JP5830398B2

JP5830398B2 - レーザモジュール

Info

Publication number: JP5830398B2
Application number: JP2012020185A
Authority: JP
Inventors: 麻衣子有賀; 俊雄菅谷; 松山　哲也; 哲也松山; 木村　俊雄; 俊雄木村
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2032-02-01
Also published as: JP2013161825A

Description

本発明は、レーザモジュールに関する。

近年のＤＭＤＭ（Dense-Wavelength Division-Multiplexing）通信システムでは、ＷＤＭ信号光の間隔として、光の周波数にして５０ＧＨｚなどの狭い波長間隔が求められている。このため、ＷＤＭ信号光の光源として用いられるレーザモジュールには、この狭い波長間隔に対応できるような波長安定性が必要とされている。

波長安定性を実現するため、レーザモジュール内には、出力するレーザ光の波長を安定させるための波長ロッカーが設けられている。このような波長ロッカーの波長モニタ部には、光を所定の波長間隔で選択的に透過するためのフィルタとして、ファブリペローエタロンフィルタ（以下エタロンフィルタと称する）が用いられている(特許文献１参照)。

エタロンフィルタの材質としては、二酸化ケイ素の非結晶体である石英ガラスや、結晶体である水晶が多く用いられてきた。また、近年は、エタロンフィルタの温度調整によって、その透過波長の波長制御を可能とするために、水晶をエタロンフィルタの材質として、レーザ光の光軸と水晶の結晶軸とを垂直にして用いる技術(特許文献２参照)が提案されている。または、エタロンフィルタの小型化のために、エタロンフィルタの材質として屈折率の大きいシリコンやＢｉ₁₂ＧｅＯ₂₀（ＢＧＯ）を用いる技術(特許文献３参照)が提案されている。

特許第３７９４５５２号公報特開２０１１−０５４６６４号公報特許第４１９０７４９号公報

しかしながら、上記の水晶、シリコン、ＢＧＯ等からなるエタロンフィルタを設けた波長ロッカーを用いた場合に、ロック波長が所望の波長からずれてしまい、安定した波長制御ができないという場合があるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した波長特性を実現できるレーザモジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るレーザモジュールは、レーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光が入力される、所定の波長特性を有する光学素子と、前記光学素子を載置する基板と、前記光学素子と前記基板とを接合する接着剤と、を備え、前記レーザ光源は、前記光学素子の波長特性に依存して制御されており、前記接着剤は、前記光学素子の線膨張係数と前記基板の線膨張係数との差により前記光学素子に掛かる応力を緩和する厚さに設定されていることを特徴とする。

また、本発明に係るレーザモジュールは、上記の発明において、前記光学素子の線膨張係数と前記基板の線膨張係数との差は、８ｐｐｍ／Ｋ以上であることを特徴とする。

また、本発明に係るレーザモジュールは、上記の発明において、前記接着剤の厚さは、５０μｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明に係るレーザモジュールは、上記の発明において、前記接着剤の硬度は、ショアＤ９０以下であることを特徴とする。

また、本発明に係るレーザモジュールは、上記の発明において、前記接着剤は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、及びシリコーン樹脂のうちのいずれかの樹脂材料を主成分とすることを特徴とする。

また、本発明に係るレーザモジュールは、上記の発明において、前記光学素子の前記レーザ光が透過する方向の線膨張係数は、１０ｐｐｍ／Ｋ以上であることを特徴とする。

また、本発明に係るレーザモジュールは、上記の発明において、前記光学素子は、エタロンフィルタであることを特徴とする。

また、本発明に係るレーザモジュールは、上記の発明において、前記レーザ光の一部を受光する第１受光素子と、前記エタロンフィルタを透過したレーザ光の一部を受光する第２受光素子と、をさらに備え、前記第２受光素子の受光強度と前記第１受光素子の受光強度との比に基づいて、前記レーザ光の波長が所望の波長になるように前記レーザ光源を制御することを特徴とする。

また、本発明に係るレーザモジュールは、上記の発明において、前記レーザ光源は、分布帰還型半導体レーザ素子であることを特徴とする。

本発明によれば、波長特性が安定したレーザモジュールを実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態に係るレーザモジュールの模式的な平面断面図である。図２は、図１に示すエタロンフィルタの近傍を示したＡ矢視図である。図３は、温度サイクルに対する波長ドリフトを示す図である。

以下に、図面を参照して本発明に係るレーザモジュールの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係や比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザモジュールの模式的な平面断面図である。図１に示すように、このレーザモジュール１は、レーザ光源２、ペルチェ素子３、サブマウント４、コリメートレンズ５、ビームスプリッタ６、パワーモニタ用フォトダイオード７、エタロンフィルタ８、波長モニタ用フォトダイオード９、ベースプレート１０、ペルチェ素子１１、光アイソレータ１２、集光レンズ１３、光ファイバ１４、およびこれらの各要素を収容する筐体１５を備えている。また、レーザモジュール１は制御装置１６に接続されている。制御装置１６は、パワーモニタ用フォトダイオード７、波長モニタ用フォトダイオード９、レーザ光源２、ペルチェ素子３、１１に接続している。

レーザ光源２は、たとえば、分布帰還型（Distributed FeedBack：ＤＦＢ）の半導体レーザ素子であって、サブマウント４の上に、ペルチェ素子３を介して載置されている。このレーザ光源２は、制御装置１６によって制御されたペルチェ素子３を用いてその素子温度を調整することによって、レーザ発振波長を制御することができる。なお、レーザ光源２は、単一の半導体レーザ素子を備えるものでもよいし、たとえば互いにレーザ発振波長が異なる複数の半導体レーザ素子、光合流器、および半導体光増幅器を集積した集積型半導体レーザ素子を備えるものでよい。このような集積型半導体レーザ素子は、駆動する半導体レーザ素子を切り替えると共に素子温度を制御することによって、単体の半導体レーザ素子よりも広帯域な連続した波長帯域のレーザ光を出力することができる。

コリメートレンズ５は、レーザ光源２の出射端面近傍に配置されている。コリメートレンズ５は、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｌを平行光に変換し、平行光に変換されたレーザ光Ｌをビームスプリッタ６に入力させる。

ビームスプリッタ６は、入力された光の一部を透過し、残部を反射させる部分反射面６ａ、６ｂを有している。ビームスプリッタ６は、部分反射面６ａにおいて、コリメートレンズ５によって入力されたレーザ光Ｌの大部分（レーザ光Ｌ１とする）を透過して光アイソレータ１２に入力させるとともに、レーザ光Ｌの残部を部分反射面６ｂ側に反射させる。さらに、ビームスプリッタ６は、部分反射面６ｂにおいて、部分反射面６ａが反射したレーザ光Ｌの残部のさらに一部（レーザ光Ｌ２とする）を透過してパワーモニタ用フォトダイオード７に入力させるとともに、さらに残部をエタロンフィルタ８側に反射させる。パワーモニタ用フォトダイオード７は、レーザ光Ｌ２の強度を検出し、検出された強度に応じた電気信号を制御装置１６に入力する。

光学素子であるエタロンフィルタ８は、波長に対して周期的な透過特性（透過波長特性）を有し、その透過波長特性に応じた透過率で、部分反射面６ｂが反射したレーザ光を選択的に透過して波長モニタ用フォトダイオード９に入力する。波長モニタ用フォトダイオード９は、エタロンフィルタ８を透過したレーザ光（レーザ光Ｌ３とする）の強度を検出し、検出された強度に応じた電気信号を制御装置１６に入力する。エタロンフィルタ８の透過波長特性の周期としては、光の周波数にしてたとえば５０ＧＨｚ、３３．３ＧＨｚ、２５ＧＨｚなどである。

ベースプレート１０は、サブマウント４、コリメートレンズ５、ビームスプリッタ６、パワーモニタ用フォトダイオード７、エタロンフィルタ８、波長モニタ用フォトダイオード９、および光アイソレータ１２を載置する。ペルチェ素子１１は、筐体１５の底面とベースプレート１０との間に設けられ、ベースプレート１０及びサブマウント４を介してレーザ光源２を冷却または加熱して所望の温度とする。なお、ペルチェ素子１１は、ベースプレート１０を介してエタロンフィルタ８の温度を調整して、エタロンフィルタ８の透過波長特性を制御してもよい。光アイソレータ１２は、光ファイバ１４からの戻り光がレーザ光源２に戻ることを抑制する。集光レンズ１３は、ビームスプリッタ６を透過したレーザ光Ｌ１を光ファイバ１４に結合させて出力する。

パワーモニタ用フォトダイオード７及び波長モニタ用フォトダイオード９によって検出されたレーザ光Ｌ２、Ｌ３の強度は、制御装置１６による波長ロック制御（レーザ光Ｌの波長を所望の波長及び強度にするためのレーザ光源２の制御）に用いられる。

具体的には、波長ロック制御では、制御装置１６は、パワーモニタ用フォトダイオード７によって検出されたレーザ光Ｌ２の強度と、波長モニタ用フォトダイオード９によって検出された、エタロンフィルタ８透過後のレーザ光Ｌ３の強度との比が、レーザ光Ｌ１の強度及び波長が所望の強度及び波長になるときの比になるように、レーザ光源２の駆動電流と温度とを制御する。これにより、レーザ光Ｌ１の強度及び波長を所望の強度及び波長（ロック波長）に制御することができる。

つぎに、エタロンフィルタ８についてより具体的に説明する。図２は、図１に示すエタロンフィルタ８の近傍を示したＡ矢視図である。図２に示すように、エタロンフィルタ８は、基板であるベースプレート１０上に、厚さｔの接着剤１７にて接合されている。

ここで、このレーザモジュール１は、たとえば環境温度が−４０℃から−８５℃の範囲で使用される。ところが、エタロンフィルタ８の線膨張係数とベースプレート１０の線膨張係数との差が大きい場合、このレーザモジュール１が上記のような広い環境温度の変動下に置かれると、温度変動の際に、上記の線膨張係数の差によってエタロンフィルタ８とベースプレート１０とが異なる膨張収縮をする。これによって、エタロンフィルタ８に応力がかかり、変形や反り、または歪等が発生する。このような変形等がエタロンフィルタ８に発生すると、屈折率の変化等が発生し、エタロンフィルタ８の透過波長特性が変化してしまう。レーザ光源２はエタロンフィルタ８の透過波長特性に依存して制御されているため、このようなエタロンフィルタ８の透過波長特性の変化があると、ロック波長が所望の波長からずれてしまい、安定した波長制御ができない場合がある。

これに対して、本実施の形態に係るレーザモジュール１では、エタロンフィルタ８とベースプレート１０とを接合する接着剤１７の厚さｔが、エタロンフィルタ８の線膨張係数とベースプレート１０の線膨張係数との差によってエタロンフィルタ８に掛かる応力を緩和する厚さに設定されている。その結果、レーザモジュール１では、ロック波長のずれが抑制されるので、安定した波長制御が実現される。

なお、ベースプレート１０の材質としては、レーザ光源２をペルチェ素子１１で冷却または加熱する際の熱伝導性等の観点、および線膨張係数が小さいという観点から、たとえばアルミナ（線膨張係数：６．８〜７．２ｐｐｍ／Ｋ）や窒化アルミニウム（線膨張係数：４．６ｐｐｍ／Ｋ）などのセラミックを使用することができる。また、エタロンフィルタ８の材質としては、石英ガラス（線膨張係数：０．４７ｐｐｍ／Ｋ）またはＢＫ７（線膨張係数：７．１ｐｐｍ／Ｋ）などのガラスや、レーザ光の光軸と結晶軸（Ｃ軸）とを平行にした水晶（線膨張係数：７．１ｐｐｍ／Ｋ）、レーザ光の光軸と結晶軸（Ｃ軸）とを垂直にした水晶（線膨張係数：１３．２ｐｐｍ／Ｋ）、ＢＧＯ（線膨張係数：１６．８ｐｐｍ／Ｋ）、またはシリコン（線膨張係数：２．６ｐｐｍ／Ｋ）等を使用することができる。

エタロンフィルタ８において、レーザ光が透過する方向の線膨張係数が１０ｐｐｍ／Ｋ以上のように大きい場合には、線膨張係数が比較的小さい上記のセラミック材料からなるベースプレート１０と組み合わせて使用する際に、線膨張係数の差が大きくなるので、線膨張係数の差に応じて接着剤１７の厚さｔを設定し、応力を緩和することがより好ましい。また、エタロンフィルタ８の線膨張係数とベースプレート１０の線膨張係数との差としては、８ｐｐｍ／Ｋ以上の場合に、線膨張係数の差に応じて接着剤１７の厚さｔを設定し、応力を緩和することが特に効果的である。

また、接着剤１７としては、たとえばエポキシ樹脂、エポキシアクリレートやウレタンアクリレート等のアクリル樹脂、ウレタン樹脂、及びシリコーン樹脂のうちのいずれかの樹脂材料を主成分とするものを使用することができる。また、これらの樹脂にフィラーとしてたとえばタルク（Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２）またはシリカ（ＳｉＯ_２）、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ほう素等を添加したものでもよい。特に、接着剤１７の硬度が、ショアＤ９０以下であることが好ましい。たとえば、エポキシ樹脂の場合、その硬度はショアＤ８０〜ショアＤ９０程度とできる。接着剤１７の厚さｔは接着剤１７の硬度に応じて調整することが好ましい。

接着剤１７の厚さの一例としては、エタロンフィルタ８の線膨張係数とベースプレート１０の線膨張係数との差が８ｐｐｍ／Ｋ以上、接着剤１７の硬度がショアＤ８０〜ショアＤ９０の場合は、５０μｍ以上であることが好ましい。また、接着剤１７の厚さは、接着剤１７による接合部分の機械的強度（たとえば破壊強度）が十分に確保される程度の厚さであることが好ましく、たとえば上述した樹脂材料を主成分とする接着剤の場合は、３００μｍ以下の厚さであることが好ましい。

つぎに、上記実施の形態に係るレーザモジュールと同様の構成のレーザモジュールを作製し、これを−４０℃〜８５℃の温度サイクル下に置き、波長ロック制御を行なうとともに、ロック波長の波長ドリフトを測定した。なお、エタロンフィルタとしては、レーザ光の光軸と結晶軸（Ｃ軸）とを垂直にした水晶を用いた。接着剤としては、ショアＤ９０のエポキシ樹脂を用いた。ベースプレートとしては、窒化アルミニウムからなるものを用いた。接着剤の厚さは、２０μｍまたは５０μｍとした。

図３は、温度サイクルに対する波長ドリフトを示す図である。図３に示すように、接着剤の厚さが２０μｍの場合は、温度サイクルの回数の増加につれて波長ドリフトの絶対値が０ｐｍ（ピコメータ）から大きくなり、１００回を越えると好ましい波長ドリフトの範囲である±１０ｐｍを超えた。これに対して、接着剤の厚さが５０μｍの場合は、温度サイクルの回数が５００になっても波長ドリフトの値が０ｐｍから殆ど変動しなかった。

なお、上記の実施の形態では、光学素子は、エタロンフィルタである。しかしながら、本発明において、光学素子はエタロンフィルタである場合に限られず、その波長特性（透過特性や反射特性）に依存してレーザ光源が制御されるような光学素子であればよい。このような光学素子は、例えば、回折格子型の波長フィルタ、回折格子構造に加工された光導波路などである。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１レーザモジュール
２レーザ光源
３、１１ペルチェ素子
４サブマウント
５コリメートレンズ
６ビームスプリッタ
６ａ、６ｂ部分反射面
７パワーモニタ用フォトダイオード
８エタロンフィルタ
９波長モニタ用フォトダイオード
１０ベースプレート
１２光アイソレータ
１３集光レンズ
１４光ファイバ
１５筐体
１６制御装置
１７接着剤
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３レーザ光
ｔ厚さ

Claims

レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光が入力される、所定の透過波長特性または反射波長特性を有する光学素子と、
前記光学素子を載置する基板と、
前記光学素子と前記基板とを接合する接着剤と、
を備え、前記レーザ光源は、前記光学素子を透過したまたは前記光学素子により反射された後の前記レーザ光の強度が検出されて該検出された強度に基づいて前記レーザ光の波長が制御されており、前記接着剤は、前記光学素子の線膨張係数と前記基板の線膨張係数との差により前記光学素子に掛かる応力を緩和する厚さに設定されており、
前記光学素子の線膨張係数と前記基板の線膨張係数との差は、８ｐｐｍ／Ｋ以上であり、
前記接着剤の厚さは、５０μｍ以上３００μｍ以下であり、
前記接着剤の硬度は、ショアＤ８０〜ショアＤ９０であり、
前記接着剤は、エポキシ樹脂材料を主成分とし、フィラーが添加されている
ことを特徴とするレーザモジュール。
前記フィラーは、タルク（Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２）またはシリカ（ＳｉＯ_２）、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ほう素のいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザモジュール。
前記光学素子の前記レーザ光が透過する方向の線膨張係数は、１０ｐｐｍ／Ｋ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザモジュール。
前記光学素子は、エタロンフィルタであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーザモジュール。
前記レーザ光の一部を受光する第１受光素子と、前記エタロンフィルタを透過したレーザ光の一部を受光する第２受光素子と、をさらに備え、前記第２受光素子の受光強度と前記第１受光素子の受光強度との比に基づいて、前記レーザ光の波長が所望の波長になるように前記レーザ光源を制御することを特徴とする請求項４に記載のレーザモジュール。
前記レーザ光源は、分布帰還型半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のレーザモジュール。