JP4914775B2

JP4914775B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP4914775B2
Application number: JP2007153818A
Authority: JP
Inventors: 弘淳青木; 成司納冨
Original assignee: ファイベスト株式会社
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2027-06-11
Also published as: JP2008306100A

Description

本発明は、光通信に用いる光モジュールに関するものである。

近年、光通信システムが高速・大容量化するにつれて、光通信に用いられる光送信器や光受信器などの光モジュールには、小型であるとともに、高速動作特性が要求される。この要求に応えるために、半導体レーザ素子を駆動するための駆動ＩＣを筐体内に内蔵した光モジュールが開示されている（たとえば特許文献１参照）。この光モジュールは、駆動ＩＣを筐体内に内蔵することによって、良好な高周波特性の確保と、光モジュールと駆動回路とを含めた全体の小型化とを実現している。

一方、たとえばＸＦＰ(10 Gigabit Small Form Factor Pluggable)規格に対応するための光モジュールは、高速化（数十ギガビット／秒）や小型化の要請が特に高い。たとえば特許文献２に開示される光送信器は、レーザと駆動ドライバとが、基板上においてレーザの近傍まで形成した配線パターンを介して配線され、レーザ近傍においてワイヤ結線することによって、駆動ドライバを筐体内に内蔵しながら、ＸＦＰ規格を満たすような小型化を実現している。

特開２００３−２６４３３１号公報特開２００５−８２２６１号公報

しかしながら、従来の光モジュールは、電気配線を行うための基板を複数個備えているとともに、これらの基板を並べて用いているので、基板間に間隙が形成されており、小型化が困難であるという問題があった。また、基板間に間隙が存在するために、基板間をワイヤ配線する必要があるので、このワイヤ配線によって高周波特性が劣化するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型であるとともに、良好な高周波特性を有する光モジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光モジュールは、筐体と、前記筐体内に設けられレーザ光を発光または受光する光デバイスと、前記光デバイスに隣接する位置に前記筐体の外側に延伸するように設けられるとともに、配線パターンが形成された基板と、前記基板の内側の領域に配置され、前記光デバイスおよび外部との間で高周波信号を送信または受信する電子デバイスと、を備え、組み立てられた状態において、前記配線パターンの前記筐体の外側に延伸した部分にリード端子が設けられることを特徴とする。

また、本発明に係る光モジュールは、上記発明において、前記基板は、複数の基板が積層して形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る光モジュールは、上記発明において、前記筐体は、セラミックからなる複数の筐体構成部材が積層して形成されており、前記基板は、セラミックからなるとともに、前記複数の筐体構成部材の間に積層し、該複数の筐体構成部材と一体化して多層セラミック構造を構成していることを特徴とする。

また、本発明に係る光モジュールは、上記発明において、前記光デバイスは、レーザ光発光手段であり、前記電子デバイスは、前記レーザ光発光手段を駆動制御するドライバであることを特徴とする。

また、本発明に係る光モジュールは、上記発明において、前記光デバイスは、レーザ光を受光して電気信号に変換する受光手段であり、前記電子デバイスは、前記変換した電気信号を増幅する増幅手段であることを特徴とする。

本発明によれば、筐体内に不要な基板間の間隙が発生せず、かつ基板間を接続するためのワイヤ配線が不要であるため、小型であるとともに、良好な高周波特性を有する光モジュールを実現することができるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して本発明に係る光モジュールおよび光モジュールの製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
はじめに、本実施の形態に係る光モジュールについて説明する。本実施の形態に係る光モジュールは、レーザ信号光を発光する光送信器である。図１〜４は、本実施の形態に係る光モジュールを模式的に表した概略図であり、図１は平面概略図、図２は側断面概略図、図３は斜視断面概略図、図４は要部斜視概略図をそれぞれ示す。なお、図１〜４の各々において、説明のために一部の構成の記載を省略している。

図１〜４に示すように、この光モジュール１００は、筐体１を備える。筐体１は、基台１１と、多層構造を有する下側筐体構成部材１２と、多層基板２と、多層構造を有する上側筐体構成部材１３と、シールリング１４と、蓋部１５とを備える。また、下側筐体構成部材１２と上側筐体構成部材１３と多層基板２とは積層して一体化しており、多層セラミック構造を構成している。また、多層基板２の一部が筐体１の外側まで延伸している。

基台１１は、直方体の板形状を有し、銅タングステン等の熱伝導率が高い材料からなる。下側筐体構成部材１２と上側筐体構成部材１３と多層基板２とは、基台１１上に配置される。下側筐体構成部材１２と上側筐体構成部材１３と多層基板２とは、アルミナ等の絶縁性を有するセラミック材料からなり、一体化して多層セラミック構造を構成している。多層基板２には、配線パターン２ａが形成されており、その一部は筐体１の外側まで延伸している。また、多層基板２は、アルミナ等の絶縁性を有したセラミック材料からなり、高周波特性の良い配線パターン２ａを施してある。

シールリング１４は、蓋部１５を溶接して筐体１内を気密封止するための部材である。シールリング１４と蓋部１５は、溶接性の良いコバール等からなる。なお、下側筐体構成部材１２と上側筐体構成部材１３と多層基板２とが構成する多層セラミック構造は、アルミナ等のセラミック材料からなるので、熱伝導性が低く、外部から筐体１内への熱の流入を防止する効果がある。

また、上記多層セラミック構造の前面部には孔が形成されている。この孔には、サファイア、ガラス等からなるウィンドウ６１を収容したウィンドウパイプ６が嵌め込まれており、さらに、ウィンドウパイプ６には、光ファイバスタブ８を挿入固定したコバール等からなる光ファイバ接続管７が接続されている。なお、ウィンドウパイプ６は、光ファイバ接続管７を溶接するためにコバール等からなり、筐体１内を気密にするために、上記多層セラミック構造とロー付けされている。なお、図３、４においては、光ファイバ接続管７、光ファイバスタブ８の記載を省略している。

下側筐体構成部材１２および多層基板２の切り欠き部が形成する空間３には、レーザ等を備えたアセンブリ部材４が配置される。アセンブリ部材４は、ペルチェ素子などの電子冷却素子４１と、電子冷却素子４１上に配置した支持部材４２ａ〜４２ｃと、支持部材４２ｂ上に配置したレーザチップキャリア４３、サーミスタ４５、およびモニタＰＤ（Photo detector）４６と、レーザチップキャリア４３に配置した半導体レーザ４４と、支持部材４２ｃ上に配置したレンズホルダ４７と、レンズホルダ４７によって保持されたレンズ４８とを備える。なお、支持部材４２ｂ上には、配線パターン４２ｂａが半導体レーザ４４の近傍まで形成されている。また、支持部材４２ｂやレーザチップキャリア４３上にはマイクロストリップラインが形成されている。なお、図３においては、説明のためアセンブリ部材４を破線で示している。

また、下側筐体構成部材１２および多層基板２には、開口部Ａが形成されており、開口部Ａ内には、基台１１上にヒートシンク５ａが配置され、ヒートシンク５ａ上に半導体レーザ４４を駆動制御するための集積回路である駆動ドライバ５が搭載されている。駆動ドライバ５は、複数のワイヤＷ１、Ｗ２によって、多層基板２上の配線パターン２ａと電気的に接続している。さらに、駆動ドライバ５は、ワイヤＷ２、配線パターン２ａ、ワイヤＷ３、配線パターン４２ｂａ、ワイヤＷ４、レーザチップキャリア４３上のマイクロストリップラインを介して半導体レーザ４４に電気的に接続している。なお、駆動ドライバ５から半導体レーザ４４に至るまでの各配線パターンおよびマイクロストリップラインは、十分にインピーダンス整合がとれるように設計されており、十分な高周波特性が確保されている。

また、多層基板２には、配線パターン２ａの筐体１の外側に延伸した部分にリード端子Ｌ１が設けられている。また、図４に示すように、筐体１の側面には、メタライズパターン１６が形成されている。メタライズパターン１６は、多層基板２に形成された配線パターン２ａと電気的に接続している。そして、メタライズパターン１６には、Ｌ字型のリード端子Ｌ２がロー付けされている。筐体１は多層セラミック構造で構成されているため、その側面にメタライズパターン１６を形成することが可能であり、メタライズパターン１６にリード端子Ｌ２にロー付けができ、光モジュール１００の小型化に対して有効である。また、多層セラミック構造は、絶縁性の高いセラミック材料からなるので、配線パターン２ａやリード端子Ｌ１、Ｌ２との間の絶縁性は確保されている。リード端子Ｌ１は、多層基板２上の配線パターン２ａおよびワイヤＷ１を介して、駆動ドライバ５と電気的に接続している。また、リード端子Ｌ２は、配線パターン２ａおよび複数のワイヤＷ５を介して、電子冷却素子４１、半導体レーザ４４、サーミスタ４５、あるいはモニタＰＤ４６と電気的に接続している。なお、図３においては、説明のためにワイヤＷ１〜Ｗ５の記載を省略している。

この光モジュール１００は、配線パターン２ａの筐体１の外側に延伸した部分にリード端子Ｌ１が設けられている。したがって、従来のように駆動ドライバが配置される基板と、駆動ドライバが光モジュールの外部と電気的に接続するための基板とが分離している場合に発生していた基板間の間隙が、光モジュール１００においては発生しない。また、従来は必要であった基板間を接続するためのワイヤ配線も不要となる。その結果、この光モジュール１００は、小型であるとともに、良好な高周波特性を有するものとなる。さらに、この光モジュール１００においては、多層基板２と筐体１との間隙も発生しないので、さらに小型化されている。

つぎに、この光モジュール１００の動作を説明する。駆動ドライバ５は、外部からリード端子Ｌ１を介して電力および高周波の電気信号が供給される。この電気信号のビットレートはたとえば１０Ｇｂｐｓ（１０Ｇｂｉｔｐｅｒｓｅｃｏｎｄ）である。半導体レーザ４４は、外部からリード端子Ｌ２を介して電力を供給されるとともに、駆動ドライバ５から高周波の電気信号を供給されて駆動制御され、変調周波数１０ＧＨｚのレーザ光信号を前方、すなわちレンズ４８側に出力する。半導体レーザ４４から出力した光信号は、レンズ４８によって平行光線とされ、ウィンドウ６１を透過した後、光ファイバ接続管７内であってウィンドウパイプ６の外側に配置されたレンズによって集光されて光ファイバスタブ８と光学的に結合する。光ファイバスタブ８は、光ファイバへ接続されて、光モジュール１００を出力した光信号を光ファイバに伝送させる。

また、半導体レーザ４４の後方にも、光信号の一部が出力し、出力した光信号はモニタＰＤ４６によって受光され、モニタＰＤ４６は受光した光強度に応じた電流を出力する。出力した電流は、半導体レーザ４４の出力をモニタするために用いられる。また、半導体レーザ４４は動作中に熱を発生するが、支持部材４２ｂ、４２ａを介して電子冷却素子４１によって冷却される。半導体レーザ４４の温度は、半導体レーザ４４の近傍に配置されたサーミスタ４５によってモニタされ、半導体レーザ４４の温度が所定の温度になるように電子冷却素子４１への注入電流が制御される。また、上述したように、基台１１は熱伝導率が高い材料からなるので、電子冷却素子４１から基台１１への放熱が効率的になされる。

なお、支持部材４２ｂを銅タングステン、あるいは窒化アルミなどのセラミック等の熱伝導率が高い材料からなるものとすれば、半導体レーザ４４において発生した熱が効率的に電子冷却素子４１に伝熱し、冷却効率が向上するので好ましい。また、支持部材４２ｃをコバール等の熱伝導率が低い材料で、且つ溶接性のよいものとすれば、半導体レーザ４４から発光された光をレンズ４８に結合して安定した光路を確保するために、ＹＡＧレーザ溶接等によってレンズホルダ４７を支持部材４２ｃに固定でき、その結果、半導体レーザ４４からの発熱によりレンズホルダ４７およびレンズ４８の温度が上昇しても光学系の位置ずれが発生することが防止できる。

一方、駆動ドライバ５も動作中に熱を発生するが、発生した熱はヒートシンク５ａを介して基台１１から放熱される。ヒートシンク５ａについても、銅タングステン等の熱伝導率が高い材料からなるものとすれば、駆動ドライバ５において発生した熱が効率的に放熱されるので好ましい。

以上説明したように、本実施の形態に係る光モジュール１００は、筐体内に不要な基板間の間隙が発生せず、かつ基板間を接続するためのワイヤ配線が不要であるため、小型であるとともに、良好な高周波特性を有する光モジュールとなる。

つぎに、光モジュール１００の製造方法の一例について説明する。図５，６は、光モジュール１００の製造方法を説明する説明図である。なお、図５，６は、図３と同様に斜視断面概略図を示している。

はじめに、図５に示すように、基台１１上の所定の位置に、別途組み立てたアセンブリ部材４およびヒートシンク５ａを取り付ける。

つぎに、図６に示すように、基台１１上に、下側筐体構成部材１２と上側筐体構成部材１３と多層基板２とが一体化した多層セラミック構造を積層する。なお、シールリング１４およびウィンドウ６１を収容したウィンドウパイプ６は、あらかじめ多層セラミック構造にロー付けしておく。その後、多層基板２の配線パターン２ａ、および筐体１側面のメタライズパターン１６にリード端子Ｌ１、Ｌ２を設ける。

ここで、図７、８は、多層基板２を構成する基板のうち、それぞれ最上層の基板２１、上から２層目の基板２２を模式的に表した平面概略図である。図７に示すように、基板２１には配線パターン２ａ、開口部Ａ１が形成されており、さらに、ウィンドウパイプ６を嵌め込む孔を形成する切り欠き部２１ｂと、切り欠き部２１ｂに連接し、アセンブリ部材４を配置する空間３を形成する幅の広い切り欠き部２１ａとが形成されている。同様に、基板２２には配線パターン２ｂ、開口部Ａ２、切り欠き部２２ａ、２２ｂが形成されている。また、基板２１、２２には、それぞれ複数のビアホールＨ１、Ｈ２が形成されており、基板間の電気的接続を可能としている。なお、多層基板２を構成するその他の基板にも配線パターン、ビアホールがそれぞれ形成されている。このように、多層基板２を構成する各基板に配線パターンが形成され、それぞれがビアホールを介して電気的に接続しているので、基板面積が大幅に削減され、光モジュール１００のさらなるなる小型化を実現している。

つぎに、ヒートシンク５ａ上に駆動ドライバ５を取り付け、所定の位置にワイヤＷ１〜Ｗ５を配線する。さらに、半導体レーザ４４と光ファイバスタブ８との光学結合が最大になるようにアセンブリ部材４の位置を微調整した後、シールリング１４上に蓋部１５を溶接し、筐体１内を気密封止する。つぎに、光ファイバスタブ８を光ファイバ接続管７に挿入して固定し、光ファイバ接続管７をウィンドウパイプ６に取り付け、光モジュール１００が完成する。

なお、光モジュール１００においては、下側筐体構成部材１２と上側筐体構成部材１３と多層基板２とが一体化したものを用いたが、別体からなるものでもよい。また、下側筐体構成部材１２としてセラミック材料からなるものを用いたが、材料は特に限定はされない。また、上側筐体構成部材１３としてセラミック材料からなるものを用いたが、配線パターン２ａやリード端子Ｌ２との間の絶縁性が確保されれば、材料は特に限定されない。たとえば、上側筐体構成部材１３として、最下層の部材のみ絶縁性の材料からなるものを用い、その他の層の部材はコバール等の金属を用いてもよい。

また、光モジュール１００においては、下側筐体構成部材１２、上側筐体構成部材１３として積層構造を有するものを用いたが、一体構造のものを用いてもよい。また、光モジュール１００においては、多層基板２を用いたが、単層基板を用いてもよい。

また、光モジュール１００においては、多層基板２および下側筐体構成部材１２に開口部Ａを設け、開口部Ａ内に配置したヒートシンク５ａ上に駆動ドライバ５を搭載したが、開口部Ａを設けず、多層基板２上に駆動ドライバ５を搭載してもよい。また、光モジュール１００においては、支持部材４２ａ〜４２ｃを別々の部材で構成したが、単一の部材で構成してもよい。

また、光モジュール１００は光送信器であるが、本発明は光送信器に限らず、光受信器にも適用することができる。たとえば、光受信器を構成する場合には、光モジュール１００において、アセンブリ部材４を、たとえば基台上にＰＤを配置したものに置き換え、さらに、駆動ドライバ５をプリアンプに置き換える。そして、光ファイバスタブ８から入力した光信号をＰＤによって受光して高周波の電気信号に変換し、変換した電気信号をプリアンプによって増幅し、増幅した電気信号をリード端子Ｌ１から外部に送信するように配線パターン等を構成すればよい。

本発明の実施の形態に係る光モジュールを模式的に表した平面概略図である。図１に示した光モジュールを模式的に表した側断面概略図である。図１に示した光モジュールを模式的に表した斜視断面概略図である。図１に示した光モジュールを模式的に表した要部斜視概略図である。図１に示した光モジュールの製造方法を説明する説明図である。図１に示した光モジュールの製造方法を説明する説明図である。多層基板を構成する基板のうち最上層の基板を模式的に表した平面概略図である。多層基板を構成する基板のうち上から２層目の基板を模式的に表した平面概略図である。

符号の説明

１筐体
２多層基板
２ａ、２ｂ、４２ｂａ配線パターン
３空間
４アセンブリ部材
５駆動ドライバ
５ａヒートシンク
６ウィンドウパイプ
７光ファイバ接続管
８光ファイバスタブ
１１基台
１２下側筐体構成部材
１３上側筐体構成部材
１４シールリング
１５蓋部
２１、２２基板
２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ切り欠き部
４１電子冷却素子
４２ａ〜４２ｃ支持部材
４３レーザチップキャリア
４４半導体レーザ
４５サーミスタ
４６モニタＰＤ
４７レンズホルダ
４８レンズ
６１ウィンドウ
１００光モジュール
Ａ、Ａ１、Ａ２開口部
Ｈ１、Ｈ２ビアホール
Ｌ１、Ｌ２リード端子
Ｗ１〜Ｗ５ワイヤ

Claims

熱伝導率が高い底部の基台を有した筐体と、
前記基台上の前記筐体内に配置された冷却素子および該冷却素子上に少なくともレーザ光を発光または受光する光デバイスを設けたアセンブリ部材と、
前記基台上の前記筐体内であって前記アセンブリ部材に対して前記レーザ光の光軸方向に配置されたヒートシンクおよび該ヒートシンク上に前記光デバイスと前記筐体外部との間で高周波信号を送信または受信する電子デバイスを設けた電子デバイス部材と、
前記アセンブリ部材および前記電子デバイス部材を囲み、かつ前記レーザ光の光軸方向であって前記電子デバイス部材に隣接する前記筐体の外側に延伸するように設けられ、少なくとも前記光デバイスと前記電子デバイスとの間の第１の配線パターンおよび前記電子デバイスと前記筐体外部との間の第２の配線パターンとが形成された基板と、
を備え、前記光デバイスと前記第１の配線パターンとの間、前記第１の配線パターンと前記電子デバイスとの間、および前記電子デバイスと前記第２の配線パターンとの間をワイヤボンディングで接続し、前記筐体外部の配線パターンにリード端子が設けられることを特徴とする光モジュール。
前記基板は、複数の基板が積層して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記筐体は、セラミックからなる複数の筐体構成部材が積層して形成されており、前記基板は、セラミックからなるとともに、前記複数の筐体構成部材の間に積層し、該複数の筐体構成部材と一体化して多層セラミック構造を構成していることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
前記光デバイスは、レーザ光発光手段であり、前記電子デバイスは、前記レーザ光発光手段を駆動制御するドライバであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光モジュール。
前記光デバイスは、レーザ光を受光して電気信号に変換する受光手段であり、前記電子デバイスは、前記変換した電気信号を増幅する増幅手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光モジュール。