(57)【要約】【課題】信号伝送線路の熱抵抗を大きくすることにより低消費電力で高動作温度仕様の光結合装置を得ること。【解決手段】電気信号端子７ａ、７ｂを有する気密パッケージ３と、前記気密パッケージ３内に設置される電子冷却素子４と、前記電子冷却素子４に熱的に結合され、前記電気信号端子７ａ、７ｂに信号伝送線路２を介して接続される光半導体素子１と、を備えた光結合装置において、前記信号伝送線路２には、樹脂フィルムに導体薄膜パターンを付着させた基板２ａを含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号端子を有する気密パッケージと、
前記気密パッケージ内に設置される電子冷却素子と、
前記電子冷却素子に熱的に結合され、前記電気信号端子に信号伝送線路を介して接続される光半導体素子と、
を備えた光結合装置において、
前記信号伝送線路には、樹脂フィルムに導体薄膜パターンを付着させた基板を含むことを特徴とする光結合装置。
【請求項２】
前記基板は、可撓性のある樹脂フィルムを用いたフレキシブル基板であることを特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
【請求項３】
前記樹脂フィルムには、ポリイミドを使用したことを特徴とする請求項２に記載の光結合装置。
【請求項４】
前記基板の信号伝送線路は、コプレーナ線路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光結合装置。
【請求項５】
前記電気信号端子と前記基板とは、バンプを介したフリップチップボンディングで接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光結合装置。
【請求項６】
前記電気信号端子と前記基板とは、前記光半導体素子を変調するためのドライバＩＣを介して接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光結合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信に用いられる発光半導体素子の出射光を光ファイバに結合する光結合装置、あるいは逆に光ファイバの出射光を受光半導体素子に結合する光結合装置に関するものであり、特に、熱影響を低減させたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光結合装置は、電気信号端子を有する気密パッケージと、この気密パッケージ内に設置さる電子冷却素子と、この電子冷却素子に熱的に結合され電気信号端子に信号伝送線路を介して接続される光半導体素子と、を備えていて、この信号伝送線路は、誘電体セラミック（フォルステライト、ステアタイト、ジルコン、アルミナ等）基板の両面に金属薄膜のパターンを施し、この金属薄膜の両面間の電磁結合によって電気信号を伝送するマイクロストリップ線路としていた（たとえば、特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特公平７−１４１０２号公報
【非特許文献１】
”Ｄｕａｌ  ｉｎ  ｌｉｎｅ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅ  ｍｏｄｕｌｅ  ｆｏｒ  ｆｉｂｅｒ  ｏｐｔｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｕｐ  ｔｏ  ４Ｇｂｉｔ／ｓ”，  Ｎａｋａｎｏ  ｅｔ．ａｌ．，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  ｖｏｌ．ＬＴ−５，  Ｎｏ．１０，  ｐｐ１４０３−１４１１，  Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９８７
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の光結合装置では、外気温が高くなり気密パッケージ温度が上昇した場合、熱が気密パッケージからマイクロストリップ線路を伝わって電子冷却素子側へ流入する。
【０００５】
マイクロストリップ線路として、高周波性能に優れたアルミナセラミックを使用し、その寸法を、厚さ０．３ｍｍ、幅１ｍｍ、長さ１ｍｍとし、基板下面に厚さ５μｍの金薄膜を蒸着してあるとすると、アルミナセラミックの熱伝導率は２２Ｗ／ｍ・Ｋ、金の熱伝導率は２９３Ｗ／ｍ・Ｋであるので、アルミナセラミック部分の熱伝導は６．６ｍＷ／Ｋ、基板下面の金薄膜の熱伝導は１．５ｍＷ／Ｋとなり、全体の熱伝導は約８ｍＷ／Ｋとなる。
【０００６】
一方、光結合装置の標準的な仕様では、外気温が最大で７５℃、光半導体素子の温度が２５℃程度で駆動されることから、このマイクロストリップ線路からの熱流入は最大で４００ｍＷ程度と見積もられる。光半導体素子は、標準的には電流５０ｍＡ、電圧１．２Ｖ程度で駆動されることから、その発熱量は約６０ｍＷであり、電子冷却素子で冷却する熱は、外部から電子冷却素子上へ流入する熱が支配的であることがわかる。
【０００７】
また、外部から流入する熱を低減する方法として、気密パッケージの電気信号端子と光半導体素子との間を金ワイヤで接続する方法があるが、この方法では、前記特許文献１にも記載されているように、金ワイヤのインダクタンス成分と電子冷却素子の容量とで共振が生じ周波数特性上問題が生じる。
【０００８】
近年、光結合装置の仕様として、低消費電力化及び高動作温度化への要求が強くなっているが、上記の試算からわかるように、現行の設計ではマイクロストリップ線路を通じて多大な熱流入が生じ、これに対して電子冷却素子上の温度を一定に抑えるようＡＴＣ（Ａｕｔｏ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路が働いて電子冷却素子の下面へこの熱を排出するが、排出された熱が更に気密パッケージ温度を上昇させ、この気密パッケージの温度上昇が電子冷却素子への更なる熱流入に繋がるサイクルが働くことになる。このため、光結合装置の耐熱性能を向上させ電子冷却素子の消費電力を抑えるには、マイクロストリップ線路からの熱流入をいかに抑制するかが課題となる。
【０００９】
この発明は上記課題に鑑みてなされたもので、信号伝送線路の熱抵抗を大きくすることにより低消費電力で高動作温度仕様の光結合装置を得ることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明に係る光結合装置は、電気信号端子を有する気密パッケージと、前記気密パッケージ内に設置される電子冷却素子と、前記電子冷却素子に熱的に結合され、前記電気信号端子に信号伝送線路を介して接続される光半導体素子と、を備えた光結合装置において、前記信号伝送線路には、樹脂フィルムに導体薄膜パターンを付着させた基板を含むことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明に係る光結合装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１〜図３を用いてこの発明の実施の形態１を説明する。図１はこの発明の実施の形態１の光結合装置の構造を示す縦断面図、図２は信号伝送線路の平面図、図３は信号伝送線路の縦断面図である。
【００１３】
図において、矩形箱形の金属製の気密パッケージ３は、一方の側壁に、電気信号端子として、気密パッケージ３と電気的に接続され固定されたグランド端子７ｂ及び絶縁材料のガラス材（又は、セラミック材）３ａを介して絶縁固定された高周波信号端子７ａを有している。他方の側壁には、信号光線を射出するための窓３ｂが設けられ、その外側には、光ファイバ６のホルダ６ａが取付けられる。
【００１４】
気密パッケージ３内の中央部には、電子冷却素子４が、気密パッケージ３と熱的に結合されて設置され、光半導体素子としてのレーザダイオード１がチップキャリア１ａを介して電子冷却素子４上に搭載されている。チップキャリア１ａと電子冷却素子４とは半田もしくは接着剤で熱的に結合されている。レーザダイオード１の射出光１ｂを光ファイバ６の入射端に集光するレンズ５も電子冷却素子４上に設置されている。
【００１５】
電気信号端子７ａ、７ｂとレーザダイオード１とを接続する信号伝送線路２は、グランド端子７ｂ上に設置された台座７ｃと電子冷却素子４上に設置された台座４ａとの間に架け渡された樹脂フィルムに導体薄膜パターンを付着させた基板２ａと、基板２ａの一端とレーザダイオード１とを接続するワイヤボンド２ｂとから成っている。基板２ａの他端と電気信号端子７ａ、７ｂとの間もワイヤボンド２ｃで接続されている。
【００１６】
基板２ａとして、可撓性のある樹脂フィルムを用いたフレキシブル基板を採用すれば、撓ませることにより接続位置の調整ができるので、気密パッケージ３内の寸法設計の自由度を高めることができる。さらに樹脂フィルムにポリイミド樹脂を採用すれば、低誘電率で高周波性能に優れていて、気密パッケージ３とチップキャリア１ａ間での信号伝送損失を高周波領域まで限りなく０にすることが可能である。
【００１７】
信号伝送線路２は、レーザダイオード部分の整合回路のインピーダンスに合うようにインピーダンス設計がなされ、また、気密パッケージ３の高周波信号端子７ａもガラス材、もしくはセラミック材にて同様にインピーダンス設計がなされている。
【００１８】
気密パッケージ３内の空気の熱伝導率は十分に小さいので、気密パッケージ３から電子冷却素子４上への熱流入は、主に信号伝送線路２の基板（フレキシブル基板）２ａからなされる。フレキシブル基板２ａの寸法を、厚さ０．１ｍｍ、幅１ｍｍ、長さ１ｍｍ、また、材質にポリイミド樹脂を使用すると、熱伝導率が０．２Ｗ／ｍ（Ｋであることから熱伝導は、０．０２ｍＷ／Ｋとなる。
【００１９】
一方フレキシブル基板２ａの一面に金薄膜パターンが厚さ５μｍで付着している場合、金薄膜パターンの熱伝導率が２９３Ｗ／ｍ（Ｋであることから金薄膜パターン部分の熱伝導は、１．５ｍＷ／Ｋとなる。このことからフレキシブル基板２ａによる熱伝導は、ほとんどが金薄膜パターンによることがわかる。
【００２０】
気密パッケージ３と電子冷却素子４上の温度差を最大５０℃とした場合、気密パッケージ３からの熱流入の大きさは７５ｍＷ程度となり、アルミナセラミックを使用した場合の約１／５となり、耐熱性能の大幅な改善が可能であり、また、電子冷却素子４の消費電力の低減が可能である。
【００２１】
また、信号伝送線路２をマイクロストリップ線路等にした場合には、気密パッケージ３の電気信号端子７ａ、７ｂ部分とチップキャリア１ａとの高さを等しくする等、寸法設計面での制約も生じるが、フレキシブル基板２ａを採用すれば、気密パッケージ３内の寸法設計自由度を大きくすることもできる。
【００２２】
ポリイミド樹脂製のフレキシブル基板は、誘電率が３．６と低誘電率で高周波性能に優れていることから気密パッケージ３とチップキャリア１ａ間での信号伝送損失を高周波領域まで限りなく０にすることが可能である。また、熱伝導率がアルミナセラミックの約１／１００であり、アルミナ基板より薄く加工することが可能であるため、気密パッケージ３から電子冷却素子４上面への熱流入も無視できるレベルに抑えることが可能である。このことから、優れた高周波性能と耐熱性能をもった光結合装置を提供することできる。
【００２３】
図２は信号伝送線路（フレキシブル基板２ａ）の平面図、図３は信号伝送線路（フレキシブル基板２ａ）の縦断面図である。フィルム状のポリイミド樹脂製のフレキシブル基板２ａの片面中央に金や銅など電気抵抗の低い金属の信号線パターン２ｄが蒸着され、信号線パターン２ｄを両側から等間隔で挟むように信号線パターン２ｄより幅の広い２本のグランドパターン２ｅが蒸着されていて、信号伝送線路としてコプレーナ線路を形成している。
【００２４】
フレキシブル基板２ａの熱伝導を低く抑えるためには、基板を薄くした方が良いが、フレキシブル基板２ａによる信号伝送線路として基板の表裏両面に金属薄膜を付着させたストリップ線路を採用すると、基板を薄くするときは信号線パターン幅を狭くせねばならず、光結合装置の製造上の制限が生じる。また裏面全面に金属薄膜を付着させるので、熱伝導の増大に繋がる。
【００２５】
コプレーナ線路を採用すると、例えば、基板厚０．１ｍｍ、基板幅１ｍｍ、基板長１ｍｍ、基板片面の金属薄膜パターン厚５μｍ、信号線パターン幅０．２ｍｍとすれば、基板材料であるポリイミド樹脂の誘電率は３．６であるので、図２の信号線パターン２ｄとグランドパターン２ｅの間隔を０．０３１ｍｍとすることで、フレキシブル基板２ａ全体のインピーダンスを５０Ωとすることができる。このとき基板材料のポリイミド樹脂部分の熱伝導は最大で７５ｍＷとすることができ、大幅な熱流入の低減ができ、光結合装置の耐熱性能の向上と電子冷却素子の消費電力の低減が可能である。
【００２６】
実施の形態２．
図４及び図５を用いてこの発明の実施の形態２を説明する。図４はこの発明の実施の形態２の光結合装置の構造を示す縦断面図、図５は図４のア部拡大図である。図において、図１〜３と同一の部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００２７】
図５に示すように、電気信号端子７ａ、７ｂと基板２ａの導体薄膜パターンとを、バンプと呼ばれる直径１０〜５０μｍ程度の金等のボール２１を介して接続するフリップチップボンディングで接続する。接続固着は、加圧や超音波加熱により行なう。フリップチップボンディングは、ＩＣと基板間を接続するベアチップ実装技術として良く知られているが、この接続方法は、寄生容量を小さくすることができるので、信号伝送線路の優れた周波数特性が得られる。
【００２８】
実施の形態３．
図６を用いてこの発明の実施の形態３を説明する。図６はこの発明の実施の形態３の光結合装置の構造を示す縦断面図である。図において、図１〜３と同一の部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００２９】
気密パッケージ３に設けられた台座３ｃ上にドライバＩＣ３１が設置され、電気信号端子７ａ、７ｂはドライバＩＣ３１の入力端子に接続され、ドライバＩＣ３１の出力端子に基板２ａが接続される。他の構造は、実施の形態１と同じである。
【００３０】
光結合装置の小型化要求に対応するため、近年、光結合装置にドライバＩＣ３１を内臓する場合がある。ドライバＩＣ３１は変調速度が速くなるにつれ、発熱量が大きくなり、１０Ｇｂ／ｓでは約１Ｗ程度になる。ドライバＩＣ３１の発熱量により、電子冷却素子４上への熱流入がどの程度増えるか試算する。ドライバＩＣ３１の寸法を２ｍｍ×２ｍｍ、設置される台座３ｃの気密パッケージ３底面からの高さを５ｍｍとする。気密パッケージ３の材質を銅・タングステンとすると、熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋである。このとき気密パッケージ３底面からの熱伝導は１６０Ｗ／Ｋとなり、ドライバＩＣ３１の発熱量を１Ｗとすると、気密パッケージ３底面とドライバＩＣ３１との温度差は約６．３℃となり、気密パッケージ３の表面温度を最大７５℃とするとドライバＩＣ３１の温度は８１．３℃となる。
【００３１】
上記の計算から、信号伝送線路にアルミナ製のストリップ線路を採用した場合、熱伝導が８ｍＷ／Ｋであるので、気密パッケージ３から電子冷却素子４上へは、４９０ｍＷの熱流入が生じることになる。一方ポリイミド樹脂製フレキシブル基板を使用した場合、熱伝導は１．５ｍＷ／Ｋであるので、熱流入は９２ｍＷとなり、ドライバＩＣ３１の発熱により熱流入は大きくなるが、信号伝送線路にポリイミド樹脂を使用することにより、熱流入を約４００ｍＷ低減することができる。このことから、ドライバＩＣ３１等の高発熱体を光結合装置に用いる場合にも、光結合装置の耐熱性能の向上と電子冷却素子の消費電力の低減に有効である。
【００３２】
上記実施の形態では、光半導体素子として、レーザダイオードを用いた場合について説明したが、他の発光半導体素子もしくは受光半導体素子を用いた光結合装置にもこの発明を適用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
この発明によれば、光結合装置の信号伝送線路に樹脂フィルムに導体薄膜パターンを付着させた基板を用いたので、光結合装置の耐熱性能の向上と電子冷却素子の消費電力の低減をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による光結合装置の実施の形態１を示す縦断面図である。
【図２】信号伝送線路の平面図である。
【図３】信号伝送線路の縦断面図である。
【図４】この発明による光結合装置の実施の形態２を示す縦断面図である。
【図５】図４のア部拡大図である。
【図６】この発明による光結合装置の実施の形態３を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１  光半導体素子（レーザダイオード）、２  信号伝送線路、２ａ  フレキシブル基板、３  気密パッケージ、４  電子冷却素子、５  レンズ、６  光ファイバ、６ａ  ホルダ、７ａ、７ｂ  電気信号端子、２１  バンプ、３１  ドライバＩＣ。
【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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