JP2021044437A - 受光装置 - Google Patents

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謙一 中山
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Abstract

【課題】ボンディングワイヤを介して受光素子とTIAとを接続し、共振による不透過帯域を高周波側に移動させることができる受光装置を提供する。【解決手段】受光装置1Aは、配線基板3と、配線基板3第1面上3aの第1基準電位パターンと第2基準電位パターン15bとの間にキャリア5と、キャリア5上に受光素子9と、第1基準電位パターンにトランスインピーダンスアンプ7と、第2基準電位パターン15b上にキャパシタ11とを備える。キャリア5の第1配線パターン及び第2配線パターン15bは、第1面3a法線方向から見て第1基準電位パターンおよび第2基準電位パターン15bのいずれとも重なっていない。第1基準電位パターンと第2基準電位パターン15bとは、第1面3a上の基準電位パターン15、及び/又は配線基板3内部及び第2面のうち少なくとも一方に形成された基準電位パターン15を介して互いに電気的に接続されている。【選択図】図1

Description

本発明は、受光装置に関する。
特許文献1には、受光素子およびトランスインピーダンスアンプを備える光受信モジュールが開示されている。
特開2017−135194号公報
例えば光受信器などの受光装置においては、受光素子から出力される電気信号(一例では電流信号)が、トランスインピーダンスアンプ(TIA)によって増幅される。その場合、図10に示すように、配線パターンを有するキャリア102上に受光素子101を実装し、キャリア102上の配線パターンとTIA103とをボンディングワイヤ104を介して接続することがある。しかしながらこのような構成では、次の課題が生じる。すなわち、キャリア102上の配線パターンとキャリア102下の導電体105との間には、寄生容量が生じる。また、近年の光通信の高速化等により、光信号の周波数は高くなる一方であり、例えば数十GHzといった周波数帯域が用いられつつある。このような周波数帯域において、上述した寄生容量とボンディングワイヤ104のインダクタンスとによる共振周波数が存在すると、電気信号の不透過帯域が生じ、信号波形の劣化、チャネル間クロストークといった通信品質の低下を生じさせる虞がある。
そこで、ボンディングワイヤを介して受光素子とTIAとを接続しつつ、共振による不透過帯域を高周波側に移動させることができる受光装置を提供することを目的とする。
一実施形態に係る受光装置は、平面状の第1面と、第1面とは反対側の第2面と、第1面上に互いに離間して形成された第1基準電位パターンおよび第2基準電位パターンと、第1面上に形成された信号配線パターンと、を有する配線基板と、絶縁性の基材と、及び該基材の平面状の第3面に形成された第1配線パターン及び第2配線パターンと、を有し、配線基板の第1面上において第1基準電位パターンと第2基準電位パターンとの間に配置されたキャリアと、第1電極および第2電極を有し、キャリアの第3面上に搭載され、第1電極が第1配線パターンと電気的に接続され、第2電極が第2配線パターンと電気的に接続された受光素子と、平面状の第4面と、第4面上に形成された第1端子および第2端子と、を有し、配線基板の第1基準電位パターンに実装され、第1端子は第1ワイヤを介して配線基板の信号配線パターンと電気的に接続され、第2端子は第2ワイヤを介してキャリアの第1配線パターンと電気的に接続されたトランスインピーダンスアンプと、第3電極および第4電極を有し、配線基板の第2基準電位パターン上に実装され、第3電極がキャリアの第2配線パターンと電気的に接続され、第4電極が第2基準電位パターンと電気的に接続されたキャパシタと、を備える。キャリアの第1配線パターン及び第2配線パターンは、配線基板の第1面の法線方向から見て第1基準電位パターンおよび第2基準電位パターンのいずれとも重なっておらず、配線基板の第1基準電位パターンと第2基準電位パターンとは、配線基板の第1面上に形成され第1面の法線方向から見てキャリアの第1配線パターン及び第2配線パターンのいずれとも重ならない第3基準電位パターン、並びに、配線基板の内部及び第2面のうち少なくとも一方に形成された第4基準電位パターンのうち少なくとも一方を介して互いに電気的に接続されている。
本開示によれば、ボンディングワイヤを介して受光素子とTIAとを接続しつつ、共振による不透過帯域を高周波側に移動させることができる受光装置を提供することが可能となる。
図1は、一実施形態に係る受光装置1Aの構成を示す斜視図である。 図2は、キャリア5及びTIA7を取り除いて配線基板3の表面3aを示す斜視図である。 図3の(a)は、第1方向D1に沿った受光装置1Aの断面を模式的に示す図である。図3の(b)は、図3の(a)の一部を拡大して示す図である。 図4は、1つのキャパシタ11の周辺構造を拡大して示す切欠斜視図である。 図5は、TDRによるインピーダンス計算結果を示すグラフである。 図6の(a)は、受光装置1Aの等価回路図である。図6の(b)は、図6の(a)の回路部分E1のみを抽出した等価回路図である。 図7の(a)は、比較例に係る受光装置の等価回路図である。図7の(b)は、図7の(a)の回路部分E2のみを抽出した等価回路図である。 図8は、一変形例に係る受光装置1Bの断面構成を模式的に示す図である。 図9は、別の変形例に係る受光装置1Cの断面構成を模式的に示す図である。 図10は、従来の受光装置の構成を模式的に示す図である。 図11の(a)および(b)は、比較例に係る受光装置100A,100Bの構成を模式的に示す図である。
[本開示の実施形態の説明]
最初に、本開示の実施形態を列記して説明する。一実施形態に係る受光装置は、平面状の第1面と、第1面とは反対側の第2面と、第1面上に互いに離間して形成された第1基準電位パターンおよび第2基準電位パターンと、第1面上に形成された信号配線パターンと、を有する配線基板と、絶縁性の基材と、及び該基材の平面状の第3面に形成された第1配線パターン及び第2配線パターンと、を有し、配線基板の第1面上において第1基準電位パターンと第2基準電位パターンとの間に配置されたキャリアと、第1電極および第2電極を有し、キャリアの第3面上に搭載され、第1電極が第1配線パターンと電気的に接続され、第2電極が第2配線パターンと電気的に接続された受光素子と、平面状の第4面と、第4面上に形成された第1端子および第2端子と、を有し、配線基板の第1基準電位パターンに実装され、第1端子は第1ワイヤを介して配線基板の信号配線パターンと電気的に接続され、第2端子は第2ワイヤを介してキャリアの第1配線パターンと電気的に接続されたトランスインピーダンスアンプと、第3電極および第4電極を有し、配線基板の第2基準電位パターン上に実装され、第3電極がキャリアの第2配線パターンと電気的に接続され、第4電極が第2基準電位パターンと電気的に接続されたキャパシタと、を備える。キャリアの第1配線パターン及び第2配線パターンは、配線基板の第1面の法線方向から見て第1基準電位パターンおよび第2基準電位パターンのいずれとも重なっておらず、配線基板の第1基準電位パターンと第2基準電位パターンとは、配線基板の第1面上に形成され第1面の法線方向から見てキャリアの第1配線パターン及び第2配線パターンのいずれとも重ならない第3基準電位パターン、並びに、配線基板の内部及び第2面のうち少なくとも一方に形成された第4基準電位パターンのうち少なくとも一方を介して互いに電気的に接続されている。
受光素子に光が入射すると、受光素子はその光量に応じた大きさの電流信号を出力する。電流信号は、受光素子の一方の電極からキャリア上の第1配線パターン及び第2ワイヤを経て、TIAの第2端子に入力される。TIAは、入力した電流信号を電圧信号に変換する。電圧信号はTIAの第1端子から出力され、第1ワイヤ及び信号配線パターンを通って受光装置の外部(または受光装置内の他の電子部品)に提供される。
この受光装置では、第1配線パターン及び第2配線パターンが、配線基板の表面の法線方向から見て基準電位パターンと重なっていない。従って、第1配線パターン及び第2配線パターンが基準電位パターンと対向しないので、第1配線パターン及び第2配線パターンに生じる寄生容量を低減できる。故に、この受光装置によれば、寄生容量に起因する共振周波数を高くして、共振による不透過帯域を高周波側に移動させることができる。従って、信号波形の劣化、チャネル間クロストークといった通信品質の低下を抑制することができる。
また、寄生容量に配慮してキャリアを厚くする必要がなくなるため、キャリアを薄くする(すなわち配線基板を基準とするキャリア表面の高さを低くする)ことができる。これにより、キャリア上の第1配線パターンと、配線基板上の信号配線パターンとの高低差が小さくなり、第1ワイヤ及び第2ワイヤを合わせた長さ(特に、キャリア上の第1配線パターンの高さとTIA上面の第2端子の高さとを同じにする場合には、第1ワイヤの長さ)を短くすることができる。
また、上記の受光装置では、受光素子の他方の電極と基準電位パターンとの間に、キャパシタが直列に接続されている。この場合、受光素子とキャパシタの間の配線のインダクタンスとキャパシタの容量とによって共振周波数が更に高くなり、共振による不透過帯域が更に高周波側に移動するので、通信品質の低下をより効果的に抑制することができる。そして、キャパシタの他方の電極が接続されている基準電位パターンの第2領域と、TIAが実装されている基準電位パターンの第1領域とは、配線基板の表面上及び配線基板の内部のうち少なくとも一方に設けられた配線を介して互いに電気的に接続されている。従って、第1配線パターン及び第2配線パターンの寄生容量の増大を抑制しつつ、基準電位パターンの第1領域及び第2領域の電位を安定させることができる。
上記の受光装置において、配線基板は、配線基板の内部及び第2面のうち少なくとも一方に設けられた第4基準電位パターンと、第4基準電位パターンと第1基準電位パターンとの間の絶縁層を貫通する第1ビアと、第4基準電位パターンと第2基準電位パターンとの間の絶縁層を貫通する第2ビアと、を有し、第1基準電位パターンと第2基準電位パターンとは第4基準電位パターン、第1ビア、および第2ビアを介して互いに電気的に接続されてもよい。例えばこのような構成によって、基準電位パターンの第1領域と第2領域とを、配線基板の内部に設けられた配線を介して互いに電気的に接続することができる。この場合、第4基準電位パターンは、キャリアから絶縁層の厚み分離れているので、配線基板の第1面の法線方向から見てキャリアと重なる領域を有してもよい。
上記の受光装置において、配線基板は、第1面上に形成された第3基準電位パターンを有し、第3基準電位パターンは、キャリアの側方を通り第1基準電位パターンと第2基準電位パターンとを互いに電気的に接続してもよい。例えばこのような構成によって、基準電位パターンの第1領域と第2領域とを、配線基板の表面上に設けられた配線を介して互いに電気的に接続することができる。
上記の受光装置において、配線基板の第1面からトランスインピーダンスアンプの第4面までの高さは、配線基板の第1面からキャリアの第3面までの高さに等しく設定されてもよい。
[本開示の実施形態の詳細]
本開示の受光装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、一実施形態に係る受光装置1Aの構成を示す斜視図である。図2は、キャリア5及びTIA7を取り除いて配線基板3の表面3aを示す斜視図である。図3の(a)は、第1方向D1に沿った受光装置1Aの断面を模式的に示す図である。図3の(b)は、図3の(a)の一部を拡大して示す図である。この受光装置1Aは、例えば100G/λ伝送(一つのピーク波長を有する光信号によって100Gbpsの信号伝送を行う)において使用される53GBaudのPAM4信号伝送を円滑に行うための、COB(Chip on Board)実装型光受信機である。
図1〜図3に示すように、受光装置1Aは、配線基板(Printed Circuit Board;PCB)3、キャリア5、TIA7、N個(Nは1以上の整数であり、一例ではN=4)の受光素子9、N個のキャパシタ11、N組の信号配線パターン13、及び基準電位パターン15を備えている。
配線基板3は、例えば平面状の表面(第1面)3a及び表面3aとは反対側の裏面(第2面)3bを有するリジッドな多層配線基板である。配線基板3は、例えば積層された複数の絶縁層と、その層間に形成された導電性の配線パターンと、表面3aに形成された導電性の配線パターンとを有する。絶縁層の材質は、例えばFR4(ガラス繊維の布にエポキシ樹脂をしみ込ませ熱硬化処理を施したもの)である。配線パターンの材質は例えばAuまたはCuである。配線基板3の平面形状は例えば略長方形状である。配線基板3は、基準電位パターン15と、N組(図では4組)の信号配線パターン13とを表面3aに有する。信号配線パターン13および基準電位パターン15は、表面3a上に形成された金属膜であり、例えばAuまたはCuからなる。基準電位パターン15は、信号配線パターン13によって伝送される電気信号の基準電位を有する。基準電位パターンは、例えば接地されている。
図2に示すように、基準電位パターン15は、第1領域(第1基準電位パターン)15a、第2領域(第2基準電位パターン)15b、及び第3領域(第3基準電位パターン)15cを含む。第1領域15aは、第1方向D1と交差(例えば直交)する第2方向D2を長手方向とする長方形状の領域である。第1領域15a上には、後述するTIA7が実装される。配線基板3の厚さ方向(換言すると、表面3aの法線方向)から見て、第1領域15aはTIA7を包含する大きさの面積及び形状を有する。第2領域15bは、第2方向D2を長手方向とする長方形状の領域である。第2領域15bは、第1方向D1において、第1領域15aと間隔Wをあけて並んで設けられている。すなわち、第1領域15aと第2領域15bは、第1方向D1に互いに離間して形成されている。第2領域15b上には、後述するN個のキャパシタ11が実装される。配線基板3の厚さ方向から見て、第2領域15bはN個のキャパシタ11をまとめて包含する大きさの面積及び形状を有する。
第1領域15aと第2領域15bとの隙間からは、配線基板3の表面3aが露出している。この露出した表面3a上には、後述するキャリア5が配置される。第1領域15aと第2領域15bとの間隔Wは、第1方向D1におけるキャリア5の幅よりも大きい。従って、表面3aの法線方向から見て、キャリア5と第1領域15a及び第2領域15bとは互いに重ならない。
第1領域15aと第2領域15bとは、配線基板3の表面3a上に設けられた配線を介して互いに電気的に接続されている。本実施形態では、基準電位パターン15が一対の第3領域15cを含んでおり、第1領域15aと第2領域15bとは一対の第3領域15cを介して互いに電気的に接続されている。これらの第3領域15cは、キャリア5の側方を通って配設され、表面3aの法線方向から見て、キャリア5と重ならない。すなわち、一方の第3領域15cは、第1領域15aからキャリア5の一方の側面に沿って第1方向D1に延び、第2領域15bに達する。また、他方の第3領域15cは、第1領域15aからキャリア5の他方の側面に沿って第1方向D1に延び、第2領域15bに達する。従い、基準電位パターン15は、第1領域15a、第2領域15b、及び一対の第3領域15cによって囲まれる開口15dを有する。開口15dは、基準電位パターン15および信号配線パターン13を含め、表面3a上の如何なる配線パターンも含まない。キャリア5は、この開口15dを覆うように配置される。なお、第1領域15aと第2領域15bとは、配線基板3の内部に設けられた配線を介して互いに電気的に接続されてもよく、該配線と第3領域15cとの双方を介して互いに電気的に接続されてもよい。
N組の信号配線パターン13は、第1領域15aに対して開口15dとは反対側に設けられ、それぞれ第1方向D1に沿って延びる細長形状を呈している。そして、Nが2以上のとき、N組の信号配線パターン13は、第1領域15aの縁に沿って、第2方向D2に並んで配置されている。各信号配線パターン13の第1領域15a側の一端には、ワイヤボンディングのためのパッドが形成されている。各組の信号配線パターン13は、互いに平行に第1方向D1に延びる一対の配線パターンを有する。各組の信号配線パターン13は、それぞれ差動信号を伝送する。
キャリア5は、N個の受光素子9を搭載する板状の部材であって、基準電位パターン15の第1領域15aと第2領域15bとの間に配置されている。キャリア5は、絶縁性の基材51を有する。基材51の材質は、例えば石英である。基材51は、例えば略直方体状といった外形を有しており、長方形状の平面状の表面(第3面)51aと、第1方向D1を法線方向とする一対の側面51b,51cとを有する。表面51aの長手方向は、第2方向D2と一致する。側面51bは第1領域15a側を向いており、第1領域15aの縁に沿って延びている。側面51cは第2領域15b側を向いており、第2領域15bの縁に沿って延びている。キャリア5の厚さは、後述するTIA7の厚さと等しい。換言すると、配線基板3の表面3aを基準面とする表面51aの高さ(距離)は、表面3aを基準面とするTIA7の上面7gの高さ(距離)と等しい。
キャリア5は、基材51の表面51aに形成された金属膜であるN本の第1配線パターン5a及びN本の第2配線パターン5bを更に有する。Nが2以上のとき、N本の第1配線パターン5aは、表面51aの長手方向(第2方向D2)に沿って並んでいる。Nが2以上のとき、N本の第2配線パターン5bは、表面51aの長手方向(第2方向D2)に沿って並んでいる。第1配線パターン5a及び第2配線パターン5bの構成材料は例えばAuまたはCuである。
前述したように、キャリア5は、表面3aの法線方向から見て、基準電位パターン15の開口15dを覆うように配置されている。言い換えると、キャリア5は、配線基板3の表面3a上において第1領域15aと第2領域15bとの間に配置されている。この開口15dを表面3aの法線方向から見たときの形状は、第1配線パターン5a及び第2配線パターン5bを包含する。言い換えると、表面3aの法線方向から見て、第1配線パターン5a及び第2配線パターン5bと基準電位パターン15とは互いに重ならない。また、表面3aの法線方向から見て第1配線パターン5a及び第2配線パターン5bと重なる表面3aの領域には、基準電位その他の配線パターンは全く設けられていない。但し、第1配線パターン5a及び第2配線パターン5bを除くキャリア5上の他の配線パターンと、基準電位パターン15とは互いに重なってもよい。キャリア5の裏面は、非導電性樹脂といった接着剤を介して配線基板3に接合されている。
N個の受光素子9は、それぞれが受光した信号光を電流信号に変換する半導体素子である。各受光素子9は、例えば、図示しない光分波器と光学的に結合されており、光分波器から出力された複数の信号光のうち対応する信号光を受ける。複数の信号光は、それぞれ互いに異なるピーク波長を有する。N個の受光素子9は、キャリア5と対向する面とは反対側の面を受光面としてキャリア5の表面51a上に搭載され、表面51a上において表面51aの長手方向(第2方向D2)に沿って並んでいる。各受光素子9の第1電極(例えばアノード電極)は、対応する第1配線パターン5aと電気的に接続されている。また、各受光素子9の第2電極(例えばカソード電極)は、対応する第2配線パターン5bと電気的に接続されている。上述の電流信号は、各受光素子9の第1電極から第2電極に向けて流れる。
TIA7は、例えば第2方向D2を長手方向とする長方形の板状を呈しており、基準電位パターン15の第1領域15a上に実装されている。具体的には、TIA7は基準電位とされる端子を底面に有しており、該端子と第1領域15aとが、はんだ等の導電性接着剤を介して導電接合されている。TIA7は、該底面の反対側に上面(第4面)7gを有しており、該上面7gにはN組の出力信号端子7a(第1端子)及びN個の入力信号端子7b(第2端子)が設けられている。TIA7は、各入力信号端子7bに入力された電流信号を電圧信号に変換して、該電圧信号を出力信号端子7aの対応する組から出力する。
N組の出力信号端子7aは、TIA7の信号配線パターン13側の端縁寄りに設けられており、Nが2以上のとき、該端縁に沿って第2方向D2に並んでいる。N個の入力信号端子7bは、TIA7のキャリア5側の端縁寄りに設けられており、Nが2以上のとき、該端縁に沿って第2方向D2に並んでいる。N組の出力信号端子7aは、ボンディングワイヤ(第1ワイヤ)17aを介して、それぞれ対応する信号配線パターン13と電気的に接続されている。すなわち、第1ワイヤ17aの一端は出力信号端子7aに接合しており、第1ワイヤ17aの他端は信号配線パターン13に接合している。配線基板3の表面3aを基準面とする出力信号端子7aの表面高さと、表面3aを基準面とする信号配線パターン13の表面高さとの高低差(すなわちTIA7の厚さ)は、例えば0.15〜0.25mmの範囲内である。また、N個の入力信号端子7bは、ボンディングワイヤ(第2ワイヤ)17bを介して、それぞれ対応する第1配線パターン5aと電気的に接続されている。すなわち、第2ワイヤ17bの一端は入力信号端子7bに接合しており、第2ワイヤ17bの他端は第1配線パターン5aに接合している。
キャパシタ11は、例えばチップコンデンサといった容量素子である。N個のキャパシタ11は、基準電位パターン15の第2領域15b上に実装され、Nが2以上のとき、第2領域15b上において第2方向D2に沿って並んでいる。各キャパシタ11は、第1方向D1において、対応する受光素子9を挟んでTIA7とは反対側に配置されている。換言すると、配線基板3の表面3aの法線方向から見て、N個のキャパシタ11とTIA7との間に受光素子9が配置されている。
図4は、1つのキャパシタ11の周辺構造を拡大して示す切欠斜視図である。便宜上、図4においてキャリア5は1つの受光素子9及び1つのキャパシタ11に対応する部分のみ示されているが、他のキャパシタ11の周辺構造も図4と同様である。
キャリア5の表面51a上には、導電膜26が設けられている。導電膜26は、表面51aに固着した金属膜であって、前述した第2配線パターン5bを含んでおり、受光素子9の裏面(受光面とは反対側の面)に設けられたカソード電極と、はんだ等の導電性接着剤を介して導電接合されている。導電膜26は、受光素子9の直下に位置する部分と、受光素子9からTIA7へ向けて延びる一対の部分26a,26bと、受光素子9からキャパシタ11へ向けて延びる第2配線パターン5bとを含む。
導電膜26の部分26aは、例えば、ボンディングワイヤ17dを介して、TIA7のバイアス端子7cと電気的に接続されている。同様に、導電膜26の部分26bは、ボンディングワイヤ17eを介して、TIA7のバイアス端子7dと電気的に接続されている。導電膜26には、TIA7のバイアス端子7c,7dからボンディングワイヤ17d,17eを介して受光素子9の動作に必要な電源(バイアス)電圧が供給される。
キャパシタ11の容量値は、導電膜26に生じる寄生容量の容量値よりも大きい。一例では、キャパシタ11の容量値は1pF以上である。キャパシタ11は、配線基板3の表面3aの法線方向に並ぶ一対の端面を有し、一方の端面には一方の電極(第3電極)11aが形成され、他方の端面には他方の電極(第4電極)11bが形成されている。キャパシタ11の一方の電極11aは、ワイヤボンディング(第3ワイヤ)17cを介して、対応する第2配線パターン5bと電気的に接続されている。すなわち、第3ワイヤ17cの一端はキャパシタ11の一方の電極11aに接合しており、第3ワイヤ17cの他端は第2配線パターン5bに接合している。第3ワイヤ17cは、例えばリボンワイヤであってもよい。なお、一つのキャパシタ11に対する第3ワイヤ17cの本数は一本に限られず、複数本の第3ワイヤ17cが設けられてもよい。一つのキャパシタ11に接続される全ての第3ワイヤ17cを総合したインダクタンスは、ワイヤ17d,17eを総合したインダクタンスよりも小さい。従って、第3ワイヤ17cの構成材料とワイヤ17d,17eの構成材料とが同じであるとき、例えば第3ワイヤ17cとしてはワイヤ17d,17eよりも太いものが用いられる。なお、受光素子9のカソードと第3ワイヤ17cとの間(例えば、導電膜26のうち受光素子9のカソードに接続された部分と、第2配線パターン5bとの間)に、抵抗素子(抵抗体)31が介在してもよい。
キャパシタ11の他方の電極11bは、基準電位パターン15の第2領域15bと電気的に接続されている。具体的には、各キャパシタ11の他方の電極11bと第2領域15bとが、はんだ等の導電性接着剤を介して導電接合されている。
第1配線パターン5aは、表面51aに固着した金属膜であって、受光素子9の裏面に設けられたアノード電極と、はんだ等の導電性接着剤を介して導電接合されている。第1配線パターン5aは、受光素子9の直下からTIA7へ向けて延びている。第1配線パターン5aは、第2ワイヤ17bを介して、TIA7の入力信号端子7bと電気的に接続される。すなわち、第2ワイヤ17bの一端は第1配線パターン5aに接合しており、第2ワイヤ17bの他端はTIA7の入力信号端子7bに接合している。カソード電極にバイアス電圧が印加されているとき、受光素子9において信号光の入射光量に応じて生成された電流信号は、第2ワイヤ17bを介してTIA7の入力信号端子7bに送られる。TIA7は、この電流信号を電圧信号に変換する。
受光装置1Aの数値例を以下に示す。
ワイヤ17b,17d,17eの長さ:0.2mm
キャリア5の厚さ:TIA7の厚さと同じ(0.15〜0.25mm)
キャパシタ11の容量値:330pF
上記の受光装置1Aにおいて、受光素子9に信号光が入射すると、受光素子9はその光量に応じた大きさの電流信号を出力する。電流信号は、受光素子9のアノード電極からキャリア5上の第1配線パターン5a及び第2ワイヤ17bを経て、TIA7の入力信号端子7bに入力される。TIA7は、入力した電流信号を電圧信号に変換する。電圧信号はTIA7の出力信号端子7aから出力され、第1ワイヤ17a及び信号配線パターン13を通って受光装置1Aの外部(または受光装置1A内の他の電子部品)に提供される。
以上に説明した、本実施形態の受光装置1Aによって得られる効果について説明する。前述したように、キャリア上の配線パターンとキャリア下の導電体との間の寄生容量が大きいと、電流信号の周波数帯域において共振周波数が存在し、信号成分の不透過帯域が生じ、信号波形の劣化、チャネル間クロストークといった通信品質の低下を生じさせる虞がある。
これに対し、本実施形態の受光装置1Aでは、第1配線パターン5a及び第2配線パターン5bが、配線基板3の表面3aの法線方向から見て基準電位パターン15と重なっていない。従って、第1配線パターン5a及び第2配線パターン5bが基準電位パターン15と対向しないので、第1配線パターン5a及び第2配線パターン5bに生じる寄生容量を低減できる。故に、共振周波数を高くして(以下、「高共振点化」という)、共振による不透過帯域を電流信号の周波数帯域より高周波側に移動させることができる。従って、信号波形の劣化、チャネル間クロストークといった通信品質の低下を抑制することができる。
ここで、図11の(a)および(b)は、比較例に係る受光装置100A,100Bの構成を模式的に示す図である。図11の(a)に示すように、第1配線パターン5a及び第2配線パターン5bと対向する位置に基準電位パターン115が設けられている場合、第1配線パターン5a及び第2配線パターン5bと基準電位パターン115との間に生じる寄生容量を小さくするために、キャリア5を厚くする必要がある。この場合、キャリア5の厚さは例えば0.4mmである。しかしながらこの場合、キャリア5上の第1配線パターン5aと、配線基板3上の信号配線パターン13との高低差が大きくなり、第1ワイヤ17a及び第2ワイヤ17bのいずれかを長くする必要が生じる。例えば53GBaudのPAM4といった高速の信号伝送を行う場合、第2ワイヤ17bが長くなるとインダクタンスが増し、共振周波数の低下および伝送特性の劣化を引き起こす。そこで、第2ワイヤ17bを短くするためにTIA7と配線基板3との間にキャリア125を設けると、第1ワイヤ17aが過度に長くなり、TIA7と信号配線パターン13との間でインピーダンス不整合が生じ、伝送波形が劣化する虞がある。
また、図11の(b)に示すように、信号配線パターン13の高さをTIA7の出力信号端子7aの高さと一致させるために、配線基板3にキャビティ127を設け、キャビティ127の中にキャパシタ11、キャリア5,125、およびTIA7を配置することも考えられる。しかし、キャビティ127の加工精度等の理由から、キャビティ127の側面127aとTIA7との距離を大きく取らざるを得ず、また、信号配線パターン13をキャビティ127の側面127aから或る程度離して形成する必要があり、所望の第1ワイヤ17aの長さを実現することは難しい。なお、図11の(b)において、基準電位パターン115は配線基板3の表面ではなく、内層(キャビティ127の底面)に設けられている。
上記の問題に対し、本実施形態の受光装置1Aでは、第1配線パターン5a及び第2配線パターン5bが、配線基板3の表面3aの法線方向から見て基準電位パターン15と重なっていないので、寄生容量に配慮してキャリア5を厚くする必要がない。故に、キャリア5を薄くする(すなわち配線基板3を基準とするキャリア5の表面51aの高さを低くする)ことができる。これにより、キャリア5上の第1配線パターン5aと、配線基板3上の信号配線パターン13との高低差が小さくなり、第1ワイヤ17a及び第2ワイヤ17bを合わせた長さ(特に、キャリア5上の第1配線パターン5aの高さとTIA7の上面7gの入力信号端子7bの高さとを同じにする場合には、第1ワイヤ17aの長さ)を短くすることができる。従って、第2ワイヤ17bを短くしてインダクタンスを小さくし、高共振点化を実現するとともに伝送特性の劣化を抑制することができる。また、第1ワイヤ17aを所望の長さに近づけてTIA7と信号配線パターン13との間のインピーダンス整合を実現し、伝送波形の劣化を抑制することができる。
図5は、TDR(Time Domain Reflectance)によるインピーダンス計算結果を示すグラフである。図中の期間T1は、第1ワイヤ17aに起因する部分である。同図において、グラフG11は本実施形態の場合(TIA厚さ:150μm)を示し、グラフG12は図11の(a)に示した比較例の場合(TIA厚さ:150μm、キャリア125厚さ:250μm)を示す。グラフG12を参照すると、TIA7の厚みにキャリア125の厚みが加わると、第1ワイヤ17aおよび信号配線パターン13のパッド部(TIA7の出力のワイヤ接続部)のインピーダンスが100Ωに対して+10Ω程度増大する。これに対し、TIA7の厚みだけであればTIA7の出力のワイヤ接続部のインピーダンスが100Ωに対して±5Ω以内に抑えられる。このように、本実施形態によれば、TIA7の出力のワイヤ接続部のインピーダンスを所望の値に近づけることができる。
また、本実施形態では、受光素子9のカソード電極と基準電位パターン15との間に、第3ワイヤ17c及びキャパシタ11が直列に接続されている。図6の(a)は、本実施形態の受光装置1Aの等価回路図である。図6の(a)に示すように、本実施形態の受光装置1Aでは、受光素子9のカソードが、ワイヤ17d,17e(図中にはインダクタンスとして示す)を介してTIA7のバイアス端子7c,7dに接続されている。受光素子9のアノードは、第2ワイヤ17b及びTIA7の入力信号端子7bを介して、TIA7の増幅回路7eに接続されている。TIA7のGND端子7fは基準電位パターン15(図中には基準電位線(GND線)として示す)に接続されている。そして、受光素子9とワイヤ17d,17eとの間の導電膜26には、寄生容量C1が存在している。また、互いに直列に接続された第3ワイヤ17c及びキャパシタ11が、寄生容量C1と並列に、導電膜26と基準電位パターン15との間に接続されている。
図6の(b)は、図6の(a)の回路部分E1のみを抽出した等価回路図である。同図に示すように、回路部分E1は、第3ワイヤ17c及びキャパシタ11からなる直列回路と、寄生容量C1と、ワイヤ17d,17eの合成インダクタンスとが、ノードN1とノードN2との間に互いに並列に接続された構成を有する。ノードN1は受光素子9のカソードに接続され、ノードN2は基準電位パターン15に接続されている。
一方、図7の(a)は、比較例に係る受光装置の等価回路図である。この比較例と本実施形態の受光装置1A(図6の(a)を参照)との相違点は、第3ワイヤ17c及びキャパシタ11からなる直列回路が設けられていない点である。従って、図7の(a)の回路部分E2のみを抽出すると、図7の(b)に示すように、寄生容量C1と、ワイヤ17d,17eの合成インダクタンスとが、ノードN1とノードN2との間に互いに並列に接続された回路構成となる。
回路部分E1,E2は、それぞれLC共振回路を構成する。そして、このLC共振回路の共振周波数が信号周波数に近づくと、TIA7の増幅回路7eから受光素子9への戻り電流Iaが減少する。このとき、受光素子9から増幅回路7eへ電流信号の流れが阻害され、信号不透過となる。ここで、寄生容量C1の容量値をCt、ワイヤ17d,17eの合成インダクタンスをLwireとすると、図7の(b)に示された比較例のLC共振回路のアドミタンスは
Figure 2021044437

となり、Y=0すなわち共振周波数は
Figure 2021044437

となる。一方、図5の(b)に示された本実施形態のLC共振回路において、キャパシタ11の容量値が十分に大きいので高周波に対して短絡(ショート)するものと見なし、第3ワイヤ17cのインダクタンスをLbとすると、アドミタンスは
Figure 2021044437

となり、Y=0すなわち共振周波数は
Figure 2021044437

となる。インダクタンスLbがインダクタンスLwireよりも十分に小さいとすると、上の数式(4)は
Figure 2021044437

となる。すなわち、比較例のLC共振回路においては数式(2)に示すようにインダクタンスLwireが共振周波数fに主に影響するが、本実施形態のLC共振回路においてはインダクタンスLbが共振周波数fに主に影響する。上述したように、インダクタンスLbはインダクタンスLwireよりも小さいので、本実施形態の共振周波数fは、比較例の共振周波数fよりも高くなる。このように、本実施形態の受光装置1Aによれば、寄生容量C1とワイヤ17d,17eとを含むLC共振回路の共振周波数を高くすることができるので、共振による信号の不透過帯域を更に高周波側へ移動することができる。故に、信号波形の劣化、チャネル間クロストークといった通信品質の低下を更に抑制することができる。
現在の光通信システムにおいては、支線系及びデータセンター内、並びに支線系とデータセンターとの間で100G伝送が主流になりつつあり、また今後、400G伝送といった更なる高速化が予定されている。これらの伝送速度においては、伝送クロック周波数は例えば25GHz〜56GHzとなる。これに対し本実施形態では、共振周波数fが60GHzを超えており、このような伝送クロック周波数においても電流信号の周波数帯域内での共振を回避することができる。
また、本実施形態のように、受光素子9のカソードと第3ワイヤ17cとの間(例えば、導電膜26のうち受光素子9のカソードに接続された部分と、第2配線パターン5bとの間)に抵抗体31が介在してもよい。抵抗体31の有する電気抵抗の制振作用により、上述のLC共振が効果的に抑制される。
また、本実施形態において、キャパシタ11の他方の電極11bが接続されている基準電位パターン15の第2領域15bと、TIA7が実装されている基準電位パターン15の第1領域15aとは、配線基板3の表面3a上及び配線基板3の内部のうち少なくとも一方に設けられた配線を介して互いに電気的に接続されている。従って、第1配線パターン5a及び第2配線パターン5bの寄生容量の増大を抑制しつつ、基準電位パターン15の第1領域15a及び第2領域15bの電位を安定させることができる。
また、本実施形態のように、基準電位パターン15は、キャリア5の側方を通り第1領域15aと第2領域15bとを互いに電気的に接続する第3領域15cを含んでもよい。例えばこのような構成によって、基準電位パターン15の第1領域15aと第2領域15bとを、配線基板3の表面3a上に設けられた配線を介して互いに電気的に接続することができる。
(第1変形例)
図8は、上記実施形態の一変形例に係る受光装置1Bの断面構成を模式的に示す図である。本変形例の基準電位パターン15Aは、上記実施形態と同様の第1領域15a及び第2領域15bを含んでいるが、第3領域15cを含んでいない。すなわち、配線基板3の表面3aにおいては、第1領域15aと第2領域15bとが互いに分離している。その代わり、図8に示すように、本変形例の受光装置1Bは、基準電位パターン(第4基準電位パターン)19と、第1ビア21aと、第2ビア21bとを備える。そして、第1領域15aと第2領域15bとは、基準電位パターン19、第1ビア21a、及び第2ビア21bを介して互いに電気的に接続されている。
基準電位パターン19は、配線基板3の内部及び裏面3b上のうち少なくとも一方に設けられた金属製の配線層であり、図2に示された第1方向D1及び第2方向D2に沿って表面3aと平行に延在する。ここで、配線基板3の内部に設けられているとは、配線基板3の表面3aと裏面3bとの間に設けられ、表面3a及び裏面3bの双方において露出していないことを意味し、配線基板3の側面から露出する場合を含む。
基準電位パターン19は、配線基板3を構成する多層の絶縁層の層間に形成され得る。基準電位パターン19の構成材料は、例えばAuまたはCuである。基準電位パターン19は、配線基板3の厚さ方向(表面3aの法線方向)から見て、キャリア5と重なる領域を有してもよい。その場合、第1配線パターン5a及び第2配線パターン5bと基準電位パターン19の当該領域との間には、寄生容量が生じ得る。この寄生容量の大きさは、キャリア5の厚さと、表面3aから基準電位パターン19までの距離(基準電位パターン19の形成深さ)dとによって主に決定される。この寄生容量によって共振による不透過帯域が生じ得るが、この不透過帯域が所望の信号周波数よりも高くなるように、距離dが設定される。距離dを大きくすると、それに応じて寄生容量の値は相対的に小さくなり、共振周波数fはより高い値となる。従って、距離dを出来だけ大きくするために、基準電位パターン19は、裏面3bに設けられてもよい。
具体的には、キャリア5の誘電率をεrc、配線基板3の絶縁層の誘電率をεrs、図11の(a)の比較例に対するキャリア5の厚さの減少量をtcとすると、d≧(εrs/εrc)・tcを満たすように距離dが設定される。キャリア5の基材51が石英製である場合はεrc=3.4であり、配線基板3の絶縁層がFR4製である場合はεrs=4.5である。従って、キャリア5の厚さの減少量をtc=0.2mmとすると、d=(4.5/3.4)×0.25mm=0.33mmとなる。
第1ビア21aは、基準電位パターン19と第1領域15aとの間の絶縁層を貫通する導電体である。第1ビア21aの一端は基準電位パターン19に接し、他端は第1領域15aに接する。従って、第1ビア21aは、基準電位パターン19と第1領域15aとを電気的に接続する。第2ビア21bは、基準電位パターン19と第2領域15bとの間の絶縁層を貫通する導電体である。第2ビア21bの一端は基準電位パターン19に接し、他端は第2領域15bに接する。従って、第2ビア21bは、基準電位パターン19と第2領域15bとを電気的に接続する。
本変形例の構成によれば、基準電位パターン15の第1領域15aと第2領域15bとを、配線基板3の内部に設けられた配線を介して互いに電気的に接続することができる。従って、第1配線パターン5a及び第2配線パターン5bの寄生容量の増大を抑制しつつ、基準電位パターン15の第1領域15a及び第2領域15bの電位を安定させることができる。
(第2変形例)
図9は、上記実施形態の別の変形例に係る受光装置1Cの断面構成を模式的に示す図である。本変形例の受光装置1Cは、上記実施形態の配線基板3に代えて、フレキシブル配線基板(Flexible Printed Circuits;FPC)23及び補強板25を備える。FPC23の構成は、リジッド配線基板と比較して薄く可撓性を有する点を除き、上記実施形態の配線基板3と同様である。すなわち、FPC23は平坦な表面23aを有しており、表面23a上には、信号配線パターン13及び基準電位パターン15が形成されている。また、キャリア5が表面23a上に配置され、TIA7が基準電位パターン15の第1領域15a上に実装され、N個のキャパシタ11が基準電位パターン15の第2領域15b上に実装されている。その他の構成も、上記実施形態の表面3a上の他の構成と同様である。
補強板25は、FPC23の裏面側に設けられており、FPC23の裏面に接合されてFPC23を構造的に支持する。表面23a上の構造物は、信号配線パターン13におけるTIA7とは反対側の端部を除き、補強板25上に位置する。補強板25は、例えばFR4などのリジッドな材料からなる。
本変形例のように、配線基板は可撓性を有してもよい。この場合であっても、上記実施形態と同様の効果を好適に得ることができる。
本発明による受光装置は、上述した実施形態及び各変形例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び第一変形例では、配線基板の表面の第3領域、及び配線基板の内部に設けられた配線層のいずれか一方を介して第1領域と第2領域とが互いに接続されているが、配線基板の表面の配線と内部配線との双方を介して第1領域と第2領域とが互いに接続されてもよい。
また、上記実施形態ではキャパシタとしてチップコンデンサといった容量素子を例示したが、キャパシタは配線パターンと基準電位パターン15との間の寄生容量によって構成されてもよく、或いは薄型シリコンコンデンサであってもよい。
1A,1B,1C…受光装置、3…配線基板(多層プリント基板)、3a…表面(第1面)、3b…裏面、5…キャリア、5a…第1配線パターン、5b…第2配線パターン、7…TIA、7a…出力信号端子、7b…入力信号端子、7c,7d…バイアス端子、7e…増幅回路、7f…GND端子、9…受光素子、11…キャパシタ、11a…一方の電極(第1電極)、11b…他方の電極(第2電極)、13…信号配線パターン、15,15A…基準電位パターン、15a…第1領域(第1基準電位パターン)、15b…第2領域(第2基準電位パターン)、15c…第3領域(第3基準電位パターン)、15d…開口、17a…第1ワイヤ、17b…第2ワイヤ、17c…第3ワイヤ、17d,17e…ワイヤ、19…基準電位パターン(第4基準電位パターン)、21a…第1ビア、21b…第2ビア、23…FPC、23a…表面、25…補強板、26…導電膜、26a,26b…部分、31…抵抗素子(抵抗体)、51…基材、51a…表面、51b,51c…側面、100A,100B…受光装置、115…基準電位パターン、125…キャリア、127…キャビティ、127a…側面、E1,E2…回路部分、d…距離、D1…第1方向、D2…第2方向、N1,N2…ノード、T1…期間、W…間隔。

Claims (5)

  1. 平面状の第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、前記第1面上に互いに離間して形成された第1基準電位パターンおよび第2基準電位パターンと、前記第1面上に形成された信号配線パターンと、を有する配線基板と、
    絶縁性の基材と、該基材の平面状の第3面に形成された第1配線パターン及び第2配線パターンと、を有し、前記配線基板の前記第1面上において前記第1基準電位パターンと前記第2基準電位パターンとの間に配置されたキャリアと、
    第1電極および第2電極を有し、前記キャリアの前記第3面上に搭載され、前記第1電極が前記第1配線パターンと電気的に接続され、前記第2電極が前記第2配線パターンと電気的に接続された受光素子と、
    平面状の第4面と、前記第4面上に形成された第1端子および第2端子と、を有し、前記配線基板の前記第1基準電位パターンに実装され、前記第1端子は第1ワイヤを介して前記配線基板の前記信号配線パターンと電気的に接続され、前記第2端子は第2ワイヤを介して前記キャリアの前記第1配線パターンと電気的に接続されたトランスインピーダンスアンプと、
    第3電極および第4電極を有し、前記配線基板の前記第2基準電位パターン上に実装され、前記第3電極が前記キャリアの前記第2配線パターンと電気的に接続され、前記第4電極が前記第2基準電位パターンと電気的に接続されたキャパシタと、
    を備え、
    前記キャリアの前記第1配線パターン及び前記第2配線パターンは、前記配線基板の前記第1面の法線方向から見て前記第1基準電位パターンおよび前記第2基準電位パターンのいずれとも重なっておらず、
    前記配線基板の前記第1基準電位パターンと前記第2基準電位パターンとは、前記配線基板の前記第1面上に形成され前記第1面の法線方向から見て前記キャリアの前記第1配線パターン及び前記第2配線パターンのいずれとも重ならない第3基準電位パターン、並びに、前記配線基板の内部及び前記第2面のうち少なくとも一方に形成された第4基準電位パターンのうち少なくとも一方を介して互いに電気的に接続されている、受光装置。
  2. 前記配線基板は、前記配線基板の内部及び前記第2面のうち少なくとも一方に設けられた前記第4基準電位パターンと、前記第4基準電位パターンと前記第1基準電位パターンとの間の絶縁層を貫通する第1ビアと、前記第4基準電位パターンと前記第2基準電位パターンとの間の絶縁層を貫通する第2ビアと、を有し、前記第1基準電位パターンと前記第2基準電位パターンとは前記第4基準電位パターン、前記第1ビア、および前記第2ビアを介して互いに電気的に接続されている、請求項1に記載の受光装置。
  3. 前記第4基準電位パターンは、前記配線基板の前記第1面の法線方向から見て前記キャリアと重なる領域を有する、請求項2に記載の受光装置。
  4. 前記配線基板は、前記第1面上に形成された第3基準電位パターンを有し、前記第3基準電位パターンは、前記キャリアの側方を通り前記第1基準電位パターンと前記第2基準電位パターンとを互いに電気的に接続する、請求項1に記載の受光装置。
  5. 前記配線基板の前記第1面から前記トランスインピーダンスアンプの前記第4面までの高さは、前記配線基板の前記第1面から前記キャリアの前記第3面までの高さに等しく設定されている、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の受光装置。
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