JP7020590B1 - レーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

リードピン（２ａ，２ｂ）が金属ステム（１）を貫通している。支持ブロック（３）が金属ステム（１）の上に実装されている。誘電体基板（４）が支持ブロック（３）の側面に実装されている。信号線路（５ａ，５ｂ）が誘電体基板（４）に形成されている。信号線路（５ａ，５ｂ）の一端がリードピン（２ａ，２ｂ）に接続されている。半導体光変調素子（６）が誘電体基板（４）に実装されている。導電性ワイヤ（８ａ，８ｂ）が信号線路（５ａ，５ｂ）の他端と半導体光変調素子（６）を接続する。半導体光変調素子（６）は、互いに分離された複数の光変調器（６ｂ，６ｃ）を有する。

Description

本開示は、半導体光変調素子を備えるレーザ光源装置に関する。

ＳＮＳ、動画共有サービス等の普及が世界的規模で進んでおり、データ伝送の大容量化が加速している。これに伴って、限られた実装スペースで信号の高速大容量伝送化に対応するため、光トランシーバーの高速化・小型化が進んでいる。

半導体光変調素子を搭載した従来のレーザ光源装置として、金属ステムを貫通するリードピンとＡＣ－ＧＮＤをコプレナ線路に変換し、温度制御モジュール上に実装された半導体光変調素子に接続したものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

日本特願２０１１－５１８３８１号公報

従来のレーザ光源装置では、単一の光変調器を有する半導体光変調素子を用い、半導体光変調素子への電気信号入力方式は単層駆動方式であった。光変調器の長さを短尺化すれば広帯域化できる。しかし、短尺化と消光比はトレードオフの関係にある。このため、光変調器を短尺化して広帯域化しようとすると十分な消光比を確保できないという問題があった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は十分な消光比を確保しつつ広帯域化できるレーザ光源装置を得るものである。

本開示に係るレーザ光源装置は、金属ステムと、前記金属ステムを貫通するリードピンと、前記金属ステムの上に実装された支持ブロックと、前記支持ブロックの側面に実装された誘電体基板と、前記誘電体基板に形成され、一端が前記リードピンに接続された信号線路と、前記誘電体基板に実装された半導体光変調素子と、前記信号線路の他端と前記半導体光変調素子を接続する導電性ワイヤとを備え、前記半導体光変調素子は、互いに分離された複数の光変調器を有し、前記信号線路は、差動信号を前記半導体光変調素子に供給する第１及び第２の差動駆動用信号線路を有し、前記複数の光変調器は、前記第１及び第２の差動駆動用信号線路の間に互いに直列に接続されていることを特徴とする。

本開示では、半導体光変調素子は、互いに分離された複数の光変調器を有する。これにより、各光変調器の長さが従来よりも短尺化するため、静電容量が小さくなる。従って、周波数帯域に対する利得が向上して広帯域化が可能となる。また、複数の光変調器により従来の１つの光変調器と同等の消光比を確保できる。

実施の形態１に係るレーザ光源装置を示す斜視図である。 実施の形態１に係る半導体光変調素子の光変調器部を示す平面図である。 実施の形態１に係るレーザ光源装置の回路構成を示す図である。 従来のレーザ光源装置の周波数応答特性の３次元電磁界シミュレーション結果を示す図である。 実施の形態１に係るレーザ光源装置の周波数応答特性の３次元電磁界シミュレーション結果を示す図である。 実施の形態２に係るレーザ光源装置の回路構成を示す図である。 実施の形態３に係るレーザ光源装置の一部を示す平面図である。 図７のＩ－ＩＩに沿った断面図である。 実施の形態４に係るレーザ光源装置の一部の断面図である。 実施の形態５に係るレーザ光源装置の一部の断面図である。 実施の形態５に係るレーザ光源装置を示す斜視図である。 実施の形態７に係るレーザ光源装置を示す断面図である。 実施の形態８に係るレーザ光源装置を示す側面図である。

実施の形態に係るレーザ光源装置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に係るレーザ光源装置を示す斜視図である。金属ステム１は、例えばＣｕなどの熱伝導率の高い材料の表面にＡｕメッキなどが施された金属材料からなる板状のステムベースである。

リードピン２ａ，２ｂ，２ｃが金属ステム１を貫通している。支持ブロック３が金属ステム１の上に実装されている。支持ブロック３は、例えばＣｕなどの熱伝導率の高い材料の表面にＡｕメッキなどが施された金属材料のブロックである。

誘電体基板４が支持ブロック３の側面に実装されている。誘電体基板４は、例えば窒化アルミ（ＡｌＮ）などのセラミック板である。差動駆動用信号線路５ａ，５ｂ及びグランド導体５ｃは、誘電体基板４に形成されたＡｕメッキ及びメタライズパターンである。差動駆動用信号線路５ａ，５ｂはコプレナ線路又はマイクロストリップ線路であり、信号発生器の出力インピーダンスと同等のインピーダンスとなっている。グランド導体５ｃは、例えばＳｎＡｇＣｕハンダなどにより金属ステム１と接続されている。

半導体光変調素子６が誘電体基板４に実装されている。半導体光変調素子６は、分布帰還型レーザダイオード６ａと２つの電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃをモノリシックに集積した光変調器集積型レーザダイオード（ＥＡＭ－ＬＤ）である。電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃは例えばＩｎＧａＡｓＰ系量子井戸吸収層を有する。

差動駆動用信号線路５ａ，５ｂの一端がそれぞれハンダ７ａ，７ｂによりリードピン２ａ，２ｂに接続されている。ハンダ７ａ，７ｂはＳｎＡｇＣｕなどの材料からなる。Ａｕなどからなる導電性ワイヤ８ａ，８ｂがそれぞれ差動駆動用信号線路５ａ，５ｂの他端と半導体光変調素子６の電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃを接続する。Ａｕなどからなる導電性ワイヤ８ｃがリードピン２ｃと分布帰還型レーザダイオード６ａを接続する。ワイヤボンディングには例えば超音波振動圧着が用いられる。

金属ステム１は、支持ブロック３、誘電体基板４及び半導体光変調素子６を固定する。支持ブロック３は誘電体基板４及び半導体光変調素子６を固定する。誘電体基板４は半導体光変調素子６を固定する。一般的に誘電体基板４は、電気絶縁機能及び熱伝達機能を担う。半導体光変調素子６において発生した熱は、金属ステム１、支持ブロック３及び誘電体基板４を介して金属ステム１のＺ軸負方向側の冷却部材（不図示）に放熱される。

分布帰還型レーザダイオード６ａは、リードピン２ｃ及び導電性ワイヤ８ｃを介して給電され、レーザ光を出射する。電気信号がリードピン２ａ，２ｂから入力され、ハンダ７ａ，７ｂを介して差動駆動用信号線路５ａ，５ｂに伝達された後、導電性ワイヤ８ａ，８ｂを介して半導体光変調素子６の複数の光変調器６ｂ，６ｃに印加される。互いに接続された金属ステム１、支持ブロック３及び誘電体基板４のグランド導体５ｃがＡＣグランドとして作用し、リードピン２ａ，２ｂに入力された電気信号は金属ステム１と電磁的に結合される。

分布帰還型レーザダイオード６ａが出射したレーザ光が電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃにより順に変調される。変調されたレーザ光が半導体光変調素子６の発光点からチップ端面に対して垂直かつチップ主面に対して平行な光軸に沿って放射される。

図２は、実施の形態１に係る半導体光変調素子の光変調器部を示す平面図である。電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃと透明導波路９がＩｎＰ基板１０の上に設けられている。電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃの半導体層は絶縁層１１により互いに絶縁分離されている。電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃの吸収層は透明導波路９により光学的につながっている。電界吸収型光変調器６ｂのｐ型電極とｐ型電極パッド６ｂｐが給電ライン１２により電気的に接続されている。電界吸収型光変調器６ｃのｐ型電極とｐ型電極パッド６ｃｐが給電ライン１３により電気的に接続されている。

電界吸収型光変調器６ｂのｎ型電極パッド６ｂｎと電界吸収型光変調器６ｃのｐ型電極パッド６ｃｐが導電性ワイヤなどで接続されて、電界吸収型光変調器６ｂと電界吸収型光変調器６ｃが直列的に接続されている。電界吸収型光変調器６ｂのｐ型電極パッド６ｂｐと電界吸収型光変調器６ｃのｎ型電極パッド６ｃｎはそれぞれ差動駆動用信号線路５ａ，５ｂにワイヤ接続される。

図３は、実施の形態１に係るレーザ光源装置の回路構成を示す図である。信号発生器１４から出力された差動電気信号は、差動駆動用信号線路５ａ，５ｂ及び導電性ワイヤ８ａ，８ｂを介して半導体光変調素子６に給電される。信号発生器１４からの最大電圧振幅を得るため、整合抵抗１５が半導体光変調素子６と並列に信号線路１６ａ，１６ｂを介して接続されている。

半導体光変調素子６の２つの電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃは直列に接続されている。従って、電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃの静電容量をそれぞれＣ１，Ｃ２とすると、合成静電容量ＣはＣ＝Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。

図４は、従来のレーザ光源装置の周波数応答特性の３次元電磁界シミュレーション結果を示す図である。図５は、実施の形態１に係るレーザ光源装置の周波数応答特性の３次元電磁界シミュレーション結果を示す図である。縦軸は通過特性Ｓ２１である。従来のレーザ光源装置では光変調器が１つである。実施の形態１では、従来の光変調器の１／２の長さの光変調器を２個直列接続している。従来のレーザ光源装置では３ｄＢ通過帯域（カットオフ周波数）が３３ＧＨｚであるが、本実施の形態では３ｄＢ通過帯域が６３ＧＨｚである。従って、本実施の形態では高周波帯で利得が向上していることが分かる。

以上説明したように、本実施の形態では、半導体光変調素子６は、互いに分離された複数の電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃを有する。これにより、各光変調器の長さが従来よりも短尺化するため、静電容量が小さくなる。従って、周波数帯域に対する利得が向上して広帯域化が可能となる。また、複数の電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃにより従来の１つの光変調器と同等の消光比を確保できる。

また、複数の電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃは、差動信号を半導体光変調素子６に供給する第１及び第２の差動駆動用信号線路５ａ，５ｂの間に互いに直列に接続されている。このように半導体光変調素子６への電気信号入力方式が差動駆動方式であるため、複数の電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃを従来と同等の電圧で駆動できる。

なお、本実施の形態では、従来技術で設けられていた温度制御モジュールを用いておらず、部材点数削減による低コスト化及び組立タクト低減が可能になっている。ただし、使用環境よって必要ならば、金属ステム１の上又は支持ブロック３の側面などに温度制御モジュールを実装してもよい。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係るレーザ光源装置の回路構成を示す図である。電界吸収型光変調器６ｂが第１の差動駆動用信号線路５ａと接地点の間に接続されている。電界吸収型光変調器６ｃが第２の差動駆動用信号線路５ｂと接地点の間に接続されている。整合抵抗１５ａ，１５ｂがそれぞれ電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃに並列に接続されている。このように電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃと第１及び第２の差動駆動用信号線路５ａ，５ｂが接続されている場合でも、複数の電界吸収型光変調器６ｂ，６ｃを従来と同等の電圧で駆動できる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係るレーザ光源装置の一部を示す平面図である。図８は図７のＩ－ＩＩに沿った断面図である。整合抵抗１５は、誘電体基板４の上面と半導体光変調素子６の下面の間に配置されている。これにより、整合抵抗１５を半導体光変調素子６のＺ軸正方向側に迂回させる必要がなくなるため、線路分のインピーダンス不整合による信号反射ロスが無くなる。そして、誘電体基板４のＺ軸方向のサイズを小さくすることができる。

ただし、誘電体基板４の上面に設けられたグランド導体５ｃに半導体光変調素子６の下面がハンダ１７により接合されている。そこで、グランド導体５ｃを２分割し、整合抵抗１５を２分割されたグランド導体５ｃの隙間に配置している。これにより、グランド導体５ｃと整合抵抗１５を離間させることができる。また、グランド導体５ｃのめっき厚は整合抵抗１５よりも厚いため、整合抵抗１５が半導体光変調素子６と干渉しない。その他の構成及び効果は実施の形態１，２と同様である。なお、本実施の形態を実施の形態２と組み合わせる場合は、整合抵抗１５を整合抵抗１５ａ，１５ｂに置き換える。

実施の形態４．
図９は、実施の形態４に係るレーザ光源装置の一部の断面図である。この図は図７のＩ－ＩＩに沿った断面図に対応する。実施の形態３とは異なり、整合抵抗１５がグランド導体５ｃよりも厚くなっているが、半導体光変調素子６の下面に溝部１８が設けられている。これにより整合抵抗１５が半導体光変調素子６と干渉しない。その他の構成及び効果は実施の形態３と同様である。

実施の形態５．
図１０は、実施の形態５に係るレーザ光源装置の一部の断面図である。この図は図７のＩ－ＩＩに沿った断面図に対応する。実施の形態３では整合抵抗１５が誘電体基板４の上面に設けられているが、本実施の形態では整合抵抗１５は半導体光変調素子６の下面に設けられている。その他の構成及び効果は実施の形態３と同様である。

実施の形態６．
図１１は、実施の形態５に係るレーザ光源装置を示す斜視図である。受光素子１９が金属ステム１の上に実装され、半導体光変調素子６のＺ軸負方向側に配置されている。受光素子１９は導電性ワイヤ２０によりリードピン２１に接続されている。受光素子１９は、半導体光変調素子６の背面光を受光して電気信号へ変換する。電気信号は接続された導電性ワイヤ２０を介してリードピン２１へと伝送される。これにより、金属ステム１を貫通するリードピンの数が１本増えるが、半導体光変調素子６の背面光の強度のモニタが可能となる。これにより、光出力が一定になるようにＬＤ駆動電流を制御することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１～５と同様である。

実施の形態７．
図１２は、実施の形態７に係るレーザ光源装置を示す断面図である。キャップ２２が金属ステム１に接合され、半導体光変調素子６等を気密封止する。レンズ２３がキャップ２２に設けられている。レンズ２３は例えばＳｉＯ_２からなるガラスであり、半導体光変調素子６から出射されたレーザ光を集光又は平行光化する。これにより、金属ステム１の上に実装された半導体光変調素子６等の気密性を確保することができる。そして、耐湿性と外乱耐性を向上することもできる。その他の構成及び効果は実施の形態１～６と同様である。

実施の形態８．
図１３は、実施の形態８に係るレーザ光源装置を示す側面図である。レンズ２３が誘電体基板４に接合されている。接合材としてエポキシ系樹脂の接着剤が用いられる。レンズ２３は例えばＳｉＯ_２からなるガラスであり、半導体光変調素子６から出射されたレーザ光を集光又は平行光化する。これにより、実施の形態７よりも小型化が可能となる。その他の構成及び効果は実施の形態１～６と同様である。

１ 金属ステム、２ａ，２ｂ リードピン、３ 支持ブロック、４ 誘電体基板、５ａ 第１の差動駆動用信号線路、５ｂ 第２の差動駆動用信号線路、５ｃ グランド導体、６ 半導体光変調素子、６ｂ，６ｃ 電界吸収型光変調器、８ａ，８ｂ 導電性ワイヤ、１５ 整合抵抗、１８ 溝部、１９ 受光素子、２２ キャップ、２３ レンズ

Claims (10)

1. 金属ステムと、
   前記金属ステムを貫通するリードピンと、
   前記金属ステムの上に実装された支持ブロックと、
   前記支持ブロックの側面に実装された誘電体基板と、
   前記誘電体基板に形成され、一端が前記リードピンに接続された信号線路と、
   前記誘電体基板に実装された半導体光変調素子と、
   前記信号線路の他端と前記半導体光変調素子を接続する導電性ワイヤとを備え、
   前記半導体光変調素子は、互いに分離された複数の光変調器を有し、
   前記信号線路は、差動信号を前記半導体光変調素子に供給する第１及び第２の差動駆動用信号線路を有し、
   前記複数の光変調器は、前記第１及び第２の差動駆動用信号線路の間に互いに直列に接続されていることを特徴とするレーザ光源装置。
2. 前記複数の光変調器の吸収層は透明導波路で光学的につながっており、
   前記複数の光変調器はレーザ光を順に変調することを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。
3. 金属ステムと、
   前記金属ステムを貫通するリードピンと、
   前記金属ステムの上に実装された支持ブロックと、
   前記支持ブロックの側面に実装された誘電体基板と、
   前記誘電体基板に形成され、一端が前記リードピンに接続された信号線路と、
   前記誘電体基板に実装された半導体光変調素子と、
   前記信号線路の他端と前記半導体光変調素子を接続する導電性ワイヤと、
   前記半導体光変調素子に並列に接続された整合抵抗とを備え、
   前記半導体光変調素子は、互いに分離された複数の光変調器を有し、
   前記整合抵抗は、前記誘電体基板の上面と前記半導体光変調素子の下面の間に配置されていることを特徴とするレーザ光源装置。
4. 前記誘電体基板の上面に設けられたグランド導体を更に備え、
   前記半導体光変調素子の前記下面は前記グランド導体に接合され、
   前記整合抵抗は、２分割された前記グランド導体の隙間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ光源装置。
5. 前記グランド導体は前記整合抵抗よりも厚いことを特徴とする請求項４に記載のレーザ光源装置。
6. 前記半導体光変調素子の前記下面に溝部が設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載のレーザ光源装置。
7. 前記整合抵抗は前記半導体光変調素子の前記下面に設けられていることを特徴とする請求項３～５の何れか１項に記載のレーザ光源装置。
8. 前記金属ステムの上に実装され、前記半導体光変調素子の背面光を受光する受光素子を更に備えることを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載のレーザ光源装置。
9. 前記金属ステムに接合され、前記半導体光変調素子を気密封止するキャップと、
   前記キャップに設けられ、前記半導体光変調素子から出射されたレーザ光を集光又は平行光化するレンズとを更に備えることを特徴とする請求項１～８の何れか１項に記載のレーザ光源装置。
10. 前記誘電体基板に接合され、前記半導体光変調素子から出射されたレーザ光を集光又は平行光化するレンズを更に備えることを特徴とする請求項１～８の何れか１項に記載のレーザ光源装置。

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