(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を出力および／または受信するための電子ユニット（１２０）と、前記電気信号から光信号への変換および／またはその逆の変換を行うための光ユニット（１００）とを結合するための相互接続構造であって、
前記相互接続構造が、電気絶縁基板と、前記電子ユニット（１２０）と前記光ユニット（１００）との間に結合されることになる複数対の伝送リード（１０４、１０６）とを備え、
前記複数対の伝送リード（１０４、１０６）の各対の伝送リード（１０４、１０６）は、信号線として動作可能な第１のリード（１０４）と接地線として動作可能な第２のリード（１０６）とを含み、
各々の前記第２のリード（１０６）が、前記第１のリード（１０４）の幅よりも少なくとも５倍広い幅を有する、相互接続構造。
【請求項２】
前記相互接続構造が、前記少なくとも１つの第２のリード（１０６）の下方にある接地面層（１０８）を備え、
前記第２のリード（１０６）が、少なくとも１つの接続点（１１８）によって前記接地面層（１０８）に接続される、請求項１に記載の相互接続構造。
【請求項３】
少なくとも１つの接続点（１１８）がビアを備える、請求項２に記載の相互接続構造。
【請求項４】
各々の前記第１のリード（１０４）のインピーダンスが、その幅および接地面層（１０８）までの距離によって規定される、請求項１から３のいずれか一項に記載の相互接続構造。
【請求項５】
前記相互接続構造は、コネクタコンタクト領域をさらに備え、
前記コネクタコンタクト領域は、電気コネクタを前記コネクタコンタクト領域上に装着するように形成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の相互接続構造。
【請求項６】
前記相互接続構造は、光受信機ユニットおよび前記光受信機ユニットによって生成される電気信号を処理するための第２の電子回路を装着するように形成され、
前記相互接続構造は、前記光受信機ユニットおよび前記第２の電子回路を互いに接続するための複数の受信機リード（１１０）をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の相互接続構造。
【請求項７】
電気信号を出力および／または受信するための電子ユニット（１２０）と、前記電気信号から光信号への変換および／またはその逆の変換を行うための光ユニット（１００）と、
前記電子ユニット（１２０）および前記光ユニット（１００）を互いに接続するための請求項１から６のいずれか一項に記載の相互接続構造と、を備え、
前記光ユニット（１００）が導電性基板（１０２）を備える、光電子モジュール。
【請求項８】
前記電子ユニット（１２０）が、駆動回路を備え、前記光ユニットが、少なくとも１つの光発信機を備える、請求項７に記載の光電子モジュール。
【請求項９】
少なくとも１つの光受信機と前記少なくとも１つの光受信機の出力信号を増幅するための増幅回路とをさらに備える、請求項８に記載の光電子モジュール。
【請求項１０】
前記光受信機が、ＰＩＮ（positive intrinsic negative）フォトダイオードのアレイを備える、請求項９に記載の光電子モジュール。
【請求項１１】
前記増幅回路が、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）アレイを備える、請求項１０に記載の光電子モジュール。
【請求項１２】
前記光ユニットが、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のアレイを備える、請求項７から１１のいずれか一項に記載の光電子モジュール。
【請求項１３】
１２チャネルのＶＣＳＥＬアレイと１２チャネルのドライバとを備える、請求項１２に記載の光電子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気信号を出力および／または受信するための電子ユニットと、前記電気信号から光信号への変換および／またはその逆の変換を行うための光ユニットとを結合するための、相互接続構造に関する。本発明は、そのような相互接続構造を備える光電子モジュールにも関する。
【背景技術】
【０００２】
（たとえば２５Ｇｂｐｓのビットレートでの）高速データ伝送用途の通信要件をサポートするために、単なる電気配線に基づく相互接続の代替として、光リンクが使用される。今日、製造者は、光相互接続のためのモジュールや、いわゆる光ケーブルなどの製品を生産している。この文脈では、光モジュールは、送信機（すなわち光データ信号を送信するための光源を備えるもの）、受信機（すなわち光信号を受信するための光検出器を備えるもの）、または受信機と送信機とを組み合わせたものである送受信機であってよい。
【０００３】
多くの場合、モジュールは、光データ信号を移送するための１つまたは複数の光ファイバを接続するためのコネクタを伴う。光ケーブル内で、モジュールおよびファイバは通常、事前に接続されている。モジュールまたはモジュールの構成要素を、たとえばスーパーコンピュータにおける相互接続のためにまたは周辺機器への接続部として、コンピュータ用のマザーボードなどの回路基板上に直接装着することも可能である。
【０００４】
本発明の文脈では、光電子モジュールは、ドライバのおよび／または受信機の電子機器に接続された、光信号を送信または受信するための光電子構成要素を備えるシステムを一般に指す。光電子構成要素は本文脈では、電気エネルギーを光エネルギーに、または光エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されたデバイス、すなわちレーザダイオードのような光源およびフォトダイオードのような光検出器である。多くの場合レーザダイオードはいわゆる垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり、また、フォトダイオードとしてｐ−真性−ｎフォトダイオードが使用できる。
【０００５】
通常、そのようなモジュールは、インターフェースも備えることになる。インターフェースは、モジュールを１または複数の光ファイバに接続すること、ならびにモジュールが電子機器を制御して光電子構成要素の動作パラメータを調節することを可能にする。たとえば、レーザダイオードの動作は通常、調節可能なバイアス電流、変調電流、および任意選択でプリエンファシスを必要とする。多くの場合、そのようなモジュールは、２、４、８、１２、または１６など２つ以上のチャネルをサポートすることになるが、用途に応じて任意の数のチャネルが考えられる。そのような使用に関して、光源および光検出器は多くの場合、１×Ｎアレイ、２×Ｎアレイなどのアレイ単位で利用でき、ここでＮは正の整数である。２×Ｎアレイは厳密にはマトリクスと呼ばれるが、表記を簡潔にするために以下では「アレイ」の用語のみを使用する。
【０００６】
電気データ信号を、光源を駆動してこのデータ信号を含む光信号を放出させるのに好適な信号に変換するために、駆動回路が必要とされる。同様に、受信した光信号を、システム内でさらに伝送するのに好適な電気信号に変換するために、受信回路が必要とされる。そのような駆動回路および受信回路は当技術分野ではよく知られており、それらは通常、駆動チップ（駆動回路を備える）、送信チップ（駆動回路を備える）、または送受信チップ（駆動および受信回路を備える）のいずれかとしての集積回路として提供される。
【０００７】
受信チップは多くの場合、ＴＩＡチップ（トランスインピーダンスアンプチップ）またはＬＩＡチップ（limiting impedance amplifier chip、制限インピーダンスアンプチップ）とも呼ばれることがある。これらのチップは、ホストシステムから／ホストシステムへと電気データ信号を受信する／送信するためのデータピン／パッドと、光デバイスに接続するための接続パッド、すなわちチップの光側、つまり光源または光検出器に接続するための接続ピン／パッドと、を備える。
【０００８】
あらゆるデータ伝送システムにおいて、シグナルインテグリティは重要な課題である。最近開発されたたとえば２５Ｇｂｐｓのデータ伝送速度を有する通信システムにおける高いデータレートに起因して、シグナルインテグリティ、たとえば信号線間のクロストークの低減などは、主要な関心事となっている。
【０００９】
相互接続システムはひずみの無い信号を搬送するのが理想的である。ひずみの１つの種類は、クロストークと呼ばれる。クロストークは、ある信号が別の信号線上に望ましくない信号を作り出すときに発生する。一般に、クロストークは信号線間の電磁結合によって引き起こされる。したがって、クロストークは、高速で高密度の相互接続システムに特に関わる問題である。信号線同士が互いに近いほどまたはそれらが搬送する信号の周波数が高いほど、電磁結合は大きくなる。これらの条件はいずれも、高速で高密度の相互接続システムにおいて存在する。
【００１０】
特に高周波の用途に関して、光構成要素と電子構成要素とを互いに接続することに対して提供される相互接続構造は、シグナルインテグリティに対して大きな影響を与えることになる。図１は、電気信号を光信号に変換するのに好適ないわゆるＥ／Ｏエンジン（電気光学エンジン）のために使用できるような、駆動回路とＶＣＳＥＬアレイ１００との間の相互接続部の例を示す。図１の例は、１２チャネルのＶＣＳＥＬアレイ１００が導電性基板１０２内に装着されている、１２チャネルのトポロジを示す。アレイのダイオードのそれぞれはカソードおよびアノード（図１でｃおよびａとして表示する）を有し、これらはエッジ結合された伝送線またはボンドワイヤ１０４によって駆動回路に接続される。
【００１１】
詳細には、これらの相互接続線は対で形成され、また、各対は信号線１０４（ｓで表される）および接地線１０６を備える。図１に示すように、接地線１０６のそれぞれは接地面層１０８に接続される。この概略的な構成の技術的実装の例は、２００９年６月１７日にＰｈｉｌｉｐｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ  ＧｍｂＨ  Ｕ＿Ｌ＿Ｍ  ＰｈｏｔｏｎｉｃｓおよびＩＰｔｒｏｎｉｃｓ  Ａ／Ｓによって公開された、Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｓｉｇｎ  ＩＰＶＤ１２Ｇ０１１−ＵＬＭ８５０−１０−ＴＴ−Ｎ０１０４Ｕ  ｒｅｖ．０４（インターネットＵＲＬ  ｈｔｔｐ：／／ｉｐｔｒｏｎｉｃｓ．ｃｏｍ／ｆｉｌｅｓ／１４７７４／ＩＰＢＶＤ１２Ｇ０１１＿ＵＬＭ＿ＲｅｆＤｅｓｉｇｎ．０４．ｐｄｆからダウンロード可能）において与えられている。
【００１２】
図１に示すモジュールは、付属するアンプ（ＴＩＡ）にＰＩＮダイオードアレイを接続するための、図１の回路キャリア上に同じく配設されたさらなる相互接続部１１０のアレイをさらに有する。
【００１３】
チャネル番号７（参照符号１１２で表示する）をビクティムと見なし、かつ残りのチャネル１１４、１１６を送信機信号アグレッサと見なす場合、この構成によって発生するクロストークが２５Ｇｂｐｓのビットレートおよび１０−１２のビット誤り率（ＢＥＲ）のアイダイアグラム（EYE diagram）において４ｐｓすなわち０．１ＵＩのジッタに相当するということが見出せる。ＶＣＳＥＬは導電性の高い基板上に置かれるので、隣接する駆動ＶＣＳＥＬチャネル間の高い結合およびクロストークは、戻り電流のトレースのインピーダンスが、隣接するチャネルの信号のトレースのインピーダンスに類似することに起因すると考えられる。したがって、相当な量のアグレッサ戻り電流がビクティムチャネルのＶＣＳＥＬを強制的に通過させられ、このことにより高レベルのクロストークを発生させる。この影響は図２で概略的に例示される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
よって、本発明の根底にある問題は、シグナルインテグリティを特に簡単で費用効果の高い方法で改善できる、相互接続構造および付属する光電子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】
この目的は、独立請求項の主題によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の主題である。
【００１６】
本発明は、ドライバ−ＶＣＳＥＬ相互接続部に関する戻り経路のインピーダンスが信号経路のインピーダンスよりも大幅に低くなるように戻り経路のインピーダンスを修正することによって、任意のビクティムチャネルのＶＣＳＥＬを通過するアグレッサ戻り電流の量が大幅に小さくなるという発想に基づいている。
【００１７】
詳細には、本発明は、電気信号を出力および／または受信するための電子ユニットと、前記電気信号から光信号への変換および／またはその逆の変換を行うための光ユニットとを結合するための、相互接続構造を提案する。前記相互接続構造は、電気絶縁基板と、電子ユニットと光ユニットとの間に結合されることになる少なくとも１対の伝送リードとを備え、第１のリードは信号線として動作可能であり、第２のリードは接地線として動作可能である。本発明によれば、第２のリードは第１のリードよりも低いインピーダンスを有するように形成される。
【００１８】
具体的には、第２のリードは第１のリードの幅よりも広い幅を有することができる。このことにより接地線のインピーダンスが信号線に対して低減される。好ましくは、接地線の幅は信号線の幅よりも少なくとも５倍の幅がある。さらに、相互接続構造は通常、電気絶縁基板内に埋められた接地面層（ground plane layer）も有する。
【００１９】
本発明の有利な実施形態によれば、接地線として動作可能な第２のリードは、ビアホールによってこの接地面層に接続される。処理上の制限により、接地面層は多くの場合、基本周波数のビットレートに対応する表皮厚さよりも厚くすることができない。したがって、ビアホールは理想的なものでない場合があり、また、ＶＣＳＥＬからドライバアレイの接地までの距離全体にわたって、接地線を常に十分な幅に保つことができるわけではない。
【００２０】
したがって、最良の結果を達成するためには、広幅の接地線寸法と接地面層への接続部との組み合わせを採用すればよい。他方で、信号線のインピーダンスは、これは典型的にはほぼ５０オーム程度であるが、主として信号線の幅およびそれらの接地面層までの距離によって制御される。
【００２１】
本発明による構成を用いて、信号戻り経路のインピーダンスを大幅に低減でき、また、ビクティムチャネルのＶＣＳＥＬを通過するアグレッサ戻り電流の量がより少なくなり、このためシグナルインテグリティが改善される。
【００２２】
具体的には、信号線は２０μｍの幅を有してよく、一方、接地線は約１１０μｍの幅を有する。好ましくは、接地線はビア構造によって下方にある接地面層に接続される。
【００２３】
本発明による相互接続構造は、駆動電子回路をその上に直接装着するように形成され得るか、または代替として、それぞれの電気コネクタをその上に装着するようにも形成され得る。この電気コネクタはたとえば、たとえばＴＥ  Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ社によって提供されるような、いわゆるＱＳＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｓｍａｌｌ  Ｆｏｒｍ−ｆａｃｔｏｒ  Ｐｌｕｇｇａｂｌｅ）コネクタであってよい。
【００２４】
本発明によれば、電気相互接続構造に基づく光電子モジュールは、ＶＣＳＥＬアレイなどの、相互接続構造の接地面層に接続可能な導電性基板を有する光ユニットを有する。このトポロジは、本発明による信号線および接地線のインピーダンス比を選択することによって、特に効果的なクロストーク抑制をもたらす。
【００２５】
添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を例示するために、本明細書に組み込まれ、かつその一部を形成する。これらの図面はその説明と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。図面は、本発明をどのように製作しかつ本発明をどのように使用することができるかの、好ましい代替の例を例示するためのものに過ぎず、本発明を例示され記載される実施形態のみに限定するものと解釈されるべきではない。さらに、実施形態のいくつかの態様は、個別にまたは様々に組み合わされて、本発明による解決策を形成し得る。さらなる特徴および利点は、添付の図面に例示するような、本発明の様々な実施形態の以下のさらに詳細な説明から明らかになろう。添付の図面において、同様の参照符号は同様の要素を指す。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】複数の相互接続部が本質的に等しいインピーダンスを有する、光電子モジュールを示す図である。
【図２】クロストークの影響を例示するための、図１の詳細を示す図である。
【図３】本発明によるＥ／Ｏエンジンの概略透視図である。
【図４】図３の詳細を示す図である。
【図５】図１の構成から得られる、ドライバ出力から隣接するチャネルのＶＣＳＥＬ入力までの最も強いクロストークに対応する、Ｓパラメータ結合係数対周波数曲線である。
【図６】図３の構成に関する、Ｓパラメータ結合係数対周波数曲線である。
【図７】図１の構成に関する、全てのアグレッサチャネルが作動している状態の、ドライバ−ＶＣＳＥＬチャネルに関する２５Ｇｂｐｓのアイダイアグラムである。
【図８】図３の構成に関するアイダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
ここで図３を参照すると、本発明による相互接続構造を有する光電子モジュールの、第１の有利な実施形態が示されている。
【００２８】
本出願の図面では、導電性の部品同士の間の電気接続部をより明確に例示するために、回路キャリアの電気絶縁性の部品は示されていない。
【００２９】
しかし、当然ながら絶縁層も存在し、またさらに、示された金属層は必ずしも唯一の導電性層というわけではない。
【００３０】
図３の透視図に示すように、導電性基板１０２を有するＶＣＳＥＬアレイ１００は、接地面層１０８に接続される。ＶＣＳＥＬアレイ１００のチップの作用表面上には、個々のレーザダイオードのアノードとカソードに接触するようにコンタクトパッド（この図では見えない）が設けられる。詳細には、各信号線１０４はＶＣＳＥＬのアノードに接続される。他方で、各接地線１０６はＶＣＳＥＬのカソード端子に接続される。
【００３１】
本発明によれば、接地線１０６は、信号線１０４よりも大幅に低いインピーダンスを有する。図３に示す実施形態では、このことはまず第１に、信号線１０４が接地線１０６よりも大幅に狭くなるようにリードの寸法を選択することによって達成される。さらに、接地線１０６のそれぞれは、ビアコンタクト１１８によって下方にある接地面層に接続される。
【００３２】
接地線１０６および信号線１０４が接続されるドライバアレイ１２０は、直接はんだ付けされたもしくは圧入された集積回路（ＩＣ）か、またはそれぞれのワイヤを取り付けるためのコネクタのいずれかを表し得る。
【００３３】
本発明による構成を用いれば、信号線のインピーダンスは、信号線１０４と接地線１０６との間の距離による影響を受けず、下方にある接地面層までの距離によってのみ影響を受ける。この距離はたとえば、１０μｍという小ささであってよく、一方、信号線１０４と接地線１０６との間の距離は６０μｍであってよい。
【００３４】
好ましくは、接地線１０６は信号線１０４よりも少なくとも５倍の幅を有する。たとえば、信号線は約２０μｍの幅を有してよく、一方、接地線は１１０μｍの幅を有する。信号線１０４のインピーダンス値は、信号線の幅およびそれらの接地面層までの距離によって、約５０オームの値に設定される。当然ながら、これらの特定の寸法は、本発明による発想を実施するために使用できる値の例に過ぎない。
【００３５】
この特定の構造を使用することにより、信号戻り経路のインピーダンスを大幅に低減でき、したがってビクティムチャネルのＶＣＳＥＬを通過するアグレッサ戻り電流の量が、はるかに少なくなる。このことは、図３の詳細図である図４で例示されている。この図から見ることができるように、戻り信号の主要な部分は接地線１０６によって導かれ、また、このエネルギーのより小さい一部は隣接する信号経路１０４ｂを介して戻る。
【００３６】
この効果は、図５に示す図１の構成に関するＳパラメータ対周波数曲線と、図６に示す図３の構成に関するＳパラメータ対周波数曲線とをそれぞれ比較することによっても、同じように示される。これらのＳパラメータ結合係数のそれぞれは、ドライバ出力から隣接するチャネルのＶＣＳＥＬ入力までの最も強いクロストークに対応して示されている。
【００３７】
図７および図８は、２５ＧｂｐｓのビットレートおよびＢＥＲ＝１０−１２のビット誤り率のそれぞれのアイダイアグラムを比較して示す。図７に示すように、図１の構成は、全てのアグレッサチャネルが作動している状態でドライバＶＣＳＥＬチャネルに関して約４ｐｓすなわち０．１ＵＩのジッタを発生させ、一方、図８によれば、クロストークが発生させるジッタは、アイダイアグラムにおいて１．８ｐｓすなわち０．０５ＵＩを下回る。曲線７０１および８０１は、ＢＥＲ＝１０−１２にそれぞれ対応する。
【００３８】
よって、本発明による相互接続の解決策を図１による等しいインピーダンスを有するケースと比較したとき、隣接するチャネル間の結合、およびクロストークに起因するジッタが共に大幅に低減される。こうして、本発明による相互接続はチャネル間のクロストークのレベルを低減して、より長い伝送リンクを可能にしかつ信号のより良好な品質をもたらす。
【符号の説明】
【００３９】
１００  ＶＣＳＥＬアレイ、光ユニット
１０２  ＶＣＳＥＬアレイの導電性基板
１０４  信号線
１０６  接地線
１０８  接地面層
１１０  ＰＩＮダイオードアレイとＴＩＡとの間の相互接続部
１１２  チャネルビクティム
１１４  第１の送信機アグレッサ
１１６  第２の送信機アグレッサ
１１８  接続点、ビア
１２０  ドライバアレイ、電子ユニット
７０１、８０１  アイダイアグラムにおけるＢＥＲ＝１０−１２のビット誤り率に対応する曲線線
【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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