CN101299082B - 光学模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学模块，包括：包括需应力控制的光学元件的光学元件单元和支撑该光学元件单元的载体。由于载体由性质与该光学元件的衬底材料性质相同的材料制成，故减轻了热收缩应力。尽可能减少由于光学元件单元和载体的线性膨胀系数之间的差异所引起的热收缩应力和残余收缩应力。

Description

光学模块
本申请基于2007年2月14提交的日本专利申请2007-034160，并要求其优先权，其内容并入此处作为参考。
技术领域
本发明涉及一种用于光纤通信的光学模块。
背景技术
随着光通信系统发展成为高速、大容量的通信系统，在干线光通信系统中采用波分复用技术(D-WDM)。随着这种发展，要求能够高精度地控制波长的高度可靠的光学模块作为用于D-WDM的光学模块。
日本专利公开8-94875已经公开了这样一种光学模块，其中光学单元置于用具有低线性膨胀系数的材料制成的封装里边。根据此光学模块，由于由该封装中的温度变化引起的热膨胀热收缩较小，使得降低了施加在光学单元上的应力，因此能够防止集成在光学单元里的光学元件损伤或损耗波动增加。
另一方面，在许多用于D-WDM的光学模块中，利用温度控制元件使光学元件在恒温下运行，以抑制由于环境温度变化引起的光学元件特性的变化所导致的光波长等等中的变化。
此外，由于平面光波线路(planar lightwave circuit，PLC)是以薄片的形式，其发光位置太低，而难以提供与透镜或光纤的光耦合，由此光轴的高度需要进行调整。如此，典型的光学模块被配置成使得：光学单元被容纳在封装中，在该光学单元中，光学元件安装在载体上，并调整发射的光的光轴位置。此载体具有这样的功能，即，提高光学单元的机械强度，还降低温度控制元件与光学单元之间的热阻，从而进行恒温操作。由此，对于载体需要坚固且高度导热的材料。
至于PLC和载体的联接，使用焊接以不使联接表面的传导性中断。图3A和图3B示出了其中焊接光学单元和载体的常规光学模块。在图3A和图3B的光学模块中，衬底1中包含PLC的环形谐振器2和SOA元件3安装在载体4上，并且衬底1和载体4通过焊接联接面2A焊接在一起。
然而，在将衬底1焊接在载体4上的过程中，需要升温到焊料的熔点。随着温度的上升，衬底1和载体4根据各自材料的性质而膨胀，并在膨胀状态下焊接在一起。当温度从这种状态降低至室温以固定焊点(solder joint)时，衬底1和载体4根据各自材料的特性收缩。如果通过焊接固定的衬底1和载体4的收缩率不同，由于双金属效应衬底1将与载体4翘曲，如图3B所示。
载体可以用例如铜钨合金(CuW)、可伐合金(kovar)或者氮化铝(AlN)制成，Cu(20)-W的线性膨胀系数是8.5*10-6/K，可伐合金的线性膨胀系数是5.3*10-6/K，以及氮化铝的线性膨胀系数是4.5*10-6/K。通常，配置PLC的衬底由Si制成，其线性膨胀系数是4.2*10-6/K，这与CuW或可伐合金的线性膨胀系数显著不同。尽管Si和AlN在它们的线性膨胀系数之间具有相对较小的差别，但如果将衬底与载体焊接在一起，将产生如图3B所示的双金属效应，使得应力影响PLC。
在这样的光学模块中，在配置PLC的衬底中的翘曲引起波长变化，由此产生一个问题：在配置PLC的衬底被安装在载体上后，PLC的特性将被改变。
另外，由于衬底和载体中的翘曲保留在其中作为热收缩应力，已知这种残余的收缩应力会在高温环境下或热循环环境下被释放，使得翘曲量下降。这样也会存在问题，即，除了在安装到载体上后其特性发生了改变以外，在将衬底安装到载体的过程中，PLC的特性发生改变。同样需要将初始热收缩应力尽可能的减少。
发明内容
本发明的示例性的目的是提供一种光学模块，其能够抑制在高温下焊接的配置PLC的衬底和载体的温度下降之后导致的双金属效应，并防止由PLC中翘曲导致的波长变化，由此使得能够以高精度控制波长。
为了达到这一目的，根据本发明的光学模块的示例性方面包括：光学元件单元，其包括需要应力控制的元件；和支撑该光学元件单元的载体。该载体由与该光学元件的衬底材料性质相同的材料制成，使得光学模块中热收缩应力降低。
因而，作为本发明的示例性优点，由热收缩应力导致的问题可以被显著减轻。
附图说明
图1A是示出根据本发明第一示例性实施例的光学模块的结构的平面图，图1B是其正视图；
图2A和2B示出了图1A和图1B所示的第一示例性实施例的光学模块工作状态；以及
图3A和图3B示出了现有光学模块的工作状态。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的示例性实施例进行说明。
参考图1，根据本发明中的示例性实施例的光学模块，作为其基本结构，包括：光学元件单元1，其包括需要应力控制的光学元件2；以及支撑光学元件单元1的载体6。由于载体6由性质与光学元件2的衬底材料性质一样的材料制成，故光学模块中热收缩应力得到了减轻。
在该示例性实施例中，由于载体6由性质与光学元件2的衬底材料性质一样的材料制成，所以光学元件2的衬底材料和载体6的线性膨胀系数相同。由此，光学元件单元1可以安装在载体6上，同时初始热收缩应力，即将光学元件2的衬底材料与载体6联接时所导致的热收缩应力，被尽可能地减少。
由此，由于在图2A中所示的高温下以及在图2B中所示的的室温下都没有产生双金属效应，故能够防止光学元件单元1和载体6中的翘曲。
接下来，将以根据本发明示例性实施例的光学元件模块作为具体实例，进行更详细的阐述。
【第一实施例】
作为第一实施例，将描述其中本发明的示例性实施例应用于包括需要应力控制的滤光器(具体的，波长滤光器)作为光学元件2的光学模块的示例。
图1A是示出本发明第一示例性实施例的光学模块结构的平面图，图1B是示出其结构的正视图。如图1A和图1B所示，第一示例性实施例的光学模块包括光学元件单元1和载体6。
光学元件单元1包括多个波长滤光器，每个波长滤光器包括平面光波线路(PLC)(具体的，即环形谐振器2)、作为光放大器的SOA元件3、用于将来自SOA元件3的光与光纤耦合的透镜4、仅向光纤的方向发送光的隔离器5。环形谐振器2和SOA元件3混合集成在其上设置环形谐振器2的衬底上。透镜4和隔离器5安装在载体6(后面将进一步论述)上。根据大小，透镜4和隔离器5可安装在其上设置环形谐振器2的衬底上。其中图1A和图1B中所示的光学元件单元1工作作为波长可调谐的光源模块。
支撑光学元件单元1的载体6具有导热性。由于载体6由性质与环形谐振器2的衬底材料(即，例如Si)性质相同的材料制成，因此减小了热收缩应力。该热收缩应力是在将光学元件单元1与载体6相联接时导致的热收缩应力。将载体6安装在珀尔帖元件8上。珀尔帖元件8工作作为用于对环形谐振器2的环进行应力控制的温度控制元件，即，用于稳定地保持环形谐振器2的温度。
图1A和图1B所示的光学元件单元1的每一个环形谐振器2包括PLC作为外谐振器2。用作外谐振器2的环形谐振器2是波长滤光器，其较小且适合批量生产。当环形谐振器2的环被利用加热器等进行热控制时，它工作作为可调谐波长滤光器。
根据第一示例性实施例的光学元件单元1的环形谐振器2的衬底材料是厚度约为1mm的Si衬底。以在Si衬底上淀积玻璃薄膜的方式形成该环形谐振器2。因而，当从与环形谐振器2混合集成的SOA元件3的发光位置处于距离Si衬底底部约1mm的高度时，难以在Si衬底上提供透镜4和其他光学部件(包括隔离器5)。另外，由于Si衬底约为1mm那么薄，因此在环形谐振器2(其是热源)与珀尔帖元件8之间存在较大的热阻。因而，如果环形谐振器2的发热量很大，则在高温环境下难以进行恒温控制。
鉴于前述内容，本示例性实施例采用了这样一种结构，其中将光学元件单元1焊接到具有一定厚度的导热载体6上，并将载体6固定到珀尔帖元件8。这允许光学部件如大的透镜4和隔离器5安装在载体6上。此外，通过载体6降低作为热源的外谐振器2与珀尔帖元件8之间的热阻，能够容易地实现恒温控制。
配置珀尔帖元件8，其也作为换热器，使得半导体元件被夹在两块平板之间，其中一个表面是热的，而另一表面是冷的。当需要在恒温下操作用作PLC型波长可调谐滤光器的外谐振器2以控制波长时，通常将热敏电阻设在衬底1上，并通过珀尔帖元件8进行加热或冷却，同时通过热敏电阻监测温度。
在上升到焊料件的熔点的高温下进行光学元件单元1和载体6之间的焊接。光学元件单元1与载体6在根据各自材料的特性膨胀的状态下被焊接。因此，当温度降到室温时，光学元件单元1与载体6根据各自材料的特性收缩。如果光学元件单元1和载体6具有不同的线性膨胀率，那么光学元件单元1的收缩率和载体6的收缩率也不同，因而光学元件单元1与载体6由于双金属效应一起翘曲。这样，如果光学元件单元1和载体6的线性膨胀系数不同，会导致对光学元件单元1的热收缩应力和残余收缩应力，使得PLC的谐振波长改变。这已成为其中需要高波长精度的波长可调谐光源模块中的一个问题。
鉴于前述内容，在第一示例性实施例的光学模块中，通过用与环形谐振器2的衬底材料(如Si)性质相同的材料制作载体6，降低了热收缩应力。利用此结构，光学元件单元1和载体6的线性膨胀系数相同。因此，即使在室温下也不会产生双金属效应，因而可以防止光学元件单元1中的翘曲，特别是环形谐振器2的衬底中的翘曲，如图2B所示。
尽管在根据该示例性实施例的光学模块中，光学元件单元1和载体6经焊接联接表面3A焊接在一起，但是由于载体6由性质与光学元件单元1特别是环形谐振器的衬底材料性质一致的材料制成，因而光学元件单元1和载体6的线性膨胀系数相同。因而，能够显著降低可能会施加在外谐振器2上的热收缩应力和残余收缩应力的影响。
另外，因为载体由性质与包括平面光波线路的光学谐振器的衬底材料性质一样的材料制成，所以焊接的光学元件单元与载体具有相同的线性膨胀系数，因而即使在温度变化时也不会导致双金属效应。因此，抑制了光学谐振器的谐振波长的变化，从而以高的精确度控制波长。
在上述的光学模块中，平面光波线路可以形成能够可调谐地控制谐振波长的光学谐振器。通过这种结构，降低了施加在光学谐振器上的应力的量，使得能够抑制由于应力导致的光学谐振器的谐振波长的变化。
另外，本发明的示例性实施例可同样应用于波长滤光器和振幅滤光器，以便在这些滤光器中精确地控制波长和振幅。
【第二实施例】
尽管在本发明的第一示例性实施例中，作为可调谐波长滤光器的环形谐振器被用作需应力控制的光学元件2，但本发明不限于此结构。可以使用其中谐振波长可变的光学谐振器(外部谐振器)来代替环形谐振器。可以使用阵列波导衍射元件(AWG)，其是包括平面光波线路(PLC)的波分复用滤光器，来作为该光学谐振器。另外，尽管使用作为光学谐振器的波长滤光器来作为光学元件，但是光学元件并不限于此。可以使用其中可变地控制振幅的振幅滤光器，来代替波长滤光器。可以使用可变振幅衰减器(VOA)来作为该幅度滤光器。另外，安装在载体6上的光学元件可以是有源器件，例如第一实施例中的SOA元件3，或者是无源元件，例如光透镜、光纤和薄膜滤光器。
尽管已参考本发明的示例性实施例示出并描述了本发明，但本发明并不限于这些实施例。本领域普通技术人员将理解，其中在形式和细节上可以进行多种变化，而不脱离如权利要求所定义的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光学模块，包括：
光学元件单元，其包括具有随接收的应力改变的光学性质的光学元件；以及
载体，其支撑所述光学元件单元，其中
所述载体由性质与所述光学元件的衬底材料性质相同的材料制成，从而减小了热收缩应力，
所述光学元件单元和所述载体被焊接以相联接。
2.根据权利要求1所述的光学模块，其中所述热收缩应力是在所述光学元件单元与所述载体联接时导致的热收缩应力。
3.根据权利要求1所述的光学模块，其中所述载体由性质与作为所述光学元件的衬底材料的Si性质相同的材料制成。
4.根据权利要求1所述的光学模块，其中所述光学元件是具有随接收的应力改变的光学性质的滤光器。
5.根据权利要求4所述的光学模块，其中所述滤光器是其中可调谐地控制谐振波长的波长滤光器。
6.根据权利要求4所述的光学模块，其中所述滤光器是其中可调谐地控制振幅的振幅滤光器。
7.根据权利要求5所述的光学模块，其中所述波长滤光器是包括平面光波线路的环形谐振器。
8.根据权利要求5所述的光学模块，其中所述波长滤光器是包括平面光波线路的波分复用滤光器。
9.根据权利要求8所述的光学模块，其中所述波分复用滤光器是阵列波导衍射元件。
10.根据权利要求6所述的光学模块，其中所述振幅滤光器是可变振幅衰减器。
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