JPWO2018211644A1 - 光モジュール - Google Patents
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Abstract
金属ブロックと、該金属ブロックに固定された第１サブマウントと、上面と下面を有し、該下面が金属層を介して該第１サブマウントに固定された第２サブマウントと、を備える。さらに、該第２サブマウントの該上面に搭載された光素子と、該第２サブマウントの該上面に形成され、該光素子と電気的に接続されることで高周波信号などの信号を該光素子に入力または出力する高周波線路と、を備える。そして、該金属層は該金属ブロックと電気的に接続されたことを特徴とする。
Description
この発明は光モジュールに関する。
特許文献１には、パッケージのステージ上にレーザチップをマウントする場合、レーザチップとステージとの間には熱膨張係数差が存在するため、この熱膨張係数差に起因してレーザチップに応力が生じることが開示されている。特許文献１には、さらに、レーザチップに生じる応力を緩和する２つの方法が示されている。第１の方法は、ステージ上にはんだ層を用いてレーザチップをマウントするときに、そのはんだ層の厚さを十分に大きくすることである。第２の方法は、ステージ上にはんだ層を用いてサブマウントを積層し、その上にはんだ層を用いてレーザチップをマウントする方法である。
ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）素子などの光素子を備えた光モジュールでは、光素子を金属ブロック上に搭載することが多い。光素子と金属ブロックとの線膨張係数の差に起因して光素子に加わる熱応力を緩和するために、光素子の線膨張係数と同程度の線膨張係数を有するサブマウントを光素子と金属ブロックの間に配置する。この場合、光素子はサブマウントの上に設けられる。
光モジュールでは光素子と外部の信号線路とを電気的に接続するため、サブマウント上にマイクロストリップラインなどの高周波線路を設ける。高周波線路のインピーダンスはサブマウントの厚みと線路幅に依存する。サブマウントを小型化するため、高周波線路の線路幅を狭めてサブマントを薄くすることが好ましい。しかしながら、サブマウントを薄くすると金属ブロックから光素子に加わる応力が増加してしまう。
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、光素子に加わる応力を抑制しつつ、高周波線路の下のサブマウントを小型化することで、小型化に好適な光モジュールを提供することを目的とする。
本願の発明にかかる光モジュールは、金属ブロックと、該金属ブロックに固定された第１サブマウントと、上面と下面を有し、該下面が金属層を介して該第１サブマウントに固定された第２サブマウントと、該上面に搭載された光素子と、該上面に形成された高周波線路と、を備え、該金属層は該金属ブロックと電気的に接続されたことを特徴とする。
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
この発明によれば、金属ブロックの上に第１サブマウントを設け、第１サブマウントの上に第２サブマウントを設け、第２サブマウントの上に光素子と高周波線路を設ける。第２サブマウントの下面と金属ブロックを電気的に接続する。これにより、光素子に加わる応力を抑制しつつ、第２サブマウントを小型化できるので、小型化に好適な光モジュールを提供できる。
本発明の実施の形態に係る光モジュールについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る光モジュールの断面図である。この光モジュールは金属ブロック１０を備えている。金属ブロック１０の材料は、良好な熱伝導性を有する材料であれば特に限定されないが、例えばＣｕＷである。金属ブロック１０は直方体状の部材である。金属ブロック１０には、はんだ１２により第１サブマウント１４が固定されている。はんだ１２の材料は特に限定されないが例えばＡｕ−Ｓｎ合金である。はんだ以外の材料で金属ブロック１０に第１サブマウント１４を固定してもよい。例えば導電性接着剤を用いることができる。第１サブマウント１４は平板状の部材である。
図１は、実施の形態１に係る光モジュールの断面図である。この光モジュールは金属ブロック１０を備えている。金属ブロック１０の材料は、良好な熱伝導性を有する材料であれば特に限定されないが、例えばＣｕＷである。金属ブロック１０は直方体状の部材である。金属ブロック１０には、はんだ１２により第１サブマウント１４が固定されている。はんだ１２の材料は特に限定されないが例えばＡｕ−Ｓｎ合金である。はんだ以外の材料で金属ブロック１０に第１サブマウント１４を固定してもよい。例えば導電性接着剤を用いることができる。第１サブマウント１４は平板状の部材である。
第１サブマウント１４には貫通孔が形成されており、その貫通孔に貫通ビア１６が設けられている。貫通ビア１６により第１サブマウント１４の上面と下面が電気的に導通できるようになっている。
第１サブマウント１４の上面には金属層１８を介して第２サブマウント２０が固定されている。金属層１８の材料は例えばＡｕ−Ｓｎ合金などのはんだ又は導電性接着剤である。第２サブマウント２０は上面２０ａと下面２０ｂを有する平板状の部材である。下面２０ｂが金属層１８を介して第１サブマウント１４に固定されている。また、下面２０ｂは、金属層１８と、貫通ビア１６と、はんだ１２を介して金属ブロック１０に接続されている。これにより、金属層１８は金属ブロック１０と電気的に接続される。言いかえれば、下面２０ｂと金属ブロック１０が電気的に接続される。
金属層１８は、第２サブマウント２０の下面２０ｂの大部分に形成されることが好ましい。金属層１８は、例えば第２サブマウント２０の下面２０ｂ全体に形成されたべたパターンである。
上面２０ａには、接着剤２２により光素子２４が搭載されている。光素子２４はＩｎＰ基板を用いた半導体レーザ発振器である。例えば一辺数百μｍ程度のＬＥＤチップを光素子２４とすることができる。光素子２４の線膨張係数は４．５×１０−６/℃程度である。前述の第１サブマウント１４と第２サブマウント２０は、光素子２４の線膨張係数と同程度の線膨張係数を有する材料で形成することが好ましい。したがって、第１サブマウント１４と第２サブマウント２０は、例えば、窒化アルミニウムのようなセラミック材料又はＫｏｖｏｒのような金属材料で構成することが好ましい。第１サブマウント１４を金属材料とする場合は、貫通ビア１６の電気抵抗が第１サブマウント１４の電気抵抗より低くなるように、貫通ビア１６の材料を選択することが好ましい。
図２は、図１の光モジュールの平面図である。第２サブマウント２０の上面２０ａには高周波線路３０、３４が形成されている。高周波線路３０、３４は線状の導体箔である。高周波線路３０、３４の材料は例えば金などの金属である。高周波線路３０、３４は蒸着又はめっき等の方法で形成することができる。下面２０ｂに金属層１８が形成された第２サブマウント２０の上面２０ａに高周波線路３０、３４を設けたことで、マイクロストリップラインが形成されている。高周波線路３０、３４は信号パターンとして機能し、金属層１８はグラウンドパターンとして機能する。
半導体レーザ発振器である光素子２４の上面にはアノードとカソードが設けられる。当該アノードと高周波線路３０がワイヤ３２で接続され、当該カソードと高周波線路３４がワイヤ３６で接続される。マイクロストリップラインのインピーダンスは、第２サブマウント２０の基板厚さと高周波線路３０、３４の線路幅に依存する。第２サブマウント２０の基板厚が薄いほど同じインピーダンスを保ったまま高周波線路３０、３４の線路幅を狭くできる。よって、光モジュールを小型化するためには、第２サブマウント２０を薄くすることが好ましい。
ここで、実施の形態１に係る光モジュールの意義の理解を容易にするために、比較例について説明する。比較例の光モジュールは、金属ブロックの上に１枚のサブマウントを有し、そのサブマウントの上に光素子と高周波線路を有するものである。熱歪によって光素子に加わる応力を抑制するためにサブマウントの厚さを０．４ｍｍとし、サブマウントとして誘電率９のセラミックを用い、インピーダンス２５Ωの高周波線路を形成する場合を考える。この場合、高周波線路の線路幅は１．３０ｍｍとなる。高周波線路の線路幅とは図２のｙ方向長さである。光素子のアノード用とカソード用に２本の高周波線路を設けるためには、サブマウントの幅は３ｍｍ程度必要となる。これでは光モジュールを小型化できない。
これに対し、本発明の実施の形態１に係る光モジュールにおいて第２サブマウント２０の厚みを例えば０．１ｍｍとし、第１サブマウント１４の厚みを例えば０．３ｍｍとした場合について検討する。この場合、第１サブマウント１４と第２サブマウント２０の厚さの合計は０．４ｍｍなので、光素子２４への応力抑制効果は比較例と同程度である。さらに、第２サブマウント２０は０．１ｍｍと薄いので、高周波線路３０、３４の線路幅を０．３２ｍｍに狭めることができる。光素子２４のアノード用とカソード用に２本の高周波線路３０、３４を設けることを考慮しても、第２サブマウント２０の幅を１ｍｍ以内とすることができる。これは比較例のサブマウントの幅である３ｍｍと比べて非常に小さい。
このように、第２サブマウント２０の厚みを比較例のサブマウントの厚みである０．４ｍｍより薄くすれば、第２サブマウント２０を小型化することができる。言いかえれば、第２サブマウント２０の平面面積を小さくできる。第２サブマウント２０の平面面積を小さくすることで、第１サブマウント１４の平面面積も小さくできる。よって、第１サブマウント１４と第２サブマウント２０の体積の合計は、比較例のサブマウントの体積より小さい。
第２サブマウント２０を厚くするほど、第１サブマウント１４と第２サブマウント２０の体積の合計が大きくなってしまうので、第２サブマウント２０の厚さは例えば、０．２ｍｍ以下とすることが好ましい。第２サブマウント２０を第１サブマウント１４より薄くすることがより好ましい。
第２サブマウント２０を薄くするほど、第１サブマウント１４と第２サブマウント２０の体積の合計を小さくすることができる。しかし第２サブマウント２０を薄くしすぎると第２サブマウント２０の機械的強度を確保できなくなる。そこで、第２サブマウント２０の厚みの下限を例えば０．０５ｍｍとすることが好ましい。以上の考察から、第２サブマウント２０を、厚みが０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下のセラミックとすることで、第１サブマウント１４と第２サブマウント２０の体積の合計を小さくしつつ、第２サブマウント２０の機械的強度を確保できる。
このように、実施の形態１に係る光モジュールは、第２サブマウント２０を薄くすることで、インピーダンス整合を保ちつつ高周波線路３０、３４の線路幅を狭くすることができるので、第２サブマウント２０を小さくすることができる。しかも、金属ブロック１０と第２サブマウント２０の間に第１サブマウント１４を設けることで、第１サブマウント１４がない場合と比べて光素子２４に及ぼされる応力を緩和できる。
第２サブマウント２０と光素子２４との間に働く熱応力は、第１第２サブマウント１４、２０の厚みの合計が大きいほど緩和される。そのため、第２サブマウント２０を薄くしても、第１サブマウント１４を厚くすることで、光素子２４に及ぼされる応力を緩和できる。したがって、光素子２４に加わる応力を抑制しつつ、高周波線路３０、３４の下の第２サブマウント２０を小型化することで、小型化に好適な光モジュールを提供することができる。
本発明の実施の形態１に係る光モジュールはその特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。例えば、光素子２４は半導体レーザ発振器以外の素子としてもよい。光素子２４として、フォトダイオード(ＰＤ)、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、ＰＩＮフォトダイオード、光変調器又は光変調器集積レーザなどを採用してもよい。
第１サブマウント１４を貫通し金属層１８と金属ブロック１０を電気的に接続する貫通ビア１６を設けることで、金属層１８と金属ブロック１０を電気的に接続した。しかしながら、貫通ビア１６以外の方法で金属層１８と金属ブロック１０を電気的に接続してもよい。
第１サブマウント１４と第２サブマウント２０を同じ材料としたが、異なる材料を採用してもよい。その場合、第１第２サブマウント１４、２０の厚さの合計は、比較例のサブマウントの厚さと異なることがある。実施の形態１において言及した変形例は以下の実施の形態に係る光モジュールにも応用できる。なお、以下の実施の形態に係る光モジュールは実施の形態１の光モジュールと類似点が多いので実施の形態１の光モジュールとの相違点を中心に説明する。
実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る光モジュールの断面図である。第１サブマウント１４は金属部４０に覆われている。金属部４０は第１サブマウント１４をメタライズして形成することができる。金属部４０は、第１サブマウント１４の上面に設けられた上面部分４０ａと、第１サブマウント１４の側面に設けられた側面部分４０ｂと、第１サブマウント１４の下面に設けられた下面部分４０ｃを備えている。上面部分４０ａは側面部分４０ｂにつながっている。側面部分４０ｂは下面部分４０ｃにつながっている。上面部分４０ａは金属層１８に接している。下面部分４０ｃははんだ１２に接することで金属ブロック１０に電気的に接続されている。
図３は、実施の形態２に係る光モジュールの断面図である。第１サブマウント１４は金属部４０に覆われている。金属部４０は第１サブマウント１４をメタライズして形成することができる。金属部４０は、第１サブマウント１４の上面に設けられた上面部分４０ａと、第１サブマウント１４の側面に設けられた側面部分４０ｂと、第１サブマウント１４の下面に設けられた下面部分４０ｃを備えている。上面部分４０ａは側面部分４０ｂにつながっている。側面部分４０ｂは下面部分４０ｃにつながっている。上面部分４０ａは金属層１８に接している。下面部分４０ｃははんだ１２に接することで金属ブロック１０に電気的に接続されている。
実施の形態２に係る光モジュールは、金属層１８を金属ブロック１０と電気的に接続する手段として、金属部４０を提供するものである。金属層１８と金属ブロック１０を電気的に接続することで、高周波線路３０、３４のインピーダンスに影響を及ぼすことなく、第１サブマウント１４を提供することができる。
金属部４０の形成範囲は、金属層１８を金属ブロック１０と電気的に接続するものであれば特に限定されない。例えば、金属部４０を第１サブマウント１４の一部に設けて、その金属部４０で金属層１８と金属ブロック１０を電気的に接続してもよい。
実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る光モジュールの断面図である。金属層１８と金属ブロック１０は、ワイヤ５０によって電気的に接続されている。ワイヤ５０によって金属層１８を金属ブロック１０に電気的に接続することで、高周波線路３０、３４のインピーダンスに影響を及ぼすことなく、第１サブマウント１４を提供することができる。なお、上記の各実施の形態に係る光モジュールの特徴を組み合わせても良い。
図４は、実施の形態３に係る光モジュールの断面図である。金属層１８と金属ブロック１０は、ワイヤ５０によって電気的に接続されている。ワイヤ５０によって金属層１８を金属ブロック１０に電気的に接続することで、高周波線路３０、３４のインピーダンスに影響を及ぼすことなく、第１サブマウント１４を提供することができる。なお、上記の各実施の形態に係る光モジュールの特徴を組み合わせても良い。
１０ 金属ブロック、 １４ 第１サブマウント、 １８ 金属層、 ２０ 第２サブマウント、 ２２ 接着剤、 ２４ 光素子
Claims (8)
- 金属ブロックと、
前記金属ブロックに固定された第１サブマウントと、
上面と下面を有し、前記下面が金属層を介して前記第１サブマウントに固定された第２サブマウントと、
前記上面に搭載された光素子と、
前記上面に形成された高周波線路と、を備え、
前記金属層は前記金属ブロックと電気的に接続されたことを特徴とする光モジュール。 - 前記第１サブマウントを貫通し前記金属層と前記金属ブロックを電気的に接続する貫通ビアを備えたことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
- 前記第１サブマウントを覆い、前記金属層に接し、前記金属ブロックに電気的に接続された金属部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
- 前記金属層と前記金属ブロックを電気的に接続するワイヤを備えたことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
- 前記金属ブロックと前記第１サブマウントを接合するはんだを備え、
前記金属層の材料ははんだであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光モジュール。 - 前記第１サブマウントと前記第２サブマウントはセラミックであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光モジュール。
- 前記第２サブマウントは、厚みが０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下のセラミックであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光モジュール。
- 前記第２サブマウントは前記第１サブマウントより薄いことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光モジュール。
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