JP3802574B2

JP3802574B2 - 光半導体モジュール

Info

Publication number: JP3802574B2
Application number: JP05489693A
Authority: JP
Inventors: 有生白坂; 周並木; 政義関; 泰治郎高瀬
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 1993-02-19
Filing date: 1993-02-19
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2021-07-26
Also published as: JPH06244507A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光通信に用いられる光半導体モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１には、従来の光半導体モジュールが示されている。図１において、円筒形状のパッケージ５の基端側には光半導体素子を収容する収容空間10が形成されており、空間10に連通させてパッケージ５の中央部にはレンズ３が収容固定されており、、パッケージ５の先端側には、空間10に連通させて光ファイバ収容部15が形成されている。光ファイバ収容部15には、レンズ３の焦点合わせの空間11を介して光ファイバフェルール４が装着され、固定されており、光ファイバフェルール４には光ファイバ６が収容一体化されている。
【０００３】
前記、光半導体素子収容空間10の基端側には、サブマウント２が嵌め込み装着されている。サブマウント２は、円盤状の板部12と、板部12から水平に突き出す素子取り付け部13からなり、その素子取り付け部13の先端上側には光半導体素子である半導体レーザ１のチップが搭載され、金−スズ、スズ−鉛等の半田材で実装されている。
【０００４】
半導体レーザ１とレンズ３と光ファイバフェルール４の光軸は、いずれも同軸方向（図のＺ方向）となるように組立られており、その光軸のずれが１μｍ以下となるように光軸精度が定められている。
【０００５】
サブマウント２とパケージ５は鉄系のステンレス、コバール、42アロイ等の金属材料で形成され、接続部８をＹＡＧ溶接することにより接続されている。これらの鉄系の金属材料は、ＹＡＧレーザのエネルギを吸収し易く、機械加工が容易であり、しかも、熱膨張係数が小さいことにより、ＹＡＧ溶接に際しての、熱による半導体レーザ１とレンズ３との光軸のずれが生じないので、ＹＡＧ光の出力が安定するため、ＹＡＧ溶接に適しており、サブマウント２とパッケージ５をこれらの鉄系の金属材料で形成することにより、サブマウント２とパッケージ５を精度よく、ＹＡＧ溶接することができる。鉄系の材料以外でも、ＹＡＧレーザのエネルギを吸収し易く、熱膨張係数が小さい材料もあるが、機械加工の容易さやコスト面から鉄系の材料が好ましい。
【０００６】
以上のように構成されている光半導体モジュールにおいて、半導体レーザ１から出力された光は、空間10を通ってレンズに入射し、レンズ３により集光される。レンズ３で集光された光は空間11を通る間に、焦点を合わされ、光ファイバフェルール４の光ファイバ６の端部14に収束される。収束された光は、光ファイバ６に入射し、光ファイバ６の中を伝播していく。このようにして、半導体レーザ１からの光が信号として光ファイバ６に伝達され、光通信が行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体レーザ１の駆動時には、半導体レーザ１が発熱し、その温度が高くなるために半導体レーザ１の熱劣化が起こるという問題があった。半導体レーザ１の熱劣化を防ぐためには、半導体レーザ１の温度を下げる必要があり、そのためには、半導体レーザ１の駆動時に発生する熱を半導体レーザ１が搭載されているサブマウント２や、サブマウント２がＹＡＧ溶接されているパッケージ５を通じて、なるべく速く外部に放出させる必要がある。しかし、前記鉄系のステンレス等の金属材料は熱伝導率が低いために、これらの金属材料を用いて形成したサブマウント２やパッケージ５は熱の伝導が遅く、半導体レーザ１の熱を速く外部に放出させることが難しく、半導体レーザ１の駆動時の発熱による劣化を抑えることができなかった。
【０００８】
また、半導体レーザ１の熱を速く外部に放出させるために、熱伝導率が高い銅や銅タングステンを用いてサブマウント２やパッケージ５を形成すると、これらの銅材料はＹＡＧ溶接のエネルギを受けて変質し易い性質があり、その結果、ＹＡＧ溶接が困難となり、たとえ溶接エネルギを小さくするために、ＹＡＧの電源の発生パルスを短く１ｍsec 以下として、ＹＡＧ溶接を行うことができたとしても、ＹＡＧ光の反射が大きく、溶接エネルギの供給量が安定しないため、ＹＡＧ溶接の信頼性を高めることができなかった。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたものあり、その目的は、組立の信頼性がよく、光半導体素子の発熱による劣化が少い光半導体モジュールを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のように構成されている。すなわち、本発明は、パッケージ内に半導体素子が配置され、この半導体素子からの出射光が光ファイバに光結合され前記光ファイバを通して出力される光半導体モジュールにおいて、前記パッケージ内にはサブマウントに搭載された光半導体素子が配置され、サブマウントは溶接によってパッケージに固定されており、前記パッケージおよびサブマウントはタングステンに鉄とニッケルとモリブデンの少くとも１つを含んだ合金材料を用いて形成されていることを特徴として構成されている。また、前記パッケージおよびサブマウントに用いる合金材料のタングステンに対する鉄、ニッケル、モリブデンの少くとも１つの含有量は略１〜１０％であることも、本発明の特徴的な構成とされている。
【００１１】
【作用】
上記構成の本発明において、パッケージおよびサブマウントはタングステンに鉄とニッケルとモリブデンの少くとも１つを含んだ合金材料を用いて形成されており、これらの材料は熱膨張率が低いため、溶接時の熱変形が極めて小さく、サブマウントはパッケージに精度よく溶接される。また、光半導体素子が駆動時に発熱しても、熱は熱伝導率が高い、前記合金材料により形成されたサブマウントやパッケージを速く伝わり、光半導体モジユールの外部に放出されるため、光半導体素子の熱による劣化を抑制することができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。なお、本実施例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略する。
【００１３】
本実施例の光半導体モジュールの機械的構成は、図１に示す従来例とほぼ同様である。本実施例が従来例と違うところは、サブマウント２とパッケージ５を形成している金属材料をタングステンにニッケルとモリブデンを添加した合金材料によって構成したことである。なお、本実施例では、サブマウント２とパッケージ５は、ともにタングステンをベースとしてニッケル４％とモリブデン４％を添加した合金材料により形成されている。このタングステンにニッケルとモリブデンを各４％含んだ合金材料は、銅の約４倍の高い熱伝導率をもち、鉄の約３分の１の低い熱膨張率をもつ。
【００１４】
タングステンにニッケルとモリブデンを添加した合金材料は、焼結して得られ、焼結して得られた金属粉体を射出成形することにより、サブマウント２とパッケージ５が形成されている。
【００１５】
サブマウント２とパッケージ５は、接続部８を仕上記号の▽が３つ以上の平滑度に精密仕上（鏡面仕上）されていて、サブマウント２とパッケージ５は接続部８において、溶接面と同一の平面で120 °等角度で３分岐してＹＡＧ溶接され、その溶接は数ｍsec 以下の電源発生パルス（電圧パルス）で行われている。
【００１６】
半導体レーザ１は、1.48μｍの発振波長をもち、その光出力が20から50ｍＷである。なお、本実施例では光通信用の光ファイバ６としてシングルモードファイバを使用している。
【００１７】
本実施例は以上のように構成されており、その動作も従来例と同様であるが、本実施例では、サブマウント２とパッケージ５がニッケルとモリブデンを各４％含んだタングステン合金材料で形成されており、この材料は銅の約４倍の高い熱伝導率をもつために、半導体レーザ１の駆動時に熱が発生しても、その熱がサブマウント２とパッケージ５を速く伝わり、半導体モジュールの外部に放出され、半導体レーザ１の発熱による劣化は起こりにくくなる。
【００１８】
しかも、この合金材料の熱膨張率は、鉄の約３分の１と低いため、サブマウント２とパッケージ５をＹＡＧ溶接する際、熱変形により、半導体レーザ１とレンズ３の光軸がずれないので、ＹＡＧ溶接時の信頼性も高く、ＹＡＧ溶接によるサブマウント２とパッケージ５の組立後も半導体レーザ１の発熱等によるサブマウント２やパッケージ５の熱膨張が起こりにくいために、半導体レーザ１とレンズ３と光ファイバフェルール４の光軸のずれが生じにくい。
【００１９】
また、光半導体モジュールが設置されている環境に温度変化が生じても、サブマウント２やパッケージ５の熱膨張や熱収縮が起こりにくいために、半導体レーザ１とレンズ３と光ファイバフェルール４の光軸のずれも同様に生じにくい。
【００２０】
以上のように、上記実施例の光半導体モジュールはサブマウント２とパッケージ５のＹＡＧ溶接による組立精度や信頼性が高く、ＹＡＧ溶接後もサブマウント２やパッケージ５が半導体レーザ１の発熱等により熱変形することは殆どないため、半導体レーザ１とレンズ３と光ファイバフェルール４の光軸のずれが生じにくい。また、半導体レーザ１の駆動時に発生する熱が速く外部に放出されるために、半導体レーザ１の熱による劣化も抑制され、光通信の信頼性を高めることができる。
【００２１】
また、サブマウント２とパッケージ５はタングステンをベースとしてモリブデンやニッケルを含む合金材料を、切削等により機械加工することによっても得られるが、本実施例のように金属粉体を射出成形してサブマウント２とパッケージ５を形成することで、機械加工する場合よりも、容易にその各部品を作製することができる。
【００２２】
なお、本発明は上記実施例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記実施例ではサブマウント２とパッケージ５を形成する材料をタングステンにニッケルとモリブデンを各４％含んだ合金材料としたが、ニッケルとモリブデンとを含む材料とは限らず、ニッケル、モリブデン、鉄のうち少くとも１つを含む合金材料であればよい。また、それらの含有量も４％とは限らず、他の含有量でも構わない。
【００２３】
タングステンに対するニッケルやモリブデンや鉄の含有量によるタングステン合金材料の熱膨張率や熱伝導率等の諸関係を調べるために、まず、各含有量のタングステン合金材料を用いて試験片を作製した。その試験片を用いて、タングステンに対するニッケルやモリブデンや鉄の含有量と熱膨張率や熱伝導率等の関係を調べたところ、ニッケルとモリブデンと鉄のいずれも１％未満の場合、あるいは、ニッケルとモリブデンと鉄のいずれかが10％を越える場合には、ニッケルやモリブデンや鉄の添加により、タングステン合金の熱膨張率を低下させる効果や、熱伝導率を上昇させる効果はあまりみられなかった。
【００２４】
これに対し、ニッケルやモリブデンや鉄の含有量を１〜10％にした場合には、前記熱膨張率や熱伝導率等に関し、良好な特性結果が得られた。従って、タングステンに対するニッケル、モリブデン、鉄の含有量は略１〜10％であることが望ましい。
【００２５】
図２は、サブマウント２とパッケージ５はモリブデンを４％含んだタングステン合金材料である、三菱マテリアル株式会社製アンビロイＡＮ1150（アンビロイＡＮ1150は商品名）で形成した光半導体モジュールを−40〜85℃で温度サイクル試験した時の光半導体モジュールの出力の減少傾向を求めた試験結果を示している。また、比較例として、サブマウント２とパッケージ５を銅を10％含んだタングステン合金で形成した場合、ステンレスのＳＵＳ316 （商品名）、銅、コバールを用いて形成した場合の各光半導体モジュールを−40〜85℃の温度サイクル試験した結果を示している。
【００２６】
図２に示されるように、サブマウント２とパッケージ５をいずれの材料で形成した場合も、温度サイクル数が増えると光半導体モジュールの出力が減少していくが、モリブデンを４％含んだタングステン合金材料を用いてサブマウント２とパッケージ５を形成したａの直線は、その他の材料を用いた場合に比べて、光半導体モジュールの出力の減少率が低く、比較的安定した良好なヒートサイクル試験結果が得られている。
【００２７】
上記実施例では、タングステンをベースとしてニッケルとモリブデンを含む合金材料を用いて、サブマウント２とパッケージ５を形成し、光通信の信頼性が高い光半導体モジュールを得ることができたが、タングステンにモリブデンだけを含む合金材料も、熱膨張率が低く、熱伝導率が高いために同様の効果を奏し、図２に示すように、その材料を用いてサブマウント２とパッケージ５を形成した光半導体モジュールは、その出力が安定し、光通信の信頼性が高められることが立証された。
【００２８】
同様にして、タングステンにニッケル、モリブデン、鉄の少くとも１つを含む合金材料を用いて、サブマウント２やパッケージ５を形成した場合には、合金材料が低い熱膨張率と高い熱伝導率を有するために、光半導体モジュールは光通信の信頼性が高いものとなる。
【００２９】
なお、上記実施例ではサブマウント２とパッケージ５を同じ合金材料を用いて形成していたが、サブマウント２を形成する合金材料とパッケージ５を形成する合金材料、およびその合金含有割合は各々違っていてもよい。
【００３０】
また、上記実施例では、ニッケルとモリブデンを含んだタングステン合金は、焼結して得られたが、焼結以外の作製方法でもよく、また、サブマウント２とパッケージ５の形成方法も特に射出成形に限定されるものではない。ただし、サブマウント２とパッケージ５の形成方法として、金属粉体を射出成形する方法を用いた場合には、サブマウント２やパッケージ５の形状が複雑な場合でも、量産性があり、サブマウント２やパッケージ５を量産する場合には経済的に有効である。
【００３１】
さらに、本発明の光半導体モジュールは、光半導体素子として半導体レーザ１を用いた場合について説明を行ってきたが、光半導体素子としては半導体レーザ１とは限らず、フォトダイオード、発光ダイオード等の他の光半導体素子を用いることもできる。
【００３２】
また、本発明の光半導体モジュールは、光半導体素子である半導体レーザ１をサブマウント２に半田材を用いて実装させたものについて説明したが、光半導体素子は半田材により実装されていなくてもよく、光半導体素子の光軸がずれないような状態で搭載されていればよい。
【００３３】
さらに、これまで光半導体モジュールのパッケージ５の形状は円筒形状のものについて説明を行ってきたが、その形状は特に限定されるものではなく、円筒形状ではない、別の形状のものでもよい。特に、箱型パッケージ、いわゆるＤＩＰ( Dual Inline Package ) やバタフライパッケージを用いた場合は、熱拡散、および信頼性が高くなる。
【００３４】
さらに、本発明の光半導体モジュールは、サブマウント２とパッケージ５をＹＡＧ溶接により接続する場合について説明を行ってきたが、溶接による接続であればＹＡＧ溶接とは限らず、他の種類の溶接を行う場合にも本発明を適用することができ、同様の効果を奏することができる。ただし、ＹＡＧ溶接の場合、サブマウント２とパッケージ５の接続は、他の溶接による接続に比べて精度が高いためにＹＡＧ溶接による接続が好ましい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、光半導体モジュールを構成するパッケージおよびサブマウントは、タングステンにニッケルとモリブデンと鉄の少くとも１つを含んだ合金材料を用いて形成されていて、これらの合金材料は熱膨張率が低いため、溶接時にサブマウントやパッケージが膨張変形することが殆どなく、パッケージとサブマウントの溶接の信頼性を高めることができる。さらに、溶接による接続を行った後もサブマウントやパッケージが光半導体素子の発熱等により、熱変形することは殆どなく、パッケージ内にある光半導体素子の光軸のずれは生じにくくなる。
【００３６】
また、これらの合金材料は熱伝導率が高いため、サブマウントに搭載された光半導体素子が発熱しても、その熱はサブマウントとサブマウントに接続されているパッケージを伝わり、速く外部に放出され、光半導体素子の熱による劣化が抑制されるため、高精度で信頼性の高い光半導体モジュールが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光半導体モジュールの断面構成図である。
【図２】上記光半導体モジュールのサブマウント２とパッケージ５を様々な材料により形成した場合の光半導体モジュールの出力の減少傾向を示すグラフである。
【符号の説明】
１半導体レーザ
２サブマウント
３レンズ
５パッケージ
６光ファイバ

Claims

パッケージ内に半導体素子が配置され、この半導体素子からの出射光が光ファイバに光結合され前記光ファイバを通して出力される光半導体モジュールにおいて、前記パッケージ内にはサブマウントに搭載された光半導体素子が配置され、サブマウントは溶接によってパッケージに固定されており、前記パッケージおよびサブマウントはタングステンに鉄とニッケルとモリブデンの少くとも１つを含んだ合金材料を用いて形成されていることを特徴とする光半導体モジュール。
タングステンに対する鉄、ニッケル、モリブデンの少くとも１つの含有量は略１〜１０％である請求項１記載の光半導体モジュール。