JP5144628B2 - Ｔｏ−ｃａｎ型ｔｏｓａモジュール - Google Patents

Description

本発明はTO-CAN型TOSAモジュールに関する。

近年のインターネット、ＩＰ電話、動画のダウンロードなどの利用拡大により、必要とされる通信容量が急速に高まっており、これらの通信装置に使用される光モジュールの需要が拡大している。また、オフィスビルや一般家庭などに設置されるＬＡＮ機器等にも光モジュールが部品として利用され始めたことによって光モジュールの用途がさらに広がっている。需要の増加に従って、光モジュールのコストを抑えることがとても重要になってきている。これに関連し、データ通信、ＬＡＮで使用されるモジュールの仕様を共通化することが積極的に検討され、光モジュール仕様の標準化や開発が進められている。

また、一装置あたりに使用される光モジュールの数が増大したことを背景として、消費電力を下げることや光モジュールから発生する熱を抑制するなどの技術的な要求が高まっている。さらに、一装置あたりに多くの光モジュールを収容するため、光モジュールの小型化も重要な検討テーマとなっている。光モジュールの小型化に関して、これまでの開発の結果としてTOSA（Transmitter Optical Sub-Assembly）と呼ばれる小型モジュールが広く利用されるようになっている。従来の光モジュールに比べ小型のTOSAを実現するための代表的なモジュール形態として、TO-CAN（Transistor Outlined CAN）形のものやBOX形のものが開発され、既に製品化/市場での利用が進んでいる(非特許文献１、２、３、４)。

一般に、機能よりも安価なことが重要となる比較的低スペックの用途においてTO-CAN（Transistor Outlined CAN）形が利用される場合が多く、温度制御が必要なペルチェ素子等を搭載した光モジュールや10Gbpsを超えるような比較的ハイスペックな特性を要求されるような用途ではBOX型の光モジュール形態が利用されている。

従来のTO-CAN型TOSAモジュール５０は、図１に示すように、複数の配線端子２ａ、２ｂ、２ｃ、・・・およびステム１０を備えたTO-CAN型TOSAモジュール用パッケージにレーザダイオードなどの光半導体素子等１を搭載している。レンズまたは光取り出し用窓４と一体になったカップ形状のキャップ５をステム１０に抵抗溶接することにより光半導体素子等１をパッケージ内に封止する。さらにステム１０の底面にフレキシブルプリント基板６を備え、このフレキシブルプリント基板６を介して該モジュールと他の部品とが電気的に接続される。

図１に示すTO-CAN型TOSAモジュール５０のパッケージは、CANのような形状をしていることから一般にCAN形の光モジュール用パッケージと呼ばれていて、もともとは電子デバイス用の小型パッケージとして開発されたTO-CAN形のパッケージを光モジュール用に転用したものである。TO-CAN形の光モジュールのパッケージは、プレス加工で作成できる、共通仕様があるなどの理由で、製造コストが抑えられる。小型で実装スペースが狭く、多くの部品を搭載することが難しいため、比較的部品点数の少ないモジュールとして利用されることがこれまでは一般的だったが、精密な設計や高度な実装技術を適用することで安価なCAN型TOSAモジュールの高性能化開発(高性能な光モジュールの低価格化開発)が待たれている。

高性能なCAN型TOSAモジュールの実現に向け、TO-CAN型TOSAモジュールにペルチェ素子を搭載することや、10Gbpsを超えるような特性を有したCAN型TOSAモジュールの開発が行われている。ペルチェ素子を搭載し、かつ10Gbpsを超えるような用途を目指して開発されている従来のCAN型TOSAモジュール５０の例を図１（ａ）、（ｂ）を用いてさらに説明する。中継線路基板１１１は、ステム１０に設けられた配線端子２ａから給電される高周波信号を中継するための基板であり、ステム１０の上面に突出して形成されたパーツ（以下、ノーズという）１０ｄの前面に固定されている。ペルチェ素子１０９上には、発光素子である光半導体素子（例えばレーザダイオード(ＬＤ)と光変調器とをモノリシック集積したもの）１１０ａを搭載したサブキャリア基板１１８と、このサブキャリア基板１１８を支持するキャリア１０５とが載置されている。

キャリア１０５の最上部位にはレンズ１０６が搭載されており、光半導体素子１１０ａからの出力を効率的に外部に取り出せるように設計されている。ペルチェ素子１０９を搭載したCAN形の光モジュールを組み立てる場合、ステム１０上にペルチェ素子１０９を介してキャリア１０５およびサブキャリア基板１１８等を搭載していく。ステム１０に構成された高周波電気信号用の配線端子２ａからの信号をサブキャリア基板１１８に搭載された光半導体素子１１０ａまで伝搬するためには、いくつかの高周波線路の中心導体１１２ａ、１１２ｂ、およびグランド電極をワイヤ配線１０４、１０３ａ、１０３ｂ等でつなぎ合わせて構成することが必須となっている。したがって図１のように中継線路基板１１１とサブキャリア基板１１８とに高周波線路１１２ａ、１１２ｂを構成する方法が一般的に採用されている。

サブキャリア基板１１８上には光半導体素子１１０ａに高周波信号を給電するための信号線路１１２ｂが設けられ中継線路基板１１１から伝搬してくる高周波電気信号を効率よく光半導体素子１１０ａまで伝搬するようにサブキャリア基板上の高周波線路１１２ｂと、中継線路基板１１１の信号線路１１２aとが設計されている。中継線路基板１１１の信号線路１１２ａとサブキャリア基板１１８の信号線路１１２ｂが対向する部分ではワイヤボンディングをしやすいように１１２ａ、１１２ｂがほぼ同じ線路幅となるように構成されており、中継線路基板１１１とサブキャリア基板１１８とはワイヤ１０３ａ、１０３ｂ、１０４で接続されている。

Dongchurl Kim et.al., ‘‘Design and Fabrication of a Transmitter Optical Subassembly in 10-Gb/s Small-Form-Factor Pluggable Transceiver’’, IEEE JORNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS. VOL. 12,No.4, JULY/AUGUST 2006, pp776-782 H.Yamamoto et.al., ‘‘Wide Temperature Range Operation of 10.7 Gbit/s Uncooled DFB-LD TOSA with Extremely High Eye-Mask Margin’’, 2006 Electronic Components and Technology Conference, pp1548-1553 Norio Okada et.al., ‘‘10.7 Gbit/s Low Power Consumption and Low Jitter EML TOSA Employing Interdigital Capacitor’’, European Conference on Optical Communications 2006 (ECOC 2006), 2006, pp1-2 Y. M. Tan et.al., ‘‘Fabrication of Thermoelectric Cooler for Device Integration’’, 2005 Electronics Packaging Technology Conference,pp802-805

また従来のTO-CAN型TOSAモジュールにおいては、ペルチェ素子１０９上に搭載されるキャリア１０５やサブキャリア基板１１８は、ペルチェ素子１０９と同じ幅にすることでペルチェ素子１０９にかかる応力が均一になるように設計される。すなわち、ペルチェ素子１０９上の部品を小さくし、荷重を小さくするためにペルチェ素子１０９よりも幅の広いようなキャリア１０５やサブキャリア基板１１８の設計がされることはほとんどなかった。そのため図１（ａ）に示すように、光半導体素子１１０ａの取り付け位置とほぼ同じ水平位置において、サブキャリア基板１１８上の中継線路１１２ｂに高周波線路１１２ａが接続することができるように、中継線路基板１１１を長く構成することが一般的であった。

ステム１０から光半導体素子１１０ａまで高周波電気信号の損失を低減するため、中継線路基板１１１やサブキャリア基板上の高周波線路１１２a、１１２ｂの導体損失を低減できるように線路幅を広く設計したほうが有利である。また、中継線路基板１１１との接続部位におけるサブキャリア基板１１８上の中継線路１１２ｂの幅は、実装作業の際に発生する位置ずれをある程度許容するためにできるだけ広い線路幅を有していることが必要とされる。一方、サブキャリア基板１１８においては光半導体チップや終端抵抗、その他の部品を搭載するスペースを確保することや光半導体チップと高周波線路のサイズを揃えるために、サブキャリア基板１１８における中継線路１１２ｂは、光半導体素子１１０ａと対向する部分ではチップ１１０ａ上の電極幅程度まで線路幅を細めることが一般に実施されてきた。

これらを満足するため、従来はサブキャリア１１８の高周波線路１１２ｂにおいてパターン幅を変化させるような設計がなされてきた。すなわち、前述したようにサブキャリア基板１１８の幅がペルチェ素子１０９の幅程度であるため、中継線路１１２ｂにおけるパターン幅の変換は急峻になる構成とされていた。しかしながら、高性能なCAN型TOSAモジュールの開発に従って、この中継線路１１２ｂの線路幅を急激に変化させた部位において高周波信号の反射成分が増加して高周波信号の損失増大を招いていることが明らかとなってきた。

本発明の課題は、小型な部品であるＬＤ等の光半導体素子と幅広な高周波線路とを接続する際に高周波信号の線路幅の急激な変化を形成せず、高周波信号の損失を抑制したTO-CAN型TOSAモジュールを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、誘電体によってリード端子が固定されたステムと、前記ステム上に載置され、前記リード端子に接続される第１の信号線路が形成される中継線路基板と、前記ステム上に載置された冷却素子としてのペルチェ素子と、このペルチェ素子上に載置されるキャリア本体と、該キャリア本体から前記中継線路基板の上方にせり出したせり出し部を有し、前記キャリア本体に固定されたサブキャリアであって、前記キャリア本体と重なる部位に光半導体素子が搭載され、前記光半導体素子に接続される第２の信号線路が前記せり出し部まで延在するよう形成されたサブキャリアと、前記第１及び第２の信号線路を接続するワイヤと、を備えることを特徴とするTO-CAN型TOSAモジュールである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載のTO-CAN型TOSAモジュールにおいて、前記中継線路基板は前記ステムから突出形成されるノーズ上に固定されることを特徴とする。

請求項３に記載された発明は、誘電体によってリード端子が固定されたステムと、前記ステム上に載置され、前記リード端子に接続される第１の信号線路が形成される中継線路基板と、前記ステム上に載置された冷却素子としてのペルチェ素子と、このペルチェ素子上に載置されるキャリア本体と、前記キャリア本体に固定されたサブキャリアであって、前記ペルチェ素子の幅および前記キャリア本体の幅よりも幅広に構成されたパターン形成面を有し、該パターン形成面には、前記キャリア本体と重なる部位に光半導体素子が搭載され、該光半導体素子に接続される第２の信号線路が形成されたサブキャリアと、前記第１及び第２の信号線路を接続するワイヤとを備え、前記リード端子は、前記ペルチェ素子を載置する面から垂直に延在しており、前記第１の信号線路と、該第１の信号線路および前記第２の信号線路との接続部位とが、前記リード端子と軸合わせされて配置されるように構成されたことを特徴とするTO-CAN型TOSAモジュールである。

請求項４に記載された発明は、請求項１から３のいずれかに記載のTO-CAN型TOSAモジュールであって、前記第１の信号線路は、前記リード端子の端部から上方に延在し、前記第２の信号線路は、本体部の光半導体素子の搭載部位から前記せり出し部の下端まで、その線路幅が徐々に広がるように延在することを特徴とする。

請求項５に記載された発明は、請求項１から４のいずれかに記載のTO-CAN型TOSAモジュールであって、前記キャリアは、前記第２の信号線路の両側に形成されるグランドパターンを有し、前記中継線路基板は、前記第１の信号線路の両側に形成されるグランドパターンを有することを特徴とする。

本発明のTO-CAN型TOSAモジュールによれば、光半導体素子を搭載するサブキャリア基板における高周波線路の経路を十分長くとることにより、小型な部品である光半導体素子と幅広な高周波線路とを接続する高周波線路における反射成分の増大を招くことがなく、結果として高周波信号の損失を抑制でき、良好な高周波伝搬特性を得ることができる。

従来のTO-CAN型TOSAモジュールを示す正面図である。 本発明のTO-CAN型TOSAモジュールの一例を示す正面図である。 本発明のTO-CAN型TOSAモジュールの一例を示す平面図である。 本発明のTO-CAN型TOSAモジュールの一例を示す右側面図である。 本発明のTO-CAN型TOSAモジュールの一例を示す斜視図である。 （ａ）は、従来のTO-CAN型TOSAモジュールにおける高周波電気信号の伝搬/反射特性を示す図であり、（ｂ）は、本発明のTO-CAN型TOSAモジュールにおける高周波電気信号の伝搬/反射特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図２乃至図５は本発明のTO-CAN型TOSAモジュールの一例を示す図であり、それぞれ図２は正面図、図３は平面図、図４は右側面図、図５は斜視図を示している。TO-CAN型TOSAモジュール１００は、気密封止用の誘電体１１と、高周波電気信号やＤＣ電流を通すための複数の配線端子（信号リード線）２ａ、２ｂ・・・とを備えたステム１０上に光半導体素子１１０ａを搭載して構成されている。図示の例では、配線端子２ａに高周波電気信号を通しており、例えば、２００μｍから３５０μｍの直径を有している。また、ステム１０の底面にはフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）６が設けられている。

ステム１０に用いられる材料は、発熱源である光半導体素子１１０ａから発生する熱を冷却し光半導体素子１１０ａの温度を一定に保つためのペルチェ素子１０９からの排熱を放熱する効率を高めるという観点では、熱伝導率が高い材料であることが求められる。一方で、ステム１０の製造工程における温度変化によって、高周波電気信号を通すための配線端子２ａの周囲に設けられる気密封止用のガラス材料とステムとの間でひずみが生じないように、ガラス材料の熱膨張係数にあわせて熱膨張係数が選択された材料をステム１０に用いることが求められる。本実施例では、熱伝導率と熱膨張係数の最適な材料を組み合わせてステムを構成するという観点から、ステム１０を２層構成とし、ステムの上層１０ａ（光半導体素子１１０ａ等の搭載面側）を熱伝導率が高い材料で構成し、ステムの下層１０ｂ（光半導体素子１１０ａ等の搭載面の反対側）をガラス材料と熱膨張係数を合わせることのできる材料で構成している。例えば、ステム上層１０ａを熱伝導率が高いＳＰＣ（軟鋼）で構成し、ステム下層１０ｂを熱膨張係数がガラス材料と整合したＦｅＮｉＣｏ（Ｋｏｖａｒ）で構成することができる。

ステム上層１０ａは、配線端子２ａの周囲を中空に設計することで高周波配線端子としての特性を実現している。一方でステム下層１０ｂは、配線端子２ａの周囲の誘電体１１としてガラス材料が同軸状に配置されることによりステム１０を気密封止し、かつ高周波配線端子としての特性を両立している。ステム上層１０ａにおいて、高周波電気信号を通す配線端子２ａの周囲を中空、すなわち誘電体として低誘電率の空気を用いると、配線端子２ａの周囲の断面積を小さく構成することができ、小型CANモジュールにおける実装スペースの確保に有利という点でも好ましい。ステム１０の各層の厚みは、例えばステム上層１０ａを０．５〜１．０ｍｍ、ステム下層１０ｂを０．５〜２．０ｍｍに構成することができる。

ステム１０には上面に突出したノーズ１０ｃが一体に、もしくは別のパーツを張り合わせることによって形成されている。ステム１０は底面に設けられたグランドピン（図示せず）によってアースされることでグランド電位に保たれている。ノーズ１０ｃも、このステム１０と同じグランド電位に保たれている。ノーズ１０ｃの前面（図示手前側の面）には中継線路基板１０１が半田によって固定され、また、中継線路基板１０１の信号線路は、ステム１０に設けられた高周波変調信号（光半導体素子の駆動信号）用の信号リード線２ａと接続されている。中継線路（信号線路）１０２ａと、この中継線路１０２ａの両側に配置される誘電体（誘電体が露出されている部分）８０と、誘電体８０を挟んで中継線路１０２ａの両側に形成されたグランドパターン１０２Ｇとが設けられている。中継線路基板１０１の信号線路１０２ａは、中継線路基板１０１の下端から上端まで配線端子２ａの直径とほぼ同じ線路幅に構成することができ、したがって、誘電体８０も中継線路基板１０１の下端から上端までパターン変換なく構成することができる。中継線路基板１０１の線路幅を広く確保し、パターン変換なく構成することは、導体損失を低減する観点や、設計の複雑さを回避する観点から好ましい。中継線路基板１０１前面に設けられたグランドパターン１０２Ｇは、スルーホール（図示せず）を介して中継線路基板１０１の裏側に配されるノーズ１０ｃとグランド接続されている。さらに中継線路基板１０１のグランドパターン１０２Ｇは、ステム１０に近接する領域においてステム１０に半田Ｓ１、Ｓ２によって接続されてステム１０と同電位にされることで安定なマイクロ波の伝搬ができるようにグランド強化されている。

ここで、光半導体チップを搭載したサブキャリアの構造について述べる。本発明のモジュール構成においては、サブキャリア基板１０８のパターン形成面を幅広に形成し、キャリア１０５に固定されたときに、その一部が中継線路基板１０１の上方にせり出すように構成されている。サブキャリア基板１０８は、キャリア１０５と重なる部位に光半導体素子１１０ａを搭載し、光半導体素子１１０ａに接続される中継線路１０２ｂがせり出し部まで延在するように形成される。また、中継線路基板１０１には、ステム１０に固定された高周波信号を給電する信号リード線２ａと接続された中継線路１０２ａが形成されている。サブキャリア基板１０８のせり出し部の下端まで延在する中継線路１０２ｂと中継線路基板１０１の上端まで延在する前記中継線路１０２ａとがワイヤボンディング１０４で接続されるよう構成される。すなわち、従来、ペルチェ素子やキャリア幅と同等の幅としていたサブキャリア基板１０８を、ペルチェ素子１０９やキャリア１０５の幅よりも広く構成し、中継線路基板１０１上の中継線路１０２ａと、この中継線路１０２ａとサブキャリア基板１０８上の中継線路１０２ｂとの接続部位とが、信号リード線２ａと軸合わせされて配置されるように構成したことを特徴とする。信号リード線２ａは、ステム１０のペルチェ素子１０９載置面から垂直に延在しており、中継線路基板１０１上の中継線路１０２ａは、ステム１０に固定された高周波信号を給電する信号リード線２ａに接続されている。ここで、ステム１０のペルチェ素子１０９載置面から垂直であるとは、ステム１０と光半導体素子１１０ａとを最短距離で結ぶ直線と平行なことを意味している。図３には、中継線路１０２ａ（図２参照）とサブキャリア基板１０８上の中継線路１０２ｂ（図２参照）との接続部位に設けられたワイヤ１０４の取り付け位置が信号リード線２ａと軸合わせされていることが示されている。したがって、図４に示すように、サブキャリア基板１０８の中継線路１０２ｂ形成面と中継線路基板１０１の中継線路１０２ａ形成面とが面一に構成されていることとなる。また、ペルチェ素子やキャリア、サブキャリアなどに搭載された光半導体素子などは、図５に示すようにレンズ４と一体のキャップ等でN2封止等されている。

従来のサブキャリアでは、中継線路基板１０１からの高周波電気信号を光半導体チップ(本実施例では光変調器集積LDチップ)まで伝搬するためのサブキャリア上の高周波線路において、中継線路基板との接続部パターンサイズから光半導体チップとの接続部パターンサイズまで変換するための距離が十分確保することができなかったのに対し、本構造を採用することでサブキャリア上の高周波線路において急激な線路幅の変化を伴うことがないようにし、スムーズにパターンサイズを変更することが可能となった。そのため、中継線路基板との接続部付近のパターンサイズと光半導体チップ直近のパターンサイズを最適なサイズに設計することと、パターンサイズの変換領域を十分確保できることで高周波電気信号を効率よく伝搬することが可能となっている。（効果については後述）急激な線路幅の変化があると、急激な電界フィールド変換による反射が増大することとなるので、結果として高周波伝搬特性の著しい低下を招くが、本発明の構成によって急激な線路幅の変化をなくすことができ、高周波伝搬特性の低下を抑制することができる。

図２に示すように、中継線路基板１０１の上端部分とサブキャリア基板１０８のせり出し部位の下端部分において、中継線路１０２ａと中継線路１０２ｂとが軸合わせされて接続されている。したがって、サブキャリア基板１０８上の中継線路１０２ｂは、ＬＤ１１０ａの搭載部位からせり出し部の下端まで、その線路幅が徐々に広がるように延在する。

因みに、急激な線路幅の変化をなくすためには、上記のように中継線路１０２ｂを長くする代わりに、従来のように中継線路基板１０１上の中継線路１０２ａを長くしたまま、その線路幅をゆるやかに小さくなるように調整することも考えられる。すなわち、中継線路基板１０１とサブキャリア基板１０８との両者において線路幅の調整を行う。この場合、線路幅がかなり小幅な部位において中継線路１０２ａ、１０２ｂ同士を接続することになる。しかしながら、中継線路１０２ｂの他端側には基板の評価の際にプローブを当接させるための電極パッドとして機能しなければならない場合や、自動ワイヤリング装置等を用いて配線を行う場合やワイヤリング作業の容易性を確保したい場合には、あまり線路幅を小幅にはできない。また、小幅な線路同士を接続する場合、それぞれの位置合わせが高精度に要求される、または実装作業のばらつきによる接続損失のバラツキが増えるなどの点からも好ましくない。さらに、中継線路基板１０１とサブキャリア基板１０８との両者において線路幅の調整を行うことは、設計の複雑さを増すこと、接続部位での線路幅変化による接続損失の増加を招くことからも好ましいものではない。したがって中継線路基板１０１上の中継線路１０２ａにおいて線路幅を調整する態様は採用できない。

また、サブキャリア基板１０８上の中継線路１０２ｂの長さを長くするためには、中継線路基板１０１をなくして、サブキャリア基板１０８の中継線路１０２ｂをステム１０に設けられた信号端子２ａに直接的に接続する構成も考えられる。しかしながら、ペルチェ素子を有した光モジュールの組立てが困難であることや、ペルチェ素子１０９からステム１０に放熱された熱を再びサブキャリア基板１０８に流入させてしまうことにもなるという点で問題がある。

一方、キャリア１０５およびサブキャリア基板１０８が搭載されるペルチェ素子１０９の強度がそれほど強くないため、従来では、キャリア１０５およびサブキャリア基板１０８はできるだけ小型に構成する必要があると考えられていた。しかし、TO-CAN型TOSAモジュール１００に用いられるキャリア１０５およびサブキャリア基板１０８は、十分小型であるので、多少その大きさを大きくしてもペルチェ素子１０９の強度的に問題とならないことも判ってきた。

本実施例では、中継線路基板１０１上の中継線路１０２ａは、ボンディングワイヤ１０４を介してサブキャリア基板１０８上の中継線路（信号線路）１０２ｂと接続されている。中継線路１０２ｂは、この中継線路１０２ａと損失なく接続されるように、その接続部位の線路幅が中継線路１０２ａの線路幅とほぼ同幅に構成される。例えば、中継線路１０２ａ、１０２ｂの接続部における線路幅は、基板評価の際にプローブを当接させるための電極パッドとして機能することを考えると100μm以上の幅となるように構成すればよい。より好ましくは中継線路基板１０１上の中継線路１０２ｂのパターン変換をなくして導体損失がほとんどないよう構成するためには信号リード線２ａの幅とほぼ同一の線路幅と構成する。また、この中継線路１０２ｂの両側にはギャップ８１を介してグランドパターン１２０Ｇが構成されており、信号線路１０２ｂとグランドパターン１２０Ｇのギャップ８１は信号線路幅の変化に応じて所望の特性インピーダンスとなるように設計されている。サブキャリア基板１０８上の中継線路１０２ｂを伝搬するマイクロ波の安定化のために、中継線路基板１０１のグランドパターン１０２Ｇとサブキャリア基板１０８のグランドパターン１２０Ｇとが、ボンディングワイヤ１０３ａ、１０３ｂによって接続されている。ここで、サブキャリア基板および中継線路基板の高周波線路が有する特性インピーダンスは同じ特性インピーダンスとなるように設計されることが一般的で、広帯域の高周波信号を伝搬させる場合、その特性インピーダンスが50Ωになるように設計されることが多い。尚、中継線路基板上の高周波線路構造についてはグランデッドコープレーナー構造に制約されるものではなく、マイクロストリップライン構造等としてもよい。また、ボンディングワイヤ１０３ａ、１０３ｂ、および１０４は、寄生リアクタンス等の寄生成分による高周波信号の劣化を最小限に抑えるために極力短くする事が望ましいが、その観点から、中継線路基板１０１とサブキャリア基板１０８のそれぞれ信号線がある面が同一平面上になるように、中継線路基板１０１とサブキャリア基板１０８が配置されている方が望ましい。ただし、高周波信号の劣化が問題にならない範囲で多少の面同士の高さの差は許容される。

また、ステム１０上には、冷却素子としてのペルチェ素子１０９が搭載されており、ペルチェ素子１０９上には、各種部品を搭載するためのキャリア１０５が搭載されている。キャリア１０５には、上部にレーザダイオード（ＬＤ）からの光をコリメート光にするためのレンズ１０６が搭載され、その下側にサブキャリア基板１０８を搭載している。キャリア１０５には部材強度が強く熱伝導性が高い材料である例えばＣｕＷを用いることができ、サブキャリア基板１０８には例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナ）を用いることができる。サブキャリア基板１０８には、ＬＤ部とＬＤの光出力側に光変調器部とをモノリシック集積した光半導体素子１１０ａが搭載され、他に光変調器部を駆動制御するための中継線路１０２ｂ、終端抵抗１１０ｂ、コンデンサ１１０ｃ、温度センサとしてのサーミスタ１１０ｄなどが搭載されている。光半導体素子１１０ａには、中継線路１０２ｂに接続されており外部入力された高周波信号で駆動されている。光半導体素子１１０ａとの接続部における中継線路１０２ｂの線路幅は、光半導体素子１１０ａのサイズに合わせて例えば50μm以上のサイズで構成すればよい。光半導体素子１１０ａからの光出力は、ＬＤの光出力側にモノリシック集積された光変調器部を通ってチップから出力される。ＬＤからの出力光が光変調器部を通過する際に、中継線路１０２ｂから変調器部に印加される電気信号に応じた変調信号が光信号に付与（重畳）される。終端抵抗１１０ｂ、コンデンサ１１０ｃなどは、中継線路１０２ｂから光変調器部に効率よく高周波電気信号を引き込むようにその抵抗値や容量、配置が設計されている。キャリア１０５には、さらに、レーザ出力を監視するフォトダイオード（ＰＤ）１１０ｅ、コンデンサ１１０ｆなどが搭載され、外部から光デバイスの動作状態をモニタしたり、電源回路の揺らぎ等の影響が光デバイスに及ばないようにしたり出来るように設計されている。なお、ここでは光半導体素子１１０ａの構成を外部変調型とした場合について説明したが、ＬＤ部の駆動信号そのものを変調する直接変調型で構成してもよい。

次に本発明のTO-CAN型TOSAモジュールにおいて発生する損失の周波数特性を従来と比較した結果について図６を用いて説明する。図６（ａ）は、従来のTO-CAN型TOSAモジュールにおいて発生する損失の周波数特性を示す図であり、図６（ｂ）は、本発明のTO-CAN型TOSAモジュールにおいて発生する損失の周波数特性を示す図である。両図において、周波数特性がＳパラメータを用いて表されている。尚、このシミュレーションでは、中継線路基板上の高周波線路の長さとサブキャリア上の高周波線路の長さの合計長さが同じとなる条件で比較している。

Ｓパラメータとは、伝送線路上の任意の２点間に高周波電気信号を給電した時の高周波信号の伝搬効率や反射特性を示す指標であり、本シミュレーションにおいてはフレキシブルプリント基板６の外部基板への接続端子（以下、ポート１という）から終端抵抗１１０ｂ（以下、ポート２という）へどの程度電気エネルギーが到達するか（途中で反射されるか）を評価、比較している。実線は伝搬損失（Propagation Loss）、またはＳ２１と呼ばれ、ポート１からポート２へとエネルギーが到達する割合をｄＢ（デシベル）表示したものである。Ｓ２１が０ｄＢとは１００％エネルギーが伝送されることを意味する。一方点線は、反射損失（Return Loss）、またはＳ１１と呼ばれ、給電元へエネルギーが反射される割合をｄＢ表示したものである。例えばＳ１１が０ｄＢであれば、ポート１で給電したエネルギーがポート２は全く伝送されないことを示す。

従来のTO-CAN型TOSAモジュール５０のように幅の狭いサブキャリアにおいて高周波線路の幅を急峻に変化させる必要がある場合では、図６（ａ）に示すように、周波数の増大に伴うＳ２１パラメータの低下が著しい。すなわち、高周波領域では著しい伝搬損失が発生していることが判る。一方、本発明のTO-CAN型TOSAモジュール１００では、図６（ｂ）に示すように、従来のTO-CAN型TOSAモジュール５０よりも伝搬損失が低いことが判る。これは、本発明の構成によりサブキャリア上に高周波線路のパターン変換領域を十分確保することで高周波線路のパターン変化を緩やかに実現できるように設計することによって高周波電気信号の伝搬効率を改善することができたためである。このことは、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、例えば１０．００ＧＨｚ付近のＳ１１パラメータで示される反射成分について比較した場合に、本発明のTO-CAN型TOSAモジュール１００は従来のTO-CAN型TOSAモジュール５０に比べて反射成分が約１０ｄＢ低くなっていることや、図６（a）における約１２GHｚ付近のS21で示される伝搬損失の落ち込みが本発明の特性を見積もった図６（b）において改善されていることなどからも明らかである。

このように、本発明のTO-CAN型TOSAモジュールによれば、光半導体素子を搭載するサブキャリア基板における高周波線路の経路を十分長くとることにより、小型な部品である光半導体素子と幅広な高周波線路とを接続する高周波線路における急激な線路幅の変化による反射成分の増大を招くことがなく、結果として高周波信号の損失を抑制でき、良好な高周波伝搬特性を得ることができる。

１ 光半導体素子等
２ａ、２ｂ・・ 配線端子（リードピン）
４ レンズ
５ キャップ
６ フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）
１０ ステム
１０ａ ステムの上層
１０ｂ ステムの下層
１０ｃ、１０ｄ ノーズ
１１ 気密封止用の誘電体
５０ （従来の）TO-CAN型TOSAモジュール
８０、８１ 誘電体
１００ （本発明の）TO-CAN型TOSAモジュール
１０１、１１１ 中継線路基板
１０２ａ、１０２ｂ 中継線路
１１２ａ、１１２ｂ 中継線路
１０２Ｇ、１２０Ｇ グランドパターン
１０３ａ、１０３ｂ・・・ ボンディングワイヤ
１０４ ボンディングワイヤ
１０５ キャリア
１０６ レンズ
１０８、１１８ サブキャリア基板
１０９ ペルチェ素子
１１０ａ 光半導体素子
１１０ｂ 終端抵抗
１１０ｃ コンデンサ
１１０ｄ サーミスタ
１１０ｅ フォトダイオード（ＰＤ）
１１０ｆ コンデンサ
Ｓ１、Ｓ２ 半田

Claims (5)

1. 誘電体によってリード端子が固定されたステムと、
   前記ステム上に載置され、前記リード端子に接続される第１の信号線路が形成される中継線路基板と、
   前記ステム上に載置された冷却素子としてのペルチェ素子と、
   このペルチェ素子上に載置されるキャリア本体と、
   該キャリア本体から前記中継線路基板の上方にせり出したせり出し部を有し、前記キャリア本体に固定されたサブキャリアであって、前記キャリア本体と重なる部位に光半導体素子が搭載され、前記光半導体素子に接続される第２の信号線路が前記せり出し部まで延在するよう形成されたサブキャリアと、
   前記第１及び第２の信号線路を接続するワイヤと、
   を備えることを特徴とするTO-CAN型TOSAモジュール。
2. 前記中継線路基板は前記ステムから突出形成されるノーズによって支持されることを特徴とする請求項１に記載のTO-CAN型TOSAモジュール。
3. 誘電体によってリード端子が固定されたステムと、
   前記ステム上に載置され、前記リード端子に接続される第１の信号線路が形成される中継線路基板と、
   前記ステム上に載置された冷却素子としてのペルチェ素子と、
   このペルチェ素子上に載置されるキャリア本体と、
   前記キャリア本体に固定されたサブキャリアであって、前記ペルチェ素子の幅および前記キャリア本体の幅よりも幅広に構成されたパターン形成面を有し、該パターン形成面には、前記キャリア本体と重なる部位に光半導体素子が搭載され、該光半導体素子に接続される第２の信号線路が形成されたサブキャリアと、
   前記第１及び第２の信号線路を接続するワイヤと、を備え、
   前記リード端子は、前記ペルチェ素子を載置する面から垂直に延在しており、前記第１の信号線路と、該第１の信号線路および前記第２の信号線路との接続部位とが、前記リード端子と軸合わせされて配置されるように構成したことを特徴とするTO-CAN型TOSAモジュール。
4. 前記第１の信号線路は、前記リード端子の端部から上方に延在し、
   前記第２の信号線路は、本体部の光半導体素子の搭載部位から前記せり出し部の下端まで、その線路幅が徐々に広がるように延在することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のTO-CAN型TOSAモジュール。
5. 前記キャリアは、前記第２の信号線路の両側に形成されるグランドパターンを有し、
   前記中継線路基板は、前記第１の信号線路の両側に形成されるグランドパターンを有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のTO-CAN型TOSAモジュール。

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