(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光半導体素子を載置固定する底板と、枠状をなし前記底板に固着されるもので光ファイバを保持する側板とを有し、前記光半導体素子の光を前記側板に固定された光ファイバに出射する光モジュール用パッケージにおいて、
前記底板は、前記光モジュールを取り付け固定するための取付部を前記光半導体素子の光軸方向に一体に備え該取付部の厚さを有する平板状の下部底板と、前記下部底板上に重合固着され前記光半導体素子を収容する上部底板とから成り、
該上部底板は、前記下部底板側で前記側板の外表面より内側まで所定長さ及び所定高さの段差部を備え、
前記下部底板および前記上部底板は熱伝導率の高い銅・タングステン合金を用いて形成され、前記側板は熱伝導率の低い鉄・ニッケル・コバルト合金が用いられることを特徴とする光モジュール用パッケージ。
【請求項２】
前記段差部の高さは０．０５ｍｍ乃至１ｍｍの範囲である請求項１記載の光モジュール用パッケージ。
【請求項３】
前記段差部は、前記光軸方向に沿って前記側板の内表面の位置より内部側の位置まで形成された請求項１記載の光モジュール用パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ等の光モジュールを収容するパッケージに関し、特に、モジュールの変形による出力の変動を低減化できる光モジュール用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、光通信用の光モジュール（以下モジュールと称す）を示す側断面図である。このモジュール７０は、光半導体素子である半導体レーザ７１を搭載する金属底板７２と、金属底板７２上の周囲で所定高さの金属枠体７３によって構成されている。
このモジュール７０は、半導体レーザ７１からの射出ビームを精密調芯後、金属枠体７３に固定された光ファイバ７４のコアに集光される。モジュール７０の金属底板７２には複数の取付部７２ａが外部に延出形成されており、図示しない放熱板に固定される。この固定により、半導体レーザ７１及び温度調整用に内蔵されている電子冷却素子（ペルチェクーラ）７５からの廃熱は、放熱板に放熱される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバ７４は、パッケージ７０の金属枠体７３にＹＡＧレーザ溶接によって固定されている。したがって、取付部７２ａ部分をネジ止めする際に加わる外力でパッケージ７０（特に金属枠体７３）が歪むと、軸ズレと呼ばれるファイバ光出力の変動が生じる。
上記従来の構造では、取付部７２ａをネジ止めする際に加えられる外力は、支点Ａを中心として金属枠体７３の外表面７３ａに強い引っ張り力を生じさせる。これは支点Ａが、金属枠体７３の外表面７３ａの直下位置に位置していることが要因と考えられる。
【０００４】
上記課題を解決するため、特開平１０−５０８７２号公報に開示されたモジュールは、取付部７２ａを薄肉化し、ネジ止め時にパッケージ７０に加わる外力をこの取付部７２ａで吸収して金属枠体７３が変形しにくくした構造である。
しかしながら、取付部７２ａが薄いとネジ止め時にネジ切れが生じ固定不能になることがある。また、この構成においても取付部７２ａは同様位置に支点Ａが設けられているため、取付部７２ａ側から金属枠体７３の外表面７３ａに対して引っ張り力が生じるため、金属枠体７３の変形を防止できなかった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、取り付け時等におけるパッケージの変形を防止でき、軸ズレが発生せず安定した光出力が得られる光モジュール用パッケージの提供を目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、請求項１記載のように、光半導体素子を載置固定する底板と、枠状をなし前記底板に固着されるもので光ファイバを保持する側板とを有し、前記光半導体素子の光を前記側板に固定された光ファイバに出射する光モジュール用パッケージにおいて、
前記底板は、前記光モジュールを取り付け固定するための取付部を前記光半導体素子の光軸方向に一体に備え該取付部の厚さを有する平板状の下部底板と、前記下部底板上に重合固着され前記光半導体素子を収容する上部底板とから成り、
該上部底板は、前記下部底板側で前記側板の外表面より内側まで所定長さ及び所定高さの段差部を備え、
前記下部底板および前記上部底板は熱伝導率の高い銅・タングステン合金を用いて形成され、前記側板は熱伝導率の低い鉄・ニッケル・コバルト合金が用いられることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２記載のように、前記段差部の高さは０．０５ｍｍ乃至１ｍｍの範囲にしてもよい。
【０００８】
また、請求項３記載のように、前記段差部は、前記光軸方向に沿って前記側板の内表面の位置より内部側の位置まで形成してもよい。
【００１３】
上記構成によれば、モジュール取付時に取付部に加わる応力は支点を中心として側板に伝わるが、この支点は側板の外表面から光軸方向に沿って所定長さ内側に位置しており、光ファイバが固定されている側板を変形させず、光軸ズレを防止する。この支点は、段差部や溝で容易に形成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光モジュール用パッケージの実施形態を図面を用いて説明する。図１は、光モジュールパッケージ（モジュール）１の全体構成を示す斜視図、図２は平面図である。これらの図を用いてモジュール１の基本構成を説明する。
【００１５】
このモジュール１の筐体は、略長方形の底板２と、底板２の上面の外周に沿って配設された枠状の側板３、側板３上を閉塞する蓋９で大略構成され、底板２は前後端に固定用の取付部４が複数個突出形成されている。
【００１６】
側板３の前板３ａには、レーザ光を出射させるための出射口１０が設けられており、これと直交する面の横板３ｂ、３ｃには複数のリード端子１１が突出形成されている。出射口１０には光ファイバ（コネクタ）１８が固定され、レーザダイオード１３の光軸上に光ファイバ１８のコアが位置するよう精密に調芯される。
底板２の上面略中央位置には、矩形で偏平なペルチェ素子等の電子冷却素子１２が半田付けされている。
電子冷却素子１２上には基板及び支持体を介してレーザダイオード１３が半田付けされている。このレーザダイオード１３の出射光軸上にはレンズホルダ１４が溶接固定され、レンズ１５及び光アイソレータ１６が取りつけられている。
【００１７】
レンズ１５は、レーザダイオード１３から出射されたレーザ光を平行光に収束させて光アイソレータ１６側に出射する。光アイソレータ１６は、レーザ光を出射口１０から外部に低損失で通過させるとともに、出射口１０からの光の入射を阻止する。
ここで、レーザ光の出射方向をＸ軸、この出射方向と直交する方向をＹ軸とする。
【００１８】
また、レーザダイオード１３の背部には、レーザ光の強度をモニタするためのフォトダイオード１７が基板を介して設けられている。
上記の電子冷却素子１２、レーザダイオード１３、フォトダイオード１７は、モジュール１内部においてリード端子１１の各リード端子にボンディングワイヤで接続されている。
【００１９】
（第１実施形態）
次に、第１実施形態のモジュールを図３を用いて説明する。図３（ａ）は側断面図、（ｂ）は平面図である。
同図には、本発明の要部となるモジュール１の筐体構造のみを抽出して記載してある。モジュール１を構成する底板２と、側板３は、それぞれ異なる材質で形成されている。
【００２０】
底板２は、高熱伝導材料の銅・タングステン合金（Ｃｕ−Ｗ）からなり、図示のように、この底板２は、下部底板２１と、上部底板２２の２層で構成されている。
側板３は、熱電動特性が低く弾性率が高い、鉄・ニッケル・コバルト合金（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）からなる。この側板は所定の高さ及び肉厚により前板３ａ、横板３ｂ，３ｃ、後板３ｄを有する中空枠状に形成されている。
【００２１】
底板２の下部底板２１は、平板状に形成され、Ｘ軸方向の前後にはそれぞれ取付部４が突出形成されている。この取付部４には前述した放熱板にネジ止めするためのネジ穴４ａが開口形成されている。
上部底板２２の上面には、外周に沿って所定の段差部２２ａが形成されている。この段差部２２ａにより、側板３を構成する前板３ａ、横板３ｂ，３ｃ、後板３ｄの各底面３ｅが位置決めしやすく、Ａｇろうを用いて固定される。なおろう付け面は、段差部２２ａの上面２２ａａ及び側面２２ａｂである。
また、この上部底板２２の略中央位置は、所定深さを有する装着部２２ｂとされており、前述した電子冷却素子１２から上部の各部品が位置決め固定されるようになっている。
【００２２】
この上部底板２２においてＸ軸方向の前端、及び後端の下面には、それぞれ所定幅及び長さでＹ軸方向に連続する段差部２２ｃが形成されている。即ち、前板３ａ及び後板３ｄの直下位置に所定の隙間を形成するよう段差部２２ｃを設ける。この段差部２２ｃはフライス盤を用いた切削加工により形成する。
ここで、上部底板２２の前端及び後端の上下面にそれぞれ形成される段差部２２ａ，２２ｃ同士の高さ方向Ｚの幅（固定部２２ｆと称す）はできるだけ薄くすることが望ましく、これによって、発生する熱を側板３に伝えにくくでき、側板３の熱膨張を低減化できるようになる。
【００２３】
上記下部底板２１と上部底板２２は、図３（ｃ）に示す如くＡｇろう付けで固定される。
ここで、各部寸法を説明する。このモジュール１の全体高さは収容するラックの高さに適合すべく８ｍｍである。また、モジュール１内部の収容高さは５ｍｍであるため、上部底板２２の装着部２２ｂ底面から下部底板２１までの間の放熱部分の厚さは３ｍｍである。
下部底板２１（取付部４）の厚さは１ｍｍである。これにより、段差部２２ｃの高さ（切り込み量ｚ）は最大１ｍｍ、最小は０．０５ｍｍである。また、段差部２２ｃの長さ（切り込み量ｘ）は、少なくとも前板３ａ及び後板３ｄの外表面３ａａ、３ｄａより内側であればよい。図示の例では、段差部２２ｃはＸ軸方向で見て前板３ａ及び後板３ｄの内表面３ａｂ、３ｄｂ同一位置まで切り込み形成されている。
【００２４】
上記構成によれば、モジュール１の取り付け時のネジ止めにより取付部４に下方への曲げ応力が加わった場合、取付部４が対応して下方に変形するが、この取付部４の基端部に設けられた段差部２２ｃによって側板３、特に前板３ａ、後板３ｄの変形を低減化できるようになる。
即ち、取付部４に加わる曲げ応力は、段差部２２ｃの支点Ａを中心として発生するため、側板３の外表面３ａａ、３ｄａを引っ張る力とならずこの側板３ａａ、３ｄａの変形を防止する。なお、この支点Ａは、実際には図中奥行き方向（Ｙ軸方向）に連続する線状である。
これにより、前板３ａ、後板３ｄの変形を防止でき、レーザダイオード１３から出射されたレーザ光に軸ズレが発生せず安定した光出力を得ることができるようになる。
【００２５】
上記モジュール１内部からの発熱は、電子冷却素子１２が３Ｗ、レーザダイオード１３が２Ｗで計５Ｗ相当発熱するが、これらの熱は高熱伝導性を有する底板２を介して放熱板（不図示）に熱伝導される。この際、固定部２２ｆが薄肉でありかつ側板３自体が低熱伝導性であるため、発生した熱による側板３、特に前板３ａの変形を防止できるようになっている。
【００２６】
この実施形態では、底板２を下部底板２１と上部底板２２に上限２分割した構成であるため、下部底板２１の形成時に同時に各種形状の取付部４を形成することができる。
例えば、図４（ａ）の平面図に示すように、モジュール１の中央を中心として点対称位置の２カ所に取付部４を突出形成したり、図４（ｂ）に示すように一端側中央に１カ所、他端側２カ所に取付部４を突出形成してもよい。これらは、取り付け方法に合わせて適宜選択して用いればよい。
【００２７】
（参考実施形態）
次に、参考実施形態のモジュールを図５の側断面図を用いて説明する。図には、側板３の前板３ａ部分のみを記載してある。
モジュール１を構成する底板２と、側板３は、第１実施形態同様、異なる材質で形成されている。
この実施形態における底板２には１枚の平板が用いられ、固定部２２ｆの側面２２ｆａに側板３の内表面３ａｂ、３ｄｂがAgろう付けされる。また、取付部４は、底板２の前端、後端においてそれぞれ段差を有する所定厚さでＸ軸方向に突出形成される。
【００２８】
そして、取付部４の上面４ａのＸ軸方向延長線上、即ち、固定部２２ｆの下部にはそれぞれ所定幅及び長さでＹ軸方向に連続する溝部２２ｇが形成されている。即ち、側板３の前板３ａ及び後板３ｄの直下位置に隙間を形成するよう溝部２２ｇを設ける。
【００２９】
この溝部２２ｇは、固定部２２ｆの側面２２ｆａより内側、即ち、前板３ａ及び後板３ｄの内表面３ａｂ、３ｄｂからモジュール１の内側に所定長さ切り込み形成される。
【００３０】
上記構成によれば、モジュール１の取り付け時のネジ止めにより取付部４に下方への曲げ応力が加わった場合、取付部４が対応して下方に変形するが、この取付部４の基端部に設けられた溝部２２ｇによって側板３、特に前板３ａ、後板３ｄの変形を低減化できるようになる。
【００３１】
即ち、取付部４に加わる曲げ応力は、溝部２２ｇの支点Ａを中心として発生するため、側板３の外表面３ａａ、３ｄａを引っ張る力とならずこの側板３ａ、３ｄの変形を防止する。
これにより、前板３ａ、後板３ｄの変形を防止でき、レーザダイオード１３から出射されたレーザ光に軸ズレが発生せず安定した光出力を得ることができるようになる。
【００３２】
図６は、この参考実施形態の変形例を示す斜視図である。
図示のように、底板２には、Ｘ軸方向に沿った両側部にそれぞれ支持部２２ｈを設けた構成である。
この支持部２２ｈの上面２２ｈａの高さ位置は、少なくとも取付部４の上面（４ａ（溝部２２ｇの下面２２ｇｂ）より高く、溝部２２ｇの上面２２ｇａの高さ位置程度に設定しておく。
【００３３】
この支持部２２ｈは、側板３の横板３ｂ，３ｃの底面３ｅに接して支持し、同時に前板３ａ、後板３ｄの底面ｅを取付部４の上面４ａから溝部２２ｇの高さ程度の間隔を離す状態を保持する。
これにより、底板２上に対する側板３の取り付け時の高さ方向の位置決めと固定作業を容易化できる。
【００３４】
また、図７の側断面図に示す変形例も考えられる。図示のように、側板３の前板３ａと後板３ｄの下面３ｅには、Ｙ軸方向に沿った複数箇所に点状の突起部３ｊを設けた構成にも出来る。
この突起部３ｊの高さは、溝部２ｇの高さに相当して形成されており、この突起部３ｊは、前板３ａ、後板３ｄの底面３ｅを取付部４の上面４ａから溝部２２ｇの高さ程度の間隔を離す状態を保持する。
これにより、底板２上に対する側板３の取り付け時の高さ方向の位置決めと固定作業を容易化できる。
【００３５】
但し、この構成は、取付部４の取り付け時に取付部４に対し下方への曲げ力が加わった場合に上記の効果を有するものであり、取付部４の取り付け時に取付部４に対し上方への曲げ応力が加わるおそれがある箇所には適用出来ない。なお、場合、突起部３ｊを、Ｘ軸方向においてできるだけ固定部２２ｆの側面２２ｆａに近い側に設ければ、取付部４に上方向の曲げ応力が加わった際に側板３の前板３ａ、後板３ｄへ加わる応力を低くして変形を小さく抑えられるようになる。
【００３６】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態のモジュールを図８の側面図を用いて説明する。
図８（ａ）に示すように、モジュール１の側板３と取付部４は、鉄・ニッケル・コバルト合金を用いたメタルインジェクションモジュールで一体形成されたものである。また、底板２（不図示）は、銅・タングステン合金を用いて形成される。
この側板３に対して取付部４は、Ｘ軸方向で前板３ａ及び後板３ｄの外表面３ａａ，３ｄａより少なくともモジュール１の内側に位置して突出形成される。
【００３７】
この後、図８（ｂ）に示す如く図中一点鎖線（支点Ａ）を中心として取付部４を曲げ加工する。そして、側板３下面から底板２をＡｇろう付けで固定する。
上記構成によれば、側板３に取付部４が一体形成されているが、側板３の前板３ａ及び後板３ｄの底面３ｅが取付部４の上面４ａから所定間隔離れて設けられている。
これにより、取付部４に加わる曲げ応力は、支点Ａを中心として発生するため、側板３の外表面３ａａ、３ｄａを引っ張る力とならずこの側板３ａ、３ｄの変形を防止する。
これにより、前板３ａ、後板３ｄの変形を防止でき、レーザダイオード１３から出射されたレーザ光に軸ズレが発生せず安定した光出力を得ることができるようになる。
【００３８】
以上各実施形態で説明した構成は共通して取付部４の基端部の支点Ａを光軸に沿ったＸ軸方向でみて側板３ａ、３ｄの外表面３ａａ、３ｄａよりモジュール１の内側に設けた構成である。したがって、取付部４をネジ固定した際にこの取付部４には支点Ａを中心として曲げ応力が加わり、側板３ａ、３ｄ側に伝わらず、側板３ａ、３ｄの変形を防止できるようになる。
【００３９】
【参考例】
次に上記実施形態の構成における変形に関する試験データを説明する。
図９は、試験条件を示す図である。図示の例は参考実施形態の構成に示すモジュール１を構成する底板２及び側板３を組み立てた状態で底板２の中央を中心としてＸ軸方向両端の取付部４、４に対して上方からそれぞれ１０μｍの変位力を加えた。
底板２は、銅・タングステン合金(Cu-W)であり、ヤング率30000kgf/mm2である。側板３は、鉄・ニッケル・コバルト合金(Fe-Ni-Co)であり、ヤング率14000kgf/mm2である。この底板２と側板３は１０μｍ厚のAgろう（ヤング率14000kgf/mm2）でろう付け固定されている。
【００４０】
図９（ａ）に示す各部の寸法は、図示の如く、Ｘ軸方向では、取付部４，４端部間の全長２９．９７ｍｍ、側板３、３の外表面３ａａ、３ｄａの間隔２０．８３ｍｍ、装着部２２ｄの長さ１６．３ｍｍ、側板３（前板３ａ、後板３ｄ）の肉厚１．０２ｍｍである。高さ方向Ｚでは、全体高さ７．６ｍｍ、取付部４の上面４ａから装着部２２ｄ底面までの高さ０．５ｍｍ、装着部２２ｄの深さ０．５ｍｍである。図９（ｂ）は、変形状態を示す仮想図である。図示の変形状態は便宜上誇張して記載してある。
【００４１】
上記構成において、溝部２２ｇを設けない場合と、図９（ａ）に点線で示す如く溝部２２ｇを設けてＸ軸方向の切り込み量ｘ、及び高さ方向Ｚの切り込み量ｚを各種設定した場合についてそれぞれ試験した。
【００４２】
図１０は、Ｘ軸方向の切り込み量ｘを変化させたときにおける前板３ａの内表面３ａｂ（レーザ光の入口）、及び外表面３ａａ（レーザ光の出口）の従来構造に対する相対的変位量を示す図である。Ｙ軸方向の切り込み量ｙは０．３ｍｍとした。この結果、切り込み量の長さが長い程変形量が小さくなることが判る。
【００４３】
図１１は、Ｚ軸方向の切り込み量ｚを変化させたときにおける前板３ａの内表面３ａｂ（レーザ光の入口）、及び外表面３ａａ（レーザ光の出口）の変位量を示す図である。Ｚ軸方向の切り込み量ｚは１．９１５ｍｍとした。
切り込み量ｚを０．１ｍｍから０．４ｍｍまで変化させても変形量は従来構造の７２％で変化しない。
このことから、切り込みの高さについては、取付部４の上面４ａに対して側板３の前板３ａ、後板３ｄの底面３ａｂ、３ｄｂが接触しない状態にすれば側板３の変形を防止出来ることが判る。
【００４４】
図１２は、変形量に対するレーザ光の損失を示すグラフである。
モジュール１から出射されるレーザ光の過剰損失（ｄＢ）は、一定の目標管理値（０．１ｄＢ）以下に抑えることが望ましい。このときの変形量はグラフから０．７５μｍである。本発明によれば、変形量を０．７５μｍ以下に抑えることができ、損失の目標管理値を満足させることが出来た。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、底板が上部底板と下部底板とからなり、上部底板の下部底板側で側板の外表面より内側まで所定長さ及び所定高さの段差部が形成され、取付部の取付時に加わる応力の支点は側板の外表面より内側に位置するため、側板を変形させない。これにより、側板に固定されている光ファイバの光軸ズレを防止し安定した光出力を得ることができるようになる。しかも、下部底板および上部底板は熱伝導率の高い銅・タングステン合金を用い、また、側板をこれと異なり熱伝導率の低い鉄・ニッケル・コバルト合金を用いて構成されるので、放熱特性を維持しつつ側板の変形をより低減化出来るようになる。
請求項２記載のように、この段差部の高さは０．０５ｍｍ乃至１ｍｍの範囲で設定することにより、モジュール全体を規定の高さとしつつ、側板の変形を効果的に防止出来るようになる。
この段差部は、請求項３記載のように、光軸方向に沿って側板の内表面の位置より内部側の位置まで形成して簡単に設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光モジュール用パッケージの全体構成を示す斜視図。
【図２】同平面図。
【図３】第１実施形態のモジュール構造を示す図。
【図４】取付部の形状を示す図。
【図５】参考実施形態のモジュール構造を示す側断面図。
【図６】参考実施形態の変形例を示す斜視図。
【図７】参考実施形態の変形例を示す側断面図。
【図８】第２実施形態の構成を示す図。
【図９】変形試験条件を示す図。
【図１０】Ｘ軸方向の切り込み量を変化させたときの変位量を示す図。
【図１１】Ｚ軸方向の切り込み量を変化させたときの変位量を示す図。
【図１２】モジュールの変形量に対するレーザ光の損失を示すグラフ。
【図１３】従来のモジュールを示す側断面図。
【符号の説明】
１…光モジュールパッケージ、２…底板、３…側板、３ａ…前板、３ｂ、３ｃ…横板、３ｄ…後板、３ａａ、３ｄａ…外表面、３ａｂ、３ｄｂ…内表面、４…取付部、１０…出射口、１１…リード端子、１３…レーザダイオード、１８…光ファイバ、２１…下部底板、２２…上部底板、２２ｃ…段差部、２２ｇ…溝部。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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