JP5104251B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光通信に用いる光モジュールに関し、特にインピーダンス整合回路を設けなくても、信号ピンと信号線路のインピーダンスを整合させることができる光モジュールに関するものである。

近年、ケーブルテレビにおいては消費者の嗜好多様化により衛星放送等のＴＶチャンネル増加が求められており、ケーブルテレビの配信に用いられる光モジュールにも広帯域化が求められている。一方、コスト低減も求められているため、広帯域化に伴う高価な部品を使用することはできない。従来の光モジュールはＴＯ−ＣＡＮと呼ばれる形状で構成され、レーザーダイオードとステムに設けられた信号ピンをワイヤボンディングしているだけで、特に広帯域化という観点では設計されていない。

図１０は、従来の光モジュールをプリント基板に実装した状態を示す斜視図であり、図１１は側面図である。ステム４にレンズキャップ１４が設けられ、レセプタクル１５が接続されている。光モジュールの信号ピン１とグランドピン２７でプリント基板１７を挟み込むように、光モジュールがプリント基板１７に実装されている。そして、プリント基板１７の表面に信号線路３２、裏面に地導体３１が設けられ、それぞれが光モジュールの信号ピン１とグランドピン２７が最短になるように半田２８により接続されている。このように接続することにより、信号ピン１、グランドピン２７の寄生インダクタンス成分を小さくすることができるため、プリント基板１７上の信号線路３２から伝送されてきた信号の劣化を抑えて、光モジュール内部に伝送させることができる。

ところが、上記の光モジュールとプリント基板の取り付け方では、光モジュールとプリント基板の隙間がばらつくと、信号ピン１、グランドピン２７の寄生インダクタンスがばらついて高周波特性が大きく変動するため、安定して生産することが困難であった。また、より高い周波数の信号に対しては信号ピン１、グランドピン２７の寄生インダクタンス成分は信号に対して無視できないほど大きくなるため、高周波信号に対する整合をとるための回路をプリント基板上に設ける必要があり、部品点数が増え、実装スペースがかさむという問題もあった。これらの問題を解決するため、光モジュールとプリント基板の間を接続するフレキシブル基板を用いた光モジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２８６３０５号公報

フレキシブル基板を用いた光モジュールは、信号ピンと信号線路のインピーダンスを整合させるために抵抗器を設ける必要があった。従って、部品点数が増え、抵抗器により損失が発生してレーザーダイオードの発光効率が低下するという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、インピーダンス整合回路を設けなくても、信号ピンと信号線路のインピーダンスを整合させることができる光モジュールを得るものである。

本発明に係る光モジュールは、ステムと、ステムと接続されたグランドピンと、ステムを貫通する信号ピンと、ステムと信号ピンの間を埋めるガラスと、信号ピンに接続されたレーザーダイオードと、ステムに対向して設けられたフレキシブル基板と、フレキシブル基板のステムに近い側の第１面に形成され、ステムとは離間し、グランドピンと接続された地導体と、フレキシブル基板の第１面とは反対側の第２面に形成され、信号ピンと接続された信号線路とを有し、信号ピンと信号線路の接続部分からステムとフレキシブル基板が対向する領域内において、信号線路と対向する位置の地導体を削除してくり抜き部が形成され、くり抜き部の大きさは、信号ピンと信号線路のインピーダンスが整合するように設定され、くり抜き部において信号線路の幅が信号ピンに向かって広くなる。

本発明により、インピーダンス整合回路を設けなくても、信号ピンと信号線路のインピーダンスを整合させることができる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る光モジュールの内部を示す斜視図である。信号ピン１とモニタピン２，３が導電性のステム４を貫通している。ステム４と信号ピン１，モニタピン２，３の間はそれぞれ絶縁性のガラス５により埋められている。ステム４上にブロック６が搭載され、このブロック６上にサブマウント７を介してレーザーダイオード８が搭載されている。レーザーダイオード８の第１電極は金ワイヤ９を介して信号ピン１に接続され、第２電極はサブマウント７に設けられたビア（図示せず）を介してステム４に接続されている。

ステム４上にＰＤサブマウント１０を介してモニタ用のフォトダイオード１１が搭載されている。フォトダイオード１１の第１電極は金ワイヤ１２を介してモニタピン２に接続され、第２電極はＰＤサブマウント１０に接続されている。ＰＤサブマウント１０は、金ワイヤ１３を介してモニタピン３に接続されている。

図２は、実施の形態１に係る光モジュールをプリント基板に実装した状態を示す斜視図である。図３は、図２の一部を拡大した斜視図である。図４は、図３のＡ−Ａ’ における断面図である。図５は、フレキシブル基板の地導体と信号線路を透かした図である。

ステム４にレンズキャップ１４が設けられ、レセプタクル１５が接続されている。ステム４に対向してフレキシブル基板１６が設けられている。このフレキシブル基板１６を介してＴＯ−ＣＡＮパッケージとプリント基板１７が接続されている。なお、図示していないが、プリント基板１７上には、光モジュールを駆動するドライバ回路や、レーザーダイオード８からの光出力レベルをモニタするモニタ回路が搭載されており、それぞれプリント基板上の信号線路３２、モニタ線路３３、３４に接続されている。

フレキシブル基板１６のステム４に近い側の第１面に、地導体１８が形成されている。フレキシブル基板１６の第１面とは反対側の第２面に、信号線路１９、モニタ線路２１，２２、ランド２３，２４，２５，２６が形成されている。ランド２３は地導体１８と接続され、ランド２４は信号線路１９と接続され、ランド２５，２６はそれぞれモニタ線路２１，２２と接続されている。

グランドピン２７はステム４と接続されている。信号ピン１とランド２４、グランドピン２７とランド２３、モニタピン２，３とランド２５，２６はそれぞれ半田２８により接続されている。フレキシブル基板１６上の地導体１８、信号線路１９、モニタ線路２１，２２は、それぞれプリント基板１７上の地導体３１、信号線路３２、モニタ線路３３，３４に接続されている。

本実施の形態の特徴として、信号ピン１と信号線路１９の接続部分からステム４とフレキシブル基板１６が対向する領域内において、信号線路１９と対向する位置の地導体１８を削除して、くり抜き部３５が形成されている。信号ピン１と信号線路１９の接続部分から信号線路１９の延在方向におけるくり抜き部３５の長さをＬとし、信号線路１９の延在方向に対して垂直方向におけるくり抜き部３５の幅をｄとする。

上記の光モジュールの動作について説明する。まず、プリント基板１７上の信号線路１９からフレキシブル基板１６上の信号線路１９を伝送してきた変調信号は、ランド２４，半田２８、信号ピン１を介してステム４を貫通し、ＴＯ−ＣＡＮパッケージ内部に伝送される。次に、変調信号は、金ワイヤ９を介してレーザーダイオード８の第１電極に入力される。この入力された変調信号に応じてレーザーダイオード８は光出力を発生する。そして、レーザーダイオード８の第２電極から出力された変調信号は、サブマウント７，ブロック６，ステム４を介してＴＯ−ＣＡＮパッケージ外部に伝送される。次に、変調信号は、グランドピン２７、ランド２３、半田２８，フレキシブル基板１６上の地導体１８を介してプリント基板１７上の地導体３１に伝送される。

図６は、実施の形態１に係る光モジュールの等価回路図である。信号線路１９は、フレキシブル基板１６を介して対向する地導体１８とによりマイクロストリップ線路を構成しており、この間隔と線路幅によりインピーダンスが決定されている。ドライバ回路などの外部接続装置との接続性を考慮して、信号線路１９のインピーダンスは一般には５０Ωに設定される。

ステム４を貫通している信号ピン１のインピーダンスは、ガラス５と信号ピン１の直径の比と、ガラス５の誘電率から決まる。このガラス５と信号ピン１の直径の比は、ステム４の製造上の制約によりある一定の範囲となる。例えば、ステム４の厚みを１ｍｍとすると、ガラス５の直径は１ｍｍ、信号ピン１の直径は０．４５ｍｍとなり、ガラス５の比誘電率を６．７とすると、信号ピン１のインピーダンスは２０Ωとなり、信号線路１９のインピーダンス５０Ωに比べ低い。このため、ステム４を貫通する信号ピン１とフレキシブル基板１６上の信号線路１９をそのまま接続すると、インピーダンス不整合が生じ、通過する高周波信号の帯域が制限されてしまう。そこで、インピーダンス不整合を解消する手段として、容量性となっている低インピーダンスの信号ピン１に直列に高インピーダンス線路３６、即ち誘導性の線路を接続する必要がある。これにより、信号ピン１と信号線路１９のインピーダンスを整合させ、高周波領域まで通過帯域を広くすることができる。

ここで、信号線路１９の線路幅を狭くするか、信号線路１９と地導体１８の間隔を広げれば、線路のインピーダンスを高くすることができる。一般的に用いられているフレキシブル基板１６の厚みは２５μｍ〜５０μｍ程度、比誘電率は３〜４程度である。例えばフレキシブル基板１６の厚みを５０μｍ、比誘電率を３．２とした場合、線路幅を１００μｍにすれば信号線路１９のインピーダンスは５０Ωとなる。そこで、高インピーダンス線路を実現するために、信号線路１９の線路幅を２０μｍにすれば、インピーダンスは９０Ωになる。しかし、フレキシブル基板の製造上の制約により信号線路１９の線路幅を３０μｍ以下にするのは一般的に困難であるし、線路幅に対する製造公差の割合が大きくなり、インピーダンスがばらつく。また、信号線路１９の線路幅を狭くすると、信号線路１９の断面積が減少し、電気抵抗値が増え、通過損失が増加する。一方、フレキシブル基板１６の厚みを増やすことにより線路インピーダンスを高くすることもできるが、フレキシブル基板１６の本来の特徴である柔軟性が損なわれ、また一般に市販されている仕様から外れるため、柔軟性を維持するためには材料を特殊なものにしなければならず入手が困難になる。

そこで、本実施の形態では、上記のように地導体１８を削除してくり抜き部３５を形成している。くり抜き部３５では、地導体１８が無いため、ステム４が地導体として機能する。そして、信号線路１９と地導体１８の間隔よりも、信号線路１９とステム４の間隔の方がより広いため、高インピーダンス線路を容易に実現することができる。例えば、信号線路１９の線路幅が１００μｍ、フレキシブル基板１６の厚み、比誘電率を上記と同じとした場合、線路インピーダンスは５０Ωであるが、地導体１８をくり抜き、フレキシブル基板１６とステム４の間隔を０．１ｍｍとした場合、インピーダンスは１００Ωとなる。なお、くり抜き部の幅は信号線路１９の線路幅の３倍程度あれば、地導体１８の影響は無視できる程小さくなるため、ここでは３００μｍとしている。一般にフレキシブル基板１６には信号線路１９や地導体１８を保護するための保護フィルム（不図示）が設けられており、この保護フィルムの厚みによりフレキシブル基板１６とステム４の間を０．１ｍｍとすることは容易にできる。また、線路幅も変わらないため、通過損失の増加も避けることができる。

くり抜き部３５の大きさは、信号ピン１と信号線路１９のインピーダンスが整合するように設定されている。例えば、くり抜き部３５の長さＬは１ｍｍ以上４ｍｍ以下、幅ｄは０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下、フレキシブル基板１６とステム４の間隔は０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下とすればインピーダンスの整合が可能である。

図７は、通過特性をシミュレーションした結果を示す図である。くり抜き部３５が有る場合の特性を実線で示し、くり抜き部３５が無い場合の特性を点線で示している。くり抜き部３５の大きさは図５中のＬ，ｄで表すとＬ＝２ｍｍ，ｄ＝０．３ｍｍである。この結果から、くり抜き部３５を設けることで、高周波帯まで通過信号帯域が広がることが分かる。

以上説明したように、本実施の形態は、くり抜き部３５を設けて信号線路１９のインピーダンスを高くすることで、インピーダンス整合回路を設けなくても、信号ピン１と信号線路１９のインピーダンスを整合させることができる。これにより、高周波帯まで通過信号帯域を広くすることができる。

また、くり抜き部３５は、フレキシブル基板１６上の地導体１８をパターンエッチングして形成するため、高精度で形成することができ、寸法のばらつきが非常に小さい。また、くり抜き部３５は、パターンエッチングのみで形成するため、低コストで形成することができる。

また、信号ピン１、グランドピン２７、モニタピン２，３は、ステム４の外周円に対して同心円状に配置されている。そして、信号ピン１とグランドピン２７は隣り合って並んでいる。このため、グランドピン２７と地導体１８の接続は、くり抜き部３５の有無に係らず信号線路１９に近接して配置することができる。従って、くり抜き部３５により信号線路１９を高インピーダンスにしても、安定して接続することができる。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係る光モジュールを示す断面図である。ステム４とフレキシブル基板１６の間にスペーサ３７が設けられている。その他の構成は実施の形態１と同様である。スペーサ３７により信号線路１９とステム４との間隔を広げることで、くり抜き部３５における信号線路１９とステム４の間の容量を低減し、より高いインピーダンス線路が実現できる。

例えば、信号線路１９の幅を１００μｍとし、フレキシブル基板１６とステム４の間を０．１ｍｍとした場合、実施の形態１では信号線路１９のインピーダンスは１００Ωであった。これに対し、スペーサ３７を設けてフレキシブル基板１６とステム４との間を０．３ｍｍに広げると、信号線路１９のインピーダンスは１５０Ωとなる。従って、信号線路１９は更に高インピーダンスとなるため、信号ピン１の低インピーダンス特性を更に補償しやすくなる。

図９は、通過特性をシミュレーションした結果を示す図である。くり抜き部３５が有る状態でスペーサ３７によりフレキシブル基板１６とステム４との間を０．３ｍｍに広げた場合の特性を実線で示し、図７のくり抜き部３５は有るが、スペーサは設けていない場合の特性を点線で示している。この結果から、スペーサ３７を設けることで、更に高周波帯まで通過信号帯域が広がることが分かる。

スペーサ３７により、フレキシブル基板１６とステム４との間隔を一定とすることができるため、安定した性能を得ることができる。また、ステム４とスペーサ３７を粘着テープや接着材などの接着部材により固定することで、更に安定した性能を得ることができる。

実施の形態１に係る光モジュールの内部を示す斜視図である。 実施の形態１に係る光モジュールをプリント基板に実装した状態を示す斜視図である。 図２の一部を拡大した斜視図である。 図３のＡ−Ａ’ における断面図である。 フレキシブル基板の地導体と信号線路を透かした図である。 実施の形態１に係る光モジュールの等価回路図である。 通過特性をシミュレーションした結果を示す図である。 実施の形態２に係る光モジュールを示す断面図である。 通過特性をシミュレーションした結果を示す図である。 従来の光モジュールをプリント基板に実装した状態を示す斜視図である。 従来の光モジュールをプリント基板に実装した状態を示す側面図である。

符号の説明

１ 信号ピン
４ ステム
５ ガラス
８ レーザーダイオード
１６ フレキシブル基板
１８ 地導体
１９ 信号線路
２７ グランドピン
３５ くり抜き部
３７ スペーサ

Claims (6)

1. ステムと、
   前記ステムと接続されたグランドピンと、
   前記ステムを貫通する信号ピンと、
   前記ステムと前記信号ピンの間を埋めるガラスと、
   前記信号ピンに接続されたレーザーダイオードと、
   前記ステムに対向して設けられたフレキシブル基板と、
   前記フレキシブル基板の前記ステムに近い側の第１面に形成され、前記ステムとは離間し、前記グランドピンと接続された地導体と、
   前記フレキシブル基板の前記第１面とは反対側の第２面に形成され、前記信号ピンと接続された信号線路とを有し、
   前記信号ピンと前記信号線路の接続部分から前記ステムと前記フレキシブル基板が対向する領域内において、前記信号線路と対向する位置の前記地導体を削除してくり抜き部が形成され、
   前記くり抜き部の大きさは、前記信号ピンと前記信号線路のインピーダンスが整合するように設定され、
   前記くり抜き部において前記信号線路の幅が前記信号ピンに向かって広くなることを特徴とする光モジュール。
2. 前記信号ピンと前記信号線路の接続部分から前記信号線路の延在方向における前記くり抜き部の長さは１ｍｍ以上４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記フレキシブル基板と前記ステムの間隔は０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
4. 前記信号ピンと前記グランドピンは、前記ステムの外周円に対して同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光モジュール。
5. 前記ステムと前記フレキシブル基板の間に設けられたスペーサを更に有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光モジュール。
6. 前記フレキシブル基板と前記スペーサは接着部材により固定されており、前記ステムと前記スペーサは粘着テープによって固定されていることを特徴とする請求項５に記載の光モジュール。

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