(57)【要約】  温度制御モジュール４および支持ブロック５を金属ステム１上に実装し、支持ブロック５の側面に誘電体基板６を実装し、温度制御モジュール４の冷却面４ｃ上に支持ブロック９を実装し、支持ブロック９側面に誘電体基板１０を実装し、誘電体基板１０上に半導体光変調素子１３を実装し、リードピン２と信号線路７とをボンディングワイヤ１４を介して接続し、信号線路７と信号導体１１とをボンディングワイヤ１５を介して接続し、信号導体１１と半導体光変調素子１３とをボンディングワイヤ１７を介して接続する。
2010140473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−８５３６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図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２】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】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】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】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、ＬｉＮｂＯ３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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
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。
【符号の説明】
【００４７】
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
【図１】
2010140473.tif 000003
【図２】
2010140473.tif 000004
【図３】
2010140473.tif 000005
【図４】
2010140473.tif 000006
【図５−１】
2010140473.tif 000007
【図５−２】
2010140473.tif 000008
【図６】
2010140473.tif 000009
【図７】
2010140473.tif 000010
【国際調査報告】
2010140473.tif 000011
2010140473.tif 000012
2010140473.tif 000013
2010140473.tif 000014