WO2020105145A1

WO2020105145A1 - 光モジュール

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Publication number: WO2020105145A1
Application number: PCT/JP2018/043002
Authority: WO
Inventors: 龍輝大谷; 岡田　規男
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2020-05-28
Anticipated expiration: 2021-05-21
Also published as: TWI735995B; JP7019838B2; US12015242B2; US20210257808A1; CN112997371B; JPWO2020105145A1; CN112997371A; TW202021218A

Abstract

本願に開示される光モジュールは、貫通孔（３０）に金属製のリードピン（３）が貫通孔（３０）と同軸に挿入された板状の金属ステム（２）と、リードピン（２）に接続される高周波信号線路（６０）と、半導体レーザーと光変調器が集積され、高周波信号線路（６０）とボンディングワイヤ（８）で接続された半導体光集積素子（９）とが備えられた一枚の誘電体基板（５）とを備え、誘電体基板（５）の一側面（５ａ）は半導体光集積素子（９）の光軸方向（Ｌａ）と垂直な方向に延在しており、誘電体基板（５）は一側面（５ａ）が金属ステム（２）の表面（２ａ）に接して配置されている。

Description

光モジュール

　本願は、光モジュールに関する。

　現在、電界吸収型光変調器（Electro-absorption Modulator：ＥＡＭ）と半導体レーザーが集積されたＥＡＭ－ＬＤ（Electro Absorption Modulated-Laser）を搭載する光モジュールが、高速の光通信に用いられている。この光モジュールは、半導体レーザーおよびＥＡＭの温度が一定となるよう制御するため、ペルチェ素子などの冷却手段を用いて冷却する構造になっている（例えば特許文献１および特許文献２参照）。

　ＥＡＭ－ＬＤの場合、光変調器であるＥＡＭに変調用の高周波信号を印加して光を変調する。ＥＡＭへは高周波信号がボンディングワイヤを介して印加される場合がある。この場合、ＥＡＭにおける寄生容量あるいは寄生抵抗、ボンディングワイヤのインダクタンス等の影響により、周波数が高くなるにつれ、ＥＡＭへの接続点においてインピーダンス整合が取れなくなる。

　特許文献１あるいは特許文献２に開示されている、金属ステムに搭載され、高周波の入力部に金属ステムを同軸状に貫通するリードピンを用いた構成にあっては、金属ステムのリードピン貫通部の線路インピーダンスが、リードピンを保持するガラス径とリードピン径の制約により、２０Ω～３０Ω程度になり、整合抵抗として一般的な５０Ωとは整合が取れない。また、ＥＡＭ－ＬＤを搭載する基板と、高周波の信号を伝送するための基板とが分かれており、その間をワイヤなどの配線部材で接続する構成となっている。この、基板間のワイヤの部分でもインピーダンス不整合の問題がある。以上のように、信号の周波数が高くなるに従い、インピーダンスの不整合のため、高周波信号がＥＡＭ－ＬＤで反射し、基板間のワイヤ部分でも反射し、さらに金属ステムを貫通する部分でも反射して再びＥＡＭ－ＬＤに戻ってきたときに高周波信号の位相が１８０度回っていると利得を打ち消してしまい、帯域劣化を起こす。

　一方、従来の冷却手段を用いた光モジュールにおいて、冷却するための電力は、光信号発生にとって必須の電力ではないため、冷却せずに動作が可能な、いわゆる非冷却の光モジュールの実現が望まれている。非冷却の光モジュールにおいても、温度制御のための冷却手段が不要なだけであり、非冷却の構成であるというだけでは、帯域劣化の問題が解消されるものではない。

国際公開ＷＯ２０１０－１４０４７３号特開２０１１－１９７３６０号公報

　従来の、冷却手段を用いた光モジュールにおいては、以上のように、冷却部分の熱容量をできるだけ小さくするため、半導体光集積素子を搭載する基板と、高周波の信号を伝送するための基板とが分かれており、その間をワイヤなどの配線部材で接続する構成がとられている。このワイヤの部分におけるインピーダンス整合が難しく、この部分も反射点となり、高周波信号の帯域劣化の原因となる。

　本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、非冷却の光モジュールに適用可能な、高周波信号の帯域劣化を抑える構成を提供することを目的とする。

　本願に開示される光モジュールは、貫通孔に金属製のリードピンが貫通孔と同軸に挿入された板状の金属ステムと、リードピンに接続される高周波信号線路と、半導体レーザーと光変調器が集積され、高周波信号線路とボンディングワイヤで接続された半導体光集積素子とが備えられた一枚の誘電体基板とを備え、誘電体基板の一側面は半導体光集積素子の光軸方向と垂直な方向に延在しており、誘電体基板は一側面が前記金属ステムの表面に接して配置されているものである。

　本願に開示される光モジュールによれば、非冷却の光モジュールに適用可能で、高周波信号の帯域劣化を抑える構成を提供することができる効果がある。

実施の形態１による光モジュールの構成を示す斜視図である。実施の形態１による光モジュールの特性を従来と比較して示す線図である。実施の形態１による光モジュールの誘電体基板の構成を示す平面図および側面図である。実施の形態１による光モジュールの要部を示す側面図である。比較例としての光モジュールの要部を示す側面図である。実施の形態１による光モジュールの特性を比較例と比較して示す線図である。実施の形態２による光モジュールの誘電体基板の構成を示す平面図および側面図である。実施の形態２による光モジュールの特性を実施の形態１と比較して示す線図である。実施の形態３による光モジュールの構成を示す斜視図である。実施の形態４による光モジュールの構成を示す斜視図である。

　図１は実施の形態１による光モジュールの構成を示す斜視図である。図１において、金属ステム２には、金属ステム２に設けられた貫通孔３０に、貫通孔３０と同軸に挿入されたリードピン３が設けられている。リードピン３は貫通孔３０を埋めるように設けられたガラス材１１を介して金属ステム２に固定されている。金属ステム２およびリードピン３の材料は、例えば、銅、鉄、アルミニウムまたはステンレスなどの金属を用いることができ、金メッキまたはニッケルメッキなどを表面に施すようにしてもよい。

　金属ステム２には、誘電体基板５が実装され、誘電体基板５上には、レーザー光を発振する半導体レーザーとこの半導体レーザーからの光を変調する光変調器が集積された半導体光集積素子９が実装されている。半導体光集積素子９としては、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ系あるいはＡｌＩｎＧａＡｓ系量子井戸吸収層を用いた電界吸収型光変調器と分布帰還型レーザーダイオードとをモノリシックに集積したＥＡＭ－ＬＤを用いる。半導体レーザーは分布帰還型レーザーダイオードに限らず、また光変調器としては、半導体ＭＺ光変調器などを用いるようにしてもよい。金属ステム２上には、金属ステムの表面２ａに対して垂直な面２０ａを有する基板支持部２０が設けられており、誘電体基板５は、例えば裏面が基板支持部材２０に接合されるなど、この基板支持部２０に沿って実装されている。なお、金属ステム２の誘電体基板５が実装されている側は、例えば窒素などで封止されるが、図１では金属ステム２のリードピン３の貫通部以外の封止の構造は省略している。また、金属ステム２には、高周波信号を導入するリードピン３以外にも、他の信号配線あるいは電源供給配線などを導入するため、リードピン３の導入と類似の配線導入機構が設けられるが、本願とは直接関係ないため図示を省略している。

　従来の冷却型の光モジュールでは、半導体光集積素子を冷却するための消費電力を少なくし、温度制御の応答性を良くするため、冷却部分の熱容量をできるだけ小さくするよう、半導体光集積素子を搭載する基板と、リードピンからの高周波の信号を伝送するための基板とが分かれていた。しかし、温度制御をしない、非冷却の光モジュールでは、冷却部分の熱容量をできるだけ小さくするという制約条件がない。図１の光モジュールにおいては、基板支持部２０には、半導体光集積素子９を冷却して温度制御する温度制御部材を設けていない。一枚で構成される誘電体基板５上には、半導体光集積素子９だけではなく、リードピン３から、半導体光集積素子９に高周波信号を伝送する信号線路も配置されている。リードピン３は、変調のための高周波信号を、金属ステム２の裏面に配置されているフレキシブルプリント基板１から誘電体基板５が実装されている側に入力するために設けられている。リードピン３から高周波信号を伝送するため、誘電体基板５上の高周波信号線路６０として、誘電体基板５上にアノード電極６とカソード電極７が形成されている。アノード電極６とカソード電極７との間隔を一定に保った状態で誘電体基板５上の全面に形成してコプレナ線路を構成し、高周波信号線路６０とすることができる。また、カソード電極７は、誘電体基板５に形成されたスルーホール、キャスタレーションあるいは、誘電体基板５の側面のメタルを介するなど、なんらかの方法により金属ステム２と電気的に接続する。

　誘電体基板５の材料は、例えば、ＡＬＮあるいはアルミナなどのセラミックを用いるようにしてもよいし、エポキシなどの樹脂を用いるようにしてもよい。なお、誘電体基板５は、リードピン３の近傍に配置することが好ましい。

　リードピン３の一端と誘電体基板５上のアノード電極６の一端とは接着剤４を介して互いに接続されている。リードピン３の他端はフレキシブルプリント基板１の配線パターンと接続されている。アノード電極６の他端と半導体光集積素子９はボンディングワイヤ８を介し接続され、ボンディングワイヤ８は、さらに誘電体基板５上に形成されている導体１２に接続されている。導体１２は、誘電体基板５上にカソード電極７とは絶縁されて形成されており、導体１２とカソード電極７との間には抵抗体１０が接続されている。

　次に動作について説明する。ＥＡＭ－ＬＤなど半導体レーザーと光変調器が集積された半導体光集積素子には寄生容量成分、寄生抵抗成分、電極と接続するボンディングワイヤの寄生インダクタンス成分が存在し、入力信号の周波数が高くなるにしたがって、インピーダンス整合が取れなくなる。一方、リードピンの貫通部は、気密性および信頼性の観点からリード径がΦ０．３～０．４ｍｍ、ガラス径がΦ０．７～０．８ｍｍ程度、ガラスの比誘電率εr=５．５～７．０程度であり、インピーダンスにすると、２０～３０Ωとなる。

　一般的に、整合抵抗は電圧振幅を効率的に確保するために５０Ω程度に合わせるが、これでは、信号の周波数が高くなるにつれ、リードピンの貫通部とのインピーダンス整合が取れなくなる。そのため、電気信号の高周波成分は半導体光集積素子で一部が反射して駆動側に戻り、リードピンの貫通部でまた一部が反射して戻ってくる。

　進行波をＹ０として振幅を規格化すると次式であらわされる。
　　　Ｙ０＝ｓｉｎ（ωｔ）
　誘電体基板が、半導体光集積素子に高周波信号を伝送するための高周波信号線路が形成されている第１の誘電体基板と、半導体光集積素子が搭載されている第２の誘電体基板とで構成されている、従来の構成の光モジュールにおける高周波伝送は以下のように考えられる。半導体光集積素子、半導体光集積素子と第２の誘電体基板を接続するボンディングワイヤ、第１の誘電体基板と第２の誘電体基板を接続するボンディングワイヤ、リードピンの貫通部での反射率をそれぞれρ１、ρ２、ρ３、ρ４とすると、反射波Ｙ１は、
　　　Ｙ１＝ρ１ｘρ２ｘρ３ｘρ４ｘｓｉｎ（ωｔ－Φ）
とあらわせ、合成波Ｙ２は
　　　Ｙ２＝Ｙ０＋Ｙ１
　　　　＝ｓｉｎ（ωｔ）＋ρ１ｘρ２ｘρ３ｘρ４ｘｓｉｎ（ωｔ－Φ）
　　　　＝Ａｘｓｉｎ（ωｔ＋Θ）
とあらわせる。ただし、
　　　Ａ＝［｛１＋ρ１ｘρ２ｘρ３ｘρ４ｘｃｏｓ（Φ）}^２＋
　　　　　　　　{ρ１ｘρ２ｘρ３ｘρ４ｘｓｉｎ（Φ）}^２]^１／２
　　　ＴａｎΘ＝－｛ρ１ｘρ２ｘρ３ｘρ４ｘｓｉｎ（Φ）｝／
　　　　　　　　　　｛１＋ρ１ｘρ２ｘρ３ｘρ４ｘｃｏｓ（Φ）｝
となる。

　また、反射波の位相Φは、半導体光集積素子からリードピンの貫通部までの長さをＬ、周波数をｆ、伝送路中の信号速度をｃ'とすると、
　　　Φ=２Ｌｘ（ｆ／ｃ' ）ｘ２π
とあらわせる。

　上記の式から、合成波の振幅Ａは、反射率と、半導体光集積素子とリードピンの貫通部の実効的な電気長に大きく依存し、周波数依存性を持つことが分かる。

　単に遮断周波数を広帯域化させるという観点では、リードピンの貫通部の特性インピーダンスに整合回路および線路のインピーダンスを整合させるのが好ましい。リードピンの貫通部の特性インピーダンスを５０Ωに整合させるためには、一般的にリード－金属ステム間の充填材料を、比誘電率が１．８～２．８の誘電体とするか、あるいは、充填材料が、一般的に用いられているガラス材（εｒ＝５．５～７．０）であれば、リード径とガラス径の比を７．２～９．２とする必要がある。

　実施の形態１の光モジュールでは、１枚の誘電体基板５上に形成したアノード電極６とボンディングワイヤ８にて、リードピン３とＥＡＭ－ＬＤである半導体光集積素子９を電気的に接続し、従来存在していた第１の誘電体基板と第２の誘電体基板を接続するボンディングワイヤが存在しない。したがって、第１の誘電体基板と第２の誘電体基板を接続するボンディングワイヤでの反射率ρ３の影響を無効化することができ、高い周波数帯域での利得の劣化を従来よりも抑制することができる。

　このとき、アノード電極６の線路インピーダンス、および抵抗体１０の抵抗値は、半導体光集積素子９とリードピンの貫通部の間で生じる多重反射を抑制するため、リードピンの貫通部の特性インピーダンスに近い値にするのが好ましい。

　一般的に、光モジュールでは、光出力をモニタするため、半導体光集積素子９と金属ステム２の間に半導体光集積素子９の背面から漏れるレーザー光を検知するフォトダイオード（ＰＤ）などの光検出器を配置する構成がとられる。本実施の形態１による光モジュールでは、図１に示すように光検出器を配置せず、半導体光集積素子９の背面と金属ステムの表面２ａとの間隔をできるだけ近くなるよう配置することで、誘電体基板５の高さを低くし、アノード電極６の長さを短くしている。これによっても、高い周波数帯域での利得の劣化を抑制することができる。

　なお、光検出器を設けない場合、光モジュールの制御方法としては、半導体レーザーの駆動電流制御によるＡＣＣ（Auto Current Control）で駆動してもよいし、光変調器が電界吸収型光変調器（ＥＡＭ）である場合、変調時に生じる光電流をモニタリングし、例えば光電流をフィードバック制御の信号に用いるなど、ＡＰＣ（Auto Power Control）で駆動してもよい。

　図２Ａおよび図２Ｂに、誘電体基板が第１の誘電体基板と第２の誘電体基板の２枚に分かれており、誘電体基板間をワイヤで接続する従来の構成の光モジュールの周波数特性例（破線）と、誘電体基板を１枚として、誘電体基板間のワイヤ接続が無い構成である実施の形態１による光モジュールの周波数特性例（実線）を示す。高周波伝送の反射特性であるＳパラメータＳ１１（図２Ａ）、および透過特性であるＳ２１（図２Ｂ）共に実施の形態１による光モジュールにおいて特性が改善されていることがわかる。

　図３Ａは、図１に示す誘電体基板５を基板表面側から見た平面図、図３Ｂは、金属ステムの表面２ａに接している誘電体基板５の一側面５ａの側を示す、誘電体基板５の側面図である。誘電体基板５の一側面５ａは、半導体光集積素子９の光軸方向Ｌａに垂直な方向に延在している。したがって、誘電体基板５を基板支持部２０に沿わせるとともに、誘電体基板５の一側面５ａを金属ステムの表面２ａに接するように配置することで、半導体光集積素子９の光軸方向Ｌａが金属ステムの表面２ａに対して垂直な方向に設定されるため、光軸方向の調整が容易となる。

　図４は、誘電体基板５が実装されている部分を拡大して示す側面図である。図３に示すように、誘電体基板５の一側面５ａには、表面にアノード電極６が形成されている部分に対応する部分を除いて、カソード電極７が形成されている。図４に示すように、一側面５ａを金属ステムの表面２ａに接するよう誘電体基板５を配置することにより、金属ステム表面２ａに誘電体基板５の一側面５ａに形成されているカソード電極７を接合して、カソード電極７を金属ステム２に直接接地することができる。この構成により、信号線路となるリード部に対しＡＣ－ＧＮＤが近くなるため、リード部のインダクタンス成分が低減され、光モジュールの広帯域化が可能となる。図６Ａおよび図６Ｂに、図４に示す、誘電体基板５の一側面５ａに形成されたカソード電極７が金属ステムの表面２ａに直接接地された場合（実線）と、図５に示す側面図のように、誘電体基板５の一側面５ａと金属ステムの表面２ａが離れて配置され、カソード電極７が金属ステムの表面２ａに直接接地されない場合（破線）の周波数特性を示す。直接接地された場合、若干ではあるが周波数特性が改善されていることがわかる。

　以上のように、実施の形態１による光モジュールでは、金属ステム２を貫通するリードピン３に接続される高周波信号線路と、半導体レーザーと光変調器が集積された半導体光集積素子９を一枚の誘電体基板５に配置し、誘電体基板５の一側面５ａが金属ステムの表面２ａに接して配置するようにしたので、非冷却の光モジュールに適用可能で、高周波特性が広帯域であるとともに、光軸の調整が容易な光モジュールとすることができる。

実施の形態２．
　図７Ａは、実施の形態２による光モジュールの誘電体基板５の構成を示す、誘電体基板５を表面から見た平面図、図７Ｂは誘電体基板５の金属ステム２側から見た側面図である。図７Ａおよび図７Ｂに示すように、誘電体基板５表面に溝１３を設け、この溝１３に半導体光集積素子９を実装している。この構成により、アノード電極６－半導体光集積素子９－導体１２間のボンディングワイヤ８を短尺化でき、ワイヤインダクタンスが低減され、光モジュールの広帯域化が可能となる。図８Ａおよび図８Ｂに、溝１３を設けない実施の形態１による光モジュールと、溝１３を設けてボンディングワイヤ８を短尺化した光モジュールの周波数特性を示す。溝１３を設けてボンディングワイヤ８を短尺化することにより、Ｓパラメータのうち、特に透過特性であるＳ２１がより高周波まで伸び、広帯域化されているのがわかる。

実施の形態３．
　図９は、実施の形態３による光モジュールの構成を示す斜視図である。実施の形態１では、光検出器を設けなかったが、光検出器を設けることにより光出力の安定化が容易となる。本実施の形態３は、光検出器１５を設ける実施の形態である。誘電体基板５の光軸方向の寸法を小さくするため、光検出器を誘電体基板５に設けず、金属ステム２の表面２ａに溝１４を設け、この溝１４に光検出器１５であるフォトダイオードを実装している。溝１４に光検出器１５を設けることにより、誘電体基板５を大きくすること無く、したがってアノード電極の長さも長くすること無く、帯域劣化を抑えたまま、半導体光集積素子９の背面に漏れ出る背面光を検知することが可能となる。背面光を検知した光検出器１５の出力を用いることで、光モジュールのＡＰＣ（Auto Power Control）駆動が容易となる。なお、フォトダイオードなどの光検出器１５を設置する溝１４の底面を、金属ステムの表面２ａに対して傾けているのは、光検出器１５で反射された背面光が再び半導体光集積素子９に戻って半導体光集積素子９の動作に影響することがないよう、反射光が半導体光集積素子９に戻らないようにするためである。

実施の形態４．
　図１０は、実施の形態４による光モジュールの構成を示す斜視図である。実施の形態３では、誘電体基板５の光軸方向の寸法が大きくならないよう、金属ステム２の表面２ａに溝１４を設け、この溝１４にフォトダイオードなどの光検出器１５を実装した。本実施の形態４では、誘電体基板５の光軸方向の寸法は若干大きくなるが、図１０に示すように、誘電体基板５の半導体光集積素子９の背面となる部分に少しスペースを設けて、光検出器１５を誘電体基板５上に実装している。本実施の形態４においても、実施の形態３と同様、光検出器１５からの反射光が半導体光集積素子９に戻らないよう、いずれかの方向に傾けて設置することが望ましい。この構成によっても、半導体光集積素子９の背面光を検知する光検出器１５の出力を用いることで、光モジュールのＡＰＣ駆動が容易となる。

　本願には、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

２　金属ステム、２ａ　金属ステムの表面、３　リードピン、５　誘電体基板、７　カソード電極、８　ボンディングワイヤ、９　半導体光集積素子、１３　（誘電体基板の）溝、１４　（金属ステムの表面の）溝、１５　光検出器、２０　基板支持部、３０　貫通孔、６０　高周波信号線路

Claims

　貫通孔に金属製のリードピンが前記貫通孔と同軸に挿入された板状の金属ステムと、
前記リードピンに接続される高周波信号線路と、半導体レーザーと光変調器が集積され、前記高周波信号線路とボンディングワイヤで接続された半導体光集積素子とが備えられた一枚の誘電体基板と、
を備え、
前記誘電体基板の一側面は前記半導体光集積素子の光軸方向と垂直な方向に延在しており、前記誘電体基板は前記一側面が前記金属ステムの表面に接して配置されていることを特徴とする光モジュール。
　前記一側面の少なくとも一部には、前記高周波信号線路のカソード電極と共通の電極が形成されており、当該電極と前記金属ステムの表面とが電気接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
　前記金属ステムの表面に、前記金属ステムの表面に対して垂直となる垂直面を有し、温度制御部材を設けない基板支持部を備え、前記誘電体基板は、裏面が前記基板支持部の前記垂直面に沿って配置されている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。
　前記半導体光集積素子は、前記誘電体基板の表面に設けられた溝内に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか1項に記載の光モジュール。
　前記半導体光集積素子は、光出力の背面が前記金属ステムの側であり、前記半導体光集積素子の背面に漏れる光を検出する光検出器が、前記金属ステムの表面に設けられた溝に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光モジュール。
　前記半導体光集積素子は、光出力の背面が前記金属ステムの側であり、前記半導体光集積素子の背面に漏れる光を検出する光検出器が、前記誘電体基板に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光モジュール。