JP5310375B2 - 光送信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光通信に用いられるセラミックパッケージ型の光送信モジュールに関する。

光通信に用いられる光送信モジュールは、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）からの光を信号光として用いており、その種類には以下のようなものがある。例えば、ＬＤを収容する円柱形状の金属製パッケージの前端部に光学窓が設けられ後端部からリードピンが伸び出すＣＡＮパッケージ型のものがある（例えば、特許文献１参照）。その他には、上記ＣＡＮパッケージ型のものに比べ一回り大きく、直方体形状のパッケージの前端部に光学窓が設けられ側部及び／または後端部からリードピンが伸び出すバタフライパッケージ型のものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−１０２６１７号公報 特開平６−３１８７６３号公報

現在、上述のものに加えて、より小さく安価なセラミックパッケージ型の光送信モジュールが考えられている。図６は、セラミックパッケージ型の光送信モジュールを説明する斜視図であり、該光送信モジュールを、光学窓付きの蓋の図示を省略して示している。図のセラミックパッケージ型の光送信モジュール１００は、ＬＤ１０１を収容するパッケージ１０２が、以下のように構成されている。すなわち、パッケージ１０２が、電子冷却器１０３等の電子部品が実装されると共に外部電気回路との接続部が設けられた底部セラミック基板１１１上に、上記電子冷却器の側方を囲うセラミック製のパッケージフレーム１１２を取り付け、その上に金属フレーム１１３を設け、さらに、図示しない光学窓付きの金属製の蓋を取付けて成る。なお、図の例のセラミックパッケージは、パッケージフレーム１１２が矩形環状のセラミック製の基板を順次積層して形成された積層パッケージである。

この光送信モジュール１００では、実装空間の制限の関係から、ＬＤ１０１は、その光軸が底部セラミック基板１１１と平行になるように実装される。そして、ＬＤ１０１の前端面１０１ａからの光を、図示しない反射部材で底部セラミック基板１１１と垂直方向（図のＸ方向）に反射させて、パッケージ１０２の外部に上記光学窓を介して信号光として出力させるようにしている。
なお、この光送信モジュール１００では、ＬＤ１０１に電気信号を供給する高周波ライン１１４が、パッケージフレーム１１２におけるＬＤ１０１の後方の部分の信号供給基板１１５上に形成されている。

また、セラミックパッケージ型の光送信モジュール１００においても、従来の光送信モジュールと同様に、ＬＤ１０１の光出力強度のモニタは不可欠であり、そのため、ＬＤ１０１の後端面１０１ｂからの光を受光できるようモニタ用のフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）がパッケージ１０２内に実装される。ただし、モニタＰＤの実装形態によっては、高周波電気信号に影響が出てしまう等の問題がある。

本発明は、上述のような実情に鑑み、高周波電気信号に影響が出ない形態でモニタＰＤを実装したセラミックパッケージ型の光送信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ために、本発明の光送信モジュールは、レーザダイオードが実装される底部セラミック基板上に、レーザダイオードの側方を囲うセラミック製のパッケージフレームが設けられ、その上に光学窓付きの蓋が取付けられて成るパッケージ内に、レーザダイオード及びモニタ用の受光素子を封止すると共に、底部セラミック基板と平行な光軸を有するレーザダイオードの前端面からの光を反射部材で反射させ光学窓から出射させるものであって、パッケージフレームが、レーザダイオードの後方の部分に、レーザダイオードに対する信号ラインが形成された信号供給基板と、信号ラインを間に挟んで互いに対向する段差部と、を有し、受光素子が、対向する段差部の間を橋架するように取付けられたサブマウントに実装されていることを特徴とする。

サブマウントには、受光素子に対する配線パターンが一つの面にのみ形成されていることが好ましく、また、受光素子が、その受光面が下方を向くと共にレーザダイオードの光軸から上方にオフセットされた状態に実装されていることも好ましい。

本発明のセラミックパッケージ型の光送信モジュールによれば、モニタＰＤ用のサブマウントが高周波ラインに触れない形態で取付けられているので、外部から供給された高周波電気信号を遅延させることなく、ＬＤに供給することができる。また、上記サブマウントを取付けるための構造をパッケージに一体に設けたので、該構造を別部品で用意する場合に比べ、低コスト化できる。

本発明の光送信モジュールの一例を説明する図である。 図１の光送信モジュールの部分拡大断面図である。 本発明におけるＬＤとモニタＰＤとの配置関係を示す図である。 図３のＬＤとモニタＰＤの配置関係とモニタ電流との関係を説明する図である。 本発明の光送信モジュールの他の例を説明する図である。 従来の光送信モジュールを説明する図である。

以下、図を用い、本発明の光送信モジュールの概略について説明する。なお、図１（Ａ）は本発明の光送信モジュールの一例の外観図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の光送信モジュールの内部構造を示す図である。図２は、図１（Ａ）の光送信モジュールのモニタＰＤの周囲の配置について説明する図である。
本発明の光送信モジュール（以下、光モジュールという）は、図１（Ａ）において参照符号１で例示するように、底部セラミック基板１１上にセラミック製のパッケージフレーム１２を設け、その上に金属フレーム１３を設け、さらに、平板ガラス１４ａ等の光学窓付きの蓋１４を取付けたパッケージ２を用いて構成される。パッケージ２の大きさ（幅×奥行き×高さ）は、例えば、５．６×５．６×３．０ｍｍである。光送信モジュール１は、図１（Ｂ）に示すように、このパッケージ２内にＬＤ３やモニタＰＤ４を気密封止して成る。

パッケージ２の底部セラミック基板１１には、例えば、電子冷却器５等の素子が実装される。パッケージフレーム１２は、上記素子の側部を囲う側壁を構成するもので、例えば、配線パターン等が形成されたセラミック製の矩形の環状基板を順次積層して成る。なお、環状基板は、セラミックシートを加工して作成される。このパッケージフレーム１２は、ＬＤ３の後方にあたる部分に、高周波ライン１５ｂ等の配線パターン１５ａが形成された信号供給基板１５と、該信号供給基板１５に対して上面側に段差を有する一対の段差部１６と、を備えている。

一対の段差部１６は、高周波ライン１５ｂを含む配線パターン１５ａを間に挟んで互いに対向するように設けられている。この一対の段差部１６の間を橋架するように、モニタＰＤ４を実装したサブマウント７が取付けられる。また、一対の段差部１６には、モニタＰＤ４のアノード電極に対する配線を構成する配線パターン１６ａと、モニタＰＤ４のカソード電極に対する配線を構成する配線パターン１６ｂとが形成されている。本発明による光送信モジュール１は、後述のように、このモニタＰＤ４を実装するための構造である一対の段差部１６が、パッケージを構成するパッケージフレーム１２に一体に設けられていることに特徴がある。

蓋１４は、ＬＤ３やモニタＰＤ４を気密封止するよう金属フレーム１３を介してパッケージフレーム１２に取付けられるもので、中央に信号光を通すための開口１４ｂが形成された金属製の平板１４ｃに、該開口１４ｂを塞ぐように、例えばレンズまたは平板ガラス等の光学部材１４ａが固定されて成る。光学部材１４ａは、ＬＤ３からの信号光を透過する光学窓となるもので、その固定には、パッケージの気密性が損なわれないよう低融点ガラス等が用いられる。

ＬＤ３は、その光軸が、底部セラミック基板１１と平行になるように実装される。本例では、ＬＤ３は、底部セラミック基板１１に実装された電子冷却器５上にサブマウント６を介して実装される。サブマウント６への実装は例えばＡｇペーストを用いて行われる。このＬＤ３の前端面３ａからの光が、図示しない反射部材で底部セラミック基板１１と垂直方向（図のＸ方向）に反射され、上述の光学部材１４ａを介してパッケージ２の外部に信号光として出力される。

モニタＰＤ４は、ＬＤ３の後端面３ｂからの光を受光するためのもので、図２に示すように、一対の段差部１６の間を橋架するように取付けられたサブマウント７の下面７ａに、受光部４ａがＬＤ３の光軸Ｐから上方向にオフセットされた状態で実装される。
モニタＰＤ４のパッケージ２への実装及びモニタＰＤ４の電極とパッケージ２の配線パターン１６ａ，１６ｂ（図１（Ｂ）参照）との電気接続は、以下のようにして行われる。

すなわち、まず、サブマウント７の下面７ａに形成されている図示しない実装パターン（カソード電極に対する配線としても機能）上に、Ａｇペースト等の導電性接着材料を用いてモニタＰＤ４を固定すると共に、モニタＰＤ４の裏面のカソード電極と上記実装パターンとを電気接続する。そして、モニタＰＤ４の表面のアノード電極と、サブマウントの下面７ａに形成されているモニタＰＤ４のアノード電極に対する配線を構成する配線パターンとをワイヤボンディングにより電気接続する。その上で、サブマウント７の下面７ａの上記配線パターン及び実装パターンをそれぞれ、パッケージ２の配線パターン１６ａ，１６ｂと導電性接着材等を用いて接着して、サブマウント７を一対の段差部１６上に固定する。このようにして、モニタＰＤ４のパッケージ２への実装及びモニタＰＤ４の電極とパッケージ２の配線パターン１６ａ，１６ｂとの電気接続が行われる。

なお、図示は省略するが、底部セラミック基板１１の下端面には電極パットが形成されており、当該電極パッドと、高周波ライン１５ｂや配線パターン１６ａ，１６ｂ等とが、底部セラミック基板１１やパッケージフレーム１２に設けられたスルーホール等を介して電気接続されている。光送信モジュール１では、これら電極パッドと外部回路基板とをフレキシブルプリント回路基板等を用いて電気接続すれば、ＬＤ３へ高周波電気信号を供給したり、モニタＰＤ４からの電気信号を取り出したりすることができる。

以上のように、光モジュール１では、モニタＰＤ４用のサブマウント７が、信号ライン１５ａを間に挟んで対向する一対の段差部１６の間を橋架するように取付けられている。そのため、図６の仮想線で示すような形態、つまり、アルミナ基板等の絶縁基板からなるモニタＰＤ１０４用のサブマウント１０５が、高周波ライン１１４に直接接触する形態（高周波ライン１１４にサブマウント１０５が接触する状態ではインピーダンスが変化する）とは異なり、外部から供給された高周波電気信号を劣化させることなく、ＬＤ３に供給できる。

さらに、サブマウントを取付けるための構造（一対の段差部１６）をパッケージ２に一体に設けたので、同等の機能を有する部品を別途用意する場合に比べ、低コストである。段差部１６をパッケージ２に一体に形成するには、パッケージフレーム１２を作製する際に、信号供給基板１５が形成された第１の環状基板１２ａの上に、段差部１６として機能する部分が形成された第２の環状基板１２ｂを積層するようにすればよい。

また、本光送信モジュール１では、モニタＰＤ４の受光部４ａの受光面の法線と、ＬＤ３の光軸Ｐとが直交しているが、この構成であってもＬＤ３の光軸に対して上方向にオフセットさせて実装すれば、十分なモニタ電流を得ることができる。以下に、このことを、図３及び図４を用いて説明する。

図３に示すように、ＬＤ３の上面３ｃとモニタＰＤ４の基板４ｂの下面４ｃとの距離をＸとし、ＬＤ３の後端面３ｂとモニタＰＤ４の前面４ｄとの距離をＹとし、ΔＸ＝Ｘ−８０μｍとしたときに、上記距離ΔＸ，Ｙと、受光部４ａの直径が２４０μｍのモニタＰＤ４でのモニタ電流Ｉｍとの関係は図４に示すようになる。なお、図４において、横軸は上記距離ΔＸ、縦軸はモニタＰＤ４でのモニタ電流値であり、各グラフは、距離Ｙ＝１００，１５０，２００，２５０，３００，３５０，４００（μｍ）のときのものである。
図４に示すように、ΔＸ＝±５０μｍ（Ｘ＝８０±５０μｍ）、Ｙ＝１５０±５０μｍであれば、１００μＡ以上の十分なモニタ電流を得ることができる。

以上の例では、モニタＰＤ４は、その受光部４ａの受光面の法線が下方を向くように実装されていたが、図５に示すように、上記受光部４ａの受光面がＬＤ３の後端面３ｂに向くように実装されてもよい。
図５の例の場合も、図１〜図４の例の場合と同様、サブマウント７には、その一面（図５の前面）にのみ、メタライズが行われ、モニタＰＤ４に対する配線パターン７ｂが形成されている。このように、サブマウント７の図５における前面にのみメタライズを行い下面にまでメタライズを行わなくとも、以下のようにすれば、配線パターン７ｂと、パッケージ２の配線パターン１６ａ，１６ｂとを電気接続することができる。すなわち、パッケージ２の段差部１６上にサブマウント７をＡｇペーストで固定する際に、サブマウント７を段差部１６に押し付けるが、このときにＡｇペーストが前面にまで回り込んで配線パターン７ｂに接触するように予めＡｇペーストを塗布しておけばよい。

上述のように、一面にのみメタライズを行い配線パターン７ｂが形成されたサブマウント７を用いることで、複数の面にメタライズを行うサブマウントを用いる場合に比べ、安価に光送信モジュールを作製することができる。
以上の例では、パッケージフレーム１２が、セラミックグリーンシートを加工して成る環状基板を順次積層して多層構造に形成するものとしたが、成型用の型にセラミック材料を入れ焼成して作製することもできる。ただし、セラミックグリーンシートから作製する方が安価である。

また、金属フレーム１３は、必須の構成要件ではなく、単に、金属製の蓋３をセラミック製のパッケージフレーム１２の上部に直接取付けるようにしてもよい。パッケージフレーム１２と底部セラミック基板１１とで形成される空間を封止するよう蓋１４が取付けられるのであれば、蓋１４の取り付け構造はどのような形態であっても良い。

１…光送信モジュール、２…パッケージ、３…ＬＤ、４…モニタＰＤ、５…電子冷却器、６…サブマウント、７…サブマウント１１…底部セラミック基板、１２…パッケージフレーム、１３…金属フレーム、１４…蓋、１４ａ…平板ガラス、１４ｂ…該開口、１５…信号供給基板、１６…段差部、１６ａ…配線パターン。

Claims (3)

1. レーザダイオードが実装される底部セラミック基板上に、前記レーザダイオードの側方を囲うセラミック製のパッケージフレームが設けられ、その上に光学窓付きの蓋が取付けられて成るパッケージ内に、前記レーザダイオード及びモニタ用の受光素子を封止すると共に、前記底部セラミック基板と平行な光軸を有する前記レーザダイオードの前端面からの光を反射部材で反射させ前記光学窓から出射させる光送信モジュールであって、
   前記パッケージフレームは、前記レーザダイオードの後方の部分に、前記レーザダイオードに対する信号ラインが形成された信号供給基板と、前記信号ラインを間に挟んで互いに対向する段差部と、を有し、
   前記受光素子は、前記対向する段差部の間を橋架するように取付けられたサブマウントに実装されていることを特徴とする光送信モジュール。
2. 前記サブマウントには、前記受光素子に対する配線パターンが一つの面にのみ形成されてい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. 前記受光素子は、その受光面が下方を向くと共に前記レーザダイオードの光軸から上方にオフセットされた状態に実装されてい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。

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