JP2012174918A - Optical transmitter module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はTO-CANパッケージとFPC基板を用いた光送信モジュールに関する。 The present invention relates to an optical transmission module using a TO-CAN package and an FPC board.
近年のインターネットによる情報通信量の増大に伴い、それを支えるフォトニックネットワークシステムの大容量化が要求されている。データセンターでは、基幹系から伝送されてくる40Gb/s信号を、そのままの速度で処理する需要が今後増大すると考えられている。この需要を満たすために、電界吸収型変調器集積DFBレーザ(Electroabsorption Modulator Integrated DFB Laser, EA-DFBレーザ)、直接変調レーザ(DML: directly modulated laser)が、LiNbO3(LN)変調器に比べ小型であることから、40Gb/s光半導体光源として期待されている。 As the amount of information communication over the Internet increases in recent years, it is required to increase the capacity of the photonic network system that supports it. In the data center, it is considered that demand for processing 40Gb / s signals transmitted from the backbone system at the same speed will increase in the future. To meet this demand, electroabsorption modulator integrated DFB laser (EA-DFB laser) and direct modulation laser (DML) are smaller than LiNbO 3 (LN) modulators. Therefore, it is expected as a 40 Gb / s optical semiconductor light source.
実際、波長1.55μｍ帯のEA-DFBレーザはルータ間のインターコネクトとして、伝送距離2km(VSR: very-short-reach)の用途でXLMD-MSA（非特許文献１）に実装した形態で実用化されている（非特許文献２，３）。しかし、この形態においては、光トランシーバから送られてくる電気信号を、高価な高周波コネクタやケーブルを用いて光送信モジュールまで伝送しており、小型化・低コスト化に課題があった。急速に高まるデータセンターでの需要を考えると、より小型・低コストの40Gb/sEADFBレーザやDMLの光送信モジュールの実現が求められている。 In fact, the EA-DFB laser with a wavelength of 1.55 μm is practically used as an interconnect between routers in a form mounted on XLMD-MSA (Non-patent Document 1) for a transmission distance of 2 km (VSR: very-short-reach). (Non-Patent Documents 2 and 3). However, in this embodiment, the electrical signal sent from the optical transceiver is transmitted to the optical transmission module using an expensive high-frequency connector or cable, and there is a problem in miniaturization and cost reduction. Considering the rapidly increasing demand in the data center, there is a need for the realization of smaller, lower-cost 40Gb / sEADFB lasers and DML optical transmission modules.
そこで我々は、Transistor-Outline(TO)-CANパッケージとフレキシブル電気回路(FPC: Flexible printed circuit)基板を用いてEA-DFBレーザ、DMLの40Gb/s動作の実現を目指した。 Therefore, we aimed to realize 40Gb / s operation of EA-DFB laser and DML using a Transistor-Outline (TO) -CAN package and a flexible printed circuit (FPC) substrate.
図面に基づき、40Gb/s動作可能な光送信モジュールについて更に説明する。図３３（ａ）に示すように、従来は、高周波電気信号である40Gb/sの電気信号が、光トランシーバの電気回路(PCB: Printed circuit board)１などから、高価かつ寸法の固定された高周波ケーブル２及び高周波コネクタ３を介して、積層セラミックのパッケージ５を用いて作製された光送信モジュール６まで伝送される構成となっていた。このような構成の光送信モジュール６では主に次の２つの問題があった。
（１） 高周波電気信号の伝送に高周波コネクタ３及び高周波ケーブル２を用いているため、光送信モジュール６の小型化・低コスト化が難しい(高周波コネクタ３の大きさで小型化が制限される)。
（２） 積層セラミックパッケージ５が高コストであり、このことからも光送信モジュール６の低コスト化が難しい。
Based on the drawings, the optical transmission module capable of 40 Gb / s operation will be further described. As shown in FIG. 33A, conventionally, a 40 Gb / s electric signal, which is a high-frequency electric signal, is supplied from an optical circuit 1 (PCB: Printed circuit board) 1 of an optical transceiver, etc. The configuration is such that the optical transmission module 6 manufactured using the multilayer ceramic package 5 is transmitted through the cable 2 and the high-frequency connector 3. The optical transmission module 6 having such a configuration has the following two problems.
(1) Since the high-frequency connector 3 and the high-frequency cable 2 are used to transmit a high-frequency electrical signal, it is difficult to reduce the size and cost of the optical transmission module 6 (the size of the high-frequency connector 3 limits the size reduction). .
(2) The monolithic ceramic package 5 is expensive, and this also makes it difficult to reduce the cost of the optical transmission module 6.
従来技術では、40Gb/sという高速な電気信号に対して低透過損失・低反射損失を実現するためのこれ以外の小型で低コストな光送信モジュールを提案することができなかったことが課題であった。 The problem with the prior art was that it was not possible to propose a small, low-cost optical transmission module other than this to achieve low transmission loss and low reflection loss for high-speed electrical signals of 40 Gb / s. there were.
従って、本発明においては、従来の40Gb/s光送信モジュール６からの大幅な小型化・低コスト化を実現することを目的とした。その基本構成を図３３（ｂ）に示す。 Accordingly, an object of the present invention is to realize a significant reduction in size and cost from the conventional 40 Gb / s optical transmission module 6. The basic configuration is shown in FIG.
図３３（ｂ）に示すように、本発明の光送信モジュール１１は、上記従来技術の（１）の問題に対してはFPC基板１２を用いており、このFPC基板１２を介してPCB１などから光送信モジュール１１まで電気信号を伝送する構成とした。一般に高周波コネクタ３を用いる場合には、商用化されたGPPO（登録商標）やK connector（登録商標）を用いることになる。これらは大きさが固定されていて、コストも高い。それに対しFPC基板１２を用いた場合には、自由に設計することができるために大幅に光送信モジュール１１の小型化が可能である。そして、FPC基板１２の材料費と加工費のみでFPC基板１２のコストが決まるため、高周波コネクタ３を用いる場合に比べて、光送信モジュール１１の大幅なコスト削減が可能である。 As shown in FIG. 33 (b), the optical transmission module 11 of the present invention uses the FPC board 12 for the problem (1) of the prior art, and from the PCB 1 or the like through the FPC board 12. The electrical signal is transmitted to the optical transmission module 11. In general, when the high frequency connector 3 is used, a commercially available GPPO (registered trademark) or K connector (registered trademark) is used. These are fixed in size and costly. On the other hand, when the FPC board 12 is used, the optical transmission module 11 can be greatly downsized because it can be designed freely. Since the cost of the FPC board 12 is determined only by the material cost and processing cost of the FPC board 12, the cost of the optical transmission module 11 can be greatly reduced as compared with the case where the high frequency connector 3 is used.
また、本発明の光送信モジュール１１は、上記従来技術の（２）の問題に対してはTO-CANパッケージ１３を用いた。TO-CANパッケージ１３が積層セラミックパッケージ５に比べてコストを大幅に抑えられる理由は、TO-CANパッケージ１３はプレス加工のみで作製することが可能であるため作製費を大幅に抑えられるからである。 Further, the optical transmission module 11 of the present invention uses the TO-CAN package 13 for the problem (2) of the prior art. The reason why the cost of the TO-CAN package 13 can be greatly reduced as compared with the multilayer ceramic package 5 is that the TO-CAN package 13 can be manufactured only by pressing, so that the manufacturing cost can be significantly reduced. .
次に、TO-CANパッケージ１３とFPC基板１２を用いた構成に着目して説明する。今までにこの構成で40Gb/s動作を実現する従来技術は無い。図３４に10Gb/sや25Gb/s動作を実現した報告における光送信モジュールの構成を示す。図３４（ａ）は従来の10Gb/s動作までの報告であり、図３４（ｂ）は従来の25Gb/s動作までの報告である。 Next, a description will be given focusing on the configuration using the TO-CAN package 13 and the FPC board 12. To date, there is no conventional technology that can achieve 40 Gb / s operation with this configuration. FIG. 34 shows the configuration of the optical transmission module in a report realizing 10 Gb / s or 25 Gb / s operation. FIG. 34A shows a report up to the conventional 10 Gb / s operation, and FIG. 34B shows a report up to the conventional 25 Gb / s operation.
図３４（ａ）に示すように、10Gb/s動作の光送信モジュールでは、FPC基板１２を90度曲げてTO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２とつないでいる。この構成では高周波の電気信号(RF信号)は同軸ピン２２とFPC基板１２の接続部で90度回転され、同軸ピン２２に伝送される。そのため、この接続部分でのRF信号の曲げ損失が問題になる。
更に、同軸ピン２２の空気にむき出しになっている部分（空気ギャップの部分）に起因して、同軸ピン２２の特性インピーダンスが設計値からずれ、伝送損失・反射損失を誘発する。図３５に示されているように同軸ピン２２は、その周囲をガラス２４や空気など絶縁体で埋められている。この同軸ピン２２のガラス２４で埋められている部分の特性インピーダンスは、同軸ピン２２の周囲を埋めているガラス２４の比誘電率εrとその直径及び中心導体（同軸ピン２２）の直径で決定される。この同軸ピン２２のガラス２４で埋められている部分を特性インピーダンスが50Ωになるように設定すると、同軸ピン２２の空気にむき出しになっている部分（空気ギャップの部分）での特性インピーダンスは50Ωからずれる。なぜなら、中心導体（同軸ピン２２）の空気にむきだしになっている部分の特性インピーダンスは中心導体（同軸ピン２２）の直径と空気の比誘電率εrで決まり、中心導体（同軸ピン２２）の空気にむきだしになっている部分の直径は中心導体（同軸ピン２２）のガラス２４で埋められている部分の直径と同じであるが、空気の比誘電率εrはガラス２４の比誘電率εrと異なるためである。
As shown in FIG. 34A, in the optical transmission module operating at 10 Gb / s, the FPC board 12 is bent 90 degrees and connected to the coaxial pin 22 of the TO-CAN package 13. In this configuration, a high-frequency electric signal (RF signal) is rotated by 90 degrees at the connection portion between the coaxial pin 22 and the FPC board 12 and transmitted to the coaxial pin 22. Therefore, the bending loss of the RF signal at this connection portion becomes a problem.
Furthermore, due to the portion of the coaxial pin 22 exposed to the air (air gap portion), the characteristic impedance of the coaxial pin 22 deviates from the design value, and transmission loss and reflection loss are induced. As shown in FIG. 35, the coaxial pin 22 is filled with an insulator such as glass 24 or air. The characteristic impedance of the portion of the coaxial pin 22 filled with the glass 24 is determined by the relative dielectric constant ε r of the glass 24 filling the periphery of the coaxial pin 22, its diameter, and the diameter of the central conductor (coaxial pin 22). Is done. If the portion of the coaxial pin 22 filled with the glass 24 is set to have a characteristic impedance of 50Ω, the characteristic impedance of the portion of the coaxial pin 22 exposed to the air (portion of the air gap) starts from 50Ω. Shift. This is because the characteristic impedance of the portion of the central conductor (coaxial pin 22) exposed to the air is determined by the diameter of the central conductor (coaxial pin 22) and the relative dielectric constant ε r of the air, and the central conductor (coaxial pin 22). The diameter of the exposed portion of the air is the same as the diameter of the portion of the central conductor (coaxial pin 22) that is filled with the glass 24, but the relative permittivity ε r of air is the relative permittivity ε of the glass 24. This is because it is different from r .
一方、図３４（ｂ）に示したように、25Gb/s動作の光送信モジュールは、RF信号がFPC基板１２と同軸ピン２２の接続部で９０度曲げられることは無く、真直ぐに伝送されるため、10Gb/sの場合に比べ、RF信号の曲げ損失が抑制できる構成ではある。しかし、空気ギャップの部分での電気特性の劣化は10Gb/sの場合と同様に誘発される。従って、40Gb/s動作可能な光送信モジュールを実現するためには、10Gb/s動作や25Gb/s動作の光送信モジュールに比べ、更に厳しい特性インピーダンスの設計が求められる。 On the other hand, as shown in FIG. 34B, in the optical transmission module operating at 25 Gb / s, the RF signal is transmitted straight without being bent by 90 degrees at the connection portion between the FPC board 12 and the coaxial pin 22. Therefore, compared to the case of 10 Gb / s, the configuration can suppress the bending loss of the RF signal. However, the deterioration of the electrical characteristics at the air gap is induced in the same manner as in the case of 10 Gb / s. Therefore, in order to realize an optical transmission module capable of operating at 40 Gb / s, it is required to design a stricter characteristic impedance than an optical transmission module operating at 10 Gb / s or 25 Gb / s.
従って、本発明はTO-CANパッケージとFPC基板を用いた光送信モジュールにおける上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、ＦＰＣ基板とTO-CANパッケージの接続部における特性インピーダンスを整合させて、40Gb/sのRF信号を低伝送損失・低反射損失でFPC基板からTO-CANパッケージ内部まで伝送することなどが可能な構成の光送信モジュールを提供することを課題とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems in the optical transmission module using the TO-CAN package and the FPC board, and matching the characteristic impedance at the connection portion between the FPC board and the TO-CAN package. An object of the present invention is to provide an optical transmission module configured to transmit a 40 Gb / s RF signal from the FPC board to the inside of the TO-CAN package with low transmission loss and low reflection loss.
上記課題を解決する第１発明の光送信モジュールは、TO-CANパッケージと、FPC基板とを有し、
前記FPC基板の表面に高周波信号線路と接地電極が配され、
前記TO-CANパッケージに配された同軸ピンが前記高周波信号線路に接続され、
前記高周波信号線路から、前記同軸ピンを介して、前記TO-CANパッケージの内部に配された光半導体素子に高周波電気信号を導通し、
前記高周波信号線路と前記接地電極との間の距離が0.1mm以上0.3mm以下であること
を特徴とする。
The optical transmission module of the first invention that solves the above-described problem has a TO-CAN package and an FPC board,
A high-frequency signal line and a ground electrode are arranged on the surface of the FPC board,
A coaxial pin arranged in the TO-CAN package is connected to the high-frequency signal line,
From the high-frequency signal line, through the coaxial pin, the high-frequency electrical signal is conducted to the optical semiconductor element arranged inside the TO-CAN package,
The distance between the high-frequency signal line and the ground electrode is 0.1 mm or more and 0.3 mm or less.
また、第２発明の光送信モジュールは、第１発明の光送信モジュールにおいて、
前記FPC基板はLCP材料を用いて作成したものであることを特徴とする。
The optical transmission module of the second invention is the optical transmission module of the first invention.
The FPC substrate is made using an LCP material.
また、第３発明の光送信モジュールは、第１又は第２発明の光送信モジュールにおいて、前記高周波信号線路と前記同軸ピンの接続部の特性インピーダンスが、50Ωになるように前記高周波信号線路と前記接地電極との間の距離が決定されていることを特徴とする。 The optical transmission module according to a third aspect of the present invention is the optical transmission module according to the first or second aspect, wherein the high-frequency signal line and the coaxial pin are connected so that a characteristic impedance of a connection portion between the high-frequency signal line and the coaxial pin is 50Ω. The distance between the ground electrode and the ground electrode is determined.
また、第４発明の光送信モジュールは、第１〜第３発明の何れか１つの光送信モジュールにおいて、
前記同軸ピンと前記FPC基板の接続部における空気ギャップが、0より大きく0.1mm以下であることを特徴とする。
Further, the optical transmission module of the fourth invention is the optical transmission module of any one of the first to third inventions,
An air gap at a connection portion between the coaxial pin and the FPC board is greater than 0 and 0.1 mm or less.
また、第５発明の光送信モジュールは、第１〜第４発明の何れか１つの光送信モジュールにおいて、
前記同軸ピンとFPC基板の接続部における空気ギャップが無いことを特徴とする。
The optical transmission module of the fifth invention is the optical transmission module of any one of the first to fourth inventions,
There is no air gap at the connection between the coaxial pin and the FPC board.
また、第６発明の光送信モジュールは、第１〜第５発明の何れか１つの光送信モジュールにおいて、
前記同軸ピンとFPC基板の接続部の高さ方向のずれが、0より大きく0.2mm以下であることを特徴とする。
Moreover, the optical transmission module of the sixth invention is the optical transmission module of any one of the first to fifth inventions,
A deviation in a height direction of a connection portion between the coaxial pin and the FPC board is greater than 0 and 0.2 mm or less.
また、第７発明の光送信モジュールは、第１〜第６発明の何れか１つの光送信モジュールにおいて、
前記FPC基板の裏側に直流信号線路が配され、
前記TO-CANパッケージに配された複数のDCピンが屈曲して前記直流信号線路に接続され、
前記直流信号線路から、前記複数のDCピンのうちの前記同軸ピンから最も離れたDCピンを介して前記TO-CANパッケージの内部に配された前記光半導体素子に直流電流を導通する構成としたこと
を特徴と。
Further, the optical transmission module of the seventh invention is the optical transmission module of any one of the first to sixth inventions,
A DC signal line is arranged on the back side of the FPC board,
A plurality of DC pins arranged in the TO-CAN package are bent and connected to the DC signal line,
A configuration in which a direct current is conducted from the direct current signal line to the optical semiconductor element disposed inside the TO-CAN package via a DC pin farthest from the coaxial pin among the plurality of DC pins. With that feature.
また、第８発明の光送信モジュールは、第１〜第７発明の何れか１つの光送信モジュールにおいて、
前記光半導体素子がEA-DFBレーザであり、
前記同軸ピンからの電気配線が、前記EA-DFBレーザにおけるEA変調器部に接続され、
前記DCピンからの電気配線が、前記EA-DFBレーザにおけるDFBレーザ部に接続されること
を特徴とする。
Moreover, the optical transmission module of the eighth invention is the optical transmission module of any one of the first to seventh inventions,
The optical semiconductor element is an EA-DFB laser,
The electrical wiring from the coaxial pin is connected to the EA modulator section in the EA-DFB laser,
The electrical wiring from the DC pin is connected to a DFB laser unit in the EA-DFB laser.
本発明によれば、FPC基板の高周波信号線路と接地電極との間の距離を0.1mm以上0.3mm以下としたことにより、ＦＰＣ基板とTO-CANパッケージの接続部における特性インピーダンスを整合させて、40Gb/sのRF信号を低伝送損失・低反射損失でFPC基板からTO-CANパッケージ内部まで伝送することなどが可能な光送信モジュールを実現することができる。 According to the present invention, since the distance between the high-frequency signal line of the FPC board and the ground electrode is 0.1 mm or more and 0.3 mm or less, the characteristic impedance in the connection part of the FPC board and the TO-CAN package is matched, An optical transmission module capable of transmitting 40 Gb / s RF signals from the FPC board to the inside of the TO-CAN package with low transmission loss and low reflection loss can be realized.
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
本発明においては、図１（ｂ）に示すような構成の光送信モジュールとすることで、FPC基板１２とTO-CANパッケージ１３の接続部の空気ギャップをゼロとした。図１（ａ）に空気ギャップの定義を示した。図１（ａ）に示すように、空気ギャップはTO-CANパッケージ１２の背面とFPC基板１２の先端との間の距離である。図１（ｂ）に実際の接続方法の模式図を示した。この接続方法を用いて、40Gb/sのRF信号を低伝送損失・低反射損失でFPC基板１２からTO-CANパッケージ１３の内部まで伝送することを目的とした。 In the present invention, the optical transmission module having the configuration as shown in FIG. 1B is used so that the air gap at the connection between the FPC board 12 and the TO-CAN package 13 is zero. FIG. 1A shows the definition of the air gap. As shown in FIG. 1A, the air gap is a distance between the back surface of the TO-CAN package 12 and the tip of the FPC board 12. FIG. 1B shows a schematic diagram of an actual connection method. The purpose of this connection method was to transmit a 40 Gb / s RF signal from the FPC board 12 to the inside of the TO-CAN package 13 with low transmission loss and low reflection loss.
本発明の光送信モジュールは、大きく３つの要素からなる。これら３つの要素に関して以下に詳細に説明する。
（１） 低い伝送損失・低い反射損失を実現するためのFPC基板の構造(材料選択・信号線設計)。
（２） FPC基板とTO-CANパッケージの接続方法。
（３） （２）の接続方法を実現するためのFPC基板の固定方法。
The optical transmission module of the present invention is mainly composed of three elements. These three elements are described in detail below.
(1) FPC board structure (material selection / signal line design) to achieve low transmission loss and low reflection loss.
(2) Connection method between FPC board and TO-CAN package.
(3) An FPC board fixing method for realizing the connection method of (2).
FPC基板１２は、光送信モジュールを駆動するための電気信号を、PCB（図３３（ｂ）参照）から、光送信モジュールまで伝送するための信号線路である。内部にEA-DFBレーザが搭載された光送信モジュールを駆動する場合には、主にEA-DFBレーザのDFBレーザ部に電流を注入するための直流信号線路（DC用線路）と、EA-DFBレーザのEA変調器部を駆動するためのRF信号線路がFPC基板１２には作製されている。もっとも難しいのは低伝送損失・低反射損失のRF信号線路をFPC基板１２に実現することである。そのため、FPC基板１２を作製する際の材料の選択についてまず説明する。 The FPC board 12 is a signal line for transmitting an electrical signal for driving the optical transmission module from the PCB (see FIG. 33B) to the optical transmission module. When driving an optical transmission module equipped with an EA-DFB laser, a DC signal line (DC line) for injecting current mainly into the DFB laser part of the EA-DFB laser, and the EA-DFB An RF signal line for driving the EA modulator portion of the laser is formed on the FPC board 12. The most difficult thing is to realize an RF signal line with low transmission loss and low reflection loss on the FPC board 12. Therefore, selection of a material when manufacturing the FPC board 12 will be described first.
図２（ａ）には従来のセラミック材料を用いて作製したFPC基板５１のRF信号線路５２の断面模式図を表し、図２（ｂ）にはLCP(液晶ポリマー)材料を用いて作製したFPC基板１２のRF信号線路２６の断面模式図を表している。LCP材料（比誘電率εr：４）は、セラミック材料に比べ比誘電率εrが小さい。そのため、FPC基板１２とFPC基板５１が同じ基板厚で、RF信号線路２６，５２の幅WLCP，Wceramicを、特性インピーダンスが50Ωになるように設計すると、セラミック材料を用いた場合のRF信号線路５２の幅Wceramicに比べて、LCP材料のほうがRF信号線路２６の幅WLCPを広く設計することができる。RF信号線路２６の幅WLCPを広く設計することのメリットは、電界がGNDと強く結合し、RF信号線路２６の曲げ損失や伝送損失を小さくすることができることである。 2A shows a schematic cross-sectional view of an RF signal line 52 of an FPC board 51 manufactured using a conventional ceramic material, and FIG. 2B shows an FPC manufactured using an LCP (liquid crystal polymer) material. The cross-sectional schematic diagram of the RF signal track | line 26 of the board | substrate 12 is represented. The LCP material (relative permittivity ε r : 4) has a relative permittivity ε r smaller than that of the ceramic material. Therefore, if the FPC board 12 and the FPC board 51 have the same board thickness, and the widths W LCP and W ceramic of the RF signal lines 26 and 52 are designed so that the characteristic impedance is 50Ω, the RF signal when a ceramic material is used. than the width W Ceramic line 52, can be more of LCP material is wider design width W LCP of the RF signal line 26. The merit of designing the wide width W LCP of the RF signal line 26 is that the electric field is strongly coupled to GND, and the bending loss and transmission loss of the RF signal line 26 can be reduced.
初めに今回の検討に用いる計算手法の正当性について説明する。計算は全て、Ansoft社製HFSS(高周波回路シミュレーター)を用いて行った。
図３（ａ）に計算・測定に用いたFPC基板１２の写真を示す。このFPC基板１２の基板材料はLCPである。HFSSで検討を行ったRF信号線路２６、及び、従来の直流信号線路（DC用線路）２７が形成されている。図３（ｂ）は作製したFPC基板１２の特性評価の結果に関して、測定結果と計算結果を示している。周波数が上昇していくに従い、伝送損失を表すＳ21は次第に減少していく。30GHz付近でのＳ21は計算結果・測定結果共に−0.5dBの値を得た。一方、周波数が上昇していくに従い、反射損失を表すＳ11は次第に上昇していく。30GHz付近でのＳ11は計算結果・測定結果共に−16dBの値を得た。このように計算と良く一致した結果を示すことがわかる。35GHz以上で計算と測定がずれているのは、測定ジグの帯域が十分でなかったという結果を反映している。このように計算が良く実験結果を再現でき、計算手法が正当であることが分かった。以下、いろいろなパラメータが電気特性に与える影響について、計算を用いて検討する。
First, the validity of the calculation method used in this study will be explained. All calculations were performed using Ansoft HFSS (high frequency circuit simulator).
FIG. 3A shows a photograph of the FPC board 12 used for calculation / measurement. The substrate material of the FPC board 12 is LCP. An RF signal line 26 examined by HFSS and a conventional DC signal line (DC line) 27 are formed. FIG. 3B shows a measurement result and a calculation result regarding the result of the characteristic evaluation of the manufactured FPC board 12. As the frequency increases, S 21 representing transmission loss gradually decreases. S 21 in the vicinity of 30GHz was obtained a value of both the calculation results and measurement results -0.5 dB. On the other hand, as the frequency increases, S 11 representing reflection loss gradually increases. S 11 in the vicinity of 30GHz was obtained a value of both the calculation results and measurement results -16 dB. It can be seen that the result agrees well with the calculation. The difference between calculation and measurement above 35 GHz reflects the result of insufficient measurement jig bandwidth. Thus, it was found that the calculation was good and the experimental results could be reproduced, and the calculation method was valid. In the following, the effect of various parameters on electrical characteristics will be examined using calculations.
次に、セラミックとLCPをFPC基板の基板材料として用いて、それぞれの場合のRF信号線路を検討した。図４（ａ）はセラミック材料の場合のFPC５１とTO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２の接続部の図であり、図４（ｂ）はLCP材料の場合のFPC基板１２とTO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２の接続部の図である。図４（ｃ）は図４（ａ）と図４（ｂ）のそれぞれの場合について、電気特性を計算した結果を示している。
通常用いられる値としてFPC基板１２，５１の厚さは0.21mmとした。特性インピーダンスを50ΩにするためのRF信号線路２６，５２の幅WLCP，Wceramicは、FPC基板１２，５１の厚さと、FPC基板１２，５１の材料(比誘電率)が決まると一意に決定される。RF信号線路２６，５２の幅WLCP，Wceramicの設計値はセラミック、LCPをFPC基板１２，５１の基板材料としたそれぞれ場合で、0.4mm及び0.18mmとなる。この両者に対して空気ギャップが0mmになるように接続した場合の電気特性の比較を述べる。
図４（ｃ）に示すように、周波数が上昇していくに従い、伝送損失を表すＳ21は次第に減少していく。セラミック材料の方が激しく減少しているのに対して、LCP材料の方は40GHzでも−0.3dB以下であった。一方、周波数が上昇していくに従い、反射損失を表すＳ11は次第に上昇していく。40GHzでのＳ11は、セラミック材料では40GHzで−13dBと劣化しているのに対して、LCP材料では−17dBと良好な値を確保できている。一般に良好な特性を得るためには電気反射は−15dB以下に抑える必要が有る。この結果はFPC基板１２の基板材料にLCPを用いることにより、40GHz動作に必要な特性が確保できることを示している。
Next, ceramic and LCP were used as substrate materials for the FPC substrate, and RF signal lines in each case were studied. FIG. 4A is a diagram of a connection portion between the FPC 51 in the case of a ceramic material and the coaxial pin 22 of the TO-CAN package 13, and FIG. 4B is a diagram of the FPC board 12 and the TO-CAN package 13 in the case of an LCP material. It is a figure of the connection part of the coaxial pin 22. FIG. 4C shows the result of calculating the electrical characteristics for each case of FIG. 4A and FIG.
As a commonly used value, the thickness of the FPC boards 12 and 51 was 0.21 mm. The widths W LCP and W ceramic of the RF signal lines 26 and 52 for setting the characteristic impedance to 50Ω are uniquely determined when the thickness of the FPC substrates 12 and 51 and the material (relative dielectric constant) of the FPC substrates 12 and 51 are determined. Is done. The design values of the widths W LCP and W ceramic of the RF signal lines 26 and 52 are 0.4 mm and 0.18 mm when ceramic and LCP are used as the substrate materials of the FPC substrates 12 and 51, respectively. A comparison of the electrical characteristics when both are connected so that the air gap is 0 mm will be described.
As shown in FIG. 4C, as the frequency increases, S 21 representing transmission loss gradually decreases. The ceramic material showed a sharp decrease, whereas the LCP material was less than -0.3 dB even at 40 GHz. On the other hand, as the frequency increases, S 11 representing reflection loss gradually increases. The S 11 at 40 GHz deteriorates to −13 dB at 40 GHz for ceramic materials, while a good value of −17 dB can be secured for LCP materials. Generally, in order to obtain good characteristics, it is necessary to suppress electric reflection to -15 dB or less. This result shows that the characteristics necessary for 40 GHz operation can be secured by using LCP as the substrate material of the FPC board 12.
LCPをFPC基板の基板材料として用いたRF信号線路の構造を検討した。目的は低伝送損失・低反射損失なRF信号線路の実現である。図５（ａ）及び図５（ｂ）それぞれにFPC基板１２とTO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２との接続部の断面図と上面図を示す。FPC基板１２の厚さとしては10Gb/sの技術で使われている一般的な値である0.05mmを採用した。FPC基板１２の長さも一般的な値である10mmとした。TO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２の導体の直径は10Gb/sの技術で使われている一般的な値の0.3mmとした。この同軸ピン１３との接続を考え、FPC基板１２のRF信号線路２６における接続部２６ａの幅を0.3mmとした。図５（ｂ）に示したとおり、FPC基板１２の上面にRF信号線路２６と間隔ΔＷ［mm］をおいて、接地電極（GND）２８を配置することを検討した。 The structure of the RF signal line using LCP as the substrate material of the FPC board was studied. The purpose is to realize an RF signal line with low transmission loss and low reflection loss. FIG. 5A and FIG. 5B respectively show a cross-sectional view and a top view of a connection portion between the FPC board 12 and the coaxial pin 22 of the TO-CAN package 13. The thickness of the FPC board 12 is 0.05 mm, which is a common value used in the 10 Gb / s technology. The length of the FPC board 12 is also 10 mm which is a general value. The diameter of the conductor of the coaxial pin 22 of the TO-CAN package 13 is set to 0.3 mm, which is a general value used in the technology of 10 Gb / s. Considering the connection with the coaxial pin 13, the width of the connection portion 26a in the RF signal line 26 of the FPC board 12 is set to 0.3 mm. As shown in FIG. 5B, it was considered to arrange a ground electrode (GND) 28 on the upper surface of the FPC board 12 with an interval ΔW [mm] from the RF signal line 26.
図６（ａ）及び図６（ｂ）はTO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２とFPC基板１２のRF信号線路２６における接続部２６ａの模式図を示している。図６（ａ）に示したとおり同軸ピン２２だけ考えた場合、同軸ピン２２のガラス２４で埋められている部分（図中のＬ1の範囲の部分）の特性インピーダンスを50Ωに整合させると、同軸ピン２２の空気にむき出しになっている部分（図中のＬ１の範囲の部分）の特性インピーダンスが50Ωより大きくなる。一方、FPC基板１２に着目すると、RF信号線路２６（図中のＬ3の範囲の部分）の特性インピーダンスを50Ωに整合させたとき、FPC１２の上面（表面）に配した接地電極２８とRF信号線路２６の間隔ΔＷを小さくしていくと、接地電極２８が配されている部分（図中のＬ4の範囲の部分）におけるRF信号線路２６の特性インピーダンスは50Ωより小さくなっていく。両者を接続することで、接続部の特性インピーダンスが50Ωに整合するようにΔＷの値を検討する。実際ΔＷを0.1〜0.5mmまで増加させて計算を行った。 FIGS. 6A and 6B are schematic diagrams of the connection portion 26 a in the coaxial pin 22 of the TO-CAN package 13 and the RF signal line 26 of the FPC board 12. When only the coaxial pin 22 is considered as shown in FIG. 6A, when the characteristic impedance of the portion of the coaxial pin 22 embedded in the glass 24 (the portion in the range of L 1 in the figure) is matched to 50Ω, The characteristic impedance of the portion of the coaxial pin 22 exposed to the air (the portion in the range of L1 in the figure) becomes larger than 50Ω. On the other hand, when focusing on the FPC board 12, when the characteristic impedance of the RF signal line 26 (the portion in the range of L3 in the figure) is matched to 50Ω, the ground electrode 28 disposed on the upper surface (front surface) of the FPC 12 and the RF signal line When the interval ΔW of 26 is reduced, the characteristic impedance of the RF signal line 26 in the portion where the ground electrode 28 is disposed (the portion in the range of L 4 in the figure) becomes smaller than 50Ω. By connecting the two, the value of ΔW is examined so that the characteristic impedance of the connection matches 50Ω. Actually, the calculation was performed by increasing ΔW to 0.1 to 0.5 mm.
図７（ａ），図７（ｂ）及び図７（ｃ）はΔＷ=0.4mm、ΔＷ=0.3mm、ΔＷ=0.2mmの場合のＳ21／Ｓ11特性の計算結果を示している。ΔＷが小さいほどFPC基板１２のRF信号線路２６は、接地電極２８がRF信号線路２６に近づくために低インピーダンスになる。同軸ピン２２のみを考えると、同軸ピン２２の空気にむき出しになっている部分で、高インピーダンスになる。高インピーダンスの同軸ピン２２を低インピーダンスのFPC基板１２のRF信号線路２６（接続部２６ａ）に接続することで、この接続点でのインピーダンスを全体として50Ωに近づけるように検討する。そのためΔＷが小さいほどＳ11特性の劣化が小さい良好な結果が得られることを計算は示している。 FIGS. 7A, 7B and 7C show the calculation results of the S 21 / S 11 characteristics when ΔW = 0.4 mm, ΔW = 0.3 mm and ΔW = 0.2 mm. The smaller the ΔW, the lower the impedance of the RF signal line 26 of the FPC board 12 because the ground electrode 28 approaches the RF signal line 26. If only the coaxial pin 22 is considered, the portion of the coaxial pin 22 exposed to the air has a high impedance. By connecting the high-impedance coaxial pin 22 to the RF signal line 26 (connection portion 26a) of the low-impedance FPC board 12, the impedance at this connection point as a whole is considered to approach 50Ω. Therefore, the calculation shows that the smaller the ΔW is, the better the result is obtained with less degradation of the S 11 characteristic.
図８には横軸にΔＷをとり、縦軸に40GHzにおけるＳ11の値の計算結果をプロットしたグラフを示す。ΔＷが小さくなるにつれ、前記接続点におけるＳ11特性は良好な値を示す。Ｓ11特性が−15dB以下になるにはΔＷが0.3mm以下であることが望ましい。計算結果によるとΔＷ=0.1以上0.3mm以下で良好な特性を示すことが分かる。
なお、この計算はFPC基板１２の厚さ0.05mm、同軸ピン２２の直径0.3mm、FPC基板１２上のRF信号線路２６の接続部２６ａの幅0.3mmとした場合の結果であるが、例えばFPC基板１２の厚さ0.05mm、同軸ピン２２の直径0.4mm、FPC基板１２上のRF信号線路２６の接続部２６ａの幅0.4mmとした場合においても、ΔＷは0.1〜0.3mmの間で良好な計算結果が得られることを確認した。
FIG. 8 is a graph in which ΔW is plotted on the horizontal axis and the calculation result of the value of S 11 at 40 GHz is plotted on the vertical axis. As ΔW becomes smaller, the S 11 characteristic at the connection point shows a better value. It is desirable to S 11 characteristics are below -15dB is ΔW is 0.3mm or less. According to the calculation results, it can be seen that good characteristics are exhibited when ΔW = 0.1 to 0.3 mm.
This calculation is the result when the thickness of the FPC board 12 is 0.05 mm, the diameter of the coaxial pin 22 is 0.3 mm, and the width 26 mm of the connection portion 26 a of the RF signal line 26 on the FPC board 12. Even when the thickness of the substrate 12 is 0.05 mm, the diameter of the coaxial pin 22 is 0.4 mm, and the width of the connecting portion 26 a of the RF signal line 26 on the FPC substrate 12 is 0.4 mm, ΔW is good between 0.1 and 0.3 mm. It was confirmed that the calculation result was obtained.
一方、ΔＷを小さくするのには製造上は限界がある。なぜなら半田を用いて接続する際、半田が染み出すので、ΔＷの大きさは0.1mm以上取ることが望ましい。
TO-CANパッケージ１３を用いる場合、同軸ピン２２を用いてRF信号を伝送する。同軸ピン２２とFPC基板１２を接続する場合、このようにFPC基板１２におけるRF信号線路２６の接続部２６ａの周囲に接地電極２８を配し、接続部２６ａのインピーダンスを50Ωに整合させることが必要となる。特に40Gb/s動作実現のためにはインピーダンス不整合を抑制する必要が有り、そのためにΔＷの値を検討し決定する必要が有る。
On the other hand, there is a limit in manufacturing to reduce ΔW. This is because, when connecting using solder, the solder oozes out, so it is desirable that ΔW be 0.1 mm or more.
When the TO-CAN package 13 is used, an RF signal is transmitted using the coaxial pin 22. When connecting the coaxial pin 22 and the FPC board 12, it is necessary to arrange the ground electrode 28 around the connection part 26 a of the RF signal line 26 in the FPC board 12 and match the impedance of the connection part 26 a to 50Ω. It becomes. In particular, in order to realize 40 Gb / s operation, it is necessary to suppress impedance mismatching. For this reason, it is necessary to examine and determine the value of ΔW.
図９は光送信モジュールを構成するTO-CANパッケージ１３とFPC基板１２の接続部（空気ギャップ無し）の概念図を示している。図９（ａ）は光送信モジュールを背面から見た図、図９（ｂ）は光送信モジュールの断面図である。図９のように接続することで、空気ギャップによる特性インピーダンスのずれを抑制する。そのために以下に接続方法（接続作業の手順）を述べる。
（１） まず、FPC基板１２と同軸ピン２２が平行になるようにする。
（２） 次に、FPC基板１２の先端面を、TO-CANパッケージ１３の背面（壁）１３（即ち底部１３ｂの背面及びガラス２４の背面）に押し当てて、空気ギャップを無くす。
（３） 次に、同軸ピン２２とＲＦ信号線路２６の位置を上から確認して、両者の位置を合わせる。
（４） 次に、FPC基板１２の先端面と、この先端面が押し当てられているTO-CANパッケージ１３の背面１３の部分とを、半田付けによって固定する。
（５） 更にＲＦ信号線路２６と同軸ピン２２も、半田付けによって固定する。
FIG. 9 shows a conceptual diagram of a connecting portion (no air gap) between the TO-CAN package 13 and the FPC board 12 constituting the optical transmission module. FIG. 9A is a view of the optical transmission module as viewed from the back, and FIG. 9B is a cross-sectional view of the optical transmission module. By connecting as shown in FIG. 9, the deviation of the characteristic impedance due to the air gap is suppressed. For this purpose, a connection method (connection work procedure) will be described below.
(1) First, the FPC board 12 and the coaxial pin 22 are made parallel.
(2) Next, the front end surface of the FPC board 12 is pressed against the back surface (wall) 13 of the TO-CAN package 13 (that is, the back surface of the bottom portion 13b and the back surface of the glass 24) to eliminate the air gap.
(3) Next, the positions of the coaxial pin 22 and the RF signal line 26 are confirmed from above, and the positions of both are aligned.
(4) Next, the front end surface of the FPC board 12 and the portion of the back surface 13 of the TO-CAN package 13 against which the front end surface is pressed are fixed by soldering.
(5) Further, the RF signal line 26 and the coaxial pin 22 are also fixed by soldering.
仮に、図１０（ａ）に示すように空気ギャップＺが存在した場合の電気特性に与える影響について計算を用いて検討した。図１０（ｂ）のように空気ギャップＺが0mmから0.5mmに増加した場合にＳ11は40GHzにおいて−18dB → −9dBと増加する。高周波のデバイス特性をとして良好な特性を得るために−15dBをきるためには、空気ギャップＺが0.1mm以下である必要がある。従来の接続方法、例えば10Gb/s及び25Gb/sで紹介した接続方法では構造上このように接続部の空気ギャップを0.1mm以下とすることは不可能である。本発明の構成であれば、空気ギャップを事実上ゼロとすることができるので、良好なＳ11を確保することが可能である。 Temporarily, the influence which it has on the electrical property when the air gap Z exists as shown in FIG. As shown in FIG. 10B, when the air gap Z increases from 0 mm to 0.5 mm, S 11 increases from −18 dB to −9 dB at 40 GHz. In order to obtain -15 dB in order to obtain good characteristics using high-frequency device characteristics, the air gap Z needs to be 0.1 mm or less. In the conventional connection method, for example, the connection method introduced at 10 Gb / s and 25 Gb / s, it is impossible to make the air gap of the connection part 0.1 mm or less in this way because of the structure. According to the configuration of the present invention, the air gap can be practically zero, and thus it is possible to ensure good S 11 .
次に、図１１に同軸ピン２２とFPC基板１２の接続部における高さ方向のずれ（高さずれ）Δｈの電気特性への影響を示す。図１１（ａ）に示すように、高さずれとΔｈとは、同軸ピン２２の下側とＦＰＣ基板１２の表面（上面）の間の距離である。図１１（ｂ）に示すように、空気ギャップＺを0mmに固定して、高さズレΔｈを0.1 mm → 0.3mmと変化させた。計算によると、Δｈが0.1mmのときはＳ11は40GHzにおいて−20dBであるのに対して、Δｈが0.3mmのときは−14dBと−15dBより劣化する。このことから高さズレΔｈを0.2mm以下にすることが望ましい。25Gb/s動作を報告した従来方法では、高さずれを0.2mm以下とすることは不可能である。本発明の構成であれば、高さずれを事実上ゼロとすることができるので、良好なＳ11を確保することが可能である。 Next, FIG. 11 shows the influence on the electrical characteristics of the deviation (height deviation) Δh in the height direction at the connection portion between the coaxial pin 22 and the FPC board 12. As shown in FIG. 11A, the height shift and Δh are distances between the lower side of the coaxial pin 22 and the surface (upper surface) of the FPC board 12. As shown in FIG. 11B, the air gap Z was fixed to 0 mm, and the height deviation Δh was changed from 0.1 mm to 0.3 mm. According to the calculation, when Δh is 0.1 mm, S 11 is −20 dB at 40 GHz, whereas when Δh is 0.3 mm, the deterioration is −14 dB and −15 dB. Therefore, it is desirable that the height deviation Δh is 0.2 mm or less. With the conventional method that reported 25 Gb / s operation, it is impossible to make the height deviation 0.2 mm or less. With the configuration of the present invention, the height deviation can be made virtually zero, so that a favorable S 11 can be ensured.
次に、FPCの厚さを0.21mmとしてその他の効果に対しても計算をした。例えば、図１２（ａ）に示すＲＦ信号線路２６と接地電極２８の間隔ΔＷに対する依存性を、図１２（ｂ）に示した。なお、空気ギャップＺ=0mm、高さずれΔｈ=0.2mm、ＲＦ信号線路２の幅Ｗ=0.32mmとした。FPC基板１２が0.05mm厚のときに比べ、0.21mm厚の場合には、特性を大きく劣化させる要因にはならないことが分かった。また、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）のようにFPC基板１２の接続部に接地電極２８を入れるか入れないかについても計算をしたが（両方とも空気ギャップＺは0mm）、図１３（ｃ）に示すように大きな特性の差は見えなかった。 Next, the FPC thickness was set to 0.21 mm, and other effects were also calculated. For example, the dependency on the distance ΔW between the RF signal line 26 and the ground electrode 28 shown in FIG. 12A is shown in FIG. Note that the air gap Z = 0 mm, the height deviation Δh = 0.2 mm, and the width W of the RF signal line 2 = 0.32 mm. It has been found that when the thickness of the FPC board 12 is 0.051 mm, the characteristic is not greatly deteriorated when the thickness is 0.21 mm. Further, as shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b), it was calculated whether or not the ground electrode 28 was inserted into the connecting portion of the FPC board 12 (both the air gap Z was 0 mm). As shown in (c), no significant characteristic difference was observed.
これらの計算結果は、FPC基板１２が0.21mm厚のときは電気特性に大きな影響を与えるのは空気ギャップＺと高さずれΔｈであることを示しており、これらを抑制するための本発明の接続方法は非常に有用だということが示された。 These calculation results show that when the FPC board 12 is 0.21 mm thick, it is the air gap Z and the height deviation Δh that have a great influence on the electrical characteristics. The connection method was shown to be very useful.
次に、上記（２）で提案した接続方法を実現するために、本実施の形態例の光送信モジュールの構成要素であるFPC基板とTO-CANパッケージを固定（接続）する方法について説明する。 Next, in order to realize the connection method proposed in (2) above, a method for fixing (connecting) the FPC board, which is a component of the optical transmission module of the present embodiment, and the TO-CAN package will be described.
図１４に接続方法の説明図を示している。図１４（ａ）には光送信モジュールのFPC基板１２とTO-CANパッケージ１３の接続部の背面側の斜視図を示しており、図１４（ｂ）にはその断面図を示している。これらの図において２１はFPC基板１２とTO-CANパッケージ１３を半田付けする箇所である。
図１４（ｃ）及び図１４（ｄ）はTO-CANパッケージ１３の背面写真であり、高周波同軸ピン２２及び複数の直流（DC）ピン２３の配置を示している。複数のＤＣピン２３を、以後、図１４（ｃ）及び図１４（ｄ）において左から右へ順に第１のＤＣピン２３、第２のＤＣピン２３、第３のＤＣピン２３とも称する。同軸ピン２１は円柱状の導体であり、TO-CANパッケージ１３の底部１３ａに設けられた絶縁体で円柱状のガラス２４の中心部を貫通してガラス２４と同軸になっており（即ち周囲をガラス２４で埋められており）、両側部分が、TO-CANパッケージ１３の外側（図１４（ｂ）における右側）と内側（図１４（ｂ）における左側）とに突出している。各DCピン２３も底部１３ａを貫通して両側部分が、TO-CANパッケージ１３の外側と内側とに突出している。
FIG. 14 shows an explanatory diagram of the connection method. FIG. 14A shows a perspective view of the back side of the connecting portion between the FPC board 12 and the TO-CAN package 13 of the optical transmission module, and FIG. 14B shows a cross-sectional view thereof. In these drawings, reference numeral 21 denotes a place where the FPC board 12 and the TO-CAN package 13 are soldered.
FIGS. 14C and 14D are rear photographs of the TO-CAN package 13 and show the arrangement of the high-frequency coaxial pins 22 and a plurality of direct current (DC) pins 23. Hereinafter, the plurality of DC pins 23 are also referred to as a first DC pin 23, a second DC pin 23, and a third DC pin 23 in order from left to right in FIGS. 14 (c) and 14 (d). The coaxial pin 21 is a cylindrical conductor, is an insulator provided on the bottom portion 13a of the TO-CAN package 13, passes through the central portion of the cylindrical glass 24, and is coaxial with the glass 24 (that is, around the periphery). Both sides of the TO-CAN package 13 protrude outside (to the right in FIG. 14B) and inside (to the left in FIG. 14B). Each DC pin 23 also penetrates the bottom portion 13 a and both side portions protrude to the outside and inside of the TO-CAN package 13.
図１４（ａ）〜図１４（ｄ）に示すように、TO-CANパッケージ１３には、TO-CANパッケージ１３の内部に実装されている光半導体素子へ高周波電気信号を導通するための同軸ピン２２と、複数のDCピン２３が並列に配置されている。これらのピン２２，２３を用いてFPC基板１２を固定する方法について述べる。 As shown in FIGS. 14A to 14D, the TO-CAN package 13 includes a coaxial pin for conducting a high-frequency electrical signal to an optical semiconductor element mounted inside the TO-CAN package 13. 22 and a plurality of DC pins 23 are arranged in parallel. A method of fixing the FPC board 12 using these pins 22 and 23 will be described.
まず、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示すように、FPC基板１２を同軸ピン２２とその他３本のDCピン２３にあわせて高さずれが0、空気ギャップが0になるように配置する。そして、半田付け箇所２１においてFPC基板１２とTO−CANパッケージ１３とを、半田を用いて固定する。即ち、FPC基板１２の先端面全体（即ち図１４（ａ）に矢印Ｄで示すFPC基板１２の幅方向の全体に亘って）を、TO-CANパッケージ１３の背面１３ｂに半田付けによって接続している。更に、同軸ピン２２（TO-CANパッケージ１３の外側に突出している部分）と、FPC基板１２の表面に配されている高周波信号線路（RF信号線路）２６も、半田付けによって接続している。
その後、各DCピン２３とFPC基板１２を、半田を用いて図１４（ｂ）に示すように固定する。即ち、FPC基板１２の下にある各DCピン２３（TO-CANパッケージ１３の外側に突出している部分）を、図１４（ｂ）に一点鎖線で示すようにＦＰＣ基板１２と平行に真直ぐに延びた状態から、矢印Ｅの如く上に（ＦＰＣ基板１２の方向に）曲げて図１４（ｂ）に実線で示す状態とし、FPC基板１２の裏面の３箇所（前記裏面に配された直流信号線路）に半田付けによって（半田付け箇所２５）、固定する。
First, as shown in FIGS. 14A and 14B, the FPC board 12 is aligned with the coaxial pin 22 and the other three DC pins 23 so that the height deviation is 0 and the air gap is 0. Deploy. Then, the FPC board 12 and the TO-CAN package 13 are fixed using solder at the soldering location 21. That is, the entire front end surface of the FPC board 12 (that is, the entire width direction of the FPC board 12 indicated by an arrow D in FIG. 14A) is connected to the back surface 13b of the TO-CAN package 13 by soldering. Yes. Further, the coaxial pin 22 (portion protruding outside the TO-CAN package 13) and the high-frequency signal line (RF signal line) 26 arranged on the surface of the FPC board 12 are also connected by soldering.
Thereafter, the DC pins 23 and the FPC board 12 are fixed using solder as shown in FIG. That is, each DC pin 23 (the part protruding outside the TO-CAN package 13) under the FPC board 12 extends straight in parallel with the FPC board 12 as shown by a one-dot chain line in FIG. In this state, it is bent upward (in the direction of the FPC board 12) as shown by an arrow E to obtain a state indicated by a solid line in FIG. 14B, and three positions on the back surface of the FPC board 12 (DC signal lines arranged on the back surface). ) By soldering (soldering location 25).
次に、DCピン２３の配線方法について述べる。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）にTO-CANパッケージ１３を背面側から見た写真を示す。図１５（ａ）においては３本のDCピン２３が設けられているが、DCピン２３の数はTO-CANパッケージ１３の大きさに応じて増やすことができる。図１５（ｂ）には４本のDCピン２３を設けた場合を示している。４本のＤＣピン２３を、以後、図１５（ｄ）において左から右へ順に第１のDCピン２３、第２のDCピン２３、第３のDCピン２３、第４のDCピン２３とも称する。 Next, a method for wiring the DC pins 23 will be described. FIGS. 15A and 15B show photographs of the TO-CAN package 13 viewed from the back side. In FIG. 15A, three DC pins 23 are provided, but the number of DC pins 23 can be increased according to the size of the TO-CAN package 13. FIG. 15B shows a case where four DC pins 23 are provided. Hereinafter, the four DC pins 23 are also referred to as a first DC pin 23, a second DC pin 23, a third DC pin 23, and a fourth DC pin 23 in order from left to right in FIG. .
図１６にTO-CANパッケージ１３の内部の配置を示す。図示例では、TO-CANパッケージ１３の内部にEA-DFBレーザ３１、高周波回路基板３２、モニタPD３３、バイパスコンデンサ３４、50Ωのチップ抵抗３５、サーミスタ３６などが配置されている。DCピン２３を使用する用途としては、TO-CANパッケージ１３内部にEA-DFBレーザ３１を実装する場合には、LD注入電流用、モニタPD３３用、サーミスタ３６用である。TO-CANパッケージ１３の内部の各素子（EA-DFBレーザ３１、モニタPD３３、サーミスタ３６）は、金線ワイヤを用いて各DCピン２３に結線する。高周波同軸ピン２２のみは、半田を用いてTO-CANパッケージ１３内部の高周波回路基板３２（高周波信号線路３２ａ）と接続する。 FIG. 16 shows the internal arrangement of the TO-CAN package 13. In the illustrated example, an EA-DFB laser 31, a high-frequency circuit board 32, a monitor PD 33, a bypass capacitor 34, a 50Ω chip resistor 35, a thermistor 36, and the like are arranged inside the TO-CAN package 13. The DC pin 23 is used for LD injection current, monitor PD 33 and thermistor 36 when the EA-DFB laser 31 is mounted inside the TO-CAN package 13. Each element (EA-DFB laser 31, monitor PD 33, thermistor 36) inside the TO-CAN package 13 is connected to each DC pin 23 using a gold wire. Only the high frequency coaxial pin 22 is connected to the high frequency circuit board 32 (high frequency signal line 32a) inside the TO-CAN package 13 using solder.
各ピン２２，２３の配置について説明する。図１７にFPC基板１２をTO-CANパッケージ１３に接続する際の各ピン２２，２３の配置を示している。第１〜第４のDCピン２３がFPC基板１２の下側にくる場合が図１７（ａ）及び図１７（ｂ）であり、第１〜第４のDCピン２３がFPC基板１２の上側に来る場合が図１７（ｃ）及び図１７（ｄ）である。同軸ピン２２の位置に一番近いのが第２のDCピン２３である。同軸ピン２２から一番遠い位置にあるのは第４のDCピン２３である。DCピン２３は、EA-DFBレーザを実装する場合には前述のとおり、LD注入電流用、モニタPD２３用、サーミスタ３６用として用いるが、必要に応じて温度調節素子を駆動するためにも利用する。図１７（ｂ）及び図１７（ｄ）の例では、ＦＰＣ基板１２の裏面に設けられた２つ短い直流信号線路２７ａのうちの外側の直流信号線路２７ａに同軸ピン２２から最も離れている第４のDCピン２３が半田付けで接続され、内側の直流信号線路２７ａに第３のDCピン２３が半田付けで接続されている。FPC基板１２の表面には２本の直流信号線路２７が設けられており、これら２本の直流信号線路２７のうちの外側の直流信号線路２７には外側の直流信号線路２７ａがＦＰＣ基板１２の貫通穴（図示省略）を介して電気的に導通され、内側の直流信号線路２７には内側の直流信号線路２７ａがＦＰＣ基板１２の貫通穴（図示省略）を介して電気的に導通されている。 The arrangement of the pins 22 and 23 will be described. FIG. 17 shows the arrangement of the pins 22 and 23 when the FPC board 12 is connected to the TO-CAN package 13. 17A and 17B show the case where the first to fourth DC pins 23 are located below the FPC board 12, and the first to fourth DC pins 23 are located above the FPC board 12. FIG. FIG. 17C and FIG. The second DC pin 23 is closest to the position of the coaxial pin 22. The fourth DC pin 23 is located farthest from the coaxial pin 22. As described above, the DC pin 23 is used for the LD injection current, the monitor PD 23, and the thermistor 36 when the EA-DFB laser is mounted. However, the DC pin 23 is also used to drive the temperature adjusting element as necessary. . In the example of FIGS. 17B and 17D, the outermost DC signal line 27a of the two short DC signal lines 27a provided on the back surface of the FPC board 12 is the furthest away from the coaxial pin 22. The fourth DC pin 23 is connected by soldering, and the third DC pin 23 is connected by soldering to the inner DC signal line 27a. Two DC signal lines 27 are provided on the surface of the FPC board 12, and the outer DC signal line 27 a of the two DC signal lines 27 is connected to the outer DC signal line 27 of the FPC board 12. The inner DC signal line 27 is electrically connected to the inner DC signal line 27 through the through hole (not shown) of the FPC board 12. .
LD注入電流用、モニタPD２３用、サーミスタ３６用としてのみDCピン２３を利用する場合について説明する。この場合、DCピン２３に流れる電流が最も大きいのはLD注入電流用のDCピン２３であり、一般に80〜120mAの電流が流れる。DCピン２３をFPC基板１２の裏面に接続する場合、このDCピン２３とFPC基板１２の接続部で電流が流れることにより熱が発生する（図１７（ｄ）の発熱部４１を参照）。そして、前記接続部からRF信号線路２６へ熱伝導することにより、RF信号線路２６の温度を上昇させる。この温度上昇によってRF信号線路２６の一部で熱勾配が生じると、RF信号線路２６の特性インピーダンスが変化し、その結果、RF信号線路２６の電気特性を劣化させる。特にFPC基板１２は0.05mmと薄いためにこの効果が顕著に現れる。よって、LD用のDCライン及び接続部は、可能な限りRF信号線路２６から離すことが望ましい。そのため、同軸ピン２２（RF信号線路２６）から一番遠い（最も離れた）位置にある第４のDCピン２３を、LD注入電流用に割り当てる。 A case where the DC pin 23 is used only for the LD injection current, the monitor PD 23, and the thermistor 36 will be described. In this case, the current flowing through the DC pin 23 is the largest for the LD injection current DC pin 23, and generally a current of 80 to 120 mA flows. When the DC pin 23 is connected to the back surface of the FPC board 12, heat is generated by a current flowing through the connecting portion between the DC pin 23 and the FPC board 12 (see the heat generating part 41 in FIG. 17D). Then, the temperature of the RF signal line 26 is increased by conducting heat from the connection portion to the RF signal line 26. When a thermal gradient occurs in a part of the RF signal line 26 due to this temperature rise, the characteristic impedance of the RF signal line 26 changes, and as a result, the electrical characteristics of the RF signal line 26 are deteriorated. In particular, since the FPC board 12 is as thin as 0.05 mm, this effect appears remarkably. Therefore, it is desirable that the DC line for the LD and the connection portion be separated from the RF signal line 26 as much as possible. Therefore, the fourth DC pin 23 located farthest from the coaxial pin 22 (RF signal line 26) is allocated for the LD injection current.
以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
［実施例１］
（構造）
図１８には本発明の実施例１の光送信モジュールの構成図を示す。本実施例１の光送信モジュールは、硬い金属の台６１の表面（上面）と裏面（下面）にそれぞれFPC基板１２とDC配線基板６２とを半田付けし、その一体化した台６１とFPC基板１２とDC配線基板６２を、空気ギャップ及び高さずれが無いように、TO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２とDCピン２３で挟み込む構造としている。TO-CANパッケージ１３内部にEA-DFBレーザを実装する場合は、EA-DFBレーザのEA変調器部を駆動するためのRF信号は硬い金属の台６１の上に置いたFPC基板１２のRF信号線路を通して伝送する。EA-DFBレーザのDFBレーザ部に注入する電流は下側のDC配線基板から行った。EA変調器部とDFBレーザ部の給電線路は極力距離が取れるような位置関係においた。こうすることでLD注入電流による発熱の影響を抑えることができるためである。
[Example 1]
(Construction)
FIG. 18 shows a configuration diagram of the optical transmission module according to the first embodiment of the present invention. In the optical transmission module of the first embodiment, the FPC board 12 and the DC wiring board 62 are soldered to the front surface (upper surface) and back surface (lower surface) of the hard metal base 61, respectively, and the integrated base 61 and FPC board are integrated. 12 and the DC wiring board 62 are sandwiched between the coaxial pin 22 and the DC pin 23 of the TO-CAN package 13 so that there is no air gap and no height shift. When the EA-DFB laser is mounted inside the TO-CAN package 13, the RF signal for driving the EA modulator section of the EA-DFB laser is the RF signal of the FPC board 12 placed on the hard metal base 61. Transmit through the line. The current injected into the DFB laser part of the EA-DFB laser was from the lower DC wiring board. The feed line between the EA modulator section and the DFB laser section is positioned so that the distance is as long as possible. This is because the influence of heat generated by the LD injection current can be suppressed.
（寸法）
FPC基板１２はLCP材料で作製した。FPC基板１２の厚さは0.2mmで長さは10mmとした。TO-CANパッケージ１３とFPC基板２１の接続部の寸法は図１９のようである。即ち、同軸ピン２２の直径は0.3mm、RF信号線路２６の接続部２６ａにおける幅は0.3mm、そして接続部２６ａから離れたところのRF信号線路２６の幅は0.32mmとした。実施の形態例で述べたとおり、空気ギャップと高さずれが特性に大きな影響を与えるため、図１８のように空気ギャップがゼロになるようにFPC基板２２とTO-CANパッケージ１３を接続した。
(Size)
The FPC substrate 12 was made of LCP material. The thickness of the FPC board 12 was 0.2 mm and the length was 10 mm. The dimensions of the connecting portion between the TO-CAN package 13 and the FPC board 21 are as shown in FIG. That is, the diameter of the coaxial pin 22 is 0.3 mm, the width of the connection portion 26a of the RF signal line 26 is 0.3 mm, and the width of the RF signal line 26 away from the connection portion 26a is 0.32 mm. As described in the embodiment, since the air gap and the height shift greatly affect the characteristics, the FPC board 22 and the TO-CAN package 13 are connected so that the air gap becomes zero as shown in FIG.
（実装の手順）
図２０に実施例１の光送信モジュールの構成を示す。TO-CANパッケージ１３の直径は7.4mmを用いた。実装の流れとしては、TO-CANパッケージ１３の内部に必要な素子類を実装し、レンズキャップ６３、フェルールホルダー６５、フェルール６６、光ファイバ６４などを接続してから、FPC基板１２を接続する。最初に、TO-CANパッケージ１３の内部素子を実装する手順について述べる。TO-CANパッケージ１３内部の簡単な接続図を図２１（ａ）に示し、写真を図２１（ｂ）に示す。図２１に示すように、TO-CANパッケージ１３内部に実装する光半導体素子としてはEA-DFBレーザ３１を用いる。EA-DFBレーザ３１はEA変調器部３１ａとDFBレーザ部３１ｂを有している。
(Implementation procedure)
FIG. 20 shows the configuration of the optical transmission module of the first embodiment. The diameter of the TO-CAN package 13 is 7.4 mm. As a mounting flow, necessary elements are mounted in the TO-CAN package 13, and the lens cap 63, ferrule holder 65, ferrule 66, optical fiber 64, and the like are connected, and then the FPC board 12 is connected. First, the procedure for mounting the internal elements of the TO-CAN package 13 will be described. A simple connection diagram inside the TO-CAN package 13 is shown in FIG. 21A, and a photograph is shown in FIG. As shown in FIG. 21, an EA-DFB laser 31 is used as an optical semiconductor element mounted inside the TO-CAN package 13. The EA-DFB laser 31 has an EA modulator section 31a and a DFB laser section 31b.
TO-CANパッケージ１３内部への素子の実装及びTO-CANパッケージ１３とFPC基板１２の接続は以下の手順で行った。 The mounting of elements in the TO-CAN package 13 and the connection between the TO-CAN package 13 and the FPC board 12 were performed in the following procedure.
（１） EA-DFBレーザ３１をヒートシンク３７ (主にAlNが用いられる)にダイボンディングを用いて半田付けする。
（２） 次に、ヒートシンク３７をTO-CANパッケージ１３内部の中心にダイボンディングを用いて半田付けする。
（３） 高周波回路基板３２、50Ωチップ抵抗３５、バイパスコンデンサ３４、モニタPD３３、サーミスタ３６を、銀ペーストもしくは半田を用いてTO-CANパッケージ１３内部に図２０，図２１のように搭載する。
（４） 高周波回路基板３２と同軸ピン２２を半田付けする。
（５） 高周波回路基板３２、EA-DFBレーザ３１（EA変調器部３１ａ，DFBレーザ部３１ｂ）、50Ωチップ抵抗３５、モニタPD３３などを、ワイヤ６７を用いて配線する。
（６） シーム溶接でTO-CANパッケージ１３にレンズキャップ６３を付ける。
（７） レンズキャップ６３を溶接後のTO-CANパッケージ１３に光ファイバ６４を、YAG溶接する。
（８） （７）まで終了して素子が実装されたTO-CANパッケージ１３に対して、前述のようにFPC基板１２を接続する。
(1) The EA-DFB laser 31 is soldered to a heat sink 37 (mainly AlN is used) by die bonding.
(2) Next, the heat sink 37 is soldered to the center of the TO-CAN package 13 using die bonding.
(3) The high-frequency circuit board 32, 50Ω chip resistor 35, bypass capacitor 34, monitor PD 33, and thermistor 36 are mounted inside the TO-CAN package 13 as shown in FIGS. 20 and 21 using silver paste or solder.
(4) The high frequency circuit board 32 and the coaxial pin 22 are soldered.
(5) The high-frequency circuit board 32, the EA-DFB laser 31 (EA modulator unit 31a, DFB laser unit 31b), the 50Ω chip resistor 35, the monitor PD 33, and the like are wired using the wire 67.
(6) Attach the lens cap 63 to the TO-CAN package 13 by seam welding.
(7) The optical fiber 64 is YAG welded to the TO-CAN package 13 after the lens cap 63 is welded.
(8) As described above, the FPC board 12 is connected to the TO-CAN package 13 in which the elements are mounted after completing the steps up to (7).
（実験結果）
図２２は作製した本実施例１のTO-CANモジュール（光送信モジュール）のTDR(Time domain reflectometry)測定の結果を示す。TDRはDUTの特性インピーダンスを測定する手法である。TO-CANパッケージ１３とFPC基板１２の接続部における空気ギャップ及び高さずれに起因するインピーダンス不整合を抑制したことで、FPC基板１２からEA-DFBレーザ３１までの高周波信号線路の特性インピーダンスがほぼ50Ωに整合している結果が得られた。従来の方法では、接続部に空気ギャップが存在していたため、特性インピーダンスの不整合を抑制することができなった。
(Experimental result)
FIG. 22 shows the result of TDR (Time domain reflectometry) measurement of the manufactured TO-CAN module (optical transmission module) of the first embodiment. TDR is a technique for measuring the characteristic impedance of a DUT. By suppressing the impedance mismatch caused by the air gap and the height shift at the connection part of the TO-CAN package 13 and the FPC board 12, the characteristic impedance of the high-frequency signal line from the FPC board 12 to the EA-DFB laser 31 is almost equal. Results consistent with 50Ω were obtained. In the conventional method, since there is an air gap in the connecting portion, mismatching in characteristic impedance cannot be suppressed.
図２３は作製した本実施例１のTO-CANモジュール（光送信モジュール）の小信号応答特性を示す。このTO-CANモジュール（光送信モジュール）には実施の形態例で述べたとおり、EA-DFBレーザ３１が内部に搭載されている。図２３にはEA-DFBレーザ３１と同特性を有するEADFBレーザ素子をバタフライモジュール（光送信モジュール）に搭載した結果も示す。TO-CANモジュール（光送信モジュール）のE/O 3dB帯域は33GHzで、バタフライモジュール（光送信モジュール）の39GHzに比べ遜色の無い値を示している。このように高価なコネクタと高価な積層セラミックのパッケージを用いずに、TO-CANパッケージ１３とFPC基板１２の構成で、40Gb/s動作可能な良好な特性を確保することができた。 FIG. 23 shows small signal response characteristics of the manufactured TO-CAN module (optical transmission module) of the first embodiment. As described in the embodiment, this EA-DFB laser 31 is mounted on the TO-CAN module (optical transmission module). FIG. 23 also shows the result of mounting an EADFB laser element having the same characteristics as the EA-DFB laser 31 on a butterfly module (optical transmission module). The E-O 3dB bandwidth of the TO-CAN module (optical transmission module) is 33GHz, which is comparable to the 39GHz of the butterfly module (optical transmission module). Thus, it was possible to secure good characteristics capable of 40 Gb / s operation with the configuration of the TO-CAN package 13 and the FPC board 12 without using an expensive connector and an expensive multilayer ceramic package.
図２４に作製したTO-CANモジュール（光送信モジュール）の40Gb/s変調特性を示す。図２４（ａ）にはTO-CANモジュール（光送信モジュール）に入力した40Gb/s電気信号波形を示し、図２４（ｂ）及び図２４（ｃ）にはそれぞれ1.3μm帯／1.55μm帯のEADFBレーザ搭載のTO-CANモジュール（光送信モジュール）の40Gb/sBTB変調波形及び変調光出力（Pave）、消光比（ER）、レーザ注入電流（ILD）、EA印加電圧（Vb）を示す。
図２４（ａ）及び図２４（ｂ）に示すように1.3μm帯及び1.55μm帯のEADFBレーザ搭載の両TO-CANモジュールに対し、明瞭な40Gb/s変調波形を確認した。光出力及び消光比も十分な値を確認した。
FIG. 24 shows the 40 Gb / s modulation characteristics of the manufactured TO-CAN module (optical transmission module). FIG. 24A shows a 40 Gb / s electric signal waveform input to the TO-CAN module (optical transmission module). FIGS. 24B and 24C show the 1.3 μm band / 1.55 μm band, respectively. Shows 40Gb / sBTB modulation waveform and modulated light output (P ave ), extinction ratio (ER), laser injection current (I LD ), EA applied voltage (Vb) of TO-CAN module (optical transmission module) equipped with EADFB laser .
As shown in FIGS. 24 (a) and 24 (b), clear 40 Gb / s modulation waveforms were confirmed for both TO-CAN modules equipped with EADFB lasers in the 1.3 μm band and the 1.55 μm band. The light output and extinction ratio were confirmed to be sufficient values.
［実施例２］
（構造）
図２５には本発明の実施例２の光送信モジュールの構成図を示す。実施例１（図２０）では硬い金属の台６１の上にFPC基板１２を置く構成にしたが、図２５に示すように本実施例２ではFPC基板１２のみとした。FPC基板１２を実施の形態例で述べたようにＴＯ−ＣＡＮパッケージ１３に接続した構造図を図２６に示す。電気の配線は、TO-CANパッケージ１３の内部にEA-DFBレーザを実装する場合はEA-DFBレーザのEA変調器部を駆動するためのRF信号を、FPC基板１２に形成されたRF信号線路に導通するようにした。EA-DFBレーザのDFBレーザ部に注入する電流は、FPC基板１２の下側のDC配線基板から行った。DCピン２３の配置に関しては実施の形態例で述べたようにした。
[Example 2]
(Construction)
FIG. 25 shows a configuration diagram of an optical transmission module according to the second embodiment of the present invention. In the first embodiment (FIG. 20), the FPC board 12 is placed on the hard metal base 61. However, in the second embodiment, only the FPC board 12 is used as shown in FIG. FIG. 26 shows a structural diagram in which the FPC board 12 is connected to the TO-CAN package 13 as described in the embodiment. When the EA-DFB laser is mounted inside the TO-CAN package 13, the electrical wiring is an RF signal line formed on the FPC board 12 for driving the EA modulator section of the EA-DFB laser. To conduct. The current injected into the DFB laser portion of the EA-DFB laser was performed from the DC wiring board below the FPC board 12. The arrangement of the DC pin 23 is as described in the embodiment.
（寸法）
FPC基板１２はLCP材料で作製した。FPC基板１２の厚さは0.05mmで長さは10mmとした。FPC基板１２の接続部の寸法は図２７に示した。即ち、RF信号線路２６における同軸ピン２２との接続部２６ａの幅は0.3mm、そして接続部２６ａから離れたところのＲＦ信号線路２６の幅は0.1mmとした。実施の形態例で述べたとおり、空気ギャップが特性に大きな影響を与えるため、図２６の構造図のように空気ギャップがゼロになるようにFPC基板１２とTO-CANパッケージ１３を接続した。
LCP材料のセラミック材料に対する優位性は実施の形態例で述べた通りである。
本実施例２の実施例１に対する優位性は部品点数を減らしコストを削減したことと、10Gb/s技術のとの互換性を生むことである。実施例１に比べると、電気的GND強度(実施例１では厚みの有る硬い金属の台６１全体がGNDに落ちているが、本実施例２では裏面のメタライズした部分しかGNDとして働かないため)が弱いために電気特性が下がる。しかしながら、特性劣化の最大要因である空気ギャップを抑制しているため、40Gb/s動作においても明瞭な光のアイ波形を得ることができた。
(Size)
The FPC substrate 12 was made of LCP material. The thickness of the FPC board 12 was 0.05 mm and the length was 10 mm. The dimensions of the connecting portion of the FPC board 12 are shown in FIG. That is, the width of the connection part 26a with the coaxial pin 22 in the RF signal line 26 is 0.3 mm, and the width of the RF signal line 26 away from the connection part 26a is 0.1 mm. As described in the embodiment, since the air gap greatly affects the characteristics, the FPC board 12 and the TO-CAN package 13 are connected so that the air gap becomes zero as shown in the structural diagram of FIG.
The superiority of the LCP material over the ceramic material is as described in the embodiment.
The advantage of the second embodiment over the first embodiment is that the number of parts is reduced and the cost is reduced, and compatibility with the 10 Gb / s technology is produced. Compared to the first embodiment, the electrical GND strength (in the first embodiment, the entire thick metal base 61 falls to the GND, but in the second embodiment, only the metallized portion on the back surface serves as the GND) The electrical characteristics are lowered due to weakness. However, since the air gap, which is the biggest cause of characteristic deterioration, is suppressed, a clear optical eye waveform can be obtained even at 40 Gb / s operation.
［実施例３］
（構造）
図２８に示す本発明の実施例３の光送信モジュール（TO-CANモジュール）は、TO-CANパッケージ１３の内部に搭載する光半導体素子を、EA-DFBレーザの代わりに直接変調レーザ（DFBレーザ）７１とした例である。直接変調レーザ７１はEA-DFBレーザと異なり、駆動に必要な電気のラインはRF信号線路のみとなる。直流信号線路による注入電流の端子は不要となる。また構成として変化するのは、TO-CANパッケージ１３の内部にある高周波回路基板３２と直接変調レーザ７１（LD部７１ａ）の間に40Ω〜45Ωのチップ抵抗７２を挟む点である。この抵抗７２の抵抗値は光直接変調レーザ７１の抵抗と合わせて50Ωになるように設定する。一般に直接変調レーザ７１の抵抗は5〜10Ωであるために40Ω〜45Ωの抵抗７２とした。
[Example 3]
(Construction)
The optical transmission module (TO-CAN module) according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 28 has an optical semiconductor device mounted in the TO-CAN package 13 as a direct modulation laser (DFB laser) instead of an EA-DFB laser. ) 71. Unlike the EA-DFB laser, the direct modulation laser 71 has only an RF signal line as an electrical line necessary for driving. The terminal of the injection current by the DC signal line is not necessary. Also, the configuration changes in that a 40 Ω to 45 Ω chip resistor 72 is sandwiched between the high frequency circuit board 32 inside the TO-CAN package 13 and the direct modulation laser 71 (LD unit 71a). The resistance value of the resistor 72 is set to 50Ω together with the resistance of the optical direct modulation laser 71. Since the resistance of the direct modulation laser 71 is generally 5 to 10Ω, the resistance 72 is set to 40Ω to 45Ω.
（実験結果）
図２９は作製した本実施例３の光送信モジュール（TO-CANモジュール）の小信号応答特性を示す。実施の形態例で述べたとおり、直接変調レーザ７１がTO-CANパッケージ１３の内部に搭載されている。同特性を有する素子（直接変調レーザ）のみの結果も示す。本実施例３の光送信モジュール（TO-CANモジュール）のE/O 3dB帯域は29GHzで、素子（直接変調レーザ）のみの35GHzに比べ遜色の無い値を示している。このように高価なコネクタと高価な積層セラミックのパッケージを用いずに、TO-CANパッケージ１３とFPC基板１２の構成で、40Gb/s動作可能な良好な特性を確保することができた。
(Experimental result)
FIG. 29 shows the small signal response characteristics of the manufactured optical transmission module (TO-CAN module) of the third embodiment. As described in the embodiment, the direct modulation laser 71 is mounted inside the TO-CAN package 13. The result of only an element having the same characteristics (direct modulation laser) is also shown. The E / O 3dB band of the optical transmission module (TO-CAN module) of the third embodiment is 29 GHz, which is a value comparable to 35 GHz of the element (direct modulation laser) alone. Thus, it was possible to secure good characteristics capable of 40 Gb / s operation with the configuration of the TO-CAN package 13 and the FPC board 12 without using an expensive connector and an expensive multilayer ceramic package.
図３０に作製した本実施例３の光送信モジュール（TO-CANモジュール）の40Gb/s変調特性を示す。1.3μm直接変調レーザ７１を搭載の光送信モジュール（TO-CANモジュール）に対し、明瞭な40Gb/s変調波形（40Gb/s動作時のアイ波形）を確認した。光出力及び消光比も十分な値を確認した。 FIG. 30 shows the 40 Gb / s modulation characteristics of the optical transmission module (TO-CAN module) of Example 3 fabricated in this example. A clear 40 Gb / s modulation waveform (eye waveform during 40 Gb / s operation) was confirmed for an optical transmission module (TO-CAN module) equipped with a 1.3 μm direct modulation laser 71. The light output and extinction ratio were confirmed to be sufficient values.
［実施例４］
（構造）
図３１には本発明の実施例４の光送信モジュールの構造図を示す。本実施例４は、TO-CANパッケージ１３の内部に搭載する光半導体素子をEA-DFBレーザの変わりに直接変調レーザ７１とした例である。実施例３とは異なり、本実施例４では直接変調レーザ７１を駆動するための電気信号をRF信号成分(Vpp)とDC信号成分(ILD)に分けて入力する。図３１のようにRF信号成分(Vpp)は、実施例１及び実施例２のRF信号成分と同様に、FPC基板１２から同軸ピン２２を通り、TO-CANパッケージ１３の内部の光半導体素子（直接変調レーザ７１）に給電される。DC信号成分(ILD)は、実施例１及び実施例２のDFBレーザ部３１ｂに注入した電流と同様にTO-CANパッケージ１３のDCピン２３を通して導通し、その後ワイヤ６７を用いて光半導体素子（直接変調レーザ７１）まで給電される。DCピン３２は実施の形態例で述べたのと同様に配置する。図３２にはRF信号Vppで変動させる電流ILDを示す。
[Example 4]
(Construction)
FIG. 31 shows a structural diagram of an optical transmission module according to the fourth embodiment of the present invention. The fourth embodiment is an example in which an optical semiconductor element mounted in the TO-CAN package 13 is a direct modulation laser 71 instead of an EA-DFB laser. Unlike the third embodiment, in the fourth embodiment, an electric signal for driving the direct modulation laser 71 is divided into an RF signal component (Vpp) and a DC signal component (I LD ). As shown in FIG. 31, the RF signal component (Vpp) passes through the coaxial pin 22 from the FPC board 12 and passes through the optical semiconductor element (inside the TO-CAN package 13), as in the RF signal component of the first and second embodiments. Power is supplied to the direct modulation laser 71). The DC signal component (I LD ) is conducted through the DC pin 23 of the TO-CAN package 13 in the same manner as the current injected into the DFB laser unit 31b of the first and second embodiments, and then the optical semiconductor element using the wire 67 Power is supplied to (direct modulation laser 71). The DC pin 32 is arranged in the same manner as described in the embodiment. FIG. 32 shows the current I LD that varies with the RF signal Vpp.
本実施例４は実施例３と比べ、RF信号成分(Vpp)とDC信号成分(ILD)を分けて入力するために、40Ω〜45Ωの抵抗７２を通過する電流量を低減でき、抵抗７２部で発生する熱量を大幅に削減できる。40〜45Ωの抵抗７２で発生する熱を抑えることで、熱伝導して光半導体素子（直接変調レーザ７１）の温度が上昇することを抑え、結果として動作時の光半導体素子（直接変調レーザ７１）の温度を下げることができる。動作時の光半導体素子（直接変調レーザ７１）の温度が下がると、光半導体素子（直接変調レーザ７１）の閾値電流を下げることができ、出力も向上するため優位な特性が得られる。 Compared with the third embodiment, the fourth embodiment can input the RF signal component (Vpp) and the DC signal component (I LD ) separately, so that the amount of current passing through the resistor 72 of 40Ω to 45Ω can be reduced. The amount of heat generated in the section can be greatly reduced. By suppressing the heat generated by the resistor 72 of 40 to 45Ω, it is possible to prevent the temperature of the optical semiconductor element (direct modulation laser 71) from rising due to heat conduction, and as a result, the optical semiconductor element (direct modulation laser 71 during operation). ) Temperature can be lowered. When the temperature of the optical semiconductor element (direct modulation laser 71) during operation is lowered, the threshold current of the optical semiconductor element (direct modulation laser 71) can be lowered and the output is improved, so that superior characteristics can be obtained.
なお、光送信モジュール（TO-CANモジュール）における部品などの寸法は、部品がTO-CANパッケージ１３内に収まれば実施例に示した以外の寸法であっても良い。
また、上記の実施の形態例や各実施例ではFPC基板１２の基板材料としてLCPを用いたが、それ以外の材料をFPC基板１２の基板材料として用いても良い。
また、上記の実施の形態例及び各実施例では40Gb/s動作を目的にしたが、本発明は25Gb/s〜100Gb/sの高周波帯での適用も可能である。
It should be noted that the dimensions of the components in the optical transmission module (TO-CAN module) may be dimensions other than those shown in the embodiment as long as the components fit in the TO-CAN package 13.
Moreover, although LCP is used as the substrate material of the FPC board 12 in the above embodiment and each example, other materials may be used as the substrate material of the FPC board 12.
Moreover, although the above embodiment and each example are aimed at 40 Gb / s operation, the present invention can be applied in a high frequency band of 25 Gb / s to 100 Gb / s.
本発明はTO-CANパッケージとFPC基板を用いた光送信モジュールに関するものであり、25Gb/s〜100Gb/s（例えば40Gb/s）のRF信号を低伝送損失・低反射損失でFPC基板からTO-CANパッケージ内部まで伝送することなどが可能な光送信モジュールを実現する場合に適用して有用なものである。 The present invention relates to an optical transmission module using a TO-CAN package and an FPC board, and an RF signal of 25 Gb / s to 100 Gb / s (for example, 40 Gb / s) can be transmitted from the FPC board with low transmission loss and low reflection loss. -It is useful when applied to the realization of an optical transmission module that can transmit to the inside of the CAN package.
１ 光トランシーバの電気回路(PCB）
２ 高周波ケーブル
３ 高周波コネクタ
５ 積層セラミックパッケージ
６ 光送信モジュール
１１ 光送信モジュール
１２ FPC基板
１３ TO-CANパッケージ
１３ａ TO-CANパッケージの底部
１３ｂ TO-CANパッケージの背面
２１ 半田付けする箇所
２２ 同軸ピン
２３ DCピン
２４ ガラス
２５ 半田付けする箇所
２６ 高周波信号線路（RF信号線路）
２６ａ RF信号線路の接続部
２７ 直流信号線路
２８ 接地電極
３１ EA-DFBレーザ
３１ａ EA変調器部
３１ｂ DFBレーザ部
３２ 高周波回路基板
３２ａ 高周波信号線路
３３ モニタPD
３４ バイパスコンデンサ
３５ 50Ωのチップ抵抗
３６ サーミスタ
３７ ヒートシンク
４１ 発熱部
５１ FPC基板
５２ RF信号線路
６１ 金属の台
６２ DC配線基板
６３ レンズキャップ
６４ 光ファイバ
６５ フェルールホルダー
６６ フェルール
６７ ワイヤ
７１ 直接変調レーザ
７１ａ LD部
７２ 40Ω〜45Ωのチップ抵抗
1. Electrical circuit of optical transceiver (PCB)
2 High-frequency cable 3 High-frequency connector 5 Multilayer ceramic package 6 Optical transmission module 11 Optical transmission module 12 FPC board 13 TO-CAN package 13a Bottom of TO-CAN package 13b Rear surface of TO-CAN package 21 Solder location 22 Coaxial pin 23 DC Pin 24 Glass 25 Location to be soldered 26 High-frequency signal line (RF signal line)
26a RF signal line connection part 27 DC signal line 28 Ground electrode 31 EA-DFB laser 31a EA modulator part 31b DFB laser part 32 High frequency circuit board 32a High frequency signal line 33 Monitor PD
34 Bypass Capacitor 35 50Ω Chip Resistance 36 Thermistor 37 Heat Sink 41 Heating Part 51 FPC Board 52 RF Signal Line 61 Metal Base 62 DC Wiring Board 63 Lens Cap 64 Optical Fiber 65 Ferrule Holder 66 Ferrule 67 Wire 71 Direct Modulation Laser 71a LD Part 72 40Ω ~ 45Ω chip resistance
Claims (8)
前記FPC基板の表面に高周波信号線路と接地電極が配され、
前記TO-CANパッケージに配された同軸ピンが前記高周波信号線路に接続され、
前記高周波信号線路から、前記同軸ピンを介して、前記TO-CANパッケージの内部に配された光半導体素子に高周波電気信号を導通し、
前記高周波信号線路と前記接地電極との間の距離が0.1mm以上0.3mm以下であること
を特徴とする光送信モジュール。 It has a TO-CAN package and an FPC board,
A high-frequency signal line and a ground electrode are arranged on the surface of the FPC board,
A coaxial pin arranged in the TO-CAN package is connected to the high-frequency signal line,
From the high-frequency signal line, through the coaxial pin, the high-frequency electrical signal is conducted to the optical semiconductor element arranged inside the TO-CAN package,
An optical transmission module, wherein a distance between the high-frequency signal line and the ground electrode is 0.1 mm or more and 0.3 mm or less.
前記FPC基板はLCP材料を用いて作成したものであることを特徴とする光送信モジュール。 The optical transmission module according to claim 1,
The optical transmission module, wherein the FPC board is made using an LCP material.
前記高周波信号線路と前記同軸ピンの接続部の特性インピーダンスが、50Ωになるように前記高周波信号線路と前記接地電極との間の距離が決定されていることを特徴とする光送信モジュール。 The optical transmission module according to claim 1 or 2,
A distance between the high-frequency signal line and the ground electrode is determined so that a characteristic impedance of a connection portion between the high-frequency signal line and the coaxial pin is 50Ω.
前記同軸ピンと前記FPC基板の接続部における空気ギャップが、0より大きく0.1mm以下であることを特徴とする光送信モジュール。 The optical transmission module according to any one of claims 1 to 3,
An optical transmission module, wherein an air gap at a connection portion between the coaxial pin and the FPC board is greater than 0 and 0.1 mm or less.
前記同軸ピンとFPC基板の接続部における空気ギャップが無いことを特徴とする光送信モジュール。 The optical transmission module according to any one of claims 1 to 3,
An optical transmission module characterized in that there is no air gap at the connection between the coaxial pin and the FPC board.
前記同軸ピンとFPC基板の接続部の高さ方向のずれが、0より大きく0.2mm以下であることを特徴とする光送信モジュール。 In the optical transmission module according to any one of claims 1 to 5,
The optical transmission module, wherein a deviation in a height direction of a connection portion between the coaxial pin and the FPC board is greater than 0 and 0.2 mm or less.
前記FPC基板の裏側に直流信号線路が配され、
前記TO-CANパッケージに配された複数のDCピンが屈曲して前記直流信号線路に接続され、
前記直流信号線路から、前記複数のDCピンのうちの前記同軸ピンから最も離れたDCピンを介して前記TO-CANパッケージの内部に配された前記光半導体素子に直流電流を導通する構成としたこと
を特徴とする光送信モジュール。 In the optical transmission module according to any one of claims 1 to 6,
A DC signal line is arranged on the back side of the FPC board,
A plurality of DC pins arranged in the TO-CAN package are bent and connected to the DC signal line,
A configuration in which a direct current is conducted from the direct current signal line to the optical semiconductor element disposed inside the TO-CAN package via a DC pin farthest from the coaxial pin among the plurality of DC pins. An optical transmitter module.
前記光半導体素子がEA-DFBレーザであり、
前記同軸ピンからの電気配線が、前記EA-DFBレーザにおけるEA変調器部に接続され、
前記DCピンからの電気配線が、前記EA-DFBレーザにおけるDFBレーザ部に接続されること
を特徴とする光送信モジュール。 In the optical transmission module according to any one of claims 1 to 7,
The optical semiconductor element is an EA-DFB laser,
The electrical wiring from the coaxial pin is connected to the EA modulator section in the EA-DFB laser,
An optical transmission module, wherein electrical wiring from the DC pin is connected to a DFB laser section in the EA-DFB laser.
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