JP6064530B2 - 発光モジュール及び光トランシーバ - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザや温調ユニットをパッケージの内部に備えるとともに、このパッケージの内部で温調ユニットに電気接続される電気配線部を有した発光モジュール及び光トランシーバに関する。

この種の発光モジュールは、光トランシーバの信号源や光ファイバ増幅用の励起源として用いられる。発光モジュールは、半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）を備えており、電気信号を光信号に変換し、この光信号を送出する。また、半導体レーザから出力される光信号の光波長は、半導体レーザの温度に対応して変化する。一定波長の光信号を出力させるため、発光モジュールには、半導体レーザの温度を調整する電子冷却装置（ＴＥＣ：ThermoElectric Coolers）等の温調ユニットを搭載した構造がある。

例えば、特許文献１，２には、発光モジュールのパッケージの内部に半導体レーザや温調ユニットが設けられ、また、パッケージの外部からの電力を温調ユニットに供給可能な電気配線部が設置されている。そして、特許文献１に記載の端子基板（電気配線部）は、パッケージの長手方向に沿って細長く形成され、パッケージの側面に配置されている。電気配線部と温調ユニット給電端子とは、パッケージの長手方向の光導波部側の近傍で、ワイヤを介して電気接続される。

また、特許文献２に記載の絶縁部（電気配線部）は、パッケージのレセプタクル側（光導波部側）の反対側に位置する端部に配置されており、電気配線部と温調ユニット給電端子とは、このパッケージの長手方向の端部で、ワイヤを介して電気接続されている。

特開２００５−３３０３７号公報 特開２０１１−１２９５９５号公報

ところで、上記従来技術のように、パッケージ内部において、電気配線部と温調ユニット給電端子が離れた状態で配置されており、これらを給電用のワイヤで電気的に接続する場合、特許文献１の構造では、半導体レーザ等の実装領域を削って低くするようなワイヤ配線用のスペースが必要になることから、部品実装領域が狭くなるという問題が生じる。一方、特許文献２の構造では、電気配線部と温調ユニット給電端子とを接続するための給電用のワイヤがパッケージの長手方向に沿って延びて長くなり、各ワイヤの周辺には他の部品を実装し難くなるため、パッケージの内部空間を狭くするという問題が生じる。

また、温調ユニットにより上面と下面に高い温度差を生じさせる場合は、大きな電流を必要とする。温調ユニットが必要とする電流量に応じて、許容電流量を満足する十分な断面積を有する配線が必要となる。具体的には、給電用のワイヤ配線に対しては、複数本のワイヤにより許容電流量を確保する設計が必要になる。また、パッケージの電気配線部に対しては、許容電流量を確保する太い配線パターンを設計しなければならず、絶縁部を太く設計する必要が生じる。このように、許容電流量を満たすための配線によって、パッケージの内部空間がより一層狭められる。

本発明は、上述の如き実情に鑑みてなされたもので、広い部品実装領域を確保することが可能な発光モジュール及び光トランシーバを提供することを目的とする。

本発明による発光モジュールは、半導体レーザ、該半導体レーザの温度を調整する温調ユニット、該温調ユニットと電気的に接続される電気配線部、を含む発光モジュールであって、該電気配線部は主面と該主面の下方に位置する副面を有し、該温調ユニットは、該半導体レーザ及び該半導体レーザを駆動する半導体集積回路基板を搭載する上面基板と、該上面基板に対向する下面基板と、を有し、該下面基板は、該上面基板からはみ出した領域に該電気配線部と電気的に接続される温調ユニット給電端子を搭載しており、該半導体レーザ及び該半導体集積回路基板はそれぞれキャリアを介して該上面基板に搭載され、該半導体集積回路基板が該電気配線部の該主面と電気的に接続されており、該温調ユニット給電端子は該電気配線部の該副面と並置され、該温調ユニット給電端子の上面と該副面の上面とはそれぞれ該温調ユニットの上面基板よりも低い位置にあり、さらに、該温調ユニット給電端子と該電気配線部の該副面を接続するワイヤのループ頂点は、該温調ユニットの上面基板よりも低い位置にあり、該半導体集積回路基板を搭載するキャリアは、該ワイヤと干渉せずに該温調ユニットの上面基板から該ワイヤの上方まで突出している。

また、該半導体集積回路基板は該電気配線部の主面とワイヤにより電気的に接続されているようにしてもよい。

また、該キャリアに搭載された中継基板をさらに有し、該半導体集積回路基板は該中継基板とワイヤにより電気的に接続されており、該中継基板は該電気配線部の主面と別のワイヤにより電気的に接続されていてもよい。

本発明によれば、温調ユニット給電端子が、下面基板のうち部品実装領域よりも長く形成された位置に設けられ、電気配線部に電気的に接続されている。この結果、部品実装領域を狭めるようなワイヤ配置用のスペースを設けなくて済み、広い部品実装領域を確保することができる。

本発明による発光モジュールの外観斜視図である。 本発明による発光モジュールの部分断面図である。 本発明による発光モジュールの部分断面図である。 本発明による発光モジュールの部分断面図であり、温調ユニットを説明する図である。 本発明による発光モジュールの平面図であり、温調ユニットを説明する図である。 本発明による電気配線部の外観斜視図である。 本発明による電気配線部と温調ユニットとの接合を説明する図である。 本発明の他の実施形態による発光モジュールの部分断面図である。 本発明の他の実施形態による発光モジュールの部分断面図である。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１〜３に示す発光モジュール（ＴＯＳＡ：Transmitter Optical Sub-Assembly）は、１つのパッケージ内に１つ若しくは複数の半導体レーザを搭載した、波長多重の発光モジュールであり、例えば、光トランシーバの信号源として用いられる。

図１において、１０は発光モジュール、１１はパッケージ、１２はスリーブ、１３は蓋部材、１４は電気配線部を示し、さらに、図２において、２１は温調ユニット、３０は第１キャリア、３１はＬＤ用キャリア、３２は半導体レーザ（ＬＤ）、３３は半導体集積回路基板（ＬＤＤ：Laser Diode Driver）、３４は中継基板、３５は第２キャリア、３６は第１レンズ部品、３７は反射器、３８はフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode、以下、モニタ用ＰＤという）、３９は光合波器を示し、図３において、４０は第２レンズ部品を示す。

発光モジュール１０は、中心波長が異なる半導体レーザ３２を複数（例えば４個）搭載し、光合波器３９を用いて１本の光ファイバに光結合させるもので、波長の異なる複数の信号光をまとめて伝搬できるため、１本の光ファイバあたりの情報伝達量の増大を実現することができる。
図１に示すように、この発光モジュール１０は、金属製とセラミック製の部品を組み合わせたパッケージ１１に、スリーブ１２を連結した形状で形成されている。

パッケージ１１は、例えば、矩形の箱型状に形成され、その一端面にスリーブ１２を備えている。なお、この一端面は約５ｍｍから８ｍｍ四方程度の大きさで構成される。
スリーブ１２は、光ファイバを結合保持するためのものであり、その内壁部分が光ファイバの挿入をガイド可能に構成されている。
一方、電気配線部１４は、パッケージ１１のうちスリーブ１２とは反対側の面に設置され、パッケージ１１の内部から外部に亘って延びており、例えば、第１セラミック層１５、第２セラミック層１６、第３セラミック層１７、第４セラミック層４４によるセラミック製のシートを積層した焼結品で形成されている。

電気配線部１４のうち第１セラミック層１５は、パッケージ１１の外部に露出する主面１８を有し、主面１８には外部端子１８ｂが設けられている。なお、外部端子１８ｂと光トランシーバの配線基板とはフレキシブル基板（ＦＰＣ）等を用いて半田付けにより電気接続される。図示は省略するが、主面１８の反対側に位置する裏面にも、外部端子を設けてもよい。

パッケージ１１の内部には、図２，３に示すように、温調ユニット２１、平板状の第１キャリア３０や第２キャリア３５、さらに、半導体レーザ３２や平板状の半導体集積回路基板３３などが収納される。なお、このパッケージ１１の内部において、半導体集積回路基板３３と電気配線部１４とは中継基板３４を介してワイヤボンディングによって電気接続される。中継基板３４は高速変調信号を伝達する基板であり、マイクロストリップライン設計などの伝送線路が形成されており、高速変調信号の伝送ロスや反射ロスを少なくなるように設計される。

中継基板３４を用いることで、半導体集積回路基板３３と中継基板３４、及び中継基板３４と電気配線部１４の各ワイヤ（図３に示した高速変調信号用ワイヤ５０）の長さを短くすることができる。ワイヤ長が短くなることで、高速変調信号の伝送ロスや反射ロスを少なくすることができる。さらに、半導体集積回路基板３３と中継基板３４、中継基板３４と電気配線部１４の部品間距離が小さくなるように設計することで、ワイヤ長をさらに短くすることができる。
そして、窒素雰囲気環境において、パッケージ１１の上方が金属製の蓋部材１３で溶接などにより閉塞されると、温調ユニット２１や半導体レーザ３２などが窒素雰囲気にて気密封止される。

温調ユニット２１は、例えば、電子冷却装置（ＴＥＣ）であり、波長多重通信に用いる発光モジュール１０では、半導体レーザ３２の発振波長を正確に制御するために、半導体レーザ３２や半導体集積回路基板３３などの温度を調整する。
この温調ユニット２１は、パッケージ１１の長手方向に沿って形成され、パッケージ底面１１ａに載置される。

第１キャリア３０や第２キャリア３５は、例えば、温調ユニット２１の上面基板２２の上に並べて載置される。第１キャリア３０の上には、複数個のＬＤ用キャリア３１、半導体集積回路基板３３や中継基板３４が配置される。各ＬＤ用キャリア３１は、パッケージ１１の長手方向に交差したパッケージ１１の幅方向に沿って１列状で並設され、ＬＤ用キャリア３１の上には、半導体レーザ３２が実装されている。なお、１つのＬＤ用キャリア上に複数の半導体レーザを実装してもよい。

なお、第１キャリア３０、第２キャリア３５やＬＤ用キャリア３１には、半導体レーザ３２や半導体集積回路基板３３からの熱を拡散できる放熱性などを考慮した熱伝導性の良い材料が用いられる。熱伝導性の良い材料としては、窒化アルミニウムやシリコン、銅タングステンなどが用いられる。また、波長多重通信に用いる発光モジュール１０の場合には、第１キャリア３０の上、若しくはＬＤ用キャリア３１の上に温度センサを実装し、又は半導体集積回路基板３３の内部に温度センサを実装し、半導体レーザ３２や半導体集積回路基板３３の温度を測定し、所望の一定温度になるよう温調ユニット２１に供給する電流を制御する。

半導体集積回路基板３３は、例えば、半導体製造プロセスを経て製造され、半導体レーザ３２を駆動するレーザ駆動回路が一体にて作り込まれている。なお、モニタ用ＰＤ３８のモニタ結果を半導体レーザ３２の駆動電流にフィードバックさせるためのＡＰＣ回路は、発光モジュール１０の外部に設けられていてもよいが、上記レーザ駆動回路と同様に、半導体集積回路基板３３に一体にて作り込むことも可能である。

半導体集積回路基板３３と半導体レーザ３２とは、ワイヤ或いは半導体集積回路基板３３の内部などで電気接続される。
半導体レーザ３２は、例えば、半田材等を用いてＬＤ用キャリア３１に実装され、第２キャリア３５に近接して配置されている。半導体レーザ３２には、例えば、端面発光（エッジエミット）型を用いることができ、半導体レーザ３２は略直方体形状のチップで構成され、第１レンズ部品３６に向けて光を出射する。

一方、第２キャリア３５の上には、半導体レーザ３２と対をなす第１レンズ部品３６がパッケージ１１の幅方向に沿って１列状で並設され、第１レンズ部品３６は各半導体レーザ３２から出射された波長の異なる信号光をそれぞれ集光する。
また、第２キャリア３５の上には、各第１レンズ部品３６からの信号光を光導波路３９ａで導波して合波する光合波器３９、この光合波器３９で合波された信号光を光ファイバに光結合する１個の第２レンズ部品４０が実装されている。

この第２キャリア３５上において、第１レンズ部品３６と光合波器３９との間には、例えば、反射器３７が配置され、この反射器３７の上には、半導体レーザ３２と対をなすモニタ用ＰＤ３８が実装されている。反射器３７には、所望の反射率（１％〜１０％程度）を有する反射膜が施されており、半導体レーザ３２から光合波器３９に向かう前方光の一部をモニタ用ＰＤ３８方向に反射させる機能を有する。モニタ用ＰＤ３８は、パッケージ１１の幅方向に沿って１列状で並設され、半導体レーザ３２から光合波器３９に向かう前方光のうち反射器３７で反射された一部（１％〜１０％程度）を受光し、光パワーを電流に変換する。モニタ用ＰＤ３８から出力される電流量により、半導体レーザ３２からの光パワーをモニタすることができる。

モニタ用ＰＤ３８によるモニタ結果は、発光モジュール１０の外部に設置したＡＰＣ回路、或いは、半導体集積回路基板３３に作り込まれたＡＰＣ回路に出力される。
これにより、ＡＰＣ回路では、発光モジュール１０の外部温度などによって変化する半導体レーザ３２の光出力を調整し、半導体集積回路基板３３のレーザ駆動回路に出力する。レーザ駆動回路は、半導体レーザ３２の駆動電流（バイアス電流及び変調電流）を半導体レーザ３２に帰還・供給する。
なお、パッケージ１１内には、光信号の反射戻り光を阻止するアイソレータ等が実装されていてもよい。

ここで、上述した半導体レーザ３２、半導体集積回路基板３３や、モニタ用ＰＤ３８などは、第１キャリア３０及び第２キャリア３５を介して、温調ユニット２１の上面基板２２上の部品実装領域２５に配置されている。
次の図４，５は、図２，３から第１キャリア３０及び第２キャリア３５や各種搭載部品、蓋部材１３の記載を省略したものである。

温調ユニット２１は、パッケージ底面１１ａに沿って延びた上面基板２２と下面基板２３を有し、上面基板２２と下面基板２３の間には、ペルチェ素子２４などが配置されている。
上面基板２２の表面部分が部品実装領域２５に相当し、温調ユニット２１をパッケージ底面１１ａに配置した状態では、部品実装領域２５は、パッケージ１１の長手方向に沿って電気配線部１４の近傍まで延び、例えば、第１セラミック層１５の主面１８と第４セラミック層４４の副面４５との間の高さに位置している。

一方、下面基板２３は、上面基板２２よりもパッケージ１１の長手方向に沿って長く形成され、温調ユニット２１をパッケージ底面１１ａに配置した状態では、電気配線部１４に近接して第４セラミック層４４の下側にまで達している。
下面基板２３のうち上面基板２２よりも長く形成された部分には、一対の温調ユニット給電端子２６がパッケージ１１の幅方向に沿って並設されている。温調ユニット給電端子２６は略直方体形状若しくは円筒形状で形成され、第４セラミック層４４に給電用のワイヤ４８を介して電気接続可能に構成されている。

なお、部品実装領域２５上に配置される半導体レーザ等の搭載部品を冷やす場合、上面基板２２は吸熱板として機能するが、搭載部品を温める場合には、上面基板２２は加熱板として機能するようにしてもよい。

図６は、パッケージの一部を構成する電気配線部１４を示したものである。
電気配線部１４は、パッケージの幅に略等しく形成された第１セラミック層１５、第２セラミック層１６、第３セラミック層１７、第４セラミック層４４を有し、第４セラミック層４４は、図４，５に示した下面基板２３に被さる板状に形成される。なお、セラミック部分は４層以上で構成されていてもよい。

第１セラミック層１５の主面１８は、パッケージの外部の他、パッケージの内部にも露出しており、このパッケージの内部側に位置した主面１８は、外部端子１８ｂを有したパッケージの外部側に向けて若干窪んで形成されている。
また、このパッケージの内部側に位置した主面１８には、例えば、上記レーザ駆動回路などに電気接続され、高速変調信号等を伝送するための端子パッドを設けることができる。

第２セラミック層１６は、第１セラミック層１５上に配置され、パッケージの内部に露出する主面１９を有している。
主面１９は、第１セラミック層１５の主面１８をパッケージの内部に露出させるように、上記外部端子１８ｂ側に向けて窪んで形成されている。この主面１９にも、例えば、上記レーザ駆動回路などに電気接続され、低速変調信号等を伝送するための端子パッドを設置できる。

第３セラミック層１７は、第２セラミック層１６上に配置され、そのパッケージの内部側は、第２セラミック層１６の主面１９をパッケージの内部に露出させるように、上記外部端子１８ｂ側に向けて大きく窪んで形成されている。
これに対し、第４セラミック層４４は、第１セラミック層１５下に配置されており、第１セラミック層１５の主面１８と同じく上向きに設けられた副面４５を有し、副面４５は、パッケージの内部に露出している。

副面４５は、パッケージの幅方向の両端付近に、電極パッド４６を有している。一方、副面４５は、図４，５で説明した温調ユニット給電端子２６をパッケージの内部に露出させるように、上記外部端子１８ｂ側に向けて大きく窪んで形成されている。このため、温調ユニット給電端子２６は、第４セラミック層４４の電極パッド４６とパッケージ１１の幅方向に並べて配置されている。これにより、温調ユニット給電端子２６と電極パッド４６とは、パッケージ１１の上方からワイヤによるボンディング接続が可能となる。

主面１８の外部端子１８ｂと電極パッド４６等とは、例えば、第１セラミック層１５に形成されたビア（図示省略）等を介して電気接続されている。
図４，５に示すように、隣り合う温調ユニット給電端子２６と電極パッド４６とは、複数本の温調ユニット用ワイヤ４８を用いて電気接続される。これにより、パッケージ１１の外部からの電力は、電気配線部１４、温調ユニット給電端子２６を経由して温調ユニット２１に供給できる。この構造によれば、部品実装領域２５を削って低くするようなワイヤ配置用のスペースを設けなくて済み、また、温調ユニット給電端子２６と電極パッド４６とを接続するための温調ユニット用ワイヤ４８は、パッケージ１１の幅方向に沿った短い寸法で足りる。

さらに、図７に示すように、温調ユニット用ワイヤ４８、特に、そのループの頂点を部品実装領域２５よりも低い位置で形成させるために、温調ユニット給電端子２６の上面及び電極パッド４６の上面は、部品実装領域２５よりも低い位置にそれぞれ設定されている。これにより、図３で説明した第１キャリア３０は、部品実装領域２５の端縁から電気配線部１４側に突出した状態で部品実装領域２５に実装しても、温調ユニット用ワイヤ４８に干渉しない。

中継基板３４は、温調ユニット用ワイヤ４８の上方にて、部品実装領域２５の端縁、より詳しくは、第１キャリア３０の端縁から電気配線部１４側に突出した状態で部品実装領域２５に実装可能になる。よって、半導体レーザ３２と半導体集積回路基板３３、半導体集積回路基板３３と中継基板３４、中継基板３４と電気配線部１４とを、それぞれパッケージ１１の長手方向で見て近接した状態で配置することができる。

これら距離を短くした部品同士は、高速変調信号用ワイヤ５０を用いて電気接続されており、ワイヤ５０の寸法は短くて済むので、良好な高速変調信号を得ることができる。
なお、パッケージ１１と温調ユニット２１とは、例えば、ペレット状の半田材を用い、加熱炉で加熱して接合させる。この半田材には、温調ユニットのペルチェ素子を接合する半田材よりも融点の低い合金として、例えば、金錫半田、錫銀銅半田、錫ビスマス半田、錫アンチモン半田などを用いるのがよい。

本願構造を用いた発光モジュールは、図４等にも示したように、部品実装領域２５を広くでき、若しくは、パッケージ１１の幅を狭く設定することが可能になる。また、電気配線部１４をパッケージ１１の後方のみに配置することが可能になる。これにより、光トランシーバ内に搭載された配線基板との電気的接続を容易に設計することができる。また、パッケージ幅の狭い設計が可能になれば、１０Ｇｂｉｔ／ｓの信号を４チャンネル束ねた光トランシーバ、若しくは、２５Ｇｂｉｔ／ｓの信号を４チャンネル束ねた光トランシーバであるＣＦＰの小型化仕様であるＣＦＰ２やＣＦＰ４など、光コネクタがＬＣコネクタで設計される光トランシーバへの搭載を容易にすることが可能となる。

ところで、上記の中継基板を省略した構造も可能である。図８，９に示した構造では、半導体集積回路基板３３が、温調ユニット給電端子２６の上方にて、第１キャリア３０の端縁から電気配線部１４側に突出した状態で部品実装領域２５に実装されている。したがって、中継基板を省略した構造の場合には、半導体レーザ３２と半導体集積回路基板３３、半導体集積回路基板３３と電気配線部１４とが、それぞれパッケージ１１の長手方向で見て近接した状態で配置され、図９に示した高速変調信号用ワイヤ５０を用いて電気接続される。

１０…発光モジュール、１１…パッケージ、１１ａ…パッケージ底面、１２…スリーブ、１３…蓋部材、１４…電気配線部、１５…第１セラミック層、１６…第２セラミック層、１７…第３セラミック層、１８，１９…主面、１８ｂ…外部端子、２１…温調ユニット、２２…上面基板，２３…下面基板、２４…ペルチェ素子、２５…部品実装領域、２６…温調ユニット給電端子、３０…第１のキャリア、３１…ＬＤ用キャリア、３２…半導体レーザ、３３…半導体集積回路基板、３４…中継基板、３５…第２キャリア、３６…第１レンズ部品、３７…反射器、３８…モニタ用ＰＤ、３９…光合波器、３９ａ…光導波路、４０…第２レンズ部品、４４…第４セラミック層、４５…副面、４６…電極パッド、４８…温調ユニット用ワイヤ、５０…高速変調信号用ワイヤ。

Claims (3)

1. 半導体レーザ、該半導体レーザの温度を調整する温調ユニット、該温調ユニットと電気的に接続される電気配線部、を含む発光モジュールであって、
   該電気配線部は主面と該主面の下方に位置する副面を有し、
   該温調ユニットは、該半導体レーザ及び該半導体レーザを駆動する半導体集積回路基板を搭載する上面基板と、該上面基板に対向する下面基板と、を有し、該下面基板は、該上面基板からはみ出した領域に該電気配線部と電気的に接続される温調ユニット給電端子を搭載しており、
   該半導体レーザ及び該半導体集積回路基板はそれぞれキャリアを介して該上面基板に搭載され、該半導体集積回路基板が該電気配線部の該主面と電気的に接続されており、
   該温調ユニット給電端子は該電気配線部の該副面と並置され、該温調ユニット給電端子の上面と該副面の上面とはそれぞれ該温調ユニットの上面基板よりも低い位置にあり、さらに、該温調ユニット給電端子と該電気配線部の該副面を接続するワイヤのループ頂点は、該温調ユニットの上面基板よりも低い位置にあり、
   該半導体集積回路基板を搭載するキャリアは、該ワイヤと干渉せずに該温調ユニットの上面基板から該ワイヤの上方まで突出している、発光モジュール。
2. 該半導体集積回路基板は該電気配線部の主面とワイヤにより電気的に接続されている、請求項１に記載の発光モジュール。
3. 該キャリアに搭載された中継基板をさらに有し、
   該半導体集積回路基板は該中継基板とワイヤにより電気的に接続されており、該中継基板は該電気配線部の主面と別のワイヤにより電気的に接続されている、請求項１に記載の発光モジュール。

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