JP7022513B2 - 光送信モジュール、光モジュール、及び光伝送装置、並びにそれらの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の半導体光素子を備える、光送信モジュール、光モジュール、及び光伝送装置、並びにそれらの製造方法に関し、特に複数の半導体光素子の温度調整に関する。

複数の半導体光素子を備える光送信モジュールが用いられている。例えば、光送信モジュールは、サブマウントとペルチェをさらに備えている。複数の半導体光素子がサブマウントの上表面（載置面）に配置され、ペルチェがサブマウントの下表面（底面）に配置される。複数の半導体光素子とペルチェはサブマウントを介して熱的に接続される。１つのペルチェが、サブマウントを介して、複数の半導体光素子を温度調整する。

特許文献１に、複数の半導体レーザ素子とペルチェを備える、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）用の光送信モジュール（ＴＯＳＡ：Transmitter Optical SubAssembly）が開示されており、１つのペルチェを用いて、一括に温度制御がなされている。

特開２０１３－１５３１３６号公報

従来の光送信モジュールでは、１つのペルチェが複数の半導体レーザ素子それぞれの温度が所望の温度範囲の中に収まるよう、一括に温度調整をしている。一般に、半導体レーザ素子は、半導体ウエハにて多量に一括に作製され、作製後、基準温度（例えば、５０℃）において出射する光の出力波長が、基準の波長範囲内に収まっているかが検査される。しかしながら、半導体ウエハにて作製される多量の半導体レーザ素子すべて（又は大部分）が、その出力波長が基準の波長範囲内に収めることは難しく、基準の波長範囲外の半導体レーザ素子も同時に作製されてしまう。例えば、光送信モジュールにおいて、ペルチェが複数の半導レーザ素子を基準温度（を含む予め定められた温度範囲）となるよう温度調整をする場合、検査によって基準の波長範囲内に収まっている半導体レーザ素子を選択して、検査によって選択される半導体レーザ素子をサブマウントに搭載することとなる。

一般に、半導体レーザ素子が出射する出力波長は温度に依存する。それゆえ、ペルチェが複数の半導体レーザ素子を一括して温度調整するならば、検査によって基準の波長範囲に収まっていない半導体レーザ素子を廃棄するしかなく、歩留りの低下を招き、高コスト化してしまう。対して、複数の半導体レーザ素子を個別に温度調整をすれば、廃棄される半導体レーザ素子も適切な温度に調整することができ、出力波長を予め定められた波長範囲内に収めることが出来る。しかし、この場合、複数の半導体それぞれにペルチェなどの温度調整機構が必要となり、複数の温度調整機構やそれぞれを駆動する駆動回路などにより、光送信モジュールの小型化や省コストを阻むこととなる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、低コスト化及び小型化と、複数の半導体光素子それぞれの温度調整と、がともに実現される光送信モジュール、光モジュール、及び光伝送装置、並びにそれらの製造方法の提供を目的とする。

（１）上記課題を解決するために、本発明に係る光送信モジュールは、複数の半導体光素子と、前記複数の半導体光素子に対して一括して温度調整をする、１の温度調整手段と、前記複数の半導体光素子のうち第１半導体光素子と、前記１の温度調整手段と、の間に配置される、第１熱抵抗体と、を備え、前記１の温度調整手段が駆動されるときに、前記第１半導体光素子の温度は、前記第１半導体光素子と異なる他の半導体光素子の温度より高い、ことを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の光送信モジュールであって、前記第１半導体光素子は、前記１の温度調整手段によって制御される駆動温度において、予め定められた波長とは異なる第１波長の光を出射し、前記１の温度調整手段が駆動されるときに、前記第１熱抵抗体により、前記第１半導体光素子が出射する光の波長は、前記第１波長から前記予め定められた波長へ近づけられてもよい。

（３）上記（１）又は（２）に記載の光送信モジュールであって、前記複数の半導体光素子を搭載するとともに、前記１の温度調整手段と熱的に接続する、サブマウントを、さらに備え、前記第１熱抵抗体は、前記第１半導体光素子と前記サブマウントとの間に配置され、それぞれと熱的に接続する、第１子基板であってもよい。

（４）上記（３）に記載の光送信モジュールであって、前記複数の半導体光素子のうち、前記第１半導体光素子とは異なる第２半導体光素子は、前記サブマウントに直接搭載されてもよい。

（５）上記（３）に記載の光送信モジュールであって、前記複数の半導体光素子のうち、前記第１半導体光素子とは異なる第２半導体光素子と、前記サブマウントと、の間に配置され、それぞれと熱的に接続するとともに、前記１の温度調整手段が駆動されるときに前記第２半導体光素子の温度を、前記第１半導体光素子の温度と異ならせる、第２子基板を、さらに備えていてもよい。

（６）上記（５）に記載の光送信モジュールであって、前記第２半導体光素子は、前記１の温度調整手段によって制御される温度範囲では、予め定めれられた波長とは異なる第２波長の光を出射し、前記１の温度調整手段が駆動されるときに、前記第２子基板により、前記第２半導体光素子が出射する光の波長は、前記第２波長から前記予め定められた波長へ近づけられてもよい。

（７）上記（３）に記載の光送信モジュールであって、前記複数の半導体光素子それぞれと、前記サブマウントと、の間に配置され、それぞれと熱的に接続するとともに、前記１の温度調整手段が駆動されるときに、前記複数の半導体光素子のうち少なくとも二つの前記半導体光素子の温度を異ならせる、複数の子基板を、さらに備えてもよい。

（８）上記（７）に記載の光送信モジュールであって、前記複数の子基板の厚みは実質的に等しくてもよい。

（９）上記（５）又は（６）に記載の光送信モジュールであって、前記サブマウントと前記第１半導体光素子との間に対する前記第１子基板の熱抵抗は、前記サブマウントと前記第２半導体光素子との間に対する前記第２子基板の熱抵抗と、異なっていてもよい。

（１０）上記（３）乃至（９）のいずれかに記載の光送信モジュールであって、前記第１子基板を構成する材料の熱伝導率は、前記サブマウントを構成する材料の熱伝導率よりも小さくてもよい。

（１１）上記（１）又は（２）に記載の光送信モジュールであって、前記第１熱抵抗体は、前記１の温度調整手段に直接搭載される、第１子基板であり、前記第１半導体光素子は、前記第１子基板に直接搭載され、前記複数の半導体光素子のうち、前記第１半導体光素子とは異なる第２半導体光素子は、前記１の温度調整手段に直接搭載されてもよい。

（１２）上記（１）又は（２）に記載の光送信モジュールであって、第２子基板を、さらに備え、前記第１熱抵抗体は、前記１の温度調整手段に直接搭載される、第１子基板であり、前記第１半導体光素子は、前記第１子基板に直接搭載され、前記第２子基板は、前記１の温度調整手段に直接搭載され、前記第２半導体光素子は、前記第２子基板に直接搭載され、前記１の温度調整手段が駆動されるときに、前記第１半導体光素子と前記第２半導体光素子の温度は異なっていてもよい。

（１３）本発明に係る光モジュールは、上記（１）乃至（１２）のいずれかに記載の光送信モジュールと、光受信モジュールと、を備えていてもよい。

（１４）本発明に係る光伝送装置は、上記（１３）に記載の光モジュールが搭載されていてもよい。

（１５）本発明に係る光送信モジュールの製造方法は、複数の半導体光素子と、前記複数の半導体光素子に対して一括して温度調整をする、１の温度調整手段と、前記複数の半導体光素子のうち第１半導体光素子と、前記１の温度調整手段と、の間に配置される、第１熱抵抗体と、を備える、光送信モジュールの製造方法であって、前記第１半導体光素子を作製するステップと、基準温度において、前記第１半導体光素子が出射する光の出力波長を測定するステップと、前記出力波長と、前記第１半導体光素子に対応する基準の波長範囲と、の波長の差を比較するステップと、前記波長の差に基づいて、前記第１熱抵抗体の材質と寸法を決定するステップと、を備えていてもよい。

本発明により、低コスト化及び小型化と、複数の半導体光素子それぞれの温度調整と、がともに実現される光送信モジュール、光モジュール、及び光伝送装置、並びにそれらの製造方法が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置及び光モジュールの構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る光送信モジュールの内部を上方から見た様子を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光送信モジュールの断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る光送信モジュールの一部分を示す模式図である。 セラミック材料に対する熱抵抗体の特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光送信モジュールの一部分を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る光送信モジュールの一部分を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る光送信モジュールの一部分を示す模式図である。

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置１及び光モジュール２の構成を示す模式図である。光伝送装置１は、プリント回路基板１１とＩＣ１２を備えている。光伝送装置１は、例えば、大容量のルータやスイッチである。光伝送装置１は、例えば交換機の機能を有しており、基地局などに配置される。光伝送装置１に、複数の光モジュール２が搭載されており、光モジュール２より受信用のデータ（受信用の電気信号）を取得し、ＩＣ１２などを用いて、どこへ何のデータを送信するかを判断し、送信用のデータ（送信用の電気信号）を生成し、プリント回路基板１１を介して、該当する光モジュール２へそのデータを伝達する。

光モジュール２は、送信機能及び受信機能を有するトランシーバである。光モジュール２は、プリント回路基板２１と、光ファイバ３Ａを介して受信する光信号を電気信号に変換する光受信モジュール２３Ａと、電気信号を光信号に変換して光ファイバ３Ｂへ送信する光送信モジュール２３Ｂと、を含んでいる。プリント回路基板２１と、光受信モジュール２３Ａ及び光送信モジュール２３Ｂとは、それぞれフレキシブル基板２２Ａ，２２Ｂを介して接続されている。光受信モジュール２３Ａより電気信号がフレキシブル基板２２Ａを介してプリント回路基板２１へ伝送され、プリント回路基板２１より電気信号がフレキシブル基板２２Ｂを介して光送信モジュール２３Ｂへ伝送される。光モジュール２と光伝送装置１とは電気コネクタ５を介して接続される。光受信モジュール２３Ａや光送信モジュール２３Ｂは、プリント回路基板２１に電気的に接続され、光信号／電気信号を電気信号／光信号にそれぞれ変換する。

当該実施形態に係る伝送システムは、２個以上の光伝送装置１と２個以上の光モジュール２と、１個以上の光ファイバ３を含む。各光伝送装置１に、１個以上の光モジュール２が接続される。２個の光伝送装置１にそれぞれ接続される光モジュール２の間を、光ファイバ３が接続している。一方の光伝送装置１が生成した送信用のデータが接続される光モジュール２によって光信号に変換され、かかる光信号を光ファイバ３へ送信される。光ファイバ３上を伝送する光信号は、他方の光伝送装置１に接続される光モジュール２によって受信され、光モジュール２が光信号を電気信号へ変換し、受信用のデータとして当該他方の光伝送装置１へ伝送する。

ここで、各光モジュール２が送受信する電気信号のビットレートは１００Ｇｂｉｔ／ｓである。光送信モジュール２３Ｂは、ＣＦＰ系規格であり、２５Ｇｂｉｔ／ｓ（もしくは２８Ｇｂｉｔ／ｓ）の光を波長間隔２０ｎｍで４波長多重化して１００Ｇｂｉｔ／ｓで伝送するＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing）方式である。

図２は、当該実施形態に係る光送信モジュール３０の内部を上方から見た様子を示す図である。また、図３は、当該実施形態に係る光送信モジュール３０の断面図である。なお、当該実施形態に係る光送信モジュール３０は、例えば、図１に示す光送信モジュール２３Ｂである。

当該実施形態に係る光送信モジュール３０は、パッケージ１０１と、底面と載置面とを有するサブマウント１０４と、サブマウント１０４の底面に接して配置されるペルチェ１１０と、サブマウント１０４の載置面に搭載される複数（ここでは、４個）の半導体レーザ素子２００と、を備えている。光送信モジュール３０は、ともにサブマウント１０４の載置面に搭載されるコリメートレンズ１０２及びビームスプリッタ１０３（光分波器）と、複数（ここでは、８本）の配線１０５と、フィードスルー１０６と、光合波器１０７と、集光レンズ１０８と、レセプタクル端子１０９と、複数（ここでは、４個）の受光素子３００と、をさらに備える。なお、光送信モジュール３０は、ＣＡＮ型ＴＯＳＡであってもボックス型の光送信モジュールであってもよい。なお、サブマウント１０４は、底面と載置面とが互いに対向する板形状を有しているが、これに限定さえることはなく、例えば、Ｌ字形状を有していても良い。サブマウント１０４がＬ字形状を有する場合は、ペルチェと接する面が底面となる。この場合、底面と載置面とは対向しないが、熱の移動経路は、対向する場合と変わらない。すなわち、熱の多くは、半導体レーザ素子が搭載される面（載置面）とサブマウントがペルチェと接する面（底面）間を移動する。

当該実施形態に係る光送信モジュール３０において、サブマウント１０４の底面はペルチェ１１０とは物理的に接しており、熱的に接続されている。また、サブマウント１０４と複数の半導体レーザ素子２００とは熱的に接続されている。それゆえ、ペルチェ１１０は、サブマウント１０４を介して複数の半導体レーザ素子２００を一括して温度調整することができる。ここでは、光送信モジュール３０を予め定められた駆動温度で駆動させるとき、ペルチェ１１０はサブマウント１０４を該予め定められた駆動温度（を含む予め定められた温度範囲内）に維持するように温度調整している。

ここで、複数（ここでは、４個）の半導体レーザ素子２００は、電界吸収型（ＥＡ：Electro Absorption）変調器と、分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）レーザと、が半導体基板上にモノリシックに集積されるＥＡ－ＤＦＢレーザである。光送信モジュール３０が駆動される場合に、複数（ここでは、４個）の半導体レーザ素子２００は、互いに異なるとともにそれぞれ予め定められた波長の光を出射することが求められている。ＤＦＢレーザは、電流７０ｍＡ及び電圧１．３Ｖ（電力０．０９１Ｗ）で駆動され、ＥＡ変調器は、電流１５ｍＡ、中心バイアス－０．７Ｖ、及びビルトイン電圧０．９５Ｖ（電力０．０２５Ｗ）で、それぞれ駆動される。半導体レーザ素子２００の光出力は２ｍＷであり、終端抵抗の発熱量は以下の通りである。終端抵抗の抵抗値は５０Ωであり、ＥＡ変調器におけるオン状態（光透過状態：バイアス電圧としてハイ電圧を印加）におけるフォトカレントは－７．３５ｍＡであり、オフ状態（光遮断状態：バイアス電圧としてロー電圧を印加）におけるフォトカレントは－１４ｍＡであり、フォトカレント交流波高値は３．３２５ｍＡであり、消費電力は０．０００５５Ｗである。よって、かかる場合に、半導体レーザ素子２００の発熱量の合計は約０．１１７Ｗとなる。

そして、複数（ここでは、４個）の半導体レーザ素子２００のうち、図２の下端に位置する半導体レーザ素子２００を第１半導体レーザ素子２００Ａとし、残り３個の半導体レーザ素子２００をそれぞれ第２半導体レーザ素子２００Ｂとする。当該実施形態に係る光送信モジュール３０の主な特徴は、第１半導体レーザ素子２００Ａとペルチェ１１０との間に配置され、第１半導体レーザ素子２００Ａから放出される熱の伝達を妨げるための、第１子基板（図示せず）を備えることになる。かかる構成の詳細については後述する。

複数（ここでは、４個）の半導体レーザ素子２００それぞれは、複数のワイヤ１０５Ａを介してフィールドスルー１０６と電気的に接続されている。また、複数（ここでは、４個）の受光素子３００それぞれは、複数のワイヤ１０５Ｂを介してフィールドスルー１０６と電気的に接続されている。複数の半導体レーザ素子２００はパッケージ１０１内に並置されて収納されており、複数の半導体レーザ素子２００それぞれは予め定められた波長の光Ｌを出射する。複数の半導体レーザ素子２００から出射される光Ｌそれぞれは、同一の方向に向かうように出射される。なお、簡単のために、図２及び図３には、複数のワイヤ１０５Ａ及び複数のワイヤ１０５Ｂは、それぞれ、１本のワイヤ１０５Ａ及び１本のワイヤ１０５Ｂのみ図示されている。

複数の半導体レーザ素子２００からパッケージ１０１の内部で空間伝送によって出射された光Ｌのそれぞれは、光Ｌが出射される方向に備えられたコリメートレンズ１０２を通過することによって平行光に変換される。コリメートレンズ１０２は、図２及び図３に示す通り、複数のレンズが並置して連結するマイクロレンズアレイとしてもよい。

平行光に変換された光Ｌは、その後ビームスプリッタ１０３に入射され、所定の割合で透過光Ｌｔと分岐光Ｌｂとに分岐される。すなわち、ビームスプリッタ１０３は、光軸方向（半導体レーザ素子２００の出射方向）に透過光Ｌｔを出射し、光軸に対して垂直方向に分岐光Ｌｂを出射する。ここで、分岐光Ｌｂはビームスプリッタ１０３によって図３における上方へ出射される。

ビームスプリッタ１０３によって上方へ出射される複数（ここでは、４本）の分岐光Ｌｂは、複数（ここでは、４個）の受光素子３００それぞれの受光面３０１に入射する。図３に示す通り、複数の受光素子３００それぞれは、ビームスプリッタ１０３上に配置され、複数の受光素子３００それぞれの受光面３０１は、ビームスプリッタ１０３に対向している。ここで、受光素子３００は、フォトダイオードなどである。受光素子３００は、半導体レーザ素子２００の光出力をそれぞれモニタリングする。半導体レーザ素子２００の光出力は、該モニタリング結果に基づいて一定なものとなるように制御される。

また、半導体レーザ素子２００から出射された光の一部であるビームスプリッタ１０３を透過した透過光Ｌｔは、光を合波する光合波器１０７に入射され、更に光合波器１０７にて光を合波して外部に伝送する光Ｌｏｕｔとして出力される。光合波器１０７から出力された光Ｌｏｕｔはその後、集光レンズ１０８にて集光されレセプターと接続されるレセプタクル端子１０９に入射する。そして、レセプタクル端子１０９は外部の光ファイバ（図示せず）と光学的に接続されており、レセプタクル端子１０９から出力される光は、光ファイバを伝送する。

光送信モジュール３０のパッケージ１０１内部は、真空状態であることとしてもよいし、不活性ガス（例えば窒素ガス等）、ドライエア等が充填されていることとしてもよい。このようにパッケージ１０１内部が不活性ガスで充満されることにより、光送信モジュール３０の信頼性を高めることができる。

図４は、当該実施形態に係る光送信モジュール３０の一部分を示す模式図である。図４は、サブマウント１０４の載置面には、第１の方向（図４の横方向）に沿って並ぶ複数（ここでは、４個）の半導体レーザ素子２００が搭載される。４個の半導体レーザ素子２００のうち、（３個の）第２半導体レーザ素子２００Ｂは、サブマウント１０４の載置面に直接搭載されるのに対して、第１半導体レーザ素子２００Ａは、第１子基板２１０Ａを介してサブマウント１０４の載置面に搭載される。すなわち、第１子基板２１０Ａは、第１半導体レーザ素子２００Ａとサブマウント１０４との間に配置され、それぞれと熱的に接続している。

本明細書において、半導体レーザ素子２００がサブマウント１０４に搭載されるとは、サブマウント１０４の載置面に半導体レーザ素子２００が物理的に接して、すわなち、直接に搭載される場合と、サブマウント１０４の載置面に物理的に接して熱抵抗体が配置され、さらに熱抵抗体に物理的に接して半導体レーザ素子２００が搭載される場合、すなわち、間接的に搭載される場合と、を含んでいる。

サブマウント１０４の載置面には、搭載される複数の半導体レーザ素子２００の複数の電極と接続するための複数の配線パターン１１６が形成されている。複数の配線パターン１１６は、複数の電極と、複数のワイヤ１１５を介して、それぞれ接続される。なお、半導体レーザ素子２００は、ＥＡ変調器部とＤＦＢレーザ部を有する。ＥＡ変調器部の１対のＥＡ電極は、１対のワイヤ１１５Ａ，１１５Ｂを介して、１対の配線パターン１１６Ａ，１１６Ｂと電気的に接続されている。ＤＦＢレーザ部の１対のＤＦＢ電極のうち、一方は、ワイヤ１１５Ｃを介して配線パターン１１６Ｃと電気的に接続されている。他方は、半導体レーザ素子２００の底面側に配置されており、対応する電極パターン１１６Ｄと電気的に接続されている。第１半導体レーザ素子２００Ａの他方のＤＦＢ電極と対応する電極パターン１１６Ｄと電気的に接続させるために、第１子基板２１０Ａにはビアホール（図示せず）が設けられている。しかしながら、これに限定されることはなく、第１子基板２１０Ａの側面にメタライズを施すなどの手段によって実現してもよい。なお、本実施形態ではサブマウントの材質は窒化アルミである。

ここで、第１子基板２１０Ａは、ペルチェ１１０が駆動されるときに第１半導体レーザ素子２００Ａから放出される熱の伝達を妨げるための熱抵抗体（第１熱抵抗体）である。なお、複数の半導体レーザ素子２００それぞれとサブマウント１０４との間は、熱伝導により、熱的接続は十分に確保されている。それゆえ、第１半導体レーザ素子２００Ａとサブマウント１０４の間に第１子基板２１０Ａ（第１熱抵抗体）が配置される場合、第１子基板２１０Ａは、熱抵抗が高く、放熱性を低下させる、熱抵抗体として機能する。

光送信モジュール３０が駆動される場合に、ペルチェ１１０によってサブマウント１０４は予め定められた駆動温度（を含む予め定められた温度範囲）に制御される。該予め定められた駆動温度において、複数の半導体レーザ素子２００それぞれは、予め定められた波長の光を出射することが求められている。それゆえ、基準温度において、複数の半導体レーザ素子２００が出射する光の出力波長は、基準の波長範囲内にそれぞれ収まっていることが求められている。ここで、簡単のために、駆動温度は基準温度に等しく、ともに５０℃とする。

ここで、第１半導体レーザ素子２００Ａが出射する光の基準温度における出力波長は、対応する基準の波長範囲内に収まっておらず、波長範囲より短くなっている。これに対して、３個の第２半導体レーザ素子２００Ｂそれぞれが出射する光の基準温度における出力波長は、対応する基準の波長範囲内に収まっている。

各第２半導体レーザ素子２００Ｂは、サブマウント１０４の載置面に直接搭載されており、ペルチェ１１０がサブマウント１０４を駆動温度に維持する場合に、各第２半導体レーザ素子２００Ｂは駆動温度（及び予め定められた温度範囲）に維持される。よって、各第２半導体レーザ素子２００Ｂは、駆動温度において、予め定められた波長（を含む予め定められた波長範囲）の光を出射することが出来る。

これに対して、もしも第１子基板２１０Ａが配置されず、第１半導体レーザ素子２００Ａがサブマウント１０４の載置面に直接搭載されるならば、駆動温度において、第１半導体レーザ素子２００Ａは、予め定められた波長（を含む予め定められた波長範囲）とは異なる第１波長の光を出射することとなる。しかしながら、当該実施形態に係る光送信モジュール３０では、第１子基板２１０Ａが第１半導体レーザ素子２００Ａとサブマウント１０４との間に配置されることにより、第１子基板２１０Ａが熱抵抗体として機能し、半導体レーザ２００Ａは半導体２００Ｂと比較して放熱性が低下した状態となる。詳細に説明すると、発熱体である半導体レーザ素子２００からの熱の流出経路は、載置面を介してサブマウント１０４に伝達する経路、複数のワイヤ１１５を介してサブマウント１０４に伝達する経路、さらに、パッケージ内部がガスにより充填されている場合は、周りに熱放射として放出される経路、がある。これら経路のうち、周囲ガスへの熱放射の熱量は、サブマウント１０４への熱伝導の熱量と比べて十分に小さく、半導体レーザ素子からの熱の多くはサブマウント１０４に伝達される。サブマウント１０４はペルチェ１１０により駆動温度に維持されており、サブマウント１０４に直接搭載されている半導体レーザ素子２００Ｂの温度はサブマウントの載置面の温度と略一致する。厳密言えば、サブマウント１０４と半導体レーザ素子２００Ｂとの接触部（一般的にはハンダにて接続）の熱抵抗分だけ半導体レーザ素子２００Ｂのほうが温度は高くなるが、ここでは説明の簡略化のために、接触抵抗分は無視しサブマウント１０４の載置面の温度と半導体レーザ素子２００Ｂとの温度は一致しているとする。対して、半導体レーザ素子２００Ａは熱抵抗体である第１子基板２１０Ａを介してサブマウント１０４と物理的・熱的に接続している。第１子基板２１０Ａは熱抵抗体であるため、半導体レーザ素子２００Ａの発熱分のサブマウント１０４への熱伝導性を低減させる役割をする（放熱性の低下）。結果として、半導体レーザ素子２００Ａの温度は第１子基板２１０Ａとの接続面と略一致し（上述同様、接触抵抗分は無視する）、第１子基板２１０Ａの半導体レーザ素子２００Ａとの接続面の温度は、サブマウント１０４との接続面の温度より高い状態で熱平衡状態となる。

よって、第１半導体レーザ素子２００Ａの温度は駆動温度よりも高くなり、第１半導体レーザ素子２００Ａが出射する光の出力波長は、駆動温度で駆動される場合の出力波長よりも長波長側にシフトする。第１子基板２１０Ａを適当な材質や寸法を選択して形成することにより、第１半導体レーザ素子２００Ａが出射する光の出力波長を、第１波長より予め定められた波長に近づけることができる。さらに望ましくは、第１半導体レーザ素子２００Ａが出力する光の出力波長を、予め定められた波長とすることができる。なお、説明の簡略化のために半導体レーザ素子２００の温度は分布を持たないこととして説明した。厳密には半導体レーザ素子２００内部においても熱分布は存在するが、ここでは、第１子基板２１０Ａの効果を説明するために簡略化している。

また、ここでは、基準温度と駆動温度を等しいとしたが、これに限定されることはない。半導体レーザ素子２００が出射する光の出力波長は温度に依存する。それゆえ、駆動温度における各半導体レーザ素子２００に求められる予め定められた波長は、基準温度における各半導体レーザ素子２００に対応する基準の波長範囲と、駆動温度と基準温度の温度差に応じて、決定される。

図５は、セラミック材料に対する熱抵抗体の特性を示す図である。ここで、第１子基板２１０Ａの寸法を、幅３００μｍ、長さ６００μｍ、及び幅１００μｍとする。かかる寸法で熱抵抗体を形成する場合に、熱抵抗体が図５に示す材料である場合に、かかる材料の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）と、かかる熱抵抗体によって発生する温度差（Ｋ）及び半導体レーザ素子２００が出射する光の出力波長の差と、をそれぞれ示している。

当該実施形態に係る光送信モジュール３０の第１子基板２１０Ａの製造方法は、以下の通りである。第１半導体レーザ素子２００Ａを公知の方法において作製する。作製後、基準温度において、第１半導体レーザ素子２００Ａが出射する光の出力波長を測定する。かかる出力波長と、第１半導体レーザ素子２００Ａに対応する基準の波長範囲と、の波長の差を比較する。具体的には、かかる出力波長と、第１半導体レーザ素子２００Ａに対応する基準の波長範囲の中心値と、の波長差を計算する。基準温度と駆動温度とが等しい場合は、かかる波長差に応じて、第１子基板２１０Ａの材料と寸法を決定する。図５に示す寸法にて第１子基板２１０Ａを形成する場合に、かかる波長差を補完する温度差を算出し、該温度差を発生することが出来る材料や寸法を決定すればよい。かかる波長差が０．１６ｎｍであるとき、第１子基板２１０Ａをアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）によって形成するのが望ましい。ＣＦＰ系規格のＤＷＤＭでは、隣り合う出力波長の波長差が約４．５ｎｍであるので、図５に示す代表的なセラミック材料によって第１子基板２１０Ａを形成することにより、第１半導体レーザ素子２００Ａが出射する光の出力波長を予め定められた波長に十分に近づけることができる。基準温度と駆動温度とが異なる場合は、かかる波長差に応じて、ペルチェ１１０の駆動温度に基づいて、第１半導体レーザ素子２００Ａが予め定められた波長の光を出射できる温度を算出し、その温度差を発生することが出来る材料や寸法を決定すればよい。一般的に、サブマウント１０４は放熱性の高い材料（熱伝導率が大きい材料で、例えば窒化アルミなど）を用いる。それに対して第１子基板２０１Ａはサブマウントより熱伝導率が小さい材料とし、かつ寸法をサブマウントより小さくすることで熱抵抗を大きくすることができ、より効果的に第１半導体レーザ素子２００Ａとサブマウント１０４の載置面と温度差を大きくすることができるようになる。サブマウント１０４と第１子基板２０１Ａを同材料で形成しても構わないが、より大きな温度差を得るためには異なる材料を用いることが望ましい。

当該実施形態に係る光送信モジュール３０では、第１子基板２１０Ａを備えている。第１子基板２１０Ａを用いることなく、第１半導体レーザ素子２００Ａをサブマウント１０４の載置面に直接搭載するならば、駆動温度において第１半導体レーザ素子２００Ａを用いることが出来ない。それゆえ、第１半導体レーザ素子２００Ａを廃棄することとなり、歩留り低下を招く。第１子基板２１０Ａがサブマウント１０４に配置されることにより、駆動温度と異なる（駆動温度より高い）温度で第１半導体レーザ素子２００Ａを駆動させることができ、光送信モジュール３０に第１半導体レーザ素子２００Ａを用いることができる。熱抵抗体を配置することにより、半導体レーザ素子の実効的な駆動温度を、個別のペルチェを用いて温度調整することなく、調整することが出来るので、半導体レーザ素子の使用可能な波長範囲を調整することができる。同時に、一つのペルチェで動作させることができるために、小型・低消費電力を実現することができる。さらに、半導体レーザ素子の波長範囲仕様を拡大することができ、半導体レーザ素子の歩留りを向上させることができる。本実施形態で用いた第１子基板２０１Ａ（熱抵抗体）はそれ自身では発熱しない。例えば第１子基板２０１Ａに代わりヒータを採用した場合であっても波長範囲の調整は可能となる。しかしヒータの場合は、それを駆動するための配線・電源などが必要となり、小型・低コストを満足する光送信モジュールを提供することは難しくなる。本願発明は、単なるセラミック基板などを採用するだけで半導体レーザの波長を個別に調整することができる。

［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態に係る光送信モジュール３０の一部分を示す模式図である。図６に示す光送信モジュール３０の一部分は、図４に示す第１の実施形態に係る光送信モジュール３０の一部分に対応している。当該実施形態に係る光送信モジュール３０は、サブマウント１０４の載置面に配置される複数（ここでは、４個）の半導体レーザ素子２００と複数（ここでは、４個）の子基板２１０（熱抵抗体）の構成が、第１の実施形態と異なっているが、それ以外については同じ構造を有している。当該実施形態に係るサブマウント１０４に搭載される４個の半導体レーザ素子２００は、第１半導体レーザ素子２００Ａ、第２半導体レーザ素子２００Ｂ、第３半導体レーザ素子２００Ｃ、及び第４半導体レーザ素子２００Ｄであり、各半導体レーザ素子２００とサブマウント１０４との間に、それぞれ子基板２１０が配置される。すなわち、サブマウント１０４と４個の半導体レーザ素子２００との間に、第１子基板２１０Ａ、第２子基板２１０Ｂ、第３子基板２１０Ｃ、及び第４子基板２１０Ｄがそれぞれ配置される。ここでは、複数（ここでは、４個）の子基板２１０はすべて、実質的に同じ寸法をしている。材質については、第１子基板２１０Ａ及び第３子基板２１０Ｃが共通しており、第２子基板２１０Ｂ及び第４個基板２１０Ｄが共通している。

第２半導体レーザ素子２００Ｂは、第１半導体レーザ素子２００Ａと異なる半導体レーザ素子であり、光送信モジュール３０が駆動されるときに、第１半導体レーザ素子２００Ａが出射する光の出力波長と異なる波長の光を出射することが望まれている。第２半導体レーザ素子２００Ｂが出射する光の基準温度における出力波長は、第１半導体レーザ素子２００Ａと同様に、対応する基準の波長範囲内に収まっておらず、波長範囲より短くなっている。第２子基板２１０Ｂは、ペルチェ１１０が駆動されるときに第２半導体レーザ素子２００Ｂにサブマウント１０４の載置面との温度差を発生させるための熱抵抗体（第２熱抵抗体）である。当該実施形態において、第３半導体レーザ素子２００Ｃ及び第４半導体レーザ素子２００Ｄについても第２半導体レーザ素子２００Ｂと同様であり、第３子基板２１０Ｃ及び第４子基板２１０Ｄについても第２子基板２１０Ｂと同様である。

４個の半導体レーザ素子２００は、ペルチェ１１０が駆動されるときに、対応する子基板２１０により、サブマウント１０４が維持される駆動温度より高い温度でそれぞれ維持される。各子基板２１０を適当な材質や寸法を選択して形成することにより、各半導体レーザ素子２００が出射する光の出力波長を、駆動温度における出力波長より予め定められた波長にそれぞれ近づけることができる。第２半導体レーザ素子２００Ｂの駆動温度における出力波長は第２波長である。さらに望ましくは、各半導体レーザ素子２００が出力する光の出力波長を、それぞれ予め定められた波長とすることができる。

複数の子基板２１０それぞれの材料や寸法は、対応する半導体レーザ素子２００の特性に応じて選択されればよいが、複数（ここでは、４個）の半導体レーザ素子２００のうち、少なくとも２個の半導体レーザ素子２００の下側に配置される２個の子基板２１０は、異なる材質又は／及び寸法であるのが望ましい。複数（ここでは、４個）の子基板２１０の材質及び寸法がすべて等しければ、複数の子基板２１０を配置する意義が低下し、複数の子基板２１０を配置する代わりに、ペルチェ１１０により、サブマウント１０４をより高い温度に維持すればよい。

当該実施形態に係るサブマウント１０４に搭載される４個の半導体レーザ素子２００すべておいて、サブマウント１０４との間にそれぞれ、４個の子基板２１０が配置される。ここで、４個の子基板２１０は共通する寸法で作製される。少なくとも、４個の子基板２１０すべての厚みが実質的に等しいのが望ましい。光送信モジュール３０がかかる構成を有することにより、共通する構造で作製される４個の半導体レーザ素子２００それぞれにおける光の出射箇所（発光中心点）の高さが実質的に等しくなる。当該実施形態に係る光送信モジュール３０は、４個のコリメータレンズ１０２を有するマイクロレンズアレイを用いることができるなど、複数のレンズによる光軸調整が容易になる。

当該実施形態では、第１の実施形態と異なり、半導体レーザ素子２００の複数の電極と、サブマウント１０４の載置面に形成される複数の電極パターン１１６とは、すべて複数（ここでは、４本）のワイヤ１１５を介して電気的に接続される。第１の実施形態と異なり、子基板２１０にビアホールを設けないことにより、大きな熱抵抗によるより大きな温度差を実現することができる。半導体レーザ素子２００のＥＡ変調部の１対のＥＡ電極は、１対のワイヤ１１５Ａ，１１５Ｂを介して、１対の配線パターン１１６Ａ，１１６Ｂと電気的に接続される。半導体レーザ素子２００のＤＦＢレーザ部の１対のレーザ電極は、１対のワイヤ１１５Ｃ，１１５Ｄを介して、１対の配線パターン１１６Ｃ，１１６Ｄと電気的に接続される。

なお、当該実施形態において、４個の半導体レーザ素子２００それぞれと、サブマウント１０４の載置面との間に、４個の子基板２１０が配置されている。４個の子基板２１０が配置されていることにより、複数のレンズによる光軸調整が容易になるが、これに限定されることはない。第１の実施形態と異なり、第１半導体レーザ素子２００Ａ及び第２半導体レーザ素子２００Ｂに、第１子基板２１０Ａ及び第２子基板２１０Ｂが、それぞれ配置されることにより、２個の半導体レーザ素子２００それぞれに応じて２個の子基板２１０を配置することにより、第１半導体レーザ素子２００Ａ及び第２半導体レーザ素子２００Ｂの特性に応じて、光送信モジュール３０を構成することができる。

［第３の実施形態］
図７は、本発明の第３の実施形態に係る光送信モジュール３０の一部分を示す模式図である。図７に示す光送信モジュール３０の一部分は、図４に示す第１の実施形態に係る光送信モジュール３０の一部分に対応している。当該実施形態に係る光送信モジュール３０は、サブマウント１０４を備えておらず、ペルチェ１１０に複数の半導体レーザ素子２００が搭載されており、かかる点が第１の実施形態と異なっているが、それ以外については同じ構造をしている。

図７に示す通り、当該実施形態に係る光送信モジュール３０は、サブマウント１０４を備えておらず、ペルチェ１１０に複数の半導体レーザ素子２００が搭載される。ペルチェ１０４は載置面を有しており、第１半導体レーザ素子２００Ａとペルチェ１１０との間に、第１子基板２１０Ａが配置される。複数の半導体レーザ素子２００のうち、第１半導体レーザ素子２００Ａ以外の３個の半導体レーザ素子２００は、第２半導体レーザ素子２００Ｂであり、３個の第２半導体レーザ素子２００Ｂは、ペルチェ１１０に直接搭載される。

なお、当該実施形態に係るペルチェ１１０の載置面に、複数の半導体レーザ素子２００と電気的に接続させるために複数の配線パターン１１６が形成される。第１半導体レーザ素子２００Ａと接続される配線パターン１１６は、サブマウント１０４の載置面に形成される第２の実施形態に係る複数の配線パターン１１６（図６参照）と同様であり、３個の第２半導体レーザ素子２００Ｂそれぞれと接続される配線パターン１１６は、サブマウント１０４の載置面に形成される第１の実施形態に係る複数の配線パターン１１６（図４参照）と同様である。

［第４の実施形態］
図８は、本発明の第４の実施形態に係る光送信モジュール３０の一部分を示す模式図である。図８に示す光送信モジュール３０の一部分は、図６に示す第２の実施形態に係る光送信モジュール３０の一部分に対応している。当該実施形態に係る光送信モジュール３０は、複数の半導体レーザ素子２００それぞれにする複数のサブマウント１０４をそれぞれ備えている。ここで、第１半導体レーザ素子２００Ａとペルチェ１１０との間に配置される第１サブマウント１０４Ａが、第１熱抵抗体であり、第２半導体レーザ素子２００Ｂとペルチェ１１０との間に配置される第２サブマウント１０４Ｂが、第２熱抵抗体である。第３サブマウント１０４Ｃ及び第４サブマウント１０４Ｄについても同様である。

なお、当該実施形態に係る複数のサブマウント１０４の載置面に、複数の半導体レーザ素子２００と電気的に接続させるために複数の配線パターン１１６が形成されるが、複数の配線パターン１１６それぞれは、サブマウント１０４の載置面に形成される第１の実施形態に係る複数の配線パターン１１６（図４参照）と同様である。

以上、本発明の実施形態に係るサブマウント、光送信モジュール、及び光モジュール、並びに、それらの制御方法について説明した。上記実施形態では、半導体光素子は、半導体レーザ素子としたが、これに限定されることなく、ＰＤ（Photo Diode）素子など他の半導体光素子にも広く適用することができる。また、上記実施形態では、半導体レーザ素子は、ＥＡ－ＤＦＢレーザとしたが、これに限定されることはなく、ＣＷ光源、直接変調型半導体レーザ素子など、他の半導体レーザ素子にも広く適用することができる。また、上記実施形態に係る光送信モジュールは、ＣＦＰ４系の４個の半導体レーザ素子を備えていたが、これに限定されることはなく、光送信モジュールは、例えば、８個の半導体レーザ素子を備えていてもよい。上記実施形態では、１の温度調整手段を、１のペルチェとしたが、これに限定されることはなく、他の温度調整機構であってもよい。本発明は、本発明の効果を奏する光送信モジュールに広く適用することができる。

１ 光伝送装置、２ 光モジュール、３，３Ａ，３Ｂ 光ファイバ、１１，２１ プリント回路基板、１２ ＩＣ，２２Ａ，２２Ｂ フレキシブル基板、２３Ａ 光受信モジュール、２３Ｂ，３０ 光送信モジュール、１０１ パッケージ、１０２ コリメートレンズ、１０３ ビームスプリッタ、１０４ サブマウント、１０４Ａ 第１サブマウント、１０４Ｂ 第２サブマウント、１０４Ｃ 第３サブマウント、１０４Ｄ 第４サブマウント、１０５Ａ，１０５Ｂ 配線、１０６ フィードスルー、１０７ 光合波器、１０８ 集光レンズ、１０９ レセプタクル端子、１１０ ペルチェ、１１５、１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Ｃ、１１５Ｄ ワイヤ、２００ 半導体レーザ素子、２００Ａ 第１半導体レーザ素子、２００Ｂ 第２半導体レーザ素子、２００Ｃ 第３半導体レーザ素子、２００Ｄ 第４半導体レーザ素子、２１０ 子基板、２１０Ａ 第１子基板、２１０Ｂ 第２子基板、２１０Ｃ 第３子基板、２１０Ｄ 第４子基板、３００ 受光素子。

Claims (15)

1. 複数の半導体レーザ素子と、
   前記複数の半導体レーザ素子に対して一括して温度調整をする、１の温度調整手段と、
   前記複数の半導体レーザ素子のうち第１半導体レーザ素子と、前記１の温度調整手段と、の間に配置される、第１熱抵抗体と、を備え、
   前記１の温度調整手段が駆動されるときに、前記第１半導体レーザ素子の温度は、前記第１半導体レーザ素子と異なる他の半導体レーザ素子の温度より高い、
   ことを特徴とする、光送信モジュール。
2. 請求項１に記載の光送信モジュールであって、
   前記第１半導体レーザ素子は、前記１の温度調整手段によって制御される駆動温度において、予め定められた波長とは異なる第１波長の光を出射し、
   前記１の温度調整手段が駆動されるときに、前記第１熱抵抗体により、前記第１半導体レーザ素子が出射する光の波長は、前記第１波長から前記予め定められた波長へ近づけられる、
   ことを特徴とする、光送信モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の光送信モジュールであって、
   前記複数の半導体レーザ素子を搭載するとともに、前記１の温度調整手段と熱的に接続する、サブマウントを、さらに備え、
   前記第１熱抵抗体は、前記第１半導体レーザ素子と前記サブマウントとの間に配置され、それぞれと熱的に接続する、第１子基板である、
   ことを特徴とする、光送信モジュール。
4. 請求項３に記載の光送信モジュールであって、
   前記複数の半導体レーザ素子のうち、前記第１半導体レーザ素子とは異なる第２半導体レーザ素子は、前記サブマウントに直接搭載される、
   ことを特徴とする、光送信モジュール。
5. 請求項３に記載の光送信モジュールであって、
   前記複数の半導体レーザ素子のうち、前記第１半導体レーザ素子とは異なる第２半導体レーザ素子と、前記サブマウントと、の間に配置され、それぞれと熱的に接続するとともに、前記１の温度調整手段が駆動されるときに前記第２半導体レーザ素子の温度を、前記第１半導体レーザ素子の温度と異ならせる、第２子基板を、さらに備える、光送信モジュール。
6. 請求項５に記載の光送信モジュールであって、
   前記第２半導体レーザ素子は、前記１の温度調整手段によって制御される温度範囲では、予め定めれられた波長とは異なる第２波長の光を出射し、
   前記１の温度調整手段が駆動されるときに、前記第２子基板により、前記第２半導体レーザ素子が出射する光の波長は、前記第２波長から前記予め定められた波長へ近づけられる、
   ことを特徴とする、光送信モジュール。
7. 請求項３に記載の光送信モジュールであって、
   前記複数の半導体レーザ素子それぞれと、前記サブマウントと、の間に配置され、それぞれと熱的に接続するとともに、前記１の温度調整手段が駆動されるときに、前記複数の半導体レーザ素子のうち少なくとも二つの前記半導体レーザ素子の温度を異ならせる、複数の子基板を、さらに備える、光送信モジュール。
8. 請求項７に記載の光送信モジュールであって、
   前記複数の子基板の厚みは実質的に等しい、
   ことを特徴とする、光送信モジュール。
9. 請求項５又は６に記載の光送信モジュールであって、
   前記サブマウントと前記第１半導体レーザ素子との間に対する前記第１子基板の熱抵抗は、前記サブマウントと前記第２半導体レーザ素子との間に対する前記第２子基板の熱抵抗と、異なっている、
   ことを特徴とする、光送信モジュール。
10. 請求項３乃至９のいずれかに記載の光送信モジュールであって、
    前記第１子基板を構成する材料の熱伝導率は、前記サブマウントを構成する材料の熱伝導率よりも小さい、
    ことを特徴とする、光送信モジュール。
11. 請求項１又は２に記載の光送信モジュールであって、
    前記第１熱抵抗体は、前記１の温度調整手段に直接搭載される、第１子基板であり、
    前記第１半導体レーザ素子は、前記第１子基板に直接搭載され、
    前記複数の半導体レーザ素子のうち、前記第１半導体レーザ素子とは異なる第２半導体レーザ素子は、前記１の温度調整手段に直接搭載される、
    ことを特徴とする、光送信モジュール。
12. 請求項１又は２に記載の光送信モジュールであって、
    第２子基板を、さらに備え、
    前記第１熱抵抗体は、前記１の温度調整手段に直接搭載される、第１子基板であり、
    前記第１半導体レーザ素子は、前記第１子基板に直接搭載され、
    前記第２子基板は、前記１の温度調整手段に直接搭載され、
    第２半導体レーザ素子が、前記第２子基板に直接搭載され、
    前記１の温度調整手段が駆動されるときに、前記第１半導体レーザ素子と前記第２半導体レーザ素子の温度は異なる、
    ことを特徴とする、光送信モジュール。
13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の光送信モジュールと、
    光受信モジュールと、
    を備える、光モジュール。
14. 請求項１３に記載の光モジュールが搭載される、光伝送装置。
15. 複数の半導体レーザ素子と、
    前記複数の半導体レーザ素子に対して一括して温度調整をする、１の温度調整手段と、
    前記複数の半導体レーザ素子のうち第１半導体レーザ素子と、前記１の温度調整手段と、の間に配置される、第１熱抵抗体と、
    を備える、光送信モジュールの製造方法であって、
    前記第１半導体レーザ素子を作製するステップと、
    基準温度において、前記第１半導体レーザ素子が出射する光の出力波長を測定するステップと、
    前記出力波長と、前記第１半導体レーザ素子に対応する基準の波長範囲と、の波長の差を比較するステップと、
    前記波長の差に基づいて、前記第１熱抵抗体の材質と寸法を決定するステップと、
    を備える、ことを特徴とする、光送信モジュールの製造方法。

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