JP2009075465A - 光送受信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光信号のパワーロスを生じさせることなしに受信信号に発生するノイズを低減し、且つモジュール全体の小型化を容易にすること。
【解決手段】この光送受信モジュール１ａは、レーザダイオード１８とフォトダイオード１２とが、導電性のステム１０ａ上に搭載された双方向光通信を行う光送受信モジュールであって、ステム１０ａと電気的に接続された状態でステム１０ａ上の実装領域Ａに配置され、実装領域Ａの表面からの高さが、フォトダイオード１２の実装領域Ａの表面側の底面１２ａよりも高くされた金属ブロック３４と、金属ブロック３４上に配置されたヒートシンク２０とを備え、レーザダイオード１８は、金属ブロック３４及びヒートシンク２０を挟んでステム１０ａ上に搭載され、フォトダイオード１２の上面１２ｂはヒートシンク２０の上面２０ｂよりも低く設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、双方向光通信に用いられる光送受信モジュールに関するものである。

従来から、発光素子としてのレーザダイオード（以下、ＬＤともいう）と受光素子としてのフォトダイオード（以下、ＰＤともいう）とが同一のパッケージ内に収容された双方向光通信モジュールが用いられている。このような光通信モジュールでは、ＬＤ駆動用の電気信号の電圧値や電流値がＰＤで発生する電気信号のそれよりもはるかにおおきいため、ＬＤからの電磁誘導によってＰＤ側に電磁雑音の発生などの悪影響を与えることがある。

このような影響に対処するため、例えば、下記特許文献１に記載されたモジュールは、入力光信号を受光するＰＤと、出力光信号を生成するＬＤと、波長分割多重化フィルタを内部に実装する外部キャップと、外部キャップの内部に位置してＰＤをＬＤから隔離する内部キャップとを備え、ＬＤの配線から発生する電磁波のＰＤへの影響を低減している。また、下記特許文献２には、ＬＤとＰＤとの間に設けられて受信信号光及び送信信号光を選択的に反射又は透過させる光学板に金属薄膜を蒸着することで、ＰＤにおけるノイズを低減する技術が開示されている。
特開２００４−１３３４６３号公報 特開２００３−２８２８９６号公報

しかしながら、昨今では光通信モジュールの小型化の要求が強くなっているが、上述した２重キャップを含む構造においては配線等の構成部品のパッケージ内での取り回しがしにくくなり、小型化の要求に応えることが困難である。また、ＬＤとＰＤとの間に設けられた光学フィルタに金属薄膜を設けた場合は、光学フィルタの波長特性が変化してしまうため、入力光信号及び出力光信号のパワーロスが発生してしまう場合がある。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、光信号のパワーロスを生じさせることなしに受信信号に発生するノイズを低減し、且つモジュール全体の小型化を容易にする光送受信モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光送受信モジュールは、送信光信号を生成するレーザダイオードと受信光信号を受光するフォトダイオードとが、導電性のステム上に搭載された双方向光通信を行う光送受信モジュールであって、ステムと電気的に接続された状態でステム上に配置され、ステムの表面からの高さが、フォトダイオードのステムの表面側の端面よりも高くされた導体部と、導体部上に配置されたヒートシンクとを備え、レーザダイオードは、導体部及びヒートシンクを挟んでステム上に搭載されており、フォトダイオードの端面の反対側の面は、ヒートシンクのレーザダイオード側の端面よりも低く設定されている。

このような光送受信モジュールによれば、ステム上におけるＬＤとＰＤとの間の空間には、ＬＤに対してＰＤの下端面から上部側を遮るような導体部が設けられ、その導体部はステムと接続されて等電位面を形成し、ＬＤは絶縁体であるヒートシンクを挟んでＰＤの上端面より高くなるように導体部上に搭載されている。これにより、ＬＤ用配線に伝達される電気信号によってＬＤ近傍に発生した電磁界がＰＤ側に向けて伝搬しないように十分に遮断することができる。この場合、ステム上に設けられた導体部をノイズ遮断用に用いることにより、容易にモジュール全体の小型化を図ることができる。

フォトダイオードの端面の反対側の面は、導体部の高さよりも低く設定されている、ことが好ましい。かかる構成を採れば、導体部がＰＤの下端面から上端面にかけて遮るように設けられるので、ＬＤ近傍に発生した電磁界がＰＤ側に向けて伝搬しないようにより確実に遮断することができる。

ステム上においてフォトダイオードを挟んで対峙するように、ステムと電気的に接続された状態で配置された２つの導体ポストと、レーザダイオードとフォトダイオードとの間において、２つの導体ポストによって支持され、送信光信号と受信光信号を分離する光学フィルタとをさらに備えることが好ましい。この場合、ステム上においてＰＤを挟むように設けられた光学フィルタ支持用の２つの導体ポストに沿って等電位面が形成されるので、ＬＤ側からＰＤの両側面に回り込むような電磁界が効果的に遮断される。

本発明の光送受信モジュールによれば、光信号のパワーロスを生じさせることなしに受信信号に発生するノイズを低減し、且つモジュール全体の小型化を容易にすることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る光送受信モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の好適な一実施形態にかかる光送受信モジュール１ａを示す斜視図、図２は、図１の光送受信モジュール１ａのII−II線に沿った断面図、図３は、図１の光送受信モジュール１ａの回路図である。光送受信モジュール１ａは、１ＧＨｚ以上のデータ伝送速度の双方向光通信用の光トランシーバとして用いられる。

光送受信モジュール１ａは、直径5.6mmの略円板状の金属製の導電性ステム１０ａと、ステム１０ａの部品実装面（表面）１０ｂを覆うようにステム１０ａに気密に取り付けられる光透過窓又はレンズ付きのキャップ（図示せず）とを含むパッケージ１０を有している。ステム１０ａの部品実装面１０ｂの中心から2.8mmの範囲にある実装領域Ａには、受光用ＰＤ１２、波長選択フィルタ１４、ＰＤキャリア１６、ＬＤ１８、ＬＤ用ヒートシンク２０、プリアンプ２２、及び光出力モニタ用ＰＤ３０（図１及び図２においては図示を省略）が搭載されている。

パッケージ１０には、複数のリードピン２４が低融点ガラスなどの絶縁性の封止部材によって固定され、これらの複数のリードピン２４はステム１０ａの部品実装面１０ｂ上の実装領域Ａを取り囲むように配置されている。これらのリードピン２４は、実装領域Ａに搭載された各素子の給電又は接地用の端子、及び電気信号の入出力用端子として設けられている。複数のリードピン２４と各素子及び配線部材とは、直径３０μｍ程度の金製の細径ボンディングワイヤによって互いに接続されている。

受光用ＰＤ１２は、パッケージ１０に接続された光ファイバ（図示せず）から受信光信号を受光して電流信号に変換する受光素子である。この受光用ＰＤ１２は、ボンディングワイヤを介してプリアンプ２２に接続され、プリアンプ２２が受光用ＰＤ１２から受けた電流信号を所定の変換率で電圧信号に変換し、その電圧信号をリードピン２４を介して外部のリミッティングアンプ（ＬＡ）回路２６に出力する。

ここで、受光用ＰＤ１２は、部品実装面１０ｂ上に固定された略直方体状のＰＤキャリア１６を挟んで部品実装面１０ｂ上に搭載され（図１）、受光用ＰＤ１２のアノード端子及びカソード端子は、ＰＤキャリア１６の上面に形成された金属パターン及びボンディングワイヤを介してプリアンプ２２に接続される。このＰＤキャリア１６は、受光用ＰＤ１２とステム１０ａとを電気的に絶縁するための部材であり、窒化アルミ、アルミナ等の絶縁性材料によって構成されている。

ＬＤ１８は、外部から供給された相補的な電流パルス信号である差動信号によって駆動されて、差動信号に応じた送信光信号を生成する発光素子である。ＬＤ１８によって生成された送信光信号は、パッケージ１０に接続された光ファイバに向けて出射される。このＬＤ１８はＬＤ駆動回路２８に接続され、ＬＤ駆動回路２８からＬＤ１８に差動信号が供給される（図３）。また、ＬＤ１８の近傍に設けられた光出力モニタ用ＰＤ３０は、リードピン２４を介して外部のＡＰＣ（Automatic Power Control）回路３２に接続され、ＡＰＣ回路３２が光出力モニタ用ＰＤ３０から出力された送信光信号のモニタ信号に基づいてＬＤ駆動回路２８から供給される差動信号のレベルを制御する。

図１に戻って、ＬＤ１８は、部品実装面１０ｂ上に配置された略直方体状の金属ブロック（導体部）３４と、この金属ブロック３４上に配置された略直方体状のヒートシンク２０とを挟んで部品実装面１０ｂ上に搭載されている（図１）。このＬＤ１８のアノード端子及びカソード端子は、ヒートシンク２０の上面に形成された金属パターン、ボンディングワイヤ、及びリードピン２４を介してＬＤ駆動回路２８に接続されている。

ここで、金属ブロック３４は、部品実装面１０ｂにその底面が接合されることによりステム１０ａと電気的に接続されており、ステム１０ａと同電位、すなわち接地電位に設定されている。この金属ブロック３４上に載置されるヒートシンク２０は、ＬＤ１８の冷却用の部材であり、窒化アルミ等の絶縁性材料によって構成されている。従って、ＬＤ１８はステム１０ａに対して電気的に絶縁されることになる。

なお、図２を参照すると、上記の金属ブロック３４の上面３４ａの部品実装面１０ｂからの高さ（すなわち、金属ブロック３４の厚さ）Ｈ_１が、受光用ＰＤ１２の部品実装面１０ｂ側の底面（端面）１２ａの部品実装面１０ｂからの高さ（すなわち、ＰＤキャリア１６の厚さ）Ｈ_２よりも高くなり、かつ、ヒートシンク２０のＬＤ１８側の上面（端面）２０ｂが受光用ＰＤ１２の上面１２ｂよりも高くなるように、金属ブロック３４の形状が設定されている。さらに言えば、金属ブロック３４は、高さＨ_１が受光用ＰＤ１２の上面１２ｂの部品実装面１０ｂからの高さ（すなわち、ＰＤキャリア１６と受光用ＰＤ１２とを合わせた厚さ）Ｈ_３よりも高くなるような形状を有し、受光用ＰＤ１２の上面１２ｂが金属ブロック３４の高さよりも低いことが好ましい。

再度図１に戻って、部品実装面１０ｂ上における受光用ＰＤ１２とＬＤ１８との間には、送信光信号と受信光信号とを分離する波長選択フィルタ１４が配設されている。この波長選択フィルタ１４は、所定の波長成分の光を選択的に透過又は反射する光学部材であり、具体的には、光ファイバから受信光信号を選択的に受光用ＰＤ１２の上面に向けて透過させるとともに、ＬＤ１８の側面から出射された送信光信号を光ファイバの入射端に向けて反射する。波長選択フィルタ１４は、部品実装面１０ｂ上において受光用ＰＤ１２の近傍に立設された金属製の支持部材３６によって支持される。

以上説明した光送受信モジュール１ａにおいて、ＬＤ１８を駆動する電流パルス信号の電流値は約１０ｍＡ程度であるのに対して、ＬＤ１８に隣接する受光用ＰＤ１２が発する電流信号の値は数μＡであり、両者の比は実に１千〜１万分の１のオーダである。従って、ＬＤ駆動時には部品実装面１０ｂの実装領域Ａに電磁界が発生し、受信信号に対する影響が推測される。例えば、将来的な実現が望まれる10Gbpsのデータ通信速度においてでさえクロック基本周波数5GHzに相当する電磁波の波長は60mmである。したがって、なんのノイズ対策も施さない場合は、直径φ3mm程度の実装領域Ａは、状況次第で全域が近傍電磁界の影響下に晒される。その結果、送信側が発生させる電磁界によるノイズによって微弱な受信信号が埋没してしまう、いわゆるクロストークの問題が顕在化する。

このような問題を解決するためには、近傍電磁界の影響をいかに抑えるか、すなわち、ＬＤ駆動時で発生する電磁界を如何に遮断するか、さらにはモジュールのサイズ及びコストを犠牲にせず、如何に効率よくノイズを抑えるかが鍵となる。本実施形態の光送受信モジュール１ａには、ステム１０ａの部品実装面１０ｂ上におけるＬＤ１８と受光用ＰＤ１２との間の空間に、ＬＤ１８に対してＰＤ１２の底面１２ａから上部側を遮るような金属ブロック３４が設けられている。その金属ブロック３４は、ステム１０ａと接続されることにより、ＰＤ１２に対面する側面に沿って接地電位を有する等電位面を形成し、ＬＤ１８は絶縁体であるヒートシンク２０を挟んでＰＤ１２の上面１２ｂより高くなるように金属ブロック３４上に載置されている。これにより、ＬＤ用配線に伝達される電気信号によってＬＤ１８の近傍に発生して直線的にＰＤ１２に向けて伝搬する電磁界を十分に遮断することができる。この場合、部品実装面１０ｂ上に設けられた金属ブロック３４をノイズ遮断用に用いることにより、容易にモジュールの小型化及びコストダウン化を図ることができる。

また、ＰＤ１２の上面１２ｂが金属ブロック３４の高さよりも低く設定されている場合は、金属ブロック３４がＰＤ１２の底面１２ａから上面１２ｂにかけて遮るように設けられるので、ＬＤ１８近傍に発生した電磁界がＰＤ１２側に向けて伝搬しないようにより確実に遮断することができる。

さらには、波長選択フィルタ１４等の送信光信号及び受信光信号を光学的に処理する部材には、ノイズを遮蔽するための加工を必要としないので、光信号におけるパワーロスを防止することができる。

図４には、光送受信モジュール１ａの金属ブロック３４の厚さを様々変化させた場合の受信信号におけるクロストークの周波数特性、図５には、金属ブロック３４が無い場合に対するクロストーク比の周波数特性を示す。このとき、ＰＤキャリア１６及び受光用ＰＤ１２の厚さを、それぞれ、２００μｍとし、金属ブロック３４とヒートシンク２０とを合わせた厚さを７５０μｍで一定になるように設定した。これらの結果より、金属ブロック３４を厚くするに従って、金属ブロック３４が無しの場合に比較したクロストークの低減効果が、広い周波数帯域で大きくなることがわかる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明は図６〜図９、及び図１１に示すような変形態様を採ることができる。

すなわち、図６に示す本発明の変形例である光送受信モジュール１ｂのように、ステム１０ａ自体にスタンピング加工を施して、部品実装面１０ｂの実装領域ＡのうちのＬＤ１８及びヒートシンク２０側の半円部分を含む領域をカバーするように略半円板状の金属ブロック部３４Ｂが形成されても良い。また、図７に示す光送受信モジュール１ｃのように、部品実装面１０ｂの実装領域Ａのうちの受光用ＰＤ１２側の半円部分を含む領域をカバーするように略半円状の窪み部３４Ｃが形成されても良い。さらに、図８に示す光送受信モジュール１ｄのように、部品実装面１０ｂの実装領域Ａのうちの受光用ＰＤ１２を含む領域をカバーするように略長方形状の窪み部３４Ｄが形成されても良い。このような金属ブロック部３４Ｂ、窪み部３４Ｃ，３４Ｄによっても、ＬＤ１８と受光用ＰＤ１２の間の部品実装面１０ｂ上に導電性を有する壁面を有する導体部が配置され、その壁面に沿って等電位面が形成されるので、ＬＤ１８の近傍から発生した電磁界を十分に遮断することができる。特に、光送受信モジュール１ｂ，１ｃ，１ｄでは、ＰＤ１２をシールドする範囲が左右に拡がることからクロストーク低減効果がさらに高まる。

また、金属ブロック３４の代わりに、ヒートシンク２０の表面をメタライズ加工するとともに、ヒートシンク２０を部品実装面１０ｂ上にステム１０ａと電気的に接続された状態で直接載置することにより、ヒートシンク２０のＰＤ１２側の側面に等電位面を形成することもできる。

金属ブロック３４を別部品として実装すると、部品点数ならび、実装コストが増加する。
ヒートシンク２０は窒化アルミなどのセラミックスで形成されることが多く、これをダイシングして用いる。したがって事前に、金属とセラミックスを接合させたシート品を作成し、これをダイシング加工し、これにレーザダイオード１８を搭載することでステム加工を削減できる。さらにこの場合、薄板ヒートシンクを用いることができるため高さＨ_１を大きくすることができ、クロストークの低減と同時に部品点数の削減が図られる。

また、ステム１０ａにスタンピング加工や切削加工を施すことにより、金属ブロック３４をステム１０ａと一体化して設けることもできる。この場合、部品点数を削減することができるので、モジュールの小型化及び低コスト化がさらに容易となる。

さらに、図９に示す光送受信モジュール１ｅのように、金属ブロック３４に代えて、部品実装面１０ｂ上に受光用ＰＤ１２の左右両側を挟んで対峙するように２つの支持部材（導体ポスト）３６Ａ，３６Ｂを配置してもよい。これらの支持部材３６Ａ，３６Ｂは導電性を有する金属材料からなる波長選択フィルタ１４の支持用部材であり、部品実装面１０ｂに直接載置されることでステム１０ａに電気的に接続される。このような光送受信モジュール１ｅでは、ＬＤ１８の近傍からＰＤ１２の左右に回り込んで伝搬するような電磁界を効果的に遮断することができる。さらに、この支持部材３６Ａ，３６Ｂをステム１０ａと一体で加工することにより部品点数の削減を図ることができるだけでなく、波長選択フィルタ１４を２ヶ所で支持することで波長選択フィルタ１４の実装精度が向上する結果、光学特性が向上する。図１０には、支持部材３６Ａ，３６Ｂを設けた場合の支持部材３６Ｂが無い場合に対するクロストーク比の周波数特性を示す。これらの結果より、２つの支持部材３６Ａ，３６Ｂを設けることによって、クロストークの低減効果が広い周波数帯域で大きくなることがわかる。

なお、図１１に示す光送受信モジュール１ｆのように、金属ブロック部３４Ｂに加えてＰＤ１２の両側に支持部材３６Ａ，３６Ｂが設けられてもよい。このような光送受信モジュール１ｆによれば、ＬＤ１８の近傍からＰＤ１２の左右に回り込んで伝搬するような電磁界と、ＬＤ１８から直線的に伝搬する電磁界とを同時に遮断することができる。さらに、ステム１０ａを加工することで金属ブロック部３４Ａ，３４Ｂ及び支持部材３６Ａ，３６Ｂを同時に加工できるので、部品点数の削減、小型化及び低コスト化に有利となる。図１２は、光送受信モジュール１ｆにおける金属ブロック部３４Ｂ及び支持部材３６Ｂが無い場合に対するクロストーク比の周波数特性を示す。これらの結果より、金属ブロック部３４Ｂ及び支持部材３６Ｂを設けることによって、クロストークの低減効果が広い周波数帯域でより一層大きくなることがわかる。

また、金属ブロック３４，支持部材３６Ａ，３６Ｂは金属部材に限定されるものではなく、表面が導電性を有するものであればセラミックやプラスチック等の絶縁材の表面をメタライズ加工したもの、絶縁材に金属膜等の導電性膜を接合したものを使用してもよい。

本発明の好適な一実施形態にかかる光送受信モジュールを示す斜視図である。 図１の光送受信モジュールのII−II線に沿った断面図である。 図１の光送受信モジュールの回路図である。 図１の光送受信モジュールの金属ブロックの厚さを様々変化させた場合の受信信号におけるクロストークの周波数特性を示すグラフである。 図１の光送受信モジュールにおける金属ブロックが無い場合に対するクロストーク比の周波数特性を示すグラフである。 本発明の変形例にかかる光送受信モジュールを示す斜視図である。 本発明の変形例にかかる光送受信モジュールを示す斜視図である。 本発明の変形例にかかる光送受信モジュールを示す斜視図である。 本発明の変形例にかかる光送受信モジュールを示す斜視図である。 図９の光送受信モジュールにおける支持部材が無い場合に対するクロストーク比の周波数特性を示すグラフである。 本発明の変形例にかかる光送受信モジュールを示す斜視図である。 図１１の光送受信モジュールにおける金属ブロック部及び支持部材が無い場合に対するクロストーク比の周波数特性を示すグラフである。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ…光送受信モジュール、１０…パッケージ、１０ａ…ステム、１２…受光用ＰＤ（フォトダイオード）、１２ａ…底面（端面）、１４…波長選択フィルタ（光学フィルタ）、１６…ＰＤキャリア、１８…ＬＤ（レーザダイオード）、２０…ヒートシンク、３４…金属ブロック（導体部）、３４Ｂ…金属ブロック部（導体部）、３６，３６Ａ，３６Ｂ…支持部材（導体ポスト）。

Claims (3)

1. 送信光信号を生成するレーザダイオードと受信光信号を受光するフォトダイオードとが、導電性のステム上に搭載された双方向光通信を行う光送受信モジュールであって、
   前記ステムと電気的に接続された状態で前記ステム上に配置され、前記ステムの表面からの高さが、前記フォトダイオードの前記ステムの表面側の端面よりも高くされた導体部と、
   前記導体部上に配置されたヒートシンクとを備え、
   前記レーザダイオードは、前記導体部及び前記ヒートシンクを挟んで前記ステム上に搭載されており、
   前記フォトダイオードの前記端面の反対側の面は、前記ヒートシンクの前記レーザダイオード側の端面よりも低く設定されている、
   ことを特徴とする光送受信モジュール。
2. 前記フォトダイオードの前記端面の反対側の面は、前記導体部の高さよりも低く設定されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の光送受信モジュール。
3. 前記ステム上においてフォトダイオードを挟んで対峙するように、前記ステムと電気的に接続された状態で配置された２つの導体ポストと、
   前記レーザダイオードと前記フォトダイオードとの間において、前記２つの導体ポストによって支持され、前記送信光信号と前記受信光信号を分離する光学フィルタとをさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の光送受信モジュール。

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