JP5253495B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

この発明は、光モジュールに関するものである。

動作温度を制御することが望まれる光学的機能部を有する素子、例えばレーザ素子を備えた光モジュールでは、当該素子をヒートシンク上に搭載することが多い。このとき、素子とヒートシンクとの線膨張係数の差に起因して素子に加わる熱応力を緩和するために、通常、素子の線膨張係数と同程度の線膨張係数を有する材料により作製されたサブマウントが素子とヒートシンクとの間に配置され、該サブマウント上に素子が搭載される。

素子が発光部、受光部、レーザ発振部等の光学的機能部を１つのみ有するものであるときには、一般に平板状のサブマウントが用いられる。また、素子が複数の光学的機能部を有するアレイ型素子であるときには、ある１つの光学的機能部で発生した熱がサブマウントを介して他の光学的機能部に伝導して当該光学的機能部の特性に悪影響を与えるいわゆる熱的クロストークを防止するために、例えば特許文献１に記載されたダイオードレーザ素子におけるように、素子搭載面側が櫛形に成形されたサブマウント（担持体）を使用することもある。
特許文献１：特開平１１−３４６０３１号公報

素子搭載面側が櫛形に成形されたサブマウント（以下、「櫛形サブマウント」と略記する）を用いて光モジュールを構成すると、素子と櫛形サブマウントとが複数箇所で面接合されるものの、個々の接合箇所での接合面積が比較的狭くなる。このため、当該光モジュールが繰り返しヒートサイクルに曝されると、櫛形サブマウントと素子との間に働く熱応力によって剥離を起こす接合箇所が生じて、光学的機能部間の熱的クロストークを防止しきれなくなることがある。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、櫛形サブマウントに搭載された素子を備え、当該素子と櫛形サブマウントとの接合箇所の長期信頼性を高め易い光モジュールを得ることを目的とする。

上記の目的を達成するこの発明の光モジュールは、ヒートシンク上に櫛形サブマウントが固定され、該櫛形サブマウントに光学的機能部を有する素子が搭載された光モジュールであって、ヒートシンクと櫛形サブマウントとの間に、ヒートシンクと櫛形サブマウントとの間に働く熱応力を緩和する応力緩衝ブロックが配置されていることを特徴とするものである。

この発明の光モジュールでは、ヒートシンクと櫛形サブマウントとの間に働く熱応力を緩和する応力緩衝ブロックが配置されているので、当該応力緩衝ブロックが配置されていない場合に比べて、櫛形サブマウントと該櫛形サブマウントに搭載された素子との間に働く熱応力が緩和される。そのため、当該光モジュールが繰り返しヒートサイクルに曝されたとしても、櫛形サブマウントと素子との接合部に剥離が生じることが抑えられる。結果として、櫛形サブマウントと素子との接合箇所の長期信頼性を高めることが容易になる。

図１は、この発明の光モジュールの一例を概略的に示す分解斜視図である。 図２−１は、図１に示した光モジュールを製造する際の一工程を示す概略図である。 図２−２は、図１に示した光モジュールを製造する際の他の一工程を示す概略図である。 図３は、この発明の光モジュールのうちで積層構造の応力緩衝ブロックを備えたものの一例を概略的に示す正面図である。 図４は、この発明の光モジュールのうちで積層構造の応力緩衝ブロックを備えたものの他の例を概略的に示す正面図である。 図５は、この発明の光モジュールのうちで応力緩衝ブロックに溝部が形成されたものの一例を概略的に示す正面図である。 図５は、この発明の光モジュールのうちで応力緩衝ブロックに溝部が形成されたものの他の例を概略的に示す正面図である。 図５は、この発明の光モジュールのうちで応力緩衝ブロックに溝部が形成されたものの更に他の例を概略的に示す正面図である。 図８は、この発明の光モジュールのうちで導波路型レーザ発振部を有する発光素子が櫛形サブマウントに搭載されたものの一例を概略的に示す正面図である。

符号の説明

１ ヒートシンク
１０，１０ａ〜１０Ｅ 応力緩衝ブロック
１０ａ₁，１０ｂ₁ 第１サブブロック
１０ａ₂，１０ｂ₂ 第２サブブロック
１１ はんだ材よりも弾性率が高い接合材
１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ 溝部
２０ 櫛形サブマウント
３０，３０Ｆ 素子
３０ａ，３０ｂ 光学的機能部
５０，５０Ａ〜５０Ｆ 光モジュール

以下、この発明の光モジュールの実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この発明は下記の実施の形態に限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、この発明の光モジュールの一例を概略的に示す分解斜視図である。同図に示す光モジュール５０は、ヒートシンク１、応力緩衝ブロック１０、櫛形サブマウント２０、および素子３０を備えている。上記のヒートシンク１は、銅（Ｃｕ）等のように熱伝導率が高い金属材料ないし合金材料により形成された平板状の部材であり、その平面視上の大きさは例えば２．０ｍｍ（縦）×１０．０ｍｍ（横）、厚さ（高さ）は５．０ｍｍである。ヒートシンク１の上面には金錫合金（Ａｕ−Ｓｎ合金）等のはんだ材からなる接合材層５がめっき等の方法により形成されている。

応力緩衝ブロック１０は、ヒートシンク１よりも線膨張係数が小さく、櫛形サブマウント２０よりも線膨張係数が大きい金属材料ないし合金材料であって良好な熱伝導性を有するもの、例えば銅タングステン（ＣｕＷ）により形成された直方体状の部材であり、その平面視上の大きさは例えば１．５ｍｍ（縦）×６．０ｍｍ（横）、厚さ（高さ）は０．８ｍｍである。この応力緩衝ブロック１０は１つの部材のみからなり、接合材層５によりヒートシンク１上に固定されている。

ヒートシンク１が線膨張係数１７×１０^-6／℃の銅（Ｃｕ）により形成され、櫛形サブマウント２０が線膨張係数４．４×１０^-6／℃の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されている場合には、例えば線膨張係数が６．５×１０^-6／℃の銅タングステン（ＣｕＷ）、具体的には銅（Ｃｕ）の質量百分率が１０％の銅−タングステン合金（以下、「ＣｕＷ−１０」と略記する）により応力緩衝ブロック１０を形成することができる。

櫛形サブマウント２０は例えばガラスやセラミック（窒化アルミニウム等）等のように熱伝導性が良好な材料により作製され、素子搭載面側に形成された少なくとも１つの溝部によって互いに分離された複数の接合部を有している。図示の櫛形サブマウント２０では、素子搭載面側に４つの溝部２０ａ，２０ａ…が形成されて当該素子搭載面側に計５つの接合部２０ｂ，２０ｂ…が設けられている。この櫛形サブマウント２０の平面視上の大きさは例えば１．５ｍｍ（縦）×６．０ｍｍ（横）、厚さ（高さ）は０．８ｍｍであり、下面に形成された金錫合金等のはんだ材からなる接合材層１５により応力緩衝ブロック１０上に固定されている。

素子３０は、並列配置された３つの光学的機能部３０ａを有するアレイ型素子であり、個々の光学的機能部３０ａは半導体レーザ発振器として機能する。この素子３０がインジウム燐（ＩｎＰ）基板を用いた半導体レーザアレイである場合、その平面視上の大きさは例えば縦１．５ｍｍ、横２．０ｍｍ、厚さ（高さ）は０．２ｍｍであり、線膨張係数は４．５×１０^-6／℃程度である。素子３０は、櫛形サブマウント２０での各接合部２０ｂの上面に形成された金錫合金等のはんだ材からなる接合材層２５により櫛形サブマウント２０上に固定され、搭載されている。素子３０での個々の光学的機能部３０ａは、櫛形サブマウント２０での互いに別個の接合部２０ｂ上に位置している。

このような構成を有する光モジュール５０では、ヒートシンク１と櫛形サブマウント２０との間に応力緩衝ブロック１０が配置され、該応力緩衝ブロック１０の線膨張係数がヒートシンク１の線膨張係数よりも小さく、かつ櫛形サブマウント２０の線膨張係数よりも大きいので、応力緩衝ブロック１０が配置されていない場合に比べて、ヒートシンク１と櫛形サブマウント２０との間に働く熱応力が緩和される。したがって、櫛形サブマウント２０と素子３０との間に働く熱応力も緩和される。

そのため、当該光モジュール５０では、繰り返しヒートサイクルに曝されたときでも櫛形サブマウント２０と素子３０との接合箇所に剥離が起き難い。結果として、櫛形サブマウント２０と素子３０との接合箇所の長期信頼性が高まる。このような技術的効果を奏する光モジュール５０は、ヒートシンク１上に応力緩衝ブロック１０、櫛形サブマウント２０、および素子３０を順次固定することにより得られる。

図２−１および図２−２は、それぞれ、図１に示した光モジュールを製造する際の一工程を示す概略図である。図１に示した光モジュール５０を製造するにあたっては、まず、図２−１に示すように、接合材層５（図１参照）が形成されたヒートシンク１上に応力緩衝ブロック１０を配置する。そして、必要に応じて応力緩衝ブロック１０に荷重をかけながら接合材層５を加熱して溶融させ、その後に冷却する。これにより、ヒートシンク１上に応力緩衝ブロック１０が固定される。

次いで、図２−２に示すように、応力緩衝ブロック１０上に櫛形サブマウント２０を配置し、必要に応じて櫛形サブマウント２０に荷重をかけながら接合材層１５（図１参照）を加熱して溶融させ、その後に冷却する。これにより、応力緩衝ブロック１０上に櫛形サブマウント２０が固定される。

この後、櫛形サブマウント２０上に素子３０を配置し、必要に応じて素子３０に荷重をかけながら接合材層２５（図１参照）を加熱して溶融させ、その後に冷却する。これにより、櫛形サブマウント２０上に素子３０が固定され、搭載されて、光モジュール５０が得られる。

実施の形態２．
この発明の光モジュールでは、応力緩衝ブロックの構造を複数のサブブロックが積層された積層構造とすることができる。サブブロック同士をはんだ材等の無機接合材により互いに接合させる場合には、櫛形サブマウントと素子との間に働く熱応力を緩和するという観点から、櫛形サブマウント側に位置するサブブロックほど線膨張係数が小さく、ヒートシンク側に位置するサブブロックほど線膨張係数が大きくなるように、各サブブロックの材料を選定することが好ましい。このとき、ヒートシンクに接合されるサブブロックの線膨張係数はヒートシンクの線膨張係数以下とし、櫛形サブマウントに接合されるサブブロックの線膨張係数は櫛形サブマウントの線膨張係数以上とする。

図３は、積層構造の応力緩衝ブロックを備えた光モジュールの一例を概略的に示す正面図である。同図に示す光モジュール５０Ａは、図１に示した応力緩衝ブロック１０に代えて応力緩衝ブロック１０Ａを備えているという点を除き、図１に示した光モジュール５０と同様の構成を有する。図３に示した構成部材のうちで図１に示した構成部材と共通するものについては、図１で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。

上記の応力緩衝ブロック１０Ａは、第１サブブロック１０ａ₁と第２サブブロック１０ａ₂とがヒートシンク１側からこの順番で積層された２層積層構造を有している。第１サブブロック１０ａ₁はヒートシンク１よりも線膨張係数が小さい材料、例えばＣｕＷ−１０により形成されており、その平面視上の大きさは例えば１．５ｍｍ（縦）×６．０ｍｍ（横）、厚さ（高さ）は０．４ｍｍである。また、第２サブブロック１０ａ₂は、第１サブブロック１０ａ₁よりも線膨張係数が小さく、かつ櫛形サブマウント２０よりも線膨張係数が大きい材料または櫛形サブマウント２０と同じ材料、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されており、その平面視上の大きさは例えば１．５ｍｍ（縦）×６．０ｍｍ（横）、厚さ（高さ）は０．４ｍｍである。これら第１サブブロック１０ａ₁と第２サブブロック１０ａ₂とは、金錫合金等のはんだ材（図示せず）により互いに接合されている。

このような応力緩衝ブロック１０Ａを備えた光モジュール５０Ａは、実施の形態１で説明した光モジュール５０（図１参照）と同様にして製造することができ、光モジュール５０と同様の技術的効果を奏する。応力緩衝ブロック１０Ａでの線膨張係数がヒートシンク１側から櫛形サブマウント２０にかけて段階的に低下しているので、光モジュール５０に比べても、ヒートシンク１と櫛形サブマウント２０との間に働く熱応力を緩和し易く、したがって櫛形サブマウント２０と素子３０との間に働く熱応力も緩和し易い。結果として、光モジュール５０に比べても、櫛形サブマウント２０と素子３０との接合箇所の長期信頼性を高め易い。

実施の形態３．
この発明の光モジュールでは、応力緩衝ブロックの構造を複数のサブブロックが積層された積層構造とするにあたって、はんだ材等の無機接合材よりも弾性率が高い接合材、例えば有機接合材や、有機接合材に金属微粒子ないし合金微粒子が分散された有機−無機複合接合材によりサブブロック同士を接合してもよい。有機接合材や有機−無機複合接合材によりサブブロック同士を接合する場合、個々のサブブロックは、線膨張係数がヒートシンクの線膨張係数以下で櫛形サブマウントの線膨張係数以上である同種または異種の材料により形成することができ、その形状および大きさは互いに同じにすることもできるし、互いに異ならせることもできる。

個々のサブブロックを互いに異種の材料により形成する場合には、櫛形サブマウントと素子との間に働く熱応力を緩和するという観点から、櫛形サブマウント側に位置するサブブロックほど線膨張係数が小さく、ヒートシンク側に位置するサブブロックほど線膨張係数が大きくなるように各サブブロックの材質を選定することが好ましい。

図４は、積層構造の応力緩衝ブロックを備えた光モジュールの他の例を概略的に示す正面図である。同図に示す光モジュール５０Ｂは、図３に示した応力緩衝ブロック１０Ａに代えて応力緩衝ブロック１０Ｂを備えているという点を除き、図３に示した光モジュール５０Ａと同様の構成を有する。図４に示した構成部材のうちで図３に示した構成部材と共通するものについては、図３で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。

上記の応力緩衝ブロック１０Ｂは、第１サブブロック１０ｂ₁と第２サブブロック１０ｂ₂とがヒートシンク１側からこの順番で積層された２層積層構造を有しており、第１サブブロック１０ｂ₁と第２サブブロック１０ｂ₂とは、はんだ等の無機接合材よりも弾性率が高い接合材１１により互いに接合されている。また、第１サブブロック１０ｂ₁および第２サブブロック１０ｂ₂は、それぞれ、線膨張係数がヒートシンク１の線膨張係数以下で櫛形サブマウント２０の線膨張係数以上である同種の材料、例えばＣｕＷ−１０により形成されており、その形状および大きさは互いに同じである。

このような応力緩衝ブロック１０Ｂを備えた光モジュール５０Ｂでは、ヒートシンク１と櫛形サブマウント２０との間に温度差が生じたときに接合材１１が熱変形を起こして熱応力を吸収する。このときの接合材１１には実質的に引張り応力のみが加わり、曲げ応力は実質的に加わらないので、櫛形サブマウント２０と素子３０との接合箇所の剥離が抑えられる。したがって、光モジュール５０Ｂは、実施の形態１で説明した光モジュール５０（図１参照）と同様の技術的効果を奏し、光モジュール５０に比べても、櫛形サブマウント２０と素子３０との接合箇所の長期信頼性を高め易い。

実施の形態４．
この発明の光モジュールでは、応力緩衝ブロックに少なくとも１つの溝部を設けることができる。応力緩衝ブロックに溝部を設けることにより、当該応力緩衝ブロックが熱変形し易くなるので、その応力緩和効果を高めることができる。溝部を設けない場合に比べ、応力緩衝ブロックを薄肉化しても同等の応力緩和効果を得ることができるので、光モジュールの薄肉化を図ることも容易になる。また、櫛形サブマウントに形成されている溝部と平面視上重なるように応力緩衝ブロックの溝部を配置すれば、素子で生じた熱をヒートシンクに効率よく伝導させることも容易になる。応力緩衝ブロックは、１つの部材により形成してもよし、複数のサブブロックが積層された積層構造としてもよい。

図５は、応力緩衝ブロックに溝部が形成された光モジュールの一例を概略的に示す正面図である。同図に示す光モジュール５０Ｃは、図１に示した応力緩衝ブロック１０に代えて応力緩衝ブロック１０Ｃを備えているという点を除き、図１に示した光モジュール５０と同様の構成を有する。図５に示した構成部材のうちで図１に示した構成部材と共通するものについては、図１で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。

上記の応力緩衝ブロック１０Ｃはヒートシンク１よりも線膨張係数が小さい材料、例えばＣｕＷ−１０により形成されており、その平面視上の大きさは例えば１．５ｍｍ（縦）×６．０ｍｍ（横）、厚さ（高さ）は０．８ｍｍである。この応力緩衝ブロック１０Ｃの片面側には、櫛形サブマウント２０での溝部２０ａ，２０ａ，…と同じピッチで計４つの溝部１０ｃ，１０ｃ，…が形成されており、当該応力緩衝ブロック１０Ｃは各溝部１０ｃがヒートシンク１側となる向きで、かつ個々の溝部１０ｃが櫛形サブマウント２０の溝部２０ａと平面視上重なるようにして、ヒートシンク１上に固定されている。

このような応力緩衝ブロック１０Ｃを備えた光モジュール５０Ｃは、実施の形態１で説明した光モジュール５０（図１参照）と同様の技術的効果を奏する。応力緩衝ブロック１０Ｃに溝部１０ｃが形成されているので、光モジュール５０に比べても、櫛形サブマウント２０と素子３０との間に働く熱応力を緩和し易く、櫛形サブマウント２０と素子３０との接合箇所の長期信頼性を高め易い。

実施の形態５．
図６は、応力緩衝ブロックに溝部が形成された光モジュールの他の例を概略的に示す正面図である。同図に示す光モジュール５０Ｄは、図５に示した応力緩衝ブロック１０Ｃに代えて応力緩衝ブロック１０Ｄを備えているという点を除き、図５に示した光モジュール５０Ｃと同様の構成を有する。図６に示した構成部材のうちで図５に示した構成部材と共通するものについては、図５で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。

上記の応力緩衝ブロック１０Ｄは、図５に示した応力緩衝ブロック１０Ｃでの上面側に櫛形サブマウント２０での溝部２０ａ，２０ａ，…と同じピッチで計４つの溝部１０ｄ，１０ｄ，…を更に形成した形状を有しており、その平面視上の大きさは例えば１．５ｍｍ（縦）×６．０ｍｍ（横）、厚さ（高さ）は０．８ｍｍである。この応力緩衝ブロック１０Ｄは、個々の溝部１０ｃ，１０ｄが櫛形サブマウント２０の溝部２０ａと平面視上重なるようにしてヒートシンク１上に固定されている。

このような応力緩衝ブロック１０Ｄを備えた光モジュール５０Ｄは、実施の形態４で説明した光モジュール５０Ｃ（図５参照）と同様の技術的効果を奏する。応力緩衝ブロック１０Ｄに溝部１０ｃ，１０ｄが形成されているので、光モジュール５０Ｃに比べても、櫛形サブマウント２０と素子３０との間に働く熱応力を緩和し易く、櫛形サブマウント２０と素子３０との接合箇所の長期信頼性を高め易い。

実施の形態６．
図７は、応力緩衝ブロックに溝部が形成された光モジュールの更に他の例を概略的に示す正面図である。同図に示す光モジュール５０Ｅは、図１に示した応力緩衝ブロック１０に代えて応力緩衝ブロック１０Ｅを備えているという点を除き、図１に示した光モジュール５０と同様の構成を有している。図７に示した構成部材のうちで図１に示した構成部材と共通するものについては、図１で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。

上記の応力緩衝ブロック１０Ｅは、図１に示した応力緩衝ブロック１０での上面側および下面側にそれぞれ２つの溝部１０ｅ，１０ｅを有しており、各溝部１０ｅは櫛形サブマウント２０に形成されている各溝部２０ａと互いに平行である。上面側の各溝部１０ｅは、平面視上、櫛形サブマウント２０を挟むようにして該櫛形サブマウント２０の外側に位置しており、下面側の各溝部１０ｅは、平面視上、上面側の各溝部１０ｅを挟むようにしてこれら上面側の各溝部１０ｅの外側に位置している。

このような応力緩衝ブロック１０Ｅを備えた光モジュール５０Ｅは、実施の形態１で説明した光モジュール５０（図１参照）と同様の技術的効果を奏する。応力緩衝ブロック１０Ｅに溝部１０ｅが形成されているので、光モジュール５０に比べても、櫛形サブマウント２０と素子３０との間に働く熱応力を緩和し易く、櫛形サブマウント２０と素子３０との接合箇所の長期信頼性を高め易い。

実施の形態７．
この発明の光モジュールでは、櫛形サブマウントに搭載する素子として、実施の形態１で述べた半導体レーザアレイ以外の素子を用いることもできる。例えば、光学的機能部として少なくとも１つの導波路型レーザ発振部を有する発光素子や、光学的機能部として少なくとも１つの光導波路または導波路型フォトダイオード等を有する受光素子等を櫛形サブマウントに搭載することができる。

図８は、導波路型レーザ発振部を有する発光素子が櫛形サブマウントに搭載された光モジュールの一例を概略的に示す正面図である。同図に示す光モジュール５０Ｆは、図１に示した素子３０に代えて素子３０Ｆを備えているという点を除き、図１に示した光モジュール５０と同様の構成を有している。図８に示した構成部材のうちで図１に示した構成部材と共通するものについては、図１で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。

上記の素子３０Ｆは、１つの導波路型レーザ発振部３０ｂを有する発光素子であり、固体レーザ素子の一構成部材として機能する。この素子３０Ｆを櫛形サブマウント２０上に搭載することにより、素子３０Ｆに所望の熱分布を生じさせてそのレンズ効果により導波路型レーザ発振部３０ｂ内での光拡散を抑えることが可能になる。当該素子３０Ｆを備えた光モジュール５０Ｆは、実施の形態１で説明した光モジュール５０（図１参照）と同様の技術的効果を奏する。

以上、この発明の光モジュールについて実施の形態を挙げて説明したが、前述のように、この発明は上述の形態に限定されるものではない。この発明の光モジュールについては、上述したもの以外にも種々の変形、修飾、組み合わせ等が可能である。

この発明の光モジュールは、例えばレーザテレビ等の表示装置、レーザプリンタ等の印刷装置、光通信機器等の機器の光源を構成するモジュールとして用いることができる。

Claims (3)

1. ヒートシンク上に櫛形サブマウントが固定され、該櫛形サブマウントに光学的機能部を有する素子が搭載された光モジュールであって、
   前記ヒートシンクと前記櫛形サブマウントとの間に、前記ヒートシンクと前記櫛形サブマウントとの間に働く熱応力を緩和する応力緩衝ブロックが配置されており、
   前記応力緩衝ブロックは、複数のサブブロックが積層された積層構造を有し、
   前記サブブロック同士がはんだ材よりも弾性率の高い接合材により接合されていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記サブブロックの各々は、互いに同じ材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記サブブロックの各々は、互いに同じ形状および大きさを有することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。

Images