JP2008226988A - 光電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】既存のステムを用いるＣＡＮパッケージを採用するものであって、光電変換素子と回路装置を実装する実装領域を当該パッケージ内に有し、実装領域のシグナルグラウンドとステムベース及びＣＡＮパッケージの電位（ケース電位）とが分離されている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（ＬＤ）４とＬＤ４に接続される回路装置５とをパッケージに封止して構成される。パッケージを構成するステム部２は、光電変換モジュール１を外部電気回路と接続するリード２２を取付けたステムベース２３と、ＬＤ４及び回路装置５を実装するための絶縁材料で形成した実装部２１と、を有する。実装部２１は、ＬＤ４、回路装置５及びリード２２と接続する電極２１ａを有し、電極２１が、ステムベース２３とは電気的に絶縁されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光信号の送受信に用いられる、光電変換機能を有する光電変換モジュールに関する。

光電変換モジュールのうち、光送信モジュールは、電気信号を光信号に変換して送信するレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）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パッケージ内に半導体発光素子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送信モジュールとしては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。

特許文献１に記載の光送信モジュールは、金属製のＣＡＮパッケージを構成するステム上に、ＬＤ及び当該ＬＤを駆動する駆動用トランジスタ等を実装している。この光送信モジュールは、ＬＤ及びその駆動用トランジスタ等を単一のパッケージに収納し近接させて実装することで、ＬＤと駆動用トランジスタとの間などの寄生インピーダンスを小さくし、１０Ｇｂｐｓ程度の伝送速度の動作でも良好な波形特性が得られるようにしたものである。

なお、光送信モジュールのＣＡＮパッケージに用いられるステムは、特許文献１に記載のもののように構成されていることが多く、具体的には、金属製の円板状のステムベースと、外部電気回路に電気接続する金属製のリードとを有し、リードを挿通固定するための孔をステムベースに形成しておき、一部又は全てのリードを当該孔にガラス封止し、必要であれば一部のリード（ケースリード）をステムベースに溶接接続または銀ろう付け接続して構成される。

特許文献１の光送信モジュールにおいては、ＬＤや駆動トランジスタ等の回路装置と、高周波信号が伝搬するシグナルグラウンドとの接続は、ケースリード及びステムベースを介して行われており、ステムベース（すなわちＣＡＮパッケージ）がシグナルグラウンドに電気的に接続されている。この光送信モジュールのＣＡＮパッケージに光コネクタをガイドする金属製のスリーブを調芯固定し、送信用光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ：Transmitting Optical Sub-Assembly）として構成した場合、スリーブまでがシグナルグラウンドと同電位となる。したがって、そのＴＯＳＡを光リンク等に実装した場合、光リンクのレセプタクル内に搭載されたＴＯＳＡのスリーブより、高周波信号が放射されてしまうことがあった。

この問題を解決するために、図５に示すように、ＬＤ４等を実装した光送信モジュール１００とスリーブ１１０の間にジョイントスリーブ１２０を設け、ジョイントスリーブ１２０を上金属蓋１２１及び下金属リング１２２と絶縁リング１２３から成る３体構造とし、２つの金属部品の間に絶縁材を介在させている（例えば、特許文献２）。これにより、ステムベース２３がシグナルグラウンドに電気的に接続されていても、ステムベース２３からの高周波信号が絶縁リング１２３で遮断されるので、スリーブ前方１１１からの電波の放射を抑制できるようにしている。

また、特許文献３には、光電変換素子であるＬＤを駆動するドライバＬＳＩ等の電子部品をＣＡＮパッケージ内に実装するために、ＬＤや電子部品のための配線を形成したセラミックス基板をステムに貫通させて固着させた光送信モジュールが開示されている。この光送信モジュールでは、セラミックス基板に形成された配線と、ステムとは、電気的に絶縁されているので、ステム（すなわち光送信モジュールのＣＡＮパッケージ）とシグナルグラウンドとは絶縁されている。そのため高周波信号がステムに伝わることがないため、金属製のスリーブをＣＡＮパッケージに調芯固定した場合でも電波の放射源とはならない。
特開２００５−３３０１９号公報 特開２００６−８４６８３号公報 特開２００３−２２９６２９号公報

しかし、光送信モジュールを、特許文献２に記載のＴＯＳＡのように構成した場合、ジョイントスリーブ１２０を構成する金属製の上金属蓋１２１及び下金属リング１２２の２点と、絶縁リング１２３の１点は、圧入により固定される。その際の圧入力を所定値とするためには、各部品の寸法精度を数μｍ単位で制御することが必要となってくるため、部品加工の管理レベルが上がってしまい、コスト増の要因となる。またこれら３つの部品は、それぞれ圧入する（１つ１つアセンブリする）必要があるため、大量に生産するには圧入を行うための治具類が多数必要となり、量産に対する設備投資が必要となりコスト増の要因となる。

また、特許文献３に記載の光送信モジュールでは、部品構造が複雑なため、安価に部品を製造することが困難な上、そのパッケージ（特に、ステム）の構造が従来のＣＡＮパッケージ（例えば、特許文献１のもの）との構造と大きく異なることから、既存の製造設備を用いることは困難となり、製造における新規の設備投資がより必要となる。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、既存のステムを用いるＣＡＮパッケージを採用するものであって、光電変換素子と回路装置を実装する実装領域を当該パッケージ内に有し、実装領域のシグナルグラウンドとステムベース及びＣＡＮパッケージの電位（ケース電位）とが分離されている光電変換モジュールを提供することを目的とする。

本発明の光電変換モジュールは、光電変換素子とその光電変換素子に接続される回路装置とをパッケージに封止して構成したものであって、パッケージは、ステム部とキャップ部からなり、ステム部は、光電変換モジュールを外部電気回路と接続するリードを取付けたステムベースと、光電変換素子及び回路装置を実装するための絶縁材料で形成した実装部と、を有し、実装部が、光電変換素子、回路装置及びリードと接続する電極を有し、その電極が、ステムベースとは電気的に絶縁されていることを特徴とする。

また、リードの端部が、ステムベースのリードの取付け部においてパッケージ内部に突出し、その一部は実装部とステムベースとの取付け時に位置決めガイド部として機能すると共に、位置決めガイド部が実装部の電極との接続部として機能することが好ましい。
なお、光電変換素子及び回路装置が、実装部にフリップチップ実装されることも好ましい。

本発明の光電変換モジュールによれば、光電変換素子等を実装する実装部をステムベース上に絶縁材料で形成し、光電変換素子等と接続する電極を、ステムベースと電気的に絶縁されるように実装部に形成することにより、ケース電位とシグナルグラウンドとを分離することができるので、ＥＭＣ特性の向上を安価な構造で達成することができる。

図１は、本発明による光電変換モジュールの概略を説明する外観図である。本発明の光電変換モジュールは、光電変換機能を有するが、その光電変換機能を担い且つ当該光電変換モジュールに備えられる光電変換素子としては、レーザダイオード（ＬＤ）や、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）等が挙げられる。以下では、本発明の光電変換モジュールについて、ＬＤを備える光送信モジュールとして構成した例で説明する。

光送信モジュール（光電変換モジュール）１は、例えば、半導体発光素子（ＬＤ）を実装したステム２とキャップ３とから成るＣＡＮパッケージを、パッケージとして用いるものであり、ステム２上のＬＤからキャップ３に搭載されたレンズ３ａを介して光信号を集光して外部に設置される光コネクタの光ファイバに送信する。
なお、以下の説明では、レンズ３ａを備える側を前方とし、その反対側を後方とする。また、前後方向に直交する方向のうち図１のＹ方向を左右方向とし、図１のＺ方向を上下方向とする。

ステム２は、光電変換モジュールを外部電気回路と電気接続するための複数のリード２２と、これらリード２２を取付けＬＤを実装するステムベース２３と、を備えている。キャップ３は、ＬＤを気密封止するようにステムベース２３に装着される。なお、リード２２は金属で形成されているが、後述するように、金属製のステムベース２３に形成された孔に挿入された状態でガラス封止されており、ステムベース２３すなわちＣＡＮパッケージとは電気的に絶縁されている。

図２は、本発明による光送信モジュールを説明する図で、図２（Ａ）は光送信モジュールの構成部品を示し、図２（Ｂ）はこれら構成部品が互いに実装された状態を示しており、図中、ステム２に取付けられるキャップ３（図１参照）は省略されている。
光送信モジュール１は、例えば、電気信号を光信号に変換するＬＤ４と、このＬＤ４に接続される回路装置５とをＣＡＮパッケージに封止して構成される。なお、回路装置５とは、例えば、ＬＤ４を高周波で駆動するためのトランジスタ５１やチップ部品５２である。また、光電変換素子として本例とは異なりＰＤを用い光電変換モジュールを受光モジュールとして構成した場合、ＰＤからの電気信号を増幅する増幅器も回路装置に含まれる。

ステム２は、リード２２が取付けられるステムベース２３上に、ＬＤ４やトランジスタ５１等を実装するための絶縁材料で形成された実装部２１を有する。ステム２の実装部２１には、ステムベース２３とは電気的に絶縁された電極２１ａが形成される。また、ＬＤ４からの出力光の波形が高周波であっても良好となる電気回路が光送信モジュール１に形成されるように、ステム２の実装部２１上のＬＤ４と回路装置５がワイヤリングや半田付けなどにより電気的に接続される。また、実装部２１上のＬＤ４と電極２１ａ、回路装置５同士、及び回路装置５と電極２１ａ、並びに、電極２１ａとリード２２及び回路装置５とリード２２とが、同様にワイヤリングや半田付けなどにより電気的に接続される。

また、実装部２１において、ＬＤ４や回路装置５が実装される位置は、ワイヤリングしたときに、その長さが短くなるような位置である。これにより、寄生インダクタンスが小さくなるため、ＬＤ４が高周波で動作したとしても伝送信号の品質が悪化しない。
なお、ステムベース２３上には、他にＬＤ４からの出力をモニタするＰＤ６を実装するためのモニタＰＤ実装部２４が形成されており、そのモニタＰＤ実装部２４にサブマウント６ａを介してＰＤ６が実装される。ＰＤ６は、ＬＤ４の後面に光学的に結合されており、その後面からの光に応じてモニタ信号を生成する。

続いて、本発明の主要部に係るステムについて説明する。図３は、本発明による光送信モジュールのステムを説明する図である。図３（Ａ），（Ｂ）はステムベースに実装部を取付けるときの様子を示し、図３（Ｃ），（Ｄ）はステムベースに実装部が取付けられたときの様子を示している。また、図３（Ａ），（Ｃ）は前上方から見た様子を示し、図３（Ｂ），（Ｄ）は前下方から見た様子を示している。

ステムベース２３の外径は、例えば、光通信分野で多く採用されているパッケージの外径と同一のΦ５．６ｍｍである。ステムベース２３には、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、リード２２を挿通し固定するための孔２３ａが形成されている。リード２２は全て、その孔２３ａに挿通された状態で、封止ガラス２３ｂを介して、ステムベース２３とは電気的に絶縁された状態で実装される。本明細書における説明では、図３に示すように、例えば、ステム２は４本のリードを備える。

光送信モジュールは、４本のリード２２、例えば、トランジスタ５１のゲート電極との接続用のリード、トランジスタ５１のソース電極との接続用のリード、ＰＤ６のカソード電極との接続用のリード、及び後述のシグナルグラウンドと同電位の電極との接続用のリードを備えておくことで、高周波で動作可能なものとすることができる（図２参照）。ただし、光送信モジュール内の回路構成に応じて、リードの数を５本以上とすることもできる。

実装部２１は、図３に示すように、セラミックス材料を用いて長方形状の基板を形成し、その基板の上下面２１ｃ，２１ｄにメタライズ等により電極２１ａ，２１ｂを設けて形成される。実装部２１を窒化アルミ（ＡｌＮ）といった熱伝導特性の良いセラミックス基板（基材）で形成することで、ＬＤ４や駆動用トランジスタ５１（図２参照）から生じた熱を効率的に拡散することができ、高温環境下においても安定動作する光送信モジュールを得ることができる。

また、ステムベース２３に取付けられる実装部２１の上面２１ｃに形成された電極２１ａのうち少なくとも１つは、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、セラミックス基板の側面（図の例では前側）２１ｆに側面メタライズ等により形成された導電部２１ｅを介して、下面２１ｄの電極２１ｂに電気的に接続される。ただし、上面２１ｃの電極２１ａと下面２１ｄの電極２１ｂとの電気的接続は、上下面を接続するためのビアをセラミックス基板内に形成しておき、当該ビアによって行ってもよい。

実装部２１のステムベース２３側の面（後面）２１ｇには、側面メタライズが施されており、銀ろう付けまたは半田付けにより、実装部２１はステムベース２３に取付固定される。ＬＤ等はＡｕＳｎ半田により実装されることが多いことから、この半田付けにより実装部２１の実装位置精度が損なわれないように、ステムベース２３への実装部２１の取付けには、ＡｕＧｅ半田などといった高融点半田を用いることが望ましい。例えば、ＬＤの実装に用いられるＡｕ−２０Ｓｎ半田の融点は２８０℃であるので、高融点半田としては、融点３５６℃のＡｕ−１２Ｇｅ半田、融点が３７０℃のＡｕ−３Ｓｉ半田、融点が４２０℃のＺｎ半田等を用いることができる。なお、接続強度の面からは、銀ろう付けでステムベース２３に実装部２１を搭載することが望ましい。

また、ステム２は、実装部２１の実装位置を規定するために、実装部２１の実装方向をガイドする位置決めガイド部をステムベース２３上に有してもよい。本例においては、モニタＰＤ実装部２４が上記位置決めガイド部として機能し、モニタＰＤ実装部２４の下面２４ａが実装部２１をガイドするガイド面として機能する。このガイド面（下面２４ａ）と下側のリード２２ｃとの間に実装部２１が実装される。
ただし、図３に示すように、ステムベース２３のリードの取付け部（孔２３ａ）において、リード２２ａ〜２２ｃの端部をパッケージ内部（すなわち実装部２１ａ方向）に突出させておき、実装部２１ａをステムベース２３に取付ける際の位置決めガイド部として機能させても良い。

このように、リード２２ａ〜２２ｃの端部をステムベース２３の位置決めガイド部として機能させ、実装部２１をリード２２の間に挟んでステムベース２３に実装したとき、図３（Ｃ），（Ｄ）に示すように、実装部２１を挟むリード２２ａ，２２ｂ，２２ｃそれぞれと対向する位置に、実装部２１が電極２１ａ，２１ｂを有していることが好ましい。このように構成することで、位置決めガイド部（すなわちリード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）が実装部２１の電極との接続部として機能する。これにより、実装部２１の電極２１ａ，２１ｂとリード２２ａ，２２ｂ，２２ｃとを短いワイヤで電気的に接続するか、または、それらを半田等の導電性を有する接合材により電気的に接続することができるので、ワイヤリングによる寄生インダクタンスの影響を低減でき、光送信モジュールにおいて良好な波形特性を得ることができる。

また、このように実装部２１と接続されるリード２２において、ＬＤ等が実装される実装面（上面２１ｃ）の裏面（下面２１ｄ）の電極２１ｂと接続されるリード２２ｃは、外部電気回路のシグナルグラウンドに接続されるものである。したがって、実装部２１の下面２１ｄの電極２１ｂは、グラウンドパターンとして機能する。このように、外部電気回路のシグナルグラウンドに接続されステムベース２３とは電気的に接続されていないリード２２ｃと、実装面の裏面の電極２１ｂとを電気的に接続することで、ステムベース２３の電位とは異なるシグナルグラウンドをＣＡＮパッケージ内に設けることができる。

すなわち、実装部２１の裏面の電極（グラウンドパターン）２１ｂとステムベース２３とは電気的に接続されておらず、この裏面の電極２１ｂはステムベース２３からは電気的に浮いた状態にあるので、この実装部２１の裏面の電極２１ｂをシグナルグラウンドと同電位とし、ステムベース２３をパッケージグラウンド（フレームグラウンドとも呼ぶ）と同電位とすることで、ステムベース２３またはキャップ３（図１参照）に接続（溶接）されるスリーブに信号周波数成分が雑音として乗ることを抑制することができる。

実装部２１の上面（実装面）２１ｃの全面に、シグナルグラウンドと同電位の電極（以下、ＳＧ電極という）を１つ形成しておき、特許文献１に記載の光送信モジュールと同様に、回路装置等を実装面に実装することができるが、図３に示すように、実装部２１の実装面にＳＧ電極とは別の電極パターンを形成することが好適である。これにより、より良好な波形特性を得るために、抵抗・コンデンサ・インダクタやサーミスタといったチップ部品を実装する回路を光送信モジュール内に形成することができる。その場合、必要に応じてリード２２の本数を増やすようにする。

また、ＬＤ４や駆動用トランジスタ５１（図２参照）にフリップチップ実装対応のものを用い、それに対応した電極を実装部２１上に形成することで、ＬＤ４及び駆動用トランジスタ５１の電気接続に関わるワイヤリングを排除することができるので、ワイヤによる寄生インダクタンスの影響が低減し、良好な波形を得ることができる。

図４は、本発明による光送信モジュールのステムの他の例を説明する図である。このステム２’においては、実装部２１の実装方向をガイドするガイド部２５が、モニタＰＤ実装部とは別に、ステムベース２３上に設けられている。ガイド部２５は、図４（Ａ）に示すように、実装部２１の挿入方向をガイドするガイド面を上面２５ａに有する。また、ガイド部２５は、図４（Ｂ）に示すように、ステムベース２３上において、実装部２１が取付けられたときに、左右方向のリード２２ａ，２２ｂと実装部２１の上面２１ｃの電極２１ａとが略隙間なく対向するような位置に取付けられている。

図３又は図４に示したようなステムに対して、ＬＤや駆動用トランジスタ等を実装し、レンズが搭載されたキャップ（レンズキャップ）を用いて抵抗溶接等によりキャップシールすることで、図１に示すような光送信モジュールとなる。キャップシールの際に、キャップシールを実施するチャンバ内の雰囲気を窒素雰囲気として、露点管理を施すことで、光送信モジュールのパッケージ内部の水分量を管理することができ、ＬＤ等のデバイス部品の性能劣化が少ない高信頼性のＣＡＮパッケージ（すなわち、光送信モジュール）を得ることができる。

本発明は、上述の光送信モジュールにスリーブ等が取付けられたＴＯＳＡとしての形態もとることができる。この場合、光送信モジュールのＣＡＮパッケージには、光コネクタのフェルールをガイドするスリーブを調芯して固定する。放射ノイズの低減という観点からは、スリーブ部品が、金属部品で構成されて、同じく金属部品で構成されるレセプタクルに電気的に接続されていることが望ましい。レセプタクルがフレームグラウンド電位に接続されることで、光送信モジュールはより高いシールド効果を得ることができる。

スリーブとＣＡＮパッケージは調芯後、例えば、ジョイントスリーブを用いてＹＡＧレーザ溶接等により接続される。ＣＡＮパッケージは、ＣＡＮパッケージ内部に構成された回路のシグナルグラウンドとは電気的に接続されていないため、ジョイントスリーブが金属で構成されていたとしても、フレームグラウンドとシグナルグラウンドは分離された状態を保つことができ、耐ノイズ性に高く、かつ放射ノイズの少ないＴＯＳＡを構成することができる。

本発明による光電変換モジュールの概略を説明する外観図である。 本発明による光電変換モジュールを説明する図である。 本発明による光電変換モジュールのステムを説明する図である。 本発明による光電変換モジュールのステムの他の例を説明する図である。 従来の光電変換モジュールの一例の概略を説明する図である。

符号の説明

１…光送信モジュール（光電変換モジュール）、２…ステム、２１…実装部、２１ａ，２１ｂ…電極、２１ｃ…上面、２１ｄ…下面、２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）…リード、２３…ステムベース、２３ａ…孔、２３ｂ…封止ガラス、２４…モニタＰＤ実装部、２４ａ…下面、２５…ガイド部、２５ａ…上面、３…キャップ、３ａ…レンズ、４…ＬＤ、５…回路装置、５１…トランジスタ、５２…チップ部品、６…ＰＤ、６ａ…サブマウント、１００…光送信モジュール、１１０…スリーブ、１１１…スリーブ前方、１２０…ジョイントスリーブ、１２１…上金属蓋、１２２…下金属リング、１２３…絶縁リング。

Claims (3)

1. 光電変換素子と該光電変換素子に接続される回路装置とをパッケージに封止して構成した光電変換モジュールであって、
   前記パッケージは、ステム部とキャップ部からなり、
   前記ステム部は、前記光電変換モジュールを外部電気回路と接続するリードを取付けたステムベースと、前記光電変換素子及び前記回路装置を実装するための絶縁材料で形成した実装部と、を有し、
   該実装部は、前記光電変換素子、前記回路装置及び前記リードと接続する電極を有し、
   該電極は、前記ステムベースとは電気的に絶縁されていることを特徴とする光電変換モジュール。
2. 前記リードの端部が、前記ステムベースの前記リードの取付け部において前記パッケージ内部に突出し、その一部は前記実装部と前記ステムベースとの取付け時に位置決めガイド部として機能すると共に、該位置決めガイド部が前記実装部の前記電極との接続部として機能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. 前記光電変換素子及び前記回路装置は、前記実装部にフリップチップ実装されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換モジュール。

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