JP2006216839A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 光モジュールにおいて、インピーダンス整合のために設けられた整合抵抗値を小さくしても、信号反射特性の悪化（反射量の増加）を抑制することが可能で、特別な部品を必要としない小型化に適した高周波特性に優れ、かつ低消費電力の光モジュールを提供する。
【解決手段】 光モジュールにおけるレーザダイオード（ＬＤ素子）８を搭載するサブマウント７上に、薄膜抵抗で形成される整合抵抗１１と、導体パターンを櫛歯状に組み合わせるようにして形成されるキャパシタ（インターディジタル型キャパシタ）１２を設け、この整合抵抗１１の値を、信号源の特性インピーダンスからＬＤ素子８の微分抵抗値を差し引いた値より小さな値とし、キャパシタの容量を調整することで信号反射特性を改善する。
【選択図】 図３

Description

この発明は、レーザダイオード素子による光モジュールに関し、特に、インピーダンス整合が必要となる高速光通信に用いられる光モジュールに関する。

近年、レーザダイオード（ＬＤ素子）を搭載した通信用光モジュールにおいては、変調信号の高速化（１０ＧＨｚ）と共に、低消費電力化、小型化が求められている。

光モジュールで扱う変調信号が高速になるにしたがって、変調信号に含まれる高周波成分が多くなるため、光モジュール内における伝送線路等においても高周波信号に対して、十分にインピーダンスの整合がとられている必要がある。

そのため、従来の光モジュールでは、ＬＤ素子とこれを駆動するドライバ回路との間には整合抵抗が設けられ、整合抵抗とＬＤ素子とのインピーダンスが、ドライバ回路のインピーダンスと等しくなるように設定して整合を図っている。例えば、ドライバ回路のインピーダンスが５０Ωの場合で、ＬＤ素子の微分抵抗値が６Ω程度であるとすれば、整合抵抗の値としては４４Ωが必要となる。なお変調信号の高速化に伴い、ＬＤ素子に対する入力信号は、ドライバ回路との間で安定した電気接続を得るために差動信号にて接続することが有利であり、一般的となっている。

また、光モジュールの低消費電力化の観点から、整合抵抗を小さくしつつ、整合抵抗を小さくしたことによる不整合を、略１／４波長程度の長さになる低インピーダンス線路を光モジュール内に設けることにより、インピーダンスの整合をとる方法が示されている（例えば、特許文献１参照）。

この他に、従来の光モジュールにおいては、電界吸収型（ＥＡ）変調器を採用するものに関連させているが、伝送経路上のマイクロストリップ線路と結合させた開放スタブを設け、整合回路を構成することで、インピーダンスの整合をとる方法なども見られた（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−２５９８８０号公報（図５）

特開平１１−３８３７２号公報（図１）

従来の光モジュールにおいて、インピーダンス整合のために整合抵抗を設けるようしたものにあっては、整合を取ろうとする基準インピーダンスの値が大きいと整合抵抗もこれに伴って大きな値にする必要があるため、電流駆動で動作させる必要のあるＬＤ素子の場合、整合抵抗の増加は、即ち消費電力をも増加させるという問題があった。

一方、整合抵抗を小さくするようにした従来の光モジュールにあっては、光モジュール内に１／４波長程度の長さを有する低インピーダンス線路を新たに用意する必要があるため、部品点数増加によるコストの上昇を招き、また小型化が難しく回路サイズが大きなるという問題があった。

また、開放形スタブをマイクロストリップ線路と結合させた整合回路を設けるようにした従来の光モジュールにあっても、４０ＧＨｚを超える周波数帯での整合について述べており、１０ＧＨｚ付近までの周波数帯で開放型スタブを実現しようとすると、整合回路の基板サイズを大きくする必要があるため、回路の大型化と部品単価の上昇によるコストの上昇を招くという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高周波特性に優れ、かつ低消費電力の光モジュールおよび光モジュール用サブマウントを、小型かつ低コストで提供することを目的とする。

この発明に係わる光モジュールにおいては、ステムと、ステムを貫通し、差動信号を供給する第１と第２リードピンと、ステムに固定されたマウントブロックと、一対の電極を有するＬＤ素子と、その表面に、整合抵抗、インターディジタル型キャパシタおよび複数の電極パターンが形成され、前記マウントブロックに実装されるサブマウントと、第１と第２のリードピンと、サブマウントとの間を電気的に接続するワイヤボンドとを備え、ＬＤ素子はサブマウント上の電極パターンに載置され、前記サブマウント上の一つの電極パターンと、ワイヤボンドを介して接続されることにより、整合抵抗および前記インターディジタル型キャパシタと共に電気回路を構成し、整合抵抗は、差動信号のインピーダンスからＬＤ素子の微分抵抗値を差し引いた値より小さいことを特徴とするものである。

この発明は、ＬＤ素子を搭載するサブマウントに、整合抵抗とインターディジタル型キャパシタが形成されたものを用い、この整合抵抗の値を信号源のインピーダンスからＬＤ素子の微分抵抗値を差し引いた値より小さな値とすることで電力損失を低減し、キャパシタによる調整によって、整合抵抗の減少により生じる信号反射特性の悪化を抑制することができ、光モジュール用サブマウントおよび光モジュールを小型化することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における光モジュールの斜視図であり、図２は図１の上面図である。

図１および図２において、ステム１は、これに接合されたマウントブロック２を備え、また、ステム１は、これを貫通して光モジュール内外を電気的に接続可能し、差動信号を伝達する２本のリードピン３ａ，３ｂを有している。そして、ステム１貫通部におけるリードピン３ａ，３ｂの周囲には、リードピン３ａ，３ｂをステム１に固定すると共に、これらの間を電気的に絶縁し、また光モジュール内外との封止の働きを兼ね備える封止ガラス４が充填されている。なお、光モジュール内外とは、光モジュールとしてマウントブロック２等がキャップ（図示せず）により封止された後の、その内と外とを意味している。

また、マウントブロック２上には、サブマウント７と、これを挟んでリードピン３ａと３ｂのそれぞれ対応する位置に、接続基板５ａと５ｂとが実装されている。そして、サブマウント７は、複数本からなるワイヤボンド９ａ，９ｂを介して、接続基板５ａ，５ｂと電気的に接続され、また接続基板５ａ，５ｂは、導電性用接着剤６ａ，６ｂを介してリードピン３ａ，３ｂと電気的に接続されている。なお、接続基板５ａ，５ｂは、マイクロストリップ線路を形成し、リードピン３ａ，３ｂ部におけるインピーダンスとの不整合が最小となるようにインピーダンスが制御される。また、導電性接着剤６ａ，６ｂは、半田を使用してもよい。

サブマウント７は、その表面に導体パターンと、キャパシタ、薄膜抵抗が形成されたものであって、これに搭載され、電気的な接続関係を有するレーザダイオード（ＬＤ素子）８と共に、電気的回路が形成されている。続いて、ＬＤ素子８を搭載したサブマウント７部における構成や電気的回路について更に詳細を説明するため、図２のサブマウント７部分を拡大して表した図３を示す。

図３において、サブマウント７は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの誘電体を構成基材とし、その表面に、導電体層からなる３箇所（第１〜第３）の接続電極パターン部１０ａ，１０ｂ，１０ｃと、薄膜抵抗により形成される整合抵抗１１、そして一般にインターディジタル型キャパシタと呼ばれ、櫛歯状に組み合わされた導体層のパターン部からなるキャパシタ１２が形成されている。より詳細には、整合抵抗１１は第２の接続電極パターン部１０ｂと第３の電極パターン部１０ｃとの間に形成され、キャパシタ１２は第１の接続電極パターン部１０ａと第２の接続電極パターン部との間に形成されている。

図中のレーザダイオード（ＬＤ）素子８は、主面とその裏面にそれぞれ電極を有し、上部電極１３はこの主面側電極に当たる。そして、ＬＤ素子８は、サブマウント７の第３の接続電極パターン部１０ｃ上に載置されると同時に、ＬＤ素子８の裏面電極（図示せず）と第３の接続電極パターン部１０ｃとは電気的な接続を形成する。また、ＬＤ素子８の上部電極１３も、サブマウント７の第１の接続電極パターン部１０ａにワイヤボンド９ｃを介して電気的に接続されている。この場合、上部電極１３はカソード、裏面電極はアノードとしている。また図に示すように、ＬＤ素子８からのレーザ光は矢印の方向に出射される。

そして更に、サブマウント７の第１と第２の接続電極パターン部１０ａ，１０ｂと接続基板５ａ，５ｂとは、図１および図２の説明においても記載しているように、複数本からなるワイヤボンド９ａ，９ｂを介して電気的に接続されている。

次にこの光モジュールの動作について説明する。差動関係にある信号として供給される２つの高周波変調信号は、リードピン３ａと３ｂのそれぞれに加えられる。リードピン３ａに加えられた信号は、順番に導電接着剤６ａ、接続基板５ａ、ワイヤボンド９ａを介してサブマウント7上の接続電極パターン１０ａへと伝達され、更にワイヤボンド９ｃを介してＬＤ素子８の上部電極１３（カソード）へと供給される。一方、リードピン３ｂに加えられた信号は、順番に導電接着剤６ｂ、接続基板５ｂ、ワイヤボンド９ｂを介してサブマウント７上の接続電極パターン１０ｂへと伝達され、更に整合抵抗１１、接続電極パターン１０ｃを介してＬＤ素子８の裏面電極（アノード）へ供給される。なおこのとき、第１の接続電極パターン１０ａと第２の接続電極パターン１０ｃに信号が伝達されていることによって、キャパシタ１２にも変調信号が供給されている。ＬＤ素子８は、このようにして供給された差動高周波変調信号に基づいて光出力を発生する。

そして、この関係を等価回路として表したものが図４であり、図中に示した番号は、図３におけるそれぞれの構成に対応するものである。また、記号から分かるようにワイヤボンド９ａ，９ｂ，９ｃはインダクタンス成分として表されることになる。なお、入力端子１０１ａ，１０１ｂは接続基板５ａ，５ｂ上にあるものと仮定している。そしてここでは、図４の等価回路図に基づいた各種条件下における回路特性について、シミュレーションを使って明らかにする。

まず、図４の回路においてキャパシタ１２が存在しない場合の特性を説明する。この場合、入力端子１０１ａ，１０１ｂに接続された信号源と最適なインピーダンスの整合をとるためには、整合抵抗１１とＬＤ素子８の微分抵抗値の和が、入力端子１０１ａ，１０１ｂにおける信号源のインピーダンスの値と等しくすることが一般的である。しかしながら、整合抵抗１１の値が大きいと、これに伴って整合抵抗１１による消費電力の値も大きくなり、結果、消費電力の大きな光モジュールとなる。

具体的には、ドライバ回路、即ち信号源のインピーダンスが５０Ωとなるような場合、ＬＤ素子８の微分抵抗値が６Ω程度であるとすれば、整合抵抗１１の値としては４４Ωが一般に採用される。このときの抵抗による消費電力について求めると、例えば、８０℃程度の高温条件の下でＬＤ素子を駆動させるために必要な平均電流量が８０ｍＡである場合、消費電力Ｐ［Ｗ］＝電流Ｉ［Ａ］^２×抵抗Ｒ［Ω］の公式から、抵抗による消費電力は、約２８０ｍＷにもなる。よって、消費電力を小さくしようとすれば、通常、ＬＤ素子に流す電流は光出力の大きさにより決まるため、整合抵抗１１の値を極力小さくすることが望ましいということになる。

次に、整合抵抗１１の値の違いにおける周波数（ＤＣ〜２０ＧＨｚ）と反射特性との関係について表したグラフを図５に示す。この図５は、横軸に信号周波数（ＧＨｚ）、縦軸に反射量（ｄＢ）を表し、整合抵抗１１の値を変化させた場合の反射量の信号周波数特性を示したものである。縦軸の反射量は、ある回路に入力した信号と反射されて戻ってくる信号の比を表したものであるので、反射量の値が小さいほど回路としては良好な整合状態にあると言える。

また、図５は図４においてＡ，Ａ‘より右側の回路、すなわちＬＤ素子８、整合抵抗１１、ワイヤボンド９ｃのみの回路に信号源を接続したものとしてシミュレーションした結果であり、キャパシタ１２が接続されていないものとしている。そして各条件値として、信号源のインピーダンスは５０Ωとし、ＬＤ素子８の微分抵抗値を６Ω、ワイヤボンド９ｃのインダクタンスを０．５ｎＨとしている。

この図５から、インピーダンスの整合がとれる最適な抵抗値は、最も反射量が小さい４４Ω程度であることが分かり、約１０ＧＨｚまでは反射量が−１０ｄＢ以下という計算値が得られている。反射量が−１０ｄＢ以下であれば反射されて戻ってくる信号としては比較的小さいので、通過特性に対する影響は十分小さいとものであるといえる。一方、上述のごとく消費電力を下げるには抵抗値を小さくすることが望まれるが、整合抵抗１１の値を４４Ωから減少させていくと、全周波数領域にわたって反射量は増加し、整合抵抗１１の値が２０Ωよりも小さくなってくると全周波数の領域で、反射量が−１０ｄＢ以下とはならず、詰まりは、単に整合抵抗の値だけを小さくするだけでは、反射特性が悪化するのみで、インピーダンス整合としては不都合を生じるレベルとなってしまうことが分かる。なお、周波数が高くなるに従い反射量が増えているが、これはワイヤボンド９ｃのインダクタンス成分により不整合成分が増加するからである。

そのため、サブマウント７上において直列接続されている、ワイヤボンド９ｃとＬＤ素子８、整合抵抗１１に対し、キャパシタ１２を並列に組み込み、ワイヤボンド９ｃが有するインダクタ成分とキャパシタ成分との共振動作（作用）を利用することにより、特定の周波数範囲内であれば反射量の増加を抑制できるようにした。

図６は、図５の場合と信号源のインピーダンス、ＬＤ素子８の微分抵抗値、ワイヤボンド９ｃのインダクタンス値をそれぞれ同じ条件とした上で、整合抵抗１１の値を２０Ωに固定し、キャパシタ１２の値を変化させた場合の反射量の変化を示したものである。

この図からは、キャパシタ１２の値が０．４ｐＦの場合に反射量が最も小さな値となる（８．５ＧＨｚ付近）ことが分かる。ただし、例えば、１０ＧＨｚ付近の周波数に限れば、キャパシタ１２の値を０．３ｐＦとした場合の方が、最も反射量を小さくすることができるといえ、キャパシタ１２の容量の違いにより、特定の周波数において、反射特性が改善していることが分かる。

このようにキャパシタ１２を設けることにより、整合抵抗１１が一般に採用される値（信号源のインピーダンスからＬＤ素子の微分抵抗値を引いた値）より小さい場合でも反射量を減少させることができ、反射特性を改善することができる。これによって、優れた高周波特性を有し、かつ低消費電力な光モジュールを提供することができる。

そして、このとき必要とされるキャパシタ１２の容量自体も非常に小さな値でよいことが分かる。この程度のキャパシタ容量であれば、わざわざディスクリート部品を使用する必要はなく、例えば、サブマウント７上に櫛歯状に組み合わされた導体パターンで構成される所謂インターディジタル型キャパシタ１２で十分と言える。

この場合、サブマウント７上に、０．４ｐＦの容量を持つインターディジタル型キャパシタ１２を形成するためには、窒化アルミニウム（比誘電率ε_ｒ＝８．８）を構成基材とするサブマウント７は、０．２５ｍｍ厚の基材を用いるものとし、インターディジタル型キャパシタ１２における各パターン寸法として、櫛歯部に当たるフィンガー部の長さを０．６ｍｍ、フィンガー間隔を０．０２ｍｍ、フィンガー幅を０．０２ｍｍとした場合、キャパシタ自身の面積は、０．６ｍｍ×０．５ｍｍ程度の領域があれば十分である。なお、ここで挙げたパターン寸法は、一般的な薄膜パターンで十分形成可能な数値である。

しかも性能面においては、ディスクリート部品で構成する場合に比べて、サブマウント上に整合抵抗と一体化してパターン形成するため、非常に高精度にすることができ、容量値のばらつきも非常に小さくすむという利点もある。

そして、元々、その表面上に導体パターンおよび薄膜の整合抵抗を形成しているサブマウントにあっては、このようなキャパシタを付加しても、新たな製造工程が増加することはない。加えて、ディスクリート部品のように高さ（厚み）がなく、ＬＤ素子の出射光を妨げることがないので、図中に示しているように、ＬＤ素子７の光軸方向に配置することができる。よって、サブマウントの小型化が可能であり、低コストで実現することができ、このようなサブマウントを実装するが光モジュールにおいても小型化を可能とすることは言うまでもなく、しかも高周波特性に優れ、かつ低消費電力なものとして実現できる。

なお、インターディジタル型キャパシタ１２の配置に関して、ＬＤ素子７の光軸方向への配置が可能であることを示したが、光モジュールがレンズ等の光学系部品を備えるものについては、ＬＤ素子８を光学系部品に近づけることができるようにするため、背面出射光側にキャパシタ１２を配置することが好ましいと言える。

また、実施の形態１においては、他に、低反射特性のサブマウント７とリードピン３ａ，３ｂまでを、インピーダンス制御したマイクロストリップ線路で形成される接続基板５ａ，５ｂを用いて接続するようにしているため、リードピン３ａ，３ｂからサブマウント７（接続電極パターン１０ａ，１０ｂ）までを信号源のインピーダンスに合わせた伝送線路とすることができ、良好な高周波特性を得られ、詰まりは、低反射特性のまま外部と接続することができる。

実施の形態２．
図７は、この発明を実施するための実施の形態２における光モジュールを示す斜視図である。実施の形態１では、サブマウント７とリードピン３ａ，３ｂとの間に、インピーダンスを制御するようにした接続基板５ａ，５ｂを設けて電気的に接続するものとした。よって、サブマウント７の接続電極パターン１０ａ，１０ｂと接続基板５ａ，５ｂとの間でワイヤボンド９ａ，９ｂがなされていたが、実施の形態２では、実施の形態１におけるリードピン３ａ，３ｂを、図７に示すように、サブマウントを挟んでその両側まで延伸させたリードピン３Ａ，３Ｂとし、このリードピン３Ａ，３Ｂとサブマウント７の接続電極パターン１０ａ，１０ｂとの間を、直接ワイヤボンド９ａ，９ｂで接続するようにしたものである。なお、その他の構成については、実施の形態１と同じである。

これによって、リードピン３Ａ，３Ｂにおけるインピーダンスは、リードピン３ａ，３ｂを延伸した部分については空中に長く突き出ることになるため、通常、インダクタンス成分が大きくなってしまいインピーダンスの整合にも影響を及ぼすが、サブマウント７上に配置したキャパシタ１２の容量を調整することにより、ワイヤボンド９ｃだけでなくワイヤボンド９ａ，９ｂ、リードピン３Ａ，３Ｂのインダクタンス成分も補償することが可能であり、実装部品が少なくできることで、より低コストな光モジュールを容易に実現することができる。

この発明に係る実施の形態１の光モジュールの外観斜視図である。 この発明に係る実施の形態１の光モジュールの上面図である。 図２のサブマウント部を拡大した上面図である。 この発明に係る実施の形態１の光モジュールの等価回路図である。 光モジュールの、整合抵抗値を変化させた場合の高周波シミュレーション結果の一例である。 この発明に係る実施の形態１の、光モジュールのキャパシタの容量を変化させた場合の高周波シミュレーション結果の一例である。 この発明に係る実施の形態２の光モジュールの外観斜視図である。

符号の説明

１ ステム、２ マウントブロック、３ａ，３ｂ、３Ａ，３Ｂ リードピン、５ａ，５ｂ 接続基板、７ サブマウント、８ レーザダイオード（ＬＤ素子）、９ａ，９ｂ，９ｃ ワイヤボンド、１０ａ，１０ｂ,１０ｃ 接続電極パターン、１１ 整合抵抗、１２ インターディジタル型キャパシタ、１３ ＬＤ素子上部電極

Claims (3)

1. ステムと
   前記ステムを貫通し、差動信号を供給する第１と第２のリードピンと、
   前記ステムに固定されたマウントブロックと、
   一対の電極を有するレーザダイオードと、
   その表面に、整合抵抗、インターディジタル型キャパシタおよび複数の電極パターンが形成され、前記マウントブロックに実装されるサブマウントと、
   前記第１と第２のリードピンと、前記サブマウントとの間を電気的に接続する第１と第２のワイヤボンドとを備え、
   前記レーザダイオードは、前記サブマウント上の一つの電極パターン上に載置され、また前記サブマウント上の他の電極パターンと第３のワイヤボンドを介して接続されることにより、前記整合抵抗および前記インターディジタル型キャパシタと共に電気回路を構成し、
   前記整合抵抗は、差動信号のインピーダンスから前記レーザダイオードの微分抵抗値を差し引いた値より小さくしたことを特徴とする光モジュール。
2. 前記サブマウントを挟むように、前記マウントブロック上に実装され、前記第１と第２のリードピンと電気的に接続される第１と第２の接続基板を備え、前記第１と第２のワイヤボンドは、前記サブマウントと、前記第１および第２の接続基板との間を接続するようにしたことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
3. 前記第１と第２のワイヤボンドは、前記サブマウントと、前記第１と第２のリードピンの間を直接接続するようにしたことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
   
   
   

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