JP2004247729A

JP2004247729A - 無冷却光通信モジュール

Info

Publication number: JP2004247729A
Application number: JP2004032972A
Authority: JP
Inventors: Byung-Kwon Kang; 秉權姜; Shi-Yun Cho; 時衍趙; June-Hyeon Ahn; 峻賢安; Shoen Lee; 承遠李
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2004-09-02
Also published as: KR100480265B1; KR20040073158A; US20040161000A1

Abstract

【課題】周辺温度の変化に効率的に対処でき、全体の光通信モジュールのボリューム及び製作費用を減少させられる光通信モジュールを提供する。
【解決手段】周辺温度が増加すると抵抗が増加する正温度係数を有する板形状のサーミスタ３２０と、サーミスタ３２０の上面に載せられる半導体チップ３５０と、サーミスタに所定の電圧を印加するための駆動手段と、を備えた無冷却式の光通信モジュールとする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信システムに関し、特に、光通信システムに備えられる光通信モジュールに関する。

光通信の使用が広範囲になって多様な分野に応用されてるにつれて、高速動作を遂行できる経済的な光通信モジュールの要求が増してきている。半導体レーザチップ(semiconductor laser chip)は、動作温度の変化に応じて光出力及び信号変調特性が敏感に変わる。このように温度に敏感な光素子は、所定の動作温度を保持するための手段を必要とする。

図１は、従来の光通信モジュールの構成を示す。この光通信モジュール１００は、熱電冷却素子(thermoelectric cooler；ＴＥＣ)１１０と、電圧源１２０と、基板(substrate)１３０と、サブマウント(submount)１４０と、半導体レーザチップ１５０と、サブモジュール(submodule)１６０と、フェルール(ferrule)１７０と、温度センサ(temperature sensor；ＴＳ)１９０と、制御部(controller)２００とを備える。

熱電冷却素子１１０は、印加された直流電圧によって動作し、入力された制御信号に従って所定の温度調節を行うことにより、半導体レーザチップ１５０を加熱または冷却する機能を遂行する。電圧源１２０は、熱電冷却素子１１０に所定の直流電圧を提供する。基板１３０は、熱電冷却素子１１０の上に接合され、サブマウント１４０は基板１３０の上に接合される。半導体レーザチップ１５０はサブマウント１４０の上に接合され、その一端を通じて所定の波長の光を放出し、動作温度の変化に応じて発振波長が変化する特性を有する。サブモジュール１６０は、フェルール１７０が挿入できるように通路を形成し、基板１３０の上に接合される。フェルール１７０は、光ファイバ１８０が挿入できるように中空シリンダーの形状を有し、サブモジュール１６０の通路に挿入され、光ファイバ１８０の先端面を半導体レーザチップ１５０の一端と整列させた状態でサブモジュール１６０に接合される。温度センサ１９０は、半導体レーザチップ１５０の動作温度を感知し、制御部２００に温度データ信号を出力する。制御部２００は、入力された温度データ信号に従って半導体レーザチップ１５０の動作温度が所定の値を保持するように制御信号を出力する。

このような従来の光通信モジュールは、半導体チップの動作温度を所定の値で保持するために、加熱及び強制冷却が可能な熱電冷却素子と温度センサのような温度感知及び制御素子を必要とする。従って、従来の光通信モジュールは、全体の光通信モジュールのボリューム及び製作費用が増加する問題点がある。

このような問題点を解決するために、半導体チップ自体の温度特性を改善しようとする、すなわち、−１５〜８５℃の温度範囲で特性変化が微々たる半導体物質を探そうとする研究が試みられている。しかし、半導体物質の特性が根本的に温度に応じて変わるので、このような接近方式を利用して光通信モジュールが広い温度範囲で類似している伝送特性を確保することは難しい。

以上の背景に鑑みて本発明の目的は、周辺温度の変化に効率的に対処できるだけではなく、全体の光通信モジュールのボリューム及び製作費用を減少させられる光通信モジュールを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明による光通信モジュールは、周辺温度が増加すると抵抗が増加する正温度係数を有するサーミスタと、該サーミスタに載置される半導体チップと、サーミスタに所定の電圧を印加するための駆動手段と、を備え、好ましくは無冷却式とすることを特徴とする。

本発明による無冷却方式の光通信モジュールは、正温度係数を有するサーミスタの上に半導体チップを搭載することにより、周辺温度の変化に効率的に対処できるだけではなく、従来に比べて全体の光通信モジュールのボリューム及び製作費用を減少させることができる。

以下、本発明の好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記説明において、本発明の要旨のみを明瞭にするために公知の機能又は構成に対する詳細な説明は省略する。

図２は、本発明による無冷却光通信モジュールの構成例を示し、図３は、図２に示した光通信モジュールの一部、すなわち、サーミスタ、半導体レーザチップ、及び駆動手段を拡大して示す斜視図である。この例の光通信モジュール３００は、基板３１０、サーミスタ３２０、半導体レーザチップ３５０、駆動手段３３０，３４０，３４５、サブモジュール３６０、及びフェルール３７０を備える。

基板３１０は、他の素子をその上面に搭載できるように空間を提供し、他の素子とのレーザ溶接(laser welding)が容易に遂行されられるようにコバール(Kovar)材質を使用することができる。

サーミスタ３２０は、基板３１０の上面に接合され、周辺温度が増加すると抵抗が増加する正温度係数(positive temperature coefficient；ＰＴＣ)を有し、半導体レーザチップ３５０をその上面に搭載できるように板形状を有する。ただし、サーミスタ３２０は、半導体レーザチップ３５０を接合可能であれば、正方形、長方形、不整形などの他の形状でもかまわない。サーミスタ３２０は、多結晶セラミック物質として大きい抵抗を有するが、ドーパントの添加によって半導体の特性を有するようになる。

サーミスタ３２０は、チタン酸バリウム(barium titanate)、チタン酸リード(lead titanate)、チタン酸ストロンチウム(strontium titanate)の組合せでイットリウム(yttrium)、マンガン(manganese)、タンタル(tantalum)、シリカ(silica)を添加して製造することができる。適切な特性を確保するためには、材料及び粒子サイズなどをよく調節しなければならない。サーミスタ３２０は、Ｐ＝Ｖ^２／Ｒによって定義される発熱特性を有する。この式において、Ｐは、サーミスタ３２０の発熱量に該当する電力消費量を示し、Ｖは、サーミスタ３２０に印加される電圧を示し、Ｒは、サーミスタ３２０の抵抗を示す。

サーミスタ３２０に所定の一定の直流電圧が印加されると、サーミスタ３２０は、周辺温度の変化に応じて発熱量が変化する。すなわち、周辺温度が減少すると、抵抗の減少によって発熱量が増加し、周辺温度が増加すると、抵抗の増加によって発熱量が減少する。このようなメカニズムに応じて、サーミスタ３２０は、所定の温度範囲で半導体レーザチップ３５０の動作温度を一定に保持する。

図４は、周辺温度によるサーミスタ３２０の抵抗特性を示すグラフであり、図５は、周辺温度によるサーミスタ３２０の発熱特性を示すグラフである。−４０℃以上の温度で、周辺温度が増加するにつれてサーミスタ３２０の抵抗が増加し、これにより、サーミスタ３２０の発熱量が減少するようになる。一方、周辺温度が減少すると、サーミスタ３２０の抵抗が減少し、これにより、サーミスタ３２０の発熱量が増加するようになる。

図２及び図３をさらに参照すると、半導体レーザチップ３５０は、サーミスタ３２０の上に接合され、その一端を通じて所定の波長の光を放出し、動作温度の変化に応じて発振波長が変化する特性を有する。

駆動手段は、サーミスタ３２０に所定の直流電圧を印加する機能を遂行し、第１電極３４０及び第２電極３４５と電圧源３３０とを備える。第１電極３４０及び第２電極３４５は、半導体レーザチップ３５０が第１電極３４０と第２電極３４５との間に位置し、サーミスタ３２０の上面の両端に積層される。電圧源３３０は、第１電極３４０及び第２電極３４５を通じてサーミスタ３２０に所定の直流電圧を印加する。

サブモジュール３６０は、フェルール３７０が挿入できるように通路を形成し、基板３１０の上に接合される。

フェルール３７０は、光ファイバ３８０が挿入できるように中空シリンダーの形状を有し、サブモジュール３６０の通路に挿入され、光ファイバ３８０の先端面を半導体レーザチップ３５０の一端と整列させた状態でサブモジュール３６０に接合される。

上述のように、サーミスタ３２０の周辺温度の変化に応じて自動的に発熱量が調節されるので、温度感知及び制御素子が不要である。さらに、サーミスタ３２０が熱電冷却素子のような強制冷却方式ではない無冷却方式であるので、構成が簡単であり且つ製造コストが低い長所がある。

また、図３に示すように、サーミスタ３２０は、光素子に信号を直接印加するための基板としての機能が可能であるので、サーミスタ３２０の上に信号線を配列することにより、別途の信号線を配置した別途の基板を使用する代わりにサーミスタを基板として直接使用することができる。

さらに、本発明による光通信モジュールでサーミスタ３２０に搭載されている半導体チップ３５０は、一定の動作温度を要求する任意の素子、例えば、半導体レーザチップ、半導体光増幅器などとすることができる。

以上、本発明の詳細について具体的な実施形態に基づき説明してきたが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が可能なのは明らかである。従って、本発明の範囲は、上記実施形態に限るものでなく、特許請求の範囲のみならず、その範囲と均等なものにより定められるべきである。

従来技術による光通信モジュールの構成を示す図。本発明による無冷却光通信モジュールの実施例を示す図。図２に示した光通信モジュールの一部を拡大した斜視図。図２に示したサーミスタの周辺温度による抵抗特性を示すグラフ。図２に示したサーミスタの周辺温度による発熱特性を示すグラフ。

符号の説明

３００光通信モジュール
３１０基板
３２０サーミスタ
３５０半導体レーザチップ
３３０，３４０，３４５駆動手段
３６０サブモジュール
３７０フェルール

Claims

周辺温度が増加すると抵抗が増加する正温度係数を有するサーミスタと、
前記サーミスタに載置された半導体チップと、
前記サーミスタに所定の電圧を印加するための駆動手段と、を備えることを特徴とする無冷却光通信モジュール。
サーミスタはＰ＝Ｖ^２／Ｒ（式中のＰはサーミスタの発熱量に該当する電力消費量、Ｖはサーミスタに印加される電圧、Ｒはサーミスタの抵抗を示す）によって定義される発熱特性を有する請求項１記載の無冷却光通信モジュール。
駆動手段は、サーミスタの両端に積層された第１電極及び第２電極と、これら第１電極及び第２電極に連結され、所定の電圧を印加する電圧源と、を備える請求項１記載の無冷却光通信モジュール。
半導体チップは、その一端を通じて光を放出する半導体レーザチップである請求項１記載の無冷却光通信モジュール。
光通信モジュールにおいて、
周辺温度が増加すると抵抗が増加する正温度係数を有するサーミスタと、
前記サーミスタに接合される半導体チップと、
前記サーミスタ及び電圧源を連結する複数の電極と、を備えることを特徴とする光通信モジュール。
サーミスタはＰ＝Ｖ^２／Ｒ（式中のＰはサーミスタの発熱量に該当する電力消費量、Ｖはサーミスタに印加される電圧、Ｒはサーミスタの抵抗を示す）によって定義される発熱特性を有する請求項５記載の光通信モジュール。
電圧源は、第１及び第２の電極に連結され、サーミスタに所定の電圧を印加する請求項５記載の光通信モジュール。
半導体チップは、その一端を通じて光を放出する半導体レーザチップである請求項５記載の光通信モジュール。
半導体チップは、半導体光増幅器である請求項５記載の光通信モジュール。