JP4973239B2

JP4973239B2 - 多チャンネル光受信モジュール

Info

Publication number: JP4973239B2
Application number: JP2007051151A
Authority: JP
Inventors: 健一田村; 雅彦小林
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-03-01
Also published as: JP2007335838A

Description

本発明は、クロストークを低減する多チャンネル光受信モジュールに関する。

１本の光ファイバに多チャンネルの通信信号を伝搬させる方式として、光波長が異なる複数のチャンネルの通信信号を重畳することが行われる。

このような波長多重化された光信号を、１個の受信モジュールで受信するのが多チャンネル光受信モジュールである。

図３に示されるように、多チャンネル光受信モジュールは、伝送路である光ファイバ（図示せず）からの光を導くレセプタクル３１と、そのレセプタクル３１からの光路に対して所定の角度で臨ませた反射部材３２と、その反射部材３２に対して所定の角度で対向する反射型分波器３３と、その反射型分波器３３で分波されて少しずつずれた光路で入射する光信号を受信するために複数の受光素子からなるライン型の受光素子アレイ３４を搭載したＣＡＮ型受信モジュール３５とを一体化させたものである。また、受光素子が出力する受光信号は電力が微弱であるため、受信信号を増幅するためのアンプＩＣをＣＡＮ型受信モジュール内に組み込み、ＣＡＮ型受信モジュールの出力ピン３６にはアンプＩＣから増幅された信号を出力する。アンプＩＣチップとしては、例えばトランスインピーダンス型の増幅器であり、受信電流を電圧に変換する。そしてアンプＩＣチップにおける差動信号のトランスインピーダンスは、５〜１０ＫΩが用いられている。

なお、多チャンネル光受信モジュールは、波長多重化された光信号を１本の光伝送路とやり取りするものに限らない。複数の光伝送路とそれぞれ光信号をやり取りすることでも、多チャンネルの通信は可能である。その場合でも、１つのＣＡＮ型受信モジュールに複数の受光素子からなるライン型の受光素子アレイ３４を搭載することで、半導体部材を一体化、集積化することができる。

特開平８−１１６１３６号公報

アンプが出力する信号は差動出力である。差動出力は、本来、その２本の出力信号線が平行で延びているときにノイズが入るもしくは出るのを防止するものである。

ところが、ＣＡＮ型受信モジュールの内部では、差動出力の信号線を平行に配線することができない。なぜなら、アンプＩＣチップの差動出力端子から出力ピンまでを直線的に結んでワイヤボンディングすると、出力ピンはＣＡＮパッケージの円周に沿って配置されているため、そのワイヤは平行にならないからである。よって、ＣＡＮ型受信モジュールの内部では、アンプＩＣチップの出力のワイヤからノイズが出るのを防止するのが難しい。

ＣＡＮ型受信モジュールの内部では、受光素子からアンプＩＣチップまでの信号ラインは受光出力が流れている。受光素子やそのラインは、電力が大変弱く、アンプＩＣチップの出力と比べると上記増幅率分の違いがあるため、ノイズの影響を大変強く受けることになる。つまり、当該チャンネルの受光素子に他チャンネルの差動出力からのノイズが入り、クロストークが起きる。クロストークが起きると、実質的に受信感度が低減してしまう。

なお、ピン配置を工夫してノイズが出入りしにくいピン配置とすることは、技術的に可能だが、製作上、ピン配置に制限があるため、この方法は採用できない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、クロストークを低減する多チャンネル光受信モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、パッケージのほぼ中心に複数の受光素子からなる受光素子アレイを搭載し、その受光素子アレイの外周に各受光素子の出力を増幅するアンプＩＣチップを搭載し、上記アンプＩＣチップには差動信号用のワイヤをボンディングするための２箇所のパッドが設けられており、差動信号用の２本の出力ピンが、仮に上記２箇所のパッドから上記２本の出力ピンまでを直線的に結んでワイヤボンディングした場合、そのワイヤは平行にならないように配置されており、各アンプＩＣチップの外周にそれぞれの配線中継用サブマウントを搭載し、上記アンプＩＣチップの上記２箇所のパッドから上記２本の出力ピンまでを直線的に結ぶワイヤボンディングを行わずに、各アンプＩＣチップから各配線中継用サブマウントまで差動信号用の２本のワイヤを平行に配線し、各配線中継用サブマウントから上記パッケージの上記２本の出力ピンまで２本のワイヤを配線したものである。

上記配線中継用サブマウントは、パッケージの対応する２本の出力ピンを結ぶ直線の近傍に配設したものである。

上記配線中継用サブマウントとアンプＩＣチップとを電気的に接続するワイヤでのノイズ振幅は、上記配線中継用サブマウントと出力ピンとを電気的に接続するワイヤでのノイズ振幅より小さいものである。

上記配線中継用サブマウントとなる電子部品は、一方の差動信号用のワイヤと他方の差動信号用のワイヤが平行となるようにアンプＩＣチップに対して配置・構成されるものである。

上記配線中継用サブマウントとなる電子部品は、抵抗素子である。

上記配線中継用サブマウントとなる電子部品は、一端がアンプＩＣチップと電気的に接続され、他端が固定電位と電気的に接続されるものである。

上記配線中継用サブマウントとなる電子部品は、容量素子である。

アンプＩＣチップから上記配線中継用サブマウントまでのワイヤ長Ｌ１と、該配線中継用サブマウントから上記出力ピンまでのワイヤ長Ｌ２とが、少なくとも１つのチャンネルにおいてＬ１＞Ｌ２となっているものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）クロストークを低減することができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る多チャンネル光受信モジュールは、ＣＡＮ型パッケージ１の底部にその底面と一体になった基板２を設け、その基板２には、ＣＡＮ型パッケージ１の軸中心に複数の受光素子３からなるライン型の受光素子アレイ４を搭載し、その受光素子アレイ４の外周に各受光素子３の出力を増幅するアンプＩＣチップ（以下、ＩＣチップ）５を搭載し、各ＩＣチップ５の外周にそれぞれの差動信号を中継して配線するための配線中継用サブマウント６を搭載し、各ＩＣチップ５から各配線中継用サブマウント６まで差動信号用の２本のワイヤ８を平行に配線し、各配線中継用サブマウント６からＣＡＮ型パッケージ１の出力ピン７までワイヤ９を配線したものである。

ここに示した多チャンネル光受信モジュールは、４チャンネル用であり、受光素子アレイ４の受光素子３は４個、ＩＣチップ５も４個、配線中継用サブマウント６も４個である。符号は示さないが、同じ部材には同じハッチングを付けた。なお、本発明はチャンネル数に限定されないことは明らかである。

ＩＣチップ５は、受光素子アレイ４を取り巻くように受光素子アレイ４の両脇にそれぞれ近接して配置されているが、各ＩＣチップ５は各々一番近くに配置されている受光素子３の出力部とワイヤ配線してあり、これらの受光出力を増幅するようになっている。

ＣＡＮ型パッケージ１の出力ピン７は最も外周に配置されている。出力ピン７は合計１２本あり、図示左辺、右辺、上辺、下辺に３本ずつ整列している。上辺及び下辺の中央に位置する出力ピン７は、電源端子である。左辺及び右辺の中央に位置する出力ピン７は、空きである。各辺の両端に位置するピン７が差動信号のための出力ピン７である。ひとつの受光素子３から得られた同一チャンネルの差動信号を出力する出力ピン７は、互いに隣接して配置されている。

ここで、１組（１チャンネル）のＩＣチップ５と配線中継用サブマウント６について着目すると、図４に示されるように、ＩＣチップ５には差動信号用のワイヤ８をボンディングするための２箇所のパッド４１が設けられ、配線中継用サブマウント６には絶縁部４２を介して分けられた２つの導通部４３が設けられる。配線中継用サブマウント６の２つの導通部４３、４３とＩＣチップ５の２つのパッド４１、４１は、一方の導通部４３とＩＣチップ５のパッド４１とを結ぶ仮想直線に対し、他方の導通部４３とＩＣチップ５のパッド４１とを結ぶ仮想直線が平行となるように構成・配置されている。これにより一方の差動信号用のワイヤ８と他方の差動信号用のワイヤ８は平行配線される。ワイヤ８は、一例として直径φ＝２５μｍ、材質がＡｕのものを用いる。

一方、配線中継用サブマウント６は２つの出力ピン７を結ぶ仮想的な直線を跨いで配置されているので、配線中継用サブマウント６から出力ピン７までは上記仮想的な直線にほぼ沿ってワイヤ９が配線される。

さて、本発明の多チャンネル光受信モジュールでは、ＩＣチップ５から配線中継用サブマウント６まで差動信号用の２本のワイヤ８が平行に配線されている。また、これら２本のワイヤ８間の間隔は他のワイヤとの間隔に比べて十分に狭い。この実施形態では、差動信号用の２本のワイヤの間隔は１００〜２００μｍ程度である。配線中継用サブマウント６は、ＩＣチップ５のさらに外周を取り巻くように四方に分散して配置されているが、各々のＩＣチップ５から概略径方向外方に位置する配線中継用サブマウント６に対して配線がなされている。従って、全てのワイヤ８は受光素子アレイ４から遠ざかる方向に向いている。

配線中継用サブマウント６から２つの出力ピン７までは、それぞれワイヤ９が配線されている。配線中継用サブマウント６は、同一チャンネルの出力ピン７のほぼ中間位置でＣＡＮ型パッケージの中心方向にあるため、２つのワイヤ９はほぼ逆方向に向けて延びている。

本発明によれば、互いに対をなす２つの差動信号のワイヤ８が平行であって、しかも、ワイヤ８間の距離が近い。このため、一方のワイヤ８から出るノイズ（信号電流によって発生する磁界）と、他方のワイヤ８から出るノイズ（信号電流によって発生する磁界）は、大きさと発生する場所がほぼ同じで、極性（信号電流によって発生する磁界の向き）が逆である。従って、これらのノイズは、重ね合わせにより相殺され、ワイヤ８からノイズが出ないのと等価となる。

また、これらのワイヤ８は受光素子３とＩＣチップ５を結ぶ受光出力のワイヤと平行でないので、ワイヤ８からノイズが出ても受光出力に影響を与えにくい。

一方、ワイヤ９では、各差動信号がばらばらの方向に導かれることになるが、受光素子３からの距離が遠い。よって、ワイヤ９からノイズが出てもワイヤ９からのノイズは受光出力に影響を与えにくい。この観点から、ワイヤ８が平行に延びる区間をできるだけ長くして、平行とならないワイヤ区間が受光素子３から遠のくように配線中継用サブマウント６を配置するのが好ましい。

少なくとも１つのチャンネルにおいて、ＩＣチップ５から配線中継用サブマウント６までのワイヤ長Ｌ１と、配線中継用サブマウント６から出力ピン７までのワイヤ長Ｌ２とが、Ｌ１＞Ｌ２であるのが好ましい。

比較のため、図２に従来の多チャンネル光受信モジュールを示す。図１と比較すると、受光素子３、受光素子アレイ４、ＩＣチップ５、出力ピン７の配置は同じである。しかし、従来は配線中継用サブマウント６で差動信号を中継して配線する思想がないので、ＩＣチップ５から差動信号のワイヤ１０，１１がばらばらに延びて出力ピン７に配線されている。ワイヤ１０，１１からはそれぞれノイズが出る。このためにクロストークを避けることが困難であったが、本発明ではＩＣチップ５から配線中継用サブマウント６まで２つの差動信号のワイヤ８を平行に配線したので、クロストークを低減することができる。

図５に示した多チャンネル光受信モジュールは、図１のものとほぼ同じであるが、ある出力ピン７から抵抗素子６１の片側端までワイヤが配線され、抵抗素子６１の反対側端からコンデンサ６２までワイヤが配線され、コンデンサ６２から受光素子アレイ４までワイヤが配線されている。受光素子アレイ４は受光素子アレイ用サブマウント６３に搭載されている。

次に述べる図６の実施形態においては、配線中継用サブマウント６としての電子部品７１である抵抗素子７２は、一方の差動信号用のワイヤ８と他方の差動信号用のワイヤ８が平行となるように配置される。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されるように、抵抗素子７２は、１個のチップ抵抗器からなり、２つの導通部７３間に薄膜抵抗が設けられ、それぞれの導通部７３にワイヤ８とワイヤ９がボンディングされる。抵抗素子７２の２つの導通部７３、７３とＩＣチップ５の２つのパッド４１、４１は、一方の導通部７３とＩＣチップ５のパッド４１とを結ぶ仮想直線に対し、他方の導通部７３とＩＣチップ５のパッド４１とを結ぶ仮想直線が平行となるように構成・配置されている。これにより一方の差動信号用のワイヤ８と他方の差動信号用のワイヤ８は平行となる。

これにより、２つの差動信号電位間に抵抗が挿入されたことになり、それぞれの差動信号の振幅が小さくなるので、ノイズも小さくなる。

図７の実施形態においては、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示されるように、配線中継用サブマウント６としての電子部品８１である２つの容量素子８２a、８２ｂは、１つのチップに形成される。配線中継用サブマウント６の２つの容量素子８２a、８２ｂとＩＣチップ５の２つのパッド４１、４１は、一方の容量素子８２aとＩＣチップ５のパッド４１とを結ぶ仮想直線に対し、他方の容量素子８２ｂとＩＣチップ５のパッド４１とを結ぶ仮想直線が平行となるように構成・配置されている。電子部品８１の上面に絶縁部８４を挟んで形成された２つの導通部８３は各容量素子８２の電極であり、一方の導通部８３にワイヤ８ａとワイヤ９ａがボンディングされ、他方の導通部８３にワイヤ８ｂとワイヤ９ｂがボンディングされる。２つの導通部８３のそれぞれの面積は同じ、ワイヤ８ａとワイヤ８ｂは同じ長さ、ワイヤ９ａとワイヤ９ｂは同じ長さであることが好ましい。更に配線中継用サブマウントとなる電子部品８１の上面は、アンプＩＣチップ５とワイヤ８a、８ｂにより電気的に接続され、電子部品８１の下面は、パッケージ１の基板２に形成したグランド（図示せず）などの固定電位と、はんだなどにより電気的に接続されている。なお、固定電位としてはグランドの他に電源などでも良い。

図７（ｂ）は図７（ａ）の等価回路である。Ｌ１ａはワイヤ８ａの寄生インダクタンス、Ｌ２ａはワイヤ９aの寄生インダクタンス、Ｌ１ｂはワイヤ８ｂの寄生インダクタンス、Ｌ２ｂはワイヤ９ｂの寄生インダクタンスであり、Ｃａは容量素子８２aのキャパシタンス容量、Ｃｂは容量素子８２ｂのキャパシタンス容量である。
図７（ｂ）の等価回路に示されるように、それぞれの差動信号についてノイズフィルタ（Ｌ１ａとＣａ、Ｌ１とＣｂ、及びＬ２ａとＣａ、Ｌ２ｂとＣｂ）が形成されるため、ワイヤ８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂから発生するノイズ自体が小さくなる。これにより、段落［００３１］欄に記載したワイヤ８a、ワイヤ９ｂの平行部でのノイズ相殺効果と相乗してノイズは更に小さくなる。

図７の実施形態に用いる電子部品８１は、１チップに２つの容量素子８２を搭載したものである。このような電子部品８１の一形態として、次の図８のコンデンサを説明する。

図８に示したコンデンサ９１は、チップ部品として形成した２連平行平板コンデンサである。すなわち、絶縁層９２の下面に、その下面全体をほぼ覆うコモン電極９３が設けられ、絶縁層９２の上面に、その上面の半分をほぼ覆う互いに接しない２つの個別電極９４が設けられている。

このコンデンサ９１では、コモン電極９３と個別電極９４が平行平板であるため、静電容量を有する。また、コンデンサ９１は、コモン電極９３を基板９２のグランドパターンに接合することで、図７の電子部品８１として利用できる。

図９に示されるように、多チャンネル光受信モジュールの同一チャンネルごとの２つの出力ピン７の組に、０ｃｈ〜３ｃｈという名称を与える。ある組のチャンネルの受光素子３に、論理“０”と論理“１”を疑似乱数に基づくパターンで配置した２値の光信号を入射させたときに、出力ピン７に現れる電気信号が正しく論理“０”あるいは論理“１”を示すかどうかを調べてその誤りの比率をビットエラーレートとする。入射する光信号の強度を複数段階に変えることにより、複数段階の受信光強度を得る。この複数段階の受信光強度におけるビットエラーレートを計測することにより、受信光強度対ビットエラーレートの特性が得られる。

このとき、他のチャンネルの受光素子３に、前述の２値信号とは異なるパターンで論理“０”と論理“１”を配置した２値の光信号を入射させると、両チャンネル間の電気的なクロストークにより、Ｓ／Ｎ（信号／ノイズ）比が低下して論理“０”あるいは“１”を担持する電気信号が乱され、出力ピン７に現れる電気信号が正しく論理“０”あるいは論理“１”を示さない比率、つまり受信光強度対ビットエラーレートの特性が変化する。

図１０〜図１２は、横軸に受信光強度をとり、縦軸にビットエラーレートをとって受信光強度対ビットエラーレート特性をグラフ化したものである。評価用信号は速度３．１２５ＧｂｐｓのＮＲＺ（Non Return to Zero）信号をＰＲＢＳ（疑似乱数ビット列）２⁷−１形式で入力した。各グラフには、従来例、実施例＃１，＃２について、当該チャンネルのみ光信号を入力したとき（他ｃｈなし）と、当該チャンネルに光信号を入力すると共に、他のチャンネルにも異なる光信号を入力したとき（他ｃｈあり）の測定結果を示してある。

ここで、実施例＃１は図１のように配線中継用サブマウント６を設置したもの、実施例＃２は図６（ｂ）のように抵抗素子７２を設置したものである。

図１０に示されるように、従来例では、他のチャンネルの信号がないとき、１×１０^-12のビットエラーレートを得るために−２１ｄＢｍの受信光強度があれば十分であったが、他のチャンネルの信号があるとき、１×１０^-12のビットエラーレートを得るために−２０ｄＢｍの受信光強度が必要となる。

図１１に示されるように、実施例＃１では、他のチャンネルの信号があるときでも、１×１０^-12のビットエラーレートを得るために−２１ｄＢｍの受信光強度で十分である。

図１２に示されるように、実施例＃２では、他のチャンネルの信号があるときでも、１×１０^-12のビットエラーレートを得るために−２１ｄＢｍの受信光強度で十分である。

一般に、ビットエラーレートが１×１０^-12であるときの受信光強度を当該多チャンネル光受信モジュールの最小受信感度と規定するが、クロストークによって最小受信感度が低下する。各図１０〜図１２に記入された矢印１００，１１０，１２０の長さは、クロストークによる最小受信感度低下幅を示している。これらの矢印１００，１１０，１２０の長さの違いから本発明の有効さが分かる。

本発明の一実施形態を示す多チャンネル光受信モジュールのＣＡＮ型パッケージ内部品配置図である。従来の多チャンネル光受信モジュールのＣＡＮ型パッケージ内部品配置図である。従来の多チャンネル光受信モジュールの部分破断側面図である。図１の多チャンネル光受信モジュールの部分拡大図である。他の実施形態による多チャンネル光受信モジュールのＣＡＮ型パッケージ内部品配置図である。（ａ）は図１の多チャンネル光受信モジュールの他の実施形態による部分拡大図、（ｂ）はこの部分の等価回路図である。（ａ）は図１の多チャンネル光受信モジュールの他の実施形態による部分拡大図、（ｂ）はこの部分の等価回路図、（ｃ）はこの部分の斜視図である。本発明に好適なコンデンサの側断面図である。実施例の多チャンネル光受信モジュールにおけるチャンネル区分を示した部品配置図である。図２の従来の多チャンネル光受信モジュールを構成し、実測により得られた光入力強度対ビットエラーレート特性図である。図９の多チャンネル光受信モジュールを実施例＃１として構成し、実測により得られた光入力強度対ビットエラー特性図である。図９の多チャンネル光受信モジュールを実施例＃２として構成し、実測により得られた光入力強度対ビットエラー特性図である。

符号の説明

１ＣＡＮ型パッケージ
２基板
３受光素子
４受光素子アレイ
５ＩＣチップ
６配線中継用サブマウント
７出力ピン
８ワイヤ
９ワイヤ

Claims

パッケージのほぼ中心に複数の受光素子からなる受光素子アレイを搭載し、その受光素子アレイの外周に各受光素子の出力を増幅するアンプＩＣチップを搭載し、上記アンプＩＣチップには差動信号用のワイヤをボンディングするための２箇所のパッドが設けられており、差動信号用の２本の出力ピンが、仮に上記２箇所のパッドから上記２本の出力ピンまでを直線的に結んでワイヤボンディングした場合、そのワイヤは平行にならないように配置されており、各アンプＩＣチップの外周にそれぞれの配線中継用サブマウントを搭載し、上記アンプＩＣチップの上記２箇所のパッドから上記２本の出力ピンまでを直線的に結ぶワイヤボンディングを行わずに、各アンプＩＣチップから各配線中継用サブマウントまで差動信号用の２本のワイヤを平行に配線し、各配線中継用サブマウントから上記パッケージの上記２本の出力ピンまで２本のワイヤを配線したことを特徴とする多チャンネル光受信モジュール。
上記配線中継用サブマウントは、パッケージの対応する２本の出力ピンを結ぶ直線の近傍にあることを特徴とする請求項１記載の多チャンネル光受信モジュール。
上記配線中継用サブマウントとアンプＩＣチップとを電気的に接続するワイヤでのノイズ振幅は、上記配線中継用サブマウントと出力ピンとを電気的に接続するワイヤでのノイズ振幅より小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の多チャンネル光受信モジュール。
上記配線中継用サブマウントとなる電子部品は、一方の差動信号用のワイヤと他方の差動信号用のワイヤが平行となるようにアンプＩＣチップに対して配置・構成されることを特徴とする請求項３記載の多チャンネル光受信モジュール。
上記配線中継用サブマウントとなる電子部品は、抵抗素子であることを特徴とする請求項４記載の多チャンネル光受信モジュール。
上記配線中継用サブマウントとなる電子部品は、一端がアンプＩＣチップと電気的に接続され、他端が固定電位と電気的に接続されることを特徴とする請求項３記載の多チャンネル光受信モジュール。
上記配線中継用サブマウントとなる電子部品は、容量素子であることを特徴とする請求項６記載の多チャンネル光受信モジュール。
アンプＩＣチップから上記配線中継用サブマウントまでのワイヤ長Ｌ１と該配線中継用サブマウントから上記出力ピンまでのワイヤ長Ｌ２とが少なくとも１つのチャンネルにおいてＬ１＞Ｌ２であることを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の多チャンネル光受信モジュール。