JP4454233B2

JP4454233B2 - Optical package and optical module using the same

Info

Publication number: JP4454233B2
Application number: JP2003021243A
Authority: JP
Inventors: 裕司岸田; 宏行田中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: JP2004235379A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型レーザ（以下、ＶＣＳＥＬ）、ＰＩＮフォトダイオード（以下、ＰＩＮ−ＰＤ）、アバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ）、等の面受発光型光半導体素子の実装に係る技術に関し、例えば、このような面受発光型光半導体素子の実装、もしくは、さらにそれを作動させるための電子部品をそれに加えた実装に適し、しかも量産性に優れ、小型で高周波特性に優れ信頼性の高い組み立てが可能な光パッケージ及びそれを用いた光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、公衆通信や構内通信（ＬＡＮ）の分野において、大容量光ファイバ通信が広く普及し発展してきている。それにともない伝送速度が高速化され、光ファイバを用いた高速光伝送が必要とされ、従来から使用されてきた数キロメートル〜数百キロメートルといった距離の光伝送に加えて、超近距離（ＶｅｒｙＳｈｏｒｔＲｅａｃｈ；ＶＳＲ）の光伝送や、ギガビットイーサネット（Ｒ）（ＧｂＥ）と呼ばれる用途の重要性が高まってきている。これらＶＳＲやＧｂＥの用途では、毎秒１０ギガビットの光伝送速度が必要とされつつあり、このような伝送では、不特定多数、多種多様な使用が想定され、従来と比較して大幅な装置の小型化や量産性の向上が産業上重要であると考えられている。
【０００３】
上記光通信システムでは、量産性に優れ、特性が安定でしかも高速光伝送可能な新しい光半導体デバイスとして、０．８５μｍ帯のＶＣＳＥＬと呼ばれる面型光発光素子が頻繁に用いられている。また、１．３１μｍ帯や１．５５μｍ帯のＶＣＳＥＬ素子についても開発中であり、製品化が期待されている。
【０００４】
また、受光素子においては、従来と同じように高速光信号を電気変換するためＰＩＮ−ＰＤ、さらには、ＡＰＤ等の面受光素子が使用されている。
【０００５】
発明者らは、ＶＣＳＥＬ素子を配設しこれに通電するための配線を形成した基体に、面型光半導体素子に光接続する光導波体を取り付けて成り、基体の面型光半導体素子の配設面とその背面とを除く面を、面型光半導体素子に通電するための外部配線が形成された外部回路基板に固定し、この外部回路基板に形成された外部配線と前記基体に形成した配線とを電気的に接続できるようにした光モジュールを既に提案している（特許文献１を参照）。この提案は、光モジュールを単純な構成とすることができ、組み立てが簡便となり、しかも良好な光接続を効率よく行えるというものである。
【０００６】
ギガビットイーサネット（Ｒ）が用いられるＬＡＮ等においては、例えば送信機と受信機が１つにパッケージング搭載された光トランシーバの形態が一般的であり、大きさも規格化されている（特許文献２を参照）。
【０００７】
近年では、装置全体を小型化するために、光トランシーバの小型化が進められて、従来の約半分の大きさであるＳＦＦ（ＳｍａｌｌＦｏｒｍＦａｃｔｏｒ）とよばれる形態に変わってきた。
【０００８】
従来、これら光半導体素子は、図１１に示すような従来型の光パッケージに実装されるのが一般的であった。図１１に示す従来型の光パッケージはＴＯ−ＣＡＮパッケージと呼ばれ、金属から成る円柱状のステム３０とステム３０に設けられた円柱状のグラスフィードスルー３３とグラスフィードスルー３３を通して外部から光半導体素子に通電するための円柱状のリードピン３２とステム３０に取付けて光半導体素子を気密封止するためのキャップ３１とから構成される。光半導体素子であるＶＣＳＥＬ素子４０はステム３０に実装され、金ワイヤ４１によってリードピン３２に電気的に接続される。その後、ステム３０にキャップ３１が固定されるとともにシールされてＶＣＳＥＬモジュールが完成する。キャップ３１の上部には透明窓３１ａが取り付けられており、その透明窓３１ａを通してＶＣＳＥＬ素子４０は外部の光導波体と光接続される。ＶＣＳＥＬモジュールは外部電子回路基板に実装固定されて使用される。
【０００９】
〔特許文献１〕
特願２００２−２０４６８２号
〔特許文献２〕
特開２０００−２１４３５１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＴＯ−ＣＡＮパッケージを用いた光モジュールでは、光モジュールをリードピン３２で電子回路が搭載される電子回路基板に固定する際に、パッケージと電子回路基板との間において、リードピン３２が空中配線されるので、配線の特性インピーダンスの不連続が大きく生じ高周波特性の劣化を招く。
【００１１】
この問題を解決するために、リードピン３２が空気中にさらされないように、リードピン３２を極力短くして電子回路基板に実装することも考えられるが、短いリードピン３２のみで長期間にわたり光モジュールを支持し、長期間信頼性を確保することは困難である上に、リードピン３２の長さのばらつきや光モジュールの実装固定時におけるはんだ量のばらつきにより、高周波特性が安定せず、量産性に乏しい。また、ＴＯ−ＣＡＮパッケージは例えばφ５．６ミリメートルのようにサイズが規格化されているが、これ以上小型化した場合、グラスフィードスルー３３の特性インピーダンスを一定に保つために必要なグラフィードスルー３３及びリードピン３２のサイズのばらつきを小さくしより厳密に管理する必要があり、製作が困難となる。
【００１２】
また、パッケージ内において、リードピン３２と金ワイヤ４１との接続部において、信号線路の折れ曲がりが生じるため、パッケージ単体の特性としても、十分ではない。図１２，１３はＴＯ−ＣＡＮパッケージ単体の電気配線の周波数応答特性を示している。すなわち、リードピン３１の入力端がステム３０から全く飛び出さない状態とし、金ワイヤ４１の一端にＶＣＳＥＬ素子９に入力する端子として出力端をとり、リードピン３１と金ワイヤ４１で信号線モデルを構成したときの、周波数応答の反射特性（図１２）及び透過特性（図１３）を示す。グラスフィードスルー３３の特性インピーダンスに整合するように、ＶＣＳＥＬ素子９の近傍で抵抗終端した場合である破線で示す特性においても、図１２に示すように高周波での信号の反射が大きく、図１３に示すようにほとんど信号が透過しないため、例えば１０Ｇｂｐｓといった信号伝送に用いることは困難である。
【００１３】
また、金ワイヤ４１の替わりに特性インピーダンスが制御されたマイクロストリップ線路等の基板を用いた場合においても、リードピン３２とマイクロストリップ線路基板との接続部における折れ曲がり部で高周波信号の劣化が生じる問題がある。
【００１４】
さらに、リードピン３２はパッケージの中心から同心円上に配置されているので、電子回路基板に実装するためには、リードピン３２の途中でピンを折り曲げ、電子回路基板に穴をあけてリードピン３２を挿入しはんだづけを行うといった、電子部品実装プロセスには向かない量産性に乏しい構造であった。
【００１５】
そこで、本発明は、上述の諸問題に鑑み提案されたものであり、特に面受発光型の光半導体素子の実装に適し、しかも量産性に優れ、小型で高周波特性に優れ信頼性の高い光パッケージ及びそれを用いた光モジュールを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光パッケージは、表面に光半導体素子を実装する基体であって、複数の誘電体層からなる積層構造を備え、外部回路基板の側端部に実装するための実装面を有し、この実装面にキャスタレーションが設けられた基体と、
前記積層構造の表面及び裏面に形成した導体パターンであって、前記表面側の導体パターンから前記光半導体素子に電気信号を入出力するようにした、導体パターンと、
前記積層構造の内部に形成され、導体パターン及びスルーホール導体から成り、互いに隣り合う前記誘電体層に形成された前記スルーホール導体の中心から中心までの間隔を、前記裏面側の導体パターンから前記表面側の導体パターンに近づくに従って次第に狭くした階段状導体と、
前記実装面上で外部回路基板上の外部配線と接続するためのリード導体であって、一端が前記キャスタレーションの内部に収容されるとともに、前記裏面側の導体パターンに接続されて、前記階段状導体を介して前記表面側の導体パターンと電気的に接続されるリード導体と、を具備したことを特徴とする。
【００１７】
また、前記構成において、互いに隣り合う前記誘電体層に形成された前記スルーホール導体の中心から中心までの間隔を、前記電気信号の波長の１／４以下にしたことを特徴とする。
【００１８】
また、前記階段状導体をコプレーナ線路で構成し、前記互いに隣合うスルーホール導体の間隔を、前記積層構造の表面に形成した導体パターンに近づくに従って次第に狭くしたことを特徴とする。
【００１９】
前記キャスタレーション内において、前記リード導体を少なくとも３面で保持したことを特徴とする。
【００２０】
また、前記積層構造の一部にキャパシタを構成したことを特徴とする。
【００２１】
また、前記積層構造の表面もしくは裏面に、前記光半導体素子を駆動するための電子素子を実装したことを特徴とする。
【００２２】
また、前記積層構造の表面を除く面に放熱フィンを取付けたことを特徴とする。
【００２３】
また、前記電子素子もしくは前記光半導体素子を実装するための導体パターンの一部として、放熱用導体パターンを設け、この放熱用導体パターンに前記放熱フィンを接続したことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の光モジュールは、上記いずれかの光パッケージに、少なくとも光半導体素子を実装して成る。具体的には、光パッケージに光半導体素子のみ、又は光半導体素子及び電子素子を実装し、該光半導体素子の上方に光導波体を固定し、前記凹部の側面及び前記リード導体を、外部電子回路基板の側端部に固定し、該外部電子回路基板上の電気信号を光信号に変換し、前記導波体を通して前記側端部に該光信号を取り出すか、又は前記側端部に向かって前記導波体を通して導波された光信号を電気信号に変換し、前記外部電子回路基板上に該電気信号を取り出すようにした構成とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光パッケージ及びそれを用いた光モジュールの実施形態を模式的に示した図面に基づき詳細に説明する。
【００２６】
図１〜図４は本発明に係る光パッケージＰ１を説明する図であり、図１は光パッケージＰ１の表面側の斜視図、図２は光パッケージＰ１の裏面側の斜視図、図３は図２の別の角度からの斜視図、図４は図３における内部の配線構造を示す透視図である。図５，６は光パッケージＰ１にＶＣＳＥＬを実装したときの様子を説明する図であり、図５は光パッケージＰ１の表面側の斜視図、図６は図５の断面図である。図７は光パッケージＰ１に放熱フィンを取付けたときの様子を説明する断面図（電気配線用の導体パターン及びスルーホール導体は図から省略してある）である。図８は本発明に係る光モジュールＭ１を説明する斜視図である。図９は光Ｍ１を受信用モジュールやその他の電子部品と共に外部電子回路基板上に実装し、光トランシーバアセンブリＡ１を構成したときの様子を説明する側面図である。
【００２７】
本発明の光パッケージＰ１は複数の誘電体層からなる積層構造を備えた基体１、基体１の表面１６に形成された導体パターン１１、基体１の内層に形成された導体パターン１２（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）及び基体裏面の凹部１８に形成された導体パターン１３とそれらを接続するスルーホール導体１０、後記する光モジュールの外部電子回路基板への実装面１９（基体裏面の凹部１８の側面）に取付けたリード導体であり、少なくとも３面で保持された外部電極リード１４、ならびに表面１６に接合された金属金具２とから構成しており、表面１６に形成したキャビティ１５にＶＣＳＥＬ素子９、その他ＶＣＳＥＬドライバー２３等を実装し、金リボン２０で導体パターン１０の一端と電気的に接続できるようにしている。ここで、導体パターン１２及びスルーホール導体１０とで階段状導体を構成しており、外部電極リード１４と前記積層構造の表面に形成された導体パターン１１とを前記階段状導体を介して電気的に接続して、前記積層構造の表面に形成された導体パターン１１から基体１の表面に実装された光半導体素子に電気信号を入出力できるようにしている。
【００２８】
また、本発明の光モジュールＭ１は光パッケージＰ１のキャビティ１５にＶＣＳＥＬ素子９、その他ＶＣＳＥＬドライバー２３等を実装し、金リボン２０で光パッケージＰ１の導体パターン１０の一端と電気的に接続し、表面１６の上方に、ＶＣＳＥＬ素子９に光接続する光導波体（主に光ファイバ２２とこれを収容したフェルール２１、レンズ等（不図示））を支持体である金属金具２、透明窓金具３、第１の金属保護体４、及び第２の金属保護体５によって取り付けて構成しており、光モジュールの外部電子回路基板への実装面１９を実装基体８の実装面に固定し、実装基体８に形成された外部配線と外部電極リード１４を電気的に接続できるようにしている。
【００２９】
まず、光パッケージＰ１の構成について詳細に説明する。
【００３０】
光パッケージＰ１の電気配線はＶＣＳＥＬ素子９の光変調に用いる高周波信号線路とＶＣＳＥＬ素子９のバイアス電圧印加に用いる直流線路とからなり、それぞれ、スルーホール導体１０、導体パターン１１、１２、１３及び外部電極リード１４の一部を用いて構成する。
【００３１】
光パッケージＰ１の電気配線のうち高周波信号線路は信号導体１０ｃ，１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１４ｃを接地導体１０ａ，１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａと接地導体１０ｂ，１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ，１４ｂで挟むように配置し、コプレーナ型電極を構成する。高周波信号線路は、外部回路基板に形成された外部配線の特性インピーダンス（例えば２５Ωもしくは５０Ω等）に整合するように信号導体の寸法及び信号導体と接地導体の距離を調整する。
【００３２】
ここに示す実装方式では、小型化のためにＶＣＳＥＬ素子９はその背面後方から入射する高周波信号をその表面に形成された電極へ伝送するように実装されるため、高周波信号線路は複数の折り曲げ部が必要である。しかしながら、この折り曲げ部はインピーダンスの不整合等の理由で高周波信号の伝送特性である反射特性、透過特性及び透過特性における群遅延特性を劣化させる原因となる。
【００３３】
そこで、導体パターン１２及びスルーホール導体１０を階段状に配置し、導体パターン１１と導体パターン１３との間を滑らかに接続する。また、ＶＣＳＥＬ素子９の表面に形成された不図示の電極と導体パターン１０の一端を短く電気配線できるように、信号導体と接地導体との間隔を、導体パターン１３から導体パターン１１へ向かって徐々に狭めるように配置する。
【００３４】
導体パターン１２とスルーホール導体１０との接続点は折れ曲がり部（屈曲部）を構成するが、接続点の間隔、すなわち互いに隣合うスルーホール導体１０の中心から中心までの間隔を伝送する高周波信号の波長の１／４（λ／４）よりも短くすることにより、高周波信号に作用する高周波信号線路の特性インピーダンス変化を小さくすることができる。
【００３５】
実際には、λ／４間隔での特性インピーダンス変化においても、少なからず高周波信号の伝送特性に劣化を及ぼすため、接続点の間隔をλ／４の更に１／４以下とすることが好ましい。
【００３６】
例えば、帯域幅１５ＧＨｚの高周波信号を比誘電率９の誘電体中に伝送する場合、高周波信号の最高周波数は１５ＧＨｚであり、その波長λ_15Gは約６．７ｍｍである。この場合、スルーホール導体１０、導体パターン１１、１２、１３の長さを、λ_15G／１６である約０．４２ｍｍよりも短くし、各接点が導体パターン１１から導体パターン１３まで滑らかに接続されるように配置する。
【００３７】
このように光パッケージＰ１の高周波信号線路を構成することにより、ＶＣＳＥＬ素子９の表面に垂直に、その背面後方から高周波電気信号を入射させ、その表面前方に光信号を出射するところのＶＣＳＥＬ素子９の実装構造を小型かつ広帯域に構成でき、例えば、側端部に光モジュールが実装され、スロットに差し込む薄型カード式等の形態の光モジュールアセンブリ等に好適に用いることが可能となる。また、基体１が誘電体であるために微細な配線を多数形成でき、多数の信号を取り扱う複雑な回路に使用できる。
【００３８】
光パッケージＰ１の電気配線のうち直流線路は、スルーホール導体１０、導体パターン１１、１２、１３及び外部電極リード１４のそれぞれ一部で構成する。直流線路の一部はキャパシタを構成する櫛状平行平板導体１２ｄに接続する。
【００３９】
このように光パッケージＰ１の直流線路を構成することにより、簡便な構造でＶＣＳＥＬ素子９に印加する直流電圧の変動を小さくし、ＶＣＳＥＬ素子９の動作を安定化させることができる。また、基体１が誘電体であるために微細な配線を多数形成でき、多数の信号を取り扱う複雑な回路に使用できる。
【００４０】
スルーホール導体１０と導体パターン１２の一部には、ＶＣＳＥＬ素子９又はＶＣＳＥＬドライバー２３等の放熱用として、さらに放熱用スルーホール導体１０ｅ、放熱用導体パターン１２ｅを形成し、放熱フィン２４を設ける。放熱用スルーホール導体１０ｅ、放熱用導体パターン１２ｅ及び放熱フィン２４は熱的に接続され、放熱経路を確保する。
【００４１】
このように光パッケージＰ１の放熱構造を構成することにより、基体１の表面１６以外の面に簡便に放熱面を広く確保し、光パッケージＰ１に実装されたＶＣＳＥＬ素子９、ＶＣＳＥＬドライバー２３等を冷却し、それらを安定に動作させる効果がある。
【００４２】
次に、光パッケージＰ１における他の構成について詳細に説明する。
【００４３】
基体１に使用する誘電体材料としては、アルミナ、窒化アルミニウム、ガラスセラミック等のセラミック材料を用いることができる。
【００４４】
導体パターン１１，１２，１３は、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ等のいずれかを含む導体膜が印刷により形成され、それらはＣｕ、Ｗ等からなるスルーホール導体１０で接続される。
【００４５】
外部電極リード１４は光モジュールの外部電子回路基板への実装面１９に設けたキャスタレーションと呼ばれる凹部に、その一端を収容して銀ろう付けされ、その接合部は３面で保持される。
【００４６】
これにより、外部電極リード１４の一端の３面で外部電極リード１４は基体１に固定されるので、基体１を実装基体８に強固に固定できる。また、光モジュールの外部電子回路基板への実装面１９を実装基体８に隙間なく、或いは隙間を小さく密着させることができるため、高周波信号の伝送特性が安定な実装を行うことができる。
【００４７】
本実施形態において、実装基体８との接続端子として、外部電極リード１４を用いたが、これら外部電極リード１４の代わりに、グリッド状の複数の端子電極から成る端子電極群を、少なくとも３つの領域に形成してもよい。
【００５０】
また、表面１６の垂直上方に光路を確保する手段を講じることにより、ファブリーペローレーザダイオード（ＦＰ−ＬＤ）、分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）等の端面発光型光半導体素子、導波路型フォトダイオード（ＷＧ−ＰＤ）等の端面受光型光半導体素子にも用いることができ、以上に述べた同様な効果を奏することができる。
【００５１】
なお、ＶＣＳＥＬ及びＶＣＳＥＬドライバーとその周辺回路用電子素子を実装する際、全てをキャビティ１５に実装する以外、それらの一部を裏面１７に形成した別のキャビティに実装してもよい。
【００５２】
また、ＶＣＳＥＬの実装と同様にＰＩＮ−ＰＤもしくはＡＰＤ及び前置増幅器としてトランスインピーダンスとその周辺回路用電子素子を実装する際、全てをキャビティ１５に実装する以外、それらの一部を裏面１７に形成した別のキャビティに実装してもよい。
【００５３】
また、ＦＰ−ＬＤ、ＤＦＢ−ＬＤ又はＷＧ−ＰＤの実装についても上記と同様である。
【００５４】
このように実装することにより、同じ光パッケージの大きさで実装面積を広くとり、多くの素子を実装でき、光半導体素子とその駆動用の周辺回路を集積化できる。これにより、小型で複雑な処理ができる高機能な光モジュールを実現できる。また、光半導体素子とその駆動用の周辺回路とが近接するため、それらの間を接続する電気配線での電気信号の劣化が少ない。
【００５５】
次に、光パッケージＰ１を用い、ＶＣＳＥＬ素子９をモジュールとして組み立てた光モジュールＭ１の構成について詳細に説明する。
【００５６】
光モジュールＭ１は、ＶＣＳＥＬ素子９をＶＣＳＥＬドライバー２３等とともに光パッケージＰ１に実装し電気配線を行った後、ＶＣＳＥＬ素子９と光導波体との光学的な位置合わせを行い、光導波体を支持体によって光パッケージＰ１に固定して完成する。
【００５７】
具体的には、まず、ＶＣＳＥＬ素子９を実装用の基体である基体１のキャビティ１５に、ＶＣＳＥＬドライバー２３等とともに実装し、ＶＣＳＥＬ素子９又はＶＣＳＥＬドライバー２３の不図示の電極と導体パターン１１の一端を金リボン２０で電気的に接続する。
【００５８】
次に、基体１の金属金具２にＶＣＳＥＬ素子９を覆うように透明窓金具３を配設する。この透明窓金具３の上部開口には不図示の透明サファイア窓が配設してある。そして透明窓金具３上に、円筒状で鍔部４ａが一端側に形成された第１の金属保護体４を、鍔部４ａが基体１側になるように配設する。この第１の金属保護体４の内部に、不図示のレンズを収容し、透明接着剤にて接着固定する。さらに、第１の金属保護体４と同様にして円筒の第２の金属保護体５内に、ＬＤに光接続させる光ファイバ２２が内部配置された円柱状のフェルール２１を収容して、この第２の金属保護体５を第１の金属保護体４内に収容する。このように、第１及び第２の金属保護体４、５において鍔部４ａ、５ａを備えることにより、不図示の光コネクタレセプタクルを嵌合できるようにしている。
【００５９】
なお、必要に応じて、金属保護体４の内部に光ファイバ２２中を伝播してきた反射戻り光を取り除くための光アイソレータを配設する。
【００６０】
金属金具２はコバール等から成り、これを基体１にろうづけされている。さらに、この上にコバールやステンレス等から成り、サファイア窓を設けた金属環状体の透明窓金具３を、ＶＣＳＥＬ素子９を実装した後、金属金具２に対してシーム溶接し、ＶＣＳＥＬ素子９を気密封止している。これにより、ＶＣＳＥＬ素子９を長寿命に保護することができる。
【００６１】
また、第１の金属保護体４及び第２の金属保護体５はコバールやステンレスで構成する。
【００６２】
最後に、光モジュールＭ１の外部電子回路基板への実装について、説明する。
【００６３】
光モジュールＭ１は外部電子回路基板である実装基体８の側端部８ａに搭載される。また、同時に、光モジュールＭ１を駆動するためのＩＣ６及びその周辺回路を構成するコンデンサや抵抗等の電子素子７も実装基体８に実装され光モジュールアセンブリＡ１が完成する。
【００６４】
光モジュールの外部電子回路基板への実装面１９に外部電極リード１４を取付けた構造とすることにより、実装基体の実装電極に予めクリームはんだ等のはんだを実装基体８の表面に塗布し、光モジュールＭ１、ＩＣ６及び電子素子７を、２６０℃程度のはんだリフロー工程に通し、一括実装することが可能となる。
【００６５】
以上のように、本実施形態によれば、光モジュールを外部電子回路基板に周辺回路を構成する部品とともにはんだリフロー等により自動化された一括したアセンブルを行うことができ、実装性に優れる。
【００６６】
かくして、光パッケージＰ１及びそれを用いた光モジュールＭ１によれば、例えばＶＣＳＥＬ等、面受発光型の光半導体素子の実装に適し、しかも量産性に優れ、小型で高周波特性に優れ信頼性の高い光パッケージ及びそれを用いた光モジュールを提供することができる。
【００６７】
【実施例】
以下に、本発明をより具体化した光パッケージＰ１の実施例を説明する。
【００６８】
基体１は、３．９ｍｍ□、厚み０．２５ｍｍ、比誘電率が９．４であるシート状のアルミナセラミックを６層、積層し構成した。各層には導体パターン１１、１２、１３を形成し、各層の導体パターン１１、１２、１３の層間を直径０．１ｍｍのスルーホール導体１０で接続し電気配線を形成した。このとき、導体パターン１３とスルーホール導体１０を階段状に配置し導体パターン１１と導体パターン１３の間を滑らかに接続した。
【００６９】
また、基体１の表面１６に表面１６の１層に孔を形成することによってキャビティ１５を形成した。また、基体１の裏面１７にも同様の方法によって基体裏面の凹部１８を形成し、光モジュールの外部電子回路基板への実装面１９（基体裏面の凹部１８の側面）に幅０．３mm、深さ０．２ｍｍのキャスタレーションを形成した。
【００７０】
さらに、そのキャスタレーションに、幅０．２ｍｍ、厚み０．１５ｍｍ、長さ１．９８ｍｍの外部電極リード１４を銀ろうで固定した。キャスタレーションと外部電極リード１４との隙間０．０５ｍｍを外部電極リード１４の長さ方向に０．４８ｍｍにわたって銀ろうで埋め、外部電極リード１４の３面が銀ろうと接するようにした。
【００７１】
最後に、基体１の表面１６に幅０．４ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＦｅＮｉＣｏ合金からなる金属金具２を銀ろう付けして、光パッケージＰ１が完成した。
【００７２】
光パッケージＰ１を特性インピーダンスが５０Ωであるコプレーナ線路が形成された実装基体８の側端部８ａに実装し、実装基体８上のコプレーナ線路と外部電極リード１４とを電気的に接続し、実装基体８上のコプレーナ線路の一端から導体パターン１１の一端までの間に電気信号を入出力して周波数応答特性を測定した結果、図１０に示す特性が得られた。この結果により、導体パターン１３とスルーホール導体１０を階段状に配置し、導体パターン１１と導体パターン１３を滑らかに接続することによって反射特性が大幅に向上することが確認された。
【００７３】
【発明の効果】
本発明の光パッケージ及びそれを用いた光モジュールによれば、以下に示す顕著な効果を奏することができる。
【００７４】
請求項１の光パッケージによれば、光モジュールを小型かつ広帯域に構成でき、例えば、端部に光モジュールが実装され、スロットに差し込む薄型カード式等の形態の光電変換モジュールアセンブリに好適に用いることが可能となる。また、微細な配線を多数形成でき、多数の信号を取り扱う複雑な回路に使用できる。
【００７５】
請求項２の光パッケージによれば、光パッケージの電気配線をさらに広帯域にできる。
【００７７】
請求項３の光パッケージによれば、基体を外部電子回路基板に強固に固定できる。また、光モジュールの実装面を外部電子回路基板に隙間なく、或いは隙間を小さく密着させることができるため、高周波信号の伝送特性が安定な実装を行うことができる。
【００７８】
請求項４の光パッケージによれば、簡便な構造で光半導体素子又は電子素子に印加する直流電圧の変動を小さくし、光パッケージに実装した光半導体素子又は電子素子の動作を安定化させることができる。
【００７９】
請求項５の光パッケージによれば、光半導体素子を動作させるための信号の劣化が少ない。また、光半導体素子を動作させるための電子回路も含めたモジュールを小型にできる。
【００８０】
請求項６の光パッケージによれば、基体の表面以外の面に簡便に放熱面を広く確保し、前記光パッケージに実装された光半導体素子又は電子素子を冷却し、それらを安定に動作させることができる。
【００８１】
請求項７の光パッケージによれば、前記電子素子もしくは前記光半導体素子を実装するための導体パターンに前記放熱フィンを接続したため、さらに前記冷却の効果を高めることができる。
【００８２】
請求項８の光モジュールによれば、外部電子回路基板への実装性に優れ、小型化、広帯域化、高信頼化、量産性向上に優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光パッケージの実施形態を模式的に説明する表面側の斜視図である。
【図２】本発明に係る光パッケージの実施形態を模式的に説明する裏面側の斜視図である。
【図３】本発明に係る光パッケージの実施形態を模式的に説明する裏面側の別の角度からの斜視図である。
【図４】本発明に係る光パッケージの実施形態を模式的に説明する内部の様子を示す透視図である。
【図５】本発明に係る光パッケージの実施形態を模式的に説明する図であり、光パッケージに面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を実装したときの様子を示す斜視図である。
【図６】本発明に係る光パッケージの実施形態を模式的に説明する図であり、光パッケージに面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を実装したときの様子を示す断面図である。
【図７】本発明に係る光パッケージの別の実施形態を模式的に説明する図であり、光パッケージの内部に放熱用の導体パターンを形成し、それを外部に取付けた放熱フィンに熱的に接続するようにしたときの構造を示す断面図である。
【図８】本発明に係る光モジュールの実施形態を模式的に説明する斜視図である。
【図９】本発明に係る光モジュールを外部電子回路基板に実装したときの様子を模式的に説明する側面図である。
【図１０】本発明に係る光パッケージの電気配線の周波数応答特性を説明するグラフである。
【図１１】従来技術に係る光パッケージ及びそれを用いた光モジュールの一例を模式的に説明する断面図である。
【図１２】従来技術に係る光パッケージの電気配線の周波数応答特性を説明する図であり、反射特性（Ｓ11）を示すグラフである。
【図１３】従来技術に係る光パッケージの電気配線の周波数応答特性を説明する図であり、透過特性（Ｓ21）を示すグラフである。
【符号の説明】
１：基体
２：金属金具（支持体を構成）
３：透明窓金具（支持体を構成）
４：第１の金属保護体（支持体を構成）
５：第２の金属保護体（支持体を構成）
６：ＩＣ
７：電子素子
８：実装基体（外部電子回路基板）
８ａ：側端部（外部電子回路基板）
９：ＶＣＳＥＬ素子（面発光レーザ素子；光半導体素子）
１０：スルーホール導体（接地導体１０ａ，１０ｂ、信号導体１０ｃにより構成）
１０ｅ：放熱用スルーホール導体
１１：導体パターン（基体表面に形成された接地導体１１ａ，１１ｂ、信号導体１１ｃにより構成）
１２：導体パターン（基体内層に形成された接地導体１２ａ，１２ｂ、信号導体１２ｃにより構成）
１２ｄ：櫛状平行平板導体（キャパシタを構成）
１２ｅ：放熱用導体パターン
１３：導体パターン（基体裏面に形成された接地導体１３ａ，１３ｂ、信号導体１３ｃにより構成）
１４：外部電極リード（リード導体）
１５：キャビティ
１６：基体の表面
１７：基体の裏面
１８：基体裏面の凹部
１９：光モジュールの外部電子回路基板への実装面（１８の側面）
２０：Ａｕワイヤ
２１：フェルール（光導波体を構成）
２２：光ファイバ（光導波体を構成）
２３：ＶＣＳＥＬドライバ（電子素子）
２４：放熱フィン
３０：ステム（ＴＯ−ＣＡＮパッケージを構成）
３１：キャップ（ＴＯ−ＣＡＮパッケージを構成）
３１ａ：透明窓
３２：リードピン
３３：グラスフィードスルー
４０：ＶＣＳＥＬ素子（面発光レーザ素子）
４１：金ワイヤ
Ｐ１：光パッケージ
Ｍ１：光モジュール
Ａ１：光モジュールアセンブリ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology related to mounting of a surface-emitting optical semiconductor element such as a surface-emitting laser (hereinafter, VCSEL), a PIN photodiode (hereinafter, PIN-PD), an avalanche photodiode (hereinafter, APD), For example, it is suitable for mounting such a surface-emitting / emitting optical semiconductor element, or mounting an electronic component for operating it, and is excellent in mass productivity, small in size, excellent in high-frequency characteristics and highly reliable. The present invention relates to an optical package that can be assembled and an optical module using the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, large-capacity optical fiber communication has become widespread and developed in the fields of public communication and local area communication (LAN). As a result, transmission speed is increased, and high-speed optical transmission using an optical fiber is required. In addition to optical transmission over a distance of several kilometers to several hundred kilometers that has been conventionally used, very short distance (Very Short Reach) The importance of VSR) optical transmission and applications called Gigabit Ethernet (R) (GbE) are increasing. In these VSR and GbE applications, an optical transmission rate of 10 gigabits per second is being required, and in such transmission, an unspecified number and a wide variety of uses are assumed. Industrialization and improvement of mass productivity are considered industrially important.
[0003]
In the above optical communication system, a 0.85 μm band VCSEL is frequently used as a new optical semiconductor device which is excellent in mass productivity, stable in characteristics and capable of high-speed optical transmission. Also, VCSEL elements in the 1.31 μm band and 1.55 μm band are under development and are expected to be commercialized.
[0004]
In the light receiving element, a PIN-PD, and a surface light receiving element such as an APD are used to electrically convert a high-speed optical signal as in the conventional case.
[0005]
The inventors attach an optical waveguide that is optically connected to a planar optical semiconductor element to a substrate on which a VCSEL element is disposed and wiring for energizing the VCSEL element is formed. The surface excluding the installation surface and the back surface thereof is fixed to an external circuit board on which external wiring for energizing the planar optical semiconductor element is formed, and the external wiring formed on the external circuit board and the base are formed. There has already been proposed an optical module that can be electrically connected to wiring (see Patent Document 1). In this proposal, the optical module can be configured simply, the assembly is simple, and good optical connection can be efficiently performed.
[0006]
In a LAN or the like using Gigabit Ethernet (R), for example, an optical transceiver in which a transmitter and a receiver are packaged and mounted in one is common, and the size is also standardized (see Patent Document 2). reference).
[0007]
In recent years, in order to reduce the size of the entire apparatus, downsizing of an optical transceiver has been promoted, and a form called SFF (Small Form Factor), which is about half the size of the conventional one, has been changed.
[0008]
Conventionally, these optical semiconductor elements are generally mounted in a conventional optical package as shown in FIG. The conventional optical package shown in FIG. 11 is called a TO-CAN package, and is an optical semiconductor from the outside through a cylindrical stem 30 made of metal, a cylindrical glass feedthrough 33 provided on the stem 30, and a glass feedthrough 33. A cylindrical lead pin 32 for energizing the element and a cap 31 attached to the stem 30 for hermetically sealing the optical semiconductor element. The VCSEL element 40 that is an optical semiconductor element is mounted on the stem 30 and is electrically connected to the lead pin 32 by a gold wire 41. Thereafter, the cap 31 is fixed to the stem 30 and sealed to complete the VCSEL module. A transparent window 31a is attached to the top of the cap 31, and the VCSEL element 40 is optically connected to an external optical waveguide through the transparent window 31a. The VCSEL module is mounted and fixed on an external electronic circuit board.
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application No. 2002-204682
[Patent Document 2]
JP 2000-214351 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the optical module using the TO-CAN package, when the optical module is fixed to the electronic circuit board on which the electronic circuit is mounted with the lead pins 32, the lead pins 32 are aerial wiring between the package and the electronic circuit board. Therefore, the discontinuity of the characteristic impedance of the wiring is large and the high frequency characteristics are deteriorated.
[0011]
In order to solve this problem, it may be possible to mount the lead pin 32 on the electronic circuit board by shortening the lead pin 32 as much as possible so that the lead pin 32 is not exposed to the air. However, it is difficult to ensure reliability for a long period of time, and the high frequency characteristics are not stable due to variations in the length of the lead pins 32 and variations in the amount of solder when the optical module is mounted and fixed, resulting in poor mass productivity. The TO-CAN package is standardized in size, for example, φ5.6 mm. However, when the size is further reduced, the graphed through 33 and the glass through thru 33 required to keep the characteristic impedance of the glass feedthrough 33 constant. It is necessary to reduce the variation in the size of the lead pin 32 and to manage it more strictly, making it difficult to manufacture.
[0012]
Further, since the signal line is bent at the connection portion between the lead pin 32 and the gold wire 41 in the package, the characteristics of the package alone are not sufficient. 12 and 13 show frequency response characteristics of electrical wiring of a single TO-CAN package. That is, the input end of the lead pin 31 does not protrude from the stem 30 at all, the output end is taken as a terminal to be input to the VCSEL element 9 at one end of the gold wire 41, and the signal line model is configured by the lead pin 31 and the gold wire 41. Shows the reflection characteristics (FIG. 12) and transmission characteristics (FIG. 13) of the frequency response. Also in the characteristics indicated by the broken line, which is a case where the resistance is terminated in the vicinity of the VCSEL element 9 so as to match the characteristic impedance of the glass feedthrough 33, the reflection of the signal at a high frequency is large as shown in FIG. As shown in the figure, since almost no signal is transmitted, it is difficult to use for signal transmission of 10 Gbps, for example.
[0013]
Further, even when a substrate such as a microstrip line whose characteristic impedance is controlled is used instead of the gold wire 41, there is a problem in that the high-frequency signal is deteriorated at the bent portion in the connection portion between the lead pin 32 and the microstrip line substrate. is there.
[0014]
Further, since the lead pins 32 are arranged concentrically from the center of the package, in order to mount on the electronic circuit board, the pins are bent in the middle of the lead pins 32, holes are made in the electronic circuit board, and the lead pins 32 are inserted. It was a structure with poor mass productivity that was not suitable for electronic component mounting processes, such as soldering.
[0015]
Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-mentioned problems, and is particularly suitable for mounting a surface-emitting light-emitting type optical semiconductor element, and is excellent in mass productivity, small in size, excellent in high-frequency characteristics, and highly reliable. It is an object to provide a package and an optical module using the package.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an optical package of the present invention is a base on which an optical semiconductor element is mounted on a surface, and is a laminated structure comprising a plurality of dielectric layers. A substrate having a mounting surface for mounting on a side end portion of the external circuit board, and a castellation provided on the mounting surface When,
Said Conductor pattern formed on the front and back of the laminated structure A conductor pattern which inputs and outputs electrical signals to and from the optical semiconductor element from the conductor pattern on the surface side. When,
Said Formed inside the laminated structure , Consists of conductor pattern and through-hole conductor The distance from the center to the center of the through-hole conductors formed in the dielectric layers adjacent to each other is gradually narrowed as the conductor pattern on the back surface side approaches the conductor pattern on the front surface side. A stepped conductor,
On the mounting surface External circuit board Connect with external wiring above Lead conductor for A lead conductor having one end accommodated in the castellation and connected to the conductor pattern on the back side and electrically connected to the conductor pattern on the front side via the stepped conductor. When , The Equipped It is characterized by that.
[0017]
Also, in the above-mentioned configuration, R Fit Formed in the dielectric layer Of the through-hole conductor From center to center The interval is set to ¼ or less of the wavelength of the electrical signal.
[0018]
Further, the stepped conductor is constituted by a coplanar line, and the interval between the adjacent through-hole conductors is gradually narrowed as the conductor pattern formed on the surface of the laminated structure is approached.
[0019]
Within the castellation, The lead conductor is held on at least three surfaces.
[0020]
Further, a capacitor is formed in a part of the laminated structure.
[0021]
Further, an electronic element for driving the optical semiconductor element is mounted on the front surface or the back surface of the laminated structure.
[0022]
In addition, a radiating fin is attached to a surface excluding the surface of the laminated structure.
[0023]
Also, a conductor pattern for mounting the electronic element or the optical semiconductor element As a part of the heat dissipation, provide a heat dissipation conductor pattern. The radiating fin is connected.
[0024]
The optical module of the present invention is formed by mounting at least an optical semiconductor element on any of the above optical packages. Specifically, only an optical semiconductor element or an optical semiconductor element and an electronic element are mounted on the optical package, an optical waveguide is fixed above the optical semiconductor element, and the side surface of the recess and the lead conductor are connected to external electrons. It is fixed to the side edge of the circuit board, converts the electric signal on the external electronic circuit board into an optical signal, and takes out the optical signal to the side edge through the waveguide, or toward the side edge. The optical signal guided through the waveguide is converted into an electrical signal, and the electrical signal is taken out on the external electronic circuit board.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of an optical package and an optical module using the same according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings schematically showing the embodiments.
[0026]
1 to 4 are views for explaining an optical package P1 according to the present invention. FIG. 1 is a perspective view of the front side of the optical package P1, FIG. 2 is a perspective view of the back side of the optical package P1, and FIG. FIG. 4 is a perspective view showing an internal wiring structure in FIG. 3. 5 and 6 are views for explaining a state where the VCSEL is mounted on the optical package P1, FIG. 5 is a perspective view of the front side of the optical package P1, and FIG. 6 is a cross-sectional view of FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view (a conductor pattern for electric wiring and a through-hole conductor are omitted from the drawing) for explaining a state in which a radiation fin is attached to the optical package P1. FIG. 8 is a perspective view for explaining the optical module M1 according to the present invention. FIG. 9 is a side view for explaining a state in which the optical transceiver assembly A1 is configured by mounting the light M1 on the external electronic circuit board together with the receiving module and other electronic components.
[0027]
The optical package P1 of the present invention has a base 1 having a laminated structure composed of a plurality of dielectric layers, a conductor pattern 11 formed on the surface 16 of the base 1, and a conductor pattern 12 (12a, 12b formed on the inner layer of the base 1). 12c) and the conductor pattern 13 formed in the recess 18 on the back surface of the substrate, the through-hole conductor 10 connecting them, and the mounting surface 19 (the side surface of the recess 18 on the back surface of the substrate) of the optical module to be described later. An attached lead conductor is composed of an external electrode lead 14 held on at least three surfaces and a metal fitting 2 joined to the surface 16. A VCSEL element 9 and other VCSELs are formed in a cavity 15 formed on the surface 16. A driver 23 or the like is mounted so that the gold ribbon 20 can be electrically connected to one end of the conductor pattern 10. Here, the conductor pattern 12 and the through-hole conductor 10 constitute a stepped conductor, and the external electrode lead 14 and the conductor pattern 11 formed on the surface of the laminated structure are electrically connected via the stepped conductor. In this way, an electrical signal can be inputted / outputted from the conductor pattern 11 formed on the surface of the laminated structure to the optical semiconductor element mounted on the surface of the substrate 1.
[0028]
Further, the optical module M1 of the present invention has a VCSEL element 9 and other VCSEL driver 23 mounted in the cavity 15 of the optical package P1, and is electrically connected to one end of the conductor pattern 10 of the optical package P1 by the gold ribbon 20, 16, an optical waveguide optically connected to the VCSEL element 9 (mainly an optical fiber 22 and a ferrule 21 accommodating the same, a lens or the like (not shown)), a metal fitting 2 as a support, a transparent window fitting 3, The mounting surface 19 of the optical module mounted on the external electronic circuit board is fixed to the mounting surface of the mounting substrate 8, and is mounted by the first metal protection body 4 and the second metal protection body 5. The external wiring formed on the external electrode and the external electrode lead 14 can be electrically connected.
[0029]
First, the configuration of the optical package P1 will be described in detail.
[0030]
The electrical wiring of the optical package P1 includes a high-frequency signal line used for optical modulation of the VCSEL element 9 and a DC line used for bias voltage application of the VCSEL element 9, and each includes a through-hole conductor 10, conductor patterns 11, 12, 13 and an external part. A part of the electrode lead 14 is used.
[0031]
Of the electrical wiring of the optical package P1, the high-frequency signal line sandwiches the signal conductors 10c, 11c, 12c, 13c, and 14c between the ground conductors 10a, 11a, 12a, 13a, and 14a and the ground conductors 10b, 11b, 12b, 13b, and 14b. To form a coplanar electrode. The high-frequency signal line adjusts the size of the signal conductor and the distance between the signal conductor and the ground conductor so as to match the characteristic impedance (for example, 25Ω or 50Ω) of the external wiring formed on the external circuit board.
[0032]
In the mounting method shown here, the VCSEL element 9 is mounted so as to transmit a high-frequency signal incident from the back of the back surface thereof to an electrode formed on the surface in order to reduce the size, so that the high-frequency signal line has a plurality of bent portions. is required. However, this bent portion causes deterioration in the group delay characteristics in the reflection characteristics, transmission characteristics, and transmission characteristics, which are the transmission characteristics of the high-frequency signal, for reasons such as impedance mismatch.
[0033]
Therefore, the conductor pattern 12 and the through-hole conductor 10 are arranged in a step shape, and the conductor pattern 11 and the conductor pattern 13 are smoothly connected. Further, the distance between the signal conductor and the ground conductor is made from the conductor pattern 13 toward the conductor pattern 11 so that an electrode (not shown) formed on the surface of the VCSEL element 9 and one end of the conductor pattern 10 can be shortly wired. gradually Arrange to narrow.
[0034]
The connection point between the conductor pattern 12 and the through-hole conductor 10 constitutes a bent portion (bent portion), but the high-frequency signal that transmits the distance between the connection points, that is, the distance from the center to the center of the adjacent through-hole conductors 10. By making the wavelength shorter than ¼ (λ / 4), the characteristic impedance change of the high-frequency signal line acting on the high-frequency signal can be reduced.
[0035]
Actually, even when the characteristic impedance changes at intervals of λ / 4, the transmission characteristics of the high-frequency signal are deteriorated. Therefore, it is preferable to set the interval between the connection points to ¼ or less of λ / 4.
[0036]
For example, when transmitting a high-frequency signal having a bandwidth of 15 GHz into a dielectric having a relative dielectric constant of 9, the highest frequency of the high-frequency signal is 15 GHz and its wavelength λ _15G Is about 6.7 mm. In this case, the length of the through-hole conductor 10 and the conductor patterns 11, 12, 13 is set to λ _15G It is shorter than about 0.42 mm which is / 16, and is arranged so that each contact is smoothly connected from the conductor pattern 11 to the conductor pattern 13.
[0037]
By configuring the high-frequency signal line of the optical package P1 in this way, a VCSEL element 9 that allows a high-frequency electrical signal to enter from the rear of the back surface perpendicularly to the surface of the VCSEL element 9 and emits an optical signal in front of the surface. The mounting structure can be configured in a small size and with a wide band. For example, the optical module is mounted on the side end portion, and can be suitably used for an optical module assembly such as a thin card type inserted into the slot. In addition, since the substrate 1 is a dielectric, a large number of fine wirings can be formed, and it can be used for a complicated circuit that handles a large number of signals.
[0038]
Of the electrical wiring of the optical package P <b> 1, the DC line is constituted by a part of each of the through-hole conductor 10, the conductor patterns 11, 12, 13 and the external electrode lead 14. A part of the DC line is connected to a comb-like parallel plate conductor 12d constituting the capacitor.
[0039]
By configuring the DC line of the optical package P1 in this way, the fluctuation of the DC voltage applied to the VCSEL element 9 can be reduced with a simple structure, and the operation of the VCSEL element 9 can be stabilized. In addition, since the substrate 1 is a dielectric, a large number of fine wirings can be formed, and it can be used for a complicated circuit that handles a large number of signals.
[0040]
In part of the through-hole conductor 10 and the conductor pattern 12, a heat-dissipating through-hole conductor 10e and a heat-dissipating conductor pattern 12e are further formed for heat dissipation of the VCSEL element 9 or the VCSEL driver 23, and heat-dissipating fins 24 are provided. The heat radiating through-hole conductor 10e, the heat radiating conductor pattern 12e, and the heat radiating fins 24 are thermally connected to ensure a heat radiating path.
[0041]
By configuring the heat dissipation structure of the optical package P1 in this manner, a wide heat dissipation surface can be easily secured on a surface other than the surface 16 of the substrate 1, and the VCSEL element 9 and the VCSEL driver 23 mounted on the optical package P1 are cooled. And has the effect of operating them stably.
[0042]
Next, another configuration of the optical package P1 will be described in detail.
[0043]
As the dielectric material used for the substrate 1, ceramic materials such as alumina, aluminum nitride, and glass ceramic can be used.
[0044]
The conductor patterns 11, 12, and 13 are formed by printing a conductor film containing any one of Au, Ni, Cu, W, Mo, and the like, and they are connected by a through-hole conductor 10 made of Cu, W, or the like.
[0045]
One end of the external electrode lead 14 is accommodated in a recess called castellation provided on the mounting surface 19 of the optical module on the external electronic circuit board, and is brazed with silver, and the joint is held on three sides.
[0046]
As a result, the external electrode lead 14 is fixed to the base 1 on the three surfaces at one end of the external electrode lead 14, so that the base 1 can be firmly fixed to the mounting base 8. Further, since the mounting surface 19 of the optical module on the external electronic circuit board can be brought into close contact with the mounting substrate 8 without any gap or with a small gap, mounting with stable transmission characteristics of the high frequency signal can be performed.
[0047]
In the present embodiment, the external electrode lead 14 is used as a connection terminal to the mounting substrate 8, but instead of the external electrode lead 14, a terminal electrode group composed of a plurality of grid-like terminal electrodes is provided in at least three regions. You may form in.
[0050]
Further, by providing means for securing an optical path vertically above the surface 16, an edge-emitting optical semiconductor device such as a Fabry-Perot laser diode (FP-LD) or a distributed feedback laser diode (DFB-LD), a waveguide type It can also be used for an end face light-receiving optical semiconductor element such as a photodiode (WG-PD), and the same effect as described above can be obtained.
[0051]
When mounting the VCSEL and the VCSEL driver and its peripheral circuit electronic elements, a part of them may be mounted in another cavity formed on the back surface 17 in addition to mounting them all in the cavity 15.
[0052]
Also, when mounting the transimpedance and its peripheral circuit electronic elements as a PIN-PD or APD and preamplifier as in the mounting of the VCSEL, a part of them is formed on the back surface 17 except that all are mounted in the cavity 15. It may be mounted in another cavity.
[0053]
Further, the mounting of FP-LD, DFB-LD, or WG-PD is the same as described above.
[0054]
By mounting in this way, a large mounting area can be obtained with the same optical package size, a large number of elements can be mounted, and an optical semiconductor element and a peripheral circuit for driving it can be integrated. Thereby, it is possible to realize a small-sized and highly functional optical module that can perform complicated processing. Further, since the optical semiconductor element and the peripheral circuit for driving the optical semiconductor element are close to each other, there is little deterioration of the electric signal in the electric wiring connecting between them.
[0055]
Next, the configuration of the optical module M1 using the optical package P1 and assembling the VCSEL element 9 as a module will be described in detail.
[0056]
The optical module M1 mounts the VCSEL element 9 on the optical package P1 together with the VCSEL driver 23 and the like, performs electrical wiring, optically aligns the VCSEL element 9 and the optical waveguide, and supports the optical waveguide. To complete the optical package P1.
[0057]
Specifically, first, the VCSEL element 9 is mounted together with the VCSEL driver 23 and the like in the cavity 15 of the base body 1 which is a mounting base, and an electrode (not shown) of the VCSEL element 9 or the VCSEL driver 23 and one end of the conductor pattern 11 are mounted. Are electrically connected by a gold ribbon 20.
[0058]
Next, the transparent window fitting 3 is disposed on the metal fitting 2 of the base 1 so as to cover the VCSEL element 9. A transparent sapphire window (not shown) is disposed in the upper opening of the transparent window fitting 3. A first metal protector 4 having a cylindrical shape and having a flange portion 4a formed on one end side is disposed on the transparent window fitting 3 so that the flange portion 4a is on the base 1 side. A lens (not shown) is accommodated in the first metal protector 4 and is bonded and fixed with a transparent adhesive. Further, in the same manner as the first metal protector 4, a cylindrical ferrule 21 in which an optical fiber 22 that is optically connected to the LD is housed is accommodated in a cylindrical second metal protector 5. Two metal protectors 5 are accommodated in the first metal protector 4. As described above, the first and second metal protectors 4 and 5 are provided with the flange portions 4a and 5a so that an optical connector receptacle (not shown) can be fitted.
[0059]
If necessary, an optical isolator for removing reflected return light propagating through the optical fiber 22 is disposed inside the metal protector 4.
[0060]
The metal fitting 2 is made of Kovar or the like and is brazed to the base 1. Further, a transparent metal ring 3 made of Kovar, stainless steel, and the like and provided with a sapphire window is mounted on the VCSEL element 9 and then seam welded to the metal fitting 2 so that the VCSEL element 9 is air-tight. It is tightly sealed. Thereby, the VCSEL element 9 can be protected for a long lifetime.
[0061]
The first metal protector 4 and the second metal protector 5 are made of Kovar or stainless steel.
[0062]
Finally, mounting of the optical module M1 on the external electronic circuit board will be described.
[0063]
The optical module M1 is mounted on the side end 8a of the mounting substrate 8 which is an external electronic circuit board. At the same time, the IC 6 for driving the optical module M1 and the electronic elements 7 such as capacitors and resistors constituting the peripheral circuit are also mounted on the mounting base 8 to complete the optical module assembly A1.
[0064]
By adopting a structure in which the external electrode lead 14 is attached to the mounting surface 19 of the optical module on the external electronic circuit board, solder such as cream solder is applied to the surface of the mounting substrate 8 in advance on the mounting electrode of the mounting substrate. M1, IC6 and electronic element 7 can be collectively mounted through a solder reflow process of about 260 ° C.
[0065]
As described above, according to this embodiment, the optical module can be automatically assembled together with the components constituting the peripheral circuit on the external electronic circuit board by solder reflow or the like, and the mountability is excellent.
[0066]
Thus, according to the optical package P1 and the optical module M1 using the optical package P1, it is suitable for mounting, for example, a VCSEL or other surface-emitting optical semiconductor element, and is excellent in mass production, small in size, excellent in high frequency characteristics, and highly reliable. An optical package and an optical module using the same can be provided.
[0067]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of the optical package P1 that further embodies the present invention will be described.
[0068]
The substrate 1 was formed by laminating six layers of sheet-like alumina ceramic having a thickness of 3.9 mm □, a thickness of 0.25 mm, and a relative dielectric constant of 9.4. Conductive patterns 11, 12, and 13 were formed on each layer, and the layers of the conductive patterns 11, 12, and 13 of each layer were connected by through-hole conductors 10 having a diameter of 0.1 mm to form electrical wiring. At this time, the conductor pattern 13 and the through-hole conductor 10 were arranged in a stepped manner, and the conductor pattern 11 and the conductor pattern 13 were smoothly connected.
[0069]
Further, the cavity 15 was formed by forming a hole in one layer of the surface 16 on the surface 16 of the substrate 1. Also, a recess 18 on the back surface of the base body is formed on the back surface 17 of the base body 1 in the same manner, and the mounting surface 19 of the optical module on the external electronic circuit board 19 (side surface of the recess 18 on the back surface of the base body) is 0.3 mm wide and deep. A castellation having a thickness of 0.2 mm was formed.
[0070]
Further, an external electrode lead 14 having a width of 0.2 mm, a thickness of 0.15 mm, and a length of 1.98 mm was fixed to the castellation with silver solder. A gap of 0.05 mm between the castellation and the external electrode lead 14 was filled with silver brazing in the length direction of the external electrode lead 14 over 0.48 mm so that the three surfaces of the external electrode lead 14 were in contact with the silver brazing.
[0071]
Finally, a metal fitting 2 made of a FeNiCo alloy having a width of 0.4 mm and a thickness of 0.5 mm was silver brazed to the surface 16 of the base 1 to complete the optical package P1.
[0072]
The optical package P1 is mounted on the side end portion 8a of the mounting substrate 8 on which a coplanar line having a characteristic impedance of 50Ω is formed, and the coplanar line on the mounting substrate 8 and the external electrode lead 14 are electrically connected to each other. As a result of measuring frequency response characteristics by inputting / outputting electric signals between one end of the coplanar lines on 8 and one end of the conductor pattern 11, the characteristics shown in FIG. 10 were obtained. From this result, it was confirmed that the reflection characteristics are greatly improved by arranging the conductor pattern 13 and the through-hole conductor 10 in a stepped manner and smoothly connecting the conductor pattern 11 and the conductor pattern 13.
[0073]
【The invention's effect】
According to the optical package and the optical module using the same according to the present invention, the following remarkable effects can be obtained.
[0074]
According to the optical package of the first aspect, the optical module can be configured in a small size and a wide band. For example, the optical module can be suitably used for a photoelectric conversion module assembly of a thin card type or the like in which an optical module is mounted at an end and inserted into a slot. Is possible. In addition, a large number of fine wirings can be formed and used for a complicated circuit that handles a large number of signals.
[0075]
According to the optical package of the second aspect, the electrical wiring of the optical package can be further broadened.
[0077]
Claim 3 According to this optical package, the substrate can be firmly fixed to the external electronic circuit board. Further, since the mounting surface of the optical module can be closely attached to the external electronic circuit board without a gap or with a small gap, mounting with stable transmission characteristics of high-frequency signals can be performed.
[0078]
Claim 4 According to this optical package, the fluctuation of the DC voltage applied to the optical semiconductor element or the electronic element can be reduced with a simple structure, and the operation of the optical semiconductor element or the electronic element mounted on the optical package can be stabilized.
[0079]
Claim 5 According to this optical package, there is little deterioration of the signal for operating the optical semiconductor element. Further, the module including the electronic circuit for operating the optical semiconductor element can be reduced in size.
[0080]
Claim 6 According to this optical package, it is possible to easily secure a wide heat radiating surface on the surface other than the surface of the substrate, cool the optical semiconductor element or electronic element mounted on the optical package, and operate them stably.
[0081]
Claim 7 According to the optical package, since the radiation fin is connected to the conductor pattern for mounting the electronic element or the optical semiconductor element, the cooling effect can be further enhanced.
[0082]
Claim 8 According to the optical module, it is excellent in mountability to an external electronic circuit board, and exerts excellent effects in downsizing, wide band, high reliability, and mass productivity improvement.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front perspective view schematically illustrating an embodiment of an optical package according to the present invention.
FIG. 2 is a rear perspective view schematically illustrating an embodiment of an optical package according to the present invention.
FIG. 3 is a perspective view from another angle on the back side, schematically illustrating an embodiment of an optical package according to the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing an internal state for schematically explaining an embodiment of an optical package according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating an embodiment of an optical package according to the present invention, and is a perspective view showing a state when a surface emitting laser (VCSEL) is mounted on the optical package.
FIG. 6 is a diagram schematically illustrating an embodiment of an optical package according to the present invention, and is a cross-sectional view showing a state when a surface emitting laser (VCSEL) is mounted on the optical package.
FIG. 7 is a diagram schematically illustrating another embodiment of the optical package according to the present invention, in which a heat-dissipating conductor pattern is formed inside the optical package and is thermally applied to the heat-dissipating fins attached to the outside. It is sectional drawing which shows a structure when it is made to connect to.
FIG. 8 is a perspective view schematically illustrating an embodiment of an optical module according to the present invention.
FIG. 9 is a side view schematically illustrating a state when the optical module according to the present invention is mounted on an external electronic circuit board.
FIG. 10 is a graph illustrating frequency response characteristics of electrical wiring of an optical package according to the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a conventional optical package and an optical module using the same.
FIG. 12 is a graph for explaining the frequency response characteristic of the electrical wiring of the optical package according to the prior art, and a graph showing the reflection characteristic (S11).
FIG. 13 is a diagram for explaining the frequency response characteristics of the electrical wiring of the optical package according to the prior art, and is a graph showing transmission characteristics (S21).
[Explanation of symbols]
1: Substrate
2: Metal fitting (constructs support)
3: Transparent window fittings (constructs support)
4: 1st metal protective body (it comprises a support body)
5: Second metal protector (constructs a support)
6: IC
7: Electronic device
8: Mounting substrate (external electronic circuit board)
8a: Side end (external electronic circuit board)
9: VCSEL element (surface emitting laser element; optical semiconductor element)
10: Through-hole conductor (consisting of ground conductors 10a and 10b and signal conductor 10c)
10e: Heat dissipation through-hole conductor
11: Conductor pattern (consisting of ground conductors 11a and 11b and signal conductor 11c formed on the substrate surface)
12: Conductor pattern (consisting of ground conductors 12a and 12b and signal conductor 12c formed on the inner layer of the substrate)
12d: Comb-like parallel plate conductor (constitutes a capacitor)
12e: Conductive pattern for heat dissipation
13: Conductor pattern (consisting of ground conductors 13a and 13b and signal conductor 13c formed on the back surface of the substrate)
14: External electrode lead (lead conductor)
15: Cavity
16: surface of substrate
17: Back side of substrate
18: Concave part on the back of the substrate
19: Mounting surface of optical module on external electronic circuit board (18 side surfaces)
20: Au wire
21: Ferrule (constructs an optical waveguide)
22: Optical fiber (comprising an optical waveguide)
23: VCSEL driver (electronic element)
24: Radiation fin
30: Stem (composed of TO-CAN package)
31: Cap (constitutes TO-CAN package)
31a: Transparent window
32: Lead pin
33: Glass feedthrough
40: VCSEL element (surface emitting laser element)
41: Gold wire
P1: Optical package
M1: Optical module
A1: Optical module assembly

Claims

表面に光半導体素子を実装する基体であって、複数の誘電体層からなる積層構造を備え、外部回路基板の側端部に実装するための実装面を有し、この実装面にキャスタレーションが設けられた基体と、
前記積層構造の表面及び裏面に形成した導体パターンであって、前記表面側の導体パターンから前記光半導体素子に電気信号を入出力するようにした、導体パターンと、
前記積層構造の内部に形成され、導体パターン及びスルーホール導体から成り、互いに隣り合う前記誘電体層に形成された前記スルーホール導体の中心から中心までの間隔を、前記裏面側の導体パターンから前記表面側の導体パターンに近づくに従って次第に狭くし、かつ前記電気信号の波長の１／４よりも短くした階段状導体と、
前記実装面上で外部回路基板上の外部配線と接続するためのリード導体であって、一端が前記キャスタレーションの内部に収容されるとともに、前記裏面側の導体パターンに接続されて、前記階段状導体を介して前記表面側の導体パターンと電気的に接続されるリード導体と、を具備したことを特徴とする光パッケージ。A base for mounting an optical semiconductor element on a surface, having a laminated structure composed of a plurality of dielectric layers, and having a mounting surface for mounting on a side end portion of an external circuit board. A provided substrate;
A conductor pattern formed on the front surface and the back surface of the laminated structure, wherein an electric signal is input / output from the front surface side conductor pattern to the optical semiconductor element, and
It is formed inside the laminated structure, and is composed of a conductor pattern and a through-hole conductor. A stepped conductor that gradually narrows as it approaches the conductor pattern on the surface side and is shorter than ¼ of the wavelength of the electrical signal ;
A lead conductor for connecting to external wiring on an external circuit board on the mounting surface, one end of which is accommodated in the castellation and connected to the conductor pattern on the back side, and the stepped shape An optical package comprising: a lead conductor electrically connected to the conductor pattern on the surface side through a conductor.

互いに隣り合う前記誘電体層に形成された前記スルーホール導体の中心から中心までの間隔を、前記電気信号の波長の１／１６以下にしたことを特徴とする請求項１に記載の光パッケージ。2. The optical package according to claim 1, wherein an interval between the centers of the through-hole conductors formed in the dielectric layers adjacent to each other is set to 1/16 or less of a wavelength of the electric signal.

前記キャスタレーション内において、前記リード導体を少なくとも３面で保持したことを特徴とする請求項１または２に記載の光パッケージ。 The optical package according to claim 1, wherein the lead conductor is held on at least three surfaces in the castellation.

前記積層構造の一部にキャパシタを構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光パッケージ。 4. The optical package according to claim 1, wherein a capacitor is formed in a part of the multilayer structure.

前記積層構造の表面もしくは裏面に、前記光半導体素子を駆動するための電子素子を実装したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光パッケージ。 5. The optical package according to claim 1, wherein an electronic element for driving the optical semiconductor element is mounted on a front surface or a back surface of the laminated structure.

前記積層構造の表面を除く面に放熱フィンを取付けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光パッケージ。 The optical package according to claim 1, wherein a radiation fin is attached to a surface excluding the surface of the laminated structure.

前記電子素子もしくは前記光半導体素子を実装するための導体パターンの一部として、放熱用導体パターンを設け、この放熱用導体パターンに前記放熱フィンを接続したことを特徴とする請求項６に記載の光パッケージ。 The heat dissipation conductor pattern is provided as a part of the conductor pattern for mounting the electronic element or the optical semiconductor element, and the heat dissipation fin is connected to the heat dissipation conductor pattern. Light package.

請求項１乃至７のいずれかに記載の光パッケージに、少なくとも光半導体素子を実装して成る光モジュール。 An optical module comprising at least an optical semiconductor element mounted on the optical package according to claim 1.