WO2023105638A1 - 光送信器 - Google Patents

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慈 金澤
隆彦 進藤
明晨 陳
祥平 小菅
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日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters

Definitions

  • the present invention relates to an optical transmitter equipped with a chip to which a high frequency signal is applied.
  • Directly Modulated Lasers and Electro-Absorption Modulators integrated with DFB Lasers (EMLs) are the light sources for optical transmitters that will be applied to next-generation ultra-high-speed optical networks.
  • the DML modulates the optical output by directly modulating the current injected into the semiconductor laser (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • the EML modulates continuous (CW) light output from a semiconductor laser (LD) using an EA modulator.
  • LD semiconductor laser
  • EA modulator continuous
  • LD semiconductor laser
  • EA modulator continuous
  • LD semiconductor laser
  • EA modulator Compared to DML, EML has the advantage of being able to obtain a large extinction ratio and optimizing the LD and EA modulator separately. (called a chip), the structure is complicated and the manufacturing process is also complicated.
  • FIG. 1(a) is a top view of a portion of the EML subassembly and FIG. 1(b) is a cross-sectional view along the high frequency wiring.
  • the EML subassembly 10 mounts an EML chip 12 on a subcarrier 11 in which high frequency wiring is integrated.
  • the subcarrier 11 is equipped with a PD for monitoring the optical signal intensity, an LD driving circuit, an RF circuit for driving and controlling the EA modulator, and the like.
  • the EML chip 12 integrates a DFB (Distributed Feedback) laser and an EA modulator, and a drive electrode 12a and a modulation electrode 12b are formed on the upper surface of the chip.
  • the high-frequency wiring is a coplanar line 13 in which grounds 13b and 13c are arranged on both sides of a signal line 13a.
  • An RF circuit that drives and controls the EA modulator supplies a high frequency signal to the modulation electrode 12b via the coplanar line 13 and the bonding wire 14.
  • the bonding wires 14 are gold (Au) wires, for example, wedge-bonded to the signal line 13a and ball-bonded to the modulation electrode 12b. Wired in a loop. Therefore, there is a problem that the gold wire is lengthened by the height of the EML chip 12, the parasitic inductance is increased, and the band as the EML is deteriorated.
  • Au gold
  • An object of the present invention is to provide an optical transmitter capable of suppressing band deterioration due to parasitic inductance of bonding wires.
  • one embodiment of the present invention provides an optical transmitter in which a chip to which a high-frequency signal is applied is mounted on a carrier on which high-frequency wiring is formed, wherein the signal line of the high-frequency wiring A high-frequency signal is supplied to the electrodes of the chip through bumps formed in the same height as the chip.
  • FIG. 1 is a diagram showing the structure of a conventional EML subassembly
  • FIG. 2 is a diagram showing the structure of the EML subassembly according to the first embodiment
  • FIG. 3 is a diagram showing the frequency response characteristics of the EML subassembly of the first embodiment
  • FIG. 4 is a diagram showing the structure of the MZM subassembly according to the second embodiment
  • FIG. 5 is a diagram showing frequency response characteristics of the MZM subassembly of the second embodiment.
  • FIG. 2 shows the structure of the EML subassembly according to the first embodiment.
  • FIG. 2(a) is a top view of a portion of the EML subassembly and FIG. 2(b) is a cross-sectional view along the high frequency wiring.
  • the EML subassembly 20 mounts an EML chip 22 on a subcarrier 21 in which high frequency wiring is integrated.
  • the subcarrier 21 is equipped with a PD for monitoring the optical signal intensity, an LD driving circuit, an RF circuit for driving and controlling the EA modulator, and the like.
  • a DFB laser and an EA modulator are integrated in the EML chip 22, and a drive electrode 22a and a modulation electrode 22b are formed on the upper surface of the chip.
  • the high-frequency wiring is a coplanar line 23 in which grounds 23b and 23c are arranged on both sides of a signal line 23a.
  • the signal line 23a of the high-frequency wiring is formed up to the vicinity of the modulation electrode 22b of the EML chip 22, and a bump 25a is formed at the end on the EML chip 22 side.
  • the height of the bumps 25a is approximately the same as the height of the EML chip 22, as shown in FIG. 2(b).
  • a bonding wire 24 connects the upper surface of the bump 25a and the modulation electrode 22b.
  • An RF circuit that drives and controls the EA modulator supplies a high frequency signal to the modulation electrode 22b via the coplanar line 23, bump 25a and bonding wire 24.
  • the length of the bonding wire 24 can be shortened by the height of the EML chip 22 . Therefore, the parasitic inductance can be reduced, and the EML band can be improved.
  • the present invention can also be applied to microstrip lines that do not have grounds on both sides of the signal line.
  • a coplanar line if bumps 25b and 25c are also formed on the grounds 23b and 23c on both sides of the bump 25a, a high-frequency line having a characteristic impedance similar to that of the coplanar line can be formed. , band degradation can be further suppressed.
  • FIG. 3 shows frequency response characteristics of the EML subassembly of the first embodiment.
  • An EML subassembly 20 shown in FIG. 2 was fabricated.
  • the height of the EML chip 22 and the height of the bumps 25a were set to 0.15 mm.
  • the shape of the bumps 25a-25c is a prism of 0.07 mm square.
  • the bumps 25a-25c are formed by copper plating, and have a structure in which the surface is gold-plated.
  • a gold wire with a diameter of 0.025 mm was used as the bonding wire 24 .
  • the gap between the bump 25a and the bumps 25b and 25c was set to 0.03 mm, and the characteristic impedance was set to 50 ⁇ like the coplanar line 23.
  • the shape of the bump is described as an example of a prismatic shape, other shapes such as a cylindrical shape may also be used.
  • the bumps may have any shape as long as they have the same height as the chip, can obtain the characteristic impedance of the high-frequency wiring, and can be bonded with a bonding wire on the upper surface.
  • the bumps can be produced by a bump bonder, but they can also be realized by using plating or mounting a block material processed from metal, and the material and production method do not matter.
  • the conventional EML subassembly 10 shown in FIG. 1 was also produced, and the frequency response characteristics were compared.
  • the conventional EML subassembly 10 had a 3 dB band of about 35 GHz, but the EML subassembly 20 of the first embodiment could improve the 3 dB band to 38 GHz.
  • a band of 35 GHz or higher which is approximately 0.7 times the baud rate, is required.
  • FIG. 4 shows the structure of the MZM subassembly according to the second embodiment.
  • the EML as the light source of the optical transmitter has been described as an example, but in the second embodiment, a subassembly of a single optical modulator will be described as an example.
  • a Mach-Zehnder interferometric modulator (MZM) is used as an optical modulator.
  • FIG. 4(a) is a top view of part of the MZM subassembly
  • FIG. 4(b) is a cross-sectional view along the high-frequency wiring.
  • the MZM subassembly 30 mounts an MZM chip 32 on a subcarrier 31 in which high frequency wiring is integrated.
  • the subcarrier 31 is equipped with a PD for monitoring the optical signal intensity, an RF circuit for driving and controlling the MZM, and the like.
  • the MZM chip 32 has two arm waveguides as a Mach-Zehnder interferometer, and a modulating electrode 32a formed on one of the arm waveguides is formed on the upper surface of the chip.
  • the high-frequency wiring is a coplanar line 33 in which grounds 33b and 33c are arranged on both sides of a signal line 33a.
  • the signal line 33a of the high-frequency wiring is formed up to the vicinity of the modulation electrode 32a of the MZM chip 32, and a bump 35a is formed at the end on the MZM chip 32 side.
  • the height of the bumps 35a is approximately the same as the height of the MZM chip 32, as shown in FIG. 4(b).
  • a bonding wire 34 connects the upper surface of the bump 35a and the modulation electrode 32a.
  • An RF circuit that drives and controls the MZM supplies a high frequency signal to the modulating electrode 32a via the coplanar line 33, the bump 35a and the bonding wire 34.
  • the length of the bonding wire 34 can be shortened by the height of the MZM chip 32 . Therefore, the parasitic inductance can be reduced and the bandwidth of the MZM can be improved.
  • bumps 35b and 35c are also formed on the grounds 33b and 33c on both sides of the bump 35a.
  • FIG. 5 shows frequency response characteristics of the MZM subassembly of the second embodiment.
  • An MZM subassembly 30 shown in FIG. 4 was fabricated.
  • the height of the MZM chip 32 and the height of the bumps 35a were set to 0.2 mm.
  • the shape of the bumps 35a to 35c is a prism of 0.1 mm square.
  • the bumps 25a to 25c are mounted by soldering a metal block of which the surface of Kovar is plated with gold.
  • a gold wire with a diameter of 0.025 mm was used as the bonding wire 34 .
  • the gap between the bump 35a and the bumps 35b and 35c was set to 0.045 mm, and the characteristic impedance was set to 50 ⁇ like the coplanar line 33.
  • a conventional MZM subassembly in which bumps were not mounted on the high frequency line was also produced, and the frequency response characteristics were compared.
  • the 3 dB band was about 31 GHz, but in the MZM subassembly 30 of the second embodiment, the 3 dB band could be improved to 37 GHz.
  • a band of 35 GHz or higher which is approximately 0.7 times the baud rate, is required.
  • a conventional MZM subassembly cannot satisfy this requirement, but the MZM subassembly of the first embodiment can realize an optical transmitter that satisfies this requirement.
  • the EML chip and the MZM chip have been described as examples of the chips mounted on the carrier, the present embodiment is applicable to optical transmitters mounted with chips to which high-frequency signals are applied, such as the DML chips described above. can be applied.

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Abstract

ボンディングワイヤの寄生インダクタンスによる帯域劣化を抑制する。高周波配線が形成されたキャリア上に、高周波信号が印加されるチップを搭載した光送信器において、前記高周波配線の信号線上に形成され、チップの高さに等しいバンプを介して、前記チップの電極に高周波信号が供給される。

Description

光送信器
　本発明は、高周波信号が印加されるチップを搭載する光送信器に関する。
　次世代の超高速光ネットワークに適用される光送信器の光源として、直接変調レーザ（ＤＭＬ：Directly Modulated Laser）と電界吸収型変調器集積レーザ（ＥＭＬ：Electro-absorption Modulator integrated with DFB Laser）とが知られている。ＤＭＬは、半導体レーザへ注入する電流を直接変調することにより、光出力を変調する（例えば、非特許文献１参照）。ＥＭＬは、半導体レーザ（ＬＤ）から出力される連続（ＣＷ）光を、ＥＡ変調器によって変調する。ＥＭＬは、ＤＭＬと比較して、大きな消光比を得ることができ、ＬＤとＥＡ変調器とを個別に最適化できるという利点があるが、ＬＤとＥＡ変調器とを１つのチップ（以下、ＥＭＬチップという）に集積するため、構造が複雑で、作製工程も複雑である。
　図１に、従来のＥＭＬサブアセンブリの構造を示す。図１（ａ）はＥＭＬサブアセンブリの一部分の上面図であり、図１（ｂ）は高周波配線に沿った断面図である。ＥＭＬサブアセンブリ１０は、高周波配線が集積されたサブキャリア１１にＥＭＬチップ１２を搭載している。図示しないが、サブキャリア１１には、光信号強度をモニターするためのＰＤ、ＬＤの駆動回路、ＥＡ変調器を駆動制御するためのＲＦ回路などが搭載される。ＥＭＬチップ１２は、ＤＦＢ（Distributed FeedBack）レーザとＥＡ変調器とが集積されており、チップの上面に、それぞれの駆動電極１２ａ，変調電極１２ｂとが形成されている。高周波配線は、信号線１３ａの両側面にグラウンド１３ｂ，１３ｃを配置したコプレーナ線路１３である。ＥＡ変調器を駆動制御するＲＦ回路は、コプレーナ線路１３とボンディングワイヤ１４とを介して、変調電極１２ｂに高周波信号を供給する。
　ボンディングワイヤ１４は、金（Ａｕ）ワイヤであり、例えば、信号線１３ａにウェッジボンディングされ、変調電極１２ｂにボールボンディングされ、その間は、たるみを防ぐために、ＥＭＬチップ１２の高さを考慮して、ループ状に配線される。従って、ＥＭＬチップ１２の高さの分、金ワイヤが長くなることにより、寄生インダクタンスが増加し、ＥＭＬとしての帯域が劣化するという問題があった。
S. Kanazawa et al., "30-km Error-Free Transmission of Directly Modulated DFB Laser Array Transmitter Optical Sub-Assembly for 100-Gb Application," J. of Lightw. Technol., vol. 34, no. 15, pp. 3646-3652, 2016.
　本発明の目的は、ボンディングワイヤの寄生インダクタンスによる帯域劣化を抑制することができる光送信器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、一実施態様は、高周波配線が形成されたキャリア上に、高周波信号が印加されるチップを搭載した光送信器において、前記高周波配線の信号線上に形成され、チップの高さに等しいバンプを介して、前記チップの電極に高周波信号が供給されることを特徴とする。
図１は、従来のＥＭＬサブアセンブリの構造を示す図、 図２は、第１の実施形態にかかるＥＭＬサブアセンブリの構造を示す図、 図３は、第１の実施形態のＥＭＬサブアセンブリの周波数応答特性を示す図、 図４は、第２の実施形態にかかるＭＺＭサブアセンブリの構造を示す図、 図５は、第２の実施形態のＭＺＭサブアセンブリ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発明の実施形態について詳細に説明する。
　　［第１の実施形態］
　図２は、第１の実施形態にかかるＥＭＬサブアセンブリの構造を示す。図２（ａ）はＥＭＬサブアセンブリの一部分の上面図であり、図２（ｂ）は高周波配線に沿った断面図である。ＥＭＬサブアセンブリ２０は、高周波配線が集積されたサブキャリア２１にＥＭＬチップ２２を搭載している。図示しないが、サブキャリア２１には、光信号強度をモニターするためのＰＤ、ＬＤの駆動回路、ＥＡ変調器を駆動制御するためのＲＦ回路などが搭載される。ＥＭＬチップ２２は、ＤＦＢレーザとＥＡ変調器とが集積されており、チップの上面に、それぞれの駆動電極２２ａ，変調電極２２ｂとが形成されている。高周波配線は、信号線２３ａの両側面にグラウンド２３ｂ，２３ｃを配置したコプレーナ線路２３である。
　図２（ａ）に示すように、高周波配線の信号線２３ａは、ＥＭＬチップ２２の変調電極２２ｂの近傍まで形成されており、ＥＭＬチップ２２側の端部にバンプ２５ａが形成されている。バンプ２５ａの高さは、図２（ｂ）に示すように、ＥＭＬチップ２２の高さと同程度としている。バンプ２５ａの上面と変調電極２２ｂとが、ボンディングワイヤ２４により接続されている。ＥＡ変調器を駆動制御するＲＦ回路は、コプレーナ線路２３、バンプ２５ａおよびボンディングワイヤ２４を介して、変調電極２２ｂに高周波信号を供給する。
　このような構成により、ボンディングワイヤ２４の長さは、ＥＭＬチップ２２の高さの分だけ短くすることができる。従って、寄生インダクタンスを低減することができ、ＥＭＬとしての帯域を改善することができる。
　第１の実施形態では、グラウンドデッドコプレーナ線路を示したが、信号線の両側面にグラウンドを有さないマイクロストリップ線路にも適用できることは明らかである。コプレーナ線路の場合には、さらに、バンプ２５ａの両側面のグラウンド２３ｂ，２３ｃ上にも、バンプ２５ｂ，２５ｃを形成しておけば、コプレーナ線路の特性インピーダンスに近似した高周波線路を形成することになり、帯域劣化をより抑制することができる。
　図３に、第１の実施形態のＥＭＬサブアセンブリの周波数応答特性を示す。図２に示したＥＭＬサブアセンブリ２０を作製した。ＥＭＬチップ２２の高さ、バンプ２５ａの高さは０．１５ｍｍとした。バンプ２５ａ－２５ｃの形状は０．０７ｍｍ角の角柱である。バンプ２５ａ－２５ｃは、銅メッキで形成され、表面を金メッキした構造となっている。ボンディングワイヤ２４は、直径０．０２５ｍｍの金ワイヤを用いた。バンプ２５ａとバンプ２５ｂ，２５ｃとのギャップは０．０３ｍｍとして、コプレーナ線路２３と同じく特性インピーダンス５０Ωとなるようにした。
　なお、バンプの形状は、角柱を例に記載したが、円筒形など他の形状でも構わない。バンプは、チップの高さと等しく、高周波配線の特性インピーダンスを得ることができ、上面にボンディングワイヤをボンディングできる形状であれば構わない。また、バンプは、バンプボンダにより作製することができるが、メッキを用いたり、金属を加工したブロック材を搭載することによっても実現することができ、材質、作製方法は問わない。
　図１に示した従来のＥＭＬサブアセンブリ１０も作製し、周波数応答特性を比較した。従来のＥＭＬサブアセンブリ１０では３ｄＢ帯域が３５ＧＨｚ程度であったが、第１の実施形態のＥＭＬサブアセンブリ２０では、３ｄＢ帯域を３８ＧＨｚまで改善することができた。例えば、変調信号のボーレート５０Ｇｂａｕｄの超高速光ネットワークに適用する場合、ボーレートの約０．７倍である３５ＧＨｚ以上の帯域を必要とする。従来のＥＭＬサブアセンブリでは、この要求を満すものの帯域に余裕がないが、第１の実施形態のＥＭＬサブアセンブリによれば、充分な余裕をもって要求を満たす光送信器を実現することができる。
　　［第２の実施形態］
　図４に、第２の実施形態にかかるＭＺＭサブアセンブリの構造を示す。第１の実施形態では、光送信器の光源としてのＥＭＬを例に説明したが、第２の実施形態では、光変調器単体のサブアセンブリを例に説明する。光変調器としてマッハツェンダー干渉計型変調器（ＭＺＭ）を用いる。
　図４（ａ）はＭＺＭサブアセンブリの一部分の上面図であり、図４（ｂ）は高周波配線に沿った断面図である。ＭＺＭサブアセンブリ３０は、高周波配線が集積されたサブキャリア３１にＭＺＭチップ３２を搭載している。図示しないが、サブキャリア３１には、光信号強度をモニターするためのＰＤ、ＭＺＭを駆動制御するためのＲＦ回路などが搭載される。ＭＺＭチップ３２は、マッハツェンダー干渉計として２本のアーム導波路を有し、チップの上面に、一方のアーム導波路に形成された変調電極３２ａが形成されている。高周波配線は、信号線３３ａの両側面にグラウンド３３ｂ，３３ｃを配置したコプレーナ線路３３である。
　図４（ａ）に示すように、高周波配線の信号線３３ａは、ＭＺＭチップ３２の変調電極３２ａの近傍まで形成されており、ＭＺＭチップ３２側の端部にバンプ３５ａが形成されている。バンプ３５ａの高さは、図４（ｂ）に示すように、ＭＺＭチップ３２の高さと同程度としている。バンプ３５ａの上面と変調電極３２ａとが、ボンディングワイヤ３４により接続されている。ＭＺＭを駆動制御するＲＦ回路は、コプレーナ線路３３、バンプ３５ａおよびボンディングワイヤ３４を介して、変調電極３２ａに高周波信号を供給する。
　このような構成により、ボンディングワイヤ３４の長さは、ＭＺＭチップ３２の高さの分だけ短くすることができる。従って、寄生インダクタンスを低減することができ、ＭＺＭとしての帯域を改善することができる。
　さらに、バンプ３５ａの両側面のグラウンド３３ｂ，３３ｃ上にも、バンプ３５ｂ，３５ｃを形成しておく。コプレーナ線路に近似した高周波線路を形成することになり、帯域劣化をより抑制することができる。
　図５に、第２の実施形態のＭＺＭサブアセンブリの周波数応答特性を示す。図４に示したＭＺＭサブアセンブリ３０を作製した。ＭＺＭチップ３２の高さ、バンプ３５ａの高さは０．２ｍｍとした。バンプ３５ａ－３５ｃの形状は０．１ｍｍ角の角柱である。バンプ２５ａ－２５ｃは、コバールの表面を金メッキした金属ブロックを、半田により実装している。ボンディングワイヤ３４は、直径０．０２５ｍｍの金ワイヤを用いた。バンプ３５ａとバンプ３５ｂ，３５ｃとのギャップは、０．０４５ｍｍとして、コプレーナ線路３３と同じく特性インピーダンス５０Ωとなるようにした。
　第１の実施形態と同様に、高周波線路にバンプを実装していない従来のＭＺＭサブアセンブリも作製し、周波数応答特性を比較した。従来のＭＺＭサブアセンブリでは３ｄＢ帯域が３１ＧＨｚ程度であったが、第２の実施形態のＭＺＭサブアセンブリ３０では、３ｄＢ帯域を３７ＧＨｚまで改善することができた。例えば、変調信号のボーレート５０Ｇｂａｕｄの超高速光ネットワークに適用する場合、ボーレートの約０．７倍である３５ＧＨｚ以上の帯域を必要とする。従来のＭＺＭサブアセンブリでは、この要求を満たせないが、第１の実施形態のＭＺＭサブアセンブリにより、この要求を満たす光送信器を実現することができる。
　第１および第２の実施形態において、高周波配線が形成されたキャリア上に、高周波信号が印加されるチップを搭載した光送信器において、高周波配線上に形成され、チップの高さに等しいバンプを介して、チップの電極に高周波信号が供給される構成とした。このような構成により、ボンディングワイヤの寄生インダクタンスによる帯域劣化を抑制することができ、さらには、これらチップを搭載する光送信器の帯域劣化を抑制することができる。
　キャリア上に搭載されるチップとして、ＥＭＬチップとＭＺＭチップを例に説明したが、これらに限られず、上記したＤＭＬチップなど、高周波信号が印加されるチップを搭載する光送信器に本実施形態を適用することができる。

Claims (5)

  1. 　高周波配線が形成されたキャリア上に、高周波信号が印加されるチップを搭載した光送信器において、
    　前記高周波配線の信号線上に形成され、チップの高さに等しいバンプを介して、前記チップの電極に高周波信号が供給されることを特徴とする光送信器。
  2. 　前記高周波配線は、マイクロストリップ線路またはグラウンドデッドコプレーナ線路であることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
  3. 　前記高周波配線は、グラウンドデッドコプレーナ線路であり、前記バンプが形成された信号線の両側面のグラウンド上のそれぞれにバンプが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
  4. 　前記チップは、電界吸収型変調器集積レーザ、マッハツェンダー干渉計型光変調器、または直接変調レーザであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光送信器。
  5. 　前記電界吸収型変調器集積レーザおよび前記マッハツェンダー干渉計型光変調器の変調信号のボーレートが５０Ｇｂａｕｄ以上であることを特徴とする請求項４に記載の光送信器。
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