JP2019033380A - 終端回路および終端回路を構成する配線板 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域にインピーダンス整合がなされており、終端抵抗による消費電力が少ない終端回路を提供する。【解決手段】所定の特性インピーダンスを有する第１導体線路と、前記第１導体線路と接続される終端抵抗と、前記終端抵抗と接続される第２導体線路と、前記第１導体線路、前記終端抵抗および前記第２導体線路に対して、所定の距離を隔てて対向配置されるグラウンド配線と、前記第２導体線路と接続されるコンデンサとを備え、前記第１導体線路および前記グラウンド配線は、それぞれ、前記終端抵抗側に向かって、線路幅が狭くなるように形成されている。【選択図】図５

Description

本発明は、終端回路に関し、より詳細には、半導体レーザと変調器とがモノリシックに一体化された半導体光集積素子などの高周波素子に高周波信号を供給するための終端回路、および終端回路を構成する配線板に関する。

近年、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、光通信用機器に搭載される光送信器の需要が拡大している。光送信器またはそれを構成する部品は、プラガブル（Pluggable）と呼ばれ、搭載や交換がしやすいように、仕様によるモジュール化が急速に進展している。ＸＦＰ（10 Gigabit Small Form Factor Pluggable）は、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一つであり、この規格により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。これは、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モジュールがある(例えば、非特許文献１参照)。

図１に、従来のＴＯＳＡモジュールの外観を示す。ＴＯＳＡモジュール１００の筐体は、ＸＦＰ準拠により、焼結セラミックからなるセラミック部１０３と、金属部１０４により形成されている。この筺体を貫通するように、テラス部１０１が設けられており、筺体内部側に向けて貫通する配線端子１０２が形成されている。配線端子１０２は、変調器に供給する高周波信号、半導体レーザに供給するＤＣ給電に用いられる。

図２に、従来のＴＯＳＡモジュールの内部構成の一部を示す。筐体２００の底面上には、熱電冷却素子（ＴＥＣ：Thermo-Electric Cooler）２０７を介して、キャリア２０６と呼ばれる金属性の小板が搭載されている。ＴＥＣ２０７によって、キャリア２０６上の素子で発生した熱が吸熱され、筺体下部から排熱される。省電力化と部品点数削減の観点から、ＴＥＣ２０７を用いないＴＯＳＡの開発も行われている。

キャリア２０６には、サブキャリアと呼ばれる薄板２０１が搭載されている。サブキャリア２０１には、誘電体材料に金属をメッキまたは蒸着することにより配線パターンが形成される。さらに、サブキャリア２０１には、光送信器に必要な素子、例えば、半導体レーザ２０２、光変調器２０３、終端抵抗２０４およびコンデンサ２０５などが搭載されている。テラス部２１２に設けられた配線端子２０８が、筺体外部から内部へ貫通しており、配線端子２０８とサブキャリア２０１の高周波配線２１１とは、ワイヤ状金線２０９、リボン状金線２１０で接続されている。

ＸＦＰ準拠のＴＯＳＡモジュールの動作周波数は、１０ＧＨｚにまで及んでおり、電気信号は波（マイクロ波）としての振る舞いが強くなる。すなわち、インピーダンス整合しない不連続点（反射点）では、そこを起点とする反射波が発生し、反射波が半導体レーザの駆動ドライバに向かって進行してしまう。このような状況から、従来は、配線端子２０８から終端抵抗２０４までの間の伝送線路において、不連続点（反射点）をなくすことが重要であった。

図３に、従来の半導体光集積素子を搭載したサブキャリアを示す（例えば、非特許文献２参照）。サブキャリア４００には、信号線Ｓの両側に所定の距離を隔ててグラウンド（ＧＮＤ）パターンが対向配置されたコプレナ線路であって、５０オームで設計された高周波配線４０１が形成されている。高周波配線４０１は、ワイヤ状金線４０３ａ，４０３ｂによって、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ（ＥＭＬ）４０２のＥＡ変調器の電極パッド４１１に接続されている。さらに、ワイヤ状金線４０３ｃによって、電極パッド４１１と５０オームの終端抵抗４０４とが接続されている。ＤＦＢレーザ電極４１２は、ワイヤ状金線４０３ｄによって、電極パッド４０５に接続されている。

図４に、従来の半導体光集積素子を搭載したサブキャリアにおいてフリップチップボンディングを用いた接続形態を示す。フリップチップボンディングは、実装基板上にチップを実装する方法の１つであり、チップ表面と基板とを電気的に接続する際、ワイヤボンディングのようにワイヤによって接続するのではなく、アレイ状に並んだ金バンプによって接続する。ワイヤボンディングに比べて配線が極めて短くなるため、高周波特性を改善することができる。

図４（ａ）に示すように、サブキャリア４００上のＥＭＬ４０２と高周波配線４０１とは、配線板３００により接続される。図４（ｂ）は、配線板３００の底面の構成を示している。高周波配線４０１の信号線Ｓは、バンプ３１１、高周波配線３０１、バンプ３１２を介してＥＡ変調器の電極パッド４１１と接続される。高周波配線４０１のＧＮＤパターンは、バンプ３１３ａ，３１３ｂを介して、ＧＮＤ配線３０２に接続されている。

さらに、配線板３００には、５０オームの終端回路も形成されている。高周波配線３０１は、ＥＡ変調器の電極パッド４１１と接続されるバンプ３１２からさらに伸張され、５０オームの終端抵抗３０３の一方の端子に接続される。終端抵抗３０３は、チップ抵抗を配線板に半田付けしてもよいし、配線板に作りこんでもよい。終端抵抗３０３は、寄生容量を少なくするためになるべく短くなるようにし、他方の端子は、ＧＮＤ配線３０２との間に隙間を設けずに両者を直結して、寄生成分が含まれないようにする。

このような構成により、寄生インダクタンス、寄生容量を減らすことにより、高周波特性を改善することを重要視している。

Dongchurl Kim et.al., "Design and Fabrication of a Transmitter Optical Subassembly in 10-Gb/s Small-Form-Factor Pluggable Transceiver", IEEE JORNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS. VOL. 12,No.4, JULY/AUGUST 2006, pp776-782 Chengzhi Xu, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 24, NO. 22, 2012

図４に示した構造は、高周波配線３０１と終端抵抗３０３とをそれぞれ５０オームに設定することによりインピーダンス整合をとることができる。また、終端抵抗３０３を短くすることにより寄生インダクタンスを減らすことができる。しかしながら、従来の終端回路は、高周波配線３０１と終端抵抗３０３とのインピーダンス整合が考慮されているものの、高周波配線３０１に電気的に接続されるＥＡ変調器を含むインピーダンス整合が考慮されていない。

ＥＡ変調器は、ＤＦＢレーザの光を吸収し、光損失を増大させることで変調を行う。一例として、印加電圧は、−３Ｖ（ＬＯＷ）〜−０．５Ｖ（ＨＩＧＨ）であり、受光電流は１５ｍＡ程度流れる。ＥＡ変調器を抵抗成分に換算すると２００オームであり、５０オーム線路から大きく外れる可能性がある。加えて、ＥＡ変調器の等価回路、高周波配線等には、キャパシタなど、虚部のインピーダンスを持つ寄生成分も含まれる。このため、一般的に、１０ＧＨｚを超えるような高周波領域まで広帯域にインピーダンス整合を取るために、実部の値しか有しない抵抗体のみの終端回路では、インピーダンス整合させることは困難である。

さらに、ＥＡ変調器に変調用の高周波信号とともにバイアス電圧を印加する場合には、終端抵抗にも電流が流れるので、消費電力と発熱の増大が見込まれる。

本発明の目的は、広帯域にインピーダンス整合がなされており、終端抵抗による消費電力が少ない終端回路と、これを構成する配線板を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、終端回路の一実施態様は、所定の特性インピーダンスを有する第１導体線路と、前記第１導体線路と接続される終端抵抗と、前記終端抵抗と接続される第２導体線路と、前記第１導体線路、前記終端抵抗および前記第２導体線路に対して、所定の距離を隔てて対向配置されるグラウンド配線と、前記第２導体線路と接続されるコンデンサとを備え、前記第１導体線路および前記グラウンド配線は、それぞれ、前記終端抵抗側に向かって、線路幅が狭くなるように形成されていることを特徴とする。

また、配線板の一実施態様は、所定の特性インピーダンスを有する第１導体線路と、第２導体線路と、前記第１導体線路および前記第２導体線路に対して、所定の距離を隔てて対向配置されるグラウンド配線とが形成された配線板であって、前記第１導体線路および前記グラウンド配線は、それぞれ、前記第２導体線路側に向かって、線路幅が狭くなるように形成され、前記第１導体線路と前記第２導体線路との間に終端抵抗が接続され、前記第２導体線路にコンデンサが接続されて終端回路を構成することを特徴とする。

本発明によれば、第２導体線路にコンデンサを接続して、終端抵抗による消費電力を抑制するとともに、第１導体線路、第２導体線路およびグラウンド配線の形状によって、広帯域に精度の高いインピーダンス整合を図ることができる。

従来のＴＯＳＡモジュールを示す外観図である。 従来のＴＯＳＡモジュールの内部構成の一部を示す斜視図である。 従来の半導体光集積素子を搭載したサブキャリアを示す上面図である。 従来の半導体光集積素子を搭載したサブキャリアにおいてフリップチップボンディングを用いた接続形態を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる半導体光集積素子を搭載したサブキャリアに用いる配線板を示す図である。 第１の実施形態にかかる配線板の等価回路を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかるフリップチップボンディングを用いた接続形態を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかる半導体光集積素子を搭載したサブキャリアに用いる配線板を示す図である。 本発明の第４の実施形態にかかる半導体光集積素子を搭載したサブキャリアに用いる配線板を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態によれば、ＥＭＬに代表される半導体光集積素子を搭載したサブキャリアにおいて、フリップチップボンディングに用いる配線板の終端回路に対して、さらなる高周波特性の改善を図ることができる。

（第１の実施形態）
図５に、本発明の第１の実施形態にかかる半導体光集積素子を搭載したサブキャリアに用いる配線板を示す。図５（ａ）は配線板５００の斜視図であり、フリップチップボンディングにより接続されるＥＭＬ４０２を合わせて示している。ＥＭＬ４０２は、信号用の電極パッド４１１およびグラウンド用の電極４１３が、共にＥＭＬ４０２の上面に構成されている。信号用の電極パッド４１１は、バンプによって配線板５００の高周波配線５０１のバンプ接続部５１１に接続され、グラウンド用の電極４１３は、ＧＮＤ配線５０２のバンプ接続部５１２に接続される。

図５（ｂ）は、配線板５００の底面の配線パターンを示す図である。高周波配線５０１（第１導体線路）は、ＧＮＤ配線５０２とともにインピーダンス特性が５０Ωの導体線路である５０Ω線路部５２１を構成し、５０オームの終端抵抗５０３の一方の端子に接続される。高周波配線５０１は、終端抵抗５０３との接続部において、内側に曲がる折り曲げ形状５１３ｃ−ｄを有する。例えば、線路幅が直線的に狭くなるテーパ形状となっており、インピーダンス遷移部５２２を構成する。

ＧＮＤ配線５０２も、インピーダンス遷移部５２２において、高周波配線５０１と同様にテーパ形状の折り曲げ形状５１３ａ−ｂを有する。これにより、インピーダンス遷移部５２２の特性インピーダンスは、終端抵抗５０３側に向かって、５０Ωよりも大きくなるように変化する。

終端抵抗５０３が配置された部分も特性インピーダンスが５０Ωよりも大きくなり、第１の高インピーダンス部５２３を構成する。終端抵抗５０３の他方の端子は、第２導体線路５０４を介してＧＮＤ配線５０２に接続される。第２導体線路５０４は、対向するＧＮＤ配線５０２との組み合わせによって、第２の高インピーダンス線路部５２４を構成する。第２の高インピーダンス線路部５２４は、スタブとして機能し、これにより、後述する周波数のピーキング量が調整されるようになっている。

図６に、第１の実施形態にかかる配線板の等価回路を示す。等価回路は、５０Ω線路部５２１、インピーダンス遷移部５２２、第１の高インピーダンス線路部５２３、および第２の高インピーダンス線路部５２４が順に接続され、ＥＭＬ４０２のＥＡ変調器は、５０Ω線路部５２１とインピーダンス遷移部５２２との間に接続される。

この等価回路を用いてシミュレーションを行い、配線板５００の配線パターンの各パラメータを決定し、インピーダンス整合がなされた終端回路を設計する。具体的には、三次元電磁解析シミュレータを利用して、終端抵抗５０３の長さｌ、終端抵抗５０３とＧＮＤ配線５０２との間隔、および、第２の高インピーダンス線路部５２４の長さを変えて、ＥＡ変調器の入力信号強度を計算する。

終端抵抗５０３の長さｌを変えることにより帯域幅が改善され、終端抵抗５０３とＧＮＤ配線５０２との間隔を変えることによりピーキングの周波数が決まり、第２の高インピーダンス線路部５２４の長さを変えることによりピーキング量が決まる。例えば、１０ＧｂＥのＴＯＳＡモジュールとして使用する場合、使用する周波数に合わせて、帯域、ピーキングを設定すれば、広帯域に精度の高いインピーダンス整合を実現することができる。

（第２の実施形態）
図７に、本発明の第２の実施形態にかかるフリップチップボンディングを用いた接続形態を示す。図７（ａ）に示すように、サブキャリア４００上のＥＭＬ４０２と高周波配線４０１とは、配線板６００により接続される。図７（ｂ）は、配線板６００の底面の構成を示している。高周波配線４０１の信号線Ｓは、バンプ６１１、高周波配線６０１、バンプ６１２を介してＥＡ変調器の電極パッド４１１と接続される。高周波配線４０１のＧＮＤパターンは、バンプ６１３ａ，６１３ｂを介して、ＧＮＤ配線６０２ａ−ｂに接続されている。

配線板６００は、第１の実施形態と同様に、５０Ω線路部、インピーダンス遷移部、第１の高インピーダンス線路部、および第２の高インピーダンス線路部が順に形成されている。

第１の実施形態との相違点は、第２の高インピーダンス線路部、すなわち第２導体線路６０４の他方の端子は、ＧＮＤ配線６０２ａ−ｂには接続されず、バンプ６１５を介してコンデンサ６２０の上面電極に接続される。コンデンサ６２０の下面電極はグラウンドに接続され、これにより、高周波信号を終端し、バイアス電圧による直流成分はカットする。このようにして、終端抵抗における消費電力と発熱の増大を抑制することができる。

直流成分をカットするために、コンデンサ６２０は、パスコンなどと比較して大きい容量のものを使用する。一般的に、容量が大きくなると寄生インダクタンスも大きくなるので、上述した終端回路の設計において、終端抵抗５０３の長さｌ、または終端抵抗６０３とＧＮＤ配線６０２ａ−ｂとの間隔を調整して、寄生インダクタンスを相殺する。

（第３の実施形態）
図８に、本発明の第３の実施形態にかかる半導体光集積素子を搭載したサブキャリアに用いる配線板を示す。配線板７００の底面の配線パターンを示しており、第１の実施形態との相違点は、インピーダンス遷移部５２２と第１の高インピーダンス部５２３とにある。高周波配線７０１（第１導体線路）は、ＧＮＤ配線７０２とともにインピーダンス特性が５０Ωの導体線路である５０Ω線路部を構成する。高周波配線７０１のバンプ接続部７１１には、ＥＡ変調器の信号用の電極パッド４１１が接続され、バンプ接続部７１２には、グラウンド用の電極４１３が接続される。

第３の実施形態のインピーダンス遷移部は、ＥＡ変調器が接続される側の高周波配線７０１とＧＮＤ配線７０２とは、内側に曲がる折り曲げ形状７１３ｃ，７１３ｂを有する。一方、ＥＡ変調器が接続されないＧＮＤ配線７０２側は、折り曲げ形状７１３ｄのみが形成されている。すなわち、第１の高インピーダンス部において、ＥＡ変調器が接続される側の間隔が、ＥＡ変調器が接続されない側の間隔よりも広くなっている。

ＥＡ変調器が接続される側の高周波配線７０１とＧＮＤ配線７０２との間は、ＥＡ変調器によって容量成分が大きくなる。そこで、この容量成分を相殺するために、第１の高インピーダンス部において、ＥＡ変調器が接続されない側の高周波配線７０１とＧＮＤ配線７０２との間の容量を大きくする。このような構成により、高周波配線７０１から、ＥＡ変調器との接続点を介して終端回路まで、コプレナ線路が等価的に対称性を有する構造となり、精度の高いインピーダンス整合を実現することができる。

なお、第２の実施形態と同様に、第２の高インピーダンス線路部、すなわち第２導体線路７０４の他方の端子は、ＧＮＤ配線７０２には接続せず、バンプを介してコンデンサに接続する構成とすることもできる。

（第４の実施形態）
図９に、本発明の第４の実施形態にかかる半導体光集積素子を搭載したサブキャリアに用いる配線板を示す。配線板８００の底面の配線パターンを示しており、第１の実施形態との相違点は、インピーダンス遷移部５２２にある。高周波配線８０１（第１導体線路）は、ＧＮＤ配線８０２とともにインピーダンス特性が５０Ωの導体線路である５０Ω線路部を構成する。高周波配線８０１のバンプ接続部８１１には、ＥＡ変調器の信号用の電極パッド４１１が接続され、バンプ接続部８１２には、グラウンド用の電極４１３が接続される。

第４の実施形態のインピーダンス遷移部は、内側に曲がる折り曲げ形状８１３ｃ−ｄが、線路幅が直線的に狭くなるテーパ形状ではなく、クロソイド曲線で形成されている。テーパ形状であっても、５０Ω線路部５２１とインピーダンス遷移部５２２との間の屈曲点、およびインピーダンス遷移部５２２と第１の高インピーダンス部５２３との間の屈曲点では、インピーダンスが不連続に変化するので、高周波信号はわずかながらも反射する。そこで、インピーダンス遷移部をクロソイド曲線で形成することにより、このような不連続点のないインピーダンス整合を実現することができる。

なお、第２の実施形態と同様に、第２の高インピーダンス線路部、すなわち第２導体線路８０４の他方の端子は、ＧＮＤ配線８０２には接続せず、バンプを介してコンデンサに接続する構成とすることもできる。

本実施形態では、配線板によってＥＭＬのＥＡ変調器を接続する構成を例に説明したが、筺体外部から、高周波線路を介して、サブキャリア上の高周波素子に高周波信号を供給する場合に適用することができる。

１００ ＴＯＳＡモジュール
１０１，２１２ テラス部
１０２，２０８ 配線端子
１０３ セラミック部
１０４ 金属部
２００ 筐体
２０１，４００ サブキャリア
２０２ 半導体レーザ
２０３ 光変調器
２０４，３０３，４０４，５０３，７０３，８０３ 終端抵抗
２０５，６２０ コンデンサ
２０６ キャリア
２０７ ＴＥＣ
２０９，４０３ａ−ｄ ワイヤ状金線
２１０ リボン状金線
２１１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１ 高周波配線
３００，５００，６００，７００，８００ 配線板
３０２，５０２，６０２，７０２，８０２ ＧＮＤ配線
３１１，３１２，３１３ａ−ｂ，６１１，６１２，６１３ａ−ｂ，６１４，６１５，７１１，７１２，８１１，８１２ バンプ
４０２ ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ（ＥＭＬ）
４０５，４１１ 電極パッド
４１２ ＤＦＢレーザ電極
５０４，６０４，７０４，８０４ 第２導体線路

Claims (7)

1. 所定の特性インピーダンスを有する第１導体線路と、
   前記第１導体線路と接続される終端抵抗と、
   前記終端抵抗と接続される第２導体線路と、
   前記第１導体線路、前記終端抵抗および前記第２導体線路に対して、所定の距離を隔てて対向配置されるグラウンド配線と、
   前記第２導体線路と接続されるコンデンサとを備え、
   前記第１導体線路および前記グラウンド配線は、それぞれ、前記終端抵抗側に向かって、線路幅が狭くなるように形成されていることを特徴とする終端回路。
2. 前記終端抵抗および前記第２導体線路の部分の特性インピーダンスは、前記グラウンド配線との組み合わせによって、前記第１導体線路の前記特性インピーダンスよりも高くなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の終端回路。
3. 前記第１導体線路および対向配置される一方のグラウンド配線との間に高周波素子が接続され、
   前記終端抵抗および前記第２導体線路と前記一方のグラウンド線路との間の間隔は、前記終端抵抗および前記第２導体線路と対向配置される他方のグラウンド線路との間の間隔よりも広く設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の終端回路。
4. 前記第１導体線路および前記グラウンド配線において、前記線路幅は、テーパ形状により狭く形成されることを特徴とする請求項１、２または３に記載の終端回路。
5. （第４の実施形態）
   前記第１導体線路および前記グラウンド配線において、前記線路幅は、クロソイド曲線により狭く形成されることを特徴とすることを特徴とする請求項１、２または３に記載の終端回路。
6. 所定の特性インピーダンスを有する第１導体線路と、
   第２導体線路と、
   前記第１導体線路および前記第２導体線路に対して、所定の距離を隔てて対向配置されるグラウンド配線とが形成された配線板であって、
   前記第１導体線路および前記グラウンド配線は、それぞれ、前記第２導体線路側に向かって、線路幅が狭くなるように形成され、
   前記第１導体線路と前記第２導体線路との間に終端抵抗が接続され、前記第２導体線路にコンデンサが接続されて終端回路を構成することを特徴とする配線板。
7. 前記第１導体線路および対向配置される一方のグラウンド配線との間に高周波素子がフリップチップ接続されることを特徴とする請求項６に記載の配線板。

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