JP2010267665A - 光送信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ＶＣＳＥＬの主発光面からの光を光ファイバに向けて送出し、主発光面の裏面からの光を光出力モニタ用のＰＤで受光するものであって、ＶＣＳＥＬとＰＤを同時に実装可能であり、ＶＣＳＥＬの放熱効率が良い光送信モジュールを提供する。
【解決手段】光送信モジュール１は、ＶＣＳＥＬ５の主発光面５ｂからの光を光ファイバに向けて送出し、主発光面５ｂの裏面５ｃからの光を光出力モニタ用のＰＤ６で検出する。光送信モジュール１は、ＶＣＳＥＬ５とＰＤ６の両素子を並置する実装基板４に、ＶＣＳＥＬ５の実装箇所からＰＤ６の実装箇所に向けて延在する溝４ｂを設け、その溝４ｂは、ＶＣＳＥＬ５の裏面５ｃと対向する部分に斜面４ｃを有し、ＶＣＳＥＬの裏面５ｃから出射された光を、溝４ｂの斜面４ｃに反射させて、ＰＤ６で受光する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信に用いられる、面発光型半導体レーザを有する光送信モジュールに関する。

光送信モジュールに用いられる半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）は、環境温度変化などにより光出力が変化する。そのため、光出力強度をモニタ用フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）によってモニタし、モニタ結果をＬＤの駆動電流にフィードバックして光出力を一定に保つ制御すなわちＡＰＣ（Auto Power Control）制御が行われている。

そして、ＬＤのうち端面発光型のものは、光ファイバ方向への光（前方光）と後方光とを出射するため、そのうちの後方光をモニタ光として用いる場合が一般的である。
それに対し、ＬＤのうち面発光型のもの（垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）とも呼ばれる）は、従来、端面発光型のものとは異なり、光ファイバ方向へのみ光を出射するものであった。そのため、面発光型ＬＤ（以下、ＶＣＳＥＬという）の出射側にガラスを配置しておき、ＶＣＳＥＬから光ファイバへの出射光の一部を上記ガラスで反射させたものをモニタ用ＰＤ素子で受光する方法が一般的であった。なお、図５に示すように、ＶＣＳＥＬ１０１の出射光の一部を反射するガラス１０２は、例えば、ＶＣＳＥＬ１０１及びモニタ用受光素子１０２の気密封止用のパッケージに取付けられる（特許文献１参照）。また、上記ガラスとしては、図の平板ガラスの他、反射光の集光に適した曲面を備えるガラス等が考えられる。

しかし、上述のＶＣＳＥＬから光ファイバへの送信光の一部をガラスによって反射させる方法では、光ファイバへの結合効率が低下する等の課題がある。
また、ＶＣＳＥＬから出射した送信光を光ファイバへ結合させるためには集光レンズを用いる必要があり、ＶＣＳＥＬ等を気密封止する図５の構造では、集光レンズは、パッケージの外側に別途設けられる。しかし、この場合、ＶＣＳＥＬ１０１と集光レンズとの間に、出射光の一部を反射するガラス１０２を配置する必要があるので、例えば、ＶＣＳＥＬ１０１と集光用レンズを至近に配置することができず高い光結合効率を得ることができない、といった光学設計上の制約による課題もある。

近年では、ＶＣＳＥＬであっても、基板材料の変更等により、前方光及び後方光を出射するものが開発されており、そのため、上記の課題の解決手段として、ＶＣＳＥＬのレーザ活性層より後方（後方光側）に受光部を一体的に作製したりすることが提案されている（特許文献２参照）。
また、特許文献３には、その他の上記課題の解決手段として、ＰＤをその受光部が上に来るように素子実装用基板上に実装し、当該ＰＤ上に固定用の透明樹脂を介してＶＣＳＥＬを実装し、ＶＣＳＥＬの後方光を受光する技術が開示されている。

特開平９−１９８７０７号公報 特開平７−３３５９７６号公報 特開平９−１９９７９５号公報

しかしながら、特許文献２に開示の技術では、ＶＣＳＥＬのレーザ活性層と受光部とを同一の基板上に作成する必要がある点で製造が困難であり、また、たとえ作製できたとしてもレーザ活性層と受光部の不良率が合計されてしまい歩留まりの点で不利が生じる。また、出力波長によっては適当な材料がないので、出力波長を自由に選択できない不利もある。
また、特許文献３に開示の技術では、発熱量が大きいＬＤ（すなわちＶＣＳＥＬ）の熱を、ＰＤを介して素子実装用基板から放出することになるので、放熱効率の点で好ましくない。さらに、この方法では、上記基板上にＰＤを一旦固定してから、ＶＣＳＥＬを実装固定するが、ＰＤとＶＣＳＥＬを同時に固定できる方が好ましい。

本発明は、上述のような実情に鑑み、ＶＣＳＥＬの主発光面からの光を光ファイバに向けて送出し、主発光面の裏面からの光を光出力モニタ用のＰＤで受光するものであって、ＶＣＳＥＬとＰＤを同時に実装可能であり、ＶＣＳＥＬの放熱効率が良い光送信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、本発明の光送信モジュールは、面発光型の半導体レーザの主発光面からの光を光ファイバに向けて送出し、主発光面の裏面からの光を光出力モニタ用の受光素子で検出するものであって、半導体レーザと受光素子の両素子を並置する実装基板に、半導体レーザの実装箇所から受光素子の実装箇所に向けて延在する溝を設け、その溝は、半導体レーザの裏面と対向する部分に斜面を有し、半導体レーザの裏面から出射された光を、溝の斜面に反射させて、受光素子で受光することを特徴とする。

また、実装基板の溝が、半導体レーザの裏面から出射され当該溝の斜面で反射された光を受光素子に向けて反射する別の斜面を有することが好ましく、この場合、実装基板が、シリコン基板から成るとよい。実装基板の溝が、透明樹脂で充填される形態も好ましい。
なお、半導体レーザが、フリップチップ実装により実装基板に実装されるものであり、実装基板側に活性層を有することが好ましい。また、半導体レーザが、フリップチップ実装により実装基板に実装されるものであり、実装基板側と反対側に光学レンズを一体的に有する形態であってもよい。半導体レーザが、実装基板側に光学レンズを一体的に有していてもよい。

本発明の光送信モジュールによれば、ＶＣＳＥＬをモニタ用のＰＤを介さずに直接実装基板上に実装したので、これら素子を同時に実装できると共に、ＶＣＳＥＬからの熱を効率よく放出できる。また、実装基板に形成したＶＣＳＥＬからＰＤにかけて延在する溝に、ＶＣＳＥＬの主発光面の裏面に対向するように斜面を設け、ＶＣＳＥＬの裏面から出射された光を該斜面に反射させてモニタ用ＰＤで受光しており、モニタ用に主発光面からの光の一部を利用していないので、主発光面からの光の光ファイバへの結合効率が高い。また、ＶＣＳＥＬと集光レンズとの間に、出射光の一部を反射してモニタＰＤへ入射するように平窓を配置する必要がないので、光学設計上の制約が緩和される。

本発明の光送信モジュールの一例の外観図である。 本発明の光送信モジュールにおけるＶＣＳＥＬとモニタ用のＰＤの実装形態の一例を説明する図である。 本発明の他の実施形態の一例を説明する図である。 本発明のその他の実施形態の例を説明する図である。 従来の光送信モジュールの一例を説明する図である。

本発明の光送信モジュールは、主光出力面及びその裏面から光出力するＶＣＳＥＬとモニタ用のＰＤを有し、これら素子の実装構造、特に実装基板の構造に特徴があるものであるが、この特徴的な構造の説明は、図２以降で説明することとし、まず、図１を用いて、光送信モジュール自体の概略を説明する。図１は、本発明の光送信モジュールの一例の外観図である。

光送信モジュール１は、例えば、ＶＣＳＥＬ及びモニタ用のＰＤが実装基板を介して実装されたステム２と、上記実装基板を覆うキャップ３とから成るＣＡＮパッケージ内に、上記ＶＣＳＥＬ及びＰＤを気密封止してなる。この光送信モジュール１では、ＶＣＳＥＬの主発光面から出射された信号光は、キャップ３に搭載されたレンズ３ａを介して集光され、外部の光コネクタの光ファイバに送信される。また、ＶＣＳＥＬへの駆動電流の供給や、モニタ用のＰＤからの電流の取り出しは、リード２ａを介して行われる。
なお、以下の説明では、レンズ３ａが設けられた側を上側とし、その反対側を下側とする。

図２は、本発明の光送信モジュールの特徴部である、ＶＣＳＥＬとモニタ用のＰＤの実装形態の一例を説明する図であり、図２（Ａ）はＶＣＳＥＬ及びＰＤが実装された状態の実装基板を上側から見た様子を示し、図２（Ｂ）はＶＣＳＥＬからＰＤへのモニタ光の光結合状態を説明するために実装基板等を断面で示している。

本発明の光送信モジュールでは、図２（Ａ）に示すように、実装基板（チップキャリア）４の実装面である上面４ａに溝４ｂが形成されている。主光出力面及びその裏面から光出力するＶＣＳＥＬ５及びモニタ用のＰＤ６はそれぞれ、レーザの活性層５ａ及び受光部６ａが、上記溝４ｂの上方に位置するように、実装基板４の上面４ａ上に（溝４ｂを跨ぐ形で）実装される。言い換えれば、実装基板４の上面４ａには、ＶＣＳＥＬ５（の活性層５ａ）からＰＤ６（の受光部６ａ）に向けて延在する溝４ｂが形成されている。

本光送信モジュールでは、図２（Ｂ）に示すように、ＶＣＳＥＬ５の主光出力面５ｂからの光をレンズ３ａで集光し光コネクタＣの光ファイバＦに結合させると共に、後で詳述するように、ＶＣＳＥＬ５の主光出力面５ｂの裏面５ｃから出力され実装基板４の溝４ｂに入射した光をＰＤ６に受光させる。ＶＣＳＥＬ５及びＰＤ６は、例えば、出力波長に対して透明な樹脂を用いて実装基板４に固定される。なお、実装基板４は、ＡｎＳｎ等の共晶半田やＡｇペースト等のボンディング用樹脂を用いてステム２（図１参照）上に固定される。

実装基板４の溝４ｂは、ＶＣＳＥＬ５の裏面５ｃ（のレーザ光出射面）と対向する部分に、法線がＶＣＳＥＬ５の光軸Ｏに対して角度α１を持ちレーザ光を反射できる斜面４ｃを有する。なお、角度α１が例えば４５°の場合、光軸Ｏが実装基板４の上面４ａに対して垂直であるので、実装基板４の上面４ａに対する斜面４ｃの角度α２は、上記α１と等しくなっている。
また、溝４ｂには、ＰＤ６と対向し上記斜面４ｃと対向する部分に、実装基板４の上面４ａに対して角度α３（角度α１が４５°の場合、角度α３＝４５°）を持ちレーザ光を反射できる別の斜面４ｄを有する。

本光送信モジュールでは、上述のような斜面４ｃ、斜面４ｄを有する溝４ｂが実装基板４に形成されているので、ＶＣＳＥＬ５の裏面５ｃから下方への出射光を、実装基板４の溝４ｂに入射させ、斜面４ｃで横方向に反射させ、その反射光を別の斜面４ｄで上方向に反射させ、モニタ用のＰＤ６で受光することができる。
なお、斜面４ｃ及び斜面４ｄの角度α１（＝α２），α３は、ＶＣＳＥＬ５の裏面５ｃから下方への出射光をＰＤ６で受光できればよく、上述の４５°に限られない。

図３は、本発明の他の実施形態の一例を説明する図である。図２のものと同等な部分については同じ参照符号を用いることにより、その説明を省略する。
図３の例の光送信モジュールでは、実装基板７の溝７ａのＶＣＳＥＬ５の裏面５ｃと対向する部分に、図２の例と同様に、レーザ光反射用の斜面７ｂを設けているが、図２の例とは異なり、この斜面７ｂの光軸Ｏに対する法線の角度α１を、４５°より小さくしている（図の例では３５°）。これにより、ＶＣＳＥＬ５の裏面５ｃからの出射光を、実装基板７の一つの斜面７ｂによる１回の反射でＰＤ６に結合させている。図の例では、ＰＤ６への入射角はおよそ２０度である。

このように本発明の光送信モジュールでは、ＶＣＳＥＬの裏面からの出射光をＰＤに結合させる際に、実装基板の溝の反射面（斜面）に複数回反射させるようにしてもよいし、１回だけ反射させるようにしてもよい。

本発明の特徴部に関わる実装基板の材料としては、熱伝導率の高いＡｌＮ（１７０Ｗ／ｍ・Ｋ）が好ましく、この材料を用いれば、射出成型やＣＩＭ（Ceramic Injection Molding）により、上述のような斜面を持った溝を有する実装基板を容易に作製することができる。なお、上述の方法で一旦成型した後に、ブレード等を用いて斜面を削り出してもよい。
また、放熱性はＡｌＮに比べ劣るが、ガラス体や樹脂材をモールド成型（ガラスであればＧＭＰ（Glass Mold Press））で実装基板を形成することもできる。この場合、金型に応じた斜面が得られ、斜面の粗度を小さくすることができる。
あるいは、熱伝導性の高い金属、例えばＣｕＷやＣｕＭｏによって実装基板を形成しても良い。ＣｕＭｏは高い熱伝導率（１６０〜１８０Ｗ／ｍ・Ｋ）を有し、プレス加工も容易であるため実装基板を安価に形成できる。

また、実装基板の材料に、上述のＡｌＮやガラスといった、実装基板の溝の斜面がそのままでは反射面として機能しないものを用いる場合、上記斜面上に反射膜を形成する必要がある。反射膜は、ＥＢ（Electron Beam）蒸着等で、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕが蒸着されて成る。実装基板にＶＣＳＥＬ及びモニタ用のＰＤのための実装パターンや配線パターンが必要な場合、上記反射膜と同時にこれらパターンも形成することができる。

また、溝に対向する斜面を２つ設けてＶＣＳＥＬの裏面からの出射光を２回反射させＰＤ６に受光させる実装基板であれば、フォトリソ技術を用いてシリコン基板から作製することもできる。この場合、実装基板の溝及び斜面の成形は、アルカリ溶液を用いたウェットエッチングで行うので、射出成型などに比べ簡易である。また、このウェットエッチングの場合、実装基板の対向する２つの斜面の角度はそれぞれ５４．７°（＝sin-1(√２／√３)）となるが、ＰＤの実装位置を調整することで、ＶＣＳＥＬの裏面から出射され実装基板により反射されたレーザ光を当該ＰＤで受光できる。

さらに、実装基板をシリコン基板からフォトリソ技術により作製する方法では、以下の効果がある。すなわち、上述の射出成型等による作製方法では、反射膜形成前に実装基板の本体を１つずつ成型後、反射膜等の金属パターンを個々に形成する必要があるが（実際には、治具にキャリアを並べ一括処理する）、シリコン基板からフォトリソ技術により作製する方法では、シリコンウェハのまま一般的な工程で上記金属パターンを形成することができる。そのため、安価で且つ高精度なパターン形成、反射面形成が期待できる（±５μｍ以下）。また、Ｓｉは、熱伝導率もＡｌＮ並みに高いので（１４８Ｗ／ｍＫ）、ＶＣＳＥＬの発熱を効率よく放熱できる。

なお、上述では、ＶＣＳＥＬやモニタ用のＰＤの実装基板への固定を透明な接着樹脂を用いて行っていたが、Ａｇペースト等の他のボンディング用樹脂や、ＡｎＳｎ等の共晶半田を用いても構わない。但し、この場合は、ＶＣＳＥＬやＰＤの下面の光透過部に樹脂や半田が回り込まないようにする必要がある。なお、共晶半田を用いる場合は、上記回り込みが起こらないように、当該共晶半田を実装基板の下面に予め蒸着しておくことが好ましい。

図４は、本発明のその他の実施形態の例を説明する図である。図２のものと同等な部分については同じ参照符号を用いることにより、その説明を省略する。
図２や図３の例の光送信モジュールでは、ＶＣＳＥＬの活性層側を上にして実装していたが、図４（Ａ）に示すように、ＶＣＳＥＬ８の活性層５ａ側にＡｕバンプ８ａを形成しておき、当該活性層５ａ側を下にしてフリップチップ実装するようにしてもよい。なお、活性層５ａを下に設けても主たる光出力の方向が上方向（光ファイバ方向）になるように設計することは可能である。上述のようにフリップチップ実装する場合、ＦＦＰ（Far Field Pattern）角を小さくするための光学レンズ８ｂを、ＶＣＳＥＬ８（の上側）に一体に作り込むことができる。
なお、一体成形するレンズは、集光用レンズであってもよく、この場合は、光送信モジュールのパッケージを構成するキャップ（図１の符号３参照）として、レンズ付きのものではなく、平板ガラス付きのものを用いることができる。

また、図４（Ａ）等の例は、モニタ用のＰＤとして、裏面入射型のものを用いる例であったが、本発明の光送信モジュールでは、表面入射型のものをフリップチップ実装するようにしてもよい。図４（Ｂ）の例は、ＶＣＳＥＬ８と表面入射型のＰＤ９を共にフリップチップ実装するものである。ＰＤ９は、その受光部６ａ側にＡｕバンプ９ａが形成されており、フリップチップ実装可能になっている。
上述のようにＶＣＳＥＬとＰＤの両素子をフリップチップ実装するものとすれば、１−２ｓｅｃという短時間で実装ができ、光送信モジュールの大量生産もできるようになる。

なお、本光送信モジュールでは、ＶＣＳＥＬ及びモニタ用のＰＤはそれぞれ、例えば、実装基板上の配線パターンとワイヤにより接続し、当該配線パターンとリード（図１の２ａ参照）をワイヤにより接続することで、リードと電気接続される。
本光送信モジュールの実装基板は、ＶＣＳＥＬやモニタ用のＰＤがフリップチップ型のものでなければ、金属製とすることもできるが、この場合、ＶＣＳＥＬ及びモニタ用のＰＤとリードはそれぞれワイヤにより直接リードと接続される。

上述の各例の光送信モジュールにおいて、ＶＣＳＥＬの裏面からの出射光を反射するための実装基板の溝の幅は、上記出射光のＦＦＰ（Far Field Pattern）に基づいて、なるべくモニタ用ＰＤへの受光量が大きくなるように、その下限を設計することが望ましい。但し、ＶＣＳＥＬからの放熱性等、ＶＣＳＥＬと実装基板との接触面積を考慮して、その上限を設計する必要がある。

また、上述の各例の光送信モジュールにおいて、ＶＣＳＥＬ及びモニタ用ＰＤを実装基板上に実装した状態で、該実装基板の溝に、ＶＣＳＥＬの出射光を透過する透明樹脂を充填してもよい。この場合、透明樹脂の屈折率が空気より大きいため、ＶＣＳＥＬの裏面からの出射光のＦＦＰを小さくでき、ＰＤ６への結合効率を高めることができる。

さらに、上述の各例の光送信モジュールにおいて、ＶＣＳＥＬの実装基板側の面に光学レンズ（例えば、コリメートレンズ）を一体的に形成してもよい。この光学レンズの有効径は実装基板の溝内に収まるように決める必要がある。光学レンズを最適設計することで、ＶＣＳＥＬの実装基板側の面からの出射光をコリメートすることができ、上記出射光のモニタＰＤへの結合効率を一層高くすることができる。

１…光送信モジュール、２…ステム、２ａ…リード、３…キャップ、３ａ…レンズ、４，７…実装基板、４ａ…上面、４ｂ，７ａ…溝、４ｃ，４ｄ，７ｂ…斜面、５，８…ＶＣＳＥＬ、５ａ…活性層、５ｂ…主光出力面、５ｃ…裏面、６，９…ＰＤ、６ａ…受光部、８ａ…Ａｕバンプ、８ｂ…光学レンズ、９ａ…Ａｕバンプ。

Claims (7)

1. 面発光型の半導体レーザの主発光面からの光を光ファイバに向けて送出し、前記主発光面の裏面からの光を光出力モニタ用の受光素子で検出する光送信モジュールであって、
   前記半導体レーザと前記受光素子の両素子を並置する実装基板に、前記半導体レーザの実装箇所から前記受光素子の実装箇所に向けて延在する溝を設け、
   該溝は、前記半導体レーザの裏面と対向する部分に斜面を有し、
   前記半導体レーザの裏面から出射された光を、前記溝の斜面に反射させて、前記受光素子で受光することを特徴とする光送信モジュール。
2. 前記実装基板の溝は、前記半導体レーザの裏面から出射され当該溝の前記斜面で反射された光を前記受光素子に向けて反射する別の斜面を有することを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュール。
3. 前記実装基板は、シリコン基板から成ることを特徴とする請求項２に記載の光送信モジュール。
4. 前記半導体レーザは、フリップチップ実装により前記実装基板に実装されるものであり、該実装基板側に活性層を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光送信モジュール。
5. 前記半導体レーザは、フリップチップ実装により前記実装基板に実装されるものであり、該実装基板側とは反対側に光学レンズを一体的に有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光送信モジュール。
6. 前記実装基板の溝は、透明樹脂で充填されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光送信モジュール。
7. 前記半導体レーザは、前記実装基板側に光学レンズを一体的に有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光送信モジュール。

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