JP4275583B2 - 電子モジュール - Google Patents

Description

本発明は回路間を高周波伝送線路で接続する構成を含む電子モジュールに関し、特に半導体レーザダイオードとその制御系とを含む電子モジュールに関する。

現在、光通信は広く実用化されている。光通信の光源として、半導体レーザダイオード（ＬＤ）が用いられる。一般にＬＤは変調器で変調されるが、変調器を用いずに直接変調することもできる。ＬＤには変調器を内蔵するものもある。変調器は変調器ドライバで駆動する。変調器と変調器ドライバを、高周波信号を伝送できる伝送線路で接続する。変調器の出力信号は数ＧＨｚの高周波信号なので、伝送線路のインピーダンスを考慮する必要がある。直接変調の場合には、ドライバとＬＤとを伝送線路で接続する。変調器にはいくつかのタイプがあり、そのＰＮ接合を逆バイアスすることが一般的である。ＬＤはそのＰＮ接合を順方向にバイアスする。特許文献１は、単一の電源を用いて、ＬＤの順方向バイアスと変調器の逆方向バイアスを実現する方法を開示している。

図１は、正の電源を用いた電子モジュールの構成を回路図で示したものである。電子モジュールはレーザダイオード（ＬＤ）ＬＤ２２ａとＥＡＭ変調器（電界吸収型光変調器）２２ｂとを有する。＋５Ｖの直流電源（ＶＣＣ）で駆動されるＥＡＭドライバ１２の出力は、伝送線路３０を介してＥＡＭ変調器２２ｂのアノードに接続されている。ＥＡＭ変調器２２ｂのカソードは、＋５Ｖの直流電源に接続されている。ＥＡＭ変調器２２ｂのカソードとアノードは５０Ωの終端抵抗で接続されている。昇圧回路４０は、＋５Ｖの直流電源電圧を＋７Ｖの電圧に変換する。電流源回路４２は＋７Ｖの電源電圧を用いて、ＬＤ２２ａの駆動に必要な電流を生成する。このように、図１に示す構成は、正の電源電圧＋５Ｖ、＋７Ｖを用いてＬＤ２２ａとＥＡＭ変調器２２ｂとをバイアスする。

ここで、ＥＡＭドライバ１２とＥＡＭ変調器２２ｂとは、＋５Ｖの電源電圧を基準電位として高周波信号を送受信する。つまり、ＥＡＭドライバ１２とＥＡＭ変調器２２ｂにおいては、グランドに対する＋５Ｖの電位が信号基準電位となる。これに対し、伝送線路３０はグランド電位を基準としている。

図２は、この基準電位を説明するための図である。図２の（Ａ）は、図１の一部を抜き出した回路図、（Ｂ）は図（Ａ）の等価回路を示す。＋５Ｖの電源電圧を生成する直流電源４４のインピーダンスは高いので、図２（Ｂ）に示すようにインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２が存在する。Ｌ１は直流電源４４とＥＡＭドライバ１２とを接続する電源配線のインダクタンス成分を示し、Ｌ２は直流電源４４とＥＡＭ変調器２２ｂのカソードとを接続する電源配線のインダクタンス成分を示す。
特開２００３−２９８１７５号公報

図３は、図２（Ｂ）に示す等価回路上での信号電流の流れを示す図である。信号源であるＥＡＭドライバ１２が出力する信号電流は、伝送線路３０、負荷（ＥＡＭ変調器）２２ｂ、インダクタンスＬ２、Ｌ１を介してＥＡＭドライバ１２に戻る。ＥＡＭ変調器２２ｂからＥＡＭドライバ１２に戻るパスであるリターンパスにはインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２が存在する。これらのインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２は信号電流の流れに対し直列に接続されており、伝送線路３０とのインピーダンス不整合の原因となる。インピーダンス不整合は、信号の反射や損失を引き起こす。高周波信号である信号電流の周波数が高くなるほどインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２は大きくなり、インピーダンス不整合の問題は顕著になる。

この問題点を解決するために、図４に示すようにバイパスコンデンサＣ１、Ｃ２を用いることが考えられる。バイパスコンデンサＣ１、Ｃ２を介して直流電源４４（図２（Ｂ））のプラス端子を高周波的に接地することで、インダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２の影響を軽減する。しかしながら、バイパスコンデンサＣ１、Ｃ２の配線にはインダクタンス成分が含まれるので、インピーダンス不整合の問題は依然として残る。従って、高周波信号の反射や損失の問題は依然として残る。

従って、本発明は上記問題点を解決し、高周波信号の反射や損失を減少させることを目的とする。

本発明は、正又は負のどちらか一方の電位である第１電位に基づいて駆動信号を生成する前段回路と、前記第１電位と同じ電位である第２電位に対して前記駆動信号との間で逆バイアス方向に駆動される第１素子、及び第２電位に向けて順バイアス方向に接続される第２素子を有する後段回路と、前記前段回路の駆動信号を前記第１素子に伝送する信号導体及び基準電位に維持される基準導体を備える伝送線路とを備え、前記前段回路の第１電位と前記伝送線路の基準導体との間及び前記後段回路の第２電位と前記伝送線路の基準導体との間が同電位で接続されてなることを特徴とする電子モジュールである。

前記前段回路及び前記後段回路は、第１電位と同じ極性の電源によって駆動される構成とすることができる。

前記第２電位は前記後段回路の電源電圧であり、前記後段回路は、電源電圧を昇圧する昇圧回路を更に備え、前記第２素子は前記第２電位に対して前記昇圧回路の出力との間で順方向にバイアスされる構成とすることができる。

前記伝送線路は、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路または同軸線路の何れかを用いることができる。

前記伝送線路は接地電位層を有するプリント基板に設けられたマイクロストリップ線路であり、前記マイクロストリップ線路の信号導体と基準導体、及び前記プリント基板の接地電位層がこの順で積層されてなる構成とすることができる。

前記伝送線路はプリント基板に設けられたコプレーナ線路であり、前記コプレーナ線路の信号導体はその両側に基準導体が配置されてなる構成とすることができる。

前記第１素子は光変調器であり、前記第２素子は発光素子または光アンプである構成とすることができる。

前記第１素子と第２素子とが、同じ導電型の半導体基板上に集積されてなる構成とすることができる。

前記光変調器は電界吸収型光変調器である構成とすることができる。

前記光変調器はＬＮ変調器である構成とすることができる。

本発明はまた、正又は負のどちらか一方の電位である第１電位に基づいて駆動信号を生成する前段回路と、前記第１電位と同じ電位である第２電位に対して前記駆動信号との間で順バイアス方向に駆動される第１素子を有する後段回路と、前記前段回路の駆動信号を前記第１素子に伝送する信号導体及び基準電位に維持される基準導体を備える伝送線路と、を備え、前記前段回路の第１電位と前記伝送線路の基準導体との間及び前記後段回路の第２電位と前記伝送線路の基準導体との間が同電位で接続されてなることを特徴とする電子モジュールである。

前記第１素子は発光素子または光アンプである構成とすることができる。

前記第１電位は、正の電位である構成とすることができる。

本発明によれば、伝送線路の基準導体を接地電位とするのではなく、前段回路と後段回路に共通な値の電位（第１電位および第２電位）としている。これにより、伝送線路の基準導体をバイパスコンデンサによって直流的に分離することなく、伝送線路の基準導体を介して前段回路と後段回路を接続するリターンパスを構成でき、高周波信号の反射や損失を減少させることができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図５は、本発明の一実施例に係る電子モジュールの回路構成を示す図である。図中、前述した構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。図示するように、前段回路を構成するＥＡＭドライバ１２と、ＬＤ２２ａとともに後段回路を構成するＥＡＭ変調器２２ｂとは、伝送線路６０で接続されている。ＬＤ２２ａは順方向にバイアスされ、ＥＡＭ変調器２２ｂは逆方向にバイアスされる。ここでは、ＥＡＭ変調器２２ｂのように逆方向にバイアスされる素子を第１の素子、ＬＤ２２ａのように順方向にバイアスされる素子を第２の素子と定義する。第２の素子はＬＤ２２ａ以外の発光素子（例えば発光ダイオード）や、光アンプなどであってもよい。第１素子と第２素子とが、同じ導電型の半導体基板上に集積されてなる構成であってもよい。ＥＡＭ変調器２２ｂは１つの半導体装置であってもよい。図示する構成では第１及び第２の素子に与えられるバイアスは、正の電源を用いて行われる。正の電源に代えて負の電源を用いて第１及び第２の素子をバイアスする構成であってもよい。つまり、図５に示す電子モジュールは、正又は負のどちらか一方の電位である第１電位に基づいて駆動信号を生成する前段回路１２と、前記第１電位と同じ電位である第２電位に対して前記駆動信号との間で逆バイアス方向に駆動される第１素子２２ｂ、及び第２電位に向けて順バイアス方向に接続される第２素子２２ａを有する後段回路とを含む構成である。

伝送線路６０は、導体６１と基準導体６２とから構成されている。本実施例では、伝送線路６０の基準導体６２を導体６３及び６４を用いて電源電圧＋５Ｖに接続してある。つまり、図５に示す電子モジュールは、前段回路１２の駆動信号を第１素子２２ｂに伝送する信号導体及び基準電位に維持される基準導体を備えている。参照番号６５で示すように、伝送線路６０の基準導体６２はグランド電位に接続されていない。伝送線路６０の基準導体６２は、グランド電位以外の正又は負の電位に維持される。なお、伝送線路６０の特性インピーダンスは例えば５０Ωである。

前段回路１２、及びＬＤ２２ａとＥＡＭ変調器２２ｂとからなる後段回路は、第１電位と同じ極性の電源Ｖｃｃによって駆動される。第２電位は上記後段回路の電源電圧であり、後段回路は、電源電圧Ｖｃｃを昇圧する昇圧回路４０を備えている。そして、第２素子２２ａは第２電位に対して昇圧回路４０の出力との間で順方向にバイアスされている。

図６は、図５の構成における高周波の信号電流の流れを示す図である。信号源として機能するＥＡＭドライバ１２が出力する高周波の信号電流は、伝送線路６０、負荷であるＬＤ２２のＥＡＭ変調器２２ｂ及び伝送路６０を通り、ＥＡＭドライバ１２に戻る。このように、ＥＡＭ変調器２２ｂからＥＡＭドライバ１２に信号電流が戻るリターンパスは伝送線路６０を含んで構成されている。このリターンパスの基準電位は、本実施例では正の電位に設定されている。本実施例では、このリターンパスの正の電位とは、＋５Ｖの電源電圧である。伝送線路６０の基準電位は、ＥＡＭドライバ１２及びＬＤ２２の信号基準電位に一致している。これに対し、従来構成では図２（Ａ）に示すように、信号電流のリターンパスは伝送線路３０を含まず、伝送線路３０の基準電位はグランド電位であって、ＥＡＭドライバ１２及びＬＤ２２の信号基準電位（＋５Ｖ）とは異なる。

図５に示す構成における信号電流のリターンパスは、従来技術で問題となっている電源配線のインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２を含まない。インダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２に信号電流が流れないので、図６に示すように、ＥＡＭドライバ１２の信号源と伝送線路６０との間、及び伝送線路６０とその負荷であるＥＡＭ変調器２２ｂとの間にそれぞれインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２が存在しない。従って、上記構成によれば、伝送線路６０の基準導体６２を接地電位とするのではなく、前段回路と後段回路に共通な値の電位（第１電位および第２電位、上記の例ではＶｃｃ）としている。これにより、伝送線路６０の基準導体６１をバイパスコンデンサによって直流的に分離することなく、伝送線路６０の基準導体６１を介して前段回路と後段回路を接続するリターンパスを構成でき、高周波信号の反射や損失を減少させることができる。

図５に示す電子モジュールは、図７（Ａ）に模式的に示すプリント基板７０を有する構成とすることができる。プリント基板７０は多層構成である。プリント基板７０は複数の誘電体層７０ａ、７０ｂ及び７０ｃを有する。誘電体層数は３層に限定されず、任意である。プリント基板７０の表裏面及び基板の内部に導体層が形成されている。プリント基板７０の表面上には、ＥＡＭドライバ１２及びＬＤ２２が搭載されるとともに、これらを接続する伝送線路６０の信号導体６１が形成されている。信号導体６１は、ＥＡＭドライバ１２の信号端子とＬＤ２２の信号端子とを接続する。信号導体６１の下に伝送線路６０の基準導体６２が形成されている。基準導体６２は前段回路及び後段回路に共通な値の電位である。基準導体６２は、プリント基板７０の内部全面に形成されることが好ましい。基準導体６２は、信号導体６１の下のみならず、ＥＡＭドライバ１２やＬＤ２２の下にも形成されている。伝送線路６０は信号導体６１、誘電体層７０ａ及び基準導体６２で構成されるマイクロストリップ線路である。マイクロストリップ線路の構成は、ＥＡＭドライバ１２の信号端子からＬＤ２２の信号端子まで連続している。従って、伝送線路６０はＥＡＭドライバ１２及びＬＤ２２とのインピーダンスマッチングされたインピーダンスマッチング線路として機能する。従って、高周波信号の反射や損失を大きく低減することができる。

伝送線路６０の基準導体６２の下には、誘電体層７０ｂを介して接地電位層６６が形成されている。また、接地電位層６６の下には、誘電体層７０ｃを介して低周波の信号を伝送する信号導体６７が形成されている。信号導体６７はプリント基板７０の裏面に形成されている。

ここで、従来構成では、伝送線路３０の基準電位はグランド電位であったので、図７（Ａ）に示す構成を用いることができない。従来構成では、図７（Ｂ）に示すように、伝送線路３０の信号導体の直下にグランド電位の基準導体を形成してマイクロストリップ線路を構成する必要がある。

図７（Ａ）に示す基準導体６２とＥＡＭドライバ１２及びＬＤ２２との接続は、プリント基板７０に形成されたビア配線を用いて行う。ビア配線が図５の導体６３、６４に相当する。ビア配線の一構成例を図８に示す。ＥＡＭドライバ１２の電源端子１３、１４は、プリント基板７０の導体パターン７４、７５に形成されたビア配線７２、７３を介して基準導体６２に接続されている。正の基準電位（実施例は＋５Ｖ）に設定される電源端子１３、１４は導体パターン７６で形成された信号導体６１に接続される信号端子１５の両側に隣り合うように配置されている。ＥＡＭドライバ１２を１つの半導体装置で形成される場合、伝送線路６０の信号導体６１に接続される信号端子１５と、伝送線路６０の基準導体６２に接続され、かつ、正または負の電位を有する基準電位端子７２、７３とを有し、好ましくは基準電位端子７２、７３は信号端子１５の両隣に配置されている。この配置により、高周波信号のリターンパスの長さを短くすることができ、インダクタンス成分や損失をより一層低減することができる。ビア配線６３、６４は若干のインダクタンス成分を含むが、その値は極めて小さいので、これらに起因する信号電流の反射や損失は極めて小さいものである。ＥＡＭドライバ１２のパッケージ裏面は背面パッド１６が設けられており、プリント基板７０に形成されたビア配線を介して図７（Ａ）の接地電位層６６に接続されている。基準導体６２には穴が形成されており、接地電位層６６に接続されるビア配線はこの穴を通る。同様に、ＥＡＭドライバ１２の他の端子もビア配線を用いてプリント基板７０の内部や低部の導体層に接続されている。また、図８では省略してあるが、ＬＤ２２の端子も同様に、ビア配線を介して基準導体６２、接地電位層６６、信号導体６７に接続されている。

本発明の伝送線路はマイクロストリップ線路に限定されず、コプレーナ線路や同軸線路など、他の形式の伝送線路であってもよい。図９にコプレーナ線路の一構成例を示す。誘電体で構成されるプリント基板８０上に信号線路８１と、この両側に設けられた基準導体８２、８３とが形成されている。基準導体８２、８３はグランドに対する正の電位、本実施例では、ＥＡＭドライバ１２とＬＤ２２ａ及びＥＡＭ変調器２２ｂの駆動電圧である電源電圧の電位に設定されている。基準導体８２、８３は図８に示すＥＡＭドライバ１２の電源端子１３、１４に接続され、同様にＬＤ２２ａ及びＥＡＭ変調器２２ｂの電源端子にも接続されている。信号導体８１は図８に示すＥＡＭドライバ１２の信号端子１５に接続され、同様にＥＡＭ変調器２２ｂの信号端子にも接続されている。プリント基板８０は多層配線構造であってもよい。

前述した実施例は、ＥＡＭドライバ１２とＥＡＭ変調器２２ｂとを伝送線路６０で接続する構成であったが、本発明は単一の電源を用いて駆動する他の方式を含む。以下に、他の駆動方式の例を２つ示す。

図１０は、直接変調レーザダイオードを備えた本発明の電子モジュールの構成例を示す図である。直接変調ＬＤドライバ８５と直接変調ＬＤ８６とを伝送線路６０で接続してある。伝送線路６０の信号基準電位はＶＣＣ（例えば＋５Ｖ）に設定されている。従って、図１０の構成も前述した実施例と同様の作用効果を奏する。図１０に示す電子モジュールに図７（Ａ）、図８、図９に示す構成を適用することができる。

図１１は、ＬＮ変調器を備えた本発明の電子モジュールの構成例を示す図である。ＬＮ（リチウムナイオベート）ドライバ８７とＬＮ変調器９１とを伝送線路６０で接続する。ＣＷ（Continuous Wave）型のレーザダイオード（ＣＷ−ＬＤ）８９は、＋５Ｖ駆動のＣＷ−ＬＤ駆動回路８８で駆動される。ＣＷ−ＬＤ８９の光出力は光ファイバ９０を介してＬＮ変調器９１に出力される。ＬＮ変調器９１は伝送線路６０を介して伝送される高周波信号６０で変調され、変調された信号光は光ファイバ９２を介して外部へ伝送される。図１１に示す電子モジュールに図７（Ａ）、図８、図９に示す構成を適用することができる。

従来の電子モジュールの構成を示す回路図である。 図１に示す構成における基準電位を説明するための図である。 図２に示す等価回路上での信号電流の流れを示す図である。 バイパスコンデンサを用いた回路図である。 本発明の一実施例に係る電子モジュールの回路構成を示す図である。 、図５に示す構成における高周波の信号電流の流れを示す図である 図５に示す電子モジュールが使用するプリント基板の断面を模式的に示した図である。 ビア配線の一構成例を示す図である。 コプレーナ線路の一構成例を示す図である。 直接変調レーザダイオードを備えた本発明の電子モジュールの構成例を示す図である。 ＬＮ変調器を備えた本発明の電子モジュールの構成例を示す図である。

符号の説明

１０ 変調器駆動部 １１ 基板
１２ ＥＡＭドライバ １３、１４ 電源端子
１５ 信号端子 １６ 背面パッド
２２ａ ＬＤ ２２ｂ ＥＡＭ変調器
４０ 昇圧回路 ４２ 電流源回路
４４ 直流電源 ６０ 伝送線路
６１ 信号導体 ６２ 基準導体
６３、６４ 導体 ６６ 接地電位層
７０ プリント基板 ７０ａ、７０ｂ、７０ｃ 誘電体層
７２、７３ ビア配線 ８０ プリント基板
８１ 信号導体 ８２、８３ 基準導体
８５ 直接変調ＬＤドライバ ８６ 直接変調ＬＤ
８７ ＬＮドライバ ８８ ＣＷ−ＬＤ駆動回路
８９ ＣＷ−ＬＤ ９０ 光ファイバ
９１ ＬＮ変調器 ９２ 光ファイバ

Claims (13)

1. 正又は負のどちらか一方の電位である第１電位に基づいて駆動信号を生成する前段回路と、
   前記第１電位と同じ電位である第２電位に対して前記駆動信号との間で逆バイアス方向に駆動される第１素子、及び第２電位に向けて順バイアス方向に接続される第２素子を有する後段回路と、
   前記前段回路の駆動信号を前記第１素子に伝送する信号導体及び基準電位に維持される基準導体を備える伝送線路と、
   を備え、前記前段回路の第１電位と前記伝送線路の基準導体との間及び前記後段回路の第２電位と前記伝送線路の基準導体との間が同電位で接続されてなることを特徴とする電子モジュール。
2. 前記前段回路及び前記後段回路は、第１電位と同じ極性の電源によって駆動されることを特徴とする請求項１記載の電子モジュール。
3. 前記第２電位は前記後段回路の電源電圧であり、前記後段回路は、電源電圧を昇圧する昇圧回路を更に備え、前記第２素子は前記第２電位に対して前記昇圧回路の出力との間で順方向にバイアスされることを特徴とする請求項１記載の電子モジュール。
4. 前記伝送線路は、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路または同軸線路の何れかであることを特徴とする請求項１記載の電子モジュール。
5. 前記伝送線路は接地電位層を有するプリント基板に設けられたマイクロストリップ線路であり、前記マイクロストリップ線路の信号導体と基準導体、及び前記プリント基板の接地電位層がこの順で積層されてなることを特徴とする請求項４記載の電子モジュール。
6. 前記伝送線路はプリント基板に設けられたコプレーナ線路であり、前記コプレーナ線路の信号導体はその両側に基準導体が配置されてなることを特徴とする請求項４記載の電子モジュール。
7. 前記第１素子は光変調器であり、前記第２素子は発光素子または光アンプであることを特徴とする請求項１記載の電子モジュール。
8. 前記第１素子と第２素子とが、同じ導電型の半導体基板上に集積されてなることを特徴とする請求項７記載の電子モジュール。
9. 前記光変調器は電界吸収型光変調器であることを特徴とする請求項７または８記載の電子モジュール。
10. 前記光変調器はＬＮ変調器であることを特徴とする請求項７記載の電子モジュール。
11. 正又は負のどちらか一方の電位である第１電位に基づいて駆動信号を生成する前段回路と、
    前記第１電位と同じ電位である第２電位に対して前記駆動信号との間で順バイアス方向に駆動される第１素子を有する後段回路と、
    前記前段回路の駆動信号を前記第１素子に伝送する信号導体及び基準電位に維持される基準導体を備える伝送線路と、
    を備え、前記前段回路の第１電位と前記伝送線路の基準導体との間及び前記後段回路の第２電位と前記伝送線路の基準導体との間が同電位で接続されてなることを特徴とする電子モジュール。
12. 前記第１素子は発光素子または光アンプであることを特徴とする請求項１１記載の電子モジュール。
13. 前記第１電位は、正の電位であることを特徴とする請求項１または１１記載の電子モジュール。

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