JP4228619B2

JP4228619B2 - Optical receiver module

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Publication number: JP4228619B2
Application number: JP2002237516A
Authority: JP
Inventors: 直樹西山
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-08-16
Filing date: 2002-08-16
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2024-02-25
Also published as: JP2003069051A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信分野で用いられる光受信モジュ−ルに関する。光受信モジュ−ルというのは、光ファイバによって送信されて来た光信号を電気信号に変換するものである。受光素子、プリアンプ、コンデンサをパッケ−ジに取り付け、窓付きのキャップで封止し、キャップの前端には光ファイバ先端のフェル−ルを挿入するためのスリ−ブが固定されている。キャップの窓にはレンズを設けて光ファイバから出た光を収束させることが多い。受光素子であるフォトダイオ−ドとこの信号を増幅するためのプリアンプが同一パッケ−ジ内にあるのでモジュ−ルと呼ぶ。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光受信装置は、フォトダイオ−ドチップをパッケ−ジに収容したものが用いられた。フォトダイオ−ドが光信号を電気信号に変換し、これをピンに出力し、これをプリント基板などに取り付けたプリアンプによって増幅する。しかしこれでは微弱な信号が長い線路を伝搬することになり雑音が入りやすい。とくに高周波の場合に、細い線路によるＬ分のために信号が歪む。
【０００３】
そこで外部の雑音の影響をできるだけ受けないようにするため、光を受けるフォトダイオ−ドと、フォトダイオ−ドの受信信号を増幅する回路（以下プリアンプと呼ぶ）とを一つのパッケ−ジ上に近接して実装する方法が提案されている。このような光受信モジュ−ルとして、例えば次の提案がなされている。
【０００４】
▲１▼堀米信良、守谷薫、織田巌、菊池英治、千葉清四、「Ｐｒｅ−Ａｍｐ内蔵ＰＤモジュ−ル」１９９０年電子情報通信学会春季全国大会予稿集４分冊Ｃ２７１、４−３２６ペ−ジ（図３に示す）
【０００５】
これはフォトダイオ−ドとプリアンプを設けた基板をステム３０に取り付けたものである。ステム３０にはキャップ３１を位置決めしてレ−ザ溶接する。キャップ３１の開口にはレンズ３２が予め取り付けられている。キャップ３１の前端にはレセプタクル３３を位置決めしてレ−ザ溶接する。フォトダイオ−ドはＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮフォトダイオ−ドである。プリアンプはＳｉバイポ−ラ型のものを使う。
【０００６】
光ファイバはコア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍのグレ−デッドインデクスファイバを使っている。このモジュ−ルの大きさは直径が１０ｍｍ長さは１４ｍｍである。−３ｄＢ遮断周波数は２００ＭＨｚであるという。平坦な周波数特性でピ−キングも見られないし、１００Ｍｂｉｔ／ｓ帯光リンクのために十分な特性が得られたと述べている。フォトダイオ−ドとプリアンプは基板の上に設置し、電極間をワイヤボンデイングによって接続してある。このように素子パッケ−ジの内部にプリアンプを合体して高速応答性、信頼性を高揚するのが目的である。
【０００７】
▲２▼澤井義一、守谷薫、平尾昌彦、北相模博男、「プリアンプ内蔵ＰＤモジュ−ル」１９９３年電子情報通信学会春季全国大会予稿集４分冊Ｃ−１８６、４−２２２ペ−ジ（図４に示す）
【０００８】
これは、フォトダイオ−ドとプリアンプをステム４０に取り付け、この上にレンズ付きキャップ４１を位置決めし固定したものである。キャップ４１の上にはレセプタクル（ホルダ）がありここに、ファイバＡＳ４２が差し込まれている。これがナットにより抜け止め固定される。プリアンプはＳｉバイポ−ラ型の素子を使っている。フォトダイオ−ドは受光径８０ΦμｍのＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮＰＤである。高感度を必要とする場合は、ＧａＡｓ−ＦＥＴをプリアンプにし、受光径５０μｍΦのＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮＰＤをフォトダイオ−ドに用いた。光ファイバはコア径１０μｍ、クラッド径１２５μｍのシングルモ−ドファイバである。フランジを除くこのモジュ−ルの大きさは、直径が７ｍｍ、長さが２４ｍｍである。
【０００９】
これらの提案は、パッケ−ジに受光素子とプリアンプをまとめて収容し信号線を短くしてノイズの混入を防いでいる。これらの光受信モジュ−ルの場合、フォトダイオ−ドの受信信号の増幅用のプリアンプはこれ専用のＩＣ（集積回路）を作成して用いることが多い。図３、図４はパッケ−ジに対するプリアンプ、フォトダイオ−ドの取り付け部分が明確でない。フォトダイオ−ド、プリアンプ取り付けを明らかにした二つの例を次に説明する。
【００１０】
▲１▼図５は従来例に係る光受信モジュ−ルの断面斜視図である。パッケ−ジ１は市販のものを使う。フォトダイオ−ド３、プリアンプＩＣ４が基板１５の上に取り付けられる。基板１５には電源パタ−ン１６とグランドパタ−ン１７が形成される。電源パタ−ン１６と電源端子１１がワイヤで接続される。フォトダイオ−ド３の上部のリング電極がワイヤによってプリアンプＩＣ４の入力端子に接続される。グランドパタ−ンはワイヤによりパッケ−ジに接続される。
【００１１】
チップコンデンサ１８が、電源パタ−ン１６とグランドパタ−ン１７を跨ぐように設けられ両者に半田付けされている。フォトダイオ−ドはパッケ−ジの上面の中心にあり、その両側にプリアンプ４とチップコンデンサ１８が設けられる。プリアンプ４の増幅後の信号は信号出力端子１２から外部に取り出される。
【００１２】
パッケ−ジ１の上面には、レンズ６の付いたキャップ７が固定される。フォトダイオ−ドの受光面とレンズの中心を合わせてレ−ザで溶接する。キャップ７の外側には、フェル−ル固定用のスリ−ブ８が位置決めして溶接される。スリ−ブは、光ファイバ先端のフェル−ルを差し込んで保持することができる。
【００１３】
▲２▼図６は他の従来例に係る光受信モジュ−ルの断面斜視図である。これはパッケ−ジ１の上面５に特別のパタ−ン１９、２０を形成するものである。グランドパタ−ン１９は長方形の金属でできており、その直下においてケ−ス端子１０に接続されている。電源パタ−ン２０は弓形の金属でできており直下の電源端子１１に接続される。パッケ−ジ１はリング上の導体と、３本のピン（端子）１０、１１、１２とこれらを絶縁しながら結合する絶縁体１３（打点によって表す）よりなる。絶縁体１３はこれらの部材を結合し、しかも内部を封止する作用がある。このようにピンも特殊で、パッケ−ジは特別製である。
【００１４】
中央のケ−ス端子１０につながるグランドパタ−ン１９の上に、プリアンプ４、フォトダイオ−ド３が搭載される。フォトダイオ−ドの裏面はカソ−ドであるので、グランドから浮かす必要がある。このために絶縁スペ−サ９をグランドパタ−ン１９の上に付けてこの上にフォトダイオ−ド３を取り付ける。電源パタ−ン２０は、ワイヤにより絶縁スペ−サの上面（金属蒸着膜）に接続され、これからフォトダイオ−ドの基板に接続されることになる。電源パタ−ン２０はワイヤによりプリアンプ４に接続される。
【００１５】
これらのモジュ−ルはいずれも図９に示すような回路を実現している。電源端子１１とグランド１０の間にコンデンサの両極、プリアンプの電源端子、グランド端子が接続される。プリアンプの出力が信号出力端子１２に接続される。フォトダイオ−ドのカソ−ドが電源につながり、アノ−ドがプリアンプに接続される。図５のモジュ−ルでは電源線１６がパタ−ン１６となり、グランド線１７がパタ−ン１７となる。図６のモジュ−ルでは電源パタ−ン２０とグランドパタ−ン１９となる。図２の例を除き、図９の等価回路はいずれの光受信モジュ−ルにも共通である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
このように光受信モジュ−ルでは、フォトダイオ−ドとプリアンプとを一つのパッケ−ジ内に近接して設ける。さらに光受信モジュ−ルの性能を安定させるためにフォトダイオ−ド及びプリアンプの駆動電源とグランドの間にコンデンサを設ける。これは電源の交流抵抗を下げるとともに、電源にノイズフィルタを形成し、雑音が電源を伝って入るのを有効に防止する。もちろんピンによって接続される電源（図示せず）には大きい容量のコンデンサがあり、電源のインピ−ダンスを下げている。しかし、ピンやワイヤのＬ分のために交流抵抗が介在し、電源インピ−ダンスを実効的に上げてしまう。これを防ぐには、フォトダイオ−ドやプリアンプのごく近くにコンデンサを入れる必要がある。このためにパッケ−ジにコンデンサを入れるのである。
【００１７】
従来構造は、既に説明したように、次のようなものである。
▲１▼ パッケ−ジ上にコンデンサ、フォトダイオ−ド、プリアンプを並べて実装できるような小さな基板１５を取り付ける構造（図５）。
▲２▼ コンデンサ、フォトダイオ−ド、プリアンプを並べて実装できるようなパタ−ン１９、２０を持った専用のパッケ−ジを用いる構造（図６）。
【００１８】
しかしこれらの実装方法にはそれぞれ難点がある。▲１▼は基板を用いるので実装工程が複雑になる。▲２▼は専用の複雑な形状（パタ−ン１９、２０）のパッケ−ジを作るためコスト高になるという問題があった。それにコンデンサ、フォトダイオ−ドが平面的に配置されているために広い面積を必要とし、パッケ−ジが大型化するという共通の難点がある。このために、製造工程が簡単で小型の光受信モジュ−ルを実現することができない。
【００１９】
これらの欠点を克服し、製造工程が簡単で小型の光受信モジュ−ルを実現することが本発明の目的である。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
これらの問題は、フォトダイオ−ド、プリアンプの駆動電源の交流抵抗を下げ、電圧を平滑化し、雑音を除くためのフィルタとして使用するバイパスコンデンサを巧みに配置することにより解決することができる。
【００２１】
本発明の光受信モジュ−ルは、ケース端子と信号出力端子と電源端子を有し金属表面を有するパッケージと、電源とグランドの間に接続され、表面電極と前記パッケ−ジの中央に取り付けられた裏面電極とを有する平行平板コンデンサと、光ファイバからの光信号を光電流に変換し、前記平行平板コンデンサの前記表面電極に接着した電源面を有し、前記平行平板コンデンサの前記表面電極上において前記パッケ−ジの中央に合致するように位置決めされたフォトダイオ−ドと、パッケージ上において位置合わせされて取り付けられた金属キャップとを備え、前記パッケ−ジの径は７ｍｍ未満であり、前記平行平板コンデンサと前記フォトダイオ−ドの積み重ね構造を備える。
また、本発明の光受信モジュ−ルは、前記平行平板コンデンサを前記パッケージ上に取り付ける第１の半田と、前記平行平板コンデンサ上に前記フォトダイオードを取り付ける第２の半田とを更に備えることができる。前記第１の半田の融点Ｔｃ１は、前記第２の半田の融点Ｔｃ２より大きい。
さらに、本発明の光受信モジュ−ルでは、前記第１の半田の前記融点Ｔｃ１と前記第２の半田の前記融点Ｔｃ２とが２０度以上異なることが好ましい。また、前記第１の半田が金錫（ＡｕＳｎ）であり、前記第２の半田が錫鉛（ＳｎＰｂ）であることが好ましい。
またさらに、本発明の光受信モジュ−ルは、前記フォトダイオードの出力端子に接続されており、前記パッケージの周辺部に取り付けられたプリアンプを更に備えることができる。
本発明の光受信モジュ−ルは、パッケ−ジの中央に平行平板コンデンサを取り付けこの上にフォトダイオ−ドを重ねて接着してなるものである。平行平板コンデンサの上面をフォトダイオ−ドの電源面とする。平行平板コンデンサとフォトダイオ−ドを積み重ねるので、コンデンサのための取り付け面積を殆ど必要としない。フォトダイオ−ド／コンデンサの積み重ね構造に本発明の特徴がある。平行平板コンデンサは誘電体を金属電極で両側から挟んだものであり、フォトダイオ−ドは下面が電源に接続されるべきものであるから、平行平板コンデンサをパッケ−ジに付け、これを電源面にしてこの上にフォトダイオ−ドを載せるということが可能になる。
【００２２】
【作用】
本発明は、平行平板型のコンデンサをパッケ−ジ中央に付け、この上にフォトダイオ−ドを載せる。コンデンサを取り付ける面積を削減でき、コンデンサと電源線、コンデンサとグランド線を接続するための配線パタ−ンも不要になる。素子を小型にすることができる。また部品を減らすことにより製造工程が簡略化される。
【００２３】
本発明においては、平行平板コンデンサの使用が最も重要なポイントである。これを使うので、受光素子をその上に載せることができる。従来電子部品の上にまた部品を載せるというようなことはなされず、部品同志は必ず二次元的に基板の上、あるいはパッケ−ジの上に配置されたものである。三次元的な配置を可能にしたのは平行平板コンデンサである。
【００２４】
それゆえ平行平板コンデンサを予め説明する必要があろう。コンデンサは容量や耐圧の違いによりさまざまのものが昔から製造され広く使用されている。容量の小さいｐＦのオ−ダ−のものはチタン、タンタルなどの誘電体を使う。マイラ−コンデンサはさらにμＦ程度までのものが作られる。さらに容量の大きい電源安定用には電解コンデンサを使う。容量を十分に大きくするために、誘電体を金属膜で挟んだ帯状の材料を筒状に巻いている。
【００２５】
耐圧や容量による種類分けの他に、外部との接続機構によっても分けられる。最も広く使われているコンデンサは、２本の平行なピンによって外部回路に接続するようにしたものである。裏面に銅メッキのパタ−ンを有するプリント基板に穴を開けて、これにピンを差し込み裏で半田付けし、余分の長さを切り取る。ハイブリッドＩＣなどではチップコンデンサが利用される。これは直方体形状で両端が電極になっており、パタ−ンの上に於いてリフロ−炉に入れて加熱し半田付けする。ピンを立てる必要がないので体積を小さくできるし、パタ−ンに穴を開ける必要もない。これらのコンデンサは既に長年の実績がある。
【００２６】
コンデンサは誘電体を２枚の金属で挟んだものである。電気の教科書には平行平板のコンデンサの概念図が描いてある。コンデンサの基本形は平行平板である。しかし実際に平行平板型のコンデンサが古くから用いられたのではない。容量は誘電体の面積に比例し、厚みに反比例する。誘電率にも比例する。従来は容量を取るために誘電体を巻き付けていた。ピン型でもチップ型でも内部は、単純な平行平板ではない。ところが十分に薄い漏れのない誘電体膜を作成できるようになったので、狭い面積でも十分な容量を得ることができるようになってきた。このために誘電体１層を金属電極２層によって挟んだ、原理に忠実な平行平板コンデンサが最近になって製造できるようになってきた。
【００２７】
例えばｄｉ−ｃａｐという商標名で、アメリカのDIELECTRIC LABORATORIES INC.が製造販売している。セラミックの誘電体を金層（Ａｕ）で挟んでいる。金にするのは銅パタ−ンに直接半田付けできるようにするためである。薄い直方体をしていて、両面が電極であるから、マイクロストリップラインに直接に載せて半田付けすることができる。ラインの幅と平行平板コンデンサの幅を同一にすることにより、自己誘導Ｌを減らすことができここでの反射をなくすことができる。
【００２８】
抵抗の低い金属層が誘電体に接触しており、外部回路との接続に細いワイヤ等を使わないのでＬ分が小さく、周波数が高くて分布定数回路の取り扱いが適するような高周波回路で有効である。幅Ｗは０．２５４ｍｍ〜２．２８６ｍｍ、長さＬは０．２５４ｍｍ〜２．５４０ｍｍ、厚さＴは０．１０２ｍｍ〜０．２５４ｍｍである。耐圧は５０Ｖ用と１００Ｖ用がある。耐圧１００Ｖのものは５０Ｖのものより厚みが５０％程度厚い。容量は６８ｐＦ〜１５００ｐＦまである。直流抵抗は１０⁶ＭΩ以上である。
【００２９】
例えば耐圧５０Ｖで６８ｐＦの場合、Ｗ＝０．２５４ｍｍ、Ｌ＝０．２５４ｍｍ、Ｔ＝０．１０２ｍｍである。耐圧５０Ｖ用で４７０ｐＦの平行平板コンデンサは、Ｗ＝０．６３５ｍｍ、Ｌ＝０．７６２ｍｍ、Ｔ＝０．１０２ｍｍである。誘電体の厚みが限定されているので、容量が異なるとサイズも異なってくる。図１１は平行平板コンデンサの斜視図である。金属５０、誘電体５１、金属５２を単純に積層した構造になっている。ピン付きコンデンサやチップコンデンサとは外形が全く異なり、外部回路との接続構造も全く違う。
【００３０】
図１２は二つの導体パタ−ン５５、５６の間にコンデンサ２を接続する場合の例を４つ示している。▲１▼は導体パタ−ン５６と同じ幅を持つ平行平板コンデンサを一方のパタ−ン５６の端にぴったりと半田付けする。コンデンサ２の下面の全体がパタ−ン５６に接続される。上面と他のパタ−ン５５とをワイヤ５７によって接続する。▲２▼は２本のワイヤを用いて平行平板コンデンサの上面と、他のパタ−ンとを接続している。▲３▼は３本のワイヤを使っている。▲４▼は金属の薄い板により平行平板コンデンサ上面と他のパタ−ンとをつないでいる。
【００３１】
多くのワイヤを使うと直流抵抗が下がり、線路の誘導Ｌが下がるので、信号の遅延、歪み、反射等を防ぐことができる。Ｌ、Ｒが最小であるので、▲４▼が平行平板コンデンサの接続方法としては最も望ましい。
【００３２】
図１３に示すように二つの平行平板コンデンサ６１、６２を、マイクロストリップライン６３と、グランド面６４、６５の間に入れるために、ボンデイングストライプ６６を用いている。コンデンサ６１、６２の下面の全体がグランド面に接着され、上面が広いストライプ６６で、ライン６３に接続されている。ために線路（ストライプ）の自己誘導Ｌが極めて小さくなっている。このように平行平板コンデンサは電極面積が広く直接に導体パタ−ンと半田付けできるので、中間の線路（ワイヤや細い導体、プリントパタ−ン）を介在させることによる交流抵抗の増加を抑制できる。高周波回路に最適である。
【００３３】
図１４に示すような結合も可能である。６８、６９は電源パタ−ンである。６７がグランドラインである。この間に平行平板コンデンサ７０を入れている。コンデンサの下面を直接グランド面に半田付けし、上面は２本ずつのワイヤにより異なる電源面６８、６９に接続される。
【００３４】
平行平板コンデンサはこのように新型の小型のコンデンサである。グランドと電源線の間に挿入されて、ノイズを取る作用がある。いずれの場合も、下面をパタ−ンに半田付けし、上面はワイヤか金属箔であるストライプにより他のパタ−ンに接続される。これが平行平板コンデンサの接続方法である。他の利用法、他の配置はこれまで試みられていない。本発明のように平行平板コンデンサの上に他のデバイスを載せるような取り付け方法は、曾て試みられたことがない。
【００３５】
【実施例】
本発明の光受信モジュ−ルは、平行平板コンデンサの上にフォトダイオ−ドを積み重ねて、必要面積を節約し、部品点数を減らし、工程を減らしている。
【００３６】
以下、実施例を示す図面によって説明する。図１は本発明の実施例に係る受信モジュ−ルの斜視図である。パッケ−ジとしては、直径５．６ｍｍφの汎用３ピンパッケ−ジ１を用いている。これは通常のトランジスタなどに使われる有りふれたパッケ−ジである。３つのピン１０、１１、１２を有する。
【００３７】
１本はパッケ−ジのケ−スと繋がっており、ア−スを兼ねるパッケ−ジのケ−ス端子１０である。次の１本は電源ピン１１である。最後の１本は信号出力ピン１２である。ケ−ス端子１０はパッケ−ジに半田付けされ一体化している。パッケ−ジ１の上面５には、電源端子１１、信号出力端子１２の上端が突出している。ケ−スとの間には絶縁物１４、１３があり、これらのピンをケ−スに対して絶縁しつつ保持する作用がある。
【００３８】
パッケ−ジに上には静電容量が４７０ｐＦの平行平板コンデンサがＡｕＳｎ（金錫）半田によって固定されている。コンデンサの大きさは約０．９ｍｍ×１．０ｍｍ×０．１ｍｍである。平行平板コンデンサであるので下面と上面が電極である。下面が直接にグランド面であるパッケ−ジに半田付けされる。この金錫半田の融点は２８６℃である。コンデンサの上面が他の電極になっている。
【００３９】
平行平板コンデンサ２の電極面である上面には、フォトダイオ−ド３がパッケ−ジ中央に合致するよう位置決めされた後、半田付けされる。半田はＳｎＰｂ（錫鉛）であり、この例では融点が２４０℃のものを使っている。
【００４０】
２種類の半田の融点の違いはこの構造を実現する上において重要である。パッケ−ジに平行平板コンデンサの下面を取り付ける半田を第１半田と呼ぶことにする。これの融点をＴｃ１とする。平行平板コンデンサの上面とフォトダイオ−ドの下面を接合する半田を第２半田と呼ぶことにする。これの融点をＴｃ２とする。第１半田でコンデンサをパッケ−ジに付けた後、コンデンサの上にフォトダイオ−ドを第２半田で付けるのであるから、当然Ｔｃ１＞Ｔｃ２でなければならない。反対であると、第２半田を溶かす時に第１半田が解けてしまい、平行平板コンデンサの位置がずれてしまうからである。半田の融点の差は２０℃以上あるのが望ましい。上の例ではＴｃ１＝２８６℃、Ｔｃ２＝２４０℃であるからこの条件を満足している。金錫と錫鉛の半田の組合せ以外にもこのような組合せは可能である。
【００４１】
図１６は平行平板コンデンサ２とフォトダイオ−ド３の実装構造を示す断面図である。パッケ−ジ１の上に、平行平板コンデンサ２がＡｕＳｎ半田８１により固定される。平行平板コンデンサ２は金属５２を下面全体に有するので全面で半田付けされる。平行平板コンデンサ２の上にＳｎＰｂ半田８２によってフォトダイオ−ド３が半田付けされる。フォトダイオ−ドの下面は全体が金属膜（金層）９１（ｎ側電極）になっているので、直接に、全体的に半田付けされる。
【００４２】
平行平板コンデンサ２の下面電極５２はグランド電位に、上面電極５０は電源電位になる。ワイヤ２１によって上面５０が電源ピン１１に接続される。
【００４３】
このフォトダイオ−ド３は低抵抗のｎ型基板の上に形成したものである。フォトダイオ−ドは任意の種類のものを使うことができる。つまり基板はＧａＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰなど受光素子になり得るものであれば良い。ここに示す例は低抵抗ｎ型基板９２、バッファ層９３、受光層９４、窓層９５を積層し中央部に拡散によりｐ型領域９６を形成している。ｐ型領域の周囲にリング状Ｐ側電極９７を形成している。９９は保護膜、９８は反射防止膜である。リング状Ｐ側電極にはワイヤ２３がボンデイングされている。これが信号の出力端子になり、プリアンプに接続される。
【００４４】
パッケ−ジ１上面５の周辺部にはプリアンプＩＣ４がダイボンドされる。これらの部品は、平行平板コンデンサ２、プリアンプＩＣ４、フォトダイオ−ド３の順でパッケ−ジに取り付けられる。部品実装後、太さ２０μｍの金（Ａｕ）ワイヤにより、回路の接続をした。
【００４５】
５本の金ワイヤ２１〜２５が次の５つの端子の組を接続する。
▲１▼ 電源ピンと平行平板コンデンサの上面（ワイヤ２１）
▲２▼ 平行平板コンデンサの上面とプリアンプＩＣの電源端子（ワイヤ２２）
▲３▼ フォトダイオ−ドの信号出力端子（アノ−ド端子）とプリアンプＩＣの入力端子（ワイヤ２３）
▲４▼ プリアンプＩＣの出力端子とパッケ−ジの信号出力ピン（ワイヤ２５）
▲５▼ プリアンプＩＣの接地端子からパッケ−ジ本体（ワイヤ２４）
【００４６】
このようにして組み立てられたパッケ−ジ１上に、乾燥窒素雰囲気中で球レンズ６付き金属キャップ７を取り付ける。まずフォトダイオ−ドに入射する光強度が最大となるように位置合わせし、抵抗溶接法により溶接固定する。レ−ザ溶接でも差し支えない。
【００４７】
さらに、光コネクタのフェル−ルを差し込み固定するためのフェル−ル固定用スリ−ブをパッケ−ジ上で位置決めする。最適位置でスリ−ブをパッケ−ジに溶接固定し、光受信モジュ−ルを完成した。この構造ではスリ−ブがパッケ−ジに取り付けられる。しかし、スリ−ブをキャップに固定するようにしても良い。
【００４８】
本発明では、パッケ−ジの中心部分の直径３．０ｍｍの領域に全ての必要な部品を実装することができた。であるから、パッケ−ジの直径は５．６ｍｍのものを使うことができる。従来のものに比べて狭い面積の汎用パッケ−ジを使用できる。
【００４９】
従来構造の場合は、コンデンサとフォトダイオ−ドが別異の場所に取り付けられるから部品の取り付け面積をより多く必要とする。どのようにしても、直径４．０ｍｍ以上の領域を必要とする。パッケ−ジは１０ｍｍΦとか８ｍｍΦのものを必要としていた。最小でも７ｍｍΦのパッケ−ジが必要であった。
【００５０】
本発明は部品の実装面積を縮小することにより、光受信素子の小型化が可能である。また光受信素子の絶縁スペ−サが不要になるので、部品点数を減らすことにより製造工程を簡略化することができる。
【００５１】
本発明の光受信モジュ−ルの性能を評価するために、１２５Ｍビット／秒で動作する光受信素子の周波数特性を測定した。その結果を図１５に示す。同じ図に従来例に係る光受信モジュ−ルの性能をも示す。実線は本発明によるものである。破線が従来例によるものである。１５０ＭＨｚ以上まで平坦な信号出力が得られる。３ｄＢ遮断周波数は２００ＭＨｚである。従来例は９０ＭＨｚまで平坦であるが、１００ＭＨｚでピ−クが出ている。３ｄＢ遮断周波数は１３０ＭＨｚである。本発明による装置は従来例と同等以上の高周波性能が得られるということがわかる。
【００５２】
以上に記載した実施例は、パッケ−ジとフォトダイオ−ドの間に実装されたコンデンサをフォトダイオ−ドとプリアンプＩＣの共通の駆動電源のバイパスコンデンサとして利用する例である。
【００５３】
この他にもコンデンサをフォトダイオ−ドのみ、或いはプリアンプのみのバイパスコンデンサとして利用することもできる。図２はフォトダイオ−ドのみのバイパスコンデンサとする例を示す。電源を別にするために、４ピンのパッケ−ジが用いられる。そして電源端子を２つに分けて、フォトダイオ−ド３とプリアンプ４の駆動電源を別々に取るようにする。この場合、フォトダイオ−ド３とパッケ−ジ１の間にある平行平板型のコンデンサ２をフォトダイオ−ド３の駆動電源のみのバイパスコンデンサとして利用する。図２は斜視図で、図１０は回路図である。
【００５４】
図２において、パッケ−ジ１の上面中央に平行平板コンデンサ２が半田付け（金錫）され、その上にフォトダイオ−ド３が半田付け（錫鉛）される。周辺部にプリアンプＩＣ４がやはり半田付けされる。プリアンプ４の底面、平行平板コンデンサ２の底面はケ−スに直付けされるのでグランド電位である。フォトダイオ−ド電源ピン１１と平行平板コンデンサ２の上面がワイヤ２１で接続される。プリアンプ電源ピン２７とプリアンプ４の電源用パッドがワイヤ２８によって接続される。
【００５５】
他の点は図１のものと同じである。フォトダイオ−ド３のリング電極がプリアンプの入力パッドにワイヤ２３で接続される。プリアンプ４の信号出力パッドがワイヤ２５により信号出力端子１２につながれる。プリアンプの底面がグランドでない場合はワイヤ２４でプリアンプのグランドパッドがワイヤ２４によってケ−スに接続される。
【００５６】
本発明において、フォトダイオ−ドはｎ型低抵抗基板の上に作製された物に限らない。ｐ型基板の上に作製されたフォトダイオ−ドでも良い。この場合は、電極が負電圧になるし、回路の各部品の極性が反対になる。また、ＧａＡｓのフォトダイオ−ドのように、半絶縁性の基板の上に作製されたものであったも良い。この場合は基板を通して電流が流れないので、フォトダイオ−ド上面の電極とその直下のコンデンサをワイヤで接続する必要がある。さらに駆動電圧も＋５Ｖに限定されない。
【００５７】
さらにパッケ−ジとしては直径５．６ｍｍφの汎用パッケ−ジに限らず、さまざまな形状、ピン数のパッケ−ジを使うことができる。何れにしても実装面積をより狭くでき、部品点数を減らすことができる。
平行平板型のコンデンサもさまざまの形状、容量のものが可能である。また回路接続用のワイヤは金（Ａｕ）に限定されるものではない。アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）などのワイヤを用いることもできる。その張り方も上記の実施例に限定されるものではない。
【００５８】
本発明は平行平板型のコンデンサの上にフォトダイオ−ドを実装することにより、光受信モジュ−ルの小型化、実装工程の簡略化という効果をあげることができる。
平面図によって比較すると、より明らかである。図７は図１に示す本発明の実施例のパッケ−ジの上面を示す。図８は図５の従来例のパッケ−ジの平面図である。面積の違いがよく分かる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明は、平行平板型のコンデンサをパッケ−ジに取り付けこの上にフォトダイオ−ドを実装している。このように実装方法を工夫してコンデンサの上に他の素子を置くというのはこれまでにない構成である。これにより実装面積を縮小することができるので、素子を小型化することができる。図５の特別の基板や図６のスペ−サを省くことができ、実装工程を単純化することができる。本発明は、小型で、低価格、高性能の光受信モジュ−ルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る光受信モジュ−ルの中央断面斜視図。
【図２】本発明の第２の実施例に係る光受信モジュ−ルの中央断面斜視図。
【図３】１９９０年電子情報通信学会春季大会Ｃ−２７１、第４分冊３２６頁に記載のプリアンプ内蔵ＰＤモジュ−ルの一部縦断側面図。
【図４】１９９３年電子情報通信学会春季大会Ｃ−１８６、第４分冊２２２頁に記載のプリアンプ内蔵ＰＤモジュ−ルの一部縦断側面図。
【図５】電源パタ−ンとグランドパタ−ンを描いた基板にコンデンサ、フォトダイオ−ド、プリアンプを固定する従来例に係る光受信モジュ−ルの中央縦断斜視図。
【図６】電源パタ−ン付きのピンとグランドパタ−ン付きのピン、及び信号ピンを円筒状のパッケ−ジ本体と絶縁体で結合してなる従来例に係る光受信モジュ−ルの中央縦断斜視図。
【図７】図１に示す実施例のパッケ−ジ上面の平面図。
【図８】図５に示す従来例のパッケ−ジ上面の平面図。
【図９】図１に示す本発明の実施例に係るモジュ−ルの回路図。
【図１０】図２に示す本発明の他の実施例に係るモジュ−ルの回路図。
【図１１】平行平板コンデンサの斜視図。
【図１２】平行平板コンデンサを２本のマイクロストリップラインの間に取り付ける構造を示す４つの例。
【図１３】２つの平行平板コンデンサを、二つのグランド面と１本の導体パタ−ンの間に挿入する場合の部品取り付け図。
【図１４】３つの導体パタ−ンの間に平行平板コンデンサを取り付ける例を示す部品取り付け図。
【図１５】本発明の実施例に係るモジュ−ルの周波数特性を示すグラフ。
【図１６】本発明の実施例に係る実装構造であって、パッケ−ジの上に半田により平行平板コンデンサを取り付けさらに半田により受光素子を取り付けた構造の断面図。
【符号の説明】
１パッケ−ジ
２平行平板コンデンサ
３フォトダイオ−ド
４プリアンプＩＣ
５パッケ−ジ上面
６レンズ
７キャップ
８フェ−ル−ル固定用スリ−ブ
９絶縁スペ−サ
１０パッケ−ジのケ−ス端子
１１電源端子
１２信号出力端子
１３絶縁体
１４絶縁体
１５基板
１６電源パタ−ン
１７グランドパタ−ン
１８チップコンデンサ
１９グランドパタ−ン
２０電源パタ−ン
２１ワイヤ
２２ワイヤ
２３ワイヤ
２４ワイヤ
２５ワイヤ
２７プリアンプ電源端子
２８ワイヤ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical receiving module used in the field of optical communication. The optical receiving module converts an optical signal transmitted by an optical fiber into an electric signal. A light receiving element, a preamplifier, and a capacitor are attached to the package, sealed with a cap with a window, and a sleeve for inserting a ferrule at the tip of the optical fiber is fixed to the front end of the cap. In many cases, the cap window is provided with a lens to converge the light emitted from the optical fiber. A photodiode, which is a light receiving element, and a preamplifier for amplifying this signal are in the same package, so that it is called a module.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an optical receiving device in which a photodiode chip is accommodated in a package has been used. A photodiode converts an optical signal into an electrical signal, outputs it to a pin, and amplifies it by a preamplifier attached to a printed circuit board or the like. However, in this case, a weak signal propagates through a long line, and noise is likely to enter. Especially in the case of high frequency, the signal is distorted due to the L portion due to the thin line.
[0003]
Therefore, in order to minimize the influence of external noise, a photodiode that receives light and a circuit that amplifies the received signal of the photodiode (hereinafter referred to as a preamplifier) are combined on one package. A method of mounting in close proximity has been proposed. As such an optical reception module, for example, the following proposal has been made.
[0004]
(1) Noriyoshi Horime, Satoshi Moriya, Satoshi Oda, Eiji Kikuchi, Kiyosuke Chiba, “Pre-Amp Built-in PD Module”, 1990 Proceedings of the IEICE Spring National Convention, Volume C271, pages 4-326 (Shown in Figure 3)
[0005]
In this example, a substrate provided with a photodiode and a preamplifier is attached to the stem 30. A cap 31 is positioned on the stem 30 and laser welded. A lens 32 is attached to the opening of the cap 31 in advance. A receptacle 33 is positioned at the front end of the cap 31 and laser welded. The photodiode is an InGaAs-PIN photodiode. A preamplifier of the Si bipolar type is used.
[0006]
As the optical fiber, a graded index fiber having a core diameter of 50 μm and a cladding diameter of 125 μm is used. The module is 10 mm in diameter and 14 mm in length. The -3 dB cutoff frequency is 200 MHz. It states that no peaking is observed with a flat frequency characteristic, and that sufficient characteristics are obtained for a 100 Mbit / s band optical link. The photodiode and the preamplifier are installed on the substrate, and the electrodes are connected by wire bonding. The purpose is to enhance the high-speed response and reliability by combining the preamplifier in the element package.
[0007]
(2) Yoshiichi Sawai, Jun Moriya, Masahiko Hirao, Hiroo Kitasami, “PD module with built-in preamplifier” 1993 IEICE Spring National Conference Proceedings Vol. 4 C-186, pages 4-222 (Figure) (Shown in 4)
[0008]
In this example, a photodiode and a preamplifier are attached to a stem 40, and a cap 41 with a lens is positioned and fixed thereon. There is a receptacle (holder) on the cap 41, and a fiber AS42 is inserted therein. This is secured by a nut. The preamplifier uses a Si bipolar type element. The photodiode is an InGaAs-PINPD having a light receiving diameter of 80 [Phi] m. When high sensitivity was required, a GaAs-FET was used as a preamplifier, and InGaAs-PIN PD having a light receiving diameter of 50 μmΦ was used for the photodiode. The optical fiber is a single mode fiber having a core diameter of 10 μm and a cladding diameter of 125 μm. The size of this module, excluding the flange, is 7 mm in diameter and 24 mm in length.
[0009]
In these proposals, a light receiving element and a preamplifier are collectively accommodated in a package, and a signal line is shortened to prevent noise from being mixed. In the case of these optical receiving modules, a preamplifier for amplifying the received signal of the photodiode is often used by creating a dedicated IC (integrated circuit). In FIGS. 3 and 4, the preamplifier and the photodiode are not clearly attached to the package. Next, two examples in which the photodiode and preamplifier mounting are clarified will be described.
[0010]
(1) FIG. 5 is a cross-sectional perspective view of a conventional optical receiving module. Package 1 is commercially available. A photodiode 3 and a preamplifier IC 4 are mounted on the substrate 15. A power pattern 16 and a ground pattern 17 are formed on the substrate 15. The power supply pattern 16 and the power supply terminal 11 are connected by a wire. The ring electrode at the top of the photodiode 3 is connected to the input terminal of the preamplifier IC 4 by a wire. The ground pattern is connected to the package by a wire.
[0011]
A chip capacitor 18 is provided so as to straddle the power pattern 16 and the ground pattern 17 and is soldered to both. The photodiode is at the center of the upper surface of the package, and the preamplifier 4 and the chip capacitor 18 are provided on both sides thereof. The amplified signal of the preamplifier 4 is taken out from the signal output terminal 12 to the outside.
[0012]
A cap 7 with a lens 6 is fixed to the upper surface of the package 1. The photodiode light receiving surface and the center of the lens are aligned and welded with a laser. A ferrule fixing sleeve 8 is positioned and welded to the outside of the cap 7. The sleeve can be inserted and held with a ferrule at the tip of the optical fiber.
[0013]
(2) FIG. 6 is a cross-sectional perspective view of an optical receiving module according to another conventional example. This is to form special patterns 19 and 20 on the upper surface 5 of the package 1. The ground pattern 19 is made of a rectangular metal and is connected to the case terminal 10 immediately below the ground pattern 19. The power pattern 20 is made of an arcuate metal and is connected to the power terminal 11 directly below. The package 1 includes a conductor on the ring, three pins (terminals) 10, 11, and 12 and an insulator 13 (represented by a dot) that couples them while insulating them. The insulator 13 has a function of bonding these members and sealing the inside. In this way, the pin is also special, and the package is specially made.
[0014]
On the ground pattern 19 connected to the central case terminal 10, the preamplifier 4 and the photodiode 3 are mounted. Since the back side of the photodiode is a cathode, it is necessary to float from the ground. For this purpose, an insulating spacer 9 is attached on the ground pattern 19 and the photodiode 3 is mounted thereon. The power supply pattern 20 is connected to the upper surface (metal vapor deposition film) of the insulating spacer by a wire, and is then connected to the substrate of the photodiode. The power supply pattern 20 is connected to the preamplifier 4 by a wire.
[0015]
Each of these modules implements a circuit as shown in FIG. Between the power supply terminal 11 and the ground 10, both poles of the capacitor, the power supply terminal of the preamplifier, and the ground terminal are connected. The output of the preamplifier is connected to the signal output terminal 12. The cathode of the photodiode is connected to the power source, and the anode is connected to the preamplifier. In the module of FIG. 5, the power line 16 becomes the pattern 16 and the ground line 17 becomes the pattern 17. In the module of FIG. 6, a power pattern 20 and a ground pattern 19 are provided. Except for the example of FIG. 2, the equivalent circuit of FIG. 9 is common to all the optical receiving modules.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the optical receiving module, the photodiode and the preamplifier are provided close to each other in one package. Further, in order to stabilize the performance of the optical receiving module, a capacitor is provided between the driving power source of the photodiode and the preamplifier and the ground. This lowers the AC resistance of the power supply and forms a noise filter in the power supply, effectively preventing noise from entering the power supply. Of course, a power supply (not shown) connected by a pin has a large-capacitance capacitor, which lowers the impedance of the power supply. However, an AC resistance is interposed due to the L part of the pin or wire, and the power supply impedance is effectively increased. To prevent this, it is necessary to place a capacitor very close to the photodiode or preamplifier. For this purpose, a capacitor is placed in the package.
[0017]
As described above, the conventional structure is as follows.
(1) A structure in which a small substrate 15 on which a capacitor, a photodiode, and a preamplifier can be mounted side by side on a package is mounted (FIG. 5).
(2) A structure using a dedicated package having patterns 19 and 20 that can be mounted side by side with capacitors, photodiodes, and preamplifiers (FIG. 6).
[0018]
However, each of these mounting methods has its drawbacks. (1) uses a substrate, which complicates the mounting process. The problem {circle around (2)} has a problem that the cost becomes high because a package having a dedicated complicated shape (patterns 19 and 20) is produced. In addition, since capacitors and photodiodes are arranged in a plane, a large area is required, and there is a common difficulty that the package becomes large. For this reason, the manufacturing process is simple and a small optical receiving module cannot be realized.
[0019]
It is an object of the present invention to overcome these drawbacks and to realize a small-sized optical receiving module with a simple manufacturing process.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
These problems can be solved by skillfully arranging a bypass capacitor used as a filter for reducing the AC resistance of the driving power source of the photodiode and preamplifier, smoothing the voltage, and removing noise.
[0021]
The optical receiving module of the present invention is connected between a package having a metal terminal with a case terminal, a signal output terminal and a power supply terminal, and a power supply and a ground, and is attached to the center of the surface electrode and the package. A parallel plate capacitor having a back electrode, and a power supply surface that converts an optical signal from an optical fiber into a photocurrent and is bonded to the surface electrode of the parallel plate capacitor, on the surface electrode of the parallel plate capacitor A photodiode positioned to conform to the center of the package and a metal cap aligned and mounted on the package; The diameter of the package is less than 7 mm; A stacked structure of the parallel plate capacitor and the photodiode is provided.
The optical receiver module of the present invention can further include a first solder for mounting the parallel plate capacitor on the package and a second solder for mounting the photodiode on the parallel plate capacitor. . The melting point Tc1 of the first solder is larger than the melting point Tc2 of the second solder.
Furthermore, in the optical receiving module of the present invention, it is preferable that the melting point Tc1 of the first solder and the melting point Tc2 of the second solder differ by 20 degrees or more. The first solder is preferably gold tin (AuSn) and the second solder is tin lead (SnPb).
And even more , The optical receiving module of the present invention may further include a preamplifier connected to the output terminal of the photodiode and attached to the periphery of the package.
The optical receiving module of the present invention is formed by attaching a parallel plate capacitor at the center of a package and overlaying a photodiode thereon. The upper surface of the parallel plate capacitor is used as the power supply surface of the photodiode. Since the parallel plate capacitor and the photodiode are stacked, almost no mounting area for the capacitor is required. A photodiode / capacitor stack structure is a feature of the present invention. A parallel plate capacitor has a dielectric sandwiched between metal electrodes from both sides, and the photodiode should be connected to the power supply at the bottom, so attach the parallel plate capacitor to the package and connect it to the power supply surface. Thus, it is possible to place a photodiode on this.
[0022]
[Action]
In the present invention, a parallel plate type capacitor is attached to the center of the package, and a photodiode is placed thereon. The area for attaching the capacitor can be reduced, and the wiring pattern for connecting the capacitor and the power supply line, and the capacitor and the ground line is also unnecessary. The element can be reduced in size. In addition, the manufacturing process is simplified by reducing the number of parts.
[0023]
In the present invention, the use of a parallel plate capacitor is the most important point. Since this is used, the light receiving element can be mounted thereon. Conventionally, there is no such thing as placing a component again on an electronic component, and the components are always two-dimensionally arranged on a substrate or a package. It is a parallel plate capacitor that enables a three-dimensional arrangement.
[0024]
Therefore, parallel plate capacitors will need to be described in advance. Various capacitors have been manufactured and used widely since ancient times due to differences in capacitance and withstand voltage. A pF on the order of a small capacitance uses a dielectric such as titanium or tantalum. Mylar capacitors can be made up to about μF. In addition, electrolytic capacitors are used to stabilize the power supply with a large capacity. In order to sufficiently increase the capacitance, a strip-shaped material in which a dielectric is sandwiched between metal films is wound in a cylindrical shape.
[0025]
In addition to classification according to withstand voltage and capacity, it can also be classified by an external connection mechanism. The most widely used capacitors are those connected to an external circuit by two parallel pins. A hole is made in a printed circuit board having a copper-plated pattern on the back surface, a pin is inserted into the printed board, and soldering is performed on the back surface, and the excess length is cut off. Chip capacitors are used in hybrid ICs and the like. This is a rectangular parallelepiped shape, and both ends are electrodes, and on a pattern, it is put into a reflow furnace and heated and soldered. Since there is no need to raise a pin, the volume can be reduced, and there is no need to make a hole in the pattern. These capacitors already have a long track record.
[0026]
A capacitor is obtained by sandwiching a dielectric between two metals. The electric textbook has a conceptual diagram of a parallel plate capacitor. The basic form of the capacitor is a parallel plate. However, a parallel plate capacitor has not been used for a long time. The capacitance is proportional to the area of the dielectric and inversely proportional to the thickness. It is also proportional to the dielectric constant. Conventionally, a dielectric was wound to take capacity. The interior of a pin type or chip type is not a simple parallel plate. However, since a sufficiently thin dielectric film without leakage can be produced, a sufficient capacity can be obtained even in a small area. For this reason, a parallel plate capacitor faithful to the principle in which one dielectric layer is sandwiched between two metal electrodes can be manufactured recently.
[0027]
For example, it is manufactured and sold by DIELECTRIC LABORATORIES INC. In the United States under the trade name di-cap. A ceramic dielectric is sandwiched between gold layers (Au). Gold is used so that it can be soldered directly to the copper pattern. Since it is a thin rectangular parallelepiped and both surfaces are electrodes, it can be placed directly on the microstrip line and soldered. By making the width of the line and the width of the parallel plate capacitor the same, the self-induction L can be reduced, and reflection here can be eliminated.
[0028]
Effective in high-frequency circuits where the metal layer with low resistance is in contact with the dielectric and does not use thin wires to connect to external circuits, so the L component is small, the frequency is high, and the distributed constant circuit is suitable for handling. is there. The width W is 0.254 mm to 2.286 mm, the length L is 0.254 mm to 2.540 mm, and the thickness T is 0.102 mm to 0.254 mm. The withstand voltage is for 50V and 100V. The one with a withstand voltage of 100V is about 50% thicker than the one with 50V. The capacity is from 68 pF to 1500 pF. DC resistance is 10 ⁶ MΩ or more.
[0029]
For example, when the breakdown voltage is 50 V and 68 pF, W = 0.254 mm, L = 0.254 mm, and T = 0.102 mm. A parallel plate capacitor with a withstand voltage of 50 V and a 470 pF has W = 0.635 mm, L = 0.762 mm, and T = 0.102 mm. Since the thickness of the dielectric is limited, the size varies with the capacitance. FIG. 11 is a perspective view of a parallel plate capacitor. The metal 50, the dielectric 51, and the metal 52 are simply laminated. The external shape is completely different from the capacitor with a pin and the chip capacitor, and the connection structure with the external circuit is also completely different.
[0030]
FIG. 12 shows four examples in which the capacitor 2 is connected between two conductor patterns 55 and 56. In (1), a parallel plate capacitor having the same width as the conductor pattern 56 is soldered to the end of one pattern 56 exactly. The entire lower surface of the capacitor 2 is connected to the pattern 56. The upper surface and the other pattern 55 are connected by a wire 57. (2) uses two wires to connect the upper surface of the parallel plate capacitor to another pattern. (3) uses three wires. In (4), the upper surface of the parallel plate capacitor is connected to another pattern by a thin metal plate.
[0031]
When many wires are used, the direct current resistance decreases and the line induction L decreases, so that signal delay, distortion, reflection, and the like can be prevented. Since L and R are minimum, (4) is the most desirable method for connecting parallel plate capacitors.
[0032]
As shown in FIG. 13, a bonding stripe 66 is used to place two parallel plate capacitors 61 and 62 between the microstrip line 63 and the ground planes 64 and 65. The entire lower surfaces of the capacitors 61 and 62 are bonded to the ground surface, and the upper surface is connected to the line 63 by a wide stripe 66. Therefore, the self-induction L of the line (stripes) is extremely small. Thus, since the parallel plate capacitor has a large electrode area and can be directly soldered to the conductor pattern, it is possible to suppress an increase in AC resistance caused by interposing an intermediate line (wire, thin conductor, or print pattern). Ideal for high frequency circuits.
[0033]
A combination as shown in FIG. 14 is also possible. 68 and 69 are power supply patterns. 67 is a ground line. A parallel plate capacitor 70 is inserted between them. The lower surface of the capacitor is directly soldered to the ground surface, and the upper surface is connected to different power supply surfaces 68 and 69 by two wires.
[0034]
The parallel plate capacitor is thus a new type of small capacitor. It is inserted between the ground and the power supply line and has the effect of removing noise. In either case, the lower surface is soldered to a pattern, and the upper surface is connected to another pattern by a stripe that is a wire or metal foil. This is a method for connecting parallel plate capacitors. Other uses and other arrangements have not been attempted so far. A mounting method in which another device is mounted on a parallel plate capacitor as in the present invention has never been attempted.
[0035]
【Example】
In the optical receiving module of the present invention, a photodiode is stacked on a parallel plate capacitor to save the required area, reduce the number of parts, and reduce the number of processes.
[0036]
Hereinafter, description will be made with reference to the drawings illustrating embodiments. FIG. 1 is a perspective view of a receiving module according to an embodiment of the present invention. As the package, a general-purpose 3-pin package 1 having a diameter of 5.6 mmφ is used. This is a common package used for ordinary transistors. Three pins 10, 11, 12 are provided.
[0037]
One is a package case terminal 10 which is connected to the package case and also serves as an earth. The next one is the power supply pin 11. The last one is a signal output pin 12. The case terminal 10 is integrally soldered to the package. On the upper surface 5 of the package 1, the upper ends of the power supply terminal 11 and the signal output terminal 12 protrude. Insulators 14 and 13 are provided between the case and have an effect of holding these pins while being insulated from the case.
[0038]
A parallel plate capacitor having a capacitance of 470 pF is fixed on the package by AuSn (gold tin) solder. The size of the capacitor is about 0.9 mm × 1.0 mm × 0.1 mm. Since it is a parallel plate capacitor, the lower surface and the upper surface are electrodes. The lower surface is directly soldered to a package that is a ground surface. The melting point of this gold tin solder is 286 ° C. The upper surface of the capacitor is another electrode.
[0039]
The photodiode 3 is positioned on the upper surface which is the electrode surface of the parallel plate capacitor 2 so as to be aligned with the center of the package, and then soldered. The solder is SnPb (tin lead), and in this example, a solder having a melting point of 240 ° C. is used.
[0040]
The difference in melting point between the two types of solder is important in realizing this structure. The solder for attaching the lower surface of the parallel plate capacitor to the package will be referred to as first solder. Let the melting point of this be Tc1. The solder that joins the upper surface of the parallel plate capacitor and the lower surface of the photodiode will be referred to as second solder. Let the melting point of this be Tc2. After the capacitor is attached to the package with the first solder, the photodiode is attached onto the capacitor with the second solder, so that naturally Tc1> Tc2. If the opposite is true, the first solder will be melted when the second solder is melted, and the position of the parallel plate capacitor will shift. The difference in the melting points of the solder is desirably 20 ° C. or more. In the above example, Tc1 = 286 ° C. and Tc2 = 240 ° C., so this condition is satisfied. Such combinations are possible in addition to the combination of gold tin and tin lead solder.
[0041]
FIG. 16 is a sectional view showing the mounting structure of the parallel plate capacitor 2 and the photodiode 3. On the package 1, the parallel plate capacitor 2 is fixed by AuSn solder 81. Since the parallel plate capacitor 2 has the metal 52 on the entire lower surface, it is soldered on the entire surface. The photodiode 3 is soldered onto the parallel plate capacitor 2 by SnPb solder 82. Since the entire lower surface of the photodiode is a metal film (gold layer) 91 (n-side electrode), it is directly soldered entirely.
[0042]
The bottom electrode 52 of the parallel plate capacitor 2 is at the ground potential, and the top electrode 50 is at the power supply potential. The upper surface 50 is connected to the power supply pin 11 by the wire 21.
[0043]
This photodiode 3 is formed on a low resistance n-type substrate. Any kind of photodiode can be used. That is, the substrate may be any substrate that can be a light receiving element such as GaAs, Si, InP. In the example shown here, a low-resistance n-type substrate 92, a buffer layer 93, a light-receiving layer 94, and a window layer 95 are stacked, and a p-type region 96 is formed by diffusion at the center. A ring-shaped P-side electrode 97 is formed around the p-type region. Reference numeral 99 is a protective film, and 98 is an antireflection film. A wire 23 is bonded to the ring-shaped P-side electrode. This becomes the signal output terminal and is connected to the preamplifier.
[0044]
A preamplifier IC 4 is die-bonded on the periphery of the upper surface 5 of the package 1. These components are attached to the package in the order of the parallel plate capacitor 2, the preamplifier IC 4, and the photodiode 3. After mounting the components, the circuits were connected by a gold (Au) wire having a thickness of 20 μm.
[0045]
Five gold wires 21 to 25 connect the following set of five terminals.
(1) Power pin and top surface of parallel plate capacitor (wire 21)
(2) Upper surface of parallel plate capacitor and power supply terminal (wire 22) of preamplifier IC
(3) Photodiode signal output terminal (anod terminal) and preamplifier IC input terminal (wire 23)
(4) Preamplifier IC output terminal and package signal output pin (wire 25)
(5) Package body (wire 24) from ground terminal of preamplifier IC
[0046]
On the package 1 thus assembled, a metal cap 7 with a ball lens 6 is attached in a dry nitrogen atmosphere. First, alignment is performed so that the light intensity incident on the photodiode becomes maximum, and welding is fixed by resistance welding. Laser welding is also acceptable.
[0047]
Further, a ferrule fixing sleeve for inserting and fixing the ferrule of the optical connector is positioned on the package. The sleeve was welded and fixed to the package at the optimum position to complete the optical receiving module. In this structure, the sleeve is attached to the package. However, the sleeve may be fixed to the cap.
[0048]
In the present invention, all necessary components could be mounted in a region having a diameter of 3.0 mm in the central portion of the package. Therefore, a package having a diameter of 5.6 mm can be used. A general-purpose package having a smaller area than conventional ones can be used.
[0049]
In the case of the conventional structure, since the capacitor and the photodiode are mounted at different locations, a larger mounting area is required. In any case, an area having a diameter of 4.0 mm or more is required. The package required 10 mmΦ or 8 mmΦ. A package of 7 mmΦ was required at the minimum.
[0050]
In the present invention, the optical receiving element can be downsized by reducing the mounting area of the components. Further, since the insulating spacer of the optical receiving element is not necessary, the manufacturing process can be simplified by reducing the number of parts.
[0051]
In order to evaluate the performance of the optical receiving module of the present invention, the frequency characteristics of the optical receiving element operating at 125 Mbit / sec were measured. The result is shown in FIG. The same figure also shows the performance of a conventional optical receiver module. The solid line is according to the present invention. A broken line is based on a conventional example. A flat signal output can be obtained up to 150 MHz or higher. The 3 dB cutoff frequency is 200 MHz. The conventional example is flat up to 90 MHz, but a peak appears at 100 MHz. The 3 dB cutoff frequency is 130 MHz. It can be seen that the apparatus according to the present invention can obtain high frequency performance equal to or higher than that of the conventional example.
[0052]
The embodiment described above is an example in which a capacitor mounted between a package and a photodiode is used as a bypass capacitor for a common driving power source for the photodiode and the preamplifier IC.
[0053]
In addition, a capacitor can be used as a bypass capacitor for only a photodiode or a preamplifier. FIG. 2 shows an example in which a bypass capacitor having only a photodiode is used. To separate the power supply, a 4-pin package is used. Then, the power supply terminal is divided into two, and the drive power supply for the photodiode 3 and the preamplifier 4 is separately taken. In this case, the parallel plate type capacitor 2 between the photodiode 3 and the package 1 is used as a bypass capacitor for only the driving power source of the photodiode 3. 2 is a perspective view, and FIG. 10 is a circuit diagram.
[0054]
In FIG. 2, a parallel plate capacitor 2 is soldered (gold tin) at the center of the upper surface of the package 1, and a photodiode 3 is soldered (tin lead) thereon. The preamplifier IC 4 is also soldered to the periphery. Since the bottom surface of the preamplifier 4 and the bottom surface of the parallel plate capacitor 2 are directly attached to the case, they are at ground potential. The photodiode power supply pin 11 and the upper surface of the parallel plate capacitor 2 are connected by a wire 21. The preamplifier power supply pin 27 and the power supply pad of the preamplifier 4 are connected by a wire 28.
[0055]
The other points are the same as those in FIG. The ring electrode of the photodiode 3 is connected to the input pad of the preamplifier with a wire 23. A signal output pad of the preamplifier 4 is connected to the signal output terminal 12 by a wire 25. When the bottom surface of the preamplifier is not grounded, the ground pad of the preamplifier is connected to the case by the wire 24.
[0056]
In the present invention, the photodiode is not limited to one manufactured on an n-type low resistance substrate. A photodiode manufactured on a p-type substrate may also be used. In this case, the electrode has a negative voltage, and the polarity of each component of the circuit is reversed. Alternatively, it may be fabricated on a semi-insulating substrate such as a GaAs photodiode. In this case, since no current flows through the substrate, it is necessary to connect the electrode on the upper surface of the photodiode and the capacitor immediately below with a wire. Further, the drive voltage is not limited to + 5V.
[0057]
Further, the package is not limited to a general-purpose package having a diameter of 5.6 mm. In any case, the mounting area can be further reduced, and the number of parts can be reduced.
Parallel plate capacitors can be of various shapes and capacities. Further, the wire for circuit connection is not limited to gold (Au). Wires such as aluminum (Al) and copper (Cu) can also be used. The tensioning method is not limited to the above embodiment.
[0058]
In the present invention, by mounting a photodiode on a parallel plate type capacitor, it is possible to obtain the effects of downsizing the optical receiving module and simplifying the mounting process.
It is clearer when compared by a plan view. FIG. 7 shows the top surface of the package of the embodiment of the present invention shown in FIG. FIG. 8 is a plan view of the conventional package of FIG. You can see the difference in area.
[0059]
【The invention's effect】
In the present invention, a parallel plate type capacitor is mounted on a package, and a photodiode is mounted thereon. In this way, it is an unprecedented configuration to devise the mounting method and place another element on the capacitor. Accordingly, the mounting area can be reduced, so that the element can be reduced in size. The special substrate of FIG. 5 and the spacer of FIG. 6 can be omitted, and the mounting process can be simplified. The present invention can provide a small-sized, low-cost, high-performance optical receiving module.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a central sectional perspective view of an optical receiving module according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a central sectional perspective view of an optical receiving module according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a partial vertical side view of a PD module with a built-in preamplifier described in the 1990 Electronic Information Communication Society Spring Conference C-271, page 326 of the 4th volume.
FIG. 4 is a partially longitudinal side view of a PD module with a built-in preamplifier described in 1993 Electronic Information and Communication Society Spring Conference C-186, 4th volume, page 222.
FIG. 5 is a central longitudinal perspective view of an optical receiving module according to a conventional example in which a capacitor, a photodiode, and a preamplifier are fixed to a substrate on which a power supply pattern and a ground pattern are drawn.
FIG. 6 is a longitudinal cross-sectional view of a conventional optical receiving module in which a pin with a power pattern, a pin with a ground pattern, and a signal pin are coupled to a cylindrical package body by an insulator. Perspective view.
7 is a plan view of the top surface of the package of the embodiment shown in FIG. 1. FIG.
8 is a plan view of the upper surface of the conventional package shown in FIG.
FIG. 9 is a circuit diagram of a module according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1;
10 is a circuit diagram of a module according to another embodiment of the present invention shown in FIG.
FIG. 11 is a perspective view of a parallel plate capacitor.
FIG. 12 shows four examples showing a structure in which a parallel plate capacitor is mounted between two microstrip lines.
FIG. 13 is a component mounting diagram when two parallel plate capacitors are inserted between two ground planes and one conductor pattern.
FIG. 14 is a component mounting diagram showing an example in which a parallel plate capacitor is mounted between three conductor patterns.
FIG. 15 is a graph showing frequency characteristics of a module according to an example of the present invention.
FIG. 16 is a cross-sectional view of a mounting structure according to an embodiment of the present invention in which a parallel plate capacitor is mounted on a package by solder and a light receiving element is mounted by solder.
[Explanation of symbols]
1 Package
2 Parallel plate capacitor
3 Photodiodes
4 Preamplifier IC
5 Package top surface
6 Lens
7 Cap
8 Ferrule fixing sleeve
9 Insulation spacer
10 Case terminal of the package
11 Power supply terminal
12 Signal output terminal
13 Insulator
14 Insulator
15 Substrate
16 Power supply pattern
17 Grand Pattern
18 Chip capacitor
19 Grand Pattern
20 Power supply pattern
21 wire
22 wires
23 wires
24 wires
25 wires
27 Preamplifier power supply terminal
28 wires

Claims

A package having a metal surface with a case terminal, a signal output terminal, and a power supply terminal;
A parallel plate capacitor connected between a power source and a ground, having a surface electrode, and a back electrode attached to the metal surface at the center of the package;
An optical signal from an optical fiber is converted into a photocurrent, and has a power supply surface bonded to the surface electrode of the parallel plate capacitor so as to match the center of the package on the surface electrode of the parallel plate capacitor. A photodiode positioned in the
A metal cap aligned and mounted on the package;
The diameter of the package is less than 7 mm;
An optical receiving module comprising a stacked structure of the parallel plate capacitor and the photodiode.

First solder for mounting the parallel plate capacitor on the package upper surface of the package;
A second solder for mounting the photodiode on the parallel plate capacitor;
The melting point Tc1 of the first solder is larger than the melting point Tc2 of the second solder.
2. The optical receiving module according to claim 1, wherein

3. The optical receiving module according to claim 2, wherein the melting point Tc1 of the first solder and the melting point Tc2 of the second solder are different by 20 degrees or more.

4. The optical receiving module according to claim 2, wherein the first solder is gold tin (AuSn) and the second solder is tin lead (SnPb).

Wherein is connected to the output terminal of the photodiode, further comprising a preamplifier attached to the periphery of the package, the optical receiver module according to any one of claims 1 to 4 - le.