JP2010040647A - Optical module - Google Patents

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Yasushi Fujimura
康 藤村
Hisato Takahashi
久人 高橋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical module for mounting and hermetically sealing a photoelectric converting element, or the like, to which a high voltage is applied in a package adhered by resistance welding, and by which faults do not occur for a long period. <P>SOLUTION: An optical module has a stem on which a circuit element, including a photoelectric converting element is mounted, and a cap 4 which is attached to the stem by resistance welding to cover the circuit element and hermetically seals the circuit element, in cooperation with the stem. The cap 4 has two or more closed annular projections 4e for resistance welding. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、光信号を送信または受信するための光電変換素子を搭載する光モジュールに関する。   The present invention relates to an optical module including a photoelectric conversion element for transmitting or receiving an optical signal.

光モジュールには、光電変換素子が実装されるステムにキャップを封着して構成される同軸型のCANパッケージを用いるものがある(例えば、特許文献1参照)。キャップには、光学窓となる平板ガラスや集光レンズが取付けられる。このような光モジュールでは、上記CANパッケージによりハーメチックシール(気密封止)が確保される。また、光モジュールの気密封止の水準としては、テルコーディア(Telcordia)GR−468−COREあるいはMIL−STD750Dの仕様で、5E−8atmcc/sec以下のヘリウム(He)リークレートが求められている。   Some optical modules use a coaxial CAN package configured by sealing a cap on a stem on which a photoelectric conversion element is mounted (see, for example, Patent Document 1). A flat glass or a condensing lens as an optical window is attached to the cap. In such an optical module, a hermetic seal (airtight sealing) is ensured by the CAN package. Further, as a level of hermetic sealing of the optical module, a helium (He) leak rate of 5E-8 atmcc / sec or less is required according to the specification of Telcordia GR-468-CORE or MIL-STD750D.

気密封止に用いられるキャップは、上記光学窓が取付けられるキャップシェルを有し、このキャップシェルが、プレス成形あるいは切削により作製される。プレス成形によるキャップシェルと切削によるキャップシェルのいずれも、上述のように、素子の気密封止のためにステムと抵抗溶接される。これらの抵抗溶接工程では、事前に、ステムやキャップを高温で熱処理することでステム等に吸着している水分を除去し、その後、窒素等の不活性ガスで満たされたグローブボックス内でステムとキャップを抵抗溶接する。これにより、CANパッケージ内部(つまり光電変換素子周辺)を低い水分量に保った状態での気密封止が達成されている。なお、抵抗溶接には、プロジェクション溶接が用いられることが多い。   A cap used for hermetic sealing has a cap shell to which the optical window is attached, and the cap shell is manufactured by press molding or cutting. Both the cap shell by press molding and the cap shell by cutting are resistance-welded to the stem for hermetic sealing of the element as described above. In these resistance welding processes, moisture adsorbed on the stem or the like is removed by heat-treating the stem or cap at a high temperature in advance, and then the stem and cap are placed in a glove box filled with an inert gas such as nitrogen. Resistance welding the cap. As a result, hermetic sealing is achieved in a state where the inside of the CAN package (that is, around the photoelectric conversion element) is kept at a low moisture content. Note that projection welding is often used for resistance welding.

また、光モジュールには、光電変換素子としてアバランシェフォトダイオード(APD:Avalanche PhotoDiode)を搭載した長距離通信用の光受信モジュールがある。APDは、十分な増倍状態が得られるよう、30〜70V程度の高電圧が印加されて使用される。このようなAPDは、周辺の水分量が5000ppm以上と高いときに動作した際に、不具合が生じることが報告されている(例えば、非特許文献1参照)。
また、近年の調査により、MIL−STDでは、モジュールの内部水分(Internal Moisture)が5000ppm以下という条件を満足するよう規定されている。
特開2007−134644号公報 コミッツォーリ(Comizzoli)、外6名、「水蒸気存在雰囲気下におけるアバランシェフォトダイオードの不具合のメカニズム(Failure Mechanism of Avalanche Photodiodes in the Presence of Water Vapor)」、ジャーナル・オブ・ライトウェーブ・テクノロジー(Journal of Lightwave Technology)、オプティカル・ソサイエティ・オブ・アメリカ(The Optical Society of America)、2001年2月、19巻、第2号、p.252−265
As an optical module, there is an optical receiver module for long-distance communication, in which an avalanche photodiode (APD) is mounted as a photoelectric conversion element. The APD is used by applying a high voltage of about 30 to 70 V so that a sufficient multiplication state can be obtained. It has been reported that such an APD has a problem when it operates when the surrounding water content is as high as 5000 ppm or more (for example, see Non-Patent Document 1).
Further, according to a recent study, MIL-STD specifies that the internal moisture of the module (Internal Moisture) satisfies the condition of 5000 ppm or less.
JP 2007-134644 A Comizzoli, 6 others, “Failure Mechanism of Avalanche Photodiodes in the Presence of Water Vapor”, Journal of Lightwave Technology ), The Optical Society of America, February 2001, Vol. 19, No. 2, pp. 252-265.

特許文献1に開示の光モジュールのように、キャップ側に1つのプロジェクションを設けておき、プロジェクション溶接で封止することにより、現在の製品保証レベルである1E−8atmcc/secや1E−9atmcc/secといったリークレートを確保することはできる。しかし、計算によれば、例えば、これまでの合格レベルである1E−9atmcc/secの場合、10〜100日前後でキャップ内のガスは大気と置換されることがわかっており、10年などの長期に渡ってパッケージ内の水分量を5000ppm以下にすることができない。すなわち、従来の光モジュールでは、APDのような高電圧が印加される素子を用いる場合、パッケージ内の水分量を5000ppm以下に維持できる期間が短いので、使用年数を考慮すると不具合が生じる可能性が高い。   As in the optical module disclosed in Patent Document 1, one projection is provided on the cap side and sealed by projection welding, so that the current product guarantee level is 1E-8 atmcc / sec or 1E-9 atmcc / sec. Such a leak rate can be secured. However, according to the calculation, for example, in the case of 1E-9 atmcc / sec which is a past acceptable level, it is known that the gas in the cap is replaced with the atmosphere in about 10 to 100 days. The moisture content in the package cannot be kept below 5000 ppm for a long time. That is, in the conventional optical module, when an element to which a high voltage such as APD is applied is used, the period of time during which the moisture content in the package can be maintained at 5000 ppm or less is short. high.

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、高電圧が印加される光電変換素子等を搭載し気密封止したものであって、長期間に亘って不具合が生じない光モジュールを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and is an optical module that is mounted with a photoelectric conversion element or the like to which a high voltage is applied and hermetically sealed, and does not cause problems over a long period of time. The purpose is to provide.

上記課題を解決するために、本発明の光モジュールは、光電変換素子を含む回路素子を搭載したステムと、回路素子を覆うように抵抗溶接により取付けられてステムと協働して回路素子を気密封止するキャップと、を備え、キャップが、抵抗溶接用の閉じた環状のプロジェクションを2以上有することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, an optical module of the present invention includes a stem on which a circuit element including a photoelectric conversion element is mounted, and is attached by resistance welding so as to cover the circuit element. A cap hermetically sealed, wherein the cap has two or more closed annular projections for resistance welding.

本発明の光モジュールによれば、ステムへの抵抗溶接用のプロジェクションをキャップに多重に設け、光電変換素子を含む回路素子を気密封止するためのステムとキャップとの融着部の面積を大きくしたので、回路素子の気密封止部分からのリークレートを抑えることができる。
したがって、長期間に亘って、回路素子の気密封止部分内の水分量を低く維持できるので、高水分環境下で高電圧が印加されることにより回路素子が故障することを防ぐことができる。
According to the optical module of the present invention, multiple projections for resistance welding to the stem are provided on the cap, and the area of the fusion part between the stem and the cap for hermetically sealing the circuit element including the photoelectric conversion element is increased. Therefore, the leak rate from the hermetic sealing portion of the circuit element can be suppressed.
Therefore, since the moisture content in the hermetic sealing portion of the circuit element can be kept low for a long period of time, it is possible to prevent the circuit element from being damaged by applying a high voltage in a high moisture environment.

図1は、本発明の光モジュールの一例を説明する図であり、図1(A)はキャップの図示を省略した光モジュールの斜視図、図1(B)は光モジュールの部分断面図である。図2は図1の光モジュールのキャップを説明する図であり、図2(A)は抵抗溶接前のキャップの要部断面拡大図であり、図2(B)は上記キャップの底面図である。
本例の光モジュール1は、図1に示すように、光電変換素子であるアバランシェフォトダイオード(APD)2等の素子が搭載されるステム3と、ステム3を覆うキャップ4を備える。光モジュール1の外形を成す同軸型のパッケージは、ステム3にキャップ4を抵抗溶接(プロジェクション溶接)により取付けて構成されている。また、光モジュール1では、ステム3とキャップ4との間に形成される空間にAPD2等の素子を気密封止している。
1A and 1B are diagrams for explaining an example of an optical module of the present invention. FIG. 1A is a perspective view of an optical module with a cap omitted, and FIG. 1B is a partial cross-sectional view of the optical module. . FIG. 2 is a view for explaining the cap of the optical module of FIG. 1, FIG. 2 (A) is a cross-sectional enlarged view of the main part of the cap before resistance welding, and FIG. 2 (B) is a bottom view of the cap. .
As shown in FIG. 1, the optical module 1 of this example includes a stem 3 on which an element such as an avalanche photodiode (APD) 2 that is a photoelectric conversion element is mounted, and a cap 4 that covers the stem 3. The coaxial package forming the outer shape of the optical module 1 is configured by attaching a cap 4 to a stem 3 by resistance welding (projection welding). In the optical module 1, elements such as the APD 2 are hermetically sealed in a space formed between the stem 3 and the cap 4.

まず、ステム3について説明する。ステム3は、金属製の略円板状部材であり、素子搭載部として機能する上面3aに、APD2等の各種素子が搭載される。ステム3は、例えば、コバール(Fe−Ni−Co合金)や薄板冷間圧延鋼(SPC)等の表面をNi/Auメッキした金属板を押し出し加工して得ることができる。ステム3の上面3aには、APD2に対するバイパスコンデンサ5を介してAPD2が搭載される他、APD2により生じた光電流を増幅するためのプリアンプIC6や、プリアンプIC6に対するバイパスコンデンサ7等の素子が搭載される。   First, the stem 3 will be described. The stem 3 is a substantially disk-shaped member made of metal, and various elements such as the APD 2 are mounted on the upper surface 3a that functions as an element mounting portion. The stem 3 can be obtained, for example, by extruding a Ni / Au plated metal plate such as Kovar (Fe—Ni—Co alloy) or thin sheet cold rolled steel (SPC). On the upper surface 3 a of the stem 3, an APD 2 is mounted via a bypass capacitor 5 for the APD 2, and elements such as a preamplifier IC 6 for amplifying a photocurrent generated by the APD 2 and a bypass capacitor 7 for the preamplifier IC 6 are mounted. The

また、ステム3には、外部電気回路との電気接続のためのリードピン8がガラス封止等により取付けられている。ステム3上のAPD2とプリアンプIC6は、ワイヤ(図示せず)を介して電気接続される。また、APD2とリードピン8、及び、プリアンプIC6とリードピン8は、ワイヤやバイパスコンデンサ7、ステム上面3aを介して電気接続される。このように電気接続することにより、光モジュール1では、後述の集光レンズ等の光学窓を介して受光した光信号をAPD2で光電変換し、得られた電気信号をプリアンプIC6で増幅して、リードピン8等を介して外部電気回路に出力できるようになっている。   In addition, lead pins 8 for electrical connection with an external electric circuit are attached to the stem 3 by glass sealing or the like. The APD 2 on the stem 3 and the preamplifier IC 6 are electrically connected via a wire (not shown). The APD 2 and the lead pin 8, and the preamplifier IC 6 and the lead pin 8 are electrically connected via a wire, a bypass capacitor 7, and a stem upper surface 3a. By such electrical connection, the optical module 1 photoelectrically converts an optical signal received through an optical window such as a condensing lens described later by the APD 2 and amplifies the obtained electrical signal by the preamplifier IC 6. It can be output to an external electric circuit via the lead pin 8 or the like.

続いて、キャップ4について説明する。キャップ4は、ステム3の上面3aを覆うものであり、光学窓としての集光レンズ4aと、集光レンズ4aを保持するキャップシェル4bとを有する。キャップシェル4bは、その上部中央の開口4cに集光レンズ4aが封止ガラス等により固定され、その下部のフランジ部4dでステム3と抵抗溶接される。
フランジ部4dの下面には、図2(A)に示すように、気密封止のためのプロジェクション溶接用のプロジェクション4eが内外多重(この例では、2重)に設けられている、すなわち、キャップ4は、閉じた環状のプロジェクション4eを2以上有する。これらプロジェクション4eは、例えば、図2(B)に示すように、同軸型パッケージの中心軸を中心とした同心円状に形成されている。
Next, the cap 4 will be described. The cap 4 covers the upper surface 3a of the stem 3, and includes a condenser lens 4a as an optical window and a cap shell 4b that holds the condenser lens 4a. The cap shell 4b has a condensing lens 4a fixed to the opening 4c at the upper center of the cap shell 4b by sealing glass or the like, and is resistance-welded to the stem 3 at a flange portion 4d at the lower portion.
Projection 4e for projection welding for hermetic sealing is provided in the inner and outer multiples (double in this example), as shown in FIG. 4 has two or more closed annular projections 4e. For example, as shown in FIG. 2B, these projections 4e are formed concentrically around the central axis of the coaxial package.

キャップ4のステム3への取付け工程の際、抵抗溶接前にステム3とキャップ4は高温で熱処理され、これにより各部品に吸着している水分が除去される。その後、APD2等の素子を気密封止するようにキャップ4とステム3とをプロジェクション溶接する。このプロジェクション抵抗溶接は、N2等の不活性ガスで満たされた、低い水分量(1ppm以下)のグローブボックス内で行われる。このように溶接することにより、溶接後の素子の気密封止部分Vの水分濃度を低くすることができる。   In the process of attaching the cap 4 to the stem 3, the stem 3 and the cap 4 are heat-treated at a high temperature before resistance welding, thereby removing moisture adsorbed on each component. Thereafter, the cap 4 and the stem 3 are projection welded so as to hermetically seal the element such as the APD 2. This projection resistance welding is performed in a low moisture content (1 ppm or less) glove box filled with an inert gas such as N2. By welding in this way, the moisture concentration of the hermetic sealing portion V of the element after welding can be lowered.

そして、光モジュール4では、キャップシェル4bの内外両方のプロジェクション4eが融解してステム3と融着するため、従来のように一重のプロジェクションを用いて抵抗溶接する場合に比べて、融着部の面積を大きくすることができ、素子の気密封止部分からのリークレートを抑えることができる。したがって、光モジュール20では、素子の気密封止部分Vの内部の水分濃度を、長期間に亘って低く維持することができる。そのため、高水分濃度雰囲気下でAPD2等の素子に高電圧を加えることによる故障の発生を長期間防ぐことができる。
このように一つのキャップで二重(複数)の抵抗溶接(プロジェクション)を行うことで、光モジュールのサイズが大きくなるのを防いだまま高い気密性を確保することができる。
In the optical module 4, the projections 4e on both the inside and outside of the cap shell 4b are melted and fused to the stem 3, so that compared with the conventional case of resistance welding using a single projection, the fusion part The area can be increased, and the leak rate from the hermetic sealing portion of the element can be suppressed. Therefore, in the optical module 20, the moisture concentration inside the hermetic sealing portion V of the element can be kept low for a long period. Therefore, it is possible to prevent a failure due to applying a high voltage to an element such as APD2 in a high moisture concentration atmosphere for a long period of time.
Thus, by performing double (plural) resistance welding (projection) with one cap, it is possible to ensure high airtightness while preventing an increase in the size of the optical module.

なお、キャップシェル4bは、例えば、FeNi50材やコバール材を材料としてプレス成形により作製され、その表面は、Niメッキ(Auメッキを追加することもある)で保護されている。このように表面をNiメッキで保護するようにすれば、そのNiメッキがロウ材の一部として寄与するため、抵抗溶接が比較的容易で、端圧・溶接電流等の溶接条件の幅を広く、すなわち、その抵抗溶接性を良くすることができる。   The cap shell 4b is manufactured by press molding using, for example, an FeNi50 material or a Kovar material, and the surface thereof is protected by Ni plating (Au plating may be added). If the surface is protected by Ni plating in this way, the Ni plating contributes as a part of the brazing material, so resistance welding is relatively easy and the range of welding conditions such as end pressure and welding current is widened. That is, the resistance weldability can be improved.

また、キャップシェル4bは、被削性及びYAG溶接性が良いフェライト系ステンレスのSF20Tやオーステナイト系ステンレスのSUS304を材料として、切削成形により作製されるようにしてもよい。これは、光モジュールのパッケージに、光コネクタを受納するスリーブをYAG溶接により取り付けるとき、すなわち、光モジュールを上記スリーブが取付けられて光サブアセンブリ(OSA:Optical Sub-Assembly)として用いるときに好適である。
なお、図1及び図2の例では、集光レンズを光モジュールに取付けていた。しかし、光モジュールにスリーブを取り付けて用いる際に当該スリーブに集光レンズが設けられている場合は、光モジュール1に集光レンズを取付ける必要は無く、キャップシェルには光学窓として平板ガラスを取付ければよい。
Further, the cap shell 4b may be made by cutting molding using SF20T of ferritic stainless steel or SUS304 of austenitic stainless steel having good machinability and YAG weldability. This is preferable when a sleeve for receiving an optical connector is attached to the optical module package by YAG welding, that is, when the optical module is used as an optical sub-assembly (OSA) with the sleeve attached. It is.
In the example of FIGS. 1 and 2, the condenser lens is attached to the optical module. However, when a condensing lens is provided on the sleeve when the sleeve is attached to the optical module, it is not necessary to attach the condensing lens to the optical module 1, and a flat glass is attached to the cap shell as an optical window. Just do it.

また、以上では、本発明について、光電変換素子としてAPDを搭載した光モジュールに適用した例で説明したが、本発明は、光電変換素子としてレーザダイオードやPIN型PDを搭載する光モジュールに適用することもできる。   In the above description, the present invention has been described with reference to an example in which an APD is mounted as a photoelectric conversion element. However, the present invention is applied to an optical module in which a laser diode or a PIN type PD is mounted as a photoelectric conversion element. You can also

本発明の光モジュールの一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the optical module of this invention. 図1の光モジュールのキャップを説明する図である。It is a figure explaining the cap of the optical module of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…光モジュール、2…APD、3…ステム、4…キャップ、4a…集光レンズ、4b…キャップシェル、4c…開口、4d…フランジ部、4e…プロジェクション、5,7…バイパスコンデンサ、6…プリアンプIC、8…リードピン。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical module, 2 ... APD, 3 ... Stem, 4 ... Cap, 4a ... Condensing lens, 4b ... Cap shell, 4c ... Opening, 4d ... Flange part, 4e ... Projection, 5, 7 ... Bypass capacitor, 6 ... Preamplifier IC, 8 ... lead pin.

Claims (1)

光電変換素子を含む回路素子を搭載したステムと、
前記回路素子を覆うように抵抗溶接により取付けられて前記ステムと協働して前記回路素子を気密封止するキャップと、を備え、
前記キャップは、抵抗溶接用の閉じた環状のプロジェクションを2以上有することを特徴とする光モジュール。
A stem on which circuit elements including photoelectric conversion elements are mounted;
A cap attached by resistance welding so as to cover the circuit element and hermetically sealing the circuit element in cooperation with the stem;
The cap has two or more closed annular projections for resistance welding.
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