JP6722155B2 - 終端回路および配線板 - Google Patents

Description

本発明は、終端回路および配線板に関し、より詳細には、半導体レーザと変調器とがモノリシックに一体化された半導体光集積素子などの高周波素子に高周波信号を供給するための終端回路、および高周波信号を供給する回路を接続するための配線板に関する。

近年、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、光通信用機器に搭載される光送信器の需要が拡大している。光送信器またはそれを構成する部品は、プラガブル（Pluggable）と呼ばれ、搭載や交換がしやすいように、仕様によるモジュール化が急速に進展している。ＸＦＰ（10 Gigabit Small Form Factor Pluggable）は、１０ギガビット・イーサネット（１０ＧｂＥ）の着脱モジュールの業界標準規格の一つであり、この規格により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いる。これは、ＴＯＳＡ（Transmitter Optical Sub-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モジュールがある(例えば、非特許文献１参照)。

図１に、従来のＴＯＳＡモジュールの外観を示す。ＴＯＳＡモジュール１００の筐体は、ＸＦＰ準拠により、焼結セラミックからなるセラミック部１０３と、金属部１０４により形成されている。この筺体を貫通するように、テラス部１０１が設けられており、筺体内部側に向けて貫通する配線端子１０２が形成されている。配線端子１０２は、変調器に供給する高周波信号、半導体レーザに供給するＤＣ給電に用いられる。

図２に、従来のＴＯＳＡモジュールの内部構成の一部を示す。筐体２００の底面上には、熱電冷却素子（ＴＥＣ：Thermo-Electric Cooler）２０７を介して、キャリア２０６と呼ばれる金属性の小板が搭載されている。ＴＥＣ２０７によって、キャリア２０６上の素子で発生した熱が吸熱され、筺体下部から排熱される。省電力化と部品点数削減の観点から、ＴＥＣ２０７を用いないＴＯＳＡの開発も行われている。

キャリア２０６には、サブキャリアと呼ばれる薄板２０１が搭載されている。サブキャリア２０１には、誘電体材料に金属を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る。さらに、サブキャリア２０１には、光送信器に必要な素子、例えば、半導体レーザ２０２、光変調器２０３、終端抵抗２０４およびコンデンサ２０５などが搭載されている。テラス部２１２に設けられた配線端子２０８が、筺体外部から内部へ貫通しており、配線端子２０８とサブキャリア２０１の高周波配線２１１とは、ワイヤ状金線２０９、リボン状金線２１０で接続されている。

ＸＦＰ準拠のＴＯＳＡモジュールの動作周波数は、１０ＧＨｚにまで及んでおり、電気信号は波（マイクロ波）としての振る舞いが強くなる。すなわち、インピーダンス整合しない不連続点（反射点）では、そこを起点とする反射波が発生し、反射波が半導体レーザの駆動ドライバに向かって進行してしまう。このような状況から、従来は、配線端子２０８から終端抵抗２０４までの間の伝送線路において、不連続点（反射点）をなくすことが重要であった。

図３に、従来の半導体光集積素子を搭載したサブキャリアを示す（例えば、非特許文献２参照）。サブキャリア４００には、信号線Ｓの両側に所定の距離を隔ててグラウンド（ＧＮＤ）パターンが対向配置されたコプレナ線路であって、５０オームで設計された高周波配線４０１が形成されている。高周波配線４０１は、ワイヤ状金線４０３ａ，４０３ｂによって、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ（ＥＭＬ）４０２のＥＡ変調器の電極パッド４１１に接続されている。さらに、ワイヤ状金線４０３ｃによって、電極パッド４１１と５０オームの終端抵抗４０４とが接続されている。ＤＦＢレーザ電極４１２は、ワイヤ状金線４０３ｄによって、電極パッド４０５に接続されている。

図４に、従来の半導体光集積素子を搭載したサブキャリアにおいてフリップチップボンディングを用いた接続形態を示す。フリップチップボンディングは、実装基板上にチップを実装する方法の１つであり、チップ表面と基板とを電気的に接続する際、ワイヤボンディングのようにワイヤによって接続するのではなく、アレイ状に並んだ金バンプによって接続する。ワイヤボンディングに比べて配線が極めて短くなるため、高周波特性を改善することができる。

図４（ａ）に示すように、サブキャリア４００上のＥＭＬ４０２と高周波配線４０１とは、配線板３００により接続される。図４（ｂ）は、配線板３００の底面の構成を示している。高周波配線４０１の信号線Ｓは、バンプ３１１、高周波配線３０１、バンプ３１２を介してＥＡ変調器の電極パッド４１１と接続される。高周波配線４０１のＧＮＤパターンは、バンプ３１３ａ，３１３ｂを介して、ＧＮＤ配線３０２に接続されている。

さらに、配線板３００には、５０オームの終端回路も形成されている。高周波配線３０１は、ＥＡ変調器の電極パッド４１１と接続されるバンプ３１２からさらに伸張され、５０オームの終端抵抗３０３の一方の端子に接続される。終端抵抗３０３は、チップ抵抗を配線板に半田付けしてもよいし、配線板に作りこんでもよい。終端抵抗３０３は、寄生容量を少なくするためになるべく短くなるようにし、他方の端子は、ＧＮＤ配線３０２との間に隙間を設けずに両者を直結して、寄生成分が含まれないようにする。

このような構成により、寄生インダクタンス、寄生容量を減らすことにより、高周波特性を改善することを重要視している。

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, JULY/AUGUST 2006, pp776-782 Chengzhi Xu, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 24, NO. 22, 2012

図４に示した構造は、高周波配線３０１と終端抵抗３０３とをそれぞれ５０オームに設定することによりインピーダンス整合をとることができる。また、終端抵抗３０３を短くすることにより寄生インダクタンスを減らすことができる。しかしながら、従来の終端回路は、高周波配線３０１と終端抵抗３０３とのインピーダンス整合が考慮されているものの、高周波配線３０１に電気的に接続されるＥＡ変調器を含むインピーダンス整合が考慮されていない。

ＥＡ変調器は、ＤＦＢレーザの光を吸収し、光損失を増大させることで変調を行う。一例として、印加電圧は、−３Ｖ（ＬＯＷ）〜−０．５Ｖ（ＨＩＧＨ）であり、受光電流は１５ｍＡ程度流れる。ＥＡ変調器を抵抗成分に換算すると２００オームであり、５０オーム線路から大きく外れる可能性がある。加えて、ＥＡ変調器の等価回路、高周波配線等には、キャパシタなど、虚部のインピーダンスを持つ寄生成分も含まれる。このため、一般的に、１０ＧＨｚを超えるような高周波領域まで広帯域にインピーダンス整合を取るために、実部の値しか有しない抵抗体のみの終端回路では、インピーダンス整合させることは困難である。

本発明の目的は、広帯域にインピーダンス整合がなされた終端回路と、高周波信号を供給する回路を接続するための配線板を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、終端回路の一実施態様は、所定の特性インピーダンスを有する第１導体線路と、前記第１導体線路と接続される終端抵抗と、前記終端抵抗と接続される第２導体線路と、前記第１導体線路、前記終端抵抗および前記第２導体線路に対して、所定の距離を隔てて対向配置されるグラウンド配線と、前記第１導体線路と高周波素子とを接続するための第１のバンプと、前記第１のバンプを中心として所定の半径の円周上に配置され、前記高周波素子のグラウンド用電極と前記グラウンド配線とを接続するための複数の第２のバンプとを備え、前記第１のバンプを中心導体、前記第２のバンプを外部導体とする同軸線路に近似したとき、前記半径は、前記所定の特性インピーダンスとなる半径とは異なることを特徴とする。

また、配線板の一実施態様は、所定の特性インピーダンスを有する第１導体線路と、前記第１導体線路に対して、所定の距離を隔てて対向配置される第１のグラウンド配線が形成されたコプレナ線路を有する配線板であって、前記第１導体線路と所定の特性インピーダンスを有する第２導体線路とを接続するための第１のバンプと、前記第１のバンプを中心として所定の半径の円周上に配置され、前記第２導体線路と対向配置される第２のグラウンド配線と前記第１のグラウンド配線とを接続するための複数の第２のバンプとを備え、前記第１のバンプを中心導体、前記第２のバンプを外部導体とする同軸線路に近似したとき、前記半径は、前記所定の特性インピーダンスとなる半径とは異なることを特徴とする。

本発明によれば、第１のバンプを中心導体、第２のバンプを外部導体とする同軸線路に近似した形状によって、広帯域に精度の高いインピーダンス整合を図ることができる。

従来のＴＯＳＡモジュールを示す外観図である。 従来のＴＯＳＡモジュールの内部構成の一部を示す斜視図である。。 従来の半導体光集積素子を搭載したサブキャリアを示す上面図である。 従来の半導体光集積素子を搭載したサブキャリアにおいてフリップチップボンディングを用いた接続形態を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる半導体光集積素子を搭載したサブキャリアに用いる配線板を示す図である。 第１の実施形態にかかる配線板の等価回路を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかるフリップチップボンディングを用いた接続形態を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかるフリップチップボンディングを用いた接続形態を示す図である。

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。本実施形態によれば、ＥＭＬに代表される半導体光集積素子を搭載したサブキャリアにおいて、フリップチップボンディングに用いる配線板の終端回路に対して、さらなる高周波特性の改善を図ることができる。

（第１の実施形態）
図５に、本発明の第１の実施形態にかかる半導体光集積素子を搭載したサブキャリアに用いる配線板を示す。図５（ａ）は配線板５００の斜視図であり、フリップチップボンディングにより接続されるＥＭＬ４０２を合わせて示している。ＥＭＬ４０２は、信号用の電極パッド４１１およびグラウンド用の電極４１３が、共にＥＭＬ４０２の上面に構成されている。信号用の電極パッド４１１は、バンプによって配線板５００の高周波配線５０１のバンプ接続部５１１に接続され、グラウンド用の電極４１３は、ＧＮＤ配線５０２のバンプ接続部５１２に接続される。

図５（ｂ）は、配線板５００の底面の配線パターンを示す図である。高周波配線５０１（第１導体線路）は、ＧＮＤ配線５０２とともにインピーダンス特性が５０Ωの導体線路である５０Ω線路部５２１を構成し、５０オームの終端抵抗５０３の一方の端子に接続される。高周波配線５０１は、終端抵抗５０３との接続部において、内側に曲がる折り曲げ形状５１３ｃ−ｄを有する。例えば、線路幅が直線的に狭くなるテーパ形状となっており、インピーダンス遷移部５２２を構成する。

ＧＮＤ配線５０２も、インピーダンス遷移部５２２において、高周波配線５０１と同様にテーパ形状の折り曲げ形状５１３ａ−ｂを有する。これにより、インピーダンス遷移部５２２の特性インピーダンスは、終端抵抗５０３側に向かって、５０Ωよりも大きくなるように変化する。

終端抵抗５０３が配置された部分も特性インピーダンスが５０Ωよりも大きくなり、第１の高インピーダンス部５２３を構成する。終端抵抗５０３の他方の端子は、第２導体線路５０４を介してＧＮＤ配線５０２に接続される。第２導体線路５０４は、対向するＧＮＤ配線５０２との組み合わせによって、第２の高インピーダンス線路部５２４を構成する。第２の高インピーダンス線路部５２４は、スタブとして機能し、これにより、後述する周波数のピーキング量が調整されるようになっている。

図６に、第１の実施形態にかかる配線板の等価回路を示す。等価回路は、５０Ω線路部５２１、インピーダンス遷移部５２２、第１の高インピーダンス線路部５２３、および第２の高インピーダンス線路部５２４が順に接続され、ＥＭＬ４０２のＥＡ変調器は、５０Ω線路部５２１とインピーダンス遷移部５２２との間に接続される。

この等価回路を用いてシミュレーションを行い、配線板５００の配線パターンの各パラメータを決定し、インピーダンス整合がなされた終端回路を設計する。具体的には、三次元電磁解析シミュレータを利用して、終端抵抗５０３の長さｌ、終端抵抗５０３とＧＮＤ配線５０２との間隔、および、第２の高インピーダンス線路部５２４の長さを変えて、ＥＡ変調器の入力信号強度を計算する。

終端抵抗５０３の長さｌを変えることにより帯域幅が改善され、終端抵抗５０３とＧＮＤ配線５０２との間隔を変えることによりピーキングの周波数が決まり、第２の高インピーダンス線路部５２４の長さを変えることによりピーキング量が決まる。例えば、１０ＧｂＥのＴＯＳＡモジュールとして使用する場合、使用する周波数に合わせて、帯域、ピーキングを設定すれば、広帯域に精度の高いインピーダンス整合を実現することができる。

（第２の実施形態）
図７に、本発明の第２の実施形態にかかるフリップチップボンディングを用いた接続形態を示す。図７（ａ）は、配線板６００の底面の構成を示し、図７（ｂ）は、配線板６００と対向して接続されるサブキャリア４００上のＥＭＬ４０２の上面の構成を示す。高周波配線６０１は、バンプ６１１を介してＥＡ変調器の電極パッド４１１と接続され、ＧＮＤ配線６０２は、バンプ６１２ａ−ｆを介してグラウンド用電極４１３ａ−ｂに接続されている。配線板６００は、第１の実施形態と同様に、５０Ω線路部、インピーダンス遷移部、第１の高インピーダンス線路部、および第２の高インピーダンス線路部が順に形成されている。

第１の実施形態において、高周波配線５０１とＥＡ変調器とを接続するバンプ接続部５１１は、特性インピーダンスの高い線路構造となっており、５０Ω線路部、高インピーダンス線路、ＥＡ変調器の入力インピーダンス（例えば、２００オーム程度）が縦続して接続されていることになる。

そこで、第２の実施形態では、バンプ６１１を中心にして、半径ｒの円周上に複数のバンプ６１２ａ−ｆが配置されるようにする。ＧＮＤ配線６０２は、バンプ６１２ａ−ｆを介してグラウンド用電極４１３ａ−ｂに接続される。このようにして、配線板６００とＥＭＬ４０２との接続面を、バンプ６１１を中心導体、バンプ６１２ａ−ｆを外部導体とする特性インピーダンス５０オームの同軸線路に近似した構造とする。

第１の実施形態では、バンプ５１１の有する寄生インダクタンスにより、線路の周波数特性にピーキングが生じる。特性インピーダンスが５０オームとなる半径をｒ₀とすると、第２の実施形態では、ｒ＞ｒ₀として、寄生インダクタンスによる影響を調整する。すなわち、第１の実施形態と比較すると、バンプ６１１の有する寄生インダクタンスによる影響を少なくする一方、インダクタンス成分の強い同軸構造として、半径ｒ₀を調整することにより、任意のピーキング量に調整することができる（場合によっては、ｒ＜ｒ₀とすることもある）。

加えて、ＥＭＬ４０２の上面の電極パッド４１１とグラウンド用の電極４１３ｂとの間隔Ｌも、特性インピーダンス５０オームの同軸線路に近似した構造とする。上述したように、特性インピーダンスが５０オームとなる間隔をＬ₀とすると、Ｌ＞Ｌｒ₀として、電極パッド４１１の有する寄生インダクタンスによるピーキング量を調整する点は、上述した半径ｒ₀の調整と同様である（場合によっては、Ｌ＜Ｌｒ₀とすることもある）。

本実施形態では、配線板によってＥＭＬのＥＡ変調器を接続する構成を例に説明したが、筺体外部から、高周波線路を介して、サブキャリア上の高周波素子に高周波信号を供給する場合に適用することができる。

（第３の実施形態）
図８に、本発明の第３の実施形態にかかるフリップチップボンディングを用いた接続形態を示す。図８（ａ）は、第１の配線板７００の底面の構成を示し、図８（ｂ）は、第１の配線板７００と対向して接続される第２の配線板８００の上面の構成を示す。高周波配線７０１は、バンプ７１１を介して第２の配線板８００の電極パッド８１１と接続され、ＧＮＤ配線７０２ａ−ｂは、バンプ７１２ａ−ｈを介して第２の配線板８００のＧＮＤ配線８０２に接続されている。配線板７００は、第１の実施形態と同様に、５０Ω線路部、インピーダンス遷移部、第１の高インピーダンス線路部、および第２の高インピーダンス線路部が順に形成されている。

バンプ７１１を中心にして、半径ｒの円周上に複数のバンプ６１２ａ−ｈが配置され、第１の配線板７００と第２の配線板８００との接続面を、特性インピーダンス５０オームの同軸線路に近似した構造とする。なお、バンプ８１１の有する寄生インダクタンスを相殺するために、特性インピーダンスが５０オームとなる半径をｒ₀とすると、第３の実施形態においても、ｒ＜ｒ₀として、容量成分の強い同軸構造とするのが好適である。

加えて、第２の配線板８００の電極パッド８１１とＧＮＤ配線８０２との間隔Ｌも、特性インピーダンス５０オームの同軸線路に近似した構造とする。上述したように、特性インピーダンスが５０オームとなる間隔をＬ₀とすると、Ｌ＜Ｌｒ₀として、電極パッド８１１の有する寄生インダクタンスを相殺する。

このようにして、高周波線路同士の接続においても、広帯域に精度の高いインピーダンス整合を図るとともに、任意のピーキングに調整することができる。

１００ ＴＯＳＡモジュール
１０１，２１２ テラス部
１０２，２０８ 配線端子
１０３ セラミック部
１０４ 金属部
２００ 筐体
２０１，４００ サブキャリア
２０２ 半導体レーザ
２０３ 光変調器
２０４，３０３，４０４，５０３ 終端抵抗
２０５ コンデンサ
２０６ キャリア
２０７ ＴＥＣ
２０９，４０３ａ−ｄ ワイヤ状金線
２１０ リボン状金線
２１１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１ 高周波配線
３００，５００，６００，７００，８００ 配線板
３０２，５０２，６０２，７０２，８０２ ＧＮＤ配線
３１１，３１２，３１３ａ−ｂ，６１１，６１２ａ−ｆ，７１１，７１２ａ−ｈ バンプ
４０２ ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ（ＥＭＬ）
４０５，４１１，８１１ 電極パッド
４１２ ＤＦＢレーザ電極
４１３ グラウンド用電極

Claims (6)

1. 所定の特性インピーダンスを有する第１導体線路と、
   前記第１導体線路と接続される終端抵抗と、
   前記終端抵抗と接続される第２導体線路と、
   前記第１導体線路、前記終端抵抗および前記第２導体線路に対して、所定の距離を隔てて対向配置されるグラウンド配線と、
   前記第１導体線路と高周波素子とを接続するための第１のバンプと、
   前記第１のバンプを中心として所定の半径の円周上に配置され、前記高周波素子のグラウンド用電極と前記グラウンド配線とを接続するための複数の第２のバンプとを備え、
   前記第１のバンプを中心導体、前記第２のバンプを外部導体とする同軸線路に近似したとき、前記半径は、前記所定の特性インピーダンスとなる半径とは異なることを特徴とする終端回路。
2. 前記第１導体線路および前記グラウンド配線は、それぞれ、前記終端抵抗側に向かって、線路幅が狭くなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の終端回路。
3. 前記終端抵抗および前記第２導体線路の部分の特性インピーダンスは、前記グラウンド配線との組み合わせによって、前記第１導体線路の前記特性インピーダンスよりも高くなるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の終端回路。
4. 前記第１導体線路および前記グラウンド配線において、前記線路幅は、テーパ形状により狭く形成されることを特徴とする請求項２または３に記載の終端回路。
5. 所定の特性インピーダンスを有する第１導体線路と、
   前記第１導体線路に対して、所定の距離を隔てて対向配置される第１のグラウンド配線が形成されたコプレナ線路を有する配線板であって、
   前記第１導体線路と所定の特性インピーダンスを有する第２導体線路とを接続するための第１のバンプと、
   前記第１のバンプを中心として所定の半径の円周上に配置され、前記第２導体線路と対向配置される第２のグラウンド配線と前記第１のグラウンド配線とを接続するための複数の第２のバンプとを備え、
   前記第１のバンプを中心導体、前記第２のバンプを外部導体とする同軸線路に近似したとき、前記半径は、前記所定の特性インピーダンスとなる半径とは異なることを特徴とする配線板。
6. 前記第１導体線路と第２導体線路との間に終端抵抗が接続されて終端回路が構成され、前記第１導体線路および前記第１のグラウンド配線は、それぞれ、前記第２導体線路側に向かって、線路幅が狭くなるように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の配線板。

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