(57)【要約】【課題】高電圧が印加される光電変換素子等を搭載し気密封止した光モジュールであって、長期間に亘って不具合が生じないものを提供する。【解決手段】光モジュール１は、ＡＰＤ２を含む回路素子を搭載したステム３にキャップを取付けて上記回路素子を気密封止して構成される同軸型のものである。ステム３には、第１及び第２のキャップ４，５が二重に取付けられ、キャップのうち内側の第２のキャップ５は、回路素子を覆うように取付けられて当該回路素子を気密封止し、キャップのうちの外側の第１のキャップ４は、内側の第２のキャップ５を覆うように取付けられて当該内側のキャップ５を気密封し、回路素子を二重に気密封止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子を含む回路素子を搭載したステムにキャップを取付けて前記回路素子を気密封止して構成される同軸型の光モジュールにおいて、
前記ステムには、少なくとも２以上の前記キャップが多重に取付けられ、
前記キャップのうちの内側のキャップは、前記回路素子を覆うように取付けられて当該回路素子を気密封止し、
前記キャップのうちの外側のキャップは、前記内側のキャップを覆うように取付けられて前記内側のキャップを気密封止し、前記回路素子を多重に気密封止することを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記キャップはそれぞれ、前記ステムと抵抗溶接される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】
前記キャップはそれぞれ、抵抗溶接用のプロジェクションを有することを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号を送信または受信するための光電変換素子を搭載する光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光モジュールには、光電変換素子が実装されるステムにキャップを封着して構成される同軸型のＣＡＮパッケージを用いるものがある。キャップには、光学窓となる平板ガラスや集光レンズが取付けられる。このような光モジュールでは、上記ＣＡＮパッケージによりハーメチックシール（気密封止）が確保される。また、光モジュールの気密封止の水準としては、テルコーディア（Telcordia）ＧＲ−４６８−ＣＯＲＥあるいはＭＩＬ−ＳＴＤ７５０Ｄの仕様で、５Ｅ−８ａｔｍｃｃ／ｓｅｃ以下のヘリウム（Ｈｅ）リークレートが求められている。
【０００３】
気密封止に用いられるキャップは、上記光学窓が取付けられるキャップシェルを有し、このキャップシェルが、プレス成形あるいは切削により作製される。プレス成形によるキャップシェルと切削によるキャップシェルのいずれも、上述のように、素子の気密封止のためにステムと抵抗溶接される。これらの抵抗溶接工程では、事前に、ステムやキャップを高温で熱処理することでステム等に吸着している水分を除去し、その後、窒素等の不活性ガスで満たされたグローブボックス内でステムとキャップを抵抗溶接する。これにより、ＣＡＮパッケージ内部（つまり光電変換素子周辺）を低い水分量に保った状態での気密封止が達成されている。
【０００４】
また、光モジュールには、光電変換素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche PhotoDiode）を搭載した長距離通信用の光受信モジュールがある。ＡＰＤは、十分な増倍状態が得られるよう、３０〜７０Ｖ程度の高電圧が印加されて使用される。このようなＡＰＤは、周辺の水分量が５０００ｐｐｍ以上と高いときに動作した際に、不具合が生じることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
また、近年の調査により、ＭＩＬ−ＳＴＤでは、モジュールの内部水分（Internal Moisture）が５０００ｐｐｍ以下という条件を満足するよう規定されている。
【非特許文献１】コミッツォーリ（Comizzoli）、外６名、「水蒸気存在雰囲気下におけるアバランシェフォトダイオードの不具合のメカニズム（Failure Mechanism of Avalanche Photodiodes in the Presence of Water Vapor）」、ジャーナル・オブ・ライトウェーブ・テクノロジー（Journal of Lightwave Technology）、オプティカル・ソサイエティ・オブ・アメリカ（The Optical Society of America）、２００１年２月、１９巻、第２号、p.252−265
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の構造で、現在の製品保証レベルである１Ｅ−８ａｔｍｃｃ／ｓｅｃや１Ｅ−９ａｔｍｃｃ／ｓｅｃといったリークレートを確保することはできる。しかし、計算によれば、例えば、これまでの合格レベルである１Ｅ−９ａｔｍｃｃ／ｓｅｃの場合、１０〜１００日前後でキャップ内のガスは大気と置換されることがわかっており、１０年などの長期に渡ってパッケージ内の水分量を５０００ｐｐｍ以下にすることができない。すなわち、従来の光モジュールでは、ＡＰＤのような高電圧が印加される素子を用いる場合、パッケージ内の水分量を５０００ｐｐｍ以下に維持できる期間が短いので、使用年数を考慮すると不具合が生じる可能性が高い。
【０００６】
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、高電圧が印加される光電変換素子等を搭載し気密封止したものであって、長期間に亘って不具合が生じない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】
上記課題を解決するために、本発明の光モジュールは、光電変換素子を含む回路素子を搭載したステムにキャップを取付けて回路素子を気密封止して構成される同軸型の光モジュールにおいて、ステムには、少なくとも２以上のキャップが多重に取付けられ、キャップのうちの内側のキャップは、回路素子を覆うように取付けられて当該回路素子を気密封止し、キャップのうちの外側のキャップは、内側のキャップを覆うように取付けられて当該内側のキャップを気密封止し、回路素子を多重に気密封止することを特徴とする。
【０００８】
また、キャップはそれぞれ、前記ステムと抵抗溶接されることが好ましく、さらに、抵抗溶接用のプロジェクションを有することが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の光モジュールによれば、光電変換素子を含む回路素子の気密封止部分（素子気密封止部分）をさらに気密封止することによって、素子気密封止部分の周囲の気体の水分量が、素子気密封止部分の周囲の気体が空気である場合に比べて少なくなる。したがって、長期間に亘って、素子気密封止部分内の水分量を低く維持できるので、高水分環境下で高電圧が印加されることにより回路素子が故障することを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明の光モジュールの一例を説明する図であり、図１（Ａ）は、キャップの図示を省略した光モジュールの斜視図であり、図１（Ｂ）は、光モジュールの部分断面図である。本例の光モジュール１は、図示のように、光電変換素子であるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）２等の素子が搭載されるステム３と、ステム３を覆う第１のキャップ４を備える。光モジュール１の外形を成す同軸型のパッケージは、ステム３に第１のキャップ４を抵抗溶接により取付けて構成されている。
【００１１】
光モジュール１は、このようなパッケージ内（第１のキャップ４の内側）に、ステム３との間にＡＰＤ２等の素子を気密封止するように当該ステム３に取付けられる第２のキャップ５を備え、内側の第２のキャップ５がステム３との間に形成する素子の気密封止部分が、外側の第１のキャップ４及びステム３によりさらに気密封止されることに特徴がある。つまり、素子が多重（複重）に気密封止されていることに特徴がある。
【００１２】
まず、ステム３について説明する。ステム３は、金属製の略円板状部材であり、素子搭載部として機能する上面３ａに、ＡＰＤ２等の各種素子が搭載される。ステム３は、例えば、コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）や薄板冷間圧延鋼（ＳＰＣ）等の表面をＮｉ／Ａｕメッキした金属板を押し出し加工して得ることができる。ステム３の上面３ａには、ＡＰＤ２に対するバイパスコンデンサ６を介してＡＰＤ２が搭載される他、ＡＰＤ２により生じた光電流を増幅するためのプリアンプＩＣ７や、プリアンプＩＣ７に対するバイパスコンデンサ８等の素子が搭載される。
【００１３】
また、ステム３には、外部電気回路との電気接続のためのリードピン９がガラス封止等により取付けられている。ステム３上のＡＰＤ２とプリアンプＩＣ７は、ワイヤ（図示せず）を介して電気接続される。また、ＡＰＤ２とリードピン９、及び、プリアンプＩＣ７とリードピン９は、ワイヤやバイパスコンデンサ８、ステム上面３ａを介して電気接続される。このように電気接続することにより、光モジュール１では、後述の集光レンズ等の光学窓を介して受光した光信号をＡＰＤ２で光電変換し、得られた電気信号をプリアンプＩＣ７で増幅して、リードピン９等を介して外部電気回路に出力できるようになっている。
【００１４】
続いて、第１及び第２のキャップ４，５について説明する。外側の第１のキャップ４は、ステム３の上面３ａを覆うものであり、光学窓としての集光レンズ４ａと、集光レンズ４ａを保持する第１のキャップシェル４ｂとを有する。第１のキャップシェル４ｂは、その上部中央の開口４ｃに集光レンズ４ａが封止ガラス等により固定され、その下部でステム３と抵抗溶接される。本例の第１のキャップシェル４ｂは、被削性の良いフェライト系ステンレスのＳＦ２０Ｔやオーステナイト系ステンレスのＳＵＳ３０４を材料として、切削により成形される。
【００１５】
内側の第２のキャップ５は、第１のキャップ４と同様に、ステム３の上面３ａを覆うものであり、光学窓としての平板ガラス５ａと、平板ガラス５ａを保持する第２のキャップシェル５ｂと、を有する。第２のキャップシェル５ｂは、その上部中央に、当該部分に設けられた開口５ｃを塞ぐように平板ガラス５ａが封止ガラス等により固定され、その下部でステム３と抵抗溶接される。本例の第２のキャップシェル５ｂは、ＦｅＮｉ５０材やコバール材を材料としてプレス成形により作製され、その表面は、Ｎｉメッキ（Ａｕメッキを追加することもある）で保護されている。
【００１６】
これら第１及び第２のキャップ４，５のステム３への取付け工程の際、抵抗溶接前にステム３と第１及び第２のキャップ４，５を高温で熱処理することで各部品に吸着している水分が除去される。その後、ＡＰＤ２等の素子を気密封止するように第２のキャップ５とステム３とを抵抗溶接し、そして、第２のキャップ５を気密封止するように第１のキャップ４とステム３とを抵抗溶接する。これら抵抗溶接は、Ｎ２等の不活性ガスで満たされた、低い水分量（１ｐｐｍ以下）のグローブボックス内で行われる。
【００１７】
抵抗溶接により気密封止（ハーメチックシール）を確保するためには、多くの電流を流しより融着させる必要がある。しかし、実際には抵抗溶接により熱的・機械的応力が生じ、過大な条件（溶接電流）の場合、パッケージ側、特にリード部のガラスシール部に影響が及ぶ場合があり、具体的には、微小なガラスクラックにより気密封止が劣化（リーク）したり、クラックを介して微小な電流リーク（１−１０ｎＡ）が観測される場合がある。これを考慮して溶接条件を最適化している。
【００１８】
上記のように取付けを行うことで、光モジュール１において、ステム３及び第２のキャップ５による気密封止部分Ｖ１と、ステム３、第１のキャップ４及び第２のキャップ５による気密封止部分Ｖ２とは共に、抵抗溶接後において水分量が低くなっている。つまり、ＡＰＤ２等の素子を気密封止する第２のキャップ５内の気密封止部分Ｖ１は、それ自体の水分量が低いだけでなく、その周囲の第１のキャップ４内の気密封止部分Ｖ２も水分量が低くなっている。
【００１９】
光モジュールにおいて、気密封止部分の気体は、その周囲の気体と当該気密封止箇所からのリークレートに応じて置換される。そのため、従来の光モジュールでは、周囲の気体が例えば空気であり水分濃度が高いので、キャップ内部の水分量を５０００ｐｐｍ以下に維持できる期間が短い。それに対し、本光モジュールでは、素子を直接気密封止している気密封止部分Ｖ１の周囲の気体が水分濃度の低い不活性ガスであるので、気密封止部分Ｖ１の水分濃度を、長期間に亘って低く維持することができる。言い換えれば、本光モジュールでは、気密封止部分Ｖ２が、気密封止部分Ｖ１内部の気体が空気と置換されることに対するバッファとして機能するので、気密封止部分Ｖ１の内部の水分量を５０００ｐｐｍ以下に維持できる期間が長くなる。したがって、高水分濃度雰囲気下でＡＰＤ２等の素子に高電圧を加えることによる故障の発生を長期間防ぐことができる。
【００２０】
また、第１及び第２のキャップシェル４ｂ，５ｂそれぞれにおけるステム３との抵抗溶接箇所には、プロジェクション溶接用のプロジェクションを設けることが好ましい。このようにプロジェクションを設けることにより、気密封止をより簡単に行うことができる。
【００２１】
なお、光モジュール１のパッケージを構成する第１のキャップ４の材料に、ＹＡＧ溶接性の良いＳＦ２０ＴやＳＵＳ３０４を用いた理由は、光モジュールは、一般的に、光コネクタを受納するスリーブが取付けられて光サブアセンブリ（ＯＳＡ：Optical Sub-Assembly）として用いられ、その際、光モジュールのパッケージには、上記スリーブがＹＡＧ溶接により取付けられるからである。
【００２２】
また、第２のキャップ５は、ＦｅＮｉ５０材等を基に作製され、その表面がＮｉメッキで保護されており、そのＮｉメッキがロウ材の一部として寄与するため、抵抗溶接が比較的容易で、端圧・溶接電流等の溶接条件の幅が広い、すなわち、抵抗溶接性が良い。一方、第１のキャップ４は、ステンレス材により作製され、その表面がＣｒ−Ｏによる不導体膜で覆われ、Ｎｉメッキも形成されていないため、第２のキャップ５に比べ、溶接条件幅が狭い（すなわち、抵抗溶接性は劣る）。
【００２３】
一般的に、キャップとステムの取付けの際にプロジェクション溶接を行う場合、過大な溶接条件（溶接電流）は、その溶接部から溶接痕の飛沫（スプラッシュと呼ぶ）がキャップの内外に飛ぶ原因となる。この溶接痕の飛沫は、素子上に飛んだ場合などに当該素子に悪影響を与える場合がある。これを防ぐため、本光モジュールでは、上述のように、溶接性の良い第２のキャップ５を先に抵抗溶接し、その外側にＹＡＧ溶接性の良い第１のキャップ４を抵抗溶接している。
【００２４】
これにより、抵抗溶接性の良い第２のキャップ５では溶接痕の飛沫が発生することがなく、また、抵抗溶接の比較的難しい第１のキャップ４を過大な条件で溶接し溶接痕の飛沫が発生したとしても、素子が第２のキャップ５で保護されているので当該素子に飛沫が及ぶことがないため、素子が溶接痕の飛沫により悪影響を受けることがない。言い換えれば、第１のキャップ４の溶接条件の許容範囲が大きくなっている。
【００２５】
図２は、本発明の光モジュールの他の例を説明する部分断面図である。
光モジュール１’もまた、図１の光モジュール１と同様に、第１及び第２のキャップ４’，５’、並びにステム３を用いて、ＡＰＤ２等の素子を多重に気密封止している。
図１の例の光モジュール１では、第１のキャップシェル４ｂを第２のキャップシェル５ｂとは異なりＹＡＧ溶接性の良い材料を用いて切削により作製していた。しかし、光モジュールにスリーブをＹＡＧ溶接で取付ける必要が無い場合などは、図２に示すように、第１のキャップシェル４ｂ’は、第２のキャップシェル５ｂ’と同様に、特にＹＡＧ溶接性を考慮していない材料を用いてプレス成形により作製している。
【００２６】
また、図１のように第１のキャップ４に集光レンズ４ａを設け第２のキャップ５に平板ガラス５ａを設けるのではなく、第１のキャップ４’に平板ガラス４ａ’を設け第２のキャップ５’に集光レンズ５ａ’を設けている。
なお、光モジュール１’のその他の部分は、図１の光モジュール１と同様であるので、図１のものと同じ参照符号を用いること等により、その説明は省略する。
【００２７】
図３は、本発明の光モジュールの更に他の例を説明する部分断面図である。
光モジュール１’’もまた、上述の光モジュールと同様に、第１及び第２のキャップ４’’，５、並びにステム３を用いて、ＡＰＤ２等の素子を多重に気密封止している。
【００２８】
図１及び図２の例では、集光レンズを光モジュールに取付けていた。しかし、図３に示すように集光レンズ１０ａがスリーブ１０に取付けられている場合は、光モジュール１’’に集光レンズを取付ける必要は無く、第１及び第２のキャップシェル４ｂ’’，５ｂには光学窓として平板ガラス４ａ’’，５ａを取付ければよい。なお、光モジュール１’’では、当該モジュールのパッケージを構成する第１のキャップシェル４ｂ’’が、ＹＡＧ溶接に適さないＦｅＮｉ５０材等を基にプレス成形により作製されており、スリーブ１０は当該第１のキャップシェル４ｂ’’に接着剤により取付けられている。
なお、光モジュール１’’のその他の部分は、前例の光モジュールと同様であるので、図１や図２のものと同じ参照符号を用いること等により、その説明は省略する。
【００２９】
図１〜図３の例では、ＡＰＤ２等の素子を二重に気密封止する形態で説明したが、三重以上に気密封止するようにしてもよい。
【００３０】
なお、以上では、本発明について、光電変換素子としてＡＰＤを搭載した光モジュールに適用した例で説明したが、本発明は、光電変換素子としてレーザダイオードやＰＩＮ型ＰＤを搭載する光モジュールに適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の光モジュールの一例を説明する図である。
【図２】本発明の光モジュールの他の例を説明する部分断面図である。
【図３】本発明の光モジュールの更に他の例を説明する部分断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１，１’，１’’…光モジュール、２…ＡＰＤ、３…ステム、４，４’，４’’…第１のキャップ、４ａ，５ａ’，１０ａ…集光レンズ、４ｂ，４ｂ’，４ｂ’’…第１のキャップシェル、４ｃ…開口、５，５’…第２のキャップ、５ａ，４ａ’，４ａ’’…平板ガラス、５ｂ，５ｂ’…キャップシェル、５ｃ…開口、６，８…バイパスコンデンサ、７…プリアンプＩＣ、９…リードピン、１０…スリーブ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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