JP2013120773A - 光送信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性を確保して、部品点数を少なくしコストの低減を図り、インピーダンス整合を容易にすることが可能な光送信モジュールを提供する。
【解決手段】レーザ発光素子２２、レンズ２３、モニタ受光素子２４が搭載されたパッケージ１１と、光ファイバを接続するスリーブ１２と、を備えた光送信モジュールで、レーザ発光素子、レンズ、モニタ受光素子は、配線導体が形成された単一のセラミック体からなる立体部品形状のキャリア部材２１に直接実装されている。単一のセラミック体は、窒化アルミニウムからなり、キャリア部材２１は、射出成形により形成され、レーザ発光素子からの出力光と平行な第１の面側Ｈと、該第１の面側と直交する第２の面側Ｖと、を有するＬ字状で形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光トランシーバ等の光送信に用いられる光送信モジュールに関する。

光トランシーバ等の光通信に用いられる光送信モジュールは、例えば、特許文献１に開示されるように、半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）からの出力光を信号光として用いており、この信号光をレンズにより集光してパッケージの光学ガラス窓を通して通信用の光ファイバに結合している。また、ＬＤの出力光をフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）でモニタして、出力光の変動を制御している。

図６は、上記特許文献１に開示の光送信モジュールを示し、ＬＤが搭載される密封構造のパッケージ１と光ファイバを接続する保持部品２等で構成される。パッケージ１には、銅タングステン合金からなるステム３が配され、該ステム３上に信号光を出力するＬＤ４、ＬＤ４からの信号光を集光するレンズ５、ＬＤ４の出力光をモニタするモニタ用ＰＤ６等がサブマウント７等を用いて実装され、搭載されている。また、ステム３は、熱電子冷却素子８により支持され、ステム３上に実装されたＬＤ４の冷却および温度制御が行われる。

特開平３−１２０８８４号公報

特許文献１に開示のステム３は、銅タングステン合金からなる材料で形成されていて、線膨張係数や熱伝導性の観点から適した材料であると言える。しかしながら、該ステム３は導電性を有するため、ＬＤ４やモニタ用ＰＤ６などは、電気絶縁性のサブマウント７を介して実装する必要があり、部品点数が多くなると言う問題がある。

上記のステム３をセラミック材で形成することが考えられるが、ＬＤ実装面、ＰＤ実装面、レンズ実装面を備えた形状とするには、複数のセラミック板を貼り合わせて形成することになる。この場合、製造に手間を要することに加えて、貼り合わせ面での熱抵抗で熱伝導性が低下する。また、ステム３を樹脂材の成形で形成することも考えられるが、樹脂材の熱伝導性や線膨張係数は満足できるものではない。
なお、上述の何れのステムであっても、ＬＤやモニタ用ＰＤの電気配線はワイヤボンディングによることになるので、ワイヤインダクタンス成分でインピーダンス不整合を生じやすいという問題があった。

本発明は、上述した実状に鑑みてなされたもので、放熱性を確保して、部品点数を少なくしコストの低減を図り、インピーダンス整合を容易にすることが可能な光送信モジュールの提供を目的とする。

本発明による光送信モジュールは、レーザ発光素子、レンズ、モニタ受光素子が搭載されたパッケージと、光ファイバを接続するスリーブと、を備えた光送信モジュールである。上記のレーザ発光素子、レンズ、モニタ受光素子は、配線導体が形成された単一のセラミック体からなる立体部品形状のキャリア部材に直接実装されていることを特徴とする。なお、前記の単一のセラミック体は、窒化アルミニウムからなることが好ましい。

上記のキャリア部材は、射出成形により形成され、レーザ発光素子からの出力光と平行な第１の面側と、該第１の面側と直交する第２の面側と、を有するＬ字状とされる。そして、第１の面側に、レーザ発光素子が直接実装される実装面とレンズが直接実装される実装面とが段差を有して形成され、第２の面側に、モニタ受光素子が直接実装される実装面が第２の面側に対して所定の傾斜を有して形成されていることが好ましい。
また、キャリア部材は、モニタ受光素子が実装される実装面の背面、若しくは、レーザ発光素子が実装される背面でパッケージ内に実装され、電子冷却装置を介してパッケージ内に実装するようにしてもよい。

本発明によれば、レーザ発光素子、レンズ、モニタ受光素子を、サブマウントを用いることなく直接キャリア部材の実装面に実装することができ、放熱性を確保すると共に、部品数を減らして作業性の向上を図ることができる。また、ワイヤボンディングによるワイヤ配線を少なくすることができ、インピーダンス整合のための設計自由度を向上させることができる。

本発明による光送信モジュールの概略を示す図である。 図１を補足する部分断面図である。 本発明のキャリア部材の一例を示す図である。 図３Ａのキャリア部材に部品を実装した状態を示す図である。 本発明のキャリア部材の他の例を示す図である。 図４Ａのキャリア部材に部品を実装した状態を示す図である。 本発明のキャリア部材のその他の例を示す図である。 図５Ａのキャリア部材に部品を実装した状態を示す図である。 従来技術を説明する図である。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１，２は、本発明による光送信モジュールの一例を示す図である。図において、１０は光送信モジュール、１１はパッケージ部、１２はスリーブ部、１３はセラミック筐体、１４はシールリング、１５はリッド、１５ａは結合筒部、１５ｂは接合板部、１６は光学ガラス板、１７は放熱ブロック、１８は外部端子、１９ａはスリーブ筐体、１９ｂはホルダ、１９ｃはスタブ、１９ｄは割りスリーブ、２０はジョイントスリーブ、２０ａは接合面部、２０ｂは筒状部、２１はキャリア部材、２２はレーザ発光素子（ＬＤ）、２３はレンズ、２４はモニタ受光素子（モニタＰＤ）、２５は電子冷却装置、２５ａは吸熱板、２５ｂは放熱板、２６は温度センサ（サーミスタ）、２７はチップ抵抗、２８はチップコンデンサを示す。

図１（Ａ）に示すように、光送信モジュール１０は、レーザ発光素子（ＬＤ）等の光素子や光学部品等が搭載されるパッケージ部１１と、光ファイバが接続されるスリーブ部１２とから成る。パッケージ部１１は、セラミック筐体１３とシールリング１４とリッド１５を、互いに密封状に接着一体化して構成される。
パッケージ部１１のセラミック筐体１３は、例えば、アルミナや窒化アルミ等のセラミック誘電体からなる複数の矩形枠状の基板を積層した矩形状の筐体で形成されている。

また、シールリング１４は、鉄・ニッケル・コバルトの合金でコバール（ＫＯＶＡＲ）等の金属で、半田付け等によりセラミック筐体１３の頂部側に密封状にして接合される。そして、リッド１５は、シールリング１４と同様な金属で形成され、スリーブ部１２との結合筒部１５ａとシールリング１４との接合板部１５ｂを有し、パッケージ部１１内に部品が収容実装され配線が行われた後、シーム溶接等によりシールリング１４の開口部に密封状に接合される。また、リッド１５の貫通孔には光学ガラス板１６が低融点ガラスで取付けられパッケージ部１１内を封止するようにしている。

パッケージ部１１の底部側（セラミック筐体１３の底壁側）は、図１（Ｂ）に示すように、放熱性がよく、熱膨張係数がセラミックに近い材料、例えば、銅モリブテン（ＣｕＭｏ）または銅タングステン（ＣｕＷ）等の金属からなる放熱ブロック１７で形成される。また、セラミック筐体１３の外面には、外部回路との電気接続を形成するための外部端子１８が設けられている。

スリーブ部１２は、スリーブ筐体１９ａの後部側にホルダ１９ｂを嵌合固定し、ホルダ１９ｂで短尺の光ファイバが配されたスタブ１９ｃを保持し、スタブ１９ｃに割りスリーブ１９ｄを嵌合保持させて構成される。このスリーブ部１２は、ジョイントスリーブ２０を用いて、その接合面部２０ａで面方向に調芯され、筒状部２０ｂで光軸方向に調芯されて、パッケージ部１１に組み付けられる。
パッケージ部１１内には、配線導体が形成された単一のセラミック体からなる立体部品形状のキャリア部材２１を介して、少なくともレーザ発光素子（ＬＤ）２２、レンズ２３、モニタ受光素子（モニタＰＤ）２４等が搭載される。

キャリア部材２１は、電気的絶縁体で、且つ熱伝導性のあるセラミック材、例えば、窒化アルミを射出成形して形成される。その具体的形状等については後述するが、射出成形された構造体上に立体的な配線導体（配線パターン）を形成して、立体回路部品（ＭＩＤ：Molded Interconnect Device）としたものである。このＭＩＤ技術によるキャリア部材２１を用いることにより、形状の自由度に加えて配線設計が容易となり、ワイヤボンディングによる配線数を少なくし、インピーダンス整合をしやすくすることができる。

キャリア部材２１は、例えば、ＬＤ２２からの出力光と平行な第１の面側Ｈと、この第１の面側Ｈと直交する第２の面側Ｖを有するＬ字状の立体部品形状で形成される。第１の面側Ｈの内側面には、ＬＤ２２とＬＤ２２から出射された出力光を集光するレンズ２３が、光軸が一致するように段差を設けて直接実装される。第２の面側Ｖの内側面には、ＬＤ２２の後方から出射される背面光を受光するモニタＰＤ２４が、ＬＤ２２への戻り光を生じないように直接実装される。

図に示すように、キャリア部材２１は、その第２の面側Ｖが、パッケージ部１１の底部で放熱ブロック１７を有する側に向かい合っている場合は、第２の面側Ｖでパッケージ部１１内に実装、すなわち、モニタＰＤ２４の実装面の背面で固定される。
また、パッケージ部１１が横型タイプ（バタフライ型タイプともいう）で形成されていて、キャリア部材２１は、その第１の面側Ｈが、パッケージ部１１の底部で放熱ブロックを有する側に向かい合っている場合は、第１の面側Ｈでパッケージ部１１内に実装、すなわち、ＬＤ２２の実装面の背面で固定される。

ＬＤ２２としては、例えば、直接変調レーザ（ＤＭＬ：Directly Modulated laser）または電界吸収型変調器集積レーザ（ＥＭＬ：Electro-absorption Modulator integrated with DFB laser）が用いられる。ＤＭＬは、ＬＤに注入する電流を直接変調することで光出力を変調するもので、構造が簡単で製造が容易という利点があるが、大きな消光比が得にくいという点がある。一方、ＥＭＬはＬＤと電界吸収型変調器というデバイスを１つのチップに集積したもので、製造工程はＤＭＬに比べて複雑であるが、大きな消光比が得やすく、レーザと変調器をそれぞれ独立に最適化できるという利点がある。このため、１００Ｇｂｐｓのような高速通信に対しては、ＥＭＬの使用が適している。

レンズ２３は、例えば、非球面レンズで形成され、ＬＤ２２からの出力光を集光して、スリーブ部１２のスタブ１９ｃの光ファイバに入射させる。また、レンズ２３は、レンズアレイをダイシングして個々に切り出したものを、そのまま利用できる矩形状ものを用い、矩形状部分の一辺を樹脂接着材でキャリア部材２１の所定位置に直接接着して実装される。なお、樹脂接着材としては、例えば、エポキシ系の紫外線硬化樹脂で、ＥＭＩ社製のＯＰＴＣＡＳＴ３４０８や共立科学産業（株）製のＷＲ８７７５などが適し、これらの接着樹脂を用いることにより、線膨張係数差を考慮する必要性が下がり、設計の自由度が向上する。

モニタＰＤ２４は、ＬＤ２２の出力光をモニタするために、ＬＤ２２の後方から出射された背面光を受光できるように、キャリア部材２１のＬＤ２２が実装された後方位置に実装される。また、モニタＰＤ２４で受光した光が反射によりＬＤ２２に戻らないように、傾斜した実装面で実装するのが好ましい。

図２は、図１を補足する光送信モジュールの軸方向断面を示す図である。図に示すように、光送信モジュール１０には、ＬＤ２２の温度調節を行うための電子冷却装置２５を設けることができる。電子冷却装置２５は、ペルチェ素子などの熱電素子をから成り、吸熱板２５ａ側を内側にし、放熱板２５ｂ側を放熱ブロック１７に接合させて設置される。この場合、キャリア部材２１は、電子冷却装置２５の吸熱板２５ａ上に直接実装することができる。
また、電子冷却装置２５は、図に示す例では、キャリア部材２１の第２の面側Ｖに配した例で示しているが、パッケージ部１１が横型タイプで形成されている場合は、キャリア部材２１の第１の面側Ｈに配される。

電子冷却装置２５による温度調節のための温度検出は、サーミスタ等の温度センサ２６を用いて行うことができる。図２（Ｂ）に示すように、温度センサ２６（以下、サーミスタという）は、キャリア部材２１に直接実装され、同じくキャリア部材２１に実装されているＬＤ２２の動作中の温度を検出し、温度制御手段（図示省略）により所定の温度になるように制御される。また、キャリア部材２１には、サーミスタ２６以外に、必要に応じてチップ抵抗２７やチップコンデンサ２８等の電子部品も併せて実装することができる。

図３Ａ〜図４Ｂは、ＬＤ２２に上記のＥＭＬを用いたキャリア部材の一例を示す図である。図３Ａは、部品が実装される前のキャリア部材２１を示し、上述したように、第１の面側Ｈと第２の面側Ｖからなり、第１の面側Ｈには、第１の面に平行なＥＭＬ２２ａ用の実装面２１ａとレンズ２３用の実装面２１ｂを有している。第２の面側Ｖには、実装面２１ａ側から端部面２１ｄに向けて、第２の面に対して傾斜するモニタＰＤ２４用の実装面２１ｃを有している。なお、ＥＭＬ２２ａ用の実装面２１ａとレンズ２３用の実装面２１ｂとは、段差を設けて形成され、ＥＭＬ２２ａの出力光がレンズ２３の光軸中心を通るようにされる。

配線導体３０は、上記の実装面２１ａ、並びに、この実装面２１ａと直交もしくは傾斜する実装面２１ｃ上等を跨って連続配線されるように形成される。配線導体３０としては、例えば、ＥＭＬ２２ａ用のアノード配線３０ａ、バイアス配線３０ｂ、モニタＰＤ２４用のアノードとカソード配線３０ｃ、３０ｄ、サーミスタ２６用のサーミスタ配線３０ｅなどがある。なお、配線導体３０の各配線は、キャリア部材２１の第２の面側Ｖの実装面２１ｃ、若しくは，端部面２１ｄで終端させることができる。

また、これらの配線導体３０のスペース部分を埋めるようにして、部品実装の実装部と接地を兼ねた接地導体３１が設けられる。この他に、第２の面側Ｖの外側面２１ｅ、若しくは、第１の面側Ｈの外側面２１ｆには、キャリア部材２１を放熱ブロック等に接合して実装するための導体面３２を設けることもできる。

配線等体３０、接地導体３１、その他の導体面３２の形成方法は、例えば、キャリア部材２１の基体となる成形体を窒化アルミニウム等のセラミック材で成形した後、その表面に無電界メッキと電気メッキにより導体薄膜を形成する。次いで、レジスト塗布→露光→パターニング→導体層のエッチング→レジスト除去することで形成することができる。また、キャリア部材の成形体の表面に金属薄膜を形成した後、金属薄膜をレーザ光でパターニングしてメッキ処理することにより、配線導体を形成するなどの方法もある。

上述のようにして形成されたキャリア部材２１には、図３Ｂに示すように、各実装面に搭載部品が直接実装される。実装面２１ａにＥＭＬ２２ａが実装される。また、同じ実装面２１ａ上で、サーミスタ２６、チップ抵抗２７、チップコンデンサ２８等が半田材等を用いて実装される。実装面２１ｂには、レンズ２３が熱硬化性樹脂等の接着樹脂により実装する。なお、レンズ２３の実装面に金属層を形成しておき、半田材で実装するようにしてもよい。実装面２１ｃには、ＥＭＬ２２ａの背面光を受光すべくモニタＰＤ２４が、反射戻り光がＥＭＬ２２ａから外れるように傾斜して実装される。

キャリア部材２１の実装面２１ａ，２１ｂ，２１ｃにそれぞれの部品が実装された後、ワイヤボンディングによりワイヤ配線３３が行われる。例えば、ＥＭＬ２２ａのアノード端子はチップコンデンサ２８を経由するワイヤでアノード配線３０ａに接続され、ＥＭＬ２２ａのバイアス端子はワイヤでバイアス配線３０ｂに接続される。モニタＰＤ２４のアノード／カソード端子は、ワイヤによりアノードとカソード配線３０ｃ，３０ｄに接続される。また、サーミスタ２６の一方の端子は、サーミスタ配線３０ｅに接続され、その他、部品間の接続も同様にしてワイヤ配線される。

図４Ａは、図３Ａの例と同様にＬＤ２２にＥＭＬを用いたキャリア部材の一例を示す図である。図４Ａの例は、図３ＡのモニタＰＤ用の実装面の傾斜方向を異ならせている点で相違するだけである。すなわち、本例のモニタＰＤ用の実装面２１ｃ’は、図３Ａの傾斜方向に対して９０度異なる方向で、第２の面側Ｖの横方向に傾斜角を有するように形成されている。
図４Ｂも、上記と同様で、図３Ｂの部品実装の形態に対して、モニタＰＤ用の実装面２１ｃ’の傾斜方向が異なることから、モニタＰＤ２４の実装の形態が異なるだけである。その他の構成については、図３Ａ、図３Ｂの例と同じであるので説明を省略する。

図５Ａ，図５Ｂは、ＬＤ２２にＤＭＬを用いたキャリア部材の一例を示す図である。ＤＭＬは、変調器を有しないため、図３Ａ〜図４Ｂに例示したチップ抵抗２７やチップコンデンサ２８を有しない形態となる。このため、配線導体３０のパターンが多少変わるが、それ以外は同様な形態で構成される。
すなわち、図５Ａに示す部品が実装される前のキャリア部材２１は、図３Ａで説明したのと同様に、第１の面側Ｈには、第１の面に平行なＤＭＬ２２ｂ用の実装面２１ａとレンズ２３用の実装面２１ｂを有している。また、第２の面側Ｖには、第２の面に対して傾斜するモニタＰＤ２４用の実装面２１ｃを有している。

配線導体３０は、キャリア部材２１の実装面等に、例えば、ＤＭＬ２２ｂ用のアノード配線３０ａ、カソード配線３０ｆ、モニタＰＤ２４用のアノードとカソード配線３０ｃ、３０ｄ、サーミスタ２６用のサーミスタ配線３０ｅで形成される。配線導体３０の各配線は、キャリア部材２１の第２の面側Ｖの実装面２１ｃ上で終端させることができる。
また、これらの配線導体３０のスペース部分を埋めるようにして、部品実装の実装部と接地を兼ねた接地導体３１が設けられる。この他に、第２の面側Ｖの外側２１ｅ、若しくは、第１の面側Ｈの外側２１ｆには、キャリア部材２１を放熱ブロック等に接合して実装するための導体面３２を設けることもできる。

上述のように配線導体３０が形成されたキャリア部材２１には、図５Ｂに示すように、各実装面に搭載部品が直接実装される。実装面２１ａにＤＭＬ２２ｂが実装される。また、同じ実装面２１ａ上で、サーミスタ２６が半田材等を用いて実装される。実装面２１ｂには、レンズ２３が熱硬化性樹脂等の接着樹脂により実装する。
キャリア部材２１の各実装面にそれぞれの部品が実装された後、ワイヤボンディングによりワイヤ配線３３が行われる。例えば、ＤＭＬ２２ｂのアノード端子はワイヤでアノード配線３０ａに接続される。また、モニタＰＤ２４のアノード／カソード端子は、ワイヤによりアノードとカソード配線３０ｃ，３０ｄに接続され、サーミスタ２６の一方の端子は、サーミスタ配線３０ｅに接続される。

上記のように、光送信モジュールのキャリア部材を、電気絶縁性を有し熱伝導性の良いセラミック成形体を用い、その表面に立体的な配線導体を施した立体回路部品（ＭＩＤ）とすることにより、搭載部品の実装と電気配線の設計の自由度を高めることができる。この結果、放熱性を確保すると共に、実装部品をサブマウント等を用いることなくキャリア部材に直接実装することができ、部品数を少なくし、作業性の向上を図ることができる。また、ワイヤによる配線を少なくして、インピーダンス整合を容易にし、信号伝送の高速化を実現することが可能となる。

１０…光送信モジュール、１１…パッケージ部、１２…スリーブ部、１３…セラミック筐体、１４…シールリング、１５…リッド、１６…光学ガラス板、１７…放熱ブロック、１８…外部端子、１９ａ…スリーブ筐体、１９ｂ…ホルダ、１９ｃ…スタブ、１９ｄ…割りスリーブ、２０…ジョイントスリーブ、２１…キャリア部材、２２…レーザ発光素子（ＬＤ）、２３…レンズ、２４…モニタ受光素子（モニタＰＤ）、２５…電子冷却装置、２６…温度センサ（サーミスタ）、２７…チップ抵抗、２８…チップコンデンサ、３０…配線導体、３１…接地導体、３２…導体面、３３…ワイヤ配線。

Claims (6)

1. レーザ発光素子、レンズ、モニタ受光素子が搭載されたパッケージと、光ファイバを接続するスリーブと、を備えた光送信モジュールであって、
   前記レーザ発光素子、レンズ、モニタ受光素子は、配線導体が形成された単一のセラミック体からなる立体部品形状のキャリア部材に直接実装されていることを特徴とする光送信モジュール。
2. 前記単一のセラミック体は、窒化アルミニウムからな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. 前記キャリア部材は射出成形により形成され、前記レーザ発光素子からの出力光と平行な第１の面側と、該第１の面側と直交する第２の面側と、を有するＬ字状であることを特徴とする請求項１または２に記載の光送信モジュール。
4. 前記第１の面側に、前記レーザ発光素子が直接実装される実装面と前記レンズが直接実装される実装面とが段差を有して形成され、前記第２の面側に、前記モニタ受光素子が直接実装される実装面が前記第２の面に対して所定の傾斜を有して形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光送信モジュール。
5. 前記キャリア部材は、前記モニタ受光素子が実装される実装面の背面、若しくは、前記レーザ発光素子が実装される背面でパッケージ内に実装されることを特徴とする請求項４に記載の光送信モジュール。
6. 前記キャリア部材は、電子冷却装置を介してパッケージ内に実装されることを特徴とする請求項５に記載の光送信モジュール。

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