JP2020021912A - 光サブアッセンブリ及び光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光素子の実装スペースの確保と特性インピーダンス整合とを両立した光サブアッセンブリを提供する。【解決手段】第１の面１２１と、第１の面の反対側に配置された第２の面１２２と、第１の面から第２の面までを貫通する第１の貫通孔１２３と、を含むアイレット１２０と、第１の貫通孔に挿入され、電気信号を伝送する第１のリード端子１１０と、第１の貫通孔と第１のリード端子との間に充填された誘電体１３０と、光信号と電気信号の少なくとも一方を他方に変換する光素子１６０が搭載された素子搭載基板１４０と、電気信号を光素子に伝送する第１の導体パターン１５２を含む中継基板１５０と、第１の面から第１の貫通孔の延伸方向に突出し、中継基板が載置される第３の面１２５と、素子搭載基板が載置される第４の面１２７と、を含む台座１２４と、第３の面と中継基板との間に介在し、中継基板の裏面と台座とを導通させるスペーサ１７０と、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、光サブアッセンブリ及び光モジュールに関する。

現在、インターネットや電話ネットワークの大部分が光通信網によって構築されている。光通信機器であるルータ／スイッチや伝送装置のインターフェースとして使用される光モジュールは、電気信号を光信号に変換する重要な役割を担っている。光モジュールは、一般的に、光素子を収容した光サブアッセンブリと、変調電気信号を含む信号を処理するＩＣ等実装したプリント基板(以下ＰＣＢ)と、その間を電気的に接続するフレキシブルプリント基板(以下ＦＰＣ)を備えた形態をとる。

近年では、光モジュールは高速化のみならず、低価格化への要求が著しく、低コストでかつ、高速光信号を送受信可能な光モジュールの需要が高まっている。例えば、上述のような要求を満たす光モジュールとして、例えば缶状のパッケージに内包される金属製ステムからＦＰＣ等に差し込むリード端子が突出した形態を有するＴＯ-ＣＡＮパッケージ型の光サブアッセンブリ等を用いることが知られている。金属製ステムは、略円盤形状のアイレットと、アイレットから突出するように設けられた台座と、を含んで構成されている。

下記特許文献１、２においては、２５Ｇｂｉｔ／ｓ級の変調電気信号を光素子に伝達させる技術が開示されている。

リード端子を電気的なインターフェースとするＴＯ−ＣＡＮ型の光サブアッセンブリは特性インピーダンスを所望の値に整合させることが困難であるが、下記特許文献１、２ではリード端子部でインダクタンスが大きくなることを防ぐため、リード端子直下に誘電体基板を挿入し、誘電体基板の高い誘電率によって、グラウンド導体となる台座との電気的な結合を強化し、インダクタンスをキャパシタンスによって緩和し、望ましくないインピーダンスの増加を防いでいる。

特開２０１７−５０３５７号公報 特開２０１１−１３４７４０号公報

しかしながら、上記従来の構成においては、光素子の実装スペースの確保と、特性インピーダンス整合と、の両立が困難となっていた。即ち、リード端子が挿入される貫通孔と、誘電体と、リード端子とで構成される同軸線路の特性インピーダンスを整合すべく、貫通孔の直径を大きくする場合、当該貫通孔を避けるよう形成された台座とリード端子との距離が大きくなってしまう。そのため、誘電体基板とリード端子とを接続させるためには、誘電体基板の厚みを大きくする必要がある。一方、誘電体基板における特性インピーダンスを整合させる上で、誘電体基板の厚みが大きくなる場合においては、誘電体基板に設ける導体パターンの線路幅を大きくする必要がある。導体パターンの線路幅が大きくなると、光素子の実装スペースが小さくなってしまう。そのため、光素子の実装スペースの確保と、特性インピーダンス整合と、の両立が困難となっていた。

本開示は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光素子の実装スペースの確保と、特性インピーダンス整合と、を両立することである。

上記課題を解決するために、本開示に係る光サブアッセンブリは、第１の面と、前記第１の面の反対側に配置された第２の面と、前記第１の面から前記第２の面までを貫通する第１の貫通孔と、を含むアイレットと、前記第１の貫通孔に挿入され、電気信号を伝送する第１のリード端子と、前記第１の貫通孔と前記第１のリード端子との間に充填された誘電体と、光信号と前記電気信号の少なくとも一方を他方に変換する光素子が搭載された素子搭載基板と、前記電気信号を前記光素子に伝送する第１の導体パターンを含む中継基板と、前記第１の面から前記第１の貫通孔の延伸方向に突出し、前記中継基板が載置される第３の面と、前記素子搭載基板が載置される第４の面と、を含む台座と、前記第３の面と前記中継基板との間に介在し、前記中継基板の裏面と前記台座とを導通させるスペーサと、を含む。

また、本開示に係る光モジュールは、上記光サブアッセンブリと、プリント基板と、前記プリント基板と前記光サブアッセンブリと電気的に接続されるフレキシブル基板と、を備える。

本開示の光サブアッセンブリ及びそれを備えた光モジュールによれば、光素子の実装スペースの確保と、特性インピーダンス整合と、を両立することができる。

図１は第１の実施形態に係る光モジュールの外観図である。 図２は第１の実施形態に係る光サブアッセンブリの内部構造を示す模式図である。 図３は第１の実施形態に係る光サブアッセンブリの断面構造を示す模式図である。 図４は第１の実施形態に係る光サブアッセンブリの模式的な平面図である 図５Ａは第１の実施形態において高周波３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳ（High Frequency Structure Simulator）に用いたデータの表である。 図５Ｂは第１の実施形態に係るリード端子の突出量、及び大径部の直径と、反射特性と、の関係を高周波３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳ（High Frequency Structure Simulator）によって計算したグラフである。 図６は大径部の直径と反射特性との関係について３０ＧＨｚでの振る舞いと４０ＧＨｚでの振る舞いとを比較した図である。 図７は第１の実施形態における第１のリード端子の第１の面からの突出量別で、大径部の直径ごとに３０ＧＨｚおよび４０ＧＨｚのＳ１１特性の関係をグラフ化した図である。 図８は第１の実施形態に係る光モジュールの模式的な上面図である。 図９は第１の実施形態に係る素子搭載基板とスペーサの各接続状態における透過特性を高周波３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳ（High Frequency Structure Simulator）によって計算したグラフである。 図１０は第１の実施形態の他の実施例に係る光サブアッセンブリの模式的な平面図である。 図１１は第１の実施形態の他の実施例に係る光サブアッセンブリの模式的な平面図である。 図１２は比較例に係る光サブアッセンブリの模式的な平面図である。

本開示の第１の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。

図１は、本実施形態における光通信用途の光モジュール１の外観図である。ＰＣＢ２００に搭載される駆動ＩＣ(図示せず)から、ＰＣＢ２００に半田等によって接続されるＦＰＣ３００を介し、光サブアッセンブリ１００に変調電気信号が伝達される。光サブアッセンブリ１００は、光素子を収容し、かつ出射光をもしくは入射光を送受するインターフェースを備えている。光サブアッセンブリ１００は、アイレット１２０と、光レセプタクル２を含む。この光レセプタクル２の具体的な構造については、図３を用いて後述する。なお、図示しないが光サブアッセンブリ１００、ＰＣＢ２００、そしてＦＰＣ３００は、金属製などの筐体に内蔵されて、光モジュール１は構成されている。

ここで、光サブアッセンブリ１００の例としては、レーザダイオードなどの発光素子を内部に有し、電気信号を光信号に変換して送信する光送信モジュール（TOSA; Transmitter Optical Subassembly）や、内部にフォトダイオードに代表される受光素子を有し、受信した光信号を電気信号に変換する光受信モジュール（ROSA; Receiver Optical Subassembly）や、これらの両方の機能を内包した双方向モジュール（BOSA；Bidirectional Optical Subassembly）などがある。本願発明は、上記いずれの光サブアセンブリにも適用でき、本実施形態では光送信モジュールを例として説明する。

図２は、本開示の第１の実施形態に係る光サブアッセンブリ１００の内部構造を示す模式的な斜視図である。光サブアッセンブリ１００は、例えば、直径５．６ｍｍの円盤形状をした、金属からなる導電性のアイレット１２０を有する。アイレット１２０は、第１の面１２１と、第１の面１２１の反対側に配置された第２の面１２２と、を有する。また、アイレット１２０は、第１の面１２１から第２の面１２２までを貫通する第１の貫通孔１２３、第２の貫通孔１２６を有する。

また、光サブアッセンブリ１００は、アイレット１２０の第１の面１２１から第１の貫通孔１２３の延伸方向に突出する台座１２４を含む。台座１２４は、中継基板１５０が載置される第３の面１２５と、素子搭載基板１４０が載置される第４の面１２７と、を含む。素子搭載基板１４０には、光信号と電気信号の少なくとも一方を他方に変換する光素子１６０が搭載される。中継基板１５０は、電気信号を光素子１６０に伝送する第１の導体パターン１５２を含む。アイレット１２０と、この台座１２４と、により、ステムを構成している。

本実施形態において、素子搭載基板１４０は、光素子１６０と近い熱膨張係数を持つ窒化アルミニウムなどのセラミックからなり、光素子１６０が、素子搭載基板１４０にダイボンディングされている。素子搭載基板１４０は、表裏面にメタライズパタンを有しており、素子搭載基板１４０の裏面はグラウンド導体となるステムの台座１２４に接続されている。また、光素子１６０が搭載される素子搭載基板１４０の表面（搭載面）側には、伝送線路となる第２の導体パターン１４１（図８参照）が形成されている。

アイレット１２０の第１の貫通孔１２３には、電気信号を伝送する第１のリード端子１１０が挿入されており、第１の貫通孔１２３と第１のリード端子１１０との間には、誘電体１３０が充填されている。このアイレット１２０、誘電体１３０、及び第１のリード端子１１０によって、同軸線路を形成している。以下、この同軸線路を「ガラス同軸部」という。

本実施形態においては、第３の面１２５に直交する方向（図２における上下方向）において、第３の面１２５は、第４の面１２７よりもアイレット１２０の中心から離れた位置（図２における下方）に配置されている。後述するように、ガラス同軸部の特性インピーダンスを５０オームに整合させる場合、例えば２５オームに整合させる場合と比較して、第１の貫通孔１２３の直径を大きくする必要がある。ここで、製造プロセス上、第１のリード端子１１０の延伸方向から見て、第１の貫通孔１２３と台座１２４とは重畳しないことが望ましい。即ち、第１のリード端子１１０の延伸方向から見て、第１の貫通孔１２３と台座１２４とを重畳させない構成とすることにより、台座１２４とアイレット１２０とを一体形成する場合において、第１の貫通孔１２３を形成しやすく望ましい。この第１の貫通孔１２３と台座１２４とを重畳させない構成を採用すると、大きな直径を有する第１の貫通孔１２３を避けるように台座１２４を設ける必要があるため、台座１２４の中継基板１５０が載置される領域を、中央位置からずらす必要がある。一方で、光素子１６０は、アイレット１２０の中央位置に配置する必要がある。そのため、光素子１６０を載置する素子搭載基板１４０が載置される第４の面１２７を、中継基板１５０が載置される第３の面１２５よりもアイレット１２０の中心に近い位置（図２における上方）に配置する構成とすることにより、製造プロセス上の効率を下げることなく、光素子１６０の位置を中央位置に保ちながら、第１の貫通孔１２３の直径を大きくすることができ、ガラス同軸部の特性インピーダンスを５０オームに整合させることができるのである。

また、ガラス同軸部の特性インピーダンスを５０オームに整合させるためには、後述するように、第１の貫通孔１２３の直径を大きくする必要があるため、第１の貫通孔１２３を避けるように形成された台座１２４と第１のリード端子１１０との距離が大きくなってしまう。一方、中継基板１５０は、特性インピーダンスが５０オームとなるマイクロストリップ線路を成す必要があるため、中継基板１５０の厚みを大きくしてしまうと、中継基板１５０に形成する第１の導体パターン１５２の線路幅を大きくする必要がある。中継基板１５０を構成する材料として窒化アルミニウムを用いた場合、その比誘電率は８．７であるため、例えば、中継基板１５０の厚みを０．５ｍｍとすると、第１の導体パターン１５２の線路幅は０．５ｍｍ幅とする必要があり、中継基板１５０自体を大きくすることが必要となる。中継基板１５０を大きくすると、素子搭載基板１４０を小さくせざるを得なくなり、光素子１６０の実装スペースが小さくなってしまう。

この課題に対し、本実施形態においては、中継基板１５０と台座１２４との間に、スペーサ１７０を介在させ、このスペーサ１７０が、中継基板１５０の裏面と台座１２４とを導通させる構成としている。即ち、スペーサ１７０の上面にまで、台座１２４のグラウンド電位を持ち上げる構成としている。そのため、中継基板１５０の厚みを、例えば０．２ｍｍのように薄くすることが可能となる。その結果として、第１のリード端子１１０と接続される誘電体基板である中継基板１５０上に形成する第１の導体パターン１５２の線路幅が大きくなることを抑制することができる。本実施形態においては、中継基板１５０に形成する第１の導体パターン１５２の線路幅を０．２ｍｍとすることが可能となる。その結果として、中継基板１５０の大型化を抑制することができ、光素子１６０の実装スペースの確保と、特性インピーダンス整合との両立が可能となる。

なお、図４に示すように、第１のリード端子１１０の延伸方向から見て、グラウンド導体を含むスペーサ１７０は、誘電体１３０と重畳する構成となっている。このスペーサ１７０としては、例えば窒化アルミニウムなどのセラミックで構成するとともに、このセラミック基板内に、複数の埋め込みビアホールを設けることによって、スペーサ１７０の表裏を導通させる構成としてもよい。あるいは厚み０．３ｍｍの金属板によりスペーサ１７０を構成してもよい。当然、上記に限らずスペーサ１７０の上面がグラウンド電位となればどのような構成であっても構わない。

図４は、図２に示した第１の実施形態に係る光サブアッセンブリ１００の模式的な平面図である。

本実施形態においては、図４に示すように、第３の面１２５に直交する方向（図４における上下方向）において、第３の面１２５は、第４の面１２７よりもアイレットの中心から離れた位置（図４における下方）に配置された構成としている。なお、本実施形態においては、第３の面１２５と第４の面１２７とが略平行な構成としている。

また、スペーサ１７０の厚みよりも、第３の面１２５に直交する方向（図４における上下方向）における、第３の面１２５と、第４の面１２７との段差が大きい構成としている。このような構成とすることにより、スペーサ１７０によって、素子搭載基板１４０が押し上げられることなく、素子搭載基板１４０が第４の面１２７に対して傾き無く載置される構成を実現している。そのため、第３の面１２５に直交する方向（図４における上下方向）において、スペーサ１７０の表面は、素子搭載基板１４０の裏面よりもアイレット１２０の中心から離れた位置（図４における下方）に配置された構成としている。

また、第３の面１２５に直交する方向から見て、スペーサ１７０の表面の一部が、中継基板１５０と重畳せず露出している。また、素子搭載基板１４０の裏面の一部は、第４の面１２７に直交する方向から見て、第４の面１２７側から、第３の面１２５側にはみ出し、且つスペーサ１７０の表面の一部と対向する構成としている。なお、第４の面１２７側から第３の面１２５側にはみ出す素子搭載基板１４０の一部は、中継基板１５０と、２本以上のボンディングワイヤによって接続される構成としてもよい。

このように、素子搭載基板１４０の一部が、第４の面１２７に直交する方向から見て、第４の面１２７側から、第３の面１２５側にはみ出す構成とすることにより、素子搭載基板１４０の表面上の面積を担保し、素子搭載基板１４０上に、光素子１６０（レーザ）や、図８を用いて後述する変調素子１８６、第２の導体パターン１４１、グラウンドパターン１４６等を載置することを可能とすることができる。特に、図４に示すように、第１の貫通孔１２３の直径を大きくする場合、この第１の貫通孔１２３を避けるように、台座１２４における第３の面１２５を設ける必要があるため、第３の面１２５の面積を大きく構成する必要がある。その結果として、第４の面１２７の面積を小さくせざるを得ず、上述した光素子１６０等を載置することが困難となる。しかし、素子搭載基板１４０の一部が、第４の面１２７に直交する方向から見て、第４の面１２７側から、第３の面１２５側にはみ出す構成とすることにより、素子搭載基板１４０における表面（光素子１６０の搭載面）の面積を担保することができ、素子搭載基板１４０上に、光素子１６０等の部品を載置することが可能となる。

一方で、素子搭載基板１４０の一部が、第４の面１２７に直交する方向から見て、第４の面１２７側から、第３の面１２５側にはみ出す構成とすると、当該素子搭載基板１４０の一部は、グラウンド電位となる台座１２４と直接接触しない構成となるため、グラウンドが不安定となり、高周波領域における透過特性に影響を及ぼす可能性がある。

この課題に対し、図４に示すように、素子搭載基板１４０の裏面の一部と、スペーサ１７０の表面の一部との間には、素子搭載基板１４０の裏面の一部と、スペーサ１７０の表面の一部とを直接接続するグラウンド導体８０を介在させている。グラウンド導体８０は、第３の面１２５に直交する方向から見て、スペーサ１７０の表面の一部と、素子搭載基板１４０の裏面の一部とに、重畳するよう配置されている。

図９は、素子搭載基板１４０とスペーサ１７０の各接続状態における透過特性を高周波３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳ（High Frequency Structure Simulator）によって計算した結果である。

図９において、横軸は伝送される電気信号の周波数を示し、縦軸は、図２に示した第１のリード端子１１０における第２の面１２２と交差する位置から伝送された電気信号が、光素子１６０に直接接続される第２のワイヤ１８４（図８参照）に伝送されたときの信号レベル、即ち透過特性を表している。そのため、縦軸の値であるＳ２１［ｄＢ］は大きい値であることが望ましい。

図９において、model 1は、図４に示したように、互いに対向する素子搭載基板１４０の裏面の一部と、スペーサ１７０の表面の一部との間に、グラウンド導体８０として半田を介在させた構成の特性を示す。model 2は、図１０に示すように、素子搭載基板１４０の裏面と、スペーサ１７０との対向部から、当該対向部以外にまでグラウンド導体８０の形成領域を広げたものであり、グラウンド導体８０を、素子搭載基板１４０の裏面と台座１２４の第３の面１２５とが対向する部分にまで設けた構成の特性を示す。model 3は、図１１に示すように、素子搭載基板１４０の裏面と、スペーサ１７０の表面との対向部から、当該対向部以外にまでグラウンド導体８０の形成領域を広げたものであり、グラウンド導体８０が、素子搭載基板１４０の裏面と台座１２４の第３の面１２５とが対向する部分を充填するよう設けられた構成の特性を示す。model 4は、図１２に示すように、素子搭載基板１４０の裏面と、スペーサ１７０の表面との対向部にグラウンド導体８０を設けない構成の特性を示す。なお、全modelとも素子搭載基板１４０の裏面はメタライズがされており、第４の面１２７と接する面にてグラウンド電位となっている。すなわち、素子搭載基板１４０の第３の面１２５側に飛び出している領域の裏面もグラウンド電位となっている。また、ここではグラウンド導体８０の例として半田を用いたが、グラウンド導体８０の構成例はこれに限定されず、導電性接着剤などでも構わない。

図９に示す結果より、model 1、model 2、及びmodel 3の透過特性は、model 4の透過特性と比較して、特に３０ＧＨｚ〜４０ＧＨｚ帯において、１ｄＢ程度高い値を保っていることがわかる。

このように、本開示においては、素子搭載基板１４０の裏面の一部と、スペーサ１７０の表面の一部との間に、素子搭載基板１４０の裏面の一部と、スペーサ１７０の表面の一部とを直接接続するグラウンド導体８０を介在させる構成とすることにより、素子搭載基板１４０の一部が、グラウンド電位となる台座１２４と直接接触しない構成であっても、グラウンドが不安定となるのを抑制し、高周波領域における透過特性への影響の発生を抑制することができる。

なお、本実施形態において、素子搭載基板１４０には、薄膜抵抗が蒸着されており、光素子１６０の直列抵抗によって、２５〜７５オームで終端される構成としてもよい。

本実施形態において、変調電気信号を伝送する第１のリード端子１１０は、図２に示すように、小径部１１４と、小径部１１４の端部に設けられ、小径部１１４よりも大きな直径を有する大径部１１５と、を含む。大径部１１５の少なくとも一部は、第１の面１２１側において、第１の面１２１から露出している。そして、大径部１１５と、中継基板１５０に載置された第１の導体パターン１５２とが、ろう接されている。例えば、第１のリード端子１１０の大径部１１５と中継基板１５０は、金錫合金などからなる半田７０によって接続されている。

このような構成することにより、第１のリード端子１１０と中継基板１５０とがろう接された光モジュール１において、更なるインピーダンス整合を実現することができる。

即ち、第１のリード端子１１０と中継基板１５０とがろう接される場合には、第１のリード端子１１０と中継基板１５０との間の電気信号の伝達は直線的に行われる。これに対し、グラウンド導体を伝搬するリターン電流は、第１の貫通孔１２３を迂回し、台座１２４を経由し、更にスペーサ１７０を介して中継基板１５０に伝達されるため、インダクタンス成分の増加を招いてしまい、インピーダンス整合を行うことがより困難となる。しかしながら、上述した通り、第１のリード端子１１０が、第１の面１２１から突出する第１の端部１１１に大径部１１５を有する構成とすることにより、この大径部１１５と第１の貫通孔１２３の内周面との間の容量成分を大きくすることができる。そのため、インダクタンス成分を容量成分で緩和することができ、インピーダンス整合を行うことが可能となる。

特に、後述するように、ガラス同軸部の特性インピーダンスを５０オーム付近にする際には、第１の貫通孔１２３の直径を大きくする必要があり、台座１２４と第１のリード端子１１０との距離が大きくなるため、リターン電流の経路の増加に伴うインダクタンス成分の増加を招く。そのため、上述した大径部１１５と第１の貫通孔１２３との間の容量成分を大きくすることによるインピーダンス整合の必要性とメリットは大きくなる。

なお、更に望ましくは、中継基板１５０に載置された第１の導体パターン１５２が、この第１のリード端子１１０の大径部１１５とろう接される部分に幅広部１５４を有する構成とすることが望ましい。このような構成とすることにより、幅広部１５４にもスタブとしての役割を担わせ、容量成分を増加させることができ、その結果、更なるインピーダンス整合を行うことが可能となる。

なお、特開２０１４−１０７７３３号公報などに開示されているように、中継基板の表層にリターンパスを設け、インダクタンスの寄生を防ぐ方法もあるが、本開示においては、上述したように、大径部１１５と第１の貫通孔１２３との間の容量成分を大きくすることによるインピーダンス整合を行う構成とすることにより、中継基板１５０の表面における部品搭載を可能とすることができる。即ち、中継基板１５０の表層にグラウンド導体となるリターンパスを設けると、中継基板１５０の表面に部品を搭載することが困難となるが、上述の構成とすることで、そのようなグラウンド導体を中継基板１５０の表層に設ける必要がなくなり、中継基板１５０の表面における部品搭載を可能とすることができる。

なお、光素子１６０は、直接変調型レーザ、電界吸収型変調器集積型レーザ、及びレーザとマッハツェンダー変調器を組み合わせたもののいずれであってもよいが、本実施形態においては、光素子１６０として、電界吸収型変調器集積型レーザ（以下、ＥＭＬ）を使用する。そのため、駆動インピーダンスは５０オームである。変調電気信号は第１のリード端子１１０によって光サブアッセンブリ１００の内部に伝達される。

なお、低速通信用途の光モジュールにおいては、ガラス同軸部の特性インピーダンスは、厳密に５０オームに整合する必要は無く、例えば３０オーム程度であってもよかった。例えば、リード端子径を０．２５ｍｍ、誘電体１３０の直径を０．８ｍｍとし、誘電体１３０として、比誘電率が６．７のガラスを用いることにより、ガラス同軸部を実現することができた。これは、低速用途においては、この特性インピーダンスであっても信号の伝送は可能であるため、小型化を優先していたためであった。しかし、例えば伝送レートが４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速通信用途の光モジュールにおいては、広帯域でかつ特性インピーダンスが５０オームに整合したＴＯ−ＣＡＮ型パッケージが必要になる。

しかし、第１のリード端子１１０を保持する誘電体１３０であるガラスの比誘電率は４〜７であり、ガラス同軸部の特性インピーダンスを５０オームに整合させるためには、物理的なスペースを必要としてしまう。例えば、比誘電率が６．７のガラスで５０オームに整合した同軸線路を設けるためには、直径が２ｍｍ以上に及ぶ第１の貫通孔１２３が必要となる。そのため、光モジュール１は自ずと、その制約を受けサイズが決定される。なお、５０オーム±１０オームに整合させれば、十分な特性は得られる。

本実施形態においては、第１のリード端子１１０の大径部１１５の直径が、小径部１１４である第２の端部１１２の直径の１．６倍以上、２．４倍以下の構成としている。具体例としては、第２の端部１１２における第１のリード端子１１０の直径が、０．２５ｍｍであるのに対し、大径部１１５の直径は０．４ｍｍとしている。

図３は、本実施形態における光サブアッセンブリ１００の断面構造を示す模式図である。図３に示すように、本実施形態に係る光サブアッセンブリ１００は、光レセプタクル２と光パッケージ３とを含んでいる。そして、光レセプタクル２は、光レセプタクル本体２０と、スタブ２２と、スリーブ２４とを備えている。

本実施形態に係る光レセプタクル本体２０は、一体的に形成された樹脂部材を含んで構成されており、円柱状の外形を有する光パッケージ収容部２０ｆと、光パッケージ収容部２０ｆの外径より小さな外径を有する概略円柱形状の光ファイバ挿入部２０ｄとを備えている。光パッケージ収容部２０ｆと光ファイバ挿入部２０ｄとは、それぞれの一端面同士が、連結されている。

光パッケージ収容部２０ｆには、その外形状と同軸に円型の凹部２０ａが形成されており、円筒形をなしている。

光レセプタクル本体２０には、光ファイバ挿入部２０ｄの先端面から、この光ファイバ挿入部２０ｄの外形状と同軸に延びて、光パッケージ収容部２０ｆに形成された凹部２０ａの底面に至る貫通孔２０ｂが形成されている。すなわち、光レセプタクル本体２０には、凹部２０ａと、凹部２０ａから外部に貫通する貫通孔２０ｂと、が形成されている。

貫通孔２０ｂの内壁面の先端に形成されているテーパ部２０ｃは、その径が外側に向かって増加するテーパ形状である。そのため、光ファイバ５０を備えたコネクタを貫通孔２０ｂに挿入しやすいようになっている。

光ファイバ挿入部２０ｄには、その外周に沿ってフランジ２０ｅが形成されている。

スタブ２２は、ジルコニアなどを含んで構成されている。そして、スタブ２２は、光レセプタクル本体２０の光ファイバ挿入部２０ｄに形成されている貫通孔２０ｂとほぼ同径の概略円柱形状であり、スタブ２２と同軸の光ファイバ５０を保持している。そして、スタブ２２は光レセプタクル本体２０の光ファイバ挿入部２０ｄに圧入などにより挿入固定されている。スタブ２２の右側端面は斜め研磨されている。このようにして、光ファイバ５０から入力される光と、その反射光との干渉を防止している。

光レセプタクル２のスタブ２２の左側側面は、外部から貫通孔２０ｂに挿入された光ファイバ５０を備えたコネクタ（図示せず）と当接されて、コネクタが備える光ファイバ５０と、スタブ２２が保持する光ファイバ５０との結合を行う。

スリーブ２４は、弾性を有するジルコニアなどを含んで構成されている。そして、スリーブ２４は、貫通孔２０ｂとほぼ同径の円筒形状をしており、光レセプタクル本体２０の内壁面に設けられた溝に埋め込まれている。このスリーブ２４によって、光ファイバ挿入部２０ｄに挿入される光ファイバ５０の、貫通孔２０ｂ内における位置の調整ができるようになっている。

光パッケージ３は、球体のレンズ３０を備えている。また、光パッケージ３は、レンズ３０と略同径の開口が底面に形成された金属製の有底円筒状の部材であるレンズ支持部３２を備えている。レンズ支持部３２の開口は、レンズ支持部３２の底面の形状と同軸に形成されている。そして、レンズ３０はレンズ支持部３２の開口に嵌め込まれている。すなわち、レンズ支持部３２はレンズ３０を支持する。

また、光パッケージ３は、上述したアイレット１２０、台座１２４と、を含むステムを備えている。

光レセプタクル２の凹部２０ａとアイレット１２０の第１の面１２１との接合面を接着固定することでサブアッセンブリ１００は組み立てられる。このとき、アイレット１２０に溶接されたレンズ支持部３２、このレンズ支持部３２に嵌め込まれたレンズ３０は、光レセプタクル２の凹部２０ａの中に入るように形成される。すなわち、レンズ３０やレンズ支持部３２は、光レセプタクル本体２０の凹部２０ａに収容される。なお、光レセプタクル２と光パッケージ３とを接着する方法はこの限りではない。

図４は、図２に示した第１の実施形態に係る光サブアッセンブリ１００の模式的な平面図である。図３に示したように、アイレット１２０の第１の面１２１には、レンズ支持部３２が溶接されており、図４においては、このレンズ支持部３２の内周３２ａの位置を一点鎖線で示している。本実施形態においては、直径５．６ｍｍのアイレット１２０を使用しており、このアイレット１２０に組み合わせるレンズ支持部３２としては、その内周３２ａが、３．２ｍｍの直径を持つ円形状であるものを使用する例について説明する。

本実施形態においては、ガラス同軸部の特性インピーダンスを５０オームに整合させるため、第１の貫通孔１２３の直径を、直流信号を伝達するための第２のリード端子１１６が挿入される第２の貫通孔１２６の直径の１．５倍以上としている。一方、第１の貫通孔１２３の直径が大きすぎると、アイレット１２０内での設計自由度が低下するため、第１の貫通孔１２３の直径を、第２の貫通孔１２６の直径の３倍以下としている。ガラス同軸部の具体例としては、誘電体１３０として、比誘電率が４〜５程度の低誘電ガラスを使用し、第１の貫通孔１２３の直径を１．５ｍｍとしている。なお、比誘電率が４よりも低い低誘電材料のガラスを誘電体１３０として使用する場合においても、ガラス同軸部の特性インピーダンスを５０オームに整合させるためには、第１の貫通孔１２３の直径を１．２ｍｍ程度にする必要がある。この場合、上述した、直径が３．２ｍｍ程度の内周３２ａを有するレンズ支持部３２を使用すると、図４に示すように第１の貫通孔１２３の延伸方向から見た、レンズ支持部３２の内周３２ａ側に配置された第１の貫通孔１２３の面積が、レンズ支持部３２の内周側の面積の１４％以上となる。また、比誘電率が７程度のガラスを使用する場合には、ガラス同軸部の特性インピーダンスを５０オームに整合させるためには、第１の貫通孔１２３の直径を２ｍｍ以上にする必要がある。この場合、上述した、直径が３．２ｍｍ程度の内周３２ａを有するレンズ支持部３２を使用すると、第１の貫通孔１２３の延伸方向から見た、レンズ支持部３２の内周３２ａ側に配置された第１の貫通孔１２３の面積が、レンズ支持部３２の内周側の面積の４０％を占めることになる。

よって、本実施形態に係るアイレット１２０は、第１の貫通孔１２３の延伸方向から見た、レンズ支持部３２の内周側に配置された第１の貫通孔１２３の面積が、組み合わせるレンズ支持部３２の直径で定義される面積、即ちレンズ支持部３２の内周側の面積の１４％以上、４０％以下としている。

なお、第１のリード端子１１０が大径部１１５を有する構成とすることにより、上述した特性面のメリットの他、製造上のメリットも得ることができる。即ち、中継基板１５０は低コスト化のため、面積を小さくすることが好ましい。しかしながら、搭載ばらつきが起こった場合に、第１のリード端子１１０と、中継基板１５０に形成した第１の導体パターン１５２と、が乖離すると、第１のリード端子１１０と第１の導体パターン１５２との間に金錫合金などからなる半田７０が付かず、製造歩留まりを悪化させてしまう。この課題に対して、第１のリード端子１１０の第１の端部１１１が大径部１１５である構成とすることにより、中継基板１５０の位置が多少ずれたとしても、第１のリード端子１１０の第１の端部１１１と中継基板１５０の第１の導体パターン１５２とを半田７０で接合することが可能となる。また、その結果として、中継基板１５０のサイズを縮小することができ、低コスト化にも寄与することができる。

次に、直径０．２５ｍｍの第１のリード端子１１０を用いた場合において、大径部１１５の直径と、第１の面１２１からの第１のリード端子１１０の突出量を変化させた場合における反射特性を高周波３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳ（High Frequency Structure Simulator）によって計算した結果を図５Ａ、図５Ｂに示す。図５Ａは、当該シミュレータに用いたデータの表であり、図５Ｂは、図５Ａに記載のシミュレーション番号（Ｓ１〜Ｓ２５）に対応した高周波３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳの算出結果を示すグラフである。なお、第１の面１２１からの第１のリード端子１１０の突出量とは、第１の貫通孔１２３の延伸方向における、大径部１１５の端面と第１の面１２１との距離を意味する。図５Ｂにおいて、横軸は伝送される電気信号の周波数、縦軸は第１のリード端子１１０の第２の端部１１２側から伝送された電気信号が、第１の端部１１１に伝送され、再度、第２の端部１１２に戻ってきたときの信号レベルを表している。そのため、縦軸の値であるＳ１１［ｄＢ］は、小さい値であることが望ましい。

図５Ｂに示すように、特に大径部１１５の直径と、第１のリード端子１１０の突出量（ピン高さ）での振る舞いは３０ＧＨｚ帯と４０ＧＨｚ帯とで異なり、特に４０ＧＨｚ帯では、大径部１１５の直径は０．５５ｍｍ以上が好ましいが、逆に３０ＧＨｚ帯では、０．３５ｍｍ程度が最適である。

図６は、大径部１１５の直径と反射特性との関係について、３０ＧＨｚでの振る舞いと４０ＧＨｚでの振る舞いとを比較した図である。このシミュレーションにおいては、第１のリード端子１１０の突出量（ピン高さ）を０．１ｍｍとし、小径部１１４の直径を０．２５ｍｍとしている。

広帯域な伝送路を実現するためには、広い周波数範囲でＳ１１は−１５ｄＢ以下であることが好ましい。図６に示すように、小径部１１４の直径が０．２５ｍｍの第１のリード端子１１０を用いた場合において、大径部１１５の直径が０．４ｍｍ〜０．６ｍｍであれば、伝送される電気信号の周波数が３０ＧＨｚであっても４０ＧＨｚであっても、Ｓ１１を−１５ｄＢ以下にすることができることがわかる。よって、本実施形態における第１のリード端子１１０の大径部１１５の直径は、第２の端部１１２などの小径部１１４の直径の１．６倍から２．４倍である構成とすることが望ましい。

図７は、第１のリード端子１１０の、第１の面１２１からの突出量（ピン高さ）別で、大径部の直径ごとに３０ＧＨｚおよび４０ＧＨｚのＳ１１特性の関係をグラフ化した図である。なお、この図７においては、第１のリード端子１１０の突出量（ピン高さ）は、０．２ｍｍ以下の範囲で示している。この範囲を選択する理由は、以下のとおりである。まず、第１のリード端子１１０の突出量（ピン高さ）を０．２ｍｍより大きくしてしまうと、大径部１１５の外周面と第１の貫通孔１２３との内周面との距離が離れてしまうため、大径部１１５の外周面と第１の貫通孔１２３の内周面との間の容量成分が小さくなってしまう。また、大径部１１５の外周面と第１の貫通孔１２３との内周面との間に介在するのが、誘電体１３０ではなく空気となることによって、大径部１１５の外周面と第１の貫通孔１２３との内周面との間の比誘電率が小さくなってしまう。そのため、上述した容量成分が小さくなってしまう。更に、大径部１１５の周囲の比誘電率が小さくなることにより、インダクタンス成分が大きくなってしまう。そのため、インダクタンス成分を容量成分で緩和することが難しくなり、特性インピーダンス整合が難しくなってしまう。従って、本実施形態においては、第１のリード端子１１０の突出量（ピン高さ）は、０．２ｍｍ以下の範囲としている。

図７に示すように、第１のリード端子１１０の突出量（ピン高さ）を０〜０．２ｍｍの範囲で変化させた場合、第１のリード端子１１０の突出量（ピン高さ）が小さい方がＳ１１をより小さくできることがわかるが、０〜０．２ｍｍの範囲で第１のリード端子１１０の突出量（ピン高さ）を変化させても、各周波数（３０ＧＨｚ、４０ＧＨｚ）におけるＳ１１の変化量は非常に小さく、理想的な大径部１１５の直径はいずれの状況においても、０．５ｍｍ程度であることがわかる。従って、本実施形態に係る光モジュール１における第１のリード端子１１０の突出量（ピン高さ）は０〜０．２ｍｍが望ましいといえる。

図８は、本実施形態に係る光モジュール１の模式的な上面図である。本実施形態においては、図８に示すように、高周波線路の両側にグラウンド電位の柱となるビア１４２と、キャスタレーション１４４と、を配置している。ビア１４２は、貫通孔内に導体が充填されたものであり、素子搭載基板１４０の表裏面（光素子１６０を搭載する搭載面とその裏面）を導通させている。また、キャスタレーション１４４は、素子搭載基板１４０の表面から裏面にかけて設けられた凹部形状の切り欠き部を有し、この凹部形状の内周面に金属膜が形成されているものである。キャスタレーション１４４は、素子搭載基板１４０の表裏面（光素子１６０を搭載する搭載面とその裏面）を導通させている。素子搭載基板１４０の表面（搭載面）側に設けられたグラウンドパターン１４６はビア１４２、キャスタレーション１４４等を介して、素子搭載基板１４０の裏面のグラウンド層と導通されている。単なる表裏面の導通が目的であれば、ビア１４２の位置は特に制限されないが、高周波の観点では、ビア１４２の位置や個数は重要となる。本実施形態の場合、高周波信号が、中継基板１５０から素子搭載基板１４０に、複数の第１のワイヤ１８２で伝達され、その後、素子搭載基板１４０上の第２の導体パターン１４１を通り、第２のワイヤ１８４を介して変調素子１８６に伝達される。本実施形態における変調素子１８６としては、例えば電界吸収型変調器を用いることができる。この高周波の電気信号の伝達区間において、高周波信号の電磁界を閉じ込めるために高周波の電気信号の周りにグラウンド電位があることは特性上有利となる。本実施形態においては、中継基板１５０と素子搭載基板１４０との接続部付近で、素子搭載基板１４０の表面のグラウンドパターン１４６と裏面のグラウンド層とを、ビア１４２、及びキャスタレーション１４４で接続させている。また、素子搭載基板１４０の表面（搭載面）のグラウンドパターン１４６と、素子搭載基板１４０の裏面のグラウンド層とをつなぐ領域があることで、さらに高周波特性の劣化を低減することができる。

また、本実施形態においては、素子搭載基板１４０と中継基板１５０とを、複数の第１のワイヤ１８２で接続している。このような構成とすることにより、インダクタンス成分の増加を抑え、高周波領域におけるインピーダンス整合を可能としている。

一方、素子搭載基板１４０から、光素子１６０への電気信号の伝達については、１本の第２のワイヤ１８４で連絡している。これは、光素子１６０における寄生容量の増加を抑えるべく、光素子１６０の電極サイズを小さくする必要があるためである。そこで、この第２のワイヤ１８４におけるインダクタンス成分の発生を抑制するため、本実施形態の素子搭載基板１４０には、第２のワイヤ１８４の左右に強固なグラウンドパターン１４６を設けて、グランデッドコプレナー線路を構成している。そして、グラウンドを強固にするため、光素子１６０の発光点側にはキャスタレーション１４４、後方側にはビア１４２を設けて、強固なグラウンドとなる台座１２４と、グラウンドパターン１４６とを最短で接続されるようにしている。そして、素子搭載基板１４０のグラウンドパターン１４６が、台座１２４のグラウンド電位と第１の接続部（例えば、ビア１４２）、及び第２の接続部（例えば、キャスタレーション１４４）を介して接続されており、光素子１６０が搭載される搭載面に直交する方向から見て、第１の接続部と第２の接続部とを結ぶ線分が、第２の導体パターン１４１と光素子１６０とを接続する第２のワイヤ１８４と交差する構成としている。この構成により、光素子１６０と素子搭載基板１４０との間の接続が、例えば１本の第２のワイヤ１８４による接続であっても、インダクタンス成分の増加を低減することができ、高周波領域までのインピーダンス整合を実現することができる。

なお、本明細書中では、金属円盤を表すアイレットという文言を使用したが、アイレット１２０が円盤形状であることに本質的な意味はなく、多角柱などのその他の形状であってもかまわない。

なお、光サブアッセンブリ１００は、光素子１６０であるレーザダイオードへのバイアスや、後方出力をモニタするフォトダイオードへのバイアス、及びレーザ温度をモニタするためのサーミスタ端子を備えていてもよい。

１ 光モジュール、２ 光レセプタクル、３ 光パッケージ、２０ 光レセプタクル本体、２０ａ 凹部、２０ｂ 貫通孔、２０ｃ テーパ部、２０ｄ 光ファイバ挿入部、２０ｅ フランジ、２０ｆ 光パッケージ収容部、２２ スタブ、２４ スリーブ、３０ レンズ、３２ レンズ支持部、３２ａ 内周、５０ 光ファイバ、７０ 半田、８０ グラウンド導体、１００ 光サブアッセンブリ、１１０ 第１のリード端子、１１１ 第１の端部、１１２ 第２の端部、１１４ 小径部、１１５ 大径部、１１６ 第２のリード端子、１２０ アイレット、１２１ 第１の面、１２２ 第２の面、１２３ 第１の貫通孔、１２４ 台座、１２５ 第３の面、１２６ 第２の貫通孔、１２７ 第４の面、１３０ 誘電体、１４０ 素子搭載基板、１４１ 第２の導体パターン、１４２ ビア、１４４ キャスタレーション、１４６ グラウンドパターン、１５０ 中継基板、１５２ 第１の導体パターン、１５４ 幅広部、１６０ 光素子、１７０ スペーサ、１８２ 第１のワイヤ、１８４ 第２のワイヤ、１８６ 変調素子、２００ ＰＣＢ、３００ ＦＰＣ。

Claims (12)

1. 第１の面と、前記第１の面の反対側に配置された第２の面と、前記第１の面から前記第２の面までを貫通する第１の貫通孔と、を含むアイレットと、
   前記第１の貫通孔に挿入され、電気信号を伝送する第１のリード端子と、
   前記第１の貫通孔と前記第１のリード端子との間に充填された誘電体と、
   光信号と前記電気信号の少なくとも一方を他方に変換する光素子が搭載された素子搭載基板と、
   前記電気信号を前記光素子に伝送する第１の導体パターンを含む中継基板と、
   前記第１の面から前記第１の貫通孔の延伸方向に突出し、前記中継基板が載置される第３の面と、前記素子搭載基板が載置される第４の面と、を含む台座と、
   前記第３の面と前記中継基板との間に介在し、前記中継基板の裏面と前記台座とを導通させるスペーサと、を含む、
   光サブアッセンブリ。
2. 請求項１に記載の光サブアッセンブリであって、
   前記第３の面に直交する方向において、
   前記第３の面は、前記第４の面よりも前記アイレットの中心から離れた位置に配置され、且つ前記スペーサの表面は、前記素子搭載基板の裏面よりも前記アイレットの中心から離れた位置に配置された、
   光サブアッセンブリ。
3. 請求項２に記載の光サブアッセンブリであって、
   前記第３の面に直交する方向における、前記第３の面と、前記第４の面との段差が、前記スペーサの厚みよりも大きい、
   光サブアッセンブリ。
4. 請求項２に記載の光サブアッセンブリであって、
   前記スペーサの表面の一部が、前記第３の面に直交する方向から見て、前記中継基板と重畳せず露出しており、
   前記素子搭載基板の裏面の一部が、前記第４の面に直交する方向から見て、前記第４の面側から、前記第３の面側にはみ出し、且つ前記スペーサの表面の一部と対向するよう配置され、
   前記素子搭載基板の裏面の一部と、前記スペーサの表面の一部との間には、前記素子搭載基板の裏面の一部と、前記スペーサの表面の一部とを直接接続するグラウンド導体が介在する、
   光サブアッセンブリ。
5. 請求項４に記載の光サブアッセンブリであって、
   前記グラウンド導体は、前記第３の面に直交する方向から見て、前記スペーサの表面の一部と、前記素子搭載基板の裏面の一部と、重畳するよう配置された、
   光サブアッセンブリ。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光サブアッセンブリであって、
   前記第１の面に溶接されたレンズ支持部と、
   前記レンズ支持部の開口に固定されたレンズと、を更に含み、
   前記第１の貫通孔の延伸方向から見た、前記レンズ支持部の内周側に配置された前記第１の貫通孔の面積が、前記レンズ支持部の内周側の面積の１４％以上、４０％以下である、
   光サブアッセンブリ。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光サブアッセンブリであって、
   前記素子搭載基板は、５０±２５オームの薄膜抵抗を含む、
   光サブアッセンブリ。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光サブアッセンブリであって、
   前記電気信号の伝送レートが４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上である、
   光サブアッセンブリ。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光サブアッセンブリであって、
   前記第１の面から前記第２の面までを貫通する第２の貫通孔と、
   前記第２の貫通孔に挿入され、直流信号を伝送する第２のリード端子と、を更に含み、
   前記第１の貫通孔の直径が、前記第２の貫通孔の直径の１．５倍以上、３倍以下である、
   光サブアッセンブリ。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光サブアッセンブリであって、
    前記素子搭載基板が、前記電気信号を前記光素子に伝送する第２の導体パターンを更に含み、
    前記第１の導体パターンと前記第２の導体パターンとが、複数の第１のワイヤによって接続された、
    光サブアッセンブリ。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光モジュールであって、
    前記素子搭載基板が、
    前記光素子の搭載面側に設けられ、前記電気信号を前記光素子に伝送する第２の導体パターンと、
    前記搭載面と前記素子搭載基板の裏面とを導通させ、前記台座のグラウンド電位と接続された第１の接続部、及び第２の接続部と、
    前記搭載面側に設けられ、前記第１の接続部、及び前記第２の接続部を介して前記台座のグラウンド電位と接続されたグラウンドパターンと、を更に含み、
    前記第２の導体パターンと前記光素子とが、第２のワイヤによって接続され、前記第２の導体パターン、前記第１の接続部、前記第２の接続部、および前記グラウントパターンにて、グランデットコプレナー線路を構成している、
    光サブアッセンブリ。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光サブアッセンブリと、
    プリント基板と、
    前記プリント基板と前記光サブアッセンブリと電気的に接続されるフレキシブル基板と、を備えた、
    光モジュール。
    
    

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