JP2007088233A - 光モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】
光通信用同軸型高速送信／受信光モジュールにおいて、パッケージの小型化、インピーダンス整合、寄生インダクタンスの低減、部品マウント域の確保を同時に実現する。
【解決手段】
ＣＡＮパッケージ（光送信受信モジュール）１０１のステム１０３上において、リード１０２を中心に同軸線路を形成するガラス封止部に、ガラスのある領域（ガラス１１０）と無い領域（空隙１１２）を設けた構造を採用する。前記空隙１１２は、前記ガラス１１０の端部に形成されている。この時、前記空隙１１２は、前記ガラス１１０の両端に存在しても良い。前記空隙１１２は、ガラス量を減らすこと、治具の構成で容易に実現できる。なお、前記ガラス封止部の８０％以上にガラス１１０が充填されていることが望ましい。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光通信用同軸型高速送信／受信光モジュールにおいて、パッケージの小型化、インピーダンス整合、寄生インダクタンスの低減、部品マウント域の確保を同時に実現するＣＡＮパッケージ構造の光モジュールに関するものである。
ＸＦＰ等の光トランシーバは、ＣＡＮパッケージ構造の光通信用同軸型高速送信／受信光モジュールを搭載している場合がある。
光トランシーバは、光通信機器の開発期間短縮および装置の小型化のために、光送受信回路を小型パッケージ化したものである。
ＣＡＮパッケージは、光デバイスではよく使われる気密をとった基本的なパッケージの一つで、円筒の片側から端子が出た構造であり、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）用レーザダイオード等のパッケージングとして一般的である。
図を用いて説明すると、例えば、ＸＦＰ等の光トランシーバ１００は、図１に示すように、ＣＡＮパッケージ（光送信受信モジュール）１０１、リード１０２、ステム１０３、フレキ１０４、実装ボード１０５を有している。
ステム１０３上には、チップ部品１０６、受光素子１０７、プリアンプ１０８、ボンディングワイヤ１０９、封止ガラス１１０が実装されている。
ステム１０３は、両面を貫通する孔が形成されており、この貫通孔の中をリード１０２が通過しており、リード１０２と貫通孔の間に封止ガラス１１０が充填されている。
光トランシーバ１００に搭載されるＣＡＮパッケージ（光送信受信モジュール）１０１は、高ビットレート伝送を可能にする高周波特性、小型が要求されている。１０ＧＢｐｓ以上での伝送特性を確保しようとすると、インピーダンス整合、寄生インダクタンスの低減が重要になる。
類似の構成を示す従来技術として、特開２００５‐１２２２４号公報にＴＯ−Ｃａｎ構造の光受信モジュールが開示されている。
ＴＯ−Ｃａｎ構造の光受信モジュールは、両面を貫通する孔が形成されたステムと、前記ステムの上面に位置し、その内部に入力された光信号を電流に変換するフォトダイオードとを含み、更に、トランスインピーダンス増幅器と、信号リードと、接地リードと、導波路とを含むことを特徴とする。
トランスインピーダンス増幅器は、前記ステムの上面に位置し、前記フォトダイオードから出力された電流を相互に反対位相を有する高周波信号に変換、増幅した後、それぞれの出力端子を通じて外部に出力する。信号リードは、前記ステムに形成された孔を貫通し、前記トランスインピーダンス増幅器で増幅した相互に反対位相を有する高周波信号を外部に出力する。接地リードは、前記ステムの下部から延長されることにより、前記ステムを前記光受信モジュールの外部に接地させる。導波路は、前記トランスインピーダンス増幅器と前記リードとの間のインピーダンスを整合させるために前記ステム上面に予め決定された位置に安着されており、前記トランスインピーダンス増幅器の各出力端子から出力された前記高周波信号をそれぞれ該当電気的経路を通じて前記各リードに伝導させる。
図２は、同軸型送信、受信用ＣＡＮパッケージで、受信側の構成を示す図である。ステム１０３上にチップ部品１０６、受光素子１０７、プリアンプ１０８、ボンディングワイヤ１０９、封止ガラス１１０が実装されている。
図２は図１において、特に、ステム１０３のプリアンプ１０８、ボンディングワイヤ１０９、封止ガラス１１０に注目した図である。高周波特性を確保するには、ステム１０３の封止ガラス１１０部分で外部内部回路とインピーダンス整合させる、寄生インダクタンスを小さく抑える必要がある。ここではボンディングワイヤ１０９の長さを短く抑える。パッケージ１０１を小型化するためには、ステム１０３の径を小さくする必要がある。
ステム１０３の径は、
（１）封止ガラス１１０の径
（２）部品１０６のマウント数と部品１０６の大きさ
（３）気密封止構造にするためにステム１０３の上面に抵抗溶接でかぶせるキャップの溶接しろ
で決まる。
ステム１０３の径を小さくするには、封止ガラス１１０のガラス径を小さくする必要がある。ステム１０３の封止ガラス１１０は、誘電率εｒがガラスの同軸線路とみることができる。なお、誘電率εｒがガラスの同軸線路とは、誘電体が誘電率εｒのガラスで、同軸線路の内導体と外導体との間が該ガラスで満たされている同軸線路を示す。
従って、同軸線路の特性インピーダンスＺ０の式は、Ｚ０＝｛１３８×Ｌｏｇ（ａ／ｂ）｝／（√εｒ）となる。このインピーダンスの式は、周波数が１０ＧＨｚ近辺のものである。ここで、ａは同軸線路の内径（ステム１０３ではリード１０２の直径）、ｂは同軸線路の外径（ステム１０３では封止ガラス１１０のガラス径）で表される。
特開２００１‐２９８２１７号公報に光モジュールが開示されている。
光モジュールは、受光素子と、発光素子と、受光用電子部品と、発光用電子部品とを搭載したフレキシブルプリント基板と２枚の補強板とを筐体に格納し、上記フレキシブルプリント基板から筐体の外部に１０本のリードピンを延伸した構成となっている。フレキシブルプリント基板と補強板とは、フレキシブルプリント基板の受光用電子部品搭載領域ｄと発光用電子部品搭載領域ｅとが積層配置されるように折り曲げられ、当該積層配置された受光用電子部品搭載領域ｄと発光用電子部品搭載領域ｅとの間隙に補強板とが挿入された状態で、筐体２６に格納されている。
関連する技術として、特開２００３−３３２６６７号公報に半導体レーザモジュールが開示されている。
ステムベースに形成された貫通孔に貫通するリードピンを封止するガラス封止部が、その寸法を調整して、所定のインピーダンスに調整される。ステムに実装されたレーザダイオードには、抵抗素子が直列に接続されることにより、ガラス封止部のインピーダンスとの整合が取られている。また、リードピンとレーザダイオードの間には、伝送線路を備える接続部材が介在されている。この伝送線路の性状を調整することにより、ガラス封止部のインピーダンスとの整合が取られている。
特開２００４−３１１９２３号公報に光半導体素子用パッケージが開示されている。
この光半導体素子用パッケージは、上面と下面を有しその上面から下面に貫通する貫通孔が形成されたステムと貫通孔を絶縁体を介して絶縁されて貫通する信号供給用リード端子を備えている。そして、貫通孔と絶縁体と信号供給用リード端子とによって構成される伝送線路の特性インピーダンスと、上面から突出した信号供給用リード端子によって構成される伝送線路の特性インピーダンスとの差が小さくなるように、上面から突出した信号供給用リード端子に近接して接地導体を設けている。
特開２００５‐１２２２４号公報 特開２００１‐２９８２１７号公報 特開２００３−３３２６６７号公報 特開２００４−３１１９２３号公報
図２の構造で、同軸線路の特性インピーダンスＺ０＝｛１３８×Ｌｏｇ（ａ／ｂ）｝／（√εｒ）の式を用いて設計を行うとガラス径が大きくなってしまい、パッケージの小型化、寄生インダクタンスの低減、部品マウント域を確保するということが満足できないという問題が発生した。
例えば、Ｚ０＝５０Ωとする場合、εｒ＝４．１（既存で、気密性が確保できる誘電率最小のガラス）、ａ（リード径）＝０．３ｍｍ（リード強度が確保できる最小のリード径）とすると、ガラス径は１．３５ｍｍとなる。
以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。但し、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
本発明の光モジュール（１０１）は、ＣＡＮパッケージ構造の光モジュール（１０１）において、貫通孔を有するステム（１０３）と、前記貫通孔を通過するリード（１０２）と、前記貫通孔と前記リード（１０２）との間に設けられた封止部とを具備する。
前記封止部は、前記貫通孔内で前記リード（１０２）を封止するように、且つ、前記リード（１０２）の延長方向に前記貫通孔の端部に空間（１１２）を形成するように設けられた封止ガラス（１１０）を有する。
前記リード（１０２）と前記封止部とは、前記リード（１０２）を内側、前記封止部を外側とする同軸線路である。
前記封止部で、前記ステム（１０３）内のインピーダンス整合をとる。
前記インピーダンス整合をとるためのパラメータに、前記封止ガラス（１１０）と前記空間（１１２）とのインピーダンスを使用する。
前記封止部は、全体の８０％以上に前記封止ガラス（１１０）が充填されている。
前記空間（１１２）は、前記貫通孔の両端に形成されている。
前記ステム（１０３）は、前記リード（１０２）の近傍に設けられたチップ部品（１０７）を更に具備する。
前記封止部に空間（１１２）がある場合、前記封止部に空間（１１２）が無い場合に比べて前記チップ部品（１０７）の実装可能領域は拡大する。
前記ステム（１０３）は、前記リード（１０２）の近傍に設けられたプリアンプ（１０８）と、前記リード（１０２）を前記プリアンプ（１０８）に接続するボンディングワイヤ（１０９）とを更に具備する。
前記封止部に空間（１１２）がある場合、前記封止部に空間（１１２）が無い場合に比べて前記ボンディングワイヤ（１０９）の長さは短くなる。
本発明の光モジュール（１０１）は、誘電体が空気（１１２）で、内導体と外導体との間が前記空気（１１２）で満たされている第１の同軸線路（１１３）と、誘電体がガラス（１１０）で、内導体と外導体との間が前記ガラス（１１０）で満たされている第２の同軸線路（１１１）とを具備し、前記第１の同軸線路（１１３）と前記第２の同軸線路（１１１）とが、直列接続されている。
ＣＡＮパッケージ（光送信受信モジュール）のステムのガラス封止部にガラスのある領域（封止ガラス）と無い領域（空隙）を設けた構造を採用することにより、高周波特性の向上、パッケージの小型化、部品マウント域の確保が実現する。
以下に本発明の第１実施形態について添付図面を参照して説明する。
図３は本発明の実施例である。
本発明のＣＡＮパッケージ（光送信受信モジュール）１０１は、リード１０２、ステム１０３、チップ部品１０６、受光素子１０７、プリアンプ１０８、ボンディングワイヤ１０９、封止ガラス１１０、空隙１１２を含む。
ステム１０３は、両面を貫通する孔が形成されており、この貫通孔の中をリード１０２が通過しており、リード１０２と貫通孔の間に封止ガラス１１０が充填されている。この時、リード１０２の延長方向にある貫通孔の端部に、空隙１１２を形成することで、封止ガラス１１０が充填されていない領域を設けている。
すなわち、本発明では、ＣＡＮパッケージ（光送信受信モジュール）１０１のステム１０３のガラス封止部に、ガラスのある領域（封止ガラス１１０）と無い領域（空隙１１２）を設けている。このステム１０３に部品を実装し、ワイヤボンディングを行う。図３は空隙１１２をステム１０３の上面に形成しているが、下面あるいは上面下面の両方に形成しても良い。つまり、貫通孔の両端に空隙１１２を形成しても良い。
図３のステム１０３は、誘電率εｒが空気の同軸線路１１３と、誘電率εｒがガラスの同軸線路１１１の直列接続である。誘電率εｒが空気の同軸線路とは、誘電体が空気で、同軸線路の内導体と外導体との間が空気で満たされている同軸線路を示す。同様に、誘電率εｒがガラスの同軸線路とは、誘電体がガラスで、同軸線路の内導体と外導体との間がガラスで満たされている同軸線路を示す。なお、空気とガラスとでは誘電率が異なる。ここでは、例として、空気の場合はεｒ≒１、ガラスの場合はεｒ≒４．１とする。
従来構造（空隙１１２まで封止ガラス１１０で満たされた構造）では、ステム１０３のリード１０２の直径ａと、ガラス１１の外径ｂと、誘電率εｒが３つのパラメータしかなかったので、封止ガラス１１０のガラス径を小さくしようとすると制約があった。本発明の構造では、空隙１１２があるため、指定のインピーダンスに合わせるために低インピーダンス物と高インピーダンス物の近接でインピーダンスマッチングをとる手法が採用でき、インピーダンス整合を取るためのガラス径選択範囲を拡大させることができる。すなわち、封止ガラス１１０のガラス径を従来構造の限界より小さくしてもインピーダンス整合をとることができる。
例えば、誘電率εｒが４．１のガラス、リード径０．３ｍｍを用い、ガラス径を０．７５ｍｍとした場合、図３の空隙１１２のインピーダンスは７１．２Ω、封止ガラス１１０のインピーダンスは３５Ωになり、この例は従来構造より良好な高周波特性が得られることが確認されている。従来構造より高周波特性が良い理由は、外部内部とインピーダンス整合を取りながら封止ガラス１１０のガラス径が小さくできているため、ボンディングワイヤ１０９のワイヤー長が短くなり、寄生インダクタンスが低減できたためと考えられる。
なお、図３では空隙１１２をステム１０３の上面に形成しているが、下面あるいは上面下面の両方に形成しても、誘電率が空気の同軸線路１１３と誘電率がガラスの同軸線路１１１の直列接続と考えられるので同じ結果が得られる。ステム１０３の空隙１１２はガラス１１の量を減らすこと、治具の構成で容易に実現できる。封止ガラス１１０のガラス径が小さくできるとチップ部品１０６の実装可能領域が拡大する。そしてステム１０３の小型化が可能になるので、ＣＡＮパッケージ（光送信受信モジュール）１０１、光トランシーバ１００の小型化が可能になる。
また、ステム１０３のガラス封止部は誘電体がガラスの同軸線路１１１と見なすことができる。封止ガラス１１０と空隙１１２があるので、異なる同軸線路の直列接続と見ることができる。
同軸線路の特性インピーダンスの式を考えてインピーダンス整合をとる時、従来構造（貫通孔が完全に封止ガラス１１０で満たされた構造）では、ステム１０３のリード１０２の直径とガラス１１の外径と誘電率の３つのパラメータしかなかったので、封止ガラス１１０のガラス径を小さくするのは制約があった。
しかし、本発明の構造では、空隙１１２があるため、指定のインピーダンスに合わせるために低インピーダンス物と高インピーダンス物の近接でインピーダンスマッチングをとる手法が採用でき、封止ガラス１１０のガラス径を従来構造の限界より小さくしてもインピーダンス整合をとることができる。封止ガラス１１０のガラス径を従来より小さくすることができた結果、チップ部品１０６の実装可能領域が拡大する。また、プリアンプ１０８の位置をステム１０３のリード１０２に近づけることが可能になり、プリアンプ１０８からリード１０２までのボンディングワイヤ１０９の長さを従来構造よりも短くすることができ、ボンディングワイヤ１０９による寄生インダクタンスを抑えることができる。
従来技術において示したように、ステム１０３の径は、
（１）封止ガラス１１０の径
（２）部品１０６のマウント数と部品の大きさ
（３）気密封止構造にするためにステム１０３の上面に抵抗溶接でかぶせるキャップの溶接しろ
で決まる。
本発明の構造では、封止ガラス１１０の径を小さくすることができるので、ステム１０３の小型化に寄与し、これが、ＣＡＮパッケージ（光送信受信モジュール）１０１の小型化、光トランシーバ１００の小型化につながる。
また、本発明の構造では、インピーダンス整合をとるためのパラメータに、リード径２、封止ガラス１１０のガラス径、誘電率の３つに加えて、空隙１１２と封止ガラス１１０のインピーダンスというパラメータを追加することができるため、インピーダンス整合のために極端に径の大きなガラス１１や極端に細いリード１０２を使用する必要がない。空隙１１２はガラス量１１を減らすこと、治具の構成で容易に実現できる。ステム１０３の高さ（上面と仮面の間の距離）に対して８０％以上、つまり、ステム１０３のガラス封止部全体の８０％以上にガラス１１が充填されていれば気密性は間違いなく確保されるので、従来構造と同等に安定した生産、信頼性が得ることができる。言い換えれば、空隙１１２は、ステム１０３の高さに対して２０％未満であれば良い。
以上のように、本発明では、ＣＡＮパッケージ（光送信受信モジュール）のステムのガラス封止部に封止ガラスのある領域（封止ガラス）と無い領域（空隙）を設ける。これは、誘電率εｒが空気の同軸線路と、誘電率εｒがガラスの同軸線路の直列接続と考えられるので、この系で外部、内部回路とのインピーダンス整合をとる。本発明の構造ではインピーダンス整合を取りながらガラス径を小さくできるので、パッケージの小型化、寄生インダクタンスの低減、部品マウント域の確保というすべてを満足することができる。
図１は、従来のＣＡＮパッケージ構造を示す図である。 図２は、同軸型送信／受信用ＣＡＮパッケージで、受信側の構成を示す図である。 図３は、本発明のＣＡＮパッケージ構造を示す図である。
符号の説明
１００… 光トランシーバ
１０１… ＣＡＮパッケージ（光送信受信モジュール）
１０２… リード
１０３… ステム
１０４… フレキ
１０５… 実装ボード
１０６… チップ部品
１０７… 受光素子
１０８… プリアンプ
１０９… ボンディングワイヤ
１１０… 封止ガラス
１１１… 誘電率εｒがガラスの同軸線路
１１２… 封止ガラスが無い領域（空隙）
１１３… 誘電率εｒが空気の同軸線路

Claims (9)

  1. ＣＡＮパッケージ構造の光モジュールにおいて、
    貫通孔を有するステムと、
    前記貫通孔を通過するリードと、
    前記貫通孔と前記リードとの間に設けられた封止部と
    を具備し、
    前記封止部は、
    前記貫通孔内で前記リードを封止するように、且つ、前記リードの延長方向に前記貫通孔の端部に空間を形成するように設けられた封止ガラスを有する
    光モジュール。
  2. 請求項１に記載の光モジュールにおいて、
    前記リードと前記封止部とは、前記リードを内側、前記封止部を外側とする同軸線路である
    光モジュール。
  3. 請求項１に記載の光モジュールにおいて、
    前記封止部で、前記ステム内のインピーダンス整合をとる
    光モジュール。
  4. 請求項３に記載の光モジュールにおいて、
    前記インピーダンス整合をとるためのパラメータに、前記封止ガラスと前記空間とのインピーダンスを使用する
    光モジュール。
  5. 請求項１に記載の光モジュールにおいて、
    前記封止部は、全体の８０％以上に前記封止ガラスが充填されている
    光モジュール。
  6. 請求項１に記載の光モジュールにおいて、
    前記空間は、前記貫通孔の両端に形成されている
    光モジュール。
  7. 請求項１に記載の光モジュールにおいて、
    前記ステムは、
    前記リードの近傍に設けられたチップ部品を更に具備し、
    前記封止部に空間がある場合、前記封止部に空間が無い場合に比べて前記チップ部品の実装可能領域は拡大する
    光モジュール。
  8. 請求項１に記載の光モジュールにおいて、
    前記ステムは、
    前記リードの近傍に設けられたプリアンプと、
    前記リードを前記プリアンプに接続するボンディングワイヤと
    を更に具備し、
    前記封止部に空間がある場合、前記封止部に空間が無い場合に比べて前記ボンディングワイヤの長さは短くなる
    光モジュール。
  9. 誘電体が空気で、内導体と外導体との間が前記空気で満たされている第１の同軸線路と、
    誘電体がガラスで、内導体と外導体との間が前記ガラスで満たされている第２の同軸線路と
    を具備し、
    前記第１の同軸線路と前記第２の同軸線路とが、直列接続されている
    光モジュール。
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