JP2012138601A - 光受信モジュールおよび光受信モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光受信モジュールにおいて、同一設計の受光素子を用いながら入力インピーダンスの異なるプリアンプを用いた場合にでも良好な周波数通過特性(Ｓ２１)を実現する。
【解決手段】受光素子を搭載した半導体チップ６と、受光素子の出力信号を増幅するプリアンプ２と、受光素子を搭載する絶縁性キャリア基板３と、受光素子の出力信号がキャリア基板上の電極５を介してプリアンプに入力されるように接続し、受光素子を搭載しない状態でキャリア基板上の２電極間の容量値を４０ｆＦ以上とした２電極４、５を有することより解決できる。
【選択図】図２

Description

本発明は光受信モジュールにかかり、特に概ね１０Ｇｂｉｔ/ｓの高速伝送レートを有する光受信モジュールに関する。

半導体フォトダイオードを受信素子として用いた光受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。光受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受信モジュールは、小型・低コスト・低消費電力であるとともに、良好な周波数帯域特性を実現することが強く要求されている。

特許文献１には、半導体フォトダイオードとプリアンプをＴＯパッケージに搭載することで小型化、低コスト化を図り、プリアンプの接地パッドへのインダクタンス低減することで１０ＧＨｚの高速信号に対するインピーダンスを低くし、これにより良好な周波数特性の確保を図った光受信モジュールが記載されている。

特開２００４−２５４１２５号公報

ユーザの要求として、特に長距離伝送用途ではトランシーバの設計方式により、受信モジュールに対しリニアリティを必要とする場合と、受信モジュールに対し高い受信感度を必要とする場合とがある。

上記背景技術において低消費電力化を図った場合、搭載するプリアンプの品種に応じ設計を変えた複数の品種の半導体フォトダイオードを作成する必要が生じる。その結果、半導体ウエハの利用効率が悪くなり、半導体フォトダイオードの低コスト化が困難になるという問題があった。

従来は、３００ｐｉｎＭＳＡトランシーバ用途ではプリアンプの電源として−５.２Ｖと＋３.３Ｖの正負２電源が使用でき、動作電圧に充分余裕があったため、１種類のプリアンプを用いることで両者の要求を満足することができていた。これに対し、近年主流になりつつあるＸＦＰトランシーバ用途では低消費電力化のため、受信モジュールの駆動電圧も＋３.３Ｖ単一に低電圧化している。

プリアンプは＋３.３Ｖ単一電源の場合、リニアリティと高受信感度とを同時に満足する設計が困難である。そこで、受信モジュールには高リニアリティ版と高感度版とで設計の異なる別種のプリアンプＩＣを用いる必要が生じる。

発明者等の検討によると、２電源版のプリアンプの入力インピーダンスは３０Ω（ohm）程度であったのに対し、＋３.３Ｖ単一電源化に伴い入力インピーダンスの点でもプリアンプは分化している。すなわち、高リニアリティ版のプリアンプは、低利得化に伴い入力インピーダンスが７０Ω程度と高い。一方、高受信感度版のプリアンプは、初段低雑音化に伴い入力インピーダンスが２０−３０Ωと低い。

プリアンプの入力インピーダンスを入力抵抗Ｒｉｎで近似とすると、フォトダイオードからプリアンプ入力部までの高周波等価回路は、図１に示す通りである。図１において、Ｃｐｄはフォトダイオードの容量、Ｒｐｄはフォトダイオードの直列抵抗、Ｌはボンディングワイヤによるインダクタンスである。光受信モジュールにおいて所望の良好な周波数特性を得るには、Ｒｐｄ、Ｃｐｄ、Ｌの値を選択し、フォトダイオードに生ずるフォトカレントＩｐｈ(ω)が入力抵抗Ｒｉｎの両端に電圧Ｖｉｎ(ω)を生ずる周波数依存性(すなわち角周波数ω(omega)依存性)を最適にすれば良い。

式１より、例えば入力インピーダンスが３０Ωの高感度版プリアンプを用いて光受信モジュールの周波数特性を最適化したのち、プリアンプを入力インピーダンス７０Ωの高リニアリティ版プリアンプへ変更する場合を考える。この場合、ＲｐｄおよびＬをＲｉｎに比例して２.３倍(７０/３０)、ＣｐｄをＲｉｎに反比例して０.４３倍(３０/７０)に変更すれば良いことがわかる。Ｌはボンディングワイヤ長で容易に変更可能である。一方フォトダイオードにおいてはほぼ受光面積と容量Ｃｐｄとが比例、直列抵抗Ｒｐｄとは反比例との関係にあることより、Ｒｐｄ、Ｃｐｄの両者を満足するには受光径を０.６５倍(√(３０/７０))に縮小することが必要である。

このように光受信モジュールにおいて入力インピーダンスの異なる２種類のプリアンプを用い、それぞれに同等の良好な周波数特性を得るには、従来の光受信モジュール構造では受光径の異なる２種類の受光素子を用意する必要があった。しかし重要部品である受光素子、特に長距離用に用いられるアバランシェフォトダイオードは高価であり、フォトダイオードを製造する観点からはプリアンプの種類によらずフォトダイオードの品種を統一することで半導体ウエハの利用効率を上げ、チップ単価の低減/生産在庫の削減を図りたいという強い要求がある。

しかし、特許文献１に記載された発明おいてはこの要求を満足することができず、半導体フォトダイオードの低コスト化、ひいては光受信モジュールの低コスト化が困難になるという問題が生じる。

本発明の目的は、同一設計の受光素子を用いながら入力インピーダンスの異なるプリアンプを用いた場合にでも良好な周波数通過特性(Ｓ２１)を実現できる光受信モジュール提供することにある。

上記目的は、光信号を受光して電気信号に変換する受光素子と、受光素子の出力信号を増幅するプリアンプと、受光素子を搭載する絶縁性キャリア基板と、受光素子の出力信号がキャリア基板上の電極を介してプリアンプに入力されるように接続し、受光素子を搭載しない状態でキャリア基板上の２電極間の容量値を４０ｆＦ（フェムトファラッド）以上とした２電極を有することより達成できる。

また、上記目的は、光信号を受光して電気信号に変換する受光素子と、受光素子の出力信号を増幅するプリアンプと、受光素子を搭載する絶縁性キャリア基板と、受光素子の出力信号がキャリア基板上の電極を介してプリアンプに入力されるように接続し、受光素子を搭載しない状態でのキャリア基板の２電極間の容量値が受光素子のアノード電極−カソード電極間の容量値の４０％以上とすることにより達成できる。

本発明によれば、同一設計の受光素子を用いながら入力インピーダンスの異なるプリアンプを用いた場合にでも良好な周波数通過特性(Ｓ２１)を実現できる光受信モジュールを得ることができる。

フォトダイオードからプリアンプ入力部までの高周波等価回路図である。 光受信モジュールの主要部分を示す平面図である。 キャリア基板部分の部分透視平面図である。 キャリア基板の斜視断面図である。 フォトダイオードからプリアンプ入力部までの高周波等価回路図である。 入力インピーダンスと容量値の関係を示すグラフである。 効果を説明する受信モジュールの周波数特性である。 光受信モジュールの主要部分を示す平面図である。 キャリア基板部分の部分透視平面図である。

以下本発明の実施の形態に付いて、実施例を用いて図面を参照しながら説明する。なお、同じ部分には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。

実施例１を図２ないし図７により説明する。ここで、図２は光受信モジュールの主要部分を示す平面図である。図３はキャリア基板部分の部分透視平面図である。図４はキャリア基板の斜視断面図である。図５はフォトダイオードからプリアンプ入力部までの高周波等価回路図である。図６は入力インピーダンスと容量値の関係を示すグラフである。図７は効果を説明する受信モジュールの周波数特性である。

まず図２を用いて光受信モジュールの構成を説明する。光受信モジュールは筐体としてＣＡＮ型のパッケージ筐体を用いる。金属ステム１は、ＣＡＮ型筐体の主要部搭載用台座である。金属ステム１には円筒状の貫通穴を通して円柱状のリードピン１０〜１４を設け、封止ガラス２０〜２４により固定する。金属ステム１上にはプリアンプＩＣチップ２とキャリア基板３を搭載する。金属ステム１は電気的には接地電位として使用する。キャリア基板３の表面には金属電極４、５を設ける。キャリア基板３には半導体チップ６を、フェイスダウン実装であるフリップチップ実装により搭載する。

半導体チップ６は、その表面に半導体フォトダイオード素子およびそのアノード電極とカソード電極を設けた裏面入射型フォトダイオードチップである。光ファイバーより光受信モジュールに入射された光変調信号は、結合レンズ（図中省略）を介して、金属ステム１の中央付近に配置した半導体チップ６に、紙面に垂直上方より入射される。半導体チップ６上の半導体フォトダイオード素子は受光した光変調信号を、フォトカレントの生成により電気変調信号に変換する。半導体チップ６のアノード電極より出力された電気変調信号は、金属電極５、ボンディングワイヤ７を介してプリアンプＩＣチップ２の入力端子に入力される。プリアンプＩＣチップ２は微弱な電気変調信号を増幅し、出力信号として差動インピーダンス１００Ωの差動信号をボンディングワイヤ１８、１９を介して出力リードピン１０、１１に出力する。半導体チップ６のカソード電極は金属電極４、ボンディングワイヤ８を介して平行平板容量９に接続し、この平行平板容量９により高周波的に金属ステム１に接地する。直流的にはさらにボンディングワイヤ３１を介してリードピン１４に接続し、ここから半導体フォトダイオード素子のバイアス電圧の供給を受ける。

プリアンプＩＣチップ２の接地端子電極はボンディングワイヤ３２を介して金属ステム１に接続し、電源端子電極はバイパスコンデンサである平行平板容量１７を経由してリードピン１２に接続する。プリアンプＩＣの電源電圧は＋３.３Ｖであり、リードピン１２より外部供給を受ける。プリアンプ２の温度測定用サーミスタ１５は、ボンディングワイヤ３３を介してリードピン１３に接続する。平行平板容量１６は、ボンディングワイヤ３４を介してプリアンプＩＣチップ２の電極に接続する。このプリアンプＩＣチップ２の電極は、平行平板容量１６によって、高周波的に接地される。

ＣＡＮ型のパッケージ筐体としては例えばφ(phi)５.３ｍｍのＴＯ−ＣＡＮ型の筐体などを用いる。金属ステム１の材料としては安価な鉄を用いると低コスト化に好適である。キャリア基板３は厚さ２００μｍの窒化アルミで構成する。キャリア基板３の材料としてはアルミナなど他の誘電体材料を用いても良いが、特にキャリア基板３に窒化アルミを用いた場合、半導体チップ６にＩｎＰ基板を用いた時の両者の熱膨張係数差を小さくでき、受信モジュール特性の温度変動を抑えるのに好適である。半導体チップ６上の半導体フォトダイオード素子としてはアバランシェフォトダイオードやＰＩＮフォトダイオードを用いる。アバランシェフォトダイオードは高い受信感度を得られるため、特に長距離用途の受信モジュールを実現するのに好適である。

次に図３および図４を用いてキャリア基板部の構成を説明する。図３（ａ）のキャリア基板３は入力インピーダンスが２０−３０Ωと低いプリアンプを実装する場合に用いる。一方、図３（ｂ）のキャリア基板１０３は入力インピーダンスが７０Ω程度と高いプリアンプを実装する場合に、キャリア基板３に替えて用いるものである。

キャリア基板３においては金属電極４と金属電極５に近接対向部分を設け、この部分で容量を形成する。図４にキャリア基板３の近接対向部分の断面構造図を示す。キャリア基板３の内部に内部電極２５を設け、直流的にフロート電位とする。金属電極４−内部電極２５間の平行平板型容量と内部電極２５−金属電極５間の平行平板型容量とを直列接続する方式で金属電極４−５間の容量を形成し、その値を４０ｆＦ以上にする。

一方、キャリア基板１０３には金属電極１０４と金属電極１０５との間には近接対向部分および内部電極を設けず、両電極間の容量値を極力小さくする。半導体チップ６はキャリア基板３およびキャリア基板１０３に対し共通であり、その接続部はキャリア基板３とキャリア基板１０３との共通部分に設ける。半導体チップ６は、そのアノード電極とカソード電極間のダイオード容量は１００ｆＦ以下にする。

次に図５および図６を用いて回路構成と動作を説明する。キャリア基板３の近接対向部分の容量値をＣｐａｄとすると、フォトダイオードからプリアンプ入力部までの高周波等価回路は図５に示すとおりになる。図５において、Ｃｐｄはフォトダイオードの容量、Ｒｐｄはフォトダイオードの直列抵抗、Ｌはボンディングワイヤによるインダクタンス、Ｒｉｎはプリアンプの入力抵抗である。入力抵抗Ｒｉｎの両端に生じる電圧Ｖｉｎ(ω)のは、角周波数をω、フォトダイオードに生ずるフォトカレントをＩｐｈ(ω)として式２で記述される。

式２において、容量Ｃｐａｄおよび周波数(ω/２π)が比較的小さいと仮定し、式３を得る。

式３を用い、入力インピーダンスが７０Ωの高リニアリティ版プリアンプを用いて光受信モジュールの周波数特性を最適化したのち、プリアンプを入力インピーダンス３０Ωの高感度版プリアンプへ変更することを考える。

素子容量に対しては電気的ＣＲ帯域確保のため、入力インピーダンスが高いほど小さな容量値が要求される。さらにアバランシェフォトダイオード素子を用いる場合には、増倍率が大きいほど増倍率の周波数依存性増加による帯域低下が生じるため、この帯域低下を補償すべく素子容量としてはさらに小さな容量値が要求される。発明者等の検討によると入力インピーダンス７０Ωの高リニアリティ版プリアンプを用い、光受信モジュールをビットレートが１０Ｇｂｉｔ/ｓへの適用する場合には、キャリア基板１０３を用いて金属電極間容量を極力小さくし、かつ容量Ｃｐｄが１００ｆＦ以下のフォトダイオードを用いることが高い周波数までの帯域を確保する上で必要である。この条件下で、最適な周波数特性を得るのに好適であった。

ここで、概ね１０Ｇｂｉｔ/ｓのビットレートとは、ビットレート９.９５Ｇｂｉｔ/ｓ、１０.７Ｇｂｉｔ/ｓおよび１１.１Ｇｂｉｔ/ｓのＳＯＮＥＴ仕様、ビットレート１１.３Ｇｂｉｔ/ｓのＥｔｈｅｒ仕様を含み、これらに限定されない。

次に同一のフォトダイオードを用いながらプリアンプを入力インピーダンス３０Ωの高感度版プリアンプへ変更し、さらに先と同様の良好な周波数特性を得るには、上記の関係式よりＬを(Ｒｉｎ＋Ｒｐｄ)に比例して変更し、(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)を(Ｒｉｎ＋Ｒｐｄ)に反比例して変更すれば良い。具体的には、フォトダイオードの直列抵抗Ｒｐｄが６０Ωの場合には、Ｌを０.６９倍((３０＋６０)/(７０＋６０))、(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)を１.４４倍((７０＋６０)/(３０＋６０))にすることで良好な周波数特性を実現できる。Ｌはボンディングワイヤ長で容易に変更可能である。一方(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)は同一の受光素子(容量Ｃｐｄ不変)を用いてもキャリア基板の近接対向部分の容量値Ｃｐａｄを増加することで変更可能である。

プリアンプの入力インピーダンスＲｉｎの変化に対し、同様の周波数特性を得るために必要な容量値(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)の値の関係を図６のグラフに示す。図６において、容量値(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)はＲｉｎが７０Ωの場合の容量値を１とし、規格化している。発明者等の知見では、光モジュールに用いられるほとんどのフォトダイオードの直列抵抗Ｒｐｄは６０Ω以下の範囲にある。図６のグラフより、入力インピーダンス７０Ωのプリアンプを用いて光受信モジュールの周波数特性を最適化したのち、同一の受光素子と入力インピーダンス３０Ω以下のプリアンプを用いて光受信モジュールの周波数特性を最適化するには、容量値(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)を１.４倍以上にする必要があるという結果が得られている。

次に図７により本実施例１の効果を説明する。図７(ａ)、(ｂ)は共に入力インピーダンス３０Ωの高感度版プリアンプを用いた光受信モジュールの小信号利得(Ｓ２１)特性である。半導体チップ６にはアバランシェダイオード素子を搭載し、増倍率が１０となるバイアス条件で動作させている。Ｃｐｄが１００ｆＦ以下の高感度版プリアンプをキャリア基板３に実装し、容量値(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)を１００ｆＦとした場合は、図７(ａ)に示す特性となる。図７(ａ)に示す特性は、１ＧＨｚから８ＧＨｚまでの帯域内利得減少量が−１.３５ｄＢと大きく、特に長距離伝送時のパワーペナルティに悪影響を及ぼした。

これに対し、高感度版プリアンプをキャリア基板１０３に実装した場合、容量値(Ｃｐｄ＋Ｃｐａｄ)を１４０ｆＦとした場合は、図７(ｂ)に示す特性となる。図７(ｂ)に示す特性は、１ＧＨｚから８ＧＨｚまでの帯域内利得変化を＋０.１５ｄＢに改善でき、長距離伝送時のパワーペナルティの低減に効果的であった。

本実施例に拠れば、同一設計の受光素子を用いながら入力インピーダンスの異なるプリアンプを用いた場合にでも良好な周波数通過特性(Ｓ２１)を実現できる光受信モジュールを得ることができた。

実施例１において、内部電極２５を設け、金属電極４と金属電極５の間の容量を平行平板形の容量で構成したが、内部電極を設けず金属電極４と金属電極５の間の容量を２枚のくしの歯を交互に組み合わせたインタディジタル形の容量で構成しても良い。この場合、キャリア基板３をコストの低い単層セラミックで製造でき、キャリア基板の製造コスト低減に好適である。

本発明の実施例２を図８および図９により説明する。図８は光受信モジュールの主要部分を示す平面図である。図９はキャリア基板部分の部分透視平面図である。図８において、実施例１の図２との主要な違いはキャリア基板２０３に半導体チップ６を搭載するパタンを複数設けた点にある。

図９において、キャリア基板２０３上には第一の半導体チップ搭載パタンとして金属電極２０４、２０５を、第二の半導体チップ搭載パタンとして金属電極２０６、２０７を設ける。金属電極２０４と金属電極２０５との間には近接対向部分および内部電極を設けることで容量を形成し、その値を４０ｆＦ以上にする。一方金属電極２０６と金属電極２０７との間には近接対向部分および内部電極を設けず、両電極間の容量値を極力小さく（４０ｆＦ未満、更に好ましくは１０ｆＦ未満）する。

図９(ａ)に示すように半導体チップ６を金属電極２０４、２０５上に搭載することで、入力インピーダンス３０Ωの高感度版プリアンプを用いたときの周波数特性を最適にできる。また、図９(ｂ)に示すようにキャリア基板２０３の向きを１８０°回転し、半導体チップ６を金属電極２０６、２０７上に搭載することで、入力インピーダンス７０Ωの高リニアリティ版プリアンプを用いたときの周波数特性を最適にできる。これら図９(ａ)、(ｂ)において、キャリア基板２０３の外形に対する半導体チップ６の相対位置を同一にすることによって、図８に示す各部品の配置を変更することなく光受信モジュールを製造することができる。

本実施例２によれば、同一設計の受光素子および同一設計のキャリア基板を用いながら入力インピーダンスの異なるプリアンプを用いた場合にでも良好な周波数通過特性(Ｓ２１)を実現できる光受信モジュール構造を得ることができ、製造コストを低減する上でさらに効果的である。
なお、実施例２では金属電極を４つ設けているが、金属電極２０６と金属電極２０４とを接続して、３つの金属電極とすることもできる。

１…金属ステム、２…プリアンプＩＣチップ、３…キャリア基板、４…金属電極、５…金属電極、６…半導体チップ、７…ボンディングワイヤ、８…ボンディングワイヤ、９…平行平板容量、１０〜１４…リードピン、１５…サーミスタ、１６…平行平板容量、１７…平行平板容量、１８…ボンディングワイヤ、１９…ボンディングワイヤ、２０〜２４…封止ガラス、２５…内部電極、３１〜３４…ボンディングワイヤ、１０３…キャリア基板、１０４、１０５…金属電極、２０３…キャリア基板、２０４〜２０７…金属電極。

Claims (9)

1. 光信号を電気信号に変換するフォトダイオード素子と、
   前記フォトダイオード素子が搭載されたキャリア基板と、
   前記電気信号を増幅するプリアンプと、を備えた光受信モジュールであって、
   前記プリアンプは、第１の入力インピーダンスを持つ第１のプリアンプまたは前記第１のプリアンプよりも高い第２の入力インピーダンスを持つ第２のプリアンプのいずれかから選択され、
   前記キャリア基板は、前記第１のプリアンプを接続するための第１のフォトダイオード素子搭載位置と前記第２のプリアンプを接続するための第２のフォトダイオード素子搭載位置とを有し、ビットレートが概ね１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号で動作することを特徴とする光受信モジュール。
2. 請求項１に記載の光受信モジュールであって、
   前記フォトダイオード素子の容量値は、１００ｆＦ以下であることを特徴とする光受信モジュール。
3. 請求項２に記載の光受信モジュールであって、
   前記第１のフォトダイオード素子搭載位置は第１と第２の電極を備え、前記第１と前記第２の電極間の２電極間の容量値は、４０ｆＦ以上であり、
   前記第２のフォトダイオード素子搭載位置は第３と第４の電極を備え、前記第３と前記第４の電極間の２電極間の容量値は、４０ｆＦ未満であることを特徴とする光受信モジュール。
4. 請求項３に記載の光受信モジュールであって、
   前記第３と前記第４の２電極間の容量値は、１０ｆＦ未満であることを特徴とする光受信モジュール。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の光受信モジュールであって、
   前記第１の入力インピーダンスが３０Ω以下であることを特徴とする光受信モジュール。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の光受信モジュールであって、
   前記プリアンプの電源電圧が３．３Ｖ以下であることを特徴とする光受信モジュール。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の光受信モジュールであって、
   前記フォトダイオード素子は、前記キャリア基板にフェイスダウン搭載された裏面入射型であることを特徴とする光受信モジュール。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか一つに記載の光受信モジュールであって、
   ＣＡＮ型筐体を更に有し、
   前記キャリア基板および前記第１のプリアンプまたは前記第２のプリアンプは、前記ＣＡＮ型筐体内の金属ステム上に搭載されたことを特徴とする光受信モジュール。
9. 光信号を電気信号に変換するフォトダイオード素子を準備する工程と、
   前記電気信号を増幅する第１の入力インピーダンスを持つ第１のプリアンプを準備する工程と、
   前記電気信号を増幅する前記第１のプリアンプより高い第２の入力インピーダンスを持つ第２のプリアンプを準備する工程と、
   第１のフォトダイオード素子搭載位置と第２のフォトダイオード素子搭載位置、を備えたキャリア基板を準備する工程と、
   前記第１のプリアンプと前記第２のプリアンプのいずれかを選択する工程と、
   前記第１のプリアンプを選択した場合は、前記第１のフォトダイオード素子搭載位置に前記フォトダイオード素子を搭載し，前記第１のプリアンプを前記第１のフォトダイオード素子搭載位置に接続する工程と、
   前記第２のプリアンプを選択した場合は、前記第２のフォトダイオード素子搭載位置に前記フォトダイオード素子を搭載し，前記第２のプリアンプを前記第２のフォトダイオード素子搭載位置に接続する工程と、
   を有する光受信モジュールの製造方法。

Images