JP2013197479A - Tosa module package - Google Patents
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Abstract
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内における電気的な不連続箇所の接合構造およびその接合構造を実装したＴＯＳＡモジュールに関する。 The present invention relates to a joint structure of electrically discontinuous portions in a transmitter module package for use in optical communication and a TOSA module mounted with the joint structure.
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。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１つであるＸＦＰ（１０ Ｇｉｇａｂｉｔ Ｓｍａｌｌ Ｆｏｒｍ Ｆａｃｔｏｒ Ｐｌｕｇｇａｂｌｅ）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いる。このモジュール光源は、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１〜４)が開発されている。
With the recent expansion of the use of the Internet, IP telephones, video downloads, etc., the required communication capacity is rapidly increasing. Optical transmission / reception devices (electrical signals and optical signals installed in optical fiber and optical communication equipment) The demand for mutual conversion photoelectric converters is expanding. Optical transmission / reception devices and components constituting them are rapidly being modularized based on specifications so as to be easy to handle from the viewpoint of mounting and replacement, as expressed in terms such as pluggable. Light sources mounted on optical transmitter modules such as XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable), which is one of the industry standards for 10 Gigabit Ethernet (10 GbE) detachable modules, are also being modularized. This module light source is called a TOSA (Transmitter Optical Sub-Assembly), and a box-shaped TOSA module (
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、光モジュールの性能を落とすことなく低コスト化する要求が大きくなっており、同時にＴＯＳＡの一層の高性能化も求められている。 The spread of optical transmission / reception modules has spread to LAN devices installed in office buildings and ordinary homes, and demand is increasing. As demand increases, there is a growing demand for cost reduction without degrading the performance of optical modules, and at the same time, higher performance of TOSA is also required.
図１は、典型的な箱型ＴＯＳＡモジュールの外観を示す図である。ＸＦＰ準拠の箱型ＴＯＳＡモジュール１０の筺体は、焼結セラミックや金属からなっている。ＴＯＳＡモジュール１０の入力として、筺体側面のテラス部分１から筺体内部に向けて貫通する変調電気信号給電用配線端子２ａ、２ｂ、２ｃが設けられている。配線端子の数は、図１のように３つには限定はされない。テラス部分１には、変調電気信号給電用端子とは別に、ＤＣ給電用配線端子も筺体内部に向けて貫通している。ＴＯＳＡモジュール１０の全体は、例えば、ベース５の上に、内部空間を形成したセラミック部分３、および、全体を覆う金属部分４から構成されている。
FIG. 1 is a diagram showing an external appearance of a typical box-type TOSA module. The casing of the XFP-compliant box-type TOSA
図２は、図１に示したＴＯＳＡモジュールの内部構造を示す図である。図１のＴＯＳＡモジュール１０において、筺体金属部４を取り除いて筺体内部が見えるようにして描いたものである。筺体金属部４を取り除いた内部の中央には、サブキャリア２１と呼ばれる薄板が筺体のセラミック部３から離れて設置してある。このサブキャリア２１では、配線パターンは、誘電体材料に金属をメッキまたは蒸着することによって形成される。サブキャリア２１上には、さらに、レーザダイオード２２、光変調器２３、終端抵抗２４およびＤＣカット用コンデンサ２５などの光半導体デバイスに必要な素子が搭載される。筺体のベースにはサブキャリア２１を載せたキャリア２６と呼ばれる金属性の小板が載っており、キャリア２６の下には筺体下部に接する熱電冷却素子（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）２７を搭載している。ＴＥＣ２７は、サブキャリア２１上素子で発生した熱を吸熱し、筺体下部より排熱する。省電力化と部品点数削減の観点から、このＴＥＣ２７を用いないＴＯＳＡの開発も行われている。
FIG. 2 is a diagram showing an internal structure of the TOSA module shown in FIG. In the TOSA
筺体の側面にはレンズ２９または光取り出し用窓がつき、天板とともに抵抗溶接することなどによって、光デバイスをパッケージ内に封止する。
A
筺体外部から内部へ貫通している変調電気信号および給電用の配線（以下簡単のため、変調電気信号給電用配線と言う）２８ａ、２８ｂ、２８ｃおよびサブキャリア２１の間は、従来、ワイヤ状金線３１ａ、３１ｂまたはリボン状金線３０などで電気的接続を形成している。
Conventionally, between the modulation electric signal and the power supply wiring (hereinafter referred to as the modulation electric signal power supply wiring) 28a, 28b, 28c and the
図３は、ＴＯＳＡモジュールの実際の使用形態を示す図である。ＴＯＳＡモジュール１０に対する駆動用ドライバＩＣ３５から信号や、図示していないＤＣ電源からの給電は、通常、フレキシブルプリント基板３４を用いて行われる。フレキシブルプリント基板３４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って、通称フレキまたはＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）とも呼ばれる。変調用電気信号およびＤＣ給電は、フレキシブル基板３４を通してＴＯＳＡモジュール１０へ与えられる。
FIG. 3 is a diagram showing an actual usage pattern of the TOSA module. Signals from the driver IC 35 for driving the TOSA
前述のように、変調用電気信号は、駆動用ドライバＩＣ３５からフレキシブル基板３４を経てＴＯＳＡモジュール筐体のセラミック部３を貫通し、筺体内側の伝送線路２８ｂおよびワイヤ２８ａ、２８ｃに与えられる。変調用電気信号は、サブキャリア２１上の伝送線路３３を経由して光半導体素子２２、２３へ、さらに、終端抵抗２４へと到達する。
As described above, the modulation electrical signal passes through the
駆動用ドライバＩＣ３５は出力インピーダンス５０オームで駆動信号を送出するよう設計されており、終端抵抗２４も通常５０オームに設定する。こうすることで、駆動ドライバＩＣ３５および終端抵抗２４の二者に関しては、互いにインピーダンス整合がとれた状態になっている。しかしながら、駆動ドライバＩＣ３５と終端抵抗２４との間には、これまで述べてきたように、異種の伝送線路および素子間の接続構造が存在する。このため、それぞれの接続構造のつなぎ目では、電気的に不連続点となり、そのインピーダンスが、駆動源インピーダンスおよび終端インピーダンスの５０オームから大きく逸脱し得る。
The driver IC 35 for driving is designed to send a driving signal with an output impedance of 50 ohms, and the
ＸＦＰ準拠のＴＯＳＡ光モジュールの動作周波数は１０ＧＨｚにも及び、電気信号は波（マイクロ波）としての振る舞いを強くする。すなわち、インピーダンス整合していない不連続点では、不連続点を起点として反射波が発生し、反射波は駆動ドライバＩＣ３５に向かって逆戻りして進行する。
The operating frequency of the XFP-compliant TOSA optical module extends to 10 GHz, and the electric signal strengthens the behavior as a wave (microwave). That is, at a discontinuous point where impedance matching is not performed, a reflected wave is generated starting from the discontinuous point, and the reflected wave travels backward toward the
駆動ドライバＩＣ３５は、従来ＧａＡｓ材料をベースとしたトランジスタによって構成されてきた。ＧａＡｓベースの駆動ドライバＩＣは、上述のような反射波に対して、自らが送出した信号波形が乱されにくく、反射耐性に優れるという特徴を備えている。一方、近年、Ｓｉベースで低コスト化に優れるＳｉ／Ｇｅ駆動ドライバＩＣがＧａＡｓベースのドライバＩＣに代わって普及するようになってきた。しかしながら、低コスト化が可能な一方で、Ｓｉ／Ｇｅベースの駆動ドライバＩＣには反射耐性が弱いという欠点がある。従来技術の構成で同一の性能を有するＴＯＳＡ光モジュールを、ＧａＡｓベースのドライバＩＣおよびＳｉ／ＧｅベースのドライバＩＣでそれぞれ駆動し、その光変調出力波形を比較すると、反射波耐性の弱いＳｉ／ＧｅベースのドライバＩＣで駆動した場合に波形の劣化を引き起こしやすい。したがって、ＴＯＳＡ光モジュールにおいて、電気的な不連続点による反射点を可能な限り減らすことがますます重要となってきている。 The driver IC 35 has conventionally been constituted by a transistor based on a GaAs material. The GaAs-based drive driver IC is characterized in that the signal waveform transmitted by itself is not disturbed with respect to the reflected wave as described above, and the reflection resistance is excellent. On the other hand, in recent years, Si / Ge driver ICs that are Si-based and excellent in cost reduction have become popular in place of GaAs-based driver ICs. However, while it is possible to reduce the cost, the Si / Ge-based drive driver IC has a drawback of low reflection resistance. When a TOSA optical module having the same performance in the configuration of the prior art is driven by a GaAs-based driver IC and a Si / Ge-based driver IC, and the optical modulation output waveforms are compared, Si / Ge having a low resistance to reflected waves is compared. When driven by a base driver IC, the waveform is likely to deteriorate. Therefore, in the TOSA optical module, it is becoming increasingly important to reduce reflection points due to electrical discontinuities as much as possible.
反射波が発生するポイントとして最も懸念される場所は、筺体内部のワイヤ状金線３１ａ、３１ｂまたはリボン状金線３０である。
The place of greatest concern as the point where the reflected wave is generated is the wire-
本発明の課題は、ＴＯＳＡのジュールの筐体を外側から内側へと貫通してきた伝送線路とサブキャリアの間の金線ワイヤ３または金線リボンで生じる反射を低減する接合構造およびこの接合構造を実装したＴＯＳＡモジュールを提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a bonding structure that reduces reflection caused by a
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、導電性材料からなるベース上に少なくともその一部が誘電体で形成された筺体の内部に、光回路を収納するモジュールパッケージにおいて、前記筺体の１つの面を貫通するように、前記モジュールパッケージの内部および外部を接続し、高周波電気信号を伝搬する貫通伝送線路と、
前記筺体の内部であって、前記貫通伝送線路の形成面と概ね同一面上に配置され、少なくとも伝送線路および光半導体素子を搭載するサブキャリアと、前記貫通伝送線路の前記筺体内部における露出部分と、前記サブキャリア上の前記伝送線路とを接続する接続用導波路が形成された接続チップとを備えたことを特徴とするモジュールパッケージである。
In order to achieve the above object, according to the present invention, an optical circuit is provided in a housing that is at least partially formed of a dielectric on a base made of a conductive material. In a module package to be housed, a penetration transmission line that connects the inside and outside of the module package so as to penetrate one surface of the housing and propagates a high-frequency electric signal;
A subcarrier that is disposed inside the housing and substantially on the same plane as the formation of the through transmission line, mounts at least the transmission line and the optical semiconductor element, and an exposed portion of the through transmission line inside the housing. A module package comprising: a connection chip on which a connection waveguide for connecting the transmission line on the subcarrier is formed.
接続チップは、実施例１の伝送線路チップに相当し、また、実施例２の伝送線路チップに相当する。筺体は、誘電体および金属を組み合わせて形成することができる。また、誘電体だけで形成することもできる。ベースは、導電性材料の金属が好ましいが、ベース以外の筺体部分の一部を金属で形成する場合は、必ずしも金属でなくても良い。 The connection chip corresponds to the transmission line chip of Example 1, and corresponds to the transmission line chip of Example 2. The housing can be formed by combining a dielectric and a metal. Further, it can be formed only of a dielectric. The base is preferably a metal of a conductive material. However, when a part of the casing portion other than the base is formed of a metal, the base is not necessarily a metal.
請求項２に記載の発明は、請求項１のモジュールパッケージであって、前記誘電体は、複数の誘電体層を積層して構成され、前記貫通伝送線路は、前記複数の誘電体層の層間に形成されていることを特徴とする。誘電体は、例えばセラミックなどを使用できる。
The invention according to
請求項３に記載の発明は、請求項１のモジュールパッケージであって、前記接続チップは、前記露出部分および前記サブキャリア上の前記伝送線路を橋架しかつ電気的に接続するように構成されたコプレーナ型導波路が形成されていることを特徴とする。
The invention according to
請求項４に記載の発明は、請求項１のモジュールパッケージであって、前記接続チップは、１つの面上に、前記露出部分および前記サブキャリア上の前記伝送線路を橋架しかつ電気的に接続するように構成されたマイクロストリップ型導波路と、前記１つの面の対向面に形成されたグランド面とからなり、前記貫通伝送線路のグランドおよび前記サブキャリアのグランドが、前記グランド面とそれぞれ接続されることを特徴とする。
The invention according to
接続チップは、セラミックなどの誘電体材料とすることができるが、熱伝導率の観点からはセラミックより樹脂の方が好ましい。 The connection chip can be made of a dielectric material such as ceramic, but a resin is preferable to ceramic from the viewpoint of thermal conductivity.
請求項５に記載の発明は、請求項１のモジュールパッケージであって、前記モジュールパッケージは、ＴＯＳＡ（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｕｂ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）モジュールを構成することを特徴とする。
The invention according to
請求項６に記載の発明は、請求項１のモジュールパッケージであって、前記光回路は、前記サブキャリア上に搭載された光半導体素子と、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レンズをさらに含むことを特徴とする。
The invention according to claim 6 is the module package according to
請求項７に記載の発明は、請求項１のモジュールパッケージであって、前記貫通伝送線路は、前記筺体の外部において、Ｓｉ／Ｇｅ駆動ドライバ集積回路と接続されることを特徴とする。
The invention according to claim 7 is the module package according to
以上説明したように、本発明のＴＯＳＡモジュール用の接合構造およびその接合構造を実装したＴＯＳＡモジュールによって、ＴＯＳＡ筺体を貫通する伝送線路と光半導体素子を搭載するサブキャリアとの間の反射点のインピーダンスを５０Ωに近づける。これによって、マイクロ波反射がより小さくなり、反射耐性の弱い駆動用ドライバＩＣを使用した場合でも、品質の高い、光出力波形を得ることできる。すなわち、急峻な波形の立ち上がりおよび立下りを実現し、ジッタなどの波形乱れが少ない光出力波形を得ることできる。 As described above, the impedance of the reflection point between the transmission line penetrating the TOSA housing and the subcarrier on which the optical semiconductor element is mounted by the joint structure for the TOSA module of the present invention and the TOSA module mounted with the joint structure. Approaches 50Ω. This makes it possible to obtain a high-quality optical output waveform even when a driving driver IC having a low microwave reflection and a low resistance to reflection is used. That is, a steep rise and fall of the waveform can be realized, and an optical output waveform with less waveform disturbance such as jitter can be obtained.
本発明は、導電性材料からなるベース上に少なくともその一部が誘電体で形成された筺体の内部に、光回路を収納するモジュールパッケージにおいて、筺体の１つの面を貫通するように、モジュールパッケージの内部および外部を接続し、高周波電気信号を伝搬する貫通伝送線路と、筺体の内部であって、貫通伝送線路の形成面と概ね同一面上に配置され、少なくとも伝送線路および光半導体素子を搭載するサブキャリアと、前述の貫通伝送線路の筺体内部における露出部分と、サブキャリア上の伝送線路とを接続する接続用導波路が形成された接続チップ（伝送線路チップ）とを備えるモジュールパッケージである。 The present invention relates to a module package in which an optical circuit is accommodated in a housing, at least part of which is formed of a dielectric on a base made of a conductive material, so as to penetrate one surface of the housing. A through transmission line that connects the inside and outside of the antenna and propagates a high-frequency electrical signal, and is disposed inside the housing and substantially on the same plane as the formation of the through transmission line, and includes at least a transmission line and an optical semiconductor element A module package comprising: a subcarrier to be connected; an exposed portion inside the housing of the above-described through transmission line; and a connection chip (transmission line chip) in which a connection waveguide for connecting the transmission line on the subcarrier is formed. .
一般に、特定の機能を実現する回路・機構部品を１つの筺体の中に収めたものをモジュールと呼ばれる。本発明は、筺体を構成するパッケージおよび筺体内部の回路の間の接続構造に関するものである。すなわち、モジュールの外形を構成する筺体（パッケージ）ならびに内部回路の少なくとも一部の構成および性能の両方に密接に関連している。したがって、以下の記載では、用語「モジュールパッケージ」は、モジュールまたはＴＯＳＡモジュールと概ね同じ意味で使用される。 Generally, a module in which circuit / mechanism components for realizing a specific function are housed in one housing is called a module. The present invention relates to a connection structure between a package constituting a casing and a circuit inside the casing. That is, it is closely related to both the configuration and performance of at least a part of the casing (package) that constitutes the outer shape of the module and the internal circuit. Accordingly, in the following description, the term “module package” is used interchangeably with module or TOSA module.
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。 Examples of the present invention will be described in detail below.
図４は、本発明のＴＯＳＡモジュールの第１の実施例の構成を示す図である。図４も、図２と同様に、筺体の金属部４を取り除き筺体内部が見えるようにして描いたものである。図２および図４から分かるように、モジュールは、導電性材料からなるベース５上に少なくともその一部が誘電体３で形成された筺体（パッケージ）の内部に、光回路などを収納する構成となっている。誘電体３は、ベース５および金属部４とともに、モジュールの筺体の全体を構成する。誘電体３は、図４に示したように、複数の誘電体層を積層した構成、例えば、焼結セラミックとすることができる。ベース５は、ＴＯＳＡモジュールにおけるグランドの基準を形成するために、導電性の金属であるのが好ましい。しかしながら、ＴＯＳＡモジュールにおいて筺体に金属部４があれば、ベースは、金属でなくても良い。
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the first embodiment of the TOSA module of the present invention. As in FIG. 2, FIG. 4 is also drawn by removing the
筺体内部の中央には、サブキャリア４１が筺体から離れて設置してある。サブキャリア４１には、誘電体材料に金属メッキまたは蒸着することによりコプレーナ（Ｃｏｐｌａｎｅｒ）型の配線パターンが形成されている。サブキャリア上面全体を覆うグランド部分５１から分離して信号線５３が形成されている。信号線５３からワイヤ５２ｂを経由して光変調器４３へ変調電気信号が与えられ、光変調器４３を駆動する。光変調器４３は、ワイヤ５２ａを経由して終端抵抗４４およびＤＣカット用コンデンサ４５に接続され、光回路は終端される。
筺体内には、Ｃｕ−Ｗ合金などのキャリア４６が搭載されており、キャリア４６の下には筺体下部に接する熱電冷却素子（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）４７を搭載している。ＴＥＣ４７は、サブキャリア４１上の素子で発生した熱を吸熱し、筺体下部より排熱する役割を果たす。
A
A
筺体の側面にはレンズ４９または光取り出し用窓が構成され、天板とともに抵抗溶接することなどによって、光変調器４３などを含む光回路をＴＯＳＡモジュールのパッケージ内に封止する。
A
本発明の特徴は、筺体外部から内部へ貫通している変調電気信号給電用配線４８ａ、４８ｂ、４８ｃとサブキャリア４１との間の分離部分を、従来技術とは異なる方法で電気的に接続するところにある。すなわち、筺体の１つの面を貫通するようにモジュールパッケージの内部および外部を接続し、高周波電気信号を伝搬する貫通伝送線路４８ａ、４８ｂ、４８ｃを、小型伝送線路チップ５５を用いて、筺体内部のサブキャリア４１上の伝送線路５３と接続する。
The feature of the present invention is that the separated portions between the modulated electric signal
従来技術の方法では、変調電気信号給電用配線４８ａ、４８ｂ、４８ｃと、サブキャリア４１との間を、ワイヤ３１ａ、３１ｂまたはリボン３０によって接続していた。本発明のＴＯＳＡモジュールの第１の実施例では、ワイヤまたはリボンの代わりに、橋渡しをする構造の小型伝送線路チップ５５を用いる。
In the prior art method, the modulation electric signal power supply wirings 48 a, 48 b, 48 c and the
図５は、本発明の第１の実施例で使用される電気的接続手段の小型伝送線路チップの構成を説明する図である。図５において、小型伝送線路チップ５５はその背面の構造がわかるように透明に描かれている。小型伝送線路チップ５５は、サブキャリア４１および変調電気信号給電用配線４８ａ、４８ｂ、４８ｃを被うようにして配置される。小型伝送線路チップ５５は、誘電体上に形成されたグランド５４ａ、５４ｃおよびＲＦ信号用の直線状の配線５４ｂからなるコプレーナ型の伝送線路を構成している。図５のように、小型伝送線路チップ５５は、変調電気信号給電用配線４８ａ、４８ｂ、４８ｃおよびサブキャリア４１に電気的接続が得られるように、配線面を下向きとして逆さまに橋渡しをするように配置されている。すなわち、筺体内部の露出部分である変調電気信号給電用配線４８ａ、４８ｂ、４８ｃおよびサブキャリア４１上の伝送線路５３を、橋架しかつ電気的に接続するように構成されている。筺体の内部で露出をしている変調電気信号給電用配線４８ａ、４８ｂ、４８ｃの形成面は、サブキャリア４１と概ね同一面上にある。
FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration of a small transmission line chip of electrical connection means used in the first embodiment of the present invention. In FIG. 5, the small
より具体的には、小型伝送線路チップ５５のグランド線５４ａ、５４ｃは、変調電気信号給電用配線のグランド線４８ａ、４８ｃと電気的に接続される。さらに、小型伝送線路チップ５５のグランド線５４ａ、５４ｃは、サブキャリア４１のグランド面４１とも電気的に接続される。同様に、伝送線路チップ５５の信号線５４ｂが、変調電気信号給電用配線の信号線４８ｂとサブキャリア４１の信号線５３との間を電気的に接続する。
More specifically, the
小型伝送線路チップ５５は固有の特性インピーダンスを持つ。その特性インピーダンスの値は、チップ５５の誘電体部分の比誘電率、信号線５４ｂの幅、信号線５４ｂとグランド線５４ａ、５４ｃとの間隔によって決まる。本実施例では、誘電体として比誘電率８．５を持つセラミックを仮定し、信号線５４ｂの幅を１８０μｍ、信号線５４ｂとグランド線５４ａ、５４ｃの間隔を４９０μｍとした。また、誘電体部分の厚さを５００μｍとした。これらの物性値およびサイズから見積もると、特性インピーダンスは約５０Ωとなる。変調電気信号給電用配線４８ｂおよびサブキャリア４１上の伝送線路５４は、いずれも特性インピーダンスが５０Ωとなるよう設計した。
一般に伝送線路の特性インピーダンスは、次式（１）によって表される。
The small
In general, the characteristic impedance of a transmission line is expressed by the following equation (1).
ここで、Ｒは信号線の伝送方向の単位長さ当たりの抵抗、Ｇは信号線とグランド間の単位長さ当たりのコンダクタンス（抵抗の逆数）、Ｌは信号線の単位長さ当たりのインダクタンス、Ｃは信号線とグランド間の単位長さ当たりの容量、ωは各周波数をそれぞれ表す。通常の伝送線路では、信号線として良導体を用いるのでＲ〜０、また誘電体はほぼ絶縁体なのでＧ〜０と簡単化できる。このとき、式（１）は、次式（２）に簡略化される。 Here, R is a resistance per unit length in the transmission direction of the signal line, G is a conductance per unit length between the signal line and the ground (reciprocal of resistance), L is an inductance per unit length of the signal line, C represents a capacity per unit length between the signal line and the ground, and ω represents each frequency. In a normal transmission line, since a good conductor is used as a signal line, it can be simplified to R-0, and since the dielectric is almost an insulator, it can be simplified to G-0. At this time, Expression (1) is simplified to the following Expression (2).
高周波領域において電気的接続を得る手段としてのワイヤまたはリボンは、同軸ケーブルの場合において、誘電体が空気であってかつ信号線導体とグランドの距離が∞とした場合に相当する。同軸ケーブルの場合のＬとＣは解析的に表すことができて、それぞれ次式（３）、（４）となる。 A wire or ribbon as means for obtaining an electrical connection in a high frequency region corresponds to a case where the dielectric is air and the distance between the signal line conductor and the ground is ∞ in the case of a coaxial cable. L and C in the case of a coaxial cable can be expressed analytically and are expressed by the following equations (3) and (4), respectively.
ここで、εおよびμはそれぞれ誘電体の誘電率および透磁率、ａは信号線導体の直径、ｂは信号線導体の直径とグランドの直径との差である。すなわち、ｂは誘電体の厚さとなる。式（１）〜（３）より、特性インピーダンスは次式（５）で表される。 Here, ε and μ are the dielectric constant and permeability of the dielectric, a is the diameter of the signal line conductor, and b is the difference between the diameter of the signal line conductor and the diameter of the ground. That is, b is the thickness of the dielectric. From the formulas (1) to (3), the characteristic impedance is expressed by the following formula (5).
従来技術のようにワイヤやリボンを使用する場合では、式（５）における比の値ｂ／ａが∞に相当し、特性インピーダンスＺ0は、数百Ωという大きな値を持つことになる。 When a wire or ribbon is used as in the prior art, the ratio value b / a in equation (5) corresponds to ∞, and the characteristic impedance Z 0 has a large value of several hundred Ω.
また、セラミックなど誘電体の比誘電率は８から１０程度である。空気の比誘電率は１なので、式（５）から明らかなように、ワイヤまたはリボンのように誘電体として空気を用いるか、それともラミックなどの誘電体を用いるかによって、特性インピーダンスＺ0の値に最大３倍程度の幅で影響を与える。したがって、信号線の周りにはマイクロ波を安定したモードで伝わるような状況が必要であって、むき出しのワイヤまたはリボンなどを使って接続することは好ましくない。 The relative dielectric constant of a dielectric such as ceramic is about 8 to 10. Since the relative permittivity of air is 1, as is clear from the equation (5), the value of the characteristic impedance Z 0 depends on whether air is used as a dielectric, such as a wire or ribbon, or a dielectric such as a lamic is used. Is affected by a maximum of about three times the width. Therefore, a situation in which microwaves are transmitted in a stable mode is necessary around the signal line, and it is not preferable to connect using a bare wire or ribbon.
従来技術においては、特性インピーダンスの値自体が大きくなっても、ワイヤのリボンの長さを可能な限り短くすることによってその影響は軽微なレベルに止まると考えられてきた。また、サブキャリア４１と変調電気信号給電用配線４８ａ、４８ｂ、４８ｃとの間隔を限りなくゼロに近づけることができれば、ある程度の効果は有ると考えられる。しかしながら、モジュールが小型化されると、１００μｍ以下の精度化で実装を安定的に制御することは難しい。
In the prior art, even if the characteristic impedance value itself increases, it has been considered that the influence is stopped at a minor level by making the length of the ribbon of the wire as short as possible. Further, if the distance between the
そこで、本発明では、小型の伝送線路によって橋渡しをする構造を形成して電気的接続をとる方法を採用した。伝送線路によれば、マイクロ波は固有のモードを作り、比誘電率の高い誘電体の部分を安定して伝達していく。接続する伝送線路同士の特性インピーダンスを合わせておけば、反射を大きく軽減できると考えた。また、実装上の観点からも、上から伝送線路チップを下して半田によって固定するだけで良いので、位置合わせの調整を行えれば良い。 Therefore, in the present invention, a method of forming a structure for bridging with a small transmission line and establishing electrical connection is adopted. According to the transmission line, the microwave creates a unique mode and stably transmits the dielectric part having a high relative dielectric constant. We thought that reflection could be greatly reduced if the characteristic impedances of connected transmission lines were matched. Also, from the viewpoint of mounting, it is only necessary to lower the transmission line chip from the top and fix it with solder.
図６および図７は、それぞれ、３次元電磁界シミュレーションを用いて本実施例の特性を従来構造の特性と比較した図である。３次元電磁界シミュレーションでは、モデルを構成する物性データおよび構造寸法を厳密に入力し、計算機上に仮想的なマイクロ波伝送構造物を構築する。この仮想的なマイクロ波構造物をメッシュに分割し、そこにマクスウェル方程式を適用し、収束解を得る。数学的には、大規模な未知数を持つ一次元連立方程式を解くことに帰着されるが、電磁場の集中する度合いをメッシュの細かさを適応させることで、現実に起こる現象を精度よく予測しおよび評価することができる。 6 and 7 are diagrams comparing the characteristics of this example with those of the conventional structure using a three-dimensional electromagnetic field simulation. In the three-dimensional electromagnetic field simulation, physical property data and structural dimensions constituting a model are strictly input, and a virtual microwave transmission structure is constructed on a computer. This virtual microwave structure is divided into meshes, and Maxwell's equations are applied thereto to obtain a converged solution. Mathematically, this results in solving a one-dimensional simultaneous equation with a large number of unknowns, but by accurately adapting the fineness of the mesh to the degree of concentration of the electromagnetic field, the phenomenon that actually occurs can be accurately predicted and Can be evaluated.
図６および図７では、Ｓパラメータの周波数応答特性を示しており、上述の３次元電磁界シミュレーションから得られる解である。Ｓパラメータは複素数であり、マイクロ波構造物が入射マイクロ波に対してどのような応答をするか、すなわち、反射および透過に関する情報を提示する。図６は、ＳパラメータのうちでＳ11と呼ばれる成分で、変調電気信号給電用配線４８ａ、４８ｂ、４８ｃの方向から入射したマイクロ波パワーに対して、入射方向に反射される量を、任意の周波数においてｄＢ単位で表示している。図６からわかるように、Ｓ11は周波数に対して依存性をもち、インピーダンス不整合が生じるため、一般には周波数がより高くなるほど反射量が増加する。また、インピーダンス整合状態の周波数依性によって、局所的な周波数領域で変動が起こる。 6 and 7 show the frequency response characteristics of the S parameter, which is a solution obtained from the above-described three-dimensional electromagnetic field simulation. The S parameter is a complex number and provides information on how the microwave structure responds to incident microwaves, i.e., reflection and transmission. FIG. 6 is a component called S 11 in the S parameter, and the amount reflected in the incident direction with respect to the microwave power incident from the direction of the modulated electric signal power supply wirings 48 a, 48 b, 48 c is arbitrarily determined. The frequency is displayed in dB. As can be seen from FIG. 6, S 11 is dependent on the frequency, and impedance mismatching occurs. Therefore, generally, the higher the frequency, the greater the amount of reflection. Further, fluctuations occur in a local frequency region due to the frequency dependence of the impedance matching state.
図６の（ａ）は本実施例の場合のＳ11のシミュレーション結果を、図６の（ｂ）は従来構造のワイヤおよびリボンで接続した場合のＳ11のシミュレーション結果をそれぞれ示す図である。対等な比較を期するため、接続部分以外の構造は全く同一とした。図６の（ａ）、（ｂ）において、点線の○で囲った部分を比較されたい。この領域は周波数で８〜１２ＧＨｚの部分で、規格で規定されている９．９５Ｇｂ／ｓ、１０．７Ｇｂ／ｓ、１１．３Ｇｂ／ｓといった伝送ビットレートは、ＴＯＳＡモジュールの特性を左右する重要な周波数領域である。反射特性の目安として、反射減衰量（リターンロス）が−１０ｄＢ以下であることが必要である。本発明の構成によれば、８〜１２ＧＨｚの帯域内でほぼ全てで−１０ｄＢ以下の反射減衰量が得られている。特に１０〜１１ＧＨｚでは−１５ｄＢと、十分な反射減衰量の値が得られている。 (A) of FIG. 6 is a simulation result of S 11 in the case of this embodiment, (b) in FIG. 6 is a diagram showing the simulation result of S 11 when connecting the wire and the ribbon of the conventional structure, respectively. In order to make an equal comparison, the structure other than the connecting portion is completely the same. In FIGS. 6A and 6B, compare the portions surrounded by the dotted circles. This area is 8 to 12 GHz in frequency, and the transmission bit rates such as 9.95 Gb / s, 10.7 Gb / s, and 11.3 Gb / s specified in the standard are important factors affecting the characteristics of the TOSA module. In the frequency domain. As a measure of the reflection characteristics, it is necessary that the return loss (return loss) is −10 dB or less. According to the configuration of the present invention, a return loss of −10 dB or less is obtained in almost all of the band of 8 to 12 GHz. In particular, a sufficient return loss of -15 dB is obtained at 10 to 11 GHz.
一方、図６の（ｂ）に示した従来構造のＴＯＳＡモジュールの反射減衰量特性では、８〜１２ＧＨｚの帯域内で−７ｄＢ程度にまで反射減衰量が劣化している領域もある。本発明のＴＯＳＡモジュールにおける電気的接合構造では、従来技術に比べ、ＴＯＳＡ筺体を貫通する伝送線路とサブキャリアとの間の反射点での反射量を抑制する効果が確認できる。 On the other hand, in the return loss characteristic of the TOSA module having the conventional structure shown in FIG. 6B, there is a region where the return loss is degraded to about −7 dB within the band of 8 to 12 GHz. In the electrical connection structure in the TOSA module of the present invention, the effect of suppressing the amount of reflection at the reflection point between the transmission line penetrating the TOSA housing and the subcarrier can be confirmed as compared with the prior art.
図７の（ａ）は本実施例の場合のＳ21のシミュレーション結果を、図７の（ｂ）は従来構造のワイヤおよびリボンで接続した場合のＳ21のシミュレーション結果をそれぞれ示す図である。Ｓパラメータのもう１つの成分であるＳ21は、変調電気信号給電用配線（図５−３）の方向から入射した任意の周波数のマイクロ波パワーに対して、そのままＴＯＳＡモジュール内を伝搬し終端抵抗２４、４４に到達する量をｄＢ単位で表示したものである。Ｓ21は、伝送線路の特性を、エネルギー減衰の観点から表したものであって、挿入損失とも言われる。図７の（ａ）および（ｂ）を比較すれば、従来技術の構造と比べて、本発明の実施例の構造において、点線の○の部分の８〜１２ＧＨｚの帯域内で挿入損失に０．５ｄＢ以上の改善が確認できる。 (A) of FIG. 7 a simulation result of S 21 in the case of this embodiment, (b) in FIG. 7 is a diagram showing the simulation result of S 21 when connecting the wire and the ribbon of the conventional structure, respectively. S 21 , which is another component of the S parameter, propagates through the TOSA module as it is with respect to the microwave power having an arbitrary frequency incident from the direction of the modulated electric signal power supply wiring (FIG. 5-3). The amount reaching 24 and 44 is displayed in dB. S 21 represents the characteristics of the transmission line from the viewpoint of energy attenuation, and is also called insertion loss. 7 (a) and 7 (b), when compared with the structure of the prior art, in the structure of the embodiment of the present invention, the insertion loss is reduced to 0. 0 within the band of 8 to 12 GHz in the dotted circle. An improvement of 5 dB or more can be confirmed.
図８は、本発明のＴＯＳＡモジュールの第２の実施例の構成を示す図である。本実施例のＴＯＳＡモジュール全体の構造は、実施例１と同じである。図８では、第１の実施例と相違している伝送線路チップの構造のみを示す。すなわち、図８は、図５において点線で囲ったＡの部分に対応する構造をチップの真上からみた模式図を示している。本実施例の小型伝送線路チップ８１は、裏面に伝送線路８２を持っている。第１の実施例の構成と同様に、伝送線路チップ８１は、伝送線路８２の形成面を下にして配置されている。図８では、伝送線路チップの信号線８２が見えるように伝送線路チップ８１を構成する誘電体を半透明で描いている。図８では、伝送線路チップ８１を真上から見ているので、厚みが表現されていないが、伝送線路チップ８１を構成する誘電体は、一定の厚さを持っている。
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of a second embodiment of the TOSA module of the present invention. The overall structure of the TOSA module of this embodiment is the same as that of the first embodiment. FIG. 8 shows only the structure of the transmission line chip that is different from the first embodiment. That is, FIG. 8 shows a schematic view of the structure corresponding to the portion A surrounded by the dotted line in FIG. 5 as viewed from directly above the chip. The small
第１の実施例のＴＯＳＡモジュールでは、伝送線路チップはコプレーナ型の伝送路を形成していた。本実施例では、マイクロストリップ型の伝送線路８２が形成される。すなわち、伝送線路チップ８１のグランド面は、信号線である伝送線路８２が形成される面とは反対の面にある。本実施例では、信号線８２はチップ８１の下面にあるので、伝送線路チップ８１のグランド面は上面にある。
In the TOSA module of the first embodiment, the transmission line chip forms a coplanar transmission line. In this embodiment, a
伝送線路チップ８１では、１つの面上に構成されたマイクロストリップ型導波路８２が使用される。すなわち、筺体を貫通する伝送線路であって筺体内部の露出部分にある変調電気信号給電用配線４８ｂと、サブキャリア上の伝送線路８３とを橋架しかつ電気的に接続するように構成されたマイクロストリップ型導波路８２が使用される。伝送線路チップ８１は、マイクロストリップ型導波路８２の構成面の対向面に形成されたグランド面を持ち、貫通伝送線路のグランドおよび前記サブキャリアのグランドが、グランド面とそれぞれ接続される。すなわち、チップ８１のグランド面と、サブキャリア８７のグランド８４ａ、８４ｂとをワイヤ８５ａ、８５ｂで接続している。また、伝送線路チップ８１のグランド面と、変調電気信号給電用配線のグランド線４８ａ、４８ｃとを、ワイヤ８６ａ、８６ｂで接続している。
In the
ワイヤを使用する点で、本実施例の実装形態は従来構造と同様とも考えられるが、高周波信号の波が最も集中するのは伝送線路８２の部分である。グランドが線路形状をしていることは必要ではない。グランドを強固にするために、太い複数本のワイヤを用いて低インピーダンス化することはＳ11、Ｓ21などの反射および伝送特性に改善する。
Although the mounting form of the present embodiment is considered to be the same as that of the conventional structure in that a wire is used, waves of high-frequency signals are most concentrated in the
以上のように２つの実施例を用いて本発明の詳細を説明したが、小型伝送線路を構成する誘電体はセラミックだけに限られず、樹脂系材料など他の材料であっても良い。また断面構造に関しても、複数の層からなる積層構造で有っても良い。ＴＯＳＡモジュール内は、ＴＥＣ４７によって温度制御されている。従来技術におけるワイヤであっても本発明における伝送線路５４ｂ、８２であっても、これらを通して熱がＴＯＳＡモジュール内部に流入する。熱の流入は、ＴＥＣにおける消費電力の増大につながる。そのため、本発明の伝送線路チップを構成する誘電体材料は、より小さな熱伝導率を持つことが望ましい。熱伝導率の観点からはセラミックより樹脂の方が好ましい。
As described above, the details of the present invention have been described using the two embodiments. However, the dielectric constituting the small transmission line is not limited to ceramic, but may be other materials such as a resin-based material. Further, the cross-sectional structure may be a laminated structure composed of a plurality of layers. The temperature inside the TOSA module is controlled by the
以上説明したように、本発明のＴＯＳＡモジュール用の接合構造およびその接合構造を実装したＴＯＳＡモジュールによって、ＴＯＳＡ筺体を貫通する伝送線路と光半導体素子を搭載するサブキャリアとの間の反射点のインピーダンスを５０Ωに近づけて、マイクロ波反射をより小さくする。反射耐性の弱い駆動用ドライバＩＣを使用した場合でも、急峻な波形の立ち上がりおよび立下りを実現し、ジッタなどの波形乱れが少ない品質の高い光出力波形を得ることできる。 As described above, the impedance of the reflection point between the transmission line penetrating the TOSA housing and the subcarrier on which the optical semiconductor element is mounted by the joint structure for the TOSA module of the present invention and the TOSA module mounted with the joint structure. Is closer to 50Ω to reduce microwave reflection. Even when a driver IC having low reflection tolerance is used, a steep rise and fall of the waveform can be realized, and a high-quality optical output waveform with less waveform disturbance such as jitter can be obtained.
本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。 The present invention is generally applicable to an optical communication system.
１ テラス部
２ａ、２ｂ、２ｃ、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、４８ａ、４８ｂ、４８ｃ 変調電気信号給電用配線端子
３ セラミック部
４ 金属部
５ ベース
２１、４１ サブキャリア
２２、４２ レーザダイオード
２３、４３ 変調器
２７、４７ ＴＥＣ
３３、５３、８３ 伝送線路
３４ フレキシブルプリント基板
３５ 駆動用ドライバＩＣ
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、８２ 導波路
５５、８１ 伝送線路チップ
１０、４０ ＴＯＳＡモジュール
DESCRIPTION OF
33, 53, 83
54a, 54b, 54c, 82
Claims (7)
前記筺体の１つの面を貫通するように、前記モジュールパッケージの内部および外部を接続し、高周波電気信号を伝搬する貫通伝送線路と、
前記筺体の内部であって、前記貫通伝送線路の形成面と概ね同一面上に配置され、少なくとも伝送線路および光半導体素子を搭載するサブキャリアと、
前記貫通伝送線路の前記筺体内部における露出部分と、前記サブキャリア上の前記伝送線路とを接続する接続用導波路が形成された接続チップと
を備えたことを特徴とするモジュールパッケージ。 In a module package that houses an optical circuit inside a housing at least part of which is formed of a dielectric on a base made of a conductive material,
A penetration transmission line that connects the inside and the outside of the module package so as to penetrate one surface of the housing and propagates a high-frequency electrical signal;
Inside the housing, disposed substantially on the same plane as the formation surface of the through transmission line, at least a subcarrier on which the transmission line and the optical semiconductor element are mounted,
A module package comprising: an exposed portion of the through transmission line inside the housing; and a connection chip on which a connection waveguide for connecting the transmission line on the subcarrier is formed.
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