JP2006222263A

JP2006222263A - 光半導体装置

Info

Publication number: JP2006222263A
Application number: JP2005034195A
Authority: JP
Inventors: Norio Okada; 規男岡田; Tatsuo Hatta; 竜夫八田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2006-08-24

Abstract

【課題】光半導体素子に流れる順方向電流を逆方向電流よりも遅くして、緩和振動の影響を補償し、光出力波形のマスクマージンを広げることができる光半導体装置を得る。
【解決手段】光半導体素子と、光半導体素子と直列に接続された第１の抵坑と、光半導体素子の陰極と基準電位の間に接続された第２の抵抗と、光半導体素子を差動駆動するドライバとを有する。好ましくは、ドライバと光半導体素子を接続するための伝送線路のインピーダンスとドライバの負荷抵抗を整合させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気信号に基づいて変調された光信号を出力する光半導体素子を備えた光半導体装置に関するものである。

従来の光半導体装置は、電気信号に基づいて変調された光信号を出力する光半導体素子（以下ＬＤと称する）と、ＬＤと直列に接続された抵抗と、ＬＤを差動駆動するドライバ（駆動ＩＣ）から構成されていた（例えば、特許文献１参照）。従って、ドライバの正相出力から見たＬＤ側の負荷と逆相出力から見たＬＤ側の負荷は同じであるため、ＬＤに流れる順方向電流と逆方向電流の速さは同じになっていた。また、ＬＤの光出力波形は緩和振動の影響で、立ち上がり（光ＯＮ）が速く、立ち下がり（光ＯＦＦ）が遅くなっていた。

特開２００４−４７８３２号公報

従来の光半導体装置では、ＬＤを流れる順方向電流の速さと逆方向電流の速さが同じであるため、緩和振動による非対称性をそのまま受けて、立ち上がりが速く立ち下がりが遅い光出力波形になっていた。このため、光出力波形のマスクテストを行うと、アイパターンが右上又は左下のアイマスクに入りやすくなり、マスクマージンが小さくなるという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、光半導体素子に流れる順方向電流を逆方向電流よりも遅くして、緩和振動の影響を補償し、光出力波形のマスクマージンを広げることができる光半導体装置を得るものである。

本発明に係る光半導体装置は、光半導体素子と、前記光半導体素子と直列に接続された第１の抵坑と、前記光半導体素子の陰極と基準電位の間に接続された第２の抵抗と、前記光半導体素子を差動駆動するドライバとを有する。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、光半導体素子に流れる順方向電流を逆方向電流よりも遅くして、緩和振動の影響を補償し、光出力波形のマスクマージンを広げることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光半導体装置を示す構成図である。図示のように、ＬＤ１が基板２上に設けられ、ＬＤ１の電極と基板２はワイヤ３により接続されている。また、ＬＤ１の陽極とワイヤ３との間に抵抗４が直列に接続されている。そして、ＬＤ１の陰極と基準電位の間に抵抗５が接続されている。また、ＬＤ１，ワイヤ３及び抵坑４に対して、キャパシタ６が並列に接続されている。

基板８は、ワイヤ９により基板２に接続され、信号を伝播するリードピン７とも接続されている。そして、リードピン７は、フレキシブル基板１０に接続されている。

フレキシブル基板１０はＰＣＢ基板１１に接続され、ＰＣＢ基板１１にはＬＤ１を差動駆動するためのドライバ１２が設けられている。

このドライバ１２の正相・逆相出力のそれぞれに図２に示すように抵抗１３を接続し、正相出力と逆相出力を測定すると、正相出力の電圧波形１４及び逆相出力の電圧波形１５において、立ち上がり速度と立ち下がり速度が異なることが分かった。従って、ドライバ１２は、正相・逆相出力ともにＯＮからＯＦＦのスイッチング速度とＯＦＦからＯＮのスイッチング速度が異なる。図１に示す光半導体装置の場合、電圧波形は正相・逆相出力ともに立ち上がり速度が立ち下がり速度よりも速くなければならない。

ここで、ドライバ１２の正相・逆相の抵坑値をRl、抵抗４の抵坑値をR2、抵抗５の抵坑値をR3、ＬＤ１の抵坑値をR_LDとすると、正相がＯＮになった場合にＬＤに流れる電流I_LD1は、
I_LD1=(R1²+R1*R3)/(R1²+2*R1*R3+R1*R2+R2*R3+R1*R_LD+R3*R_LD)
とあらわせる。

一方、逆相がＯＮになった場合にＬＤに流れる電流I_LD2は、
I_LD2=Rl*R3/(R1²+2*R1*R3+R1*R2+R2*R3+R1*R_LD+R3*R_LD)
とあらわせる。

従って、正相がＯＮになった場合と、逆相がＯＮになった場合の電流比は、
I_LD1:I_LD2=1:R3/(R1+R3)
とあらわせる。

また、正相・逆相がそれぞれＯＦＦからＯＮになるときの速さをTf、ＯＮからＯＦＦになるときの速さをTrとすると、ＬＤ１に流れる順方向電流の立ち上がり時間LDTrは、
LDTr={I_LD2/(I_LD1+I_LD2)}*Tf+{I_LD1/(I_LD1+I_LD2)}*Tr
={R3/(R1+2R3)}*Tf+{(R1+R3)/(R1+2R3)}*Tr
とあらわせる。

一方、ＬＤに流れる逆方向電流の立下り時間LDTfは、
LDTf={I_LD2/(I_LD1+I_LD2)*Tr+{I_LD1/(I_LD1+I_LD2)}*Tf
={R3/(R1+2R3)}*Tr+{(R1+R3)/(Rl+2R3)}*Tf
とあらわせる。

従って、ＬＤに流れる順方向電流の速さと逆方向電流の速さの差は、
LDTr-LDTf={R1/(R1+2R3)}*(Tr-Tf)
となる。ここで、Tr>Tfであるので、LDTr>LDTfとなり、順方向電流が逆方向電流よりも遅くなることが分かる。

ここで、ＬＤの光学特性では、緩和振動の影響でＬＤに順方向電流が流れた時に光出力波形は速くなり、逆方向電流が流れた時に光出力波形が遅くなる特性がある。これに対し、実施の形態１の回路では、抵抗５を設けたことにより、ＬＤに流れる順方向電流が逆方向電流よりも遅くなるため、緩和振動の影響を補償することができる。

図３（ａ）に、図１に示す回路でR1を２５Ω、R2を５０Ω、R3を１５０Ωとしたときの光出力波形とマスクマージンの計算結果を示し、図３（ｂ）に従来の回路でR1を２５Ω、R2を４３Ω、R3を無しとしたときの光出力波形とマスクマージンの計算結果を示す。この計算結果より、実施の形態１の回路では、従来の回路に比べてマスクマージンが２％広がっていることが分かる。ここで、マスクマージンとは、図中で四角で表されたアイマスクをどこまで広げても波形にかからないかを示すものであり、このマスクマージンが大きいほど品質の良い波形となる。また、アイマスクとは、ITU-Tが定義した送信波形の品質を定める規定であり、ビットレートやアプリケーションでマスク規格は異なるが、図３では10.709225Gbpsのマスクを適用している。

なお、リードピン７と基板８の代わりに、セラミック基坂上に形成された伝送線路を用いても同じ効果を示す。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る光半導体装置を示す構成図である。図１と同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。

ドライバ１２からＬＤ１までの距離が長くなると、両者の間で電気的多重反射が起き、光出力波形のジッタが増加してマスクマージンが劣化しやすくなる。このため、ドライバ１２とＬＤ１を接続する伝送線路のインピーダンスとドライバ１２の負荷抵抗を整合させる必要がある。

ここで、ドライバ１２の正相の負荷抵抗１６をRp、逆相の負荷抵抗１７をRn、抵抗４をR2、抵抗５をR3、ＬＤ１の抵抗をR_LDとすると、ドライバ１２の正相出力からＬＤ１側を見たインピーダンスZpは、
Zp=R2+R_LD+(Rn*R3)/(Rn+R3)
となる。また、ドライバ１２の逆相出力からＬＤ側を見たインピーダンスZnは、
Zn=R3*(Rp+R2+R_LD)/(R2+R3+Rp+R_LD)
となる。このようにZnとZpは異なる値となる。

整合を取るために、Rp=Zpとし、ドライバ１２の正相出力からＬＤ１までの伝送線路のインピーダンスもZpに合わせ、Rn=Znとし、ドライバ１２の逆相出力からＬＤ１までの伝送線路のインピーダンスもZnに合わせる。

このように、ドライバ１２とＬＤ１を接続するための伝送線路のインピーダンスとドライバ１２の負荷抵抗を整合させることで、電気的多重反射を抑圧することができる。これにより、光出力波形のジッタが抑えられるので、マスクマージンが広がる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る光半導体装置の一部を拡大した構成図である。図１と同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。

図５の光半導体装置では、リードピン７と接続する基板８を省略して、リードピン７を基板２上に設けている。

このように、ドライバ１２とＬＤ１を接続するためのリードピン７とＬＤ１を同一の基板２に設けることで、図１の光半導体装置に比べて基板８と基板２を接続するためのワイヤ９を省略することができる。このため、ワイヤインダクタンスによる影響を取り除くことができ、反射特性が改善され光出力波形のマージンが広がる。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る光半導体装置の一部を拡大した構成図である。図１と同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。

図６の光半導体装置では、フレキシブル基板２０の一端をリードピン７と接続し、他端を基板２と接続している。

このように、ドライバ１２とＬＤ１を接続するためのフレキシブル基板２０を設けることで、図１の光半導体装置に比べて基板８と基板２を接続するためのワイヤ９を省略することができる。このため、ワイヤインダクタンスによる影響を取り除くことができ、反射特性が改善され光出力波形のマージンが広がる。

実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る光半導体装置の一部を拡大した構成図である。図１と同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。

図７の光半導体装置では、ドライバ１２とＬＤ１を接続するためのリードピン７を基準電位面２３に非導電性接着剤２１で接着し、リードピン７を基板２上のパターンをワイヤ２２により接続する。

ここで、非導電性接着剤２１の誘電率は空気の誘電率より高いため、リードピン７のインピーダンスが下がる。そこで、非導電性接着剤２１の誘電率や、基準電位面２３との距離を選択することで任意のインピーダンスに制御することができる。

この結果、インピーダンスの整合を取ることが容易となり、反射特性が改善され、光出力波形のマージンが広がる。

実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６に係る光半導体装置を示す構成図である。図１と同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。

コイル２４がＬＤ１の陰極に直列に接続されている。また、ＬＤ１の陰極と基準電位の間に、抵抗２５とコンデンサ２６が接続されている。そして、コイル２４と基準電位の間に、抵抗２７とコンデンサ２８が接続されている。

コイル２４は、低周波に対しては低インピーダンス、高周波に対しては高インピーダンスとなる。コイル２４のインピーダンスＺは、一般的にＺ＝ｊｗＬとあらわせる。

一方、コンデンサ２６，２８は、低周波に対しては高インピーダンス、高周汲に対しては低インピーダンスとなる。コンデンサ２６，２８のインピーダンスＺは、一般的にＺ＝１／ｊｗＣとあらわせる。

よって、図８に示す回路では、バイアス回路から与えられるバイアス電流は抵抗２５，２７及びコンデンサ２６，２８には流れず、ＬＤ１とコイル２４にだけ流れる。そして、コイル２４はインピーダンスが低いので電圧降下や発熱が発生しない。

信号成分に対しては、コイル２４が高インピーダンスで、コンデンサ２６，２８が低インピーダンスになるので、ドライバ１２の正相からの信号はＬＤ１と抵抗２５とコンデンサ２６だけに流れ、逆相からの信号は抵抗２７とコンデンサ２８だけに流れる。

これにより、ドライバ１２の正相・逆相がＯＮからＯＦＦになるときのスイッチング速度Ｔｆの方が、ＯＦＦからＯＮになるときのスイッチング速度Ｔｒよりも速くなる。このため、ＬＤ１に対しては正相からだけの信号を考えれば良いので、順方向電流が遅くなり、逆方向電流が速くなる。よって、ＬＤ１の緩和振動による非対象性が補償され、マスクマージンが改善される。

実施の形態７．
図９は、本発明の実施の形態７に係る光半導体装置を示す構成図である。図１と同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。

抵抗２９が、ＬＤ１の陰極と直列に接続されている。コンデンサ３０が、ＬＤ１の陰極と基準電位の間に接続されている。そして、ドライバ１２にはバイアス回路３１が接続されている。

バイアス回路３１は、ＬＤ１にＤＣ電流を与えて発光点までオフセットを与える回路である。バイアス電流は抵抗４、ＬＤ１及び抵抗２９を流れる。また、信号成分に対してはコンデンサ３０が低インピーダンスになるので、正相出力からの信号は抵抗４、ＬＤ１及びコンデンサ３０を流れる。一方、逆相出力からの信号は抵抗２９及びコンデンサ３０を流れる。

実施の形態８．
図１０は、本発明の実施の形態８に係る光半導体装置の一部を拡大した構成図である。図１と同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。

図１０の光半導体装置では、キャパシタ６を基板２上の線路で構成する。そして、このキャパシタ６は、ＬＤ１の電極とＬＤ１を置くための基板２を接続するワイヤ３によるインタクタンス成分が高周波でインピーダンスが高くなるのを打ち消して補償する。

これにより、光出力波形のジッタが抑えられ、マスクマージンが広がる。また、キャパシタ６を基板２上の線路で構成することで、精度よくキャパシタを管理することができるとともに、チップコンデンサが必要でないため省スペースとなる。

本発明の実施の形態１に係る光半導体装置を示す構成図である。ドライバの正相出力と逆相出力を測定する様子を示す図である。図１に示す回路の光出力波形とマスクマージンの計算結果（ａ）及び従来の回路の光出力波形とマスクマージンの計算結果（ｂ）である。本発明の実施の形態２に係る光半導体装置を示す構成図である。本発明の実施の形態３に係る光半導体装置の一部を拡大した構成図である。本発明の実施の形態４に係る光半導体装置の一部を拡大した構成図である。本発明の実施の形態５に係る光半導体装置の一部を拡大した構成図である。本発明の実施の形態６に係る光半導体装置を示す構成図である。本発明の実施の形態７に係る光半導体装置を示す構成図である。本発明の実施の形態８に係る光半導体装置の一部を拡大した構成図である。

符号の説明

１ＬＤ（光半導体素子）
４抵抗（第１の抵抗）
５抵抗（第２の抵抗）
７リードピン
１０フレキシブル基板
１２ドライバ
１６，１７負荷抵抗
２０フレキシブル基板
２１非導電性接着剤
２３基準電位面
２４コイル
２５抵抗（第１の抵抗）
２６コンデンサ（第１のキャパシタ）
２７抵抗（第２の抵抗）
２８コンデンサ（第２のキャパシタ）
２９抵抗（第２の抵抗）
３０コンデンサ（キャパシタ）
３１バイアス回路
３２基準電位

Claims

光半導体素子と、
前記光半導体素子と直列に接続された第１の抵坑と、
前記光半導体素子の陰極と基準電位の間に接続された第２の抵抗と、
前記光半導体素子を差動駆動するためのドライバとを有することを特徴とする光半導体装置。
前記ドライバと前記光半導体素子を接続するための伝送線路のインピーダンスと前記ドライバの負荷抵抗を整合させることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
前記ドライバと前記光半導体素子を接続するためのリードピンと前記光半導体素子を同一の基板上に設けることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
前記ドライバと前記光半導体素子を接続するためのフレキシブル基板を更に有することを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
基準電位面に非導電性接着剤で接着された、前記光半導体素子と前記ドライバを接続するためのリードピンを更に有することを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
光半導体素子と、
前記光半導体素子の陰極と基準電位の間に接続された第１の抵坑及び第１のキャパシタと、
前記光半導体素子の陰極に直列に接続されたコイルと、
前記コイルと前記基準電位の間に接続された第２の抵坑及び第２のキャパシタと、
前記光半導体素子を差動駆動するドライバとを有することを特徴とする光半導体装置。
光半導体素子と、
前記光半導体素子の陽極に直列に接続された第１の抵坑と、
前記光半導体素子の陰極と基準電位の間に接続されたキャパシタと、
前記光半導体素子の陰極に直列に接続された第２の抵抗と、
前記光半導体素子を差動駆動するドライバとを有することを特徴とする光半導体装置。
前記光半導体素子及び前記第１の抵坑に対して並列に接続され、前記光半導体素子を搭載するための基板上の線路で溝成されたキャパシタを更に有することを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。