JP2008277643A - 波長ロッカー用温度制御装置、波長ロッカー及び光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】環境温度が変化してもモニタ波長のシフト量が±０．５ｐｍ以内の安定な波長制御を可能とするため、サーミスタ素子搭載用絶縁プレートの各幅に対する最適な厚さを各々の材質毎に見出す。
【解決手段】絶縁プレートはエタロン素子と異なる熱伝導率を有するものとする。そして、エタロン素子の中央部の温度変動をΔＴ_Eとし、絶縁プレートのサーミスタ素子搭載面での温度変動をΔＴとし、エタロン素子の幅をｗ１、厚さをｔ１とし、絶縁プレートの幅をｗ２、厚さをｔ２としたとき、ｗ２とｔ２は、ｗ２をｗ１で規格化したｗ２／ｗ１とｔ２をｔ１で規格化したｔ２／ｔ１との関係が、ｗ２／ｗ１を横軸としｔ２／ｔ１を縦軸としたグラフにおいてΔＴ＝ΔＴ_E＋０．２℃となるｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の関係を表す実線１と、ΔＴ＝ΔＴ_E−０．２℃となるｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の関係を表す実線２とで囲まれた範囲内となるように設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信用波長検出素子の素子構造に関し、特に独立温度制御型の波長ロッカー用の温度制御装置、この温度制御装置を備えた波長ロッカー、及び、この波長ロッカーを備えた光モジュールに関する。

波長多重光通信技術（ＷＤＭ）の開発において、通信用の半導体レーザの発振波長は、１９３．１ＴＨｚ（１５５２．５２ｎｍ）を中心に１００ＧＨｚ間隔、または５０ＧＨｚ間隔で、＋／−２ｐｍ以内に恒久的に安定させることが望まれている。
近年、このような技術要求に対し、通信用のＣＷ（連続発振）レーザモジュールは、波長ロッカー（Wevelength Locker）と称されている、波長と光出力を検出する機能素子を標準的に搭載している（例えば、非特許文献１、非特許文献２及び特許文献１を参照）。

代表的な波長ロッカーの構造を図１０、図１１に示す。これらの波長ロッカーでは、図１０に示すように、一般的にレーザ素子（図示しない）から出射した光（レーザビーム）７をビームスプリッタ３等で平行ビーム化し、そのビーム径を二等分するようにエタロン素子５を差込み、エタロン素子５を通過した光７Ａとエタロン素子５を通過しない光７Ｂとをそれぞれ専用のフォトダイオード１，２で受光し、フォトダイオード１，２の出力からその波長と光出力を検出するか、或いは図１１に示すように、レーザ素子（図示しない）から出射した光（レーザビーム）７をビームスプリッタ３等により光出力用と波長検出用に切り出し、一方の光路にエタロン素子５を挿入し、上記と同様にエタロン素子５を通過した光７Ａとエタロン素子５を通過しない光７Ｂとをそれぞれ専用のフォトダイオード１，２で受光し、フォトダイオード１，２の出力からその波長と光出力を検出する方法をとっている。ここで、フォトダイオード１は波長検出用のフォトダイオードであり、フォトダイオード２は光出力モニター用のフォトダイオードである。
波長検出用のフォトダイオード（ＰＤ）１の出力から、図１２に示すような、波長に対して、周期的に振幅する光電流信号が検出できる。

波長の固定方法（制御方法）としては、ある特定の波長発生条件下（レーザダイオードの制御温度と駆動電流値の設定によって目的の波長を発振する条件）において、そのときの発振波長検出用フォトダイオード１からの検出電流が一定になるように、レーザダイオード（図示しない）の制御温度の負帰還制御をかけることで、波長の固定を行う方法が一般的である。

その場合（例えば、非特許文献１に記載されている方法）、目的の波長に対して、エタロン素子５を通過して生じる波長検出信号電流値は、必ず、図１３に示すように、電流値の最大値と最小値を結ぶ領域中で、（最大値−最小値）／２の点を中心に約８５％の単一減少、または単一増加の領域になくてはならない。

これは、図１３に示す特性において、電流波形の各頂点付近や最低点付近では、同一の波長検出電流値でありながら、選べる波長の範囲が非常に広くなるためであり、この領域では、波長を制御することはできないためである。このため、波長ロッカーの作製時、とりわけエタロン素子５を搭載する際には、搭載するエタロン素子５を微小に回転させて、エタロン素子５に入射する光の入射角度を微妙に調整することで、透過特性を調整する必要がある。しかし、エタロン素子５に入射する光の入射角度を変化させることは、そのままＦＳＲ（エタロン素子５の出力の周期）も変化させてしまうので、せっかく１００ＧＨｚ間隔、または５０ＧＨｚ間隔の特性で用意したエタロン素子５もその出力の周期が微妙にずれてしまう。そのため、一波長だけを固定する場合には、上記方法で十分な波長制御や波長ロッカーの製造は可能であるが、波長可変レーザ（たとえばＤＢＲ（分布ブラック反射器）レーザ）や多チャネルレーザ（波長選択レーザ）のように広帯域で波長が変化する素子では、エタロン素子５を用いて波長を固定することが難しい。

近年、この難問を解決するために、非特許文献１に記載されるように、波長選択レーザ等では、同一モジュール内に２つの温度制御器（ペルチェ素子）を搭載して、エタロン素子の温度を独立に制御することで、広帯域でエタロン素子の周期を安定して使える技術が提案されている。

特開２００４−１５３１７６号公報 Y. Yokoyama et al., "Multiwavelength locker integrated wide-band wavelength-selectable light source module ", IEEE Photonics Tech.Let., vol.15,No.2, 2003. 「Tunable LD Module with Wavelength Looker-FLD2F15CA-K」FUJITSU COMPOUND SEMICONDUCTOR,INＣ., March 2001,p.1-5 N.Fujiwara et al.,"Tuning range enhanced self-phase adjustment in mode-hop free short-active-region DBR laser", IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. vol.11, No.5, pp.939-944, 2005.

しかし、上述の非特許文献１で記載されたような改良技術をもってしても、使用環境温度が変動すると、レーザモジュール内部の雰囲気温度が変化し、そのためエタロン素子５の制御温度と、エタロン素子５の実際の温度との間に差が生じ、制御できる波長分解能力が落ちるという解決すべき課題がある。

エタロン素子部分の温度を独立に制御する波長ロッカーにおいて、エタロン素子の実際の温度が外気温度（環境温度）の変化によって影響を受けて、その透過特性を変化させてしまうという上記の課題を、エタロン素子部の温度検出抵抗素子（サーミスタ素子）の搭載方法を変えることで解決し、エタロン素子の温度を高精度で制御し、外気温度変動に影響されない、波長ロッカーを提供することができる。

サーミスタ素子の搭載方法の例として、特許文献１のように、エタロン素子と同材料である絶縁プレートの厚さの範囲を規定することによって、外気温度の変化に対するエタロン温度の変化に追随した温度モニタを実現でき、エタロン特性の波長シフト量±０．５ｐｍ以内で安定な温度制御が可能となる。

しかし、水晶は汎用性の低い材料であり、低価格化の観点から汎用性の高い材料をエタロン素子や絶縁プレートに用いることが望ましい。汎用性の高いエタロン素子の材料として例えば、ＢＫ７や溶融石英等のガラス等が挙げられる。また、汎用性の高い絶縁プレートの材料としては上記ＢＫ７や溶融石英だけでなく、ポリイミド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等が挙げられる。これらの熱伝導率は、窒化アルミニウムで水晶の約１０倍、アルミナで同程度から１０倍以内、ＢＫ７、溶融石英で約１／１０、ポリイミドで約１／５０となる。

上記のようなエタロン素子とは異なる材質又は異なる熱伝導率を持つ絶縁プレートを用いるとき、材料だけ変えても高精度で安定な温度制御はできない。同じ幅でも最適な厚さは材質によって異なる。（長さの影響もあるが、絶縁プレートのアスペクト比を考えると長さに比べ幅のほうが狭いため環境温度の変化に対してより影響を受け易いと考えられる。）

図１４は、波長ロッカーのエタロン素子及びサーミスタ素子搭載部の断面図を示す。図１４において、６は波長ロッカー基板、５はエタロン素子、８はサーミスタ素子搭載用絶縁プレート、４はサーミスタ素子である。エタロン素子５は波長ロッカー基板６上に搭載されている。絶縁プレート８はエタロン素子５に隣接して波長ロッカー基板６上に搭載されている。そしてサーミスタ素子４は、この絶縁プレート８上に搭載されている。絶縁プレート８及びサーミスタ素子４は波長ロッカー用温度制御装置を構成している。

エタロン素子５の厚さ（高さ）をｔ１、幅をｗ１とし、絶縁プレート８の厚さ（高さ）をｔ２、幅をｗ２とする。ここで、エタロン素子５と絶縁プレート８は、波長ロッカー基板６と何らかの接着剤（エポキシ樹脂、半田等）によって固定されている。絶縁プレート８は、上述のようにエタロン素子５と異なる材料又は異なる熱伝導率の材料を用いる。波長ロッカー基板６としては熱伝導率の高いもの、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が用いられる。

図１４でレーザビーム光はエタロン素子５の中央部（幅ｗ１／２，厚さｔ１／２）付近を通過する。環境温度が変わってもエタロン素子５の中央部の温度が常に一定になるように温度制御を行うためには、絶縁プレート８上のサーミスタ素子４の温度が、前述のエタロン素子５の中央部の温度に追随する必要がある。ここで、波長ロッカー基板６の温度を一定とし環境温度Ｔａが０℃から７０℃まで変化するとき、エタロン素子５の中央部での温度変動をΔＴ_Eとする。図１５は波長ロッカー基板６の温度を一定とし環境温度Ｔａを変化させたときの、絶縁プレート８内の温度分布を波長ロッカー基板６からの距離に対して表した概略図である。図１５において実線はＴａ＝７０℃、点線はＴａ＝０℃である。このときの絶縁プレート８の最上面（サーミスタ素子４が搭載された面）での温度変動をΔＴと定義する。サーミスタ素子４の温度がエタロン素子５の温度に追随していればΔＴ＝ΔＴ_Eとなる。

図１６は、エタロン素子５の材料を水晶とし、絶縁プレート８の材質（材料）を変えたときの絶縁プレート８の厚さｔ２の変化に対するΔＴの変化を表した図である。絶縁プレート８の幅ｗ２は０．５ｍｍである。図１６において実線はＢＫ７、点線は水晶（基板⊥ｃ軸）、一点鎖線は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。エタロン素子５及び絶縁プレート８と波長ロッカー基板６との接着にはエポキシ樹脂を用い、その接着層厚は約１００μｍである。図１６から、絶縁プレート８の厚さｔ２の増加に伴いΔＴは増加するが、これは厚さｔ２が増すと環境温度の影響を受け易くなるためである。また、絶縁プレート８に熱伝導率の大きい材料を用いるほどΔＴは小さくなるが、これは絶縁プレート８の熱伝導率が大きくなると波長ロッカー基板６の温度の影響を受け易くなり逆に環境温度の影響を受けにくくなることを示している。このとき、エタロン素子５の温度変動ΔＴ_Eは０．７７℃である。

幅ｗ２：０．５ｍｍに対する絶縁プレートの最適な厚さｔ２はΔＴ＝ΔＴ_Eとなる厚さで、ＢＫ７では約０．３ｍｍ、水晶では約１．１ｍｍ、ＡｌＮで約２．１ｍｍである。このように各材料での最適な厚さは異なる。

図１７は、絶縁プレート８のサイズが同じ（幅ｗ２：０．５ｍｍ、厚さｔ２：１．１ｍｍ）で材料だけ変えた場合の、環境温度の変化に伴うモニタ波長の変動を各材質で比較した図である。図１７において実線ａは水晶、破線ｂはＢＫ７、一点鎖線ｃはＡｌＮである。環境温度が０−７０℃と変化したとき水晶では波長変動±０．５ｐｍ以内であるが、ＢＫ７では±１．６ｐｍ、ＡｌＮでは±１．２ｐｍの波長シフトが生じた。ここで、エタロン素子５の周波数温度特性として６００ＭＨｚ／℃、波長／周波数の換算として８ｐｍ／１ＧＨｚを用いた。

このように、同じサイズの絶縁プレート８の材質だけ変えると、モニタ波長のシフト量が±０．５ｐｍ以内の安定な波長制御は難しくなる。そのため、上述したように絶縁プレートの各幅に対する最適な厚さを各々の材質毎に見出す必要がある。

そこで、上記課題を解決する手段として本願では、エタロン素子部分の温度を独立に制御する波長ロッカーにおいて、エタロン素子の実際の温度が外気温度（環境温度）の変化によって影響を受け、その透過特性を変化させてしまう際に、エタロン素子と異なる材質又は異なる熱伝導率を持つ、温度検出抵抗素子（サーミスタ素子）などの温度検出素子の搭載用の絶縁プレートに対し、その厚さと幅の双方を考慮した設計指針を示し、絶縁プレート各々の材質によって最適なサイズを見出す。

具体的には本発明の波長ロッカー用温度制御装置、波長ロッカー及び光モジュールは次のような特徴を有している。

即ち、第１発明の波長ロッカー用温度制御装置は、波長ロッカー基板上に搭載されたエタロン素子に隣接する波長ロッカー用温度制御装置であって、
前記エタロン素子に隣接して前記波長ロッカー基板上に搭載された絶縁プレートと、この絶縁プレート上に搭載された温度検出抵抗素子とを有してなるものであり、
前記絶縁プレートは前記エタロン素子と異なる熱伝導率を有することを特徴とする。

また、第２発明の波長ロッカー用温度制御装置は、第１発明の波長ロッカー用温度制御装置において、
環境温度が変化したときに前記絶縁プレートの前記温度検出抵抗素子が搭載された面での温度変動が前記エタロン素子の中央部の温度変動に追随するように前記絶縁プレートの幅と厚さが設定されていることを特徴とする。

また、第３発明の波長ロッカー用温度制御装置は、第２発明の波長ロッカー用温度制御装置において、
前記エタロン素子の中央部の温度変動をΔＴ_Eとし、前記絶縁プレートの前記温度検出抵抗素子が搭載された面での温度変動をΔＴとしたとき、
前記絶縁プレートの幅と厚さは、ΔＴ＝ΔＴ_E±０．２℃の範囲内でΔＴがΔＴ_Eに追随するように設定されていることを特徴とする。

また、第４発明の波長ロッカー用温度制御装置は、第３発明の波長ロッカー用温度制御装置において、
前記エタロン素子の幅をｗ１、厚さをｔ１とし、前記絶縁プレートの幅をｗ２、厚さをｔ２としたとき、
前記絶縁プレートの幅ｗ２と厚さｔ２は、ｗ２をｗ１で規格化したｗ２／ｗ１とｔ２をｔ１で規格化したｔ２／ｔ１との関係が、ｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の何れか一方を横軸とし他方を縦軸としたグラフにおいてΔＴ＝ΔＴ_E＋０．２℃となるｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の関係を表す第１の線と、ΔＴ＝ΔＴ_E−０．２℃となるｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の関係を表す第２の線とで囲まれた範囲内となるように設定されていることを特徴とする。

また、第５発明の波長ロッカー用温度制御装置は、第１〜第４発明の何れかの波長ロッカー用温度制御装置において、
前記絶縁プレートの熱伝導率は、前記エタロン素子の熱伝導率の１／１０程度又は１／１０以下であることを特徴とする。

また、第６発明の波長ロッカー用温度制御装置は、第１〜第４発明の何れかの波長ロッカー用温度制御装置において、
前記絶縁プレートの熱伝導率は、前記エタロン素子の熱伝導率の１０倍程度又は１０倍以上であることを特徴とする。

また、第７発明の波長ロッカー用温度制御装置は、第１〜第４発明の何れかの波長ロッカー用温度制御装置において、
前記絶縁プレートの熱伝導率は、前記エタロン素子の熱伝導率の１／１０程度又は１／１０以下の範囲、及び、前記エタロン素子の熱伝導率の１０倍程度又は１０倍以上の範囲を除く範囲であることを特徴とする。

また、第８発明の波長ロッカー用温度制御装置は、第１〜第４，第５発明の何れかの波長ロッカー用温度制御装置において、
前記絶縁プレートの材料は、ＢＫ７又は溶融石英であることを特徴とする。

また、第９発明の波長ロッカー用温度制御装置は、第１〜第４，第５発明の何れかの波長ロッカー用温度制御装置において、
前記絶縁プレートの材料は、ポリイミドであることを特徴とする。

また、第１０発明の波長ロッカー用温度制御装置は、第１〜第４，第６発明の何れかの波長ロッカー用温度制御装置において、
前記絶縁プレートの材料は、窒化アルミニウムであることを特徴とする。

また、第１１発明の波長ロッカー用温度制御装置は、第１〜第４，第７発明の何れかの波長ロッカー用温度制御装置において、
前記エタロン素子はその材料が水晶であって該水晶のｃ軸が前記波長ロッカー基板に対して垂直になるように配置され、
前記絶縁プレートはその材料が水晶であって該水晶のｃ軸が前記波長ロッカー基板に対して平行になるように配置されていることを特徴とする。

また、第１２発明の波長ロッカー用温度制御装置は、第１〜第４，第７発明の何れかの波長ロッカー用温度制御装置において、
前記エタロン素子はその材料が水晶であって該水晶のｃ軸が前記波長ロッカー基板に対して垂直になるように配置され、
前記絶縁プレートの材料はアルミナであることを特徴とする。

また、第１３発明の波長ロッカー用温度制御装置は、第１〜第４，第７発明の何れかの波長ロッカー用温度制御装置において、
前記エタロン素子はその材料が水晶であって該水晶のｃ軸が前記波長ロッカー基板に対して平行になるように配置され、
前記絶縁プレートはその材料が水晶であって該水晶のｃ軸が前記波長ロッカー基板に対して垂直になるように配置されていることを特徴とする。

また、第１４発明の波長ロッカー用温度制御装置は、第１〜第４，第７発明の何れかの波長ロッカー用温度制御装置において、
前記エタロン素子はその材料が水晶であって該水晶のｃ軸が前記波長ロッカー基板に対して平行になるように配置され、
前記絶縁プレートの材料はアルミナであることを特徴とする。

また、第１５発明の波長ロッカーは、第１〜第１４発明の何れかの波長ロッカー用温度制御装置を有することを特徴とする。

また、第１６発明の光モジュールは、請求項１５に記載の波長ロッカーと、半導体レーザとを有することを特徴とする。

本発明の波長ロッカー用温度制御装置によれば、エタロン素子と異なる熱伝導率を有する、温度検出抵抗素子（サーミスタ素子）などの温度検出素子の搭載用の絶縁プレートを用いて、エタロン素子の温度を高精度で制御できるので、外気温度変化に素子動作が影響されない波長ロッカー、光モジュールを実現できる。

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。

以下の各実施形態における波長ロッカーのエタロン素子及びサーミスタ素子搭載部の構成については前述の図１４の構成と同様であるため、図１４を参照し、ここでの図示及び詳細な説明は省略する。なお、本波長ロッカーは温度制御用のサーミスタ素子４を用いてエタロン素子５部分の温度を独立に制御することができるものである。即ち、本波長ロッカーは波長ロッカー基板６の下にペルチェ素子などの温度制御素子（図示しない）が設けられており、絶縁プレート８上に搭載されたサーミスタ素子４の検知温度（エタロン素子５の温度）に基づいて温度制御素子（ペルチェ素子）を制御することにより、エタロン素子５の温度を制御するようになっている。このエタロン素子５の温度制御は、他の温度制御素子（ペルチェ素子）による半導体レーザの温度制御とは独立に行われる。

また、以下の各実施形態における波長ロッカーでは、エタロン素子５の幅ｗ１＝１ｍｍ、厚さｔ１＝２ｍｍとする。また、絶縁プレート８とエタロン素子５の長さは幅に比べて十分長いので温度変化に対する影響は無視できる程度に小さい。そこで、絶縁プレート８の長さはエタロン素子５と同程度とした。エポキシ接着層厚は約１００μｍである。

また、以下の各実施形態における波長ロッカーの絶縁プレート８の幅ｗ２と厚さｔ２の設計はシミュレーションソフトを用いて行った。初めにシミュレーションソフト「ソリッドワークス」（ソリッドワークス・ジャパン株式会社製）を用いて寸法、材質などの計算の対象となるモデルを作製した後、シミュレーションソフト「コスモスワークス」（ソリッドワークス・ジャパン株式会社製）を用いて熱伝導率、熱伝達率、熱輻射率により絶縁プレート８の幅ｗ２と厚さｔ２を計算した。
ここで熱伝導率は物質内を熱が伝導する割合（速度）に相当し、熱伝導率は外気（空気）から物質に熱が伝達する割合（速度）に相当する。
熱伝導率（単位；Ｗ／ｍ／Ｋ）は以下を用いた。
即ち、ＢＫ７；１．４、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）；１５０、水晶（ｃ軸方向）；１０．４、水晶（ｃ軸と垂直方向）；６．２を用いた。
また、熱伝達率は１０．４（Ｗ／ｍ²／Ｋ）、熱輻射率は０．９２を用いた。

＜第１の実施形態＞
図１は絶縁プレート８の材質（材料）がＢＫ７であるときの、絶縁プレート８の厚さｔ２の変化に対するΔＴの変化を、絶縁プレート８の幅ｗ２をパラメータとして表した図である。図１の斜線部はΔＴ＝ΔＴ_E±０．２℃の範囲を示す。ＢＫ７とはホウケイ酸クラウン光学ガラスであり、可視光域の透過率が高く比較的低分散であり、光学ガラスで最も一般的で安価な光学材料である。

図２に本発明の第１の実施形態を示す。図２は、図１の斜線部内に含まれる絶縁プレート８の幅ｗ２と厚さｔ２の関係を、エタロン素子５の幅ｗ１と厚さｔ１で各々規格化（ｗ２／ｗ１，ｔ２／ｔ１）して示す。

図２において、点線は最適な設計値（ΔＴ＝ΔＴ_Eの場合）のｗ２とｔ２の関係（ｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の関係）を示し、例えば、幅ｗ２が０．２ｍｍ、０．５ｍｍ，１ｍｍのときの最適な厚さｔ２は各々、約０．２ｍｍ、約０．３ｍｍ、約０．５ｍｍである。第１の線としての実線１はΔＴ＝ΔＴ_E＋０．２℃、第２の線としての実線２はΔＴ＝ΔＴ_E−０．２℃の場合のｗ２とｔ２の関係（ｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の関係）を示し、この実線１と２で囲まれた範囲のｗ２とｔ２を絶縁プレート８に適用することによって、絶縁プレート８上に搭載されたサーミスタ素子４でエタロン素子５の中央部の温度を精度良く検知することができる。従って、このサーミスタ素子４で検知された温度に基づいて波長ロッカー基板６下に設置された温度制御素子（ペルチェ素子）（図示しない）によりエタロン素子５の温度が精度よく制御される。例えば、エタロン素子５の基準温度を４０℃に設定した場合、外気温度（環境温度）の影響でエタロン素子５の温度が４０℃から０．２℃上昇すると、その温度上昇に追随して本実施形態の絶縁プレート８上のサーミスタ素子４がエタロン素子５の温度を精度良く検知する。そして、この検知された温度に基づいて温度制御素子（ペルチェ素子）によりエタロン素子５が冷却されエタロン素子５の温度は４０℃に維持される。その結果、モニタ波長ずれ±０．５ｐｍ以内の安定した高精度な温度制御を行うことができる。例えば、絶縁プレート８の幅ｗ２が０．２ｍｍのとき、絶縁プレート８の厚さｔ２は概ね０．２ｍｍから０．３ｍｍの間に設定すればよい。幅ｗ２が０．５ｍｍのときは、厚さｔ２を０．３ｍｍから０．４ｍｍの間に、また、幅ｗ２が１ｍｍのときは、厚さｔ２を０．４から０．６ｍｍの間に設定すればよい。

絶縁プレート８のサイズがエタロン素子５のサイズを上回る領域（１＜ｗ２／ｗ１、１＜ｔ２／ｔ１）では、モジュール上壁や側壁からの輻射等、波長ロッカー基板６と環境温度以外の外部からの影響が無視できなくなるため、そのような大きさの絶縁プレート８を用いることは現実的ではない。ｗ２／ｗ１＜０．５の領域も、一般的な小型サーミスタ素子の大きさが０．５ｍｍ角程度であることを考えると、そのような大きさの絶縁プレート８を選択することも現実的ではない。また、本実施形態では接着剤としてのエポキシ樹脂を用いたが、エポキシ樹脂と同等の熱伝導率を持つ他の接着剤を使用しても結果は同じである。また、前述したように、絶縁プレート８の材料にはＢＫ７と同等の熱伝導率を持つ溶融石英（ｆ−silica）を用いてもよい。

＜第２の実施形態＞
図３は絶縁プレート８の材質（材料）が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であるときの、絶縁プレートの厚さｔ２の変化に対するΔＴの変化を、絶縁プレート８の幅ｗ２をパラメータとして表した図である。図３において斜線部はΔＴ＝ΔＴ_E±０．２℃の範囲を示す。

図４に本発明の第２の実施形態を示す。図４は、図３の斜線部内に含まれる絶縁プレート８の幅ｗ２と厚さｔ２の関係を、エタロン素子５の幅ｗ１と厚さｔ１で規格化（ｗ２／ｗ１，ｔ２／ｔ１）して示す。

図４において、点線は最適な設計値（ΔＴ＝ΔＴ_Eの場合）のｗ２とｔ２の関係（ｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の関係）を示し、例えば、幅ｗ２が０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．５ｍｍのときの最適な厚さｔ２は各々、約０．４ｍｍ、約０．８ｍｍ、約２．１ｍｍである。第１の線としての実線１はΔＴ＝ΔＴ_E＋０．２℃、第２の線としての実線２はΔＴ＝ΔＴ_E−０．２℃の場合のｗ２とｔ２の関係（ｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の関係）を示し、この実線１と２で囲まれる範囲のｗ２とｔ２を絶縁プレート８に適用することによって、上記第１の実施形態の場合と同様に外気温度（環境温度）の影響でエタロン素子５の温度が変動したとき、その温度変動に追随して本実施形態の絶縁プレート８上のサーミスタ素子４がエタロン素子５の中央部の温度を精度良く検知するため、このサーミスタ素子４で検知された温度に基づいて波長ロッカー基板６下に設置された温度制御素子（ペルチェ素子）（図示しない）によりエタロン素子５の温度が精度よく制御される。その結果、モニタ波長ずれ±０．５ｐｍ以内の安定した高精度な温度制御を行うことができる。例えば、絶縁プレート８の幅ｗ２が０．１ｍｍのとき、絶縁プレート８の厚さｔ２は概ね０．３ｍｍから０．６ｍｍの間に設定すればよい。幅ｗ２が０．２ｍｍのときは、厚さｔ２を０．６ｍｍから１ｍｍの間に、また、幅ｗ２が０．５ｍｍのときは、厚さｔ２を１．４ｍｍから２．６ｍｍの間に設定すればよい。

絶縁プレート８のサイズがエタロン素子５のサイズを上回る領域（１＜ｗ２／ｗ１、１＜ｔ２／ｔ１）では、モジュール上壁や側壁からの輻射等、波長ロッカー基板６と環境温度以外の外部からの影響が無視できなくなるため、そのような大きさの絶縁プレート８を用いることは現実的ではない、ｗ２／ｗ１＜０．５の領域も、一般的な小型サーミスタ素子の大きさが０．５ｍｍ角程度であることを考えると、そのような大きさの絶縁プレート８を選択することも現実的ではない。また、本実施形態では接着剤としてのエポキシ樹脂を用いたが、他に同等の熱伝導率を持つ接着剤を使用しても結果は同じである。

図５に、本発明のサーミスタ搭載方法によって作製した波長ロッカー内蔵多波長光源モジュールを用いて、環境温度の変化に対するサーミスタ素子のモニタ波長の変化を各材質で比較した結果を示す。図５において、実線ａは水晶（幅０．５ｍｍ、厚さ１．１ｍｍ）、破線ｂはＢＫ７（幅０．８ｍｍ、厚さ０．４ｍｍ）、一点鎖線ｃはＡｌＮ（幅０．４ｍｍ、厚さ１．６ｍｍ）を示す。絶縁プレート８の最適な厚さｔ２と幅ｗ２を各材質によって選択することにより、モニタ波長変動±０．５ｐｍ以下の安定した波長制御を実現することができた。無論、各材質での最適値は唯１組ではなく、図２、図４の実線１と２で囲まれた範囲であれば任意に選んでよい。

＜第３の実施形態＞
図６は、エタロン素子５と絶縁プレート８の材質（材料）が共に水晶であるが、エタロン素子５は水晶のｃ軸が波長ロッカー基板６に対して垂直になるように波長ロッカー基板６上に配置し、絶縁プレート８は水晶のｃ軸が波長ロッカー基板６に対して平行になるように波長ロッカー基板６上に配置した場合の実施例である。

図６において、点線は最適な設計値（ΔＴ＝ΔＴ_Eの場合）のｗ２とｔ２の関係（ｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の関係）を示し、例えば、幅ｗ２が０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍのときの最適な厚さは各々、約０．６ｍｍ、約０．８ｍｍ、約１．２ｍｍである。第１の線としての実線１はΔＴ＝ΔＴ_E＋０．２℃、第２の線としての実線２はΔＴ＝ΔＴ_E−０．２℃の場合のｗ２とｔ２の関係（ｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の関係）を示し、この実線１と２で囲まれる範囲のｗ２とｔ２を絶縁プレート８に適用することによって、上記第１の実施形態の場合と同様に外気温度（環境温度）の影響でエタロン素子５の温度が変動したとき、その温度変動に追随して本実施形態の絶縁プレート８上のサーミスタ素子４がエタロン素子５の中央部の温度を精度良く検知するため、このサーミスタ素子４で検知された温度に基づいて波長ロッカー基板６下に設置された温度制御素子（ペルチェ素子）（図示しない）によりエタロン素子５の温度が精度よく制御される。その結果、モニタ波長ずれ±０．５ｐｍ以内の安定した高精度な温度制御を行うことができる。例えば、絶縁プレート８の幅ｗ２が０．２ｍｍのとき、厚さｔ２は概ね０．４ｍｍから０．６ｍｍの間に設定すればよい。幅ｗ２が０．５ｍｍのときは、厚さｔ２を０．６ｍｍから１．０ｍｍの間に、また、幅ｗ２が１ｍｍのときは、厚さｔ２を１．０ｍｍから１．５ｍｍの間に設定すればよい。

＜第４の実施形態＞
図７は、エタロン素子５と絶縁プレート８の材質（材料）が共に水晶であるが、エタロン素子５は水晶のｃ軸が波長ロッカー基板６に対して平行になるように波長ロッカー基板６上に配置し、絶縁プレート８は水晶のｃ軸が波長ロッカー基板６に対して垂直になるように波長ロッカー基板６上に配置した場合の実施例である。

図７において、点線は最適な設計値（ΔＴ＝ΔＴ_Eの場合）のｗ２とｔ２の関係（ｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の関係）を示し、例えば、幅ｗ２が０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍのときの最適な厚さは各々、約０．７ｍｍ，約１．４ｍｍ、約２ｍｍである。第１の線としての実線１はΔＴ＝ΔＴ_E＋０．２℃、第２の線としての実線２はΔＴ＝ΔＴ_E−０．２℃の場合のｗ２とｔ２の関係（ｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の関係）を示し、この実線１と２で囲まれる範囲のｗ２とｔ２を絶縁プレート８に適用することによって、上記第１の実施形態の場合と同様に外気温度（環境温度）の影響でエタロン素子５の温度が変動したとき、その温度変動に追随して本実施形態の絶縁プレート８上のサーミスタ素子４がエタロン素子５の中央部の温度を精度良く検知するため、このサーミスタ素子４で検知された温度に基づいて波長ロッカー基板６下に設置された温度制御素子（ペルチェ素子）（図示しない）によりエタロン素子５の温度が精度よく制御される。その結果、モニタ波長ずれ±０．５ｐｍ以内の安定した高精度な温度制御を行うことができる。例えば、絶縁プレート８の幅ｗ２が０．２ｍｍのとき、厚さｔ２は概ね０．６ｍｍから０．９ｍｍの間に設定すればよい。幅ｗ２が０．５ｍｍのときは、厚さｔ２を１．２ｍｍから１．６ｍｍの間に、また、幅ｗ２が１ｍｍのときは、厚さｔ２を１．７ｍｍから２．３ｍｍの間に設定すればよい。

＜第５の実施形態＞
本第５の実施形態は上記第１の実施形態の波長ロッカーを搭載した光モジュールに関するものである。図８に本第５の実施形態の光モジュールの構成を示す。

図８に示すように、半導体レーザ１１の出力光７の一部はビームスプリッタ３で分岐され、分岐された一方の光７Ｂはフォトダイオード２で検知され半導体レーザ１１の出力を制御するために半導体レーザ１１にフィードバック９される。分岐された他方の光７Ａはエタロン素子５を通過してフォトダイオード１で検知され半導体レーザ１１の波長を制御するために半導体レーザ１１にフィードバック１０される。エタロン素子５の温度はサーミスタ素子搭載用絶縁プレート８上のサーミスタ素子４により計測される。エタロン素子５の材質は水晶で、幅ｗ１は１ｍｍ、厚さｔ１は２ｍｍである。また、サーミスタ素子搭載用絶縁プレート８の材質はＢＫ７で、幅ｗ２は０．２ｍｍ、厚さｔ２は０．３ｍｍである。

半導体レーザ１１には波長可変レーザであるＤＢＲレーザを用いた（非特許文献３）。このＤＢＲレーザを８波長（波長１５４９．７２ｎｍから１５５２．５２ｎｍまで波長間隔０．４ｎｍ）で発振させ、このレーザ出力光の波長を上記第１の実施形態の波長ロッカーを用いて制御した。図９にレーザ出力光７の波長の環境温度による変化を示す。レーザ出力光７の波長は環境温度を０℃から７０℃まで変化させても変動しない。このように本実施形態の光モジュールにおいて波長可変レーザの発振波長を環境温度変動下で安定して制御することができた。

なお、本実施形態では多波長のレーザ出力光を出力する光源にＤＢＲレーザを用いたが、ＤＦＢレーザを集積した多波長レーザでも構わない。また、単一波長を出力するレーザに対しても制御できることは当然である。また、本実施形態の光モジュールでは上記第１の実施形態の波長ロッカーを搭載したが、勿論、上記第２又は第３の実施形態の波長ロッカーを光モジュールに搭載してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、エタロン素子部分の温度を独立に制御する波長ロッカーにおいて、エタロン素子の実際の温度が外気温度（環境温度）の変化によって影響を受けて、その透過特性を変化させてしまうという不都合を解消するために、エタロン素子と異なる材質または異なる熱伝導率の温度検出抵抗素子（サーミスタ素子）搭載用絶縁プレートの幅と厚さの双方を最適化することにより、エタロン素子の温度を高精度に制御し、外気温度変動に影響されない波長ロッカー及びそれを内蔵した多波長光源モジュールを提供することができる。

また、本発明によれば、サーミスタ素子搭載用絶縁プレートの材質にエタロンの材質と異なる材質を用いるので、サーミスタ素子搭載用絶縁プレートの材質として安価な材質を用いることができる。従って、波長ロッカー、光モジュールの低コスト化を実現することができる。

なお、上記の各実施形態では絶縁プレート８の材料にＢＫ７、ＡｌＮ、水晶を用いたが、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、溶融石英、ポリイミドなどを絶縁プレート８の材料に用いることもできる。

また、本発明が提供するエタロン素子に対する絶縁プレートの最適な厚さと幅のパラメータは、通常の簡易な熱伝導モデルからでは、輻射パラメータや物質の境界条件のとり扱い等の違いによって最適値自体が見出せない場合もある。本発明は、多くの実験結果から得られた知見を元に構造解析を行った結果であり、既存技術から容易に類推できる範囲にないことは明らかである。

本発明は波長ロッカー用温度制御装置、波長ロッカー及び光モジュールに関するものであり、特に波長多重光通信技術（ＷＤＭ）の開発において、通信用の半導体レーザの発振波長を恒久的に安定させる場合に適用して有用なものである。

絶縁プレート厚さに対するΔＴの変化を表すグラフである（エタロン素子；水晶（基板⊥ｃ軸）、絶縁プレート；ＢＫ７）。 本発明の第１の実施形態であり、サーミスタ素子の相対温度変化±０．２℃を許容する絶縁プレートの幅と厚さの関係を示す図である（エタロン素子；水晶（基板⊥ｃ軸）、絶縁プレート；ＢＫ７）。 絶縁プレート厚さに対するΔＴの変化を表すグラフである（エタロン素子；水晶（基板⊥ｃ軸）、絶縁プレート；ＡｌＮ）。 本発明の第２の実施形態であり、サーミスタ素子の相対温度変動±０．２℃で許容する絶縁プレートの幅と厚さの範囲を示す図である（エタロン素子；水晶（基板⊥ｃ軸）、絶縁プレート；ＡｌＮ）。 本発明のサーミスタ搭載方法による、環境温度の変化に対する同じ絶縁プレートサイズ上のサーミスタ素子の波長変動を、絶縁プレートの材質を変えて比較した図である。 本発明の第３の実施形態であり、サーミスタ素子の相対温度変化±０．２℃を許容する絶縁プレートの幅と厚さの範囲を示す図である（エタロン素子；水晶（基板⊥ｃ軸）、絶縁プレート；水晶（基板//ｃ軸））。 本発明の第４の実施形態であり、サーミスタ素子の相対温度変動±０．２℃を許容する絶縁プレートの幅と厚さの範囲を示す図である（エタロン素子；水晶（基板//ｃ軸）、絶縁プレート；水晶（基板⊥ｃ軸））。 本発明の第５の実施形態の光モジュールの構成図である。 レーザ出力光の波長の環境温度による変化を示す図である。 従来の代表的な波長ロッカー構造の第１の例を表す図である。 従来の代表的な波長ロッカー構造の第２の例を表す図である。 エタロン素子の光の透過特性を表す図である。 エタロン素子の光の透過特性の詳細を表す図である。 波長ロッカーの基板上のエタロン素子及びサーミスタ素子搭載部の断面図である。 環境温度Ｔａが変化したときの絶縁プレート内部の温度分布の変化を表す図である。 絶縁プレートの厚さに対するΔＴの変化を各材質で比較した図である。 環境温度が変化したときのエタロン素子に対するサーミスタ素子のモニタ波長のシフト量を、同じ大きさの絶縁プレートの材質で比較した図である。

符号の説明

１，２ フォトダイオード
３ ビームスプリッタ
４ サーミスタ素子
５ エタロン素子
６ 波長ロッカー基板
７ レーザ出力光
７Ａ，７Ｂ 分岐されたレーザ出力光
８ 絶縁プレート
９，１０ フィードバック
１１ 半導体レーザ

Claims (16)

1. 波長ロッカー基板上に搭載されたエタロン素子に隣接する波長ロッカー用温度制御装置であって、
   前記エタロン素子に隣接して前記波長ロッカー基板上に搭載された絶縁プレートと、この絶縁プレート上に搭載された温度検出素子とを有してなるものであり、
   前記絶縁プレートは前記エタロン素子と異なる熱伝導率を有することを特徴とする波長ロッカー用温度制御装置。
2. 請求項１に記載の波長ロッカー用温度制御装置において、
   環境温度が変化したときに前記絶縁プレートの前記温度検出素子が搭載された面での温度変動が前記エタロン素子の中央部の温度変動に追随するように前記絶縁プレートの幅と厚さが設定されていることを特徴とする波長ロッカー用温度制御装置。
3. 請求項２に記載の波長ロッカー用温度制御装置において、
   前記エタロン素子の中央部の温度変動をΔＴ_Eとし、前記絶縁プレートの前記温度検出素子が搭載された面での温度変動をΔＴとしたとき、
   前記絶縁プレートの幅と厚さは、ΔＴ＝ΔＴ_E±０．２℃の範囲内でΔＴがΔＴ_Eに追随するように設定されていることを特徴とする波長ロッカー用温度制御装置。
4. 請求項３に記載の波長ロッカー用温度制御装置において、
   前記エタロン素子の幅をｗ１、厚さをｔ１とし、前記絶縁プレートの幅をｗ２、厚さをｔ２としたとき、
   前記絶縁プレートの幅ｗ２と厚さｔ２は、ｗ２をｗ１で規格化したｗ２／ｗ１と、ｔ２をｔ１で規格化したｔ２／ｔ１との関係が、ｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の何れか一方を横軸とし他方を縦軸としたグラフにおいてΔＴ＝ΔＴ_E＋０．２℃となるｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の関係を表す第１の線と、ΔＴ＝ΔＴ_E−０．２℃となるｗ２／ｗ１とｔ２／ｔ１の関係を表す第２の線とで囲まれた範囲内となるように設定されていることを特徴とする波長ロッカー用温度制御装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の波長ロッカー用温度制御装置において、
   前記絶縁プレートの熱伝導率は、前記エタロン素子の熱伝導率の１／１０程度又は１／１０以下であることを特徴とする波長ロッカー用温度制御装置。
6. 請求項１〜４の何れか１項に記載の波長ロッカー用温度制御装置において、
   前記絶縁プレートの熱伝導率は、前記エタロン素子の熱伝導率の１０倍程度又は１０倍以上であることを特徴とする波長ロッカー用温度制御装置。
7. 請求項１〜４の何れか１項に記載の波長ロッカー用温度制御装置において、
   前記絶縁プレートの熱伝導率は、前記エタロン素子の熱伝導率の１／１０程度又は１／１０以下の範囲、及び、前記エタロン素子の熱伝導率の１０倍程度又は１０倍以上の範囲を除く範囲であることを特徴とする波長ロッカー用温度制御装置。
8. 請求項１〜４，５の何れか１項に記載の波長ロッカー用温度制御装置において、
   前記絶縁プレートの材料は、ＢＫ７又は溶融石英であることを特徴とする波長ロッカー用温度制御装置。
9. 請求項１〜４，５の何れか１項に記載の波長ロッカー用温度制御装置において、
   前記絶縁プレートの材料は、ポリイミドであることを特徴とする波長ロッカー用温度制御装置。
10. 請求項１〜４，６の何れか１項に記載の波長ロッカー用温度制御装置において、
    前記絶縁プレートの材料は、窒化アルミニウムであることを特徴とする波長ロッカー用温度制御装置。
11. 請求項１〜４，７の何れか１項に記載の波長ロッカー用温度制御装置において、
    前記エタロン素子はその材料が水晶であって該水晶のｃ軸が前記波長ロッカー基板に対して垂直になるように配置され、
    前記絶縁プレートはその材料が水晶であって該水晶のｃ軸が前記波長ロッカー基板に対して平行になるように配置されていることを特徴とする波長ロッカー用温度制御装置。
12. 請求項１〜４，７の何れか１項に記載の波長ロッカー用温度制御装置において、
    前記エタロン素子はその材料が水晶であって該水晶のｃ軸が前記波長ロッカー基板に対して垂直になるように配置され、
    前記絶縁プレートの材料はアルミナであることを特徴とする波長ロッカー用温度制御装置。
13. 請求項１〜４，７の何れか１項に記載の波長ロッカー用温度制御装置において、
    前記エタロン素子はその材料が水晶であって該水晶のｃ軸が前記波長ロッカー基板に対して平行になるように配置され、
    前記絶縁プレートはその材料が水晶であって該水晶のｃ軸が前記波長ロッカー基板に対して垂直になるように配置されていることを特徴とする波長ロッカー用温度制御装置。
14. 請求項１〜４，７の何れか１項に記載の波長ロッカー用温度制御装置において、
    前記エタロン素子はその材料が水晶であって該水晶のｃ軸が前記波長ロッカー基板に対して平行になるように配置され、
    前記絶縁プレートの材料はアルミナであることを特徴とする波長ロッカー用温度制御装置。
15. 請求項１〜１４の何れか１項に記載の波長ロッカー用温度制御装置を有することを特徴とする波長ロッカー。
16. 請求項１５に記載の波長ロッカーと、半導体レーザとを有することを特徴とする光モジュール。

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