JP4434627B2

JP4434627B2 - 同軸型半導体レーザモジュール

Info

Publication number: JP4434627B2
Application number: JP2003149524A
Authority: JP
Inventors: 強田中; 宏樹伊藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: JP2004356217A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に利用され、小型でギガビット帯の高周波を利用した光通信に用いる同軸型半導体レーザモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の同軸型半導体レーザモジュールは例えば特許文献１に開示されており、その内部構造を図４で説明する。
【０００３】
図４は同軸型半導体レーザモジュールの中央横断面図である。簡単のため、モニタ用フォトダイオード及びフォトダイオードへの配線用リード線は省略する。
【０００４】
同軸型半導体レーザモジュールは、半導体レーザ１、金属ステム３、金属ステム３に予め銀ろう材などにより接合した支持台４、先端にレンズ１１が取り付けられたレンズキャップ１２、レンズキャップ１２を収納し、一方側が金属ステム３に接合されるスリーブ１３、スリーブ１３の他方側に接合されるフェルールホルダ１６とから構成されている。
【０００５】
半導体レーザ４は、支持台４上に、誘電体で、かつ放熱性の高い窒化アルミニウム材から成るヒートシンク２００上の表面２００ａに半田等により搭載固定されている。表面２００ａには、半導体レーザ１の電極ワイヤをボンディングできるようメタライズが施されており、表面積は２ｍｍ^２程度の大きさを有している。なお、ヒートシンク２００は支持台４上に搭載固定されている。
【０００６】
金属ステム３は貫通孔５を有し、貫通孔５には外部から半導体レーザ１へ通電するための信号入力用のリード線７が挿通されて絶縁用の低融点ガラス６により気密封止固定されている。また、金属ステム３の外部には、グランド接続用のリード線８が銀ろう材などにより設置固定されている。リード線７及びリード線８は一般に直径０．４５ｍｍの鉄材又はＦｅ／Ｎｉ／Ｃｏ材などの金属から形成されている。
【０００７】
半導体レーザ１が設置されているヒートシンク２００上の表面２００ａとリード線７は第１のＡｕワイヤ９により接続され、半導体レーザ１の上面は、支持台４に第２のＡｕワイヤ１０により接続されている。リード線７から入力されたＲＦ信号は、第１のＡｕワイヤ９とヒートシンク２００上の表面２００ａを介して半導体レーザ１に至り、第２のＡｕワイヤ１０を介してケースグランドに接地される。
【０００８】
光ファイバ１４を保持したフェルール１５は、光ファイバ１４がレンズ１１の集光位置に光軸調芯されており、フェルールホルダ１６に挿入固定されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−９６８３９号公報参照
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４に示す従来の同軸型半導体レーザモジュールでは、ＲＦ（Radio-Frequency ）入力信号が入力から半導体レーザ１に至るまでに介しているリード線７、第１のＡｕワイヤ９及びヒートシンク２００上の表面２００ａは、特にＲＦ入力信号とのインピーダンス整合が成されておらず、寄生リアクタンスを有している為、変調帯域が制限される。
【００１１】
更にヒートシンク２００は半導体レーザ１のＤＣ駆動用の配線パターン形成と放熱が主目的であるため必要最小限の大きさから成り、表面２００ａの表面積が２ｍｍ^２程度であり、０．５ｍｍ^２の半導体レーザ１を搭載した際、コプレーナ線路の形成やインピーダンス整合用抵抗の搭載などが不可能なため１０ギガビット以上での高速変調駆動が困難であるという課題があった。
【００１２】
即ち、従来の同軸型半導体レーザモジュールは外径及び長さ寸法の標準化による制限があり大型化は不可能であった。
【００１３】
本発明の目的は、上述の課題に鑑みて案出されたものであり、制限により小型であっても入力から半導体レーザに至るまでの寄生リアクタンスを排除し、外部から入力されるＲＦ入力信号とのインピーダンスを整合して１０ギガビットでの高速変調駆動も可能とした同軸型半導体レーザモジュールを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題に鑑みて本発明は、半導体レーザと、誘電体基板の表面に上記半導体レーザを搭載する第１の領域と線路又は回路の複数の導体膜が形成された第２の領域とを有したヒートシンク板と、複数のリード線が貫通固定された円形状の金属ステムと、該金属ステムに固定され上記ヒートシンク板を搭載する支持台とから構成され、上記リード線と上記導体膜とを直接接合してなる同軸型半導体レーザモジュールであって、上記線路は、入力信号用線路を有し、該入力信号用線路の両側にグランド用線路を配列させてコプレーナ線路を形成してなり、上記入力信号用線路とグランド用線路が上記各リード線に接合され、このリード線の幅および間隔が上記線路の幅および間隔と同じコプレーナ線路を形成していることを特徴とする同軸型半導体レーザモジュールである。
【００１５】
この場合、前記リード線の信号伝送線路は入力信号を伝送させるとともに、当該リード線に接続した導体膜にインピーダンス整合用の薄膜抵抗を形成したことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図によって説明する。
【００１７】
なお、従来技術と同じものについては同じ符号を用いるものとする。
【００１８】
図１は、本発明の同軸型半導体レーザモジュールの中央横断面図である。
【００１９】
本発明の同軸型半導体レーザモジュールは、半導体レーザ１と、ヒートシンク板２と、複数のリード線７、８が貫通固定された金属ステム３と、金属ステム３に固定され上記ヒートシンク板２を搭載する支持台４とからなる。また、金属ステム３には先端にレンズ１１が取り付けられたレンズキャップ１２、レンズキャップ１２を収納し、一方側が金属ステム３に抵抗溶接により接合されるスリーブ１３、スリーブ１３の他方側に接合されるフェルールホルダ１６とから構成されている。
【００２０】
ヒートシンク板２は、放熱性の高い窒化アルミニウムなどの誘電体基板からなり、半導体レーザ１を搭載するとともに、その半導体レーザ１と接続する複数の線路１７ａ〜１７ｃが形成されている。この線路１７ａ〜１７ｃは誘電体基板の表面に導体膜からなるメタライズを施すことにより形成される。この導体膜としてはＮｉ及びＡｕ等が用いられる。また、線路１７ａ〜１７ｃは後述するリード線７、８と直接、半田により接合されている。
【００２１】
線路１７ａは、図１に示すように入力信号用の伝搬線路として用いられ、途中に半導体レーザ１とのインピーダンス整合を行う薄膜抵抗１８が形成されている。なお、本発明では薄膜抵抗１８を形成することに限定したが、これに限定されるものではない。
【００２２】
また、線路１７ａの先端には半導体レーザ１が搭載されており、線路１７ａと半導体レーザ１は半田によって接続されている。また、線路１７ａの後端には金属ステム３に挿入固定したリード線７が半田により直接接合されている。線路１７ｂはグランド用の線路として用いられ、線路１７ａの両端に並列に形成している。
【００２３】
この線路１７ａとその両端に配列した線路１７ｂとによりコープレーナ線路１７を形成しており、半導体レーザ１の上面から線路１７ｂにＡｕワイヤ９、１０により接続して半導体レーザ回路を形成し、この回路における入力信号のインピーダンスマッチングを行うように構成されている。このように、線路１７ａ〜１７ｃで構成するコープレーナ線路１７に直接リード線７、８が接合されているので、チップコンデンサやチップインダクタを搭載するなどのインピーダンスを調整する構造をとるようなことがなく小型化が可能であり、逆に、小型であったとしても、充分な特性を得ることが可能となる。
【００２４】
このようにコプレーナ線路１７は、中心に形成した入力信号用の線路１７ａの幅Ｗと両側のグランド用の線路１７ｂとの間隔Ｇの比、並びにヒートシンク板２の比誘電率εｒによってインピーダンスが決定される。外部への電気的接続の為の信号入力用のリード線７及びグランド接続用のリード線８の幅はヒートシンク板２上のコプレーナ線路１７の幅と同じく設定してある。金属ステム３の外部へ取り出されたリード線７及びリード線８は、図示しない外部基板へ接続される。
【００２５】
金属ステム３は円形状に形成されており、このほぼ中心に貫通孔５が設けられ、貫通孔５のほぼ中心にリード７が挿入されて低融点ガラス６により気密封止固定されている。また、リード線７の両側にはグランドに接続されたリード線８が金属ステム３の厚み方向に挿入固定され、ヒートシンク板２の線路１７ｂに銀ろう材などにより電気的な導通と気密的に封止固定が成されている。金属ステム３及び支持台４の材質は、ヒートシンク板２の材質とほぼ同等の熱膨張係数を有するＦｅ／Ｎｉ／Ｃｏ材や高熱伝導な銅タングステン材などが好ましい。
【００２６】
図２は、金属ステム３及び支持台４に半導体レーザ１が搭載されたヒートシンク板２を示した斜視図である。
【００２７】
支持台４は予め銀ろう材などにより金属ステム３に固定されており、ヒートシンク板２は支持台４上にはんだ等により搭載固定されている。
【００２８】
一般に使用される金属ステム３の外径はφ５．６ｍｍであり、半導体レーザ１が搭載されるヒートシンク板２は、その表面２ａの表面積が支持台４の表面積とほぼ同等になるよう幅２．５ｍｍ×長さ２．５ｍｍ×高さ０．２ｍｍに設定されている（表面２ａの表面積で６．２５ｍｍ^２）。このような広いヒートシンク板２に表面積が各々０．５ｍｍ^２程度の半導体レーザ１やインピーダンス整合用の薄膜抵抗１８などを形成するため、ヒートシンク板２の表面２ａに充分搭載でき、コプレーナ線路１７などのパターンも充分形成できる。
【００２９】
フェルールホルダ１６は中央に貫通孔１６ａが形成されており、この貫通孔１６ａに光ファイバ１４が中央に接着固定されたフェルール１５を接合材とともに圧入固定させている。そして、フェルールホルダ１６はレンズ１１の集光位置に光ファイバ１４の光軸調芯された後、スリーブ１３にＹＡＧレーザ溶接固定されている。光ファイバ１４を固定するフェルール１５部は、光レセプタクルであっても良い。また、レンズ１１と光ファイバ１４間に半導体レーザ１への反射戻り光を抑止する光アイソレータを設置しても良い。
【００３０】
本発明の半導体レーザモジュールは、外部からリード線７へ入力されたＲＦ信号を、ヒートシンク板２上の線路１７ａ及びインピーダンス整合用の薄膜抵抗１８を介して半導体レーザ１に至り、Ａｕワイヤ９、１０を介してケースグランドに接地される。
【００３１】
このようにして金属ステム３のリード線７、８を直接コプレーナ線路１７に接続することで、半導体レーザ１に至るまでの寄生リアクタンスを排除してＲＦ入力信号とのインピーダンスを整合することができる。さらに、インピーダンス整合用の薄膜抵抗１８も形成すると１０ギガビットでの高速変調駆動を可能とできる。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明実施例として図１及び図２に示す同軸型半導体レーザモジュールを作製した。
【００３３】
図１において、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ材から成る円形の金属ステム３のほぼ中心に貫通孔５を設け、貫通孔５のほぼ中心にリード線７を挿通して低融点ガラス６により気密封止固定した。リード線７の両側にはリード線８を挿通し、銀ろう材により固定した。リード線７は、金属ステム３と電気的に絶縁され、リード線８は導通されている。
【００３４】
ヒートシンク板２上には、インピーダンスが５０Ωとなるように線路１７ａの幅Ｗや線路１７ｂとの間隔Ｇを設定したコプレーナ線路１７を形成し、線路１７ａの途中に半導体レーザ１とのインピーダンスを整合するため、４５Ωのインピーダンス薄膜抵抗１８を形成した。半導体レーザ１はＡｕ／Ｓｎ半田により線路１７ａ上のパターンに搭載固定した。半導体レーザ１の上面とコプレーナ線路１７の両側の線路１７ｂをＡｕワイヤ９、１０により接続した。
【００３５】
半導体レーザ１の出射光を集光するレンズ１１は予め低融点ガラスによりステンレス材から成るレンズキャップ１２に固定されており、レンズキャップ１２は、金属ステム３に抵抗溶接固定した。レンズキャップ１２の外側にはステンレス材から成るスリーブ１３を金属ステム３に抵抗溶接固定した。
【００３６】
光ファイバ１４はステンレス材から成るフェルール１５に接着固定されており、レンズ１１の集光位置に光軸調芯した後、フェルールホルダ１６と共にスリーブ１３にＹＡＧレーザ溶接固定した。
【００３７】
図２において、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ材から成る支持台４の形状を半円柱型に形成し、金属ステム３に銀ろう材により固定した。幅１ｍｍ×長さ０．５ｍｍ×高さ０．２ｍｍの半導体レーザ１を搭載するヒートシンク板２は、表面２ａの表面積が支持台４の面積とほぼ同等になるよう幅２．５ｍｍ×長さ２．５ｍｍ×高さ０．２ｍｍに設定した（表面２ａの表面積で６．２５ｍｍ^２）。ヒートシンク板２は、支持台４上にＡｕ／Ｓｎ半田により搭載固定した。
【００３８】
金属ステム３に取り付けたリード線７の幅はヒートシンク板２上の線路１７ａと同じ幅Ｗに設定し、リード線８との間隔はヒートシンク板２上の線路１７ｂとの間隔Ｇと同じに設定し、リード線７及びリード線８は、ヒートシンク板２上のコプレーナ線路１７へ半田により接続した。
【００３９】
図３に従来の同軸型半導体レーザモジュールと本実施例による同軸型半導体レーザモジュールの小信号周波数応答特性を比較して示す。
【００４０】
従来の同軸型半導体レーザモジュールでは、ＲＦ入力信号が半導体レーザ１に至るまでに介しているリード線７、Ａｕワイヤ９及びヒートシンク板２上の表面２ａが、特にＲＦ入力信号とのインピーダンス整合が成されておらず、寄生リアクタンスを有している為、３ｄＢ帯域幅が３ＧＨｚ程度に制限されていたが、本実施例による場合は、リード線７から半導体レーザ１に至るまでＲＦ入力信号のインピーダンス整合が成されているため、電気的な反射や洩れなどの寄生リアクタンスの影響が少なく、３ｄＢ帯域幅は１１ＧＨｚを達成した。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、金属ステム３の複数のリード線が半導体レーザが搭載されるヒートシンク板の表面に形成したコプレーナ線路に直接接合することで、別段の整合回路を取り付けなくてもよく小型化が可能であるとともに、入力から半導体レーザに至るまでの寄生リアクタンスを容易に排除してＲＦ入力信号とのインピーダンスを整合させることができる。これにより、特性が向上した小型化の同軸型半導体レーザモジュールを提供することが可能である。
【００４２】
また、入力信号用の線路にインピーダンス整合用の薄膜抵抗を形成することで、さらに特性が向上した１０ギガビットでの高速変調駆動を可能とする同軸型半導体レーザモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の同軸型半導体レーザモジュールを示す横断面図である。
【図２】本発明の同軸型半導体レーザモジュールにおける金属ステム及び半導体レーザが搭載されたヒートシンク部の斜視図である。
【図３】従来の同軸型半導体レーザモジュールと本発明実施例の同軸型半導体レーザモジュールの小信号周波数応答特性図である。
【図４】従来の同軸型半導体レーザモジュールを示す横断面図である。
【符号の説明】
１…半導体レーザ
２…ヒートシンク板
２ａ…表面
３…金属ステム
４…支持台
５…貫通孔
６…低融点ガラス
７…リード線
８…リード線
９…Ａｕワイヤ
１０…Ａｕワイヤ
１１…レンズ
１２…レンズキャップ
１３…スリーブ
１４…光ファイバ
１５…フェルール
１６…フェルールホルダ
１７…コプレーナ線路
１７ａ…線路（入力信号用）
１７ｂ…線路（グランド用）
１８…薄膜抵抗

Claims

半導体レーザと、
誘電体基板の表面に上記半導体レーザを搭載するとともに、該半導体レーザと接続する導体膜からなる複数の線路を被着したヒートシンク板と、
複数のリード線が貫通固定された円形状の金属ステムと、
該金属ステムに固定され上記ヒートシンク板を搭載する支持台とから構成された同軸型半導体レーザモジュールであって、
上記線路は、入力信号用線路を有し、該入力信号用線路の両側にグランド用線路を配列させてコプレーナ線路を形成してなり、上記入力信号用線路とグランド用線路に上記各リード線が接合され、該リード線の幅および間隔が上記線路の幅および間隔と同じコプレーナ線路を形成していることを特徴とする同軸型半導体レーザモジュール。
前記リード線の信号伝送線路は入力信号を伝送させるとともに、当該リード線に接続した導体膜にインピーダンス整合用の薄膜抵抗を形成したことを特徴とする請求項１記載の同軸型半導体レーザモジュール。