(57)【要約】【課題】変調速度１０Ｇｂ／ｓより高速な高速変調を可能とするＣＡＮ型パッケージ及び光送信モジュールを提供する。【解決手段】中心導体ピン１１と、中心導体ピン１１の周囲を覆うと共に４０ＧＨｚの高周波領域での伝搬損失特性の劣化が−３ｄＢ以下である誘電体材料と、接地用金属からなり、前記誘電体材料の表面を覆う円筒形導体とを有する同軸型接続ピン１０と、基板上に信号線を有し、前記信号線が変調速度４０Ｇｂ／ｓにおいて５０Ωとなるマイクロストリップライン２０とを備え、同軸型接続ピン１０をＣＡＮ型パッケージのステムに埋め込むと共に、中心導体ピン１１とＣＡＮ型パッケージに実装する半導体素子３５とを前記信号線を介して接続したＣＡＮ型パッケージ及び当該ＣＡＮ型パッケージを用いた光送信モジュール。【選択図】図６
2011151169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号線となる導体ピンと、前記導体ピンの周囲を覆うと共に４０ＧＨｚの高周波領域での伝搬損失特性の劣化が−３ｄＢ以下である誘電体材料と、接地用金属からなり、前記誘電体材料の表面を覆う円筒形導体とを有する同軸型接続ピンと、
基板上に電気信号線となる信号線を有し、前記信号線が変調速度４０Ｇｂ／ｓにおいて５０Ωとなるマイクロストリップラインとを備え、
前記同軸型接続ピンを当該ＣＡＮ型パッケージのステムに埋め込むと共に、前記導体ピンと当該ＣＡＮ型パッケージに実装する半導体素子とを前記信号線を介して接続したことを特徴とするＣＡＮ型パッケージ。
【請求項２】
請求項１に記載のＣＡＮ型パッケージにおいて、
前記信号線の線幅を、前記導体ピンの直径と一致させたことを特徴とするＣＡＮ型パッケージ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のＣＡＮ型パッケージにおいて、
前記導体ピンと前記信号線とを、前記導体ピンの外周に装着する装着端子を用いて接続すると共に、
前記マイクロストリップラインを実装する台座の実装面から前記導体ピンの中心までの距離が、前記基板の厚さ、前記導体ピンの半径及び前記装着端子の厚さの和となるように、前記同軸型接続ピンを配置したことを特徴とするＣＡＮ型パッケージ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のＣＡＮ型パッケージに実装される半導体素子として、直接変調レーザ、分布帰還型レーザ又は電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザを用いたことを特徴とする光送信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信用光送信モジュールに用いるＣＡＮ型パッケージ、そして、当該ＣＡＮ型パッケージを用いた光送信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信用光送信モジュールは、低コスト化・小型化・低消費電力化が広く求められている。そのため、内部に半導体レーザを実装した変調速度１０Ｇｂ／ｓのＣＡＮ型パッケージが広く実用化されている。変調速度１０Ｇｂ／ｓのＣＡＮ型パッケージとしては、例えば、非特許文献１、２等が報告されている。高速変調用の電気信号線として、非特許文献１においては、ピン形状のものを用いており、非特許文献２においては、フレキシブルラインを用いている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】“光モジュール用パッケージ”、［online］、［平成21年12月2日検索］、インターネット<URL:http://www.kyocera.co.jp/prdct/semicon/semi/fo/pkg.html>
【非特許文献２】H. Yamamoto, et al., "Compact and Low Power Consumption 1.55-um Electro-Absorption modulator integrated DFB-LD TOSA for 10-Gbit/s 40-km Transmission", OThT5.pdf, 2009 OSA/OFC/NFOEC 2009
【非特許文献３】“高周波／ミリ波コネクタ”、［online］、［平成21年12月2日検索］、インターネット<URL:http://www.anritsu.co.jp/products/pdf/B08J_K_V_W1.pdf>
【非特許文献４】“K Connector Glass Bead Model K100”、［online］、［平成21年12月2日検索］、インターネット<URL:http://www.anritsu.com.hk/SC/downloads/files/Ｋ１００glabeadm.pdf>
【非特許文献５】“K Connector Sliding Contacts for Microstrip”、［online］、［平成21年12月2日検索］、インターネット<URL:http://www.us.anritsu.com/downloads/files/10200-00032.pdf>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年の通信容量の増大に伴い、変調速度１０Ｇｂ／ｓより更に高速なＣＡＮ型パッケージが必須になってきている。しかしながら、非特許文献１、２に示された高速変調用の電気信号線は、１０Ｇｂ／ｓより高速な２５Ｇｂ／ｓ、４０Ｇｂ／ｓ等の変調速度においては、インピーダンスの整合が難しくなり、十分な電気信号の帯域を得ることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、変調速度１０Ｇｂ／ｓより高速な高速変調を可能とするＣＡＮ型パッケージ及び光送信モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する第１の発明に係るＣＡＮ型パッケージは、
電気信号線となる導体ピンと、前記導体ピンの周囲を覆うと共に４０ＧＨｚの高周波領域での伝搬損失特性の劣化が−３ｄＢ以下である誘電体材料と、接地用金属からなり、前記誘電体材料の表面を覆う円筒形導体とを有する同軸型接続ピンと、
基板上に電気信号線となる信号線を有し、前記信号線が変調速度４０Ｇｂ／ｓにおいて５０Ωとなるマイクロストリップラインとを備え、
前記同軸型接続ピンを当該ＣＡＮ型パッケージのステムに埋め込むと共に、前記導体ピンと当該ＣＡＮ型パッケージに実装する半導体素子とを前記信号線を介して接続したことを特徴とする。
【０００７】
上記課題を解決する第２の発明に係るＣＡＮ型パッケージは、
上記第１の発明に記載のＣＡＮ型パッケージにおいて、
前記信号線の線幅を、前記導体ピンの直径と一致させたことを特徴とする。
【０００８】
上記課題を解決する第３の発明に係るＣＡＮ型パッケージは、
上記第１又は第２の発明に記載のＣＡＮ型パッケージにおいて、
前記導体ピンと前記信号線とを、前記導体ピンの外周に装着する装着端子を用いて接続すると共に、
前記マイクロストリップラインを実装する台座の実装面から前記導体ピンの中心までの距離が、前記基板の厚さ、前記導体ピンの半径及び前記装着端子の厚さの和となるように、前記同軸型接続ピンを配置したことを特徴とする。
【０００９】
上記課題を解決する第４の発明に係る光送信モジュールは、
上記第１〜第３の発明のいずれか１つに記載のＣＡＮ型パッケージに実装される半導体素子として、直接変調レーザ、分布帰還型レーザ又は電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザを用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
第１〜第３の発明によれば、ピン形状の信号線を用いて、２５Ｇｂ／ｓ及び４０Ｇｂ／ｓの高速変調を可能とするＣＡＮ型パッケージを提供することができる。
【００１１】
第４の発明によれば、第１〜第３の発明に記載のＣＡＮ型パッケージを用いることにより、光送信モジュールにおいて、２５Ｇｂ／ｓ及び４０Ｇｂ／ｓの高速変調を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は、同軸型接続ピンを説明する斜視図であり、（ｂ）は、その特性図である。
【図２】マイクロストリップラインを説明する斜視図である。
【図３】本発明に係るＣＡＮ型パッケージのステムを説明する図であり、（ａ）はステムの側面図、（ｂ）はステムの上面図、（ｃ）はステムの下面図、（ｄ）は、（ｂ）のＸ−Ｘ線矢視断面図である。
【図４】本発明に係るＣＡＮ型パッケージのステムにおいて、各部材の設計上の配置を説明する全体図である。
【図５】本発明に係るＣＡＮ型パッケージのステムにおいて、各部材の設計上の配置、特に、距離ｄ２を説明する図である。
【図６】本発明に係るＣＡＮ型パッケージのステムにおいて、各部材の設計上の配置、特に、距離ｄ１を説明する図である。
【図７】本発明に係る光送信モジュールの構成の概略を説明するブロック図である。
【図８】本発明に係る光送信モジュールの応答特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係るＣＡＮ型パッケージ及び光送信モジュールの実施形態について、図１〜図８を用いて説明する。
【００１４】
（実施例１）
本発明に係るＣＡＮ型パッケージの一例を説明する。
本実施例では、ＣＡＮ型パッケージにおいて、高速変調用の電気信号線として、同軸型接続ピンとマイクロストリップライン（以降、ＭＳＬと呼ぶ。）を用いている。
【００１５】
まず、図１を参照して、同軸型接続ピンを説明する。
図１（ａ）に示すように、同軸型接続ピン１０は、電気信号線となる中心導体ピン１１と接地（ＧＮＤ）用金属からなる円筒形導体１２との間に、高周波損失の少ない誘電体材料１３が充填されたものである。換言すると、中心導体ピン１１の周囲を誘電体材料１３で覆い、更に、誘電体材料１３の表面を円筒形導体１２で覆ったものである。上記同軸型接続ピン１０を、後述の図３に示すように、ＣＡＮ型パッケージのベース部材（ステム）に埋め込んでいる。
【００１６】
同軸型接続ピンの一例としては、Advanced Technology Group CorporationのＫ１００（製品名；非特許文献３、４参照）がある。Ｋ１００においては、中心導体ピンとしては、例えば、金メッキされた金属導体が用いられ、円筒形導体としては、例えば、Westinghouse Electric & Manufacturing CompanyのKovar（登録商標）が用いられ、高周波損失の少ない誘電体材料としては、例えば、Corning Incorporatedの7070ガラス（ホウ珪酸ガラス）が用いられている。
【００１７】
上記Ｋ１００の高周波帯域は、非特許文献３に記載されているように、４６ＧＨｚまで保証されており、高周波帯域において優れている。具体的には、図１（ｂ）に示すように、Ｋ１００においては、５０ＧＨｚで３ｄＢ程度の劣化で済み、高周波領域での伝搬損失特性の劣化が小さい。一方、他の部品の場合には、約１２ＧＨｚで３ｄＢ程度劣化してしまい、周波数が高くなるに従い、その劣化も大きくなってしまう。これは、Ｋ１００において、誘電体材料として、高周波特性に優れた7070ガラス等の材料を用いているため、４６ＧＨｚまでの帯域を保証することが可能となっている。
【００１８】
このように、誘電体材料としては、単に材料自体の誘電率の絶対値の低減を考えるのではなく、誘電率の周波数依存性を考慮する。具体的には、図１（ｂ）に示すように、誘電体材料を用いた同軸型接続ピンの伝搬損失特性として、４０ＧＨｚの高周波領域での伝搬損失特性の劣化が−３ｄＢ以下であるものがよい。
【００１９】
次に、図２を参照して、ＭＳＬを説明する。
図２に示すように、ＭＳＬ２０は、基板２１の片面に電気信号線となる信号線２２が形成され、反対側の片面にグランド線２３が形成されたものである。ＭＳＬ２０では、上述した同軸型接続ピン１０の中心導体ピン１１と、ＣＡＮ型パッケージの内部に実装する半導体素子（例えば、直接変調レーザ、分布帰還型レーザ、電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザ等）との接続を、信号線２２を介して行っており、中心導体ピン１１から半導体素子までは、４０Ｇｂ／ｓにおいても５０Ωになるように設計されている。ＭＳＬ２０において、基板２１としては、ＬＣＰ（液晶ポリマー）やセラミック等が用いられる。
【００２０】
なお、同軸型接続ピン１０（中心導体ピン１１）からＭＳＬ２０（信号線２２）への接続は、後述の図６に示すように、中心導体ピン１１の外周に装着する円筒状の装着端子を用いるようにしてもよい。装着端子としては、一例として、スライディングコンタクト（非特許文献５参照）と呼ばれるものがある。
【００２１】
ここで、同軸型接続ピン１０を埋め込んだＣＡＮ型パッケージのステムについて、図３を参照して説明する。なお、図３（ａ）はステムの側面図、図３（ｂ）はステムの上面図、図３（ｃ）はステムの下面図、図３（ｄ）は、図３（ｂ）のＸ−Ｘ線矢視断面図である。
【００２２】
ＣＡＮ型パッケージは、同軸型接続ピン１０や電源供給用の複数のＤＣピン３３を貫通するように埋め込んだステム３１と、ステム３１に実装される半導体素子等を覆うように、ステム３１の周囲を封止するレンズ付きのキャップ（図示省略）とを有している。ステム３１上には、平坦な側面（実装面）を有する台座３２が設けられており、後述するように、この台座３２の実装面にＭＳＬ２０や半導体素子等が実装される。
【００２３】
そして、同軸型接続ピン１０からＭＳＬ２０に高周波信号を直接接続するため、ＣＡＮ型パッケージにおいて、設計上、以下のような工夫がなされている。
【００２４】
まず、同軸型接続ピン１０の中心導体ピン１１のピン幅に合わせて、ＭＳＬ２０の信号線２２の線幅Ｗを決定する。
【００２５】
ＭＳＬ２０においては、上記線幅Ｗ、そして、基板２１を構成する材料の比誘電率εｒ、基板２１の厚さｄが設計パラメータとなり（図２参照）、５０Ωに整合するように設計するためには、線幅Ｗ、比誘電率εｒが決定すれば、厚さｄが決定する。
【００２６】
そして、厚さｄが決定すれば、ステム３１の台座３２と同軸型接続ピン１０の中心導体ピン１１の中心との距離ｄ１を決定することができる。これを、図４、図６を参照して説明する。
【００２７】
ステム３１の中心をＯとし、中心Ｏから台座３２の実装面ＡＢに垂直に下ろした線分と台座３２の実装面ＡＢとの交点をＣとする（線分ＯＣ⊥線分ＡＢ）。又、中心導体ピン１１の中心から台座３２の実装面ＡＢに垂直に下ろした線分と台座３２の実装面ＡＢとの交点をＧとする。距離ｄ１は、中心導体ピン１１の中心から実装面ＡＢまでの距離である。
【００２８】
ＭＳＬ２０の厚さｄと中心導体ピン１１の太さの半分（ピン半径ｒ）と装着端子３６の厚さ（肉厚）Δの和が、距離ｄ１と一致するように、同軸型接続ピン１０の位置を設定する。
ｄ１＝ｄ＋ｒ＋Δ  ・・・  式（１）
【００２９】
一方、ヒートシンク３４の厚さをｅ、半導体素子３５の厚さをｆとすると、中心Ｏから台座３２までの垂線の長さ（距離）ｄ２は、以下のようになる（図４、図５参照）。
ｄ２＝ｅ＋ｆ＋ｏｆｆｓｅｔ  ・・・  式（２）
ここで、ｏｆｆｓｅｔは、斜めファイバを用いる場合のズレを見越した値である。即ち、このｏｆｆｓｅｔは、斜めファイバの先端にアイソレータがついている場合の屈折量を考慮した値であり、斜めファイバを用いない場合は、ｏｆｆｓｅｔ＝０とする。
【００３０】
以上を手順としてまとめると、以下のようになる。
（手順１）ヒートシンク３４の厚さｅ、半導体素子３５の厚さｆ、使用するファイバ形状から、式（２）を用いて、ステム３１の中心Ｏから台座３２までの距離ｄ２を決定する。
（手順２）同軸型接続ピン１０の中心導体ピン１１のピン幅を考慮して、ＭＳＬ２０の信号線２２の線幅Ｗを決定する。
（手順３）ＭＳＬ２０の基板２１の材料を決定して（比誘電率εｒを決定して）、比誘電率εｒと線幅Ｗから、ＭＳＬ２０の基板２１の厚さｄを決定する。
（手順４）厚さｄ、ピン半径ｒ、厚さΔの値から、式（１）を用いて、距離ｄ１を決定して、台座３２に対する同軸型接続ピン１０の位置を決定する。
【００３１】
図４〜図６を参照して、設計の一例を以下に説明する。
ステム３１の直径をＬとすると、Ｌとしては５．６ｍｍを用いる。又、同軸型接続ピン１０の中心導体ピン１１のピン幅として０．３ｍｍを用いる。ＭＳＬ２０の基板２１の厚さｄを考慮すると、距離ｄ１は０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であり、距離ｄ２は０．３ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である。又、交点Ｃと交点Ｇとの距離Ｌ１は、ＭＳＬ２０の信号線２２の線幅Ｗを考慮すると、０．５ｍｍ以上０．９ｍｍ以下である。なお、ＤＣピン３３の位置は任意でよく、図４では、１つのみを図示し、他は省略している。
【００３２】
更に、ＭＳＬ２０の信号線２２の線幅Ｗを、同軸型接続ピン１０の中心導体ピン１１のピン幅０．３ｍｍと同じになるように設計する場合について考える。ＭＳＬ２０の基板２１の材料として、ＬＣＰ（εｒ：約４．０）を用いた場合、ＭＳＬ２０の基板２１の厚さｄは０．２１ｍｍとなる。又、ＭＳＬ２０の基板２１の材料として、セラミック（εｒ：９．８）を用いた場合には、ＭＳＬ２０の基板２１の厚さｄは０．３５ｍｍとなる。このように、ＭＳＬ２０の基板２１の材料に応じて、ＭＳＬ２０の基板２１の厚さｄを決定する。
【００３３】
そして、ＭＳＬ２０の基板２１の厚さｄ、中心導体ピン１１のピン半径ｒ、装着端子３６の厚さΔを用い、上記式（１）により、距離ｄ１を設計する。なお、装着端子３６を用いる場合はΔ＝０．２ｍｍ程度、用いない場合は０ｍｍとしてよい。このようにして、距離ｄ１を決定し、同軸型接続ピン１０の中心位置を決定する。
【００３４】
ＣＡＮ型パッケージにおいて、設計上、以上のような工夫を行うことにより、同軸型接続ピン１０からＭＳＬ２０に高周波信号を直接接続することができ、１０Ｇｂ／ｓより高速な２５Ｇｂ／ｓ、４０Ｇｂ／ｓ等の変調速度において、インピーダンスの整合を行って、十分な電気信号の帯域を得ることができる。
【００３５】
（実施例２）
本発明に係る光送信モジュールの一例を説明する。
本実施例の光送信モジュールは、上記実施例１に示したＣＡＮ型パッケージを用いたものである。具体的には、一例として、上述した条件に基づいて、ステム３１の直径Ｌを５．６ｍｍ、中心導体ピン１１のピン幅を０．３ｍｍとし、ＭＳＬ２０の基板２１の材料にＬＣＰを用いて、その厚さｄを０．２１ｍｍとし、距離ｄ１を０．５ｍｍ、距離ｄ２を０．５ｍｍとしたものである。
【００３６】
又、本実施例の光送信モジュールは、そのＣＡＮ型パッケージのステム３１の台座３２に、ＭＳＬ２０、半導体素子３５等を実装している。図７に、本実施例の光送信モジュールのブロック図を示し、その構成を説明する。
【００３７】
実施例１で説明したように、ＣＡＮ型パッケージのステム３１を貫通するように同軸型接続ピン１０が埋め込まれており、台座３２に実装するＭＳＬ２０とは、装着端子３６を介して、接続されている。台座３２の実装面には、ＭＳＬ２０、半導体素子３５、チップ抵抗３８が実装されており、各々、ワイヤ３９（図６参照）を用いて接続している。更に、台座３２の実装面にコンデンサ４０を実装してもよく、このコンデンサ４０もワイヤを用いて接続する。
【００３８】
従って、本実施例の光送信モジュールにおいて、外部電気回路からの高周波電気信号は、図７に示すように、「同軸型接続ピン１０」→「装着端子３６」→「ＭＳＬ２０」→「半導体素子３５」と通過する。半導体素子３５は、チップ抵抗３８（５０Ω任意）で終端し、ＧＮＤに接続する。又、コンデンサ４０を実装した場合には、コンデンサ４０をチップ抵抗３８の後ろに配置し、このコンデンサ４０をＧＮＤに接続する。従って、高周波電気信号で変調をかけられた半導体素子３５から、２５Ｇｂ／ｓ又は更に高速な４０Ｇｂ／ｓの変調光が出力される。
【００３９】
なお、本実施例では、同軸型接続ピン１０の中心導体ピン１１のピン直径（０．３ｍｍ）と、ＭＳＬ２０の信号線２２の線幅Ｗとが一致するように設定したが、線幅Ｗは０．２〜０．５ｍｍの間であれば、設定可能である。
【００４０】
次に、本実施例の光送信モジュールの組立方法を説明する。
【００４１】
（手順１）半導体素子３５をヒートシンク３４（主に、ＡｌＮが用いられる。）にダイボンディングを用いて半田付けする。
（手順２）ヒートシンク３４をＣＡＮ型パッケージの台座３２にダイボンディングを用いて半田付けする。
（手順３）ＭＳＬ２０、チップ抵抗３８、コンデンサ４０（任意）を、銀ペーストもしくは半田を用いて台座３２に搭載する。
（手順４）ガラスビード１０とＭＳＬ２０の間に装着端子３６を接続する。この接続点には銀ペーストを付ける。
（手順５）ＭＳＬ２０、半導体素子３５、チップ抵抗２８、コンデンサ４０（任意）の間は、ワイヤ３９を用いて配線する。
【００４２】
上述した手順により組み立てた本実施例の光送信モジュールの小信号応答特性を図８に示す。具体的には、半導体素子３５を半導体レーザとし、半導体レーザとして、電界吸収型変調器集積ＤＦＢレーザ（ＥＡＤＦＢレーザ）を用いて、本実施例の光送信モジュールを作製している。図８のグラフ中、ＩLDは注入電流であり、Ｖbは変調器のバイアス電圧である。
【００４３】
作製した光送信モジュールについて、［EO response］を測定すると、３ｄＢ帯域で４０ＧＨｚの値が得られた。なお、ここでは、半導体レーザとしてＥＡＤＦＢレーザを用いたが、ＤＦＢレーザを用いても、同様の結果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、変調速度が１０Ｇｂ／ｓより高速なＣＡＮ型パッケージ及び光送信モジュールに好適なものである。
【符号の説明】
【００４５】
１０  同軸型接続ピン
１１  中心導体ピン
１２  シールド用円筒形導体
１３  誘電体材料
２０  ＭＳＬ
２１  基板
２２  信号線
２３  グランド線
３１  ステム
３２  台座
３３  ＤＣピン
３４  ヒートシンク
３５  半導体素子
３６  装着端子
３８  チップ抵抗
３９  ワイヤ
【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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