JP3775397B2 - 光送信モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光送信モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザダイオード（Laser Diode：LD）は、発振波長を所望の波長に安定させるべく所望の温度に維持するために温度制御が行われる。通常、ＬＤの温度制御は、ＬＤをペルチェ素子上に実装して行われる（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００３】
このようなＬＤとペルチェ素子とがパッケージに収容されることで発光モジュールが構成される。そして、発光モジュールは、回路基板と電気的に接続され、回路基板上に設けられた種々の素子等により制御される。このような発光モジュールと回路基板とが筐体に収容されて光送信モジュールが構成される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２５２５７６号公報
【特許文献２】
特開昭６１−２１６３８１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、光送信モジュールで、ＬＤが動作すると温度が上がる。そのため、ＬＤの温度を所望の温度にするためにＬＤはペルチェ素子で冷却される。これに対し、本発明者は、外部気温の低い環境で光送信モジュールを使用することを検討した。この場合、外部気温の方が低いのでＬＤの温度を上げる必要がある。ＬＤの温度を上げる場合、ペルチェ素子におけるＬＤの搭載されている面がより高温になるようにペルチェ素子を制御する必要がある。このとき、ペルチェ素子においてＬＤが搭載されている面と反対の面近傍におけるパッケージの温度が低くなることが考えられる。
【０００６】
しかしながら、パッケージの温度が低下すると、パッケージ外面に結露が生じるおそれがある。このような結露が生じると、発光モジュールと回路基板とを接続している配線や回路基板上に設けられている回路等に水分（水滴）が付着して断線等が生じてしまう。特に、プラガブル型の光送信モジュールでは、電気コネクタが故障する原因となる。そのため、光送信モジュールから安定して光を出力することができなくなることが考えられる。
【０００７】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、所望の温度に制御されつつ、光を安定して出力することができる光送信モジュール、特に所望の温度が外部気温よりも高い環境で好適に使用できる光送信モジュールを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る光送信モジュールは、発光素子、その発光素子の温度を制御するためのペルチェ素子、及び、発光素子とペルチェ素子とを収容するパッケージを有する発光モジュールと、発光モジュールと電気的に接続されている回路基板と、発光モジュールのパッケージを加熱するためのヒータと、ペルチェ素子が発光素子を加熱する場合にヒータを作動させるヒータ制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
このような構成により、ペルチェ素子を収容しているパッケージをヒータで加熱することができるので、パッケージの外面の温度を上昇させることができる。そのため、発光素子がペルチェ素子で温度制御されても、パッケージが結露の生じる温度以下に下がることを抑制することができる。また、ヒータ制御部を作動させるヒータ制御部を有しているので、ペルチェ素子が発光素子を加熱する場合に、ヒータを作動させることが可能である。
【００１０】
本発明に係る光送信モジュールにおいては、ヒータが、パッケージの外面に直に接していることが好適である。ヒータがパッケージの外面に直接接しているのでパッケージを効率よく加熱することができる。
【００１１】
また、本発明に係る光送信モジュールにおいては、ヒータが回路基板上に搭載されていることは有効である。回路基板と発光モジュールとは電気的に接続されているので、回路基板を介してパッケージの外面を加熱することができる。
【００１２】
更にまた、本発明に係る光送信モジュールにおいては、発光モジュールと、回路基板とを収容するための筐体を備え、ヒータが筐体の外面に設けられていることが好適である。これにより、筐体を介してパッケージを加熱することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面と共に本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、同一の要素には同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、図中の寸法比率は必ずしも説明中のものとは一致していない。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１〜図４を参照して第１の実施形態の光送信モジュールについて説明する。図１及び図２（ａ）に示すように光送信モジュール１は、筐体１０と、回路基板１１と、レーザダイオードドライバ（Laser Diode Driver：LDD）１２と、制御素子１３と、発光モジュール１４Ａと、ヒータ１５Ａと、レセプタクル１６とを備えている。なお、図１は本実施形態に係る光送信モジュール１の概略構成を示す斜視図である。また、図２（ａ）は図１の光送信モジュール１の構成を模式的に示した断面図である。
【００１７】
筐体１０は、回路基板１１と、ＬＤＤ１２と、制御素子１３と、発光モジュール１４Ａと、ヒータ１５Ａとを収容する。筐体１０は、例えば、亜鉛若しくはアルミニウムを成分として含む合金、又はアルミニウムによって形成されている。また、筐体１０の前壁面１０ａの外側には、光コネクタを受容するレセクタプル１６が設けられている。
【００１８】
回路基板１１は、筐体１０の底壁面１０ｂに略平行に配設されている。回路基板１１の上面１１ａには、ＬＤＤ１２及び制御素子１３が実装されている。ＬＤＤ１２と制御素子１３とは、回路基板１１上の配線により電気的に接続されている。回路基板１１における筐体１０の前壁面１０ａ側には、発光モジュール１４Ａの格納領域１１ｂが形成されている。
【００１９】
発光モジュール１４ＡはいわゆるＣＡＮ型ＥＯモジュールである。図２（ｂ）及び図３を参照して発光モジュール１４Ａの構成を説明する。図２（ｂ）は、発光モジュール１４Ａの構成を模式的に示す側面図である。図３は、発光モジュール１４Ａの構成の一例を概略的に示す斜視図である。発光モジュール１４Ａは、パッケージ１００、レーザダイオード（Laser Diode：LD）１１０、ペルチェ素子１２０、サーミスタ１３０、フォトディテクター（Photo Detector：PD）１４０及びレンズ１５０を有している。
【００２０】
パッケージ１００は、ＬＤ１１０、ペルチェ素子１２０、サーミスタ１３０、ＰＤ１４０及びレンズ１５０を収容する。パッケージ１００は、ステム１０１とキャップ１０２とから構成されている。ステム１０１及びキャップ１０２は共に鉄や銅タングステン等といった金属製部材である。ステム１０１は円盤状であって、デバイス配置面１０１ａと端子配置面１０１ｂとを有する。デバイス配置面１０１ａ側にＬＤ１１０、ペルチェ素子１２０、サーミスタ１３０、ＰＤ１４０が配置されており、それらがキャップ１０２で覆われている。キャップ１０２は、レンズ１５０を保持するホルダーとしても機能する。
【００２１】
図３を参照すると、ペルチェ素子１２０は、デバイス配置面１０１ａの中央部に配設されている。ペルチェ素子１２０はＬＤ１１０の温度を変化させるためのものである。ペルチェ素子１２０におけるデバイス配置面１０１ａと接している面（図２（ｂ）の１２１）と反対側の面１２２にはサブマウント１６０が設けられている。サブマウント１６０は、ＬＤ１１０及びサーミスタ１３０を搭載する。サブマウント１６０は、熱伝導率の良い材料で形成されていることが好適である。
【００２２】
ＬＤ１１０は、サブマウント１６０に基板１７０を介して搭載される。ＬＤ１１０は、その前端面１１１から出力された光が、レンズ１５０に入射するように配置されている。サーミスタ１３０は、ＬＤ１１０の近傍に基板１７１を介してサブマウント１６０に搭載されている。サーミスタ１３０はＬＤ１１０の温度を測定する。
【００２３】
ＰＤ１４０はサブマウント１６１上に配設されている。ＰＤ１４０は、ＬＤ１１０の後端面１１２から出力された光を受けられるように配置されていれば良い。本実施形態では、サブマウント１６０が斜面１６０ａを有しており、その斜面１６０ａに、例えば、ミラー等の反射手段（不図示）が設けられている。そして、ＬＤ１１０の後端面１１２から出力された光が反射手段で反射されてＰＤ１４０に入射するようになっている。
【００２４】
上述したペルチェ素子１２０、ＬＤ１１０、サーミスタ１３０及びＰＤ１４０は、リード端子１８０とボンディングワイヤといった配線部材１７等で電気的に接続されている。リード端子１８０は、デバイス配置面１０１ａに略直交する方向にステム１０１を貫通している。リード端子１８０は、図２（ａ）に示すように回路基板１１と電気的かつ機械的に接続されている。これにより、ＬＤ１１０は、リード端子１８０及び回路基板１１を介してＬＤ１１０を駆動するＬＤＤ１２と電気的に接続される。また、ペルチェ素子１２０、サーミスタ１３０及びＰＤ１４０もリード端子１８０及び回路基板１１を介して制御素子１３と電気的に接続される。なお、ＰＤ１４０を搭載しているサブマウント１６１はリード端子１８０上に設けられている。
【００２５】
図２（ａ）を参照すると、上記構成の発光モジュール１４Ａは、ステム１０１の端子配置面１０１ｂが筐体１０の前壁面１０ａに略平行であって、キャップ１０２が前壁面１０ａから外側に突出するように回路基板１１の格納領域１１ｂに格納されている。なお、前壁面１０ａから突出したキャップ１０２は、レセクタプル１６で覆われている。
【００２６】
ヒータ１５Ａはステム１０１の側周面１０１ｃ上に直接搭載されている。ヒータ１５Ａとしては、例えば、セラミックの小型の薄膜ヒータなどが考えられる。ヒータ１５Ａは、接着剤等により側周面１０１ｃに取り付けられている。ヒータ１５Ａは、例えば、配線部材（図１の１７）で回路基板１１と電気的に接続される。なお、ヒータ１５Ａの取り付けは接着剤等により接着する場合に限らず、例えば、ステム１０１にヒータ１５Ａの形状の溝等を形成しておき、その溝等にはめ込んでステム１０１に取り付けても良い。
【００２７】
上記、ＬＤＤ１２、ペルチェ素子１２０及びヒータ１５Ａは制御素子１３により制御される。図４を参照して制御素子１３の機能を説明する。図４は、光送信モジュール１の機能ブロック図である。制御素子１３は、図４に示すようにＬＤ制御部１３ａ、ペルチェ素子制御部１３ｂ及びヒータ制御部１３ｃを備える。
【００２８】
ＬＤ制御部１３ａはＰＤ１４０と接続されており、ＰＤ１４０の測定値を受け付ける。ＬＤ制御部１３ａは、ＰＤ１４０の測定値に基づいてＬＤ１１０から出力される光のパワーが所望の値となるようにＬＤＤ１２を制御する。
【００２９】
ペルチェ素子制御部１３ｂはペルチェ素子１２０とサーミスタ１３０とに接続されている。ペルチェ素子制御部１３ｂはサーミスタ１３０の測定値を受け付ける。ペルチェ素子制御部１３ｂはサーミスタ１３０の測定値に基づいて、ＬＤ１１０が最適な条件で動作できる温度である設定温度になるようにペルチェ素子１２０を制御する。より詳細に説明すると、ペルチェ素子制御部１３ｂは、ＬＤ１１０の設定温度がＬＤ１１０の実際の温度よりも高い場合には、ペルチェ素子１２０におけるＬＤ１１０が配置される面１２２がより高温になるようにペルチェ素子１２０を制御する。逆に、ペルチェ素子制御部１３ｂは、ＬＤ１１０の設定温度が実際の温度よりも低い場合には、ペルチェ素子１２０の面１２２がより低温になるようにペルチェ素子１２０を制御する。また、ペルチェ素子制御部１３ｂは、ＬＤ１１０の設定温度をヒータ制御部１３ｃに入力する。
【００３０】
ヒータ制御部１３ｃは、光送信モジュール１の外部に設けられている外部気温センサ１８とヒータ１５Ａとに接続されている。外部気温センサ１８は、光送信モジュール１の外部気温を測定する。ヒータ制御部１３ｃは、ＬＤ１１０の設定温度と外部気温とを比較してＬＤ１１０の設定温度が外部気温より高い場合にヒータ１５Ａを作動させる。
【００３１】
ここで、ＬＤ１１０の設定温度が外部気温より高い場合にヒータ１５Ａが作動されることが重要である。上述したように、ＬＤ１１０の設定温度が外部気温より高く設定されていた場合、ペルチェ素子制御部１３ｂは、図２（ｂ）に示すペルチェ素子１２０の面１２２がより高温となるようにペルチェ素子１２０を制御する。したがって、デバイス配置面１０１ａと接しているペルチェ素子１２０の面１２１はより低温になる。一方、発光モジュール１４Ａのパッケージ１００は金属製であることから熱伝導率が良い。また、ステム１０１にはリード端子１８０が接続されている。そのため、ペルチェ素子１２０の面１２１の温度が下がるにしたがって、ステム１０１やリード端子１８０の温度も低下する。
【００３２】
ところで、本実施形態では、ステム１０１の側周面１０１ｃにヒータ１５Ａが設けられている。ヒータ１５Ａは、ＬＤ１１０の設定温度が外部気温よりも高い場合に作動する。そのため、ＬＤ１１０の設定温度の方が外部気温より高い状態でも、ステム１０１やリード端子１８０が、結露の生じる温度以下になることを抑制することができる。これにより、回路基板１１などに結露で生じた水滴が付着することが無いのでショートや断線などが生じにくく、光送信モジュール１が安定して光を出力することができる。
【００３３】
なお、本実施形態では、ステム１０１の側周面１０１ｃにヒータ１５Ａを配置しているが、必ずしも側周面１０１ｃに限る必要はない。例えば、発光モジュール１４Ａのパッケージ１００の外面と熱的に接触している部分やその近傍であるならばどこに配置しても良い。図５（ａ），（ｂ）にヒータの配置例を示す。図５（ａ）,（ｂ）は夫々、ヒータ１５Ｂ〜１５Ｅを配置した光送信モジュールの構成を模式的に示す断面図である。ヒータ１５Ｃは、リード端子１８０の近傍の回路基板１１上に設けられている。この場合、ヒータ１５Ｃによりリード端子１８０や、そのリード端子１８０と接しているステム１０１が暖められる。また、ヒータ１５Ｂ，１５Ｄは、回路基板１１上であって側周面１０１ｃに接するように設けられている。この場合、ヒータ１５Ｂ，１５Ｄが側周面１０１ｃに接しているので、ステム１０１が暖められる。更に、ヒータ１５Ｅは、側周面１０１ｃ近傍の底壁面１０ｂの外側に配置されている。この場合、筐体１０を介してパッケージ１００の外面が暖められる。このように、ヒータ１５Ｂ〜１５Ｅを図５（ａ），（ｂ）に示すように配置しても、リード端子１８０やステム１０１が加熱されるので、結露が生じることを抑制することができる。なお、ヒータ１５Ｂ〜１５Ｅは、夫々ヒータ１５Ａに相当するものである。
【００３４】
（第２の実施形態）
図６〜図８を参照して、第２の実施形態に係る光送信モジュールについて説明する。図６は、第２の実施形態に係る光送信モジュール２の構成を概略的に示す斜視図である。また、図７（ａ），（ｂ）は、光送信モジュール２の構成を模式的に示した断面図である。
【００３５】
光送信モジュール２は、発光モジュール１４Ｂがバタフライ型ＥＯモジュールである点、及び、図７（ａ），（ｂ）に示すようにヒータ１５Ｆ〜１５Ｈが回路基板１１上に設けられている点で第１の実施形態の光送信モジュール１と相違する。
【００３６】
図７（ｃ）及び図８を参照して発光モジュール１４Ｂについて説明する。図７（ｃ）は、発光モジュール１４Ｂの構成を模式的に示す側面図である。また、図８は、発光モジュール１４Ｂの構成の一例を概略的に示す斜視図である。発光モジュール１４Ｂは、パッケージ２００と、ＬＤ１１０と、ペルチェ素子１２０と、サーミスタ１３０と、ＰＤ１４０とを備える。
【００３７】
パッケージ２００は、収容部２０１と光ファイバ支持部２０２とから構成される。収容部２０１は、ＬＤ１１０、ペルチェ素子１２０、サーミスタ１３０及びＰＤ１４０を収容する。光ファイバ支持部２０２は、収容部２０１の前壁面２０１ａに設けられている。光ファイバ支持部２０２は光ファイバ１９を支持する。収容部２０１の側壁面２０１ｂ，２０１ｃの高さ方向中央位置にはリード端子１８０が設けられている。
【００３８】
収容部２０１の底壁面２０１ｄにはペルチェ素子１２０が搭載されている。第１の実施形態と同様にペルチェ素子１２０の面１２２上にはＬＤ１１０及びサーミスタ１３０が搭載されている。ＬＤ１１０は、サブマウント１６３を介してペルチェ素子１２０の面１２２に搭載されている。サブマウント１６３は略Ｌ字形をしている。ＬＤ１１０は、その前端面１１１から出力された光がサブマウント１６３に設けられているレンズ１５１を介して光ファイバ支持部２０２に出力されるように配置されている。また、サーミスタ１３０は、ＬＤ１１０の近傍であって、サブマウント１６３上に載置されている。
【００３９】
ＰＤ１４０は、第１の実施形態と同様にＬＤ１１０の後端面１１２から出力される光を受けるように配置されている。図８を参照すると、ＰＤ１４０は略Ｌ字形のサブマウント１６４を介して収容部２０１の底壁面２０１ｄに設けられている。
【００４０】
光ファイバ支持部２０２内にはレンズ１５２が配置されている。レンズ１５２は、ＬＤ１１０から出力された光を光ファイバ１９に入射させるためのものである。ＬＤ１１０からの光を光ファイバ１９に入射させるために、フェルールおよびフェルールホルダが光ファイバ支持部２０２内に配置されている。
【００４１】
上記発光モジュール１４Ｂは、図７（ｂ）を参照すると、光ファイバ支持部２０２が筐体１０の前壁面１０ａから突出するように回路基板１１の格納領域１１ｂに配置されている。また、発光モジュール１４Ｂのリード端子１８０が回路基板１１と電気的かつ機械的に接続されている。また、ＬＤ１１０、ペルチェ素子１２０及びサーミスタ１３０は、リード端子１８０と電気的に接続されている。したがって、第１の実施形態と同様に、ＬＤ１１０がＬＤＤ１２と電気的に接続され、ペルチェ素子１２０、サーミスタ１３０及びＰＤ１４０が夫々制御素子１３と電気的に接続されている。
【００４２】
ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈは、図７（ｂ）に示すように発光モジュール１４Ｂの収容部２０１の外面に接するように回路基板１１上に設けられている。ヒータ１５Ｆ，１５Ｈは、リード端子１８０近傍の回路基板１１上に配置される。また、ヒータ１５Ｇは、収容部２０１の後壁面２０１ｅに接するように配置されている。ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈは、配線部材１７などで回路基板１１と電気的に接続される。更に、ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈは回路基板１１を介して制御素子１３と電気的に接続される。ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈは、第１の実施形態と同様に、薄膜ヒータなどを用いればよい。
【００４３】
制御素子１３の機能は、ヒータ制御部１３ｃがヒータ１５Ｆ〜１５Ｈを制御する点で相違する以外は第１の実施形態と同様の機能を有する。即ち、ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈは、ＬＤ１１０の設定温度が外部気温よりも高い場合にヒータ制御部１３ｃにより作動される。
【００４４】
本実施形態の場合、ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈが、回路基板１１上であって収容部２０１に直に接するようになっている。そのため、ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈが作動した場合、収容部２０１の外面やリード端子１８０及び回路基板１１が効率よく加熱される。したがって、ペルチェ素子１２０でＬＤ１１０の温度を上げる場合でも、収容部２０１の外面やリード端子１８０の温度が、結露の生じる温度以下になることを抑制できる。そのため、第１の実施形態の場合と同様に、ＬＤ１１０の設定温度が外部気温よりも高い環境で光送信モジュール２を使用しても、光を安定して出力することが可能である。
【００４５】
なお、本実施形態では、ＬＤＤ１２は、発光モジュール１４Ｂの外に配置しているが、特に外部に配置する場合に限る必要はない。例えば、発光モジュール内部にＬＤＤを配置しても良い。
【００４６】
更に、ヒータの配置も本実施形態の配置に限る必要はない。例えば、図９に示すようにヒータ１５Ｉを、収容部２０１の底壁面２０１ｄの下方に位置する筐体の底壁面１０ｂの外面に取り付けても良い。この場合には、筐体１０と収容部２０１の前壁面２０１ａが接していることから筐体１０を介して収容部２０１を暖めることが可能である。また、ヒータ１５Ｉにより、底壁面１０ｂが加熱されることで筐体１０内の雰囲気（特に、収容部２０１と底壁面１０ｂとの間の雰囲気）が温まり、収容部２０１の外面の温度が下がることが抑制される。なお、ヒータ１５Ｉの面積は、収容部２０１の底壁面２０１ｄの面積に対応していることがより好ましい。上記ヒータ１５Ｉは、ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈと同様に第１の実施形態のヒータ１５Ａに相当するものである。
【００４７】
なお、上記第１及び第２の実施形態では発光素子をＬＤとしているが、必ずしもＬＤに限る必要はない。発光ダイオードなどを用いても良い。この場合には、ＬＤＤは、その発光素子に対応した駆動回路を用いればよい。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、発光素子が所望の温度に制御された状態で安定した光を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光送信モジュールの構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１の光送信モジュールの主要部を模式的に示す断面図である。（ｂ）は、発光モジュールの構成を模式的に示す側面図である。
【図３】第１の実施形態における発光モジュールの斜視図である。
【図４】光送信モジュールの機能を示すブロック図である。
【図５】（ａ）は、ヒータの配置が異なる光送信モジュールを側方からみた場合の構成を模式的に示す断面図である。（ｂ）は、ヒータの配置が異なる光送信モジュールを上方から見た場合の構成を示す断面図である。
【図６】第２の実施形態に係る光送信モジュールの構成を概略的に示す斜視図である。
【図７】（ａ）は、図５の光送信モジュールを側方からみた構成を模式的に示す断面図である。（ｂ）は、図５の光送信モジュールを上方から見た構成を模式的に示す断面図である。（ｃ）は、図５に記載されている発光モジュールの構成を模式的に示す側面図である。
【図８】第２の実施形態における発光モジュールの斜視図である。
【図９】ヒータの配置例を示すための光送信モジュールの模式図である。
【符号の説明】
１，２…光送信モジュール、１０…筐体、１１…回路基板、１２…レーザダイオードドライバ（ＬＤＤ）、１３…制御素子、１４Ａ，１４Ｂ…発光モジュール、１５Ａ〜１５Ｉ…ヒータ、１６…配線部材、１７…外部気温センサ、１００，２００…パッケージ、１０１…ステム、１０２…キャップ、１１０…レーザダイオード（発光素子）、１２０…ペルチェ素子、１３０…サーミスタ、１４０…フォトディテクター（ＰＤ）、１５０〜１５３…レンズ、１６０〜１６４…サブマウント、１７０，１７１…基板、１８０…リード端子、２０１…収容部、２０２…ファイバ接続部
【発明の属する技術分野】
本発明は、光送信モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザダイオード（Laser Diode：LD）は、発振波長を所望の波長に安定させるべく所望の温度に維持するために温度制御が行われる。通常、ＬＤの温度制御は、ＬＤをペルチェ素子上に実装して行われる（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００３】
このようなＬＤとペルチェ素子とがパッケージに収容されることで発光モジュールが構成される。そして、発光モジュールは、回路基板と電気的に接続され、回路基板上に設けられた種々の素子等により制御される。このような発光モジュールと回路基板とが筐体に収容されて光送信モジュールが構成される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２５２５７６号公報
【特許文献２】
特開昭６１−２１６３８１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、光送信モジュールで、ＬＤが動作すると温度が上がる。そのため、ＬＤの温度を所望の温度にするためにＬＤはペルチェ素子で冷却される。これに対し、本発明者は、外部気温の低い環境で光送信モジュールを使用することを検討した。この場合、外部気温の方が低いのでＬＤの温度を上げる必要がある。ＬＤの温度を上げる場合、ペルチェ素子におけるＬＤの搭載されている面がより高温になるようにペルチェ素子を制御する必要がある。このとき、ペルチェ素子においてＬＤが搭載されている面と反対の面近傍におけるパッケージの温度が低くなることが考えられる。
【０００６】
しかしながら、パッケージの温度が低下すると、パッケージ外面に結露が生じるおそれがある。このような結露が生じると、発光モジュールと回路基板とを接続している配線や回路基板上に設けられている回路等に水分（水滴）が付着して断線等が生じてしまう。特に、プラガブル型の光送信モジュールでは、電気コネクタが故障する原因となる。そのため、光送信モジュールから安定して光を出力することができなくなることが考えられる。
【０００７】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、所望の温度に制御されつつ、光を安定して出力することができる光送信モジュール、特に所望の温度が外部気温よりも高い環境で好適に使用できる光送信モジュールを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る光送信モジュールは、発光素子、その発光素子の温度を制御するためのペルチェ素子、及び、発光素子とペルチェ素子とを収容するパッケージを有する発光モジュールと、発光モジュールと電気的に接続されている回路基板と、発光モジュールのパッケージを加熱するためのヒータと、ペルチェ素子が発光素子を加熱する場合にヒータを作動させるヒータ制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
このような構成により、ペルチェ素子を収容しているパッケージをヒータで加熱することができるので、パッケージの外面の温度を上昇させることができる。そのため、発光素子がペルチェ素子で温度制御されても、パッケージが結露の生じる温度以下に下がることを抑制することができる。また、ヒータ制御部を作動させるヒータ制御部を有しているので、ペルチェ素子が発光素子を加熱する場合に、ヒータを作動させることが可能である。
【００１０】
本発明に係る光送信モジュールにおいては、ヒータが、パッケージの外面に直に接していることが好適である。ヒータがパッケージの外面に直接接しているのでパッケージを効率よく加熱することができる。
【００１１】
また、本発明に係る光送信モジュールにおいては、ヒータが回路基板上に搭載されていることは有効である。回路基板と発光モジュールとは電気的に接続されているので、回路基板を介してパッケージの外面を加熱することができる。
【００１２】
更にまた、本発明に係る光送信モジュールにおいては、発光モジュールと、回路基板とを収容するための筐体を備え、ヒータが筐体の外面に設けられていることが好適である。これにより、筐体を介してパッケージを加熱することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面と共に本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、同一の要素には同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、図中の寸法比率は必ずしも説明中のものとは一致していない。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１〜図４を参照して第１の実施形態の光送信モジュールについて説明する。図１及び図２（ａ）に示すように光送信モジュール１は、筐体１０と、回路基板１１と、レーザダイオードドライバ（Laser Diode Driver：LDD）１２と、制御素子１３と、発光モジュール１４Ａと、ヒータ１５Ａと、レセプタクル１６とを備えている。なお、図１は本実施形態に係る光送信モジュール１の概略構成を示す斜視図である。また、図２（ａ）は図１の光送信モジュール１の構成を模式的に示した断面図である。
【００１７】
筐体１０は、回路基板１１と、ＬＤＤ１２と、制御素子１３と、発光モジュール１４Ａと、ヒータ１５Ａとを収容する。筐体１０は、例えば、亜鉛若しくはアルミニウムを成分として含む合金、又はアルミニウムによって形成されている。また、筐体１０の前壁面１０ａの外側には、光コネクタを受容するレセクタプル１６が設けられている。
【００１８】
回路基板１１は、筐体１０の底壁面１０ｂに略平行に配設されている。回路基板１１の上面１１ａには、ＬＤＤ１２及び制御素子１３が実装されている。ＬＤＤ１２と制御素子１３とは、回路基板１１上の配線により電気的に接続されている。回路基板１１における筐体１０の前壁面１０ａ側には、発光モジュール１４Ａの格納領域１１ｂが形成されている。
【００１９】
発光モジュール１４ＡはいわゆるＣＡＮ型ＥＯモジュールである。図２（ｂ）及び図３を参照して発光モジュール１４Ａの構成を説明する。図２（ｂ）は、発光モジュール１４Ａの構成を模式的に示す側面図である。図３は、発光モジュール１４Ａの構成の一例を概略的に示す斜視図である。発光モジュール１４Ａは、パッケージ１００、レーザダイオード（Laser Diode：LD）１１０、ペルチェ素子１２０、サーミスタ１３０、フォトディテクター（Photo Detector：PD）１４０及びレンズ１５０を有している。
【００２０】
パッケージ１００は、ＬＤ１１０、ペルチェ素子１２０、サーミスタ１３０、ＰＤ１４０及びレンズ１５０を収容する。パッケージ１００は、ステム１０１とキャップ１０２とから構成されている。ステム１０１及びキャップ１０２は共に鉄や銅タングステン等といった金属製部材である。ステム１０１は円盤状であって、デバイス配置面１０１ａと端子配置面１０１ｂとを有する。デバイス配置面１０１ａ側にＬＤ１１０、ペルチェ素子１２０、サーミスタ１３０、ＰＤ１４０が配置されており、それらがキャップ１０２で覆われている。キャップ１０２は、レンズ１５０を保持するホルダーとしても機能する。
【００２１】
図３を参照すると、ペルチェ素子１２０は、デバイス配置面１０１ａの中央部に配設されている。ペルチェ素子１２０はＬＤ１１０の温度を変化させるためのものである。ペルチェ素子１２０におけるデバイス配置面１０１ａと接している面（図２（ｂ）の１２１）と反対側の面１２２にはサブマウント１６０が設けられている。サブマウント１６０は、ＬＤ１１０及びサーミスタ１３０を搭載する。サブマウント１６０は、熱伝導率の良い材料で形成されていることが好適である。
【００２２】
ＬＤ１１０は、サブマウント１６０に基板１７０を介して搭載される。ＬＤ１１０は、その前端面１１１から出力された光が、レンズ１５０に入射するように配置されている。サーミスタ１３０は、ＬＤ１１０の近傍に基板１７１を介してサブマウント１６０に搭載されている。サーミスタ１３０はＬＤ１１０の温度を測定する。
【００２３】
ＰＤ１４０はサブマウント１６１上に配設されている。ＰＤ１４０は、ＬＤ１１０の後端面１１２から出力された光を受けられるように配置されていれば良い。本実施形態では、サブマウント１６０が斜面１６０ａを有しており、その斜面１６０ａに、例えば、ミラー等の反射手段（不図示）が設けられている。そして、ＬＤ１１０の後端面１１２から出力された光が反射手段で反射されてＰＤ１４０に入射するようになっている。
【００２４】
上述したペルチェ素子１２０、ＬＤ１１０、サーミスタ１３０及びＰＤ１４０は、リード端子１８０とボンディングワイヤといった配線部材１７等で電気的に接続されている。リード端子１８０は、デバイス配置面１０１ａに略直交する方向にステム１０１を貫通している。リード端子１８０は、図２（ａ）に示すように回路基板１１と電気的かつ機械的に接続されている。これにより、ＬＤ１１０は、リード端子１８０及び回路基板１１を介してＬＤ１１０を駆動するＬＤＤ１２と電気的に接続される。また、ペルチェ素子１２０、サーミスタ１３０及びＰＤ１４０もリード端子１８０及び回路基板１１を介して制御素子１３と電気的に接続される。なお、ＰＤ１４０を搭載しているサブマウント１６１はリード端子１８０上に設けられている。
【００２５】
図２（ａ）を参照すると、上記構成の発光モジュール１４Ａは、ステム１０１の端子配置面１０１ｂが筐体１０の前壁面１０ａに略平行であって、キャップ１０２が前壁面１０ａから外側に突出するように回路基板１１の格納領域１１ｂに格納されている。なお、前壁面１０ａから突出したキャップ１０２は、レセクタプル１６で覆われている。
【００２６】
ヒータ１５Ａはステム１０１の側周面１０１ｃ上に直接搭載されている。ヒータ１５Ａとしては、例えば、セラミックの小型の薄膜ヒータなどが考えられる。ヒータ１５Ａは、接着剤等により側周面１０１ｃに取り付けられている。ヒータ１５Ａは、例えば、配線部材（図１の１７）で回路基板１１と電気的に接続される。なお、ヒータ１５Ａの取り付けは接着剤等により接着する場合に限らず、例えば、ステム１０１にヒータ１５Ａの形状の溝等を形成しておき、その溝等にはめ込んでステム１０１に取り付けても良い。
【００２７】
上記、ＬＤＤ１２、ペルチェ素子１２０及びヒータ１５Ａは制御素子１３により制御される。図４を参照して制御素子１３の機能を説明する。図４は、光送信モジュール１の機能ブロック図である。制御素子１３は、図４に示すようにＬＤ制御部１３ａ、ペルチェ素子制御部１３ｂ及びヒータ制御部１３ｃを備える。
【００２８】
ＬＤ制御部１３ａはＰＤ１４０と接続されており、ＰＤ１４０の測定値を受け付ける。ＬＤ制御部１３ａは、ＰＤ１４０の測定値に基づいてＬＤ１１０から出力される光のパワーが所望の値となるようにＬＤＤ１２を制御する。
【００２９】
ペルチェ素子制御部１３ｂはペルチェ素子１２０とサーミスタ１３０とに接続されている。ペルチェ素子制御部１３ｂはサーミスタ１３０の測定値を受け付ける。ペルチェ素子制御部１３ｂはサーミスタ１３０の測定値に基づいて、ＬＤ１１０が最適な条件で動作できる温度である設定温度になるようにペルチェ素子１２０を制御する。より詳細に説明すると、ペルチェ素子制御部１３ｂは、ＬＤ１１０の設定温度がＬＤ１１０の実際の温度よりも高い場合には、ペルチェ素子１２０におけるＬＤ１１０が配置される面１２２がより高温になるようにペルチェ素子１２０を制御する。逆に、ペルチェ素子制御部１３ｂは、ＬＤ１１０の設定温度が実際の温度よりも低い場合には、ペルチェ素子１２０の面１２２がより低温になるようにペルチェ素子１２０を制御する。また、ペルチェ素子制御部１３ｂは、ＬＤ１１０の設定温度をヒータ制御部１３ｃに入力する。
【００３０】
ヒータ制御部１３ｃは、光送信モジュール１の外部に設けられている外部気温センサ１８とヒータ１５Ａとに接続されている。外部気温センサ１８は、光送信モジュール１の外部気温を測定する。ヒータ制御部１３ｃは、ＬＤ１１０の設定温度と外部気温とを比較してＬＤ１１０の設定温度が外部気温より高い場合にヒータ１５Ａを作動させる。
【００３１】
ここで、ＬＤ１１０の設定温度が外部気温より高い場合にヒータ１５Ａが作動されることが重要である。上述したように、ＬＤ１１０の設定温度が外部気温より高く設定されていた場合、ペルチェ素子制御部１３ｂは、図２（ｂ）に示すペルチェ素子１２０の面１２２がより高温となるようにペルチェ素子１２０を制御する。したがって、デバイス配置面１０１ａと接しているペルチェ素子１２０の面１２１はより低温になる。一方、発光モジュール１４Ａのパッケージ１００は金属製であることから熱伝導率が良い。また、ステム１０１にはリード端子１８０が接続されている。そのため、ペルチェ素子１２０の面１２１の温度が下がるにしたがって、ステム１０１やリード端子１８０の温度も低下する。
【００３２】
ところで、本実施形態では、ステム１０１の側周面１０１ｃにヒータ１５Ａが設けられている。ヒータ１５Ａは、ＬＤ１１０の設定温度が外部気温よりも高い場合に作動する。そのため、ＬＤ１１０の設定温度の方が外部気温より高い状態でも、ステム１０１やリード端子１８０が、結露の生じる温度以下になることを抑制することができる。これにより、回路基板１１などに結露で生じた水滴が付着することが無いのでショートや断線などが生じにくく、光送信モジュール１が安定して光を出力することができる。
【００３３】
なお、本実施形態では、ステム１０１の側周面１０１ｃにヒータ１５Ａを配置しているが、必ずしも側周面１０１ｃに限る必要はない。例えば、発光モジュール１４Ａのパッケージ１００の外面と熱的に接触している部分やその近傍であるならばどこに配置しても良い。図５（ａ），（ｂ）にヒータの配置例を示す。図５（ａ）,（ｂ）は夫々、ヒータ１５Ｂ〜１５Ｅを配置した光送信モジュールの構成を模式的に示す断面図である。ヒータ１５Ｃは、リード端子１８０の近傍の回路基板１１上に設けられている。この場合、ヒータ１５Ｃによりリード端子１８０や、そのリード端子１８０と接しているステム１０１が暖められる。また、ヒータ１５Ｂ，１５Ｄは、回路基板１１上であって側周面１０１ｃに接するように設けられている。この場合、ヒータ１５Ｂ，１５Ｄが側周面１０１ｃに接しているので、ステム１０１が暖められる。更に、ヒータ１５Ｅは、側周面１０１ｃ近傍の底壁面１０ｂの外側に配置されている。この場合、筐体１０を介してパッケージ１００の外面が暖められる。このように、ヒータ１５Ｂ〜１５Ｅを図５（ａ），（ｂ）に示すように配置しても、リード端子１８０やステム１０１が加熱されるので、結露が生じることを抑制することができる。なお、ヒータ１５Ｂ〜１５Ｅは、夫々ヒータ１５Ａに相当するものである。
【００３４】
（第２の実施形態）
図６〜図８を参照して、第２の実施形態に係る光送信モジュールについて説明する。図６は、第２の実施形態に係る光送信モジュール２の構成を概略的に示す斜視図である。また、図７（ａ），（ｂ）は、光送信モジュール２の構成を模式的に示した断面図である。
【００３５】
光送信モジュール２は、発光モジュール１４Ｂがバタフライ型ＥＯモジュールである点、及び、図７（ａ），（ｂ）に示すようにヒータ１５Ｆ〜１５Ｈが回路基板１１上に設けられている点で第１の実施形態の光送信モジュール１と相違する。
【００３６】
図７（ｃ）及び図８を参照して発光モジュール１４Ｂについて説明する。図７（ｃ）は、発光モジュール１４Ｂの構成を模式的に示す側面図である。また、図８は、発光モジュール１４Ｂの構成の一例を概略的に示す斜視図である。発光モジュール１４Ｂは、パッケージ２００と、ＬＤ１１０と、ペルチェ素子１２０と、サーミスタ１３０と、ＰＤ１４０とを備える。
【００３７】
パッケージ２００は、収容部２０１と光ファイバ支持部２０２とから構成される。収容部２０１は、ＬＤ１１０、ペルチェ素子１２０、サーミスタ１３０及びＰＤ１４０を収容する。光ファイバ支持部２０２は、収容部２０１の前壁面２０１ａに設けられている。光ファイバ支持部２０２は光ファイバ１９を支持する。収容部２０１の側壁面２０１ｂ，２０１ｃの高さ方向中央位置にはリード端子１８０が設けられている。
【００３８】
収容部２０１の底壁面２０１ｄにはペルチェ素子１２０が搭載されている。第１の実施形態と同様にペルチェ素子１２０の面１２２上にはＬＤ１１０及びサーミスタ１３０が搭載されている。ＬＤ１１０は、サブマウント１６３を介してペルチェ素子１２０の面１２２に搭載されている。サブマウント１６３は略Ｌ字形をしている。ＬＤ１１０は、その前端面１１１から出力された光がサブマウント１６３に設けられているレンズ１５１を介して光ファイバ支持部２０２に出力されるように配置されている。また、サーミスタ１３０は、ＬＤ１１０の近傍であって、サブマウント１６３上に載置されている。
【００３９】
ＰＤ１４０は、第１の実施形態と同様にＬＤ１１０の後端面１１２から出力される光を受けるように配置されている。図８を参照すると、ＰＤ１４０は略Ｌ字形のサブマウント１６４を介して収容部２０１の底壁面２０１ｄに設けられている。
【００４０】
光ファイバ支持部２０２内にはレンズ１５２が配置されている。レンズ１５２は、ＬＤ１１０から出力された光を光ファイバ１９に入射させるためのものである。ＬＤ１１０からの光を光ファイバ１９に入射させるために、フェルールおよびフェルールホルダが光ファイバ支持部２０２内に配置されている。
【００４１】
上記発光モジュール１４Ｂは、図７（ｂ）を参照すると、光ファイバ支持部２０２が筐体１０の前壁面１０ａから突出するように回路基板１１の格納領域１１ｂに配置されている。また、発光モジュール１４Ｂのリード端子１８０が回路基板１１と電気的かつ機械的に接続されている。また、ＬＤ１１０、ペルチェ素子１２０及びサーミスタ１３０は、リード端子１８０と電気的に接続されている。したがって、第１の実施形態と同様に、ＬＤ１１０がＬＤＤ１２と電気的に接続され、ペルチェ素子１２０、サーミスタ１３０及びＰＤ１４０が夫々制御素子１３と電気的に接続されている。
【００４２】
ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈは、図７（ｂ）に示すように発光モジュール１４Ｂの収容部２０１の外面に接するように回路基板１１上に設けられている。ヒータ１５Ｆ，１５Ｈは、リード端子１８０近傍の回路基板１１上に配置される。また、ヒータ１５Ｇは、収容部２０１の後壁面２０１ｅに接するように配置されている。ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈは、配線部材１７などで回路基板１１と電気的に接続される。更に、ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈは回路基板１１を介して制御素子１３と電気的に接続される。ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈは、第１の実施形態と同様に、薄膜ヒータなどを用いればよい。
【００４３】
制御素子１３の機能は、ヒータ制御部１３ｃがヒータ１５Ｆ〜１５Ｈを制御する点で相違する以外は第１の実施形態と同様の機能を有する。即ち、ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈは、ＬＤ１１０の設定温度が外部気温よりも高い場合にヒータ制御部１３ｃにより作動される。
【００４４】
本実施形態の場合、ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈが、回路基板１１上であって収容部２０１に直に接するようになっている。そのため、ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈが作動した場合、収容部２０１の外面やリード端子１８０及び回路基板１１が効率よく加熱される。したがって、ペルチェ素子１２０でＬＤ１１０の温度を上げる場合でも、収容部２０１の外面やリード端子１８０の温度が、結露の生じる温度以下になることを抑制できる。そのため、第１の実施形態の場合と同様に、ＬＤ１１０の設定温度が外部気温よりも高い環境で光送信モジュール２を使用しても、光を安定して出力することが可能である。
【００４５】
なお、本実施形態では、ＬＤＤ１２は、発光モジュール１４Ｂの外に配置しているが、特に外部に配置する場合に限る必要はない。例えば、発光モジュール内部にＬＤＤを配置しても良い。
【００４６】
更に、ヒータの配置も本実施形態の配置に限る必要はない。例えば、図９に示すようにヒータ１５Ｉを、収容部２０１の底壁面２０１ｄの下方に位置する筐体の底壁面１０ｂの外面に取り付けても良い。この場合には、筐体１０と収容部２０１の前壁面２０１ａが接していることから筐体１０を介して収容部２０１を暖めることが可能である。また、ヒータ１５Ｉにより、底壁面１０ｂが加熱されることで筐体１０内の雰囲気（特に、収容部２０１と底壁面１０ｂとの間の雰囲気）が温まり、収容部２０１の外面の温度が下がることが抑制される。なお、ヒータ１５Ｉの面積は、収容部２０１の底壁面２０１ｄの面積に対応していることがより好ましい。上記ヒータ１５Ｉは、ヒータ１５Ｆ〜１５Ｈと同様に第１の実施形態のヒータ１５Ａに相当するものである。
【００４７】
なお、上記第１及び第２の実施形態では発光素子をＬＤとしているが、必ずしもＬＤに限る必要はない。発光ダイオードなどを用いても良い。この場合には、ＬＤＤは、その発光素子に対応した駆動回路を用いればよい。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、発光素子が所望の温度に制御された状態で安定した光を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光送信モジュールの構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１の光送信モジュールの主要部を模式的に示す断面図である。（ｂ）は、発光モジュールの構成を模式的に示す側面図である。
【図３】第１の実施形態における発光モジュールの斜視図である。
【図４】光送信モジュールの機能を示すブロック図である。
【図５】（ａ）は、ヒータの配置が異なる光送信モジュールを側方からみた場合の構成を模式的に示す断面図である。（ｂ）は、ヒータの配置が異なる光送信モジュールを上方から見た場合の構成を示す断面図である。
【図６】第２の実施形態に係る光送信モジュールの構成を概略的に示す斜視図である。
【図７】（ａ）は、図５の光送信モジュールを側方からみた構成を模式的に示す断面図である。（ｂ）は、図５の光送信モジュールを上方から見た構成を模式的に示す断面図である。（ｃ）は、図５に記載されている発光モジュールの構成を模式的に示す側面図である。
【図８】第２の実施形態における発光モジュールの斜視図である。
【図９】ヒータの配置例を示すための光送信モジュールの模式図である。
【符号の説明】
１，２…光送信モジュール、１０…筐体、１１…回路基板、１２…レーザダイオードドライバ（ＬＤＤ）、１３…制御素子、１４Ａ，１４Ｂ…発光モジュール、１５Ａ〜１５Ｉ…ヒータ、１６…配線部材、１７…外部気温センサ、１００，２００…パッケージ、１０１…ステム、１０２…キャップ、１１０…レーザダイオード（発光素子）、１２０…ペルチェ素子、１３０…サーミスタ、１４０…フォトディテクター（ＰＤ）、１５０〜１５３…レンズ、１６０〜１６４…サブマウント、１７０，１７１…基板、１８０…リード端子、２０１…収容部、２０２…ファイバ接続部
Claims (4)
- 発光素子、前記発光素子の温度を制御するためのペルチェ素子、及び、前記発光素子と前記ペルチェ素子とを収容するパッケージを有する発光モジュールと、
前記発光モジュールと電気的に接続されている回路基板と、
前記発光モジュールの前記パッケージを加熱するためのヒータと、
前記ペルチェ素子が前記発光素子を加熱する場合に前記ヒータを作動させるヒータ制御部と、
を備えることを特徴とする光送信モジュール。 - 前記ヒータが前記パッケージの外面に直に接していることを特徴とする請求項１記載の光送信モジュール。
- 前記ヒータが前記回路基板上に搭載されていることを特徴する請求項１記載の光送信モジュール。
- 前記発光モジュールと前記回路基板とを収容するための筐体を備え、
前記ヒータが前記筐体の外面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の光送信モジュール。
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