JP5050548B2 - 光モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバ通信に使用される光モジュールに関する。
光通信システムの高速大容量化に伴い、波長分割多重通信（Ｄ−ＷＤＭ）が幹線系の光通信システムで採用されている。それに伴い、Ｄ−ＷＤＭで要求される高精度な波長制御が可能な光モジュールが必要とされている。これにより、Ｄ−ＷＤＭ用光モジュールでは、環境温度の変化による光素子の諸特性変動を抑えるため、温度制御素子を用いて光素子を定温動作させている。
このような光モジュールとして、温度制御素子であるペルチェ素子を装備した装置が特許文献１に開示されている。特許文献1の装置は、基板を介してレーザ素子の温度を一定に保ち温度による波長変化を抑えると共に、外部温度変化により生じるレーザ素子とレンズとの距離の変動を小さくしている。
実開昭６２‐８２７６１号公報
しかしながら、ペルチェ素子は熱交換器として機能するものであり、通常は２枚の板に挟んで、片面をＨＯＴ、もう片面をＣＯＬＤとなるように構成され、この２枚の板挟みの構造であるペルチェにおいては、２枚の板に温度差が発生するため、反りが発生してしまう問題が内在している。
これにより、ペルチェ素子を動作させると、光素子の温度は一定に保たれるものの、ペルチェ素子の変形によって光素子に応力が加わってしまう。また、パッケージの熱歪や機械歪によっても、光素子に応力が加わってしまう。光素子に応力が加わると、光素子の諸特性が変化してしまう問題があった。
特許文献１に開示されている装置では、レーザ素子の端面からレンズの反射膜面までの外部共振器に相当する部分に対応する基板底面にかかる位置までペルチェ素子が配置されているので、ペルチェ素子の反りによる応力が、外部共振器に対応する部分に加わってしまう。このような構成では、レーザ素子及び外部共振器を定温動作させることはできるが、外部共振器の応力制御は不十分となる。外部共振器の応力制御が不十分であると共振波長が変化してしまい高精度な波長制御が期待できないという不都合が生じてしまう。
そこで、本発明は、上記従来技術の不都合を改善し、温度制御素子やパッケージの熱変形あるいは機械変形による歪が、応力として光素子へ伝わらないような構造にすることによる光素子特性の外部応力依存性の緩和と、光素子の適切な定温制御とを同時に実現する構成の光モジュールを提供することを、その目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の光モジュールは、光導波路と光素子とをハイブリッド集積してなる光素子ユニットと、光素子ユニットの温度を制御するための温度制御素子とを有し、光素子ユニットと温度制御素子とが、光素子ユニットにおける光導波路以外の他の部分に対応する底面の一部分で接合されたことを特徴とする。
このようにすると、温度制御素子の熱変形よる歪が光素子ユニットに応力として直接伝わる接合部分が、光の経路とは関係のない部分に対応する一部分であるため、応力による光素子ユニットの諸特性の変化が軽減され、高精度な波長制御が期待できる。
また、本発明の光モジュールは、光素子ユニットが共振波長を可変制御できる光共振器を備え、光素子ユニットと温度制御素子とが、光素子ユニットにおける光共振器以外の他の部分に対応する底面の一部分で接合されたことを特徴とする。このようにすると、光共振器におよぶ応力量が軽減され、応力による光共振器の共振波長変動を抑制できる。
また、上記の光モジュールにおいて、上述した光素子ユニットが、光導波路で構成されたリング共振器を備えてもよい。このようにすると、リング共振器に対する適切な定温制御と応力量の軽減とを同時に実現でき、リング共振器を波長可変フィルタとして用いれば、高精度な波長制御が可能な波長可変光源を提供することができる。
また、上記の光モジュールにおいて、上述した光共振器が、特定の波長の光線を透過する波長選択素子と、光路長を調整する光路長調整器とを有した構成であってもよい。このようにすると、光共振器を波長可変フィルタとして用いることができ、応力による共振波長変動を軽減することができる。
また、上記の光モジュールにおいて、光素子ユニットと温度制御素子との間の接合されていない部分に空間層を形成してもよい。このようにすると、温度制御素子の反りが光素子ユニット側に応力として直接伝わることを遮断し、光素子ユニットにおよぶ応力量が軽減される。
また、上記の光モジュールにおいて、温度制御素子が、光素子ユニットの底面全体にかけて配置されてもよい。このようにすると、光素子ユニットの適切な定温制御と、光素子ユニットにおよぶ応力量の軽減とを同時に実現できる。
次に、本発明の光モジュールは、光導波路と光素子とをハイブリッド集積してなる光素子ユニットがパッケージ内に実装された構成の光モジュールであって、光素子ユニットにおける光導波路以外の他の部分に対応する底面の一部分が、パッケージと接合固定されたことを特徴とする。
このような光モジュールによれば、パッケージの歪が光素子ユニットに応力として直接伝わる接合部分が、光の経路とは関係のない部分に対応する一部分であるため、応力による光素子ユニットの諸特性の変化が軽減され、高精度な波長制御が期待できる。
また、本発明の光モジュールは、光素子ユニットが共振波長を可変制御できる光共振器を備え、光素子ユニットにおける光共振器以外の他の部分に対応する底面の一部分が、パッケージと接合固定されたことを特徴とする。
また、上記の光モジュールにおいて、上述した光素子ユニットが、光導波路で構成されたリング共振器を備えてもよい。また、上記の光モジュールにおいて、上述した光共振器が、特定の波長の光線を透過する波長選択素子と、光路長を調整する光路長調整器とを有した構成であってもよい。
また、上記の光モジュールにおいて、光素子ユニットとパッケージとの間の接合されていない部分に空間層を形成してもよい。
本発明は以上のように構成され機能するため、これにより、光モジュールは、温度制御素子やパッケージの熱変形あるいは機械変形による歪が、応力として光共振器へ伝わらないような構造になり、光モジュールにおいて、光素子特性の外部応力依存性の緩和と、光素子ユニットの適切な定温制御を同時に実現することができる。
以下、本発明における一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明における第１実施形態の光モジュールの構成を示す図である。本第１実施形態の光モジュールは、光導波路であるＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ：平面光波回路）１に構成された外部共振器２と、光増幅器としてのＳＯＡ素子３と、ＳＯＡ素子３からの光を光ファイバに結合させるレンズ４と、光を光ファイバ方向のみに透過させるアイソレータ５とを導熱性のキャリア６上にハイブリッド集積してなる光素子ユニット７と、この光素子ユニット７の温度を一定に保つように制御するための温度制御素子であるペルチェ素子８とを有した波長可変光源モジュールである。
図１に示す外部共振器２はリング共振器である。ＰＬＣのリング共振器は小型で量産性に優れる波長フィルタであり、リングをヒーターで温度制御すると可変波長フィルタとして機能する。
ＰＬＣ１は、厚さ約１ｍｍ程度のＳｉなどの基板の上に、ガラス薄膜を成膜して作られる。そのため、光の出射位置は、基板の底面から１ｍｍ程度となるので、ＰＬＣ１上にレンズやその他の光学部品を搭載することは困難である。さらに、基板厚が１ｍｍ程度と薄いので、発熱源である外部共振器２とペルチェ素子８の熱抵抗が大きいため、リング共振器２の発熱量が大きい場合、高温環境下における定温制御が困難である。そこで、本第１実施形態では、ＰＬＣ１をある程度の厚さの導熱性のキャリア６にハンダ固定し、そのキャリア６をペルチェ素子８の上にハンダ固定する構造を用いることで、大型のレンズ４や、アイソレータ５の光学部品を搭載することを可能にすると同時に、発熱源の外部共振器２とペルチェ素子８の間の熱抵抗を下げることで、余裕のある定温制御を実現した。
ペルチェ素子８は、熱交換器として機能するものであり、通常は２枚の板の間に半導体素子を挟んで、片面をＨＯＴ、もう片面をＣＯＬＤとなるように構成される。
波長制御のためにはＰＬＣ型波長可変フィルタの外部共振器２を定温動作させる必要があるので、通常は、ＰＬＣ１をペルチェ素子８の上にハンダ固定して、ＰＬＣ１上にサーミスタを取り付け、サーミスタで温度を監視しながらペルチェ素子８で加熱または冷却を行う。しかし、ペルチェ素子８は熱交換器であるため、環境温度が変化するとペルチェ素子８の２枚の板間の温度差が変わり、ペルチェ素子８の反り量が変化するため、その反りによってＰＬＣ１への応力量が変わる。ＰＬＣ１に応力を与えると、その等価屈折率が変わってしまうので外部共振器２の共振波長が変わってしまう。これが、高精度な波長精度が要求される波長可変光源モジュールでは問題になっていた。
本第１実施形態の光モジュールは、光素子ユニット７とペルチェ素子８とが、光素子ユニット７の底面の一部分で接合された構成となっており、外部共振器２の共振波長を決定しているリング共振器部分をペルチェ素子８と接触させずに浮かして空間層を形成している。この構造により、ペルチェ素子８の反りによって外部共振器２に伝わる応力を遮断した。
さらに、本第１実施形態の光モジュールは、外部共振器２の発熱量が大きい場合や、さらに高温の環境における定温制御を安定させるために、光素子ユニット７の底面全体にかけてペルチェ素子８を配置し、このペルチェ素子８が、光素子ユニット７における外部共振器２以外の部分に対応する底面の一部分に接合されており、外部共振器２の真下でキャリア６とペルチェ素子８とが接触しないように外部共振器２の真下の部分だけキャリア６を浮かせた構造になっている。この構造により、さらに余裕のある定温制御を実現した。
本第１実施形態の光モジュールは、上述した構成により、共振波長変動の抑制と定温制御を同時に実現できる。ここで、本第１実施形態の光モジュールは、光素子ユニット７の底面全体にかけてペルチェ素子８を配置した構成であるが、外部共振器２に応力が及ばない構成であればこれに限らず、図２に示すような外部共振器２の真下にペルチェ素子８を配置しない構成や、図３に示すようなキャリア６を用いずに外部共振器２の真下にペルチェ素子８を配置しない構成で、光素子ユニット７とペルチェ素子８とを、光素子ユニット７の底面の一部分で接合してもよい。
またさらに、外部共振器２に応力が及ばない構成であればペルチェ素子８を複数配置してもよく、複数のペルチェ素子８を配置する場合、個々のペルチェ素子８が光素子ユニット７の底面における外部共振器２に対応する面以外の一部分で接合している構造となる。
本第１実施形態は、リング共振器回路を有するＰＬＣ１を有した光素子ユニット７と、ペルチェ素子８とを備えた光モジュールであるが、それに限らず、応力制御及び温度制御が必要な回路を含むＰＬＣを有した光素子ユニットとペルチェ素子とを備えた光モジュールであれば、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）や可変振幅減衰器（ＶＯＡ）などを光導波路で構成したＰＬＣを有する光素子ユニットとペルチェ素子とを、光素子ユニットにおけるＰＬＣ以外の部分に対応する底面の一部分で接合した構成の光モジュールであってもよい。なお、光素子ユニットを構成している光素子は、本第１実施形態におけるＳＯＡ素子３のようなアクティブ素子であってもよいし、光学レンズや光ファイバや薄膜フィルタのようなパッシブ素子であってもよい。
次に、本発明における第２実施形態について説明する。
図４は、本第２実施形態の光モジュールの構成を示す図である。図４において、図１に示す第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号が付してある。
本第２実施形態の光モジュールは、図１に示す第１実施形態のＰＬＣ型リング共振器２に代えて、反射ミラー４１と、波長チューニングが可能なエタロン等の波長選択素子４２と、光路長の調整が可能な光路長調整器４３とで構成される外部共振器構造をキャリア６上に備えた光素子ユニット４７と、温度制御素子としてのペルチェ素子８とにより構成された波長可変光源モジュールである。
ペルチェ素子８の熱変形によって外部共振器構造に応力が印加されると、光路長が変化するので波長が変化してしまう。このため、本第２実施形態の光モジュールも、ペルチェ素子８が、光素子ユニット４７における外部共振器構造部分以外の他の部分に対応した底面の一部分に接合されており、外部共振器構造部分の真下でキャリア６とペルチェ素子８とが接触しないように、外部共振器構造の真下の部分だけキャリア６を浮かせた構造である。この構造により、ペルチェ素子８が動作しても応力による波長変化を緩和できる。
次に、本発明における第３実施形態について説明する。
図５は、本第３実施形態の光モジュールの構成を示す図である。図５において、図４に示す第２実施形態と同様の構成要素には同一の符号が付してある。本第３実施形態の光モジュールは、図４に示す第２実施形態における光素子ユニット４７をパッケージ５１内に実装し、ヒートシンク５２にネジ５３で固定した構成である。
第１又は２実施形態の光モジュールを動作させるためには、予めその駆動条件を求めておく必要がある。一般に、駆動条件を求めるために光モジュールを動作させるときは、図５に示すように、メーカーの用意したヒートシンク５２に、パッケージ５１をネジ５３で固定する。ネジ固定する際、その固定トルクやネジの締め方の順番、ヒートシンク５２の表面状態やヒートシンク５２の線膨張係数やヤング率によって、同じパッケージ５１でも掛かる応力が異なってくる。パッケージ５１に応力が掛かると、パッケージ５１内部に実装されている光素子ユニット４７にも応力が及んでしまう。
よって、パッケージ５１に掛かる応力が異なると、光素子ユニット４７に伝わる応力も異なってしまい、光素子ユニット４７の特性が変わってしまうことになる。即ち、メーカーが試験用ヒートシンク５２にパッケージ５１を固定して最適な駆動条件を導出しても、試験用ヒートシンク５２からパッケージ５１を外した後は、同じヒートシンク５２に固定しても最適条件が違う可能性があることを意味する。つまり、商用運用の際に、メーカー指定の駆動条件では最適な状態で駆動できない可能性が生じる。
そこで、本第３実施形態の光モジュールは、パッケージ５１に掛かる応力が、応力に敏感な外部共振器構造に直に伝わらないように、外部共振器構造部分をパッケージ５１から浮かせて、光素子ユニット４７における外部共振器構造部分以外の部分に対応した底面の一部分がパッケージ５１と接合固定された構造になっている。
ここで、本第３実施形態の光モジュールは、図４に示す第２実施形態の光モジュールにおける光素子ユニット４７をパッケージ５１内に実装しているが、これに限らず、図６に示すような、ペルチェ素子８を内蔵した第２実施形態の光モジュールをそのままパッケージ５１内に実装しペルチェ素子８とパッケージ５１とを接合固定した構成であってもよい。このような構成にすると、ペルチェ素子８からの応力だけでなく、ヒートシンク５２とパッケージ５１からの応力も外部共振器構造に直に伝わらないようになると共に、光素子ユニット４７を定温制御することができる。
また、上述した第１実施形態の光モジュールをパッケージ５１内に実装し、ペルチェ素子８とパッケージ５１とを接合固定した構成であっても同様に、ペルチェ素子８からの応力だけでなく、ヒートシンク５２とパッケージ５１からの応力も外部共振器２に直接伝わらないと共に、光素子ユニット７を定温制御することができる。
本発明における第１実施形態の光モジュールの構成の一例を示す図である。 図１に開示された実施形態の光モジュールの構成の別の例を示す図である。 図１に開示された実施形態の光モジュールの構成の別の例を示す図である。 本発明における第２実施形態の光モジュールの構成の一例を示す図である。 本発明における第３実施形態の光モジュールの構成の一例を示す図である。 図５に開示された実施形態の光モジュールの構成の別の例を示す図である。
符号の説明
１ ＰＬＣ（平面光波回路）
２ 外部共振器
３ ＳＯＡ（半導体光増幅器）素子
４ レンズ
５ アイソレータ
６ キャリア
７ 光素子ユニット
８ ペルチェ素子
４１ 反射ミラー
４２ 波長選択素子
４３ 光路長調整器
４４ レンズ
４７ 光素子ユニット
５１ パッケージ
５２ ヒートシンク
５３ ネジ

Claims (7)

  1. 温度制御によって共振波長を可変にするとともに応力によって前記共振波長が変動してしまう波長可変型の光共振器とこの光共振器から出力された光を外に取り出すための半導体光増幅器及び光学部品とを導熱性の同一基板の上面にハイブリッド集積してなる光素子ユニットと、前記光素子ユニットの温度を制御するために前記同一基板の底面に設けられた温度制御素子とを有し、
    前記同一基板は一端側の第一の領域と他端側の第二の領域とに分けられ、前記第一の領域の上面に前記光共振器が設けられ、前記第二の領域の上面に前記半導体光増幅器及び前記光学部品が設けられ、前記第二の領域の底面にのみ接するように前記温度制御素子が設けられた、
    ことを特徴とする光モジュール。
  2. 前記請求項１に記載の光モジュールにおいて、
    前記光共振器が、光導波路で構成されたリング共振器を含むことを特徴とする光モジュール。
  3. 前記請求項１に記載の光モジュールにおいて、
    前記光共振器が、特定の波長の光線を透過する波長選択素子と、光路長を調整する光路長調整器とを有した構成であることを特徴とする光モジュール。
  4. 前記請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
    前記第一の領域の底面と前記温度制御素子との間に空間層を形成したことを特徴とする光モジュール。
  5. 前記請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
    前記温度制御素子が、前記同一基板の底面全体にかけて配置されたことを特徴とする光モジュール。
  6. 前記請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
    前記光素子ユニットを内部に実装したパッケージを更に有することを特徴とする光モジュール。
  7. 前記請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
    前記光素子ユニット及び前記温度制御素子を内部に実装したパッケージを更に有することを特徴とする光モジュール。
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