WO2024075172A1 - 光送信器 - Google Patents

光送信器 Download PDF

Info

Publication number
WO2024075172A1
WO2024075172A1 PCT/JP2022/037036 JP2022037036W WO2024075172A1 WO 2024075172 A1 WO2024075172 A1 WO 2024075172A1 JP 2022037036 W JP2022037036 W JP 2022037036W WO 2024075172 A1 WO2024075172 A1 WO 2024075172A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
driver
optical modulator
optical
modulator chip
chip
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/037036
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
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 (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本電信電話株式会社 filed Critical 日本電信電話株式会社
Priority to PCT/JP2022/037036 priority Critical patent/WO2024075172A1/ja
Publication of WO2024075172A1 publication Critical patent/WO2024075172A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
    • G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells

Definitions

  • This disclosure relates to an optical transmitter used in optical communications. More specifically, it relates to an implementation form of an optical transmitter that includes a semiconductor optical modulator and its driver IC.
  • an optical transceiver in which an optical receiver and an optical transmitter are integrated is used.
  • broadband analog components such as radio frequency (RF) electrical circuits are required; for example, an optical modulator requires a modulation bandwidth of 40 GHz or more.
  • RF radio frequency
  • HB-CDM High-Bandwidth Coherent Driver Modulator
  • ICR Integrated Coherent Receiver
  • semiconductor-based optical modulators are attracting attention as an alternative to conventional lithium niobate (LN) optical modulators due to their compact size and low cost.
  • Compound semiconductors such as InP are mainly used for faster modulation operations.
  • Si-based optical devices Furthermore, in systems where compact size and low cost are important, research and development is focused on Si-based optical devices.
  • semiconductor optical modulators also have their own advantages and disadvantages, and for example, in an InP optical modulator, temperature control of the optical modulator chip is essential during operation to control the band edge absorption effect.
  • an optical modulator made of LiNbO3 hereinafter referred to as "LN optical modulator”
  • an optical modulator made of Si hereinafter referred to as "Si optical modulator”
  • LN optical modulator LiNbO3
  • Si optical modulator Si optical modulator
  • the operating temperature (case temperature) of the optical transmitter must be in the range of at least -5°C to 75°C. In order to ensure such an operating temperature, it was common to only mount the optical modulator chip on the Peltier element, taking into account power consumption (Patent Document 1).
  • this disclosure provides a new configuration and implementation form of an optical transmitter that suppresses the temperature dependency of an optical transmitter including a driver IC, has excellent high-speed performance, and is capable of stable operation regardless of the environmental temperature.
  • the present disclosure provides an optical transmitter that includes an optical modulator chip, a driver IC that operates the optical modulator chip, and a Peltier element, the driver IC being placed on the Peltier element, and only the driver IC being temperature controlled.
  • FIG. 1 is a cross-sectional side view showing an implementation of a prior art HB-CDM optical transmitter.
  • FIG. 2 is a side cross-sectional view showing a first implementation of an optical transmitter using HB-CDM.
  • FIG. 3 is a side cross-sectional view showing a second implementation of an optical transmitter using HB-CDM.
  • FIG. 4 is a side cross-sectional view showing a third implementation of an optical transmitter using HB-CDM.
  • FIG. 5 is a side cross-sectional view showing a fourth implementation of an optical transmitter using HB-CDM.
  • FIG. 6 is a top view showing a modification of the fourth implementation form of the optical transmitter using HB-CDM.
  • FIG. 7 is a side cross-sectional view showing another example of the fourth implementation of an optical transmitter according to HB-CDM.
  • This disclosure presents new configurations for improving the temperature dependency of the high-frequency characteristics of an optical transmitter in an optical transmitter in which an optical modulator and its driver IC are integrally packaged, and implementation forms compatible with each configuration.
  • the configuration for improving the temperature dependency includes a new use of a temperature regulator (TEC: Thermo Electric Cooler) in the optical transmitter.
  • TEC Thermo Electric Cooler
  • various implementation forms of the driver IC, optical modulator chip, and spatial optical components compatible with the new use of the TEC are also proposed.
  • TECs are also known as thermoelectric coolers, and are known as small cooling devices that use Peltier junctions. TECs are made up of n-type semiconductors, p-type semiconductors, and metals, and when a direct current is passed through both sides of the plate-shaped element, heat is absorbed on one side and dissipated on the other. Reversing the direction of the current switches between heat absorption and dissipation, allowing for localized and precise temperature control of ICs and electronic components. For simplicity's sake, in the following explanation, the temperature regulator will be referred to as a TEC and described as a Peltier element. Any device that can control the temperature of a driver IC or optical modulator chip is not limited to one that uses a Peltier element.
  • FIG. 1 is a side cross-sectional view showing the mounting form of an optical transmitter 100 using HB-CDM, a conventional technology.
  • the optical transmitter 100 contains a driver IC 102, an optical modulator chip 103, and lenses 112 and 113, which are spatial optical components, inside a package housing 101 made of ceramic, metal, or a combination of these. More specifically, the optical modulator chip 103 is mounted on the bottom inside the housing 101 via a subcarrier 104 on a Peltier element 105. The right end of the optical modulator chip 103 in the drawing has an output end face for modulated light, and lenses 112 and 113 for optically coupling the modulated light to an optical fiber 114 are also mounted on the subcarrier.
  • a driver IC 102 is mounted on a metal block or ceramic material 106 adjacent to the optical modulator chip 103.
  • the package housing 101 has a wiring board base 107 and a package wall 108 as the left wall in the drawing, which, together with the package housing 101, separate the outside from the internal space of the optical transmitter.
  • the optical transmitter 100 can also be constructed so that the entire package is airtight.
  • the modulated electrical signal supplied from an external digital signal processor (DSP) is supplied to the optical modulator chip 103 via the wiring layer 109 and driver IC 102 of the wiring board base 107.
  • the wiring layer 109 and the driver IC 102, and the driver IC 102 and the optical modulator chip 103 are connected by gold wires 110, 111, etc., respectively.
  • the modulated electrical signal includes an I channel and a Q channel for each of the X polarization and the Y polarization.
  • one channel is supplied as an electrical signal in a differential signal format, at least eight signal wirings and a GND wiring are required for one optical modulator, but the modulated signal format is not limited to this.
  • the optical transmitter 100 shown in FIG. 1 can be mounted on a common device substrate together with an ICR package in which the receiving side TIA and optical receiver are integrated, and a DSP, to form an optical transmitting and receiving device.
  • the Peltier element 105 in the optical transmitter 100. Temperature control is essential for the optical modulator chip 103 fabricated on an InP substrate, and the Peltier element 105 controls the temperature to a predetermined operating temperature. As shown in FIG. 1, the Peltier element 105 has a size that covers at least the entire area of the optical modulator chip 103, and its position may overlap the area of spatial optical components such as lenses.
  • the optical transmitter 100 of the conventional technology it was considered that temperature control of the driver IC 102 was not necessary, and it was fixed in the package by a member 106 such as a metal block or ceramic. If the external temperature (ambient temperature) of the optical transmitter 100 rises, the operating temperature of the driver IC 102 also rises.
  • the driver IC is also a heat source, so considering the heat generated by the driver IC, the operating temperature of the driver IC is estimated to be about +5 to 10°C higher than the external temperature.
  • the maximum environmental temperature for use of an optical transceiver including an optical transmitter reaches 85°C
  • the temperature of the driver IC 102 itself also reaches at least 85°C.
  • the driver IC also consumes a large amount of power, and the driver IC itself generates heat. This means that the backside temperature of the driver IC exceeds the maximum environmental temperature of 85°C due to the influence of heat generated by the driver IC.
  • the driver IC has temperature-dependent amplification characteristics (high frequency characteristics) of high frequency electrical signals, and at high temperatures the high frequency band tends to decrease compared to room temperature. Conversely, at low temperatures the high frequency band tends to increase compared to room temperature. Thus, the high frequency characteristics of the driver IC differ between low and high temperatures.
  • the modulation signal supplied to the driver IC is optimized and compensated in various ways by the DSP at room temperature. However, dynamically updating such compensation in line with temperature fluctuations is a complex process and is not generally implemented. Because operation continues at a constant compensation state at room temperature, the compensation state of the modulation signal deviates from the optimal point when the state changes to a low or high temperature. This causes fluctuations and deterioration in the optical transmission characteristics and waveform quality of the optical transmitter.
  • the IQ modulator of the optical modulator chip 103 is a linear modulator that preserves the amplitude and phase of the electrical signal, and fluctuations in the level and waveform quality of the modulated electrical signal directly affect the quality of the modulated output light. If the external temperature changes while the optical transmitter is in operation, the optical modulator chip itself is maintained at a constant temperature because it is temperature-controlled by a Peltier element, but the operating temperature of the driver IC changes. As a result, fluctuations in the level and quality of the HB-CDM modulated light occur, and temporal changes in the environmental temperature can cause deterioration and instability in the transmission characteristics.
  • the deterioration of characteristics due to the environmental temperature on the high frequency side of the electrical signal causes waveform distortion of the modulated signal, degrading the modulation accuracy of the modulated output light from the optical modulator.
  • a floor appears in the BER characteristics, leading to a deterioration in the transmission characteristics of the system.
  • optical transmitter according to the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings.
  • the optical transmitter according to the present disclosure will be described as being in the form of an HB-CDM with a flexible printed circuit board (FPC) interface.
  • FPC flexible printed circuit board
  • Figure 2 is a side cross-sectional view showing a first implementation of an optical transmitter using the HB-CDM of the present disclosure.
  • the optical transmitter 10 has an optical modulator chip 13, its driver IC 12, and other components integrated inside a package housing 11 aligned with the HB-CDM, similar to the conventional technology configuration shown in Figure 1.
  • a driver IC 12 an optical modulator chip 13, and optical components (lenses 21 and 22, which are spatial optical components, are depicted as examples in Figure 2) are housed inside a package housing 11. More specifically, on the bottom surface of the housing 11, the optical modulator chip 13 is mounted face-up on a carrier 14 made of a metal block or a dielectric substrate, and the driver IC 12 is mounted face-up on a Peltier element 15. At the right end of the optical modulator chip 13 in the drawing is the emission end face of the modulated light, and lenses 21 and 22 for optically coupling the modulated light with an optical fiber 23 are also mounted on the carrier 14.
  • the optical transmitter 10 includes a wiring board base 16 and a package wall 17 as the wall surface on the left side of the package housing 11 in the drawing, which, together with the package housing 11, separate the internal space of the optical transmitter from the outside.
  • the wiring board base 16 also has an RF terrace (package terrace), and a wiring layer 18 formed on the upper surface of the RF terrace is connected to a flexible printed circuit board (FPC) as a high-frequency interface.
  • the optical transmitter 10 can also be constructed with the entire package being airtight, but unlike an InP optical modulator, airtightness is not necessarily required in this implementation form which uses an LN optical modulator or a Si optical modulator.
  • the modulated electrical signal supplied from an external digital signal processor (DSP) is supplied to the optical modulator chip 13 via the wiring layer 18 of the wiring board base 16 and the driver IC 12.
  • the wiring layer 18 and the driver IC 12 are connected by a wire 19.
  • the driver IC 12 and the optical modulator chip 13 are also connected by a wire 20.
  • the wires 19 and 20 can be, for example, bonding wires such as gold wires.
  • the optical modulator is not InP, but an LN optical modulator or a Si optical modulator made of LiNbO3 or Si that does not require temperature control.
  • the optical transmitter 10 does not have a Peltier element for controlling the optical modulator.
  • the optical modulator is mounted on the carrier 14, and is not mounted on the Peltier element. That is, in this implementation, only the driver IC 12 is mounted on the Peltier element 15, and the temperature control of the driver IC 12 is possible.
  • the driver IC 12 must be mounted on the Peltier element 15 using conductive paste or solder with excellent thermal conductivity, with a thermal conductivity of 30 W/mK or more, to improve heat dissipation by the Peltier element 15.
  • the carrier 14 functions as a base for fixing and holding the optical modulator chip 13 and the spatial optical components. If wiring is required on the carrier 14 to take out the DC wiring of the optical modulator chip, the carrier 14 can be made of a dielectric substrate, or the carrier 14 can be made of a metal block with a dielectric substrate provided on at least a portion of its upper surface for forming the wiring.
  • the carrier 14 is depicted as being made up of one layer because it may be a metal block, but if the carrier 14 is made up of a dielectric substrate, it may be made up of multiple layers. Making it multi-layered makes it possible to implement a flexible element and wiring layout that makes full use of multi-layer wiring when there are a large number of DC wirings to the optical modulator or when cross wiring is required to change the order of the terminals. In addition, when a dielectric substrate is used, it is also possible to form positioning markers for mounting spatial optical components using metal patterns.
  • the driver IC 12 and the optical modulator chip 13, and the wiring layer 18 formed on the upper surface of the RF terrace provided with the driver IC 12 and the wiring board base 16 are assumed to be connected using wire lines 19 and 20, which are, for example, bonding wires.
  • wire lines 19 and 20 are, for example, bonding wires.
  • the first mounting form regulations are set for the height direction and the planar direction.
  • this first mounting form as shown in FIG. 2, nothing is sandwiched between the driver IC 12 and the Peltier element 15, and the driver IC 12 is mounted directly above the Peltier element 15.
  • the optical modulator chip 13 and lenses 21, 22 are mounted on a carrier 14, and the height difference between the driver IC 12 and the modulator chip 13 is adjusted by adjusting the thickness of this carrier 14.
  • the height difference between the driver IC 12 and the RF terrace can be set to the desired difference by adjusting the height of the wiring board base 16.
  • the thickness of each component is adjusted so that the difference in height between the electrode pads of the driver IC 12 and the electrode pads of the optical modulator chip 13, and between the electrode pads of the driver IC 12 and the electrode pads of the RF terrace, is 100 ⁇ m or less.
  • This value is shown as an example of a realistically achievable range when considering variations in mounting and variations in the thickness of the optical modulator chip 13 and driver IC 12, and by adjusting the thickness of each component, the height of the electrode pads on the top surface of the driver IC 12 and the optical modulator chip 13 can be made uniform.
  • the height of the optical modulator chip 13 side slightly lower than the driver IC 12, and to mount the wire so that it rises from the optical modulator chip 13 side to the driver IC 12 side.
  • the driver IC 12 and the RF terrace it is desirable to make the height of the driver IC 12 slightly lower than the RF terrace.
  • the height of the optical modulator chip 13 side and the height of the driver IC 12, and the height of the driver IC and the RF terrace are the same.
  • the planar gap between the optical modulator chip 13 and the driver IC 12 is directly related to the length of the wire, so it is desirable for the gap between the optical modulator chip 13 and the driver IC 12 to be as small as possible. Considering the accuracy of the mounting process and the risk of shorts, it is desirable for this gap to be controlled to, for example, 50 ⁇ m or less. Furthermore, even if the gap between the optical modulator chip and the driver IC is controlled, if the respective electrode pads are formed away from the chip end, there is no effect of shortening the length of the wire, so the electrode pads are formed at a position 50 ⁇ m or less from each chip end. If the distance from the chip end to the electrode pad is 50 ⁇ m or less, this can be achieved by ordinary dicing or cleaving.
  • the driver IC is a heating element and was not considered to be a target for temperature control by a Peltier element. Driving power is required to operate the Peltier element, and no consideration was given to using extra power for a heating element.
  • the inventors came up with the new idea of adding temperature control to the driver IC, which is a heating element.
  • the optical transmitter 10 in the first implementation is composed of an optical modulator that does not require temperature control, such as an LN optical modulator or a Si optical modulator, and a driver IC.
  • the optical modulator chip that does not require temperature control is mounted on a carrier 14 made of a metal block or a dielectric substrate, and only the driver IC is mounted on a Peltier element, making it possible to control the temperature of the driver IC, which requires temperature management, while also achieving power savings.
  • the optical modulator itself does not require temperature control, and since it has almost no temperature dependency, there is no need to consider the effects of heat inflow from the Peltier element or driver IC, or thermal isolation from them.
  • the optical transmitter of this implementation does not require a TEC for the optical modulator, and only the driver IC is mounted on the TEC, so the total power consumption is not significantly inferior to that of a conventional optical transmitter in which only an InP optical modulator is mounted on the TEC.
  • the high-frequency characteristics of the driver IC 12 are better at low temperatures than at high temperatures, and from this perspective, the lower the set temperature of the Peltier element 15 that controls the temperature of the driver IC 12, the better.
  • the set temperature is set too low, the improvement in the high-frequency characteristics of the driver IC is limited compared to the amount of power consumption of the Peltier element. Therefore, considering that the operating environment temperature of the optical transmitter 10 varies in the range of approximately -5°C to 85°C, it is most appropriate to control the Peltier element at a constant temperature in the range of 25°C to 50°C from the perspective of balancing power consumption and high-frequency characteristics.
  • an optical transmitter can be realized in which the high-frequency characteristics do not deteriorate even when the outside temperature is high, and the high-frequency characteristics do not change even when the outside temperature changes.
  • you prioritize characteristics and do not care about power consumption it is effective to set the temperature lower than 25°C to ensure the characteristics.
  • the optical transmitter 10 of this implementation includes an optical modulator 13, a driver IC that operates the optical modulator, and a Peltier element 15, and the driver IC is placed on the Peltier element, so that the optical transmitter can be implemented as one in which only the driver IC is temperature controlled.
  • Figure 3 is a side cross-sectional view showing a second implementation of an optical transmitter using the HB-CDM of the present disclosure.
  • the optical transmitter 10 of the second implementation shown in Figure 3 has an optical modulator chip 13, its driver IC 12, and other components integrated inside a package housing 11 aligned with the HB-CDM, similar to the configuration shown in Figure 2.
  • the package housing 11 has a wiring board base 16 and a package wall 17 as the wall on the left side of the drawing, and the configuration for dividing the inside and outside of the package is also the same.
  • the driver IC 12 is mounted on the Peltier element 15 via a subcarrier 31 made of a metal block or a dielectric substrate.
  • the subcarrier 31 may be made of a dielectric substrate, as in the carrier 14 on which the optical modulator chip 13 is mounted, or the subcarrier 31 may be made of a metal block and a dielectric substrate for forming wiring may be provided on at least a portion of the upper surface.
  • the subcarrier 31 is made of a material with excellent thermal conductivity, such as aluminum nitride (AIN).
  • the subcarrier is made of a dielectric substrate, it is preferable to use an AIN substrate that allows multilayer wiring.
  • the thickness of the subcarrier 31 it is possible to adjust the height between the driver IC 12 and the optical modulator chip 13, and between the driver IC 12 and the RF terrace.
  • a multi-layer AIN substrate can be used as the subcarrier 31, similar to the optical modulator chip described above.
  • FIG. 4 is a side cross-sectional view showing a third implementation of an optical transmitter using the HB-CDM of the present disclosure.
  • the optical modulator chip 13 and its driver IC 12 are integrally configured inside the package housing 11 along the HB-CDM, similar to the configuration shown in FIG. 2 and FIG. 3.
  • the package housing 11 has a wiring board base 16 and a package wall surface 17 as the wall surface on the left side of the drawing, and the configuration for dividing the inside and outside of the package is also similar.
  • the driver IC 12 and the optical modulator chip 13 are both connected by wires, but in the optical transmitter of this third implementation, the driver IC 12 and the optical modulator chip 13 are connected by a wiring board 41 instead of by wire connection.
  • the driver IC 12 is mounted on the Peltier element 15, and the optical modulator chip 13 is mounted on the carrier 14, both in a face-up form.
  • the driver IC 12 and the optical modulator chip 13 are connected by flip-chip mounting the wiring board 41 face-down.
  • the driver IC 12 and the optical modulator chip 13 are connected by flip-chip mounting the wiring board 41 face-down. At this time, if there is a difference in height between the driver IC 12 and the optical modulator chip 13 of a certain level or more, the wiring board cannot be mounted properly. Therefore, in this third mounting form, the difference in height between the driver IC 12 and the optical modulator chip 13 is set to be as small as possible.
  • the Au bumps/pillars or Cu bumps/pillars used for flip-chip mounting generally have a diameter and height of 100 ⁇ m or less. Therefore, it is desirable to control the difference in height between the driver IC 12 and the optical modulator chip 13 to at least 100 ⁇ m or less, and preferably 50 ⁇ m or less.
  • the wiring board 41 when the wiring board 41 is flip-flop mounted, if the inclination of the height direction of the main surface of the wiring board 41 with respect to the main surface of the driver IC 12 or the optical modulator chip 13 exceeds ⁇ 3°, a bonding failure such as a gap may occur at the joint. In addition, a stress concentration part may occur at the joint, which may cause the joint to be fragile against vibration and shock and may cause the joint to break, and as a result, the long-term reliability of the device cannot be ensured.
  • the thickness of the Peltier element 15 and the dielectric substrate 14 are the same, and the thickness of the driver IC 12 and the optical modulator chip 13 are also the same, so that the heights of the surfaces of the driver IC 12 and the optical modulator chip 13 are adjusted to match.
  • the heights of the surfaces of the driver IC 12 and the optical modulator chip 13 are the same, so that the wiring substrate 41 is flip-chip mounted and connected as shown in FIG. 4, and it is possible to connect them using Au bumps/pillars or Cu bumps/pillars 42, 43.
  • This third mounting form is a mounting form that does not use wires to connect the driver IC 12 and the optical modulator chip 13, so that the inductance can be greatly reduced compared to the first and second mounting forms.
  • the distance between the driver IC and the optical modulator chip can be freely set, but taking into account the size of the pillars/bumps during implementation and the implementation accuracy, it is desirable to keep them apart by 300 ⁇ m or more. Also, from the perspective of strength during joining and degradation of high-frequency characteristics, it is desirable to keep the length of the wiring board to 2 mm or less at the longest, and the smaller the values of the dielectric constant and dielectric tangent, the more advantageous it is from the perspective of high frequency. Therefore, in this third implementation, it is desirable for the distance between the driver IC and the optical modulator chip to be in the range of 300 ⁇ m to 2 mm.
  • an AIN board may be mounted between the driver IC and the Peltier element, as in the second mounting form in Figure 3.
  • Other configurations and concepts are also the same as those in the second mounting form in Figure 3, so explanations of these will be omitted.
  • the most desirable configuration is to mount the driver IC directly on a TEC such as a Peltier element.
  • FIG. 5 is a cross-sectional side view showing a fourth implementation of an optical transmitter using HB-CDM according to the present disclosure.
  • the optical transmitter 10 of the fourth embodiment shown in FIG. 5 has the driver IC 52 and the optical modulator chip 53 flip-chip mounted in a face-down configuration. Face-down means that the pad surfaces of the driver IC 52 and the optical modulator chip 53 are mounted facing downward in the drawing.
  • the optical modulator chip 53 and its driver IC 52 are integrally configured inside the package housing 11 along the HB-CDM.
  • the package housing 11 has a wiring board base 16 and a package wall surface 17 as the wall surface on the left side of the drawing, and the configuration for dividing the inside and outside of the package is also similar.
  • the driver IC 12 and the optical modulator chip 13 are both flip-chip mounted face-down on the subcarrier 51 using Au pillars/bumps or Cu pillars/bumps.
  • the driver IC 52 or the optical modulator chip 53 it is very important to manage the flatness of the top surface of the subcarrier 51 on which each component is mounted so that the mounted components do not tilt. For example, it is desirable that the flatness of the top surface of the subcarrier 51 on which each component is mounted is 0.05 mm or less.
  • the temperature of the driver IC 52 flip-chip mounted face-down is controlled by the Peltier element 15, it is desirable that the gap between the driver IC 52 and the dielectric substrate 51 is filled with an underfill material 54 with excellent thermal conductivity.
  • the underfill material with excellent thermal conductivity has a thermal conductivity of 3 W/mK or more.
  • the optical modulator chip 53 in the fourth mounting form is an LN optical modulator or a Si optical modulator that does not require temperature control, like the above mounting forms, so there is no need to embed an underfill material 55 with high thermal conductivity between the optical modulator chip 53 and the subcarrier 51.
  • embedding an underfill material 55 between each element mounted on the subcarrier and the dielectric substrate is very effective in terms of ensuring connection strength. For this reason, it is desirable to use an underfill material in the gap between the optical modulator chip and the subcarrier, although it may be the same material as the underfill material used between the driver IC and the subcarrier or a different material.
  • flip-chip mounting is used for the connection between the driver IC and the optical modulator, which reduces the inductance of the electrical signal path to about 1/5 to 1/10 compared to normal wire connections, making it possible to achieve a wide bandwidth.
  • the wiring is too long, losses increase and the high-frequency characteristics deteriorate, so it is better to have the distance between the driver IC and the optical modulator chip as close as possible.
  • the subcarrier 51 of the fourth embodiment is composed of a dielectric substrate, on which wiring for taking out the DC wiring of the driver IC 52 and the optical modulator chip 53, RF lines for making an RF connection between the driver IC 52 and the optical modulator chip 53, etc. are formed by metal patterns.
  • the subcarrier 51 is drawn as if it were a single layer, but as mentioned above, multiple DC wiring and RF lines are routed on the subcarrier 51, so it is desirable to configure it in multiple layers and layout it well so that the wiring does not interfere with each other.
  • the temperature control of the driver IC 52 by the Peltier element 15 is performed via this subcarrier 51.
  • the driver IC 52 also generates a large amount of heat. For this reason, it is desirable to use a material with as good thermal conductivity as possible for the subcarrier 51. Furthermore, since it also forms a high-frequency line, it is desirable for the dielectric constant and dielectric tangent to be as small as possible.
  • a ceramic substrate such as an AIN substrate is suitable as a subcarrier made of a material with good thermal conductivity. If the subcarrier is made of an AIN substrate, multi-layer wiring is possible.
  • the high frequency wiring for connecting the driver IC 52 and the optical modulator chip 53 in the subcarrier 51 is formed on the top surface of the subcarrier 51.
  • the high frequency signal line is formed on the top surface, there is a possibility that the underfill material will end up on the high frequency signal line. It is difficult to control with high precision how much the underfill material protrudes around the chip. This can lead to asymmetry in the pair of high frequency signal lines (for example, I+ and I-) made up of differential lines, as well as variations between channels, which can adversely affect the high frequency characteristics and transmission characteristics.
  • FIG. 6 is a top view showing a modified example of the fourth mounting form, and corresponds to a top view of the circuit surface inside the module when the housing 11 of the optical transmitter 10 shown in FIG. 5 is cut away.
  • grooves 56-1 and 56-2 are formed on the top surface of the subcarrier 51 as shown by dotted lines in order to prevent the underfill material from flowing into the high-frequency signal lines of the subcarrier 51.
  • the high-frequency wiring of the subcarrier 51 is configured in the dotted area 57 between the driver IC 52 and the optical modulator chip 53.
  • the driver IC 52 and the optical modulator chip 53 each have electrode pads formed around them.
  • a linear groove 56-1 is formed on only one side of the high-frequency wiring area 57 for the driver IC 52, and a rectangular groove 56-2 is formed near the periphery of the chip 4 for the optical modulator chip 53.
  • the shape of the groove is not limited to the configuration shown in FIG. 6, and can be changed according to the properties of the underfill material and the shape of the wiring on the subcarrier that should not be affected.
  • the groove 56-1 of the driver IC 52 is only on one side on the optical modulator chip side, but it may be formed in a rectangular shape around the periphery of the driver IC 4.
  • a linear groove may be added to one side of the driver IC on the RF terrace side, i.e., on the wiring board base 16 side.
  • the underfill material rises up near the chip end face on the lens side of the optical modulator chip 53, the underfill material may adhere to the emission end face, deteriorating the optical coupling with the lenses 21 and 22.
  • the groove on one side of the rectangular groove 56-1 on the lens 21 side of the optical modulator chip 53 shown in FIG. 6 is also effective in avoiding such optical coupling problems.
  • the subcarrier 51 is formed in a multi-layer structure, it is possible to avoid the effects of the above-mentioned underfill material by configuring the high-frequency lines as inner layers of the dielectric substrate. Also, if the high-frequency wiring is configured as an inner layer, a groove can be formed at any location on the top surface of the subcarrier 51 between the optical modulator chip and the driver IC. Needless to say, sufficient consideration must be given to the effects on disconnection of the inner layer wiring and characteristic impedance. On the other hand, when designing high-frequency wiring with the same line impedance, the signal line width becomes narrower in the inner layer wiring due to the effects of the effective dielectric constant of the subcarrier. Furthermore, since it is also affected by the dielectric loss tangent of the subcarrier, it is desirable to have a wiring pattern on the outermost surface of the subcarrier 51 when only considering the loss of the high-frequency line.
  • lenses 21 and 22 are arranged on the carrier 14 on the side opposite the driver IC 52 of the optical modulator chip 53.
  • at least one lens can also be arranged on the upper or lower side of the optical modulator chip 53 when viewed from the top view of FIG. 6. That is, the spatial optics is mounted above the carrier 14 on a side different from the side of the optical modulator chip facing the driver IC 12.
  • a groove for allowing excess underfill material to escape can be formed near the side of the optical modulator chip that corresponds to the spatial optics.
  • the optical modulator chip 53 is mounted in a face-down form. Therefore, the waveguide that emits the modulator output light of the optical modulator chip 53 is located close to the subcarrier 51 in the height direction. Depending on the height of the waveguide from the bottom surface of the optical modulator chip 53, the height of the Au pillar/bump or Cu pillar/bump, and the size of the lens, it may be difficult to mount the lens. Therefore, in this mounting form, the subcarrier 51 is mainly located only under the driver IC and the optical modulator chip, as shown in FIG. 5, and the spatial optical member is mounted directly on the carrier 14. That is, in this mounting form, the subcarrier 51 is not present in the part where the spatial optical member (lenses 24, 25 in FIG. 5) is mounted, and the lens can be mounted by providing a height difference between the position of the waveguide and the upper surface of the carrier 14 where the lens is mounted, which is equal to the thickness of the subcarrier 51.
  • the height adjustment carrier 14 is made of a dielectric substrate, an alignment mark for optical mounting can be provided on it.
  • FIG. 7 is a side cross-sectional view showing another example of the fourth implementation form shown in FIG. 5.
  • the optical transmitter 10 in FIG. 7 differs from the optical transmitter 10 in FIG. 5 in the implementation form of the lenses 21 and 22.
  • the thickness of the carrier 14 is changed between the mounting area of the optical modulator chip and the mounting area of the spatial optical components such as lenses, making it easier to optically couple the lenses.
  • the carrier part 14-1 in the mounting area of the lenses 21 and 22 is thinner than the carrier part 14-2 in the area of the optical modulator chip 53. It is desirable to make the thickness of the carrier for the carrier part 14-1 mounting the spatial optical components equal to or greater than the radius of the lens. For example, assuming that the diameter of the lens is 500 ⁇ m, the carrier part 14-1 needs to be lowered from the top surface by at least 250 ⁇ m or more to make it thinner.
  • the thickness of the underfill materials 54 and 55 By controlling the thickness of the underfill materials 54 and 55 to be the same height as the Au pillar or Cu pillar, it is possible to align the optical axis from the emission point of the optically modulated output light to the optical fiber 23.
  • the height of the carrier 14 can also be changed by using the carrier as a multilayer board and reducing the number of layers of the subcarrier part 14-2 in the mounting area of the lenses 21 and 22.
  • FIG. 5 only a driver IC and an optical modulator chip are mounted on the subcarrier 51, and an example is shown in which the subcarrier is not present in the area where the spatial optical component is mounted.
  • the subcarrier 51 may be extended to the area where the spatial optical component is mounted, and the spatial optical component may be mounted on the subcarrier 51. In that case, a step may be formed by slightly removing the area of the subcarrier 51 where the spatial optical component is mounted.
  • Fig. 5 and Fig. 7 show examples in which a lens is used as a spatial optical element to optically couple the optical modulator and the optical fiber
  • a lens may not be implemented.
  • the optical modulator and the optical fiber are directly optically coupled without using a lens, it is possible to easily align the optical axis between the light emitted from the optical modulator and the optical fiber in accordance with the shape of the fiber, etc.
  • the connection between the driver IC and the RF terrace may be made by flip-chip mounting using a wiring board and pillars/bumps instead of wires.
  • the height difference between the upper surfaces of the driver IC and the wiring layer of the RF terrace must be at least 100 ⁇ m or less (ideally 50 ⁇ m or less), and the inclination of the surface of the wiring board used for connection with respect to the surface of the wiring layer of the driver IC and the RF terrace must be within ⁇ 3°.
  • the material of the wiring board and the pillars/bumps may be the same as or different from the wiring board 41 and the pillars/bumps 42, 43 in the third mounting form, but it is preferable to use the same material from the viewpoint of cost.
  • the input/output pads of the driver IC are the same, and the pad shape and pitch of the connection part between the optical modulator chip and the wiring layer are the same, so that the same wiring board can be used to reduce costs.
  • first to fourth mounting forms all have a configuration in which a lens is mounted as the spatial optical component, they can also be implemented in the same way for optical transmitters with configurations other than those that mount a lens.
  • the mounted component may be a component for fixing optical fiber, a PBC (Polarization Beam Combiner), etc., in addition to a lens.
  • PBC Poly Beam Combiner
  • it is not limited to mounting a lens, and it may also be a configuration in which a spatial optical component other than a lens is mounted, or a configuration in which no spatial optical component is mounted.
  • this disclosure makes it possible to realize a new configuration and implementation form of an optical transmitter that suppresses the temperature dependency of the optical transmitter including the driver IC, has excellent high speed, and is capable of stable operation regardless of the environmental temperature.
  • This invention can be used in optical communication networks.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

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、光変調出力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が開示される。光送信器（１０）は、光変調器チップ（１３）と、光変調器チップを動作させるドライバＩＣ（１２）と、ペルチェ素子（１５）とを備え、前記ドライバＩＣは前記ペルチェ素子上に載置されており、前記ドライバＩＣのみが温度制御される。

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、ＬｉＮｂＯ３からなる光変調器（以下「ＬＮ光変調器」）やＳｉからなる光変調器（以下、「Ｓｉ光変調器」）は温度制御が不要となるメリットがあり、低消費電力化に有利であると考えられている。
　ＩｎＰ光変調器を用いたＨＢ－ＣＤＭの場合は、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）。
　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。
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.
　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。
　上記のような課題に対し、本開示では、光変調器チップと、光変調器チップを動作させるドライバＩＣと、ペルチェ素子とを備え、ドライバＩＣは、ペルチェ素子上に載置されており、ドライバＩＣのみが温度制御されることを特徴とする光送信器。
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。 図２は、ＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の第１の実装形態を示す側断面図である。 図３は、ＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の第２の実装形態を示す側断面図である。 図４は、ＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の第３の実装形態を示す側断面図である。 図５は、ＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の第４の実装形態を示す側断面図である。 図６は、ＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の第４の実装形態の変形例を示す上面図である。 図７は、ＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の第４の実装形態の別の例を示す側断面図である。
　以下に、図面を参照しながら本開示の種々の実施形態について詳細に説明する。同一又は類似の参照符号は同一又は類似の要素を示し重複する説明を省略する場合がある。材料及び数値は例示を目的としており本開示の技術的範囲の限定を意図していない。以下の説明は、一例であって本開示の一実施形態の要旨を逸脱しない限り、一部の構成を省略若しくは変形し、又は追加の構成とともに実施することができる。
　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、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：Thermo Electric 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、本発明の光送信器による、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１００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、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１００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、ドライバＩＣ１０２の動作温度も合わせて上昇する。実際にはドライバＩＣも発熱体であるため、ドライバＩＣ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、１００ＧＨｚ以上というような非常に広帯域な変調帯域が求められ始めており、このような非常に広帯域な変調器においては、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。
　以下に、本開示による光送信器の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。尚、以降の説明では、本開示による光送信器は、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）インターフェースのＨＢ－ＣＤＭの形態として述べられる。しかしながら、これは例示を目的としており、ドライバＩＣと光変調器チップが集積されている光送信モジュールであれば、同様の効果を奏する。
　図２は、本開示のＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の第１の実装形態を示す側断面図である。第１の実装形態における光送信器１０は、図１に示した従来技術構成と同様に、ＨＢ－ＣＤＭに沿ったパッケージ筐体１１の内部に光変調器チップ１３およびそのドライバＩＣ１２他が一体に構成されている。
　図２に示されるとおり、光送信器１０では、パッケージ筐体１１の内部にドライバＩＣ１２、光変調器チップ１３及び光学部材（図２では、空間光学部品であるレンズ２１、２２を例として描写している。）などが収納されている。より具体的には、筐体１１の底面には、金属ブロックや誘電体基板により構成されるキャリア１４の上に光変調器チップ１３が、そして、ペルチェ素子１５の上にドライバＩＣ１２がそれぞれフェイスアップの形態で搭載されている。光変調器チップ１３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２３と光結合するためのレンズ２１、２２もキャリア１４上に搭載されている。
　さらに、光送信器１０は、パッケージ筐体１１の図面上の左側の壁面として、配線基板ベース１６およびパッケージ壁面１７を含み、パッケージ筐体１１とともに、外部と光送信器の内部空間を区画する。また、配線基板ベース１６はＲＦテラス（パッケージテラス）を有しており、当該ＲＦテラスの上面に形成される配線層１８と高周波インターフェースとしてのフレキシブル基板（ＦＰＣ）が接続される。なお、光送信器１０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が、ＩｎＰ光変調器と異なり、ＬＮ光変調器やＳｉ光変調器を用いる本実装形態では、必ずしも気密性は必須のものではない。
　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１６の配線層１８、ドライバＩＣ１２を経て、光変調器チップ１３へ供給される。配線層１８とドライバＩＣ１２との間は、ワイヤ線１９で接続されている。また、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３との間も、ワイヤ線２０で接続されている。このワイヤ線１９、２０は、例えば、金ワイヤ線などのボンディングワイヤを用いることができる。
　この第１の実装形態の光送信器１０と図１の従来技術の光送信器１００との相違点は、光変調器がＩｎＰではなく、ＬｉＮｂＯ３やＳｉからなる温度制御を不要とするＬＮ光変調器やＳｉ光変調器を用いていることである。また、図２に示されるとおり、この第１の実装形態では、光変調器の温度制御が不要であることから、光送信器１０には、光変調器を制御するペルチェ素子は存在しない。この実装形態では、光変調器は、キャリア１４上に実装されており、ペルチェ素子上には実装されていない。すなわち、この実装形態では、ドライバＩＣ１２のみがペルチェ素子１５の上に実装されており、ドライバＩＣ１２の温度制御が可能となっている。
　この際、ドライバＩＣ１２は、ペルチェ素子１５による熱引きを良くするために、熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性に優れた導電性ペーストまたははんだでペルチェ素子上に実装されている必要がある。
　この第1の実装形態では、キャリア１４は、光変調器チップ１３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、キャリア１４上に光変調器チップのＤＣ配線を取り出すための配線を必要とする場合には、キャリア１４を誘電体基板で構成するか、キャリア１４を金属ブロックで構成し、その上面の少なくとも一部に配線を形成するための誘電体基板を設けるようにすればよい。
　図２では、キャリア１４は、金属ブロックでもよいため１層で構成されているように描かれているが、キャリア１４を誘電体基板で構成する場合には、多層であってもよい。多層とすることで、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となる。また、誘電体基板を用いた場合には、空間光学部品を搭載するための位置出しマーカー等をメタルパターンにより形成することも可能となる。
　ここで、ドライバＩＣ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。
　第１の実装形態では、図２に示されている通り、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３、ドライバＩＣ１２と配線基板ベース１６が備えるＲＦテラスの上面に形成される配線層１８は、それぞれ、例えば、ボンディングワイヤであるワイヤ線１９、２０を用いて接続されることを前提としている。このように、各素子間をワイヤ線にて接続する場合、ワイヤ線の長さが長くなると、インダクタンスが増加することにより、ＬＣ共振によって高周波特性でロールオフ周波数が低域側にシフトする。したがって、高周波特性の観点からは、ワイヤ線のインダクタンスは低い方が望ましい。
　そこで、第１の実装形態においては、高さ方向および平面方向について、規定を設けている。この第１の実装形態では、図２に例示したように、ドライバＩＣ１２とペルチェ素子１５との間には何も挟まれておらず、ドライバＩＣ１２は、ペルチェ素子１５の直上に実装されている。一方、光変調器チップ１３およびレンズ２１、２２は、キャリア１４上に実装されており、このキャリア１４の厚みを調整することで、ドライバＩＣ１２と変調器チップ１３の高さの差を調整している。同様にドライバＩＣ１２とＲＦテラスとの間の高さの差についても、配線基板ベース１６の高さを調整することで、所望の差に設定することが可能である。
　具体的には、ドライバＩＣ１２の電極パッドと光変調器チップ１３の電極パッドとの間、および、ドライバＩＣ１２の電極パッドとＲＦテラスの電極パッドとの間の高さの差は、それぞれ１００μｍ以下となるように、各部材の厚みを調整している。この値は、実装のばらつきや光変調器チップ１３やドライバＩＣ１２の厚みのばらつきを考慮した場合に、現実的に実現可能な範囲の一例として示すものであり、各部材の厚みを調整することでドライバＩＣ１２および光変調器チップ１３の上面の電極パッドの高さを揃えることができる。
　しかしながら、ワイヤ線の長さを短くするという観点からは、ボールワイヤなどを用いたボンディングワイヤにより接続される場合には、光変調器チップ１３側の高さをドライバＩＣ１２よりも少し低くし、光変調器チップ１３側から、ドライバＩＣ１２側へ打ち上げるようにワイヤ線を実装することが最良である。同様に、ドライバＩＣ１２とＲＦテラスとについても、ＲＦテラスよりも、ドライバＩＣ１２の高さを少し低くすることが望ましい。また、リボンワイヤなどのフラットなワイヤを用いて接続する場合には、光変調器チップ１３側の高さとドライバＩＣ１２の高さ、ドライバＩＣとＲＦテラスの高さは揃っていることが望ましい。
　光変調器チップ１３とドライバＩＣ１２間の平面方向のギャップは、ワイヤ線の長さに直結するため、光変調器チップ１３とドライバＩＣ１２との間のギャップは、できるだけ小さいことが望ましい。実装工程での精度やショートのリスクを考慮すると、このギャップは、例えば、５０μｍ以下に制御されることが望ましい。また、光変調器チップとドライバＩＣとの間のギャップを制御しても、それぞれの電極パッドがチップ端から離れた場所に形成されていた場合は、ワイヤ線の長さの短縮の効果がないため、電極パッドは、各チップ端から５０μｍ以下の位置に形成するようにした。チップ端から電極パッドまでの距離が５０μｍ以下であれば、通常のダイシングやへき開によって実現可能である。
　このように、平面方向のギャップをできるだけ小さく設定することにより、実装性を兼ね備えた上で、小さなワイヤインダクタンスでの素子間の接続をすることが可能となる。また、少なくとも信号用の電極パッド間を複数本のボールワイヤや、幅の広いリボンワイヤなどを用いるようにすることで、さらにインダクタンスを低減することが可能となる。
　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、発明者らは発熱体であるドライバＩＣに対して温度制御を加えると言う新しい着想に至った。
　第１の実装形態の光送信器１０は、上述したように、ＬＮ光変調器やＳｉ光変調器のように温度制御が不要な光変調器とドライバＩＣとから構成されるものであり、温度制御が不要な光変調器チップは、金属ブロックや誘電体基板により構成されるキャリア１４上に実装し、ドライバＩＣのみをペルチェ素子上に実装することで、温度管理を必要とするドライバＩＣの温度制御を可能とするとともに、省電力化を実現している。
　また、本実装形態の光送信器では、光変調器自体は温度制御が不要であり、温度依存性がほとんどないことから、ペルチェ素子やドライバＩＣからの熱流入による影響や、それらとの熱分離については考慮する必要はない。さらに、本実装形態の光送信器は、光変調器のＴＥＣを不要とし、ドライバＩＣのみをＴＥＣ上に実装しているから、従来のＩｎＰ光変調器のみをＴＥＣ上に実装した光送信器と比較しても、トータルの消費電力は大きく見劣りすることもない。
　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おり、この観点からは、ドライバＩＣ１２の温度を制御するペルチェ素子１５の設定温度は低いほどよい。しかしながら、設定温度を低くしすぎると、ペルチェ素子の消費電力の大きさに比べて、ドライバＩＣの高周波特性の改善は限られる。したがって、光送信器１０の動作環境温度が－５℃～８５℃程度の範囲で変化することを考慮すると、ペルチェ素子は、２５℃～５０℃の範囲の一定の温度に制御することが消費電力と高周波特性の両立の観点から最も適切である。このように、ドライバＩＣをペルチェ素子上に実装して、ペルチェ素子の温度を一定の温度に制御することにより、外気温が高い場合でも高周波特性を劣化させず、また外気温が変化しても高周波特性が変化しない光送信器を実現できる。ただし、特性を優先して、消費電力を気にしないのであれば、２５℃よりも低い温度に設定して使用することは、特性を担保する上で有効である。
　以上のとおり、本実装形態の光送信器１０は、光変調器１３と、光変調器を動作させるドライバＩＣと、ペルチェ素子１５とを備え、ドライバＩＣはペルチェ素子上に載置されており、ドライバＩＣのみが温度制御されることを特徴とする光送信器として実施できる。
　つぎに、図３を参照して、第２の実装形態について説明する。
　図３は、本開示のＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の第２の実装形態を示す側断面図である。図３に示す第２の実装形態の光送信器１０は、図２に示した構成と同様に、ＨＢ－ＣＤＭに沿ったパッケージ筐体１１の内部に光変調器チップ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１６およびパッケージ壁面１７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３の第２の実装形態と図２の第１の実装形態の違いは、ドライバＩＣ１２をペルチェ素子１５の上に金属ブロックや誘電体基板で構成されるサブキャリア３１を介して実装した点である。ドライバＩＣ１２に関しても、ＤＣ配線が必要な場合には、光変調器チップ１３が実装されるキャリア１４と同様に、サブキャリア３１を誘電体基板で構成するか、サブキャリア３１を金属ブロックで構成し、その上面の少なくとも一部に配線を形成するための誘電体基板を設けるようにすればよい。この際、ドライバＩＣ１２の温度をペルチェ素子１５により制御するという観点では、サブキャリア３１は、例えば窒化アルミニウム（ＡＩＮ）のような熱伝導性に優れる材料が用いられることが望ましい。サブキャリアを誘電体基板により構成する場合も、多層配線が可能なＡＩＮ基板を用いることが望ましい。また、サブキャリア３１の厚みを調整することにより、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３との間、および、ドライバＩＣ１２とＲＦテラスとの間で、高さを調整することが可能である。
　さらに、ドライバＩＣ１２の配線数が多く複雑な場合は、前述の光変調器チップと同様に、サブキャリア３１として、多層のＡＩＮ基板を用いることもできる。
　つぎに、図４を参照して、第３の実装形態について説明する。
　図４は、本開示のＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の第３の実装形態を示す側断面図である。図４に示す第３の実装形態の光送信器１０は、図２および図３に示した構成と同様に、ＨＢ－ＣＤＭに沿ったパッケージ筐体１１の内部に光変調器チップ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１６およびパッケージ壁面１７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２および図３に示した各実装形態は、ドライバＩＣ１２および光変調器チップ１３との間をいずれもワイヤ接続しているものであったが、この第３の実装形態の光送信器では、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３との間を、ワイヤ接続に代えて、配線基板４１により接続している。図４に示すとおり、この第３の実装形態においては、ドライバＩＣ１２は、ペルチェ素子１５上に、光変調器チップ１３はキャリア１４上に、いずれもフェイスアップの形態で実装されている。そして、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３との間は、配線基板４１をフェイスダウンでフリップチップ実装して接続されている。
　このように、第３の実装形態では、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３は配線基板４１をフェイスダウンでフリップチップ実装することにより接続されている。この際、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３との高さに一定以上の差が生じている場合には、配線基板をうまく実装することができない。したがって、この第３の実装形態においては、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３との高さの差は、できるだけ小さくなるように設定されている。フリップチップ実装に用いられるＡｕバンプ／ピラー、またはＣｕバンプ／ピラーは、その直径、高さは共に１００μｍ以下のものが一般的に多く用いられている。したがって、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３の高さの差は、少なくとも１００μｍ以下、望ましくは５０μｍ以下に制御されることが望ましい。
　また、配線基板４１をフリップリップ実装する場合に、ドライバＩＣ１２または光変調器チップ１３の主面に対して、配線基板４１の主面の高さ方向の傾きが±３°を超えると、当該接合部に空隙が生じる等の接合不良が発生し得る。また、それに伴って、当該接合部に応力集中部が発生し得るため、振動衝撃に対してもろく、接合部の破壊を引き起こす可能性があり、結果として、デバイスの長期信頼性を確保できなくなる。したがって、配線基板３１を実装する際には、ドライバＩＣまたは光変調器チップの主面の配線基板３１の高さ方向の傾きが±３°以内となるように、各部材の実装時に傾かないように管理したり、ドライバＩＣと光変調器チップの高さが一致するように各部材の高さ調整を行うことや、公差管理が非常に重要である。ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３の厚みが異なる場合など、両者の表面の高さに差がある場合には、キャリア１４の厚みを調整することで両者の高さを調整することができる。
　図４では、説明を簡単にするため、ペルチェ素子１５と誘電体基板１４の厚みを同じとし、さらに、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３の厚みも同じとすることで、ドライバＩＣ１２の表面と光変調器チップ１３の表面との高さが一致するよう調整した例を示している。この例では、ドライバＩＣ１２の表面と光変調器チップ１３の表面との高さが揃っているため、図４に示したように配線基板４１をフリップチップ実装して接続することにより、Ａｕバンプ／ピラー、または、Ｃｕバンプ／ピラー４２、４３を用いて接続することが可能となる。この第３の実装形態は、ドライバＩＣ１２と光変調器チップ１３との接続にワイヤ線を用いない実装形態であるため、第１の実装形態、および第２の実装形態と比較して、インダクタンスを大きく低減することができる。
　このように、第３の実装形態では、配線基板を用いてドライバＩＣと光変調器チップを接続することによりインダクタンスを低減していることから、ドライバＩＣと光変調器チップ間の距離は、自由に設定可能であるが、実装時のピラー/バンプのサイズや実装精度を加味すると、３００μｍ以上離すことが望ましい。また、接合時の強度の観点や、高周波特性の劣化という観点から最長でも配線基板の長さは２ｍｍ以下に収めることが望ましいし、誘電率や誘電正接の値は小さいほど高周波の観点からは有利である。したがって、この第３の実装形態においては、ドライバＩＣと光変調器チップ間の距離は、３００μｍ～２ｍｍの範囲とすることが望ましい。
　また、ここでの説明は省略するが、図３の第２の実装形態のように、ドライバＩＣとペルチェ素子との間にＡＩＮ基板を実装してもよい。その他の構成、考え方についても図３の第２の実装形態と同じものについては重複するため、こちらの説明は省略する。ただし、高さ公差や平行度を厳しく管理する上では、部材数は少ない方が望ましいため、この第３の実装形態においては、ペルチェ素子などのＴＥＣ上に直接ドライバＩＣを実装するのが最も望ましい構成であると言える。
　最後に、図５ないし図７を参照して、第４の実装形態について説明する。
　図５は、本開示のＨＢ－ＣＤＭによる光送信器の第４の実装形態を示す側断面図である。
　図５に示す第４の実施形態の光送信器１０は、ドライバＩＣ５２および光変調器チップ５３をフェイスダウンの形態でフリップチップ実装したものである。フェイスダウンとは、ドライバＩＣ５２および光変調器チップ５３のパッド面が図面上で下方向を向くように実装されることを意味する。図５に示す第４の実装形態においても、上述した各実装形態と同様に、ＨＢ－ＣＤＭに沿ったパッケージ筐体１１の内部に光変調器チップ５３およびそのドライバＩＣ５２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１６およびパッケージ壁面１７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５に示す実施の形態では、ドライバＩＣ１２および光変調器チップ１３は、いずれも、フェイスダウンでサブキャリア５１上に、Ａｕピラー／バンプ、または、Ｃｕピラー／バンプ等を用いてフリップチップ実装されている。
　ドライバＩＣ５２または、光変調器チップ５３をフリップチップ実装する際には、実装される部材が傾かないようにするために、各部材が搭載されるサブキャリア５１の最表面の平面度を管理することが非常に重要である。例えば、各部材が搭載されるサブキャリア５１の最上面の平面度は０．０５ｍｍ以下であることが望ましい。また、フェイスダウンでフリップチップ実装されたドライバＩＣ５２は、ペルチェ素子１５により温度制御がされることから、ドライバＩＣ５２と誘電体基板５１との隙間は、熱伝導性に優れたアンダーフィル材５４が埋め込まれていることが望ましい。熱伝導性に優れたアンダーフィル材としては、例えば、熱伝導率が、３Ｗ／ｍＫ以上のものが望ましい。
　他方、第４の実装形態の光変調器チップ５３は、上記の各実装形態のものと同様に、温度制御が不要なＬＮ光変調器またはＳｉ光変調器であるため、光変調器チップ５３とサブキャリア５１との間には、必ずしも熱伝導率の高いアンダーフィル材５５を埋め込む必要性はない。しかしながら、サブキャリア上に実装される各素子と誘電体基板との間にアンダーフィル材５５を埋め込むことは、接続強度の確保の点で非常に有効である。そのため、ドライバＩＣとサブキャリアとの間で用いるアンダーフィル材と同じ素材でも、異なる素材でも良いが、光変調器チップとサブキャリアとの隙間にもアンダーフィル材を用いることが望ましい。
　上述したように、第４の実装形態では、ドライバＩＣと光変調器間の接続にはフリップチップ実装が利用されており、通常のワイヤ接続に比べて電気信号経路のインダクタンスが約１／５～１／１０程度まで抑えられ、広帯域化が可能である。そして、高周波特性の観点から考えると、配線が長くなりすぎると損失が増え、高周波特性が劣化してしまうため、ドライバＩＣと光変調器チップ間の距離はできるだけ近い方が良いといえる。しかしながら、実装時のジグ等のアクセスのしやすさなど、製造の観点からは、ドライバＩＣと光変調器チップ間の距離は、３００μｍ以上離すことが適切である。ただし、高周波特性を考えるとドライバＩＣと光変調器チップとの距離が長すぎることは特性劣化にしかつながらないため、最大でもドライバＩＣと光変調器チップ間の距離は２ｍｍ以下には抑える必要がある。
　第４の実施の形態のサブキャリア５１は誘電体基板で構成されており、その上には、ドライバＩＣ５２や光変調器チップ５３のＤＣ配線を取り出すための配線や、ドライバＩＣ５２と光変調器チップ５３とのＲＦ接続をするためのＲＦ線路等がメタルパターンによって形成されている。
　図５では、簡略化のために、サブキャリア５１は１層であるように描かれているが、上述したように、サブキャリア５１上には、ＤＣ配線とＲＦ線路が複数引き回されることから、多層により構成し、配線が干渉しないようにうまくレイアウトすることが望ましい。
　また、ペルチェ素子１５によるドライバＩＣ５２の温度制御は、このサブキャリア５１を介して行うことになる。また、ドライバＩＣ５２の発熱量は大きい。そのため、サブキャリア５１は、なるべく熱伝導率に優れた材料を用いることが望ましい。更には、高周波線路も形成するため、誘電率および誘電正接は値が小さいほど望ましい。上述したとおり、熱伝導率に優れた材料を用いたサブキャリアとしては、ＡＩＮ基板等のセラミック基板が適している。サブキャリアをＡＩＮ基板で構成すれば、多層配線が可能となる。
　サブキャリア５１におけるドライバＩＣ５２と光変調器チップ５３を接続するための高周波配線については、サブキャリア５１の最表面に形成されることが高周波損失の観点から考えると最良である。しかし、最表面に高周波信号線が形成される場合、アンダーフィル材が高周波信号線上に乗っかってきてしまう可能性がある。アンダーフィル材の、チップ周囲へのはみ出し具合を、高精度にコントロールすることは難しい。このため、差動線路による対を成す高周波信号線（例えばＩ＋とＩ－）の非対称性や、チャネル間でのばらつきが生じて、高周波特性や伝送特性に悪影響を与える可能性がある。
　図６は、第４の実装形態の変形例を示す上面図であり、図５に示した光送信器１０の筐体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。この変形例では、サブキャリア５１の高周波信号線へアンダーフィル材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５１の上面に溝５６－１、５６－２が形成されている。サブキャリア５１の高周波配線は、ドライバＩＣ５２および光変調器チップ５３の間の点線領域５７に構成される。ドライバＩＣ５２および光変調器チップ５３は、それぞれの周囲に電極パッドが形成されている。サブキャリア５１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。すなわち、余分なアンダーフィル材を、ＩＣおよび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６では、ドライバＩＣ５２については、高周波配線の領域５７の一辺のみに直線状の溝５６－１を、また光変調器チップ５３については、チップの４周辺の近傍に矩形状の溝５６－２をそれぞれ形成した例を示している。溝の形状は図６に示した構成に限定されず、アンダーフィル材の性状や、サブキャリア上で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６ではドライバＩＣ５２の溝５６－１は光変調器チップ側の一辺のみにあるが、ドライバＩＣの４周辺に矩形状に形成されていても良い。また、図６の構成に加えて、ドライバＩＣのＲＦテラス側、すなわち配線基板ベース１６側の一辺に直線状の溝を追加しても良い。
　光変調器チップ５３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５を再び参照すると、光変調器チップ５３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２１、２２との光結合を悪化させる場合がある。図６に示した光変調器チップ５３の矩形状の溝５６－１のレンズ２１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５１が多層構造によって形成されている場合は、高周波線路を誘電体基板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５１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５１の最表面に配線パターンが有るのが望ましい。
　図６における空間光学部品の配置では、レンズ２１、２２は光変調器チップ５３のドライバＩＣ５２とは反対側のキャリア１４上に配置されている。しかしながら、例えば少なくとも１つのレンズを図６の上面図で見て光変調器のチップ５３の上側または下側に配置することもできる。すなわち空間光学部品は、光変調器のチップのドライバＩＣ１２に面する辺とは異なる辺側であって、キャリア１４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。
　第４の実装形態においては、光変調器チップ５３は、フェイスダウンの形態による実装となる。そのため、光変調器チップ５３の変調器出力光を出射する導波路は、高さ方向でサブキャリア５１に近い位置となる。光変調器チップ５３の下面からの導波路の高さや、Ａｕピラー／バンプまたはＣｕピラー／バンプの高さ、レンズのサイズによっては、レンズを実装することが難しい場合もあり得る。そのため、この実装形態では、サブキャリア５１は、図５に示すように、おもにドライバＩＣと光変調器チップの下部にのみ存在するようにし、空間光学部材を直接キャリア１４上に実装している。すなわち、この実装形態では、空間光学部材（図５ではレンズ２４、２５）を実装する部分には、サブキャリア５１が存在しないようにして、サブキャリア５１の厚み分、導波路の位置とレンズを実装するキャリア１４上面との高さの差を設けることでレンズ実装を可能としている。
　この場合においても、高さ調整用のキャリア１４を誘電体基板により構成した場合には、その上に光学実装用のアライメントマークを設けることができる。
　図７は、図５に示す第４の実装形態の別の例を示す側断面図である。
　図７の光送信器１０は、レンズ２１、２２の実装形態の点で、図５の光送信器１０の構成と相違している。
　図７の光送信器１０は、光変調器チップの実装領域とレンズ等の空間光学部品の実装領域とでキャリア１４の厚みを変えることで、レンズの光結合を容易にすることができる。光変調器チップ５３の領域のキャリア部分１４－２よりも、レンズ２１、２２の実装領域のキャリア部分１４－１の方が、薄くなっている。空間光学部品を実装するキャリア部分１４－１については、キャリアの厚みをレンズの半径以上になるようにすることが望ましい。例えばレンズの直径が５００μｍであると仮定すると、キャリア部分１４－１を上面から少なくとも２５０μｍ以上下げて、薄くする必要がある。アンダーフィル材５４、５５の厚みをＡｕピラーやＣｕピラーと同じ高さとなるよう制御することで、光変調出力光の出射点から光ファイバ２３への光軸を合わせることが可能である。キャリア１４の高さの変更は、キャリアを多層基板として、レンズ２１、２２の実装領域のサブキャリア部分１４－２の層数を減らすことでも可能である。
　なお、図５では、サブキャリア５１には、ドライバＩＣと光変調器チップのみが実装されており、空間光学部材が実装される領域にサブキャリアが存在していない例を示しているが、サブキャリア５１を空間光学部材が実装される部分まで延長して、サブキャリア５１に空間光学部材を実装してもよく、その場合には、サブキャリア５１の空間光学部材の実装領域部分のを少し削ることにより段差を形成してもよい。
　また、図５および図７は、いずれも空間光学部材としてレンズを用いて光変調器と光ファイバとを光結合するものを例としたが、レンズを実装しないものでもよい。例えば、レンズを用いることなく光変調器と光ファイバを直接光結合する場合であっても同様に、ファイバの形状等に対応して、光変調器の出射光と光ファイバとの光軸合わせを容易に実現することができる。
　なお、上述した第１ないし第４の実装形態では、ドライバＩＣとＲＦテラスの間の接続は、全てワイヤ線での接続を前提としている。ＩＣドライバＩＣとＲＦテラスとの間の接続に用いるワイヤ線のインダクタンスの高周波特性への影響は、光変調器チップとドライバＩＣとの間の接続に用いるワイヤ線のインダクタンスに比べて小さい。しかしながら、影響が小さいとしても、高周波特性への影響が生じることから、同様に対策を生じることが望ましい。例えば、接続に用いるワイヤ線の長さを小さくするために、ドライバＩＣとＲＦテラスとの高さ差についても１００μｍ以下とし、ドライバＩＣとＲＦテラスとの平面方向のギャップについても１００μｍ以下とすることが望ましい。
　また、さらにインダクタンスを小さくするためには、このドライバＩＣとＲＦテラスの間の接続は、ワイヤ線に代えて、配線基板およびピラー／バンプを用いたフリップチップ実装での接続としてもよい。この場合でも、第３の実装形態のドライバＩＣ２３および光変調器チップ１３の高さ差、並びに配線基板４１の傾きと同様の理由から、ドライバＩＣとＲＦテラスの配線層の各々の上面の高さ差は、少なくとも１００μｍ以下（理想的には５０μｍ以下）であり、接続に用いる配線基板の表面のドライバＩＣおよびＲＦテラスの配線層の表面に対する傾きは、±３°以内である必要がある。この場合、配線基板およびピラー／バンプの材料は、第３の実装形態における配線基板４１およびピラー／バンプ４２、４３と同一であってもよく、異なってもよいが、コストの観点から、同じ材料とすることが望ましい。さらに、ドライバＩＣの入出力ＰＡＤは同一とし、光変調器チップと配線層の接続部のＰＡＤ形状やピッチ等を揃えることで、同一の配線基板を用いてコストの低減が可能である。
　また、第１ないし第４の実装形態は、いずれも空間光学部材として、レンズを実装する構成を備えるものであるが、レンズを実装するもの以外の構成の光送信器についても同様に実施が可能である。実装する部材は、レンズ以外に、光ファイバ固定用の部材や、ＰＢＣ（Polarization Beam Combiner）等であってもよい。また、レンズ実装に限らず、レンズ以外の空間光学部材を実装するものであってもよいし、空間光学部材を実装しないものであってもよい。
　以上説明したとおり、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。
　本発明は、光通信ネットワークに利用できる。

Claims (9)

  1. 　光変調器チップと、
    　前記光変調器チップを動作させるドライバＩＣと、
    　ペルチェ素子とを備え、
    　前記ドライバＩＣは前記ペルチェ素子上に載置されており、前記ドライバＩＣのみが温度制御されることを特徴とする光送信器。
  2. 　前記光変調器チップがキャリア上に、前記ドライバＩＣが前記ペルチェ素子上にそれぞれフェイスアップで戴置され、前記光変調器チップのパッドと前記ドライバＩＣのパッドとがボンディングワイヤで接続されており、前記ドライバＩＣと前記光変調器チップの上面の高さの差は、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
  3. 　前記光変調器チップと前記ドライバＩＣとの間の距離が５０μｍ以下となるように配置されており、前記光変調器チップのパッドと前記ドライバＩＣのパッドは、チップ端から５０μｍ以内に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光送信器。
  4. 　前記光変調器チップがキャリア上に、前記ドライバＩＣが前記ペルチェ素子上に、それぞれフェイスアップで戴置され、前記光変調器チップと前記ドライバＩＣとの間にフェイスダウンでピラーまたはバンプを用いてフリップチップ実装された配線基板により電気的に接続されており、前記ドライバＩＣおよび前記光変調器チップの上面の高さの差は１００μｍ以下であり、前記光変調器チップおよび前記ドライバＩＣの主面に対して前記配線基板の主面の高さ方向の傾きは±３°以内であり、かつ、前記光変調器チップと前記ドライバＩＣとの間の距離が３００μｍ以上２ｍｍ以内であることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
  5. 　前記光変調器チップと前記ドライバＩＣはサブキャリアにフェイスダウンでピラーまたはバンプを用いてフリップチップ実装されており、
    　前記ドライバＩＣは前記サブキャリアを介して前記ペルチェ素子上に戴置され、前記光変調器チップは前記サブキャリアを介してキャリア上に載置されており、前記ドライバＩＣと前記光変調器チップが前記サブキャリアにより電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
  6. 　前記サブキャリアが窒化アルミニウム（ＡＩＮ）基板からなり、前記サブキャリアの最表面の平面度が０．０５ｍｍ以下であり、前記光変調器チップと前記ドライバＩＣとの間の距離が、３００μｍ以上、２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の光送信器。
  7. 　前記光変調器チップの前記ドライバＩＣに面する辺とは異なる辺側に光学部品が実装されており、前記サブキャリアと前記ドライバＩＣとの隙間に、熱導電率が３Ｗ／ｍＫ以上のアンダーフィル材が埋め込まれ、かつ、前記サブキャリアと前記光変調器チップの間が前記アンダーフィル材と同一または異なるもので埋め込まれており、
    　前記光変調器チップの前記光学部品の側の一辺の近傍であって、前記サブキャリアの表面上に、溝を有することを特徴とする請求項５に記載の光送信器。
  8. 　前記光変調器チップの前記ドライバＩＣとは反対側で、前記キャリアに光学部品が実装されており、前記キャリアの前記光学部品が実装されている領域は、前記キャリアの前記光変調器チップが載置されている領域よりも薄い厚みを有する
    ことを特徴とする請求項５に記載の光送信器。
  9. 　前記ペルチェ素子が外気温によらず、２５℃～５０℃の範囲の任意の温度で一定になるよう制御されており、前記ドライバＩＣは、３０W／ｍK以上の熱伝導率を有するペーストまたは、はんだにより前記ペルチェ素子上に固定されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の光送信器。
PCT/JP2022/037036 2022-10-03 2022-10-03 光送信器 WO2024075172A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2022/037036 WO2024075172A1 (ja) 2022-10-03 2022-10-03 光送信器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2022/037036 WO2024075172A1 (ja) 2022-10-03 2022-10-03 光送信器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024075172A1 true WO2024075172A1 (ja) 2024-04-11

Family

ID=90607719

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/037036 WO2024075172A1 (ja) 2022-10-03 2022-10-03 光送信器

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024075172A1 (ja)

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003209267A (ja) * 2002-01-17 2003-07-25 Hitachi Cable Ltd 光部品の実装方法
JP2003243444A (ja) * 2002-02-20 2003-08-29 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 基板実装構造及び半導体装置
JP2008517459A (ja) * 2004-10-14 2008-05-22 アギア システムズ インコーポレーテッド 熱エネルギー放散を改善したプリント回路板組立体
JP2011221370A (ja) * 2010-04-13 2011-11-04 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光送信機
US8300994B2 (en) * 2001-10-09 2012-10-30 Infinera Corporation Transmitter photonic integrated circuit (TxPIC) chip
JP2014035293A (ja) * 2012-08-09 2014-02-24 Hitachi Medical Corp 放射線検出器及びｘ線ｃｔ装置
JP2014203971A (ja) * 2013-04-04 2014-10-27 日東電工株式会社 アンダーフィルフィルム、封止シート、半導体装置の製造方法及び半導体装置
US20150180580A1 (en) * 2012-11-14 2015-06-25 Infinera Corp. Interconnect Bridge Assembly for Photonic Integrated Circuits
US20150260930A1 (en) * 2010-11-19 2015-09-17 Electronics And Telecommunications Research Institute Optical modules
JP2017123379A (ja) * 2016-01-05 2017-07-13 富士通株式会社 半導体装置
JP2018189699A (ja) * 2017-04-28 2018-11-29 日本電信電話株式会社 光送信器
JP2020095122A (ja) * 2018-12-11 2020-06-18 日本電信電話株式会社 光送信機
JP2021509483A (ja) * 2017-12-26 2021-03-25 住友電気工業株式会社 光モジュール及び光モジュールの組立方法

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8300994B2 (en) * 2001-10-09 2012-10-30 Infinera Corporation Transmitter photonic integrated circuit (TxPIC) chip
JP2003209267A (ja) * 2002-01-17 2003-07-25 Hitachi Cable Ltd 光部品の実装方法
JP2003243444A (ja) * 2002-02-20 2003-08-29 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 基板実装構造及び半導体装置
JP2008517459A (ja) * 2004-10-14 2008-05-22 アギア システムズ インコーポレーテッド 熱エネルギー放散を改善したプリント回路板組立体
JP2011221370A (ja) * 2010-04-13 2011-11-04 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光送信機
US20150260930A1 (en) * 2010-11-19 2015-09-17 Electronics And Telecommunications Research Institute Optical modules
JP2014035293A (ja) * 2012-08-09 2014-02-24 Hitachi Medical Corp 放射線検出器及びｘ線ｃｔ装置
US20150180580A1 (en) * 2012-11-14 2015-06-25 Infinera Corp. Interconnect Bridge Assembly for Photonic Integrated Circuits
JP2014203971A (ja) * 2013-04-04 2014-10-27 日東電工株式会社 アンダーフィルフィルム、封止シート、半導体装置の製造方法及び半導体装置
JP2017123379A (ja) * 2016-01-05 2017-07-13 富士通株式会社 半導体装置
JP2018189699A (ja) * 2017-04-28 2018-11-29 日本電信電話株式会社 光送信器
JP2021509483A (ja) * 2017-12-26 2021-03-25 住友電気工業株式会社 光モジュール及び光モジュールの組立方法
JP2020095122A (ja) * 2018-12-11 2020-06-18 日本電信電話株式会社 光送信機

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100575969B1 (ko) 티오-캔 구조의 광 모듈
JP5144628B2 (ja) Ｔｏ−ｃａｎ型ｔｏｓａモジュール
US20150116809A1 (en) Optical module
US6404042B1 (en) Subcarrier and semiconductor device
EP1615304B1 (en) Optical module with simplified electrical wiring desing
JP6770478B2 (ja) 光送信器
KR20160064365A (ko) 광모듈
US6735353B2 (en) Module for optical transmitter
JP6984801B1 (ja) 半導体レーザ光源装置
WO2024075172A1 (ja) 光送信器
WO2024075168A1 (ja) 光送信器
WO2024075166A1 (ja) 光送信器
WO2024075171A1 (ja) 光送信器
WO2024075167A1 (ja) 光送信器
WO2024075170A1 (ja) 光送信器
WO2024075169A1 (ja) 光送信器
JP2006072171A (ja) 光モジュール
WO2024033980A1 (ja) 光変調装置
WO2024013827A1 (ja) 高速光送受信装置
JP5837389B2 (ja) 光通信装置
JP3116900B2 (ja) 電子冷却器およびこれを用いた光部品モジュール
WO2024084693A1 (ja) 半導体レーザ光源装置
US20230194905A1 (en) Optical module and manufacturing method of optical module for optical communication
US20240267125A1 (en) Optical transmission module
JP7466773B1 (ja) 光モジュール

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22961362

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1