JP2005159060A - 同軸型半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】同軸型半導体レーザモジュールにおいて、高速変調駆動を可能とした上、半導体レーザ駆動時の発熱を外部へ放熱して周囲環境温度が高温下でも安定したレーザ発振を可能とする。
【解決手段】本発明は、半導体レーザと、表面に上記半導体レーザを搭載するとともに入力信号用線路及びその両側にグランド用線路を配列させたコープレーナ線路を形成してなる高熱伝導率を有する誘電体基板と、上記グランド用線路と電気的に絶縁して上記誘電体基板を貫通固定してなる円形状の金属ステムと、該金属ステムを介して上記半導体レーザと反対側位置で上記入力信号用線路とグランド用線路に接続されるリード線とから構成された同軸型半導体レーザモジュールである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信に利用される光トランシーバに小型で高密度に実装される同軸型半導体レーザモジュールに関する。

従来の同軸型半導体レーザモジュールは例えば特許文献１に開示されており、その内部構造を図５で説明する。

図５は同軸型半導体レーザモジュールの中央横断面図である。簡単のため、モニタ用ＰＤ（フォトダイオード）及びＰＤ（フォトダイオード）への配線用リード線は省略する。

同軸型半導体レーザモジュールは、半導体レーザ１、金属ステム３、金属ステム３に予め銀ろう材などにより接合した支持台４、先端にレンズ１１が取り付けられたレンズキャップ１２、レンズキャップ１２を収納し、一方側が金属ステム３に接合されるスリーブ１３、スリーブ１３の他方側に接合されるフェルールホルダ１６とから構成されている。

半導体レーザ１は、誘電体で、かつ放熱性の高い窒化アルミニウム材から成るヒートシンク２００上の表面２００ａに半田等により搭載固定されている。表面２００ａには、半導体レーザ１の電極ワイヤをボンディングできるようメタライズが施されている。なお、ヒートシンク２００は支持台４上に半田等により搭載固定されている。

金属ステム３は貫通孔５を有し、貫通孔５には外部から半導体レーザ１へ通電するための信号入力用のリード線７が挿通されて絶縁用の低融点ガラス６により気密封止固定されている。また、金属ステム３の外部には、グランド接続用のリード線８が銀ろう材などにより設置固定されている。リード線７及びリード線８は一般に直径０．４５ｍｍの鉄材又はＦｅ／Ｎｉ／Ｃｏ材などの金属から形成されている。

半導体レーザ１が設置されているヒートシンク２００上の表面２００ａとリード線７は第１のＡｕワイヤ９により接続され、半導体レーザ１の上面は、支持台４に第２のＡｕワイヤ１０により接続されている。リード線７から入力されたＲＦ（Radio-Frequency ）入力信号は、第１のＡｕワイヤ９とヒートシンク２００上の表面２００ａを介して半導体レーザ１に至り、第２のＡｕワイヤ１０を介してケースグランドに接地される。

光ファイバ１４を保持したフェルール１５は、光ファイバ１４がレンズ１１の集光位置に光軸調芯されており、フェルールホルダ１６に挿入固定されている。
特開平１０−９６８３９号公報参照

しかしながら、図５に示す従来の同軸型半導体レーザモジュールでは、ＲＦ入力信号が半導体レーザ１に至るまでに介しているリード線７、第１のＡｕワイヤ９及びヒートシンク２００上の表面２００ａは、寄生リアクタンスを有しており、特にＲＦ入力信号とのインピーダンス整合が成されていないため変調帯域が制限される。

更にグランド接続用のリード線８が金属ステム３及びスリーブ１３、フェルールホルダ１６と導通しており、光トランシーバ内の隣接する受信側ＰＤモジュールと電気的に導通するため、送信側と受信側間の電気クロストークが劣化し、１０ギガビット以上での高速変調駆動が困難であるという第１の課題があった。

一方、従来の同軸型半導体レーザモジュールは、半導体レーザ１の駆動時に発生する熱はヒートシンク２００及び支持台４を介して金属ステム３に至るが、金属ステム３の外周は円形状であるため、外部へ放熱するための平板状の放熱板（不図示）に接合する際、その当接面積は微小な面積部分であり、その面積部分のみから熱が放熱板に伝導するようになる。

このとき、支持台４及び金属ステム３を形成している材料として一般的に鉄材やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ材が用いられるが、一般的な鉄材の熱伝導率は８０．３Ｗ／ｍ・Ｋ程度、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ材の熱伝導率が２１．５Ｗ／ｍ・Ｋ程度といずれもヒートシンク２００を形成している窒化アルミニウム材の１６０Ｗ／ｍ・Ｋに比べて１／２以下の低い熱伝導率であるため、上述のように放熱板と金属ステム３が微小な当接面であるならば半導体レーザ１から発熱する熱を効率的に放熱するのは困難で、半導体レーザ１の温度が上昇し、特に周囲環境温度が７０℃以上の高温下で安定したレーザ発振が不可能となるという第２の課題があった。

本発明の目的は、上述の課題に鑑みて案出されたものであり、半導体レーザ１に至るまでの寄生リアクタンスを排除し、外部から入力されるＲＦ入力信号とのインピーダンスを整合し、隣接する受信側ＰＤモジュールとの間の電気クロストークの劣化を防止して１０ギガビットでの高速変調駆動も可能とした上、半導体レーザを駆動した際の発熱を効率的に外部へ放熱することができ、周囲が高温下の環境温度でも安定したレーザ発振を可能とした同軸型半導体レーザモジュールを提供することにある。

上記課題に鑑みて本発明は、半導体レーザと、表面に上記半導体レーザを搭載するとともに入力信号用線路及びその両側にグランド用線路を配列させたコープレーナ線路を形成してなる高熱伝導率を有する誘電体基板と、上記グランド用線路と電気的に絶縁して上記誘電体基板を貫通固定してなる円形状の金属ステムと、該金属ステムを介して上記半導体レーザと反対側位置で上記入力信号用線路とグランド用線路に接続されるリード線とから構成された同軸型半導体レーザモジュールを提供する。

また、上記誘電体基板を窒化アルミニウム質セラミックスで構成されていることを特徴とする。さらに、上記誘電体基板の金属ステムを介して半導体レーザと反対側の位置に、上記グランド用線路から厚み方向に貫通したビアホール導体を形成したことを特徴とする。

本発明の構成によれば、上記誘電体基板は高熱伝導率を有するものであり、この誘電体基板は金属ステムを貫通して固定され、誘電体基板の表面には信号入力用コープレーナ線路が形成されているため、外部から入力されるＲＦ入力信号とのインピーダンス整合が成されて１０ギガビット以上での高速変調駆動を可能とし、さらにグランド用線路は金属ステムと電気的に絶縁されていることから、光トランシーバ内の隣接する受信側ＰＤモジュールとの間の電気クロストークの劣化を防止できるものである。

誘電体基板を窒化アルミニウムで構成されているために、コープレーナ線路などの導体膜の形成が可能な他、金属ステムとの絶縁も可能となり、高熱伝導率を有することから半導体レーザの発熱を外部へ放熱することも可能となる。

さらに、上記誘電体基板の半導体レーザが搭載される側とは金属ステムを介して反対側の位置に、上記グランド用線路から厚み方向に貫通したビアホール導体を形成したことで、誘電体基板の裏面を外部の放熱板や筐体と当接させた際に電気的に容易にグランド接地が可能となる上、半導体レーザから発生する熱が誘電体基板を介して効率よく外部へ放熱する事ができる。その結果、１０ギガビット以上での高速変調駆動を可能とした上、半導体レーザの温度上昇を抑制し、周囲環境温度が高温下においても安定したレーザ発振を得ることを可能とした同軸型半導体レーザモジュールを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図によって説明する。なお、従来技術と同じものについては同じ符号を用いるものとする。

図１は、本発明の同軸型半導体レーザモジュールの中央横断面図である。

本発明の同軸型半導体レーザモジュールは、半導体レーザ１と、誘電体基板２と、誘電体基板に固定された複数のリード線７、８と、誘電体基板が貫通固定された金属ステム３とからなる。また、金属ステム３には先端にレンズ１１が取り付けられたレンズキャップ１２、レンズキャップ１２を収納し、一方側が金属ステム３に抵抗溶接により接合されるスリーブ１３、スリーブ１３の他方側に接合されるフェルールホルダ１６とから構成されている。さらに、フェルールホルダ１６は貫通孔内に光ファイバ１２の端部が嵌入したフェルール１５を保持するように構成されている。

誘電体基板２は、高熱伝導率で放熱性の高い材料が用いられる。例えば、窒化アルミニウム材、アルミナなどのセラミック材が選ばれるが、特に好ましくは高放熱性の点から窒化アルミニウム材が用いられる。この誘電体基板２の表面に直接、半導体レーザ１を搭載するとともに、その半導体レーザ１と接続する複数の線路１７ａ、１７ｂが形成されている。この線路１７ａ、１７ｂは誘電体基板の表面に導体膜からなるメタライズを施すことにより形成される。この導体膜としてはＮｉ及びＡｕ等が用いられる。また、線路１７ａ、１７ｂには外部接続用のリード線７、８が銀ろう材により固定されている。ここで、線路１７ａは、図１に示すように入力信号用の伝搬線路として用いられる。なお、途中に半導体レーザ１とのインピーダンス整合を行う薄膜抵抗などを形成しても良い。

また、線路１７ａの一方の先端には半導体レーザ１が半田によって搭載されている。さらに、線路１７ｂはグランド用の線路として用いられ、線路１７ａの両端に並列に形成している。線路１７ａ、線路１７ｂとの配列については誘電体基板2の表面２ａ上に充分な配列スペースがあり、かつリード線７、８の配置に自由度がある場合には互いに平行に形成されているが、これに限定されることなく線路１７ｂを片側のみで形成しても構わない。

この線路１７ａとその両端に配列した線路１７ｂとによりコープレーナ線路１７を形成しており、半導体レーザ１の上面から線路１７ｂにＡｕワイヤ９、１０により接続して半導体レーザ回路を形成し、この回路における入力信号のインピーダンスマッチングを行うように構成されている。

このようにコープレーナ線路１７は、中心に形成した入力信号用の線路１７ａの幅Ｗと両側のグランド用の線路１７ｂとの間隔Ｇの比、並びに誘電体基板２の比誘電率εｒによってインピーダンスが決定される。外部への電気的接続の為の信号入力用のリード線７及びグランド接続用のリード線８の幅は誘電体基板２上のコープレーナ線路１７の幅と同じく設定してある。金属ステム３の外部へ取り出されたリード線７及びリード線８は、図示しない外部基板へ接続される。

図２は、本発明の同軸型半導体レーザモジュールの縦断面図である。

金属ステム３は円形状に形成されており、このほぼ中心に誘電体基板２の表面２ａが位置するように設置、貫通固定され、誘電体基板２の表面２ａ上には絶縁性基板２０が貫通固定され、誘電体基板２上のコープレーナ線路１７が金属ステム３と電気的に絶縁されている。誘電体基板２のグランド用線路１７ｂには複数の微細な貫通孔が設けられ、貫通孔の内部はＮｉ及びＡｕ等の金属から成る導電材により被膜することでビアホール１８が形成されている。ビアホール１８は、誘電体基板２の裏面パターン１９と導通しており、裏面パターン１９は、金属ステム３と接触しないような大きさに設定されている。金属ステム３の材質は、誘電体基板２及び絶縁性基板２０の材質とほぼ同等の熱膨張係数を有するＦｅ／Ｎｉ／Ｃｏ材や高熱伝導な銅タングステン材などが好ましい。

一般に使用される金属ステム３の外径はφ５．６ｍｍであり、半導体レーザ１が搭載される誘電体基板２は、その表面２ａの表面積が幅２．５ｍｍ×長さ６ｍｍ×高さ１ｍｍに設定されている（表面２ａの表面積で１５ｍｍ^２）。このような広い誘電体基板２に表面積が０．５ｍｍ^２程度の半導体レーザ１の他、図示しないインピーダンス整合用の抵抗などを搭載できる上、コープレーナ線路１７などのパターンも充分形成できる。

誘電体基板２の長さ６ｍｍのうち２．５ｍｍが半導体レーザモジュールの外部に突出されている。裏面パターン１９は、金属ステム３と接触しないよう、突出した先端から２ｍｍ程度の長さに設定されている。突出した誘電体基板２の下面を図示しない金属から成る外部筐体や放熱板へ接続するようになっている。これにより、グランド用線路１７ｂは、ビアホール１８及び裏面パターン１９を介して外部筐体や放熱板へ電気的に接続することができる。

一方、半導体レーザ１の駆動時に発生する熱は誘電体基板２を介して金属ステム３の反対側に突出した側から外部へ放熱するヒートシンクとして機能する。

ここで、誘電体基板２の熱抵抗Ｒは以下の式で表される。

Ｒ＝ｔ／（λ・Ａ）（ｔは誘電体基板２の厚さ、λは熱伝導率、Ａは表面積）
上式から表面積Ａを大きくとることができれば、熱抵抗Ｒを小さくすることができ放熱の効率を高め、熱抵抗Ｒを極小化させることが可能である。

窒化アルミニウム材からなる誘電体基板２の熱伝導率は、鉄材の約２倍の１６２Ｗ／ｍ・Ｋであり、これを用いることにより、鉄材からなる従来の支持台４に比べて熱抵抗Ｒが約１／５０に低減される。更にビアホール１８の被膜を形成するＡｕの熱伝導率は３１５Ｗ／ｍ・Ｋであり、接続された外部筐体や放熱板への放熱がより効率的に成されることになる。

光ファイバ１４はフェルール１５に接着剤により固定され、フェルール１５はフェルールホルダ１６に挿通されて、レンズ１１の集光位置に光ファイバ１４の光軸調芯された後、フェルール１５はフェルールホルダ１６に、フェルールホルダ１６はスリーブ１３にＹＡＧレーザ溶接固定されている。光ファイバ１４を固定するフェルール１５部は、光レセプタクルであっても良い。また、レンズ１１と光ファイバ１４間に半導体レーザ１への反射戻り光を抑止する光アイソレータを設置しても良い。

このようにして本発明の同軸型半導体レーザモジュールは、金属ステム３に貫通固定された誘電体基板２の表面上にコープレーナ線路１７を形成することで、半導体レーザ１に至るまでの寄生リアクタンスを排除してＲＦ入力信号とのインピーダンスを整合することができ、１０ギガビット以上での高速変調駆動を可能とし、さらにグランド用線路を金属ステムと電気的に絶縁することで、光トランシーバ内の隣接する受信側ＰＤモジュールとの間の電気クロストークの劣化を防止できる。

また、誘電体基板２のグランド用線路８にビアホール１８を設けることで、電気的に外部筐体や放熱板に接続できるばかりでなく、熱的にも接続できることから、半導体レーザ１駆動時の発熱を誘電体基板２を介して外部へ効率よく放熱する事ができ、半導体レーザ１の温度上昇を抑制し、周囲環境温度が高温下においても安定したレーザ発振を得ることが可能となる。

以下、本発明実施例として図１及び図２に示す同軸型半導体レーザモジュールを作製した。

図１において、外径がφ５．６ｍｍ×幅１ｍｍのＦｅ／Ｎｉ／Ｃｏ材から成る円形の金属ステム３に幅２．５ｍｍ×長さ６ｍｍ×高さ１ｍｍ（表面２ａの表面積で１５ｍｍ^２）から成る誘電体基板２を銀ろう材により貫通固定した。長さ６ｍｍのうち２．５ｍｍが半導体レーザモジュールの外部に突出している。誘電体基板２の突出部は、金属製の外部筐体に当接して構成した。

誘電体基板２上には、インピーダンスが５０Ωとなるように線路１７ａの幅Ｗや線路１７ｂとの間隔Ｇを設定したコープレーナ線路１７を形成し、半導体レーザ１をＡｕ／Ｓｎ半田により線路１７ａ上のパターンに搭載固定した。半導体レーザ１の上面とコープレーナ線路１７の両側の線路１７ｂをＡｕワイヤ９、１０により接続した。

グランド用の線路１７ｂには複数のビアホール１８を形成した。

リード線７の幅は誘電体基板２上の線路１７ａと同じ幅Ｗに設定し、リード線８との間隔は誘電体基板２上の線路１７ｂとの間隔Ｇと同じに設定し、リード線７及びリード線８は、誘電体基板２上のコープレーナ線路１７へ銀ろう材により接続した。

半導体レーザ１の出射光を集光するレンズ１１は予め低融点ガラスによりステンレス材から成るレンズキャップ１２に固定されており、レンズキャップ１２は、金属ステム３に抵抗溶接固定した。レンズキャップ１２の外側にはステンレス材から成るスリーブ１３を金属ステム３に抵抗溶接固定した。

光ファイバ１４はステンレス材から成るフェルール１５に接着固定されており、レンズ１１の集光位置に光軸調芯した後、フェルールホルダ１６と共にスリーブ１３にＹＡＧレーザ溶接固定した。

図２において、金属ステム３には誘電体基板２と共に幅２，５ｍｍ×長さ１．２ｍｍ×高さ１ｍｍの絶縁性基板２０を銀ろう材により貫通固定した。絶縁性基板２０は誘電体基板２の表面上のほぼ中心に位置している。誘電体基板２の裏面には、幅２．５ｍｍ×長さ２ｍｍの裏面パターン１９をＮｉ及びＡｕにより被膜し、形成している。裏面パターン１９は、ビアホール１８に導通しており、金属ステム３とは絶縁されている。

図３に従来の同軸型半導体レーザモジュールと本実施例による同軸型半導体レーザモジュールの小信号周波数応答特性を比較して示す。

従来の同軸型半導体レーザモジュールでは、ＲＦ入力信号が半導体レーザ１に至るまでに介しているリード線７、Ａｕワイヤ９及びヒートシンク板２００上の表面２００ａが、特にＲＦ入力信号とのインピーダンス整合が成されておらず、寄生リアクタンスを有している為、３ｄＢ帯域幅が３ＧＨｚ程度に制限されていたが、本実施例による場合は、リード線７から半導体レーザ１に至るまでＲＦ入力信号のインピーダンス整合が成されているため、電気的な反射や洩れなどの寄生リアクタンスの影響が少なく、３ｄＢ帯域幅は１０ＧＨｚを達成した。また、従来の同軸型半導体レーザモジュールでは、金属ステム３がグランドに接地されており、隣接する受信側ＰＤモジュールと接触する事で導通し、電気クロストークが劣化してしまう可能性があるのに対し、本実施例の同軸型半導体レーザモジュールでは、金属ステム３を電気的に絶縁する事で隣接する受信側ＰＤモジュールと接触しても電気クロストークが劣化することがない。

図４に従来の同軸型半導体レーザモジュールと本実施例による同軸型半導体レーザモジュールの周囲環境温度が７０℃の時の光ファイバ出力特性を比較して示す。

従来の同軸型半導体レーザモジュールでは、周囲環境温度が７０℃の際、半導体レーザ１の温度が８０℃まで上昇してしまい、発振しきい値電流が増加すると共に、光ファイバ出力も１ｍＷ程度で飽和状態であったが、本実施例による場合は、半導体レーザ１の温度が７４℃に抑えられ、光ファイバ出力が２ｍＷ以上の安定した発振状態が得られた。

本発明の同軸型半導体レーザモジュールを示す横断面図である。 本発明の同軸型半導体レーザモジュールを示す縦断面図である。 従来の同軸型半導体レーザモジュールと本発明実施例の同軸型半導体レーザモジュールの小信号周波数応答特性図である。 従来の同軸型半導体レーザモジュールと本発明実施例の同軸型半導体レーザモジュールの光ファイバ出力特性図である。 従来の同軸型半導体レーザモジュールを示す横断面図である。

符号の説明

１…半導体レーザ
２…誘電体基板
２ａ…表面
２００…ヒートシンク
２００ａ…表面
３…金属ステム
４…支持台
５…貫通孔
６…低融点ガラス
７…リード線
８…リード線
９…Ａｕワイヤ
１０…Ａｕワイヤ
１１…レンズ
１２…レンズキャップ
１３…スリーブ
１４…光ファイバ
１５…フェルール
１６…フェルールホルダ
１７…コープレーナ線路
１７ａ…線路（入力信号用）
１７ｂ…線路（グランド用）
１８…ビアホール
１９…裏面パターン
２０…絶縁性基板

Claims (3)

1. 半導体レーザと、
   表面に上記半導体レーザを搭載するとともに入力信号用線路及びその両側にグランド用線路を配列させたコープレーナ線路を形成してなる高熱伝導率を有する誘電体基板と、
   上記グランド用線路と電気的に絶縁して上記誘電体基板を貫通固定してなる円形状の金属ステムと、
   該金属ステムを介して上記半導体レーザと反対側位置で上記入力信号用線路とグランド用線路に接続されるリード線とから構成された同軸型半導体レーザモジュール。
2. 上記誘電体基板は窒化アルミニウム質セラミックスから構成されていることを特徴とする請求項１記載の同軸型半導体レーザモジュール。
3. 上記誘電体基板の金属ステムを介して半導体レーザと反対側の位置に、上記グランド用線路から厚み方向に貫通したビアホール導体を形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の同軸型半導体レーザモジュール。

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