CN111954961A - 光模块 - Google Patents

Abstract

特征在于，具有：半导体激光元件；透镜，其对该半导体激光元件的出射光进行聚光；盖，其保持该透镜，对该半导体激光元件进行气密封装；监视受光元件，其对该半导体激光元件的背面光进行受光；透过板，其配置于该半导体激光元件和该监视受光元件之间，该盖的周围的温度越低则越使该背面光衰减而使该背面光入射至该监视受光元件；以及控制部，其对该半导体激光元件的注入电流进行控制，以使得该监视受光元件的输出恒定。

Description

光模块

技术领域

本发明涉及光模块。

背景技术

近年来，10Gbit/s的传送速度且适用于40～80km的传送距离的光模块正在普及，对该光模块的低成本化的要求正在增加。这样的光模块例如具有电场吸收型调制器、能够发送高品质的光信号的半导体激光元件、以及将半导体激光元件的温度控制为恒定而使特性稳定化的珀尔帖元件。作为光模块的封装件，当前使用的是陶瓷的箱型封装件，但最近正在使用廉价的TO-CAN(Transistor outlined CAN)型封装件。

TO-CAN型封装件是通过将安装有透镜的圆筒形的盖与管座进行电阻焊接而对半导体激光元件进行气密封装。激光二极管的前表面光经由透镜被聚光于光纤的端面。由此，半导体激光元件的前表面光与光纤的波导耦合而发送光信号。半导体激光元件的背面光例如入射至光电二极管等监视受光元件。监视受光元件输出与受光量对应的光电流。以该光电流成为恒定值的方式对向半导体激光元件的注入电流进行控制，将半导体激光元件所发送的光信号的输出保持为恒定。将其称为APC(Auto Power Control，自动功率控制)。

半导体激光元件的特性随温度而灵敏地变化。为了稳定地发送高品质的光信号，半导体激光元件的温度通过TEC(Thermo-Electric Cooling Module，热电冷却模块)而控制为恒定。TEC是指在珀尔帖元件的两端安装有热传导性良好的吸热基板和散热基板的热电模块。

在封装件周围温度从室温变化为高温的情况下，通过TEC进行了温度调节的半导体激光元件的位置几乎没有变动，但没有通过TEC进行温度调节的盖产生热膨胀。由于该热膨胀，透镜的位置在朝向光纤的方向产生变动。由此，半导体激光元件的前表面光的聚光点在朝向透镜的方向产生变动，向光纤的耦合效率产生变动。如果向光纤的耦合效率产生变动，则与光纤耦合的光信号强度(Pf)也产生变动。将这样的与周围温度变化相伴的Pf的变动称为跟踪误差。

在专利文献1中示出在半导体激光元件和透镜之间配置有其它透镜的TO-CAN型封装件。该TO-CAN型封装件通过使半导体激光元件的出射光成为准直光而减轻跟踪误差。

专利文献1：日本特开2011-108937号公报

发明内容

就专利文献1所示的TO-CAN型的封装件而言，为了生成准直光而需要高精度地固定透镜的位置，导致组装成本的增加。

本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供减轻了跟踪误差的光模块。

本发明涉及的光模块的特征在于，具有：半导体激光元件；透镜，其对该半导体激光元件的出射光进行聚光；盖，其保持该透镜，对该半导体激光元件进行气密封装；监视受光元件，其对该半导体激光元件的背面光进行受光；透过板，其配置于该半导体激光元件和该监视受光元件之间，该盖的周围的温度越低则越使该背面光衰减而使该背面光入射至该监视受光元件；以及控制部，其对该半导体激光元件的注入电流进行控制，以使得该监视受光元件的输出恒定。

下面阐明本发明的其他特征。

发明的效果

根据本发明，由于通过监视受光元件对经由透过率随温度而变化的透过板的背面光进行受光，因此能够得到减轻了跟踪误差的光模块。

附图说明

图1是实施方式1涉及的光模块的剖视图。

图2是实施方式1涉及的光模块的剖视图。

图3是表示透过板的特性的图。

图4是表示光模块的控制方法的框图。

图5是表示光信号强度的温度依赖性的图。

图6是表示实施方式3涉及的光模块的一部分的图。

图7是表示入射角和反射率的关系的图。

图8是表示实施方式4涉及的光模块的一部分的图。

图9是表示实施方式5涉及的光模块的图。

图10是表示实施方式6涉及的光模块的图。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式涉及的光模块进行说明。对相同或对应的结构要素标注相同标号，有时省略重复说明。

实施方式1.

图1是实施方式1涉及的光模块10的剖视图。光模块10具有管座13。在管座13设置有热电冷却器16。就热电冷却器16而言，能够设为在珀尔帖元件16a的两侧安装有吸热基板16b和散热基板16c的TEC(Thermoelectric Cooler)。散热基板16c被固定于管座13。对于固定的方法，并不特别限定，但例如是使用了AuSn、SnAgCu等的焊接。或者也可以是熔接。

在热电冷却器16通过散热块17等安装有半导体激光元件18。具体而言，在吸热基板16b通过散热块17等安装有半导体激光元件18。半导体激光元件18例如为激光二极管。半导体激光元件18接受由热电冷却器16进行的温度调整。通过设置将管座13贯穿的供电用引线管脚，能够对半导体激光元件18和热电冷却器16供电。由于通过热电冷却器16将半导体激光元件18的温度调整为恒定，因此半导体激光元件18所输出的光信号保持高品质。

在管座13固定有盖20。盖20对热电冷却器16和半导体激光元件18进行气密封装。而且，盖20对透镜22进行保持。透镜22对半导体激光元件18的出射光进行聚光。通过将保持着透镜22的盖20例如电阻焊接于管座13，能够对半导体激光元件18进行气密封装。

在散热块17设置有对半导体激光元件18的背面光进行受光的监视受光元件24。监视受光元件24例如是光电二极管等将光转换为电流的元件。在半导体激光元件18和监视受光元件24之间配置有透过板26。透过板26使半导体激光元件18的背面光衰减。盖20的周围的温度越低，则透过板26越使背面光衰减而使其入射至监视受光元件24。透过板26的材料例如能够设为可低成本地得到的光学部件即硼硅酸盐冕玻璃、合成石英或玻璃陶瓷。图3的上层的图形示出封装件周围温度和反射板的透过率的关系。封装件是指将光模块覆盖的部件，在本实施方式中是指盖20。如果封装件周围温度变低，则透过板26的温度也变低，透过板26的透过率降低。

如图1所示，透过板26由金属柱27保持。金属柱27固定于管座13。因此，透过板26没有与热电冷却器16进行热接触，因此透过板26不会由于热电冷却器16而产生温度变化而导致透过板26的透过率产生变化。即，透过板26的温度主要由盖20的周围的温度决定。

在盖20的外侧设置有光纤28。在与由透镜22聚光后的出射光进行光学耦合的位置处设置有光纤28。在图1中示出“室温”下的半导体激光元件18的出射光和光纤28的位置。在光模块的周围的温度为室温时，光纤28的光轴方向的端面位置在朝向透镜22的方向散焦。

在图2中示出温度比室温高的高温时的半导体激光元件18的出射光和光纤28的位置。如果光模块10的周围温度成为高温，则盖20产生热膨胀，透镜22的位置在朝向光纤28的方向产生变动。由此，与图1的光纤28和透镜22的距离x1相比，图2的光纤28和透镜22的距离x2小。因此，半导体激光元件18的出射光的聚光点在朝向透镜22的方向产生变动。由此，出射光的聚光点和光纤28的端面位置接近。于是，出射光的聚光点和光纤28的端面位置大致一致，得到耦合效率的峰值。

图4是表示半导体激光元件18的注入电流的控制的框图。如果监视受光元件24经由透过板26对半导体激光元件18的背面光进行受光，则将与其对应的光电流作为监视受光元件24的输出而提供给控制部30。控制部30对半导体激光元件18的注入电流进行控制，以使得监视受光元件24的输出恒定。因此，对半导体激光元件18的出射光或光信号的强度进行APC(Automatic Power Control)控制。

如图3的上层所示，温度越低则透过板26的透过率越小。因此，在高温时透过透过板26的背面光变强，在低温时透过透过板26的背面光变弱。因此，如果通过控制部30对半导体激光元件18的注入电流进行控制以使得监视受光元件24的输出恒定，则在低温时半导体激光元件18的注入电流变大，在高温时该注入电流变小。例如在图3的下层示出封装件周围温度和半导体激光元件的注入电流的关系。由于与封装件周围的温度降低相伴地，透过板26的透过率减小，因此监视受光元件24所接受的背面光的强度降低。于是，控制部30使半导体激光元件18的注入电流增加，以使得监视受光元件24所输出的光电流不产生变化。即，温度越低则越使注入电流增加。

图5是表示模块周围温度和与光纤进行了耦合的光信号强度(Pf)的关系的图。作为光模块10的使用温度范围，设想的是t1至t2为止的温度范围。左侧的图形示出在从图1的结构去除透过板26，消除了光纤在室温下的散焦的情况下的模块周围温度和与光纤进行了耦合的光信号强度(Pf)的关系。在该情况下，在室温下得到光信号强度(Pf)的峰值。而且，周围温度从室温向高温或低温偏移相同程度时的Pf降低量相同。

图5的右侧的图形示出上述图1的结构中的Pf的温度依赖性。由于实施了光纤的散焦，因此与室温相比在高温侧得到Pf的峰值。另外，由于附加了透过板26，因此向半导体激光元件18的注入电流与温度上升相伴地变小。由于在温度低的区域向半导体激光元件18的注入电流变大，半导体激光元件18的出射光强度变强，因此Pf的降低量变小。另一方面，由于在温度高的区域向半导体激光元件18的注入电流变小，半导体激光元件18的出射光强度变弱，因此Pf的降低量变大。但是，如果以在使用温度范围的上限附近得到Pf的峰值的方式预先使光纤28散焦，则能够在整个使用温度范围对Pf的降低量进行抑制。

图5的中央的图形示出以上述图1的结构为基础并且消除了光纤在室温下的散焦的情况下的Pf的温度依赖性。在该情况下，与室温相比在低温侧能够使Pf的降低量减小。但是，如果与室温相比成为高温，则Pf的降低量变大，在t2附近得不到充分的Pf。

如一边参照图5一边说明的那样，通过具有图3的上层所示的透过率特性的透过板、APC控制，能够在低温侧维持高的Pf。而且，通过在光模块的周围的温度为室温时，使光纤28的光轴方向的端面位置预先向透镜22的方向散焦，从而能够在整个工作温度范围得到良好的Pf。具体而言，使光纤28的位置在光轴方向散焦，以使得在与半导体激光元件18的工作温度范围的中心温度相比接近工作温度范围的上限的温度下，与光纤28进行了耦合的光信号强度成为最大。由此，能够在整个工作温度范围得到良好的Pf。

关于透过板26，除了上述效果之外，还具有使热电冷却器16的耗电量减小的效果。由于与周围温度的上升相伴地透过板26使半导体激光元件18的注入电流减小，因此能够使周围温度为高温时的半导体激光元件18的发热减小。因此，能够使在高温时热电冷却器16对半导体激光元件18进行冷却所需的电力减小。相反，由于在周围温度为低温时热电冷却器16以试图对半导体激光元件18进行加热的方式工作，但在周围温度为低温时半导体激光元件18的发热变大，因此热电冷却器16对半导体激光元件18进行加热所需的电力变小。

由此，在实施方式1中，通过在半导体激光元件18和监视受光元件24之间附加透过板26，使光纤28散焦，从而能够减轻跟踪误差。而且，能够降低热电冷却器16的耗电量。以下的实施方式涉及的光模块与实施方式1的类似点多，因此以与实施方式1的区别为中心进行说明。

实施方式2.

实施方式2的光模块与实施方式1的一致点多，但在室温下没有使光纤28散焦，这一点与实施方式1不同。即，在实施方式2中，进行调芯以使得在室温下得到耦合效率的峰值。更具体而言，在半导体激光元件18的工作温度范围的中心温度下与光纤28进行了耦合的光信号强度成为最大的位置处设置了光纤28。例如，在室温下，如图2所示出射光的聚光点与光纤28的端面位置大致一致，得到耦合效率的峰值。

在该情况下，模块周围温度和与光纤28进行了耦合的光信号强度(pf)的关系成为例如像图5的中央的图形那样。通过设置透过板26，能够在低温侧减轻Pf的降低量。因此，当希望仅在低温侧改善跟踪误差的情况下，通过不实施散焦，能够更简便地制造光模块。

实施方式3.

图6是表示实施方式3涉及的光模块的一部分的图。实施方式3中的透过板26由支撑体40保持。支撑体40由线热膨胀系数比透过板26大的材料形成。支撑体40例如为塑料。支撑体40例如能够隔着绝热部件而固定于散热块17。

支撑体40具有在背面光的行进方向上厚的部分和薄的部分。厚度不均匀的支撑体40与温度上升相伴地，以使背面光的向透过板26的入射角变大的方式使透过板26的位置变化。例如，在图6中，室温下的背面光的向透过板26的入射角为θ，高于室温的温度下的背面光的向透过板26的入射角大于θ。高温时的透过板26的背面光的受光面由虚线示出。此时的入射角为比θ大的θ’。

在图6中示出支撑体40在下方在背面光的行进方向上厚，在上方在背面光的行进方向上薄。支撑体40的形状例如为三角柱。此外，图6所示的支撑体40为一个例子，能够采用以温度越高则背面光的向透过板的入射角变大的方式使透过板的位置变化的其它形状的支撑体。

这里，半导体激光元件18的背面光的偏光方向为P偏光。另外，入射角θ设定于偏光角和全反射角之间。图7是表示半导体激光元件18的背面光的向透过板26的入射角θ与透过板26的反射率的关系的图。通过将背面光的偏光方向设为P偏光，从而在偏光角和全反射角之间形成反射率急剧变动的区域。如果将入射角设定于该区域，则与温度变化相伴地透过板26的反射率急剧地变化。即，与入射角的变化相伴地，通过APC驱动而产生的向半导体激光元件18的注入电流的变化也变大。因此，例如能够增大图5的中央或右侧的图形中的跟踪误差的补偿量。

实施方式4.

图8是表示实施方式4涉及的光模块的一部分的图。在透过板26形成有电介质多层膜50。电介质多层膜50在入射角的变动范围，与实施方式3相比增大了由入射角变动引起的反射率的变动。电介质多层膜50例如能够将氧化钛、氧化硅、五氧化铌、五氧化钽、氟化镁中的至少1种层叠多层而形成。不仅可以将1种材料层叠，也可以将多个材料层叠而形成电介质多层膜50。电介质多层膜50具有与入射角对应地反射率灵敏地变化的性质。由此，能够使跟踪误差的补偿量比实施方式3更大。

通过形成电介质多层膜50，半导体激光元件的背面光的偏光方向并不限于P偏光，能够自由地进行设定。因此，能够提高光模块的设计自由度。

实施方式5.

图9是实施方式5涉及的光模块的剖视图。实施方式5中的透过板26使背面光中的没有透过透过板26的成分向不与出射光平行的方向反射。例如，能够设置使背面光中的没有透过透过板26的成分即非透过成分向与平行于出射光的方向呈90°角度的方向反射的反射面。这样的反射面例如能够由图6的支撑体40和其所支撑的透过板26提供。并不限于该例子，能够采用使非透过成分向不与出射光平行的方向反射的任意结构。

根据实施方式5的透过板26，能够防止前述的非透过成分与半导体激光元件18的出射光进行干涉。因此，从透镜22输出的光束的强度分布接近于单模，光纤28的光轴调整变得易于进行。

实施方式6.

图10是实施方式6涉及的光模块的俯视图。如前述那样，在金属柱27固定有透过板26。就实施方式6的光模块而言，在该金属柱27固定了桥接基板60。桥接基板60具有传送半导体激光元件18的电信号的高频线路。该高频线路与半导体激光元件18进行导线连接。因此，能够经由桥接基板60将高频电信号传送至半导体激光元件18。

通过在金属柱27安装桥接基板60和透过板26这两者，能够改善跟踪误差并且改善高频特性。例如，桥接基板60能够设为端部被露出的L字型形状。由此，能够在金属柱27确保透过板26的安装空间。就上述的L字型形状的桥接基板60而言，能够使高频线路位于与半导体激光元件18接近的位置，并且在金属柱27的与端部相比接近管座13的位置固定透过板26。

此外，能够组合上述各实施方式涉及的光模块的特征。

标号的说明

10光模块，13管座，16热电冷却器，18半导体激光元件，20盖，22透镜，24监视受光元件，26透过板

Claims (10)

1.一种光模块，其特征在于，具有：

半导体激光元件；

透镜，其对所述半导体激光元件的出射光进行聚光；

盖，其保持所述透镜，对所述半导体激光元件进行气密封装；

监视受光元件，其对所述半导体激光元件的背面光进行受光；

透过板，其配置于所述半导体激光元件和所述监视受光元件之间，所述盖的周围的温度越低则越使所述背面光衰减而使所述背面光入射至所述监视受光元件；以及

控制部，其对所述半导体激光元件的注入电流进行控制，以使得所述监视受光元件的输出恒定。

2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，

具有光纤，该光纤设置于与由所述透镜聚光后的所述出射光进行光学耦合的位置，

使所述光纤的位置在光轴方向散焦，以使得在与所述半导体激光元件的工作温度范围的中心温度相比接近工作温度范围的上限的温度下，与所述光纤进行了耦合的光信号强度成为最大。

3.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，

具有光纤，该光纤设置于与由所述透镜聚光后的所述出射光进行光学耦合的位置，

在所述半导体激光元件的工作温度范围的中心温度下与所述光纤进行了耦合的光信号强度成为最大的位置设置了所述光纤。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光模块，其特征在于，

具有支撑体，该支撑体保持所述透过板，在该支撑体设置有在所述背面光的行进方向上厚的部分和薄的部分，由此以与温度上升相伴地使所述背面光的向所述透过板的入射角变大的方式使所述透过板的位置变化，

所述背面光的偏光方向为P偏光，所述入射角设定于偏光角和全反射角之间。

5.根据权利要求4所述的光模块，其特征在于，

所述支撑体为塑料。

6.根据权利要求4或5所述的光模块，其特征在于，

具有在所述透过板形成的电介质多层膜。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光模块，其特征在于，

所述透过板将所述背面光中的没有透过所述透过板的成分向不与所述出射光平行的方向反射。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光模块，其特征在于，具有：

金属柱，其固定于管座；以及

桥接基板，其固定于所述金属柱，该桥接基板具有传送所述半导体激光元件的电信号的高频线路，

所述透过板固定于所述金属柱。

9.根据权利要求8所述的光模块，其特征在于，

所述桥接基板为端部被露出的L字型形状，

在所述金属柱的与所述端部相比接近所述管座的位置固定了所述透过板。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的光模块，其特征在于，

所述透过板的材料为硼硅酸盐冕玻璃、合成石英或玻璃陶瓷。

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