JP2017073691A - Optical receiving circuit and optical receiving module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高速な光信号を電気信号に変換する光受信回路および光受信モジュールに関するものである。 The present invention relates to an optical receiver circuit and an optical receiver module that convert a high-speed optical signal into an electrical signal.
従来は、受光素子の一方の端子(例えばアノード)をトランスインピーダンスアンプ(TIA:Transimpedance amplifier)や外部の電気受信回路などの負荷に接続し、受光素子の他方の端子(例えばカソード)については、高周波的には接地(ショート)し、直流的には外部のバイアス印加端子に接続する光受信回路が一般的であった。この光受信回路では、受光素子の他方の端子の高周波信号に対する良好な接地を得るために、低周波成分と高周波成分を分離するバイアス分離回路を受光素子の直近に配置する必要があった(特許文献1参照)。 Conventionally, one terminal (for example, the anode) of the light receiving element is connected to a load such as a transimpedance amplifier (TIA) or an external electric receiving circuit, and the other terminal (for example, the cathode) of the light receiving element has a high frequency. In general, an optical receiver circuit that is grounded (short-circuited) and connected to an external bias application terminal in terms of direct current is common. In this optical receiver circuit, in order to obtain a good ground for the high frequency signal of the other terminal of the light receiving element, it is necessary to arrange a bias separation circuit for separating the low frequency component and the high frequency component in the immediate vicinity of the light receiving element (patent) Reference 1).
受光素子と電気線路、およびバイアス分離回路からなる従来の光受信回路の例を図11と図12に示す。光受信回路は、PD(フォトダイオード)チップ100と、サブマウント101とからなる。図11の例では、受光素子102と電気線路103の他に、バイアス分離回路104をPDチップ100内に設けている。電気線路103はサブマウント101上に形成された信号出力端子105と接続される。信号出力端子105には、インダクタ107を介して負荷抵抗108が接続される。受光素子102のカソードには、サブマウント101上に形成されたバイアス印加端子106からバイアス分離回路104を介して直流バイアスが印加される。
An example of a conventional optical receiving circuit including a light receiving element, an electric line, and a bias separation circuit is shown in FIGS. The optical receiving circuit includes a PD (photodiode)
一方、図12の例では、受光素子102のカソードとバイアス分離回路104との間を電気線路109で接続することにより、PDチップ100の外部にバイアス分離回路104を配置している。電気線路109はサブマウント101上に形成されたバイアス印加端子106と接続される。バイアス印加端子106には、インダクタ110を介してバイアス分離回路104が接続される。受光素子102のカソードには、外部のバイアス印加端子111からバイアス分離回路104とインダクタ110とサブマウント101のバイアス印加端子106と電気線路109とを介して直流バイアスが印加される。
On the other hand, in the example of FIG. 12, the
図11、図12に示したバイアス分離回路104は、受光素子102のカソードを高周波的に接地するためにキャパシタ1040を必要とする。光通信用の受光素子として一般的に用いられるpin−PDの所要逆バイアス電圧は2〜10V程度である。したがって、図11に示した受光素子102としてpin−PDを使用すれば、PDチップ100内の半導体基板上に形成した耐電圧5〜10V程度のキャパシタを、PDチップ100内のバイアス分離回路104のキャパシタ1040として利用することが可能である。
The
しかしながら、pin−PDよりも高感度な受光感度特性を有するアバランシェフォトダイオード(APD:Avalanche Photodiode)の所要逆バイアス電圧は20V〜100V程度であるため、APDを受光素子102に用いようとしても、APDの所要逆バイアス電圧がPDチップ100内のキャパシタの耐電圧を超えてしまうので、図11に示した光受信回路にAPDを適用することは困難であった。また、TIAが負荷となる場合においては、TIAチップ内にバイアス分離回路を備えた製品も存在する。しかし、PDチップ内と同様に、半導体基板上に形成した耐電圧5〜10V程度のキャパシタを利用しているため、このキャパシタにAPDの所要逆バイアス電圧を印加することは困難であった。
However, since the required reverse bias voltage of an avalanche photodiode (APD) having a light receiving sensitivity characteristic higher than that of the pin-PD is about 20V to 100V, even if the APD is used for the light receiving element 102, the APD Since the required reverse bias voltage exceeds the withstand voltage of the capacitor in the
PDチップ100の外部にバイアス分離回路104を配置する図12の例では、セラミックと金属とからなる高耐電圧のチップキャパシタをバイアス分離回路104のキャパシタ1040として用いることができ、受光素子102としてAPDを用いることが可能になる。ただし、電気線路109を短くしてバイアス分離回路104をPDチップ100の直近に配置すると、バイアス分離回路104内の高耐電圧のチップキャパシタ1040が他の光部品や電気部品、電気配線等と空間的に干渉することがある。そのため、特に多チャンネルの光受信回路において、光結合に最も適した位置に受光素子102を配置することが出来なかったり、電気部品や光部品のレイアウトの自由度が損なわれたりする場合がある、という問題点があった。
In the example of FIG. 12 in which the
一方、バイアス分離回路104をPDチップ100から離して配置する場合、電気線路109が長くなればなるほど、光受信回路の利得の周波数特性の変動および群遅延の周波数の変動がより低周波側にシフトし、この変動の影響が信号帯域内に及ぶと、光受信回路から出力される電気信号の波形が劣化する、という問題点があった。
On the other hand, when the
図13(A)は図12の光受信回路の利得の周波数特性を計算した結果を示す図、図13(B)は図12の光受信回路の群遅延の周波数特性を計算した結果を示す図である。ここでは、電気線路103,109の特性インピーダンスをそれぞれZA,ZB、インダクタ107,110のインダクタンスをそれぞれLA,LB、負荷抵抗108のインピーダンスをZLとし、ZA=ZL=50Ω、ZB=25Ω、LA=LB=0.1nHとした。また、25Gb/s NRZ(Non-Return-to-Zero)光信号を受信することを想定して、受光素子102には、50Ω負荷時に22.7GHzの3dB帯域が得られるモデルを用いた。電気線路103の電気的な長さ(電気長)は1.5mmとした。電気線路109の電気長は0mm、1.5mm、3mmの3種類とした。図13(A)の200,201,202はそれぞれ電気線路109の電気長が0mm、1.5mm、3mmのときの利得を示し、図13(B)の203,204,205はそれぞれ電気線路109の電気長が0mm、1.5mm、3mmのときの群遅延を示している。
13A is a diagram illustrating a result of calculating the frequency characteristics of the gain of the optical receiver circuit of FIG. 12, and FIG. 13B is a diagram illustrating a result of calculating the frequency characteristics of the group delay of the optical receiver circuit of FIG. It is. Here, the characteristic impedances of the
図13(A)、図13(B)から明らかなように、電気線路109の電気長が長くなるほど、光受信回路の利得の周波数特性および群遅延の周波数特性が変動する周波数領域が低周波側に移行する。受光素子102の3dB帯域である22.7GHzは電気長13.2mmに相当するが、その約1/10の電気長である1.5mmよりも電気線路109の電気長が長くなると、受光素子102の3dB帯域内に影響することが分かる。電気線路109の電気長が3mmになると、プラス側で5dB、マイナス側で25dBもの利得変動が受光素子102の3dB帯域内に生じる。また、受光素子の3dB帯域内の群遅延変動は170psに達しており、25Gb/s NRZ光信号の1ビットの周期である40psの約4倍に相当する。以上のような利得変動と群遅延変動に伴い、図12の光受信回路から出力される電気信号の波形が劣化する。
As is clear from FIGS. 13A and 13B, the frequency region in which the frequency characteristics of the gain of the optical receiver circuit and the frequency characteristics of the group delay fluctuate as the electrical length of the electrical line 109 increases. Migrate to 22.7 GHz, which is a 3 dB band of the light receiving element 102, corresponds to an electrical length of 13.2 mm. However, if the electrical length of the electric line 109 is longer than 1.5 mm, which is about 1/10 of the electrical length, the light receiving element 102 It can be seen that this affects the 3 dB band. When the electrical length of the electrical line 109 is 3 mm, a gain fluctuation of 5 dB on the plus side and 25 dB on the minus side occurs in the 3 dB band of the light receiving element 102. Further, the group delay variation in the 3 dB band of the light receiving element reaches 170 ps, which corresponds to about four
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、バイアス分離回路を受光素子から遠ざけた場合でも、光受信回路の信号帯域内の周波数特性の変動を抑制することが可能な光受信回路および光受信モジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and an optical receiver circuit capable of suppressing fluctuations in frequency characteristics within the signal band of the optical receiver circuit even when the bias separation circuit is moved away from the light receiving element. And an optical receiver module.
本発明の光受信回路は、光信号を電気信号に変換する受光素子と、この受光素子のアノードと信号出力端子との間を接続する第1の電気線路と、前記受光素子のカソードを交流的に接地すると共に、カソードに直流バイアス電圧を印加するバイアス分離回路と、前記受光素子のカソードと前記バイアス分離回路との間に挿入された第2の電気線路と、前記受光素子のカソードと前記バイアス分離回路との間に前記第2の電気線路と直列に挿入されたバイアス抵抗とを備え、前記バイアス抵抗の抵抗値をRB、前記第2の電気線路の特性インピーダンスをZB、前記信号出力端子に接続される負荷のインピーダンスをZLとしたとき、前記バイアス抵抗の抵抗値RBを|ZL|/2以下とし、かつ前記第2の電気線路の特性インピーダンスZBを前記バイアス抵抗の抵抗値RBと等しくして前記バイアス抵抗とインピーダンス整合させることを特徴とするものである。 An optical receiver circuit according to the present invention includes a light receiving element that converts an optical signal into an electric signal, a first electric line that connects between an anode of the light receiving element and a signal output terminal, and a cathode of the light receiving element. A bias separation circuit for applying a DC bias voltage to the cathode, a second electric line inserted between the cathode of the light receiving element and the bias separation circuit, the cathode of the light receiving element, and the bias A bias resistor inserted in series with the second electric line between the second circuit and the separation circuit, wherein the resistance value of the bias resistor is R B , the characteristic impedance of the second electric line is Z B , and the signal output when the impedance of the load connected to the terminal is set to Z L, the resistance R B of the bias resistor | a / 2 or less and then, and the characteristic impedance Z B of the second electric line | Z L Serial made equal to the resistance R B of the bias resistor is characterized in that to said bias resistor and impedance matching.
また、本発明の光受信モジュールは、光受信回路と、前記光受信回路の信号出力端子に接続される負荷となる増幅回路チップとを有し、前記光受信回路は、少なくとも前記第1、第2の電気線路と前記バイアス抵抗とを備えたサブマウントと、このサブマウント上に搭載される、前記受光素子を備えた受光素子チップとから構成され、前記バイアス分離回路のうち、前記受光素子のカソードを交流的に接地するためのキャパシタは、前記増幅回路チップと同じキャリア上に配置されて、外部から前記直流バイアス電圧の供給を受ける第1の端子が前記バイアス抵抗と前記第2の電気線路とを介して前記受光素子のカソードに接続され、第2の端子が接地されることを特徴とするものである。
また、本発明の光受信モジュールは、光受信回路と、前記光受信回路の信号出力端子に接続される負荷となる増幅回路チップとを有し、前記光受信回路は、少なくとも前記第1、第2の電気線路を備えたサブマウントと、このサブマウント上に搭載される、前記受光素子を備えた受光素子チップとから構成され、前記バイアス分離回路のうち、前記受光素子のカソードを交流的に接地するためのキャパシタと、前記バイアス抵抗とは、前記増幅回路チップと同じキャリア上に配置され、前記キャパシタは、外部から前記直流バイアス電圧の供給を受ける第1の端子が前記バイアス抵抗と前記第2の電気線路とを介して前記受光素子のカソードに接続され、第2の端子が接地されることを特徴とするものである。
The optical receiver module of the present invention includes an optical receiver circuit and an amplifier circuit chip serving as a load connected to a signal output terminal of the optical receiver circuit, and the optical receiver circuit includes at least the first and the first elements. A submount including two electric lines and the bias resistor, and a light receiving element chip including the light receiving element mounted on the submount. A capacitor for grounding the cathode in an AC manner is disposed on the same carrier as the amplifier circuit chip, and the first terminal receiving the DC bias voltage from the outside is the bias resistor and the second electric line. Are connected to the cathode of the light receiving element through the second terminal, and the second terminal is grounded.
The optical receiver module of the present invention includes an optical receiver circuit and an amplifier circuit chip serving as a load connected to a signal output terminal of the optical receiver circuit, and the optical receiver circuit includes at least the first and the first elements. And a light receiving element chip including the light receiving element mounted on the submount, and the cathode of the light receiving element in the bias separation circuit is connected in an alternating manner. The capacitor for grounding and the bias resistor are disposed on the same carrier as the amplifier circuit chip, and the capacitor has a first terminal that receives supply of the DC bias voltage from the outside, and the bias resistor and the first resistor The second terminal is connected to the cathode of the light receiving element via two electric lines, and the second terminal is grounded.
また、本発明の光受信モジュールの1構成例は、前記キャパシタと前記バイアス抵抗とを個別に設ける代わりに、前記キャパシタと前記バイアス抵抗とを内部で接続した複合部品を設けることを特徴とするものである。
また、本発明の光受信モジュールの1構成例において、前記サブマウントは、さらに前記第1、第2の電気線路と同じ面上に配置された高周波グランドを備え、前記高周波グランドは、前記増幅回路チップのグランドパッドと接続されることを特徴とするものである。
Also, one configuration example of the optical receiver module of the present invention is characterized in that a composite component in which the capacitor and the bias resistor are connected is provided instead of separately providing the capacitor and the bias resistor. It is.
Moreover, in one configuration example of the optical receiver module of the present invention, the submount further includes a high-frequency ground disposed on the same plane as the first and second electric lines, and the high-frequency ground includes the amplification circuit. It is connected to the ground pad of the chip.
本発明によれば、バイアス分離回路を受光素子から遠ざけた場合でも、光受信回路の信号帯域内の利得および群遅延の周波数特性の変動を抑制することが可能になり、光受信回路から出力される電気信号の波形の劣化を抑えることができる。本発明では、受光素子から離れた位置にバイアス分離回路のキャパシタとして高耐電圧のチップキャパシタを設けることが可能になり、APDからなる受光素子を用いた高感度の光受信回路を実現することが可能になる。また、本発明では、バイアス分離回路のレイアウトの自由度を高めることができるので、特に受光素子を複数備えた多チャンネルの光受信回路において、光結合に最も適した位置に受光素子を配置することができ、電気部品や光部品のレイアウトの自由度を向上させることができるので、光学特性と電気特性を両立させた実装形態が可能になる。 According to the present invention, even when the bias separation circuit is moved away from the light receiving element, it is possible to suppress fluctuations in the frequency characteristics of the gain and group delay in the signal band of the optical reception circuit, and the output from the optical reception circuit. The deterioration of the waveform of the electrical signal can be suppressed. In the present invention, it is possible to provide a chip capacitor with a high withstand voltage as a capacitor of the bias separation circuit at a position away from the light receiving element, and to realize a highly sensitive optical receiving circuit using the light receiving element made of APD. It becomes possible. Further, according to the present invention, since the degree of freedom of the layout of the bias separation circuit can be increased, the light receiving element is arranged at a position most suitable for optical coupling, particularly in a multi-channel optical receiving circuit having a plurality of light receiving elements. In addition, since the degree of freedom in the layout of electrical components and optical components can be improved, it is possible to realize a mounting form that achieves both optical characteristics and electrical characteristics.
以下、本発明の実施の形態の詳細を図面を用いて説明する。図1は本発明の実施の形態に係る光受信回路の構成例を示す図である。本実施の形態の光受信回路は、PDチップ1(受光素子チップ)と、サブマウント2と、バイアス分離回路3とからなる。PDチップ1は、例えばAPD等の受光素子4と、一端が受光素子4のアノードに接続された導体からなる電気線路5とを有する。
The details of the embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an optical receiver circuit according to an embodiment of the present invention. The optical receiver circuit according to the present embodiment includes a PD chip 1 (light receiving element chip), a
絶縁体からなるサブマウント2は、PDチップ1を搭載するための部材であるが、回路基板としても利用することが可能である。サブマウント2上には、電気線路5と、PDチップ1の受光素子4のカソードとバイアス分離回路3との間に挿入された導体からなる電気線路6と、受光素子4のカソードとバイアス分離回路3との間に電気線路6と直列に挿入されたバイアス抵抗7とが形成されている。サブマウント2上に形成された電気線路5の端部はサブマウント2上の信号出力端子8と接続される。信号出力端子8には、インダクタ10を介して負荷抵抗11が接続される。
The
サブマウント2に形成されたバイアス印加端子9には、インダクタ12を介してバイアス分離回路3が接続される。バイアス分離回路3は、受光素子4のカソードを交流的に接地すると共に、カソードに直流バイアス電圧を印加する。すなわち、バイアス分離回路3内には、受光素子4のカソードを交流的に接地するためのチップキャパシタ30が設けられている。受光素子4のカソードには、外部のバイアス印加端子13からバイアス分離回路3とインダクタ12とバイアス抵抗7と電気線路6とを介して直流バイアス電圧が印加される。
A bias separation circuit 3 is connected to a
なお、図1では、電気線路5を1本の線路として記載しているが、実際にはPDチップ1とサブマウント2との接続箇所においてPDチップ1上の電気線路とサブマウント2上の電気線路とを接続することにより、1本の線路となるようにしている。また、インダクタ10はサブマウント2と負荷抵抗11との間のワイヤ等のインダクタンス成分を等価的に表したものであり、インダクタ12はサブマウント2とバイアス分離回路3との間のワイヤ等のインダクタンス成分を等価的に表したものである。
In FIG. 1, the
本実施の形態では、バイアス抵抗7の抵抗値をRB、電気線路6の特性インピーダンスをZB、負荷抵抗11のインピーダンスをZLとしたとき、バイアス抵抗7の抵抗値RBを|ZL|/2以下とし、かつ電気線路6の特性インピーダンスZBをバイアス抵抗7の抵抗値RBと等しくしてバイアス抵抗7とインピーダンス整合させることを特徴としている。
In the present embodiment, when the resistance value of the
以下、本実施の形態の特徴による効果について説明する。まず、光受信回路の3dB帯域とバイアス抵抗7の抵抗値RBとの関係について図2の小信号等価回路を用いて述べる。ここでは、受光素子4の接合容量をCPD(F)、受光素子4の直列抵抗をRPD(Ω)、実効的なキャリア走行時間をτPD(s)とする。また、負荷抵抗11の抵抗値をRL(Ω)とする。また説明を簡単にするため、電気線路5の特性インピーダンスZAを負荷抵抗11の抵抗値RL(Ω)と等しいものとし、上記のとおり電気線路6の特性インピーダンスをZB=RB(Ω)とし、インダクタンス10,12は無視できるほど小さいものと仮定する。
Hereinafter, the effect by the characteristic of this Embodiment is demonstrated. First, the relationship between the 3 dB band of the optical receiver circuit and the resistance value R B of the
電気線路6が電気的に無視できるほど短く、かつRB=0(Ω)とした理想的な光受信回路の高域遮断周波数をfAとし、図1の光受信回路(電気線路6の長さが無視できず、バイアス抵抗7の抵抗値RBが0より大きい光受信回路)の高域遮断周波数をfBとする。高域遮断周波数fA,fBはそれぞれ次式のように表すことができる。
1/(2πfA)2=(CPD(RPD+RL))2+τPD 2 ・・・(1)
1/(2πfB)2=(CPD(RPD+RL+RB))2+τPD 2 ・・・(2)
The optical receiving circuit of FIG. 1 (the length of the electric line 6) is defined as f A, which is the ideal high-frequency cutoff frequency of the optical receiving circuit in which the
1 / (2πf A ) 2 = (C PD (R PD + R L )) 2 + τ PD 2 (1)
1 / (2πf B ) 2 = (C PD (R PD + R L + R B )) 2 + τ PD 2 (2)
したがって、バイアス抵抗7の抵抗値RBが大きいほど、図1の光受信回路の高域遮断周波数fBは低下してしまう。ここで、バイアス抵抗7の抵抗値RBに式(3)のような条件を設ける。
RB≦RL/2 ・・・(3)
Therefore, the higher the resistance value R B of the
R B ≦ R L / 2 (3)
式(3)の条件を設けると、次式が成立する。
((CPD(RPD+RL))2+τPD 2)
/((CPD(RPD+1.5RL))2+τPD 2)×fA 2≦fB 2≦fA 2 ・・・(4)
すなわち、高域遮断周波数fBの低下を抑制することが可能になる。
When the condition of the expression (3) is provided, the following expression is established.
((C PD (R PD + R L )) 2 + τ PD 2 )
/ ((C PD (R PD + 1.5R L )) 2 + τ PD 2 ) × f A 2 ≦ f B 2 ≦ f A 2 (4)
That is, it is possible to suppress the reduction of the high cutoff frequency f B.
1例として、受光素子4の接合容量CPD=70fF、受光素子4の直列抵抗RPD=20Ω、負荷抵抗11の抵抗値RL=50Ω、キャリア走行時間τPD=5psとすると、理想的な光受信回路の高域遮断周波数fA=22.7GHzとなり、0.841×fA≦fB≦fAが成立する。つまり、本実施の形態の光受信回路によれば、理想的な光受信回路の高域遮断周波数fAの84%の帯域を確保できることが分かる。さらに、特許文献1に記載されているように、インダクタンスや線路インピーダンスの最適化設計による帯域向上効果を利用することで、高域遮断周波数fBの低下を最小化するように設計することもできる。
As an example, when the junction capacitance C PD of the light receiving element 4 is 70 fF, the series resistance R PD of the light receiving element 4 is 20Ω, the resistance value R L of the
なお、式(3)を一般化すると、次式のようになる。
RB≦|ZL|/2 ・・・(5)
上記のとおりZLは負荷抵抗11のインピーダンスである。
Note that generalizing equation (3) gives the following equation.
R B ≦ | Z L | / 2 (5)
As described above, Z L is the impedance of the
図3(A)は本実施の形態の光受信回路の利得の周波数特性を計算した結果を示す図、図3(B)は本実施の形態の光受信回路の群遅延の周波数特性を計算した結果を示す図、図4(A)、図4(B)はそれぞれ図3(A)、図3(B)を拡大した図である。ここでは計算を簡単にするために、ZA=ZL=50Ω、ZB=RB=25Ωとした。また、インダクタ10のインダクタンスLA、インダクタ12のインダクタンスLBを共に0.1nHとした。
FIG. 3A is a diagram illustrating a result of calculating the frequency characteristics of the gain of the optical receiver circuit of the present embodiment, and FIG. 3B is a diagram illustrating the frequency characteristics of the group delay of the optical receiver circuit of the present embodiment. FIGS. 4 (A) and 4 (B) showing the results are enlarged views of FIGS. 3 (A) and 3 (B), respectively. Here, in order to simplify the calculation, Z A = Z L = 50Ω and Z B = R B = 25Ω. Further, the inductance L A of the
従来例の周波数特性の計算例として示した図13(A)、図13(B)と同様に、受光素子4には、50Ω負荷時に22.7GHzの3dB帯域が得られるモデルを用い、電気線路5の電気長は1.5mmとし、電気線路6の電気長は0mm、1.5mm、3mmの3種類とした。図3(A)、図4(A)の300,301,302はそれぞれ電気線路6の電気長が0mm、1.5mm、3mmのときの利得を示し、図3(B)、図4(B)の303,304,305はそれぞれ電気線路6の電気長が0mm、1.5mm、3mmのときの群遅延を示している。
Similar to FIGS. 13A and 13B shown as calculation examples of the frequency characteristics of the conventional example, the light receiving element 4 uses a model that can obtain a 3 dB band of 22.7 GHz under a load of 50Ω. The electrical length of 5 was 1.5 mm, and the electrical length of the
図3(A)、図3(B)、図4(A)、図4(B)から明らかなように、本実施の形態によれば、利得変動と群遅延変動は、従来例の図13(A)、図13(B)と比較して明らかに少ない。 As is apparent from FIGS. 3A, 3B, 4A, and 4B, according to the present embodiment, the gain fluctuation and the group delay fluctuation are the same as those in the conventional example shown in FIG. (A) is clearly less than FIG. 13 (B).
図5は本実施の形態の光受信回路を搭載した光受信モジュールの断面図である。PDチップ1はサブマウント2上にフリップチップ実装される。サブマウント2は、固定用部品14を介してPLC(Planar Lightwave Circuit)キャリア15に固定される。PLCキャリア15上には、PLC16が搭載されている。このPLC16に形成された光導波路17を伝搬する光信号がマイクロレンズアレイ18を通ってPDチップ1の受光素子4に入射するようになっている。
FIG. 5 is a cross-sectional view of an optical receiver module on which the optical receiver circuit of this embodiment is mounted. The
一方、PLCキャリア15と同一のベース板19の上に搭載されるTIAキャリア20上には、TIAチップ21(増幅回路チップ)と、バイアス分離回路3のチップキャパシタ30とが形成されている。TIAチップ21は、光受信回路の信号出力端子(図1の信号出力端子8)から出力される電流信号を増幅すると同時に電圧信号に変換する。すなわち、図5の構成においてはTIAチップ21が光受信回路の負荷となる。
On the other hand, a TIA chip 21 (amplifier circuit chip) and a
本実施の形態の例では、図1に示すように、バイアス分離回路3は、チップキャパシタ30のみによって構成されている。サブマウント2とTIAチップ21との間、およびサブマウント2とチップキャパシタ30の第1の端子との間は、ボンディングワイヤ22によって電気的に接続される。また、チップキャパシタ30の第1の端子には、図示しないボンディングワイヤを介して外部から直流バイアス電圧が供給される。また、チップキャパシタ30の第2の端子は、図示しないボンディングワイヤを介して、またはチップキャパシタ30の裏面に形成された電極を介して、TIAキャリア20に接地される。
In the example of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the bias separation circuit 3 is configured only by the
ここでは、多チャンネルの光信号を入力し、多チャンネルの電気信号を出力する光受信回路を想定している。このように、サブマウント2上に多チャンネルのPDチップ1を搭載し、多チャンネルのTIAチップ21と電気的に接続する技術は文献「S.Tsunashima,et al.,“Silica-based, compact and variable-optical attenuator integrated coherent receiver with stable optoelectronic coupling system”,Optics Express,Vol.20,Issue 24,pp.27174-27179,2012」に開示されている。
Here, it is assumed that the optical receiver circuit receives a multi-channel optical signal and outputs a multi-channel electrical signal. As described above, the technique of mounting the
図6は図5のPDチップ1とサブマウント2とを光入射方向から見た側面図、図7は図5の光受信モジュールを上から見た平面図である。ここでは、4チャンネル分の受光素子4を備えたPDチップ1の例で説明する。ただし、図7では、図5のPLCキャリア15側の構成を簡略化してマイクロレンズアレイ18のみを記載している。
6 is a side view of the
サブマウント2には、電気線路5,6とバイアス抵抗7と共に、導体からなる高周波グランド23と、サブマウント2の表面(PDチップ1を実装する面)の高周波グランド23と裏面の高周波グランドとを電気的に接続するスルーホールビア24とが形成されている。上記のとおり、PDチップ1をサブマウント2上にフリップチップ実装することにより、受光素子4のアノードがサブマウント2の電気線路5と接続され、受光素子4のカソードがサブマウント2の電気線路6と接続される。
The
サブマウント2の電気線路5の端部(図1の信号出力端子8)は、ボンディングワイヤ22aによってTIAチップ21上の信号入力パッド25と電気的に接続される。サブマウント2の電気線路6の端部(図1のバイアス印加端子9)は、ボンディングワイヤ22bによってチップキャパシタ30の第1の端子と電気的に接続される。サブマウント2の高周波グランド23は、ボンディングワイヤ22cによってTIAキャリア20上またはTIAチップ21上のグランドパッド26と電気的に接続される。
An end portion (
サブマウント2の高周波グランド23を、TIAキャリア20と電気的に接続させず、TIAチップ21と電気的に接続する場合は、サブマウント2の高周波グランド23は他の配線と直流的に絶縁されていて直流電位は0Vでなくても良いことから、図8に示すようにTIAチップ21内のバイアス分離回路3aに接続されたTIAチップ21上のバイアスパッド27と高周波グランド23とを、ボンディングワイヤ22dによって接続することも可能である。バイアス分離回路3aは、従来よりTIAチップ21内に搭載されている回路であるが、本発明ではTIAチップ21の外部に設けるバイアス分離回路3(チップキャパシタ30)を使用しているので、このバイアス分離回路3aから受光素子4にバイアス電圧を供給することはしていない。バイアス分離回路3a内では、受光素子4への供給用のバイアス電圧(例えば3V程度)を生成しているので、このバイアス電圧がバイアスパッド27を介して高周波グランド23に印加されるが、高周波グランド23の電位を上昇させるだけであり、受光素子4には何も影響を与えない。
When the
なお、バイアス抵抗7は、図1、図6に示したようにサブマウント2上に配置しても、サブマウント2の外部に配置しても、バイアス抵抗7とインダクタ12とバイアス分離回路3とが集中定数とみなせる距離内に近接していれば電気的に等価である。サブマウント2上にバイアス抵抗7を配置する場合、基板上に抵抗体を形成すればよく、このような技術は一般的であるため、実現は容易である。
The
一方、サブマウント2の外部にバイアス抵抗7を配置する場合、図9に示すように例えばTIAキャリア20上に配置したチップ抵抗をバイアス抵抗7として用い、サブマウント2の電気線路6の端部とバイアス抵抗7の一端とをボンディングワイヤ22bによって電気的に接続し、バイアス抵抗7の他端とチップキャパシタ30の第1の端子とをボンディングワイヤ22eによって電気的に接続すればよい。
On the other hand, when the
あるいは図10に示すようにバイアス抵抗7とチップキャパシタ30とが内部で電気的に接続された複合部品28をTIAキャリア20上に配置し、サブマウント2の電気線路6の端部とバイアス抵抗7の一端とをボンディングワイヤ22bによって電気的に接続するようにしてもよい。
Alternatively, as shown in FIG. 10, a
なお、図9、図10では、サブマウント2の高周波グランド23とTIAチップ21上のグランドパッド26とを接続する構成に適用する場合で説明しているが、これに限るものではなく、図9、図10で説明したバイアス抵抗7とチップキャパシタ30とを、高周波グランド23とTIAチップ21上のバイアスパッド27とを接続する構成(図8)に適用してもよい。
In FIGS. 9 and 10, the case where the present invention is applied to a configuration in which the high-
以上のように、本実施の形態では、バイアス分離回路3を受光素子4から遠ざけても、光受信回路の信号帯域内の周波数特性の変動を抑制することが可能になる。本実施の形態では、光受信回路の信号帯域内の周波数特性の変動を抑制できることから、PDチップ1の外部にバイアス分離回路3のキャパシタ30として高耐電圧のチップキャパシタを設けることが可能になり、APDからなる受光素子4を用いた高感度の光受信回路を実現することが可能になる。また、本実施の形態では、バイアス分離回路3のレイアウトの自由度を高めることができるので、特に受光素子4を複数備えた多チャンネルの光受信回路において、光結合に最も適した位置に受光素子4を配置することができ、電気部品や光部品のレイアウトの自由度を向上させることができるので、光学特性と電気特性を両立させた実装形態が可能になる。
As described above, in this embodiment, even if the bias separation circuit 3 is moved away from the light receiving element 4, it is possible to suppress fluctuations in frequency characteristics within the signal band of the optical receiving circuit. In the present embodiment, since fluctuations in the frequency characteristics within the signal band of the optical receiver circuit can be suppressed, it is possible to provide a high withstand voltage chip capacitor as the
本発明は、光信号を電気信号に変換する光受信モジュールに適用することができる。 The present invention can be applied to an optical receiving module that converts an optical signal into an electric signal.
1…PDチップ、2…サブマウント、3…バイアス分離回路、4…受光素子、5,6…電気線路、7…バイアス抵抗、8…信号出力端子、9,13…バイアス印加端子、10,12…インダクタ、11…負荷抵抗、14…固定用部品、15…PLCキャリア、16…PLC、17…光導波路、18…マイクロレンズアレイ、19…ベース板、20…TIAキャリア、21…TIAチップ、22…ボンディングワイヤ、23…高周波グランド、24…スルーホールビア、25…信号入力パッド、26…グランドパッド、27…バイアスパッド、28…複合部品、30…チップキャパシタ。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
この受光素子のアノードと信号出力端子との間を接続する第1の電気線路と、
前記受光素子のカソードを交流的に接地すると共に、カソードに直流バイアス電圧を印加するバイアス分離回路と、
前記受光素子のカソードと前記バイアス分離回路との間に挿入された第2の電気線路と、
前記受光素子のカソードと前記バイアス分離回路との間に前記第2の電気線路と直列に挿入されたバイアス抵抗とを備え、
前記バイアス抵抗の抵抗値をRB、前記第2の電気線路の特性インピーダンスをZB、前記信号出力端子に接続される負荷のインピーダンスをZLとしたとき、前記バイアス抵抗の抵抗値RBを|ZL|/2以下とし、かつ前記第2の電気線路の特性インピーダンスZBを前記バイアス抵抗の抵抗値RBと等しくして前記バイアス抵抗とインピーダンス整合させることを特徴とする光受信回路。 A light receiving element that converts an optical signal into an electrical signal;
A first electrical line connecting between the anode of the light receiving element and the signal output terminal;
A bias separation circuit for grounding the cathode of the light receiving element in an alternating manner and applying a DC bias voltage to the cathode;
A second electrical line inserted between the cathode of the light receiving element and the bias separation circuit;
A bias resistor inserted in series with the second electric line between the cathode of the light receiving element and the bias separation circuit;
When the resistance value of the bias resistor is R B , the characteristic impedance of the second electric line is Z B , and the impedance of the load connected to the signal output terminal is Z L , the resistance value R B of the bias resistor is | Z L | / 2 or less, and the characteristic impedance Z B of the second electric line is made equal to the resistance value R B of the bias resistor so as to be impedance matched with the bias resistor.
前記光受信回路の信号出力端子に接続される負荷となる増幅回路チップとを有し、
前記光受信回路は、
少なくとも前記第1、第2の電気線路と前記バイアス抵抗とを備えたサブマウントと、
このサブマウント上に搭載される、前記受光素子を備えた受光素子チップとから構成され、
前記バイアス分離回路のうち、前記受光素子のカソードを交流的に接地するためのキャパシタは、前記増幅回路チップと同じキャリア上に配置されて、外部から前記直流バイアス電圧の供給を受ける第1の端子が前記バイアス抵抗と前記第2の電気線路とを介して前記受光素子のカソードに接続され、第2の端子が接地されることを特徴とする光受信モジュール。 An optical receiver circuit according to claim 1;
An amplifier circuit chip serving as a load connected to the signal output terminal of the optical receiver circuit;
The optical receiving circuit is:
A submount comprising at least the first and second electric lines and the bias resistor;
A light receiving element chip including the light receiving element, which is mounted on the submount;
A capacitor for grounding the cathode of the light receiving element in an AC manner in the bias separation circuit is disposed on the same carrier as the amplifier circuit chip, and receives a supply of the DC bias voltage from the outside. Is connected to the cathode of the light receiving element via the bias resistor and the second electric line, and the second terminal is grounded.
前記光受信回路の信号出力端子に接続される負荷となる増幅回路チップとを有し、
前記光受信回路は、
少なくとも前記第1、第2の電気線路を備えたサブマウントと、
このサブマウント上に搭載される、前記受光素子を備えた受光素子チップとから構成され、
前記バイアス分離回路のうち、前記受光素子のカソードを交流的に接地するためのキャパシタと、前記バイアス抵抗とは、前記増幅回路チップと同じキャリア上に配置され、
前記キャパシタは、外部から前記直流バイアス電圧の供給を受ける第1の端子が前記バイアス抵抗と前記第2の電気線路とを介して前記受光素子のカソードに接続され、第2の端子が接地されることを特徴とする光受信モジュール。 An optical receiver circuit according to claim 1;
An amplifier circuit chip serving as a load connected to the signal output terminal of the optical receiver circuit;
The optical receiving circuit is:
A submount including at least the first and second electric lines;
A light receiving element chip including the light receiving element, which is mounted on the submount;
Of the bias separation circuit, a capacitor for grounding the cathode of the light receiving element in an alternating manner and the bias resistor are disposed on the same carrier as the amplifier circuit chip,
In the capacitor, a first terminal that receives the supply of the DC bias voltage from the outside is connected to the cathode of the light receiving element via the bias resistor and the second electric line, and a second terminal is grounded. An optical receiver module.
前記キャパシタと前記バイアス抵抗とを個別に設ける代わりに、前記キャパシタと前記バイアス抵抗とを内部で接続した複合部品を設けることを特徴とする光受信モジュール。 The optical receiver module according to claim 3, wherein
Instead of providing the capacitor and the bias resistor separately, an optical receiver module comprising a composite component in which the capacitor and the bias resistor are connected internally.
前記サブマウントは、さらに前記第1、第2の電気線路と同じ面上に配置された高周波グランドを備え、
前記高周波グランドは、前記増幅回路チップのグランドパッドと接続されることを特徴とする光受信モジュール。 The optical receiver module according to any one of claims 2 to 4,
The submount further includes a high frequency ground arranged on the same plane as the first and second electric lines,
The high-frequency ground is connected to a ground pad of the amplifier circuit chip.
前記サブマウントは、さらに前記第1、第2の電気線路と同じ面上に配置された高周波グランドを備え、
前記高周波グランドは、前記増幅回路チップのバイアスパッドと接続されることを特徴とする光受信モジュール。 The optical receiver module according to any one of claims 2 to 4,
The submount further includes a high frequency ground arranged on the same plane as the first and second electric lines,
The optical receiver module, wherein the high-frequency ground is connected to a bias pad of the amplifier circuit chip.
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