JP4138604B2 - 光モジュールおよびそれを用いた光通信用送受信回路 - Google Patents

Description

本発明は、光信号の送受信を行う光モジュールおよびそれを用いた光通信用送受信回路に関し、特に、受光素子および発光素子が一つのパッケージに実装されたものに関する。

光アクセスサービスの普及にともない、光通信サービスを提供する装置には、小型化による設置面積の削減、部品の共通化による省電力化、光モジュールの基板組み立てコストの低減が求められる。特に、光モジュールは、装置における占有面積が大きく、複数の光モジュールを高密度に実装することは上記課題の解決に大きく貢献する。

図６は、光通信に用いられる一般的な光送受信回路の構成図である。この構成では、光ファイバ１芯で送受信を行うため、ファイバコストを削減することが可能である。図６において、光モジュール２０は、パッケージキャビティ２１を有する。このパッケージキャビティ２１には、受光素子であるＰＤ（フォトダイオード：Photo Diode）２３、発光素子であるＬＤ（レーザダイオード：Laser Diode）２４、光導波路２５、ＷＤＭ（波長分割多重：Wavelength Division Multiplex）フィルタ２６、プリアンプ２７、およびモニタ用ＰＤ２８が実装されている。

送信時において、ＬＤ駆動回路３１は、ＬＤ２４に電気信号を供給し、ＬＤ２４は、供給された電気信号に応じて発光する。ＬＤ２４から出力された光信号は光ファイバに入力される。ここで、モニタ用ＰＤ２８は、ＬＤ２４から出力された光信号を電気信号に変換する。ＬＤ駆動回路３１は、モニタ用ＰＤ２８により検出された電気信号をモニタリングし、ＬＤ出力調整を行う。ＰＤ２３は、光ファイバから入射した光信号を電気信号に変換する。ＰＤ２３から出力された電気信号は、プリアンプ２７により増幅された後、ポストアンプ回路３２によって増幅、整形される。

このような光送受信回路が複数チャネル実装される構成において、低歪みなど出力波形の品質を保つための条件としては、
（１）送信、受信間のアイソレーションを確保するため、１つのチャネルだけでなく各チャネルの信号配線が一定以上の間隔を置いて配置されていること、
（２）送信光波形にリンギングや波形歪みが発生しないよう、発光素子の駆動回路から発光素子までの配線によるインダクタンスが、十分小さく、また、チャネル間で均一であること、
（３）受信される高周波信号の電気的特性をよくするため、外部回路とインピーダンスが、整合していて、また、チャネル間で均一であること、
が挙げられる。

一方、光通信における半導体素子、光導波路、集積回路などが実装されるパッケージの形態は、一般的に２種類に分けられる。ひとつは、図７に示されるように、ＤＩＰ(Dual Inline Package)、ＱＦＰ(Quad Flat Package)などと呼ばれる構造を用いたものである。これは、例えば、非特許文献１等に示されるとおり、パッケージの辺にバタフライ型のリード端子４０が設けられたものである。この構成は、パッケージ内部の集積回路とリード端子４０との配線がリードメタルで実現されるため、簡易であり、また強度、放熱性に優れている。もうひとつは、図８に示されるように、ＰＧＡ(Pin Grid Array)、ＢＧＡ(Ball Grid Array)と呼ばれる構造を用いたものである。これは、例えば、非特許文献２等に示されるとおり、パッケージの底面に棒状もしくは球状のリード端子５０が設けられたものである。パッケージ内部の集積回路とリード端子５０との配線には、一般に多層基板が用いられる。このようなパッケージでは、平面的にリード端子５０を配置することが可能なため、ＤＩＰやＱＦＰに比べて、多くの端子数を確保することが可能である。

これらの光モジュールをプリント基板に複数チャネル実装する場合、以下の問題がある。

ＤＩＰ、ＱＦＰ構造の光モジュールでは、リード端子やプリント基板上の配線余裕を考慮した実装間隔が必要となり、高密度に実装することが困難である。また、隣接する光モジュールのリード端子同士が隣り合うので、受信信号用の端子と送信信号用の端子との間のアイソレーションを確保するために、実装間隔を比較的大きく設ける必要がある。

一方、ＰＧＡ、ＢＧＡ構造の光モジュールでは、ＤＩＰ、ＱＦＰと異なり、パッケージの辺より外にリード端子が存在しないので、パッケージを高密度に並べて実装することが可能である。しかし、パッケージ内にスルーホールを多用して配線する必要があるので、配線が複雑になり、受信信号の電気的特性を保つための広帯域にわたるインピーダンス整合が難しい。

複数チャネルを１つの光モジュールパッケージに実装することにより、小型高密度化を達成する方法も考えられる。

しかし、ＤＩＰ、ＱＦＰを用いる場合、リード端子をパッケージの４辺にしか確保できない。さらに、光ファイバを接続するためのスペースも必要になる。このとき、パッケージの中央に存在するチャネルの信号配線をパッケージの辺にまで配線する必要がある。このため、送信信号配線について、配線長が伸びることによりインダクタンス成分が増加してしまう。また、線路長がチャネル毎に異なることにより各チャネルのインダクタンスが不均一となり、各チャネルの特性が不均一となってしまう。また、例えば、非特許文献３等にも複数チャネルのパッケージ実装例が示されているが、送信側のリード端子と受信側のリード端子の位置関係がチャネル毎に異なるため、各チャネルの特性が不均一となってしまう。

一方、ＢＧＡ、ＰＧＡを用いる場合、内部素子の直下にリード端子を設けることにより、端子数によるパッケージの大きさの制限を軽減でき、また、配線長によるインダクタンス成分を小さく抑えることができる。しかし、前述したとおり、パッケージ内部の集積回路とリード端子とを接続する際にスルーホールを多用するため、配線が複雑になり、受信側の高周波信号の電気的特性を保つための広帯域にわたるインピーダンス整合が難しい。
Hashimoto他、IEEE Journal Lightwave Technology、Vol.18、No.11、pp.1541-1546 Takai他、2000 Electronic Components and Technology Conference、pp.491-496 中西他、電気情報通信学会ソサイエティ大会、C-3-18、2002年

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、その目的は、送信光波形の歪みの軽減、および、受信信号配線のインピーダンス整合の容易化を図ることができる光モジュールおよびそれを用いた光通信用送受信回路を提供することである。

上記した課題を解決し、目的を達成するための第１の発明は、実装面とその裏面とを備える略直方体の基体と、前記実装面に実装され、外部から入力された光信号を受光する受光素子と、前記実装面に実装され、外部に出力される光信号を発生させる発光素子と前記基体の端部における前記実装面の一辺から引き出された、前記受光素子から電気信号を取り出すための受信用端子と、前記発光素子の直下付近に前記裏面から突出して設けられ、スルーホールを介して前記発光素子に接続された、前記発光素子に電気信号を供給するための送信用端子と、を有し、前記実装面の一辺に対向する辺のみに前記光信号の入出力口が設けられたこと有する光モジュールである。

また第２の発明は、第１の発明において、前記発光素子は、前記実装面の一辺に対向する辺の近傍に設けられるものである。

また、第３の発明は、第１または２の発明において、前記受光素子、前記発光素子、前記受信用端子、および前記送信用端子の組が、それぞれ略同一の構成で、前記受信用端子の配置方向に沿って前記基体に複数並べられてなるものである。

また第４の発明は、第１から３のいずれかの発明において、前記基体と前記受光素子と前記発光素子とは、光ファイバが接続される光ファイバ接続部を備えたパッケージに収容され、前記発光素子および前記受光素子と前記光ファイバ接続部とは、前記基体の実装面に実装された光導波路によって接続されるものである。

また第５の発明は、導電層が絶縁層に挟まれてなる基板と、前記基板に実装された第１から４のいずれかの発明に係る光モジュールと、前記光モジュールと同一面に実装され、前記受光素子から出力される電気信号を増幅および整形する増幅回路と、前記光モジュールが実装された面の裏面に実装され、前記発光素子に電気信号を供給する駆動回路と、を有する光通信用送受信回路である。

本発明によれば、受信用端子を基体の端部から引き出すので、受信信号配線のインピーダンス整合を容易化することができる。また、送信用端子を発光素子の直下付近に設け、スルーホールを介して発光素子と接続するので、送信信号配線の長さが短くなる。このため、送信信号配線によるインダクタンスを抑えることができ、送信光波形の歪みを軽減することができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る光モジュールおよびそれを用いた光通信用送受信回路についての好適な実施形態を第１の実施形態から第３の実施形態に分けて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る光モジュールの構成を示す外観斜視図である。図１には、１芯ＷＤＭ双方向用の光モジュール１００が示されている。ただし、本発明に係る光モジュールは、１芯単方向の光ファイバが２本接続されるものであってもよい。

図１において、光モジュール１００は、略長方形の基体であるパッケージキャビティ（以下、キャビティと称する）１を有する。このキャビティ１の一つの辺には、外部の光ファイバＦと接続される光ファイバ接続部２が設けられている。また、キャビティ１の実装面１Ａには、光ファイバＦから入力された光信号を受光する受光素子であるＰＤ３と、光ファイバＦに出力される光信号を発生させる発光素子であるＬＤ４とが実装されている。本実施形態では、ＬＤ４は、光ファイバ接続部２が設けられている辺の近傍に設置されている。ＰＤ３およびＬＤ４は、実装面１Ａに実装された光導波路５によって、光ファイバ接続部２と接続されている。本実施形態では、１芯双方向通信なので、光導波路５の経路中に上り下りの光信号を分離するためのＷＤＭフィルタ６が設置されている。ただし、１芯単方向の光ファイバが２本接続される光モジュールでは、ＷＤＭフィルタ６は省略可能である。

これらの他に、キャビティ１の実装面１Ａには、ＰＤ３から出力される電気信号を増幅するためのプリアンプ７や、ＬＤ４から出力された光信号の強度を検出するモニタ用ＰＤ８が実装されている。ただし、プリアンプ７やモニタ用ＰＤ８は省略可能である。例えば、ＰＤ３の光電変換効率が高い場合にはプリアンプ７は省略されてもよく、ＬＤ４の発光特性が安定している場合にはモニタ用ＰＤ８は省略されてもよい。

受信に関係する受信側端子９は、バタフライ型のリード端子であり、キャビティ１の端部から引き出されている。本実施形態では、光ファイバ接続部２が設けられた辺に対向する辺のみから引き出されている。ここで、受信側端子９には、ＰＤ３と外部の電源（不図示）とを接続するためのＰＤ用電源端子９ａ、プリアンプ７と外部の電源（不図示）とを接続するためのプリアンプ用電源端子９ｂ、ＰＤ３から外部に電気信号を取り出すための一対の受信用端子９ｃ、９ｄ、および接地用端子９ｅが含まれる。ＰＤ用電源端子９ａ、プリアンプ用電源端子９ｂ、および受信用端子９ｃ、９ｄは、実装面１Ａの表面に沿って配され、リードメタルによって、ＰＤ３やプリアンプ７と接続されている。

図２は、本実施形態に係る光モジュール１００の送信側の配線を示す断面図である。図２において、送信に関係する送信側端子１０は、キャビティ１の裏面１Ｂから突出して設けられている。ここで、送信側端子１０には、モニタ用ＰＤ８と外部のＬＤ駆動回路（不図示）とを接続するための一対のモニタ用端子１０ａ、１０ｂ、ならびに、ＬＤ４と外部のＬＤ駆動回路とを接続するための一対の送信用端子１０ｃ、１０ｄが含まれる。モニタ用端子１０ａ、１０ｂは、モニタ用ＰＤ８の直下付近に設けられ、送信用端子１０ｃ、１０ｄは、ＬＤ４の直下付近に設けられている。また、一対のモニタ用端子１０ａ、１０ｂは、キャビティ１の厚さ方向に設けられたスルーホール１ａ、１ｂを介してモニタ用ＰＤ８に接続されており、一対の送信用端子１０ｃ、１０ｄは、スルーホール１ｃ、１ｄを介してＬＤ４に接続されている。

上記の光モジュール１００は、図１の矢線Ｘにより示される実装方向でプリント基板等に実装される。

以下、上記構成を有する光モジュール１００の動作手順について簡単に説明する。

まず、送信時の動作について説明する。ＬＤ４には、外部のＬＤ駆動回路から送信用端子１０ｃ、１０ｄを介して電気信号が供給される。ＬＤ４は、供給された電気信号に応じて発光し、ＬＤ４から出力された光信号は、光導波路５を通って光ファイバＦに出力される。なお、モニタ用ＰＤ８はＬＤ４の出力光を電気信号に変換し、この電気信号をＬＤ駆動回路に出力する。ＬＤ駆動回路は、モニタ用ＰＤ８から受信した電気信号に応じてＬＤ４に供給する電気信号を調節する。

つぎに、受信時の動作について説明する。光ファイバＦから光ファイバ接続部２に入射した光信号は、光導波路５を通ってＰＤ３に入射する。ＰＤ３は、入射した光信号を電気信号に変換し、この電気信号をプリアンプ７に出力する。プリアンプ７は、ＰＤ３から受信した電気信号を増幅し、増幅された電気信号を受信用端子９ｃ、９ｄを介して外部に出力する。

本実施形態に係る光モジュール１００によれば、以下の効果が得られる。

（イ）受信用端子９ｃ、９ｄをキャビティ１の端部から引き出すので、受信用端子９ｃ、９ｄの両側に接地用の端子を配置するなどしてコプレーナ構造をとることが可能になり、外部回路との接続におけるインピーダンスの整合を容易化することができる。

（ロ）送信用端子１０ｃ、１０ｄをＬＤ４の直下付近に配置し、送信用端子１０ｃ、１０ｄとＬＤ４とをスルーホール１ｃ、１ｄを介して接続するので、送信用端子１０ｃ、１０ｄとＬＤ４との間の配線長を短くすることができる。これにより、送信用端子１０ｃ、１０ｄとＬＤ４との間の配線によるインダクタンスを低減でき、送信光波形の波形歪みを抑えることができる。

（ハ）受信用端子９ｃ、９ｄが設けられた辺に対向する辺の近傍にＬＤ４を実装するので、送信用端子１０ｃ、１０ｄと受信用端子９ｃ、９ｄとの間隔を長くすることができ、互いの電気信号のアイソレーションを確保することができる。

（ニ）図３に本実施形態に係る光モジュール１００が多チャネル実装される場合の配置例を示す。図３から分かるように、受信側端子９はキャビティ１のある一つの辺ｈにのみ存在し、辺ｈに対向する辺ｉにのみ光ファイバ接続部２が存在するので、その他の両側の辺ｊ、ｋには端子等が存在しない。このため、光モジュール１００の両側の辺ｊ、ｋに他の光モジュール１００を近接させて実装することができ、高密度実装が可能となる。また、各々の光モジュール１００の構成は同じなので、各チャネルの特性は均一となる。

（第２の実施形態）
本実施形態に係る光モジュールは、上記第１の実施形態に係る光モジュール１００とほとんど同じであるので、第１の実施形態と共通する部分については、同一の符号を用いることとし、また、説明を省略することとする。

図４は、本実施形態に係る光モジュールの構成を示す外観斜視図である。図４に示される光モジュール２００は、複数のチャネルが一つのパッケージに収容されたものである。具体的には、複数のチャネルに対応する複数の送受信部２０１〜２０４が、一つのキャビティ２１０に実装されている。ここで、複数の送受信部２０１〜２０４は、それぞれ、略同一の構成を有し、第１の実施形態に係る光モジュール１００と同様の構成を有する。また、複数の送受信部２０１〜２０４は、受信側端子９の配置方向（矢線Ｙ方向）に沿ってキャビティ２１０に並べられている。

本実施形態に係る光モジュール２００によれば、上記の（イ）〜（ハ）の効果に加え、以下の効果が得られる。

（ホ）一つのキャビティ２１０に複数のチャネルに対応する複数の送受信部２０１〜２０４を実装するので、さらなる高密度実装が可能となる。

（ヘ）各送受信部２０１〜２０４の構成が略同一であるので、すなわち、ＰＤ３、ＬＤ４、受信用端子９ｃ、９ｄ、および送信用端子１０ｃ、１０ｄの組がそれぞれ略同一の構成で並べられるので、チャネル間の特性が均一となる。

（第３の実施形態）
本実施形態に係る光通信用送受信回路は、上記第１または第２の実施形態に係る光モジュール１００、２００を用いたものであるので、第１または第２の実施形態と共通する部分については、同一の符号を用いることとし、また、説明を省略することとする。

図５は、本実施形態に係る光通信用送受信回路の構成を示す横断面図である。図５において、光通信用送受信回路３００は、導電層３１２が絶縁層３１１、３１３に挟まれてなる基板である多層プリント基板３１０を有する。ここで、導電層３１２は、接地されている。

多層プリント基板３１０の表面３１０Ａには、上記第１または第２の実施形態に係る光モジュール３２０が実装されている。さらに、この表面３１０Ａには、光モジュール３２０のＰＤ３から出力された電気信号を増幅および整形するポストアンプ回路３３０が実装されている。一方、裏面３１０Ｂには、送信用端子１０ｃ、１０ｄの直近に、ＬＤ４に電気信号を供給するＬＤ駆動回路３４０が実装されている。

光モジュール３２０の受信用端子９ｃ、９ｄは、表面３１０Ａ上の配線パターンを介して、ポストアンプ回路３３０と接続されている。一方、送信用端子１０ｃ、１０ｄは、多層プリント基板３１０の厚さ方向に設けられたスルーホールを通って裏面３１０Ｂから突出し、裏面３１０Ｂ上の配線パターンを介して、ＬＤ駆動回路３４０と接続されている。

本実施形態に係る光通信用送受信回路によれば、上記（イ）〜（ヘ）の効果に加えて、以下の効果が得られる。

（ト）接地された導電層３１２を挟んで、ポストアンプ回路３３０を表面３１０Ａに実装し、ＬＤ駆動回路３４０を裏面３１０Ｂに実装するので、光通信用送受信回路３００全体として送信と受信のアイソレーションを確保しつつ、高密度実装を実現することができる。

（ト）ＬＤ駆動回路３４０を送信用端子１０ｃ、１０ｄの直近に配置するので、ＬＤ駆動回路３４０からＬＤ４までの距離を短くすることができる。これにより、ＬＤ駆動回路３４０からＬＤ４までの配線のインダクタンスを低減できる。

以上、本発明を実施するための最適な形態を示したが、本発明は上記の形態に限定されないことは言うまでもない。

第１の実施形態に係る光モジュールの構成を示す外観斜視図である。 第１の実施形態に係る光モジュールの送信側の配線を示す断面図である。 第１の実施形態に係る光モジュールが多チャネル実装される場合の配置例である。 第２の実施形態に係る光モジュールの構成を示す外観斜視図である。 第３の実施形態に係る光通信用送受信回路の構成を示す横断面図である。 光通信に用いられる一般的な光送受信回路の構成図である。 ＤＩＰ構造を有する光モジュールの構成を示す外観斜視図である。 ＰＧＡ構造を有する光モジュールの構成を示す外観斜視図である。

符号の説明

１００ 光モジュール
１ パッケージキャビティ（キャビティ）
１Ａ 実装面
１Ｂ 裏面
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ スルーホール
２ 光ファイバ接続部
３ ＰＤ
４ ＬＤ
５ 光導波路
６ ＷＤＭフィルタ
７ プリアンプ
８ モニタ用ＰＤ
９ 受信側端子
９ａ ＰＤ用電源端子
９ｂ プリアンプ用電源端子
９ｃ、９ｄ 受信用端子
９ｅ 接地用端子
１０ 送信側端子
１０ａ、１０ｂ モニタ用端子
１０ｃ、１０ｄ 送信用端子
Ｆ 光ファイバ
２００ 光モジュール
２０１〜２０４ 送受信部
２１０ キャビティ
３００ 光通信用送受信回路
３１０ 多層プリント基板
３１０Ａ 表面
３１０Ｂ 裏面
３１１、３１３ 絶縁層
３１２ 導電層
３２０ 光モジュール
３３０ ポストアンプ回路
３４０ ＬＤ駆動回路

Claims (5)

1. 実装面とその裏面とを備える略直方体の基体と、
   前記実装面に実装され、外部から入力された光信号を受光する受光素子と、
   前記実装面に実装され、外部に出力される光信号を発生させる発光素子と
   前記基体の端部における前記実装面の一辺から引き出された、前記受光素子から電気信号を取り出すための受信用端子と、
   前記発光素子の直下付近に前記裏面から突出して設けられ、スルーホールを介して前記発光素子に接続された、前記発光素子に電気信号を供給するための送信用端子と、
   を有し、
   前記実装面の一辺に対向する辺のみに前記光信号の入出力口が設けられた
   ことを特徴とする光モジュール。
2. 前記発光素子は、前記実装面の一辺に対向する辺の近傍に設けられることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記受光素子、前記発光素子、前記受信用端子、および前記送信用端子の組が、それぞれ略同一の構成で、前記受信用端子の配置方向に沿って前記基体に複数並べられてなることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
4. 前記基体と前記受光素子と前記発光素子とは、光ファイバが接続される光ファイバ接続部を備えたパッケージに収容され、
   前記発光素子および前記受光素子と前記光ファイバ接続部とは、前記基体の実装面に実装された光導波路によって接続されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光モジュール。
5. 導電層が絶縁層に挟まれてなる基板と、
   前記基板に実装された請求項１から４のいずれかに記載の光モジュールと、
   前記光モジュールと同一面に実装され、前記受光素子から出力される電気信号を増幅および整形する増幅回路と、
   前記光モジュールが実装された面の裏面に実装され、前記発光素子に電気信号を供給する駆動回路と、
   を有することを特徴とする光通信用送受信回路。