JP6593547B1 - 光モジュール - Google Patents

Abstract

半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子の出射光を集光するレンズと、該レンズを保持し、該半導体レーザ素子を気密封止するキャップと、該半導体レーザ素子の背面光を受光するモニタ受光素子と、該半導体レーザ素子と該モニタ受光素子の間に配置され、該キャップの周囲の温度が低いほど該背面光を減衰させて該モニタ受光素子に入射させる透過板と、該モニタ受光素子の出力が一定になるように、該半導体レーザ素子の注入電流を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。

Description

この発明は光モジュールに関する。

近年、１０Ｇｂｉｔ/ｓの伝送速度で４０〜８０ｋｍの伝送距離に対応する光モジュールの普及が進み、その低コスト化への要求が高まっている。このような光モジュールは、例えば電界吸収型変調器と、高品質な光信号を送信できる半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の温度を一定に制御し特性を安定化させるペルチエ素子を備える。光モジュールのパッケージとしては、従来はセラミックの箱型パッケージが使用されていたが、最近はより安価なＴＯ−ＣＡＮ(Transistor outlined CAN)型パッケージが使用されつつある。

ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージは、レンズが取り付けられた円筒形のキャップをステムに抵抗溶接することで半導体レーザ素子を気密封止するものである。レーザダイオードの前面光は、レンズを介し光ファイバの端面に集光される。これにより、半導体レーザ素子の前面光は光ファイバの導波路に結合し光信号が送信される。半導体レーザ素子の背面光は、例えばフォトダイオードなどのモニタ受光素子に入射される。モニタ受光素子は受光量に応じた光電流を出力する。この光電流が一定値となるように半導体レーザ素子への注入電流が制御され、半導体レーザ素子が送信する光信号の出力は一定に保たれる。これをＡＰＣ(Auto Power Control)と呼ぶ。

半導体レーザ素子の特性は温度により敏感に変化する。安定して高品質な光信号を送信するため、半導体レーザ素子の温度はＴＥＣ（Thermo-Electric Cooling Module）により一定に制御される。ＴＥＣとはペルチエ素子の両端に熱伝導性の良い吸熱基板と放熱基板を取り付けた熱電モジュールである。

パッケージ周囲温度が室温から高温に変化した場合、ＴＥＣにより温度調節された半導体レーザ素子の位置はほとんど変動しないが、ＴＥＣにより温度調節されていないキャップは熱膨張する。この熱膨張でレンズの位置は光ファイバへと向かう方向に変動する。これにより半導体レーザ素子の前面光の集光点はレンズへと向かう方向に変動し、光ファイバへの結合効率が変動する。光ファイバへの結合効率が変動すると、光ファイバに結合した光信号強度(Ｐｆ)も変動する。このような周囲温度変化に伴うＰｆの変動をトラッキングエラーと呼ぶ。

特許文献１には、半導体レーザ素子とレンズとの間に別のレンズを配置したＴＯ−ＣＡＮ型パッケージが示されている。このＴＯ−ＣＡＮ型パッケージは、半導体レーザ素子の出射光をコリメート光とすることでトラッキングエラーを軽減する。

日本特開２０１１−１０８９３７号公報

特許文献１に示されたＴＯ−ＣＡＮ型のパッケージは、コリメート光を生成するためにレンズの位置を精度よく固定する必要があり、組立コストの増加を招く。

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、トラッキングエラーを軽減した光モジュールを提供することを目的とする。

本願の発明にかかる光モジュールは、半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子の温度を一定に調整する熱電クーラーと、該半導体レーザ素子の出射光を集光するレンズと、該熱電クーラーが固定されたステムと、該ステムに固定された金属ポストと、該レンズを保持し、該半導体レーザ素子を気密封止し、該ステムに固定されたキャップと、該半導体レーザ素子の背面光を受光するモニタ受光素子と、該金属ポストによって保持され、該半導体レーザ素子と該モニタ受光素子の間にこれらと離れて配置され、自身の温度が低いほど該背面光を減衰させて該モニタ受光素子に入射させる透過板と、該モニタ受光素子の出力が一定になるように、該半導体レーザ素子の注入電流を制御する制御部と、該レンズにより集光された該出射光と光学結合する位置に設けられた光ファイバと、を備え、該半導体レーザ素子の動作温度範囲の中心温度よりも動作温度範囲の上限に近い温度で、該光ファイバに結合した光信号強度が最大となるよう、該光ファイバの位置を光軸方向にデフォーカスしたことを特徴とする。

本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

この発明によれば、透過率が温度変化する透過板を経由した背面光をモニタ受光素子で受光するので、トラッキングエラーを軽減した光モジュールを得ることができる。

実施の形態１に係る光モジュールの断面図である。 実施の形態１に係る光モジュールの断面図である。 透過板の特性を示す図である。 光モジュールの制御方法を示すブロック図である。 光信号強度の温度依存を示す図である。 実施の形態３に係る光モジュールの一部を示す図である。 入射角と反射率の関係を示す図である。 実施の形態４に係る光モジュールの一部を示す図である。 実施の形態５に係る光モジュールを示す図である。 実施の形態６に係る光モジュールを示す図である。

本発明の実施の形態に係る光モジュールについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る光モジュール１０の断面図である。光モジュール１０はステム１３を備えている。ステム１３には熱電クーラー１６が設けられている。熱電クーラー１６は、ぺルチエ素子１６ａの両側に吸熱基板１６ｂと放熱基板１６ｃが取り付けられたＴＥＣ（Thermoelectric Cooler）とすることができる。放熱基板１６ｃはステム１３に固定されている。固定の方法は特に限定されないが、例えばＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕ等を用いたはんだ付けである。あるいは溶接でもよい。

熱電クーラー１６には、放熱ブロック１７などにより半導体レーザ素子１８が取り付けられている。具体的には、吸熱基板１６ｂに放熱ブロック１７などにより半導体レーザ素子１８が取り付けられている。半導体レーザ素子１８は例えばレーザダイオードである。半導体レーザ素子１８は、熱電クーラー１６による温度調整を受ける。ステム１３を貫通する給電用リードピンを設けることで、半導体レーザ素子１８と熱電クーラー１６に電力供給することができる。熱電クーラー１６により半導体レーザ素子１８の温度を一定に調整するため、半導体レーザ素子１８が出力する光信号は高品質に保たれる。

ステム１３にはキャップ２０が固定されている。キャップ２０は、熱電クーラー１６と半導体レーザ素子１８を気密封止する。さらに、キャップ２０はレンズ２２を保持している。レンズ２２は半導体レーザ素子１８の出射光を集光する。レンズ２２を保持したキャップ２０をステム１３に例えば抵抗溶接することで、半導体レーザ素子１８を気密封止することができる。

放熱ブロック１７には半導体レーザ素子１８の背面光を受光するモニタ受光素子２４が設けられている。モニタ受光素子２４は例えばフォトダイオードなどの光を電流に変換する素子である。半導体レーザ素子１８とモニタ受光素子２４の間に透過板２６が配置されている。透過板２６は、半導体レーザ素子１８の背面光を減衰させる。透過板２６はキャップ２０の周囲の温度が低いほど背面光を減衰させてモニタ受光素子２４に入射させる。透過板２６の材料は例えば、低コストに入手できる光学部品である硼珪酸クラウンガラス、合成石英又はガラスセラミックスとすることができる。図３の上段のグラフは、パッケージ周囲温度と反射板の透過率の関係を示す。パッケージとは、光モジュールを覆う部材のことを指し、本実施形態ではキャップ２０を指す。パッケージ周囲温度が低くなると、透過板２６の温度も低くなり、透過板２６の透過率が低下する。

図１に示すとおり、透過板２６は金属ポスト２７によって保持されている。金属ポスト２７はステム１３に固定されている。したがって、透過板２６は熱電クーラー１６とは熱的に接触していないので、透過板２６が熱電クーラー１６によって温度変化して透過板２６の透過率が変化することはない。つまり、透過板２６の温度は専らキャップ２０の周囲の温度によって決まる。

キャップ２０の外側には、光ファイバ２８が設けられている。レンズ２２により集光された出射光と光学結合する位置に光ファイバ２８が設けられている。図１には「室温」における半導体レーザ素子１８の出射光と光ファイバ２８の位置が示されている。光モジュールの周囲の温度が室温であるときに、光ファイバ２８の光軸方向の端面位置はレンズ２２へ向かう方向にデフォーカスしている。

図２には、室温よりも温度が高い高温時における半導体レーザ素子１８の出射光と、光ファイバ２８の位置が示されている。光モジュール１０の周囲温度が高温になると、キャップ２０が熱膨張し、レンズ２２の位置は光ファイバ２８へ向かう方向に変動する。これにより、図１の光ファイバ２８とレンズ２２の距離ｘ１より、図２の光ファイバ２８とレンズ２２の距離ｘ２の方が小さくなる。そのため、半導体レーザ素子１８の出射光の集光点はレンズ２２へ向かう方向に変動する。これにより、出射光の集光点と光ファイバ２８の端面位置が近づく。そうすると、出射光の集光点と光ファイバ２８の端面位置が概ね一致し、結合効率のピークが得られる。

図４は、半導体レーザ素子１８の注入電流の制御を示すブロック図である。モニタ受光素子２４が透過板２６を介して半導体レーザ素子１８の背面光を受光すると、それに応じた光電流がモニタ受光素子２４の出力として制御部３０に提供される。制御部３０は、モニタ受光素子２４の出力が一定になるように、半導体レーザ素子１８の注入電流を制御する。したがって、半導体レーザ素子１８の出射光又は光信号の強度はＡＰＣ(Automatic Power Control)制御される。

図３の上段に示されるように、透過板２６の透過率は温度が低いほど小さくなる。したがって、高温時には透過板２６を透過する背面光が強く、低温時は透過板２６を透過する背面光が弱くなる。そのため、制御部３０でモニタ受光素子２４の出力が一定になるように半導体レーザ素子１８の注入電流を制御すると、低温時には半導体レーザ素子１８の注入電流が大きくなり、高温時には同注入電流が小さくなる。例えば図３の下段には、パッケージ周囲温度と、半導体レーザ素子の注入電流の関係が示されている。パッケージ周囲の温度低下に伴い、透過板２６の透過率が減少するので、モニタ受光素子２４が受光する背面光の強度が低下する。そうすると、制御部３０はモニタ受光素子２４が出力する光電流が変化しないよう、半導体レーザ素子１８の注入電流を増加させる。つまり、温度が低いほど注入電流を増加させる。

図５は、モジュール周囲温度と、光ファイバに結合した光信号強度(Ｐｆ)の関係を示す図である。光モジュール１０の使用温度範囲としてｔ１からｔ２までの温度範囲を想定する。左側のグラフは図１の構成から透過板２６を除去し、光ファイバの室温におけるデフォーカスをなくした場合におけるモジュール周囲温度と、光ファイバに結合した光信号強度(Ｐｆ)の関係を示す。この場合、光信号強度（Ｐｆ）のピークは室温で得られる。そして、周囲温度が室温から高温または低温に同程度ずれたときのＰｆ低下量は同等である。

図５の右側のグラフは、上述した図１の構成におけるＰｆの温度依存性を示すものである。光ファイバのデフォーカスを実施しているため、Ｐｆのピークは室温よりも高温側で得られる。また、透過板２６を付加したので、半導体レーザ素子１８への注入電流は温度上昇に伴い小さくなる。温度が低い領域では半導体レーザ素子１８への注入電流が大きくなり、半導体レーザ素子１８の出射光強度が強くなるので、Ｐｆの低下量が小さくなる。他方、温度が高い領域では半導体レーザ素子１８への注入電流が小さくなり、半導体レーザ素子１８の出射光強度が弱くなるので、Ｐｆの低下量は大きくなる。しかしながら、使用温度範囲の上限付近でＰｆのピークが得られるように光ファイバ２８をデフォーカスしておけば、全使用温度範囲でＰｆの低下量を抑制することができる。

図５の中央のグラフは、上述した図１の構成を基本としつつ光ファイバの室温におけるデフォーカスをなくした場合のＰｆの温度依存性を示す。この場合、室温よりも低温側ではＰｆの低下量を小さくできる。しかしながら、室温よりも高温になると、Ｐｆの低下量は大きくなりｔ２の近傍では十分なＰｆが得られなくなる。

図５を参照しつつ説明したとおり、図３の上段に示す透過率特性を有する透過板と、ＡＰＣ制御により、低温側で高いＰｆを維持できる。そして、光モジュールの周囲の温度が室温であるときに、光ファイバ２８の光軸方向の端面位置をレンズ２２の方向にデフォーカスさせておくことで、動作温度範囲の全体にわたって良好なＰｆを得ることができる。具体的には、半導体レーザ素子１８の動作温度範囲の中心温度よりも動作温度範囲の上限に近い温度で、光ファイバ２８に結合した光信号強度が最大となるよう、光ファイバ２８の位置を光軸方向にデフォーカスする。これより、動作温度範囲の全体にわたって良好なＰｆを得ることができる。

透過板２６については、上述の効果に加えて、熱電クーラー１６の消費電力を小さくする効果もある。透過板２６は周囲温度の上昇に伴い半導体レーザ素子１８の注入電流を小さくするので、周囲温度が高温であるときの半導体レーザ素子１８の発熱を小さくすることができる。したがって、高温時に熱電クーラー１６が半導体レーザ素子１８を冷却するために必要な電力を小さくできる。逆に、周囲温度が低温であるときは熱電クーラー１６が半導体レーザ素子１８を温めようと動作するが、周囲温度が低温である時は半導体レーザ素子１８の発熱が大きくなるので、熱電クーラー１６が半導体レーザ素子１８を温めるために必要な電力が小さくなる。

以上により、実施の形態１では、半導体レーザ素子１８とモニタ受光素子２４の間に透過板２６を付加し、光ファイバ２８をデフォーカスすることでトラッキングエラーを軽減できる。さらに、熱電クーラー１６の消費電力を低減できる。以下の実施の形態に係る光モジュールは、実施の形態１との類似点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
実施の形態２の光モジュールは、実施の形態１と一致点が多いが、室温において光ファイバ２８をデフォーカスしない点で実施の形態１と異なる。つまり、実施の形態２では、室温で結合効率のピークが得られるよう調心する。より具体的には、半導体レーザ素子１８の動作温度範囲の中心温度で、光ファイバ２８に結合した光信号強度が最大となる位置に光ファイバ２８を設けた。例えば、室温において、図２に示すように出射光の集光点と光ファイバ２８の端面位置が概ね一致し、結合効率のピークを得るようにした。

この場合、モジュール周囲温度と、光ファイバ２８に結合した光信号強度(Ｐｆ)の関係は、例えば図５の中央のグラフのようになる。透過板２６を設けることで、低温側ではＰｆの低下量を軽減することができる。したがって、低温側のみトラッキングエラーを改善したい場合は、デフォーカスを実施しないことでより簡便に光モジュールを製造することができる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る光モジュールの一部を示す図である。実施の形態３における透過板２６は支持体４０によって保持されている。支持体４０は透過板２６よりも線熱膨張係数が大きい材料で形成する。支持体４０は例えばプラスチックである。支持体４０は、例えば断熱部材を介して放熱ブロック１７に固定することができる。

支持体４０は、背面光の進行方向に厚い部分と薄い部分を有している。厚みが不均一な支持体４０は、温度上昇に伴い、背面光の透過板２６への入射角が大きくなるように透過板２６の位置を変化させる。例えば、図６において、室温における背面光の透過板２６への入射角はθであり、室温よりも高い温度における背面光の透過板２６への入射角はθより大きくなる。高温時における透過板２６の背面光の受光面は破線で示されている。このときの入射角はθより大きいθ’である。

図６には、支持体４０は下方において背面光の進行方向に厚く、上方において背面光の進行方向に薄いことが示されている。支持体４０の形状は例えば三角柱である。なお、図６に示す支持体４０は一例であり、温度が高くなるほど背面光の透過板への入射角が大きくなるように透過板の位置を変化させる別の形状の支持体を採用することができる。

ここで、半導体レーザ素子１８の背面光の偏光方向はＰ偏光である。また、入射角θは偏光角と全反射角の間に設定されている。図７は、半導体レーザ素子１８の背面光の透過板２６への入射角θと、透過板２６の反射率の関係を示す図である。背面光の偏光方向をＰ偏光とすることで、偏光角と全反射角の間に反射率変動量が急峻な領域が形成される。この領域に入射角を設定すると、温度変化に伴い透過板２６の反射率は急峻に変化する。すなわち、入射角の変化に伴い、ＡＰＣ駆動による半導体レーザ素子１８への注入電流の変化も大きくなる。よって、例えば図５の中央又は右側のグラフにおけるトラッキングエラーの補償量を大きくすることができる。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４に係る光モジュールの一部を示す図である。透過板２６には誘電体多層膜５０が形成されている。誘電体多層膜５０は、入射角の変動範囲において、実施の形態３よりも入射角変動による反射率の変動を大きくするものである。誘電体多層膜５０は、例えば酸化チタン、酸化シリコン、五酸化ニオブ、五酸化タンタル、フッ化マグネシウムのうちの少なくとも１つを複数層積層して形成することができる。１つの材料を積層させるだけでなく、複数の材料を積層させて誘電体多層膜５０を形成してもよい。誘電体多層膜５０は、入射角に応じて反射率が敏感に変化する性質を有する。これにより、トラッキングエラーの補償量を実施の形態３よりも更に大きくできる。

誘電体多層膜５０を形成することで、半導体レーザ素子の背面光の偏光方向はＰ偏光に限らず自由に設定することができる。よって、光モジュールの設計自由度を高めることができる。

実施の形態５．
図９は、実施の形態５に係る光モジュールの断面図である。実施の形態５における透過板２６は、背面光のうち透過板２６を透過しない成分を出射光と非平行な方向へ反射する。例えば、背面光のうち透過板２６を透過しない成分である非透過成分を、出射光と平行な方向と９０°の角度をなす方向へ反射する反射面を設けることができる。そのような反射面は、例えば、図６の支持体４０とそれに支持された透過板２６によって提供することができる。この例に限らず、非透過成分を出射光と非平行な方向へ反射する任意の構成を採用することができる。

実施の形態５の透過板２６によれば、前述の非透過成分が半導体レーザ素子１８の出射光に干渉することを防止できる。したがって、レンズ２２から出力されるビームの強度分布がシングルモードに近づき、光ファイバ２８の光軸調整がしやすくなる。

実施の形態６．
図１０は、実施の形態６に係る光モジュールの平面図である。前述のとおり、金属ポスト２７には透過板２６が固定されている。実施の形態６の光モジュールでは、この金属ポスト２７に橋渡し基板６０を固定した。橋渡し基板６０は、半導体レーザ素子１８の電気信号を伝送する高周波線路を有している。この高周波線路と半導体レーザ素子１８をワイヤ接続する。したがって、橋渡し基板６０を介して半導体レーザ素子１８に高周波電気信号を伝達することができる。

金属ポスト２７に橋渡し基板６０と透過板２６の両方を取り付けることで、トラッキングエラーを改善するとともに高周波特性を改善できる。例えば、橋渡し基板６０は、端部が露出したＬ字型形状とすることができる。これにより、金属ポスト２７に透過板２６の取り付けスペースを確保することができる。このようなＬ字型形状の橋渡し基板６０は、半導体レーザ素子１８に近い位置に高周波線路を位置させつつ、金属ポスト２７の端部よりもステム１３に近い位置に透過板２６を固定することを可能とする。

なお、上記の各実施の形態に係る光モジュールの特徴を組み合わせることができる。

１０ 光モジュール、 １３ ステム、 １６ 熱電クーラー、 １８ 半導体レーザ素子、 ２０ キャップ、 ２２ レンズ、 ２４ モニタ受光素子、 ２６ 透過板

Claims (6)

1. 半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子の温度を一定に調整する熱電クーラーと、
   前記半導体レーザ素子の出射光を集光するレンズと、
   前記熱電クーラーが固定されたステムと、
   前記ステムに固定された金属ポストと、
   前記レンズを保持し、前記半導体レーザ素子を気密封止し、前記ステムに固定されたキャップと、
   前記半導体レーザ素子の背面光を受光するモニタ受光素子と、
   前記金属ポストによって保持され、前記半導体レーザ素子と前記モニタ受光素子の間にこれらと離れて配置され、自身の温度が低いほど前記背面光を減衰させて前記モニタ受光素子に入射させる透過板と、
   前記モニタ受光素子の出力が一定になるように、前記半導体レーザ素子の注入電流を制御する制御部と、
   前記レンズにより集光された前記出射光と光学結合する位置に設けられた光ファイバと、を備え、
   前記半導体レーザ素子の動作温度範囲の中心温度よりも動作温度範囲の上限に近い温度で、前記光ファイバに結合した光信号強度が最大となるよう、前記光ファイバの位置を光軸方向にデフォーカスしたことを特徴とする光モジュール。
2. 半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子の温度を一定に調整する熱電クーラーと、
   前記半導体レーザ素子の出射光を集光するレンズと、
   前記熱電クーラーが固定されたステムと、
   前記ステムに固定された金属ポストと、
   前記レンズを保持し、前記半導体レーザ素子を気密封止し、前記ステムに固定されたキャップと、
   前記半導体レーザ素子の背面光を受光するモニタ受光素子と、
   前記金属ポストによって保持され、前記半導体レーザ素子と前記モニタ受光素子の間にこれらと離れて配置され、自身の温度が低いほど前記背面光を減衰させて前記モニタ受光素子に入射させる透過板と、
   前記モニタ受光素子の出力が一定になるように、前記半導体レーザ素子の注入電流を制御する制御部と、
   前記レンズにより集光された前記出射光と光学結合する位置に設けられた光ファイバと、を備え、
   前記半導体レーザ素子の動作温度範囲の中心温度で、前記光ファイバに結合した光信号強度が最大となる位置に前記光ファイバを設けたことを特徴とする光モジュール。
3. 前記透過板は、前記背面光のうち前記透過板を透過しない成分を前記出射光と非平行な方向へ反射することを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
4. 前記金属ポストに固定された、前記半導体レーザ素子の電気信号を伝送する高周波線路を有する橋渡し基板を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
5. 前記橋渡し基板は、端部が露出したＬ字型形状であり、
   前記金属ポストの前記端部よりも前記ステムに近い位置に前記透過板が固定されたことを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
6. 前記透過板の材料は硼珪酸クラウンガラス、合成石英又はガラスセラミックスであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光モジュール。

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