特表-18211644IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
【公報種別】再公表特許(A1)
(11)【国際公開番号】WO/0
(43)【国際公開日】2018年11月22日
【発行日】2019年12月26日
(54)【発明の名称】光モジュール
(51)【国際特許分類】
   H01S 5/022 20060101AFI20191129BHJP
   H01L 31/02 20060101ALI20191129BHJP
   G02F 1/01 20060101ALI20191129BHJP
【FI】
   H01S5/022
   H01L31/02 B
   G02F1/01 F
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
【全頁数】12
【出願番号】特願2019-518683(P2019-518683)
(21)【国際出願番号】PCT/0/0
(22)【国際出願日】2017年5月17日
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ
(71)【出願人】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100082175
【弁理士】
【氏名又は名称】高田 守
(74)【代理人】
【識別番号】100106150
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 英樹
(74)【代理人】
【識別番号】100148057
【弁理士】
【氏名又は名称】久野 淑己
(72)【発明者】
【氏名】品田 卓郎
【テーマコード(参考)】
2K102
5F173
5F849
【Fターム(参考)】
2K102BA01
2K102CA00
2K102CA20
2K102EA08
2K102EB24
5F173MC01
5F173MC20
5F173MC30
5F173MD04
5F173MD05
5F173MD07
5F173MD09
5F173MD12
5F173MD16
5F173MD18
5F173MD23
5F173MD58
5F173MD59
5F173MD84
5F173ME14
5F173ME15
5F173ME47
5F173ME63
5F849AA04
5F849AA07
5F849BA21
5F849JA03
5F849XB08
(57)【要約】
金属ブロックと、該金属ブロックに固定された第1サブマウントと、上面と下面を有し、該下面が金属層を介して該第1サブマウントに固定された第2サブマウントと、を備える。さらに、該第2サブマウントの該上面に搭載された光素子と、該第2サブマウントの該上面に形成され、該光素子と電気的に接続されることで高周波信号などの信号を該光素子に入力または出力する高周波線路と、を備える。そして、該金属層は該金属ブロックと電気的に接続されたことを特徴とする。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属ブロックと、
前記金属ブロックに固定された第1サブマウントと、
上面と下面を有し、前記下面が金属層を介して前記第1サブマウントに固定された第2サブマウントと、
前記上面に搭載された光素子と、
前記上面に形成された高周波線路と、を備え、
前記金属層は前記金属ブロックと電気的に接続されたことを特徴とする光モジュール。
【請求項2】
前記第1サブマウントを貫通し前記金属層と前記金属ブロックを電気的に接続する貫通ビアを備えたことを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
【請求項3】
前記第1サブマウントを覆い、前記金属層に接し、前記金属ブロックに電気的に接続された金属部を備えたことを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
【請求項4】
前記金属層と前記金属ブロックを電気的に接続するワイヤを備えたことを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
【請求項5】
前記金属ブロックと前記第1サブマウントを接合するはんだを備え、
前記金属層の材料ははんだであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光モジュール。
【請求項6】
前記第1サブマウントと前記第2サブマウントはセラミックであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の光モジュール。
【請求項7】
前記第2サブマウントは、厚みが0.05mm以上0.2mm以下のセラミックであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の光モジュール。
【請求項8】
前記第2サブマウントは前記第1サブマウントより薄いことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は光モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1には、パッケージのステージ上にレーザチップをマウントする場合、レーザチップとステージとの間には熱膨張係数差が存在するため、この熱膨張係数差に起因してレーザチップに応力が生じることが開示されている。特許文献1には、さらに、レーザチップに生じる応力を緩和する2つの方法が示されている。第1の方法は、ステージ上にはんだ層を用いてレーザチップをマウントするときに、そのはんだ層の厚さを十分に大きくすることである。第2の方法は、ステージ上にはんだ層を用いてサブマウントを積層し、その上にはんだ層を用いてレーザチップをマウントする方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】日本特開平11−307875号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
LD(Laser Diode)素子などの光素子を備えた光モジュールでは、光素子を金属ブロック上に搭載することが多い。光素子と金属ブロックとの線膨張係数の差に起因して光素子に加わる熱応力を緩和するために、光素子の線膨張係数と同程度の線膨張係数を有するサブマウントを光素子と金属ブロックの間に配置する。この場合、光素子はサブマウントの上に設けられる。
【0005】
光モジュールでは光素子と外部の信号線路とを電気的に接続するため、サブマウント上にマイクロストリップラインなどの高周波線路を設ける。高周波線路のインピーダンスはサブマウントの厚みと線路幅に依存する。サブマウントを小型化するため、高周波線路の線路幅を狭めてサブマントを薄くすることが好ましい。しかしながら、サブマウントを薄くすると金属ブロックから光素子に加わる応力が増加してしまう。
【0006】
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、光素子に加わる応力を抑制しつつ、高周波線路の下のサブマウントを小型化することで、小型化に好適な光モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本願の発明にかかる光モジュールは、金属ブロックと、該金属ブロックに固定された第1サブマウントと、上面と下面を有し、該下面が金属層を介して該第1サブマウントに固定された第2サブマウントと、該上面に搭載された光素子と、該上面に形成された高周波線路と、を備え、該金属層は該金属ブロックと電気的に接続されたことを特徴とする。
【0008】
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【0009】
この発明によれば、金属ブロックの上に第1サブマウントを設け、第1サブマウントの上に第2サブマウントを設け、第2サブマウントの上に光素子と高周波線路を設ける。第2サブマウントの下面と金属ブロックを電気的に接続する。これにより、光素子に加わる応力を抑制しつつ、第2サブマウントを小型化できるので、小型化に好適な光モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】実施の形態1に係る光モジュールの断面図である。
図2図1の光モジュールの平面図である。
図3】実施の形態2に係る光モジュールの断面図である。
図4】実施の形態3に係る光モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明の実施の形態に係る光モジュール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。
【0012】
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る光モジュールの断面図である。この光モジュールは金属ブロック10を備えている。金属ブロック10の材料は、良好な熱伝導性を有する材料であれば特に限定されないが、例えばCuWである。金属ブロック10は直方体状の部材である。金属ブロック10には、はんだ12により第1サブマウント14が固定されている。はんだ12の材料は特に限定されないが例えばAu−Sn合金である。はんだ以外の材料で金属ブロック10に第1サブマウント14を固定してもよい。例えば導電性接着剤を用いることができる。第1サブマウント14は平板状の部材である。
【0013】
第1サブマウント14には貫通孔が形成されており、その貫通孔に貫通ビア16が設けられている。貫通ビア16により第1サブマウント14の上面と下面が電気的に導通できるようになっている。
【0014】
第1サブマウント14の上面には金属層18を介して第2サブマウント20が固定されている。金属層18の材料は例えばAu−Sn合金などのはんだ又は導電性接着剤である。第2サブマウント20は上面20aと下面20bを有する平板状の部材である。下面20bが金属層18を介して第1サブマウント14に固定されている。また、下面20bは、金属層18と、貫通ビア16と、はんだ12を介して金属ブロック10に接続されている。これにより、金属層18は金属ブロック10と電気的に接続される。言いかえれば、下面20bと金属ブロック10が電気的に接続される。
【0015】
金属層18は、第2サブマウント20の下面20bの大部分に形成されることが好ましい。金属層18は、例えば第2サブマウント20の下面20b全体に形成されたべたパターンである。
【0016】
上面20aには、接着剤22により光素子24が搭載されている。光素子24はInP基板を用いた半導体レーザ発振器である。例えば一辺数百μm程度のLEDチップを光素子24とすることができる。光素子24の線膨張係数は4.5×10−6/℃程度である。前述の第1サブマウント14と第2サブマウント20は、光素子24の線膨張係数と同程度の線膨張係数を有する材料で形成することが好ましい。したがって、第1サブマウント14と第2サブマウント20は、例えば、窒化アルミニウムのようなセラミック材料又はKovorのような金属材料で構成することが好ましい。第1サブマウント14を金属材料とする場合は、貫通ビア16の電気抵抗が第1サブマウント14の電気抵抗より低くなるように、貫通ビア16の材料を選択することが好ましい。
【0017】
図2は、図1の光モジュールの平面図である。第2サブマウント20の上面20aには高周波線路30、34が形成されている。高周波線路30、34は線状の導体箔である。高周波線路30、34の材料は例えば金などの金属である。高周波線路30、34は蒸着又はめっき等の方法で形成することができる。下面20bに金属層18が形成された第2サブマウント20の上面20aに高周波線路30、34を設けたことで、マイクロストリップラインが形成されている。高周波線路30、34は信号パターンとして機能し、金属層18はグラウンドパターンとして機能する。
【0018】
半導体レーザ発振器である光素子24の上面にはアノードとカソードが設けられる。当該アノードと高周波線路30がワイヤ32で接続され、当該カソードと高周波線路34がワイヤ36で接続される。マイクロストリップラインのインピーダンスは、第2サブマウント20の基板厚さと高周波線路30、34の線路幅に依存する。第2サブマウント20の基板厚が薄いほど同じインピーダンスを保ったまま高周波線路30、34の線路幅を狭くできる。よって、光モジュールを小型化するためには、第2サブマウント20を薄くすることが好ましい。
【0019】
ここで、実施の形態1に係る光モジュールの意義の理解を容易にするために、比較例について説明する。比較例の光モジュールは、金属ブロックの上に1枚のサブマウントを有し、そのサブマウントの上に光素子と高周波線路を有するものである。熱歪によって光素子に加わる応力を抑制するためにサブマウントの厚さを0.4mmとし、サブマウントとして誘電率9のセラミックを用い、インピーダンス25Ωの高周波線路を形成する場合を考える。この場合、高周波線路の線路幅は1.30mmとなる。高周波線路の線路幅とは図2のy方向長さである。光素子のアノード用とカソード用に2本の高周波線路を設けるためには、サブマウントの幅は3mm程度必要となる。これでは光モジュールを小型化できない。
【0020】
これに対し、本発明の実施の形態1に係る光モジュールにおいて第2サブマウント20の厚みを例えば0.1mmとし、第1サブマウント14の厚みを例えば0.3mmとした場合について検討する。この場合、第1サブマウント14と第2サブマウント20の厚さの合計は0.4mmなので、光素子24への応力抑制効果は比較例と同程度である。さらに、第2サブマウント20は0.1mmと薄いので、高周波線路30、34の線路幅を0.32mmに狭めることができる。光素子24のアノード用とカソード用に2本の高周波線路30、34を設けることを考慮しても、第2サブマウント20の幅を1mm以内とすることができる。これは比較例のサブマウントの幅である3mmと比べて非常に小さい。
【0021】
このように、第2サブマウント20の厚みを比較例のサブマウントの厚みである0.4mmより薄くすれば、第2サブマウント20を小型化することができる。言いかえれば、第2サブマウント20の平面面積を小さくできる。第2サブマウント20の平面面積を小さくすることで、第1サブマウント14の平面面積も小さくできる。よって、第1サブマウント14と第2サブマウント20の体積の合計は、比較例のサブマウントの体積より小さい。
【0022】
第2サブマウント20を厚くするほど、第1サブマウント14と第2サブマウント20の体積の合計が大きくなってしまうので、第2サブマウント20の厚さは例えば、0.2mm以下とすることが好ましい。第2サブマウント20を第1サブマウント14より薄くすることがより好ましい。
【0023】
第2サブマウント20を薄くするほど、第1サブマウント14と第2サブマウント20の体積の合計を小さくすることができる。しかし第2サブマウント20を薄くしすぎると第2サブマウント20の機械的強度を確保できなくなる。そこで、第2サブマウント20の厚みの下限を例えば0.05mmとすることが好ましい。以上の考察から、第2サブマウント20を、厚みが0.05mm以上0.2mm以下のセラミックとすることで、第1サブマウント14と第2サブマウント20の体積の合計を小さくしつつ、第2サブマウント20の機械的強度を確保できる。
【0024】
このように、実施の形態1に係る光モジュールは、第2サブマウント20を薄くすることで、インピーダンス整合を保ちつつ高周波線路30、34の線路幅を狭くすることができるので、第2サブマウント20を小さくすることができる。しかも、金属ブロック10と第2サブマウント20の間に第1サブマウント14を設けることで、第1サブマウント14がない場合と比べて光素子24に及ぼされる応力を緩和できる。
【0025】
第2サブマウント20と光素子24との間に働く熱応力は、第1第2サブマウント14、20の厚みの合計が大きいほど緩和される。そのため、第2サブマウント20を薄くしても、第1サブマウント14を厚くすることで、光素子24に及ぼされる応力を緩和できる。したがって、光素子24に加わる応力を抑制しつつ、高周波線路30、34の下の第2サブマウント20を小型化することで、小型化に好適な光モジュールを提供することができる。
【0026】
本発明の実施の形態1に係る光モジュールはその特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。例えば、光素子24は半導体レーザ発振器以外の素子としてもよい。光素子24として、フォトダイオード(PD)、アバランシェフォトダイオード(APD)、PINフォトダイオード、光変調器又は光変調器集積レーザなどを採用してもよい。
【0027】
第1サブマウント14を貫通し金属層18と金属ブロック10を電気的に接続する貫通ビア16を設けることで、金属層18と金属ブロック10を電気的に接続した。しかしながら、貫通ビア16以外の方法で金属層18と金属ブロック10を電気的に接続してもよい。
【0028】
第1サブマウント14と第2サブマウント20を同じ材料としたが、異なる材料を採用してもよい。その場合、第1第2サブマウント14、20の厚さの合計は、比較例のサブマウントの厚さと異なることがある。実施の形態1において言及した変形例は以下の実施の形態に係る光モジュールにも応用できる。なお、以下の実施の形態に係る光モジュールは実施の形態1の光モジュールと類似点が多いので実施の形態1の光モジュールとの相違点を中心に説明する。
【0029】
実施の形態2.
図3は、実施の形態2に係る光モジュールの断面図である。第1サブマウント14は金属部40に覆われている。金属部40は第1サブマウント14をメタライズして形成することができる。金属部40は、第1サブマウント14の上面に設けられた上面部分40aと、第1サブマウント14の側面に設けられた側面部分40bと、第1サブマウント14の下面に設けられた下面部分40cを備えている。上面部分40aは側面部分40bにつながっている。側面部分40bは下面部分40cにつながっている。上面部分40aは金属層18に接している。下面部分40cははんだ12に接することで金属ブロック10に電気的に接続されている。
【0030】
実施の形態2に係る光モジュールは、金属層18を金属ブロック10と電気的に接続する手段として、金属部40を提供するものである。金属層18と金属ブロック10を電気的に接続することで、高周波線路30、34のインピーダンスに影響を及ぼすことなく、第1サブマウント14を提供することができる。
【0031】
金属部40の形成範囲は、金属層18を金属ブロック10と電気的に接続するものであれば特に限定されない。例えば、金属部40を第1サブマウント14の一部に設けて、その金属部40で金属層18と金属ブロック10を電気的に接続してもよい。
【0032】
実施の形態3.
図4は、実施の形態3に係る光モジュールの断面図である。金属層18と金属ブロック10は、ワイヤ50によって電気的に接続されている。ワイヤ50によって金属層18を金属ブロック10に電気的に接続することで、高周波線路30、34のインピーダンスに影響を及ぼすことなく、第1サブマウント14を提供することができる。なお、上記の各実施の形態に係る光モジュールの特徴を組み合わせても良い。
【符号の説明】
【0033】
10 金属ブロック、 14 第1サブマウント、 18 金属層、 20 第2サブマウント、 22 接着剤、 24 光素子
図1
図2
図3
図4
【国際調査報告】