JP2004170808A - 光モジュール、及び光ネットワーク - Google Patents

Abstract

【課題】放熱特性に優れた光モジュール、及びこれを備えた光ネットワークを提供する。
【解決手段】光モジュール１０は、光素子１６と、光素子１６を搭載するためのステム２２と、ステム２２から所定軸Ｘに沿って延び、光素子１６との間で信号の授受を行うためのリードピン２４と、所望の電気回路が設けられた回路基板１４と、回路基板１４を搭載するための搭載面２０ａを有する搭載部材２０と、を備える。搭載部材２０は、ステム２２から所定軸Ｘに沿って連続して延びており、回路基板１４が搭載面２０ａ上に搭載されて、リードピン２４と回路基板１４との電気的接続が図られている。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光モジュール、及び光ネットワークに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＣＡＮ型の半導体レーザパッケージは、光通信分野において広く用いられている。このような半導体レーザパッケージ８２は、図５に示すように、リードピン８４を介して回路基板８６と電気的且つ機械的に接続され、発光モジュール８０が構成される。このような発光モジュール８０は、図示しない筐体内に収容され、光送信モジュールが構成される（特許文献１参照）。なお、特許文献１では、このような発光モジュールと共に、ＣＡＮ型の半導体受光パッケージを備えた受光モジュールが筐体内に収容されることで、光送受信モジュールが構成されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２９６４５８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
発明者は、上記した発光モジュールや受光モジュールのような光モジュールの研究に携っている。そして、今後、光通信の高速化・大容量化が益々進展するに伴い、熱的に安定した通信特性を発揮するためには、ＣＡＮパッケージからの放熱、及び回路基板からの放熱を促進し、光モジュールの放熱特性を一層向上させることが必要であると考えている。
【０００５】
そこで本発明は、放熱特性に優れた光モジュール、及びこれを備えた光ネットワークを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光モジュールは、光素子と、光素子を搭載するためのステムと、ステムから所定軸に沿って延び、光素子との間で信号の授受を行うためのリードピンと、所望の電気回路が設けられた回路基板と、回路基板を搭載するための搭載面を有する搭載部材と、を備え、搭載部材は、ステムから所定軸に沿って連続して延びており、回路基板が搭載面上に搭載されて、リードピンと回路基板との電気的接続が図られていることを特徴とする。
【０００７】
この光モジュールは、ステムから所定軸に沿って連続して延びる搭載部材を備えている。そして、回路基板はこの搭載部材の搭載面上に搭載されている。従って、光素子からの発熱はステムを介して搭載部材に伝達され、また回路基板からの発熱は搭載部材に直接伝達されることで、放熱が促進される。
【０００８】
本発明に係る光モジュールでは、ステムは第１の材料から形成されており、搭載部材は第１の材料と異なる第２の材料から実質的に形成されていることを特徴としてもよい。一般に、光素子を搭載するためのステムはＣｕＷ等の比較的高価な金属材料により形成されるが、搭載部材を第１の材料と異なる第２の材料により形成することで、例えば搭載部材を比較的安価なアルミ等の金属材料により形成することが可能となる。このように、搭載部材の材料選択の幅を広げることで、放熱特性の向上を図りつつ光モジュールのコストの低減を図ることが可能となる。
【０００９】
本発明に係る光モジュールにおいて、ステムと連続する搭載部材の端部では、第２の材料中に第１の材料が含まれることを特徴としてもよい。ステムとこれに連続して設けられた搭載部材とが異なる材料により形成されていると、両材料の熱膨張率の相違により、回路基板とリードピンとの接続部に応力がかかり、接続不良を生じるおそれがある。このとき、ステムと連続する搭載部材の端部では、第２の材料中に第１の材料が含まれるようにすることで、両材料の熱膨張率の相違による影響を緩和し、接続不良の生じるおそれを低減することが可能となる。このように、ステムと連続する搭載部材の端部では、第２の材料中に第１の材料が含まれると好適であり、上記した「搭載部材は第１の材料と異なる第２の材料から実質的に形成されている」における「実質的に」とは、このような場合を含む意味である。
【００１０】
本発明に係る光モジュールでは、搭載部材の端部において、第２の材料に対する第１の材料の割合は、ステムから遠ざかるに従って漸次低下することを特徴としてもよい。このようにすれば、両材料の熱膨張率の相違による影響をより好適に緩和することができる。
【００１１】
本発明に係る光モジュールでは、搭載部材の端部は、粉末冶金加工により形成されていることを特徴としてもよい。粉末冶金加工は、このような搭載部材の端部を形成するのに好適である。
【００１２】
本発明に係る光モジュールでは、ステムと搭載部材とは同一の材料から形成されていることを特徴としてもよい。このようにすれば、ステムと搭載部材とで熱膨張率の相違による影響を考慮することなく、放熱特性の向上を図ることが可能となる。
【００１３】
本発明に係る光モジュールでは、回路基板は、リードピンと搭載部材の間で挟持されていることを特徴としてもよい。このようにすれば、回路基板の位置決めが容易になり、製造の効率化が図られる。
【００１４】
本発明に係る光ネットワークは、上記した光モジュールを備えることを特徴とする。これにより、通信の高速・大容量化において熱的に安定した光ネットワークが提供される。
【００１５】
本発明に係る半導体モジュールは、発熱性を有する半導体素子と、所定軸と交差するように設けられており、半導体素子を搭載するための金属板と、所望の電気回路が設けられた回路基板と、回路基板を搭載するための搭載面を有する金属製の搭載部材と、を備え、搭載部材は、金属板から所定軸に沿って連続して延びており、回路基板が搭載面上に搭載されていることを特徴とする。
【００１６】
この半導体モジュールは、半導体素子を搭載する金属板から所定軸に沿って連続して延びる金属製の搭載部材を備えている。そして、回路基板はこの搭載部材の搭載面上に搭載されている。従って、半導体素子からの発熱は金属板を介して搭載部材に伝達され、また回路基板からの発熱は搭載部材に直接伝達されることで、放熱が促進される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る発光モジュール１０を示す平面図であり、図２はその発光モジュール１０を示す側面図である。なお、図１及び図２において、発光モジュール１０が備える半導体レーザパッケージ１２は、内部の構成を示すため一部を断面で示している。
【００１９】
図１および図２に示すように、本実施形態に係る発光モジュール１０は、半導体レーザパッケージ１２と、回路基板１４とを備えている。半導体レーザパッケージ１２は、半導体レーザ（光素子）１６を含む本体部１８と、回路基板１４を搭載するための搭載部材２０とを有している。
【００２０】
半導体レーザパッケージ１２の本体部１８は、ステム２２と、半導体レーザ１６と、複数のリードピン２４と、ＣＡＮケース２６とを有している。ステム２２は、ＣｕＷ、ＫｏＶ、Ｆｅ等の金属材料から形成されており、外形が円板状をなす。このステム２２は、光軸Ｘと直交するように配置されており、半導体レーザ１６が搭載される側の上面２２ａと、これと対向する裏面２２ｂとを含んでいる。
【００２１】
ここで、金属とは、一般に金属元素の単体のことを指すが、本明細書では２種以上の金属元素、あるいは金属元素と金属以外の元素からなり、金属的な性質を示す合金も含むこととする。
【００２２】
半導体レーザ１６は、例えばファブリーペロー型やＤＦＢ型のレーザである。この半導体レーザ１６は、ステム２２の上面２２ａに搭載されている。より詳細には、半導体レーザ１６は、図２に示すように、ＡｌＮ等の熱伝導性の高い材料からなるサブマウント２８上に搭載されており、このサブマウント２８がペルチェ素子３０上に搭載されている。そして、このペルチェ素子３０がＣｕＷ等の熱伝導性の高い材料からなるヒートシンク３２上に搭載されており、このヒートシンク３２がステム２２の上面２２ａに搭載されている。なお、サブマウント２８上であって半導体レーザ１６の背面側には、背面光を受光して半導体レーザ１６の出射状態をモニターするための受光素子３４が搭載されている。
【００２３】
複数のリードピン２４は、それぞれステム２２に設けられた貫通孔に挿通され、光軸Ｘに沿って延びている。このうち、一のリードピンは、図示しないボンディングワイヤを介して半導体レーザ１６と接続されており、他のリードピンは、図示しないボンディングワイヤを介して受光素子３４と接続されている。
【００２４】
ＣＡＮケース２６は、外形が円筒状をなす。ＣＡＮケース２６の内周面には、環状の突条３６が設けられており、この突条３６にボールレンズ３８が固定されている。このＣＡＮケース２６が、ステム２２の上面２２ａに被せられており、これにより前述した半導体レーザ１６、受光素子３４、サブマウント２８、ペルチェ素子３０、及びヒートシンク３２がＣＡＮケース２６内に収容されている。
【００２５】
このようにして、半導体レーザパッケージ１２の本体部１８が構成されており、従来と同様のＣＡＮ型パッケージが構成されるが、本実施形態に係る半導体レーザパッケージ１２は、回路基板１４を搭載するための搭載部材２０を更に有している。この搭載部材２０は、ステム２２とは別体で設けて後でステム２２の裏面２２ｂに機械的に接合してもよいが、熱伝導性の観点からはステム２２と一体で形成すると好ましい。
【００２６】
図３は、発光モジュール１０から回路基板１４を取り外した状態の半導体レーザパッケージ１２の構成を示す平面図である。図３に示すように、搭載部材２０はステム２２の裏面２２ｂから光軸Ｘに沿って連続して延びている。この搭載部材２０は、外形が長方形状をなす板状の部材であり、上面に回路基板１４を搭載するための搭載面２０ａを有している。
【００２７】
回路基板１４は、セラミック等の基板からなり、上面に半導体レーザパッケージ１２を駆動制御するための所望の電気回路が形成されている。この回路基板１４は、搭載部材２０の搭載面２０ａ上に搭載されて、リードピン２４と電気的接続が図られている。
【００２８】
ここで、半導体レーザパッケージ１２の搭載部材２０は、ステム２２とは異なるＡｌ、Ｃｕ等の金属材料から実質的に形成されている。このとき、ステム２２と連続する搭載部材２０の端部２０ｂでは、搭載部材２０を構成する金属材料（例えばＡｌ）中にステム２２を構成する金属材料（例えばＣｕＷ）が含まれると好ましい。更に、この端部２０ｂにおいて、搭載部材２０を構成する金属材料に対するステム２２を構成する金属材料の割合は、ステム２２から遠ざかるに従って光軸Ｘに沿って漸次低下するとより好ましい。なお、漸次低下するとは、連続的に低下する場合のみならず、ステップ的に低下する場合なども含まれる。
【００２９】
このような搭載部材２０の端部２０ｂは、粉末冶金加工により形成されると好ましい。粉末冶金加工とは、金属の粉末を所要の形に圧縮し、それを高温過熱して焼き固める加工方法であり、溶解・鋳造工程を通らずに合金体を作ることができる。従って、粉末冶金加工は、上記したような搭載部材２０の端部２０ｂを形成するのに好適である。なお、この端部２０ｂは、好適には光軸Ｘに沿う方向の搭載部材２０の長さの１０〜２０％程度の長さに設けられる。
【００３０】
また、本実施形態に係る発光モジュール１０では、回路基板１４は、リードピン２４と搭載部材２０の間で挟持されていると好ましい。
【００３１】
次に、本実施形態に係る発光モジュール１０の作用及び効果について説明する。
【００３２】
本実施形態に係る発光モジュール１０は、ステム２２の裏面２２ｂから光軸Ｘに沿って連続して延びる搭載部材２０を備えている。そして、回路基板１４はこの搭載部材２０の搭載面２０ａ上に搭載されている。従って、半導体レーザ１６からの発熱（図示はしないが半導体レーザ１６を駆動するドライバＩＣを含む場合はこのドライバＩＣからの発熱を含む）はステム２２を介して搭載部材２０に伝達され、また回路基板１４からの発熱は搭載部材２０に直接伝達されることで、搭載部材２０により広い面積で熱交換が可能となり、放熱が促進されて発光モジュール１０の放熱特性の向上が図られる。なお、ステム２２の光軸Ｘ方向の厚みを熱くすることでも、熱交換可能な表面積が増えるため放熱特性を向上させることが可能であるが、この場合は光軸Ｘ方向にモジュールが大型化してしまう。これに対し、本実施形態に係る発光モジュール１０では、搭載部材２０は回路基板１４に沿って光軸Ｘ方向に板状に延びているため、モジュール１０の大型化を招くおそれがほとんどない。
【００３３】
ここで、一般に、半導体レーザ１６を搭載するためのステム２２は、ＣｕＷ等の比較的高価な金属材料により形成されるが、本実施形態に係る発光モジュール１０では、搭載部材２０をこれとは異なる比較的安価なアルミ等の金属材料により形成することで、放熱特性の向上を図りつつ、発光モジュール１０のコストの低減を図ることが可能となる。
【００３４】
このとき、ステム２２と連続する搭載部材２０の端部２０ｂでは、ステム２２を構成する金属材料（例えばＣｕＷ）中に搭載部材２０を構成する金属材料（例えばＡｌ）が含まれるようにする（例えばＣｕＷ−Ａｌ合金により形成する）ことで、両材料の熱膨張率の相違による影響を緩和し、接続不良の生じるおそれを低減することが可能となる。
【００３５】
更に、搭載部材２０の端部２０ｂにおいて、搭載部材２０を構成する金属材料に対するステム２２を構成する金属材料の割合は、ステム２２から遠ざかるに従って光軸Ｘに沿って漸次低下するようにすることで、両材料の熱膨張率の相違による影響をより好適に緩和することができる。
【００３６】
また、搭載部材２０の端部２０ｂを粉末冶金加工により形成することで、搭載部材２０を構成する金属材料に対するステム２２を構成する金属材料の割合が所望の割合である端部２０ｂを容易に生成することができる。
【００３７】
また、本実施形態に係る発光モジュール１０では、回路基板１４は、リードピン２４と搭載部材２０の間で挟持されるようにすることで、回路基板１４の位置決めが容易になり、製造の効率化を図ることが可能となる。
【００３８】
また、本実施形態に係る発光モジュール１０では、搭載部材２０がステム２２に一体化されているため、インダクタンスを小さくして半導体レーザ１６のグランドの安定化を図ることが可能となる。
【００３９】
なお、上記した実施形態においては、本発明に係る光モジュールとして発光モジュール１０について説明したが、光素子としてフォトダイオード等の受光素子を備えることで、発光モジュール１０と同様にして受光モジュールを構成することができる。かかる受光モジュールにおいても、受光素子からの発熱（図示はしないがプリアンプを含む場合はこのプリアンプからの発熱を含む）はステム２２を介して搭載部材２０に伝達され、また回路基板１４からの発熱は搭載部材２０に直接伝達されることで、搭載部材２０により広い面積で熱交換が可能となり、放熱が促進されて受光モジュールの放熱特性の向上が図られる。なお、この場合はモニター用の受光素子３４は不要である。
【００４０】
これら発光モジュール及び受光モジュールは、それぞれ図示しない筐体に収容されて、光送信モジュール及び光受信モジュールが構成され、あるいは発光モジュール及び受光モジュールが一体として筐体に収容されて、光送受信モジュールが構成される。
【００４１】
なお、上記した本実施形態に係る発光モジュール及び受光モジュールを備えることで、図４に示すように、光ネットワーク５０が構成される。この光ネットワーク５０は、本実施形態に係る発光モジュール１０を含む複数の光送信モジュール５２と、これら複数の光送信モジュール５２からの信号光を合波する合波器５４と、信号光が伝搬する伝送路５６と、伝送路５６上に設けられた増幅器５８と、伝送路５６を伝搬してきた信号光を分波する分波器６０と、分波された光信号を受光する本実施形態に係る受光モジュールを含む複数の光受信モジュール６２と、を備えている。本実施形態に係る発光モジュール１０及び受光モジュールは放熱特性に優れているため、この光ネットワーク５０は、通信の高速・大容量化においても熱的に安定した通信特性を発揮し得る。
【００４２】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。
【００４３】
例えば、上記した実施形態に係る発光モジュール１０あるいは受光モジュールでは、ステム２２と搭載部材２０とは異なる金属材料から形成される場合について説明したが、ステム２２と搭載部材２０とは同一の材料から形成されていてもよい。このようにすれば、ステム２２と搭載部材２０とで熱膨張率の相違による影響を考慮することなく、放熱特性の向上を図ることが可能となる。また、この場合は搭載部材２０を完全に同一材料で形成することができ、その製造が容易になる。
【００４４】
また、図４において光ネットワーク５０としてＰｏｉｎｔ ｔｏ Ｐｏｉｎｔ構造のネットワークについて説明したが、光ネットワークはこれに限定されることなく、例えばＲｉｎｇ構造やＭｅｓｈ構造のネットワークであってもよい。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、放熱特性に優れた光モジュール、及びこれを備えた光ネットワークが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る発光モジュールを示す平面図である。
【図２】本実施形態に係る発光モジュールを示す側面図である。
【図３】発光モジュールから回路基板を取り外した状態の半導体レーザパッケージの構成を示す平面図である。
【図４】光ネットワークの構成を示す図である。
【図５】従来の発光モジュールを示す平面図である。
【符号の説明】
１０…発光モジュール、１４…回路基板、１６…半導体レーザ、２０…搭載部材、２０ａ…搭載面、２０ｂ…端部、２２…ステム、２４…リードピン、５０…光ネットワーク、Ｘ…光軸。

Claims (9)

1. 光素子と、
   前記光素子を搭載するためのステムと、
   前記ステムから所定軸に沿って延び、前記光素子との間で信号の授受を行うためのリードピンと、
   所望の電気回路が設けられた回路基板と、
   前記回路基板を搭載するための搭載面を有する搭載部材と、を備え、
   前記搭載部材は、前記ステムから前記所定軸に沿って連続して延びており、前記回路基板が前記搭載面上に搭載されて、前記リードピンと該回路基板との電気的接続が図られていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記ステムは第１の材料から形成されており、前記搭載部材は前記第１の材料と異なる第２の材料から実質的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記ステムと連続する前記搭載部材の端部では、前記第２の材料中に前記第１の材料が含まれることを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
4. 前記搭載部材の前記端部において、前記第２の材料に対する前記第１の材料の割合は、前記ステムから遠ざかるに従って漸次低下することを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。
5. 前記搭載部材の前記端部は、粉末冶金加工により形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の光モジュール。
6. 前記ステムと前記搭載部材とは同一の材料から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
7. 前記回路基板は、前記リードピンと前記搭載部材の間で挟持されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光モジュール。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の光モジュールを備えることを特徴とする光ネットワーク。
9. 発熱性を有する半導体素子と、
   所定軸と交差するように設けられており、前記半導体素子を搭載するための金属板と、
   所望の電気回路が設けられた回路基板と、
   前記回路基板を搭載するための搭載面を有する金属製の搭載部材と、を備え、
   前記搭載部材は、前記金属板から前記所定軸に沿って連続して延びており、前記回路基板が前記搭載面上に搭載されていることを特徴とする半導体モジュール。

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