JP2008117980A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】波長を高精度且つ安定的に制御することができるとともに、信頼性にも優れた光モジュールを提供する。
【解決手段】光モジュールのケース３０をＳＵＳ製のケース本体とＣｕＷ製の放熱板３０ａで構成して、この放熱板３０ａ上に、半導体レーザ２７を温度制御するためのペルチェ素子（温度制御素子４３）を固定するとともに、ＬＮ基板からなる光導波路素子２８は熱膨張係数が近いＳＵＳのケース本体に固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は光モジュールに係り、特に光源を内蔵した光モジュールに関する。

従来、光変調器や光フィルタなどの光導波路素子を実装した光モジュールに、半導体レーザを光源として内蔵した光源内蔵型の光モジュールが開発されている。

一方、大容量の光伝送が可能なＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ；高密度波長分割多重）伝送方式においては、使用する信号波長の間隔が狭いため、信号光の波長を高精度に安定化させることが求められている。

上記の光源内蔵型光モジュールでは、ペルチェなどの温度制御素子を用いて半導体レーザの温度を制御することによって、出力光の波長の制御を行うことが一般的に行われている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、従来の光源内蔵型光モジュールの構成を断面図により示したものである。図４において、ケース３０内に半導体レーザ２７と光導波路素子２８が実装されており、半導体レーザ２７からの出力光は集光レンズ３８によって光導波路素子２８に光結合されるようになっている。半導体レーザ２７は、ケース３０内の温度制御素子４３にスペーサ４２を介して固定されている。こうした構成により、温度制御素子４３が半導体レーザ２７を加熱または冷却して温度制御し、出力光の波長の安定化を図っている。

また、ケース３０は光導波路素子２８と熱膨張係数が近い材質のものを用いて、環境温度が変化した際に膨張や収縮による応力が光導波路素子２８へかかることを防止するようにされる。例えば、光導波路素子２８がＬｉＮｂＯ_３（以下、ＬＮと呼ぶ）の場合、ケース３０の材質にはＳＵＳ（ステンレス）が用いられる。
特表２００１−５１７８１１号公報

ところが、従来の光源内蔵型光モジュールにおいては、図４のように温度制御素子４３がケース３０に固定されているが、上記のとおり通常は応力付与防止の観点からケース３０の材質が選ばれるため、温度制御に影響を与える温度制御素子４３の放熱性の面で次のような問題があった。

すなわち、上記例のようにケース３０の材質にＳＵＳが用いられた場合、ＳＵＳの熱伝導率が高くないため、温度制御素子４３からの排熱効率が低下する（すなわち放熱性が悪くなる）。これにより、温度制御素子４３において精度良く温度制御を行うことが困難になり、結果として半導体レーザ２７からの出力光の波長精度および波長安定性が劣化してしまう。また、排熱効率の低下は、温度制御素子４３の駆動に必要な消費電力の増加にもつながるので、低電力な光モジュールの実現が難しい。

さらに、温度制御素子４３（ペルチェ）はケース３０と接合する面がアルミナよりなるが、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）とケース３０（ＳＵＳ）とは熱膨張係数の差が大きいため、環境温度が変化した時に上記接合面に応力がかかり、固定された温度制御素子４３がケース３０から剥がれてしまう可能性もある。

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、その目的は、波長を高精度且つ安定的に制御することができるとともに、信頼性にも優れた光モジュールを提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、半導体レーザと、該半導体レーザの温度を調節することによりその出力光の波長を制御する波長制御手段と、光導波路が基板上に形成されてなる光導波路素子と、が同一の筐体に内蔵された光モジュールにおいて、前記筐体は、前記基板と略同等の熱膨張係数を有する第１の部材と、第１の部材とは材質が異なる第２の部材とからなるとともに、該第２の部材が筐体の内側と外側に面するように構成され、前記波長制御手段は前記第２の部材に固定され、前記光導波路素子は前記第１の部材に固定されていることを特徴とする。

この発明において、筐体は波長制御手段を固定する部分が第２の部材で、それ以外の部分が第１の部材で構成されている。波長制御手段を固定する部分を異なる部材としているため、当該部材を自由に選択でき、従来問題だった放熱性を改善し得る材質を適用することで、半導体レーザの温度制御の精度を向上することができ、出力光の波長の高精度化および安定化を実現することが可能である。また同時に、光導波路素子が固定される第１の部材は光導波路素子と熱膨張係数が近いので、環境温度が変化しても光導波路素子に応力がかからず、当該光導波路素子の光特性に悪影響が及ぼされるのを防止でき、光導波路素子が筐体から剥がれてしまうことを防止できる。

また、上記光モジュールにおいて、前記第２の部材は、前記第１の部材よりも熱伝導率が高い材質からなることを特徴とする。

この発明によれば、応力付与防止の観点で選ばれた第１の部材はそのままで、第２の部材のみで効果的に放熱性を改善することができる。

また、上記光モジュールにおいて、前記第２の部材は、ＣｕＷ（銅タングステン）合金からなることを特徴とする。

この発明において、ＣｕＷは通常第１の部材として用いられるＳＵＳなどの材質と比べて熱伝導率が１０倍以上高く、また熱膨張係数は波長制御手段として用いられるペルチェ素子の接合面材質（アルミナ）と近い。よって、放熱性の改善が効果的になされるとともに、環境温度の変化時に波長制御手段が筐体から剥がれてしまうことを防止することができる。

また、上記光モジュールにおいて、前記第２の部材は、筐体外側面の面積が内側面の面積よりも大きいことを特徴とする。

この発明によれば、第２の部材の筐体外側の面積が大きくなっていることで、より効率的に放熱を促進することが可能であり、その結果波長の制御性がさらに向上する。

本発明によれば、筐体の一部を第２の部材としてその部分に半導体レーザの波長制御手段を設けるようにしたので、波長制御手段の放熱性が改善されて高精度且つ安定的に半導体レーザの波長を制御することができ、また熱膨張係数の差に起因する応力発生も防止されてモジュールの信頼性が向上する。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による光モジュールの構成を、断面図により示したものである。本光モジュールは、半導体レーザ２７、ＬＮ基板を用いた光導波路素子２８、温度制御素子４３（ペルチェ素子）などが、同一のケース３０に内蔵されて構成されたものである。

ケース３０は、その底面の一部が放熱板（第２の部材）３０ａで構成され、その他の部分（第１の部材。以下、ケース本体という）とは異なる部材とされている。放熱板の一方の面（図中上側の面）はケース３０の内側底面をなし、他方の面（図中下側の面）はケース３０の外側底面をなしている。ケース本体と放熱板３０ａとは、ロウ付けによって固定される。なお、放熱板３０ａのケース内側面または外側面は、ケース本体部分の面に対して段差がないように構成されていてもよいし、段差を持つように構成されていてもよい。

ケース３０内の放熱板３０ａ上部には、温度制御素子４３が載置され、この温度制御素子４３は放熱板３０ａと共晶ハンダによって固定されている。温度制御素子４３はペルチェ素子であり、電流の流す向きを変えることで素子の一方の面から発熱（他方の面から吸熱）させたり吸熱（他方の面からは発熱）させたりすることを切り替えることができるようになっている。温度制御素子４３の両面（図中の上面と下面）は、電気的絶縁性および熱伝導性を確保するためにセラミック部材４３ａ（ここではアルミナ）で構成されている。

温度制御素子４３の上部には、アルミナ製のスペーサ４２を介して半導体レーザ２７や集光レンズ３８が設けられている。このスペーサ４２は、半導体レーザ２７から出射されるレーザ光と光導波路素子２８の光導波路の光軸とを合わせるために用いられており、その寸法や形状は、レーザ光の光導波路への結合が最適となるように適宜設定される。

一方、ケース３０のケース本体部分の内側底面は、その一部が周囲より高さの高い台座状に形成されている。この台座部分に、光導波路素子２８が載置されて、所定の接着剤などにより光導波路素子２８がケース３０に固定される。光導波路素子２８の入力光導波路端面は、半導体レーザ２７側へ向けられて、半導体レーザ２７からのレーザ光に対して光軸が合うようにその向きが調整されている。光導波路素子２８の出力光導波路端面には、キャピラリ４６付きの光ファイバ４４が接合されている。なお、接合強度を確保するために、補強用部材４７が用いられている。

光導波路素子２８として、本光モジュールではＬＮ基板を用いた光変調器を適用するものとする。すなわち、光導波路素子２８の光導波路パターンはマッハツェンダー型の構成であり、そのアーム部に変調用の電極が形成されている（図示は省略する）。なお、光変調器以外にも、光フィルタなど周知の光導波路素子を適用することもできる。

上記構成において、半導体レーザ２７から出射されたレーザ光は、集光レンズ３８によって集光されて光導波路素子２８（光変調器）へ入射される。そして、光導波路素子２８により光変調が施されて、光ファイバ４４から出力光が出力される。ここで、半導体レーザ２７は、温度制御素子４３によって放熱板３０ａから吸排熱が行われることで温度制御されて、出射レーザ光の波長は所定の波長に制御されている。

さて、本光モジュールでは、上記のとおり光導波路素子２８をＬＮ基板を用いて構成しているが、ＬＮの熱膨張係数は１．５４×１０^−５［Ｋ^−１］（毎ケルビン）であり、光導波路素子２８への応力付与を防止するため、ケース３０（ケース本体）の材質にはＬＮと熱膨張係数が近い材質であるＳＵＳを用いる。ＳＵＳの熱膨張係数は１．７３×１０^−５［Ｋ^−１］である。このような組み合わせにより、環境温度が変化した時にも熱膨張係数の差に起因する応力が光導波路素子２８および光導波路素子２８とケース３０との接合部に発生せず、光モジュールの良好な特性ならびに高い信頼性を発揮することができる。

また、温度制御素子４３が載置され固定されている放熱板３０ａには、熱伝導率が高い材質であるＣｕＷを用いる。ＣｕＷの熱伝導率は１４７〜２０９［Ｗ／ｍ・Ｋ］（ワット毎メートル毎ケルビン）程度である。前述したように、従来は、温度制御素子４３はＳＵＳ製のケース３０に固定されていたが、ＳＵＳの熱伝導率は１６［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度であるので温度制御素子４３の放熱性が良くなかった。本光モジュールでは、温度制御素子４３をＳＵＳに比べて１０倍程度熱伝導率が高いＣｕＷに接触させてこのＣｕＷを放熱板３０ａとしているので、放熱特性が格段に向上する。これにより、温度制御素子４３における半導体レーザ２７の温度制御性が良くなり、出力レーザ光の波長を高精度且つ安定的に制御することが実現できる。また、放熱板３０ａの吸排熱効率が向上し、温度制御素子４３における消費電力を低減できる効果も生まれる。

さらに、ＣｕＷの熱膨張係数は６．５×１０^−６［Ｋ^−１］であり、アルミナの熱膨張係数８×１０^−６［Ｋ^−１］と近い。すなわち、温度制御素子４３のセラミック部材４３ａとこのセラミック部材４３ａがハンダ固定される放熱板３０ａとは、同程度の熱膨張係数を有している。したがって、環境温度が変化してもこの接合面に熱膨張係数差に起因する応力がかかりにくく、温度制御素子４３が放熱板３０ａから剥がれてしまうことが防止されている。なお、従来のケース３０の材質のＳＵＳとアルミナとでは、熱膨張係数が２倍程度異なっていた。

ここで、上出した各材料の熱伝導率と熱膨張係数とを図２にまとめて表す。

次に、図３に、上記光モジュールの変形例を示す。図３は、光モジュールの断面図の放熱板部分を拡大して描いたものであり、この変形例の放熱板３０ｂは、その内側の面すなわち温度制御素子４３が固定される面の面積よりも、その外側の面すなわち外界に面する面の面積が大きくなるように、断面形状が凸型に形成されている。この構成により、外界と接する部分の面積がより広くなることで、放熱板３０ｂの吸排熱効率がさらに向上することになり、温度制御素子４３による半導体レーザ２７の温度制御性、すなわち出力レーザ光の波長精度および波長安定性を一層向上させることができる。なお、放熱板の断面形状は、凸型ではなく台形状にしても同様の効果を得ることができる。

このように、本実施形態によれば、光モジュールのケース３０をＳＵＳ製のケース本体とＣｕＷ製の放熱板３０ａで構成して、この放熱板３０ａ上に、半導体レーザ２７を温度制御するためのペルチェ素子（温度制御素子４３）を固定するようにしている。これにより、放熱板３０ａを介してペルチェ素子に対する吸排熱を効率良く行うことができ、半導体レーザ２７の波長制御性が向上する。また、ＬＮ基板からなる光導波路素子２８は熱膨張係数が近いＳＵＳのケース本体に固定されるので、その光学特性の劣化や素子の剥離などが生じにくい。こうして、本光モジュールでは、波長精度および安定性の向上と、信頼性の確保とを同時に実現することが可能である。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

例えば、光導波路素子２８の基板材料はＬＮに限定されず、他の材料のものでもよい。その場合、ケース３０のケース本体の材質として、当該基板材料の熱膨張係数と合うものを選択すればよい。

また、放熱板３０ａのケース内側となる面の大きさは、図１では温度制御素子４３の底面の大きさより大きいものとして示しているが、両者の大小関係はいずれでもよく、必要に応じて適宜設計すればよい。

本発明の一実施形態による光モジュールの断面構成図である。 図１の光モジュールで用いる各部材の熱伝導率と熱膨張係数を示した図である。 光モジュールの放熱板の変形例を説明する断面図（一部）である。 従来の光モジュールの断面構成図である。

符号の説明

２７…半導体レーザ ２８…光導波路素子 ３０…ケース ３０ａ…放熱板 ３８…集光レンズ ４２…スペーサ ４３…温度制御素子 ４４…光ファイバ ４６…キャピラリ ４７…補強用部材

Claims (4)

1. 半導体レーザと、該半導体レーザの温度を調節することによりその出力光の波長を制御する波長制御手段と、光導波路が基板上に形成されてなる光導波路素子と、が同一の筐体に内蔵された光モジュールにおいて、
   前記筐体は、前記基板と略同等の熱膨張係数を有する第１の部材と、第１の部材とは材質が異なる第２の部材とからなるとともに、該第２の部材が筐体の内側と外側に面するように構成され、
   前記波長制御手段は前記第２の部材に固定され、
   前記光導波路素子は前記第１の部材に固定されている
   ことを特徴とする光モジュール。
2. 前記第２の部材は、前記第１の部材よりも熱伝導率が高い材質からなることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記第２の部材は、ＣｕＷ（銅タングステン）合金からなることを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
4. 前記第２の部材は、筐体外側面の面積が内側面の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの項に記載の光モジュール。

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