JP2011108940A - To−can型tosaモジュール用実装構成およびto−can型tosaモジュール - Google Patents

To−can型tosaモジュール用実装構成およびto−can型tosaモジュール Download PDF

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Takayuki Yamanaka
孝之 山中
Yuichi Akage
勇一 赤毛
Kazumasa Yoshida
和正 吉田
Hiroaki Sanjo
広明 三条
Tetsuo Kato
哲夫 加藤
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Abstract

【課題】ステムとフレキシブルプリント基板との結合部分におけるエネルギー損失を抑制した光モジュール用実装構成および光モジュールを提供する。
【解決手段】光半導体素子を搭載する搭載面を有し、該搭載面から裏面のグランド面まで貫通する貫通孔を有するステム10と、前記配線端子12a−12fを受け入れる配線孔および該配線孔と絶縁されたベタのグランドが表面に形成されたベース層23と、前記ベース層の表面を覆うカバー層とを有し、前記ステムのグランド面で前記複数の配線端子と電気的に接続するように設けられたフレキシブルプリント基板20とを備えたTO-CAN型光モジュール用実装構成であって、前記ステム10と前記フレキシブルプリント基板20とが重なる部分における前記フレキシブルプリント基板のカバー層21を除去して、前記ステムのグランド面と前記フレキシブルプリント基板20のグランド面とを接触させることにより短絡させる。
【選択図】図4

Description

本発明は光通信用途の送信器モジュール用パッケージ及び該パッケージとフレキシブルプリント基板との電気的接合に関する。
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、光ファイバや光通信用機器に搭載される光送受信装置(電気信号と光信号を相互に変換する光電変換器)の需要が拡大している。光送受信装置やそれを構成する部品は、プラガブル(pluggable)といった言葉で表現されるように、搭載や交換といった観点から扱いやすいように、仕様に基づくモジュール化が急速に進展している。XFP(10 Gigabit Small Form Factor Pluggable: 10ギガビット・イーサネット(10GbE)の着脱モジュールの業界標準規格の一つ)など光送信器モジュールに搭載される光源もモジュール化が進んでおり、TOSA(Transmitter Optical Sub-Assembly)と呼ばれ、代表的なモジュール形態として、箱型形状のTOSAモジュール(非特許文献1、2、3、4)が開発されている。
光送受信モジュールの普及はオフィスビルや一般家庭などに設置されるLAN機器等にも広がっており、需要は膨らむ一方である。需要の増加に従って、光モジュールの低コスト化への要求も大きくなっており、そのためにデータ通信、LANで使用されるモジュールの仕様を共通化することが検討されている。さらに、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により、光モジュールの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。
これらの要請から、現状では、性能を落とさずにより低コストで製造可能なTOSAモジュールとして、箱型TOSAモジュールに変わり、TO-CAN(Transistor Outlined CAN)型のTOSAモジュールの急速な普及が予想される。従来のTO-CAN型TOSAモジュールは、複数の配線端子12を設けたステム10の底面にフレキシブルプリント基板70を備えた図1(a)に示すTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成50上に、レーザダイオードや光変調器などの光半導体デバイスを搭載する。レンズまたは光取り出し用窓と一体になったキャップを、TO-CAN型TOSAモジュール用実装構成50のステムに抵抗溶接することなどで光デバイスをパッケージ内に封止する。TO-CAN型TOSAモジュールは、缶(=CAN)型の形状をしていることから一般にCAN型のTOSA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CAN型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型TOSA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。一方、箱型TOSAモジュールと比較して小型であるために、フレキシブルプリント基板70との電気接続などの実装技術において改善すべき点が多い。ここで、フレキシブルプリント基板70は、柔軟性があり大きく変形させることが可能なプリント基板であり、フレキあるいはFPC(Flexible printed circuits)とも呼ばれる。変調用電気信号やDC給電はフレキシブル基板70を通してTO-CAN型TOSAモジュールへと送られる。
Dongchurl Kim et.al., ‘‘Design and Fabrication of a Transmitter Optical Subassembly in 10-Gb/s Small-Form-Factor Pluggable Transceiver’’, IEEE JORNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS. VOL. 12,No.4, JULY/AUGUST 2006, pp776-782 H.Yamamoto et.al., ‘‘Wide Temperature Range Operation of 10.7 Gbit/s Uncooled DFB-LD TOSA with Extremely High Eye-Mask Margin’’, 2006 Electronic Components and Technology Conference, pp1548-1553 Norio Okada et.al., ‘‘10.7 Gbit/s Low Power Consumption and Low Jitter EML TOSA Employing Interdigital Capacitor’’, European Conference on Optical Communications 2006 (ECOC 2006), 2006, pp1-2 Y. M. Tan et.al., ‘‘Fabrication of Thermoelectric Cooler for Device Integration’’, 2005 Electronics Packaging Technology Conference,pp802-805
図2は従来のTO-CAN型TOSAモジュールに用いられる実装構成における、ステム10とフレキシブルプリント基板70との位置関係を示している。図2は図1(a)を真横から見た相互の位置関係を示している。図2に示すように、表面にベタのグランドパターン72が形成されたベース層73と、ベース層73の裏面に設けられた信号層74と、ベース層73の表面を覆うカバー層71とが積層されて構成されている。このフレキシブルプリント基板70のカバー層71は、ステム10と重なる部分71aにも存在している。
従来のTO-CAN型TOSAモジュールに用いられる実装構成50では、図1(b)に示すように、フレキシブルプリント基板70上のグランド面72を外部から保護(ショート防止、酸化防止)するために、カバー層71が設けられていた。このカバー層71は、メタル面の保護(防錆、または他部品と接触することによる配線ショートの回避)に主眼が置かれていたため、グランド面が露出する部分、すなわちステム10とフレキシブルプリント基板70とが重なる部分71aにも拡がって存在していた。
ステム10の裏面のグランド面とフレキシブルプリント基板70とが重なる部分71aのカバー層71が存在すると、重なり部分71aのカバー層71が誘電体として機能して、ステム10のグランド面とフレキシブルプリント基板70との間にコンデンサが形成される。カバー層71の比誘電率は、材料にもよるが3〜4の値であり(真空のそれは1)、コンデンサの容量は比誘電率に比例する。CAN形光モジュールの高性能化に伴って、このコンデンサ部分の容量に応じて、フレキシブルプリント基板に伝搬させる電気信号のエネルギーの損失が発生するという問題が明らかになってきた。
本発明の課題は、ステムとフレキシブルプリント基板との結合部分におけるエネルギー損失を抑制したTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成およびTO-CAN型TOSAモジュールを提供することにある。
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、光半導体素子を搭載する搭載面を有し、該搭載面から裏面のグランド面まで貫通する貫通孔と前記孔に挿入される気密封止用の誘電体と前記気密封止用の誘電体を貫通する複数の配線端子とを有するステムと、前記配線端子を受け入れる配線孔および該配線孔と絶縁されたベタのグランドが表面に形成されたベース層と、前記ベース層の裏面に形成された前記配線孔からの信号パターンを含む信号層と、前記ベース層の表面を覆うカバー層とを有し、前記ステムのグランド面で前記複数の配線端子と電気的に接続するように設けられたフレキシブルプリント基板とを備えたTO-CAN型TOSAモジュールの構成であって、前記ステムと前記フレキシブルプリント基板とが重なる部分において前記フレキシブルプリント基板のグランド面を露出し、前記ステムのグランド面と前記フレキシブルプリント基板のグランド面とを接触させることにより短絡させたことを特徴とするTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成である。
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モジュール用実装構成において、前記ステムのグランド面と前記フレキシブルプリント基板のグランド面との接触を強固にするためのグランド配線端子を設けたことを特徴とする。
請求項3に記載された発明は、請求項1または2に記載のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成と、前記TOSA用パッケージに搭載された光半導体素子と、前記光半導体素子を温度制御する温度制御素子と、前記光半導体素子からの光を外部光学系に光学接続するためのレンズと、前記光半導体素子を封止するためのキャップ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。
本発明のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成およびTO-CAN型TOSAモジュールによれば、ステムとフレキシブルプリント基板との間のグランド結合が強化されることとなり、また、フレキシブルプリント基板のグランドとステムのグランドの間に不要な浮遊容量による高周波結合がなくなることによってステムとフレキシブルプリント基板との結合部分におけるエネルギー損失を抑制できる。
従来のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成を示す図である。 図1に示すステムとフレキシブルプリント基板との位置関係を示す図である。 本発明のTO-CAN型TOSAモジュールの一例を示す図である。 本発明のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成の一例を示す図である。 図4に示すステムの底面図である。 図4に示すステムとフレキシブルプリント基板との位置関係を示す図である。 図4に示すステムとフレキシブルプリント基板との位置関係を示す図である。 TO-CAN型TOSAモジュール用実装構成の周波数特性を示す図である。 エネルギー損失の原因を説明する図である。 本発明のTO-CAN型TOSAモジュールにかかるフレキシブルプリント基板の他の一例を示す図である。 本発明のTO-CAN型TOSA用実装構成の他の一例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図3は本発明のTO-CAN型TOSAモジュールの一例を示す図である。TO-CAN型TOSAモジュール100は、ステム10と、気密封止用の誘電体11(図4(a)参照)と、高周波電気信号やDC信号を通すための複数の配線端子12a、12b・・・(図4(a)参照)と、フレキシブルプリント基板(FPC)20とを備えたTO-CAN型TOSA用実装構成200上に光半導体素子等1を搭載して構成されている。
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、上部に半導体光源素子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。サブキャリア基板108には、LD部とその光出力側に光変調器部とをモノリシック集積した半導体光源素子110aがあり、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。半導体光源素子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素子端面から出力される。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、光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、ここでは半導体光源素子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。
ステム10上には、中継線路基板101が搭載されている。中継線路基板101は、高周波変調信号用の配線端子12aと接続される中継線路102aが設けられており、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102bと接続されている。また中継線路基板101は、グランドに保たれたステム10と同電位になるように構成されており、中継線路基板101には中継線路102aの両側に構成されたグランドパターン102Gをステムと同電位にす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レベルを強化している。中継線路基板101のグランドパターンとサブキャリア基板108とは、ボンディングワイヤ103a、103bによって接続されている。
また、ステム10の光半導体素子等1搭載面の上方空間は、レンズ4が設けられたキャップ5によって封止されている。光ファイバや光ファイバを差し込むレセプタクル部に設けられた光導波路に光デバイスの出力を結合させるため、レンズ106でコリメートされた光出力をレンズ4によって集光できるよう設計されている。
図4は本発明のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成200を示す図である。本発明のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成200は、図4(a)に示すように、ステム10と、ステム10の光半導体素子等1(図3参照)の搭載面から裏面まで貫通する貫通孔に挿入された気密封止用の誘電体11と、気密封止用の誘電体11を貫通する複数の配線端子12a、12b・・・と、ステム10の裏面に設けられたフレキシブルプリント基板20とから構成されている。気密封止用の誘電体11は、ガラスやセラミックなどの誘電体で構成されており、グランドに保たれたステム10と配線端子12a、12b、・・・とを絶縁している。
また、フレキシブルプリント基板20は、ベース層23上にグランドパターン22とカバー層21とが積層された面側(表面という)でステム10に接している。フレキシブルプリント基板20の裏面側には信号パターンが形成された信号層24(図6参照)が設けられているが、図4(a)、(b)示すように、表面からは信号層24の端子24aのみが表れている。
図5は、図4に示すステム10の底面図であり、図6および図7は、図4に示すステム10とフレキシブルプリント基板20との位置関係を示す図である。図6は図4を真横(ステムおよびフレキシブル基板の面に平行な方向)から見た相互の位置関係を示している。図6には、本発明において重要な点が示されている。すなわち、カバー層21とステム10は、重なりがなく、ステム10がベタのグランドパターン22に密着するように設計されており、ステム10とフレキシブルプリント基板20のグランドが同電位に保たれるように配置がなされている。
図7(a)は、フレキシブルプリント基板20の裏面(図6参照)から見た位置関係を示しており、図7(b)はフレキシブルプリント基板20の表面(図6参照)から見た位置関係を示している。ステム10には、図5に示すように、複数の配線端子12a、12b・・・とその周囲を取り囲むように気密封止用の誘電体11が設けられている。また、ステム10をグランドに保つために配線されたグランド配線端子13a、13b、13c、13dも設けられている。
フレキシブルプリント基板20は、図6に示すように、表面にベタのグランドパターン22が形成されたベース層23と、ベース層23の裏面に設けられた信号層24と、ベース層23の表面を覆うカバー層21とが積層されて構成されている。
フレキシブルプリント基板20の裏面の信号層24には、図7(a)に示すように、図5の配線端子12a、12b・・・に対応する位置に設けられた配線孔241a、241b・・・から延びる信号パターン242が形成されている。図5のグランド配線端子13a、13b、13c、13dに対応する位置には貫通孔243a、243b・・・がグランドパターン245部分に設けられている。信号層24まで貫通した配線端子12a、12b・・・とグランド端子13a、13b、13c、13dとが半田244で圧着固定されることにより、フレキシブルプリント基板20がステム10に固定されている。本実施形態では、図5に示すように、ステム10の配線端子12a、12b・・・が設けられていない部分にもグランド配線端子13c、13d が設けられている。このグランド配線端子13c、13dを設けることによって、配線端子12a、12b・・・が存在しない部分においてもステム10からフレキシブルプリント基板20が離間することを防止して、フレキシブルプリント基板20とステム10とをより強固に密着させている。
フレキシブルプリント基板20の表面には、図7(b)に示すように、図5の配線端子12a、12b・・・に対応する位置に配線端子12a、12b・・・を受け入れる配線孔231が設けられている。この配線孔231a、231b・・・はベタのグランドパターン22とは絶縁されている。ステム10のグランド配線端子13a、13b、13c、13d(図5参照)に対応する位置にはグランド配線端子13a、13b、13c、13dを受け入れる貫通孔232a、232b・・・が設けられており、ベタのグランドパターン22と同電位となるように構成されている。ベタのグランドパターン22の一部はカバー層21で覆われている。
本発明のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成200では、図4(b)、図6、図7(b)に示すように、ステム10の裏面のグランド面とフレキシブルプリント基板20とが重なる部分におけるフレキシブルプリント基板20のカバー層21を除去している点に特徴がある。この部分のカバー層21を除去したことにより、ステム10のグランド面とフレキシブルプリント基板20のグランド面22とが接触して、グランド面同士が短絡することとなる。
図8は、TO-CAN型TOSAモジュール用実装構成において発生する損失の周波数特性を示す図である。図8(a)は従来のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成50の周波数特性であり、図8(b)は本発明のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成200の周波数特性である。同図において、実線は、S21パラメータ、すなわち、フレキシブル基板側から給電された電気エネルギーがステム側で伝えられる割合をdB(デシベル)表示でマイクロ波周波数の関数として表したものである。
従来のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成50では、図8(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損失が発生していることが判る。これは図1(b)に示すように、ステム10の裏面のグランド面とフレキシブルプリント基板70とが重なる部分71aに存在するカバー層71が誘電体として機能し、ステム10のグランド面とフレキシブルプリント基板70との間にコンデンサを形成してエネルギーの損失が発生することが原因と考えられる。
さらに詳しく説明すると、図9(a)に示すように、従来のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成50では、フレキシブルプリント基板70裏面の配線パターン74からのびるマイクロ波の電気力線がベタのグランドパターン72で終端して一定の回路特性を持つように設計されていた。しかし、実際にはステム10の底面に設けられるフレキシブルプリント基板70は、ベタのグランドパターン72とステム10のグランド面との間に、さらに誘電体であるカバー層71が挟まれた構成である。この構成により、ベタのグランドパターン72を突き抜けてステム10のグランド面に染み出すマイクロ波成分が存在する。このベタのグランドパターン72から染み出したマイクロ波がステムのグランド面と共振することで損失が増えていると考えられる。
一方の本発明のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成200では、図9(b)に示すように、ステム10のグランド面とフレキシブルプリント基板20のグランド面22とを接触させることにより短絡させているので、ステムとフレキシブル基板との結合部分においてグランドが強化される。この構成により、フレキシブルプリント基板20の裏面の信号層24からの電気力線はフレキシブルプリント基板20の裏面のグランドパターン22で終端するので、従来のようにベタのグランドパターン22からマイクロ波の染み出しがなく、ステムのグランド面との共振が発生しない。このため、エネルギーの損失が抑制されるものと考えられる。これは、図8(b)に示すように、本発明のTO-CAN型光モジュール用実装構成200は周波数の増大に伴うS21パラメータの低下が抑制されていることからも明らかである。すなわち、本発明のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成200は、従来に比べて高周波領域での損失が抑制されている。
このように、本発明のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成およびTO-CAN型TOSAモジュールによれば、ステム10のグランド面とフレキシブルプリント基板20との間のグランド結合が強化されることとなり、ステム10とフレキシブルプリント基板20との結合部分におけるエネルギー損失を抑制できる。
以上の実施形態では、フレキシブルプリント基板20がステム10の図示左端から右方に延びるように配置された構成を例に挙げて説明したが、ステム10に対するフレキシブルプリント基板20の配置はこれに限定されない。TO-CAN型TOSAモジュールと外部基板との配置関係に応じて自由に設計変更することができる。例えば、フレキシブルプリント基板20をステム10の図示奥から手前方向に延びるように設けることができる。この場合、フレキシブルプリント基板20は、図10に示すような構成とされる。
また、以上の実施形態では、ステム10のグランド面とフレキシブルプリント基板20とが重なる部分のカバー層21をステム10の形状に沿って除去した構成を例に挙げて説明したが、カバー層21の端部形状を図11に示すような直線形状に構成してもよい。すなわち、方形のシート状のカバー層21をステム10と重ならない領域に設けてもよい。この態様は製造が容易になるという利点がある。
また、以上の実施形態では、TO-CAN型TOSAモジュールを例に説明を行ったが、TOSAモジュールと同じく光モジュールの一つであるROSAモジュールについても、特に高周波特性を要するTO-CAN型ROSAモジュールのステムとフレキシブル基板との接続部位に本発明を用いて高周波特性を改善する事が可能である。
1 光半導体素子等
4 レンズ
5 キャップ
10 ステム
11 気密封止用の誘電体
20 フレキシブルプリント基板(FPC)
21 カバー層
22 ベタのグランドパターン
23 ベース層
24 信号層
24a 信号パターンの端子
50 TO-CAN型TOSAモジュール用実装構成
70 フレキシブルプリント基板
71 カバー層
71a 重なる部分
72 ベタのグランドパターン
73 ベース層
74 信号層
12a、12b・・ 配線端子
13a、13b・・ グランド配線端子
100 TO-CAN型TOSAモジュール
101 中継線路基板
102a、102b 中継線路
102G ベタのグランドパターン
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 サブキャリア基板
109 ペルチェ素子
110a 半導体光源素子
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
200 TO-CAN型TOSAモジュール用実装構成
231a、231b、231c・・・ 配線孔
232a、232b、232c・・・ 貫通孔
241a、241b、241c・・・ 配線孔
242 信号パターン
243a、243b、243c・・・ 貫通孔
244 半田
245 グランドパターン

Claims (3)

  1. 光半導体素子を搭載する搭載面を有し、該搭載面から裏面のグランド面まで貫通する貫通孔と前記孔に挿入される気密封止用の誘電体と前記気密封止用の誘電体を貫通する複数の配線端子とを有するステムと、
    前記配線端子を受け入れる配線孔および該配線孔と絶縁されたベタのグランドが表面に形成されたベース層と、前記ベース層の裏面に形成された前記配線孔からの信号パターンを含む信号層と、前記ベース層の表面を覆うカバー層とを有し、前記ステムのグランド面で前記複数の配線端子と電気的に接続するように設けられたフレキシブルプリント基板とを備えたTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成であって、
    前記ステムと前記フレキシブルプリント基板とが重なる部分において前記フレキシブルプリント基板のグランド面が露出し、前記ステムのグランド面と前記フレキシブルプリント基板のグランド面とを接触させることにより短絡させたことを特徴とするTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成。
  2. 前記ステムのグランド面と前記フレキシブルプリント基板のグランド面との接触を強固にするためのグランド配線端子を設けたことを特徴とする請求項1に記載のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成。
  3. 請求項1または2に記載のTO-CAN型TOSAモジュール用実装構成と、
    前記光モジュール用パッケージに搭載された光半導体素子と、
    前記光半導体素子を温度制御する温度制御素子と、
    前記光半導体素子からの光を外部光学系に光学接続するためのレンズと、
    前記光半導体素子を封止するためのキャップと
    を備えることを特徴とするTO-CAN型TOSAモジュール。
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