JP4639578B2

JP4639578B2 - 半導体レーザモジュール及びその製造方法

Info

Publication number: JP4639578B2
Application number: JP2003184622A
Authority: JP
Inventors: 雅彦波若; 太郎金子
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2023-06-27
Also published as: US20040264538A1; JP2005019820A; EP1492208A3; EP1492208A2; US7308012B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信技術の分野で用いられる半導体レーザモジュール及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムは、大容量かつ長距離伝送を特長として、発展を続けてきた。大容量化では、変調速度の高速化を推し進めることにより、10[Gbits]までが実用化されている。また、長距離化では、低損失光ファイバとＥＤＦＡ（erbium-doped fiber amplifier：エルビウムドープ光ファイバ増幅器）との組み合わせによって、無中継距離が100[km]を超えるようになってきている。しかしながら、ＥＤＦＡは、励起ＬＤモジュール、Ｅｒ光ファイバ、光アイソレータ等の多数の光部品から構成されることにより、そのサイズが大きくなり、小型化には不向きである。そのため、市場での小型化のニーズに応えるべく、ＳＯＡ（semiconductor optical amplifier：半導体光増幅器）の開発及び製品化が活発に行われている。ＳＯＡは、ＥＤＦＡと比較して、小型、低製造コスト、低消費電力等の利点がある。
【０００３】
ここで、ＳＯＡの使用形態の一例について、図６を用いて説明する。図６は、従来の光送信用モジュールを示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。
【０００４】
光送信用モジュール５９は、10[Gbits]の光通信システムで用いられ、二つのモジュールから構成されている。一つは左側の光変調器を内蔵したレーザモジュール８０であり、もう一つが右側のＳＯＡモジュール６０である。
【０００５】
レーザモジュール８０は、ＤＦＢ（distributed feedback：分布帰還型）レーザ素子８１、レンズ８２、コの字型ホルダ（図示せず）、光アイソレータ８３、素子キャリア８４、ペルチェ素子８５、レンズ８６、フェルール８７、光ファイバ８８、パッケージ８９等から構成されている。
【０００６】
ＤＦＢレーザ素子８１は、光変調器を内蔵しており、変調光信号（信号光）を出力する。レンズ８２は、ガラス製の透光部が合金製の枠部に嵌め込まれた構造になっており、ＤＦＢレーザ素子８１から出力された信号光を光アイソレータ８３へ集光する。光アイソレータ８３は、ＤＦＢレーザ素子８１への戻り光を阻止する。素子キャリア８４は、ＤＦＢレーザ素子８１、レンズ８２及び光アイソレータ８３の光軸を一致させた状態でこれらを固定する。ペルチェ素子８５は、光ファイバ８８から変調光信号を安定して出力するために、ＤＦＢレーザ素子８１の温度を一定に保つ。レンズ８６は、光アイソレータ８３を通過した信号光を光ファイバ８８へ集光する。フェルール８７は、光ファイバ８８をレンズ８６を介してパッケージ８９に固定する。光ファイバ８８は、ＤＦＢレーザ素子８１から出力された信号光をパッケージ８９の外へ導く。
【０００７】
一方、ＳＯＡモジュール６０は、光ファイバ６１、フェルール６２、レンズ６３、レンズ６４、ＳＯＡ素子６５、レンズ６６、レンズ６７、フェルール６８、光ファイバ６９、キャリア７０、ペルチェ素子７１、パッケージ７２等から構成されている。換言すると、ＳＯＡモジュール６０は、入射した光を増幅して出力するＳＯＡレーザ素子６５、入出力の光ファイバ６１，６９と、ＳＯＡレーザ素子６５と入出力の光ファイバ６１，６９とを高効率で結合させるレンズ６３，６４，６６，６７等から構成されている。
【０００８】
光ファイバ６１は、先端に光ファイバ８８とのスプライス部（融着部）７３が形成されており、レーザモジュール８０から出力された信号光をＳＯＡモジュール６０へ導く。フェルール６２は、光ファイバ６１をレンズ６３を介してパッケージ７２に固定する。レンズ６４は、レンズ６３を通過した信号光をＳＯＡ素子６５へ集光する。ＳＯＡ素子６５は、半導体レーザと同じ原理で動作するものであり、電流注入による半導体活性領域の利得機能を利用して、外部からの注入光に対して光増幅作用を起こす。レンズ６６は、ＳＯＡ素子６５で増幅された信号光をレンズ６７に集光する。フェルール６８は、光ファイバ６９をレンズ６７を介してパッケージ７２に固定する。光ファイバ６９は、ＳＯＡ素子６５で増幅された信号光をパッケージ７２の外へ導く。
【０００９】
長距離用途に対応するためには、ＤＦＢレーザ素子８１から出力される信号光だけでは不十分である。そのため、光送信用モジュール５９では、ＤＦＢレーザ素子８１からの信号光を、ＳＯＡ素子６５で電流を印加することにより増幅し、高出力光にして光ファイバ６９から出力している。
【００１０】
レーザモジュール８０とＳＯＡモジュール６０とは別々に作製し、レーザモジュール８０の光ファイバ８８とＳＯＡモジュール６０の入力側の光ファイバ６１とを融着接続により一体化して使用する。
【００１１】
また、近年、光通信システムは、ますますの高速化かつ大容量化に進みつつある。そのため、光通信システムに使用されるレ−ザモジュールやＳＯＡモジュール等の光通信モジュールには、より一層の高信頼性が要求されている。高信頼性を実現する手段として、光通信モジュールを構成する光学レンズや光ファイバ等の光学素子を、レーザ溶接で固定（ＹＡＧ溶接固定）する方法が、一般に広く用いられている。
【００１２】
図７は、レーザ溶接によって製造した従来のレーザモジュール（例えば下記特許文献１参照）を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図６と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００１３】
コの字型ホルダ９０は、レンズ８２を素子キャリア８４に固定する。
【００１４】
最初に、被溶接部９４ａ，９５ａをレーザ溶接することによって、コの字型ホルダ９０を素子キャリア８４に固定する。続いて、被溶接部９６ａ，９７ａをレーザ溶接することによって、レンズ８２をコの字型ホルダ９０に固定する。最後に、被溶接部９８ａ，９９ａをレーザ溶接することによって、光アイソレータ８３を素子キャリア８４に固定する。なお、図７において、隠れて見えない反対側にも、被溶接部９４ａ〜９９ａと対称的に被溶接部９４ｂ〜９９ｂ（図示せず）が設けられている。
【００１５】
ペルチェ素子８５の上に、ＤＦＢレーザ素子８１を搭載した素子キャリア８４が配置される。ＤＦＢレーザ素子８１の光出力を効率よく光ファイバ８８に導くために、レンズ８２を精度よくＤＦＢレーザ素子８１の出射位置に調整して素子キャリア８４に固定する必要がある。そのため、コの字型ホルダ９０が広く用いられる。
【００１６】
図８及び図９は従来のコの字型ホルダ（例えば下記特許文献２参照）を示し、図８は斜視図、図９［１］は正面図、図９［２］は側面図である。以下、図７乃至図９に基づき説明する。
【００１７】
コの字型ホルダ９０は、対向する一対の保持片９２ａ，９２ｂが板状の台座９１の表側に突設され、保持片９２ａ，９２ｂの内側でレンズ８２を保持するとともに、保持片９２ａ，９２ｂの外側に設けられた被溶接部９４ａ，９５ａがレーザ溶接されることによって台座９１の裏側が素子キャリア８４に固定されるものである。
【００１８】
次に、レンズ８２の光軸を調整してレンズ８２を素子キャリア８４に固定する方法について説明する。まず、レンズ８２をコの字型ホルダ９０に嵌めた状態（図８）でＤＦＢレーザ素子８１の前の素子キャリア８４上にレンズ８２を配置し、ＤＦＢレーザ素子８１を発光させながらレンズ８２の最適位置を３軸方向で調整する。そして、コの字型ホルダ９０と素子キャリア８４とをレーザ溶接することで、Ｘ方向の位置を固定する（図９［１］）。続いて、レンズ８２のＹ方向（図９［１］）及びＺ方向（図９［２］）の最適調整を再度行い、レンズ８２とコの字型ホルダ９０とをレーザ溶接する。このように、コの字型ホルダ９０とレンズ８２とを組み合わせることで、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸についてＤＦＢレーザ素子８１の出射位置にレンズ８２を最適に調整及び固定することができる。なお、各部品は、レーザ溶接で固定されているため、高い信頼性を維持することができる。
【００１９】
【特許文献１】
特開２０００−２０８８６９号公報（図１等）
【特許文献２】
特開平７−１４０３６１号公報（図１、図３等）
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光送信用モジュールでは、レーザモジュールとＳＯＡモジュールとが別々のパッケージから構成されていることにより、それぞれのパッケージ、入出力用光ファイバ及び光ファイバのスプライス部を収納する面積及び体積が必要となる。そのため、小型化には限界があるので、サイズが大きくなるという欠点があった。
【００２１】
また、従来のコの字型ホルダでは次のような問題があった。図１０は、この問題を強調して示した正面図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００２２】
コの字型ホルダ９０を素子キャリア８４にレーザ溶接する際、溶接に伴う応力によってコの字型ホルダ９０が変形することがある。この場合、その溶接の後に、レンズ８２を最適位置に調整しようとしても、変形した箇所がぶつかることにより、レンズ８２を最適位置に調整できない。また、レンズ８２とコの字型ホルダ９０との隙間が大きくなることにより、レンズ８２とコの字型ホルダ９０とのレーザ溶接ができなくなる。
【００２３】
更に詳しく説明する。コの字型ホルダ９０を素子キャリア８４にレーザ溶接すると、溶接した部分の金属が引っ張り合う応力が発生する。そのため、コの字型ホルダ９０が変形してレンズ８２を調整できない、コの字の上部（保持片９２ａ，９２ｂの上部）が広くなることにより保持片９２ａ，９２ｂとレンズ８２とを溶接できない、等の問題が生ずる。なお、レンズ８２については、最適位置で固定できなくとも、レンズ８２がずれたことによるビームの位置に光アイソレータ等の位置をシフトさせることにより、その影響を緩和することができる。
【００２４】
図６及び図７を用いて説明する。一方、ＤＦＢレーザ素子８１からの出射ビームをＳＯＡ素子６５で受ける構造を同一のパッケージに内蔵しようとすると、ＤＦＢレーザ素子８１からの出射ビームにＳＯＡ素子６５を調整及び固定する必要がある。ここで、コの字型ホルダ９０を使ってＳＯＡ素子６５を調整及び固定しようとすると、前述のレンズ８２の場合とは異なり、ＳＯＡ素子６５には高精度の位置合わせが要求される。そのため、コの字型ホルダ９０がＹＡＧレーザ溶接によって変形すると、ＳＯＡ素子６５を最適位置に調整できなくなることにより、結合効率が大きく劣ることになるので、最悪の場合には光出力が全く取れないという問題を生じる。
【００２５】
換言すると、レンズは、位置が多少ずれても光路がずれるだけで、受光することはできる。これに対して、半導体光素子は、位置が多少ずれただけで、受光そのものができなくなってしまう。
【００２６】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、半導体レーザ素子と半導体光増幅素子とを使用する光送信用モジュールの小型化を歩留まり良く実現できる、半導体レーザモジュールを提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体レーザモジュールは、複数の半導体光素子と、複数の半導体光素子を固定する一つのキャリアと、キャリアを固定する一つの電子冷却素子と、電子冷却素子、キャリア及び複数の半導体光素子を収容する一つのパッケージと、パッケージから信号光を出力する信号光出力手段と、を備えたものである。言い換えれば、本発明に係る半導体レーザモジュールは、異なる半導体レーザチップからなる複数の半導体光素子と、複数の半導体光素子を互いに光軸が調整された状態で固定するキャリアと、キャリアを介して複数の半導体光素子の温度を制御する一つの電子冷却素子と、電子冷却素子、キャリア及び複数の半導体光素子を収容する一つのパッケージと、複数の半導体光素子のうちの少なくとも一つの半導体光素子とパッケージの外とを光学的に接続する光ファイバと、を備えたものである。
【００２８】
従来技術では、異なる半導体レーザチップからなる二つの半導体光素子を別々のパッケージ内に収め、これらのパッケージを光ファイバで接続して使用していた。これに対し、本発明では、これらの半導体光素子を同じパッケージ内に収めることにより、キャリア、パッケージ、電子冷却素子、信号光出力手段（例えば光ファイバ）等の数が削減されるとともに、光ファイバの接続も不要になるので、部品点数削減、小型化及び製造容易化が図れる。しかも、各光学素子の良品のみをキャリアに実装すればよいので、モジュール全体の歩留まりも良い。これに加え、電子冷却素子だけではなくこれに付随するコントローラ等の部品点数が削減されるとともに、各半導体光素子同士を同じ温度に保てるので温度特性が安定化する。
【００２９】
本発明に係る半導体レーザモジュールは、更に、複数の半導体光素子のうちの少なくとも一つの半導体光素子が光学素子ホルダを介してキャリアに固定された、としてもよい。そして、光学素子ホルダは、対向する複数の保持片が台座上に突設され、複数の保持片の内側で光学素子を保持するとともに、複数の保持片の外側に設けられた被溶接部がキャリアに溶接されることによって当該キャリアに固定され、溶接によって発生する応力の保持片への伝達を阻止する応力伝達阻止機構が設けられて成る。
【００３０】
台座の表側に設けられた複数の保持片の内側で光学素子を保持し、台座の裏側をキャリアに合わせて、保持片の外側の被溶接部を溶接することによって、光学素子ホルダをキャリアに固定する。このときの溶接によって被溶接部に応力が発生する。しかし、この応力は、応力伝達阻止機構によって遮断若しくは緩和されるので、保持片への影響が抑制される。
【００３１】
従来、異なる半導体チップからなる複数の半導体光素子を一つのパッケージに収めることは、半導体光素子相互の光学的な位置決めが難しいため、実現が極めて困難であった。その理由は、高精度に位置決めしようとするとレーザ溶接が必要になるが、レーザ溶接でも溶接時の応力によって光学素子ホルダに変形が生じてしまうからである。そこで、本発明では、溶接時に変形しにくい光学素子ホルダを用いて、複数の半導体光素子を一つのパッケージに収めた半導体レーザモジュールを実現している。
【００３２】
本発明に係る半導体レーザモジュールは、更に、光学素子ホルダは、保持片の外側にキャリアに接する固定片が設けられ、固定片の先端が被溶接部となり、被溶接部と保持片との間に応力伝達阻止機構が設けられて成る、としてもよい。
【００３３】
被溶接部と保持片との間に応力伝達阻止機構が設けられているので、被溶接部から保持片へ伝わる応力が、応力伝達阻止機構で確実に遮断又は緩和される。
【００３４】
本発明に係る半導体レーザモジュールは、更に、光学素子ホルダの応力伝達阻止機構が固定片に設けられた切り欠きから成る、としてもよい。
【００３５】
切り欠きという簡単な構造で、応力伝達阻止機構が実現される。この切り欠きは、固定片のキャリアと接しない側又は接する側のどちらに設けてもよく、応力の伝達方向に直交する一本又は複数本の直線状であるとしてもよい。
【００３６】
本発明に係る半導体レーザモジュールは、更に、キャリアは一方及び他方の面を有する板状であり、キャリアの一方の面に複数の半導体光素子が実装され、キャリアの他方の面とパッケージの内面との間に電子冷却素子が設けられた、としてもよい。
【００３７】
従来技術では、異なる半導体レーザチップからなる二つの半導体光素子を別々のパッケージ内に収め、それぞれ別々に各半導体光素子の温度を調節していた。これに対し、本発明では、これらの半導体光素子を同じパッケージ内に収め、各半導体光素子の温度を同時に調節する。したがって、電子冷却素子及びこれに付随するコントローラ等の部品点数が削減されるとともに、各半導体光素子同士を同じ温度に保てるので温度特性が安定化する。
【００３８】
本発明に係る半導体レーザモジュールは、更に、複数の半導体光素子は信号光を出力する半導体レーザ素子と半導体レーザ素子から出力された信号光を増幅する半導体光増幅素子とであり、信号光出力手段は半導体光増幅素子で増幅された信号光をパッケージの外へ導く光ファイバである、としてもよい。
【００３９】
半導体レーザ素子から出力された信号光は、半導体光増幅素子で増幅され、光ファイバを介してパッケージの外へ導かれる。従来技術では、半導体レーザ素子と半導体光増幅素子とを別々のパッケージ内に収め、これらのパッケージを光ファイバで接続して使用していた。これに対し、本発明では、半導体レーザ素子と半導体光増幅素子とを同じパッケージ内に収めることにより、キャリア、パッケージ、光ファイバ等の数が削減されるとともに、光ファイバの接続も不要になるので、部品点数削減、小型化及び製造容易化が図れる。また、半導体光増幅素子は、半導体レーザ素子に比べて正確な温度制御を必要としない。本発明では、半導体光増幅素子と半導体レーザ素子とが同じキャリア上に実装されているので、半導体レーザ素子に対する温度制御のみで、半導体光増幅素子も十分な温度制御が受けられる。
【００４０】
本発明に係る半導体レーザモジュールは、更に、半導体レーザ素子と半導体光増幅素子との間に当該半導体レーザ素子への戻り光を阻止する光アイソレータが設けられ、半導体レーザ素子と光アイソレータとの間、光アイソレータと半導体光増幅素子との間、及び半導体光増幅素子と光ファイバとの間に、それぞれ集光用のレンズが設けられた、としてもよい。
【００４１】
半導体レーザ素子から出力された信号光は、第一のレンズでコリメート光に変換されて光アイソレータに導かれる。光アイソレータを通過した信号光は、第二のレンズで集光されて半導体光増幅素子に導かれる。半導体光増幅素子で増幅された信号光は、第三のレンズで集光されて光ファイバに導かれ、光ファイバを介してパッケージの外へ導かれる。
【００４２】
本発明に係る半導体レーザモジュールは、更に、半導体レーザ素子は光変調器を内蔵したものである、というものである。半導体レーザ素子は例えばＤＦＢレーザ素子であり、光変調器は例えばＥＡ（electro-absorption：電界吸収型）変調器である。ＤＦＢレーザ素子とＥＡ変調器とを１チップに集積した半導体光素子は、既に実用化されている。
【００４３】
本発明に係る半導体レーザモジュールの製造方法は、本発明に係る半導体レーザモジュールを製造する方法であって、複数の半導体光素子のうちのいずれか二つを第一及び第二の半導体光素子とした場合、第一の半導体光素子を先にキャリア上に固定し、第二の半導体光素子を光学素子ホルダに装着してキャリア上で第一の半導体光素子に対する光学的な調整した後、光学素子ホルダをキャリアに固定する、としてもよい。
【００４４】
第二の半導体光素子は、第一の半導体光素子に対して高精度な位置決めが要求される。そのため、溶接で変形しにくい光学素子ホルダを使って、第二の半導体光素子を位置決めする。
【００４５】
本発明に係る半導体レーザモジュールの製造方法は、更に、第一の半導体光素子は信号光を出力する半導体レーザ素子であり、第二の半導体光素子は半導体レーザ素子から出力された信号光を増幅する半導体光増幅素子である、としてもよい。
【００４６】
半導体光増幅素子は、半導体レーザ素子から出力された信号光を受ける位置に、正確に位置決めしなければならない。そのため、溶接で変形しにくい光学素子ホルダを使って、半導体光増幅素子を位置決めする。
【００４７】
換言すると、本発明は、同一パッケージに、変調器を内蔵したＤＦＢレーザ素子とＳＯＡ素子との二つの半導体レーザ素子を内蔵するとともに、必要となるレンズ、光アイソレータ等の光学部品をも内蔵することで、半導体レーザモジュールの小型化を実現するものである。また、本発明では、各部品の良品を用いて組み立てられるため、モジュールとしての歩留まりが良い。しかも、レンズでの光軸調整が可能であるため、それぞれの部品に高精度な寸法が要求されない。それゆえに設計の自由度が高い。なお、ＳＯＡ素子に限るものではなく、ＬＯＡ（Linear Optical Amplifier）素子等を用いても良い。
【００４８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。ただし、特許請求の範囲における「半導体レーザモジュール」、「光学素子ホルダ」、「キャリア」、「半導体レーザ素子」、「半導体光増幅素子」、「電子冷却素子」、「信号光出力手段」は、それぞれ「レーザモジュール」、「コの字型ホルダ」、「キャリア又は大キャリア」、「ＤＦＢレーザ素子」、「ＳＯＡ素子」、「ペルチェ素子」、「光ファイバ」と具体化して言い換えるものとする。
【００４９】
図１は、本発明に係るレーザモジュールの第一実施形態を示す構成図である。
以下、この図面に基づき説明する。
【００５０】
本実施形態のレーザモジュール２０は、光変調器を内蔵したＤＦＢレーザ素子８１とＳＯＡ素子６５との二つの半導体光素子を同一のパッケージ３１に収納したものである。ＳＯＡ素子６５は、ＤＦＢレーザ素子８１から入力した光を増幅する機能を有している。レーザモジュール２０は、ＤＦＢレーザ素子８１からの出射光を光ファイバを介すことなく効率よくＳＯＡ素子６５に導き、ＳＯＡ素子６５で増幅した光を光ファイバ８８から出力する。
【００５１】
ＤＦＢレーザ素子８１とＳＯＡ素子６５とは、光出力を安定させるために、ペルチェ素子３７の上に配置したキャリア２１にＡｕＳｎ等のはんだによって固定されている。なお、図示しないが、ペルチェ素子３７には、キャリア２１に設けられた温度センサと、温度センサで得られたキャリア２１の温度に基づきペルチェ素子３７の動作を制御するコントローラ（パッケージ３１の外）とが付設されている。
【００５２】
ＤＦＢレーザ素子８１からの光出力を、できるだけ損失無く効率よくＳＯＡ素子６５と光ファイバ８８とに導くために、レンズ８２，３２，３３，８６が使用されている。レンズ８２は、ＤＦＢレーザ素子８１からの拡散した光をコリメート光に変換する。レンズ３２は、そのコリメート光をＳＯＡ素子６５の入射端面に集光する。レンズ３２とＳＯＡ素子６５とは、損失ができるだけ発生しないよう、レンズ８２からのコリメータ光に合わせて、精度よく調整された後、レーザ溶接等でキャリア２１に固定される。ＳＯＡ素子６５の出力側のレンズ３３，８６は、ＳＯＡ素子６５で増幅した出力光をコリメート光に変換し、光ファイバ８８の端面に集光するものである。レンズ３３，８６も、レンズ８２，３２と同様に、ＳＯＡ素子６５の出射端面に合わせて精度よく調整された後に、固定されている。
【００５３】
また、レンズ８２とレンズ３２との間には、光アイソレータ８３が配置されている。光アイソレータ８３は、ＤＦＢレーザ素子８１のスペクトラムが反射光によって乱れないように、戻り光を阻止している。ＤＦＢレーザ素子８１から出力された信号光は、レンズ８２、光アイソレータ８３及びレンズ３２を通ってＳＯＡ素子６５に入り、増幅されて高出力光となって出射される。出射された光は、レンズ３３，８６を通って光ファイバ８８の端面に入り、光ファイバ８８から取り出される。
【００５４】
従来技術では、ＤＦＢレーザ素子８１とＳＯＡ素子６５とを別々のパッケージ内に収め、これらのパッケージを光ファイバで接続して使用していた。これに対し、本実施形態では、ＤＦＢレーザ素子８１とＳＯＡ素子６５とを同じパッケージ３１内に収めることにより、キャリア、パッケージ、光ファイバ等の数が削減されるとともに、光ファイバの接続も不要になるので、部品点数削減、小型化及び製造容易化が図れる。しかも、各光学素子の良品のみをキャリアに実装すればよいので、レーザモジュール２０全体の歩留まりも良い。なお、図６の従来技術と比較すれば明らかなように、パッケージ２個→１個、キャリア２個→１個、ペルチェ素子２個→１個、レンズ６個→４個、フェルール３個→１個、光ファイバ３本→１本、スプライス部１個→０個等、部品点数の大幅な削減が実現されている。
【００５５】
図２及び図３は本発明に係るレーザモジュールの第二実施形態で用いられる光学素子ホルダを示し、図２は斜視図、図３［１］は正面図、図３［２］は側面図である。以下、図２及び図３に基づき説明する。
【００５６】
コの字型ホルダ１０は、対向する一対の保持片１２ａ，１２ｂが板状の台座１１の表側に突設され、保持片１２ａ，１２ｂの内側で光学素子１３を保持するとともに、保持片１２ａ，１２ｂの外側に設けられた被溶接部１４ａ，１５ａが溶接されることによって台座１１の裏側が大キャリア１６（図３）に固定されるものである。そして、保持片１２ａ，１２ｂの外側に大キャリア１６に接する固定片１７ａ，１７ｂが設けられ、固定片１７ａ，１７ｂの先端が被溶接部１４ａ，１５ａとなり、被溶接部１４ａ，１５ａと保持片１２ａ，１２ｂとの間に切り欠き１８ａ，１８ｂが設けられている。切り欠き１８ａ，１８ｂは、固定片１７ａ，１７ｂの大キャリア１６と接しない側に設けられ、応力の伝達方向に直交する一本の直線状を呈することにより、溶接によって発生した応力を確実に緩和して保持片１２ａ，１２ｂの変形を抑える応力伝達阻止機構として作用する。
【００５７】
光学素子１３は、ＳＯＡ素子６５がＡｕＳｎ等のはんだによって小キャリア１３２にダイボンディングされたものである。コの字型ホルダ１０、小キャリア１３２及び大キャリア１６は、鉄−ニッケル−コバルト合金などのレーザ溶接に適した素材からなる。レーザ溶接としては、例えばＹＡＧレーザを用いる。光学素子１３は、大キャリア１６に対してコの字型ホルダ１０とともにＸ軸方向へ摺動可能であり（図３［１］）、コの字型ホルダ１０に対してＹ軸方向へ摺動可能であり（図３［１］）、コの字型ホルダ１０に対してＺ軸方向へ摺動可能である（図３［２］）。これにより、光学素子１３の光軸調整が可能になっている。なお、図２において、隠れて見えない反対側にも、被溶接部１４ａ，１５ａと対称的に被溶接部１４ｂ，１５ｂ（図示せず）が設けられている。
【００５８】
次に、コの字型ホルダ１０の作用を説明する。台座１１の表側に設けられた保持片１２ａ，１２ｂの内側で光学素子１３を保持し、台座１１の裏側を大キャリア１６上に載せて位置合わせをして、保持片１２ａ，１２ｂの外側の被溶接部１４ａ，１５ａを溶接することによって、コの字型ホルダ１０を大キャリア１６に固定する。このときの溶接によって被溶接部１４ａ，１５ａに応力が発生する。しかし、被溶接部１４ａ，１５ａと保持片１２ａ，１２ｂとの間に切り欠き１８ａ，１８ｂが設けられているので、被溶接部１４ａ，１５ａから保持片１２ａ，１２ｂへ伝わる応力が切り欠き１８ａ，１８ｂによって緩和される。しかも、切り欠き１８ａ，１８ｂは、単純な形状であるため、切削等によって容易に製造できる。
【００５９】
換言すると、コの字型ホルダ１０は、台座１１の両側に固定片１７ａ，１７ｂを設け、固定片１７ａ，１７ｂと保持片１２ａ，１２ｂとの間に切り欠き１８ａ，１８ｂを設けた構造を有している。コの字型ホルダ１０を最適な位置に調整後、コの字型ホルダ１０を大キャリア１６にレーザ溶接する。このときに発生する引っ張り応力は、固定片１７ａ，１７ｂの上部が開くことによって緩和されることにより、コの字の内径（保持片１２ａ，１２ｂ）には伝搬しないため、コの字が変形することはない。その後、小キャリア１３２の位置を調整し、小キャリア１３２をコの字型ホルダ１０にレーザ溶接する。
【００６０】
図４は、本発明に係るレーザモジュールの第二実施形態を示す構成図である。図５は、図４における図２のコの字型ホルダをＺ方向から見た正面図である。以下、これらの図面に基づき説明する。ただし、図４及び図５において図１乃至図３と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００６１】
本実施形態のレーザモジュール３０は、信号光を出力するＤＦＢレーザ素子８１と、ＤＦＢレーザ素子８１から出力された信号光を増幅するＳＯＡ素子６５と、ＤＦＢレーザ素子８１とＳＯＡ素子６５とを互いに光軸が調整された状態で固定する大キャリア１６と、ＳＯＡ素子６５を大キャリア１６に固定するコの字型ホルダ１０と、ＤＦＢレーザ素子８１、ＳＯＡ素子６５、大キャリア１６及びコの字型ホルダ１０を収容するパッケージ３１と、ＳＯＡ素子６５で増幅された信号光をパッケージ３１の外へ導く光ファイバ８８と、を基本的に備えている。
【００６２】
また、レーザモジュール３０には、レンズ８２，３２，３３，８６、コの字型ホルダ３４，３５，３６、光アイソレータ８３、ペルチェ素子３７、フェルール８７等が付設されている。レンズ８２は、ＤＦＢレーザ素子８１からの信号光を光アイソレータ８３に導く。光アイソレータ８３は、ＤＦＢレーザ素子８１への戻り光を防ぐ。レンズ３２は、光アイソレータ８３からの信号光をＳＯＡ素子６５へ集光する。レンズ３３，８６は、ＳＯＡ素子６５で増幅された信号光を光ファイバ８８へ集光する。ペルチェ素子３７は、ＤＦＢレーザ素子８１及びＳＯＡ素子６５を一定温度に保つ。
【００６３】
レンズ８２は被溶接部４１ａ，４２ａを介してコの字型ホルダ３４に固定され、コの字型ホルダ３４は被溶接部４３ａ，４４ａを介して大キャリア１６に固定され、光アイソレータ８３は被溶接部４５ａ，４６ａを介して大キャリア１６に固定され、レンズ３２は被溶接部４７ａ，４８ａを介してコの字型ホルダ３５に固定され、コの字型ホルダ３５は被溶接部４９ａ，５０ａを介して大キャリア１６に固定され、ＳＯＡ素子６５は小キャリア１３２にダイボンディングされ、小キャリア１３２は被溶接部５１ａ，５２ａを介してコの字型ホルダ１０に固定され、コの字型ホルダ１０は被溶接部１４ａ，１５ａを介して大キャリア１６に固定され、レンズ３３は被溶接部５３ａ，５４ａを介してコの字型ホルダ３６に固定され、コの字型ホルダ３６は被溶接部５５ａ，５６ａを介して大キャリア１６に固定されている。被溶接部１４ａ，１５ａ，４１ａ〜５６ａは、ＹＡＧレーザを用いたレーザ溶接によって形成される。なお、図４において、隠れて見えない反対側にも、被溶接部１４ａ，１５ａ，４１ａ〜５６ａと対称的に被溶接部１４ｂ，１５ｂ，４１ｂ〜５６ｂ（図示せず）が設けられている。
【００６４】
従来は、ＤＦＢレーザ素子８１とＳＯＡ素子６５とを一つのパッケージ３１に収めることは、ＤＦＢレーザ素子８１とＳＯＡ素子６５との光学的な位置決めが難しいため、実現が極めて困難であった。その理由は、高精度に位置決めしようとするとレーザ溶接が必要になるが、レーザ溶接でも溶接時の応力によって従来のコの字型ホルダに変形が生じてしまうからである。そこで、本実施形態では、溶接時に変形しにくいコの字型ホルダ１０を用いて、ＤＦＢレーザ素子８１とＳＯＡ素子６５とを高精度に位置決めすることにより、ＤＦＢレーザ素子８１とＳＯＡ素子６５とを一つのパッケージ３１に収めたレーザモジュール３０を実現している。
【００６５】
次に、レーザモジュールの３０の組み立て手順について説明する。
【００６６】
ＤＦＢレーザ素子８１から出射された拡散光がコリメート光になるように、ＤＦＢレーザ素子８１を駆動させながら、レンズ８２をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に調整して、ＹＡＧレーザ溶接によって大キャリア１６に固定する。光アイソレータ８３は、レンズ８２からのコリメート光が光アイソレータ８３を通るように、コリメータ光のほぼ中心に配置して、ＹＡＧレーザ溶接によって大キャリア１６に固定する。レンズ３２は、コリメータ光で入射された光をある一定の距離に焦点を結ぶ機能を有しており、コリメート光のほぼ中心に調整して、ＹＡＧレーザ溶接によって大キャリア１６に固定する。
【００６７】
レンズ３２からの光は焦点を結んでおり、その焦点位置にＳＯＡ素子６５を調整する。つまり、ＳＯＡ素子６５が搭載された小キャリア１３２を、コの字型ホルダ１０を介してＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に調整する。そして、コの字型ホルダ１０をＹＡＧレーザ溶接によって大キャリア１６に固定する。
【００６８】
より具体的に説明する。まず、コの字型ホルダ１０に小キャリア１３２を挿入し、その小キャリア１３２をＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向に調整可能な冶工具にセットする。ＤＦＢレーザ素子８１の光がＳＯＡ素子６５に効率良く入射すると、その光が増幅されてより大きな光出力が得られる。この効果を利用して、ＳＯＡ素子６５からの光出力が最大となるよう光パワーメータ等でモニタしながら、小キャリア１３２を最適な位置に調整する。
【００６９】
その調整後、コの字型ホルダ１０と大キャリア１６とをＹＡＧレーザ溶接で固定する。この固定によってＸ方向に関し、小キャリア１３２の位置が固定される。このとき溶接後の金属接合部すなわち被溶接部１４ａ，１５ａにクラックが発生しないよう、予めＹＡＧレーザ溶接の出力パワー及び時間等の条件を最適化しておく。
【００７０】
続いて、念のためにもう一度、小キャリア１３２を可動可能なＹ，Ｚ方向の２軸に関し最適な位置に調整後、小キャリア１３２とコの字型ホルダ１０とをＹＡＧレーザ溶接によって固定する。
【００７１】
同様な方法で、レンズ３３，８６を調整及び固定する。最後に、光ファイバ８８を、光出力をモニタしながら、最適な位置に調整及び固定する。
【００７２】
なお、本発明は、言うまでもなく、上記実施形態に限定されない。例えば、ＳＯＡ素子に代えて光変調素子等としてもよい。応力伝達阻止機構は、固定片に設けられた貫通孔等としてもよい。
【００７３】
【発明の効果】
本発明に係る半導体レーザモジュールによれば、複数の半導体光素子を一つのパッケージ内に収めたことにより、キャリア、パッケージ、電子冷却素子、信号光出力手段等の数が削減されるとともに、信号光出力手段（例えば光ファイバ）の接続も不要になるので、部品点数削減、小型化及び製造容易化等を達成できる。しかも、各光学素子の良品のみをキャリアに実装すればよいので、モノリシック型に比べて歩留りも向上できる。これに加え、電子冷却素子だけではなくこれに付随するコントローラ等の部品点数を従来よりも削減できるとともに、各半導体光素子同士を同じ温度に保てるので温度特性を安定化できる。また、次のような効果も奏する。
【００７４】
本発明に係る半導体レーザモジュールにおいて更に、半導体光素子をキャリアに固定する光学素子ホルダが応力伝達阻止機構を有することにより、溶接時に変形しにくくなって、半導体光素子を高精度に位置決めできる。したがって、半導体光素子相互の光学的な位置決めが容易になることにより、複数の半導体光素子を一つのパッケージに収めた半導体レーザモジュールを容易に実現できる。
【００７５】
本発明に係る半導体レーザモジュールにおいて更に、被溶接部と保持片との間に応力伝達阻止機構が設けられた光学素子ホルダを用いることにより、被溶接部から保持片へ伝わる応力を確実に遮断又は緩和できるので、半導体光素子をより高精度に位置決めできる。
【００７６】
本発明に係る半導体レーザモジュールにおいて更に、光学素子ホルダの固定片に切り欠きを設けたことにより、簡単な構造で応力伝達阻止機構を実現できる。
【００７７】
本発明に係る半導体レーザモジュールにおいて更に、複数の半導体光素子が実装されたキャリアとパッケージとの間に電子冷却素子を設けたことにより、電子冷却素子及びこれに付随するコントローラ等の部品点数を従来よりも削減できるとともに、各半導体光素子同士を同じ温度に保てるので温度特性を安定化できる。
【００７８】
本発明に係る半導体レーザモジュールおいて更に、半導体レーザ素子と半導体光増幅素子とを同じパッケージ内に収めることにより、キャリア、パッケージ、光ファイバ等の数が削減されるとともに、光ファイバの接続も不要になるので、部品点数削減、小型化及び製造容易化等を達成できる。しかも、半導体レーザ素子と半導体光増幅素子との良品のみをキャリアに実装すればよいので、半導体レーザ素子と半導体光増幅素子とが１チップに集積化されたモノリシック型に比べて歩留りも向上できる。これに加え、半導体光増幅素子と半導体レーザ素子とが同じキャリア上に実装されているので、半導体レーザ素子に対する温度制御のみで、半導体光増幅素子も十分な温度制御が受けられる。したがって、温度制御の構成を簡略化できる。
【００７９】
本発明に係る半導体レーザモジュールの製造方法によれば、溶接で変形しにくい光学素子ホルダを使って第二の半導体光素子を位置決めすることにより、第一の半導体光素子に対して第二の半導体光素子を高精度に固定できる。
【００８０】
これに加え、本発明に係る半導体レーザモジュールの製造方法において更に、溶接で変形しにくい光学素子ホルダを使って半導体光増幅素子を位置決めすることにより、半導体レーザ素子から出力された信号光を受ける位置に半導体光増幅素子を正確に固定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザモジュールの第一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係るレーザモジュールの第二実施形態で使用される光学素子ホルダを示す斜視図である。
【図３】図２の光学素子ホルダを示し、図３［１］は正面図、図３［２］は側面図である。
【図４】本発明に係るレーザモジュールの第二実施形態を示す構成図である。
【図５】図４に示された図２の光学素子ホルダをＺ軸方向から見た正面図である。
【図６】従来の光送信用モジュールを示す構成図である。
【図７】レーザ溶接によって製造した従来のレーザモジュールを示す構成図である。
【図８】従来の光学素子ホルダを示す斜視図である。
【図９】図８の光学素子ホルダを示し、図８［１］は正面図、図８［２］は側面図である。
【図１０】従来の光学素子ホルダの問題点を示す正面図である。
【符号の説明】
１０コの字型ホルダ（光学素子ホルダ）
１１台座
１２ａ，１２ｂ保持片
１３光学素子
１３２小キャリア
１４ａ，１５ａ被溶接部
１６大キャリア（キャリア）
１７ａ，１７ｂ固定片
１８ａ，１８ｂ切り欠き（応力伝達阻止機構）
２０，３０レーザモジュール（半導体レーザモジュール）
２１キャリア
３１パッケージ
３７ペルチェ素子（電子冷却素子）
６５ＳＯＡ素子（半導体光増幅素子）
８１レーザ素子（半導体レーザ素子）
８８光ファイバ（信号光出力手段）

Claims

信号光を出力する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子から出力された信号光を増幅する半導体光増幅素子と、この半導体光増幅素子及び前記半導体レーザ素子を固定する一つのキャリアと、このキャリアを固定する一つの電子冷却素子と、この電子冷却素子、前記キャリア、前記半導体レーザ素子及び前記半導体光増幅素子を収容する一つのパッケージと、前記半導体光増幅素子で増幅された信号光を前記パッケージの外へ導く光ファイバとを備え、
前記半導体レーザ素子及び前記半導体光増幅素子の少なくとも一方を有する光学素子が光学素子ホルダを介して前記キャリアに固定され、
前記光学素子ホルダは、対向する複数の保持片が台座上に突設され、前記複数の保持片の内側で前記光学素子を保持するとともに、前記複数の保持片の外側に設けられた被溶接部が前記キャリアに溶接されることによって前記台座が前記キャリアに固定され、前記保持片の外側に前記キャリアに接する固定片が設けられ、この固定片の最も外側の前記キャリアに接する部分が前記被溶接部となり、この被溶接部と前記保持片との間の前記固定片に、前記溶接によって発生する応力の前記保持片への伝達を阻止することによって当該溶接による変形を抑える切り欠きが設けられて成る、
半導体レーザモジュール。
前記キャリアは一方及び他方の面を有する板状であり、前記キャリアの一方の面に前記半導体レーザ素子及び前記半導体光増幅素子が実装され、前記キャリアの他方の面と前記パッケージの内面との間に前記電子冷却素子が設けられた、
請求項１記載の半導体レーザモジュール。
前記半導体レーザ素子と前記半導体光増幅素子との間に当該半導体レーザ素子への戻り光を阻止する光アイソレータが設けられ、
前記半導体レーザ素子と前記光アイソレータとの間、前記光アイソレータと前記半導体光増幅素子との間、及び前記半導体光増幅素子と前記光ファイバとの間に、それぞれ集光用のレンズが設けられた、
請求項２記載の半導体レーザモジュール。
前記半導体レーザ素子は光変調器を内蔵したものである、
請求項３記載の半導体レーザモジュール。
請求項１記載の半導体レーザモジュールを製造する方法であって、
前記半導体レーザ素子を先に前記キャリア上に固定し、
前記半導体光増幅素子を前記光学素子ホルダに装着して前記キャリア上で前記半導体レーザ素子に対する光学的な調整をした後、
レーザ溶接を用いて前記光学素子ホルダを前記キャリアに固定する、
半導体レーザモジュールの製造方法。