JP2022143754A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高周波特性の向上を目的とする。【解決手段】光モジュール１００は、導電性ステム１０と、リードピン２６と、第１面１２に少なくとも間接的に固定されているサブマウント基板５０と、表面にメタライズパターン６８を有する誘電体ブロック６６と、メタライズパターン６８とサブマウント基板５０の配線パターン５２を電気的に接続する信号ワイヤ７２と、を有する。複数のリードピン２６のそれぞれは、複数の貫通孔２４の内側にある軸部３０と、第１面１２から突出する第１端部３２と、第２面２２から突出する第２端部３４と、を含む。信号リードピン３６は、第１端部３２が軸部３０よりも大径になっている。誘電体ブロック６６は、信号リードピン３６の第１端部３２の端面に対向して固定されて、メタライズパターン６８が端面に電気的に導通している。【選択図】図２

Description

本発明は、光モジュールに関する。

小型の光モジュールには、高周波特性の向上が求められている。ＴＯ－ＣＡＮ（Transistor Outline Can）パッケージ（特許文献１）は、リードピンを用いて電気信号を端面発光レーザへ伝送するようになっている。リードピンは導電性ステムを貫通し、両者間に誘電体が介在して、同軸線路が構成される。

特開２０１１－１０８９３９号公報

リードピンからの電気的接続には、ボンディングワイヤが使用される。ボンディングワイヤは短いほどインピーダンスが低いが、短いボンディングワイヤを使用するには、リードピンを導電性ステムから長く突出させる必要がある。そのため、インピーダンスが高くなり、高周波特性が劣化する。

本発明は、高周波特性の向上を目的とする。

光モジュールは、第１面および第２面を有し、前記第１面及び前記第２面の間で貫通する複数の貫通孔を有する導電性ステムと、信号リードピンを含み、前記複数の貫通孔の内側にそれぞれ位置し、前記導電性ステムとは誘電体で絶縁されてそれぞれ固定されている複数のリードピンと、配線パターンを有し、前記第１面に少なくとも間接的に固定されているサブマウント基板と、前記サブマウント基板に搭載され、前記配線パターンに電気的に接続され、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ようになっている光電素子と、表面にメタライズパターンを有する誘電体ブロックと、前記メタライズパターンと前記サブマウント基板の前記配線パターンを電気的に接続する信号ワイヤと、を有し、前記複数のリードピンのそれぞれは、前記複数の貫通孔の内側にある軸部と、前記第１面から突出する第１端部と、前記第２面から突出する第２端部と、を含み、前記信号リードピンは、前記第１端部が前記軸部よりも大径になっており、前記誘電体ブロックは、前記信号リードピンの前記第１端部の端面に対向して固定されて、前記メタライズパターンが前記端面に電気的に導通している。

メタライズパターンは、誘電体ブロックの表面にあるので、誘電体ブロックの容量性によりインピーダンスを下げることができる。これにより、高周波特性の向上が可能になる。

第１の実施形態に係る光モジュールの側面図である。 導電性ステム及びこれに搭載される電子部品の斜視図である。 導電性ステム及びこれに搭載される電子部品の平面図である。 図３に示す構造のIV-IV線断面図である。 光モジュールの分解斜視図である。 第２の実施形態に係る導電性ステム及びこれに搭載される電子部品の斜視図である。 ３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳ（High Frequency Structure Simulator）によって計算した、比較例、第１の実施形態および第２の実施形態の周波数特性を示す図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。全図において同一の符号を付した部材は同一又は同等の機能を有するものであり、その繰り返しの説明を省略する。なお、図形の大きさは倍率に必ずしも一致するものではない。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る光モジュールの側面図である。光モジュール１００は、ＴＯ－ＣＡＮ（Transistor Outline-Can）型光モジュールであり、発光素子を備える光送信サブアセンブリ（TOSA: Transmitter Optical Sub-Assembly）、受光素子を備える光受信サブアセンブリ（ROSA: Receiver Optical Sub-Assembly）、発光素子及び受光素子の両方を備える双方向モジュール（BOSA；Bidirectional Optical Sub-Assembly）のいずれであってもよい。光モジュール１００は、フレキシブル基板（ＦＰＣ）１０２を有し、プリント基板（ＰＣＢ）１０４に接続されるようになっている。光モジュール１００は、導電性ステム１０を有する。

図２は、導電性ステム１０及びこれに搭載される電子部品の斜視図である。図３は、導電性ステム１０及びこれに搭載される電子部品の平面図である。図４は、図３に示す構造のIV－IV線断面図である。

［導電性ステム］
導電性ステム１０は、金属などの導電材料からなる。導電性ステム１０は、基準電位（例えばグラウンド）に接続される。導電性ステム１０は、アイレットを含む。

導電性ステム１０は、第１面１２を有する。導電性ステム１０の第１面１２は、基準領域１４を含む。第１面１２は、基準領域１４よりも低い実装領域１６を含む。第１面１２は、実装領域１６の周囲に凸部１８を有する。凸部１８の上面が基準領域１４である。第１面１２は、凸部１８の周囲に、基準領域１４よりも低い外周領域２０を含む。外周領域２０の内側に凸部１８がある。

導電性ステム１０は、第２面２２を有する。第２面２２は平坦になっている。導電性ステム１０は、第１面１２および第２面２２の間で貫通する複数の貫通孔２４を有する。複数の貫通孔２４は、基準領域１４に形成されている。

［リードピン］
光モジュール１００は、複数のリードピン２６を有する。複数のリードピン２６は、基準領域１４に配列されている。複数のリードピン２６は、複数の貫通孔２４の内側にそれぞれ位置する。複数のリードピン２６は、導電性ステム１０とは誘電体２８（例えばガラス）で絶縁されてそれぞれ固定されており、これにより同軸線路が構成される。

図４に示すように、複数のリードピン２６のそれぞれは、複数の貫通孔２４の内側にある軸部３０を含む。複数のリードピン２６のそれぞれは、第１面１２から突出する第１端部３２を含む。複数のリードピン２６のそれぞれは、第２面２２から突出する第２端部３４を含む。第２端部３４がフレキシブル基板１０２（図１）に接続される。

複数のリードピン２６は、信号リードピン３６を含む。信号リードピン３６は、複数のリードピン２６の他のいずれよりも軸部３０が細い。信号リードピン３６は、第１端部３２が軸部３０よりも大径になっている。第１端部３２の先端面は平坦になっている。

［熱電冷却器］
光モジュール１００は、熱電冷却器３８を有する。熱電冷却器３８は、上面４０及び下面４２を有する。上面４０及び下面４２は、セラミックなどの絶縁体からなる。熱電冷却器３８は、上面４０及び下面４２の間で熱を移動させるようになっている。熱電冷却器３８は、上面４０及び下面４２の間で熱を移動させるためのペルチェ素子４１を内部に有する。例えば、上面４０が吸熱面になり、下面４２が放熱面になるが、その逆に切り替えられるようになっている。熱電冷却器３８の電極は、ワイヤＷ１によって、リードピン２６に接続されている。

熱電冷却器３８は、上面４０に導電膜４４を有する。導電膜４４は、基準電位プレーン（例えばグラウンドプレーン）となる。サーミスタ４６が導電膜４４に載って、電気的に接続し、温度を測定できるようになっている。サーミスタ４６は、ワイヤＷ２によってリードピン２６に接続されており、電圧が印加されるようになっている。

熱電冷却器３８は、下面４２が第１面１２に固定されている。図４に示すように、非導電性接着剤４８が、熱電冷却器３８および第１面１２の間に介在する。熱電冷却器３８は、実装領域１６に搭載されている。非導電性接着剤４８が熱電冷却器３８および実装領域１６の間に介在して、両者を接着している。基準領域１４と実装領域１６の高さの差は、熱電冷却器３８の厚みの半分以上である。

［サブマウント基板］
光モジュール１００は、サブマウント基板５０を有する。サブマウント基板５０は、第１面１２に少なくとも間接的に固定されている。熱電冷却器３８が、サブマウント基板５０と第１面１２との間に介在する。サブマウント基板５０は、熱電冷却器３８の上面４０に固定されている。サブマウント基板５０は、導電膜４４の上に搭載されている。

図３に示すように、サブマウント基板５０は、熱電冷却器３８から信号リードピン３６への方向にオーバーハングしている。サブマウント基板５０は、基準領域１４の上方に端部を有する。サブマウント基板５０の端部は、導電性ステム１０から間隔があいている（図４）。

サブマウント基板５０は、配線パターン５２を有する。配線パターン５２は、サブマウント基板５０の、熱電冷却器３８とは反対の面にある。配線パターン５２は、信号パターン５４を含む。信号パターン５４は、ワイヤＷ３によって光電素子５６（光変調器）に電気的に接続されて、高周波信号を入力するようになっている。

配線パターン５２は、グラウンドパターン５８を含む。グラウンドパターン５８は、スルーホール６０を介して、搭載面とは反対側の裏面電極（図示せず）に接続されている。これにより、グラウンドパターン５８は、導電膜４４に電気的に導通する。

サブマウント基板５０は、光電素子５６が搭載される搭載面を有する。搭載面に平行な方向に光軸を向けるように、光電素子５６は配置されている。なお、図示しない終端抵抗をサブマウント基板５０に設けて、高周波成分を有する変調電気信号の反射波が、駆動ＩＣ（図示せず）に折り返すことを抑制してもよい。

［光電素子］
光モジュール１００は、光電素子５６を有する。光電素子５６は、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ようになっている。光電素子５６には、半導体レーザ及び光変調器が集積されている。半導体レーザには、ワイヤＷ４がボンディングされて、直流電圧を印加するようになっている。光変調器は、シングルエンド駆動されるようになっている。

光電素子５６は、サブマウント基板５０に搭載されている。光電素子５６（裏面電極）は、配線パターン５２（グラウンドパターン５８）に電気的に接続されている。光電素子５６は、第１面１２に平行に光を出射する端面発光レーザである。出射された光は、ミラー６２で、第１面１２に交差する方向に反射される。

導電性ステム１０には、バイパスコンデンサ６４が搭載されている。バイパスコンデンサ６４の裏面（一方の電極）が第１面１２に導通し、基準電位（例えばグラウンド）に接続される。バイパスコンデンサ６４の上面（他方の電極）は、ワイヤＷ５を介して、リードピン２６に接続され、電圧が印加されるようになっている。電圧は、ワイヤＷ４を介して、光電素子５６（半導体レーザ）にも接続されて直流電圧が供給される。バイパスコンデンサ６４によって、直流信号に重畳される高周波信号を分離している。

［誘電体ブロック］
光モジュール１００は、誘電体ブロック６６を有する。誘電体ブロック６６は、表面にメタライズパターン６８を有する。図４に示すように、誘電体ブロック６６は、信号リードピン３６の第１端部３２の端面に対向して固定されている。メタライズパターン６８が端面に電気的に導通している。メタライズパターン６８は、誘電体ブロック６６の表面にあるので、誘電体ブロック６６の容量性によりインピーダンスを下げることができる。これにより、高周波特性の向上が可能になる。

［ワイヤ］
光モジュール１００は、信号ワイヤ７２を有する。信号ワイヤ７２は、メタライズパターン６８とサブマウント基板５０の配線パターン５２を電気的に接続する。信号ワイヤ７２は、信号パターン５４にボンディングされる。グラウンドワイヤ７０が、導電性ステム１０の第１面１２とグラウンドパターン５８を電気的に接続する。グラウンドワイヤ７０の一端がグラウンドパターン５８にボンディングされている。

［レンズキャップ］
図５は、光モジュール１００の分解斜視図である。レンズキャップ７４は、レンズ７６を有する。レンズ７６は、光電素子５６から出射してミラー６２で反射された光を集光するようになっている。そのため、レンズ７６は、導電性ステム１０の第１面１２の中心に対向する。これに対応して、ミラー６２も、導電性ステム１０の第１面１２の中心に位置している。レンズキャップ７４は、凸部１８をガイドとして、導電性ステム１０に取り付けられる。

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係る導電性ステム及びこれに搭載される電子部品の斜視図である。

第２誘電体ブロック２６６は、表面に第２メタライズパターン２６８を有する。第２誘電体ブロック２６６は、導電性ステム２１０の第１面２１２に搭載されている。第２メタライズパターン２６８が導電性ステム２１０に電気的に導通する。グラウンドワイヤ２７０が、第２メタライズパターン２６８とサブマウント基板２５０の配線パターン２５２（グラウンドパターン２５８）を電気的に接続する。その他の内容には、第１の実施形態で説明したことが適用可能である。

図７は、３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳ（High Frequency Structure Simulator）によって計算した、比較例、第１の実施形態および第２の実施形態の周波数特性を示す図である。なお、比較例では、信号ワイヤを信号リードピンに直接ボンディングした。ワイヤに寄生するインダクタンスを補償することによって、特に３０ＧＨｚ以上での伝送特性を改善していることがわかる。

［実施形態の概要］
（１） 第１面１２および第２面２２を有し、第１面１２及び第２面２２の間で貫通する複数の貫通孔２４を有する導電性ステム１０と、信号リードピン３６を含み、複数の貫通孔２４の内側にそれぞれ位置し、導電性ステム１０とは誘電体２８で絶縁されてそれぞれ固定されている複数のリードピン２６と、配線パターン５２を有し、第１面１２に少なくとも間接的に固定されているサブマウント基板５０と、サブマウント基板５０に搭載され、配線パターン５２に電気的に接続され、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ようになっている光電素子５６と、表面にメタライズパターン６８を有する誘電体ブロック６６と、メタライズパターン６８とサブマウント基板５０の配線パターン５２を電気的に接続する信号ワイヤ７２と、を有し、複数のリードピン２６のそれぞれは、複数の貫通孔２４の内側にある軸部３０と、第１面１２から突出する第１端部３２と、第２面２２から突出する第２端部３４と、を含み、信号リードピン３６は、第１端部３２が軸部３０よりも大径になっており、誘電体ブロック６６は、信号リードピン３６の第１端部３２の端面に対向して固定されて、メタライズパターン６８が端面に電気的に導通している光モジュール１００。

（２） （１）に記載された光モジュールであって、表面に第２メタライズパターン２６８を有し、導電性ステム２１０の第１面２１２に搭載され、第２メタライズパターン２６８が導電性ステム２１０に電気的に導通する第２誘電体ブロック２６６と、第２メタライズパターン２６８とサブマウント基板２５０の配線パターン２５２を電気的に接続するグラウンドワイヤ２７０と、をさらに有し、サブマウント基板２５０の配線パターン２５２は、信号ワイヤ７２がボンディングされる信号パターン５４と、グラウンドワイヤ２７０がボンディングされるグラウンドパターン２５８と、を含む光モジュール。

（３） （１）又は（２）に記載された光モジュール１００であって、サブマウント基板５０と第１面１２との間に介在する熱電冷却器３８をさらに有する光モジュール１００。

（４） （３）に記載された光モジュール１００であって、熱電冷却器３８および第１面１２の間に介在する非導電性接着剤４８をさらに有する光モジュール１００。

（５） （３）又は（４）に記載された光モジュール１００であって、導電性ステム１０の第１面１２は、複数のリードピン２６が配列されている基準領域１４と、基準領域１４よりも低くなって熱電冷却器３８が搭載されている実装領域１６と、を含む光モジュール１００。

（６） （５）に記載された光モジュール１００であって、サブマウント基板５０は、熱電冷却器３８から信号リードピン３６への方向にオーバーハングし、基準領域１４の上方に端部を有する光モジュール１００。

（７） （６）に記載された光モジュール１００であって、サブマウント基板５０の端部は、導電性ステム１０から間隔があいている光モジュール１００。

（８） （１）から（７）のいずれか１つに記載された光モジュール１００であって、導電性ステム１０の第１面１２は、実装領域１６の周囲に凸部１８を有し、凸部１８の上面が基準領域１４であり、凸部１８の周囲に基準領域１４よりも低い外周領域２０を含み、凸部１８をガイドとして導電性ステム１０に取り付けられたレンズキャップ７４をさらに有する光モジュール１００。

（９） （１）から（８）のいずれか１つに記載された光モジュール１００であって、光電素子５６は、第１面１２に平行に光を出射する端面発光レーザであり、第１面１２に交差する方向に光を反射するミラー６２をさらに有する光モジュール１００。
（１０） （１）から（９）のいずれか１つに記載された光モジュール１００であって、信号リードピン３６は、複数のリードピン２６の他のいずれよりも軸部３０が細い光モジュール１００。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、実施形態で説明した構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えることができる。

１０ 導電性ステム、１２ 第１面、１４ 基準領域、１６ 実装領域、１８ 凸部、２０ 外周領域、２２ 第２面、２４ 貫通孔、２６ リードピン、２８ 誘電体、３０ 軸部、３２ 第１端部、３４ 第２端部、３６ 信号リードピン、３８ 熱電冷却器、４０ 上面、４１ ペルチェ素子、４２ 下面、４４ 導電膜、４６ サーミスタ、４８ 非導電性接着剤、５０ サブマウント基板、５２ 配線パターン、５４ 信号パターン、５６ 光電素子、５８ グラウンドパターン、６０ スルーホール、６２ ミラー、６４ バイパスコンデンサ、６６ 誘電体ブロック、６８ メタライズパターン、７０ グラウンドワイヤ、７２ 信号ワイヤ、７４ レンズキャップ、７６ レンズ、１００ 光モジュール、１０２ フレキシブル基板、１０４ プリント基板、２１０ 導電性ステム、２１２ 第１面、２５０ サブマウント基板、２５２ 配線パターン、２５８ グラウンドパターン、２６６ 第２誘電体ブロック、２６８ 第２メタライズパターン、２７０ グラウンドワイヤ、Ｗ１ ワイヤ、Ｗ２ ワイヤ、Ｗ３ ワイヤ、Ｗ４ ワイヤ、Ｗ５ ワイヤ。

Claims (10)

1. 第１面および第２面を有し、前記第１面及び前記第２面の間で貫通する複数の貫通孔を有する導電性ステムと、
   信号リードピンを含み、前記複数の貫通孔の内側にそれぞれ位置し、前記導電性ステムとは誘電体で絶縁されてそれぞれ固定されている複数のリードピンと、
   配線パターンを有し、前記第１面に少なくとも間接的に固定されているサブマウント基板と、
   前記サブマウント基板に搭載され、前記配線パターンに電気的に接続され、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ようになっている光電素子と、
   表面にメタライズパターンを有する誘電体ブロックと、
   前記メタライズパターンと前記サブマウント基板の前記配線パターンを電気的に接続する信号ワイヤと、
   を有し、
   前記複数のリードピンのそれぞれは、前記複数の貫通孔の内側にある軸部と、前記第１面から突出する第１端部と、前記第２面から突出する第２端部と、を含み、
   前記信号リードピンは、前記第１端部が前記軸部よりも大径になっており、
   前記誘電体ブロックは、前記信号リードピンの前記第１端部の端面に対向して固定されて、前記メタライズパターンが前記端面に電気的に導通している光モジュール。
2. 請求項１に記載された光モジュールであって、
   表面に第２メタライズパターンを有し、前記導電性ステムの前記第１面に搭載され、前記第２メタライズパターンが前記導電性ステムに電気的に導通する第２誘電体ブロックと、
   前記第２メタライズパターンと前記サブマウント基板の前記配線パターンを電気的に接続するグラウンドワイヤと、
   をさらに有し、
   前記サブマウント基板の前記配線パターンは、前記信号ワイヤがボンディングされる信号パターンと、前記グラウンドワイヤがボンディングされるグラウンドパターンと、を含む光モジュール。
3. 請求項１又は２に記載された光モジュールであって、
   前記サブマウント基板と前記第１面との間に介在する熱電冷却器をさらに有する光モジュール。
4. 請求項３に記載された光モジュールであって、
   前記熱電冷却器および前記第１面の間に介在する非導電性接着剤をさらに有する光モジュール。
5. 請求項３又は４に記載された光モジュールであって、
   前記導電性ステムの前記第１面は、前記複数のリードピンが配列されている基準領域と、前記基準領域よりも低くなって前記熱電冷却器が搭載されている実装領域と、を含む光モジュール。
6. 請求項５に記載された光モジュールであって、
   前記サブマウント基板は、前記熱電冷却器から前記信号リードピンへの方向にオーバーハングし、前記基準領域の上方に端部を有する光モジュール。
7. 請求項６に記載された光モジュールであって、
   前記サブマウント基板の前記端部は、前記導電性ステムから間隔があいている光モジュール。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
   前記導電性ステムの前記第１面は、前記実装領域の周囲に凸部を有し、前記凸部の上面が前記基準領域であり、前記凸部の周囲に前記基準領域よりも低い外周領域を含み、
   前記凸部をガイドとして前記導電性ステムに取り付けられたレンズキャップをさらに有する光モジュール。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
   前記光電素子は、前記第１面に平行に光を出射する端面発光レーザであり、
   前記第１面に交差する方向に前記光を反射するミラーをさらに有する光モジュール。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
    前記信号リードピンは、前記複数のリードピンの他のいずれよりも前記軸部が細い光モジュール。
    
    

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