(57)【要約】【課題】駆動回路を通し、発光素子もしくは変調素子に流れ込む電気信号において、伝送路内での反射が少なく広帯域な光変調特性の光伝送モジュールを得る。【解決手段】本発明は、電気信号を受けて光信号の変調を行う光素子２と、電気信号を伝える伝送線路Ｌとを具備した基板１であって、前記伝送線路の終端を目的とした抵抗素子Ｒ及び該抵抗素子の側方近傍にグランド線路が配設されたコプレーナ型若しくはコプレーナスプリット型の線路を備え、反射が少なく、広帯域な光変調動作をする光伝送モジュールを得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を受けて光信号の変調を行う発光素子若しくは変調素子若しくは変調器付発光素子からなる光素子と、該光素子に電気信号を伝えるようにコプレーナ型若しくはコプレーナスプリット型の線路で形成された伝送線路とを具備した基板を有し、さらに、前記光素子と光ファイバとを光結合する光学系を有する光伝送モジュールであって、
前記伝送線路の終端を目的とした抵抗素子及び該抵抗素子の側方近傍にグランド線路が配設されたコプレーナ型若しくはコプレーナスプリット型の線路を前記基板に備えたことを特徴とする光伝送モジュール。
【請求項２】
前記抵抗素子における特性インピーダンスが前記伝送線路における特性インピーダンスと±５％の範囲内で整合がとられていることを特徴とする請求項１記載の光伝送モジュール。
【請求項３】
前記抵抗素子を、前記伝送線路の信号線路又は該信号線路に接続された電極パットから信号伝搬方向に対して交差する方向に伸ばして前記グランド線路に接続するように形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の光伝送モジュール。
【請求項４】
前記抵抗素子を、前記伝送線路の信号線路又は該信号線路に接続された電極パットから分岐して前記グランド線路に接続するように形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の光伝送モジュール。
【請求項５】
前記伝送線路の信号線路の端部と前記光素子の電極との間をワイヤ若しくはリボンで接続し、前記光素子の電極と前記抵抗素子の所定の箇所に設けられた電極パットとの間をワイヤ若しくはリボンで接続して構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の光伝送モジュール。
【請求項６】
前記基板の材質がセラミック若しくはシリコンであるのことを特徴とする請求項１又は２記載の光伝送モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信に用いられ、電気信号を光信号に変換する発光素子もしくは変調素子もしくは変調器付発光素子において、特に良好な高周波特性が要求される光通信に用いて好適な光伝送モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、特開２００１−３０８１３０号公報に開示された従来の光伝送モジュールの上面図で、図８は、図７の従来例のリターンロスＳ１１を示す。
【０００３】
図７においては、導電性ベース基板上１１に、変調器付発光素子２０が実装されたヒートシンク１３と、伝送線路１７を形成した誘電体基板１２と、インピーダンス整合用の終端抵抗であるマッチング抵抗１４が配設した構成となっている。
【０００４】
誘電体基板１２上の伝送線路１７は高周波電気信号を伝送するコプレーナ型の線路で信号線路１８の両側にグランド線路１９が配設されている。
【０００５】
変調器付発光素子２０は裏面電極により発光素子２２および外部変調素子２１がヒートシンク１３と電気的に接続され、ヒートシンク１３を介し接地され、一方、グランド線路１９、マッチング抵抗１４の一端はビアホール２３を介してベース基板１１に接地され、それぞれ同一電位にされている。
【０００６】
各部品間の配線は、信号線路１８から外部変調器２１上面の電極パットを介してマッチング抵抗１４へ、変調器付発光素子２０の光源である発光素子２２にはワイヤボンディング１５、１６によって各々接続されている。また、発光素子２２は、ぺデスタル（浮きパット）にワイヤボンデング２４によって接続される。
【０００７】
上記従来技術においては、信号線路１８に外部より高周波信号が入力され、信号に基づく光変調を行い、光結合系（図示せず）を介して光ファイバ（図示せず）へ入射する。なお、高周波信号は２〜１０ＧＨｚである。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３０８１３０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように電気信号にて発光素子若しくは変調素子若しくは変調器付発光素子を変調する場合、信号源から見たこれら回路のインピーダンスと、回路から見た信号源のインピーダンスとが一致しないときは、信号源からの入力信号のすべてが素子へ到達せず、反射成分として信号源へ戻る。一般にこの反射成分はリターンロスＳ１１と呼ばれ、この値が大きい場合電気信号の波形に乱れが生じる。光伝送モジュールにおいて、特に光信号を高い周波数・長い距離で受信側まで誤りなく伝送したときに良好な光波形を得るためにはリターンロスＳ１１を小さくすることが求められる。このため、伝送路・抵抗等はこれを考慮して特性インピーダンスの整合をとった設計がなされている。
【００１０】
しかし、実際には伝送路・抵抗は有限のサイズを有しており、このサイズに起因した反射が発生してしまう。抵抗自身も特性上無視できないサイズを有しており、抵抗値を信号源や伝送路と同じ値に設定してもその部分で必ず反射は発生してしまう。
【００１１】
また従来例の場合、外部変調器と抵抗を接続するワイヤボンディング用電極パットと、ベース基板とで容量成分を持つため、より特性に悪影響を及ぼす。
【００１２】
上記従来技術においてのリターンロスＳ１１解析結果を図８に示す。このとき、１０ＧＨｚにおいて良好な光波形を得るのにリターンロスＳ１１の余裕があるとは言い難く、例えば伝送線路形成時の誤差など、各構成部品の寸法や搭載位置、特性の誤差を考慮すると、特に長距離・大容量伝送を実施する場合において製造上歩留まりが低下するという課題があった。
【００１３】
本発明の目的は、上記課題を鑑みて、駆動回路を通し発光素子もしくは外部変調素子に流れ込む電気信号が、終端部の抵抗サイズに起因する反射を少なくし、広帯域な光変調特性の光伝送モジュールを実現することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、伝送線路の終端を目的とした抵抗素子及び該抵抗素子の側方近傍にグランド線路が配設されたコプレーナ型若しくはコプレーナスプリット型の線路を前記伝送線路が形成された基板に備えたことを特徴とする光伝送モジュールである。
【００１５】
また、本発明は、前記終端抵抗素子における特性インピーダンスが前記伝送線路における特性インピーダンスと±５％の範囲内で整合がとられていることを特徴とする。即ち、前記終端抵抗素子及び電極パットの幅と、前記終端抵抗素子及び電極パットとグランド線路との間隔とを、前記伝送線路の特性インピーダンスと同等の値（±５％範囲内）になる構成とする。
【００１６】
また、本発明は、前記終端抵抗素子を、前記伝送線路の信号線路又は該信号線路に接続された電極パットから信号伝搬方向に対して交差する方向（ほぼ垂直方向も含む）に伸ばして前記グランド線路に接続するように形成したことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、前記終端抵抗素子を、前記伝送線路の信号線路又は該信号線路に接続された電極パットから分岐して前記グランド線路に接続するように形成したことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、前記伝送線路の信号線路の端部と前記光素子の電極との間をワイヤ若しくはリボンで接続し、前記光素子の電極と前記抵抗素子の所定の箇所に設けられた電極パットとの間をワイヤ若しくはリボンで接続して構成したことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、前記基板の材質がセラミック若しくはシリコンであるのことを特徴とする。前記終端抵抗素子及び電極パットの幅と、前記終端抵抗素子及び電極パットとグランド線路との間隔とを、信号源及び伝送線路の特性インピーダンスと同等の値（±５％範囲内）になる構成とする。
【００２０】
以上説明した構成によれば、終端抵抗素子及び電極パットが特性インピーダンスの整合がとれたコプレーナ型若しくはコプレーナスプリット型の線路の一部としてほぼ集中定数と見なすことができるので、駆動回路を通し発光素子若しくは変調素子若しくは変調器付発光素子に流れ込む電気信号の反射を少なくすることができ、その結果、広帯域な光変調特性の光伝送モジュールを実現することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の光伝送モジュールの実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２２】
図１（ａ）（ｂ）は各々本発明に係る光伝送モジュールの基板の２つの基本構成を示す図である。図２（ａ）〜（ｄ）は各々本発明に係る伝送線路の信号線路から信号伝搬方向に対して交差する複数方向に分岐する終端抵抗素子の実施例を示す図である。図３（ａ）（ｂ）は各々終端抵抗素子の異なるトリミング形状を示す図である。図４は図１（ａ）（ｂ）及び図２（ａ）〜（ｄ）に示す各種終端抵抗形状における解析された結果である周波数［ＧＨｚ］に対するリターンロスＳ１１［ｄＢ］を示す図である。
【００２３】
まず、本発明に係る光伝送モジュールの第１の基本構成について図１（ａ）を用いて説明する。即ち、第１の基本構成は、図１（ａ）に示す様に、電気信号を伝える高周波伝送線路Ｌ１と終端を目的とした抵抗素子Ｒ１とが形成されたベースとなる基板１に、発光素子もしくは変調素子もしくは変調器付発光素子の光素子２が搭載されている。
【００２４】
基板１はセラミックもしくはシリコンなどの材質が適しており、伝送線路Ｌ１、光素子搭載用はんだパターン３、薄膜の終端抵抗素子Ｒ１をウエハプロセスにより一括に形成している。これにより大量生産・低価格化には好適である。また、これら両材質のうち、セラミックは信号の損失が少なく比較的長い信号路の形成が可能であり、一方シリコンはレンズ等の光学素子を位置決めするためのＶ溝を容易に形成できるため、発光素子を精度よく搭載するためのインデックス（図示せず）や、上記レンズ等の光学素子を搭載する超高精度位置決め用溝を具備することが可能であり、組立精度の向上・工程の短縮や、部品点数の削減・低背化ができ、価格低減によい。
【００２５】
伝送線路Ｌ１は、信号線路Ｌ１１の両側をグランド線路Ｌ２１に挟まれたコプレーナ型の伝送線路としており、その特性インピーダンスは外部の信号源（図示せず）と同じく、例えば５０Ωに設計し、作製時±５％以内になる様に設定している。なお、伝送線路Ｌ１としては、グランド線路がスプリットされたコプレーナスプリット型の伝送線路であってもよい。そして、伝送線路Ｌ１の信号線路Ｌ１１の端部と光素子２の電極との間はワイヤ若しくはリボンＷ１によってボンディング接続されている。
【００２６】
また、信号線路Ｌ１１には光伝送モジュールの仕様に応じてインピーダンス調整を行うための抵抗素子Ｒｄを具備してもよく、必要に応じてワイヤ若しくはリボンボンディングなどでオープン／ショートすることで調整する。ショートとは、抵抗素子Ｒｄの両端をワイヤボンディング接続する場合であり、オープンとは接続しない場合である。
【００２７】
はんだパターン３にはＡｎ／Ｓｎ等のはんだが用いられ、発光素子もしくは変調素子もしくは変調器付発光素子の光素子２が搭載されて電気的に接地が行なわれる。即ち、光素子２は、はんだパターン３を介して接地されることになる。
【００２８】
終端を目的とする抵抗素子Ｒ１は、材質にＴａ２Ｎなどを用い、図示の通り伝送線路Ｌ１の先端から信号の伝搬方向に向かって伸びて、両側をグランド線路Ｌ２１に挟まれたコプレーナ型の線路で形成すべく形成されている。勿論、伸びた終端抵抗素子Ｒ１の側方近傍にグランド線路Ｌ２１が配設されたコプレーナスプリット型の線路で形成してもよい。そして、上記終端抵抗素子Ｒ１の抵抗値は伝送線路Ｌ１と同じく例えば５０Ωに調整され、終端抵抗素子Ｒ１の一端はワイヤ若しくはリボンボンディング用電極パットＰ１に接続され、他端はグランド線路Ｌ２１に接続されて接地されている。更に、光素子２の電極パターンと電極パットＰ１との間はワイヤＷ２によりボンディング接続される。これにより、抵抗素子Ｒ１は、他端をグランド線路Ｌ２１に接続された終端を目的とすることが可能となり、しかも、側方にグランド線路Ｌ２１が配設されたコプレーナ型若しくはコプレーナスプリット型の線路を形成して伝送線路Ｌ１と同じく例えば５０Ωに調整された特性インピーダンスを得ることが可能となる。
【００２９】
この場合、終端抵抗素子Ｒ１及び電極パットＰ１は、両側に形成されたグランド線路Ｌ２１とで例えば５０Ωの特性インピーダンスとなる様に、終端抵抗素子Ｒ１及び電極パットＰ１の幅と、終端抵抗素子Ｒ１及び電極パットＰ１とグランド線路Ｌ２１との間隔とを設計することにより、図４に細い実線で示す通り、太い実線で示す従来例と比較してリターンロスＳ１１を抑制することが可能となる。例えば、周波数１０ＧＨｚにおいてリターンロスＳ１１が約５ｄＢが改善されていることが分かる。
【００３０】
次に、本発明に係る光伝送モジュールの第２の基本構成について図１（ｂ）を用いて説明する。第２の基本構成において、第１の基本構成との相違点は伸びた終端抵抗素子Ｒ２を少なくとも１本または複数本に分岐させたことにある。図１（ｂ）の場合は、両側にグランド線路Ｌ２２が配設された電極パットＰ１の他端とグランド線路Ｌ２２とを接続する終端抵抗素子Ｒ２の形状は、図示の通り信号線路Ｌ１２からグランド線路Ｌ２２へ信号伝搬方向に対し垂直な電界方向にほぼ平行な複数本に分岐して配設してコプレーナ型の線路を形成している。これは、信号線路Ｌ１２とグランド線路Ｌ２２との間に常に生じている信号伝搬方向と垂直方向の電界方向にほぼ向けて終端抵抗素子Ｒ２を配設することにより、つまり電界方向に対してほぼ平行に１本または複数本に分岐した例えばＴ字形状の終端抵抗素子Ｒ２を配設することにより、終端抵抗素子Ｒ２に流れる電流をスムーズに、つまり反射を少なく電流を流し、終端させる効果を狙ったものである。終端抵抗素子Ｒ２が１本の場合には、電極パットＰ１の他端と片側のグランド線路Ｌ２２との間に接続されることになる。また、終端抵抗素子Ｒ２は、上記信号伝搬方向に対して垂直方向を含めて傾き（交差する方向）を有して配設してもよい。
【００３１】
これによりリターンロスＳ１１は図４に示す通り、大幅に改善することが可能となる。図１（ｂ）に示す形状の場合、例えば、周波数１０ＧＨｚにおいては約２０ｄＢ改善されていることになる。なお、第２の基本構成においても、終端抵抗素子Ｒ２及び電極パットＰ１は側方近傍にグランド線路Ｌ２２が配設されたコプレーナ型もしくはコプレーナスプリット型の線路を形成し、伝送線路Ｌ２と同じく例えば５０Ωに調整された特性インピーダンスを得るように、終端抵抗素子Ｒ２及び電極パットＰ１の幅と、終端抵抗素子Ｒ２及び電極パットＰ１とグランド線路Ｌ２２との間隔とが設計される。
【００３２】
第２の基本構成における様々な変形例を図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す。
【００３３】
図２（ａ）は、伝送線路Ｌ２の信号線路Ｌ１２の端部に直接終端抵抗素子Ｒ２を接続してコプレーナ型若しくはコプレーナスプリット型の線路を形成している。そして、信号線路Ｌ１２の端部と光素子２の電極との間でワイヤ若しくはリボンＷ１をボンディング接続して構成する。その結果、リターンロスＳ１１は図４に長い鎖線で示す通り、大幅に改善されていることが分かる。
【００３４】
また、図２（ｂ）は、図１（ｂ）の構成とほぼ同様に、光素子２の電極との間でワイヤ若しくはリボンＷ２でボンディング接続された電極パットＰ１の他端に上記電界方向に対してほぼ平行に一本の終端抵抗素子Ｒ２の中間部を繋げて構成した。その結果、リターンロスＳ１１は図４に２点鎖線で示す通り、大幅に改善されていることが分かる。
【００３５】
また、図２（ｃ）は、光素子２の電極との間でワイヤ若しくはリボンＷ２でボンディング接続された電極パットＰ１の他端にＴ字状の終端抵抗素子Ｒ２を繋げて構成した。その結果、リターンロスＳ１１は図４に短い鎖線で示す通り、より大幅に改善されていることが分かる。特に、周波数１０ＧＨｚにおいては、リターンロスＳ１１として約５０ｄＢより大幅に改善されていることが分かる。
【００３６】
また、電流は電界方向に力を受けるのと他に、当然信号伝搬方向にも受けているので、図２（ｄ）に示すように終端抵抗素子Ｒ２を電界方向だけではなく、信号伝搬方向成分を持つように配設したり、信号伝搬方向に対してある傾斜角度を持たせるように配設することにより、更にリターンロスＳ１１を図４に細い１点鎖線で示すように、リターンロスＳ１１は、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示す形状よりも改善していることが分かる。
【００３７】
また、図２（ｂ）〜（ｄ）に示すように例えば発光素子の電極から終端抵抗素子Ｒ２の端部である電極パットＰ１へ、インダクタンスの効果があるワイヤ若しくはリボンＷ２でボンディング接続して配線することにより、発光素子上の電極と裏面グランド線路Ｌ２２との間、即ち発光素子上下面で生ずる容量成分Ｃを打ち消すことができるため、よりリターンロスＳ１１が少なく、広帯域な特性を得ることが可能となる。
【００３８】
薄膜プロセスにより抵抗を作製する場合は抵抗値のばらつきを抑制するためレーザトリミングなどの手法による抵抗値の調整が用いられるが、このときトリミング１０の形状は図３（ａ）の様な方法が最も良く、次に図３（ｂ）の様に実施するとリターンロスＳ１１はよい。
【００３９】
なお、図１（ａ）、（ｂ）双方について、信号線路や光信号源である発光素子の配線にはワイヤボンディングもしくはリボンボンディングによって図示の通りに接続される。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明に係る光伝送モジュールの実施例について説明する。
【００４１】
図５には光伝送モジュールの基板の実施例を示す。図６には本実施例でのリターンロスＳ１１のグラフを表す。
【００４２】
本実施例では、基板１にはシリコンを選択し、基板上には伝送路Ｌ３と、はんだパターン５、薄膜抵抗素子Ｒ３とレンズ搭載用のＶ溝６と光素子搭載用インデックス７を一括に作製した。
【００４３】
伝送線路Ｌ３は、基板１との絶縁を目的としたＳｉＯ２等の酸化膜（絶縁膜）を堆積させた上に、図５の様な信号線路Ｌ１３の両側にグランド線路Ｌ２３を配設した例えば５０Ωのコプレーナ型の伝送線路とした。なお、線路メタライズ膜構成はＴｉＰｔＡｕとし、表皮効果を考慮してＡｕ厚を２μｍ以上とした。そして、信号線路Ｌ１３の端部と光素子である変調器付発光素子８の電極との間を、ワイヤ若しくはリボンＷ１でボンディング接続した。
【００４４】
終端を目的とした抵抗素子Ｒ３は、リターンロスＳ１１と基板サイズ小型化の観点から、図示の通り、変調器付発光素子８の電極との間でワイヤ若しくはリボンＷ２でボンディング接続された電極パットＰ１を含めてＴ字形状を選択し、終端抵抗素子Ｒ３の幅と、終端抵抗素子Ｒ３とグランド線路Ｌ２３との間の間隔とを最適化し、インピーダンス整合をとっている。また、抵抗値はレーザトリミングにより調整を行い、２つの抵抗の合成値が伝送線路Ｌ３と同様に５０Ωに設定し、誤差は±５％以内とするようにした。なお、抵抗材質にはＴａ２Ｎを使用した。
【００４５】
光素子には変調器付発光素子８を用い、変調器付発光素子８の表面の電極パターン９とインデックス７とを画像認識し、変調器付発光素子８を精密搭載機により、基板はんだパターン５に高精度に搭載した。
【００４６】
また、変調器付発光素子８への配線はφ２５μｍ程度のＡｕワイヤを使用し、特にワイヤボンディングＷ２は素子容量Ｃを鑑みて、上記素子容量Ｃを打ち消すリアクタンスＬから長さを０．７ｍｍとした。
【００４７】
これにより、得られたリターンロスＳ１１が図６の通りである。これによると、リターンロスＳ１１は１０ＧＨｚで−３６ｄＢに改善された。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、光伝送モジュールにおいて低周波領域から高周波領域までの広い周波数範囲でリターンロスを低減することが可能な光伝送モジュールを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による、光伝送モジュールに使用する基板の基本構成を模式的に示す上面図である。
【図２】本発明の実施の形態による、光伝送モジュールに使用する基板に形成される終端抵抗素子の様々な形状を模式的に示す上面図である。
【図３】本発明に係る終端抵抗素子のトリミング形状を模式的に示す上面図である。
【図４】本発明の実施の形態による、各終端抵抗素子の形状におけるリターンロスＳ１１の解析結果を示す図である。
【図５】本発明の実施例による、光伝送モジュールの基板を模式的に示す上面図である。
【図６】本発明の実施例による、リターンロスＳ１１の解析結果を示す図である。
【図７】従来例の、光伝送モジュールに使用する基板を模式的に示す上面図である。
【図８】従来例の、リターンロスＳ１１を示す図である。
【符号の説明】
１…基板、２…光素子（発光素子若しくは変調素子若しくは変調器付発光素子）、３…はんだパターン、５…はんだパターン、６…Ｖ溝、７…インデックス、８…変調器付発光素子、９…電極パターン（電極）、１０…トリミング、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３…伝送線路、Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３…信号線路、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３…グランド線路、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…終端抵抗素子、Ｒｄ…抵抗素子、Ｓ１１…リターンロス、Ｐ１…電極パット、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３…ワイヤ若しくはリボンボンディング。
【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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