JP2019205014A - 光通信機 - Google Patents

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Abstract

【課題】伝送信号を高い周波数で送受信を行うことを可能にするために搭載するインダクタにおける信号間干渉を最小に抑圧することが可能な光通信機を提供することにある。【解決手段】光通信機は、複数の信号チャンネルのそれぞれにおいて、差動光信号を受光して差動電流信号を出力する１対のフォトダイオードを搭載した光半導体と、前記光半導体からの差動電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプを搭載したＩＣとがフリップチップ接続された基板を含むサブパッケージをサブアセンブリとして備えた光通信機であって、前記光半導体には、１対のフォトダイオードのそれぞれに１対インダクタが形成され、かつ該形成された１対のインダクタを取り囲むようにグランド配線が形成されていることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は光通信機に関する。
近年、通信技術の劇的な発展に伴い、通信容量の不断の増大が求められている。これに伴い、数百ｋｍ以上の長距離の都市間を結ぶ基幹回線ばかりでなく、１００ｋｍ未満の都市間や、データセンタ間を結ぶ比較的近距離の回線にも、大容量の通信装置が必要とされてくるようになった。
従来では基幹回線のみに用いられてきた大容量ディジタルコヒーレント通信技術は、分散耐力や高い受信感度などの優れた特性のため、上述した比較的近距離の通信でも使われるようになってきている。非特許文献１には、基幹回線で用いられるコヒーレント光受信機が記載されている。
通信網は末端になるほど細かく分かれているため、近距離で用いられる通信機器の数は基幹回線装置に比べてはるかに多く、同時に近距離用通信機器に対するサイズの縮小やコスト要求は遠距離用のものと比較するとずっと厳しいものになる。
また、近年では、信号伝送ボーレートの高速化が進み、３２Ｇｂａｕｄから６４Ｇｂａｕｄにまで届こうとしている。伝送する周波数レートが高くなるにつれ、部品に対する高周波特性への要求も厳しくなっている。
さらにコヒーレント伝送方式を含む高速送受信方式では、多チャネルの伝送が必要になり、チャネル間干渉が特性劣化の一つの要因になる。一般に、ボーレートが高くなるほどチャネル間の干渉は高くなる傾向にあるからである。例えばよく使用される偏波多重ＱＰＳＫ方式などのコヒーレント信号の場合は２つの偏波にそれぞれ同相（ｉｎ−ｐｈａｓｅ）と直角位相（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−ｐｈａｓｅ）の合わせて４チャネルの信号伝送が必要になるが、十分な伝送特性を得るには、これらのチャネル間の信号干渉を一定以下に抑圧する必要がある。
また、シリコンフォトニクス素子を用いたトランシーバなどの場合では、送受信機を同じチップに搭載する場合があるが、この場合はさらに送信機と受信機の間の信号干渉も十分に抑圧する必要がある。送信機は大きな電気信号を扱い、受信機は光電変換後の微小な電気信号を扱うので、相互干渉は特に抑圧する必要がある。
小川育生他著「１００ Ｇｂｉｔ／ｓ光受信ＦＥモジュール技術」ＮＴＴ技術ジャーナル２０１１．３ ｐ．６２
図１、２は、従来技術によるコヒーレント光受信機（光受信機）の構成を示す図であり、図１は回路図であり、図２はパタン図である。図１に示すように光受信機は、局発光と信号光を適切な位相で結合させる光回路 （ＤＰＯＨ： ｄｕａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｈｙｐｒｉｄ）７０と光半導体５０およびＴＩＡ−ＩＣ６０を有するサブアセンブリとを備えている。光回路７０は、局発光と光信号を適切な位相で合成しかつ差動光信号を生成して、光半導体に搭載されたフォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）に入射する。フォトダイオードは入射された差動光信号を光電変換してＴＩＡ−ＩＣに入力する。ＰＤが搭載された光半導体とＴＩＡ‐ＩＣは、ワイヤボンディングにより接続されている。各信号端子の隣にはグランド端子が形成されている。
図１に示す光受信器のように、ワイヤボンディングにより光半導体５０とＴＩＡ‐ＩＣ６０が接続されている場合、いくつかの問題がある。すなわち、ボンディングが長すぎると高周波雑音を拾ったりまた振動により動いたりするなどの問題から、（１）端子を素子の外周部分にしか設けることができないため端子の数が制限されるという問題と、（２）ＩＣについては表面が上向きのため、ＩＣの裏面からパッケージを介して放熱する必要があるので、パッケージを放熱特性の劣化するＢＧＡ（ｂａｌｌ ｇｒｉｄ ａｒｒａｙ）構造にすることが難しく、外部接続のためのリード線等を設ける必要が生じるためパッケージの占めるサイズが大きくなるという問題がある。
これに対して、ＩＣ自体をフリップチップ構成でパッケージに実装した場合は、裏面が上向きとなった結果上面からの放熱が主要な放熱経路となり、底面からの放熱（パッケージ基板を介しての放熱）の必要性が低下するためパッケージを小型化に有利なＢＧＡ構成にしやすくなる。
しかしながら、ＩＣをフリップチップ構成にした場合、ワイヤボンディングがなくなって帯域特性が低下しやすくなる。この帯域特性の低下の影響を抑えるため、インダクタを追加して帯域を伸ばすことも考えられるが、インダクタを追加した分だけ信号線を取る領域が増えて、チャネル間・送受等の干渉を起こしやすくなるという問題がある。
本発明は、上記従来の問題に鑑みなされたものであり、本発明の課題は、伝送信号を高い周波数で送受信を行うことを可能にするために搭載するインダクタにおける信号間干渉を抑圧することが可能な光通信機を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態に記載された光通信機は、複数の信号チャンネルのそれぞれにおいて、差動光信号を受光して差動電流信号を出力する１対のフォトダイオードを搭載した光半導体と、前記光半導体からの差動電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプを搭載したＩＣとがフリップチップ接続された基板を含むサブパッケージをサブアセンブリとして備えた光通信機であって、前記光半導体には、１対のフォトダイオードのそれぞれに１対インダクタが形成され、かつ該形成された１対のインダクタを取り囲むようにグランド配線が形成されていることを特徴とする。
従来技術によるコヒーレント光受信機の構成を示す回路図である。 従来技術によるコヒーレント光受信機の構成を示すパタンの（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。 第１の実施形態の光通信機の一部構成の回路図を表す図である。 第１の実施形態の光通信機の一部構成のパタンの（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。 信号・グランド配線のパタンおよびインダクタの他の構成例を示す図である。 信号・グランド配線のパタンおよびインダクタの他の構成例を示す図である。 信号・グランド配線のパタンおよびインダクタの他の構成例を示す図である。 信号・グランド配線のパタンおよびインダクタの他の構成例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図３は、第１の実施形態の光通信機の一部構成の回路図を表す図であり、図４は光通信機の一部構成のパタン図である。図３において、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。本実施形態では、光通信機として光素子を搭載したコヒーレント光受信機（単に「光受信機」ともいう）を例に挙げて説明するが、光送受信機として構成することもできる。図３、４には、光受信機の一部構成として、サブパッケージとしての基板１００上に、光半導体１０およびＴＩＡ（Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）‐ＩＣ２０とが互いに接続されて搭載された構成のみが示されている。光受信機としては、図３、４で示された構成以外にも、ＰＬＣで形成された光回路（ＤＰＯＨ： ｄｕａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｈｙｐｒｉｄ）（図３のＤＰＯＨ７０）や既知の他のモジュールが搭載されているがこれらの説明は省略する。図３、４の例では、４チャンネルのうちの１チャンネルのみの構成を表したものになっており、これらの回路図やパタン図の１チャンネルのみに表現された構成をその他の３チャンネルにも同様に形成することができる。また、図４（ｂ）の側面図には、図示下面において形成されるＰＤや配線パタンやパッド（端子）などは省略して示されている。光半導体１０およびＴＩＡ−ＩＣ２０が搭載されるサブパッケージは、シリコン等の基板１００でなく、セラミック等の筐体であってもよい。
光半導体１０には、光素子としてフォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏdｉｏｄｅ）１１が搭載されており、ＰＤ１１ａ、１１ｂにはそれぞれ逆バイアスを印加した動作が可能なように、電源端子Ｓ３、Ｓ４が一端に接続されており、さらにＴＩＡ２１と電気的に接続される信号端子Ｓ１、Ｓ２が他端に接続されている。ＰＤ１１ａ、１１ｂと信号端子Ｓ１、Ｓ２との間には、インダクタＬ１、Ｌ２が設けられている。
本実施形態においては、インダクタＬ１、Ｌ２はそれぞれ、スパイラル形状またはメアンダ形状に形成されており、巻き線の方向が同じ方向に形成されている。
さらに、光半導体１０は、少なくともインダクタＬ１、Ｌ２を取り囲むように設けられたグランド配線１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ（単に「グランド配線１２」ともいう）を備えている。少なくともインダクタＬ１、Ｌ２を取り囲むグランド配線１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは必ずしも４方に必要ではなく、少なくとも隣接する信号チャネルの間に設けることが必要である。グランド端子Ｇ１、Ｇ２はグランド配線１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄをグランド接地するために設けられている。グランド配線１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、少なくともインダクタＬ１、Ｌ２を取り囲むように設けることによって、いわゆる配線シールドとなり、チャンネル間における信号干渉を最小に抑圧することができる。図４に示すパタンでは、ＰＤ１１ａ、１１ｂの配線に沿ったグランド配線１２ａ、１２ｃはＰＤ１１ａ、１１ｂの配線と同じ層に設け、ＰＤ１１ａ、１１ｂの配線に交差するグランド配線１２ｂ、１２ｄはＰＤ１１ａ、１１ｂの配線とは別の層に設けることができる。
ここでグランド配線１２のパタンおよびインダクタの他の構成例について説明する。図５から図８はグランド配線のパタンおよびインダクタの他の構成例を示す図である。図４に示す例では、グランド端子Ｇ１、Ｇ２をＰＤ１１ａ、１１ｂの近傍に配置していたが、図５に示すように、グランド端子Ｇ１、Ｇ２を信号引出端子Ｓ１、Ｓ２と整列させて配置してもよい。また、図６に示すように、グランド配線１２をインダクタＬ１、Ｌ２のみを囲うように設けてもよい。
また、図５に示したインダクタＬ１、Ｌ２に代えて、図７に示すように、それぞれのＰＤ１１ａ、１１ｂに対して連続した２つのインダクタＬ３、Ｌ４として構成してもよい。さらに、インダクタＬ１、Ｌ２を設ける位置をそれぞれのＰＤ１１ａ、１１ｂに対して等距離に設けるのではなく、図８に示すようにずらして設けてもよい。
さらに、グランド配線１２は、インダクタＬ１、Ｌ２（Ｌ３、Ｌ４）の近傍まで設けることが好ましい。
ＴＩＡ‐ＩＣ２０には、光半導体１０と電気的に接続するための信号端子Ｔ１、Ｔ２と基板１００と接続するための信号出力端子Ｔ３、Ｔ４とが設けられている。信号端子Ｔ１、Ｔ２と信号出力端子Ｔ３、Ｔ４との間にはＴＩＡ２１が設けられている。
光半導体１０とＴＩＡ‐ＩＣ２０とはサブパッケージとしての基板１００にフリップチップ接続されている。基板１００には、光半導体１０の信号端子Ｓ１、Ｓ２とＴＩＡ−ＩＣ２０の信号端子Ｔ１、Ｔ２との間の電気的接続をする配線（図示せず）が設けられている。すなわち、光半導体１０とＴＩＡ‐ＩＣ２０とは基板１００を介して電気的に接続されている。
次に、図３、４に示す光受信機における動作について説明する。本実施形態の光受信機では、光回路７０において局発光と光信号を適切な位相で合成して生成した差動光信号がフォトダイオード（ＰＤ）に入射される。フォトダイオードはこの差動光信号を光電変換してＴＩＡ−ＩＣ２０に入力する。
ＰＤ１１ａ、１１ｂとＴＩＡ２１の間には、インダクタＬ１、Ｌ２が光半導体１０上に形成されている。このインダクタＬ１、Ｌ２は、周波数特性にピーキング特性をもたらすことにより、帯域を伸ばすものである。特に、本実施例で示すフリップチップ構成では、ボンディングで構成した場合と比べてインダクタンス成分が不足して帯域が低下する場合があるため、このようにインダクタを追加して帯域を伸ばすことが有効になる。
また、一対のインダクタＬ１、Ｌ２は、その巻き線方向が同じ方向に形成されているため信号線から漏洩した電磁波が互いにキャンセルされるようになっている。
本実施形態の光通信機では、インダクタＬ１、Ｌ２及びフォトダイオード１１ａ、１１ｂに相当する部分を、各チャンネルの差動ラインの一組の構成をグランド配線１２で取り囲んでいる。インダクタＬ１、Ｌ２を追加した場合、帯域の拡幅は望める一方で信号線の占める面積が広くなるため、他受信チャネルとの信号の干渉が発生したり、送受信機の場合は送信機との信号の干渉が発生したりするが、これらの干渉信号を遮蔽することができる。
差動ラインを一括してグランドで囲うことで、それぞれを独立に囲うよりも少ない面積で、有効な遮蔽を実施することができる。また、グランド配線１２をなるべくインダクタＬ１、Ｌ２の傍に設けることで、外部の影響を受けやすいインダクタＬ１、Ｌ２を有効に遮蔽することができる。
図４、５に示した例では、光素子であるＰＤ１１ａ、１１ｂとインダクタＬ１、Ｌ２を一括してグランドで囲ったが、図６に示すように、インダクタＬ１、Ｌ２のみを遮蔽することで、チャネル内の遠方からの干渉も遮蔽して、意図しない信号の波形劣化も防ぐことができる。
また、図７に示すように、複数の小さいインダクタを直列に接続した構成（インダクタ連結部）Ｌ３、Ｌ４とすることで面積が大きくなることで強くなる外部への結合を抑制することができる。
あるいは図８に示すように、差動線路のインダクタＬ１、Ｌ２を伝搬する差動信号の進行方向における位置をずらして構成することで、横方向の距離が離れて隣接チャネルとの結合が増加するのを避けることもできる。
グランド端子Ｇ１、Ｇ２や、電源端子Ｓ１、Ｓ２は、信号線のインピーダンスが下がって帯域が低下しないように、ＰＤ１１ａ、１１ｂ近傍から離れた位置に配置することができる。
１００ 基板
１０ 光半導体
１１ａ、１１ｂ ＰＤ
Ｓ１、Ｓ２ 信号端子
Ｓ３、Ｓ４ 電源端子
Ｌ１、Ｌ２ インダクタ
Ｌ３、Ｌ４ インダクタ連結部
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ（１２） グランド配線
Ｇ１、Ｇ２ グランド端子
２０ ＴＩＡ‐ＩＣ
２１ ＴＩＡ
Ｔ１、Ｔ２ 信号端子
Ｔ３、Ｔ４ 信号出力端子

Claims (5)

  1. 複数の信号チャンネルのそれぞれにおいて、差動光信号を受光して差動電流信号を出力する１対のフォトダイオードを搭載した光半導体と、前記光半導体からの差動電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプを搭載したＩＣとがフリップチップ接続された基板を含むサブパッケージをサブアセンブリとして備えた光通信機であって、
    前記光半導体には、１対のフォトダイオードのそれぞれに１対インダクタが形成され、かつ該形成された１対のインダクタを取り囲むようにグランド配線が形成されていることを特徴とする光通信機。
  2. 前記１対のインダクタは、スパイラル形状またはメアンダ形状に形成されており、巻き線の方向が同じ方向に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光通信機。
  3. 前記１対のインダクタのぞれぞれは、複数のインダクタ部が直列に接続されて設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の光通信機。
  4. 前記１対のインダクタは、前記差動電流信号の進行方向における位置を互いにずらして設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の光通信機。
  5. 前記グランド配線は、同じ信号チャンネルの前記１対のフォトダイオードも共に取り囲むように形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光通信機。
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