JP2007208065A

JP2007208065A - 光モジュール

Info

Publication number: JP2007208065A
Application number: JP2006026069A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Fukuda; 圭一福田; Shunichi Kitagaki; 俊一北垣; Hirotoshi Yonezawa; 宏敏米澤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】温度変化に対する基板の反りを抑制し、光素子の発光点の位置ずれを防止し、光素子と光ファイバとの光結合状態の変化を小さくして安定した高性能の光モジュールを提供する。
【解決手段】基板３と、上記基板の一面に装着されたサブマウント２と、上記サブマウント上に装着された光素子１と、上記光素子と光学的に結合され上記基板の一面に装着された光ファイバ５と、上記基板の他面に装着された温度補償ブロック７とを備え、上記温度補償ブロックは、温度変化が生じた際の上記光素子と上記光ファイバとの相対位置を補償する構成とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、ＣＤ（コンパクトディスク）、ＤＶＤ（デジタルビデオディスク）等の光学ピックアップに用いられる光モジュールに関するものである。

従来のリードフレームを用いた光モジュールは、リードフレームの一方の面に発光素子と光ファイバとが装着されている。例えば、半導体レーザからなる発光素子がサブマウント上に搭載され、このサブマウントがリードフレーム上に半田及びこの半田とサブマウントとの濡れ性をよくするために設けられる金属膜とを介して取り付けられている。（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−３０９３１４号公報

光モジュールは、異なった環境温度で動作させた時でも光結合効率の変化が小さいことが要求されるが、上述した従来の光モジュールにおいては、温度変化があった場合、発光素子、サブマウント、リードフレームの線膨張係数の違いによりリードフレームに反りが発生し、従って発光素子の位置も変位するため、発光点位置の変動を避けることができなかった。その結果、発光素子と光ファイバとの相対的な位置関係が変化して両者の光結合状態が変化し、特性が劣化するという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、温度変化が生じた場合でも、発光素子と光ファイバとの相対位置関係を補償して両者の光結合状態の変化を小さくし、安定した高性能の光モジュールを提供することを目的とする。

この発明に係る光モジュールは、基板と、上記基板の一面に装着されたサブマウントと、上記サブマウント上に装着された光素子と、上記光素子と光学的に結合され上記基板の一面に装着された光ファイバと、上記基板の他面に装着された温度補償ブロックとを備え、上記温度補償ブロックは、温度変化が生じた際の上記光素子と上記光ファイバとの相対位置を補償するようにしたものである。

この発明に係る光モジュールは上記のように構成されているため、温度変化に対する基板の反りが抑制され、発光素子の発光点の位置ずれが防止されると共に、発光素子と光ファイバとの相対位置関係が補償され、両者の光結合状態の変化が小さくなるため、安定した高性能の光モジュールを得ることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１による光モジュールの構成を示す概略図である。

図１に示すように光モジュールは、半導体レーザや発光ダイオードなどの光素子である発光素子１をサブマウント２を介して基板となるリードフレーム３の一面に装着すると共に、上記発光素子１と光学的に結合され、発光素子１からの光を外に取り出す受光素子としての光ファイバ５を接着剤６によってリードフレーム３の一面の他の個所に装着している。

また、リードフレーム３の他面の上記サブマウント２に対応した位置に温度補償ブロック７をAgペーストからなる高放熱性接着剤を用いて接着している。
発光素子１は、例えば波長1.3ミクロンで発振するファブリーペローレーザで、外形寸法は0.2mm × 0.2mm、厚さ0.1mmに加工されている。

発光素子１と光接続される光ファイバ５は、例えば直径が125μｍ程度の石英系のシングルモード光ファイバである。サブマウント２の材料は窒化アルミニウムであり、外形寸法は0.5mm × 0.5mm、厚さ0.2mmに形成されている。リードフレーム３の材料は４２アロイで、リードフレーム材料として一般によく使用されている鉄ニッケル合金であり、厚さは0.5mmとされている。

温度補償ブロック７の材料は、窒化アルミニウムであり、外形寸法は0.5mm × 0.5mm、厚さ0.2mmに形成されている。即ち、温度変化に対する応力の変化がサブマウント２と等価となるようにサブマウント２と同じ材料かつ同じ形状とされ、温度補償ブロック７は、サブマウント２と同一の温度特性を有している。
温度補償ブロック７は、温度変化が生じた際の発光素子１と光ファイバ５との相対的な位置関係を補償する。

次に、光モジュールの組立手順について説明する。第１のステップは、図２に示すように、発光素子１をサブマウント２上に予め形成されたAu−Sn合金からなる半田を溶融して実装固定する。

第２のステップは、図３に示すように、発光素子１とサブマウント２とが一体となったものをリードフレーム３の一面にAgペーストからなる高放熱性接着剤にて固定する。
第３のステップは、上記組立体を形成した後、図４に示すように、リードフレーム３の他面のサブマウント２に対応した位置に温度補償ブロック７をAgペーストからなる高放熱性接着剤にて固定する。

第４のステップは、上記組立体を形成した後、図示しないプローブにて発光素子１を駆動させ、光ファイバ５の位置を移動させながら光パワーメータを用いて光ファイバ５へのモニタ出力光を検出し、所望の出力、即ち所望の光結合となった位置で光ファイバ５を接着剤６にてリードフレーム３の一面に固定する。

このようにリードフレーム３の他面のサブマウント２と対応した位置にサブマウント２と同じ材料、同じ形状の温度補償ブロック７を取り付けているため、温度変化があった場合、サブマウント２とリードフレーム３との線膨張係数の違いによるリードフレーム３の反りと、温度補償ブロック７とリードフレーム３との線膨張係数の違いによるリードフレーム３の反りとがほぼ同じ大きさで互いに逆方向となるため打ち消しあってリードフレーム３の反りを抑制する結果、発光素子１の発光点の位置ずれを防止することができ、発光素子１と光ファイバ５との相対位置関係のずれによる光結合状態の変化を小さくすることができる。

ただし、温度補償ブロック７はリードフレーム３の他面のサブマウント２と対応した位置に限らず、他の位置に設けてもよい。また、温度特性を同一にし、温度補償ができるように、温度補償ブロック７の材質及び形状を選択してもよい。

なお、上述した第３のステップにおける温度補償ブロック７のリードフレーム３の他面への実装は、第２のステップの前、即ち発光素子１とサブマウント２とが一体となったものをリードフレーム３の一面に実装する前に行ってもよい。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。図５は、実施の形態２による光モジュールの構成を示す概略図である。この図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、サブマウント２とリードフレーム３との間にヒートスプレッダ４を設けると共に、温度補償ブロック７とリードフレーム３との間に第２の温度補償ブロック８を設けた点である。

即ち、発光素子１の発熱により、発光素子１自体の特性劣化を防止するために熱伝導特性の高い銅を材料としたヒートスプレッダ４を設けたものである。
ヒートスプレッダ４の外形寸法は温度補償ブロック７と同じ0.5mm × 0.5mm、厚さ0.2mmとされている。また、第２の温度補償ブロック８は、材料は銅、外形寸法は0.5mm × 0.5mm、厚さ0.2mmとされ、ヒートスプレッダ４と同じ材料かつ同じ形状とされ、Agペーストからなる高放熱性接着剤で温度補償ブロック７に接着固定されている。
温度補償ブロック７及び第２の温度補償ブロック８は、ヒートスプレッダ４及びサブマウント２の温度特性と同一の温度特性を有する。

次に、実施の形態２の光モジュールの組立手順について説明する。
第１のステップは、実施の形態１と同様に、発光素子１をサブマウント２上に予め形成されたAu−Sn合金からなる半田を溶融して実装固定する。第２のステップは、発光素子１とサブマウント２とが一体となったものをヒートスプレッダ４にAgペーストからなる高放熱性接着剤にて固定する。

第３のステップは、図６に示すように、発光素子１、サブマウント２、ヒートスプレッダ４が一体となったものをリードフレーム３の一面にAgペーストからなる高放熱性接着剤にて固定する。第４のステップは、上記組立体を形成した後、図７に示すように、リードフレーム３の他面のヒートスプレッダ４に対応した位置に温度補償ブロック７と第２の温度補償ブロック８とを接合して一体化したものをAgペーストからなる高放熱性接着剤にて固定する。

第５のステップは、実施の形態１と同様に、上記組立体を形成した後、図示しないプローブにて発光素子１を駆動させ、光ファイバ５の位置を移動させながら光パワーメータを用いて光ファイバ５へのモニタ出力光を検出し、所望の出力、即ち所望の光結合となった位置で光ファイバ５を接着剤にてリードフレーム３の一面に固定する。

このようにリードフレーム３の他面のヒートスプレッダ４と対応した位置にサブマウント２と同じ材料、同じ形状の温度補償ブロック７及びヒートスプレッダ４と同じ材料、同じ形状の第２の温度補償ブロック８を取り付けることにより、温度変化があった場合、サブマウント２及びヒートスプレッダ４によるリードフレーム３の反りと、温度補償ブロック７及び第２の温度補償ブロック８によるリードフレーム３の反りとがほぼ同じ大きさで互いに逆方向となるため、打ち消しあってリードフレーム３の反りを抑制する結果、発光素子１の発光点の位置ずれを防止することができ、発光素子１と光ファイバ５との相対位置関係のずれによる光結合状態の変化を小さくすることができる。

ただし、温度補償ブロック７及び第２の温度補償ブロック８はリードフレーム３の他面のヒートスプレッダ４と対応した位置に限らず、他の位置に設けてもよい。また、温度特性を同一にし、温度補償ができるように、温度補償ブロック７及び第２の温度補償ブロック８の材質及び形状を選択してもよい。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を図にもとづいて説明する。図８は、実施の形態３による光モジュールの構成を示す概略図である。この図において、図５と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図５と異なる点は、温度補償ブロック７と第２の温度補償ブロック８を一体化したものと温度変化に対する応力の変化が等価な単一の温度補償ブロック９を設けた点である。組立手順も第３のステップまでは上述した実施の形態２と同様である。

ここで、各材料の特性について説明する。サブマウント２の材料は窒化アルミニウムであり、線膨張係数は4.6×10^−６/K、（これをα1とする）、縦弾性係数は33700kgf/mm^２（これをE1とする）である。ヒートスプレッダ４の材料は銅であり、線膨張係数は17×10^−６/K、（これをα2とする）、縦弾性係数は12500kgf/mm^２（これをE2とする）である。また、リードフレーム３の材料は４２アロイであり、線膨張係数は4.5×10^−６/K（これをα0とする）、縦弾性係数は13600kgf/mm^２（これをE0とする）である。温度変化時の力の釣り合いを考えると下記式が成り立つ。

ただし、図９に示すように、サブマウント２の縦、横及び厚さ寸法をそれぞれa1、b1、t1、ヒートスプレッダ４の縦、横及び厚さ寸法をそれぞれa2、b2、t2、温度補償ブロック９の縦、横及び厚さ寸法をそれぞれa3、b3、t3、リードフレーム３の厚さ寸法をt0とする。

(α1×△T×E1×a1×t1)×(t0/2＋t2＋t1/2)＋(α2×△T×E2×a2×t2)×(t0/2＋t2/2)＝(α3×△T×E3×a3×t3)×(t0/2＋t3/2)
△Ｔは変化温度である。ここでa1=a2=0.5mm、温度補償ブロック９の寸法a3=0.5mmとして式を整理すると、次のようになる。

α3×E3×t3^２＋α3×E3×t0×t3−(α1×E1×t1×(t0＋t1＋2×t2)＋α2×E2×t2×(t0＋t2))＝0

上記式をもって計算すると、温度補償ブロック９を１個にするには、温度補償ブロック９の材料を銅とした場合、厚みt3は0.352mmであればよい。

このようにして温度補償ブロック９を設計し、第４のステップとしては、実施の形態２と同様に、リードフレーム３の他面のヒートスプレッダ４と対応した位置に温度補償ブロック９をAgペーストからなる高放熱性接着剤にて固定する。

次いで、第５のステップは、実施の形態２と同様に、上記組立体を形成した後、図示しないプローブにて発光素子１を駆動させ、光ファイバ５の位置を移動させながら光パワーメータを用いて光ファイバ５へのモニタ出力光を検出し、所望の光結合となった位置で光ファイバ５を接着剤にてリードフレーム３の一面に固定する。

なお、上記の説明では、温度補償ブロック９の材料として銅を選択したが、銅よりも縦弾性係数が大きい鉄を選択した場合は、鉄の線膨張係数が12.1×10^−６/K、縦弾性係数が21000kgf/mm^２なので、温度補償ブロック９の厚みは0.310mmでよいことになる。

このようにリードフレーム３の他面のヒートスプレッダ４に対応した位置にサブマウント２、ヒートスプレッダ４の材料、外形寸法、剛性から計算される温度補償ブロック９を１個または複数個に分けて取り付けることにより、温度変化があっても全体の厚みを薄くした状態でリードフレーム３の反りを抑制し、発光素子１の発光点の位置ずれを防止することができるので、発光素子１と光ファイバ５との光結合状態の変化を小さくすることができる。

ただし、温度補償ブロック９は他の実施の形態と同様に、リードフレーム３の他面のヒートスプレッダ４と対応した位置に限らず、他の位置に設けてもよい。また、温度特性を同一にし、温度補償ができるように、温度補償ブロック９の材質及び形状を選択してもよい。

この発明の実施の形態１による光モジュールの構成を示す概略図である。実施の形態１における組立ステップの一部を示す説明図である。実施の形態１における組立ステップの一部を示す説明図である。実施の形態１における組立ステップの一部を示す説明図である。この発明の実施の形態２による光モジュールの構成を示す概略図である。実施の形態２における組立ステップの一部を示す説明図である。実施の形態２における組立ステップの一部を示す説明図である。この発明の実施の形態３による光モジュールの構成を示す概略図である。実施の形態３の効果を説明するための説明図である。

符号の説明

１発光素子、２サブマウント、３リードフレーム、
４ヒートスプレッダ、５光ファイバ、６接着剤、
７、８、９温度補償ブロック。

Claims

基板と、上記基板の一面に装着されたサブマウントと、上記サブマウント上に装着された光素子と、上記光素子と光学的に結合され上記基板の一面に装着された光ファイバと、上記基板の他面に装着された温度補償ブロックとを備えたことを特徴とする光モジュール。
温度補償ブロックは、温度変化が生じた際の光素子と光ファイバとの相対位置を補償することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
温度補償ブロックは、基板の一面のサブマウントに対応した位置に装着されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光モジュール。
温度補償ブロックは、サブマウントと同一の温度特性を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光モジュール。
温度補償ブロックは、サブマウントと同一の材料で同一の形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光モジュール。
基板とサブマウントとの間にヒートスプレッダを設けたことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
温度補償ブロックは、ヒートスプレッダ及びサブマウントの温度特性と同一の温度特性を有することを特徴とする請求項６に記載の光モジュール。
温度補償ブロックは、ヒートスプレッダと同一の材料で同一の形状に形成されたブロック及びサブマウントと同一の材料で同一の形状に形成されたブロックを接合して形成されていることを特徴とする請求項６に記載の光モジュール。