JP2004235379A - Optical package and optical module using same - Google Patents

Optical package and optical module using same Download PDF

Info

Publication number
JP2004235379A
JP2004235379A JP2003021243A JP2003021243A JP2004235379A JP 2004235379 A JP2004235379 A JP 2004235379A JP 2003021243 A JP2003021243 A JP 2003021243A JP 2003021243 A JP2003021243 A JP 2003021243A JP 2004235379 A JP2004235379 A JP 2004235379A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical
conductor
optical package
conductor pattern
package
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2003021243A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4454233B2 (en
Inventor
Yuji Kishida
裕司 岸田
Hiroyuki Tanaka
宏行 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP2003021243A priority Critical patent/JP4454233B2/en
Publication of JP2004235379A publication Critical patent/JP2004235379A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4454233B2 publication Critical patent/JP4454233B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001Core members of the connector
    • H01L2224/45099Material
    • H01L2224/451Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/45144Gold (Au) as principal constituent
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805Shape
    • H01L2224/4809Loop shape
    • H01L2224/48091Arched
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/30Technical effects
    • H01L2924/301Electrical effects
    • H01L2924/3011Impedance

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact optical package suitable for the mounting of a face receiving light emission type optical semiconductor element such as a VCSEL, and capable of achieving excellent mass production, miniaturization, high frequency characteristics, and highly reliable assembly and an optical module using the optical package. <P>SOLUTION: This optical package P1 consists of a base body 1 of a dielectric layer laminate structure, a through-hole conductor 10 accessory to the base body 1, conductor patterns 11, 12 and 13, and an external electrode lead 14. The external electrode lead 14 is mounted on the side face 19 of a recessed part 18 on the back face of the base body 1, and the conductor pattern 12 and the through-hole conductor 10 are formed as an optical package P1 arranged like a ladder in order to make the interval of the connecting parts short so that the conductor pattern 11 can be smoothly connected to the conductor pattern 13. The optical package P1 is mounted with a face receiving light emission type optical semiconductor element so that an optical module M1 can be constituted. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型レーザ(以下、VCSEL)、PINフォトダイオード(以下、PIN−PD)、アバランシェフォトダイオード(以下、APD)、等の面受発光型光半導体素子の実装に係る技術に関し、例えば、このような面受発光型光半導体素子の実装、もしくは、さらにそれを作動させるための電子部品をそれに加えた実装に適し、しかも量産性に優れ、小型で高周波特性に優れ信頼性の高い組み立てが可能な光パッケージ及びそれを用いた光モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、公衆通信や構内通信(LAN)の分野において、大容量光ファイバ通信が広く普及し発展してきている。それにともない伝送速度が高速化され、光ファイバを用いた高速光伝送が必要とされ、従来から使用されてきた数キロメートル〜数百キロメートルといった距離の光伝送に加えて、超近距離(Very Short Reach;VSR)の光伝送や、ギガビットイーサネット(R)(GbE)と呼ばれる用途の重要性が高まってきている。これらVSRやGbEの用途では、毎秒10ギガビットの光伝送速度が必要とされつつあり、このような伝送では、不特定多数、多種多様な使用が想定され、従来と比較して大幅な装置の小型化や量産性の向上が産業上重要であると考えられている。
【0003】
上記光通信システムでは、量産性に優れ、特性が安定でしかも高速光伝送可能な新しい光半導体デバイスとして、0.85μm帯のVCSELと呼ばれる面型光発光素子が頻繁に用いられている。また、1.31μm帯や1.55μm帯のVCSEL素子についても開発中であり、製品化が期待されている。
【0004】
また、受光素子においては、従来と同じように高速光信号を電気変換するためPIN−PD、さらには、APD等の面受光素子が使用されている。
【0005】
発明者らは、VCSEL素子を配設しこれに通電するための配線を形成した基体に、面型光半導体素子に光接続する光導波体を取り付けて成り、基体の面型光半導体素子の配設面とその背面とを除く面を、面型光半導体素子に通電するための外部配線が形成された外部回路基板に固定し、この外部回路基板に形成された外部配線と前記基体に形成した配線とを電気的に接続できるようにした光モジュールを既に提案している(特許文献1を参照)。この提案は、光モジュールを単純な構成とすることができ、組み立てが簡便となり、しかも良好な光接続を効率よく行えるというものである。
【0006】
ギガビットイーサネット(R)が用いられるLAN等においては、例えば送信機と受信機が1つにパッケージング搭載された光トランシーバの形態が一般的であり、大きさも規格化されている(特許文献2を参照)。
【0007】
近年では、装置全体を小型化するために、光トランシーバの小型化が進められて、従来の約半分の大きさであるSFF(Small Form Factor)とよばれる形態に変わってきた。
【0008】
従来、これら光半導体素子は、図11に示すような従来型の光パッケージに実装されるのが一般的であった。図11に示す従来型の光パッケージはTO−CANパッケージと呼ばれ、金属から成る円柱状のステム30とステム30に設けられた円柱状のグラスフィードスルー33とグラスフィードスルー33を通して外部から光半導体素子に通電するための円柱状のリードピン32とステム30に取付けて光半導体素子を気密封止するためのキャップ31とから構成される。光半導体素子であるVCSEL素子40はステム30に実装され、金ワイヤ41によってリードピン32に電気的に接続される。その後、ステム30にキャップ31が固定されるとともにシールされてVCSELモジュールが完成する。キャップ31の上部には透明窓31aが取り付けられており、その透明窓31aを通してVCSEL素子40は外部の光導波体と光接続される。VCSELモジュールは外部電子回路基板に実装固定されて使用される。
【0009】
〔特許文献1〕
特願2002−204682号
〔特許文献2〕
特開2000−214351号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記TO−CANパッケージを用いた光モジュールでは、光モジュールをリードピン32で電子回路が搭載される電子回路基板に固定する際に、パッケージと電子回路基板との間において、リードピン32が空中配線されるので、配線の特性インピーダンスの不連続が大きく生じ高周波特性の劣化を招く。
【0011】
この問題を解決するために、リードピン32が空気中にさらされないように、リードピン32を極力短くして電子回路基板に実装することも考えられるが、短いリードピン32のみで長期間にわたり光モジュールを支持し、長期間信頼性を確保することは困難である上に、リードピン32の長さのばらつきや光モジュールの実装固定時におけるはんだ量のばらつきにより、高周波特性が安定せず、量産性に乏しい。また、TO−CANパッケージは例えばφ5.6ミリメートルのようにサイズが規格化されているが、これ以上小型化した場合、グラスフィードスルー33の特性インピーダンスを一定に保つために必要なグラフィードスルー33及びリードピン32のサイズのばらつきを小さくしより厳密に管理する必要があり、製作が困難となる。
【0012】
また、パッケージ内において、リードピン32と金ワイヤ41との接続部において、信号線路の折れ曲がりが生じるため、パッケージ単体の特性としても、十分ではない。図12,13はTO−CANパッケージ単体の電気配線の周波数応答特性を示している。すなわち、リードピン31の入力端がステム30から全く飛び出さない状態とし、金ワイヤ41の一端にVCSEL素子9に入力する端子として出力端をとり、リードピン31と金ワイヤ41で信号線モデルを構成したときの、周波数応答の反射特性(図12)及び透過特性(図13)を示す。グラスフィードスルー33の特性インピーダンスに整合するように、VCSEL素子9の近傍で抵抗終端した場合である破線で示す特性においても、図12に示すように高周波での信号の反射が大きく、図13に示すようにほとんど信号が透過しないため、例えば10Gbpsといった信号伝送に用いることは困難である。
【0013】
また、金ワイヤ41の替わりに特性インピーダンスが制御されたマイクロストリップ線路等の基板を用いた場合においても、リードピン32とマイクロストリップ線路基板との接続部における折れ曲がり部で高周波信号の劣化が生じる問題がある。
【0014】
さらに、リードピン32はパッケージの中心から同心円上に配置されているので、電子回路基板に実装するためには、リードピン32の途中でピンを折り曲げ、電子回路基板に穴をあけてリードピン32を挿入しはんだづけを行うといった、電子部品実装プロセスには向かない量産性に乏しい構造であった。
【0015】
そこで、本発明は、上述の諸問題に鑑み提案されたものであり、特に面受発光型の光半導体素子の実装に適し、しかも量産性に優れ、小型で高周波特性に優れ信頼性の高い光パッケージ及びそれを用いた光モジュールを提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光パッケージは、光半導体素子を実装する基体に、複数の誘電体層からなる積層構造と、該積層構造の表面及び裏面に形成した導体パターンと、該積層構造の内部に形成され導体パターン及びスルーホール導体から成る階段状導体と、外部回路基板に配線するためのリード導体とを有し、該リード導体を前記積層構造に設け、該リード導体と前記積層構造の表面に形成した導体パターンとを前記階段状導体を介して電気的に接続するとともに、前記積層構造の表面に形成した導体パターンから前記基体の表面に実装された前記光半導体素子に電気信号を入出力できるようにしたことを特徴とする。
【0017】
また、前記構成において、互いに隣合う前記スルーホール導体の間隔を、前記電気信号の波長の1/4以下にしたことを特徴とする。
【0018】
また、前記階段状導体をコプレーナ線路で構成し、前記互いに隣合うスルーホール導体の間隔を、前記積層構造の表面に形成した導体パターンに近づくに従って次第に狭くしたことを特徴とする。
【0019】
また、前記リード導体を少なくとも3面で保持したことを特徴とする。
【0020】
また、前記積層構造の一部にキャパシタを構成したことを特徴とする。
【0021】
また、前記積層構造の表面もしくは裏面に、前記光半導体素子を駆動するための電子素子を実装したことを特徴とする。
【0022】
また、前記積層構造の表面を除く面に放熱フィンを取付けたことを特徴とする。
【0023】
また、前記電子素子もしくは前記光半導体素子を実装するための導体パターンに、前記放熱フィンを接続したことを特徴とする。
【0024】
また、本発明の光モジュールは、上記いずれかの光パッケージに、少なくとも光半導体素子を実装して成る。具体的には、光パッケージに光半導体素子のみ、又は光半導体素子及び電子素子を実装し、該光半導体素子の上方に光導波体を固定し、前記凹部の側面及び前記リード導体を、外部電子回路基板の側端部に固定し、該外部電子回路基板上の電気信号を光信号に変換し、前記導波体を通して前記側端部に該光信号を取り出すか、又は前記側端部に向かって前記導波体を通して導波された光信号を電気信号に変換し、前記外部電子回路基板上に該電気信号を取り出すようにした構成とする。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光パッケージ及びそれを用いた光モジュールの実施形態を模式的に示した図面に基づき詳細に説明する。
【0026】
図1〜図4は本発明に係る光パッケージP1を説明する図であり、図1は光パッケージP1の表面側の斜視図、図2は光パッケージP1の裏面側の斜視図、図3は図2の別の角度からの斜視図、図4は図3における内部の配線構造を示す透視図である。図5,6は光パッケージP1にVCSELを実装したときの様子を説明する図であり、図5は光パッケージP1の表面側の斜視図、図6は図5の断面図である。図7は光パッケージP1に放熱フィンを取付けたときの様子を説明する断面図(電気配線用の導体パターン及びスルーホール導体は図から省略してある)である。図8は本発明に係る光モジュールM1を説明する斜視図である。図9は光M1を受信用モジュールやその他の電子部品と共に外部電子回路基板上に実装し、光トランシーバアセンブリA1を構成したときの様子を説明する側面図である。
【0027】
本発明の光パッケージP1は複数の誘電体層からなる積層構造を備えた基体1、基体1の表面16に形成された導体パターン11、基体1の内層に形成された導体パターン12(12a、12b、12c)及び基体裏面の凹部18に形成された導体パターン13とそれらを接続するスルーホール導体10、後記する光モジュールの外部電子回路基板への実装面19(基体裏面の凹部18の側面)に取付けたリード導体であり、少なくとも3面で保持された外部電極リード14、ならびに表面16に接合された金属金具2とから構成しており、表面16に形成したキャビティ15にVCSEL素子9、その他VCSELドライバー23等を実装し、金リボン20で導体パターン10の一端と電気的に接続できるようにしている。ここで、導体パターン12及びスルーホール導体10とで階段状導体を構成しており、外部電極リード14と前記積層構造の表面に形成された導体パターン11とを前記階段状導体を介して電気的に接続して、前記積層構造の表面に形成された導体パターン11から基体1の表面に実装された光半導体素子に電気信号を入出力できるようにしている。
【0028】
また、本発明の光モジュールM1は光パッケージP1のキャビティ15にVCSEL素子9、その他VCSELドライバー23等を実装し、金リボン20で光パッケージP1の導体パターン10の一端と電気的に接続し、表面16の上方に、VCSEL素子9に光接続する光導波体(主に光ファイバ22とこれを収容したフェルール21、レンズ等(不図示))を支持体である金属金具2、透明窓金具3、第1の金属保護体4、及び第2の金属保護体5によって取り付けて構成しており、光モジュールの外部電子回路基板への実装面19を実装基体8の実装面に固定し、実装基体8に形成された外部配線と外部電極リード14を電気的に接続できるようにしている。
【0029】
まず、光パッケージP1の構成について詳細に説明する。
【0030】
光パッケージP1の電気配線はVCSEL素子9の光変調に用いる高周波信号線路とVCSEL素子9のバイアス電圧印加に用いる直流線路とからなり、それぞれ、スルーホール導体10、導体パターン11、12、13及び外部電極リード14の一部を用いて構成する。
【0031】
光パッケージP1の電気配線のうち高周波信号線路は信号導体10c,11c,12c,13c,14cを接地導体10a,11a,12a,13a,14aと接地導体10b,11b,12b,13b,14bで挟むように配置し、コプレーナ型電極を構成する。高周波信号線路は、外部回路基板に形成された外部配線の特性インピーダンス(例えば25Ωもしくは50Ω等)に整合するように信号導体の寸法及び信号導体と接地導体の距離を調整する。
【0032】
ここに示す実装方式では、小型化のためにVCSEL素子9はその背面後方から入射する高周波信号をその表面に形成された電極へ伝送するように実装されるため、高周波信号線路は複数の折り曲げ部が必要である。しかしながら、この折り曲げ部はインピーダンスの不整合等の理由で高周波信号の伝送特性である反射特性、透過特性及び透過特性における群遅延特性を劣化させる原因となる。
【0033】
そこで、導体パターン12及びスルーホール導体10を階段状に配置し、導体パターン11と導体パターン13との間を滑らかに接続する。また、VCSEL素子9の表面に形成された不図示の電極と導体パターン10の一端を短く電気配線できるように、信号導体と接地導体との間隔を、導体パターン13から導体パターン11へ向かって除々に広げるか、もしくは狭めるように配置する。
【0034】
導体パターン12とスルーホール導体10との接続点は折れ曲がり部(屈曲部)を構成するが、接続点の間隔、すなわち互いに隣合うスルーホール導体10の中心から中心までの間隔を伝送する高周波信号の波長の1/4(λ/4)よりも短くすることにより、高周波信号に作用する高周波信号線路の特性インピーダンス変化を小さくすることができる。
【0035】
実際には、λ/4間隔での特性インピーダンス変化においても、少なからず高周波信号の伝送特性に劣化を及ぼすため、接続点の間隔をλ/4の更に1/4以下とすることが好ましい。
【0036】
例えば、帯域幅15GHzの高周波信号を比誘電率9の誘電体中に伝送する場合、高周波信号の最高周波数は15GHzであり、その波長λ15Gは約6.7mmである。この場合、スルーホール導体10、導体パターン11、12、13の長さを、λ15G/16である約0.42mmよりも短くし、各接点が導体パターン11から導体パターン13まで滑らかに接続されるように配置する。
【0037】
このように光パッケージP1の高周波信号線路を構成することにより、VCSEL素子9の表面に垂直に、その背面後方から高周波電気信号を入射させ、その表面前方に光信号を出射するところのVCSEL素子9の実装構造を小型かつ広帯域に構成でき、例えば、側端部に光モジュールが実装され、スロットに差し込む薄型カード式等の形態の光モジュールアセンブリ等に好適に用いることが可能となる。また、基体1が誘電体であるために微細な配線を多数形成でき、多数の信号を取り扱う複雑な回路に使用できる。
【0038】
光パッケージP1の電気配線のうち直流線路は、スルーホール導体10、導体パターン11、12、13及び外部電極リード14のそれぞれ一部で構成する。直流線路の一部はキャパシタを構成する櫛状平行平板導体12dに接続する。
【0039】
このように光パッケージP1の直流線路を構成することにより、簡便な構造でVCSEL素子9に印加する直流電圧の変動を小さくし、VCSEL素子9の動作を安定化させることができる。また、基体1が誘電体であるために微細な配線を多数形成でき、多数の信号を取り扱う複雑な回路に使用できる。
【0040】
スルーホール導体10と導体パターン12の一部には、VCSEL素子9又はVCSELドライバー23等の放熱用として、さらに放熱用スルーホール導体10e、放熱用導体パターン12eを形成し、放熱フィン24を設ける。放熱用スルーホール導体10e、放熱用導体パターン12e及び放熱フィン24は熱的に接続され、放熱経路を確保する。
【0041】
このように光パッケージP1の放熱構造を構成することにより、基体1の表面16以外の面に簡便に放熱面を広く確保し、光パッケージP1に実装されたVCSEL素子9、VCSELドライバー23等を冷却し、それらを安定に動作させる効果がある。
【0042】
次に、光パッケージP1における他の構成について詳細に説明する。
【0043】
基体1に使用する誘電体材料としては、アルミナ、窒化アルミニウム、ガラスセラミック等のセラミック材料を用いることができる。
【0044】
導体パターン11,12,13は、Au、Ni、Cu、W、Mo等のいずれかを含む導体膜が印刷により形成され、それらはCu、W等からなるスルーホール導体10で接続される。
【0045】
外部電極リード14は光モジュールの外部電子回路基板への実装面19に設けたキャスタレーションと呼ばれる凹部に、その一端を収容して銀ろう付けされ、その接合部は3面で保持される。
【0046】
これにより、外部電極リード14の一端の3面で外部電極リード14は基体1に固定されるので、基体1を実装基体8に強固に固定できる。また、光モジュールの外部電子回路基板への実装面19を実装基体8に隙間なく、或いは隙間を小さく密着させることができるため、高周波信号の伝送特性が安定な実装を行うことができる。
【0047】
本実施形態において、実装基体8との接続端子として、外部電極リード14を用いたが、これら外部電極リード14の代わりに、グリッド状の複数の端子電極から成る端子電極群を、少なくとも3つの領域に形成してもよい。
【0048】
外部電極リード14の代わりに電極端子として、はんだボールを付加したボール状のグリッドアレイを用いることにより、光パッケージP1を用いた光モジュールM1を実装する際の利便性が向上する。
【0049】
また、本実施形態において、VCSEL素子9の実装について説明したが、PIN−PD又はAPD等の面受発光型光半導体素子の実装に光パッケージP1を用いた場合にも以上に述べた同様な効果を奏することができる。
【0050】
また、表面16の垂直上方に光路を確保する手段を講じることにより、ファブリーペローレーザダイオード(FP−LD)、分布帰還型レーザダイオード(DFB−LD)等の端面発光型光半導体素子、導波路型フォトダイオード(WG−PD)等の端面受光型光半導体素子にも用いることができ、以上に述べた同様な効果を奏することができる。
【0051】
なお、VCSEL及びVCSELドライバーとその周辺回路用電子素子を実装する際、全てをキャビティ15に実装する以外、それらの一部を裏面17に形成した別のキャビティに実装してもよい。
【0052】
また、VCSELの実装と同様にPIN−PDもしくはAPD及び前置増幅器としてトランスインピーダンスとその周辺回路用電子素子を実装する際、全てをキャビティ15に実装する以外、それらの一部を裏面17に形成した別のキャビティに実装してもよい。
【0053】
また、FP−LD、DFB−LD又はWG−PDの実装についても上記と同様である。
【0054】
このように実装することにより、同じ光パッケージの大きさで実装面積を広くとり、多くの素子を実装でき、光半導体素子とその駆動用の周辺回路を集積化できる。これにより、小型で複雑な処理ができる高機能な光モジュールを実現できる。また、光半導体素子とその駆動用の周辺回路とが近接するため、それらの間を接続する電気配線での電気信号の劣化が少ない。
【0055】
次に、光パッケージP1を用い、VCSEL素子9をモジュールとして組み立てた光モジュールM1の構成について詳細に説明する。
【0056】
光モジュールM1は、VCSEL素子9をVCSELドライバー23等とともに光パッケージP1に実装し電気配線を行った後、VCSEL素子9と光導波体との光学的な位置合わせを行い、光導波体を支持体によって光パッケージP1に固定して完成する。
【0057】
具体的には、まず、VCSEL素子9を実装用の基体である基体1のキャビティ15に、VCSELドライバー23等とともに実装し、VCSEL素子9又はVCSELドライバー23の不図示の電極と導体パターン11の一端を金リボン20で電気的に接続する。
【0058】
次に、基体1の金属金具2にVCSEL素子9を覆うように透明窓金具3を配設する。この透明窓金具3の上部開口には不図示の透明サファイア窓が配設してある。そして透明窓金具3上に、円筒状で鍔部4aが一端側に形成された第1の金属保護体4を、鍔部4aが基体1側になるように配設する。この第1の金属保護体4の内部に、不図示のレンズを収容し、透明接着剤にて接着固定する。さらに、第1の金属保護体4と同様にして円筒の第2の金属保護体5内に、LDに光接続させる光ファイバ22が内部配置された円柱状のフェルール21を収容して、この第2の金属保護体5を第1の金属保護体4内に収容する。このように、第1及び第2の金属保護体4、5において鍔部4a、5aを備えることにより、不図示の光コネクタレセプタクルを嵌合できるようにしている。
【0059】
なお、必要に応じて、金属保護体4の内部に光ファイバ22中を伝播してきた反射戻り光を取り除くための光アイソレータを配設する。
【0060】
金属金具2はコバール等から成り、これを基体1にろうづけされている。さらに、この上にコバールやステンレス等から成り、サファイア窓を設けた金属環状体の透明窓金具3を、VCSEL素子9を実装した後、金属金具2に対してシーム溶接し、VCSEL素子9を気密封止している。これにより、VCSEL素子9を長寿命に保護することができる。
【0061】
また、第1の金属保護体4及び第2の金属保護体5はコバールやステンレスで構成する。
【0062】
最後に、光モジュールM1の外部電子回路基板への実装について、説明する。
【0063】
光モジュールM1は外部電子回路基板である実装基体8の側端部8aに搭載される。また、同時に、光モジュールM1を駆動するためのIC6及びその周辺回路を構成するコンデンサや抵抗等の電子素子7も実装基体8に実装され光モジュールアセンブリA1が完成する。
【0064】
光モジュールの外部電子回路基板への実装面19に外部電極リード14を取付けた構造とすることにより、実装基体の実装電極に予めクリームはんだ等のはんだを実装基体8の表面に塗布し、光モジュールM1、IC6及び電子素子7を、260℃程度のはんだリフロー工程に通し、一括実装することが可能となる。
【0065】
以上のように、本実施形態によれば、光モジュールを外部電子回路基板に周辺回路を構成する部品とともにはんだリフロー等により自動化された一括したアセンブルを行うことができ、実装性に優れる。
【0066】
かくして、光パッケージP1及びそれを用いた光モジュールM1によれば、例えばVCSEL等、面受発光型の光半導体素子の実装に適し、しかも量産性に優れ、小型で高周波特性に優れ信頼性の高い光パッケージ及びそれを用いた光モジュールを提供することができる。
【0067】
【実施例】
以下に、本発明をより具体化した光パッケージP1の実施例を説明する。
【0068】
基体1は、3.9mm□、厚み0.25mm、比誘電率が9.4であるシート状のアルミナセラミックを6層、積層し構成した。各層には導体パターン11、12、13を形成し、各層の導体パターン11、12、13の層間を直径0.1mmのスルーホール導体10で接続し電気配線を形成した。このとき、導体パターン13とスルーホール導体10を階段状に配置し導体パターン11と導体パターン13の間を滑らかに接続した。
【0069】
また、基体1の表面16に表面16の1層に孔を形成することによってキャビティ15を形成した。また、基体1の裏面17にも同様の方法によって基体裏面の凹部18を形成し、光モジュールの外部電子回路基板への実装面19(基体裏面の凹部18の側面)に幅0.3mm、深さ0.2mmのキャスタレーションを形成した。
【0070】
さらに、そのキャスタレーションに、幅0.2mm、厚み0.15mm、長さ1.98mmの外部電極リード14を銀ろうで固定した。キャスタレーションと外部電極リード14との隙間0.05mmを外部電極リード14の長さ方向に0.48mmにわたって銀ろうで埋め、外部電極リード14の3面が銀ろうと接するようにした。
【0071】
最後に、基体1の表面16に幅0.4mm、厚さ0.5mmのFeNiCo合金からなる金属金具2を銀ろう付けして、光パッケージP1が完成した。
【0072】
光パッケージP1を特性インピーダンスが50Ωであるコプレーナ線路が形成された実装基体8の側端部8aに実装し、実装基体8上のコプレーナ線路と外部電極リード14とを電気的に接続し、実装基体8上のコプレーナ線路の一端から導体パターン11の一端までの間に電気信号を入出力して周波数応答特性を測定した結果、図10に示す特性が得られた。この結果により、導体パターン13とスルーホール導体10を階段状に配置し、導体パターン11と導体パターン13を滑らかに接続することによって反射特性が大幅に向上することが確認された。
【0073】
【発明の効果】
本発明の光パッケージ及びそれを用いた光モジュールによれば、以下に示す顕著な効果を奏することができる。
【0074】
請求項1の光パッケージによれば、光モジュールを小型かつ広帯域に構成でき、例えば、端部に光モジュールが実装され、スロットに差し込む薄型カード式等の形態の光電変換モジュールアセンブリに好適に用いることが可能となる。また、微細な配線を多数形成でき、多数の信号を取り扱う複雑な回路に使用できる。
【0075】
請求項2の光パッケージによれば、光パッケージの電気配線をさらに広帯域にできる。
【0076】
請求項3の光パッケージによれば、光半導体素子が実装された光パッケージにおける電気から光に変換するトータルの高周波特性を広帯域にできる。
【0077】
請求項4の光パッケージによれば、基体を外部電子回路基板に強固に固定できる。また、光モジュールの実装面を外部電子回路基板に隙間なく、或いは隙間を小さく密着させることができるため、高周波信号の伝送特性が安定な実装を行うことができる。
【0078】
請求項5の光パッケージによれば、簡便な構造で光半導体素子又は電子素子に印加する直流電圧の変動を小さくし、光パッケージに実装した光半導体素子又は電子素子の動作を安定化させることができる。
【0079】
請求項6の光パッケージによれば、光半導体素子を動作させるための信号の劣化が少ない。また、光半導体素子を動作させるための電子回路も含めたモジュールを小型にできる。
【0080】
請求項7の光パッケージによれば、基体の表面以外の面に簡便に放熱面を広く確保し、前記光パッケージに実装された光半導体素子又は電子素子を冷却し、それらを安定に動作させることができる。
【0081】
請求項8の光パッケージによれば、前記電子素子もしくは前記光半導体素子を実装するための導体パターンに前記放熱フィンを接続したため、さらに前記冷却の効果を高めることができる。
【0082】
請求項9の光モジュールによれば、外部電子回路基板への実装性に優れ、小型化、広帯域化、高信頼化、量産性向上に優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光パッケージの実施形態を模式的に説明する表面側の斜視図である。
【図2】本発明に係る光パッケージの実施形態を模式的に説明する裏面側の斜視図である。
【図3】本発明に係る光パッケージの実施形態を模式的に説明する裏面側の別の角度からの斜視図である。
【図4】本発明に係る光パッケージの実施形態を模式的に説明する内部の様子を示す透視図である。
【図5】本発明に係る光パッケージの実施形態を模式的に説明する図であり、光パッケージに面発光レーザ(VCSEL)を実装したときの様子を示す斜視図である。
【図6】本発明に係る光パッケージの実施形態を模式的に説明する図であり、光パッケージに面発光レーザ(VCSEL)を実装したときの様子を示す断面図である。
【図7】本発明に係る光パッケージの別の実施形態を模式的に説明する図であり、光パッケージの内部に放熱用の導体パターンを形成し、それを外部に取付けた放熱フィンに熱的に接続するようにしたときの構造を示す断面図である。
【図8】本発明に係る光モジュールの実施形態を模式的に説明する斜視図である。
【図9】本発明に係る光モジュールを外部電子回路基板に実装したときの様子を模式的に説明する側面図である。
【図10】本発明に係る光パッケージの電気配線の周波数応答特性を説明するグラフである。
【図11】従来技術に係る光パッケージ及びそれを用いた光モジュールの一例を模式的に説明する断面図である。
【図12】従来技術に係る光パッケージの電気配線の周波数応答特性を説明する図であり、反射特性(S11)を示すグラフである。
【図13】従来技術に係る光パッケージの電気配線の周波数応答特性を説明する図であり、透過特性(S21)を示すグラフである。
【符号の説明】
1:基体
2:金属金具(支持体を構成)
3:透明窓金具(支持体を構成)
4:第1の金属保護体(支持体を構成)
5:第2の金属保護体(支持体を構成)
6:IC
7:電子素子
8:実装基体(外部電子回路基板)
8a:側端部(外部電子回路基板)
9:VCSEL素子(面発光レーザ素子;光半導体素子)
10:スルーホール導体(接地導体10a,10b、信号導体10cにより構成)
10e:放熱用スルーホール導体
11:導体パターン(基体表面に形成された接地導体11a,11b、信号導体11cにより構成)
12:導体パターン(基体内層に形成された接地導体12a,12b、信号導体12cにより構成)
12d:櫛状平行平板導体(キャパシタを構成)
12e:放熱用導体パターン
13:導体パターン(基体裏面に形成された接地導体13a,13b、信号導体13cにより構成)
14:外部電極リード(リード導体)
15:キャビティ
16:基体の表面
17:基体の裏面
18:基体裏面の凹部
19:光モジュールの外部電子回路基板への実装面(18の側面)
20:Auワイヤ
21:フェルール(光導波体を構成)
22:光ファイバ(光導波体を構成)
23:VCSELドライバ(電子素子)
24:放熱フィン
30:ステム(TO−CANパッケージを構成)
31:キャップ(TO−CANパッケージを構成)
31a:透明窓
32:リードピン
33:グラスフィードスルー
40:VCSEL素子(面発光レーザ素子)
41:金ワイヤ
P1:光パッケージ
M1:光モジュール
A1:光モジュールアセンブリ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology relating to mounting of a surface emitting / receiving optical semiconductor element such as a surface emitting laser (hereinafter, VCSEL), a PIN photodiode (hereinafter, PIN-PD), an avalanche photodiode (hereinafter, APD), and the like. For example, it is suitable for mounting such a surface light emitting / receiving type optical semiconductor element, or further mounting electronic components for operating it, and is excellent in mass productivity, small in size, excellent in high frequency characteristics and highly reliable. The present invention relates to an optical package that can be assembled and an optical module using the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, large-capacity optical fiber communication has been widely spread and developed in the field of public communication and private communication (LAN). Accordingly, the transmission speed has been increased, and high-speed optical transmission using an optical fiber is required. In addition to the conventionally used optical transmission at a distance of several kilometers to several hundreds of kilometers, a very short reach (very short reach) is used. VSR), and applications called Gigabit Ethernet (R) (GbE) are becoming increasingly important. In these applications of VSR and GbE, an optical transmission speed of 10 gigabits per second is being required. In such transmission, an unspecified number and various kinds of uses are assumed, and the size of the device is greatly reduced as compared with the conventional one. It is considered that industrialization and improvement of mass productivity are industrially important.
[0003]
In the optical communication system, a 0.85 μm band surface light emitting element called VCSEL is frequently used as a new optical semiconductor device having excellent mass productivity, stable characteristics, and high-speed optical transmission. Also, VCSEL devices in the 1.31 μm band and 1.55 μm band are under development, and commercialization is expected.
[0004]
Further, in the light receiving element, a surface light receiving element such as a PIN-PD or an APD is used for electrically converting a high-speed optical signal as in the related art.
[0005]
The inventor of the present invention has provided a VCSEL element on which a waveguide for optically connecting to a surface-type optical semiconductor element is attached to a substrate on which wiring for supplying electricity to the VCSEL element is formed. The surface excluding the installation surface and the back surface was fixed to an external circuit board on which external wiring for supplying current to the surface-type optical semiconductor element was formed, and the external wiring formed on the external circuit board and the base were formed on the base. An optical module that can be electrically connected to wiring has already been proposed (see Patent Document 1). This proposal is that the optical module can have a simple configuration, assembling is simple, and good optical connection can be efficiently performed.
[0006]
In a LAN or the like using Gigabit Ethernet (R), for example, a form of an optical transceiver in which a transmitter and a receiver are packaged in one is generally used, and the size is standardized (see Patent Document 2). reference).
[0007]
In recent years, optical transceivers have been reduced in size in order to reduce the size of the entire device, and have been changed to a form called an SFF (Small Form Factor) which is about half the size of a conventional one.
[0008]
Conventionally, these optical semiconductor elements are generally mounted on a conventional optical package as shown in FIG. The conventional optical package shown in FIG. 11 is called a TO-CAN package, and has a cylindrical stem 30 made of metal, a cylindrical glass feedthrough 33 provided on the stem 30, and an optical semiconductor from outside through the glass feedthrough 33. It comprises a cylindrical lead pin 32 for supplying current to the element and a cap 31 attached to the stem 30 for hermetically sealing the optical semiconductor element. The VCSEL device 40, which is an optical semiconductor device, is mounted on the stem 30 and is electrically connected to the lead pins 32 by gold wires 41. Thereafter, the cap 31 is fixed to the stem 30 and sealed, thereby completing the VCSEL module. A transparent window 31a is attached to an upper portion of the cap 31, and the VCSEL element 40 is optically connected to an external optical waveguide through the transparent window 31a. The VCSEL module is used by being mounted and fixed on an external electronic circuit board.
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application No. 2002-204682
[Patent Document 2]
JP-A-2000-214351
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the optical module using the TO-CAN package, when the optical module is fixed to the electronic circuit board on which the electronic circuit is mounted with the lead pins 32, the lead pins 32 are connected to the aerial wiring between the package and the electronic circuit board. As a result, the discontinuity of the characteristic impedance of the wiring greatly increases, and the high-frequency characteristics deteriorate.
[0011]
In order to solve this problem, it is conceivable that the lead pins 32 are mounted on an electronic circuit board with the shortest possible length so that the lead pins 32 are not exposed to the air. However, it is difficult to ensure the reliability for a long period of time, and the high frequency characteristics are not stable due to the variation in the length of the lead pins 32 and the variation in the amount of solder at the time of mounting and fixing the optical module. In addition, the size of the TO-CAN package is standardized, for example, φ5.6 mm. However, if the size is further reduced, the TO-CAN package is required to keep the characteristic impedance of the glass feedthrough 33 constant. Variations in the size of the lead pins 32 need to be reduced and more strictly controlled, making fabrication difficult.
[0012]
In addition, since the signal line is bent at the connection between the lead pin 32 and the gold wire 41 in the package, the characteristics of the package alone are not sufficient. 12 and 13 show frequency response characteristics of electric wiring of the TO-CAN package alone. That is, the input end of the lead pin 31 was not protruded from the stem 30 at all, the output end was taken at one end of the gold wire 41 as a terminal for input to the VCSEL element 9, and a signal line model was formed by the lead pin 31 and the gold wire 41. The reflection characteristics (FIG. 12) and the transmission characteristics (FIG. 13) of the frequency response are shown. In the characteristic shown by the broken line in the case where the resistance is terminated near the VCSEL element 9 so as to match the characteristic impedance of the glass feedthrough 33, the signal reflection at a high frequency is large as shown in FIG. As shown, since almost no signal is transmitted, it is difficult to use it for signal transmission, for example, at 10 Gbps.
[0013]
Further, even when a substrate such as a microstrip line whose characteristic impedance is controlled is used instead of the gold wire 41, there is a problem that a high-frequency signal is deteriorated at a bent portion in a connection portion between the lead pin 32 and the microstrip line substrate. is there.
[0014]
Further, since the lead pins 32 are arranged concentrically from the center of the package, in order to mount them on an electronic circuit board, the pins are bent in the middle of the lead pins 32, and holes are made in the electronic circuit board to insert the lead pins 32. The structure had poor mass productivity, such as soldering, which was unsuitable for the electronic component mounting process.
[0015]
Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described problems, and is particularly suitable for mounting a light emitting / receiving type optical semiconductor element, and is excellent in mass productivity, small in size, excellent in high frequency characteristics and highly reliable. It is an object to provide a package and an optical module using the same.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an optical package according to the present invention includes a substrate on which an optical semiconductor element is mounted, a laminated structure including a plurality of dielectric layers, a conductor pattern formed on the front and back surfaces of the laminated structure, A stepped conductor formed inside the laminated structure and including a conductor pattern and a through-hole conductor, and a lead conductor for wiring to an external circuit board; the lead conductor is provided in the laminated structure; The conductive pattern formed on the surface of the multilayer structure is electrically connected to the conductor pattern formed on the surface of the multilayer structure via the step-shaped conductor, and the conductive pattern formed on the surface of the multilayer structure is electrically connected to the optical semiconductor element mounted on the surface of the base. Signals can be input and output.
[0017]
Further, in the above configuration, an interval between the through-hole conductors adjacent to each other is set to 1 / or less of a wavelength of the electric signal.
[0018]
Further, the step-shaped conductor is formed of a coplanar line, and a distance between the through-hole conductors adjacent to each other is gradually reduced as approaching a conductor pattern formed on the surface of the laminated structure.
[0019]
Further, the lead conductor is held on at least three surfaces.
[0020]
Further, a capacitor is formed in a part of the laminated structure.
[0021]
Further, an electronic element for driving the optical semiconductor element is mounted on a front surface or a back surface of the laminated structure.
[0022]
Further, a radiation fin is attached to a surface except for the surface of the laminated structure.
[0023]
Further, the radiation fin is connected to a conductor pattern for mounting the electronic element or the optical semiconductor element.
[0024]
Further, an optical module according to the present invention is obtained by mounting at least an optical semiconductor element on any one of the optical packages described above. Specifically, an optical semiconductor element alone, or an optical semiconductor element and an electronic element are mounted on an optical package, an optical waveguide is fixed above the optical semiconductor element, and the side surface of the concave portion and the lead conductor are connected to an external electronic device. It is fixed to the side end of the circuit board, converts the electric signal on the external electronic circuit board into an optical signal, and takes out the optical signal to the side end through the waveguide, or faces the side end. Thus, the optical signal guided through the waveguide is converted into an electric signal, and the electric signal is extracted on the external electronic circuit board.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of an optical package and an optical module using the same according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings schematically showing the embodiments.
[0026]
1 to 4 are views for explaining an optical package P1 according to the present invention. FIG. 1 is a perspective view of the front side of the optical package P1, FIG. 2 is a perspective view of the rear side of the optical package P1, and FIG. 2 is a perspective view from another angle, and FIG. 4 is a perspective view showing the internal wiring structure in FIG. 5 and 6 are views for explaining a state where the VCSEL is mounted on the optical package P1, FIG. 5 is a perspective view of the front side of the optical package P1, and FIG. 6 is a sectional view of FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view (a conductor pattern for electric wiring and a through-hole conductor are omitted from the drawing) for explaining a state in which a radiation fin is attached to the optical package P1. FIG. 8 is a perspective view illustrating an optical module M1 according to the present invention. FIG. 9 is a side view illustrating a state in which the optical transceiver assembly A1 is configured by mounting the light M1 together with a receiving module and other electronic components on an external electronic circuit board.
[0027]
The optical package P1 of the present invention has a substrate 1 having a laminated structure composed of a plurality of dielectric layers, a conductor pattern 11 formed on a surface 16 of the substrate 1, and a conductor pattern 12 (12a, 12b) formed on an inner layer of the substrate 1. , 12c), the conductor pattern 13 formed in the concave portion 18 on the back surface of the base and the through-hole conductor 10 connecting them, and the mounting surface 19 (described later) of the optical module on the external electronic circuit board (the side surface of the concave portion 18 on the back surface of the base). It is a lead conductor attached, which comprises an external electrode lead 14 held on at least three surfaces, and a metal fitting 2 bonded to a surface 16, and a VCSEL element 9 and other VCSELs are formed in a cavity 15 formed on the surface 16. The driver 23 and the like are mounted so that the gold ribbon 20 can be electrically connected to one end of the conductor pattern 10. Here, the conductor pattern 12 and the through-hole conductor 10 constitute a step conductor, and the external electrode lead 14 and the conductor pattern 11 formed on the surface of the laminated structure are electrically connected via the step conductor. To allow an electrical signal to be input and output from the conductor pattern 11 formed on the surface of the laminated structure to the optical semiconductor element mounted on the surface of the base 1.
[0028]
In the optical module M1 of the present invention, the VCSEL element 9 and other VCSEL drivers 23 and the like are mounted in the cavity 15 of the optical package P1, and are electrically connected to one end of the conductor pattern 10 of the optical package P1 by the gold ribbon 20. Above 16, an optical waveguide (mainly an optical fiber 22 and a ferrule 21 accommodating the optical fiber 22, a lens (not shown)) optically connected to the VCSEL element 9 is supported by a metal fitting 2 as a support, a transparent window fitting 3, The first metal protection body 4 and the second metal protection body 5 are attached to each other, and the mounting surface 19 of the optical module to the external electronic circuit board is fixed to the mounting surface of the mounting base 8. And the external electrode leads 14 can be electrically connected.
[0029]
First, the configuration of the optical package P1 will be described in detail.
[0030]
The electrical wiring of the optical package P1 is composed of a high-frequency signal line used for optical modulation of the VCSEL element 9 and a DC line used for applying a bias voltage to the VCSEL element 9, and is provided with a through-hole conductor 10, conductor patterns 11, 12, 13 and an external circuit, respectively. It is configured using a part of the electrode lead 14.
[0031]
The high-frequency signal line of the electric wiring of the optical package P1 is such that the signal conductors 10c, 11c, 12c, 13c, 14c are sandwiched between the ground conductors 10a, 11a, 12a, 13a, 14a and the ground conductors 10b, 11b, 12b, 13b, 14b. To form a coplanar electrode. The high-frequency signal line adjusts the size of the signal conductor and the distance between the signal conductor and the ground conductor so as to match the characteristic impedance (for example, 25Ω or 50Ω) of the external wiring formed on the external circuit board.
[0032]
In the mounting method shown here, the VCSEL element 9 is mounted so as to transmit a high-frequency signal incident from the rear and rear thereof to an electrode formed on the surface for miniaturization. is necessary. However, the bent portion causes deterioration of reflection characteristics, transmission characteristics, and group delay characteristics in transmission characteristics, which are transmission characteristics of a high-frequency signal, due to impedance mismatching or the like.
[0033]
Therefore, the conductor pattern 12 and the through-hole conductor 10 are arranged in a step-like manner, and the conductor pattern 11 and the conductor pattern 13 are smoothly connected. In addition, the distance between the signal conductor and the ground conductor is gradually increased from the conductor pattern 13 to the conductor pattern 11 so that an electrode (not shown) formed on the surface of the VCSEL element 9 and one end of the conductor pattern 10 can be shortly electrically wired. Spread or narrow.
[0034]
The connection point between the conductor pattern 12 and the through-hole conductor 10 forms a bent portion (bent portion). The interval between the connection points, that is, the interval between the centers of the through-hole conductors 10 adjacent to each other, is a high-frequency signal transmitted. By making the wavelength shorter than 4 (λ / 4), the change in the characteristic impedance of the high-frequency signal line acting on the high-frequency signal can be reduced.
[0035]
Actually, even if the characteristic impedance changes at intervals of λ / 4, the transmission characteristics of the high-frequency signal are deteriorated to a considerable extent. Therefore, it is preferable that the interval between the connection points is made 1/4 or less of λ / 4.
[0036]
For example, when transmitting a high-frequency signal having a bandwidth of 15 GHz into a dielectric material having a relative dielectric constant of 9, the highest frequency of the high-frequency signal is 15 GHz and its wavelength λ 15G Is about 6.7 mm. In this case, the length of the through-hole conductor 10 and the conductor patterns 11, 12, and 13 is λ 15G / 16, which is shorter than about 0.42 mm, and each contact is arranged so as to be smoothly connected from the conductor pattern 11 to the conductor pattern 13.
[0037]
By configuring the high-frequency signal line of the optical package P1 in this manner, a high-frequency electric signal is incident on the surface of the VCSEL element 9 perpendicularly from the rear side of the VCSEL element 9 and the optical signal is emitted forward of the surface. Can be configured in a small size and in a wide band. For example, an optical module is mounted on a side end and can be suitably used for an optical module assembly of a thin card type or the like inserted into a slot. Further, since the base 1 is a dielectric, many fine wirings can be formed, and it can be used for a complicated circuit handling a large number of signals.
[0038]
The DC line of the electric wiring of the optical package P1 is constituted by a part of each of the through-hole conductor 10, the conductor patterns 11, 12, and 13, and the external electrode lead 14. Part of the DC line is connected to a comb-shaped parallel plate conductor 12d constituting a capacitor.
[0039]
By configuring the DC line of the optical package P1 in this manner, the fluctuation of the DC voltage applied to the VCSEL element 9 can be reduced with a simple structure, and the operation of the VCSEL element 9 can be stabilized. Further, since the base 1 is a dielectric, many fine wirings can be formed, and it can be used for a complicated circuit handling a large number of signals.
[0040]
A part of the through-hole conductor 10 and the conductor pattern 12 is further provided with a heat-dissipating through-hole conductor 10 e and a heat-dissipating conductor pattern 12 e for heat dissipation of the VCSEL element 9 or the VCSEL driver 23, and provided with a heat dissipation fin 24. The heat dissipation through-hole conductor 10e, the heat dissipation conductor pattern 12e, and the heat dissipation fins 24 are thermally connected to secure a heat dissipation path.
[0041]
By configuring the heat radiating structure of the optical package P1 in this manner, a wide heat radiating surface is easily secured on a surface other than the surface 16 of the base 1, and the VCSEL element 9, the VCSEL driver 23, etc. mounted on the optical package P1 are cooled. And has the effect of making them operate stably.
[0042]
Next, another configuration of the optical package P1 will be described in detail.
[0043]
As a dielectric material used for the base 1, a ceramic material such as alumina, aluminum nitride, or glass ceramic can be used.
[0044]
The conductor patterns 11, 12, and 13 are formed by printing a conductor film containing any of Au, Ni, Cu, W, Mo, and the like, and are connected by through-hole conductors 10 made of Cu, W, and the like.
[0045]
One end of the external electrode lead 14 is accommodated in a recess called a castellation provided on a mounting surface 19 of the optical module on an external electronic circuit board, and one end of the external electrode lead 14 is brazed with silver.
[0046]
Thus, the external electrode lead 14 is fixed to the base 1 on the three surfaces at one end of the external electrode lead 14, so that the base 1 can be firmly fixed to the mounting base 8. In addition, since the mounting surface 19 of the optical module on the external electronic circuit board can be tightly attached to the mounting base 8 without any gap or with a small gap, stable mounting of high-frequency signal transmission characteristics can be achieved.
[0047]
In the present embodiment, the external electrode leads 14 are used as connection terminals with the mounting base 8, but instead of these external electrode leads 14, a terminal electrode group composed of a plurality of grid-shaped terminal electrodes is formed in at least three regions. May be formed.
[0048]
By using a ball-shaped grid array to which solder balls are added instead of the external electrode leads 14 as electrode terminals, convenience in mounting the optical module M1 using the optical package P1 is improved.
[0049]
Further, in this embodiment, the mounting of the VCSEL element 9 has been described. However, the same effects as described above can be obtained when the optical package P1 is used for mounting a surface light emitting / receiving optical semiconductor element such as a PIN-PD or an APD. Can be played.
[0050]
By taking measures to secure an optical path vertically above the surface 16, edge-emitting optical semiconductor elements such as a Fabry-Perot laser diode (FP-LD) and a distributed feedback laser diode (DFB-LD), a waveguide type The present invention can also be used for an end face light receiving type optical semiconductor element such as a photodiode (WG-PD), and can provide the same effects as described above.
[0051]
When mounting the VCSEL, the VCSEL driver, and the electronic elements for the peripheral circuit, a part of them may be mounted in another cavity formed on the back surface 17 in addition to mounting all of them in the cavity 15.
[0052]
When mounting a transimpedance and its peripheral circuit electronic elements as a PIN-PD or APD and a preamplifier in the same manner as the mounting of the VCSEL, a part of them is formed on the back surface 17 except that all are mounted on the cavity 15. It may be mounted in another cavity.
[0053]
The same applies to the implementation of the FP-LD, DFB-LD, or WG-PD.
[0054]
By mounting in this way, a large mounting area can be taken with the same optical package size, many elements can be mounted, and an optical semiconductor element and peripheral circuits for driving the same can be integrated. Thus, a high-performance optical module that is small and capable of performing complicated processing can be realized. Further, since the optical semiconductor element and the peripheral circuit for driving the optical semiconductor element are close to each other, deterioration of electric signals in electric wiring connecting them is small.
[0055]
Next, the configuration of the optical module M1 in which the VCSEL element 9 is assembled as a module using the optical package P1 will be described in detail.
[0056]
In the optical module M1, the VCSEL element 9 is mounted on the optical package P1 together with the VCSEL driver 23 and the like, and after the electrical wiring is performed, the VCSEL element 9 and the optical waveguide are optically aligned, and the optical waveguide is supported. To complete the optical package P1.
[0057]
Specifically, first, the VCSEL element 9 is mounted together with the VCSEL driver 23 and the like in the cavity 15 of the base 1 which is a mounting base, and the electrode (not shown) of the VCSEL element 9 or the VCSEL driver 23 and one end of the conductor pattern 11 are provided. Are electrically connected by a gold ribbon 20.
[0058]
Next, the transparent window fitting 3 is disposed on the metal fitting 2 of the base 1 so as to cover the VCSEL element 9. A transparent sapphire window (not shown) is provided in an upper opening of the transparent window fitting 3. Then, a first metal protector 4 having a cylindrical shape and a flange 4a formed on one end side is disposed on the transparent window fitting 3 such that the flange 4a is on the base 1 side. A lens (not shown) is accommodated inside the first metal protector 4 and is fixedly adhered with a transparent adhesive. Further, a cylindrical ferrule 21 in which an optical fiber 22 to be optically connected to an LD is housed in a cylindrical second metal protector 5 in the same manner as the first metal protector 4 is provided. The second metal protector 5 is accommodated in the first metal protector 4. As described above, the first and second metal protectors 4, 5 are provided with the flanges 4a, 5a, so that an optical connector receptacle (not shown) can be fitted.
[0059]
If necessary, an optical isolator for removing reflected return light propagating through the optical fiber 22 is provided inside the metal protection body 4.
[0060]
The metal fitting 2 is made of Kovar or the like, and is brazed to the base 1. Further, after mounting the VCSEL element 9 on the transparent window metal member 3 made of Kovar or stainless steel and having a sapphire window and provided with a sapphire window, the VCSEL element 9 is seam-welded to the VCSEL element 9. It is tightly sealed. Thereby, the VCSEL element 9 can be protected for a long life.
[0061]
The first metal protector 4 and the second metal protector 5 are made of Kovar or stainless steel.
[0062]
Finally, mounting of the optical module M1 on an external electronic circuit board will be described.
[0063]
The optical module M1 is mounted on a side end 8a of a mounting base 8 which is an external electronic circuit board. At the same time, an IC 6 for driving the optical module M1 and electronic elements 7 such as a capacitor and a resistor constituting a peripheral circuit thereof are also mounted on the mounting base 8, thereby completing the optical module assembly A1.
[0064]
With the structure in which the external electrode leads 14 are attached to the mounting surface 19 of the optical module on the external electronic circuit board, solder such as cream solder is applied to the mounting electrodes of the mounting substrate in advance on the surface of the mounting substrate 8, The M1, the IC 6, and the electronic element 7 can be packaged together through a solder reflow process at about 260 ° C.
[0065]
As described above, according to the present embodiment, the optical module can be assembled together with the components constituting the peripheral circuit on the external electronic circuit board in an automated batch by solder reflow or the like, and the mountability is excellent.
[0066]
Thus, according to the optical package P1 and the optical module M1 using the same, the optical package P1 is suitable for mounting an optical semiconductor element of a surface light emitting / receiving type such as a VCSEL, is excellent in mass productivity, is small, has excellent high-frequency characteristics, and has high reliability. An optical package and an optical module using the same can be provided.
[0067]
【Example】
An embodiment of the optical package P1 according to the present invention will be described below.
[0068]
The substrate 1 was formed by laminating six layers of sheet-like alumina ceramics having a size of 3.9 mm square, a thickness of 0.25 mm, and a relative dielectric constant of 9.4. Conductor patterns 11, 12, and 13 were formed in each layer, and the layers between the conductor patterns 11, 12, and 13 in each layer were connected by through-hole conductors 10 having a diameter of 0.1 mm to form electric wiring. At this time, the conductor pattern 13 and the through-hole conductor 10 were arranged in a stepwise manner, and the conductor pattern 11 and the conductor pattern 13 were smoothly connected.
[0069]
Further, the cavity 15 was formed by forming a hole in one layer of the surface 16 on the surface 16 of the base 1. Also, a concave portion 18 on the rear surface of the substrate is formed on the rear surface 17 of the substrate 1 by the same method, and the mounting surface 19 (the side surface of the concave portion 18 on the rear surface of the substrate) of the optical module is 0.3 mm wide and deep. A castellation having a thickness of 0.2 mm was formed.
[0070]
Further, an external electrode lead 14 having a width of 0.2 mm, a thickness of 0.15 mm, and a length of 1.98 mm was fixed to the castellation with a silver solder. A gap of 0.05 mm between the castellation and the external electrode lead 14 was filled with silver solder over a length of 0.48 mm in the length direction of the external electrode lead 14 so that three surfaces of the external electrode lead 14 were in contact with the silver solder.
[0071]
Finally, a metal fitting 2 made of a FeNiCo alloy having a width of 0.4 mm and a thickness of 0.5 mm was silver-brazed on the surface 16 of the base 1 to complete the optical package P1.
[0072]
The optical package P1 is mounted on the side end 8a of the mounting substrate 8 on which the coplanar line having the characteristic impedance of 50Ω is formed, and the coplanar line on the mounting substrate 8 and the external electrode leads 14 are electrically connected. As a result of inputting and outputting an electric signal between one end of the coplanar line and one end of the conductor pattern 11 and measuring the frequency response characteristics, the characteristics shown in FIG. 10 were obtained. From this result, it was confirmed that the reflection characteristics were significantly improved by arranging the conductor pattern 13 and the through-hole conductor 10 in a stepwise manner and smoothly connecting the conductor pattern 11 and the conductor pattern 13.
[0073]
【The invention's effect】
According to the optical package of the present invention and the optical module using the same, the following remarkable effects can be obtained.
[0074]
According to the optical package of the first aspect, the optical module can be configured in a small size and in a wide band. For example, the optical module is suitably used for a photoelectric conversion module assembly of a thin card type or the like in which the optical module is mounted at an end portion and inserted into a slot. Becomes possible. Further, a large number of fine wirings can be formed, and it can be used for a complicated circuit handling a large number of signals.
[0075]
According to the optical package of the second aspect, the electric wiring of the optical package can be further widened.
[0076]
According to the optical package of the third aspect, it is possible to broaden the total high-frequency characteristics of converting optical to light in the optical package in which the optical semiconductor element is mounted.
[0077]
According to the optical package of the fourth aspect, the base can be firmly fixed to the external electronic circuit board. In addition, since the mounting surface of the optical module can be closely attached to the external electronic circuit board without any gap or with a small gap, mounting with stable transmission characteristics of a high-frequency signal can be performed.
[0078]
According to the optical package of the fifth aspect, the fluctuation of the DC voltage applied to the optical semiconductor element or the electronic element can be reduced with a simple structure, and the operation of the optical semiconductor element or the electronic element mounted on the optical package can be stabilized. it can.
[0079]
According to the optical package of the sixth aspect, deterioration of a signal for operating the optical semiconductor element is small. Further, a module including an electronic circuit for operating the optical semiconductor element can be downsized.
[0080]
According to the optical package of the seventh aspect, it is possible to easily secure a wide heat radiation surface on a surface other than the surface of the base, cool the optical semiconductor element or the electronic element mounted on the optical package, and operate them stably. Can be.
[0081]
According to the optical package of the eighth aspect, since the radiation fin is connected to the conductor pattern for mounting the electronic element or the optical semiconductor element, the cooling effect can be further enhanced.
[0082]
According to the optical module of the ninth aspect, it is excellent in mountability on an external electronic circuit board, and exhibits excellent effects in miniaturization, broadening of the band, high reliability, and improvement in mass productivity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front perspective view schematically illustrating an embodiment of an optical package according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view on the back side schematically illustrating an embodiment of the optical package according to the present invention.
FIG. 3 is a perspective view schematically illustrating the embodiment of the optical package according to the present invention from another angle on the back surface side.
FIG. 4 is a perspective view showing an internal state schematically illustrating an embodiment of the optical package according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating an embodiment of the optical package according to the present invention, and is a perspective view illustrating a state where a surface emitting laser (VCSEL) is mounted on the optical package.
FIG. 6 is a diagram schematically illustrating an embodiment of the optical package according to the present invention, and is a cross-sectional view illustrating a state where a surface emitting laser (VCSEL) is mounted on the optical package.
FIG. 7 is a diagram schematically illustrating another embodiment of the optical package according to the present invention, in which a conductor pattern for heat dissipation is formed inside the optical package, and the heat dissipation fin is mounted on the outside of the package; FIG. 6 is a cross-sectional view showing a structure when the connection is made to the.
FIG. 8 is a perspective view schematically illustrating an embodiment of the optical module according to the present invention.
FIG. 9 is a side view schematically illustrating a state where the optical module according to the present invention is mounted on an external electronic circuit board.
FIG. 10 is a graph illustrating frequency response characteristics of electric wiring of the optical package according to the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of an optical package and an optical module using the same according to the related art.
FIG. 12 is a diagram illustrating frequency response characteristics of electric wiring of the optical package according to the related art, and is a graph illustrating reflection characteristics (S11).
FIG. 13 is a diagram illustrating frequency response characteristics of electric wiring of the optical package according to the related art, and is a graph illustrating transmission characteristics (S21).
[Explanation of symbols]
1: Substrate
2: Metal fittings (constituting support)
3: Transparent window fitting (constituting support)
4: First metal protector (constituting support)
5: Second metal protector (constituting support)
6: IC
7: Electronic element
8: Mounting base (external electronic circuit board)
8a: Side end (external electronic circuit board)
9: VCSEL device (surface emitting laser device; optical semiconductor device)
10: Through-hole conductor (configured with ground conductors 10a and 10b and signal conductor 10c)
10e: Heat dissipation through-hole conductor
11: Conductor pattern (configured with ground conductors 11a and 11b and signal conductor 11c formed on the surface of the base)
12: Conductor pattern (configured with ground conductors 12a and 12b and signal conductor 12c formed in the inner layer of the base)
12d: comb-shaped parallel plate conductor (constituting a capacitor)
12e: Heat dissipation conductor pattern
13: Conductor pattern (configured with ground conductors 13a and 13b and signal conductor 13c formed on the back surface of the base)
14: External electrode lead (lead conductor)
15: Cavity
16: Surface of base
17: Back of base
18: recess on the back of the base
19: Mounting surface of optical module on external electronic circuit board (side surface of 18)
20: Au wire
21: Ferrule (constituting optical waveguide)
22: Optical fiber (constituting optical waveguide)
23: VCSEL driver (electronic element)
24: Heat radiation fin
30: stem (constituting TO-CAN package)
31: Cap (constitutes TO-CAN package)
31a: Transparent window
32: Lead pin
33: Glass feedthrough
40: VCSEL device (surface emitting laser device)
41: Gold wire
P1: Optical package
M1: Optical module
A1: Optical module assembly

Claims (9)

光半導体素子を実装する基体に、複数の誘電体層からなる積層構造と、該積層構造の表面及び裏面に形成した導体パターンと、該積層構造の内部に形成され導体パターン及びスルーホール導体から成る階段状導体と、外部回路基板に配線するためのリード導体とを有し、該リード導体を前記積層構造に設け、該リード導体と前記積層構造の表面に形成した導体パターンとを前記階段状導体を介して電気的に接続するとともに、前記積層構造の表面に形成した導体パターンから前記基体の表面に実装された前記光半導体素子に電気信号を入出力できるようにしたことを特徴とする光パッケージ。A substrate on which an optical semiconductor element is to be mounted includes a laminated structure including a plurality of dielectric layers, a conductor pattern formed on the front and back surfaces of the laminated structure, and a conductor pattern and a through-hole conductor formed inside the laminated structure. A stepped conductor, and a lead conductor for wiring to an external circuit board, the lead conductor being provided in the laminated structure, and the lead conductor and a conductor pattern formed on a surface of the laminated structure being combined with the stepped conductor. An optical package electrically connected to the optical semiconductor element mounted on the surface of the base from a conductor pattern formed on the surface of the laminated structure. . 互いに隣合う前記スルーホール導体の間隔を、前記電気信号の波長の1/4以下にしたことを特徴とする請求項1に記載の光パッケージ。2. The optical package according to claim 1, wherein a distance between the through-hole conductors adjacent to each other is set to 1 / or less of a wavelength of the electric signal. 前記階段状導体をコプレーナ線路で構成し、前記互いに隣合うスルーホール導体の間隔を、前記積層構造の表面に形成した導体パターンに近づくに従って次第に狭くしたことを特徴とする請求項2に記載の光パッケージ。3. The light according to claim 2, wherein the stepped conductor is formed of a coplanar line, and a distance between the adjacent through-hole conductors is gradually reduced as approaching a conductor pattern formed on a surface of the multilayer structure. 4. package. 前記リード導体を少なくとも3面で保持したことを特徴とする請求項1乃至3に記載の光パッケージ。The optical package according to claim 1, wherein the lead conductor is held on at least three surfaces. 前記積層構造の一部にキャパシタを構成したことを特徴とする請求項1に記載の光パッケージ。The optical package according to claim 1, wherein a capacitor is formed in a part of the laminated structure. 前記積層構造の表面もしくは裏面に、前記光半導体素子を駆動するための電子素子を実装したことを特徴とする請求項1に記載の光パッケージ。The optical package according to claim 1, wherein an electronic element for driving the optical semiconductor element is mounted on a front surface or a rear surface of the stacked structure. 前記積層構造の表面を除く面に放熱フィンを取付けたことを特徴とする請求項1乃至6に記載の光パッケージ。7. The optical package according to claim 1, wherein a radiation fin is attached to a surface of the laminated structure other than the surface. 前記電子素子もしくは前記光半導体素子を実装するための導体パターンに、前記放熱フィンを接続したことを特徴とする請求項7に記載の光パッケージ。The optical package according to claim 7, wherein the heat radiation fin is connected to a conductor pattern for mounting the electronic element or the optical semiconductor element. 請求項1乃至8のいずれかに記載の光パッケージに、少なくとも光半導体素子を実装して成る光モジュール。An optical module comprising at least an optical semiconductor element mounted on the optical package according to claim 1.
JP2003021243A 2003-01-30 2003-01-30 Optical package and optical module using the same Expired - Fee Related JP4454233B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003021243A JP4454233B2 (en) 2003-01-30 2003-01-30 Optical package and optical module using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003021243A JP4454233B2 (en) 2003-01-30 2003-01-30 Optical package and optical module using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004235379A true JP2004235379A (en) 2004-08-19
JP4454233B2 JP4454233B2 (en) 2010-04-21

Family

ID=32950631

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003021243A Expired - Fee Related JP4454233B2 (en) 2003-01-30 2003-01-30 Optical package and optical module using the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4454233B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010010660A (en) * 2008-05-29 2010-01-14 Ricoh Co Ltd Light emitting apparatus, optical scanning apparatus, and image forming apparatus
JP2011081343A (en) * 2009-07-07 2011-04-21 Avago Technologies Fiber Ip (Singapore) Pte Ltd Parallel optical communication device having weldable insert
JP2011155091A (en) * 2010-01-27 2011-08-11 Opnext Japan Inc Optical module
CN108490723A (en) * 2015-05-12 2018-09-04 苏州佳世达光电有限公司 Projection arrangement

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103617968B (en) * 2013-12-06 2016-01-20 中国电子科技集团公司第四十四研究所 The packaging system of APD focal plane array chip

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010010660A (en) * 2008-05-29 2010-01-14 Ricoh Co Ltd Light emitting apparatus, optical scanning apparatus, and image forming apparatus
JP2011081343A (en) * 2009-07-07 2011-04-21 Avago Technologies Fiber Ip (Singapore) Pte Ltd Parallel optical communication device having weldable insert
JP2011155091A (en) * 2010-01-27 2011-08-11 Opnext Japan Inc Optical module
CN108490723A (en) * 2015-05-12 2018-09-04 苏州佳世达光电有限公司 Projection arrangement

Also Published As

Publication number Publication date
JP4454233B2 (en) 2010-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5180176B2 (en) TO-CAN type TOSA module
CN108732691B (en) Optical module, and optical transmission device
CN107430293B (en) Optical circuit
JP5144628B2 (en) TO-CAN type TOSA module
KR20160064365A (en) Optical module
US7039083B2 (en) High speed optical transmission assembly
JP2005167189A (en) Optical-electrical conversion module and optical transceiver using the same
US20070009213A1 (en) Optoelectronic assembly with heat sink
WO2005027607A1 (en) Laser monitoring and control in a transmitter optical subassembly having a ceramic feedthrough header assembly
JP2004356233A (en) Semiconductor laser module and equipment for semiconductor laser
JP2004214651A (en) Optical module
JP4587218B2 (en) Package type semiconductor device
US7412120B2 (en) Optical module and optical transmission apparatus
JP2011100785A (en) To-can optical module and package for use of to-can optical module
JP2004093606A (en) Optical module and optical transmitter
JP4454233B2 (en) Optical package and optical module using the same
CN107658691B (en) Optical semiconductor device
JP4105647B2 (en) Semiconductor laser module and optical transmitter
JP2004335584A (en) Semiconductor package
JP2003332590A (en) Optical module and optical transmitting/receiving module
JP6228560B2 (en) High frequency transmission line and optical circuit
JP2008103774A (en) High frequency optical transmission module, and optical transmitter
JP2004179559A (en) Optical module and optical module assembly using it
JP4163909B2 (en) Optical module and optical module assembly using the same
JP2011249447A (en) Optical module

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050712

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20080815

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080902

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20081104

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090825

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20091007

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100105

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100202

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130212

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140212

Year of fee payment: 4

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees