JP2011146493A - Package for integrated optical semiconductor module - Google Patents

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Akira Oki
明 大木
Takako Yasui
孝子 保井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a package for integrated optical semiconductor module capable of reducing power consumption, while improving the manufacturing yield of the integrated optical semiconductor module. <P>SOLUTION: In the package for accommodating an integrated optical semiconductor element which is constituted by optically coupling two or more optical semiconductor elements via an optical element, one or more light-transmitting windows 9 for packaging are provided in addition to a light-transmitting window 19 used for input or output or input-output of the signal light for packaging of the optical element. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、集積光半導体モジュール用パッケージに関する。   The present invention relates to an integrated optical semiconductor module package.

半導体ＬＤ素子等の光源と光変調器、光合分波器等の導波路型光制御デバイスを機密封止された１つのパッケージ内に集積する技術には、大別して２つの技術が用いられてきた。一つは、モノリシック集積と言われる技術である（例えば、非特許文献１参照）。この技術の特徴は、集積する光機能素子を全て同一の半導体ウェハ上に形成し、各機能素子間は同時に形成した半導体導波路で接続される点である。   As a technique for integrating a light source such as a semiconductor LD element and a waveguide type light control device such as an optical modulator and an optical multiplexer / demultiplexer in a single sealed package, two techniques have been roughly classified. . One is a technique called monolithic integration (see, for example, Non-Patent Document 1). The feature of this technique is that all the optical functional elements to be integrated are formed on the same semiconductor wafer, and the functional elements are connected by the semiconductor waveguide formed simultaneously.

このようなモノリシック集積技術で作製された集積光半導体チップには、光の出力ポート又は入力ポートは１つしか無く、通常の半導体ＬＤモジュールと同様の実装技術でモジュール化でき、実装技術面では新技術や新発明を必要としていない。その反面、モノリシック集積技術では、チップ作製工程が複雑化し、歩留まり低下が懸念される。半導体ＬＤ素子、半導体光増幅器、半導体変調器、及びこれらのデバイス間を接続する半導体導波路等の集積化する全てのデバイスが所望の性能を満たさねばならない。   An integrated optical semiconductor chip manufactured by such monolithic integration technology has only one optical output port or input port, and can be modularized by the same mounting technology as a normal semiconductor LD module. No technology or new invention is required. On the other hand, in the monolithic integration technology, the chip manufacturing process is complicated, and there is a concern that the yield may be reduced. All integrated devices such as semiconductor LD elements, semiconductor optical amplifiers, semiconductor modulators, and semiconductor waveguides connecting these devices must satisfy the desired performance.

しかし、各デバイスの歩留りが９０％であったとしても、集積光半導体チップの歩留りは６０〜７０％まで低下してしまう。さらに、集積半導体チップのサイズも大型化するため、ウェハ１枚あたりから取れるチップ数も減少してしまう。これらの理由により、チップコストの上昇が生じ、商品化を阻んでいた。   However, even if the yield of each device is 90%, the yield of the integrated optical semiconductor chip is reduced to 60 to 70%. Furthermore, since the size of the integrated semiconductor chip is increased, the number of chips that can be taken per wafer is also reduced. For these reasons, chip costs have risen, hindering commercialization.

一方、ハイブリッド集積と呼ばれる技術では、個別の半導体光デバイスチップ間をレンズ又は異種材料光導波路により接続して集積化する。異種材料光導波路としては、石英系材料を用いた平面光回路（通称、ＰＬＣ）が広く用いられている。しかし、ＰＬＣに用いられる石英系材料の光通信波長域での屈折率は１．５以下であるのに対して、光半導体素子材料であるＩｎＰの屈折率は３．５であり、両者のモードフィールド径は整合していない。さらに、半導体ＬＤ素子のモードフィールド形状は楕円であるのに対して、ＰＬＣのモードフィールド形状は円形であり、両者を直接接続した場合には、大きな光結合損失（結合効率：２０〜３０％程度）が発生する。   On the other hand, in a technique called hybrid integration, individual semiconductor optical device chips are integrated by being connected by lenses or different material optical waveguides. As the different-material optical waveguide, a planar optical circuit (commonly known as PLC) using a quartz-based material is widely used. However, while the refractive index in the optical communication wavelength region of the silica-based material used for the PLC is 1.5 or less, the refractive index of InP, which is an optical semiconductor element material, is 3.5. The field diameter is not consistent. Furthermore, the mode field shape of the semiconductor LD element is an ellipse, whereas the mode field shape of the PLC is a circle. When the two are directly connected, a large optical coupling loss (coupling efficiency: about 20 to 30%). ) Occurs.

一方、石英系ＰＬＣは同じ石英系素材の光ファイバとモードフィールド形状の相性が極めて良く、光ファイバとの間には高効率な光接続を実現することができる。そのため、ＰＬＣを用いたハイブリッド集積技術は、主に光半導体チップと光ファイバ間に石英系の光機能回路（合分波器、光路切り替えスイッチ等）を挿入する場合に用いられ、大きな光結合損失が２回発生する光半導体チップ間の集積には用いられていない（例えば、非特許文献２参照）。   On the other hand, silica-based PLC is extremely compatible with the optical fiber of the same silica-based material in the mode field shape, and high-efficiency optical connection can be realized with the optical fiber. Therefore, the hybrid integration technology using PLC is mainly used when a silica-based optical functional circuit (such as a multiplexer / demultiplexer or an optical path switching switch) is inserted between an optical semiconductor chip and an optical fiber, resulting in a large optical coupling loss. Is not used for integration between optical semiconductor chips that occur twice (for example, see Non-Patent Document 2).

このように、複数の光半導体チップを一つのパッケージ内にハイブリッド集積するには、光半導体チップ間の空間にレンズを挿入して光結合する手法が低損失かつ現実的である。この場合、光半導体チップ間のモードフィールドに生じる不整合は小さく、７０〜８０％程度のチップ間光結合効率が期待できる。なお、レンズによる光半導体チップのハイブリッド集積の例は、非特許文献３等に開示されている。   As described above, in order to hybridly integrate a plurality of optical semiconductor chips in one package, a technique of inserting a lens into a space between the optical semiconductor chips and performing optical coupling is low loss and realistic. In this case, mismatch occurring in the mode field between the optical semiconductor chips is small, and an inter-chip optical coupling efficiency of about 70 to 80% can be expected. An example of hybrid integration of an optical semiconductor chip using a lens is disclosed in Non-Patent Document 3 and the like.

Ｔ．Ｗｉｐｉｅｊｅｅｓｋｉ、外１２名、“Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｗｉｄｅｌｙ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ ｗｉｔｈ ａ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ”、２００２ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ＩＥＥＥ、２００２年、ｐ．５５８−５６２T.A. Wipiejeeski, twelve others, “Monolithic Integration of a Widely Tunable Laser Diode with a High Speed Electron Absorption Electon Amplon Modulator”, 2002 Electron 558-562 Ｍ．Ｏｇｕｒｏ、外６名、“１．２５Ｇｂ／ｓ ＷＤＭ Ｂｉ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ Ｕｓｉｎｇ ＤＦＢ−ＬＤ ａｎｄ ＰＬＣ ｗｉｔｈ Ｓｐｏｔ−ｓｉｚｅ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｒｅｇｉｏｎ”、２００２ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ＩＥＥＥ、２００２年、ｐ.３０５−３１０M.M. Oguro, 6 others, "1.25Gb / s WDM Bi Directional Transceiver Module Using DFB-LD and PLC with Spot-size Conversion Econ. Ｋｅｎ Ｔｓｕｚｕｋｉ、外６名、“Ｆｕｌｌ Ｃ−Ｂａｎｄ Ｔｕｎａｂｌｅ ＤＦＢ Ｌａｓｅｒ Ａｒｒａｙ Ｃｏｐａｃｋａｇｅｄ Ｗｉｔｈ ＩｎＰ Ｍａｃｈ−Ｚｅｎｄｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ＤＷＤＭ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ”、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、ＩＥＥＥ、２００９年５月−６月、Ｖｏｌ．１５、Ｎｏ．３、ｐ．５２１−５２７Ken Tsuzuki, outside six, "Full C-Band Tunable DFB Laser Array Copackaged With InP Mach-Zender Modulator for DWDM Optical Communication Systems", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE, 5 May 2009 - June, Vol . 15, no. 3, p. 521-527

上述したように、チップコストの上昇を避けて低損失な光半導体素子チップの集積を実現するには、レンズを用いた空間光結合が現実的な技術である。しかし、レンズによる光半導体チップのハイブリッド集積は、従来、図７に示すような手順で行われてきた。   As described above, spatial optical coupling using a lens is a realistic technique for realizing integration of low-loss optical semiconductor element chips while avoiding an increase in chip cost. However, the hybrid integration of the optical semiconductor chip by the lens has been conventionally performed according to the procedure shown in FIG.

図７に示すように、キャリア１０１上にはＬＤチップ１０３、変調器チップ１０４、ステージ１０６、レンズ１１０，１１１，１１３が設置されており、パッケージ１０７には温度調節器（ＴＥＣ）１０８、端子１１８が設置されている。また、パッケージ１０７には光透過窓１１９が形成されている。   As shown in FIG. 7, an LD chip 103, a modulator chip 104, a stage 106, and lenses 110, 111, and 113 are installed on a carrier 101, and a temperature controller (TEC) 108 and a terminal 118 are installed in a package 107. Is installed. Further, a light transmission window 119 is formed in the package 107.

すなわち、従来技術では、ＬＤチップ１０３、変調器チップ１０４等の複数の光半導体チップをキャリア１０１と呼ばれる部材に固定した後、ＬＤチップ１０３、変調器チップ１０４間にレンズ１１０，１１１を調芯固定する。このようにして、ＬＤチップ１０３、変調器チップ１０４とレンズ１１０，１１１を搭載したキャリア１０１をさらに図７中に矢印で示すようにパッケージ１０７内のＴＥＣ１０８上にハンダ固定する。   That is, in the prior art, after fixing a plurality of optical semiconductor chips such as the LD chip 103 and the modulator chip 104 to a member called a carrier 101, the lenses 110 and 111 are aligned and fixed between the LD chip 103 and the modulator chip 104. To do. In this manner, the carrier 101 on which the LD chip 103, the modulator chip 104, and the lenses 110 and 111 are mounted is further soldered onto the TEC 108 in the package 107 as indicated by an arrow in FIG.

しかしながら、このハンダ固定プロセスの温度は、２３０〜２８０℃程度になるため、熱歪によりキャリア１０１やレンズ１１０，１１１の筐体が微少変形を引き起こす。これにより、過剰な光損失を誘起し、歩留り低下を招いていた。なお、このような問題があるのにもかかわらず半田固定プロセスが用いられているのは、樹脂接着剤による固定では熱伝導率が不足するため、キャリア１０１とパッケージ１０７とを半田固定することにより高い熱伝導性を確保する必要があるためと、樹脂接着剤による固定では経年劣化しやすいため、キャリア１０１とパッケージ１０７とを半田固定することにより長期信頼性を確保する必要があるためである。   However, since the temperature of the solder fixing process is about 230 to 280 ° C., the housing of the carrier 101 and the lenses 110 and 111 is slightly deformed due to thermal strain. As a result, excessive light loss was induced, resulting in a decrease in yield. In spite of such problems, the solder fixing process is used because the thermal conductivity is insufficient for fixing with a resin adhesive, and therefore, the carrier 101 and the package 107 are fixed by soldering. This is because it is necessary to ensure high thermal conductivity, and since fixing with a resin adhesive is likely to deteriorate over time, it is necessary to ensure long-term reliability by soldering the carrier 101 and the package 107.

そして、熱歪によりキャリア１０１が変形することを避けるため、キャリア１０１の厚みを増して機械的強度を向上させ、これにより歩留まり低下を防いでいるが、キャリア１０１の価格上昇やキャリア１０１の熱容量増大による温調電力の増加につながり、真の意味での問題解決とはなっていない。   In order to avoid the deformation of the carrier 101 due to thermal strain, the thickness of the carrier 101 is increased to improve the mechanical strength, thereby preventing the yield from being lowered. However, the increase in the price of the carrier 101 and the increase in the heat capacity of the carrier 101 are prevented. This leads to an increase in temperature control power, and does not solve the problem in the true sense.

以上のことから、本発明は、キャリア１０１やレンズ１１０，１１１の筐体の熱変形を誘起する調芯後の高温プロセスを排除し、集積光半導体モジュールの製造歩留まりの向上、キャリア１０１の小型化による部材コストの低減及び温調電力削減を実現することができる集積光半導体モジュール用パッケージを提供することを目的とする。   From the above, the present invention eliminates the high-temperature process after alignment that induces thermal deformation of the housing of the carrier 101 and the lenses 110 and 111, improves the manufacturing yield of the integrated optical semiconductor module, and reduces the size of the carrier 101. An object of the present invention is to provide a package for an integrated optical semiconductor module capable of realizing a reduction in member cost and temperature control power.

上記の課題を解決するための第１の発明に係る集積光半導体モジュール用パッケージは、
２個以上の光半導体素子が光学素子を介して光結合して構成される集積光半導体素子を収容するパッケージにおいて、
信号光の入力もしくは出力又は入出力に用いる光透過窓以外に、前記光学素子の実装を行うための１箇所以上の実装用光透過窓を設ける
ことを特徴とする。 An integrated optical semiconductor module package according to a first invention for solving the above-mentioned problems is
In a package containing an integrated optical semiconductor element configured by optically coupling two or more optical semiconductor elements via an optical element,
In addition to the light transmission window used for signal light input or output or input / output, one or more mounting light transmission windows for mounting the optical element are provided.

上記の課題を解決するための第２の発明に係る集積光半導体モジュール用パッケージは、
第１の発明に係る集積光半導体モジュール用パッケージにおいて、
前記実装用光透過窓は、前記パッケージの壁面に設けられた信号光の入力もしくは出力又は入出力に用いる前記光透過窓とは異なる壁面に設けられる
ことを特徴とする。 An integrated optical semiconductor module package according to a second invention for solving the above-mentioned problems is
In the integrated optical semiconductor module package according to the first invention,
The mounting light transmission window is provided on a wall surface different from the light transmission window used for input or output of signal light or input / output provided on the wall surface of the package.

上記の課題を解決するための第３の発明に係る集積光半導体モジュール用パッケージは、
第１の発明又は第２の発明に係る集積光半導体モジュール用パッケージにおいて、
前記実装用光透過窓は、光を透過する材料で気密封止される
ことを特徴とする。 An integrated optical semiconductor module package according to a third invention for solving the above-described problems is
In the package for the integrated optical semiconductor module according to the first invention or the second invention,
The light transmission window for mounting is hermetically sealed with a material that transmits light.

上記の課題を解決するための第４の発明に係る集積光半導体モジュール用パッケージは、
第１の発明から第３の発明のいずれかひとつに係る集積光半導体モジュール用パッケージにおいて、
前記光学素子は、前記パッケージの外部に設置されたＹＡＧレーザーにより前記実装用光透過窓を介して溶接固定できる位置に配置し、
前記実装用光透過窓は、前記光学素子をＹＡＧレーザーにより溶接固定できる大きさとする
ことを特徴とする。 An integrated optical semiconductor module package according to a fourth invention for solving the above-mentioned problems is
In the integrated optical semiconductor module package according to any one of the first to third inventions,
The optical element is arranged at a position where it can be fixed by welding through the mounting light transmission window by a YAG laser installed outside the package;
The mounting light transmitting window is sized so that the optical element can be fixed by welding with a YAG laser.

上記の課題を解決するための第５の発明に係る集積光半導体モジュール用パッケージは、
第１の発明から第３の発明のいずれかひとつに係る集積光半導体モジュール用パッケージにおいて、
前記光学素子は、前記パッケージの外部に設置されたＵＶ（Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ：紫外）光源により前記実装用光透過窓を介して接着剤を硬化させて固定できる位置に配置し、
前記実装用光透過窓は、前記光学素子をＵＶ光により接着固定できる大きさとする
ことを特徴とする。 An integrated optical semiconductor module package according to a fifth invention for solving the above-mentioned problems is
In the integrated optical semiconductor module package according to any one of the first to third inventions,
The optical element is disposed at a position where the adhesive can be cured and fixed via the mounting light transmission window by a UV (Ultra Violet) light source installed outside the package,
The mounting light transmission window is sized so that the optical element can be bonded and fixed by UV light.

本発明によれば、集積光半導体モジュールの製造歩留りの向上と消費電力を削減することができる集積光半導体モジュール用パッケージを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the package for integrated optical semiconductor modules which can improve the manufacture yield of an integrated optical semiconductor module and can reduce power consumption can be provided.

第１，２の実施例に係るキャリア作製工程を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the carrier preparation process which concerns on the 1st, 2nd Example. 第１の実施例に係るパッケージへの部品搭載工程を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the component mounting process to the package which concerns on a 1st Example. 第１の実施例に係るチップ間光調芯工程を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the inter-chip optical alignment process which concerns on a 1st Example. 第１，２の実施例に係るパッケージと外部レンズと光ファイバとの間の光調芯工程を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the optical alignment process between the package which concerns on a 1st, 2nd Example, an external lens, and an optical fiber. 第２の実施例に係るパッケージの概要を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the outline | summary of the package which concerns on a 2nd Example. 第２の実施例に係る実装用光透過窓の封止状態を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the sealing state of the light transmission window for mounting which concerns on a 2nd Example. 従来技術を用いた集積光半導体モジュールの作製例を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the example of preparation of the integrated optical semiconductor module using a prior art.

以下、本発明に係る集積光半導体モジュール用パッケージを実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明の効果を示すための例示であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行い得ることは言うまでもない。   Hereinafter, embodiments for implementing a package for an integrated optical semiconductor module according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the Example shown below is the illustration for showing the effect of this invention, and it cannot be overemphasized that a various change can be made within the range which does not deviate from the main point of this invention.

以下、本発明に係る集積光半導体モジュール用パッケージの第１の実施例について説明する。
本実施例においては、集積される光半導体素子がＤＦＢ−ＬＤチップ（ＤＦＢ−レーザーダイオードチップ）と半導体ＭＺ変調器（マッハツェンダー変調器）であり、これら２つのチップ間を光学素子である２枚のレンズで光結合する場合を例として説明する。 Hereinafter, a first embodiment of a package for an integrated optical semiconductor module according to the present invention will be described.
In this embodiment, the integrated optical semiconductor elements are a DFB-LD chip (DFB-laser diode chip) and a semiconductor MZ modulator (Mach-Zehnder modulator), and the two chips are optical elements between the two chips. As an example, the case of optical coupling with the lens will be described.

〔第１の工程「キャリアの作製」〕
第１の工程においては、最初に行うキャリア上への光半導体チップの搭載固定工程を示している。図１に示すように、銅・タングテン合金製のキャリア１上の所定の位置に、窒化アルミ製のサブキャリア２を介してＤＦＢ−ＬＤチップ３が金錫ハンダにより固定される。 [First step "Production of carrier"]
In the first step, an optical semiconductor chip mounting and fixing step on the carrier which is performed first is shown. As shown in FIG. 1, a DFB-LD chip 3 is fixed to a predetermined position on a carrier 1 made of copper / tungsten alloy by a gold-tin solder via a subcarrier 2 made of aluminum nitride.

続いて、キャリア１上の所定の位置にＭＺ変調器４がサブキャリア５を介して金錫ハンダにより固定される。キャリア１のＤＦＢ−ＬＤチップ３とＭＺ変調器４の搭載部の間には、後述する第１のレンズ１０及び第２のレンズ１１を調芯固定するための窪みがあり、そこには、第１のレンズ１０及び第２のレンズ１１をＹＡＧレーザーにより溶接固定するためのコバールと呼ばれる合金で作製したステージ６が金ゲルマニウムハンダで予め取り付けてある。   Subsequently, the MZ modulator 4 is fixed to the predetermined position on the carrier 1 by the gold tin solder via the subcarrier 5. Between the DFB-LD chip 3 of the carrier 1 and the mounting portion of the MZ modulator 4, there is a recess for aligning and fixing a first lens 10 and a second lens 11 to be described later. A stage 6 made of an alloy called Kovar for welding and fixing the first lens 10 and the second lens 11 with a YAG laser is attached in advance with gold germanium solder.

このステージ６の中央部に光アイソレータ１４をパッシブ搭載し、ＹＡＧレーザーにより溶接固定する。ＤＦＢ−ＬＤチップ３とＭＺ変調器４の固定後、高周波信号終端抵抗、チップコンデンサ、温度調節用サーミスタ、モニタＰＤ等の付属部品１７が、ハンダ及び導電性接着剤を用いてキャリア１上に固定される。   An optical isolator 14 is passively mounted at the center of the stage 6 and fixed by welding with a YAG laser. After fixing the DFB-LD chip 3 and the MZ modulator 4, accessory parts 17 such as a high-frequency signal termination resistor, a chip capacitor, a temperature control thermistor, and a monitor PD are fixed on the carrier 1 using solder and a conductive adhesive. Is done.

〔第２の工程「パッケージへの部品搭載」〕
続いて、図２に示すように、パッケージ７にＴＥＣ８と呼ばれる温度調節素子を融点２１０〜２５０℃程度の鉛フリーハンダを用いて固定する。ここで用いるパッケージ７には、実装用光透過窓９が設けられている。この実装用光透過窓９は、信号光の入力もしくは出力又は入出力に用いる光透過窓１９の設けられたパッケージ７の壁面とは異なる壁面に設けられる。 [Second step "Mounting parts on the package"]
Subsequently, as shown in FIG. 2, a temperature control element called TEC 8 is fixed to the package 7 using lead-free solder having a melting point of about 210 to 250 ° C. The package 7 used here is provided with a light transmission window 9 for mounting. The mounting light transmission window 9 is provided on a wall surface different from the wall surface of the package 7 provided with the light transmission window 19 used for input or output of signal light or input / output.

本実施例においては、実装用光透過窓９は透明なサファイア基板１７で封止されている場合を例として説明するが、第２の実施例で示すように、窓無しで穴が開いているだけであっても良い。また、サファイア基板１７表面には、ＹＡＧレーザー光線の反射を防ぐためのＡＲコートを設けているが、ＹＡＧレーザーによる溶接条件を調整しさえすればＡＲコート無しであっても問題は無い。   In this embodiment, the case where the mounting light transmission window 9 is sealed with a transparent sapphire substrate 17 will be described as an example. However, as shown in the second embodiment, a hole is opened without a window. May be just. The surface of the sapphire substrate 17 is provided with an AR coat for preventing the reflection of the YAG laser beam. However, there is no problem even if the AR coat is not provided as long as the welding conditions by the YAG laser are adjusted.

ＴＥＣ８固定後、ＴＥＣ８の通電端子は、パッケージ７の対応する端子１８と接続される。次に、ＴＥＣ８上に第１の工程で完成したキャリア１を鉛フリーハンダで固定する。この時、キャリア１上のステージ６とパッケージ７上の実装用光透過窓９との位置が合うよう調整して固定する。固定後、キャリア１上のＤＦＢ−ＬＤチップ３、ＭＺ変調器４、その他の付属部品１７はワイヤボンディングにより、パッケージ７の対応する端子１８と接続される。なお、実装用光透過窓９は、第１のレンズ１０と第２のレンズ１１をＹＡＧレーザーにより溶接固定できる大きさとする   After fixing the TEC 8, the energization terminals of the TEC 8 are connected to the corresponding terminals 18 of the package 7. Next, the carrier 1 completed in the first step is fixed on the TEC 8 with lead-free solder. At this time, the stage 6 on the carrier 1 and the mounting light transmission window 9 on the package 7 are adjusted and fixed so that they are aligned. After fixing, the DFB-LD chip 3, the MZ modulator 4, and other accessory parts 17 on the carrier 1 are connected to the corresponding terminals 18 of the package 7 by wire bonding. The mounting light transmission window 9 has such a size that the first lens 10 and the second lens 11 can be welded and fixed by a YAG laser.

〔第３の工程「チップ間光接続」〕
第２の工程で部品搭載の完了したパッケージ７を調芯装置に取り付け、ＤＦＢ−ＬＤチップ３に５０ｍＡ程度の順方向電流を通電し、発光させる。図３に示すように、ステージ６上に第１のレンズ１０と第２のレンズ１１の２枚のレンズを挿入し、ＤＦＢ−ＬＤチップ３とＭＺ変調器４との光結合効率が最大となるよう調芯する。なお、本実施例においては、光学素子として第１のレンズ１０と第２のレンズ１１を用いた場合を例として説明するが、この他にも光フィルタを用いることも可能である。 [Third step "optical connection between chips"]
The package 7 in which components are mounted in the second step is attached to the alignment device, and a forward current of about 50 mA is applied to the DFB-LD chip 3 to emit light. As shown in FIG. 3, the two lenses of the first lens 10 and the second lens 11 are inserted on the stage 6, and the optical coupling efficiency between the DFB-LD chip 3 and the MZ modulator 4 is maximized. Align as follows. In the present embodiment, the case where the first lens 10 and the second lens 11 are used as optical elements will be described as an example, but an optical filter may be used in addition to this.

調芯後、第１のレンズ１０と第２のレンズ１１を実装用光透過窓９越しに図３中に矢印で示すようにＹＡＧレーザーを照射し、ステージ６上に溶接固定する。以上の調芯工程により、ＤＦＢ−ＬＤチップ３とＭＺ変調器４との間の高効率（７５％程度）な光結合を実現することができる。   After alignment, the first lens 10 and the second lens 11 are irradiated with a YAG laser as indicated by an arrow in FIG. Through the above alignment process, high-efficiency (about 75%) optical coupling between the DFB-LD chip 3 and the MZ modulator 4 can be realized.

〔第４の工程「完成」〕
続いて、図４に示すように、パッケージ７にリッド１２と呼ばれる蓋を乾燥窒素雰囲気中で抵抗溶接し、パッケージ７は気密封止される。なお、この工程は、室温で行う。続いて、パッケージ７をファイバ調芯装置に取り付け、ＤＦＢ−ＬＤチップ３に５０ｍＡ通電、ＭＺ変調器４に透過光強度が最大になるよう電圧を印加して、図４中に矢印で示すように外部レンズ１３と光ファイバ１５を調芯し、ＹＡＧレーザーの照射により溶接固定する。なお、この工程も室温で行う。以上の工程により、本実施例に係る集積光半導体モジュールが完成する。 [Fourth process "completion"]
Subsequently, as shown in FIG. 4, a lid called lid 12 is resistance-welded to the package 7 in a dry nitrogen atmosphere, and the package 7 is hermetically sealed. This step is performed at room temperature. Subsequently, the package 7 is attached to the fiber alignment device, 50 mA current is applied to the DFB-LD chip 3, and a voltage is applied to the MZ modulator 4 so that the transmitted light intensity is maximized, as indicated by an arrow in FIG. The external lens 13 and the optical fiber 15 are aligned and fixed by welding by irradiation with a YAG laser. This step is also performed at room temperature. The integrated optical semiconductor module according to this embodiment is completed through the above steps.

第１〜４の工程で示したように、本実施例に係る集積光半導体モジュール用パッケージを用いることで、チップ間光調芯工程を全てのハンダプロセス完了後に行うことが可能となるため、熱歪による光軸ズレの影響を排除することができる。   As shown in the first to fourth steps, by using the integrated optical semiconductor module package according to this embodiment, the inter-chip optical alignment step can be performed after all the solder processes are completed. The influence of the optical axis shift due to distortion can be eliminated.

〔性能評価〕
完成した本実施例に係る集積光半導体モジュール用パッケージにおいて、ＤＦＢ−ＬＤチップ３にチップ温度４０℃で８０ｍＡの直流を印加し、ＭＺ変調器４の信号端子に振幅２Ｖの１０Ｇｂｐｓ擬似ランダム信号（２31−１）を与えたところ、発振波長１５５２ｎｍ、平均出力＋８ｄＢｍ、消光比１５ｄＢの良好なアイパタンが得られた。 [Performance evaluation]
In the completed package for the integrated optical semiconductor module according to the present embodiment, a DC current of 80 mA is applied to the DFB-LD chip 3 at a chip temperature of 40 ° C., and a 10 Gbps pseudorandom signal (2) with an amplitude of 2 V is applied to the signal terminal of the MZ modulator 4. When 31-1) was given, a good eye pattern having an oscillation wavelength of 1552 nm, an average output of +8 dBm, and an extinction ratio of 15 dB was obtained.

また、ＤＦＢ−ＬＤチップ３のチップ温度を１０〜６０℃、ＬＤ電流を５０〜１００ｍＡまで変化させることで、発振波長を１５４５〜１５５５ｎｍで変化させることができた。全波長範囲でシングルモードファイバ１２０ｋｍ伝送後のパワーペナルティは０．７ｄＢ以下であり、分散耐性も良好であった。   Further, by changing the chip temperature of the DFB-LD chip 3 to 10 to 60 ° C. and the LD current to 50 to 100 mA, the oscillation wavelength could be changed from 1545 to 1555 nm. The power penalty after transmission of the single mode fiber 120 km in the entire wavelength range was 0.7 dB or less, and the dispersion resistance was also good.

また、キャリア１に搭載したＤＦＢ−ＬＤチップ３とＭＺ変調器４との間の光損失が光軸ずれ等で２．５ｄＢ以上になったものを不良品とした場合、製造歩留まりは、従来方法では歩留まり７０％前後なのに対して、本実施例に係る集積光半導体モジュール用パッケージにおいては、通常のＬＤモジュールと同等な９６％に達している。   In addition, when the optical loss between the DFB-LD chip 3 mounted on the carrier 1 and the MZ modulator 4 becomes 2.5 dB or more due to the optical axis shift or the like is regarded as a defective product, the manufacturing yield is the conventional method. The yield is around 70%, whereas the integrated optical semiconductor module package according to the present embodiment reaches 96%, which is equivalent to a normal LD module.

また、本実施例に係る集積光半導体モジュール用パッケージにおいては、ケース温度７０℃時の消費電力は１．６Ｗであり、従来技術を用いて作製したモジュールに比べて２０％削減することができている。これは、本実施例に係る集積光半導体モジュール用パッケージにおいては、厚みの薄いキャリア１を用いることができるようになったため、温度調整に用いているペルチェ素子の負荷が低下したことが挙げられる。   Further, in the package for the integrated optical semiconductor module according to this example, the power consumption at the case temperature of 70 ° C. is 1.6 W, which can be reduced by 20% compared with the module manufactured using the conventional technology. Yes. This is because, in the integrated optical semiconductor module package according to the present embodiment, since the carrier 1 having a small thickness can be used, the load of the Peltier element used for temperature adjustment is reduced.

以下、本発明に係る集積光半導体モジュール用パッケージの第２の実施例について説明する。
本実施例においては、第１の実施例と同様のモジュールを実装用光透過窓９が封止されていない貫通穴である場合を例として説明する。 The second embodiment of the integrated optical semiconductor module package according to the present invention will be described below.
In the present embodiment, the same module as in the first embodiment will be described as an example in which the mounting light transmission window 9 is a through hole that is not sealed.

〔第１の工程「キャリアの作製」〕
本実施例における第１の工程は、図１に示した第１の実施例と同じ工程でキャリア１を完成させる。 [First step "Production of carrier"]
In the first process of this embodiment, the carrier 1 is completed by the same process as that of the first embodiment shown in FIG.

〔第２の工程「パッケージへの部品搭載」〕
続いて、パッケージ７にＴＥＣ８と呼ばれる温度調節素子を融点２１０〜２５０℃程度の鉛フリーハンダを用いて固定する。ここで用いるパッケージ７には、図５に示すように実装用光透過窓９が設けられている。この実装用光透過窓９は、信号光の入力もしくは出力又は入出力に用いる光透過窓１９の設けられたパッケージ７の壁面とは異なる壁面に設けられる。 [Second step "Mounting parts on the package"]
Subsequently, a temperature control element called TEC8 is fixed to the package 7 using lead-free solder having a melting point of about 210 to 250 ° C. The package 7 used here is provided with a mounting light transmission window 9 as shown in FIG. The mounting light transmission window 9 is provided on a wall surface different from the wall surface of the package 7 provided with the light transmission window 19 used for input or output of signal light or input / output.

本実施例においては、実装用光透過窓９に封止用窓材は付いておらず、貫通穴が開いている。また、実装用光透過窓９は、大きめの穴を左右両側に各１個ずつ開けても、小さめの穴を必要なだけ開けても良い。ＴＥＣ８固定後、ＴＥＣ８の通電端子は、パッケージ７の対応する端子１８と接続される。   In this embodiment, the mounting light transmitting window 9 is not provided with a sealing window material and has a through hole. Further, the mounting light transmission window 9 may have one large hole on each of the left and right sides, or may have as many small holes as necessary. After fixing the TEC 8, the energization terminals of the TEC 8 are connected to the corresponding terminals 18 of the package 7.

次に、ＴＥＣ８上に第１の工程で完成したキャリア１を鉛フリーハンダで固定する。この時、キャリア１上のステージ６とパッケージ７上の実装用光透過窓９との位置が合うよう調整して固定する。固定後、キャリア１上のＤＦＢ−ＬＤチップ３、ＭＺ変調器４、その他の付属部品１７はワイヤボンディングにより、パッケージ７の対応する端子１８と接続される。なお、実装用光透過窓９は、第１のレンズ１０と第２のレンズ１１をＵＶによりＵＶ固定できる大きさとする。   Next, the carrier 1 completed in the first step is fixed on the TEC 8 with lead-free solder. At this time, the stage 6 on the carrier 1 and the mounting light transmission window 9 on the package 7 are adjusted and fixed so that they are aligned. After fixing, the DFB-LD chip 3, the MZ modulator 4, and other accessory parts 17 on the carrier 1 are connected to the corresponding terminals 18 of the package 7 by wire bonding. The mounting light transmission window 9 has such a size that the first lens 10 and the second lens 11 can be UV-fixed by UV.

〔第３の工程「チップ間光接続」〕
第２の工程で部品搭載の完了したパッケージ７を調芯装置に取り付け、ＤＦＢ−ＬＤチップ３に５０ｍＡ程度の順方向電流を通電し、発光させる。図３に示すように、ステージ６上に第１のレンズ１０と第２のレンズ１１の２枚のレンズを挿入し、ＤＦＢ−ＬＤチップ３とＭＺ変調器４との光結合効率が最大となるよう調芯する。なお、本実施例においては、光学素子として第１のレンズ１０と第２のレンズ１１を用いた場合を例として説明するが、この他にも光フィルタを用いることとすることも可能である。 [Third step "optical connection between chips"]
The package 7 in which components are mounted in the second step is attached to the alignment device, and a forward current of about 50 mA is applied to the DFB-LD chip 3 to emit light. As shown in FIG. 3, the two lenses of the first lens 10 and the second lens 11 are inserted on the stage 6, and the optical coupling efficiency between the DFB-LD chip 3 and the MZ modulator 4 is maximized. Align as follows. In this embodiment, the case where the first lens 10 and the second lens 11 are used as optical elements will be described as an example, but an optical filter may be used in addition to this.

調芯後、第１のレンズ１０と第２のレンズ１１を実装用光透過窓９越しに図３中に矢印で示すようにＹＡＧレーザーを照射し、ステージ６上に溶接固定する。以上の調芯工程により、ＤＦＢ−ＬＤチップ３とＭＺ変調器４との間の高効率（７５％程度）な光結合を実現することができる。   After alignment, the first lens 10 and the second lens 11 are irradiated with a YAG laser as indicated by an arrow in FIG. Through the above alignment process, high-efficiency (about 75%) optical coupling between the DFB-LD chip 3 and the MZ modulator 4 can be realized.

なお、本実施例においては、第１のレンズ１０と第２のレンズ１１の固定をＹＡＧレーザーによる溶接固定で行ったが、第１のレンズ１０と第２のレンズ１１の固定を実装用光透過窓９を通じてＵＶ光を照射して固定するＵＶ固定により行っても良い。なお、ＵＶ光を照射して接着固定を行う場合、第１のレンズ１０と第２のレンズ１１の固定にはＵＶ光で硬化する光硬化接着剤を用いることとする。   In this embodiment, the first lens 10 and the second lens 11 are fixed by welding with a YAG laser. However, the first lens 10 and the second lens 11 are fixed by mounting light transmission. You may carry out by UV fixing which irradiates and fixes UV light through the window 9. FIG. In addition, when performing adhesion fixation by irradiating UV light, the first lens 10 and the second lens 11 are fixed using a photo-curing adhesive that is cured by UV light.

その後、図６に示すように実装用光透過窓９をＴＯ−ＣＡＮパッケージで用いられる封止用金属キャップ１６で抵抗溶接器を用いて封止する。なお、この工程は室温及び大気中で行って良い。   Thereafter, as shown in FIG. 6, the mounting light transmission window 9 is sealed with a resistance metal welder 16 with a sealing metal cap 16 used in the TO-CAN package. This step may be performed at room temperature and in the atmosphere.

〔第４の工程「完成」〕
続いて、パッケージ７にリッド１２と呼ばれる蓋を乾燥窒素雰囲気中で抵抗溶接し、パッケージ７は気密封止される。なお、この工程は、室温で行う。続いて、パッケージ７をファイバ調芯装置に取り付け、ＤＦＢ−ＬＤチップ３に５０ｍＡ通電、ＭＺ変調器４に透過光強度が最大になるよう電圧を印加して、外部レンズ１３と光ファイバ１５を調芯し、ＹＡＧレーザーの照射により溶接固定する。なお、この工程も室温で行う。以上の工程により、本実施例に係る集積光半導体モジュールは完成する。 [Fourth process "completion"]
Subsequently, a lid called a lid 12 is resistance-welded to the package 7 in a dry nitrogen atmosphere, and the package 7 is hermetically sealed. This step is performed at room temperature. Subsequently, the package 7 is attached to the fiber alignment device, 50 mA current is applied to the DFB-LD chip 3, and a voltage is applied to the MZ modulator 4 so that the transmitted light intensity is maximized, thereby adjusting the external lens 13 and the optical fiber 15. Centering and fixing by welding with YAG laser. This step is also performed at room temperature. The integrated optical semiconductor module according to this embodiment is completed through the above steps.

第１〜４の工程で示したように、本実施例に係る集積光半導体モジュール用パッケージを用いることで、チップ間光調芯工程を全てのハンダプロセス完了後に行うことが可能になり、熱歪による光軸ズレの影響を排除することができる。さらに、ハンダプロセス時の高温保持に伴うＵＶ接着剤の劣化を避けることも可能になり、ＵＶ接着工程の信頼性を維持することができる。
なお、完成したモジュールは第１の実施例におけるモジュールと同等の性能を有していることは言うまでもない。 As shown in the first to fourth steps, by using the integrated optical semiconductor module package according to the present embodiment, the inter-chip optical alignment step can be performed after completion of all the solder processes, and thermal distortion It is possible to eliminate the influence of optical axis misalignment due to. Furthermore, it becomes possible to avoid the deterioration of the UV adhesive accompanying the high temperature holding during the solder process, and the reliability of the UV bonding process can be maintained.
Needless to say, the completed module has the same performance as the module of the first embodiment.

以上説明したように、本発明に係る集積光半導体モジュール用パッケージによれば、キャリア１や第１のレンズ１０及び第２のレンズ１１の筐体の熱変形を誘起する調芯後の高温プロセスを排除し、集積光半導体モジュールの製造歩留まりの向上、キャリア１の小型化による部材コストの低減及び温調電力削減を実現することができる。   As described above, according to the integrated optical semiconductor module package of the present invention, the post-alignment high-temperature process that induces thermal deformation of the housing of the carrier 1, the first lens 10, and the second lens 11 is performed. Therefore, it is possible to improve the manufacturing yield of the integrated optical semiconductor module, reduce the member cost by reducing the size of the carrier 1, and reduce the temperature control power.

本発明は、例えば、主として光通信システムや光情報処理システムにおいて用いられる光半導体モジュールにおける、信号光の送受信、増幅、変調、合分波等の機能の内から少なくとも２つ以上の機能を１つのパッケージ内に集積化した集積光半導体モジュールの作製に利用することが可能である。   The present invention provides, for example, at least two or more functions out of functions such as transmission / reception of signal light, amplification, modulation, and multiplexing / demultiplexing in an optical semiconductor module mainly used in an optical communication system or an optical information processing system. It can be used for manufacturing an integrated optical semiconductor module integrated in a package.

１ キャリア
２，５ サブキャリア
３ ＤＦＢ−ＬＤチップ
４ ＭＺ変調器
６ ステージ
７ パッケージ
８ ＴＥＣ
９ 実装用光透過窓
１０ 第１のレンズ
１１ 第２のレンズ
１２ リッド
１３ 外部レンズ
１４ 光アイソレータ
１５ 光ファイバ
１６ 気密封止用キャップ
１７ サファイア基板
１８ 端子
１９ 光透過窓 1 Carrier 2, 5 Subcarrier 3 DFB-LD chip 4 MZ modulator 6 Stage 7 Package 8 TEC
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Mounting light transmission window 10 1st lens 11 2nd lens 12 Lid 13 External lens 14 Optical isolator 15 Optical fiber 16 Cap for airtight sealing 17 Sapphire substrate 18 Terminal 19 Light transmission window

Claims (5)

２個以上の光半導体素子が光学素子を介して光結合して構成される集積光半導体素子を収容するパッケージにおいて、
信号光の入力もしくは出力又は入出力に用いる光透過窓以外に、前記光学素子の実装を行うための１箇所以上の実装用光透過窓を設ける
ことを特徴とする集積光半導体モジュール用パッケージ。 In a package containing an integrated optical semiconductor element configured by optically coupling two or more optical semiconductor elements via an optical element,
A package for an integrated optical semiconductor module, characterized in that, in addition to a light transmission window used for input or output of signal light or input / output, one or more mounting light transmission windows for mounting the optical element are provided. 請求項１に記載の集積光半導体モジュール用パッケージにおいて、
前記実装用光透過窓は、前記パッケージの壁面に設けられた信号光の入力もしくは出力又は入出力に用いる前記光透過窓とは異なる壁面に設けられる
ことを特徴とする集積光半導体モジュール用パッケージ。 The integrated optical semiconductor module package according to claim 1,
The package for an integrated optical semiconductor module, wherein the light transmission window for mounting is provided on a wall surface different from the light transmission window used for input or output of signal light or input / output provided on the wall surface of the package. 請求項１又は請求項２に記載の集積光半導体モジュール用パッケージにおいて、
前記実装用光透過窓は、光を透過する材料で気密封止される
ことを特徴とする集積光半導体モジュール用パッケージ。 In the package for integrated optical semiconductor modules according to claim 1 or 2,
The package for an integrated optical semiconductor module, wherein the light transmitting window for mounting is hermetically sealed with a material that transmits light. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の集積光半導体モジュール用パッケージにおいて、
前記光学素子は、前記パッケージの外部に設置されたＹＡＧレーザーにより前記実装用光透過窓を介して溶接固定できる位置に配置し、
前記実装用光透過窓は、前記光学素子をＹＡＧレーザーにより溶接固定できる大きさとする
ことを特徴とする集積光半導体モジュール用パッケージ。 The package for an integrated optical semiconductor module according to any one of claims 1 to 3,
The optical element is arranged at a position where it can be fixed by welding through the mounting light transmission window by a YAG laser installed outside the package;
The package for an integrated optical semiconductor module, wherein the mounting light transmission window is sized so that the optical element can be fixed by welding with a YAG laser. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の集積光半導体モジュール用パッケージにおいて、
前記光学素子は、前記パッケージの外部に設置されたＵＶ光源により前記実装用光透過窓を介して接着剤を硬化させて固定できる位置に配置し、
前記実装用光透過窓は、前記光学素子をＵＶによりＵＶ固定できる大きさとする
ことを特徴とする集積光半導体モジュール用パッケージ。 The package for an integrated optical semiconductor module according to any one of claims 1 to 3,
The optical element is disposed at a position where the adhesive can be cured and fixed via the mounting light transmission window by a UV light source installed outside the package,
The package for an integrated optical semiconductor module, wherein the mounting light transmission window is sized so that the optical element can be UV-fixed by UV.
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