DE60106323T2

DE60106323T2 - Optisches Halbleitermodul mit Temperaturregelung

Info

Publication number: DE60106323T2
Application number: DE60106323T
Authority: DE
Inventors: Yasuyuki Nakakoma-gun Yamanashi Yamauchi; Toyotoshi Nakakoma-gun Machida; Nobuhiro Nakakoma-gun Ninomiya
Original assignee: Fujitsu Quantum Devices Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Priority date: 2000-04-21
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: US6487027B2; DE60106323D1; JP2001308444A; EP1154530B1; EP1154530A2; US20010033592A1; EP1154530A3; JP4071917B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein optische Halbleitervorrichtungen und insbesondere einen optischen Halbleitermodul, welcher die Fähigkeit zur Temperaturregulierung aufweist.
In einem Glasfaserübertragungssystem hoher Kapazität großer Kapazität, in welchem die Technologie des optischen Wellenlängen-Multiplexverfahrens zur Modulierung der optischen Information verwendet wird, ist es erforderlich, eine große Anzahl von stabilisierten optischen Quellen zu benutzen, welche die jeweiligen optischen Strahlen mit stabilisierten Wellenlängen erzeugen.
Daher ist es übliche Praxis geworden, einen optischen Halbleitermodul zu benutzen, welcher einen als Wellenlängenverriegeler bezeichneten Temperaturreguliermechanismus für die optische Quelle von Glasfaserübertragungssystemen benutzt, wobei der Wellenlängenverriegeler eine Rückkopplung zur Erhaltung der gewünschten Wellenlänge der Schwingung benutzt.
1 zeigt den Aufbau eines optischen Halbleitermoduls 10, welcher einen herkömmlichen Wellenlängenverriegeler aufweist.
Unter Bezugnahme auf die 1 enthält der optische Halbleitermodul 10 einen Gehäusekörper 2 und eine Laserdiode 1, wobei die Laserdiode 1 auf dem Gehäusekörper mittels eines auf dem Gehäusekörper 2 befindlichen Temperaturregelblocks 3 und eines ferner auf dem Temperaturregelblock 3 befindlichen Trägerelements 4 befestigt ist. Die Laserdiode 1 wird mit einem Ansteuerstrom über einen Verbindungsdraht 1C gespeist, welcher mit einer Elektrode auf dem Gehäusekörper 2 verbunden ist, und erzeugt ein optischen Ausgangsstrahl 1A dergestalt, dass der optische Strahl 1A in ein Ende einer optischen oder Lichtleitfaser eingespeist wird, welche an ein optisches Fenster 2A auf dem Gehäusekörper angeschlossen ist.
Die Laserdiode 1 erzeugt ferner einen weiteren optischen Strahl 1B in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung des optischen Strahls 1A , wobei der optische Strahl nacheinander einen Strahlenteiler 5 und einen optischen Wellenlängenfilter 6 durchläuft und eine erste Fotodiode 7 erreicht. Außerdem wird der optische Strahl 1B, welcher vom Strahlenteiler 5 aufgeteilt wird, auf eine zweite Fotodiode 8 gelenkt. Außerdem ist auf dem Trägerelement 4 ein Thermistor 4A zur Messung der Temperatur der Laserdiode 1 vorhanden. Der Thermistor 4A liefert dadurch von dieser ein für die Temperatur der Laserdiode 1 indikatives Ausgangssignal über einen Verbindungsdraht 4B und einen entsprechenden Terminal an eine außerhalb des Gehäusekörpers 2 befindliche externe Steuerschaltung.
Außerdem enthält der optische Halbleitermodul 10 ein erster (nicht dargestellter) Kollimator auf dem optischen Weg des optischen Strahls 1A zwischen der Laserdiode 1 und dem Fenster 2A, und ein zweiter (nicht dargestellter) Kollimator befindet sich auf dem optischen Weg des optischen Strahls 1B zwischen der Laserdiode 1 und dem Strahlenteiler 5.
Wie bereits weiter vorn angemerkt worden ist, wirkt der optische Halbleitermodul 10 mit einer externen Steuerschaltung zusammen, und die externe Steuerschaltung steuert die Laserdiode 1 ansprechend auf den Ausgang des Thermistors 4A so, dass die von der zweiten Fotodiode 8 erfasste optische Leistung des optischen Strahls 1B konstant gehalten wird. Mit anderen Worten, die Fotodiode 8 bildet einen Teil APC-(automatischen Leistungssteuerungs-Schleife.
Als Reaktion auf das Ausgangssignal der ersten Fotodiode 7, welches für die optische Leistung des optischen Strahls 1B nach dem Durchgang durch den Wellenlängenfilter 6 Indikativ ist, steuert die externe Steuerschalturg ferner ein Peltier-Element, welches den Temperaturregulierblock 3 bildet, so dass die Änderung der Schwingungswellenlänge der Laserdiode 1 durch Veränderung ihrer Betriebstemperatur kompensiert wird.
2 zeigt ein Beispiel für die Abhängigkeit der Schwingungswellenlänge von der Betriebstemperatur der Laserdiode 1.
Wenn man auf die 2 Bezug nimmt, so ist ersichtlich, dass die Schwingungswellenlänge der Laserdiode 1 sich in Richtung der größeren Wellenlängenseite verschiebt, wenn die Betriebstemperatur als Ergebnis der Änderung der effektiven Länge des optischen Hohlraums und der Änderung des Brechungsindex, die als Ergebnis der Temperaturänderung hervorgerufen wird, zunimmt.
Die 3 zeigt eine Durchlässigkeitskurve des optischen Filters 6. Es muss angemerkt werden, dass der optische Filter 6 aus einem optischen Medium gebildet ist, welches durch ein Paar von parallelen Flächen wie beispielsweise einer Glasplatte festgelegt ist und die Art eine Etalons hat.
Wenn man auf 3 Bezug nimmt, so ist ersichtlich, dass die Durchlässigkeitskurve eine sinusförmige Änderung mit der Wellenlänge des ankommende optischen Strahls zeigt, und daher wird es möglich, einen empfindlichen Nachweis der Wellenlängenänderung der Laserdiode 1 mit Hilfe des Fotodetektors 7 zu erreichen, indem man den optischen Filter 6 dergestalt auslegt, dass der geneigte Bereich der Durchlässigkeitskurve mit der Schwingungswellenlänge der Laserdiode 1 zusammenfällt.
Angesichts der Tatsache, dass der Ausgang der Laserdiode 1 als Ergebnis der APC-Steuerung konstant gehalten wird, was durch den Einsatz der Fotodiode 8 erreicht wird, ist jegliche Abnahme der optischen Leistung des optischen Strahls 1B, die durch den Fotodetektor 7 detektiert wird, ein Hinweis auf eine Zunahme der Betriebstemperatur der Laserdiode 1 gemäß der Beziehung der 2. Daher steuert die externe Steuerschaltung den Temperaturregulierblock 3 und bewirkt eine Abnahme der Betriebstemperatur der Laserdiode 1. Somit bilden der Temperaturregulierblock und die darauf untergebrachten Bauteile einen Wellenlängenverriegeler.
Somit detektiert der optische Halbleitermodul 10 der 1 erfolgreich jegliche durch eine Temperaturänderung verursachte Änderung der Schwingungswellenlänge der Laserdiode 1 und kompensiert sie.
Andererseits gibt es in dem Fall, wo sich die Temperatur der Umgebung, in welcher der optische Halbleitermodul 10 eingesetzt wird, geändert wurde, die Möglichkeit, dass ein Temperaturunterschied, welcher zwischen der Laserdiode 1, deren Temperatur durch den Temperaturregulierblock 3 geregelt wird, und anderen Bauteilen auf dem Temperäturregulierblock 3 wie beispielsweise dem optischen Wellenlängenfilter 6 hervorgerufen wird, zu einem fehlerhaften Betrieb des Wellenlängenverriegelers führen kann.
In ausführlicherer Darstellung kann wegen der Tatsache, dass der Temperaturregulierblock 3 nur eine endliche Wärmeleitfähigkeit aufweist, der Fall eintreten, dass dann, wenn eine Wärmewirkung auf Grund einer Änderung der Umgebungstemperatur auf den Temperaturregulierblock 3 über den Gehäusekörper 2 übertragen wird, ein Temperaturunterschied zwischen dem Temperaturregulierblock 3 und daher der Laserdiode 1, die der Temperatursteuerung durch den Temperaturregulierblock 3 unterliegt, und dem auf dem Temperaturregulierblock 3 befindlichen Wellenlängenfilter entstehen kann.
4 zeigt die Durchlässigkeit des optischen Filters 6 bei 25 °C und bei 75 °C, wobei die durchgehende Linie die Durchlässigkeit bei 25 °C darstellt, während die unterbrochene Linie die Durchlässigkeit bei 75 °C darstellt.
Wenn man Bezug auf 4 nimmt, so ist ersichtlich, dass die Durchlässigkeitskurve für die Temperatur 75 °C in Bezug auf die Durchlässigkeitskurve für die Temperatur 25 °C zur Seite der größeren Wellenlängen verschoben ist, was auf die thermische Ausdehnung oder die Änderung des Brechungsindex des Filters 6 zurückzuführen ist.
Es kann somit im optischen Halbleitermodul 10 der 1 eine Situation eintreten, in welcher die Fotodiode 7 eine erhöhte Ausgangsleistung erzeugt, wenn sich der optische Filter 6 auf der Temperatur von 75 °C befindet, selbst wenn in einem derartigen Fall die Temperatur der Laserdiode 1 auf dem Trägerelement 4 durch den Temperaturregulierblock richtig gesteuert wird. Dadurch beurteilt die Steuerschaltung fälschlicherweise die Temperatur der Laserdiode 1 so, als sei diese abgesunken, und aktiviert den Tempe raturregulierblock 3, um die Temperatur der Laserdiode 1 anzuheben. Wenn eine derartige fehlerhafte Aktivierung des Temperaturregulierblocks 3 erfolgt, verschiebt sich die Schwingungswellenlänge der Laserdiode von der gewünschten Wellenlänge λ zu einer größeren Wellenlänge λ'.
Um das obige Problem des fehlerhaften Betriebs des Temperaturregulierblocks im optischen Halbleitermodul zu beseitigen, wird in der japanischen Offenlegungsschrift 10-79551 eine Konstruktion vorgeschlagen, in welcher die Laserdiode 1 und der optische Wellenlängenfilter 6 getrennt einer Temperatursteuerung unterzogen werden. Eine derartige Konfiguration erfordert jedoch zwei verschiedene Temperaturregulierblöcke und birgt das Problem einer komplexen Konstruktion und eins erhöhten Energieverbrauchs in sich.
JP 2000 056185 von der NTT Corporation offenbart eine optische Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1. In ihrer Vorrichtung steuert ein Peltier-Element die Übertragungswellenlänge der Laserdiode, und ein thermisches Kontaktmittel bringt die Laserdiode und den optischen Filter in thermischen Kontakt, so dass beide auf nahezu derselben Temperatur gehalten werden.
US 5 703 893 A vom Anmelder der vorliegenden Erfindung offenbart einen Laserdiodenmodul, in welchem eine Metallplatte, welche sich in der Richtung einer optischen Achse einer Laserdiode erstreckt, die Basis eines Trägers für die Laserdiode thermisch mit einem Gehäuse verbindet.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist folglich ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neuartige und nützliche optische Halbleitervorrichtung vorzustellen, bei welcher die vorgenannten Probleme vermieden werden.
Ein weiteres und spezifischeres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optische Halbleitervorrichtung vorzusehen, welche einen Temperaturregulierteil aufweist, der einen Wellenlängenverriegeler bildet, welcher eine genaue Temperaturregelung vorsieht selbst in einem solchen Fall, wo sich die Umgebungstemperatur wesentlich geändert hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine optische Halbleitervorrichtung bereitgestellt, welche umfasst:

einen Gehäusekörper;
eine Laserdiode, welche in dem Gehäusekörper untergebracht ist, wobei diese Laserdiode einen optischen Strahl erzeugt;
einen Temperaturregulierteil, welcher mit der Laserdiode thermisch verbunden ist, welcher Temperaturregulierteil ein Temperaturregulierelement aufweist und die Temperatur der Laserdiode steuert;
einen optischen Filter, welcher mit dem Temperaturregulierteil thermisch verbunden ist, wobei der optische Filter eine Durchlässigkeitskurve hat, die in Bezug auf die Wellenlänge geneigt ist, wobei die Durchlässigkeitskurve eine Beziehung zwischen der Durchlässigkeit des optischen Filters und der Wellenlänge einer darauf auftreffenden optischen Strahlung darstellt;
einen Fotodetektorteil, welcher den Laserstrahl von der Laserdiode über den optischen Filter empfängt, welcher Fotodetektorteil die Intensität des optischen Strahls detektiert, welcher durch den optischen Filter getreten ist;
eine Speisevorrichtung, welche in die Laserdiode eine ansteuernde Leistung einspeist, und
einen zusätzlichen wärmeleitenden Körper, welcher getrennt von der Speisevorrichtung vorhanden ist, welcher wärmeleitende Körper Wärme vom Gehäusekörper auf die Laserdiode überträgt,
bei welcher Temperaturregulierteil die Temperatur davon dergestalt steuert, dass der Fotodetektorteil eine vorbestimmte optische Leistung empfängt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird für die Laserdiode, welche den optischen Halbleitermodul bildet, eine stabile Blockierung der Laser-Schwingungswellenlänge selbst in einem solchen Fall erreicht, wo die Umgebungstemperatur sich geändert hat und die Wirkung der Änderung der Umgebungstemperatur diejenigen Komponenten erreicht hat, welche einen Wellenlängenverriegeler bilden, insbesondere den optischen Filter, welcher dafür eingesetzt wird, um die Detektion der Änderung der Schwingungswellenlänge zu ermöglichen, und zwar durch die thermische Verbindung der Laserdiode mit der externen Umgebung über den wärmeleitenden Körper und den Gehäusekörper. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass der wärmeleitende Körper die Laserdiode auf einer Temperatur hält, die dicht bei der Umgebungstemperatur liegt, und ein fehlerhafter Betrieb des Wellenlängenverriegelers erfolgreich vermieden wird.
Weitere Ziele und zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schema, welches den Aufbau eines optischen Halbleitermoduls gemäß dem Stand der Technik zeigt;
2 ist ein Diagramm, welches die Temperaturkennlinie einer Laserdiode zeigt;
3 ist ein Diagramm, welches den Betrieb eines Wellenlängenverriegelers erläutert;
4 ist ein Diagramm, welches die Durchlässigkeit eines im Wellenlängenverriegeler benutzten optischen Filters zeigt;
5A und 5B sind Diagramme, welche den Aufbau eines optischen Halbleitermoduls gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
6A und 6B sind Diagramme, welche die Betriebsweise des optischen Halbleitermoduls der ersten Ausführungsform erläutern;
7 ist ein weiteres Diagramm, welches die Betriebsweise des optischen Halbleitermoduls der ersten Ausführungsform erläutert;
8 ist ein Diagramm, welches einen Betriebsbereich des im optischen Halbleitermodul der ersten Ausführungsform benutzten Wellenlängenverriegelers zeigt;
9A und 9B sind Diagramme, welche den Aufbau eines optischen Filters zeigen, der im optischen Halbleitermodul der ersten Ausführungsform benutzt wird;
10 ist ein Diagramm, welches den Aufbau eines Strahlenteilers zeigt, welcher im optischen Halbleitermodul der ersten Ausführungsform benutzt wird;
11A und 11B sind Diagramme, welche den Aufbau eines optischen Halbleitermoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, und
12A und 12B sind Diagramme, welche den Aufbau eines optischen Halbleitermoduls gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Erste Ausführungsform
Die 5A und 5B zeigen den Aufbau eines optischen Halbleitermoduls 20 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher diejenigen Teile, die den weiter vorn beschriebenen Teilen entsprechen, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet sind und deren Beschreibung unterbleiben wird.
Mit Bezug auf die 5A und 5B weist der optische Halbleitermodul 20 einen Aufbau auf, welcher demjenigen des weiter vorn erläuterten optischen Halbleitermoduls 10 ähnlich ist mit der Ausnahme, dass der Träger 4 thermisch wie auch mechanisch mit dem Gehäusekörper 2 mittels einer Anzahl von Verbindungsdrähten 9 verbunden ist. Außerdem wird beim optischen Halbleitermodul 20 ein noch zu erläuternder Parallelplatten-Strahlenteiler 5A an Stelle des Strahlenteilers 5 benutzt, der aus zwei Prismen gebildet wird und im optischen Halbleitermodul 10 benutzt wird.
Es ist ferner anzumerken, dass beim optischen Halbleitermodul 20 der Träger 4, der Strahlenteiler 5A, der optische Wellenlängenfilter 6 und der Temperaturregulierblock 3, auf welchem die Fotodioden 7 und 8 getragen werden, alle in einem Raum 2B untergebracht sind, welcher im Gehäusekörper 2 definiert ist. Der Temperaturregulierblock 3 enthält ein Peltier-Element 3A.
5B zeigt den optischen Halbleitermodul 20 in Querschnittdarstellung mit Blick aus der Richtung des optischen Fensters 2A. In 5B sind die Darstellungen des Strahlenteilers 5A, des optischen Wellenlängenfilters und der Fotodioden 7 und 8 aus Gründen der Einfachheit weggelassen worden. Der Temperaturregulierblock 3 enthält ein Paar von thermisch leitenden Metallsubstraten wie beispielsweise Al- oder Keramiksubstraten wie Al₂O₃, zwischen denen sich in Sandwich-Anordnung das Peltier-Element 3A befindet.
Wie 5A zeigt, ist dort eine Steuerschaltung 21 im Zusammenwirken mit dem optischen Halbleitermodul 20 vorhanden, wobei die Steuerschaltung 21 über den Verbindungsdraht 1C mit dem optischen Halbleitermodul 20 verbunden ist, um die Laserdiode 1 anzusteuern. Außerdem steuert die Steuerschaltung 21 die Temperatur der Laserdiode 1 dadurch, dass sie über den Verbindungsdraht 3B das Peltier-Element 3A des Temperaturregulierblocks 3 ansprechend auf den Ausgang des Thermistors 4A ansteuert.
Nun soll das Operationsprinzip des optischen Halbleitermoduls 20 der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf die 6A und 6B erläutert werden. Bei der nachfolgenden Erläuterung wird vorausgesetzt, dass der optische Wellenlängenfilter eine solche Temperaturabhängigkeit der Durchlässigkeitskurve aufweist, wie sie bereits unter Bezugnahme auf die 4 erläutert worden ist. Es sollte angemerkt werden, dass die 6A und 6B einen Teil des Diagramms von 4 im vergrößerten Maßstab zeigen. Ähnlich wie in 4 stellt die durchgehende Linie die Durchlässigkeit bei 25 °C dar, während die unterbrochene Linie die Durchlässigkeit bei 75 °C darstellt.
Unter Bezugnahme auf die 6A verursacht ein Temperaturanstieg des optischen Filters 6 bei einer Erhöhung der Umgebungstemperatur von 25 °C auf 75 °C eine Verschiebung der Durchlässigkeitskurve des optischen Wellenlängenfilters 6 in Richtung auf die größeren Wellenlängen, wie das in 6a durch einen Pfeil dargestellt ist.
Es sollte angemerkt werden, dass beim optischen Halbleitermodul 20 der vorliegenden Ausführungsform, bei welchem der Träger 4, der die Laserdiode 1 trägt, mit dem Gehäusekörper 2 durch eine Anzahl von Verbindungsdrähten 9 verbunden ist, die Wärme außerhalb des Gehäusekörpers 2 auf die Laserdiode 1 über die Drähte 9 übertragen wird und dabei in der Laserdiode 1 ein entsprechender Temperaturanstieg erfolgt.
Da die Laserdiode 1 eine Temperaturabhängigkeit aufweist, die unter Bezugnahme auf die 2 erläutert worden ist, ändert sich mit dem vorausgehenden Temperaturanstieg die Schwingungswellenlänge der Laserdiode 1 in Richtung auf die größeren Wellenlängen von der anfänglichen Wellenlänge λ₁ zur Wellenlänge λ₂ und weiter zur Wellenlänge λ₃. Als Ergebnis einer derartigen Wellenlängenverschiebung unterliegt die optische Leistung des durch den optischen Filter 6 hindurch getretenen optischen Strahls 1B einer Abnahme ΔL vom Ausgangswert L₁ unterliegt.
Diese Abnahme ΔL der optischen Leistung des optischen Strahls 1B wird von der Fotodiode 7 detektiert, und die Steuerschaltung 21 aktiviert das Peltier-Element 3A so, dass der Ausgang der Fotodiode 7 den Ausgangswert L₁ wieder herstellt. Als Ergebnis einer derartigen Aktivierung des Peltier-Elements 3A werden der Träger 4 und die darauf befindliche Laserdiode 1 abgekühlt, und die Schwingungswellenlänge des Lasers wird von der vorherigen Wellenlänge λ₃ in Richtung der kürzeren Wellenlängen verschoben.
In der Zwischenzeit bewirkt ein derartiger Abkühl-Betriebmodus des Peltier-Elements 3A über den Temperaturregulierblock 3 eine ähnliche Abkühlung im optischen Wellenlängenfilter 6. Damit wird der anfängliche vorbestimmte Pegel L₁ bei der Wellenlänge nahe der anfänglichen vorbestimmten Wellenlänge λ₁ wieder hergestellt. Mit anderen Worten, 6B zeigt den Betrieb eines Wellenlängenverriegelers für die Wiederherstellung der vorbestimmten Schwingungswellenlänge des Lasers.
Bei dem Rückgewinnungsbetrieb der 6B sollte angemerkt werden, dass die Abkühlung der Laserdiode 1 wegen der Wärmeübertragung von der hohen Umgebungs temperatur über die Drähte 9 nur langsam erfolgt. Als Ergebnis wird der mit Bezug auf die 4 erläuterte fehlerhafte Betrieb des Wellenlängenverriegeler vermieden.
Das Problem des fehlerhaften Betriebs des Wellenlängenverriegelers, der die Neigung hat, dann aufzutreten, wenn sich die Temperatur des optischen Wellenlängenfilters 6 geändert hat, wird somit durch den optischen Halbleitermodul 20 der vorliegenden Ausführungsform mit Erfolg dadurch beseitigt, dass eine absichtliche thermische Kopplung zwischen der Laserdiode 1 und dem Gehäusekörper 2 und folglich der Umgebung, in welcher der optische Halbleitermodul 20 benutzt wird, hergestellt wird. Durch die Einstellung der Anzahl der Drähte 9 kann der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform die durch die Drähte bewirkte Wärmeübertragung nach Wunsch eingestellt werden. Ferner können derartige Drähte 9 leicht durch Anwendung der Technik der Drahtverbindungen angebracht werden. Beispielsweise können 10 Au-Drähte mit je einem Durchmesser von 380 μm die erforderliche Wärmeübertragung vorsehen.
Natürlich trägt auch der Draht 1C, der für das Ansteuern der Laserdiode 1 benutzt wird, in einem gewissen Ausmaß zur Wärmeübertragung bei. Solch ein einzelner Draht reicht jedoch für die Wärmeübertragung von der Umgebung auf die Laserdiode 1 nicht aus. Andererseits können die Drähte 9 auch für die Zuführung von elektrischer Leistung zur Laserdiode 1 benutzt werden.
7 zeigt den Betrieb des Wellenlängenverriegelers für den Fall, dass die Temperatur des optischen Filters 6 sich von einem vorbestimmten Temperaturwert T₀ auf einen höheren Temperaturwert T₁ geändert hat, und für den Fall, in welchem die Temperatur sich von dem vorbestimmten Temperaturwert T₀ auf einen niedrigeren Temperaturwert T₂ geändert hat.
In dem Fall wo sich die Temperatur des Filters 6 als Folge der Umgebungstemperatur erhöht hat, wirkt der Wellenlängenverriegeler so, wie bereits weiter vorn erläutert worden ist. Außerdem erfolgt eine ähnliche Operation auch in dem Fall, wo die Temperatur des Filters 6 auf den Temperaturwert T₂ abgesunken ist und das Peltierelement in einem Heizmodus betrieben wird. Als Ergebnis werden die anfängliche Wellenlänge λ₁ und der anfängliche Leistungspegel L₁ wieder hergestellt.
Angesichts der Tatsache, dass der optische Wellenlängenfilter 6 eine sinusförmige Durchlässigkeitskurve aufweist, die sich periodisch mit der Wellenlänge ändert, wie das in Bezug auf die 3 oder 4 erläutert worden ist, besteht mittlerweile im Wellenlängenverriegeler der vorliegende Ausführungsform die Möglichkeit, dass sich der Operationspunkt des Wellenlängenverriegelers von einem in der 8 dargestellten Bereich A, in welchem die Durchlässigkeitskurve eine negative Neigung hat, zu einem Bereich B bewegen kann, in welchem die Durchlässigkeitskurve eine positive Neigung aufweist. Eine solche Situation kann auftreten, wenn eine übermäßige Menge an Wärme aus der Umgebung über die Drähte 9 übertragen worden ist. Wenn dies auftritt und der Betriebspunkt in den Bereich B eingetreten ist, dann funktioniert der Wellenlängenverriegeler nicht mehr einwandfrei. Es sollte angemerkt werden, dass die Steuervorrichtung ein Aufheizen der Laserdiode 1 im Bereich B bewirkt, wenn der Ausgang der Fotodiode 7 abgesunken ist, und eine Abkühlung, wenn der Ausgang der Fotodiode 7 angestiegen ist. Dieser Betrieb im Bereich B ist genau entgegengesetzt dem Betrieb im Bereich A.
Aus dem Vorangegangenen geht hervor, dass es vorzuziehen ist, dass die als Wärmeleiter wirkenden Drähte 9 Wärme innerhalb des Bereichs übertragen, in welchem der Nennbetrieb des Wellenlängen verriegelers aufrecht erhalten wird und keine Umkehr in Bezug auf die Polarität des Aufheizens und Abkühlens erfolgt.
Bei dem Aufbau der 5A und 5B muss angemerkt werden, dass der Gehäusekörper 2 durch ein nicht dargestelltes Haubenteil geschlossen wird und die Laserdiode 1, der Temperaturregulierblock 3, das Peltier-Element 3A, der Träger 4, der Thermistor 4A, der Strahlenteiler 5A, der optische Wellenlängenfilter 6, die Fotodiode 7 und die Fotodiode 8 zusammen mit den Drähten 1C, 4B und 9 sich in einem Vakuum oder einem vermindertem Druckzustand befinden. Außerdem kann der vorgenannte Raum im Innern des Gehäusekörpers 2 mit einem Gas gefüllt werden, welches eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die geringer ist als die der Luft, wie beispielsweise N₂ oder Ar. Wenn man einen solchen Aufbau benutzt, wird das Eindringen von Wärme aus der Umgebung in den optischen Wellenlängenfilter 6 verzögert, und die Wirkung der vorliegenden Erfindung wird weiter verstärkt.
Die 9A und 9B zeigen in einer Vorderansicht bzw. in einer Seitenansicht den Aufbau des optischen Wellenlängenfilters 6, wie er im optischen Halbleitermodul 20 der vorliegenden Ausführungsform benutzt wird.
Unter Bezugnahme auf die 9A und 9B umfasst der optische Wellenlängenfilter 6 einen Mehrschichtfilter 6A und trägt darauf einen (nicht dargestellten) Infrarot-Reflexionsfilm wie beispielsweise einen SiO₂-Film oder einen Harzfilm, um sodie über die Strahlung vom Gehäusekörper 2 erfolgende Einwirkung der Umgebungstemperatur zu minimieren. Der Mehrschichtfilter 6A wird auf dem Temperaturregulierblock 3 durch eine wärmeleitende Halterung 6B gehalten, die aus einem thermisch leitenden Metall wie beispielsweise Al hergestellt ist. Dadurch wird die Effizienz der Wärmeübertragung vom Peltier-Element 3A zur Halterung 6B und folglich zum Filter 6 über den Temperaturregulierblock 3 verbessert, und die Temperatur des Filters 6 wird vorwiegend durch das Peltier-Element 3A unter Kontrolle gehalten. Dadurch wird die Wirkung der vorliegenden Erfindung verbessert. Es ist vorzuziehen, dass die thermisch leitende Halterung 6B auch einen das Infrarot reflektierenden Überzug trägt.
10 zeigt den Aufbau des Strahlenteilers 5A, der im optischen Halbleitermodul 20 der vorliegenden Ausführungsform benutzt wird.
Unter Bezugnahme auf die 10 umfasst der Strahlenteiler 5A eine Glasplatte 5Ao, die durch ein Paar paralleler Flächen definiert ist, wobei die Glasplatte 5Ao einen Reflexionsfilm 5B auf der Auftreffseitenfläche und eine Antireflexbeschichtung 5C auf der Austrittsseitenfläche trägt und wie ein halbdurchlässiger Spiegel funktioniert.
Zweite Ausführungsform
Die 11A und 11B zeigen den Aufbau eines optischen Halbleitermoduls 30 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher diejenigen Teile, die den bereits weiter vorn beschriebenen Teilen entsprechen, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet sind und deren Beschreibung unterbleiben soll.
Unter Bezugnahme auf die 11A und 11B enthält der Halbleitermodul 30 ein Erd-Elektrodenmuster 4C auf einem Teil des Trägers 4 für die elektrische Verbindung zur Laserdiode 1, und die Laserdiode 1 ist auf einem solchen Erd-Elektrodenmuster 4C aufgebracht. Außerdem ist an Stelle der Au-Drähte eine Folie oder Platte aus einem thermisch leitenden Metall wie beispielsweise Al oder Au als thermisch leitendes Element 9A für die thermische Kopplung zwischen dem Gehäusekörper 1 und dem Träger 4 vorhanden.
Durch die Verwendung einer solchen Metallfolie oder -platte 9A in Verbindung mit dem Erd-Elektrodenmuster 4C wird eine effiziente Wärmeübertragung zwischen dem Gehäusekörper 2 und der Laserdiode 1 gewährleistet, und der Wellenlängenverriegeler arbeitet mit hoher Genauigkeit.
Es sollte bei der vorliegenden Ausführungsform darauf hingewiesen werden, dass in ein Au-Band oder Al-Band für das thermisch leitende Element 9A, wie es weiter oben angegeben wurde, benutzt werden kann, wie oben erwähnt. Alternativ kann das wärmeleitende Element 9A aus einem isolierenden Film mit einem Metallüberzug darauf gebildet sein.
Dritte Ausführungsform
Die 12 zeigt den Aufbau eines optischen Halbleitermoduls 40 entsprechend einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, während die 12B den Aufbau eines Strahlenteilers 5G zeigt, wie er im optischen Halbleitermodul 40 von 12A benutzt wird. In den 12A und 12B sind diejenigen Teile, die den bereits weiter vorn beschriebenen Teilen entsprechen, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, und deren Beschreibung wird daher unterbleiben.
Unter Bezugnahme auf 12A hat der optische Halbleitermodul 40 einen Aufbau, ähnlich demjenigen des weiter vorn beschriebenen optischen Halbleitermoduls 20, mit der Ausnahme, dass der Strahlenteiler 5A durch den Strahlenteiler 5G der 12B ersetzt worden ist. Es wird angemerkt werden, dass in 12A der optische Halbleitermodul 40 einen Kollimator 1a enthält, der sich im optischen Weg des optischen Strahls 1A vorgesehen ist, der von der Laserdiode 1 in Vorwärtsrichtung emittiert wird, und einen Kollimator 1b, welcher sich im optischen Wege des optischen Strahls 1B befindet, der von der Laserdiode 1 in Rückwärtsrichtung emittiert wird. Diese Kollimatorenn 1a und 1b sind jedoch auch im optischen Halbleitermodul 20 enthalten, wenn auch nicht dargestellt.
Unter Bezugnahme auf die 12B ist der Strahlenteiler SG aus einer keilförmigen Glasplatte 5Go gebildet, die sich durch ein Paar von Hauptflächen auszeichnet, die zueinander einen Winkel bilden. Die Glasplatte 5Go trägt einen Reflexionsfilm 5H auf der Einfallsseite der Hauptfläche und einen Antireflexfilm 5I auf der Austrittsseite der Hauptfläche.
Beim Strahlenteiler 5G der 12B wird das Problem der Interferenz der mehrfach reflektierenden Strahlen, die zwischen der Einfallsseite der Hauptfläche und der Austrittsseite der Hauptfläche verursacht wird, im Wesentlichen als Ergebnis des Einsatzes einer nichtparallelen Beziehung zwischen den zwei Hauptflächen be seitigt, und es kann eine dem Wesen nach konstante Durchlässigkeit über einen weiten Bereich von Wellenlängen erhalten werden.
Im Fall der vorherigen Ausführungsform, bei welcher die Glasplatte 5Ao benutzt wird, die sich durch die parallelen Hauptflächen für den Strahlenteiler kennzeichnet, neigen die Mehrfachreflexionen, die in der Glasplatte 5Ao hervorgerufen werden, dazu, Interferenzen auszulösen, und der optische Strahlenteiler zeigt die Art eines Etalons, der dem optischen Wellenlängenfilter 6 ähnlich ist. Wenn dies auftritt, hat der auf den Wellenlängenfilter 6 auftreffende optische Strahl bereits eine Intensität, die sich abhängig von der Wellenlänge ändert, und der Normalbetrieb des Wellenlängenverriegelers wird unvermeidlich beeinflusst.
Durch die Benutzung des Strahlenteilers 5G der 12B ist es möglich, eine derartige Mehrfachreflexion des optischen Strahls 1B zu vermeiden, und der normale Betrieb des Wellenlängenverriegelers ist gewährleistet. Es ist ausreichend, wenn die Hauptflächen des keilförmigen Strahlenteilers 5G sich unter einem Winkel von lediglich 0,2 – 10° schneiden.
Es sollte angemerkt werden, dass so lange, wie der Wellenlängenverriegeler eine Rückkopplungsregelung zur Korrektur der Wellenlängenänderung ausführt, der Strahlenteiler 5G der vorliegenden Ausführungsform effektiv in Wellenlängenverriegeler eingesetzt werden kann, die von einem anderen Typ als dem bislang beschriebenen Typ sind und die den optischen Wellenlängenfilter 6 zur Detektion der Wellenlängenänderung benutzen. Der Wellenlängenverriegeler kann derjenige sein, bei welchem andere Mittel als die Temperatursteuerung zur Steuerung der optischen Wellenlänge benutzt werden.
Es sollte angemerkt werden, dass der keilförmige Strahlenteiler selbst aus der japanischen Offenlegungsschrift 5-136513 bekannt ist. Die Bezugsstelle zeigt jedoch lediglich den Einsatz des Strahlenteilers vom Keiltyp nur in Bezug auf die automatische Leistungssteuerung (APC) eines Laserstrahls und nicht für die Steuerung der Schwingungswellenlänge einer Laserdiode. Angesichts der Tatsache, dass in der Bezugsstelle keine Änderung der Schwingungs wellenlänge des Lasers antizipiert wird, ist es für einen Fachmann auf diesem Gebiet überhaupt nicht naheliegend, den Strahlenteiler 5G vom Keiltyp für den Wellenlängenverriegeler zur Kompensierung der Änderung der Schwingungswellenlänge eines Lasers zu benutzten, wie das in der vorliegenden Erfindung beschrieben ist.
Außerdem ist die vorliegende Erfindung keineswegs auf die weiter vorn beschriebenen Ausführungsform beschränkt, sondern es können vielgestaltige Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Claims

Optische Halbleitervorrichtung, welche umfasst: einen Gehäusekörper (2), eine Laserdiode (1), die in dem Gehäusekörper untergebracht ist, welche Laserdiode einen optischen Strahl (1A, 1B) erzeugt, einen Temperaturregulierteil (3, 3A), welcher mit der Laserdiode (1) thermisch verbunden ist, wobei der Temperaturregulierteil ein Temperaturregulierelement (3A) aufweist und die Temperatur der Laserdiode steuert, einen optischen Filter (6), welcher mit dem Temperaturregulierteil (3, 3A) thermisch verbunden ist, welcher optische Filter eine Durchlässigkeitskurve aufweist, die in Bezug auf die Wellenlänge geneigt ist und welche Durchlässigkeitskurve eine Beziehung zwischen der Durchlässigkeit des optischen Filters (6) und der Wellenlänge einer auf diesen auftreffenden optischen Strahlung darstellt, einen Fotodetektorteil (7), welcher den optischen Strahl (1B) von der Laserdiode (1) über den optischen Filter (6) empfängt, wobei der Fotodetektorteil die Intensität des optischen Strahls detektiert, welcher durch den optischen Filter getreten ist, und eine Speisevorrichtung (1C), welche der Laserdiode (1) eine Ansteuerleistung zuführt, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen wärmeleitenden Körper (9, 9A), der von der Speisevorrichtung (1C) separat vorhanden ist und der Wärme vom Gehäusekörper (2) auf die Laserdiode (1) überträgt, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturregulierteil (3, 3A) die Temperatur der Laserdiode (1) dergestalt steuert, dass der Fotodetektorteil (7) eine vorbestimmte optische Leistung empfängt.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher sich die Durchlässigkeitskurve des optischen Filters (6) mit zunehmender Temperatur des optischen Filters in Richtung auf größere Wellenlängen verschiebt.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der wärmeleitende Körper (9, 9A) die Wärmeübertragung zwischen dem Gehäusekörper und der Laserdiode (1) in einem Bereich vornimmt, in welchem die Neigung der Durchlässigkeitskurve des optischen Filters (6) sich nicht umkehrt.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der wärmeleitende Körper (9, 9A) dazu benutzt wird, um der Laserdiode (1) getrennt von der Speiseeinrichtung (1C) Ansteuerleistung zuzuführen.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der wärmeleitende Körper (9, 9A) ein Element umfasst, welches unter einem Metalldraht, einer Metallfolie, einer Metallplatte und einem auf einem Grundkörper befindlichen Metallüberzug ausgewählt wird.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Laserdiode (1) sich auf einem Trägerelement (4) befindet und der wärmeleitende Körper (9, 9A) thermisch mit der Laserdiode über das Trägerelement gekoppelt ist.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher das Trägerelement (4) eine Erd-Elektrode (4C) trägt und die Laserdiode (1) sich auf der Erd-Elektrode befindet, wobei der wärmeleitende Körper (9A) mit der Laserdiode über die Erd-Elektrode thermisch gekoppelt ist.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der optische Filter (6) einen das Infrarot reflektierenden Überzug trägt.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der optische Filter (6) durch eine thermisch leitende Halterung gehalten wird und die thermisch leitende Halterung sich im thermischen Kontakt mit dem Temperaturregulierteil (3, 3A) befindet.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Laserdiode (1), der Temperaturregulierteil (3, 3A), der optische Filter (6) der Fotodetektorteil (7), die Speisevorrichtung (1C) und der wärmeleitende Körper (9, 9A) im Gehäusekörper (2) sich abgedichtet in irgend einer Umgebung mit vermindertem Druck, unter Vakuum oder in einer Gasatmosphäre, welche eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Luft aufweist, befinden.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen Strahlenteiler (5G) zwischen der Laserdiode (1) und dem Fotodetektorteil (7) umfasst, wobei dieser Strahlenteiler einen auf ihn fallenden optischen Strahl (1B) in eine Anzahl von optischen Strahlen aufteilt und dieser Strahlenteiler ein optisches Medium umfasst, welches durch ein Paar von nichtparallelen Hauptflächen definiert wird und der optische Strahl der Laserdiode auf eine der Hauptflächen auftrifft und aus der anderen dieser Hauptflächen austritt.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher der Strahlenteiler (5G) sich in einem optischen Weg des optischen Strahls (1B) von der Laserdiode (1) zum optischen Filter (6) befindet und ein optischer Strahl, welcher durch den Strahlenteiler (5G) abgeteilt ist, zur Steuerung der Ausgangsleistung der Laserdiode (1) auf einen weiteren Fotodetektorteil (7) gelenkt wird.