JPH1140896A - 光ファイバモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子冷却素子の上下基板の組み合わせを工夫
することにより、熱特性が良好で、しかも線膨張率差が
小さく、長期的にも安定した性能を保つことができる光
ファイバモジュールを提供する。 【解決手段】 光ファイバモジュールの電子冷却素子に
おいて、その電子冷却素子２１の吸熱側の上部基板２２
にＡｌＮ（窒化アルミ）を、放熱側の下部基板２３にＡ
ｌ₂ Ｏ₃ （アルミナ）を用いる。そして、上部基板２２
上に少なくとも発光素子１が搭載される金属基板８には
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金を、下部基板２３を支持する金
属筐体１２にはＣｕ−Ｗ系合金を用いるようにしてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子冷却素子及び
それを用いた光ファイバモジュールに係り、特に光ファ
イバ通信用半導体レーザモジュールに用いる電子冷却素
子の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】発光素子と光ファイバとを光学的に結合
させるための種々の器具が提案され、実用化が図られて
いる。発光素子と光ファイバとの結合器具の典型例とし
ては、以下に示すようなものがあった。図２はかかる従
来の光ファイバモジュールの部分的断面図である。

【０００３】この図において、１は発光素子（以下、Ｌ
Ｄという）、２はＬＤ１の発熱を放熱するヒートシン
ク、３はＬＤ１とヒートシンク２をボンディングしたヘ
ッダである。また、５は光検出用の受光素子（以下、モ
ニタＰＤという）、６はモニタＰＤ５をボンディングし
たＰＤヘッダ、７は温度検出用サーミスタ抵抗（以下、
サーミスタ）である。

【０００４】また、８はＬＤヘッダ３、ＰＤヘッダ６、
サーミスタ７が取り付けられた金属基板である。ＬＤヘ
ッダ３、ＰＤヘッダ６、サーミスタ７と金属基板８は放
熱性を良くするため、半田等により固定されている。９
はＬＤ１からの発熱を冷却する電子冷却素子であり、金
属基板８と半田等により固定される。１０はＬＤ１から
の光を集束するレンズである。レンズ１０は半田付け、
圧入等で金属ホルダ１１に固定される。

【０００５】レンズ１０、ＬＤ１と光軸位置を調整した
後、金属基板８とレンズホルダ１１とがＹＡＧレーザ等
で溶接固定される。１２は内部に電子冷却素子９が半田
付け等により取り付けられ、ＬＤ１、モニタＰＤ５、レ
ンズ１０等を保護する金属筐体であり、一端に開口部が
開いている。また、ＬＤヘッダ３、サーミスタ７、電子
冷却素子９は金属筐体１２の内部に突出されたセラミッ
ク上のＡｕメタライズパターンまたは金属リードにワイ
ヤボンディング等で配線されている。

【０００６】また、１３はＬＤ１を気密封止するカバー
であり、窒素ガスや窒素＋酸素混合ガス等で封入した
後、金属筐体１２とシーム溶接により固定されている。
１４はレンズ１０で変換されたビームが通過した後、そ
の光が戻り光とならないように遮断する光アイソレータ
であり、ＬＤ１、レンズ１０に対し、光軸調整した後、
金属筐体１２と接着等で固定される。

【０００７】また、１５は光ファイバ１６を固定するフ
ェルールであり、同様にＬＤ１、レンズ１０に対し光軸
調整した後、スリーブ１７を介し、金属筐体１２に溶接
固定される。従来の光結合器は、上記したように構成さ
れており、ＬＤ１からの光をレンズ１０で変換し、その
変換された光は光アイソレータ１４を通過する。その
際、光アイソレータ１４が戻り光を遮断する。そして、
光アイソレータ１４を通過した光は集光され、光ファイ
バ１６に照射されて光結合する。

【０００８】以上が、従来の光ファイバモジュールの構
造例であるが、内蔵されている金属基板８、電子冷却素
子９、金属筐体１２の構成材料の従来例を表１に示す。

【０００９】

【表１】

【００１０】この表１において、一般的にＡ部金属板８
は、ＹＡＧ溶接による固定を行うため、熱伝導率の比較
的低い材料であるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｃ部金属筐体
１２は放熱性を良くするために、熱伝導性の良い材料で
あるＣｕ−Ｗ１０％が用いられる。また、Ｂ部の電子冷
却素子９は上下基板に挟まれた形で構成されている。

【００１１】一般的に、電子冷却素子９の上下基板は、
従来例１としては、ＡｌＮ（窒化アルミ）、従来例２と
しては、Ａｌ₂ Ｏ₃ （アルミナ）が用いられる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の光ファイバモジュールの構造では、電子冷却素
子９の上下基板と金属基板８、金属筐体１２の組み合わ
せは、表２に示すように、線膨張率差が大きくなるた
め、広温度範囲の熱ストレスをかけると、接合部が剥が
れたり、内部半導体素子が引っ張られクラックが入り、
破壊する等の問題があった。

【００１３】

【表２】

【００１４】従来例１のように、熱特性を良くするため
に、ＡｌＮ（窒化アルミ）を用いると、金属筐体１２と
の線膨張率差が７．０−４．５＝２．５（×１０^-6／
℃）であり、また、従来例２のように、Ａｌ₂ Ｏ₃ （ア
ルミナ）を用いると、金属基板８との線膨張率差は６．
７−５．３＝１．４（×１０^-6／℃）と比較的小さい
が、熱伝導率がＡｌ₂ Ｏ₃ は０．０４（ｃａｌ／ｃｍ・
ｓｅｃ・℃）と小さいため、ＡｌＮに比べて熱特性が悪
くなり、冷却能率が低下する。

【００１５】本発明は、上記問題点を解決するために、
電子冷却素子の上下基板の組み合わせを工夫することに
より、熱特性が良好で、しかも線膨張率差が小さく、長
期的にも安定した性能を保つことができる光ファイバモ
ジュールを提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔１〕パッケージ内部に少なくとも発光素子を備え、ま
た発光素子からの熱を冷却する電子冷却素子、レンズ、
光ファイバとを備える光ファイバモジュールにおいて、
吸熱側の上部基板がＡｌＮ、放熱側の下部基板がＡｌ₂
Ｏ₃ で構成されている電子冷却素子と、前記上部基板上
に少なくとも発光素子が搭載される金属基板と、前記下
部基板を支持する金属筐体とを設けるようにしたもので
ある。

【００１７】〔２〕上記〔１〕記載の光ファイバモジュ
ールにおいて、前記金属基板はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合
金、前記金属筐体はＣｕ−Ｗ系合金からなるようにした
ものである。 〔３〕上記〔１〕記載の光ファイバモジュールにおい
て、前記金属基板はステンレススチール、前記金属筐体
はＣｕ系合金からなるようにしたものである。

【００１８】したがって、上記のように、電子冷却素子
の上下基板の組み合わせを工夫することにより、熱特性
が良好で、しかも線膨張率差が小さく、長期的にも安定
した性能を保つことができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施
例を示す電子冷却素子を用いた光ファイバモジュールの
断面図である。なお、従来例と同じ部分には同じ符号を
付して、その説明は省略する。

【００２０】この実施例では、光ファイバモジュールの
電子冷却素子において、その電子冷却素子２１の吸熱側
の上部基板２２にＡｌＮ（窒化アルミ）を、放熱側の下
部基板２３にＡｌ₂ Ｏ₃ （アルミナ）を用いる。そし
て、上部基板２２上に少なくとも発光素子１が搭載され
る金属基板８にはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金を、下部基板
２３を支持する金属筐体１２にはＣｕ−Ｗ系合金を用い
る。

【００２１】なお、金属基板８の材料としてＦｅ−Ｎｉ
−Ｃｏ系合金以外に、これと線膨張率、熱伝導率が同等
であるステンレススチールがあるが、これを用いるよう
にしてもよい。また、金属筐体１２の材料としてのＣｕ
−Ｗ系合金以外に、これと線膨張率、熱伝導率が同等で
あるＣｕ系合金を用いるようにしてもよい。

【００２２】このように構成したので、熱ストレスに強
くなるとともに、冷却能率を向上させることができる。
より具体的には、線膨張率差は、金属基板８と電子冷
却素子２１の吸熱側の上部基板２２とでは、５．３−
４．５＝０．８（×１０^-6／℃）、電子冷却素子２１の
放熱側の下部基板２３と金属筐体１２では、７．０−
６．７＝０．３（×１０^-6／℃）と小さくなり、熱スト
レスに強くなる。

【００２３】熱伝導率的には、上部基板２２と下部基
板２３ともＡｌ₂ Ｏ₃ 〔０．０４×２＝０．０８（ｃａ
ｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃）〕の場合に比べて、０．５２＋
０．０４＝０．５６で、７倍の熱効果があり、冷却能率
が向上する。また、上部基板２２と下部基板２３ともＡ
ｌ₂ Ｏ₃とした場合、線膨張率差は、金属基板８と電子
冷却素子２１の上部基板２２とでは、６．７−５．３＝
１．４（×１０^-6／℃）、電子冷却素子２１の放熱側の
下部基板２３と金属筐体１２では７．０−６．７＝０．
３（×１０^-6／℃）となる。金属基板８と上部基板２２
の線膨張率差は、大きくなり、熱ストレスに弱くなって
しまう。

【００２４】更に、上部基板２２と下部基板２３ともＡ
ｌＮとした場合には、線膨張率差は、金属基板８と電子
冷却素子２１の上部基板２２とでは、５．３−４．５＝
０．８（×１０^-6／℃）、電子冷却素子２１の放熱側の
下部基板２３と金属筐体１２では、７．０−４．５＝
２．５（×１０^-6／℃）となる。下部基板２３と金属筐
体１２の線膨張率差は、大きくなり、熱ストレスに弱く
なってしまう。

【００２５】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００２６】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、電子冷却素子の上下基板の組み合わせを工夫す
ることにより、熱特性が良好で、しかも線膨張率差が小
さく、長期的にも安定した性能を保つことができる。よ
り具体的には以下のような効果をもたらす。

【００２７】線膨張率差は、金属基板８と電子冷却素
子２１の吸熱側の上部基板２２とでは、５．３−４．５
＝０．８（×１０^-6／℃）、電子冷却素子９の放熱側の
下部基板２３と金属筐体１２では、７．０−６．７＝
０．３（×１０^-6／℃）と小さくなり、熱ストレスに強
くなる。 熱伝導率的には、上部基板２２と下部基板２３ともＡ
ｌ₂ Ｏ₃ 〔０．０４×２＝０．０８（ｃａｌ／ｃｍ・ｓ
ｅｃ・℃）〕の場合に比べて、０．５２＋０．０４＝
０．５６で、７倍の熱効果があり、冷却能率が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す電子冷却素子を用いた光
ファイバモジュールの断面図である。

【図２】従来の光ファイバモジュールの断面図である。

【符号の説明】

１ 発光素子（ＬＤ） ２ ヒートシンク ３ ヘッダ ５ 光検出用の受光素子（モニタＰＤ） ６ ＰＤヘッダ ７ 温度検出用サーミスタ抵抗 ８ 金属基板 ９ 電子冷却素子 １０ レンズ １１ 金属ホルダ １２ 金属筐体（Ｃｕ−Ｗ系合金） ２１ 電子冷却素子 ２２ 吸熱側の上部基板〔ＡｌＮ（窒化アルミ）〕 ２３ 放熱側の下部基板〔Ａｌ₂ Ｏ₃ （アルミナ）〕

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パッケージ内部に少なくとも発光素子を
   備え、また発光素子からの熱を冷却する電子冷却素子、
   レンズ、光ファイバとを備える光ファイバモジュールに
   おいて、（ａ）吸熱側の上部基板がＡｌＮ、放熱側の下
   部基板がＡｌ₂ Ｏ₃ で構成されている電子冷却素子と、
   （ｂ）前記上部基板上に少なくとも発光素子が搭載され
   る金属基板と、（ｃ）前記下部基板を支持する金属筐体
   とを具備することを特徴とする光ファイバモジュール。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光ファイバモジュールに
   おいて、前記金属基板はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、前記
   金属筐体はＣｕ−Ｗ系合金からなる光ファイバモジュー
   ル。
3. 【請求項３】 請求項１記載の光ファイバモジュールに
   おいて、前記金属基板はステンレススチール、前記金属
   筐体はＣｕ系合金からなる光ファイバモジュール。