(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信部、受信部が外部光ファイバと光信号を交換するための導光手段をＳｉ基板に設け、発光素子と発光素子を駆動する駆動用ＩＣを含む送信部は単結晶ＳｉよりなるＳｉ基板に直接に実装し、受光素子とその信号を増幅する増幅器を含む受信部はセラミックの絶縁補助基板に実装し絶縁補助基板をＳｉ基板の嵌合穴に嵌合したことを特徴とする光送受信モジュール。
【請求項２】
送信部、受信部が外部光ファイバと光信号を交換するための導光手段をＳｉ基板に設け、発光素子よりなる送信部は単結晶ＳｉよりなるＳｉ基板に直接に実装し、受光素子とその信号を増幅する増幅器を含む受信部はセラミックの絶縁補助基板に実装し絶縁補助基板をＳｉ基板の嵌合穴に嵌合したことを特徴とする光送受信モジュール。
【請求項３】
送信部、受信部が外部光ファイバと光信号を交換するための導光手段をＳｉ基板に設け、発光素子と発光素子を駆動する駆動用ＩＣを含む送信部は単結晶ＳｉよりなるＳｉ基板に直接に実装し、受光素子よりなる受信部はセラミックの絶縁補助基板に実装し絶縁補助基板をＳｉ基板の嵌合穴に嵌合したことを特徴とする光送受信モジュール。
【請求項４】
送信部、受信部が外部光ファイバと光信号を交換するための導光手段をＳｉ基板に設け、発光素子よりなる送信部は単結晶ＳｉよりなるＳｉ基板に直接に実装し、受光素子よりなる受信部はセラミックの絶縁補助基板に実装し絶縁補助基板をＳｉ基板の嵌合穴に嵌合したことを特徴とする光送受信モジュール。
【請求項５】
絶縁補助基板は厚みが５００μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光送受信モジュール。
【請求項６】
導光手段が光ファイバであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の光送受信モジュール。
【請求項７】
導光手段が光導波路であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の光送受信モジュール。
【請求項８】
受信部に金属遮蔽板を取り付けたことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の光送受信モジュール。
【請求項９】
受光素子が裏面入射型ＰＤ（フォトダイオード）であることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の光送受信モジュール。
【請求項１０】
受光素子が端面入射型ＰＤ（フォトダイオード）であることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の光送受信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、光通信のための光送受信器、光受信器に関する。特に、小型で低コストの光送受信器、光受信器を提供する事を目的とする。ここでは時に光送受信器、光受信器を光通信装置と総称する。送信・受信の両機能をもつ送受信器においては、送信器側の電気・光信号が受信側に混入する可能性がある。複数の受信器を有する装置では隣接受信部の電気・光信号が受信部に混入する可能性がある。これをクロストークと言う。これは受信部ではノイズとなるのでできるだけ排除しなければならない。
【０００２】
クロストークには電気的なものと光学的なものがある。送受信器を小型化すると両者が近接するから一層クロストークは大きくなる可能性がある。送受信器を小型にするには電気的、光学的クロストークを厳しく抑制する必要がある。本発明は送信・受信部の電気的、光学的クロストークを効果的に抑制することによって小型化、低コスト化を実現できる光通信装置を提供する。
【０００３】
【従来の技術】
図１は最も普及している光送受信器の概念図である。光源である半導体レ−ザ（ＬＤ）１も受信器であるフォトダイオード（ＰＤ）２も個別に金属ケースに納められている。ＬＤ１、ＰＤ２は光ファイバ３、４によって局側に接続されている。ＬＤ１、ＰＤ２はピン９によって配線基板５の適当な配線パターンに接続される。また配線基板５には送信用電子回路６と受信用電子回路７が設けられる。
【０００４】
送信側と受信側の間での電気的なクロストークを防ぐため、送信用電子回路６と受信用電子回路７の間に金属遮蔽板８が設けられる。これが電子回路６、７の間をシールドする。配線基板５はいわゆるプリント基板であり、自由なグランドパターンを形成することができる。金属遮蔽板８も自由にグランドに落とす事ができる。また、この構成ではＬＤ１とＰＤ２がそれぞれ金属ケースに入っているため、光が外に漏れない。つまり光学的電気的クロストークを低減することができる。クロストーク抑制という点では優れた送受信器である。
【０００５】
しかし、この構造では大きさがこれ以上小さくならないし、コストが下がらないという欠点がある。ＰＤチップ、ＬＤチップを金属パッケージに収容したＰＤモジュール、ＬＤモジュール自体が大きいし、配線基板５に電子回路６、７を実装するから嵩高い装置になる。また金属ケースに収容したＰＤ、ＬＤモジュールはコスト高である。そのようなわけで図１のような装置では小型化、コスト削減に限界がある。
【０００６】
これを解決するために、最近ＳｉのＶ溝を使ってファイバの固定を行い基板上にＳｉＯ２を絶縁層として形成し、この上に配線用メタライズパターンを形成して、小型かつ低コストの光送受信器を構成することが考えられている。例えば次のようなレポートに提案されている。
【０００７】
▲１▼  高橋龍太、村上和也、須永義則、所武彦、小林雅彦「ＳＦＦ光トランシーバ用光素子実装方法の検討」１９９９年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、講演番号Ｃ−３−２８、ｐ１３３（１９９９）。
【０００８】
図２にその構造を示す。平坦なＳｉ基板１０上の後半部にＳｉＯ２絶縁層１１を形成する。Ｓｉ基板１０の前半には平行な２本のファイバ固定用Ｖ溝１２、１３が形成される。Ｖ溝１２、１３に送信用光ファイバ１４、受信用光ファイバ１５が固定される。ＳｉＯ２絶縁層１１には金などの電極パターン１６、１８、１９が形成されている。これらのパターンはデバイスチップを搭載したり配線になったりする。光ファイバ１４の右側のパターン１８にはＬＤチップ２２が、光ファイバ１５の右側のパターン１９にはＰＤチップ２３が実装される。ＬＤ２２の後ろのパターン１６にはモニタＰＤ７０が搭載される。
【０００９】
ＬＤ２２は電流に応じた送信光を発生する。送信光Ｓは光ファイバ１４の中を局側へ伝搬する。局側から送られてきた信号光（受信光Ｒ）は光ファイバ１５からＰＤ２３に入り光電流に変換される。さらにモニタＰＤ７０がＬＤの背後に設けられＬＤパワーを監視するようになっている。図２において破線２６より上方が送信器（Ｂ）、破線２６より下が受信器（Ｃ）である。
【００１０】
これはＳｉ基板１０上に、ファイバ固定溝１２、１３、ＬＤ／ＰＤ用固定電極パターン１８、１９、モニタＰＤ用固定電極パターン１６などを一気に形成できる。光ファイバ、ＬＤ、ＰＤなどの部品を調芯しなくても、精度良く部品実装できる。全体に小型化できて非常に工業的な価値のある製品となる可能性がある。
【００１１】
このようにＳｉ基板の上に、電気的素子、光電的素子を平面的に実装する方法は次にように優れた性質があり極めて嘱望されている技術である。単結晶Ｓｉを基板として用いるから、成熟した半導体フォトリソグラフィ技術をそのまま使える。だから狭い間隔であっても精度良くファイバ固定用Ｖ溝を形成することができる。Ｖ溝にあわせて光電的素子（ＬＤ、ＰＤ）をも精度良く配置することができる。図１のＬＤモジュール１、ＰＤモジュール２を作製するにはＬＤから光を発生させＰＤで受光して、レンズやスリーブ、光ファイバの最適位置をＬＤモジュールでは±１μｍ、ＰＤモジュールでは±５μｍの精度で決める”調芯”という時間と手間のかかる作業が不可欠である。
【００１２】
ところが図２のＳｉ基板に平面実装する方法だとそのような調芯が全く不要となる。光電的素子（ＬＤ、ＰＤ）はＳｉ基板上のマークに合わせて位置決めするだけでよい。このように調芯しない技術をパッシブアライメントと呼んでいる。調芯の時間と手間を省く事ができて製造コストを大幅に削減できる可能性がある。
【００１３】
つまりレンズなしで、しかもＬＤを発光させることなく、ＰＤで受光作用させることなく、マーカーに合わせてチップを置くだけで最適の位置に実装でき、充分な結合性が得られる。無調芯で高精度の実装が可能だから極めて有望であり実用化が急がれている技術である。
【００１４】
さらに信号の送受信を２本の光ファイバで行うようにした送受信モジュールの場合には、特に標準化された光ファイバ間隔にＶ溝間隔を合わせることによって生産性が増し、ますますこの表面実装技術が有用になってくる。それほど有望であるが、いまだ実用的な段階にいたっていない。それには幾つかの原因がある。本発明はそのうちクロストークの問題を取り上げる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
金属ケースに収容された送信部Ｂと受信部Ｃが絶縁板で遮断されている図１の装置と、遮蔽部材がない図２の平面的な装置を比べれば分かるように、図２では電気的なクロストークが大きい。光ファイバを２本使うタイプは光学的クロストークは小さくできるが電気的なクロストークはなお大きいままである。図２の送受信装置ではどうやって送受信間の電気的クロストークを低減するかが課題となる。狭い一つの基板に送信器、受信器を並べたり、複数の受信器を並べたとき相互の影響によるクロストークは無視できない。
【００１６】
特に送信器と受信器を一つの基板に一体化した送受信モジュールにおいてクロストークは深刻である。送信器は高い繰り返し周波数の強力なパルス信号を発生する。受信器は高インピーダンスの回路である。送信器の大電流信号からのクロストークが、微弱信号を受信する受信器のノイズを発生する。
【００１７】
複数の受信器を有する複数受信モジュールでもクロストークは問題であるが、以下では特に重大な問題となる光送受信モジュールを例にとって説明する。
【００１８】
普通に考えると、クロストークを低減するには、送信器と受信器の間に金属板を立てて、これをＳｉＯ２上に形成したグランド用メタライズに接続すればよいと考えられる。ノイズが電磁波として送受信部の間で飛ぶのだとすれば、それがノイズ遮蔽の上で効果的な筈である。たとえば
【００１９】
▲２▼  石井園美、野村剛彦、伊澤敦、岩瀬正幸、「ＭＴ−ＲＪ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｕｂ  Ａｓｓｅｍｂｌｙのクロストーク解析」、２０００年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、講演番号ＳＣ−３−７、ｐ３５２（２０００）
によって提案されている。
【００２０】
これはＰＤだけの（増幅器がない）受信部、ＬＤだけの（駆動用ＩＣがない）送信部の二等分線（図２の破線２６のような）にそってＳｉ基板上に金属板を遮蔽のために立てたものである。金属板はＳｉ基板上面のグランド面に接続してある。遮蔽板がついたてのように空中に立っているから送信部より飛来する電磁波を吸収し受信部ノイズを防ぐことができる。
【００２１】
電磁ノイズを防ぐために静電遮蔽をするというのは昔からの常套手段である。図１のプリント基板中央の金属遮蔽板８も同様の発想から設けられたものである。
【００２２】
送信部はＬＤだけであって、駆動用ＩＣのようなものがない。だからノイズ源としては弱いものである。だから遮蔽板をＳｉ基板上に屏風のように立てるだけで充分だと思われたものであろう。しかし、もしも送信部に駆動用ＩＣのような強力な送信信号電流、電波を発生する素子が存在すれば問題はより深刻になる。
【００２３】
本発明者はＳｉ基板には図１で利用するプリント基板とはまた違って問題があるということに気付いた。Ｓｉ基板はフォトリソグラフィが使えて微細加工が可能でそれ以外はプリント基板と同様だと思ってしまうが実はそうでない。
【００２４】
図２のような平面実装型が採用するＳｉＯ２／Ｓｉ基板には特有の問題がある。プラスチック製のプリント基板は絶縁物であるが、Ｓｉ基板は絶縁物ではない。もちろんＳｉ基板に電子部品を搭載する場合直接に載せるのではない。Ｓｉの上にＳｉＯ２などの絶縁膜を作ってから、その上に電極パターンを形成しパターンの上に電子部品（半導体素子、ＬＤ、ＰＤ）を取り付ける。絶縁膜が上にあるからプリント基板と同様だと思ってしまうがそうでない。高い周波数の場合は部分的に導体として電流を導いてしまう。そのようなＳｉ基板の特有の問題は本発明者が初めて気付いたものである。
【００２５】
［仮想例］
電気的クロストークの問題をより尖鋭に考えるために次の仮想例を想定する。受信部にはＰＤと増幅器が含まれ、送信部にはＬＤと駆動用ＩＣが含まれるものとする。実際にはこのような公知技術は存在しないが、本発明の直面する問題を明確にするために、この装置の欠点を考察しよう。
【００２６】
図３によってＳｉ基板の特有の問題を述べる。図３は、仮想例の光ファイバ、ＰＤあるいはＬＤ、電気的素子２７（駆動用ＩＣあるいは増幅器を指す）、Ｓｉ基板１０の断面図を示す。光電素子の後ろに電気的素子２７（駆動用ＩＣ２４又は増幅器２５を指す）がある。図３の右に電気的素子２７の部分だけの拡大図を示す。Ｓｉ基板１０の上に絶縁層２９、電極パターン２８があり、その上に電気的素子２７が乗っている。
【００２７】
Ｓｉ基板１０は半導体といってもｎ型、ｐ型ともに抵抗率が低くいずれにしても電流をよく通す。だから絶縁層２９は電流を通さないが、Ｓｉ基板１０には電流がかなり流れる。絶縁層２９は直流を完全に遮断できる。しかし周波数の高い交流は静電容量をつたって流れてしまう。光通信で使用するパルス信号の繰り返し周波数は高くて薄い絶縁層２９を簡単に通り抜けてしまう。そのような電流路を通過して送信部信号が受信部へと流れノイズを発生する可能性がある。Ｓｉ基板に特有の問題と先に述べたのはこれである。それはエポキシのプリント基板などでは起こり得ない問題である。
【００２８】
つまりＳｉが完全な絶縁物ではなく半導体であるため、ＳｉＯ２を挟んだコンデンサと、中途半端な抵抗を有するＳｉ半導体の組み合わせで、金属遮蔽板の下をノイズがくぐり抜けるのである。ＬＤ駆動用の駆動用ＩＣの強いパルス信号は、駆動用ＩＣ−絶縁層−Ｓｉ基板−絶縁層−増幅器という経路をへて増幅器に混入する可能性がある。これが電気的クロストークを発生する。従来電気的クロストークというのは電波（電磁波）によるものだけしか想定されていなかったが、本発明者はＳｉ基板の場合電流によるクロストークをも考慮しなければならないと思うのである。
【００２９】
図４によって繰り返しＳｉ基板における電流によるクロストークを説明する。これまで指摘されていない重大な問題であると考えるからである。境界線２６の右が送信部Ｂ、左側が受信部Ｃである。送信部Ｂのパターン１６の上に駆動用ＩＣ２４が取り付けられる。薄いＳｉＯ２絶縁膜１１はパターン２０、１６とＳｉ基板１０の間にコンデンサＣ１、Ｃ２を作る。受信部Ｃのパターン１７の上に増幅器２５が搭載される。絶縁膜１１はパターン１７、２１とＳｉ基板１０の間にコンデンサＣ３、Ｃ４を形成する。
【００３０】
Ｓｉ基板１０は導体のようなものであり電流を流すことができる。だからコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の間には等価的な有限の抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が形成される。高い周波数の送信側パルス信号だからコンデンサ容量による抵抗１／ｊωＣは０に近くて容易に通り抜ける。これはＳｉ基板の抵抗を通し受信側の増幅器に入りクロストークを引き起こす。つまり電波（電磁波）の他にＳｉ基板自体がノイズを媒介するということである。このようなＳｉ基板を電流の形で通り抜けることによるクロストークは本発明者が初めて指摘するものである。  前記▲２▼は空間を飛ぶ電波によるクロストークを低減する上には効果があろうが、Ｓｉ基板中を伝わる電流によるクロストークの低減には役に立たない。
【００３１】
実際には、Ｓｉ基板には導電性があって基板を流れる電流による送受信部間の結合が大きくクロストークを増大させる。Ｓｉ基板内の電流結合に注目し、電流を抑制するようにしなければならない、と本発明者は考える。２本の光ファイバを送受信に用いるモジュールにおいて、最近は光ファイバ間隔がますます狭くなる傾向にある。電流結合によるノイズは、駆動用ＩＣと増幅器の間隔が狭くなればなるほどより顕著になる。
【００３２】
図４において、駆動用ＩＣ２４と増幅器２５は極めて近接している。装置を小型化すればするほど光ファイバ間隔は狭くなり駆動用ＩＣと増幅器の距離は縮まってくる。信号の伝送速度が速ければ速いほど駆動用ＩＣから出る電波が強くなるし静電容量によりインピーダンス１／ｊωＣが小さくなる。クロストークが増大する条件がそろっている。
特に、１５６Ｍｂｐｓから６２２Ｍｂｐｓ、１．２５Ｇｂｐｓ〜２．５Ｇｂｐｓと高速化するにつれて、この送受信器間の電気的クロストークが問題になる。
【００３３】
最近は、ファイバ間隔が狭くなってきており、例えば先行例では、６．２５ｍｍ、４．５ｍｍ、或いは１ｍｍ以下と送受信間が近接してきている。狭いもので０．７５ｍｍ、０．２５ｍｍというものもあるので、クロストークは一層大きい。
クロストークには光学的クロストークと電気的クロストークがあり、電気的クロストークには従来の電波によるものだけでなく電流によるものがある。本発明はＳｉ基板を流れる電流によるクロストークを抑制することに主眼がある。
送受信部間、あるいは複数受信部間の電気的クロストークを抑制することによって、小型、安価の送受信モジュールを提供する事が本考案の目的である。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
本発明の光通信装置は、Ｓｉベンチの一部に穴を穿ち、受信部は絶縁物の補助基板上に実装しＳｉベンチの穴に嵌合し、送信部はＳｉベンチに直接実装するようにしたものである。つまり送信部は直接にＳｉ基板に実装し、受信部は絶縁補助基板を介し間接実装したものである。
【００３５】
従来の平面実装と鋭く異なる点は、受信部を絶縁補助基板に乗せ絶縁補助基板をＳｉ基板に取り付けるということである。
絶縁補助基板に受信部を乗せるから電流が基板に流れない。送信部からの電流が絶縁補助基板によって遮断される。送信部からの信号電流が受信部へと流れてくるのを絶縁補助基板によって禁止するのである。一口で言えば受信部を間接実装したというところに本発明の新規性がある。
【００３６】
送信部と受信部の電流路を、絶縁補助基板によって遮断したのである。絶縁基板は、ＳｉＯ２絶縁層よりもずっと厚いから高い繰り返しの周波数信号であってもこれを遮断できる。静電容量のインピーダンスは１／ｊωＣであるが、絶縁補助基板ももちろん容量をもつが、ＳｉＯ２絶縁層よりもずっと小さいＣである。だから絶縁補助基板によって隔てられた電流路のＣが小さくωが大きくてもインピーダンスは依然として大きい。だから送受信部間に電流が流れない。つまり電気的なクロストークを有効に抑制できる。
【００３７】
送受信間を交流的にも絶縁するために絶縁補助基板を介在させたものである。本発明の着想はそれに尽きる。であれば先ほど述べたものと反対に、送信部を絶縁補助基板に乗せ、受信部をＳｉ基板に直接実装しても良いようにも思われよう。
しかしながら、それは賢い選択でない。やはり絶縁補助基板には受信部を乗せるべきである。受信部間接実装、送信部直接実装、というのが本発明の提案である。それはＬＤ・光ファイバの軸合わせの許容誤差が、ＰＤ・光ファイバの軸合わせの許容精度よりずっと厳しいからである。
【００３８】
送信部を絶縁補助基板に乗せると所望の軸合わせ精度が得られない。ところがＰＤ・光ファイバを絶縁補助基板で結合した場合の精度は許容軸合わせ精度を満足できる。そのような送信部、受信部の許容誤差の非対称性に着目して、本発明は受信部を絶縁補助基板に乗せるようにした。
Ｓｉ基板を使った表面実装は、調芯という時間と手間の掛かる作業を排除するために考案されたものである。Ｓｉ単結晶に関するフォトリソグラフィなどの精密加工技術は他のどのような材料よりも成熟しており高精度の構造物を容易に得る事ができる。Ｓｉ基板だからＶ溝を穿ち、マークを付けマーク通りにＰＤやＬＤを取り付け、Ｖ溝に光ファイバを取り付けるだけで光ファイバとＬＤ、ＰＤが光学的に最適位置に固定される。それはＳｉ基板を採用する利点である。Ｓｉ基板の一部を絶縁補助基板によって置換すると、１μｍ単位の精度を要求されるＬＤ取り付けにはそのような位置決めの利点が失われる。
【００３９】
しかしながら、受信部では位置決め誤差が多少あっても甘受できる。だから本発明では受信部を間接実装するのである。送信部は正確な位置決めが必須だからＳｉ基板に直接実装する。これは譲れない。
【００４０】
平面実装は基板がＳｉの場合にもっとも精密な実装が可能である。ＬＤ・光ファイバは厳しい軸合わせを要求するから、Ｓｉ基板の優れた特性をそのまま利用するために送信部をＳｉ基板に搭載する。
【００４１】
絶縁物の場合、異方性エッチングを使えないし、位地決めの精度はＳｉ基板に劣る。しかしＰＤ・光ファイバはそれほど厳しい軸合わせを必要としない。だから受信部は絶縁補助基板に搭載するというわけである。
【００４２】
本発明者らは、平面実装方式について検討し、「ＬＤと光ファイバの実装トレランスは変えようがないが、ＰＤの方は実装トレランスをやや緩くできる。だからＰＤの方は、必ずしもＳｉベンチ上に形成されたＶ溝と同時かつ一体加工された基板上に存在する必要がないではないか？」と発想を変えてみた。そのような着想に基づいて本発明が成されている。
【００４３】
図８によって本発明の電流遮断作用を説明する。右半分は送信部であってＳｉ基板の上に直接に搭載されている。絶縁膜を介して駆動用ＩＣ４４とＳｉ基板３０が交流的に結合する。左半分は受信部であって、それは絶縁補助基板４６の上に取り付けられている。
【００４４】
薄い絶縁膜とは違って分厚い絶縁基板であるから、Ｓｉ基板を流れてきた電流はここでせき止められる。電流は絶縁補助基板には流れない。だから送信部からの高周波電流による送受信間のクロストークを効果的に防止することができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
平面実装の主となる基板は単結晶Ｓｉの板である。（１００）面を有するＳｉ単結晶を用いると、（±１±１±１）の面方位をもつＶ溝を異方性エッチングによって正確に穿つことができる。光ファイバを精度良く把持することができる。また本発明ではＳｉ基板に新たに穴を開ける必要があるが、これも異方性エッチングを有効に利用することができる。もちろん機械的手段によってＳｉ基板に穴を開けることも可能である。
【００４６】
補助基板は受信部を保持しＳｉ基板に穿った穴に入れる基板であるが、これは平坦で絶縁体であればよい。セラミック基板や液晶ポリマーの基板などを用いることができる。絶縁体であって電極パターンを設けることができる材料であればどのようなものであっても差し支えない。
【００４７】
送信部はＬＤと駆動用ＩＣを含む。駆動用ＩＣが有力なノイズ源であって、これの存在がクロストーク問題を深刻にする。送信部はそれ以外にモニタ用ＰＤを含むこともある。モニタＰＤを含む場合は、ＬＤ、駆動用ＩＣ、ＰＤの前後の順序に幾つかの選択肢がありうる。本発明は、駆動用ＩＣ、ＰＤの先後の順がいかなるものであっても適用することができる。
【００４８】
受信部はＰＤと増幅器を含む。ＰＤは、端面から光を入れることができる導波路型ＰＤ、端面傾斜型ＰＤを用いることができる。これらは入射の経路になんら変更を加える必要がない。しかし裏面入射型ＰＤを用いることも可能である。その場合は光を導くためのＶ溝や反射面を形成する必要がある。上面入射型ＰＤを使うこともできるが、その場合はＰＤを横向きに取り付けるためのサブマウントが必要になる。
【００４９】
ＰＤはＩｎＧａＡｓを受光層、ＩｎＰを基板とするものを利用できる。これは１．３μｍ帯光、１．５５μｍ帯光などに感度を有する。あるいはこれに限らずＳｉのＰＤや、ＧａＡｓのＰＤなどを用いることもできる。光電流を増幅する増幅器はＳｉ−ＩＣやＧａＡｓ−ＩＣである。入力インピーダンスが高くて送信部以外にも外部からのノイズを受け易いデバイスである。だから受信部は金属遮蔽板によって覆うようにしてもよい。金属遮蔽板によって覆い、絶縁補助基板の上のグランドパターンと接続しておけば外部ノイズを防止する上で効果がある。
【００５０】
受信部はＰＤと増幅器を絶縁補助基板の上に搭載したものである。これを、Ｓｉ基板の穴にはめこむ。Ｓｉ基板は伝導性があり電流を流すが、絶縁補助基板は電流をカットできるから電流によるクロストークをほぼ完全に除去することができる。また、数１００μｍ以上の厚みの絶縁補助基板を介して存在するＳｉ基板とＰＤやＩＣ用電極との間の静電容量は非常に小さくなり、１／ｊωＣの値は大きく、この点でもクロストークは激減する。
【００５１】
【実施例】
［実施例１（光ファイバ型；端面入射型ＰＤ；図５、６、７、１０）］
図５、６に本発明の第１実施例を示す。
長方形状のＳｉ基板３０を主たる基板とする。主となるＳｉ基板３０の後ろ半分の片一方には穴４７が穿たれ、そこに絶縁補助基板４６が埋め込まれる。Ｓｉ基板のそれを除く後半分にはＳｉＯ２絶縁層３１を設ける。図５の例では、光ファイバを前になるように置いて右側が送信部Ｂ、左側が受信部Ｃとなっているが、これは一例であって反対の配置であっても差し支えない。
【００５２】
もちろん前半部にも絶縁層があっても構わない。後半部は電極パターンを形成するから絶縁のために必須であるが前半部は絶縁層があってもなくても良い。ＳｉＯ２絶縁層はスパッタリングや酸化法によって形成できる。ＳｉＯ２以外のＳｉＮなどの絶縁層であっても差し支えない。前半部に平行２本のＶ溝３２、３３を形成する。前述のようにこれは異方性エッチングによって設けることもできる。Ｖ溝３２、３３には送信用光ファイバ３４、受信用光ファイバ３５が挿入固定されている。Ｓｉ基板３０の後半部右側には、絶縁層３１の上に、パターン３６、３８、４０が設けられる。これらは電子素子、光電素子を搭載するベースとなる電極パターン３６、３８と配線パターン４０である。前のパターン３８にはＬＤ４２を、後ろのパターン３６には駆動用ＩＣチップ４４を実装する。さらにワイヤ６１、６２、６３によって、ＬＤ４２、パターン４０、駆動用ＩＣ４４を接続する。
【００５３】
Ｓｉ基板３０の後半左半分に取り付けられる絶縁補助基板４６の上には、パターン３７、３９、４１が形成される。前の電極パターン３９にはＰＤ４３を搭載する。後ろの電極パターン３７には増幅器チップ４５を搭載する。ワイヤ６４、６５、６６によって、ＰＤ４３、パターン４１、増幅器４５を接続する。そのような予備的な作業は独立した絶縁補助基板４６の段階で行う。ワイヤボンディングまで行った絶縁補助基板４６をＳｉ基板の嵌合穴４７に挿入固定する。
【００５４】
これは図５、６に示した状態である。図７は受信部の中心線で切断した縦断面図である。ＰＤ４３、増幅器４５は絶縁補助基板４６の上にある。ＰＤ４３はエピダウンで絶縁補助基板４６に固定してある。光ファイバ３５のコアの高さをＰＤ４３の受光層の高さにそろえるためにそのような実装になっている。端面入射型ＰＤを用いるとこのような直線的な配置にすることができる。
【００５５】
図７からＳｉ基板−絶縁補助基板の二重構造となっていることが明瞭にわかる。このＳｉ基板をリードフレームに付け、リードフレームピンとパターンをワイヤボンディングしてエポキシ樹脂によってモールドすることによってデバイスができる。
【００５６】
以上の構造のデバイスを製造する手順を述べる。幅５ｍｍ×長さ１０ｍｍ×厚み１．５ｍｍの単結晶Ｓｉ基板を用意する。これは広い面積をもつＳｉウエハをリソグラフィ技術などによって複数分の基板を一挙に加工したものである。
Ｓｉウエハの上に、チップ単位ごとに、絶縁用のＳｉＯ２層（１μｍ厚）３１、光ファイバ（シングルモードファイバ、コア径１０μｍ×クラッド径１２５μｍ）固定用のＶ溝３２、３３、絶縁補助基板用嵌合穴（幅２ｍｍ×長さ４ｍｍ×深さ０．５ｍｍ）４７を穿つ。垂直壁を有する嵌合穴の形成には切削や超音波加工やＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などの乾式のエッチングを用いることもできる。
【００５７】
さらにＬＤ４２、ドライブ用Ｓｉ−ＩＣ（駆動用ＩＣ）４４を実装するＡｕメタライズパターン３８、３６、配線パターン４０を形成する。こうして多数のチップ分をウエハ上に製作したあとチップ毎の単位に切断して個々のチップとする。
チップとなったＳｉ基板の上に、ＬＤ４２、駆動用ＩＣ４４の部品を実装してゆく。
【００５８】
別途、例えば液晶ポリマーやセラミックのような整形できる絶縁材料によって絶縁補助基板（サブマウント）４６を作る。絶縁補助基板４６も大面積のものにウエハプロセスによって電極パターン３９、３７、配線パターン４１などを形成してから、個々の絶縁補助基板に切り出すものとする。個々の絶縁補助基板の上にＩｎＧａＡｓを受光層としＩｎＰ基板（５００μｍ角×２００μｍ厚み）の端面入射型の導波路型ｐｉｎ−ＰＤ４３をパターン３９の上に取り付ける。Ｓｉ−ＩＣの増幅器４５をパターン３７上に実装する。ＰＤ４３、増幅器４５、パターン４１を接続するに必要な結線をＡｕワイヤ６４、６５、６６によって行う。こうしてできた、受信部Ｃの絶縁補助基板４６を、Ｓｉ基板３０に前もって穿った嵌合穴（凹部）４７に嵌込み樹脂で固定する。
【００５９】
最後に、この場合では、１．７５ｍｍ間隔の２本のファイバ３４、３５をＶ溝３２、３３にエポキシ樹脂で固定する。
次にファイバとＬＤ／ＰＤ周りを透光性のシリコーン系樹脂で覆う。透光性であるのは、光ファイバ・ＬＤ間、光ファイバ・ＰＤ間で光が通る経路を透明に保つためである。屈折率が光ファイバとほぼ等しいものを選択して境界面での反射損失あるいは反射戻り光を減らす。シリコーン系樹脂は柔軟であって、素子、ワイヤを外力、衝撃から保護する作用がある。
【００６０】
Ｓｉベンチ３０をリードフレームのベースメタル上に固定する。リードピンと対応する基板３０、４６上の電極パターンをワイヤボンディングする。リードフレーム、Ｓｉベンチ３０の全体をエポキシ樹脂５７によってモールドする。こうして図１０に示すような送受信モジュールを完成する。全体はエポキシ樹脂５７によって包囲されている。二本の光ファイバ３４、３５と、適数のリードピン５１〜５４が樹脂パッケージの外部に突き出ている。
【００６１】
［実施例２（光ファイバ型；端面入射型ＰＤ；遮蔽板；図５、６、９、１０）］Ｓｉ基板、絶縁補助基板にデバイスを実装しワイヤボンディングした図５、図６の状態までは同様である。つまり送信部Ｂには光ファイバ３４、ＬＤ４２、駆動用ＩＣ４４が直線上に並んでいる。受信部Ｃには光ファイバ３５、ＰＤ４３、増幅器４５が直線上に並んでいる。
【００６２】
実施例２は絶縁補助基板４６に形成した受信部Ｃの上に図９のような金属遮蔽板４８を設けた。ここではΓ型の金属遮蔽板４８によって増幅器４５、ＰＤ４３を覆い、受信部Ｃをさらに保護したものである。外部や送信部Ｂから電磁波として侵入するノイズを金属遮蔽板が有効に遮断する。金属遮蔽板４８は電磁波ノイズを防止するだけでなくて光学的ノイズをも防ぐことができる。送信部のＬＤからの散乱光、迷光がＰＤに入る可能性があったが、金属遮蔽板はＰＤをＬＤから光学的に保護し光学的クロストークを減らすことができる。
【００６３】
電気的クロストーク、光学的クロストークを一層低減でき、さらに受信感度を上げることができる。これはΓ型片持ちになっているが、両持ちの金属遮蔽板を採用しても良い。あるいは単純に送信部と受信部を仕切る衝立状にしてもよい。金属遮蔽板４８の材料はＣｕ、Ｆｅ、ＫＯＶＡＲ、真鍮などである。ここでは、真鍮のΓ型遮蔽板を使い、受光部用基板（絶縁補助基板）４６のグランドメタライズに導電性ペーストによって固定した。
【００６４】
実施例１と同様にリードフレーム上にＳｉベンチ３０を固定して、全体をエポキシ樹脂５７によって樹脂モールドすると、図１０のようなファイバ２本の光送受信モジュールが完成する。
送受信ともにＳｉベンチに直接形成した図２の従来のモジュール形態では、１５６Ｍｂｐｓの送受信が精一杯であった。これに対して予め絶縁樹脂に受信部を作製して、Ｓｉベンチ嵌合穴に埋め込んだ本発明のモジュールでは、６２２Ｍｂｐｓ〜２．５Ｇｂｐｓまで送受信できた。
【００６５】
［実施例３（光導波路型；端面入射型ＰＤ；図１１、１０）］
上記の実施例１、２は導光に光ファイバを利用した例であった。導光のためにＳｉ基板に光導波路を形成した実施例を次に述べる。この場合は、導波路と相手側の光ファイバは光学コンタクトで接合される。図１１に実施例３の平面図を示す。
【００６６】
長方形状のＳｉ基板３０を主たる基板とする。主となるＳｉ基板３０の後ろ半分の片一方には穴４７が穿たれ、そこに絶縁補助基板４６が埋め込まれる。Ｓｉ基板のそれを除く後半分にはＳｉＯ２絶縁層３１を設ける。Ｓｉ基板３０の前半部にはＶ溝や光ファイバが存在しない。その代わりに光導波路５５、５６が形成されている。光導波路はクラッド・コア・クラッドの３層構造よりなる。Ｓｉ基板の表面にＳｉＯ２クラッド層を作製し、その上にＧｅなど屈折率を上げる不純物をドープしたＳｉＯ２コア層を積み重ねる。導光の経路となる部分だけマスクしてＧｅ−ＳｉＯ２層をエッチング除去する。その上にＳｉＯ２クラッド層を積み重ねる。こうしてＳｉＯ２三層構造によって光導波路を作製することができる。  光導波路の高さにＬＤ発光層、ＰＤ受光層の高さを揃える。その他の構造は、実施例１と同様である。受信部Ｃは光導波路５６の延長上にＰＤ４３、増幅器４５を並べてなる。送信部Ｂは光導波路５５の延長線上にＬＤ４２、駆動用ＩＣ４４を並べたものである。
【００６７】
それだけでもよいが実施例２のように金属遮蔽板４８を設けても良い。さらに透光性樹脂によって送信部Ｂ、受信部Ｃをポッティングし、Ｓｉ基板をリードフレームに固定し、光ファイバを光導波路端部に光学コンタクトし、図１０のように樹脂モールドして完成品とする。
【００６８】
［実施例４（光ファイバ型；裏面入射型ＰＤ；図１２、１０）］
実施例１〜３は端面入射型ＰＤを用いる場合であった。端面入射型ＰＤというのは導波路型ＰＤと傾斜端面型ＰＤがある。これは光導波路、光ファイバと軸線上にＰＤを並べる事ができ構造が単純だという利点がある。端面入射型ＰＤを使っても非常な高感度を要求しない限り充分に使用できる。
【００６９】
しかし端面入射型ＰＤは実装のトレランスが少し厳しくなる。有効な入射面積が狭いから、それはやむを得ないことである。それに端面入射型ＰＤはそれ自体珍しい形式のＰＤだと言える。
やはり最もよく利用されるＰＤは裏面入射型である。裏面入射型は有効な受光面積が広くて高感度が期待できる。実装トレランスもより大きくなって実装容易、歩留まりが向上する。図１２に裏面入射型ＰＤを使った送受信モジュールの受信部で切った断面図を示す。
【００７０】
Ｓｉ基板３０の後ろ半分の片一方には穴４７が穿たれ、そこに絶縁補助基板４６が埋め込まれる。Ｓｉ基板のそれを除く後半分にはＳｉＯ２絶縁層３１を設ける。Ｓｉ基板３０の前半部に平行２本のＶ溝３２、３３を形成する。Ｖ溝３２、３３には送信用光ファイバ３４、受信用光ファイバ３５が挿入固定されている。
【００７１】
Ｓｉ基板３０の後半部右側には、絶縁層３１の上に、パターン３６、３８、４０が設けられる。前の電極パターン３８にはＬＤを、後ろの電極パターン３６には駆動用ＩＣチップ４４を実装する。さらにワイヤ６１、６２、６３によって、ＬＤ４２、パターン４０、駆動用ＩＣ４４を接続する。
【００７２】
Ｓｉ基板３０の後半左半分の嵌合穴４７に取り付けられる絶縁補助基板４６の構造が実施例１〜３と少し異なっている。裏面入射型のＰＤを用いるから一直線の光路を用いるわけにゆかない。絶縁補助基板４６の前端に導光用溝５８を形成する。これは三角断面、矩形断面、円形断面など任意である。光ファイバ３５から出射した受信光Ｒは導光用溝５８を通り傾斜反射面４９で反射して裏面からＰＤ４３に入る。底面で反射し基板を通り抜けて受光層５０にいたるようになっている。その背後に増幅器４５が設けられＰＤ４３と増幅器４５がワイヤによって接続される。
【００７３】
裏面入射型のＰＤの場合、ＰＤが光ファイバのコアのレベルよりも上方に持ち上がる。そのために、受信部Ｃが送信部よりも高くなってしまう。平面図では図５と同様になるが、実際には受信部の方が送信部よりも高い。しかしそのようなレベルの違いがある場合こそ、主となる基板と補助となる基板が分離している本発明はより有効だという事が言える。この実施例では受信部のレベルは絶縁補助基板によって自由に決めることができる。だから穴４７より幾分突出するような厚みを絶縁補助基板に与えておき、送信部、受信部の高さを適当に決定することができる。つまり基板を二分割することは裏面入射型ＰＤを利用する場合かえって好都合なのである。例えば、絶縁補助基板が厚いほど導電性のＳｉ基板からの距離が遠くでき、電気クロストークについては有利になるなどである。この実施例４でも６２２Ｍｂｐｓ〜２．５Ｇｂｐｓの信号を送受信することができた。
以上は、駆動用ＩＣと増幅器双方を含む場合であるが、これらのいずれかがなくても配線パターンは必ず存在しノイズ源となるため、本発明はこれらの駆動用ＩＣや増幅器のない場合も有効である。
【００７４】
【発明の効果】
平面実装方式の送受信器において、今まで送受信部が、必ずＳｉ基板表面になければならないという思い込みがあった。その頑固な思い込みを打破し、本発明者は受信部を別に絶縁基板上に形成し後ほど送信部とＳｉ基板上で一体化する送受信器を発明した。そうすることによって、ＬＤ側に対しては精度良く実装でき、かつ薄いＳｉＯ２のすぐ下がＳｉであるので放熱も良いという特徴を生かしている。と同時に、やや実装精度の緩い受信部は電気的に切り離して、送信部からのノイズをなくすという優れた発明である。
【００７５】
本発明の送受信器は、確実に送信部、受信部間の電気的クロストークをなくす事ができる。小型かつ低コストで高性能の通信機器ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属パッケージにＬＤチップ、ＰＤチップを内蔵したＬＤモジュール、ＰＤモジュール、送信用電子回路、受信用電子回路をプリント基板に取り付けた現在主流として使用されている送受信器の概略構成図。
【図２】高橋龍太、村上和也、須永義則、所武彦、小林雅彦「ＳＦＦ光トランシーバ用光素子実装方法の検討」１９９９年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、講演番号Ｃ−３−２８、ｐ１３３（１９９９）が提案した送受信器の概略平面図。
【図３】仮想例の平面実装型送受信器において、Ｓｉ基板上に実装したデバイスとＳｉ基板の間には薄い絶縁膜があるだけでキャパシタとしての絶縁膜を介してデバイスとＳｉ基板の間に電流が流れることを説明するための断面図。
【図４】仮想例の平面実装型送受信器において、Ｓｉ基板上に平行して送信部と受信部を設けると、送信部の駆動用ＩＣの強い信号電流が、薄い絶縁膜とＳｉ基板の抵抗を介して、受信部のインピーダンスの高い増幅器に流れるということを説明するための断面図。
【図５】導光経路に光ファイバを用い、端面入射型のＰＤを受信器に用いた本発明の第１の実施例にかかる送受信モジュールの平面図。
【図６】導光経路に光ファイバを用い、端面入射型のＰＤを受信器に用いた本発明の第１の実施例にかかる送受信モジュールの駆動用ＩＣと増幅器を通る直線で切った縦断面図。
【図７】導光経路に光ファイバを用い、端面入射型のＰＤを受信器に用いた本発明の第１の実施例にかかる送受信モジュールのＰＤと増幅器を通る直線で切った縦断面図。
【図８】絶縁補助基板の上に受信部を、Ｓｉ基板に送信部を乗せた本発明の送受信モジュールにおいて、送信部の駆動用ＩＣから、受信部の増幅器に向かう電流が絶縁補助基板によって遮断されるから電気的クロストークが低減するということを説明するための本発明の送受信モジュールの増幅器と駆動用ＩＣを通る直線で切った説明用断面図。
【図９】絶縁補助基板上の受信部をさらに金属の遮蔽板によって覆う事によって、電気的、光学的クロストークをさらに減少させる本発明の第２の実施例を示す平面図と側面図。
【図１０】Ｓｉ基板をリードフレームに固定し、エポキシ樹脂によってモールドした本発明の送受信モジュールの斜視図。
【図１１】  導光経路に光導波路を用い、端面入射型のＰＤを受信器に用いた本発明の第３の実施例にかかる送受信モジュールの平面図。
【図１２】導光経路に光ファイバを用い、裏面入射型のＰＤを受信器に用いた本発明の第４の実施例にかかる送受信モジュールの受信部のＰＤと増幅器を通る直線で切った縦断面図。
【符号の説明】
１  ＬＤ
２  ＰＤ
３  光ファイバ
４  光ファイバ
５  配線基板
６  送信用電子回路
７  受信用電子回路
８  金属遮蔽板
１０  Ｓｉ基板
１１  ＳｉＯ２絶縁層
１２  Ｖ溝
１３  Ｖ溝
１４  光ファイバ
１５  光ファイバ
１６〜２１  電極パターン
２２  ＬＤ
２３  ＰＤ
２４  駆動用ＩＣ
２５  増幅器
２６  境界線
２７  電気的素子
２８  電極パターン
２９  絶縁層
３０  Ｓｉ基板
３１  ＳｉＯ２絶縁層
３２  Ｖ溝
３３  Ｖ溝
３４  光ファイバ
３５  光ファイバ
３６〜３９  電極パターン
４０、４１  配線パターン
４２  ＬＤ
４３  ＰＤ
４４  駆動用ＩＣ
４５  増幅器
４６  絶縁補助基板
４７  嵌合穴
４８  金属遮蔽板
４９  傾斜反射面
５０  受光層
５１〜５４  リードピン
５５  送信光用光導波路
５６  受信光用光導波路
５７  樹脂パッケージ
５８  導光用溝
６１〜６６  ワイヤ
７０  モニタＰＤ
Ｂ  送信部
Ｃ  受信部
Ｓ  送信光
Ｒ  受信光
【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】
0003921940.tif 000009
【図９】
0003921940.tif 000010
【図１０】
0003921940.tif 000011
【図１１】
0003921940.tif 000012
【図１２】
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