JPWO2021014568A1 - To−can型光送信モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
しかるに、半導体発光素子からの光路を変更するためにプリズムを必要とし、組み立てが複雑になるという問題点を有する。
実施の形態1.
この発明の形態1に係る光通信用のTO−CAN型光送信モジュールを図1から図3に基づいて説明する。TO−CAN型光送信モジュールはTO−CANパッケージに光通信用の半導体発光素子である半導体レーザ(LD:Laser Diode)及び半導体受光素子であるフォトダイオード(PD: Photo Diode)が搭載された構成である。
また、TO−CAN型光送信モジュールの通信速度は1波長チャネルあたり1Gbit/s〜200Gbit/sであり、NRZ(Non-Return to Zero)方式又はPAM(Pulse Amplitude Modulation)方式といった光強度変調方式により変調されたレーザ光を出力する。
ステム1は内平面1aと外平面1bとの間を貫通する第1の貫通孔1cから第3の貫通孔1eが形成される。第1の貫通孔1cから第3の貫通孔1eは正方形の3つの角の位置に形成される。
第3の貫通孔1eは半導体発光素子3のレーザ光の光路線に沿い、ステム1の内平面1aの中心を通る線上にあり、第1の貫通孔1c及び第2の貫通孔1dは半導体発光素子3のレーザ光の光路線と直交し、ステム1の内平面1aの中心を通る線上に互いに対向した位置にある。
半導体発光素子3が搭載、つまり、半導体発光素子3が装着された発光素子用サブマウント2が、発光素子載置部1fに載置固定される。
また、傾斜面1gにおける中心位置からステム1の内平面1aまでの高さhは、発光素子用サブマウント2の厚さtと同じである。
要するに、発光素子載置部1fとして、内平面1aから延在した、内平面1aの平行面Hに対する内角の角度θ1で傾斜した傾斜面を有するものであれば良い。
ステム1に掘り込みにより設けられる発光素子載置部1fは、ステム1を製造する際に一般的に用いられる既存の量産設備を用いて形成できる。
なお、発光素子用サブマウント2には、電気的接続をとりやすくする、もしくはインピーダンス調整のために、基体2aの側面に電極パタンが形成されても良い。
第2の電極接続領域2cと半導体発光素子3における他方の電極が、図2に示すように、ワイヤボンディングによる金線などのワイヤ4により電気的に接続される。ワイヤ4は図では1本を示しているが、インダクタンスを低減する目的で複数本のワイヤを並列接続したものでも良い。
半導体発光素子3は、図4に示すように、半導体発光素子部3aと、半導体発光素子部3aから出射されたレーザ光を、ステム1の中心軸Z(図1参照)に光路を変更するミラー部3bを有する。半導体発光素子3は半導体発光素子部3aにミラー部3bを集積形成した、例えば、インジウム・リン(InP)又はインジウム・ガリウム・ヒ素・リン(InGaAsP)系の化合物半導体を基板として用いて造られるチップである。
半導体発光素子部3aは、出射面3a1から水平方向にレーザ光を出射し、背面3a2から出射される背面光により、出射面3a1から出射されるレーザ光がモニタされる。
一方、半導体発光素子部3aの背面3a2からのレーザ光が図4図示矢印Aに示す方向とは反対のC方向に出射される。
すなわち、ミラー部3bはステム1の発光素子載置部1fの傾斜面1gに対する内角の角度θ2で傾斜したミラー面3b1を有する。
半導体発光素子部3aの出射面3a1から、ステム1の内平面1aに対して角度θ1傾斜した発光素子載置部1fの傾斜面1gに沿った方向、つまり、A方向に出射されたレーザ光は、ステム1の内平面1aに対して角度θ1傾斜した発光素子載置部1fの傾斜面1gに角度θ2傾斜したミラー面3b1により、B方向、つまり、ステム1の中心軸Zに光路変更されたレーザ光が半導体発光素子3から出射される。
この実施の形態1に係るTO−CAN型光送信モジュールでは、好ましい傾斜角度として、角度θ1を20°、角度θ2を55°としたが、θ1=2×θ2−90の関係を満たせば良い。
また、この実施の形態1に係るTO−CAN型光送信モジュールでは、角度θ2が45°以上90°未満を前提としているが、角度θ2が45°未満であっても良い。この場合、発光素子載置部1fの傾斜面1gの傾斜方向がステム1の内平面1aに対して図4に示した傾斜方向と逆になる。
ミラー部3bのミラー面3b1は、反射率を高めるために、化合物半導体による基板の表面に、金属膜もしくはシリコン(Si)と酸化シリコン(SiO2)などの誘電体の薄膜を交互に積層した多層誘電膜を設けてある。
主信号用リードピン5(第1の信号用リードピン)、主信号用リードピン6(第2の信号用リードピン)、及びモニタ用リードピン7はそれぞれ、ステム1の第1の貫通孔1cから第3の貫通孔1eのそれぞれを貫通し、リードピンと貫通孔との間に充填して固化させた封止ガラス8によりステム1に固定される。封止ガラス8は、主信号用リードピン5、主信号用リードピン6、及びモニタ用リードピン7とステム1を電気的に絶縁するとともに、気密性を維持する。
なお、この実施の形態1に係るTO−CAN型光送信モジュールは、サーミスタなどの温度センサを実装していないが、温度センサを実装するタイプでは、ステム1と電気的に絶縁され、気密性を持たせてステム1を貫通したセンサ用リードピンが設けられる。
なお、主信号用リードピン5と発光素子用サブマウント2の第1の電極接続領域2bの接続をワイヤ9により、主信号用リードピン6と発光素子用サブマウント2の第2の電極接続領域2cの接続をワイヤ10により行なっているが、ワイヤ9及びワイヤ10に代えて、発光素子用サブマウント2とは別に構成された、リードピンと電極接続領域を接続する高周波線路が形成された中継用基板を用いても良い。
同軸線路の特性インピーダンスは、誘電体の比誘電率をεr、内部導体の外径をd、外部導体の内径をDとすると、簡易には次式(1)で求められる。
(138/√εr)・LOG10(D/d) (1)
但し、封止ガラス8は比誘電率εrが6.5のガラス材料を用い、主信号用リードピン5、主信号用リードピン6、及びモニタ用リードピン7それぞれにおける同軸線路の特性インピーダンスを25Ωとした。
グランド用リードピン11の固定位置は、モニタ用リードピン7と対向する四角形の角の位置である。
なお、グランド用リードピン11を設けず、直接ステム1を接地電位にするものでも良い。
支持ブロック12は、背面レーザ光が出射される半導体発光素子部3aの背面3a2と対向し、ステム1の内平面1aに対して垂直な平面である素子固定面12aを有する。支持ブロック12における素子固定面12aに対向する面12bは、ステム1の外形に沿った円弧をなし、熱容量を大きくしている。
受光素子13は垂直入射型のフォトダイオードのチップであり、表面に一方の電極となるアノード電極を、裏面に他方の電極となるカソード電極を有する。
受光素子13の裏面はモニタ用サブマウント14の表面における電極接続領域14bに、ハンダ付けあるいは導電性接着剤によりダイボンディングされ、電気的及び機械的に接続される。
受光素子13の表面におけるアノード電極は、図2及び図3に示すように、ワイヤボンディングによる金線などのワイヤ15によりステム1の内平面1aと電気的に接続される。
その結果、受光素子13のアノード電極はステム1を介して接地電位にされる。
なお、ワイヤ15は図では1本を示しているが、インダクタンスを低減する目的で複数本のワイヤを並列接続したものでも良い。
モニタ用サブマウント14は支持ブロック12における素子固定面12a上に、ハンダ付けあるいは導電性接着剤によりダイボンディング実装される。
受光素子13の受光面13aが、半導体発光素子部3aの背面3a2から直進した背面レーザ光が受光できる位置に受光素子13が配置される。すなわち、受光素子13の受光面13aは、半導体発光素子部3aからの背面レーザ光の光軸上にある。
また、半導体発光素子部3aからの背面レーザ光が入射された受光素子13において光結合せず、受光面13aによって反射された反射レーザ光は、背面レーザ光に対して2×θ1の角度方向、図5に示したD方向へ反射される。この実施の形態1に係るTO−CAN型光送信モジュールでは、受光面13aから反射された反射レーザ光の背面レーザ光に対する反射角度は40°(=2×20°)である。
したがって、受光素子13の受光面13aからの反射レーザ光は、半導体発光素子部3aに入射されることはない。
モニタ用サブマウント14の裏面の接着領域は支持ブロック12の素子固定面12aにはんだもしくは導電性接着剤等によりダイボンディングされ、機械的に固定される。
その結果、受光素子13におけるカソード電極は、図2及び図3に示すように、モニタ用サブマウント14における電極接続領域14b及びワイヤ16を介してモニタ用リードピン7に電気的に接続される。モニタ用リードピン7が受光素子13のカソード端子となる。
なお、ワイヤ16は図では1本を示しているが、インダクタンスを低減する目的で複数本のワイヤを並列接続したものでも良い。
キャップ17の側壁部17bの端面が、ステム1の内平面1aの周端部に接して電気溶接により接合、固着される。ステム1とキャップ17により囲われた内部は、不活性ガスが充填されるもしくは真空状態とされ、半導体発光素子3を外気から遮断して気密封止される。
ステム1とキャップ17によりTO−CAN型パッケージを構成する。
なお、光結合手段18は球状レンズでなくても良く、要は半導体発光素子3からのレーザ光の光出力をTO−CAN型光送信モジュールの外部で光結合できれば良い。したがって、非球面レンズ又はその他の形状、もしくはガラス板からなる透明窓でもよい。つまり、光結合手段18は半導体発光素子3からのレーザ光をキャップ17の外部にて光結合させるものであれば良い。
また、TO−CAN型パッケージの内部、つまり、ステム1とキャップ17により囲われた内部は、半導体発光素子3及び受光素子13の保護のために気密封止されていることが望ましいが、必ずしも気密性が確保されておらずとも良い。
半導体発光素子3への信号の流れは次のようになる。
すなわち、主信号用リードピン5に入力される信号は、主信号用リードピン5−ワイヤ9−発光素子用サブマウント2の第1の電極接続領域2b−半導体発光素子3の一方の電極−半導体発光素子3の他方の電極−ワイヤ4−発光素子用サブマウント2の第2の電極接続領域2c−ワイヤ10−主信号用リードピン6に流れる。
一方、主信号用リードピン6に入力される信号は、主信号用リードピン5に入力される信号の流れと逆に、主信号用リードピン6から主信号用リードピン5への経路となる。
その結果、ワイヤ4、ワイヤ9、及びワイヤ10と接地されるステムとの距離を短くでき、ワイヤ4、ワイヤ9、及びワイヤ10の長さも短くできる。
しかも、ステム1に傾斜面1gを有する発光素子載置部1fを形成するという簡単な構成により、達成できる。
まず、第1に、半導体発光素子部3aからのレーザ光の光路を変更するミラー面3b1を有する端面発光型の半導体発光素子3を、ステム1に形成されたステム1の内平面1aに対して傾斜角度θ1を持って傾斜された傾斜面1gを有する発光素子載置部1fの傾斜面1gに実装した。
これにより、半導体発光素子部3aとミラー面3b1を有するミラー部3bを基板に集積化した半導体チップとして作製できる。
さらに、ミラー面3b1の形成を、特殊な傾斜基板を用いたり大掛かりな半導体プロセスを用いたりすることなく、通常の半導体プロセスにより容易に傾斜角度θ2のミラー面3b1を形成できる。
すなわち、プリズム等の光路変換部材を追加することなく、またモジュール組立時の部品ハンドリングおよび位置調整の工程の追加を必要としない。
これにより、信号用リードピンとの電気的接続を司るワイヤ9、ワイヤ4及びワイヤ10は、接地電位とされるステム1の近傍に配線でき、ワイヤ9、ワイヤ4及びワイヤ10それぞれによる伝送路におけるインピーダンスを低減できる。すなわち、配線長そのものを短くできるとともに、ワイヤ9、ワイヤ4及びワイヤ10それぞれによるインピーダンス不整合の低減が図れ、高速電気信号の劣化を抑制できる。
受光素子13は、ステム1の内平面1aに、内平面1aに対して垂直を成すように立設された支持ブロック12の、ステム1の内平面1aに対して垂直な平面である素子固定面12aに実装される。
これにより、受光素子13の実装も容易に行うことができ、半導体発光素子3の駆動時の光パワーのモニタリングが可能となる。
しかも、受光素子13の受光面13aに入射される半導体発光素子3の背面3a2からの背面レーザ光の入射角度θ1はステム1の発光素子載置部1fの傾斜面1gの傾斜角度θ1と同じである。その結果、受光素子13の受光面13aからの反射レーザ光は、半導体発光素子部3aに入射されることはなく、半導体発光素子部3aの特性劣化を抑制できる。
この発明の実施の形態2に係るTO−CAN型光送信モジュールを図6に基づいて説明する。
この発明の実施の形態2に係るTO−CAN型光送信モジュールは、この発明の実施の形態1に係るTO−CAN型光送信モジュールが、半導体発光素子3として、ミラー部3bのミラー面3b1を、半導体発光素子部3aの出射面3a1と対向配置されるミラー部3bの表面に形成しているのに対して、ミラー部3bのミラー面3b1を、半導体発光素子部3aの出射面3a1と対向配置されるミラー部3bの裏面に形成し、半導体発光素子3を構成するための基板の表裏が入れ替わっている点が相違するだけであり、その他の点については全く同じである。
したがって、以下に、相違点を中心に説明する。
なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
半導体発光素子3は半導体発光素子部3aにミラー部3bを集積形成した、例えば、インジウム・リン又はインジウム・ガリウム・ヒ素・リン系の化合物半導体を基板として用いて造られるチップである。
発光素子用サブマウント2の第1の電極接続領域及び第2の電極接続領域は、半導体発光素子部3aの表面に形成された一方の電極及び他方の電極に合わせて、基体2aの表面に蒸着などによりパタン形成される。
したがって、半導体発光素子部3aの一方の電極及び他方の電極と発光素子用サブマウント2の第1の電極接続領域及び第2の電極接続領域とは、位置合わせが行なわれて、はんだもしくは導電性接着剤等によりダイボンディングにより電気的に接続され、機械的に固定される
その結果、半導体発光素子部3aの一方の電極及び他方の電極と発光素子用サブマウント2の第1の電極接続領域及び第2の電極接続領域との電気的接続によるインピーダンス不整合を緩和、ひいては高周波特性の改善ができる。
この発明の実施の形態3に係るTO−CAN型光送信モジュールを説明する。
この発明の実施の形態3に係るTO−CAN型光送信モジュールは、この発明の実施の形態1及び実施の形態2に係るTO−CAN型光送信モジュールが、半導体発光素子3として、分布帰還型レーザダイオード素子又はファブリペロー型レーザダイオード素子などの水平共振器を有する水平共振器型レーザダイオード素子である端面発光型のレーザダイオード素子を用いているのに対して、端面発光型のレーザダイオード素子に加えてさらに電界吸収型(EA: Electro-Absorption) 変調器を集積化した外部変調光源である点が相違するだけであり、その他の点については同じである。
したがって、以下に、相違点を中心に、図1から図6を参照して説明する。
したがって、半導体発光素子3の一方の電極は半導体発光素子部3aの光出力を得るための直流バイアス用の電極であり、半導体発光素子3の他方の電極はEA変調部の単相(Single-Ended)駆動の高速信号用の電極である。
また、発光素子用サブマウント2には、インピーダンス整合のための終端抵抗がパターニングもしくは終端抵抗チップとして実装される。
この発明の実施の形態4に係るTO−CAN型光送信モジュールを説明する。
この発明の実施の形態4に係るTO−CAN型光送信モジュールは、この発明の実施の形態1から実施の形態3に係るTO−CAN型光送信モジュールに対して、半導体発光素子3を冷却するためのペルチェ素子などの熱電クーラー(TEC:Thermoelectric Cooler)及びサーミスタ素子などの温度センサを内蔵させた点が相違するだけであり、その他の点については同じである。
したがって、以下に、相違点を中心に、図1から図6を参照して説明する。
クーラー用リードピンは、ステム1の第4の貫通孔を貫通し、ステム1の内平面1aから露出したインナーリード部を有し、封止ガラスによりステム1に固定される。
センサ用リードピンは、ステム1の第5の貫通孔を貫通し、ステム1の内平面1aから露出したインナーリード部を有し、封止ガラスによりステム1に固定される。
熱電クーラーは、半導体発光素子3を発光素子用サブマウント2を介して冷却する。
熱電クーラーの天面に2つの電極を有する。熱電クーラーの一方の電極はワイヤボンディングによるワイヤによりクーラー用リードピンのインナーリード部の端面に電気的に接続され、他方の電極はワイヤボンディングによるワイヤによりステム1の内平面1aに電気的に接続される。
Claims (13)
- 内平面と、外平面と、前記内平面と前記外平面との間を貫通した第1の貫通孔及び第2の貫通孔と、前記内平面に形成され、前記内平面に平行な平行面に対する内角の角度θ1で傾斜された傾斜面を有する発光素子載置部を具備するステムと、
前記第1の貫通孔を貫通し、前記ステムの内平面から露出したインナーリード部を有する第1の信号用リードピンと、
前記第2の貫通孔を貫通し、前記ステムの内平面から露出したインナーリード部を有する第2の信号用リードピンと、
前記ステムの発光素子載置部の傾斜面に実装され、レーザ光を、前記ステムの傾斜面と平行に出射する出射面を有し、一方の電極が前記第1の信号用リードピンに電気的に接続され、他方の電極が前記第2の信号用リードピンに電気的に接続される半導体発光素子部と、この半導体発光素子部の出射面と対向して配置され、前記半導体発光素子部の出射面から出射されたレーザ光の光路を前記ステムの内平面の鉛直方向に変更するミラー面を有するミラー部を具備し、前記ミラー部のミラー面が前記ステムの発光素子載置部の傾斜面に対する内角の角度θ2で傾斜した半導体発光素子と、
有底部と側壁部を有し、前記ステムの内平面側を覆い、前記ステムの内平面の周端部に前記側壁部の開口端面が接して固定された、一端開放の筒状のキャップと、
このキャップの有底部に搭載され、前記半導体発光素子からのレーザ光の光出力を前記キャップの外部にて光結合させる光結合手段と、
を備えたTO−CAN型光送信モジュール。 - 前記角度θ1と前記角度θ2との関係がθ1=2×θ2−90°を満たす請求項1に記載のTO−CAN型光送信モジュール。
- 前記角度θ1は20°であり、前記角度θ2は55°である請求項1に記載のTO−CAN型光送信モジュール。
- 前記半導体発光素子の半導体発光素子部は端面発光型のレーザダイオード素子である請求項1から請求項3のいずれかに記載のTO−CAN型光送信モジュール。
- 前記半導体発光素子は、前記半導体発光素子部から出射されたレーザ光に光変調をかけて前記ミラー部のミラー面に対して光変調されたレーザ光を出射するEA変調部を有し、前記EA変調部が前記半導体発光素子部及び前記ミラー部と集積化された請求項4に記載のTO−CAN型光送信モジュール。
- 前記半導体発光素子の一方の電極は裏面に形成され、他方の電極は表面に形成され、
前記半導体発光素子と前記ステムの発光素子載置部の傾斜面の間に発光素子用サブマウントが介在し、
前記発光素子用サブマウントは、誘電体からなる基体と、当該基体の表面に形成された第1の電極接続領域と第2の電極接続領域を有し、
前記半導体発光素子の一方の電極と前記第1の信号用リードピンの電気的接続は、前記半導体発光素子の一方の電極が前記発光素子用サブマウントの第1の電極接続領域に直接電気的に接続され、前記発光素子用サブマウントの第1の電極接続領域が前記第1の信号用リードピンのインナーリード部にワイヤにより電気的に接続されることにより行なわれ、
前記半導体発光素子の他方の電極と前記第2の信号用リードピンの電気的接続は、前記半導体発光素子の他方の電極が前記発光素子用サブマウントの第2の電極接続領域にワイヤにより電気的に接続され、前記発光素子用サブマウントの第2の電極接続領域が前記第2の信号用リードピンのインナーリード部にワイヤにより電気的に接続されることにより行なわれる請求項1から請求項5のいずれかに記載のTO−CAN型光送信モジュール。 - 前記半導体発光素子の一方の電極及び他方の電極は同一面に形成され、
前記半導体発光素子と前記ステムの発光素子載置部の傾斜面の間に発光素子用サブマウントが介在し、
前記発光素子用サブマウントは、誘電体からなる基体と、当該基体の表面に形成された第1の電極接続領域と第2の電極接続領域を有し、
前記半導体発光素子の一方の電極と前記第1の信号用リードピンの電気的接続は、前記半導体発光素子の一方の電極が前記発光素子用サブマウントの第1の電極接続領域に直接電気的に接続され、前記発光素子用サブマウントの第1の電極接続領域が前記第1の信号用リードピンのインナーリード部にワイヤにより電気的に接続されることにより行なわれ、
前記半導体発光素子の他方の電極と前記第2の信号用リードピンの電気的接続は、前記半導体発光素子の他方の電極が前記発光素子用サブマウントの第2の電極接続領域に直接電気的に接続され、前記発光素子用サブマウントの第2の電極接続領域が前記第2の信号用リードピンのインナーリード部にワイヤにより電気的に接続されることにより行なわれる請求項1から請求項5のいずれかに記載のTO−CAN型光送信モジュール。 - 前記ステムの発光素子載置部の傾斜面の中心位置が前記ステムの内平面より低い請求項1から請求項7のいずれかに記載のTO−CAN型光送信モジュール。
- 前記ステムの発光素子載置部は前記ステムの内平面の中央に掘り込まれて形成され、前記ステムの発光素子載置部の傾斜面の中心位置から前記ステムの内平面までの高さが前記発光素子用サブマウントの厚さと同じである請求項6又は請求項7に記載のTO−CAN型光送信モジュール。
- 前記ステムの発光素子載置部は前記ステムの内平面の中央に形成され、前記ステムの発光素子載置部の傾斜面の中心位置から前記ステムの内平面までの高さは、前記発光素子用サブマウントの全体積が前記ステムの内平面以下に収まる高さ以上内平面以下である請求項6又は請求項7に記載のTO−CAN型光送信モジュール。
- 前記ステムは、前記ステムの内平面と外平面との間を貫通した第3の貫通孔を具備し、
前記第3の貫通孔を貫通し、前記ステムの内平面から露出したインナーリード部を有するモニタ用リードピンと、
前記ステムの内平面に、当該内平面に対して垂直を成すように立設され、前記半導体発光素子の半導体発光素子部に対向し、前記ステムの内平面に対して垂直な素子固定面を有する支持ブロックと、
前記支持ブロックの素子固定面に実装され、前記半導体発光素子の半導体発光素子部から出射される背面レーザ光の光軸上に受光面を有し、一方の電極が前記ステムに電気的に接続され、他方の電極が前記モニタ用リードピンに電気的に接続される受光素子を備えた請求項1から請求項10のいずれかに記載のTO−CAN型光送信モジュール。 - 前記受光素子は、表面に一方の電極となるアノード電極を有し、裏面に他方の電極となるカソード電極を有し、
前記受光素子と前記支持ブロックの素子固定面の間にモニタ用サブマウントが介在し、前記モニタ用サブマウントは、誘電体からなる基体と、当該基体の表面に形成された電極接続領域を有し、
前記受光素子の一方の電極と前記ステムの電気的接続は、前記ステムの内平面にワイヤにより電気的に接続されることにより行なわれ、
前記受光素子の他方の電極と前記モニタ用リードピンの電気的接続は、前記受光素子の裏面が前記モニタ用サブマウントの電極接続領域にダイボンディグされ、前記モニタ用サブマウントの電極接続領域が前記モニタ用リードピンのインナーリード部にワイヤにより電気的に接続されることにより行なわれる請求項11に記載のTO−CAN型光送信モジュール。 - 前記ステムは、前記ステムの内平面と外平面との間を貫通した第4の貫通孔を具備し、
前記第4の貫通孔を貫通し、前記ステムの内平面から露出したインナーリード部を有するクーラー用リードピンと、
前記ステムの発光素子載置部の底面と発光素子用サブマウントの間に介在し、ステムと発光素子用サブマウントと電気的に絶縁された状態で固着され、一方の電極が前記クーラー用リードピンのインナーリード部にワイヤにより電気的接続される請求項6、請求項7、請求項9又は請求項10のいずれかに記載のTO−CAN型光送信モジュール。
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