特許 7350646 光モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-15

(45)【発行日】2023-09-26

(54)【発明の名称】光モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/02212 20210101AFI20230919BHJP

   H01S 5/0231 20210101ALI20230919BHJP

   H01S 5/024 20060101ALI20230919BHJP

【ＦＩ】

H01S5/02212

H01S5/0231

H01S5/024

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2019227627

(22)【出願日】2019-12-17

(65)【公開番号】P2021097140

(43)【公開日】2021-06-24

【審査請求日】2022-09-12

(73)【特許権者】

【識別番号】519283819

【氏名又は名称】ＣＩＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｊａｐａｎ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000154

【氏名又は名称】弁理士法人はるか国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】野口 大輔

(72)【発明者】

【氏名】山本 寛

【審査官】佐竹 政彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１０８９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０２６５０７１８（ＣＮ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／１４０４７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０００－０９１６９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０８８６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１０８９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－０４７８３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０

Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面及び第２面を有し、前記第１面及び前記第２面の間で貫通する複数の貫通孔を有する導電性ブロックと、
信号リードを含み、前記複数の貫通孔の内側に前記導電性ブロックとは絶縁されてそれぞれ固定されている複数のリードと、
上面及び下面を有し、前記下面が前記導電性ブロックの前記第１面に固定され、前記上面及び前記下面の間で熱を移動させるためのペルチェ素子を内部に有する熱電冷却器と、
前記熱電冷却器の前記上面に積層する金属層と、
前記導電性ブロックの前記第１面と前記金属層を接続するグランドワイヤと、
光信号及び電気信号を少なくとも一方から他方に変換するための光電素子と、
少なくとも前記金属層を介して前記熱電冷却器の前記上面に固定され、前記光電素子に電気的に接続される第１配線パターンを有して、前記光電素子が搭載された搭載基板と、
前記信号リードに電気的に接続された第２配線パターンを有する中継基板と、
前記第１配線パターン及び前記第２配線パターンを接続する信号ワイヤと、
を有し、
前記金属層は、前記熱電冷却器の前記上面と同じ方向を向く表面を有し、
前記表面に前記グランドワイヤの一端がボンディングされていることを特徴とする光モジュール。

【請求項2】

請求項１に記載された光モジュールであって、
前記搭載基板は、前記光電素子が搭載される搭載面を有し、
前記熱電冷却器の前記上面と前記搭載面は、相互に交差する方向を向くことを特徴とする光モジュール。

【請求項3】

請求項２に記載された光モジュールであって、
前記光電素子は、前記搭載面に平行な方向に光軸を向けるように配置されていることを特徴とする光モジュール。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
前記金属層と前記搭載基板の間に介在する支持ブロックをさらに有することを特徴とする光モジュール。

【請求項5】

請求項４に記載された光モジュールであって、
前記支持ブロックは、前記金属層に固定される面及び前記搭載基板に固定される面が隣り合う直方体であることを特徴とする光モジュール。

【請求項6】

請求項４又は５に記載された光モジュールであって、
前記支持ブロックは、金属からなることを特徴とする光モジュール。

【請求項7】

請求項４又は５に記載された光モジュールであって、
前記支持ブロックは、非金属からなることを特徴とする光モジュール。

【請求項8】

請求項１から３のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
前記金属層は、前記熱電冷却器の前記上面と前記搭載基板の間に介在する金属ブロックの一部であり、
前記金属ブロックは、前記金属層に一体的な凸部を有し、
前記凸部に前記搭載基板が搭載されていることを特徴とする光モジュール。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
前記信号リードは、前記光電素子をシングルエンド駆動するための信号リードであり、
前記第１配線パターンは、前記光電素子の裏面が接合されるグランド電極を有することを特徴とする光モジュール。

【請求項10】

請求項１から８のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
前記信号リードは、前記光電素子を差動信号により駆動するための一対の信号リードであり、
前記第１配線パターンは、一対の第１差動信号配線を含み、
前記第２配線パターンは、前記一対の信号リードにそれぞれ接合された一対の第２差動信号配線を含むことを特徴とする光モジュール。

【請求項11】

請求項１から１０のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
前記グランドワイヤは、２つ以上のグランドワイヤであることを特徴とする光モジュール。

【請求項12】

請求項１から１１のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
前記導電性ブロックは、前記第１面に一体的な台座部を有し、
前記中継基板は、前記台座部に載っていることを特徴とする光モジュール。

【請求項13】

請求項１から１２のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
前記金属層に載るサーミスタをさらに有することを特徴とする光モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

ＴＯ－ＣＡＮ（Transistor Outline Can）型パッケージは、アイレットの貫通孔にガラス等の誘電体で保持されたリードを用いて、電気信号を光半導体素子へ伝送するようになっている。リードとパッケージに内包される電子部品とは、ワイヤによって接続されており、ワイヤボンディングツールと電子部品の干渉を防ぐため、リードは概ね０．６ｍｍ以上突出している。電子部品は、ペルチェ素子を用いた熱電冷却器を含む（特許文献１）。熱電冷却器の吸熱面の上方に、ワイヤのボンディング部分がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１１－１０８９３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

熱電冷却器の吸熱面は、絶縁体からなるために電位が不安定であり、電磁界の閉じ込め効果が弱い。そのため、突出したリードがアンテナ要素となり、高周波信号がリードを励振して、信号伝達ロスが生じる。近年、伝送レートが高いモジュールの需要が増えている。そのため、グラウンド電位の安定化が重要になってきている。

【0005】

本発明は、信号伝達ロスの低減を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

（１）本発明に係る光モジュールは、第１面及び第２面を有し、前記第１面及び前記第２面の間で貫通する複数の貫通孔を有する導電性ブロックと、信号リードを含み、前記複数の貫通孔の内側に前記導電性ブロックとは絶縁されてそれぞれ固定されている複数のリードと、上面及び下面を有し、前記下面が前記導電性ブロックの前記第１面に固定され、前記上面及び前記下面の間で熱を移動させるためのペルチェ素子を内部に有する熱電冷却器と、前記熱電冷却器の前記上面に積層する金属層と、前記導電性ブロックの前記第１面と前記金属層を接続するグランドワイヤと、光信号及び電気信号を少なくとも一方から他方に変換するための光電素子と、少なくとも前記金属層を介して前記熱電冷却器の前記上面に固定され、前記光電素子に電気的に接続される第１配線パターンを有して、前記光電素子が搭載された搭載基板と、前記信号リードに電気的に接続された第２配線パターンを有する中継基板と、前記第１配線パターン及び前記第２配線パターンを接続する信号ワイヤと、を有することを特徴とする。

【0007】

本発明によれば、熱電冷却器の上面に積層する金属層は、グランドワイヤで導電性ブロックに接続されているので電位が安定し、信号伝達ロスを低減することができる。

【0008】

（２）（１）に記載された光モジュールであって、前記搭載基板は、前記光電素子が搭載される搭載面を有し、前記熱電冷却器の前記上面と前記搭載面は、相互に交差する方向を向くことを特徴としてもよい。

【0009】

（３）（２）に記載された光モジュールであって、前記光電素子は、前記搭載面に平行な方向に光軸を向けるように配置されていることを特徴としてもよい。

【0010】

（４）（１）から（３）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記金属層と前記搭載基板の間に介在する支持ブロックをさらに有することを特徴としてもよい。

【0011】

（５）（４）に記載された光モジュールであって、前記支持ブロックは、前記金属層に固定される面及び前記搭載基板に固定される面が隣り合う直方体であることを特徴としてもよい。

【0012】

（６）（４）又は（５）に記載された光モジュールであって、前記支持ブロックは、金属からなることを特徴としてもよい。

【0013】

（７）（４）又は（５）に記載された光モジュールであって、前記支持ブロックは、非金属からなることを特徴としてもよい。

【0014】

（８）（１）から（３）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記金属層は、前記熱電冷却器の前記上面と前記搭載基板の間に介在する金属ブロックの一部であり、前記金属ブロックは、前記金属層に一体的な凸部を有し、前記凸部に前記搭載基板が搭載されていることを特徴としてもよい。

【0015】

（９）（１）から（８）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記信号リードは、前記光電素子をシングルエンド駆動するための信号リードであり、前記第１配線パターンは、前記光電素子の裏面が接合されるグランド電極を有することを特徴としてもよい。

【0016】

（１０）（１）から（８）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記信号リードは、前記光電素子を差動信号により駆動するための一対の信号リードであり、前記第１配線パターンは、一対の第１差動信号配線を含み、前記第２配線パターンは、前記一対の信号リードにそれぞれ接合された一対の第２差動信号配線を含むことを特徴としてもよい。

【0017】

（１１）（１）から（１０）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記グランドワイヤは、２つ以上のグランドワイヤであることを特徴としてもよい。

【0018】

（１２）（１）から（１１）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記導電性ブロックは、前記第１面に一体的な台座部を有し、前記中継基板は、前記台座部に載っていることを特徴としてもよい。

【0019】

（１３）（１）から（１２）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記金属層に載るサーミスタをさらに有することを特徴としてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第１の実施形態に係る光モジュールの斜視図である。

【図2】導電性ブロック及びこれに搭載される電子部品を示す斜視図である。

【図3】第１配線パターンの平面図である。

【図4】第２の実施形態において導電性ブロック及びこれに搭載される電子部品を示す斜視図である。

【図5】第３の実施形態において導電性ブロック及びこれに搭載される電子部品を示す斜視図である。

【図6】三次元電界解析ツールを用いたシミュレーションによって得られた、従来例と第１から第３の実施形態の周波数特性を示す図である。

【図7】第４の実施形態において導電性ブロック及びこれに搭載される電子部品を示す斜視図である。

【図8】三次元電界解析ツールを用いたシミュレーションによって得られた、従来例と第４の実施形態の周波数特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。全図において同一の符号を付した部材は同一又は同等の機能を有するものであり、その繰り返しの説明を省略する。なお、図形の大きさは倍率に必ずしも一致するものではない。

【0022】

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る光モジュールの斜視図である。光モジュール１００は、ＴＯ－ＣＡＮ（Transistor Outline-Can）型光モジュールであり、発光素子を備える光送信サブアセンブリ（TOSA: Transmitter Optical Sub-Assembly）、受光素子を備える光受信サブアセンブリ（ROSA: Receiver Optical Sub-Assembly）、発光素子及び受光素子の両方を備える双方向モジュール（BOSA；Bidirectional Optical Sub-Assembly）のいずれであってもよい。光モジュール１００は、フレキシブル基板１０２（ＦＰＣ）を有し、プリント基板１０４（ＰＣＢ）に接続されるようになっている。光モジュール１００は、導電性ブロック１０（例えばアイレット）を有する。

【0023】

図２は、導電性ブロック１０及びこれに搭載される電子部品を示す斜視図である。導電性ブロック１０は、金属などの導電材料からなり、第１面１２及び第２面１４を有する。導電性ブロック１０は、第１面１２及び第２面１４の間でそれぞれ貫通する複数の貫通孔１６を有する。導電性ブロック１０は、第１面１２に一体的な台座部１８を有する。台座部１８も導電体からなる。導電性ブロック１０は、基準電位（例えばグランド）に接続される。

【0024】

光モジュール１００は、複数のリードＬ（信号リードＬＳを含む）を有する。複数のリードＬは、複数の貫通孔１６の内側に、導電性ブロック１０とは絶縁されてそれぞれ固定されている。複数のリードＬは、第１面１２から突出している。複数のリードＬは、第２面１４からも突出して、フレキシブル基板１０２（図１）に接続されている。

【0025】

光モジュール１００は、熱電冷却器２０を有する。熱電冷却器２０は、上面２２及び下面２４を有する。上面２２及び下面２４は、セラミックなどの絶縁体からなる。下面２４が導電性ブロック１０の第１面１２に固定されている。固定には、熱伝導性の接着剤を使用してもよい。熱電冷却器２０は、上面２２及び下面２４の間で熱を移動させるためのペルチェ素子２６を内部に有する。例えば、上面２２が吸熱面になり、下面２４が放熱面になるが、その逆に切り替えられるようになっている。熱電冷却器２０の電極２８は、ワイヤＷによって、リードＬに接続されている。

【0026】

熱電冷却器２０の上面２２には金属層３０が積層する。金属層３０は、基準電位プレーン（例えばグランドプレーン）となる。２つ以上のグランドワイヤＷＧが、導電性ブロック１０の第１面１２と金属層３０を接続する。これにより、金属層３０の電位が、導電性ブロック１０と同じになって安定する。サーミスタ３１が金属層３０に載って、電気的に接続し、温度を測定できるようになっている。サーミスタ３１は、ワイヤＷによってリードＬに接続されており、電圧が印加されるようになっている。

【0027】

光モジュール１００は、光信号及び電気信号を少なくとも一方から他方に変換するための光電素子３２を有する。光電素子３２は、少なくとも金属層３０を介して、熱電冷却器２０の上面２２に固定されている。金属層３０のグランド電位が安定するので、信号伝達ロスが低減する。光電素子３２は、シングルエンド駆動されるようになっている。

【0028】

光電素子３２は、搭載基板３４に搭載されている。搭載基板３４は、光電素子３２が搭載される搭載面３６を有する。搭載面３６に平行な方向に光軸ＯＸを向けるように、光電素子３２は配置されている。熱電冷却器２０の上面２２と搭載面３６は、相互に交差（例えば直交）する方向を向く。搭載基板３４は、搭載面３６に第１配線パターン３８を有する。

【0029】

図３は、第１配線パターン３８の平面図である。第１配線パターン３８は、光電素子３２に電気的に接続されている。詳しくは、第１配線パターン３８は、光電素子３２の裏面（電極）が接合されるグランド電極４０を有する。グランド電極４０は、側面電極４２と一体化して、搭載面３６とは反対側での電気的接続が可能になっている。第１配線パターン３８は、光電素子３２に高周波信号を入力するための信号電極４４を有する。信号電極４４と光電素子３２は、ワイヤＷで接続されている。

【0030】

図２に示すように、金属層３０と搭載基板３４の間に支持ブロック４６が介在する。支持ブロック４６は、導電材料である金属からなる。支持ブロック４６は金属層３０と導通し、搭載基板３４の側面電極４２を介してグランド電極４０（図３）と導通する。支持ブロック４６は、直方体であり、金属層３０に固定される面及び搭載基板３４に固定される面が隣り合い、両面間の角度が直角になっている。支持ブロック４６は、ワイヤＷによって、導電性ブロック１０の台座部１８に接続されている。

【0031】

支持ブロック４６には、バイパスコンデンサ４８が搭載されている。バイパスコンデンサ４８の裏面（電極）が支持ブロック４６に導通し、基準電位（例えばグランド）に接続される。バイパスコンデンサ４８の他方の電極は、ワイヤＷを介して、リードＬに接続され、電圧が印加されるようになっている。電圧は、他のワイヤＷを介して、光電素子３２にも接続されて電源電圧が供給される。

【0032】

導電性ブロック１０の台座部１８には、中継基板５０が載っている。中継基板５０は、第２配線パターン５２を有する。第２配線パターン５２は、信号リードＬＳに電気的に接続されている。詳しくは、信号リードＬＳの端部（第１面１２からの突出部分）と第２配線パターン５２の端子との間に、溶加材５４（はんだ、ろう材）が介在して両者が電気的に接続されている。第２配線パターン５２は、信号ワイヤＷＳを介して、第１配線パターン３８に接続されている。

【0033】

［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態において導電性ブロック及びこれに搭載される電子部品を示す斜視図である。本実施形態では、金属層２３０は、金属ブロック２５６の一部である。金属ブロック２５６は、熱電冷却器２２０の上面２２２と搭載基板２３４の間に介在する。金属ブロック２５６は、金属層２３０に一体的な凸部２５８を有する。凸部２５８に搭載基板２３４が搭載されている。第１の実施形態で説明した内容は本実施形態に適用可能である。

【0034】

［第３の実施形態］
図５は、第３の実施形態において導電性ブロック１０及びこれに搭載される電子部品を示す斜視図である。本実施形態では、第１の実施形態で説明した一群のグランドワイヤＷＧに加えて、さらに他の一群のグランドワイヤＷＧ２が設けられている。したがって、多くのグランドワイヤＷＧ，ＷＧ２によって、金属層３０の電位が一層安定するようになっている。第１の実施形態で説明した内容は本実施形態に適用可能である。

【0035】

図６は、三次元電界解析ツールを用いたシミュレーションによって得られた、従来例と第１から第３の実施形態の周波数特性を示す図である。熱電冷却器の上面に金属層を設けない従来例と比較して、第１から第３の実施形態の透過特性（Ｓ２１）が改善していることが分かる。

【0036】

［第４の実施形態］
図７は、第４の実施形態において導電性ブロック及びこれに搭載される電子部品を示す斜視図である。本実施形態では、光電素子４３２は、差動信号により駆動される。これに対応して、搭載基板４３４の第１配線パターン４３８は、一対の第１差動信号配線４６０を含む。光電素子４３２の裏面電極（図示せず）が、一対の第１差動信号配線４６０の一方に電気的に接続する。一対の第１差動信号配線４６０の他方と光電素子４３２はワイヤＷによって接続されている。

【0037】

中継基板４５０の第２配線パターン４５２は、一対の第２差動信号配線４６２を含む。一対の第２差動信号配線４６２のそれぞれは、ワイヤＷによって、一対の第１差動信号配線４６０の対応する１つに接続されている。一対の第２差動信号配線４６２は、それぞれ、一対の信号リードＬＳに接合されている。こうして、一対の信号リードＬＳが光電素子４３２に電気的に接続される。なお、支持ブロック４４６は、セラミックなどの非金属（絶縁体）からなる。そのため、金属層４３０と搭載基板４３４は電気的に絶縁される。第１の実施形態で説明した内容は本実施形態に適用可能である。

【0038】

図８は、三次元電界解析ツールを用いたシミュレーションによって得られた、従来例と第４の実施形態の周波数特性を示す図である。従来例では、熱電冷却器の上面に金属層が無く、支持ブロックが金属からなる。このような従来例と比較して、第４の実施形態の透過特性（Ｓ２１）が改善していることが分かる。

【0039】

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、実施形態で説明した構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えることができる。

【符号の説明】

【0040】

１０ 導電性ブロック、１２ 第１面、１４ 第２面、１６ 貫通孔、１８ 台座部、２０ 熱電冷却器、２２ 上面、２４ 下面、２６ ペルチェ素子、２８ 電極、３０ 金属層、３１ サーミスタ、３２ 光電素子、３４ 搭載基板、３６ 搭載面、３８ 第１配線パターン、４０ グランド電極、４２ 側面電極、４４ 信号電極、４６ 支持ブロック、４８ バイパスコンデンサ、５０ 中継基板、５２ 第２配線パターン、５４ 溶加材、１００ 光モジュール、１０２ フレキシブル基板、１０４ プリント基板、２２０ 熱電冷却器、２２２ 上面、２３０ 金属層、２３４ 搭載基板、２５６ 金属ブロック、２５８ 凸部、４２０ 熱電冷却器、４２２ 上面、４３０ 金属層、４３２ 光電素子、４３４ 搭載基板、４３８ 第１配線パターン、４４６ 支持ブロック、４５０ 中継基板、４５２ 第２配線パターン、４６０ 第１差動信号配線、４６２ 第２差動信号配線、Ｌ リード、ＬＳ 信号リード、ＯＸ 光軸、Ｗ ワイヤ、ＷＧ グランドワイヤ、ＷＧ２ グランドワイヤ、ＷＳ 信号ワイヤ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】