JP7036286B1 - 光半導体装置 - Google Patents
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Abstract
第１の金属ブロック（３）及び温度制御モジュール（４）が金属ステム（１）の上面に実装されている。第２の金属ブロック（５）が温度制御モジュール（４）の上に実装されている。第１及び第２の誘電体基板（６，７）がそれぞれ第１及び第２の金属ブロック（３，５）の側面に実装されている。第１及び第２の信号線路（８，１０）がそれぞれ第１及び第２の誘電体基板（６，７）に形成されている。半導体光変調素子（１３）が第２の誘電体基板（７）に実装されている。レンズキャップ（１９）が、金属ステム（１）の上面に接合され、金属ステム（１）に電気的に接続され、半導体光変調素子（１３）等を気密封止する。第１の金属ブロック（３）とレンズキャップ（１９）の内壁との最小距離が０．３７ｍｍより小さい。第２の金属ブロック（５）とレンズキャップ（１９）の内壁との最小距離が１．３６ｍｍより小さい。
Description
本開示は、半導体光変調素子等をレンズキャップで気密封止した光半導体装置に関する。
移動通信システム等において、携帯通信端末が普及し、情報のクラウド化などによりデータ通信量が急激に増加している。これに伴い、より大容量の光通信システムが必要であり、信号の高速大容量伝送が可能な光通信デバイスが求められている。高速通信が可能な半導体光集積素子として、電界吸収型半導体光変調器（EAM: Electro-absorption Modulator）と分布帰還形半導体レーザ（DFB-LD: Distributed Feedback Laser Diode）を集積したＥＭＬ（Electro-absorption Modulator integrated Laser）が用いられている。
金属ステムに第１の金属ブロックと温度制御モジュールを実装し、温度制御モジュールの上に第２の金属ブロックを実装し、第１及び第２の金属ブロックの側面にそれぞれ第１及び第２の誘電体基板を実装し、第２の誘電体基板に半導体光変調素子を実装した光半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の装置にレンズキャップを実装すると共振が発生し帯域が制限され、良好な光波形を得ることができないという問題があった。解決策としてレンズキャップの外形を大きくし、共振点を高周波側へずらすことが考えられる。しかし、ＣＡＮパッケージでは小型化が求められているため、レンズキャップの外形を大きくすることできない。
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はレンズキャップの外形を大きくすることなく、良好な光波形を得ることができる光半導体装置を得るものである。
本開示に係る光半導体装置は、金属ステムと、前記金属ステムを貫通するリードピンと、前記金属ステムの上面に実装された第１の金属ブロックと、前記第１の金属ブロックの側面に実装された第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板に形成された第１の信号線路と、前記金属ステムの前記上面に実装された温度制御モジュールと、前記温度制御モジュールの上に実装された第２の金属ブロックと、前記第２の金属ブロックの側面に実装された第２の誘電体基板と、前記第２の誘電体基板に形成された第２の信号線路と、前記第２の誘電体基板に実装された半導体光変調素子と、前記リードピンと前記第１の信号線路の一端を接続する接続部材と、前記第１の信号線路の他端と前記第２の信号線路の一端とを接続する第１のボンディングワイヤと、前記第２の信号線路の他端と前記半導体光変調素子とを接続する第２のボンディングワイヤと、前記金属ステムの前記上面に接合され、前記金属ステムに電気的に接続され、前記第１及び第２の金属ブロック、前記第１及び第２の誘電体基板、前記温度制御モジュール、前記第１及び第２の信号線路、前記半導体光変調素子、及び前記第１から第２のボンディングワイヤを気密封止するレンズキャップとを備え、前記第１の金属ブロックと前記レンズキャップの内壁との最小距離が０．３７ｍｍより小さく、前記第２の金属ブロックと前記レンズキャップの前記内壁との最小距離が１．３６ｍｍより小さいことを特徴とする。
本開示では、第１の金属ブロックとレンズキャップとの内壁の最小距離を０．３７ｍｍより小さくし、第２の金属ブロックとレンズキャップの内壁との最小距離を１．３６ｍｍより小さくする。これより、第１及び第２の金属ブロックが、グランドとなっているレンズキャップに近づきグランドが強化される。このため、共振点が減少し、周波数応答特性が改善し、広帯域化が可能となる。よって、レンズキャップの外形を大きくすることなく、良好な光波形を得ることができる。
実施の形態に係る光半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る光半導体装置を示す正面側斜視図である。図２は、実施の形態１に係る光半導体装置を示す背面側斜視図である。図３は、実施の形態１に係る光半導体装置の内部を示す上面図である。
図１は、実施の形態１に係る光半導体装置を示す正面側斜視図である。図２は、実施の形態１に係る光半導体装置を示す背面側斜視図である。図３は、実施の形態１に係る光半導体装置の内部を示す上面図である。
金属ステム１は円形の板状である。信号線路用のリードピン２が金属ステム１を貫通し、ガラス材を介して金属ステム１に固定されている。金属ステム１及びリードピン２は、例えば銅、鉄、アルミニウム又はステンレスなどの金属からなり、金メッキやニッケルメッキなどを表面に施してもよい。なお、信号線路用のリードピン２だけでなく、温度制御モジュールの電力供給用のリードピン、ＥＡＭ－ＬＤ実装時のレーザダイオード部への電力供給用のリードピンなど、複数のリードピンを設けてもよい。
第１の金属ブロック３及び温度制御モジュール４が金属ステム１の上面に実装されている。第１の金属ブロック３はリードピン２の近傍に配置されている。第２の金属ブロック５が温度制御モジュール４の上に実装されている。第１の金属ブロック３は、例えば銅、鉄、アルミニウム又はステンレスなどの金属からなる。ただし、第１の金属ブロック３は、セラミック又は樹脂などの絶縁体に金属が被覆された構造でもよい。第２の金属ブロック５は、例えばＣｕなどの熱伝導率の高い材料の表面にＡｕメッキなどが施された金属材料のブロックである。温度制御モジュール４は、放熱面と冷却面との間に挟まれたペルチェ素子を有する。放熱面は金属ステム１に接合され、冷却面には第２の金属ブロック５が実装されている。第１及び第２の誘電体基板６，７がそれぞれ第１及び第２の金属ブロック３，５の側面に実装されている。
なお、組み立て性の観点から金属ブロックを第１の金属ブロック３と第２の金属ブロック５に分離している。また、分離することにより、外部から金属ステム１を介して第２の誘電体基板７及び第２の金属ブロック５に流入する熱量を低減できる。このため、温度制御モジュール４の消費電力を低減することができる。
第１の信号線路８及びグランド導体９が第１の誘電体基板６に形成されている。第１の信号線路８及びグランド導体９は、互いに一定の間隔をあけて配置され、コプレナ線路を構成している。グランド導体９は、第１の誘電体基板６に形成されたビア（不図示）を介して第１の金属ブロック３に接続されている。
第２の信号線路１０、グランド導体１１及び整合抵抗１２が第２の誘電体基板７に形成されている。第２の信号線路１０及びグランド導体１１は、互いに一定の間隔をあけて配置され、コプレナ線路を構成している。グランド導体１１は第２の誘電体基板７の側面にも形成されている。
半導体光変調素子１３が第２の誘電体基板７に実装されている。半導体光変調素子１３は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ系量子井戸吸収層を用いた電界吸収型光変調器と分布帰還型レーザダイオードとをモノリシックに集積した変調器集積型レーザ（EAM-LD）、又はＭＺ（Mach-Zehnder）半導体光変調器などである。半導体光変調素子１３において発生した熱は第２の金属ブロック５及び金属ステム１を介して拡散される。
接続部材１４がリードピン２と第１の信号線路８の一端を接続する。接続部材１４は、例えばはんだであるが、ボンディングワイヤでもよい。ボンディングワイヤ１５が第１の信号線路８の他端と第２の信号線路１０の一端とを接続する。ボンディングワイヤ１６が第２の信号線路１０の他端と半導体光変調素子１３とを接続する。ボンディングワイヤ１７が半導体光変調素子１３と整合抵抗１２の一端とを接続する。ボンディングワイヤ１８が整合抵抗１２の他端と第２の金属ブロック５とを接続する。
レンズキャップ１９が、金属ステム１の上面に接合され、金属ステム１に電気的に接続され、第１及び第２の金属ブロック３，５、第１及び第２の誘電体基板６，７、温度制御モジュール４、第１及び第２の信号線路８，１０、半導体光変調素子１３、接続部材１４及びボンディングワイヤ１５～１８等を気密封止する。レンズキャップ１９は例えば銅、鉄、アルミニウム又はステンレスなどの金属からなり、テーパー型又はストレート型である。ただし、レンズキャップ１９はセラミック又は樹脂などの絶縁体に金属が被覆された構造でもよい。
第１の金属ブロック３の横幅はａ、奥行きはｂ、高さはｃである。第１の金属ブロック３の背面は、円筒状のレンズキャップ１９の内壁に沿った曲面形状となっている。第１の金属ブロック３の横幅ａ又は奥行きｂを従来よりも大きくすることで第１の金属ブロック３の背面とレンズキャップ１９の内壁が近接している。この結果、第１の金属ブロック３とレンズキャップ１９の内壁との最小距離ｄ１が０．３７ｍｍより小さく、ここでは０．１０ｍｍになっている。
第２の金属ブロック５の横幅はｄ、奥行きはｅ、高さはｆである。第２の金属ブロック５の断面はＬ字形状であり、側面の一部はレンズキャップ１９の内壁に沿った曲面形状となっている。第２の金属ブロック５の横幅ｄ又は奥行きｅを従来よりも大きくすることで第２の金属ブロック５の側面とレンズキャップ１９の内壁が近接している。この結果、第２の金属ブロック５とレンズキャップ１９の内壁との最小距離ｄ２が１．３６ｍｍより小さく、ここでは０．１０ｍｍになっている。
図４は、実施の形態１に係る光半導体装置の変形例１を示す正面側斜視図である。図５は、実施の形態１に係る光半導体装置の変形例１を示す背面側斜視図である。レンズキャップ１９は円筒状であるが、レンズキャップ１９の内壁の一部が第１の金属ブロック３に向かって突出している。これにより両者が近接して、第１の金属ブロック３とレンズキャップ１９の内壁との最小距離ｄ１が０．３７ｍｍより小さく、第２の金属ブロック５とレンズキャップ１９の内壁との最小距離ｄ２が１．３６ｍｍより小さくなっている。
図６は、実施の形態１に係る光半導体装置の変形例２を示す正面側斜視図である。図７は、実施の形態１に係る光半導体装置の変形例２を示す背面側斜視図である。レンズキャップ１９の内壁の一部が第１の金属ブロック３及び第２の金属ブロック５に向かって突出している。これにより両者が近接して、最小距離ｄ１が０．３７ｍｍより小さく、最小距離ｄ２が１．３６ｍｍより小さくなっている。
図８は、第２の金属ブロックとレンズキャップの内壁の最小距離を変化させた場合の周波数応答特性のシミュレーション結果を示す図である。周波数応答特性は通過特性Ｓ２１である。第２の金属ブロック５とレンズキャップ１９の内壁の最小距離ｄ２を１．３６ｍｍ、０．５ｍｍ、０ｍｍとした。第１の金属ブロック３とレンズキャップ１９の内壁の距離は全て０．３７ｍｍとした。最小距離ｄ２が１．３６ｍｍよりも小さくなると、特に３０ＧＨｚまでの領域において共振による落ち込みが減少し、改善されることが分かる。
図９は、第１の金属ブロックとレンズキャップの内壁の最小距離を変化させた場合の周波数応答特性のシミュレーション結果を示す図である。第１の金属ブロック３とレンズキャップ１９の内壁の最小距離ｄ１を０．３７ｍｍ、０ｍｍとした。第２の金属ブロック５とレンズキャップ１９の内壁の距離は全て１．３６ｍｍとした。最小距離ｄ１が０．３７ｍｍよりも小さくなると、共振による落ち込みが減少し、改善されることが分かる。
図１０は、比較例と実施の形態１に係る光半導体装置の周波数応答特性を比較した３次元電磁界シミュレーション結果を示す図である。比較例は、最小距離ｄ２が１．３６ｍｍ、最小距離ｄ１が０．３７ｍｍの場合である。実施の形態１では、比較例に比べて共振点が減少し、周波数応答特性の落ち込みが小さくなっていることが分かる。
以上説明したように、本実施の形態では、第１及び第２の金属ブロック３，５の形状を比較例から変更して、第１の金属ブロック３とレンズキャップ１９との内壁の最小距離を０．３７ｍｍより小さくし、第２の金属ブロック５とレンズキャップ１９の内壁との最小距離を１．３６ｍｍより小さくする。これより、第１及び第２の金属ブロック３，５が、グランドとなっているレンズキャップ１９に近づきグランドが強化される。このため、共振点が減少し、周波数応答特性が改善し、広帯域化が可能となる。よって、レンズキャップ１９の外形を大きくすることなく、良好な光波形を得ることができる。
実施の形態２．
図１１は、実施の形態２に係る光半導体装置を示す正面側斜視図である。図１２は、実施の形態２に係る光半導体装置を示す背面側斜視図である。図１３は、実施の形態２に係る光半導体装置の内部を示す上面図である。
図１１は、実施の形態２に係る光半導体装置を示す正面側斜視図である。図１２は、実施の形態２に係る光半導体装置を示す背面側斜視図である。図１３は、実施の形態２に係る光半導体装置の内部を示す上面図である。
本実施の形態では、第１の金属ブロック３とレンズキャップ１９との内壁の最小距離ｄ１が０ｍｍ、第２の金属ブロック５とレンズキャップ１９の内壁の最小距離ｄ２が０．３０ｍｍである。即ち、第１の金属ブロック３がレンズキャップ１９の内壁に接している。レンズキャップ１９の内壁の一部が突出して第１の金属ブロック３の後面に接する構造になっている。これに限らず、レンズキャップ１９の内壁が第１の金属ブロック３の側面、後面、上面の何れか１つ又は複数の面に接する構造になっていればよい。
また、第１の金属ブロック３とレンズキャップ１９をはんだ又は導電性樹脂などで接着して電気的に接続してもよい。例えば、第１の金属ブロック３の側面又は後面に予備はんだ又は導電性樹脂を施し、レンズキャップ１９を実装後に加熱し、第１の金属ブロック３とレンズキャップ１９を接着させる。
図１４は、比較例と実施の形態２に係る光半導体装置の周波数応答特性を比較した３次元電磁界シミュレーション結果を示す図である。実施の形態２では、比較例に比べて共振点が減少し、周波数応答特性の落ち込みが小さくなっていることが分かる。
以上説明したように、本実施の形態では、レンズキャップ１９と第１の金属ブロック３が接して、実施の形態１よりもグランドが強化される。このため、共振点が減少し、周波数応答特性が改善し、広帯域化が可能となる。よって、レンズキャップ１９の外形を大きくすることなく、良好な光波形を得ることができる。
実施の形態３．
図１５は、実施の形態３に係る光半導体装置を示す正面側斜視図である。図１６は、実施の形態３に係る光半導体装置を示す背面側斜視図である。図１７は、実施の形態３に係る光半導体装置の内部を示す上面図である。
図１５は、実施の形態３に係る光半導体装置を示す正面側斜視図である。図１６は、実施の形態３に係る光半導体装置を示す背面側斜視図である。図１７は、実施の形態３に係る光半導体装置の内部を示す上面図である。
本実施の形態では、第１の金属ブロック３とレンズキャップ１９との内壁の最小距離ｄ１が０ｍｍ、第２の金属ブロック５とレンズキャップ１９の内壁の最小距離ｄ２も０ｍｍである。即ち、第１の金属ブロック３だけでなく、第２の金属ブロック５もレンズキャップ１９の内壁に接している。
レンズキャップ１９の内壁の一部が突出して第１の金属ブロック３の側面と後面、第２の金属ブロック５の後面に接する構造になっている。これに限らず、レンズキャップ１９の内壁が、第１の金属ブロック３の側面、後面、上面の何れか１つ又は複数の面、及び第２の金属ブロック５の後面と上面の何れか１つ又は複数の面に接する構造になっていればよい。
また、第１及び第２の金属ブロック３，５とレンズキャップ１９をはんだ又は導電性樹脂などで接着して電気的に接続してもよい。例えば、第１の金属ブロック３の側面又は後面と第２の金属ブロック５の後面に予備はんだ又は導電性樹脂を施し、レンズキャップ１９を実装後に加熱し第１及び第２の金属ブロック３，５とレンズキャップ１９を接着させる。
図１８は、比較例と実施の形態３に係る光半導体装置の周波数応答特性を比較した３次元電磁界シミュレーション結果を示す図である。実施の形態３では、比較例に比べて共振点が減少し、周波数応答特性の落ち込みが小さくなっていることが分かる。
以上説明したように、本実施の形態では、レンズキャップ１９と第１及び第２の金属ブロック３，５が接して、実施の形態２よりもグランドが強化される。このため、共振点が減少し、周波数応答特性が改善し、広帯域化が可能となる。よって、レンズキャップ１９の外形を大きくすることなく、良好な光波形を得ることができる。
実施の形態４．
図１９は、実施の形態４に係る光半導体装置を示す断面図である。レンズキャップ１９のレンズが平板ガラス２０である。このため、レンズと半導体光変調素子１３の位置関係がずれたとしても、焦点距離又は結合効率などの光学特性に影響がないため、レンズキャップ１９の構造ばらつきと実装精度を緩和することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
図１９は、実施の形態４に係る光半導体装置を示す断面図である。レンズキャップ１９のレンズが平板ガラス２０である。このため、レンズと半導体光変調素子１３の位置関係がずれたとしても、焦点距離又は結合効率などの光学特性に影響がないため、レンズキャップ１９の構造ばらつきと実装精度を緩和することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
また、実施の形態２，３に平板ガラス２０を適用することもできる。この場合、第１及び第２の金属ブロック３，５の少なくとも一方とレンズキャップ１９が接しているが、光軸ずれの影響を無視することができる。また、戻り光又はエタロン効果の防止のために、平板ガラス２０の厚みにチルトをつけるか又は角度をつけてレンズキャップ１９に接合してもよい。
１ 金属ステム、２ リードピン、３ 第１の金属ブロック、４ 温度制御モジュール、５ 第２の金属ブロック、６ 第１の誘電体基板、７ 第２の誘電体基板、８ 第１の信号線路、１０ 第２の信号線路、１３ 半導体光変調素子、１４ 接続部材、１５ ボンディングワイヤ、１６ ボンディングワイヤ、１９ レンズキャップ、２０ 平板ガラス
Claims (6)
- 金属ステムと、
前記金属ステムを貫通するリードピンと、
前記金属ステムの上面に実装された第１の金属ブロックと、
前記第１の金属ブロックの側面に実装された第１の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板に形成された第１の信号線路と、
前記金属ステムの前記上面に実装された温度制御モジュールと、
前記温度制御モジュールの上に実装された第２の金属ブロックと、
前記第２の金属ブロックの側面に実装された第２の誘電体基板と、
前記第２の誘電体基板に形成された第２の信号線路と、
前記第２の誘電体基板に実装された半導体光変調素子と、
前記リードピンと前記第１の信号線路の一端を接続する接続部材と、
前記第１の信号線路の他端と前記第２の信号線路の一端とを接続する第１のボンディングワイヤと、
前記第２の信号線路の他端と前記半導体光変調素子とを接続する第２のボンディングワイヤと、
前記金属ステムの前記上面に接合され、前記金属ステムに電気的に接続され、前記第１及び第２の金属ブロック、前記第１及び第２の誘電体基板、前記温度制御モジュール、前記第１及び第２の信号線路、前記半導体光変調素子、前記接続部材、及び前記第１及び第２のボンディングワイヤを気密封止するレンズキャップとを備え、
前記第１の金属ブロックと前記レンズキャップの内壁との最小距離が０．３７ｍｍより小さく、
前記第２の金属ブロックと前記レンズキャップの前記内壁との最小距離が１．３６ｍｍより小さいことを特徴とする光半導体装置。 - 前記レンズキャップの前記内壁の一部が前記第１の金属ブロックに向かって突出していることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
- 前記レンズキャップの前記内壁の一部が前記第１及び第２の金属ブロックに向かって突出していることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
- 前記第１の金属ブロックは前記レンズキャップの前記内壁に接することを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光半導体装置。
- 前記第１及び第２の金属ブロックは前記レンズキャップの前記内壁に接することを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光半導体装置。
- 前記レンズキャップのレンズが平板ガラスであることを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の光半導体装置。
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