素子２１を用いて、駆動インピーダンスが25Ωの場合も光送信モジュールの送信波形品質を良好に保つ。
【解決手段】電気信号の入力電極２７と、電気信号によりレーザ光を変調する光変調器素子２１と、終端抵抗素子２４と、入力電極と光変調器素子とを接続する第１のボンディングワイヤ３１と、光変調器素子と終端抵抗素子とを接続する第２のボンディングワイヤ３２と、入力電極と終端抵抗素子とを接続する第３のボンディングワイヤ３３と、とからなる光モジュール１００で解決できる。
【選択図】図１

Description

本発明は光通信用の光モジュールに係り、特に25Ω駆動に好適な光モジュールに関する。

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共に、小型、低コストであることが要求されている。

特許文献１には、変調器集積化光源の変調器と信号線とを接続する第１ボンディングワイヤと、変調器とマッチング抵抗とを接続する第２ボンディングワイヤとのインダクタンスの関係を適切にして、光変調器の小信号通過特性（S21）における3dB帯域の確保と、小信号反射特性（S11）の低減の両立を図ったモジュールが記載されている。

また、非特許文献１には、駆動インピーダンス50Ω（オーム）で、終端抵抗100ΩのCAN型パッケージに搭載された電界吸収型レーザモジュールが記載されている。

特開２００１-３０８１３０号公報 "ASIP 1310 nm EML TOSA"、[online]、ASIP、[平成１６年６月１８日検索]、インターネット＜URL:http://www.asipinc.com/pdf/ASIPdatasheet1310nmEMLTOSA.pdf＞

光送信モジュールの小型化をさらに進めるために、そのパッケージをCAN型のパッケージとする要求がある。
CAN型のパッケージを用いた場合、良好な送信波形を得るためには、駆動ICの出力インピーダンスと、駆動ICとCAN型パッケージ間の伝送線路のインピーダンスを、20Ω〜30Ωとすることが必要である。この理由を説明する。CAN型パッケージは、リードピンがガラスで気密封止・固定され、その部分で同軸線路を成している。そして、その特性インピーダンスは、通常20Ω〜30Ωとなる。気密封止部のインピーダンスに対し、駆動信号経路のインピーダンスを一致させることにより、多重反射による波形劣化を避けることができる。

背景技術に記載した特許文献１において、駆動インピーダンスが25Ωとなるように変更する場合、スケーリングにより、マッチング抵抗４の抵抗値を1/2、第１および第２のボンディングワイヤ５、６のインダクタンスを各々1/2、光変調器１０の容量値を2倍にすれば原理的に同一の波形品質を実現することができる。これに対して、現在用いられている殆ど全ての光モジュールは、駆動インピーダンス50Ωで設計されている。しかし、駆動インピーダンス50Ωで設計された光モジュールで、変調器集積型半導体レーザチップの光変調器素子の容量を2倍に変更すると、十分な周波数帯域が得られず、帯域低下による波形品質劣化を引き起こす。

また、発明者の検討によれば、光変調器の容量値を増加させない従来の50Ω駆動に適した変調器集積型半導体レーザチップを用いて、駆動インピーダンスを25Ω、終端抵抗値を25Ω、ボンディングワイヤ５、６のインダクタンスを1/2にした場合には、小信号通過特性S21の周波数特性において大きなピーキングが生じ、送信波形品質が劣化する。このように、これまでの技術では、駆動インピーダンス50Ωで設計された変調器集積型半導体レーザチップを用いては、駆動インピーダンスが25Ωの場合、良好な波形品質を実現することができなかった。

これは、駆動インピーダンス25Ω用に、別品種の変調器集積型半導体レーザを設計し、製造することを意味する。しかし、設計開発費用、生産管理費用等を考慮すると、これは、変調器集積型半導体レーザチップのコストアップを意味する。小型、低価格のCAN型光送信モジュールとするために、別品種の変調器集積型半導体レーザの開発は、避ける必要がある。

本発明の目的は、駆動インピーダンスが50Ω用で設計された光変調器素子を用いて、駆動インピーダンスが25Ωの場合も送信波形品質を良好に保つことができる光モジュールを提供することにある。また、本発明の他の目的は、CAN型パッケージの光モジュールを提供することにある。

上記目的は、入力電気信号の入力電極と、入力電気信号によりレーザ光を変調する光変調器素子と、インピーダンス整合用の終端抵抗素子と、入力電極と光変調器素子とを接続する第１のボンディングワイヤと、光変調器素子と終端抵抗素子とを接続する第２のボンディングワイヤと、入力電極と終端抵抗素子とを接続する第３のボンディングワイヤと、とからなる光モジュールで達成できる。

本発明によれば、駆動インピーダンスが50Ω用に設計された変調器を用いて、駆動インピーダンス25Ωにおいて送信波形品質を良好に保つことができる光モジュールを提供することができる。また、送信波形品質が良好なCAN型パッケージの光モジュール提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、実施例を用いて図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例１を、図１ないし図９を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の実施例１の光送信モジュールの主要部分を示す平面図である。図２は、本発明の実施例１の光送信モジュールの主要部と駆動部の回路図である。図３は、本発明の実施例を説明する光変調器の容量と7.5GHzにおける反射係数との関係を示す図である。図４は、本発明の実施例を説明する反射係数の周波数依存性示す図である。図５は、本発明の実施例を説明する光変調器の容量と電気-光通過特性(S21)の3dB帯域との関係を示す図である。図６は、本発明の実施例を説明する光変調器の容量と過剰利得特性との関係を示す図である。図７は、本発明の実施例を説明する特性インピーダンスZoを25Ωとしたスミスチャートである。そして、図８および図９は、本発明の実施例１の変調器集積型半導体レーザチップのチップオンキャリアを示す平面図である。

まず、図１を用いて光送信モジュールの構成を説明する。光送信モジュール１００は、筐体としてCAN型のパッケージ筐体を用い、符号３０がその金属ステム、符号２９が主要部搭載用の金属台座である。金属ステム３０には、円筒状の貫通穴４０、４３を通した円柱状のリードピン３９、４２を設け、封止ガラス４１により、それらを固定する。金属台座２９上には、中継基板３７とキャリア基板２３を搭載する。中継基板３７上には、伝送線路３８を設ける。キャリア基板２３の表面上には、抵抗素子２４、接地金属２５、入力電極２７の各パタンを設け、接地金属２５は、ビアホール２６によりキャリア基板２３の裏面電極に接続する。キャリア基板２３には、半導体チップ２２およびバイパスコンデンサ２８を搭載する。

半導体チップ２２は、その表面に半導体レーザダイオード素子２０および光変調素子２１を設けた変調器集積型半導体レーザチップである。半導体レーザダイオード素子２０から出力される連続レーザ光は、光変調器素子２１を通過した後に、図示しない結合レンズを介して光ファイバーへ出射される。変調器素子２１は、外部の駆動用ICからの10Gbit/sの電気変調信号により、連続レーザ光を光変調信号に変調する。半導体レーザダイオード素子２０から図示しない光ファイバーへの経路は、光軸と呼ばれる。入力電極２７と抵抗素子２４とは、それぞれ光軸の別の側に配置されている。

また、金属ステム３０上には、モニタ用フォトダイオード３６を設け、半導体レーザダイオード素子２０の後方出力光を受光できる位置に固定する。第１のボンディングワイヤ３１は、入力電極２７と光変調素子２１とを接続し、第２のボンディングワイヤ３２は、光変調素子２１と抵抗素子２４とを接続する。そして、第３のボンディングワイヤ３３は、入力電極２７と抵抗素子２４とを接続する。またキャリア基板２３上の入力電極２７と中継基板３７上の伝送線路３８とは、リボンワイヤ等により、低いインダクタンスで接続する。伝送線路３８とリードピン２９とは、AuSn合金により接合する。これらにより、リードピン３９から光変調素子２１への電気信号入力経路が、構成される。半導体レーザダイオード素子２０は、給電用ボンディングワイヤ３４、３５を介してリードピン４２に接続し、ここから直流電流を供給する。

CAN型のパッケージ筐体としては、φ5.6mmのTO-56型の筐体等を用いた。金属ステム３０、金属台座２９の材料としては安価な鉄を用いて、低コスト化を図った。中継基板３７およびキャリア基板２３は、アルミナ、窒化アルミ等の誘電体材料で構成する。キャリア基板２３を熱伝導率の高い窒化アルミとした場合、半導体チップ２２から金属台座２９に至る熱抵抗を低減し、素子温度上昇を抑えるのに好適である。また、キャリア基板２３を窒化アルミなどの誘電体基板と銅タングステンなどの金属板との貼り合わせ基板で構成してもよく、この構成では熱抵抗をさらに下げるのに好適である。抵抗素子２４は、窒化タンタル膜で構成し、レーザトリミングにより抵抗値が50Ωとなるよう調整されている。半導体チップ２２は、n型InP基板を用いその表面に分布帰還型レーザダイオード(DFB-LD: Distributed FeedBack Laser Diode)である半導体レーザダイオード素子２０と電界吸収型変調器(EAM: Electro Absorption Modulator)である光変調素子２１を形成したものを用いる。チップ表面には、半導体レーザダイオード素子２０と光変調器素子２１のそれぞれのアノード電極を設ける。光変調器素子２１のアノード電極を中継点として、第１のボンディングワイヤ３１と第２のボンディングワイヤ３２を連続する一本のワイヤを用いて直線的に形成した場合、光変調器素子２１のアノード電極の面積を最小にでき、素子容量Cmodを低減する上で好適である。具体的には、入力電極２７をボールボンディングし、光変調器素子２１のアノード電極でワイヤを切らずにボンディングし、抵抗素子２４でボンディング後ワイヤを切ればよい。また、逆の順序であってもよい。

チップ裏面電極は、半導体レーザダイオード素子２０と光変調器素子２１の共通カソード電極とする。モニタ用フォトダイオード３６の出力は、他のリードピン(図中省略)を通じて出力する。パイパスコンデンサ２８は、単層の高誘電体基板で構成した平行平板型容量とすると、小型化する上で好適である。

次に、図２を用いて、回路構成を説明する。まず、駆動用IC６１が出力した電気変調信号は、伝送線路６０を通じてキャリア基板２３の入力電極２７に入力される。駆動用IC６１の出力インピーダンスは、25Ωとする。伝送線路６０は、駆動用IC６１を搭載するプリント基板上の伝送線路、プリント基板とリードピン３９を接続するフレキシブル基板上の伝送線路、貫通穴４０とリードピン３９と封止ガラス４１で構成される同軸線路、中継基板３７上の伝送線路３８から構成され、各々の特性インピーダンスは25Ωに統一する。R24は、抵抗素子２４の抵抗値、L31、L32、L33は、それぞれ第１、第２、第３のボンディングワイヤ３１、３２、３３のインダクタンス値である。電気変調信号は、これらの回路素子を介して光変調素子２１のアノードに入力される。光変調素子２１のカソードは、接地されている。一方、半導体レーザダイオード素子２０には、外部よりバイアス電流として順方向直流電流Ibiasを供給し、レーザ光を出力させる。通常、電界吸収型変調器には逆バイアスを印加して動作させるため、本実施例では-5.2Vの負電源、およびレーザ素子用に+3.3Vの正電源の両方を用いる。
本実施例では、Cmod:0.4pF、L31:0.4nH、L32:0.8nH、L33:1.2nH、R24:50Ωとした。

次に本実施例の光送信モジュールの特性を、図３ないし図７を用いて説明する。
図３に示すように、特許文献１の２本ワイヤのままでは、25Ω駆動時に反射係数S11特性の劣化が生じるが、第３のボンディングワイヤを付加することで、反射係数特性が大幅に改善されている。図４に示す反射係数S11の周波数依存性でも、第３のボンディングワイヤを付加したことにより0(DC)〜12GHzの広い周波数範囲で反射係数の改善が生じ、反射係数を-15dB以下に抑圧する効果が得られた。また図５、図６に示すように3dB帯域、過剰利得特性とも十分な特性を示し、第３のボンディングワイヤ付加で、駆動インピーダンス25Ωの光送信モジュールに適した特性を得ることが可能となった。図３、図５および図６によれば、光変調器の素子容量Cmodは、0.35pFから0.60pFの範囲であればよい。

第３のボンディングワイヤ付加による反射係数S11の抑圧効果のメカニズムを、図７により説明する。図７は、特性インピーダンスZoを25Ωとしたスミスチャートであり、そのスミスチャート上に第３のボンディングワイヤ付加前後における反射係数S11の軌跡をそれぞれ示したものである。従来（２本ワイヤと表示）は、駆動インピーダンス50Ω時に、インピーダンス整合用の終端抵抗50Ωに対し、第１のボンディングワイヤからなる直列素子、容量性をもつ光変調素子からなるシャント素子、第２のボンディングワイヤによる直列素子によりＴ型の整合回路を構成し、周波数7.5GHz付近で整合に近づくように各素子のパラメータを決めていた。その結果、図７に示すようにS11の軌跡は、その周波数近傍で50Ωに近づき、一度ループを描いた後50Ωから離れてゆく。このループは25Ωに対しては離れた点にあり、25Ω駆動時の反射係数S11の劣化に対応する。本実施例では、第３のボンディングワイヤを設けることによりＴ型整合回路を崩し、入力から第３のボンディングワイヤを通じて終端抵抗50Ωを見せるようにした。発明者は、このことにより図７に示すようにS11の軌跡におけるループが消滅し、周波数7.5GHz近傍で25Ωに対し近づくように軌跡を変えることができることを見いだした。これにより上述の通り反射係数特性を従来に比べ大幅に改善する効果が得られた。

本実施例１の構成によれば、光変調器素子２１の素子容量(Cmod)を0.4pF、第１のボンディングワイヤのインダクタンスL31を0.4nH、第２のボンディングワイヤのインダクタンスL32を0.8nH、終端抵抗値R24を50Ωとすることで、図８に示す第３のボンディングワイヤを設ける前のチップオンキャリアの状態で、駆動インピーダンス50Ωの光送信モジュールに適した特性を得ることができている。図３に7.5GHzにおける反射係数(S11)、図５に電気-光通過特性S21における3dB帯域(f3dB)、図６にS21の帯域内での過剰利得(Excess gain)の素子容量依存性を示す。ここで、良好な送信波形が得られる特性として発明者等が目安としている数値範囲を50Ω駆動時にはそれぞれ満たすことができる。
なお、ここでチップオンキャリアとは、キャリア基板２３に半導体チップ２２を搭載し、電気的な評価を可能にした状態を称する。

25Ω駆動用に調整したチップオンキャリアの高周波特性を精度良く測定するには、特性インピーダンスを25Ωとした特殊な評価系を用意する必要があり、測定系の構築のため高額の費用と時間を要することになる。本実施例１の構成によれば、図８に示す50Ω駆動のチップオンキャリアにおいて、入力電極２７と接地電極２５とに高周波プローブを接触させることにより高周波特性(S11、S21、チャープパラメータ等)を、通常の特性インピーダンス50Ωの評価系で測定することができる。その後、第３のボンディングワイヤ３３の付加により、図９の25Ω駆動用チップオンキャリアに改造する。これは、チップオンキャリアの特性選別を通常の50Ωの測定系で実施できるという利点がある。

本実施例に拠れば、駆動インピーダンスが50Ω用に設計された回路に、ボンディングワイヤを１本追加することで、駆動インピーダンスが25Ωの場合で、送信波形品質を良好に保つことができる光送信モジュールを提供することができた。また、CAN型パッケージの光送信モジュールを提供することができた。

上記実施例において、抵抗素子２４の抵抗値を50Ωとしたが、駆動用ICとの相性などにより、これは40〜60Ωの範囲であっても良い。また図２において、駆動用IC６１の出力インピーダンスを25Ωとしたが、これは20〜30Ωの範囲であっても良い。また貫通穴４０とリードピン３９と封止ガラス４１で構成される同軸線路の特性インピーダンスを25Ωとしたが、その部材形状および封止に適するガラスの材質の選択により、同軸線路の特性インピーダンスは20〜30Ωの範囲であっても良い。また、これらに伴い伝送線路６０を構成する他の伝送線路もそれぞれ20〜30Ωの範囲であっても良い。
上述の実施例では、光変調器はレーザダイオードと集積されていたが、単体の光変調器モジュールであってもよい。光送信モジュールと光変調器モジュールとは、共に光モジュールと呼ばれる。上述した実施例の光送信モジュールに、駆動用IC等周辺回路を加えたモジュールも光モジュールである。

本発明の実施例２を図１０および図１１を用いて説明する。ここで、図１０は、本発明の実施例２の光送信モジュールの主要部分を示す平面図である。図１１は、本発明の実施例２の光送信モジュールの主要部と駆動部の回路図である。

まず、図１０を用いて、光送信モジュールの構成を説明する。実施例１との違いは、変調器集積型半導体レーザチップとして半絶縁性InP基板から成る半導体チップ５２を用いた点にある。半導体チップ５２の表面には、半導体レーザダイオード素子５０と光変調器素子５１を設ける。チップ表面には、半導体レーザダイオード素子５０のアノード電極とカソード電極、および光変調器素子５１のアノード電極とカソード電極を設ける。第１のボンディングワイヤ３１は、入力電極２７と光変調器素子５１のカソード電極とを接続し、第２のボンディングワイヤ３２は光変調器素子５１のカソード電極と抵抗素子２４とを接続する。そして、第３のボンディングワイヤ３３は入力電極２７と抵抗素子２４とを接続する。さらに、ボンディングワイヤ５３により、光変調器素子５１のアノード電極と接地電極２５とを、低いインダクタンスで接続する。半導体レーザダイオード素子５０のカソード電極は、ボンディングワイヤ５４を介して接地電極２５に接続し、アノード電極は給電用ボンディングワイヤ３４、３５を介してリードピン３９に接続する。

図１１に回路構成を示すが、実施例１との主な違いは、光変調器素子５１のダイオード極性を逆にした点にある。これにより正電源でも光変調素子５１に逆バイアスを印加できるようになる。本実施例２によれば、+5.0Vの正電源のみを用いて動作する光送信モジュールを実現できるという新たな効果が生じる。

本実施例２の構成によれば、実施例１の場合と同様に、光変調器素子５１の素子容量(Cmod)を0.4pF、第１のボンディングワイヤのインダクタンスL31を0.4nH、第２のボンディングワイヤのインダクタンスL32を0.8nH、終端抵抗値R24を50Ωとすることで、駆動インピーダンス50Ωの光送信モジュールに適した特性を得ることができる。さらに第３のボンディングワイヤ３３を付加し、そのインダクタンスL33を1.2nHとすることにより、駆動インピーダンス25Ωの光送信モジュールに適した特性を得ることができる。

本実施例においても、第３のボンディングワイヤを張る前に、50Ωの評価系で高周波特性(S11、S21、チャープパラメータ等)を測定することがでる。その後、第３のボンディングワイヤ３３の付加により、25Ω駆動のチップオンキャリアに改造することにより、チップオンキャリアの特性選別を通常の50Ωの測定系で実施できるという利点がある。

本実施例に拠れば、駆動インピーダンスが50Ω用に設計された回路に、ボンディングワイヤを１本追加することで、駆動インピーダンスが25Ωの場合で、送信波形品質を良好に保つことができる光送信モジュールを提供することができた。また、単一電源のCAN型パッケージの光送信モジュールを提供することができた。

本発明の実施例１の光送信モジュールの主要部分を示す平面図である。本発明の実施例１の光送信モジュールの主要回路図である。本発明の実施例１を説明する光変調器の容量と7.5GHzにおける反射係数との関係を示す図である。本発明の実施例１を説明する反射係数の周波数依存性示す図である。本発明の実施例を説明する光変調器の容量と電気-光通過特性(S21)の３ｄB帯域との関係を示す図である。本発明の実施例を説明する光変調器の容量と過剰利得特性との関係を示す図である。本発明の実施例を説明する特性インピーダンスZoを25Ωとしたスミスチャートである。本発明の実施例１の変調器集積型半導体レーザチップのチップオンキャリアを示す平面図である。本発明の実施例１の変調器集積型半導体レーザチップのチップオンキャリアを示す平面図である。本発明の実施例２の光送信モジュールの主要部分を示す平面図である。本発明の実施例２の光送信モジュールの主要部回路図である。

符号の説明

２０…半導体レーザダイオード素子、２１…光変調器素子、２２…半導体チップ、２３…キャリア基板、２４…抵抗素子、２５…接地金属、２６…ビアホール、２７…入力電極、２８…バイパスコンデンサ、２９…金属台座、３０…金属ステム、３１…第１のボンディングワイヤ、３２…第２のボンディングワイヤ、３３…第３のボンディングワイヤ、３４、３５…給電用ボンディングワイヤ、３６…モニタ用フォトダイオード、３７…中継基板、３８…伝送線路、３９…リードピン、４０…貫通穴、４１…封止ガラス、４２…リードピン、４３…貫通穴、５０…半導体レーザダイオード素子、５１…光変調器素子、５２…半導体チップ、５３、５４…ボンディングワイヤ、６０…伝送線路、６１…駆動用IC、１００…光送信モジュール。

Claims

入力電気信号によりレーザ光を変調する光変調器素子と、前記入力電気信号の入力電極と、インピーダンス整合用の終端抵抗素子と、前記入力電極と前記光変調器素子とを接続する第１のボンディングワイヤと、前記光変調器素子と前記終端抵抗素子とを接続する第２のボンディングワイヤと、を含む光モジュールであって、
前記入力電極と前記終端抵抗素子とは、さらに第３のボンディングワイヤで接続されていることを特徴とする光モジュール。
レーザ光を出力するレーザダイオード素子と入力電気信号により前記レーザ光を変調する光変調器素子とを集積した半導体チップと、前記入力電気信号の入力電極と、インピーダンス整合用の終端抵抗素子と、を含む光モジュールであって、
前記入力電極と前記光変調器素子とを接続する第１のボンディングワイヤと、
前記光変調器素子と前記終端抵抗素子とを接続する第２のボンディングワイヤと、
前記入力電極と前記終端抵抗素子とを接続する第３のボンディングワイヤと、
を含む光モジュール。
レーザ光を出力するレーザダイオード素子と入力電気信号により前記レーザ光を変調する光変調器素子とを集積した半導体チップと、前記半導体チップの光軸の一側に配置した前記入力電気信号の入力電極と、前記光軸の他の側に配置した抵抗素子と、を含む光モジュールであって、
前記入力電極と、前記光変調器素子と、前記抵抗素子とは、連続した１本の第１のボンディングワイヤで接続され、
前記入力電極と、前記抵抗素子とは、さらに第２のボンディングワイヤで接続されていることを特徴とする光モジュール。
請求項１ないし請求項３のいずれか一に記載の光モジュールであって、
その同軸線路のインピーダンスが２０Ωないし３０Ωのパッケージを、さらに含み、
前記終端抵抗素子の抵抗値は、４０Ωないし６０Ωの範囲に含まれることを特徴とする光モジュール。
請求項１ないし請求項４のいずれか一に記載の光モジュールであって、
前記入力電気信号を出力する駆動ＩＣを、さらに含み、
前期駆動ＩＣの出力インピーダンスが、２０Ωないし３０Ωの範囲に含まれることを特徴とする光モジュール。
入力電気信号によりレーザ光を変調する光変調器素子と、前記入力電気信号の入力電極と、インピーダンス整合用の終端抵抗素子と、をＣＡＮ型パッケージに収容した光モジュールであって、
前記終端抵抗素子の抵抗値は、４０Ωないし６０Ωの範囲に含まれ、
周波数７．５ＧＨｚでの反射係数が−１５ｄＢ以下であることを特徴とする光モジュール。