WO2024075171A1

WO2024075171A1 - 光送信器

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Publication number: WO2024075171A1
Application number: PCT/JP2022/037035
Authority: WO
Inventors: 常祐尾崎; 義弘小木曽; 光映石川
Original assignee: 日本電信電話株式会社
Priority date: 2022-10-03
Filing date: 2022-10-03
Publication date: 2024-04-11

Abstract

光送信器（１０）は、ペルチェ素子（１６）と、光変調器（１３）と、光変調器のための変調電気信号を供給するドライバ集積回路（ＩＣ）（１２）と、を備え、光変調器およびドライバＩＣは、ペルチェ素子の上面に対してフェイスダウンで、フリップチップ実装される。光変調器を含む光変調器チップおよびドライバＩＣは、ペルチェ素子の上面に配置されたサブキャリア（１４）の上面にフリップチップ実装される。サブキャリアは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いて形成され、光変調器チップはＩｎＰを用いて形成され、サブキャリアと光変調器チップおよびドライバＩＣと間の隙間に３Ｗ／（ｍＫ）以上の熱伝導率を有するアンダーフィル材（１７）が充填される。ペルチェ素子の温度は２５℃以上５０℃以下で制御される。

Description

光送信器

　本開示は、光通信において利用される光送信器に関する。より詳細には、半導体光変調器およびそのドライバＩＣを含む光送信器の実装形態に関する。

　通信ネットワークの急激なトラフィック増大に応えるため、コヒーレント通信方式とデジタル信号処理技術を組み合わせたデジタルコヒーレント光伝送が光ファイバ通信システムに導入されている。当初の１波長当たり１００Ｇｂｐｓの基幹網伝送技術の確立から始まり、現在ではより高速化された１波長当たり４００～６００Ｇｂｐｓの伝送が実用化されている。

　上述のデジタルコヒーレント光伝送では、光受信器および光送信器を集積化した光送受信装置が利用されている。伝送容量が４００Ｇｂｐｓを超えるシステムの光送受信装置では、高周波（ＲＦ）電気回路などのアナログ部品の広帯域化が求められており、例えば光変調器では４０ＧＨｚ以上の変調帯域が必要である。広帯域化につながる高周波損失の低減や装置の小型化のため、例えば送信側ではＲＦドライバＩＣおよび光変調器が一体パッケージに実装された形態が注目されている。この光送信器の実装形態は，High-Bandwidth Coherent Driver Modulator (ＨＢ－ＣＤＭ：高速ドライバ集積光変調器)という名前でＯＩＦ（The Optical Internetworking Forum）で標準化もされている（非特許文献１）。光送受信装置の受信側でも、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）および光受光器が一体パッケージに実装され、ＩＣＲ（Integrated Coherent Receiver）とも呼ばれている。

　光送受信デバイスの材料に目を転じると、小型・低コスト化の観点で、従来のニオブ酸リチウム（ＬＮ）光変調器に代わって、半導体ベースの光変調器が注目を集めている。より高速な変調動作向けには、ＩｎＰに代表される化合物半導体が主に用いられている。また、より小型・低コスト化が重要視されるシステムにおいては、Ｓｉベースの光デバイスに研究開発が集中している。

　上述の半導体による光変調器においても材料固有の得失があり、例えばＩｎＰ光変調器においては、バンド端吸収効果を制御するために、動作時には光変調器チップの温度制御が必須である。一方、Ｓｉ光変調器は温度制御が不要となるメリットがあるものの、他の材料系と比べて電気光学効果が小さい。このため電気－光相互作用長を長くする必要が生じ、デバイス長が大きくなる結果として高周波損失増大を招くことがある。広帯域化および小型化のための実装技術を含めて、光変調器のさらなる高速化・広帯域化には課題が多い。

　ＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の動作温度（ケース温度）としては、少なくとも－５℃～７５℃の範囲が求められている。このような動作温度を確保するため、消費電力も考慮して光変調器チップのみがペルチェ素子上に実装されているのが一般的であった（特許文献１）。

国際公開第２０２１／１７１５９９号

ＯＩＦ, Implementation Agreement for the High Bandwidth Coherent Driver Modulator (HB-CDM), ［online］, July 15,2021, ［令和４年９月１日検索］，インターネット＜URL: https://www.oiforum.com/wp-content/uploads/OIF-HB-CDM-02.0.pdf＞ J. Ozaki et al., "500-Gb/s/λ Operation of Ultra-Low Power and Low-Temperature-Dependence InP-Based High-Bandwidth Coherent Driver Modulator," in Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 18, pp. 5086-5091, 15 Sept.15, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2998466.

　しかしながら、従来技術の光送信器では、高温時におけるドライバＩＣの高周波特性の劣化が問題となっていた。具体的には環境温度が高温状態にある場合に、ドライバＩＣの高周波帯域、ピーキング量やゲインが劣化することが問題となっていた。光送信器が高速化・広帯域化する中で、上述の劣化による信号品質の低下の影響が無視できなくなってきた。そのため、環境温度の変化に関わらず、一定の高周波特性を維持することのできる光送信器が望まれている。

　本開示は、上述の課題に鑑み、ドライバＩＣを含む光送信器の温度依存性を抑え、高速性に優れ、環境温度によらず安定動作が可能な光送信器の新規な構成および実装形態を提供する。

　本開示の１つの態様は、光送信器であって、ペルチェ素子と、光変調器と、光変調器のための変調電気信号を供給するドライバ集積回路（ＩＣ）と、を備え、光変調器およびドライバＩＣが、ペルチェ素子の上面に対してフェイスダウンで、フリップチップ実装された光送信器である。

　本開示により、ドライバＩＣを含む光送信器の温度依存性を抑え、高速性に優れ、環境温度によらず安定動作が可能な光送信器の新規な構成および実装形態を実現できる。

従来技術のＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の側断面図である。本開示の一実施形態に係るＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の側断面図である。本開示の別の実施形態に係るＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の側断面図である。本開示の一実施形態に係る光送信器におけるワイヤ接続箇所の高さ方向の制限およびドライバＩＣと光変調器チップ１０３との間隔の制限を説明する図である。本開示の別の実施形態に係るＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の上面図である。本開示の一実施形態に係る光送信器の回路面内におけるパッド位置等の制限を説明する図である。本開示の一実施形態に係る光送信器におけるペルチェ素子の密度配置を説明する図である。

　本開示は、変調器とそのドライバＩＣが一体にパッケージ実装された光送信器において、光送信器の高周波特性の温度依存性改善のための新しい構成と、各構成に適合する実装形態を提示する。温度依存性を改善する構成は、光送信器における温度調整器（ＴＥＣ：ThermoElectric Cooler）の新しい利用形態を含む。さらに、ＴＥＣの新しい利用形態に適合した、ドライバＩＣ、光変調器チップおよび空間光学部品の様々な実装形態も提案する。

　ＴＥＣは熱電クーラーとも呼ばれ、ペルチェ接合による小型冷却デバイスとして知られている。ＴＥＣは、ｎ型半導体、ｐ型半導体および金属から構成されており、板状に形成された素子の両面に直流電流を流すと、一方の面で吸熱、もう一方の面で放熱が起こる。電流の向きを逆にすれば吸熱と放熱が切り替わるので、ＩＣや電子部品の局所的で正確な温度コントロールが可能である。以下の説明では、簡単のため温度調整器をＴＥＣと呼び、ペルチェ素子として説明する。ドライバＩＣや光変調器チップの温度制御が可能なものであれば、ペルチェ素子によるものに限定されない。

　以下では、従来技術のＨＢ－ＣＤＭの形態による光変調器を例として、光送信器における高周波特性の温度依存性の問題を最初に説明する。その後、本開示の光送信器による、高周波特性の温度依存性を改善する新規な構成について、様々な実装形態とともに説明する。

　図１は、従来技術のＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の実装形態を示す側断面図である。光送信器１００は、ＨＢ－ＣＤＭの仕様に沿って、セラミック、金属等またはこれらの組み合わせによるパッケージ筐体１０１の内部にドライバＩＣ１０２、光変調器チップ１０３、空間光学部品であるレンズ１１２、１１３などが収納されている。より具体的には、パッケージ筐体１０１の内部の底面には、ペルチェ素子１０５の上のサブキャリア１０４を介して光変調器チップ１０３が搭載されている。光変調器チップ１０３の図面上で右端には変調光の出射端面があり、変調光を光ファイバ１１４と光結合するためのレンズ１１２、１１３もサブキャリア上に搭載されている。

　光変調器チップ１０３に隣接して、金属ブロックやセラミック材１０６上にドライバＩＣ１０２が搭載されている。さらに、パッケージ筐体１０１の図面上の左側の壁面として、配線基板ベース１０７およびパッケージ壁面１０８を備えており、パッケージ筐体１０１とともに、外部と光送信器の内部空間を区画する。光送信器１００は、パッケージ全体が気密性を確保して構成されることもできる。

　外部のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）から供給される変調電気信号は、配線基板ベース１０７の配線層１０９、ドライバＩＣ１０２を経て、光変調器チップ１０３へ供給される。配線層１０９およびドライバＩＣ１０２の間、ドライバＩＣ１０２および光変調器チップ１０３の間は、金のワイヤ線１１０、１１１等でそれぞれ接続されている。変調電気信号は、偏波多重型ＩＱ光変調方式の場合、Ｘ偏波およびＹ偏波のそれぞれについて、ＩチャネルおよびＱチャネルを含む。１つのチャネルが差動信号形式の電気信号として供給される場合、１つの光変調器に対して少なくとも８本の信号配線、さらにＧＮＤ配線が必要となるが、変調信号形式はこれに限定されない。図１に示した光送信器１００は、特許文献１に示されているように、受信側のＴＩＡおよび光受光器が一体に集積されたＩＣＲパッケージやＤＳＰとともに、共通の装置基板に搭載されて、光送受信装置を構成できる。

　ここで再び、光送信器内のペルチェ素子１０５に着目する。ＩｎＰ基板に作製された光変調器チップ１０３では温度制御が必須であり、ペルチェ素子１０５によって所定の動作温度にコントロールされている。図１に示したように、ペルチェ素子１０５は、少なくとも光変調器チップ１０３の全体領域をカバーするようなサイズを持ち、その位置がレンズなどの空間光学部品の領域に掛る場合もある。一方で、従来技術の光送信器１００では、ドライバＩＣ１０２の温度制御は必要が無いと考えられており、金属ブロックやセラミックなどの部材１０６によってパッケージ内に固定されていた。光送信器１００の外部温度（環境温度）が上昇すれば、その上昇した温度がドライバＩＣ１０２の動作温度となる。実際にはドライバＩＣも発熱体であるため、ドライバからの発熱を考慮すると、ドライバＩＣの動作温度は、外部温度に対して＋５～１０℃くらい高い温度になっていると見積もられる。光送信器を含む光送受信装置が使用される最大環境温度の８５℃の状態になれば、ドライバＩＣ１０２自体の温度も少なくとも８５℃以上となっていた。ドライバＩＣも大きな消費電力を持っており、ドライバＩＣ自体が発熱することになる。したがって、ドライバＩＣの発熱の影響により、ドライバＩＣのバックサイド温度は、最大環境温度の８５℃を超えることを意味している。

　ドライバＩＣは、高周波電気信号の増幅特性（高周波特性）に温度依存性を持っており、高温状態では、室温状態と比較して高周波帯域が低下する傾向にある。逆に低温状態では、室温状態と比較して高周波帯域は増大する傾向にある。このように、低温状態と高温状態の間で、ドライバＩＣの高周波特性が異なる。ドライバＩＣに供給される変調信号は、室温状態においてＤＳＰによって様々な最適化や補償が行われている。しかしながら、このような補償を温度変動とともに動的に更新しながら行うのは複雑な処理であり、一般には実施されていない。常温時における一定の補償状態のままで動作を続けるため、低温状態や高温状態に変わった際には、変調信号の補償状態は最適点からずれることになる。このため、光送信器の光伝送特性および波形品質に変動や劣化が生じていた。

　光変調器チップ１０３のＩＱ変調器は電気信号の振幅・位相を保存する線形変調器であり、変調電気信号のレベルや波形品質の変動は、変調出力光の品質に直接的な影響を与える。光送信器の動作中に外部温度が変わると、光変調器チップ自体はペルチェ素子で温度管理されているため一定温度に維持されるが、ドライバＩＣの動作温度は変化してしまう。結果として、ＨＢ－ＣＤＭの変調光のレベル変動や品質変動が生じ、環境温度の時間的な変化によって、伝送特性が劣化し、安定しない問題も生じる。

　電気信号の高域側での環境温度に起因した特性劣化は、変調信号の波形歪みを生じ、光変調器からの変調出力光の変調精度が劣化する。このような劣化した変調光を受信する光受信器では、ＢＥＲ特性にフロアが生じるなど、システムの伝送特性の低下にも繋がっていた。

　変調電気信号の広帯域化の要請が進み、４０ＧＨｚ以上の変調帯域が求められる状況の下で、上述のような高温時における、ドライバＩＣの高周波特性が劣化する影響は無視できない。本開示は、光変調器とそのドライバＩＣが一体にパッケージ実装された光送信器において、高周波特性および光伝送特性における温度依存性を改善する新しい構成および実装形態を提示する。

　図２は、本開示の一実施形態に係るＨＢ－ＣＤＭによる光送信器を示す側断面図である。本実施形態の光送信器１０は、図１に示した従来技術の光送信器１００の構成と同様に、ＨＢ－ＣＤＭに沿ったパッケージ筐体１１の内部にＩｎＰによる光変調器チップ１３およびそのドライバＩＣ１２他が一体に構成されている。パッケージ筐体１１の図面上左側の壁面として、配線基板ベース１８およびパッケージ壁面１９を備え、パッケージの内外を区画する構成も同様である。図１の従来技術の構成との相違点は、温度制御を行うＴＥＣ、すなわちペルチェ素子の利用形態にある。図１の光送信器１００におけるペルチェ素子の利用形態とは異なり、ドライバＩＣ１２も光変調器チップ１３および光学実装部材であるレンズ２３および２４と同一のペルチェ素子１６の上に実装されている。これにより、ドライバＩＣついても温度制御が可能となっている。

　ペルチェ素子１６の上には、サブキャリア１４を介してドライバＩＣ１２、光変調器チップ１３およびレンズ２３、２４が実装されている。サブキャリア１４は、ドライバＩＣ、光変調器チップおよび空間光学部品を固定し保持する土台として機能する。また、サブキャリア１４には光変調器チップのＤＣ配線と接続するための配線や、ドライバＩＣと光変調器チップとを接続するためのＲＦ線路、更には、空間光学部品を搭載するための位置出しマーカー等がメタルパターン１５によって形成されている。

　サブキャリア１４の材料としては、温度制御の対象であるドライバＩＣ１２および光変調器チップ１３を搭載するので熱伝導率が優れている方が望ましい。具体的には、ＡｌＮ基板等のセラミック基板が好ましい。ＡｌＮ基板はＩｎＰとの材料定数が近いため、温度変化に対する挙動の点でもＩｎＰによる光変調器との相性も良い。同様の理由および材料の一致性という観点からも、ペルチェ素子１６の上面のセラミックもＡｌＮから構成されていることが望ましい。ＣｕＷ等の熱伝導率が優れている金属をサブキャリア１４の材料としてもよい。サブキャリアの材料として金属を用いる場合は、上述したＲＦ線路および位置出しマーカー等が形成されたメタルパターン１５の代替として、サブキャリアの上面の少なくとも一部分に配線基板を配置し、当該配線基板にＲＦ線路および位置出しマーカーを形成することになる。

　ペルチェ素子１６とサブキャリア１４とは、ペルチェ素子での熱引きの観点から、熱抵抗の小さく熱伝導率の高い接着剤等により接合されていることが望ましい。具体的には、熱伝導率が３０Ｗ／（ｍＫ）以上の熱伝導性に優れたペーストまたははんだによりを用いてサブキャリア１４をペルチェ素子１６の上面に実装することが望ましい。

　図２では、サブキャリア１４は１層構造のＡｌＮで構成されているように描かれているが、多層のＡｌＮ基板とすることもできる。多層基板を利用することで、光変調器へのＤＣ配線数が多い場合や、端子の順番入れ替えのためにクロス配線を行う必要がある場合に、多層配線を駆使した柔軟な素子・配線レイアウトを行うことが可能である。ＲＦ設計の観点からも、多層配線とすることで配線の裏面側にＧＮＧを設けることが可能となり、１本の配線の幅を狭くすることや高密度に配線すること等、配線のレイアウトの自由度が増え、非常に有効である。

　ドライバＩＣ１２および光変調器チップ１３は、ピラーまたはバンプを用いた、若しくはそれらとはんだの組み合わせを用いたフェイスダウンでのフリップチップ実装されている。ドライバＩＣ１２および光変調器チップ１３は、主面のうちの電極ＰＡＤ形成された回路面（フェイス）をパッケージ筐体１１の底面に向けて（すなわち、電極ＰＡＤ形成された面を下向きにして）、サブキャリア１４の表面に形成されたメタルパターン１５上に配置されている。ピラーは、たとえばＡｕピラーまたはＣｕピラー等を用いることができる。

　ドライバＩＣ１２、光変調器チップ１３、レンズ２３、２４が傾かないようにフリップチップ実装するためは、サブキャリア１４の搭載面の平面度を管理することが非常に重要である。たとえば、サブキャリア１４の搭載面の平面度を０．０５ｍｍ以下とすることにより、安定したフリップチップ実装を実現することができる。

　フェイスダウンでフリップチップ実装されたドライバＩＣ１２および光変調器チップ１３とサブキャリア１４との間のＡｕピラーまたはバンプの高さ相当の隙間には、熱伝導性に優れたアンダーフィル材１７が充填されている。たとえば、３Ｗ／（ｍＫ）以上の熱伝導率を有するアンダーフィル材を用いることが望ましい。このようにして、フェイスダウンでフリップチップ実装されたドライバＩＣ１２および光変調器チップ１３の接合強度を増すとともに温度制御を効果的に行うことができる。アンダーフィル材については、これを省略する構成も可能である。アンダーフィル材は誘電体であり、一定の誘電率および誘電正接を有するため、光変調器等の高周波配線の損失につながるおそれもある。光変調器に求められる高周波帯域、ボーレートによっては、温度安定性や接合強度よりも高周波特性をより優先して、アンダーフィル材を使用しない構成もあり得ることに留意されたい。

　前述のように、ドライバＩＣは発熱体であってペルチェ素子によって温度制御すべき対象とは考えられてはいなかった。ペルチェ素子を動作させるためには駆動電力が必要であって、発熱体のためにわざわざ余計な電力を使用することは考慮されなかった。しかしながら、光送信器の広帯域化の実現のために、発明者らは発熱体に対して温度制御を加えると言う新しい着想に至った。

　本開示の光送信器１０は、１つのペルチェ素子１６により、光変調器チップ１３およびドライバＩＣ１２を同時に温度制御することが可能となっている。図２には明示されていないが、ペルチェ素子１６は、制御電流源に接続されている。各部の具体的な制御温度については、ＩｎＰ光変調器は温度が低すぎると変調効率が低下するため、一般的に４５±１０℃程度で使用されることが望ましい。

　一方、ドライバＩＣ１２については、高温状態よりも低温状態の方が高周波特性の良いことが知られている。そのため、光変調器チップ１３におけるＩｎＰ光変調器の特性の劣化が大きくなく、かつドライバＩＣの特性を十分に引き出せる温度として、ペルチェ素子１６は、２５℃以上５０℃以下の任意の温度で制御されていればよい。

　変調光を光ファイバ２５と光結合するためのレンズ２３、２４などの空間光学部品についても、温度変化による接着剤の厚み変動等を抑えるために、全てをペルチェ素子１６の上に実装するようにした。これにより温度変化によって光軸がずれることによる光挿入損失の変動等を最小化することができる。尚、空間光学部品としては、ファイバ固定用の部材や、偏波ビームコンバイナ（Polarization Beam Combine：ＰＢＣ）等も含まれる。フェイスダウンでフリップチップ実装された光変調器チップ１３から出力される光の光軸に、レンズ２３、２４の位置を合わせるために、サブキャリア１４の光学部品を搭載する部分を薄くしている。レンズ２３、２４の径が小さい場合など、位置を合わせのための段差が不要な場合には、厚みが一定のサブキャリア１４を用いてもよい。図２は、１つのサブキャリア１４に厚みのことなる２つの部分を設ける例を示すが、２つの部分を分離した構成としてもよい。図３は光送信器１０の変形形態を示す図であり、光変調器チップ１３およびドライバＩＣ１２を搭載するサブキャリア１４－１と、レンズ２３、２４を搭載するサブキャリア１４－２とを備えた構成である。サブキャリア１４－２を省略して、レンズ２３、２４をペルチェ素子１６のようなＴＥＣの上に直接搭載する構成としてもよい。

　図２では、一例としてＨＢ－ＣＤＭ形態の光送信器１０を示しているが、ドライバＩＣと光変調器が一体に構成されている光送信モジュールであれば、他のパッケージ形態であっても、同様の効果が得られる。また図２では、ドライバＩＣ１２へ変調信号を供給するＤＳＰからの配線を、ＲＦテラス上でフレキスブル配線板（ＦＰＣ）により接続される例を示している。すなわち、光送信器の外側の配線基板ベース１８の上面の配線層に形成された金属パターン２０において、図示しないＦＰＣケーブルと接続される。ＦＰＣインタフェースは、表面実装技術（ＳＭＴ）を利用した構成と比べ、ＲＦビア（ＶＩＡ）等が不要であるため高周波特性に優れている。

　次に、ドライバＩＣ１２の高周波特性および光変調器の変調高出力の品質の改善に寄与する実装構造について述べる。図２に示した様に、本実施形態のＨＢ－ＣＤＭ形態の光送信器１０において、ドライバＩＣ１２の電極パッドと光変調器チップ１３の電極パッドとは、ピラーまたはバンプを用いた、若しくはそれらとはんだの組み合わせを用いたフリップチップ実装により、ＡｌＮ基板で構成されたサブキャリア１４のメタルパターン１５の高周波配線にて接続される。一方、ドライバＩＣ１２の電極パッドとＲＦテラス上の金属パターン２０の電極パッド間はフリップチップ実装が困難であるため、ワイヤ線２１にて接続される。高周波特性に最も寄与するのは、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３との間のインダクタンスである。たとえば、ワイヤが長いと直列インダクタンス成分が増えることにより、ＬＣ共振に起因して高周波特性におけるロールオフ周波数が低域側にシフトしてきてしまう。したがって、ドライバＩＣにおける高周波特性を拡大し、変調高出力の品質を向上するためには、ワイヤのインダクタンスは低いことが望ましい。この点において、本実施形態では、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３との間をフリップチップ実装により接続している。これにより、図１の光送信器１００のようなワイヤにより接続に比べて、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３との間のインダクタンスを約１０分の１から５分の１程度まで下げることができ、広帯域化を可能としている。

　ドライバＩＣ１２の電極パッドとＲＦテラス上の金属パターン２０の電極パッド間のワイヤ接続のインダクタンスが高周波特性に与える影響は小さいものの、インダクタンスはなるべく小さいほど望ましい。そこで、ワイヤ接続する部分の高さ方向および平面方向についての規定を設けている。

　図４は、光送信器１０におけるワイヤ接続箇所の高さ方向の制限およびドライバＩＣと光変調器チップ１０３との間隔の制限を説明する図である。図２において、ＲＦテラスの金属パターン２０の電極、ドライバＩＣ１２および光変調器チップ１３の上面の近傍を高さ方向に拡大して示している。ＲＦテラスの金属パターンの電極とドライバＩＣの電極との間のインダクタンスは、ドライバＩＣの電極と光変調器の電極との間のインダクタンスに比べて、特性に与える影響は小さいものの、できるだけ小さいことが望ましい。図４に示したように、ワイヤ線２１によって接続されるＲＦテラスの電極の上面とサブキャリア１４のメタルパターン１５の上面との高さの差は、１００μｍ以下とすることが望ましい。この制限は、ドライバＩＣの厚みばらつきやサブキャリア１４の実装部材のばらつきを考慮して、実現可能な最小な範囲である。たとえば、ペルチェ素子１６の高さを変えてもよいし、サブキャリア１４の厚みを変えてもよいし、またはセラミックで構成された配線基板ベース１８のＲＦテラスの高さを変えてもよい。同様に、配線基板ベース１８のＲＦテラスの電極パッドとドライバパッケージ（不図示）の電極パッドとの間のギャップも１００μｍ以下とすることが望ましい。なお、ＲＦテラスの金属パターンの電極とドライバＩＣの電極との間をリボンボンディング等により接続する場合には、ＲＦテラスの電極の上面とサブキャリア１４のメタルパターン１５の上面との高さの差は必ずしも必要ではない。すなわち、ＲＦテラスの電極の上面とサブキャリア１４のメタルパターン１５の上面との高さが等しくなるように構成してもよい。

　また高周波特性の観点から考えると、配線長が長いほど配線損失が増えて高周波特性が劣化する。ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３と間の距離を近くすることが望ましい。しかし、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３とが近すぎると、１つのペルチェ素子１６によるドライバＩＣ１２および光変調器チップ１３に対する温度制御が十分に作用しないことやドライバＩＣの熱が光変調器チップに伝わることにより、光送信器１０の動作が不安定になる虞がある。よって、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３との間は、少なくとも５００μｍ以上離すことが望ましい。５００μｍ以上離すことで、実装時のジグ等のアクセスも容易になるので、製造の観点でも適切であると言える。ただし、高周波特性を考えると、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３と間の距離が長いほど、特性が大きく劣化する。よって、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３と間の距離は、５ｍｍ以下にすることが望ましい。たとえば、光変調器チップ１３の電極パッドとドライバＩＣ１２の電極パッドとを接続するＲＦ配線の長さは、５００μｍ以上５ｍｍ以下にすることが望ましい。

　図５は、本発明の光送信器の実装形態の変形例を示す上面図である。図２に示した光送信器１０のパッケージ筐体１１を切断して、モジュール内部の回路面を見た上面図に相当する。サブキャリア１４のメタルパターン１５の高周波信号線へアンダーフィル材１７が流れ込むのを防ぐため、点線で示したように、サブキャリア１４の上面に溝３０－１、３０－２が形成されている。サブキャリア１４の高周波配線は、ドライバＩＣ１２および光変調器チップ１３の間の点線で示す領域３３に構成される。ドライバＩＣ１２および光変調器チップ１３では、ＲＦ接続用の電極パッドはそれぞれの周囲に形成されている。サブキャリア１４の上面であって、これらの周囲の電極パッドの内側の位置に溝を形成することで、製造工程中の余分なアンダーフィル材が溝の中に収容される。余分なアンダーフィル材を、ドライバＩＣおよび光変調器チップの周囲の高周波配線に広げることなく、溝の中に収めることができる。

　図５では、ドライバＩＣ１２については、高周波配線の領域３３の一辺のみに直線状の溝３０－２を、また光変調器チップ１３については、チップの４周辺の近傍に矩形状の溝３０－１をそれぞれ形成した例を示している。溝の形状は図５に示した構成に限定されず、アンダーフィル材１７の性状や、サブキャリア１４上における影響を回避すべき配線の形態などに応じて、変更可能である。例えば、図５ではドライバＩＣ１２側の溝３０－２は光変調器チップ１３側の一辺のみにあるが、ドライバＩＣの４周辺に対応する位置に矩形状に形成されていても良い。また、図５の構成に加えて、ドライバＩＣ１２のＲＦテラス側の位置、すなわち配線基板ベース１８側の一辺に直線状の溝を追加しても良い。さらに図５では、光変調器チップ１３の４周辺の近傍に対応する位置に矩形状の溝３０－１を形成しているが、ドライバＩＣ１２側および次に述べるレンズ２３，２４側の２辺に対応する位置のみに溝を形成しても良い。

　ドライバＩＣ１２側の直線状の溝３０－２および光変調器チップ１３側の矩形状の溝３０－１のうちのドライバＩＣ側の溝は、光変調器チップとドライバＩＣ間の熱分離溝としての役割も果たす。すなわちドライバＩＣ１２および光変調器チップ１３の対向するそれぞれの辺の少なくとも一方の近傍であってサブキャリア１４の表面上に溝を設けることができる。サブキャリア１４が多層基板で構成される場合は、高周波配線を内層に形成できるため、領域３３にも溝を形成することができる。ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３の間であって、サブキャリア１４の上面または下面の少なくとも一方に溝を形成することで、この溝も熱分離溝としての役割を果たすことができる。

　光変調器チップ１３の導波路の出射点の付近のサブキャリア上にも、アンダーフィル材を逃すための溝を設けておくのが望ましい。図２を再び参照すると、光変調器チップ１３のレンズ側のチップ端面の近傍で、アンダーフィル材がせり上がってくると、出射端面にアンダーフィル材が付着して、レンズ２３、２４との光結合を悪化させる場合がある。図４５示した光変調器チップ１３側の矩形状の溝３０－１のレンズ２３側の一辺の溝も、このような光結合のトラブルを回避するために有効である。

　サブキャリア１４が多層構造によって形成されている場合は、高周波線路をサブキャリアの内層に構成することで、上述のアンダーフィル材の影響を避けることが可能である。また、高周波配線が内層に構成されれば、サブキャリアの上面であって、光変調器チップとドライバＩＣ間の任意の場所に溝を形成することもできる。内層配線の断線や特性インピーダンスへの影響などに十分な配慮が必要なことは言うまでもない。一方で、サブキャリアの実効誘電率の影響で、同一の線路インピーダンスで高周波配線を設計する場合、内層配線では信号線幅が細くなってしまう。さらに、サブキャリアの誘電正接の影響も受けてしまうため、高周波線路の損失だけを考えるとサブキャリア１４の最表面に配線パターンが有るのが望ましい。

　図５における空間光学部品の配置では、レンズ２３、２４は光変調器チップ１３のドライバＩＣ１２とは反対側に配置されている。しかしながら、例えば少なくとも１つのレンズを図５の上面図で見て光変調器チップ１３の上側または下側に配置することもできる。また、ＰＢＣが光変調器チップ１３のドライバＩＣ１２とは異なる側に配置される場合もあり得る。すなわち空間光学部品は、光変調器チップ１３のドライバＩＣ１２に面する辺とは異なる辺側であって、ペルチェ素子１６の上方に実装される。余分なアンダーフィル材を逃すための溝を、空間光学部品に対応する、光変調器のチップの辺の近傍に形成することができる。

　図６は、光送信器における回路面内におけるパッド等の制限を説明する図であり、サブキャリア１４側から見た図である。図６では一例として、ドライバＩＣ１２の出力側の電極パッド２６と、光変調器チップ１３の入力側の電極パッド２７を示している。図６に示すように、電極パッド２６および２７に、サブキャリア１４の表面に形成されたメタルパターン１５とのフリップチップ接続用のピラー及びはんだ３０および３１がそれぞれ形成されている。

　図６に示すように、ドライバＩＣ１２の出力側の電極パッド２６をＧＳＧＳＧ構成とし、光変調器チップ１３の入力側の電極パッド２７をＧＳＳＧ構成としている。ドライバＩＣ１２の効率を考えると、シングルエンド駆動よりも差動駆動が望ましく、差動駆動するドライバＩＣ１２との接続性から光変調器チップ１３も差動駆動としている。サブキャリア１４の表面に形成されたメタルパターン１５にも、ＲＦ配線として、ＧＳＧＳＧまたはＧＳＳＧ構成等の差動線路がレイアウトされている。差動線路が曲げ部分を含むと特性が劣化する傾向がある。したがって、本実施形態では、図６に示すように、ＲＦ配線すなわち差動線路が直線で形成されるように、ドライバＩＣ１２の出力側の電極パッド２６の位置と、光変調器チップ１３の入力側の電極パッド２７の位置やチャネルピッチが大きくズレないようにしている。なお、図６において、差動線路が破線で示されている。ただし、光変調器チップの入力側の電極パッドとドライバＩＣの出力側の電極パッドの位置を合わせることが出来ない場合に、差動線路の特性を大きく劣化させない程度の曲げやテーパー形状を含む差動線路がメタルパターン１５に設けられていてもよい。

　上述の説明では、空間光学部品としてレンズ２３、２４が実装される場合を示したが、ファイバ固定用の部材やＰＢＣ等も含まれる。

　図７は、本開示の一実施形態に係る光送信器におけるペルチェ素子の密度配置を説明する図である。ペルチェ素子１６は、上下の金属面の間に、ｎ型の半導体素子およびｐ型の半導体素子を多数配置して、全体として両面の間で熱の移動を実現する。したがって、温度制御を行う対象の発熱量に合わせて、ペルチェ素子内の半導体素子の配置密度を設定できる。光送信器内の各部の発熱量を考えると、ドライバＩＣが最も発熱量が大きく、次に光変調器チップ、空間光学部品の順となる。具体的には、ペルチェ素子の素子密度を、ドライバＩＣの実装領域＞光変調器チップの実装領域＞空間光学部品の実装領域となるようにする。

　図７に示したように、ドライバＩＣ１２を制御するペルチェ素子の領域１６－１は最も高い素子密度を持つようにする。また光変調器チップ１３を制御するペルチェ素子の領域１６－２は中程度の素子密度、レンズ２３、２４を含む空間光学部品等が配置される領域１６－３は低い素子密度で良い。

　以上詳細に説明をしたように、本開示によれば、光変調出力特性の温度依存性を抑え、高速性に優れた光送信器の新規な構成および実装形態を実現できる。

　本開示によれば、光通信ネットワークに利用できる光変調出力特性の温度依存性を改善した光送信器を提供できる。

１０、１００　光送信器
１１、１０１　パッケージ筐体
１２、１０２　ドライバＩＣ
１３、１０３　光変調器チップ
１４，１４－１，１４－２、１０４　サブキャリア
１５　メタルパターン
１６、１０５　ペルチェ素子
１７　アンダーフィル材
１８、１０７　配線基板ベース
１９、１０８　パッケージ壁面
２０　金属パターン
２１、１１０、１１１　ワイヤ線
２３、２４、１１２，１１３　レンズ
２５、１１４　光ファイバ
２６、２７　電極パッド
３０、３１　ピラー及びはんだ
３２－１，３２－２　溝１０６　部材
１０９　配線層

Claims

　光送信器であって、
　ペルチェ素子と、
　光変調器と、
　前記光変調器のための変調電気信号を供給するドライバ集積回路（ＩＣ）と、
　を備え、
　前記光変調器および前記ドライバＩＣは、前記ペルチェ素子の上面に対してフェイスダウンで、フリップチップ実装されている、光送信器。
　前記光送信器は、
　前記ペルチェ素子の上面に配置されたサブキャリアと、
　前記光変調器を含む光変調器チップと、
　前記サブキャリアの上面に形成されたメタルパターンと、
をさらに備え、
　前記光変調器チップおよび前記ドライバＩＣは、前記サブキャリアの上面にフリップチップ実装されており、
　前記メタルパターンは、前記光変調器の電極パッドと前記ドライバＩＣの電極パッドとを接続する配線を含み、前記配線の長さが５００μｍ以上５ｍｍ以下であり、前記配線は直線の差動線路である、請求項１に記載の光送信器。
　前記ペルチェ素子の温度が２５℃以上５０℃以下で制御される、請求項１に記載の光送信器。
　前記光送信器は、
　前記ペルチェ素子の上面に配置されたサブキャリアであり、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いて形成されたサブキャリアと、
　前記光変調器を含む光変調器チップであり、ＩｎＰを用いて形成された光変調器チップと、
をさらに備え、
　前記光変調器チップおよび前記ドライバＩＣは、前記サブキャリアの上面にフリップチップ実装されており、前記サブキャリアの上面の平面度は、０．０５ｍｍ以下であり、
　前記光送信器は、前記サブキャリアと前記光変調器チップおよび前記ドライバＩＣと間の隙間に充填されたアンダーフィル材であり、３Ｗ／（ｍＫ）以上の熱伝導率を有するアンダーフィル材をさらに備えている、請求項３に記載の光送信器。
　互いに対向する前記光変調器チップの辺および前記ドライバＩＣの辺のうちの少なくとも一方の近傍であって前記サブキャリアの上面に形成された溝、または、前記光変調器チップと前記ドライバＩＣとの間であって前記サブキャリアの上面または下面の少なくとも一方に形成された溝をさらに備えている、請求項４に記載の光送信器。
　前記光変調器と関連付けられた光学部品であり、前記サブキャリアの上面に配置された光学部品をさらに備えている、請求項４に記載の光送信器。
　前記光学部品が配置された前記サブキャリアの部分の厚みは、前記光変調器がフリップチップ実装された前記サブキャリアの部分の厚みよりも薄く形成されている、請求項６に記載の光送信器。
　前記ペルチェ素子は、ｎ型半導体素子およびｐ型半導体素子を備え、前記ｎ型半導体素子および前記ｐ型半導体素子の密度が、前記ドライバＩＣの下部＞前記光変調器チップの下部＞前記光学部品の下部となるように構成されている、請求項６に記載の光送信器。
　前記光変調器のチップおよび前記ドライバＩＣは、高速ドライバ集積光変調器（ＨＢ－ＣＤＭ）形態のパッケージ内に実装されており、
　前記パッケージ、前記ドライバＩＣ、前記光変調器、および前記メタルパターンの各々は、高周波（ＲＦ）差動信号を入出力する電極パッドを有し、
　前記パッケージの前記電極パッドは、前記パッケージのＲＦテラスの上面に形成されており、前記パッケージのＲＦテラスの上面と前記メタルパターンが形成された前記サブキャリアの上面との高さの差は１００μｍ以下であり、前記ＲＦテラスの前記電極パッドおよび前記メタルパターンの前記電極パッドがワイヤ接続されている、請求項２に記載の光送信器。