JP4586846B2 - 光送信器 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子の温度を制御する熱電モジュールを用いた光送信器に関する。

従来から、レーザダイオード（ＬＤ）などの発光素子の特性を一定に保持するためにＬＤの温度を一定に制御する熱電モジュール備えた光送信器が知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載された光送信器は、熱電モジュールを備えており、熱電モジュールは、略円形を有する冷却側基板と、冷却側基板より径が大きい放熱側基板と、両基板の間に挟着される電子冷却素子とによって構成されている。その冷却基板内部には、光半導体モジュールが搭載されている。このような構成により、光送信器における放熱効率が高められている。
特開平９−２７６５５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたような従来の光送信器においては、熱電モジュールの消費電力が大きかった。本発明は、熱電モジュールの消費電力が低減された光送信器を提供することを目的としている。

従来の光送信器では、熱電モジュールの第１の板状体（吸熱側）に発光素子、サーミスタ、モニタフォトダイオード（ｍＰＤ）などの多くの素子が載置されていることが、熱電モジュールの消費電力が大きくなる一因であることを見出した。すなわち、第１の板状体に搭載された素子は、（熱電モジュール起動前の）定常状態においても熱を蓄えており、その熱量は搭載された素子の包絡体積に比例する。従って、包絡体積が大きくなれば、蓄えられる熱量も増加する。熱電モジュールを起動した際には、まず、定常的に蓄えられた熱量を吸収して発光素子をコントロールすべき温度に調整する必要がある。しかしながら、第１の板状体に搭載された素子数が多いとそれだけ多くの熱を吸収しなければならないことが消費電力の増大の一因となっている。また、ｍＰＤのように電気信号によって駆動される素子はワイヤなどによってパッケージ外のリード端子に接続されている。したがって、リード端子を及びワイヤを介して外部の熱が流入する。その熱量も熱電モジュールによって吸収しなければならないことが従来の光送信器における消費電力増大の更なる一因となっている。その一方で、ｍＰＤは発光素子から出力された光を受光するために、その近傍に配置される必要があり、従来の光送信器では、ｍＰＤが第１の板状体上に配置されていた。図５に示されるように、ｍＰＤ１０４を第１の板状体１０１上から取り除くアプローチがなされた光送信器も考案されている。しかしながら、この光送信器では、発光素子（ＬＤ）１０５からの出力光をｍＰＤ１０４に導くためにプリズムミラー１０８や集光レンズ（図示せず）などを第１の板状体１０１上に配置しなければならないため吸熱対象物を減らすことができない。また、モジュールの大型化や、ＬＤ−ｍＰＤ間の光路長増大に伴う結合効率の劣化などの問題を生じさせるおそれもある。本発明の発明者は、上記知見に鑑み、第１の板状体に載置する素子を減らして消費電力を低減させるべく、鋭意検討した結果、本発明を完成させた。

本発明に係る光送信器は、（ａ）絶縁性の第１の板状体と、前記第１の板状体に対向して配置されている第１の領域と前記第１の板状体に対向していない第２の領域とを含む主面を有する絶縁性の第２の板状体と、前記第１の板状体と前記第２の板状体の前記第１の領域との間に介在され前記第１の板状体に接触した第１の面と前記第１の領域に接触した第２の面とを有する熱電変換素子と、を有する熱電モジュールと、（ｂ）前記第１の板状体に搭載されたＬＤキャリア上に固定されることによって前記第１の板状体に支持され第１の光出射面と該第１の光出射面に対向する第２の光出射面とを有する発光素子と、（ｃ）前記第２の板状体の前記第２の領域に所定軸線に対して傾斜して搭載され、前記発光素子の前記第２の光出射面から出射される光の一部を受ける受光素子と、（ｄ）前記第１の光出射面と光結合するレンズと、前記第２の板状体を搭載し主面を有し前記所定軸線に交差する面に沿って延びるステムと、前記ステム上に固定される一端と前記レンズを保持する開口を有する他端とを含み前記所定軸線の方向に延びる筒状をなすレンズキャップとを有するＣＡＮケースとを備える。前記熱電モジュールは、前記第２の板状体を下にして前記ステム上に設置され、前記第１及び第２の板状体の各々は、前記所定軸線に交差する面に沿って設けられ、前記第１の領域及び前記第２の領域は、前記所定軸線に交差する方向に順に配置されており、前記熱電変換素子の前記第１の面が吸熱面及び放熱面の一方となり、前記熱電変換素子の前記第２の面が吸熱面及び放熱面の他方となり、前記熱電変換素子はペルチェ素子であり、前記ステムは、前記受光素子、前記発光素子、及び前記熱電変換素子と電気的に接続された複数のリード端子を含み、前記受光素子は前記リード端子に金属ワイヤを介して接続されており、前記発光素子、前記受光素子、及び前記熱電モジュールは、前記ＣＡＮケースに収納されている。
本発明に係る光送信器では、前記ＬＤキャリアは、前記第１の板状体に交差する所定の面に沿って延びる支持面を有し、前記発光素子は、前記第２の光出射面から出射される光が前記第２の領域に入射するように前記支持面に搭載されている。
本発明に係る光送信器では、前記フォトダイオードは、フォトダイオードキャリアを介して前記第２の領域に支持されており、前記フォトダイオードは、前記発光素子の前記第２の光出射面から出射され前記第２の領域に入射する光を受ける。

本発明に係る光送信器は、熱電モジュールと、発光素子と、受光素子とを備える。熱電モジュールは、第１の板状体と、第２の板状体と、熱電変換素子とを有する。第１の板状体は、絶縁性である。第２の板状体は、第１の領域と第２の領域とを有し、少なくとも第１の領域が第１の板状体に対向して配置されている。熱電変換素子は、第１の板状体と第２の板状体との間に介在され、第１の板状体と第１の領域とに接触している。発光素子は、第１の板状体に支持されている。受光素子は、第２の板状体の第２の領域に搭載され、発光素子が出射した光の一部を受ける。
本発明に係る光送信器では、第１の板状体が、第２の板状体の第１の領域に対向して配置されている。第１の板状体に支持された発光素子からの光の一部は、第２の板状体の第２の領域に搭載された受光素子に入射する。この構成によれば、第１の板状体に受光素子が搭載されていないので、熱電モジュールにおける消費電力を低減させることができる。

本発明の光送信器において、第１の板状体には、開口が設けられており、発光素子から出射された光の一部は、該開口を通過して受光素子に入射することができる。

本発明の光送信器は、第１の板状体に搭載されているキャリアを更に備えることができる。キャリアは、第１の板状体に交差する所定の面に沿って延びる支持面を有する。発光素子は、支持面に搭載されている。

本発明の光送信器では、発光素子の温度を検知する感温素子が、キャリアに搭載されていても良い。

本発明の光送信器において、発光素子は、第１の光出射面と該第１の光出射面に対向する第２の光出射面を有することができる。受光素子は、第２の光出射面から出射される光を受光することができる。

本発明の光送信器は、ＣＡＮケースを更に備えることができる。ＣＡＮケースは、第１の光出射面と光結合するレンズと、第２の板状体を搭載するステムとを有する。発光素子、受光素子、及び熱電モジュールは、ＣＡＮケースに収納されている。

本発明によれば、第１の板状体上に載置する素子を減らして低消費電力化を図ると共に、第１の板状体上の素子の包絡体積を減らしているので、ＣＡＮケースを備える光送信器の小型化を実現することができる。

本発明に係る光送信器は、第１の板状体に受光素子が搭載されていないので、熱電モジュールの消費電力を低減させることができる。

以下、図面と共に本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素又は同一部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

[第１の実施の形態]

図１は、第１の実施の形態に係る光送信器１０の一部破断斜視図である。図２は、図１のII−II線断面図である。光送信器１０は、熱電モジュール１２と、フォトダイオード（以下、「ＰＤ」という）２４と、レーザダイオード（以下、「ＬＤ」という）２５と、ＣＡＮケース３０とを備えている。

熱電モジュール１２は、いわゆるペルチェ素子と呼ばれる複数の熱電変換素子２０と、熱電変換素子２０を挟む第１の板状体２１及び第２の板状体２２とを備えている。第１の板状体２１及び第２の板状体２２は、所定軸線Ｘに交差する面に沿って設けられている。第１の板状体２１及び第２の板状体２２は、いずれも絶縁性の材料で構成されている。

第１の板状体２１には、所定軸線Ｘの方向に延びる開口２１ａが形成されている。光送信器１０では、第１の板状体２１のほぼ中央付近に開口２１ａが形成されているが、開口２１ａの位置は中央付近に限定されない。また、開口２１ａの形状は円形であるが、必ずしも円形には限られず、開口２１ａはいかなる形状であってもよい。

熱電変換素子２０は、第１の面２０ａと第２の面２０ｂとを有する。熱電変換素子２０では、電流の方向によって、第１の面２０ａが吸熱面又は放熱面の一方となり、第２の面２０ｂが吸熱面又は放熱面の他方となる。

熱電変換素子２０の第１の面２０ａ側に第１の板状体２１が配置され、第１の面２０ａは第１の板状体２１に接触している。すなわち、それぞれの熱電変換素子２０では、その第１の面２０ａの全体が第１の板状体２１に接触されており、第１の板状体２１の開口２１ａが熱電変換素子２０によって塞がれることはない。したがって、第１の板状体２１の上から、開口２１ａを通して第２の板状体２２を見ることができる。また、熱電変換素子２０の第２の面２０ｂ側に第２の板状体２２が配置され、第２の面２０ｂは第２の板状体２２に接触している。

第２の板状体２２は、その主面に第１の領域２２ａ及び第２の領域２２ｂを有している。第１の領域２２ａは、第１の板状体２１に対向しており、第２の領域２２ｂは、第１の板状体２１に設けられた開口２１ａに対向している。

第２の板状体２２の第２の領域２２ｂには、ＰＤ２４が支持されている。したがって、ＰＤ２４は、第１の板状体２１の開口２１ａに向かい合う位置に配置されている。ＰＤ２４は、フォトダイオードキャリア２４ａを介して第２の領域２２ｂ上に支持されている。フォトダイオードキャリア２４ａは、所定軸線Ｘに対して所定角度で傾斜する面を有しており、この面にＰＤ２４が搭載されている。したがって、ＰＤ２４も、所定軸線Ｘに対して所定角度で傾斜して設けられているので、ＰＤ２４からＬＤ２５への戻り光が低減される。

第１の板状体２１には、ＬＤキャリア２６が搭載されている。ＬＤキャリア２６は、第１のブロック２６ａ、第２のブロック２６ｂ、及び第３のブロック２６ｃからなる。ＬＤキャリア２６は、いわゆるサーマルブロックのように、熱伝導性に優れた部材である。第３のブロック２６ｃは、所定軸線Ｘの方向に延びる支持面２６ｄを有している。支持面２６ｄには、ＬＤ２５が固定されている。

ＬＤ２５は、光出射面（第１の光出射面）２５ａ及び光反射面（第２の光出射面）２５ｂを有している。ＬＤ２５は、図１及び図２に示される状態を基準にして、上下両方向に光を出力する。以下、上方向に出力される光を「信号光」、下方向に出力される光を「後面光」という。すなわち、光出射面２５ａから出射される光は信号光であり、光反射面２５ｂから出射される光が後面光である。

ＬＤ２５は、後面光が第１の板状体２１の開口２１ａを通って第２の板状体２２上に設けられたフォトダイオード２４によって受光されるような位置に配置されている。すなわち、光出射面２５ａ及び光反射面２５ｂが所定軸線Ｘに交差するように支持面２６ｄに固定されている。これによって、ＬＤ２５は、ＬＤキャリア２６を介して第１の板状体２１に支持される。サーミスタ（感温素子）２７も第３のブロック２６ｃの支持面２６ｄに固定されている。すなわち、サーミスタ２７は、ＬＤ２５の近傍において第１の板状体２１にＬＤキャリア２６を介して搭載され、ＬＤ２５付近の温度をモニタする。

ＣＡＮケース３０は、ステム３１と、レンズキャップ３２と、レンズ３３とを有している。ステム３１は、所定軸線Ｘに交差する面に沿って延びている。ステム３１は、その主面に熱電モジュール１２を搭載している。すなわち、熱電モジュール１２は、第２の板状体２２を下にしてステム３１上に載置されている。ステム３１は、所定軸線Ｘ方向に延びる複数のリード端子３１ａを含んでいる。リード端子３１ａは、ＰＤ２４、ＬＤ２５、及び熱電変換素子２０と金属ワイヤを介して電気的に接続される。

レンズキャップ３２は、所定軸線Ｘの方向に延びる筒状をなしている。レンズキャップ３２は、ステム３１上に設けられ、熱電モジュール１２、ＰＤ２４、ＬＤ２５、ＬＤキャリア２６、サーミスタ２７といった部品を覆っている。すなわち、レンズキャップ３２の一端がステム３１の主面に固定されることによって、レンズキャップ３２はステム３１に支持されている。

レンズキャップ３２の一部、すなわち、その他端は開口されており、その開口３２ａにレンズ３３が保持されている。開口３２ａを画する内周面はレンズ３３を保持するためのレンズ保持部となっている。開口３２ａはＬＤ２５の出力光を通過させる開口である。レンズキャップ３２は、ＬＤ２５からの出力光（信号光）の光軸上に開口３２ａが位置するように配置されている。開口３２ａを透過する光は、光ファイバ（図示せず）の一端に導かれる。すなわち、レンズ３３によって、ＬＤ２５の光出射面２５ａから出射される光が光ファイバの一端に効率よく導かれる。

以上説明した光送信器１０では、第１の板状体２１に開口２１ａが形成されている。このため、第２の板状体２２において開口２１ａに向かい合う位置にモニタ用のフォトダイオード２４を配置することができる。また、第１の板状体２１上に、ＬＤ２５とその温度をモニタするサーミスタ２７とを搭載し、ＬＤから出力され開口２１ａを通過した光をＰＤ２４によって受光する構成の光送信器１０を実現することができる。このような態様で使用することにより、定常状態で熱を蓄える素子の一つであるＰＤ２４を第１の板状体２１上から取り除き、熱電モジュール１２の消費電力を低減させることができる。また、フォトダイオード２４に接続されるワイヤを介して外部から流入する熱を熱電モジュール１２が吸収する必要がないので、熱電モジュール１２の消費電力を低減させることができる。

また、光送信器１０では、熱電モジュール１２の第１の板状体２１上からＰＤ２４を取り除いた構成により、第１の板状体２１上の素子の包絡体積を低減させ、コンパクトなＣＡＮ構造が実現されている。

[第２の実施の形態]

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る光送信器１０ｂの一部破断斜視図である。図４は、図３のIV−IV線断面図である。光送信器１０ｂは、熱電モジュール１２ｂと、ＰＤ２４と、フォトダイオードキャリア２４ａと、ＬＤ２５と、ＬＤキャリア２６と、サーミスタ２７と、ＣＡＮケース３０とを備えている。光送信器１０ｂと第１の実施の形態の光送信器１０とでは、熱電モジュール１２ｂが異なる。

熱電モジュール１２ｂは、複数の熱電変換素子２０ｃと、熱電変換素子２０ｃを挟む第１の板状体２１ｃ及び第２の板状体２２ｃとを有する。第１の板状体２１ｃ及び第２の板状体２２ｃは、いずれも絶縁性の材料で構成されている。

第２の板状体２２ｃは、所定軸線Ｘに交差する方向に順に設けられている第１の領域２２ｄ及び第２の領域２２ｅを有している。第１の板状体２１ｃは、第２の板状体２２ｃの第１の領域２２ｄと対向配置されている。すなわち、第２の板状体２２ｃは第１の板状体２１ｃより大きく第２の板状体２２ｃの一部（第２の領域２２ｅ）が第１の板状体２１ｃ側から見える。

熱電変換素子２０ｃの第１の面２０ａ側に第１の板状体２１ｃが配置され、第１の面２０ａは第１の板状体２１ｃに接触している。熱電変換素子２０ｃの第２の面２０ｂ側に第２の板状体２２ｃが配置され、第２の面２０ｂは第２の板状体２２ｃに接触している。

ＬＤ２５は、第２の領域２２ｅに後面光が入射するように、ＬＤキャリア２６に支持されている。ＰＤ２４は、フォトダイオードキャリア２４ａを介して第２の領域２２ｅに支持されている。ＰＤ２４は、第２の領域２２ｅに入射するＬＤ２５からの後面光を受ける。

以上説明した光送信器１０ｂでは、ＬＤ２５から出力される後面光が第１の板状体２１ｃの外側を通って第２の板状体２２ｃの第２の領域２２ｅに支持されているフォトダイオード２４によって受光される。このような態様で使用することにより、定常状態で熱を蓄積する素子の一つであるＰＤ２４を第１の板状体２１ｃから取り除くことができるので、熱電モジュール１２ｂの消費電力を低減させることができる。また、フォトダイオード２４に接続されるワイヤを介して外部から流入する熱を熱電モジュール１２ｂが吸収する必要がないので、熱電モジュールの消費電力が更に低減される。

また、光送信器１０ｂでは、熱電モジュール１２ｂの第１の板状体２１ｃ上からＰＤ２４を取り除いた構成により、第１の板状体２１ｃ上の素子の包絡体積を低減させ、コンパクトなＣＡＮ構造が実現されている。

図１は、第１の実施形態に係る光送信器の一部破断斜視図である。 図２は、図１のII−II線断面図である。 図３は、第２の実施形態に係る光送信器の一部破断斜視図である。 図４は、図３のIV−IV線断面図である。 従来の光送信器を示す斜視図である。

符号の説明

１０，１０ｃ…光送信器、１２、１２ｃ…熱電モジュール、２０，２０ｃ…熱電変換素子、２１，２１ｃ…第１の板状体、２２，２２ｃ…第２の板状体、２３…レンズ、２４…フォトダイオード、２５…ＬＤ、２６…ＬＤキャリア、２７…サーミスタ、３０…ＣＡＮケース、３１…ステム、３２…レンズキャップ、３３…レンズ。

Claims (3)

1. 絶縁性の第１の板状体と、前記第１の板状体に対向して配置されている第１の領域と前記第１の板状体に対向していない第２の領域とを含む主面を有する絶縁性の第２の板状体と、前記第１の板状体と前記第２の板状体の前記第１の領域との間に介在され前記第１の板状体に接触した第１の面と前記第１の領域に接触した第２の面とを有する熱電変換素子と、を有する熱電モジュールと、
   前記第１の板状体に搭載されたＬＤキャリア上に固定されることによって前記第１の板状体に支持され第１の光出射面と該第１の光出射面に対向する第２の光出射面とを有する発光素子と、
   前記第２の板状体の前記第２の領域に所定軸線に対して傾斜して搭載され、前記発光素子の前記第２の光出射面から出射される光の一部を受ける受光素子と、
   前記第１の光出射面と光結合するレンズと、前記第２の板状体を搭載し主面を有し前記所定軸線に交差する面に沿って延びるステムと、前記ステム上に固定される一端と前記レンズを保持する開口を有する他端とを含み前記所定軸線の方向に延びる筒状をなすレンズキャップとを有するＣＡＮケースと
   を備え、
   前記熱電モジュールは、前記第２の板状体を下にして前記ステム上に設置され、
   前記第１及び第２の板状体の各々は、前記所定軸線に交差する面に沿って設けられ、
   前記第１の領域及び前記第２の領域は、前記所定軸線に交差する方向に順に配置されており、
   前記熱電変換素子の前記第１の面が吸熱面及び放熱面の一方となり、前記熱電変換素子の前記第２の面が吸熱面及び放熱面の他方となり、
   前記熱電変換素子はペルチェ素子であり、
   前記ステムは、前記受光素子、前記発光素子、及び前記熱電変換素子と電気的に接続された複数のリード端子を含み、
   前記受光素子は前記リード端子に金属ワイヤを介して接続されており、
   前記発光素子、前記受光素子、及び前記熱電モジュールは、前記ＣＡＮケースに収納され、
   前記ＬＤキャリアは、前記第１の板状体に交差する所定の面に沿って延びる支持面を有し、
   前記発光素子は、前記第２の光出射面から出射される光が前記第２の領域に入射するように前記支持面に搭載され、
   前記フォトダイオードは、フォトダイオードキャリアを介して前記第２の領域に支持されており、
   前記フォトダイオードは、前記発光素子の前記第２の光出射面から出射され前記第２の領域に向かって進む光を受ける、光送信器。
2. 前記第１の板状体上にＬＤキャリアを介して搭載されるサーミスタを更に備える、請求項１に記載の光送信器。
3. 前記ステムの前記複数のリード端子は、前記第２の板状体の前記第１及び第２の領域の両側に配列されている、請求項１または請求項２に記載の光送信器。

Images