JP2011249447A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】誘電体基板からなるヒートシンクを用いて特性インピーダンスの調整を可能とするとともに、温度変化によりＬＤの位置変動が生じない光モジュールを提供する。
【解決手段】金属製のサブマウント２の一方の側面にセラミック誘電体からなるヒートシンク３を介して半導体レーザダイオード４を搭載した光モジュールで、ヒートシンク３は、サブマウント２の搭載面の全体を覆って接合され、ヒートシンクと同様な線膨張係数を有する補助基板７が、サブマウントの半導体レーザダイオードが搭載されていない反対側の裏面全体を覆って接合されている。なお、サブマウントの厚さは０.８５ｍｍ以下であり、ヒートシンクは窒化アルミニウムで形成され、その厚みは０.１５ｍｍ以上であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属製のサブマウント上にヒートシンクを介して半導体レーザダイオードを搭載した光モジュールに関する。

光通信に用いられる比較的に小型で安価な光モジュールとして、例えば、特許文献１に開示の同軸型パッケージ（通常、ＣＡＮパッケージともいう）を用いた形態のものが知られている。また、この同軸型パッケージからなる光モジュールは、図４（Ａ）に示すように、金属製のステム１０１に形成された垂直なポール１０２にサブマウント１０３を介して発光素子としての半導体レーザダイオード（ＬＤ）１０４が搭載されている。ステム１０１には、複数のリードピン１０５がガラス封止にされ、また、ＬＤ１０４の発光をモニタする受光素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）１０６が、サブマウント１０７を介して搭載されている。

ステム１０１上には、レンズ１０８が設けられたキャップ１０９が取り付けられ、ＬＤ１０４およびＰＤ１０６等が封止され、同軸型のパッケージ１００とされる。この同軸型パッケージ１００は、ジョイントスリーブ１１１を介してフェルールホルダ１１２が結合され光モジュールとされる。フェルールホルダ１１２には、結合ファイバ１１３が配されたスタブ１１４が収納されている。
ＬＤ１０４からの信号光は、レンズ１０８で集光されて結合ファイバ１１３に入射され、外部の光伝送路に送出される。また、ＬＤ１０４の後方からの光はＰＤ１０６により受光され、ＬＤ１０４の光出力がモニタされる。

また、１０Ｇｂｐｓレベルの高速通信に対応するには、同軸型パッケージ内の特性インピーダンスが整合していることが必要となる。このため、例えば、特許文献２には、同軸パッケージ内の特性インピーダンスを調整した光モジュールが開示されている。この光モジュール２００は、図４（Ｂ）に示すように、金属製のステム２０１と一体的に設けられた支持台２０２上に、ヒートシンク２０３を介して半導体レーザダイオード（ＬＤ）２０４が搭載される。ステム２０１には、複数のリード線２０５がガラス封止にされている。

ヒートシンク２０３は、窒化アルミニウムなどの放熱性のよい誘電体基板からなり、該基板の表面に、所定の特性インピーダンスが得られるように、信号線路２０６ａとグランド線路２０６ｂからなるコプレーナ形態の線路２０６が形成されている。なお、図４（Ｂ）では、光ファイバとの接続を形成するレンズやファイバフォルダを省略しているが、ＬＤ２０４からの信号光は、図４（Ａ）と同様なキャップで保持されたレンズを介して、スタブに保持された光ファイバに入射される。

特開平１０−９６８３９号公報 特開２００４−３５６２１７号公報

１０Ｇｂｐｓの高速通信を実現する光モジュールを得るには、パッケージ内の通信線路の特性インピーダンスを最適化（整合）する必要がある。例えば、５０Ωの特性インピーダンスを実現するには、誘電体基板に信号線路と接地線路として金や銅の薄膜導体を施し、コプレーナラインやマイクロストリップラインなどの配線路で形成する必要がある。しかし、この配線路は、比較的に大型のバタフライ型パッケージで実現することは容易であるが、小型の同軸型パッケージで実現するに種々の問題がある。

同軸型パッケージで上記のコプレーナ線路を実現するには、特許文献２に示すように、金属製の台座部（サブマウント）の実装面のほぼ全面を利用して誘電体基板からなるヒートシンクを実装し、該ヒートシンク上にＬＤを搭載し配線導体を形成している。このため、ヒートシンクには、窒化アルミニウムなどの放熱性のよいセラミック材が用いられる。一方、セラミック材が実装されるサブマウントは、ステムと一体的に設けられる鉄系の合金材料で形成されている。

この結果、サブマウントとヒートシンクとの線膨張係数差により、図３（Ｂ）に示すようにサブマウントが温度変化により変形し、実装されているＬＤの位置が変動する。この変動量は、ＬＤを搭載するヒートシンクが大きいほど、バイメタル効果により顕著になる。このＬＤの位置変動により、光ファイバとの光結合位置が変化し、光結合パワーが変化する。また、ＬＤの後方光をモニタして発光出力を制御する方式においては、安定した光出力が得られないと言う問題がある。一般的に、送信光モジュールの光結合系では、３〜５倍程度の光結合倍率であり、ＬＤの位置変化が僅かであっても、光ファイバとの結合位置での変位量は上記の倍率を掛け合わせた値となるため、無視できない変化量となる。なお、結合位置が２μｍずれると、１０％の光出力が低下する。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、誘電体基板からなるヒートシンクを用いて特性インピーダンスの調整を可能とするとともに、温度変化によりＬＤの位置変動が生じない光モジュールの提供を目的とする。

本発明による光モジュールは、金属製のサブマウントの一方の側面にセラミック誘電体からなるヒートシンクを介して半導体レーザダイオードを搭載した光モジュールであって、前記のヒートシンクは、サブマウントの搭載面の全体を覆って接合されており、ヒートシンクと同様な線膨張係数を有する補助基板が、サブマウントの半導体レーザダイオードが搭載されていない反対側の裏面全体を覆って接合されていることを特徴とする。

前記の半導体レーザダイオードは、光結合倍率が３〜５倍のレンズでスタブに収納された結合ファイバ端面と光結合し、サブマウントは、円板状のステム上に設けられ、半導体レーザダイオードはステムの円板中心に位置するように搭載される。なお、サブマウントの厚さは０.８５ｍｍ以下であり、ヒートシンクは窒化アルミニウムで形成され、その厚みは０.１５ｍｍ以上であることが好ましい。

本発明によれば、同軸パッケージ型の光モジュールで、誘電体基板からなるヒートシンクを用いることでコプレーナラインによる特性インピーダンスを整合させ、１０Ｇｂｐｓの高速通信を実現することが可能となる。そして、上記のヒートシンクが実装されるサブマウントの反対側にも同様な誘電体基板からなるヒートシンクを貼り付けることにより、ＬＤの位置変動の生じない安定した光出力を得ることができる。

本発明の光モジュールの概略を説明する図である。 図１の光モジュールを側面と上面から見た図である。 本発明の作用効果を説明する図である。 従来技術を説明する図である。

図により本発明の実施形態を説明する。図において、１はステム、２はサブマウント（台座部）、３はヒートシンク（誘電体基板）、４は半導体レーザダイオード（ＬＤ）、５はリードピン、６はフォトダイオード（ＰＤ）、７は補助基板、８はレンズ、９はキャップ、１０は同軸パッケージ、１１はジョイントスリーブ、１２はフェルールフォルダを示す。なお、図１では省略されているが、図４（Ａ）で説明したのと同様に、フェルールホルダ１２の内部には、その中心部に結合ファイバを搭載しているスタブが設けられており、ＬＤ４から発した光はレンズ８により集光され、ジョイントスリーブ１１の中央に形成された開口を介してこの結合ファイバの端面に集光される。

図１および図２に示すように、本発明は、同軸型パッケージを用いた光モジュールで、金属製のステム１上に垂直に起立するサブマウント（台座部ともいう）２に、ヒートシンク３を介して発光素子としての半導体レーザダイオード（ＬＤ）４が搭載される。ステム１には、複数のリードピン５がガラス封止にされ、また、ＬＤ４の発光をモニタする受光素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）６が搭載される。

また、図１（Ｂ）に示すように、ステム１上には、レンズ８が設けられたキャップ９が取り付けられ、ＬＤ４およびＰＤ６等が密封封止されて同軸型のパッケージ１０とされる。この同軸型パッケージ１０は、スリーブ１１を介してフェルールホルダ１２が結合され光モジュールとされる。また、フェルールホルダ１２には、図４（Ａ）で説明したのと同様な光ファイバが配されたスタブが収納される。

ＬＤ４からの信号光は、レンズ８で集光されて光ファイバに光結合されるが、ＬＤ４とレンズ８間の間隔Ｓは０.２ｍｍ程度で、レンズの光結合倍率は３〜５倍とされる。ここで、レンズ８の結合倍率とは、レンズ８についての一方の側の焦点距離と他方側の焦点距離の比に相当し、本実施の形態ではレンズ８に対しＬＤ４の光出射端面の距離に対し、レンズ８からスタブ端面までの距離が３〜５倍に設定されることを意味する。かかる光学系においては、ＬＤ４の位置ずれ量はレンズ８により拡大され、スタブ端面における結像が３〜５倍拡大されることになる。ＬＤ４の位置ずれの影響がスタブ端面では大きく現れる。なお、スタブ端面とレンズ８との距離は、ジョイントスリーブ１１とキャップ９との重なり量により調整される。

ステム１は、例えば、ＦｅにＮｉ、Ｃｏを配合したコバールと言われている鉄系の合金材のプレス成型で円板形状で形成され、サブマウント２は、該ステム１と一体にたたき出し等により形成される。サブマウント２は、搭載されるＬＤ４がステム１の円板中心になるような位置で、例えば、幅Ｗが２.７ｍｍ、長さＬが１.２〜２.２ｍｍ、厚さＴが０.８５ｍｍで形成され、その前面（部品搭載側）およびその裏面は、共に平坦な面で形成される。

ヒートシンク３は、熱伝導性がよく電気絶縁性のある誘電体基板で形成され、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミック基板で形成される。この窒化アルミニウムの熱伝導率は、１５０Ｗ／ｍ・Ｋと大きく、これをヒートシンクとして用いることにより、ＬＤ４に対する放熱機能を持たせることができる。ヒートシンク３は、例えば、厚さｔ１が０.１５ｍｍ程度のものを用い、サブマウント２の前面側（搭載面）のほぼ全体の面を覆うように半田材（例えば、ＡｕＳｎ）で接合される。また、ヒートシンク３上には、ＬＤ４が同様な半田材で接合される。

上記のセラミックの誘電体基板からなるヒートシンク３上には、ＬＤ４の駆動信号を伝送する配線路が形成される。この場合、サブマウント２の搭載面の面積を、従来の光モジュールで一般的に採用されている搭載面の面積より多少大き目にして、ヒートシンク３の表面積をできるだけ大きくする。そして、この配線路は、図４（Ｂ）で示したのと同様に、所定の特性インピーダンス（例えば、５０Ω）が得られるように、信号線路とその両側にグランド線路を形成したコプレーナラインやマイクロストリップラインの配線路で形成される。また、この他、ヒートシンク３上には、インピーダンス整合用の抵抗やパイパスコンデンサ等の回路素子を搭載、あるいは薄膜で形成されていてもよい。このような配線路を備えることにより、同軸型パッケージの光モジュール１０においても、１０Ｇｂｐｓの高速通信が可能となる。

本発明は、ＬＤ４が搭載されるヒートシンク３が接合されるサブマウント２の反対側の裏面のほぼ全体を覆って、ヒートシンク３と同程度の線膨張係数とヤング率を持つ補助基板７を、同様の形態で接合する。この補助基板７は、上記のヒートシンク３と同じ寸法で、サブマウント２の裏面のほぼ全面を覆うように接合され、ヒートシンク３と補助基板７でサブマウント２を挟み込む。なお、補助基板７は、ヒートシンク３と全く同じものを用いてもよく、厚さｔ２（例えば、０.２ｍｍ）は、異なっていてもよい。

図３は、上述したサブマウントの裏面に補助基板を接合したことによる作用効果を検証した結果を示す図である。なお、検証に用いたサブマウント２は、外径５.６ｍｍｍのステム１と一体に形成され、鉄系の合金で、線膨張係数が１２.２（ｐｐｍ／ｄｅｇＣ）、ヤング率２１５ＧＰａである。サブマウントの厚さＴを０.８５ｍｍ、幅Ｗを２.７ｍｍ、長さＬを１.２ｍｍ，１.７ｍｍ，２.２ｍｍと変化させた。ヒートシンク３と補助基板７は、同じ窒化アルミニウム製とし、線膨張係数を４.５（ｐｐｍ／ｄｅｇＣ）、ヤング率を３２０ＧＰａとし、ヒートシンク３の厚さｔ１を０．１５ｍｍ、補助基板７の厚さｔ２を０．２ｍｍとして、幅Ｗと長さＬをサブマウント２と一致する寸法として、サブマウントにＡｕＳｎ半田材を用いて接合した。

ヒートシンク３には、外形が０.３×０.３ｍｍ角で厚さ０.１ｍｍのＬＤをＡｕＳｎ半田材で、レンズ８からの距離Ｓが０.２ｍｍの位置に搭載した。そして、サブマウント２の長さＬを変え、それぞれ長さＬでの温度２５℃から８５℃に温度変化させたとき、図３（Ｂ）に示すようなサブマウント２に搭載されているＬＤ４の位置変位量ΔＤを計測した。

この結果、図３（Ａ）に示すように、補助基板７を用いない場合（サブマウント２の前面側にヒートシンク３を接合しただけの場合）は、サブマウント２の長さＬが大きくなるほど、ＬＤ４の位置変位量ΔＤが増加し、バイメタル効果でサブマウント２が湾曲することが確認された。
これに対し、本発明のように、ヒートシンク３を接合したサブマウント２の反対側の裏面にヒートシンク３と同様な補助基板７を接合した場合は、サブマウント２の長さＬを大きくしても、ＬＤ４の位置はほぼ一定で変位がなく、サブマウント２が湾曲するのを抑制されることが確認できた。

したがって、図１，２で説明したように、インピーダンス整合を得るために、誘電体基板を兼ねるヒートシンク３の面積増加させる場合、すなわち、サブマウント２の長さＬを増加させる場合であっても、ヒートシンク７と同様な補助基板７をサブマウント２の裏面側に接合することにより、温度変化によりＬＤ４の位置変動を抑制することが可能となる。この結果、インピーダンス整合を取り難い同軸パッケージ型の光モジュールで、高速通信で必要なインピーダンス整合のための配線路の形成を可能とし、これに伴うＬＤの位置ずれ発生を抑制し、安定した光出力を送信することができる。

１…ステム、２…サブマウント（台座部）、３…ヒートシンク（誘電体基板）、４…半導体レーザダイオード（ＬＤ）、５…リードピン、６…フォトダイオード（ＰＤ）、７…補助基板、８…レンズ、９…キャップ、１０…同軸パッケージ、１１…スリーブ、１２…フェルールホルダ。

Claims (5)

1. 金属製のサブマウントの一方の側面にセラミック誘電体からなるヒートシンクを介して半導体レーザダイオードを搭載した光モジュールであって、
   前記ヒートシンクは、前記サブマウントの搭載面の全体を覆って接合されており、前記ヒートシンクと同様な線膨張係数を有する補助基板が前記サブマウントの前記半導体レーザダイオードが搭載されていない反対側の裏面全体を覆って接合されていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記光モジュールはさらに結合ファイバを搭載するスタブを備え、前記半導体レーザダイオードは、光結合倍率が３〜５倍のレンズで前記結合ファイバ端面と光結合されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記サブマウントは、円板状のステム上に設けられ、前記半導体レーザダイオードは前記ステムの円板中心に位置するように搭載されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
4. 前記サブマウントの厚さは０.８５ｍｍ以下であり、前記ヒートシンクの厚みは０.１５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュール。
5. 前記ヒートシンクは、窒化アルミニウム製であること特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光モジュール。

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