JP2011086832A - 波長ロッカー - Google Patents

Abstract

【課題】サーミスタ素子の搭載方法を変更することなく、環境温度の影響を受けにくい波長ロッカーを提供することにある。
【解決手段】波長ロッカー基板上でエタロン素子に隣接して配置されるサーミスタ素子により当該エタロン素子の温度を独立に制御する波長ロッカーであって、エタロン素子１２の上部１２ａと下部１２ｂとで熱抵抗が異なり、上部１２ａより下部１２ｂの熱抵抗が小さく形成されたものである。
【選択図】図１

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に関する。

近年の波長多重光通信技術（ＷＤＭ；Wavelength Division Multiplexing）の開発において、光通信用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、ＩＴＵ−Ｔグリッド波長に、例えば＋／−２０ｐｍ以内という範囲で恒久的に安定化することが望まれている。このような技術要求に対し、光通信用半導体レーザモジュールの出力波長と光出力パワーを検出して制御する、波長ロッカー（wavelength locker）と呼ばれる機能素子を標準的に搭載している。

一般的な波長ロッカーの構成を図５に示す。波長ロッカーでは、図５に示すように、レーザ素子（図示せず）から出射した光（レーザビーム）１０７をキューブ型の２連ビームスプリッタ１０６など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１０２を挿入し、エタロン素子１０２を通過した光１０７Ａとエタロン素子１０２を通過しない光１０７Ｂとをそれぞれ専用のフォトダイオード１０４，１０５で受光し、フォトダイオード１０４，１０５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１０４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１０５は光出力モニター用のフォトダイオードである。

一般的な波長の固定方法としては、以下に示す方法が採られる。エタロン素子を通過して生じるフォトダイオードの受光電流特性の一例を図６に示す。図６に示すように、波長（図６中の横軸）に対して、周期的に振幅が変化する光電流信号を検出できる。レーザダイオードの制御温度と駆動電流の設定によって、ある１つの波長が発生している条件下において、フォトダイオードの検出電流がある一定値（ロックポイント）になるように、レーザダイオードの制御温度に負帰還制御をかけることにより波長の固定を行っている（波長制御を電流で行う場合には、レーザダイオードの駆動電流に負帰還制御をかけることになる）。

このときロックポイントは、図６に示すように、検出電流値の最大値と最小値を結ぶ領域で、（最大値−最小値）／２の点を中心に約８５％の単一減少、または単一増加するような傾斜の大きい領域に設定する。これは、上記以外の領域（図６の最大値、最小値付近）では、検出電流値のある変化量に対して選択できる波長の範囲が広くなってしまい、高精度な波長制御が難しくなるためである。

このようにロックポイントを前述の図６に示す傾斜の大きい領域に設定するため、エタロン素子温度を正確に調整する必要がある。

ここで、従来の波長ロッカーのエタロン素子とサーミスタ素子の配置構成を図７に示す。波長ロッカーでは、図７に示すように、基板１０１にエタロン素子１０２が設けられ、エタロン素子１０２の近傍における基板１０１にサーミスタ素子１０３が直張りされている。基板１０１とサーミスタ素子１０３、および基板１０１とエタロン素子１０２の接着手段として、半田溶融や銀ペーストなどの熱伝導性の高い接着剤が挙げられる。ここで、エタロン素子１０２の光学共振器面１０２ａ，１０２ｂの断面形状は一般的には長方形であり、例えばエタロン素子の寸法比（底辺Ｗ７２：上辺Ｗ７１：高さＨ７０）は３：３：２である。

一般に波長ロッカーでは、環境温度が変化すると（例えば、０℃−７５℃）、筐体からの輻射熱などの影響によりエタロン素子の実温度が微小に変化し、エタロン素子の透過特性がシフトする。ここで、エタロン素子の実温度とは、エタロン素子の入射光軸高さ付近での温度のことである。このエタロン素子の実温度変化とサーミスタ素子によるモニター温度変化との間の相対差によって、モニター波長がドリフトするという問題がある。サーミスタ素子が基板に直張りされる場合には、実質的にエタロン素子の実温度変化分モニター波長がシフトする。ここで、図７に示すエタロン素子１０２が溶融石英で作製された場合の環境温度の変化に対するエタロン素子の実温度変化を図８に示す。この図８に示すように、環境温度０−７５℃でエタロン素子の実温度は４℃以上変化している（図中ΔＴ）。この場合モニター波長は、溶融石英エタロンの透過波長の温度変化率を約１０（ｐｍ／℃）とすると、１０（ｐｍ／℃）×４（℃）＝４０ｐｍ以上ドリフトすると予想される。
このようなモニター波長のドリフトを補償するために、サーミスタ素子を絶縁プレート上に搭載して、エタロン素子の近傍に設置する方法が用いられる（例えば、特許文献１参照）。絶縁プレートの寸法、特に高さは、絶縁プレートの材質によって決まる熱伝導率との関係により、環境温度が変化した際にエタロン素子の実温度変化と同様の変化をモニター温度が示す（エタロン素子の実温度とモニター温度の相対差を極小にする）ように設計される。

特開２００４−１５３１７６号公報

しかしながら、上述した従来の方法においては、エタロン素子の材質変更の度に、サーミスタ素子を搭載する絶縁プレートの寸法を再設計する必要がある。これは、低コスト化の観点から望ましくない。

従って、本発明は上述したような課題を解決するために為されたものであって、サーミスタ素子の搭載方法を変更することなく、環境温度の影響を受けにくい波長ロッカーを提供することを目的としている。

上述した課題を解決する第１の発明に係る波長ロッカーは、
波長ロッカー基板上でエタロン素子に隣接して配置されるサーミスタ素子により当該エタロン素子の温度を独立に制御する波長ロッカーであって
前記エタロン素子は、当該エタロン素子の上部と下部とで熱抵抗が異なり、上部より下部の熱抵抗が小さく形成されたものである
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係る波長ロッカーは、
第１の発明に係る波長ロッカーであって、
前記エタロン素子の前記波長ロッカー基板と並行な切断面が、前記エタロン素子の上部より下部のほうが大きい形状である
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る波長ロッカーは、
第１または第２の発明に係る波長ロッカーであって、
前記エタロン素子の光学共振器面と並行な切断面の形状が台形である
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係る波長ロッカーは、
第１または第２の発明に係る波長ロッカーであって、
前記エタロン素子の光学共振器面と並行な切断面の形状が三角形である
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係る波長ロッカーは、
第１乃至第４の発明の何れか１つに係る波長ロッカーであって、
前記エタロン素子が水晶製である
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第６の発明に係る波長ロッカーは、
第１乃至第４の発明の何れか１つに係る波長ロッカーであって、
前記エタロン素子が溶融石英製である
ことを特徴とする。

本発明に係る波長ロッカーによれば、サーミスタ素子の搭載方法を変更することなく、環境温度の影響を受けにくいものとなる。これにより、動作が安定化する。

本発明の第一番目の実施形態に係る波長ロッカーの構成図である。 本発明の第二番目の実施形態に係る波長ロッカーの構成図である。 エタロン素子の形状と温度変化量との関係を示す図である。 エタロン素子の形状と温度変化量との関係を示す図である。 従来の波長ロッカーの構成図である。 エタロン素子の光の透過特性を表す図である。 従来の波長ロッカーが具備するエタロン素子とサーミスタ素子の配置状態を説明するための図である。 環境温度とエタロン中心温度との関係を示す図である。

本発明に係る波長ロッカーについて、各実施形態で具体的に説明する。

［第一番目の実施形態］
本実施形態に係る波長ロッカーについて、図１を参照して説明する。

本実施形態に係る波長ロッカーは、固定波長または任意波長を出力する半導体レーザ光源モジュールの出力波長の負帰還制御をエタロン素子により行うものである。
波長ロッカーは、図１に示すように、基板（波長ロッカー基板）１１の上面１１ａに設けられたエタロン素子１２と、エタロン素子１２の近傍に配置され、基板１１の上面１１ａに半田溶融などにより直張りされたサーミスタ素子１３とを具備する。基板温度は一定である。ここでは、エタロン素子１２の入射光軸高さ中心は、エタロン素子１２の全高Ｈ１０の半分付近に設定されるものとする。

サーミスタ素子１３はエタロン素子１２の温度を独立に制御するものである。

エタロン素子１２は、当該エタロン素子１２の上面１２ａ（上部）付近と下面１２ｂ（下部）付近とで熱抵抗が異なり、上面１２ａ付近より下面１２ｂ付近の熱抵抗が小さくなるように形成されたものである。ここでは、エタロン素子１２の光学共振器面、すなわち、光（入射ビーム）１０７Ａが入射する端面１２ｃおよびこの端面１２ｃに対向する端面１２ｄと並行な切断面の形状が台形である。具体的には、エタロン素子１２は、上面１２ａの幅Ｗ１１よりも下面１２ｂの幅Ｗ１２の方が大きく形成されたものであり、エタロン素子１２の基板１１の上面１１ａと並行な切断面にて、当該エタロン素子１２の上面１２ａ付近より下面１２ｂ付近の方が大きくなるように形成されたものである。言い換えると、エタロン素子１２は、一方の端面１２ｃから他方の端面１２ｄに亘って、台形が連続的に延在する形状である。台形は、例えば、基板１１の上面１１ａと平行で且つ基板１１と接しない上辺（図１中で上面１２ａにおける左右方向に延在する辺）、基板１１の上面１１ａに接する下辺（図１中で下面１２ｂにおける左右方向に延在する辺）、および高さＨ１０の比が、１：３：２であるとする。図７に示す従来のエタロン素子の一例（従来例）と比べ、エタロン素子の上辺が３から１に減少しているが、基板との接触面積、高さおよび奥行きは従来例のエタロン素子と同じである。これにより、サーミスタ素子１３の搭載方法を変更することなく、環境温度の影響を受けにくいものとなり、エタロン素子１２の温度が安定化する。

エタロン素子１２としては、例えば、水晶（基板／／ｃ軸、基板⊥ｃ軸）製のものや溶融石英製のものなどが挙げられる。水晶や溶融石英は、基板と垂直な方向の熱伝導率が小さい物質であり（水晶（基板／／ｃ軸）：６．２Ｗ／ｍ／Ｋ、水晶（基板⊥ｃ軸）：１０．４Ｗ／ｍ／Ｋ、溶融石英：１．４Ｗ／ｍ／Ｋ）、エタロン素子１２は、本来、基板からの温度制御を受けにくい（外環境の温度変動の影響を受けやすい）。にもかかわらず、本実施形態のエタロン素子１２の温度が効果的に安定化されるのは、熱伝導率が小さいがために基板１１との熱エネルギの授受による温度制御が最も及びにくい上面１２ａ付近の熱抵抗を高めるため、外環境との熱エネルギの授受が行われにくいようにエタロン素子１２の表面積を狭くする、という形状としたためである。また、このようなエタロン素子の形状変更は、外環境との接触面積（表面積）に対し、基板との接触面積が相対的に増加したことになるため、結果的に基板からの温度制御が及び易くなっているともいえる。このとき、エタロン素子１２の形状変更にあたっては、ビームの入出射の妨げにならないようにしなければならないため、光軸に最も影響を与えるエタロン素子１２の高さを変更しないで済む形状が望ましく、本実施形態の形状はその条件を十分に満たすものである。

［第二番目の実施形態］
本実施形態に係る波長ロッカーについて、図２を参照して説明する。

本実施形態に係る波長ロッカーは、上述した第一番目の実施形態に係る波長ロッカーが具備するエタロン素子と異なる形状のエタロン素子を具備するものであり、それ以外は同じ素子を具備するものである。
波長ロッカーが具備するエタロン素子２２は、図２に示すように、当該エタロン素子２２の上部２２ａ付近と下面２２ｂ（下部）付近とで熱抵抗が異なり、上部２２ａ付近より下面２２ｂ付近の熱抵抗が小さくなるように形成されたものである。ここでは、エタロン素子２２の光学共振器面、すなわち、光（入射ビーム）１０７Ａが入射する端面２２ｃおよびこの端面２２ｃに対向する端面２２ｄと並行な切断面の形状が三角形である。具体的には、エタロン素子２２は、上部２２ａよりも下面２２ｂの幅Ｗ２２の方が大きく形成されたものであり、エタロン素子２２の基板１１の上面１１ａと並行な切断面にて、当該エタロン素子２２の上部２２ａ付近より下面２２ｂ付近の方が大きくなるように形成されたものである。言い換えると、エタロン素子２２は、一方の端面２２ｃから他方の端面２２ｄに亘って、三角形が連続的に延在する形状である。三角形における、底辺（図２中で下面２２ｂにおける左右方向に延在する辺）と高さＨ２０の比の一例として、３：２であるものが挙げられる。ここで、エタロン素子２２は、基板との接触面積と高さおよび奥行きは、図７に示す従来のエタロン素子の一例と同じである。これにより、サーミスタ素子１３の搭載方法を変更することなく、環境温度の影響を受けにくいものとなり、エタロン素子２２の温度が安定化する。

基板温度は一定である。エタロン素子２２の入射光軸高さ中心は、エタロン素子２２の全高Ｈ２０の半分付近に設定されるものとする。

エタロン素子２２としては、例えば、水晶（基板／／ｃ軸、基板⊥ｃ軸）製のものや溶融石英製のものなどが挙げられる。水晶や溶融石英は、基板と垂直な方向の熱伝導率が小さい物質であり、エタロン素子２２は、本来、基板からの温度制御を受けにくい（外環境の温度変動の影響を受けやすい）。にもかかわらず、本実施形態のエタロン素子２２の温度が効果的に安定化されるのは、熱伝導率が小さいがために基板１１との熱エネルギの授受による温度制御が最も及びにくい上部２２ａ付近の熱抵抗を高めるため、外環境との熱エネルギの授受が行われにくいようにエタロン素子２２の表面積を狭くする、という形状としたためである。また、このようなエタロン素子の形状変更は、外環境との接触面積（表面積）に対し、基板との接触面積が相対的に増加したことになるため、結果的に基板からの温度制御が及び易くなっているともいえる。このとき、エタロン素子２２の形状変更にあたっては、ビームの入出射の妨げにならないようにしなければならないため、光軸に最も影響を与えるエタロン素子２２の高さを変更しないで済む形状が望ましく、本実施形態の形状はその条件を十分に満たすものである。

［他の実施形態］
なお、上記第一番目、第二番目の実施形態にて、エタロン素子１２，２２の光学共振器面の形状が各々台形、三角形としたエタロン素子１２，２２を具備する波長ロッカーを用いて説明したが、エタロン素子の光学共振器面と並行な切断面の形状が、例えば半円形状や、五角形状などの多角形状など、エタロン素子の上部付近より下部付近の方が大きい形状としたエタロン素子を具備する波長ロッカーとすることも可能である。このような波長ロッカーであっても、上述した第一番目および第二番目の実施形態に係る波長ロッカーと同様な作用効果を奏する。

本発明に係る波長ロッカーの効果を確認するために行った確認試験を以下に説明するが、本発明は以下に説明する確認試験のみに限定されるものではない。

［確認試験１］
ここで、上述した第一番目の実施形態に係る波長ロッカーが具備するエタロン素子の形状について、光学共振器面の形状と温度変化量との関係について、図３を参照して説明する。図３にて、横軸にエタロン素子の形状を示し、縦軸に環境温度を０℃から７５℃まで変化させたときのエタロン素子の実温度変化量ΔＴを示す。図３にて、白丸印が水晶製のエタロン素子の場合を示し、黒丸印が溶融石英製のエタロン素子の場合を示す。また、図３にて、従来例（図７）および第一番目の実施形態におけるΔＴを示す。

図３に示すように、基板との接触面積は変更せずに、上辺を短尺化してエタロン素子の光学共振器面と並行な切断面の形状を台形とすることにより、エタロン素子の材質が溶融石英である場合や水晶である場合であっても、ΔＴが、エタロン素子の光学共振面と並行な切断面の形状が長方形状である、従来のエタロン素子の場合と比べて、約１／２に減少することが分かった。

［確認試験２］
ここで、上述した第二番目の実施形態に係る波長ロッカーが具備するエタロン素子の形状について、光学共振器面の形状と温度変化量との関係について、図４を参照して説明する。図４にて、横軸にエタロン素子の形状を示し、縦軸に環境温度を０℃から７５℃まで変化させたときのエタロン素子の実温度変化量ΔＴを示す。図４にて、白丸印が水晶製のエタロン素子の場合を示し、黒丸印が溶融石英製のエタロン素子の場合を示す。エタロン素子の光学共振器面の底辺（基板に接する辺）を３とすると共に、高さを２とした二等辺三角形状の場合について示す。従来のエタロン素子の形状として、高さが２であり横が３である長方形状の場合（図７）について示す。

図４に示すように、基板との接触面積は変更せずに、エタロン素子の光学共振器面と並行な切断面の形状を三角形状とすることにより、エタロン素子の材質が溶融石英である場合や水晶である場合であっても、ΔＴが、エタロン素子の光学共振面と並行な切断面の形状が長方形状である従来のエタロン素子の場合と比べて、約１／１．６に減少することが分かった。

以上説明したように、本発明に係る波長ロッカーによれば、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、エタロン素子の材質を変更した場合であっても、エタロン素子を独立に温度制御するサーミスタ素子の搭載方法を変更することなく、環境温度の影響を受けにくい安定したエタロン素子を実現することができる。

本発明に係る波長ロッカーによれば、サーミスタ素子の搭載方法を変更することなく、環境温度の影響を受けにくいものとなり、動作が安定化するため、通信産業などで有益に利用することができる。

１１ 基板
１２，２２ エタロン素子
１３ サーミスタ素子
１０１ 基板
１０２ エタロン素子
１０３ サーミスタ素子
１０４ 第１のフォトダイオード
１０５ 第２のフォトダイオード
１０６ キューブ型の２連ビームスプリッタ
１０７ 光

Claims (6)

1. 波長ロッカー基板上でエタロン素子に隣接して配置されるサーミスタ素子により当該エタロン素子の温度を独立に制御する波長ロッカーであって、
   前記エタロン素子は、当該エタロン素子の上部と下部とで熱抵抗が異なり、上部より下部の熱抵抗が小さく形成されたものである
   ことを特徴とする波長ロッカー。
2. 請求項１に記載の波長ロッカーであって、
   前記エタロン素子の前記波長ロッカー基板と並行な切断面が、前記エタロン素子の上部より下部のほうが大きい形状である
   ことを特徴とする波長ロッカー。
3. 請求項１または請求項２に記載の波長ロッカーであって、
   前記エタロン素子の光学共振器面と並行な切断面の形状が台形である
   ことを特徴とする波長ロッカー。
4. 請求項１または請求項２に記載の波長ロッカーであって、
   前記エタロン素子の光学共振器面と並行な切断面の形状が三角形である
   ことを特徴とする波長ロッカー。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の波長ロッカーであって、
   前記エタロン素子が水晶製である
   ことを特徴とする波長ロッカー。
6. 請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の波長ロッカーであって、
   前記エタロン素子が溶融石英製である
   ことを特徴とする波長ロッカー。

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