JP2009064829A - 光送信モジュールおよび光送信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子を含む複数の部品を保持手段に実装した構成で、その発光素子や保持手段などを温度調節する温度調節手段の上下面の温度差によるひずみ発生を抑え、安定した光学性能を維持することができるようにする。
【解決手段】少なくとも発光素子を含む複数の部品が保持手段の一方の面に実装され、その保持手段および発光素子の温度調節を行う温度調節手段が保持手段の他の面に固定されて構成される。そして保持手段内部に、発光素子を加熱できる加熱手段が設けられている。この加熱手段が保持手段下部の温度調節手段と一体となってレーザ素子の温度制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体レーザ素子などにより光ビームを出力する光送信モジュールおよび光送信装置に関する。

本発明に関連する光送信モジュールとして、図９に示すように、レーザ素子１０１、モニタＰＤ１０２、サーミスタ１０３、およびレンズ１０４が、キャリア１０６の上に設置されて構成されたものがある。そしてキャリア１０６は、ペルチェ素子（温度調節手段）１０７の上に設置される。

レーザ素子１０１は、発振波長を一定に保つため、また、光出力を安定させるため、一定の温度になるように温度制御する必要がある。このため、レーザ素子１０１の近くにサーミスタ１０３を設置し、サーミスタ１０３の抵抗値が一定になるようにペルチェ素子１０７に電流を流して温度制御を行う。

また、本発明に関連する装置として、半導体レーザ素子と、電界吸収型半導体光変調器素子と、これら素子の温度を各々独立に制御可能な温度制御手段とを備えたものがある。この温度制御手段として、半導体レーザ素子および電界吸収型半導体光変調器素子それぞれの下部に抵抗体を蒸着して電気ヒータを設け、さらにその下部に熱電冷却素子を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、本発明に関連する光素子モジュールとして、熱源及び温度センサを含む一体型で形成された熱伝達モジュールを光素子に取り付けて設けたものがある（例えば、特許文献２参照）。

また、本発明に関連する装置として、レーザビーム射出端面を外気から遮断させるケース内部に半導体レーザを備え、外気温検出器の検出信号に基づいてヒータを駆動させるものがある（例えば、特許文献３参照）。
特開２０００−２２８５５６号公報 特開２００２−２３２０６５号公報 特開昭６１−２１６３８１号公報

しかしながら、上述した図９に示す光送信モジュールでは、例えばパッケージ外部の温度が下がった場合など、パッケージ１０８とキャリア１０６の温度差を大きくしようとすると、ペルチェ素子１０７の上下面での温度差が大きくなってしまい、このことによりペルチェ素子にひずみが発生してしまう虞があった。
こうしてペルチェ素子にひずみが発生すると、レーザ素子やレンズの設置状態にも影響が及んでしまうこととなる。結果としてレーザビームがずれてしまい、光出力が低下してしまう虞があった。

また、上述した特許文献１のものは、熱電冷却素子の上に電気ヒータが設けられるため、この熱電冷却素子の上下面で大きな温度差が発生してしまう虞があり、熱電冷却素子の上下面の温度差によるひずみへの対策についてまで考慮されたものではなかった。
また、個々の部品を熱電冷却素子を介してケースに固定する構成であり、発光素子を含む複数の部品を基板などの保持手段に実装することで安定的に固定することについてまで考慮されたものではなかった。

また、上述した特許文献２のものは、熱源であるヒータを一体型の熱伝達モジュールとして備えたものであり、冷却も含めた温度調節手段を備えることについてまで考慮されたものではなかった。
また、一体型の熱伝達モジュールに１つの光素子を取り付けるものであり、発光素子を含む複数の部品を基板などの保持手段に実装することで、それぞれの部品を安定的に固定することについてまで考慮されたものではなかった。

また、上述した特許文献３のものは、外気温検出器の検出信号に基づいて駆動されるヒータを備えたものであり、冷却も含めた温度調節手段を備えることについてまで考慮されたものではなかった。
また、ケースに半導体レーザを取り付けるものであり、発光素子を含む複数の部品を基板などの保持手段に実装することで、それぞれの部品を安定的に固定することについてまで考慮されたものではなかった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、発光素子を含む複数の部品を保持手段に実装した構成で、その発光素子や保持手段などを温度調節する温度調節手段の上下面の温度差によるひずみ発生を抑え、安定した光学性能を維持することができる光送信モジュールおよび光送信装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明に係る光送信モジュールは、少なくとも発光素子を含む複数の部品が実装された保持手段を備えた光送信モジュールであって、少なくとも上記保持手段および上記発光素子の温度調節を行う温度調節手段を備えると共に、上記保持手段内部に加熱手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る光送信装置は、上述した本発明に係る光送信モジュールを備えて構成されたことを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、発光素子を含む複数の部品を保持手段に実装した構成により、各部品を安定的に保持することができる。同時に、その発光素子や保持手段などを温度調節する温度調節手段の上下面の温度差によるひずみ発生を抑え、安定した光学性能を維持することができる。

次に、本発明に係る光送信モジュールおよび光送信装置を適用した一実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
まず、各実施形態に共通する概略について説明する。

本発明の各実施形態における光送信モジュールは、図１に示すように、少なくとも発光素子を含む複数の部品が保持手段の一方の面に実装され、その保持手段および発光素子の温度調節を行う温度調節手段が保持手段の他の面に固定されて構成される。そして保持手段内部に、発光素子を加熱できる加熱手段が設けられている。

本発明の各実施形態は、このように保持手段の中に加熱手段を内蔵し、この加熱手段が保持手段下部の温度調節手段と一体となってレーザ素子の温度制御を行う。
このことにより、発光素子周りの温度を上げる際に、温度調節手段の上下面の温度差が大きくなることを抑えることができる。このため、温度調節手段の上下面の温度差によるひずみ発生を抑え、レーザビームがずれてしまうといったことのない、安定した光学性能を維持することができる。

〔第１の実施形態〕
次に、本発明の第１の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図２を参照すると、本発明の第一の実施形態として光送信モジュールの平面図が示されている。図３は、図２のＡ−Ａ’線における断面図である。

図２、図３にあるように、レーザビームを発生するレーザ素子（発光素子）１と、このレーザ素子１による光出力をモニタするモニタＰＤ（Photodiode）２と、レーザ素子１の温度をモニタするサーミスタ（発光素子温度検知手段）３と、レーザビームを集光するレンズ（光学部品）４とが、セラミック基板（板状部材）６Ａ、６Ｂで多層基板化したキャリア（保持手段）６の上に実装されている。

このキャリア６は、ペルチェ素子（温度調節手段）７の上に固定されて設置される。更にこのペルチェ素子７は、ＫＯＶＡＲ等の金属材料で形成されたパッケージ８の中に固定されて設置される。パッケージ８には、レーザ素子１からレンズ４を経て集光されたレーザビームを出力するための透過窓８ａが設けられている。

キャリア６は、セラミック基板６Ａ、６Ｂを含み、配線パターンなどが設けられた多層基板として構成される。そして、セラミック基板６Ａ、６Ｂの間には、白金を含む合金の薄膜で作られた抵抗体であるヒータ（加熱手段）５が設けられている。このセラミック基板６Ａ、６Ｂは、窒化アルミニュウムやシリコン基板であっても良い。

ヒータ５には、パッケージ８の外部よりワイヤボンディングや配線により電流が供給される。このときヒータ５は供給される電流量とヒータ５自体の抵抗値によってジュール熱が発生する。この熱はセラミック基板６Ｂを通して、レーザ素子１、サーミスタ３等の温度を上昇させる。
従って、ヒータ５に流す電流を制御することにより、ヒータ５の直上や周辺に設けられているレーザ素子１の温度を可変制御できるという効果がもたらされる。

次に、図４の機能ブロック図を使って、本実施形態の光送信モジュールを備えた光送信装置における温度制御動作を説明する。

レーザ素子１は、発振波長を一定に保つ必要がある。このため、レーザ素子１の温度は、予め定められた温度になるよう正確に調整される必要がある。レーザ素子１の温度を正確にモニタするため、レーザ素子１とは熱的に近い位置にサーミスタ３が配置される。サーミスタ３は、温度によりその抵抗値が変わるため、これを制御信号として自動温度制御回路（ＡＴＣ）（制御手段）９に伝達される。

自動温度制御回路９は、この信号をペルチェ素子７の駆動電流に変換する。そしてこの信号がペルチェ素子７に流れ、セラミック６Ａを冷却または加熱する。その熱流はヒータ５およびセラミック６Ｂを通してレーザ素子１やサーミスタ３に伝えられる。この帰還回路によって、レーザ素子１周りの温度をある設定値に安定させることができる。

ここで、パッケージ８の外の温度が下がった場合を考える。パッケージ８の外に組み込まれ、外気温度をモニタできる機能を有する外部温度センサ（外部温度検知手段）１０からは、その温度に応じた電流を出力する。すると、セラミック基板６Ｂが暖められ、レーザ素子１およびサーミスタ３が加熱される。自動温度制御回路９では、このサーミスタ３からの出力に基づいて、ペルチェ素子７の加熱量を弱くするように電流を調整する。つまり、ヒータ５とペルチェ素子７との加熱量の総和が、レーザ素子１とサーミスタ３に伝わることになる。

逆に、パッケージ８の外の温度が上がった場合など、レーザ素子１周りを冷却する時には、自動温度制御回路９の制御により、ペルチェ素子７に加熱時とは逆方向の電流が流される。このことにより、ペルチェ素子７によりレーザ素子１やキャリア６周りの冷却が行われ、温度調節がなされる。

次に、図３を参照して、本実施形態としての光送信モジュールの製造方法を説明する。
始めに、セラミック基板６Ａの上に、白金を含む合金による抵抗体を蒸着しこれに電極を形成してヒータ５をつくる。ヒータ５は、セラミック基板６Ａ全面に対して均一に熱が分布するように、パターンニングされる。その後、セラミック基板６Ｂを積層して多層化しキャリア６を形成させる。このセラミック基板６Ａ、６Ｂは、窒化アルミニュウムやシリコンでもよい。

そして、キャリア６の上に、ＡｕＳｎ等の共晶半田材を用い、レーザ素子１、サーミスタ３を実装する。サーミスタ３は、レーザ素子１と熱的に近い距離に配置する。次に、レーザ素子１の後方レーザビームが出社される位置に、モニタＰＤ２を実装する。また、レーザ素子１の前方レーザビームが出社される中心位置に、レンズ４を実装する。これらの部品が実装されたキャリア６を、予備半田されたペルチェ素子７の上に実装する。最後に、このキャリア６が設置されたペルチェ素子７を、パッケージ８に実装して光送信モジュールを得る。

本実施形態では、キャリア６の内層に、ヒータ５の形成という工程を採用しているので、これに電流を流すことで、発熱体となる。従って、ペルチェ素子７の発熱量の低減および、ペルチェ素子７の上下面間の温度差を抑えることによるひずみ低減という利点が得られる。

以上のように、上述した第１の実施形態では、キャリア６の中にヒータ５を内蔵し、このヒータ５がペルチェ素子７と一体となってレーザ素子１の温度調節を行う。
このため、本実施形態によれば、ペルチェ素子７の発熱による変形を抑え、外気温変化による光出力変動の小さい安定した光学性能を維持することができる。

より詳細には、ペルチェ素子７で加熱する熱の一部を、ヒータ５で加熱することで、その分、ペルチェ素子７で作り出さなければならない温度差を削減することができる。これにより、ペルチェ素子７が作り出す温度差によるペルチェ素子７自身のひずみ量をより小さくすることができるので、レーザ素子１前方から出射されるレーザビームを安定させることができる。このため、温度変化による前方光出力と後方光出力のずれ、すなわちトラッキングエラーを低減した光送信モジュールを提供することができる。

また、キャリア６の中にヒータ５を内蔵した構成であるため、キャリア表面にヒータを実装する構成に比べて、キャリア表面にレーザ素子１などの部品を実装する自由度を高くすることができる。また、キャリア６上下面間の温度差によりキャリア６が変形してしまう虞をなくすことができる。
また、外部温度を検知する外部温度センサ１０の他に、発光素子温度検知手段としてサーミスタ３を備えることにより、高速・高精度に温度制御を行うことができる。

また、本実施形態の光送信モジュールを備えた光送信装置によれば、外部温度センサ１０およびサーミスタ３による温度検出結果に基づいて温度制御を行うことにより、上述のように、レーザ素子１周りの温度をある設定値に安定させることができる。このため、上述した光送信モジュールによる安定した光学性能を得ることができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
この第２の実施形態は、上述した第１の実施形態におけるヒータ５を、加熱が必要なレーザ素子近傍部分のみに配置すると共に、サーミスタ３に替えて、温度センサー１３をキャリア６内部に設けるようにしたものである。

第２の実施形態では、図５に示すように、ヒータ１５をレーザ素子１１の真下のみに配置することによって、加熱範囲を狭くしている。このため、加熱に消費する電力が少なくて良いという効果を奏する。

また、ヒータ１５と同様にキャリア１６の内層に、温度によってその抵抗値が直線的に変化する白金を含む合金で構成された温度センサー１３を形成することで、サーミスタ３を不要とすることができる。このように、温度センサー１３をヒータ１５と同様のパターンとしてセラミック基板上に形成することで、コスト低減を図ることができる。
無論、本実施形態の温度センサー１３に替えて、第１の実施形態で上述したサーミスタ３を用いる構成であってもよい。

以上のように、第２の実施形態によれば、キャリア１６における、加熱が必要なレーザ素子１１近傍部分のみにヒータ５が配線され、そのヒータ５で加熱することにより、効率的な加熱を実現できる。このため、上述した第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、ペルチェ素子７を含んだ全体的な消費電力を低減した光送信モジュールを提供することができる。

このように、本実施形態によれば、光モジュールの消費電力を低減できると共に、外気温変化による光出力変動の小さい安定した光学性能を維持することができる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
この第３の実施形態は、上述した第２の実施形態における基板６Ａと６Ｂに熱抵抗の異なる材質を用いるようにしたものである。

第３の実施形態では、図６に示すように、基板６Ａに低熱抵抗材を用い、基板６Ｂに高熱抵抗材を用いている。このことにより、レーザ素子１などの部品にはヒータ５からの熱が効率的に伝わり、ペルチェ素子７にはヒータ５による熱が伝わりにくくすることができる。

このように、多層基板であるキャリア６上下面の温度差を高くすることにより、その温度差の分だけペルチェ素子７上下面の温度差を低くすることができる。このため、上述した第２の実施形態と同様の効果が得られると共に、ペルチェ素子７の上下面の温度差によるひずみの発生をさらに小さく抑えることができ、光送信モジュールとしての光学性能をさらに安定させることができる。

なお、上述した第３の実施形態は、基板が２層であることに限定されず、複数の層からなる構造であれば何層であってもよい。この場合、ヒータ５からレーザ素子１に近い側の基板が低熱抵抗材からなり、他の基板、すなわちヒータ５からペルチェ素子７に近い側の基板が高熱抵抗材からなる構成となる。

〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
この第４の実施形態は、上述した第２の実施形態の構成に、高熱抵抗材を部分的に付加するようにしたものである。

第４の実施形態では、図７に示すように、ヒータ５近傍のペルチェ素子７側に、部分的に高熱抵抗材６Ｃを設けている。そして、ヒータ５および高熱抵抗材６Ｃが、基板６Ａ，６Ｂの間に挟まれるよう配置される。

このように、キャリア６内における、ヒータ５からペルチェ素子７側に高熱抵抗材６Ｃを備えることにより、ペルチェ素子７の側には、レーザ素子１の側よりもヒータ５による熱が伝わりにくくすることができる。こうして多層基板であるキャリア６上下面の温度差を高くすることにより、その温度差の分だけペルチェ素子７上下面の温度差を低くすることができる。

この第４の実施形態の構成では、ヒータ５からの熱が高熱抵抗材６Ｃ周囲からの回り込みによりペルチェ素子７にも伝わることとなる。このため、上述した第３の実施形態と比較すると、キャリア６上下面の温度差を高くする効果は少ないが、基板ひずみ量は第３の実施形態の構成より低減できる。

このため、上述した第２の実施形態と同様の効果が得られると共に、ペルチェ素子７の上下面の温度差によるひずみの発生も小さく抑えることができ、光送信モジュールとしての光学性能をさらに安定させることができる。

〔第５の実施形態〕
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
この第５の実施形態は、上述した第２の実施形態における基板６Ａ，６Ｂの材料として、ヒータ５とレーザ素子１の間の部分にのみ低熱抵抗材を適用し、他の部分には高熱抵抗材を用いるようにしたものである。

第５の実施形態では、図８に示すように、基板６Ａにおけるヒータ５とレーザ素子１の間の部分に、低熱抵抗材６Ｄが設けられている。レーザ素子１などの部品を実装する板状部材である基板６Ａの他の部分は高熱抵抗材であり、ペルチェ素子７側となる基板６Ｂも高熱抵抗材となっている。

このように、ヒータ５とレーザ素子１の間にのみ低熱抵抗材を適用し、他の部分を高熱抵抗材とすることにより、レーザ素子１にはヒータ５からの熱が効率的に伝わり、ペルチェ素子７にはヒータ５による熱が伝わりにくくすることができる。

こうして多層基板であるキャリア６上下面の温度差を高くすることにより、その温度差が大きい分だけペルチェ素子７上下面の温度差を低くすることができる。このため、上述した第２の実施形態と同様の効果が得られると共に、ペルチェ素子７の上下面の温度差によるひずみの発生をさらに小さく抑え、キャリア６のひずみ量低減効果を大きくすることができ、光送信モジュールとしての光学性能をさらに安定させることができる。

なお、上述した第５の実施形態は、基板が２層であることに限定されず、複数の層からなる構造であれば何層であってもよい。この場合、ヒータ５からレーザ素子１に近い側の基板は、レーザ素子１近傍部分に低熱抵抗材６Ｄが設けられ、他の部分が高熱抵抗材からなる構成となる。また、他の基板、すなわちヒータ５からペルチェ素子７に近い側の基板は、高熱抵抗材からなる構成となる。

〔各実施形態について〕
なお、上述した各実施形態は本発明の好適な実施形態であり、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々変形して実施することが可能である。
例えば、第２の実施形態で上述した温度センサー１３は、各実施形態について、サーミスタ３に替えて用いることができ、また、発光素子温度検知手段としてサーミスタ３を用いる構成であっても、いずれの場合でも本発明は同様に適用することができる。

また、上述した各実施形態は、基板が２層であることに限定されず、複数の層からなる構造であれば何層であってもよい。この場合、キャリアを構成する何れかの基板と基板の間にヒータが挟まれて設けられる構成となる。

本発明は上述のように、温度変化に対しても光学性能を安定させることができるため、例えば波長分割伝送装置など、環境動作温度範囲が広い光送信装置であっても、本発明は好適に適用することができる。

本発明の各実施形態における光送信モジュールの構成要部を概略的に示す図である。 本発明の第１の実施形態としての光送信モジュールの構成を示す平面図である。 図２のＡ−Ａ’線における断面図である。 該光送信モジュール周りの制御構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態としての光送信モジュールの構成を示す平面図である。 本発明の第３の実施形態としての光送信モジュールと、そのキャリア周りの詳細構成とを示す縦断面図である。 本発明の第４の実施形態としての光送信モジュールと、そのキャリア周りの詳細構成とを示す縦断面図である。 本発明の第５の実施形態としての光送信モジュールと、そのキャリア周りの詳細構成とを示す縦断面図である。 関連技術としての光送信モジュールの構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１ レーザ素子（発光素子の一例）
２ モニタＰＤ
３ サーミスタ（発光素子温度検知手段の一例）
４ レンズ（光学部品の一例）
５ ヒータ（加熱手段の一例）
６ キャリア（保持手段の一例）
６Ａ、６Ｂ 基板（板状部材の一例）
７ ペルチェ素子（温度調節手段の一例）
８ パッケージ
９ 自動温度制御回路（ＡＴＣ）（制御手段の一例）
１０ 外部温度センサ（外部温度検知手段の一例）
１３ 温度センサ（発光素子温度検知手段の一例）

Claims (13)

1. 少なくとも発光素子を含む複数の部品が実装された保持手段を備えた光送信モジュールであって、
   少なくとも前記保持手段および前記発光素子の温度調節を行う温度調節手段を備えると共に、前記保持手段内部に加熱手段を備えたことを特徴とする光送信モジュール。
2. 前記加熱手段は、前記保持手段内部における前記発光素子近傍に設けられたことを特徴とする請求項１記載の光送信モジュール。
3. 前記保持手段は、少なくとも２枚の板状部材を有してなり、
   前記加熱手段は、該板状部材の間に挟まれて設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の光送信モジュール。
4. 前記保持手段の板状部材は、前記加熱手段から前記発光素子に近い側の板状部材が低熱抵抗材からなり、他の板状部材が高熱抵抗材からなることを特徴とする請求項３記載の光送信モジュール。
5. 前記保持手段内部における、前記加熱手段から前記温度調節手段に近い側に高熱抵抗材を備えたことを特徴とする請求項３記載の光送信モジュール。
6. 前記保持手段は、前記加熱手段から前記発光素子に近い側の板状部材における該加熱手段近傍に低熱抵抗材を備え、該板状部材における他の部分および他の板状部材が高熱抵抗材からなることを特徴とする請求項３記載の光送信モジュール。
7. 前記光送信モジュールは、前記保持手段および前記温度調節手段がパッケージ内に設置されて構成され、
   前記保持手段は、前記温度調節手段を介して該パッケージに接するよう該温度調節手段に固定されて設けられたことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の光送信モジュール。
8. 前記保持手段に実装された前記複数の部品には、前記発光素子近傍の温度を検知する発光素子温度検知手段が含まれることを特徴とする１から７の何れか１項に記載の光送信モジュール。
9. 前記発光素子近傍の温度を検知する発光素子温度検知手段が、前記保持手段内部に設けられたことを特徴とする１から８の何れか１項に記載の光送信モジュール。
10. 前記保持手段に実装された前記複数の部品は、前記発光素子からの光を集光する光学部品を含むことを特徴とする１から９の何れか１項に記載の光送信モジュール。
11. 請求項１から１０の何れか１項に記載の光送信モジュールを備えて構成されたことを特徴とする光送信装置。
12. 請求項７記載の光送信モジュールと、
    前記パッケージ外部の温度を検知する外部温度検知手段と、を備え、
    前記加熱手段は、前記外部温度検知手段による検知結果に基づいて温度制御を行うことを特徴とする光送信装置。
13. 請求項８または９記載の光送信モジュールと、
    前記発光素子温度検知手段による検知結果に基づいて温度制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする光送信装置。

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