(57)【要約】  フィードスルーの伝達特性を広帯域にわたって良好なものとする。  フィールドスルー型光モジュール（１００）は、裏面導体付きコプレーナ線路を形成し、高周波部品を搭載する誘電体基板（１）と、その上に配置された枠体（２）とを有している。誘電体基板（１）および枠体（２）には、複数の貫通電極（５、６）が形成されている。ここで、誘電体基板および枠体の厚さをそれぞれｔ１、ｔ２、貫通電極（５、６）の配置ピッチをｄ１、ｄ２、誘電体基板（１）および枠体（２）の比誘電率をそれぞれεｒ１、εｒ２、最高使用周波数をｆ、光速をｃ０とする。厚さｔ１、ｔ２および配置ピッチｄ１、ｄ２は、数式ｔ１＜ｃ０／（４ｆ・（εｒ１−１）１／２）、ｔ２＜ｃ０／（４ｆ・（εｒ２−１）１／２）、ｄ１＜ｃ０／（４ｆ・εｒ１１／２）、ｄ２＜ｃ０／（４ｆ・εｒ２１／２）を満たしている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面電極付きコプレーナ線路を形成する第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板上に配置され、少なくとも前記コプレーナ線路上に開口部が形成されると共に、上面に上面電極が形成された第２の誘電体基板とを有し、
前記第１の誘電体基板は、前記コプレーナ線路の表面グラウンドと前記裏面電極とを短絡する複数の第１の貫通導体を備え、
前記第２の誘電体基板は、前記表面グラウンドと前記上面電極とを短絡する複数の第２の貫通導体と、前記コプレーナ線路の主線路に沿う方向に交差する、前記第２の誘電体基板の端面に形成され、前記表面グラウンドと前記上面電極とを短絡する第２の端面導体とを備えるフィードスルー構造体において、
前記第１および前記第２の誘電体基板の比誘電率をそれぞれεｒ１、εｒ２、前記主線路が伝搬する最高使用周波数をｆ、光速をｃ０としたときに、
前記第１および前記第２の誘電体基板のそれぞれの厚さｔ１、ｔ２、および、前記主線路に沿う方向における、前記第１および前記第２の貫通導体のそれぞれの配置ピッチｄ１、ｄ２は、
ｔ１＜ｃ０／（４ｆ・（εｒ１−１）１／２）
ｔ２＜ｃ０／（４ｆ・（εｒ２−１）１／２）
ｄ１＜ｃ０／（４ｆ・εｒ１１／２）
ｄ２＜ｃ０／（４ｆ・εｒ２１／２）
を満たすことを特徴とするフィードスルー構造体。
【請求項２】
前記第１の貫通導体の前記配置ピッチｄ１と、前記第２の貫通導体の前記配置ピッチｄ２とが同じであって、そのときの配置ピッチｄが、
ｄ＜ｃ０／（４ｆ・εｒ１／２）（εｒ：εｒ１とεｒ２のいずれか大きい方）
を満たす、請求項１に記載のフィードスルー構造体。
【請求項３】
前記第１および前記第２の誘電体基板が、
ｔ１・εｒ１１／２＝ｔ２・εｒ２１／２
を満たす、請求項１または２に記載のフィードスルー構造体。
【請求項４】
前記第１の誘電体基板が、前記主線路に沿う方向に交差する、前記第１の誘電体基板の端面に形成され、前記表面グラウンドと前記裏面電極とを短絡する第１の端面導体をさらに有するものであって、
前記第１の端面導体は、前記第１の誘電体基板の前記端面内において、前記主線路を間において対称に配置され、
前記第２の端面導体は、前記第２の誘電体基板の前記端面内において、前記主線路を間において対称に配置され、
前記第１の端面導体同士の距離ｄ１１および前記第２の端面導体同士の距離ｄ１２は、それぞれ、
ｄ１１≦ｃ０／（２ｆ・εｒ１１／２）
ｄ１２≦ｃ０／（２ｆ・εｒ２１／２）
を満たす、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフィードスルー構造体。
【請求項５】
前記第１および前記第２の端面導体は、前記第１および前記第２の誘電体基板を貫通する貫通導体を分割して設けられたものである、請求項４に記載のフィードスルー構造体。
【請求項６】
前記第１の誘電体基板および前記第２の誘電体基板は、それぞれの前記厚さｔ１、ｔ２が同一であり、かつ、同一材料からなる、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のフィードスルー構造体。
【請求項７】
前記第１の誘電体基板および前記第２の誘電体基板は、セラミック、ガラス、または樹脂のうちのいずれか１つからなる、請求項６に記載のフィードスルー構造体。
【請求項８】
前記第１の誘電体基板および前記第２の誘電体基板は、互いにほぼ等しい線膨張係数を有する、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のフィードスルー構造体。
【請求項９】
前記第１の誘電体基板および前記第２の誘電体基板は、気密性および耐水性に優れた材料からなる、請求項１ないし８のいずれか１項に記載のフィードスルー構造体。
【請求項１０】
前記第１の誘電体基板および前記第２の誘電体基板は、金属材料をろう付けできる材料からなる、請求項１ないし９のいずれか１項に記載に記載のフィードスルー構造体。
【請求項１１】
前記コプレーナ線路の前記主線路および前記表面グラウンドの少なくとも一部にメッキが施されている、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のフィードスルー構造体。
【請求項１２】
電極表面にワイヤボンディングが可能であるか、または、バンプを形成できる請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のフィードスルー構造体。
【請求項１３】
電極表面にリード電極が設けられている、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のフィードスルー構造体。
【請求項１４】
前記第１の誘電体基板の外周面のうちの少なくとも１面と、前記第２の誘電体基板の外周面のうちの少なくとも１面とが同一平面内にある、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のフィードスルー構造体。
【請求項１５】
前記同一平面内にある、前記第１および前記第２の誘電体基板の前記外周面のそれぞれに複数のバンプが形成されており、
前記複数のバンプは、前記第２の誘電体基板の前記開口部内に配置される高周波回路部品とに導通するように構成されている、請求項１４に記載のフィードスルー構造体。
【請求項１６】
前記複数のバンプが形成された前記外周面は、前記主線路に沿う方向と平行である、請求項１５に記載のフィードスルー構造体。
【請求項１７】
前記コプレーナ線路がアレイ状に配置されている、請求項１ないし１６のいずれか１項に記載のフィードスルー構造体。
【請求項１８】
請求項１ないし１７のいずれか１項に記載のフィードスルー構造体と、
前記第１の誘電体基板上であって、前記第２の誘電体基板の前記開口部内に配置された高周波回路部品とを有する、フィードスルー型光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィードスルー構造体およびフィードスルー型光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネット等の広帯域マルチメディア通信サービスの爆発的な需要増加に伴って、より大容量かつ高機能な光ファイバ通信システムの開発が求められている。こうした大規模な通信ネットワークシステムに用いられる光モジュールの数はそのシステムの巨大化にともなって増加の一途をたどっている。光モジュール自体の大きさはもちろん、光モジュールがシステム全体に占めるコスト・実装負荷も無視できない。このため、光モジュール自体の小型化・高機能集積化・低コスト化はもちろん、より使い易い電気／光信号入出力インターフェースの実現も重要な課題である。【０００３】
従来、通信用光モジュール、特に基幹系向けの光モジュールの形態としては、レンズ等を介してパッケージ内の半導体光素子と結合されたピグテール光ファイバを光信号入出力インターフェースとしたものが知られている。他にも、ＧＰＯコネクタ等に代表される高周波対応の同軸コネクタを電気入出力インターフェースとしたもの（バタフライモジュールとも呼ばれる）なども知られている。【０００４】
しかし、光モジュール専用に開発された小型の高周波同軸コネクタはほとんどないに等しく、現在入手可能な標準規格品は光モジュールのパッケージ寸法に比べていずれも大きくなりがちである。パッケージに合わせて同軸コネクタの形状を部分的に変更することはもちろん可能であるが、結果的にコスト増加や汎用性の低下を招く。【０００５】
同軸コネクタ型の電気入出力インターフェースを備えた光モジュールをプリント基板上へ実装する際には、同軸コネクタの可動スペースや同軸線路を引き回すスペースを考慮する必要がある。また、同軸コネクタを締め付けるトルクレンチの可動範囲まで予め考慮したうえで、光モジュール搭載部周辺に余裕を持たせたレイアウト設計とすることも必要であり、部品実装効率やレイアウト自由度の観点からも好ましくない。【０００６】
なお、この点に関し、コネクタ締め付けが不要な、いわゆる簡易着脱（スナップ−オン）型の同軸コネクタも一部で使われている。しかし、高周波特性が若干犠牲になるうえ、同軸コネクタ自身の可動スペースや同軸線路を引き回すためのスペースが必要なことには変わりがない。また、たとえロボットを使って光モジュールをプリント基板上へ自動実装できたとしても、同軸コネクタの引き回しや着脱は人手に頼らざるを得ない。そのため、プリント基板組立工程のスループットの改善やコスト削減効果にも限りがある。【０００７】
同軸コネクタに代わるより小型で使い易い電気信号入出力インターフェースとして「フィードスルー」が知られている。従来、本来パッケージ内の素子に給電するための機構であるフィードスルーを、より高周波信号まで扱えるように改良し、超高速ＩＣモジュールや通信用光モジュールへ応用する試みが続けられてきた。【０００８】
「フィードスルー」とは、その名のとおりパッケージの側壁内を導体が貫通する給電機構の総称である。フィードスルーには、誘電体壁に金属棒を貫通させただけの単純構造のものと、平面回路をベースとする構造のもの（誘電体基板として主にセラミックを用いたマイクロストリップやコプレーナ導波路など）との２つに大別できる。なお、上述の同軸コネクタも広義のフィードスルーであり、前者に分類することができる。【０００９】
いずれのフィードスルーも、適切に設計すれば高周波信号に対して実用的な電気信号入出力インターフェースとして機能するものである。特に、後者は小型化や低コスト化の面で有利な構造である。なお、もしパッケージが導電性材料からなる場合には、信号線とパッケージとが短絡しないよう、セラミックなど気密性に優れる誘電体材料をパッケージ側壁に埋め込み、その内部にリード線やストリップ線路を貫通させる構造とされる。【００１０】
フィードスルーは、超高速ＩＣや通信用光モジュールへ応用する際に必要とされる小型化・広帯域化の要求に応えるかたちで改良が加えられてきた。例えば、コプレーナ導波路やマイクロストリップ線路をベースとしたものでは既に１０Ｇｂ／ｓの高速電気信号まで扱うことができるようになっている。【００１１】
フィードスルーの従来の構成例については例えば特開２００２−１９０５４１号公報に開示されている。同文献の高周回路用パッケージでは、高周波回路部品が配置された誘電体基板上に、その高周波回路部品を囲むように誘電体からなる枠体が積層されている。さらにその枠体上には、蓋体が取り付けられており、これにより高周波回路部品がパッケージングされている。【００１２】
誘電体基板上には、コプレーナ線路として、高周波回路部品に高周波信号を伝送するための線路導体（主線路）と、その両側に設けられた接地導体層（表面グラウンド）とが形成されている。これらの導体は、誘電体基板の端部まで引き出されている。上記のように、誘電体基板上には枠体が取り付けられているため、コプレーナ線路の一部は、誘電体基板と枠体とによって挟み込まれる。【００１３】
誘電体基板の裏面の全体には接地用の下部導体層（裏面電極）が形成されている。上記枠体の上面にも、例えば金などからなる金属膜（上面電極）が形成されている。裏面電極および上面電極はいずれも、誘電体基板および枠体をその厚さ方向にそれぞれ貫通する貫通電極（ビア）によってコプレーナ線路の表面グラウンドに接続される。これにより裏面電極および上面電極は接地導体として機能する。こうして構成された接地導体の断面形状は環状となっており、コプレーナ線路の主線路は、この環状となった導体の略中心に位置することとなる。このため、その構成は擬似的に導波管の構成となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記文献（特開２００２−１９０５４１号公報）には、上面電極が設けられたことによる伝達特性への影響が十分に考慮されておらず、また、同文献に示された構造の持つ問題およびその対策が正しく示されていない。【００１５】
この問題とは、同文献のフィードスルー周辺の構造の断面形状が、「対称ストリップ線路」（またはそのアレイ）の形態、すなわち、ちょうど誘電体を充填した平行平板の中にストリップ線路の主電極パターンが埋め込まれているような形態をとることで必然的に生じるものである。同文献のフィードスルーの信号伝達特性は、こうした対称ストリップ線路（およびそれから派生した構造）のそれと同様に振る舞うと考えられる。【００１６】
ここで、「対称ストリップ線路」における課題は、
（１）厚さ方向の対称性が破れた場合の放射抑制
（２）平行平板間を充たす誘電体の厚さ方向高次モードの伝搬抑制
（３）平行平板モードの伝搬抑制
の３つに大別できる。【００１７】
まず、（１）については、ストリップ線路表面を覆う誘電体（枠体）を、高周波平面回路基板と同材料とすること、および両部材の厚さを同じにすることで比較的容易に解決可能である。しかし、誘電体の厚さを自由に設定できなくという、設計上の自由度が制約される難点もある。【００１８】
次に、（２）の厚さ方向高次モードの伝搬を抑制するためには、フィードスルーを使用するモジュールの最高使用周波数において、誘電体の厚さ方向に単一モード条件を満たす必要がある。また、誘電体の比誘電率と最高使用周波数とに応じて、誘電体の厚さに制約を設ける必要がある。【００１９】
さらに、（３）の平行平板モードの伝搬を抑制するためには、互いに平行平板を成す上下の導体、すなわち高周波平面回路基板の裏面導体と、上面導体とを同電位に保つことで存在そのものを抑える方法がある。あるいは、周期構造などを設けて伝搬を阻止する方法もある。【００２０】
前者では、平行平板を成す両方の導体を互いに高周波的に短絡させる構造上の工夫が必要となる。高周波平面回路基板が裏面導体付きコプレーナ導波路の場合には、その表面グラウンドと上面電極、および表面グラウンドと裏面導体がそれぞれ平行平板を成す。そのため、これら３つの導体を、例えば貫通導体を用いて高周波的に短絡する機構が必要である。しかし、高周波平面回路基板に広く用いられる貫通導体（ビア）は、代表的な電極材料である金（Ａｕ）を用いたとしてもミリ波帯では表皮厚さが１μｍに満たない。また、貫通導体はその寄生インダクタンスも無視できない。よって周波数とともにインピーダンスが増加し、特にミリ波帯では理想的な短絡状態を実現することが難しい。【００２１】
一方、後者の周期構造に関しては、平行平板モードの伝搬を抑制する手段として、貫通導体を、誘電体の媒質内伝搬波長の１／４以下の間隔で周期的に配置する方法が広く用いられている。ところで、フィードスルーとは本来、パッケージの比較的薄い側壁に埋め込める程度に小さな電気入出力インターフェースとして有用なものである。また、媒質内伝搬波長は、ミリ波帯においてパッケージ側壁の厚さに比べて薄くなる場合が多い。したがって、周期性が生まれるほど貫通導体を並べて配置することはあまり期待できない。【００２２】
以上述べたとおり、上記従来文献に記載のフィードスルーの構造は、その伝達特性に課題を抱えているうえ、これを解決するための手段についても何ら対策が講じられていない。よって、直流からミリ波帯にわたる超広帯域な電気信号入出力インターフェースとして実用化することが困難である。【００２３】
そこで本発明の目的は、上記従来文献に記載された従来のフィードスルー構造体が抱えるこれらの問題点を克服し、広帯域にわたって良好な伝達特性を有する、フィードスルー構造体およびフィードスルー型モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するため、本発明のフィードスルー構造体は、裏面電極付きコプレーナ線路を形成する第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板上に配置され、少なくとも前記コプレーナ線路上に開口部が形成されると共に、上面に上面電極が形成された第２の誘電体基板とを有し、前記第１の誘電体基板は、前記コプレーナ線路の表面グラウンドと前記裏面電極とを短絡する複数の第１の貫通導体を備え、前記第２の誘電体基板は、前記表面グラウンドと前記上面電極とを短絡する複数の第２の貫通導体と、前記コプレーナ線路の主線路に沿う方向に交差する、前記第１の誘電体基板の端面に形成され、前記表面グラウンドと前記上面電極とを短絡する第２の端面導体とを備えるフィードスルー構造体において、前記第１および前記第２の誘電体基板の比誘電率をそれぞれεｒ１、εｒ２、前記主線路が伝搬する最高使用周波数をｆ、光速をｃ０としたときに、前記第１および前記第２の誘電体基板のそれぞれの厚さｔ１、ｔ２、および前記主線路に沿う方向における、前記第１および前記第２の貫通導体のそれぞれの配置ピッチｄ１、ｄ２は、
ｔ１＜ｃ０／（４ｆ・（εｒ１−１）１／２）
ｔ２＜ｃ０／（４ｆ・（εｒ２−１）１／２）
ｄ１＜ｃ０／（４ｆ・εｒ１１／２）
ｄ２＜ｃ０／（４ｆ・εｒ２１／２）
を満たすことを特徴とする。【００２５】
また、本発明のフィードスルー構造体は、前記第１の貫通導体の前記配置ピッチｄ１と、前記第２の貫通導体の前記配置ピッチｄ２とが同じであって、そのときの配置ピッチｄが、ｄ＜ｃ０／（４ｆ・εｒ１／２）（εｒ：εｒ１とεｒ２のいずれか大きい方）を満たすものであってもよい。さらに、コプレーナ線路がアレイ状に配置されているものであってもよい。【００２６】
このように構成された本発明のフィードスルー構造体は、上述した従来文献の構成と比較して、次の（１）〜（３）の点で相違している。すなわち、（１）表面グラウンドと上面電極とに挟まれた第２の誘電体基板の厚さを、最高使用周波数に対応させて規定している点、（２）フィードスルーの入出力不連続部に設けた第２の端面基板を用い、表面グラウンドと上面電極とを短絡している点、および、（３）第１および第２の貫通導体に関して、隣接する貫通導体同士の間隔を、最高使用周波数に対応させて規定している点である。【００２７】
これにより、フィードスルーのような導波路不連続構造において発生しやすい不要モード（表面グラウンドと上面電極とに挟まれた第２の誘電体基板中を伝搬する厚さ方向の高次モードおよび平行平板モード）の励振と伝搬が効果的に抑えられる。その結果、電気信号入出力インターフェースとしての伝達特性が飛躍的に改善される。【００２８】
この第１の理由は次のとおりである。すなわち、本発明では、表面グラウンドとこれに最も近い上面電極とに挟まれた第２の誘電体基板の厚さが、最高使用周波数におけるその媒質内伝搬波長の１／４以下に抑えられている。そのため、厚さ方向の高次モードが伝搬されなくなり、高次モードがフィードスルーを構成するストリップ線路の基本伝搬モードに結合することが阻止されるためである。【００２９】
仮に、こうした誘電体厚さに関する規定がない従来の構造体を用いて電気信号を伝達させた場合、ある周波数を超えたところから、厚さ方向の高次モードの励振と伝搬を阻止できない可能性がある。その結果、フィードスルーを構成するストリップ線路の基本伝搬モードの伝達特性が、この高次モードとの結合によって著しく損なわれるという不都合を招くことが懸念される。【００３０】
第２の理由は、フィードスルーに形成した第２の端面導体を用い、表面グラウンドと上面電極とを高周波的に短絡している点にある。これにより、両方の導体の高周波的な電位がほぼ等しくなり、その結果、不要モード（この場合は表面グラウンドと上面導体との間を伝搬する平行平板モード）が励振されることが未然に阻止される。【００３１】
仮に、こうした高周波短絡するための端面導体がない従来例の構造を用いて電気信号を伝達させた場合、上記の不連続境界における表面グラウンドと上面導体の間に高周波的な電位差が生じる。これにより、これらに挟まれた誘電体中に平行平板モードが励振される可能性がある。そうすると、フィードスルーを構成するストリップ線路の基本伝搬モードの伝達特性がこの平行平板モードとの結合によって著しく損なわれるという不都合を招くことが懸念される。【００３２】
第３の理由は、最高使用周波数における誘電体内伝搬波長の１／４以下の間隔で第２の貫通導体を配置し、表面グラウンドと上面導体とを高周波的に短絡している点にある。これにより、仮に第２の理由で述べた効果が不十分で平行平板モードが励振されてしまったとしてもその伝搬を抑えることができる。よって、この平行平板モードがフィードスルーを構成するストリップ線路の基本伝搬モードに結合することが阻止される。【００３３】
上述したように、上記（１）〜（３）をすべて組み合わせることで初めて直流からミリ波帯にわたる理想的な広帯域伝達特性を備えるフィードスルーが実現できる。一方、もしこれらのうちどれか一つでも条件を満たさない場合にはその伝達特性が必ず制約を受け、実用的な広帯域フィードスルーとして機能させることは難しい。【００３４】
なお、上述した構造上の工夫は、従来のフィードスルーを製造する代表的な手法であるセラミックシートの多層焼成技術に何ら変更を加えることなく容易に実現可能である。電極配線のパターニングについては全く同じ工程を用いることが可能である。誘電体基板の厚さの制約に関しても、予め適当な厚さのセラミックシートを選択するだけでよい。また、貫通導体についても、セラミックをベースとする高周波平面回路基板の貫通導体の形成と全く同一手法で形成可能である。さらに、端面導体についても、例えば、セラミック基板に形成された貫通導体を横切るようにダイシングブレードで切断することで実施可能である。なお、材料に関しては、セラミック以外にもガラスや誘電体結晶、樹脂材料などを用いることが可能である。【００３５】
上記本発明のフィードスルー構造体は、また、前記第１および前記第２の誘電体基板が、ｔ１・εｒ１１／２＝ｔ２・εｒ２１／２を満たすものであってもよい。【００３６】
また、前記第１の誘電体基板が、前記コプレーナ線路の主線路に沿う方向に交差する、前記第１の誘電体基板の端面に形成され、前記表面グラウンドと前記裏面電極とを短絡する第１の端面導体をさらに有するものであって、前記第１の端面導体は、前記第１の誘電体基板の前記端面内において、前記主線路を間において対称に配置され、前記第２の端面導体は、前記第２の誘電体基板の前記端面内において、前記主線路を間において対称に配置され、前記第１の端面導体同士の距離ｄ１１および前記第２の端面導体同士の距離ｄ１２は、それぞれ、ｄ１１≦ｃ０／（２ｆ・εｒ１１／２）およびｄ１２≦ｃ０／（２ｆ・εｒ２１／２）を満たすものであってもよい。【００３７】
また、前記第１および前記第２の端面導体は、前記第１および前記第２の誘電体基板を貫通する貫通導体を分割して設けられたものであってもよい。【００３８】
また、第１の誘電体基板および第２の誘電体基板は、それぞれの前記厚さｔ１、ｔ２が同一であり、かつ、同一材料からなるものでもよく、その材料としてはセラミック、ガラス、または樹脂のうちのいずれか１つであってもよい。あるいは、同一材料ではなくても、両基板は互いにほぼ等しい線膨張係数を有することが好ましい。さらに具体的には、第１の誘電体基板および第２の誘電体基板の材料は、気密性および耐水性に優れていることが好ましく、また、金属材料をろう付けできることが好ましい。【００３９】
また、前記コプレーナ線路は、前記主線路および表面グラウンドの少なくとも部分にメッキが施されているものであってもよい。さらに、それら電極表面にワイヤボンディングが可能であるか、または、バンプを形成できることが好ましい。また、電極表面にリード電極が設けられていてもよい。【００４０】
また、上記本発明のフィードスルー構造体は、前記第１の誘電体基板の外周面のうちの少なくとも１面と、前記第２の誘電体基板の外周面のうちの少なくとも１面とが同一平面内にあるものであってもよく、この場合、前記同一平面内にある、前記第１および前記第２の誘電体基板の前記外周面のそれぞれに複数のバンプが形成されており、前記複数のバンプは、前記第１および前記第２の端面導体と、前記第２の誘電体基板の前記開口部内に配置される高周波回路部品とに導通するように構成されているものであってもよい。さらに、前記複数のバンプの形成された前記外周面は、前記主線路に沿う方向と平行であってもよい。【００４１】
上記本発明のフィードスルー構造体の、前記第１の誘電体基板上であって、前記第２の誘電体基板の前記開口部内に高周波回路部品を配置することにより、本発明のフィードスルー型光モジュールが得られる。
【発明の効果】
【００４２】
上述したように、本発明のフィードスルー構造体およびフィードスルー型光モジュールによれば、下記（１）〜（３）により次のような効果が得られる。すなわち、本発明では、（１）表面グラウンドと上面電極とに挟まれた第２の誘電体基板の厚さを、最高使用周波数に対応させて規定し、（２）フィードスルーの入出力不連続部に設けた第２の端面基板を用いて表面グラウンドと上面電極とを短絡し、さらに、（３）第１および第２の貫通導体に関して、隣接する貫通導体同士の間隔を、最高使用周波数に対応させて規定している。これにより、超高速ＩＣや光通信用デバイスなど、超高速信号を扱う素子を使用する場合であっても、直流からミリ波帯にわたる理想的な広帯域伝達特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態によるフィードスルー型光モジュールを示す斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施形態によるフィードスルー型光モジュールを示す断面図である。
【図２Ａ】本発明の第２の実施形態によるフィードスルー型光モジュールを示す上面図である。
【図２Ｂ】本発明の第２の実施形態によるフィードスルー型光モジュールを示す側面図である。
【図３Ａ】フィードスルー型光モジュールの小信号周波数応答特性を示すグラフである。
【図３Ｂ】フィードスルー型光モジュールの小信号周波数応答特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１  誘電体基板
２  枠体
５、６  貫通電極
１０、１１  端面電極
２１  裏面電極
２２  表面グラウンド
２３  上面電極
２５  主線路
１００、１０１  フィードスルー型光モジュール
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。【００４６】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態によるフィードスルー型光モジュールを示している。図１Ａはフィードスルー型光モジュールの斜視図であり、また、図１Ｂは同モジュールのフィードスルー周辺をその長手方向（図示「信号伝搬軸」方向）に切断した拡大断面図である。【００４７】
フィードスルー型光モジュール１００は、誘電体基板１と、誘電体基板１上に配置される枠体２とを有ししている。パッケージ内（誘電体基板１上）にいずれも図示しないが、例えば、光素子等の高周波回路部品、それを制御するための電子回路、および光素子に信号光を結合するためのレンズ等が搭載されている。【００４８】
誘電体基板１は、シート状の誘電体部材（比誘電率εｒ１、基板厚さｔ１）からなり、その一部がくり抜かれている。誘電体基板１の表面には、高周波回路部品に高周波信号を伝送するための主線路２５と、その両側に配置された表面グラウンド２２とが形成されている。これにより、コプレーナ線路の形態をなしている（主線路２５の幅ｗ、主線路２５と表面グラウンド２２との間の空隙ｇ、特性インピーダンスｚ０）。誘電体基板１の裏面には、接地用の裏面電極２１が全面にわたって形成されている。【００４９】
主線路２５が枠体２の下に隠れる部分では、主線路２５の幅ｗ’は上記主線路２５の幅ｗより小さい値となっている。また、主線路２５の幅寸法は幅ｗから幅ｗ’となるように徐々に小さくなっている。これにより、コプレーナ線路の特性インピーダンスを長手方向で一定に保たれるようになっている。【００５０】
なお、コプレーナ線路を構成するこれらの電極としては、高融点の導電性材料が用いられている。これにより、シート状の誘電体部材を焼成する際に劣化しにくくなる。焼成後には、導電性の向上と腐食防止を目的としてメッキが施される。【００５１】
枠体２は、誘電体基板１と同様のシート状の誘電体部材（比誘電率εｒ２、基板厚さｔ２）をくり抜くことによって枠形状とされている。枠体２の上面には、上面電極２３がその全面にわたって形成されている。また、誘電体基板１の厚さｔ１と枠体２の厚さｔ２は同一となっており、これにより、枠体２の内部での、厚さ方向への高次モードの伝搬が防止されるようになっている。【００５２】
貫通電極５、６はいずれも、枠体２および誘電体基板１のそれぞれをその厚さ方向に貫通する導電性材料で構成されている。貫通電極５はコプレーナ線路の表面グラウンド２２と上面電極２３とを短絡し、貫通電極６は表面グラウンド２２と裏面電極２１とを短絡している。貫通電極５、６はそれぞれ、枠体２および誘電体基板１内において、信号伝搬軸に沿う方向（図１Ｂの水平方向）に、所定の配置ピッチｄ１、ｄ２で配置されている。また、貫通電極５、６はいずれも、信号伝搬軸に直交する面内において、信号伝搬軸を間において左右対称に配置されている。【００５３】
誘電体基板１の端面および枠体２の端面には、それぞれ端面導体１０、１１が形成されている。端面導体１０、１１はいずれも貫通電極を半分割したものである。したがって、端面導体１０は表面グラウンド２２と裏面電極２１とを短絡し、端面電極１１は表面グラウンド２２と上面電極２とを短絡している。【００５４】
本実施形態のフィードスルー型光モジュール１００では、誘電体基板１の厚さｔ１、枠体２の厚さｔ２、貫通電極５、６の配置ピッチｄ２、ｄ１が、次のような数式を満たす寸法で設けられている。
ｔ１＜ｃ０／（４ｆ・（εｒ１−１）１／２）
ｔ２＜ｃ０／（４ｆ・（εｒ２−１）１／２）
ｄ１＜ｃ０／（４ｆ・εｒ１１／２）
ｄ２＜ｃ０／（４ｆ・εｒ２１／２）
（ここで、ｃ０は光速、ｆは本モジュールに使用される最高使用周波数である。）
本実施形態のフィードスルー型光モジュール１００は、誘電体基板１および枠体２のそれぞれの厚さｔ１、ｔ２と、貫通電極５、６の配置ピッチｄ１、ｄ２が上記のように規定されている。また、端面導体１１によって表面グラウンド２５と上面電極２２とが短絡されている。これにより、枠体２内を伝搬する厚さ方向の高次モードおよび平行平板モードの励振と伝搬が抑えられる。その結果として、周波数応答特性を効果的に改善することができる。また、フィードスルーを電気信号入出力インターフェースとして用いているため、サイズが大きく自動実装にも適さない同軸コネクタを用いる構成と比較して、モジュール自体の小型化、高性能化、低コスト化がなされる。しかも、モジュールをボード実装する際のコストの低減まで期待できる。具体的には、フィードスルーを用いた本モジュール１００では、同軸コネクタなどの部品を別途必要としないこと、パッケージとの一体形成が可能なことなどにより、低コスト化、量産性の向上が期待できる。【００５５】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態によるフィードスルー型光モジュールを示している。図２Ａはフィードスルー型光モジュールの上面図であり、図２Ｂはその側面図である。【００５６】
フィードスルー型光モジュール１０１は、図１の構成に加え、パッケージの側壁面に複数のバンプ８を有している。なお、パッケージの側壁面は、誘電体基板の外周面と枠体の外周面とを同一面内に位置させることにより構成されたものである。側壁面は信号伝搬軸（図１参照）に平行に形成されている。このバンプ８は、不図示の電気配線を介して、コプレーナ線路の主線路２５および表面グラウンド２２や、パッケージ内の光素子（不図示）や電子回路（不図示）に電気的に接続されている。【００５７】
複数のバンプ８は、側壁面において所定のピッチでほぼ格子状に設けられている。また、プリント基板との接合強度を確保するため、特定の信号線（不図示）と何ら導通していないバンプ８も他のバンプと同様のサイズおよびピッチで配置されている。なお、信号線に導通するバンプ８は、接地導体と同電位のバンプ８で周囲を囲まれることにより、擬似的に電磁遮蔽されている。【００５８】
このように構成されたフィードスルー型光モジュール１０１によれば、モジュール底面にバンプを形成した従来の構成とは異なり、次のような利点がある。すなわち、パッケージ内の素子等とバンプ８とを接続する電気配線において貫通電極（ビア）を介在させていないため、その不連続性による電気的信号への影響がより緩和される。【００５９】
なお、本実施形態のようにモジュール側面にバンプ８を設ける構成については例えば特開３９０３７／８３号公報にも提案されている。しかし同文献の構成と比較すると、本実施形態のフィードスルー型光モジュール１０１は、フィードスルーで発生する平行平板モードや厚さ方向の高次モードに起因した特性劣化を低減する構造となっている。したがって、それらの相乗効果により周波数応答特性の向上が期待できる。さらに、パッケージ内にＩＣを配置する場合において、上記のようにモジュール側面に設けた複数のバンプ８は以下の点で有利である。すなわち、発熱をパッケージの裏面から効率的に逃がすことが可能であるため、モジュールとしての信頼性を向上させる点からも従来のバンプ付き光モジュールと比較して有利なのである。【００６０】
（実施例１）
上述した第１の実施形態に基づき、実施例１では、光素子として導波路型のフォトダイオードを用い、４０Ｇｂ／ｓレセプタクル型受信モジュールを製造した。パッケージ内には、導波路型ｐｉｎ受光素子、プリアンプIＣ、レンズ、およびバイアス回路等を搭載した。【００６１】
誘電体基板１には、予めシート状に加工された純度９５％のアルミナ（比誘電率εｒ＝９、基板厚さｔ１＝３８０μｍ）を用いた。枠体２には、誘電体基板１と同様に純度９５％のアルミナ（比誘電率εｒ＝９、基板厚さｔ１＝３８０μｍ）を用いた。ここで、基板厚さｔ１、ｔ２は、本実施例の受信モジュールにおける最高使用周波数５０ＧＨｚに対しても、それぞれの基板内部で基板の厚さ方向に高次モードが発生しないように設計されている。また、枠体２の周壁のうち、コプレーナ線路を覆う部分の厚さは１．２ｍｍである。すなわち、コプレーナ線路は、その長手方向における一部分が１．２ｍｍにわたって枠体２で覆われている。【００６２】
コプレーナ線路としては、主線路２５の幅ｗを１０４μｍ、空隙ｇを５８μｍ、特性インピーダンスｚ０を５０Ωとし、電極には高融点の導電性材料としてタングステンを用いた。焼成後のメッキとしては、厚さ１μｍの金メッキを施した。【００６３】
貫通電極５、６には、タングステンを用い、その直径φを１５０μｍ、配置間隔ｄ１、ｄ２を６００μｍとした。【００６４】
また、コプレーナ線路の特性インピーダンスを長手方向で一定に保つために、主線路２５が枠体２の下に隠れる部分の近傍では、主線路２５の幅ｗ’を１０８μｍ、空隙ｇ’を５６μｍとした。【００６５】
このように構成した受信モジュールにおけるフィードスルーの小信号周波数応答特性を図３Ｂに示す。実線で示した透過率｜Ｓ２１｜は直流から５０ＧＨｚにわたってほぼ平坦であり、挿入損失は−１ｄＢ以内である。また、破線で示した反射率｜Ｓ１１｜も同じく直流から４５ＧＨｚにわたって−１５ｄＢ以下であり、４０Ｇｂ／ｓ通信用光素子やＩＣを搭載する上で実用上十分な広帯域特性が得られた。これに対し、枠体２の上側の導体のみを取り除いて同様のフィードスルー構造体を試作し、その小信号周波数応答特性を評価したところ、図３Ａに示すように透過率｜Ｓ２１｜、反射率｜Ｓ１１｜ともに３５ＧＨｚ近傍に顕著なディップが観察された。また、受信モジュール自体としての特性は、帯域４０ＧＨｚ、トランスインピーダンス６０ｄＢΩ、受光感度０．８Ａ／Ｗであり、こちらも４０Ｇｂ／ｓ用途に十分な特性を実現していた。【００６６】
（実施例２）
上述した第２の実施形態に基づき、実施例２では、実施例１と同様のレセプタクル型受信モジュールを製造した。なお、バンプ８を除く他の構成については実施例１と同様であるため、その説明は省略する。【００６７】
バンプ８は、その直径を１００μｍとし、隣接するバンプ８同士の、格子状をなす２方向におけるそれぞれのピッチはいずれも約５００μｍとした。なお、複数のバンプ８は、実施例１と同じようにパッケージ内に配置された導波路型ｐｉｎ受光素子、プリアンプＩＣ、レンズ、およびバイアス回路等に導通するように構成した。【００６８】
このように構成した受信モジュールにおける、フィードスルーおよび受信モジュール自体の特性も実施例１と同様のものとなった。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【国際調査報告】
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