JP2009117457A - 光素子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て作業性が良く、低コストで製造可能な光素子モジュールを提供する。
【解決手段】光素子モジュール１は、金属製の基体部１１と基体部１１を覆うカバー部材１２とから成る筐体内に、光電変換機能を有する光素子部材を搭載する。基体部１１が、平板状の底壁部１１ａと、その底壁部１１ａの両端に対向するように形成された前方側壁部１１ｂと後方側壁部１１ｃとを有する。底壁部１１ａに光素子部材が搭載され、後方側壁部１１ｃから、光素子部材に電気的に接続したリードピン１１ｅが導出され、前方側壁部１１ｂに、光素子部材と光ファイバとを光結合させる光結合部材３０が設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信に用いられる光素子モジュールに関する。

図６は、光通信に用いられる従来の光素子モジュールが備えるパッケージの一例（例えば、特許文献１参照）の斜視図で、パッケージ上方を覆うカバーの図示が省略されている。
図６に示す光素子モジュールのパッケージ１００は、半導体発光素子（ＬＤ：Laser Diode）等の素子が搭載されるベースプレート１０１と、ベースプレート１０１の上に接合されるフレーム１０２と、フレーム１０２の上に接合されるリング１０３と、図示しないカバーと、を有する。フレーム１０２は、前後の側壁と左右の側壁とが一体に形成されており、前方側壁には、光信号を入射及び／または出射させるための開口１０２ａが形成されている。

また、フレーム１０２の左右の側壁とリング１０３との間には開口部が形成されており、この開口部に、パッケージの内部の素子と外部回路とを電気的に接続するためのセラミック回路基板１０４が固定されている。また、セラミック回路基板１０４の外部端子には、外部回路と電気的に接続されるリードピン１０５がロウ付けされている。

図６のパッケージ１００を用いＬＤを封止する光素子モジュールは、ベースプレート１０１上に各種素子を実装し、各種素子とセラミック回路基板１０４の内部端子とをワイヤボンディングし、封止用のカバーをリング１０３に接合することにより、作製されるようになっている。

図７は、従来の光素子モジュールの他の例（例えば、特許文献２参照）の斜視図である。この光素子モジュール２００は、前方に側壁２１１ｂが形成され底壁部２１１ａに光素子を配置したベース部材２１１と、パッケージの上面部２１２ａ、左右の側壁２１２ｂ及び後方側壁２１２ｃが一体に形成されたカバー２１２と、から成るパッケージを有している。
特開平１１−１２６８４０号公報 特開平８−３１６５０３号公報

しかし、特許文献１に開示の升型の容器（図６参照）に各種素子を実装していく方法では、素子実装空間は狭く上方以外は閉じられているため、各種素子（集積回路を含む）を実装し各種素子と回路基板等を電気的に接続するには、先端が細いコレットやボンディングツール等の特殊工具が必要であり、組み立て作業性が良くない。

一方、特許文献２に開示の光素子モジュールでは、微小な素子を実装するときなどに、パッケージの左右の側壁２１２ｂ及び後方側壁２１２ｃ（図７参照）が存在しないので、コレット等で素子を配置する作業やワイヤボンドする作業を行う場合に、実装面積が狭くても、作業中に工具などが側壁等と干渉することを回避することができるようになっている。

また、特許文献２に開示の光素子モジュールを送信用光素子モジュールとして構成したとすると、図７に示すように、ＬＤ１３等が搭載される回路基板として機能するベース部材２１１は、セラミックス材料から成る。また、この送信用光素子モジュールを用いて、高伝送速度で光信号を送信するためには、特性に温度依存性があるＬＤ１３から発生した熱を放熱する必要があるので、高熱伝導率を有するセラミックス材料（例えば、窒化アルミニウム）でベース部材２１１を形成する必要がある。しかし、窒化アルミニウム等の上記セラミックスは高価であり、製造コストの観点から改善の余地がある。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、組み立て作業性が良く、低コストで製造可能な光素子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、本発明の光素子モジュールは、金属製の基体部と、その基体部を覆うカバー部材から成る筐体内に光電変換機能を有する光素子部材を搭載したものであって、基体部が、平板状の底壁部と、その底壁部の両端に対向するように形成された一対の側壁部とを有し、底壁部に光素子部材が搭載され、一対の側壁部の一方から、光素子部材に電気的に接続したリードピンが導出され、一対の側壁部の他方に、光素子部材と光ファイバとを光結合させる光結合部材が設けられることを特徴とする。

また、一対の側壁部が、それぞれ同一形状の半円形板状であってもよい。また、光素子部材が、その放熱面が底壁部と接触して搭載され、底壁部を介して放熱することも好ましい。

本発明の光素子モジュールによれば、光素子部材が搭載される筐体の基体部の底壁部が、所定の方向にのみ側壁を有するため、組み立て作業性が良くなる。また、筐体を金属で作製できるため、製造コストを抑えて（すなわち、低コストで）効果的に放熱することができる。

図１〜図３を用いて、本発明に係る光素子モジュールの一例の概略を説明する。図１は、送信用のものとして構成した光素子モジュールの外観を示す斜視図である。図２は、図１のモジュール本体部１０の筐体（パッケージ）内の様子を説明する斜視図で、カバー１２の図示が省略されている。図３は、図１の光素子モジュールの断面図である。なお、以下の説明では、後述の光結合部３０が備えられる側を光素子モジュール１の前方とし、その反対側を後方とする。

光素子モジュール１は、図１に示すように、モジュール本体部１０と光結合部３０と、を備える。
モジュール本体部１０は、例えば、入力された電気信号を光信号に変換する光電変換機能を有し、光電変換した光信号を光結合部３０に向けて出射するもので、光電変換を行うために、略半円柱状のパッケージ内に後述のＬＤが搭載されており、電気信号入力などのために、後方にリードピン１１ｅを有する。モジュール本体部１０においてＬＤを収容する空間を形成するパッケージは、ＬＤ等が搭載される基体部（基体）１１と、基体１１を覆うカバー１２と、から成る。

基体１１は、ＬＤ等の各種素子を搭載する底壁部１１ａと、底壁部の前後方向の両端に設けられる前方側壁部１１ｂ及び後方側壁部１１ｃ（図２参照）とが、一体的に成形されている。図１の光素子モジュール１では、ＬＤ等の素子等とに電気的に接続されるリードピン１１ｅと一体化された回路基板１１ｄが、後方側壁部１１ｃから外部に（後方に）向けて延び出すように設けられている。

光結合部３０は、モジュール本体部１０から出力された光信号を光ファイバ３１を介して外部に送信するためのもので、モジュール本体部１０のＬＤと光ファイバ３１とは光結合している。なお、光結合部３０を構成する、図１のホルダ３４及びフェルール３２については後述する。

モジュール本体部１０は、図２に示すように、パッケージを構成する基体１１の底壁部１１ａ上に、半導体発光素子（ＬＤ）１３を有する。ＬＤ１３は、入力された電気信号に応じて光信号を出射するものであり、その特性に温度依存性があるため、ＬＤ１３を冷却するための電子冷却器１５及び当該電子冷却器１５に取付けられる熱良導性のキャリア１４を介して、金属製の基体１１の底壁部１１ａに搭載される。

ＬＤ１３が実装されるキャリア１４は、例えば良熱伝導性を有する絶縁材料である窒化アルミニウム等からなり、ＬＤ１３からの熱を電子冷却器１５に伝達して、ＬＤ１３を効率良く冷却することができる。キャリア１４には、ＬＤ１３が実装される他、配線パターン１４ａが形成されている。配線パターン１４ａ上には、ＬＤ１３や、ＬＤ１３の後方光を受光するモニタ用受光素子（ＰＤ：Photo Diode）１６を予め実装したＰＤキャリア１７が搭載され、その他には、ＬＤ１３の温度をモニタするための測温素子１８が実装される。キャリア１４上の配線パターン１４ａは、後方側壁部１１ｃに取付けられる後述の回路基板１１ｄ上の内側配線パターン１１ｄ₁と、ボンディングワイヤで電気的に接続される。

電子冷却器１５は、ＬＤ１３を冷却するために、例えばペルチェ素子から構成される。ペルチェ素子の一方のプレート１５ａは、図３に示すように、基体１１の底壁部１１ａに密着しており、他方のプレート１５ｂはキャリア１４を介してＬＤ１３を搭載している。ＬＤ１３の冷却のためにＬＤ１３が搭載されているプレート１５ｂを冷却した場合には、底壁部１１ａに接触している上記一方のプレート１５ａは昇温される。光素子モジュール１のモジュール本体部１０では、この熱を、底壁部１１ａを介して外部に効率良く放出することができる。

電子冷却器１５は、また、ＬＤ１３が実装されたキャリア１４が取付けられているプレート１５ａ上に、レンズ２０も取付けている。このレンズ２０は、ＬＤ１３から出射された光信号を後述の光アイソレータを介して光ファイバ３１に集光する。また、電子冷却器１５は、底壁部１１ａと接触するプレート１５ｂの後方には、配線パターン１５ｄを有し、この配線パターン１５ｄは、回路基板１１ｄ上の内側配線パターン１１ｄ₁とボンディングワイヤで電気的に接続される。

上述のようなＬＤ１３、キャリア１４及び電子冷却器１５は、本発明の光素子部材を構成する。この光素子部材は、ＬＤ１３等から発生した熱を底壁部１１ａを介して放熱可能に、当該光素子部材の放熱面（電子冷却器１５のプレート１５ａの底面）と光素子モジュール１の筐体の底壁部１１ａとが接触して底壁部に搭載されている。
また、光素子モジュール１を機器に実装する場合に、筐体の底面を機器のシャーシ（ベース）等に接触させることにより、さらに、効率良く放熱することができる。

ＬＤ１３やモニタ用ＰＤ１６等の各種素子は、上述のように、回路基板１１ｄに電気的に接続される。回路基板１１ｄは、パッケージ内部に実装された各種素子と外部回路（例えば、バイアス電流供給回路や信号生成回路）とを電気的に接続するためのものである。回路基板１１ｄは、各種素子が電気的に接続される配線パターン（１４ａ、１５ｄ）とワイヤボンディングにより電気的に接続される内側配線パターン１１ｄ₁を、パッケージ内に位置する部分に有する。また、外部回路と電気的に接続するためのリードピン１１ｅが取付けられる取付け配線パターン（不図示）を、パッケージ外に位置する部分に有する。また、回路基板１１ｄは、多層構造になっており、内側配線パターン１１ｄ₁と対応する取付け配線パターンとが、内部配線により電気的に接続されている。

上述のように、モジュール本体部１０では、基体１１上に搭載されるＬＤ１３が、リードピン１１ｅを介して入力される電気信号を光信号に変換し、変換した光信号を、レンズ２０と前方側壁部１１ｂに形成されている開口１１ｂ₁とを介して、光結合部３０に出射する。
光結合部３０は、例えば、光ファイバ３１、フェルール３２、アイソレータ３３及びホルダ３４から成る。なお、光結合部３０は、光結合効率を高めるために、さらに第２のレンズを有するように構成しても良い。

光ファイバ３１は、ＬＤ１３からの光信号を外部光伝送路へ伝送するものである。フェルール３２は、光ファイバ３１をモジュール本体部１０に取付けるためのもので、その中心に光ファイバ挿通孔を有し、この挿通孔内に光ファイバ３１が挿入され固定されている。

アイソレータ３３は、例えば、光の入射側と出射側に偏光子を備えたファラデー回転素子からなるアイソレータ素子と、アイソレータ磁石と、から成る。アイソレータ３３では、アイソレータ素子が、周囲に配置されたアイソレータ磁石の磁界によって、入射光の偏光角に所定の角度で回転を与えて、出射側の偏光子の偏光角と光の偏光角との組み合わせによって、入射側からの光を入射側へ透過させる一方で、出射側からの光が入ってきても入射側へは透過させない。このアイソレータ３３により、光素子モジュール１では、ＬＤ１３から出射された光を透過してフェルール３２が保持する光ファイバ３１に結合させ、また、フェルール３２側から反射したりすることなどによって伝わってきた光をＬＤ１３に入射しないようにすることができる。

ホルダ３４は、ホルダ３４の略中央部にアイソレータ３３を保持する。また、ホルダ３４では、モジュール本体部１０と反対側に、フェルール３２が嵌入され、モジュール本体部１０側が、モジュール本体部１０の前方側壁部１１ｂに（例えば、ＹＡＧ溶接により）接合される。このホルダ３４により、モジュール本体部１０から出射された光信号が光ファイバ３１に光結合するようになっている。
また、上述のような部品から構成される光結合部３０により、モジュール本体部１０のパッケージの（前方側壁部１１ｂの）開口１１ｂ₁が塞がれているため、ＬＤ１３を、例えば窒素ガスが充填された状態のパッケージ内に封止することができるようになっている。

続いて、本発明の主要部である光素子モジュールのパッケージについて、上記の図１及び図２並びに以下の図４を用いて説明する。図４は、図１の光素子モジュール１のパッケージを構成する基体１１を説明する図で、図４（Ａ）は、基体の後面図であり、図４（Ｂ）は、基体１１に回路基板１１ｄが取付けられた状態での基体１１の後方部分の断面図である。

光素子モジュール１のパッケージは、上述のように、底壁部１１ａ、前方側壁部１１ｂ及び後方側壁部１１ｃが一体に形成された基体１１と、基体１１を覆うカバー１２と、をパラレルシーム溶接して成る（図１及び２参照）。
基体１１は、例えば、メタルインジェクションモールド（ＭＩＭ：Metal Injection Mold）やプレス加工等を利用して作製可能である。基体１１の材料としては、熱伝導率が高く、熱膨張率が低く、且つ安価な、コバール等の金属を用いることができる。このように、パッケージの底壁部１１ａと側壁部（前方側壁部１１ｂ及び後方側壁部１１ｃ）とを基体１１として、安価な方法で一体成形可能であるので、光素子モジュールのコストをより一層抑えることができる。

また、基体１１の前方側壁部１１ｂと後方側壁部１１ｃは、半円板状部分を持ち、これら半円板状部分は、互いに平行に配置されている。基体１１の底壁部１１ａは、このように、前後方向にのみ側壁部を有し、左右方向に側壁部を持たないため、すなわち、一部だけ側壁部材によって囲まれているため、ＬＤ等の素子の実装作業やワイヤリング作業における作業性を損なわれることがない。
また、前方側壁部１１ｂには、ＬＤ１３からモジュール本体部１０の外へ光信号を出射するための開口部（貫通孔）１１ｂ₁が形成されており、基体１１のパラレルシーム溶接部分には、下地メッキとして銅メッキやニッケルメッキ等が施され、その下地の上に金メッキが施されている。

カバー１２は、基体１１の前方側壁部１１ｂ及び後方側壁部１１ｃの半円板状部分の縁に沿って密着して基体１１を覆う。そのため、カバー１２は、前側から見て半円弧状である形状、すなわち、上下が開放された半円筒状に形成されている。カバー１２は、例えば、０.３ｍｍの厚さの管材から切り出したり、板材を曲げたりすることによって、安価に作製することが可能である。

このように、パッケージの前後の側壁を半円板状にし、カバーをその半円板形状に対応させた形状にすることで、パッケージの側壁とカバーとをパラレルシーム溶接するときの溶接回数を小さくすることができる。前後の側壁部の形状が矩形の場合は、パッケージの側壁とカバーとを接合するのに、少なくとも３回のシーム溶接操作が必要であるのに比べ、必要な溶接操作が少ないので、光素子モジュールの製造工程を削減することができる。

また、基体１１は、図４（Ａ）に示すように、後方側壁部１１ｃに矩形状の開口１１ｃ₁が形成されており、この開口１１ｃ₁に回路基板１１ｄ（図１及び図２参照）を挿入することができるように、開口１１ｃ₁の幅が、回路基板１１ｄの幅よりも僅かに大きく、また、開口１１ｃ₁の高さが、回路基板１１ｄの厚さよりも僅かに大きくなっている。回路基板１１ｄは、図４（Ｂ）に示すように、開口１１ｃ₁に挿入された状態で樹脂等により基体１１の底壁部１１ａに接着される。

また、開口１１ｃ₁と回路基板１１ｄの隙間の封止は、例えば、ロウ付けにより行われる。このロウ付けができるように、回路基板１１ｄの上下面及び両側面には、少なくともロウ付け部分に沿って帯状に、メタライズ（金メッキ）が施される。また、後方側壁部１１ｃの表面にも金メッキが施される。また、回路基板１１ｄは、パッケージ外部から入力される信号や電力をパッケージ内部へ伝える配線を有するが、ロウ付けや帯状メタライズによって配線が短絡することがないように、上述のように、内部配線を用いた多重構造になっている。なお、開口１１ｃ₁と回路基板１１ｄとの隙間の封止は、樹脂封止により行うこともできる。

図５は、本発明に係る光素子モジュールのパッケージを構成する基体の他の例を説明する図で、図５（Ａ）は、基体の後面図であり、図５（Ｂ）は、基体に回路基板が取付けられた状態での基体の後方部分の断面図である。
この例の基体１１’の図４の基体１１と異なる点は、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、リードピン１１ｅが挿入される複数の貫通孔１１ｃ₁’を後方側壁部１１ｃ’に有する点である。

リードピン１１ｅと貫通孔１１ｃ₁’との隙間は、電気的に絶縁性の高いガラスによりガラス封止されており、そのため、リードピン１１ｅ同士の短絡を防ぐことができる。また、この場合、回路基板１１ｄに半田付けにより直接取付けられたリードピン１１ｅをパッケージ外部に導出するようにしてもよいが、図５（Ｂ）に示すように、回路基板１１ｄを、その全体がパッケージ内に位置するように、接着固定しておき、回路基板１１ｄ上の内側配線パターン１１ｄ₁（図２参照）と、リードピン１１ｅとをワイヤボンドで電気的に接続するようにしてもよい。また、この場合、回路基板１１ｄは、金メッキを施す必要がないため、単層基板としてもよい。

なお、本願発明のパッケージ構造は、ＬＤを備える送信用光素子モジュール以外にも、ＬＤに代えてＰＤを備える受信用光素子モジュールにも適用することができる。

本発明に係る光素子モジュールの外観を示す斜視図である。 図１のモジュール本体部１０の筐体内の様子を説明する斜視図である。 図１の光素子モジュール１の断面図である。 図１の光素子モジュール１のパッケージを構成する基体１１を説明する図である。 本発明に係る光素子モジュールのパッケージを構成する基体の他の例を説明する図である。 従来の光素子モジュールが備えるパッケージの一例の斜視図である。 従来の他の光素子モジュールを説明する図である。

符号の説明

１…光素子モジュール、１０…モジュール本体部、１１…基体、１１ａ…底壁部、１１ｂ…前方側壁部、１１ｂ₁…開口、１１ｃ…後方側壁部、１１ｃ₁…開口、１１ｃ₁’…貫通孔、１１ｄ…回路基板、１１ｄ₁…内側配線パターン、１１ｅ…リードピン、１２…カバー、１３…ＬＤ、１４…キャリア、１４ａ…配線パターン、１５…電子冷却器、１５ａ，１５ｂ…プレート、１５ｃ…レンズ取付け用パターン、１５ｄ…配線パターン、１６…モニタ用ＰＤ、１７…ＰＤキャリア、１８…測温素子、２０…レンズ、３０…光結合部、３１…光ファイバ、３２…フェルール、３３…アイソレータ、３４…ホルダ。

Claims (3)

1. 金属製の基体部と、該基体部を覆うカバー部材から成る筐体内に光電変換機能を有する光素子部材を搭載した光素子モジュールであって、
   前記基体部は、平板状の底壁部と、該底壁部の両端に対向するように形成された一対の側壁部とを有し、
   前記底壁部に前記光素子部材が搭載され、前記一対の側壁部の一方から、前記光素子部材に電気的に接続したリードピンが導出され、前記一対の側壁部の他方に、前記光素子部材と光ファイバとを光結合させる光結合部材が設けられることを特徴とする光素子モジュール。
2. 前記一対の側壁部は、それぞれ同一形状の半円形板状であることを特徴とする請求項１に記載の光素子モジュール。
3. 前記光素子部材は、その放熱面が前記底壁部と接触して搭載され、前記底壁部を介して放熱することを特徴とする請求項１または２に記載の光素子モジュール。

Images