JP2010267662A - 光送信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ＶＣＳＥＬの光を光出力モニタ用の受光素子で受光する光送信モジュールであって、品質にバラツキがなく製造性が良いものを提供する。
【解決手段】光送信モジュール１は、ＶＣＳＥＬ２及ＰＤ３等の電子素子をパッケージ内に備え、ＶＣＳＥＬ２の主発光面からの光を光ファイバに送出し、主発光面の裏面からの光を光出力モニタ用にＰＤ３で受光するものである。光送信モジュール１は、上記パッケージが、電子素子が実装される凹部４ａが積層方向に形成された積層基板４に、凹部４ａを覆うように、平板ガラス５ｃ付きの蓋５が取付けられて構成され、積層基板４の凹部４ａが、当該凹部４ａの底面４ｂに対し積層方向に段差を有する段部４ｃを有し、ＰＤ３が、凹部４ａの底面４ｂに実装され、ＶＣＳＥＬ２が、裏面からの光がＰＤ３に受光されるよう、段部４ｃの上面に実装される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信に用いられる、面発光型半導体レーザを有する光送信モジュールに関する。

光送信モジュールに用いられる半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）は、環境温度変化などにより光出力が変化する。そのため、光出力強度をモニタ用の受光素子（フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）等）によってモニタし、モニタ結果をＬＤの駆動電流にフィードバックして光出力を一定に保つＡＰＣ（Auto Power Control）制御が行われている。

そして、ＬＤとして端面発光型のものを用いる形態では、前方光を光ファイバ方向への送出光とし、後方光をモニタ光としている。
それに対し、ＬＤのうち面発光型のもの（垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）とも呼ばれる）は、従来、端面発光型のものとは異なり、光ファイバ方向へのみ光を出射するものであった。そのため、図６に示すように、面発光型ＬＤ（以下、ＶＣＳＥＬという）１０１から光ファイバへの光の一部を当該ＶＣＳＥＬ１０１を覆うパッケージのガラス１０２で反射させたものをモニタ用ＰＤ１０３で受光する方法が一般的であった（特許文献１参照）。

しかし、この方法は、ＶＣＳＥＬ１０１から光ファイバへの送信光の一部をガラス１０２によって反射させてモニタ光とするため、光ファイバへの結合効率が低下する問題がある。また、機械的要因や熱的要因等によるパッケージの歪みに伴う光路のズレ等によって、モニタ用ＰＤ１０３へ入射する光量が変動して、実際の出射光量との間で誤差が生じることがある。さらに、この方法では、反射が必要となるため発光点からモニタ用ＰＤ１０３の受光面までの光路が長いこと、及び、モニタ光が発散光であることから、受光効率が高くない。受光効率は集光レンズを用いる等すれば上げることは可能であるが、この場合、光モジュールのサイズが大きくなり、コストも高くなる。

これに対して、近年では、ＶＣＳＥＬであっても、基板材料の変更等により、前方光及び後方光を出射するものが開発されており、そのため、上述のような問題の解決手段として、図７のようなものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

すなわち、ＶＣＳＥＬ２０１が実装された第１フレキシブル基板（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuit board）２０３が固定された第１筐体２０５と、モニタ用のＰＤ２０２が実装された第２ＦＰＣ２０４が固定された第２筐体２０６とを備えた集積光部品２００が提案されている。集積光部品２００では、第１筐体２０５と第２筐体２０６とを嵌合せて第１ＦＰＣ２０３と第２ＦＰＣ２０４との配置を固定することにより、第１ＦＰＣ２０３側に配される光ファイバＦに前方光を送出するＶＣＳＥＬ２０１の後方近くにＰＤ２０２が位置し、ＶＣＳＥＬ２０１からの後方光をＰＤ２０２で効率良く受光できるようになっている。

特開平９−１９８７０７号公報 国際公開第２００６／３０５７８号パンフレット

しかし、図７の方法では、ＶＣＳＥＬ２０１及びＰＤ２０２を第１ＦＰＣ２０３及び第２ＦＰＣ２０４に別々に実装する必要がある。そして、ＶＣＳＥＬ２０１及びＰＤ２０２は、それぞれが実装された第１ＦＰＣ２０３と第２ＦＰＣ２０４とを互いに位置合わせして組付ける必要がある。このため、製造に多くの工程が必要となり、また、ＶＣＳＥＬ２０１とＰＤ２０２との位置関係にバラツキが生じやすく、製造性が良くない。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、ＶＣＳＥＬの光を光出力モニタ用の受光素子で受光する光送信モジュールであって、品質にバラツキがなく製造性が良いものを提供することをその目的とする

上記課題を解決するために、本発明の光送信モジュールは、面発光型の半導体レーザ及び受光素子を含む電子素子をパッケージ内に備え、半導体レーザの主発光面からの光を光ファイバに送出し、主発光面の裏面からの光を光出力モニタ用に受光素子で受光するものであって、パッケージが、電子素子が実装される凹部が積層方向に形成された積層基板に、上記凹部を覆うように、光学窓付きの蓋が取付けられて構成され、積層基板の凹部が、当該凹部の底面に対し積層方向に段差を有する段部を有し、受光素子が、凹部の底面に実装され、半導体レーザが、裏面からの光が受光素子に受光されるよう、段部の上面に実装されることを特徴とする。

凹部の上記段部は、凹部の底面を構成する第１の基板上に積層される第２の基板により形成することができる。

本発明によれば、段部を有する凹部が積層基板に形成されているので、ＶＣＳＥＬ及びモニタ用ＰＤを一つの積層基板に実装することができ、製造性が良い。また、ＶＣＳＥＬからの後方光を、反射などさせず、直接受光する形態であるため、後方光の受光効率を高くすることができる。

本発明の光送信モジュールの一例を説明する図である。 図１の光送信モジュールの断面図である。 図１及び図２の光送信モジュールの使用形態の一例を説明する断面図である。 本発明の光送信モジュールの他の例を説明する図である。 本発明の光送信モジュールの更に別の例を説明する図である。 従来技術を説明する図である。 従来技術を説明する図である。

図１は、本発明の光送信モジュールの一例を説明する図であり、図１（Ａ）はその斜視図であり、図１（Ｂ）は後述の蓋を取付ける前の状態の斜視図である。
図１で例示する本発明の光送信モジュール（以下、光モジュールという）は、ＶＣＳＥＬ２や光出力モニタ用のＰＤ３等の素子が実装される積層基板４と、上記素子の実装部分である後述の凹部４ａを覆う蓋（リッド）５と、から成るパッケージ内に、上記ＶＣＳＥＬ２及びＰＤ３を気密封止して成る。
本明細書では、蓋５が設けられた側を上側とし、その反対側を下側とする。

積層基板４は、外部回路に接続するための配線パターンやＶＣＳＥＬ２等の素子の実装パターンが形成されていたりする基板が積層されて成るものであり、上記素子と外部回路との接続のためのビア（後述の図３の参照符号４５参照）が形成されている。また、積層基板４は、ＶＣＳＥＬ２及びＰＤ３が実装される凹部４ａを有し、凹部４ａは、積層方向に凹むように形成されている。

蓋５は、凹部４ａを覆うように積層基板４に取付けられるもので、中央に信号光を通すための開口５ａが形成された金属製のフレーム５ｂに、開口５ａを塞ぐように平板ガラス５ｃが固定されて成る。平板ガラス５ｃは、ＶＣＳＥＬ２からの信号光を透過する光学窓の一例であり、その固定は、パッケージの気密性が損なわれないよう低融点ガラス等を用いて行われる。

ＶＣＳＥＬ２及びＰＤ３の積層基板４の凹部４ａへの実装は、以下のことが可能なように行われる。すなわち、ＶＣＳＥＬ２の上面２ａ側の主発光面から出射された信号光が、蓋５の平板ガラス５ｃを通して光モジュール１の外部の光ファイバ（図示せず）に向けて送出され、ＶＣＳＥＬ２の下面側から送出された後方光がＰＤ３で受光されるよう、上記凹部４ａへの実装が行われる。この実装を可能とするための凹部４ａの構造については後述する。

ＶＣＳＥＬ２及びＰＤ３は、ワイヤや積層基板４上の配線パターンを介して、積層基板４のビアと接続される。これによって、例えば、光モジュール１は、外部からビア等を介してパッケージ内に入力された電気信号をＶＣＳＥＬ２で光電変換し、得られた信号光を平板ガラス５ｃを介して外部に送出できると共に、ＰＤ３でのＶＣＳＥＬ２の後方光の受光結果を示す電気信号を光モジュール１の外部にビア等を介して出力できるようになっている。

図２を用いて、本発明に関わる積層基板４について更に説明する。積層基板４は、第１〜第４の基板４１〜４４が順に積層されて成る。基板４１〜４４はそれぞれ、セラミック基板上に外部回路に接続するための配線パターンやＶＣＳＥＬ２等の素子の実装パターンが形成される等したものである。また、積層基板４には、当該基板４上のＶＣＳＥＬ２等の素子と外部回路基板との電気接続のためのビア４５が形成されている。

第１の基板４１は、積層基板４のうち最も下に位置し、その上面４１ａにＰＤ３が実装されるものである。図示は省略するが、この第１の基板４１の上面４１ａには、ＰＤ３の実装パターンと、ＰＤ３の電極とワイヤＹ１により電気接続される配線パターンとが形成されている。

第１の基板４１上に積層される第２の基板４２は、その上面４２ａに、ＶＣＳＥＬ２が活性層２ｂを上側にして実装されるものである。第２の基板４２には、貫通孔４２ｂが形成されている。貫通孔４２ｂは、積層基板４を上方から見たときに第１の基板４１上のＰＤ３の実装パターン及び配線パターンが露出し、且つ、当該貫通孔４２ｂを覆うようにＶＣＳＥＬ２が実装可能に形成される。この第２の基板４２の厚みは、少なくともＰＤ３の厚さより大きくなっており、本例では、第１の基板４１上のＰＤ３に接続されるワイヤＹ１が、ＶＣＳＥＬ２と当たらないような厚みとなっている。また、図示は省略するが、この第２の基板４２の上面４２ａには、ＶＣＳＥＬ２の実装パターンが形成されている。

第２の基板４２上に積層される第３の基板４３には、貫通孔４３ｂが形成されている。貫通孔４３ｂは、積層基板４を上方から見たときに第２の基板４２の貫通孔４２ｂが露出し同基板４２上のＶＣＳＥＬ２の実装パターンが露出するように形成される。この第３の基板４３の厚みは、ＶＣＳＥＬ２の厚みと略同じとなっている。また、第３の基板４３の上面４３ａには、前述の図１（Ａ）に示すように、ＶＣＳＥＬ２の電極とワイヤＹ２により電気接続される配線パターン４３ｃが形成されている。

第３の基板４３上に積層される第４の基板４４には、貫通孔４４ｂが形成されている。貫通孔４４ｂは、積層基板４を上方から見たときに第２及び第３の基板４２，４３の貫通孔４２ｂ，４３ｂが露出し第３の基板４３上のＶＣＳＥＬ２用の配線パターン４３ｃ（図１（Ａ）参照）が露出するよう形成されている。第４の基板４４の上面４４ａには、蓋５が取付けられるシールリング４４ｃが固定されている。積層基板４への実装及び配線が終了した後、シールリング４４ｃと蓋５とを抵抗溶接することにより、ＶＣＳＥＬ２等の素子をパッケージ内に気密封止することができる。

以上のような第１〜第４の基板４１〜４４を積層した積層基板４には、貫通孔４２ｂ，４３ｂｂ，４４ｂにより、積層方向と逆方向に凹む凹部４ａが形成される。凹部４ａは、その底部に、底面４ｂ（つまり第１の基板４１の上面４１ａ）に対して積層方向に段差を有する段部４ｃを有する。
本光モジュール１では、ＰＤ３が、積層基板４の凹部４ａの底部の底面４ｂ（第１の基板４１の上面４１ａ上の実装パターン）に実装され、ＶＣＳＥＬ２が、前方光が平板ガラス５ｃの方向へ送出され後方光がＰＤ３に受光されるよう、段部４ｃの上面（第２の基板４２の上面４２ａ上の実装パターン）に実装される。

このように、本光モジュールでは、一つの積層基板４にＶＣＳＥＬ２及びＰＤ３を続けて実装していくことができるので製造性が良い。また、本光モジュールでは、後方光（裏面光）をモニタ光とするため、前方光の一部をモニタ光とする場合に比べ、光結合効率が高く、また、モニタ光とする後方光を反射させずに直接ＰＤ３で受光するため、後方光の受光効率が高い。

さらに、本光モジュール１では、ＶＣＳＥＬ２及びＰＤ３の実装パターン及び配線パターンが全て同一方向（上方向）を向いているため、実装及びワイヤボンディングが容易であり、製造コストを削減できる。また、上述のように実装パターン等が同一方向を向いているため、例えば、積層基板４を実装のために回転する必要がないので、実装装置に積層基板４の回転機構を設ける必要がなく、設備コストを低減できる。

なお、本光モジュール１の積層基板４の構造は、第３の基板４３を設けずに、第２の基板４２の上面４２ａにＶＣＳＥＬ２用の配線パターンを形成しておき、第２の基板４２の上に第４の基板４３を積層するような構造でもよい。ただし、第３の基板４３を設けた構造の方が、ワイヤリングポスト（金属ブロック等）を用いずに、ＶＣＳＥＬ２と配線パターンとの間のワイヤ長を短くすることができるため、低インダクタンスとなるので、良好な高周波特性が得られる。

図３は、図１及び図２の光モジュールの使用形態の一例を示す断面図である。光モジュール１は、光コネクタのフェルールを嵌合保持するスリーブ１１に接着材で固定され、光サブアセンブリ１０として使用される。スリーブ１１には、集光レンズ１１ａが一体に形成されており、光モジュール１からの光は集光レンズ１１ａに集光され、フェルール挿入孔１１ｂに挿入された光コネクタのフェルールの光ファイバに結合する．この結合効率が高くなるように、光モジュール１のスリーブ１１への接着固定に際しては、スリーブ１１のフェルール挿入孔１１ｂにフェルールを挿着した状態で、光モジュール１をモジュール挿入孔１１ｃ内で動かし調芯してから行われる。
光サブアセンブリ１０は、外部回路基板などに直接実装して用いることもでき、また、ＦＰＣを用いて回路基板と電気接続することもできる。

図４は、本発明の光モジュールの他の例を説明する断面図である。なお、図２の例の光モジュールと同様な部分については、同一の参照符号を付すことによりその説明を省略する。
図２の例の光モジュール１では、ＶＣＳＥＬ２の活性層側２ａを上にして実装していたが、図４の光モジュール１’は、ＶＣＳＥＬ２’の活性層２ｂ側にＡｕバンプ２ｃを形成しておき、当該活性層２ｂ側を下にしてフリップチップ実装している。なお、活性層２ｂを下に設けても主たる光出力の方向が上方向になるように設計することは可能である。

また、フリップチップ実装に対応するため、積層基板４’の構造が、図１等の光モジュール１のものと異なっている。具体的には、積層基板４’は、第１の基板４１、第２の基板４２’、及び第３の基板４３’が順に積層されて成る。
積層基板４’の第１の基板４１は、図２の例のものと同様である。
一方、第１の基板４１上に積層される第２の基板４２’は、図２の例のものと同様に、貫通孔４２ｂを有し、また、図示は省略するが、図２の例のものとは異なり、上面４２ａには、ＶＣＳＥＬ２のフリップチップ実装用実装パターンが形成されている。

そして、第２の基板４２’上に積層される第３の基板４３’には、貫通孔４３ｂ’が形成されている。貫通孔４３ｂは、積層基板４’を上方から見たときに第２の基板４２’の貫通孔４２ｂが露出し同基板４２’上のＶＣＳＥＬ２のフリップチップ実装用実装パターンが露出するように形成される。以上のような構成により、積層基板４’は、ＶＣＳＥＬのフリップチップ実装に対応する構造となっている。

このようにＶＣＳＥＬをフリップチップ実装とすることで、ＶＣＳＥＬと外部回路基板との電気接続のためにワイヤリングを行わなくよいため、実装作業性を向上させることができ、また、ワイヤの寄生インダクタンスによる信号品質の劣化を防ぐことができる。
なお、ＰＤ３についても、フリップチップ実装するようにしてもよい。

図５は、本発明の光モジュールの別の例を説明する断面図である。なお、図２の例の光モジュールと同様な部分については、同一の参照符号を付すことによりその説明を省略する。
図２の例の光モジュール１では、平板ガラス５ｃを光学窓とした蓋５を用いていたが、図４の光モジュール１”で例示するように、集光レンズ（球レンズ）５ｄ等の光学レンズを光学窓とした蓋５’を用いてもよい。

なお、以上の例では、パッケージ内にＶＣＳＥＬとＰＤのみを実装する形態で説明したが、その他の電子素子（例えば、ＶＣＳＥＬの駆動用集積回路（ＩＣ））も実装する形態とすることができる。ただし、この場合は、その分、積層基板に配線パターン等を更に設けておく必要がある。

１，１’，１”…光送信モジュール（光モジュール）、２…ＶＣＳＥＬ、２ｂ…活性層、２ｃ…Ａｕバンプ、３…ＰＤ、４，４’…積層基板、４ｂ…底面、４ｃ…段部、４１…第１の基板、４２，４２’…第２の基板、４２ｂ，４３ｂ，４３ｂ’，４４ｂ…貫通孔、４３，４３’…第３の基板、４４…第４の基板、４４ｃ…シールリング、４５…ビア、５…蓋、５ａ…開口、５ｂ…フレーム、５ｃ…平板ガラス。

Claims (2)

1. 面発光型の半導体レーザ及び受光素子を含む電子素子をパッケージ内に備え、前記半導体レーザの主発光面からの光を光ファイバに送出し、前記主発光面の裏面からの光を光出力モニタ用に前記受光素子で受光する光送信モジュールであって、
   前記パッケージは、前記電子素子が実装される凹部が積層方向に形成された積層基板に、前記凹部を覆うように、光学窓付きの蓋が取付けられて構成され、
   前記積層基板の凹部は、当該凹部の底面に対し積層方向に段差を有する段部を有し、
   前記受光素子が、前記凹部の底面に実装され、前記半導体レーザが、前記裏面からの光が前記受光素子に受光されるよう、前記段部の上面に実装されることを特徴とする光送信モジュール。
2. 前記凹部の段部は、前記凹部の底面を構成する第１の基板上に積層される第２の基板により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュール。

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