JP3990674B2 - 光送信機 - Google Patents

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Description

本発明は、光送信機に係り、特に発光素子モジュールの実装技術に関する。
光送信機に発光素子を実装する際には、発光素子（もしくは発光素子およびその周辺回路）を気密封止された発光素子モジュールに封入し、この発光素子モジュールを光送信機の回路基板と接続して構成するのが一般的である。
このような従来のＬＤ駆動回路としては、特開２００１−１４４３６６号公報（特許文献１）において知られている。この特許文献１には、ＬＤステムをフレキシブル基板の裏面に形成された接地導体に密着させて実装し、リードを上記フレキシブル基板を貫通して表面の配線パターンに接続し、ＬＤステムのガラス封止部分を同軸線路と同様に円柱状の構造を有し、ガラス封止部分にあたる接地導体を予め取り除いたＬＤ駆動回路が記載されている。
特開２００１−１４４３６６号公報
発光素子モジュールの実装方法に関する技術の一例を図８（ａ）（ｂ）に示し、図９には等価回路を示し、具体的には図１０に示した。ところで、少なくとも発光素子を気密封止して構成した発光素子モジュール１は、入力信号リード２およびＧＮＤリード３を持つ。光送信機の回路基板４は、片側の面にＧＮＤ導体パターン６を、もう片側の面に信号配線パターン７を持ち、これらでマイクロストリップラインを形成する。そして、発光素子モジュール１の入力信号リード２を回路基板４の信号リード実装穴（上面にランド５ａが形成されたスルーホール導体穴）５に挿入してはんだ付けし、信号リード２を信号配線パターン７と接続し、ＧＮＤリード３を回路基板４のＧＮＤリード実装穴（下面にランド９ａが形成されたスルーホール導体穴）９に挿入してはんだ付けし、ＧＮＤリード３をＧＮＤ導体パターン６と接続して構成される。
しかしながら、信号リード２およびＧＮＤリード３は、高周波において、大きなインダクタンスを持つ。図９には、発光素子モジュール１と回路基板４の接続部分の等価回路図を示した。このリード部２、３のインダクタンスが高周波信号により発光素子モジュールを駆動する際に、信号の高周波特性を劣化させることになる。これにより発光素子モジュールへの入力信号にひずみが生じて、発光素子モジュール１の出力光波形の劣化を招く。
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、約８〜１０ＧＨｚ以上の高周波信号により発光素子モジュールを駆動する際、入力信号に生じるひずみを低減して出力光波形の改善をはかった光送信機を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、回路基板（フレキシブル基板も含む）に信号配線パターン及びＧＮＤ導体パターンによりマイクロストリップ線路を形成し、発光素子モジュールの信号リードを前記信号配線パターンに接続される信号リード実装穴に実装して前記信号配線パターンに接続して構成される光送信機であって、前記回路基板上の発光素子モジュール側に、前記信号配線パターンと接続された容量付加パターンを設けることにより、前記発光素子モジュールのステムと信号配線パターンとの間に容量を付加することを特徴とする。
また、本発明は、前記光送信機であって、前記回路基板上の信号配線パターンと発光素子モジュールのステムとの間の付加容量を用いて、線路を形成したことを特徴とする。
また、本発明は、前記光送信機において、前記発光素子モジュールと前記回路基板の間に誘電体を挿入することを特徴とする。
また、本発明は、前記容量付加パターンとしては、信号線路インピーダンスをＺ０、信号リードインダクタンスをＬ、容量付加パターンの容量をＣとしたとき、Ｃ≒（Ｌ／（Ｚ０ ２））となる程度（この値（Ｌ／（Ｚ０ ２））の±５０％）の容量を持つ大きさとすることにある。
本発明によれば、約８〜１０ＧＨｚ以上の高周波信号により発光素子モジュールを駆動する際、簡易かつ安価な構造によりリードインダクタンスの影響を軽減することにより入力信号に生じるひずみを低減して出力光波形の改善をはかった光送信機を実現することが可能となる。
本発明に係る発光素子（もしくは発光素子およびその周辺回路）を金属ステムの中にガラス等で封入して気密封止された発光素子モジュールを、ＧＮＤ導体パターンと信号配線パターンとでマイクロストリップ線路を形成した回路基板（フレキシブル基板も含む）と接続して構成される光送信機の実施の形態について図１〜図７を用いて説明する。
図１は、本発明に係る光送信機の第１の実施例を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその正面部分断面図である。
まず、第１の実施例は、回路基板４上の発光素子モジュール側（表面側）に形成されたＧＮＤ導体パターン６と発光素子モジュールの反対側（裏面側）に形成された信号配線パターン７とで絶縁物を挟んでマイクロストリップ線路を形成し、回路基板４上に高周波信号を伝送させる。
発光素子モジュール１は、発光素子（もしくは発光素子およびその周辺回路）を金属ステム１０の中にガラス等で封入して気密封止される。そして、金属ステム１０は、ガラス等の封止部分を同軸線路と同様に円柱状の構造を有し、信号リード２を同軸上に設け、偏心した位置にＧＮＤリード３を設ける。そして、ＧＮＤリード３は金属ステム１０に電気的に接続される。
更に、発光素子モジュール１の金属ステム１０は、ＧＮＤ（接地）リード３を、回路基板４の表面側に形成されたＧＮＤ導体パターン６の対応位置に形成されたＧＮＤリード実装穴（ＧＮＤリード挿入穴）９に挿入してはんだ等で接続（接合）することによりＧＮＤリード３を介してＧＮＤ導体パターン６に電気的に接続されている。従って、金属ステム１０は、ＧＮＤリード３を介してＧＮＤ導体パターン６に接続されたＧＮＤとなる。
一方、発光素子モジュール１にガラス等で封止された信号リード２は、回路基板４の裏面側に形成された信号配線パターン７の対応位置に形成された信号リード実装穴（信号リード挿入穴）５に挿入してはんだ等で接続（接合）することによって信号配線パターン７と電気的に接続されることになる。
更に、回路基板４の発光素子モジュール１側に、スルーホール導体穴を形成するためのランドよりも金属ステム１０と対向する面積を大幅に増加させた信号リード２に接続された容量付加パターン８ａを設け、金属ステム１０と容量付加パターン８ａの結合により信号パターン７と発光素子モジュール１のＧＮＤの間に容量を付加する。容量付加パターン８ａとしては、ＧＮＤリード３に接続されたＧＮＤ導体パターン６に離間させて信号リード２に接続して設けることが必要なため、図１（ａ）に示すように、信号リード２を中心にしてＧＮＤリード３と反対側およびそれに直交する方向に広げた擬似矩形形状又は擬似長方形状となる。
容量付加パターン８ａの大きさは、信号線路インピーダンスをＺ０、信号リードインダクタンスをＬ、容量付加パターン８ａの容量をＣとしたとき、Ｃ≒（Ｌ／（Ｚ０ ２））となる程度（この値（Ｌ／（Ｚ０ ２））の±５０％）の容量を持つ大きさとする。
本構成を用いた際の等価回路図を図５に示した。この容量付加パターン８ａを用いることによって、付加容量１３を追加することとなる。この付加容量１３によって信号リード２、ＧＮＤリード３のインダクタンスの影響を軽減することが可能となる。
図２は、本発明に係る光送信機の第２の実施例を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその正面部分断面図である。
第２の実施例において、第1の実施例と相違する点は、回路基板４上の信号配線パターン７を信号リード２よりも手前の位置でスルーホール１１により発光素子モジュール１側の容量付加パターン８ｂと接続することにある。容量付加パターン８ｂによって信号配線パターン７と金属ステム１０の間に容量を付加しつつ、容量付加パターン８ｂと金属ステム１０の間でマイクロストリップライン（線路）を形成することにある。即ち、第２の実施例は、信号配線パターン７と発光素子モジュール１の金属ステム１０との間に容量を付加する容量付加パターン８ｂを用いて、マイクロストリップライン（線路）を形成したことにある。
なお、容量付加パターン８ｂとしては、第１の実施例と同様に、ＧＮＤリード３に接続されたＧＮＤ導体パターン６に離間させて信号リード２に接続して設けることが必要なため、図２（ａ）に示すように、信号リード２を中心にしてＧＮＤリード３に直交する方向に繋げた擬似長方形状の線路となる。
また、容量付加パターン８ｂの大きさは、信号線路インピーダンスをＺ０、信号リードインダクタンスをＬ、容量付加パターン８ｂの容量をＣとしたとき、Ｃ≒（Ｌ／（Ｚ０ ２））となる程度（この値（Ｌ／（Ｚ０ ２））の±５０％）の容量を持つ大きさとする。
以上説明した本構成を用いることによって、第1の実施例に比べ、線路の不連続性を小さく押さえることが可能となる。
図３は、本発明に係る光送信機の第３の実施例を示す正面部分断面図である。
本第３の実施例は、第1の実施例の構成に加え、付加容量１３の容量値を一定に保つため、発光素子モジュール１と回路基板４の間に間隙を一定に保つための誘電体（絶縁シート）であるスペーサ１２を挿入した構成である。本構成を用いることによって、リード部のインダクタンスの影響を軽減しつつ、安定した高周波特性を得ることが可能である。
図４は、本発明に係る光送信機の第４の実施例を示す正面部分断面図である。
本第４の実施例は、第２の実施例の構成に加え、容量パターン８ｂによって形成されるマイクロストリップラインの線路インピーダンスを一定に保つため、発光素子モジュール１と回路基板４の間に間隙を一定に保つための誘電体（絶縁シート）からなるスペーサ１２を挿入した構成である。本構成を用いることによって、リード部のインダクタンスの影響を軽減しつつ、安定した高周波特性を得ることが可能である。
なお、以上説明した本発明に係る第１〜第４の実施例において、回路基板４はリジッドおよびフレックス基板双方を含むこととする。
また、本発明の効果を確認するため、第４の実施例（図６）および比較例（図１０）を用いて電磁界解析を行った。ここでは、信号リード２本、ＧＮＤリードを１本のリード構成とし、差動信号に対する信号透過損失を算出した。その結果、図７に示す如く、信号の透過損失が２０ＧＨｚで約３ｄＢ改善することが確認された。なお、図６および図１０は、発光素子モジュール１については金属ステム１０、信号リード２及びＧＮＤリード３を示し、回路基板４の絶縁物及び誘電体からなるスペーサ１２については透過させて示す。
本発明に係る光送信機の第1の実施例を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその正面部分断面図である。 本発明に係る光送信機の第２の実施例を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその正面部分断面図である。 本発明に係る光送信機の第３の実施例を示す正面部分断面図である。 本発明に係る光送信機の第４の実施例を示す正面部分断面図である。 本発明に係る光送信機の第1の実施例の等価回路を示す図である。 本発明に係る光送信機の第４の実施例において、信号リード２本、ＧＮＤリードを１本のリード構成の場合を示す斜視図である。 本発明に係る第４の実施例（図６）および比較例（図１０）における電磁界解析を行った結果である周波数（ＧＨｚ）に対する信号透過損失（ｄＢ）を示す図である。 本発明に係る光送信機の比較例を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその正面部分断面図である。 図８に示す比較例の等価回路を示す図である。 図８に示す実施例において、信号リード２本、ＧＮＤリードを１本のリード構成の場合を示す斜視図である。
符号の説明
１…発光素子モジュール、２…信号リード、３…ＧＮＤリード、４…回路基板、５…信号リード実装穴（信号リード挿入穴）、６…ＧＮＤ導体パターン、７…信号配線パターン、８ａ、８ｂ…容量付加パターン、９…ＧＮＤリード実装穴（ＧＮＤリード挿入穴）、１０…金属ステム、１１…スルーホール、１２…スペーサ（誘電体）、１３…付加容量。

Claims (7)

  1. 回路基板（フレキシブル基板も含む）に信号配線パターン及びＧＮＤ導体パターンによりマイクロストリップ線路を形成し、発光素子モジュールの信号リードを前記信号配線パターンに接続される信号リード実装穴に実装して前記信号配線パターンに接続して構成される光送信機であって、
    前記回路基板上の前記信号配線パターンに、前記発光素子モジュールのステムとの間に容量を付加するパターンを設けたことを特徴とする光送信機。
  2. 回路基板（フレキシブル基板も含む）に信号配線パターン及びＧＮＤ導体パターンによりマイクロストリップ線路を形成し、発光素子モジュールの信号リードを前記信号配線パターンに接続される信号リード実装穴に実装して前記信号配線パターンに接続して構成し、前記発光素子モジュールのＧＮＤリードを前記ＧＮＤ導体パターンに接続されるＧＮＤリード実装穴に実装して前記ＧＮＤ導体パターンに接続して構成される光送信機であって、
    前記回路基板上の前記信号配線パターンに、発光素子モジュールのステムとの間に容量を付加するパターンを設けたことを特徴とする光送信機。
  3. 回路基板（フレキシブル基板も含む）に信号配線パターン及びＧＮＤ導体パターンによりマイクロストリップ線路を形成し、発光素子モジュールの信号リードを前記信号配線パターンに接続される信号リード実装穴に実装して前記信号配線パターンに接続して構成される光送信機であって、
    前記回路基板上の前記信号配線パターンと発光素子モジュールのステムとの間の付加容量を用いて、線路を形成したことを特徴とする光送信機。
  4. 回路基板（フレキシブル基板も含む）に信号配線パターン及びＧＮＤ導体パターンによりマイクロストリップ線路を形成し、発光素子モジュールの信号リードを前記信号配線パターンに接続される信号リード実装穴に実装して前記信号配線パターンに接続して構成し、前記発光素子モジュールのＧＮＤリードを前記ＧＮＤ導体パターンに接続されるＧＮＤリード実装穴に実装して前記ＧＮＤ導体パターンに接続して構成される光送信機であって、
    前記回路基板上の前記信号配線パターンと発光素子モジュールのステムとの間の付加容量を用いて、線路を形成したことを特徴とする光送信機。
  5. 前記付加容量は、前記信号配線パターンに設けられた容量を付加するパターンによって得ることを特徴とする請求項３又は４記載の光送信機。
  6. 前記発光素子モジュールと前記回路基板の間に誘電体を挿入することを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の光送信機。
  7. 前記容量を付加するパターンの大きさを、信号線路インピーダンスをＺ０、信号リードインダクタンスをＬ、容量を付加するパターンの容量をＣとしたとき、Ｃ≒（Ｌ／（Ｚ０ ２））となる程度（該値（Ｌ／（Ｚ０ ２））の±５０％）の容量を持つ大きさとすることを特徴とする請求項１、２又は５記載の光送信機。
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