JP2020021911A - Optical subassembly and optical module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光サブアッセンブリ及び光モジュールに関する。 The present invention relates to an optical subassembly and an optical module.
現在、インターネットや電話ネットワークの大部分が光通信網によって構築されている。光通信機器であるルータ/スイッチや伝送装置のインターフェースとして使用される光モジュールは、電気信号を光信号に変換する重要な役割を担っている。光モジュールは、一般的に、光素子を収容した光サブアッセンブリと、変調電気信号を含む信号を処理するIC等実装したプリント基板(以下PCB)と、その間を電気的に接続するフレキシブルプリント基板(以下FPC)を備えた形態をとる。 At present, most of the Internet and telephone networks are constructed by optical communication networks. 2. Description of the Related Art An optical module used as an interface of a router / switch or a transmission device, which is an optical communication device, plays an important role of converting an electric signal into an optical signal. An optical module generally includes an optical sub-assembly containing an optical element, a printed circuit board (hereinafter referred to as a PCB) on which an IC for processing a signal including a modulated electric signal is mounted, and a flexible printed circuit board (hereinafter referred to as a PCB) for electrically connecting them. In the following, a form having FPC) will be used.
近年では、光モジュールは高速化のみならず、低価格化への要求が著しく、低コストでかつ、高速光信号を送受信可能な光モジュールの需要が高まっている。例えば、上述のような要求を満たす光モジュールとして、例えば缶状のパッケージに内包される金属製ステムからFPC等に差し込むリード端子が突出した形態を有するTO-CANパッケージ型の光サブアッセンブリ等を用いることが知られている。金属製ステムは、略円盤形状のアイレットと、アイレットから突出するように設けられた台座と、を含んで構成されている。 In recent years, demands for not only high-speed but also low-cost optical modules have been remarkable, and demand for optical modules that can transmit and receive high-speed optical signals at low cost has been increasing. For example, as an optical module satisfying the above requirements, for example, a TO-CAN package type optical sub-assembly having a form in which a lead terminal inserted into an FPC or the like protrudes from a metal stem included in a can-shaped package is used. It is known. The metal stem includes a substantially disc-shaped eyelet and a pedestal provided to protrude from the eyelet.
下記特許文献1、2においては、25Gbit/s級の変調電気信号を光素子に伝達させる技術が開示されている。
リード端子を電気的なインターフェースとするTO−CAN型の光サブアッセンブリは特性インピーダンスを所望の値に整合させることが困難であるが、下記特許文献1、2ではリード端子部でインダクタンスが大きくなることを防ぐため、リード端子直下に誘電体基板を挿入し、誘電体基板の高い誘電率によって、グラウンド導体となる台座との電気的な結合を強化し、インダクタンスをキャパシタンスによって緩和し、望ましくないインピーダンスの増加を防いでいる。
It is difficult to match characteristic impedance to a desired value in a TO-CAN type optical subassembly using a lead terminal as an electrical interface, but in
また、リード端子と誘電体基板との間の接続は、ワイヤ接続ではなく、ろう接とすることにより、余計なインダクタンス成分の発生を抑制していた。また、リード端子と誘電体基板との間の接続が容易な構成としていた。 Further, the connection between the lead terminal and the dielectric substrate is not a wire connection but a brazing, so that the generation of an unnecessary inductance component has been suppressed. Further, the connection between the lead terminals and the dielectric substrate is configured to be easy.
近年の高速化要求は著しく、例えば伝送レートが40Gbit/s級以上の光モジュールの需要が高まっている。このような更なる高速化要求に応じた設計を実現する上では、インピーダンス整合をより厳密に行う必要があるが、それが容易ではないことが課題となっていた。 In recent years, there has been a remarkable demand for high speed, and for example, demand for an optical module having a transmission rate of 40 Gbit / s class or more has been increasing. In order to realize a design corresponding to such a demand for higher speed, it is necessary to more strictly perform impedance matching, but it has been a problem that it is not easy.
インピーダンス整合をより厳密に行うためには、アイレットに設けられる貫通孔の直径を、当該貫通孔を充填する誘電体の誘電率とリード端子径とから決定される所望の値とする必要があり、結果として台座とリード端子間に大きな間隙が生じる場合がある。グラウンド導体を伝搬するリターン電流は、貫通孔を迂回し、台座を経由して誘電体基板に伝搬されるが、台座から誘電体基板との距離に応じたインダクタンス成分を寄生させてしまい、インピーダンス整合を厳密に行うことがより困難となっていた。 In order to perform impedance matching more strictly, the diameter of the through hole provided in the eyelet needs to be a desired value determined from the dielectric constant of the dielectric filling the through hole and the lead terminal diameter, As a result, a large gap may be generated between the pedestal and the lead terminal. The return current propagating through the ground conductor bypasses the through-hole and propagates through the pedestal to the dielectric substrate. Was more difficult to do strictly.
本開示は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、リード端子と誘電体基板とがろう接された光モジュールにおいて、インピーダンス整合をより厳密に行うことである。 The present disclosure has been made in view of the above problems, and an object of the present disclosure is to more strictly perform impedance matching in an optical module in which a lead terminal and a dielectric substrate are soldered.
上記課題を解決するために、本開示に係る光サブアッセンブリは、第1の面と、前記第1の面の反対側に配置された第2の面と、前記第1の面から前記第2の面までを貫通する第1の貫通孔と、を含むアイレットと、前記第1の貫通孔に挿入され、電気信号を伝送する第1のリード端子と、前記第1の貫通孔と前記第1のリード端子との間に充填された誘電体と、光信号と前記電気信号の少なくとも一方を他方に変換する光素子が搭載された素子搭載基板と、前記電気信号を前記光素子に伝送する第1の導体パターンを含む中継基板と、前記第1の面から前記第1の貫通孔の延伸方向に突出し、前記中継基板と前記素子搭載基板とが載置される台座と、を含み、前記第1のリード端子は、小径部と、前記小径部の端部に設けられ前記小径部よりも大きな直径を有する大径部と、を含み、前記大径部の少なくとも一部が、前記第1の面側において、前記誘電体から露出し、前記第1のリード端子と前記第1の導体パターンとが、ろう接されている。 In order to solve the above-described problems, an optical subassembly according to the present disclosure includes a first surface, a second surface disposed on a side opposite to the first surface, and a second surface arranged from the first surface. An eyelet including a first through-hole penetrating through the first through-hole, a first lead terminal inserted into the first through-hole and transmitting an electric signal, the first through-hole and the first through-hole. A dielectric material filled between the lead terminals, an element mounting substrate on which an optical element for converting at least one of an optical signal and the electric signal to the other is mounted, and a second element for transmitting the electric signal to the optical element. A relay board including the first conductive pattern, and a pedestal that protrudes from the first surface in a direction in which the first through hole extends, and on which the relay board and the element mounting board are mounted. The first lead terminal is provided at a small diameter portion and at an end of the small diameter portion. A large diameter portion having a large diameter, at least a part of the large diameter portion is exposed from the dielectric on the first surface side, and the first lead terminal and the first conductor The pattern is brazed.
また、本開示に係る光モジュールは、上記光サブアッセンブリと、プリント基板と、前記プリント基板と前記光サブアッセンブリと電気的に接続されるフレキシブル基板と、を備える。 Further, an optical module according to the present disclosure includes the optical sub-assembly, a printed board, and a flexible board electrically connected to the printed board and the optical sub-assembly.
本開示の光サブアッセンブリ及び光モジュールによれば、更なるインピーダンス整合を実現することができる。 According to the optical subassembly and the optical module of the present disclosure, further impedance matching can be realized.
本開示の第1の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。 A first embodiment of the present disclosure will be described below with reference to the drawings.
図1は、本実施形態における光通信用途の光モジュール1の外観図である。PCB200に搭載される駆動IC(図示せず)から、PCB200に半田等によって接続されるFPC300を介し、光サブアッセンブリ100に変調電気信号が伝達される。光サブアッセンブリ100は、光素子を収容し、かつ出射光をもしくは入射光を送受するインターフェースを備えている。光サブアッセンブリ100は、アイレット120と、光レセプタクル2を含む。この光レセプタクル2の具体的な構造については、図3を用いて後述する。なお、図示しないが光サブアッセンブリ100、PCB200、そしてFPC300は、金属製などの筐体に内蔵されて、光モジュール1は構成されている。
FIG. 1 is an external view of an
ここで、光サブアッセンブリ100の例としては、レーザダイオードなどの発光素子を内部に有し、電気信号を光信号に変換して送信する光送信モジュール(TOSA; Transmitter Optical Subassembly)や、内部にフォトダイオードに代表される受光素子を有し、受信した光信号を電気信号に変換する光受信モジュール(ROSA; Receiver Optical Subassembly)や、これらの両方の機能を内包した双方向モジュール(BOSA;Bidirectional Optical Subassembly)などがある。本願発明は、上記いずれの光サブアセンブリにも適用でき、本実施形態では光送信モジュールを例として説明する。
Here, as an example of the
図2は、本開示の第1の実施形態に係る光サブアッセンブリ100の内部構造を示す模式的な斜視図である。光サブアッセンブリ100は、例えば、直径5.6mmの円盤形状をした、金属からなる導電性のアイレット120を有する。アイレット120は、第1の面121と、第1の面121の反対側に配置された第2の面122と、を有する。また、アイレット120は、第1の面121から第2の面122までを貫通する第1の貫通孔123、第2の貫通孔126を有する。
FIG. 2 is a schematic perspective view illustrating the internal structure of the
また、光サブアッセンブリ100は、アイレット120の第1の面121から第1の貫通孔123の延伸方向に突出する台座124を含む。台座124は、光信号と電気信号の少なくとも一方を他方に変換する光素子160が搭載された素子搭載基板140が載置される第3の面125を有する。アイレット120と、この台座124と、により、ステムを構成している。
Further, the
本実施形態において、素子搭載基板140は、光素子160と近い熱膨張係数を持つ窒化アルミニウムなどのセラミックからなり、光素子160が、素子搭載基板140にダイボンディングされている。素子搭載基板140は、表裏面にメタライズパタンを有しており、素子搭載基板140の裏面はグラウンド導体となるステムの台座124に接続されている。また、光素子160が搭載される素子搭載基板140の表面(搭載面)側には、伝送線路となる第2の導体パターン141(図8参照)が形成されている。
In the present embodiment, the
アイレット120の第1の貫通孔123には、電気信号を伝送する第1のリード端子110が挿入されており、第1の貫通孔123と第1のリード端子110との間には、誘電体130が充填されている。このアイレット120、誘電体130、及び第1のリード端子110によって、同軸線路を形成している。以下、この同軸線路を「ガラス同軸部」という。
A
第3の面125には、上述した素子搭載基板140と、電気信号を光素子160に伝送する中継基板150と、が載置されている。なお、図2に示す例おいては、第3の面125が、素子搭載基板140が載置される領域と、中継基板150が載置される領域との間に段差を有する例を図示しているが、双方の領域の間に段差を設けない構成としても構わない。なお、本実施形態では中継基板150と第3の面125との間にはスペーサ170を配置している。スペーサ170の詳細は後述するが、スペーサ170の中継基板140と接する面、及び第3の面125と接する面の両面は、グラウンド電位となっている。
On the
ただし、図2に示すように、第3の面125における素子搭載基板140が載置される領域が、中継基板150が載置される領域よりも高い(第3の面125に直交する方向において、アイレット120の中央位置に近い)構成とすることが望ましい。後述するように、ガラス同軸部の特性インピーダンスを50オームに整合させる場合、第1の貫通孔123の直径を大きくする必要がある。ここで、製造プロセス上、第1のリード端子110の延伸方向から見て、第1の貫通孔123と台座124とは重畳しないことが望ましい。即ち、第1のリード端子110の延伸方向から見て、第1の貫通孔123と台座124とを重畳させない構成とすることにより、台座124とアイレット120とを一体形成する場合において、第1の貫通孔123を形成しやすく望ましい。この第1の貫通孔123と台座124とを重畳させない構成を採用すると、大きな直径を有する第1の貫通孔123を避けるように台座124を設ける必要があるため、台座124の中継基板150が載置される領域を、中央位置からずらす必要がある。一方で、光素子160は、アイレット120の中央位置に配置する必要がある。そのため、光素子160を載置する素子搭載基板140が載置される領域を、中継基板150が載置される領域よりも高い位置に配置されるよう、第3の面125が段差を有する構成とすることにより、製造プロセス上の効率を下げることなく、光素子160の位置を中央位置に保ちながら、第1の貫通孔123の直径を大きくすることができ、ガラス同軸部の特性インピーダンスを50オームに整合させることができるのである。なお、50オーム±10オームに整合させれば、十分な特性は得られる。
However, as shown in FIG. 2, the region on the
本実施形態において、変調電気信号を伝送する第1のリード端子110は、小径部114と、小径部114の端部に設けられ、小径部114よりも大きな直径を有する大径部115と、を含む。大径部115の少なくとも一部は、第1の面121側において、第1の面121から露出している。そして、大径部115と、中継基板150に載置された第1の導体パターン152とが、ろう接されている。例えば、第1のリード端子110の大径部115と中継基板150は、金錫合金などからなる半田70によって接続されている。
In the present embodiment, the
このような構成することにより、第1のリード端子110と中継基板150とがろう接された光モジュール1において、更なるインピーダンス整合を実現することができる。
With such a configuration, further impedance matching can be realized in the
即ち、第1のリード端子110と中継基板150とがろう接される場合には、第1のリード端子110と中継基板150との間の電気信号の伝達は直線的に行われる。これに対し、グラウンド導体を伝搬するリターン電流は、第1の貫通孔123を迂回し、台座124を経由し、更にスペーサ170を介して中継基板150に伝達されるため、インダクタンス成分の増加を招いてしまい、インピーダンス整合を行うことがより困難となる。しかしながら、上述した通り、第1のリード端子110が、第1の面121から突出する第1の端部111に大径部115を有する構成とすることにより、この大径部115と第1の貫通孔123の内周面との間の容量成分を大きくすることができる。そのため、インダクタンス成分を容量成分で緩和することができ、インピーダンス整合を行うことが可能となる。
That is, when the
特に、後述するように、ガラス同軸部の特性インピーダンスを50オーム付近にする際には、第1の貫通孔123の直径を大きくする必要があり、台座124と第1のリード端子110との距離が大きくなるため、リターン電流の経路の増加に伴うインダクタンス成分の増加を招く。そのため、上述した大径部115と第1の貫通孔123との間の容量成分を大きくすることによるインピーダンス整合の必要性とメリットは大きくなる。
In particular, as will be described later, when the characteristic impedance of the glass coaxial portion is set to around 50 ohms, it is necessary to increase the diameter of the first through
なお、更に望ましくは、中継基板150に載置された第1の導体パターン152が、この第1のリード端子110の大径部115とろう接される部分に幅広部154を有する構成とすることが望ましい。このような構成とすることにより、幅広部154にもスタブとしての役割を担わせ、容量成分を増加させることができ、その結果、更なるインピーダンス整合を行うことが可能となる。
More preferably, the
なお、特開2014−107733号公報などに開示されているように、中継基板の表層にリターンパスを設け、インダクタンスの寄生を防ぐ方法もあるが、本開示においては、上述したように、大径部115と第1の貫通孔123との間の容量成分を大きくすることによるインピーダンス整合を行う構成とすることにより、中継基板150の表面における部品搭載を可能とすることができる。即ち、中継基板150の表層にグラウンド導体となるリターンパスを設けると、中継基板150の表面に部品を搭載することが困難となるが、上述の構成とすることで、そのようなグラウンド導体を中継基板150の表層に設ける必要がなくなり、中継基板150の表面における部品搭載を可能とすることができる。
In addition, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-107733, there is a method of providing a return path on the surface layer of the relay board to prevent parasitic inductance, but in the present disclosure, as described above, a large diameter With a configuration in which impedance matching is performed by increasing the capacitance component between the
なお、光素子160は、直接変調型レーザ、電界吸収型変調器集積型レーザ、及びレーザとマッハツェンダー変調器を組み合わせたもののいずれであってもよいが、本実施形態においては、光素子160として、電界吸収型変調器集積型レーザ(以下、EML)を使用する。そのため、駆動インピーダンスは50オームである。変調電気信号は第1のリード端子110によって光サブアッセンブリ100の内部に伝達される。
Note that the
なお、低速通信用途の光モジュールにおいては、ガラス同軸部の特性インピーダンスは、厳密に50オームに整合する必要は無く、例えば30オーム程度であってもよかった。例えば、リード端子径を0.25mm、誘電体130の直径を0.8mmとし、誘電体130として、比誘電率が6.7のガラスを用いることにより、ガラス同軸部を実現することができた。これは、低速用途においては、この特性インピーダンスであっても信号の伝送は可能であるため、小型化を優先していたためであった。しかし、例えば伝送レートが40Gbit/s以上の高速通信用途の光モジュールにおいては、広帯域でかつ特性インピーダンスが50オームに整合したTO−CAN型パッケージが必要になる。 In an optical module for low-speed communication, the characteristic impedance of the glass coaxial portion does not need to be strictly matched to 50 ohms, and may be, for example, about 30 ohms. For example, by using a lead terminal diameter of 0.25 mm, a diameter of the dielectric 130 of 0.8 mm, and glass having a relative dielectric constant of 6.7 as the dielectric 130, a glass coaxial portion could be realized. . This is because, in low-speed applications, signal transmission is possible even with this characteristic impedance, so that miniaturization was prioritized. However, for example, in an optical module for high-speed communication having a transmission rate of 40 Gbit / s or more, a TO-CAN type package having a wide band and a characteristic impedance matched to 50 ohms is required.
しかし、第1のリード端子110を保持する誘電体130であるガラスの比誘電率は4〜7であり、ガラス同軸部の特性インピーダンスを50オームに整合させるためには、物理的なスペースを必要としてしまう。例えば、比誘電率が6.7のガラスで50オームに整合した同軸線路を設けるためには、直径が2mm以上に及ぶ第1の貫通孔123が必要となる。そのため、光モジュール1は自ずと、その制約を受けサイズが決定される。なお、50オーム±10オームに整合させれば、十分な特性は得られる。
However, the relative permittivity of the glass, which is the
本実施形態においては、第1のリード端子110の大径部115の直径が、小径部114である第2の端部112の直径の1.6倍以上、2.4倍以下の構成としている。具体例としては、第2の端部112における第1のリード端子110の直径が、0.25mmであるのに対し、大径部115の直径は0.4mmとしている。
In the present embodiment, the diameter of the
図3は、本実施形態における光サブアッセンブリ100の断面構造を示す模式図である。図3に示すように、本実施形態に係る光サブアッセンブリ100は、光レセプタクル2と光パッケージ3とを含んでいる。そして、光レセプタクル2は、光レセプタクル本体20と、スタブ22と、スリーブ24とを備えている。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional structure of the
本実施形態に係る光レセプタクル本体20は、一体的に形成された樹脂部材を含んで構成されており、円柱状の外形を有する光パッケージ収容部20fと、光パッケージ収容部20fの外径より小さな外径を有する概略円柱形状の光ファイバ挿入部20dとを備えている。光パッケージ収容部20fと光ファイバ挿入部20dとは、それぞれの一端面同士が、連結されている。
The optical receptacle
光パッケージ収容部20fには、その外形状と同軸に円型の凹部20aが形成されており、円筒形をなしている。
The optical
光レセプタクル本体20には、光ファイバ挿入部20dの先端面から、この光ファイバ挿入部20dの外形状と同軸に延びて、光パッケージ収容部20fに形成された凹部20aの底面に至る貫通孔20bが形成されている。すなわち、光レセプタクル本体20には、凹部20aと、凹部20aから外部に貫通する貫通孔20bと、が形成されている。
The
貫通孔20bの内壁面の先端に形成されているテーパ部20cは、その径が外側に向かって増加するテーパ形状である。そのため、光ファイバ50を備えたコネクタを貫通孔20bに挿入しやすいようになっている。
The tapered
光ファイバ挿入部20dには、その外周に沿ってフランジ20eが形成されている。
The optical
スタブ22は、ジルコニアなどを含んで構成されている。そして、スタブ22は、光レセプタクル本体20の光ファイバ挿入部20dに形成されている貫通孔20bとほぼ同径の概略円柱形状であり、スタブ22と同軸の光ファイバ50を保持している。そして、スタブ22は光レセプタクル本体20の光ファイバ挿入部20dに圧入などにより挿入固定されている。スタブ22の右側端面は斜め研磨されている。このようにして、光ファイバ50から入力される光と、その反射光との干渉を防止している。
The
光レセプタクル2のスタブ22の左側側面は、外部から貫通孔20bに挿入された光ファイバ50を備えたコネクタ(図示せず)と当接されて、コネクタが備える光ファイバ50と、スタブ22が保持する光ファイバ50との結合を行う。
The left side surface of the
スリーブ24は、弾性を有するジルコニアなどを含んで構成されている。そして、スリーブ24は、貫通孔20bとほぼ同径の円筒形状をしており、光レセプタクル本体20の内壁面に設けられた溝に埋め込まれている。このスリーブ24によって、光ファイバ挿入部20dに挿入される光ファイバ50の、貫通孔20b内における位置の調整ができるようになっている。
The
光パッケージ3は、球体のレンズ30を備えている。また、光パッケージ3は、レンズ30と略同径の開口が底面に形成された金属製の有底円筒状の部材であるレンズ支持部32を備えている。レンズ支持部32の開口は、レンズ支持部32の底面の形状と同軸に形成されている。そして、レンズ30はレンズ支持部32の開口に嵌め込まれている。すなわち、レンズ支持部32はレンズ30を支持する。
The
また、光パッケージ3は、上述したアイレット120、台座124と、を含むステムを備えている。
The
光レセプタクル2の凹部20aとアイレット120の第1の面121との接合面を接着固定することでサブアッセンブリ100は組み立てられる。このとき、アイレット120に溶接されたレンズ支持部32、このレンズ支持部32に嵌め込まれたレンズ30は、光レセプタクル2の凹部20aの中に入るように形成される。すなわち、レンズ30やレンズ支持部32は、光レセプタクル本体20の凹部20aに収容される。なお、光レセプタクル2と光パッケージ3とを接着する方法はこの限りではない。
The sub-assembly 100 is assembled by bonding and fixing the joint surface between the
図4は、図2に示した第1の実施形態に係る光サブアッセンブリ100の模式的な平面図である。図3に示したように、アイレット120の第1の面121には、レンズ支持部32が溶接されており、図4においては、このレンズ支持部32の内周32aの位置を一点鎖線で示している。本実施形態においては、直径5.6mmのアイレット120を使用しており、このアイレット120に組み合わせるレンズ支持部32としては、その内周32aが、3.2mmの直径を持つ円形状であるものを使用する例について説明する。
FIG. 4 is a schematic plan view of the
本実施形態においては、ガラス同軸部の特性インピーダンスを50オームに整合させるため、第1の貫通孔123の直径を、直流信号を伝達するための第2のリード端子116が挿入される第2の貫通孔126の直径の1.5倍以上としている。一方、第1の貫通孔123の直径が大きすぎると、アイレット120内での設計自由度が低下するため、第1の貫通孔123の直径を、第2の貫通孔126の直径の3倍以下としている。ガラス同軸部の具体例としては、誘電体130として、比誘電率が4〜5程度の低誘電ガラスを使用し、第1の貫通孔123の直径を1.5mmとしている。なお、比誘電率が4よりも低い低誘電材料のガラスを誘電体130として使用する場合においても、ガラス同軸部の特性インピーダンスを50オームに整合させるためには、第1の貫通孔123の直径を1.2mm程度にする必要がある。この場合、上述した、直径が3.2mm程度の内周32aを有するレンズ支持部32を使用すると、図4に示すように第1の貫通孔123の延伸方向から見た、レンズ支持部32の内周32a側に配置された第1の貫通孔123の面積が、レンズ支持部32の内周側の面積の14%以上となる。また、比誘電率が7程度のガラスを使用する場合には、ガラス同軸部の特性インピーダンスを50オームに整合させるためには、第1の貫通孔123の直径を2mm以上にする必要がある。この場合、上述した、直径が3.2mm程度の内周32aを有するレンズ支持部32を使用すると、第1の貫通孔123の延伸方向から見た、レンズ支持部32の内周32a側に配置された第1の貫通孔123の面積が、レンズ支持部32の内周側の面積の40%を占めることになる。
In the present embodiment, in order to match the characteristic impedance of the glass coaxial portion to 50 ohms, the diameter of the first through
よって、本実施形態に係るアイレット120は、第1の貫通孔123の延伸方向から見た、レンズ支持部32の内周側に配置された第1の貫通孔123の面積が、組み合わせるレンズ支持部32の直径で定義される面積、即ちレンズ支持部32の内周側の面積の14%以上、40%以下としている。
Therefore, in the
なお、ガラス同軸部の特性インピーダンスを50オームに整合させるためには、上述した通り、第1の貫通孔123の直径を1.2mm以上にする必要があるため、第1のリード端子110と台座124との間に0.5mm以上の間隙ができてしまう。一方、中継基板150は、特性インピーダンスが50オームとなるマイクロストリップ線路を成す必要があり、グラウンドとなるアイレット120との間に挿入される中継基板150、スペーサ170の厚みに応じて、中継基板150に形成する導体パターンの線路幅が変わる。中継基板150を構成する材料として窒化アルミニウムを用いた場合、その比誘電率は8.7であるため、中継基板150の厚みを0.5mmとすると、導体パターンの線路幅は0.5mm幅とする必要がある。しかし、本実施形態においては、中継基板150と台座124との間に、スペーサ170を介在させ、このスペーサ170が、その上面にまで、台座124のグラウンド電位を持ち上げる構成としているため、中継基板150の厚みを、例えば0.2mmのように薄くすることが可能となる。その結果として、中継基板150に形成する第1の導体パターン152の線路幅を0.2mmとすることが可能となる。なお、図4に示すように、第1のリード端子110の延伸方向から見て、グラウンド導体を含むスペーサ170は、誘電体130と重畳する構成となっている。このスペーサ170としては、例えば窒化アルミニウムなどのセラミックで構成するとともに、このセラミック基板内に、複数の埋め込みビアホールを設けることによって、スペーサ170の表裏を導通させる構成としてもよい。あるいは厚み0.3mmの金属板によりスペーサ170を構成してもよい。
In order to match the characteristic impedance of the glass coaxial portion to 50 ohms, the diameter of the first through
なお、第1のリード端子110が大径部115を有する構成とすることにより、上述した特性面のメリットの他、製造上のメリットも得ることができる。即ち、中継基板150は低コスト化のため、面積を小さくすることが好ましい。しかしながら、搭載ばらつきが起こった場合に、第1のリード端子110と、中継基板150に形成した第1の導体パターン152と、が乖離すると、第1のリード端子110と第1の導体パターン152との間に金錫合金などからなる半田70が付かず、製造歩留まりを悪化させてしまう。この課題に対して、第1のリード端子110の第1の端部111が大径部115である構成とすることにより、中継基板150の位置が多少ずれたとしても、第1のリード端子110の第1の端部111と中継基板150の第1の導体パターン152とを半田70で接合することが可能となる。また、その結果として、中継基板150のサイズを縮小することができ、低コスト化にも寄与することができる。
In addition, when the
次に、直径0.25mmの第1のリード端子110を用いた場合において、大径部115の直径と、第1の面121からの第1のリード端子110の突出量を変化させた場合における反射特性を高周波3次元電磁界シミュレータHFSS(High Frequency Structure Simulator)によって計算した結果を図5A、図5Bに示す。図5Aは、当該シミュレータに用いたデータの表であり、図5Bは、図5Aに記載のシミュレーション番号(S1〜S25)に対応した高周波3次元電磁界シミュレータHFSSの算出結果を示すグラフである。なお、第1の面121からの第1のリード端子110の突出量とは、第1の貫通孔123の延伸方向における、大径部115の端面と第1の面121との距離を意味する。図5Bにおいて、横軸は伝送される電気信号の周波数、縦軸は第1のリード端子110の第2の端部112側から伝送された電気信号が、第1の端部111に伝送され、再度、第2の端部112に戻ってきたときの信号レベルを表している。そのため、縦軸の値であるS11[dB]は、小さい値であることが望ましい。
Next, when the
図5Bに示すように、特に大径部115の直径と、第1のリード端子110の突出量(ピン高さ)での振る舞いは30GHz帯と40GHz帯とで異なり、特に40GHz帯では、大径部115の直径は0.55mm以上が好ましいが、逆に30GHz帯では、0.35mm程度が最適である。
As shown in FIG. 5B, the behavior of the diameter of the large-
図6は、大径部115の直径と反射特性との関係について、30GHzでの振る舞いと40GHzでの振る舞いとを比較した図である。このシミュレーションにおいては、第1のリード端子110の突出量(ピン高さ)を0.1mmとし、小径部114の直径を0.25mmとしている。
FIG. 6 is a diagram comparing the behavior at 30 GHz and the behavior at 40 GHz with respect to the relationship between the diameter of the
広帯域な伝送路を実現するためには、広い周波数範囲でS11は−15dB以下であることが好ましい。図6に示すように、小径部114の直径が0.25mmの第1のリード端子110を用いた場合において、大径部115の直径が0.4mm〜0.6mmであれば、伝送される電気信号の周波数が30GHzであっても40GHzであっても、S11を−15dB以下にすることができることがわかる。よって、本実施形態における第1のリード端子110の大径部115の直径は、第2の端部112などの小径部114の直径の1.6倍から2.4倍である構成とすることが望ましい。
In order to realize a broadband transmission path, S11 is preferably -15 dB or less in a wide frequency range. As shown in FIG. 6, when the diameter of the
図7は、第1のリード端子110の、第1の面121からの突出量(ピン高さ)別で、大径部の直径ごとに30GHzおよび40GHzのS11特性の関係をグラフ化した図である。なお、この図7においては、第1のリード端子110の突出量(ピン高さ)は、0.2mm以下の範囲で示している。この範囲を選択する理由は、以下のとおりである。まず、第1のリード端子110の突出量(ピン高さ)を0.2mmより大きくしてしまうと、大径部115の外周面と第1の貫通孔123との内周面との距離が離れてしまうため、大径部115の外周面と第1の貫通孔123の内周面との間の容量成分が小さくなってしまう。また、大径部115の外周面と第1の貫通孔123との内周面との間に介在するのが、誘電体130ではなく空気となることによって、大径部115の外周面と第1の貫通孔123との内周面との間の比誘電率が小さくなってしまう。そのため、上述した容量成分が小さくなってしまう。更に、大径部115の周囲の比誘電率が小さくなることにより、インダクタンス成分が大きくなってしまう。そのため、インダクタンス成分を容量成分で緩和することが難しくなり、特性インピーダンス整合が難しくなってしまう。従って、本実施形態においては、第1のリード端子110の突出量(ピン高さ)は、0.2mm以下の範囲としている。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the S11 characteristics at 30 GHz and 40 GHz for each diameter of the large diameter portion for each protrusion amount (pin height) of the
図7に示すように、第1のリード端子110の突出量(ピン高さ)を0〜0.2mmの範囲で変化させた場合、第1のリード端子110の突出量(ピン高さ)が小さい方がS11をより小さくできることがわかるが、0〜0.2mmの範囲で第1のリード端子110の突出量(ピン高さ)を変化させても、各周波数(30GHz、40GHz)におけるS11の変化量は非常に小さく、理想的な大径部115の直径はいずれの状況においても、0.5mm程度であることがわかる。従って、本実施形態に係る光モジュール1における第1のリード端子110の突出量(ピン高さ)は0〜0.2mmが望ましいといえる。
As shown in FIG. 7, when the protrusion amount (pin height) of the
図8は、本実施形態に係る光モジュール1の模式的な上面図である。本実施形態においては、図8に示すように、高周波線路の両側にグラウンド電位の柱となるビア142と、キャスタレーション144と、を配置している。ビア142は、貫通孔内に導体が充填されたものであり、素子搭載基板140の表裏面(光素子160を搭載する搭載面とその裏面)を導通させている。また、キャスタレーション144は、素子搭載基板140の表面から裏面にかけて設けられた凹部形状の切り欠き部を有し、この凹部形状の内周面に金属膜が形成されているものである。キャスタレーション144は、素子搭載基板140の表裏面(光素子160を搭載する搭載面とその裏面)を導通させている。素子搭載基板140の表面(搭載面)側に設けられたグラウンドパターン146はビア142、キャスタレーション144等を介して、素子搭載基板140の裏面のグラウンド層と導通されている。単なる表裏面の導通が目的であれば、ビア142の位置は特に制限されないが、高周波の観点では、ビア142の位置や個数は重要となる。本実施形態の場合、高周波信号が、中継基板150から素子搭載基板140に、複数の第1のワイヤ182で伝達され、その後、素子搭載基板140上の第2の導体パターン141を通り、第2のワイヤ184を介して変調素子186に伝達される。本実施形態における変調素子186としては、例えば電界吸収型変調器を用いることができる。この高周波の電気信号の伝達区間において、高周波信号の電磁界を閉じ込めるために高周波の電気信号の周りにグラウンド電位があることは特性上有利となる。本実施形態においては、中継基板150と素子搭載基板140との接続部付近で、素子搭載基板140の表面のグラウンドパターン146と裏面のグラウンド層とを、ビア142、及びキャスタレーション144で接続させている。また、素子搭載基板140の表面(搭載面)のグラウンドパターン146と、素子搭載基板140の裏面のグラウンド層とをつなぐ領域があることで、さらに高周波特性の劣化を低減することができる。
FIG. 8 is a schematic top view of the
また、本実施形態においては、素子搭載基板140と中継基板150とを、複数の第1のワイヤ182で接続している。このような構成とすることにより、インダクタンス成分の増加を抑え、高周波領域におけるインピーダンス整合を可能としている。
In the present embodiment, the
一方、素子搭載基板140から、光素子160への電気信号の伝達については、1本の第2のワイヤ184で連絡している。これは、光素子160における寄生容量の増加を抑えるべく、光素子160の電極サイズを小さくする必要があるためである。そこで、この第2のワイヤ184におけるインダクタンス成分の発生を抑制するため、本実施形態の素子搭載基板140には、第2のワイヤ184の左右に強固なグラウンドパターン146を設けて、グランデッドコプレナー線路を構成している。そして、グラウンドを強固にするため、光素子160の発光点側にはキャスタレーション144、後方側にはビア142を設けて、強固なグラウンドとなる台座124と、グラウンドパターン146とを最短で接続されるようにしている。そして、素子搭載基板140のグラウンドパターン146が、台座124のグラウンド電位と第1の接続部(例えば、ビア142)、及び第2の接続部(例えば、キャスタレーション144)を介して接続されており、光素子160が搭載される搭載面に直交する方向から見て、第1の接続部と第2の接続部とを結ぶ線分が、第2の導体パターン141と光素子160とを接続する第2のワイヤ184と交差する構成としている。この構成により、光素子160と素子搭載基板140との間の接続が、例えば1本の第2のワイヤ184による接続であっても、インダクタンス成分の増加を低減することができ、高周波領域までのインピーダンス整合を実現することができる。
On the other hand, transmission of an electric signal from the
なお、本明細書中では、金属円盤を表すアイレットという文言を使用したが、アイレット120が円盤形状であることに本質的な意味はなく、多角柱などのその他の形状であってもかまわない。
In this specification, the term “eyelet” representing a metal disk is used. However, the
なお、光サブアッセンブリ100は、光素子160であるレーザダイオードへのバイアスや、後方出力をモニタするフォトダイオードへのバイアス、及びレーザ温度をモニタするためのサーミスタ端子を備えていてもよい。
Note that the
1 光モジュール、2 光レセプタクル、3 光パッケージ、20 光レセプタクル本体、20a 凹部、20b 貫通孔、20c テーパ部、20d 光ファイバ挿入部、20e フランジ、20f 光パッケージ収容部、22 スタブ、24 スリーブ、30 レンズ、32 レンズ支持部、32a 内周、50 光ファイバ、70 半田、100 光サブアッセンブリ、110 第1のリード端子、111 第1の端部、112 第2の端部、114 小径部、115 大径部、116 第2のリード端子、120 アイレット、121 第1の面、122 第2の面、123 第1の貫通孔、124 台座、125 第3の面、126 第2の貫通孔、130 誘電体、140 素子搭載基板、141 第2の導体パターン、142 ビア、144 キャスタレーション、146 グラウンドパターン、150 中継基板、152 第1の導体パターン、154 幅広部、160 光素子、170 スペーサ、182 第1のワイヤ、184 第2のワイヤ、186 変調素子、200 PCB、300 FPC。
REFERENCE SIGNS
Claims (12)
前記第1の貫通孔に挿入され、電気信号を伝送する第1のリード端子と、
前記第1の貫通孔と前記第1のリード端子との間に充填された誘電体と、
光信号と前記電気信号の少なくとも一方を他方に変換する光素子が搭載された素子搭載基板と、
前記電気信号を前記光素子に伝送する第1の導体パターンを含む中継基板と、
前記第1の面から前記第1の貫通孔の延伸方向に突出し、前記中継基板と前記素子搭載基板とが載置される台座と、を含み、
前記第1のリード端子は、小径部と、前記小径部の端部に設けられ前記小径部よりも大きな直径を有する大径部と、を含み、
前記大径部の少なくとも一部が、前記第1の面側において、前記誘電体から露出し、
前記第1のリード端子と前記第1の導体パターンとが、ろう接されている、
光サブアッセンブリ。 An eyelet including a first surface, a second surface disposed on the opposite side of the first surface, and a first through hole penetrating from the first surface to the second surface. ,
A first lead terminal inserted into the first through-hole and transmitting an electric signal;
A dielectric filled between the first through hole and the first lead terminal;
An element mounting board on which an optical element for converting at least one of the optical signal and the electric signal to the other is mounted,
A relay board including a first conductor pattern that transmits the electric signal to the optical element;
A pedestal on which the relay board and the element mounting board are mounted, protruding from the first surface in a direction in which the first through hole extends,
The first lead terminal includes a small-diameter portion, and a large-diameter portion provided at an end of the small-diameter portion and having a larger diameter than the small-diameter portion,
At least a portion of the large diameter portion is exposed from the dielectric on the first surface side,
The first lead terminal and the first conductor pattern are soldered,
Optical sub-assembly.
前記第1の導体パターンは、前記大径部とろう接される幅広部を有する、
光サブアッセンブリ。 The optical subassembly according to claim 1, wherein:
The first conductor pattern has a wide portion brazed to the large diameter portion,
Optical sub-assembly.
前記大径部の直径が、前記小径部の直径の1.6倍以上、2.4倍以下である、
光サブアッセンブリ。 An optical subassembly according to claim 1 or 2,
The diameter of the large diameter portion is 1.6 times or more and 2.4 times or less the diameter of the small diameter portion;
Optical sub-assembly.
前記第1の貫通孔の延伸方向における、前記大径部の端面と前記第1の面との距離が、0mm以上、0.2mm以下である、
光サブアッセンブリ。 An optical subassembly according to any one of claims 1 to 3, wherein
The distance between the end surface of the large diameter portion and the first surface in the extending direction of the first through hole is 0 mm or more and 0.2 mm or less.
Optical sub-assembly.
前記第1の面に溶接されたレンズ支持部と、
前記レンズ支持部の開口に固定されたレンズと、を更に含み、
前記第1の貫通孔の延伸方向から見た、前記レンズ支持部の内周側に配置された前記第1の貫通孔の面積が、前記レンズ支持部の内周側の面積の14%以上、40%以下である、
光サブアッセンブリ。 An optical subassembly according to any one of claims 1 to 4, wherein:
A lens support welded to the first surface;
A lens fixed to the opening of the lens support portion,
The area of the first through hole disposed on the inner peripheral side of the lens support portion, as viewed from the extending direction of the first through hole, is 14% or more of the area of the inner peripheral side of the lens support portion; Less than 40%,
Optical sub-assembly.
前記アイレット、前記誘電体、及び前記第1のリード端子によって構成される同軸線路の特性インピーダンスが50±10オームである、
光サブアッセンブリ。 An optical subassembly according to any one of claims 1 to 5,
The characteristic impedance of the coaxial line formed by the eyelet, the dielectric, and the first lead terminal is 50 ± 10 ohms.
Optical sub-assembly.
前記電気信号の伝送レートが40Gbit/s以上である、
光サブアッセンブリ。 An optical subassembly according to any one of claims 1 to 6, wherein
A transmission rate of the electric signal is 40 Gbit / s or more;
Optical sub-assembly.
前記第1の面から前記第2の面までを貫通する第2の貫通孔と、
前記第2の貫通孔に挿入され、直流信号を伝送する第2のリード端子と、を更に含み、
前記第1の貫通孔の直径が、前記第2の貫通孔の直径の1.5倍以上、3倍以下である、
光サブアッセンブリ。 The optical subassembly according to claim 1, wherein:
A second through hole penetrating from the first surface to the second surface;
A second lead terminal inserted into the second through-hole and transmitting a DC signal,
The diameter of the first through hole is 1.5 times or more and 3 times or less the diameter of the second through hole.
Optical sub-assembly.
前記素子搭載基板が、前記電気信号を前記光素子に伝送する第2の導体パターンを更に含み、
前記第1の導体パターンと前記第2の導体パターンとが、複数の第1のワイヤによって接続された、
光サブアッセンブリ。 An optical subassembly according to any one of claims 1 to 8, wherein:
The element mounting board further includes a second conductor pattern that transmits the electric signal to the optical element,
The first conductor pattern and the second conductor pattern are connected by a plurality of first wires,
Optical sub-assembly.
前記素子搭載基板が、
前記光素子の搭載面側に設けられ、前記電気信号を前記光素子に伝送する第2の導体パターンと、
前記搭載面と前記素子搭載基板の裏面とを導通させ、前記台座のグラウンド電位と接続された第1の接続部、及び第2の接続部と、
前記搭載面側に設けられ、前記第1の接続部、及び前記第2の接続部を介して前記台座のグラウンド電位と接続されたグラウンドパターンと、を更に含み、
前記第2の導体パターンと前記光素子とが、第2のワイヤによって接続され、
前記第2の導体パターン、前記第1の接続部、前記第2の接続部、および前記グラウントパターンにて、グランデットコプレナー線路を構成している、
光サブアッセンブリ。 An optical subassembly according to any one of claims 1 to 9, wherein:
The element mounting board,
A second conductor pattern provided on the mounting surface side of the optical element and transmitting the electric signal to the optical element;
A first connection portion connected to a ground potential of the pedestal, and a second connection portion, which conducts the mounting surface and the back surface of the element mounting substrate;
A ground pattern provided on the mounting surface side and further connected to the ground potential of the pedestal via the first connection portion and the second connection portion;
The second conductor pattern and the optical element are connected by a second wire,
The second conductor pattern, the first connection portion, the second connection portion, and the ground pattern constitute a grand coplanar line.
Optical sub-assembly.
前記第1のリード端子の延伸方向から見て、前記誘電体と重畳するグラウンド導体を更に含む、
光サブアッセンブリ。 An optical subassembly according to any one of claims 1 to 10, wherein:
Further including a ground conductor overlapping with the dielectric when viewed from the extending direction of the first lead terminal,
Optical sub-assembly.
プリント基板と、
前記プリント基板と前記光サブアッセンブリと電気的に接続されるフレキシブル基板と、を備えた、
光モジュール。
An optical subassembly according to any one of claims 1 to 11,
A printed circuit board,
A flexible substrate electrically connected to the printed circuit board and the optical sub-assembly,
Optical module.
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