JP2002359429A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、半導体レーザ素子から出力されるレ
ーザ光の光波長を所望の値に精度良く調整することがで
きる光モジュールを提供することを目的とする。 【解決手段】光フィルタの波長−光透過率特性の１周期
当たりの波長幅ｚは、次式（１）の通り設定されてい
る。 ｚ＝Δｙ（１−ａ／ｘ）・・・・（１） ここで、ｘは発光素子における、単位温度当たりの発振
光波長のずれ量、Δｙは設定光波長間隔、ｚは光フィル
タの、波長−光透過率特性の１周期当たりの波長幅、ａ
は光フィルタの、単位温度当たりの波長−光透過率特性
のずれ量である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光信号を送信する
光送信器に用いられる半導体レーザモジュール等の光モ
ジュールに関し、特に、光波長分割多重（ＷＤＭ：Wave
length Divisionmultiplexing）通信システムに利用さ
れる光信号送信用の光モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、高密度ＷＤＭの分野では、光信
号の光波長が長期に渡って安定していることが要求され
る。そのため光波長モニタの機能を光モジュールのパッ
ケージ内に設けた光波長モニタ内蔵型光モジュールが開
発されている。

【０００３】図４は光波長モニタ内蔵型光モジュールの
構成を示す説明図である。図４に示すように、光波長モ
ニタ内蔵型光モジュールは、所定の発振光波長のレーザ
光を出力する半導体レーザ素子５０と、半導体レーザ素
子５０に光結合され、半導体レーザ素子５０の前側（図
４では右側）端面から出力されたレーザ光を外部に送出
する光ファイバ５１と、半導体レーザ素子５０の発振光
波長とほぼ同じカットオフ光波長を持つ光フィルタ５２
と、半導体レーザ素子５０の後側（図４では左側）端面
から出力されたレーザ光を２つに分光するハーフミラー
からなるビームスプリッタ５３と、ビームスプリッタ５
３によって分光された一方のレーザ光を光フィルタ５２
に透過させた後に受光する第１のフォトダイオード５４
と、ビームスプリッタ５３によって分光された他方のレ
ーザ光を受光する第２のフォトダイオード５５と、半導
体レーザ素子５０および光フィルタ５２の温度を調整す
るペルチェモジュール５６と、第１のフォトダイオード
５４及び第２のフォトダイオード５５から出力されるＰ
Ｄ電流に基づいて、半導体レーザ素子５０の光波長を制
御するように、ペルチェモジュール５６を制御する制御
部５７とを有する。

【０００４】半導体レーザ素子５０と光ファイバ５１と
の間には、半導体レーザ素子５０の前側端面から出力さ
れたレーザ光を光ファイバ５１に結合する集光レンズ５
８が配置されている。また、半導体レーザ素子５０とビ
ームスプリッタ５３との間には、半導体レーザ素子５０
の後側端面から出力されたレーザ光を平行にする平行レ
ンズ５９が配置されている。

【０００５】半導体レーザ素子５０、集光レンズ５８及
び平行レンズ５９は、ＬＤキャリア６０上に固定されて
いる。第１のフォトダイオード５４及び第２のフォトダ
イオード５５は、それぞれ第１のＰＤキャリア６１及び
第２のＰＤキャリア６２に固定されている。

【０００６】ビームスプリッタ５３、光フィルタ５２、
第１のＰＤキャリア６１及び第２のＰＤキャリア６２
は、金属基板６３上に固定されている。金属基板６３
は、ＬＤキャリア６０の表面に固定され、ＬＤキャリア
６０は、ペルチェモジュール５６上に固定されている。

【０００７】半導体レーザ素子５０、ビームスプリッタ
５３、光フィルタ５２、集光レンズ５８、平行レンズ５
９、ＬＤキャリア６０、第１のＰＤキャリア６１、第２
のＰＤキャリア６２、金属基板６３及びペルチェモジュ
ール５６は、パッケージ６４内に設けられている。ま
た、光ファイバ５１の先端部を保持するフェルール６５
は、パッケージ６４の側部にスリーブ６６を介して固定
されている。

【０００８】半導体レーザ素子５０の前側端面から出力
されたレーザ光は、集光レンズ５８によって集光され、
フェルール６５によって保持された光ファイバ５１に入
射され外部に送出される。

【０００９】一方、半導体レーザ素子５０の後側端面か
ら出力されたレーザ光は、平行レンズ５９によって平行
になり、ビームスプリッタ５３によってＺ軸方向（透過
方向）と、Ｚ軸方向に垂直なＸ軸方向（反射方向）との
２つの方向に分岐される。Ｚ軸方向に分岐されたレーザ
光は、第１のフォトダイオード５４によって受光され、
Ｘ軸方向に分岐されたレーザ光は、第２のフォトダイオ
ード５５によって受光される。第１のフォトダイオード
５４及び第２のフォトダイオード５５から出力されるＰ
Ｄ電流は制御部５７に入力され、制御部５７は、入力さ
れたＰＤ電流の値に基づいて、半導体レーザ素子５０の
光波長を制御するように、ペルチェモジュール５６の調
整温度を制御する。

【００１０】ペルチェモジュール５６の調整温度は単に
一定に設定されるとは限らず、その設定を変更すること
により、半導体レーザ素子５０から出力されるレーザ光
の光波長を調整することができる。

【００１１】通信光源などの用途においては、通常は、
レーザ光の光波長が所定の設定光波長間隔で調整され
る。そのため半導体レーザ素子５０から出力されるレー
ザ光の温度依存性に従ってペルチェモジュール５６の調
整温度が所定温度ずつ変更される。

【００１２】また上記光モジュールでは、光フィルタ５
２の一例としてエタロンが用いられる。エタロンには光
透過特性に光波長周期性がある。図５は、光モジュール
の光波長制御に用いられる光フィルタにおける波長−光
透過率特性図を示す。図５に示すように、例えばＩＴＵ
などの標準においては、通信用光源から出力されるレー
ザ光の所定の設定光波長間隔Δｙ（例えば４００ｐｍ）
が規定されている。

【００１３】従来の光モジュールでは、光フィルタの波
長−光透過率特性は、図中実線で示された曲線βで示す
ように、該設定光波長ｙ１，ｙ２・・・で所定の光透過
率Ｐとなるように設定されている。光モジュールでは光
フィルタ５２における光透過率がＰとなる波長で半導体
レーザ素子５０の光波長が固定されるよう設定されてい
る。そのため光フィルタの波長−光透過率特性の１周期
当たりの波長幅ｚは前記設定光波長間隔と同じΔｙに設
定されていた。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし実際には光フィ
ルタ５２の光透過特性には波長依存性がある。上記のよ
うに同一のペルチェモジュール５６で半導体レーザ素子
５０と光フィルタ５２を温度制御する構成の場合、上述
のようにペルチェモジュール５６の調整温度が所定温度
変更されると、光フィルタ５２の温度も変わってしま
う。そのため光フィルタ５２では、その光透過特性の温
度依存性により、図５に示すように波長−光透過率特性
の曲線βが実線に示すものから破線に示すように波長シ
フトして、所定の光透過率Ｐとなる光波長が前記設定光
波長からずれてしまい、結果として半導体レーザ素子５
０から出力されるレーザ光の光波長を所望の値に調整す
ることができなかった。

【００１５】このような光フィルタにおける波長依存性
はわずかなものであるが、特に近年発展しているＤＷＤ
Ｍ（Dense-Wavelength Division Multiplexing）用の通
信光源では、例えば４００ｐｍ程度の狭い波長間隔で半
導体レーザ素子の光波長が設定されるので、半導体レー
ザ素子の光波長を精度良く管理する必要がある。

【００１６】本発明は、半導体レーザ素子から出力され
るレーザ光の光波長を所望の値に精度良く調整すること
ができる光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】本願請求項１に記載の発
明は、レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、半導体
レーザ素子から出力されるレーザ光を透過する光フィル
タと、これら半導体レーザ素子、光フィルタ双方を温度
制御するペルチェモジュールと、前記光フィルタを介し
て前記レーザ光を受光し、前記レーザ光の光波長を固定
するよう制御する光波長制御部とを備え、かつ下記の関
係を満たすことを特徴とする光モジュールである。 ｚ＝Δｙ（１−ａ／ｘ） ここで、ｘは半導体レーザ素子における、単位温度当た
りの発振光波長のずれ量、Δｙは光波長制御部における
設定光波長間隔、ｚは光フィルタの、波長−光透過率曲
線の一周期当たりの波長幅、ａは光フィルタの、単位温
度当たりの波長−光透過率特性のずれ量。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。図１は、本実施形態例に係る
光モジュールに用いられる光フィルタの波長−光透過率
特性を示す図である。この光モジュールは例えば図４に
示した構造のものである。図１に示すように、本実施形
態例の光モジュールでは、光フィルタの波長−光透過率
特性の１周期当たりの波長幅ｚは、次式（１）の通り設
定されている。 ｚ＝Δｙ（１−ａ／ｘ）・・・・（１） ここで、ｘは発光素子における、単位温度当たりの発振
光波長のずれ量、Δｙは設定光波長間隔、ｚは光フィル
タの、波長−光透過率特性の１周期当たりの波長幅、ａ
は光フィルタの、単位温度当たりの波長−光透過率特性
のずれ量である。

【００１９】このように設定した場合、半導体レーザ素
子の発振波長が波長ｙ１から波長ｙ２にシフトするよう
にペルチェモジュールを温度制御すると、図１において
光フィルタの波長−光透過率を示す曲線αも実線から破
線のように波長シフトすることにより、波長ｙ２におい
て光透過率がＰとなる。よって半導体レーザ素子の光波
長はこの波長ｙ２で固定される。

【００２０】たとえばｘを１００ｐｍ／℃、Δｙを４０
０ｐｍ、ａを５ｐｍ／℃とすると、ｚは３８０ｐｍと計
算される。このように設定された光フィルタを用いた光
モジュールにおいて、半導体レーザ素子から出力される
レーザ光の光波長をΔｙすなわち４００ｐｍだけ長波長
側に調節するためには、半導体レーザ素子における、単
位温度当たりの発振光波長のずれ量ｘが１００ｐｍ／℃
であることから、現在の温度よりも４℃だけペルチェモ
ジュールの調整温度を上昇させる。

【００２１】このとき従来の光モジュール（ｚ＝Δｙ＝
４００ｐｍ）であれば、光フィルタの温度依存性によ
り、実際のレーザ光の光波長は、元の光波長から４２０
ｐｍ長波長側に調節されてしまう。すなわち所望の値よ
り２０ｐｍも長波長側にずれた値となる。これに対し、
本実施形態例の光モジュール（ｚ＝３８０ｐｍ）では、
半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の光波長を、
設定通り、元の光波長から４００ｐｍ（すなわちΔｙ）
だけ長波長側に調節された値とすることができる。

【００２２】上記式（１）を満たしていれば、ｙ１より
短波長側や、ｙ２よりさらに長波長側に光波長をずらす
ようにペルチェモジュールの調整温度を設定しても、光
波長は設定通り調整される。

【００２３】なお波長固定を行う光透過率Ｐは、光フィ
ルタの光透過率の波長特性が一番急峻で応答性のよい５
０％と設定するのが好ましい。初期波長ｙ１においてこ
のような所定の光透過率Ｐの位置に曲線αが乗るよう設
定するためには、光フィルタを光透過方向に対して垂直
な軸を中心に回転させ、曲線αを波長シフトさせればよ
い。このように、上記式（１）を満たすことにより、高
精度に光波長を設定し得る光モジュールを提供すること
ができる。

【００２４】光フィルタにおける、波長−光透過率特性
の１周期当たりの波長幅ｚを設定するためには、具体的
には、光フィルタの構造なり材質を制御する。たとえば
光フィルタとして、水晶からなるエタロンを用いた場合
には、水晶の光透過方向の厚さを変化させることで波長
幅ｚを自在に調節することができる。このように、波長
幅ｚを変更するための光フィルタの構造変更は非常に容
易であるので、本発明は半導体レーザ素子の光波長特性
変更に即座に対応することができる。

【００２５】また本発明は、上記（１）式を満たせば光
モジュールの具体構造が異なっている場合でも適用でき
る。例えば図２はこのような光フィルタを用いた本発明
の実施形態例に係る光モジュールを示す平面断面図、図
３は該実施形態例に係る光モジュールを示す側面断面図
である。

【００２６】図２及び図３に示すように、本発明の第１
の実施形態例に係る光モジュールは、内部を気密封止し
たパッケージ１と、そのパッケージ１内に設けられ、レ
ーザ光を出力する半導体レーザ素子（発光素子）２と、
半導体レーザ素子２の前側（図２では右側）端面から出
力されたレーザ光を入射して外部に送出する光ファイバ
３と、半導体レーザ素子２の後側（図２では左側）端面
から出力されたモニタ用のレーザ光を光軸方向に対して
９０度未満の所定角度θ１，θ２に傾斜した２つの方向
に分岐するプリズム（光分岐部材）４と、プリズム４に
よって分岐された一方のレーザ光を受光する第１のフォ
トダイオード（第１の受光素子）５と、プリズム４によ
って分岐された他方のレーザ光を受光する第２のフォト
ダイオード（第２の受光素子）６と、第１のフォトダイ
オード５とプリズム４との間に配置され、所定の光波長
帯のレーザ光だけを透過させる光フィルタ７と、第１の
フォトダイオード５及び第２のフォトダイオード６を同
一平面（ここでは同一の取付面８ａ）上に取り付けるＰ
Ｄキャリア（取付部材）８とを有する。

【００２７】半導体レーザ素子２は、ＬＤキャリア９上
に固定されている。半導体レーザ素子２と光ファイバ３
との間には、半導体レーザ素子２の前側端面から出力さ
れたレーザ光を光ファイバ３に結合する平行レンズ１０
ａ、集光レンズ１０ｂと、光ファイバ３側からの反射戻
り光を阻止するための光アイソレータ１１が設けられて
いる。平行レンズ１０ａは、第１のレンズホルダ１２に
よって保持されている。

【００２８】半導体レーザ素子２とプリズム４との間に
は、半導体レーザ素子２の後側端面から出力されたモニ
タ用のレーザ光を平行にする平行レンズ１３が配置され
ている。平行レンズ１３は、第２のレンズホルダ１４に
よって保持されている。

【００２９】ＬＤキャリア９、光アイソレータ１１、第
１のレンズホルダ１２及び第２のレンズホルダ１４は、
ベース１５上に固定されている。ベース１５は、半導体
レーザ素子２によって発生した熱を冷却するためにペル
チェモジュールからなる冷却装置１６上に固定されてい
る。

【００３０】第１のフォトダイオード５及び第２のフォ
トダイオード６から出力されるＰＤ電流は、制御部１７
に入力され、その制御部１７は、入力されたＰＤ電流の
値に基づいて、半導体レーザ素子２から出力されるレー
ザ光の光波長を制御するように、冷却装置１６の調整温
度を制御する。

【００３１】プリズム４の全面には、レーザ光の反射を
抑制するためにＡＲ膜がコーティングされている。プリ
ズム４によって分岐されるレーザ光の傾斜角度θ１，θ
２は、略同一の角度（例えば１５〜４５度）であるのが
好ましい。これは、第１のフォトダイオード５及び第２
のフォトダイオード６の受光位置を決めるのが容易にな
るからである。

【００３２】光フィルタ７は、例えばエタロン等で作ら
れ、フィルタホルダ１８に低融点ガラスもしくは半田で
固定されている。光フィルタ７は、上記（１）式を満た
すように、光透過方向の厚さが調整されたものである。

【００３３】ＰＤキャリア８における第１のフォトダイ
オード５及び第２のフォトダイオード６の取付面８ａ
は、レーザ光の入射方向に対して９０度を超える角度θ
３（図３参照）で傾斜している。プリズム４、フィルタ
ホルダ１８及びＰＤキャリア８は、ベース１５上に固定
されている。

【００３４】パッケージ１の側部には、光アイソレータ
１１を通過した光が入射する窓部２２が設けられてい
る。また、パッケージ１の側部に形成されたフランジ部
１ａの内部には集光レンズ１０ｂが固定されている。ま
たフランジ部１ａ端面には、金属製のスリーブ２３がＹ
ＡＧレーザ溶接により固定されている。

【００３５】光ファイバ３の先端部はフェルール２４に
よって保持され、そのフェルール２４は、スリーブ２３
の内部にＹＡＧレーザ溶接により固定されている。

【００３６】パッケージ１の上部には蓋部２５（図３参
照）が被せられ、その周縁部を抵抗溶接することによ
り、パッケージ１の内部が気密封止される。

【００３７】半導体レーザ素子２の前側端面から出力さ
れたレーザ光は、平行レンズ１０ａで平行化され、光ア
イソレータ１１、窓部２２を介して、集光レンズ１０ｂ
で集光され、光ファイバ３に入射され外部に送出され
る。

【００３８】一方、半導体レーザ素子２の後側端面から
出力されたモニタ用のレーザ光は、平行レンズ１３によ
って平行になり、プリズム４によって光軸方向に対して
所定角度θ１、θ２に傾斜し、かつ該光軸方向を挟む２
つの方向に分岐される。

【００３９】プリズム４によって分岐された一方のレー
ザ光は、光フィルタ７に入射され、所定の光波長帯のレ
ーザ光だけ透過されて、第１のフォトダイオード５によ
って受光される。また、他方のレーザ光は、第２のフォ
トダイオード６によって受光される。第１のフォトダイ
オード５及び第２のフォトダイオード６から出力される
ＰＤ電流は制御部１７に入力され、制御部１７は、入力
された２つのＰＤ電流の差電圧に基づいて、半導体レー
ザ素子２の光波長を制御するように、冷却装置１６の調
整温度を制御する。

【００４０】この光モジュールは、プリズム４を用いる
ことにより半導体レーザ素子２からの光を２分岐し、同
一のＰＤキャリア８上に固定された２つのフォトダイオ
ード５、６にそれぞれ導く構成なので、図４の構成のも
のに比べて、波長制御用の光学部品を内蔵した光モジュ
ールの小型化を実現できるものである。

【００４１】ここで本実施形態例においても、光フィル
タ７は、上記（１）式を満たすように構成されている。
よって、半導体レーザ素子２から出力されるレーザ光の
光波長を所望の値に精度よく調整することができる。な
お本発明が図１、２や図４に記載された以外の構成の光
モジュールであっても適用可能であることは言うまでも
ない。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、半導体レーザ素子から
出力されるレーザ光の光波長を所望の値に精度よく調整
することができる光モジュールを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光モジュールにおける光フィルタの波
長−光透過率特性の一例を示すグラフである。

【図２】本発明の一実施形態例に係る光モジュールを示
す平面断面図である。

【図３】本発明の一実施形態例に係る光モジュールを示
す側面断面図である。

【図４】光モジュールの構成を示す説明図である。

【図５】従来の光モジュールにおける光フィルタの波長
−光透過率特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１：パッケージ ２：半導体レーザ素子 ３：光ファイバ ４：プリズム ５：第１のフォトダイオード ６：第２のフォトダイオード ７：光フィルタ ８：ＰＤキャリア ９：ＬＤキャリア １０ａ：平行レンズ １０ｂ：集光レンズ １１：光アイソレータ １２：第１のレンズホルダ １３：平行レンズ １４：第２のレンズホルダ １５：ベース １６：冷却装置 １７：制御部 １８：フィルタホルダ ２２：窓部 ２３：スリーブ ２４：フェルール ２５：蓋部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、 半導体レーザ素子から出力されるレーザ光を透過する光
   フィルタと、 これら半導体レーザ素子、光フィルタ双方を温度制御す
   るペルチェモジュールと、 前記光フィルタを介して前記レーザ光を受光し、前記レ
   ーザ光の光波長を固定するよう制御する光波長制御部と
   を備え、 かつ下記の関係を満たすことを特徴とする光モジュー
   ル。 ｚ＝Δｙ（１−ａ／ｘ） ここで、ｘは半導体レーザ素子における、単位温度当た
   りの発振光波長のずれ量、 Δｙは光波長制御部における設定光波長間隔、 ｚは光フィルタの、波長−光透過率曲線の一周期当たり
   の波長幅、 ａは光フィルタの、単位温度当たりの波長−光透過率特
   性のずれ量。