JP2015125153A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を可能にした光モジュールを提供すること。
【解決手段】光モジュール１は、ＥＡＭ７と、ＥＡＭ７と電気的に接続された伝送線路８、および、伝送線路８と同一面上に形成された接地導体４を有するサブキャリア３と、伝送線路８に接続され、インピーダンスの整合を行う複数の整合回路とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信システムにおいて使用される光送信モジュールおよび光送信機等の光モジュールに関する。この光モジュールは、特に、電界吸収型変調器（ＥＡＭ：Electro-Absorption Modulator）を集積した半導体レーザ素子等において好適に使用される電界吸収型光変調器に用いられる。

電界吸収型変調器（ＥＡＭ）は、半導体の電界吸収効果を利用した外部光変調器であり、小型でかつ低製造コスト、および低電圧駆動が実現でき、優れた高速変調特性などを有する特徴がある。このため、ＥＡＭが単独で光変調器として利用されたり、分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）光源とともに集積されたりして利用される。ＥＡＭは、主に１０ギガビット毎秒以上の変調速度を有する光通信の分野で広く用いられている。

光通信技術の発達に伴い、光通信装置に対しては、さらなる伝送容量の拡大と共に、より小型かつ安価に提供することが要求されている。この観点から、光通信装置におけるキーデバイスである光送信モジュールについても、より小型および低コストで実現することが要求される。

図６は、従来の電界吸収型変調器の集積型分布帰還型レーザダイオード（ＥＭＬ：Electro-absorption Modulator integrated with DFB Laser diode）モジュール１００の構成例を示している。

ＥＭＬモジュール１００には、外部ピン１０２を有する気密型パッケージ１０１が形成されており、このパッケージ１０１内において、ＥＭＬ１０５が搭載されたサブキャリア１０３、ＥＭＬ１０５から出射される変調光を光ファイバ（図示しない）に結合するためのレンズ１０９、および、アイソレータ１１０を含む。ＥＭＬ１０５は、ＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザ１０６と光学的に接続される。

サブキャリア１０３上には、伝送線路として例えばコプレーナ線路１０８が形成されている。コプレーナ線路１０８の一端は、ボンディングワイヤ１１１により信号ピン１０２と接続され、コプレーナ線路１０８の他端は、ボンディングワイヤ１１２によりＥＡＭ１０７の電極と接続される。

ＥＡＭ１０７はさらに、ボンディングワイヤ１１３を介して、サブキャリア１０３上にパタン形成された薄膜の終端抵抗１１４の一端と接続される。終端抵抗１１４の他端は、サブキャリア１０３の接地導体１０４と接続される。

外部ピン１０２から入力される高速変調信号は、ボンディングワイヤ１１１、コプレーナ線路１０８およびボンディングワイヤ１１２を通じて、ＥＡＭ１０７に供給される。一般に、サブキャリア１０３は、放熱を考慮して、窒化アルミニウム等の熱抵抗の小さいセラミック素材で形成される。

図７は、信号源１２４からＥＡＭ１０７に高速変調信号を伝送するための伝送線路の等価回路を示す図である。なお、図７において、図６に示した符号と同じ符号は、その符号で示したものに相当する。

信号源１２４の内部抵抗１２５は通常50Ωである。一般に、コプレーナ線路１０８の特性インピーダンスまたは終端抵抗１１４についても、インピーダンス整合を考慮して50Ωにすることが多い。

ＥＡＭ１０７は、電気回路的にはダイオードとして扱うことができる。光がこのダイオードの空乏層を通過する際に、ダイオードのアノード電極に印加された逆バイアスに重畳した変調信号により光吸収に強弱が生じ、光変調が行われる。

図７に示したＥＡＭ１０７の等価回路は主に、接合容量１２２、直列寄生抵抗１２１、および光電流に相当する抵抗１２３で構成される。ＥＡＭ１０７では、光吸収により生成される電子と正孔との対は、逆バイアスによって光電流となる。

ＥＡＭ１０７に入力されるレーザ光が強いほど、大きな光電流が流れることになるが、これは、図７に示した等価回路においては、抵抗１２３の値が小さくなることに相当する。通常、光電流は数10mAのオーダであるので、これを抵抗値に換算すると抵抗１２３は、100Ω程度以上になる。

接合容量１２２は、10ギガビット用ＥＡ変調器では例えば0.5pF程度である。

変調信号の低速成分に相当する低周波領域では、ＥＡＭ１０７のインピーダンスが終端抵抗１１４に比べて遥かに高くなるので、ＥＡＭ１０７と終端抵抗１１４との合成インピーダンスは、ほぼ50Ωである。これは、信号源１２４の出力インピーダンス、および、伝送線路の特性インピーダンスと整合する。

一方、変調信号の高速成分に相当するf=1GHz程度以上の高周波帯域では、ＥＡＭ１０７の接合容量１２２のインピーダンスZはZ=1/(2πfC)であるから50Ωと比較ができるほどまでに小さくなる。例えばf=10GHzにおける接合容量１２２のインピーダンスは、容量値を0.5pFとすると約32Ωになる。このため、ＥＡＭ１０７と終端抵抗１１４との合成インピーダンスは50Ωよりも小さい値になる。その結果、信号源１２４とＥＡＭ１０７とを含めた負荷にインピーダンス不整合が生じ、変調信号の劣化や反射損失の劣化が生じる。

これに対して、従来の光送信モジュールでは、例えば非特許文献１のように、ＥＡＭへの信号入力接続ワイヤに並列にキャパシタまたはオープンスタブを付加することで、インピーダンス不整合を補償し、電気反射を低減するようにしている。

図８（ａ）は従来の光モジュールの例を示している。図８（ａ）では、コプレーナ線路１０８の付近に0.2pFのキャパシタ１３３が設けられている。そして、ワイヤ１３６によって、コプレーナ線路１０８とキャパシタ１３３とが接続されることで、インピーダンス整合を取るようにしている。この場合の等価回路は図９で示したような構成になる。

図８（ｂ）および図８（ｃ）の光モジュールでは、図８（ａ）に示したキャパシタ１３３の代わりに、コプレーナ線路１０８ｂと接続されるオープンスタブ１３９によりキャパシタを追加した例を示している。

Kota ASAKA et al., "10 Gb/s BOSA employing low-cost TO CAN package and impedance matching circuits in transmitter", IEICE Trans. Electron., vol.E96-C, no.7, July 2013, pp. 989-994.

しかしながら、従来の光モジュールでは、インピーダンス整合を補償するためのキャパシタまたはオープンスタブの素子サイズがＥＭＬやコプレーナ線路などに比べて大きく、これにより、サブキャリアの小型化が制限され、光送信モジュールの小型化の妨げになるという問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、小型化を可能にした光モジュールを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明は、電界吸収型の変調器と、前記変調器と電気的に接続された伝送線路、および、前記伝送線路と同一面上に形成された接地導体を有する配線基板と、前記配線基板の前記伝送線路に接続され、インピーダンスの整合を行う複数の整合回路とを含む。

ここで、前記整合回路がコンデンサで構成される場合、前記コンデンサの各々は、前記配線基板の前記接地導体上に設けられ、前記接地導体と一端が接続されるとともに他端が前記伝送線路と電気的に接続されるようにしてもよい。

前記整合回路がオープンスタブで構成される場合、前記オープンスタブの各々は、前記配線基板の前記伝送線路に接続されるようにしてもよい。

本発明によれば、小型化を可能にした光モジュールを提供することができる。

本発明の実施形態１に係る光送信モジュールの構成例を示す図である。 本発明の実施形態１に係る光送信モジュールの等価回路の一例を示す図である。 実施形態１の光送信モジュールにおいて、周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施形態２に係る光送信モジュールの構成例を示す図である。 半導体レーザと電界吸収型光変調器とを集積するＥＭＬの構成例を示す図である。 従来のＥＭＬの構成を示す図である。 従来のＥＭＬの等価回路を示す図である。 従来のＥＭＬの別の構成を示す図である。 従来のＥＭＬの別の構成の等価回路を示す図である。

＜実施形態１＞
以下、本発明の実施形態１である光送信モジュール（光モジュール）１について説明する。この光送信モジュール１は、例えば、高周波特性を有するＥＭＬモジュールである。

図１は本発明の実施形態１に係る光送信モジュール１の構成例を示す図である。

この光送信モジュール１は、サブキャリア（配線基板）３を備え、サブキャリア３上には、コプレーナ線路（伝送電路）８、接地導体４および終端抵抗１４が設けられる。

なお、図１では筐体および外部ピンを図示せずに示しているが、光送信モジュール１も、図６に示した筐体１０１および外部ピン１０２を同様に備える構成をとる。光送信モジュール１は、気密型パッケージとして説明する。

また、サブキャリア３上には、ＥＭＬ５と、３つのキャパシタ３１，３２，３３とが形成される。各キャパシタ３１〜３３は、分散してサブキャリア３上に搭載されている。キャパシタ３１〜３３としては、例えば積層セラミックキャパシタが用いられる。

後述するように、キャパシタ３１〜３３は、それぞれ、インピーダンスの整合を行う整合回路として用いられる。

なお、図１では、キャパシタ３１〜３３は、ほぼ等間隔に配置されているが、図１に示した間隔に限られず、他の間隔で配置することもできる。また、図１では、各キャパシタ３１〜３３は同一の容量値を有するようにしているが、キャパシタ３１〜３３の各容量値は、異なるようにしてもよい。

図１において、ＥＭＬ５に集積されるＥＡＭ７上面には、アノード電極が形成されており、ＥＡＭ７下面にはカソード電極が形成される。そして、このカソード電極と接地導体４とが電気的に接続される。

また、キャパシタ３１，３２，３３の上面および下面には、それぞれ電極が設けられ、その上面側の各電極は、それぞれ、ボンディングワイヤ３４、３５、３６を介してコプレーナ線路８と接続される。また、キャパシタ３１，３２，３３の下面側の各電極は、それぞれ、接地導体４と電気的に接続される。

図２は、光送信モジュール１の等価回路の一例を示す図である。なお、図２において、図１に示した符号と同じ符号は、その符号で示したものに相当する。

図２に示すように、光送信モジュール１は、高周波信号を供給する信号源２４と、電圧を加えるためのバイアスティー２６と、外部ピンに相当する線路２と、この線路２とコプレーナ線路８とを接続するためのワイヤに相当するインダクタ１１とを備える。

なお、信号源２４の内部抵抗２５は通常50Ωであるので、本実施形態でも同様の抵抗値をとる。また、コプレーナ線路８の特性インピーダンスまたは終端抵抗１４についても、インピーダンス整合を考慮して例えば50Ωとする。

さらに、図２では、直列接続された伝送線路８とシャントされた並列キャパシタ３１〜３３は、分布的に構成された容量性整合回路として構成される。この容量性整合回路は、各キャパシタ３１〜３３と各インダクタ３４〜３６とからなる３つの直列回路で構成される。これは、図６の非特許文献１に示した１つのキャパシタ１１０による容量性整合回路と同等の機能を果たす。

ＥＡＭ７は、接合容量２２、直列寄生抵抗２１、および、光電流分に相当する抵抗２３で構成される。ＥＡＭ７では、光吸収により生成される電子と正孔との対は、逆バイアスによって光電流となる。抵抗２３は、100Ω程度以上になる。接合容量２２は、10ギガビット用ＥＡ変調器では例えば0.5pF程度である。

一般に、積層セラミックキャパシタの容量値Ｃは、下記式（１）で表されることが知られている。
Ｃ＝εr・ε0・S/d （１）

なお、式（１）において、εr：セラミックの比誘電率、ε0：真空誘電率、S：電極の面積、d：電極間距離、を示す。

例えば、２つの電極で挟まれたセラミックの厚さが同じ場合、式（１）に示したＣの値は、電極の面積に比例して大きくなる。

この観点から、本実施形態の光送信モジュール１では、キャパシタ３１〜３３の容量、すなわち電極の面積が小さくなるように、キャパシタ３１〜３３を分散して配置するようにしている。これにより、１つのキャパシタを備える場合よりも、キャパシタ３１〜３３の各素子サイズを小さくなる。本実施形態の場合、図１に示したサブキャリア３上のスペース（本実施形態では、接地導体４のスペース）を有効的に利用することができ、結果として、サブキャリア３の小型化が実現する。

一般に、光送信モジュールの素子寸法、特に横方向の素子寸法は、サブキャリアの寸法に依拠して決められる。このため、本実施形態のようにサブキャリア３の小型化を行うことで、光送信モジュール１の小型化も実現できる。

次に、図１および図２に示した光送信モジュール１の入力反射減衰量、および、光送信モジュール１の信号源２４からサブキャリア３上の終端抵抗１４までの伝送損失に関してシミュレーションを行ったので、その結果の一例を図３に示す。

図３は、周波数特性のシミュレーション結果例を示す図であって、（ａ）は入力反射減衰、（ｂ）は伝送損失を示す。図３（ａ）および図３（ｂ）では、横軸は周波数、縦軸は入力電気信号の反射減衰量を示す。なお、このシミュレーションでは、キャパシタ３１〜３３の容量値をそれぞれ0.1pFとした。

図３（ａ）および図３（ｂ）では、比較のために、３つの場合、すなわち、本実施形態の光送信モジュール１の場合（Ｒ１，Ｌ１）と、キャパシタを備えない場合（Ｒ２，Ｌ２）と、非特許文献１のように１つキャパシタを備える場合（Ｒ３，Ｌ３）とを示している。

一般的には、入力反射減衰量は、-10dBよりも大きくなるように設計されるので、図３（ａ）の説明ではこの観点から説明する。

図３（ａ）において、例えば、キャパシタを備えない場合には、特性Ｒ２は、9GHz以上の帯域において、反射損失が-10dB以上に増大している。

一方、キャパシタ３１〜３３を備える本実施形態の場合には、特性Ｒ１は、反射損失が-10dB以上となる帯域は、13GHz程度まで拡大している。この場合、１つのキャパシタによる容量性整合回路を有する場合（特性Ｒ３）と比べて、キャパシタ３１〜３３を分割して配置することで容量性整合回路全体としてのＱ値が下がるため、整合のピークとなる入力反射損失値そのものは劣化するものの、その分、反射損失が-10dB以上となる帯域が拡大させることができる。

図３（ｂ）において、例えば、本実施形態の特性Ｌ１の場合、キャパシタを備えない特性Ｌ２の場合とほぼ同様に、-3dB帯域を有している。一般的に、初期状態から伝送損失が3dB増えた周波数を-3dB帯域と呼び、これは高周波特性として評価されている。

本実施形態の特性Ｌ１の場合、１つのキャパシタによる容量性整合回路を有する場合（特性Ｌ３）と比べて、15GHz以上の損失低下、すなわち急激なロールオフの抑制が得られた。

以上説明したように、本実施形態の光送信モジュール１によると、変調器としてのＥＡＭ７と電気的に接続された伝送線路８、および、伝送線路８と同一面上に形成された接地導体４を有するサブキャリア３と、伝送線路８に接続され、インピーダンスの整合を行う複数の整合回路（コンデンサ３１〜３３を含む）とを備える。これにより、キャパシタ３１〜３３の各電極面積が小さくなり、光送信モジュール１の小型化が実現される。

また、光送信モジュール１の場合、従来の場合に比べて、広い帯域に渡って入力反射損失を低減することができる。これにより、例えば10ギガビット毎秒級の高速デシタル信号伝送において良好な信号伝送が可能になる。

＜実施形態２＞
以下、光送信モジュールの実施形態２について説明する。

本実施形態の光送信モジュールが実施形態１と異なるのは、前述したコンデンサ３１〜３３の代わりに、オープンスタブを用いて容量性整合回路を構成した点に特徴がある。

図４は、本発明の実施形態２に係る光送信モジュール１Ａの構成例を示す図である。なお、図４では、特に記述しない限り、実施形態１の説明で用いた符号等をそのまま用いる。

図４において、オープンスタブ３７、３８、３９は、コプレーナ線路８に並列に配置される。このように構成することにより、図１に示したキャパシタ３１〜３３を備える実施形態１と同等の効果が得られる。

オープンスタブ３７〜３９のキャパシタンスは、スタブ線路の幅および長さによって決まる。そのため、この光送信モジュール１Ａでも、実施形態１のものと同様（図１に示したキャパシタ３１〜３３を分散配置して個々のキャパシタ容量値を小さくした場合と同様）の効果を得ることができる。すなわち、オープンスタブ３７〜３９の線路幅を同じにして、オープンスタブ３７〜３９を分散配置することで、個々のスタブ長を短くすることができる。このことは、実施形態１と同様に、サブキャリア３上のスペース（この実施形態では接地導体４）を有効に利用することができ、サブキャリア３の小型化が実現することを意味する。

図４の例では、オープンスタブ３７〜３９の構成によって、並列容量をサブキャリア３上にパタン形成するだけで実現できるため、実施形態１の場合に比べて部品点数が削減できる。また、光送信モジュール１Ａの部材の低コスト化が実現できる。

本実施形態の光送信モジュール１Ａでは、実施形態１の場合と異なり、図１に示したキャパシタ３１〜３３とコプレーナ線路８とを接続するためのワイヤ３４〜３６が不要になる。このため、不要な寄生インダクタンスが無くなり、入力反射損失がより低減し得る。また、組立コストも削減できる。

ここで、図１および図４に示したＥＡＭ７の構成例について図５を参照して説明する。図５は、ＥＭＬ７の構成例を示す図である。

図５において、ＥＡＭ７は、例えば４５０μｍのＤＦＢレーザ１０と、例えば１５０μｍの電界吸収型変調器２０とを集積して構成されている。そして、ＤＦＢレーザ１０と変調器２０との間には、電気的分離溝（isolation groove）３０が設けられている。図５の例では、ＥＡＭ７は、例えばn-InP基板４０上に形成される。

ＤＦＢレーザ１０の活性層５４、および、変調器２０の吸収層５１は、InGaAsPのウェルとInGaAsPのバリアとからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる。

ＤＦＢレーザ１０の活性層５４と変調器２０の吸収層５１は、バットジョイント５３により接続されており、半絶縁（semi-insulated）InPによって埋め込まれている。

図５において、n-InP層５２およびシリコンInP層５５が示されている。

以上、各実施形態について詳述してきたが、構成要素の材料などは変更するようにしてもよい。例えば、光送信モジュール１として例えばＥＭＬを用いるものとして記述しているが、例えば、直接変調型の半導体レーザダイオード（direct modulation laser diode：ＤＭＬ）に適用しても有効である。

また、容量性整合回路の数、例えばキャパシタまたはオープンスタブの数は変更するようにしてもよい。

１，１Ａ 光送信モジュール
２ ピン
３ サブキャリア
４ 接地導体
５ ＥＭＬ
６ ＤＦＢレーザ
７ ＥＡＭ
８、８ｂ コプレーナ線路
９ レンズ
１０ アイソレータ
１１、１２、１３ ボンディングワイヤ
１４ 終端抵抗
２１ ＥＡＭの寄生抵抗
２２ ＥＡＭの接合容量
２３ ＥＡＭを流れる光電流分に相当する抵抗
２４ 信号源
２５ 信号源の内部抵抗
２６ バイアスティー
２７ 直流電源
３１、３２、３３ キャパシタ
３４、３５、３６ ボンディングワイヤ
３７、３８、３９ オープンスタブ

Claims (5)

1. 光モジュールであって、
   電界吸収型の変調器と、
   前記変調器と電気的に接続された伝送線路、および、前記伝送線路と同一面上に形成された接地導体を有する配線基板と、
   前記配線基板の前記伝送線路に接続され、インピーダンスの整合を行う複数の整合回路と
   を含むことを特徴とする光モジュール。
2. 前記整合回路がコンデンサで構成される場合、
   前記コンデンサの各々は、前記配線基板の前記接地導体上に設けられ、前記接地導体と一端が接続されるとともに他端が前記伝送線路と電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記整合回路がオープンスタブで構成される場合、
   前記オープンスタブの各々は、前記配線基板の前記伝送線路に接続されることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
4. 前記伝送線路は、高周波特性を有する導波路であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光モジュール。
5. レーザ光を発振出力する半導体レーザをさらに含み、
   前記半導体レーザと前記変調器とが集積して搭載されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光モジュール。

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