JP3895331B2

JP3895331B2 - Ｔｏ−ｃａｎ構造の光モジュール

Info

Publication number: JP3895331B2
Application number: JP2004086333A
Authority: JP
Inventors: 宰明白; 昊成徐; 文圭朴
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: EP1471614B1; EP1471614A2; JP2004319984A; EP1471614A3; US7071491B2; DE602004010948T2; KR100464342B1; US20040202432A1; KR20040089374A; DE602004010948D1

Description

本発明は、光モジュールに関し、特に、ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージを採用するＴＯ−ＣＡＮ構造の光モジュールに関する。

光モジュールは、光信号と電気信号を相互に変換する核心部品として、最近では、データの伝送量増加に伴い光モジュールの高速伝送に対する要求が増してきている。これにより、高速伝送に適した周波数光帯域幅の確保が要求されている。光モジュールは、基本的に、電気信号を光信号に変換して伝送する送信モジュール(transmitter)と、反対に、伝送されてきた光信号を電気信号に変換する受信モジュール(receiver)とに分けられるが、一般的に、これら送信モジュール及び受信モジュールの両方を備えた光送受信集積モジュール(transceiver)が広く使用される。

光送受信モジュールにおいて、電気信号を光信号に変換するかまたは光信号を電気信号に変換する機能は、レーザダイオード(ＬＤ)及びフォトダイオード(ＰＤ)により行われるが、このようなＬＤ及びＰＤは別個の装置で作られて１つのパッケージに密封されて使用される。現在、ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージが光モジュールパッケージとして、一番経済的であって幅広く利用されている。

図１Ａ及び図１Ｂは、一般的なＴＯ−ＣＡＮ型パッケージの構造を示す。図１Ａは、ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージの平面図であり、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’断面線に従う断面図である。図２Ａ及び図２Ｂは、図１のＴＯ−ＣＡＮ型パッケージと信号処理のための基板(印刷回路基板；ＰＣＢ)４０との連結状態を示す。また、図３Ａ及び図３Ｂは、一般的なＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ(ＴＯ５６)の高周波特性を示すグラフであり、図３Ａは利得特性を示し、図３Ｂは、整合特性をそれぞれ示す。

図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、及び図２Ｂでは、ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージのうち、ステム１０の上に装着される光素子は省略し、ステム及びピンのみを示している。図面において、説明されない参照番号１はキャップ(cap)を示す。

図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、及び図２Ｂを参照すると、一般的に、ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージは、その上面にＬＤ及びＰＤなどの光素子(図示せず)が装着されるステム１０と、ステム１０を貫通してＬＤ及びＰＤなどと電気的に連結される信号ピン２０及び接地ピン３０とからなる。一般的に、ＬＤ及びＰＤは、オームマッチング(ohm matching)された素子ではないので、ＬＤの場合は、マッチング抵抗を連結して５０Ωまたは２５Ωでインピーダンスを合わせる。ＰＤの場合は、ＴＩＡ(Transimpedance Amplifier)が直接連結されており、ＴＩＡの出力インピーダンスが５０Ωで製作される。

ＴＯ−ＣＡＮの場合、ガラス封止された部分２１の特性インピーダンスが２０Ω程度で非常に低く、ステム１０の外部に突設したピンは大きいインダクタンス成分を有している。これにより、高周波の５０Ωの信号伝達において減衰が必須である。現在、２．５Ｇｂ／ｓ以下の通信では、ＴＯ−ＣＡＮの電気的信号を外部の基板に伝達する際に、ピンの長さを可能な限り短くすることが一番よい方法である。特に、１０Ｇｂ／ｓ以上の通信では、特性インピーダンスが５０Ωである信号線で製作された印刷回路基板(ＰＣＢ)４０の上にＴＯ−ＣＡＮ型パッケージが取り付けられるとき、ステム１０と印刷回路基板４０との間の空間が１ｍｍであってもかなりの信号損失をもたらすので、空間なく密着して取り付けることが非常に重要である。

しかし、ＴＯ−ＣＡＮ構造の光モジュールを搭載したシステムでは、送信モジュール及び受信モジュールの光軸を一致させるので、各モジュールの信号ピンの位置(光軸からの距離)の差異とモジュール製作のときの公差によって一定のピンの長さを必要とする。従って、ガラス封止部分及びピンの長さによって１０ＧＨｚから２ｄＢ以上の信号損失があり(図３Ａ)、光モジュールの全体的帯域幅を減少させ、整合特性も低下させる(図３Ｂ)問題点がある。

上記背景に鑑みて、本発明の目的は、ＴＯ−ＣＡＮ構造の長所を生かすと同時に、１０ＧＨｚ以上の高周波数でも信号の減衰がほぼなく、整合特性に優れるＴＯ−ＣＡＮ構造の光モジュールを提供することにある。

本発明の他の目的は、ＴＯ−ＣＡＮのステムの外部に突設されるピンの長さに影響を受けず、所望の特性インピーダンスを保持するＴＯ−ＣＡＮ構造の光モジュールを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明によるＴＯ−ＣＡＮ構造の光モジュールは、上面に光素子が装着され、貫通孔を備えるステムと、このステムの貫通孔を通じて光素子と電気的に接続され、該貫通孔内に位置する円筒形の封止部分及びステムの下面に突設した６面体の突設部分からなる１以上の信号ピンと、この信号ピンの突設部分の両脇に離隔して配置された一対の接地ピンと、を有し、ステムの貫通孔内においては、同軸導波路インピーダンス整合によって所望の特性インピーダンスをもつように設計され、且つステムの下面においては、信号ピンの突設部分と接地ピンにおける幅及び厚さを含むサイズ及び、前記突設部分及び前記接地ピンの間隔により所望の特性インピーダンスをもつように設計されていることを特徴とする。

また、接地ピンについては、信号ピン及び接地ピンを接続先の基板における信号線及び接地線と相互接続するときに短絡を防止するため、接地ピンのエッジの一部を除去するようにすることができる。特に、信号ピンと接地ピンとの間の間隔が、これら信号ピン及び接地ピンの接続先である基板の信号線と接地線との間の間隔より狭い場合に、接地ピンのエッジの一部を除去するようにする。さらに、接地ピンは、その面積を増加させて接地特性を向上させることができる。

本発明によれば、信号ピンのステム貫通孔内の封止部分は、同軸導波路インピーダンス整合によって所望する特性インピーダンスで設計し、ステムの外部に突設した突設部分は、信号ピンの厚さ及び幅、信号ピンの両脇に離隔して配置される接地ピンの厚さ、幅、及びこれら間の間隔により所望する特性インピーダンスで設計することができる。従って、既存のガラス封止部分及びピンの長さによる信号の減衰及び整合特性が低下することを防止し、ＴＯ−ＣＡＮの高周波特性を向上させて１０Ｇｂ／ｓ以上の光通信システムで高性能でありかつ安価のパッケージを実現することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記説明において、本発明の要旨のみを明瞭するために公知の機能又は構成に対する詳細な説明は省略する。なお、図面中、同一な構成要素及び部分には、可能な限り同一な符号及び番号を共通使用するものとする。

図４Ａ乃至図４Ｃは、本発明の好適な実施例によるＴＯ−ＣＡＮ型パッケージの構造を示すもので、図４Ａは平面図、図４Ｂは図４ＡのＢ−Ｂ’断面線に従う断面図、図４Ｃは、図４ＢのＣ−Ｃ’断面線に従う断面図である。図４Ａ乃至図４Ｃは、ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージのうちステム及びピンのみを示すもので、特に、１つの信号ピンに対する図である。

図示のように、本発明のＴＯ−ＣＡＮ型パッケージは、ステム１００と、信号ピン２００と、接地ピン３１０，３２０とからなる。

ステム１００は、その上面にＬＤ及びＰＤなどの光素子(図示せず)が装着され、貫通孔１１０(例えば、直径１，１００μｍ)を備える。

信号ピン(signal-carrying pin)２００は、貫通孔１１０を通じて光素子と電気的に連結される。信号ピン２００は、直径２００μｍ、長さＬ２が１，０００μｍの円筒形ピン２１０と、幅(Ｗ)及び厚さ(Ｈ)がそれぞれ４００μｍ、長さＬ１が２，０００μｍの６面体の方形ピン２２０とが接合されたものである。

円筒形ピン２１０は、グラスシーリングパウダー(glass sealing powder)を使用したガラス封止によりステム１００の貫通孔１１０に固定される封止部分であり、方形ピン２２０はステムの下部に突設される突設部分である。このとき、ガラス封止部分（つまり貫通孔内）は、同軸導波路インピーダンス整合方式により５０Ωで設計され、そして、単位長さの当たりキャパシタンス(capacitance)を減少させるためにガラス(glass)のうち誘電率が４．１程度で小さいものを選択して使用する。図４Ａにおいて、同軸導波路の整合方式による特性インピーダンスＺ０は、下記数式１により決定される。

［数１］
Ｚ０＝１／(２π)×√(μ／ε)×ｌｎ(ｂ／ａ)

ここで、μは誘電体の透過率(permeability of dielectric material)、εは誘電体の誘電率(permittivity of dielectric material)、ａは信号ピンの直径、ｂは貫通孔の直径をそれぞれ示す。

接地ピン３１０，３２０は、ステム１００の下面に突設される信号ピン２００の部分、すなわち、方形ピン２２０の両脇に所定の間隔(Ｓ)で離隔して配置される。接地ピン３１０，３２０は、一般的に使用する丸いピンの代わりに接地面積を増加させるように広く製作し(例えば、幅(Ｗ１)は１，０００μｍ、厚さ(Ｈ)は４００μｍ程度)、信号ピン２２０と２００μｍ程度の間隔(Ｓ)をおいて離隔する。これら、信号ピン２２０の厚さ（Ｈ）、幅(Ｗ)、及び両脇に配置された接地ピン３１０，３２０の厚さ及び幅、そして、ピン間の間隔(Ｓ)によりステム１００の下面に突設したピンの特性インピーダンスが決定される。従って、当該各ピンの面積、厚さ及び間隔を調節して所望する特性インピーダンス、例えば、５０Ωを設計することができ、本例にあげている数値は１つの実施例に過ぎない。

図５は、図４のＴＯ−ＣＡＮ型パッケージを、信号伝達のための印刷回路基板(ＰＣＢ)に連結した状態を概略的に示す断面図である。

基板４００は、信号線４１０と接地線(ground line)４２０とから構成され、誘電体基板４３０の上に信号線４１０及び接地線４２０を配置してある。一般的に、インピーダンスＺ＝√（Ｌ／Ｃ）であるので、基板４００のインピーダンスＺ０は誘電体基板４３０の比誘電率εγ、信号線４１０及び接地線４２０の面積とこれらの間の距離(ｄ)、及び基板の厚さなどにより決定される。ここで、Ｌはインダクタンスを示し、Ｃはキャパシタンスをそれぞれ示す。

図５に示すように、ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージの信号伝達のための印刷回路基板(ＰＣＢ)４００に装着する場合、製作誤差によりピンの位置が設計値から外れるか、または基板４００の上に形成された信号線４１０と接地線４２０との間隔(ｄ)が信号ピン２２０と接地ピン３１０，３２０との間隔(Ｓ)より大きい場合、基板４００の上に接着される接地ピンのエッジを除去する。これは、ＴＯ−ＣＡＮの信号ピン２２０及び接地ピン３１０，３２０と基板の信号線４１０及び接地線４２０との相互連結のとき狭い間隔によって短絡(short)が生じることを防止するためである。

図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の実施例によるＴＯ−ＣＡＮ型パッケージの高周波特性を示すグラフであって、ガラス封止部分とステムの下面に突設した外部ピンで５０Ωの整合を実現したＴＯ−ＣＡＮの高周波特性を示す。

図６Ａは、信号の損失程度を表す利得特性を示すグラフであって、１０ＧＨｚで信号損失が０．２ｄＢ以下であり、これは、１０ＧＨｚで信号損失が２ｄＢ以上である図３Ａと比較するとき利得特性が大きく改善していることを示している。

図６Ｂは、ガラス封止部分の整合特性を示すグラフであって、１０ＧＨｚまで整合特性が−２０ｄＢ以下と、図３Ｂに比べて大きく改善したことがわかる。一般的に、整合特性によって得られる理想的な値(ideal value)は−∞である。しかし、おおよそ−２０ｄＢ以下であれば優秀な整合特性を示す。

以上、本発明の詳細について具体的な実施形態に基づき説明してきたが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が可能なのは明らかである。従って、本発明の範囲は、上記実施形態に限られるものでなく、特許請求の範囲のみならず、その範囲と均等なものにより定められるべきである。

一般的なＴＯ−ＣＡＮ構造の光モジュールを概略的に示す図。図１のＴＯ−ＣＡＮ型パッケージと信号処理のための基板との連結状態を示す図。一般のＴＯ−ＣＡＮ(ＴＯ５６)の高周波特性を示す図。本発明の好適な実施例によるＴＯ−ＣＡＮ型パッケージの構造を示す図。図４のＴＯ−ＣＡＮ型パッケージの信号処理のための基板(ＰＣＢ)に連結した状態を示す図。本発明の一実施例によるＴＯ−ＣＡＮの高周波特性を示す図。

符号の説明

１００ステム
１１０貫通孔
２００信号ピン
２１０円筒形ピン（封止部分）
２２０方形ピン（突設部分）
３１０，３２０接地ピン
４００印刷回路基板
４１０信号線
４２０接地線
４３０誘電体基板

Claims

ＴＯ−ＣＡＮ構造の光モジュールにおいて、
上面に光素子が装着され、貫通孔を備えるステムと、
前記貫通孔を通じて前記光素子と電気的に接続され、前記貫通孔内に位置する円筒形の封止部分及び前記ステムの下面に突設した６面体の突設部分からなる１以上の信号ピンと、
前記信号ピンの突設部分の両脇に離隔して配置された一対の接地ピンと、を有し、
前記ステムの貫通孔内においては、同軸導波路インピーダンス整合によって所望の特性インピーダンスをもつように設計され、且つ前記ステムの下面においては、前記信号ピンの突設部分と前記接地ピンにおける厚さ及び幅を含むサイズ及び、前記突設部分及び前記接地ピンの間隔により所望の特性インピーダンスをもつように設計されていることを特徴とするＴＯ−ＣＡＮ構造の光モジュール。
前記信号ピン及び前記接地ピンを接続先の基板における信号線及び接地線と相互接続するときに、前記信号ピン及び前記接地ピンの間の短絡を防止するため、前記接地ピンのエッジの一部を除去することを特徴とする請求項１記載のＴＯ−ＣＡＮ構造の光モジュール。
前記信号ピンと前記接地ピンとの間の間隔が、これら信号ピン及び接地ピンの接続先である前記基板の信号線と接地線との間の間隔より狭い場合に、前記接地ピンのエッジの一部を除去することを特徴とする請求項２記載のＴＯ−ＣＡＮ構造の光モジュール。
前記接地ピンの面積を増加させて接地特性を向上させることを特徴とする請求項１記載のＴＯ−ＣＡＮ構造の光モジュール。
前記光素子は、レーザダイオードまたはフォトダイオードであることを特徴とする請求項１記載のＴＯ−ＣＡＮ構造の光モジュール。