JP5631772B2 - 光送信モジュール - Google Patents
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Description
本発明はTO-CANパッケージとFPC基板を用いた光送信モジュールに関する。
近年のインターネットによる情報通信量の増大に伴い、それを支えるフォトニックネットワークシステムの大容量化が要求されている。データセンターでは、基幹系から伝送されてくる40Gb/s信号を、そのままの速度で処理する需要が今後増大すると考えられている。この需要を満たすために、電界吸収型変調器集積DFBレーザ(Electroabsorption Modulator Integrated DFB Laser, EA-DFBレーザ)、直接変調レーザ(DML: directly modulated laser)が、LiNbO3(LN)変調器に比べ小型であることから、40Gb/s光半導体光源として期待されている。
実際、波長1.55μｍ帯のEA-DFBレーザはルータ間のインターコネクトとして、伝送距離2km(VSR: very-short-reach)の用途でXLMD-MSA（非特許文献１）に実装した形態で実用化されている（非特許文献２，３）。しかし、この形態においては、光トランシーバから送られてくる電気信号を、高価な高周波コネクタやケーブルを用いて光送信モジュールまで伝送しており、小型化・低コスト化に課題があった。急速に高まるデータセンターでの需要を考えると、より小型・低コストの40Gb/sEADFBレーザやDMLの光送信モジュールの実現が求められている。
そこで我々は、Transistor-Outline(TO)-CANパッケージとフレキシブル電気回路(FPC: Flexible printed circuit)基板を用いてEA-DFBレーザ、DMLの40Gb/s動作の実現を目指した。
図面に基づき、40Gb/s動作可能な光送信モジュールについて更に説明する。図３６（ａ）に示すように、従来は、高周波電気信号である40Gb/sの電気信号が、光トランシーバの電気回路(PCB: Printed circuit board)１などから、高価かつ寸法の固定された高周波ケーブル２及び高周波コネクタ３を介して、積層セラミックのパッケージ５を用いて作製された光送信モジュール６まで伝送される構成となっていた。このような構成の光送信モジュール６では主に次の２つの問題があった。
（１） 高周波電気信号の伝送に高周波コネクタ３及び高周波ケーブル２を用いているため、光送信モジュール６の小型化・低コスト化が難しい(高周波コネクタ３の大きさで小型化が制限される)。
（２） 積層セラミックパッケージ５が高コストであり、このことからも光送信モジュール６の低コスト化が難しい。
（１） 高周波電気信号の伝送に高周波コネクタ３及び高周波ケーブル２を用いているため、光送信モジュール６の小型化・低コスト化が難しい(高周波コネクタ３の大きさで小型化が制限される)。
（２） 積層セラミックパッケージ５が高コストであり、このことからも光送信モジュール６の低コスト化が難しい。
従来技術では、40Gb/sという高速な電気信号に対して低透過損失・低反射損失を実現するためのこれ以外の小型で低コストな光送信モジュールを提案することができなかったことが課題であった。
従って、本発明においては、従来の40Gb/s光送信モジュール６からの大幅な小型化・低コスト化を実現することを目的とした。その基本構成を図３６（ｂ）に示す。
図３６（ｂ）に示すように、本発明の光送信モジュール１１は、上記従来技術の（１）の問題に対してはFPC基板１２を用いており、このFPC基板１２を介してPCB１などから光送信モジュール１１まで電気信号を伝送する構成とした。一般に高周波コネクタ３を用いる場合には、商用化されたGPPO（登録商標）やK connector（登録商標）を用いることになる。これらは大きさが固定されていて、コストも高い。それに対しFPC基板１２を用いた場合には、自由に設計することができるために大幅に光送信モジュール１１の小型化が可能である。そして、FPC基板１２の材料費と加工費のみでFPC基板１２のコストが決まるため、高周波コネクタ３を用いる場合に比べて、光送信モジュール１１の大幅なコスト削減が可能である。
また、本発明の光送信モジュール１１は、上記従来技術の（２）の問題に対してはTO-CANパッケージ１３を用いた。TO-CANパッケージ１３が積層セラミックパッケージ５に比べてコストを大幅に抑えられる理由は、TO-CANパッケージ１３はプレス加工のみで作製することが可能であるため作製費を大幅に抑えられるからである（なお、TO-CANパッケージとFPC基板を用いた光送信モジュールの従来例については後述する（図６（ａ），図６（ｂ）参照））。
XLMD MSA, web site, http://www.xlmdmsa.org/
K. Naoe, N. Sasada, Y. Sakuma, K. Motoda, T. Kato, M. Akashi, J. Shimizu, T. Kitatani, M. Aoki, M. Okayasu, and K. Uomi, "43-Gbit/s operation of 1.55-μm electro-absorption modulator integrated DFB laser modules for 2-km transmission," in Proc. ECOC, Glasgow, Scotland, 2005, Paper Th 2.6.4
N. Okada, T. Miyahara, T. Shinada, T. Saito, A. Sugitatsu and T. Hatta, "43 Gbit/s EAM-LD module with built-in driver IC employing novel cathode-froating bias circuit," in Proc. ECOC, Brussels, Belgium, 2008, Paper We. 1.C.3
しかしながら、TO-CANパッケージ１３を用いる場合、TO-CANパッケージ１３のサイズ(一般にΦ5.6mm)内に光半導体素子及びその他の構成部品を配さなければならないという制約が生じる。そのため光半導体素子（LD）に導通する高周波電気信号に対して、光半導体素子（LD）に供給する直流電流による発熱が影響を与えていた。従来の積層セラミックパッケージ５を用いた光送信モジュール６においては、積層セラミックパッケージが12mm×18mmとサイズが大きかったため上述のような問題は生じなかった。
従って、本発明はTO-CANパッケージとFPC基板を用いた光送信モジュールにおける上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、TO-CANパッケージ内部の光半導体素子に供給する直流電流による発熱が光半導体素子に導通する高周波電気信号に影響を与えることを防止することなどが可能な構成の光送信モジュールを提供することを課題とする。
上記課題を解決する第１発明の光送信モジュールは、
TO-CANパッケージと、FPC基板とを有し、
前記TO-CANパッケージの背面と、前記FPC基板の先端面とは、空気ギャップを介して配置され、前記TO-CANパッケージに配された同軸ピンと、前記FPC基板とは、平行になるように配置されており、
前記同軸ピンが、前記FPC基板の表面に配された高周波信号線路に接続され、
前記高周波信号線路から、前記同軸ピンを介して、前記TO-CANパッケージの内部に配された光半導体素子に高周波電気信号を導通し、
前記TO-CANパッケージに配された複数のDCピンが屈曲し、前記FPC基板の裏面に配された直流信号線路に接続され、
前記直流信号線路から、前記複数のDCピンのうちの前記同軸ピンから3mm以上7.4mm以下離れた発熱源となるDCピンを介して、前記光半導体素子に直流電流を導通する構成とし、
前記同軸ピンと前記FPC基板との接続部における空気ギャップが、0より大きく0.1mm以下であること
を特徴とする。
TO-CANパッケージと、FPC基板とを有し、
前記TO-CANパッケージの背面と、前記FPC基板の先端面とは、空気ギャップを介して配置され、前記TO-CANパッケージに配された同軸ピンと、前記FPC基板とは、平行になるように配置されており、
前記同軸ピンが、前記FPC基板の表面に配された高周波信号線路に接続され、
前記高周波信号線路から、前記同軸ピンを介して、前記TO-CANパッケージの内部に配された光半導体素子に高周波電気信号を導通し、
前記TO-CANパッケージに配された複数のDCピンが屈曲し、前記FPC基板の裏面に配された直流信号線路に接続され、
前記直流信号線路から、前記複数のDCピンのうちの前記同軸ピンから3mm以上7.4mm以下離れた発熱源となるDCピンを介して、前記光半導体素子に直流電流を導通する構成とし、
前記同軸ピンと前記FPC基板との接続部における空気ギャップが、0より大きく0.1mm以下であること
を特徴とする。
また、第２発明の光送信モジュールは、第１発明の光送信モジュールにおいて、
前記FPC基板はLCP材料を用いて作成したものであることを特徴とする。
前記FPC基板はLCP材料を用いて作成したものであることを特徴とする。
また、第３発明の光送信モジュールは、第１又は第２発明の光送信モジュールにおいて、前記光半導体素子がEA-DFBレーザであり、
前記同軸ピンからの電気配線が前記EA-DFBレーザにおけるEA変調器部に接続され、
前記同軸ピンから3mm以上7.4mm以下離れた前記DCピンからの電気配線が、前記EA-DFBレーザにおけるDFBレーザ部に接続されていること
を特徴とする。
前記同軸ピンからの電気配線が前記EA-DFBレーザにおけるEA変調器部に接続され、
前記同軸ピンから3mm以上7.4mm以下離れた前記DCピンからの電気配線が、前記EA-DFBレーザにおけるDFBレーザ部に接続されていること
を特徴とする。
また、第４発明の光送信モジュールは、第１〜第３発明の何れか１つの光送信モジュールにおいて、
前記光半導体素子が直接変調レーザであり、
前記直接変調レーザに、前記同軸ピンから高周波電気信号を導通し、前記同軸ピンから3mm以上7.4mm以下離れた前記DCピンから直流電流を導通する構成としたことを特徴とする。
前記光半導体素子が直接変調レーザであり、
前記直接変調レーザに、前記同軸ピンから高周波電気信号を導通し、前記同軸ピンから3mm以上7.4mm以下離れた前記DCピンから直流電流を導通する構成としたことを特徴とする。
また、第５発明の光送信モジュールは、第１〜第４発明の何れか１つの光送信モジュールにおいて、
前記FPC基板の表面に接地電極が配され、
前記同軸ピンと前記接地電極との間の距離が、0.1mm以上0.3mm以下であること
を特徴とする。
前記FPC基板の表面に接地電極が配され、
前記同軸ピンと前記接地電極との間の距離が、0.1mm以上0.3mm以下であること
を特徴とする。
また、第６発明の光送信モジュールは、第１〜第５発明の何れか１つの光送信モジュールにおいて、
前記同軸ピンとFPC基板との接続部における空気ギャップが、0より大きく0.1mm以下であることを特徴とする。
前記同軸ピンとFPC基板との接続部における空気ギャップが、0より大きく0.1mm以下であることを特徴とする。
また、第６発明の光送信モジュールは、第１〜第５発明の何れか１つの光送信モジュールにおいて、
前記同軸ピンと前記FPC基板の接続部における高さ方向のずれが、0より大きく0.2mm以下であることを特徴とする。
前記同軸ピンと前記FPC基板の接続部における高さ方向のずれが、0より大きく0.2mm以下であることを特徴とする。
本発明によれば、直流信号線路から、複数のDCピンのうちの同軸ピンから3mm以上7.4mm以下離れたDCピンを介して、光半導体素子に直流電流を導通する構成としたことにより、光半導体素子に供給する直流電流による発熱が光半導体素子に導通する高周波電気信号に影響を与えることを防止することができ、25Gb/s〜100Gb/s（例えば40Gb/s）の高周波帯で動作可能な小型・低コストの光送信モジュールを実現することができる。
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明の光送信モジュールは、大きく３つの要素からなる。これら３つの要素に関して以下に詳細に説明する。
（１） FPC基板のTO-CANパッケージへの固定方法。
（２） （１）の固定方法を用いたFPC基板とTO-CANパッケージの高周波信号線路部の接続方法。
（３） 低い伝送損失・低い反射損失を実現するためのFPC基板の構造(材料選択・信号線設計)。
（１） FPC基板のTO-CANパッケージへの固定方法。
（２） （１）の固定方法を用いたFPC基板とTO-CANパッケージの高周波信号線路部の接続方法。
（３） 低い伝送損失・低い反射損失を実現するためのFPC基板の構造(材料選択・信号線設計)。
まず、本実施の形態例の光送信モジュールの構成要素であるFPC基板とTO-CANパッケージを固定（接続）する方法について説明する。
図１に接続方法の説明図を示している。図１（ａ）には光送信モジュールのFPC基板１２とTO-CANパッケージ１３の接続部の背面側の斜視図を示しており、図１（ｂ）にはその断面図を示している。これらの図において２１はFPC基板１２とTO-CANパッケージ１３を半田付けする箇所である。
図１（ｃ）及び図１（ｄ）はTO-CANパッケージ１３の背面写真であり、高周波同軸ピン２２及び複数の直流（DC）ピン２３の配置を示している。複数のＤＣピン２３を、以後、図１（ｃ）及び図１（ｄ）において左から右へ順に第１のＤＣピン２３、第２のＤＣピン２３、第３のＤＣピン２３とも称する。同軸ピン２１は円柱状の導体であり、TO-CANパッケージ１３の底部１３ａに設けられた絶縁体で円柱状のガラス２４の中心部を貫通してガラス２４と同軸になっており（即ち周囲をガラス２４で埋められており）、両側部分が、TO-CANパッケージ１３の外側（図１（ｂ）における右側）と内側（図１（ｂ）における左側）とに突出している。各DCピン２３も底部１３ａを貫通して両側部分が、TO-CANパッケージ１３の外側と内側とに突出している。
図１（ｃ）及び図１（ｄ）はTO-CANパッケージ１３の背面写真であり、高周波同軸ピン２２及び複数の直流（DC）ピン２３の配置を示している。複数のＤＣピン２３を、以後、図１（ｃ）及び図１（ｄ）において左から右へ順に第１のＤＣピン２３、第２のＤＣピン２３、第３のＤＣピン２３とも称する。同軸ピン２１は円柱状の導体であり、TO-CANパッケージ１３の底部１３ａに設けられた絶縁体で円柱状のガラス２４の中心部を貫通してガラス２４と同軸になっており（即ち周囲をガラス２４で埋められており）、両側部分が、TO-CANパッケージ１３の外側（図１（ｂ）における右側）と内側（図１（ｂ）における左側）とに突出している。各DCピン２３も底部１３ａを貫通して両側部分が、TO-CANパッケージ１３の外側と内側とに突出している。
図１（ａ）〜図１（ｄ）に示すように、TO-CANパッケージ１３には、TO-CANパッケージ１３の内部に実装されている光半導体素子へ高周波電気信号を導通するための同軸ピン２２と、複数のDCピン２３が並列に配置されている。これらのピン２２，２３を用いてFPC基板１２を固定する方法について述べる。
十分な強度でFPC基板１２とTO-CANパッケージ１３を固定するため、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す半田付け箇所２１においてFPC基板１２とTO−CANパッケージ１３とを、半田を用いて固定する。即ち、FPC基板１２の先端面全体（即ち図１（ａ）に矢印Ｄで示すFPC基板１２の幅方向の全体に亘って）を、TO-CANパッケージ１３の背面１３ｂに半田付けによって接続している。更に、同軸ピン２２（TO-CANパッケージ１３の外側に突出している部分）と、FPC基板１２の表面に配されている高周波信号線路（RF信号線路）２６も、半田付けによって接続している。
その後、各DCピン２３とFPC基板１２を、半田を用いて図１（ｂ）に示すように固定する。即ち、FPC基板１２の下にある各DCピン２３（TO-CANパッケージ１３の外側に突出している部分）を、図１（ｂ）に一点鎖線で示すようにＦＰＣ基板１２と平行に真直ぐに延びた状態から、矢印Ｅの如く上に（ＦＰＣ基板１２の方向に）曲げて図１（ｂ）に実線で示す状態とし、FPC基板１２の裏面の３箇所（前記裏面に配された直流信号線路）に半田付けによって（半田付け箇所２５）、固定する。
なお、この図ではDCピン２３を３本としたために３箇所の固定になっているが、TO-CANパッケージにスペースがある限り、DCピン２３は増やすことが可能である。
その後、各DCピン２３とFPC基板１２を、半田を用いて図１（ｂ）に示すように固定する。即ち、FPC基板１２の下にある各DCピン２３（TO-CANパッケージ１３の外側に突出している部分）を、図１（ｂ）に一点鎖線で示すようにＦＰＣ基板１２と平行に真直ぐに延びた状態から、矢印Ｅの如く上に（ＦＰＣ基板１２の方向に）曲げて図１（ｂ）に実線で示す状態とし、FPC基板１２の裏面の３箇所（前記裏面に配された直流信号線路）に半田付けによって（半田付け箇所２５）、固定する。
なお、この図ではDCピン２３を３本としたために３箇所の固定になっているが、TO-CANパッケージにスペースがある限り、DCピン２３は増やすことが可能である。
次に、DCピン２３の配線方法について述べる。図２（ａ）及び図２（ｂ）にTO-CANパッケージ１３を背面側から見た写真を示す。図２（ａ）においては３本のDCピン２３が設けられているが、先にも述べたとおり、DCピン２３の数はTO-CANパッケージ１３の大きさに応じて増やすことができる。図２（ｂ）には４本のDCピン２３を設けた場合を示している。４本のＤＣピン２３を、以後、図２（ｄ）において左から右へ順に第１のDCピン２３、第２のDCピン２３、第３のDCピン２３、第４のDCピン２３とも称する。
図３にTO-CANパッケージ１３の内部の配置を示す。図示例では、TO-CANパッケージ１３の内部にEA-DFBレーザ３１、高周波回路基板３２、モニタPD３３、バイパスコンデンサ３４、50Ωのチップ抵抗３５、サーミスタ３６などが配置されている。DCピン２３を使用する用途としては、TO-CANパッケージ１３内部にEA-DFBレーザ３１を実装する場合には、LD注入電流用、モニタPD３３用、サーミスタ３６用である。TO-CANパッケージ１３の内部の各素子（EA-DFBレーザ３１、モニタPD３３、サーミスタ３６）は、金線ワイヤを用いて各DCピン２３に結線する。高周波同軸ピン２２のみは、半田を用いてTO-CANパッケージ１３内部の高周波回路基板３２（高周波信号線路３２ａ）と接続する。
各ピン２２，２３の配置について説明する。図４にFPC基板１２をTO-CANパッケージ１３に接続する際の各ピン２２，２３の配置を示している。第１〜第４のDCピン２３がFPC基板１２の下側にくる場合が図４（ａ）及び図４（ｂ）であり、第１〜第４のDCピン２３がFPC基板１２の上側に来る場合が図４（ｃ）及び図４（ｄ）である。同軸ピン２２の位置に一番近いのが第２のDCピン２３である。同軸ピン２２から一番遠い位置にあるのは第４のDCピン２３である。DCピン２３は、EA-DFBレーザを実装する場合には前述のとおり、LD注入電流用、モニタPD２３用、サーミスタ３６用として用いるが、必要に応じて温度調節素子を駆動するためにも利用する。図４（ｂ）及び図４（ｄ）の例では、ＦＰＣ基板１２の裏面に設けられた２つ短い直流信号線路２７ａのうちの外側の直流信号線路２７ａに同軸ピン２２から最も離れている第４のDCピン２３が半田付けで接続され、内側の直流信号線路２７ａに第３のDCピン２３が半田付けで接続されている。FPC基板１２の表面には２本の直流信号線路２７が設けられており、これら２本の直流信号線路２７のうちの外側の直流信号線路２７には外側の直流信号線路２７ａがＦＰＣ基板１２の貫通穴（図示省略）を介して電気的に導通され、内側の直流信号線路２７には内側の直流信号線路２７ａがＦＰＣ基板１２の貫通穴（図示省略）を介して電気的に導通されている。
LD注入電流用、モニタPD２３用、サーミスタ３６用としてのみDCピン２３を利用する場合について説明する。この場合、DCピン２３に流れる電流が最も大きいのはLD注入電流用のDCピン２３であり、一般に80〜120mAの電流が流れる。DCピン２３をFPC基板１２の裏面に接続する場合、このDCピン２３とFPC基板１２の接続部で電流が流れることにより熱が発生する（図４（ｄ）の発熱部４１を参照）。そして、前記接続部からRF信号線路２６へ熱伝導することにより、RF信号線路２６の温度を上昇させる。この温度上昇によってRF信号線路２６の一部で熱勾配が生じると、RF信号線路２６の特性インピーダンスが変化し、その結果、RF信号線路２６の電気特性を劣化させる。特にFPC基板１２は0.05mmと薄いためにこの効果が顕著に現れる。よって、LD用のDCライン及び接続部は、可能な限りRF信号線路２６から離すことが望ましい。そのため、同軸ピン２２（RF信号線路２６）から一番遠い位置にある第４のDCピン２３を、LD注入電流用に割り当てる。
図５にRF信号線路２６と、各DCピン２３とFPC基板１２の各直流信号線路の接続部との間の距離（図１（ａ）に矢印Ｄで示すFPC基板１２の幅方向の幅方向の距離）と、RF信号線路２６の温度Ｔとの関係を示す。図５において、横軸はRF信号線路と、発熱源となる各DCピン２３と各直流信号線路の接続部との距離を示し、縦軸はRF信号線路２６に伝達する温度をＴとし、各DCピン２３と各直流信号線路の接続部の温度をＴ0として規格化した値Ｔ／Ｔ0を示す。FPC基板１２の材料として用いたLCP（液晶ポリマー）の熱伝導率は約0.5[W/mk]である。図５に示されているように、第２のDCピン２３と第３のDCピン２３と第４のDCピン２３を1.7mm間隔で配置した場合、RF信号線路２６が各DCピン２３と各直流信号線路の接続部から離れるにつれて熱の影響は減少する。温度Ｔ／Ｔ0が0.5になるときが、熱がRF信号線路２６に影響を与える限界であるとすると、RF信号線路２６と、DCピン２３と直流信号線路の接続部との間の距離が3mm以上になると熱の影響を抑制できる。TO-CANパッケージ１３の大きさを考慮すると、図５の横軸は7.4mm以下である。図５に示されているように、RF信号線路２６から距離1.7mmの位置に第３のDCピン２３を配置した場合、RF信号線路２６は、第３のDCピン２３とFPC基板１２の直流信号線路（DCライン）との接続部における発熱の影響を受ける。一方、RF信号線路２６から距離3.4mmの位置に第４のDCピン２３を配置すると、RF信号線路２６への第４のDCピン２３とFPC基板１２の直流信号線路との接続部における発熱の影響を抑制することができる。このように第４のDCピン２３の位置にLD注入電流用の直流信号線路を配置した方がよいことが分かる。即ち、複数のDCピン２３のうちの同軸ピン２２から3mm以上7.4mm以下離れたDCピン３２を介して、EA-DFBレーザなどの光半導体素子に直流電流を導通する構成とすればよい。
次に、TO-CANパッケージ１３とFPC基板１２を用いた構成に着目して説明する。今までにこの構成で40Gb/s動作を実現する従来技術は無い。図６に10Gb/sや25Gb/s動作を実現した報告における光送信モジュールの構成を示す。図６（ａ）は従来の10Gb/s動作までの報告であり、図６（ｂ）は従来の25Gb/s動作までの報告である。
図６（ａ）に示すように、10Gb/s動作の光送信モジュールでは、FPC基板１２を90度曲げてTO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２とつないでいる。この構成では高周波の電気信号(RF信号)は同軸ピン２２とFPC基板１２の接続部で90度回転され、同軸ピン２２に伝送される。そのため、この接続部分でのRF信号の曲げ損失が問題になる。
更に、同軸ピン２２の空気にむき出しになっている部分（空気ギャップの部分）に起因して、同軸ピン２２の特性インピーダンスが設計値からずれ、伝送損失・反射損失を誘発する。図７に示す同軸ピン２２は、その周囲をガラス２４や空気など絶縁体で埋められている。図７に示されているように、同軸ピン２２のガラス２４で埋められている部分の特性インピーダンスは、同軸ピン２２の周囲を埋めているガラス２４の比誘電率εrとその直径及び中心導体（同軸ピン２２）の直径で決定される。この同軸ピン２２のガラス２４で埋められている部分を特性インピーダンスが50Ωになるように設定すると、同軸ピン２２の空気にむき出しになっている部分（空気ギャップの部分）での特性インピーダンスは50Ωからずれる。なぜなら、中心導体（同軸ピン２２）の空気にむきだしになっている部分の特性インピーダンスは中心導体（同軸ピン２２）の直径と空気の比誘電率εrで決まり、中心導体（同軸ピン２２）の空気にむきだしになっている部分の直径は中心導体（同軸ピン２２）のガラス２４で埋められている部分の直径と同じであるが、空気の比誘電率εrはガラス２４の比誘電率εrと異なるためである。
更に、同軸ピン２２の空気にむき出しになっている部分（空気ギャップの部分）に起因して、同軸ピン２２の特性インピーダンスが設計値からずれ、伝送損失・反射損失を誘発する。図７に示す同軸ピン２２は、その周囲をガラス２４や空気など絶縁体で埋められている。図７に示されているように、同軸ピン２２のガラス２４で埋められている部分の特性インピーダンスは、同軸ピン２２の周囲を埋めているガラス２４の比誘電率εrとその直径及び中心導体（同軸ピン２２）の直径で決定される。この同軸ピン２２のガラス２４で埋められている部分を特性インピーダンスが50Ωになるように設定すると、同軸ピン２２の空気にむき出しになっている部分（空気ギャップの部分）での特性インピーダンスは50Ωからずれる。なぜなら、中心導体（同軸ピン２２）の空気にむきだしになっている部分の特性インピーダンスは中心導体（同軸ピン２２）の直径と空気の比誘電率εrで決まり、中心導体（同軸ピン２２）の空気にむきだしになっている部分の直径は中心導体（同軸ピン２２）のガラス２４で埋められている部分の直径と同じであるが、空気の比誘電率εrはガラス２４の比誘電率εrと異なるためである。
一方、図６（ｂ）に示したように、25Gb/s動作の光送信モジュールは、RF信号がFPC基板１２と同軸ピン２２の接続部で９０度曲げられることは無く、真直ぐに伝送されるため、10Gb/sの場合に比べ、RF信号の曲げ損失が抑制できる構成ではある。しかし、空気ギャップの部分での電気特性の劣化は10Gb/sの場合と同様に誘発される。従って、40Gb/s動作可能な光送信モジュールを実現するためには、10Gb/s動作や25Gb/s動作の光送信モジュールに比べ、更に厳しい特性インピーダンスの設計が求められる。
このため、本発明においては、図８（ｂ）に示すような構成の光送信モジュールとすることで、FPC基板１２とTO-CANパッケージ１３の接続部の空気ギャップをゼロとした。図８（ａ）に空気ギャップの定義を示した。図８（ａ）に示すように、空気ギャップはＴＯ-ＣＡＮパッケージ１２の背面とＦＰＣ基板１２の先端との間の距離である。図８（ｂ）に実際の接続方法の模式図を示した。この接続方法を用いて、40Gb/sのRF信号を低伝送損失・低反射損失でFPC基板１２からTO-CANパッケージ１３の内部まで伝送することを目的とした。
FPC基板１２は、光送信モジュールを駆動するための電気信号を、PCB（図３６（ｂ）参照）から、光送信モジュールまで伝送するための信号線路である。内部にEA-DFBレーザが搭載された光送信モジュールを駆動する場合には、主にEA-DFBレーザのDFBレーザ部に電流を注入するための直流信号線路（DC用線路）と、EA-DFBレーザのEA変調器部を駆動するためのRF信号線路がFPC基板１２には作製されている。もっとも難しいのは低伝送損失・低反射損失のRF信号線路をFPC基板１２に実現することである。そのため、FPC基板１２を作製する際の材料の選択についてまず説明する。
図９（ａ）には従来のセラミック材料を用いて作製したFPC基板５１のRF信号線路５２の断面模式図を表し、図９（ｂ）にはLCP材料を用いて作製したFPC基板１２のRF信号線路路２６の断面模式図を表している。LCP材料（比誘電率εr：４）は、セラミック材料に比べ比誘電率εrが小さい。そのため、FPC基板１２とFPC基板５１が同じ基板厚で、RF信号線路２６，５２の幅WLCP，Wceramicを、特性インピーダンスが50Ωになるように設計すると、セラミック材料を用いた場合のRF信号線路５２の幅Wceramicに比べて、LCP材料のほうがRF信号線路２６の幅WLCPを広く設計することができる。RF信号線路２６の幅WLCPを広く設計することのメリットは、電界がGNDと強く結合し、RF信号線路２６の曲げ損失や伝送損失を小さくすることができることである。
初めに今回の検討に用いる計算手法の正当性について説明する。計算は全て、Ansoft社製HFSS(高周波回路シミュレーター)を用いて行った。
図１０（ａ）に計算・測定に用いたFPC基板１２の写真を示す。このFPC基板１２の基板材料はLCPである。HFSSで検討を行ったRF信号線路２６、及び、従来の直流信号線路（DC用線路）２７が形成されている。図１０（ｂ）は作製したFPC基板１２の特性評価の結果に関して、測定結果と計算結果を示している。周波数が上昇していくに従い、伝送損失を表すＳ21は次第に減少していく。30GHz付近でのＳ21は計算結果・測定結果共に−0.5dBの値を得た。一方、周波数が上昇していくに従い、反射損失を表すＳ11は次第に上昇していく。30GHz付近でのＳ11は計算結果・測定結果共に−16dBの値を得た。このように計算と良く一致した結果を示すことがわかる。35GHz以上で計算と測定がずれているのは、測定ジグの帯域が十分でなかったという結果を反映している。このように計算が良く実験結果を再現でき、計算手法が正当であることが分かった。以下、いろいろなパラメータが電気特性に与える影響について、計算を用いて検討する。
図１０（ａ）に計算・測定に用いたFPC基板１２の写真を示す。このFPC基板１２の基板材料はLCPである。HFSSで検討を行ったRF信号線路２６、及び、従来の直流信号線路（DC用線路）２７が形成されている。図１０（ｂ）は作製したFPC基板１２の特性評価の結果に関して、測定結果と計算結果を示している。周波数が上昇していくに従い、伝送損失を表すＳ21は次第に減少していく。30GHz付近でのＳ21は計算結果・測定結果共に−0.5dBの値を得た。一方、周波数が上昇していくに従い、反射損失を表すＳ11は次第に上昇していく。30GHz付近でのＳ11は計算結果・測定結果共に−16dBの値を得た。このように計算と良く一致した結果を示すことがわかる。35GHz以上で計算と測定がずれているのは、測定ジグの帯域が十分でなかったという結果を反映している。このように計算が良く実験結果を再現でき、計算手法が正当であることが分かった。以下、いろいろなパラメータが電気特性に与える影響について、計算を用いて検討する。
次に、セラミックとLCPをFPC基板の基板材料として用いて、それぞれの場合のRF信号線路を検討した。図１１（ａ）はセラミック材料の場合のFPC５１とTO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２の接続部の図であり、図１１（ｂ）はLCP材料の場合のFPC基板１２とTO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２の接続部の図である。図１１（ｃ）は図１１（ａ）と図１１（ｂ）のそれぞれの場合について、電気特性を計算した結果を示している。
通常用いられる値としてFPC基板１２，５１の厚さは0.21mmとした。特性インピーダンスを50ΩにするためのRF信号線路２６，５２の幅WLCP，Wceramicは、FPC基板１２，５１の厚さと、FPC基板１２，５１の材料(比誘電率)が決まると一意に決定される。RF信号線路２６，５２の幅WLCP，Wceramicの設計値はセラミック、LCPをFPC基板１２，５１の基板材料としたそれぞれ場合で、0.4mm及び0.18mmとなる。この両者に対して空気ギャップが0mmになるように接続した場合の電気特性の比較を述べる。
図１１（ｃ）に示すように、周波数が上昇していくに従い、伝送損失を表すＳ21は次第に減少していく。セラミック材料の方が激しく減少しているのに対して、LCP材料の方は40GHzでも−0.3dB以下であった。一方、周波数が上昇していくに従い、反射損失を表すＳ11は次第に上昇していく。40GHzでのＳ11は、セラミック材料では40GHzで−13dBと劣化しているのに対して、LCP材料では−17dBと良好な値を確保できている。一般に良好な特性を得るためには電気反射は−15dB以下に抑える必要が有る。この結果はFPC基板１２の基板材料にLCPを用いることにより、40GHz動作に必要な特性が確保できることを示している。
通常用いられる値としてFPC基板１２，５１の厚さは0.21mmとした。特性インピーダンスを50ΩにするためのRF信号線路２６，５２の幅WLCP，Wceramicは、FPC基板１２，５１の厚さと、FPC基板１２，５１の材料(比誘電率)が決まると一意に決定される。RF信号線路２６，５２の幅WLCP，Wceramicの設計値はセラミック、LCPをFPC基板１２，５１の基板材料としたそれぞれ場合で、0.4mm及び0.18mmとなる。この両者に対して空気ギャップが0mmになるように接続した場合の電気特性の比較を述べる。
図１１（ｃ）に示すように、周波数が上昇していくに従い、伝送損失を表すＳ21は次第に減少していく。セラミック材料の方が激しく減少しているのに対して、LCP材料の方は40GHzでも−0.3dB以下であった。一方、周波数が上昇していくに従い、反射損失を表すＳ11は次第に上昇していく。40GHzでのＳ11は、セラミック材料では40GHzで−13dBと劣化しているのに対して、LCP材料では−17dBと良好な値を確保できている。一般に良好な特性を得るためには電気反射は−15dB以下に抑える必要が有る。この結果はFPC基板１２の基板材料にLCPを用いることにより、40GHz動作に必要な特性が確保できることを示している。
LCPをFPC基板の基板材料として用いたRF信号線路の構造を検討した。目的は低伝送損失・低反射損失なRF信号線路の実現である。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）それぞれにFPC基板１２とTO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２との接続部の断面図と上面図を示す。FPC基板１２の厚さとしては10Gb/sの技術で使われている一般的な値である0.05mmを採用した。FPC基板１２の長さも一般的な値である10mmとした。TO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２の導体の直径は10Gb/sの技術で使われている一般的な値の0.3mmとした。この同軸ピン１３との接続を考え、FPC基板１２のRF信号線路２６における接続部２６ａの幅を0.3mmとした。図１２（ｂ）に示したとおり、FPC基板１２の上面にRF信号線路２６と間隔ΔＷ［mm］をおいて、接地電極（GND）２８を配置することを検討した。
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）はTO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２とFPC基板１２のRF信号線路２６における接続部２６ａの模式図を示している。図１３（ａ）に示したとおり同軸ピン２２だけ考えた場合、同軸ピン２２のガラス２４で埋められている部分（図中のＬ1の範囲の部分）の特性インピーダンスが50Ωに整合させると、同軸ピン２２の空気にむき出しになっている部分（図中のＬ１の範囲の部分）の特性インピーダンスが50Ωより大きくなる。一方、FPC基板１２に着目すると、RF信号線路２６（図中のＬ3の範囲の部分）の特性インピーダンスを50Ωに整合させたとき、FPC１２の上面（表面）に配した接地電極２８とRF信号線路２６の間隔ΔＷを小さくしていくと、接地電極２８が配されている部分（図中のＬ4の範囲の部分）におけるRF信号線路２６の特性インピーダンスは50Ωより小さくなっていく。両者を接続することで、接続部の特性インピーダンスが50Ωに整合するようにΔＷの値を検討する。実際ΔＷを0.1〜0.5mmまで増加させて計算を行った。
図１４（ａ），図１４（ｂ）及び図１４（ｃ）はΔＷ=0.4mm、ΔＷ=0.3mm、ΔＷ=0.2mmの場合のＳ21／Ｓ11特性の計算結果を示している。ΔＷが小さいほどFPC基板１２のRF信号線路２６は、接地電極２８がRF信号線路２６に近づくために低インピーダンスになる。同軸ピン２２のみを考えると、同軸ピン２２の空気にむき出しになっている部分で、高インピーダンスになる。高インピーダンスの同軸ピン２２を低インピーダンスのFPC基板１２のRF信号線路２６（接続部２６ａ）に接続することで、この接続点でのインピーダンスを全体として50Ωに近づけるように検討する。そのためΔＷが小さいほどＳ11特性の劣化が小さい良好な結果が得られることを計算は示している。
図１５には横軸にΔＷをとり、縦軸に40GHzにおけるＳ11の値の計算結果をプロットしたグラフを示す。ΔＷが小さくなるにつれ、前記接続点におけるＳ11特性は良好な値を示す。Ｓ11特性が−15dB以下になるにはΔＷが0.3mm以下であることが望ましい。計算結果によるとΔＷ=0.1以上0.3mm以下で良好な特性を示すことが分かる。
なお、この計算はFPC基板１２の厚さ0.05mm、同軸ピン２２の直径0.3mm、FPC基板１２上のRF信号線路２６の接続部２６ａの幅0.3mmとした場合の結果であるが、例えばFPC基板１２の厚さ0.05mm、同軸ピン２２の直径0.4mm、FPC基板１２上のRF信号線路２６の接続部２６ａの幅0.4mmとした場合においても、ΔＷは0.1〜0.3mmの間で良好な計算結果が得られることを確認した。
なお、この計算はFPC基板１２の厚さ0.05mm、同軸ピン２２の直径0.3mm、FPC基板１２上のRF信号線路２６の接続部２６ａの幅0.3mmとした場合の結果であるが、例えばFPC基板１２の厚さ0.05mm、同軸ピン２２の直径0.4mm、FPC基板１２上のRF信号線路２６の接続部２６ａの幅0.4mmとした場合においても、ΔＷは0.1〜0.3mmの間で良好な計算結果が得られることを確認した。
一方、ΔＷを小さくするのには製造上は限界がある。なぜなら半田を用いて接続する際、半田が染み出すので、ΔＷの大きさは0.1mm以上取ることが望ましい。
TO-CANパッケージ１３を用いる場合、同軸ピン２２を用いてRF信号を伝送する。同軸ピン２２とFPC基板１２を接続する場合、このようにFPC基板１２におけるRF信号線路２６の接続部２６ａの周囲に接地電極２８を配し、接続部２６ａのインピーダンスを50Ωに整合させることが必要となる。特に40Gb/s動作実現のためにはインピーダンス不整合を抑制する必要が有り、そのためにΔＷの値を検討し決定する必要が有る。
TO-CANパッケージ１３を用いる場合、同軸ピン２２を用いてRF信号を伝送する。同軸ピン２２とFPC基板１２を接続する場合、このようにFPC基板１２におけるRF信号線路２６の接続部２６ａの周囲に接地電極２８を配し、接続部２６ａのインピーダンスを50Ωに整合させることが必要となる。特に40Gb/s動作実現のためにはインピーダンス不整合を抑制する必要が有り、そのためにΔＷの値を検討し決定する必要が有る。
図１６は光送信モジュールを構成するTO-CANパッケージ１３とFPC基板１２の接続部（空気ギャップ無し）の概念図を示している。図１６（ａ）は光送信モジュールを背面から見た図、図１６（ｂ）は光送信モジュールの断面図である。図１６のように接続することで、空気ギャップによる特性インピーダンスのずれを抑制する。そのために以下に接続方法（接続作業の手順）を述べる。
（１） まず、FPC基板１２と同軸ピン２２が平行になるようにする。
（２） 次に、FPC基板１２の先端面を、TO-CANパッケージ１３の背面（壁）１３（即ち底部１３ｂの背面及びガラス２４の背面）に押し当てて、空気ギャップを無くす。
（３） 次に、同軸ピン２２とＲＦ信号線路２６の位置を上から確認して、両者の位置を合わせる。
（４） 次に、FPC基板１２の先端面と、この先端面が押し当てられているTO-CANパッケージ１３の背面１３の部分とを、半田付けによって固定する。
（５） 更にＲＦ信号線路２６と同軸ピン２２も、半田付けによって固定する。
（１） まず、FPC基板１２と同軸ピン２２が平行になるようにする。
（２） 次に、FPC基板１２の先端面を、TO-CANパッケージ１３の背面（壁）１３（即ち底部１３ｂの背面及びガラス２４の背面）に押し当てて、空気ギャップを無くす。
（３） 次に、同軸ピン２２とＲＦ信号線路２６の位置を上から確認して、両者の位置を合わせる。
（４） 次に、FPC基板１２の先端面と、この先端面が押し当てられているTO-CANパッケージ１３の背面１３の部分とを、半田付けによって固定する。
（５） 更にＲＦ信号線路２６と同軸ピン２２も、半田付けによって固定する。
仮に、図１７（ａ）に示すように空気ギャップＺが存在した場合の電気特性に与える影響について計算を用いて検討した。図１７（ｂ）のように空気ギャップＺが0mmから0.5mmに増加した場合にＳ11は40GHzにおいて−18dB → −9dBと増加する。高周波のデバイス特性をとして良好な特性を得るために−15dBをきるためには、空気ギャップＺが0.1mm以下である必要がある。従来の接続方法、例えば10Gb/s及び25Gb/sで紹介した接続方法では構造上このように接続部の空気ギャップを0.1mm以下とすることは不可能である。本発明の構成であれば、空気ギャップを事実上ゼロとすることができるので、良好なＳ11を確保することが可能である。
次に、図１８に同軸ピン２２とFPC基板１２の接続部における高さ方向のずれ（高さずれ）Δｈの電気特性への影響を示す。図１８（ａ）に示すように、高さずれとΔｈとは、同軸ピン２２の下側とＦＰＣ基板１２の表面（上面）の間の距離である。図１８（ｂ）に示すように、空気ギャップＺを0mmに固定して、高さズレΔｈを0.1 mm → 0.3mmと変化させた。計算によると、Δｈが0.1mmのときはＳ11は40GHzにおいて−20dBであるのに対して、Δｈが0.3mmのときは−14dBと−15dBより劣化する。このことから高さズレΔｈを0.2mm以下にすることが望ましい。25Gb/s動作を報告した従来方法では、高さずれを0.2mm以下とすることは不可能である。本発明の構成であれば、高さずれを事実上ゼロとすることができるので、良好なＳ11を確保することが可能である。
次に、FPCの厚さを0.21mmとしてその他の効果に対しても計算をした。例えば、図１９（ａ）に示すＲＦ信号線路２６と接地電極２８の間隔ΔＷに対する依存性を、図１９（ｂ）に示した。なお、空気ギャップＺ=0mm、高さずれΔｈ=0.2mm、ＲＦ信号線路２の幅Ｗ=0.32mmとした。FPC基板１２が0.05mm厚のときに比べ、0.21mm厚の場合には、特性を大きく劣化させる要因にはならないことが分かった。また、図２０（ａ）及び図２０（ｂ）のようにFPC基板１２の接続部に接地電極２８を入れるか入れないかについても計算をしたが（両方とも空気ギャップＺは0mm）、図２０（ｃ）に示すように大きな特性の差は見えなかった。
これらの計算結果は、FPC基板１２が0.21mm厚のときは電気特性に大きな影響を与えるのは空気ギャップＺと高さずれΔｈであることを示しており、これらを抑制するための本発明の接続方法は非常に有用だということが示された。
以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
［実施例１］
（構造）
図２１には本発明の実施例１の光送信モジュールの構成図を示す。本実施例１の光送信モジュールは、硬い金属の台６１の表面（上面）と裏面（下面）にそれぞれFPC基板１２とDC配線基板６２とを半田付けし、その一体化した台６１とFPC基板１２とDC配線基板６２を、空気ギャップ及び高さずれが無いように、TO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２とDCピン２３で挟み込む構造としている。TO-CANパッケージ１３内部にEA-DFBレーザを実装する場合は、EA-DFBレーザのEA変調器部を駆動するためのRF信号は硬い金属の台６１の上に置いたFPC基板１２のRF信号線路を通して伝送する。EA-DFBレーザのDFBレーザ部に注入する電流は下側のDC配線基板から行った。EA変調器部とDFBレーザ部の給電線路は極力距離が取れるような位置関係においた。こうすることでLD注入電流による発熱の影響を抑えることができるためである。
（構造）
図２１には本発明の実施例１の光送信モジュールの構成図を示す。本実施例１の光送信モジュールは、硬い金属の台６１の表面（上面）と裏面（下面）にそれぞれFPC基板１２とDC配線基板６２とを半田付けし、その一体化した台６１とFPC基板１２とDC配線基板６２を、空気ギャップ及び高さずれが無いように、TO-CANパッケージ１３の同軸ピン２２とDCピン２３で挟み込む構造としている。TO-CANパッケージ１３内部にEA-DFBレーザを実装する場合は、EA-DFBレーザのEA変調器部を駆動するためのRF信号は硬い金属の台６１の上に置いたFPC基板１２のRF信号線路を通して伝送する。EA-DFBレーザのDFBレーザ部に注入する電流は下側のDC配線基板から行った。EA変調器部とDFBレーザ部の給電線路は極力距離が取れるような位置関係においた。こうすることでLD注入電流による発熱の影響を抑えることができるためである。
（寸法）
FPC基板１２はLCP材料で作製した。FPC基板１２の厚さは0.2mmで長さは10mmとした。TO-CANパッケージ１３とFPC基板２１の接続部の寸法は図２２のようである。即ち、同軸ピン２２の直径は0.3mm、RF信号線路２６の接続部２６ａにおける幅は0.3mm、そして接続部２６ａから離れたところのRF信号線路２６の幅は0.32mmとした。実施の形態例で述べたとおり、空気ギャップと高さずれが特性に大きな影響を与えるため、図２１のように空気ギャップがゼロになるようにFPC基板２２とTO-CANパッケージ１３を接続した。
FPC基板１２はLCP材料で作製した。FPC基板１２の厚さは0.2mmで長さは10mmとした。TO-CANパッケージ１３とFPC基板２１の接続部の寸法は図２２のようである。即ち、同軸ピン２２の直径は0.3mm、RF信号線路２６の接続部２６ａにおける幅は0.3mm、そして接続部２６ａから離れたところのRF信号線路２６の幅は0.32mmとした。実施の形態例で述べたとおり、空気ギャップと高さずれが特性に大きな影響を与えるため、図２１のように空気ギャップがゼロになるようにFPC基板２２とTO-CANパッケージ１３を接続した。
（実装の手順）
図２３に実施例1の光送信モジュールの構成を示す。TO-CANパッケージ１３の直径は7.4mmを用いた。実装の流れとしては、TO-CANパッケージ１３の内部に必要な素子類を実装し、レンズキャップ６３、フェルールホルダー６５、フェルール６６、光ファイバ６４などを接続してから、FPC基板１２を接続する。最初に、TO-CANパッケージ１３の内部素子を実装する手順について述べる。TO-CANパッケージ１３内部の簡単な接続図を図２４（ａ）に示し、写真を図２４（ｂ）に示す。図２４に示すように、TO-CANパッケージ１３内部に実装する光半導体素子としてはEA-DFBレーザ３１を用いる。EA-DFBレーザ３１はEA変調器部３１ａとDFBレーザ部３１ｂを有している。
図２３に実施例1の光送信モジュールの構成を示す。TO-CANパッケージ１３の直径は7.4mmを用いた。実装の流れとしては、TO-CANパッケージ１３の内部に必要な素子類を実装し、レンズキャップ６３、フェルールホルダー６５、フェルール６６、光ファイバ６４などを接続してから、FPC基板１２を接続する。最初に、TO-CANパッケージ１３の内部素子を実装する手順について述べる。TO-CANパッケージ１３内部の簡単な接続図を図２４（ａ）に示し、写真を図２４（ｂ）に示す。図２４に示すように、TO-CANパッケージ１３内部に実装する光半導体素子としてはEA-DFBレーザ３１を用いる。EA-DFBレーザ３１はEA変調器部３１ａとDFBレーザ部３１ｂを有している。
TO-CANパッケージ１３内部への素子の実装及びTO-CANパッケージ１３とFPC基板１２の接続は以下の手順で行った。
（１） EA-DFBレーザ３１をヒートシンク３７ (主にAlNが用いられる)にダイボンディングを用いて半田付けする。
（２） 次に、ヒートシンク３７をTO-CANパッケージ１３内部の中心にダイボンディングを用いて半田付けする。
（３） 高周波回路基板３２、50Ωチップ抵抗３５、バイパスコンデンサ３４、モニタPD３３、サーミスタ３６を、銀ペーストもしくは半田を用いてTO-CANパッケージ１３内部に図２３，図２４のように搭載する。
（４） 高周波回路基板３２と同軸ピン２２を半田付けする。
（５） 高周波回路基板３２、EA-DFBレーザ３１（EA変調器部３１ａ，DFBレーザ部３１ｂ）、50Ωチップ抵抗３５、モニタPD３３などを、ワイヤ６７を用いて配線する。
（６） シーム溶接でTO-CANパッケージ１３にレンズキャップ６３を付ける。
（７） レンズキャップ６３を溶接後のTO-CANパッケージ１３に光ファイバ６４を、YAG溶接する。
（８） （７）まで終了して素子が実装されたTO-CANパッケージ１３に対して、前述のようにFPC基板１２を接続する。
（２） 次に、ヒートシンク３７をTO-CANパッケージ１３内部の中心にダイボンディングを用いて半田付けする。
（３） 高周波回路基板３２、50Ωチップ抵抗３５、バイパスコンデンサ３４、モニタPD３３、サーミスタ３６を、銀ペーストもしくは半田を用いてTO-CANパッケージ１３内部に図２３，図２４のように搭載する。
（４） 高周波回路基板３２と同軸ピン２２を半田付けする。
（５） 高周波回路基板３２、EA-DFBレーザ３１（EA変調器部３１ａ，DFBレーザ部３１ｂ）、50Ωチップ抵抗３５、モニタPD３３などを、ワイヤ６７を用いて配線する。
（６） シーム溶接でTO-CANパッケージ１３にレンズキャップ６３を付ける。
（７） レンズキャップ６３を溶接後のTO-CANパッケージ１３に光ファイバ６４を、YAG溶接する。
（８） （７）まで終了して素子が実装されたTO-CANパッケージ１３に対して、前述のようにFPC基板１２を接続する。
（実験結果）
図２５は作製した本実施例１のTO-CANモジュール（光送信モジュール）のTDR(Time domain reflectometry)測定の結果を示す。TDRはDUTの特性インピーダンスを測定する手法である。TO-CANパッケージ１３とFPC基板１２の接続部における空気ギャップ及び高さずれに起因するインピーダンス不整合を抑制したことで、FPC基板１２からEA-DFBレーザ３１までの高周波信号線路の特性インピーダンスがほぼ50Ωに整合している結果が得られた。従来の方法では、接続部に空気ギャップが存在していたため、特性インピーダンスの不整合を抑制することができなった。
図２５は作製した本実施例１のTO-CANモジュール（光送信モジュール）のTDR(Time domain reflectometry)測定の結果を示す。TDRはDUTの特性インピーダンスを測定する手法である。TO-CANパッケージ１３とFPC基板１２の接続部における空気ギャップ及び高さずれに起因するインピーダンス不整合を抑制したことで、FPC基板１２からEA-DFBレーザ３１までの高周波信号線路の特性インピーダンスがほぼ50Ωに整合している結果が得られた。従来の方法では、接続部に空気ギャップが存在していたため、特性インピーダンスの不整合を抑制することができなった。
図２６は作製した本実施例１のTO-CANモジュール（光送信モジュール）の小信号応答特性を示す。このTO-CANモジュール（光送信モジュール）には実施の形態例で述べたとおり、EA-DFBレーザ３１が内部に搭載されている。図２６にはEA-DFBレーザ３１と同特性を有するEADFBレーザ素子をバタフライモジュール（光送信モジュール）に搭載した結果も示す。TO-CANモジュール（光送信モジュール）のE/O 3dB帯域は33GHzで、バタフライモジュール（光送信モジュール）の39GHzに比べ遜色の無い値を示している。このように高価なコネクタと高価な積層セラミックのパッケージを用いずに、TO-CANパッケージ１３とFPC基板１２の構成で、40Gb/s動作可能な良好な特性を確保することができた。
図２７に作製したTO-CANモジュール（光送信モジュール）の40Gb/s変調特性を示す。図２７（ａ）にはTO-CANモジュール（光送信モジュール）に入力した40Gb/s電気信号波形を示し、図２７（ｂ）及び図２７（ｃ）にはそれぞれ1.3μm帯／1.55μm帯のEADFBレーザ搭載のTO-CANモジュール（光送信モジュール）の40Gb/sBTB変調波形及び変調光出力（Pave）、消光比（ER）、レーザ注入電流（ILD）、EA印加電圧（Vb）を示す。
図２７（ａ）及び図２７（ｂ）に示すように1.3μm帯及び1.55μm帯のEADFBレーザ搭載の両TO-CANモジュールに対し、明瞭な40Gb/s変調波形を確認した。光出力及び消光比も十分な値を確認した。
図２７（ａ）及び図２７（ｂ）に示すように1.3μm帯及び1.55μm帯のEADFBレーザ搭載の両TO-CANモジュールに対し、明瞭な40Gb/s変調波形を確認した。光出力及び消光比も十分な値を確認した。
［実施例２］
（構造）
図２８には本発明の実施例２の光送信モジュールの構成図を示す。実施例１（図２３）では硬い金属の台６１の上にFPC基板１２を置く構成にしたが、図２８に示すように本実施例２ではFPC基板１２のみとした。FPC基板１２を実施の形態例で述べたようにＴＯ−ＣＡＮパッケージ１３に接続した構造図を図２９に示す。電気の配線は、TO-CANパッケージ１３の内部にEA-DFBレーザを実装する場合はEA-DFBレーザのEA変調器部を駆動するためのRF信号を、FPC基板１２に形成されたRF信号線路に導通するようにした。EA-DFBレーザのDFBレーザ部に注入する電流は、FPC基板１２の下側のDC配線基板から行った。DCピン２３の配置に関しては実施の形態例で述べたようにした。
（構造）
図２８には本発明の実施例２の光送信モジュールの構成図を示す。実施例１（図２３）では硬い金属の台６１の上にFPC基板１２を置く構成にしたが、図２８に示すように本実施例２ではFPC基板１２のみとした。FPC基板１２を実施の形態例で述べたようにＴＯ−ＣＡＮパッケージ１３に接続した構造図を図２９に示す。電気の配線は、TO-CANパッケージ１３の内部にEA-DFBレーザを実装する場合はEA-DFBレーザのEA変調器部を駆動するためのRF信号を、FPC基板１２に形成されたRF信号線路に導通するようにした。EA-DFBレーザのDFBレーザ部に注入する電流は、FPC基板１２の下側のDC配線基板から行った。DCピン２３の配置に関しては実施の形態例で述べたようにした。
（寸法）
FPC基板１２はLCP材料で作製した。FPC基板１２の厚さは0.05mmで長さは10mmとした。FPC基板１２の接続部の寸法は図３０に示した。即ち、RF信号線路２６における同軸ピン２２との接続部２６ａの幅は0.3mm、そして接続部２６ａから離れたところのＲＦ信号線路２６の幅は0.1mmとした。実施の形態例で述べたとおり、空気ギャップが特性に大きな影響を与えるため、図２９の構造図のように空気ギャップがゼロになるようにFPC基板１２とTO-CANパッケージ１３を接続した。
LCP材料のセラミック材料に対する優位性は実施の形態例で述べた通りである。
本実施例２の実施例１に対する優位性は部品点数を減らしコストを削減したことと、10Gb/s技術のとの互換性を生むことである。実施例１に比べると、電気的GND強度(実施例１では厚みの有る硬い金属の台６１全体がGNDに落ちているが、本実施例２では裏面のメタライズした部分しかGNDとして働かないため)が弱いために電気特性が下がる。しかしながら、特性劣化の最大要因である空気ギャップを抑制しているため、40Gb/s動作においても明瞭な光のアイ波形を得ることができた。
FPC基板１２はLCP材料で作製した。FPC基板１２の厚さは0.05mmで長さは10mmとした。FPC基板１２の接続部の寸法は図３０に示した。即ち、RF信号線路２６における同軸ピン２２との接続部２６ａの幅は0.3mm、そして接続部２６ａから離れたところのＲＦ信号線路２６の幅は0.1mmとした。実施の形態例で述べたとおり、空気ギャップが特性に大きな影響を与えるため、図２９の構造図のように空気ギャップがゼロになるようにFPC基板１２とTO-CANパッケージ１３を接続した。
LCP材料のセラミック材料に対する優位性は実施の形態例で述べた通りである。
本実施例２の実施例１に対する優位性は部品点数を減らしコストを削減したことと、10Gb/s技術のとの互換性を生むことである。実施例１に比べると、電気的GND強度(実施例１では厚みの有る硬い金属の台６１全体がGNDに落ちているが、本実施例２では裏面のメタライズした部分しかGNDとして働かないため)が弱いために電気特性が下がる。しかしながら、特性劣化の最大要因である空気ギャップを抑制しているため、40Gb/s動作においても明瞭な光のアイ波形を得ることができた。
［実施例３］
（構造）
図３１に示す本発明の実施例３の光送信モジュール（TO-CANモジュール）は、TO-CANパッケージ１３の内部に搭載する光半導体素子を、EA-DFBレーザの代わりに直接変調レーザ（DFBレーザ）７１とした例である。直接変調レーザ７１はEA-DFBレーザと異なり、駆動に必要な電気のラインはRF信号線路のみとなる。直流信号線路による注入電流の端子は不要となる。また構成として変化するのは、TO-CANパッケージ１３の内部にある高周波回路基板３２と直接変調レーザ７１（LD部７１ａ）の間に40Ω〜45Ωのチップ抵抗７２を挟む点である。この抵抗７２の抵抗値は光直接変調レーザ７１の抵抗と合わせて50Ωになるように設定する。一般に直接変調レーザ７１の抵抗は5〜10Ωであるために40Ω〜45Ωの抵抗７２とした。
（構造）
図３１に示す本発明の実施例３の光送信モジュール（TO-CANモジュール）は、TO-CANパッケージ１３の内部に搭載する光半導体素子を、EA-DFBレーザの代わりに直接変調レーザ（DFBレーザ）７１とした例である。直接変調レーザ７１はEA-DFBレーザと異なり、駆動に必要な電気のラインはRF信号線路のみとなる。直流信号線路による注入電流の端子は不要となる。また構成として変化するのは、TO-CANパッケージ１３の内部にある高周波回路基板３２と直接変調レーザ７１（LD部７１ａ）の間に40Ω〜45Ωのチップ抵抗７２を挟む点である。この抵抗７２の抵抗値は光直接変調レーザ７１の抵抗と合わせて50Ωになるように設定する。一般に直接変調レーザ７１の抵抗は5〜10Ωであるために40Ω〜45Ωの抵抗７２とした。
（実験結果）
図３２は作製した本実施例３の光送信モジュール（TO-CANモジュール）の小信号応答特性を示す。実施の形態例で述べたとおり、直接変調レーザ７１がTO-CANパッケージ１３の内部に搭載されている。同特性を有する素子（直接変調レーザ）のみの結果も示す。本実施例３の光送信モジュール（TO-CANモジュール）のE/O 3dB帯域は29GHzで、素子（直接変調レーザ）のみの35GHzに比べ遜色の無い値を示している。このように高価なコネクタと高価な積層セラミックのパッケージを用いずに、TO-CANパッケージ１３とFPC基板１２の構成で、40Gb/s動作可能な良好な特性を確保することができた。
図３２は作製した本実施例３の光送信モジュール（TO-CANモジュール）の小信号応答特性を示す。実施の形態例で述べたとおり、直接変調レーザ７１がTO-CANパッケージ１３の内部に搭載されている。同特性を有する素子（直接変調レーザ）のみの結果も示す。本実施例３の光送信モジュール（TO-CANモジュール）のE/O 3dB帯域は29GHzで、素子（直接変調レーザ）のみの35GHzに比べ遜色の無い値を示している。このように高価なコネクタと高価な積層セラミックのパッケージを用いずに、TO-CANパッケージ１３とFPC基板１２の構成で、40Gb/s動作可能な良好な特性を確保することができた。
図３３に作製した本実施例３の光送信モジュール（TO-CANモジュール）の40Gb/s変調特性を示す。1.3μm直接変調レーザ７１を搭載の光送信モジュール（TO-CANモジュール）に対し、明瞭な40Gb/s変調波形（40Gb/s動作時のアイ波形）を確認した。光出力及び消光比も十分な値を確認した。
［実施例４］
（構造）
図３４には本発明の実施例４の光送信モジュールの構造図を示す。本実施例４は、TO-CANパッケージ１３の内部に搭載する光半導体素子をEA-DFBレーザの変わりに直接変調レーザ７１とした例である。実施例３とは異なり、本実施例４では直接変調レーザ７１を駆動するための電気信号をRF信号成分(Vpp)とDC信号成分(ILD)に分けて入力する。図３４のようにRF信号成分(Vpp)は、実施例１及び実施例２のRF信号成分と同様に、FPC基板１２から同軸ピン２２を通り、TO-CANパッケージ１３の内部の光半導体素子（直接変調レーザ７１）に給電される。DC信号成分(ILD)は、実施例１及び実施例２のDFBレーザ部３１ｂに注入した電流と同様にTO-CANパッケージ１３のDCピン２３を通して導通し、その後ワイヤ６７を用いて光半導体素子（直接変調レーザ７１）まで給電される。DCピン３２は実施の形態例で述べたのと同様に配置する。図３５にはRF信号Vppで変動させる電流ILDを示す。
（構造）
図３４には本発明の実施例４の光送信モジュールの構造図を示す。本実施例４は、TO-CANパッケージ１３の内部に搭載する光半導体素子をEA-DFBレーザの変わりに直接変調レーザ７１とした例である。実施例３とは異なり、本実施例４では直接変調レーザ７１を駆動するための電気信号をRF信号成分(Vpp)とDC信号成分(ILD)に分けて入力する。図３４のようにRF信号成分(Vpp)は、実施例１及び実施例２のRF信号成分と同様に、FPC基板１２から同軸ピン２２を通り、TO-CANパッケージ１３の内部の光半導体素子（直接変調レーザ７１）に給電される。DC信号成分(ILD)は、実施例１及び実施例２のDFBレーザ部３１ｂに注入した電流と同様にTO-CANパッケージ１３のDCピン２３を通して導通し、その後ワイヤ６７を用いて光半導体素子（直接変調レーザ７１）まで給電される。DCピン３２は実施の形態例で述べたのと同様に配置する。図３５にはRF信号Vppで変動させる電流ILDを示す。
本実施例４は実施例３と比べ、RF信号成分(Vpp)とDC信号成分(ILD)を分けて入力するために、40Ω〜45Ωの抵抗７２を通過する電流量を低減でき、抵抗７２部で発生する熱量を大幅に削減できる。40〜45Ωの抵抗７２で発生する熱を抑えることで、熱伝導して光半導体素子（直接変調レーザ７１）の温度が上昇することを抑え、結果として動作時の光半導体素子（直接変調レーザ７１）の温度を下げることができる。動作時の光半導体素子（直接変調レーザ７１）の温度が下がると、光半導体素子（直接変調レーザ７１）の閾値電流を下げることができ、出力も向上するため優位な特性が得られる。
なお、光送信モジュール（TO-CANモジュール）における部品などの寸法は、部品がTO-CANパッケージ１３内に収まれば実施例に示した以外の寸法であっても良い。
また、上記の実施の形態例や各実施例ではFPC基板１２の基板材料としてLCPを用いたが、それ以外の材料をFPC基板１２の基板材料として用いても良い。
また、上記の実施の形態例及び各実施例では40Gb/s動作を目的にしたが、本発明は25Gb/s〜100Gb/sの高周波帯での適用も可能である。
また、上記の実施の形態例や各実施例ではFPC基板１２の基板材料としてLCPを用いたが、それ以外の材料をFPC基板１２の基板材料として用いても良い。
また、上記の実施の形態例及び各実施例では40Gb/s動作を目的にしたが、本発明は25Gb/s〜100Gb/sの高周波帯での適用も可能である。
本発明はTO-CANパッケージとFPC基板を用いた光送信モジュールに関するものであり、25Gb/s〜100Gb/s（例えば40Gb/s）の高周波帯で動作可能な小型・低コストの光送信モジュールを実現する場合に適用して有用なものである。
１ 光トランシーバの電気回路(PCB）
２ 高周波ケーブル
３ 高周波コネクタ
５ 積層セラミックパッケージ
６ 光送信モジュール
１１ 光送信モジュール
１２ FPC基板
１３ TO-CANパッケージ
１３ａ TO-CANパッケージの底部
１３ｂ TO-CANパッケージの背面
２１ 半田付けする箇所
２２ 同軸ピン
２３ DCピン
２４ ガラス
２５ 半田付けする箇所
２６ 高周波信号線路（RF信号線路）
２６ａ ＲＦ信号線路の接続部
２７ 直流信号線路
２８ 接地電極
３１ EA-DFBレーザ
３１ａ EA変調器部
３１ｂ DFBレーザ部
３２ 高周波回路基板
３２ａ 高周波信号線路
３３ モニタPD
３４ バイパスコンデンサ
３５ 50Ωのチップ抵抗
３６ サーミスタ
３７ ヒートシンク
４１ 発熱部
５１ FPC基板
５２ RF信号線路
６１ 金属の台
６２ DC配線基板
６３ レンズキャップ
６４ 光ファイバ
６５ フェルールホルダー
６６ フェルール
６７ ワイヤ
７１ 直接変調レーザ
７１ａ LD部
７２ 40Ω〜45Ωのチップ抵抗
２ 高周波ケーブル
３ 高周波コネクタ
５ 積層セラミックパッケージ
６ 光送信モジュール
１１ 光送信モジュール
１２ FPC基板
１３ TO-CANパッケージ
１３ａ TO-CANパッケージの底部
１３ｂ TO-CANパッケージの背面
２１ 半田付けする箇所
２２ 同軸ピン
２３ DCピン
２４ ガラス
２５ 半田付けする箇所
２６ 高周波信号線路（RF信号線路）
２６ａ ＲＦ信号線路の接続部
２７ 直流信号線路
２８ 接地電極
３１ EA-DFBレーザ
３１ａ EA変調器部
３１ｂ DFBレーザ部
３２ 高周波回路基板
３２ａ 高周波信号線路
３３ モニタPD
３４ バイパスコンデンサ
３５ 50Ωのチップ抵抗
３６ サーミスタ
３７ ヒートシンク
４１ 発熱部
５１ FPC基板
５２ RF信号線路
６１ 金属の台
６２ DC配線基板
６３ レンズキャップ
６４ 光ファイバ
６５ フェルールホルダー
６６ フェルール
６７ ワイヤ
７１ 直接変調レーザ
７１ａ LD部
７２ 40Ω〜45Ωのチップ抵抗
Claims (6)
- TO-CANパッケージと、FPC基板とを有し、
前記TO-CANパッケージの背面と、前記FPC基板の先端面とは、空気ギャップを介して配置され、前記TO-CANパッケージに配された同軸ピンと、前記FPC基板とは、平行になるように配置されており、
前記同軸ピンが、前記FPC基板の表面に配された高周波信号線路に接続され、
前記高周波信号線路から、前記同軸ピンを介して、前記TO-CANパッケージの内部に配された光半導体素子に高周波電気信号を導通し、
前記TO-CANパッケージに配された複数のDCピンが屈曲し、前記FPC基板の裏面に配された直流信号線路に接続され、
前記直流信号線路から、前記複数のDCピンのうちの前記同軸ピンから3mm以上7.4mm以下離れた発熱源となるDCピンを介して、前記光半導体素子に直流電流を導通する構成とし、
前記同軸ピンと前記FPC基板との接続部における空気ギャップが、0より大きく0.1mm以下であること
を特徴とする光送信モジュール。 - 請求項１に記載の光送信モジュールにおいて、
前記FPC基板はLCP材料を用いて作成したものであることを特徴とする光送信モジュール。 - 請求項１又は２に記載の光送信モジュールにおいて、
前記光半導体素子がEA-DFBレーザであり、
前記同軸ピンからの電気配線が前記EA-DFBレーザにおけるEA変調器部に接続され、
前記同軸ピンから3mm以上7.4mm以下離れた前記DCピンからの電気配線が、前記EA-DFBレーザにおけるDFBレーザ部に接続されていること
を特徴とする光送信モジュール。 - 請求項１〜３の何れか１項に記載の光送信モジュールにおいて、
前記光半導体素子が直接変調レーザであり、
前記直接変調レーザに、前記同軸ピンから高周波電気信号を導通し、前記同軸ピンから3mm以上7.4mm以下離れた前記DCピンから直流電流を導通する構成としたことを特徴とする光送信モジュール。 - 請求項１〜４の何れか１項に記載の光送信モジュールにおいて、
前記FPC基板の表面に接地電極が配され、
前記同軸ピンと前記接地電極との間の距離が、0.1mm以上0.3mm以下であること
を特徴とする光送信モジュール。 - 請求項１〜５の何れか１項に記載の光送信モジュールにおいて、
前記同軸ピンと前記FPC基板の接続部における高さ方向のずれが、0より大きく0.2mm以下であることを特徴とする光送信モジュール。
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