JP2005223189A - 光半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 光半導体モジュール内に配設された半導体レーザ素子（ＬＤ）の温度を測定するための温度センサを光半導体モジュール内に配置するようにして、半導体レーザ素子（ＬＤ）が安定して動作できる光半導体モジュールを提供する。
【解決手段】 本発明の光半導体モジュール１０はキャリヤベース１１に突出して形成されたヒートシンクとなるマウント１２部に光半導体素子（半導体レーザ）１３が搭載され、かつこのマウント部１２を被覆するキャップがキャリヤベース１１に固着されている。そして、光半導体モジュール１０内の温度を検出するための温度センサ１５がキャップ内に配設されていて、この温度センサ１５の出力に応じて光半導体素子（半導体レーザ）１３の出力を調整するようになされている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光通信装置に使用される半導体レーザなどの光半導体素子を備えた光半導体モジュールに係り、特に、キャリヤベースから突出して形成されたヒートシンクとなるマウント部に光半導体素子が搭載され、かつこのマウント部を被覆するキャップがキャリヤベースに固着された光半導体モジュールに関する。

光通信の大容量化に伴い、光半導体モジュールに用いられる光半導体素子に高出力の半導体レーザ素子が用いられるようになった。この種の高出力の半導体レーザ素子（ＬＤ：Laser Diode）を備えた光半導体モジュールとして、バタフライタイプ、ＤＩＰ（Dual Inlin Package）タイプ、ステムを用いた同軸タイプなどが実用化されている。このうち、バタフライタイプやＤＩＰタイプはパッケージそのものが高価であるとともに、放熱のために高価な電子冷却素子（ＴＥＣ：Thermo Electric Cooler）をパッケージ内に収容する必要があった。

このため、比較的構造が簡単で安価な同軸タイプの光半導体モジュールが普及するようになった。ところが、この種の同軸タイプの光半導体モジュールにおいては、冷却をしない比較的低出力のＬＤを用いているため、高出力の用途に対しては不向きであった。ところが、近年、高出力タイプのＬＤの低価格化が進行し、かつ高温での安定動作が可能になったことから、電子冷却素子（ＴＥＣ）を搭載しない同軸タイプの光半導体モジュールの用途が拡大し、高出力タイプのＬＤを搭載して長距離通信用モジュールあるいは光アンプの用途に対しても用いられるようになった。
特開２００１−２８４７００号公報

ところが、これらの長距離通信用モジュールあるいは光アンプの用途で使用される半導体レーザ素子（ＬＤ）においては、高温での動作が可能になっているとはいえ、光半導体モジュールの周囲の温度が何らかの原因により上昇することにより、半導体レーザ素子の温度が設計温度を上回ってしまう恐れがある。このため、半導体レーザ素子の温度を直接測定して、設計温度以下に制御することが望ましい。

しかしながら、この種の同軸タイプの光半導体モジュールにおいては、バタフライタイプやＤＩＰタイプの光半導体モジュールとは異なり、電力供給用のリード端子が２本で、信号出力用のリード端子が１本で、アース用のリード端子が１本であって、これらのリード端子をこれ以上に配置するためのスペースが無いという問題があった。また、半導体レーザ素子の温度を測定するための温度センサを設置するためのスペースも無いという問題があった。このため、半導体レーザ素子の温度を測定するための温度センサを配置できないという問題が生じた。

そこで、本発明は上記の如き問題点を解消するためになされたものであり、光半導体モジュール内に配設された半導体レーザ素子の温度を測定するための温度センサおよびこのためのリード端子を光半導体モジュール内に配置できるようにして、半導体レーザ素子が安定して動作できる光半導体モジュールを提供することを目的とする。

本発明はキャリヤベースから突出して形成されたヒートシンクとなるマウント部に光半導体素子（半導体レーザ）が搭載され、かつこのマウント部を被覆するキャップがキャリヤベースに固着された光半導体モジュールであって、上記目的を達成するため、光半導体モジュール内の温度を検出するための温度センサがキャップ内に配設されていて、該温度センサの出力に応じて光半導体素子（半導体レーザ）の出力を調整するようになされていることを特徴とする。

このように、温度センサの出力により光半導体素子（半導体レーザ）の出力を調整するようになされていると、環境温度が変化（上昇）して光半導体素子（半導体レーザ）の温度が設計温度に近づくと、温度センサが制御回路に検出信号を出力するようになる。すると、制御回路は光半導体素子（半導体レーザ）の出力を減少させる動作をするため、光半導体素子の発熱温度は低下するようになる。これにより、光半導体素子（半導体レーザ）の温度を設計温度以下に保つことが可能となる。

この場合、光半導体素子（半導体レーザ）が搭載されたマウント部の該素子の位置とは反対側に温度センサを配設するようにすると、温度センサはマウント部に配設されるようになる。この場合、温度センサが配設されたマウント部の近傍のアース用のリード端子を温度センサ用のリード端子とすれば、新たに温度センサ用のリード端子を設ける必要がなくなる。そして、温度センサが光半導体素子（半導体レーザ）の配置位置とは反対側に配設すると、温度センサに直接に光半導体素子の温度が伝搬することとなる。この結果、温度センサは正確に光半導体素子の温度を知ることができ、光半導体素子の出力を正確に調整することが可能となる。

なお、ヒートシンクとなるマウント部はＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金、ＣｕＯ−Ｃｕ複合体、ＡｌＮから選択されたいずれかの高熱伝導性材料により形成されていると、マウント部での放熱性が向上するため、光半導体素子（半導体レーザ）で発生した熱を放出することが可能となり、光半導体素子（半導体レーザ）の温度上昇を低減させることが可能となる。この場合、キャリヤベースもＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金、ＣｕＯ−Ｃｕ複合体、ＡｌＮから選択されたいずれかの高熱伝導性材料により形成され、かつマウント部も一体的に形成されていると、光半導体モジュール全体としての放熱性が向上するため、さらに、光半導体素子（半導体レーザ）の温度上昇を低減させることが可能となる。

ここで、ＣｕＷ合金において、Ｃｕの割合が増大するに伴って熱伝導度が増大する反面、熱膨張率も増大する。これは、Ｃｕは熱伝導に優れた金属であることから、Ｃｕの割合が増大すればするほど熱膨張率が増大する。このため、低熱膨張率のＣｕＷ合金とするためにはＣｕの割合を規制する必要がある。そして、Ｃｕの割合が５ｗｔ％以上であれば熱伝導度が向上し、Ｃｕの割合が３０ｗｔ％以下であれば低熱膨張率となる。このことから、ＣｕＷ合金のＣｕの含有割合はＣｕＷ合金の質量に対して５ｗｔ％以上で、３０ｗｔ％以下にするのが望ましいということができる。

一方、ＣｕＭｏ合金においてもＣｕＷ合金と同様に、Ｃｕの割合が増大するに伴って熱伝導度が増大する反面、熱膨張率も増大する。これは、Ｃｕは熱伝導に優れた金属であることから、Ｃｕの割合が増大すればするほど熱膨張率が増大する。このため、低熱膨張率のＣｕＭｏ合金とするためにはＣｕの割合を規制する必要がある。そして、Ｃｕの割合が１０ｗｔ％以上であれば熱伝導度が向上し、Ｃｕの割合が５０ｗｔ％以下であれば低熱膨張率となる。このことから、ＣｕＭｏ合金のＣｕの含有割合はＣｕＭｏ合金の質量に対して１０ｗｔ％以上で、５０ｗｔ％以下にするのが望ましいということができる。

ついで、本発明の光半導体モジュールの一実施の形態を図に基づいて説明するが、本発明はこの実施の形態に何ら限定されるものでなく、本発明の目的を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。なお、図１は本発明のステムタイプの光半導体モジュールの主要部となるキャリヤを模式的に示す斜視図である。図２は図１のキャリヤにリード端子を装着した状態の主要部を拡大して模式的に示す斜視図である。

また、図３は図１のキャリヤに各素子を配置し、これらの各素子をリード端子に接続し、キャップを装着して光半導体モジュールとした状態を模式的に示す斜視図である。図４は温度センサがない場合のヒータによる加熱時間（経過時間）と光半導体モジュールの温度の関係を示す図である。図５は温度センサがある場合のヒータによる加熱時間（経過時間）と光半導体モジュールの温度の関係を示す図である。

１．光半導体モジュール
本発明の光半導体モジュール１０は、図１〜図３に示すように、キャリヤベース１１とマウント部１２とからなるキャリヤ１０ａと、マウント部１２に搭載された半導体レーザ素子（ＬＤ）１３と、受光素子（ＰＤ）１４と、温度センサ素子（サーミスタ）１５と、これらを気密に保持するキャップ１６とから構成されている。この場合、マウント部１２は横断面が台形状になる６面体から形成されていて、その平滑面が形成された１面の上部に半導体レーザ素子（ＬＤ）１３が、下部に受光素子素子（ＰＤ）１４が取り付けられているとともに、この面の反対側には温度センサ素子（サーミスタ）１５が取り付けられている。

ここで、キャリヤベース１１はＣｕＷ合金により３段階の階段状に形成されており、第１段で底部を形成する平面形状が長方形で平板状の取付部１１ａと、第２段でキャップを固定する円柱状のキャップ固定部１１ｂと、第３段で複数のリードを固定して第２段より小径の円柱状に形成された端子部１１ｃとからなる。また、マウント部１２はキャリヤベース１１の上部に位置するようにＣｕＷ合金によりに形成されている。そして、これらのキャリヤベース１１とマウント部１２は焼結体により一体的に形成されている。

また、キャリヤベース１１には端子部１１ｃの上面に開口する４個の貫通孔１８，１８，１８，１８が形成されており、これらの４個の貫通孔１８，１８，１８，１８内にリード端子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ、１８ｄが挿入されており、各リード端子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ、１８ｄはガラスによりハーメチックシールがなされている。なお、複数のリード端子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ、１８ｄの上部はキャリヤベース１１の端子部１１ｃの上面に延出している。この延出した部分に、半導体レーザ素子１３や受光素子１４や温度センサ素子（サーミスタ）１５を金ワイヤーで接続している。

さらに、ＣｕＷ合金よりなるキャリヤベース１１の上に半導体レーザ１３や受光素子１４や温度センサ（サーミスタ）１５を気密に保持するためのキャップ１６が接合されている。この場合、ＣｕＷ合金よりなるキャップ固定部１１ｂとキャップ１６との接合を良好にするため、キャップ固定部１１ｂの表面にニッケルメッキが施され、このニッケルメッキの上にコバール製のリング（図示せず）がロウ付けされている。そして、このコバール製リングの上にキャップ１６が抵抗溶接により接合されている。なお、このキャップ１６の先端部には光ファイバ１７が取り付けられ、この光ファイバ１７に効率よくレーザ光が入射するように、キャップ１６内にはレンズ（図示せず）が収容されている。

２．光半導体モジュールの作製法
ついで、上述のような構成となる光半導体モジュール１０の作製手順を以下に詳細に説明する。まず、タングステン（Ｗ）の含有割合が９５〜７０質量％で、銅（Ｃｕ）の含有割合が５〜３０質量％になるように調整した平均粒径が１μｍのＷ粉末とＣｕ粉末とを混合した。この混合粉末に、バインダとしてのアクリル系樹脂を混合粉末の質量に対して４５質量％を加えて混練機で混合、混練して成形用組成物とした。ついで、得られた成形用組成物をペレタイザーによりペレット化した。これを射出成型機のホッパ内に投入し、射出温度が１６０℃で、金型温度が２５℃の金型内に射出成形した。

この後、金型を水冷して射出物を固化させて図１に示すようなキャリヤ１０ａになるグリーン体（成形体）を得た。ついで、このグリーン体を図示しない脱バインダ装置内に配置した。この後、脱バインダ装置内に窒素ガスを流入させて、窒素雰囲気にした。そして、所定の昇温速度で所定の温度（例えば、５００〜５５０℃）まで加熱し、所定の時間（例えば、３０分〜２時間）だけ保持して、グリーン体を脱バインダ処理した。この脱バインダ処理により、上述したバインダは揮散して（除去されて）、ＷとＣｕからなるブラウン体とした。この後、室温まで冷却してブラウン体を脱バインダ装置から取り出した。

ついで、得られたブラウン体を図示しない脱酸素装置内に配置した。この後、脱酸素装置内に水素ガスを流入させて、銅の融点温度以下の温度環境（例えば、５００℃〜１０００℃）で、ブラウン体を水素ガスの気流に充分に曝して、ブラウン体を脱酸素処理した。この脱酸素処理により、ブラウン体を構成するＷ粒子表面の酸化層は充分に還元されて、銅との濡れ性が向上するようになる。ついで、脱酸素処理されたブラウン体を焼結炉に入れ、水素気流中で焼結し、図１に示すような、ＷＣｕ合金の焼結体からなる半導体キャリヤ１０ａを作製した。

ついで、上述のようにして作製された半導体キャリヤ１０ａのマウント部１２の相対向する２側面部を機械加工により、表面粗さがＴＩＲ（最大高さ）で最大３μｍ、Ｒａ（平均粗さ）で０．５μｍ以下となるように平滑に研磨した。その後、ブラストマシンにより、加工バリを除去して、これらの表面全体にニッケルメッキ（例えば、厚み２μｍ）を施した。ついで、各貫通孔１８，１８，１８，１８内にコバール製のリード端子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ、１８ｄをガラス封着材を介して挿入した後、リフロー炉（最高温度は１０００℃程度）中でこれらのリード端子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ、１８ｄをガラス封着した。

ついで、キャップ固定部１１ｂの上に銀蝋を介してコバール製リングを配置した後、リフロー炉（最高温度は８５０℃）中でキャップ固定部１１ｂの上にコバール製リングを接合した。この後、これらの表面全体にニッケルメッキ（例えば、厚み１μｍ）を施した後、その上に金メッキ（例えば、厚み１μｍ）を施した。この後、マウント部１２の平滑面にレーザが上向きに出射するように半導体レーザ素子（ＬＤ）１３をＡｕＳｎ半田で固定した。また、この半導体レーザ素子（ＬＤ）１３の下部の平滑面に、レーザの出力を監視、制御するための受光素子（ＰＤ）１４をＡｕＳｎ半田で固定した。さらに、これらの面の反対側の平滑面に温度センサ素子（サーミスタ）１５をＡｕＳｎ半田で固定した。

この後、リード端子１８ａ，１８ｃと半導体レーザ素子（ＬＤ）１３とを金ワイヤーで接合した。また、リード端子１８ｂと受光素子（ＰＤ）１４とを金ワイヤーで接合するとともに、リード端子１８ｄと温度センサ素子（サーミスタ）１５とを金ワイヤーで接合した。一方、半導体レーザ（ＬＤ）１３や受光素子（ＰＤ）１４や温度センサ素子（サーミスタ）１５を気密に保持するためのキャップ１６を用意した。ついで、このキャップ１６をキャリヤベース１１のキャップ固定部１１ｃに接合されたコバール製リングの上に抵抗溶接で接合して、光半導体モジュール１０を作製した。

この場合、一般に抵抗溶接は窒素ガスの雰囲気で行われるので、溶接時に窒素ガスを封入して行うようにしてもよい。なお、このキャップ１６の先端部には光ファイバ１７が取り付けられ、この光ファイバ１７に効率よくレーザ光が入射するように、レンズ（図示せず）が収容されている。このように構成された光半導体モジュール１０においては、半導体レーザ１３から上方に出射されたレーザ光は、レンズによって光ファイバ１７に効率よく結合される。

そして、この光半導体モジュール１０の外部には温度制御回路が設けられている。そして、この温度制御回路の信号入力部に、温度センサ素子（サーミスタ）１５に接続されたリード端子１８ｄから延出したリード線が接続される。一方、温度制御回路の出力部に半導体レーザ（ＬＤ）１３に接続されたリード端子１８ａ，１８ｃから延出したリード線が接続される。これにより、温度センサ素子（サーミスタ）１５が検出した温度により半導体レーザ（ＬＤ）１３に印加する電力を制御できるようになるので、半導体レーザ（ＬＤ）１３が発生する発熱量を一定に制御できるようになる。

ここで、発熱試験を行うために、半導体レーザ（ＬＤ）１３が発生する発熱量に相当する発熱量を有する小型ヒータをマウント部１２の半導体レーザ（ＬＤ）１３の取付位置に取り付け、この光半導体モジュール１０内に温度計を配置してモジュール１０内の温度を測定すると、図４に示すような結果が得られた。なお、図４において、曲線Ａは環境温度が２５℃の場合を示し、曲線Ｂは環境温度が３５℃の場合を示している。この図４の結果から明らかなように、環境温度が２５℃と低い場合は設計温度である６０℃を上回ることがないが、環境温度が３５℃と高くなると設計温度の６０℃を上回るようになることが分かる。

一方、半導体レーザ（ＬＤ）１３が発生する発熱量に相当する発熱量を有する小型ヒータをマウント部１２の半導体レーザ（ＬＤ）１３の取付位置に取り付けるとともに、このヒータの取付位置の反対側のマウント部１２に温度センサ素子（サーミスタ）１５を取り付け、温度センサ素子（サーミスタ）１５が検出した温度が設定温度（例えば、５５℃）になると、ヒータに印加する電力を制御するようにした。そして、この光半導体モジュール１０内に温度計を配置してモジュール１０内の温度を環境温度が３５℃の条件で測定すると、図５に示すような結果が得られた。

図５の結果から明らかなように、環境温度が３５℃と高くなっても、光半導体モジュール１０内の温度が設定温度の５５℃に上昇すると、ヒータに印加される電力が制御される。このため、モジュール１０内の温度は設計温度の６０℃を上回ることがなく、設定温度である５５℃の一定温度に保つことができるようになることが分かる。

なお、上述した実施の形態においては、温度センサ素子としてサーミスタを用いる例について説明したが、配置するスペースがあれば、サーミスタに代えてＣＭＯＳ温度センサ、あるいは白金抵抗素子を用いるようにしてもよい。

本発明のステムタイプの光半導体モジュールの主要部となるキャリヤを模式的に示す斜視図である。 図１のキャリヤにリード端子を装着した状態の主要部を拡大して模式的に示す斜視図である。 図１のキャリヤに各素子を配置し、こらの各素子をリード端子に接続してキャップを装着して光半導体モジュールとした状態を模式的に示す斜視図である。 温度センサがない場合のヒータによる加熱時間（経過時間）と光半導体モジュールの温度の関係を示す図である。 温度センサがある場合のヒータによる加熱時間（経過時間）と光半導体モジュールの温度の関係を示す図である。

符号の説明

１０…光半導体モジュール、１０ａ…キャリヤ、１１…キャリヤベース、１１ａ…取付部、１１ｂ…キャップ固定部、１１ｃ…端子部、１２…マウント部、１３…半導体レーザ素子、１４…受光素子、１５…温度センサ、１６…キャップ、１７…光ファイバ、１８…貫通孔、１８，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ…リード端子

Claims (8)

1. キャリヤベースから突出して形成されたヒートシンクとなるマウント部に光半導体素子が搭載され、かつ該マウント部を被覆するキャップが前記キャリヤベースに固着された光半導体モジュールであって、
   前記光半導体モジュール内の温度を検出するための温度センサが前記キャップ内に配設されていて、該温度センサの出力に応じて前記光半導体素子の出力を調整するようになされていることを特徴とする光半導体モジュール。
2. 前記温度センサは前記光半導体素子が搭載された前記マウント部の該素子の位置とは反対側に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体モジュール。
3. 前記温度センサの出力信号用リード端子は前記キャリヤベースに配設されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光半導体モジュール。
4. 前記温度センサの出力信号用端子を含めて４つのリード端子が前記キャリヤベースに配設されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光半導体モジュール。
5. 前記ヒートシンクとなるマウント部はＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金、ＣｕＯ−Ｃｕ複合体、ＡｌＮから選択されたいずれかの高熱伝導性材料により形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光半導体モジュール。
6. 前記キャリヤベースもＣｕＷ合金、ＣｕＭｏ合金、ＣｕＯ−Ｃｕ複合体、ＡｌＮから選択されたいずれかの高熱伝導性材料により形成され、かつ前記マウント部も一体的に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の光半導体モジュール。
7. 前記ＣｕＷ合金はＣｕの含有量が５質量％以上で、３０質量％以下であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光半導体モジュール。
8. 前記ＣｕＭｏ合金はＣｕの含有量が１０質量％以上で、５０質量％以下であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光半導体モジュール。
   

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