CN111712975A

CN111712975A - 光模块

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Publication number: CN111712975A
Application number: CN201880088591.9A
Authority: CN
Inventors: 白崎昭生; 大谷龙辉; 冈田规男
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-02-09
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2038-02-09
Also published as: JP6602479B1; JPWO2019155602A1; US20210184424A1; CN111712975B; TW201935789A; US11862930B2; TWI771405B; WO2019155602A1

Abstract

特征在于，具有：管座，其具有第1面和与该第1面相反侧的第2面；热电冷却器，其具有固定于该第1面的散热基板；半导体激光元件，其安装于该热电冷却器；盖，其固定于该第1面，以将该热电冷却器和该半导体激光元件覆盖的方式设置；透镜，其固定于该盖；以及约束体，其固定于该第2面，该散热基板和该约束体的线热膨胀系数小于该管座的线热膨胀系数。

Description

光模块

技术领域

本发明涉及一种光模块。

背景技术

近年来，适配于10Gbit/s的传输速度、40～80km的传输距离的光模块不断普及，对其低成本化的要求正在提高。在这样的光模块搭载有半导体激光器以及珀耳帖元件，该半导体激光器集成了电场吸收型调制器，能够发送高品质的光信号，该珀耳帖元件将半导体激光器的温度控制为恒定而使特性稳定化。作为光模块的封装体，以往使用了陶瓷的箱型封装体，但最近正在使用更廉价的TO-CAN(Transistor outlined CAN)型封装体。

TO-CAN型封装体是通过将安装了透镜的圆筒形的盖电阻熔接于管座而对半导体激光元件进行气密封装的封装体。半导体激光元件的前表面光经由透镜聚光于光纤的端面。由此，半导体激光元件的前表面光与光纤的波导耦合，发送光信号。

半导体激光元件的特性根据温度而敏感地变化。为了稳定地发送高品质的光信号，将半导体激光元件的温度通过TEC(Thermoelectric Cooler)控制为恒定。TEC是在珀耳帖元件的两端安装了导热性良好的吸热基板和散热基板的热电模块。在吸热基板侧连接半导体激光元件，在散热基板侧连接管座。管座的侧面与光收发器框体相接，通过TEC的工作而产生的热向光收发器框体散热。

例如，管座的材料使用冷轧钢，TEC的散热基板以及吸热基板的材料使用AlN或者氧化铝等陶瓷。由于散热基板的线热膨胀系数小于管座，因此管座的与TEC相接的面的热变形受到约束，热膨胀变小，但与管座的和TEC相接的面相对的面的热变形不受约束，热膨胀变大。由此，在管座产生翘曲，半导体激光元件的位置在朝向管座的方向上变动。另一方面，透镜的位置由于盖的热膨胀而在朝向光纤的方向上变动。因此，半导体激光元件与透镜之间的距离变动，从而半导体激光元件的前表面光的聚光点位置变动，向光纤的耦合效率也变动。将由这样的热变形所引起的向光纤的耦合效率的变动称为循轨误差。

因此，在专利文献1中，提出了在TEC之上的半导体激光元件与透镜之间还配置了其他透镜的TO-CAN型封装体。该TO-CAN型封装体通过使半导体激光元件的出射光成为准直光来减小循轨误差。另外，能够在TEC之上的半导体激光元件与透镜之间配置塑料板。

专利文献1：日本特开2011-108937号公报

发明内容

专利文献1所示的TO-CAN型封装体为了生成准直光而需要高精度地对透镜的位置进行固定，导致组装成本的增加。另外，在将塑料板收容于封装体内部的情况下，存在光轴方向的封装体长度容易变长的问题。

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种简单且低成本地减小了循轨误差的光模块。

本发明所涉及的光模块的特征在于，具有：管座，其具有第1面和与该第1面相反侧的第2面；热电冷却器，其具有固定于该第1面的散热基板；半导体激光元件，其安装于该热电冷却器；盖，其固定于该第1面，将该热电冷却器和该半导体激光元件覆盖；透镜，其固定于该盖；以及约束体，其固定于该第2面，该散热基板和该约束体的线热膨胀系数小于该管座的线热膨胀系数。

本发明所涉及的其他光模块的特征在于，具有：管座，其具有第1面、第2面、以及侧面，该第2面是与该第1面相反侧的面；热电冷却器，其具有固定于该第1面的散热基板；半导体激光元件，其安装于该热电冷却器；盖，其固定于该第1面，将该热电冷却器和该半导体激光元件覆盖；透镜，其固定于该盖；以及约束体，其固定于该侧面中的与该第1面相比靠近该第2面的位置，该散热基板和该约束体的线热膨胀系数小于该管座的线热膨胀系数。

本发明的其他特征在下面得以明确。

发明的效果

根据本发明，例如通过线热膨胀系数比管座小的热电冷却器和约束体对管座进行夹持，由此能够简单且低成本地减小循轨误差。

附图说明

图1是实施方式1所涉及的光模块的剖面图。

图2是高温时的光模块的剖面图。

图3是低温时的光模块的剖面图。

图4是实施方式2所涉及的光模块的剖面图。

图5是管座等的仰视图。

图6是实施方式3所涉及的光模块的剖面图。

图7是实施方式4所涉及的约束体等的俯视图。

图8是实施方式4所涉及的光模块的剖面图。

图9是高温时的光模块的剖面图。

图10是表示实施方式5所涉及的约束体等的图。

图11是实施方式6所涉及的光模块的剖面图。

图12是表示封装体周围温度与耦合效率之间的关系的图。

图13是低温时的光模块的剖面图。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式所涉及的光模块进行说明。对于相同或者对应的结构要素标注相同的标号或者相同的名称，有时省略重复的说明。

实施方式1.

图1是实施方式1所涉及的光模块10的剖面图。光模块10具有管座13，该管座13具有第1面13a和与第1面13a相反侧的第2面13b。在管座13的第1面13a设置有热电冷却器16。热电冷却器16是在帕尔帖元件16a的两侧安装有吸热基板16b和散热基板16c的TEC(Thermoelectric Cooler)。散热基板16c固定于第1面13a。固定的方法没有特别限定，例如是使用了AuSn、SnAgCu等的焊接。或者也可以是熔接。

半导体激光元件18通过散热块等安装于热电冷却器16。具体而言，半导体激光元件18通过散热块等安装于吸热基板16b。半导体激光元件18例如是激光二极管。半导体激光元件18接受由热电冷却器16进行的温度调整。

在第1面13a固定有盖20。盖20将热电冷却器16和半导体激光元件18覆盖。在盖20固定有透镜22。透镜22对半导体激光元件18的出射光进行聚光。通过将保持有透镜22的盖20例如电阻熔接于管座13的第1面13a，从而能够对半导体激光元件18进行气密封装。

在第2面13b固定有约束体30。固定的方法没有特别限定，例如是使用了AuSn、SnAgCu等的焊接。或者也可以是熔接。约束体30例如是板状的金属。约束体30和散热基板16c的线热膨胀系数小于管座13的线热膨胀系数。作为约束体30、散热基板16c以及管座13的材料，能够采用满足该线热膨胀系数关系的所有材料。优选约束体30的线热膨胀系数小于散热基板16c的线热膨胀系数。

通过设置将管座13贯穿的供电用引线管脚，能够向半导体激光元件18和热电冷却器16供电。由于通过热电冷却器16将半导体激光元件18的温度调整为恒定，因此半导体激光元件18输出的光信号保持高品质。

图2是表示高温时的光模块10的热变形的情形的图。图3是表示低温时的光模块10的热变形的情形的图。图2、3涉及散热基板16c的线热膨胀系数小于管座13的线热膨胀系数、约束体30的线膨胀系数小于散热基板16c的线热膨胀系数的光模块。在图2、3中，示出了与来自半导体激光元件18的激光耦合的光纤32。

如图2所示，就管座13的热膨胀而言，由约束体30和散热基板16c双方约束，约束体30对热膨胀进行约束的力大于散热基板16c。因此，第2面13b的热膨胀小于第1面13a的热膨胀，管座13向盖20侧翘曲成凸状。因此，半导体激光元件18的位置在朝向光纤32的方向上变动。另外，透镜22的位置也由于盖20的热膨胀而在朝向光纤32的方向上变动，因此，能够抑制由于热变形而引起的半导体激光元件18与透镜22之间的距离的变动。

对表示低温时的光模块10的热变形的图3进行说明。约束体30对管座13的热收缩进行约束的力比散热基板16c强，因此，管座13向约束体30侧翘曲成凸状。因此，半导体激光元件18的位置在朝向管座13的方向上变动。透镜22的位置也由于盖20的热收缩而在朝向管座13的方向上变动，因此，能够抑制由于热变形而引起的半导体激光元件18与透镜22之间的距离的变动。

就实施方式1所涉及的光模块10而言，通过在管座13的第1面13a安装散热基板16c、在第2面13b安装约束体30，从而能够抑制由于热变形而引起的半导体激光元件18与透镜22之间的距离的变动。由此，能够抑制聚光点的位置的变动，因此能够减小循轨误差。

实施方式1所涉及的光模块10能够在不失其特征的范围进行各种变形。约束体30和散热基板16c的线热膨胀系数需要小于管座13的线热膨胀系数。但是，约束体30和散热基板16c的线热膨胀系数也可以相等。或者，也可以使约束体30的线热膨胀系数大于散热基板16c的线热膨胀系数。在该情况下，与不设置约束体30的情况相比，也能够减小循轨误差。

管座13的材料例如能够是SPCC等冷轧钢。散热基板16c的材料例如能够是氮化铝即AlN或者氧化铝。约束体30的材料例如能够是氮化铝、氧化铝、科瓦铁镍钴合金(Kovar)或者因瓦合金(Invar)。这些材料能够使约束体30的线热膨胀系数小于或等于散热基板16c的线热膨胀系数，使管座13的线热膨胀系数大于约束体30以及散热基板16c的线热膨胀系数。另外，在选定了AlN或者氧化铝作为约束体30的材料的情况下，由于能够使约束体30的导热率高于管座13的导热率，因此能够防止因约束体30的安装而导致的产品的散热性恶化。此外，这些材料是例示。

下面的实施方式所涉及的光模块与实施方式1的类似点多，因此以与实施方式1的不同点为中心进行说明。

实施方式2.

图4是实施方式2所涉及的光模块的剖面图。在第2面13b形成有凹部13c。约束体30设置于凹部13c。例如通过熔接将约束体30固定于凹部13c。约束体30被收容于凹部13c而位于第1面13a与第2面13b之间。

在管座13的第2面13b固定有柔性基板40。柔性基板40具有高频线路，该柔性基板40将输入电信号向半导体激光元件18和热电冷却器16传送。管座13的侧面与光收发器的框体42相接。由此，由热电冷却器16的工作而产生的热向光收发器的框体42散热。

图5是实施方式2所涉及的光模块的管座13的仰视图。前述的凹部13c形成于管座13的中央。在管座13固定有用于向半导体激光元件18以及热电冷却器16供电的引线管脚44。引线管脚44避开凹部13c而将管座13贯穿。即，引线管脚44设置于与凹部13c不同的位置。优选约束体30的面积和厚度大于散热基板16c的面积和厚度。凹部13c的尺寸是以能够对具有上述的面积和厚度的约束体30进行收容的方式决定的。

而且，柔性基板40通过与引线管脚44电连接，能够将输入电信号向半导体激光元件18和热电冷却器16传送。

就图1所示的光模块而言，如果要设置柔性基板，则不得不在约束体30的下表面设置柔性基板，因此与在第2面13b直接固定柔性基板的情况相比，柔性基板与管座13的距离变大。因此，在图1的结构中，需要新的设计。

但是，就图4所示的光模块而言，由于在管座13的凹部13c设置约束体30，因此能够将柔性基板40与管座13之间的间隙设为与没有约束体30的现有产品等同。因此，能够以与现有产品同等的阻抗来设计从管座13至柔性基板40之间的高频线路，高频特性不会劣化。另外，能够使管座13的侧面与现有产品同样地与光收发器的框体42接触，能够通过与现有产品同样的方法向框体42散热。因此，不会因设置约束体30和柔性基板40而导致散热性的劣化。

散热基板16c与约束体30同样地，安装于管座13中的没有引线管脚44的部分。因此，约束体30的面积能够设计为与散热基板16c的面积相同的程度。另外，管座13的厚度例如是1.2～1.3mm左右，散热基板16c的厚度例如是0.2mm左右。在该情况下，容易将在凹部13c设置的约束体30的厚度设计成与散热基板16c的厚度等同或更大。在该例中，使凹部13c的深度大于或等于0.2mm，在该凹部13c设置大于或等于0.2mm的厚度的约束体30。

由此，能够使约束体30的面积以及厚度设为与散热基板16c的面积以及厚度等同或更大。如果约束体30的线热膨胀系数与散热基板16c的线热膨胀系数相同，则至少与不设置约束体的情况相比，能够抑制管座的翘曲。另外，如果约束体30的线热膨胀系数小于散热基板16c的线热膨胀系数，则能够如实施方式1所示那样使与热变形相伴的半导体激光元件18和透镜22的位置变动方向一致。

如上所述，实施方式2所涉及的光模块通过在管座13设置凹部13c，在其中埋入约束体30，从而能够维持与现有产品同等的高频特性和散热性并且减小循轨误差。

实施方式3.

图6是实施方式3所涉及的光模块的剖面图。该光模块具有将管座13贯穿的引线管脚44。并且，在约束体30形成有供引线管脚44穿过的贯穿孔30a。由此，能够增大约束体30的面积，增大约束体30与管座13的接触面积。例如，能够使约束体30与第2面13b的接触面积大于散热基板16c与第1面13a的接触面积。如果约束体30与管座13的接触面积大，则能够增大约束体30对管座13的热变形进行约束的力。因此，在实施方式3所涉及的光模块的管座13，在高温时或者低温时，产生比实施方式1、2的管座大的翘曲，与热变更相伴的半导体激光元件18的位置变动量变大。

例如，通过将管座13的材料设为冷轧钢、将盖20的材料设为不锈钢，能够将两者的线热膨胀系数的差减小至12ppm左右。另外，如果将光轴方向的盖20的长度设为例如5～6mm、将管座13的光轴方向的长度设为1.2～1.3mm，则盖20的光轴方向长度长于管座13的光轴方向长度，因此盖20的热膨胀量大于管座13。在该情况下，与热变形相伴的透镜22的位置变动量大于相同条件下的半导体激光元件18的位置变动量。

如上所述，通过在管座13安装约束体30，能够使半导体激光元件18与透镜22的位置变动方向一致。但是，与半导体激光元件18相比，透镜22的位置变动量大。在实施方式3中，通过增大约束体30的面积，能够增大半导体激光元件18的位置变动量，因此能够减小半导体激光元件18与透镜22的相对位置变动量。因此，能够进一步减小循轨误差。

实施方式4.

图7是实施方式4所涉及的光模块的管座等的俯视图。约束体50固定于管座13的侧面13d。约束体50在俯视时为环状。图8是实施方式4所涉及的光模块的剖面图。点划线是管座13的中央线。该中央线位于第1面13a与第2面13b的中间。约束体50固定于侧面13d中的与第1面13a相比靠近第2面13b的位置。换言之，约束体50以将管座13的侧面13d中的引线管脚输出侧覆盖的方式安装，而不安装于热电冷却器16侧。即，在与点划线相比靠第2面13b侧设置约束体50。散热基板16c和约束体50的线热膨胀系数小于管座13的线热膨胀系数。

在高温或者低温时，约束体50对管座13的引线管脚输出侧的热伸缩进行约束，由此能够使管座13产生与实施方式1相同方向的翘曲。因此，循轨误差减小。图9是高温时的实施方式4的光模块的剖面图。在图9中示出了管座13在第1面13a侧大幅膨胀，但在第2面13b侧膨胀被约束体50限制的情况。在如上所示地抑制循轨误差的效果的基础上，实施方式4的光模块不需要在管座13设置凹部等特殊加工，因此，能够避免管座13的成本上升。

图8的约束体50只要固定于侧面13d中的与中间位置相比靠第2面侧处，则能够进行各种变形，其中，该中间位置是从第1面13a算起的距离与从第2面13b算起的距离相等的位置。例如，也可以使约束体与管座的接触面积小于图8的情况。

实施方式5.

图10是表示实施方式5所涉及的约束体等的图。约束体52具有拱形形状，设置于管座13的侧面13d。该约束体52也如实施方式4中所说明的那样，固定于侧面13d中的与第1面13a相比靠近第2面13b的位置。如图10所示，约束体52在俯视时不是将管座13的整个侧面覆盖，而是在俯视时将管座13的侧面13d的一部分覆盖。侧面13d中的未被约束体52覆盖的部分与光收发器的框体42热接触。由此，能够安装约束体52并且确保从光模块向框体42的良好的散热。

实施方式6.

图11是实施方式6所涉及的光模块的剖面图。关于作为产品的光模块，工作温度范围是已确定的。例如，如果是在-5℃～80℃下工作的产品，则中心温度是37.5℃。如果是在-40～95℃下工作的产品，则中心温度是27.5℃。例如，使产品的工作温度范围的中心温度与产品的周围温度即室温一致。

在图11示出了在盖20的外侧与透镜22相对而设置的光纤32。通常，以在工作温度范围的中心温度下得到耦合效率的峰值的方式设置光纤。与此相对，实施方式6的光纤32设置于在比工作温度的中心温度低的温度下得到耦合效率的峰值的位置。具体而言，光纤32是向远离光模块的方向散焦而固定的。

图12是表示封装体周围温度与耦合效率之间的关系的图。将设想的工作温度范围的最低温度设为T1，最高温度设为T2。工作温度范围的中心温度是Tc。Tc例如是25℃左右的室温。在实线所示的“无散焦”的情况下，以在工作温度的中心即Tc下得到耦合效率的峰值的方式设置光纤。

在管座13与约束体30之间的接合强度弱等情况下，如果在低温时管座13热收缩，则约束体50对管座13的热变形进行约束的力变弱。因此，在低温侧，循轨误差的减小效果变小，相对于周围温度的变化的耦合效率变化变大。因此，在低温侧耦合效率的降幅大。其结果，在图12的“无散焦”的情况下，虽然在中心温度Tc下得到高的耦合效率，但如果温度低于Tc，则耦合效率急剧降低。

在图12中虚线所示的“有散焦”表示使光纤32向远离透镜22的方向散焦而固定的情况下的温度与耦合效率之间的关系。在有散焦的情况下，将光纤32设置于在比工作温度的中心温度Tc低的温度下得到耦合效率的峰值的位置。图13是在“有散焦”的情况下，周围温度低于Tc时的光模块的剖面图。在该情况下，由于盖20热收缩，因此透镜22的位置向管座13的方向变动。与此相伴，半导体激光元件18的出射光的聚光点的位置在朝向光纤32的方向上变动。由于光纤32进行了散焦，因此在低温侧耦合效率上升。而且，耦合效率的峰值是在低于Tc的温度下得到的。

实施方式6的光模块是考虑到在管座13与约束体30之间的接合强度弱等情况下在低温侧耦合效率急剧下降这一状况，使耦合效率的峰值向低温侧偏移。由此，能够减小在整个工作温度范围产生的耦合效率变化。即，能够减小循轨误差。

不仅在管座13与约束体30的接合强度弱的情况下，在约束体的材料的特性上对管座的热变形进行约束的力弱等情况下，在低温侧耦合效率也急剧降低，因此如上所述地调整光纤的光轴方向的位置是有效的。

此外，也可以适当地对上述各实施方式所涉及的光模块的特征进行组合，来提高本发明的效果。

标号的说明

10光模块，13管座，16热电冷却器，18半导体激光元件，20盖，22透镜。

Claims

1.一种光模块，其特征在于，具有：

管座，其具有第1面和与所述第1面相反侧的第2面；

热电冷却器，其具有固定于所述第1面的散热基板；

半导体激光元件，其安装于所述热电冷却器；

盖，其固定于所述第1面，将所述热电冷却器和所述半导体激光元件覆盖；

透镜，其固定于所述盖；以及

约束体，其固定于所述第2面，

所述散热基板和所述约束体的线热膨胀系数小于所述管座的线热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，

所述约束体的线热膨胀系数小于所述散热基板的线热膨胀系数。

3.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，

所述约束体的线热膨胀系数大于所述散热基板的线热膨胀系数。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光模块，其特征在于，

在所述第2面形成凹部，所述约束体设置于所述凹部。

5.根据权利要求4所述的光模块，其特征在于，具有：

引线管脚，其避开所述凹部而贯穿所述管座；以及

柔性基板，其固定于所述第2面，与所述引线管脚电连接。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的光模块，其特征在于，

具有引线管脚，该引线管脚贯穿所述管座，

在所述约束体形成有供所述引线管脚穿过的贯穿孔。

7.根据权利要求6所述的光模块，其特征在于，

所述约束体与所述第2面的接触面积大于所述散热基板与所述第1面的接触面积。

8.一种光模块，其特征在于，具有：

管座，其具有第1面、第2面、以及侧面，该第2面是与所述第1面相反侧的面；

热电冷却器，其具有固定于所述第1面的散热基板；

半导体激光元件，其安装于所述热电冷却器；

透镜，其固定于所述盖；以及

约束体，其固定于所述侧面中的与所述第1面相比靠近所述第2面的位置，

9.根据权利要求8所述的光模块，其特征在于，

所述约束体固定于所述侧面中的与中间位置相比靠所述第2面侧处，该中间位置是从所述第1面算起的距离与从所述第2面算起的距离相等的位置。

10.根据权利要求8或9所述的光模块，其特征在于，

所述约束体在俯视时为环状。

11.根据权利要求8或9所述的光模块，其特征在于，

所述约束体为拱形。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的光模块，其特征在于，

在所述盖的外侧具有与所述透镜相对而设置的光纤，

所述光纤设置于在比工作温度的中心温度低的温度下得到耦合效率的峰值的位置。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的光模块，其特征在于，

所述管座的材料是SPCC，

所述散热基板的材料是氮化铝或者氧化铝，

所述约束体的材料是氮化铝、氧化铝、科瓦铁镍钴合金或者因瓦合金。