(57)【要約】【課題】ＣＡＮ型で、発光素子からの発熱を効果的に放熱させると共に、高速伝送に対応可能な光送信モジュール用の熱電モジュールおよび光送信モジュールの提供を目的とする。【解決手段】熱電モジュール２５は、排熱側セラミック基板２７を、吸熱側セラミック基板２６より幅広で、両側に給電用のワイヤリングポスト２９を有する形状とし、吸熱側セラミック基板２６を、排熱側セラミック基板２７の一方の端部より突き出て排熱側セラミック基板側に延びる柱状部３０を有し発光素子２４が搭載される。リード端子２２が配設されたステム２１の基準面から光軸方向に突き出る台座２３の一方の面に、上記の熱電モジュール２５が接するように配置され、台座２３の他方の面に発光素子の配線キャリア３２が配置され、レンズ４１を有するＣＡＮケース４０により封止される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子の実装部を有し、熱電素子と排熱側セラミック基板と吸熱側セラミック基板とを備えた光送信モジュール用の熱電モジュールであって、
前記排熱側セラミック基板は、前記吸熱側セラミック基板より幅広で、両側に給電用のワイヤリングポストを有し、
前記吸熱側セラミック基板は、前記排熱側セラミック基板の一方の端部より突き出て前記排熱側セラミック基板側に延びる前記発光素子が搭載される柱状部を有していることを特徴とする光送信モジュール用の熱電モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電モジュールに発光素子が実装され、リード端子が配設されたステムの基準面から光軸方向に突き出る台座の一方の面に、前記熱電モジュールの排熱側セラミック基板が接するように配置され、前記台座の他方の面に配線キャリアが配置され、レンズを有するＣＡＮケースにより封止したことを特徴とする光送信モジュール。
【請求項３】
前記配線キャリア上に前記発光素子のモニタ用の受光素子が実装されていることを特徴とする請求項２に記載の光送信モジュール。
【請求項４】
前記配線キャリアの配線導体は、前記発光素子と、互いに平行な複数のワイヤで接続され、前記リード端子と直接接続されて、インピーダンス整合されていることを特徴とする請求項２または３に記載の光送信モジュール。
【請求項５】
前記熱電モジュールの吸熱側セラミック基板にサーミスタが実装されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の光送信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送信モジュールの発光素子の温度を制御する熱電モジュールと、該熱電モジュールを用いた光送信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信ネットワークの伝送速度は、２.５Ｇｂｐｓから１０Ｇｂｐｓ、さらには１００Ｇｂｐｓと高速化されてきている。１００Ｇｂｐｓの伝送速度は、例えば、２５Ｇｂｐｓの信号を４合波することで実現することができるが、この場合、合波する４波の波長間隔は小さいため、温度変化による波長変動を抑える必要がある。さらには、２５Ｇｂｐｓ程度の伝送速度を直接変調する場合は、レーザダイオード（以下、ＬＤという）等の発光素子の出力特性を安定させる必要がある。これには、発光素子の温度調整が、例え、短距離用途の場合であっても必要となってくる。
【０００３】
従来、ＬＤ等の発光素子の特性を一定にするために、例えば、特許文献１に開示のような光送信器が知られている。この光送信器は、図５に示すように、リード端子３が配設された円形のステム２に、熱電モジュール７を搭載し、この熱電モジュールの上に熱伝導性のよいＬＤキャリア８を介してＬＤ４を実装し、同軸型のケース（ＣＡＮケースともいう）で封止して構成される。ＬＤ４から送出される信号光は、ＣＡＮケース６に取り付けられたレンズ５で集光されて光ファイバ（図示せず）に入射される。
【０００４】
熱電モジュール７は、熱電変換素子９の吸熱側に第１の板状体１０を配し、排熱側に第２の板状体１１を配して構成されている。第１の板状体１０の一部の領域には、ＬＤ４のモニタ光を通す開口１０ａが形成され、第２の板状体１１には、開口１０ａと一致する領域１１ａに、ＬＤ４の背面側からの光出力をモニタするフォトダイオード１２（以下、ＰＤという）が実装される。また、ＬＤ４に近い部分にＬＤの温度を検出するサーミスタ１３が実装されている。
【０００５】
上記のような形態の熱電モジュールを用いることにより、定常状態で熱を蓄える素子でもあるＰＤ１２は排熱側の第２の板状体１１に搭載し、吸熱側の第１の板状体１０には、ＬＤ４とサーミスタ１３のみが搭載される。これにより、第１の板状体１０に搭載される素子や部品を減らすことができ、熱電モジュール７の消費電力を低減させることができるとされている。
【０００６】
また、特許文献２には、同軸型の半導体レーザモジュールで、入力から半導体レーザに至るまでの回路で、寄生リアクタンスを排除し、インピーダンス整合された高速変調駆動を可能とする技術が開示されている。具体的には、ヒートシンク板に信号線路とグランド線路からなるコプレーナ線路を形成し、ステムに固定された支持台に前記のヒートシンク板を配置固定している。また、リード端子はヒートシンク板上の線路に直接接続されていて、寄生リアクタンスを排除するようにしている。
【特許文献１】特開２００４−２５３７７９号公報
【特許文献２】特開２００４−３５６２１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
また、上記の図５（特許文献１）に示す光送信器では、ＬＤ４とリード端子３とは、通常、リード端子→ワイヤ→ＬＤキャリア→ワイヤ→ＬＤ端子と電気接続される。このため、２.５Ｇｂｐｓ程度の伝送速度では問題は生じないが、伝送速度が高速になると、ボンディングワイヤによる寄生インダクタンスが無視できなくなる。例えば、図６に示すように、伝送速度が高速になればなるほど出力波形の劣化が顕著となる。
【０００８】
この出力波形劣化の主な原因は、熱電モジュール７の構造とその支持形態にある。熱電モジュール７は、通常は、図５に示すように、リード端子３を保持するステム２と熱電モジュール７の排熱側が隣接するような構造とされている。このため、ステム２の基準面に実装された熱電モジュール７の上に、ＬＤ４を縦積みすることとなり、リード端子３は、ステム側からＬＤ４の位置まで延長してワイヤ接続している。ＬＤ４に接続されるリード端子３の周りは、空気であるためステム貫通部でインピーダンス整合が取れていても、ＣＡＮケースの内部ではインピーダンス不整合となる。なお、このリード端子３が長くなることも、図６に示す波形劣化の原因ともなっている。
【０００９】
寄生インダクタンスによるインピーダンス不整合等の悪影響を排除する形態としては、特許文献２に開示のように、ワイヤ長を短くし、且つ、リード端子の長さを短くすることは有効である。しかし、特許文献２には、ＬＤの放熱との関連については開示がなく、係るインピーダンス整合に関する技術を、上記図５の光送信器（光送信モジュール）に適用することは容易でない。例えば、図５のＬＤキャリア８の横幅を広げてリード端子３を直接接続するようにしても、リード端子３の長さを短くすることはできず、伝送速度の高速化が難しかった。
【００１０】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、ＣＡＮ型で、発光素子による発熱を効果的に放熱させると共に、高速伝送に対応可能な光送信モジュール用の熱電モジュールおよび光送信モジュールの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による光送信モジュール用の熱電モジュールは、発光素子の実装部を有し、熱電変換素子と排熱側セラミック基板と吸熱側セラミック基板とを備えた熱電モジュールである。排熱側セラミック基板は、吸熱側セラミック基板より幅広で、両側に給電用のワイヤリングポストを有する。そして、吸熱側セラミック基板は、排熱側セラミック基板の一方の端部より突き出て排熱側セラミック基板側に延びる発光素子が搭載される柱状部を有している。
【００１２】
また、本発明による光送信モジュールは、上記の熱電モジュールに発光素子または発光素子を搭載したキャリアが実装され、リード端子が配設されたステムの基準面から光軸方向に突き出る台座の一方の面に、熱電モジュールの排熱側セラミック基板が接するように配置され、台座の他方の面に発光素子の配線キャリアが配置され、レンズを有するＣＡＮケースにより封止される。
配線キャリア上に発光素子のモニタ用の受光素子が実装される。配線キャリアの配線導体は、発光素子と、互いに平行な複数のワイヤで接続され、リード端子と直接接続されて、インピーダンス整合されている。なお、熱電モジュールの吸熱側セラミック基板にサーミスタが実装される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、温度調節が可能な同軸型の光送信モジュールにおいて、熱電モジュールの吸熱側セラミック基板では発光素子のみを冷却して、低消費電力化を図ると共に、配線経路長を最短にして、寄生インピーダンスの低減とインイーダンス整合を実現し、高速伝送を可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図により本発明の実施の形態を説明する。図１は光送信モジュール内の部品の組付け状態を示し、図２は図１の反対方向から見た状態を示し、図３は熱電モジュールの概略を示している。図中、２０は光送信モジュール、２１はステム、２１ａは基準面、２２，２２ａ〜２２ｇはリード端子、２２’はグランドポスト、２３は台座、２４は発光素子、２５は熱電モジュール（ＴＥＣ）、２６は吸熱側セラミック基板、２７は排熱側セラミック基板、２８は熱電変換素子、２９はワイヤリングポスト、３０は柱状部、３０ａは頂部、３０ｂは背面、３１はＬＤキャリア、３２は配線キャリア、３３ａ，３３ｂは配線導体、３３ｃはベタ導体、３４は受光素子、３５はチップコイル、３６はサーミスタ、３７はリード補助部材、３８は半田付け部、３９ａ〜３９ｆはボンディングワイヤ、４０はＣＡＮケース、４１はレンズを示す。
【００１５】
本発明による光送信モジュール２０は、図１，２に示すように、複数のリード端子２２が配設された円形状のステム２１に、熱電モジュール２５（以下、ＴＥＣという）を搭載し、この熱電モジュールでレーザダイオード等の発光素子２４（以下、ＬＤという）を温度制御可能に実装される。そして、これらの実装部品を収納するように、ＬＤ２４からの出射光を光ファイバ（図示せず）に集光させるレンズ４１が設けられた円筒状のＣＡＮケース４０で封止し、同軸型の光送信モジュールとして構成される。
【００１６】
ステム２１は、熱伝導性を有し導電性のある金属で円盤状に形成され、複数のリード端子２２のうち、信号伝送用のリード端子はガラスシールで電気的に絶縁され、接地用のリード端子はステムに直接接続して固定される。ステム２１の中央領域には、基準面２１ａから光軸方向に向けて垂直に突き出るように台座２３が設けられ、この台座２３の一方の面にＴＥＣ２５が接するように配され、他方の面に配線キャリア３２が接するように配される。ＴＥＣ２５は、吸熱側セラミック基板２６と排熱側セラミック基板２７との間に複数の熱電変換素子２８を配した構造のもので、排熱側セラミック基板２７が台座２３に接するように配される。
【００１７】
ＴＥＣ２５は、図３に拡大した模擬図で示すように、吸熱側セラミック基板２６と排熱側セラミック基板２７の対向面に、所定のパターンで電極を形成し、複数の熱電変換素子２８を（Ｐ型とＮ型の素子を交互に）直列に接続して、両端の電極を給電導体に接続する構成とされる。本発明においては、排熱側セラミック基板２７の幅を吸熱側セラミック基板２６の幅より大きくして、排熱側セラミック基板２７の吸熱側セラミック基板２６の両側から突き出る部分に、ワイヤリングポスト２９を設け、給電用の端子とする。
【００１８】
また、吸熱側セラミック基板２６の一方の端部を、排熱側セラミック基板２７の端部より突き出る長さで形成し、この部分に排熱側セラミック基板２７側に延びる柱状部３０を設ける。この柱状部３０の頂部３０ａには、後述するように発熱部材である発光素子が搭載される。なお、柱状部３０は、熱伝導性のよい材料（金属もしくはセラミック）で形成され、吸熱側セラミック基板２６と同じ材料から一体に形成されていてもよいが、別体で形成し一体化する形態であってもよい。また、吸熱側セラミック基板２６の背面３０ｂには、グランド用の導体としてベタ導体３３ｃ（図２参照）を形成することができる。
【００１９】
図１，２に戻って、全体の組付け構造について説明する。ＴＥＣ２５の吸熱側セラミック基板２６の柱状部３０には、熱伝導性のよいＬＤキャリア３１を介してＬＤ２４が実装される。台座２３の他方の面に配された配線キャリア３２には、ＬＤ２４に駆動電流を供給する配線導体３３ａ，３３ｂが、差動ラインで形成され、ＬＤ２４にボンディングワイヤ３９ａ（以下、単にワイヤという）で接続される。ワイヤ３９ａは、リボンワイヤなどの寄生インダクタンスの小さいものを用いることが望ましい。また、配線導体３３ａ，３３ｂおよびワイヤ３９ａは、互いに平行に配置することにより、相互インダクタンスの影響による寄生インダクタンスを小さくすることができる。
【００２０】
配線キャリア３２上の配線導体３３ａ，３３ｂは、ＬＤ駆動用のリード端子２２ａと２２ｂに接続される。この接続は、配線導体３３ａ，３３ｂの端部をリード端子２２ａと２２ｂの頂部に突き当てて半田付け部３８とし、半田で直接接続するのが望ましい。また、配線導体３３ａ，３３ｂに、ＬＤ給電用のチップコイル３５を実装し、ワイヤ３９ｃでリード端子２２ｃに接続される。また、配線導体３３ａ，３３ｂの途中に、インピーダンス整合のために薄膜抵抗（図示せず）を介挿させることができる。
【００２１】
配線キャリア３２には、ＬＤ２４の後方出射光を検出してＬＤの光出力をモニタするフォトダイオード３４（以下、ＰＤという）を実装させることができる。このＰＤ３４は、ＬＤ２４の出射光を受光できる位置に配置され、２つのＰＤ電極のうちひとつの電極はモニタ用のリード端子２２ｄにワイヤ３９ｂで接続される。他方の電極は、配線キャリアに設けたヴィアやメタライズ配線を設けてステム２１に接続するか、接地ポスト等を用いてステム２１に接続して、グランド接続する。
【００２２】
上述したように、吸熱側セラミック基板２６には、ＬＤ２４の発熱をできるだけ効率よく放熱するために、ＬＤ２４以外の発熱部材や熱容量の大きい部材が搭載されないようにすることで、ＴＥＣを効果的に動作させ低消費電力化を実現することができる。しかしながら、ＬＤ２４の動作温度を精度よく検出して、適正な駆動制御を行うには温度検出用のサーミスタ３６は、できるだけＬＤ２４の近くに配置し、正確な温度計測を行う必要がある。このため、サーミスタ３６は、ＬＤ２４が実装される吸熱側セラミック基板２６に実装される。
【００２３】
サーミスタ３６は、例えば、ＬＤ２４が実装される柱状部３０の根本部分に実装される。サーミスタ３６の一方の端子は、リード補助部材３７にワイヤ３９ｄを用いて接続され、もう一方の端子は、実装部分に設けたビア等を介して吸熱側セラミック基板２６の背面側に形成されているベタ導体３３ｃに電気接続される。サーミスタ３６の実装部分にビアが設けられていない場合は、吸熱側セラミック基板２６の側面にメタライズを施すなどして、ベタ導体３３ｃにグランド接続するようにしてもよい。
【００２４】
なお、吸熱側セラミック基板２６は、ステム２１の基準面２１ａから浮いた状態で配され、ステム２１から熱的に分離されている。このため、吸熱側セラミック基板２６の背面全体に形成されたベタ導体３３ｃもステム２１の基準面２１ａから離れ、電気的には導通が形成されない。したがって、ベタ導体３３ｃは、ステム２１に設けられ電気的に導通するグランドポスト２２’にワイヤ３９ｆで電気的に接続されて接地される。
【００２５】
サーミスタ３６とワイヤ接続されるリード補助部材３７は、例えば、Ｊ字状に形成される。ワイヤ接続する端部と反対側の端部は、リード端子２２ｇに半田等により直接接続され、支持固定される。なお、リード補助部材３７を用いずに、吸熱側セラミック基板２６にサーミスタ３６用の配線路をメタライズ等により設けて、ワイヤ接続でリード端子２２ｇに電気的に接続するようにしてもよい。また、排熱側セラミック基板２７の両側に設けたワイヤリングポスト２９は、ＴＥＣ２５への給電用のリード端子２２ｅと２２ｆにワイヤ３９ｅを用いて電気接続される。
【００２６】
図４は、上述した光送信モジュール２０の回路図で、各搭載部品とリード端子との接続状態を示したものである。ＬＤ２４は差動ラインの配線導体３３ａ，３３ｂにインピーダンス整合用の薄膜抵抗Ｒを経てリード端子２２ａと２２ｂに接続され、信号制御回路ＩＣからコンデンサＣを経て、ＬＤ２４に変調電流信号が供給される。また、ＬＤ２４にはコイルＬ（チップコイル３５）を介してリード端子２２ｃに接続され、バイアス電流等が供給される。ＰＤ３４はアノード電極をリード端子２２ｄに接続し、カソード電極をグランド（ステム）に接続して、ＬＤ２４の発光出力をモニタする。
【００２７】
ＴＥＣ２５は、上述の排熱側セラミック基板に設けられたワイヤリングポストから、リード端子２２ｅと２２ｆに接続され、冷却制御のための給電電流が供給される。ワイヤリングポストの形状は、ワイヤリングをしやすくするためにL字状であってもよい。ＬＤ２４の温度を検出するサーミスタ３６は、一方の端子がリード端子２２ｇに接続され、他方の端子がベタ導体３３ｃを経て、ワイヤ３９ｆ、グランドポスト２２’、ステム２１へと接続される。
【００２８】
上記のように構成された光送信モジュールは、ステム２１上にＬＤ２４を搭載し、ＣＡＮケース４０で封止した同軸形のモジュールとして構成することができる。そして、発光素子であるＬＤ２４の温度を制御するＴＥＣ２５には、その吸熱側セラミック基板２６にサーミスタ３６が実装されるが、発熱素子としてはＬＤ２４のみが実装される。また、吸熱側セラミック基板２６は、ステム２１からは浮いた状態とされて熱容量が小さくされている。これにより、ＴＥＣ２５は、冷却のための消費電力を極めて少なくすることができる。
また、ＬＤ２４の配線は、配線キャリア３２に形成した差動ラインの配線導体３３ａ．３３ｂで、ワイヤ長を最短にして寄生インピーダンスを低減すると共に、ノイズを低減し、インピーダンス整合が可能な構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による光送信モジュールの概略を説明する図である。
【図２】図１の反対側から見た図である。
【図３】本発明による熱電モジュールの概略を示す図である。
【図４】本発明による光送信モジュール２０の回路図を示す図である。
【図５】従来の技術を説明する図である。
【図６】従来の伝送信号の状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
２０…光送信モジュール、２１…ステム、２１ａ…基準面、２２，２２ａ〜２２ｇ…リード端子、２２’…グランドポスト、２３…台座、２４…発光素子（ＬＤ）、２５…熱電モジュール（ＴＥＣ）、２６…吸熱側セラミック基板、２７…排熱側セラミック基板、２８…熱電変換素子、２９…ワイヤリングポスト、３０…柱状部、３０ａ…頂部、３０ｂ…背面、３１…ＬＤキャリア、３２…配線キャリア、３３ａ，３３ｂ…配線導体、３３ｃ…ベタ導体、３４…受光素子（ＬＤ）、３５…チップコイル、３６…サーミスタ、３７…リード補助部材、３８…半田付け部、３９ａ〜３９ｆ…ボンディングワイヤ、４０…ＣＡＮケース、４１…レンズ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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