(57)【要約】【課題】  レーザダイオードに特性劣化が生じた場合にも結合効率を維持することが可能な小型の発光モジュールを提供すること。【解決手段】  外部との間で信号の授受を行う複数のリードピン（１６〜１９）を貫通保持するステム１５と、レーザダイオード（ＬＤ）１２を載置するキャリア１１と、の間にピエゾ素子１４を設ける。このピエゾ素子１４にはリードピンが貫通するための複数の貫通孔が設けられており、ピエゾ素子１４への印加電圧とＬＤ１２の駆動信号が、複数のリードピン（１６〜１９）のいずれかを介して供給される。ピエゾ素子１４への給電制御によりピエゾ素子１４の厚みが変化するため、調心溶接後であってもＬＤ駆動状態を変化させることなく結合効率を可変とすることができ、ＬＤ１２の特性劣化によるスポットサイズ変動に対して結合効率を維持することが可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部との間で信号の授受を行う複数のリードピンを貫通保持するステムと、レーザダイオードを載置するキャリアと、該ステムと該キャリアとの間に設けられたピエゾ素子を備えた発光モジュールにおいて、
該ピエゾ素子は該リードピンが貫通するための複数の貫通孔を備え、該ピエゾ素子への印加電圧及び該レーザダイオードを駆動するための信号が、該複数のリードピンのいずれかを介して供給される、ことを特徴とする発光モジュール。
【請求項２】
前記発光モジュールはさらに前記レーザダイオードの出射光の強度を検知するフォトダイオードを備え、該フォトダイオードの一電極と、該レーザダイオードの一電極とが該キャリア上に共通接続されていることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
【請求項３】
前記発光モジュールはさらに、前記キャリアと前記ピエゾ素子との間に表面に導電性パターンが形成され、該複数のリードピンが貫通する複数の貫通孔を備えた上部電極板を含み、該キャリアが該導電性パターン上に搭載され、さらに、該導電性パターンと該ステムとが接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光モジュール。
【請求項４】
前記複数のリードピンは第１〜第４のリードピンであり、該第１のリードピンは該ピエゾ素子の表面側電極と接続し、該第２のリードピンは前記レーザダイオードの他電極と接続し、該第３のリードピンは前記フォトダイオードの他電極と接続し、該第４のリードピンは該ステムと接続する、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の発光モジュール。
【請求項５】
前記発光モジュールはさらに、該ステムと該ピエゾ素子の間に表面及び裏面に導電性パターンが形成され、該複数のリードピンが貫通する複数の貫通孔を備えた下部電極板を有する、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の発光モジュール。
【請求項６】
前記複数のリードピンは第１〜第４のリードピンであり、該第１のリードピンは該ピエゾ素子の表面側電極と接続し、該第２のリードピンは前記レーザダイオードの他電極と接続し、該第３のリードピンは該ピエゾ素子の裏面側電極及び前記フォトダイオードの他電極と接続し、該第４のリードピンは該ステムと接続する、ことを特徴とする請求項５に記載の発光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光モジュールに関し、より詳細には、レーザダイオードに特性劣化が生じた場合にも結合効率を維持することが可能な小型の発光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザダイオード（ＬＤ）モジュールでは、光源であるＬＤとそのＬＤから出射された光を集光して光ファイバ等に入射させるカップリングレンズ等のコリメータレンズとが、光ファイバ等への結合効率が所望の値となるように位置決めされて配置される。ＬＤと光ファイバとの光学的結合のためにはサブミクロンオーダーでの位置決めが必要とされ、例えばＣＡＮ型同軸ＬＤモジュールにおいては、通常はＬＤを駆動させた状態で光ファイバへの結合効率をモニタしながら位置決めされて溶接などの手法により固定される。
【０００３】
しかしながらサブミクロンオーダーの精密な位置決めを行ったとしても、ＬＤモジュールの環境温度の変動などの要因によってＬＤとレンズとの相対位置が変動する場合があり、かかる相対位置変動によって結合効率が初期値からずれてしまうという問題が生じ得るが、溶接などの手法により上記相対位置を固定した場合にはモジュールの完成後に光学系の調整を行うことができない。
【０００４】
このような問題を解消するために、ＬＤを保持する光源ホルダを圧電素子によりレンズホルダの固定部と連結させ、ＬＤとコリメータレンズとの光軸方向の間隔を補正することにより環境温度変化による光スポットの悪化を防止した光学装置に関する発明（特許文献１）や、光源と光ファイバとの光学的結合のために用いる微小位置調整装置にピエゾ素子を備えることとし、このピエゾ素子に印加する電圧値を制御することにより光学系の光軸調整や結合効率調整を可能とした微小位置調整装置の発明（特許文献２）などが知られている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３２９９１６号公報
【特許文献２】特開２０００−２６９５７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年のＬＤモジュールは小型化が要求されており、例えばＳＦＦコネクタなどのモジュールサイズは６ｍｍ以下とする必要がある。しかしながら、例えば上述した特許文献１に開示されている従来の調整技術をそのまま応用しても、その小型化は容易ではなく、ＬＤ出射光の近視野像（Near Field Pattern: NFP）変化による結合効率変化に対応可能な小型のＬＤモジュールを実現することは困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、レーザダイオードに特性劣化が生じた場合にも結合効率を維持することが可能な小型の発光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、外部との間で信号の授受を行う複数のリードピンを貫通保持するステムと、レーザダイオードを載置するキャリアと、該ステムと該キャリアとの間に設けられたピエゾ素子を備えた発光モジュールにおいて、該ピエゾ素子は該リードピンが貫通するための複数の貫通孔を備え、該ピエゾ素子への印加電圧及び該レーザダイオードを駆動するための信号が、該複数のリードピンのいずれかを介して供給される、ことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発光モジュールにおいて、前記発光モジュールはさらに前記レーザダイオードの出射光の強度を検知するフォトダイオードを備え、該フォトダイオードの一電極と、該レーザダイオードの一電極とが該キャリア上に共通接続されている、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発光モジュールにおいて、前記発光モジュールはさらに、前記キャリアと前記ピエゾ素子との間に表面に導電性パターンが形成され、該複数のリードピンが貫通する複数の貫通孔を備えた上部電極板を含み、該キャリアが該導電性パターン上に搭載され、さらに、該導電性パターンと該ステムとが接続されている、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の発光モジュールにおいて、前記複数のリードピンは第１〜第４のリードピンであり、該第１のリードピンは該ピエゾ素子の表面側電極と接続し、該第２のリードピンは前記レーザダイオードの他電極と接続し、該第３のリードピンは前記フォトダイオードの他電極と接続し、該第４のリードピンは該ステムと接続する、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の発光モジュールにおいて、前記発光モジュールはさらに、該ステムと該ピエゾ素子の間に表面及び裏面に導電性パターンが形成され、該複数のリードピンが貫通する複数の貫通孔を備えた下部電極板を有する、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発光モジュールにおいて、前記複数のリードピンは第１〜第４のリードピンであり、該第１のリードピンは該ピエゾ素子の表面側電極と接続し、該第２のリードピンは前記レーザダイオードの他電極と接続し、該第３のリードピンは該ピエゾ素子の裏面側電極及び前記フォトダイオードの他電極と接続し、該第４のリードピンは該ステムと接続する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
圧電素子たるピエゾ素子への給電をリードピンにより制御してピエゾ素子の厚みを変化させるようにしたので、調心溶接後にＬＤ駆動状態を変化させることなく結合効率を可変とすることができ、ＬＤの特性劣化によるスポットサイズ変動に対して結合効率を維持することが可能となる。また、サブミクロンオーダーでの微小な変移が可能であることから、近端反射による外部共振を避けることが可能となる。このように、レーザダイオードに特性劣化が生じた場合にも結合効率を維持することが可能な小型の発光モジュールを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の発光モジュールの主要部の構成例を説明するための図で、この発光モジュールのパッケージはモジュールの小型化実現のために、給電のためのリードピンを備えたリード部（ベース）とＬＤなどの光部品を実装するための実装部（キャリア）とに分割されており、これらキャリアとベースとの間に円盤型のピエゾ素子などの圧電素子を挟み込んだ構成となっている。
【００１６】
より具体的に説明すると、ＬＤ１２およびＬＤ１２からの背面光を検知するモニタフォトダイオード（ＰＤ）１３を実装させたキャリア１１は、ピエゾ素子１４を介してケースの一部を構成するステム１５の上に設けられ、ステム１５に保持された第１〜４のリードピン（１６〜１９）の各々は、ＬＤ１２、ＰＤ１３、ピエゾ素子１４およびステム１５のうちの所定の構成部分との電気接続が施されている。なお、キャリア１１の下面の所定の箇所には、ピエゾ素子１４に設けられた電極との電気的な接触が生じないための切欠き２０が設けられている。
【００１７】
図２はキャリア１１、ピエゾ素子１４、下部電極板２１、上部電極板２２及びステム１５と、第１〜４のリードピン（１６〜１９）の関係を説明するための図である。ステム１５、下部電極板２１、上部電極板２２、及びピエゾ素子１４の各々には三つのスルーホールが設けられており、４本のリードピンのうち第１、第２、及び第４のリードピン（１６、１７、１９）はこれらスルーホールを貫通してステム下面からキャリア上面まで、そのピン頭部が現れている。残りの第３のリードピン１８はステム１５に直接接続されている（図２においてはステム１５に隠れて接続の様子は見えていない）。
【００１８】
以下図面に沿ってこのモジュールの組立の様子を説明する。図３に示される様に、ステム１５上に下部電極板２１を搭載する。下部電極板２１にはリードピン１６、１７、１９に対応する個所に開口が設けられている。リードピン１６、１７に対する開口はその径が大きく、一方、リードピン１９に対する開口の径は、略リードピンの径と同様の大きさである。下部電極板２１の下面２１ａ（図示されていない）は全面に導体パターンが形成されている。上面２１ｂには、図に示す様に、二つのリードピン１６、１７に対する開口大きく避ける様に、一方、リードピン１９に対応する開口については、その開口周囲にまで導体パターンが形成されている。
【００１９】
図４（ａ）に示す様に、下部電極板２１をステム１５上に搭載して、電極板の下面２１ａとステム１５とを導電性接着材等で接着する。この時、図４（ｂ）に示すように、上面２１ｂの導体パターンとリードピン１９も、半田２７等により接着する。
【００２０】
次いで、図５（ａ）に示されるように、ピエゾ素子１４を下部電極板２１上に搭載する。ピエゾ素子１４としてはＰＺＴ等の材料を用いることができる。一般にピエゾ素子は、絶縁性の材料であり、その表裏面に電極を形成し、この電極間に印加された電界によりその厚さ報方向に微小な機械的変位、すなわち、厚さ自体が微小に変化する素子である。従って、ピエゾ素子の裏面１４ａ、および表面１４ｂにはそれぞれ電極パターンが形成されている。
【００２１】
また、図５（ｂ）に示すように、ピエゾ素子１４には、リードピン１６、１７、１９に対応する位置に裏面１４ａから表面１４ｂに延びる三つの貫通孔が形成されている。そして、リードピン１９に対応する貫通孔の裏面側周囲部は、図４（ｂ）の工程でリードピン１９と下部電極板２１の上面導電パターンとを接続するに際し用いた半田２７が上面導電パターンから盛り上がって接続されているため、この裏面パターンから盛り上がった半田等を避けるために、貫通孔周囲を除去した逃げを設けておく。こうすることで、ピエゾ素子１４の裏面と、下側電極表面とが密に接続することが可能となる。
【００２２】
ピエゾ素子１４と下側電極板２１との接着は導電性接着剤で行うことができる。すなわち、下側電極板２１の表面導電パターン上に導電性接着剤を塗布しておき、この上にピエゾ素子１４を静かに載置し、ピエゾ素子１４の上から軽く押圧することで、両者を導電性接着剤で接着することができる。余剰の接着剤を逃すために、下部電極板２１の表面側に複数の溝を形成しておき、この溝内にも導電パターンを連続的に形成しておくことも効果的である。
【００２３】
ついで、図６に示されるように、ピエゾ素子１４の上面電極とリードピン１６との間にワイヤボンディングを行う。リードピン１６の頭部は他のリードピン１７、１８に比較してステム１５からの突き出し量が小さく形成されている。このリードピン１６の頭部とピエゾ素子１４の上面電極とを、金製のリボンワイヤ２８で周知の方法により接続する。以上の工程により、ピエゾ素子１４の上面電極がリードピン１６と、下面電極がリードピン１８と接続された。
【００２４】
ついで、図７に示されるように、上側電極板２２をピエゾ素子１４上に重ねる。上側電極板２２は、リードピン１７、１８に対応する個所に貫通口が形成されているが、リードピン１６に対応する個所には切り欠きが設けられていて、前工程で行われたピエゾ素子の上面電極とリードピン１６の頭部との間に形成されたリボンワイヤを避けるようになっている。上側電極板２２の裏面２２ａ（図示されていない）には導電パターンは形成されていない。上側電極板２２の表面２２ｂにのみ、その前面にわたって導電パターンが形成されている。この表面側の導電パターンが、リードピン１７、１８を避けるように、貫通孔の周囲部には形成されていない。その後、図８に示されるように、この上側電極板２２の表面側導電パターンとステム１５との間を、複数の個所をリボンワイヤ２９で接続する。
【００２５】
最後に、図９に示すように、予めＰＤ１３とＬＤ１２が実装されたキャリア１１を、この上側電極板２２の上に搭載する。ＬＤ１２はチップキャリア２３上に搭載されている。チップキャリア２３はＬＤ１２を効率よくハンドリングするためのものであり、導電性材料を用いて形成されている。また、キャリア１１も導電性材料であるので、ＬＤ１２の裏面とＰＤ１３の裏面とは同電位に保たれる。本実施の形態では、このキャリア１１の電位を接地電位として用いている。
【００２６】
キャリア１１には、リードピン１６〜１８に対応する個所に、これらリードピンが貫通するための貫通孔が設けられている。図１に示した完成図にも示されるように、リードピン１７、１８の頭部はこの貫通孔を突き出ているが、リードピン１６の頭部は、前述したようにその頭部と上側電極板２２の表面側導電パターンがリボンワイヤで接続されているので、この貫通孔からは突き出ていない。リードピン１７と頭部とＰＤ１３の表面側電極とがワイヤボンディングされ、リードピン１８とＬＤ１２の表面側電極とがワイヤボンディングされている。
【００２７】
また、上側電極板２２とステム１５とを三本のリボンワイヤで接続しているが、当該リボンワイヤに対応するキャリア１１の裏面側の個所１１ａ〜１１ｃにざぐり加工が施されている。これにより、キャリアがリボンワイヤを避けることができ、キャリア１５と上側電極との接着を密にすることができる。さらに、図７〜図９において上側電極板２２の表面２２ａは平坦となっているが、キャリア１５をこの上に搭載する際に用いる導電性接着の余剰分を逃がすために、下側電極板２１と同様にその表面に複数の溝を設けておくことも効果的である。
【００２８】
以上の工程により、図１０の結線図に示されるように、ＬＤ１２、ＰＤ１３、およびピエゾ素子１４の結線が実現される。すなわち、リードピン１６はピエゾ素子１４の一方の電極に与えるバイアスとして、リードピン１７は、ピエゾ素子１４の他方（下側電極）に接続され、この素子にバイアスを印加すると同時に、ＰＤ１３により検知されたＬＤ１２の背面光強度に対応する電流をモジュール外部に取り出すための端子として機能させることができる。さらに、リードピン１９は、ＬＤ１２のカソードに接続されこのＬＤ１２に対して駆動信号を供給し、一方リードピン１８はＬＤ１２のアノード及びＰＤ１３のカソード、さらにキャリア１１、及びステム１５と同電位に保たれて基準電位を与える。  
【００２９】
図１１は、図１に示した発光モジュール主要部とレンズとを組み合わせた発光モジュールの構成例を説明するための図で、ＬＤ１２およびＰＤ１３との光学的接合を司る集光レンズ２５はレンズキャップ２６内に収納されて保持され、この状態で光ファイバとの接続部２４が接続されている。図示しない光ファイバとＬＤ１２との間には集光レンズ２５が介在し、ベースとＬＤ１２との間隔を制御することで、ＬＤ１２と集光レンズ２２との間の間隔が機械的に決定される。すなわち、ピエゾ素子１４はキャリア１１のステージとしても機能し、集光レンズ２５の基準面となるステージ面に垂直な光軸方向にキャリア１１を変位させて結合効率を可変とする。また、図５に示すように、レンズキャップ２６内にピエゾ素子１４を配置させることで、ＬＤ１２やＰＤ１３のハーメチックシールも実現可能となる。
【００３０】
なお、ＬＤ１２とＰＤ１３とを実装させたキャリア１１をピエゾ素子１４の上に実装する場合には、ベースとピエゾ素子１４との接続、および、キャリア１１とＬＤ１２およびＰＤ１３の接続、に用いた材料よりも融点の低いＣｕＳｎなどの半田や導電性樹脂を用いるようにしてもよい。
【００３１】
図１２は、結合効率のＬＤと集光レンズとの間の距離依存性を説明するための図である。この図に示すように、例えば小型ピエゾ素子による変移量は１０μｍ程度であるが、波動論に基づく結合効率の計算結果によれば、１０μｍで数ｄＢ程度の結合効率が可変となり、実用上充分な制御性が担保できる。
【００３２】
図１３〜図１５は、本発明に係わる発光モジュールの第２の実施形態のうち、既に説明した第１の形態と異なる点を示すものである。第２の実施の形態では、第１の実施の形態で用いた下側電極板を用いていない。すなわち、図１３（ａ）にあるように、ステム１５上に直接ピエゾ素子１４を搭載することを特徴とする。図１３（ｂ）に示すように、ピエゾ素子１４には三本のリードピン１６、１７、１９が貫通する貫通孔が形成されている。孔の径はリードピン１６の貫通孔はほぼリードピンの径に等しいか僅かに大きく、他の二つの孔はリードピンの径よりも十分に大きく設定される。
【００３３】
ピエゾ素子１４の裏面１４ａ側の導電パターンは、上記貫通孔の全てを避ける様に、貫通孔の周縁から離して裏面全体に設けられる。一方、ピエゾ素子１４の表面側導電パターンは、リードピン１７、１９に対応する孔の周縁部は避ける様に、リードピン１６に対応する貫通孔に対しては、その周縁部まで導電パターンが形成されている。
【００３４】
ピエゾ素子１４をステム１５に直接搭載した後、両者を導電性接着剤、あるいはＡｕＳｎ等の半田剤で接着する。この時、両者が密の接着されるため余剰の接着剤が両者の接着面から滲み出すことがあるが、これを避けるために、ステム１５側に複数の溝を形成しておくことは効果的である。余剰の接着剤はこの溝内にあふれることとなる。
【００３５】
両者を接着した後、リードピン１６とピエゾ素子１４の表面側導電パターンを半田等で接続する（図１４）。この接続を第１の実施の形態と同様にリボンワイヤで行うことも当然に可能である。
【００３６】
ついで、このピエゾ素子１４の上に第１の例と同様に上側電極板２２を搭載し、接着する（図１５）。上側電極板２２の形状、およびその表面側２２ｂに設けてある導電性パターンの形状は、第１の例と同様のものを用いることが可能である。その後、第１の例と同様に、この上側電極板２２の上に予めＬＤ１２、ＰＤ１３、が実装してあるキャリア１１を搭載し、所定のワイヤリングを施すことで第２の例に係わるモジュールが完成する。
【００３７】
第２の例において、ＬＤ１２、ＰＤ１３、ピエゾ素子１４の結線関係は図１６に示すものとなる。すなわち、リードピン１８はステム１５に直接接続し、このステム１５には、ピエゾ素子１４の裏面側電極、及びＬＤ１２のアノード、ＰＤ１３のカソードが共通に接続される。ピエゾ素子１４の表面側電極はリードピン１６との間で半田もしくはリボンワイヤによる接続で、ＬＤ１２のカソードは、ＬＤ１２の表面側電極とリードピン１９との間のボンディングワイヤで、ＰＤ１３のカソードはＰＤ１３の表面側電極とリードピン１７との間のボンディングワイヤで、それぞれ接続される。
【００３８】
この様にすることで、リードピン１８を共通電位（接地電位）として、各部品、ＬＤ１２、ＰＤ１３、ピエゾ素子１４のそれぞれを独立に動作させることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、レーザダイオードに特性劣化が生じた場合にも結合効率を維持することが可能な小型の発光モジュールの提供を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の発光モジュールの主要部の構成例を説明するための図である。
【図２】キャリア、ピエゾ素子、下部電極板、上部電極板及びステムと、第１〜４のリードピンの関係を説明するための図である。
【図３】本発明の発光モジュールの組立の様子を説明するための図である。
【図４】本発明の発光モジュールの組立の様子を説明するための図である。
【図５】本発明の発光モジュールの組立の様子を説明するための図である。
【図６】本発明の発光モジュールの組立の様子を説明するための図である。
【図７】本発明の発光モジュールの組立の様子を説明するための図である。
【図８】本発明の発光モジュールの組立の様子を説明するための図である。
【図９】本発明の発光モジュールの組立の様子を説明するための図である。
【図１０】ＬＤ、ＰＤ、およびピエゾ素子の結線関係を説明するための図である。
【図１１】図１に示した発光モジュール主要部とレンズとを組み合わせた発光モジュールの構成例を説明するための図である。
【図１２】結合効率の、ＬＤと集光レンズとの間の距離依存性を説明するための図である。
【図１３】本発明に係わる発光モジュールの第２の実施形態のうち、第１の形態と異なる点を説明するための図である。
【図１４】本発明に係わる発光モジュールの第２の実施形態のうち、第１の形態と異なる点を説明するための図である。
【図１５】本発明に係わる発光モジュールの第２の実施形態のうち、第１の形態と異なる点を説明するための図である。
【図１６】ＬＤ、ＰＤ、およびピエゾ素子の結線関係を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１  キャリア
１２  ＬＤ
１３  ＰＤ
１４  ピエゾ素子
１５  ステム
１６〜１９  リードピン
２０  切欠き
２１  下部電極板
２２  上部電極板
２３  チップキャリア
２４  光ファイバとの接続部
２５  集光レンズ
２６  レンズキャップ
２７  半田
２８、２９  リボンワイヤ
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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