JP5809098B2 - 光送信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、大容量光通信網の構成要素である光送信モジュールに関する。

トランシーバの小型化・高密度化に伴い、光送信モジュールの小型化要求が高まってきている（特許文献１参照）。図１は従来技術による２チャネルのEA変調器集積DFBレーザ（以下、EADFBレーザという）アレイと多モード干渉型合波器（以下、MMI合波器という）が集積されたチップを光源とする光送信モジュールの構成図である（特許文献２参照）。図１の光送信モジュールは、パッケージ３と、パッケージ３の中に、ペルチェ素子６と、レンズキャリア１０と、サブキャリア９と、高周波配線基板８と、光半導体素子７と、第１レンズ４と、第１レンズサドル５と、パッケージ３の外部にパイプ１１と、第２レンズ２と、フェルールカラー１と、ピグテールファイバ１２と、金ワイヤ１６とから構成される。パッケージ内部では、パッケージ３の底面上にペルチェ素子６、ペルチェ素子６の上に、第１レンズ４が第１レンズサドル５を介して固定されているレンズキャリア１０、レンズキャリア１０の上に、半導体素子７と高周波配線基板８とが搭載されたサブキャリア９が配置されている。金ワイヤ１６はパッケージ３と、高周波配線基板８、およびサブキャリア９を結線している。第２レンズはパイプ１１を介してパッケージ３に固定されており、さらにピグテールファイバ１２が固定されたフェルールカラー１が第２レンズ２に固定されている。この構成での実装の手順を説明する。まず、サブキャリア９に光半導体素子７、高周波配線基板８を搭載した後、レンズキャリア１０にサブキャリア９を搭載する。そして、光半導体素子７からでた光がコリメート光になるように、第1レンズ４、第1レンズサドル５をレンズキャリア１０に固定する。次に、レンズキャリア１０をあらかじめパッケージ３の中に搭載されているペルチェ素子６の上に搭載する。そして、パッケージ３と高周波配線基板８、サブキャリア９の配線を金ワイヤ１６で結線する。最後に、光半導体素子７から光を出した状態で、ピグテールファイバ１２に結合される光の強度が最大になる位置で第２レンズ２をパッケージ３に付属するパイプ１１に固定し、ピグテールファイバ１２を固定したフェルールカラー１を第２レンズ２に固定して完成する。

この作製手順から、従来のモジュールでは光半導体素子７から下にはペルチェ素子６、レンズキャリア１０、サブキャリア９があるのに対して、光半導体素子７より上には第1レンズ４のレンズ中心より上の部分だけであるため、高さ方向で見たときにかなり上に偏った位置に光半導体素子７が配置されていることがわかる。このため、パイプ１１の中心も光半導体素子７の位置に合わせて上寄りする必要があり、パッケージ３内部の第１レンズ４より上の部分に無駄なスペースが生じる問題があった。

特開２００３−２０７６９３号公報 特開２０１１−２２８４６８号公報

従来技術ではパッケージ内部の第1レンズ上部に無駄なスペースが生じる問題があり、小型化を妨げる要因になっていた。

そこで、本発明の目的はレンズキャリアの搭載位置を光半導体素子の上部とし、パッケージ内部の部品の配置を高さ方向で見たときに、光半導体素子がよりパッケージの中心に近づくようにすることでパッケージ内部の無駄なスペースを削減し、小型光送信モジュールを実現することにある。

図２に本発明の構成図を示す。本発明では、レンズキャリアにサブキャリアを搭載する際にチップを搭載したサブキャリアを従来技術のサブキャリアの向きとは逆向きにして搭載する。このようにすることで、レンズキャリアがチップの上側に配置され、パッケージ内部の部品の配置を高さ方向で見たときに、光半導体素子をパッケージ中心に近づけることができ無駄なスペースを削減することが可能になる。

このとき、レンズキャリアはサブキャリア上の、電気配線のない部分にのみ設置するコの字型構造とすることで、電気信号線（高周波信号線・DC配線）との電気的接触を防いでいる。

本発明を用いることで、従来と同様の実装装置、工程のままでパッケージの大幅な小型化が実現可能である。

従来型の２チャネルEADFBレーザアレイ光送信モジュールの構成図であり、（ａ）は横方向から見た断面構成図、（ｂ）は（ａ）を上方向から見た断面構成図、（ｃ）は（ａ）の断面Ａにおいて第２レンズ方向を見た断面構成図、（ｄ）は（ａ）の断面Ａにおいて第１レンズ方向を見た断面構成図である。 本発明の実施例１にかかる、２チャネルEADFBレーザアレイを光源としたレンズ上部固定型光送信モジュールの構成例であり、（ａ）は横方向から見た断面構成図、（ｂ）は（ａ）を上方向から見た断面構成図、（ｃ）は（ａ）の断面Ａにおいて第２レンズ方向を見た断面構成図、（ｄ）は（ａ）の断面Ａにおいて第１レンズ方向を見た断面構成図である。 本発明の実施例１にかかる、サブキャリアに光半導体素子と高周波配線基板とを実装した時の構成図であり、（ａ）は横方向から見た断面構成図、（ｂ）は（ａ）を上方向から見た断面構成図、（ｃ）は（ａ）の断面Ａから見た断面構成図である。 本発明の実施例１にかかる、サブキャリアをレンズキャリアに搭載したときの構成図であり、（ａ）は横方向から見た断面構成図、（ｂ）は（ａ）を上方向から見た断面構成図、（ｃ）は（ａ）の断面Ａから見た断面構成図である。 本発明の実施例１にかかる、第1レンズを固定するための実験系を示す図であり、（ａ）は上方向から見た断面構成図、（ｂ）は（ａ）の断面Ａから見た断面構成図である。 本発明の実施例１にかかる、第二レンズ、フェルールカラー、およびピグテール固定用の実験系を示す図である。 本発明の実施例２にかかる、２チャネルMZM変調器を半導体素子としたレンズ上部固定型光送信モジュールの構成図であり、（ａ）は横方向から見た断面構成図、（ｂ）は（ａ）を上方向から見た断面構成図、（ｃ）は（ａ）の断面Ａにおいて第２レンズ方向を見た断面構成図、（ｄ）は（ａ）の断面Ａにおいて第１レンズ方向を見た断面構成図、（ｅ）は光半導体素子の上面構成図である。 ２チャネルMZM変調器を半導体素子とした従来型の光送信モジュールの構成図であり、（ａ）は横方向から見た断面構成図、（ｂ）は（ａ）を上方向から見た断面構成図、（ｃ）は（ａ）の断面Ａにおいて第２レンズ方向を見た断面構成図、（ｄ）は（ａ）の断面Ａにおいて第１レンズ方向を見た断面構成図、（ｅ）は光半導体素子の上面構成図である。 本発明の実施例２にかかる、サブキャリアに光半導体素子、およびスペーサを搭載し、金バンプをつけた時の構成図である。 本発明の実施例２にかかる、光半導体素子、およびスペーサ上部に高周波配線基板をフリップチップ実装した時の構成図であり、（ａ）は（ｂ）の断面Ｂから見た断面構成図、（ｂ）は上方向から見た断面構成図である。 本発明の実施例２にかかる、サブキャリアをレンズキャリアに搭載したときの構成図であり、（ａ）は（ｂ）の断面Ｂから見た断面構成図、（ｂ）は上方向から見た断面構成図である。 本発明の実施例２にかかる、右側のコリメータレンズを固定するための実験系を示す図である。 本発明の実施例２にかかる、左側のコリメータレンズを固定するための実験系を示す図である。 本発明の実施例２にかかる、右側の第２レンズ、ファイバカラー、ピグテールファイバを固定するための実験系を示す図である。 本発明の実施例２にかかる、左側の第２レンズ、ファイバカラー、ピグテールファイバを固定するための実験系を示す図である。

以下に本発明の具体的な実施例を挙げながら説明する。以下に示す実施例は、本発明の効果を示す一つの例示であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行い得ることは言うまでもない。

｛実施例１｝
本実施例の構成を図２に示す。本実施例の光送信モジュールは、パッケージ３と、パッケージ３の中に、ペルチェ素子６と、サブキャリア９と、高周波配線基板８と、光半導体素子７と、レンズキャリア１０と、第１レンズ４と、第１レンズサドル５と、パッケージ３の外部にパイプ１１と、第２レンズ２と、フェルールカラー１と、ピグテールファイバ１２と、金ワイヤ１６とから構成される。パッケージ内部では、パッケージ３の底面上にペルチェ素子６、ペルチェ素子６の上に、半導体素子７と高周波配線基板８とが搭載されたサブキャリア９、サブキャリア９の上に、第１レンズ４が第１レンズサドル５を介して固定されているレンズキャリア１０が配置されている。金ワイヤ１６はパッケージ３と、高周波配線基板８、およびサブキャリア９を結線している。第２レンズはパイプ１１を介してパッケージ３に固定されており、さらにピグテールファイバ１２が固定されたフェルールカラー１が第２レンズ２に固定されている。図１に示す従来技術による光送信モジュールと、本実施例とでは、パッケージ３内の、サブキャリア９とレンズキャリア１０の配置が異なっている。本実施例では光半導体素子として、２チャネルのMMI合波器集積EADFBレーザアレイを用いている。また、高周波配線としてマイクロストリップ線路を用いた。

各部材の厚さは、パッケージ３の底面が０．５mm、ペルチェ素子６が１．１mm、第１レンズサドル５の底面厚（図２（ｄ）のａ）が０．２mm、サブキャリア９が０．３mm、光半導体素子７厚が０．１mm、高周波配線基板８が０．２mm、第１レンズ４のレンズ中心の底面からの高さが０．９mm、第1レンズ４の高さ（図２（ｄ）のｂ）が２．０mm、パイプ１１の外径が３．４mm、レンズキャリア１０の底面から第1レンズサドル５設置面までの高さが０．５mm、パイプ１１の上端からパッケージ３の上部までの隙間は０．５mmとした。また、第1レンズ４の底面と第1レンズサドル５との隙間（図２（ｄ）のｃ）が０．１mmの時に、光半導体素子７の上面と第1レンズ４のレンズ中心の高さが一致するようにレンズキャリアを設計した。結果、従来型用のレンズキャリア１０はレンズキャリア１０の底面からサブキャリア接地面までの高さが１．３mm、本実施例であるレンズ上部固定型用では１．８mmとなった。

１．組み立て工程
まず、サブキャリア９上に光半導体素子７、高周波配線基板８を搭載する。そして、サブキャリア９上のDC配線と光半導体素子７のDFBレーザ電極、高周波配線基板８と光半導体素子７のEA変調器電極、サブキャリア９上のDC配線とサブキャリア９上の基板貫通電極１７をそれぞれ金ワイヤ１６で結線する。ここまでの工程が完了した時の構成図を図３に示す。次に、サブキャリア９上にレンズキャリア１０を実装した後、レンズキャリア１０を下に、サブキャリア９が上になるように反転させる。このときの構成図を図４に示す。そして、図５に示す実験系を用いて、光半導体素子７のDFBレーザのうちの任意の１チャネルに直流電源２３からDCプローブ２２、基板貫通電極１７、金ワイヤ１６、サブキャリア９上のDC配線を介して電流を２０mA程度供給した状態にし、CCDカメラ３４でビーム形状を確認し、レーザ光のビーム形状、および位置が光の進行方向のどの位置でも変わらなくなるように第１レンズ４を調芯し、イットリウム・アルミニウム・ガーネットレーザ（以下、YAGレーザ）２４による溶接で第1レンズサドル５および、レンズキャリア１０に固定する。その後、レンズキャリア１０を上に、サブキャリア９を下になるように反転させてからサブキャリア９を、パッケージ３の中に実装したペルチェ素子６の上に搭載する。このとき、サブキャリア９上のDC配線とサブキャリア９上の基板貫通電極１７を結線している金ワイヤ１６を取り除く。そして、サブキャリア９上のDC配線、高周波配線基板８とパッケージ３の配線を金ワイヤ１６で図２のように結線する。最後に、図６に示す実験系を用いて、光半導体素子７のDFBレーザのうちの任意の１チャネルに電流を５０mA程度供給した状態で、光パワーメータ２６に入るパワーが最大になるように、第２レンズ２、フェルールカラー１、ピグテールファイバ１２を調芯して、YAGレーザ２４による溶接で固定する。以上で、光送信モジュールが完成する。

２．光送信モジュールのサイズ、および通電確認
作製した光送信モジュールと、図１に示す従来型のモジュールのサイズを比較する。このとき、従来型と本実施例ではレンズキャリア以外は同じ部材を流用した。従来型のモジュールはｘ、ｙ、ｚ方向それぞれ７．５mm、５．２mm、５．５mmであったのに対して、本実施例ではｘ、ｙ、ｚ方向それぞれ７．５mm、５．２mm、４．２mmであり、高さを低減することができた。

また、本実施例で作製したモジュールのDFBレーザ、EA電極に電流、電圧を印加した時、全てショートしていないことが確認できた。このことから、レンズキャリア実装時にサブキャリア上の配線にショートせず実装できていることがわかる。

以上より、従来型と第1レンズ固定、第2レンズ固定等の工程で同一の装置を使いつつ、従来に比べて大幅に小型な光送信モジュールが実現可能であることが明らかである。

｛実施例２｝
本実施例の構成を図７に示す。また、比較として作製した従来型のモジュールの構成を図８に示す。図７に示す本実施例の光送信モジュールは、パッケージ３と、パッケージ３の中に、ペルチェ素子６と、サブキャリア９と、光半導体素子７と、スペーサ１３と、導通スペーサ１５（図７には図示せず）と、金バンプ１４と、高周波配線基板８と、レンズキャリア１０と、２個の第１レンズ４と、２個の第１レンズサドル５と、パッケージ３の外部に２個のパイプ１１と、２個の第２レンズ２と、２個のフェルールカラー１と、２個のピグテールファイバ１２と、金ワイヤ２１とから構成される。パッケージ内部では、パッケージ３の底面上にペルチェ素子６、ペルチェ素子６の上にサブキャリア９、サブキャリア９の上に半導体素子７と、スペーサ１３と、導通スペーサ１５、半導体素子７と、スペーサ１３と、導通スペーサ１５の上に、金バンプ１４、金バンプ１４の上に、高周波配線基板８、高周波配線基板８の上に、第１レンズ４が第１レンズサドル５を介して固定されているレンズキャリア１０が配置されている。金ワイヤ２１はパッケージ３と、高周波配線基板８、およびサブキャリア９を結線している。第２レンズはパイプ１１を介してパッケージ３に固定されており、さらにピグテールファイバ１２が固定されたフェルールカラー１が第２レンズ２に固定されている。図８に示す従来型の光送信モジュールと、本実施例とでは、パッケージ３内の、サブキャリア９とレンズキャリア１０の配置が異なっている。本実施例では光半導体素子７として、２チャネルのマッハツェンダー変調器アレイを用いている。また、高周波配線として差動マイクロストリップ線路を、第１レンズ４としてコリメータレンズを用いた。各部材の厚さは、パッケージ３の底面が０．５mm、ペルチェ素子６が１．１mm、第１レンズサドル５の底面厚（図７（ｄ）のａ）が０．２mm、サブキャリア９が０．３mm、光半導体素子７厚が０．１mm、高周波配線基板８が０．２mm、第１レンズ４のレンズ中心の底面からの高さは０．９mm、第1レンズ４の縦の長さ（図７（ｄ）のｂ）が２．０mm、パイプ１１の外径が３．４mm、レンズキャリア１０の底面から第1レンズサドル５の設置面までの高さが０．５mm、パイプ１１の上端からパッケージ３の上部までの隙間は０．５mm、金バンプ１４の高さは０．１mmとした。また、第1レンズ４と第1レンズサドル５の隙間（図７（ｄ）のｃ）が０．１mmのときに、光半導体素子７の上面と第1レンズ４のレンズ中心の高さが一致するようにレンズキャリア１０を設計した。結果、従来型用のレンズキャリアはキャリア底面からサブキャリア接地面までの高さが１．３mm、本実施例であるレンズ上部固定型用ではキャリア底面から高周波配線基板接地面までの高さが１．４mmとなった。

１．組み立て工程
まず、サブキャリア９上に光半導体素子７、スペーサ１３、導通スペーサ１５を搭載する。なお、サブキャリア９上の基板貫通電極１７は導通スペーサ１５と接している。また、導通スペーサ１５は上面と下面が電気的につながっている。そして、光半導体素子７、スペーサ１３、導通スペーサ１５に金バンプ１４を形成する。ここまでの工程を終えた時の構成図を図９に示す。次に、高周波配線基板８をフリップチップ実装する。そして、高周波配線基板８の配線と高周波配線基板上の基板貫通電極１９を金ワイヤ１８で接続する。このときの構成図を図１０に示す。次に、高周波配線基板８を下に、サブキャリア９を上になるように反転させて、レンズキャリア１０に搭載する。搭載した後の構成図を図１１に示す。

そして、レンズキャリア１０にコリメータレンズ４を実装する。まず、右側のコリメートレンズ４を搭載するための実験系を図１２に示す。このとき、DCプローブ２２はサブキャリア９上の基板貫通電極１７、導通スペーサ１５、金バンプ１４、高周波配線基板上の基板貫通電極１９、金ワイヤ１８、高周波配線基板８上の配線を経由して光半導体素子７上の電極と電気的に接続されている。先球ファイバ２７に光を０ｄＢｍ入れて直流電源２３に−０．１Vの電圧を印加した状態で、直流電源２３に流れる電流が最大になるように先球ファイバ２７の位置を調整する。そして、CCDカメラ２５でビーム形状を確認し、光半導体素子７から出る光のビーム形状、および位置が光の進行方向のどの位置でも変わらなくなるようにコリメータレンズ４を調芯し、イットリウム・アルミニウム・ガーネットレーザ（以下、YAGレーザ）２４による溶接でコリメータレンズ４、レンズサドル５をレンズキャリア１０に固定する。次に、左側のコリメートレンズ４を搭載する。左側のコリメートレンズ４を搭載するための実験系を図１３に示す。最初に、コリメートレンズ付きファイバ２８に光を０ｄＢｍ入れて直流電源２３に−１．０Vの電圧を印加した状態で、直流電源２３に流れる電流が最大になるようにファイバ２８の位置を調整する。そして、CCDカメラ２５でビーム形状を確認し、光半導体素子７から出る光のビーム形状、および位置が光の進行方向のどの位置でも変わらなくなるようにコリメータレンズ４を調芯し、YAGレーザ２４による溶接でコリメータレンズ４、レンズサドル５をレンズキャリア１０に固定する。

サブキャリア９を、レンズキャリア１０が上に、サブキャリア９が下になるように反転させて、パッケージ３の中に搭載されているペルチェ素子６の上に搭載する。搭載後、金ワイヤ１８は取り除く。そして、高周波配線基板８の配線とパッケージ３の配線を金ワイヤ２１で図７のように結線する。

最後に、第２レンズ２、フェルールカラー１、ピグテールファイバ１２をパッケージ３に取り付ける。まず、右側の第２レンズ２、フェルールカラー１、ピグテールファイバ１２を固定する。実験系は図１４に示す。最初に、コリメートレンズ付きファイバ２８に光を０ｄＢｍ入れて直流電源２３に−１．０Vの電圧を印加した状態で、直流電源２３に流れる電流が最大になるようにファイバ２８の位置を調整する。そして、光パワーメータ２６に入るパワーが最大になるように、第２レンズ２、フェルールカラー１、ピグテールファイバ１２を調芯して、YAGレーザ２４による溶接で固定する。次に、左側の第２レンズ２、フェルールカラー１、ピグテールファイバ１２を固定する。実験系を図１５に示す。右側のピグテールファイバ１２から光を０ｄＢｍ入れて、光パワーメータ２６に入るパワーが最大になるように、第２レンズ２、フェルールカラー１、ピグテールファイバ１２を調芯して、YAGレーザ２４による溶接で固定する。以上で、光送信モジュールが完成する。

２．光送信モジュールのサイズと通電確認
作製した光送信モジュールと、図８に示す従来型のモジュールのサイズを比較する。このとき、従来型と本実施例とでは、レンズキャリア以外は同じ部材を流用した。従来型のモジュールはｘ、ｙ、ｚ方向それぞれ７．５mm、５．６mm、５．５mmであったのに対して、本実施例ではｘ、ｙ、ｚ方向それぞれ７．５mm、５．６mm、４．２mmであり、高さを低減することができた。

また、本実施例で作製したモジュールの光半導体素子上の全電極に電圧を印加したが、すべてショートしていないことが確認できた。このことから、レンズキャリア実装時に高周波配線基板上の配線にショートせず実装できていることがわかる。

以上より、従来型と第１レンズ固定、第２レンズ固定等の工程で同一の装置を使って、従来に比べて大幅に小型な光送信モジュールが実現可能であることが明らかである。

１ フェルールカラー
２ 第２レンズ
３ パッケージ
４ 第１レンズ
５ 第１レンズサドル
６ ペルチェ素子
７ 光半導体素子
８ 高周波配線基板
９ サブキャリア
１０ レンズキャリア
１１ パイプ
１２ ピグテールファイバ
１３ スペーサ
１４ 金バンプ
１５ 導通スペーサ
１６ 金ワイヤ
１７ 基板貫通電極
１８ 金ワイヤ
１９ 高周波配線基板上の基板貫通電極
２０ ５０Ω終端回路
２１ 金ワイヤ
２２ DCプローブ
２３ 直流電源
２４ ＹＡＧレーザ
２５ CCDカメラ
２６ 光パワーメータ
２７ 先球ファイバ
２８ コリメートレンズ付きファイバ

Claims (4)

1. パッケージの底面上に設けられた温度調節用ペルチェ素子と、
   前記温度調節用ペルチェ素子の上に設けられたサブキャリアであって、前記サブキャリア上に光半導体素子が搭載された、サブキャリアと、
   前記サブキャリア上に形成されたスペーサと、
   前記スペーサ上に搭載された高周波配線基板と、
   前記高周波配線基板上に設けられ、コリメータレンズが固定されたレンズキャリアと
   を含み、
   前記サブキャリアは、前記光半導体素子に接続される配線と接続する貫通電極を有し、
   前記光半導体素子は、前記パッケージ内部の中央に位置するように配置されることを特徴とする光送信モジュール。
2. 少なくとも１つの第２レンズと、
   少なくとも１つのピグテールファイバと、
   少なくとも１つのフェルールカラーと、
   をさらに含み、前記少なくとも１つの第２レンズは前記パッケージの外側側面に固定され、前記少なくとも１つのピグテールファイバが固定された前記少なくとも１つのフェルールカラーは前記少なくとも１つの第２レンズに固定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. 前記光半導体素子が、DFBレーザ、電界吸収型光変調器およびマッハツェンダー変調器のいずれか、または、それらの組み合わせから構成され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. 前記レンズキャリアが、前記光半導体素子、および前記サブキャリア、および前記高周波配線基板の信号線と電気的に接触しないよう、当該レンズキャリアの一部が中空に浮いた構造をなす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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