JP5313730B2 - 光送信機及び光送信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光送信機及び光送信モジュールに関する。

半導体光変調器素子および光変調器集積型半導体レーザチップを内蔵した光モジュールは、中長距離光ファイバ伝送用トランシーバのキーデバイスの一つとして用いられている。光トランシーバは近年のブロードバンドネットワークの普及とともに高速化が図られ、ビットレートが１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速伝送レートのものが広く用いられるようになっている。このような光トランシーバ用途に適した光モジュールは、良好な光送信波長品質を実現することとともに、小型、低消費電力であることが強く要求される。

小型化に適する光変調器素子として電界吸収型（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＥＡ）光変調器素子が多く用いられている。電界吸収型光変調器素子は信号出力回路（例えば、ドライバＩＣ）を用いてその出力電圧波形により駆動する。電界吸収型光変調器素子のインピーダンスは光信号のＯＮ／ＯＦＦ状態で大きく変動するため、電界吸収型光変調器素子単独を駆動しただけではインピーダンスの不整合により良好な波形を得ることが困難である。従来の光モジュールでは、良好な光送信波形を得るために、約５０Ωの抵抗素子を電界吸収型光変調器素子に近接して配置して、その一端を光変調器素子に、他端を接地電位に接続して、この抵抗素子を信号出力回路の終端抵抗として用いることが多かった。しかし、このような光モジュールでは、電界吸収型光変調器素子にバイアス電圧を印加する必要があり、上記のような終端回路構成では、抵抗素子に本来不必要な直流電流が生じてしまい、無駄な消費電力が発生してしまうことがあった。

消費電力を低減する従来技術として、抵抗素子と（単独または並列接続した複数の）直流遮断用容量素子とを直列接続した終端抵抗回路を光変調器素子に近接配置する構造が提案されている。特許文献１に記載されている技術はその一例であり、電界吸収型光変調器素子に近接してチップ抵抗器、積層セラミックキャパシタ、平行平板キャパシタからなる終端抵抗回路を配置している。終端抵抗回路は、容量値０．０１μＦの積層セラミックキャパシタと容量値１００ｐＦの平行平板キャパシタとを並列接続し、これらを抵抗値５０Ωのチップ抵抗器と直列接続したものとしている。特許文献１においては高周波特性に優れた平行平板キャパシタにより、終端抵抗回路のインピーダンスを高周波領域において５０Ωに保ち、大容量化に優れた積層セラミックキャパシタにより、終端抵抗回路のインピーダンスを、低周波領域（但し、低域遮断周波数３００ｋＨｚより高い周波数領域）において５０Ωに保つことで広帯域な終端抵抗回路を構成し、消費電力の低減と良好な光送信波形の両立を可能にしている。

特開平６−２３０３２８号公報

しかし、光トランシーバのＭＳＡ（Ｍｕｌｔｉ Ｓｏｕｒｃｅ Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ）規格による小型化が進むに従い、上記従来技術を用いて光モジュールを構成した場合に小型化が阻害されるという課題が生じた。１０ギガビット・イーサネット（登録商標）用の光トランシーバのＭＳＡ規格であるＳＦＰ＋を満たすには、送信側の光モジュール（光送信サブアセンブリ：ＴＯＳＡ）を従来よりも小型の５．６ｍｍのＴＯ−ＣＡＮパッケージで実現する必要がある。特許文献１に記載されている技術では、容量値０．０１μＦ以上の積層セラミックキャパシタを光モジュール内に搭載することが必要となるが、直径５．６ｍｍのＴＯ−ＣＡＮパッケージ内に光変調器集積型半導体レーザチップおよび抵抗素子など、光モジュールに不可欠な部品を搭載してしまうと、積層セラミックキャパシタを搭載する余地がなく、小型サイズの光モジュールの実現が困難となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、広帯域において良好な光送信波形品質が得られる状況を維持しつつ、光送信モジュールの小型化が可能な光送信機及び光送信モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る光送信機は、光送信モジュールと、前記光送信モジュールと電気的に接続されたプリント回路基板と、を有する光送信機であって、前記光送信モジュールが、発光素子と、前記発光素子から出射される光を変調する光変調器と、前記光変調器と電気的に接続された第１の終端抵抗回路と、を備え、前記プリント回路基板が、前記光変調器に供給される信号を出力する信号出力回路と、前記信号出力回路と電気的に接続された第２の終端抵抗回路と、を備え、前記第１の終端抵抗回路の低域遮断周波数と、前記第２の終端抵抗回路の高域遮断周波数と、が対応し、前記第１の終端抵抗回路の透過周波数帯域におけるインピーダンスと、前記第２の終端抵抗回路の透過周波数帯域におけるインピーダンスと、が対応するよう構成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る光送信モジュールは、プリント回路基板と電気的に接続された光送信モジュールであって、発光素子と、前記発光素子から出射される光を変調する光変調器と、前記光変調器と電気的に接続された第１の終端抵抗回路と、を備え、前記プリント回路基板が、前記光変調器に供給される信号を出力する信号出力回路と、前記信号出力回路と電気的に接続された第２の終端抵抗回路と、を備え、前記第１の終端抵抗回路の低域遮断周波数と、前記第２の終端抵抗回路の高域遮断周波数と、が対応し、前記第１の終端抵抗回路の透過周波数帯域におけるインピーダンスと、前記第２の終端抵抗回路の透過周波数帯域におけるインピーダンスと、が対応するよう構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１の終端抵抗回路の低域遮断周波数から第２の終端抵抗回路の高域遮断周波数までという広帯域において、平坦なインピーダンス特性を得ることができるので、広帯域において良好な光送信波形品質を得ることができる。また、第２の終端抵抗回路がプリント回路基板に備えられているため、光送信モジュールを従来技術よりも小型にすることができる。このようにして、本発明によれば、広帯域において良好な光送信波形品質が得られる状況を維持しつつ、光送信モジュールを小型化することが可能となる。

本発明の一態様では、前記光送信モジュールと、前記プリント回路基板と、を電気的に接続する伝送線路をさらに備え、前記第１の終端抵抗回路の透過周波数帯域におけるインピーダンスが、前記伝送線路の特性インピーダンスに対応し、前記第２の終端抵抗回路の透過周波数帯域におけるインピーダンスが、前記伝送線路の特性インピーダンスに対応するよう構成されていることを特徴とする。この態様によれば、電気的反射による信号の減衰を低減することができる。

また、本発明の一態様では、前記信号出力回路から出力される信号の、前記第１の終端抵抗回路と前記伝送線路との接続点における振幅と、前記第２の終端抵抗回路と前記伝送線路との接続点における振幅と、の差が、所与の値以下となるよう構成されていることを特徴とする。この態様によれば、本構成を有しない場合と比較して、良好な光送信波形品質を容易に得ることができる。

この態様では、前記信号出力回路から出力される信号の振幅に対する、前記第１の終端抵抗回路と前記伝送線路との接続点と、前記第２の終端抵抗回路と前記伝送線路との接続点と、の間の前記信号の振幅の差の割合が、５％以下となるよう構成されていてもよい。

また、この態様では、前記第１の終端抵抗回路の低域遮断周波数に対応する時定数が、前記伝送線路の遅延時間の所定倍以上となるよう構成されていてもよい。こうすれば、第１の終端抵抗回路の低域遮断周波数に応じた伝送線路の長さの設定や、伝送線路の長さに応じた第１の終端抵抗回路の低域遮断周波数の設定を行うことができる。

また、この態様では、前記第１の終端抵抗回路が容量素子と抵抗素子を含んでおり、前記容量素子の容量値と前記抵抗素子の抵抗値との積が、前記伝送線路の遅延時間の所定倍以上となるよう構成されていてもよい。こうすれば、第１の終端抵抗回路に含まれる容量素子の容量値や抵抗素子の抵抗値に応じた伝送線路の長さの設定や、伝送線路の長さに応じた第１の終端抵抗回路に含まれる容量素子の容量値や抵抗素子の抵抗値の設定を行うことができる。

また、この態様では、前記第２の終端抵抗回路がインダクタ素子を含んでおり、前記第２の終端抵抗回路に含まれるインダクタ素子のインダクタンス値が、前記第１の終端抵抗回路に含まれる抵抗素子の抵抗値の二乗と前記第１の終端抵抗回路に含まれる容量素子の容量値との積に対応するよう構成されていてもよい。こうすれば、第１の終端抵抗回路に含まれる容量素子の容量値や抵抗素子の抵抗値に応じた第２の終端抵抗回路に含まれるインダクタ素子のインダクタンス値の設定や、第２の終端抵抗回路に含まれるインダクタ素子のインダクタンス値の設定に応じた第１の終端抵抗回路に含まれる容量素子の容量値や抵抗素子の抵抗値の設定を行うことができる。

本発明の一実施形態における光送信機の主要回路の一例を示す図である。 本発明の一実施形態における光送信機に含まれる光送信モジュールの内部構造の一例を示す図である。 本発明の一実施形態における光送信機の主要部分の一例を示す図である。 第１の終端抵抗回路及び第２の終端抵抗回路の周波数特性を説明する図である。 位相と信号の振幅差との関係の一例を示す図である。 光出力波形の一例を示す図である。 光出力波形の一例を示す図である。 光出力波形の一例を示す図である。 光出力波形における振幅誤差の一例を示す図である。 光出力波形の一例を示す図である。 光出力波形の一例を示す図である。 光出力波形の一例を示す図である。 本発明の別の実施形態における光送信機の主要回路の一例を示す図である。 本発明の別の実施形態における光送信機の主要部分の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本実施形態における光送信機１の主要回路の一例を示す図である。図２は、本実施形態における光送信機１に含まれる光送信モジュール２の内部構造の一例を示す図である。図３は、本実施形態における光送信機１の主要部分の一例を示す図である。

本実施形態における光送信機１は、光送信モジュール２、フレキシブルプリント基板３、プリント回路基板４を有している。このように、光送信モジュール２とプリント回路基板４とは電気的に接続されている。光送信モジュール２は、発光素子（本実施形態では、例えば、半導体レーザダイオード素子１０）と、発光素子から出射される光を変調する光変調器素子１２と、光変調器素子１２と電気的に接続された第１の終端抵抗回路１４−１と、を備えている。プリント回路基板４は、光変調器素子１２に供給される信号（電気変調信号）を出力する信号出力回路（本実施形態では、例えば、ドライバＩＣ１６）、信号出力回路と電気的に接続された第２の終端抵抗回路１４−２、半導体レーザダイオード素子１０に直流電流を供給するレーザ電流供給回路１８、を備えている。

本実施形態では、ドライバＩＣ１６が出力した電気変調信号は、プリント回路基板４に含まれる（例えば、プリント回路基板４上の）伝送線路２０、伝送線路２２、フレキシブルプリント基板３に含まれる（例えば、フレキシブルプリント基板３上の）伝送線路２４、光送信モジュール２に含まれる（例えば、光送信モジュール２内部の）伝送線路２６、伝送線路２８、を通って光変調器素子１２の一端に入力される。光変調器素子１２の他端は光送信モジュール２の内部で接地する。本実施形態では、光送信モジュール２は、例えば、光変調器素子１２と伝送線路２８とを接続するインダクタ素子（ボンディングワイヤ）３０、伝送線路２６と伝送線路２８とを接続するインダクタ素子（ボンディングワイヤ）３２、を備えている。インダクタ素子（ボンディングワイヤ）３０や、インダクタ素子（ボンディングワイヤ）３２は、インダクタンス値ができるだけ小さな値となるよう短くあるいは並列に複数本設けることが好ましい。

第１の終端抵抗回路１４−１の一端は、光変調器素子１２とインダクタ素子（ボンディングワイヤ）３０との接続点Ｙに接続され、他端は接地電極３４に接続されている。第１の終端抵抗回路１４−１は、直列接続されたインダクタ素子（ボンディングワイヤ）３６、抵抗素子３８、インダクタ素子（ボンディングワイヤ）４０、容量素子４２により構成される。第２の終端抵抗回路１４−２の一端は伝送線路２０と、伝送線路２２との接続点Ｘに接続され、他端は接地電極４４に接続されている。第２の終端抵抗回路１４−２は、直列接続されたインダクタ素子４６、抵抗素子４８、容量素子５０により構成される。本実施形態では、ドライバＩＣ１６は、光変調器素子１２のバイアス電圧を供給する機能を有しており、光変調器素子１２に対して直流接続されている。第１の終端抵抗回路１４−１に含まれる容量素子４２及び第２の終端抵抗回路１４−２に含まれる容量素子５０は直流遮断キャパシタとして作用するため、ドライバＩＣ１６の出力に不要な直流電流が生じることが回避される。

本実施形態では、半導体レーザダイオード素子１０は、例えば、レーザ電流供給回路１８から、プリント回路基板４に含まれる（例えば、プリント回路基板４上の）伝送線路５２、フレキシブルプリント基板３に含まれる（例えば、フレキシブルプリント基板３上の）伝送線路５４、光送信モジュール２に含まれる（例えば、光送信モジュール２内部の）伝送線路５６、インダクタ素子（ボンディングワイヤ）５８、インダクタ素子（ボンディングワイヤ）６０を経由して、供給される直流電流を光電変換して、無変調連続レーザ光を出射する。インダクタ素子（ボンディングワイヤ）５８とインダクタ素子（ボンディングワイヤ）６０との接続点には、デカップリング用の容量素子６２が電気的に接続されている。

光送信モジュール２は、筐体として、金属ステム６４と主要部搭載用の金属台座６６を含むＣＡＮ型のパッケージ筐体が用いられている。そして、金属ステム６４には、円筒状の貫通穴を通して円柱状のリードピン２６ａ、リードピン５６ａが設けられている。リードピン２６ａは封止ガラス２６ｂにより、リードピン５６ａは封止ガラス５６ｂにより固定されている。接地電位用のリードピン６４ａは、金属ステム６４に直接接続されている。金属台座６６上には中継基板２６ｃとキャリア基板６８とが搭載されている。中継基板２６ｃ上には伝送線路２６に対応する配線パタン２６ｄが設けられている。キャリア基板６８の表面上には抵抗素子３８、接地電極３４、伝送線路２８に対応する配線パタン２８ａ、が設けられている。接地電極３４は、バイアホール７０によりキャリア基板６８の裏面電極に接続されている。キャリア基板６８の裏面電極は金属台座６６に接続されており、金属ステム６４、リードピン６４ａと同電位になっている。キャリア基板６８には半導体チップ７２及び容量素子４２、容量素子６２が搭載されている。半導体チップ７２は、本実施形態では、例えば、その表面に半導体レーザダイオード素子１０及び光変調器素子１２が設けられた変調器集積型半導体レーザチップである。半導体レーザダイオード素子１０から出力される無変調連続レーザ光は、光変調器素子１２を通過した後、結合レンズ（図示せず）を介して光ファイバへと出射される。光変調器素子１２は、ドライバＩＣ１６からの１０Ｇｂｉｔ／ｓの電気変調信号により連続レーザ光を光変調信号に変調する。金属ステム６４上にはモニタ用フォトダイオード７４が設けられている。このモニタ用フォトダイオード７４は、半導体レーザダイオード素子１０の後方出力光を受光できる位置に固定されている。インダクタ素子（ボンディングワイヤ）３０は、配線パタン２８ａと光変調器素子１２とを接続し、インダクタ素子（ボンディングワイヤ）３６は、光変調器素子１２と抵抗素子３８の一端とを接続する。インダクタ素子（ボンディングワイヤ）４０は、抵抗素子３８の他端と容量素子４２の上部電極とを接続する。容量素子４２の下部電極は接地電極３４に接続されている。キャリア基板６８上の配線パタン２８ａと中継基板２６ｃ上の配線パタン２６ｄとを接続するインダクタ素子（ボンディングワイヤ）３２は、複数本のワイヤあるいはリボンワイヤ等により、低いインダクタンスで接続することが好ましい。配線パタン２６ｄとリードピン２６ａとは、例えば、ＡｕＳｎ合金等により接合されている。このようにして、リードピン２６ａから光変調器素子１２への電気信号入力経路が構成される。半導体レーザダイオード素子１０は給電用のインダクタ素子（ボンディングワイヤ）５８、インダクタ素子（ボンディングワイヤ）６０を介してリードピン５６ａに接続される。そして、リードピン５６ａから直流電流が供給される。上述した各部品はＣＡＮ型のパッケージ筐体により機密封止される。

ＣＡＮ型のパッケージ筐体としては、本実施形態では、例えば、直径５．６ｍｍのＴＯ−５６型の筐体等を用いる。金属ステム６４、金属台座６６の材料としては安価な鉄を用いると低コスト化に好適である。中継基板２６ｃ及びキャリア基板６８は、例えば、アルミナ、窒化アルミ等の誘電体材料で構成されている。キャリア基板６８が熱伝導率の高い窒化アルミにより構成されている場合、半導体チップ７２から金属台座６６に至る熱抵抗が低減され、素子温度上昇が抑えられる。また、キャリア基板６８は、窒化アルミなどの誘電体基板と、銅タングステンなどの金属板と、を貼り合わせた基板で構成されてもよい。この場合、熱抵抗をさらに下げるのに好適である。抵抗素子３８は窒化タンタル膜により構成され、例えば、レーザトリミングにより抵抗値が５０Ωとなるよう調整されている。半導体チップ７２としては、例えば、ｎ型ＩｎＰ基板を用いて、その表面に分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）である半導体レーザダイオード素子１０と電界吸収型変調器（ＥＡＭ）である光変調器素子１２を形成したものを用いる。半導体チップ７２のチップ表面には、半導体レーザダイオード素子１０と光変調器素子１２のそれぞれのアノード電極が設けられている。光変調器素子１２のアノード電極を中継点としてインダクタ素子（ボンディングワイヤ）３０とインダクタ素子（ボンディングワイヤ）３６とが一本のワイヤを用いて直線的に形成されていると、光変調器素子１２のアノード電極の面積が最小となり、素子容量の低減による高速動作に好適となる。半導体チップ７２の裏面電極は、例えば、半導体レーザダイオード素子１０と光変調器素子１２の共通カソード電極とする。モニタ用フォトダイオード７４の出力は、他のリードピン（図示せず）を通じて出力する。容量素子４２及び容量素子６２には、例えば、単層の高誘電体セラミックで構成した平行平板キャパシタ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｌａｙｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）を用いる。平行平板キャパシタには、例えば、比誘電率が２２０００の高誘電体セラミックを用い、例えば、長さ０．３８ｍｍ、幅０．３８ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍのサイズとする。そして、本実施形態では、容量素子４２の容量値は３３０ｐＦである。このようにして、本実施形態における光送信モジュール２では、直径５．６ｍｍのＣＡＮ型パッケージ筐体内に実装可能な小型化が実現されている。

本実施形態では、図２に例示するキャリア基板６８上の配線パタン２８ａを含んで構成されるマイクロストリップ線路にて、図１に例示する回路図における伝送線路２８をなし、図２における中継基板２６ｃ上の配線パタン２６ｄを含んで構成されるマイクロストリップ線路と金属ステム６４の円筒状の貫通穴と封止ガラス２６ｂ及びリードピン２６ａとが構成する同軸線路と、にて図１の回路図における伝送線路２６をなしている。本実施形態では、リードピン２６ａのフレキシブルプリント基板３との接続点から光変調器素子１２まで、すなわち第１の終端抵抗回路１４−１との接続点までの信号配線の長さｄ１を、例えば、４ｍｍとした。また、その遅延時間は２７ｐｓとなる。また、図２における金属ステム６４の円筒状の貫通穴と封止ガラス５６ｂおよびリードピン５６ａとが構成する同軸線路にて、図１の回路図における伝送線路５６を成している。

フレキシブルプリント基板３は、光送信モジュール２と、プリント回路基板４と、の間を、可撓性を有しつつ接続している。フレキシブルプリント基板３は、本実施形態では、例えば、厚さ５０μｍのポリイミドフィルムの両面に厚さ３０μｍの銅箔が貼り付けられて構成されている。さらに、保護フィルムとしてその両面に厚さ４０μｍのカバーレイが貼り付けられている。伝送線路２４及び伝送線路５４は表面の銅箔をストリップ導体、裏面の銅箔を接地導体としたマイクロストリップ線路とし、ストリップ導体の線幅を８０μｍとすることでその特性インピーダンスを５０Ωにすることができる。本実施形態では、フレキシブルプリント基板３上にはフォトダイオードの出力端子に接続する配線（図示せず）などが設けられている。フレキシブルプリント基板３の裏面銅箔からなる接地導体は、光送信モジュール２のリードピン６４ａ及びプリント回路基板４の接地電極７６、接地電極７８に接続されている。

プリント回路基板４には、例えば、ＦＲ４などのガラスエポキシ基板を用いる。第２の終端抵抗回路１４−２は表面実装型部品により構成される。容量素子５０には、例えば、１００５サイズで容量値が０．１μＦの積層セラミックキャパシタ、抵抗素子４８には、例えば、１６０８サイズで抵抗値が５０Ωの厚膜チップ抵抗、インダクタ素子４６には、例えば、１６０８サイズでインダクタンス値が８２０ｎＨのインダクタを用いる。これらの部品は気密封止が必要な光送信モジュール２内部搭載の第１の終端抵抗回路１４−１とは異なり、容易に交換して、電気的特性を調整することが可能である。フレキシブルプリント基板３とリードピン２６ａとの接続点から第２の終端抵抗回路１４−２までの信号配線の長さｄ２は、本実施形態では、例えば、２６ｍｍである。この場合、長さｄ２に対応する遅延時間は１１９ｐｓとなる。

本実施形態では、ドライバＩＣ１６として、バイアス電圧供給回路内蔵型のものを用いている。伝送線路２０は、バイアホール８０を介してプリント回路基板４上のレーザ電流供給回路１８に接続されている。

本実施形態では、例えば、接続点Ｘから接続点Ｙまでの(電気的な長さに相当する）遅延時間ｔｄが１６８ｐｓ以下となるように伝送線路の長さを設定する。本実施形態では、伝送線路２０、伝送線路２２、伝送線路２４、伝送線路２６、伝送線路２８の特性インピーダンスはそれぞれ５０Ωである。本実施形態では、第１の終端抵抗回路１４−１に含まれるインダクタ素子（ボンディングワイヤ）３６のインダクタンス値は０．７ｎＨ、抵抗素子３８の抵抗値は５０Ω、インダクタ素子（ボンディングワイヤ）４０のインダクタンス値は０．３ｎＨ、容量素子４２の容量値は３３０ｐＦである。また、本実施形態では、第２の終端抵抗回路１４−２に含まれるインダクタ素子４６のインダクタンス値は８２０ｎＨ、抵抗素子４８の抵抗値は５０Ω、容量素子５０の容量値は０．１μＦである。

図４は、第１の終端抵抗回路１４−１及び第２の終端抵抗回路１４−２の周波数特性を説明する図である。なお、以下の説明において、第１の終端抵抗回路１４−１に含まれる抵抗素子３８の抵抗値（本実施形態では、第２の終端抵抗回路１４−２の抵抗素子４８の抵抗値でもある）をＲｔｅｒｍ、容量素子４２の容量値をＣｔｅｒｍ、第２の終端抵抗回路１４−２に含まれる容量素子５０の容量値をＣ、インダクタ素子４６のインダクタンス値をＬｔｅｒｍ、第１の終端抵抗回路１４−１に含まれるインダクタ素子（ボンディングワイヤ）３６とインダクタ素子（ボンディングワイヤ）４０のインダクタンス値の総和をＬと表現することとする。本実施形態では、直列ＬＣＲ回路で構成される第１の終端抵抗回路１４−１のインピーダンスは広い周波数範囲（第１の終端抵抗回路１４−１の透過周波数帯域）で５０Ω（本実施形態では、伝送線路の特性インピーダンスに対応する）に保たれる。第１の終端抵抗回路１４−１は、高い周波数領域においてはＬＲフィルターとして働くため、第１の終端抵抗回路１４−１のインピーダンスが上昇し、その高域遮断周波数は、Ｒｔｅｒｍ／（２πＬ）で近似される。インダクタ素子（ボンディングワイヤ）３６とインダクタ素子（ボンディングワイヤ）４０のインダクタンス値を小さくすることで、１ＧＨｚを超える周波数範囲まで第１の終端抵抗回路１４−１のインピーダンスを５０Ωにすることができる。第１の終端抵抗回路１４−１は、低い周波数領域においてはＣＲフィルターとして働くためインピーダンスが上昇し、その低域遮断周波数は１／（２π×Ｃｔｅｒｍ×Ｒｔｅｒｍ）で近似される。本実施形態では、低域遮断周波数は１０ＭＨｚとなる。同じく直列ＬＣＲ回路で構成される第２の終端抵抗回路１４−２のインピーダンスもまた広い周波数範囲（第２の終端抵抗回路１４−２の透過周波数帯域）で５０Ω（本実施形態では、伝送線路の特性インピーダンスに対応する）に保たれる。第２の終端抵抗回路１４−２は、低い周波数領域においてはＣＲフィルターとして働くためインピーダンスが上昇し、その低域遮断周波数は１／（２π×Ｃ×Ｒｔｅｒｍ）で近似される。容量素子５０の容量値を０．１μＦとしたことで低域遮断周波数を３２ｋＨｚと低くでき、ビットレートが１０Ｇｂｉｔ／ｓの光通信システムで要求される低域周波数特性を充分満足できる。第２の終端抵抗回路１４−２は、高い周波数領域においてはＬＲフィルターとして働くためインピーダンスが上昇し、その高域遮断周波数はＲｔｅｒｍ／（２π×Ｌｔｅｒｍ）で近似できる。上記の値の場合高域遮断周波数は１０ＭＨｚとなる。

このように、本実施形態では、第１の終端抵抗回路１４−１の低域遮断周波数と、第２の終端抵抗回路１４−２の高域遮断周波数と、が対応する。なお、後述のように、第１の終端抵抗回路１４−１の低域遮断周波数と、第２の終端抵抗回路１４−２の高域遮断周波数と、が必ずしも一致している必要はない。また、本実施形態では、第１の終端抵抗回路１４−１の透過周波数帯域におけるインピーダンスと、第２の終端抵抗回路１４−２の透過周波数帯域におけるインピーダンスと、が対応するよう構成されている。

これら第１の終端抵抗回路１４−１及び第２の終端抵抗回路１４−２を用いた本実施形態において、ドライバＩＣ１６から光送信モジュール２側を見込んだときのインピーダンスは、図４に示すように、周波数３２ｋＨｚから１ＧＨｚを超えるまでの広い周波数範囲において平坦な特性が得られる。周波数ｆ_０を上記の場合の第１の終端抵抗回路１４−１における低域遮断周波数及び第２の終端抵抗回路１４−２における高域遮断周波数である１０ＭＨｚとすると、周波数ｆ_０以上の周波数領域では第１の終端抵抗回路１４−１が支配的、周波数ｆ_０以下の周波数領域では第２の終端抵抗回路１４−２が支配的となる働きが得られる。

図５は位相と信号の振幅差との関係の一例を示す図である。図５を参照しながら、伝送線路上の終端抵抗位置の違いが振幅変化に及ぼす影響を説明する。第１の終端抵抗回路１４−１と第２の終端抵抗回路１４−２が切り替わる周波数ｆ_０にて、接続点Ｘと接続点Ｙとの位置の違いにより小信号伝達特性Ｓ２１の位相差がΔφ生じるとする。電気変調信号の周波数ｆ_０における成分をＡ×ｓｉｎφとすると、終端抵抗位置の違いによる位相差Δφが信号の振幅に生じる変動幅ΔＡはＡ×（ｓｉｎφ−ｓｉｎ（φ−Δφ））となる。φに比べΔφが充分小さい範囲では、｜ΔＡ／Ａ｜＝Δφ×｜ｃｏｓφ｜となる。図５に示すように｜ΔＡ／Ａ｜は、φ＝０のとき、最大値Δφを示す。

ここで、電気波形における振幅誤差ΔＡ／Ａを抑えるほど、より良好な光送信波形品質を実現することができる。この条件（｜ΔＡ／Ａ｜≦０．０５）を満足するための位相差Δφの条件を求めると、｜ΔＡ／Ａ｜ｍａｘ＝Δφ≦０．０５ラジアンとなる(以下、角度はすべて弧度法による記述とする）。本実施形態では、ドライバＩＣ１６から出力される信号の、第１の終端抵抗回路１４−１と伝送線路との接続点Ｙにおける振幅と、第２の終端抵抗回路１４−２と伝送線路との接続点Ｘにおける振幅と、の差が、所与の値以下となるよう構成する。より具体的には、ドライバＩＣ１６から出力される信号の振幅に対する、第１の終端抵抗回路１４−１と伝送線路との接続点Ｙと、第２の終端抵抗回路１４−２と伝送線路との接続点Ｘと、の間の信号の振幅の差の割合が、５％以下となるよう構成する。

一方周波数ｆ_０における電磁波の伝送線路中の伝搬波長をλｇとすると、接続点Ｘから接続点Ｙまでの電気長Ｄは（Δφ／π）×λｇとなる。接続点Ｘから接続点Ｙまでの長さＤを信号が伝搬するに要する遅延時間ｔｄをΔφで記述すると、ｔｄ＝Ｄ／（ｆ_０×λｇ）＝Δφ／（π×ｆ_０）となる。そのため、ｔｄに求められる条件として、ｔｄ≦０．０５／（π×ｆ_０）＝０．１／（２π×ｆ_０）という関係が必要となる。以上より、１／（２πｆ_０）≧１０×ｔｄという関係式が得られる。

本実施形態では、周波数ｆ_０に対応する時定数１／（２πｆ_０）は１６ｎｓであり、接続点Ｘから接続点Ｙまでの遅延時間ｔｄの１６８ｐｓに比べて所定倍（本実施形態では、１０倍）以上の充分大きい値となるよう構成されている。なお、１（２πｆ_０）≧１０×ｔｄの関係式を満たす範囲でこれらの数値を変化させてもよい。また、ドライバＩＣ１６から出力される信号の振幅に対する、第１の終端抵抗回路１４−１と伝送線路との接続点Ａと、第２の終端抵抗回路１４−２と伝送線路との接続点Ｂと、の間の信号の振幅の差の割合に応じて、第１の終端抵抗回路１４−１の低域遮断周波数に対応する時定数が、伝送線路の遅延時間の所定倍以上となるよう光送信機１を構成してもよい。

図６Ａは、上述の関係式を充分な余裕を持って満足する、遅延時間ｔｄが１６８ｐｓ（Ｄ＝３０ｍｍ）、時定数１／（２πｆ_０）が１６ｎｓ（Ｃｔｅｒｍ＝３３０ｐＦ）である際にシミュレーションを行い、算出した光出力波形の一例を示す図である。図６Ｂは、上述の関係式を、余裕を持たず満足する、遅延時間ｔｄが１６８ｐｓ（Ｄ＝３０ｍｍ）、時定数１／（２πｆ_０）が１．６ｎｓ（Ｃｔｅｒｍ＝３３ｐＦ）である際にシミュレーションを行い、算出した光出力波形の一例を示す図である。図６Ｃは、上述の関係式を満足しない、遅延時間ｔｄが１６８ｐｓ（Ｄ＝３０ｍｍ）、時定数１／（２πｆ_０）が５００ｐｓ（Ｃｔｅｒｍ＝１０ｐＦ）である際にシミュレーションを行い、算出した光出力波形の一例を示す図である。

光出力波形の算出結果は図６Ａ〜図６Ｃに例示するように、図６Ａ、図６Ｂに対応する条件では、光送信波形品質を実現でき、図６Ｃに対応する条件では波形に雑音およびジッタが生じて太い波形となり充分な波形品質を得ることができない。このように、上述の関係式を満足すれば、満足しない場合よりも良好な波形品質を得ることができることとなる。

第１の終端抵抗回路１４−１における低域遮断周波数ｆ_０が１／（２π×Ｃｔｅｒｍ×Ｒｔｅｒｍ）で近似されることから、上述の関係式は、Ｃｔｅｒｍ×Ｒｔｅｒｍ≧１０×ｔｄという関係式に置き換えられる。この関係式を満足するよう、容量素子４２の容量値Ｃｔｅｒｍや抵抗素子３８の抵抗値Ｒｔｅｒｍを設定してもよい。このように、容量素子４２の容量値と抵抗素子３８の抵抗値との積が、伝送線路の遅延時間の所定倍以上となるよう光送信機１を構成してもよい。この条件を満足するならば、第２の終端抵抗回路１４−２において、インダクタ素子４６のインダクタンス値Ｌｔｅｒｍを、例えば、光出力特性を見ながらＬｔｅｒｍを実験的に調整するなどして容易に調整することができる。

プリント回路基板４やフレキシブルプリント基板３の基板材料の比誘電率は通常４以下である。そのため、それらの基板上に形成される伝送線路をマイクロストリップ線路とすると、実効比誘電率εｅｆｆは３以下となる。伝送線路の波長短縮率（λｇ／λｏ）を実効比誘電率εｅｆｆで記述すると、１／√εｅｆｆであるので、伝送線路の遅延時間ｔｄは、ｔｄ＝Ｄ／（ｃ×λｇ／λｏ）＝√εｅｆｆ／ｃ×Ｄ（ｃは真空中の光速度）となる。この式をＣｔｅｒｍ×Ｒｔｅｒｍ≧１０×ｔｄという関係式に代入することにより、Ｃｔｅｒｍ≧１０／Ｒｔｅｒｍ×ｔｄ＝１０／Ｒｔｅｒｍ×√εｅｆｆ／ｃ×Ｄという関係式が導かれる。この式にＲｔｅｒｍ＝５０Ω、ｃ＝３．０×１０^８［ｍ／ｓ］、εｅｆｆ≦３を代入すると、Ｃｔｅｒｍ≧Ｄ×１．１×１０^−９［Ｆ／ｍ］という関係式が得られる。この関係式を満足するよう、容量素子４２の容量値Ｃｔｅｒｍや接続点Ｘから接続点Ｙまでの長さＤを設定してもよい。この条件を満足するならば、第２の終端抵抗回路１４−２において、インダクタ素子４６のインダクタンス値Ｌｔｅｒｍを、例えば、光出力特性を見ながら実験的に調整するなどして容易に調整することができる。また、プリント回路基板４上に第２の終端抵抗回路１４−２を搭載すること及びフレキシブルプリント基板３により光送信モジュール２を実装上不具合なく接続するためには、信号配線の長さＤが１０ｍｍ以上であることが好ましい。

ここで、比例定数ＬｆａｃｔｏｒをＬｔｅｒｍ＝（（Ｒｔｅｒｍ）＾２×Ｃｔｅｒｍ）×Ｌｆａｃｔｏｒという関係式により定義する。シミュレーションによりＬｆａｃｔｏｒの値を変化させた際の、光出力波形における振幅誤差の一例を図７に例示する。上述のように、Ｌｆａｃｔｏｒの最適値は１（図７中の条件（Ｂ））である。Ｌｆａｃｔｏｒ＝１の場合に、Ｌｔｅｒｍ＝（（Ｒｔｅｒｍ）＾２×Ｃｔｅｒｍ）という関係式が成り立つ。Ｌｆａｃｔｏｒを１から増大させるに従って、振幅誤差が増大し、Ｌｆａｃｔｏｒ＝１．５（図７中の条件（Ｃ））において、Ｌｆａｃｔｏｒ＝１の場合よりも振幅誤差が５ポイント増加した。また、Ｌｔｅｒｍを１から減少させるに従って、振幅誤差が増大し、Ｌｆａｃｔｏｒ＝０．６６６（図７中の条件（Ａ））においてＬｆａｃｔｏｒ＝１の場合よりも振幅誤差が５ポイント増加した。この結果より、振幅誤差が最適値から５ポイントの範囲内に入る条件として、２／３≦Ｌｆａｃｔｏｒ≦３／２という関係式が導かれる。そして、（Ｒｔｅｒｍ）＾２×Ｃｔｅｒｍ×２／３≦Ｌｔｅｒｍ≦（Ｒｔｅｒｍ）＾２×Ｃｔｅｒｍ×３／２という関係式が導かれる。このように、第２の終端抵抗回路１４−２に含まれるインダクタ素子４６のインダクタンス値が、第１の終端抵抗回路１４−１に含まれる抵抗素子３８の抵抗値の二乗と第１の終端抵抗回路１４−１に含まれる容量素子４２の容量値との積に対応する（例えば、第２の終端抵抗回路１４−２に含まれるインダクタ素子４６のインダクタンス値と、第１の終端抵抗回路１４−１に含まれる抵抗素子３８の抵抗値の二乗と第１の終端抵抗回路１４−１に含まれる容量素子４２の容量値との積と、の比が所定の関係を満足する（所定の範囲内に収まる））よう光送信機１を構成してもよい。図８Ａ〜図８Ｃは、光出力波形の算出結果の一例を示す図である。図８Ａは、図７中の条件（Ａ）に対応する。図８Ｂは、図７中の条件（Ｂ）に対応する。図８Ｃは、図７中の条件（Ｃ）に対応する。図８Ａ〜図８Ｃには、上述の条件を満足する場合に、満たさない場合よりも良好な光送信波形品質を実現できることが示されている。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

図９は、別の実施形態における光送信機１の主要回路の一例を示す図である。図１０は、この実施形態における光送信機１の主要部分の一例を示す図である。

この実施形態では、第２の終端抵抗回路１４−２を伝送線路との接続点Ｘから接地電極４４に向けてインダクタ素子４６、抵抗素子４８、容量素子５０の順で直列接続し、抵抗素子４８と容量素子５０との接続箇所に分岐を設け、その先に伝送線路８２経由で光変調器素子へのバイアス電圧供給回路８４を接続している。図９及び図１０において、インダクタ素子４６、抵抗素子４８、容量素子５０それぞれの電気的特性および部品形態は上述の実施形態のインダクタ素子４６、抵抗素子４８、容量素子５０と同様である。伝送線路２２、伝送線路２４、伝送線路８６の特性インピーダンスは５０Ωである。容量素子８８は直流遮断用キャパシタであり、例えば、１００５サイズで容量値が０．１μＦの積層セラミックキャパシタである。この実施形態の回路構成とすることにより、バイアス電圧供給回路８４から伝送線路との接続点Ｘまでの直流電圧供給経路に対して第２の終端抵抗回路１４−２を良好なローパスフィルタとして兼用することができる。これにより、ドライバＩＣ１６として、バイアス電圧を供給する機能を持たないタイプのＩＣを用いることができる。よってこの実施形態によれば、光送信機１により小型・安価なＩＣを用いることができ、光送信機１の小型化および低コスト化に有効である。

１ 光送信機、２ 光送信モジュール、３ フレキシブルプリント基板、４ プリント回路基板、１０ 半導体レーザダイオード素子、１２ 光変調器素子、１４ 終端抵抗回路、１６ ドライバＩＣ、１８ レーザ電流供給回路、２０ 伝送線路、２２ 伝送線路、２４ 伝送線路、２６ 伝送線路、２６ａ リードピン、２６ｂ 封止ガラス、２６ｃ 中継基板、２６ｄ 配線パタン、２８ 伝送線路、２８ａ 配線パタン、３０ インダクタ素子（ボンディングワイヤ）、３２ インダクタ素子（ボンディングワイヤ）、３４ 接地電極、３６ インダクタ素子（ボンディングワイヤ）、３８ 抵抗素子、４０ インダクタ素子（ボンディングワイヤ）、４２ 容量素子、４４ 接地電極、４６ インダクタ素子、４８ 抵抗素子、５０ 容量素子、５２ 伝送線路、５４ 伝送線路、５６ 伝送線路、５６ａ リードピン、５６ｂ 封止ガラス、５８ インダクタ素子（ボンディングワイヤ）、６０ インダクタ素子（ボンディングワイヤ）、６２ 容量素子、６４ 金属ステム、６４ａ リードピン、６６ 金属台座、６８ キャリア基板、７０ バイアホール、７２ 半導体チップ、７４ モニタ用フォトダイオード、７６ 接地電極、７８ 接地電極、８０ バイアホール、８２ 伝送線路、８４ バイアス電圧供給回路、８６ 伝送線路、８８ 容量素子。

Claims (5)

1. 光送信モジュールと、前記光送信モジュールと伝送線路にて電気的に接続されたプリント回路基板と、を有する光送信機であって、
   前記光送信モジュールが、発光素子と、前記発光素子から出射される光を変調する、前記伝送線路と接続された光変調器と、一端が前記伝送線路と第１接続点で接続され、他端が第１接地点と接続された第１の終端抵抗回路と、を備え、
   前記プリント回路基板が、前記光変調器に供給される信号を出力する、前記伝送線路と接続された信号出力回路と、一端が前記伝送線路と第２接続点で接続され、他端が第２接地点と接続された第２の終端抵抗回路と、を備え、
   前記第１の終端抵抗回路は、直列接続された、抵抗値がＲｔｅｒｍである第１抵抗素子と、容量値がＣｔｅｒｍである第１容量素子と、を含み、
   前記第２の終端抵抗回路は、直列接続された、抵抗値がＲ２である第２抵抗素子、容量値がＣ２である第２容量素子、およびインダクタンス値がＬｔｅｒｍである第２インダクタンス素子を含み、
   （Ｒｔｅｒｍ）＾２×Ｃｔｅｒｍ×２／３≦Ｌｔｅｒｍ≦（Ｒｔｅｒｍ）＾２×Ｃｔｅｒｍ×３／２の関係式を満たし、
   前記第１抵抗素子の抵抗値Ｒｔｅｒｍと前記第２抵抗素子の抵抗値Ｒ２は、前記伝送線路の特性インピーダンスと略一致し、
   １／（２π・Ｃ２・Ｒ２）で定まる低域遮断周波数は、送信される信号にとって必要な低域周波数以下であり、
   前記第２容量素子の容量値Ｃ２は、前記第１容量素子の容量値Ｃｔｅｒｍより大きく、
   前記第１の終端抵抗回路の透過周波数帯域における前記第１接続点から前記第１接地点までの間のインピーダンスと、前記第２の終端抵抗回路の透過周波数帯域における前記第２接続点から前記第２接地点までの間のインピーダンスと、が略一致するよう構成されている、
   ことを特徴とする光送信機。
2. 請求項１に記載の光送信機であって、
   前記第２の終端抵抗回路において、前記第２接続点側より、前記第２インダクタンス素子、前記第２抵抗素子、そして前記第２容量素子の順で並んでいる、
   ことを特徴とする光送信機。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光送信機であって、
   前記第１の終端抵抗回路は、さらに直列接続された第１インダクタンス素子を含む、
   ことを特徴とする光送信機。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光送信機であって、
   前記信号出力回路から出力される信号は電気信号であり、
   前記第１の終端抵抗回路の前記第１接続点から前記第１接地点までの間の低域遮断周波数と、前記第２の終端抵抗回路の前記第２接続点から前記第２接地点までの間の高域遮断周波数が、周波数ｆ_０において略一致し、
   前記第１接続点から前記第２接続点までの間を前記信号が伝搬するのに要する遅延時間ｔｄは、１／（２π×ｆ_０）≧１０×ｔｄの関係式を満たしており、
   前記信号出力回路から出力される信号である電気信号の振幅に対する、前記第１の終端抵抗回路と前記伝送線路との第１接続点における前記電気信号の振幅と、前記第２の終端抵抗回路と前記伝送線路との第２接続点における前記電気信号の振幅と、の差の割合が、５％以下となるよう構成されている、
   ことを特徴とする光送信機。
5. 光変調器素子を内蔵した光送信モジュールと、
   前記光変調器素子への駆動信号を出力する出力端子を有するドライバＩＣと、
   前記ドライバＩＣを搭載したプリント基板と、
   前記ドライバＩＣ前記出力端子から前記光変調素子に至る伝送線路と、
   一端が前記伝送線路と第１接続点で、他端が第１接地点と接続され、前記光送信モジュールに内蔵された第１の終端抵抗回路と、
   一端が前記伝送線路と第２接続点で、他端が第２接地点と接続され、前記プリント基板に搭載された第２の終端抵抗回路と、を備え、
   前記第１の終端抵抗回路は、直列接続された、抵抗値がＲｔｅｒｍである第１抵抗素子と、容量値がＣｔｅｒｍである第１容量素子と、を含み、
   前記第２の終端抵抗回路は、直列接続された、抵抗値がＲ２である第２抵抗素子、容量値がＣ２である第２容量素子、およびインダクタンス値がＬｔｅｒｍである第２インダクタンス素子を含み、
   （Ｒｔｅｒｍ）＾２×Ｃｔｅｒｍ×２／３≦Ｌｔｅｒｍ≦（Ｒｔｅｒｍ）＾２×Ｃｔｅｒｍ×３／２の関係式を満たし、
   前記第１抵抗素子の抵抗値Ｒｔｅｒｍと前記第２抵抗素子の抵抗値Ｒ２は、前記伝送線路の特性インピーダンスと略一致し、
   １／（２π・Ｃ２・Ｒ２）で定まる低域遮断周波数は、送信される信号にとって必要な低域周波数以下であり、
   前記第２容量素子の容量値Ｃ２は、前記第１容量素子の容量値Ｃｔｅｒｍより大きく、
   前記第１の終端抵抗回路の前記第１接続点から前記第１接地点までの間の低域遮断周波数と、前記第２の終端抵抗回路の前記第２接続点から前記第２接地点までの間の高域遮断周波数が、周波数ｆ_０において略一致し、
   周波数ｆ_０より高い周波数においては、第１終端抵抗の第１接続点から第１接地点までの間のインピーダンスＺ１の絶対値は、Ｒｔｅｒｍに略等しく、かつ、第２終端抵抗の第２接続点から第２接地点までの間のインピーダンスＺ２の絶対値は、Ｒｔｅｒｍより十分に大きく、
   周波数ｆ_０より低い周波数においては、第１終端抵抗の第１接続点から第１接地点までの間のインピーダンスＺ１の絶対値は、Ｒｔｅｒｍより十分に大きく、かつ、第２終端抵抗の第２接続点から第２接地点までの間のインピーダンスＺ２の絶対値は、Ｒｔｅｒｍに略等しく、
   前記伝送線路の上の前記第１接続点から前記第２接続点までの間の前記伝送線路の遅延時間ｔｄは、１/（２π×ｆ_０）≧１０×ｔｄの関係式を満たしている、
   ことを特徴とする光送信機。

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