JP6209946B2

JP6209946B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP6209946B2
Application number: JP2013230497A
Authority: JP
Inventors: 青陽合田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2033-11-06
Also published as: JP2015090932A

Description

本発明は、光モジュールに関する。

従来、例えば、特開２００３−２２９６２９号公報に開示されているように、半導体光素子を備えたステム上にレンズ付キャップを被せる同軸型の光モジュールが知られている。

特開２００３−２２９６２９号公報特開２００６−１６３３５１号公報特開２００９−０９４１７９号公報特開２０１１−２４３８１９号公報特開２００５−０６４１６２号公報特開２０１３−１２５９４６号公報特開２００５−２６０２２３号公報

光モジュールを構成する典型的な部品には、リードピン等が設けられたステム、ステム上の台座、台座に設けられた半導体レーザ素子等の半導体光素子、台座と半導体光素子に被さるようにステムに取り付けられたキャップ、およびこのキャップに設けられたレンズが含まれる。台座は、キャリアおよびこれに設けられたサブマウントなどからなる。キャップにはレンズが取り付けられ、ステム上の台座には半導体光素子が設けられている。

キャップ、台座、およびステムは、金属などのある程度の大きさの線膨張係数を有する材料で形成されていることが多い。この場合、モジュール温度の変化により光モジュールに熱が流入すると、キャップおよび台座がそれぞれ熱膨張することで半導体光素子とレンズとの間の距離が変化してしまう。半導体光素子とレンズとの間の距離が変化すると、光モジュール側からみた場合に、光送信モジュールであれば外部の光ファイバに対する出射光の光量が変化し、受光モジュールであれば光ファイバからの入射光の光量が変化するという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、モジュール温度が変化したときに外部と結合する光量の変化を抑制することのできる光モジュールを提供することを目的とする。

第１の発明にかかる光モジュールは、
上面を備えたステムと、
前記上面に設けられた台座と、
前記台座に設けられた半導体光素子と、
筒部、および前記筒部の一端に設けられ表面と裏面を有し前記表面と前記裏面を貫通する穴を備えたフタ部を備え、前記筒部の他端が開放し、前記台座および前記半導体光素子に被さるように前記他端が前記上面に接続し、熱膨張材料で形成されたキャップと、
前記フタ部の前記穴に設けられ前記半導体光素子と光結合するレンズと、
を備え、
前記フタ部は、前記キャップの温度が上昇すると前記レンズを前記筒部の内側に押し下げるように膨張するものであり、
前記フタ部の全体が前記筒部の内側へとテーパ状に凹むことで前記フタ部の全体が錐状の傾斜面となり、
前記フタ部の中央に前記穴が設けられ、
前記レンズは、前記穴の縁に固定されたことを特徴とする。

本発明によれば、キャップが熱膨張したときに半導体光素子とレンズの光結合を補正できるようにしたので、モジュール温度が変化したときに外部と結合する光量の変化を抑制することができる。

本発明の実施の形態１にかかる光モジュールを示す模式的な断面図である。本発明の実施の形態２にかかる光モジュールを示す模式的な断面図である。本発明の実施の形態３にかかる光モジュールを示す模式的な断面図である。本発明の実施の形態４にかかる光モジュールを示す模式的な断面図である。本発明の実施の形態に対する比較例にかかる光モジュールを示す模式的な断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光モジュール１０を示す模式的な断面図である。光モジュール１０は、上面１２ａを備えたステム１２と、上面１２ａに設けられたキャリア１４と、キャリア１４の側面に設けられたサブマウント１６と、サブマウント１６上に設けられた半導体レーザ素子１７と、キャップ３０と、キャップ３０に設けられたレンズ４８と、を備えている。

キャップ３０は全体として円筒状でその内部は空洞である。キャップ３０は、キャリア１４、サブマウント１６および半導体レーザ素子１７に被さるように上面１２ａに接続されている。キャップ３０の内面およびステム１２の上面１２ａにより空間が形成されている。キャリア１４およびサブマウント１６は、半導体レーザ素子１７の台座となっている。ステム１２には外部信号端子としての複数のリードピン１３が設けられている。

キャップ３０は、筒部３２、およびこの筒部３２の一端に設けられたフタ部３１を備えている。フタ部３１は、表面３１ａと裏面３１ｂを有しており、これら表面３１ａと裏面３１ｂを貫通する穴を備えている。筒部３２は内部が空洞となった円柱状の側壁３４を備えており、筒部３２の他端は開放している。キャップ３０がキャリア１４、サブマウント１６および半導体レーザ素子１７に被さるように、この筒部３２の他端は上面１２ａに接続している。キャップ３０は、熱膨張材料、具体的には金属で形成されている。

レンズ４８は、フタ部３１の穴に設けられ半導体レーザ素子１７と光結合する。具体的には、本実施の形態では、レンズ４８は、フタ部３１における穴の縁３１ｃに固定されている。穴の縁３１ｃは、筒部３２内側に行くほど直径が大きくなるようにテーパ状となっている。テーパ状となっているので、図１に示すように、縁３１ｃの表面は、ステム１２に近づくほど末広がりとなるハの字形状となる。

光モジュール１０は、モジュール温度の変化による半導体レーザ素子１７とレンズ４８の間の距離の変動を抑制することができる。すなわち、キャップ３０の筒部３２は、熱流入により光軸方向に伸長する。このとき、半導体レーザ素子１７、サブマウント１６、およびキャリア１４も伸長するけれども、その変動量はキャップ３０の筒部３２よりも小さい。これは、キャリア１４とキャップ３０を同じ金属材料で形成した場合であっても、キャリア１４をキャップ３０よりも線膨張係数の小さな材料で形成した場合であっても同様である。

一方、キャップ３０のフタ部３１も、光軸と垂直な方向、すなわちフタ部３１の面方向に伸長する。これにより、テーパ状とされた縁３１ｃに取り付けられたレンズ４８が、縁３１ｃの直径が大きくなっている側、すなわちフタ部３１の裏面３１ｂ側へと押し下げられる。この仕組みによるレンズ４８の押し下がり量が筒部３２の伸長を相殺し、半導体レーザ素子１７とレンズ４８の間の距離が拡大することを抑制することができる。その結果、モジュール温度の変動があっても、フェルール１８の端面１８ａへの入射光の光量が変動することを抑制することができる。

図５は、本発明の実施の形態に対する比較例にかかる光モジュール４１０を示す模式的な断面図である。光モジュール４１０は、キャップ２３０を備えている点を除いては、光モジュール１０と同じである。キャップ２３０はフタ部２３１を備えており、このフタ部２３１も表面２３１ａ、裏面２３１ｂ、およびこれらを貫通する穴の縁２３１ｃを備えている。

キャップ２３０の筒部２３２は、熱流入により光軸方向に伸長する。このとき、半導体レーザ素子１７、サブマウント１６、およびキャリア１４も伸長するけれども、その変動量はキャップ２３０の筒部２３２よりも小さい。キャップ２３０の縁２３１ｃはテーパ状ではないので熱膨張時にレンズ２４８を押し下げる機能がなく、半導体レーザ素子１７とレンズ４８の間の距離は離れてしまう。

この点、本実施の形態によれば、モジュール温度の変動があっても、フェルール１８の端面１８ａへの入射光の光量が変動することを抑制することができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２にかかる光モジュール１１０を示す模式的な断面図である。キャップ３０に代えてキャップ１３０を備えている点を除き、光モジュール１１０は光モジュール１０と同じである。

キャップ１３０は、フタ部１３１を備えている点がキャップ３０と異なり、筒部３２を備えている点はキャップ３０と同じである。フタ部１３１は、表面１３１ａ、裏面１３１ｂおよびこれらを貫通する穴の縁１３１ｃを備えている。キャップ１３０の材質はキャップ３０と同じである。

縁１３１ｃが筒部３２の内側に向かって突き出るように、フタ部１３１が凹んでいる。レンズ４８は、縁１３１ｃに固定されている。ただし、フタ部１３１ａの表面１３１ａおよび裏面１３１ｂは平らである。フタ部１３１が凹んでいるので、その断面形状は図２に示すようにＭ字形状となる。

キャップ１３０の温度が上昇すると、筒部３２およびフタ部１３１がそれぞれ熱膨張する。筒部３２が熱膨張するとレンズ１４８は半導体レーザ素子１７から離れようとするけれども、フタ部１３１が光軸と交差する方向すなわちフタ部１３１の面方向に伸長することによりレンズ１４８が半導体レーザ素子１７側に押し下げられる。この仕組みにより、実施の形態１と同様に、半導体レーザ素子１７とレンズ１４８の間の距離が拡大することを抑制できる。

なお、断面形状は図２のような完全なＭ字形状でなくともよく、フタ部１３１ａの表面１３１ａおよび裏面１３１ｂが曲面となっていてもよい。また、凹みが複数段になっていてもよく、例えば表面１３１ａの中央部からさらに急峻に筒部３２の内側に向かって凹んでいてもよい。また、フタ部１３１の外周端から直ちに凹んでいなくとも良い。例えば、筒部３２の外周端から筒部３２の中心軸に向かって一定距離だけフタ部３１のごとく垂直に伸びる平面部と、この第１平面部の内周側端部から筒部３２の内側に向かってフタ部１３１のごとく斜面を形成する斜面部と、を備えたフタ部としてもよい。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３にかかる光モジュール２１０を示す模式的な断面図である。光モジュール２１０は、キャップ２３０およびキャップ２６０を備えており、２重のキャップによる２つのレンズを備えている。この点を除いては、光モジュール２１０は光モジュール１０と同じである。

キャップ２３０は、筒部２３２および筒部２３２の一端に設けられたフタ部２３１を備えている。筒部２３２の他端は開放している。キャリア１４およびサブマウント１６および半導体レーザ素子１７に被さるように筒部２３２の他端が上面１２ａに接続している。キャップ２３０は、熱膨張材料で形成されている。

フタ部２３１は表面２３１ａおよび裏面２３１ｂを備えており、これらを貫通する穴の縁２３１ｃにレンズ２４８が設けられる。レンズ２４８は、半導体レーザ素子１７と光結合している。

キャップ２６０は、筒部２６２および筒部２６２の一端に設けられたフタ部２６１を備えている。筒部２６２の他端は開放している。内側キャップおよびレンズ２４８に被さるように筒部２６２の他端が上面１２ａに接続している。キャップ２６０は、熱収縮材料で形成されている。熱収縮材料として、例えば炭素繊維を一方向に埋め込んだエポキシ樹脂を用いても良い。モジュール温度の増加に応じて、キャップ２３０は熱膨張し、キャップ２６０は熱収縮する。

フタ部２６１は表面２６１ａおよび裏面２６１ｂを備えており、これらを貫通する穴の縁２６１ｃにレンズ２７８が設けられる。レンズ２７８は、レンズ２４８と光結合している。

キャップ２３０の外部に、熱伸縮が逆の材質であるキャップ２６０を配置している。半導体レーザ素子１７とレンズ２４８の間の距離は図５の比較例と同様にレンズ２４８が離れるように伸びるけれども、その一方で、キャップ２６０は反対方向すなわちレンズ２７８が半導体レーザ素子１７に近づくように縮む。

このため、モジュール温度の増加に応じて、レンズ２７８とレンズ２４８が互いに逆方向に移動し、レンズ２７８とレンズ２４８が近づくこととなる。これにより光学的な補正を行い、半導体レーザ素子１７からフェルール１８までの光学的な距離が変動することを抑制することができる。その結果、フェルール１８の端面１８ａへの入射光の光量が変動することを抑制できる。

実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４にかかる光モジュール３１０を示す模式的な断面図である。光モジュール３１０は、ステム１２と、キャップ２３０と、このキャップ２３０の内側に設けられた支持部３００と、キャップ２３０に設けられたレンズ２４８と、を備えている。キャップ２３０は、光モジュール２１０、４１０が備えたものと同じである。

支持部３００は、筒部２３２の内側に配置されて裏面３１ｂに接続している。支持部３００は、キャップ２３０の材料よりも小さな線膨張係数を有する熱膨張材料で形成されている。好ましくは支持部３００をタングステンとし、キャップ２３０をタングステンよりも大きな線膨張係数を有する金属材料としても良い。支持部３００は、底面部３００ａと、この底面部３００ａの両端それぞれに接続した側壁部３００ｂとからなる。

支持部３００の底面部３００ａには、キャリア１４が固定されている。キャリア１４にはサブマウント１６および半導体レーザ素子１７がさらに取り付けられている。レンズ２４８は、フタ部２３１の穴に設けられ半導体レーザ素子１７と光結合している。

キャップ２３０の筒部２３２が伸長する量よりも支持部３００の側壁部３００ｂが伸長する量のほうが小さくなる。このため、半導体レーザ素子１７とレンズ２４８との間の距離が拡大することを抑制することができる。

なお、実施の形態１〜４にかかる光モジュール１０〜２１０の各キャップを組み合わせて用いてもよい。例えば、実施の形態３にかかるキャップ２３０およびキャップ２６０の少なくとも一方を、実施の形態１にかかるキャップ３０あるいは実施の形態２にかかるキャップ１３０と置換しても良い。

また、実施の形態３にかかるキャップ２３０およびキャップ２６０のいずれか一方をキャップ３０に置換しかつ他方をキャップ１３０に置換しても良い。このとき、実施の形態３ではキャップ２３０とキャップ２６０に熱膨張材料と熱収縮材料を適用したが、置換したキャップ３０、１３０は両方を熱膨張係数としてもよい。キャップ３０、１３０のフタ部３１、１３１の設計において、熱膨張時にレンズ４８、１４８を押し下げる量を調整すればよいからである。

また、実施の形態３にかかる光モジュール２１０において、「キャリア１４、サブマウント１６、半導体レーザ素子１７、およびキャップ２３０からなる部品群」をステム１２の上面１２ａの代わりに支持部３００の底面部３００ａ上に固定するとともに、この部品群を支持した支持部３００をキャップ２６０の裏面２６１ｂにその側壁部３００ｂを介して固定しても良い。このようにすることで、実施の形態３と実施の形態４の技術的特長を兼ね備えた光モジュールが提供される。

なお、上述した実施の形態１〜４では、半導体レーザ素子すなわち半導体発光素子を用いた発光モジュールとしての光モジュール１０〜３１０を説明した。しかしながら本発明にかかる光モジュールはこれに限られるものではない。半導体レーザ素子１７に換えてフォトダイオードを設けるなどの変形を行うことで、実施の形態１〜４のキャップ３０〜２６０等を備えた受光モジュールを提供することもできる。

１０、１１０、２１０、３１０光モジュール、１２ステム、１２ａ上面、１４キャリア、１６サブマウント、１７半導体レーザ素子、１８フェルール、１８ａ端面、３０、１３０、２３０、２６０キャップ、３１、１３１、２３１、２６１フタ部、３１ａ、１３１ａ、２３１ａ、２６１ａ表面、３１ｂ、１３１ｂ、２３１ｂ、２６１ｂ裏面、３１ｃ、１３１ｃ、２３１ｃ、２６１ｃ縁、３２、２３２、２６２筒部、４８、１４８、２４８、２７８レンズ、３００支持部、３００ａ底面部、３００ｂ側壁部

Claims

上面を備えたステムと、
前記上面に設けられた台座と、
前記台座に設けられた半導体光素子と、
筒部、および前記筒部の一端に設けられ表面と裏面を有し前記表面と前記裏面を貫通する穴を備えたフタ部を備え、前記筒部の他端が開放し、前記台座および前記半導体光素子に被さるように前記他端が前記上面に接続し、熱膨張材料で形成されたキャップと、
前記フタ部の前記穴に設けられ前記半導体光素子と光結合するレンズと、
を備え、
前記フタ部は、前記キャップの温度が上昇すると前記レンズを前記筒部の内側に押し下げるように膨張するものであり、
前記フタ部の全体が前記筒部の内側へとテーパ状に凹むことで前記フタ部の全体が錐状の傾斜面となり、
前記フタ部の中央に前記穴が設けられ、
前記レンズは、前記穴の縁に固定されたことを特徴とする光モジュール。
前記キャップが金属で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記台座は、前記キャップよりも熱膨張係数の小さな材料で形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。