JP4503560B2 - 光送受信モジュール用パッケージ - Google Patents

Description

本発明は、光半導体素子用パッケージに関し、特に、モノリシック集積型双方向光送受信モジュールのための高密度小型パッケージに関する。

マルチメディア型高速インターネット、映像会議、ＩＰテレフォニー、注文型ビデオ、インターネットゲーム、在宅勤務、電子商取り引き、遠隔教育、遠隔医療等、新しいサービスが現実化されてきており、バックボーン・ネットワークの転送容量は、非常に増加したのに対し、加入者ネットワークにおける転送容量の変化はほとんどないのが現状である。これは、加入者ネットワークが多様なマルチメディア型サービスを提供するにあたって、加入者とバックボーン・ネットワークとの間にボトルネック現象が発生し得ることを意味する。現在、最も広く使われている加入者ネットワークソリューションであるｘＤＳＬ（ｘ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｌｉｎｅ）やケーブルモデムネットワークも、前述のようなサービスの提供が不可能である。従って、低価で且つ簡単なネットワーク構造を有し、拡張性に優れていて、データ、音声、ビデオサービスを総て受け入れることができる新しい技術が求められている。

最近、新しい加入者ネットワーク技術として、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標） ＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）技術が注目されている。ＰＯＮ技術には、主として、ＡＴＭ ＰＯＮ及びＥｔｈｅｒｎｅｔ ＰＯＮ（Ｅ−ＰＯＮ）が挙げられ、ＡＴＭ ＰＯＮは、ＩＰ Ｄａｔａ、Ｖｉｄｅｏ、そして１０／１００Ｍｂｐｓ Ｅｔｈｅｒｎｅｔのような高速のサービスを統合して、低価で且つ迅速に提供するために開発された。しかしながら、ＡＴＭ−ＰＯＮ標準は、ビデオ転送能力が不足しており、不充分な帯域幅を有し、また、複雑度や費用的な面から加入者ネットワークに適さないため、高速イーサネット、ギガビットイーサネット等の技術が発展させられつつ、１．２５Ｇｂｐｓの帯域幅を有するＥｔｈｅｒｎｅｔ ＰＯＮ技術が開発され始めた。

Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ＰＯＮ用のモノリシック集積型双方向光送受信モジュールは、半導体の単一チップ上に光信号受信用光電素子（Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）と、光信号転送用電光素子（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）と、電光素子の動作をモニタリングするためのモニタ光電素子（ＭｏｎｉｔｏｒＰｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）と、電子素子と、パッケージ部品とにより構成される。モノリシック集積型双方向光送受信モジュールは、光電素子により光信号から電子信号に変換された信号が、モジュールに装着された電子素子に入力され、増幅及び変調され、また、電子素子に入力された電気信号を電光素子を介して光信号に変換し、光ファイバに転送することを目的とする。従って、モノリシック集積型双方向光送受信モジュール用パッケージでは、リードフレームの数が増加するようになり、モジュールの小型化を図るためには、直径４．６ｍｍ又は直径５．６ｍｍサイズの小型ＴＯ−ＣＡＮパッケージの信号線の高密度化が必ず要求される。

従来の光送信モジュール用ＴＯ−ＣＡＮパッケージを図１ａ及び図１ｂに示した。図１ａ及び図１ｂに示すように、従来のＴＯ−ＣＡＮパッケージは、ステム（Ｓｔｅｍ）１１３を用いて構成される。ステム１１３を貫通するように、一対のフォトダイオード用リード端子１０５と信号供給用リード端子１１２とがガラス材料１０６によって絶縁されて設けられる。また、ステム１１３の上面には、サブマウント１０２及び半導体レーザ１０３が搭載される金属マウント９０１が信号供給用リード端子１１２に隣接するように設けられ、上記上面の溝部分の底部１０９には、他のサブマウント１０８とモニタ用フォトダイオード１０７とが設けられる。ここで、モニタ用フォトダイオード１０７は、半導体レーザ１０３の射出面の反対側の端面から射出されるレーザ光が入力される位置に設けられる。図１ａにおいて、参照符号１１４は、接地用リード端子を示す。

前述した従来の光送信モジュールは、ＴＯ−ＣＡＮパッケージ用ステム１１３を使用し、マウント９０１の一側面に位置するサブマウント１０２を用いて半導体レーザ１０３を搭載し、溝部分の底部１０９に他のサブマウント１０８を用いてモニタ用フォトダイオード１０７を搭載し、これら半導体レーザ１０３又はフォトダイオード１０７と各リード端子との間をワイヤ１０４、１１０、１１１により接続して構成される。

図２ａ及び図２ｂは、従来の他の光送信モジュール用ＴＯ−ＣＡＮパッケージを示す。図２ａ及び図２ｂのＴＯ−ＣＡＮパッケージは、高周波特性を良好にするために、新しいマウント１０１を使用することを除いて、図１ａ及び図１ｂを参照して説明した従来のＴＯ−ＣＡＮパッケージの構成と同様である。従って、図２ａ及び図２ｂでは、図１ａ及び図１ｂの参照符号と同じ参照符号を付けて示した。図２ａ及び図２ｂにおいて、マウント１０１は、電気伝導性及び熱伝導性に優れた金属で設計され、半導体レーザ１０３が設けられる側面１０１ｂと、信号供給用リード端子１１２を取り囲む円周面１０１ａとを備える。また、上記側面１０１ｂ上には、サブマウント１０２を用いて半導体レーザ１０３が装着される。また、マウント１０１は、半導体レーザ１０３がステム１１３上面の上方ほぼ中央部に位置すると同時に、円周面１０１ａと信号供給用リード端子１１２とがほぼ同軸になるように、ステム１１３の上面に配置される。前述したＴＯ−ＣＡＮパッケージにおいて、マウント１０１の円周面１０１ａは、信号供給用リード端子１１２が挿入される貫通孔とほぼ同じ直径を有するように設けられている。

しかし、前述した従来の技術は、光半導体レーザのためのＴＯ−ＣＡＮパッケージ又は光半導体フォトダイオードのためのＴＯ−ＣＡＮパッケージの開発を目的とする。即ち、光半導体レーザ又はフォトダイオードだけのためのＴＯ−ＣＡＮパッケージは、一般的に、１個又は２個の高速信号リード線と、１個のＤＣ信号リード線と、１個の接地リード線とにより構成されるので、直径４．６ｍｍ又は直径５．６ｍｍのステム上に形成される信号線の集積度が非常に低いという短所がある。従って、前述したＴＯ−ＣＡＮパッケージは、モノリシック集積型双方向光送受信モジュールに適用することが難しいため、新しいＴＯ−ＣＡＮパッケージが要求されている。

言い換えれば、モノリシック集積型双方向光送受信モジュールは、光半導体フォトダイオードで光電変換された信号を一次増幅するためのトランスインピーダンス増幅器チップと、光半導体レーザ、モニタフォトダイオード及び光半導体フォトダイオードにより構成された単一光半導体チップと、から構成される。従って、そのために、パッケージは、少なくとも１個の光半導体レーザ高速信号転送用リード線、１個のモニタフォトダイオードリード線、２個のトランスインピーダンス増幅器高速信号転送リード線、１個のトランスインピーダンス増幅器ＤＣ信号リード線、及び、光半導体レーザと光半導体フォトダイオードとの間の信号干渉を制御するための４個の接地リード線等、全部で９個の信号リード線が必要である。さらに、単一の光半導体チップには、必要に応じて、光増幅器が追加され得るが、この場合、１個の光増幅器信号リード線が追加され、トランスインピーダンス増幅器の動作性能点検のための信号リード線が１個追加され得る。前述した場合、全部で１１個の信号リード線が必ず必要である。

しかし、従来の技術は、図１ａ及び図１ｂ並びに図２ａ及び図２ｂから分かるように、ステム１１３上に形成された金属マウント９０１又は１０１の上面と一方の側面だけを使用するので、同じパッケージサイズ、例えば、直径４．６ｍｍ又は直径５.６ｍｍにおいて４個又は５個のリード線しか装着することができないという限界がある。
大韓民国特許公報１０−０５２６５０４号 米国特許公報ＵＳ６，８８５，４８７Ｂ２号 日本公開特許公報 特開２００４−２９４５１３号 日本公開特許公報 特開２００４−３６３５５０号 日本公開特許公報 特開２００４−３１１９２３号

本発明の目的は、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ＰＯＮ技術を実現するために開発されているモノリシック集積型双方向光送受信モジュールを小型化するための高密度パッケージを提供することにある。即ち、本発明の目的は、同じサイズのパッケージにおいて信号集積度を大きく増加させることができる光送受信モジュール用パッケージを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る光送受信モジュール用パッケージは、貫通孔を有するステムと、該ステムの上面に位置する金属マウントと、該金属マウントに装着される信号線と、上記ステムの下面に突設され、上記貫通孔を介して上記金属マウントに装着された光素子に電気的に連結される複数のリード線と、を備えることを特徴とする。

好ましくは、上記信号線は、上記金属マウントを貫通し、絶縁体により上記金属マウントと絶縁される。

上記信号線は、別途に製作され、上記金属マウントの溝に装着される。

上記複数のリード線は、上記金属マウントの最も広い面と平行に延在する。

上記複数のリード線のうち一つのリード線は、高速信号転送時、所望のインピーダンス整合をとれるように、上記金属マウントを貫通して装着される。

上記複数のリード線のうち一つのリード線の末端部は、高速信号転送時、所望のインピーダンス整合をとれるように、上記金属マウントの上記一面に露出される。

上記複数のリード線は、同じ特性を有するリード線群として統合処理される。

上記光素子は、光信号転送のための電光素子と、上記電光素子の動作をモニタリングするためのモニタ光電素子、及び、上記光信号受信のための光電素子を、モノリシック集積化した双方向半導体素子と、を備える。

上記金属マウントには、上記光電素子により変換された電子信号を増幅及び変調するためのトランスインピーダンス増幅器が装着される。

本発明は、ステム上に形成された金属マウントの上面及び下面の両方にリード線を形成できるので、同じサイズのパッケージにおいて信号密集度を２倍以上増加させることができる。言い換えれば、本発明では、１．２５Ｇｂｐｓ級のＥｔｈｅｒｎｅｔ ＰＯＮ用のモノリシック集積型双方向モジュールを小型化するために、直径４．６ｍｍ又は直径５．６ｍｍサイズのＴＯ−ＣＡＮパッケージの信号線の密度を増加させることができるという利点がある。

以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。下記の実施の形態は、当業者に本発明の思想が十分に伝達され得るようにするために一例として提示されるものである。従って、本発明は、下記の実施の形態に限らず、様々な変形が可能である。尚、本明細書において、同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。また、本発明の要旨を不明確にする公知の機能及び構成についての詳細な説明は省略する。

図３ａは、本発明の第１の実施の形態に係る光送受信モジュール用パッケージを示す斜視図である。図３ｂは、図３ａの光送受信モジュール用パッケージを反対側から見た斜視図である。

図３ａ及び図３ｂを参照すると、本実施の形態に係る光送受信モジュール用パッケージは、ステム（ｓｔｅｍ）２１３、金属マウント２０１、信号線２０４（以下、他の信号線又はリード線との区別のために連結信号線という。）、及び、複数のリード線２０６、２０７、２０７ａ、２０８、２０９を備える。

ステム２１３は、ＴＯ−ＣＡＮパッケージを構成する部品であって、その上面と下面とを貫通する貫通孔を有する。貫通孔は、円形や楕円形等の断面を有するように形成され得る。また、ステム２１３は、キャップ又は光ファイバケーブル（図示せず）との結合のために、その上面に段差部２１３ａを有する。

金属マウント２０１は、耐久性及び熱伝導率に優れた金属又は合金からなり、ステム２１３の上面に装着される。金属マウント２０１の一面上には、高周波信号等の電子信号を光信号に変換して射出する電光素子（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）と、電光素子の動作をモニタリングするためのモニタ光電素子（Ｍｏｎｉｔｏｒ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）と、光信号を受信し、受信した光信号を電子信号に変換する光電素子（Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）とが装着される。本実施の形態において、電光素子、モニタ光電素子及び光電素子としては、これらがモノリシック集積された双方向半導体素子２０２を利用する。そして、上記一面は、ステム２１３の上面と略直交する最も広い面であり、且つ、光素子２０２が装着される面である。

また、金属マウント２０１の一面及び上記一面と対向する他面上には、光電素子により変換された電子信号を増幅及び変調するトランスインピーダンス増幅器２０３と、トランスインピーダンス前置増幅器２０３の雑音を除去するためのキャパシタ２０５ａと、ＤＣ安定のためのノイズ除去用キャパシタ２０５ｂとが装着される。一方、金属マウント２０１の一面又は他面上には、必要に応じて、インピーダンスマッチング抵抗及びキャパシタが追加的に装着され得る。図３ａ及び図３ｂにおいて、参照符号２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃは、モノリシック集積型双方向半導体素子２０２内の電光素子、モニタ光電素子及び光電素子を各々示す。

複数のリード線２０６、２０７、２０７ａ、２０８、２０９は、金属マウント２０１の一面及び他面とほぼ平行に延在するように装着される。また、複数のリード線２０６、２０７、２０７ａ、２０８、２０９は、ステム２１３の下面に突設され、且つ、ステムの貫通孔を介して延設され、ボンディングワイヤ２１０、２１１、２１２（以下、ワイヤともいう。）を介して、金属マウント２０１の一面上に装着される光素子に電気的に連結される。

上記複数のリード線のうち一つのリード線２０６は、高速信号転送のための目的インピーダンスを考慮して金属マウント２０１を貫通するように装着され、その末端部がステム２１３の上面に対応する側面と対向する他の側面に突出するように装着される。上記リード線２０６の末端部は、ワイヤ２１０を介して、金属マウント２０１の一面に位置する電光素子２０２ａに連結される。

また、複数のリード線のうち二つのリード線２０７は、ワイヤ２１１を介してトランスインピーダンス増幅器２０３に連結される。トランスインピーダンス増幅器２０３は、他のワイヤを介して、光信号受信用光電素子２０２ｃ、金属マウント２０１を貫通して装着される３個の連結信号線２０４のうち中間に位置する連結信号線の一端、及び、インピーダンス増幅器雑音除去用キャパシタ２０５ａに連結される。そして、複数のリード線のうち他のリード線２０７ａは、ＤＣ信号を転送し、ワイヤ２１１を介してインピーダンス増幅器雑音除去用コンデンサ２０５ａに連結される。

また、複数のリード線のうち３個のリード線２０８は、ワイヤ２１２を介して３個の連結信号線２０４の他端に各々連結され、この３個のリード線２０８のうち一つは、ＤＣ安定のためのノイズ除去用コンデンサ２０５ｂを経て３個の連結信号線２０４のうち中間の連結信号線の他端に連結され、この３個のリード線２０８のうち他の一つは、連結信号線２０４を介して金属マウント２０１の一面に装着されたモニタ光電素子２０２ｂに電気的に連結される。そして、複数のリード線のうち残余の４個のリード線２０９は、電光素子と光電素子との間の信号干渉を制御するための接地用リード線であり、ステム２１３の下面に突出するように装着される。上記接地用リード線を除いた各リード線は、ガラス絶縁体、セラミック絶縁体等の任意の絶縁体２１４によりステム２１３と絶縁される。また、同様に、連結信号線２０４は、ガラス絶縁体、セラミック絶縁体等の任意の絶縁体２１４により金属マウント２０１と絶縁される。

前述した各リード線は、同軸ケーブルインピーダンス整合により所望の特定インピーダンスを有するように設計される。例えば、各リード線は、ステム２１３の下面に突出する各リード線の大きさ及びそれらの間の間隔により目的インピーダンスを有するように設計される。さらに、本発明では、同じ特性を有するリード線を楕円形態に統合して処理することによって、信号集積度を増加させる。

図４ａは、本発明の第２の実施の形態に係る光送受信モジュール用パッケージを示す斜視図である。図４ｂは、図４ａの光送受信モジュール用パッケージを反対側から見た斜視図である。

図４ａ及び図４ｂを参照すると、本実施の形態に係る光送受信モジュール用パッケージは、第１の実施の形態の光送受信モジュール用パッケージと比較したとき、連結信号線を別途に製作して金属マウント２０１の溝２０１ａに装着することを特徴とする。

言い換えれば、本実施の形態では、連結信号線を金属マウント２０１と同時に製作することなく、金属マウント２０１に“Ｕ”字形状の溝２０１ａを形成した後、別途に製作される連結信号線ブロック２０４ａを装着する方式を利用する。上記構成によれば、金属マウントに装着される連結信号線の製作が容易であり、従って、パッケージ製作工程が第１の実施の形態の場合より単純化できるという利点がある。

一方、金属マウントの溝２０１ａは、上記形状以外に、“Ｌ”字形状等に適宜形成することができる。また、連結信号線は、円形断面を有するビアの内周面に塗布されたり充填された導体、又は、第１の実施の形態の連結信号線のように四角形の断面を有する導体により形成することができる。同様に、リード線は、四角形の断面を有する構成以外に、円形の断面等の他の断面を有するように形成してもよい。

図５は、本発明の第３の実施の形態に係る光送受信モジュール用パッケージを示す斜視図である。

図５を参照すると、本実施の形態に係る光送受信モジュール用パッケージは、第１の実施の形態の光送受信モジュール用パッケージと比較したとき、リード線２０６が金属マウント２０１を貫通して金属マウント２０１の一方の側面に露出されずに、その末端部２０６ａが金属マウント２０１の一面上に露出されるように装着されることを特徴とする。ここで、一面は、モノリシック集積型双方向半導体素子２０２が装着される金属マウント２０１の一方の面を示す。

上記リード線２０６は、高速信号転送時、所望のインピーダンス整合を考慮して設計される。上記構成によれば、所望のインピーダンスを考慮して、上記リード線２０６を金属マウント２０１を貫通して設計したり、金属マウント２０１の一面に露出させることができるので、設計自由度が増加する。

一方、本実施の形態に係る光送受信モジュール用パッケージは、第２の実施の形態の連結信号線ブロックと同様に、金属マウント２０１の溝（図示せず）に別途に製作された連結信号線ブロックが装着されるように具現化され得る。

以上において説明した本発明は、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形及び変更が可能であるので、上述した実施の形態及び添付された図面に限定されるものではない。

従来の光送信モジュール用ＴＯ−ＣＡＮパッケージを示す図である。 従来の光送信モジュール用ＴＯ−ＣＡＮパッケージを示す図である。 従来の他の光送信モジュール用ＴＯ−ＣＡＮパッケージを示す図である。 従来の他の光送信モジュール用ＴＯ−ＣＡＮパッケージを示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光送受信モジュール用パッケージを示す斜視図である。 図３ａの光送受信モジュール用パッケージを反対側から見た斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光送受信モジュール用パッケージを示す斜視図である。 図４ａの光送受信モジュール用パッケージを反対側から見た斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光送受信モジュール用パッケージを示す斜視図である。

符号の説明

２０１ 金属マウント
２０２ モノリシック集積型双方向半導体素子
２０４ 信号線
２０４ａ 信号線ブロック
２０６、２０７、２０７ａ、２０８、２０９ リード線
２１３ ステム（ｓｔｅｍ）

Claims (9)

1. 貫通孔を有するステムと、
   前記ステムの上面に位置する金属マウントと、
   前記金属マウントを貫通して絶縁体によって前記金属マウントと絶縁される連結信号線と、
   前記ステムの下面に突設され、前記貫通孔を介して前記金属マウントに装着された光素子に電気的に連結される複数のリード線と、を備え、
   前記複数のリード線のうち、少なくとも１つは前記連結信号線によって前記光素子に電気的に連結されることを特徴とする光送受信モジュール用パッケージ。
2. 前記連結信号線は、別途の連結信号線ブロックに製作され、前記連結信号線ブロックは、前記金属マウントの溝に装着されることを特徴とする請求項１に記載の光送受信モジュール用パッケージ。
3. 前記複数のリード線は、前記金属マウントの最も広い面と平行に延在することを特徴とする請求項１または２に記載の光送受信モジュール用パッケージ。
4. 前記複数のリード線のうち一つのリード線は、高速信号転送時、所望のインピーダンス整合をとれるように、前記金属マウントを貫通することを特徴とする請求項３に記載の光送受信モジュール用パッケージ。
5. 前記複数のリード線のうち一つのリード線の末端部は、高速信号転送時、所望のインピーダンス整合をとれるように、前記金属マウントの前記一面に露出されることを特徴とする請求項３に記載の光送受信モジュール用パッケージ。
6. 前記複数のリード線は、同じ特性を有するリード線群として統合処理されることを特徴とする請求項３に記載の光送受信モジュール用パッケージ。
7. 前記光素子は、光信号転送のための電光素子と、前記電光素子の動作をモニタリングするためのモニタ光電素子、及び、前記光信号受信のための光電素子を、モノリシック集積化した双方向半導体素子と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光送受信モジュール用パッケージ。
8. 前記金属マウントには、前記光電素子により変換された電子信号を増幅及び変調するためのトランスインピーダンス増幅器が装着されることを特徴とする請求項７に記載の光送
   受信モジュール用パッケージ。
9. 前記金属マウントは、対向する２つの面を持ち、
   前記複数のリード線のうち、一部は前記貫通孔を介して前記光素子が装着された前記金属マウントの一面に延長され、
   前記複数のリード線のうち、他の一部は前記貫通孔を介して前記光素子が装着された前記金属マウントの一面と異なる一面に延長され、
   前記光素子が装着された一面と異なる一面に延長された一部のリード線は、前記連結信号線によって前記光素子に電気的に連結されることを特徴とする請求項１に記載の光送受信モジュール用パッケージ。

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