JP6272131B2

JP6272131B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP6272131B2
Application number: JP2014095396A
Authority: JP
Inventors: 山中　孝之; 孝之山中; 広明三条
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-05-02
Filing date: 2014-05-02
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-05-02
Also published as: JP2015213127A

Description

本発明は、光モジュールに関し、光通信用途の光半導体モジュール用パッケージ内における高周波伝送に関する。

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、光ファイバや光通信用機器に搭載される光送受信装置（電気信号と光信号を相互に変換する光電変換器）の需要が拡大している。光送受信装置やそれを構成する部品は、プラガブル（ｐｌｕｇｇａｂｌｅ）といった言葉で表現されるように、搭載や交換といった観点から扱いやすいように、仕様に基づくモジュール化が急速に進展している。ＸＦＰ（１０ＧｉｇａｂｉｔＳｍａｌｌＦｏｒｍＦａｃｔｏｒＰｌｕｇｇａｂｌｅ：１０ギガビット・イーサネット（登録商標）（１０ＧｂＥ）の着脱モジュールの業界標準規格の一つ）など光送信器モジュールに搭載される光源もモジュール化が進んでおり、ＴＯＳＡ（ＴｒａｎｓｍｉｔｔｅｒＯｐｔｉｃａｌＳｕｂ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれ、代表的なモジュール形態として、箱型形状のＴＯＳＡモジュール(非特許文献１)が開発されている。同様に、受光素子もモジュール化が進んでおり、ＲＯＳＡ（ＲｅｃｅｉｖｅｒＯｐｔｉｃａｌＳｕｂ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれている。

光送受信モジュールの需要は膨らむ一方である。需要の増加に従って、光モジュールの性能を落とすことなく、低コスト化への要求も大きくなっており、毎秒１００ギガビッ伝送用ＴＯＳＡモジュールの研究開発、毎秒４００ギガビットといった超高速化に向けた標準化活動も活発であり、ＴＯＳＡの高性能への要求は活発化の一途である。

ＸＦＰ準拠の箱型ＴＯＳＡの筺体は、焼結セラミックや金属からなっている。図１に典型的な箱型ＴＯＳＡモジュールの外観を示す。筺体は、セラミック部分１０３と、金属部分１０４とを含む。金属台座上の金属部１０４の開口部にセラミック部分１０３を挿設して、筺体を構成する。筺体横に挿入されたセラミック部分の一部であるテラス部分１０１から筺体内部に向けて貫通する変調電気信号給電用配線端子１０２を少なくとも一つ設けた構造になっている。テラス部分１０１には、変調電気信号給電用端子１０２とは別に、ＤＣ給電用配線端子も筺体内部に向けて貫通している。

図２は、図１で示した箱型ＴＯＳＡモジュールの筐体内部を示す図であり、筺体の金属部１０４を取り除き、筺体内部とともにセラミック部分１０３を示す図である。この筺体内部の構造は、本願発明の一実装形態を構成する。筺体内部の中央には、サブキャリアと呼ばれる薄板２０１が筺体から離れた位置に設置してある。このサブキャリア２０１は、誘電体材料に金属メッキまたは蒸着することにより配線パターンが形成され、レーザダイオード２０２や光変調器２０３、コンデンサー２０４や抵抗２０５などの光半導体デバイスに必要な素子が搭載される。サブキャリア２０１は、キャリア２０６と呼ばれる金属性の小板に載っており、キャリア２０６の下には筺体下部（金属台座）に接するＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏ−ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｏｌｅｒ、熱電冷却素子）２０７を搭載しており、サブキャリア２０１上の素子で発生した熱を吸熱し、筺体下部より排熱している。省電力化と部品点数削減の観点から、このＴＥＣを用いないＴＯＳＡの開発も行われている。

筺体の側面にはレンズ２１８または光取り出し用窓がつき、天板とともに抵抗溶接することなどで光半導体デバイスをパッケージ内に封止する。

筺体外部から内部へ貫通している変調電気信号給電用配線２０８とサブキャリア２０１（サブキャリアに形成された配線パターン）とは、従来、ワイヤ状金線２０９やリボン状金線２１０で導通をとっている。

図４（ｂ）は従来のＴＯＳＡモジュールの変調電気信号給電線２０８を、図１のテラス部分１０１の方向から見た図である。ＧＳＧで示すのは高周波電気信号が通る主線路（主伝送線路）であり、Ｇはグランド線路、Ｓはシグナル（信号）線路である。

この方向から見ると、ＧＳＧの部分はいわゆるセラミック部上に形成されたコプレーナ型の伝送線路とみることが可能である。シグナルＳは、図２におけるリボン状金線２１０によって、サブキャリア２０１上の（サブキャリアに形成された配線パターンのうちの）伝送線路２１１に接続され、グランドＧはワイヤ状金線２０９によってサブキャリア２０１上の（サブキャリアに形成された配線パターンのうちの）グランドに接続される。

ところで、図３に示すように、駆動用ドライバＩＣ３０１の信号やＤＣ電源からの給電（ここでは図示しない）はフレキシブルプリント基板３０２を用いて行われるようになってきた。ここで、フレキシブルプリント基板３０２は、柔軟性があり大きく変形させることが可能なプリント基板であり、俗に、フレキあるいはＦＰＣ（ＦｌｅｘｉｂｌｅＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓ）とも呼ばれる。ＴＯＳＡモジュールの筐体内部への変調用電気信号やＤＣ給電もまたフレキシブル基板３０２を通して行われる。

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, pp776-782, JULY/AUGUST 2006

上述した通り、変調用電気信号は駆動用ドライバＩＣ３０１からフレキシブル基板３０２を経てＴＯＳＡ筐体のセラミック部を貫通し、筺体内側の伝送線路２０８、ワイヤ（２０９，２１０）、サブキャリア上の伝送線路２１１を経由して光半導体素子（２０２，２０３）へそしてその先の終端抵抗２０４へと届く。

駆動用ドライバＩＣ３０１は出力インピーダンス５０オームで駆動波形を送出するよう設計されており、したがって終端抵抗２０５も通常５０オームに設定する。こうすることで、駆動ドライバＩＣ３０１と終端抵抗２０５の２者に限っては互いにインピーダンス整合がとれた状態になっている。しかしながら、駆動ドライバＩＣ３０１と終端抵抗２０５の間には、これまで述べてきたように、異種の伝送線路や素子構造のつなぎ合わせが存在するため、それぞれのつなぎ目では、電気的な不連続点は、インピーダンスが５０オームから大きく逸脱した箇所となり得る。

ＸＦＰ準拠のＴＯＳＡ光モジュールの動作周波数は１０ＧＨｚに及び、電気信号は波（マイクロ波）としての振る舞いを強くする。すなわち、インピーダンス整合していない不連続点（反射点）では、そこを起点とする反射波が発生し、この反射波は駆動ドライバＩＣ３０１に向かって進行する。

駆動ドライバＩＣ３０１からの電気信号が、変調電気信号の給電先である光半導体素子（２０２，２０３）に届くまでには、フレキシブル基板３０２、変調電気信号給電用配線２０８、ワイヤ２１０、サブキャリア上の伝送線路２１１を通過する必要がある。そのうち、本願で注目するのは、フレキシブル基板３０２ではなく、ＴＯＳＡモジュールの線路、すなわち、変調電気信号給電用配線２０８の部分である。信号線路は、シグナル（信号）線路Ｓと基準となるグランド線路Ｇから構成される。理想的には、電気信号が、周波数によらず、より少ない共振による、伝送損失や反射損失、が少ないことが求められる。

そういった損失は、本願で着目する変調電気信号給電用配線２０８を中心とする部分で起こりやすく、周波数特性の劣化につながる。

図８は従来のＴＯＳＡモジュールの周波数特性を説明する図である。破線は、ＳパラメータのうちのＳ２１（伝送特性）と呼ばれる成分の絶対値で、図４（ｂ）のＧＳＧに外部から入射した任意の周波数のマイクロ波パワーに対して、内部の光半導体素子（２０２，２０３）へ供給される程度をｄＢ（デシベル）で表示したものである。図８から分かるように、８ＧＨｚ付近、２３．５ＧＨｚ付近で大きく特性が劣化している。

一方、実線は、ＳパラメータのうちのＳ１１（反射特性）と呼ばれる成分の絶対値で、図４（ｂ）のＧＳＧに外部から入射した任意の周波数のマイクロ波パワーに対して、入射方向に反射される程度をｄＢ（デシベル）で表示したものである。図８から分かるように、８ＧＨｚ付近、２３．５ＧＨｚ付近で大きく特性が劣化している。

上述のように、従来のＴＯＳＡモジュールは変調電気信号給電用配線に伝送損失や反射損失があり、周波数特性が劣化する問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＴＯＳＡモジュールのような光モジュールの筐体を外側から内側へと貫通する電気信号を伝達する伝送線路（例えば、変調電気信号給電用配線端子１０２から変調電気信号給電用配線へ向かう伝送線路）の特性を向上させ、周波数特性が劣化しない光モジュールを提供することにある。

このような目的を達成するために、本願発明の第１の態様は、光モジュールである。光モジュールは、開口部を有する金属部及び開口部に挿設された誘電体部を有する筐体とを備える。筐体の外部と内部とを結ぶ線路基板が、誘電体部を貫くように設けられており、線路基板には、高周波電気信号を伝達する第１の伝送線路が設けられている。筐体に内部には、第２の伝送線路及び半導体素子が配設されたサブキャリアと設けられている。第１の伝送線路と第２の伝送線路とは電気的に接続され、第２の伝送線路と半導体素子は電気的に接続されている。第１の伝送線路の長手方向に垂直な方向に対する線路基板の厚さのうち、第１の伝送線路の下部の厚さは、第１の伝送線路の下部以外の厚さに比べて薄く構成されている。

一実施形態では、線路基板は、誘電体部からなり、第１の伝送線路の下部の線路基板の厚さが薄い部分に対応する筐体の部分は、金属部からなる。また、第１の伝送線路の下部の線路基板の厚さは、高周波電気信号の出力インピーダンスに対してインピーダンス整合する程度に薄く構成される。

一実施形態では、筐体内部の半導体素子は、光半導体素子であり、光半導体素子との間で入出力する光を筐体外部と光学接続する手段が備えられている。

以上説明したように、本発明によれば、光モジュールの筐体を外側から内側へと貫通する電気信号を伝達する伝送線路の特性を向上させ、周波数特性が劣化しない光モジュールを提供することができる。また、本発明によれば、光モジュールの筺体を貫通する伝送線路と筐体内部の伝送線路の伝送特性が向上し、光半導体素子を高効率で駆動でき、品質の高い（急峻な波形の立ち上がり・立下り、ジッタなどの波形乱れ）、光出力波形を得ることできる。

図１は従来のＴＯＳＡモジュールの外観を示す図である。図２はＴＯＳＡモジュールの内部実装構成を示す図である。図３はフレキシブルプリント基板を用いてＴＯＳＡモジュールの変調電気信号端子と駆動用ドライバＩＣとを接続した様子を示す図である。図４は、ＴＯＳＡモジュールの構造を説明示す図であり、（ａ）は本発明の一実施形態に係るＴＯＳＡモジュールの構造を示す図であり、（ｂ）は従来例のＴＯＳＡモジュールの構造を示す図である。図５は、本発明の一実施形態に係るＴＯＳＡモジュールの構造を説明する為の図であり、図６のＴＯＳＡモジュールの構造を矢印の方向から見た図である。図６は、本発明の一実施形態に係るＴＯＳＡモジュール（図５）の３次元透視図である。図７は、３次元電磁界シミュレーションを用いて本発明の一実施形態に係るＴＯＳＡモジュール（図４（ａ））の構造におけるＳパラメータの特性を解析した結果を示す図である。図８は、３次元電磁界シミュレーションを用いて従来のＴＯＳＡモジュール（図４（ｂ））の構造におけるＳパラメータの特性を解析した結果を示す図である。図９は、本発明の一実施形態に係るＴＯＳＡモジュールの構造におけるＳパラメータ（図７）の位相の周波数依存性を示す図である。図１０は、従来のＴＯＳＡモジュールの構造のＳパラメータ（図８）の位相の周波数依存性を示す図である。図１１は、ＴＯＳＡモジュールの周波数８．５ＧＨｚでの電界強度の分布を示す図であり、（ａ）は本発明の一実施形態に係るＴＯＳＡモジュールの構造における電界強度の分布を示す図であり、（ｂ）は従来のＴＯＳＡモジュールの構造における電界強度の分布を示す図である。図１２は、ＴＯＳＡモジュールの周波数２３．７ＧＨｚでの電界強度の分布を示す図であり、（ａ）は本発明の一実施形態に係るＴＯＳＡモジュールの構造における電界強度の分布を示す図であり、（ｂ）は従来のＴＯＳＡモジュールの構造における電界強度の分布を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の種々の実施形態の説明においては、具体的な数値例を用いるが、本願発明は、このような具体的な数値例に限定されるものではなく、一般性を失うことは他の数値においても実施することもできることは言うまでもない。さらに、以下の種々の実施形態の説明においては、ＴＯＳＡモジュールを例として説明するが、本願発明は、筐体内に発光素子や光変調の他、受光素子をともにパッケージした光モジュールとして実施することができることは言うまでもない。

図４（ａ）及び図５は、本願発明の一実施形態に係るＴＯＳＡモジュールの概略構成図である。本実施形態に係るＴＯＳＡモジュールは、セラミック（誘電体）部分５０１と、金属部分５０２とを備える。金属部分５０２は、金属台座５０３上に設けられ、開口部を有している。セラミック部分５０１は、複数の層を積層した構造とすることができ、金属部５０２の開口部に挿入して設けられている。セラミック部分５０１の一部の層（テラス部分）には、フレキシブル基板３０２（図３）との接続用リードピン５０４が形成されている。リードピン５０４の一部は、接続用リードピン５０４が形成された層の面（その上の層と境界面）に金を蒸着して形成された伝送線路（Ｇ，Ｓ，Ｇ）に接続されており、リードピン５０４の他の一部は、セラミック部分５０１に形成された金を蒸着した凹部５０５に接続されている。接続用リードピン５０４が形成された層の面に形成された伝送線路及びは別の層の面に形成された伝送線路、筐体の外部と内部を貫通する伝送線路を構成する。本実施形態において、セラミック部分５０１のうち、接続用リードピン５０４、凹部５０５、伝送線路が形成された部分を線路基板とも言う。

本実施形態に係るＴＯＳＡモジュールにおいては、セラミック部分５０１の伝送線路が形成された部分のうち、伝送線路（Ｇ，Ｓ，Ｇ）が形成された部分は、伝送線路（Ｇ，Ｓ，Ｇ）の下部の厚み（伝送線路の長手方法に垂直な方向）を薄くしている。従来のＴＯＳＡモージュール（図１）ではセラミック部分であったが、本発明の実施形態では、そこをえぐりとって、金属で置き換えた形となっている。本発明の実施形態では、セラミック部が金属部の開口部に挿設されるように、セラミック部分の厚みを薄くした部分に対応する金属部の開口部の幅（伝送線路の長手方法に垂直な方向の幅）が小さくなっている。

図５において、グランド線路Ｇ、シグナル線路Ｓ、グランド線路Ｇは高周波電気信号が通る主線路であり、コプレーナ型の伝送線路とみることが可能である。コプレーナ型伝送線路の下部のセラミック誘電体基板（線路基板）の厚さが薄い構造になっている。

薄い部分の厚みは例えば３００〜５００μｍであり、これは例えば５０オームにインピーダンス整合が取れるように最適設定される（典型値としては例えば３５０μｍである）。しかしすべてが３５０μｍでは基板としての強度が取れないために、他の部分（コプレーナ型の伝送線路が生成された部分以外の部分）では十分な厚みを持たせる（例えば１，０００μｍ以上である）。

図６は、図５のＴＯＳＡモジュールの構造の３次元透視図であり、（ａ）は斜め前方から見た図であり、（ｂ）は斜め後方から見た図である。以下、本実施形態のＴＯＳＡモジュールの構造の効果について以下に説明する。

図７及び図８は、３次元電磁界シミュレーションを用いて本実施形態のＴＯＳＡモジュールの構造（図４（ａ））及び従来のＴＯＳＡモジュールの構造（図４（ｂ））の特性を解析した結果をそれぞれした図である。３次元電磁界シミュレーションでは、モデルを構成する物性データ及び構造寸法を厳密に入力し、計算機上に仮想的なマイクロ波伝送構造物を構築する。この仮想的なマイクロ波構造物をメッシュに分割し、そこにマクスウェル方程式を適用し、収束解を得る。数学的には、大規模な未知数を持つ一次元連立方程式を解くことに帰着されるが、電磁場の集中する度合いをメッシュの細かさを適応させることで、現実に起こる現象を精度よく予測・評価できることが特徴である。

図７及び図８は、Ｓパラメータの周波数応答特性と呼ばれるもので、上述の３次元電磁界シミュレーションから得られる解である。Ｓパラメータは複素数であり、マイクロ波構造物が入射マイクロ波に対してどのような応答をするか、すなわち、反射か透過かに対する全ての情報を持っている。図７は本実施形態のＴＯＳＡモジュールの構造（図４（ａ））に対するＳパラメータである。破線は、ＳパラメータのうちのＳ２１と呼ばれる成分の絶対値で、図４（ａ）のＧＳＧに外部から入射した任意の周波数のマイクロ波パワーに対して、筐体内部の光半導体素子（２０２，２０３）に供給される程度をｄＢ（デシベル）で表示したものである。Ｓ２１は高ければ高いほど良い。一方、実線は、ＳパラメータのうちのＳ１１と呼ばれる成分の絶対値で、図４（ａ）のＧＳＧに外部から入射した任意の周波数のマイクロ波パワーに対して、入射方向に反射される程度をｄＢ（デシベル）で表示したものである。Ｓ１１は低ければ低いほど良い。図７からわかるように、Ｓ２１、Ｓ１１ともに周波数に対して依存性をもち、周波数が高くなるほど劣化する傾向にある。

この特性の良否を判断するために、従来のＴＯＳＡモジュールの構造（図４（ｂ））に対する同様のＳパラメータ（Ｓ２１，Ｓ１１）の解析結果を図８に示す。図８と比べると、図７は非常になめらかな特性を持つことがわかる。この後で順次示すが、このことは、従来構造では、伝送線路上を高周波が素直に伝搬していないことを示唆している。

従来構造に対する結果（図８）において、特に、一点破線線で囲った領域が、本実施形態野ＴＯＳＡモジュールの構造により改善された結果（図７）と異なる部分である。Ｓパラメータは複素数なので、位相も重要である。図９に本実施形態のＴＯＳＡモジュール構造のＳパラメータの周波数応答特性（図７）に対応する位相を、図１０に従来のＴＯＳＡモジュール構造のＳパラメータの周波数応答特性（図８）に対応する位相をそれぞれ示す。図９及び１０を見ると、８ＧＨｚ付近、２３．５ＧＨｚ付近に顕著な差が見られる。これらの周波数付近では、Ｓ２１絶対値の大きな落ち込み、Ｓ２１，Ｓ１１の各位相の不自然な振る舞いが従来構造には見られるが、本本実施形態（図７、図９）では、Ｓ２１絶対値落ち込みの減少または消失、規則的なＳ１１位相の変化となっている。

この違いをより理解するために、以下では、高周波伝搬の様子を可視化したもの用いて示す。

図１１は、図４（ａ）及び（ｂ）のＴＯＳＡモジュール構造のリードピン側から見た、周波数８．５ＧＨｚにおける電界強度の分布を示す図であり、（ａ）は本実施形態のＴＯＳＡモジュール構造における電界強度の分布を等高線表示した図であり、（ｂ）は従来のＴＯＳＡモジュール構造における電界強度の分布を等高線表示した図である。本実施形態のＴＯＳＡモジュール構造（図１１（ａ））では、等高線が、ＧＳＧ伝送線路付近に集中しているのに対し、従来のＴＯＳＡモジュール構造（図１１（ｂ））では、分布が広い範囲に広がってしまっていることが分かる。つまり、従来のＴＯＳＡモジュール構造は、電界の閉じ込めが悪く、周囲の構造の影響を受けやすい。実際に、この周波数（８．５ＧＨｚ）は、従来のＴＯＳＡモジュール構造では、Ｓ２１の絶対値が大きく劣化し（図８参照）、Ｓ１１の位相（図１０参照）もこの周波数近傍だけ反転してしまっている。

図１２は、図４（ａ）及び（ｂ）のＴＯＳＡモジュール構造のリードピン側から見た、周波数２３．７ＧＨｚにおける電界強度の分布を示す図であり、（ａ）は本実施形態のＴＯＳＡモジュール構造における電界強度の分布を等高線表示した図であり、（ｂ）は従来のＴＯＳＡモジュール構造における電界強度の分布を等高線表示した図である。図１１に観られる傾向と同様の傾向が見て取れる。Ｓパラメータも従来のＴＯＳＡモジュール構造では、不規則な振る舞いするが（図８，１０参照）、本実施形態のＴＯＳＡモジュール構造では改善されている（図７，９参照）ことが分かる。

以上の実施例から明らかなように、本発明の実施形態に係るＴＯＳＡモジュール構造によれば、伝送線路に沿って高周波電気信号の電界が閉じ込められ、その結果、周囲の構造に影響を与えることも、また影響を受けることもなく、従来のＴＯＳＡモジュール構造で起こっていた、特定の周波数における望ましくない共振状現象や、損失の増大を避けることが可能になる。

なお、上記説明では筐体の一部が金属部分５０２で構成される例を説明してきたが、金属部５０２をセラミックに替えても構わない。

１０１テラス部分
１０２変調電気信号給電用配線端子
１０３セラミック部分
１０４金属部
２０１サブキャリア（薄板）
２０２レーザダイオード
２０３光変調器
２０４コンデンサー
２０５抵抗
２０６キャリア（小板）
２０７熱電冷却素子（ＴＥＣ）
２０８変調電気信号給電用配線
２０９ワイヤ状金線
２１０リボン状金線
２１１伝送線路
２１８レンズ
３０１駆動用ドライバＩＣ
３０２フレキシブルプリント基板
５０１セラミック部分
５０２金属部
５０３金属台座
５０４接続用リードピン
５０５溝
５０６金属部

Claims

開口部を有する金属部及び前記開口部に挿設された誘電体部を有する筐体と、
前記誘電体部に貫設された、前記筐体の外部と内部とを結ぶ線路基板であり、高周波電気信号を伝達する第１の伝送線路を具備した線路基板と、
前記筐体に内設された、第２の伝送線路及び半導体素子が配設されたサブキャリアと
を備えた光モジュールであって、
前記第１の伝送線路と第２の伝送線路とが電気的に接続され、前記第２の伝送線路と前記半導体素子が電気的に接続され、
前記第１の伝送線路の長手方向に垂直な方向の前記線路基板の厚さであり前記第１の伝送線路の下部の厚さが、前記第１の伝送線路の下部以外の厚さに比べて薄く、前記第１の伝送線路の下部の前記線路基板の厚さは、前記高周波電気信号の出力インピーダンスに対してインピーダンス整合する厚さである、ことを特徴とする光モジュール。
前記線路基板は誘電体部からなり、
前記第１の伝送線路の下部の前記線路基板の厚さが薄い部分に対応する前記筐体の部分は、前記金属部である、ことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記半導体素子が光半導体素子であり、
前記光半導体素子が出力する光または前記光半導体素子に入力する光を、前記筐体の外部と光学接続する手段を備えた、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。