JP4290314B2 - 高周波回路及びそれを実装したモジュール、通信機 - Google Patents

高周波回路及びそれを実装したモジュール、通信機 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信機、携帯電話機などの通信機、それに搭載される高周波回路及びそれを実装したモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信などの通信機では、光源である半導体レーザの出力光を直接に強度変調や周波数変調する手法、又は光源である半導体レーザの出力光を別に作られた変調器により強度変調や周波数変調、位相変調する等の手法により変調したデータを、光ファイバなどの情報伝達媒体を通じて受信側の通信装置へ送信している。
【０００３】
この際用いられる外部変調器は、単独でモジュール化されたり、光源となる半導体レーザなどと集積化された変調器集積化光源としてモジュール化されることが多い。
【０００４】
ところで、近年、光通信において送受信されるデータは高ビットレート化しており、送信データが受信側へ誤りなく伝達されるためには、特に、変調器における高周波特性の向上を図ることが要求されている。
【０００５】
図７は、従来のモジュール内部の平面図及び断面図である。図７（ｂ）に示すように、導電性のベース基板１上に、アルミナなどの誘電体基板２、変調器集積化光源９，１０を冷却するためのヒートシンク３及び高周波整合用の終端抵抗であるところのマッチング抵抗４を設けている。
【０００６】
また、図７（ａ）に示すように、誘電体基板２にはコプレーナ型の高周波信号を転送する信号線７及びグランド（ＧＮＤ）８が形成されている。さらに、ヒートシンク３上には、光通信に用いる光源である半導体レーザ９と、その光を変調する外部変調器１０とが集積された変調器集積化光源が設けられている。
【０００７】
さらに、ビアホール１１によって、ヒートシンク３及びマッチング抵抗４とベース基板１とが電気的に接続されている。そして、信号線７と外部変調器１０とがボンディングワイヤ５，６により接続されている。
【０００８】
ここで、誘電体基板２と外部変調器１０との間の距離を短くすることによって、ボンディングワイヤ５，６のワイヤ長を各々短くすることにより、ボンディングワイヤ５，６のインダクタンス成分を小さくして、高周波特性が劣化しないようにしている。
【０００９】
なお、たとえば、特開平１０−２７５９５７号公報にも、上記と同様に、ボンディングワイヤのワイヤ長を短くして、高周波特性が劣化しないようにしたマイクロストリップラインを伝送線路として信号線等を形成してなる光半導体チップキャリアについて記載されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、信号線と外部変調器とを接続するボンディングワイヤ長を短くすると、ボンディングワイヤで生じるインダクタンスは小さくなるものの、設計上、誘電体基板と集積化光源チップとの間の距離を短くすることができず、各ボンディングワイヤのワイヤ長を短くすることができない場合が多く、このインダクタンスが完全になくなることはない。したがって、これらの各ボンディングワイヤのワイヤ長を短くしても、モジュールの高周波特性の劣化防止には限界がある。
【００１１】
そこで、本発明は、誘電体基板と外部変調器とを接続するボンディングワイヤのワイヤ長を短くするという従来の手法を用いることなく、モジュールの高周波特性の劣化を防止することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高周波信号を転送する信号線と容量を有する素子とを第一ボンディングワイヤで接続し、前記素子とインピーダンス整合用の終端抵抗とを第二ボンディングワイヤで接続してなる高周波回路において、前記第一，第二ボンディングワイヤ及び前記素子で形成される特性インピーダンスの大きさが、該高周波信号の入力側の特性インピーダンスの大きさ以上であり、且つ、前記第一ボンディングワイヤのインダクタンスよりも、前記第二ボンディングワイヤのインダクタンスが大きく、更に、前記第一，第二ボンディングワイヤと前記素子との接続部分の各々を別に設けていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のモジュールは、少なくとも上記高周波回路が実装されていることを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明の通信機は、上記モジュールを搭載することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態のモジュール内部の平面図及び断面図である。図１（ｂ）に示すように、導電性のベース基板１上に、アルミナなどの誘電体基板２、半導体レーザ９と外部変調器１０を冷却するためのヒートシンク３及び高周波整合用の終端抵抗であるところのマッチング抵抗４を設けている。なお、本実施形態では、半導体レーザ９と外部変調器１０を集積化した変調器集積化光源を用いている。
【００１７】
また、図１（ａ）に示すように、誘電体基板２にはコプレーナ型信号線７及びグランド（ＧＮＤ）８が形成されている。さらに、ヒートシンク３上には、光通信に用いる変調器集積化光源が設けられている。また、半導体レーザ９には、給電量ボンディングワイヤによって給電されている。なお、信号線７及びグランド８は、マイクロストリップライン型の伝送線路としてもよい。
【００１８】
また、ビアホール１１によって、ヒートシンク３、マッチング抵抗４及びグランド８とベース基板１とが電気的に接続されている。そして、信号線７と外部変調器１０とが第一ボンディングワイヤ５により接続され、マッチング抵抗４と外部変調器１０とが第二ボンディングワイヤ６により接続されている。
【００１９】
なお、図１（ａ）において、第一ボンディングワイヤ５，６を共通のボンディングパッドを用いて外部変調器１０に接続している。また、第一ボンディングワイヤ５，６は、後述するように、所定の要件下で相互の長さに制限を設けている。
【００２０】
さらに、図１では、マッチング抵抗４を、ヒートシンク３を挟んで誘電体基板２と反対側に形成して、ボンディングパッドを第一ボンディングワイヤ５，６とで共通にしている場合を示しているが、図２に示すように、マッチング抵抗４を誘電体基板２側に形成して、第一ボンディングワイヤ５，６毎にそれぞれ別の第一、第二ボンディングパッド１３，１４を形成してもよい。
【００２１】
また、図３に示すように、ヒートシング３上にアイランド１６を設けてアイランド１６と信号線７とを第一ボンディングワイヤ５を介して接続し、アイランド１６と外部変調器１０とを第三ボンディングワイヤ１７で接続し、アイランド１６とマッチング抵抗４とを第二ボンディングワイヤ６で接続してもよい。
【００２２】
ちなみに、図２に示すようにボンディングパッドを２つにしている理由は、第一，第二ボンディングワイヤ５，６の重ね打ちを防ぐためである。また、図３に示すようにアイランド１６を設けると、モジュールの製造時の検査において、第二ボンディングワイヤ６をボンディングする前に外部変調器の光/電気特性を調べ、この結果がよいものに対してのみ第二ボンディングワイヤ６をボンディングするということができるようになる。
【００２３】
図４は、第一ボンディングワイヤ５のインダクタンスを、たとえば０．６ｎＨに設定して第二ボンディングワイヤ６のインダクタンスを変えたときに得られるＳパラメータを示す図であり、図４（ａ）にＳ１１として高周波反射特性を示し、図４（ｂ）にＳ２１として周波数応答特性を示している。
【００２４】
図４では、第二ボンディングワイヤ６のインダクタンスを、０．２ｎＨ，０．６ｎＨ，１．０ｎＨ，１．２ｎＨという４つの場合を図示している。図４（ａ）に示すように、第二ボンディングワイヤ６のインダクタンスが、第一ボンディングワイヤ５のインダクタンスより小さいＬ２＝０．２，０．６ｎＨの場合には、周波数１０ＧＨｚのときに、ＲＦリターンロスが−１０ｄＢを超え、高周波反射特性が劣化する。
【００２５】
一方、第二ボンディングワイヤ６のインダクタンスが、第一ボンディングワイヤ５のインダクタンス以上のＬ２＝１．０，１．２ｎＨの場合には、周波数１０ＧＨｚのときに、ＲＦリターンロスが−１０ｄＢを超えず、高周波反射特性は劣化していない。
【００２６】
また、図４（ｂ）に示すように、−３ｄＢダウンの帯域では、第二ボンディングワイヤ６のインダクタンスが、第一ボンディングワイヤ５のインダクタンスより小さい場合には伸張する。一方、第二ボンディングワイヤ６のインダクタンスが、第一ボンディングワイヤ５のインダクタンス以上の場合には、ほとんど変化しない。
【００２７】
したがって、第一ボンディングワイヤ５，６の各ワイヤインダクタンスは、Ｌ１≦Ｌ２となるように設定するのが好ましい。Ｌ１≦Ｌ２とするためには、たとえば第一ボンディングワイヤ５のワイヤ長の方を、第二ボンディングワイヤ６のワイヤ長より短くすればよい。そのため、本実施形態では、第一ボンディングワイヤ５のワイヤ長をたとえば０．６ｍｍ、第二ボンディングワイヤ６のワイヤ長をたとえば１．０ｍｍとしている。
【００２８】
ちなみに、第一ボンディングワイヤ５，６のワイヤ長をこのように設定すると、図４（ａ），図４（ｂ）に示すように、Ｓ２１の３ｄＢ帯域は１５ＧＨｚ、このときの１０ＧＨｚにおけるＳ１１は−１０ｄＢとなる。
【００２９】
なお、図５は、図４（ｂ）に示すＳ２１の３ｄＢダウン帯域、及び１０ＧＨｚにおけるＳ１１を第一ボンディングワイヤ５，６のワイヤインダクタンスＬ１，Ｌ２をパラメータとして示す図であり、第一ボンディングワイヤ５，６のワイヤインダクタンスＬ１，Ｌ２は、相互に依存することを示している。
【００３０】
図５に示すように、Ｌ１≦Ｌ２とすると、Ｓ１１をそれほど劣化させずに、Ｓ２１の３ｄＢ帯域をインピーダンスマッチングの状態とさほど変化なく保つことができる。
【００３１】
なお、Ｌ１≦Ｌ２という条件を満たせば、実装上の位置ズレなどによって第二ボンディングワイヤ６のワイヤ長が変わることによりインダクタンスＬ２が変化しても、特性上の大きな変化は生じない。これは、第二ボンディングワイヤ６のワイヤ長の変化に対するＳ２１の変化トレランスを拡大することができることを意味している。
【００３２】
さらに、図５に示すように、たとえばＬ１＝０．４ｎＨ，Ｌ２＝０．８ｎＨ、Ｌ１＝０．６ｎＨ，Ｌ２＝１．２ｎＨ、Ｌ１＝０．８ｎＨ，Ｌ２＝１．６ｎＨのとき、すなわち、Ｌ１とＬ２の間に、およそ
２×Ｌ１＝Ｌ２
という関係が成立するように、第一ボンディングワイヤ５，６の長さを決定することで、Ｓ１１を最良とすることができる。
【００３３】
ここで、第一ボンディングワイヤ５，６のワイヤインダクタンスをそれぞれＬ１，Ｌ２とし、外部変調器１０の容量をＣとすると、外部変調器１０の容量と第一ボンディングワイヤ５，６の各ワイヤインダクタンスによって形成されるＬＣ伝送線路の特性インピーダンスＺは、
Ｚ＝√（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｃ
となる。
【００３４】
また、ＬＣ伝送線路の特性インピーダンスＺと入力信号線路の特性インピーダンスＺ0とを一致させると、Ｓ２１が極大となり、Ｓ１１は極小となる。しかし、実用上、Ｓ２１及びＳ１１が同時にそれぞれ極大、極小となっている必要はない。
【００３５】
たとえば、実用上は、図６の様に、インピーダンスミスマッチにより、Ｓ１１が極小となっても、Ｓ２１は極大とならないことが生ずるが、この場合も、Ｓ２１が適当な基準値を越えて（図６では、１４ＧＨｚを基準値とする）いれば、その範囲内でＳ１１が小さい方が望ましい。
【００３６】
図６の例では、Ｌ１＝０．４ｎＨ，Ｌ２＝０．８ｎＨ、Ｃ＝０．４８ｐＦの時、Ｚ＝５０Ω、Ｌ１＝０．６ｎＨ，Ｌ２＝１．２ｎＨ、Ｃ＝０．４８ｐＦの時、Ｚ＝６１Ωとなる。すなわち、通常、特性インピーダンスＺ0＝５０Ωであるから、Ｚ≧Ｚ0となるようにすることが好ましい。
【００３７】
図６は、本実施形態のモジュールと従来技術のモジュールとの高周波反射特性及び周波数応答特性を示す図である。なお、本実施形態のモジュールは、Ｚ＝Ｚ0＝５０Ω、Ｌ１＝０．６ｎＨ，Ｌ２＝１．４ｎＨとした図１の場合を示し、従来技術のモジュールは、Ｌ１＝０．３ｎＨ，Ｌ２＝０．２ｎＨとした図７の場合を示している。
【００３８】
図６に示すように、本実施形態のモジュールと従来技術のモジュールとの高周波反射特性及び周波数応答特性をぞれぞれ比較すると、高周波反射特性Ｓ１１は６ｄＢくらい向上し、周波数応答特性Ｓ２１は、２ＧＨｚくらい向上している様子が分かる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態では、ＬＣ伝送線路の特性インピーダンスＺの大きさを、入力信号側の特性インピーダンスＺ0の大きさ以上とし、且つ第一ボンディングワイヤ５のワイヤインダクタンスＬ１を、第二ボンディングワイヤ６のワイヤインダクタンスＬ２より小さくすることで、モジュールの高周波特性を向上させている。
【００４０】
なお、本実施形態では、モジュールの高周波特性を向上させる場合を例に説明したが、高周波信号を伝送する信号線と容量を有する素子とをボンディングワイヤで接続し、その素子と高周波整合用の終端抵抗とを他のボンディングワイヤで接続してなる高周波回路であれば、上記と同様の条件により高周波特性を向上させることができる。
【００４１】
また、上記モジュールを、光通信などにおける通信機や携帯電話機などの移動体通信機の変調部分として搭載することで、高周波特性に優れた通信機を提供することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によると、高周波信号を伝送する信号線と容量を有する素子とを接続する第一ボンディングワイヤのインダクタンスよりも、その素子とインピーダンス整合用の終端抵抗とを接続する第二ボンディングワイヤのインダクタンスを大きくしているため、誘電体基板とヒートシンクとを接続するボンディングワイヤのワイヤ長を短くすることなく、モジュールの高周波特性の劣化を防止することができ、第二ボンディングワイヤ長に対するトレランスを大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のモジュール内部の平面図及び断面図である。
【図２】図１とマッチング抵抗の形成位置を変えボンディングワイヤ毎にボンディングパッドを形成したモジュール内部の平面図である。
【図３】図１のヒートシンク３上にアイランドを設けてアイランドと信号線、アイランドと変調器、アイランドとマッチング抵抗とをそれぞれボンディングワイヤで接続したモジュール内部の平面図である。
【図４】ボンディングワイヤのインダクタンスを変えたときに得られるＳパラメータを示す図である。
【図５】図４（ｂ）のＳ２１の３ｄＢダウン帯域、及び１０ＧＨｚにおけるＳ１１の各ボンディングワイヤのワイヤインダクタンスをパラメータとしたときの様子を示す図である。
【図６】本実施形態を用いたモジュールと従来技術を用いたモジュールとの高周波反射特性及び周波数応答特性を示す図である。
【図７】従来のモジュール内部の平面図及び断面図である。
【符号の説明】
１ ベース基板
２ 誘電体基板
３ ヒートシンク
４ マッチング抵抗
５ 第一ボンディングワイヤ
６ 第二ボンディングワイヤ
７ 信号線
８ グランド（ＧＮＤ）
９ 半導体レーザ
１０ 外部変調器
１１ ビアホール
１３ 第一ボンディングパッド
１４ 第二ボンディングパッド
１６ アイランド
１７ 第三ボンディングワイヤ

Claims (6)

  1. 高周波信号を転送する信号線と容量を有する素子とを第一ボンディングワイヤで接続し、前記素子とインピーダンス整合用の終端抵抗とを第二ボンディングワイヤで接続してなる高周波回路において、
    前記第一，第二ボンディングワイヤ及び前記素子で形成される特性インピーダンスの大きさが、該高周波信号の入力側の特性インピーダンスの大きさ以上であり、且つ、前記第一ボンディングワイヤのインダクタンスよりも、前記第二ボンディングワイヤのインダクタンスが大きく、更に、前記第一，第二ボンディングワイヤと前記素子との接続部分の各々を別に設けていることを特徴とする高周波回路。
  2. 前記信号線と前記素子とをアイランドを介するようにボンディングワイヤで接続し、該アイランドと前記終端抵抗とをボンディングワイヤで接続することを特徴とする請求項１に記載の高周波回路。
  3. 前記素子として変調器を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波回路。
  4. 前記第二ボンディンクワイヤのインダクタンスの大きさを、前記第一ボンディングワイヤのインダクタンスの２倍の大きさとすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の高周波回路。
  5. 少なくとも請求項１から４のいずれか１項に記載の高周波回路を実装することを特徴とするモジュール。
  6. 請求項５に記載のモジュールを搭載することを特徴とする通信機。
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