JP2012023325A - 発光モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】特性インピーダンスの不整合を抑制することができる発光モジュールを提供する。
【解決手段】発光モジュール1は、セラミック層3〜5からなる積層セラミックパッケージ2を備えている。中間セラミック層4には、下部セラミック層3の上面と協働して光デバイスを実装するための凹部11を形成する開口部10が設けられている。上部セラミック層5は、パッケージ側壁を構成し、凹部11を含む領域を取り囲むように設けられている。凹部11の底面にはサブマウント14が載置され、このサブマウント14の上面にはLD16が実装されている。積層セラミックパッケージ2の上面には、ホルダ25及びジョイント28を介して金属スリーブ31が接合されている。金属スリーブ31内には、LD16と光結合される光ファイバ33を保持したフェルール34が配置されている。
【選択図】図2
【解決手段】発光モジュール1は、セラミック層3〜5からなる積層セラミックパッケージ2を備えている。中間セラミック層4には、下部セラミック層3の上面と協働して光デバイスを実装するための凹部11を形成する開口部10が設けられている。上部セラミック層5は、パッケージ側壁を構成し、凹部11を含む領域を取り囲むように設けられている。凹部11の底面にはサブマウント14が載置され、このサブマウント14の上面にはLD16が実装されている。積層セラミックパッケージ2の上面には、ホルダ25及びジョイント28を介して金属スリーブ31が接合されている。金属スリーブ31内には、LD16と光結合される光ファイバ33を保持したフェルール34が配置されている。
【選択図】図2
Description
本発明は、光通信等で使用される発光モジュールに関するものである。
従来の発光モジュールとしては、例えば特許文献1に記載されているように、VCSEL(発光素子)を内蔵するセラミックパッケージと、このセラミックパッケージに固定された光カプラとを備えたものが知られている。
しかしながら、上記従来技術においては、セラミックパッケージの上面にサブマウントを介して発光素子を実装しているため、セラミックパッケージの上面に設けられた配線回路パターンと発光素子とをワイヤで接続する場合に、サブマウントの分だけワイヤ長が長くならざるを得ない。このため、ワイヤの寄生インダクタンス成分の影響が大きくなり、特性インピーダンスの不整合が生じてしまう。その結果、高速伝送において良好な周波数特性が得られなくなる。
本発明の目的は、特性インピーダンスの不整合を抑制することができる発光モジュールを提供することである。
本発明の発光モジュールは、発光素子を内蔵する積層セラミックパッケージと、積層セラミックパッケージの上面に固定され、発光素子と光結合される光ファイバを収容する金属筒状部材とを備え、積層セラミックパッケージは、第1セラミック層と、第1セラミック層上に積層され、第1セラミック層の上面と協働して発光素子を実装するための凹部を形成する開口部を有する第2セラミック層と、第2セラミック層上に積層され、凹部を含む領域を取り囲むように設けられた第3セラミック層とを有し、凹部にはサブマウントが配置されており、発光素子は、サブマウントに実装されていることを特徴とするものである。
このように本発明の発光モジュールにおいては、積層セラミックパッケージにおける第1セラミック層の上面と第2セラミック層の開口部との協働により形成される凹部にサブマウントを配置し、そのサブマウントに発光素子を実装することにより、第2セラミック層の上面に設けられた配線回路パターンと発光素子とをワイヤで接続する際に、ワイヤ長を短くすることができる。このとき、例えばサブマウントの上面に設けられた配線回路パターンを介してワイヤを接続する場合には、第2セラミック層の上面高さ位置とサブマウントの上面高さ位置とを合わせたり、或いはワイヤを発光素子に直接接続する場合には、サブマウントの上面高さ位置を第2セラミック層の上面高さ位置よりも低くする。このようにワイヤの接続形態等に応じてサブマウントの高さ寸法を適切に設定することで、ワイヤ長を十分短くすることができる。これにより、ワイヤの寄生インダクタンス成分の影響を軽減し、特性インピーダンスの不整合を抑制することができる。
好ましくは、凹部の底面には、発光素子の出力光量をモニタするモニタ用受光素子が実装され、発光素子とモニタ用受光素子との間には、発光素子から出射された光を光ファイバに向けて反射させると共に当該光の一部をモニタ用受光素子に向けて透過させる光学部材が配置されている。
発光素子を駆動するための駆動信号は発光素子の後方から供給されるが、モニタ用受光素子は発光素子の前方(光出射側)に配置されているため、モニタ用受光素子の微弱な出力電流が駆動信号に起因したノイズの影響を受けにくくなる。従って、ノイズによるモニタ用受光素子の出力電流の変動が抑制されるため、結果的に発光素子の発光出力を安定に保つことができる。
また、好ましくは、サブマウントは、第1〜第3セラミック層を形成するセラミック材料よりも熱伝導率の高い絶縁材料で形成されている。この場合には、発光素子で発生した熱がサブマウントで十分拡散されるようになる。このため、発光素子の熱膨張による発光出力の低下を抑制することができる。
このとき、サブマウントは、窒化アルミニウムで形成されていることが好ましい。サブマウントを形成する絶縁材料としては、熱伝導率が十分高い窒化アルミニウムを用いるのが最も効果的である。
本発明によれば、発光モジュールの特性インピーダンスの不整合を抑制することができる。これにより、高速伝送において良好な周波数特性を得ることが可能となる。
以下、本発明に係わる発光モジュールの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明に係わる発光モジュールの一実施形態を示す斜視図である。図2は、図1に示した発光モジュールの一部断面を含む斜視図であり、図3は、図2の要部拡大断面図である。各図において、本実施形態の発光モジュール1は、光デバイス及び電子部品が配置される積層セラミックパッケージ2を備えている。
積層セラミックパッケージ2は、下部セラミック層3、中間セラミック層4、上部セラミック層5からなる3層構造を有している。中間セラミック層4は、下部セラミック層3上に積層され、上部セラミック層5は、中間セラミック層4上に積層されている。これらのセラミック層3〜5は、加工性に優れるアルミナで形成されている。積層セラミックパッケージ2は、セラミック層3〜5を位置決め積層した状態で焼結及びダイシング加工を行うことにより形成される。なお、セラミック層3〜5を位置決め積層した状態で、刃物を用いてセラミック層3〜5を切断して小分けにし、その後で焼結を行うことで、積層セラミックパッケージ2を形成しても良い。焼結する前に切断を行うことで、積層されたセラミック層3〜5を容易に小分けにすることができる。
下部セラミック層3の外形は、略矩形となっている。下部セラミック層3の上面及び下面には、金属製の回路配線パターン(メタライズ層)6がそれぞれ設けられている。下部セラミック層には、図4に示すように、上下の回路配線パターン6同士を電気的に接続する複数のビア7が下部セラミック層3を貫通するように設けられている。また、下部セラミック層3の下面には、外部回路との接続を行うための外部接続端子(図示せず)が設けられている。
中間セラミック層4の外形は、下部セラミック層3と同様に略矩形となっている。また、中間セラミック層4の厚みは、下部セラミック層3と同様である。中間セラミック層4の上面及び下面には、回路配線パターン8がそれぞれ設けられている。中間セラミック層4には、図4に示すように、上下の回路配線パターン8同士を電気的に接続する複数のビア9が中間セラミック層4を貫通するように設けられている。
中間セラミック層4の中央部分には、開口部10が形成されている。この開口部10は、下部セラミック層3の上面と協働して光デバイスを実装するための矩形状の凹部(キャビティ)11を形成している。
上部セラミック層5は、中間セラミック層4に電子部品を実装するためのスペースを確保するように略矩形環状を呈しており、積層セラミックパッケージ2の側壁を構成している。つまり、上部セラミック層5は、凹部11を含む領域を取り囲むように設けられている。上部セラミック層5の厚みは、中間セラミック層4の厚みよりも大きくなっている。もしくは、上部セラミック層5の厚みを中間セラミック層4の厚みと同等として、上部セラミック層5を複数枚積層させることもできる。全てのセラミックシート(セラミック層)の厚みを揃えることで、セラミックシートの厚さを管理する工程を統一でき、製造工程を簡略化することができる。
上部セラミック層5の上面及び下面には、回路配線パターン12がそれぞれ設けられている。ただし、上部セラミック層5には、上下の回路配線パターン12同士を電気的に接続するビアは設けられていない。従って、上部セラミック層5の上面と下面とは、電気的に完全に絶縁(分離)された状態となっている。上部セラミック層5の上面の回路配線パターン(メタライズ層)12には、略矩形環状の金属リング13がロウ付け等により固定されている。
上記凹部11の底面には、図3及び図5に示すように、直方体状のサブマウント14が載置されている。サブマウント14の厚みは、中間セラミック層4の厚みと同等である。つまり、サブマウント14の上面と中間セラミック層4の上面とは面一となっている。
サブマウント14は、セラミック層3〜5を形成するアルミナよりも熱伝導率の高い絶縁材料で形成されている。このような絶縁材料としては、アルミナの10倍以上の熱伝導率を有する窒化アルミニウムを用いるのが好ましい。また、絶縁材料としては、酸化ベリリウム(BeO)、炭化珪素(SiC)、サファイア、ダイヤモンド等を用いることもできる。
サブマウント14の上面には、回路配線パターン15が設けられている。また、サブマウント14の上面には、レーザダイオード(LD:発光素子)16が実装されている。LD16は、端面発光型LDであり、横方向(中間セラミック層4の上面に沿った方向)に向けて光が出射される。
このとき、サブマウント14は熱伝導率の高い絶縁材料で形成されているので、LD16等で発生した熱がサブマウント14を介して下部セラミック層3に十分拡散されるようになり、サブマウント14に熱が籠もることが防止される。従って、LD16の熱膨張による発光出力の低下が抑制されるため、LD16は良好に動作するようになる。
LD16を構成する基材としては、線膨張係数が4.5ppm/K程度であるInP(インジウムリン)が用いられる。発光モジュールの動作範囲としては、−40℃〜85℃が要求されることがある。LD16は、サブマウント14の上に半田等の接合材料を介して実装される。半田材料としては、AuSn半田が望ましいが、それ以外にSuAgCu半田やAuGe半田等を用いても良い。半田は、熱伝導率が接着剤よりも高く、LD16で生じた熱を効率良くサブマウント14に伝導することができる。LD16をサブマウント14に搭載する場合、サブマウント14の線膨張係数がLD16の線膨張係数と大きく異なると、線膨張係数差による応力が生じてしまい、LD16にひずみを生じさせるおそれがある。そのため、サブマウント14の材料としては、熱伝導率と共に線膨張係数がLD16に近い材料であることが望ましい。窒化アルミニウムの線膨張係数は4.6ppm/K程度であり、LD16の線膨張係数に非常に近いことからも、サブマウント14の材料としては、上記の通り窒化アルミニウムを用いることが望ましい。
図5に示すように、中間セラミック層4の上面に設けられた複数の回路配線パターン8のうち、サブマウント14の両側に位置する2つの回路配線パターンは、LD端子接続用パターン8aとなっている。LD端子接続用パターン8aは、ビア9,7を介して下部セラミック層3の下面に設けられた回路配線パターン(パッド)6とつながっている。
LD端子接続用パターン8aの高周波信号ラインとサブマウント14の回路配線パターン15の高周波信号ラインとは複数本のワイヤ17で接続されている。このとき、中間セラミック層4の上面の高さ位置とサブマウント14の上面の高さ位置とが一致しているので、ワイヤ17の長さを最短にすることができる。また、LD16と回路配線パターン15の高周波信号ラインとは1本のワイヤ18で接続されている。LD端子接続用パターン8aのグランドラインと回路配線パターン15のグランドラインとは複数本のワイヤ19で接続されている。
LD端子接続用パターン8aの高周波信号ラインとサブマウント14の回路配線パターン15の高周波信号ラインとの接続には、リボンワイヤを用いることもできる。このような横幅の太いワイヤを用いることで、ワイヤによるインダクタンス成分を低減することができ、高周波線路としてより好ましい設計を実現することができる。また、リボンワイヤを用いる場合は、ウェッジボンドを用いることになり、よりワイヤループ高さを低くし、ワイヤ長を短くすることができる。
積層セラミックパッケージ2内部の高周波信号ラインは、所望の特性インピーダンスに設計され、線路内でのインピーダンスばらつきを小さくしている。特性インピーダンスを整合させるには、ビア7,9等により生じるインダクタンス成分と、信号ラインとグランドラインとの結合により生じるコンダクタンス成分とを適度に配置する必要がある。信号ラインを伝搬する高周波信号の立ち上がり時間に対し短い間隔でインダクタンス成分及びコンダクタンス成分を配置することにより、特性インピーダンスの整合が可能となる。
特性インピーダンスZ0は、下記式で表される。
特性インピーダンスZ0が設計の狙いよりも高い場合は、伝送線路のインダクタンス成分Lが大きいため、コンダクタンス成分Cが大きくなるように伝送線路及び接地電位結合を高め、寄生容量を大きくする等の設計修正が必要となる。反対に特性インピーダンスZ0が設計の狙いよりも低い場合は、伝送線路のインダクタンス成分Lを大きくする設計修正が必要となる。
特性インピーダンスZ0が設計の狙いよりも高い場合は、伝送線路のインダクタンス成分Lが大きいため、コンダクタンス成分Cが大きくなるように伝送線路及び接地電位結合を高め、寄生容量を大きくする等の設計修正が必要となる。反対に特性インピーダンスZ0が設計の狙いよりも低い場合は、伝送線路のインダクタンス成分Lを大きくする設計修正が必要となる。
LD16の前方に位置する凹部11の底面には、LD16の出力光量をモニタするモニタ用フォトダイオード(PD:受光素子)20が実装されている。中間セラミック層4の上面に設けられた複数の回路配線パターン8のうち、PD20の両側に位置する2つの回路配線パターンは、PD端子接続用パターン8bとなっている。PD端子接続用パターン8bの出力信号ラインとモニタ用PD20とはワイヤ21で接続されている。PD端子接続用パターン8bのグランドラインと回路配線パターン6のグランドラインとはワイヤ22で接続されている。
凹部11におけるサブマウント14とモニタ用PD20との間には、ミラーまたはプリズムからなる光学部材23が配置されている。光学部材23は、図6に示すように、LD16から出射された光の一部を上方に向けて垂直に反射させると共に当該光の残りを透過させる反射透過面23aと、この反射透過面23aから入射された光をモニタ用PD20に向けて出射させる出射面23bとを有している。反射透過面23aは、中間セラミック層4の上面に対して45度の角度で傾斜しており、所定の反射率を有している。
光学部材23の形状としては、反射透過面23a及び出射面23bを有していれば、直角三角形や五角形あるいは平面形状であっても良い。また、光学部材23の材料としては、ガラス部品や、LD16の出射波長に対して高い透過率を有する樹脂材料を用いることができる。反射透過面23aには、誘電体多層膜コーティングによる反射・透過膜を形成しても良い。誘電体多層膜は、LD16の出射波長に対して所望の反射率をもつように各層の材料及び厚さが制御されている。
光学部材23を透過した光は、拡散光であるため、モニタ用PD20の実装位置に対する依存が小さい。このため、モニタ用PD20の実装位置を高精度に制御しなくて良い。ここで、光学部材23の反射透過面23aの反射率Rと、LD16から得られる光パワーPoと、後述する金属スリーブ31に挿入される光コネクタに結合される光パワーPfと、後述するレンズ24による結合効率ηlとの関係は、
Pf=Po×R×ηl
となる。また、モニタ用PD20で得られるモニタ電流IPDと、光学部材23を透過した光パワーPp(=Po×R)と、光学部材23を透過した光がモニタ用PD20の受光面に結合する効率ηpと、モニタ用PD20で受光した光を電流に変換する量子効率ηiとの関係は、
IPD=Pp×ηp×ηi=Po×R×ηp×ηi
となる。よって、光コネクタに結合される光パワーPfの要求仕様及びモニタ電流IPDの要求仕様より、必要な反射率Rを設計する必要がある。
Pf=Po×R×ηl
となる。また、モニタ用PD20で得られるモニタ電流IPDと、光学部材23を透過した光パワーPp(=Po×R)と、光学部材23を透過した光がモニタ用PD20の受光面に結合する効率ηpと、モニタ用PD20で受光した光を電流に変換する量子効率ηiとの関係は、
IPD=Pp×ηp×ηi=Po×R×ηp×ηi
となる。よって、光コネクタに結合される光パワーPfの要求仕様及びモニタ電流IPDの要求仕様より、必要な反射率Rを設計する必要がある。
発光モジュールとして要求される光パワーPfに対して、LD16の光パワーPoが十分高い場合、光パワーを削減する必要が生じる。一般的には、金属スリーブ31(後述)を光軸方向に離した(遠い)位置に配置させて、レンズ24(後述)による最適結合位置よりも低い光パワーとなるようデフォーカスさせる。一方、光学部材23を用いた構造では、反射率Rの値を小さく設計することで、デフォーカスによる光パワーの削減を最低限にすることができる。これにより、金属スリーブ31を光軸方向に離す量を少なくし、発光モジュール1の全長ばらつきを小さく設計することができる。また、後述するように発光モジュール1を光トランシーバ37に搭載した場合に、発光モジュール1と回路基板41との距離ばらつきを小さく設計でき、フレキシブル基板42や回路基板41の高周波ラインを短く設計でき、良好な高周波特性を示す光トランシーバ37を設計することが可能となる。
また、発光モジュールの光パワーPfとLD16の光パワーPoとの関係が成り立つ範囲で反射率Rを小さく設計することで、発光モジュールに要求されるRINの耐性を高めることができる。発光モジュールの光パワーPfに対して、規格で規定された反射光量を発光モジュールに戻した場合、反射光量に光学部材23の反射率Rが乗算された光量がLD16に伝達される。そのため、反射率Rが十分小さい設計であれば、一般的な発光モジュールよりもLD16に伝達される反射光量は小さくなり、RIN耐性を向上させることができる。設計によっては、反射光量を抑制する機能を持つアイソレータが無くてもRIN耐性を満足させることができ、発光モジュールの部品コストの低減が可能となる。
LD16から出射された光の一部は、光学部材23の反射透過面23aにおいて反射率Rで反射して垂直方向に屈折され、その他の光は、光学部材23を透過してモニタ用PD20側に出射される。その際、LD16からの光は、反射透過面23aの角度45度、光学部材23の材料屈折率nにより、スネルの法則に従って屈折されて透過する。また、LD16から出射された水平光は、光学部材23を透過する際に、図6の点線で示すように水平より下方向に屈折される。ここで、モニタ用PD20の受光面が上面となる場合は、LD16から出射されて光学部材23を透過した光がモニタ用PD20の上面に入射される必要がある。その結果、LD16の活性層よりもモニタ用PD20の上面(受光面)を相対的に低く設計する必要がある。本構造では、LD16は凹部11上に実装されたサブマウント14の上面に実装されており、モニタ用PD20は凹部11上に実装されているため、光学部材23を透過した光を効率良くモニタ用PD20の受光面で受けることができる。
中間セラミック層4の上面には、特に図示されていないが、IC、抵抗及びコンデンサ等の電子部品が実装されていても良い。回路配線パターン8と電子部品との接続は、ボンディングやワイヤリングまたはフリップチップにより行われる。
なお、LD16、モニタ用PD20及び電子部品の実装は、半田付けもしくは接着剤により行われる。半田付けとしては、AuSn半田やSuAgCu半田等が用いられる。接着剤としては、電子部品の接着には導電性接着剤が用いられ、非電子部品の接着には非導電性接着剤が用いられる。
以上のような積層セラミックパッケージ2の上面には、レンズ24を保持する金属製のホルダ25が固定されている。レンズ24とホルダ25とは低融点ガラス等からなる封止材料を用いて封止されている。このとき、積層セラミックパッケージ2の内部を窒素置換した環境において、ホルダ25が金属リング13の上面に溶接されることで、積層セラミックパッケージ2の内部が気密封止されている。
ホルダ25は、レンズ24を位置決めする治具に搭載され、低融点ガラスが供給された状態で高温炉に投入される。そして、低融点ガラスがレンズ24及びホルダ25に馴染んだ状態で冷却されることで、各部分を封止することになる。一般的には、ガラス材料は、圧縮応力がかかった状態であればクラック等は生じにくくなる。レンズ24の材料としては、BK7やTaF3といった屈折率が1.4〜1.9程度の硝材が用いられる。それらの線膨張係数は、7〜8ppm/K程度の値となっている。レンズ24の外周部に配置される低融点ガラスは、レンズ24と等しいかレンズ24よりも大きい線膨張係数を有する材料が用いられる。低融点ガラスよりも更に外周部に配置されるホルダ25の材料としては、低融点ガラスよりも大きい線膨張係数を有するFe−Ni合金を用いることが望ましい。特に50アロイ(FeとNiで構成され比率は50%)は、線膨張係数が10ppm/K程度であり、ホルダ25の材料として望ましい。
ホルダ25の溶接は、シームシールを用いる他、予めロウ材を金属リング13の上面に供給し、加熱によりロウ材を溶解させて封止しても良い。加熱の手法としては、オーブン等による全体加熱の他、レーザビームによりスポット的にロウ材付近を加熱しても良い。
ホルダ25は、金属リング13に接合され、積層セラミックパッケージ2の上部開口を覆い塞ぐフタ部26と、このフタ部26と一体化された筒状部27とを有している。筒状部27の軸心は、積層セラミックパッケージ2の上下面に対して直交している。レンズ24は、筒状部27の内周面から張り出すように設けられた環状保持部27aに封止固定されている。このようなホルダ25を金属リング13に固定するときは、レンズ24とLD16との光軸ズレが小さくなるように、金属リング13に対するホルダ25の位置を調整する。
なお、フタ部と筒状部とは別部品で構成しても良い。この場合、フタ部には、LD16から出射される光を透過すると共に積層セラミックパッケージ2の気密を確保するための平窓ガラスが封止固定される。そして、そのフタ部に筒状部が固定される。両者の固定方法としては、YAG溶接や樹脂接着等が用いられる。
ホルダ25には、金属製のジョイント28がYAG溶接により固定されている。ジョイント28は、光を通すための貫通穴29aを有する基部29と、この基部29と一体化された筒状部30とを有している。そして、その筒状部30の内周面がホルダ25の筒状部27の外周面に接合されている。
ジョイント28の基部29には、金属スリーブ31がYAG溶接により固定されている。金属スリーブ31の内部には、ジルコニアスリーブ32が配置されている。ジルコニアスリーブ32内のジョイント28側には、LD16と光結合される光ファイバ33を保持したフェルール34が配置されている。また、金属スリーブ31の内部には、フェルール34を圧入固定する金属筒状体35がジルコニアスリーブ32に隣接して配置されている。金属スリーブ31の外周面には、環状の保持溝36aを有するフランジ部36が設けられている。金属スリーブ31をジョイント28の基部29に固定するときは、LD16から出射された光が高効率で光ファイバ33に結合される位置となるように金属スリーブ31を2軸もしくは3軸で調芯する。
ジョイント28及び金属スリーブ31の材料としては、YAG溶接に対応し、かつ高温高湿環境でも錆等が発生しにくいステンレスを用いることが望ましい。ステンレスの中でも線膨張係数がジルコニアや50アロイに近いフェライト系のステンレス材料が望ましい。特にSUS430やSF20Tといった材料を用いることができる。線膨張係数がジルコニアや50アロイに近いステンレス材料を用いることで、YAG溶接後の冷却時に生じる内部応力や、ステンレスとジルコニアの圧入固定部に対する温度環境の違いによる応力状態を安定させることができる。
なお、ホルダ25とジョイント28との固定、ジョイント28と金属スリーブ31との固定は、YAG溶接の他に、UV硬化接着剤等を用いた接着により行っても良い。この場合には、UV硬化接着剤にUV光を照射して仮固定した後、その位置からずれないように熱硬化性接着剤による補強を施すのが良い。
以上のような発光モジュール1において、図6に示すように、LD16から出射された光は、光学部材23の反射透過面23aで上方に反射し(実線参照)、ホルダ25に取り付けられたレンズ24により集光され、光ファイバ33に結合される。このとき、LD16からの出射光の一部は、光学部材23を透過し(破線参照)、モニタ用PD20で受光される。
発光モジュール1は、図7に示すような光トランシーバ37に組み込まれる。光トランシーバ37はハウジング38を有し、このハウジング38の前端側部分は、発光モジュール1と結合される光コネクタ(図示せず)をガイドするレセプタクル部39を形成している。レセプタクル部39には、発光モジュール1を保持するための保持用突起39aが設けられている。この保持用突起39aが発光モジュール1における金属スリーブ31の保持溝36aに嵌合することで、発光モジュール1がハウジング38に保持された状態となる。
また、光トランシーバ37内には、電子部品40が実装される回路基板41が配置されている。回路基板41は、実装面41aが積層セラミックパッケージ2の底面と直交するように配置されている。積層セラミックパッケージ2の底面の外部接続端子と回路基板41の実装面41aに設けられた外部接続端子とは、フレキシブル基板42を介して接続されている。フレキシブル基板42の信号ラインは、積層セラミックパッケージ2及び回路基板41の特性インピーダンスと整合するように設計されている。このため、回路基板41の駆動回路からLD16等の光デバイス及び電子部品に対し、損失が少なくなるように高周波信号を伝搬することができる。
フレキシブル基板42と積層セラミックパッケージ2とは、半田により接合されている。積層セラミックパッケージ2の底面の配線回路パターンは、高周波信号用パッドと、直流信号用パッドと、これら以外のグランドパターンとからなっている。同様にフレキシブル基板42にも、パッド及びグランドパターンが形成されている。両者のパターンは、半田により均一に接続される。このため、積層セラミックパッケージ2の内部で生じた熱は、半田を介してフレキシブル基板42のグランドパターンに伝わるようになる。従って、積層セラミックパッケージ2内の熱を効率良く拡散することができ、高温環境においても良好な動作を行うことが可能となる。
ところで、積層セラミックパッケージ2内において高周波信号を伝搬する高周波信号ラインの特性インピーダンスを整合することにより、線路間の反射による信号劣化を抑制し、良好な高周波特性を得ることができる。しかし、高周波信号ラインのワイヤ長が長いと、ワイヤの寄生インダクタンスの影響を大きく受けるため、特性インピーダンスの不整合を起こしてしまう。
これに対し本実施形態では、高周波信号ラインを含む配線回路パターン15が上面に形成されたサブマウント14を積層セラミックパッケージ2の凹部11に配置し、このサブマウント14の上面にLD16を実装するようにしたので、高周波信号ライン同士をつなぐワイヤ17の長さを十分に短くすることができる。これにより、高周波信号ラインの特性インピーダンスの不整合を最小限に抑えることができる。その結果、例えば10Gbpsを越える高速伝送を行う場合でも、良好な周波数特性を得ることが可能となる。
また、モニタ用PDは、LDの出射面とは反対の後方出射光を受光するように、LDの後方に配置するのが一般的である。この場合、LD駆動用の高速信号ライン(高周波信号ライン)は、LDの後方に形成されることになる。高速伝送用途においては、高速信号ラインとしては、信号の劣化を抑えるために出来る限り最短にするのが望ましい。しかし、モニタ用PDはLDの後方出射光軸上にあるため、モニタ用PDを迂回するように高速信号ラインを形成する必要がある。また、多層配線によってモニタ用PDの下に高速信号ラインを形成することも可能であるが、この場合には、モニタ用PDの出力電流が流れる出力信号ラインが高速信号ラインと対向したり交差するため、高速信号ラインを通る駆動信号によりモニタ用PDの微弱な出力電流にノイズが生じてしまう。モニタ用PDの出力電流がノイズで変動すると、LDの出力を安定に保つことができなくなる。
これに対し本実施形態では、LD16の前方にモニタ用PD20を配置したので、モニタ用PD20の出力電流が流れる出力信号ラインが高速信号ラインと対向したり交差することが無く、モニタ用PD20の出力電流が駆動信号によるノイズの影響を受けにくくなる。これにより、ノイズによるモニタ用PD20の出力電流の変動が抑制されるため、LD16の出力を安定に保つことができる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、積層セラミックパッケージ2においてサブマウント14の上面高さと中間セラミック層4の上面高さとを揃えるようにしたが、特にその構成には限られず、例えばサブマウント14に実装されたLD16の上面高さと中間セラミック層4の上面高さとが揃うようにサブマウント14の厚さ(高さ)を設定しても良い。要は、高周波信号ラインに接続される複数本のワイヤの長さの合計または平均が最短となるように、サブマウント14の厚さを適宜設計すれば良い。
また、上記実施形態では、サブマウント14の上面に端面発光型LD16を実装したが、積層セラミックパッケージ2の上方の光ファイバ33に向けて光を出射するには、サブマウント14の側面に端面発光型LDを実装しても良いし、サブマウント14の上面に面発光型LDを実装しても良い。
また、上記実施形態では、積層セラミックパッケージ2を3層構造としたが、積層セラミックパッケージ2の層数としては4層以上であっても良い。
さらに、上記実施形態では、積層セラミックパッケージ2の底面と光トランシーバ37の回路基板41とをフレキシブル基板42で接続するようにしたが、回路基板41の寸法や配置箇所等によっては積層セラミックパッケージ2を回路基板41に直接接合しても良い。
また、LD16のアノード接続用及びカソード接続用のパッドが同一面にある場合には、ワイヤ18による特性インピーダンス不整合を抑制するため、LD16をサブマウント14にフリップチップ実装しても良い。LD16をフリップチップ実装することで、ワイヤによるインダクタンス成分の増加を無くし、伝送線路の特性インピーダンスをより安定した設計とすることができる。
また、モニタ用PD20の実装もフリップチップ実装とすることができる。このようにすることで、モニタ用PD20の受光面が下面となるため、LD16とモニタ用PD20とを同一平面上に実装しても、モニタ光を受光することが可能となる。
1…発光モジュール、2…積層セラミックパッケージ、3…下部セラミック層(第1セラミック層)、4…中間セラミック層(第2セラミック層)、5…上部セラミック層(第3セラミック層)、10…開口部、11…凹部、14…サブマウント、16…レーザダイオード(発光素子)、20…モニタ用フォトダイオード(モニタ用受光素子)、23…光学部材、25…ホルダ(金属筒状部材)、28…ジョイント(金属筒状部材)、31…金属スリーブ(金属筒状部材)、33…光ファイバ、34…フェルール。
Claims (4)
- 発光素子を内蔵する積層セラミックパッケージと、
前記積層セラミックパッケージの上面に固定され、前記発光素子と光結合される光ファイバを収容する金属筒状部材とを備え、
前記積層セラミックパッケージは、第1セラミック層と、前記第1セラミック層上に積層され、前記第1セラミック層の上面と協働して前記発光素子を実装するための凹部を形成する開口部を有する第2セラミック層と、前記第2セラミック層上に積層され、前記凹部を含む領域を取り囲むように設けられた第3セラミック層とを有し、
前記凹部にはサブマウントが配置されており、
前記発光素子は、前記サブマウントに実装されていることを特徴とする発光モジュール。 - 前記凹部の底面には、前記発光素子の出力光量をモニタするモニタ用受光素子が実装され、
前記発光素子と前記モニタ用受光素子との間には、前記発光素子から出射された光を前記光ファイバに向けて反射させると共に当該光の一部を前記モニタ用受光素子に向けて透過させる光学部材が配置されていることを特徴とする請求項1記載の発光モジュール。 - 前記サブマウントは、前記第1〜第3セラミック層を形成するセラミック材料よりも熱伝導率の高い絶縁材料で形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の発光モジュール。
- 前記サブマウントは、窒化アルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項3記載の発光モジュール。
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