JP2003303975A - モニタ用フォトダイオード付光モジュール。 - Google Patents
モニタ用フォトダイオード付光モジュール。Info
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Abstract
ジュールを、部品点数が少なく、はんだ等の接続回数や
ワイヤボンディング等の電気接続の回数も少なく、低い
製造コストで実現する。PD用のベースを用いず、ジャ
ンクションアップ型のLDにも適用可能なPD光モジュ
ールを提供する。 【解決手段】LD11の後方光13の光軸中心14と垂直方向
に、オフセット23した位置に、PD20を受光面21が光
軸中心とほぼ平行になるように搭載する。あるいは、後
方光の光軸中心に対して0〜30°程度PDの受光面が
傾くようにPD20を搭載する。更に、LD側の側面を傾
けたPDを用いて、LD搭載基板との間で繰り返し反射
させたあと、受光面21に入射させる。 【効果】PD用のベースを用いず、ジャンクションアッ
プ型のLDにも適用でき、低コストなPD搭載ができ
る。
Description
イオード付光モジュール、更に詳しく言えば、半導体レ
ーザとその半導体レーザの光パワをモニタするフォトダ
イオードを内蔵した光モジュールに関するものである。
モジュールは、主に半導体レーザ(以下、LDと略称す
る場合有り)を光源としている。光モジュールの使用環
境の温度変化やLDの経年劣化の影響で、LDの光パワは変
化しやすいため、光モジュールには、フォトダイオード
(以下、PDとも略称)を内蔵し、LDの光パワをモニ
タする機能を有していることが多い。この場合、一般に
LDの前方の光出力を光ファイバに光結合して光通信用
に用い、後方の光出力をPDで受光して、前方の光パワ
が一定になるように、LDの駆動電流を制御する。
を内蔵した光モジュールにおいて、PDの搭載方法がい
くつか提案されてきた。最も一般的で簡単な方法は、P
D用のベース(サブマウント、ヘッダ等の名称で呼ばれ
ることもある)に、PDをはんだ等で固定した後、この
PD用のベースをLDの後方に、はんだ等で固定・搭載
する。この構造を記載した文献としては、公開特許公報
「半導体レーザ装置(特開平6−289258号公
報)」や「光モジュール(特開平9−21929号公
報)」等がある。
法としては、LDを搭載する基板に、エッチング等で溝
(チャネル)を形成し、LDの後方光をこの溝に導光・
反射させ、LDを搭載した基板面と同一面に、後方光の
光軸とほぼ垂直にPDの入射面を搭載し、前述の反射光
を受光する例がある。この構造を記載した文献として、
例えば、「高さの低い光学的サブアセンブリ(特開平9
−222540号公報)」がある。
した場合、LDの後方光の広がりに相対して、PDに直
接入射するようにPDを搭載することが可能なため、後
方光の光パワを効率良く検出することができ、また、P
Dの搭載位置をある程度自由に決められる利点がある。
しかし、PD用のベースを使用するために、1ヶ部品点
数が多くなり、部品コストが増える。更に、はんだ等に
よる接続工程の回数や、ワイヤボンディング等の電気接
続の回数も1回多くなる。特に、はんだ接続の場合は、
先付けのはんだが再溶融しないように、はんだの温度階
層が必要であり、光モジュール全体で、はんだの温度階
層の設計自由度が低下する。
基板の溝中に後方光を導光・反射させて、PDに入射す
る構造は、ジャンクションダウン型のLD(光の出射点
がLD搭載基板のはんだ接続面の近い側にあるLD)
で、LDの発光点から導光用の溝までの距離が小さい場
合には適している。しかし、ジャンクションアップ型の
LD(光の出射点がLD搭載基板のはんだ接続面と反対
側の面の近い側にあるLD)では、LDの発光点から、
導光用の溝までの距離が大きく、モニタに導光できる光
量が小さくなるため、LDの光パワをモニタするにはP
Dへの受光量が不足する場合がある。
する部品点数が少なく、かつ、PD用のベースを用い
ず、LDの発光点から、モニタ用PDに導光できる光量
を多くすることができるモニタ用フォトダイオード付光
モジュールを提供することである。本発明の他の目的
は、前記主な目的を達成するとともに、ジャンクション
アップ型のLDにも適用可能なモニタ用フォトダイオー
ド付光モジュールを提供することである。
に、本発明は、半導体レーザと前記半導体レーザから出
射された出射光の光パワをモニタするフォトダイオード
を内蔵した光モジュールにおいて、前記フォトダイオー
ドを半導体レーザが搭載される基板に直接固定するとと
もに、前記フォトダイオードの受光面を前記半導体レー
ザの後方光の光軸中心と一定の角度(0ないし60度)とな
るように構成する。 ここで、半導体レーザが搭載される基板とは、半導体レ
ーザ素子が直接基板表面に固着される場合と、基板表面
にサブマウントを介して固着される場合とを含む。前記
フォトダイオード及び前記半導体レーザの前記基板への
固定はジャンクションアップ、ジャンクションダウンの
いずれでもよい。また、直接固定とははんだ付けされる
場合を含む。
では、前記フォトダイオードの受光面が前記半導体レー
ザの後方光の光軸中心とほぼ並行で、前記後方光の光軸
中心と所定のオフセットをもつ位置になるように、前記
フォトダイオードが基板に直接固定されるもの(後方光
を直接受光面に入射させるものと、フォトダイオードの
側面、基板平面及び基板に形成された溝の面の反射を利
用して受光面に入射させるものがある)、また、前記基
板に溝を形成し、溝内面への前記フォトダイオードの直
接固定に使うはんだの厚さ制御するもの、溝を構成する
傾斜面を利用するもの、フォトダイオード素子の厚さに
傾斜を付けるものがある。
施の形態について説明する。図1は、本発明による光モ
ジュールの一実施形態の主要部の構成を示す断面図であ
る。本実施例は、半導体レーザと前記半導体レーザから
の出射光の光パワをモニタするフォトダイオードとを内
蔵した光モジュールにおいて、前記フォトダイオードの
受光面が前記半導体レーザの後方光の光軸中心とほぼ並
行で、前記後方光の光軸中心と所定のオフセットをもつ
位置になるように、前記フォトダイオードが基板に直接
固定される。ベースとなるSi基板10上に半導体レー
ザ11が固定され、Si基板10の前方(図面右側)に
異方性エッチングで形成された溝16に、前方レンズ1
5が、はんだや接着剤等で固定される。更に、Si基板
10の後方(図面左側)の異方性エッチングで形成され
た溝17に、フォトダイオード20が、はんだ22で直
接固定される。フォトダイオード20の溝17上へのフ
ォトダイオード20の固定は、半導体レーザ11の後方
光の光軸中心14と垂直方向にオフセット23した位置
に、フォトダイオード20の受光面21が光軸中心14
とほぼ平行になるようにフォトダイオードが搭載(固
定)される。
た前方光12は前方レンズ15でビームの変換が行わ
れ、最終的には光ファイバ(図示無し)に入射され伝送
される。光12の光量を安定化するために、LD11の
後方に出射された光13をPD20の受光面21で受光
し、光量をモニタする。ここで、一般にLD11の後方
光13の垂直方向(図1のY方向)の広がり角は、半値
全幅で30〜50°程度ある。このため、PD20の受
光面21を後方光の光軸14とほぼ並行となるようにP
D20を搭載しても、光軸14に対してオフセット23
をわずかに与えると、前方の光量を制御するために必要
なレベルの光量がPD20で検出できる。
が40°前後で、オフセット23を50〜100ミクロ
ン程度に設定し、直径300ミクロンの受光面21を有
するPD20で実測した場合、後方光13の光量全体の
10〜15%以上(光結合効率としては、−10〜−8
dB以上)が受光可能であり、実用上問題無いレベルで
あることを確認している。
溝16,17は、異方性エッチングで形成された例を示
したが、ダイシング等で同様の溝を形成してもよい。ま
た、前記実施例ではベースとしてSi基板を用いたが、
セラミック基盤等を用いてもよく、この場合は異方性エ
ッチングできないため、ダイシング等で同様の溝を形成
する。
の実施形態の主要部の構成を示す断面図である。同図に
おいて、図1の構成部分と実質的に同じ部分は、図1の対
応する部分と同じ番号で表示されている(他の実施形態
においても同様である)。 本実施形態の光モジュールは、基板10aの平面上に半
導体レーザ11がLD用サブマウント33介して固定さ
れ、また、フォトダイオード20が、はんだ22でSi基
板10aの平面上に直接固定される。光軸付近に穴の開
いた垂直な基板10bが右前方にろう付け等で基板10
aに接合されている。さらに、金属ホルダ31bと同時に
モールド成形されたレンズ31aが、LD11の前方光
12に対してXY軸方向に調芯して、YAGレーザスポ
ット32で溶接固定される。基板10aは放熱性の良い
CuW等で、基板10bはFeNiの50アロイ等のレ
ーザ溶接の容易な材質を選ぶことができる。LD11
は、LD用サブマウント33上にはんだ付けされる。光
学系の、前方光12、後方光13、光軸中心14、受光
面21、オフセット23の位置関係は第1の実施形態と
同様である。 図3は、本発明による光モジュールの第3の実施形態の主
要部の構成を示す断面図である。本実施形態は、フォト
ダイオード20a の受光面21がレンズ光軸中心14に
対して、一定角度θxだけ傾斜した点を除いては、図1
に示した光モジュールと同様の構成である。 Si基板10上にLD11と、LD11の前方の溝16
にレンズ15が固定される。ここでは、Si基板10の
後方に異方性エッチングで形成された溝17に、PD2
0aは、光軸方向(図1のZ方向)に分割された、はん
だ43、44により、角度θxだけ傾斜して固定され
る。これは、後方光の光軸14に対して、PD20aの
受光面21を垂直から角度θxだけ傾斜搭載して、LD
11の後方光13の全体光量に対するPD20aでの受
光量の効率を改善するためである。本実施形態の実施例
による実測では、θx=0°に対して、θx=10°で
効率は2倍前後、θx=20°で効率は4倍前後、θx
=30°で効率は6倍前後改善され、わずかにθxだけ
傾斜する意義は大きい。
図9、図10を用いて説明する。
係を示す断面図であり、図10にPDの傾き角度θxと
光結合効率の関係を示す。LD11の後方光13とPD
20との光結合効率は、LD11の後方光13の広がり
角θbeamと、LD11とPD20の受光面21の中心間
距離Lと、受光面の面積Sとの配置関係で主に決まる。
て、最低限どの程度必要かを概算する。一般に光通信用
のLDの前方出力は1〜10mW程度で、後方出力はそ
の1/10〜1/5程度で、0.1〜2mW、特に0.
2〜0.5mW程度が多い。モニタ用のPDの受光量
は、0.05mW程度以上あれば問題にならない場合が
多い。従って、LDの後方光とモニタPDとの光結合効
率は、0.05/0.5〜0.05/0.2、つまり、
−10〜−6dB程度となり、−5dB以内であれば、
実用上問題無いと考えられる。
後方光13の広がり角θbeamの範囲内に受光面21が含
まれる配置のLを設定すると、θxが90度付近ではほ
ぼ100%、つまり0dBの光結合効率になる。但し、
コストの関係から受光面積Sの小さいPDを使用した
り、実装の容易さの点からLDとPDの中心間距離Lを
大きめにしたりして、θxが90度付近で、50%程
度、つまり−3dB程度の光結合効率になるように設定
することも多い。
B程度と結合効率大となり、光軸14に対するオフセッ
トの無い場合を太い実線101で、オフセットを最適化
して結合効率を効率改善分103のように改善した場合
を細い実線102で示す。オフセットを最適化した場合
は、PDの傾き角度θxを10度以上くらいに、オフセ
ット無しの場合でも、θxを20度以上くらいに設定す
ると、−5dB以内となることがわかる。
PDを使用したりした場合には、θxが90度付近で−
3dB程度と結合効率小となり、光軸14に対するオフ
セットの無い場合を太い点線111で、オフセットを最
適化して結合効率を効率改善分113のように改善した
場合を細い点線112で示す。オフセットを最適化した
場合は、PDの傾き角度θxを30度以上くらいに設定
すると、−5dB以内となることがわかる。
角度θxは0度付近にするのが望ましいが、必要なモニ
タPDの結合効率に応じて、θxを0〜30度程度の範
囲で傾け、オフセットを最適化することが望ましいと、
以上より言える。
斜搭載する方法を説明する。Si基板10の後方(図面
左側)に形成された溝17のLD11側の、はんだ接続
用メタライズ41の面積は大きく、LD11と反対側
の、はんだ接続用メタライズ42の面積は小さくしてお
き、それぞれのメタライズ上及びその周辺に、同量のは
んだを蒸着やパンチング等で供給しておく。一方、PD
20a側のはんだ接続用メタライズ51の面積をメタラ
イズ42の面積と同じように大きく、メタライズ52の
面積をメタライズ42の面積と同じように小さく形成し
ておく。
させてPD20aを搭載し、PD20aを拘束無しで、
はんだを溶融させる。メタライズの面積が小さい方のは
んだ44は、はんだの高さが高くなり、はんだ43は、
はんだの高さが低くなるため、この状態で凝固させ、角
度θxの傾斜を形成する。ちなみに、はんだ44と43
との間の距離45が400ミクロンの場合、はんだ間高
低差46は70ミクロンで、傾斜角度θx=10°とな
るので、容易に実現できる。
の実施形態の主要部の構成を示す断面図である。本実施
例は、PD20の受光面21がLD11の光軸14に対し
角度θxだけ傾斜してる。PD20のはんだ付け部以外
の構成は、図3に示した実施形態と同様である。Si基
板10の後方に形成された溝17に、はんだを供給し、
その上にθxだけ傾斜して拘束した状態でPD20を搭
載し、はんだ47を溶融・凝固させ、光軸14に対し角
度θxの傾斜を形成する。
の実施形態の主要部の構成を示す断面図である。本実施
例は、PD20bの受光面21がLD11の光軸14に対
し角度θxだけ傾斜している。PD20bのはんだ付け
部以外の構成は、図3に示した実施形態と同様である。
1がLDの光軸に対し角度θxだけだけ傾斜させるため、
PD20bのはんだ接続面24を、あらかじめ斜めにカ
ットした断面形状にする。すなわち、PD20bの厚み
LD11側を薄く、その反対側を厚くする。Si基板10
の後方に形成された溝17に、はんだを供給し、その上
にPD20bを搭載し、はんだ48を溶融・凝固させ、
受光面21の傾斜角度θxを形成する。
の実施形態の主要部の構成を示す断面図である。本実施
例は、PD21の受光面21がLDの光軸に対し傾斜角度
θxだけ傾斜している。PD21のはんだ付け部以外の
構成は、図3に示した実施形態と同様である。PD20
の受光面21が角度θxだけ傾斜するように、LD11
の後方(図面左側)のSi基板10に異方性エッチング
で形成された溝17の斜面に、PD20を搭載し、はん
だ49を溶融・凝固させ、受光面21の傾斜θxを形成
する。異方性エッチングで形成された溝17の斜面の傾
斜角は、一般に約54°のため、傾斜θxもほぼ54°
になり、LD11の後方光13の全体光量に対するPD
20での受光量の効率は改善する。但し、前述のよう
に、PD20の搭載方向が斜めYZ方向81のため、搭
載方法と、LD11とPD20との間隔に工夫が必要で
ある。また、本実施形態は、Si基板10の異方性エッ
チングで溝17が形成された例を示したが、ダイシング
等で同様の溝を形成してもよい。
の実施形態の主要部の構成を示す断面図である。本実施
例は、PDの構成面、ベース基板に形成された溝の面に
反射を利用して、LDの後方光をPDの受光面に導光す
るものである。 本実施形態は、ジャンクションアップ型のLD(光の出
射点がLD搭載基板のはんだ接続面と反対側の面の近い
側にあるLD)11が固着された基板10のLD側に溝
17が形成されている。Y軸(紙面上方向)に対し角度α
度傾斜した側面25をもつPD20cは側面25がLD
11の発光面の対向するように、そして、受光面21が溝
17に向かうようにPD20cの一部が搭載基板10に
はんだ50で接続固定される。LD11からの後方光1
3の中心ビームは、PD20cの傾斜側面25と、溝1
7の面で、反射ビーム61のように繰り返し反射され
て、PD20cの受光面21に入射される。本構成によ
り、ジャンクションアップ型、ジャンクションダウン型
の両方のLDによる光モジュールに適用できる。特に、
ジャンクションアップ型のLDを構成する場合、LDの
発光点から、導光用の溝までの距離が従来知られている
光モジュールに比べ、短くでき、LDの光パワをモニタ
するPDへの受光量不足を解消できる。 図8は、本発明による光モジュールの第8の実施形態の
主要部の構成を示す断面図である。本実施例は、LDの
後方光をPDの構成面、ベース基板の面に反射を利用し
て、PDの受光面に導光する他の実施形態で、図7のも
のに比べ、LD搭載基板に反射面を作る溝が不要であ
る。
面26のように端面の少なくとも一部を角度β度だけ傾
けて研磨形成され、PD20dをはんだ71、72、7
3、74の4点で個別に接続固定されている(はんだ7
3、74は、はんだ71、72の紙面奥側のため、図示
無し)。はんだ71、72、73、74は、PD20d
の受光面21を、基板表面91から、LD11の発光点
よりも低い隙間で、数10から100ミクロン程度の隙
間があくように、はんだの量を調整して接続される。L
D11からの後方光13の中心ビームは、PD20dの
傾斜側面26と、基板表面91で、反射ビーム62のよ
うに繰り返し反射されて、PD20dの受光面21に入
射される。本構成により、LD搭載基板に後方光を導光
・反射させる溝が不要となり、製造工程を少なくする利
点をもつ。
するPDを搭載する方法において、PD用のベースを使
用する必要が無いために、部品点数を1点削減すること
が可能となり、部品コストを下げることが可能になる。
更に、はんだ等による接続回数や、ワイヤボンディング
等の電気接続の回数も1回少なくなる利点もある。特
に、はんだ接続の場合は、PDに関するはんだの接続が
1回減るため、光モジュール全体で、はんだの温度階層
の設計自由度を広げる効果もある。また、PD用のベー
スを用いず、LD搭載基板の溝中に後方光を導光・反射
させて、PDに入射する構造でも、LDの発光点から導
光用の溝までの距離が小さいジャンクションダウン型の
LDはもちろん、LDの発光点から導光用の溝までの距
離が大きいジャンクションアップ型のLDでも、導光で
きる光量が十分に確保できる効果もある。以上により、
PD用のベースを用いず、ジャンクションアップ型のL
Dにも適用可能で低コストなPD搭載方法を実現した光
モジュールを提供することができる。
を示す断面図である。
構成を示す断面図である。
構成を示す断面図である。
構成を示す断面図である。
構成を示す断面図である。
構成を示す断面図である。
構成を示す断面図である。
構成を示す断面図である。
する断面図である。
半導体レーザ、12…前方光、13…後方光、14…光
軸、15…前方レンズ、16…溝、17…溝、20…フ
ォトダイオード、20a…フォトダイオード、20b…
フォトダイオード、20c…フォトダイオード、20d
…フォトダイオード、21…受光面、22…はんだ、2
3…オフセット、24…はんだ接続面、25…傾斜側
面、26…傾斜側面、31a…レンズ、31b…金属ホ
ルダ、32…YAGレーザスポット、33…LD用サブ
マウント 41…はんだ接続用メタライズ、42…はんだ接続用メ
タライズ、43…はんだ、44…はんだ、45…はんだ
間距離、46…はんだ間高低差、47…はんだ、48…
はんだ、49…はんだ、50…はんだ、51…はんだ接
続用メタライズ、52…はんだ接続用メタライズ、61
…反射ビーム、62…反射ビーム、71…はんだ、72
…はんだ、81…斜めYZ方向、91…基板表面、10
1…結合効率大でオフセット無しの場合、102…結合
効率大でオフセット有りの場合、103…効率改善分、
111 … 結合効率小でオフセット無しの場合、1
12…結合効率小でオフセット有りの場合、 113
… 効率改善分。
Claims (9)
- 【請求項1】半導体レーザと前記半導体レーザからの出
射光の光パワをモニタするフォトダイオードとを内蔵し
た光モジュールにおいて、前記フォトダイオードの受光
面が前記半導体レーザの後方光の光軸中心とほぼ並行
で、前記後方光の光軸中心と所定のオフセットをもつ位
置になるように、前記フォトダイオードが基板に直接固
定されたことを特徴とする光モジュール。 - 【請求項2】前記フォトダイオードが前記半導体レーザ
搭載された基板上に形成された溝に直接はんだで固定さ
れたことを特徴とする請求項1記載の光モジュール。 - 【請求項3】前記フォトダイオードが基板平面状上には
んだで直接固定され、前記半導体レーザの光軸中心が前
記フォトダイオードの受光面よりも高くなるように搭載
されたことを特徴とする請求項1記載の光モジュール。 - 【請求項4】半導体レーザと前記半導体レーザからの出
射光の光パワをモニタするフォトダイオードとを内蔵し
た光モジュールにおいて、前記フォトダイオードの受光
面が前記半導体レーザの後方光の光軸中心に対して角度
0〜30°傾くように前記フォトダイオードが基板に直
接固定されたことを特徴とする光モジュール。 - 【請求項5】前記フォトダイオードの基板への直接固定
部は、前記半導体レーザの後方光の光軸方向に分布分離
され、かつ、前記半導体レーザに近い方のメタライズの
面積を前記半導体レーザに遠い方のメタライズの面積よ
り大きくした複数のメタライズ部と、前記メタライズを
はんだで固定する部をもつことを特徴とする請求項4記
載の光モジュール。 - 【請求項6】前記フォトダイオードの基板への直接固定
部は、前記フォトダイオードのはんだ接続面の断面形状
又ははんだの固定形状の少なくとも一方が、半導体レー
ザの後方光の光軸方向に、フォトダイオードの受光面を
傾斜する形状であることを特徴とする請求項4記載の光
モジュール。 - 【請求項7】半導体レーザと前記半導体レーザからの出
射光の光パワをモニタするフォトダイオードとを内蔵し
た光モジュールにおいて、前記フォトダイオードがSi
基板上に異方性エッチングで形成された溝の傾斜面には
んだで直接固定され、前記半導体レーザの後方光の光軸
中心に対して、前記フォトダイオードの受光面が前記溝
の傾斜面の角度に従って傾くように前記フォトダイオー
ドが搭載されたことを特徴とする光モジュール。 - 【請求項8】半導体レーザと前記半導体レーザからの出
射光の光パワをモニタするフォトダイオードとを内蔵し
た光モジュールにおいて、前記フォトダイオードの側面
が前記フォトダイオードの受光面に対し一定の角度の斜
面をもち、前記フォトダイオードが固定されるSi基板
が異方性エッチングで形成された溝をもち、前記フォト
ダイオードがその受光面が前記溝に向かい、かつ前記斜
面に前記前記半導体レーザの後方光が入射し、前記斜面
で反射した後方光が前記溝を構成する面で反射され前記
受光面に入射するように前記Si基板に直接固定された
ことを特徴とする光モジュール。 - 【請求項9】半導体レーザと前記半導体レーザからの出
射光の光パワをモニタするフォトダイオードとを内蔵し
た光モジュールにおいて、前記フォトダイオードが側面
がその受光面に対し一定の角度の斜面をもち、前記フォ
トダイオードがその受光面が基板平面に隙間をもって対
向し、かつ前記斜面に前記前記半導体レーザの後方光が
入射し、前記斜面で反射した後方光が前記基板平面面で
反射され前記隙間を介して前記受光面に入射するように
前記前記フォトダイオードが複数個のはんだ付け部で前
記基板に直接固定されたことを特徴とする光モジュー
ル。
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