JP6541528B2 - 光受信モジュール及び光受信モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光受信モジュール及び光受信モジュールの製造方法に関する。

例えば大規模コンピュータシステムやスーパーコンピュータでは、高速処理を実現するために、複数の処理ユニットが光インターコネクションにより接続されている。

光インターコネクションは、例えば、光送信器及び受光素子を含む光モジュールと、光ファイバ伝送路とを有する。光モジュールは、小型化のために複数の光送信器や複数の光受信器等が１枚の基板上に高密度に実装されている。

このように高密度化された光モジュールにおいて高速信号伝送を可能にするために、光受信モジュールの周波数特性を改善する技術が提案されている（例えば、特許文献１又は２参照）。

特開２００３−１３４０５１号公報 特開２０１２−１４２８２２号公報

光モジュールを用いてより高速な信号伝送を実現するためには、複数の受光素子が高密度に実装された光受信モジュールにおいて、隣接する信号線間に生じるクロストークを十分に低減する必要がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、複数の受光素子を含む光受信モジュールにおけるクロストークを低減することを目的とする。

本発明の一態様の光受信モジュールによれば、基板と、前記基板の第１面に実装されている複数の受光素子と、前記基板の第１面に実装されている複数の増幅器と、前記基板の第１面に形成され、それぞれ前記受光素子のアノード端子と前記受光素子に対応する前記増幅器とを接続する複数のアノード配線パターンと、前記基板の第１面に形成され、それぞれ前記受光素子のカソード端子と前記受光素子に対応する前記増幅器とを接続する複数のカソード配線パターンと、前記基板の第２面に、前記第１面に形成されている前記複数のカソード配線パターンを包含するように形成されている第２面電極と、前記基板の前記カソード配線パターンと前記増幅器との接続位置近傍に形成され、それぞれ前記カソード配線パターンと前記第２面電極とを接続する複数の第１ビアと、を有し、前記第１ビアは、前記カソード配線パターンの延伸方向において、前記カソード配線パターンと前記増幅器との接続位置から±０．５ｍｍの範囲内に形成されている。

本発明の実施形態によれば、複数の受光素子を含む光受信モジュールにおけるクロストークを低減できる。

実施形態における光送受信モジュールの構成を例示する図である。 実施形態における光受信モジュールの回路構成を例示する図である。 実施形態における光受信モジュールの構成を例示する図である。 実施形態における光受信モジュールの構成を例示する底面図である。 実施形態における第１ビアの位置とカットオフ周波数との関係を例示する図である。 実施形態における光受信モジュールの製造方法を例示する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

＜光送受信モジュールの構成＞
図１は、実施形態における光送受信モジュール１０の構成を例示する図である。光送受信モジュール１０は、図１に示されるように、光受信モジュール１００、光送信モジュール２００を有する。

光受信モジュール１００は複数の光受信器１０１を有する。各光受信器１０１は、受光素子と、受光素子から出力される電気信号を増幅する増幅器を有する。光受信モジュール１００には、複数の光受信器１０１の何れかに各々対応する複数の光導波路を含む受信光導波路１０２が光学的に結合されている。また、受信光導波路１０２の先端には受信コネクタ１０３が設けられている。受信コネクタ１０３には、例えば光信号を導く光ファイバが接続される。受信光導波路１０２は、受信コネクタ１０３から入力される光信号を光受信モジュール１００に導く。

光送信モジュール２００は、複数の光送信器２０１を有する。各光送信器２０１は、レーザ光源と、レーザ光源を駆動する駆動回路を有し、与えられたデータ信号から光信号を生成する。光送信モジュール２００には、複数の光送信器２０１の何れかに各々対応する複数の光導波路を含む送信光導波路２０２が光学的に結合されている。また、送信光導波路２０２の先端には送信コネクタ２０３が設けられている。送信コネクタ２０３には、例えば光信号を導く光ファイバが接続される。送信光導波路２０２は、光送信モジュール２００により生成される光信号を送信コネクタ２０３に導く。

受信光導波路１０２及び送信光導波路２０２は、例えばポリマ導波路である。受信コネクタ１０３及び送信コネクタ２０３は、例えばＭＴコネクタやＰＭＴコネクタである。

＜光受信モジュールの構成＞
図２は、実施形態における光受信モジュール１００の回路構成を例示する図である。

図２に示されるように、本実施形態における光受信モジュール１００には４つの光受信器１０１が設けられている。なお、光受信モジュール１００に設けられる光受信器１０１の数は４つに限られるものではない。

各光受信器１０１は、受光素子１１１と、増幅器１２１を有する。受光素子１１１は例えばフォトダイオード（ＰＤ：Photodiode）であり、アノード端子、カソード端子を有する。増幅器１２１は例えばトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ：Trans-Impedance Amplifier）であり、信号入力端子、信号出力端子、バイアス端子、接地端子を有する。

受光素子１１１のアノード端子は、増幅器１２１の信号入力端子に電気的に接続される。また、受光素子１１１のカソード端子は、増幅器１２１のバイアス端子に電気的に接続される。増幅器１２１のバイアス端子にバイアス電位を与えることで、受光素子１１１のカソード端子にもバイアス電位が与えられる。

受光素子１１１に光信号が入力すると、入力する光信号の強度に応じた電流信号が増幅器１２１の信号入力端子に導かれる。増幅器１２１は、受光素子１１１により生成された電流信号を増幅して信号出力端子から出力する。

図３は、実施形態における光受信モジュール１００の構成を例示する図である。図３（Ａ）は、光受信モジュール１００の上面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ−Ａ断面概略図である。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のＢ−Ｂ断面概略図である。また、図４は、実施形態における光受信モジュール１００の構成を例示する底面図である。

光受信モジュール１００は、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、基板１０５の第１面１０５ａに受光モジュール１１０、増幅モジュール１２０及び容量素子１４０が実装されている。なお、図３（Ａ）において、受光モジュール１１０、増幅モジュール１２０及び容量素子１４０は破線で示されている。

受光モジュール１１０は複数の受光素子を有する。増幅モジュール１２０は、それぞれが受光モジュール１１０の受光素子に対応する複数の増幅器を有する。受光モジュール１１０、増幅モジュール１２０及び容量素子１４０は、例えばフリップチップ実装により基板１０５の第１面１０５ａに実装される。増幅モジュール１２０は、基板１０５との間に充填されるアンダーフィル１１５によって基板１０５に固定されている。

基板１０５の第１面１０５ａには、図３（Ａ）に示されるように、複数のカソード配線パターン１３１、複数のアノード配線パターン１３２、制御信号線１３３、第１面バイアス電極１３５ａ、第１面接地電極１３７ａが形成されている。

カソード配線パターン１３１及び第１面バイアス電極１３５ａは一体的に形成されている。各カソード配線パターン１３１は、第１面バイアス電極１３５ａから櫛歯状に突出するように形成されている。

カソード配線パターン１３１とアノード配線パターン１３２とは、各アノード配線パターン１３２が２つのカソード配線パターン１３１の間に挟まれるように交互に形成されている。

各カソード配線パターン１３１は、ＰＤ−カソード接続部１５１によって、受光モジュール１１０の受光素子のカソード端子に接続されている。また、各カソード配線パターン１３１は、ＴＩＡ−カソード接続部１５２によって、増幅モジュール１２０の増幅器のバイアス端子に接続されている。各カソード配線パターン１３１は、ＰＤ−カソード接続部１５１及びＴＩＡ−カソード接続部１５２を介して、受光モジュール１１０の受光素子のカソード端子と、増幅モジュール１２０の増幅器のバイアス端子とを電気的に接続する。

各アノード配線パターン１３２は、ＰＤ−アノード接続部１５３によって、受光モジュール１１０の受光素子のアノード端子に接続されている。また、各アノード配線パターン１３２は、ＴＩＡ−アノード接続部１５４によって、増幅モジュール１２０の増幅器の信号入力端子に接続されている。各アノード配線パターン１３２は、ＰＤ−アノード接続部１５３及びＴＩＡ−アノード接続部１５４を介して、受光モジュール１１０の受光素子のアノード端子と、増幅モジュール１２０の増幅器の信号入力端子とを電気的に接続する信号線である。

受光モジュール１１０の受光素子と増幅モジュール１２０の増幅器とは、カソード配線パターン１３１及びアノード配線パターン１３２によって接続され、図２に示される光受信器１０１を構成する。

制御信号線１３３は、増幅モジュール１２０の制御端子に電気的に接続され、増幅モジュール１２０に制御信号を入力する。

第１面バイアス電極１３５ａは、上記したように、複数のカソード配線パターン１３１と一体に形成されている。第１面バイアス電極１３５ａには、バイアス電位が与えられる。また、第１面バイアス電極１３５ａは、容量素子１４０を介して第１面接地電極１３７ａに接続されている。

基板１０５の第２面１０５ｂには、図４に示されるように、第２面バイアス電極１３５ｂと、第２面接地電極１３７ｂが形成されている。図４には、基板１０５の第１面１０５ａに形成されているカソード配線パターン１３１及び第１面バイアス電極１３５ａが破線で示されている。

第２面バイアス電極１３５ｂは基板１０５の第１面１０５ａに形成されている複数のカソード配線パターン１３１及び第１面バイアス電極１３５ａを包含する領域に形成されている。第２面接地電極１３７ｂは、第２面バイアス電極１３５ｂを取り囲むように、基板１０５の周縁に形成されている。

図３及び図４に示されるように、第１面１０５ａに形成されている各カソード配線パターン１３１は、第１バイアスビア１４１及び第２バイアスビア１４２を介して、第２面１０５ｂに形成されている第２面バイアス電極１３５ｂに接続されている。

また、第１面１０５ａに形成されている第１面バイアス電極１３５ａと、第２面１０５ｂに形成されている第２面バイアス電極１３５ｂとは、電極ビア１４３を介して接続されている。

第１面バイアス電極１３５ａ及び第２面バイアス電極１３５ｂの少なくとも一方には、不図示の電圧源からバイアス電位が与えられるが、互いに電極ビア１４３により接続されるているため第１面バイアス電極１３５ａと第２面バイアス電極１３５ｂとは同じバイアス電位になる。また、各カソード配線パターン１３１には、一体的に形成されている第１面バイアス電極１３５ａ、及び第１バイアスビア１４１と第２バイアスビア１４２によって接続されている第２面バイアス電極１３５ｂから、バイアス電位が与えられる。

基板１０５の第１面１０５ａに形成されている第１面接地電極１３７ａは、接地ビア１４４によって基板１０５の第２面１０５ｂに形成されている第２面接地電極１３７ｂに接続されている。第１面接地電極１３７ａ及び第２面接地電極１３７ｂの少なくとも一方に接地電位が与えられるが、接地ビア１４４により接続されているため第１面接地電極１３７ａと第２面接地電極１３７ｂとは同じ接地電位になる。

本実施形態における光受信モジュールでは、各アノード配線パターン１３２が、同じバイアス電位を与えられる２つのカソード配線パターン１３１の間に挟まれるように形成されている。このような構成により、隣り合うアノード配線パターン１３２の間のクロストークが低減する。

また、第１バイアスビア１４１は、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、ＴＩＡ−カソード接続部１５２の近傍であって、増幅モジュール１２０の増幅器のバイアス端子とカソード配線パターン１３１との接続位置近傍に形成されている。カソード配線パターン１３１は、増幅器のバイアス端子との接続位置近傍で第１バイアスビア１４１を介して第２面バイアス電極に接続されることで、受光素子と増幅器との間における電位変動が低減されて一定のバイアス電位に保たれる。

受光素子と増幅器との間でカソード配線パターン１３１のバイアス電位が一定に保たれることで、カソード配線パターン１３１とアノード配線パターン１３２との間に形成される電界の変動が低減され、クロストークの低減効果が向上する。したがって、光受信モジュール１００における高速信号伝送特性が向上する。

図５は、実施形態における第１バイアスビア１４１の位置とカットオフ周波数との関係を例示する図である。図５に示されるグラフは、横軸が第１バイアスビア１４１の位置、縦軸がカットオフ周波数を示している。

第１バイアスビア１４１の位置は、図３（Ｂ）に示す、増幅モジュール１２０の増幅器のバイアス端子とカソード配線パターン１３１とを接続するＴＩＡ−カソード接続部１５２の位置をゼロ点としている。また、カソード配線パターン１３１の延伸方向において、ゼロ点から受光モジュール１１０側をプラス（＋）、ゼロ点から受光モジュール１１０とは反対側をマイナス（−）としている。

カットオフ周波数は、本実施形態に係る光受信モジュール１００のカソード配線パターン１３１における、Ｓパラメータのシミュレーション結果から求められた値である。

図５に示されるように、カットオフ周波数は、第１バイアスビア１４１がＴＩＡ−カソード接続部１５２と同じ位置に形成されている場合に最も高く、第１バイアスビア１４１の位置がＴＩＡ−カソード接続部１５２から離れるにしたがって低下する。したがって、第１バイアスビア１４１をＴＩＡ−カソード接続部１５２の近傍位置に形成することで、光受信モジュール１００において優れた高速信号伝送特性を得られることが分かる。

また、第１バイアスビア１４１は、例えば、カソード配線パターン１３１の延伸方向の、ＴＩＡ−カソード接続部１５２の位置から±０．５ｍｍの範囲内に形成されることが好ましい。

ここで、第１バイアスビア１４１は、基板１０５に形成されている貫通孔が銅メッキで塞がれた穴埋めビアとし、非貫通孔となっていることが好ましい。第１バイアスビア１４１は、例えばスルーホールに充填材を充填することで形成してもよいが、形成方法はこれらに限られない。

第１バイアスビア１４１は、上記したように、基板１０５の第１面１０５ａと増幅モジュール１２０との間のＴＩＡ−カソード接続部１５２の近傍に形成される。第１バイアスビア１４１が貫通孔となっている場合には、基板１０５と増幅モジュール１２０との間に充填されるアンダーフィル１１５が、第１バイアスビア１４１を介して第２面１０５ｂ側に漏れ出す可能性がある。そこで、第１バイアスビア１４１を穴埋めビアとすることで、アンダーフィル１１５の第２面１０５ｂ側への漏出を防止できる。

また、カソード配線パターン１３１と第２面バイアス電極１３５ｂとを接続する第２バイアスビア１４２は、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、受光モジュール１１０と増幅モジュール１２０との間の中間位置に形成されている。このような位置に第２バイアスビア１４２を形成することで、カソード配線パターン１３１の電位変動をより低減してバイアス電位を均一に保つことが可能になる。

したがって、高密度化された光受信モジュール１００においても、隣接するアノード配線パターン１３２の間に生じるクロストークを低減し、優れた高速信号伝送特性を得ることが可能になる。

また、基板１０５には、第１バイアスビア１４１及び第２バイアスビア１４２以外に、カソード配線パターン１３１と第２面バイアス電極１３５ｂとを接続するビアを１つ以上設けてもよい。

＜光受信モジュールの製造方法＞
図６は、実施形態における光受信モジュール１００の製造方法を例示する図である。図６（Ａ）〜（Ｅ）には、図３（Ａ）のＡ−Ａ断面が示されている。

図６（Ａ）に示すように、基板１０５の第１面１０５ａ及び第２面１０５ｂには、それぞれ銅箔１０６が積層されている。基板１０５は、ポリイミドフィルム等の樹脂フィルムである。

次に、例えば基板からエッチングにより銅箔１０６を部分的に除去し、図６（Ｂ）に示すように、基板１０５の第１面１０５ａ及び第２面１０５ｂにそれぞれ配線や電極のパターンを形成する。

基板１０５の第１面１０５ａには、カソード配線パターン１３１、制御信号線１３３及び第１面バイアス電極１３５ａの各パターンが形成される。また、第１面１０５ａには、図６には不図示のアノード配線パターン１３２及び第１面接地電極１３７ａも同時に形成される。基板１０５の第２面１０５ｂには、第２面バイアス電極１３５ｂ及び第２面接地電極１３７ｂの各パターンが形成される。

続いて、図６（Ｃ）に示すように、例えばエッチングにより、貫通孔１０７を基板１０５に形成する。各貫通孔１０７は第１バイアスビア１４１、第２バイアスビア１４２及び電極ビア１４３を構成するもので、基板１０５の第２面１０５ｂ側から形成され、第１面１０５ａ側がカソード配線パターン１３１又は第１面バイアス電極１３５ａによって塞がれている。

ここで、貫通孔１０７の形成と同時に、基板１０５の第２面１０５ｂ側に設けられる光導波路に導かれた光信号を受光素子に入力するための開口部を基板１０５に形成してもよい。

次に、基板１０５に銅メッキを施し、各貫通孔１０７の内周面に銅メッキ層を形成し、図６（Ｄ）に示すように、第１バイアスビア１４１、第２バイアスビア１４２及び電極ビア１４３を形成する。また、図６（Ｄ）には不図示の接地ビア１４４も同時に形成する。

第１バイアスビア１４１及び第２バイアスビア１４２は、基板１０５の第１面１０５ａのカソード配線パターン１３１と第２面１０５ｂの第２面バイアス電極１３５ｂとを接続する。電極ビア１４３は、第１面１０５ａの第１面バイアス電極１３５ａと第２面１０５ｂの第２面バイアス電極１３５ｂとを接続する。

続いて、図６（Ｅ）に示すように、第１面１０５ａに、受光モジュール１１０、増幅モジュール１２０及び容量素子１４０を実装する。受光モジュール１１０、増幅モジュール１２０及び容量素子１４０は、例えばフリップチップ実装により第１面１０５ａに実装される。また、増幅モジュール１２０と第１面１０５ａとの間にアンダーフィル１１５を充填し、増幅モジュール１２０を第１面１０５ａに固定する。

受光モジュール１１０は、ＰＤ−カソード接続部１５１によってカソード配線パターン１３１に接続される。また、受光モジュール１１０は、図６（Ｅ）には不図示のＰＤ−アノード接続部１５３によってアノード配線パターン１３２に接続される。増幅モジュール１２０は、ＴＩＡ−カソード接続部１５２によってカソード配線パターン１３１に接続される。また、増幅モジュール１２０は、図６（Ｅ）には不図示のＴＩＡ−アノード接続部１５４によってアノード配線パターン１３２に接続される。

なお、受光モジュール１１０等を実装する前に、基板１０５の第１面１０５ａのカソード配線パターン１３１等が露出する部分に、例えばソルダーレジストを塗布してもよい。また、カソード配線パターン１３１等の腐食防止及び受光モジュール１１０等との接触性向上のために、ソルダーレジストを塗布した基板１０５におけるカソード配線パターン１３１等の露出部分に例えば金メッキを施してもよい。

また、基板１０５の第２面１０５ｂには、受光素子に入力する光信号を導く受信光導波路、受信光導波路により導かれた光信号を受光素子に集光するレンズシートが設けられる。

本実施形態に係る光受信モジュール１００は、上記にて例示した工程により製造されるが、工程の順序が入れ替えられてもよく、異なる工程が追加されてもよい。

以上で説明したように、本実施形態に係る光受信モジュール１００によれば、ＴＩＡ−カソード接続部１５２の近傍に形成される第１バイアスビア１４１によって、受光素子と増幅器との間におけるカソード配線パターン１３１の電位変動が低減する。したがって、カソード配線パターン１３１に挟まれるように形成されているアノード配線パターン１３２間のクロストークが低減し、高速信号伝送特性が向上する。また、ＴＩＡ−カソード接続部１５２の近傍に形成する第１バイアスビア１４１を穴埋めビアとすることで、増幅モジュール１２０と基板１０５の第１面１０５ａとの間に充填されるアンダーフィル１１５の第２面１０５ｂ側への漏出が防止されている。

以上、実施形態に係る光受信モジュール及び光受信モジュールの製造方法について説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

１００ 光受信モジュール
１０５ 基板
１０５ａ 第１面
１０５ｂ 第２面
１１１ 受光素子
１１５ アンダーフィル
１２１ 増幅器
１３１ カソード配線パターン
１３２ アノード配線パターン
１３５ａ 第１面バイアス電極（第１面電極）
１３５ｂ 第２面バイアス電極（第２面電極）
１４０ 容量素子
１４１ 第１バイアスビア（第１ビア）
１４２ 第２バイアスビア（第２ビア）

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板の第１面に実装されている複数の受光素子と、
   前記基板の第１面に実装されている複数の増幅器と、
   前記基板の第１面に形成され、それぞれ前記受光素子のアノード端子と前記受光素子に対応する前記増幅器とを接続する複数のアノード配線パターンと、
   前記基板の第１面に形成され、それぞれ前記受光素子のカソード端子と前記受光素子に対応する前記増幅器とを接続する複数のカソード配線パターンと、
   前記基板の第２面に、前記第１面に形成されている前記複数のカソード配線パターンを包含するように形成されている第２面電極と、
   前記基板の前記カソード配線パターンと前記増幅器との接続位置近傍に形成され、それぞれ前記カソード配線パターンと前記第２面電極とを接続する複数の第１ビアと、を有し、
   前記第１ビアは、前記カソード配線パターンの延伸方向において、前記カソード配線パターンと前記増幅器との接続位置から±０．５ｍｍの範囲内に形成されている
   ことを特徴とする光受信モジュール。
2. 前記第１ビアは、貫通孔が塞がれた穴埋めビアであり、
   前記増幅器は、前記基板の第１面にフリップチップ実装され、前記基板の第１面との間にアンダーフィルが充填されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光受信モジュール。
3. 前記基板の前記受光素子と前記増幅器との間の中間位置に形成され、それぞれ前記カソード配線パターンと前記第２面電極とを接続する複数の第２ビアを有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光受信モジュール。
4. 前記複数のカソード配線パターンは、前記基板の第１面に形成されて前記第２面電極に接続されている第１面電極から櫛歯状に突出するように形成され、
   前記複数のアノード配線パターンは、それぞれ前記複数のカソード配線パターンの何れか２つの間に挟まれるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の光受信モジュール。
5. 基板の上に受光素子と増幅器とが実装された光通信モジュールの製造方法において、
   前記基板の第１面に、それぞれ前記受光素子のアノード端子と前記受光素子に対応する前記増幅器とを接続する複数のアノード配線パターンを形成し、
   前記基板の第１面に、それぞれ前記受光素子のカソード端子と前記受光素子に対応する前記増幅器とを接続する複数のカソード配線パターンを形成し、
   前記基板の第２面に、前記第１面に形成されている前記複数のカソード配線パターンを包含するように第２面電極を形成し、
   前記基板の前記カソード配線パターンの延伸方向において、前記カソード配線パターンと前記増幅器との接続位置から±０．５ｍｍの範囲内に、それぞれの前記カソード配線パターンと前記第２面電極とを接続するビアを形成する
   ことを特徴とする光受信モジュールの製造方法。
6. 基板と、
   前記基板に実装される受光素子と、
   前記基板に実装される増幅器と、
   前記基板の第１面に形成され、前記受光素子のアノード端子と前記受光素子に対応する前記増幅器とを接続する複数のアノード配線パターンと、
   前記基板の第１面に形成され、前記受光素子のカソード端子と前記受光素子に対応する前記増幅器とを接続するカソード配線パターンと、
   前記基板の第２面に、前記第１面の前記複数のカソード配線パターンが形成される領域を包含するように形成されている第２面電極と、
   前記基板の前記カソード配線パターンと前記増幅器との接続位置近傍に形成され、それぞれ前記カソード配線パターンと前記第２面電極とを接続するビアと、を有し、
   前記ビアは、前記カソード配線パターンの延伸方向において、前記カソード配線パターンと前記増幅器との接続位置から±０．５ｍｍの範囲内に形成されている
   ことを特徴とする光受信モジュール。

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