JP2013004787A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】キャン型パッケージを用いた光モジュールにおいても、高周波特性を向上する。
【解決手段】リード端子２ａ,２ｂに電気的に接続されたＬＤ素子５は、ステム１のステムマウント１ｃに搭載される。誘電体基板１０ａでは、表面に形成した配線パタン１０ｂ,１０ｃがリード端子２ａ,２ｂに電気的に接続され、裏面全面に施したメタライズを介してステムマウント１ｃに電気的に接続される。このような誘電体基板１０ａにより容量が付加され、伝送線路１０３ａ，１０３ｂの特性インピーダンスを下げ、伝送線路１０２ａ，１０２ｂ−１０３ａ，１０３ｂの界面での反射を防止して高周波特性を向上している。
【選択図】図１（ａ）

Description

本発明は、光モジュール全般、特に高周波特性に優れた光半導体素子用モジュールに関するものである。

近年、光アクセス回線の普及に伴い、光信号源としてレーザダイオード（ＬＤ）を搭載した光モジュール（ＬＤモジュール）の低コスト化が求められている。また、光アクセス回線網における映像コンテンツなどの流通増によるトラヒック増に対応するために、伝送速度が１０Ｇｂｉｔ／ｓ級に対応可能なＬＤモジュールが求められている。

ＬＤモジュールの低コスト化のためには、ＤＶＤ用ＬＤパッケージや低速（１Ｇｂｉｔ／ｓ以下）光通信用ＬＤパッケージなどの安価なキャンパッケージ（例えば特許文献１、２参照）の使用が有利であるが、ＤＶＤ用及び低速光通信用ＬＤパッケージは、１０Ｍｂｉｔ／ｓ〜１Ｇｂｉｔ／ｓ級と低い伝送速度での使用が前提となっているため、ステム上面に突出したリードが１ｍｍ程度と長く、これに起因するインダクタンスの影響で高周波特性を確保することが困難であり、１０Ｇｂｉｔ／ｓ級で駆動することはＬＤモジュールが出力する光信号波形に大きな歪みをもたらすため、このようなＬＤパッケージを１０Ｇｂｉｔ／ｓ級にそのまま適用するのは現実的でない。

一方、リードの短尺化や、リードとＬＤ素子とを電気的に接続するためのワイヤを配線基板で置換する技術を導入することにより上記問題を回避できるが、ＤＶＤ用ＬＤパッケージとは全く異なった実装形態となるため、量産効果による低コスト化の恩恵を享受できないという問題があった。

図１０を用いて従来技術の詳細を説明する。
図１０(ａ)，(ｂ)には、それぞれ従来のキャン型ＬＤパッケージの側面図と上面図が記載されている。また、図示はしないが通常、ＬＤパッケージは、ＬＤ出射光の取り出し用窓またはレンズを具備するキャップにより封止される。つまり、ステム１のステム上面１ａ及びステム上面１ａ側に配置されている各部材（ＬＤ素子５やモニタＰＤ７やステムマウント１ｃやリード端子２ａ，２ｂ，２ｃのうちステム上面１ａから突出した部分など）が、キャップにより封止される。

図１０(ａ)，(ｂ)に示すように、導電材（金属材）からなるステム１は、貫通孔３ａ，３ｂ，３ｃを備え、各貫通孔３ａ，３ｂ，３ｃはリード端子２ａ，２ｂ，２ｃを備えている。ここで、リード端子２ａ，２ｂ，２ｃは、貫通孔３ａ，３ｂ，３ｃに具備されるガラス材等の絶縁体（誘電体）３ｄを介して固定されステム１を貫通しているため、リード端子２ａ，２ｂ，２ｃとステム１とは電気的に絶縁されている。なお、リード端子２ａ，２ｂは、それぞれ、ステム１の一部であるステムマウント１ｃに搭載されるＬＤ素子５のカソード、アノードに駆動電気信号を供給するために設けられている。一方、リード端子２ｄはステム１を貫通せず、ステム下面１ｂとろう付け等により接続されているため、ステム１と電気的に接続されており、グランドピンの役割を果たす。したがって、リード端子２ｄがグランドに接続されることにより、ステム１及びその一部であるステムマウント１ｃがグランドに接続されることになる。

なお、ＬＤ素子５は、熱伝導率が高くかつ熱膨張係数がＬＤ素子５の材料と近い値を有する誘電体（例えばInP系材料からなるＬＤ素子の場合はAlNなど）をヒートシンク６ａとして用いている。ヒートシンク６ａは、ステムマウント１ｃとハンダ等で固定され、ヒートシンク６ａの上面にはワイヤ配線用の配線パタン６ｂを備えている。また、ＬＤ素子５下面に設けられたカソード（図示せず）は配線パタン６ｂとハンダ等で固定される。

ＬＤ素子５から出射するＬＤ信号のほとんどはステム上面方向とは逆方向（＋ｚ軸方向）に出射される。一方、僅かに出射されるステム上面方向（−z軸方向）の信号光をモニタＰＤ７で受光することにより、ＬＤ素子５の光出力強度をモニタすることが可能である。このようなモニタＰＤ７は、一般にモニタＰＤ７の受光電流が一定になるようにＬＤ素子５の駆動電流値を制御することで一定の光出力強度を得ることができるＡＰＣ（Auto Power Control）機能を実現するために導入される。なお、モニタＰＤ７は、ステム凹部１ｄに配置されたＰＤキャリア８に搭載される。モニタＰＤ７のカソードはリード端子２ｃのステム上面側の一端にワイヤ９ａを介して電気的に接続される。また、アノードはステム上面１ａにワイヤ９ｂを介して電気的に接続されるため、ステム１と同位のグランドになる。

次に、ＬＤ駆動電気信号の伝送線路、即ち、ＬＤ素子５への給電系統の詳細を説明する。カソード側においては、ＬＤパッケージ外部からの高速駆動電気信号は、リード端子２ａのステム下面側の一端から、ステム上面側の一端に至り、ワイヤ４ａ、ヒートシンク６ａの配線パタン６ｂを経由してＬＤ素子５の下面（図示せず）に設けたカソードに給電される。また、アノード側においては、ＬＤパッケージ外部からの高速駆動電気信号は、リード端子２ｂのステム下面側の一端から、ステム上面側の一端に至り、ワイヤ４ｂを経由してＬＤ素子５の上面のアノードに給電される。

ここで、カソード側の電気信号線路を、伝送線路１０１ａ，１０２ａ，１０３ａに分割しておく。伝送線路１０１ａはリード端子２ａのステム下面側の一端からステム下面１ｂまで、伝送線路１０２ａはリード端子２ａのステム１を貫通する部分を、伝送線路１０３ａはステム上面１ａからリード端子２ａのステム上面側の一端までを指す。なお、アノード側も同様に、伝送線路１０１ｂはリード端子２ｂのステム下面側の一端からステム下面１ｂまで、伝送線路１０２ｂはリード端子２ｂのステム１を貫通する部分を、伝送線路１０３ｂはステム上面１ａからリード端子２ｂのステム上面側の一端までを指す。

次に、伝送線路１０２ａ(１０２ｂ)，１０３ａ(１０３ｂ)の１０ＧＨｚ付近における特性インピーダンスを見積もる。伝送線路１０２ａ(１０２ｂ)の長さを１.２ｍｍ、貫通孔３ａ，３ｂの直径を約１ｍｍ、貫通孔３ａ，３ｂに具備されるガラス材（誘電体である絶縁材３ｄ）の誘電率を４〜７とすると、伝送線路１０２ａ(１０２ｂ)の１０ＧＨｚ付近における特性インピーダンスは、１５〜３０Ω程度となる。一方、伝送線路１０３ａ（１０３ｂ）は、伝送線路１０２ａ(１０２ｂ)とは異なり、リード端子２ａ(２ｂ)の周囲にガラス等の誘電体はなく、しかも長さが１ｍｍ程度と長くインダクタンス成分が大きいため、伝送線路１０３ａ（１０３ｂ）の１０ＧＨｚ付近における特性インピーダンスは前記伝送線路１０２ａ(１０２ｂ)の値（１５〜３０Ω）よりも大きくなる。よって、伝送線路１０１ａ(１０１ｂ)から入力された電気信号は、伝送線路１０２ａ(１０２ｂ)を経由した後、伝送線路１０２ａ(１０２ｂ)と伝送線路１０３ａ(１０３ｂ)の界面で反射を受け、伝送線路１０２ａ〜１０３ａ(１０２ｂ〜１０３ｂ)のＳ１１特性１０ＧＨｚにおいて−３ｄＢ程度と非常に高周波特性が悪くなってしまう（図２、図５、図８に従来例の高周波特性を示す）。

特開２００８-１７０６３６号公報 特開２００４-３６３２４２号公報

上述したように従来技術では、入力された高周波電気信号は、伝送線路１０２ａ(１０２ｂ)を経由した後、伝送線路１０２ａ(１０２ｂ)と伝送線路１０３ａ(１０３ｂ)の界面で反射を受けるため、伝送線路１０２ａ〜１０３ａ(１０２ｂ〜１０３ｂ)の高周波特性が悪くなってしまうという問題があった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、従来の安価なキャン型パッケージを用いても、１０Ｇｂｉｔ／ｓ級の高速信号で駆動できる、高周波特性に優れた光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本発明の構成は、
導電材からなると共にグランドに接続されるステムと、
前記ステムを貫通して前記ステムに取り付けられると共に、前記ステムを貫通する部分に絶縁材が介在することにより前記ステムとは電気的に絶縁されたリード端子と、
前記ステムの一部であるステムマウントに搭載されると共に、前記リード端子に電気的に接続された光素子を備えた光モジュールにおいて、
表面は前記リード端子に対向し、裏面は前記ステムマウントに電気的に接続されている誘電体基板を備えたことを特徴とする。

また本発明の構成は、
導電材からなると共にグランドに接続されるステムと、
前記ステムを貫通して前記ステムに取り付けられると共に、前記ステムを貫通する部分に絶縁材が介在することにより前記ステムとは電気的に絶縁された第１のリード端子と、
前記ステムを貫通して前記ステムに取り付けられると共に、前記ステムを貫通する部分に絶縁材が介在することにより前記ステムとは電気的に絶縁された第２のリード端子と、
前記ステムの一部であるステムマウントに搭載されると共に、前記第１のリード端子及び前記第２のリード端子に電気的に接続された光素子を備えた光モジュールにおいて、
表面は前記第１のリード端子及び第２のリード端子に対向し、裏面は前記ステムマウントに電気的に接続されている誘電体基板を備えたことを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記誘電体基板は、第１のリード端子に対向している部分と、第２のリード端子に対向している部分とに分割されていることを特徴とする。

また本発明の構成は
前記誘電体基板の裏面の全面にメタライズ処理がされていることを特徴とする。

また本発明の構成は
前記誘電体基板の裏面のうち、前記リード端子に対向する位置には、前記リード端子の軸方向に沿い、メタライズ処理がされた部分とメタライズ処理がされずに前記裏面が露出している部分が交互に形成されていることを特徴とする。

また本発明の構成は
前記誘電体基板の表面のうち前記リード端子に対向する部分に配線パタンが形成されていることを特徴とする。

また本発明の構成は
前記誘電体基板の表面のうち前記リード端子に対向する部分に配線パタンが形成され、前記配線パタンが前記リード端子に電気的に接続されていることを特徴とする。

また本発明の構成は
前記光素子がレーザダイオードであることを特徴とする。

また本発明の構成は
前記誘電体基板は、前記ステムマウントに対向する箇所と、前記リード端子に対向する箇所とで、厚みが異なることを特徴とする。

また本発明の構成は
前記誘電体基板は、前記ステムマウントに対向する箇所と、前記リード端子に対向する箇所との間に、溝状のスリットを具備することを特徴とする。

また本発明の構成は
前記光素子、前記ステムマウント、前記誘電体基板、前記リード端子のうち前記光素子が配置されている側に突出している部分、前記ステムの面のうち前記ステムマウントが形成されている側の面が、キャップにより封止されていることを特徴とする。

本発明によれば、１０Ｇｂｉｔ／ｓ級の高速信号伝送が可能な高周波特性が良好で、かつ既存のパッケージにより構成される安価な光モジュールを提供することができる。

本発明の第１実施形態の光モジュールを示す側面図である。 本発明の第１実施形態の光モジュールを示す上面図である。 第１実施形態の光モジュールの特性を従来特性と共に示す特性図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る光モジュールを示す側面図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る光モジュールを示す上面図である。 本発明の第２実施形態の光モジュールを示す側面図である。 本発明の第２実施形態の光モジュールを示す上面図である。 本発明の第２実施形態のスリットを示す拡大図である。 本発明の第２実施形態のスリットを示す拡大図である。 第２実施形態の光モジュールの特性を従来特性と共に示す特性図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係る光モジュールを示す側面図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係る光モジュールを示す上面図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係るスリットを示す拡大図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係るスリットを示す拡大図である。 本発明の第３実施形態の光モジュールを示す側面図である。 本発明の第３実施形態の光モジュールを示す上面図である。 本発明の第３実施形態のメタライズパタン部を示す拡大図である。 第３実施形態の光モジュールの特性を従来特性と共に示す特性図である。 本発明の第３実施形態の変形例に係る光モジュールを示す側面図である。 本発明の第３実施形態の変形例に係る光モジュールを示す上面図である。 本発明の第３実施形態の変形例に係るメタライズパタン部を示す拡大図である。 本発明の第３実施形態の変形例に係るメタライズパタン部を示す拡大図である。 従来の光モジュールを示す構成図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき詳細に説明する。

（誘電体基板を用いた光モジュール）
以下、図１に基づいて本発明の第１実施形態である光モジュールについて詳細に説明する。図１（ａ），図１（ｂ）はそれぞれ、第１実施形態の光モジュールの側面図、上面図である。図１において、表面に配線パタン１０ｂ，１０ｃが形成された誘電体基板１０ａを導入した以外は、図１０に示した従来の光モジュールと同様の構成となっている（図１０及び図１において同一の部材には、図１０と図１で共通の番号を振っている）。そのため、配線パタン１０ｂ，１０ｃを有する誘電体基板１０ａの追加を行っただけであり、用いているパッケージは従来からの安価なキャン型ＬＤパッケージと同一である。

なお、誘電体基板１０ａは、リード端子２ａ，２ｂとステムマウント１ｃの間隙に設置されている。また、誘電体基板１０ａの裏面は全面メタライズ処理され（図示せず）、裏面の一部はステムマウント１ｃに半田または銀ペースト等の導電性接着剤により電気的に接続されているため、裏面はグランドと同位で接地している。
また、誘電体基板１０ａのｘ軸方向の幅が、リード端子２ａとリード端子２ｂの間隔よりも大きくなっており、配線パタン１０ｂ，１０ｃは、リード端子２ａ，２ｂの直下に位置している（リード端子２ａ，２ｂと対向する位置に配置されている）。

さらに、誘電体基板１０ａの表面には、リード端子２ａ，２ｂとそれぞれ半田または銀ペースト等の導電性接着剤により電気的な接続を行うための配線パタン１０ｂ，１０ｃを具備している。そのため、リード端子２ａ，２ｂにおいて、それぞれ誘電体基板１０ａの表面に形成された配線パタン１０ｂ，１０ｃと電気的に接続されている部分は、誘電体基板１０ａの誘電率、誘電体基板厚及び配線パタン１０ｂ，１０ｃの面積により定まる容量成分が付加される。なお、本実施例では配線パタン１０ｂ,１０ｃの面積を等しくしているため、同一面積すなわち同一容量としているが、リード端子２ａ,２ｂに付加する容量値を独立に調整する必要がある場合は、同一面積とは限らない。

図１に示す光モジュールは、１０Ｇｂｉｔ／ｓ級の高速光信号を送信するための光通信システム用モジュールであり、光半導体素子としてＬＤ素子５が搭載されている。ＬＤ素子５としては、温度特性に優れるInGaAlAsを含む多重量子井戸(MQW)構造を活性層に有する分布帰還型ＬＤ（ＤＦＢ-ＬＤ）が好適である。

図１に示す第１実施形態の光モジュールにおいて、ステム外部からの１０Ｇｂｉｔ／ｓ級の差動駆動電気信号（Ｎ信号、Ｐ信号）のうち、Ｎ信号は、伝送線路１０１ａ，１０２ａ，１０３ａを経由し、ワイヤ４ａを介し、ヒートシンク６ａの上面に形成された配線パタン６ｂを経てＬＤ素子の下面（図示せず）に形成されたカソード側に供給される。Ｐ信号も同様に、伝送線路１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂを経由し、ワイヤ４ｂを介してＬＤ素子５のアノード側に供給される。

ここで、Ｎ信号に着目すると、誘電体基板１０ａの導入により、伝送線路１０３ａの誘電体基板１０ａの表面に形成された配線パタン１０ｂとリード端子２ａが電気的に接続された部分において特性インピーダンスが下がり、その結果伝送線路１０２ａ―１０３ａ間の特性インピーダンス差が小さくなったため、伝送線路１０２ａ―１０３ａ間のＮ信号の反射を抑制することが可能となる。同様に、Ｐ信号においては、誘電体基板１０ａの導入により、伝送線路１０３ｂの誘電体基板１０ａの表面に形成された配線パタン１０ｃとリード端子２ｂが電気的に接続された部分において特性インピーダンスが下がり、その結果伝送線路１０２ｂ―１０３ｂ間の特性インピーダンス差が小さくなったため、伝送線路１０２ｂ―１０３ｂ間のＰ信号の反射を抑制することが可能となる。
このように駆動電気信号（Ｎ信号、Ｐ信号）の反射を抑制することができるため、高周波特性を向上することができる。

図２に、実際に誘電体基板を導入したキャン型ＬＤパッケージの高周波特性を示す。なお、誘電体基板の材質にはアルミナ（Al₂O₃、比誘電率１０.０）を用い、基板厚は１００μｍである。測定は、Ｎ信号側について行った。図２に示すように、誘電体基板を導入しない従来の方式では周波数１０GHzにおいて、Ｓ２１（透過特性）=−２ｄＢ、Ｓ１１（反射特性）=−５ｄＢと非常に劣化した。一方、誘電体基板を導入した場合、Ｓ２１=−１ｄＢ、Ｓ１１=−１１ｄＢと改善した。

よって、高周波特性の悪い安価なキャン型パッケージを用いても、非常に安価な誘電体基板を追加するだけの本実施形態により、１０Ｇｂｉｔ／ｓ級の高速信号で駆動しても良好な高周波特性が得られる。なお、誘電体基板の厚さは、リード端子２ａ,２ｂとステムマウント１ｃとの間隙に設置するため、１５０μｍ以下であることが望ましい。そのため、誘電体基板の材質としては窒化アルミ（AlN、比誘電率８〜９）やアルミナ（Al₂O₃、比誘電率９〜１０）など比誘電率が高い材質が望ましい。

なお、図１に示した本発明の第１の実施形態においては、同一の誘電体基板の表面に配線パタンを２箇所（配線パタン１０ｂ、配線パタン１０ｃ）設けているが、図３に示したように誘電体基板を二枚に分割しても良い。

図３において、誘電体基板１０ａと誘電体基板１０ｄの二枚の誘電体基板が用いられており、それぞれの表面に具備される配線パタン１０ｂ及び配線パタン１０ｃが、それぞれリード端子２ａ,２ｂに電気的に接続されている。また、誘電体基板１０ａ,１０ｄの裏面は全面メタライズ処理されており、ステムマウント１ｃに接続されている。

誘電体基板を二枚に分割する場合、部材点数が一点増加すること、及び実装工程が多少煩雑になるデメリットはあるが、ステム１の製造工程においてリード端子２ａ,２ｂが貫通孔３ａ,３ｂに対し、互いに異なった量で偏心して形成された場合において、誘電体基板１０ａ,１０ｄの配線パタン１０ｂ,１０ｃをそれぞれリード端子２ａ,２ｂに対し独立に位置調整が可能になる利点が生じる。図３に示した各誘電体基板１０ａ,１０ｄの材質、厚さ、配線パタンの大きさは図１に示した実施例と同様であるため、本発明の第１実施形態である光モジュールと同様の効果が得られることは明らかである。

これまで述べてきたように、図１に示した本発明の第１の実施形態においては、誘電体基板１０ａに具備される配線パタン１０ｂ,１０ｃは、それぞれリード端子２ａ,２ｂに半田または銀ペースト等の導電性接着剤を介して電気的に接続されていることで、リード端子２ａ,２ｂに容量成分を付加していることを特徴としている。

しかしながら、前記配線パタン１０ｂ,１０ｃをそれぞれリード端子２ａ,２ｂに電気的に接続しなくとも同様の効果が得られる。この場合は、リード端子２ａ,２ｂと誘電体基板１０ａの裏面（全面メタライズ部）グランド間には、誘電体基板１０ａ（図１の第一実施例の場合は、比誘電率１０.０）だけでなく大気（比誘電率１.０、なお、キャン型ＬＤパッケージを、キャップと不活性ガス等により気密封止する場合は、該不活性ガス等の比誘電率を考慮する）も含まれるため、図１に示した第１実施例において付加した容量より小さいものの、特性インピーダンス差を低減できる容量が付加されることになる。

また、同様の理由により、表面に前記配線パタン１０ｂ,１０ｃを具備せず裏面に全面メタライズ部のみを具備する誘電体基板１０ａを、リード端子２ａ,２ｂとステムマウント１ｃの間隙に設置し、前記誘電体基板１０ａの裏面の一部をステムマウント１ｃに電気的にグランドに接続するだけでも同様の効果が得られる。この場合、図１に示した本発明の第１の実施形態よりも多少効果は少なくなるが、実装工程が簡易になる利点がある。

（誘電体基板を用いた光半導体素子用モジュール（厚みによる容量調整＋応力緩和用スリット付き））
以下、図４に基づいて本発明の第２実施形態である光モジュールについて詳細に説明する。図４（ａ）,図４（ｂ）はそれぞれ、第２実施形態の光モジュールの側面図、上面図である。図４において、ステムマウント１ｃ搭載面に面する部分と、リード端子２ａ,２ｂと対向する部分とで異なった厚みを有する誘電体基板１０ａ及び前記誘電体基板１０ａの表面に形成された配線パタン１０ｂ,１０ｃ及びステム上面１ａから垂直方向（ｚ軸方向）に配置される溝状のスリット１０ｈ,１０ｉを導入した以外は、図１０に示した従来の光モジュールと同様の構成となっている（図１０及び図４において同一の部材には、図１０と図４で共通の番号を振っている）。そのため、配線パタン１０ｂ,１０ｃを有しかつ異なった厚みを有する誘電体基板１０ａの追加及び前記誘電体基板１０ａの一部にスリット１０ｈ,１０ｉの追加を行っただけであり、用いているパッケージは従来からの安価なキャン型ＬＤパッケージと同一である。

なお、誘電体基板１０ａは、リード端子２ａ,２ｂとステムマウント１ｃの間隙に設置されている。また、誘電体基板１０ａの裏面は全面メタライズ処理され（図示せず）、裏面の一部はステムマウント１ｃに半田または銀ペースト等の導電性接着剤により電気的に接続されているため、裏面はグランドと同位で接地している。
また、誘電体基板１０ａのｘ軸方向の幅が、リード端子２ａとリード端子２ｂの間隔よりも大きくなっており、配線パタン１０ｂ，１０ｃは、リード端子２ａ，２ｂの直下に位置している（リード端子２ａ，２ｂと対向する位置に配置されている）。

さらに、誘電体基板１０ａの表面には、リード端子２ａ,２ｂとそれぞれ半田または銀ペースト等の導電性接着剤により電気的な接続を行うための配線パタン１０ｂ,１０ｃを具備している。そのため、リード端子２ａ,２ｂにおいて、それぞれ誘電体基板１０ａの表面に形成された配線パタン１０ｂ,１０ｃと電気的に接続されている部分は、誘電体基板１０ａの誘電率、誘電体基板厚及び配線パタン１０ｂ,１０ｃの面積に定まる容量成分が付加される。

本実施形態における光モジュールの特徴は、前記誘電体基板１０ａが一様の厚みを有するのではなく、異なった厚みを有することにある。誘電体基板１０ａの厚みは、誘電体基板１０ａをリード端子２ａ,２ｂとステムマウント１ｃの間隙に設置するため、前記間隙よりは厚みを大きくすることができない。一方、誘電体基板１０ａにより付加する容量は、先に述べたように誘電体基板１０ａの誘電率、誘電体基板厚及び配線パタン１０ｂ,１０ｃの面積によって定まる。よって、基板厚を調整して容量を調整したい場合は、一様の厚みを有する誘電体基板では前記間隙（１００〜１５０μｍ）以上の厚みとすることができない。また、付加容量値を増大させるため、基板厚を一様に薄くした場合、リード端子との隙間が拡がるため、結果として付加容量値を増大できないケースがでてくる。前記誘電体基板１０ａに、基準厚み部１０ｇとは異なる厚みを有する厚み調整部１０ｅ，１０ｆを設けることにより、容量の設計自由度を高くすることが可能となる。以下では、図４に示したように、リード端子と対向する箇所の厚みを厚くしたケースについて詳細に説明する。

本実施形態における光モジュールのもう一つの特徴は、前記誘電体基板１０ａの厚みが変化する箇所に応力緩和用のスリット１０ｈ，１０ｉを具備することである。基板厚が変化する箇所（基準厚み部１０ｇと厚み調整部１０ｅの間及び基準厚み部１０ｇと厚み調整部１０ｆの間）には、異なった厚みによる応力に加え、基準厚み部１０ｇのみがステムマウント１ｃに固定されることによる応力が加わるため、前記誘電体１０ａが反ることにより、最悪の場合前記誘電体１０ａが破損することが懸念される。そのため、図４(ｂ)に示すように前記基板厚が変化する箇所にスリット１０ｈ，１０ｉを設けたことを特徴とする。なお、スリット１０ｈ，１０ｉの詳細をそれぞれ図４(ｃ)，(ｄ)に示す。

図４に示す光モジュールは、１０Ｇｂｉｔ／ｓ級の高速光信号を送信するための光通信システム用モジュールであり、光半導体素子としてＬＤ素子５が搭載されている。ＬＤ素子５としては、温度特性に優れるInGaAlAsを含む多重量子井戸(MQW)構造を活性層に有する分布帰還型ＬＤ（ＤＦＢ-ＬＤ）が好適である。

図４に示す第２実施形態の光モジュールにおいて、ステム外部からの１０Ｇｂｉｔ／ｓ級の差動駆動電気信号（Ｎ信号、Ｐ信号）のうち、Ｎ信号は、伝送線路１０１ａ,１０２ａ,１０３ａを経由し、ワイヤ４ａを介し、ヒートシンク６ａの上面に形成された配線パタン６ｂを経てＬＤ素子の下面（図示せず）に形成されたカソード側に供給される。Ｐ信号も同様に、伝送線路１０１ｂ,１０２ｂ,１０３ｂを経由し、ワイヤ４ｂを介してＬＤ素子５のアノード側に供給される。

ここで、Ｎ信号に着目すると、誘電体基板１０ａの導入により、伝送線路１０３ａの誘電体基板１０ａの表面に形成された配線パタン１０ｂとリード端子２ａが電気的に接続された部分において特性インピーダンスが下がり、その結果伝送線路１０２ａ―１０３ａ間の特性インピーダンス差が小さくなったため、伝送線路１０２ａ―１０３ａ間のＮ信号の反射を抑制することが可能となる。同様に、Ｐ信号においては、誘電体基板１０ａの導入により、伝送線路１０３ｂの誘電体基板１０ａの表面に形成された配線パタン１０ｃとリード端子２ｂが電気的に接続された部分において特性インピーダンスが下がり、その結果伝送線路１０２ｂ―１０３ｂ間の特性インピーダンス差が小さくなったため、伝送線路１０２ｂ―１０３ｂ間のＰ信号の反射を抑制することが可能となる。
このように駆動電気信号（Ｎ信号、Ｐ信号）の反射を抑制することができるため、高周波特性を向上することができる。

図５に、実際に誘電体基板を導入したキャン型ＬＤパッケージの高周波特性を示す。なお、誘電体基板の材質にはアルミナ（Al₂O₃、比誘電率１０.０）を用い、基準厚み部１０ｇは１００μｍ、厚み調整部１０ｅ,１０ｆは共に１７０μｍである。測定は、Ｎ信号側について行った。図５に示すように、誘電体基板を導入しない従来の方式では周波数１０GHzにおいて、Ｓ２１（透過特性）=−２ｄＢ、Ｓ１１（反射特性）=−５ｄＢと非常に劣化した。一方、誘電体基板を導入した場合、Ｓ２１=−１ｄＢ、Ｓ１１=−９ｄＢと改善した。

よって、高周波特性の悪い安価なキャン型パッケージを用いても、非常に安価な誘電体基板を追加するだけの本実施形態により、１０Ｇｂｉｔ／ｓ級の高速信号で駆動しても良好な高周波特性が得られる。なお、誘電体基板の厚さ（基準厚み部１０ｇ）は、リード端子２ａ，２ｂとステムマウント１ｃとの間隙に設置するため、１５０μｍ以下であることが望ましい。そのため、誘電体基板の材質としては窒化アルミ（AlN、比誘電率８〜９）やアルミナ（Al₂O₃、 比誘電率９〜１０）など比誘電率が高い材質が望ましい。

なお、図４に示した本発明の第２の実施形態においては、同一の誘電体基板の表面に配線パタンを２箇所（配線パタン１０ｂ、配線パタン１０ｃ）設けているが、図６に示したように誘電体基板を二枚に分割しても良い。

図６において、誘電体基板１０ａと誘電体基板１０ｄの二枚の誘電体基板が用いられており、それぞれの表面に具備される配線パタン１０ｂ及び配線パタン１０ｃが、それぞれリード端子２ａ,２ｂに電気的に接続されている。また、誘電体基板１０ａ,１０ｄの裏面は全面メタライズ処理されており、ステムマウント１ｃに接続されている。さらに、誘電体基板１０ａ,１０ｄは容量を調整するための厚み調整部１０ｅ,１０ｆを具備し、図６（ｃ）,（ｄ）に示したように応力緩和用のスリット１０ｈ,１０ｉを備えている。図６に示した各誘電体基板の材質、厚さ、配線パタンの大きさは図４に示した実施例と同様であるため、本発明の第２実施形態である光モジュールと同様の効果が得られることは明らかである。

これまで述べてきたように、図４に示した本発明の第２の実施形態においては、誘電体基板１０ａに具備される配線パタン１０ｂ,１０ｃは、それぞれリード端子２ａ,２ｂに半田または銀ペースト等の導電性接着剤を介して電気的に接続されていることで、リード端子部２ａ,２ｂに容量成分を付加していることを特徴としている。

しかしながら、前記配線パタン１０ｂ,１０ｃをそれぞれリード端子２ａ,２ｂに電気的に接続しなくとも同様の効果が得られる。この場合は、リード端子２ａ,２ｂと誘電体基板１０ａの裏面（全面メタライズ部）グランド間には、誘電体基板１０ａ（図４の第２実施例の場合は、比誘電率１０.０）だけでなく大気（比誘電率１.０、なお、キャン型ＬＤパッケージを、キャップと不活性ガス等により気密封止する場合は、該不活性ガス等の比誘電率を考慮する）も含まれるため、図４に示した第２実施例において付加した容量より小さいものの、特性インピーダンス差を低減できる容量が付加されることになる。

また、同様の理由により、表面に前記配線パタン１０ｂ,１０ｃを具備せず裏面に全面メタライズ部のみを具備する誘電体基板１０ａを、リード端子２ａ,２ｂとステムマウント１ｃの間隙に設置し、前記誘電体基板１０ａ,１０ｄの裏面の一部を、それぞれステムマウント１ｃに電気的にグランドに接続するだけでも同様の効果が得られる。
なお、厚み調整部１０ｅ,１０ｆの厚さは、基準厚み部１０ｇより厚い形態のみに限定されることなく、薄い形態であっても構わない。この場合、付加容量値を効果的に増大できる効果がある。

（裏面メタライズが周期的にパターニングされている誘電体基板を用いた光モジュール）
以下、図７に基づいて本発明の第３実施形態の光モジュールについて詳細に説明する。
図７（ａ）,図７（ｂ）はそれぞれ、第３実施形態の光モジュールの側面図、上面図であり、図７（ｃ）は、第３実施形態の光モジュールに導入される誘電体基板の裏面図である。図７において、誘電体基板１０ａ及び前記誘電体基板１０ａの裏面にメタライズパタン部１１ａ,１１ｂが形成されていること以外は図１０に示した従来の光モジュールと同様の構成となっている（図１０及び図７において同一の部材には、図１０と図７で共通の番号を振っている）。そのため、誘電体基板１０ａの追加を行っただけであり、用いているパッケージは従来からの安価なキャン型ＬＤパッケージと同一である。

なお、誘電体基板１０ａは、リード端子２ａ，２ｂとステムマウント１ｃの間隙に設置されている。また、誘電体基板１０ａの裏面は図７（ｃ）に示したように、メタライズパタン部１１ａ,１１ｂを除き全面メタライズ処理され、全面メタライズ部の一部はステムマウント１ｃに半田または銀ペースト等の導電性接着剤により電気的に接続されているため、裏面はグランドと同位で接地している。

また、誘電体基板１０ａのｘ軸方向の幅が、リード端子２ａとリード端子２ｂの間隔よりも大きくなっている。
誘電体基板１０ａの裏面に形成されたメタライズパタン部１１ａ，１１ｂは、誘電体基板１０ａを間にして、リード端子２ａ，２ｂと対向する位置に配置されている。
メタライズパタン部１１ａでは、リード端子２ａの軸方向（ｚ軸方向）に沿い、メタライズ処理がされている面積部分であるパタン１２ａ,１４ａ,１６ａと、メタライズ処理がされておらず誘電体基板１０ａの裏面が露出している面積部分であるパタン１３ａ,１５ａとが、交互に（周期的に）形成されている。
同様にメタライズパタン部１１ｂでは、リード端子２ｂの軸方向（ｚ軸方向）に沿い、メタライズ処理がされている面積部分であるパタン１２ｂ,１４ｂ,１６ｂと、メタライズ処理がされておらず誘電体基板１０ａの裏面が露出している面積部分であるパタン１３ｂ,１５ｂとが、交互に（周期的に）形成されている。
なお、本実施の形態では、誘電体基板１０ａの表面にはメタライズ部は形成しておらずリード端子２ａ,２ｂと誘電体基板１０ａの表面とは物理的に離間している。

そのため、リード端子２ａ,２ｂにおいて、それぞれ誘電体基板１０ａと対向している部分は、誘電体基板１０ａの誘電率、誘電体基板１０ａとリード端子２ａ,２ｂとの間隙に存在する気密封止ガスの誘電率、誘電体基板厚及びメタライズの面積により定まる容量成分が付加されるが、このとき、誘電体基板の裏面は、図７（ｃ）に示したように異なったメタライズ面積が周期的に形成されたメタライズパタン部１１ａ,１１ｂを有しているため、伝送線路３ａ,３ｂにおいて一様な容量が付加されないことを第３実施例の特徴としている。

図７に示す光モジュールは、１０Ｇｂｉｔ／ｓ級の高速光信号を送信するための光通信システム用モジュールであり、光半導体素子としてＬＤ素子５が搭載されている。ＬＤ素子５としては、温度特性に優れるInGaAlAsを含む多重量子井戸(MQW)構造を活性層に有する分布帰還型ＬＤ（ＤＦＢ-ＬＤ）が好適である。

図７に示す第３実施形態の光モジュールにおいて、ステム外部からの１０Ｇｂｉｔ／ｓ級の差動駆動電気信号（Ｎ信号、Ｐ信号）のうち、Ｎ信号は、伝送線路１０１ａ,１０２ａ,１０３ａを経由し、ワイヤ４ａを介し、ヒートシンク６ａの上面に形成された配線パタン６ｂを経てＬＤ素子の下面（図示せず）に形成されたカソード側に供給される。Ｐ信号も同様に、伝送線路１０１ｂ,１０２ｂ,１０３ｂを経由し、ワイヤ４ｂを介してＬＤ素子５のアノード側に供給される。

ここで、Ｎ信号に着目すると、メタライズパタン部１１ａを有する誘電体基板１０ａの導入により、伝送線路１０３ａの誘電体基板１０ａとリード端子２ａが対向する部分においては、特性インピーダンスが下がる部分と特性インピーダンスが僅かに下がる部分が周期的に現れる。すなわち本実施例における伝送線路１０３ａは、高周波伝送に好適なリード端子２ａとメタライズパタン部１１ａで構成されたＬＣ３段構成の疑似分布定数線路となっていることを特徴とする。なお、伝送線路１０３ａにおいて特性インピーダンスが下がる部分とは、図７（ｃ）に示すパタン１２ａ,１４ａ,１６ａの部分であり、特性インピーダンスが僅かに下がる部分とは図７（ｃ）に示すパタン１３ａ,１５ａの部分である。なお、パタン１２ａ,１３ａ,１４ａ,１５ａ,１６ａは周期的に形成されている。

以上より、誘電体基板の導入により伝送線路３ａの特性インピーダンスを高周波領域までほぼ一様に低下させ、その結果伝送線路１０２ａ―１０３ａ間の特性インピーダンス差が小さくなったため、伝送線路１０２ａ―１０３ａ間のＮ信号の反射を大幅に抑制することが可能となる。

同様に、Ｐ信号においては、メタライズパタン部１１ｂを有する誘電体基板１０ａの導入により、伝送線路１０３ｂの誘電体基板１０ａとリード端子２ｂが対向する部分においては、特性インピーダンスが下がる部分と特性インピーダンスが僅かに下がる部分が周期的に現れる。すなわち本実施例における伝送線路１０３ｂは、高周波伝送に好適なリード端子２ｂとメタライズパタン部１１ｂで構成されたＬＣ３段構成の疑似分布定数線路となっていることを特徴とする。なお、伝送線路１０３ｂにおいて特性インピーダンスが下がる部分とは、図７（ｃ）に示すパタン１２ｂ,１４ｂ,１６ｂの部分であり、特性インピーダンスが僅かに下がる部分とは図７（ｃ）に示すパタン１３ｂ,１５ｂの部分である。なお、パタン１２ｂ,１３ｂ,１４ｂ,１５ｂ,１６ｂはそれぞれ周期的に形成されている。

以上より、誘電体基板の導入により伝送線路１０３ｂの特性インピーダンスを高周波領域までほぼ一様に低下させ、その結果伝送線路１０２ｂ―１０３ｂ間の特性インピーダンス差が小さくなったため、伝送線路１０２ｂ―１０３ｂ間のＰ信号の反射を大幅に抑制することが可能となる。

このように駆動電気信号（Ｎ信号、Ｐ信号）の反射を抑制することができるため、高周波特性を向上することができる。

図８に、実際に本実施例における誘電体基板を導入したキャン型ＬＤパッケージの高周波特性を示す。なお、誘電体基板の材質にはアルミナ（Al₂O3、比誘電率１０.０）を用い、基板厚は１００μｍである。測定は、Ｎ信号側について行った。図８に示すように、誘電体基板を導入しない従来の方式では周波数１０GHzにおいて、Ｓ２１（透過特性）=−２ｄＢ、Ｓ１１（反射特性）=−５ｄＢと非常に劣化した。一方、誘電体基板を導入した場合、Ｓ２１=−１ｄＢ、Ｓ１１=−９ｄＢと改善した。

よって、高周波特性の悪い安価なキャン型パッケージを用いても、非常に安価な誘電体基板を追加するだけの本実施形態により、１０Ｇｂｉｔ／ｓ級の高速信号で駆動しても良好な高周波特性が得られる。なお、誘電体基板の厚さは、リード端子２ａ,２ｂとステムマウント１ｃとの間隙に設置するため、１５０μｍ以下であることが望ましい。そのため、誘電体基板の材質としては窒化アルミ（ＡlＮ、比誘電率８〜９）やアルミナ（Al₂O₃、比誘電率９〜１０）など比誘電率が高い材質が望ましい。
なお，疑似分布定数線路効果を最大にするためには、メタライズパタン部１１ａ，１１ｂにおいて，パタン１２ａ，１４ａ，１６ａ及びパタン１２ｂ，１４ｂ，１６ｂがそれぞれ等間隔に配置することが好適であるが、等間隔でなくても一定の効果を奏するため、必ずしもこれに限定されるものではない。

なお、図７に示した本発明の第３の実施形態においては、同一の誘電体基板の裏面にメタライズパタン部を２箇所（メタライズパタン部１１ａ,１１ｂ）設けているが、図９に示したように誘電体基板を二枚に分割しても良い。図９において、誘電体基板１０ａと誘電体基板１０ｂの二枚の誘電体基板が用いられており、それぞれリード端子２ａ,２ｂに対向するように設置される。また、誘電体基板１０ａ,１０ｂの裏面は、それぞれ図９（ｃ）,（ｄ）に示したように異なったメタライズ面積が周期的に形成されたメタライズパタン部１１ａ,１１ｂを有し、メタライズパタン部１１ａ,１１ｂ以外の部分がステムマウント１ｃに接続されている。図９に示した各誘電体基板の材質、厚さ、メタライズ部の大きさは図７に示した実施例と同様であるため、本発明の第３実施形態である光モジュールと同様の効果が得られることは明らかである。

また、図７及び図９に示した本発明の第３の実施形態においては、同一の誘電体基板の裏面に異なったメタライズ面積が周期的なメタライズパタン部を形成するのみでなく、表面にも同様のメタライズパタン部を具備することによっても、本発明の第３実施形態である光モジュールと同様の効果が得られることは明らかである。
更に、誘電体基板の表面にのみ、メタライズパタン部を具備することも可能である。

１ ステム
１ａ ステム上面
１ｂ ステム下面
１ｃ ステムマウント
１ｄ ステム凹部
２ａ〜２ｄ リード端子
３ａ〜３ｃ 貫通孔
３ｄ 絶縁体
４ａ，４ｂ ワイヤ
５ ＬＤ素子
６ａ ヒートシンク
６ｂ 配線パタン
７ モニタＰＤ
８ ＰＤキャリア
９ａ，９ｂ ワイヤ
１０ａ，１０ｄ 誘電体基板
１０ｂ,１０ｃ 配線パタン
１０ｈ，１０ｉ スリット
１１ａ，１１ｂ メタライズパタン部
１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｂ〜１０３ｂ 伝送線路

Claims (11)

1. 導電材からなると共にグランドに接続されるステムと、
   前記ステムを貫通して前記ステムに取り付けられると共に、前記ステムを貫通する部分に絶縁材が介在することにより前記ステムとは電気的に絶縁されたリード端子と、
   前記ステムの一部であるステムマウントに搭載されると共に、前記リード端子に電気的に接続された光素子を備えた光モジュールにおいて、
   表面は前記リード端子に対向し、裏面は前記ステムマウントに電気的に接続されている誘電体基板を備えたことを特徴とする光モジュール。
2. 導電材からなると共にグランドに接続されるステムと、
   前記ステムを貫通して前記ステムに取り付けられると共に、前記ステムを貫通する部分に絶縁材が介在することにより前記ステムとは電気的に絶縁された第１のリード端子と、
   前記ステムを貫通して前記ステムに取り付けられると共に、前記ステムを貫通する部分に絶縁材が介在することにより前記ステムとは電気的に絶縁された第２のリード端子と、
   前記ステムの一部であるステムマウントに搭載されると共に、前記第１のリード端子及び前記第２のリード端子に電気的に接続された光素子を備えた光モジュールにおいて、
   表面は前記第１のリード端子及び第２のリード端子に対向し、裏面は前記ステムマウントに電気的に接続されている誘電体基板を備えたことを特徴とする光モジュール。
3. 請求項２に記載の光モジュールにおいて、
   前記誘電体基板は、第１のリード端子に対向している部分と、第２のリード端子に対向している部分とに分割されていることを特徴とする光モジュール。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
   前記誘電体基板の裏面の全面にメタライズ処理がされていることを特徴とする光モジュール。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
   前記誘電体基板の裏面のうち、前記リード端子に対向する位置には、前記リード端子の軸方向に沿い、メタライズ処理がされた部分とメタライズ処理がされずに前記裏面が露出している部分が交互に形成されていることを特徴とする光モジュール。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
   前記誘電体基板の表面のうち前記リード端子に対向する部分に配線パタンが形成されていることを特徴とする光モジュール。
7. 請求項６に記載の光モジュールにおいて、
   前記誘電体基板の表面のうち前記リード端子に対向する部分に配線パタンが形成され、前記配線パタンが前記リード端子に電気的に接続されていることを特徴とする光モジュール。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
   前記光素子がレーザダイオードであることを特徴とする光モジュール。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
   前記誘電体基板は、前記ステムマウントに対向する箇所と、前記リード端子に対向する箇所とで、厚みが異なることを特徴とする光モジュール。
10. 請求項９に記載の光モジュールにおいて、
    前記誘電体基板は、前記ステムマウントに対向する箇所と、前記リード端子に対向する箇所との間に、溝状のスリットを具備することを特徴とする光モジュール。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
    前記光素子、前記ステムマウント、前記誘電体基板、前記リード端子のうち前記光素子が配置されている側に突出している部分、前記ステムの面のうち前記ステムマウントが形成されている側の面が、キャップにより封止されていることを特徴とする光モジュール。

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