JP2008124351A - 光電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】実装面積が広く小型化可能な光電変換モジュールを提供する。
【解決手段】光電変換モジュール１は、光電変換素子１０と、電気回路部品と、光電変換素子１０及び電気回路部品を搭載するステム２と、ステム２に被せるキャップ３とを備え、ステム２とキャップ３との間の空間に光電変換素子１０及び電気回路部品を封止する。ステム２は、上記空間内に突出する台座部２１を有し、台座部２１は、光電変換素子１０及び／または電気回路部品を搭載する搭載面と、搭載面と反対の外面と、台座部２１とは電気的に絶縁されて台座部２１を貫通し搭載面と外面とに達する端子２４を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信などに用いられる光電変換モジュールに関する。

光電変換モジュールは、例えば、電気信号を光信号に変換して送信する半導体レーザ（レーザダイオード）等の半導体光素子等を実装して構成される。中でも、小型のものは、ＣＡＮパッケージ内にレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）等を実装して構成されることが多い。このＣＡＮパッケージを用いた光電変換モジュールとしては、例えば、特許文献１及び２に記載のものが知られている。

特許文献１に記載の光電変換モジュールは、ＣＡＮパッケージを構成するステムに設けられた台座部に、ＬＤ及びＬＤを駆動する駆動トランジスタを実装した光送信モジュールである。特許文献１では、ＬＤ及び駆動トランジスタを単一のパッケージに収納して、ＬＤの近傍に駆動トランジスタを実装することで、寄生インピーダンスを小さくし、光信号の歪みの少ない光送信モジュールを実現するようにしている。

また、特許文献２に記載の光電変換モジュールは、ＣＡＮパッケージを構成するステム上に、ＬＤと測温素子とを実装した光送信モジュールである。この光電変換モジュールでは、ＬＤ及び測温素子をステム上に備えることで、光電変換モジュールの外部の熱源による外乱を受けること無くＬＤの温度に応じた電気信号を提供し、これにより高精度な変調電流調整を可能としている。なお、特許文献１及び２に記載の光電変換モジュールにおいては、そのＬＤは、ステムのベース部から突出した台座部に実装される。
特開２００５−３３０１９号公報 特開２００５−６４４８３号公報

近年、光電変換モジュールの更なる小型化の要求がされている。上述のＣＡＮパッケージタイプの光電変換モジュールの台座部は、導電金属で接地導体を兼ねている。そして、この台座部はパッケージ上方から見て断面が略Ｄ字形状をしており、この場合、台座部においてＬＤや駆動トランジスタを実装できる実装面は一面（文字Ｄの縦の直線に相当する面）のみとなる。そのため、大きなＩＣを実装する場合や、ＣＡＮパッケージサイズを小型化する場合には、実装面積に制約が生じてしまい、必要な部品を十分実装することができないことがある。

実装面積を向上させる方法としては、台座部の断面形状を略Ｄ字から略長方形にし、すなわち台座部を板状の長方形ブロックにし、内側と外側の２面に部品を実装することが考えられる。しかし、この場合、ＣＡＮパッケージの台座部の２面に搭載した電気回路部品相互間を接続する配線を設けることができない。この理由は、電気回路部品の接続のためのワイヤボンディングを容易に行うためには、接続端子が同じ面にあることが必要とされているからである。したがって、台座部の断面形状を略長方形にしたとしても、実際には電気部品の実装に使うことができる面積は限られていた。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、実装面積が広く小型化可能な光電変換モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光電変換モジュールは、光電変換素子及び電気回路部品を搭載するステムと、当該ステムに被せるキャップとを備え、ステムとキャップとの間の空間に光電変換素子及び電気回路部品を封止するものである。ステムは、上記空間内に突出する台座部を有し、この台座部は、光電変換素子及び／または電気回路部品を搭載する搭載面と、この搭載面とは反対側の外面と、台座部とは電気的に絶縁されて台座部を貫通し上記搭載面と外面とに達する端子を備えていることを特徴とする。

上記搭載面は、光電変換素子と、この光電変換素子を駆動する駆動回路用部品を搭載し、外面には、光電変換素子の温度を検知する温度センサ用部品を搭載する構成も好ましい。そして、ステムが複数のリードピンを有し、そのリードピンの少なくとも１つが上記外面に面していることが好ましい。

本発明の光電変換モジュールによれば、ステムの台座部の互いに反対面となる２つの面に光電変換素子及び電気回路部品を実装することができ、実装面積が拡大するので、光電変換モジュールの小型化を可能とすることができる。

本発明の光電変換モジュールは、例えば、光電変換素子を備え、その光電変換素子に応じて、光送信モジュールまたは光受信モジュールとして構成される。以下、図１〜図３を参照して、本発明の光電変換モジュールについて、光電変換素子として半導体発光素子（レーザダイオード）を用いた光送信モジュールとして構成した例で説明する。

図１は、本発明による光送信モジュールの一例を示す図で、図１（Ａ）は光送信モジュールの外観を示し、図１（Ｂ）は光送信モジュールの内部構造を、キャップの一部を切り取って示している。図２は、ステムの構造を説明する図で、図２（Ａ）はステムの外観を示し、図２（Ｂ）は説明のために一部を切り取ったステムの外観を示している。図３は、光送信モジュールの内部構造を説明する図で、図３（Ａ）は台座部の内側実装面を示し、図３（Ｂ）は台座部の外側実装面を示している。

本発明による光送信モジュール１は、例えば、図１に示すように、ステム２とキャップ３で形成される空間部分にレーザダイオード（ＬＤ）１０を搭載して構成されるＣＡＮパッケージタイプのものであり、ＬＤ１０からレンズ３ａを介して外部に光信号を送信する。ステム２は、放熱性が高い金属で形成され、ＬＤ１０を搭載する台座部２１と、外部回路に電気接続するためのリードピン（外部接続端子）２２と、これら外部接続端子２２を支持するベース部２３と、を備えている。

ベース部２３は、図２に示すように、外部接続端子２２が貫通する孔２６を有するほか、ＬＤ光をモニタするための半導体受光素子（フォトダイオード）を実装するための傾斜面２５を有する。
台座部２１は、ＬＤ１０を搭載する上述の空間内にステム２（ベース部２３）から突出しており、また、そのステム２に平行な面の断面形状は略長方形とされ（図２参照）。これにより、台座部２１は、ＬＤ１０及び／または後述の電気回路部品を搭載する搭載面２１ａと、搭載面２１ａとは反対の外面２１ｂとの２面を持つことができる。以下、本明細書においては、ステム２の中心側に位置しＬＤ１０などが実装可能な実装面である搭載面２１ａを内側実装面２１ａ、これと反対側の面であって電気回路部品などが実装可能な実装面である外面２１ｂを外側実装面２１ｂとして説明する。

図２に示すように、台座部２１の内側実装面２１ａと外側実装面２１ｂとは互いに背中合せの面で、台座部２１とは電気的に絶縁された貫通端子２４が台座部２１を貫通して、その端部が内側実装面２１ａと外側実装面２１ｂに達するように設けられている。これによって、台座部２１の内側実装面２１ａと外側実装面２１ｂに実装した電気回路部品（及びＬＤ）間の接続を、この貫通端子２４を介してワイヤボンディングによって行うことができる。具体的には、例えば、内側実装面２１ａに実装した電気回路部品から貫通端子２４の内側部分にワイヤリングした後、貫通端子２４の外側部分より外側実装面２１ｂに実装した電気回路部品にワイヤリングすることで実現することができる。

このように、二つの実装面を接続する貫通端子を台座部に設けることで、台座部の両面各々に実装する電気回路部品を互いに電気的に接続することが可能となる。よって、実装する部品の自由度を上げることができ、ＣＡＮパッケージの狭小空間内での電子回路部品等の実装面を拡大できると共に、光送信モジュール（光電変換モジュール）の小型化を達成できる。
なお、台座部２１には、貫通端子２４が貫通する貫通孔２７が設けられている。

以上のような構造のステムを有する本発明の光送信モジュールの構成例について、図１及び図３を用いて詳述する。
図１（Ａ）及び図３（Ａ）に示すように、台座部２１の内側実装面２１ａには、サブマウント１０ａを介してＬＤ１０が実装される。ここで、ＬＤ１０の発光面が必ずしもステム２の中心に一致するとは限らない。敢えて両者の間にオフセットを設けてＬＤ１０を内側実装面２１ａに搭載する場合もある。サブマウント１０ａは、例えば、窒化アルミニウムといった良熱伝導性を示すものの一部に金属パターンを形成したものを用いる。これにより、ＬＤ１０からの熱を、サブマウント１０ａを介して、効率良くステム２に伝えることができる。

図３に示すように、台座部２１の外側実装面２１ｂには、温度依存性の高いＬＤ１０の温度を測定する目的で、温度センサ用部品として測温素子１２を実装することができる。その際ＬＤ実装部の反対面側に実装することで、ＬＤ１０の温度を熱源近傍であるＬＤ実装面の裏側で測定することができ、精度の高い温度情報を得ることができる。光電変換モジュール１は、測温素子１２で得られた温度情報に基づいた電気信号を提供し、これにより高精度な変調電流調整を可能としている。

また、台座部２１の内側実装面２１ａには、ＬＤを駆動する駆動回路用部品である駆動トランジスタ１１を搭載することができる。この結果、ＬＤ１０の近傍に駆動トランジスタ１１を実装することが可能となって、これらを電気的に接続するワイヤを短くすることができ、寄生インピーダンスを小さくすることができる。

その他の抵抗、コンデンサ１３、インダクタ（図示せず）といった電気回路部品は、台座部２１の内側実装面２１ａに実装することができるほか、貫通端子２４を介して台座部２１の外側実装面２１ｂに実装することもできる。ＬＤの出力をモニタするフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）１４は、サブマウント１４ａを介してステム２の傾斜面２５に実装される。
実装された種々の電気回路部品の接続は、ワイヤリングを用いて行う。台座部２１の内側実装面２１ａに実装された電気回路部品から、外側実装面２１ｂに実装された電気回路部品への電気接続は、例えば、貫通端子２４の内側部分にワイヤリングした後、実装面を反転させて貫通端子２４の外側部分から電気回路部品にワイヤリングすることで実現することができる。

ワイヤリングにより全ての電気配線が完了した後、窒素置換された雰囲気中でレンズ付きキャップを、抵抗溶接等を用いてステム２に固定する。これによりＬＤ１０やトランジスタ等のデバイス部品が気密封止される。
図示しないが、本発明の光送信モジュールは、さらに、ファイバを有するスタブと、光コネクタのフェルールをガイドするスリーブなどを備えることができる。この場合、ＬＤを発光させながら光ファイバを最適位置で固定することで、光送信モジュールが完成する。

以上のように、光電変換モジュール（光送信モジュール）において、ＬＤと駆動トランジスタに付随する、抵抗、コンデンサ、インダクタなどを実装する必要がある場合でも、光電変換モジュールを上述のように構成することにより、従来のＤ字形状に比べ実装面積を拡大することが可能となり、ＣＡＮパッケージの小型化が可能となる。

次に、図２に戻って、本発明のステムについて詳しく説明する。上述のように、ステム２は、外部接続端子２２が貫通する孔２６と、ＰＤを実装するための傾斜面２５とが設けられるベース部２３を有する。また、ステム２は台座部２１を有し、その台座部２１には、実装面（内側実装面２１ａと外側実装面２１ｂ）が内外両面に設けられるとともに、その両面に実装された光電変換素子，電気回路部品等を電気的に接続する貫通端子２４を配設する貫通孔２７が設けられている。

外部接続端子２２は、低融点ガラスといった材料を用いて、孔２６に挿入されている部分を気密封止した状態でベース部２３に固定される。ＬＤおよび電気回路部品の実装後に、レンズ付きのキャップを抵抗溶接などでベース部２３に固定することで、ステムとキャップで囲まれる空間は気密封止されるため（図１参照）、デバイス部品を高い信頼性で保護することができる。

台座部２１の貫通孔２７に設けられた貫通端子２４は、上記同様低融点ガラスで固定することができる。また、この部分は気密封止には影響しないため、封止性の低い樹脂といった絶縁材料、具体的には、デバイス部品のダイボンド実装に必要とされる熱に耐えることができる耐熱性の高い樹脂材料であるＰＥＥＫ（ポリ・エーテル・エーテル・ケトン）やガラスエポキシなどを用いることができる。

ステム２，外部接続端子２２及び貫通端子２４の材料は、冷間圧延鋼（ＳＰＣ：Steel Plate Cold）といった鉄系材料や、コバールといった鉄ニッケルコバルト合金系材料を用いることができる。鉄系材料を用いた場合は、ガラスと金属の線膨張係数の差よりコンプレッションシールとなり、鉄ニッケルコバルト合金系材料を用いた場合はガラスと金属の線膨張係数がほぼ等しくできることからマッチドシールとなる。

具体的には、コンプレッションシールの場合、鉄系材料であるＳＰＣをベース材料に用いた場合、封止に用いるガラスはソーダバリウム系ガラスとなり、それぞれの線膨張係数は１３ｐｐｍ／Ｋと７．６ｐｐｍ／Ｋとなる。マッチドシールの場合、鉄ニッケルコバルト合金系材料であるコバールをベース材料に用いた場合、封止に用いるガラスはホウ珪酸系ガラスとなり、それぞれの線膨張係数は５．４ｐｐｍ／Ｋと５．０ｐｐｍ／Ｋとなる。ガラス溶解温度で金属とガラスが接合されるため、常温環境下では線膨張係数の差により応力が生じることになる。そのためコンプレッションシールでは外周材料が高線膨張係数となり、金属がガラスを縮める方向に圧縮応力が生じることになる。

光送信モジュールを低コストで作成するのであれば、ステムなどの材料として安価な鉄系材料を用いるのが好適であり、高温での信頼性が高い光送信モジュールを作成するのであれば、鉄ニッケルコバルト合金系材料を用いるのが好適である。
また、台座部２１についてはＬＤや駆動トランジスタといった多くの熱を発するデバイス部品が実装されることを考慮して、熱伝達特性の高い銅系材料を用いることも（通常は上記鉄系材料）できる。その場合、ベース部２３と台座部２１とは、ろう付けや溶接といった手法で固定することになる。

本発明の光電変換モジュールの一例を示す図である。 ステムの構造を説明する図である。 光送信モジュールの内部構造を説明する図である。

符号の説明

１…光電変換モジュール、２…ステム、３…キャップ、３ａ…レンズ、１０…レーザダイオード（ＬＤ）、１０ａ…サブマウント、１１…駆動トランジスタ、１２…測温素子、１３…コンデンサ、１４…フォトダイオード（ＰＤ）、１４ａ…サブマウント、２１…台座部、２１ａ…内側実装面、２１ｂ…外側実装面、２２…外部接続端子、２３…ベース部、２４…貫通端子、２５…傾斜面、２６…孔、２７…貫通孔。

Claims (3)

1. 光電変換素子及び電気回路部品を搭載するステムと、該ステムに被せるキャップとを備え、前記ステムと前記キャップとの間の空間に前記光電変換素子及び前記電気回路部品を封止する光電変換モジュールであって、
   前記ステムは、前記空間内に突出する台座部を有し、該台座部は、前記光電変換素子及び／または前記電気回路部品を搭載する搭載面と、該搭載面とは反対の外面と、前記台座部とは電気的に絶縁されて前記台座部を貫通し前記搭載面と前記外面とに達する端子を備えていることを特徴とする光電変換モジュール。
2. 前記搭載面は、前記光電変換素子と、該光電変換素子を駆動する駆動回路用部品を搭載し、前記外面には、該光電変換素子の温度を検知する温度センサ用部品を搭載することを特徴とする請求項１に記載の光電変換モジュール。
3. 前記ステムは複数のリードピンを有し、前記リードピンの少なくとも１つは、前記外面に面していることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換モジュール。

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