(57)【要約】      （修正有）【課題】裏面入射型ＰＤを用いた場合でも、変換された電気信号が通る配線距離が短く、帯域劣化が起こらない光電気変換モジュールを提供する。【解決手段】受光信号光を電気信号に変換して出力する端子を配置した出力面とが互いに反対に位置する受光素子と、該受光素子から出力された該電気信号が入力される信号電極が形成された伝送基板と、該受光素子と該伝送基板との間に配置され、該受光素子から出力された該電気信号を該信号電極に入力させるための中継電極を備え、且つ該受光素子を支持する支持基板とを有する光電気変換モジュールにおいて、該支持基板は、段差部を備え、該中継電極は、該段差部の直立した壁面を貫通するビアと、該段差部の平面部に配置された平面電極から構成され、該受光素子は、該端子が該ビアに電気的に接続するように該支持基板に支持され、該受光素子が出力する電気信号は、該ビア及び該平面電極を介して該信号電極に入力される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光を受光する受光面と、受光した信号光を電気信号に変換して出力する端子を配置した出力面とが互いに反対に位置する受光素子と、該受光素子から出力された該電気信号が入力される信号電極が形成された伝送基板と、該受光素子と該伝送基板との間に配置され、該受光素子から出力された該電気信号を該信号電極に入力させるための中継電極を備え、且つ該受光素子を支持する支持基板とを有する光電気変換モジュールにおいて、
該支持基板は、段差部を備え、
該中継電極は、該段差部の直立した壁面を貫通するビアと、該段差部の平面部に配置された平面電極から構成され、
該受光素子は、該端子が該ビアに電気的に接続するように該支持基板に支持され、
該受光素子が出力する電気信号は、該ビア及び該平面電極を介して該信号電極に入力されることを特徴とする光電気変換モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光電気変換モジュールにおいて、該支持基板は、第１と第２の２つの基板で構成され、該第１基板を貫通するように該ビアを形成し、該第２基板の頂面に該平面電極を形成し、該ビアと該平面電極とを電気的に接続するように、該第１基板と該第２基板とを重ね合せて接合していることを特徴とする光電気変換モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光電気変換モジュールにおいて、該ビアの内壁と該平面電極とは、リードピンにより接続されていることを特徴とする光電気変換モジュール。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の光電気変換モジュールにおいて、該端子から、該ビアと該平面電極を介し、該信号電極の端部に至る該電気信号が通る電気経路が、略直線状になっていることを特徴とする光電気変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力された光を電気信号に変換する光電気変換モジュールに関し、特に光を受光して電気信号に変換する受光素子を有する光電気変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光を電気信号に変換する光電気変換器として、フォトダイオードデバイス（ＰＤ）が用いられている。光源からＰＤに入射された光は、ＰＤによって電気信号に変換され、基板上に配置された伝送線路を伝播して、増幅器で増幅等の処理をされて出力される。一方、近年においては２０ＧＨｚ以上の高周波帯域における動作も求められている。
【０００３】
ＰＤを用いて高周波帯域で動作させるには、ＰＤの電気信号を出射する電極部と伝送線路あるいは増幅器までの配線距離を最短にして帯域劣化を抑える必要がある。このＰＤと基板との接続については、ＰＤの構成により複数の方法が用いられてきた。
【０００４】
図１乃至４に、従来用いられてきた代表的なＰＤと基板間の接続について示す。図１は、表面入射型のＰＤを用いた場合の配置である。表面入射型ＰＤとは、光の受光面と電気信号を出力する電極面とが同一面上にあるものをいう。
【０００５】
図１の場合には、ＰＤから出力された電気信号はワイヤボンディングを通じて増幅器に入力され、増幅されてさらにワイヤボンディングを通じて基板に形成された伝送線路に出力される。
【０００６】
表面入射型ＰＤを用いた場合には、図１（ａ）のようにワイヤボンディングを用いたシンプルな回路設計とすることができ、その結果配線距離を短くすることができる。
【０００７】
しかしながら、図２の表面入射型ＰＤを有する光学系などのように、信号光とＰＤの光入射方向とが直交した光路を有する構成においては、信号光をＰＤに入力するために信号光を９０度曲げる必要がある。このためプリズムミラーやレンズ等の光学部品を精度良く配置する必要があり、部品及び工数の増加によるコスト増が問題となる。
【０００８】
光電気変換モジュールを筐体に組み込む場合には、筐体は上面と底面と複数の側面からなり、光信号の入力と電気信号の出力は筐体側面に配置するのが一般的である。このため、筐体外の配線との接続容易性及び筐体高さの増加抑制の観点から、図２に示すような、光の入射方向と平行に伝送基板等が配置されることとなる。
【０００９】
一方、図３は裏面入射型のＰＤを用いた場合の配置である。裏面入射型ＰＤとは、表面入射型のものとは逆に、光の受光面と電気信号を出力する端子を備えた出力電極面とが互いに反対の面上に形成されるものである。
【００１０】
図３のような裏面入射型ＰＤは、受光面と電極面とが異なる面であるため、受光面上に比較的大きなレンズを搭載することが可能になる。故に表面入射型ＰＤと比較して有効受光径を拡大できる。しかしながら、表面入射型ＰＤと増幅器と接続するためには、チップキャリアと呼ばれるサブマウント基板（支持基板）を配置する必要があり、その結果、配線距離が長くなる。
【００１１】
また表面入射型ＰＤの場合と同様、信号光とＰＤの光入射方向とが直交した光路を有する構成においては、信号光をＰＤに入力するために信号光を９０度曲げる必要がある。このためプリズムミラーやレンズ等の光学部品を精度良く配置する必要があり、部品及び工数の増加によるコスト増が問題となる。
【００１２】
また、裏面入射型ＰＤを用いる場合に、信号光とＰＤの光入射方向、および電気信号の出力方向を一致させるために図４のような構成を採用した場合、支持基板内の電極配線を９０度曲げる必要があり、当該電極が曲がった箇所は帯域劣化を引き起こす原因となっていた。
【００１３】
しかもこのように、電極を曲げ電極とする場合には厚膜電極を用いる必要がある。しかし厚膜電極を作製する際、図５に示すように、電極間のスペース幅及び電極自体の幅（ライン幅）を１００μｍ以上にするという製作上の制約があり、５０Ωの特性インピーダンス及び２０ＧＨｚ以上の広帯域特性を確保することが困難であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明が解決しようとする課題は、上記の問題を解決し、裏面入射型ＰＤを用いた場合でも、変換された電気信号が通る配線距離が短く、帯域劣化が起こらない光電気変換モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の光電気変換モジュールは以下の技術的特徴を備えている。
（１）  信号光を受光する受光面と、受光した信号光を電気信号に変換して出力する端子を配置した出力面とが互いに反対に位置する受光素子と、該受光素子から出力された該電気信号が入力される信号電極が形成された伝送基板と、該受光素子と該伝送基板との間に配置され、該受光素子から出力された該電気信号を該信号電極に入力させるための中継電極を備え、且つ該受光素子を支持する支持基板とを有する光電気変換モジュールにおいて、該支持基板は、段差部を備え、該中継電極は、該段差部の直立した壁面を貫通するビアと、該段差部の平面部に配置された平面電極から構成され、該受光素子は、該端子が該ビアに電気的に接続するように該支持基板に支持され、該受光素子が出力する電気信号は、該ビア及び該平面電極を介して該信号電極に入力されることを特徴とする。
【００１６】
（２）  上記（１）に記載の光電気変換モジュールにおいて、該支持基板は、第１と第２の２つの基板で構成され、該第１基板を貫通するように該ビアを形成し、該第２基板の頂面に該平面電極を形成し、該ビアと該平面電極とを電気的に接続するように、該第１基板と該第２基板とを重ね合せて接合していることを特徴とする。
【００１７】
（３）  上記（１）又は（２）に記載の光電気変換モジュールにおいて、該ビアの内壁と該平面電極とは、リードピンにより接続されていることを特徴とする。
【００１８】
（４）  上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光電気変換モジュールにおいて、該端子から、該ビアと該平面電極を介し、該信号電極の端部に至る該電気信号が通る電気経路が、略直線状になっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、信号光を受光する受光面と、受光した信号光を電気信号に変換して出力する端子を配置した出力面とが互いに反対に位置する受光素子と、該受光素子から出力された該電気信号が入力される信号電極が形成された伝送基板と、該受光素子と該伝送基板との間に配置され、該受光素子から出力された該電気信号を該信号電極に入力させるための中継電極を備え、且つ該受光素子を支持する支持基板とを有する光電気変換モジュールにおいて、該支持基板は、段差部を備え、該中継電極は、該段差部の直立した壁面を貫通するビアと、該段差部の平面部に配置された平面電極から構成され、該受光素子は、該端子が該ビアに電気的に接続するように該支持基板に支持され、該受光素子が出力する電気信号は、該ビア及び該平面電極を介して該信号電極に入力されるため、電気信号が通る配線距離を短く構成でき、またビアと平面電極で中継するため電極の曲がり部による帯域劣化を生じることがない。
【００２０】
また、支持基板は、第１と第２の２つの基板で構成され、該第１基板を貫通するように該ビアを形成し、該第２基板の頂面に該平面電極を形成し、該ビアと該平面電極とを電気的に接続するように、該第１基板と該第２基板とを重ね合せて接合しているため、電気信号が通る配線距離を短く構成でき、またビアと平面電極で中継するため電極の曲がり部による帯域劣化を生じることがない。しかも、ビアが形成されている第１基板と平面電極が形成されている第２基板とが別個に形成されているため、モジュール設計の自由度が増す。
【００２１】
また、ビアの内壁と平面電極とは、リードピンにより接続されているため、簡易な構成によりビア部分と平面電極との間の導通を確実に確保することができ、また配線距離が長くなることも防止できる。
【００２２】
さらに、受光素子の端子から、ビアと平面電極を介し、信号電極の端部に至る電気信号が通る電気経路が、略直線状になっているため、配線距離を最短にすることが可能になり、かつ電極等の曲がり部がないため帯域劣化を生じることもない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の光電気変換モジュールを説明する図であり、表面入射型ＰＤを用いた例を示す。
【図２】図１の光電気変換モジュールで、光の入射方向と平行に伝送基板等を配置した例を説明する図である。
【図３】従来の光電気変換モジュールを説明する図であり、裏面入射型ＰＤを用い、光の入射方向と垂直な方向に伝送基板等を配置した例を示す。
【図４】従来の光電気変換モジュールを説明する図であり、裏面入射型ＰＤを用い、光の入射方向と同じ方向に伝送基板等を配置した例を示す。
【図５】図４で用いられる折り曲げ電極を説明する図である。
【図６】本発明の一実施例に係る光電気変換モジュールを説明する側面から見た断面図である。
【図７】図６の上方から見た平面図である。ただし、ビアの部分は、透視して描かれている。
【図８】本発明の他の実施例に係る光電気変換モジュールを説明する側面から見た断面図である。
【図９】図８の上方から見た平面図である。ただし、ビア及びリードピンの部分は、透視して描かれている。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明について好適例を用いて具体的に説明する。
図６及び７は、本発明の一実施例に係る光電気変換モジュールを説明する図であり、図６は側面から見た断面図、図７は平面図であり、ビアの部分は、透視して描かれている。本発明の光電気変換モジュールは、図６及び７に示すように、信号光を受光する受光面と、受光した信号光を電気信号に変換して出力する端子を配置した出力面とが互いに反対に位置する受光素子と、該受光素子から出力された該電気信号が入力される信号電極が形成された伝送基板と、該受光素子と該伝送基板との間に配置され、該受光素子から出力された該電気信号を該信号電極に入力させるための中継電極を備え、且つ該受光素子を支持する支持基板とを有する光電気変換モジュールにおいて、該支持基板は、段差部を備え、該中継電極は、該段差部の直立した壁面を貫通するビアと、該段差部の平面部に配置された平面電極から構成され、該受光素子は、該端子が該ビアに電気的に接続するように該支持基板に支持され、該受光素子が出力する電気信号は、該ビア及び該平面電極を介して該信号電極に入力されることを特徴とする。
【００２５】
本発明における「段差部の直立した壁面」や「段差部の平面部」などの段差部の形状については、壁面を傾斜面で形成したり、または当該平面部を曲面に置き換えるなど、本発明の効果を奏する範囲において、その形状を若干変更することが可能であることは言うまでもない。
【００２６】
また、「平面電極」という用語についても、電極の形状は完全な平面でなくともよく、例えば、平面電極の高さ方向が電気信号の伝播方向に対して変化する形状であっても、本発明の効果を奏する範囲において、その形状を若干変更することが可能であることは言うまでもない。
【００２７】
以下の実施例では、受光素子として、受光面と出力電極面とが互いに反対に位置するフォトダイオード（裏面入射型ＰＤ）を用いた場合を説明する。
【００２８】
まず図６に示した光電気変換モジュールの動作原理を簡単に説明する。ＰＮ接合を有するフォトダイオードが受光すると、光子によってフォトダイオード内に電子が励起され、電流が発生する（光起電力効果）。この電流は、フォトダイオードの受光部と反対面である電極面から出力され、バンプ及びビアを介して平面電極に入力され、さらにワイヤボンディングを通じて信号電極に入力される。
【００２９】
図７に示すように、伝送基板上には、信号電極とそれ挟むように接地電極が設けられ、コプレーナ線路（ＣＰＷ）が形成されている。伝送基板上には、必要に応じて増幅器を配置することも可能である。
【００３０】
平面状に形成された平面電極や、伝送基板に形成された信号電極と接地電極は、金、銀や銅等の導電性金属等からなり、真空蒸着法やメッキ処理等により形成される。本発明の特徴の１つは、受光素子を支持する支持基板に基板を貫通するビアと平面状に形成されたこの平面電極を用いて中継電極を形成することである。また平面電極及び信号電極を接続するワイヤボンディングは、それぞれの電極と同様の材料で形成されるが、同一である必要はない。ワイヤボンディングの長さをできるだけ短くし、帯域劣化の発生を抑えるために、平面電極と信号電極とは近接して配置することが好ましい。
【００３１】
サブマウント基板（支持基板）は、ガラス、石英、セラミック、樹脂等の絶縁性を有し且つ強度の高い材料で形成され、フォトダイオードを支持している。支持の方法としては、例えば図６に示すように、フォトダイオードと支持基板とを、半田、導電性接着剤、もしくは、金による熱圧着等により接合する。このとき、フォトダイオードとビア部分の間の導通を確保するために、フォトダイオードの電極面及び支持基板のビア部分を覆うように接合することが好ましい。
【００３２】
半田や導電性接着剤などの接合剤はビア部分のみでなく、フォトダイオードとサブマウント基板間のそれ以外の箇所に塗布してもよい。これにより支持強度を増すことができモジュールの信頼性が向上する。
【００３３】
ビアは支持基板に設けられた貫通孔の内壁に導電性を有する導電層が形成されたものである。上述の平面電極とこのビアとの組み合わせにより、配線距離が短く、帯域劣化を抑制した光電気変換モジュールを実現したものである。
【００３４】
なお、支持基板には上述したような構成のビアではなく、貫通孔のみを形成した構成としてもよい。この場合、貫通孔部分における導通を確保するために、貫通孔内部を導電性の接着剤や半田などで充填し、平面電極と接続する。このように構成することで、貫通孔部分の導通を確保し、且つ配線距離が長くなることを防止できる。ここでの充填とは貫通孔内部の全てに接着剤や半田がない状態も含み、貫通孔の導通が確保された状態を意味する。本発明で用いる「ビア」という表現は、このような充填構造を備えたものも含む概念である。
【００３５】
そしてさらに好ましくは、図６において、フォトダイオードから出力した電気信号が通る電気経路における各部材は、略直線状に配置されるように構成することが好ましい。このように構成することで、配線距離を最短にすることができ、帯域劣化を最も有効に抑制することができる。
【００３６】
図８及び９は、本発明の他の実施例に係る光電気変換モジュールを説明する図である。図３に示す光電気変換モジュールが、図２に示す光電気変換モジュールと異なる点は、フォトダイオードの出力面と、伝送基板との間には、支持基板として、平面電極が形成された第２基板と、フォトダイオードを支持し、かつ基板を貫通するビアが形成されている第１基板が配置されている。なお、図９ではビア及びリードピンの部分は、透視して描かれている。
【００３７】
このような構成を採用することによって、光電気変換モジュールを設計する際の自由度が増し、多様な態様のモジュールを実現することが可能になる。また第１基板と第２基板を１つの基板として形成した場合と比べ、それぞれの基板の形状が単純な形状となるためビアや電極を容易に形成することが可能となる。
【００３８】
図８及び９に示すように第１基板と第２基板とは、ビアと平面電極とが電気的に接続するように接合されている。このように配置することで、フォトダイオードを出射した電気信号が通る配線の長さを短く設定することができるようになる。
【００３９】
また、ビア部分と平面電極との接続は、図６及び７に示したモジュールと同様、導電性を有する接着剤を用いることができる。特に、導電性を有し、基板間を強固に接合固定できるようなリードピンを使用することもできる。このようなリードピンを用いることで、平面電極とビア間の導通を確保し、且つ第１及び第２基板間の接合固定の強度を高めることができる。当然、図６及び７に示すモジュールの場合においてもリードピンを用いることができ、この場合には平面電極とビア部分の間の導通を容易な構成で確保することができる。なお図８及び９に示すように本実施例においては、リードピンは平面電極と、第１基板に形成されたビアの内壁部分とを接続している。
【００４０】
以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によれば、裏面入射型ＰＤを用いた場合でも、変換された電気信号が通る配線距離が短く、帯域劣化を抑えた光電気変換モジュールを提供することができるようになる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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