JP2005210092A - 光送信モジュール - Google Patents

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秀一 永井
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啓之 酒井
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Seiichiro Tamai
誠一郎 玉井
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Abstract

【課題】基板上に発光素子と駆動素子を近接配置し、且つ従来のものより簡易に製造することができる光送信モジュールを提供する。
【解決手段】発光素子12と、発光素子12から出射された後方光をモニターするモニタ用受光素子14とを基板11の主表面上に配置し、発光素子12とモニタ用受光素子14との間の基板部位に形成された凹部117の底部に駆動素子13を搭載し、駆動素子13の頂部を、発光素子12の後方光発光点と受光素子12の受光点とを結ぶ直線よりも低く位置させている。
【選択図】 図3

Description

本発明は、高速光ファイバ通信に用いられる光送信モジュールに関し、特に光送信モジュールの低コスト化に関する。
一般的な光送信モジュールは、基板上に発光素子と、発光素子から出射される後方光をモニタする受光素子と、発光素子を駆動する駆動素子とが配置されて成り、当該基板には、各素子を電気的に接続する配線パターンが形成されている。
ところで、駆動素子と発光素子とを接続する配線パターンには、発光素子を高速駆動させるための高周波電流が流れるため、高周波電流に影響を与える寄生インダクタンス及び寄生容量を考慮して光送信モジュールを設計する必要がある。
下記の特許文献1に開示されている発光装置は、発光素子、駆動素子、受光素子をこの順に基板上に配置し、発光素子の後方光が、基板に形成された光ガイド溝によって駆動素子を迂回して受光素子に導かれるようにしている。この構成により、発光素子と駆動素子を近接配置することができるので、発光素子と駆動素子を接続する配線パターンの長さを短縮することができる。すなわち、当該配線パターンに生じる寄生インダクタンス及び寄生容量を小さくすることができる。
図14は、上記特許文献に開示されている発光装置の平面図であり、図15は当該発光装置の断面図である。
発光装置2000は、LD(発光素子)2002、IC(駆動素子)2003、PD(モニタ用受光素子)2004がこの順で基板2010上に配置され成る。
LD2002の後方光2006が、IC2003を迂回してPD2004の受光部2007に到達するように、基板2010には、光ガイド溝2005が形成されている。
特開2002−151782号公報
しかしながら、上記特許文献の発光装置2000を製造するには、LD2002から発光された後方光2006を、光ガイド溝2005を介してPD2004の受光部2007に受光させるために、LD2002及びPD2004の配置位置を精密に調整する必要があり、また、光ガイド溝2005を精密に形成しなければならないので、量産性や製造コストの面で問題がある。
そこで、本発明は、基板上に発光素子と駆動素子を近接配置して、発光素子と駆動素子とを接続する配線パターンの短縮を実現しつつ、上記特許文献に開示されている発光装置より簡易に製造することができる光送信モジュールを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る光送信モジュールは、発光素子と、発光素子から出射される後方光をモニターする受光素子と、発光素子を駆動する駆動素子とが基板上に配置されて成る光送信モジュールであって、前記駆動素子は、前記発光素子と前記受光素子との間に配置され、その頂部を、発光素子の後方光発光点と前記受光素子の受光点とを結ぶ直線よりも低く位置させてあることを特徴とする。
上記構成の光送信モジュールは、発光素子の後方光が駆動素子の頂部を通過するように発光素子と駆動素子とが近接配置されており、発光素子と駆動素子とを接続する配線パターンを短縮することができる。また、上記特許文献に開示されている発光装置のように各素子の配置位置の精密調整や、光ガイド溝等を基板に精密に形成する必要がないので、より低コストで製造することができる。
また、上記光送信モジュールは、前記発光素子と前記受光素子との間の基板部位に凹部が形成され、当該凹部の底面に前記駆動素子が配置されているとしてもよいし、前記駆動素子の前後の基板部位に凸部が形成され、前側に形成された凸部の頂面に前記発光素子が配置され、後側に形成された凸部の頂面に前記受光素子が配置されているとしてもよい。
この構成により駆動素子は、発光素子や受光素子より低い位置に配置されているので、発光素子の後方光を駆動素子が遮らないようにすることが可能である。
また、前記凹部の深さは、凹部の底面に配置された前記駆動素子の頂部から底面までの距離と概略同じであり、前記基板上には、発光素子と駆動素子とを電気的接続するための配線パターンが形成され、当該配線パターンと駆動素子とが導線で接続されているとしてもよい。
この構成により、頂部に電極を有する駆動素子と基板上に形成された配線パターンとを接続する導線の長さを従来より短くすることができる。
また、前記導線はリボンワイヤであってもよい。
この構成により、高周波特性のよい接続を実現することができる。
また、前記発光素子の後方光発光側の基板部位に凹部が形成され、当該凹部の底面に前記駆動素子と前記受光素子とが配置されているとしてもよい。
この構成により、発光素子の後方出射光に合わせて受光素子の受光面の高さ位置を凹部の深さで調整することができる。
また、前記駆動素子には、前記後方光を通過させるための溝が形成されているとしてもよい。
この構成により、発光素子の後方光を遮ることなく、駆動素子を発光素子に近接配置することができる。
また、本発明に係る光送信モジュールは、第1基板上に発光素子と、発光素子を駆動する駆動素子とが配置されて成る光送信モジュールであって、前記発光素子の後方光発光側の第1基板部位に凹部が形成され、当該凹部の底面に前記駆動素子が配置され、前記凹部に第2基板を被せ、第2基板上に、前記発光素子から出射される後方光をモニターする受光素子が配置されているとしてもよいし、基板上に発光素子と、発光素子を駆動する駆動素子とが配置されて成る光送信モジュールであって、前記発光素子の後方光発光側の基板部位に凹部が形成され、当該凹部の底面に前記駆動素子が配置され、当該駆動素子の頂部に、前記発光素子から出射される後方光をモニターする受光素子が配置されているとしてもよい。
これらの構成により、従来の光送信モジュールより、発光素子と駆動素子を近接配置することができるので、発光素子と駆動素子とを接続する配線パターンを短くすることができる。
また、駆動素子頂部に受光素子を配置しているため、発光素子と受光素子とを近接配置することができ、受光素子は測定するのに十分な光量の光を発光素子から受光することができる。更に、光送信モジュールを従来より小型にすることができる。
以下、本発明に係る光送信モジュールについて、図面を用いて説明する。
<実施形態1>
図1は、実施形態1の光送信モジュールを示した立体斜視図であり、図2は図1に示した光送信モジュールの平面図である。また、図3は、図2に示したA−A’軸で光送信モジュールを垂直に分断した断面図である。
光送信モジュール1は、基板11、発光素子12、駆動素子13、モニタ用受光素子14、ワイヤ21〜28で構成される。
図1に示すように、発光素子12、駆動素子13、モニタ用受光素子14は、この順に、基板11の前側から一列に、基板11上に配置されている。
基板11に配置される各素子は、各辺が200〜400ミクロン程度の微小素子である。
基板11は、Si基板であり、V溝110、配線パターン111〜113、ビア114〜116及び凹部117が形成されている。
V溝110は、外径125ミクロンの光ファイバを配置するために形成されたV形状に切り欠いた溝であり、通常、マスクアライメント装置(図示せず)及びエッチング装置(図示せず)を用いて形成される。
半導体基板の結晶構造の特性上、溝幅によって一義的にエッチング溝の角度が決まるので、V溝110の溝の深さは、溝幅の大きさで調整することができる。
凹部117は、その底面に駆動素子13を配置するために形成された矩形状の凹みである。その大きさは、駆動素子13の大きさに応じて決定されている。
発光素子12は、前方発光点122、後方発光点123、電源電極121、グランド電極(図示せず)を有する端面発光型の半導体レーザである。
発光素子12は積層構造を成しており、表面に電源電極121、裏面にグランド電極が形成されており、前方発光点122、後方発光点123を含む発光層(活性層)は、電源電極121側に形成されている。
発光素子12は、電源電極121を上にして、グランド電極と基板11上の配線パターン112とを半田接合する、いわゆるジャンクションアップ方式で基板11上に実装されている。
電源電極121は、ワイヤ22によって配線パターン111と接続されている。
発光素子12は、前方発光点122及び後方発光点123から光を出射する。その光量は、駆動素子13から送られてくる高周波電流に応じて変化する。
前方発光点122から出射された光は、V溝110に配置される光ファイバ(図示せず)の端面に入射し、後方発光点123から出射された光は、凹部117に配置された駆動素子13の頭上を通過して、駆動素子13後方に配置されるモニタ用受光素子14の前側面にある受光部141に入射する。
図3に後方光軸1200及び前方光軸1201を示す。
駆動素子13は、高周波電流を発光素子12に送って発光素子12を駆動させるICチップであり、モニタ用受光素子14が検出した発光素子12の後方光の出力強度に応じて、発光素子12に供給する電流量を調整し、発光素子12の光出力を一定に保つようにするAPC(Automatic Power Control)機能を備える。
駆動素子13は、その頂部に6つの端子を有する。
端子131は、ワイヤ21によって配線パターン111と接続されており、発光素子12に高周波電流を供給する。
端子132は、電源入力端子であり、ワイヤ22によって、ビア114と接続されている。
端子133は、グランド端子であり、ワイヤ23によって、配線パターン112と接続されている。
端子134は、モニタ用受光素子14から、受光によって生じた起電流を受け付ける端子であり、ワイヤ24によって、配線パターン113と接続されている。
端子135は、制御信号入力端子であり、ワイヤ25によって、ビア115と接続されている。
端子136は、制御信号出力端子であり、ワイヤ26によって、ビア116と接続されている。
駆動素子13を凹部117の底面に配置することにより、駆動素子13が後方光軸1200を遮らない様にすることができ、且つ駆動素子13の各端子と基板11上の配線パターン又はビアとを接続するワイヤを短縮できるという利点がある。
この利点について、図4及び図5を用いて説明する。
図4は、基板11a上に配置されたチップ13aの端子131aと、基板11a上の電極パット111aとをワイヤボンディングする状況を示した図である。
ワイヤボンディングには、先端が円錐形状のキャピラリと呼ばれるワイヤボンディング専用ツールが用いられる。ワイヤの材料には、主にAu(金)が用いられる。
図4に示す端子131aと電極パット111aとのワイヤ接続間は、ワイヤ20aの曲線部分201aが急激な曲線角度を描かないようにし、また、キャピラリ31がチップ13aに接触しないようにするために、ある程度の距離がとられている。
曲線部分201aが急激な曲線角度を描くと、ワイヤ20aが切断する可能性が高くなる。また、キャピラリ31がチップ13aに接触するとチップ13aを破壊する恐れがある。
図5は、基板11b上に形成された凹部に配置されたチップ13bの端子131bと、基板11b上の電極パット111bとをワイヤボンディングした状況を示す図である。
図5に示すように、端子131bと電極パット110bのワイヤ接続間の高低差が小さいので、ワイヤ20bの曲線部分201bは緩やかな曲線角度を描く。また、キャピラリ31がチップ13bに接触することもないので、接続間距離を短縮することができる。すなわち、ワイヤ20bの長さを短縮することができ、また、基板面積を縮小することができる。
モニタ用受光素子14は、前側面に受光部141、頂部に電極142、底部にグランド電極(図示せず)を有するフォトダイオードである。
電極142は、ワイヤ28によって配線パターン113と接続されている。
モニタ用受光素子14のグランド電極は、配線パターン112と半田接続されている。
上述の光送信モジュール1は、発光素子と駆動素子が近接配置されているので、配線パターン111を短縮することができ、配線パターン111に生じる寄生インダクタンス及び寄生容量を小さくすることができる。また、基板11の凹部117底面に駆動素子13を配置することで、駆動素子13が、発光素子12の後方発光点123から発光された後方光を遮らないようにすることができる。
光送信モジュール1は、上述の特許文献に開示されている発光装置のように、発光素子と受光素子の精密な配置位置調整や、光ガイド溝等を必要としないため、極めて簡易に低コストで製造することができる。
<実施形態2>
発光素子後方から出射される光強度が弱い場合、モニタ用受光素子を発光素子に接近させて配置しなければならない場合がある。
以下に、発光素子と駆動素子を接続する配線パターンを短くしつつ、発光素子とモニタ用受光素子を近接配置した実施形態2の光送信モジュールについて説明する。
図6は、実施形態2の光送信モジュールの分解斜視図であり、図7は、図6に示した光送信モジュールの平面図である。また、図9は、図7に示したB−B’軸で光送信モジュールを垂直に分断した断面図である。
光送信モジュール1Aは、基板11A、発光素子12、駆動素子13、モニタ用受光素子14、サブ基板51及びワイヤ27A、28Aで構成される。
光送信モジュール1Aが、実施の形態1で説明した光送信モジュール1と異なる点は、光送信モジュール1の基板11より長手方向が短い基板11Aと、サブ基板51を用いている点である。
基板11AはSi基板であり、V溝110A、配線パターン111A、112A、ビア114A〜116A及び凹部117Aが形成されている。
基板11Aは、実施形態1の基板11のように駆動素子13の配置位置後方にモニタ用受光素子14が配置されないので、その分、基板11より長手方向を短くすることができる。
サブ基板51は、駆動素子13が基板11Aの凹部117底面に配置された後、凹部117に蓋をする形で基板11Aに配置される。
図8は、サブ基板51の裏平面を示す平面図である。
サブ基板51の表平面には、配線パターン511、512が形成されている。
サブ基板51の裏平面には、配線パターン514〜518及びビア513、519が形成されている。ビア513は、表平面の配線パターン511とつながっており、ビア519は、表平面の配線パターン512とつながっている。
配線パターン511は、モニタ用受光素子14のグランド端子と半田接合され、また、ビア513を介して配線パターン112Aと半田接合される。
配線パターン512は、電極142とワイヤで接続され、また、ビア519を介して端子134と半田接合される。
配線パターン514は、端子133及び配線パターン112Aと半田接合される。
配線パターン515は、端子132及びビア114Aと半田接合される。
配線パターン516は、端子131及び配線パターン111Aと半田接合される。
配線パターン517は、端子136及びビア116Aと半田接合される。
配線パターン518は、端子135及びビア115Aと半田接合される。
実施形態2の光送信モジュール1Aは、モニタ用受光素子14が発光素子12の直後に配置されるため、モニタする後方光を十分に受光することができ、また、光送信モジュール1より小型にすることができる。
また、サブ基板51を用いることで、高周波特性が悪いワイヤの接続数を減らすことができる。
<その他の変形例>
本発明は上述の実施形態1及び実施形態2の光送信モジュールに限定されない。以下に説明する変形例に係る光送信モジュールも本発明に含まれる。
<変形例1>
図10は、変形例1の光送信モジュールの立体斜視図である。
光送信モジュール1Bは、基板11A、発光素子12、駆動素子13B、モニタ用受光素子14、ワイヤ21B、23B、27A、28Bで構成される。
光送信モジュール1Bが、実施形態2の光送信モジュール1Aと異なる点は、サブ基板51を用いずに、モニタ用受光素子14を駆動素子13Bの頂部に直接配置している点である。
基板11Aは、実施形態2で説明したものと同じである。
駆動素子13Bは、実施形態1及び実施形態2で説明した駆動素子13と同様の機能を有し、端子131、132、133B、134、135、136を有する。
端子133Bは、グランド端子であり、ワイヤ23Bによって、配線パターン112Aと接続され、モニタ用受光素子14のグランド電極と半田接合される。
端子134は、ワイヤ24によって電極142と接続されている。
<変形例2>
図11は、変形例2の光送信モジュールの立体斜視図である。
光送信モジュール1Cは、基板11C、土台基板60、土台基板61、発光素子12、駆動素子13C、モニタ用受光素子14、ワイヤ27C及びワイヤ28Cで構成される。
上述の各実施形態及び変形例と異なる点は、基板に凹部を形成する代わりに、駆動素子13Cの配置位置前後の基板部位に土台基板60、61を配置して、土台基板60の上に発光素子12を、土台基板61の上にモニタ用受光素子14を配置している点である。
駆動素子13Cは、下面に端子を有するBGA(Ball Grid Array)型チップであり、基板11Cの主表面上の配線パターン(図示せず)と半田接合されている。
土台基板60はSi基板であり、その主表面には光ファイバを配置するV溝110C、ビア111C、グランド電極(図示せず)が形成されている。
ビア111Cは、土台基板60の裏面に通じており、基板11Cの主表面に形成されている配線パターン(図示せず)と半田接合されている。その配線パターンは、駆動素子13Cの高周波電流供給端子と接続されている。
グランド電極(図示せず)には、発光素子12が配置されて、半田接合される。
土台基板61はSi基板であり、その主表面にはビア113C及び電源電極(図示せず)が形成されている。
ビア113Cは、土台基板61の裏面に通じており、基板11Cの主表面に形成されている配線パターン(図示せず)と半田接合されている。その配線パターンは、駆動素子13Cの起電流入力端子に接続されている。
<変形例3>
図12は、変形例3の光送信モジュールの立体斜視図である。
光送信モジュール1Dは、基板11D、発光素子12、駆動素子13D、モニタ用受光素子14、ワイヤ27D及びワイヤ28Dで構成される。
上述の各実施形態及び変形例と異なる点は、駆動素子13Dの頂部のモールド樹脂部分に、発光素子12の後方光を通過させるための溝70が形成されている点である。
駆動素子13Dは、下面に端子を有するBGA型チップであり、基板11Dの主表面上の配線パターン(図示せず)と半田接合されている。
基板11Dは、Si基板であり、その主表面にはビア111D、グランド配線パターン112D、ビア113D等が形成されている。
発光素子12は、ワイヤ27Dによってビア111Dと接続されており、受光素子14は、ワイヤ28Dによってビア113Dと接続されている。また、発光素子12のグランド電極と受光素子14のグランド電極は、グランド配線パターン112Dと接続されている。
<変形例4>
図13は、変形例4の光送信モジュールの立体斜視図である。
光送信モジュール1Eは、基板11E、発光素子12、駆動素子13、モニタ用受光素子14E、ワイヤ21E〜28Eで構成される。
基板11EはSi基板であり、V溝110、配線パターン111、112、ビア114(図示せず)、115E、116E及び凹部117Eが形成されている。
凹部117Eは、その底面に駆動素子13とモニタ用受光素子14Eを配置するために形成された矩形状の凹みである。その大きさは、駆動素子13とモニタ用受光素子14Eの大きさに応じて決定されている。
上述の各実施形態及び変形例と異なる点は、基板11Eに形成された凹部117Eの底部に、駆動素子13とモニタ用受光素子14Eが配置されている点である。
<補足>
(1)本発明に係る光送信モジュールに備わる各素子間を接続する電気的接続配線として、高周波特性が良いコプレーナ線路、マイクロストリップ線路等を用いてもよいし、素子間を接続するワイヤとして、リボンワイヤを用いてもよい。これにより、寄生インダクタンスを小さくすることができる。
(2)基板に凹部を設けて、その凹部の底部に素子を配置することで、素子の上部に形成されている電極と基板上の配線パターンとの高低差を縮める方法は、光送信モジュール以外の高周波モジュールの回路実装に適用することができる。
(3)本発明に係る光送信モジュールに用いられる基板は、半導体基板に限らず、例えば、セラミック、金属等を材料とする基板であってもよい。
(4)本発明に係る光送信モジュールは、アクティブアライメント方式で製造されるものであってもよい。
(5)本発明に係る光送信モジュールに用いられる基板に、V溝が形成されてなくてよい。
(6)上述の各実施の形態及び変形例では、発光素子をジャンクションアップの状態で実装していたが、ジャンクションダウンの状態で実装してもよい。ジャンクションダウンとは、積層構造体である半導体レーザの発光層(活性層)に近い側の外面(以下、「表面」と言い、当該表面に対して反対側の外面を「裏面」と言う。)を下(半導体基板側)にした状態のことであり、当該表面と半導体基板とを接合することをジャンクションダウン実装という。反対に、ジャンクションアップとは、半導体レーザの表面を上にした状態のことであり、半導体レーザの裏面と半導体基板とを接合することをジャンクションアップ実装という。
(7)実施形態2の光送信モジュール1Aにおいて、サブ基板51は、凹部117A全体を覆う大きさであったが、一部だけを覆う大きさであってもよい。
(8)基板に形成された凹部の底面に配置される駆動素子の高さと、凹部の深さは、概略同じ距離であることが望ましいが、そうでなくてもよい。
本発明は、高速光ファイバ通信に用いられる光送信モジュールに適用することができる。
実施形態1の光送信モジュールの立体斜視図である。 実施形態1の光送信モジュールの平面図である。 実施形態1の光送信モジュールの断面図である。 ワイヤボンディングを説明するための図である。 ワイヤボンディングを説明するための図である。 実施形態2の光送信モジュールの分解斜視図である。 実施形態2の光送信モジュールの平面図である。 サブ基板51の裏面を示す平面図である。 実施形態2の光送信モジュールの断面図である。 変形例1の光送信モジュールの立体斜視図である。 変形例2の光送信モジュールの立体斜視図である。 変形例3の光送信モジュールの立体斜視図である。 変形例4の光送信モジュールの立体斜視図である。 特許文献に開示されている発光装置の平面図である。 特許文献に開示されている発光装置の断面図である。
符号の説明
1、1A、1B、1C、1D、1E 光送信モジュール
11、11A、11B、11C、11D、11E 基板
12 発光素子
13、13B、13C、13D 駆動素子
13a、13b チップ
14、14E モニタ用受光素子
21〜29、20a、20b ワイヤ
31 キャピラリ
51 サブ基板
60、61 土台基板
70 溝
110、110A、110C、110D V溝
111、112、113、511、512 配線パターン
117、117E 凹部
122、123 発光点
131〜136 端子
141 受光部

Claims (9)

  1. 発光素子と、発光素子から出射される後方光をモニターする受光素子と、発光素子を駆動する駆動素子とが基板上に配置されて成る光送信モジュールであって、
    前記駆動素子は、前記発光素子と前記受光素子との間に配置され、その頂部を、発光素子の後方光発光点と前記受光素子の受光点とを結ぶ直線よりも低く位置させてあることを特徴とする光送信モジュール。
  2. 前記発光素子と前記受光素子との間の基板部位に凹部が形成され、当該凹部の底面に前記駆動素子が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。
  3. 前記凹部の深さは、凹部の底面に配置された前記駆動素子の頂部から底面までの距離と概略同じであり、前記基板上には、発光素子と駆動素子とを電気的接続するための配線パターンが形成され、当該配線パターンと駆動素子とが導線で接続されていることを特徴とする請求項2に記載の光送信モジュール。
  4. 前記導線はリボンワイヤであることを特徴とする請求項3に記載の光送信モジュール。
  5. 前記発光素子の後方光発光側の基板部位に凹部が形成され、当該凹部の底面に前記駆動素子と前記受光素子とが配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。
  6. 前記駆動素子の前後の基板部位に凸部が形成され、前側に形成された凸部の頂面に前記発光素子が配置され、後側に形成された凸部の頂面に前記受光素子が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。
  7. 前記駆動素子には、前記後方光を通過させるための溝が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の光送信モジュール。
  8. 第1基板上に発光素子と、発光素子を駆動する駆動素子とが配置されて成る光送信モジュールであって、
    前記発光素子の後方光発光側の第1基板部位に凹部が形成され、当該凹部の底面に前記駆動素子が配置され、
    前記凹部に第2基板を被せ、第2基板上に、前記発光素子から出射される後方光をモニターする受光素子が配置されている
    ことを特徴とする光送信モジュール。
  9. 基板上に発光素子と、発光素子を駆動する駆動素子とが配置されて成る光送信モジュールであって、
    前記発光素子の後方光発光側の基板部位に凹部が形成され、当該凹部の底面に前記駆動素子が配置され、当該駆動素子の頂部に、前記発光素子から出射される後方光をモニターする受光素子が配置されている
    ことを特徴とする光送信モジュール。
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