JP5228585B2 - 双方向光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、１つのパッケージ内に発光素子及び受光素子を搭載し、光信号の送受信に用いられる双方向光モジュールに関する

光通信技術の進展に伴い、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）に代表される加入者系通信網（アクセス系）では、より高速で大容量の即時通信が、適切なコストで可能となるＰＯＮ（Passive Optical Network）システムの導入が進んでいる。ＰＯＮシステムは、一芯双方向通信方式の採用により、局側とユーザ側との間の光ファイバ伝送路のファイバ本数を減らし、メタルケーブル並みの低価格で、より高速なサービスを実現している。具体的には、１本の光ファイバで、１.３１μｍ帯と１.５５μｍ帯（又は１.４９μｍ帯）の２波長で送受信を行う波長多重方式（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）である。

このようなＰＯＮシステムに用いるための一芯双方向光モジュール（Ｂｉ−Ｄ：Bi−Directional Module ）では、レーザダイオード等の発光素子（以下、ＬＤという）から出射される送信光を光ファイバに結合させる一方で、光ファイバを伝送してきた受信光をフォトダイオード等の受光素子（以下、ＰＤという）に結合させている。光ファイバと送受信光との結合方法及び結合装置については、今までにも多くの提案がなされている。

従来は、送信用のＬＤを内蔵するＣＡＮパッケージと受信用のＰＤを内蔵するＣＡＮパッケージを用いた２パッケージ構造の光モジュールが、組立ても従来方法で行えるということで開発が進められた。しかし、冒頭に記したように、低価格の要求が強い一芯双方向の通信で、更なるコストダウンを図ることが必要とされ、１つのＣＡＮパッケージ内にＬＤとＰＤの両方を内蔵させた１パッケージ構造の一芯双方向光モジュールについても、開発が進められている。

しかし、１つのＣＡＮパッケージに送信用のＬＤと受信用のＰＤを内蔵させた「１パッケージＢｉ−Ｄ」においては、ＬＤの駆動時に発生する電磁界が、微弱な受信信号へのノイズとなる、いわゆる、電気クロストークの問題が顕在化する。この電気クロストークの問題においては、例えば、ＬＤとＰＤを搭載したステムを電気的に分離することによりノイズの結合を遮断し、電気クロストークを低減する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ＬＤの駆動配線として接地を強化し、また、ＰＤ側にはシールドを配し、ＬＤとＰＤの配線基板を直交させるなどの、構造・配置を工夫する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−２０３５５３号公報 特開２００６−４１２３４号公報

しかし、上記特許文献１に開示の技術は、ＬＤとＰＤを実装する金属板を分離・独立して設けるため、パッケージ内のスペースを増加させ、また、ＣＡＮ型パッケージには適用が難しい構造となっている。また、特許文献２においても、接地強化のための基板の追加とそのためのスペースが増加する。いずれも、接地・シールド強化のための部品の追加とスペースを必要とし、大型化とコストアップを伴うものである。

図９は、従来のＣＡＮ型の１パーケージを用いた一芯双方向光モジュールの一例で、パッケージ１には、複数本のリードピン２が配設されたステム３に、信号光を送信するＬＤ４を冷却のためのヒートシンク部材等を介して搭載し、また、受信光を受光するＰＤ５をサブマウント等を介して搭載している。また、ステム３上に搭載されたＬＤ４及びＰＤ５とその他の電子部品を封止するようにして、送信光（ＬＤ光）及び受信光を集光するレンズ７を設けたキャップ８が取付けられる。キャップ８には、光ファイバとの接続を形成するスリーブ部材（図示せず）を位置決めして保持するホルダ９が取付け固定されている。

レンズ７とＬＤ４及びＰＤ５の光学経路上には、送信光を反射させると共に受信光を透過させるＷＤＭフィルタ６が配置される。ＬＤ４から出射された送信光は、ＷＤＭフィルタ６で反射され、レンズ７で集光されてホルダ９の開口を通って、スリーブ部材に固定されているファイバスタブ１０のファイバ部１０ａに入射され、外部の光ファイバ伝送路に送出される。外部の光ファイバ伝送路から送られてきた受信光は、ファイバスタブ１０のファイバ部１０ａから出射され、ホルダ９の開口を通ってレンズ７で集光され、ＷＤＭフィルタ６を透過してＰＤ５に入射される。

図１０は、ＬＤ４及びＰＤ５が実装されたステム３を示す図である。ステム３は、通常、直径５.６ｍｍ程度の円形のもので、１パッケージＢｉ−Ｄとして、ＬＤ４及びＰＤ５の実装領域の周囲には、複数のリードピン２が低融点ガラスなどの絶縁封止部材３ａにより配設されている。これらのリードピン２は、給電、電気信号の入出力端子として利用され、各リードピンとＬＤ４，ＰＤ５とは直径２５μｍの極細ワイヤで接続される。

ヒートシンク４ａを介して搭載されたＬＤ４の領域、および、サブマウント５ａを介して搭載されたＰＤ５の領域は、狭小領域内で互いに近接配置されるため、ＬＤ駆動時にＬＤ４の領域から発生する電磁界が、ＰＤ５の領域に回り込むやすく、電気クロストークの問題が顕著となる。また、ＬＤ４とＰＤ５を搭載する同軸型のステム３は、一般的なプレス加工で製造されるものであるため、ＬＤとＰＤの接地導体部分を電気的に分離することは、容易ではなく現実的でない。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、パッケージの形状を大型化することなく、また、ステムを電気的に分離したりすることなく簡単・安価な方法で、ＬＤから発生した信号がステムを介してＰＤに伝搬するのを低減した双方向光モジュールを提供することを目的とする。

本発明による双方向光モジュールは、送信光を発光する発光素子と受信光を受光する受光素子が搭載された金属製のステムと、ステムを貫通する発光素子に電気的に接続される第１のリードピン群と受光素子群に電気的に接続される第２のリードピン群とを備えている。上記の発光素子および受光素子が搭載される主面と反対側の面には、ステムと電気的および機械的に接続された接地用部材を備え、該接地用部材は発光素子が搭載される領域と受光素子が搭載される領域の間に位置して、第１のリードピン群と第２のリードピン群との境界部分に沿って前記リードピン群とは接触しないように設けられている。

前記の接地用部材は、接地用部材側に凸部を設け、該凸部をステム側に設けた凹部に嵌合して位置決めされようにし、また、接地用部材をステム側に設けた溝部に嵌合して結合される構成としてもよい。

本発明によれば、発光素子の領域からの発生する電磁界が受光素子側に対して干渉するのを、ステムに設けた接地用部材により効率よく低減することができる。接地用部材は、ステムの主面と反対の背面側に取付けるだけの簡単な構成であるので、パッケージの形状を大型化することなく、また、ステムを電気的に分離したりすることなく、ＬＤから発生された信号がステムを介してＰＤに伝搬するのを効果的に低減することができる。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による双方向光モジュールの概略を説明する図、図２は本発明の要部を説明する図である。図中、１はパッケージ、２はリードピン、３はステム、３ａは絶縁封止部材、３ｂは主面、３ｃは背面、４はレーザダイオード（ＬＤ）、４ａはヒートシンク、５はフォトダイオード（ＰＤ）、５ａはサブマウント、６はＷＤＭフィルタ、７はレンズ、８はキャップ、９はホルダ、１０はファイバスタブ、１０ａはファイバ部、１１は接地用部材、１２は端子を示す。

本発明による双方向光モジュールの基本的な構成は、図９，１０で説明したのと同様なＣＡＮ型の１パーケージ構造の一芯双方向光モジュールで、例えば、図１に示すような構成である。パッケージ１は、金属性のステム３の主面（上面）３ｂに、信号光を送信するレーザダイオード４（以下、ＬＤという）が冷却のためのヒートシンク４ａ等介して搭載され、また、受信光を受光するフォトダイオード５（以下，ＰＤという）がサブマウント５ａ等を介して搭載される。そして、ＬＤ４およびＰＤ５を囲うように、低融点ガラスなどの絶縁封止部材３ａにより複数本のリードピン２が配設されている。

ステム３上に搭載されたＬＤ４及びＰＤ５とその他の電子部品等は、送信光（ＬＤ光）及び受信光を集光させるレンズ７を設けたキャップ８の取付けにより封止される。キャップ８には、光ファイバとの接続を形成するスリーブ部材（図示せず）を位置決めして保持するホルダ９が取付け固定されている。そして、レンズ７とＬＤ４及びＰＤ５の光学経路上には、送信光を反射させると共に受信光を透過させるＷＤＭフィルタ６が配置される。

上記構成の双方向光モジュールは、ＬＤ４から出射された送信光がＷＤＭフィルタ６で反射され、レンズ７で集光されてホルダ９の開口を通って、スリーブ部材に固定されているファイバスタブ１０のファイバ部１０ａに入射され、外部の光ファイバ伝送路に送出される。そして、外部の光ファイバ伝送路から送られてきた受信光は、ファイバスタブ１０のファイバ部１０ａから出射され、ホルダ９の開口を通ってレンズ７で集光され、ＷＤＭフィルタ６を透過してＰＤ５に入射される。

本発明においては、上記構成の双方向光モジュールで、ＬＤ４およびＰＤ５が搭載されるステム３の主面３ｂ側と反対の背面（下面）３ｃ側に、銅等の電気良導体で形成された接地用部材１１を、電気的および機械的に接続して設けた構成を特徴としている。この接地用部材１１は、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、複数のリードピン２とは接触しないようにステム３の背面３ｃを横断するような形状とされ、その少なくとも一方の端部に外部装置の接地部に、電気的に接地接続するための端子１２を備えたものとする。

接地用部材１１は、例えば、ステム３の中央部分に搭載されるＬＤ４の領域とＬＤ５が搭載される領域の間に位置する背面位置で、電気的に接続されて設けられる。また、接地用部材１１は、この他、ＬＤ４を囲うＬＤ駆動用のリードピン、信号用のリードピンからなる第１のリードピン群Ｌ、または、ＰＤ５を囲うＰＤのバイアス電圧用のリードピン、プリアンプ等のリードピンからなる第２のリードピン群Ｐとの境界部分に沿って設けられる。なお、ステム３の背面３ｃに接地用部材１１を電気的、機械的に接続する方法は、後述するように種々の方法を用いることができる。

上記のように、ＬＤ４の搭載領域とＬＤ５の搭載領域の間で、第１のリードピン群と第２のリードピン群との境界部分に沿って、接地用部材１１を接続して設けることにより、他の領域を経由することなく、ＬＤ４の駆動電流、信号電流を最短距離で接地用部材１１を介して効果的に接地電路にリターンさせることができる。この結果、前記の駆動電流、信号電流による電磁界が、隣接するＰＤ５に干渉するのを低減させることができ、ＰＤ５に対する電気クロストークを軽減し、通信特性の劣化を防止することができる。

図３〜図７は、上述した接地用部材の種々の形態とステムとの結合例を説明する図である。
図３は、ステム３の背面３ｃにＬＤ４の領域に対応する位置で、接地用部材１１を部分的に電気的に接続して結合する形態を示す図である。接地用部材１１を電気的に接続する部分１３は、例えば、ステム３の主面３ｂにＬＤ４を実装するヒートシンク４ａの真下で、少なくともヒートシンク４ａと同等の面積範囲とすることができる。電気的な接続部分１３で、ステム３と接地用部材１１との接続は、例えば、半田等で電気的に直接接続することができ、この場合、機械的な結合も実現することもできる。

この構成において、ＬＤ４を実装するヒートシンク４ａが導電金属で形成されている場合は、ＬＤ４のカソード電極を直接接続することができ、ヒートシンク４ａと接続部分１１ａを経由する最短経路の接地電路を形成することができる。なお、接地用部材１１は、ＬＤ４が発生する熱の放熱体としても機能させることができる。

図４および図５は、ステム３の背面３ｃにＬＤ４とＰＤ５の領域の間に対応する位置で、接地用部材１１を電気的に接続して結合する形態を示す図である。なお、接地用部材１１を電気的に接続する部分は、図３で説明したように、ヒートシンク４ａと同等の面積範囲としてもよいが、接地用部材１１の接合面の全長で行うようにしてもよい。また、接地用部材１１は、図４に示すように、ＬＤ４とこれを取り囲む第１のリードピン群Ｌに沿う形状で形成するようにしてもよい。また、図５に示すように、ＰＤ５とこれを取り囲む第２のリードピン群Ｐに沿う形状で形成するようにしてもよい。

図６は、接地用部材１１をステム３に位置決めして結合する構成例を示す図である。接地用部材１１のステム３への結合部分に、例えば、凸起１１ａを一体に設け、ステム３側に前記の凸起１１ａが嵌合される凹部１４を設ける。接地用部材１１に設けた凸起１１ａを凹部１４に嵌合させることにより、接地用部材１１の取付けの位置決めが行われ、組立てを容易にすることができる。なお、凸起１１ａと凹部１４の嵌合を密にして、電気的接続と機械的結合を形成するようにしてもよく、この場合、半田接続を併用するようにしてもよい。なお、凹部１４の位置は、図３〜５で説明したＬＤ４の領域の真下、または、ＬＤ４の領域とＰＤ５の領域の間に形成するようにしてもよい。

図７は、接地用部材１１をステム３に結合する他の構成例を示す図である。この例は、ステム３の背面３ｃ側に、ＬＤ４の領域の真下、または、ＬＤ４の領域とＰＤ５の領域の間を通るように凹溝１５を設け、この凹溝１５内に接地用部材１１の縁部を嵌合させて結合する。この場合、図６の場合と同様に、接地用部材１１と凹溝１５の嵌合を密にして、電気的接続と機械的結合を形成するようにしてもよく、また、半田接続を併用するようにしてもよい。

図８は、上述した接地用部材による電気クロストーク低減の効果を検証した結果を示す図で、図８（Ａ）は、縦軸に符号誤り率（ＢＥＲ）、横軸に受信感度（ｄＢｍ）を示し、図８（Ｂ）は縦軸に雑音電力（ｄＢｍ）、横軸に周波数（ＧＨｚ）を示した図である。

図８（Ａ）に示すように、ＬＤオフ（同一パッケージ内のＬＤが駆動されていない状態）のときが、最も小さいＰＤの受信感度で、最も小さい符号誤り率を示している。これに対し、ＬＤオンとしたとき、ＬＤからＰＤへのノイズの伝搬（電気クロストーク）の影響により、受信感度が劣化する。この受信感度の劣化は、クロストークペナルチィと言われているが、ＢＥＲが１.０Ｅ−１３における従来品（接地非補強）の受信感度が２.０ｄＢと大きく劣化しているのに対し、本発明品（接地補強）の場合は、０.８ｄＢ程度と従来品の半分以下に抑えることができる。

また、図８（Ｂ）の雑音電力の周波数特性で示すように、周波数が低い１ＧＨｚ以下の領域で、従来品（接地非補強）の場合はノイズフロアとの差分が３.５ｄＢ程度あるのに対し、本発明品（接地補強）の場合は１.０ｄＢであった。
以上の結果から、本発明のようにＬＤの搭載領域あるいはその近傍領域で、ステムの背面側に接地用部材を電気的に接続させて配置することで、ＬＤから発生した電気的なノイズがＰＤに伝搬するのを抑制し、電気クロストークを低減することが可能となる。

本発明による双方向光モジュールの概略を説明する図である。 本発明の要部を説明する図である。 本発明で、ステムの背面に接地用部材を電気的に接続する一例を示す図である。 本発明で、ステムの背面に接地用部材を電気的に接続する他の例を示す図である。 本発明で、ステムの背面に接地用部材を電気的に接続するその他の例を示す図である。 本発明による接地用部材をステムに位置決めする一例を示す図である。 本発明による接地用部材をステムに結合する一例を示す図である。 本発明の効果を検証した結果を説明する図である。 従来の双方向光モジュールの概略を説明する図である。 従来の双方向光モジュールのステムの概略を説明する図である。

符号の説明

１…パッケージ、２…リードピン、３…ステム、３ａ…絶縁封止部材、３ｂ…主面、３ｃ…背面、４…レーザダイオード（ＬＤ）、４ａ…ヒートシンク、５…フォトダイオード（ＰＤ）、５ａ…サブマウント、６…ＷＤＭフィルタ、７…レンズ、８…キャップ、９…ホルダ、１０…ファイバスタブ、１０ａ…ファイバ部、１１…接地用部材、１１ａ…凸起、１２…端子、１３…接続部分、１４…凹部、１５…凹溝。

Claims (3)

1. 送信光を発光する発光素子と受信光を受光する受光素子が搭載された金属製のステムと、前記ステムを貫通する前記発光素子に電気的に接続される第１のリードピン群と前記受光素子に電気的に接続される第２のリードピン群と、を備えた双方向光モジュールであって、
   前記発光素子および受光素子が搭載される主面と反対側の面に、前記ステムと電気的および機械的に接続された接地用部材を備え、前記接地用部材は前記発光素子が搭載される領域と前記受光素子が搭載される領域の間に位置して、前記第１のリードピン群と第２のリードピン群との境界部分に沿って前記リードピン群とは接触しないように設けられていることを特徴とする双方向光モジュール。
2. 前記接地用部材に凸部を設け、該凸部を前記ステム側に設けた凹部に嵌合して位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載の双方向光モジュール。
3. 前記接地用部材を前記ステム側に設けた溝部に嵌合して結合されていることを特徴とする請求項１に記載の双方向光モジュール。

Images