JP2007183362A - 光モジュールの組立方法及び組立装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 動作環境温度の変化に伴って伝送不良を起こしにくい光モジュールを組み立てる。
【解決手段】 組立装置１０は、光モジュール１２を組み立てる。この光モジュールは、半導体レーザ素子４３と、この半導体レーザ素子に光学的に結合された光ファイバ５２とを有する。組立装置は、光ファイバを半導体レーザ素子に対して移動可能に保持する保持手段２０と、光ファイバ及び半導体レーザ素子の付近に配置された温度センサ３７、６０と、それらの温度センサによって計測される温度を５０℃以上に上昇させる発熱体３２、３８を備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体レーザ素子及び光ファイバを有する光モジュールを組み立てる方法及び装置に関する。

光モジュールの組立において、半導体レーザ素子、レンズ及び光ファイバ間の位置合わせと、その後のこれらの部品の固定は、室温（１５℃〜３５℃）の下で行われている。

完成した光モジュール内において、これらの部品は、室温下では最適な位置に配置されている。しかしながら、光モジュールの動作環境が高温になるに従って、各部品の線膨張係数の違いにより、位置ずれが生じる。この結果、光結合効率が低下し、それに応じて、光モジュールの光出力が低下する。

ペルチェ素子などを用いて動作環境温度を制御することなく、このような光モジュールを駆動して光伝送を行うと、次のような問題が生じる。光モジュールは、レーザ素子の光出力を制御するオートパワーコントロール回路（以下、「ＡＰＣ回路」）に接続されて使用される。このＡＰＣ回路は、動作環境の温度変化等のためにレーザ素子の光出力が変動すると、レーザ素子に注入するバイアス電流を自動的に調節して、レーザ素子の平均の光出力を一定に保つ。しかし、高温下では、上述したように光結合効率が低下するうえ、レーザ素子の電流−光出力特性の非線形性に起因して、レーザ素子の光出力も低下する。このため、室温下と高温下とで、変調された光出力の全振幅（０レベルと１レベルの差）が大きく異なってしまい、伝送不良を起こしやすい。

そこで、本発明は、動作環境温度の変化に伴って伝送不良を起こしにくい光モジュールを組み立てる方法及び装置を提供することを課題とする。

本発明の一つの側面は、半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子に光学的に結合された光ファイバとを有するレーザモジュールを組み立てる方法に関する。この方法は、５０℃以上の一定の温度下で、半導体レーザ素子及び光ファイバ間の位置合わせを行う工程と、その一定の温度下で、半導体レーザ素子及び光ファイバの双方または一方を固定し、半導体レーザ素子に対して光ファイバが相対的に移動しないようにする工程とを備えている。

５０℃以上という高い温度下で部品の位置合わせと固定を行うので、組み立てられた光モジュールは、高温下で高い光結合効率を有する。室温など、比較的低い温度下では部品間の線膨張係数の違いにより位置ずれが生じ、光結合効率が低下する。しかし、温度が下がれば半導体レーザ素子の光出力が増加して、位置ずれによる光結合効率の低下を補うことになる。これにより、動作環境温度の低下に伴う光モジュールの光出力の低下が小さく抑えられる。この結果、動作環境温度が変化しても、光出力の全振幅（０レベルと１レベルの差）は大きく変化せず、したがって、伝送不良が起きにくい。

本発明の別の側面は、半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子に光学的に結合された光ファイバとを有する光モジュールを組み立てる装置に関する。この装置は、光ファイバが半導体レーザ素子に対して相対的に移動できるように光ファイバを保持する保持手段と、光ファイバ及び半導体レーザ素子の少なくとも一方の付近に配置された温度センサと、この温度センサによって計測される温度を５０℃以上に上昇させる発熱体とを備えている。

この装置を使用すれば、上記の方法により光モジュールを組み立てることができる。具体的には、温度センサを用いて温度を計測しながら発熱体に発熱をさせることにより、５０℃以上の一定の温度下に半導体レーザ素子及び光ファイバを配置することができる。保持手段を用いることにより、この温度下で、半導体レーザ素子及び光ファイバ間の位置合わせと、半導体レーザ素子及び光ファイバの双方または一方の固定を行うことができる。

この装置は、発熱体から発する熱のうち半導体レーザ素子又は光ファイバから遠ざかる熱を遮るように配置された断熱材を更に備えていてもよい。この断熱材が熱の散逸を防ぐので、発熱体による温度の上昇効率が高まる。

本発明によれば、動作環境温度の変化に伴って伝送不良を起こしにくい光モジュールを組み立てることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、光モジュールの組立装置を示す概略図である。この組立装置１０は、組立中の光モジュール１２を支持する支持台１４を有している。支持台１４の上部には、光モジュール１２を覆うように箱状の遮蔽板２２が設置されている。遮蔽板２２は、組立装置１０の外部の温度が遮蔽板２２の内部の温度、特に光モジュール１２の周囲の温度に及ぼす影響を抑える。

図２は、光モジュール１２を示す部分断面図である。光モジュール１２は、キャン型のレーザパッケージ５０と、そのレーザパッケージ５０を覆うキャップ状のカバー５４と、そのカバー５４の上壁に取り付けられた光ファイバ付きフェルール５１を有している。

レーザパッケージ５０は、半導体レーザ素子であるレーザダイオード（以下、「ＬＤ」）４３に加えて、光学レンズ４４及び複数のリード端子４５を有している。これらのリード端子４５は、金属製のステム４８を貫通してモジュール１２の外側に延び出している。一本のリード端子４５の一端は導線４６を介してＬＤ４３に接続されている。ＬＤ４３は、ステム４８上に設置されたサブマウント４７上に固定されている。更に、ステム４８の上面には、ＬＤ４３及びサブマウント４７を覆うように、金属製のキャップ４９が設置されている。レンズ４４は、このキャップ４９の上壁に設けられた貫通孔にはめ込まれている。

カバー５４は、金属製であり、ステム４８の上面に溶接されている。カバー５４の上壁には、スリーブ５３を用いて、筒状のフェルール５１が取り付けられている。フェルール５１は、光ファイバ５２の側面に密着しながら光ファイバ５２を保持する。光ファイバ５２の一方の端部は、フェルール５１の一端から延び出している。また、光ファイバ５２の他方の端部の端面は、フェルール５１の他端において露出し、レンズ４４と対向している。この光ファイバ付きフェルール５１は、筒状のスリーブ５３に挿入されている。スリーブ５３の一端にはフランジ５５が設けられており、カバー５４の上壁に当接している。フランジ５５からは、フェルール５１の端部が突出している。その端部は、スリーブ５４の上壁に設けられた貫通孔を通ってカバー５４の内部に延在している。

スリーブ５３は、複数の押さえ治具１６によってカバー５４の上壁に保持されている。また、レーザパッケージ５０は、複数の押さえ治具１８によって支持台１４に保持されている。図３は、これらの押さえ治具を示す斜視図である。押さえ治具１６及び１８は爪形状を有している。光モジュール１２の組立の際、押さえ治具１６の先端３０はスリーブ５３のフランジ５５に押し当てられ、それにより、フランジ５５がカバー５４の上壁に押し付けられる。また、光モジュール１２の組立の際、押さえ治具１８の先端３０はステム４８に押し当てられ、それにより、ステム４８が支持台１４の上面に押し付けられる。押さえ治具１６、１８は通常、３個ずつであり、１２０°の角度ずつ隔てられた３方向から部品を押さえる。

押さえ治具１６、１８の基端３１は、図示しない移動機構に接続されている。この移動機構は、押さえ治具１６、１８を上下及び前後に移動させることができる。押さえ治具１６、１８を上下に移動させることによって、スリーブ５３及びステム４８を押さえたり放したりすることができる。押さえ治具１６と押さえ治具１８とは、独立に移動することができる。押さえ治具１６は、フェルール５１、光ファイバ５２及びスリーブ５３を、カバー５４の上面に平行な方向において、ＬＤ４３に対して相対的に移動できるように保持する。

フェルール５１には、保持治具２０が取り付けられている。フェルール５１は保持治具２０の一端部を貫通している。保持治具２０のうちフェルール５１から遠い方の端部は、図示しない移動機構に接続されている。この移動機構は、保持治具２０を上下及び前後に移動させることができる。保持治具２０は、フェルール５１及び光ファイバ５２を、光ファイバ５２の軸方向において、ＬＤ４３に対して相対的に移動できるように保持する。

図４は、保持治具２０の構造を示しており、ここで、図４（ａ）は、保持治具２０の上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の４ｂ−４ｂ線に沿った断面図である。保持治具２０は、板状の部材であり、平板状の断熱材３６を介して接続された内側部分２０ａと外側部分２０ｂを有している。内側部分２０ａには、Ｃ字状のヒータ３２が埋設されている。ヒータ３２の両端面からは、一対のリード線３４が保持治具２０の外部に延び出している。ヒータ３２は、ペルチェ素子であってもよい。内側部分２０ａには、ヒータ３２の内側を通るように貫通孔３５が設けられている。フェルール５１は、この貫通孔３５を通って保持治具２０を貫通する。リード線３４を通じてヒータ３２に電流を流すと、ヒータ３２が熱を発し、フェルール５１及び光ファイバ５２、並びにそれらの周辺の温度を上昇させる。

断熱材３６は、保持治具２０の内側部分２０ａを外側部分２０ｂから熱的に絶縁する。これにより、ヒータ３２から発する熱の散逸が防止され、光ファイバ５２及びその周辺の温度が効率良く上昇するようになる。断熱材３６としては、デルリン樹脂やセラミクス等を使用することができる。

内側部分２０ａには、サーミスタ３７も埋設されている。サーミスタ３７は、光ファイバ５２の周辺の温度を計測する温度センサであり、ヒータ３２から見て断熱材３６の内側に配置されている。サーミスタ３７は、保持治具２０の外部に延び出すリード線６５を有している。サーミスタ３７によって計測された温度を表す信号は、このリード線６５を介して出力される。

支持台１４も加熱手段として機能する。図５は、支持台１４の構造を示しており、ここで、図５（ａ）は、支持台１４の上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の５ｂ−５ｂ線に沿った部分断面図である。支持台１４は、円筒状の断熱材４２を介して接続された内側部分１４ａと外側部分１４ｂを有している。内側部分１４ａには、Ｃ字状のヒータ３８が埋設されている。ヒータ３８の両端面からは、一対のリード線４０が支持台１４の外部に延び出している。ヒータ３８は、ペルチェ素子であってもよい。ステム４８はヒータ３８の上方に配置される。支持台１４には、ヒータ３８の内側を通るように貫通孔４１が設けられている。レーザパッケージ５０のリード端子４５は、この貫通孔４１を通って支持台１４の内部に延在する。リード線４０を通じてヒータ３８に電流を流すと、ヒータ３８が熱を発し、ＬＤ４３及びレンズ４４、並びにそれらの周辺の温度を上昇させる。

断熱材４２は、ヒータ３８を同心状に包囲すると共に、支持台１４の内側部分１４ａを外側部分１４ｂから熱的に絶縁する。これにより、ヒータ３８から発する熱の散逸が防止され、ＬＤ４３及びレンズ４４、並びにそれらの周辺の温度が効率良く上昇するようになる。断熱材４２としては、デルリン樹脂やセラミクス等を使用することができる。

内側部分１４ａには、サーミスタ６０も埋設されている。サーミスタ６０は、ＬＤ４３及びレンズ４４の周辺の温度を計測する温度センサであり、ヒータ３８から見て断熱材４２の内側に配置されている。サーミスタ６０は、支持台１４の外部に延び出すリード線６６を有している。サーミスタ６０によって計測された温度を表す信号は、このリード線６６を介して出力される。

遮蔽板２２には、ガス流入口２３及びガス流出口２４が取り付けられている。半導体レーザモジュール１２の組立中は、組立装置１０の外部からガス流入口２３を通じて、設定された温度の窒素ガス２８が遮蔽板２２の内側に導入される。この窒素ガス２８は、光モジュール１２の周辺を流れた後、ガス流出口２４から組立装置１０の外部に排出される。この窒素ガス２８は、ＬＤ４３、レンズ４４及び光ファイバ５２の周辺の温度をできる限り一定に保つために使用される。

遮蔽板２２には、組立装置１０の外側に配置されたＹＡＧレーザ装置２５から発するＹＡＧレーザ光２６を通過させるための開口２７が更に設けられている。このレーザ光２６は、光モジュール１２の様々な部位を溶接するために使用される。

以下では、組立装置１０を用いた光モジュール１２の組立方法を説明する。まず、事前の準備として、ＬＤ４３を半田付けによりサブマウント４７に固定し、更にレンズ４４付きのキャップ４９をステム４８上に取り付けて、レーザパッケージ５０を作製する。キャップ４９は、ＬＤ４３の光軸がレンズ４４の光軸と合致するように位置決めされる。つまり、本実施形態では、ＬＤ４３とレンズ４４とは予め調心されている。更に、ステム４８の上面にカバー５４を溶接して固定する。その一方で、光ファイバ５２をフェルール５１内に挿入して固定する。

この後、カバー５４付きレーザパッケージ５０、光ファイバ５２付きフェルール５１、及びスリーブ５３を遮蔽板２２の内部に搬入する。レーザパッケージ５０は、押さえ治具１８によって支持台１４の上面に保持される。スリーブ５３は、カバー５４の上面にフランジ５５を載せた状態で、押さえ治具１６によってカバー５４の上面に保持される。押さえ治具１６は、スリーブ５３がカバー５４の上面に対して平行に移動できる程度に軽くフランジ５５を押さえる。フェルール５１はスリーブ５３に挿入される。また、フェルール５１には保持治具２０が取り付けられる。

次に、保持治具２０及び支持台１４内のヒータ３２及び３８に通電して発熱を行わせる。これにより、ＬＤ４３、レンズ４４及び光ファイバ５２の温度が上昇する。ＬＤ４３、及びレンズ４４の周辺の温度はサーミスタ６０によって計測され、光ファイバ５２の周辺の温度はサーミスタ３７によって計測される。これらのサーミスタによって計測された温度は、組立装置１０の外部に出力される。ヒータ３２及び３８に供給される電流は、これらの計測温度が５０℃以上の所定の温度になるように調節される。

サーミスタ３７、６０による計測温度が共に所定の温度になったら、ＬＤ４３及び光ファイバ５２間の光結合を得るために、両者の位置合わせ（調心）を行う。具体的には、ＬＤ４３を発光させ、ＬＤ４３から光ファイバ５２に入射したレーザ光のパワーを、パワーメータ等の光検出器を用いて計測する。そして、計測された光パワーが十分に高くなるように、スリーブ５３に対するフェルール５１の軸方向の位置と、カバー５４に対するフェルール５１の水平方向の位置とを調整する。フェルール５１の軸方向の位置は、保持治具２０に接続された移動機構と押さえ治具１６による押さえる力の調整により、フェルール５１を軸方向と水平方向に移動させることにより調整される。

レーザパッケージ５０及びカバー５４に対するフェルール５１及びスリーブ５３の最適位置が定まったら、ＹＡＧ溶接によってフェルール５１をスリーブ５３に固定すると共に、スリーブ５３をカバー５４に固定する。図６及び図７は、溶接位置を示す部分側面図及び上面図である。図７では、図面の簡単のため、フェルール５１、光ファイバ５２及び保持治具２０が省略されている。

図６に示されるように、スリーブ５３の外側面上の複数の位置６１にＹＡＧレーザ光２６が照射される。スリーブ５３の側壁は、これらの照射位置６１において薄くされている。レーザ光２６は、照射位置６１においてスリーブ５３の側壁を溶かし、その側壁を貫通してフェルール５１に照射され、フェルール５１の表面をも溶かす。この結果、フェルール５１とスリーブ５３とが溶接される。また、図７に示されるように、フランジ５５の縁上の複数（図７では３箇所）の位置６３にＹＡＧレーザ光２６を照射して、スリーブ５３をカバー５４に溶接する。こうして、半導体レーザモジュール１２の組立が完了する。

なお、レーザ光２６は、隣り合う押さえ治具１６の間隙を通過して位置６３に照射される。したがって、図７では、３箇所にレーザ光２６が照射されている。しかしながら、押さえ治具１６による押さえ位置を変えてフランジ５５を押さえ直せば、より多くの位置で溶接を行うことができる。例えば、図７に示される位置６３で溶接を行った後、押さえ位置を６０°回転させれば、溶接位置を更に３箇所増やすことができる。

以下では、図８及び図９を参照しながら、本実施形態の利点を説明する。図８は、本実施形態の方法により組み立てられた光モジュールの電流−光出力特性を示し、図９は、室温下で位置合わせと固定を行って組み立てた光モジュールの電流−光出力特性を示している。これらの光モジュールは、図２に示される構造を有しており、ペルチェ素子等の温度調整機構を有さない。各図には、光モジュールの動作環境温度が２５℃及び８５℃のときの電流−光出力特性が実線で示されている。また、各図において、Ｉｂ_Ｌ及びＩｂ_ＨはＬＤ４３への平均の注入電流、すなわちバイアス電流を表し、Ｉａ_Ｌ及びＩａ_Ｈは注入電流の全振幅、すなわち注入電流の最大値と最小値との差を表す。Ｐ０は、光モジュールに接続されるＡＰＣ回路の目標光出力を表している。ＡＰＣ回路は、ＬＤ４３の平均の光出力をこの一定値Ｐ０に制御する。Ｐａ_Ｌ及びＰａ_Ｈは、それぞれ注入電流幅がＩａ_Ｌ及びＩａ_Ｈに等しいときの光出力の全振幅、すなわち光出力の最大値（１レベル）と最小値（０レベル）との差を示す。また、ΔＰは、光出力の全振幅の変化量を示す。

まず、室温下で組み立てられた光モジュールの電流−光出力特性を検討する。温度変化等の原因で光モジュールの平均の光出力が変化すると、図９に示されるように、ＡＰＣ回路は、平均の注入電流、すなわちバイアス電流を変化させて、平均の光出力を一定値Ｐ０に制御する。しかし、動作環境温度が低温（２５℃）から高温（８５℃）に変化すると、ＬＤの光出力が低下するため、光モジュールの光出力の全振幅は大きく変化してしまう。これは、伝送不良が起きる原因となる。なお、通常、光モジュールの動作環境温度は、−４０℃〜８５℃であり、伝送システムによっては、−４０℃〜１５０℃が要求されることもある。

このように、室温下で部品の位置合わせと固定を行うと、動作環境温度が高いときに、光モジュール内の各部品の線膨張係数の違いにより、部品間の位置ずれが生じ、光結合効率が低下する。さらに、高温下では半導体レーザ素子自身の光出力も低下し、電流−光出力特性の非線形性も大きくなる。したがって、動作環境温度が室温から高温に変化すると、光モジュールの光出力の最大値が大きく低下し、それに伴って、光出力の全振幅が大きく変化して、伝送不良が起きやすくなる。

これに対し、本実施形態の方法により組み立てられた光モジュール１２では、図８に示されるように、動作環境温度が２５℃から８５℃に変化しても、光出力の全振幅の変化は十分に小さい。その理由は次の通りである。すなわち、５０℃以上という高い温度下で部品の位置合わせと固定を行うので、組み立てられた光モジュール１２は、高温下で高い光結合効率を有する。室温など、比較的低い温度下では部品間の線膨張係数の違いにより位置ずれが生じ、光結合効率が低下する。しかし、温度が下がれば半導体レーザ素子の光出力が増加して、位置ずれによる光結合効率の低下を補償する。これにより、動作環境温度の低下に伴う光モジュールの光出力の低下が小さく抑えられる。この結果、動作環境温度が変化しても、光出力の全振幅は大きく変化せず、したがって、伝送不良が起きにくい。

光モジュールの動作環境温度の上限としては、１５０℃程度が考えられる。したがって、上記の位置合わせ及び固定は、５０℃以上１５０℃以下の一定温度で行うことが好ましい。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

上記実施形態では、遮蔽板２２を用いて光モジュール１２を組立装置１０の外部の環境から隔離すると共に、ガス流入口２３及びガス流出口２４を通じて光モジュール１２の周辺に高温ガスを流す。これらの工夫は、ＬＤ４３、レンズ４４及び光ファイバ５２の周辺の温度を一定に保つために有益ではあるが、本発明において必須ではない。

上記実施形態では、ＬＤ４３と光学レンズ４４とを前もって調心および固定しておき、その後、光ファイバ５２とＬＤ４３とを調心するという２体調心を行う。しかしながら、本発明は、半導体レーザ素子、光学レンズ及び光ファイバの三つの部品を同時に調心する３体調心を行ってもよい。

実施形態に係るモジュール組立装置を示す概略図である。 光モジュールを示す部分断面図である。 押さえ治具を示す斜視図である。 保持治具の構造を示す図である。 支持台の構造を示す図である。 溶接位置を示す部分側面図である。 溶接位置を示す上面図である。 実施形態の方法により組み立てられた光モジュールの電流−光出力特性を示す図である。 室温下で組み立てられた光モジュールの電流−光出力特性を示す図である。

符号の説明

１０…組立装置、１２…光モジュール、１４…支持台、１６、１８…押さえ治具、２０…保持治具、３２、３８…ヒータ、３６、４２…断熱材、３７、６０…サーミスタ、４３…半導体レーザ素子、４４…光学レンズ、５０…レーザパッケージ、５１…フェルール、５２…光ファイバ、５３…スリーブ、５４…カバー、５５…フランジ。

Claims (3)

1. 半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子に光学的に結合された光ファイバとを有する光モジュールを組み立てる方法であって、
   ５０℃以上の一定の温度下で、前記半導体レーザ素子及び前記光ファイバ間の位置合わせを行う工程と、
   前記一定の温度下で、前記半導体レーザ素子及び前記光ファイバの双方または一方を固定して、前記半導体レーザ素子に対して前記光ファイバが相対的に移動しないようにする工程と、
   を備える光モジュールの組立方法。
2. 半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子に光学的に結合された光ファイバとを有する光モジュールを組み立てる装置であって、
   前記光ファイバが前記半導体レーザ素子に対して相対的に移動できるように前記光ファイバを保持する保持手段と、
   前記光ファイバ及び前記半導体レーザ素子の少なくとも一方の付近に配置された温度センサと、
   前記温度センサによって計測される温度を５０℃以上に上昇させる発熱体と、
   を備える光モジュールの組立装置。
3. 前記発熱体から発する熱のうち前記半導体レーザ素子又は前記光ファイバから遠ざかる熱を遮るように配置された断熱材を更に備える請求項２に記載の光モジュールの組立装置。

Images