JP6929113B2 - 光アセンブリ、光モジュール、及び光伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、光アセンブリ、光モジュール、及び光伝送装置に関し、特に、インピーダンス不整合を抑制する技術に関する。

光半導体素子を備える光サブアセンブリ（ＯＳＡ：Optical SubAssembly）が用いられている。１又は複数の光サブアセンブリを備える光モジュールに、近年、高速化のみならず、低価格化への要求が高まっている。

特許文献１に記載の光サブアセンブリはステムを備えており、ステムは、１対の差動信号端子と、１対の差動信号端子が搭載される金属円盤と、を備えている。１対の差動信号端子は、金属円盤を貫く単一孔に気密封止のための、誘電体で金属円盤から電気的に遮断された状態で固定されている(以下、この構造を二連ピンと記す)。さらに、高周波信号を伝送する１対の差動信号端子の内側にある端部をそれぞれ大径化している(以下、この端部をネイルヘッドと記す)。特許文献１の図２に示す通り、ベース２（金属円盤）の上表面に平行にデバイス５を配置させ、デバイス５の電極と接続リード線３（のネイルヘッド）とをワイヤで接続させることにより、ワイヤの長さを低減させ、接続リード線３（１対の差動信号端子）の接続箇所における特性インピーダンスの増加を抑制している。

特許文献２及び特許文献３に記載の光サブアセンブリは、誘電体基板を含むステムを備えている。ここで、誘電体基板は、特許文献２の図１に示す第１中継基板３００及び第２中継基板４００であり、特許文献３の図１に示す配線基板４である。リード端子部においてインダクタンスの増加を抑制するために、リード端子の近傍に誘電体基板を配置している。誘電体基板の高い誘電率により、接地導体となる金属円盤との間に寄生する容量成分（キャパシタンス）を強化し、インダクタンスの増加をキャパシタンスによって緩和することにより、特性インピーダンスの増加を抑制している。

特許文献４に記載の光デバイスにベース部材３０（金属円盤）の構造が開示されている。特許文献４の図９に示す通り、ベース部材３０を貫く孔３０Ｃ（貫通孔）の内側の開口を小径化し、ネイルヘッドを有する信号端子２８と接地導体となるベース部材３０との間隙をさらに誘電体で覆っている。それにより、ベース部材３０と信号端子２８のネイルヘッドとの間に寄生する容量成分（キャパシタンス）を強化することにより、特性インピーダンスの増加を抑制している。

米国特許出願公開第２０１４／０２１７５７０号明細書 特開２０１７−５０３５７号公報 特開２０１１−１３４７４０号公報 米国特許第６０７４１０２号明細書

しかしながら、特許文献１に開示される二連ピンによる差動伝送線路を金属円盤内部に設ける場合、単純な同軸線路と比較すると、差動信号端子（リード端子）の固定位置により、特性インピーダンスのばらつきが顕著となってしまい、望ましくない。例えば、１対のリード端子間の距離が近くなると、正相−逆相間の電気的な結合がより強固となり、特性インピーダンスが急激に低下してしまう。

特許文献１の図１に示すリードスルー８（貫通孔）は、差動伝送線路の接地導体面となるとともに、楕円形状を有している。差動伝送線路の特性インピーダンスの低下を抑制するために、それぞれ単一の同一線路を成す１対の貫通孔を用意するよりも、大きな面積を要する。それゆえ、特許文献１に記載の構造では、ベース２に部品を搭載する領域を十分に確保することが出来ず、特許文献２及び特許文献３に記載されるように、端面出射型のレーザダイオード（光素子２００）向けのパッケージの構造としては、特許文献１に記載の構造は不適である。発明者らの検討によれば、特許文献１に記載の構造を適用しても、駆動周波数以上の帯域を必要とする光送信器においては、良好な波形品質は確保できないことが予想される。

さらに、光サブアセンブリからプリント回路基板（ＰＣＢ）への電気的接続のためのインターフェースとして実装されるフレキシブル基板（ＦＰＣ）を、外側の端面における１対の差動信号端子とはんだ付けする作業を考慮すると、１対の差動信号端子の間隔が非常に小さくなっているので、電気的ショートを起こし得り、歩留り低下を引き起こす可能性を含んでいる。安定的な製造を実現するためには、二連ピンではなく、単純な同軸線路を用いて、インピーダンス不整合を緩和可能なパッケージが望ましい。

特許文献４に記載のベース部材３０（金属円盤）を貫く孔３０Ｃ（貫通孔）は、径が異なる部分を形成するために、少なくとも２回のプレス加工が必要であり、単一径の貫通孔を設ける場合よりも部品コストが増加してしまう。そのため、従来技術を用いても、今後予想される市場の低コスト化の要求を満たすことは困難である。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、簡便な工程でインピーダンス不整合を抑制できる、光サブアセンブリ、光モジュール、及び光伝送装置の提供を目的とする。

（１）上記課題を解決するために、本発明に係る光サブアセンブリは、外側表面から内側表面までともに貫通する１対の貫通孔を有する、導体板と、前記２つの貫通孔それぞれに誘電体によって固定され、前記１対の貫通孔を前記外側表面から前記内側表面へそれぞれ貫く、１対のリード端子と、１対の配線パターンが表面に配置される、配線基板と、前記１対のリード端子と、前記１対の配線パターンとを、それぞれ電気的に接続する複数のボンディングワイヤと、を備え、前記１対のリード端子は、前記内側表面側の端部の断面が、前記外側表面側の端部の断面より大きく、前記１対のリード端子の前記内側表面側の端面が、前記導体板の前記内側表面に対して、前記内側表面の鉛直方向内側向きに、＋１８０μｍから−１００μｍの範囲に位置する、ことを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の光サブアセンブリであって、前記導体板の前記内側表面よりさらに内側へ突出して配置される、台座部を、さらに備え、前記配線基板は、前記台座部の上面に配置されてもよい。

（３）上記（１）又は（２）に記載の光サブアセンブリであって、前記複数のボンディングワイヤは、前記１対のリード端子の前記内側表面側の端面と、前記１対の配線パターンと、を接続し、前記配線基板の前記１対の配線パターンの平面は、前記１対のリード端子の前記内側表面側の端面と、交差してもよい。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光サブアセンブリであって、前記１対のリード端子のうち一方と、前記１対の配線パターンのうち一方と、を接続する前記ボンディングワイヤは３本以上であってもよい。

（５）上記（４）に記載の光サブアセンブリであって、前記３本以上の前記ボンディングワイヤは、前記１対のリード端子のうち前記一方の前記内側表面側の端面に接続される箇所より、さらに広がって、前記１対の配線パターンのうち前記一方に接続されてもよい。

（６）上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光サブアセンブリであって、前記１対のリード端子のうち一方と、前記１対の配線パターンのうち一方と、を接続する前記複数のボンディングワイヤは、リボンワイヤであってもよい。

（７）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光サブアセンブリであって、前記配線基板に配置される、光半導体素子を、さらに備え、前記１対の配線パターンは、前記光半導体素子の１対の電極にそれぞれ接続するとともに、平面視して、前記光半導体素子との接続箇所から前記複数のワイヤボンディングとの接続箇所へ、それぞれより広がって延伸してもよい。

（８）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光サブアセンブリであって、前記配線基板は、前記複数のボンディングワイヤが接続される中継基板と、前記中継基板と電気的に接続された第２配線基板で構成されてもよい。

（９）上記（８）に記載の光サブアセンブリであって、前記第２配線基板に配置される、光半導体素子を、さらに備えてもよい。

（１０）本発明に係る光モジュールは、上記（１）乃至（９）のいずれかに記載の光サブアセンブリを、備えていてもよい。

（１１）本発明に係る光伝送装置は、上記（１０）に記載の光モジュールが搭載されていてもよい。

本発明により、簡便な工程でインピーダンス不整合を抑制できる、光サブアセンブリ、光モジュール、及び光伝送装置が提供される。

本発明の実施形態に係る光伝送装置及び光モジュールの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る光サブアセンブリの側面図である。 本発明の実施形態に係るフレキシブル基板の平面図である。 本発明の実施形態に係るステムの構造を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るステム１０４の断面と、特性インピーダンスの時間変化と、を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る光サブアセンブリの反射特性を示す図である。 本発明の実施形態に係る光サブアセンブリの反射特性を示す図である。 本発明の実施形態に係る光サブアセンブリの反射特性を示す図である。

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る光伝送装置１及び光モジュール２の構成を示す模式図である。光伝送装置１は、プリント回路基板１１（ＰＣＢ）とＩＣ１２を備えている。光伝送装置１は、例えば、大容量のルータやスイッチである。光伝送装置１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１に、複数の光モジュール２が搭載されており、光モジュール２より受信用のデータ（受信用の電気信号）を取得し、ＩＣ１２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、プリント回路基板１１を介して、該当する光モジュール２へそのデータを伝達する。

光モジュール２は、送信機能及び受信機能を有するトランシーバである。光モジュール２は、プリント回路基板２１と、光ファイバ３Ａを介して受信する光信号を電気信号に変換する光受信モジュール２３Ａと、電気信号を光信号に変換して光ファイバ３Ｂへ送信する光送信モジュール２３Ｂと、を含んでいる。プリント回路基板２１と、光受信モジュール２３Ａ及び光送信モジュール２３Ｂとは、それぞれフレキシブル基板２２Ａ，２２Ｂ（ＦＰＣ）を介して接続されている。光受信モジュール２３Ａより電気信号がフレキシブル基板２２Ａを介してプリント回路基板２１へ伝送され、プリント回路基板２１より電気信号がフレキシブル基板２２Ｂを介して光送信モジュール２３Ｂへ伝送される。光モジュール２と光伝送装置１とは電気コネクタ５を介して接続される。光受信モジュール２３Ａや光送信モジュール２３Ｂは、プリント回路基板２１に電気的に接続され、光信号／電気信号を電気信号／光信号にそれぞれ変換する。

当該実施形態に係る伝送システムは、２個以上の光伝送装置１と２個以上の光モジュール２と、１個以上の光ファイバ３を含む。各光伝送装置１に、１個以上の光モジュール２が接続される。２個の光伝送装置１にそれぞれ接続される光モジュール２の間を、光ファイバ３が接続している。一方の光伝送装置１が生成した送信用のデータが接続される光モジュール２によって光信号に変換され、かかる光信号を光ファイバ３へ送信される。光ファイバ３上を伝送する光信号は、他方の光伝送装置１に接続される光モジュール２によって受信され、光モジュール２が光信号を電気信号へ変換し、受信用のデータとして当該他方の光伝送装置１へ伝送する。

図２は、当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１の側面図である。光モジュール２に備えられる光送信モジュール２３Ｂは、１又は複数の光サブアセンブリ１０１を備えている。なお、当該実施形態に係る光送信モジュール２３Ｂは、２５Ｇｂｉｔ／ｓ級の光信号の伝送を行う光サブアセンブリを１つ備えている。当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１は、ＴＯ-ＣＡＮパッケージ型ＴＯＳＡ（Transmitter Optical Subassembly）である。光サブアセンブリ１０１にフレキシブル基板１０２が接続され、フレキシブル基板１０２はさらにプリント回路基板１０３に接続される。ここで、フレキシブル基板１０２は、フレキシブル基板２２Ｂの一部又は全部であり、プリント回路基板１０３はプリント回路基板２１である。プリント回路基板１０３に搭載される駆動ＩＣ（図示せず）から、プリント回路基板１０３にはんだ等によって接続されるフレキシブル基板１０２を介し、光サブアセンブリ１へ変調電気信号が伝送される。当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１は、フレキシブル基板１０２に接続される側に、ステム１０４を備え、ステム１０４は、リード端子対１１１及び接地端子１１２を備えている。

図３は、当該実施形態に係るフレキシブル基板１０２の平面図である。誘電体からなるフレキシブル基板１０２本体の表面に、一端にスルーホール１２１をそれぞれ有する１対のストリップ導体１２２が配置され（メタライズパターンが形成され）、フレキシブル基板１０２の裏面に、一端にスルーホール１２３を有する接地導体層１２４（ベタパターン）が配置される（メタライズパターンが形成される）。１対のストリップ導体１２２と接地導体層１２４とで、変調電気信号を伝送するマイクロストリップ線路が形成される。１対のマイクロストリップ線路は、高い周波数領域まで安定したインピーダンス特性を有している。フレキシブル基板１０２の裏面が光サブアセンブリ１０１のステム１０４の外側表面と接するとともに、ステム１０４に備えられるリード端子対１１１及び接地端子１１２が、スルーホール１２１，１２３にそれぞれ貫通するように、配置される。リード端子対１１１と１対のストリップ導体１２２とは、はんだ等により接続される。同様に、接地端子１１２が接地導体層１２４に接続される。

図４は、当該実施形態に係るステム１０４の構造を示す斜視図である。図４は、ステム１０４の光サブアセンブリ１０１の内側の構造を模式的に示している。ステム１０４は、１対の差動信号端子１１１と、（１本の）接地端子１１２（図示せず）と、本体となる金属円盤１１３（導体板）と、台座部１１４と、台座部１１４の上面に配置されるセラミック基板１１５と、セラミック基板１１５に搭載される光半導体素子１１６と、複数のボンディングワイヤ１１８と、を備えている。

金属円盤１１３は、内側表面と外側表面と側面とを有しており、図４に、光サブアセンブリ１０１の内部を向く内側表面が示されており、外側表面（図示せず）は該内側表面とは反対側の表面である。なお、金属円盤１１３の外側表面が、フレキシブル基板１０２の裏面と接して、接続される。金属円盤１１３は、外側表面から内側表面までともに貫通する１対の貫通孔を有している。台座部１１４は、金属円盤１１３の内側表面よりさらに内側へ突出していて配置される。ここでは、台座部１１４は、金属円盤１１３の内側表面に接して固定されるとともに、内側表面に対して垂直方向へ突出しており、高い熱伝導性を有する放熱体（放熱台）として機能する。台座部１１４の上面は、内側表面に垂直に広がる平面であり、理想的には１対の差動信号端子１１１の延伸方向それぞれと平行となる。

１対の差動信号端子１１１は、１対の貫通孔を外側表面から内側表面へそれぞれ貫くよう配置される、１対のリード端子である。１対の貫通孔と１対の差動信号端子１１１それぞれの間隙は、誘電体１１９が充填され、誘電体１１９により１対の差動信号端子１１１が金属円盤１１３に対して固定されるとともに、金属円盤１１３と電気的に遮断される。接地端子１１２は、金属円盤１１３の外側表面にろう接される接地リード端子（ケースピン）である。１対の差動信号端子１１１と金属円盤１１３の１対の貫通孔とで、１対の同軸伝送線路（差動伝送線路）が形成される。

セラミック基板１１５は、１対の配線パターン１１７が上表面に配置される、配線基板（薄膜基板）である。光半導体素子１１６は、ここでは、半導体レーザ素子（レーザダイオード）であるが、これに限定されることはない。配線基板の材料は、光半導体素子１１６の熱膨張係数と近い値を持つ材料が望ましく、窒化アルミニウムなどのセラミック材料が望ましい。セラミック基板１１５は、台座部１１４の上面にダイボンディングされる。

複数のボンディングワイヤ１１８は、１対の差動信号端子１１１と、１対の配線パターン１１７とを、それぞれ電気的に接続する。ここでは、１対の差動信号端子１１１の一方（又は他方）と、１対の配線パターン１１７の一方（又は他方）と、を接続するボンディングワイヤ１１８は４本である。すなわち、合計で８本のボンディングワイヤ１１８が配置されている。複数（ここでは、４本）のボンディングワイヤ１１８は、１対の差動信号端子１１１の一方（又は他方）の（金属円盤１１３の）内側表面側の端面と、１対の配線パターン１１７の一方（又は他方）と、を接続している。さらに、１対の配線パターン１１７の平面は、１対の差動信号端子１１１の内側表面側の端面（ネイルヘッド部１１１Ａの端面）と、交差している。実質的に直交しているのが、さらに望ましい。

当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１の主な特徴は、以下の２つにある。第１の特徴は、１対の差動信号端子１１１は、内側表面側の端部の断面が、外側表面側の端部の断面より大きい。ここでは、１対の差動信号端子１１１それぞれは、主要部とネイルヘッド部１１１Ａを有しており、主要部はリード線形状（細長い円柱形状）を有し、ネイルヘッド部１１１Ａは、理想的には円盤形状（底面が広がる円柱形状）を有している。よって、１対の差動信号端子１１１それぞれは、ネイル（釘）形状を有している。ネイルヘッド部１１１Ａのリード径が、外側表面側の端部（主要部）のリード径より、大きい。

第２の特徴は、１対の差動信号端子１１１の内側表面側の端面（ネイルヘッド部１１１Ａの端面）が、金属円盤１１３の内側表面に対して、内側表面の鉛直方向内側向きに、＋１８０μｍから−１００μｍの範囲に位置している。以下、第２の特徴について、詳細を説明する。

図５は、当該実施形態に係るステム１０４の断面と、特性インピーダンスの時間変化と、を示す模式図である。図５は、図２に示す紙面に平行な断面であって、１対の差動信号端子１１１のいずれか一方の中心を貫く断面を模式的に示しており、実際の断面図とは異なっている。図５に示す通り、金属円盤１１３の内側表面を原点Ｏとし、内側表面に対して垂直方向内向き（図５に示す左向き）を正として、ｘ軸を定義する。また、特性インピーダンスの時間変化を示すグラフにおいて、縦軸が特性インピーダンスＺを、横軸が時間Ｔを、それぞれ示している。そして、１対の差動信号端子１１１の内側表面側の端面（ネイルヘッド部１１１Ａの端面）の位置を、ｘ軸に沿う高さｈで定義する。ここで、金属円盤１１３の外径は５．６ｍｍであり、各貫通孔の内径は７００μｍである。１対の差動信号端子１１１それぞれの、主要部（ネイルヘッド部１１１Ａ以外の部分）のリード径は２５０μｍであり、ネイルヘッド部１１１Ａのリード径は４５０μｍであり、ネイルヘッド部１１１Ａの（ｘ軸方向に沿う）厚みは１５０μｍである。台座部１１４のｘ軸に沿う長さは１．４ｍｍであり、セラミック基板１１５の内側表面側の縁の内側表面に対する位置（高さｈ）は１５０μｍ〜２００μｍである。また、誘電体１１９は比誘電率６．７のガラスである。

一般に、リード端子と配線パターンとをボンディングワイヤによって電気的に接続させる場合、ワイヤボンディングのための空間を確保するために、リード端子を金属円盤の内側表面よりも十分に長く突出させる必要がある。すなわち、図５に対応させるならば、高さｈを大きく確保する必要がある。特に、ボンディングワイヤの本数を増やすのであれば、なおさらである。そして、従来においては、リード端子のうち内側表面より突出する部分の側面と、配線基板上の配線パターンとを、複数のボンディングワイヤで接続している。しかしながら、発明者らは鋭意検討により以下の知見を得ている。リード端子のうち、内側表面よりも突出する部分（ｘ＝０〜ｈの部分）が誘導性を示し、誘導成分（インダクタンス）が増加する。それにより、特性インピーダンスが急激に増加してしまうので、大きなインピーダンス不整合が発生し、例えば、２５Ｇｂｉｔ／ｓといった高速の信号伝送に必要な透過特性が得られなくなってしまう。

これに対して、当該実施形態に係るステム１０４では、１対の差動信号端子１１１それぞれの端面（高さｈ）が、金属円盤１１３の内側表面に対して、＋１８０μｍ〜−１００μｍの範囲に位置している。これにより、１対の差動信号端子１１１の端部に起因する誘導成分（インダクタンス）を低減させるとともに、差動信号端子１１１の内側端面側の端部（ネイルヘッド部１１１Ａ）と金属円盤１１３との間に発生する容量成分（キャパシタンス）を付加することが出来る。すなわち、１対の差動信号端子１１１の端部に起因するインダクタンスを、１対の差動信号端子１１１の端部と金属円盤１１３との間に発生するキャパシタンスで補償することにより、特性インピーダンスの増加を抑制することができている。図５に示す特性インピーダンスの時間変化に示す通り、パルスが金属円盤１１３の内側表面に達する時間に対応して、特性インピーダンスに容量成分（キャパシタンス）が増大している。これにより、所望の周波数領域において、特性インピーダンスの不整合は、図５に示す特性インピーダンスの通り、平均化され、十分な透過特性が得られる。なお、１対の差動信号端子１１１のネイルヘッド部１１１Ａと金属円盤１１３との間に発生する容量成分を確保するために、ネイルヘッド部１１１Ａの少なくとも一部が、金属円盤１１３の貫通孔の内部に配置されるのが望ましい。すなわち、ネイルヘッド部１１１Ａの主要部側端面の高さｈは負の値であるのが望ましい。

ボンディングワイヤ１１８は、差動信号端子１１１の端面と、配線パターン１１７と、を接続している。差動信号端子１１１の端面と、配線パターン１１７の平面が交差（理想的には直交）していることにより、ボンディングワイヤ１１８の長さを短くすることが出来ており、誘導成分（インダクタンス）の増加を抑制することが出来る。さらに、差動信号端子１１１の端面が、ネイルヘッド部１１１Ａにより、主要部の断面より広がっており、複数のボンディングワイヤ１１８を、差動信号端子１１１の端面に接続することができる。

図６は、当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１の反射特性を示す図である。図６は、高周波３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳ（High Frequency Structure Simulator）によって計算した周波数に対する反射特性Ｓ１１（ｄＢ）の結果を示している。図６に示す複数の曲線は、差動信号端子１１１の端面の複数の高さｈにおける反射特性を示している。具体的には、ｈ１が高さ−１００μｍの場合を、ｈ２が高さ−５０μｍの場合を、ｈ３が高さ０μｍの場合を、ｈ４が高さ＋５０μｍの場合を、ｈ５が高さ＋１００μｍの場合を、ｈ６が高さ＋１５０μｍの場合を、ｈ７が高さ＋２００μｍの場合を、ｈ８が高さ＋２５０μｍの場合を、それぞれ示している。

図７は、当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１の反射特性を示す図である。図７は、高周波３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳによって計算した高さｈに対する反射特性Ｓ１１（ｄＢ）の結果を示している。図７に示す複数の曲線は、複数の周波数における反射特性を示している。具体的には、図の下から順に、周波数が１０ＧＨｚ、１５ＧＨｚ、２０ＧＨｚ、２５ＧＨｚ、及び３０ＧＨｚの場合をそれぞれ示している。２５Ｇｂｉｔ／ｓの信号を伝送するためには、２５ＧＨｚまでの反射特性を−１５ｄＢ以下程度に抑えるのが望ましく、図６及び図７に示す通り、差動信号端子１１１の端面の高さｈは＋１８０μｍ〜−１００μｍの範囲とするのが望ましい。高品質な伝送特性を維持するためには、反射特性Ｓ１１を−２０ｄＢ以下に抑えるのがさらに望ましく、高さｈは＋１２０μｍ〜−３０μｍの範囲とするのがさらに望ましい。

上記計算においては、ネイルヘッド部１１１Ａの厚みを１５０μｍとしており、差動信号端子１１１の端面の高さｈが０μｍ〜＋５０μｍの範囲とするのがさらに望ましい。この場合、ネイルヘッド部１１１Ａの少なくとも一部が、金属円盤１１３の貫通孔の内部に配置されており、ネイルヘッド部１１１Ａのうち、金属円盤１１３の貫通孔の内部に位置する部分の厚みは、１５０μｍ〜１００μｍとなっている。

現在、インターネットや電話ネットワークの大部分が光通信網によって構築されている。光通信機器であるルータ／スイッチや伝送装置のインターフェースとして使用される光モジュールは、電気信号を光信号に変換する重要な役割を担っている。光モジュールは、一般に、光半導体素子を収容した光サブアセンブリと、変調電気信号を出力／入力する駆動ＩＣ等を実装したプリント回路基板と、光サブアセンブリとプリント回路基板とを接続するフレキシブル基板と、を含んでいる。近年では、光モジュールは高速化のみならず、低価格化への要求が著しく、低コストの２５Ｇｂｉｔ／ｓ級の高速光信号を送受信可能な光モジュールの需要が高まっている。かかる要求を満たす光モジュールは、例えば、缶状パッケージに内包され、プリント回路基板等に差し込むリード端子が突出する金属性ステムを備える、ＴＯ-ＣＡＮパッケージ型の光サブアセンブリを含んでおり、本発明はかかる光モジュールに最適である。２５Ｇｂｉｔ／ｓ級の変調電気信号を光半導体素子に伝達させるためには、特性インピーダンスを駆動ＩＣの出力インピーダンスと高精度で整合させる必要があり、本発明によりかかるインピーダンス整合を実現することができる。

図８は、当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１の反射特性を示す図である。図８は、高周波３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳによって計算した周波数に対する反射特性Ｓ１１（ｄＢ）の結果を示している。図８に示す複数の曲線は、１本の差動信号端子にワイヤボンディングするボンディングワイヤ１１８の本数における反射特性を示している。具体的には、図の上から順に、ワイヤが１本、２本、３本、及び４本の場合をそれぞれ示している。かかる計算において、差動信号端子１１１の端面の高さｈは最適位置に調整される条件が用いられている。図８に示す通り、ボンディングワイヤ１１８の本数が３本以上では、周波数２５ＧＨｚにおいて、目標値である反射特性Ｓ１１が−２０ｄＢ以下を実現できているが、ボンディングワイヤ１１８の本数が２本以下となると、必要な周波数特定を維持できていない。ボンディングワイヤ１１８の本数を増やすことで、ボンディングワイヤ１１８に寄生するインダクタンスを低減させることができるからである。

当該実施形態により、複雑な形状の導体板や他の複雑な部品を設けることなく、高周波領域まで伝送可能で安価に製造できる光サブアセンブリを実現することができる。製造工程を簡易としても、組立不良のポテンシャルを低減するとともに、高周波特性を劣化させない光サブアセンブリを実現することができる。

複数（ここでは、３本以上の）ボンディングワイヤ１１８は、差動信号端子１１１の端面に接続される箇所より、さらに広がって、配線パターン１１７に接続されるのが望ましい。複数のボンディングワイヤ１１８が、差動信号端子１１１の端面より離れるにつれて間隔が広がることにより、複数のボンディングワイヤ１１８間それぞれに発生する相互インダクタンス、特に、隣り合うボンディングワイヤ１１８間に発生する相互インダクタンスを低減することが出来るので、ボンディングワイヤ１１８に寄生するインダクタンスを低減し、特性インピーダンスの極大値を低減させることが出来る。複数（ここでは、４本）のボンディングワイヤ１１８が広がって配線パターン１１７に接続されることにより、図５に示す特性インピーダンスの時間変化に示す通り、パルスが配線パターン１１７との接続箇所に達する時間に対応して、特性インピーダンスに容量成分（キャパシタンス）が増大している。

１対の配線パターン１１７は、図４に示す通り、光半導体素子１１６の１対の電極にそれぞれ接続している。さらに、セラミック基板１１７の上表面に対して平面視して、光半導体素子１１６との接続箇所から複数のボンディングワイヤ１１８との接続箇所へ、それぞれより広がって延伸するのが望ましい。すなわち、複数のボンディングワイヤ１１８との接続箇所における１対の配線パターンそれぞれの線幅が、光半導体素子１１６との接続箇所における線幅より、（又は、その間における線幅より）大きいのが望ましい。複数のボンディングワイヤ１１８との接続箇所において、広い領域を確保することにより、隣り合うボンディングワイヤ１１８の間隔を広げることができ、相互インダクタンスの影響を低減する上に、容量成分（キャパシタンス）を増加させることができ、インダクタンスの増加を補償することが出来る。

当該実施形態において、１対の配線パターン１１７の平面は、１対の差動信号端子１１１の内側表面側の端面（ネイルヘッド部１１１Ａの端面）と、交差している。通常、ワイヤボンディングは互いに平行な面と面とを接続するところ、当該実施形態に係るステム１０４では、以下による製造工程により、ワイヤボンディングを行うこととなる。第１に、ステム１０４を保持するとともに回転機構を有する装置を準備する。第２に、当該実施形態に係るステム１０４を、かかる装置に搭載し、保持させる。第３に、１対の差動信号端子又は１対の配線パターン１１７のいずれか一方に、ボンディングワイヤ１１８の一端をロウ付けする。第４に、かかる装置を回転させる。理想的には９０°回転させればよいが、１対の配線パターン１１７の平面と１対の差動信号端子１１１の端面とが交差する角度に応じて回転させればよい。第５に、１対の差動信号端子又は１対の配線パターン１１７のいずれか他方に、ボンディングワイヤ１１８の他端をロウ付けする。第３から第５の工程を複数回行うことでボンディングワイヤ１１８を複数本接続させることができる。

以上、本発明の実施形態に係る光サブアセンブリ、光モジュール、光伝送装置、及び光伝送システムについて説明した。本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能であり、本発明を広く適用することができる。上記実施形態で説明した構成を、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。上記実施形態では、金属円盤１１３を用いているが、円盤形状であることに本質的な意義はなく、完全な円盤形状である必要がなく一部が欠けていたり突出していてもよく、四角形などその他の形状であってもよい。また、金属製に限定されることもなく、他の良導体による導体板であってもよい。当該実施形態に係る光サブアセンブリ１０１は、ＴＯ−ＣＡＮパッケージ型としたが、ボックス型であってもよい。この場合、配線基板は、誘電体板によって実現されるフィールドスルーである。

当該実施形態に係る光アセンブリ１０１に備えられる光半導体素子１１６は、発光素子である半導体レーザ素子であり、光サブアセンブリ１０１はＴＯＳＡであるが、これに限定されることはない。光サブアセンブリがＲＯＳＡ（Receiver Optical Subassembly）であり、光サブアセンブリに備えられる光半導体素子が、フォトダイオードなどの受光素子であってもよい。また、光サブアセンブリが、ＢＯＳＡ（Bidirectional Optical Subassembly）であってもよい。

また、光サブアセンブリは、用途により、パッケージ内にペルティエ素子をさらに備えていてもよい。この場合、放熱面となる導体板に、ペルティエ素子に加え、光半導体素子が搭載される配線基板（薄膜基板）が搭載される。ペルティエ素子上に搭載される配線基板は、温調時の消費電力を抑制するため、出来る限り小さくするのが望ましい。さらに、光半導体素子が搭載される配線基板への熱の流入を防ぐため、ボンディングワイヤの本数を低減させるのが望ましい。かかる場合にも、本発明を適用することができる。

光サブアセンブリがペルティエ素子をさらに備える場合に、１枚の配線基板に代えて、２枚の基板（ここでは、第２配線基板と中継基板と称する）を光サブアセンブリは備えていてもよい。中継基板において、複数のボンディングワイヤと１対のリード端子とが接続される。第２配線基板に光半導体素子が搭載される。第２配線基板には光半導体素子が搭載される。そして、第２配線基板と中継基板とにそれぞれ配置される１対の配線パターンが互いに電気的に接続される。かかる構成とすることにより、消費電力に鑑みて、ボンディングワイヤの本数を低減させる必要がなくなり、本発明に最適となる。

上記実施形態に係るボンディングワイヤ１１８は公知のワイヤでよいが、接続させるためのツールを用意できるのであれば、複数のボンディングワイヤ１１８をリボンワイヤとするが望ましい。リボンワイヤを用いることにより、複数回によるワイヤ接続を行う必要がなく、さらに、ワイヤに寄生するインダクタンスの抑制が可能となる。しかしながら、１対のリード端子の端部（１対の差動信号端子１１１のネイルヘッド部１１１Ａ）は、２５Ｇｂｉｔ／ｓ級の変調電気信号を伝送させるためには、無視できないほど大きなインダクタンスを有するので、リボンワイヤを用いる場合に、リボンワイヤに寄生するインダクタンス成分を補償する構成により、所望の特性インピーダンスが得られるよう設計すべきことに留意する。

上記実施形態では、１対の差動信号端子１１１としたが、これに限定されることはなく、他のリード端子であってもよい。例えば、それぞれシングルエンド伝送のための２本の信号端子であってもよい。また、上記実施形態では、ステム１０４が有する貫通孔は２つで、１対のリード端子がそれぞれ配置されるとしたが、これに限定されることはなく、他の信号端子などをさらに備えていてもよい。また、ステム１０４の金属円盤１１３に１本の接地端子がロウ付けされるとしたが、これに限定されることはなく、他の接地端子をさらに備えていてもよい。

１ 光伝送装置、２ 光モジュール、３，３Ａ，３Ｂ 光ファイバ、１１，２１、１０３ プリント回路基板、１２ ＩＣ，２２Ａ，２２Ｂ、１０２ フレキシブル基板、２３Ａ 光受信モジュール、２３Ｂ，光送信モジュール、１０１ 光サブアセンブリ、１０４ ステム、１１１ 差動信号端子、１１１Ａ ネイルヘッド部、１１２ 接地端子、１１３ 金属円盤、１１４ 台座部、１１５ 配線基板、１１６ 光半導体素子、１１７ 配線パターン、１１８ ボンディングワイヤ、１１９ 誘電体、１２１，１２３ スルーホール、１２２ ストリップ導体、１２４ 接地導体層。

Claims (11)

1. 外側表面から内側表面までともに貫通する１対の貫通孔を有する、導体板と、
   前記２つの貫通孔それぞれに誘電体によって固定され、前記１対の貫通孔を前記外側表面から前記内側表面へそれぞれ貫く、１対のリード端子と、
   １対の配線パターンが表面に配置される、配線基板と、
   前記１対のリード端子と、前記１対の配線パターンとを、それぞれ電気的に接続する複数のボンディングワイヤと、
   を備え、
   前記１対のリード端子それぞれは、主要部とネイルヘッド部を有し、
   前記ネイルヘッド部の端部は前記内側表面側の端部であり、
   前記内側表面側の端部の断面が、前記主要部の断面より大きく、
   前記１対のリード端子の前記内側表面側の端面が、前記導体板の前記内側表面に対して、前記内側表面の鉛直方向内側向きに、＋１８０μｍから−１００μｍの範囲に位置する、
   ことを特徴とする、光サブアセンブリ。
2. 請求項１に記載の光サブアセンブリであって、
   前記導体板の前記内側表面よりさらに内側へ突出して配置される、台座部を、さらに備え、
   前記配線基板は、前記台座部の上面に配置される、
   ことを特徴とする、光サブアセンブリ。
3. 請求項１又は２に記載の光サブアセンブリであって、
   前記複数のボンディングワイヤは、前記１対のリード端子の前記内側表面側の端面と、前記１対の配線パターンと、を接続し、
   前記配線基板の前記１対の配線パターンの平面は、前記１対のリード端子の前記内側表面側の端面と、交差する、
   ことを特徴とする、光サブアセンブリ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光サブアセンブリであって、
   前記１対のリード端子のうち一方と、前記１対の配線パターンのうち一方と、を接続する前記ボンディングワイヤは３本以上である、
   ことを特徴とする、光サブアセンブリ。
5. 請求項４に記載の光サブアセンブリであって、
   前記３本以上の前記ボンディングワイヤは、前記１対のリード端子のうち前記一方の前記内側表面側の端面に接続される箇所より、さらに広がって、前記１対の配線パターンのうち前記一方に接続される、
   ことを特徴とする、光サブアセンブリ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光サブアセンブリであって、
   前記１対のリード端子のうち一方と、前記１対の配線パターンのうち一方と、を接続する前記複数のボンディングワイヤは、リボンワイヤである、
   ことを特徴とする、光サブアセンブリ。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の光サブアセンブリであって、
   前記配線基板に配置される、光半導体素子を、さらに備え、
   前記１対の配線パターンは、前記光半導体素子の１対の電極にそれぞれ接続するとともに、平面視して、前記光半導体素子との接続箇所から前記複数のワイヤボンディングとの接続箇所へ、それぞれより広がって延伸する、
   ことを特徴とする、光サブアセンブリ。
8. 請求項１乃至６のいずれかに記載の光サブアセンブリであって、
   前記配線基板は、前記複数のボンディングワイヤが接続される中継基板と、前記中継基板と電気的に接続された第２配線基板で構成される、
   ことを特徴とする、光サブアセンブリ。
9. 請求項８に記載の光サブアセンブリであって、
   前記第２配線基板に配置される、光半導体素子を、さらに備える、
   ことを特徴とする、光サブアセンブリ。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の光サブアセンブリを、備える、光モジュール。
11. 請求項１０に記載の光モジュールが搭載される、光伝送装置。

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