KR20230155572A - 반도체 레이저 광원 장치 - Google Patents
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Abstract
제1 내지 제3 리드핀(2b~2e)이 금속 스템(1)을 관통한다. 지지 블록(4)이 금속 스템(1) 위에 마련되어 있다. 온도 제어 모듈(5)은, 지지 블록(4)의 측면에 실장되고, 하측 기판(5b)과, 상측 기판(5c)과, 상측 기판(5c)과 하측 기판(5b) 사이에 끼워진 복수의 열전 소자(5a)를 갖는다. 유전체 기판(6)의 이면이 온도 제어 모듈(5)의 상측 기판(5c)에 접합되어 있다. 2개의 차동 구동용 신호 선로(7a, 7b)가 유전체 기판(6)의 주면에 마련되어 있다. 반도체 광 변조 소자(10)와 온도 센서(11)가 유전체 기판(6)의 주면에 실장되어 있다. 제1 도전성 와이어(14b, 14c)는 차동 구동용 신호 선로(7a, 7b)의 일단과 반도체 광 변조 소자(10)를 접속한다. 제2 도전성 와이어(14d, 14e)는 차동 구동용 신호 선로(7a, 7b)의 타단과 제1 리드핀(2b, 2c)을 접속한다. 제3 도전성 와이어(14f, 14g)는 온도 센서(11)와 제2 리드핀(2d)을 접속한다. 제4 도전성 와이어(14j, 14k)는 온도 제어 모듈(5)과 제3 리드핀(2e)을 접속한다.
Description
본 개시는, 온도 제어 모듈에 의해 반도체 광 변조 소자의 온도 제어를 행하는 반도체 레이저 광원 장치에 관한 것이다.
SNS, 동영상 공유 서비스 등의 보급이 세계적 규모로 진행되고 있고, 데이터 전송의 대용량화가 가속하고 있다. 한정된 실장 스페이스에서 신호의 고속 대용량 전송화에 대응하기 위해서, 광 트랜시버(optical transceiver)는 고속화의 소형화가 진행되고 있다. 광 디바이스에는, 고속화와 저비용화에 부가하여, 러닝 코스트(running cost)를 억제하기 위해 저소비 전력화가 요구되고 있다.
반도체 광 변조 소자를 탑재한 레이저 광원 장치의 구조로서, 염가로 제품화할 수 있는 TO-CAN(Transistor-Outlined CAN)형이 일반적으로 적용된다. TO-CAN의 구조에서는 일반적으로 리드핀을 금속 스템(metal stem)에 유리를 이용하여 밀봉 고정하고 있다. 각각의 열 팽창 계수차에 의한 압력을 이용하고 있기 때문에, 높은 기밀성을 확보하기 위해서는 리드핀의 배치와 리드핀끼리의 간격이 중요해진다.
반도체 광 변조 소자는 발열하는 것에 의해 발진 파장 또는 광 출력이 변화한다. 따라서, 반도체 광 변조 소자를 탑재한 레이저 광원 장치에는, 반도체 광 변조 소자의 온도를 일정하게 유지하기 위해 온도 제어 모듈이 이용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
종래 구조에서는, 반도체 광 변조 소자가 실장된 제1 유전체 기판의 고주파 선로와, 리드핀에 접합된 제2 유전체 기판의 고주파 선로를 도전성 와이어로 접합하고 있었다. 제2 유전체 기판이 존재하는 것으로 비용이 증가하고, 제1 유전체 기판으로의 실장 자유도가 저하하고 있었다. 또, 리드핀으로부터 반도체 광 변조 소자까지의 거리가 길어지고, 임피던스 부정합 또는 인덕턴스 성분 증가에 의해 고주파 특성이 열화하고 있었다. 또, 온도 제어 모듈로부터 반도체 광 변조 소자까지의 거리가 멀고, 열 확산성이 나쁘기 때문에, 소비 전력이 높아지고 있었다. 또, 반도체 광 변조 소자로의 전기 신호 입력 방식이 단층 구동 방식이기 때문에, 소비 전력이 높아지고 있었다.
본 개시는, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은 비용과 소비 전력을 저감하고, 유전체 기판으로의 실장 자유도와 고주파 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 레이저 광원 장치를 얻는 것이다.
본 개시에 따른 반도체 레이저 광원 장치는, 금속 스템과, 상기 금속 스템을 관통하는 제1 내지 제3 리드핀과, 상기 금속 스템 위에 마련된 지지 블록과, 상기 지지 블록의 측면에 실장되고, 하측 기판과, 상측 기판과, 상기 상측 기판과 상기 하측 기판 사이에 끼워진 복수의 열전 소자를 갖는 온도 제어 모듈과, 상기 온도 제어 모듈의 상기 상측 기판에 이면이 접합된 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 주면에 마련된 차동 구동용 신호 선로와, 상기 유전체 기판의 상기 주면에 실장된 반도체 광 변조 소자와, 상기 유전체 기판의 상기 주면에 실장된 온도 센서와, 상기 차동 구동용 신호 선로의 일단과 상기 반도체 광 변조 소자를 접속하는 제1 도전성 와이어와, 상기 차동 구동용 신호 선로의 타단과 상기 제1 리드핀을 접속하는 제2 도전성 와이어와, 상기 온도 센서와 상기 제2 리드핀을 접속하는 제3 도전성 와이어와, 상기 온도 제어 모듈과 상기 제3 리드핀을 접속하는 제4 도전성 와이어를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 개시에서는, 금속 스템 위에 마련된 지지 블록의 측면에 온도 제어 모듈이 실장되고, 반도체 광 변조 소자가 실장된 유전체 기판이 온도 제어 모듈에 접합되어 있다. 이것에 의해, 제2 유전체 기판이 불필요하기 때문에, 비용을 저감할 수 있다. 또, 유전체 기판을 크게 할 수 있기 때문에, 유전체 기판으로의 실장 자유도가 향상된다. 또, 유전체 기판의 주면에 마련된 신호 선로를 리드핀에 짧은 도전성 와이어로 접속할 수 있기 때문에, 고주파 특성이 향상된다. 또, 온도 제어 모듈로부터 반도체 광 변조 소자까지의 거리가 가깝기 때문에, 열 확산성이 향상되고, 온도 제어 모듈에서의 흡열·방열성이 향상되어 소비 전력을 저감할 수 있다. 또, 반도체 광 변조 소자로의 전기 신호 입력 방식이 차동 구동 방식이기 때문에, 종래의 단층 구동 방식보다 신호 발생기의 전압 진폭을 저감할 수 있고, 신호 발생기의 소비 전력을 저감할 수 있다.
도 1은 실시의 형태 1에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 정면 사시도이다.
도 2는 실시의 형태 1에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 상면도이다.
도 3은 실시의 형태 1에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 측면도이다.
도 4는 실시의 형태 1에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 배면 사시도이다.
도 5는 종래 구조와 본 실시의 형태의 구조의 온도 제어 모듈의 소비 전력을 비교한 그래프이다.
도 6은 실시의 형태 2에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 정면 사시도이다.
도 7은 실시의 형태 3에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 정면 사시도이다.
도 8은 실시의 형태 4에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 실시의 형태 1에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 상면도이다.
도 3은 실시의 형태 1에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 측면도이다.
도 4는 실시의 형태 1에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 배면 사시도이다.
도 5는 종래 구조와 본 실시의 형태의 구조의 온도 제어 모듈의 소비 전력을 비교한 그래프이다.
도 6은 실시의 형태 2에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 정면 사시도이다.
도 7은 실시의 형태 3에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 정면 사시도이다.
도 8은 실시의 형태 4에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 개략도이다.
실시의 형태에 따른 반도체 레이저 광원 장치에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 동일한 또는 대응하는 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 설명의 반복을 생략하는 경우가 있다.
실시의 형태 1.
도 1은, 실시의 형태 1에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 정면 사시도이다. 도 2는, 실시의 형태 1에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 상면도이다. 도 3은, 실시의 형태 1에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 측면도이다. 도 4는, 실시의 형태 1에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 배면 사시도이다.
금속 스템(1)은 대략 원형의 판 형상이며, 예를 들면 Cu 등의 열전도율이 높은 재료의 표면에 Au 도금 등이 실시된 금속 재료의 스템 베이스이다. 복수의 리드핀(2a~2f)이 금속 스템(1)을 관통한다. 금속 스템(1)에 리드핀(2a~2f)을 고정하기 위해서 일반적으로 유리(3)가 이용된다. 임피던스 부정합으로 되면 신호의 다중 반사에 의해 주파수 응답 특성이 열화하고, 고속 변조가 곤란해진다. 따라서, 유리(3)는 신호 발생기와 동일한 임피던스가 되도록 저유전율의 재질로 이루어진다.
지지 블록(4)이 금속 스템(1) 상에 마련되어 있다. 지지 블록(4)은, 예를 들면 Cu 등의 열전도율이 높은 재료의 표면에 Au 도금 등이 실시된 금속 재료의 블록이다. 금속 스템(1)과는 다른 부품의 지지 블록(4)을 금속 스템(1)에 실장해도 좋고, 금속 스템(1)과 지지 블록(4)을 일체 형성해도 좋다.
온도 제어 모듈(5)이 지지 블록(4)의 측면에 실장되어 있다. 온도 제어 모듈(5)은, 예를 들면 BiTe 등의 재료로 이루어지는 복수의 열전 소자(5a)를, AlN 등의 재료로 이루어지는 하측 기판(5b)과 상측 기판(5c) 사이에 둔 것이다. 예를 들면 SnAgCu 땜납 또는 AuSn 땜납 등의 접합재에 의해 지지 블록(4)의 측면과 온도 제어 모듈(5)의 하측 기판(5b)이 접합되어 있다. 하측 기판(5b)은 상측 기판(5c)보다 윗쪽으로 돌출한 돌출부를 갖고, 이 돌출부에, 열전 소자(5a)에 전력 공급하기 위한 금속부(5d)가 마련되어 있다.
유전체 기판(6)은 사각형의 판 형상으로 형성되고, 예를 들면 질화 알루미늄(AlN) 등의 세라믹 재료로 이루어지고, 전기 절연 기능과 열 전달 기능을 갖는다. 유전체 기판(6)은, 서로 반대측의 주면 및 이면과, 4개의 측면을 갖는다. 유전체 기판(6)의 4개의 측면 중 하부 측면이 금속 스템(1)의 상면에 대향하고, 상부 측면은 하부 측면의 반대측이다. 유전체 기판(6)의 이면이 온도 제어 모듈(5)의 상측 기판(5c)에 접합되어 있다. 2개의 차동 구동용 신호 선로(7a, 7b), 그라운드 도체(8), 및 온도 제어 모듈용 도체(9)가 Au 도금 및 메탈라이즈에 의해 유전체 기판(6)의 주면에 마련되어 있다. 차동 구동용 신호 선로(7a, 7b)는 마이크로 스트립 선로 또는 코플래너(coplaner) 선로이며, 신호 발생기의 출력 임피던스와 동등한 임피던스를 갖는다. 온도 제어 모듈용 도체(9)는 유전체 기판(6)의 주면으로부터 상측 측면에 걸쳐 마련되어 있다.
반도체 광 변조 소자(10), 온도 센서(11), 및 세라믹 블록(12)이 유전체 기판(6)의 주면에 실장되어 있다. 유전체 기판(6)에 온도 센서(11) 및 세라믹 블록(12)을 접합하기 위한 접합재로서, 예를 들면 SnAgCu 땜납이나 AuSn 땜납 등이 이용된다. 반도체 광 변조 소자(10)의 변조기부는 복수의 전계 흡수형 광 변조기로 구성되어 있다. 온도 센서(11)는 예를 들면 서미스트(thermistor)이다. 세라믹 블록(12)은 예를 들면 AlN 기판이며, 상면에 도체막이 마련되어 있다. 수광 소자(13)가 금속 스템(1) 또는 서브마운트 상에 실장되어 있다. 여기에서는, 수광 소자(13)는, 반도체 광 변조 소자(10)의 Z축의 음의 방향 측에 배치되어 있다.
도전성 와이어(14a)가 반도체 광 변조 소자(10)의 분포 귀환형 레이저 다이오드와 리드핀(2a)을 접속한다. 도전성 와이어(14b, 14c)가 각각 2개의 차동 구동용 신호 선로(7a, 7b)의 일단과 반도체 광 변조 소자(10)의 EAM(electro-absorption modulator) 전극을 접속한다. 도전성 와이어(14d, 14e)가 각각 2개의 차동 구동용 신호 선로(7a, 7b)의 타단과 리드핀(2b, 2c)을 접속한다. 도전성 와이어(14f)가 온도 센서(11)와 세라믹 블록(12)의 도체막을 접속한다. 도전성 와이어(14g)가 세라믹 블록(12)의 도체막과 리드핀(2d)을 접속한다. 도전성 와이어(14h, 14i)가 그라운드 도체(8)와 금속 스템(1)을 접속한다. 도전성 와이어(14j)가 유전체 기판(6)의 주면에 마련된 온도 제어 모듈용 도체(9)와 온도 제어 모듈(5)의 금속부(5d)를 접속한다. 도전성 와이어(14k)가 유전체 기판(6)의 상부 측면에 마련된 온도 제어 모듈용 도체(9)와 리드핀(2e)을 접속한다. 도전성 와이어(14l)가 수광 소자(13)와 리드핀(2f)을 접속한다.
반도체 광 변조 소자(10)는, 예를 들면, InGaAsP계 양자 우물 흡수층을 이용한 전계 흡수형 광 변조기와 분포 귀환형 레이저 다이오드를 모놀리식(monolithic)으로 집적한 변조기 집적형 레이저 다이오드(EAM-LD)이다. 반도체 광 변조 소자(10)의 발광점으로부터, 칩 단면에 대해서 수직 또한 칩 주면에 대해서 평행한 광축을 따라 레이저광이 방사된다. 분포 귀환형 레이저 다이오드로의 급전 방법은 리드핀(2a)으로부터 도전성 와이어(14a)를 거쳐 직접 접속해도 좋고, 제조 방법에 따라서는 유전체 기판(6)에 마련한 도체를 중계하여 접속해도 좋다.
리드핀(2b, 2c)에 입력된 차동 전기 신호는, 도전성 와이어(14d, 14e)를 거쳐 차동 구동용 신호 선로(7a, 7b)에 전달되고, 도전성 와이어(14b, 14c)를 거쳐 반도체 광 변조 소자(10)의 변조기에 인가된다. 여기서 리드핀(2b, 2c)에 입력된 전기 신호는 금속 스템(1)과 전자(電磁)적으로 결합한다. 금속 스템(1), 지지 블록(4), 및 온도 제어 모듈(5)에 접합된 유전체 기판(6)의 그라운드 도체(8)는 AC 그라운드로서 작용한다.
반도체 광 변조 소자(10)의 온도가 변화하면 발진 파장이 변화하기 때문에, 온도를 일정하게 유지할 필요가 있다. 그래서, 반도체 광 변조 소자(10)의 온도가 상승한 경우는 온도 제어 모듈(5)이 냉각을 행하고, 반대로 온도가 저하한 경우는 온도 제어 모듈(5)이 발열하여, 반도체 광 변조 소자(10)의 온도를 일정하게 한다. 반도체 광 변조 소자(10)에 있어서 발생한 열은 유전체 기판(6)을 거쳐 온도 제어 모듈(5)의 상측 기판(5c)에 전해진다. 온도 제어 모듈(5)은, 반도체 광 변조 소자(10)로부터 받은 열을 흡열한다. 온도 제어 모듈(5)이 흡열한 열은, 온도 제어 모듈(5)의 하측 기판(5b)으로부터 지지 블록(4) 및 금속 스템(1)을 거쳐 Z축의 음의 방향으로 전파되고, 금속 스템(1)의 하면측의 냉각 부재(도시하지 않음)에 방열된다.
온도 센서(11)는 반도체 광 변조 소자(10)의 온도를 간접적으로 측정한다. 측정한 온도를 온도 제어 모듈(5)에 피드백하여, 반도체 광 변조 소자(10)의 온도가 목표값에 비해서 높은 경우는 온도 제어 모듈(5)이 냉각을 행하고, 반대로 낮은 경우는 발열을 행한다. 이것에 의해, 반도체 광 변조 소자(10)의 온도를 안정화할 수 있다.
온도 센서(11)와 리드핀(2d)을 직접 와이어 접속하면, 외계로부터 금속 스템(1)에 전해져 온 분위기 온도가 와이어를 통해 온도 센서(11)에 유입하고, 정확한 온도를 측정할 수 없다. 그래서, 온도 센서(11)와 리드핀(2d)의 사이에 세라믹 블록(12)을 배치하여 중계한다. 이것에 의해, 온도 센서(11)에 유입하는 열량이 저감 되고, 온도 센서(11)가 정확한 온도를 측정할 수 있다. 또, 온도 센서(11)와 반도체 광 변조 소자(10)가 동일한 유전체 기판(6)의 주면에 실장되어 있기 때문에, 온도 상관이 맞기 쉽고, 온도 제어가 용이하다.
수광 소자(13)는 광 신호를 전기 신호로 변환(O/E 변환)한다. 전기 신호는 접속된 도전성 와이어(14l)를 거쳐 리드핀(2f)으로 전송된다. 수광 소자(13)를 마련하는 것에 의해, 금속 스템(1)을 관통하는 리드핀의 수가 1개 증가하게 되지만, 반도체 광 변조 소자(10)의 배면광의 강도를 모니터링할 수 있다. 이 모니터링 결과를 피드백하는 것에 의해, 광 출력이 일정하게 되도록 반도체 광 변조 소자(10)의 구동 전류를 제어할 수 있다.
미리 반도체 광 변조 소자(10), 온도 센서(11) 및 세라믹 블록(12)을 유전체 기판(6) 상에 접합하여 반 완성품으로서 조립해두고, 이 반 완성품을 온도 제어 모듈(5)에 접합해도 좋다. 이것에 의해, 온도 제어 모듈(5)과 유전체 기판(6)의 접합재로서, 반드시 SnAgCu 땜납 또는 AuSn 땜납과 같은 고융점의 재질을 이용할 필요가 없고, 열경화 수지 또는 자외선 경화 수지 등을 이용할 수 있다. 그 결과, 제조 난이도가 저하한다.
도 5는, 종래 구조와 본 실시의 형태의 구조의 온도 제어 모듈의 소비 전력을 비교한 그래프이다. 반도체 광 변조 소자(10)의 발열량을 0.2W로 고정하고, 환경 온도를 -40℃에서 95℃로 변화시켰다. 본 실시 형태의 구조의 쪽이 0.2W 정도의 저소비 전력화가 되고 있는 것을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 실시의 형태에서는, 금속 스템(1) 위에 마련된 지지 블록(4)의 측면에 온도 제어 모듈(5)이 실장되고, 반도체 광 변조 소자(10)가 실장된 유전체 기판(6)이 온도 제어 모듈(5)에 접합되어 있다. 이것에 의해, 제2 유전체 기판이 불필요하기 때문에, 비용을 저감할 수 있다. 또, 유전체 기판(6)을 크게 할 수 있기 때문에, 유전체 기판(6)으로의 실장 자유도가 향상된다. 또, 유전체 기판(6)의 주면에 마련된 신호 선로를 리드핀에 짧은 도전성 와이어로 접속할 수 있기 때문에, 고주파 특성이 향상된다. 또, 온도 제어 모듈(5)로부터 반도체 광 변조 소자(10)까지의 거리가 가깝기 때문에, 열 확산성이 향상되고, 온도 제어 모듈(5)에서의 흡열·방열성이 향상되어 소비 전력을 저감할 수 있다. 또, 반도체 광 변조 소자(10)로의 전기 신호 입력 방식이 차동 구동 방식이기 때문에, 종래의 단층 구동 방식보다 신호 발생기의 전압 진폭을 저감할 수 있고, 신호 발생기의 소비 전력을 저감할 수 있다.
종래 구조는 제2 유전체 기판을 거치고 있었기 때문에, 접속점에 있어서의 임피던스 부정합에 의해 신호의 반사가 발생하고, 대역의 이득이 저하하고 있었지만, 본 실시의 형태에서는 제2 유전체 기판이 불필요하기 때문에 신호의 반사점이 존재하지 않고, 종래 구조보다 광대역화가 가능하게 된다.
온도 제어 모듈(5)과 유전체 기판(6) 사이에 금속 블록 등의 2차 매체는 존재하지 않고, 양자를 직접 접합하고 있다. 이 때문에, 반도체 광 변조 소자(10)와 온도 제어 모듈(5)의 거리는 유전체 기판(6)의 두께만큼만이다. 따라서, 온도 제어 모듈(5)로부터 반도체 광 변조 소자(10)까지의 열적 거리가 가깝기 때문에, 방열성이 향상되고, 소비 전력을 저감할 수 있다. 또, 온도 제어 모듈(5)과 유전체 기판(6)을 직접 접합하고 있기 때문에, 제조 공정, 시간, 부재 점수의 삭감에 의해 비용을 저감할 수 있다.
또, 유전체 기판(6) 상의 차동 구동용 신호 선로(7a, 7b)와 리드핀(2b, 2c)은, 다른 유전체 기판을 거치지 않고, 도전성 와이어(14d, 14e)에 의해서만 직접적으로 접속된다. 이 때문에, 신호 반사점이 적게 되어 고주파 특성이 향상된다.
리드핀(2a~2f)을 금속 스템(1)에 유리(3)로 밀봉 고정시키기 때문에 일반적으로 압축 방식 또는 매칭 방식이 적용된다. 기밀성을 유지하기 위해서는 밀봉 시에 각 리드핀(2a~2f)이 같은 압력으로 되고 있는 것이 중요하다. 따라서, 리드핀(2a~2f)이 금속 스템(1)에 대해서 원 형상으로 배치되어 있는 것이 바람직하다. 또, 인접하는 리드핀(2a~2f)의 간격이 너무 근접하면 밀봉성이 열화하기 때문에, 어느 정도의 거리가 필요하다.
온도 제어 모듈을 금속 스템(1)에 평평하게 설치하여 접합한 종래 구조에서는, 금속 스템(1) 상의 면적을 점유하고, 리드핀(2a~2f)을 균등하게 배치할 수 없고, 기밀성이 취해지지 않았다. 본 실시의 형태에서는 온도 제어 모듈(5)을 지지 블록(4)의 측면에 접합하고 있기 때문에, 금속 스템(1) 상의 점유 면적을 축소할 수 있다.
또, 리드핀(2a~2d)은 유전체 기판(6)의 주면측에 배치되어 있지만, 온도 제어 모듈(5)에 급전하기 위한 2개의 리드핀(2e)은 유전체 기판(6)의 이면측에 배치되어 있다. 이 때문에, 각 리드핀(2a~2f)을 금속 스템(1)에 대해서 원 형상으로 균등하게 배치할 수 있다. 이 결과, 기밀성이 향상된다. 또, 도전성 와이어(14j)가 온도 제어 모듈(5)의 금속부(5d)와 온도 제어 모듈용 도체(9)를 접속하고, 도전성 와이어(14k)가 온도 제어 모듈용 도체(9)와 리드핀(2e)을 접속한다. 이것에 의해, 리드핀(2e)으로부터 금속부(5d)까지의 XY 평면 상의 거리가 짧아진다. 이 때문에, 도전성 와이어(14j, 14k)에 걸리는 모멘트 하중의 영향이 작아져, 도전성 와이어(14j, 14k)의 굴곡·진동·충격의 내성이 향상된다.
만약, 차동 구동용 신호 선로(7a, 7b)와 접속되어 있는 리드핀(2b, 2c) 이외의, 유전체 기판(6)의 주면측에 배치되어 있는 리드핀과 금속부(5d)를 와이어 접속하면, 그 리드핀으로부터 금속부(5d)까지의 XY 평면 상의 거리가 길어진다. 따라서, 모멘트 하중의 영향으로 도전성 와이어에 굴곡이 발생하여 도전성 와이어가 유전체 기판(6)에 접촉한다고 하는 문제가 있다. 또, 수송 시 등의 진동·충격의 영향으로 도전성 와이어가 리드핀으로부터 탈락한다고 하는 문제도 있다. 또, 유전체 기판(6)의 주면측에 배치되어 있는 리드핀으로부터 온도 제어 모듈(5)의 금속부(5d)로 직접적으로 도전성 와이어를 접속하는 것은 곤란하다. 그래서, 본 실시의 형태에서는, 유전체 기판(6)의 주면으로부터 상측 측면에 걸쳐 온도 제어 모듈용 도체(9)를 마련하고 있다. 도전성 와이어(14j)가 온도 제어 모듈(5)의 금속부(5d)와 온도 제어 모듈용 도체(9)를 접속하고, 도전성 와이어(14k)가 온도 제어 모듈용 도체(9)와 유전체 기판(6)의 이면에 배치된 리드핀(2e)을 접속한다. 이것에 의해, 와이어 본딩 장치의 복잡한 기구를 이용하지 않고, 온도 제어 모듈(5)에 전기를 공급할 수 있다.
외계의 온도 변화에 따른 부재의 열 응력 변화에 의해 반도체 광 변조 소자(10)의 출사 위치·각도가 어긋난다. 이것에 의해, 레이저 광원 장치가 광 파이버에 레이저광을 집광할 때에 광 결합 효율이 저하한다. 그래서, 열 응력 변화의 영향을 받기 어려운 구조로 하는 것이 중요하다. 본 실시의 형태에서는, 유전체 기판(6)의 X축 및 Z축 방향의 외경은 온도 제어 모듈(5)의 상측 기판(5c)의 X축 및 Z축 방향의 외경보다 크다. 이것에 의해, 구조의 강성이 향상되고, 반도체 광 변조 소자(10)로의 응력을 저감할 수 있고, 반도체 광 변조 소자(10)의 균열 등을 억제할 수 있다. 또, 유전체 기판(6)이 온도 제어 모듈(5)의 굴곡량의 영향을 억제할 수 있다. 이 결과, 상측 기판(5c)의 외경보다 유전체 기판(6)의 외경이 작은 경우에 비해, Y축의 양의 방향으로의 출사 위치·각도 차이가 감소한다. 또, 온도 제어 모듈(5)의 상측 기판(5c)의 외경을 유전체 기판(6)의 외경보다 크게 해도 좋다. 이것에 의해, 열 확산성이 향상되고, 온도 제어 모듈(5)에서의 흡열·방열성이 향상되어 소비 전력을 저감할 수 있다.
종래 구조에서는, 반도체 광 변조 소자의 그라운드는 제1 유전체 기판으로부터 도전성 와이어에 의해 제2 유전체 기판에 전해지고, 또한 제2 유전체 기판을 지지하고 있는 금속 블록을 거쳐 금속 스템에 접속되어 있었다. 이 때문에, 거리가 멀어서 GND가 약해져 고주파 특성이 열화하고 있었다. 이것에 대해서, 본 실시의 형태에서는, 유전체 기판(6)의 그라운드 도체(8)를 제2 유전체 기판을 거치지 않고, 도전성 와이어(14h, 14i)에 의해서만 금속 스템(1)에 직접적으로 접속한다. 이것에 의해, GND가 강해져 고주파 특성이 향상된다.
그라운드 도체(8)는, 차동 구동용 신호 선로(7a, 7b) 및 온도 제어 모듈용 도체(9)와는 접촉하지 않는 영역에 있어서 유전체 기판(6)의 주면으로부터 이면에 걸쳐 마련되어 있다. 반도체 광 변조 소자(10) 및 온도 센서(11) 등의 공통된 그라운드를 취하기 위해, 도전성 와이어(14h)가 유전체 기판(6)의 주면의 그라운드 도체(8)와 금속 스템(1)을 접속하고 있다. 다만, 이것만으로는 등 전위로 하는 것이 어렵고, 주파수 응답 특성의 광대역화가 어려운 것을 고주파 시뮬레이션으로부터 알 수 있다. 그래서, 도전성 와이어(14i)가 유전체 기판(6)의 이면의 그라운드 도체(8)와 금속 스템(1)을 접속한다. 이것에 의해, 주파수 응답 특성이 개선된다. 이 도전성 와이어(14h, 14i)는 1개로는 개선 효과가 적기 때문에, 2개 이상이 바람직하다.
또, 유전체 기판(6)이 금속 스템(1)에 접촉하고 있으면, 금속 스템(1)에 전해져 온 외계로부터의 열이 유전체 기판(6)을 거쳐 반도체 광 변조 소자(10) 및 온도 센서(11)에 유입한다. 이것에 의해, 온도 제어 모듈(5)에 의한 온도 제어가 곤란하게 된다. 이 때문에, 유전체 기판(6)을 금속 스템(1)과 접촉시키지 않는 것이 바람직하다.
또, 차동 구동용 신호 선로(7a, 7b)와 접속되는 리드핀(2b, 2c)은, 금속 스템(1)의 상면으로부터 튀어나온 이너 리드부를 갖는다. 이너 리드부의 길이를 짧게 할수록 인덕턴스 성분이 저감하고, 이너 리드부에 있어서의 신호의 반사에 의한 손실을 저감할 수 있고, 통과 대역이 향상된다.
또, 신호 발생기로부터의 최대 전압 진폭을 얻기 위해, 유전체 기판(6)의 주면에 정합 저항을 마련하여 반도체 광 변조 소자(10)에 병렬 접속해도 좋다.
실시의 형태 2.
도 6은, 실시의 형태 2에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 정면 사시도이다. 반도체 광 변조 소자(10) 대신에, MZM(Mach Zehnder Module)형의 반도체 광 변조 소자(15)가 유전체 기판(6)의 주면에 실장되어 있다. 반도체 광 변조 소자(15)는, 예를 들면 분포 귀환형 레이저 다이오드, 2개의 위상 변조기부(16a, 16b), 편파 회전기부(17) 및 수광 소자(13)를 모노리식으로 집적한 레이저 다이오드이다. 위상 변조기부(16a, 16b)는 마하젠더(Mach Zehnder)형 광 변조기이다.
실시의 형태 1과 마찬가지로 차동 구동용 신호 선로(7a, 7b) 등이 유전체 기판(6)의 주면에 마련되고, 편파 회전기용 도체(18) 및 수광 소자용 도체(19)가 Au 도금 및 메탈라이즈에 의해 유전체 기판(6)의 주면에 더 마련되어 있다. 도전성 와이어(14b, 14c)가 2개의 차동 구동용 신호 선로(7a, 7b)의 일단과 반도체 광 변조 소자(15)의 위상 변조기부(16a, 16b)를 접속한다. 도전성 와이어(14m)가 반도체 광 변조 소자(15)의 편파 회전기부(17)와 편파 회전기용 도체(18)를 접속한다. 도전성 와이어(14n)가 편파 회전기용 도체(18)와 리드핀(2g)을 접속한다. 도전성 와이어(14o)가 반도체 광 변조 소자(15)의 수광 소자(13)와 수광 소자용 도체(19)를 접속한다. 도전성 와이어(14p)가 수광 소자용 도체(19)와 리드핀(2f)을 접속한다.
반도체 광 변조 소자(15)는 2개의 위상 변조기부(16a, 16b)와 1개의 편파 회전기부(17)를 갖기 때문에, 본래라면 리드핀을 실시의 형태 1보다 1개 많게 마련할 필요가 있다. 그러나, 실시의 형태 1의 구조에 리드핀을 1개 추가하여 원 형상으로 배치하면 리드핀 간격이 너무 좁아져, 기밀성을 확보할 수 없고 양산성을 담보할 수 없는 경우가 있다.
그래서, 본 실시의 형태에서는, 리드핀(2a)을 금속 스템(1)의 중앙부에 배치하고 있다. 중앙부는 압력이 균등하게 걸리기 쉽기 때문에, 실시의 형태 1과 동등한 기밀성을 유지할 수 있다. 또, 온도 제어 모듈을 금속 스템 중앙부에 평평하게 설치하여 접합한 종래의 구조에서는, 리드핀을 금속 스템 중앙부에 배치할 수 없어, 기밀성이 악화된다.
MZM형의 반도체 광 변조 소자(15)의 종횡의 외경은 수 mm이고, 실시의 형태 1의 전계 흡수형 광 변조기의 외경의 수 배이다. 따라서, 스템 상에 제2 유전체 기판이 존재하는 종래 구조에서는 MZM형의 반도체 광 변조 소자(15)의 실장은 곤란했다. MZM형의 반도체 광 변조 소자를 실장하려면 광 출사 방향으로 수 mm 확대할 필요가 있고, 레이저 광원 장치의 외경이 확대한다. 이에 따라 온도 제어 모듈(5)로부터 반도체 광 변조 소자(10)까지의 거리가 멀어지고, 온도 제어 모듈(5)에 의한 흡열·방열성이 악화되어, 온도 제어 모듈(5)의 고성능화가 필요하다. 또, 리드핀으로부터 반도체 광 변조 소자까지의 거리도 멀어지기 때문에, 고주파 선로의 연장에 의해 고주파 특성이 악화된다.
이것에 대해서, 본 실시의 형태에서는, 종래보다 유전체 기판(6)으로의 실장 자유도가 향상했기 때문에, 레이저 광원 장치의 외경을 크게 하지 않고, 유전체 기판(6)의 주면에 MZM형의 반도체 광 변조 소자(15)를 실장할 수 있다. 온도 제어 모듈(5)로부터 반도체 광 변조 소자(15)까지의 거리가 유전체 기판(6)의 두께분이며 매우 가깝기 때문에, 흡열·방열성은 실시의 형태 1과 마찬가지로 양호하고, 온도 제어 모듈(5)의 고성능화는 불필요하다. 또, 고주파 선로의 연장도 불필요하고, 고주파 특성은 악화되지 않는다.
또, 수광 소자(13)는, 일반적으로 MZM형의 반도체 광 변조 소자(15)에 집적되고 있지만, 실시의 형태 1과 마찬가지로 별도 실장해도 좋다. 그 외의 구성 및 효과는 실시의 형태 1과 마찬가지이다.
실시의 형태 3.
도 7은, 실시의 형태 3에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 정면 사시도이다. 렌즈(20), 광학 소자(21) 및 블록(22)이 유전체 기판(6)의 주면에 실장되어 있다. 수광 소자(13)가 블록(22)의 측면에 실장되어 있다. 반도체 광 변조 소자(10) 대신에 반도체 광 변조 소자(23)가 유전체 기판(6)의 주면에 실장되어 있다.
반도체 광 변조 소자(23)는 레이저광의 강도를 증폭하는 광 증폭기(SOA: Semiconductor Optical Amplifier)를 갖고 있다. 이 때문에, 보다 높은 광 출력을 얻을 수 있다. 광 증폭기를 갖는 반도체 광 변조 소자(23)의 전체 길이는 길어지지만, 본 실시의 형태에서는 유전체 기판(6)의 주면의 실장 스페이스가 크기 때문에, 고비용 또는 대역 열화의 요인이 되는 유전체 기판(6)의 구조 변경은 불필요하다.
렌즈(20) 및 광학 소자(21)는 예를 들면 SiO2 등의 유리로 이루어진다. 렌즈(20) 및 광학 소자(21)는, 에폭시계 수지의 접착제 등의 접합재에 의해 유전체 기판(6)에 접합된다. 에폭시계 수지를 이용한 경우에는, 접착 직후에 자외선 조사에 의해 가(假)경화한 후, 열처리 공정을 거쳐 열경화시키는 것에 의해, 접합을 행한다.
렌즈(20)는, 반도체 광 변조 소자(23)로부터 출사된 레이저광을 Z축의 양의 방향쪽으로 평행화 또는 집광화한다. 광학 소자(21)는, 반도체 광 변조 소자(10)로부터 출사된 레이저광의 일부를 분리한다. 수광 소자(13)는, 분리된 레이저광을 전기 신호로 변환한다.
종래의 구조에서는, 제2 유전체 기판을 이용하고 있었기 때문에 수광 소자(13)를 실장하는 것이 곤란했다. 렌즈(20), 광학 소자(21), 및 수광 소자(13)를 실장하면 구조가 복잡하게 되고, 레이저 광원 장치의 외경이 대형화하고, 강도와 열분포의 점에서 신뢰성도 저하하고 있었다. 이것에 대해서, 본 실시의 형태에서는, 종래보다 유전체 기판(6)으로의 실장 자유도가 향상됐기 때문에, 레이저 광원 장치의 외경을 크게 하지 않고, 유전체 기판(6)의 주면에 렌즈(20), 광학 소자(21), 블록(22), 수광 소자(13) 등을 실장할 수 있다.
블록(22)은 예를 들면 AlN 기판이며, 표면에 서로 분리한 도체(22a, 22b)가 마련되어 있다. 수광 소자(13)의 이면 전극은 블록(22)의 도체(22a)에 땜납 등으로 접합된다. 수광 소자(13)의 표면 전극은 도체(22b)에 도전성 와이어(14q)로 접합된다. 이 접합은 레이저 광원 장치의 조립 공정과는 다른 공정으로 조립하여 반 완성품으로 해두고, 이 반 완성품을 반도체 광 변조 소자(23) 등의 접합과 동시에 유전체 기판(6)의 주면에 접합한다. 이것에 의해, 반 완성품을 제작하지 않는 경우와 비교하여 제조 난이도가 저하한다. 유전체 기판(6)의 주면에 반 완성품을 접합한 후, 도체(22b)를 리드핀(2f)에 도전성 와이어(14r)에 의해 접속한다. 이것에 의해, 수광 소자(13)에 의해 OE 변환된 전기 신호를 리드핀(2f)의 Z축의 음의 방향쪽으로 보낼 수 있다. 그 외의 구성 및 효과는 실시의 형태 1과 마찬가지이다.
실시의 형태 4.
도 8은, 실시의 형태 4에 따른 반도체 레이저 광원 장치를 나타내는 개략도이다. 실시의 형태 1~3 중 어느 것의 반도체 레이저 광원 장치의 금속 스템(1)에 렌즈 부착 캡(24)이 접합되어 있다. 렌즈 부착 캡(24)은, 금속 스템(1) 상에 실장된 지지 블록(4), 온도 제어 모듈(5), 유전체 기판(6), 반도체 광 변조 소자(10) 및 온도 센서(11) 등을 기밀 봉지하는 기밀 봉지용 캡이다. 따라서, 내습성 및 외란 내성을 향상할 수 있다. 렌즈 부착 캡(24)의 렌즈는, 예를 들면 SiO2로 이루어지는 유리로 이루어지고, 반도체 광 변조 소자(10)로부터 출사된 레이저광을 대략 집광 또는 평행광화(시준(collimate))한다. 예를 들면, 실시의 형태 3에 렌즈 부착 캡(24)을 접합한 경우, 확대 각도가 큰 반도체 광 변조 소자(23)의 레이저광을 렌즈(20)에서 평행광화한 후, 렌즈 부착 캡(24)에서 시준광을 집광시켜 파이버에 입사시킨다. 또, 실시의 형태 1, 2는 시준하지 않고 직접 집광시켜 파이버에 입사시키고 있다.
1 금속 스템, 2a~2g 리드핀, 4 지지 블록, 5 온도 제어 모듈, 5a 열전 소자, 5b 하측 기판, 5c 상측 기판, 5d 금속부, 6 유전체 기판, 7a, 7b 차동 구동용 신호 선로, 8 그라운드 도체, 10, 15, 23 반도체 광 변조 소자, 11 온도 센서, 12 세라믹 블록, 13 수광 소자, 14a~14r 도전성 와이어, 21 광학 소자, 22 블록, 29 렌즈, 24 렌즈 부착 캡
Claims (15)
- 금속 스템과,
상기 금속 스템을 관통하는 제1 내지 제3 리드핀과,
상기 금속 스템 위에 마련된 지지 블록과,
상기 지지 블록의 측면에 실장되고, 하측 기판과, 상측 기판과, 상기 상측 기판과 상기 하측 기판 사이에 끼워진 복수의 열전 소자를 갖는 온도 제어 모듈과,
상기 온도 제어 모듈의 상기 상측 기판에 이면이 접합된 유전체 기판과,
상기 유전체 기판의 주면에 마련된 2개의 차동 구동용 신호 선로와,
상기 유전체 기판의 상기 주면에 실장된 반도체 광 변조 소자와,
상기 유전체 기판의 상기 주면에 실장된 온도 센서와,
상기 차동 구동용 신호 선로의 일단과 상기 반도체 광 변조 소자를 접속하는 제1 도전성 와이어와,
상기 차동 구동용 신호 선로의 타단과 상기 제1 리드핀을 접속하는 제2 도전성 와이어와,
상기 온도 센서와 상기 제2 리드핀을 접속하는 제3 도전성 와이어와,
상기 온도 제어 모듈과 상기 제3 리드핀을 접속하는 제4 도전성 와이어를 구비하는 것을 특징으로 하는
반도체 레이저 광원 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 리드핀은 상기 유전체 기판의 주면측에 배치되고,
상기 제3 리드핀은 상기 유전체 기판의 이면 측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는
반도체 레이저 광원 장치. - 제2항에 있어서,
상기 하측 기판은, 상기 상측 기판보다 윗쪽으로 돌출한 돌출부를 갖고,
상기 열전 소자에 전력 공급하기 위한 금속부가 상기 돌출부에 마련되고,
온도 제어 모듈용 도체가 상기 유전체 기판의 상기 주면으로부터 상측 측면에 걸쳐 마련되고,
상기 제4 도전성 와이어는, 상기 유전체 기판의 상기 상측 측면에 마련된 상기 온도 제어 모듈용 도체와 상기 제3 리드핀을 접속하는 도전성 와이어와, 상기 유전체 기판의 상기 주면에 마련된 상기 온도 제어 모듈용 도체와 상기 금속부를 접속하는 도전성 와이어를 갖는 것을 특징으로 하는
반도체 레이저 광원 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차동 구동용 신호 선로의 타단은, 상기 제2 도전성 와이어에 의해 상기 제1 리드핀에 직접적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유전체 기판의 외경은 상기 상측 기판의 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원 장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유전체 기판에 실장되고, 도체막이 마련된 세라믹 블록을 더 구비하고,
상기 제3 도전성 와이어는, 상기 도체막과 상기 온도 센서를 접속하는 도전성 와이어와, 상기 도체막과 상기 제2 리드핀을 접속하는 도전성 와이어를 갖는 것을 특징으로 하는
반도체 레이저 광원 장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유전체 기판에 마련되고, 상기 금속 스템에 도전성 와이어에 의해 직접적으로 접속된 그라운드 도체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원 장치. - 제7항에 있어서,
상기 그라운드 도체는 상기 유전체 기판의 주면과 이면에 마련되고, 각각 도전성 와이어에 의해 상기 금속 스템에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원 장치. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 광 변조 소자의 변조기부는 복수의 전계 흡수형 광 변조기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원 장치. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 광 변조 소자의 위상 변조기부는 마하젠더(Mach Zehnder)형 광 변조기인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원 장치. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유전체 기판의 상기 주면에 실장되고, 상기 반도체 광 변조 소자로부터 출사된 레이저광을 평행 또는 집광화하는 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원 장치. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 광 변조 소자로부터 출사된 레이저광의 일부를 전기 신호로 변환하는 수광 소자를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원 장치. - 제12항에 있어서,
상기 유전체 기판의 상기 주면에 실장되고, 상기 반도체 광 변조 소자로부터 출사된 레이저광의 일부를 분리하는 광학 소자와,
상기 유전체 기판의 상기 주면에 실장된 블록을 더 구비하고,
상기 수광 소자는 상기 블록의 측면에 실장되고, 상기 광학 소자에 의해 분리된 상기 레이저광의 일부를 전기 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는
반도체 레이저 광원 장치. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 광 변조 소자는 레이저광의 강도를 증폭하는 광 증폭기를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원 장치. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 스템에는 기밀 봉지용 캡이 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원 장치.
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