JP6211392B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、差動信号を伝送する差動伝送線路と、この差動伝送線路を配置する多層回路基板と、この多層回路基板を搭載する光モジュールに関する。

光信号の送受信を行うための光モジュールは、電気信号と光信号の変換を行う光半導体素子と、供給される制御信号に基づいて光半導体素子を所定の温度に保つよう動作する電子冷却素子と、光半導体素子と電子冷却素子を内包するパッケージを備える。
光半導体素子に供給される電気信号には、差動信号が用いられる。差動信号は、２本の信号線の一方を流れる正相信号と他方を流れる逆相信号が同じ大きさを有し、かつ互いに逆の向きを有するので、各信号によって発生する磁界は互いに打ち消しあうことに加えて、その信号レベルが小さいことから、シングルエンド伝送方式よりも不要輻射ノイズや、クロストークノイズの発生を抑制することができる。また、外来のノイズに対しても、影響の受け方が一方の信号と他方の信号とで打ち消しあうので、シングルエンド伝送方式よりもノイズ耐性にも優れている。
従って、これまでも差動伝送方式を採用した光モジュールが開発されてきた。例えば、特許文献１には、「光モジュール」という名称で、プリント基板からの熱流入を抑えて、プリント基板と光半導体素子との間で伝送される電気信号の劣化を抑えることができる技術が開示されている。以下、特許文献１の図２及び本願の図１１を参照しながら従来の技術について説明する。特許文献１の図２を用いて説明する際には図中の符号をそのまま引用する。

特許文献１の図２において、光モジュール１１０は、電気信号を光信号に変換する光半導体素子１１２と、光半導体素子１１２を気密封止して保持するセラミックパッケージ１１４と、セラミックパッケージ１１４の内部と外部とを電気的に連絡するリード１１６と、光半導体素子１１２に伝送する電気信号を出力するプリント基板１１８とを有する。
また、光モジュール１１０は、プリント基板１１８とリード１１６のパッケージ外部側部１２０とを電気的に接続する複数の第１の伝送線路１２２がパターン形成されている第１のフレキシブル基板１２４と、光半導体素子１１２とリード１１６のパッケージ内部側部１２６とを電気的に接続する複数の第２の伝送線路１２８がパターン形成されている第２のフレキシブル基板１３０とを有する。
光半導体素子１１２は、差動ドライバ１５２から出力される差動信号で駆動される。差動信号は、２本１組で差動伝送線路をなす線路（第１の伝送線路１２２―１と１２２−２、リード１１６−１と１１６−２、第２の伝送線路１２８−１と１２８−２）で光半導体素子１１２に伝送される。
ここで、光モジュール１１０には、光半導体素子１１２に供給される電気信号が発するノイズを抑制したり、光半導体素子１１２に供給される電気信号の耐ノイズ性を向上させることに加えて、光モジュールの小型化という別の要求がある。

特開２００６−１３２０２号公報 特開平１−２８６４９３号公報

しかしながら、特許文献１に開示される２本１組で差動伝送線路をなす第２の伝送線路１２８−１，１２８−２は、パッケージ１１４内の第２のフレキシブル基板１３０上の同一平面に形成されているため、パッケージ１１４内にフレキシブル基板１３０を設置するためのスペースが必要となる。このため、近年の光モジュールの小型化の要求に満足に応えられない可能性があった。

この問題を解決する方法について、本願の図１１を参照しながら説明する。図１１（ａ），（ｂ）は光モジュールのパッケージの側壁に差動伝送線路を内蔵する従来技術を説明するための構成図であり、（ｂ）は（ａ）の符号Ｘ−Ｘ線の矢視断面図である。本図において、特許文献１の図２に開示される構成要素と同一の構成要素には同一符号を付し、その構成に関する説明は省略する。
前述の解決方法としては、図１１に示すようにパッケージ１１４の側壁Ｓに差動伝送線路１２８−１，１２８−２を内蔵してパッケージ１１４内に本来必要となる第２のフレキシブル基板１３０（図１１では図示されていない）のスペースを省略し、パッケージ１１４全体の幅を狭くすることが考えられる。
しかし、第２のフレキシブル基板１３０上の同一平面に形成された第２の伝送線路１２８−１，１２８−２をセラミックパッケージ１１４の側壁Ｓに内蔵した場合、以下のような問題が発生する。
すなわち、略平行に配置した差動伝送線路である第２の伝送線路１２８−１，１２８−２のインピーダンスは規定値内に保つ必要があるが、周囲をフレキシブル基板と空気（一般的なフレキシブル基板の比誘電率＝３．５、空気の比誘電率＝１）で囲まれた第２の伝送線路１２８−１，１２８−２を、フレキシブル基板や空気よりも誘電率の高いアルミナ（アルミナの比誘電率９．５）等のセラミックパッケージ１１４の側壁Ｓに内蔵しようとすると、第２の伝送線路１２８−１，１２８−２間の容量結合によるキャパシタンスが大きくなりすぎるため第２の伝送線路１２８−１，１２８−２の特性インピーダンスが規定よりも低くなりすぎてしまう。
第２の伝送線路１２８−１，１２８−２の特性インピーダンスを高くするには、各線路の線幅を狭くする、又は線路間距離を広くするといった方法が考えられるが、前者は損失の増大、後者はパッケージ１１４の幅を狭くすることができないという課題があった。
光モジュール１１０を小型化する別の手段として、パッケージ１１４の側壁Ｓ内部に上下に平行に第２の伝送線路１２８−１、１２８−２を配設することにより前述のスペースを省略し、パッケージ１１４の幅を狭くすることが考えられる。
なお、上下に平行に差動伝送線路を配設する例としては、特許文献２に開示された「多層配線基板」が既に知られている。

しかしながら、パッケージ１１４の側壁Ｓ内部に上下に平行に差動伝送線路１２８−１、１２８−２を配設する場合、入力端子Ｉｎと差動伝送線路１２８−１、１２８−２との間、および出力端子Ｏｕｔと差動伝送線路１２８−１、１２８−２との間をそれぞれ深さ方向に貫通するビアで接続する必要がある。このビアの線路長（ビア深さ）が二本の線路で異なるため、全体の等長性が崩れる。差動伝送線路においては、二本の線路の全体長が相違すると出力端側の位相がずれて、その位相差がコモンモ−ドノイズとなって現れるという課題があった。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、差動伝送線路の位相ずれを防止すると共に特性インピーダンスの不整合をも防止して、小型化可能な光モジュールを提供することを目的とし、さらには小型化された光モジュールを提供可能な差動伝送線路と、この差動伝送線路を配置する多層回路基板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である光モジュールは、内部空間を気密封止可能なパッケージと、前記パッケージの内部空間に配置される光半導体素子と、前記光半導体素子の過熱を抑制する電子冷却素子と、前記内部空間と外部を隔てる側壁を有し、複数の絶縁層が積層された多層回路基板と、前記多層回路基板に、差動信号を伝送する第１の信号線と第２の信号線を備えて設けられる差動伝送線路とを備えた光モジュールにおいて、前記第１及び第２の信号線は、それぞれ前記複数の絶縁層間に配置された層間配線部と、前記多層回路基板面に設けられた入力端子から前記層間配線部の一端部までを接続する入力側ビア接続部と、前記多層回路基板面に設けられた出力端子から前記層間配線部の他端部までを接続する出力側ビア接続部と、を備え、前記層間配線部の少なくとも一部は前記側壁の内部に配設され、前記第１の信号線の層間配線部と前記第２の信号線の層間配線部は、異なる絶縁層間に配置され、前記第１の信号線の層間配線部と前記第２の信号線の層間配線部は、それぞれグランド層で挟まれるように配置されることを特徴とするものである。
上記構成の光モジュールは、第１の信号線と第２の信号線の層間配線部は、異なる絶縁層間に配置され、これらの層間配線部の間にグランド層が配置されているので、それぞれの層間配線部における第１の信号線と第２の信号線のインピ−ダンスは各々の信号線とグランド層の間の電気容量（キャパシタンス）に依存するように作用する。
また、第１の信号線と第２の信号線の層間配線部は異なる絶縁層間に配置されるためそれぞれの信号線の入力側ビア接続部と出力側ビア接続部のビア深さの違いによって発生する信号の位相差があり、これがインピーダンスマッチングの劣化となって現れるものの、第１の信号線と第２の信号線の層間配線部はグランド層によって遮蔽されているので、位相差を生じた信号が直接結合することによるモード変換を発生させないように作用する。
なお、本願明細書及び特許請求の範囲においては、差動伝送線路の一端であって外部からの信号が入力される端子を入力端子といい、差動伝送線路の他端であって外部に信号を出力する端子を出力端子という。

また、請求項２に記載の発明である光モジュールは、請求項１に記載の光モジュールにおいて、前記第１の信号線の層間配線部と前記第２の信号線の層間配線部のうち、一方の層間配線部は、前記第１の信号線と前記第２の信号線の線路長の差を相殺するためのミアンダ配線部が設けられることを特徴とするものである。
上記構成の光モジュールは、層間配線部に設けられたミアンダ配線部が第１の信号線と第２の信号線の線路長の差を相殺する作用を有する。
さらに、本請求項２に記載の発明では、一方の層間配線部にミアンダ配線部を挿入したことで生じる第１の信号線と第２の信号線の間の信号の位相差に対しても、それぞれの層間配線部はグランド層で遮蔽されているので、位相差を生じた信号が直接結合することによるモード変換を発生させないように作用する。

本発明の請求項１に記載の光モジュールにおいては、第１の信号線と第２の信号線の層間配線部は異なる絶縁層間に配置されるため幅の狭い絶縁層でも信号線の幅を取りやすく、信号線が細くなることによる伝送信号の損失を抑制することができる。
また、第１の信号線と第２の信号線の層間配線部におけるそれぞれのインピ−ダンスは各々の信号線とグランド層の間の電気容量に依存するので、第１の信号線及び第２の信号線の幅を絶縁層の厚みや誘電率に対応させた範囲に制御することで、第１の信号線及び第２の信号線の層間配線部におけるインピーダンスを所望の範囲に制御することが可能である。
従って、第１の信号線と第２の信号線の配置において等間隔性が保てなくとも、特性インピーダンスの不整合を生じることがない。また、２本の信号線間はグランド層によって遮蔽されているので、入力側ビア接続部や出力側ビア接続部におけるビア長の差によって位相差を生じた信号が直接結合することによるモード変換も発生しない。したがって、差動信号の伝送特性を劣化させることがない。

本発明の請求項２に記載の光モジュールでは、請求項１に記載の発明の効果に加えて、層間配線部に設けられたミアンダ配線部が第１の信号線と第２の信号線の線路長の差を相殺するため、第１の信号線と第２の信号線の全体長が相違することに伴う出力端子側の位相のずれと、その位相差によるコモンモードノイズの発生を抑制することが可能である。
しかも、請求項１に記載の発明の効果である特性インピーダンスの不整合の抑制は、ミアンダ配線部を設けることによって生じる第１の信号線と第２の信号線の非等間隔性に対しても発揮されるため、本請求項に記載の発明においても特性インピーダンスの不整合を生じることがない。
もう少し詳細に説明すると、ミアンダ配線部を設けることで、異なる絶縁層間に配置される第１の信号線の層間配線部と第２の信号線の層間配線部の配線間距離が変動するため、インピーダンスが変動してしまい反射が発生し差動信号の伝送特性の劣化をもたらしてしまう。
しかしながら、それらの層間配線部の間にグランド層を設けられれば、第１の信号線及び第２の信号線の幅を絶縁層の厚みや誘電率に対応させた範囲に制御することで、第１の信号線及び第２の信号線の層間配線部におけるインピーダンスを所望の範囲に制御することが可能なのである。従って、ミアンダ配線部を設けて第１の信号線と第２の信号線の全体長の相違を解消し位相のずれと位相差によるコモンモードノイズの発生を抑制することが可能なのである。
さらに、一方の層間配線部にミアンダ配線部を挿入したことで第１の信号線と第２の信号線の間の信号の位相差が生じるが、それぞれの層間配線部はグランド層で遮蔽されているので、位相差を生じた信号が直接結合することによるモード変換は発生せず、この点からも差動信号の伝送特性を劣化させることがない。

本発明の実施の形態に係る差動伝送線路とそれを配置した多層回路基板を用いた光モジュールの構成図である。 図１における符号Ａ−Ａ線の矢視断面構造図である。 本発明の実施の形態に係る多層回路基板の構成分解斜視図である。 図３における符号Ｂ−Ｂ線の矢視断面構造図である。 図３における符号Ｃ−Ｃ線の矢視断面構造図である。 （ａ）は本発明に係る多層回路基板の実施例１を示す断面構造図、（ｂ）は第１の従来技術を示す断面構造図、（ｃ）は第２の従来技術を示す断面構造図である。 本発明に係る多層回路基板の実施例１と第１の従来技術と第２の従来技術について、伝送信号の通過損失の伝送信号周波数依存性を示すグラフである。 （ａ）は本発明に係る多層回路基板の実施例２の斜視概念図、（ｂ）は（ａ）における符号Ｄ−Ｄ線の矢視断面構造図である。 （ａ）は第３の従来技術に係る多層回路基板の斜視概念図、（ｂ）は（ａ）における符号Ｅ−Ｅ線の矢視断面構造図である。 （ａ）は第３の従来技術に係る多層回路基板における差動伝送線路についてのＳｄｄ１１のグラフ、（ｂ）は本発明に係る多層回路基板の実施例２における差動伝送線路についてのＳｄｄ１１のグラフである。 （ａ），（ｂ）は光モジュールのパッケージの側壁に差動伝送線路を内蔵する従来技術を説明するための構成図であり、（ｂ）は（ａ）の符号Ｘ−Ｘ線の矢視断面図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る差動伝送線路、この差動伝送線路を配置する多層回路基板、そしてこの多層回路基板を搭載した光モジュールについて図１乃至図５を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る差動伝送線路とそれを配置した多層回路基板を用いた光モジュールの構成図であり、図２は図１における符号Ａ−Ａ線の矢視断面構造図である。
図１及び図２において、光モジュール１は直方体の板形状を有する基台２と、基台２と略同一の外形を有し中央部に貫通孔を有する多層回路基板６と、この多層回路基板６の貫通孔に連通する貫通孔を有する枠体７を備え、基台２の上面と多層回路基板６の貫通孔と枠体７の貫通孔とで、光半導体素子４と電子冷却素子１３を収納するためのキャビティ５を形成している。
枠体７の貫通孔の開口面積は多層回路基板６の貫通孔の開口面積よりも大きく、多層回路基板６の上面にキャビティ５内に露出する内部露出面８が形成される。また、枠体７の長辺寸法は多層回路基板６の長辺寸法よりも短くされ、多層回路基板６の上面には、光モジュール１の外へ露出する外部露出面９が形成される。
枠体７の上面には、シールリング１４が接合される。シールリング１４は、蓋１５を溶接してキャビティ５内を気密封止するための部材である。シールリング１４と蓋１５は、鉄にニッケル、コバルトを配合した溶接性の良いコバール等からなる。
基台２は、銅タングステン等の熱伝導率が高い材料からなる。多層回路基板６と枠体７とは、共にアルミナ等のセラミック絶縁層を複数積層して形成され、一体化して多層セラミック構造体３を構成している。

多層セラミック構造体３の一側面には孔１６が形成されている。この孔１６には、サファイア、ガラス等からなる透光性窓部材１７を収容したパイプ１８が嵌め込まれており、さらに、パイプ１８には、光ファイバ１９を挿入固定したコバール等からなる光ファイバ接続管２０が接続されている。なお、パイプ１８は、光ファイバ接続管２０を溶接するためにコバール等からなり、キャビティ５内を気密にするために、多層セラミック構造体３とろう付けされている。

多層回路基板６の外部露出面９には、外部から供給される電気信号を光半導体素子４に伝送するための入力端子１０が形成されている。電気信号は正相信号と、該正相信号と逆相となる逆相信号とからなる差動信号の形で供給され、入力端子１０は、正相信号が供給される第１入力端子１０ａと、逆相信号が供給される第２入力端子１０ｂを備える。
多層回路基板６には、入力端子１０に供給された差動信号を内部露出面８上に形成された出力端子１１に伝送する２本の信号線を備えた差動伝送線路（図３参照）が形成されている。
具体的には、第１入力端子１０ａに供給される正相信号は、信号線２１ａ，２２ａ，２３ａを介して第１出力端子１１ａに伝送された後、ボンディングワイヤ１２を介して光半導体素子４に入力される。この信号線２１ａ，２２ａ，２３ａが第１の信号線である。
もう一つの信号線は、第２入力端子１０ｂに供給される逆相信号を伝送する信号線であり、信号線２１ｂ，２２ｂ，２３ｂを介して第２出力端子１１ｂに伝送された後、ボンディングワイヤ１２を介して光半導体素子４に入力される。この信号線２１ｂ，２２ｂ，２３ｂが第２の信号線である。差動伝送線路は、これら第１の信号線と第２の信号線の二本一組で構成されている。
光半導体素子４は上記の第１の信号線２１ａ，２２ａ，２３ａと第２の信号線２１ｂ，２２ｂ，２３ｂによって供給される差動信号によって駆動され、レーザ光信号を透光性窓部材１７側に出力する。光半導体素子４から出力された光信号は、光ファイバ１９へ出力される。

次に、図３乃至図５を用いて本発明の実施の形態に係る差動伝送線路について説明する。図３は本発明の実施の形態に係る多層回路基板の構成分解斜視図であり、図４は図３における符号Ｂ−Ｂ線の矢視断面構造図であり、図５は図３における符号Ｃ−Ｃ線の矢視断面構造図である。なお、図３はその構造を理解容易にするために多層回路基板を６枚の基板に分解して示しているが、図４，５は分解することなく断面を示している。
図３において、多層回路基板６には、外部から入力端子１０に供給される差動信号を出力端子１１に伝送する第１の信号線２１ａ，２２ａ，２３ａと第２の信号線２１ｂ，２２ｂ，２３ｂの２本の信号線を備えた差動伝送線路が形成されている。
第１の信号線２１ａ，２２ａ，２３ａは、第１入力端子１０ａと第１出力端子１１ａを接続し、多層回路基板６の絶縁層間に配置された層間配線部２２ａ、第１入力端子１０ａと層間配線部２２ａの間を接続する入力側ビア接続部２１ａと、第１出力端子１１ａと層間配線部２２ａを接続する出力側ビア接続部２３ａとを備える。
また、第２の信号線２１ｂ，２２ｂ，２３ｂも同様に、第２入力端子１０ｂと第２出力端子１１ｂを接続し、多層回路基板６の絶縁層間に配置された層間配線部２２ｂ、第１入力端子１０ｂと層間配線部２２ｂの間を接続する入力側ビア接続部２１ｂと、第１出力端子１１ｂと層間配線部２２ｂを接続する出力側ビア接続部２３ｂとを備える。
第１の信号線の層間配線部２２ａと第２の信号線の層間配線部２２ｂは、多層回路基板６の異なる層に設けられている。具体的には、層間配線部２２ａは回路基板６ｂに設けられ、層間配線部２２ｂは回路基板６ｄに設けられている。

図４に示すように、第１の信号線２１ａ，２２ａ，２３ａの入力側ビア接続部２１ａは多層回路基板の６層目の回路基板６ｆから３層目の回路基板６ｃまでを貫通するビア導体として構成され、第１入力端子１０ａと層間配線部２２ａの間を接続している。
一方、第１の信号線２１ｂ，２２ｂ，２３ｂの入力側ビア接続部２１ｂは多層回路基板の６層目の回路基板６ｆから５層目の回路基板６ｅまでを貫通するビア導体として構成され、第２入力端子１０ｂと層間配線部２２ｂの間を接続している。

図５に示すように、第１の信号線２１ａ，２２ａ，２３ａの出力側ビア接続部２３ａは多層回路基板６の６層目の回路基板６ｆから３層目の回路基板６ｃまでを貫通するビア導体として構成され、第１出力端子１１ａと層間配線部２２ａの間を接続している。第２の信号線２１ｂ，２２ｂ，２３ｂの出力側ビア接続部２３ｂは多層回路基板６の６層目の回路基板６ｆから５層目の回路基板６ｅまでを貫通するビア導体として構成され、第２出力端子１１ｂと層間配線部２２ｂの間を接続している。
２本の層間配線部２２ａ，２２ｂの間には、グランド層２４ｂが配されており、層間配線部２２ａが設けられている回路基板６ｂの下層の回路基板６ａにはグランド層２４ａ、層間配線部２２ｂが設けられている回路基板６ｄの上層の回路基板６ｅにはグランド層２４ｃが設けられている。
グランド層２４ａ〜２４ｃは導電性の金属電極を構成し、グランドビア２５ａ，２５ｂ，２５ｃを介して多層回路基板６の外部露出面９上のグランド端子２６ａ，２６ｂ，２６ｃに接続されている。グランド層２４ａ〜２４ｃを構成する金属電極は全面を電極とするいわゆるベタ電極である必要はないものの、少なくとも信号線以上の幅を備えつつもなるべく広いことが望ましい。但し、あくまでも目安なので多層回路基板６全体と特性も考慮して電極の面積を定めることが望ましい。
このようなグランド層２４ｂを設けることにより、第１の信号線の層間配線部２２ａと第２の信号線の層間配線部２２ｂは遮蔽されることになる。そして、第１の信号線の層間配線部２２ａのインピーダンスは層間配線部２２ａとグランド層２４ａ間、及び層間配線部２２ａとグランド層２４ｂ間のキャパシタンスに依存し、同様に第２の信号線の層間配線部２２ｂのインピーダンスは層間配線部２２ｂとグランド層２４ｂ間、及び層間配線部２２ｂとグランド層２４ｃ間のキャパシタンスに依存することになる。
従って、層間配線部２２ａ，２２ｂにおける信号線の幅を絶縁層である回路基板６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅの厚みや誘電率に対応させた範囲に制御することで、第１の信号線及び第２の信号線の層間配線部２２ａ，２２ｂにおけるインピーダンスを所望の範囲に制御することが可能である。
従って、第１の信号線と第２の信号線の配置において等間隔性が保てなくとも、特性インピーダンスの不整合を生じることがない。このことは、第１の信号線と第２の信号線の配置に対して設計自由度を増加させることにもなる。
この設計自由度の増加という効果については、第１の信号線と第２の信号線の層間配線部がそれぞれ異なる絶縁層間に配置されることから可能となる幅の狭い絶縁層でも信号線の幅を取りやすいことや、さらに信号線の細線化による伝送信号損失の抑制が容易であることからも発揮できる。
また、２本の信号線間はグランド層２４ｂによって遮蔽されているので、入力側ビア接続部２１ａ，２１ｂや出力側ビア接続部２３ａ，２３ｂにおけるビア長の差によって位相差を生じた信号が直接結合することによるモード変換も発生しない。したがって、差動信号の伝送特性を劣化させることがない。
さらに、本実施の形態における多層回路基板においては、第２の信号線の層間配線部２２ｂに、第１の信号線との線路長の差を相殺するためのミアンダ配線部２７が形成されている。

具体的には、図３を参照すれば明らかなように、第１の信号線２１ａ，２２ａ，２３ａは、第２の信号線２１ｂ，２２ｂ，２３ｂよりも多層に亘ってビアが形成されているので全体の線路長が長くなってしまう。そこで、第２の信号線の層間配線部２２ｂにミアンダ配線部２７を設けて、第１の信号線の層間配線部２２ａよりも長く形成して、全体の線路長を同一にするようにしている。
このようなミアンダ配線部２７を設けることで、第１と第２の信号線の線路長の差を入力側ビア接続部２１ａ，２１ｂや出力側ビア接続部２３ａ，２３ｂを含めて相殺して、差動伝送線路の位相ずれを無くすことができる。位相ずれが解消されることでコモンモードノイズの発生を抑制することができる。
しかも、本実施の形態のように、層間配線部２２ｂにおける片方の信号線に線路長の差を相殺するためのミアンダ配線部２７を設けて２本の信号線の等間隔性が崩れても、前述のとおり、層間配線部２２ａ，２２ｂにおける信号線の幅を絶縁層である回路基板６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅの厚みや誘電率に対応させた範囲に制御することで、第１の信号線及び第２の信号線の層間配線部２２ａ，２２ｂにおけるインピーダンスを所望の範囲に制御することが可能であるので、特性インピーダンスの不整合が生じることが無い。したがって、本実施の形態に係る多層回路基板６は、ビア接続部を含む差動伝送線路の位相ずれを無くすとともに、特性インピーダンスの不整合を防止できる。
さらに、層間配線部２２ａ，２２ｂを設けたことによって第１の信号線と第２の信号線の間で信号の位相差が生じるが、層間配線部２２ａ，２２ｂはグランド層２４ｂで遮蔽されているので、位相差を生じた信号が直接結合することによるモード変換は発生しない。従って、層間配線部２２ａ，２２ｂの間にグランド層２４を設けて遮蔽することによれば、ミアンダ配線部２７を設けて信号線全体の線路長を同一にするような構成としても、その層間配線部２２ａ，２２ｂを設けたことによる位相差を生じた信号の直接結合を抑制することが可能であり、よって差動信号の伝送特性を劣化させることがないという優れた効果を発揮することができる。
従って、このような差動伝送線路を備えた多層回路基板６を搭載した光モジュール１は、差動伝送線路の位相ずれを防止すると共に特性インピーダンスの不整合をも防止しながら小型化することができる。

（実施例１）
以下、本実施の形態に係る多層回路基板について、特性インピーダンスが５０Ωになるように実施例として試作し、さらに、従来例の差動伝送線路を作成し、線路損失と省スペース性について比較する試験を実施したので図６及び図７を参照しながら説明する。
図６（ａ）は本発明に係る多層回路基板の実施例１を示す断面構造図、（ｂ）は第１の従来技術を示す断面構造図、（ｃ）は第２の従来技術を示す断面構造図である。
図６（ａ）に示される実施例１の多層回路基板は、４層の絶縁層２８ａ〜２８ｄから構成され、絶縁層２８ａ，２８ｂ間と絶縁層２８ｃ，２８ｄ間に２本の差動伝送線路２９ａ，２９ｂが配置されている。さらに、絶縁層２８ａの下面と絶縁層２８ｄの上面にそれぞれグランド層３０ａ，３０ｃが形成され、絶縁層２８ｂ，２８ｃの間にグランド層３０ｂが形成されて、これらのグランド層３０ａ〜３０ｃはグランドビア３１で接続されている。従って、差動伝送線路２９ａはグランド層３０ａ，３０ｂの間に配置された絶縁層２８ａ，２８ｂに挟まれる構成となり、差動伝送線路２９ｂはグランド層３０ｂ，３０ｃの間に配置された絶縁層２８ｃ，２８ｄに挟まれる構成となっている。
このように構成される実施例１に係る多層回路基板は、アルミナセラミック製の絶縁層２８ａ〜２８ｄの側壁の幅ｗ１が１．２ｍｍ、絶縁層２８ａ〜２８ｄのそれぞれの厚さｔ１は０．３ｍｍであり、試作したパッケージ内に特性インピーダンスが５０Ωになるように各部の寸法を調整した差動伝送線路を作成した。
本実施例では、線路での信号の通過損失を抑えるために差動伝送線路２９ａ，２９ｂの線路幅ｗ２を１０５μｍと広めに設定したが、上下に配された差動伝送線路２９ａ，２９ｂの間にグランド層３０ｂが配置され、さらにグランド層３０ａ，３０ｃを配置してそれぞれ差動伝送線路２９ａ，２９ｂを挟むようにして遮蔽しているので特性インピーダンスのキャパシタンス成分が増大することはなく、特性インピーダンスを規定値（５０Ω）に収めることができた。なお、差動伝送線路２９ａ，２９ｂの厚さｔ２は３５μｍであり、材質はタングステンである。

一方、図６（ｂ）に示される第１の従来技術に係る回路基板では、特許文献１の図２に開示されるようなフレキシブル基板３２上に差動伝送線路３３ａ，３３ｂを平行に配し、フレキシブル基板３２の下面にグランド層３４が設けられた回路基板を想定した。
このように構成される従来技術においては、差動伝送線路３３ａ，３３ｂの線路幅ｗ４は、８０μｍであり、線路間距離ｇは１００μｍとして、実施例１と同様に特性インピーダンスを５０Ωと調整して試作した。また、差動伝送線路３３ａ，３３ｂの厚さｔ４は３５μｍで材質は銅であり、フレキシブル基板３２の幅Ｗは１ｍｍ、厚さＴは５０μｍであり材質はポリイミドである。
なお、第１の従来技術に係る差動伝送線路３３ａ，３３ｂは周囲が誘電率の低いフレキシブル基板３２と空気で構成されるので、特性インピーダンスのキャパシタンス成分がもともと低く抑えられている。このため、特性インピーダンスを規定値内に保ったまま、線路幅ｗ４を広げて通過損失を低く抑えることも、線路間距離ｇを狭くすることもできる。しかし、本従来技術に係る差動伝送線路３３ａ，３３ｂを採用するパッケージでは、パッケージのキャビティ内にフレキシブル基板３２を収納するスペースが必要となり小型化ができない。

さらに、図６（ｃ）に示される第２の従来技術に係る回路基板では、第１の従来技術の差動伝送線路をパッケージの側壁に内蔵したものである。図６（ｃ）において、第２の従来技術は、２層のアルミナセラミック製の絶縁層３５ａ，３５ｂとその間に配置された差動伝送線路３６ａ，３６ｂを備えている。さらに、絶縁層３５ａの下面にグランド層３７ａが形成され、絶縁層３５ｂの上面にグランド層３７ｂが形成されており、これらのグランド層３７ａ，３７ｂはグランドビア３８で接続されている。
このように構成される第２の従来技術に係る回路基板は、アルミナセラミック製の絶縁層３５ａ，３５ｂの側壁の幅ｗ５が１．２ｍｍ、絶縁層３５ａ，３５ｂのそれぞれの厚さｔ５は０．３ｍｍであり、試作したパッケージ内に特性インピーダンスが５０Ωになるように各部の寸法を調整した差動伝送線路を作成した。また、差動伝送線路３６ａ，３６ｂの線路幅ｗ６は５０μｍ、厚さｔ６は３５μｍであり、材質はタングステンである。
なお、第２の従来技術では、２つの差動伝送線路３６ａ，３６ｂの間の空間が誘電率の高いアルミナセラミックで構成されるので特性インピーダンスのキャパシタンス成分が増大し、そのままでは特性インピーダンスが規定値よりも低くなってしまう。このため、特性インピーダンスを規定値に収めるために差動伝送線路３６ａ，３６ｂの線路間距離ｇを２００μｍに広げるとともに線路幅ｗ６を５０μｍに狭める必要があった。
これら図６（ａ），（ｂ），（ｃ）に示される実施例１に係る多層回路基板、第１の従来技術に係る回路基板、第２の従来技術に係る回路基板を用いて線路における伝送信号の通過損失を測定したので、以下、その結果について図７を参照しながら説明する。

図７は本発明に係る多層回路基板の実施例１と第１の従来技術と第２の従来技術について、伝送信号の通過損失の伝送信号周波数依存性を示すグラフである。
図７において、（ａ）は第１の従来技術に係る差動伝送線路３３ａ，３３ｂの通過損失に関する測定結果、（ｂ）は第２の従来技術に係る差動伝送線路３６ａ，３６ｂの通過損失に関する測定結果、（ｃ）は実施例１に係る差動伝送線路２９ａ，２９ｂの通過損失に関する測定結果をそれぞれ示すグラフである。
グラフに示されるように、第１の従来技術（ａ）では、測定した周波数帯域全体で伝送信号の通過損失が少ないことがわかる。一方、第２の従来技術（ｂ）では、差動伝送線路３６ａ，３６ｂの線路幅ｗ６を狭めた結果、伝送損失がかなり増大してしまった。
これらに対して実施例１（ｃ）では、線路幅ｗ２を広く取ることができるので、第１の従来技術（ａ）よりわずかに損失が増大する程度に抑えることができる。

（実施例２）
実施例２として下図のような差動線路を作成し、その比較例として下図のような差動線路を作成した。そして、それぞれの差動線路についてＳｄｄ１１を測定し、下記のグラフの結果を得た。下記のグラフのように、実施例２は比較例に比べてＳｄｄ１１が減少していることが確認できた。
以下、本実施の形態に係る多層回路基板について、実施例２として図８に示すような多層回路基板を試作し、さらに、第３の従来技術に係る多層回路基板として図９に示すような多層回路基板を試作して、それぞれの差動伝送線路についてＳｄｄ１１を比較する試験を実施したので図８乃至図１０を参照しながら説明する。
図８（ａ）は本発明に係る多層回路基板の実施例２の斜視概念図、（ｂ）は（ａ）における符号Ｄ−Ｄ線の矢視断面構造図であり、図９（ａ）は第３の従来技術に係る多層回路基板の斜視概念図、（ｂ）は（ａ）における符号Ｅ−Ｅ線の矢視断面構造図である。
図８（ａ），（ｂ）に示される実施例２の多層回路基板は、実施例１と同様に４層の絶縁層４０ａ〜４０ｄから構成され、絶縁層４０ｄの上面には第１入力端子４２ａと第２入力端子４２ｂから成る入力端子４２が配置され、絶縁層４０ａの下面には第１出力端子４３ａと第２出力端子４３ｂから成る出力端子４３が配置されている。
また、これら第１入力端子４２ａ，第２入力端子４２ｂは、それぞれ入力側ビア接続部４４ａ，４４ｂ、層間配線部４５ａ，４５ｂ及び出力側ビア接続部４６ａ，４６ｂから成る差動伝送線路を介して第１出力端子４３ａ，第２出力端子４３ｂに接続されている。層間配線部４５ａは絶縁層４０ａ，４０ｂ間に、層間配線部４５ｂは絶縁層４０ｃ，４０ｄ間にそれぞれ配置されている。
さらに、絶縁層４０ｄの上面、絶縁層４０ｂ，４０ｃの間、絶縁層４０ａの下面にはそれぞれグランド層４１ｃ，４１ｂ，４１ａが構成されており、従って、層間配線部４５ａはグランド層４１ａ，４１ｂの間に、また、層間配線部４５ｂはグランド層４１ｂ，４１ｃの間にそれぞれ挟まれる構成となっており、層間配線部４５ａ，４５ｂは互いに遮蔽されている。
なお、図８（ｂ）に示されるとおり、層間配線部４５ａ，４５ｂが断面で示される平面で平行に配置される長さは１０ｍｍとしている。また、材料は実施例１と同じである。

図９（ａ），（ｂ）に示される第３の従来技術の多層回路基板は、３層の絶縁層５０ａ〜５０ｃから構成され、絶縁層５０ｃの上面には第１入力端子５２ａと第２入力端子５２ｂから成る入力端子５２が配置され、絶縁層５０ａの下面には第１出力端子５３ａと第２出力端子５３ｂから成る出力端子５３が配置されている。
また、これら第１入力端子５２ａ，第２入力端子５２ｂは、それぞれ入力側ビア接続部５４ａ，５４ｂ、層間配線部５５ａ，５５ｂ及び出力側ビア接続部５６ａ，５６ｂから成る差動伝送線路を介して第１出力端子５３ａ，第２出力端子５３ｂに接続されている。層間配線部５５ａは絶縁層５０ａ，５０ｂ間に、層間配線部５５ｂは絶縁層５０ｂ，５０ｃ間にそれぞれ配置されている。
さらに、絶縁層５０ｃの上面及び絶縁層５０ａの下面にはそれぞれグランド層５１ｂ，５１ａが構成されており、従って、層間配線部４５ａはグランド層４１ａ，４１ｂの間に挟まれる構成となり、層間配線部４５ｂはグランド層４１ｂ，４１ｃの間に挟まれる構成となっているが、実施例２とは異なり、層間配線部５５ａ，５５ｂは互いに遮蔽されてはいない。
なお、実施例２と同様に、図９（ｂ）に示されるとおり層間配線部５５ａ，５５ｂが断面で示される平面で平行に配置される長さは１０ｍｍとしている。また、材料は実施例１，２と同じである。
このように差動伝送線路の２つの層間配線部がそれぞれグランド層で遮蔽されている場合とされていない場合を比較するために、差動伝送線路について、いわゆるミックスト・モードＳパラメータの中のディファレンシャルモードの応答について測定し、その結果を比較することで今回の発明の実施例２の特性が優れていることを説明するものである。以下、図１０を参照しながらその測定結果について説明する。

図１０（ａ）は第３の従来技術に係る多層回路基板における差動伝送線路についてのＳｄｄ１１のグラフ、（ｂ）は本発明に係る多層回路基板の実施例２における差動伝送線路についてのＳｄｄ１１のグラフである。Ｓｄｄ１１はＳパラメータの一種であるが、このＳパラメータは、電子回路設計の際に、その電子回路の特性を評価するためのパラメータとして一般的に使用されているものである。具体的には、Ｓｄｄ１１はミックスト・モードＳパラメータの中のディファレンシャルモードの応答のうち、測定対象回路にあるポートのいずれかのポート（ポート１）から交流信号を入力して、その交流信号がどの程度減衰あるいは増幅されて伝わるかについて、対数で表現するもので、負数は減衰、正数は増幅を意味している。
図１０（ａ）と（ｂ）を比較すると明らかなように、実施例２のＳｄｄ１１の方が測定周波数帯域のすべてで減衰が大きく、すなわち反射が少なく良好な特性を示していることがわかる。
以上、実施例１及び２を用いて説明したとおり、本発明に係る差動伝送線路、その差動伝送線路を備える多層回路基板とその多層回路基板を搭載する光モジュールは、差動信号の伝送性能の劣化を抑制しつつ、その小型化を大幅に可能とすることができる。

以上説明したように、本発明は光信号の送受信を行うために用いられる光半導体素子に供給される差動信号を伝送する差動伝送線路、その差動伝送線路を備える多層回路基板及びその多層回路基板を搭載する光モジュールの製造分野において利用可能である。

１…光モジュール ２…基台 ３…多層セラミック構造体 ４…光半導体素子 ５…キャビティ ６…多層回路基板 ６ａ〜６ｆ…回路基板 ７…枠体 ８…内部露出面 ９…外部露出面 １０…入力端子 １０ａ…第１入力端子 １０ｂ…第２入力端子 １１…出力端子 １１ａ…第１出力端子 １１ｂ…第２出力端子 １２…ボンディングワイヤ １３…電子冷却素子 １４…シールリング １５…蓋 １６…孔 １７…透光性窓部材 １８…パイプ １９…光ファイバ ２０…光ファイバ接続管 ２１ａ，２１ｂ…入力側ビア接続部 ２２ａ，２２ｂ…層間配線部 ２３ａ，２３ｂ…出力側ビア接続部 ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ…グランド層 ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…グランドビア ２６ａ，２６ｂ，２６ｃ…グランド端子 ２７…ミアンダ配線部 ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ…絶縁層 ２９ａ，２９ｂ…差動伝送線路 ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…グランド層 ３１…グランドビア ３２…フレキシブル基板 ３３ａ，３３ｂ…差動伝送線路 ３４…グランド層 ３５ａ，３５ｂ…絶縁層 ３６ａ，３６ｂ…差動伝送線路 ３７ａ，３７ｂ…グランド層 ３８…グランドビア ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ…絶縁層 ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ…グランド層 ４２…入力端子 ４２ａ…第１入力端子 ４２ｂ…第２入力端子 ４３…出力端子 ４３ａ…第１出力端子 ４３ｂ…第２出力端子 ４４ａ，４４ｂ…入力側ビア接続部 ４５ａ，４５ｂ…層間配線部 ４６ａ，４６ｂ…出力側ビア接続部 ５０ａ，５０ｂ，５０ｃ…絶縁層 ５１ａ，５１ｂ…グランド層 ５２…入力端子 ５２ａ…第１入力端子 ５２ｂ…第２入力端子 ５３…出力端子 ５３ａ…第１出力端子 ５３ｂ…第２出力端子 ５４ａ，５４ｂ…入力側ビア接続部 ５５ａ，５５ｂ…層間配線部 ５６ａ，５６ｂ…出力側ビア接続部 １１０…光モジュール １１２…光半導体素子 １１４…パッケージ １１６…リード １２８−１，１２８−２…差動伝送線路 １５４…電極 １５６…ボンディングワイヤ ｇ…線路間距離 ｗ…幅 ｔ…厚み Ｓ…側壁

Claims (2)

1. 内部空間を気密封止可能なパッケージと、
   前記パッケージの内部空間に配置される光半導体素子と、
   前記光半導体素子の過熱を抑制する電子冷却素子と、
   前記内部空間と外部を隔てる側壁を有し、複数の絶縁層が積層された多層回路基板と、
   前記多層回路基板に、差動信号を伝送する第１の信号線と第２の信号線を備えて設けられる差動伝送線路とを備えた光モジュールにおいて、
   前記第１及び第２の信号線は、それぞれ前記複数の絶縁層間に配置された層間配線部と、前記多層回路基板面に設けられた入力端子から前記層間配線部の一端部までを接続する入力側ビア接続部と、前記多層回路基板面に設けられた出力端子から前記層間配線部の他端部までを接続する出力側ビア接続部と、を備え、
   前記層間配線部の少なくとも一部は前記側壁の内部に配設され、
   前記第１の信号線の層間配線部と前記第２の信号線の層間配線部は、異なる絶縁層間に配置され、前記第１の信号線の層間配線部と前記第２の信号線の層間配線部は、それぞれグランド層で挟まれるように配置されることを特徴とする光モジュール。
2. 前記第１の信号線の層間配線部と前記第２の信号線の層間配線部のうち、一方の層間配線部は、前記第１の信号線と前記第２の信号線の線路長の差を相殺するためのミアンダ配線部が設けられることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。