JP2007207803A

JP2007207803A - 光送信モジュール

Info

Publication number: JP2007207803A
Application number: JP2006021745A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamashita; 武山下; Osamu Kagaya; 修加賀谷; Shoji Takamatsu; 尚司高松; Hiroyuki Arima; 宏幸有馬
Original assignee: Opnext Japan Inc
Current assignee: Opnext Japan Inc
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】接続部分での機械的強度を損なうことなく、かつインピーダンスの不整合を抑えたリードピンとフレキシブル基板の接続方法を用いた光送信モジュールを提供する。
【解決手段】一部に導体のない孔状部を持つ裏面ＧＮＤ導体パタン３０４を形成したフレキシブル基板３０を用いることにより、信号線路３０１のインピーダンスが５０Ωより高い領域と低い領域を交互に配置し、各々の領域の長さを適切に設定することで信号線路のインピーダンスの不整合を抑える。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体レーザ素子を用いた１０Ｇｂｉｔ/ｓ用光送信モジュールに関し、特にペルチェ素子を内蔵し出力部にフレキシブルプリント基板を用いる光送信モジュールに関する。

光通信用トランシーバの小型化に伴い、光送信モジュールの小型化が進んでいる。現在、伝送距離が１０ｋｍ以下の伝送レート１０Ｇｂｉｔ/ｓの光送信モジュールは、直接変調形のレーザダイオード素子をＴＯ-ＣＡＮ筐体に搭載し、フレキシブル基板を用いて筐体とトランシーバの主基板とを接続するものが主流となっている。非特許文献１にその送信部の外形図等が記載されている。非特許文献１は筐体の外部接続リードピンと、フレキシブル基板に設けた貫通孔とを接続している。これによって、光送信サブアセンブリ筐体とフレキシブル基板上の線路パタンとの間のリードピンの長さを短縮し、リードピンによる寄生インダクタンスの低減により、入力信号線路のインピーダンスからの不整合を抑えて光出力波形を良好にしていた。

近年、伝送距離が４０ｋｍ以上の光送信モジュールに対しても小型化への要求が強くなっている。具体的には、ＸＭＤ-ＭＳＡ(10Gbit/s Miniature Device Multi Source Agreement)では筐体幅６ｍｍの小型モジュールを提案している。通常、伝送距離が４０ｋｍ以上の光送信モジュールでは、必要な外部端子数は、ペルチェ素子を搭載することにより伝送距離が１０ｋｍ以下の光送信モジュールの外部端子数より増加し、８個以上である。また、通常リードピンが一列に配置されることから、リードピン間のピッチは０.６７ｍｍ以下にする必要がある。

リードピンに対しフレキシブル基板を貫通させて接続する場合、フレキシブル基板上にリードピンを貫通させる穴部と接合材が乗るランド部を設ける必要がある。このとき、隣接したランド部間のクリアランスが大きく取れないことから、リードピンとフレキシブル基板の接合材の短絡を生じやすく、ピン数を増加することが困難である。例えばφ０.２ｍｍのリードピンを貫通させるためには。フレキシブル基板上にφ０.３ｍｍの穴部が必要である。また、接合材が乗るランド部は、穴部と同心円上にφ０.５ｍｍ程度が必要とされる。接合材による短絡を防ぐために隣り合うランド間の間隔を０.３ｍｍ設けると、ピンピッチは０.８ｍｍ以上必要とされ、筐体幅６ｍｍとするとピン数は略６本となる。

一方、リードピンに対しフレキシブル基板を平行に接続する場合、フレキシブル基板上の穴部が不要となるため、ランド部間のクリアランスを大きく取ることができる。この結果、リードピンを増加することが十分可能となる。幅０.２ｍｍのリードを接合するためにはフレキシブル基板上のパッドの幅を０.３５ｍｍとすれば良く、隣り合うパッド間隔を０.３ｍｍ設けるとピンピッチは０.６５ｍｍとなり、筐体幅６ｍｍの場合、略８本のピンを配置することが可能である。
非特許文献２には、リードピンに対しフレキシブル基板を接続した光送信モジュール（光送信サブアセンブリ）が記載されている。

"10Gbps 850nm VCSEL HFE619x-56x"、[online]、2005年4月20日、Advanced Optical Components、[平成１７年１２月９日検索]、インターネット＜URL:http://www.advancedopticalcomponents.com/product/documents/HFE6x9x-56x_000.pdf#search=＞ XMD MSA committee、"XMD04 Physical Interface of LC TOSA Type 2 Package"、Rev. 1.2、2006年1月17日

しかし、リードピンとフレキシブル基板との接続パタンにおいてパタンの幅は接続強度保つためにリードピンの幅よりやや大きく設定する必要がある。さらに、一般的なフレキシブル基板の比誘電率と厚さの制約から信号線路のインピーダンスが５０Ωから大きく逸脱することが避けられない。先に示したパッドの幅０.３５ｍｍで一般的なフレキシブル基板の比誘電率３.２、厚さ５０μｍを用いると信号線路のインピーダンスは約２０Ωと５０Ωに比べ極端に小さくなる。インピーダンスの不整合を抑えるべく単純に接続部のパタン長を短縮すると、接続部分での機械的強度が不十分となる問題がある。

本発明は、接続部分での機械的強度を損なうことなく、かつインピーダンスの不整合を抑えたリードピンとフレキシブル基板の接続方法を用いた光送信モジュールを提供する。

本発明は裏面導体の一部に導体のない孔状パタンを持つＧＮＤ導体パタンを形成したフレキシブル基板を用いることにより、信号線路のインピーダンスが５０Ωより高い領域と低い領域を伝送方向に沿って交互に配置し、各々の領域の長さを適切に設定することで信号線路のインピーダンスの不整合を抑える。

上述した課題は、発光素子と、発光素子からの光を変調して光信号に変換する変調素子と、発光素子の温度を調節する温度調節手段とを筐体に内蔵し、変調素子に接続されたリードピンを含む複数のリードピンと、その表面の複数のパッドとの間で表面接続するプリント基板を含み、プリント基板は、その表面に前記複数のパッドの一つと接続された信号線路と信号線路の両側に形成されたグランド線路と、その裏面に前記グランド線路と接続されたグランドパターンとを含み、信号線と接続されたパッド裏面の前記グランドパターンにスリット状の切り欠きを有する光送信モジュールにより、達成できる。

また、発光素子と、この発光素子からの光を変調して光信号に変換する変調素子と、発光素子の温度を調節する温度調節手段とを筐体に内蔵し、変調素子に接続されたリードピンを含む複数のリードピンと、その表面の複数のパッドとの間で表面接続するプリント基板を含み、プリント基板はインピーダンス変換部を有する光送信モジュールにより、達成できる。

信号線路のインピーダンスの不整合を抑えることで良好な光出力波形を得ることが可能となる。

以下本発明の実施の形態について、実施例を用いて図面を参照しながら説明する。なお、同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。
実施例を、図１ないし図５を用いて説明する。ここで、図１は光送信モジュールサブアセンブリのブロック図である。図２は光送信モジュールサブアセンブリとフレキシブルプリント基板の接続部の斜視透視図である。図３は光送信モジュールサブアセンブリとフレキシブルプリント基板の接続部の透視平面図である。図４は光送信モジュールサブアセンブリとフレキシブルプリント基板の接続部の断面図である。図５は光送信モジュールサブアセンブリとフレキシブルプリント基板の接続部のインピーダンスを説明するスミスチャートである。

図１において、ＥＡ変調器集積レーザダイオードのＥＡ変調器１２とレーザダイオード１１との共通カソード（シグナルグランド）はリードピン２２から出力される。なお、図示の簡便のためシグナルグラントは１本で図示しているが、実際にはＥＡ変調器１２のアノードリードピン２１を挟むように、２本のシグナルグラントとなっている。シグナルグランドには、サーミスタ１４が接続され、サーミスタの他端はサーミスタリードピン２７である。また、シグナルグランドには、光出力モニタ用のフォトダイオード１３のカソードが接続され、フォトダイオード１３のアノードはリードピン２５から出力される。また、少なくともＥＡ変調器集積レーザダイオードとサーミスタ１４は、ＴＥＣ（Thermo-Electric Cooler）１５の上に実装され、ＴＥＣ１５により温度制御される。このとき、ＴＥＣ１５の両端はリードピン２３、２４と接続され、サーミスタ１４が検出した温度に基づいて、外部から温度制御される。

レーザダイオード１１の前方光は、集積されたＥＡ変調器１２において変調される。変調された光信号は図示しない光結合系により、図示しない光ファイバに結合され、送信される。レーザダイオード１１の後方光は、フォトダイオード１３によって受光され、レーザダイオード１１の出力を一定にするように、駆動電流を制御される。この駆動電流は、リードピン２６から供給される。一方、ＥＡ変調器１２の変調電気信号は、リードピン２１からインピーダンス５０Ωの信号線路１６を経由して、供給される。

図２において、筐体１０とフレキシブル基板３０は、０.６ｍｍの間隔を隔てて、リードピン２１、２２で接続されている。ここでリードピン２１は信号線路１６と、リードピン２２はシグナルグランドと接続されている。フレキシブル基板３０の表面の導体パタン３０１は信号線路である。また、フレキシブル基板３０の表面のＧＮＤパタン３０２は、ビア３０３を介して。フレキシブル基板３０の裏面のＧＮＤパタン３０４に接続されている。導体パタン３０１のリードピン２１の先端付近の裏面では、ＧＮＤパタン３０４に幅１.０ｍｍのスリット状の裏面ＧＮＤパタン穴部（切り欠き部）３０５が形成されている。

図３において、光送信モジュールサブアセンブリとフレキシブルプリント基板の接続部は、断面構造の違いで領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶの４つの領域に分けることができる。すなわち、領域Ｉは筐体１０とフレキシブル基板３０との間隙部分である。隔領域ＩＩはフレキシブル基板のパッド幅が０.３５ｍｍで、裏面ＧＮＤパタン３０５がある部分である。領域ＩＩＩはフレキシブル基板のパッド幅が０.３５ｍｍで、裏面ＧＮＤパタン３０５がない部分である。そして、領域ＩＶはフレキシブル基板の配線幅が８０μｍ（マイクロメータ、０.０８ｍｍ）で、裏面ＧＮＤパタン３０５がある部分である。
また、各領域の信号線路方向の長さは、領域Ｉ：０.６ｍｍ、領域ＩＩ：１.１５ｍｍ、領域ＩＩＩ：１.０ｍｍであり、領域ＩＶについては１５ｍｍ程度である。

図４において、（ａ）は領域Ｉの断面図、（ｂ）は領域ＩＩの断面図、（ｃ）は領域ＩＩＩの断面図、（ｄ）は領域ＩＶの断面図である。なお、断面の位置は、図３の領域ＩＶに示す方向であり、各図には断面部分のみ図示する（側面部分は、図示しない）。

図４（ａ）の領域Ｉはリードピン２１、２２で構成されており、その周囲は空気となっている。リードピンは幅０.２ｍｍ、高さ０.１ｍｍ、ピンピッチ０.６７ｍｍ程度であり、そのときの信号線路のインピーダンスは約１４０Ωと５０Ωに比べ大きくなる。

図４（ｂ）の領域ＩＩでは表面の導体パタン３０１の幅をリードピン幅よりやや大きい０.３５ｍｍとすることで接続部の充分な機械的強度を得ることができる。さらにリードピンのピッチが０.６７ｍｍであることから表面の導体パタン３０１、３０２間の幅は０.３２ｍｍとなり、接合材の短絡が起きにくい幅を同時に確保することができる。ここで領域ＩＩでは裏面の導体パタン３０４を設けることで、インピーダンスは２０Ωと５０Ωに比べ小さく設定している。ここで、フレキシブル基板の比誘電率として３.２、厚さとして５０μｍを用いた。

図４（ｃ）の領域ＩＩＩでは表面は領域ＩＩと同じ寸法にしたまま、裏面の導体パタンに穴部３０５を設けることでインピーダンスは９５Ωと５０Ωに比べ大きく設定する。
図４（ｄ）の領域ＩＶでは表面の導体パタン３０１の幅を８０μｍ程度にすることでインピーダンスを５０Ωに合わせている。

図５において、信号線路１６のインピーダンスが５０Ωなので、周波数が１０ＧＨｚの場合、領域Ｉでは信号線路のインピーダンスは５０Ωから始まり、１４０Ωを中心にして信号の伝播方向の長さに依存して時計回りに移動する。領域４１の信号の伝播方向の長さを０.６ｍｍなので、インピーダンスは約５０.７Ω+ｊ１５.４Ωとなる。

領域ＩＩでは、インピーダンスを５０Ωより意図的に低く設定することで、インピーダンスは、領域Ｉの終点から、２０Ωを中心に信号の伝播方向の長さに依存して時計回りに移動する。

領域ＩＩＩでは、信号線路のインピーダンスは、利用域ＩＩの終点から、９５Ωを中心に信号の伝播方向の長さに依存して時計回りに移動する。
この結果、領域Ｉから領域ＩＩＩのトータルのインピーダンスは４９.８Ωとほぼ５０Ωにすることが可能となる。この結果、領域ＩＶのインピーダンスと一致させることができた。

このようにインピーダンスの高い領域Ｉ、ＩＩＩと低い領域ＩＩを交互に配置し、各々の領域の長さを調節することで線路のインピーダンスが５０Ωから外れることを抑制し、良好な光出力波形を得る。ここでは領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩの３つの領域の場合について説明したが、インピーダンスが５０Ωより高い領域と低い領域を交互に配置すれば領域の数は３つ以上でも同様の効果が得ることができる。領域の数を増加させるには２つ以上の裏面導体パタン穴部３０５を配置することで実現することができる。このような構成は、サブアセンブリの筐体とフレキシブル基板とが、０.４ｍｍを超える間隔を隔てて、リードピンで接続された構成で有効である。
インピーダンスの高い領域Ｉと、低い領域ＩＩとは、筐体とフレキシブル基板とを接続する上で、必然的な構成である。しかし、インピーダンスの高い領域ＩＩＩは、意図的に形成した領域であり、インピーダンス変換部と呼べる。

なお、周波数１０ＧＨｚは、変調電気信号のビットレート１０Ｇｂｉｔ/ｓにあたり、ビットレートが概ね１０Ｇｂｉｔ/ｓの好適な光送信機を実現することができる。ここで、ビットレートが概ね１０Ｇｂｉｔ/ｓの光送信機とは、ビットレートが９.９５Ｇｂｉｔ/ｓ、１０.７Ｇｂｉｔ/ｓ、１１.１Ｇｂｉｔ/ｓのＳＯＮＥＴ仕様およびビットレートが１０.３Ｇｂｉｔ/ｓ、１１.３Ｇｂｉｔ/ｓの１０ＧｂｉｔＥａｔｈｅｒ仕様を含み、これらに限られない。
また、本明細書において、光送信モジュールとは、光送信モジュールサブアセンブリにフレキシブルプリント基板が接続された構造を含むモジュールである。

光送信モジュールサブアセンブリのブロック図である。光送信モジュールサブアセンブリとフレキシブルプリント基板の接続部の斜視透視図である。光送信モジュールサブアセンブリとフレキシブルプリント基板の接続部の透視平面図である。光送信モジュールサブアセンブリとフレキシブルプリント基板の接続部の断面図である。光送信モジュールサブアセンブリとフレキシブルプリント基板の接続部のインピーダンスを説明するスミスチャートである。

符号の説明

１０…筐体、１１…レーザダイオード、１２…ＥＡ変調器、１３…フォトダイオード、１４…サーミスタ、１５…ＴＥＣ（Thermo-Electric Cooler）、１６…信号線路、２１〜２７…リードピン、３０…フレキシブル基板、３０１…導体パタン、３０２…表面ＧＮＤパタン、３０３…ビア、３０４…裏面ＧＮＤパタン、３０５…裏面ＧＮＤパタン穴部。

Claims

発光素子と、この発光素子からの光を変調して光信号に変換する変調素子と、前記発光素子の温度を調節する温度調節手段と、を筐体に内蔵する光送信モジュールにおいて、
前記変調素子に接続されたリードピンを含む複数のリードピンと、その表面の複数のパッドとの間で表面接続するプリント基板を含み、
前記プリント基板は、その表面に前記複数のパッドの一つと接続された信号線路とこの信号線路の両側に形成されたグランド線路と、その裏面に前記グランド線路と接続されたグランドパターンとを含み、
前記信号線と接続されたパッド裏面の前記グランドパターンにスリット状の切り欠きを有することと特徴とする光送信モジュール。
発光素子と、この発光素子からの光を変調して光信号に変換する変調素子と、前記発光素子の温度を調節する温度調節手段と、を筐体に内蔵する光送信モジュールにおいて、
前記変調素子に接続されたリードピンを含む複数のリードピンと、その表面の複数のパッドとの間で表面接続するプリント基板を含み、
前記プリント基板はインピーダンス変換部を有することを特徴とする光送信モジュール。
請求項１または請求項２に記載の光送信モジュールであって、
前記筐体と、前記プリント基板とは、０.４ｍｍ以上の間隙を有して配置されていることを特徴とする光送信モジュール。
請求項１または請求項２に記載の光送信モジュールであって、
ビットレートが概ね１０Ｇｂｉｔ/ｓであることを特徴とする光送信モジュール。
請求項１に記載の光送信モジュールであって、
前記切り欠きの信号伝送方向の幅は概ね１ｍｍであることを特徴とする光送信モジュール。