JP7635886B2 - 半導体レーザ光源装置 - Google Patents

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Description

本開示は、温度制御モジュールにより半導体光変調素子の温度制御を行う半導体レーザ光源装置に関する。
SNS、動画共有サービス等の普及が世界的規模で進んでおり、データ伝送の大容量化が加速している。限られた実装スペースで信号の高速大容量化に対応するために、光トランシーバーの高速化と小型化が進んでいる。光デバイスには、高速化と低コスト化に加えて、ランニングコストを抑えるために低消費電力化が求められている。
半導体光変調素子を搭載したレーザ光源装置の構造として、安価に製品化できるTO-CAN(Transistor-Outlined CAN)型が一般的に採用される。TO-CAN構造では一般的にリードピンを金属ステムにガラスを用いて封着固定している。それぞれの熱膨張係数差による圧力を利用しているため、高い気密性を確保するためにはリードピンの配置とリードピン同士の間隔が重要となる。
半導体光変調素子は発熱による温度変化よって発振波長又は光出力が変化する。従って、半導体光変調素子を搭載したレーザ光源装置には、半導体光変調素子の温度を一定に保つために温度制御モジュールが用いられている(例えば、特許文献1参照)。
日本特許第5188625号明細書
従来構造では、第1の誘電体基板に半導体変調素子が実装され、金属ステム上の支持ブロックに第2の誘電体基板が実装され、第2の誘電体基板の高周波線路がリードピンに接合され、第1の誘電体基板の高周波線路と第2の誘電体基板の高周波線路とを導電性ワイヤで接続していた。このため、リードピンと半導体変調素子との間のインピーダンス不整合又はインダクタンス成分増加によって高周波特性が劣化していた。また、第2の誘電体基板とそれを実装する支持ブロックが存在することでコストが増加していた。また、半導体光変調素子への電気信号入力が単相駆動方式であるため、消費電力が高くなっていた。
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は高周波特性を向上させ、コストと消費電力を低減することができる半導体レーザ光源装置を得るものである。
本開示に係る半導体レーザ光源装置は、金属ステムと、前記金属ステムを貫通する第1及び第2のリードピンと、前記金属ステムの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の上に実装された支持ブロックと、互いに反対側の主面及び裏面を有し、前記裏面が前記支持ブロックの側面に接合された誘電体基板と、前記誘電体基板の前記主面に設けられた差動駆動用信号線路と、前記誘電体基板の前記主面に実装された半導体光変調素子と、前記第1のリードピンと前記差動駆動用信号線路の一端を接続する導電性接合材と、前記差動駆動用信号線路の他端と前記半導体光変調素子を接続する第1の導電性ワイヤと、前記温度制御モジュールと前記第2のリードピンを接続する第2の導電性ワイヤとを備え、前記誘電体基板は、前記金属ステムの側に切り欠きを有し、前記切り欠きの内部空間に前記温度制御モジュール及び前記支持ブロックの一部が配置されていることを特徴とする。
本開示では、誘電体基板は金属ステムの側に切り欠きを有し、切り欠きの内部空間に温度制御モジュール及び支持ブロックの一部が配置されている。これにより、半導体変調素子が実装された誘電体基板を金属ステムの近くまで延在できるため、誘電体基板の差動駆動用信号線路を他の誘電体基板を介することなくリードピンに接続することができる。これにより、高周波特性を向上させ、コストを低減することができる。また、半導体光変調素子への電気信号入力方式が差動駆動方式であるため、従来の単相駆動方式よりも信号発生器の電圧振幅を低減でき、信号発生器の消費電力を低減することができる。
実施の形態1に係る半導体装置を示す正面斜視図である。 実施の形態1に係る半導体レーザ光源装置を示す上面図である。 実施の形態1に係る半導体レーザ光源装置を示す側面図である。 実施の形態1に係る半導体レーザ光源装置を示す背面斜視図である。 実施の形態2に係る半導体レーザ光源装置を示す背面斜視図である。 実施の形態3に係る半導体レーザ光源装置を示す上面図である。 実施の形態3に係る半導体レーザ光源装置を示す背面斜視図である。 実施の形態4に係る半導体レーザ光源装置を示す側面図である。 図8の破線で囲んだ部分を拡大した図である。 実施の形態4に係る半導体レーザ光源装置を示す側面斜視図である。 図10の破線で囲んだ部分を拡大した図である。 実施の形態5に係る半導体レーザ光源装置を示す概略図である。
実施の形態に係る半導体レーザ光源装置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。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る半導体装置を示す正面斜視図である。図2は、実施の形態1に係る半導体レーザ光源装置を示す上面図である。図3は、実施の形態1に係る半導体レーザ光源装置を示す側面図である。図4は、実施の形態1に係る半導体レーザ光源装置を示す背面斜視図である。
金属ステム1は概ね円形の金属板である。複数のリードピン2a~2gが金属ステム1を貫通する。金属ステム1にリードピン2a~2gを固定するために一般的にガラス3が用いられる。金属ステム1及びリードピン2a~2gの材料は例えば銅、鉄又はステンレスなどの金属である。金属ステム1及びリードピン2a~2gの表面に金メッキ又はニッケルメッキなどを施してもよい。インピーダンス不整合になると信号の多重反射によって周波数応答特性が劣化し、高速変調が困難となる。従って、ガラス3は信号発生器と同じインピーダンスとなるように低誘電率の材質からなる。
温度制御モジュール4が金属ステム1の上に実装されている。温度制御モジュール4は、例えばBiTeなどの材料からなる複数の熱電素子4aを、AlNなどの材料からなる下側基板4bと上側基板4cで挟んだものである。例えばSnAgCuハンダ又はAuSnハンダなどの接合材により金属ステム1の上面と温度制御モジュール4の下側基板4bが接合されている。下側基板4bは上側基板4cよりも前方に突出した突出部を有し、この突出部に、熱電素子4aに電力供給するためのメタライズ4d,4eが設けられている。
支持ブロック5が温度制御モジュール4の上に設けられている。支持ブロック5は、例えば、銅、鉄、又はステンレスなどの金属の表面にAuメッキなどが施された金属材料のブロックである。なお、支持ブロック5は、セラミック又は樹脂などの絶縁体に金属が被覆された構造でもよい。
誘電体基板6は、互いに反対側の主面及び裏面を有する。誘電体基板6の裏面は支持ブロック5の側面に接合されている。誘電体基板6は、金属ステム1の側に開口した切り欠き6aを有するコ字形又はU字形の板である。誘電体基板6の切り欠き6aに温度制御モジュール4が配置されている。誘電体基板6は例えば窒化アルミ(AlN)などのセラミック材料からなり、電気絶縁機能と熱伝達機能を有する。誘電体基板6は一体で形成されてもよいし、四角形基板の組み合わせによって形成されてもよい。
2本の差動駆動用信号線路7a,7bとグランド導体8が、Auメッキ及びメタライズにより誘電体基板6の主面に設けられている。差動駆動用信号線路7a,7bはマイクロストリップ線路又はコプレナ線路であり、信号発生器の出力インピーダンスと同等のインピーダンスを有する。グランド導体8は誘電体基板6の主面から上面、裏面にかけて設けられており、裏面側のグランド導体8が支持ブロック5に接合されている。また、信号導体9が誘電体基板6の主面から上面にかけて設けられている。
半導体光変調素子10が誘電体基板6に実装されている。半導体光変調素子10の変調器部は複数の電界吸収型光変調器で構成されている。半導体光変調素子10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ダイオード(EAM-LD)である。半導体光変調素子10の発光点から、チップ端面に対して垂直かつチップ主面に対して平行な光軸に沿ってレーザ光が放射される。
受光素子11、温度センサ12、及びセラミックブロック13が支持ブロック5に実装されている。支持ブロック5に温度センサ12及びセラミックブロック13を接合するための接合材として、例えばSnAgCuハンダ又はAuSnハンダなどが用いられる。温度センサ12は例えばサーミスタである。セラミックブロック13は例えばAlN基板である。セラミックブロック13の上面に導体膜が設けられている。ここでは、受光素子11は、半導体光変調素子10のZ軸負方向側に配置されている。
導電性ワイヤ14aが半導体光変調素子10の分布帰還型レーザダイオードと誘電体基板6の主面の信号導体9を接続する。なお、誘電体基板6の主面に設けられた導体を中継してそれらを接続してもよい。導電性ワイヤ14bが誘電体基板6の上面の信号導体9とリードピン2aを接続する。導電性ワイヤ14c,14dがそれぞれ2本の差動駆動用信号線路7a,7bの一端と半導体光変調素子10のEAM(electro-absorption modulator)電極を接続する。導電性ワイヤ14e,14fがそれぞれ2本の差動駆動用信号線路7a,7bの他端とリードピン2b,2cを接続する。なお、2本の差動駆動用信号線路7a,7bの他端とリードピン2b,2cを例えばSnAgCuハンダ又はAuSnハンダなどの導電性接合材を用いて接続してもよい。
導電性ワイヤ14gが温度センサ12とセラミックブロック13の導体膜を接続する。導電性ワイヤ14hがセラミックブロック13の導体膜とリードピン2dを接続する。導電性ワイヤ14iが支持ブロック5と金属ステム1を接続する。導電性ワイヤ14iはGND強化による高周波特性向上のため、複数本接続してもよい。導電性ワイヤ14j,14kがそれぞれ温度制御モジュール4のメタライズ4d,4eとリードピン2e,2fを接続する。導電性ワイヤ14lが受光素子11とリードピン2gを接続する。
リードピン2b,2cに入力された差動電気信号は、それぞれ導電性ワイヤ14e,14fを介して差動駆動用信号線路7a,7bに伝達され、導電性ワイヤ14c,14dを介して半導体光変調素子10の変調器に印加される。ここでリードピン2b,2c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。金属ステム1は、導電性ワイヤ14iを介して支持ブロック5に接続され、支持ブロック5は、誘電体基板6のグランド導体8と接続されている。よって金属ステム1、支持ブロック5、グランド導体8はACグランドとして作用する。
半導体光変調素子10の温度が変化すると発振波長が変化するため、温度を一定に保つ必要がある。そこで、半導体光変調素子10の温度が上昇した場合は温度制御モジュール4が冷却を行い、逆に温度が低下した場合は温度制御モジュール4が発熱し、半導体光変調素子10の温度を一定にする。半導体光変調素子10において発生した熱は誘電体基板6と支持ブロック5を介して温度制御モジュール4の上側基板4cに伝わる。温度制御モジュール4は、半導体光変調素子10から受けた熱を吸熱する。温度制御モジュール4が吸熱した熱は、温度制御モジュール4の下側基板4bから金属ステム1を介してZ軸負方向に伝搬され、金属ステム1の下面側に放熱される。
温度センサ12は、誘電体基板6と支持ブロック5を介して半導体光変調素子10の温度を間接的に測定する。測定した温度を温度制御モジュール4にフィードバックして、半導体光変調素子10の温度が狙い値に対して高い場合は温度制御モジュール4が冷却を行い、逆に低い場合は発熱を行う。これにより、半導体光変調素子10の温度を安定化することができる。
温度センサ12とリードピン2dを直接ワイヤ接続すると、外界から金属ステム1に伝わってきた雰囲気温度がワイヤを通って温度センサ12に流入し、正確な温度を測定できない。そこで、温度センサ12とリードピン2dの間にセラミックブロック13を配置して中継する。これにより、温度センサ12に流入する熱量が低減され、温度センサ12が正確な温度を測定することができる。
受光素子11は光信号を電気信号へ変換(O/E変換)する。電気信号は接続された導電性ワイヤ14lを介してリードピン2gへと伝送される。受光素子11を設けることで、金属ステム1を貫通するリードピンの数が1本増えることになるが、半導体光変調素子10の背面光の強度をモニターすることができる。このモニター結果をフィードバックすることで、光出力が一定になるように半導体光変調素子10の駆動電流を制御することができる。
以上説明したように、本実施の形態では、誘電体基板6は金属ステム1の側に切り欠き6aを有し、切り欠き6aの内部空間に温度制御モジュール4及び支持ブロック5の一部が配置されている。これにより、半導体光変調素子10が実装された誘電体基板6を金属ステム1の近くまで延在できるため、誘電体基板6の差動駆動用信号線路7a,7bを他の誘電体基板を介することなくリードピン2b,2cに接続することができる。このため、信号反射点が少なくなり高周波特性が向上する。
また、従来技術の第2の誘電体基板と、それを実装する支持ブロックと、第1の誘電体基板の信号線路と第2の誘電体基板の信号線路を接続する導電性ワイヤが不要となるため、コストを低減することができる。
また、半導体光変調素子への電気信号入力方式が差動駆動方式であるため、従来の単相駆動方式よりも信号発生器の電圧振幅を低減でき、信号発生器の消費電力を低減することができる。
従来構造は半導体変調素子とリードピンとの間に第2の誘電体基板が存在していた。このため、接続点におけるインピーダンス不整合により信号の反射が発生し、帯域の利得が低下していた。一方、本実施の形態では第2の誘電体基板が不要であるため信号の反射点が存在せず、従来構造よりも広帯域化が可能になる。
従来構造では金属ステムに接合された支持ブロックから、第2の誘電体基板と導電性ワイヤを介して、半導体光変調素子が実装された第1の誘電体基板に熱が流入するため、温度制御モジュールが吸収する熱量が増大し、消費電力が高くなっていた。一方、本実施の形態では、金属ステムに接合された支持ブロックが無いため、従来構造よりも消費電力を低減することができる。
リードピン2a~2gを金属ステム1にガラス3で封着固定させるために、一般的にコンプレッション方式又はマッチング方式が適用される。気密性を保つためには封着の際に各リードピン2a~2gが等圧力になっていることが重要である。従って、リードピン2a~2gが金属ステム1に対して円形状に配置されていることが望ましい。また、隣り合うリードピン2a~2gの間隔が近接しすぎていると封着性が劣化するため、ある程度の距離が必要である。
従来構造では、第2の誘電体基板を実装する支持ブロックを設けるスペースを金属ステム上に確保する必要があるため、リードピンを均等に配置することができず、気密性が取れなかった。一方、本実施の形態では、金属ステム1上に支持ブロックが無いため、リードピン2a~2gを均等に配置することができ、気密性が向上する。
また、リードピン2b,2c,2e~2gは誘電体基板6の主面側に配置されている。一方、半導体光変調素子10の分布帰還型レーザダイオードに給電するためのリードピン2aと、温度センサ12に給電するためのリードピン2dは、誘電体基板6の裏面側に配置されている。従って、各リードピン2a~2gを金属ステム1に対して円形状に均等に配置することができるため、気密性が向上する。
また、導電性ワイヤ14aが半導体光変調素子10の分布帰還型レーザダイオードと誘電体基板6の信号導体9を接続し、導電性ワイヤ14bが信号導体9とリードピン2aを接続する。これにより、ワイヤボンディング装置の複雑な機構を用いることなく、誘電体基板6の裏面側のリードピン2aから、誘電体基板6の主面側の半導体光変調素子10の分布帰還型レーザダイオードに電気を供給することができる。
また、誘電体基板6が金属ステム1に接触していると、金属ステム1に伝わってきた外界からの熱が誘電体基板6を介して半導体光変調素子10及び温度センサ12に流入する。これにより、温度制御モジュール4による温度制御が困難になる。このため、誘電体基板6が金属ステム1と接触しないことが望ましい。
また、差動駆動用信号線路7a,7bと接続されるリードピン2b,2cは、金属ステム1の上面からの飛び出したインナーリード部を有する。インナーリード部の長さを短くするほどインダクタンス成分が低減し、インナーリード部における信号の反射による損失を低減でき、通過帯域が向上する。また、信号発生器からの最大電圧振幅を得るために、誘電体基板6の主面に整合抵抗を設けて半導体光変調素子10に並列接続してもよい。
実施の形態2.
図5は、実施の形態2に係る半導体レーザ光源装置を示す背面斜視図である。グランド導体8が、誘電体基板6の裏面だけでなく、金属ステム1の上面と直交する誘電体基板6の側面にも設けられている。また、導電性ワイヤ15が、その誘電体基板6の側面に設けられたグランド導体8と、金属ステム1を接続する。導電性ワイヤ15はリードピン2b側と2c側の両側に接続することが好ましく、それぞれ複数本にしてもよい。
実施の形態1では、半導体変調素子のグランドは誘電体基板6のグランド導体8から支持ブロック5に渡り、導電性ワイヤ14iを介して金属ステム1に接続される。従って、グランドまでの距離が遠いため、グランドが弱くなり高周波特性が劣化する可能性がある。一方、本実施の形態では、半導体変調素子のグランドは誘電体基板6のグランド導体8から導電性ワイヤ15を介して金属ステム1に接続されるため、グランドまでの距離が短くなり高周波特性が向上する。また、導電性ワイヤ15で接続することにより、直接接合するよりも金属ステム1から誘電体基板6への熱流入を抑えつつグランドを強化することができる。また、グランド導体8を誘電体基板6の側面に設けることにより、リードピンの配置を変更することなく、導電性ワイヤ15を接続することができる。
実施の形態3.
図6は、実施の形態3に係る半導体レーザ光源装置を示す上面図である。図7は、実施の形態3に係る半導体レーザ光源装置を示す背面斜視図である。
誘電体基板6が実施の形態1よりもX軸の正負両方向に拡大され、平面視でリードピン2b,2cよりも外側に延在している。導電性ワイヤ16が、誘電体基板6の裏面に設けられたグランド導体8と金属ステム1を接続する。実施の形態2と同様に、導電性ワイヤ16はリードピン2b側と2c側の両側に接続することが好ましく、それぞれ複数本にしてもよい。
本実施の形態により、実施の形態2と同様に、金属ステム1から誘電体基板6への熱流入を抑えつつもグランドを強化することができる。また、誘電体基板6を拡大することにより、リードピンの配置を変更することなく、導電性ワイヤ16を誘電体基板6の裏面から接続することができる。
実施の形態4.
図8は、実施の形態4に係る半導体レーザ光源装置を示す側面図である。図9は図8の破線で囲んだ部分を拡大した図である。図10は、実施の形態4に係る半導体レーザ光源装置を示す側面斜視図である。図11は図10の破線で囲んだ部分を拡大した図である。
グランド導体8が、リードピン2b,2cと接続される誘電体基板6の左右の突出部において、誘電体基板6の裏面だけでなく、金属ステム1の上面と対向する誘電体基板6の下面にも設けられている。また、誘電体基板6の下面に設けられたグランド導体8と金属ステム1が導電性ばね17によって接続されている。導電性ばね17の一端が、誘電体基板6の下面に設けられたグランド導体8、又は、金属ステム1の上面に、SnAgCuハンダ又はAuSnハンダなどの接合材を用いて接合されている。導電性ばね17は誘電体基板6によって金属ステム1の上面に押さえつけるようにして実装される。導電性ばね17は、例えば、銅、鉄、又はステンレスなどの金属材料を板ばね又はコイルばねの形状に加工したものでもよいし、導電性を有したゴム材料でもよい。
本実施の形態では、導電性ばね17を用いることにより、誘電体基板6及び金属ステム1との接触面積を小さくすることができる。このため、実施の形態2と同様に、金属ステム1から誘電体基板6への熱流入を抑えつつグランドを強化することができる。また、導電性ばね17を誘電体基板6と金属ステム1との間の空間に設けることにより、リードピンの配置を変更することなく、グランドの強化が可能となる。
実施の形態5.
図12は、実施の形態5に係る半導体レーザ光源装置を示す概略図である。実施の形態1~4の何れかの半導体レーザ光源装置の金属ステム1にレンズ付きキャップ18が接合されている。レンズ付きキャップ18は、金属ステム1上に実装された温度制御モジュール4、支持ブロック5、誘電体基板6、半導体光変調素子10及び温度センサ12等を気密封止する気密封止用キャップである。レンズ付きキャップ18により耐湿性及び外乱耐性を向上することができる。レンズ付きキャップ18のレンズは、例えばSiOからなるガラスからなり、半導体光変調素子10から出射されたレーザ光を集光し、ファイバに入射させる。
1 金属ステム、2a~2g リードピン、4 温度制御モジュール、5 支持ブロック、6 誘電体基板、6a 切り欠き、7a,7b 差動駆動用信号線路、8 グランド導体、10 半導体光変調素子、11 受光素子、12 温度センサ、13 セラミックブロック、14a~14l,15,16 導電性ワイヤ、17 導電性ばね、18 レンズ付きキャップ

Claims (13)

  1. 金属ステムと、
    前記金属ステムを貫通する第1及び第2のリードピンと、
    前記金属ステムの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の上に実装された支持ブロックと、
    互いに反対側の主面及び裏面を有し、前記裏面が前記支持ブロックの側面に接合された誘電体基板と、
    前記誘電体基板の前記主面に設けられた差動駆動用信号線路と、
    前記誘電体基板の前記主面に実装された半導体光変調素子と、
    前記第1のリードピンと前記差動駆動用信号線路の一端を接続する導電性接合材と、
    前記差動駆動用信号線路の他端と前記半導体光変調素子を接続する第1の導電性ワイヤと、
    前記温度制御モジュールと前記第2のリードピンを接続する第2の導電性ワイヤとを備え、
    前記誘電体基板は、前記金属ステムの側に切り欠きを有し、
    前記切り欠きの内部空間に前記温度制御モジュール及び前記支持ブロックの一部が配置されていることを特徴とする半導体レーザ光源装置。
  2. 前記誘電体基板の前記裏面に設けられ、前記支持ブロックに接合されたグランド導体と、
    前記支持ブロックと前記金属ステムを接続する第3の導電性ワイヤとを更に備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ光源装置。
  3. 前記誘電体基板の前記裏面と側面に設けられたグランド導体と、
    前記誘電体基板の前記側面に設けられた前記グランド導体と前記金属ステムを接続する第3の導電性ワイヤとを更に備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ光源装置。
  4. 前記第1のリードピンよりも外側に延在する前記誘電体基板の前記裏面に設けられたグランド導体と、
    前記グランド導体と前記金属ステムを接続する第3の導電性ワイヤとを更に備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ光源装置。
  5. 前記誘電体基板の前記裏面と下面に設けられたグランド導体と、
    前記誘電体基板の前記下面に設けられた前記グランド導体と前記金属ステムを接続する導電性ばねとを更に備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ光源装置。
  6. 前記金属ステムに接合され、前記温度制御モジュール、前記支持ブロック、前記誘電体基板、及び前記半導体光変調素子を気密封止するレンズ付きキャップを更に備えることを特徴とする請求項1~5の何れか1項に記載の半導体レーザ光源装置。
  7. 前記誘電体基板は前金属ステムと接触しないことを特徴とする請求項1~の何れか1項に記載の半導体レーザ光源装置。
  8. 前記導電性接合材は導電性ワイヤであることを特徴とする請求項1~の何れか1項に記載の半導体レーザ光源装置。
  9. 前記導電性接合材はハンダであることを特徴とする請求項1~の何れか1項に記載の半導体レーザ光源装置。
  10. 前記金属ステムを貫通する第3のリードピンと、
    前記支持ブロックの上に実装された温度センサと、
    前記温度センサと前記第3のリードピンを接続する第4の導電性ワイヤとを更に備えることを特徴とする請求項1~の何れか1項に記載の半導体レーザ光源装置。
  11. 前記支持ブロックに実装され、導体膜が設けられたセラミックブロックを更に備え、
    前記第4の導電性ワイヤは、前記温度センサと前記導体膜を接続する導電性ワイヤと、
    前記導体膜と前記第3のリードピンを接続する導電性ワイヤとを有することを特徴とする請求項10に記載の半導体レーザ光源装置。
  12. 前記半導体光変調素子の変調器部は複数の電界吸収型光変調器で構成されていることを特徴とする請求項1~の何れか1項に記載の半導体レーザ光源装置。
  13. 前記半導体光変調素子の背面光の強度をモニターする受光素子を更に備えることを特徴とする請求項1~の何れか1項に記載の半導体レーザ光源装置。
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