JP6133023B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の光素子を含む光デバイスと制御デバイスとを配線で接続する構造を備える光モジュールに関するものである。

近年、光通信の高速化および大容量化が求められており、それを実現するために複数の光ファイバまたは光導波路を用いて光信号を並列に伝送する並列光伝送方式が用いられている。

集積化され、小型化、高密度化された回路においては、近接する配線の間で相互インダクタンスが増大し、信号間にクロストークが発生する。さらに、高周波信号を使用する場合にはクロストークが増大する。そのため、高周波信号を用いる光素子においてはクロストークの発生が特に問題となっており、光モジュールの小型化、高密度化を進めるためにクロストークの低減が求められている。

信号間のクロストークを低減するために、特許文献１に記載の技術では、光電素子とＩＣとを接続する配線において、光電素子およびＩＣを結ぶ信号線と、グランドに接続されたグランド線とを交互に配置している。グランド線は、グランド線の途中に形成されているビアを介してグランド層に接続されている。この構成により、信号線がグランド線に挟まれた構造となり、かつグランド線の途中に形成されたビアを介したグランド接続によってグランド電位が強化されるため、信号線間のクロストークを低減できる。

特開２００７−２４９１９４号公報

特許文献１に記載された技術は、グランド接続のためのビアを形成することによってクロストークを低減する構成であるが、ビアに一定の大きさが必要となり、さらにビア周囲にクリアランスが必要となる。そのため、近年求められている小型化、高密度化された光モジュールに適用することは難しい。
本発明は、小型化、高密度化が可能であり、従来よりもクロストークを低減できる光モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、光モジュールであって、それぞれアノード端子とカソード端子とを有する複数の光素子と、前記光素子と信号の授受を行う制御デバイスと、前記アノード端子と前記制御デバイスとを接続する複数の信号線と、前記カソード端子と前記制御デバイスとを接続する複数のグランド線と、前記グランド線をグランドに電気的に接続するための導線と、を備え、前記複数の信号線のそれぞれと前記複数のグランド線のそれぞれとが交互に並列して配置されており、前記カソード端子のそれぞれと該カソード端子に接続されている前記グランド線とのいずれか一部が、前記導線に接続されており、該導線を介して前記グランドに電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明に係る光モジュールは、小型化、高密度化が可能であり、従来よりもクロストークを低減することができる。

第１の実施形態に係る光モジュールの概略図である。 第１の実施形態に係る光モジュールの断面図である。 （ａ）実施例に係る信号波形を示す図である。（ｂ）比較例に係る信号波形を示す図である。 実施例および比較例に係るＰＪｒｍｓのグラフを示す図である。 第２の実施形態に係る光モジュールの概略図である。 第３の実施形態に係る光モジュールの概略図である。 比較例の光モジュールの概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る光モジュール１００の概略図である。光モジュール１００は、複数の発光素子１０１を有する光デバイス１０２と、光デバイス１０２と信号の授受を行う制御デバイス１０３と、信号を通す複数の線路１０４ａ、１０４ｂおよびグランドパターン１０７を有する基板１０４とを備える。

光デバイス１０２は複数の発光素子１０１を有しており、発光素子１０１はレーザを基板の面方向に出射させる垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。発光素子１０１としては、高周波信号に対応する任意の発光素子を用いることができる。発光素子１０１のそれぞれは、アノード端子１０６ａとカソード端子１０６ｂとを光デバイス１０２の表面に有する。本明細書では、個々の発光素子１０１に係る信号の経路をチャネルと呼ぶ。図１には合計３つのチャネルが示されているが、この数に限定されない。
本実施形態では、光デバイス１０２は基板１０４上に載置されているが、基板１０４に一体化して設けられてもよい。光デバイス１０２としては、並列光伝送方式が実現できるように複数の光素子が並列に配置されているものであれば、任意の構成を用いることできる。

基板１０４は、プリント基板であり、表面に導電性の複数の線路１０４ａ、１０４ｂを有する。線路１０４ａと線路１０４ｂとは並列に配置されており、互いに隣接して交互に設けられている。線路１０４ａは少なくともアノード端子１０６ａと同じ数が設けられており、線路１０４ｂは、少なくともカソード端子１０６ｂと同じ数が設けられている。
さらに、基板１０４は、グランドとしてのグランドパターン１０７（ベタグランドともいう）を表面に有する。グランドパターン１０７は、複数の線路１０４ａ、１０４ｂに近接しており、かつ複数の線路１０４ａ、１０４ｂの長軸方向に延在するように両側に設けられている。

制御デバイス１０３は、発光素子１０１に高周波電圧を印加してレーザを発生させる集積回路（ＩＣ）である。制御デバイス１０３は、少なくともアノード端子１０６ａおよびカソード端子１０６ｂの合計の数の端子（不図示）を有する。制御デバイス１０３の端子がそれぞれ別々の線路１０４ａ、１０４ｂに接するように、制御デバイス１０３は基板１０４上に載置される。制御デバイス１０３は、基板１０４に一体化して設けられてもよい。
制御デバイス１０３としては、光素子のアノード端子およびカソード端子に配線で接続されて信号の授受を行うものであれば、任意の構成を用いることができる。

複数の発光素子１０１のそれぞれのアノード端子１０６ａは、第１のワイヤ１０５により、別々の線路１０４ａに接続される。このように接続されたアノード端子１０６ａ、第１のワイヤ１０５および線路１０４ａは、信号線として機能する。また、複数の発光素子１０１のそれぞれのカソード端子１０６ｂは、第１のワイヤ１０５により、別々の線路１０４ｂに接続される。このように接続されたカソード端子１０６ｂ、第１のワイヤ１０５および線路１０４ｂは、グランド線として機能する。
１つの発光素子１０１が有する、つまり同一のチャネルに係るアノード端子１０６ａおよびカソード端子１０６ｂは、互いに隣接する２つの線路１０４ａ、１０４ｂに接続される。

図２は、第２のワイヤ１０８の接続関係を説明するための、図１をＡ−Ａ線で切断した断面図である。カソード端子１０６ｂに接続されている複数の線路１０４ｂは、該線路１０４ｂの長手方向と垂直な方向に配列されており、該配列方向において、線路１０４ｂ群を挟むようにグランドパターン１０７が設けられている。上記線路１０４ｂ群の上記配列方向の一方端に位置する線路１０４ｂは、第２のワイヤ１０８により上記一方端側に設けられたグランドパターン１０７に接続されている。同様に、上記線路１０４ｂ群の上記配列方向の他方端に位置する線路１０４ｂは、第２のワイヤ１０８により上記他方端側に設けられたグランドパターン１０７に接続されている。
上記線路１０４ｂ同士についても、第２のワイヤ１０８により互いに接続されている。このとき、線路１０４ａと線路１０４ｂとが交互に配置されているため、１つの線路１０４ａを挟んだ２つの線路１０４ｂが第２のワイヤ１０８により接続されることになる。この構成により、複数の線路１０４ｂは、全てが互いに導通しており、かつグランドパターン１０７に接続されて共通のグランド電位に維持される。

なお、本実施形態では、線路１０４ｂとグランドパターン１０７との接続構造は上記に限らず、複数の線路１０４ｂの各々が、直接的、間接的に関係なく、グランドパターン１０７に電気的に接続される構造であればいずれを用いてもよい。直接的とは、線路１０４ｂがグランドパターン１０７に第２のワイヤ１０８により直接接続されることを指す。間接的とは、１つの線路１０４ｂが第２のワイヤ１０８により別の線路１０４ｂに接続され、該別の線路１０４ｂ（または該別の線路１０４ｂに電気的に接続されたさらに別の線路１０４ｂ）が第２のワイヤ１０８によりグランドパターン１０７に接続される（つまり、該１つの線路１０４ｂは直接的にはグランドパターン１０７に接続されていないが、電気的にはグランドパターン１０７に接続されている）ことを指す。
例えば、線路１０４ｂの各々とグランドパターン１０７とを第２のワイヤ１０８により直接接続する構造であってもよい。あるいは、複数の線路１０４ｂとグランドパターン１０７とを第２のワイヤ１０８により直接接続する構造と、線路１０４ｂ同士を第２のワイヤ１０８により接続し、該互いに接続された線路１０４ｂの少なくとも１つを、グランドパターン１０７に接続された線路１０４ｂに接続する構造とを混合した構造であってもよい。
本実施形態では、線路１０４ｂをグランドに接続するための第２のワイヤ１０８は、線路１０４ｂ上において、線路１０４ｂの光デバイス１０２側の端の近傍に接続されている。
第２のワイヤ１０８と線路１０４ｂの接続位置は、充分なクロストークの低減効果を得るために、線路１０４ｂの長手方向の中心よりも光デバイス１０２側であることが好ましく、より光デバイス１０２側の端に近い方がさらに好ましい。

図７は、第２のワイヤ１０８およびグランドパターン１０７を有さない光モジュールの概略図である。光モジュールは、複数の光素子１を有する光デバイス２と、光デバイス２の制御を行う制御デバイス３と、複数の線路４ａ、４ｂを表面に有する基板４を備える。制御デバイス３は、複数の線路４ａ、４ｂに接するように基板４上に配置されている。複数の線路４ａ、４ｂのそれぞれはワイヤ５の一端に接続されており、ワイヤ５の他端は複数の光素子１のそれぞれに付設されるアノード端子６ａ、カソード端子６ｂに接続される。線路４ａおよびアノード端子６ａを結ぶ配線と、線路４ｂおよびカソード端子６ｂを結ぶ配線とは、基板４の表面に沿って交互に配置される。この構成により、線路４ａ、４ｂ、ワイヤ５および端子６ａ、６ｂを介して、複数の光素子１と制御デバイス３との間で信号の授受が行われる。この構成は、光素子１として発光素子および受光素子のどちらを用いる場合にも適用できる。

図７に示す光モジュールの場合、カソード電極６ｂに接続された線路４ｂは制御デバイス３側でグランドに接続されているため、カソード電極６ｂから制御デバイス３まで電気信号が流れる。そのため、カソード電極６ｂからの電気信号が線路４ｂにおいて電磁波を発生させ、近接する線路に対するクロストークの原因となることが考えられる。
それに対して、本実施形態に係る光モジュール１００では、線路１０４ｂの光デバイス１０２側の端の近傍において、グランドパターン１０７への導通が形成されている。それにより、カソード電極１０６ｂから制御デバイス１０３への電気信号の少なくとも一部は、線路１０４ｂの途中でグランドパターン１０７に流れる。その結果、線路１０４ｂにおいて、第２のワイヤ１０８との接続位置から制御デバイス１０３側に流れる電気信号が低減され、これにより線路１０４ｂにおいて発生する電磁波が低減され、近接する線路におけるクロストークが低減される。また、信号線とグランド線とが交互に配置されることによるクロストーク低減効果も同時に発生する。

また、ワイヤ接続により線路１０４ｂ同士および線路１０４ｂとグランドパターン１０７との間を接続しているため、従来では適用が難しかった微小な光モジュール、具体的には線路１０４ｂ間のピッチ（間隔）が２５０μｍ以下の微小な回路に適用できる。

特に、本実施形態の構成では、最も近接する線路１０４ｂ同士を接続するため、接続が簡単であり、かつ安定な接続となる。また、複数の線路１０４ｂの両側においてグランドパターン１０７に接続するため、カソード端子１０６ｂからの信号をグランドパターン１０７に効率的に流すことができ、その結果、高いクロストーク低減効果を得ることができる。

本実施形態では、光デバイス１０２と制御デバイス１０３とを電気的に接続するための、線路１０４ａ群および線路１０４ｂ群を高密度に配置しつつもクロストークを低減することが重要である。このために、複数の線路１０４ｂの少なくとも１つを第２のワイヤ１０８によりグランドパターン１０７に接続し、グランドパターン１０７に接続されていない１０４ｂ同士も第２のワイヤ１０８で接続し、その中の少なくとも１つをグランドパターン１０７に接続された線路１０４ｂに第２のワイヤ１０８で接続している。よって、各線路１０４ｂにおいて、第２のワイヤ１０８に接続された位置以降（制御デバイス１０３側）に流れる電気信号を低減することができ、従来よりもクロストークを低減することができる。このように、線路１０４ｂにおいて、グランドパターン１０７に電気的に接続させるための第２のワイヤ１０８を接続することにより、その接続点以降の電気信号によるクロストークを低減できるので、カソード端子１０６ｂからの電気信号をグランドパターン１０７に流してクロストーク低減効果を高めるために、線路１０４ｂ上において第２のワイヤ１０８が接続される位置は、線路１０４ｂの光デバイス１０２側の端の近傍であることが望ましい。例えば、線路１０４ｂの中点よりも光デバイス１０２側であるとよい。
しかしながら、線路１０４ｂにおける第２のワイヤとの接続点以降の電気信号によるクロストークを低減できるので、グランド線上に第２のワイヤ１０８との接続点が存在すれば、本実施形態のクロストーク低減効果を得ることができる。よって、例えば、線路１０４ｂの制御デバイス１０３側の端の近傍に第２のワイヤ１０８を接続する場合であっても、少なくとも制御デバイス１０３から離間した位置で第２のワイヤ１０８を接続すれば、従来のように制御デバイス１０３内部でグランド接続するよりも高いクロストーク低減効果が得られる。

（実施例）
実験により伝送特性を計測することにより、本発明によるクロストークの低減効果の検証を行った。

実施例として、第１の実施形態の構成を有する光モジュールを作製した。ただし、チャネル数（発光素子の数）は１２個とした。線路１０４ａと線路１０４ｂとの間のピッチは１２５μｍとした。それぞれのチャネルにおける第２のワイヤ１０８は、線路１０４ｂ上において、第１のワイヤ１０５が接続された地点から制御デバイス１０３の方向に向かって１００μｍ以内の地点に接続した。

また、比較例として、図７に示す構成を有する光モジュールを作製した。グランド線が途中でグランドパターンに接続されていないこと以外の条件、つまりチャネル数および線路間のピッチ等は、実施例の構成と同一である。

まず、実施例および比較例において信号波形のアイパターンを測定した。信号波形のアイパターンが明瞭であると、ノイズが少ない状態にあるといえる。図３（ａ）は実施例の１つのチャネルにおける信号波形のアイパターンであり、図３（ｂ）は比較例の同じチャネルにおける信号波形のアイパターンである。図３（ａ）、（ｂ）の横軸は時間であり、縦軸は電圧である。
図３（ａ）、（ｂ）から、比較例よりも実施例のアイパターンの方が明瞭になっていることがわかる。したがって、実施例に係る構成により、比較例よりもノイズが低減される、つまりクロストークが低減されることが確認された。

次に、実施例のクロストーク低減効果を定量的に検証するために、ＰＪｒｍｓを測定した。ＰＪｒｍｓは周知の手法で測定することができる。ＰＪｒｍｓは周期的ジッタ（ＰＪ）のｒｍｓ値であり、クロストークノイズの指標として用いられる。クロストークが小さいほど、ＰＪｒｍｓの値は小さくなる。

上述の実施例の条件で２つのサンプルを作製し、また上述の比較例の条件で６つのサンプルを作製し、それぞれＰＪｒｍｓの測定を行った。図４は、ＰＪｒｍｓ測定結果のグラフである。図４の横軸はチャネル番号であり、縦軸はＰＪｒｍｓの値である。実施例の結果は図４中に実線で示し、比較例の結果は図４中に破線で示している。チャネルは各モジュールに１２個（ＣＨ１〜ＣＨ１２）存在するが、差異がわかりやすいようにそのうち４つのチャネル（ＣＨ６〜ＣＨ９）を示している。
比較例においてＰＪｒｍｓの値が１．７前後であるのに対して、実施例においてはＰＪｒｍｓの値が１．２前後に低減されている。したがって、実施例に係る構成により、比較例よりも顕著にクロストークが低減されることが確認された。
なお、図４に示した４つのチャネル以外のいずれにおいても、チャネルごとに特性が異なるため低減効果に違いがあるものの、クロストーク低減効果が確認された。

（第２の実施形態）
図５は、本実施形態に係る光モジュール２００の概略図である。第１の実施形態に係る光モジュール１００では、線路１０４ｂにおいて第２のワイヤ１０８によりグランドパターン１０７に接続されている。それに対して、本実施形態に係る光モジュール２００は、発光素子１０１のカソード端子１０６ｂ上で、第２のワイヤ１０８によりグランドパターン１０７に接続されている。このような構成でも、グランド線中の信号の少なくとも一部をグランドパターン１０７に流し、クロストークを低減する効果を得ることができる。

光モジュール２００は、第１の実施形態に係る光モジュール１００と共通の構成要素を備えており、第２のワイヤ１０８の接続位置のみが異なっている。
光モジュール２００においては、発光素子１０１のカソード端子１０６ｂは、互いに第２のワイヤ１０８により接続され、さらに第２のワイヤ１０８によりグランドパターン１０７に接続される。

１つのカソード端子１０６ｂは、最も近い２つのカソード端子１０６ｂに第２のワイヤ１０８により接続される。すなわち、アノード端子１０６ａとカソード端子１０６ｂとが交互に配置されているため、１つのアノード端子１０６ａを挟んだ２つのカソード端子１０６ｂが第２のワイヤ１０８により接続されることになる。ただし、複数のカソード端子１０６ｂのうち最も外側に位置するものは、最も近い１つのカソード端子１０６ｂに第２のワイヤ１０８により接続され、さらにグランドパターン１０７に第２のワイヤ１０８により接続される。この構成により、複数のカソード端子１０６ｂは、全てが互いに導通しており、かつグランドパターン１０７に接続されてグランド電位に維持される。

（第３の実施形態）
図６は、本実施形態に係る光モジュール３００の概略図である。第１の実施形態に係る光モジュール１００では、線路１０４ｂにおいて第２のワイヤ１０８によりグランドパターン１０７に接続されている。それに対して、本実施形態に係る光モジュール３００は、カソード端子１０６ｂと線路１０４ｂとを接続する第１のワイヤ１０５上で、第２のワイヤ１０８によりグランドパターン１０７に接続されている。このような構成でも、グランド線中の信号の少なくとも一部をグランドパターン１０７に流し、クロストークを低減する効果を得ることができる。

光モジュール３００は、第１の実施形態に係る光モジュール１００と共通の構成要素を備えており、第２のワイヤ１０８の接続位置のみが異なっている。
光モジュール３００においては、カソード端子１０６ｂと線路１０４ｂとを接続する第１のワイヤ１０５は、互いに第２のワイヤ１０８により接続され、さらに第２のワイヤ１０８によりグランドパターン１０７に接続される。

１つのカソード端子１０６ｂに係る第１のワイヤ１０５は、最も近い２つのカソード端子１０６ｂに係る第１のワイヤ１０５に第２のワイヤ１０８により接続される。すなわち、アノード端子１０６ａとカソード端子１０６ｂとが交互に配置されているため、１つのアノード端子１０６ａを挟んだ２つのカソード端子１０６ｂに係る第１のワイヤ１０５同士が、第２のワイヤ１０８により接続されることになる。ただし、複数のカソード端子１０６ｂのうち最も外側に位置するものに係る第１のワイヤ１０５は、最も近い１つのカソード端子１０６ｂに係る第１のワイヤ１０５に第２のワイヤ１０８により接続され、さらにグランドパターン１０７に第２のワイヤ１０８により接続される。この構成により、複数のカソード端子１０６ｂに係る第１のワイヤ１０５は、全てが互いに導通しており、かつグランドパターン１０７に接続されてグランド電位に維持される。

本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

本発明の本質は、光モジュール中の光デバイスと制御デバイスとを結ぶグランド線（カソード端子上を含む）の上で、電気的にグランドパターンに接続することにある。したがって、上述の実施形態に記載した線路の途中、カソード端子上、またはワイヤ上でグランドパターンに接続する接続方法を、互いに組み合わせてもよい。
基板上の線路を介さずに、カソード端子と制御デバイスの端子とを直接第１のワイヤによって接続し、その途中で第１のワイヤ同士および第１のワイヤとグランドパターンとの間を第２のワイヤによって接続してもよい。

グランド線とグランドパターンとを結ぶ配線は、ワイヤに限られず、任意の導線を用いることができる。また、線路（またはカソード端子）およびグランドパターンの上にバンプを形成し、該バンプ間を導電体で結んで配線を形成してもよい。

光モジュールを受光モジュールとして機能させる場合には、発光素子の代わりにフォトダイオードなどの受光素子を用いればよい。その場合には、制御デバイスは、ワイヤおよび端子を介して、受光素子からの高周波信号を受信して処理する。
本発明に係る光モジュールには、アノード端子およびカソード端子を介した高周波信号の授受により発光または受光の少なくとも一方を行う光素子であれば、任意のものを用いることができる。

１００、２００、３００ 光モジュール
１０１ 発光素子
１０２ 光デバイス
１０３ 制御デバイス
１０４ 基板
１０４ａ、１０４ｂ 線路
１０５ 第１のワイヤ
１０６ａ、１０６ｂ 光デバイスの端子
１０７ グランドパターン
１０８ 第２のワイヤ

Claims (4)

1. 表面に複数の導電性の線路が並列して形成されている基板と、
   それぞれアノード端子とカソード端子とを有する複数の光素子と、
   前記光素子と信号の授受を行う制御デバイスと、
   前記アノード端子と前記制御デバイスとを接続する複数の信号線と、
   前記カソード端子と前記制御デバイスとを接続する複数のグランド線と、
   前記グランド線をグランドに電気的に接続するための導線と、
   前記複数の線路のそれぞれの一方端と、前記アノード端子または前記カソード端子とを接続する第２の導線と、
   を備え、
   前記信号線および前記グランド線は、前記線路と前記第２の導線とからなり、
   前記複数の信号線のそれぞれと前記複数のグランド線のそれぞれとが交互に並列して配置されており、
   前記グランド線のいずれか一部が、前記導線に接続されており、該導線を介して前記グランドに電気的に接続されており、
   全ての隣接する２つの前記グランド線同士が互いに前記導線により接続されており、
   前記複数のグランド線のうち、最も外側に位置する２つのグランド線が前記導線により前記グランドに接続されていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記制御デバイスは前記複数の線路のそれぞれの他方端に接触して設けられており、
   前記複数の線路のそれぞれの長手方向の中心よりも前記光素子に近い位置に、前記導線が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 表面に複数の導電性の線路が並列して形成されている基板と、
   それぞれアノード端子とカソード端子とを有する複数の光素子と、
   前記光素子と信号の授受を行う制御デバイスと、
   複数の前記アノード端子と前記制御デバイスとを接続する複数の信号線と、
   複数の前記カソード端子と前記制御デバイスとを接続する複数のグランド線と、
   前記グランド線をグランドに電気的に接続するための導線と、
   を備え、
   前記複数のアノード端子のそれぞれと前記複数のカソード端子のそれぞれとが交互に一列に配置されており、
   前記カソード端子が、前記導線に接続されており、該導線を介して前記グランドに電気的に接続されており、
   全ての隣接する２つの前記カソード端子同士が互いに前記導線により接続されており、
   前記複数のカソード端子のうち、最も外側に位置する２つのカソード端子が前記導線により前記グランドに接続されていることを特徴とする光モジュール。
4. 前記光素子および前記制御デバイスを表面上に有し、表面にグランドパターンが形成されている基板をさらに備え、
   前記グランドは、前記グランドパターンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の光モジュール。