JP7051409B2 - 光送信モジュール及び光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光送信モジュール及びそれを内蔵した光モジュールに関する。

光通信の信号源として光変調器と半導体レーザー素子が集積された半導体光変調器集積型発光素子が用いられている。半導体光変調器集積型発光素子はチップキャリアに搭載されて用いられている。チップキャリアには光変調器に高周波信号を印加する変調電流線路と、半導体レーザー素子に電流を流す直流電流線路が配置されている。

特許文献１は、屈曲領域を有する差動伝送線路において２つの差動信号に生じる遅延時間差を抑制するために、差動伝送線路を構成する一対の伝送線導体が互いに交差する差動伝送回路を開示している。

特許文献２は、小信号通過特性（Ｓ_２１）におけるピーキングの抑圧と小信号反射特性（Ｓ_１１）の低減の両立を可能にする単一電源駆動方式の光送信モジュール構造を実現するため、光変調器を有する光半導体素子が搭載され、接地電極と該光変調器へ電気信号を入力する入力伝送路と入力された電気信号に対する終端抵抗とが基板表面上に形成された光半導体素子搭載基板であって、前記光半導体素子の表面上にはボンディングワイヤにて前記接地電極と接続される前記光変調器のアノード電極が設けられており、前記終端抵抗の接地側の電極と前記光変調器のアノード電極とが他のボンディングワイヤにて接続される光半導体素子搭載基板を開示している。

特開２０１２－１９９９０４号公報 特開２００７－２８６４５４号公報

光変調器に印加される高周波信号が光源（半導体レーザー素子）に干渉し、光源への印加電流が変調されてしまい、光信号にノイズが生じることがある。具体的には高周波信号が光変調器に印加されるため、変調電流が流れ、その変調電流が変動する際に磁場が変動する。その磁場が光源に電流を流す直流ラインに起電力を生じさせることで、本来一定でなければならない光源の駆動電流が変動することで、光源の出力光の強度や波長が変動し、変動された光源の出力光を光変調器がさらに変調するために、光変調器から出力される光信号にノイズが発生してしまう。

図８は従来技術に係る光送信モジュールのチップキャリアに搭載された半導体光変調器集積型発光素子の上面図を表している。変調器部２と光源部３を含む半導体光変調器集積型発光素子１、チップコンデンサ５、終端抵抗４、６個のビアホール６、変調電流線路２３がチップキャリア１０１の接地（ＧＮＤ）パターン３０上に設けられている。ここでは変調器部は電界吸収型変調器であり、光源部３は分布帰還型レーザーである。

Ａｕワイヤ１１は、変調電流線路２３、変調器部２、及び終端抵抗４を電気的に接続する。Ａｕワイヤ１２は、チップコンデンサ５と光源部３とを電気的に接続する。ビアホール６は、半導体光変調器集積型発光素子１が搭載されているチップキャリア１０１上のＧＮＤパターン３０とチップキャリア１０１の接地された裏面とを電気的に接続する。終端抵抗４は、Ａｕワイヤ１１を介して変調器部２へ供給される変調電流の反射を抑制するようにインピーダンス整合している。

光源部３にチップコンデンサ５、Ａｕワイヤ１２を介して直流電流が注入され連続（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅｆｏｒｍ）光を出力する。変調器部２には変調電流線路２３と接地パターン３０に変調電圧が印可され、ＣＷ光を変調し光信号が生成される。この時、変調器部２へ流れる変調電流は、電磁誘導によって光源部３の駆動回路に起電力を発生させる。その起電力によって、光源部３へ供給される直流電流（駆動電流）は変調され、光源部３から出力される連続光にノイズが生じるおそれがある。

このような光源部３から出力されるＣＷ光のノイズを抑制するため、光源部３と該光源部３に駆動電流を供給する電源（不図示）との間にバイパスコンデンサとしてのチップコンデンサ５が設けられる。チップコンデンサ５は、光源部３への駆動電流に起電力が加わることで電圧が変調しても、電荷を蓄積又は放出することで電圧の変調を抑制することができる。その結果チップコンデンサ５は、光源部３の駆動電流を安定化させることでノイズを抑制し得る。

しかしこのチップコンデンサは設置面積を必要とする上、複数の光源が実装される場合には、チップコンデンサは光源ごとに必要となる。そのためチップコンデンサは、光送信モジュールの小型化・高密度実装の妨げとなっていた。

従って本発明は、ノイズを抑制しながら小型化・高密度実装を実現する光送信モジュールおよびそれを用いた光モジュールを提供することを目的とする。

（１）本発明の光送信モジュールは、連続光を発生する光源、前記連続光を変調する少なくとも１つの変調器、前記光源に接続すると共に前記光源へ供給される直流電流を流す直流電流線路対、及び前記変調器に接続すると共に前記変調器へ供給される変調信号を印加する変調電流線路対、を含む。前記直流電流線路対を構成する線路同士、又は、前記変調電流線路対を構成する線路同士のいずれか一方のみが、少なくとも１回交差している。

（２）（１）に記載の光送信モジュールにおいて、前記直流電流線路対を構成する線路同士が少なくとも１回交差してよい。

（３）（２）に記載の光送信モジュールにおいて、複数の変調器と、前記複数の変調器に各々接続される複数の変調電流対をさらに備えてよい。

（４）（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の光送信モジュールにおいて、一の半導体基板をさらに有してよい。前記光源は、前記変調器と共に前記一の半導体基板上に集積されることで変調器集積型光源を構成してよい。

（５）（４）に記載の光送信モジュールにおいて、一のキャリアをさらに有してよい。前記変調器集積型光源が前記一のキャリア上に搭載されてよい。

（６）（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の光送信モジュールにおいて、一のキャリアをさらに有してよい。前記変調器と前記光源が前記一のキャリア上に搭載されてよい。

（７）（１）乃至（６）のいずれか一項に記載の光送信モジュールにおいて、前記変調器は電界吸収型変調器であってよい。

（８）（１）乃至（６）のいずれか一項に記載の光送信モジュールにおいて、前記変調器はマハツェンダー型変調器であってよい。

（９）（１）乃至（８）のいずれか一項に記載の光送信モジュールにおいて、前記直流電流線路対を構成する第一線路は、第一部材、該第一部材から分離する第二部材、及び前記第一部材と前記第二部材とを接続する金属ワイヤを含み、前記直流電流線路対を構成する第二線路は、第一直線部、第二直線部、及び前記第一直線部と前記第二直線部との間に位置する屈曲部を一体として有し、前記第一部材は、前記第一直線部と平行に延伸し、かつ、前記第二直線部と共に一の直線上に存在し、前記第二部材は、前記第二直線部と平行に延伸し、かつ、前記第一直線部と共に一の直線上に存在し、前記屈曲部と前記金属ワイヤとは、前記変調電流線路対の側方で交差してよい。

（１０）本発明による光モジュールは、（１）乃至（９）のいずれか一項に記載の光送信モジュール、及び、前記光送信モジュールと接続されたプリント基板をとレンズを含む。

本願の光送信モジュールは、大型な部品を使用せず、変調器に印可される変調成分が光源に注入される直流電流へ影響することを抑制し、安定した直流電流を光源に注入させることで特性に優れ、かつ小型な光送信モジュールおよびそれを内蔵した光モジュールを提供することが可能となる。

本願の第一実施形態に係る光モジュールが装着された光伝送装置の構成を示す模式図である。 光送信モジュール、プリント基板及びフレキシブル基板を示す概略図である。 本願の第一実施形態による光送信モジュールのチップキャリアに搭載された半導体光変調器集積型発光素子の上面図を表している。 本願の第二実施形態による光送信モジュールのチップキャリアに搭載された半導体光変調器集積型発光素子の上面図を表している。 本願の第三実施形態による光送信モジュールのチップキャリアに搭載された半導体光変調器集積型発光素子の上面図を表している。 本願の第四実施形態による光送信モジュールのチップキャリアに搭載された半導体光変調器集積型発光素子の上面図を表している。 本願の第五実施形態による光送信モジュールのチップキャリアに搭載された半導体光変調器集積型発光素子の上面図を表している。 従来技術に係る光送信モジュールのチップキャリアに搭載された半導体光変調器集積型発光素子の上面図を表している。

［第一実施形態］
図１は、本願の第一実施形態に係る光モジュールが装着された光伝送装置の構成を示す模式図である。光伝送装置４００に、複数の光モジュール２００が、電気コネクタ２０２によりそれぞれ装着されている。光伝送装置４００は、例えば、大容量のルータやスイッチである。光伝送装置４００は、例えば交換機の機能を有しており、基地局などに配置される。光伝送装置４００は、光モジュール２００より受信用のデータ（受信用の電気信号）を取得し、回路基板２０４に搭載されるＩＣ２０６などを用いて、どこへ何のデータを送信するかを判断し、送信用のデータ（送信用の電気信号）を生成し、該当する光モジュール３００へそのデータを伝達する。

光モジュール３００は、プリント基板３１０と、フレキシブル基板３１２と、光信号及び電気信号を少なくとも一方から他方に変換するための光サブアッセンブリ３１４と、を備えている。プリント基板３１０は、柔軟性の無いリジッド基板である。プリント基板３１０と光サブアッセンブリ３１４とは、フレキシブル基板３１２を介して接続されている。プリント基板１０から電気信号がフレキシブル基板３１２を介して光サブアッセンブリ３１４へ伝送される。また、光サブアッセンブリ３１４から電気信号がフレキシブル基板３１２を介してプリント基板３１０へ伝送される。光サブアッセンブリ３１４が有する光変換素子は、光信号又は電気信号のうち一方から他方へ変換する素子である。電気信号を光信号へ変換する光変換素子が発光素子であり、光信号を電気信号へ変換する光変換素子が受光素子である。光サブアッセンブリ３１４は、発光素子及び受光素子の少なくとも一方（例えば両方）を含んでいる。光信号の入出力のために、光サブアッセンブリ３１４には光ファイバ３１６が接続されている。

図２は、光サブアッセンブリ、プリント基板及びフレキシブル基板を示す概略図である。光サブアッセンブリ３１４は、フレキシブル基板３１２の一方の端部に接続されている。フレキシブル基板３１２の他方の端部は、プリント基板３１０に重なって電気的に接続されている。本願の光送信モジュール３００は、送信機能を有した光サブアッセンブリである。光送信モジュール３００は、内部に光信号を生成する信号源（詳細は後述）とその出力光を光ファイバ３１６へ光学結合するためのレンズ（不図示）等を備えている。

図３は、本願の実施形態による光送信モジュールのチップキャリアに搭載された信号源である半導体光変調器集積型発光素子の上面図を表している。変調器部２と光源部３を含む半導体光変調器集積型発光素子１、終端抵抗４、光源部３と電気的に接続する直流電流線路２１，２２、及び、変調器部２と電気的に接続する変調電流線路２３，２４がチップキャリア１０１上に設けられている。

光源部３は、分布帰還型レーザー装置（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＤＦＢ－ＬＤ）であることが好ましいがこれに限定されない。また光源部３はＣＷ光源である。

変調器部２は光源部３から放出されるＣＷ光を変調させるように設けられる。変調器部２は電界吸収（ＥＡ）型変調器又はマハツェンダー(ＭＺ)型変調器であってよい。図示された実施形態では変調器部２はＥＡ型変調器である。本実施形態では、光源（光源部３）と変調器（変調器部２）は一の半導体基板に集積された変調器集積型光源を構成している。そして光源部と変調器部のカソードは、半導体基板側で共通となっており、半導体基板の裏側（光源、変調器が形成されている面の逆面）にてチップキャリア１０１と接続されている。

チップキャリア１０１は表面に導体膜が形成されたＡｌＮ等のセラミック基板である。半導体光変調器集積型発光素子１とチップキャリア１０１ははんだにて接合されている。

図示されている実施形態では、変調器部２に接続する変調電流線路２３，２４（変調電流線路対）はそれぞれ変調器部２のアノード側変調電流線路及び変調器部２のカソード側変調電流線路である。また図示されている実施形態では、光源部３に接続する直流電流線路２１，２２はそれぞれ光源部３のカソード側直流電流線路及び光源部３のアノード側直流電流線路対である。

終端抵抗４は、Ａｕワイヤ１１を介して変調器部２へ供給される変調電流の反射を抑制するようにインピーダンス整合している。本実施形態では５０Ωである。Ａｕワイヤ１１は、変調電流線路２３、変調器部２、及び終端抵抗４を電気的に接続する。Ａｕワイヤ１２は、直流電流線路２２と光源部３とを電気的に接続する。Ａｕワイヤ１３は、直流電流線路２１に含まれ、直流電流線路２２と交差するように設けられる。

直流電流線路２１は、第一部材２１ａ、第二部材２１ｂ、及び前記第一部材と前記第二部材とを接続するＡｕワイヤ１３を含む。第一部材２１ａと第二部材２１ｂとは空間的に分離する。Ａｕワイヤ１３は、第一部材２１ａと第二部材２１ｂとを接続する。直流電流線路２２は、直線部２２ａ、直線部２２ｂ、及び直線部２２ａと直線部２２ｂとの間に位置する屈曲部を一体として有する。第一部材２１ａは直線部２２ａと平行に延伸し、かつ、直線部２２ｂと共に一の直線上に存在する。第二部材２１ｂは、直線部２２ｂと平行に延伸し、かつ、直線部２２ａと共に一の直線上に存在する。直流電流線路２２の屈曲部はＡｕワイヤ１３と変調電流線路２３，２４の側方で交差する。

光源部３から放出されるＣＷ光を変調させるため、変調電圧（変調信号）が印加される。その結果、変調電流線路２３，２４に変調器部２の変調電流が流れる。流れる変調電流の変動にともない周辺の磁場も変動する。この磁場変動により、直流電流線路２１，２２を含む光源部３の駆動電流回路に起電力が生じることで、光源部３の駆動電流が変動する。その結果、光源部３から放出される光信号にノイズが発生する。

しかし本実施形態による光送信モジュールでは、直流電流線路２１，２２を含む駆動電流回路はＡｕワイヤ１３により交差している。前記駆動電流回路は、直流電流線路２１，２２が交差する領域で２つの閉回路に分けられる。そのため周辺の磁場変動が一の閉回路内に生じさせる起電力の向きは、周辺の磁場変動が他の閉回路に内に生じさせる起電力の向きとは逆方向になるので、２つの起電力は互いに打ち消しあう。このように起電力同士が打ち消しあうことで、変調電流による誘導電流が抑制され、光源部３の駆動電流の変動も抑制される。その結果、光源部３から放出される光信号に生じるノイズは抑制され得る。

光源部３の直流電流線路２１，２２を交差させることにより、光源部３の駆動電流は安定化し得る。そのため本実施形態による光送信モジュールでは、図８の従来構造で使用していたチップコンデンサ５は不要となり、その結果光送信モジュールのチップキャリアサイズを小さくすることが可能である。

なお図示された実施形態では、半導体光変調器集積型発光素子１は１つの変調器部２しか含まないが、複数の変調器部２を含んでもよい。半導体光変調器集積型発光素子１が2個の変調器部２を含み、かつ各々に接続される二つの変調電流線路対が平行して配置されている場合において、図３で示すように光源部３に接続される直流電流線路対を交差させることで、２つの変調電流線路対に流れる変調電流を起因としたノイズの影響を抑制させることができる。また直流電流線路対は交差させず、２つの変調電流線路対の両者を交差させた場合においても同様の効果が得られる。さらに直流電流線路対は交差させず、２つの変調電流線路の内の１つの変調電流線路対のみを交差させた場合は、２つの変調電流線路対間のクロストークを抑制することが可能となり、かつ少なくとも交差させた変調電流線路対から直流電流線路対への影響は抑制させることが可能となる。なお変調器部は２つに限定されず複数の変調器部を有している場合も上記同様の効果が得られる。

［第二実施形態］
図４は、本願の第二実施形態による光送信モジュールのチップキャリアに搭載された半導体光変調器集積型発光素子の上面図を表している。本実施形態は、Ａｕワイヤ１３が変調電流線路２３，２４に対して垂直に配置されていることを除いて第一実施形態と同様である。

Ａｕワイヤ１３は、直流電流線路２２と交差するように直流電流線路２１に含まれ、かつ、変調電流線路２３，２４と直交している。そのためＡｕワイヤ１３には、変調器部２へ流れる変調電流の電磁誘導による起電力はほとんど発生しない。

［第三実施形態］
図５は、本願の第三実施形態による光送信モジュールのチップキャリアに搭載された半導体光変調器集積型発光素子の上面図を表している。本実施形態と第一実施形態との違いは、直流電流線路２１，２２および変調電流線路２３、２４、そして終端抵抗４の配置である。より詳しくは、直流電流線路２１と変調電流線路２４が半導体光変調器集積型発光素子１の後方（光源部３の出射端とは反対の位置）に配置され、かつ、Ａｕワイヤ１２，１３が直流電流線路２２に含まれておらず、また直流電流線路２１にＡｕワイヤ１３が含まれない。さらに直流電流線路２１と２２の配置が逆になっている。これは変調電流線路２３，２４も同様に第一実施形態とは配置が逆になっている。また終端抵抗４は、図５において半導体光変調器集積型発光素子１の右側に配置されている。

直流電流線路２１と変調電流線路２４が半導体光変調器集積型発光素子１の後方に配置されることで、キャリア幅が低減されることが図からわかる。その結果、光送信モジュールのさらなる小型化・高密度実装が実現され得る。また第一実施形態と比較して変調器部２および光源部３に接続される電流線路のアノード側とカソード側の配置が逆となっているが、光源部３に接続される直流電流線路２１，２２が交差することで第一実施形態と同様の効果が得られる。

［第四実施形態］
図６は、本願の第四実施形態による光送信モジュールのチップキャリアに搭載された半導体光変調器集積型発光素子の上面図を表している。本実施形態は、直流電流線路２１が、Ａｕワイヤ１３と交差する領域において外側へ向かって屈曲していること、及び、それに伴って直流電流線路２１とＡｕワイヤ１２，１３の配置が異なること、そして終端抵抗４の配置を除いて第三実施形態と同様である。本実施形態も、図５に示された第三実施形態同様にキャリア幅を低減され低減させることで、光送信モジュールのさらなる小型化・高密度実装を実現し得る。そして、第三実施形態と直流電流線路の交差の向きが逆であるが、第三実施形態と同様の効果が得られる。

［第五実施形態］
図７は、本願の第五実施形態による光送信モジュールのチップキャリアに搭載された半導体光変調器集積型発光素子の上面図を表している。本実施形態は、直流電流線路ではなく変調電流線路が交差している点で、第一実施形態と異なる。変調電流線路２４がＡｕワイヤ１４を含み、かつ、変調電流線路２３はＡｕワイヤ１４と交差する領域において外側へ向かって屈曲している。そして直流電流線路は変調電流線路の交差部の側部においては交差していない。

前述したように変動電流が電磁誘導によって変調電流線路２３，２４を構成する各線路から生じる誘導磁場を生じさせ、その誘導磁場が光源部３と接続する直流電流線路２１，２２内に起電力を生じさせることで、光源部３及び直流電流線路２１，２２内にノイズが発生する。しかし変調電流線路２３，２４が交差することで、電磁誘導によって変調電流線路２３，２４を構成する各線路から生じる誘導磁場は互いに異なる向きに発生する。その結果、生じた誘導磁場は互いに打ち消しあい、光源部３及び直流電流線路２１，２２へのノイズが抑制される。このように、変調器部２もしくは光源部３に接続される線路のいずれか一方のみを交差させれば、本発明の効果が得られる。

前述した第一乃至第五実施形態による光送信モジュールでは、変調器部２と光源部３は半導体光変調器集積型発光素子１上に設けられているが、変調器部２と光源部３は集積されていなくてもよい。

１ 半導体光変調器集積型発光素子、２ 変調器部、３ 光源部、４ 終端抵抗、５ チップコンデンサ、６ ビアホール、１１ Ａｕワイヤ、１２ Ａｕワイヤ、１３ Ａｕワイヤ、１４ Ａｕワイヤ、２１ 直流電流線路、２２ 直流電流線路、２３ 変調電流線路、２４ 変調電流線路、３０ ＧＮＤパターン、１０１ チップキャリア、２００ 光モジュール、２０２ 電気コネクタ、２０４ 回路基板、２０６ ＩＣ、３００ 光送信モジュール、３１０ プリント基板、３１２ フレキシブル基板、３１４ 光サブアッセンブリ、３１６ 光ファイバ、４００ 光伝送装置。

Claims (10)

1. 連続光を発生する光源、
   前記連続光を変調する少なくとも１つの変調器、
   前記光源に接続すると共に前記光源へ供給される直流電流を流す直流電流線路対、及び
   前記変調器に接続すると共に前記変調器へ供給される変調信号を印加する変調電流線路対、を含み、
   前記直流電流線路対および前記変調電流線路対の一方は、
   第一部材、第二部材、及び前記第一部材と前記第二部材とを接続する金属ワイヤを含む第一線路と、
   第一直線部、第二直線部、及び前記第一直線部と前記第二直線部との間に一体的に延びる屈曲部を含む第二線路と、
   を有し、
   前記第一直線部は、前記第一部材と平行に延伸し、前記第二部材と共に一の直線上に存在し、
   前記第二直線部は、前記第二部材と平行に延伸し、前記第一部材と共に一の直線上に存在し、
   前記屈曲部は、前記金属ワイヤの下方に延び、
   前記直流電流線路対および前記変調電流線路対の他方は、第三線路と、前記第三線路および前記第一部材と平行に延伸する第四線路と、を有する、
   ことを特徴とする光送信モジュール。
2. 請求項１に記載の光送信モジュールであって、前記直流電流線路対を構成する線路同士が少なくとも１回交差している、
   ことを特徴とする光送信モジュール。
3. 請求項２に記載の光送信モジュールであって、
   複数の変調器と、前記複数の変調器に各々接続される複数の変調電流対をさらに備える、
   ことを特徴とする光送信モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光送信モジュールであって、一の半導体基板をさらに有し、
   前記光源は、前記変調器と共に前記一の半導体基板上に集積されることで変調器集積型光源を構成する、
   ことを特徴とする光送信モジュール。
5. 請求項４に記載の光送信モジュールであって、一のキャリアをさらに有し、
   前記変調器集積型光源が前記一のキャリア上に搭載されている、
   ことを特徴とする光送信モジュール。
6. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光送信モジュールであって、一のキャリアをさらに有し、
   前記変調器と前記光源が前記一のキャリア上に搭載されている、
   ことを特徴とする光送信モジュール。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光送信モジュールであって、前記変調器は電界吸収型変調器である、ことを特徴とする光送信モジュール。
8. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光送信モジュールであって、前記変調器はマハツェンダー型変調器である、ことを特徴とする光送信モジュール。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光送信モジュールであって、
   前記金属ワイヤは、前記第三線路および前記第四線路に直交する、
   ことを特徴とする光送信モジュール。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光送信モジュール、及び、前記光送信モジュールと接続されたプリント基板とレンズを含むことを特徴とする光モジュール。

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