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JP5188625B2 - 半導体光変調装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体光変調装置に関し、特に、温度制御モジュールにて温度制御される半導体光変調素子が実装されるTO−CAN(Top Open Can)構造に関する。
半導体光変調素子が実装されるTO−CAN構造では、半導体光変調素子の温度制御を行うために、温度制御モジュールを金属ステム上に実装する方法がある。
ここで、特許文献1には、レーザダイオードから出力される後面光を第1の板状体の外側を通って第2の板状体に支持されているフォトダイオードによって受光させることにより、レーザダイオードを支持する第1の板状体からフォトダイオードを取り除き、熱電モジュールの消費電力を低減させる技術が開示されている。
特開2008−85366号公報
しかしながら、上記従来の技術によれば、温度制御モジュールにて半導体光変調素子を温度制御するには、金属ステム上に実装された温度制御モジュール上に半導体光変調素子を配置する必要がある。このため、金属ステムを貫通するリードピンと半導体光変調素子とを接続するには、温度制御モジュールの厚みに対応した分だけリードピンを伸ばすか、リードピンと半導体光変調素子とを接続するボンディングワイヤを伸ばす必要がある。この結果、リードピンと半導体光変調素子との間のインダクタンスが増大し、10Gbps以上の信号を伝送すると、損失が大きくなり、周波数応答特性が劣化するという問題があった。
また、半導体光変調素子としてEAM−LD(Electroabsorption−Laser Diode)を用いた場合、信号線路に対して安定した基準電位を与える必要があり、インダクタンスが大きくなると、帯域内で共振が生じやすくなり周波数応答特性が劣化するという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、金属ステム上に実装された温度制御モジュール上に半導体光変調素子を配置した場合においても、インダクタンスの増大を抑制しつつ、金属ステムを貫通するリードピンと半導体光変調素子とを接続することが可能な半導体光変調装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の半導体光変調装置は、金属ステムと、前記金属ステムを貫通するリードピンと、前記金属ステム上に実装された第1の支持ブロックと、前記金属ステム上に実装された温度制御モジュールと、前記第1の支持ブロックの側面に実装された第1の誘電体基板と、前記温度制御モジュール上に実装された第2の支持ブロックと、前記第1の誘電体基板上に形成された信号線路と、前記第2の支持ブロックの側面に実装された第2の誘電体基板と、前記第2の誘電体基板に形成された信号導体と、前記第2の誘電体基板上に実装された半導体光変調素子と、前記リードピンと前記信号線路の一端とを接続する第1のボンディングワイヤと、前記信号線路の他端と前記信号導体の一端とを接続する第2のボンディングワイヤと、前記信号導体の他端と前記半導体光変調素子とを接続する第3のボンディングワイヤとを備えることを特徴とする。
この発明によれば、金属ステム上に実装された温度制御モジュール上に半導体光変調素子を配置した場合においても、インダクタンスの増大を抑制しつつ、金属ステムを貫通するリードピンと半導体光変調素子とを接続することが可能という効果を奏する。
図1は、本発明に係る半導体光変調装置の実施の形態1の概略構成を示す斜視図である。 図2は、図1の半導体光変調装置の周波数応答特性を従来例と比較して示す図である。 図3は、本発明に係る半導体光変調装置の実施の形態2の概略構成を示す斜視図である。 図4は、本発明に係る半導体光変調装置の実施の形態3の概略構成を示す斜視図である。 図5−1は、本発明に係る半導体光変調装置の実施の形態4の概略構成を示す斜視図である。 図5−2は、図5−1の半導体光変調装置が搭載された光送受信器の概略構成を示す側面図である。 図6は、本発明に係る半導体光変調装置の実施の形態5の概略構成を示す斜視図である。 図7は、本発明に係る半導体光変調装置の実施の形態6の概略構成を示す斜視図である。
以下に、本発明に係る半導体光変調装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明に係る半導体光変調装置の実施の形態1の概略構成を示す斜視図である。図1において、金属ステム1には、金属ステム1を貫通するリードピン2が設けられ、リードピン2はガラス材3を介して金属ステム1に固定されている。なお、金属ステム1およびリードピン2の材料は、例えば、銅、鉄、アルミニウムまたはステンレスなどの金属を用いることができ、金メッキやニッケルメッキなどを表面に施すようにしてもよい。
また、金属ステム1上には、温度制御モジュール4および支持ブロック5が実装されている。ここで、温度制御モジュール4には、ペルチェ素子4bが設けられ、ペルチェ素子4bは放熱面4aと冷却面4cとの間に挟まれている。
そして、支持ブロック5の側面には誘電体基板6が実装されるとともに、温度制御モジュール4の冷却面4c上には支持ブロック9が実装されている。そして、支持ブロック9側面には誘電体基板10が実装され、誘電体基板10上には半導体光変調素子13が実装されている。なお、半導体光変調素子13としては、例えば、InGaAsP系量子井戸吸収層を用いた電界吸収型光変調器と分布帰還型レーザダイオードとをモノリシックに集積した変調器集積型レーザ(EAM−LD)を用いるようにしてもよいし、LiNbOマッハツェンダ型光変調器などを用いるようにしてもよい。
ここで、誘電体基板6上には、信号線路7およびグランド導体8が形成されている。なお、信号線路7は、誘電体基板6の互いに直交する辺に渡って配置することができる。また、グランド導体8は、信号線路7との間隔を一定に保った状態で誘電体基板6上の全面に形成し、コプレナ線路を構成することができる。また、グランド導体8は、誘電体基板6に形成されたスルーホールを介して支持ブロック5と電気的に接続することができる。
また、誘電体基板10上には、信号導体11およびグランド導体12が形成されている。なお、グランド導体12は、信号導体11と所定の間隔を隔てて誘電体基板10上に形成することができる。また、グランド導体12は、誘電体基板10の側面にも形成するようにしてもよい。
なお、支持ブロック5、9の材料は、例えば、銅、鉄、アルミニウムまたはステンレスなどの金属を用いることができる。あるいは、支持ブロック5、9として、セラミックや樹脂などの絶縁体に金属が被覆された構造を用いるようにしてもよい。また、誘電体基板6、10の材料は、例えば、アルミナなどのセラミックを用いるようにしてもよいし、エポキシなどの樹脂を用いるようにしてもよい。
なお、支持ブロック5は、リードピン2の近傍に配置することが好ましい。また、支持ブロック9は、誘電体基板6の近傍に配置することが好ましい。
そして、リードピン4と信号線路7の一端とはボンディングワイヤ14を介して互いに接続されている。また、信号線路7の他端と信号導体11の一端とはボンディングワイヤ15を介して互いに接続されている。また、グランド導体8、12はボンディングワイヤ16を介して互いに接続されている。また、信号導体11の他端と半導体光変調素子13の信号端子はボンディングワイヤ17を介して互いに接続されている。
そして、リードピン2に電気信号が入力されると、ボンディングワイヤ14を介して信号線路7に伝達された後、ボンディングワイヤ15を介して信号導体11に伝達され、さらにボンディングワイヤ17を介して半導体光変調素子13に印加される。この時、リードピン2に入力された電気信号は金属ステム1と電磁的に結合するため、金属ステム1はACグランドとして作用する。また、金属ステム1がACグランドとして作用すると、金属ステム1に接続された支持ブロック5もACグランドとして作用する。さらに、グランド導体8が支持ブロック5に接続されると、グランド導体8もACグランドとして作用する。さらに、グランド導体8はボンディングワイヤ16を介してグランド導体12に接続され、グランド導体12が支持ブロック9を介して温度制御モジュール4の冷却面4cに接続されることで、冷却面4cと金属ステム1とを同電位にすることができる。このため、冷却面4cと金属ステム1とのDC電位が分離されている場合においても、冷却面4cに安定した基準電位を与えることができ、半導体光変調素子としてEAM−LDを用いた場合においても、帯域内で共振を生じにくくして周波数応答特性の劣化を抑制することができる。
また、リードピン2に入力された電気信号を信号線路7を介して半導体光変調素子13に伝達することにより、ボンディングワイヤ14を介してリードピン2と半導体光変調素子13とを直接接続する必要がなくなる。このため、半導体光変調素子13下に温度制御モジュール4が配置されている場合においても、半導体光変調素子13の厚みに対応した分だけリードピン2またはボンディングワイヤ14を伸ばす必要がなくなり、リードピン2と半導体光変調素子13との間のインダクタンスの増大を抑制することが可能となることから、10Gbps以上の信号を伝送した場合においても、高周波帯での損失を低減させることができる。
図2は、図1の半導体光変調装置の周波数応答特性を従来例と比較して示す図である。なお、図2(a)は、図1の半導体光変調装置の寄生抵抗と容量を加えた周波数応答特性の3次元電磁界シミュレーション結果を示す。また、図2(b)は、ボンディングワイヤを介してリードピン2と半導体光変調素子13とが直接接続された従来例の半導体光変調装置の周波数応答特性の3次元電磁界シミュレーション結果を示す。
図2(a)において、図1の半導体光変調装置では、11GHz以上の3dB通過帯域が得られた。一方、従来例では、10GHz付近で共振し、3dB通過帯域も8GHzを下回った。
実施の形態2.
図3は、本発明に係る半導体光変調装置の実施の形態2の概略構成を示す斜視図である。図3において、この半導体光変調装置では、図1の金属ステム1の代わりに金属ステム21が設けられている。ここで、図1の金属ステム1の形状が円であるのに対し、金属ステム21の形状は四角に設定されている。なお、半導体光変調装置を金属ステム21上で構成する場合、温度制御モジュール4の正極ピン、温度制御モジュール4の負極ピン、温度検知素子用ピン、モニタフォトダイオード用ピン、レーザダイオード用ピンおよび信号用ピンの合計6個のリードピンが必要である。
そして、これら6個のリードピンは、温度制御モジュール4の周囲に沿って配置され、支持ブロック5は信号用ピンの近傍に配置される。
ここで、金属ステム21の形状を四角に設定することにより、金属ステム21の形状を温度制御モジュール4の形状に合わせることが可能となり、温度制御モジュール4の周囲に沿って6個のリードピンを高密度に配置することが可能となる。このため、金属ステム21の未使用の面積を低減することが可能となり、半導体光変調装置を小型化することができる。
実施の形態3.
図4は、本発明に係る半導体光変調装置の実施の形態3の概略構成を示す斜視図である。図4において、この半導体光変調装置では、図1の半導体光変調装置の構成に加え、抵抗31、32が設けられている。ここで、抵抗31、32は誘電体基板6上に形成され、信号線路7とグランド導体8とを互いに接続することができる。
ここで、信号線路7とグランド導体8とを互いに接続する抵抗31、32を誘電体基板6上に設けることにより、インピーダンスを整合させることが可能となるとともに、抵抗31、32による発熱分を温度制御モジュール4に吸収させる必要がなくなり、温度制御モジュール4の低消費電力化を図ることができる。
例えば、抵抗31、32の抵抗値が50Ω、DC結合駆動、駆動振幅が2.0Vpp、オフセット電圧(ハイレベルの電圧)が−0.6Vの場合、抵抗31、32の発熱は0.0912Wになる。
なお、図4の実施の形態3では、外形が円の金属ステム1を用いる方法について説明したが、図3に示すように、外形が四角の金属ステム21を用いるようにしてもよい。
実施の形態4.
図5−1は、本発明に係る半導体光変調装置の実施の形態4の概略構成を示す斜視図である。図5−1において、この半導体光変調装置では、図1の半導体光変調装置の構成に加え、放熱ブロック41が金属ステム1の裏面に設けられている。なお、放熱ブロック41の材料は、金属ステム1の同等以上の熱伝導率を持つものが好ましく、例えば、銅などの金属を用いることができる。また、放熱ブロック41は、金属ステム1の裏面から突出したリードピン2を避けるように配置することが好ましい。また、放熱ブロック41の端部は金属ステム1の端部に揃えて配置することが好ましい。
図5−2は、図5−1の半導体光変調装置が搭載された光送受信器の概略構成を示す側面図である。図5−2において、光送受信器51には、光軸方向に平行に配置された放熱面52が設けられている。そして、放熱ブロック41および金属ステム1が放熱面52に接するようにして図5−1の半導体光変調装置が光送受信器51に搭載されている。そして、リードピン2は、リード線54を介して回路基板53に接続されている。
ここで、金属ステム1の裏面に放熱ブロック41を設けることにより、放熱ブロック41から放熱面52に至る放熱経路を形成することができ、温度制御モジュール4にて発生した熱を効率よく半導体光変調装置の外部に逃がすことが可能となる。
なお、図5−1の実施の形態4では、外形が円の金属ステム1を用いる方法について説明したが、図3に示すように、外形が四角の金属ステム21を用いるようにしてもよい。また、図4に示すように、信号線路7とグランド導体8とを互いに接続する抵抗31、32を誘電体基板6上に形成するようにしてもよい。
実施の形態5.
図6は、本発明に係る半導体光変調装置の実施の形態5の概略構成を示す斜視図である。図6において、この半導体光変調装置では、図1の支持ブロック5の代わりに支持体61が設けられている。ここで、支持体61は、誘電体基板6の両端を金属ステム1上で支持することができる。また、支持体61の支持面の厚みは、誘電体基板6の重みに耐えられる範囲内において可能な限り薄いことが好ましい。例えば、支持体61の側面形状はL字状にし、支持体61の支持面はコ字状にすることができる。
また、支持体61の材料は、例えば、銅、鉄、アルミニウムまたはステンレスなどの金属を用いることができる。あるいは、支持体61として、セラミックや樹脂などの絶縁体に金属が被覆された構造を用いるようにしてもよい。
ここで、誘電体基板6の両端を支持体61にて支持することにより、誘電体基板6と支持体61との接触面積を小さくすることが可能となる。また、支持体61の支持面の厚みを薄くすることにより、誘電体基板6と金属ステム1との間の熱の伝達経路を狭くすることができる。このため、誘電体基板6と金属ステム1との間の熱抵抗を増大させることができ、金属ステム1→支持体61→誘電体基板6→ボンディングワイヤ15、16→誘電体基板10→支持ブロック9→温度制御モジュール4の冷却面4cという経路で温度制御モジュール4に流入する熱を減少させることができ、温度制御モジュール4の消費電力を減少させることができる。
例えば、図1の実施の形態1において、支持ブロック5をSPC(1.5mm×2.0mm×0.5mm)、誘電体基板6をアルミナ(1.5mm×1.5mm×0.38mm)にて構成し、ボンディングワイヤ14〜17として25umφの金ワイヤを300umの長さで5本打つと、冷却面4cと放熱面4aの温度差が50℃となった場合、0.115Wの熱量が冷却面4cに入る。
一方、図6の実施の形態5において、支持体61をSPC(0.8mm×2.0mm×0.1mm)にて構成し、その他は同一条件とした場合、冷却面4cに入る熱量は、0.062Wに低減される。
ただし、金ワイヤの熱伝導率は317W/mK、SPCの熱伝導率は60W/mK、アルミナの熱伝導率は30W/mKとした。
なお、図6の実施の形態5では、外形が円の金属ステム1を用いる方法について説明したが、図3に示すように、外形が四角の金属ステム21を用いるようにしてもよい。また、図4に示すように、信号線路7とグランド導体8とを互いに接続する抵抗31、32を誘電体基板6上に形成するようにしてもよい。また、図5−1に示すように、金属ステム1の裏面に放熱ブロック41を設けるようにしてもよい。
実施の形態6.
図7は、本発明に係る半導体光変調装置の実施の形態6の概略構成を示す斜視図である。図7において、この半導体光変調装置では、図1の支持ブロック5および誘電体基板6の代わりに誘電体基板6´が設けられている。ここで、誘電体基板6´には、信号線路7´およびグランド導体8´が形成されている。なお、信号線路7´は、誘電体基板6´の内側から誘電体基板6´の辺に渡って配置することができる。また、グランド導体8´は、信号線路7´との間隔を一定に保った状態で誘電体基板6´上の全面に形成し、コプレナ線路を構成することができる。
そして、誘電体基板6´は、誘電体基板6´の側面を介して金属ステム1上に配置されている。そして、リードピン2と信号線路7´の一端とはボンディングワイヤ14´を介して互いに接続されている。
ここで、誘電体基板6´の側面を介して金属ステム1上に誘電体基板6´を配置することにより、誘電体基板6´を金属ステム1上で支持する支持ブロック5を用いる必要がなくなり、部品点数を削減しつつ、リードピン2と半導体光変調素子13との間のインダクタンスの増大を抑制することができる。
なお、図7の実施の形態7では、外形が円の金属ステム1を用いる方法について説明したが、図3に示すように、外形が四角の金属ステム21を用いるようにしてもよい。また、図4に示すように、信号線路7とグランド導体8とを互いに接続する抵抗31、32を誘電体基板6´上に形成するようにしてもよい。また、図5−1に示すように、金属ステム1の裏面に放熱ブロック41を設けるようにしてもよい。
以上のように本発明に係る半導体光変調装置は、金属ステム上に実装された温度制御モジュール上に半導体光変調素子を配置した場合においても、インダクタンスの増大を抑制しつつ、金属ステムを貫通するリードピンと半導体光変調素子とを接続することが可能となり、高周波帯域で周波数応答特性を改善する方法に適している。
1、21 金属ステム
2 リードピン
3 ガラス材
4 温度制御モジュール
4a、52 放熱面
4b ペルチェ素子
4c 冷却面
5、9 支持ブロック
6、6´、10 誘電体基板
7、7´ 信号線路
11 信号導体
8、8´、12 グランド導体
13 半導体光変調素子
14〜17、14´ ボンディングワイヤ
31、32 抵抗
41 放熱ブロック
51 光送受信器
53 回路基板
54 リード線
61 支持体

Claims (7)

  1. 金属ステムと、
    前記金属ステムを貫通するリードピンと、
    前記金属ステム上に実装された第1の支持ブロックと、
    前記金属ステム上に実装された温度制御モジュールと、
    前記第1の支持ブロックの側面に実装された第1の誘電体基板と、
    前記温度制御モジュール上に実装された第2の支持ブロックと、
    前記第1の誘電体基板上に形成された信号線路と、
    前記第2の支持ブロックの側面に実装された第2の誘電体基板と、
    前記第2の誘電体基板に形成された信号導体と、
    前記第2の誘電体基板上に実装された半導体光変調素子と、
    前記リードピンと前記信号線路の一端とを接続する第1のボンディングワイヤと、
    前記信号線路の他端と前記信号導体の一端とを接続する第2のボンディングワイヤと、
    前記信号導体の他端と前記半導体光変調素子とを接続する第3のボンディングワイヤとを備えることを特徴とする半導体光変調装置。
  2. 前記第1の支持ブロックは、前記第1の誘電体基板の両端を支持することを特徴とする請求項1に記載の半導体光変調装置。
  3. 金属ステムと、
    前記金属ステムを貫通するリードピンと、
    前記金属ステム上に側面を介して実装された第1の誘電体基板と、
    前記金属ステム上に実装された温度制御モジュールと、
    前記温度制御モジュール上に実装された支持ブロックと、
    前記第1の誘電体基板上に形成された信号線路と、
    前記支持ブロックの側面に実装された第2の誘電体基板と、
    前記第2の誘電体基板に形成された信号導体と、
    前記第2の誘電体基板上に実装された半導体光変調素子と、
    前記リードピンと前記信号線路の一端とを接続する第1のボンディングワイヤと、
    前記信号線路の他端と前記信号導体の一端とを接続する第2のボンディングワイヤと、
    前記信号導体の他端と前記半導体光変調素子とを接続する第3のボンディングワイヤとを備えることを特徴とする半導体光変調装置。
  4. 前記信号線路との間隔を一定に保った状態で前記第1の誘電体基板上に形成されたグランド導体をさらに備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体光変調装置。
  5. 前記第1の誘電体基板上に形成され、前記信号線路と前記グランド導体とを接続する抵抗をさらに備えることを特徴とする請求項4に記載の半導体光変調装置。
  6. 前記金属ステムの形状は四角であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体光変調装置。
  7. 前記金属ステムの裏面に取り付けられた放熱ブロックをさらに備えることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の半導体光変調装置。
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