JP4199901B2 - 光送信モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信に用いられ、電気信号を光信号に変換する電界吸収型光変調器を具備した光送信モジュールに関し、特に、良好な高周波特性が要求される光通信に用いて好適な光送信モジュールの回路構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電界吸収型光変調器を具備したレーザダイオードモジュールの従来技術としては、図10(a)に示すような構成が特開平9-252164号公報に開示されている。電気信号入力端子をもつ気密パッケージ内において、気密パッケージ8の信号ピン12に接続されたマイクロストリップライン3と、一端が上記マイクロストリップライン3に接続され、他端が終端抵抗(Rt)2Aに接続されたダンピング抵抗(Rd)2Bと、終端抵抗2Aに並列に接続された電界吸収型光変調器集積型レーザダイオードの変調器部分（以下光変調器(MD)）1と、光変調器1の出力を光ファイバ9へ結合させるための光学系とを具備している。これらの回路構成はAlNなどの絶縁体からなるサブマウント11上に形成される。サブマウント11はさらにキャリア6に固定されると共に、電気的に接地されている。キャリア6上にはさらに、光パワコントロール用フォトダイオード5が固定されている。また、気密パッケージ内にはさらに、冷却用ペルチェ素子および温度モニター用サーミスタ7が設けられている。
【０００３】
図10(b)はサブマウント11を拡大した上面図である。グランド用電極パタン13上に光変調器集積レーザダイオード1が固定され、ストリップライン3、終端抵抗2Aおよびダンピング抵抗2Bも金属薄膜をサブマウントに蒸着することによって形成されている。
【０００４】
上記従来技術においては、光変調器1を容量成分のみで記述できるとし、高周波の入力電気信号に対しては光変調器1のインピーダンスが低下することからダンピング抵抗2Bを挿入することによって高周波でのインピーダンス不整合を低減し、リターンロスを低減している。この高周波でのインピーダンス不整合の低減のためには、図12の構成例（図13の回路例）のようにダンピング抵抗(Rd)を終端抵抗(Rt)と並列に接続することによっても実現される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本来、光送信モジュールの入力電気信号のリターンロスを低減することは、入力電気信号波形から正確に光信号波形に変換するために極めて重要な技術である。そのため、光変調器1も含めた光送信モジュールの等価回路を正確に記述する必要がある。上記公知文献においては、上述のように、光変調器1を容量成分のみで記述できるとしている。しかしながら、光変調器1の等価回路は本質的に容量のみで記述することはできず、光吸収時に生成されるフォトキャリアを等価回路で記述する必要がある。
【０００６】
図5(a)は光吸収時に生成されるフォトキャリアを考慮して記述した等価回路である。同図のように、容量に並列に電圧依存電流源を接続することによって記述できる。さらに、図5(b)のように近似的にこの電圧依存電流源は抵抗に置き換えることができる。このとき、変調器部分のインピーダンス低下量は変調器の両端にかかる電圧に対するフォトキャリアの担う電流の変化量の比(=1/Rph)の大小によって変化する。実際、変調器に入力される光強度が強くなったとき、この比、すなわちRphが小さくなり、大きなインピーダンス低減を招く。このようなフォトカレントによるインピーダンスの低減は比較的低周波領域から顕著となる。そのため、上記従来技術においては、上述のような低周波からのインピーダンスミスマッチによりリターンロスが増大し、電気信号波形が忠実に光信号波形に変換されなくなるという問題があった。
【０００７】
さらに、図11のような従来の構成では電気信号から光信号への応答特性が帯域内で大きく変動する。その理由は、光変調器の有する容量成分とワイヤの有するインダクタンス成分とによって共振を起こし、図6に示すように応答にピーキングが生じるためである。図6の横軸は入力電気信号の周波数、縦軸は光出力応答をそれぞれ表す。入力電気信号と出力光信号との関係を示す同図中の曲線は、例えば同図中の３本の曲線のように、光変調器への光入力の強度によってその形状が異なる。また、同図中Aは帯域内偏差を表す。帯域内偏差とは、モジュールに必要な帯域内での光出力応答の変化の比を意味し、帯域内偏差が大きいほど光出力信号の波形の歪が大きい。図7はこのような大きな帯域内偏差を持つモジュールの出力光信号波形の例を示す。ここでは入力電気信号として、理想的な矩形波を入力した場合のシミュレーション結果を示している。横軸は時間、縦軸は光強度をそれぞれ表す。仮に入力電気信号周波数に対する光出力応答が一定ならば、入力矩形波がそのまま光信号として出力されるはずだが、図7から判るように、図6の帯域内偏差によって出力光信号に突起状の歪が生じる。しかも、帯域内偏差が大きいほど突起状歪が大きい。このように、上記従来技術においては、帯域内偏差が大きくなって良好な光信号波形を得ることができなくなるという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、上記問題点を解消し、入力電気信号波形が忠実に出力光信号波形に変換されるような、インピーダンス低減の少ない光変調器を具備した光送信モジュール、ひいては、光変調器の入力光パワーが変化しても光信号波形が歪まない、すなわち光信号への応答特性が劣化しないような、高周波特性の良好な光送信モジュールを実現することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、上記問題点を解消し、帯域内偏差が小さく応答にピーキングを生じにくい、良好な光信号波形を得ることが可能な光変調器を具備した光送信モジュールを実現することにある。
【００１０】
本発明の上記およびその他の目的、並びに新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面によって明らかになるであろう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光送信モジュールは、電気信号を受けて光信号の変調を行う電界吸収型光変調器と、一端が光変調器の一端と接続される第１のインダクタンス L1 と、一端が光変調器の一端と接続される第２のインダクタンス L2 と、一端が第２のインダクタンス L2 の他端に接続され、他端が接地される第１の抵抗 Rt と、一端が電気信号の入力端に接続され、他端が第１のインダクタンス L1 の他端に接続される第２の抵抗 Rd を有し、光変調器の他端は接地され、 L1 および L2 のインダクタンス値を 0.2nH 〜 1.0nH 、光変調器の容量成分値を 0.4pF 〜 1.0pF 、 Rt の抵抗値を 50 Ω〜 70 Ω、 Rd の抵抗値を 3 Ω〜 25 Ωとすることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図2は本発明の光送信モジュールの基本構成の等価回路図である。本発明では光吸収に伴うフォトカレントによる変調器部（変調器と終端抵抗の並列接続）の低周波でのインピーダンス低下を補う抵抗Rdを含みかつこの抵抗Rdに直列にインダクタンスを接続することによって高周波で低下する変調器部のインピーダンスを補うためにインダクタンスL1が接続されている。尚、L1のインピーダンスは周波数に比例して増大するため高周波でのインピーダンス整合に役立つ。
【００２０】
図3は光変調器をワイヤボンディングで接続する場合の回路構成パターンを示す図である。実装上簡便であるという利点をもつワイヤボンディングによってインダクタンスを形成し、かつ光変調器、高周波伝送線間を接続した場合、光変調器、ダンピング抵抗(Rd)、終端抵抗(Rt)、ワイヤの接続方法で本質的に異なる回路は図3に示す8通りである。このうちRphは50〜100Ωくらいまで小さくなることが実験的に確かめられており、これらの回路の負荷インピーダンスは低周波領域で同図中のタイプ(I)の4通りについては、A=Rd+Rt*Rph/(Rt+Rph)と近似的に記述でき、同図中のタイプ(II)の4通りについては、
B=Rt*(Rd+Rph)/(Rt+Rd+Rph)=Rt*Rph/(Rt+Rph+Rd)+Rt*Rd/(Rt+Rph+Rd)と記述できる。A>Bより、一般に小さな抵抗のダンピング抵抗の挿入によっても大きなインピーダンス整合改善の効果が得られる。あまり大きなダンピング抵抗を挿入すると、光変調器の消光比特性、チャーピング特性に悪影響を与える場合があるため、長い伝送距離を伝送することができない。そのため、タイプ(II)の4通りは実現性に乏しいと思われる。それゆえ、タイプ(I)の４通りの回路構成に対象を限定して数値解析を行った。
【００２１】
図4はその数値解析の結果を表す。タイプ(I)の４通りの中でワイヤのインダクタンスの影響も取り入れた形でリターンロスおよび帯域内偏差を計算して比較を行ったところ、図4に示すように、本発明の構成が本質的に他の構成に比してこれらの特性において優位であることが確かめられた。ここで、I-AおよびI-Bは本発明の回路構成であり、I-Cは図11に示す第１の従来技術の回路構成、I-Dは図13に示す第２の従来技術の回路構成と基本的に同等である。この表の計算には以下のようなパラメータを用いた。L1=0.7nH, L2=0.7nH, L3=0.6nH, C=0.6pF Rt=50Ω, Rd=15Ωとした。また、Rphは50〜100Ωでパラメータを変えた。図4中の5GHzでのリターンロスの平均、帯域内偏差の最大・最小はRphに対して平均・最大・最小をとった。さらに、図4の優劣の関係は、少なくともL1,L2,L3=0.2〜1.0nH、C=0.4〜1.0pF、Rt=50〜70Ω、Rd=3〜25Ωのパラメータ範囲において変化はない。よって、I-AおよびI-Bの構成はダンピング抵抗(Rd)、終端抵抗(Rt)、光変調器容量(C)、フォトカレントによるRph、ワイヤボンディングのインダクタンス(L1,L2,L3)の接続方法として目標とするリターンロスおよび帯域内偏差の改善に有効かつ最適であることが明らかとなった。具体的には、第１の従来技術の構成(I-C)に比べてリターンロスで39%の改善、帯域内偏差で48%の改善が得られた。
【００２２】
[実施例１]
図1は本発明の光送信モジュールの第１の実施例を示す図である。光変調器集積半導体レーザダイオード31はAlN製のサブマウント32上に搭載され、さらにサブマウント32はキャリア33に半田で固定されている。さらにキャリア33はペルチェクーラ34上に搭載されて、金属製の収納ケース35内に収納されている。
【００２３】
図2はサブマウント32の上面図である。半導体レーザダイオード31にはレーザ発信器および光変調器が集積されていて、レーザチップ31の上面側には高周波の変調信号が入力される電極（光変調器電極）38およびレーザ発振用電圧が印加される電極39が設けられており、チップ31の下面側にはグランド用電極40が設けられている。サブマウント上にはグランド用電極パタン41と入力電気信号を伝達する第1のマイクロストリップライン42とワイヤボンディング領域43および44とインピーダンス調整用抵抗（ダンピング抵抗）45と終端抵抗46が金属薄膜によって形成されている。また、サブマウント32の裏面にもグランド用電極が設けられていてCuW製のキャリア33に固定されていると共に接地されている。また、AlNに穴47を有することによって、裏面と電気的に結合している。また、図1(a)および(b)に示すように、終端抵抗46とワイヤインダクタンス(L2)との直列結合と、光変調器電極38とは並列に結合され、一方は接地されており、他方はこの並列結合に直列にワイヤインダクタンス(L1)とインピーダンス調整用抵抗が結合されている。
【００２４】
入力電気信号は端子36に与えられる。収納ケース35の側壁には絶縁体でシールドされたリードが貫通している。このリードは半田によってAlN上に形成された第2のマイクロストリップライン37に結合され、これを通して、サブマウント32上の第1のマイクロストリップライン42に伝えられ、光変調器38を駆動する。
【００２５】
このような高周波回路をもつキャリア33はペルチェクーラー34上に搭載され、さらにペルチェクーラー34は収納ケース35の底部に固定されている。このペルチェクーラー34のリード49および50を介して所定の電流を供給すると、ペルチェクーラーの34の上側では熱の吸収が起こり、キャリア33上のサブマウント32および半導体レーザチップ31を冷却することができる。また、このときのペルチェクーラー33の下側では吸収した熱に応じた熱が発生するが、この熱はケース35を介して外部に発散される。また、図1(a)中の５１はサーミスタであり、抵抗によって温度をモニターし、レーザの駆動温度を一定に保つ。
【００２６】
また、図1(b)中のワイヤ48はレーザを一定光出力で駆動するための配線である。図1(a)中の52はフォトダイオードであり、レーザチップの変調器38とは反対側から放射される光の強度をモニタすることによって、レーザ部39から出力される光のパワーを一定に保つ。また、53はファイバ結合用非球面レンズ、54はアイソレータ、55はシングルモードファイバである。
【００２７】
本実施例によれば、リターンロスが小さく電気信号波形が忠実に光信号波形に変換される光送信モジュールを提供できるという効果が得られる。
【００２８】
[実施例２]
図8は本発明の第２の実施例を示す図であり、インピーダンス調整抵抗（ダンピング抵抗）を別基板上に搭載した光送信モジュールの構成図である。第１の実施例と同様の構成要素については同じ符号を付す。インピーダンス調整用抵抗をレーザチップ31が搭載されたサブマウント32とは別の基板に形成し、レーザチップ31のRph、容量(C)、消光特性、チャーピング特性をサブマウント32上に搭載した状態で測定し、その測定結果を基に適切な抵抗値を決定して図8のようなモジュールに組むことによって、本実施例の構成を得ることができる。上記別の基板には絶縁基板（SI基板）を用いることができる。
【００２９】
インピーダンス調整用抵抗をレーザチップ31が搭載されたサブマウント32とは別基板37に形成することによってレーザチップを31のRph、容量(C)、消光特性、チャーピング特性をサブマウント32上に搭載した上で測定し、このデータをもとに適切な抵抗値を決定し、その上で図12(b)のようにRdを金ワイヤで配線してモジュールに組むことにより安価で良好な高周波特性のモジュールを得る。ここでサブマウント32はチップキャリア33にはんだ固定されて、さらにこのキャリア33はペルチェクーラ34上に搭載されて、金属製の収納ケース35内に収納されている。半導体レーザダイオード31にはレーザ発信器および光変調器が集積されていて、レーザチップ31の上面側には高周波の変調信号が入力される電極（光変調器電極）およびレーザ発振用電圧が印加される電極が設けられており、チップ31の下面側にはグランド用電極が設けられている。サブマウント上にはグランド用電極パタンと入力電気信号を伝達する第１のマイクロストリップラインとワイヤボンディング領域およびとインピーダンス調整用抵抗と終端抵抗が金属薄膜によって形成されている。またこのサブマウントの裏面にもグランド用電極が設けられていてCuW製のキャリア33に固定されていると同時に接地されている。また、AlNに穴を開けることによって裏面と電気的結合をおこなっている。またこれらの部品の回路構成は図5(a)または(ｂ)に示すように、終端抵抗とワイヤインダクタンス(L2)の直列結合と光変調器は並列に結合されて、一方は接地されており、また、他方はこの並列結合に直列にワイヤインダクタンス(L1)とインピーダンス調整用抵抗が結合されている。
【００３０】
入力電気信号は端子に与えられる。収納ケース３５の側壁には絶縁体でシールドされたリードが貫通している。このリードは半田によってAlN上に形成された第2のマイクロストリップライン37に結合されこれを通して、サブマウント32上の第１のマイクロストリップライン42に伝えられ、変調器を駆動する。
【００３１】
このような高周波回路をもつキャリア33はペルチェクーラー34上に搭載され、このペルチェクーラー34は収納ケース35の底部に固定されている。このペルチェクーラー34のリードを介して所定の電流を供給すると、ペルチェクーラーの34の上側では熱の吸収が起こり、キャリア33上のサブマウント32および半導体レーザチップ31を冷却することができる。また、このときのペルチェクーラー33の下側では吸収した熱に応じた熱が発生するが、この熱はケース35を介して外部に発散される。
【００３２】
53はファイバ結合用非球面レンズ、54はアイソレータ、55はシングルモードファイバである。
【００３３】
本実施例によれば、良好な高周波特性の光送信モジュールを安価に実現できるという効果が得られる。
【００３４】
[実施例３]
図9は本発明の第３の実施例を示す図であり、終端抵抗を別基板上に搭載した光送信モジュールの構成図である。第１の実施例と同様の構成要素については同じ符号を付す。第２の実施例と同様に、図9のように終端抵抗をサブマウント33上ではなく別の基板上に形成することによって、終端抵抗の調整を可能としている。第２の実施例と同様に、上記別の基板には絶縁基板（SI基板）を用いることができる。
【００３５】
第２の実施例と同様に図9のように終端抵抗をサブマウント33上ではなく別の絶縁基板上に形成することによって終端抵抗の調整を可能とし、安価で良好な高周波特性のモジュールを得る。ここでサブマウント32はチップキャリア33にはんだ固定されて、さらにこのキャリア33はペルチェクーラ34上に搭載されて、金属製の収納ケース35内に収納されている。半導体レーザダイオード31にはレーザ発信器および光変調器が集積されていて、レーザチップ31の上面側には高周波の変調信号が入力される電極（光変調器電極）およびレーザ発振用電圧が印加される電極が設けられており、チップ31の下面側にはグランド用電極が設けられている。サブマウント上にはグランド用電極パタンと入力電気信号を伝達する第１のマイクロストリップラインとワイヤボンディング領域およびとインピーダンス調整用抵抗と終端抵抗が金属薄膜によって形成されている。またこのサブマウントの裏面にもグランド用電極が設けられていてCuW製のキャリア33に固定されていると同時に接地されている。また、AlNに穴を開けることによって裏面と電気的結合をおこなっている。またこれらの部品の回路構成は図5(a)または(ｂ)に示すように、終端抵抗とワイヤインダクタンス(L2)の直列結合と光変調器は並列に結合されて、一方は接地されており、また、他方はこの並列結合に直列にワイヤインダクタンス(L1)とインピーダンス調整用抵抗が結合されている。
【００３６】
入力電気信号は端子に与えられる。収納ケース35の側壁には絶縁体でシールドされたリードが貫通している。このリードは半田によってAlN上に形成された第2のマイクロストリップライン37に結合されこれを通して、サブマウント32上の第１のマイクロストリップライン42に伝えられ、変調器を駆動する。
【００３７】
このような高周波回路をもつキャリア33はペルチェクーラー34上に搭載され、このペルチェクーラー34は収納ケース35の底部に固定されている。このペルチェクーラー34のリードを介して所定の電流を供給すると、ペルチェクーラーの34の上側では熱の吸収が起こり、キャリア33上のサブマウント32および半導体レーザチップ31を冷却することができる。また、このときのペルチェクーラー33の下側では吸収した熱に応じた熱が発生するが、この熱はケース35を介して外部に発散される。
【００３８】
53はファイバ結合用非球面レンズ、54はアイソレータ、55はシングルモードファイバである。
【００３９】
本実施例によれば、良好な高周波特性のモジュールを安価に実現できるという効果が得られる。
【００４０】
[実施例４]
図14は本発明の第４の実施例を示す図であり、回路形式(I-A（図3）)の光伝送モジュールの一実施例のサブマウント上面図である。本実施例においては、ワイヤインダクタンス(L1)および(L2)として、それぞれ金ワイヤおよびリボンワイヤを用いる。その他のモジュール内の構成は実施例１と同様である。第１の実施例と同様の構成要素については同じ符号を付す。
【００４１】
レーザチップ31の上面側には高周波の変調信号が入力される電極38（光変調器電極）およびレーザ発振用電圧が印加される電極39が設けられており、チップ31の下面側にはグランド用電極40が設けられている。さらにチップ上には高周波を終端抵抗に伝達する電極47を設けて、インダクタンスが0.1nH以下のリボンワイヤ(L2)を使って終端抵抗に接続する。このときリボンワイヤのインダクタンスは値が小さいため影響が小さく回路図上は記載していない。サブマウント上にはグランド用電極パタン41と入力電気信号を伝達する第１のマイクロストリップライン42とワイヤボンディング領域43および44とインピーダンス調整用抵抗45と終端抵抗46が金属薄膜によって形成されている。またこのサブマウントの裏面にもグランド用電極が設けられていてCuW製のキャリア33に固定されていると同時に接地されている。また、AlNに穴47を開けることによって裏面と電気的結合をおこなっている。またこれらの部品の回路構成は図6(a)または(ｂ)に示すように、終端抵抗46と光変調器38は並列に結合されて、一方は接地されており、また、他方はこの並列結合に直列にワイヤインダクタンス(L1)とインピーダンス調整用抵抗が結合されている。
【００４２】
本実施例によれば、良好な高周波特性のモジュールを安価に実現できるという効果が得られる。
【００４３】
尚、本発明は上記各実施例に限定されるものではなく、高周波伝達特性の違いによりあらゆる変更が可能であることは言うまでもない。例えば、上記実施例ではサブマウントの材料としてAlNを選択したが、本発明はそれに限定されることはなく、AlO3などの他の材料を選択することもできる。また、上記実施例ではインダクタンス素子を金ワイヤとしたが、本発明はそれに限定されることはなく、サブマウント基板上の配線とすることもできる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、光通信用送信モジュールにおいて低周波領域から高周波領域までの広い周波数範囲でリターンロスを低減することが可能となると共に、光出力を大きく変えても入力電気信号のリターンロスが少ない、良好な応答特性を得ることが可能となり、高周波特性の良好な光送信モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光送信モジュールの基本構成を示す図であり、(ａ)はモジュール全体図、(ｂ)はサブマウントの上面図である。
【図２】本発明の光送信モジュールの基本構成の等価回路図である。
【図３】光変調器をワイヤボンディングで接続する場合の回路構成パターンを示す図である。
【図４】回路構成による高周波特性の比較のための図である。
【図５】本発明の光送信モジュールのフォトキャリアを考慮した等価回路図である。
【図６】帯域内偏差の大きな高周波応答例を示す図である。
【図７】帯域内偏差の大きな場合の光波形例を示す図である。
【図８】インピーダンス調整抵抗（ダンピング抵抗）を別基板上に搭載した本発明の光送信モジュールの構成図である。
【図９】終端抵抗を別基板上に搭載した本発明の光送信モジュールの構成図である。
【図１０】第１の従来技術を示す図であり、(ａ)はモジュール全体構成図、(ｂ)はサブマウントの上面図である。
【図１１】第１の従来技術の等価回路図である。
【図１２】第２の従来技術を示す図であり、(ａ)はモジュール全体構成図、(ｂ)はサブマウントの上面図である。
【図１３】第２の従来技術の等価回路図である。
【図１４】本発明の実施例4の光送信モジュールのサブマウント上面図である。
【符号の説明】
1 変調器集積型レーザダイオード変調器部分
2A 終端抵抗
2B インピーダンス整合用抵抗
3 高周波伝送線路（マイクロストリップライン）
4 サーミスタ
5 モニタフォトダイオード
6 チップキャリア
7 ペルチェクーラー
9 光信号出力ファイバ
10A ボンディングワイヤ(L1 nH)
10B ボンディングワイヤ(L2 nH)
10C ボンディングワイヤ(L3 nH)
11 サブマウント
12 電気信号入力端子
13 サブマウント上グランドパタン
31 変調器集積型レーザダイオード
32 AlNサブマウント
33 チップキャリア
34 ペルチェクーラー
35 気密パッケージ
36 電気信号入力端子
37 第二のマイクロストリップライン
38 変調器電極
39 レーザダイオード電極
41 サブマウント上グランドパタン
42 第一のマイクロストリップライン
43,44 ワイヤボンディングパッド
45 インピーダンス整合用抵抗
46 終端抵抗
47 接地用スルーホール
48 レーザドライブ用ワイヤ
49,50 ペルチェ駆動用ワイヤ
51 サーミスター
52 モニタフォトダイオード
53 ファイバ結合用非球面レンズ
54 アイソレータ
55 シングルモードファイバ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信に用いられ、電気信号を光信号に変換する電界吸収型光変調器を具備した光送信モジュールに関し、特に、良好な高周波特性が要求される光通信に用いて好適な光送信モジュールの回路構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電界吸収型光変調器を具備したレーザダイオードモジュールの従来技術としては、図10(a)に示すような構成が特開平9-252164号公報に開示されている。電気信号入力端子をもつ気密パッケージ内において、気密パッケージ8の信号ピン12に接続されたマイクロストリップライン3と、一端が上記マイクロストリップライン3に接続され、他端が終端抵抗(Rt)2Aに接続されたダンピング抵抗(Rd)2Bと、終端抵抗2Aに並列に接続された電界吸収型光変調器集積型レーザダイオードの変調器部分（以下光変調器(MD)）1と、光変調器1の出力を光ファイバ9へ結合させるための光学系とを具備している。これらの回路構成はAlNなどの絶縁体からなるサブマウント11上に形成される。サブマウント11はさらにキャリア6に固定されると共に、電気的に接地されている。キャリア6上にはさらに、光パワコントロール用フォトダイオード5が固定されている。また、気密パッケージ内にはさらに、冷却用ペルチェ素子および温度モニター用サーミスタ7が設けられている。
【０００３】
図10(b)はサブマウント11を拡大した上面図である。グランド用電極パタン13上に光変調器集積レーザダイオード1が固定され、ストリップライン3、終端抵抗2Aおよびダンピング抵抗2Bも金属薄膜をサブマウントに蒸着することによって形成されている。
【０００４】
上記従来技術においては、光変調器1を容量成分のみで記述できるとし、高周波の入力電気信号に対しては光変調器1のインピーダンスが低下することからダンピング抵抗2Bを挿入することによって高周波でのインピーダンス不整合を低減し、リターンロスを低減している。この高周波でのインピーダンス不整合の低減のためには、図12の構成例（図13の回路例）のようにダンピング抵抗(Rd)を終端抵抗(Rt)と並列に接続することによっても実現される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本来、光送信モジュールの入力電気信号のリターンロスを低減することは、入力電気信号波形から正確に光信号波形に変換するために極めて重要な技術である。そのため、光変調器1も含めた光送信モジュールの等価回路を正確に記述する必要がある。上記公知文献においては、上述のように、光変調器1を容量成分のみで記述できるとしている。しかしながら、光変調器1の等価回路は本質的に容量のみで記述することはできず、光吸収時に生成されるフォトキャリアを等価回路で記述する必要がある。
【０００６】
図5(a)は光吸収時に生成されるフォトキャリアを考慮して記述した等価回路である。同図のように、容量に並列に電圧依存電流源を接続することによって記述できる。さらに、図5(b)のように近似的にこの電圧依存電流源は抵抗に置き換えることができる。このとき、変調器部分のインピーダンス低下量は変調器の両端にかかる電圧に対するフォトキャリアの担う電流の変化量の比(=1/Rph)の大小によって変化する。実際、変調器に入力される光強度が強くなったとき、この比、すなわちRphが小さくなり、大きなインピーダンス低減を招く。このようなフォトカレントによるインピーダンスの低減は比較的低周波領域から顕著となる。そのため、上記従来技術においては、上述のような低周波からのインピーダンスミスマッチによりリターンロスが増大し、電気信号波形が忠実に光信号波形に変換されなくなるという問題があった。
【０００７】
さらに、図11のような従来の構成では電気信号から光信号への応答特性が帯域内で大きく変動する。その理由は、光変調器の有する容量成分とワイヤの有するインダクタンス成分とによって共振を起こし、図6に示すように応答にピーキングが生じるためである。図6の横軸は入力電気信号の周波数、縦軸は光出力応答をそれぞれ表す。入力電気信号と出力光信号との関係を示す同図中の曲線は、例えば同図中の３本の曲線のように、光変調器への光入力の強度によってその形状が異なる。また、同図中Aは帯域内偏差を表す。帯域内偏差とは、モジュールに必要な帯域内での光出力応答の変化の比を意味し、帯域内偏差が大きいほど光出力信号の波形の歪が大きい。図7はこのような大きな帯域内偏差を持つモジュールの出力光信号波形の例を示す。ここでは入力電気信号として、理想的な矩形波を入力した場合のシミュレーション結果を示している。横軸は時間、縦軸は光強度をそれぞれ表す。仮に入力電気信号周波数に対する光出力応答が一定ならば、入力矩形波がそのまま光信号として出力されるはずだが、図7から判るように、図6の帯域内偏差によって出力光信号に突起状の歪が生じる。しかも、帯域内偏差が大きいほど突起状歪が大きい。このように、上記従来技術においては、帯域内偏差が大きくなって良好な光信号波形を得ることができなくなるという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、上記問題点を解消し、入力電気信号波形が忠実に出力光信号波形に変換されるような、インピーダンス低減の少ない光変調器を具備した光送信モジュール、ひいては、光変調器の入力光パワーが変化しても光信号波形が歪まない、すなわち光信号への応答特性が劣化しないような、高周波特性の良好な光送信モジュールを実現することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、上記問題点を解消し、帯域内偏差が小さく応答にピーキングを生じにくい、良好な光信号波形を得ることが可能な光変調器を具備した光送信モジュールを実現することにある。
【００１０】
本発明の上記およびその他の目的、並びに新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面によって明らかになるであろう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光送信モジュールは、電気信号を受けて光信号の変調を行う電界吸収型光変調器と、一端が光変調器の一端と接続される第１のインダクタンス L1 と、一端が光変調器の一端と接続される第２のインダクタンス L2 と、一端が第２のインダクタンス L2 の他端に接続され、他端が接地される第１の抵抗 Rt と、一端が電気信号の入力端に接続され、他端が第１のインダクタンス L1 の他端に接続される第２の抵抗 Rd を有し、光変調器の他端は接地され、 L1 および L2 のインダクタンス値を 0.2nH 〜 1.0nH 、光変調器の容量成分値を 0.4pF 〜 1.0pF 、 Rt の抵抗値を 50 Ω〜 70 Ω、 Rd の抵抗値を 3 Ω〜 25 Ωとすることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図2は本発明の光送信モジュールの基本構成の等価回路図である。本発明では光吸収に伴うフォトカレントによる変調器部（変調器と終端抵抗の並列接続）の低周波でのインピーダンス低下を補う抵抗Rdを含みかつこの抵抗Rdに直列にインダクタンスを接続することによって高周波で低下する変調器部のインピーダンスを補うためにインダクタンスL1が接続されている。尚、L1のインピーダンスは周波数に比例して増大するため高周波でのインピーダンス整合に役立つ。
【００２０】
図3は光変調器をワイヤボンディングで接続する場合の回路構成パターンを示す図である。実装上簡便であるという利点をもつワイヤボンディングによってインダクタンスを形成し、かつ光変調器、高周波伝送線間を接続した場合、光変調器、ダンピング抵抗(Rd)、終端抵抗(Rt)、ワイヤの接続方法で本質的に異なる回路は図3に示す8通りである。このうちRphは50〜100Ωくらいまで小さくなることが実験的に確かめられており、これらの回路の負荷インピーダンスは低周波領域で同図中のタイプ(I)の4通りについては、A=Rd+Rt*Rph/(Rt+Rph)と近似的に記述でき、同図中のタイプ(II)の4通りについては、
B=Rt*(Rd+Rph)/(Rt+Rd+Rph)=Rt*Rph/(Rt+Rph+Rd)+Rt*Rd/(Rt+Rph+Rd)と記述できる。A>Bより、一般に小さな抵抗のダンピング抵抗の挿入によっても大きなインピーダンス整合改善の効果が得られる。あまり大きなダンピング抵抗を挿入すると、光変調器の消光比特性、チャーピング特性に悪影響を与える場合があるため、長い伝送距離を伝送することができない。そのため、タイプ(II)の4通りは実現性に乏しいと思われる。それゆえ、タイプ(I)の４通りの回路構成に対象を限定して数値解析を行った。
【００２１】
図4はその数値解析の結果を表す。タイプ(I)の４通りの中でワイヤのインダクタンスの影響も取り入れた形でリターンロスおよび帯域内偏差を計算して比較を行ったところ、図4に示すように、本発明の構成が本質的に他の構成に比してこれらの特性において優位であることが確かめられた。ここで、I-AおよびI-Bは本発明の回路構成であり、I-Cは図11に示す第１の従来技術の回路構成、I-Dは図13に示す第２の従来技術の回路構成と基本的に同等である。この表の計算には以下のようなパラメータを用いた。L1=0.7nH, L2=0.7nH, L3=0.6nH, C=0.6pF Rt=50Ω, Rd=15Ωとした。また、Rphは50〜100Ωでパラメータを変えた。図4中の5GHzでのリターンロスの平均、帯域内偏差の最大・最小はRphに対して平均・最大・最小をとった。さらに、図4の優劣の関係は、少なくともL1,L2,L3=0.2〜1.0nH、C=0.4〜1.0pF、Rt=50〜70Ω、Rd=3〜25Ωのパラメータ範囲において変化はない。よって、I-AおよびI-Bの構成はダンピング抵抗(Rd)、終端抵抗(Rt)、光変調器容量(C)、フォトカレントによるRph、ワイヤボンディングのインダクタンス(L1,L2,L3)の接続方法として目標とするリターンロスおよび帯域内偏差の改善に有効かつ最適であることが明らかとなった。具体的には、第１の従来技術の構成(I-C)に比べてリターンロスで39%の改善、帯域内偏差で48%の改善が得られた。
【００２２】
[実施例１]
図1は本発明の光送信モジュールの第１の実施例を示す図である。光変調器集積半導体レーザダイオード31はAlN製のサブマウント32上に搭載され、さらにサブマウント32はキャリア33に半田で固定されている。さらにキャリア33はペルチェクーラ34上に搭載されて、金属製の収納ケース35内に収納されている。
【００２３】
図2はサブマウント32の上面図である。半導体レーザダイオード31にはレーザ発信器および光変調器が集積されていて、レーザチップ31の上面側には高周波の変調信号が入力される電極（光変調器電極）38およびレーザ発振用電圧が印加される電極39が設けられており、チップ31の下面側にはグランド用電極40が設けられている。サブマウント上にはグランド用電極パタン41と入力電気信号を伝達する第1のマイクロストリップライン42とワイヤボンディング領域43および44とインピーダンス調整用抵抗（ダンピング抵抗）45と終端抵抗46が金属薄膜によって形成されている。また、サブマウント32の裏面にもグランド用電極が設けられていてCuW製のキャリア33に固定されていると共に接地されている。また、AlNに穴47を有することによって、裏面と電気的に結合している。また、図1(a)および(b)に示すように、終端抵抗46とワイヤインダクタンス(L2)との直列結合と、光変調器電極38とは並列に結合され、一方は接地されており、他方はこの並列結合に直列にワイヤインダクタンス(L1)とインピーダンス調整用抵抗が結合されている。
【００２４】
入力電気信号は端子36に与えられる。収納ケース35の側壁には絶縁体でシールドされたリードが貫通している。このリードは半田によってAlN上に形成された第2のマイクロストリップライン37に結合され、これを通して、サブマウント32上の第1のマイクロストリップライン42に伝えられ、光変調器38を駆動する。
【００２５】
このような高周波回路をもつキャリア33はペルチェクーラー34上に搭載され、さらにペルチェクーラー34は収納ケース35の底部に固定されている。このペルチェクーラー34のリード49および50を介して所定の電流を供給すると、ペルチェクーラーの34の上側では熱の吸収が起こり、キャリア33上のサブマウント32および半導体レーザチップ31を冷却することができる。また、このときのペルチェクーラー33の下側では吸収した熱に応じた熱が発生するが、この熱はケース35を介して外部に発散される。また、図1(a)中の５１はサーミスタであり、抵抗によって温度をモニターし、レーザの駆動温度を一定に保つ。
【００２６】
また、図1(b)中のワイヤ48はレーザを一定光出力で駆動するための配線である。図1(a)中の52はフォトダイオードであり、レーザチップの変調器38とは反対側から放射される光の強度をモニタすることによって、レーザ部39から出力される光のパワーを一定に保つ。また、53はファイバ結合用非球面レンズ、54はアイソレータ、55はシングルモードファイバである。
【００２７】
本実施例によれば、リターンロスが小さく電気信号波形が忠実に光信号波形に変換される光送信モジュールを提供できるという効果が得られる。
【００２８】
[実施例２]
図8は本発明の第２の実施例を示す図であり、インピーダンス調整抵抗（ダンピング抵抗）を別基板上に搭載した光送信モジュールの構成図である。第１の実施例と同様の構成要素については同じ符号を付す。インピーダンス調整用抵抗をレーザチップ31が搭載されたサブマウント32とは別の基板に形成し、レーザチップ31のRph、容量(C)、消光特性、チャーピング特性をサブマウント32上に搭載した状態で測定し、その測定結果を基に適切な抵抗値を決定して図8のようなモジュールに組むことによって、本実施例の構成を得ることができる。上記別の基板には絶縁基板（SI基板）を用いることができる。
【００２９】
インピーダンス調整用抵抗をレーザチップ31が搭載されたサブマウント32とは別基板37に形成することによってレーザチップを31のRph、容量(C)、消光特性、チャーピング特性をサブマウント32上に搭載した上で測定し、このデータをもとに適切な抵抗値を決定し、その上で図12(b)のようにRdを金ワイヤで配線してモジュールに組むことにより安価で良好な高周波特性のモジュールを得る。ここでサブマウント32はチップキャリア33にはんだ固定されて、さらにこのキャリア33はペルチェクーラ34上に搭載されて、金属製の収納ケース35内に収納されている。半導体レーザダイオード31にはレーザ発信器および光変調器が集積されていて、レーザチップ31の上面側には高周波の変調信号が入力される電極（光変調器電極）およびレーザ発振用電圧が印加される電極が設けられており、チップ31の下面側にはグランド用電極が設けられている。サブマウント上にはグランド用電極パタンと入力電気信号を伝達する第１のマイクロストリップラインとワイヤボンディング領域およびとインピーダンス調整用抵抗と終端抵抗が金属薄膜によって形成されている。またこのサブマウントの裏面にもグランド用電極が設けられていてCuW製のキャリア33に固定されていると同時に接地されている。また、AlNに穴を開けることによって裏面と電気的結合をおこなっている。またこれらの部品の回路構成は図5(a)または(ｂ)に示すように、終端抵抗とワイヤインダクタンス(L2)の直列結合と光変調器は並列に結合されて、一方は接地されており、また、他方はこの並列結合に直列にワイヤインダクタンス(L1)とインピーダンス調整用抵抗が結合されている。
【００３０】
入力電気信号は端子に与えられる。収納ケース３５の側壁には絶縁体でシールドされたリードが貫通している。このリードは半田によってAlN上に形成された第2のマイクロストリップライン37に結合されこれを通して、サブマウント32上の第１のマイクロストリップライン42に伝えられ、変調器を駆動する。
【００３１】
このような高周波回路をもつキャリア33はペルチェクーラー34上に搭載され、このペルチェクーラー34は収納ケース35の底部に固定されている。このペルチェクーラー34のリードを介して所定の電流を供給すると、ペルチェクーラーの34の上側では熱の吸収が起こり、キャリア33上のサブマウント32および半導体レーザチップ31を冷却することができる。また、このときのペルチェクーラー33の下側では吸収した熱に応じた熱が発生するが、この熱はケース35を介して外部に発散される。
【００３２】
53はファイバ結合用非球面レンズ、54はアイソレータ、55はシングルモードファイバである。
【００３３】
本実施例によれば、良好な高周波特性の光送信モジュールを安価に実現できるという効果が得られる。
【００３４】
[実施例３]
図9は本発明の第３の実施例を示す図であり、終端抵抗を別基板上に搭載した光送信モジュールの構成図である。第１の実施例と同様の構成要素については同じ符号を付す。第２の実施例と同様に、図9のように終端抵抗をサブマウント33上ではなく別の基板上に形成することによって、終端抵抗の調整を可能としている。第２の実施例と同様に、上記別の基板には絶縁基板（SI基板）を用いることができる。
【００３５】
第２の実施例と同様に図9のように終端抵抗をサブマウント33上ではなく別の絶縁基板上に形成することによって終端抵抗の調整を可能とし、安価で良好な高周波特性のモジュールを得る。ここでサブマウント32はチップキャリア33にはんだ固定されて、さらにこのキャリア33はペルチェクーラ34上に搭載されて、金属製の収納ケース35内に収納されている。半導体レーザダイオード31にはレーザ発信器および光変調器が集積されていて、レーザチップ31の上面側には高周波の変調信号が入力される電極（光変調器電極）およびレーザ発振用電圧が印加される電極が設けられており、チップ31の下面側にはグランド用電極が設けられている。サブマウント上にはグランド用電極パタンと入力電気信号を伝達する第１のマイクロストリップラインとワイヤボンディング領域およびとインピーダンス調整用抵抗と終端抵抗が金属薄膜によって形成されている。またこのサブマウントの裏面にもグランド用電極が設けられていてCuW製のキャリア33に固定されていると同時に接地されている。また、AlNに穴を開けることによって裏面と電気的結合をおこなっている。またこれらの部品の回路構成は図5(a)または(ｂ)に示すように、終端抵抗とワイヤインダクタンス(L2)の直列結合と光変調器は並列に結合されて、一方は接地されており、また、他方はこの並列結合に直列にワイヤインダクタンス(L1)とインピーダンス調整用抵抗が結合されている。
【００３６】
入力電気信号は端子に与えられる。収納ケース35の側壁には絶縁体でシールドされたリードが貫通している。このリードは半田によってAlN上に形成された第2のマイクロストリップライン37に結合されこれを通して、サブマウント32上の第１のマイクロストリップライン42に伝えられ、変調器を駆動する。
【００３７】
このような高周波回路をもつキャリア33はペルチェクーラー34上に搭載され、このペルチェクーラー34は収納ケース35の底部に固定されている。このペルチェクーラー34のリードを介して所定の電流を供給すると、ペルチェクーラーの34の上側では熱の吸収が起こり、キャリア33上のサブマウント32および半導体レーザチップ31を冷却することができる。また、このときのペルチェクーラー33の下側では吸収した熱に応じた熱が発生するが、この熱はケース35を介して外部に発散される。
【００３８】
53はファイバ結合用非球面レンズ、54はアイソレータ、55はシングルモードファイバである。
【００３９】
本実施例によれば、良好な高周波特性のモジュールを安価に実現できるという効果が得られる。
【００４０】
[実施例４]
図14は本発明の第４の実施例を示す図であり、回路形式(I-A（図3）)の光伝送モジュールの一実施例のサブマウント上面図である。本実施例においては、ワイヤインダクタンス(L1)および(L2)として、それぞれ金ワイヤおよびリボンワイヤを用いる。その他のモジュール内の構成は実施例１と同様である。第１の実施例と同様の構成要素については同じ符号を付す。
【００４１】
レーザチップ31の上面側には高周波の変調信号が入力される電極38（光変調器電極）およびレーザ発振用電圧が印加される電極39が設けられており、チップ31の下面側にはグランド用電極40が設けられている。さらにチップ上には高周波を終端抵抗に伝達する電極47を設けて、インダクタンスが0.1nH以下のリボンワイヤ(L2)を使って終端抵抗に接続する。このときリボンワイヤのインダクタンスは値が小さいため影響が小さく回路図上は記載していない。サブマウント上にはグランド用電極パタン41と入力電気信号を伝達する第１のマイクロストリップライン42とワイヤボンディング領域43および44とインピーダンス調整用抵抗45と終端抵抗46が金属薄膜によって形成されている。またこのサブマウントの裏面にもグランド用電極が設けられていてCuW製のキャリア33に固定されていると同時に接地されている。また、AlNに穴47を開けることによって裏面と電気的結合をおこなっている。またこれらの部品の回路構成は図6(a)または(ｂ)に示すように、終端抵抗46と光変調器38は並列に結合されて、一方は接地されており、また、他方はこの並列結合に直列にワイヤインダクタンス(L1)とインピーダンス調整用抵抗が結合されている。
【００４２】
本実施例によれば、良好な高周波特性のモジュールを安価に実現できるという効果が得られる。
【００４３】
尚、本発明は上記各実施例に限定されるものではなく、高周波伝達特性の違いによりあらゆる変更が可能であることは言うまでもない。例えば、上記実施例ではサブマウントの材料としてAlNを選択したが、本発明はそれに限定されることはなく、AlO3などの他の材料を選択することもできる。また、上記実施例ではインダクタンス素子を金ワイヤとしたが、本発明はそれに限定されることはなく、サブマウント基板上の配線とすることもできる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、光通信用送信モジュールにおいて低周波領域から高周波領域までの広い周波数範囲でリターンロスを低減することが可能となると共に、光出力を大きく変えても入力電気信号のリターンロスが少ない、良好な応答特性を得ることが可能となり、高周波特性の良好な光送信モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光送信モジュールの基本構成を示す図であり、(ａ)はモジュール全体図、(ｂ)はサブマウントの上面図である。
【図２】本発明の光送信モジュールの基本構成の等価回路図である。
【図３】光変調器をワイヤボンディングで接続する場合の回路構成パターンを示す図である。
【図４】回路構成による高周波特性の比較のための図である。
【図５】本発明の光送信モジュールのフォトキャリアを考慮した等価回路図である。
【図６】帯域内偏差の大きな高周波応答例を示す図である。
【図７】帯域内偏差の大きな場合の光波形例を示す図である。
【図８】インピーダンス調整抵抗（ダンピング抵抗）を別基板上に搭載した本発明の光送信モジュールの構成図である。
【図９】終端抵抗を別基板上に搭載した本発明の光送信モジュールの構成図である。
【図１０】第１の従来技術を示す図であり、(ａ)はモジュール全体構成図、(ｂ)はサブマウントの上面図である。
【図１１】第１の従来技術の等価回路図である。
【図１２】第２の従来技術を示す図であり、(ａ)はモジュール全体構成図、(ｂ)はサブマウントの上面図である。
【図１３】第２の従来技術の等価回路図である。
【図１４】本発明の実施例4の光送信モジュールのサブマウント上面図である。
【符号の説明】
1 変調器集積型レーザダイオード変調器部分
2A 終端抵抗
2B インピーダンス整合用抵抗
3 高周波伝送線路（マイクロストリップライン）
4 サーミスタ
5 モニタフォトダイオード
6 チップキャリア
7 ペルチェクーラー
9 光信号出力ファイバ
10A ボンディングワイヤ(L1 nH)
10B ボンディングワイヤ(L2 nH)
10C ボンディングワイヤ(L3 nH)
11 サブマウント
12 電気信号入力端子
13 サブマウント上グランドパタン
31 変調器集積型レーザダイオード
32 AlNサブマウント
33 チップキャリア
34 ペルチェクーラー
35 気密パッケージ
36 電気信号入力端子
37 第二のマイクロストリップライン
38 変調器電極
39 レーザダイオード電極
41 サブマウント上グランドパタン
42 第一のマイクロストリップライン
43,44 ワイヤボンディングパッド
45 インピーダンス整合用抵抗
46 終端抵抗
47 接地用スルーホール
48 レーザドライブ用ワイヤ
49,50 ペルチェ駆動用ワイヤ
51 サーミスター
52 モニタフォトダイオード
53 ファイバ結合用非球面レンズ
54 アイソレータ
55 シングルモードファイバ。
Claims (1)
- 電気信号を受けて光信号の変調を行う電界吸収型光変調器と、
一端が前記光変調器の一端と接続される第１のインダクタンス L1 と、
一端が前記光変調器の前記一端と接続される第２のインダクタンス L2 と、
一端が前記第２のインダクタンス L2 の他端に接続され、他端が接地される第１の抵抗Rtと、
一端が前記電気信号の入力端に接続され、他端が前記第１のインダクタンス L1 の他端に接続される第２の抵抗Rdを有し、
前記光変調器の他端は接地され、
前記L1およびL2のインダクタンス値を0.2nH〜1.0nH、前記光変調器の容量成分値を0.4pF〜1.0pF、Rtの抵抗値を50Ω〜70Ω、Rdの抵抗値を3Ω〜25Ωとすることを特徴とする光送信モジュール。
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