JP4718135B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光モジュールに係り、特にモジュールパッケージ内部の電気配線を単純化した小型の光モジュールに関わる。

光通信システムにおける市場の要求の一つに、光通信モジュールのサイズ及び小形化が挙げられる。一方、光通信モジュールは多機能化が進む傾向にあり、各種部品をパッケージ外部と電気的に接続するための配線を多数敷設する必要があり、その結果モジュールのリードの本数が増大する傾向にある。

上記の要求を満たす手段として、光通信モジュールのパッケージに具備される引出配線の取り付け位置を特定の位置に配置するという方法が挙げられる。例えば、直方体形状のモジュールパッケージの一つの側壁にのみにリードを配置すれば、光トランシーバ等へ光モジュールを搭載する際に、トランシーバの端にモジュールを配置できるなど、各部品の配置の自由度、電気配線の設計自由度等が向上する。また、これによって、リードが片側しか出ないので、モジュールサイズを小形にできるというメリットがある。
特許文献１には、表面実装を可能とする小型の発光モジュールとその製造方法が記載されている。

特開２００３-０６０２８１号公報

しかしながら、片側リードのパッケージ構造を適用した場合、光モジュールパッケージ内での電気配線が煩雑になる。パッケージ内の各機能部品の配置は、光学的・形状的な制約が優先して決まるものであるため、電気配線を単純化した形状で敷設することが難しくなる。

特に、光軸に対してリードのない側に、各種電極が存在する場合、長いボンディングワイヤで繋ぐか、長い中継基板を形成する必要が生じる。このような構造の場合、製造工程が煩雑になるだけでなく、ワイヤ断線等の不良が発生するポテンシャルが増大する。

上記課題を解決するために、本発明では、機能部品を、内部に内層配線を形成し、機能部品の搭載面に配線と接続された電極を形成した台座に搭載する。機能部品と配線の一端の電極とを接続し、リードの一端と配線の他端の電極とを接続する。

本発明によれば、製造工程が短く、ワイヤ断線などの不良ポテンシャルが少ない片側リードの光モジュールを得ることができる。

以下本発明の実施の形態を、実施例を用い図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の実施の形態である発光素子モジュールについて、図１および図２を用いて実施例１を説明する。ここで、図１は本発明の実施例１の発光素子モジュールで、図１（ａ）は、その側面図、図１（ｂ）は、その平面図である。また、図２は本発明の実施例１の台座で、図２（ａ）は、その側面図、図２（ｂ）は、その平面図である。なお、図示の簡便のため、平面図に記載されていて側面図に記載されていない部分、またはその逆がある。これは、他の実施例でも同様であり、先に説明した部分は、他の実施例で説明を省略する。

図１で、発光素子２は、波長可変レーザダイオードと呼ばれる複数の異なる波長を出射することができる素子である。発光素子２は、広範囲波長を発光することができるように複数の導波路（図示せず）を有しており、それぞれの導波路に対応した２つの電極群２１、２２を具備している。電極は、導波路をはさんで両側に形成された構造となっている。複数の導波路は、発光素子２内部の出射前方側で一つの導波路（図示せず）に集約されている。

発光素子２から出射した光ビームは、その前方にあるレンズ３０１により集光され、発光素子２への反射戻り光の発生を抑止するアイソレータ３０２を通って光ファイバ３０３に結合し、モジュール外部へ伝搬する。
発光素子モジュール１００は、概ね直方体形状のモジュールパッケージ１の外部から内部へ電気信号等を供給し、内部からの電気信号を外部に取り出すリード１１が、パッケージ１の一つの面である壁面１ａを貫通した構造となっている。

発光素子２は、はんだにより台座４に取り付けられる。台座４は、表面層裏面層に図示しないメタライズが形成されている。このメタライズを用いて、サーモクーラー５の上にはんだ接続により搭載され、サーモクーラー５はパッケージ１の底部にはんだにより固定される。ここで、はんだの組成（すなわち融点）は、接続の順序に応じて適切に選ばれている。サーモクーラー５の役割は、発光により発熱する発光素子２を冷却することと、発光素子２の温度を変化させて発振波長を制御することにある。

つまり、発光素子２が搭載される台座４は、発光素子２とサーモクーラー５との間の熱輸送路となっている。したがって、台座４は、発光素子２からの熱を効率よく放熱するために熱抵抗が低い部材を用いることが望ましい。本実施例では、熱抵抗の小さい絶縁材料であるＡｌＮ（窒化アルミニウム）を主成分としたセラミック基板を用いた。図２に示した台座４は、タングステンを配線材料とした電気配線４１を内蔵する。電極群４２のおのおのの電極は、電極直下に設けたビア４４と、内層電気配線４１と、電極群４３の電極直下のビア４４とを介して、電極群４３の対応する電極と電気的に接続されている。なお、台座４には、発光素子２とレンズ３０１、アイソレータ３０２との光軸を合わせるために、段差が設けられている。この段差は、セラミックシートを積層することによって形成される。したがって、このセラミックシートに配線を形成すれば、台座４の製造プロセスにビアを埋める工程を追加するだけで、配線４１を形成できる。

図１に戻って、この台座４を用いることで、発光素子２のリード側の電極群２１は、直接リード１１ワイヤボンディングし、発光素子２の非リード側（光軸に対しリードの出ていない側）の電極群２２は、直近の台座４の電極群４３とワイヤボンディングすることができる。発光素子２の非リード側の電極群２２は、台座４の内層電気配線４１を経由して、リード１１の直近の台座４の電極群４４に接続されているので、電極群４４とリード１１とをワイヤボンディング接続する。これによって、ボンディングワイヤの密集部に、長いボンディングワイヤを接続することなく電気的接続をとることができる。しかも、従来から必要だった放熱用の台座とに電気配線の機能を兼用させたことから、部品数が増加することもない。
発光素子２上に形成したサーミスタ１２と、サーモクーラー５の端子と、リード１１とをワイヤボンディング接続することで、電気配線は完了する。ここで、サーモクーラー５の端子と、リード１１との間のボンディングワイヤが長いが、他のワイヤとの干渉も少なく問題にはならないことを、確認済みである。

本実施例の発光素子モジュール１００は、広範囲の波長に対応できるよう複数の導波路を形成した発光素子２を搭載している。複数の導波路は、いずれも配線がなされているので、外部から導波路を選択して波長を広範囲で可変できる。また、一つの導波路でも、サーミスタ１２とサーモクーラー５と外部の制御回路とによって、狭い範囲で波長を可変できる。したがって、本実施例の発光素子モジュール１００は、広範囲かつ高精度に波長を変えることができる。
本実施例に拠れば、パッケージの片側からのみリードがでる小型の発光素子モジュールを得ることができた。

なお、台座４の材料は、ＡｌＮ以外の材料でも構わないが、熱抵抗が低いものが好ましい。ＡｌＮに代わる好適な材料としてはＳｉＣ（炭化シリコン）、Ｓｉ（シリコン）、アルミナ等が挙げられる。また、内蔵配線材料に関しても、極端に電気抵抗の高いものでなければ、タングステン以外の材料でも構わない。
また、光学構造に関しても、実施例に示した以外の構造でも構わない。例えばレンズを複数枚用いても、レンズを用いず光ファイバに直接結合させてもよい。さらに、反射光による影響を回避することができれば、アイソレータは用いなくても構わない。本実施例で、サーモクーラーは、ペルチェ素子を用いた。ペルチェ素子は、流す電流の向きによっては、サーモヒータとなり、環境温度が極端に低い場合は、加熱するよう制御される。

本実施例では、発光素子モジュールの筐体として、金属枠体の側面に開けた穴にリードを貫通させ、ガラスによってハーメチックシールしたメタルウォールタイプを用いた。しかし、筐体はメタルウォールタイプに限らない。例えば、電気配線を形成したセラミック基板を金属枠体と接合フィールドスルータイプであってもよい。この場合セラミック基板に形成した配線が、リードである。上述した実施例の変形例は、他の実施例でも同様である。

次に、本発明の実施の形態である発光素子モジュールについて、図３を用いて実施例２を説明する。ここで、図３は本発明の実施例２の発光素子モジュールで、図３（ａ）は、その側面図、図３（ｂ）は、その平面図である。

図３で、発光素子２は、はんだによりサブアセンブリ基板３を介して台座４に取り付けられる。台座４は、サーモクーラー５の上にはんだ接続等により搭載され、サーモクーラー５は、パッケージ１の底部にはんだにより固定される。

実施例２の発光素子モジュール１００は、モジュールパッケージ１の一つの壁面１ａに、リード１１を具備した構造となっている。本実施例の発光素子２は、単波長レーザダイオードである。発光素子２をサブアセンブリ基板３に載せたのは、台座４に搭載する前に発光素子２の発光特性を評価するためである。この評価試験には歩留まりがあり、発光素子に不具合があった場合、サブアセンブリ基板から発光素子を取り外す必要がある。このために、サブアセンブリ基板は、熱容量が小さいことが、好ましい。また、取り外せない場合も考慮して、価格が安いことが好ましい。さらに、発光素子を搭載することから、熱膨張係数が半導体の熱膨張係数に近いことも必要である。そこで、本実施例では、サブアセンブリ基板の材質のＡｌＮを用いた。

サブアセンブリ基板３には、発光素子２の温度をモニタするためのサーミスタ１２が搭載されている。また、発光素子２に電気信号を供給するための電気配線１１２が敷設されている。これらの部品をサブアセンブリ基板３上に効率よく配置するためには、発光素子２の光軸対称に設置することが望ましい。本実施例では、サーミスタを非リード側に配置した。

台座４は、実施例１と同様、発光素子２からの熱を効率よく放熱するためにＡｌＮを主成分とした部材を用いた。この台座４は、配線材料としてタングステンを用いた電気配線４１が内蔵されている。台座４の、リード１１側の電極群４２の電極と、非リードの電極群４３の電極とは、台座４の内部に形成されている電気配線４１を介して電気的に接続されている。リード１１と電極群４２とをボンディングワイヤ６１で電気的に接続し、台座４の非リード側の電極群４３と、サーミスタ用の電極１１３およびサーミスタ１２とを、ボンディングワイヤ６２で接続する。これによって、サーミスタ用の電極１１３とパッケージ１のリード１１とを電気的に接続することができる。

本実施例によれば、長いボンディングワイヤを接続するなど、複雑な形態を採ることなく電気的接続をとることができる。しかも、放熱用の台座と電気配線とを兼用していることから、部品数が増加することもない。したがって、パッケージの片側からのみリードがでる小型の発光素子モジュールを得ることができた。

なお、内蔵配線４１を用いて電気的に接続する部品をサーミスタとしたが、これ以外でも構わない。例えば発光素子２に電流を供給する電気配線に、内蔵配線を用いてもよい。また、サブアセンブリ基板３に内層を設けることも可能であるが、発光素子の取り外しが、難しくなる。
サブアセンブリ基板３の材質は、ＡｌＮに限るものではない。具体的には、ＳｉＣであっても、Ｓｉ（シリコン）であっても、アルミナであってもよい。

次に、本発明の実施の形態である発光素子モジュールについて、図４を用いて実施例３を説明する。ここで、図４は本発明の実施例３の発光素子モジュールで、図４（ａ）は、その側面図、図４（ｂ）は、その平面図である。なお、前述したように、発光素子の周辺の配線等は、図示を省いた。

図４に示す発光素子モジュール１００は、発光素子２と、波長ロッカ７とを含んでいる。波長ロッカ７は、２つのフォトダイオードと一つのエタロンフィルタを備え、発光素子２から出射した光のエタロンフィルタ透過前後の光強度をモニタし、波長を安定化するための部品である。発光素子２から出射した光ビームは、その前方にあるレンズ３０１によりコリメート光となり、アイソレータ３０２を通って波長ロッカ７に入射する。波長ロッカを通過した光ビームは、レンズ３０４により集光され光ファイバ３０３に結合し、モジュール外部へ伝搬する。

発光素子モジュール１００は、モジュールパッケージ１の側壁１ａに、リード１１を具備した構造となっている。波長ロッカ７を構成するフォトダイオードの電極群７１は、リード１１が貫通する壁面１ａから遠い側（非リード側）に配置されている。波長ロッカ７は、はんだにより台座８に取り付けられ、台座８は、サーモクーラー９の上にはんだ接続により搭載されている。さらに、サーモクーラー９はパッケージ１の底部にはんだにより固定される。ここで、サーモクーラー９は、波長ロッカ７の温度をコントロールし、モニタする波長を制御する。図示しない外部の制御装置は、波長ロッカ７のエタロンフィルタ透過前後の光強度比を一定にするよう、光素子２の乗ったサーモクーラー５の温度を制御する。

台座８は、電気配線８１が内蔵された構造となっている。本実施例では台座８の絶縁材料にアルミナを用い、内蔵配線の材料にはタングステンを用いた。これらは実施例１と同様、他の部材であっても構わない。台座８の、リード側の電極８２は、台座４の内部に形成されている電気配線８１を介して、非リード側の電極４３と電気的に接続されている。リード１１と電極８２とをボンディングワイヤ９１で電気的に接続し、電極８３と、波長ロッカ７を構成するフォトダイオードの電極７１とを、同じくボンディングワイヤ９２で接続する。これによって、波長ロッカ７の電極７１とパッケージ１のリード１１とを電気的に接続することができ、電気配線をモジュールパッケージ１の外部に引き出すことができる。

本明細書では、発光素子と波長ロッカとを、機能部品とよぶ。なお、機能部品はこれらに限られず電気的端子を有して、光軸上に置かれる部品の総称である。機能部品には、たとえば、光受信素子、後述する光変調器等を含む。

本実施例に拠れば、長いボンディングワイヤを接続するなど、複雑な形態を採ることなく電気的接続をとることができる。しかもサーモクーラーとの熱結合に用いた台座と電気配線とを兼用していることから、部品数が増加することもない。したがって、パッケージの片側からのみリードがでる小型の発光素子モジュールを得ることができた。

光学構造に関しては、実施例３に示した以外の構造でも構わない。例えばレンズ３０４を用いずに波長ロッカ７を収束光が通過するような構造としてもよい。さらに、反射光による影響を回避することができれば、アイソレータは用いなくても構わない。また、実施例３では、発光素子２の前方光による波長ロッカ７を説明したが、後方光の波長ロッカであってもよい。
本実施例で、サーモクーラーは、ペルチェ素子を用いた。ペルチェ素子は、流す電流の向きによっては、サーモヒータとなり、モニタする波長によっては、加熱するよう制御される。

また、本実施例では、発光素子と波長ロッカとを同一の筐体内に収容したが、それぞれ別の筐体に収容し、光ファイバで接続してもよい。この場合、波長ロッカを収容したモジュールは、波長ロッカモジュールと呼ばれる。発光素子モジュールと波長ロッカモジュールは、ともに光モジュールと総称される。なお、光モジュールは、受光素子モジュール、光変調器モジュールを含み、これらに限られない。

次に、本発明の実施の形態である発光素子モジュールについて、図５を用いて実施例４を説明する。ここで、図５は本発明の実施例４の発光素子モジュールで、図５（ａ）は、その側面図、図５（ｂ）は、その平面図である。

図５は、モジュールパッケージ１の内部に発光素子２と、波長ロッカ７と、マハツェンダ変調器２０１とを備えた光モジュール１００である。発光素子２から出射した光は、レンズ３０１でコリメート光となり、アイソレータ３０２を通って波長ロッカ７に入射する。波長ロッカを通過した光は、レンズ３０４により集光され、マハツェンダ変調器２０１に入射する。マハツェンダ変調器２０１により変調された光は光ファイバ３０３を通ってモジュール外部に伝送される。

発光素子２は、波長可変光源で、広範囲波長を発光することができるように複数の導波路を有しており、それぞれの導波路に対応した複数の電極群２１、２２を具備している。電極は、導波路をはさんで両側に形成された構造となっている。波長ロッカ７は、発光素子２から出射した光の波長を、２つのフォトダイオードを用いて、エタロンフィルタ透過前後でモニタする。マハツェンダ変調器２００は、発光素子２から出射した連続光を信号光に変調する機能を持ち、光軸方向の長さが数十ｍｍある。

本モジュール１００は、パッケージ１の外部から内部へ電気信号等を供給し、内部からの電気信号を外部に取り出すためのリード１１が、壁面１ａに具備している。

発光素子２の実装構造は、実施例１と同様で、はんだにより台座４に取り付けられる。台座４は、サーモクーラー５の上にはんだ接続により搭載され、サーモクーラー５はパッケージ１の底部にはんだにより固定される。なお、発光素子２は、実施例２と同様サブアセンブリ基板を介して台座４に搭載するという形態としても構わない。

台座４の部材には、実施例１同様ＡｌＮを主成分としたセラミック基板を用いた。この台座４には電気配線４１が内蔵されている。配線の材料にはタングステンを用いた。台座４の、パッケージ１のリード側の電極群４２と、非リード側の電極群４３とは、台座４の内部に形成されている電気配線４１を介して電気的に接続されている。

これによって、パッケージ壁面を貫通するリード１１とリード側の電極群４２とをボンディングワイヤ６１で電気的に接続し、非リード側の電極群４３と、発光素子２の非リード側の電極群２２とを、ボンディングワイヤ６２で接続する。これによって、発光素子２の電極２２とパッケージ１のリード１１とを電気的に接続することができ、電気配線をモジュール１外部に引き出すことができる。リード側の発光素子２の電極群２１は、直接リード１１とワイヤボンディング接続する。

波長ロッカ７のフォトダイオードの電極群７１は、非リード側に配置されている。波長ロッカ７は、はんだにより台座８に取り付けられる。台座８は、サーモクーラー９の上にはんだ接続により搭載され、サーモクーラー９はパッケージ１の底部にはんだにより固定される。

台座８は、電気配線８１が内蔵された構造となっている。本実施例においても台座８の絶縁材料にはアルミナを、内蔵配線の材料にはタングステンを用いた。台座８の、リード側の電極群８２は、台座４の内部に形成されている電気配線８１を介して、非リード側の電極群４３と電気的に接続されている。パッケージ壁面を貫通するリード１１とリード側の電極群８２とをボンディングワイヤ１０１で電気的に接続し、また台座８の非リード側の電極群８３と波長ロッカ７を構成するフォトダイオードの電極群７１とを、ボンディングワイヤ１０２で接続する。これによって、波長ロッカ７の電極群７１とパッケージ１のリード１１を電気的に接続することができ、電気配線をモジュール１外部に引き出すことができる。
マハツェンダ変調器２００の材料は、ＬｉＮｂＯ_３結晶であり、図示しない外部からの１０Ｇｂｉｔ／ｓの電気信号で、波長可変光源（発光素子２）からの幅広い波長レンジの連続光を、１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号に変調できる。

本実施例では、長いボンディングワイヤで接続するなど、複雑な形態を採ることなく電気的接続をとることができる。熱結合用の台座と電気配線とを兼用していることから、部品数が増加することもない。したがって、パッケージの片側からのみリードがでる小型の発光素子モジュールを得ることができた。

なお、本実施例では、発光素子２と波長ロッカ７の両方に内蔵配線を適用したが、どちらか一方にのみ採用するという構造でも構わない。また、光学構造に関しても、実施例以外の方法でも構わず、例えばレンズ３０４からの収束光を光ファイバで結合させ、光ファイバとマハツェンダ変調器とを直接結合により光伝搬させる等の方法を用いても構わない。

次に、本発明の他の実施の形態であるトランシーバモジュールについて、図６を用いて実施例５を説明する。ここで、図６は、本発明の実施例５のトランシーバモジュールの平面図である。

図６に示した光トランシーバ１０００は、実施例４で説明した発光素子モジュール１００と、受光素子モジュール４００と、それらの周辺回路とで構成される。コネクタ５００から入力された４本の２．４Ｇｂｉｔ／ｓ電気信号は、マルチプレクス用ＩＣ１３０で１０Ｇｂｉｔ／ｓ信号に多重化され、マハツェンダ変調器２００に変調信号を送出する駆動ＩＣを経由して発光素子モジュール１００に送られ、光ファイバ３０３へ１０Ｇｂｉｔ／ｓ光信号が送出する。

光ファイバ３０５から送られてきた１０Ｇｂｉｔ／ｓ光信号は、受光素子モジュール４００で電気信号に変換され、増幅用ＩＣ４２０を経由してデマルチプレクス用ＩＣで、４本の２．４Ｇｂｉｔ／ｓ信号に分離され、コネクタ５００から送出される。

本実施例の光トランシーバでは、パッケージの片側にリードを集中した発光素子モジュール１００を用いたので、発光素子モジュール１００を基板６００の端部に配置でき、小型の光トランシーバとすることができた。

なお、受光素子モジュールのパッケージを、片側にリードを集中したパッケージにしてもよい。また、発光素子モジュールとその周辺回路とを、基板に搭載した光送信機モジュールであってもよい。同様に、片側にリードを集中したパッケージの受光素子モジュールとその周辺回路とを、基板に搭載した光受信機モジュールとしてもよい。
ここで、光トランシーバ、光送信機モジュール、光受信機モジュールは、いずれも光モジュールである。

本発明の実施例１の発光素子モジュールの側面図と平面図である。 本発明の実施例１の台座の側面図と平面図である。 本発明の実施例２の発光素子モジュールの側面図と平面図である。 本発明の実施例３の発光素子モジュールの側面図と平面図である。 本発明の実施例４の発光素子モジュールの側面図と平面図である。 本発明の実施例５のトランシーバモジュールの平面図である。

符号の説明

１…モジュールパッケージ、２…発光素子、３…サブアセンブリ基板、４、８…台座、５、９…サーモクーラー、６１、６２…ボンディングワイヤ、７…波長ロッカ、１１…パッケージのリード、１２…サーミスタ、２１、２２…発光素子に具備された電極群、４１、８１…台座に内蔵された電気配線、４２、４３、８２、８３…台座に具備された電極群、６１、６２、１０１、１０２…Ａｕワイヤ、７１…波長ロッカに具備された電極群（フォトダイオードの電極群）、１１２…サブアセンブリ基板上の伝送線路、１１３…サーミスタ用の電極、１２０…駆動ＩＣ、１３０マルチプレクス用ＩＣ、２００…マハツェンダ変調器、３０１、３０４…レンズ、３０２…アイソレータ、３０３、３０５…光ファイバ、４００…受光素子モジュール、４１０…デマルチプレクス用ＩＣ、４２０…増幅回路、５００…コネクタ、６００…プリント基板。

Claims (6)

1. その一壁面に電気信号の入出力用リードを備えた筐体と、前記筐体に収容された電極を備えた光素子と、前記光素子を搭載した台座とを備えた光モジュールにおいて、
   前記台座は、前記光素子の光軸を挟んで設けられ、互いに電気接続された、前記入出力用リードから遠い側の第一の電極と、前記入出力用リードから近い側の第二の電極とを有し、
   前記光軸に対して前記入出力用リードに近い側の光素子の電極は、前記入出力リードに直接ワイヤ接続され、
   前記光軸に対して前記入出力用リードに遠い側の光素子の電極は、前記台座の第一の電極にワイヤ接続されるとともに、当該第一の電極に電気接続された前記台座の前記第二の電極は、前記入出力用リードにワイヤ接続されていることを特徴とする光モジュール。
2. 請求項１に記載の光モジュールであって、
   前記筐体に取り付けられたサーモクーラーを備え、
   前記台座は、前記サーモクーラーと前記光素子との間の熱輸送を担うことを特徴とする光モジュール。
3. 請求項１に記載の光モジュールであって、
   前記筐体に取り付けられ、前記機能部品との間で熱を輸送するペルチェ素子を備え、
   前記光素子と前記ペルチェ素子との熱輸送路中に、前記台座内に形成され前記第一の電極と前記第二の電極とを接続する配線が形成されていることを特徴とする光モジュール。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の光モジュールであって、
   前記光素子は、レーザダイオードである光モジュール。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の光モジュールであって、
   前記光素子は、波長ロッカである光モジュール。
6. 請求項１に記載の光モジュールであって、
   前記台座は、サブアセンブリ基板を介して前記光素子と接続された光モジュール。

Images