JP2011108938A - To-can type tosa module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はTO-CAN型TOSAモジュールに関する。 The present invention relates to a TO-CAN type TOSA module.
近年のインターネット、IP電話、動画のダウンロードなどの利用拡大により、必要とされる通信容量が急速に高まっており、これらの通信装置に使用される光モジュールの需要が拡大している。また、オフィスビルや一般家庭などに設置されるLAN機器等にも光モジュールが部品として利用され始めたことによって光モジュールの用途がさらに広がっている。需要の増加に従って、光モジュールのコストを抑えることがとても重要になってきている。これに関連し、データ通信、LANで使用されるモジュールの仕様を共通化することが積極的に検討され、光モジュール仕様の標準化や開発が進められている。 With the recent expansion of use of the Internet, IP telephones, video downloads, etc., the required communication capacity is rapidly increasing, and the demand for optical modules used in these communication devices is expanding. In addition, the use of optical modules has further expanded as optical modules have begun to be used as parts in LAN devices installed in office buildings and ordinary homes. As the demand increases, it is becoming very important to control the cost of optical modules. In connection with this, standardization and development of optical module specifications are being promoted by actively considering sharing specifications of modules used in data communication and LAN.
また、一装置あたりに使用される光モジュールの数が増大したことを背景として、消費電力を下げることや光モジュールから発生する熱を抑制するなどの技術的な要求が高まっている。さらに、一装置あたりに多くの光モジュールを収容するため、光モジュールの小型化も重要な検討テーマとなっている。光モジュールの小型化に関して、これまでの開発の結果としてTOSA(Transmitter Optical Sub-Assembly)と呼ばれる小型モジュールが広く利用されるようになっている。従来の光モジュールに比べ小型のTOSAを実現するための代表的なモジュール形態として、TO-CAN(Transistor Outlined CAN)形のものやBOX形のものが開発され、既に製品化/市場での利用が進んでいる(非特許文献1、2、3、4)。
Further, against the background of the increase in the number of optical modules used per device, technical demands such as reducing power consumption and suppressing heat generated from the optical modules are increasing. Furthermore, since many optical modules are accommodated per apparatus, downsizing of the optical module is also an important examination theme. Regarding miniaturization of optical modules, a small module called TOSA (Transmitter Optical Sub-Assembly) has been widely used as a result of the development so far. As representative module forms for realizing a smaller TOSA compared to conventional optical modules, TO-CAN (Transistor Outlined CAN) type and BOX type have been developed, and have already been commercialized and used in the market. (Non-Patent
一般に、機能よりも安価なことが重要となる比較的低スペックの用途においてTO-CAN(Transistor Outlined CAN)形が利用される場合が多く、温度制御が必要なペルチェ素子等を搭載した光モジュールや10Gbpsを超えるような比較的ハイスペックな特性を要求されるような用途ではBOX型の光モジュール形態が利用されている。 In general, the TO-CAN (Transistor Outlined CAN) type is often used in relatively low-spec applications where it is important to be cheaper than the function. Optical modules equipped with Peltier elements that require temperature control, etc. For applications that require relatively high-spec characteristics exceeding 10Gbps, the BOX type optical module configuration is used.
従来のTO-CAN型TOSAモジュール50は、図1に示すように、複数の配線端子2a、2b、2c、・・・およびステム10を備えたTO-CAN型TOSAモジュール用パッケージにレーザダイオードなどの光半導体素子等1を搭載している。レンズまたは光取り出し用窓4と一体になったカップ形状のキャップ5をステム10に抵抗溶接することにより光半導体素子等1をパッケージ内に封止する。さらにステム10の底面にフレキシブルプリント基板6を備え、このフレキシブルプリント基板6を介して該モジュールと他の部品とが電気的に接続される。
As shown in FIG. 1, a conventional TO-CAN type TOSA
図1に示すTO-CAN型TOSAモジュール50のパッケージは、CANのような形状をしていることから一般にCAN形の光モジュール用パッケージと呼ばれていて、もともとは電子デバイス用の小型パッケージとして開発されたTO-CAN形のパッケージを光モジュール用に転用したものである。TO-CAN形の光モジュールのパッケージは、プレス加工で作成できる、共通仕様があるなどの理由で、製造コストが抑えられる。小型で実装スペースが狭く、多くの部品を搭載することが難しいため、比較的部品点数の少ないモジュールとして利用されることがこれまでは一般的だったが、精密な設計や高度な実装技術を適用することで安価なCAN型TOSAモジュールの高性能化開発(高性能な光モジュールの低価格化開発)が待たれている。
The TO-CAN-type TOSA
高性能なCAN型TOSAモジュールの実現に向け、TO-CAN型TOSAモジュールにペルチェ素子を搭載することや、10Gbpsを超えるような特性を有したCAN型TOSAモジュールの開発が行われている。ペルチェ素子を搭載し、かつ10Gbpsを超えるような用途を目指して開発されている従来のCAN型TOSAモジュール50の例を図1(a)、(b)を用いてさらに説明する。中継線路基板111は、ステム10に設けられた配線端子2aから給電される高周波信号を中継するための基板であり、ステム10の上面に突出して形成されたパーツ(以下、ノーズという)10dの前面に固定されている。ペルチェ素子109上には、発光素子である光半導体素子(例えばレーザダイオード(LD)と光変調器とをモノリシック集積したもの)110aを搭載したサブキャリア基板118と、このサブキャリア基板118を支持するキャリア105とが載置されている。
To realize a high-performance CAN-type TOSA module, a TO-CAN-type TOSA module is equipped with a Peltier element, and a CAN-type TOSA module with characteristics exceeding 10 Gbps is being developed. An example of a conventional CAN-type TOSA
キャリア105の最上部位にはレンズ106が搭載されており、光半導体素子110aからの出力を効率的に外部に取り出せるように設計されている。ペルチェ素子109を搭載したCAN形の光モジュールを組み立てる場合、ステム10上にペルチェ素子109を介してキャリア105およびサブキャリア基板118等を搭載していく。ステム10に構成された高周波電気信号用の配線端子2aからの信号をサブキャリア基板118に搭載された光半導体素子110aまで伝搬するためには、いくつかの高周波線路の中心導体112a、112b、およびグランド電極をワイヤ配線104、103a、103b等でつなぎ合わせて構成することが必須となっている。したがって図1のように中継線路基板111とサブキャリア基板118とに高周波線路112a、112bを構成する方法が一般的に採用されている。
A
サブキャリア基板118上には光半導体素子110aに高周波信号を給電するための信号線路112bが設けられ中継線路基板111から伝搬してくる高周波電気信号を効率よく光半導体素子110aまで伝搬するようにサブキャリア基板上の高周波線路112bと、中継線路基板111の信号線路112aとが設計されている。中継線路基板111の信号線路112aとサブキャリア基板118の信号線路112bが対向する部分ではワイヤボンディングをしやすいように112a、112bがほぼ同じ線路幅となるように構成されており、中継線路基板111とサブキャリア基板118とはワイヤ103a、103b、104で接続されている。
A
また従来のTO-CAN型TOSAモジュールにおいては、ペルチェ素子109上に搭載されるキャリア105やサブキャリア基板118は、ペルチェ素子109と同じ幅にすることでペルチェ素子109にかかる応力が均一になるように設計される。すなわち、ペルチェ素子109上の部品を小さくし、荷重を小さくするためにペルチェ素子109よりも幅の広いようなキャリア105やサブキャリア基板118の設計がされることはほとんどなかった。そのため図1(a)に示すように、光半導体素子110aの取り付け位置とほぼ同じ水平位置において、サブキャリア基板118上の中継線路112bに高周波線路112aが接続することができるように、中継線路基板111を長く構成することが一般的であった。
In the conventional TO-CAN type TOSA module, the
ステム10から光半導体素子110aまで高周波電気信号の損失を低減するため、中継線路基板111やサブキャリア基板上の高周波線路112a、112bの導体損失を低減できるように線路幅を広く設計したほうが有利である。また、中継線路基板111との接続部位におけるサブキャリア基板118上の中継線路112bの幅は、実装作業の際に発生する位置ずれをある程度許容するためにできるだけ広い線路幅を有していることが必要とされる。一方、サブキャリア基板118においては光半導体チップや終端抵抗、その他の部品を搭載するスペースを確保することや光半導体チップと高周波線路のサイズを揃えるために、サブキャリア基板118における中継線路112bは、光半導体素子110aと対向する部分ではチップ110a上の電極幅程度まで線路幅を細めることが一般に実施されてきた。
In order to reduce the loss of high-frequency electrical signals from the
これらを満足するため、従来はサブキャリア118の高周波線路112bにおいてパターン幅を変化させるような設計がなされてきた。すなわち、前述したようにサブキャリア基板118の幅がペルチェ素子109の幅程度であるため、中継線路112bにおけるパターン幅の変換は急峻になる構成とされていた。しかしながら、高性能なCAN型TOSAモジュールの開発に従って、この中継線路112bの線路幅を急激に変化させた部位において高周波信号の反射成分が増加して高周波信号の損失増大を招いていることが明らかとなってきた。
In order to satisfy these requirements, conventionally, a design has been made in which the pattern width is changed in the high-
本発明の課題は、小型な部品であるLD等の光半導体素子と幅広な高周波線路とを接続する際に高周波信号の線路幅の急激な変化を形成せず、高周波信号の損失を抑制したTO-CAN型TOSAモジュールを提供することにある。 An object of the present invention is to reduce the loss of a high-frequency signal without forming a sudden change in the line width of the high-frequency signal when connecting an optical semiconductor element such as an LD, which is a small component, and a wide high-frequency line. -To provide a CAN-type TOSA module.
上記の課題を解決するために、本発明の請求項1に記載された発明は、誘電体によってリード端子が固定されたステムと、前記ステム上に載置され、前記リード端子に接続される第1の信号線路が形成される中継線路基板と、前記ステム上に載置された冷却素子としてのペルチェ素子と、このペルチェ素子上に載置されるキャリア本体と、該キャリア本体から前記中継線路基板の上方にせり出したせり出し部を有し、前記キャリア本体に固定されたサブキャリアであって、前記キャリア本体と重なる部位に光半導体素子が搭載され、前記光半導体素子に接続される第2の信号線路が前記せり出し部まで延在するよう形成されたサブキャリアと、前記第1及び第2の信号線路を接続するワイヤと、を備えることを特徴とするTO-CAN型TOSAモジュールである。
In order to solve the above-described problems, the invention described in
請求項2に記載された発明は、請求項1に記載のTO-CAN型TOSAモジュールにおいて、前記中継線路基板は前記ステムから突出形成されるノーズ上に固定されることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the TO-CAN type TOSA module according to the first aspect, the relay line substrate is fixed on a nose formed to protrude from the stem.
請求項3に記載された発明は、誘電体によってリード端子が固定されたステムと、前記ステム上に載置され、前記リード端子に接続される第1の信号線路が形成される中継線路基板と、前記ステム上に載置された冷却素子としてのペルチェ素子と、このペルチェ素子上に載置されるキャリア本体と、前記キャリア本体に固定されたサブキャリアであって、前記ペルチェ素子の幅および前記キャリア本体の幅よりも幅広に構成されたパターン形成面を有し、該パターン形成面には、前記キャリア本体と重なる部位に光半導体素子が搭載され、該光半導体素子に接続される第2の信号線路が形成されたサブキャリアと、前記第1及び第2の信号線路を接続するワイヤとを備え、前記リード端子は、前記ペルチェ素子を載置する面から垂直に延在しており、前記第1の信号線路と、該第1の信号線路および前記第2の信号線路との接続部位とが、前記リード端子と軸合わせされて配置されるように構成されたことを特徴とするTO-CAN型TOSAモジュールである。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a stem in which a lead terminal is fixed by a dielectric, and a relay line substrate that is placed on the stem and is formed with a first signal line connected to the lead terminal. A Peltier element as a cooling element placed on the stem, a carrier body placed on the Peltier element, and a subcarrier fixed to the carrier body, the width of the Peltier element and the A pattern forming surface configured to be wider than the width of the carrier main body, and an optical semiconductor element is mounted on the pattern forming surface at a portion overlapping the carrier main body, and is connected to the optical semiconductor element. A subcarrier on which a signal line is formed; and a wire connecting the first and second signal lines, wherein the lead terminal extends vertically from a surface on which the Peltier element is placed. In addition, the first signal line and a connection portion between the first signal line and the second signal line are arranged so as to be aligned with the lead terminal. This is a TO-CAN type TOSA module.
請求項4に記載された発明は、請求項1から3のいずれかに記載のTO-CAN型TOSAモジュールであって、前記第1の信号線路は、前記リード端子の端部から上方に延在し、前記第2の信号線路は、本体部の光半導体素子の搭載部位から前記せり出し部の下端まで、その線路幅が徐々に広がるように延在することを特徴とする。
The invention described in
請求項5に記載された発明は、請求項1から4のいずれかに記載のTO-CAN型TOSAモジュールであって、前記キャリアは、前記第2の信号線路の両側に形成されるグランドパターンを有し、前記中継線路基板は、前記第1の信号線路の両側に形成されるグランドパターンを有することを特徴とする。
The invention described in
本発明のTO-CAN型TOSAモジュールによれば、光半導体素子を搭載するサブキャリア基板における高周波線路の経路を十分長くとることにより、小型な部品である光半導体素子と幅広な高周波線路とを接続する高周波線路における反射成分の増大を招くことがなく、結果として高周波信号の損失を抑制でき、良好な高周波伝搬特性を得ることができる。 According to the TO-CAN type TOSA module of the present invention, the optical semiconductor element, which is a small component, and a wide high-frequency line are connected by taking a sufficiently long path of the high-frequency line on the subcarrier substrate on which the optical semiconductor element is mounted. As a result, loss of the high frequency signal can be suppressed and good high frequency propagation characteristics can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図2乃至図5は本発明のTO-CAN型TOSAモジュールの一例を示す図であり、それぞれ図2は正面図、図3は平面図、図4は右側面図、図5は斜視図を示している。TO-CAN型TOSAモジュール100は、気密封止用の誘電体11と、高周波電気信号やDC電流を通すための複数の配線端子(信号リード線)2a、2b・・・とを備えたステム10上に光半導体素子110aを搭載して構成されている。図示の例では、配線端子2aに高周波電気信号を通しており、例えば、200μmから350μmの直径を有している。また、ステム10の底面にはフレキシブルプリント基板(FPC)6が設けられている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. 2 to 5 are diagrams showing an example of the TO-CAN type TOSA module according to the present invention. FIG. 2 is a front view, FIG. 3 is a plan view, FIG. 4 is a right side view, and FIG. ing. The TO-CAN
ステム10に用いられる材料は、発熱源である光半導体素子110aから発生する熱を冷却し光半導体素子110aの温度を一定に保つためのペルチェ素子109からの排熱を放熱する効率を高めるという観点では、熱伝導率が高い材料であることが求められる。一方で、ステム10の製造工程における温度変化によって、高周波電気信号を通すための配線端子2aの周囲に設けられる気密封止用のガラス材料とステムとの間でひずみが生じないように、ガラス材料の熱膨張係数にあわせて熱膨張係数が選択された材料をステム10に用いることが求められる。本実施例では、熱伝導率と熱膨張係数の最適な材料を組み合わせてステムを構成するという観点から、ステム10を2層構成とし、ステムの上層10a(光半導体素子110a等の搭載面側)を熱伝導率が高い材料で構成し、ステムの下層10b(光半導体素子110a等の搭載面の反対側)をガラス材料と熱膨張係数を合わせることのできる材料で構成している。例えば、ステム上層10aを熱伝導率が高いSPC(軟鋼)で構成し、ステム下層10bを熱膨張係数がガラス材料と整合したFeNiCo(Kovar)で構成することができる。
The material used for the
ステム上層10aは、配線端子2aの周囲を中空に設計することで高周波配線端子としての特性を実現している。一方でステム下層10bは、配線端子2aの周囲の誘電体11としてガラス材料が同軸状に配置されることによりステム10を気密封止し、かつ高周波配線端子としての特性を両立している。ステム上層10aにおいて、高周波電気信号を通す配線端子2aの周囲を中空、すなわち誘電体として低誘電率の空気を用いると、配線端子2aの周囲の断面積を小さく構成することができ、小型CANモジュールにおける実装スペースの確保に有利という点でも好ましい。ステム10の各層の厚みは、例えばステム上層10aを0.5〜1.0mm、ステム下層10bを0.5〜2.0mmに構成することができる。
The stem
ステム10には上面に突出したノーズ10cが一体に、もしくは別のパーツを張り合わせることによって形成されている。ステム10は底面に設けられたグランドピン(図示せず)によってアースされることでグランド電位に保たれている。ノーズ10cも、このステム10と同じグランド電位に保たれている。ノーズ10cの前面(図示手前側の面)には中継線路基板101が半田によって固定され、また、中継線路基板101の信号線路は、ステム10に設けられた高周波変調信号(光半導体素子の駆動信号)用の信号リード線2aと接続されている。中継線路(信号線路)102aと、この中継線路102aの両側に配置される誘電体(誘電体が露出されている部分)80と、誘電体80を挟んで中継線路102aの両側に形成されたグランドパターン102Gとが設けられている。中継線路基板101の信号線路102aは、中継線路基板101の下端から上端まで配線端子2aの直径とほぼ同じ線路幅に構成することができ、したがって、誘電体80も中継線路基板101の下端から上端までパターン変換なく構成することができる。中継線路基板101の線路幅を広く確保し、パターン変換なく構成することは、導体損失を低減する観点や、設計の複雑さを回避する観点から好ましい。中継線路基板101前面に設けられたグランドパターン102Gは、スルーホール(図示せず)を介して中継線路基板101の裏側に配されるノーズ10cとグランド接続されている。さらに中継線路基板101のグランドパターン102Gは、ステム10に近接する領域においてステム10に半田S1、S2によって接続されてステム10と同電位にされることで安定なマイクロ波の伝搬ができるようにグランド強化されている。
The
ここで、光半導体チップを搭載したサブキャリアの構造について述べる。本発明のモジュール構成においては、サブキャリア基板108のパターン形成面を幅広に形成し、キャリア105に固定されたときに、その一部が中継線路基板101の上方にせり出すように構成されている。サブキャリア基板108は、キャリア105と重なる部位に光半導体素子110aを搭載し、光半導体素子110aに接続される中継線路102bがせり出し部まで延在するように形成される。また、中継線路基板101には、ステム10に固定された高周波信号を給電する信号リード線2aと接続された中継線路102aが形成されている。サブキャリア基板108のせり出し部の下端まで延在する中継線路102bと中継線路基板101の上端まで延在する前記中継線路102aとがワイヤボンディング104で接続されるよう構成される。すなわち、従来、ペルチェ素子やキャリア幅と同等の幅としていたサブキャリア基板108を、ペルチェ素子109やキャリア105の幅よりも広く構成し、中継線路基板101上の中継線路102aと、この中継線路102aとサブキャリア基板108上の中継線路102bとの接続部位とが、信号リード線2aと軸合わせされて配置されるように構成したことを特徴とする。信号リード線2aは、ステム10のペルチェ素子109載置面から垂直に延在しており、中継線路基板101上の中継線路102aは、ステム10に固定された高周波信号を給電する信号リード線2aに接続されている。ここで、ステム10のペルチェ素子109載置面から垂直であるとは、ステム10と光半導体素子110aとを最短距離で結ぶ直線と平行なことを意味している。図3には、中継線路102a(図2参照)とサブキャリア基板108上の中継線路102b(図2参照)との接続部位に設けられたワイヤ104の取り付け位置が信号リード線2aと軸合わせされていることが示されている。したがって、図4に示すように、サブキャリア基板108の中継線路102b形成面と中継線路基板101の中継線路102a形成面とが面一に構成されていることとなる。また、ペルチェ素子やキャリア、サブキャリアなどに搭載された光半導体素子などは、図5に示すようにレンズ4と一体のキャップ等でN2封止等されている。
Here, the structure of the subcarrier on which the optical semiconductor chip is mounted will be described. In the module configuration of the present invention, the pattern forming surface of the
従来のサブキャリアでは、中継線路基板101からの高周波電気信号を光半導体チップ(本実施例では光変調器集積LDチップ)まで伝搬するためのサブキャリア上の高周波線路において、中継線路基板との接続部パターンサイズから光半導体チップとの接続部パターンサイズまで変換するための距離が十分確保することができなかったのに対し、本構造を採用することでサブキャリア上の高周波線路において急激な線路幅の変化を伴うことがないようにし、スムーズにパターンサイズを変更することが可能となった。そのため、中継線路基板との接続部付近のパターンサイズと光半導体チップ直近のパターンサイズを最適なサイズに設計することと、パターンサイズの変換領域を十分確保できることで高周波電気信号を効率よく伝搬することが可能となっている。(効果については後述)急激な線路幅の変化があると、急激な電界フィールド変換による反射が増大することとなるので、結果として高周波伝搬特性の著しい低下を招くが、本発明の構成によって急激な線路幅の変化をなくすことができ、高周波伝搬特性の低下を抑制することができる。
In the conventional subcarrier, the high-frequency electric signal from the
図2に示すように、中継線路基板101の上端部分とサブキャリア基板108のせり出し部位の下端部分において、中継線路102aと中継線路102bとが軸合わせされて接続されている。したがって、サブキャリア基板108上の中継線路102bは、LD110aの搭載部位からせり出し部の下端まで、その線路幅が徐々に広がるように延在する。
As shown in FIG. 2, the
因みに、急激な線路幅の変化をなくすためには、上記のように中継線路102bを長くする代わりに、従来のように中継線路基板101上の中継線路102aを長くしたまま、その線路幅をゆるやかに小さくなるように調整することも考えられる。すなわち、中継線路基板101とサブキャリア基板108との両者において線路幅の調整を行う。この場合、線路幅がかなり小幅な部位において中継線路102a、102b同士を接続することになる。しかしながら、中継線路102bの他端側には基板の評価の際にプローブを当接させるための電極パッドとして機能しなければならない場合や、自動ワイヤリング装置等を用いて配線を行う場合やワイヤリング作業の容易性を確保したい場合には、あまり線路幅を小幅にはできない。また、小幅な線路同士を接続する場合、それぞれの位置合わせが高精度に要求される、または実装作業のばらつきによる接続損失のバラツキが増えるなどの点からも好ましくない。さらに、中継線路基板101とサブキャリア基板108との両者において線路幅の調整を行うことは、設計の複雑さを増すこと、接続部位での線路幅変化による接続損失の増加を招くことからも好ましいものではない。したがって中継線路基板101上の中継線路102aにおいて線路幅を調整する態様は採用できない。
Incidentally, in order to eliminate a sudden change in the line width, instead of increasing the length of the
また、サブキャリア基板108上の中継線路102bの長さを長くするためには、中継線路基板101をなくして、サブキャリア基板108の中継線路102bをステム10に設けられた信号端子2aに直接的に接続する構成も考えられる。しかしながら、ペルチェ素子を有した光モジュールの組立てが困難であることや、ペルチェ素子109からステム10に放熱された熱を再びサブキャリア基板108に流入させてしまうことにもなるという点で問題がある。
Further, in order to increase the length of the
一方、キャリア105およびサブキャリア基板108が搭載されるペルチェ素子109の強度がそれほど強くないため、従来では、キャリア105およびサブキャリア基板108はできるだけ小型に構成する必要があると考えられていた。しかし、TO-CAN型TOSAモジュール100に用いられるキャリア105およびサブキャリア基板108は、十分小型であるので、多少その大きさを大きくしてもペルチェ素子109の強度的に問題とならないことも判ってきた。
On the other hand, since the strength of the
本実施例では、中継線路基板101上の中継線路102aは、ボンディングワイヤ104を介してサブキャリア基板108上の中継線路(信号線路)102bと接続されている。中継線路102bは、この中継線路102aと損失なく接続されるように、その接続部位の線路幅が中継線路102aの線路幅とほぼ同幅に構成される。例えば、中継線路102a、102bの接続部における線路幅は、基板評価の際にプローブを当接させるための電極パッドとして機能することを考えると100μm以上の幅となるように構成すればよい。より好ましくは中継線路基板101上の中継線路102bのパターン変換をなくして導体損失がほとんどないよう構成するためには信号リード線2aの幅とほぼ同一の線路幅と構成する。また、この中継線路102bの両側にはギャップ81を介してグランドパターン120Gが構成されており、信号線路102bとグランドパターン120Gのギャップ81は信号線路幅の変化に応じて所望の特性インピーダンスとなるように設計されている。サブキャリア基板108上の中継線路102bを伝搬するマイクロ波の安定化のために、中継線路基板101のグランドパターン102Gとサブキャリア基板108のグランドパターン120Gとが、ボンディングワイヤ103a、103bによって接続されている。ここで、サブキャリア基板および中継線路基板の高周波線路が有する特性インピーダンスは同じ特性インピーダンスとなるように設計されることが一般的で、広帯域の高周波信号を伝搬させる場合、その特性インピーダンスが50Ωになるように設計されることが多い。尚、中継線路基板上の高周波線路構造についてはグランデッドコープレーナー構造に制約されるものではなく、マイクロストリップライン構造等としてもよい。また、ボンディングワイヤ103a、103b、および104は、寄生リアクタンス等の寄生成分による高周波信号の劣化を最小限に抑えるために極力短くする事が望ましいが、その観点から、中継線路基板101とサブキャリア基板108のそれぞれ信号線がある面が同一平面上になるように、中継線路基板101とサブキャリア基板108が配置されている方が望ましい。ただし、高周波信号の劣化が問題にならない範囲で多少の面同士の高さの差は許容される。
In this embodiment, the
また、ステム10上には、冷却素子としてのペルチェ素子109が搭載されており、ペルチェ素子109上には、各種部品を搭載するためのキャリア105が搭載されている。キャリア105には、上部にレーザダイオード(LD)からの光をコリメート光にするためのレンズ106が搭載され、その下側にサブキャリア基板108を搭載している。キャリア105には部材強度が強く熱伝導性が高い材料である例えばCuWを用いることができ、サブキャリア基板108には例えばAlN(窒化アルミ)、Al2O3(アルミナ)を用いることができる。サブキャリア基板108には、LD部とLDの光出力側に光変調器部とをモノリシック集積した光半導体素子110aが搭載され、他に光変調器部を駆動制御するための中継線路102b、終端抵抗110b、コンデンサ110c、温度センサとしてのサーミスタ110dなどが搭載されている。光半導体素子110aには、中継線路102bに接続されており外部入力された高周波信号で駆動されている。光半導体素子110aとの接続部における中継線路102bの線路幅は、光半導体素子110aのサイズに合わせて例えば50μm以上のサイズで構成すればよい。光半導体素子110aからの光出力は、LDの光出力側にモノリシック集積された光変調器部を通ってチップから出力される。LDからの出力光が光変調器部を通過する際に、中継線路102bから変調器部に印加される電気信号に応じた変調信号が光信号に付与(重畳)される。終端抵抗110b、コンデンサ110cなどは、中継線路102bから光変調器部に効率よく高周波電気信号を引き込むようにその抵抗値や容量、配置が設計されている。キャリア105には、さらに、レーザ出力を監視するフォトダイオード(PD)110e、コンデンサ110fなどが搭載され、外部から光デバイスの動作状態をモニタしたり、電源回路の揺らぎ等の影響が光デバイスに及ばないようにしたり出来るように設計されている。なお、ここでは光半導体素子110aの構成を外部変調型とした場合について説明したが、LD部の駆動信号そのものを変調する直接変調型で構成してもよい。
A
次に本発明のTO-CAN型TOSAモジュールにおいて発生する損失の周波数特性を従来と比較した結果について図6を用いて説明する。図6(a)は、従来のTO-CAN型TOSAモジュールにおいて発生する損失の周波数特性を示す図であり、図6(b)は、本発明のTO-CAN型TOSAモジュールにおいて発生する損失の周波数特性を示す図である。両図において、周波数特性がSパラメータを用いて表されている。尚、このシミュレーションでは、中継線路基板上の高周波線路の長さとサブキャリア上の高周波線路の長さの合計長さが同じとなる条件で比較している。 Next, the frequency characteristics of loss generated in the TO-CAN type TOSA module of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6A is a diagram showing frequency characteristics of loss generated in the conventional TO-CAN type TOSA module, and FIG. 6B is a frequency of loss generated in the TO-CAN type TOSA module of the present invention. It is a figure which shows a characteristic. In both figures, the frequency characteristics are expressed using S parameters. In this simulation, the comparison is made under the condition that the total length of the high-frequency line on the relay line substrate and the high-frequency line on the subcarrier are the same.
Sパラメータとは、伝送線路上の任意の2点間に高周波電気信号を給電した時の高周波信号の伝搬効率や反射特性を示す指標であり、本シミュレーションにおいてはフレキシブルプリント基板6の外部基板への接続端子(以下、ポート1という)から終端抵抗110b(以下、ポート2という)へどの程度電気エネルギーが到達するか(途中で反射されるか)を評価、比較している。実線は伝搬損失(Propagation Loss)、またはS21と呼ばれ、ポート1からポート2へとエネルギーが到達する割合をdB(デシベル)表示したものである。S21が0dBとは100%エネルギーが伝送されることを意味する。一方点線は、反射損失(Return Loss)、またはS11と呼ばれ、給電元へエネルギーが反射される割合をdB表示したものである。例えばS11が0dBであれば、ポート1で給電したエネルギーがポート2は全く伝送されないことを示す。
The S parameter is an index indicating the propagation efficiency and reflection characteristics of a high-frequency signal when a high-frequency electric signal is fed between any two points on the transmission line. In this simulation, the S-parameter is applied to the external substrate of the flexible printed
従来のTO-CAN型TOSAモジュール50のように幅の狭いサブキャリアにおいて高周波線路の幅を急峻に変化させる必要がある場合では、図6(a)に示すように、周波数の増大に伴うS21パラメータの低下が著しい。すなわち、高周波領域では著しい伝搬損失が発生していることが判る。一方、本発明のTO-CAN型TOSAモジュール100では、図6(b)に示すように、従来のTO-CAN型TOSAモジュール50よりも伝搬損失が低いことが判る。これは、本発明の構成によりサブキャリア上に高周波線路のパターン変換領域を十分確保することで高周波線路のパターン変化を緩やかに実現できるように設計することによって高周波電気信号の伝搬効率を改善することができたためである。このことは、図6(a)、(b)に示すように、例えば10.00GHz付近のS11パラメータで示される反射成分について比較した場合に、本発明のTO-CAN型TOSAモジュール100は従来のTO-CAN型TOSAモジュール50に比べて反射成分が約10dB低くなっていることや、図6(a)における約12GHz付近のS21で示される伝搬損失の落ち込みが本発明の特性を見積もった図6(b)において改善されていることなどからも明らかである。
When it is necessary to change the width of the high-frequency line abruptly in a narrow subcarrier like the conventional TO-CAN
このように、本発明のTO-CAN型TOSAモジュールによれば、光半導体素子を搭載するサブキャリア基板における高周波線路の経路を十分長くとることにより、小型な部品である光半導体素子と幅広な高周波線路とを接続する高周波線路における急激な線路幅の変化による反射成分の増大を招くことがなく、結果として高周波信号の損失を抑制でき、良好な高周波伝搬特性を得ることができる。 As described above, according to the TO-CAN type TOSA module of the present invention, the path of the high-frequency line in the subcarrier substrate on which the optical semiconductor element is mounted is sufficiently long, so that the optical semiconductor element that is a small component and a wide high-frequency line are provided. There is no increase in the reflection component due to a sudden change in the line width in the high-frequency line connecting the line, and as a result, loss of the high-frequency signal can be suppressed and good high-frequency propagation characteristics can be obtained.
1 光半導体素子等
2a、2b・・ 配線端子(リードピン)
4 レンズ
5 キャップ
6 フレキシブルプリント基板(FPC)
10 ステム
10a ステムの上層
10b ステムの下層
10c、10d ノーズ
11 気密封止用の誘電体
50 (従来の)TO-CAN型TOSAモジュール
80、81 誘電体
100 (本発明の)TO-CAN型TOSAモジュール
101、111 中継線路基板
102a、102b 中継線路
112a、112b 中継線路
102G、120G グランドパターン
103a、103b・・・ ボンディングワイヤ
104 ボンディングワイヤ
105 キャリア
106 レンズ
108、118 サブキャリア基板
109 ペルチェ素子
110a 光半導体素子
110b 終端抵抗
110c コンデンサ
110d サーミスタ
110e フォトダイオード(PD)
110f コンデンサ
S1、S2 半田
1 Optical semiconductor elements, etc. 2a, 2b ... Wiring terminals (lead pins)
4
10
110f Capacitor S1, S2 Solder
Claims (5)
前記ステム上に載置され、前記リード端子に接続される第1の信号線路が形成される中継線路基板と、
前記ステム上に載置された冷却素子としてのペルチェ素子と、
このペルチェ素子上に載置されるキャリア本体と、
該キャリア本体から前記中継線路基板の上方にせり出したせり出し部を有し、前記キャリア本体に固定されたサブキャリアであって、前記キャリア本体と重なる部位に光半導体素子が搭載され、前記光半導体素子に接続される第2の信号線路が前記せり出し部まで延在するよう形成されたサブキャリアと、
前記第1及び第2の信号線路を接続するワイヤと、
を備えることを特徴とするTO-CAN型TOSAモジュール。 A stem with lead terminals fixed by a dielectric;
A relay line substrate mounted on the stem and forming a first signal line connected to the lead terminal;
A Peltier element as a cooling element placed on the stem;
A carrier body placed on the Peltier element;
A sub-carrier having a protruding portion protruding from the carrier main body above the relay line substrate and fixed to the carrier main body, wherein an optical semiconductor element is mounted on a portion overlapping the carrier main body, and the optical semiconductor element The second signal line connected to the subcarrier formed to extend to the protruding portion;
A wire connecting the first and second signal lines;
TO-CAN type TOSA module characterized by comprising
前記ステム上に載置され、前記リード端子に接続される第1の信号線路が形成される中継線路基板と、
前記ステム上に載置された冷却素子としてのペルチェ素子と、
このペルチェ素子上に載置されるキャリア本体と、
前記キャリア本体に固定されたサブキャリアであって、前記ペルチェ素子の幅および前記キャリア本体の幅よりも幅広に構成されたパターン形成面を有し、該パターン形成面には、前記キャリア本体と重なる部位に光半導体素子が搭載され、該光半導体素子に接続される第2の信号線路が形成されたサブキャリアと、
前記第1及び第2の信号線路を接続するワイヤと、を備え、
前記リード端子は、前記ペルチェ素子を載置する面から垂直に延在しており、前記第1の信号線路と、該第1の信号線路および前記第2の信号線路との接続部位とが、前記リード端子と軸合わせされて配置されるように構成したことを特徴とするTO-CAN型TOSAモジュール。 A stem with lead terminals fixed by a dielectric;
A relay line substrate mounted on the stem and forming a first signal line connected to the lead terminal;
A Peltier element as a cooling element placed on the stem;
A carrier body placed on the Peltier element;
A subcarrier fixed to the carrier body, the pattern carrier having a pattern forming surface configured to be wider than the width of the Peltier element and the carrier body, and the pattern forming surface overlaps the carrier body A subcarrier on which an optical semiconductor element is mounted at a site and a second signal line connected to the optical semiconductor element is formed;
A wire connecting the first and second signal lines,
The lead terminal extends perpendicularly from the surface on which the Peltier element is placed, and the first signal line, and the connection portion between the first signal line and the second signal line, A TO-CAN type TOSA module configured to be aligned with the lead terminal.
前記第2の信号線路は、本体部の光半導体素子の搭載部位から前記せり出し部の下端まで、その線路幅が徐々に広がるように延在することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のTO-CAN型TOSAモジュール。 The first signal line extends upward from an end portion of the lead terminal,
The second signal line extends from the mounting portion of the optical semiconductor element of the main body part to the lower end of the protruding part so that the line width gradually increases. TO-CAN type TOSA module described in 1.
前記中継線路基板は、前記第1の信号線路の両側に形成されるグランドパターンを有することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のTO-CAN型TOSAモジュール。 The carrier has a ground pattern formed on both sides of the second signal line,
5. The TO-CAN type TOSA module according to claim 1, wherein the relay line substrate has ground patterns formed on both sides of the first signal line. 6.
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