JP2016004989A - 光通信用パッケージ及び光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】透光性部材の表面が放熱グリスの揮発成分の凝縮により曇ることを防止できる光通信用パッケージ及びそれを用いた光モジュールを提供する。【解決手段】光通信用パッケージ１０において、金属製固定部材１７の内部に設けられる挿通孔１８が、小径孔３７と、小径孔３７よりも直径が大きく小径孔３７と軸を同じくする大径孔３８と、大径孔３８の中に透光性部材１９を固定するための棚４０を有し、小径孔３７の直径Ｓが最小透光範囲４３の直径Ｅ０と同一かそれよりも大きく、かつ小径孔３７の直径Ｓと最小透光範囲４３の直径Ｅ０との差が最大で０．３ｍｍである。【選択図】図３

Description

本発明は光半導体素子を収納するための光通信用パッケージ及びそれを用いた光モジュールに関する。

光通信システムを構築するための光モジュール（光送信モジュールまたは光受信モジュール）は、電子部品が光通信用パッケージに収納される構造になっている。収納される電子部品としては、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）やＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）などの光半導体素子、チップコンデンサなどの周辺素子、光半導体素子の温度を一定範囲内に保つためのＴＥＣ（ＴｈｅｒｍｏＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）などがある。近年の光通信システムにおける情報伝達の高速化や大容量化の実現には光モジュールの小型化、高性能化および低コスト化が寄与しており、それらへ対応するための技術開発が光通信用パッケージにも求められている。放熱特性や高周波信号の伝送特性を考慮して開発されたそのようなパッケージ構造としては、光送信用のＴＯＳＡ（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ ＳｕｂＡｓｓｅｍｂｌｙ）型、光受信用のＲＯＳＡ（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ ＳｕｂＡｓｓｅｍｂｌｙ）型、光送信用あるいは光受信用のバタフライ型、光送信用のＴＯ（Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｏｕｔｌｉｎｅｄ）−ＣＡＮ型、などがある。

図６に示すように、光送信に用いられるＴＯＳＡ型の光通信用パッケージ５０は、ベース５１と枠体５２とフィードスルー基板５３で囲まれるキャビティ５４を有している。フィードスルー基板５３は枠体５２の三つの側面部に穿設された開口部に挿嵌される。枠体５２及びフィードスルー基板５３の上面にはシールリング５５が接合される。ベース５１、枠体５２およびシールリング５５は金属製、フィードスルー基板５３はセラミック製である。キャビティ５４に光半導体素子やＴＥＣなどの電子部品が収納された後、キャビティ５４を気密封止するためにシールリング５５の上面に金属製の蓋体５６が溶接される。フィードスルー基板５３が挿嵌されていない枠体５２の一側面部に設けられる貫通孔には金属製固定部材５７が嵌合される。金属製固定部材５７の内部には挿通孔５８が形成されており、挿通孔５８はキャビティ５４に連通する。挿通孔５８には光信号が通過するための円板形状の透光性部材５９がキャビティ５４を気密封止するように取り付けられている。

透光性部材５９の材質にはホウケイ酸ガラスやサファイアガラスなどが用途に応じて選定される。素材価格についてはサファイアガラスよりもホウケイ酸ガラスの方が安い。また加工コストについてもサファイアガラスよりもホウケイ酸ガラスの方が安い。加工コストの違いはホウケイ酸ガラスよりもサファイアガラスの方が硬度が高いことによる。ただし硬度が高いサファイアガラスには傷が発生しにくい利点がある。このほかサファイアガラスよりもホウケイ酸ガラスの方が熱伝導率が低い。

次に図７〜図９を参照しながら、従来の光通信用パッケージを用いた光モジュールを説明する。図７に示すように、光送信用の光モジュール７０では、図６に示した光通信用パッケージ５０のベース５１の上面にＴＥＣ７１が取り付けられる。ＴＥＣ７１はペルチェ素子７２が冷却用の上部金属板７３と放熱用の下部金属板７４で挟まれた構造になっている。上部金属板７３には光信号をレーザー光の出力として発信するＬＤ７５が取り付けられる。ＴＥＣ７１は温度調節機能を持ち、駆動時に発熱するＬＤ７５の温度を一定範囲内に保つ。この機能によりＬＤ７５の動作信頼性が向上する（例えば、特許文献１参照）。

フィードスルー基板５３の表面には枠体５２の外側とキャビティ５４側にそれぞれ導体配線パターン７６と導体配線パターン７７が設けられており、それらはフィードスルー基板５３の内部に設けられる内部導体７８により電気的に接続されている。枠体５２の外側に設けられる導体配線パターン７６には複数の外部接続端子７９がろう材で接合される。一方、キャビティ５４側に設けられる導体配線パターン７７はボンディングワイヤ８０を介してＬＤ７５と電気的に接続される。これらの電気的な接続により、外部回路から所定の外部接続端子７９に入力される電気信号をＬＤ７５に伝えることができる。さらにこの電気信号はＬＤ７５によりレーザー光の出力として光信号に変換される。このレーザー光は透光性部材５９に向けてＬＤ７５を点光源として円錐状に放射され、ＬＤ７５と透光性部材５９の中間に設置されるレンズ（図示しない）を通過することで、透光性部材５９の両主面に対しほぼ垂直な平行光になる。この平行光は透光性部材５９のキャビティ５４側における主面中央部に入射する。透光性部材５９を通過した光信号は金属製固定部材５７の挿通孔５８を通り、さらにスリーブ８１の内部を介して光ファイバー８２の端面に達する。以上のようにして、外部接続端子７９に入力される電気信号はＬＤ７５によって光信号に変換され、さらにその光信号は光ファイバー８２を通じて遠隔地へ伝達される。

光モジュール７０では、ＬＤ７５から発せられるレーザー光の出力を損失なく光ファイバー８２の端面に伝えるため、レンズを通過して平行光になっているレーザー光の光軸に対する光ファイバー８２の光軸の相対位置が適正範囲内に入るように、光ファイバー８２の光軸位置を調整する必要がある。スリーブ８１の一端側の内周部には光ファイバー８２の先端部が嵌合されているため、スリーブ８１の他端側の端面を金属製固定部材５７の端面に当接させながら摺動させることにより、光ファイバー８２の光軸位置を前述の適正範囲内に入るように調整することができる。この光軸合わせが完了した後、スリーブ８１の他端側の端面と金属製固定部材５７の端面の当接部に沿ってＹＡＧレーザーを一定間隔毎に照射し、スリーブ８１と金属製固定部材５７の当接部を点溶接する。

ＴＥＣ７１と導体配線パターン７７とは金属線（図示しない）を介して電気的に接続される。外部接続端子７９から供給される電力によってＴＥＣ７１に電流が流れると、ペルチェ素子７２のペルチェ効果により上部金属板７３には吸熱現象、下部金属板７４には発熱現象が生じる。このため駆動時に発熱するＬＤ７５を上部金属板７３により冷却することができる。さらにその際にはキャビティ５４内部の空気も上部金属板７３により冷却される。一方、ＴＥＣ７１の下部金属板７４で生じた熱はベース５１の上面から開放面（下面）に向けて伝わる。ベース５１の開放面は放熱グリス８３を介して放熱フィン８４に接着されているため、駆動時にＬＤ７５が発した熱の大部分は放熱フィン８４から空気中に向けて放散される（例えば、特許文献２参照）。

ここで放熱グリス８３としては、シリコーンオイルなどの耐熱性の高い基油と、セラミック粉末や金属粉末などの熱伝導性充填剤と、各種添加物の混合物が使用される。このような放熱グリス８３からは一般に高温での使用時に少量の揮発成分が発生する。添加物が揮発性を持っている場合や、放熱グリス８３の粘度を下げて塗布工程の作業性を向上させるためにトルエンなどの揮発性の高い有機溶剤が上記混合物に添加される場合がある（例えば、特許文献３参照）。

図８に示すように、金属製固定部材５７の外周側面の一部は枠体５２の一側面部に形成される貫通孔８５に嵌合され、さらにろう材８６により固定される。金属製固定部材５７の内部に設けられる挿通孔５８は、小径孔８７と、小径孔８７と軸を同じくする大径孔８８と、大径孔８８の中に透光性部材５９を低融点ガラス８９で固定するための棚９０を有している。小径孔８７の直径Ｓ’は大径孔８８の直径Ｌ’よりも小さい（例えば、特許文献４参照）。

ここで、透光性部材５９における最小透光範囲９１を、ＬＤ７５から発せられる光信号が損失無く透光性部材５９を通過するために最小限必要な円形の透光範囲とする。具体的には、最小透光範囲９１とは、ＬＤ７５から出力された後にレンズを通過して平行光となったレーザー光の光軸に垂直な断面積のうちの光通信に実質的に関与する範囲に、レーザー光源であるＬＤ７５をＴＥＣ７１に取り付ける際の位置ずれを考慮した寸法を加えた、円形範囲を意味する。この円形範囲は小径孔８７および大径孔８８と軸を同じくする。

図９に示すように、最小透光範囲９１へ入射した光信号が損失無く透光性部材５９を通過するためには、金属製固定部材５７や低融点ガラス８９がその光信号を遮らないようにする必要がある。したがって枠体５２の一側面部の法線方向から平面視したときに、小径孔８７の直径Ｓ’は最小透光範囲９１の直径Ｅ０と同一かそれよりも大きくなければならない。その上でさらに、枠体５２の一側面部の法線方向から平面視したときに、低融点ガラス８９によって覆われる部分を除いた透光性部材５９の透光可能領域９２は、最小透光範囲９１を包含している状態でなければならない。

低融点ガラス８９で覆われた部分をのぞく透光可能領域９２が最小透光範囲９１を包含しているようにするために、小径孔８７の直径Ｓ’は最小透光範囲９１の直径Ｅ０に対しできるだけ大きくなるように設計されることが多い。このような設計がなされるのは、棚９０を最小透光範囲９１から遠ざけることにより、接合工程において高温で粘性が低下する低融点ガラス８９が透光性部材５９の外周部から中央部に向けて延在することを防止しやすくなるためである。

特開２００２−１６９０６６号公報 ＷＯ２０１３−１６４８７６号公報 特開２００９−９６９６１号公報 特開２００２−２２８８８８号公報

しかしながら、前述したような従来の光通信用パッケージ及び光モジュールには、次のような問題がある。

ＴＥＣ７１の下部金属板７４が発した熱の一部は、ベース５１にろう材で接合される枠体５２や、枠体５２にろう材８６で接合される金属製固定部材５７に熱伝導機構により伝わる。さらにこの熱は低融点ガラス８９を介して透光性部材５９に伝わる。ところで透光性部材５９の材質はホウケイ酸ガラスやサファイアガラスなどであり、一般的な金属よりも熱伝導率が低い。とくにホウケイ酸ガラスを適用した場合、その熱伝導率はサファイアガラスの１／４０程度である。このため透光性部材５９においては、低融点ガラス８９と接する外周部から、低融点ガラス８９と接していない中央部へは熱が伝わりにくい。一方、ＴＥＣ７１の上部金属板７３は、ＬＤ７５のほかに、キャビティ５４の内部の空気も冷却する。この際、透光性部材５９はキャビティ５４側から冷却される。これらの結果、透光性部材５９には面内の温度分布が生じ、低融点ガラス８９に接する外周部よりも、低融点ガラス８９と接していない中央部の方が温度が低くなる。

また、ＴＥＣ７１の下部金属板７４に生じた熱は、ベース５１、放熱フィン８４、枠体５２、蓋体５６などを介して光通信用パッケージ５０を取り巻く空気を暖める。一方、スリーブ８１における他端側の端面と金属製固定部材５７の端面との当接部には、点溶接部９３の他に隙間９４（ＹＡＧレーザーで溶接されていない部分）がある。上記の暖められた空気は、隙間９４を介してスリーブ８１の中や金属製固定部材５７の挿通孔５８の中に流れ込む。したがって、透光性部材５９においては、スリーブ８１側における主面は暖かい空気に接するが、キャビティ５４側における主面は冷たい空気に接する状態になる。このため熱伝導率が低い透光性部材５９においては、面内だけでなく厚み方向にも温度差が生じることになる。以上より、透光性部材５９における温度分布について、最も温度が低いのはキャビティ５４側における主面中央部であり、その次に温度が低いのはスリーブ８１側における主面中央部である。一方、透光性部材５９において最も温度が高いのは、低融点ガラス８９が接する外周部である。

ところで、前述したようにＴＥＣ７１の下部金属板７４に生じた熱はベース５１の上面から開放面（下面）に向けて伝わる。この熱の大部分は開放面から放熱グリス８３を介して放熱フィン８４に達し、表面積の大きい放熱フィン８４の表面から空気中に向けて放散される。この伝熱機構では放熱グリス８３が加熱されて高温になるため、放熱グリス８３から揮発した成分が光通信用パッケージ５０を取り巻く暖かい空気中に放出される。

このため、隙間９４を通過し、スリーブ８１の中や金属製固定部材５７の挿通孔５８の中に侵入する暖かい空気は放熱グリス８３の揮発成分を含んでいる。一方、キャビティ５４内部の冷たい空気で冷却される透光性部材５９のスリーブ８１側における主面中央部の温度は、スリーブ８１の中にある暖かい空気の温度よりも低い。このため、放熱グリス８３の揮発成分が透光性部材５９のスリーブ８１側における主面中央部に凝縮することがあった。この凝縮により生じた曇り９５で透光性部材５９の中央部が覆われてしまうと、ＬＤ７５から発せられる光信号の出力が透光性部材５９を通過する際に低下してしまい、光信号を十分に光ファイバー８２の端面へ伝えることができなくなる問題があった。

このような曇り９５の発生を防止するための対策はいくつか考えられる。まず、放熱グリス８３を放熱シートに変更することが考えられる。揮発成分を含まない放熱シートは一般に市販されている。しかしながら、放熱シートを使用すると放熱グリス８３を使用する場合よりも熱抵抗が高くなる。これは、放熱シートの厚さを放熱グリス８３のグリス塗工厚と同程度に薄くすることが取り扱い上、困難であること、また、被接着表面の微細な凹凸に追従して空隙が生じることなく放熱シートを接着することは困難であり、接着界面に接触熱抵抗が生じてしまうこと、による。

またスリーブ８１と金属製固定部材５７の当接部全体に外側から粘着テープを貼って隙間９４を封止する方法が考えられるが、生産性を維持するためには専用の自動機を増設する必要があるため、余分な設備コストが掛かる。さらにスリーブ８１と金属製固定部材５７をＹＡＧレーザーで溶接する際に点溶接ではなく全周溶接にして隙間９４を無くす方法もある。しかしながら点溶接工程に比べると、全周を溶接する工程は時間が掛かるため生産性が低く、またエネルギーコストも高い。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、放熱特性や生産コストを維持したままで、透光性部材の表面が放熱グリスの揮発成分の凝縮により曇ることを防止できる光通信用パッケージ及びそれを用いた光モジュールを提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る光通信用パッケージは、金属製固定部材の内部に設けられる挿通孔が、小径孔と、小径孔よりも直径が大きく小径孔と軸を同じくする大径孔と、大径孔の中に透光性部材を固定するための棚を有し、小径孔の直径が最小透光範囲の直径と同一かそれよりも大きく、かつ小径孔の直径と最小透光範囲の直径との差が最大で０．３ｍｍである。

ここで最小透光範囲とはレーザー光としてＬＤから出力される光信号が損失無く透光性部材を通過するために必要な最小限の透光領域である。具体的には、最小透光範囲とは、ＬＤから出力された後にレンズを通過して平行光となったレーザー光の光軸に垂直な断面積のうちの光通信に実質的に関与する範囲に、レーザー光源であるＬＤをＴＥＣに取り付ける際の位置ずれを考慮した寸法を加えた、円形範囲を意味する。この円形範囲は小径孔、中径孔（後述）および大径孔と軸を同じくする。

ここで、上記の光通信用パッケージは、小径孔がキャビティに対して近い側にあり、内部に透光性部材が取り付けられる大径孔がキャビティに対して遠い側にあるのがよい。

また上記の光通信用パッケージは、小径孔と大径孔の間に中径孔が設けられ、中径孔が小径孔及び大径孔と軸を同じくし、中径孔の直径が小径孔の直径よりも大きく、かつ大径孔の直径よりも小さいのがよい。

また上記の光通信用パッケージは、透光性部材の材質がホウケイ酸ガラスであり、透光性部材の厚さが０．４ｍｍ以上でかつ大径孔の深さよりも小さいのがよい。

前記目的に沿う本発明に係る光モジュールは、上記の光通信用パッケージと、光通信用パッケージのベース上面に取り付けられるＴＥＣと、ＴＥＣの温度調節機能により一定範囲内の温度に保たれる光半導体素子と、一端側の内周部に光ファイバーの先端部が嵌合され、他端側の端面と光通信用パッケージの金属製固定部材の端面とが点溶接されているスリーブと、ベースの開放面（下面）を放熱フィンに接着するための放熱グリスを有する。

上記の光通信用パッケージでは、小径孔の直径が最小透光範囲の直径と同一かそれよりも大きく、かつ小径孔の直径と最小透光範囲の直径との差が最大で０．３ｍｍである。このため、枠体の一側面部の法線方向から平面視したときに金属製固定部材と透光性部材が重なる領域が従来よりも大きくなる。ところでＴＥＣの下部金属板に生じた熱は、ベースや枠体を介して金属製固定部材に伝えられる。この熱は、低融点ガラスを介した熱伝導機構や、金属製固定部材と透光性部材の間に存在する空気を介した対流機構によって、金属製固定部材から透光性部材に伝えられる。枠体の一側面部の法線方向から平面視したときに金属製固定部材と透光性部材が重なる領域が従来よりも大きいと、上述の伝熱機構で透光性部材に運ばれる熱が多くなり、透光性部材のスリーブ側における主面中央部の温度が高められる。この結果、透光性部材のスリーブ側における主面中央部の温度と、放熱グリスの揮発成分を含んだスリーブ内および挿通孔内の空気との温度の差が小さくなる。このため、透光性部材のスリーブ側における主面中央部が放熱グリスの揮発成分の凝縮により曇ることを防止できる。

また、上記の光通信用パッケージでは、小径孔がキャビティに対して近い側にあり、内部に透光性部材が取り付けられる大径孔がキャビティに対して遠い側にある。このためキャビティ内部の冷たい空気が金属製固定部材により遮断され、透光性部材に届きにくくなる。また、大径孔がキャビティに対して遠い側に配置されるため、透光性部材のスリーブ側に開放される主面全体がスリーブの中の暖かい空気に接する。これらの結果、透光性部材のスリーブ側における主面中央部の温度が高められる。このため、透光性部材のスリーブ側における主面中央部が放熱グリスの揮発成分の凝縮により曇ることを防止できる。

また、上記の光通信用パッケージでは、小径孔と大径孔の間に中径孔を設けているため、接合工程において高温で低粘度化する低融点ガラスの一部を中径孔の中に溜めることができる。低融点ガラスによって覆われる部分を除いた透光性部材の透光可能領域が最小透光範囲を包含しているようにするためには、透光性部材を低融点ガラスを介して金属製固定部材の棚に接合する際の工程条件を調整して、透光性部材の外周部から中央部に向けて低融点ガラスが延在することを防止する必要がある。中径孔を設けることで、接合工程において高温で低粘度化する低融点ガラスの一部を透光性部材の外周部に留めることができるため、透光性部材を棚に接合する工程における適正条件の範囲を広げることができる。

また、上記の光通信用パッケージでは、透光性部材の材質がホウケイ酸ガラスであるため、透光性部材の材質がサファイアガラスである場合に比べて素材コストや加工コストが安価になる。また、透光性部材の厚さを０．４ｍｍ以上にして厚くするため、キャビティ内部の冷たい空気が透光性部材のスリーブ側における主面の温度に及ぼす影響を緩和することできる。そのため透光性部材のスリーブ側における主面中央部の温度が高められ、透光性部材のスリーブ側における主面中央部が放熱グリスの揮発成分の凝縮により曇ることを防止できる。さらに透光性部材の厚さを大径孔の深さよりも小さくするため、透光性部材を金属製固定部材の棚に取り付けた後に、透光性部材の一部が金属製固定部材の端面を超えてはみ出ることがない。このため、作業ミス等により透光性部材の表面に傷がつくことを防止できる。

上記の光モジュールは、上記の光通信用パッケージを用いて構成される。それらと同様の効果により、透光性部材のスリーブ側における主面中央部が放熱グリスの揮発成分の凝縮により曇ることを防止できる。

本発明の一実施の形態に係る光通信用パッケージの斜視図である。 同光通信用パッケージを用いた光モジュールの断面図である。 同光通信用パッケージにおける金属製固定部材の拡大断面図である。 同光通信用パッケージの変形例における金属製固定部材の拡大断面図である。 同光通信用パッケージの他の変形例における金属製固定部材の拡大断面図である。 従来の光通信用パッケージの斜視図である。 同光通信用パッケージを用いた光モジュールの断面図である。 同光通信用パッケージにおける金属製固定部材の拡大断面図である。 同光通信用パッケージにおいて、金属製固定部材を枠体の一側面部の法線方向から平面視したときの拡大図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化して実施するための形態について説明し、本発明の理解に供する。

図１に示すように、光送信に用いられるＴＯＳＡ型の光通信用パッケージ１０は、ベース１１と枠体１２とフィードスルー基板１３で囲まれるキャビティ１４を有している。フィードスルー基板１３は枠体１２の三つの側面部に穿設された開口部に挿嵌される。枠体１２及びフィードスルー基板１３の上面にはシールリング１５が接合される。ベース１１、枠体１２およびシールリング１５は金属製、フィードスルー基板１３はセラミック製である。キャビティ１４に光半導体素子やＴＥＣなどの電子部品が収納された後、キャビティ１４を気密封止するためにシールリング１５の上面に金属製の蓋体１６が溶接される。フィードスルー基板１３が挿嵌されていない枠体１２の一側面部に設けられる貫通孔には金属製固定部材１７が嵌合される。金属製固定部材１７の内部には挿通孔１８が形成されており、挿通孔１８はキャビティ１４に連通する。挿通孔１８には光信号が通過するための円板形状の透光性部材１９がキャビティ１４を気密封止するように取り付けられている。

透光性部材１９の材質にはホウケイ酸ガラスやサファイアガラスなどが用途に応じて選定される。素材価格についてはサファイアガラスよりもホウケイ酸ガラスの方が安い。また加工コストについてもサファイアガラスよりもホウケイ酸ガラスの方が安い。加工コストの違いはホウケイ酸ガラスよりもサファイアガラスの方が硬度が高いことによる。ただし硬度が高いサファイアガラスには傷が発生しにくい利点がある。このほかサファイアガラスよりもホウケイ酸ガラスの方が熱伝導率が低い。

次に図１と図２を参照しながら、本発明の光通信用パッケージを用いた光モジュールを説明する。図２に示すように、光送信用の光モジュール２０では、図１に示した光通信用パッケージ１０のベース１１の上面にＴＥＣ２１が取り付けられる。ＴＥＣ２１はペルチェ素子２２が冷却用の上部金属板２３と放熱用の下部金属板２４で挟まれた構造になっている。上部金属板２３には光信号をレーザー光の出力として発信するＬＤ２５が取り付けられる。ＴＥＣ２１は温度調節機能を持ち、駆動時に発熱するＬＤ２５の温度を一定範囲内に保つ。この機能によりＬＤ２５の動作信頼性が向上する。

フィードスルー基板１３の表面には枠体１２の外側とキャビティ１４側にそれぞれ導体配線パターン２６と導体配線パターン２７が設けられており、それらはフィードスルー基板１３の内部に設けられる内部導体２８により電気的に接続されている。枠体１２の外側に設けられる導体配線パターン２６には複数の外部接続端子２９がろう材で接合される。一方、キャビティ１４側に設けられる導体配線パターン２７はボンディングワイヤ３０を介してＬＤ２５と電気的に接続される。これらの電気的な接続により、外部回路から所定の外部接続端子２９に入力される電気信号がＬＤ２５に伝えられる。さらにこの電気信号はＬＤ２５によりレーザー光の出力として光信号に変換される。このレーザー光は透光性部材１９に向けてＬＤ２５を点光源として円錐状に放射され、ＬＤ２５と透光性部材１９の中間に設置されるレンズ（図示しない）を通過することで、透光性部材１９の両主面に対しほぼ垂直な平行光になる。この平行光は透光性部材１９のキャビティ１４側における主面中央部に入射する。透光性部材１９を通過した光信号は金属製固定部材１７の挿通孔１８を通り、さらにスリーブ３１の内部を介して光ファイバー３２の端面に達する。以上のようにして、外部接続端子２９に入力される電気信号はＬＤ２５によって光信号に変換され、さらにその光信号は光ファイバー３２を通じて遠隔地へ伝達される。

光モジュール２０では、ＬＤ２５から発せられるレーザー光の出力を損失なく光ファイバー３２の端面に伝えるため、レンズを通過して平行光となっているレーザー光の光軸に対する光ファイバー３２の光軸の相対位置が適正範囲内に入るように、光ファイバー３２の光軸位置を調整する必要がある。スリーブ３１の一端側の内周部には光ファイバー３２の先端部が嵌合されているため、スリーブ３１の他端側の端面を金属製固定部材１７の端面に当接させながら摺動させることにより、光ファイバー３２の光軸位置を前述の適正範囲内に入るように調整することができる。この光軸合わせが完了した後、スリーブ３１の他端側の端面と金属製固定部材１７の端面の当接部に沿ってＹＡＧレーザーを一定間隔毎に照射し、スリーブ３１と金属製固定部材１７の当接部を点溶接する。ここで、スリーブ３１とは、光ファイバー３２をその内部に固定し、金属製固定部材１７を介して光ファイバー３２を光通信用パッケージ１０に光学的に接続する機能を有する部材を意味する。

ＴＥＣ２１と導体配線パターン２７とは金属線（図示しない）を介して電気的に接続される。ＴＥＣ２１では、外部接続端子２９から供給される電力によってＴＥＣ２１に電流が流れると、ペルチェ素子２２のペルチェ効果により上部金属板２３には吸熱現象、下部金属板２４には発熱現象が生じる。このため駆動時に発熱するＬＤ２５を上部金属板２３により冷却することができる。さらにその際にはキャビティ１４内部の空気も上部金属板２３によって冷却される。一方、ＴＥＣ２１の下部金属板２４で生じた熱はベース１１の上面から開放面（下面）に向けて伝わる。ベース１１の開放面は放熱グリス３３を介して放熱フィン３４に接着されているため、駆動時にＬＤ２５が発した熱の大部分は放熱フィン３４から空気中に向けて放散される。

ここで放熱グリス３３としては、シリコーンオイルなどの耐熱性の高い基油と、セラミック粉末や金属粉末などの熱伝導性充填剤と、各種添加物の混合物が使用される。このような放熱グリス３３からは一般に高温での使用時に少量の揮発成分が発生する。添加物が揮発性を持っている場合や、放熱グリス３３の粘度を下げて塗布工程の作業性を向上させるためにトルエンなどの揮発性の高い有機溶剤が上記混合物に添加される場合がある。

図３に示すように、前記の光通信用パッケージ１０では、枠体１２の一側面部に形成される貫通孔３５には金属製固定部材１７の外周側面の一部が嵌合され、さらにろう材３６で固定されている。金属製固定部材１７の内部に設けられる挿通孔１８は、小径孔３７と、小径孔３７と軸を同じくする大径孔３８と、大径孔３８の中に透光性部材１９を低融点ガラス３９を介して固定するための棚４０とを有している。小径孔３７の直径Ｓは大径孔３８の直径Ｌよりも小さい。小径孔３７はキャビティ１４に対して遠い側に有り、大径孔３８はキャビティ１４に対して近い側にある。光信号が通過する透光性部材１９はキャビティ１４を気密封止するように棚４０に低融点ガラス３９を介して固定されている。スリーブ３１の他端側の端面と金属製固定部材１７の端面とはＹＡＧレーザーによって点溶接されている。そのため、点溶接部４１と隙間４２（ＹＡＧレーザーで溶接されていない箇所）が金属製固定部材１７とスリーブ３１の当接部に沿って交互に存在する。

小径孔３７（および大径孔３８）と軸を同じくする最小透光範囲４３に入射する光信号が損失無く透光性部材１９を通過するためには、金属製固定部材１７や低融点ガラス３９がその光信号を遮らないようにする必要がある。したがって、まず、枠体１２の一側面部の法線方向から平面視したときに、小径孔３７の直径Ｓは最小透光範囲４３の直径Ｅ０と同一かそれよりも大きくなければならない。その上でさらに、枠体１２の一側面部の法線方向から平面視したときに、低融点ガラス３９によって覆われる部分を除いた透光性部材１９の透光可能領域４４は、最小透光範囲４３を包含している状態でなければならない。

ここで最小透光範囲４３とはレーザー光としてＬＤ２５から出力される光信号が損失無く透光性部材１９を通過するために必要な最小限の透光領域である。具体的には、最小透光範囲４３とは、ＬＤ２５から出力された後にレンズ（図示しない）を通過して平行光となったレーザー光の光軸に垂直な断面積のうちの光通信に実質的に関与する範囲に、レーザー光源であるＬＤ２５をＴＥＣ２１に取り付ける際の位置ずれを考慮した寸法を加えた、円形範囲を意味する。この円形範囲は小径孔３７および大径孔３８と軸を同じくする。

小径孔３７の直径Ｓは最小透光範囲４３の直径Ｅ０と同一かそれよりも大きく、小径孔３７の直径Ｓと最小透光範囲４３の直径Ｅ０との差は最大で０．３ｍｍである。このため、上記の光通信用パッケージ１０では金属製固定部材１７が最小透光範囲４３に入射される光信号を遮らない条件のもとで、枠体１２の一側面部の法線方向から平面視したときに金属製固定部材１７と透光性部材１９が重なる領域をほぼ最大にすることができる。ＴＥＣの下部金属板２４に生じた熱はベース１１や枠体１２を介して金属製固定部材１７に伝えられる。この熱は、低融点ガラス３９を介した熱伝導機構や、金属製固定部材１７と透光性部材１９の間に存在する空気を介した対流機構によって、金属製固定部材１７から透光性部材１９に伝えられる。枠体１２の一側面部の法線方向から平面視したときに金属製固定部材１７と透光性部材１９が重なる領域が従来よりも大きいと、上述の伝熱機構で透光性部材１９に運ばれる熱が多くなり、透光性部材１９の中央部の温度が高められる。この結果、透光性部材１９のスリーブ３１側における主面中央部が放熱グリス３３の揮発成分の凝縮により曇ることを防止できる。

小径孔３７の直径Ｓと最小透光範囲４３の直径Ｅ０が同一である場合に、枠体１２の一側面部の法線方向から平面視したときに金属製固定部材１７と透光性部材１９が重なる領域が最大になる。その際、透光性部材１９のスリーブ３１側における主面中央部が放熱グリス３３の揮発成分の凝縮により曇ることを防止する効果も最大になる。しかしながら、小径孔３７の直径Ｓと最小透光範囲４３の直径Ｅ０との差が最大で０．３ｍｍの範囲内であれば、前記の効果を小径孔３７の直径Ｓと最小透光範囲４３の直径Ｅ０が同一である場合と同様に得られると考えられる。

小径孔３７の直径Ｓと最小透光範囲４３の直径Ｅ０との差が０．３ｍｍを超える場合、枠体１２の一側面部の法線方向から平面視したときに金属製固定部材１７と透光性部材１９が重なる領域が小さくなり、前記の効果を得ることが難しくなる。同効果を得るには、小径孔３７の直径Ｓと最小透光範囲４３の直径Ｅ０が同一である場合に最大となる前記領域の面積に対し、７０％以上の前記領域の面積が得られるように小径孔３７の直径Ｓと最小透光範囲４３の直径Ｅ０との差を設計する必要がある。実用に供されているＴＯＳＡ型の光通信用パッケージ１０における透光性部材１９の直径は、例えば、２．０〜５．０ｍｍであり、また最小透光範囲の直径Ｅ０は、例えば、１．０〜２．０ｍｍである。

低融点ガラス３９が透光性部材１９の主面と接する面積はなるべく多い方が良い。金属製固定部材１７から透光性部材１９への伝熱の効率は、低融点ガラス３９を介した熱伝導機構の方が、金属製固定部材１７と透光性部材１９の間に存在する空気を介した対流機構よりも、高い。さらに低融点ガラス３９が透光性部材１９の主面と接する面積をなるべく多くする方が、低融点ガラス３９の欠陥に起因するキャビティ１４に対するリーク不良が発生しにくい。なお、透光性部材１９の外周側面と大径孔３８の内周側面の間に低融点ガラス３９の一部が侵入した状態であれば、前述の金属製固定部材１７から透光性部材１９への伝熱の効率を高める効果や前記のリーク不良を防止する効果がさらに高まる。

低融点ガラス３９によって覆われる部分を除いた透光性部材１９の透光可能領域４４（あるいは低融点ガラス３９が透光性部材１９の主面と接する面積）の大きさは、透光性部材１９を金属製固定部材１７の棚４０に低融点ガラス３９を介して接合する工程の条件を変更することで調整できる。金属ろう材や封止用樹脂などの他の接合材料に比べ、低融点ガラス３９は接合工程において高温で液化したときの粘性が高い。このため、低融点ガラス３９によって覆われる部分を除いた透光性部材１９の透光可能領域４４の大きさを、接合工程の条件を調整することで制御することは、他の封止材料に比べると容易である。接合工程の条件としては、低融点ガラス３９の体積、接合温度、炉内で透光性部材１９などを固定するための重石の重量、などがある。

金属製固定部材１７の作製については、小径孔３７の直径Ｓの大きさが従来よりも小さくなるように金属加工をするだけでよいため、従来技術に対する余分なコストは発生しない。

図４に示すように、上記の光通信用パッケージ１０の変形例である光通信用パッケージ１０ａでは、小径孔３７ａはキャビティ１４に対して近い側にあり、内部に透光性部材１９が取り付けられる大径孔３８ａはキャビティ１４に対して遠い側にある。小径孔３７ａの直径Ｓａは大径孔３８ａの直径Ｌａよりも小さい。

小径孔３７ａはキャビティ１４に対して近い側にあり、内部に透光性部材１９が取り付けられる大径孔３８ａはキャビティ１４に対して遠い側にあるため、キャビティ１４の内部の冷たい空気は金属製固定部材１７ａにより遮断され、透光性部材１９に届きにくくなる。また、大径孔３８ａがキャビティ１４に対して遠い側に配置されるため、透光性部材１９のスリーブ３１の側に開放される主面全体がスリーブ３１の中の暖かい空気に接する。これらの結果、透光性部材１９のスリーブ３１側における主面中央部の温度が高められる。このため、透光性部材１９のスリーブ３１側における主面中央部が放熱グリス３３の揮発成分の凝縮により曇ることを防止できる。

図５に示すように、上記の光通信用パッケージ１０の他の変形例である光通信用パッケージ１０ｂでは、金属製固定部材１７ｂの挿通孔１８は小径孔３７ｂと大径孔３８ｂの間に設けられる中径孔４５を有している。中径孔４５は小径孔３７ｂおよび大径孔３８ｂと軸を同じくする。小径孔３７ｂの直径Ｓｂは大径孔３８ｂの直径Ｌｂよりも小さい。中径孔４５の直径Ｍは、小径孔３７ｂの直径Ｓｂよりも大きく、かつ大径孔３８ｂの直径Ｌｂよりも小さい。金属製固定部材１７ｂは、図４の金属製固定部材１７ａに中径孔４５を追加で設けた構成になっている。

中径孔４５を設けることにより、金属製固定部材１７ｂの棚４０ｂに低融点ガラス３９を介して透光性部材１９を固定する工程において、高温で低粘度化する低融点ガラス３９の一部を中径孔４５の中に溜めることができる。低融点ガラス３９によって覆われる部分を除いた透光性部材１９の透光可能領域４４が最小透光範囲４３を包含しているようにするためには、透光性部材１９を低融点ガラス３９を介して金属製固定部材１７ｂの棚４０ｂに接合する際の工程条件を調整して、透光性部材１９の外周部から中央部に向けて低融点ガラス３９が延在することを防止する必要がある。中径孔４５を設けることで高温で低粘度化する低融点ガラス３９の一部を中径孔４５の中に溜めることができる。中径孔４５の設置によるこの効果は、図８に示す従来技術における、小径孔８７の直径Ｓ’を最小透光範囲９１の直径Ｅ０に対してできるだけ大きく設計して棚９０を最小透光範囲９１から遠ざけることで得られる効果と同等である。

上記の光通信用パッケージ１０、１０ａ、１０ｂは、透光性部材１９の材質がホウケイ酸ガラスであるのが良い。サファイアガラスに比べ、ホウケイ酸ガラスは安価な素材であり、また加工コストについてもサファイアガラスよりもホウケイ酸ガラスの方が低い。ところでホウケイ酸ガラスの熱伝導率はサファイアガラスの１／４０程度である（ホウケイ酸ガラス：約１Ｗ／ｍＫ、サファイアガラス：約４０Ｗ／ｍＫ）。したがって透光性部材１９の材質をサファイアガラスにする方が透光性部材１９の外周部から内周部に熱を効率よく伝えることができる。しかしながら本発明の構成を適用することで、透光性部材１９の材質がホウケイ酸ガラスであっても、透光性部材１９のスリーブ３１側における主面中央部が放熱グリス３３の揮発成分の凝縮により曇ることを防止できる。

さらに透光性部材１９の厚さを０．４ｍｍ以上にして厚くするのが良い。キャビティ１４内部の冷たい空気が透光性部材１９のスリーブ３１側における主面の温度に及ぼす影響を緩和することできる。そのため透光性部材１９のスリーブ３１側における主面中央部の温度が高められ、透光性部材１９のスリーブ３１側における主面中央部が放熱グリス３３の揮発成分の凝縮により曇ることを防止できる。板厚が０．４ｍｍ未満だと、キャビティ１４内部の冷たい空気による影響が顕著になり、透光性部材１９のスリーブ３１側の主面中央部の温度が下がりやすい。さらに透光性部材１９の厚さを大径孔３８の深さよりも小さくするのが良い。透光性部材１９の一部が金属製固定部材１７の端面を超えてはみ出ることがなくなる。このため、作業ミス等により透光性部材１９の表面に傷がつくことを防止できる。

次いで、図１〜図３を参照して、本発明の一実施の形態に係る光通信用パッケージ１０および光モジュール２０の製造方法を説明する。なお光通信用パッケージ１０ａ、１０ｂの製造方法は光通信用パッケージ１０と同様であるので、その説明を省略する。

ベース１１、枠体１２、シールリング１５、外部接続端子２９、蓋体１６は、アルミナセラミックスと線膨張係数が近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなり、周知の金属加工方法によって所定の形状に加工される。光モジュール２０の放熱特性に影響するベース１１にはＣｕ−Ｗ合金などの熱伝導率が高い金属材料を適用してもよい。一方、フィードスルー基板１３は、所定の形状に加工した複数のアルミナグリーンシートを積層した後に焼成して得られるアルミナセラミックスからなる。積層体を構成するアルミナグリーンシートの一部にはＷ、Ｍｏなどの高融点金属粉末を含有する導体ペーストが所定のパターン形状に塗布されている。このような導体ペーストは焼成後に導体配線パターン２６、２７および内部導体２８となる。銀ろうの濡れ性を高めるため、導体配線パターン２６、２７の表面には焼成後にＮｉめっき被膜が設けられる。このような導体はフィールスルー基板１３が枠体１２やシールリング１５と接合される部位にも銀ろう接合を行うために設けられる（図示しない）。上記のように準備されたベース１１、枠体１２、フィードスルー基板１３、シールリング１５、及び外部接続端子２９は銀ろう接合により一体化される。銀ろうがＡｇＣｕ共晶合金である場合、接合温度は約８００℃である。一体化した後、金属部材（ベース１１、枠体１２、シールリング１５、外部接続端子２９及び銀ろう）と、フィードスルー基板１３の導体部（導体配線パターン２６、２７）の表面にはＮｉめっき皮膜が設けられ、さらにこれを下地表面とするＡｕめっき皮膜が設けられる。Ａｕめっき皮膜には、酸化によるＮｉめっき被膜の劣化を防止したり、Ａｕワイヤをボンディングする際の良好な下地として作用するなどの効果がある。

一方、金属製固定部材１７もアルミナセラミックスと線膨張係数が近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなり、周知の金属加工方法によって所定の形状に加工される。金属加工後に金属製固定部材１７の外周側面にＮｉめっき被膜が設けられる。さらに、ＡｕＳｎ合金半田に対する濡れ性を高めるため、Ｎｉめっき被膜を下地表面とするＡｕめっき被膜が設けられる。この後、透光性部材１９が金属製固定部材１７の棚４０に低融点ガラス３９を用いて接合される。金属製固定部材１７の棚４０と透光性部材１９を接合する低融点ガラス３９には、融点を下げるために鉛を含有させた組成のガラスが用いられるが、鉛を含まない組成で融点を下げた鉛フリーガラスが用いられても良い。低融点ガラス３９によるこのような接合は約６００℃で実施される。透光性部材１９には円板状に加工されたホウケイ酸ガラスやサファイアガラスが用いられ、透光性部材１９の両主面には反射防止膜が設けられる。

次に枠体１２の一側面部に設けられた貫通孔３５に金属製固定部材１７の外周側面の一部が嵌合され、嵌合部にろう材３６として箔形状のＡｕＳｎ合金半田を配し、窒素ガス雰囲気中で約３６０℃に加熱することで枠体１２と金属製固定部材１７とが接合される。この接合温度は、ＡｇＣｕ共晶合金を用いた場合の銀ろうの接合温度（約８００℃）や低融点ガラスの接合温度（約６００℃）よりも低い。

このような光通信用パッケージ１０のサイズについては、例えば、ベース１１の外形サイズが６．８×５．６×０．５ｍｍ、枠体１２の外形サイズが６．８×５．６×４．２ｍｍ、シールリングの外形が６．８×５．６×０．５ｍｍであるものが実用に供されている。このサイズの光通信パッケージ１０に対し、小径孔３７の直径Ｓとしては、例えば、１．４ｍｍであり、最小透光範囲４３の直径Ｅ０としては、例えば、１．２ｍｍである。ホウケイ酸ガラスからなる透光性部材１９のサイズは、例えば、直径２．８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍである。

次に光モジュール２０の作製についてはまず、光通信用パッケージ１０のベース１１の上面とＴＥＣ２１の下部金属板２４、およびＴＥＣ２１の上部金属板２３とＬＤ２５、がそれぞれ半田で接合される。ＳｎＰｂ合金の共晶半田であれば、その接合温度はＡｕＳｎ合金半田の接合温度よりも低く、２００〜２５０℃程度である。ＳｎＰｂ合金の共晶半田のほか、それと同程度の接合温度で使用できる鉛フリー半田を使用しても良い。次にＬＤ２５とフィードスルー基板１３の導体配線パターン２７とがＡｕ製のボンディングワイヤ３０で電気的に接続される。また、ＴＥＣ２１と導体配線パターン２７も金属線（図示しない）で電気的に接続される。この後、シールリング１５の上面と蓋体１６とがシームウエルド法で溶接されることでキャビティ１４が気密封止される。この溶接工程は室温、大気中で行われるため、キャビティ１４内に収納される電子部品に対する熱的な負荷は掛からない。

次にＬＤ２５から発せられる光信号（レーザー光）の出力を損失なく光ファイバー３２の端面に伝えるため、光信号の光軸に対する光ファイバー３２の光軸の相対位置が適正範囲内に入るように光ファイバー３２の光軸位置を調整する必要がある。スリーブ３１の一端側の内周部には光ファイバー３２の先端部が嵌合されているため、スリーブ３１の他端側の端面を金属製固定部材１７の端面に当接させながら摺動させることにより、光ファイバー３２の光軸位置を前述の適正範囲内に入るように調整することができる。光軸合わせが完了した後、スリーブ３１の他端側の端面と金属製固定部材１７の端面との当接部に沿ってＹＡＧレーザーを一定間隔毎に照射し、スリーブ３１と金属製固定部材１７を点溶接する。この点溶接の工程は室温、大気中で行われるためキャビティ１４内に収納される電子部品に対する熱的な負荷は掛からない。

次に光通信用パッケージ１０のベース部１１の開放面（下面）が放熱グリス３３を介して放熱フィン３４の上面に搭載され、光モジュール２０が得られる。放熱フィンにはＦｅ系合金よりも熱伝導率の高いＡｌ製の材質が用いられる。

本発明に係る光通信用パッケージ及び光モジュールは、光通信システムを構築するための光送信モジュールや光受信モジュールの分野において利用可能である。

１０、１０ａ、１０ｂ：光通信用パッケージ、１１：ベース、１２：枠体、１３：フィードスルー基板、１４：キャビティ、１５：シールリング、１６：蓋体、１７、１７ａ、１７ｂ：金属製固定部材、１８：挿通孔、１９：透光性部材、２０：光モジュール、２１：ＴＥＣ、２２：ペルチェ素子、２３：上部金属板、２４：下部金属板、２５：ＬＤ、２６：導体配線パターン、２７：導体配線パターン、２８：内部導体、２９：外部接続端子、３０：ボンディングワイヤ、３１：スリーブ、３２：光ファイバー、３３：放熱グリス、３４：放熱フィン、３５：貫通孔、３６：ろう材、３７、３７ａ、３７ｂ：小径孔、３８、３８ａ、３８ｂ：大径孔、３９：低融点ガラス、４０、４０ａ、４０ｂ：棚、４１：点溶接部、４２：隙間、４３：最小透光範囲、４４：透光可能領域、４５：中径孔

Claims (5)

1. 光半導体素子を収納するためのキャビティを有し、該キャビティはベースと枠体とフィードスルー基板で囲まれており、前記枠体の一側面部に形成される貫通孔に金属製固定部材の外周側面の一部が嵌合され、前記金属製固定部材の内部に設けられる挿通孔の中に光信号が通過するための透光性部材が前記キャビティを気密封止するように取り付けられている光通信用パッケージにおいて、
   前記金属製固定部材の内部に設けられる前記挿通孔が、小径孔と、該小径孔よりも直径が大きく前記小径孔と軸を同じくする大径孔と、該大径孔の中に前記透光性部材を固定するための棚を有し、
   前記小径孔の直径が、前記光信号が損失無く前記透光性部材を通過するために必要な最小限の透光領域である最小透光範囲の直径と同一かそれよりも大きく、かつ前記小径孔の直径と前記最小透光範囲の直径との差が最大で０．３ｍｍであることを特徴とする光通信用パッケージ。
2. 前記小径孔が前記キャビティに対して近い側にあり、内部に前記透光性部材が取り付けられる前記大径孔が前記キャビティに対して遠い側にあることを特徴とする請求項１記載の光通信用パッケージ。
3. 前記小径孔と前記大径孔の間に中径孔が設けられ、該中径孔が前記小径孔及び前記大径孔と軸を同じくし、前記中径孔の直径が前記小径孔の直径よりも大きく、かつ前記大径孔の直径よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の光通信用パッケージ。
4. 前記透光性部材の材質がホウケイ酸ガラスであり、前記透光性部材の厚さが０．４ｍｍ以上でかつ前記大径孔の深さよりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光通信用パッケージ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光通信用パッケージと、
   前記光通信用パッケージの前記ベース上面に取り付けられるＴＥＣ（ＴｈｅｒｍｏＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）と、
   前記ＴＥＣの温度調節機能により一定範囲内の温度に保たれる光半導体素子と、
   一端側の内周部に光ファイバーの先端部が嵌合され、他端側の端面と前記光通信用パッケージの前記金属製固定部材の端面とが点溶接されているスリーブと、
   前記ベースの開放面（下面）を放熱フィンに接着するための放熱グリスを有することを特徴とする光モジュール。

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