JP7842361B2 - 光受信器 - Google Patents

光受信器

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Description

本開示は、光受信器に関し、より詳細には光受信器のための光半導体モジュールの実装技術に関する。
従来、受光素子であるフォトダイオード(PD)と、PD駆動のためのバイアス回路と、トランスインピーダンスアンプ(TIA)とを備えた光受信器が知られている(たとえば、非特許文献1参照)。特に受光素子をアバランシェフォトダイオード(APD)とする場合、TIAからの供給電圧では駆動することが難しいため、別途バイアス回路が必要となっている。
図1は、従来型の光受信器の概略構成を示す図である。図1(a)は上面図、図1(b)は断面図である。図1に示す光受信器100は、PD101と、PD101を駆動するためのバイアス回路102と、電気アンプであるTIA104とを備えている。
PD101とバイアス回路102はPDサブキャリア103上に配置され、TIA104はPDサブキャリア103と異なるTIAサブキャリア105上に配置されている。PDサブキャリア103およびTIAサブキャリア105は、誘電体キャリアである。
バイアス回路102は、バイアス回路を構成するキャパシタであり、接続されたPD101に逆バイアスを印加する。TIA104は、接続されたPD101からの電流を電圧に変換する。PD101に最も近い位置にあるバイアス回路102(キャパシタ)は、光受信器100の高周波特性に影響を与える。
バイアス回路102とPD101との間、およびPD101とTIA104との間にはそれぞれ一定の距離が設けられている。PD101とバイアス回路102とは、金属のワイヤ106aにより電気的に接続されている。同様に、PD101とTIA104とは、金属のワイヤ106bにより電気的に接続されている。
なお、PDサブキャリア103は貫通穴を有し、貫通穴により開口部103aが形成されている。信号光が開口部103aを介してのPD101の裏面側の受光面に入射するように、PD101はPDサブキャリア103上に配置されている。
H. T. Chen et. al., "Low-voltage waveguide Ge APD based high sensitivity 10Gb/s Si photonic receiver," 2015 European Conference on Optical Communication, Tu1.3.4.
上述したように光受信器において光電変換された信号を伝達するために、光受信器を構成する素子間が電気的に接続されている必要がある。各素子間の電気接続には一般的に金属ワイヤが用いられている。この金属ワイヤは光受信器の周波数応答特性に影響を与えるため、光受信器を広帯域に動作させるためには各素子の周波数特性を考慮した適切な長さのワイヤ実装が求められる。例えば100Gbaud超級の光受信器では100μm前後のワイヤを実装することによって、周波数特性に若干のピーキングを設け広帯域化が図られるとされている。最適な長さのワイヤを実装するためには、それに応じた距離を素子間に設ける必要がある。加えて、実装上のトレランスからワイヤ長がばらつくことによって帯域が変化してしまうことがある。故にワイヤ実装の場合、光受信器の構造設計における自由度を律速してしまうといった課題があった。
本開示は、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、光受信器を構成する素子間の距離が変わった場合でも動作帯域の劣化が生じ難い光受信器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、本発明の一実施形態の光受信器は、受光素子(PD)と、バイアス電圧を印加するバイアス回路と、トランスインピーダンスアンプ(TIA)と、PD、バイアス回路、およびTIAを搭載する少なくとも1つのサブキャリアと、PDの上面とバイアス回路の上面との間、またはPDの上面とTIAの上面との間、の少なくとも1つを接続する少なくとも1つの高周波配線板とを備えている。
この構成によれば、光受信器を構成する素子間の距離が変わった場合でも動作帯域の劣化が生じ難い光受信器を提供することが可能となる。
従来型の光受信器の概略構成を示す図であり、(a)は上面図、(b)は断面図である。 本開示の一実施形態に係る光受信器の概略構成を示す図であり、(a)は上面図、(b)は断面図、(c)は高周波導波路基板の上面図、(d)は高周波導波路基板の断面図である。 本開示の一実施形態に係る光受信器の概略構成を示す図であり、(a)は上面図、(b)は断面図、(c)は高周波導波路基板の上面図、(d)は高周波導波路基板の断面図である。 本開示の一実施形態に係る光受信器の概略構成を示す図であり、(a)は上面図、(b)は断面図、(c)は高周波導波路基板の上面図、(d)は高周波導波路基板の断面図である。 本開示の一実施形態に係る光受信器の概略構成を示す図であり、(a)は上面図、(b)は断面図、(c)は高周波導波路基板の上面図、(d)は高周波導波路基板の断面図である。 本開示の一実施形態に係る光受信器の概略構成を示す図であり、(a)は上面図、(b)は断面図、(c)は高周波導波路基板の上面図、(d)は高周波導波路基板の断面図である。 本開示の一実施形態に係る光受信器の概略構成を示す図であり、(a)は上面図、(b)は断面図、(c)は高周波導波路基板の上面図、(d)は高周波導波路基板の断面図である。 本開示の一実施形態に係る光受信器の概略構成を示す図であり、(a)は上面図、(b)は断面図、(c)は高周波導波路基板の上面図、(d)は高周波導波路基板の断面図である。 50Gbaudの信号光を受光した際の光受信器のTIAの出力部の周波数応答特性を示す図である。 100Gbaudの信号光を受光した際の光受信器のTIAの出力部の周波数応答特性を示す図である。
以下、図面を参照しながら本開示の実施形態について詳細に説明する。同一または類似の参照符号は、同一または類似の要素を示し、繰り返しの説明は省略する。以下の説明中に例示する数値は、限定されるのではなく、本開示の要旨を逸脱しない限り他の数値を用いることができる。本明細書において、XY面のZ方向を上という。
本開示の一実施形態に係る光受信器では、図2から8に示すように、光受信器を構成する素子間の接続の一部または全部に、金属ワイヤの代わりに高周波配線板を用いている。上述したような従来の光受信器では、光受信器を構成する素子間の距離が最適値から離れた場合、金属ワイヤの長さが変わり光受信器の帯域が劣化してしまう課題があった。これに対して、本開示の実施形態に係る光受信器の構成ではインピーダンス線路と高インピーダンス線路を複合した線路である高周波配線板を素子間の電気接続に用いることで光受信器の帯域劣化を軽減させることができる。
(実施形態1)
図2を参照して、本開示の実施形態1に係る光受信器を説明する。図2(a)は本実施形態の光受信器200の上面図であり、図2(b)は光受信器200の断面図である。図2に示す光受信器200は、PD101と、バイアス回路102と、TIA104と、PDサブキャリア203と、TIAサブキャリア105とを備える。
PD101およびバイアス回路102は、誘電体キャリアであるPDサブキャリア203の対向する2つの主面(XY面)の上面に配置されている。PDサブキャリア203の対向する2つの主面が略平行である点で、図1に示す、上面に段差を有するPDサブキャリア103と異なる。
TIA104は、誘電体キャリアであるTIAサブキャリア105の対向する2つの主面(XY面)の上面に配置されている。
図1を参照して説明した光受信器100と同様に、光受信器100は、バイアス回路102とPD101との間、およびPD101とTIA104との間にはそれぞれ一定の距離が設けられている。PD101とTIA104との間は、金属のワイヤ106bで電気的に接続されている。
図2に示す光受信器200は、PD101とバイアス回路102(キャパシタ)との間の電気的接続に、金属のワイヤ106aに替えて、高周波配線板222を用いている点で、図1の光受信器100と異なる。高周波配線板222は、構造及び誘電体材料を適当に設計することにより、インピーダンス線路と高インピーダンス線路が複合した線路となっている。また、光受信器200は、高周波配線板222で架橋するPD101の上面である接続面とバイアス回路102の上面である接続面との高さが一致するように構成されている。PD101を研磨することによって、PD101の接続面とバイアス回路102の接続面と高さを合わせることができる。
高周波配線板222における線路のインピータンスは、高周波配線板222における線路223aの幅(X軸方向)を変えることで調整することができる。具体的には、線路223aの幅が小さい部分を設けると、その部分のインピータンスが大きくなる。特定のインピーダンス(たとえば、50Ω)に対応する幅を有する設計された線路223aの一部の幅を小さくすることで、線路223aの一部は、インピータンスが大きい線路、すなわち高インピーダンス線路となる。本開示において、線路223aのうち特定のインピーダンスに対応する幅を有する部分をインピーダンス線路と表現している。上述したようなインピーダンス線路と高インピーダンス線路が複合した高周波配線板222は、このように線路223aの一部の幅を小さくすることにより実現することができる。高周波配線板222を構成する誘電体材料を部分的に変更することによりインピーダンス線路と高インピーダンス線路が複合した高周波配線板222を実現してもよく、高周波配線板222の構造及び誘電体材料の組み合わせを設計することによりインピーダンス線路と高インピーダンス線路が複合した高周波配線板222を実現してもよい。
図2(c)は高周波配線板222の下面図であり、図2(d)は高周波配線板222の断面図である。図2に示すように、高周波配線板222は、誘電体224の2つの主面(ZX面)を除く4つの面に形成された金属の薄膜を有する。誘電体224の下面、すなわちPD101およびバイアス回路102の上面と対向する面に形成された金属の薄膜は、スリットで分離されている。誘電体224の下面の中央に位置する薄膜が線路223aを構成する。誘電体224の下面の側方に位置しスリットにより線路223aから分離された薄膜は、誘電体224の側面(YZ面)および上面に形成された薄膜と連続しており、線路223bを構成する。線路223aはバイアス回路102から共有される所与のバイアス電位であり、線路223bはグランド等の基準電位である。高周波配線板222の線路223aおよび線路223bが、PD101およびバイアス回路102の上面に形成されたバンプ221に接して配置される。
図9は50GbaudにおけるTIA104の出力部の周波数応答特性を示す図である。図10は100GbaudにおけるTIA104の出力部の周波数応答特性を示す図である。図9および図10において、図1に示すような従来型の光受信器における特性を破線で示し、本開示の実施形態に係る光送信器における特性を実線で示している。図9および図10に示す特性は、光受信器におけるPDとバイアス回路との間およびPDとTIAとの間の距離(素子間距離)を変化させながら計算した周波数特性を示している。
まず図9における従来型の光受信器の周波数応答特性を参照と、素子間距離が300μm時の3dB帯域は51.0GHzであり100Gbaud信号のナイキスト周波数である50GHz以上の帯域を確保できているが、素子間距離が変化することで3dB帯域の周波数が低下し、50GHzを下回ることが確認できる。一方、本開示における提案型の光受信器では、すなわち、素子間距離に応じて線路223aおよび線路223bのインピーダンス成分を変えた高周波配線板を用いた光受信器では、ワイヤ実装に比べ素子間距離の変化に起因した3dB帯域の周波数の低下は小さく、いずれの素子間距離においても3dB帯域の周波数は50GHz以上である。このように、本開示における提案型の光受信器では、100Gbaud信号のナイキスト周波数である50GHz以上の帯域をできることが分かる。
つぎに図10の100Gbaudにおける周波数特性を参照すると、従来型の光受信器では素子間距離の変化に応じて、3dB帯域のような所与の応答を確保するための周波数が低下するが、本開示における提案型の光受信器ではそのような周波数の低下は見られない。
以上のことから本開示のおける提案型の光受信器は、従来型の光受信器に比べ、素子間距離の拡大及び実装時に起こり得る素子間距離のばらつきに伴う所与の周波数応答を確保するための周波数の低下を抑えることができることが示された。また本実施形態では、ボーレートを100Gbaud及び50Gbaudとして検証を行っているが、適用するボーレートに応じて高周波配線板を設計し直すことで、同様の効果が得られる。
(実施形態2)
図3を参照して、本開示の実施形態2に係る光受信器を説明する。図3(a)は本実施形態の光受信器300の上面図であり、図3(b)は光受信器300の断面図である。図3(c)は高周波配線板222の下面図であり、図3(d)は高周波配線板222の断面図である。
図3に示す光受信器300は、PDサブキャリア303の上面に設けた段差により、高周波配線板で架橋するPD101の上位面とバイアス回路102の上面の高さを合わせた構成である点で、図2を参照して説明した光受信器200、すなわちPDサブキャリア203の段差のない上面に配置するPD101を研磨することによって高さを合わせた構成の光受信器200と異なる。本実施形態構成ではPDを研磨する必要がないため、PDの動作信頼性が損なわれない。裏面入射型のPD101を搭載するPDサブキャリア303は、貫通穴による開口部303aを備えている。
光受信器300におけるその他の構成は、光受信器200の構成と同様である。本実施形態の光受信器300においても、実施形態1の光受信器200と同様の効果がある。
(実施形態3)
図4を参照して、本開示の実施形態3に係る光受信器を説明する。図4(a)は本実施形態の光受信器400の上面図であり、図4(b)は光受信器400の断面図である。図4(c)は高周波配線板222の下面図であり、図4(d)は高周波配線板222の断面図である。
図4に示す光受信器400は、バイアス回路102(キャパシタ)、PD101、及びTIA104が、単一のサブキャリア403上に設置されている点で、図3を参照して説明した光受信器300と異なる。本実施形態の構成とすることで、実施形態1および2の構成と比べ、使用部材の数を減らすことができる。サブキャリア403は、誘電体キャリアである。サブキャリア403の上面に設けた段差により、高周波配線板で架橋するPD101の上位面とバイアス回路102の上面の高さを合わせた構成である。裏面入射型のPD101を搭載するPDサブキャリア403は、貫通穴による開口部403aを備えている。
光受信器400におけるその他の構成は、光受信器200の構成と同様である。本実施形態の光受信器400においても、実施形態1の光受信器200と同様の効果がある。
(実施形態4)
図5を参照して、本開示の実施形態4に係る光受信器を説明する。図5(a)は本実施形態の光受信器500の上面図であり、図5(b)は光受信器500の断面図である。図5(c)は高周波配線板222の下面図であり、図5(d)は高周波配線板222の断面図である。
図5に示す光受信器500は、図3を参照して説明した光受信器300における裏面入射型のPD201に替えて、表面入射型のPD501とした構成である。図5に示すように、光受信器500のPDサブキャリア503は、貫通穴により信号光がとおる開口部を設ける必要がなく、実装工程を減らすことができる。サブキャリア503は、誘電体キャリアである。サブキャリア503の上面に設けた段差により、高周波配線板で架橋するPD501の上位面とバイアス回路102の上面の高さを合わせた構成である。
光受信器500におけるその他の構成は、光受信器300の構成と同様である。本実施形態の光受信器500においても、実施形態2の光受信器300と同様の効果、すなわち実施形態1の光受信器200と同様の効果がある。
(実施形態5)
図6を参照して、本開示の実施形態5に係る光受信器を説明する。図6(a)は本実施形態の光受信器600の上面図であり、図6(b)は光受信器600の断面図である。図6(c)は高周波配線板222の下面図であり、図6(d)は高周波配線板222の断面図である。
図6に示す光受信器600は、図3を参照して説明した光受信器300において、バイアス回路102(キャパシタ)とPD101との間の接続に金属のワイヤ106aを用いるとともに、PD101とTIA104との間の接続に高周波配線板222を用いた構成である。PD101の上面とTIA104の上面の位置を合わせるために、TIA105の高さを調整している。
光受信器600の構成では、PD101の上面のバンプ221の間隔とTIA104の上面のバンプ221の間隔が異なっていても接続が容易となる。たとえば、バンプ221の間隔に応じて高周波配線板222の裏面に形成する線路223aおよび線路223bのパターンをテーパ状にすることで、PD101とTIA104とを容易に接続することができる。
光受信器600におけるその他の構成は、光受信器300の構成と同様である。本実施形態の光受信器600においても、実施形態2の光受信器300と同様の効果、すなわち実施形態1の光受信器200と同様の効果がある。
(実施形態6)
図7を参照して、本開示の実施形態6に係る光受信器を説明する。図7(a)は本実施形態の光受信器700の上面図であり、図7(b)は光受信器700の断面図である。図7(c)は高周波配線板222の一部の下面図であり、図7(d)は高周波配線板222の断面図である。
図7に示す光受信器700は、図3を参照して説明した光受信器300におけるPD101とTIA104との間の接続を、金属のワイヤ106bに替えて、高周波配線板222を用いておこなった構成である。PD101の上面とTIA104の上面の位置を合わせるために、TIA105の高さを調整している。光受信器300においてPD101とバイアス回路102(キャパシタ)との間の接続に用いた高周波配線板222のY方向長さを長くした構成である。バイアス回路102、PD101、およびTIA104の上面には、単一の高周波配線板222が配置され、バイアス回路102の上面に設けられたバンプ221とPD101の上面に設けられたバンプ221とが線路223aおよび223bで接続され、PD101の上面に設けられたバンプ221とTIA104の上面に設けられたバンプ221とが線路223aおよび223bで接続されている。単一の高周波配線板222の裏面には、PD101の上面に設けられたバイアス回路102側のバンプ221とTIA104側のバンプ221とを接続する線路223aおよび223bが設けられていない。
図7に示す光受信器700は、素子間の電気的接続のための部材の数と実装のための工程の数を減らすことができる。また本実施形態において裏面入射型のPD201に替えて表面入射型のPD501(図5)を用いる場合は、高周波配線板222の中央部に上面および下面を貫通する貫通穴により開口部を設けることで信号光をAPD501の受光面に入射させてもよい。高周波配線板222の線路223aおよび223bにおける電流分布は電極エッジ(バンプ221の周囲)に集中するため、高周波配線板222の中央部に貫通穴を開けることによる高周波電気信号の劣化はほとんど起きない。
光受信器700におけるその他の構成は、光受信器300の構成と同様である。本実施形態の光受信器700においても、実施形態2の光受信器300と同様の効果、すなわち実施形態1の光受信器200と同様の効果がある。
(実施形態7)
図8を参照して、本開示の実施形態7に係る光受信器を説明する。図8(a)は本実施形態の光受信器800の上面図であり、図8(b)は光受信器800の断面図である。図8(c)は高周波配線板222aおよび222bの下面図であり、図8(d)は高周波配線板222aおよび222bの断面図である。
図8に示す光受信器800は、図3を参照して説明した光受信器300におけるPD101とTIA104との間の接続を、金属のワイヤ106bに替えて、高周波配線板222bを用いて行った構成である。高周波配線板222aは、図3を参照して説明した光受信器300における高周波配線板222に相当する。光受信器800では、光受信器300のPD101の上面とTIA104の上面の位置を合わせるために、TIA105の高さを調整している。
光受信器800においては、バイアス回路102とPD101とを接続する高周波配線板222を構成する材料と異なる材料を用いて、PD101とTIA104とを接続する高周波配線板222bを構成することができる。また、裏面入射型のPD101に替えて表面入射型のPD501を用いる場合には、PDサブキャリア303に貫通穴を空ける必要がなく実装のための工程の数を減らすことができる。
光受信器800におけるその他の構成は、光受信器300の構成と同様である。本実施形態の光受信器800においても、実施形態2の光受信器300と同様の効果、すなわち実施形態1の光受信器200と同様の効果がある。
光受信器を構成する素子間の距離が変わった場合でも動作帯域の劣化が生じ難い光受信器が提供される。
100、200、300、400、500、600、700、800 光受信器
101、501 フォトダイオード(PD)
102 バイアス回路(キャパシタ)
103、203、303 PDサブキャリア
103a、303a、403a 開口部(貫通穴)
104 トランスインピーダンスアンプ(TIA)
105 TIAサブキャリア
106a、106b ワイヤ
221 バンプ
222、222a、222b 高周波配線板
223a、223b 線路
224 誘電体
403 サブキャリア
503 PDサブキャリア

Claims (8)

  1. 受光素子(PD)と、
    バイアス電圧を印加するバイアス回路と、
    トランスインピーダンスアンプ(TIA)と、
    前記PD、前記バイアス回路、および前記TIAを搭載する少なくとも1つのサブキャリアと、
    前記PDの上面と前記バイアス回路の上面との間、および前記PDの上面と前記TIAの上面との間を接続する少なくとも1つの高周波配線板と
    を備えた、光受信器。
  2. 前記バイアス回路、前記PD、および前記TIAの下面が、前記少なくとも1つのサブキャリアの上面と対向しており、
    前記バイアス回路の上面と、前記PDの上面と、前記TIAの上面とが、単一の高周波配線板で接続されている、請求項1記載の光受信器。
  3. 前記バイアス回路、前記PD、および前記TIAの下面が、前記少なくとも1つのサブキャリアの上面と対向しており、
    前記バイアス回路の上面と前記PDの上面とが第1の高周波配線板で接続されており、
    前記PDの上面と前記TIAの上面とが、前記第1の高周波配線板とは別個の第2の高周波配線板で接続されている、請求項1記載の光受信器。
  4. 受光素子(PD)と、
    バイアス電圧を印加するバイアス回路と、
    トランスインピーダンスアンプ(TIA)と、
    前記PD、前記バイアス回路、および前記TIAを搭載する少なくとも1つのサブキャリアと、
    前記PDの上面と前記バイアス回路の上面との間を接続する高周波配線板と、
    前記PDの上面と前記TIAの上面との間との間を接続するワイヤと、
    を備えた、光受信器。
  5. 前記PDが裏面入射型のPDである、請求項1から4のいずれか一項に記載の光受信器。
  6. 前記PDが表面入射型のPDである、請求項1から4のいずれか一項に記載の光受信器。
  7. 前記バイアス回路および前記PDが、第1のサブキャリアの上面に設置されており、
    前記TIAが、第2のサブキャリアの上面に設置されており、
    前記第1のサブキャリアおよび前記第2のサブキャリアは分離されている、請求項1から4のいずれか一項に記載の光受信器。
  8. 前記バイアス回路、前記PD、および前記TIAが、単一のサブキャリア上に設置されている、請求項1から4のいずれか一項に記載の光受信器。
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