JP6740206B2 - 光受信器 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバを用いて通信を行う光通信技術の分野に属する光受信器に関する。

近年、通信技術の劇的な発展に伴い、通信容量の不断の増大が求められている。これに伴い、数百ｋｍ以上の長距離の都市間を結ぶ基幹回線ばかりでなく、１００ｋｍ未満の都市間や、データセンタ間を結ぶ比較的近距離の回線にも、大容量の通信装置が必要とされてくるようになった。

そのため、従来では基幹回線のみに用いられてきた大容量ディジタルコヒーレント通信技術は、分散耐力や高い受信感度などの優れた特性のため、これらの近距離の通信でも使われるようになってきている。通信網は末端になるほど細かく分かれているため、これらの近距離で用いられる通信機器の数は基幹回線装置に比べてはるかに多く、同時に近距離用通信機器に対するサイズの縮小やコスト要求は遠距離用のものと比較するとずっと厳しいものになる。

これらの通信機器を実現するために必要なデバイスにおいて、ＩＣチップ自体及びその実装時のサイズを縮小し、またコストを下げる技術として、フリップチップ実装技術が着目されている。

図５（Ａ）に、従来のワイヤボンディングを用いた光受信器の上面図を示し、図５（Ｂ）に、この光受信器の側面図を示す。また、図６（Ａ）に、従来のフリップチップ実装技術を用いた光受信器の上面図を示し、図６（Ｂ）に、この光受信器の側面図を示す。

光受信器は、ＤＰＯＨ２１１（ｄｕａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｈｙｂｒｉｄ：二重偏波光ハイブリッド）および４対のデュアルフォトダイオード２１２から構成される光半導体チップ２１０と、４チャネルのトランスインピーダンスアンプ２３１（ＴＩＡ：ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を搭載するＴＩＡ ＩＣ２３０を１つのパッケージ基板２４０に実装した形態をとっている。

デュアルフォトダイオード２１２は、アノードＳ１、Ｓ２及びカソードＣＡがパッケージ基板２４０と接続されている。ＴＩＡ ＩＣ２３０は、差動入力端子Ｔ１、Ｔ２及びバイアス電源供給部ＶＰＤがパッケージ基板２４０と接続されている。

従来のＩＣ実装方法を用いた図５（Ａ）、（Ｂ）に示す光受信器では、光半導体チップ２１０とＴＩＡ ＩＣ２３０とがボンディングワイヤで接続されているが、他の素子ともＩＣの周辺に配置された電極パッドに対するワイヤボンディングによって電気的に接続する必要がある（例えば、非特許文献１参照）。

一方、フリップチップ実装技術を用いた図６（Ａ）、（Ｂ）に示す光受信器では、図５（Ａ）、（Ｂ）に示す従来のＩＣ実装方法と異なり、ＩＣのパッド部分に金属バンプ２５０を載せてそのままセラミック等のパッケージ内の電極に接続される。このため、ＩＣのサイズ全面が接続用のパッドとして使用でき、ＩＣ周辺のみにパッドが制限されていたワイヤボンディング用のＩＣよりも、特にパッド数が多い場合にＩＣのサイズが縮小できる利点がある。

さらにワイヤボンディングでＩＣから接続する際に、ＩＣよりも外側のパッケージ基板上にＩＣに接続するためのパッドを形成することが不要になるため、ＩＣ実装面積を縮小することができてパッケージの小型化にもつながる。これらのＩＣやパッケージサイズの縮小はコスト低減にもつながる。

光受信器の場合にも、このフリップチップ実装技術を、フォトダイオードを含むシリコンフォトニクス等によって作製した光半導体チップとＴＩＡ ＩＣの実装に適用することで、光受信器の小型化・低コスト化が可能になる。

このように、光受信器にフリップチップ実装技術を用いる場合は、ＤＰＯＨ１１１（ｄｕａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｈｙｂｒｉｄ：二重偏波光ハイブリッド）２１１およびフォトダイオード２１２を含む光半導体チップ２１０とＴＩＡ１３１を含むＴＩＡ ＩＣ２３０とを、パッケージの線路２２０を介して接続する必要がある。

この線路２２０の重要で基本となるパラメータの１つは特性インピーダンスであり、金属層の間の絶縁体の誘電率、金属層の間隔、金属構造体の形状やサイズ（信号線の幅、信号線と接地線との間の距離など）といった様々な独立したパラメータにより決まる。フォトダイオードとＴＩＡの間をつなぐ線路に一定の長さがある場合、この線路の特性インピーダンスは全体の周波数特性に大きな影響を与える。

図６（Ｃ）に、ＴＩＡ ＩＣ２３０の入力インピーダンスに対して特性インピーダンスが低い線路を介してＴＩＡとフォトダイオードを接続した場合の光変調器の光／電気応答（Ｏ／Ｅレスポンス）の周波数特性を示す。フォトダイオード２１２やＴＩＡ２３１の帯域が２０ＧＨｚ程度あるにも拘らず、全体の周波数特性がこれよりも大幅に低下してしまっている。この例は差動インピーダンス１００Ωの場合の図である。このＯ／Ｅレスポンスの周波数特性を改善するためには、線路の特性インピーダンスをＴＩＡ２３１の入力インピーダンスに対して高くする必要がある。

小川育生 他、"１００Ｇｂｉｔ／ｓ光受信ＦＥモジュール技術"、ＮＴＴ技術ジャーナル２０１１年３月号

しかしながら、小型化の要求から線路のサイズには制限があるため、この線路の特性インピーダンスをトランスインピーダンスアンプの入力インピーダンスに対して高インピーダンス化することが難しい。つまり、通常行われる基板パターン技術の限界により、線路幅・線路スペースなどについて、十分な再現性を持たせて作成するためには、線路幅を一定以上に保つ必要がある。一方、線路間の間隔を広げすぎるとサイズが大きくなり、小型化の妨げになる。そのため、例えば、差動数百Ω程度以上のインピーダンスが必要となる場合、このような値を小型化と同時に実現することが難しいという課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、フリップチップ実装されたＩＣ間を接続する線路がＩＣの入力インピーダンスに対して高インピーダンスである光受信器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様は、複数チャネルに対応する複数のフォトダイオードを含む光半導体チップと、複数チャネルに対応する複数のトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）を含むＴＩＡ ＩＣとがフリップチップの形態で基板上に実装され、前記光半導体チップと前記ＴＩＡ ＩＣとが電気的に接続されている光受信器であって、前記チャネル毎に、前記フォトダイオードのアノードと前記ＴＩＡの入力端子とをそれぞれ接続する前記基板の表面上に形成された信号線路と、前記フォトダイオードのカソードとバイアス電源供給部とをそれぞれ接続する前記基板の前記基板の内層もしくは基板の表面であって信号線路から、信号線路間隔と比べて離れた位置に形成された電源線路とを備えたことを特徴する。

本発明の別の態様では、さらに前記フォトダイオードは、デュアルフォトダイオードであり、前記チャネル毎に、前記デュアルフォトダイオードの２つのカソードが、前記光半導体チップ上の容量を介して互いに接続されているもしくは直接接続されていることを特徴とする。

本発明の他の一態様は、複数チャネルに対応する複数のデュアルフォトダイオードを含む光半導体チップと、複数チャネルに対応するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）を含むＴＩＡ ＩＣとがフリップチップの形態で基板上に実装され、前記光半導体チップと前記ＴＩＡ ＩＣとが電気的に接続されている光受信器であって、前記チャネル毎に、前記デュアルフォトダイオードの２つのアノードと前記ＴＩＡの差動入力端子とをそれぞれ接続する２本の信号線路であって、前記２本の信号線路の一方が前記基板の表面上に形成され、前記２本の信号線路の他方が前記基板の内層に形成された２本の信号線路と、前記デュアルフォトダイオードの２つのカソードとバイアス電源供給部とをそれぞれ接続する前記基板の前記基板の内層もしくは基板の表面であって信号線路から、信号線路間隔と比べて離れた位置に形成された２本の電源線路とを備えたことを特徴する。

本発明の別の態様では、さらに前記チャネル毎に、前記電源線路が、前記光半導体チップおよび前記ＴＩＡ ＩＣの周囲に配置されたことを特徴とする。

本発明の別の態様では、さらに前記チャネル毎に、前記デュアルフォトダイオードの２つのカソードが、前記光半導体チップ上の容量を介して互いに接続されているもしくは直接接続されていることを特徴とする。

本発明の別の態様では、さらに前記基板の表面上に形成された前記信号線路および前記電源線路の少なくとも一部がボンディングワイヤであることを特徴とする。

本発明の光受信器は、フリップチップ実装されたＩＣ間を接続する線路がＩＣの入力インピーダンスに対して高インピーダンスとすることで、優れた周波数特性を有する。

（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光受信器の上面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＢＢ断面図を示し、（Ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光受信器のＯ／Ｅレスポンスの周波数特性例を示す図である。 （Ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る光受信器の上面図であり、（Ｂ）は、この光受信器の側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る光受信器の上面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る光受信器において、線路の一部にボンディングワイヤを用いる構成を示す図である。 （Ａ）は、従来のワイヤボンディングを用いた光受信器の上面図であり、（Ｂ）は、この光受信器の側面図である。 （Ａ）は、フリップチップ実装技術を用いた従来の他の光受信器の上面図を示す図であり、（Ｂ）は、この光受信器の側面図であり、（Ｃ）は、この光受信器の周波数特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１（Ａ）に本発明の第１の実施形態に係る光受信器の上面図を示し、図１（Ｂ）に図１（Ａ）のＢＢ断面図を示す。図１（Ａ）に示す光受信器の構成例は、コヒーレント光受信器を示している。このコヒーレント光受信器は、ＤＰＯＨ１１１（ｄｕａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｈｙｂｒｉｄ：二重偏波光ハイブリッド）および４対のデュアルフォトダイオード１１２から構成される光半導体チップ１１０と、４チャネルのトランスインピーダンスアンプ１３１（ＴＩＡ：ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を搭載するＴＩＡ ＩＣ１３０を１つのパッケージ基板１４０に実装した形態をとっている。

第１の実施形態では、光半導体チップ１１０とＴＩＡ ＩＣ１３０がフリップチップの形態でパッケージ基板１４０上に実装されている。前述したようにこの光受信器内には４チャネルのデュアルフォトダイオード１１２と４チャネルのトランスインピーダンスアンプ１３１を有しているが、図１（Ａ）では４個のチャネルのうち１個のチャネルのみその内部の構成を表示している。

デュアルフォトダイオード１１２は、アノードＳ１、Ｓ２及びカソードＣＡ１、ＣＡ２がパッケージ基板１４０と接続されている。ＴＩＡ ＩＣ１３０は、差動入力端子Ｔ１、Ｔ２及びバイアス電源供給端子ＶＰＤ１、ＶＰＤ２がパッケージ基板１４０と接続されている。ＶＰＤ１、ＶＰＤ２は、ＴＩＡ ＩＣ１３０の外部のバイアス電源供給部と接続される引き出し用端子１３２−１、１３２−２とそれぞれ接続されている。ＣＡ１、ＣＡ２は、ＶＰＤ１、ＶＰＤ２を介さずに直接外部のバイアス電源供給部と接続されてもよい。

なお、ＴＩＡ１３１は信号出力端子・電源端子・制御端子・モニタ端子など実際は他にも多数の端子を有しているが、図１（Ａ）では便宜上不図示とした。

また図１（Ｂ）に示すように、Ｓ１とＴ１、Ｓ２とＴ２を接続する信号線路１２１は、バンプ１５１を介して半導体チップ１１０と電気的に接続するようにパッケージ基板１４０の表面上に形成されている。また、ＣＡ１とＶＰＤ１、ＣＡ２とＶＰＤ２を接続する電源線路１２２は、バンプ１５１と接続したパッドからビア１５２を介してＴＩＡ ＩＣ１３０と電気的に接続するようにパッケージ基板１４０の内層に形成されている。なお、バンプ１５１およびビア１５２としては、端子Ｓ１、Ｓ２、Ｔ１、Ｔ２、ＣＡ１、ＣＡ２、ＶＰＤ１、ＶＰＤ２の一部に対応するもののみを図示し、その他のビアについては便宜上不図示とした。

これら信号線路１２１と電源線路１２２との間の距離は、パッケージ基板１４０表面上に形成された信号線路１２１同士間、つまり信号線路１２１−１、１２１−２間の距離よりも長くなるよう配置されている。そのため、信号線路１２１の特性インピーダンスは、より影響の大きい信号線路１２１−１、１２１−２の間隔で概ね決まることになるが、各チャネルにおいて信号線路１２１、電源線路１２２を同じ平面内に設けた場合と比べて、信号線路１２１−１、１２１−２の間隔を広げることが可能になる。これにより、線路１２０を長くすることなく、線路１２０の特性インピーダンスを高くすることができる。

図１（Ｃ）に、本発明の第１の実施形態に係る光受信器におけるＯ／Ｅレスポンスの周波数特性例を示す。３ｄＢ帯域特性が２０ＧＨｚ以上確保できている様子が確認できる。この例は差動インピーダンス２００Ωの場合の図である。

（第２の実施形態）
図２（Ａ）に、本発明の第２の実施形態に係る光受信器の上面図を示し、図２（Ｂ）に、図２（Ａ）に示す光受信器の側面図を示す。第１の実施形態では、信号線路１２１をパッケージ基板１４０の表面上に形成する一方、電源線路１２２をパッケージ基板１４０の内層に通すことで、信号線路１２１と電源線路１２２との間隔を取っている。これに対し第２の実施形態では、図２に示すように電源線路１２２を水平方向に迂回させて片側に寄せることで、信号線路１２１と電源線路１２２との間隔を広げる構成としている。これは信号線路１２１と、電源線路１２２や他のグランドとの間隔が広がるほど信号線路１２１のインピーダンスを高くすることができるためである。さらに信号線路１２１と電源線路１２２との間隔を広げるために、電源線路１２２を、光半導体チップ１１０とＴＩＡ ＩＣ１３０とをチップの下部分で接続するのではなく、これらのチップの周囲を迂回させるように配置してもよい。

また、各チャネル内において２本の信号線路１２１同士を隣接するように配置し、電源線路１２２を信号線路１２１よりも隣接するチャネルに近い位置に配置することで、チャネル間の高周波分離性能を向上させている。

（第３の実施形態）
図３に、本発明の第３の実施形態に係る光受信器の上面図を示す。図２に示す第２の実施の形態ではＣＡ１、ＣＡ２を独立とすることで、フォトダイオードの電流を個別にモニタすることができる利点があるが、図３に示す第３の実施形態のように、カソードＣＡ１、ＣＡ２を直結して電源線路１２２を１本にすることで、電源線路に必要な領域を小さくし、信号線路１２１と電源線路１２２との間隔をより広くとることができるため、線路１２のインピーダンスをより高くすることができる。

なお、第１〜第３の実施形態のいずれについても、チャネル間の高周波分離性能をさらに改善させるために、光半導体チップ１１０、ＴＩＡ ＩＣ１３０およびパッケージ基板１４０の各チャネル間に分離用のグランド線路を挿入することもできる。

また、第１〜第３の実施形態において、同一面上に水平方向に並列に形成した信号線路１２１−１、１２１−２のいずれか一方をパッケージ基板１４０の内層に配置することもできる。このように垂直方向に信号線路１２１−１、１２１−２を構成することにより、チャネル間の信号線路１２１の間隔を広げることもできる。同様に、電源線路１２２も一方をパッケージ基板１４０の表面上に配置し、他方をパッケージ基板１４０の内層に配置し、それら２本の電源線路１２２をチャネル内の片側に寄せて配置することで、信号線路１２１と電源線路１２２との間隔を広くすることができる。

さらに、第１〜第３の実施形態において、パッケージ基板１４０の表面上に形成された線路については、図４（Ａ）、（Ｂ）のように線路１２０の一部にボンディングワイヤ１６０を併用することも可能である。図４（Ａ）では、フリップチップを実施する前にパッケージ基板１４０の表面上に形成した線路１２０の一部をボンディングワイヤ１６０で接続することもできる。また、図４（Ｂ）では、フリップチップの裏面にバンプ１５１を設けているが、光半導体チップ１１０とＴＩＡ ＩＣ１３０との接続はボンディングワイヤ１６０のみで接続してもよい。ボンディングワイヤ１６０を用いると、基板上にパターニングするのと比較して線路幅を狭くでき、また線路の周囲を誘電率の低い空気にできるため高いインピーダンスを実現しやすい。

また、第１〜第３の実施形態では、ＴＩＡ１３１は差動型とし、フォトダイオードもデュアルフォトダイオード１１２としているが、ＴＩＡ１３１は必ずしも差動型で無くてもよく、ＴＩＡ１３１が差動型で無く、デュアルフォトダイオード１１２は単一のフォトダイオードとしてもよい。そのときは、信号線路、電源線路はそれぞれ１本となる。

１１０、２１０ 光半導体チップ
１１１、２１１ ＤＰＯＨ
１１２、２１２ デュアルフォトダイオード
１２０、２２０ 線路
１２１、２２１ 信号線路
１２２、２２２ 電源線路
１３０、２３０ ＴＩＡ ＩＣ
１４０、２４０ パッケージ基板
１５１、２５１ バンプ
１５２ ビア
１６０ ボンディングワイヤ

Claims (6)

1. 複数チャネルに対応する複数のフォトダイオードを含む光半導体チップと、複数チャネルに対応する複数のトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）を含むＴＩＡ ＩＣとがフリップチップの形態で基板上に実装され、前記光半導体チップと前記ＴＩＡ ＩＣとが電気的に接続されている光受信器であって、前記チャネル毎に、
   前記フォトダイオードのアノードと前記ＴＩＡの入力端子とをそれぞれ接続する前記基板の表面上に形成された信号線路と、
   前記フォトダイオードのカソードとバイアス電源供給部とをそれぞれ接続する前記基板の前記基板の内層もしくは基板の表面であって信号線路から、信号線路間隔と比べて離れた位置に形成された電源線路と
   を備えたことを特徴する光受信器。
2. 前記フォトダイオードは、デュアルフォトダイオードであり、前記チャネル毎に、前記デュアルフォトダイオードの２つのカソードが、前記光半導体チップ上の容量を介して互いに接続されているもしくは直接接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光受信器。
3. 複数チャネルに対応する複数のデュアルフォトダイオードを含む光半導体チップと、複数チャネルに対応するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）を含むＴＩＡ ＩＣとがフリップチップの形態で基板上に実装され、前記光半導体チップと前記ＴＩＡ ＩＣとが電気的に接続されている光受信器であって、前記チャネル毎に、
   前記デュアルフォトダイオードの２つのアノードと前記ＴＩＡの差動入力端子とをそれぞれ接続する２本の信号線路であって、前記２本の信号線路の一方が前記基板の表面上に形成され、前記２本の信号線路の他方が前記基板の内層に形成された２本の信号線路と、
   前記デュアルフォトダイオードの２つのカソードとバイアス電源供給部とをそれぞれ接続する前記基板の前記基板の内層もしくは基板の表面であって信号線路から、信号線路間隔と比べて離れた位置に形成された２本の電源線路と
   を備えたことを特徴する光受信器。
4. 前記チャネル毎に、前記デュアルフォトダイオードの２つのカソードが、前記光半導体チップ上の容量を介して互いに接続されているもしくは直接接続されていることを特徴とする請求項３に記載の光受信器。
5. 前記チャネル毎に、前記電源線路が、前記光半導体チップおよび前記ＴＩＡ ＩＣの周囲に配置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光受信器。
6. 前記基板の表面上に形成された前記信号線路および前記電源線路の少なくとも一部がボンディングワイヤであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光受信器。

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