KR100433743B1 - 히터 모듈 및 광 도파로 모듈 - Google Patents

히터 모듈 및 광 도파로 모듈 Download PDF

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타토노부요시
나츠하라마스히로
나카타히로히코
사이토마사히데
후지모리나오지
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 광 도파로 소자(2)를 가열하기 위한 히터 모듈(30)로, 통전에 의해 발열하는 발열 회로(42)와 발열 회로에 적층된 AlN 세라믹스층(44)을 갖는 세라믹스 히터(40)를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

Description

히터 모듈 및 광 도파로 모듈{Heater module and optical waveguide module}
종래부터 광 도파로 모듈에 구비된 광 도파로 소자의 온도 조절용 디바이스로서, 펠티에(Peltier) 소자나 히터 모듈이 이용되고 있다. 또한, 광 도파로 모듈에서는 외부 기기와의 광 신호 전달에 사용하는 광 파이버를 모듈로 끌어 넣는 통로를 형성할 필요가 있기 때문에, 기밀 봉입이 곤란하다. 그리고, 기밀하게 되어 있지 않은 상태에서는 습도에 약한 펠티에 소자의 신뢰성 확보가 곤란하기 때문에, 광 도파로 소자의 온도 조정은 일반적으로 히터 모듈에 의해 행하여지고 있다. 이 히터 모듈은 통전됨으로써 발열하는 발열 회로(저항)를 절연층의 내부에 갖고 있으며, 발열 회로로부터의 열이 절연층을 통해 광 도파로 소자에 전달되도록 구성되어 있다.
본 발명은 광 도파로 소자를 가열하기 위한 히터 모듈 및 광 도파로 모듈에 관한 것이다.
도 1은 제 1 실시형태의 히터 모듈 및 광 도파로 모듈을 도시하는 사시도.
도 2는 제 1 실시형태의 광 도파로 모듈을 도시하는 측면도.
도 3은 제 1 실시형태의 세라믹스 히터 내부의 평면도.
도 4는 도 3에 도시하는 세라믹스 히터의 IV-IV 방향의 단면도.
도 5는 제 1 실시형태의 히터 모듈을 도시하는 평면도.
도 6은 제 2 실시형태의 광 도파로 모듈을 도시하는 측면도.
도 7은 제 2 실시형태의 히터 모듈을 도시하는 평면도.
도 8은 제 2 실시형태의 세라믹스 히터를 도시하는 단면도.
도 9는 제 3 실시형태의 광 도파로 모듈을 도시하는 측면도.
도 10은 제 4 실시형태의 광 도파로 모듈을 도시하는 단면도.
도 11은 제 4 실시형태의 단열 기판의 절결부 근방을 도시하는 확대 사시도.
도 12는 제 5 실시형태의 광 도파로 모듈을 도시하는 측면도.
도 13은 제 6 실시형태의 광 도파로 모듈을 도시하는 사시도.
도 14는 제 6 실시형태의 광 도파로 모듈을 도시하는 측면도.
도 15는 제 7 실시형태의 광 도파로 모듈을 도시하는 사시도.
도 16은 제 7 실시형태의 광 도파로 모듈을 도시하는 측면도.
도 17은 제 8 실시형태의 광 도파로 모듈을 도시하는 사시도.
도 18은 제 8 실시형태의 광 도파로 모듈을 도시하는 측면도.
도 19는 제 9 실시형태의 광 도파로 모듈을 도시하는 측면도.
도 20은 제 10 실시형태의 광 도파로 모듈을 도시하는 측면도.
도 21은 제 11 실시형태의 광 도파로 모듈의 특징 부분을 도시하는 사시도.
도 22는 종래의 광 도파로 모듈을 도시하는 개략 사시도.
도 23은 종래의 광 도파로 모듈을 도시하는 개략 사시도.
그렇지만, 상기 종래의 기술에는 다음과 같은 문제가 있었다. 즉, 광 도파로 소자 내부의 온도 분포가 크면, 장소에 따라 기판의 굴절율이 변화하며, 나아가서는 기판의 열 팽창차에 의해 광 도파로의 치수가 변화함으로써 파장 선택성이나스위칭 특성에 지장을 초래하여버린다. 이 때문에, 광 도파로 소자 내부에 있어서의 온도 균일성이 필요해진다. 그래서 종래부터 비교적 열 전도율이 높은 알루미나(열 전도율 20W/mK) 등의 세라믹스 히터를 사용하는 일이 많았다. 그렇지만, 최근 특히, 광 통신 분야에서는 대용량화, 고속 통신화 경향이 현저해지고 있으며, 최근에는 D-WDM(고밀도-파장 다중 통신)으로의 이행에 따라 대면적의 광 도파로 소자가 사용되도록 되어 왔다. 나아가서는, 어느 주파수 폭에 대해서도, 종래에 비하여, 더욱 많은 신호를 다중화하고 싶다는 요구가 강해지고 있으며, 온도 균일성에의 요구가 높아지고 있다. 이 때문에, 광 도파로 소자 내부에 있어서의 온도 균일성을 더욱 높여 온도 분포를 ±0.5℃ 이하로 하는 것이 기대되고 있지만, 종래의 히터에서는 이 요구를 만족할 수 없었다.
또한, 종래의 광 도파로 모듈은 두께가 20mm 정도인 것이 일반적이며, 이에 대하여 다른 모듈은 일반적으로 10mm 정도이다. 그 때문에, 광 도파로 모듈을 탑재하는 장치에서는 다른 모듈만으로 구성하는 장치를 설계할 경우의 설계 룰을 적용하지 못하고, 특별한 설계가 필요해져, 설계 효율, 설계 미용 나아가서는 장치의 비용이 상승하여버린다는 문제가 있어, 광 도파로 모듈 두께의 저감이 요망되고 있다.
나아가서는, 광 도파로 소자는 동작 중 늘 히터로써 가열되기 때문에, 가능한 한 소비 전력을 저하시키는 것이 요구되고 있다.
본 발명은 이러한 사정에 비추어 이루어진 것으로, 광 도파로 소자의 온도 균일성을 향상시킬 수 있어, 두께가 작고, 또한, 소비 전력이 저감된 히터 모듈 및광 도파로 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이 목적의 하나인 광 도파로 소자의 온도 균일성을 향상하는 수단으로서는 (1) 도 22에 도시하는 바와 같은 종래 사용되어 온 알루미나제 세라믹스 히터(110)에서 발생한 열을 균일하게 광 도파로 소자(2)에 전달하기 위해, Cu(열 전도율 390W/mK) 등의 열 전도율이 높은 균열판(120)을 세라믹스 히터(110)와 광 도파로 소자(2) 사이에 삽입하는 방법, (2) 도 23에 도시하는 바와 같은 열 전도율이 1W/mK 이하로 대단히 낮지만, 유연성이 있는 고무제 히터(112)를 광 도파로 소자(2)를 둘러싸도록 설치하여, 광 도파로 소자(2)를 하부에서 뿐만 아니라, 전체에서 가열하는 방법 등을 생각할 수 있다.
그리고, 이들 방법에 관해서 조사한 결과, 상기 (1)방법에서는 Cu제 균열판(120)의 두께를 3mm 정도로 함으로써, 광 도파로 소자의 온도 균일성을 ±0.5℃로 할 수 있는 것을 알았다. 그렇지만, Cu의 두께가 있기 때문에, 광 도파로 모듈의 두께를 얇게 할 수 없다. 즉, 광 도파로 모듈의 두께는 상술한 바와 같이, 그 밖의 모듈의 두께가 10mm 이하이기 때문에, 10mm 이하로 하는 것이 갈망되고 있지만, 균열판(120)이 필요하기 때문에, 20mm 정도의 두께가 되는 것을 알았다. 또한, 이것이 종래의 광 도파로 모듈 두께가 대단히 두꺼운 것에 대한 주원인인 것이 판명되었다.
한편, 상기 (2)방법에서도 광 도파로 소자(2)의 온도 균일성을 ±0.5℃로 할 수 있었지만, (1)과 동일하게 두께를 얇게 할 수 없으며, 더욱이, 광 도파로 소자(2) 전체, 나아가서는 모듈 전체를 가열하는 구조이기 때문에, 히터의 소비 전력을 낮게 할 수 없다는 문제가 생겼다. 즉, (1)의 수법에서의 소비 전력은 환경 온도 0℃에서 광 도파로를 80℃로 유지할 경우, 5W 정도였던 것이 (2)의 수법에서는 10W 이상으로 2배 이상 소비 전력이 높았다. 이것은 가능한 한 소비 전력을 저감하고 싶다는 요구에도 반하고 있었다.
그리고, 본 발명자들은 더욱 연구를 진행시킨 결과, 요구 특성인 광 도파로 소자의 온도 균일성, 히터 모듈 및 광 도파로 모듈의 두께, 저소비 전력을 동시에 만족하기 위해서는 균열판(120) 등을 사용하지 않고, 세라믹스 히터의 재질 자체의 열 전도율을 향상하는 것이 가장 효과적이라는 것을 밝혀내었다. 이 구조에 의하면, 광 도파로 소자(2)의 온도 균일성을 향상할 수 있을 뿐만 아니라, 균열판을 사용하지 않기 때문에, 광 도파로 모듈 두께를 얇게 할 수 있다. 나아가서는 균열판을 가열할 필요가 없기 때문에, 저소비 전력도 달성할 수 있다.
더욱이 열 시뮬레이션 등을 구사하여 검토를 진행시키면, 세라믹스의 열 전도율은 100W/mK 이상이 필요하다는 것을 밝혀내어, 재질로서는 BeO, AlN으로 좁혀지는 것이 판명되었다. 그러나, BeO는 독성이 있는 것으로 알려져 있으며, 히터로서는 세라믹스 재료로서 AlN을 사용한 세라믹스 히터가 가장 적당하다는 결론을 얻을 수 있었다.
즉, 본 발명의 히터 모듈은 광 도파로 소자를 가열하기 위한 히터 모듈로, 통전에 의해 발열하는 발열 회로와 발열 회로에 적층된 AlN 세라믹스층을 갖는 세라믹스 히터를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 히터 모듈에 의하면, 세라믹스 히터에 있어서의 세라믹스층이 열전도율이 높은 AlN에 의해 형성되어 있기 때문에, 발열 회로로부터 전달된 열은 세라믹스층 내에서 거의 균일하게 확산하며, 나아가서는 세라믹스층 상에 올려놓아지는 광 도파로 소자가 균일하게 가열되게 된다. 구체적으로는 광 도파로 소자의 내부에 있어서의 온도 분포를 ±0.5℃ 이하로 하는 것이 가능하다.
또한, Cu 또는 Cu 합금 등의 균열판을 설치할 필요가 없어져, 히터 모듈의 두께를 저감시킬 수 있다. 구체적으로는 이 히터 모듈을 구비한 광 도파로 모듈 두께를 10mm 이하로 하는 것도 가능해진다.
나아가서는, 균열판을 설치할 필요가 없어지기 때문에, 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 구체적으로는 알루미나 히터에 3mm 두께 정도의 Cu 또는 Cu 합금의 균열판을 삽입한 경우, 환경 온도를 0℃에서 광 도파로 소자를 80℃로 유지하면, 5W 정도의 소비 전력이 필요하던 것을 AlN 히터를 사용함으로써 균열판을 생략할 수 있기 때문에 4W 정도로 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 히터 모듈에 있어서, 세라믹스 히터를 지지함과 동시에 단열성을 갖는 단열 기판을 추가로 구비하는 것이 바람직하다.
이렇게, 단열성을 갖는 단열 기판에 의해 세라믹스 히터를 지지함으로써, 발열 회로에서 발생한 열이 단열 기판으로부터 방출되어 세라믹스 히터의 열 분포가 불균일해진다는 사태가 방지되기 때문에, 광 도파로 소자의 온도 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 단열 기판은 알루미나 또는 알루미나와 실리카 유리를 포함하도록 하여도 된다. 더욱이, 단열 기판은 수지 또는 수지와 실리카 유리를 포함하도록 하여도 된다.
또한, 본 발명의 히터 모듈에 있어서, 단열 기판은 세라믹스 히터를 지지하기 위한 복수의 돌기부를 가지며, 또한, 각 돌기부의 주위에는 공기층이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 채용한 경우, 세라믹스 히터는 복수의 돌기부에 의해 지지되기 때문에 단열 기판과 전면적으로 접촉하고 있는 것이 아니라 부분적으로 접촉하고 있게 되어, 수지에 의해 단열 기판과 돌기부를 접착시킬 경우라도, 세라믹스 히터에 휘어짐이 발생하기 어려워지며, 또한, 수지가 세라믹스 히터로부터 벗겨진다는 사태를 방지할 수 있다. 더욱이, 각 돌기부의 주위, 즉 세라믹스 히터와 단열 기판 사이에는 공기층이 형성되어 있기 때문에, 이 공기층이 단열층이 되어 세라믹스 히터로부터의 열이 단열 기판 측으로부터 방출되는 사태를 억제할 수 있다. 또한, 단열층으로서 형성하는 공기층의 두께는 0.01mm 이상 5mm 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 세라믹스 히터와 단열 기판은 수지에 의해 접착하여도 된다. 더욱이, 이 수지의 접합 강도를 향상시키기 위해, 세라믹스 히터의 수지와의 접합면의 표면 거칠기를 Ra에서 0.05㎛ 이상 10㎛ 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 마찬가지로 수지와의 접합 강도를 향상시키기 위해, 세라믹스 히터의 수지와의 접합면에 산화물층, 유리 코팅층 또는 Al 증착층을 형성하여도 된다.
또한, 세라믹 히터와 단열 기판의 고정 방법으로서, 세라믹스 히터에 설치한 구멍을 통해 단열 기판을 나사 고정하도록 하여도 된다. 또한, 세라믹스 히터를 단열 기판 측으로 가압하는 가압 수단을 구비하며, 이 가압 수단에 의해 세라믹스히터의 단열 기판에의 고정을 도모하여도 된다.
또한, 본 발명의 히터 모듈에 있어서, 세라믹스 히터의 온도를 검출하는 온도 검출 소자를 추가로 구비하며, 온도 검출 소자는 세라믹스 히터의 광 도파로가 올려놓아지는 면과 반대면에 접착되며, 단열 기판은 소정의 절결부를 가지고, 절결부 내에 온도 검출 소자에 접속되는 전극이 배치되어 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 채용한 경우, 서미스터 등의 온도 검출 소자가 광 도파로 소자가 올려놓아지는 면과 반대면에 장착되어 있기 때문에, 세라믹스 히터의 한 면에 광 도파로 소자용 영역 및 온도 검출 소자용 영역을 확보할 필요가 없어진다. 이로써, 세라믹스 히터의 면적을 작게 할 수 있어, 히터 모듈의 소형화를 도모할 수 있다. 또한, 히터 모듈을 소형화하면 발열 회로도 작게 할 수 있기 때문에, 소비 전력의 저감을 도모할 수도 있다. 더욱이, 단열 기판에는 절결부가 형성되며, 상기 절결부에는 온도 검출 소자에 접속되는 전극이 배치되어 있다. 이 때문에, 온도 검출 소자와 상기 전극을 접속하기 위한 배선을 절결부 내를 통시킬 수 있어, 배선의 간략화를 도모할 수 있다.
더욱이 이 경우에, 온도 검출 소자와 온도 검출 소자에 전력을 공급하는 외부 전원을 연결하는 배선이 세라믹스 히터에 접하고 있는 것이 바람직하다.
상기 배선이 세라믹스 히터에 접하도록 함으로써, 세라믹스 히터의 온도를 측정함에 있어서 환경 온도의 영향을 받기 어려워져, 적절한 온도 측정을 행할 수 있다.
또한, 본 발명의 히터 모듈에 있어서, 발열 회로의 하층에 제 2 AlN 세라믹스층을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 채용한 경우, 세라믹스 히터의 내습성이 향상하며, 나아가서는 발열 회로의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 발열 회로는 텅스텐, 몰리브덴 또는 은 팔라듐을 주성분으로 하여 형성할 수 있다.
또한, 세라믹스 히터는 실리카 유리를 주성분으로 한 코팅막을 표면에 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 채용한 경우, 세라믹스 히터의 내습성을 향상시킬 수 있다. 또한, 예를 들면 세라믹스 히터와 단열 기판을 수지에 의해 접착시킬 경우에, 수지의 세라믹스 히터에의 접착성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 히터 모듈에 있어서, 소정의 온도 이상으로 되면, 발열 회로에 전류가 흐르지 않도록 구성하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 발열 회로의 일부를 주석과 납의 합금으로 형성하거나, 발열 회로와 외부 전원에 접속된 단자를 주석과 납의 합금으로 형성된 배선에 의해 접속하도록 구성하는 것이 바람직하다. 이렇게 구성함으로써, 히터 모듈의 동작 불량에 의해 온도가 상승함으로써, 히터 모듈이 파괴, 발화 등을 하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 광 도파로 소자는 상기 본 발명의 히터 모듈과, 히터 모듈의 세라믹스 히터 상에 올려놓아진 광 도파로 소자를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다. 상기 히터 모듈을 구비함으로써, 광 도파로 소자의 온도 균일성을 향상시킬 수 있어, 두께가 작고, 또한, 소비 전력이 저감된 광 도파로 모듈이 된다.
또한, 본 발명의 광 도파로 모듈에 있어서, 광 도파로 소자와 세라믹스 히터사이에, 광 도파로 소자와의 실온에 있어서의 열 팽창율의 차이가 3×10-6/℃ 이하인 매칭 부재가 삽입되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명자들은 세라믹스 히터와 광 도파로 소자를 접착제 등으로 접합할 때에, 광 도파로 소자와 세라믹스 히터 사이의 실온에 있어서의 열 팽창율의 차이가 5×10-6/℃보다 크면, 광 도파로 소자에 과다한 열 응력이 작용하여, 파장 선택성이나 스위칭 특성에 지장을 초래할 우려가 있는 것을 발견하였다. 더욱이 최근에는 LiNbO3(열 팽창율 15×10-6/℃) 등으로 형성된 새로운 광 도파로 소자가 잇달아 검토되고 있는 것, 나아가서는, 광 도파로 소자 상에의 소자의 고밀도 실장 등이 검토되고 있는 것, 더욱이 엄격한 파장 선택성이나 스위칭 특성을 요구받는 경우도 많기 때문에, 그 경우는 광 도파로 소자와 세라믹스 히터 사이의 실온에 있어서의 열 팽창율의 차이를 3×10-6/℃ 이하로 할 필요가 있다. 이 때문에, 상기한 바와 같이 광 도파로 소자와 세라믹스 히터 사이에, 광 도파로 소자와의 실온에 있어서의 열 팽창율의 차이가 3×10-6/℃ 이하인 매칭 부재를 삽입함으로써, 광 도파로 소자에 과다한 열 응력이 걸리는 것을 방지할 수 있다. 더구나, 매칭 부재를 삽입하는 것은 종래의 균열판을 삽입하는 것과 유사한 수법이라고 생각될 우려가 있지만, 종래와는 달리, 본 발명은 균열판이 필요하지 않은 것, 광 도파로 소자의 온도 균일성의 악화를 막기 위해서도 매칭 부재의 두께를 얇게 할 필요가 있는 것으로부터 광 도파로 모듈의 두께 증가로는 연결되지 않는다.
이 경우, 광 도파로 소자의 열 팽창율이 O.5×10-6/℃ 내지 1.O×10-6/℃로 저열 팽창율인 경우는, Fe-Ni 합금 등의 매칭 부재를 사용하는 것이 바람직하고, 반대로 15×10-6/℃ 정도로 고열 팽창율인 경우는, Cu 또는 Cu 합금의 매칭 부재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, Cu로서는 무산소 Cu, 턴피치 Cu 등을 사용할 수 있으며, Cu 합금으로서는 황 구리, 규소 구리, 인 청동, 알루미늄 청동, 니켈 청동 등을 사용할 수 있다.
매칭 부재의 두께로서는 0.1mm 이상 2mm 이하, 바람직하게는 0.3mm 이상 1mm 이하가 바람직하다. 0.1mm보다 얇아지면, 매칭 부재가 세라믹스 히터의 열 팽창율로 당겨지기 때문에, 광 도파로 소자와 세라믹스 히터의 열 팽창율의 매칭을 얻을 수 없다. 단, 0.3mm보다 얇은 매칭 부재는 취급이 곤란해지기 때문에, 바람직하게는 0.3mm 이상의 두께인 쪽이 바람직하다. 한편, 매칭 부재의 두께가 두꺼워지면 광 도파로 소자의 온도 균일성의 열화가 염려된다. 매칭 부재가 Cu 또는 Cu 합금인 경우는 두께가 두껍더라도 문제는 생기지 않지만, Fe-Ni 합금의 경우, 두께가 2mm보다 커지면 온도 균일성이 크게 열화하기 때문에 바람직하지 못하다. 단, 매칭 부재의 두께가 1mm보다 커지면, 광 도파로 모듈 두께의 증가를 부정하지 않을 수 없게 되기 때문에 바람직하지는 않다. 또한, 이렇게, 광 도파로 소자와의 열 팽창율을 매칭시킨 매칭 부재를 사용하면, 매칭 부재와 광 도파로 소자와의 접합을 접합 후의 형태가 고체인 수지제의 접착제로써 할 수 있다.
또한, 세라믹스 히터와 광 도파로 소자는 수지제의 접착제에 의해 접착되어있는 것이 바람직하다. 유동성을 유지하는 그리스(grease) 등에 의해 세라믹스 히터와 광 도파로 소자를 접합할 경우는 그리스의 두께가 불균일해져 광 도파로 소자의 온도 균일성을 향상시키는 것이 곤란해지지만, 접착제는 접합 후의 형태가 고형이 되기 때문에, 이러한 문제를 회피할 수 있다.
또한, 본 발명의 광 도파로 모듈에 있어서, 세라믹스 히터의 광 도파로 소자가 올려놓아지는 면은 상기 면과 대향하는 광 도파로 소자의 면보다도 면적이 좁은 것이 바람직하다. 이렇게 세라믹스 히터의 가열면을 광 도파로 소자보다도 작게 함으로써, 소비 전력을 더욱 저감시킬 수 있다.
이 경우, 세라믹스 히터 주위에는 광 도파로 소자와의 실온에 있어서의 열 팽창율의 차이가 3×10-6/℃ 이하인 매칭 부재가 배치되어, 매칭 부재와 광 도파로 소자가 접합하고 있는 것이 바람직하다. 세라믹스 히터가 광 도파로 소자보다도 작으면 광 도파로 소자의 구조적인 안정성이 저하하지만, 이렇게 구성함으로써, 매칭 부재에 의해 광 도파로 소자를 지지할 수 있다. 또한, 매칭 부재의 열 팽창율을 상기 범위로 함으로써, 광 도파로 소자에 열 응력이 걸리는 것도 방지할 수 있다. 이 경우, 광 도파로 소자의 열 팽창율이 0.5×10-6/℃ 내지 1.O×10-6/℃로 저열 팽창율인 경우는, Fe-Ni 합금 등의 매칭 부재를 사용하는 것이 바람직하고, 반대로 15×10-6/℃ 정도로 고열 팽창율인 경우는, Cu 또는 Cu 합금의 매칭 부재를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 광 도파로 모듈에 있어서, 광 도파로 소자 및 세라믹스 히터를 수용하는 케이스를 추가로 구비하여도 된다.
이 경우, 세라믹스 히터를 지지함과 동시에 단열성을 갖는 단열 기판을 구비하며, 케이스는 단열 기판을 수용하는 것이 바람직하다. 이렇게, 단열성을 갖는 단열 기판에 의해 세라믹스 히터를 지지함으로써, 발열 회로에서 발생한 열이 단열 기판으로부터 방출되어 세라믹스 히터의 열 분포가 불균일해진다는 사태가 방지되기 때문에, 광 도파로 소자의 온도 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다.
더욱이, 히터 모듈이 케이스의 일부를 겸하도록 구성하여도 된다. 예를 들면, 히터 모듈의 단열 기판이 케이스의 일부가 되는 구조로 할 수 있다.
또한, 케이스는 구리 텅스텐, 코발트, 철, 니켈, 알루미나 또는 질화 알루미늄을 주성분으로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 케이스에 있어서의 온도 균일성이 향상하며, 나아가서는 광 도파로 소자의 온도 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 케이스는 수지 또는 실리카 유리를 주성분으로 하는 것도 바람직하다. 이 경우는 이들 재료는 단열성이 높기 때문에, 케이스 내의 열이 외부로 방출되는 것을 억제할 수 있어, 광 도파로 소자의 온도 저하를 방지할 수 있다.
또한, 히터 모듈의 주위에 열 전도율이 0.5W/mk 이하의 단열층을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 채용한 경우, 광 도파로 소자의 열이 케이스 밖으로 방출되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 이 단열층은 공기층이어도 되며, 이 경우, 공기층의 두께가 0.01mm 이상, 5mm 이하인 것이 바람직하다.
더욱이, 케이스는 광 도파로 소자와의 대향면으로부터 광 도파로 소자를 향하여 연장되는 칸막이 벽을 내부에 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 채용한경우, 케이스 내의 대류의 궤도를 작게 할 수 있어, 광 도파로 소자의 온도 균일성을 향상시킬 수 있다. 더욱이 케이스는 케이스의 내벽면으로부터 소정의 간격을 두고 배치된 시트를 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 채용한 경우, 케이스 내의 대류의 궤도를 작게 할 수 있음과 동시에, 케이스의 내벽면과 시트 사이에 공기층이 형성되어, 이 공기층이 단열층으로서 작용하게 된다. 이 때문에, 세라믹스 히터의 열이 외부로 방출되기 어려워져, 광 도파로 소자의 가열 효율이 향상한다.
더욱이, 광 도파로 소자에 광 파이버가 클램프되어 있으며, 광 파이버와 광 도파로 소자와의 클램프 위치가 케이스의 내부인 것이 바람직하다. 이렇게 구성한 경우, 광 파이버와 광 도파로 소자를 클램프하기 위한 기구를 케이스에 설치할 필요가 없어져, 케이스의 설계 자유도가 향상한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 관련되는 히터 모듈 및 광 도파로 모듈의 적합한 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다. 더구나, 동일 요소에는 동일 부호를 사용하는 것으로 하여, 중복하는 설명은 생략한다.
[제 1 실시형태]
도 1은 본 실시형태의 히터 모듈 및 이것을 내장한 광 도파로 모듈을 도시하는 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시하는 광 도파로 모듈의 측면도이다. 광 도파로 모듈(1)은 석영제의 치수가 50mm×10mm×1mm인 광 도파로 소자(2)와, 이 양단에 접속된 광 파이버(4, 4)와, 광 도파로 소자(2)를 가열하기 위한 히터 모듈(30)과, 광 도파로 소자(2) 및 히터 모듈(30)을 수용하는 케이스(20)를 구비하고 있다. 또한, 케이스(20)는 히터 모듈(30)을 통전시키기 위한 납 핀(23)이 납땜됨과 동시에 히터 모듈(30)을 지지하기 위한 패키지 기판(22)과, 상기 패키지 기판(22)에 씌워지는 커버(24)로 구성되어 있다. 또한, 패키지 전체의 치수는 100mm×50mm×10mm이다.
다음으로, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 히터 모듈(30)에 대해서 상세 설명한다. 히터 모듈(30)은 치수가 40mm×20mm×1mm인 세라믹스 히터(40) 및 이것을 지지함과 동시에 단열성을 갖는 치수가 60mm×30mm×2mm인 단열 기판(50)(도 5 참조)을 갖고 있다. 도 3은 세라믹스 히터(40)의 내부를 도시하는 평면도이고, 도 4는 도 3에 도시하는 세라믹스 히터(40)의 IV-IV 단면도이다. 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 세라믹스 히터(40)에는 약 0.5 내지 10Ω의 저항치를 가지고 통전에 의해 발열하는 발열 회로(42)가 설치되어 있다. 또한, 발열 회로(42)의 양단에는 발열 회로(42)에 전류를 흘리기 위한 전극(42a, 42b)이 설치되어 있다.
또한, 발열 회로(42)의 상층(도 4에 있어서의 상측)에는 제 1 AlN 세라믹스층(44)이 적층되며, 발열 회로(42)의 하층에는 제 2 AlN 세라믹스층(46)이 설치되어 있다.
이렇게, 본 실시형태에서는 세라믹스층(44)이 열 전도율이 높은 AlN(질화 알루미늄)에 의해 형성되어 있기 때문에, 발열 회로(42)로부터 전달된 열은 상기 제 1 AlN 세라믹스층(44) 내에서 거의 균일하게 확산하며, 나아가서는 제 1 AlN 세라믹스층(44)의 상면에 접착되는 광 도파로 소자(2)가 균일하게 가열되게 되어, 온도 균일성을 높일 수 있다. 또한, AlN은 내습성이 높기 때문에, 장기적 연속 사용이라도 발열 회로(42)의 저항치가 변화하지 않아 높은 신뢰성이 얻어진다. 더욱이, 발열 회로(42)의 하층에 제 2 AlN 세라믹스층(46)이 설치되어 있기 때문에, 세라믹스 히터(40)의 내습성이 향상하며, 나아가서는 발열 회로(42)의 내구성을 향상시킬 수 있다. 상세하게는 제 2 AlN 세라믹스층(46)에 의해 발열 회로(42)가 노출하지 않도록 되어 있기 때문에, 발열 회로(42)의 단락이나 산화를 방지할 수 있다.
또한, 제 1 AlN 세라믹스층(44) 및 제 2 AlN 세라믹스층(46) 두께의 합계는 0.3mm 이상 3.0mm 이하가 바람직하다. AlN 세라믹스층의 두께가 0.3mm보다 얇으면, 히터에서 발생한 열을 균열화하는 것이 곤란해지기 때문에, 광 도파로 소자(2)의 온도 균일성을 ±0.5℃ 이하로 하는 것이 곤란해진다. 또한, 세라믹스층의 두께가 0.3mm보다 얇으면, 기계적 강도가 작아, 광 도파로 소자의 접합 등의 취급이 대단히 곤란해진다. 한편, 제 1 AlN 세라믹스층(44) 및 제 2 AlN 세라믹스층(46) 두께의 합계가 3.Omm보다 두꺼워지면, 광 도파로 소자의 온도 균일성이 열화하는 일은 없지만, 광 도파로 모듈의 두께가 두꺼워지는 것을 피할 수 없게 되기 때문에, 바람직하지 못하다.
또한, 발열 회로(42)는 AlN 세라믹스층을 성형, 소결할 때에 동시 형성할 수 있는 텅스텐, 몰리브덴 혹은 AlN 세라믹스층을 일단 성형, 소결한 후에 발열 회로를 형성, 소결하는 수법을 사용할 수 있는 은 팔라듐 등을 주성분으로 하여 형성할 수 있다. 텅스텐, 몰리브덴의 경우는 AlN 세라믹스와 동시 형성할 수 있기 때문에, 비용을 낮게 할 수 있는 이점이 있다. 한편, 은 팔라듐의 경우는 저항치를 고정밀도로 제어하기 쉽다는 이점이 있다. 이들 재질은 광 도파로 모듈로서 요구되는 우선 순위에 따라 선택하면 된다. 또한, 이들 재질 이외의 발열 재료라도, AlN을 사용한 세라믹스 히터의 이점을 손상하는 것이 아니라, 사용하여도 조금도 문제는 없다.
또한, 발열 회로(42)의 두께는 특히 제한을 받는 것은 아니다. 단, 예를 들면 스크린 인쇄로써 패턴 형성할 경우에는, 1㎛ 이상, 10O㎛ 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 1㎛보다 두께가 얇으면, 패턴 결손 등의 문제가 생길 가능성이 비약적으로 높아진다. 한편, 10O㎛보다 두께가 두꺼워지면, 발열 회로의 패턴이 0.2mm 정도로 가는 경우에, 번짐 등의 문제가 다발하기 때문에 바람직하지 못하다. 이들 불량을 완전히 없애기 위해서는 두께를 50㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 예를 들면 박막 등에서 발열 회로(42)를 형성할 경우는, 1㎛ 이하의 막 두께도 가능해지기는 하지만, 전류를 흘려도 결손하지 않을 정도의 막 두께로 할 필요가 있다.
또한, 발열 회로(42)의 보호층으로서, 유리 코팅막을 형성하여도 된다. 예를 들면, 실리카 유리를 주성분으로 한 코팅막을 발열 회로(42)의 표면에 형성할 수 있다. 이러한 유리 코팅막은 AlN 세라믹스층 및 발열 회로를 일단 형성한 후에, 추가로 형성하게 된다. 그 때문에, 유리 코팅막의 재질을 자유롭게 선택할 수있는 이점이 있다. 또한, 유리 코팅막의 열 전도율은 일반적으로 1W/mK로 낮기 때문에, 광 도파로 소자(2)를 이 유리 코팅막과 반대면에 올려놓아짐으로써, 유리 코팅막이 일종의 단열층으로서 작용하여, 광 도파로 소자(2)의 온도 균일성을 향상시키는 기능을 한다. 이렇게 발열 회로(42)에 코팅막을 형성함으로써, 세라믹스 히터(40)의 내습성을 향상시킬 수 있다.
또한, 이 유리의 코팅막의 두께는 1㎛ 이상 0.2mm 이하인 것이 바람직하다. 더욱이, 10㎛ 이상 0.2mm 이하인 것이 적합하다. 막 두께가 1㎛보다 작아지면, 발열 회로(42)를 균일하게 덮을 수 없어, 피막되어 있지 않은 부분이 생긴다. 나아가서는 발열 회로(42)의 단차가 존재하기 때문에, 단차를 피막하기 때문에 막 두께를 10㎛ 이상으로 하는 쪽이 제품 비율 좋게 단차를 피막할 수 있다. 한편, 막 두께가 200㎛보다 커지면, 박막에 의한 형성은 원래 스크린 인쇄에 의해 막 형성하는 경우라도 방대한 시간이 필요해져, 비용이 비약적으로 증대하여버리기 때문에, 바람직하지 못하다. 단, 코팅막의 두께를 상기 범위 이외로 하여도, 발열 회로(42)를 필요 최저한 보호하고 있으면 문제는 없다.
또한, 본 실시형태에서는 상기한 바와 같이 세라믹스 히터(40)가 단열성을 갖는 단열 기판(50)에 의해 지지되고 있기 때문에, 발열 회로(42)에서 발생한 열이 단열 기판(50)으로부터 방출되어 세라믹스 히터(40)의 열 분포가 불균일해진다는 사태를 방지할 수 있어, 광 도파로 소자(2)의 온도 균일성을 한층 더 향상시킬 수 있다. 특히, 단열 기판(50)을 설치하지 않는 경우는 세라믹스 히터(40)는 그 위에 올려놓아진 광 도파로 소자(2)를 가열할 뿐만 아니라, 광 도파로 소자(2)가 올려놓아진 반대면에 접하는 부재도 가열하게 된다. 즉, 광 도파로 소자(2)와 반대의 세라믹스 히터(40) 면에 열 전도율이 높은 재료 또는 열 용량이 큰 부재가 접합되면, 세라믹스 히터(40)에서 발생한 열은 광 도파로 소자(2)가 아니라, 이들 부재에 주로 유입하기 때문에, 광 도파로 소자(2)의 온도 균일성의 열화, 세라믹스 히터의 소비 전력의 증대를 초래하여버린다. 이에 대하여, 단열 기판(50)에 의해 세라믹스 히터(50)를 지지함으로써, 발열 회로(42)에서 발생한 열이 단열 기판(50)으로부터 방출되어 세라믹스 히터(40)의 열 분포가 불균일해진다는 사태를 방지할 수 있다.
또한, 이러한 효과를 얻기 위해서는 단열 기판(50)의 열 전도율을 50W/mK 이하로 하는 것이 바람직하다는 것이 열 시뮬레이션에 의해 판명되었다. 또한, 이 단열 기판(50) 내에 배선을 실시하여, 세라믹스 히터와 전기적인 접속을 행함으로써, 히터 모듈의 간소화, 광 도파로 모듈의 간소화를 도모할 수 있기 때문에, 내부에 배선을 형성할 수 있는 재료인 것이 바람직하다. 예를 들면, 단열 기판(50)은 알루미나 및 실리카 유리를 포함하는 재료로 하여도 된다. 더구나, 단열 기판(50)은 본 실시형태에서는 알루미나 및 실리카 유리를 주성분으로 하여 형성되어 있지만, 수지 및 실리카 유리를 주성분으로 하면, 더욱 단열성을 향상시킬 수 있다. 특히, 단열 기판(50)을 수지에 의해 형성하면, 열 전도율을 1W/mK 이하로 하는 것이 가능해지기 때문에 적합이다. 수지 재료로서는 프린트 배선 기판으로서 일반적인 유리 에폭시 수지나 BT(비스말레이드·트리아딘) 레진 등을 사용할 수 있다.
더구나, 세라믹스 히터(40)의 제작 방법은 다음과 같다. 우선, AlN 세라믹스의 프리폼 시트에 발열 회로(42)와 전극(42a, 42b)을 W페이스트로 인쇄한다. 이어서, 발열 회로(42) 상에 AlN 세라믹스의 프리폼 시트를 붙여, 히터의 가성 형체를 얻는다. 그리고, 이 가성 형체를 1700℃ 이상의 질소 분위기 속에서 소결하여, 세라믹스 히터(40)가 완성한다.
도 5는 히터 모듈(30)을 도시하는 평면도이다. 동일 도면에 도시하는 바와 같이, 단열 기판(50)의 상면에는 전극(52a 내지 52f)이 형성되어 있으며, 세라믹스 히터(40)의 전극(42a, 42b)과 전극(52a, 52f)이 도선에 의해 접속되어 있다. 또한, 세라믹스 히터(40)의 상면에는 히터의 온도를 측정하기 위한 칩 서미스터(48)가 배치되어 있으며, 상기 칩 서미스터(48)와 전극(52c, 52d)이 도선에 의해 접속되어 있다. 더욱이, 각 전극(52a 내지 52f)에는 납 핀(53)이 접속되어 있으며, 도 2에 도시하는 바와 같이, 각 납 핀(53)은 직각으로 구부러져, 패키지 기판(22)의 삽입 구멍에 꼽힌 상태에서 납땝된다. 이로써, 각 납 핀(53)은 패키지 기판(22)의 각 납 핀(23)과 전기적으로 접속된다. 또한, 상기한 바와 같이 단열 기판(50) 상에 전극(52a 내지 52f)을 형성함으로써, 세라믹스 히터(40)와 외부의 전극을 연결하는 긴 배선이 불필요해지기 때문에, 조립 및 실장이 용이해져, 비용의 저하를 도모할 수 있다.
또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 단열 기판(50)과 세라믹스 히터(40)는 수지(41)에 의해 접착되고, 세라믹스 히터(40)와 광 도파로 소자(2)도 수지(43)에 의해 접착되어 있다. 접합하는 수지(41)는 전자 부품의 접합에 사용되는 실리콘 수지, 에폭시 수지 등 무엇이든지 사용할 수 있지만, 접합 시의 변형을 방지하기 위해, 본 실시형태에서는 실리콘 수지를 사용하고 있다. 더구나, 상술한 바와 같이 세라믹스 히터(40)의 최상층에는 제 1 AlN 세라믹스층(44)이 설치되어 있지만, AlN은 열 팽창 계수가 광 도파로 소자(2)를 형성하는 유리나 Si에 가깝기 때문에, 열 팽창에 따라 광 도파로 소자(2)가 뒤집히는 것을 방지할 수 있다. 본 실시형태에서는 광 도파로 소자와 AlN의 접합에 있어서도 수지(43)를 사용하였지만, 수지(43)는 실리콘 수지이다. 수지(41) 및 수지(43)의 두께는 10㎛ 내지 0.2mm 정도이다.
또한, AlN의 수지 접합 강도가 다른 산화물계의 세라믹스 등과 비교하여 약한 것이 일반적으로 알려져 있다. 즉, 수지 접합 강도는 수지의 -OH기와 금속 표면의 -0기의 수소 결합 및 재료끼리의 앵커(anchor) 효과, 이 양자의 상호 작용에서 기인하는 것이다. 그러나, AlN은 표면이 질화물이기 때문에, 앵커 효과밖에 접합에 기여하지 않는다. 그 때문에, AlN 세라믹스의 표면 상태 등에 따라서는 수지와의 접합 강도가 악화할 가능성이 있다. 따라서, AlN의 수지 접합 강도의 신뢰성을 향상시키는 것이 바람직하다. AlN 세라믹스층과 수지의 접합 강도를 높이기 위해서는 앵커 효과를 강화하는 제 1 방법, 수지 강도를 높이는 층을 설치하는 제 2 방법의 2종류를 생각할 수 있다.
제 1 방법으로서, 충분한 앵커 효과를 얻기 위해 필요한 조건을 각종 검토한 결과, AlN의 수지와 접합하는 면의 표면 거칠기를 엄밀하게 제어함으로써 달성할 수 있는 것을 발견하였다. 즉, AlN 히터와 광 도파로 소자나 단열 기판 등을 갖는 패키지와 수지 접합하는 경우, 수지와 접합되는 세라믹스 히터(40)의 표면 거칠기를 Ra에서 0.05㎛ 이상, 10㎛ 이하, 바람직하게는 0.1㎛ 이상, 10㎛ 이하로 제어함으로써 충분한 접합 강도를 달성할 수 있는 것을 밝혀내었다. AlN 표면 거칠기가 0.05㎛보다 작아지면, AlN과 수지 사이에 충분한 앵커 효과를 얻을 수 없어, 신뢰성 시험 중이나 광 도파로 모듈 사용 중에 수지 접합면의 박리, 탈락 등의 문제가 생긴다. 또한, 실리콘 수지 등의 접착 강도가 높은 수지를 사용할 때는 상술한 AlN 표면 거칠기 0.05㎛ 이상이면 충분한 접합을 실현할 수 있지만, 기타 각종 수지 모두에서 충분한 접합을 실현하기 위해서는 AlN 표면 거칠기가 0.1㎛ 이상인 쪽이 바람직하다. 한편, AlN 표면 거칠기가 10㎛보다 커지면 AlN과 수지 사이에 기포 등이 유입하기 쉬워져, 충분한 앵커 효과를 얻을 수 없다. 나아가서는, 수지 접합층에 수지와 기포가 난잡하게 존재하게 되어, 온도 균일성을 크게 악화시킨다. 도포 시의 수지 점도가 10000cps 정도인 비교적 유동성이 높은 수지를 사용할 때는 상술한 AlN 표면 거칠기 10O㎛ 이하이면 기포가 말려들어가는 것을 방지할 수 있지만, 기타 수지의 경시 변화 등으로 점도가 상승하였을 때에 있어서도 기포가 말려들어가는 것을 방지하기 위해서는 AlN 표면 거칠기가 10㎛ 이하인 쪽이 바람직하다.
AlN 세라믹스층과 수지의 접합 강도를 높이기 위한 제 2 수법으로서, 수지 강도를 높이는 층을 얻기 위해 필요한 조건을 각종 검토한 결과, Al의 증착층 또는 실리카 유리를 주성분으로 한 층을 세라믹스 히터(40)의 수지 접착면에 도포하는 것이 가장 효과적인 것을 발견하였다.
수지 강도를 높이는 층은 수지와의 수소 결합을 높이도록 OH기나 -O기를 포함하는 층 또는 앵커 강도를 강화하는 층이 필요해진다. 수지와의 수소 결합을 높이는 층으로서는 산화물이나 금속을 생각할 수 있다.
이러한 산화물로서, 예를 들면 알루미나를 생각할 수 있다. 그러나, 알루미나 등의 세라믹스의 산화물은 층을 형성하기 위해 필요한 온도가 높아지기 때문에, 히터의 비용이 비약적으로 높아져버린다는 문제가 있다. 한편, 실리카 유리는 알루미나에 비하여 층의 형성 온도를 낮게 할 수 있기 때문에 비용을 낮게 억제할 수 있다. 더구나, 상술한 바와 같이 세라믹스 히터(40)의 발열 회로(42)의 보호막으로서 사용하는 것도 가능하기 때문에, 실리카 유리층을 형성할 경우는, 세라믹스 히터(40)의 수지 접합 강도 향상과 신뢰성 향상을 동시에 하나의 공정에서 할 수 있게 되어, 낮은 비용으로 특성이 뛰어난 AlN 세라믹스 히터를 제작할 수 있다.
또한, 세라믹스 히터(40) 표면에 형성하는 실리카 유리층의 두께로서는 상술한 발열 회로의 유리 코팅막과 마찬가지로, 1㎛ 이상 0.5mm 이하가 바람직하며, 나아가서는, 10㎛ 이상 O.1mm 이하로 하는 것이 적합하다. 실리카 유리층의 두께가 1㎛보다 작아지면, AlN 세라믹스를 균일하게 덮을 수 없고, 피막되어 있지 않은 부분이 생기기 때문에, 수지 강도를 충분히 높일 수 없다. 나아가서는, 동일 공정에서 히터의 보호층을 형성할 경우, 히터층의 단차가 존재하기 때문에, 단차를 피막하기 위해 층 두께를 10㎛ 이상으로 할 필요가 있다. 한편, 실리카 유리층의 두께가 500㎛보다 커지면, 유리 자체의 강도가 낮기 때문에, 수지 접합은 충분하지만, 신뢰성 시험 후에 유리 자체가 파괴되어버려, 사용할 수 없다. 이것으로부터 박막 두께는 사용 가능하지만, 10O㎛보다 두껍게 성막하기 위해서는 방대한 시간이 필요해져, 비용이 비약적으로 증대하여버리기 때문에, 보다 바람직하게는 층 두께를10O㎛ 이하로 할 필요가 있다.
실리카 유리층의 형성에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 수지 접합부나 히터부 등 한정된 부분에 형성할 필요가 있기 때문에, 스크린 인쇄 등을 사용하여 유리 페이스트를 인쇄한 후, 소성에 의해 소결하는 방법 등을 사용할 수 있다.
한편, 금속을 사용한 층의 형성에서는 Al, Ni, Au 등을 제외하는 금속에서는 금속이 산화하여버리기 때문에, 표면이 너덜해짐과 동시에 접합 강도를 유지할 수 없다. 한편, 금속의 보호막으로서 사용되는 Ni, Au는 표면의 OH기나 -O기가 적고, 특히 신뢰성 시험 후의 수지와의 접합 강도가 극히 약하다. 이에 대하여, Al은 표면이 항상 산화되기 때문에, 수지 강도가 비교적 강하여 바람직하다. 나아가서는, 자연 산화막 이상으로 고의로 산화시켜도 수지 강도는 강해지지 않고, 반대로 약해지는 것을 알았다. 더욱 검토를 진행시키면, Al의 성막 방법에 의해 수지 접합 강도가 크게 변하는 것이 판명되었다. 즉, 증착에 의해 형성한 Al막을 자연 산화 상태에서 사용함으로써, 수지 접합 강도가 극히 높은 AlN 세라믹스 히터를 제작할 수 있다.
증착에 의한 Al막의 수지 강도가 높은 원인을 조사하면, 마이크로적인 앵커 효과가 기여하고 있는 것을 밝혀내었다. 즉, 증착 등에 의해 Al막을 형성하면 다각 형상의 결정립이 생성된다. 결정립 사이에서는 1㎛ 이하의 미소한 단차가 존재하지만, 이 단차는 표면 거칠기 측정 시에는 검출할 수 없는 것이다. 이 결정 입자 직경과 그에 따르는 결정간의 단차가 충분한 앵커 효과를 만들어 내는 것이다.즉, 결정 입자 직경을 O.1㎛ 이상 10㎛ 이하로 제어함으로써, 충분한 앵커 효과를 만들어 낼 수 있다. 결정 입자 직경이 O.1㎛보다 작아지면 접합에 사용하는 수지가 결정 사이에 충분히 들어갈 수 없어 빈 구멍이 생기기 쉽다. 이 빈 구멍이 기점이 되어 접합 파괴가 생기기 쉽다. 10㎛보다 결정 입자 직경이 커지면 수지는 결정 사이에 들어갈 수 있지만, 단위 면적당 앵커 효과에 기여하는 입자가 적어지게 되기 때문에, 충분한 접합 강도를 얻을 수 없다.
상술한 바와 같이 충분한 앵커 효과가 얻어지는 구조에 있어서는 특별히 산화막을 형성할 필요는 없다. 즉, 자연 산화막 두께인 10×10-10m 이상 800×10-10m 이하가 바람직하다. 자연 산화막이 없는 상태이면 수지와의 사이에 수소 결합이 생기지 않기 때문에 충분한 접합 강도를 유지할 수 없다. 또한, 800×10-10m를 넘는 두께의 산화막을 형성하면, 수지와 산화막 사이의 접합 강도는 문제없지만, 금속의 산화막은 약하기 때문에 산화막과 모재 금속 사이의 접합 강도를 유지할 수 없다.
또한, 형성하는 Al막 두께로서는 1㎛ 이상 100㎛ 이하가 바람직하다. Al막 두께가 1㎛보다 얇으면, 앵커 효과를 만들어내는 데 충분한 구조를 형성할 수 없다. 한편, 10O㎛보다 두꺼우면, 막 내에서의 파괴가 생기기 쉬워지기 때문에 바람직하지 못하다. 또한, 20㎛보다 두꺼워지면 막 형성의 비용, 시간이 막대해지기 때문에 경제적으로 문제가 있다. 따라서, Al막의 두께는 보다 바람직하게는 1㎛ 이상 20㎛ 이하이다.
형성하는 Al막으로서는 Al, Al 합금 중 어느 것이어도 된다. 단, Al 합금은막 형성 시에 조성의 제어가 곤란한 것, 모재와의 밀착성에 격차가 생기기 쉽기 때문에, 순도 99.9Wt% 이상이 바람직하다. 더욱이, 99.99Wt% 이상의 Al막으로 하면, 모재와의 밀착도 격차가 생기지 않기 때문에 적합하다. 또한, Al 증착은 비교적 간단하게 여러 재료로 증착막을 실시할 수 있기 때문에, 광 도파로 모듈에 있어서 수지 접합하는 다른 부재에 적용하여도 수지 접합 강도가 대폭 향상할 수 있기 때문에, 다른 부재에도 가능한 한 Al 증착을 실시하는 것이 바람직하다. 증착을 실시할지의 여부는 Al은 금속이기 때문에, 절연성이 필요한지의 여부 판단, 또한, 증착을 실시함에 의한 비용의 상승을 생각하여 결정하면 된다.
다음으로, 도 1 및 도 2를 참조하여, 광 도파로 모듈(1)의 케이스(20)에 대해서 설명한다. 케이스(20)의 커버(24)가 대향하는 이면에는 광 파이버(4, 4)를 삽입 통과시키기 위한 삽입 통과구(24a, 24b)(도 1 참조)가 형성되어 있다. 패키지 기판(22)은 상기 납 핀(23)이 납땜되는 평판(22a)과, 평판(22a)의 양 하단에 접착된 지지판(22b, 22b)을 갖고 있다. 이렇게 지지판(22b)을 설치함으로써, 광 도파로 모듈(1)을 시스템용 보드 등에 실장할 때에, 납 핀(8)에 과다한 부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다. 또한, 커버(24)와 패키지 기판(22)은 수지로써 접착된다.
더욱이, 케이스(20)의 커버(24) 및 패키지 기판(22)은 구리 텅스텐을 주성분으로 하여 형성되어 있다. 이 때문에, 케이스(20)에 있어서의 온도 균일성이 높아, 광 도파로 소자(2)의 온도 균일성을 향상시킬 수 있다. 더구나, 케이스(20)를 코발트, 철, 니켈, 알루미나 또는 질화 알루미늄을 주성분으로 하여 형성하여도,동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 열 시뮬레이션을 행한 결과, 광 도파로 소자(2)의 온도 균일성을 향상시키기 위해서는 케이스(20)의 열 전도율은 10W/mK 이상인 것이 바람직하다는 것이 판명되었다.
또한, 케이스(20)를 수지 또는 실리카 유리를 주성분으로 하여 형성한 경우는 이들 재료는 단열성이 높기 때문에, 케이스(20) 내의 열이 외부에 방출되는 것을 억제할 수 있으며, 광 도파로 소자(2)의 온도 저하를 방지할 수 있다. 케이스(20)를 형성하는 수지로서는 예를 들면, ABS 수지, 폴리옥시메틸렌 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 스티렌 수지, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 유리아 수지, 멜라민 수지, 실리콘 수지, 불소 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리·페닐렌·설파이드 수지 등을 사용할 수 있다. 이러한 수지의 열 전도율에 관해서는 열 시뮬레이션을 행한 결과, 광 도파로 소자(2)의 온도 균일성을 향상시키기 위해서는 1W/mK 이하인 것이 바람직하다는 것을 알았다. 더욱이, 이들 수지의 강도를 향상시키기 위해, 유리 파이버 등을 혼입시켜도 된다. 이 경우는 이들 재료는 단열성이 높기 때문에, 케이스 내의 열이 외부에 방출되는 것을 억제할 수 있고, 광 도파로 소자(2)의 온도 저하를 방지할 수 있다. 또한, 이들 온도 균일성을 향상시키는 케이스 재료와 단열성을 향상시키는 케이스 재료를 다층으로 하거나, 조합하여 사용하여도 된다.
또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 히터 모듈(30)의 주위(패키지 기판(22)과 단열 기판(50) 사이)에는 열 전도율이 0.5W/mk 이하인 단열층(27)이 설치되어 있다. 본 실시형태에서는 단열층(27)은 공기층이며, 그 두께는 1mm로 하고 있다.이렇게 단열층(27)을 설치함으로써, 광 도파로 소자(2)로 효율적으로 열을 전달할 수 있다. 나아가서는, 케이스(20)의 커버(24) 내면에는 광 도파로 소자(2)의 열이 케이스(20) 밖으로 방출되는 것을 억제하기 위해, 공기층에 의한 단열층이 설치되어 있다.
더구나, 공기층으로서의 단열층(27)의 두께는 0.01mm 이상, 5mm 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다. 높은 온도 균일성을 얻기 위해서는, 공기층에 있어서의 열 대류를 생기게 하지 않는 것이 중요하다. 그 조건을 열 유체 시뮬레이션 및 실험에 의해 검토한 결과, 공기층의 두께를 5mm 이하로 하면, 열 대류를 대폭 방지할 수 있어, 세라믹스 히터(40)의 높은 온도 균일성을 확보할 수 있는 것을 밝혀낸 것이다. 한편, 공기층의 두께는 얇으면 얇을수록 대류는 생기기 어렵지만, 두께가 O.O1mm보다 작아지면, 히터의 발열에 의해 생긴 히터 모듈이나 광 도파로 모듈의 왜곡에 의해, 단열 기판(50)과 패키지 기판(22)이 접촉하여버려, 공기층이 일부 감소하기 때문에, 높은 온도 균일성을 얻을 수 없다.
여기서, 히터 모듈(30) 및 광 도파로 모듈(1)의 두께(두께의 저감)에 대해서 상세 설명한다.
세라믹스 히터(40)와 광 도파로 소자(2)를 접합할 때에, 세라믹스 히터와 광 도파로 소자의 열 팽창율의 차이가 3×10-6내지 5×10-6/℃ 이상인 경우, 광 도파로 소자에 과다한 열 응력이 작용하여, 파장 선택제나 스위칭 특성에 지장을 초래할 우려가 있다. 종래 사용하여 온 알루미나 히터는 열 팽창율이 7×10-6/℃이며, 더욱이, 열 전도율이 20W/mK로 낮기 때문에, 균열판이 불가결하였다. 이러한 균열판의 두께는 일반적으로 3mm 정도 있기 때문에, 광 도파로 모듈 두께를 얇게 할 수 없었다. 또한, 광 도파로 소자에 작용하는 응력을 저감하기 위해, 균열판과 광 도파로 소자간을 접합 후도 유동체인 오일 콤파운드나 그리스로 채워, 끝 부분의 여러 점만을 수지로 고정하는 방법 등도 검토되고 있지만, 여러 점에서 수지 고정할 때에 발생하는 열 응력이라도 광 도파로 소자에 있어서는 문제가 되는 경우가 있어, 범용적으로 사용할 수 있는 수법이 아니라, 나아가서는, 균열판을 없애는 것은 불가능하기 때문에, 광 도파로 모듈의 두께를 줄일 수는 없었다.
한편, 본 실시형태의 세라믹스 히터(40)의 AlN은 열 전도율이 170W/mK이기 때문에 균열판을 사용할 필요가 없어, 광 도파로 모듈의 두께를 대폭 줄일 수 있다.
더욱이, 상기한 바와 같이 광 도파로 소자(2)와 세라믹스 히터(40)는 수지(43)에 의해 접착되어 있지만, 이 수지(43)는 접합 후의 형태가 고체의 접착제이다. 이 때문에, 수지 두께에 격차가 생기는 일도 없고, 광 도파로 모듈의 동작 중에 수지가 유동하는 일도 없다. 또한, 광 도파로 소자(2)와 세라믹스 히터(40)의 접합에 사용하는 수지는 금속 혹은 세라믹스 등의 필터를 함유한 열 전도율이 0.5W/mK 정도 이상인 고 열 전도율 수지가 바람직하다. 광 도파로 소자(2)는 세라믹스 히터(40)에 의해 균일하게 가열되어 있지만, 열 전도율이 0.5W/mK보다 낮은 수지를 사용하면, 광 도파로 소자(2)의 온도 균일성이 악화될 우려가 있다.
또한, 수지(43) 대신 상술한 접합 후도 유동체인 오일 콤파운드나 그리스를광 도파로 소자(2)와 세라믹스 히터(40) 사이에 채워, 끝 부분의 여러 점만을 수지로 고정하는 방법에 대해서도, 광 도파로 소자(2)와 세라믹스 히터(40)의 열 팽창율의 차이가 작기 때문에 광 도파로 소자(2)에 응력을 주는 일은 없기 때문에, 사용하는 것은 가능하다. 단, 이 방법을 채용할 경우, 오일 콤파운드나 그리스의 두께 관리를 엄밀하게 행하여야만 한다.
또한, 수지(43)의 두께는 10㎛ 이상 500㎛ 이하인 것이 바람직하다. 접합 수지는 다른 구성 재료에 비하여 영(young)율이 1자리수 이상 작기 때문에, 접합 시에 생기는 열 응력을 흡수하는 기능이 있다. 그러나, 수지(43)의 두께가 10㎛보다 작아지면, 응력 흡수 작용이 충분히는 발휘 못하고, 광 도파로 소자(2)로 작용하는 응력이 커지기 때문에 바람직하지 못하다. 한편, 수지(43)는 열 전도율이 AlN 등에 비하여 낮기 때문에, 두께가 커지면 온도 균일성이 악화한다. 수지(43)의 두께가 500㎛보다 커지면, 온도 균일성이 악화하여 바람직하지 못하다.
더욱이, 세라믹스 히터(40) 및 광 도파로 모듈(1)의 소비 전력에 대해서는 종래의 알루미나 히터를 사용한 경우와 비교하여, 본 실시형태에서는 알루미나 히터를 사용할 경우에 필수인 Cu 합금제 등의 균열판을 가열할 필요가 없기 때문에, 대폭 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태의 광 도파로 모듈(1)에 있어서, 다음과 같은 안전 설계를 실시할 수 있다. 즉, 발열 회로(42)의 일부를 주석과 납의 합금으로 형성하거나 발열 회로(42)와 외부 전원에 접속된 단자를 주석과 납의 합금으로 형성된 배선에 의해 접속함으로써, 발열 회로(42)의 온도가 그 합금의 융점 이상이 되면 자동적으로 단선되어, 발열 회로(42)에 전류가 흐르지 않게 된다. 이러한 설계를 함으로써, 히터 모듈의 동작 불량에 의해 온도가 상승함으로써, 히터 모듈이 파괴, 발화 등 하는 사태를 방지할 수 있다.
예를 들면, 주석 40Wt%, 납 60Wt%의 합금을 사용하면, 약 200℃로 단선하게 되어, 접합 수지나 케이스 등의 수지가 파괴되는 일은 없다. 또한, 주석과 납의 합금 대신 다른 저융점 합금을 사용하여도 된다.
이상과 같은 광 도파로 모듈(1)의 특성을 조사한 바, 이하와 같은 결과가 얻어졌다. 온도 균일성에 대해서는 환경 온도를 0℃, 세라믹스 히터(40)의 온도를 80℃로 하여 서모 뷰어(thermal viewer)로 관찰한 바, 광 도파로 소자(2) 내부의 온도 분포가 ±0.4℃ 이하로 억제되고 있는 것이 판명되었다. 또한, 온도 제어성을 측정하기 위해, 다음과 같은 실험을 행하였다. 즉, 광 도파로 모듈을 항온조에 투입하여, 항온조의 온도를 -40℃에서 1시간 유지, 1시간에서 70℃까지 승온, 70℃에서 1시간 유지, 1시간에서 -40℃까지 강온으로 변화시켰다. 그 때의 광 도파로 소자 상의 온도를 측정하여, 최대 온도와 최소 온도의 차이를 온도 제어성의 판단 지표로 하였다. 그 결과, 본 실시형태에서는 광 도파로 소자는 ±0.7℃ 이하의 온도 변화밖에 도시되지 않으며, 바깥 온도의 영향을 받기 어려운 것이 판명되었다. 또한, 세라믹스 히터(40) 및 광 도파로 소자(2)의 휘어짐이 적고, 광 도파로 특성에 이방성은 관측되지 않으며, 로스의 증대나 스위칭 특성, 복굴절에 의한 편파 의존 등의 문제는 생기지 않았다. 더욱이, 케이스 내의 단열성이 향상하고 있지 때문에, 종래와 같이 펠티에 소자를 사용할 경우에 소비 전력이 5W 필요하던 데 대하여, 본 실시형태에서는 소비 전력을 4W 이하로 억제할 수 있었다.
[제 2 실시형태]
다음으로, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 광 도파로 모듈의 제 2 실시형태를 설명한다. 본 실시형태가 제 1 실시형태와 다른 것은 주로 단열 기판(50)의 구조에 있다. 이하, 제 1 실시형태와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 단열 기판(50)에는 세라믹스 히터(40)를 지지하기 위한 3개의 돌기부(62)가 형성되어 있다. 각 돌기부(62)의 상면에는 수지가 도포되며, 이로써 세라믹스 히터(40)와의 접착이 도모되고 있다. 이렇게, 본 실시형태에서는 세라믹스 히터(40)는 단열 기판(50)과 전면적으로 접촉하고 있는 것이 아니라 부분적으로 접촉하고 있기 때문에, 세라믹스 히터(40)에 휘어짐이 발생하기 어려워짐과 동시에, 단열 기판(50)과 세라믹스 히터(40)를 접착시키기 위한 수지가 세라믹스 히터(40)로부터 벗겨진다는 사태를 방지할 수 있다. 더구나, 본 실시형태와 같이 모든 돌기부(62)에 접착용 수지를 도포하는 것이 아니라, 하나의 돌기부(62)에만 수지를 도포하여도 된다. 예를 들면 중앙의 돌기부(62)에만 수지를 도포한 경우는 세라믹스 히터(40)의 양단부는 자유롭게 신축할 수 있기 때문에, 세라믹스 히터(40)의 휘어짐을 한층 더 저감할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 각 돌기부(62)의 주위, 바꾸어 말하면 세라믹스 히터(40)의 바닥면과 이에 대향하는 단열 기판(50) 면과의 사이에 공기층(64)이 형성되어 있다. 이 때문에, 이 공기층(64)이 단열층으로서 작용하여, 세라믹스 히터(40)로부터의 열이 단열 기판(50) 측으로부터 방출되는 사태를 억제할 수 있다. 본 실시형태에서는 공기층의 두께를 0.2mm로 하고 있다.
또한, 공기층의 두께는 0.01mm 이상, 5mm 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다. 높은 온도 균일성을 얻기 위해서는 공기층에 있어서의 열 대류를 생기게 하지 않는 것이 중요하다. 그 조건을 열 유체 시뮬레이션 및 실험에 의해 검토한 결과, 공기층의 두께를 5mm 이하로 하면, 열 대류를 대폭 막을 수 있어, 세라믹스 히터(40)의 높은 온도 균일성을 확보할 수 있는 것을 밝혀낸 것이다. 한편, 공기층의 두께는 얇으면 얇을수록 대류는 생기기 어렵지만, 두께가 0.O1mm보다 작아지면, 히터의 발열에 의해 생긴 히터 모듈이나 광 도파로 모듈의 왜곡에 의해, 세라믹스 히터와 그것을 지지하는 단열 기판 등이 접촉하여버려, 공기층이 일부 감소하기 때문에, 높은 온도 균일성을 얻을 수 없다.
또한, 도 7에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태에서는 세라믹스 히터(40)를 단열 기판(50) 측으로 가압하기 위한 가압부(가압 수단)(70)가 설치되어 있다. 가압부(70)는 세라믹스 히터(40)의 상면에 올려놓아지는 가압판(72)과, 상기 가압판(72)을 단열 기판(50)에 나사 고정하기 위한 비스(74)로 구성되어 있다. 비스(74)를 강하게 조임으로써, 세라믹스 히터(40)는 단열 기판(50)으로 가압된다. 이러한 가압부(70)에 의해 세라믹스 히터(40)를 단열 기판 측으로 가압함으로써, 진동 피로 시험, 저하 속도 시험, 내습성 시험으로 양호한 결과를 얻을 수 있었다. 더구나, 동일 도면에 도시하는 바와 같이, 단열 기판(50)에는 복수의 스루 홀(55)이 형성되어 있으며, 이 스루 홀(55)과 세라믹스 히터(40)의 발열 회로(42)는 도선으로써 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 도 6에 도시하는 바와 같이, 패키지기판에 삽입 통과된 납 핀(23)이 스루 홀(55)에 삽입 통과된다.
도 8은 본 실시형태의 세라믹스 히터(40)의 단면도이다. 동일 도면에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 세라믹스 히터(40)는 은 팔라듐제의 발열 회로(42)와, 이 위에 적층된 AlN 세라믹스층(44)과, 발열 회로(42)의 하면에 설치된 실리카 유리를 주성분으로 한 코팅막(45)을 구비하고 있다. 이렇게 코팅막(45)을 세라믹스 히터(40)의 표면에 형성함으로써, 세라믹스 히터(40)의 내습성을 향상시킬 수 있다. 또한, 세라믹스 히터(40)와 단열 기판(50)을 수지에 의해 접착시킴에 있어서, 수지의 세라믹스 히터(40)의 접착성을 향상시킬 수 있다.
[제 3 실시형태]
다음으로, 도 9를 참조하여, 본 발명의 광 도파로 모듈의 제 3 실시형태를 설명한다. 본 실시형태가 제 1 실시형태와 다른 것은 케이스(20)의 구조에 있다. 동일 도면에 도시하는 바와 같이, 케이스(20) 커버(24)의 내부에는 광 도파로 소자(2)와의 대향면(24r)으로부터 광 도파로 소자(2)를 향하여 연장되는 칸막이 벽(29)이 4장 설치되어 있다. 또한, 칸막이 벽(29)의 높이는 커버(24)를 패키지 기판(22)에 씌운 상태에 있어서 칸막이 벽(29)의 하단이 광 도파로 소자(2)에 접촉하지 않을 정도로 되어 있다. 이러한 칸막이 벽(29)을 설치함으로써, 케이스(20) 내의 대류의 궤도, 바꾸어 말하면 광 도파로 소자(2) 상의 대류의 궤도를 작게 할 수 있어, 광 도파로 소자(2)의 온도 균일성을 향상시킬 수 있다.
[제 4 실시형태]
다음으로, 도 10을 참조하여, 본 발명의 광 도파로 모듈의 제 4 실시형태를설명한다. 본 실시형태가 제 1 실시형태와 다른 것은 칩 서미스터(48)의 설치 방법 및 케이스(20) 및 커버(24)의 구조에 있다.
우선, 칩 서미스터(48)의 설치 방법에 대해서 상술한다. 도 10에 도시하는 바와 같이 본 실시형태에서는 세라믹스 히터(40)의 온도를 검출하는 서미스터(온도 검출 소자)(48)가 세라믹스 히터(40)의 바닥면, 즉 광 도파로 소자(2)가 올려놓아지는 측의 면과 반대면에 장착되어 있다. 이 때문에, 세라믹스 히터(40)의 상면에 서미스터(48)를 올려놓기 위한 영역을 확보할 필요가 없어진다. 이로써, 세라믹스 히터(40)의 면적을 제 1 실시형태보다 작게 할 수 있어, 히터 모듈(30)의 소형화를 도모할 수 있다. 또한, 발열 회로(42)도 작게 할 수 있기 때문에, 소비 전력의 저하를 도모할 수 있다. 제 1 실시형태에서는 세라믹스 히터 치수가 40mm×20mm×1mm, 히터 모듈 치수가 60mm×30mm×1mm, 히터 소비 전력이 환경 온도 0℃, 히터 제어 온도 80℃에서 4W이던 데 대하여, 본 실시형태에서는 히터 치수를 40mm×12mm×1mm, 히터 모듈 치수를 60mm×20mm×1mm로 소형화할 수 있어, 소비 전력도 3.5W로 저감시킬 수 있다. 더욱이, 단열 기판(50)에는 절결부(76)가 형성되어 있으며, 상기 절결부(76)에는 서미스터(48)에 접속되는 전극 패드(78)가 배치되어 있다.
더구나, 종래 사용하였던 알루미나 히터의 경우, 알루미나의 열 전도율이 낮기 때문에 히터의 광 도파로 소자를 올려놓는 면과 이 반대면과의 온도차가 컸기 때문에, 반대면에서 광 도파로 소자의 온도를 정확히 계측할 수는 없었다. 이에 대하여, AlN 히터를 사용하면 광 도파로 소자가 올려놓아지는 면과 반대면에서도광 도파로 소자(2)의 온도를 정확히 예상할 수 있는 것이 가능해지는 것을 열 시뮬레이션으로 밝혀내었다.
도 11은 이 절결부(76)의 근방을 도시하는 확대 사시도이다. 도 10 및 도 11에 도시하는 바와 같이, 단열 기판(50)은 상층(52)과 하층(54)을 갖고 있으며, 상층(52)의 바닥면에 상기 전극 패드(72)가 형성되어 있다. 보다 상세하게는 상층(52)에 관통 구멍(52h)이 형성되고, 하층(54)에는 상층(52)의 바닥면의 일부가 노출하도록 관통 구멍(54h)이 형성되어 있다. 그리고, 이 상층(52) 바닥면의 노출부에 전극 패드(78)의 적어도 일부가 위치하도록 구성되어 있다.
또한, 세라믹스 히터(40)의 바닥면에는 전극 패드(80)가 형성되어 있으며, 와이어(73)에 의해 서미스터(48)와 전극 패드(80)가 접속되고, 와이어(75)에 의해 전극 패드(80)와 전극 패드(78)가 접속되어 있다. 여기서, 본 실시형태에서는 와이어(75)를 절결부(76) 즉 관통 구멍(52h) 및 관통 구멍(54h)을 통해 전극 패드(78)에 접속할 수 있기 때문에, 와이어(75)를 단열 기판(50)의 주위를 통과시키는 경우와 비교하여, 배선의 간략화를 도모할 수 있다.
또한, 서미스터(48)와 이것에 전력을 공급하는 외부 전극을 연결하는 배선이 전극 패드(80)에 있어서 세라믹스 히터(40)에 접하여 세라믹스 히터(40)와 거의 같은 온도로 되어 있기 때문에, 세라믹스 히터(40)의 온도를 측정하는 데 대응하여 환경 온도의 영향을 받기 어려워져, 적절한 온도 측정을 행할 수 있다.
또한, 전극 패드(78)는 도 10에 도시하는 납 핀(23)에 접속되어 있으며, 이로써 서미스터(48)와 외부 기기와의 도통이 도모되고 있다. 이러한 서미스터의 전극 구조로 함으로써, 서미스터 전극의 온도 저하를 막을 수 있다. 이 처치를 행하고 있지 않은 제 1 실시형태에 비하여, 환경 온도를 -40℃ 내지 70℃로 한 경우의 온도 제어성에 대해서 측정하면, 세라믹스 히터(40)의 온도가 ±0.5℃ 이하로 제 1 실시형태에 있어서의 ±0.7℃에 비하여, 바깥 온도의 영향을 받기 어려운 것이 판명되었다.
다음으로, 도 10을 참조하여, 광 도파로 모듈(1)의 케이스(20)에 대해서 설명한다. 케이스(20)의 커버(24)가 대향하는 이면에는 광 파이버(4, 4)를 삽입 통과시키기 위한 삽입 통과구(24a, 24b)가 형성되어 있다. 또한, 커버(24)에는 그 내벽면으로부터 소정의 간격을 두고 2장의 시트(82, 84)가 설치되어 있다. 각 시트(82, 84)는 커버(24)의 내벽면에 형성된 돌기(24c)에 접착제에 의해 고정되어 있다. 상세하게는 상단의 시트(82)는 중앙의 돌기(24c)에 고정되고, 하단의 시트(84)는 양단의 돌기(24c)에 접속되어 있다. 한편, 패키지 기판(22)에도, 그 상면으로부터 소정의 간격을 두고 2장의 시트(86, 88)가 뻗어 있다. 각 시트(86, 88)의 외주부는 지지 부재(89)에 의해 지지되어 있다.
이렇게, 케이스(20)의 내벽면으로부터 소정의 간격을 두고 시트(82, 84, 86, 88)를 장착하면, 케이스(20)의 내벽면과 각 시트(82, 84, 86, 88) 사이에 있어서, 대류의 궤도를 작게 할 수 있음과 동시에, 공기층이 형성되어, 이 공기층이 단열층으로서 작용하게 된다. 이 때문에, 세라믹스 히터(40)의 열이 외부에 방출되기 어려워져, 가열 대상물인 광 도파로 소자(2)가 가열되기 쉬워진다. 또한, 시트의 매수는 2장에 한정되지 않고, 1장이어도 되고, 3장 이상으로 하여도 된다.
또한, 상기 제 1 실시형태 내지 제 4 실시형태에서는 석영제의 광 도파로 소자(2)를 사용하였지만, 이 대신 Si 기판 상에 작성한 실리카를 사용한 소자 및 LiNbO3제 소자를 사용하여도 된다. 이 경우도, 각 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
[제 5 실시형태]
다음으로, 도 12를 참조하여 본 발명의 광 도파로 모듈의 제 5 실시형태를 설명한다. 본 실시형태가 제 1 실시형태와 다른 것은 광 도파로 소자(2)와 세라믹스 히터(40) 사이에 열 팽창율 매칭을 위한 매칭 판(92)을 삽입한 구조에 있다. 매칭 판(92)으로서는 실온에 있어서의 광 도파로 소자(2)와의 열 팽창율의 차이가 3×10-6/℃ 이하인 것을 사용한다.
본 실시형태에 있어서는 석영제(열 팽창율 O.5×10-6/℃)의 광 도파로 소자(2)를 사용하고 있기 때문에, 열 팽창율 2.0×10-6/℃의 Fe-Ni 합금을 매칭 판(92)에 사용하고 있다. 더구나, 매칭 판(92)의 치수는 40mm×20mm×0.5mm이다.
이러한 매칭 판(92)을 설치함으로써, 광 도파로 소자(2)에 작용하는 응력을 작게 할 수 있다. 그래서, 광 도파로 소자(2)에 작용하는 응력을 측정하기 위해, 광 도파로 소자(2)의 중앙 상부(삽입판과의 접합면과는 반대면)에 왜곡 게이지를 설치, 제 1 실시형태와 본 실시형태에 있어서의 광 도파로 소자(2)에 작용하는 응력차를 측정하였다. 그 결과, 제 1 실시형태에 비하여, 본 실시형태에서는 광 도파로 소자(2)에 작용하는 열 응력을 1/3로 할 수 있는 것을 알았다. 제 1 실시형태에서도 광 도파로 모듈로서 충분 사용 가능하지만, 금후, 광 도파로 모듈에는 더욱 엄격한 요구가 요구되는 것을 생각하면, 본 실시형태에 있어서의 열 응력의 저하 효과는 대단히 이점을 갖는 것이라 생각할 수 있다.
또한, 광 도파로 소자(2)를 Si 기판 상에 작성한 실리카를 사용한 소자(열 팽창율 1.3×10-6/℃)로 변경하여 동일한 실험을 행하였지만, 석영의 경우와 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
또한, 본 실시형태에 있어서, 광 도파로 소자(2)를 LiNbO3(열 팽창율15×10-6/℃), 삽입판(92)을 Cu 합금(열 팽창율 16×10-6/℃)으로 각각 변경하여 동일한 실험을 행한 바, 거의 동일한 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
[제 6 실시형태]
다음으로, 도 13에 도시하는 사시도 및 도 14에 도시하는 측면도를 참조하여, 본 발명의 광 도파로 모듈의 제 6 실시형태를 설명한다. 본 실시형태의 석영제의 광 도파로 소자(2)는 제 1 실시형태의 것과 비교하여 치수가 크고, 세로 30mm×가로 30mm×높이 1mm로 되어 있다. 이에 따라, 광 도파로 모듈의 각 치수도 다르다. 세라믹스 히터(40)의 치수는 40mm×25mm×1mm이고, 히터 모듈(30)의 치수는 50mm×40mm×2mm, 패키지 전체의 치수는 100mm×60mm×10mm이다.
또한, 광 도파로 소자(2)의 치수가 커진 것에 따라, 서미스터(48)를 세라믹스 히터(40)의 상부, 즉 광 도파로 소자(2)와의 접합면에 올려 놓을수 있는 공간 확보가 곤란해졌기 때문에, 세라믹스 히터(40)의 하부, 즉 광 도파로 소자(2)와의 접합면과는 반대면에 서미스터(48)를 올려 놓았다. 또한, 광 도파로 소자(2)와 광 파이버(4)의 접속은 파이버 어레이(96)를 통해 행하였다. 더욱이, 단열 기판(50)과 패키지 기판(22)에는 단열층인 공기층(27)이 형성되어 있지만, 공기층(27)이 형성되어도 구조적으로 안정되도록 스페이서(94)를 통해 패키지 기판(22) 상에 단열 기판(50)을 고정시켰다.
이상과 같은 광 도파로 모듈(1)의 특성을 조사한 바, 이하와 같은 결과가 얻어졌다. 온도 균일성에 대해서는 환경 온도를 0℃, 세라믹스 히터(40)의 온도를 80℃로 하여 서모 뷰어로 관찰한 바, 광 도파로 소자(2)의 내부의 온도 분포가 ±0.4℃ 이하로 억제되고 있는 것이 판명되었다. 또한, 온도 제어성에 대해서는 환경 온도를 -40℃ 내지 70℃의 범위에서 변화시켜도 세라믹스 히터(40)는 ±0.5℃ 이하의 온도 변화밖에 도시하지 않아, 바깥 온도의 영향을 받기 어려운 것이 판명되었다. 또한, 세라믹스 히터(40) 및 광 도파로 소자(2)의 휘어짐이 적고, 광 도파로 특성에 이방성은 관측되지 않아, 로스의 증대나 스위칭 특성, 복굴절에 의한 편파 의존 등의 문제는 생기지 않았다. 더욱이, 케이스 내의 단열성이 향상하고 있기 때문에, 본 실시형태에서도 소비 전력을 4W 이하로 억제할 수 있었다.
또한, 본 실시형태에서는 커버(24)가 일체인 것으로 되어 있으며, 단열 기판(22)과 접합되도록 되어 있다. 그러나, 이 형태에서는 광 화이버(4)의 설치가 곤란해지는 경우가 있다. 그 때는 커버(24)를 각진 통형의 측벽부(24x)와천판부(24y)로 분할하여, 일단 패키지 기판(22)과 측벽부(24x)를 접합한 단계에서 광 도파로 소자(2)나 광 파이버(4) 설치를 행하고, 그 후, 천판부(24y)를 접합 또는 나사 정지하는 형태로 하여도 된다.
[제 7 실시형태]
다음으로, 도 15에 도시하는 사시도 및 도 16에 도시하는 측면도를 참조하여, 본 발명의 광 도파로 모듈의 제 7 실시형태를 설명한다. 본 실시형태가 제 6 실시형태와 다른 것은 세라믹스 히터(40)의 치수에 있다. 광 도파로 소자(2)의 특성을 상세하게 조사하면, 온도 균일성이 필요한 영역이 광 도파로 소자(2) 전체가 아니라, 세라믹스 히터 주변으로 한정되고 있는 것이 판명되었다. 구체적으로는 세라믹스 히터 주변의 약 10mm×10mm의 범위로 한정되고 있는 것을 알았다. 그 때문에, 본 실시형태에서는 세라믹스 히터(40)의 광 도파로 소자(2)가 올려놓아지는 면(40a)은 이 면(40a)과 대향하는 광 도파로 소자(2) 면보다도 면적을 좁게 하고 있다. 이렇게 세라믹스 히터(40)의 가열면을 광 도파로 소자(2)보다도 작게 함으로써, 소비 전력을 더욱 저감시킬 수 있다. 구체적으로는 열 시뮬레이션을 이용한 설계에 의해, 세라믹스 히터(40)의 치수를 15mm×15mm×1mm로 하였다.
이상과 같은 광 도파로 모듈(1)의 특성을 조사한 바, 이하와 같은 결과가 얻어졌다. 온도 균일성에 대해서는 환경 온도를 0℃, 세라믹스 히터(40)의 온도를 80℃로 하여 서모 뷰어로 관찰한 바, 광 도파로 소자(2) 내부의 온도 균일성이 필요한 10mm×10mm의 영역에서 온도 분포가 ±0.4℃ 이하로 억제되고 있는 것이 판명되었다. 또한, 온도 제어성에 대해서는 환경 온도를 -40℃ 내지 70℃의 범위에서변화시켜도 세라믹스 히터(40)는 ±0.5℃ 이하의 온도 변화밖에 도시하지 않아, 바깥 온도의 영향을 받기 어려운 것이 판명되었다. 세라믹스 히터(40)의 치수를 소형화하였기 때문에, 본 실시형태에서는 제 6 실시형태의 소비 전력 4W에 비하여, 소비 전력을 2W 이하로 억제할 수 있었다.
[제 8 실시형태]
다음으로, 도 17에 도시하는 사시도 및 도 18에 도시하는 측면도를 참조하여 본 발명의 광 도파로 모듈의 제 8 실시형태를 설명한다. 본 실시형태가 제 8 실시형태와 다른 것은 세라믹스 히터(40)를 둘러싸도록 배치된 매칭 판(92)(도 18에 있어서는 단면을 도시한다)에 있다. 매칭 판(92)으로서는 실온에 있어서의 광 도파로 소자(2)와의 열 팽창율의 차이가 3×10-6/℃ 이하인 것을 사용한다.
본 실시형태에 있어서는 석영제(열 팽창율 O.5×10-6/℃)의 광 도파로 소자(2)를 사용하고 있기 때문에, 열 팽창율 2.0×10-6/℃의 Fe-Ni 합금을 매칭 판(92)에 사용하고 있다. 매칭 판(92)의 치수는 제 6 실시형태에서 사용한 세라믹스 히터(40)와 동일한 치수인 40mm×25mm×1mm로 하고 있다. 또한, 중앙에 15mm×15mm×1mm인 세라믹스 히터(40)가 들어가도록 구멍 뚫기 가공에 의해 15.5mm×15.5mm인 중공부를 형성하고 있다.
이렇게, 세라믹스 히터(40)를 둘러싸는 매칭 판(92)을 설치함으로써, 세라믹스 히터(40)가 광 도파로 소자(2)보다 작은 경우라도 광 도파로 소자(2)를 세라믹스 히터(40) 상에 확실하게 고정시킬 수 있다. 더구나, 일반적으로 이 매칭판(92)의 치수는 광 도파로 소자(2)를 확실하게 고정하기 위해, 적어도 한 변의 길이가 광 도파로 소자(2)보다 1mm 내지 10mm 정도 크게 하는 것이 바람직하다. 매칭 판(92)의 재질은 광 도파로 소자(2)에 의해 열 팽창율이 매칭하도록 선택할 필요가 있어, 균열판의 재질에서도 서술한 바와 같이 Fe-Ni 합금이나 Cu 합금 등을 선택할 수 있다. 또한, 매칭 판(92)의 두께는 세라믹스 히터(40)를 매칭 판(92)에 끼워 넣었을 때에, 양자의 상면이 거의 일정한 높이에 위치할 정도로 하면 된다. 더욱이, 이렇게 매칭 판(92)을 사용하면, 광 도파로 소자(2)와의 접합을 상술한 접합 후의 형태가 고체가 되는 수지제의 접착제로써 할 수 있다.
이 광 도파로 모듈(1)의 특성을 조사한 바, 다른 실시형태와 마찬가지로 뛰어난 특성을 얻을 수 있었다. 또한, 환경 온도 0℃, 히터 설정 온도 80℃에 있어서의 히터 소비 전력은 2W 이하였다. 더욱이, 본 실시형태에서는 광 도파로 소자(2)가 세라믹스 히터(40)뿐만 아니라, 매칭 판(92)과도 접합되어 있기 때문에, 광 도파로 소자(2)의 설치 시의 안정성이 제 7 실시형태에 비하여, 비약적으로 향상하였다.
또한, 광 도파로 소자(2)를 LiNbO3(열 팽창율15×10-6/℃), 매칭 판(92)을 Cu 합금(열 팽창율 16×10-6/℃)으로 변경하여 동일한 실험을 행한 바, 거의 동일한 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
[제 9 실시형태]
다음으로, 도 19를 참조하여, 본 발명의 광 도파로 모듈의 제 9 실시형태를설명한다. 본 실시형태가 제 1 실시형태와 다른 것은 히터 모듈(30)의 단열 기판(50)이 제 1 실시형태에 있어서의 패키지 기판(22)과 동일한 역할을 하고 있는 점이다. 즉, 히터 모듈(30)의 단열 기판(50)이 케이스(20)의 일부를 겸하게 된다. 이로써, 광 도파로 모듈(1)의 두께를 8mm로 제 1 실시형태의 10mm보다 얇게 할 수 있다. 이 광 도파로 모듈(1)의 특성을 조사한 바, 다른 실시형태와 마찬가지로 뛰어난 특성을 얻을 수 있었다.
[제 10 실시형태]
다음으로, 도 20을 참조하여, 본 발명의 광 도파로 모듈의 제 10 실시형태를 설명한다. 본 실시형태가 제 1 실시형태와 다른 것은 광 파이버(4)와 광 도파로 소자(2)와의 클램프 위치(고정 위치)에 있다. 제 1 실시형태에서는 케이스(20)의 삽입 통과구(24a, 24b)에 의해 광 파이버(4)를 고정하고 있지만, 본 실시형태에서는 클램프 위치를 케이스(20)의 내부로 하고 있다. 상세하게는 단열 기판(50)에 설치된 지지 부재(99, 99)에 의해, 광 파이버(4)가 고정되어 있다.
이렇게 구성함으로써, 케이스(20)는 광 파이버(4)의 클램프 설계를 행할 필요가 없어지기 때문에, 히터 모듈(30)과 케이스(20)의 상대 위치 변경이나, 케이스(20)의 형상 변경 등이 용이해진다.
[제 11 실시형태]
다음으로, 도 21을 참조하여, 본 발명의 광 도파로 모듈의 제 11 실시형태를 설명한다. 본 실시형태가 제 6 실시형태와 다른 것은 세라믹스 히터(40)와 단열 기판(50)의 접합 수법이다. 제 6 실시형태에 있어서는 세라믹스 히터(40)와 단열기판(50)은 수지(41)에 의해 접합되어 있었다. 이에 대하여, 본 실시형태에서는 양자를 나사에 의해 고정하고 있다.
동일 도면에 도시하는 바와 같이, 세라믹스 히터(40)의 네 구석에 각각 직경 1mm인 나사 구멍(101)이 형성되어, 단열 기판(50)이 대응하는 위치에는 암나사(102)가 절단되어 있다. 그리고, 각 나사 구멍(101)을 통과한 나사(103)를 암나사(102)에 나사 결합시킴으로써, 세라믹스 히터(40)와 단열 기판(50)을 고정시키고 있다. 또한, 세라믹스 히터(40)와 단열 기판(50) 사이에는 열적인 접촉을 확실하게 하기 위해, 서멀 콤파운드가 채워져 있다. 제 6 실시형태와 동일한 측정을 실시한 결과, 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
또한, 상기 제 3 실시형태에서 제 11 실시형태에서는 세라믹스 히터(40)로서, 제 1 실시형태에서 사용한 AlN 세라믹스(44), 텅스텐 발열층(42), 제 2 AlN 세라믹스로 이루어지는 AlN 히터를 사용하고 있지만, 이 대신 제 2 실시형태에서 사용한 AlN 세라믹스(44), 은 팔라듐제의 발열층(42), 실리카 유리를 주성분으로 한 코팅막(45)으로 이루어지는 AlN 히터를 사용하여도 된다.
[실시예]
다음으로, 주로 제 1 실시형태 또는 제 2 실시형태의 광 도파로 모듈을 기본으로 하여 행한 실시예에 대해서 설명한다.
(제 1 실시예)
제 1 실시형태에서 사용한 세라믹스 히터(40)에 관해서, 그 표면 거칠기(Ra)를 여러가지로 바꾸어, 광 도파로 소자(2)의 온도 균일성을 측정하였다. 통상, 어떠한 Ra에 있어서도 초기 상태에서는 온도 균일성 ±0.5℃를 만족할 수 있다. 그렇지만, Ra 조건이 적당하지 않은 경우, 신뢰성 시험 중 또는 실제로 광 도파로 모듈을 사용 중에 열화하는 일이 예상된다. 그래서, 85℃, 습도 85%의 분위기에 2000시간 노출하는 고온 고습 시험을 행하고, 그 후 환경 온도를 0℃, 세라믹스 히터(40)의 온도를 80℃로 하여 서모 뷰어로 광 도파로 소자(2)의 온도 균일성을 관찰하였다. 그 결과를 표 1에 도시한다. 세라믹스 히터(40)의 고정용 수지(41 및 43)로서 점도 10000cps인 실리콘 수지를 사용한 경우, 세라믹스 히터(40)의 표면 거칠기를 0.05㎛ 이상 10㎛ 이하로 하면 신뢰성 시험 후도 양호한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 있는 것을 알았다. 또한, 수지가 경시 변화한 경우에 상당하는 점도 10000Ocps인 경우는 표면 거칠기를 10㎛ 이하로 제어하지 않으면 균일한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 없다.
신뢰성 시험 후에 균일한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 없던 시료의 세라믹스 히터(40)를 접합하고 있는 수지를 실체 현미경 10배로 관찰한 결과, 접합 수지에 O.1mm 이상 크기의 박리, 균열이 확인되었다. 한편, 시험 후 세라믹스 히터(40) 단체를 추출, 환경 온도를 0℃, 세라믹스 히터(40)의 온도를 80℃로 하여 서모 뷰어로 관찰한 바, 신뢰성 시험 전에 미리 관찰한 결과와 거의 동일한 결과가 얻어졌다. 또한, 세라믹스 히터(40)의 열 전도율에도 변화가 인정되지 않았다.
(제 2 실시예)
제 1 실시예에서 사용한 세라믹스 히터(40)의 표면 거칠기(Ra)를 여러가지로 바꾸어, 제 1 실시예와 동일하도록 고온 고습 시험 2000시간 후의 온도 특성을 측정하였다. 결과를 표 2에 도시한다. 세라믹스 히터(40)의 고정용 수지(41 및 43)로서 점도 10000cps인 폴리이미드 수지를 사용한 경우, 세라믹스 히터(40)의 표면 거칠기를 0.05㎛ 이상 10㎛ 이하로 하면 신뢰성 시험 후도 양호한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 있는 것을 알았다.
신뢰성 시험 후에 균일한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 없던 시료의 세라믹스 히터(40)를 접합하고 있는 수지를 실체 현미경 10배로 관찰한 결과, 접합 수지에 O.1mm 이상 크기의 박리, 균열이 확인되었다. 한편, 시험 후 세라믹스 히터(40) 단체를 추출, 환경 온도를 0℃, 세라믹스 히터(40)의 온도를 80℃로 하여 서모 뷰어로 관찰한 바, 신뢰성 시험 전에 미리 관찰한 결과와 거의 동일한 결과가 얻어졌다. 또한, 세라믹스 히터(40)의 열 전도율에도 변화가 인정되지 않았다.
(제 3 실시예)
도 2 내지 도 4에 도시하는 바와 같이 제 1 실시예에서 사용한 세라믹스 히터(40)의 수지 접합면인 제 1 AlN 세라믹스층(44)의 상측(도 4의 상부), 제 2 AlN세라믹스층(46)의 하측(도 4의 하부)에, 다음에 도시하는 유리 코팅층을 설치하였다. 막 형성은 스크린 인쇄를 사용한 후, 소성하여 행하였다. 스크린 인쇄 시에 각종 막 두께를 형성하여, 제 1 실시예와 동일하게, 고온 고습 시험 2000시간 후의 온도 특성을 측정하였다. 그 결과를 표 3에 도시한다. 유리 코팅층의 막 두께를 1㎛ 이상 500㎛ 이하로 하면 신뢰성 시험 후도 양호한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 있는 것을 알았다. 또한, 막 두께를 10O㎛ 이하로 함으로써, 성막 시간을 현저하게 단축할 수 있었다.
신뢰성 시험 후에 균일한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 없던 시료의 세라믹스 히터(40)를 실체 현미경 10배로 관찰한 결과, 유리 코팅층의 막 두께가 5㎛보다 작은 시료에서는 코팅층이 AlN 세라믹스층(44, 46)을 완전히는 덮고 있지 않으며, 부분적으로 AlN 세라믹스층(44, 46)이 노출하고 있어, 그 부분과 접합되어 있는 접합 수지에 0.1mm 이상인 크기의 박리, 균열이 확인되었다. 또한, 유리의 막 두께가 500㎛보다 큰 시료에서는 유리층 중에 O.1mm 이상인 크기의 박리, 균열이 확인되었다.
(제 4 실시예)
제 2 실시형태에서 사용한 세라믹스 히터(40)를 사용하여 다음 실험을 행하였다. 세라믹스 히터(40)에 설치하는 코팅막의 막 형성은 스크린 인쇄를 사용한 후, 소성하여 행하였다. 스크린 인쇄 시에 각종 막 두께를 형성하여, 제 1 실시예와 동일하게, 고온 고습 시험 2000시간 후의 온도 특성을 측정하였다. 결과를 표 4에 도시한다. 막 두께를 10㎛ 이상 500㎛ 이하로 하면 신뢰성 시험 후도 양호한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 있는 것을 알았다. 또한, 막 두께를 10O㎛ 이하로 함으로써, 성막 시간을 현저하게 단축할 수 있었다.
신뢰성 시험 후에 균일한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 없던 시료의 세라믹스 히터(40)를 실체 현미경 10배로 관찰한 결과, 유리의 막 두께가 10㎛보다 작은 시료에서는 발열 회로(42)의 단차에 의해, 코팅층에 0.1mm 이상 크기의 박리, 균열이 생기고 있는 것이 확인되었다.
(제 5 실시예)
도 2 내지 도 4에 도시하는 바와 같이 제 1 실시예에서 사용한 세라믹스 히터(40)의 수지 접합면인 제 1 AlN 세라믹스층(44)의 상측(도 4의 상부), 제 2 AlN 세라믹스층(46)의 하측(도 4의 하부)에, 다음에 도시하는 Al층을 설치하였다. 즉, 세라믹 히터(40)를 증착용 진공 챔버에 투입하고, 1.33×10-3Pa 이하의 진공도가 될 때까지, 진공 배기한 후, 증착원으로서 99.9Wt% 이상의 Al을 사용하여 Al 증착을 행하였다.
증착중인 진공도는 1.33×10-1Pa 이상 1.33×10-3Pa 이하이고, 세라믹스 히터(40)의 온도는 100℃ 내지 200℃였다. 또한, 각종 두께의 Al막을 형성하였다. 한편, Al막의 결정 입자 직경은 1㎛이었다. Al막 상에 형성된 자연 산화막 두께를 마이크로 오제 전자 분광법으로 측정한 결과, 500×10-10m였다. 이 시료를 제 1 실시예와 동일하도록, 고온 고습 시험 2000시간 후의 온도 특성을 측정하였다. 그 결과를 표 5에 도시한다. Al막의 막 두께를 1㎛ 이상 10O㎛ 이하로 하면 신뢰성시험 후도 양호한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 있는 것을 알았다. 더욱이, Al막의 막 두께를 20㎛ 이하로 함으로써, 성막 시간을 현저하게 감소시킬 수 있었다.
신뢰성 시험 후에 균일한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 없던 시료의 세라믹스 히터(40)를 실체 현미경 10배로 관찰한 결과, Al의 막 두께가 1㎛보다 작은 시료에서는 접합되어 있는 접합 수지에 O.1mm 이상 크기의 박리, 균열이 확인되었다.
(제 6 실시예)
도 2 내지 도 4에 도시하는 바와 같이 제 1 실시예에서 사용한 세라믹스 히터(40)의 수지 접합면인 제 1 AlN 세라믹스층(44)의 상측(도 4의 상부), 제 2 AlN 세라믹스층(46)의 하측(도 4의 하부)에, 다음에 도시하는 Al층을 제 5 실시예와 동일하게 설치하였다. 각종 Al의 결정 입자 직경의 막을 형성하였다. 한편, 막 두께는 2㎛이었다. Al막 상에 형성된 자연 산화막 두께를 마이크로 오제 전자 분광법으로 측정한 결과, 500×10-10m였다. 이 시료를 제 1 실시예와 동일하게, 고온 고습 시험 2000시간 후의 온도 특성을 측정하였다. 그 결과를 표 6에 도시한다. 결정 입자 직경을 O.1㎛ 이상 10㎛ 이하로 하면 신뢰성 시험 후도 양호한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 있는 것을 알았다.
신뢰성 시험 후에 균일한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 없던 시료의 세라믹스 히터(40)를 실체 현미경 10배로 관찰한 결과, 접합 수지에 0.1mm 이상 크기의 박리, 균열이 확인되었다.
(제 7 실시예)
도 2 내지 도 4에 도시하는 바와 같이 제 1 실시예에서 사용한 세라믹스 히터(40)의 수지 접합면인 제 1 AlN 세라믹스층(44)의 상측(도 4의 상부), 제 2 AlN세라믹스층(46)의 하측(도 4의 하부)에, 다음에 도시하는 Al층을 제 5 실시예와 동일하게 설치하였다. 또한, Al층의 산화막 두께를 의도적으로 변화시켰다. 한편, 결정 입자 직경은 1.0㎛, 막 두께는 2㎛이었다. 이 시료를 제 1 실시예와 동일하게, 고온 고습 시험 2000시간 후의 온도 특성을 측정하였다. 그 결과를 표 7에 도시한다. 산화막 두께를 10×10-10m 이상 800×10-10m 이하로 하면, 신뢰성 시험 후도 양호한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 있는 것을 알았다.
신뢰성 시험 후에 균일한 온도 균일성, 온도 제어성을 얻을 수 없던 시료의 세라믹스 히터(40)를 실체 현미경 10배로 관찰한 결과, 산화막 두께가 10×10-10m보다 작은 시료에서는 접합 수지에 O.1mm 이상 크기의 박리, 균열이 확인되었다. 한편, 산화막 두께가 800×10-10m보다 큰 시료에서는 Al층에 O.1mm 이상 크기의 박리, 균열이 생겨 있는 것이 확인되었다.
(제 8 실시예)
도 2 내지 도 4에 도시하는 바와 같이 제 1 실시예에서 사용한 세라믹스 히터(40)의 수지 접합면인 제 1 AlN 세라믹스층(44)의 상측(도 2의 상부), 제 2 AlN 세라믹스층(46)의 하측(도 4의 하부)에, 다음에 도시하는 Al층(82)을 제 6 실시예와 동일하게 설치하였다. 이 때, 증착시키는 Al의 순도를 99%까지 저하시켰다. 또한, 결정 입자 직경은 1.0㎛, 막 두께는 2㎛이었다. Al막 상에 형성된 자연 산화막 두께를 마이크로 오제 전자 분광법으로 측정한 결과, 500×10-10m였다. 이 시료를 제 1 실시예와 동일하게, 고온 고습 시험 2000시간 후의 온도 특성을 측정하였다. 그 결과를 표 8에 도시한다. 온도 균일성, 온도 제어성이 순도 99.9%인 것보다 약간 저하하고 있는 것을 알 수 있다.
(제 9 실시예)
제 2 실시형태에 있어서, 세라믹스 히터(40)와 단열 기판(50) 사이에 설치된 공기층(64)과 단열 기판(50)과 패키지 기판(22) 사이에 설치된 단열층(27)을 공기층으로 하였을 때의 두께를 여러가지로 바꾸어, 제 1 실시예와 동일하도록 온도 균일 특성을 측정하였다. 그 결과를 표 9에 도시한다. 공기층 두께를 0.01mm 이상, 5mm 이하로 함으로써, 온도 균일성을 ±0.5℃ 이하로 할 수 있는 것이 판명되었다.
(제 10 실시예)
제 1 실시형태에 있어서, 세라믹스 히터(40)와 광 도파로 소자(2)를 접합하는 수지(43)를 점도 10000cps, 열 전도율 1W/mK인 실리콘계 수지로서, 그 두께를 여러가지로 바꾸어, 제 1 실시예와 동일하도록 온도 균일 특성을 측정하였다. 결과를 표 10에 도시한다. 수지(43)의 두께를 10㎛ 이상 500㎛ 이하로 함으로써, 온도 균일성을 ±0.5℃ 이하로 할 수 있는 것을 알 수 있다. 시료(39)의 온도 균일성이 악화한 원인을 탐색하도록 단면을 절단하여 조사한 결과, 수지가 부분적으로 파단하고 있는 모양이 관찰되었다. 수지 두께가 얇기 때문에, 부분적으로 수지의도포 얼룩이 있는 것도 예상되지만, 나아가서는, 광 도파로 소자(2)와 세라믹 히터(40)의 열 팽창율차에서 기인하는 열 응력을 다 흡수하지 못하고 파괴한 것으로 생각할 수 있다.
(제 11 실시예)
제 10 실시예와 동일한 실험을 열 전도율 0.5W/mk 및 0.3W/mk인 실리콘 수지를 사용하여 행하였다. 그 결과를 표 11에 도시한다.
(제 12 실시예)
제 1 실시형태에 있어서 세라믹스 히터(40)와 광 도파로 소자(2)를 접합하는 수지(43)에 대해서 열 전도율 1W/mK인 실리콘계 서멀 콤파운드를 사용하여 접합을 행하였다. 서멀 콤파운드만으로는 고정할 수 없기 때문에 광 도파로 소자의 끝부분 네 곳만을 점도 10000cps, 열 전도율 1W/mK인 실리콘 수지로 고정하여, 제 1 실시예와 동일하도록 온도 균일 특성을 측정하였다. 광 도파로 소자 중앙부의 서멀 콤파운드 두께는 50㎛이었다. 동일한 시료를 10개 준비하여, 각각의 광 도파로 소자(2)의 온도 균일성을 측정하였다. 그렇지만 온도 균일성은 ±0.5℃를 달성한 것은 2개뿐이었다.
(제 13 실시예)
제 1 실시형태에 있어서, 세라믹스 히터에 다음 회로를 부가하였다. 즉, 도 3에 도시하는 바와 같이, 세라믹스 히터(40)에는 약 0.5 내지 10Ω의 저항치를 가지고 통전에 의해 발열하는 발열 회로(42)가 설치되어 있다. 또한, 발열 회로(42)의 양단에는 발열 회로(42)에 전류를 흘리기 위한 전극(42a, 42b)이 설치되어 있지만, 본 실시예에서는 더욱이 발열 회로(42)의 일부를 땜납 페이스트를 스크린 인쇄한 후 소결한 주석 40Wt% 납 60Wt%의 합금으로 형성하였다.
다음으로, 온도 제어 회로의 오동작에 의한 AlN 히터의 온도 급상승을 모의하기 위해, 히터에 전력을 계속 공급하여, AlN 히터의 온도를 급상승시켰다. 한편, 히터 온도를 접합하고 있는 서미스터로 측정하였다. 그 결과, 히터 온도가 200℃가 되면, 그 이상 온도 상승하는 일은 없었다. 실험 후, 각 부재를 분해 조사하면, 히터에 형성한 땜납 부분이 용해하여 단선하고 있는 것이 확인되었다. 한편, 다른 수지의 부재는 파괴되어 있지 않은 것이 확인되었다. 또한, 땜납제 도선은 단선하고 있지 않았지만, 온도 상승이 히터 쪽이 높기 때문에, 우선, 히터의 땜납 부분이 단선하기 때문에, 도선까지는 단선하지 않았다고 생각할 수 있다.
(제 14 실시예)
제 13 실시예에서는 발열 회로의 일부를 땜납으로 형성한 AlN 히터를 사용하였지만, 본 실시예에서는 통상의 AlN 히터를 사용하였다. 단, 세라믹스 히터(40)와 단열 기판(50)을 접속하기 위한 납선을 통상의 구리선으로부터 땜납제 도선으로 변경하여, 제 13 실시예와 동일한 실험을 행하였다. 그 결과, 히터 온도가 210℃가 되면, 그 이상 온도 상승하는 일은 없는 것이 확인되었다. 실험 후, 각 부재를 분해 조사하면, 땜납제 도선이 용해하여 단선하고 있는 것이 확인되었다. 한편, 다른 수지의 부재는 파괴되어 있지 않은 것이 확인되었다.
이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 실시형태에 근거하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 각 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명의 히터 모듈에서 가열할 수 있는 것은 석영제, 실리카제, LiNbO3제 광 도파로 소자에 한정되지 않고, 기타, 수지제 등의 광 도파로 소자에 대해서도 유효하다. 또한, 광 도파로 소자의 치수에 관해서도, 상기 각 실시형태보다 작아도 커도 본 발명을 적용하는 것은 가능하다. 더욱이, 접합 등에 사용되는 수지, 케이스 등에 사용되는 재질에 관해서도, 상기 각 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관련되는 히터 모듈 및 광 도파로 모듈에 의하면, 세라믹스층은 열 전도율이 높은 AlN에 의해 형성되어 있기 때문에, 발열 회로로부터 전달된 열은 상기 세라믹스층 내에서 거의 균일하게 확산하며, 나아가서는 세라믹스층 상에 올려놓아지는 광 도파로 소자가 균일하게 가열되게 된다. 또한, 단열성을 갖는 단열 기판에 의해 세라믹스 히터를 지지함으로써, 발열 회로에서 발생한 열이 단열 기판으로부터 방출되어 세라믹스 히터의 열 분포가 불균일해진다는 사태가 방지되기 때문에, 광 도파로 소자의 온도 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 세라믹스 히터는 AlN에서 형성되어 있기 때문에 열 전도율이 높기 때문에, 다른 열 전도율이 낮은 히터를 사용한 경우에 필수로 되어 있던 균열판을 생략할 수 있어, 히터 모듈 및 광 도파로 모듈의 두께를 비약적으로 저감할 수 있다.
나아가서는, AlN은 열 전도율이 높고, 균열판도 불필요하기 때문에, 세라믹스 히터를 작게 설계함으로써, 히터의 소비 전력을 대폭 저하시킬 수 있다.

Claims (39)

  1. 광 도파로 소자를 가열하기 위한 히터 모듈에 있어서,
    통전에 의해 발열하는 발열 회로와 상기 발열 회로에 적층된 AlN 세라믹스층을 갖는 세라믹스 히터를 구비하는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹스 히터를 지지함과 동시에 단열성을 갖는 단열 기판을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 단열 기판은 알루미나 또는 알루미나와 실리카 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 단열 기판은 수지 또는 수지와 실리카 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 단열 기판은 상기 세라믹스 히터를 지지하기 위한 복수의 돌기부를 가지며, 또한, 상기 각 돌기부의 주위에는 공기층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 공기층의 두께는 0.01mm 이상 5mm 이하인 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 세라믹스 히터와 상기 단열 기판은 수지에 의해 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 세라믹스 히터와 상기 단열 기판은 나사 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 세라믹스 히터를 상기 단열 기판 측으로 가압하는 가압 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 세라믹스 히터의 온도를 검출하는 온도 검출 소자를 추가로 구비하며,
    상기 온도 검출 소자는 상기 세라믹스 히터의 상기 광 도파로가 올려놓아지는 면과 반대면에 접착되며,
    상기 단열 기판은 소정의 절결부를 가지고,
    상기 절결부 내에 상기 온도 검출 소자에 접속되는 전극이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 온도 검출 소자와 상기 온도 검출 소자에 전력을공급하는 외부 전원을 연결하는 배선이 상기 세라믹스 히터에 접하고 있는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 발열 회로의 하층에 제 2 AlN 세라믹스층을 갖는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 발열 회로는 텅스텐, 몰리브덴 또는 은 팔라듐을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹스 히터는 실리카 유리를 주성분으로 한 코팅막을 표면에 갖는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹스 히터의 표면 거칠기는 Ra에서 0.05㎛ 이상 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹스 히터의 표면에 산화물층 또는 유리 코팅층을 형성한 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹스 히터의 표면에 Al 증착층을 형성한 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  18. 제 1 항에 있어서, 소정의 온도 이상이 되면, 상기 발열 회로에 전류가 흐르지 않게 되는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 발열 회로의 일부는 주석과 납의 합금으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 발열 회로와 외부 전원에 접속된 단자가 주석과 납의 합금으로 형성된 배선에 의해 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 히터 모듈.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 기재된 히터 모듈과,
    상기 히터 모듈의 상기 세라믹스 히터 상에 올려놓아진 광 도파로 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 광 도파로 소자와 상기 세라믹스 히터 사이에 상기 광 도파로 소자와의 실온에 있어서의 열 팽창율의 차이가 3×10-6/℃ 이하인 매칭 부재가 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 매칭 부재는 Fe-Ni 합금에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 매칭 부재는 Cu 또는 Cu 합금에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 세라믹스 히터와 상기 광 도파로 소자는 수지제 접착제에 의해 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  26. 제 21 항에 있어서, 상기 세라믹스 히터의 상기 광 도파로 소자가 올려놓아지는 면은 상기 면과 대향하는 상기 광 도파로 소자의 면보다도 면적이 좁은 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 세라믹스 히터의 주위에는 상기 광 도파로 소자와의 실온에 있어서의 열 팽창율의 차이가 3×10-6/℃ 이하인 매칭 부재가 배치되며, 상기 매칭 부재와 상기 광 도파로 소자가 접합하고 있는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 매칭 부재는 Fe-Ni 합금에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  29. 제 27 항에 있어서, 상기 매칭 부재는 Cu 또는 Cu 합금에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  30. 제 21 항에 있어서, 상기 광 도파로 소자 및 상기 세라믹스 히터를 수용하는 케이스를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 세라믹스 히터를 지지함과 동시에 단열성을 갖는 단열 기판을 구비하며, 상기 케이스는 상기 단열 기판을 수용하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  32. 제 30 항에 있어서, 상기 히터 모듈은 상기 케이스의 일부를 겸하고 있는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  33. 제 30 항에 있어서, 상기 케이스는 구리 텅스텐, 코발트, 철, 니켈, 알루미나 또는 질화 알루미늄을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  34. 제 30 항에 있어서, 상기 케이스는 수지 또는 실리카 유리를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  35. 제 30 항에 있어서, 상기 히터 모듈의 주위에 열 전도율이 0.5W/mk 이하인 단열층을 갖는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 단열층은 공기층으로, 그 두께가 0.01mm 이상, 5mm 이하인 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  37. 제 30 항에 있어서, 상기 케이스는 상기 광 도파로 소자와의 대향면으로부터 상기 광 도파로 소자를 향하여 연장되는 칸막이 벽을 내부에 갖는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  38. 제 30 항에 있어서, 상기 케이스는 상기 케이스의 내벽면으로부터 소정의 간격을 두고 배치된 시트를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
  39. 제 30 항에 있어서, 상기 광 도파로 소자에 광 파이버가 클램프되어 있으며, 상기 광 파이버와 상기 광 도파로 소자와의 클램프 위치가 상기 케이스의 내부인 것을 특징으로 하는 광 도파로 모듈.
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