(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージ内部に少なくとも発光素子を備え、また発光素子からの熱を冷却する電子冷却素子、レンズ、光ファイバとを備える光ファイバモジュールにおいて、
（ａ）吸熱側の上部基板がＡｌＮ、放熱側の下部基板がＡｌ2 Ｏ3 で構成されている電子冷却素子と、
（ｂ）前記上部基板上に少なくとも発光素子が搭載される金属基板と、
（ｃ）前記下部基板を支持する金属筐体とを具備し、
（ｄ）前記金属基板はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金またはステンレススチールからなり、前記金属筐体はＣｕ−Ｗ系合金またはＣｕ系合金からなることを特徴とする光ファイバモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子冷却素子及びそれを用いた光ファイバモジュールに係り、特に光ファイバ通信用半導体レーザモジュールに用いる電子冷却素子の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光素子と光ファイバとを光学的に結合させるための種々の器具が提案され、実用化が図られている。発光素子と光ファイバとの結合器具の典型例としては、以下に示すようなものがあった。
【０００３】
図２はかかる従来の光ファイバモジュールの部分的断面図である。
【０００４】
この図において、１は発光素子（以下、ＬＤという）、２はＬＤ１の発熱を放熱するヒートシンク、３はＬＤ１とヒートシンク２をボンディングしたヘッダである。また、５は光検出用の受光素子（以下、モニタＰＤという）、６はモニタＰＤ５をボンディングしたＰＤヘッダ、７は温度検出用サーミスタ抵抗（以下、サーミスタ）である。
【０００５】
また、８はＬＤヘッダ３、ＰＤヘッダ６、サーミスタ７が取り付けられた金属基板である。ＬＤヘッダ３、ＰＤヘッダ６、サーミスタ７と金属基板８は放熱性を良くするため、半田等により固定されている。９はＬＤ１からの発熱を冷却する電子冷却素子であり、金属基板８と半田等により固定される。１０はＬＤ１からの光を集束するレンズである。レンズ１０は半田付け、圧入等で金属ホルダ１１に固定される。
【０００６】
レンズ１０、ＬＤ１と光軸位置を調整した後、金属基板８と金属ホルダ１１とがＹＡＧレーザ等で溶接固定される。１２は内部に電子冷却素子９が半田付け等により取り付けられ、ＬＤ１、モニタＰＤ５、レンズ１０等を保護する金属筐体であり、一端に開口部が開いている。また、ＬＤヘッダ３、サーミスタ７、電子冷却素子９は金属筐体１２の内部に突出されたセラミック上のＡｕメタライズパターンまたは金属リードにワイヤボンディング等で配線されている。
【０００７】
また、１３はＬＤ１を気密封止するカバーであり、窒素ガスや窒素＋酸素混合ガス等で封入した後、金属筐体１２とシーム溶接により固定されている。１４はレンズ１０で変換されたビームが通過した後、その光が戻り光とならないように遮断する光アイソレータであり、ＬＤ１、レンズ１０に対し、光軸調整した後、金属筐体１２と接着等で固定される。
【０００８】
また、１５は光ファイバ１６を固定するフェルールであり、同様にＬＤ１、レンズ１０に対し光軸調整した後、スリーブ１７を介し、金属筐体１２に溶接固定される。
【０００９】
従来の光結合器は、上記したように構成されており、ＬＤ１からの光をレンズ１０で変換し、その変換された光は光アイソレータ１４を通過する。その際、光アイソレータ１４が戻り光を遮断する。そして、光アイソレータ１４を通過した光は集光され、光ファイバ１６に照射されて光結合する。
【００１０】
以上が、従来の光ファイバモジュールの構造例であるが、内蔵されている金属基板８、電子冷却素子９、金属筐体１２の構成材料の従来例を表１に示す。
【００１１】
【表１】
0003939398.tif 000002
この表１において、一般的にＡ部金属板８は、ＹＡＧ溶接による固定を行うため、熱伝導率の比較的低い材料であるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｃ部金属筐体１２は放熱性を良くするために、熱伝導性の良い材料であるＣｕ−Ｗ１０％が用いられる。
【００１２】
また、Ｂ部の電子冷却素子９は上下基板に挟まれた形で構成されている。
【００１３】
一般的に、電子冷却素子９の上下基板は、従来例１としては、ＡｌＮ（窒化アルミ）、従来例２としては、Ａｌ2 Ｏ3 （アルミナ）が用いられる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の光ファイバモジュールの構造では、電子冷却素子９の上下基板と金属基板８、金属筐体１２の組み合わせは、表２に示すように、線膨張率差が大きくなるため、広温度範囲の熱ストレスをかけると、接合部が剥がれたり、内部半導体素子が引っ張られクラックが入り、破壊する等の問題があった。
【００１５】
【表２】
0003939398.tif 000003
従来例１のように、熱特性を良くするために、ＡｌＮ（窒化アルミ）を用いると、金属筐体１２との線膨張率差が７．０−４．５＝２．５（×１０-6／℃）であり、また、従来例２のように、Ａｌ2 Ｏ3 （アルミナ）を用いると、金属基板８との線膨張率差は６．７−５．３＝１．４（×１０-6／℃）と比較的小さいが、熱伝導率がＡｌ2 Ｏ3 は０．０４（ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃）と小さいため、ＡｌＮに比べて熱特性が悪くなり、冷却能率が低下する。
【００１６】
本発明は、上記問題点を解決するために、電子冷却素子の上下基板の組み合わせを工夫することにより、熱特性が良好で、しかも線膨張率差が小さく、長期的にも安定した性能を保つことができる光ファイバモジュールを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕パッケージ内部に少なくとも発光素子を備え、また発光素子からの熱を冷却する電子冷却素子、レンズ、光ファイバとを備える光ファイバモジュールにおいて、吸熱側の上部基板がＡｌＮ、放熱側の下部基板がＡｌ2 Ｏ3 で構成されている電子冷却素子と、前記上部基板上に少なくとも発光素子が搭載される金属基板と、前記下部基板を支持する金属筐体とを具備し、前記金属基板はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金またはステンレススチールからなり、前記金属筐体はＣｕ−Ｗ系合金またはＣｕ系合金からなるようにしたものである。
【００１８】
したがって、上記のように、電子冷却素子の上下基板の組み合わせを工夫することにより、熱特性が良好で、しかも線膨張率差が小さく、長期的にも安定した性能を保つことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施例を示す電子冷却素子を用いた光ファイバモジュールの断面図である。なお、従来例と同じ部分には同じ符号を付して、その説明は省略する。
【００２１】
この実施例では、光ファイバモジュールの電子冷却素子において、その電子冷却素子２１の吸熱側の上部基板２２にＡｌＮ（窒化アルミ）を、放熱側の下部基板２３にＡｌ2 Ｏ3 （アルミナ）を用いる。
【００２２】
そして、上部基板２２上に少なくとも発光素子１が搭載される金属基板８にはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金を、下部基板２３を支持する金属筐体１２にはＣｕ−Ｗ系合金を用いる。
【００２３】
なお、金属基板８の材料としてＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金以外に、これと線膨張率、熱伝導率が同等であるステンレススチールがあるが、これを用いるようにしてもよい。
【００２４】
また、金属筐体１２の材料としてのＣｕ−Ｗ系合金以外に、これと線膨張率、熱伝導率が同等であるＣｕ系合金を用いるようにしてもよい。
【００２５】
このように構成したので、熱ストレスに強くなるとともに、冷却能率を向上させることができる。
【００２６】
より具体的には、（ｉ）線膨張率差は、金属基板８と電子冷却素子２１の吸熱側の上部基板２２とでは、５．３−４．５＝０．８（×１０-6／℃）、電子冷却素子２１の放熱側の下部基板２３と金属筐体１２では、７．０−６．７＝０．３（×１０-6／℃）と小さくなり、熱ストレスに強くなる。
【００２７】
（ii）熱伝導率的には、上部基板２２と下部基板２３ともＡｌ2 Ｏ3 〔０．０４×２＝０．０８（ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃）〕の場合に比べて、０．５２＋０．０４＝０．５６で、７倍の熱効果があり、冷却能率が向上する。
【００２８】
また、この上部基板２２と下部基板２３ともＡｌ2 Ｏ3 とした場合、線膨張率差は、金属基板８と電子冷却素子２１の上部基板２２とでは、６．７−５．３＝１．４（×１０-6／℃）、電子冷却素子２１の放熱側の下部基板２３と金属筐体１２では７．０−６．７＝０．３（×１０-6／℃）となる。金属基板８と上部基板２２の線膨張率差は、大きくなり、熱ストレスに弱くなってしまう。
【００２９】
更に、上部基板２２と下部基板２３ともＡｌＮとした場合には、線膨張率差は、金属基板８と電子冷却素子２１の上部基板２２とでは、５．３−４．５＝０．８（×１０-6／℃）、電子冷却素子２１の放熱側の下部基板２３と金属筐体１２では、７．０−４．５＝２．５（×１０-6／℃）となる。下部基板２３と金属筐体１２の線膨張率差は、大きくなり、熱ストレスに弱くなってしまう。
【００３０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、電子冷却素子の上下基板の組み合わせを工夫することにより、熱特性が良好で、しかも線膨張率差が小さく、長期的にも安定した性能を保つことができる。
【００３２】
より具体的には以下のような効果をもたらす。
【００３３】
（ｉ）線膨張率差は、金属基板８と電子冷却素子２１の吸熱側の上部基板２２とでは、５．３−４．５＝０．８（×１０-6／℃）、電子冷却素子９の放熱側の下部基板２３と金属筐体１２では、７．０−６．７＝０．３（×１０-6／℃）と小さくなり、熱ストレスに強くなる。
【００３４】
（ii）熱伝導率的には、上部基板２２と下部基板２３ともＡｌ2 Ｏ3 〔０．０４×２＝０．０８（ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃）〕の場合に比べて、０．５２＋０．０４＝０．５６で、７倍の熱効果があり、冷却能率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す電子冷却素子を用いた光ファイバモジュールの断面図である。
【図２】  従来の光ファイバモジュールの断面図である。
【符号の説明】
１    発光素子（ＬＤ）
２    ヒートシンク
３    ヘッダ
５    光検出用の受光素子（モニタＰＤ）
６    ＰＤヘッダ
７    温度検出用サーミスタ抵抗
８    金属基板
９    電子冷却素子
１０    レンズ
１１    金属ホルダ
１２    金属筐体（Ｃｕ−Ｗ系合金）
２１    電子冷却素子
２２    吸熱側の上部基板〔ＡｌＮ（窒化アルミ）〕
２３    放熱側の下部基板〔Ａｌ2 Ｏ3 （アルミナ）〕
【図１】
0003939398.tif 000004
【図２】
0003939398.tif 000005