JP2018152493A - 光受信モジュール及び光モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】クロストークノイズを効果的に吸収することを目的とする。
【解決手段】光受信モジュール１０は、バイアスが印加される第１電極１６及び第２電極１８をそれぞれが有し、入力された光信号ＬＳを電気信号ＥＳに変換して第１電極１６から電気信号ＥＳを出力する複数の受光素子１２と、複数の受光素子１２のそれぞれと電気的に接続する配線パターン２２を有し、複数の受光素子１２を支持するキャリア２０と、を有する。配線パターン２２は、第１電極１６に電気的に接続する第１配線ライン２６と、第２電極１８に電気的に接続する第２配線ライン２８と、を含む。第２配線ライン２８は、少なくとも接続される受光素子１２と重なる位置に他の部分よりも抵抗値の高い高抵抗部３０を有し、少なくとも複数の受光素子１２のいずれにも重ならない位置に高抵抗部３０よりも抵抗値の低い低抵抗部３２を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光受信モジュール及び光モジュールに関する。
光受信モジュールの小型・高機能化に伴い、一つのパッケージ内に複数の受光素子を収めた形態の光受信モジュールが使われ始めている（特許文献１）。光受信モジュールの小型化に伴い、複数の受光素子は隣接して配置され始めた。例えば複数の受光素子が同一基板上に集積された受光素子アレイが用いられている。複数の受光素子はサブマウントにジャンクションダウンで搭載されている。サブマウントには各受光素子に対応したアノード配線（シグナル配線）とカソード配線（バイアス配線）が設けられている。アノード配線およびカソード配線はアンプを備えた集積回路などに接続されている（特許文献２）。
特開２０１５−９６８７８号公報 特開２０１４−１９２５１０号公報 特開２０００−８２８０６号公報 特開２００３−１４９９４号公報
M. Shishikura et al., "10-Gbit/s per channel parallel optical transmitter and receiver module for high-capacity interconnects," Proc. The 53th Electronic Components and Technology Conference, pp.1040-1045 (2003)
近年、さらなる小型化が進み、隣接する受光素子間又は配線間の電気的なクロストークが課題となってきた（特許文献３及び４並びに非特許文献１）。クロストークにより高周波特性が低下する。特に受光素子は空気と比較して誘電率が高い材料（ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＳｉＧｅなどの半導体材料）から構成されているので、容量成分の要因となる。本来、互いに電気的に独立していることが好ましい受光素子が近接することで、隣接する配線は、受光素子を介して電気結合を引き起こし、特性の劣化を招く。
本発明は、クロストークノイズを効果的に吸収することを目的とする。
（１）本発明に係る光受信モジュールは、バイアスが印加される第１電極及び第２電極をそれぞれが有し、入力された光信号を電気信号に変換して前記第１電極から前記電気信号を出力する複数の受光素子と、前記複数の受光素子のそれぞれと電気的に接続する配線パターンを有し、前記第１電極及び前記第２電極が前記配線パターンに対向するように、前記複数の受光素子を支持するキャリアと、を有し、前記配線パターンは、前記第１電極に電気的に接続する第１配線ラインと、前記第２電極に電気的に接続する第２配線ラインと、を含み、前記第２配線ラインは、少なくとも接続される前記受光素子と重なる位置に他の部分よりも抵抗値の高い高抵抗部を有し、少なくとも前記複数の受光素子のいずれにも重ならない位置に前記高抵抗部よりも抵抗値の低い低抵抗部を有することを特徴とする。
本発明によれば、第２配線ラインの高抵抗部を、少なくとも接続される受光素子と重なる位置、すなわち、受光素子に近い位置に配置するので、クロストークノイズを効果的に吸収することができる。
（２）（１）に記載された光受信モジュールであって、前記第２配線ラインは、前記低抵抗部を、接続される前記受光素子と重なる前記位置にも有することを特徴としてもよい。
（３）（１）又は（２）に記載された光受信モジュールであって、前記第２配線ラインは、一対の第２配線ラインを含み、前記一対の第２配線ラインのそれぞれが前記高抵抗部を有し、前記第１配線ラインは、前記一対の第２配線ラインの間に配置されることを特徴としてもよい。
（４）（３）に記載された光受信モジュールであって、前記一対の第２配線ラインのそれぞれの前記高抵抗部の抵抗値は略一致していることを特徴としてもよい。
（５）（１）から（４）のいずれか１項に記載された光受信モジュールであって、前記複数の受光素子のそれぞれに接続される前記第２配線ラインは、隣の前記受光素子に接続される前記第２配線ラインに隣り合うことを特徴としてもよい。
（６）（１）又は（２）に記載された光受信モジュールであって、前記複数の受光素子のそれぞれに接続される前記第２配線ラインは、隣の前記受光素子に接続される前記第１配線ラインに隣り合うことを特徴としてもよい。
（７）（１）から（６）のいずれか１項に記載された光受信モジュールであって、前記複数の受光素子は、１つのチップに一体的に集積されていることを特徴としてもよい。
（８）（１）から（６）のいずれか１項に記載された光受信モジュールであって、前記複数の受光素子は、個別に分離された複数のチップであることを特徴としてもよい。
（９）（１）から（８）のいずれか１項に記載された光受信モジュールであって、前記キャリアは、前記複数の受光素子を一体的に支持する１つのキャリアであることを特徴としてもよい。
（１０）（１）から（９）のいずれか１項に記載された光受信モジュールであって、前記複数の受光素子のそれぞれに前記バイアスを印加するための電圧を印加し、前記複数の受光素子のそれぞれから前記電気信号を入力して増幅するための増幅器をさらに有することを特徴としてもよい。
（１１）本発明に係る光モジュールは、（１）から（１０）のいずれか１項に記載された光受信モジュールを内蔵する光受信サブアセンブリと、入力された電気信号から変換された光信号を出力する光送信サブアセンブリと、を有することを特徴とする。
本発明を適用した第１の実施形態に係る光モジュールの分解斜視図である。 本発明を適用した第１の実施形態に係る光受信モジュールの一部分解斜視図である。 複数の受光素子を有するチップの底面を示す図である。 図２に示す光受信モジュールの等価回路を示す図である。 本発明を適用した第２の実施形態に係る光受信モジュールの一部分解斜視図である。 図５に示す光受信モジュールの等価回路を示す図である。 本発明を適用した第３の実施形態に係る光受信モジュールの一部分解斜視図である。 本発明を適用した第４の実施形態に係る光受信モジュールの一部分解斜視図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面については、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る光モジュールの分解斜視図である。光モジュール１００は、電気信号を光信号に変換するための光送信サブアセンブリ１１０（TOSA: Transmitter Optical Sub-Assembly）と、光信号を電気信号に変換するための光受信サブアセンブリ１２０（ROSA: Receiver Optical Sub-Assembly）と、を有する。送信側では図示しないホスト基板より送られる電気信号を、電気的インターフェース１０２を通して光モジュール１００内の回路に通して光信号に変換し、これを光学的インターフェース１０４から送信する。受信側では光信号を受信し、電気信号を図示しないホスト側基板へと出力する。光モジュール１００は、一対のハーフケースからなるケース１０６，１０８を有し、その内部に電子部品が収納される。
図２は、本発明を適用した第１の実施形態に係る光受信モジュールの一部分解斜視図である。図２に示す光受信モジュール１０は、図１に示す光受信サブアセンブリ１２０の内部に配置される。光受信モジュール１０は、複数の受光素子１２が一体的に集積されたチップ１４（ＰＤ（Photodiode）アレイ等）を含む。
図３は、複数の受光素子１２を有するチップ１４の底面を示す図である。光受信モジュール１０は、受光素子１２（例えばフォトダイオード）を有する。光信号ＬＳ（図２参照）は、光受信サブアセンブリ１２０に入光し、図示しないレンズによって集光されて、受光素子１２に入射する。受光素子１２は、受光部（吸収層）１２ａが形成された面とは反対側から光信号ＬＳが入射する裏面入射型受光素子である。
受光素子１２は、図３の例では底面に、バイアスが印加される第１電極１６及び第２電極１８を有する。受光素子１２は、受光部１２ａから入力された光信号ＬＳを電気信号に変換して、第１電極１６から電気信号ＥＳ（図４参照）を出力する。受光素子１２はＰＮ接合を有するＩｎＰベースの半導体素子であり、ｐ型半導体に接続する側をアノード、ｎ型半導体に接続する側をカソードと呼称してもよい。つまり、第１電極１６及び第２電極１８を、それぞれ、アノード及びカソードということもできる。別の言い方として、ｐ型半導体側をシグナル電極、ｎ型半導体側をバイアス電極と呼称することもある。なお、アノード及びカソードという呼称は、便宜上のものであり逆に呼び合うこともある。つまり、ここでのアノード及びカソードという呼称は、受光素子１２は異なる極性（異なる電位差）の二つの電極（第１電極１６及び第２電極１８）を有していることを示している。
図２に示すように、光受信モジュール１０は、キャリア２０を有する。キャリア２０は、複数の受光素子１２（チップ１４）を一体的に支持する１つのキャリアである。キャリア２０は、それぞれの受光素子１２に対応する配線パターン２２を有する。配線パターン２２は、受光素子１２と電気的に接続する。電気的接続のため、チップ１４のボンディングプロセスでは半田ボール２４を使用する。なお、配線パターン２２と受光素子１２が電気的な接続が取れれば半田ボールに限定されず、適宜選択すればよい。キャリア２０は、第１電極１６及び第２電極１８が配線パターン２２に対向するように、複数の受光素子１２（チップ１４）を支持する。
配線パターン２２は、第１電極１６に電気的に接続する第１配線ライン２６を含む。配線パターン２２は、第２電極１８に電気的に接続する第２配線ライン２８を含む。第２配線ライン２８は、一対の第２配線ライン２８ａを含む。第１配線ライン２６は、一対の第２配線ライン２８ａの間に配置される。複数の受光素子１２のそれぞれに接続される第２配線ライン２８は、隣の受光素子１２に接続される第２配線ライン２８に隣り合う。つまり、隣同士の配線パターン２２は、それぞれの第２配線ライン２８が隣り合う。
第２配線ライン２８は、少なくともそれが接続される受光素子１２と重なる位置に、他の部分よりも抵抗値の高い高抵抗部３０を有する。高抵抗部３０は、ＮｉとＣｒの化合物、ＴａとＮの化合物、Ｔｉ、Ｍｏ等の電気抵抗が大きい材料から形成する。一対の第２配線ライン２８ａのそれぞれが高抵抗部３０を有する。なお、二つの高抵抗部３０はほぼ同一の抵抗値であることが好ましい。また、第２配線ライン２８は、少なくとも複数の受光素子１２のいずれにも重ならない位置に、高抵抗部３０よりも抵抗値の低い低抵抗部３２を有する。低抵抗部３２は、電気抵抗の小さい金属（たとえばＡｕ、アルミ、白金、銀など）で形成してもよい。第２配線ライン２８は、低抵抗部３２を、接続される受光素子１２と重なる位置にも有する。
なお、高抵抗部３０を高抵抗層で形成し、低抵抗部３２を低抵抗層及び高抵抗層の積層構造にしてもよい。例えば、電気抵抗が大きい材料からなる膜を、低抵抗部３２及び高抵抗部３０に連続的に残るようにパターニングし、低抵抗部３２には、電気抵抗が小さい金属をメッキしてもよい。
光受信モジュール１０は、例えば、プリアンプ、リミッティングアンプ、オートゲインコントローラ又はトランスインピーダンスアンプなどの増幅器３４を有する。増幅器３４には、外部にある電源３６（図４参照）から電力が供給される。例えば、外部電源線路（図示せず）からワイヤにより平板キャパシタ４４を通り、電源パッド４６を通って、増幅器３４の増幅回路３８（図４参照）へ電力が供給される。受光素子１２には、増幅器３４から、バイアスを印加するための電圧が供給される。例えば、図示しない外部電源線路からワイヤにより平板キャパシタ４８を通り、増幅器３４の電源パッド５０に電圧が印加される。この電圧も、外部にある電源３６（図４参照）から供給される。なお、受光素子１２と増幅器３４が別個の電源に接続されてもよい。
増幅器３４は、オペアンプなどの増幅回路３８（図４参照）を有し、受光素子１２から出力された電気信号ＥＳを増幅する。増幅器３４は、受光素子１２に供給するためのバイアスの電圧が現れる増幅器側バイアスパッド４０及び増幅器側シグナルパッド４２を有する。増幅器側シグナルパッド４２は、増幅器３４に電気信号ＥＳ（図４参照）を入力するためのパッドでもある。増幅器側バイアスパッド４０及び増幅器側シグナルパッド４２は、増幅器３４に直接設けられている。
第１配線ライン２６と増幅器側シグナルパッド４２は、ワイヤによって接続されている。増幅器３４は、増幅器側シグナルパッド４２から入力された電気信号ＥＳを増幅し、出力パッド５２へ出力する。差動出力のため、一対の出力パッド５２がある。差動出力された電気信号ＥＳは、配線基板５４上のシグナルパターン５６を通って外部へと出力される。配線基板５４上には、スルーホール５８を有するＧＮＤパターン６０があり、ワイヤで増幅器３４のＧＮＤパッド６２に接続されている。
図４は、図２に示す光受信モジュールの等価回路を示す図である。図４において、受光素子１２及び増幅器３４以外の構成は簡略化してある。受光素子１２は、受光した光に比例した電流を押し出す電流源６４と、内部容量６６及び図示しない内部抵抗を伴った素子と考えることができる。
本実施形態では、ｎ型半導体に接する側の第２電極１８に正の電圧を印加する（逆バイアス状態）。尚、多くの半導体の受光素子１２は本実施形態と同方向のバイアス電圧が印加されて使われるが、電圧の正負の向きは、特に限定されず、使用する受光素子１２によって適宜選択される。
電流源６４への電源供給は、外部にある電源３６から、ワイヤを介して第２配線ライン２８から成される。増幅器３４内のバイアス線路にはフィルタ等がつけられることが多く、その引き回し方法等は、増幅器３４のメーカー各社によって異なる。
受光素子１２に光信号ＬＳが入力されると、受光した光に比例した電気信号ＥＳが発生する。電気信号ＥＳは、ワイヤを介して増幅器側シグナルパッド４２（図２参照）を通って増幅器３４内の増幅回路３８に入力される。
第２配線ライン２８には、バイアス電流ＢＣが流れており、隣同士の受光素子１２にそれぞれ接続されて隣り合う第２配線ライン２８には、相互インダクタンスや浮遊容量によってクロストークを生じる。特に、電気信号ＥＳの変調周波数が高い場合、このクロストークは顕著になる。そして隣接する受光素子１２は半導体で形成されているために、空気と比較して誘電率が高く、隣接する第２配線ライン２８間で半導体領域を介して電気的な結合が発生しやすい。特に本実施形態のように複数の受光素子１２が近接して並んでいる場合にこの電気的な結合は強くなる。つまり、電気信号ＥＳの周波数と強度に応じて、第２配線ライン２８にも微弱なクロストークノイズＮが発生することになる。このクロストークノイズＮは、隣接する受光素子１２（チップ１４）を介して隣接する第２配線ライン２８にも流れ込み、第２電極１８を通り、電流源６４を通り、増幅回路３８に入力される。したがって、増幅回路３８から出力パッド５２を通って出力される電気信号ＥＳはノイズ成分が含まれる信号となってしまう。なお、ここではクロストークノイズと呼称したが、電気信号ＥＳの高周波成分によりバイアス電流ＢＣそのものが揺らぐこともあり、この揺らぎの成分もノイズ源となりうる。このノイズも上述したメカニズムで隣接する受光素子１２に流れ込み、悪影響を与える。これ以外にもなんらかの原因で隣接す受光素子１２間でクロストークが発生することがある。
そこで、本実施形態では、第２配線ライン２８の高抵抗部３０を、少なくとも接続される受光素子１２と重なる位置（図２参照）、すなわち、受光素子１２に近い位置に配置した。これにより、クロストークノイズＮを効果的に吸収している。より詳しく説明すると、前述したように隣接した第２配線ライン２８の間は受光素子１２（チップ１４）を介して電気的な結合が発生しうる。つまりクロストークは第２配線ライン２８のうち、受光素子１２が無い領域より受光素子１２がある領域のほうが強く発生する。クロストークにより発生したノイズＮが電気信号ＥＳに乗る前に発生したノイズＮを減少させることで、電気信号ＥＳの品質を保つことができる。そのため、クロストークノイズＮを減少させる（吸収させる）ための高抵抗部３０はクロストーク発生領域の傍、つまり受光素子１２に近いところにあることが好ましい。従って高抵抗部３０は受光素子１２と重なる位置にあることで強い効果が得られる。また高抵抗部３０の領域が大きすぎると本来のバイアスそのものも減少させてしまうために適切な大きさが良く、受光素子１２と重なる程度の大きさが好ましい。なお、高抵抗部３０すべてが受光素子１２と重なる位置にあっても良いが、その一部が重ならない位置あっても効果は得られる。
［第２の実施形態］
図５は、本発明を適用した第２の実施形態に係る光受信モジュールの一部分解斜視図である。この例では、それぞれの受光素子２１２に対応する配線パターン２２２は、１つの第２配線ライン２２８を含む。また、複数の受光素子２１２のそれぞれに接続される第２配線ライン２２８は、隣の受光素子２１２に接続される第１配線ライン２２６に隣り合う。そのため、第１配線ライン２２６と第２配線ライン２２８は、相互インダクタンスや浮遊容量によってクロストークを生じる。その他の内容は、第１の実施形態で説明した内容が該当する。
図６は、図５に示す光受信モジュールの等価回路を示す図である。この例では、第１配線ライン２２６で伝送される電気信号ＥＳによって、隣の受光素子２１２に接続される第２配線ライン２２８にクロストークノイズＮが乗る。クロストークノイズＮは、第２電極２１８を通り、電流源２６４を通り、増幅回路２３８に入力される。したがって、隣接する増幅回路２３８から出力される電気信号ＥＳはノイズ成分を含む信号となってしまう。そこで、本実施形態でも、第２配線ライン２２８の高抵抗部２３０を、少なくとも接続される受光素子２１２と重なる位置、すなわち、受光素子２１２に近い位置に配置した。これにより、クロストークノイズＮを効果的に吸収することができる。
［第３の実施形態］
図７は、本発明を適用した第３の実施形態に係る光受信モジュールの一部分解斜視図である。本実施形態では、複数の受光素子３１２は、個別に分離された複数のチップである。
基板３６８の上面に増幅器３３４が搭載され、基板３６８の側端面にキャリア３２０が縦に取り付けられ、キャリア３２０に複数の受光素子３１２が搭載されている。その他の内容は、第１の実施形態で説明した内容が該当する。本実施形態のように、複数の受光素子が同一の半導体基板に集積されていない状態であっても、隣接する受光素子間でクロストークノイズＮが発生する場合もあり、近年の小型・高密度実装がされている光受信モジュールにおいて効果が得られる。
［第４の実施形態］
図８は、本発明を適用した第４の実施形態に係る光受信モジュールの一部分解斜視図である。この例では、図２に示すキャリア２０と配線基板５４が一体化した構造のキャリア４２０を使用する。キャリア４２０には、複数の受光素子を内蔵するチップ４１４、増幅器４３４及び平板キャパシタ４４４，４４８が搭載される。その他の内容は、第１の実施形態で説明した内容が該当する。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、実施形態で説明した構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えることができる。
１０ 光受信モジュール、１２ 受光素子、１２ａ 受光部、１４ チップ、１６ 第１電極、１８ 第２電極、２０ キャリア、２２ 配線パターン、２４ 半田ボール、２６ 第１配線ライン、２８ 第２配線ライン、２８ａ 第２配線ライン、３０ 高抵抗部、３２ 低抵抗部、３４ 増幅器、３６ 電源、３８ 増幅回路、４０ 増幅器側バイアスパッド、４２ 増幅器側シグナルパッド、４４ 平板キャパシタ、４６ 電源パッド、４８ 平板キャパシタ、５０ 電源パッド、５２ 出力パッド、５４ 配線基板、５６ シグナルパターン、５８ スルーホール、６０ ＧＮＤパターン、６２ ＧＮＤパッド、６４ 電流源、６６ 内部容量、１００ 光モジュール、１０２ 電気的インターフェース、１０４ 光学的インターフェース、１０６ ケース、１１０ 光送信サブアセンブリ、１２０ 光受信サブアセンブリ、２１２ 受光素子、２１８ 第２電極、２２２ 配線パターン、２２６ 第１配線ライン、２２８ 第２配線ライン、２３０ 高抵抗部、２３８ 増幅回路、２６４ 電流源、３１２ 複数の受光素子、３２０ キャリア、３３４ 増幅器、３６８ 基板、４１４ チップ、４２０ キャリア、４３４ 増幅器、４４４ 平板キャパシタ、ＢＣ バイアス電流、ＥＳ 電気信号、ＬＳ 光信号、Ｎ クロストークノイズ。

Claims (11)

  1. バイアスが印加される第１電極及び第２電極をそれぞれが有し、入力された光信号を電気信号に変換して前記第１電極から前記電気信号を出力する複数の受光素子と、
    前記複数の受光素子のそれぞれと電気的に接続する配線パターンを有し、前記第１電極及び前記第２電極が前記配線パターンに対向するように、前記複数の受光素子を支持するキャリアと、
    を有し、
    前記配線パターンは、前記第１電極に電気的に接続する第１配線ラインと、前記第２電極に電気的に接続する第２配線ラインと、を含み、
    前記第２配線ラインは、少なくとも接続される前記受光素子と重なる位置に他の部分よりも抵抗値の高い高抵抗部を有し、少なくとも前記複数の受光素子のいずれにも重ならない位置に前記高抵抗部よりも抵抗値の低い低抵抗部を有することを特徴とする光受信モジュール。
  2. 請求項１に記載された光受信モジュールであって、
    前記第２配線ラインは、前記低抵抗部を、接続される前記受光素子と重なる前記位置にも有することを特徴とする光受信モジュール。
  3. 請求項１又は２に記載された光受信モジュールであって、
    前記第２配線ラインは、一対の第２配線ラインを含み、
    前記一対の第２配線ラインのそれぞれが前記高抵抗部を有し、
    前記第１配線ラインは、前記一対の第２配線ラインの間に配置されることを特徴とする光受信モジュール。
  4. 請求項３に記載された光受信モジュールであって、
    前記一対の第２配線ラインのそれぞれの前記高抵抗部の抵抗値は略一致していることを特徴とする光受信モジュール。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載された光受信モジュールであって、
    前記複数の受光素子のそれぞれに接続される前記第２配線ラインは、隣の前記受光素子に接続される前記第２配線ラインに隣り合うことを特徴とする光受信モジュール。
  6. 請求項１又は２に記載された光受信モジュールであって、
    前記複数の受光素子のそれぞれに接続される前記第２配線ラインは、隣の前記受光素子に接続される前記第１配線ラインに隣り合うことを特徴とする光受信モジュール。
  7. 請求項１から６のいずれか１項に記載された光受信モジュールであって、
    前記複数の受光素子は、１つのチップに一体的に集積されていることを特徴とする光受信モジュール。
  8. 請求項１から６のいずれか１項に記載された光受信モジュールであって、
    前記複数の受光素子は、個別に分離された複数のチップであることを特徴とする光受信モジュール。
  9. 請求項１から８のいずれか１項に記載された光受信モジュールであって、
    前記キャリアは、前記複数の受光素子を一体的に支持する１つのキャリアであることを特徴とする光受信モジュール。
  10. 請求項１から９のいずれか１項に記載された光受信モジュールであって、
    前記複数の受光素子のそれぞれに前記バイアスを印加するための電圧を印加し、前記複数の受光素子のそれぞれから前記電気信号を入力して増幅するための増幅器をさらに有することを特徴とする光受信モジュール。
  11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載された光受信モジュールを内蔵する光受信サブアセンブリと、
    入力された電気信号から変換された光信号を出力する光送信サブアセンブリと、
    を有することを特徴とする光モジュール。

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