JP2003338655A - 光半導体モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】使用環境温度における波長変動特性を向上させ
得る光半導体モジュールを提供する。 【解決手段】半導体レーザ素子１の出力光が第１のレン
ズ17を介して光ファイバ取り付け予定部に光結合され、
レーザ素子の裏面光がバックレンズ19、ビームスプリッ
タ５および波長特性調整用のエタロン６を介して波長モ
ニタ用ホトダイオード７に光結合され、少なくともレー
ザ素子およびエタロンをペルチェ素子10により温度調節
可能な状態でパッケージ16に搭載した波長モニタ機能を
有する光半導体モジュールにおいて、エタロンの側面お
よび上面を覆うようにカバー11を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体モジュー
ルに係り、特に半導体レーザ素子の出力光の波長モニタ
機能を搭載した光半導体モジュールにおける波長モニタ
部の構造に関するもので、光ファイバ通信等に使用され
るものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信等に用いられる光半導体
モジュールは、パッケージに光ファイバの先端部を装着
した場合にファイバ先端面に半導体レーザ素子の光出力
を光結合させるように光軸調整する構造を有しており、
さらに波長モニタ機能などを搭載した多機能モジュール
が増えている。

【０００３】この波長モニタ機能は、半導体レーザ素子
の裏面光をバックレンズ、ビームスプリッタ、エタロン
（例えば水晶片が用いられている）で光路・特性調整し
た後に波長モニタ用ホトダイオードでモニタし、このモ
ニタ出力のレベルが所望の一定値となるようにモジュー
ル内部の温度を調節することにより、半導体レーザ素子
の光出力波長を一定化（ロック）する機能である。

【０００４】この場合、エタロンの特性は、入射光（半
導体レーザ素子裏面光）の波長に依存するだけでなく、
エタロン自体の温度にも依存する。そこで、エタロン自
体を半導体レーザ素子と同じ温度に維持するために、エ
タロンと半導体レーザ素子を同じペルチェ素子上に配設
し、サーミスタでペルチェ素子の温度を検出し、この検
出結果に応じてペルチェ素子の温度特性を調整してい
る。

【０００５】しかし、従来、モジュールの環境温度（周
囲温度）の変動に対してエタロン自体の温度を全体的に
均一に維持する措置はなされていない。したがって、周
囲温度の変動によりエタロン自体の温度分布が大きくな
ると、光出力波長をロックしたとしても、実際にサーミ
スタで検出しているペルチェ素子とエタロン自体の光通
過部（光路部）とに温度差が存在することになり、光出
力波長を実際にロックした時の値が所望値からずれてい
るおそれがある。

【０００６】例えば、エタロン上面の温度（外囲器温度
等のエタロン周辺の温度に依存）とエタロン底面の温度
（ペルチェ素子の温度に依存）に差があるので、実際の
温度＋αで波長をロックするようになり、＋α分の温度
差に対応して波長誤差が生じるという問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
波長モニタ機能を搭載した光半導体モジュールは、モジ
ュールの周囲温度の変動に対してエタロン自体の温度を
全体的に均一に維持する措置はなされておらず、光出力
波長を実際にロックした時の値が所望値からずれている
おそれがあるという問題があった。

【０００８】本発明は上記の問題点を解決すべくなされ
たもので、環境温度における波長変動特性を向上させ得
る光半導体モジュールを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の光半導体
モジュールは、温度調節可能なペルチェ素子と、前記ペ
ルチェ素子上に固定されたチップキャリアと、前記チッ
プキャリア上に配設された半導体レーザ素子と、前記半
導体レーザ素子の出力光を光ファイバ取り付け部に光結
合するように配設された光学レンズと、前記チップキャ
リア上に固定された波長モニタ用基板と、前記波長モニ
タ用基板上に配設され、前記半導体レーザ素子の裏面光
が順次入射するバックレンズ、ビームスプリッタ、波長
特性調整用のエタロンおよび波長モニタ用ホトダイオー
ドと、前記波長モニタ用基板上に熱伝導性が良い状態で
固定され、前記エタロンの周辺の少なくとも一部を覆う
ように設けられた熱伝導の良い材質からなるカバーと、
前記ペルチェ素子を搭載し、前記ペルチェ素子上の各部
材を収容したパッケージとを具備することを特徴とす
る。

【００１０】ここで、前記カバーの一例は、エタロンの
上部および両側部を覆う形状を有し、一対の対向片の先
端面がモニタ用基板に例えば接着固定されるものであ
る。また、カバーの他の例は、エタロンの上部および全
側部を覆うとともに光路部に穴が形成された箱形であ
り、少なくとも一対の対向片の先端面がモニタ用基板に
例えば接着固定されるものである。

【００１１】本発明の第２の光半導体モジュールは、温
度調節可能な第１のペルチェ素子と、前記ペルチェ素子
上に固定されたチップキャリアと、前記チップキャリア
上に配設された半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ
素子の出力光を光ファイバ取り付け部に光結合するよう
に配設された光学レンズと、前記チップキャリア上に固
定された波長モニタ用基板と、前記波長モニタ用基板上
に配設され、前記半導体レーザ素子の裏面光が順次入射
するバックレンズ、ビームスプリッタ、波長特性調整用
のエタロンおよび波長モニタ用ホトダイオードと、前記
波長モニタ用基板上の少なくともエタロンの上方部を覆
うように配設され、前記第１のペルチェ素子と同様に温
度調節可能な第２のペルチェ素子と、前記第１のペルチ
ェ素子を搭載し、前記ペルチェ素子上の各部材を収容
し、上蓋部の内面に前記第２のペルチェ素子を固定した
パッケージとを具備することを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００１３】＜第１の実施形態＞図１（ａ）、（ｂ）
は、本発明の第１の実施形態に係る光半導体モジュール
を概略的に示すものであり、図１（ａ）は上面部を切除
して示す上面図、図１（ｂ）は側面部を切除して示す縦
断面図である。

【００１４】図１（ａ）、（ｂ）において、温度調節可
能なペルチェ素子10上には、チップキャリア３を介して
半導体レーザ素子（ＬＤ）１、ヒートシンク２、第１の
レンズホルダ18およびサーミスタ９が配設されて固定さ
れている。前記第１レンズホルダ18は第１の光学レンズ
17をホールドしている。また、ペルチェ素子10上には、
前記チップキャリア３を介して波長モニタ用基板８が固
定されている。

【００１５】この波長モニタ用基板８上には、波長モニ
タ部として、バックレンズ19、ビームスプリッタ５、波
長特性調整用のエタロン６、波長モニタ用ホトダイオー
ド７およびバックレンズ19をホールドするバックレンズ
ホルダ20が、ＬＤ１の裏面からの出力光を順次入射する
ように光軸・特性が調整された配置で固定されている。
また、波長モニタ用基板８上には、ビームスプリッタ５
により分岐された光が入射するＬＤモニタ用ホトダイオ
ード４が配設されている。

【００１６】さらに、波長ロック特性に関連するエタロ
ン６の全体をモニタ用基板８とほぼ同じ温度に近づける
ために、エタロン６の周辺の少なくとも一部を覆うよう
に、熱伝導の良い例えばＣｕＷなどの金属あるいは樹脂
などからなるカバー11（図示を分り易くするために点線
で示す）が設けられている。カバー11の一部は、モニタ
用基板８に対して熱伝導が良い状態で固定（例えば接
着、半田付け）されている。

【００１７】本例のカバー11は、前記ビームスプリッタ
５およびエタロン６の上部および両側部を覆うように、
例えば図２（ａ）に示すように正面コ字形の形状を有し
ており、その一対の対向片の先端面が接着剤（図示せ
ず）によりモニタ用基板８に接着固定されている。

【００１８】そして、前記ペルチェ素子10を搭載すると
ともにペルチェ素子10上の各部材（カバー11を含む）を
収容した状態でパッケージ16が設けられている。このパ
ッケージ16は、サファイアガラス23を用いて機密封止し
た構造を有し、パッケージ16内部の所要部分と外部リー
ド24との間で電源供給、信号の授受が可能になってい
る。

【００１９】さらに、ＬＤ１の出力光を前記第１の光学
レンズ17およびパッケージ16のサファイアガラス23を介
して光ファイバ取り付け部に光結合するための第２の光
学レンズ21と、この第２の光学レンズ21をホールドする
第２のレンズホルダ22が配設されている。この場合、パ
ッケージ16の光ファイバ取り付け部には、光ファイバ15
の先端部がスライドリング13およびフェルール14を介し
てＹＡＧ溶接により固定される。

【００２０】図３は、図１（ａ）、（ｂ）に示した本例
の光半導体モジュール（カバー有り）の環境温度／波長
変動特性を従来の光半導体モジュール（カバー無し）の
環境温度／波長変動特性と対比して示している。

【００２１】図３から、本例の光半導体モジュール（カ
バー有り）の波長変動特性は、従来の光半導体モジュー
ル（カバー無し）の波長変動特性と比べて大幅に改善さ
れていることが分る。

【００２２】上記したように図１（ａ）、（ｂ）に示し
た光半導体モジュールは、エタロン６および波長モニタ
ＰＤ７をＬＤ裏面光に対して光軸・特性調整した状態で
パッケージ16に搭載した構造を有し、エタロン６の上部
および両側部を覆うコ字形の熱伝導の良いカバー11がモ
ニタ用基板８に対して熱伝導が良い状態で取り付けられ
ている。

【００２３】このような構造によれば、エタロン６のほ
ぼ全体をモニタ用基板８とほぼ同じ温度に近づける（少
なくともエタロン６の上面温度と底面温度の差を抑制す
る）ことが可能になる。結果として、光半導体モジュー
ルの環境温度（外気温度）における波長変動特性が向上
する。

【００２４】即ち、パッケージ16外部の環境温度が変化
した時に、パッケージ16の温度とモニタ用基板８の温度
に温度差が生じることにより、サーミスタ９で実際にモ
ニタしているペルチェ素子10の温度とモニタ用基板８上
の波長ロック特性に関連するエタロン６等の光路部の温
度が異なることによって、実際に波長がロックした時の
光出力波長が所望値からずれるおそれはなくなり、環境
温度における波長変動差が大きくなるといった特性上の
問題が発生するおそれはなくなる。

【００２５】＜第１の実施形態の変形例＞第１の実施形
態では、エタロンの周辺の少なくとも一部を覆うカバー
として、エタロン６の上部および両側部（二面）を覆う
正面コ字形のカバー11を用いたが、カバー11の形状は種
々の変形が可能である。

【００２６】即ち、図２（ｂ）に示すように、エタロン
６の上部および全側部（四面）を覆うとともに光路部に
は穴30を形成した箱形のカバー31を用い、カバー31の少
なくとも一対の対向片の先端面を接着剤によりモニタ用
基板８に接着固定すれば、エタロン６の温度の均一化の
効果がさらに向上する。

【００２７】また、エタロン６の上部および片側部を覆
うＬ字形のカバーを用いた場合でも、所望の効果が得ら
れればよい。

【００２８】＜第２の実施形態＞第１の実施形態では、
エタロン６のほぼ全体をモニタ用基板８と同じ温度に近
づけるために、エタロン６の周辺の少なくとも一部を覆
うようにカバー11を設けたが、他の構造を採用すること
も可能であり、その一例を第２の実施形態で説明する。

【００２９】図４は、本発明の第２の実施形態に係る光
半導体モジュールを示す縦断面図である。

【００３０】図４に示す光半導体モジュールは、図１
（ｂ）を参照して前述した光半導体モジュールと比べ
て、カバー11に代えて、波長モニタ用基板８上の各部材
（少なくともエタロン６）の上方部を覆うような配置で
第２のペルチェ素子40がパッケージ16の上蓋部の内面に
固定されている点が異なり、その他は同じであるので図
１（ｂ）中と同一符号を付している。この第２のペルチ
ェ素子40も、第１のペルチェ素子10と同様に温度特性が
調節される。

【００３１】このような構造によれば、エタロン６の上
方部を覆うように第２のペルチェ素子40が配設されてい
るので、エタロン６の温度の局部的なばらつきが抑制さ
れるようになり、第１の実施形態と同様の効果が得られ
る。

【００３２】なお、エタロン６の両側方部をさらに覆う
ように第３のペルチェ素子（図示せず）をパッケージ16
の側面部の内面に固定すれば、一層有効である。

【００３３】＜第３の実施形態＞前述した第１の実施形
態では、パッケージ16内部に発熱量が大きな熱源が存在
しない場合を示したが、例えば図５に示すように、半導
体素子を用いた電子回路（例えば増幅回路）または半導
体集積回路（例えばドライバ回路）50をパッケージ16の
内部に収容した場合でも、本発明は有効である。なお、
図５において、図１（ａ）中と同一部分には同一符号を
付してその説明を省略する。また、前述した第２の実施
形態についても、図５に示したような変形実施が可能で
ある。

【００３４】

【発明の効果】上述したように本発明の光半導体モジュ
ールによれば、波長特性調整用のエタロンをモニタ用基
板とほぼ同じ温度に近づけることができ、環境温度にお
ける波長変動特性を向上できるという優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る光半導体モジュ
ールを示す上面図および縦断面図。

【図２】図１中のカバーを取り出して形状の複数例を示
す斜視図。

【図３】図１の光半導体モジュール（カバー有り）の波
長変動特性を従来の光半導体モジュール（カバー無し）
の波長変動特性と対比して示す図。

【図４】本発明の第２の実施形態に係る光半導体モジュ
ールを示す縦断面図。

【図５】本発明の第３の実施形態に係る光半導体モジュ
ールを示す上面図。

【符号の説明】

１…半導体レーザ素子（ＬＤ）、 ２…ヒートシンク、 ３…チップキャリア、 ４…ＬＤモニタ用ホトダイオード、 ５…ビームスプリッタ、 ６…波長特性調整用のエタロン、 ７…波長モニタ用ホトダイオード、 ８…波長モニタ用基板、 ９…サーミスタ、 10…ペルチェ素子、 11…カバー、 13…スライドリング、 14…フェルール、 15…光ファイバ、 16…パッケージ、 17…第１の光学レンズ、 18…第１のレンズホルダ、 19…バックレンズ、 20…バックレンズホルダ、 21…第２の光学レンズ、 22…第２のレンズホルダ、 23…サファイアガラス、 24…外部リード。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H037 BA03 BA12 DA03 DA04 DA05 DA06 DA15 DA17 DA36 DA38 5F073 AB15 AB27 AB28 BA02 EA03 FA02 FA25 FA29 GA12 GA14 GA19 GA22 GA23

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度調節可能なペルチェ素子と、 前記ペルチェ素子上に固定されたチップキャリアと、 前記チップキャリア上に配設された半導体レーザ素子
   と、 前記半導体レーザ素子の出力光を光ファイバ取り付け部
   に光結合するように配設された光学レンズと、 前記チップキャリア上に固定された波長モニタ用基板
   と、 前記波長モニタ用基板上に配設され、前記半導体レーザ
   素子の裏面光が順次入射するバックレンズ、ビームスプ
   リッタ、波長特性調整用のエタロンおよび波長モニタ用
   ホトダイオードと、 前記波長モニタ用基板上に熱伝導性が良い状態で固定さ
   れ、前記エタロンの周辺の少なくとも一部を覆うように
   設けられた熱伝導の良い材質からなるカバーと、 前記ペルチェ素子を搭載し、前記ペルチェ素子上の各部
   材を収容したパッケージとを具備することを特徴とする
   光半導体モジュール。
2. 【請求項２】 前記カバーは、前記エタロンの上部およ
   び両側部を覆う形状を有し、一対の対向片の先端面が接
   着剤により前記モニタ用基板に接着固定されていること
   を特徴とする請求項１記載の光半導体モジュール。
3. 【請求項３】 前記カバーは、前記エタロンの上部およ
   び全側部を覆うとともに光路部に穴が形成された箱形で
   あり、少なくとも一対の対向片の先端面が接着剤により
   前記モニタ用基板に接着固定されていることを特徴とす
   る請求項１記載の光半導体モジュール。
4. 【請求項４】 温度調節可能な第１のペルチェ素子と、 前記ペルチェ素子上に固定されたチップキャリアと、 前記チップキャリア上に配設された半導体レーザ素子
   と、 前記半導体レーザ素子の出力光を光ファイバ取り付け部
   に光結合するように配設された光学レンズと、 前記チップキャリア上に固定された波長モニタ用基板
   と、 前記波長モニタ用基板上に配設され、前記半導体レーザ
   素子の裏面光が順次入射するバックレンズ、ビームスプ
   リッタ、波長特性調整用のエタロンおよび波長モニタ用
   ホトダイオードと、 前記波長モニタ用基板上の少なくともエタロンの上方部
   を覆うように配設され、前記第１のペルチェ素子と同様
   に温度調節可能な第２のペルチェ素子と、 前記第１のペルチェ素子を搭載し、前記ペルチェ素子上
   の各部材を収容し、上蓋部の内面に前記第２のペルチェ
   素子を固定したパッケージとを具備することを特徴とす
   る光半導体モジュール。
5. 【請求項５】 前記パッケージの内部に、さらに、半導
   体素子を用いた電子回路または半導体集積回路が収容さ
   れたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に
   記載の光半導体モジュール。