JP2012230176A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】良好な周波数応答特性を得ることができる光モジュールを実現する。
【解決手段】リードピン１は、金属ステム２を貫通し、金属ステム２とは絶縁されている。電界吸収型光変調素子５は、金属ステム２上に設けられ、リードピン１の一端に接続されている。フレキシブル基板１０は信号線路１２，１３を有する。信号線路１２の一端はリードピン１の他端に接続されている。信号線路１２の他端は信号線路１３の一端に接続されている。リードピン１の金属ステム２を貫通する貫通部１ａと信号線路１３は、それぞれ信号線路１２より小さいインピーダンスを持つ。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属ステムを貫通するリードピンに光半導体素子が接続された同軸型の光モジュールに関する。

光ファイバを介して光信号を伝送する光通信システムにおいて光モジュールが用いられる。光モジュールにおいて、温度制御が必要な光半導体素子を用いる場合、金属ステム上に温度制御素子を設け、その上に光半導体素子を設ける必要がある。この温度制御素子により光半導体素子の温度を一定に保持することで、光半導体素子の特性を一定に保持することができる。ただし、温度制御素子の厚みの分だけリードピンを伸ばすか、リードピンと光半導体素子とを接続するワイヤを伸ばす必要がある。

特開２００６−１２８５４５号公報

光半導体素子近傍のインピーダンスは低周波では整合インピーダンス５０Ωに近いが、高周波になるに従って光半導体素子の寄生容量や寄生抵抗、ワイヤのインダクタンスなどによって５０Ωから外れる。また、リードピンが金属ステムを貫通する貫通部においてリードピンのインピーダンスが５０Ωより小さくなる。このため、光半導体素子と貫通部との間で多重反射が生じる。貫通部の近傍で貫通部のインピーダンスを補償する技術（例えば、特許文献１参照）も有るが、完全に５０Ωに整合させることは難しく、貫通部の構成が特殊になってしまう。

また、上記のように温度制御素子を設けると光半導体素子とリードピンとの間の電気長が長くなるので、反射された信号の位相が回る。位相が１８０度回ってしまうと反射された信号と元の信号が打ち消しあって、利得が下がる。周波数によって波長は変わるので、利得は周波数に対して周期性を持ち、周波数応答特性が劣化してしまう。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は良好な周波数応答特性を得ることができる光モジュールを実現するものである。

本発明に係る光モジュールは、金属ステムと、前記金属ステムを貫通し、前記金属ステムとは絶縁されたリードピンと、前記金属ステム上に設けられ、前記リードピンの一端に接続された光半導体素子と、第１及び第２の信号線路を有するフレキシブル基板とを備え、前記第１の信号線路の一端は前記リードピンの他端に接続され、前記第１の信号線路の他端は前記第２の信号線路の一端に接続され、前記リードピンの前記金属ステムを貫通する貫通部と前記第２の信号線路は、それぞれ前記第１の信号線路より小さいインピーダンスを持つことを特徴とする。

本発明により、良好な周波数応答特性を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る光モジュールを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る光モジュールの第１及び第２の多重反射の反射波とそれらの合成波の振幅の周波数依存性を示す図である。 実施の形態１と比較例の光モジュールの応答特性の周波数依存性を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る光モジュールを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る光モジュールの第１及び第２の多重反射の反射波とそれらの合成波の振幅の周波数依存性を示す図である。 実施の形態２と比較例の光モジュールの応答特性の周波数依存性を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る光モジュールを示す図である。 実施の形態３と比較例の光モジュールのＳ（２，１）の周波数依存性を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る光モジュールを示す図である。 本発明の実施の形態４に係る光モジュールの応答特性の周波数依存性を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る光モジュールを示す図である。 本発明の実施の形態５に係る光モジュールの応答特性の周波数依存性を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る光モジュールのＳ１１の周波数依存性を示す図である。

本発明の実施の形態に係る光モジュールについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光モジュールを示す図である。リードピン１は、金属ステム２を貫通し、ガラス３により金属ステム２とは絶縁されている。金属ステム２上に温度制御用のペルチェ素子４が設けられている。ペルチェ素子４上に電界吸収型光変調素子５と温度測定用のサーミスタ６が設けられている。電界吸収型光変調素子５は、リードピン１の一端にワイヤ７により接続されている。整合抵抗８が電界吸収型光変調素子５に並列接続されている。これらの構成は、レンズ付きキャップ９により封止されている。

金属ステム２の背面にフレキシブル基板１０（Flexible Printed Circuit）が設けられている。フレキシブル基板１０は、誘電性のベースフィルム１１と、ベースフィルム１１上に設けられた信号線路１２，１３，１４とを有する。信号線路１２の一端はリードピン１の他端に半田により接続されている。信号線路１２の他端は信号線路１３の一端に接続されている。信号線路１３の他端に信号線路１４が接続されている。信号線路１４に駆動回路１５が接続されている。駆動回路１５から信号線路１２，１３，１４、リードピン１、及びワイヤ７を介して電界吸収型光変調素子５に電気変調信号が伝達される。

電界吸収型光変調素子５を用いる場合、整合抵抗８の抵抗値は整合インピーダンス５０Ω付近に設定されている。ここで、整合インピーダンスは駆動回路１５の終端抵抗の値で定義される。信号線路１２，１４のインピーダンスも５０Ωに整合されている。ガラス３の径はφ０．８〜１．０ｍｍ、リードピン１の径はφ０．２５〜０．３５ｍｍ、ガラス３の比誘電率は６．０〜７．０程度である。このため、リードピン１の金属ステム２を貫通する貫通部１ａのインピーダンスは２０Ω前後になる。

電界吸収型光変調素子５近傍のインピーダンスは低周波では整合インピーダンス５０Ωに近いが、高周波になるに従って電界吸収型光変調素子５の寄生容量や寄生抵抗、ワイヤ７のインダクタンスなどによって５０Ωから外れる。このため、電界吸収型光変調素子５と貫通部１ａとの間で多重反射が生じる（第１の多重反射）。

また、温度制御が必要な電界吸収型光変調素子５を用いる場合、金属ステム２にペルチェ素子４を実装して、その上に電界吸収型光変調素子５を設ける。そのため、非冷却で動作する光半導体素子を金属ステム２に直接に設ける場合と比較して、リードピン１から電界吸収型光変調素子５までの電気長が長くなる。このため、反射された信号の位相が回る。位相が１８０度回ってしまうと反射された信号と元の信号が打ち消しあって、利得が下がる。周波数によって波長は変わるので、利得は周波数に対して周期性を持ち、周波数応答特性が劣化する。

そこで、本実施の形態では、信号線路１３のインピーダンスを整合インピーダンス５０Ωよりも小さくする。従って、貫通部１ａと信号線路１３のインピーダンスは、信号線路１２のインピーダンスや駆動回路１５の終端抵抗よりも小さくなる。

これにより、電界吸収型光変調素子５と信号線路１３との間でも多重反射が生じる（第２の多重反射）。電界吸収型光変調素子５と信号線路１３との間の電気長Ｌ２は、電界吸収型光変調素子５と貫通部１ａとの間の電気長Ｌ１よりも長い。このため、第２の多重反射による周波数に対する利得変動の周期は、第１の多重反射による利得変動の周期よりも短くなる。

この２つの多重反射の合成波は以下のように表される。
Ａ（ｆ）×ｓｉｎ（２πｆ×Ｌ１）＋Ｂ（ｆ）×ｓｉｎ（２πｆ×Ｌ２）
ここで、ｆは周波数、Ａ（ｆ）、Ｂ（ｆ）はそれぞれの多重反射の反射量である。

貫通部１ａと信号線路１３の反射量は周波数に対してほぼ一定であるが、電界吸収型光変調素子５の周辺の反射量は周波数依存性を持ち、高周波になるに従って大きくなる。そのため、反射量Ａ（ｆ）、Ｂ（ｆ）も周波数依存性を持ち、高周波になるに従って大きくなる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る光モジュールの第１及び第２の多重反射の反射波とそれらの合成波の振幅の周波数依存性を示す図である。図３は、実施の形態１と比較例の光モジュールの応答特性の周波数依存性を示す図である。比較例は、信号線路１２，１３を省略したものである。比較例では周波数応答特性のうねりが生じるが、実施の形態１ではそれが解消されていることが分かる。よって、実施の形態１により、良好な周波数応答特性を得ることができる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る光モジュールを示す図である。実施の形態１の電界吸収型光変調素子５の代わりに、直接変調型光変調素子１６を用いている。直接変調型光変調素子１６は、一般的に温度制御は必要ないので金属ステム２に直接に設けられている。直接変調型光変調素子１６のインピーダンスは７Ω程度である。

電流で直接変調する直接変調型光変調素子１６を用いた場合、効率や発熱を抑えるため、なるべく小さいインピーダンスで整合が取れるように設計する場合が多く、一般的に整合インピーダンスは２５Ω程度である。従って、貫通部１ａでのインピーダンス不整合は大きくない。

しかし、直接変調型光変調素子１６を用いた場合、一般的に直接変調型光変調素子１６の近傍に整合抵抗を配置しないので、低周波から高周波まで整合がとれない。また、緩和振動周波数の影響による周波数応答特性のピーキングや低周波から数ＧＨｚにかけて生じる利得の落ち込みが生じてしまい、光出力波形が劣化しやすい。

そこで、実施の形態２では、信号線路１２のインピーダンスを整合インピーダンス２５Ωより大きくし、信号線路１３のインピーダンスを２５Ωよりも小さくする。信号線路１４のインピーダンスや駆動回路１５の終端抵抗は２５Ωである。

このため、直接変調型光変調素子１６と信号線路１２との間で多重反射が生じ（第１の多重反射）、かつ直接変調型光変調素子１６と信号線路１３との間でも多重反射が生じる（第２の多重反射）。両者の電気長が異なるため、第１の多重反射と第２の多重反射の周波数周期は異なる。

また、小さいインピーダンスで不整合の場合と、高インピーダンスで不整合の場合とでは、反射の位相が１８０度変わる。このため、低周波では第１の多重反射と第２の多重反射は互いに打ち消しあう。しかし、電気長が異なるため高周波になると、第１の多重反射と第２の多重反射の位相が重なり合い始める。金属ステム２に近い信号線路１２を高インピーダンスとし、金属ステム２から遠い信号線路１３を低インピーダンスとすることで、最初に位相が重なり合うとき利得を強め合うことになるため、高周波での利得を改善できる。

図５は、本発明の実施の形態２に係る光モジュールの第１及び第２の多重反射の反射波とそれらの合成波の振幅の周波数依存性を示す図である。図６は、実施の形態２と比較例の光モジュールの応答特性の周波数依存性を示す図である。比較例は、信号線路１２，１３を省略したものである。実施の形態２では、比較例に比べて高周波での利得を向上できるため、良好な周波数応答特性を得ることができる。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係る光モジュールを示す図である。実施の形態１の電界吸収型光変調素子５の代わりに、光受光素子１７と前置増幅器１８を用いている。光受光素子１７と前置増幅器１８は、一般的に温度制御は必要ないので金属ステム２に直接に設けられている。このため、リードピン１と前置増幅器１８の出力との間の電気長は短い。しかし、一般的に前置増幅器１８の出力は５０Ωに近いので、リードピン１の貫通部１ａはインピーダンス不整合箇所となる。

そこで、実施の形態３では、信号線路１２のインピーダンスを整合インピーダンス５０Ωより大きくし、信号線路１３のインピーダンスを５０Ωよりも小さくする。信号線路１４のインピーダンスや駆動回路１５の終端抵抗は５０Ωである。

図８は、実施の形態３と比較例の光モジュールのＳ（２，１）の周波数依存性を示す図である。比較例は、信号線路１２，１３を省略したものである。前置増幅器１８の出力までの電気長が短いため、１０ＧＨｚ程度の周波数範囲で周期的なうねりは発生しない。しかし、弱めあう位相となるため、比較例では１０ＧＨｚで利得が下がる。これに対して、実施の形態３では、高周波での利得を向上できる。よって、良好な周波数応答特性を得ることができる。

実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４に係る光モジュールを示す図である。この光モジュールは、実施の形態２の構成にバイアスＴ回路１９、コンデンサ２０、抵抗２１を追加したものである。

バイアスＴ回路１９は、信号線路１４の他端と駆動回路１５の間に接続されたコンデンサ２２と、信号線路１４の他端とバイアス端子との間に接続された抵抗２３とを有する。コンデンサ２０は、バイアスＴ回路１９のコンデンサ２２に直列に接続されている。抵抗２１は、バイアスＴ回路１９のコンデンサ２２に直列に接続され、コンデンサ２０に並列に接続されている。

実施の形態２は、２つの多重反射を重ね合わせることで高周波の利得を上げることができるが、低周波に対しては効果が小さい。これに対して、本実施の形態では、低周波では抵抗２１の影響で利得が下がり、高周波になるとコンデンサ２０のインピーダンスが下がるため利得が上がる。従って、低周波から５ＧＨｚにかけての利得の落ち込みを補償することができる。また、抵抗２１がバイアスＴ回路１９のコンデンサ２２に直列に接続されているので、ＤＣ電流が抵抗２１を流れることはないため、発熱量を抑えることができる。

図１０は、本発明の実施の形態４に係る光モジュールの応答特性の周波数依存性を示す図である。このように、１０ＧＨｚまで利得の落ち込みのない理想的な周波数応答特性を得ることができる。

実施の形態５．
図１１は、本発明の実施の形態５に係る光モジュールを示す図である。フレキシブル基板１０の信号線路はマイクロストリップ線路構造になっている。従って、ベースフィルム１１の表面に信号線路１２，１３，１４が設けられ、ベースフィルム１１の裏面に接地導体２４（ＡＣ−ＧＮＤ）が設けられ、信号線路１２，１３，１４から離間して配置されている。

信号線路１２の一端はリードピン１の他端に半田により接続されている。接地導体２４は、ベースフィルム１１を貫通するビア２５を介して、ベースフィルム１１の表面側に配置された金属ステム２に接続されている。

接地導体２４の信号線路１２に最も近い位置から金属ステム２に接続されるまでの長さがＬ３である。即ち、Ｌ３は、接地導体２４の信号線路１２に最も近い位置からビア２５までの長さと、ビア２５の長さとの合計である。接地導体２４と金属ステム２の接続部から金属ステム２の貫通部１ａの外周までの長さがＬ４である。信号線路１２からリードピン１までの長さがＬ５である。

ここで、信号線路１２，１３を伝搬する電気変調信号の電界は、接地導体２４と結合する。そして、信号線路１２とリードピン１の接合部において、電気変調信号の電界は、ガラス３の外周の金属ステム２と結合する。しかし、信号の電気長に比べて、ＧＮＤの電気長が長くなってしまうと、周波数応答特性が劣化する。理想的には両者が同じ電気長であることが望ましいが、両者の差が５００ｕｍ以下の差であれば１０ＧＨｚ程度まで特性劣化は現れない。そこで、本実施の形態では、Ｌ３とＬ４の合計とＬ５との差（Ｌ３＋Ｌ４−Ｌ５）を５００ｕｍ以下にする。

図１２は、本発明の実施の形態５に係る光モジュールの応答特性の周波数依存性を示す図である。図１３は、本発明の実施の形態５に係る光モジュールのＳ１１の周波数依存性を示す図である。信号とＧＮＤの電気長の差を短くすることで、周波数応答特性の劣化を抑えられることが分かる。

１ リードピン
１ａ 貫通部
２ 金属ステム
４ ペルチェ素子（温度制御素子）
５ 電界吸収型光変調素子（光半導体素子）
１０ フレキシブル基板
１２ 信号線路（第１の信号線路）
１３ 信号線路（第２の信号線路）
１５ 駆動回路
１６ 直接変調型光変調素子（光半導体素子）
１７ 光受光素子（光半導体素子）
１９ バイアスＴ回路
２０ コンデンサ
２１ 抵抗
２４ 接地導体

Claims (6)

1. 金属ステムと、
   前記金属ステムを貫通し、前記金属ステムとは絶縁されたリードピンと、
   前記金属ステム上に設けられ、前記リードピンの一端に接続された光半導体素子と、
   第１及び第２の信号線路を有するフレキシブル基板とを備え、
   前記第１の信号線路の一端は前記リードピンの他端に接続され、
   前記第１の信号線路の他端は前記第２の信号線路の一端に接続され、
   前記リードピンの前記金属ステムを貫通する貫通部と前記第２の信号線路は、それぞれ前記第１の信号線路より小さいインピーダンスを持つことを特徴とする光モジュール。
2. 前記第２の信号線路の他端に接続された駆動回路を更に備え、
   前記貫通部と前記第２の信号線路のインピーダンスは、それぞれ前記駆動回路の終端抵抗よりも小さく、
   前記第１の信号線路のインピーダンスは前記駆動回路の終端抵抗に整合されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記金属ステム上に設けられた温度制御素子を更に備え、
   前記光半導体素子は前記温度制御素子上に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
4. 前記第２の信号線路の他端に接続された駆動回路を更に備え、
   前記第１の信号線路のインピーダンスは前記駆動回路の終端抵抗より大きく、
   前記第２の信号線路のインピーダンスは前記駆動回路の終端抵抗よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
5. 前記第２の信号線路の他端に接続されたバイアスＴ回路と、
   前記バイアスＴ回路に直列に接続されたコンデンサと、
   前記バイアスＴ回路に直列に接続され、前記コンデンサに並列に接続された抵抗とを更に備えることを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
6. 前記フレキシブル基板は、前記第１及び第２の信号線路から離間して配置され、前記金属ステムに接続された接地導体を更に有し、
   前記接地導体の前記第１の信号線路に最も近い位置から前記金属ステムに接続されるまでの長さと前記接地導体と前記金属ステムの接続部から前記金属ステムの前記貫通部の外周までの長さの合計と、前記第１の信号線路から前記リードピンまでの長さと、の差が５００ｕｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光モジュール。

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