JP4105647B2 - 半導体レーザモジュール及び光伝送器 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザモジュール、及びその半導体レーザモジュールを用いた光伝送器に関するものである。本半導体レーザモジュールは、光学系記録媒体の書き込み及び再生を行なう光ピックアップ装置や、光通信用途で用いられる光半導体素子を内部に収納するために有用である。

光伝送器は、半導体レーザ及びフォトダイオードを利用して光を送受信するもので、半導体レーザ素子を放熱用基板に搭載した半導体レーザモジュールが一般的である。光伝送器の開発では、半導体レーザ素子から出射された光を、光ファイバに効率良く入射並びに光結合させる必要がある。こうした半導体モジュールに用いる半導体レーザ素子の例は、主に金属製のパッケージ内に実装され気密封止されている。例えば、特開平１１−７４３９５号公報の例では、金属、絶縁体、又は金属と絶縁体の複合体からなる枠体と枠体に固定された第１の底板と、第1の底板に固定された金属からなる第２の底板を備えている（特許文献１）。

又、同軸型半導体レーザモジュールの例では、パッケージにガラス封止されたリード部により変調信号の授受を行なう。本構成では安価なモジュールが実現できる反面、１０ＧＨｚ超等の高周波に対応するモジュールの実現は困難となっている。これは実装基板等に一般的に用いられるマイクロストリップ線路等に接続した際のインピーダンス不整合が、高周波になるに従ってより顕著になることに起因する。例えば、ガラエポ基板上に形成されたマイクロストリップ線路にリード部を実装する場合、強度確保の観点から実装部にリード部の余長を設けることが一般的に行なわれている。しかし、高周波伝送の観点からは余長によるインピーダンス不整合で１０ＧＨｚ超信号伝送の実現が困難であった。リード部を密着実装させ、且つ強度確保を行なう手段としてはフレキシブル基板実装が既に実現されている。特開２００１−１４４３６６号公報にはインピーダンス整合が取られたフレキシブル基板実装されたＬＤ駆動回路の例が開示されている（特許文献２）。

特開平１１−７４３９５号公報

特開２００１−１４４３６６号公報

このように光通信用の１０ＧＨｚ超等の高周波用途でのモジュール提供にあたっては特性重視で作られている反面、近年は民生用同様にコストダウン及び小型化の要求がますます増えている。バタフライ型パッケージのようなサイズの大きい容器を用いずに、且つ高周波伝送可能な光伝送モジュールの提案は今までされていなかった。

こうした現状を背景に、本発明は、モジュールのサイズの増大を抑えながら、所望伝送周波数帯での伝送特性を確保せんとするものである。

上記目的を達成するために、本発明の骨子はモジュール基板への半導体レーザ素子実装に伴うインピーダンスの調整を行うものである。

即ち、本発明の半導体レーザモジュールは、ガラス封止された同軸部を有するステムを介して内部に半導体レーザ素子が気密収納された半導体レーザモジュールや光伝送器であって、
前記ステム同軸部より半導体レーザ素子に至る放熱用基板上にマイクロストリップ線路又はコプレーナ線路にてパターンが形成され、ステム同軸部および半導体レーザ素子の間をそれぞれワイヤボンディング或いははんだ付けで接続されている前記半導体レーザモジュールや光伝送器であり、
前記放熱用基板上パターンと前記ステム同軸部と半導体レーザモジュールのリード実装部のインピーダンスをそれぞれＺ_１、Ｚ_２、Ｚ_３とした場合、Ｚ_１≦Ｚ_２＜Ｚ_３あるいはＺ_３＞Ｚ₁＞Ｚ₂であることを特徴としている。モジュールの放熱用基板上のパターンとステム同軸部のインピーダンスＺ₁及びＺ_２を小さくした例である。即ち、このようなインピーダンスの不整合な関係を取りつつ、所望高周波帯域で信号の透過特性が低下せずに確保する手法を取るのである。

この半導体レーザモジュール及びこれを用いた光伝送器において、半導体レーザ素子のアノード及びカソードをそれぞれ独立に前記ステム同軸部へ接続したリード部となしても良い。

又、この半導体レーザモジュールや光伝送器において、前記ステム同軸部と半導体レーザモジュールのリード部のインピーダンスが１９Ω〜２５Ωであることが、現在の光通信用モジュールにおいて最も実際的である。

半導体レーザモジュール及びこれを用いた光伝送器において、半導体レーザ素子のアノード端子２、ケース端子（２ａ）及びカソード端子２を同一線上の並びに配置させ、ＳＧＳ（Ｓｉｇｎａｌ−Ｇｒｏｕｎｄ−Ｓｉｇｎａｌ）配列とすることも実用的である。

本発明は、モジュールのサイズの増大を抑えながら、所望伝送周波数帯での伝送特性を確保することが出来る。

以下、本発明の各実施例の半導体レーザ素子及びその製造方法を、図を用いて説明する。尚、各図においては、煩雑を避けるために一部の部品や接着固定材料等の図示を適宜省略している。
＜実施例１＞
本発明の代表的な例を図１及び図２に示す。図１は当該半導体レーザモジュールの断面図、図２の（ａ）はその斜視図、図２の（ｂ）は同軸部の軸方位と直交する面での断面図である。

本実施例の光送信器において、半導体レーザモジュールは、ステム１がガラス封止された同軸部６を有する。ステム１の凸部９の壁面上には放熱用基板４が搭載され、この放熱用基板４側壁に半導体レーザ素子３が搭載される。放熱用基板４の側面に並列に、同軸リード変換用基板４ａが配置される。本例では、放熱用基板４の両側面に基板４ａが配置されている。そして、この放熱用基板４上に、半導体レーザ素子３と高周波信号用リードピン２との電気的接続の為の配線が設けられる。この導電パターン８は、一般にマイクロストリップ線路或いはコプレーナ線路にて形成される。そして、半導体レーザ素子部３がレンズ一体型キャップ７によりパッケージングされている。レンズは符号２０で示される。図２の（ｂ）に示されるように、ガラス封止された同軸部６は、ｒ１及びｒ２の半径を有する同軸線（２０、２１）となり、この間がガラス２２で埋め込まれている。

上記半導体レーザモジュールは、具体的には次のような電気的接続がなされている。即ち、半導体レーザ素子３はＡｕＳｎ等のはんだ材（はんだ材自体は図示せず）で放熱用基板４に搭載される。同軸リード変換用基板４ａは、ステム1上にＡｕＧｅ等のはんだ材（はんだ材自体は図示せず）で搭載される。前記放熱用基板４と同軸リード変換用基板４ａとの相互接続は、各々ワイヤボンディング又はリボンボンディング５にてそれぞれ接続されている。同軸リード変換用基板４ａは、ガラス封止された同軸部６の高周波信号用リードピン２と高周波パターン８’をＡｕＳｎ等のはんだ材（図示せず）で接続する。

又、別な例として、前述の放熱用基板４と同軸リード変換用基板４ａとを一体化した形態も取り得る。図３の形態は、基本的に図１と同様であるが、放熱用基板４と同軸リード変換用基板４ａとが一体化して形成されている。即ち、放熱用基板４をガラス封止された同軸部６との接続部まで大きく取り、同軸リード変換用基板４ａを用いずに接続を行なってもよい。

半導体レーザ素子３と外部回路とを電気的に接続するための高周波信号用リードピン２が設けられ、この高周波信号用リードピン２はガラス封止された同軸部６を介してステム1の外部へ配されている。ケースＧＮＤリードピン２ａは、加工性や製造コスト低減のために別部品とし、ＡｇＣｕロウ等の接合材（接合材は図示せず）により部品段階で固定する。接合面はステム1に凹面を設け、ロウ材のせり上がりを抑制する。ステム1の底面は研磨加工等によって３０μｍ以下に平坦加工されている。

これらの例では、半導体レーザ素子のアノード及びカソードをそれぞれ独立に前記ステム同軸部へ接続したリード部となされている。半導体レーザ素子の使用方法によって、アノード部をＧＮＤ端子（ケース端子２ａ）に接続、ステム本体を通じて接地し、一方カソード部をリードピンに接続する形態も取り得る。こうした例は後述される。

本実施例では高周波信号用リードピン２やケースＧＮＤリードピン２ａに着目し記すが、通常内蔵されるモニタＰＤ用端子やサーミスタ端子を有する場合でも、本発明の同様な効果が得られる。

次に、本発明のインピーダンスの関係を、これ以外の例と比較しつつ説明する。前記放熱用基板上パターン、前記ステム同軸部、及び半導体レーザモジュールのリード実装部の各インピーダンスを、それぞれＺ_１、Ｚ_２、及びＺ_３とする。各インピーダンスの半導体レーザパッケージの各部位との略対応関係は図１に示した。

伝送線路を取り扱う場合、常識的に、Ｚ_１、Ｚ_２、及びＺ_３を等しくすることが考えられる。Ｚ_１、Ｚ_２、及びＺ_３を等しくした（即ち、Ｚ_１＝Ｚ_２＝Ｚ_３）場合、伝送線路のインピーダンス自身は整合状態を形成できる。しかし、反面、半導体レーザ素子の定数やはんだ、ワイヤボンディング等により付加されるインダクタンスや容量成分により伝送特性が左右される。図４にこのモデルの等価回路を示す。放熱用基板上パターンＺ_１、Ｚ_２及びＺ_３が２５オームの例である。符号１１は放熱用基板上パターン、１２はステム同軸部、１３は半導体レーザモジュールのリード実装部の各インピーダンスである。又、符号１４は駆動回路のそれを示す。本例では、各部のインピーダンスが等しく設計されている。尚、符号１１の部分は、半導体レーザ部と放熱用基板上パターンにおけるインピーダンスを合わせて図示してある。

ここで、各部位の具体的構成例について説明する。前記放熱用基板上の導電性パターンと前記ステム同軸部は、一般的に形成が容易な２５Ωインピーダンスとした。放熱用基板上パターンは、一般的な材質であるセラミック（誘電率８．５）を用いて基板厚０．１５ｍｍ、パターン幅０．５ｍｍのマイクロストリップにて作製した。前記ステム同軸部は、一般的なステム材質であるＳＰＣ（熱膨張率１２）に適応可能なガラス（熱膨張率９．４、誘電率６．８）を用いてリード径０．３ｍｍ、ガラス径０．９ｍｍにて作製可能である。又、小型実装に適用が容易なＴＯ−５６型ステム（直径：５．６ｍｍ）やＴＯ−３８型ステム（直径：３．８ｍｍ）でも、前記高周波信号用リードピン２やケース接地（ＧＮＤ）リードピンの他に前記モニタＰＤ用端子やサーミスタ端子をも作製可能である。

図５は図４の半導体レーザモジュールの特性例である。横軸が信号の周波数（ＧＨｚ）、縦軸が信号強度（ｄＢ）を示す。特性曲線５１は信号の反射特性、特性曲線５２は信号の透過特性を示す。図４に示すモデルの場合、内蔵される実装パターン長に依存して電気信号のＳ１が低域で低下傾向を示す。ＴＯ−５６型ステムでの基板実装を想定したリードピンからＬＤ実装部までのパターン長が６．５ｍｍの場合、約５ＧＨｚ付近まで伝送特性は低下し、結果として波形の開口度が劣化する。本波形の計算例を図９に示す。横軸は時間（ｐＳ）、縦軸は電気信号強度である。この例は１０ＧＨｚの例である。横軸の１００ｐＳが概ね１パルス相当の時間である。１パルス相当が相当の鈍りを受けることが理解される。

次に本発明の例を図６にその等価回路を示す。本例は、インピーダンスの関係が、Ｚ_３＞Ｚ₂≧Ｚ₁又はＺ_３＞Ｚ₁＞Ｚ₂とした場合、即ち、半導体レーザモジュールのリード実装部Ｚ_３より他の部位、即ち、モジュールの放熱用基板上のパターンとステム同軸部のインピーダンスＺ₁及びＺ_２を小さくした例である。即ち、このようなインピーダンスの不整合な関係を取りつつ、１０ＧＨｚを中心とする所望高周波帯域で信号の透過特性が低下せずに確保する手法を取るのである。尚、ここで、放熱用基板上のパターンのインピーダンスＺ₁とステム同軸部のインピーダンスＺ_２との大小関係はいずれの関係を取っても、所望の伝送特性を実現することが出来る。

各部の具体的な構成例は次の通りである。放熱用基板上パターンＺ_１とステム同軸部Ｚ_２とが等しく２５Ω、半導体レーザモジュールのリード実装部Ｚ_３が５０Ωの例である。符号は図４の場合と同等で、符号１５は放熱用基板上パターン、１６はステム同軸部、１７は半導体レーザモジュールのリード実装部の各インピーダンスである。又、符号１８は駆動回路のそれを示す。

前記ステム同軸部では一般的なステム材質であるＳＰＣ（熱膨張率１２）に適応可能なガラス（熱膨張率９．４、誘電率６．８）を用いてリード径０．３ｍｍ、ガラス径０．７ｍｍにて約２０Ωのインピーダンスが作製可能である。又、ＬＤ駆動ＩＣ等のインピーダンスは５０Ωが一般的であるため、容易に接続可能である。この場合はインピーダンス不整合による多重反射が見られるが、ＴＯ−５６型ステムでの基板実装を想定したリードピンからＬＤ実装部までのパターン長が６．５ｍｍの場合、約７ＧＨｚ強までは伝送特性が増加傾向を示すため波形の開口度を向上させることができる。

図７は図６の半導体レーザモジュールの特性例である。本例はインピーダンスの関係がＺ_３＞Ｚ₂≧Ｚ₁の場合の特性例である。横軸が信号の周波数（ＧＨｚ）、縦軸が電気信号強度（ｄＢ）を示す。信号の反射特性は曲線５３、透過特性は曲線５４である。図８に例示した例も、概ね７ＧＨｚまで伝送特性が増加傾向を示すように設定することが出来る。本波形の計算例を図１０に示す。横軸は時間（ｐＳ）、縦軸は電気信号強度である。この例は１０ＧＨｚの例である。図８の例と同様に、１００ｐＳが概ね１パルス相当の時間である。本例では１パルス相当が確保されることが理解される。

更に、図８には、放熱用基板上パターンＺ_１がステム同軸部Ｚ_２より大きい例の特性例を示す。この例はＺ_３＞Ｚ₁＞Ｚ₂の例である。放熱用基板上パターンＺ_１が３０Ω、ステム同軸部Ｚ_２が２５Ω、半導体レーザモジュールのリード実装部Ｚ_３が５０Ωの例である。この場合、反射特性は曲線５５、透過特性は曲線５６である。図８に例示した例も、概ね８ＧＨｚまで伝送特性が増加傾向を示すように設定することが出来る。
＜実施例２＞
本実施例1に示した例は、ＬＤを駆動させる入力部が単相であった場合でも充分に成り立つ。例えばステム1とレンズ一体型キャップ７に覆われた実装エリア内においてＬＤのアノード部をワイヤボンディング等でＧＮＤ接続し、カソード部をリードピンへ引き出すような接続を採った場合に相当する。実施例を図１１に示す。この場合、ＧＮＤ接続（アノード部〜ＧＮＤピン）がステム１本体を通して接続可能なため、同軸リード変換用基板４ａ等は省略可能である。その他の構成はこれまでの例と同様なので詳細説明は省略する。

尚、半導体レーザ素子の両相駆動を想定し、アノード部及びカソード部をそれぞれ独立させてリード接続を行なった構成は、既に図１に示した。

又、リード実装が容易となるように、前述の高周波信号用リードピン２とケースＧＮＤリードピン２ａは、ガラス径が０．７〜０．９ｍｍで直径５．６ｍｍ以下のステムを想定した場合でも、０．５インチ程度の間隙で１列に配することが可能である。

以上説明したように、本発明によれば、ステム内部のインピーダンスをリード実装部のインピーダンスより下げることにより、半導体レーザモジュール内部の電気信号の伝達特性低下を抑制することができる。これにより、半導体レーザモジュールの伝送特性を相対的に向上させることができる。

図１は、本発明の実施例の半導体レーザモジュールの断面図である。 図２は、本発明の実施例の半導体レーザモジュールの斜視図及び同軸部断面を示す図である。 図３は、本発明の別な実施例の半導体レーザモジュールの断面図である。 図４は、従来の半導体レーザモジュール例の等価回路を示す図である。 図５は、従来の半導体レーザモジュール例の伝送特性の一例を示す図である 図６は、本発明の半導体レーザモジュール例の等価回路を示す図である。 図７は、図６の等価回路を持つ本発明での伝送特性の一例を示す図である。 図８は、本発明で別な伝送特性の一例を示す図である。 図９は、従来例での伝送波形の一例を示す図である 図１０は、本発明での伝送波形の一例を示す図である 図１１は、本発明の別な実施例の半導体レーザモジュールの断面図である。

符号の説明

１…ステム、２…高周波信号用リードピン、２ａ…ケース（ＧＮＤ）リードピン、３…半導体レーザ素子、４…放熱用基板、４ａ…同軸リード変換用基板、５…ワイヤボンディング又はリボンボンディング、６…ガラス封止された同軸部、７…レンズ一体型キャップ、８…導電パターン、８’…導電パターン、９…ステムの凸部、２０…レンズ、２２…ガラス、１１、１５…レーザ部及び放熱用基板上の導電パターンのインピーダンス、１２、１６…同軸部のインピーダンス、１３、１７…リード線部のインピーダンス、１４、１８…駆動回路部のインピーダンス、５１、５３、５５…反射特性、５２、５４、５６…透過特性。

Claims (5)

1. ステムと、当該ステムの一方の面に、放熱用基板と、前記放熱用基板に搭載された半導体レーザ素子と、前記放熱用基板上の導電パターンと、前記ステムに搭載されたガラス封止された同軸部と、を前記ステムに気密封止体によって気密封止されて有し、前記ステムの前記同軸部とは反対側の面に射出されたリード線部を有し、且つ
   前記半導体レーザ素子の両端子は前記放熱用基板上の所定の導電パターンと、前記放熱用基板上の導電パターンの他方の端部は所定の前記同軸部とがワイヤボンディング或いは半田付けで接続され、
   前記放熱用基板上の導電パターンは、誘電率８．５のセラミックを用いて基板厚０．１５ｍｍ、パターン幅０．５ｍｍのマイクロストリップラインであり、
   前記ステムは熱膨張率１２のＳＰＣであり、
   前記ステム同軸部は、熱膨張率が９．４かつ誘電率が６．８のガラスを用い、リード径が０．３ｍｍ、かつガラス径が０．９ｍｍであり、
   前記リード線部から前記導電パターンにおける前記半導体レーザ素子の搭載部までの長さ６．５ｍｍであり、
   前記放熱用基板上の導電パターン、前記ガラス封止された同軸部、及び前記リード線部のインピーダンスをそれぞれ２５Ω、２５Ω、５０Ωとしたことを特徴とする半導体レーザモジュール。
2. 前記半導体レーザ素子のアノード及びカソードをそれぞれ独立に前記同軸部へ接続したリード部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
3. 前記放熱用基板上の導電パターンより前記リード線部に直接電気的接続がなされることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
4. 前記半導体レーザ素子のアノード端子、ケース端子およびカソード端子を同一線上の並びに配置させたことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザモジュール。
5. 請求項1より請求項４のいずれかに記載の半導体レーザモジュールを有することを特徴とする光伝送器。

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