JPWO2010041475A1 - 光半導体モジュール及びその組立方法 - Google Patents

Abstract

レンズ固定時のズレを効果的に補正した光半導体モジュールを実現する。半導体レーザ（１０１）と半導体光変調器（１０５）との間に、第一のレンズ（１０２）と、第二のレンズ（１０３）と、第三のレンズ（１０４）とを配置している。第一のレンズ（１０２）と第二のレンズ（１０３）とはコリメートレンズ光学系を形成しており、第一のレンズ（１０２）は半導体レーザ（１０１）から出射された光を平行光線とし、第二のレンズ（１０３）は平行光線を集光して半導体光変調器（１０５）に結合する。第三のレンズ（１０４）は、第一，第二のレンズ（１０２，１０３）に対して焦点距離が長くなっているため、第一，第二のレンズ（１０２，１０３）を位置調整して固定した後に、第三のレンズ（１０４）を位置調整して固定することにより、レンズ固定時のズレを効果的に補正することができる。

Description

本発明は光半導体モジュール及びその組立方法に関するものであり、レンズ固定時のずれを効果的に補正することができるようにしたものである。

複数の光半導体素子を内蔵する光半導体モジュールにおいては複数の光素子がレンズを介して光学的に結合しており、各光素子が高効率で結合することが必要である。また、光半導体モジュールの小型化も望まれている。そこで、二つの光半導体素子をレンズを介して光学的に結合させる際には、高い光結合効率を得るために焦点距離がほぼ同一の二つのレンズを用いていた。これは、光半導体素子の光のフィールド径、すなわち光半導体素子内を伝搬する光のパワー分布の半値全幅（ＦＷＨＭ）が、どの種類の素子でも同一の２μｍ程度であることから、光半導体素子間の光結合では、焦点距離がほぼ同一の二つのレンズを用いて像倍率をほぼ１とすることにより、損失の少ない光結合を得ることができるためである。

しかし、二つの光半導体素子間を光結合するために焦点距離がほぼ同一の二つのレンズを用いると、レンズの軸ズレに対して敏感に結合損失が大きくなる。そして、例えばレンズや光軸補正用の光学部品を固定するためにエポキシ樹脂等の接着剤を用いた場合は、レンズ位置の長期的な安定性が悪く、時間とともに光結合効率が大幅に変化し、出力光強度が低下してしまうというおそれがあった。また、レンズや光軸補正用の光学部品を固定するためにＹＡＧレーザ溶接による固定手段を用いると、長期的な安定性は確保できるものの、溶接時の軸ズレにより、光結合効率が劣化し、出力光強度が低下するという問題があった。

このような問題を解決する上で第一のレンズの焦点距離と第二のレンズの焦点距離が互いに異なる光半導体モジュールはレンズの軸ズレによる光結合効率の低下を抑制し光結合効率を安定できるので重要である（特許文献１：特開２００７−１１５９３３参照）。

特許文献１に示す光半導体モジュールは、焦点距離が互いに異なる二つのレンズを用いて、光半導体素子に結合する光の像倍率を拡大させている。焦点距離が互いに異なる二つのレンズを用いた場合、焦点距離の長いレンズを固定する際に、光軸に直交する方向に生じるレンズの軸ズレによる光結合効率の劣化は、焦点距離が略同一のレンズを用いた場合のレンズの軸ズレによる光結合効率の劣化に比べて小さいため、特許文献１による手段を用いることで、レンズ固定の際に軸ズレが生じた場合、出力光強度の低下を抑え、光結合効率の安定した光半導体モジュールを提供することが可能である。

特開２００７−１１５９３３号公報

しかしながら、上述の焦点距離が異なる２つのレンズを用いてもレンズ固定時のずれを十分に補正することはできなかった。

また、光トランシーバの従来規格（ＬＦＦ、サイズ；１０１．６ｍｍ×８８．９ｍｍ）から小型化される規格（ＳＦＦ、サイズ；７１ｍｍ×５１ｍｍ）に適用させるため、光半導体モジュールは小型化されることが要求されている。この際、光半導体モジュールの構成部品が増えると、光半導体モジュールの小型化の妨げになる。

上記課題を解決する本発明の光半導体モジュールの構成は、第一の光素子と、第一の光素子から出射される光を平行光線にするための第一のレンズと、平行光線を集光させるための第二のレンズと、第一のレンズと第二のレンズの間に配された第三のレンズと、第二のレンズにより光が集光される位置に配置された第二の光素子とを内蔵した光半導体モジュールにおいて、第三のレンズの焦点距離が、第一のレンズの焦点距離と第二のレンズの焦点距離のいずれの焦点距離よりも長いことを特徴とする。

また本発明の半導体モジュールの構成は、第三のレンズの焦点距離が、第一のレンズと第二のレンズの焦点距離が等しい場合には第一のレンズと第二のレンズの焦点距離に比べて２０倍以上且つ３００ｍｍ以下であり、第一のレンズと第二のレンズの焦点距離が異なる場合には第一のレンズと第二のレンズの焦点距離の長い方に比べて２０倍以上且つ３００ｍｍ以下であることを特徴とする。

また本発明の半導体モジュールの構成は、第一のレンズ，第二のレンズ及び第三のレンズは、金属筐体内に収められており、第一の光半導体素子と第二の光半導体素子を搭載するキャリア上にＹＡＧレーザ溶接によって固定されていることを特徴とする。

また本発明の半導体モジュールの構成は、第一のレンズと第三のレンズの間にアイソレータを有することを特徴とする。

また本発明の半導体モジュールの構成は、第一の光素子が発光素子であって、第二の光素子が光変調器であることを特徴とする。

また本発明の半導体モジュールの構成は、第一の光素子が波長可変レーザであって、第二の光素子から出力された光が入射する位置に、波長ロッカーを備えることを特徴とする。

また本発明の半導体モジュールの組立方法の構成は、第一の光素子及び第二の光素子をキャリア上に固定した後、第二のレンズにより集光した光が第二の光素子に結合するように、第一のレンズ，第二のレンズ及び第三のレンズの位置を調節し、第一のレンズと第二のレンズをＹＡＧレーザによる溶接によりキャリアに固定した後、焦点距離の長い第三のレンズをキャリアに固定することを特徴とする。

また本発明の半導体モジュールの構成は、パッケージ内に、光素子と、レンズを搭載したキャリアと、キャリアを搭載したペルチェ素子を備えると共に、電気信号を入出力するためパッケージの外部に露出したピンを備える光半導体モジュールにおいて、パッケージの側壁の一部がセラミックであり、ペルチェ素子を制御するための電気配線が、キャリアの下に配されると共に、セラミック内部の穴を通して配されて、ピンに接続されることを特徴とする。

また本発明の半導体モジュールの構成は、ペルチェ素子を制御するための電気配線が、セラミックの内壁表面の一部に配した金属層に接続されると共に、セラミック内部を通して配されて、ピンに接続されることを特徴とする。

本発明による手段を用いることで、レンズ固定の際に軸ズレが生じた場合、出力光強度の低下を抑え、光結合効率の安定した光半導体モジュールを提供することが可能となった。

図１は、本発明の実施例１に係る光半導体モジュールを示す構成図である。 図２は、第一と第二のレンズの位置ズレと光損失との関係を示す特性図である。 図３は、第三のレンズの位置ズレと光損失との関係を示す特性図である。 図４Ａは、第三のレンズの固定時のズレに対する光損失の変化を示す特性図である。 図４Ｂは、光損失に対する第三のレンズの焦点距離依存性を示す特性図である。 図５は、本発明の実施例２に係る光半導体モジュールを示す構成図である。 図６は、光損失に対する第三のレンズの焦点距離依存性を示す特性図である。 図７は、本発明の実施例３に係る光半導体モジュールを示す構成図である。 図８Ａは、ペルチェ素子の制御用の配線の従来例を示す構成図である。 図８Ｂは、ペルチェ素子の制御用の配線の本実施例を示す構成図である。 図９は、本発明の実施例４に係る光半導体モジュールを示す構成図である。 図１０は、実施例４において光ファイバーからの出力を示す特性図である。 図１１は、光変調器の消光特性を示す特性図である。 図１２Ａは、アイ開口パターンを示す特性図である。 図１２Ｂは、アイ開口パターンを示す特性図である。 図１２Ｃは、アイ開口パターンを示す特性図である。 図１２Ｄは、アイ開口パターンを示す特性図である。 図１３は、符号誤り率特性を示す特性図である。

以下に、本発明に係る光半導体モジュール及びその組立方法の実施形態を示す。本実施形態は、一つの光半導体モジュール内に二つの光半導体素子を実装し、この二つの光半導体素子を三個のレンズを用いて光結合するものである。ここで、三個のレンズは第一，第二，第三のレンズであり、第一，第二のレンズの間に第三のレンズを配し、第一，第二のレンズよりも第三のレンズの焦点距離は長い。

また、光半導体モジュールを組み立てる際には、２つの光半導体素子をキャリア上に固定した後、第一，第二，第三のレンズの位置を調節し、第一のレンズと第二のレンズを固定した後、焦点距離の長い第三のレンズを後で固定するものとする。

＜実施例１＞
図１に本発明の実施例１を示す。図１に示すように、本実施例による光半導体モジュールは、キャリア１０６上に搭載された光半導体素子として、それぞれ導波路型の光半導体素子である半導体レーザ１０１と半導体光変調器１０５を具備し、半導体レーザ１０１から出射された光が半導体光変調器１０５へ低損失に結合するよう位置調整された、第一のレンズ１０２、第二のレンズ１０３、第三のレンズ１０４を備えている。

ここで、半導体レーザ１０１には発振波長が１．５５μｍ帯であるファブリーペロー型レーザを用い、半導体光変調器１０５には１．５５μｍ帯に対応できる電解吸収型（ＥＡ）変調器を用いる。

本実施例の光半導体モジュールを組み立てる際には、まず２つの光半導体素子である半導体レーザ１０１及び半導体光変調器１０５をキャリア１０６上に固定する。次に、第一，第二，第三のレンズ１０２，１０３，１０４の位置をキャリア１０６上で調節し、第一のレンズ１０２と第二のレンズ１０３をエポキシ樹脂でキャリア１０６に固定する。最後に、焦点距離の長い第三のレンズ１０４を再度位置調整し、エポキシ樹脂でキャリア１０６に固定する。

このように、第一のレンズ１０２と第二のレンズ１０３を固定した後に再度位置調整して固定する第三のレンズ１０４の焦点距離が長いので、第一のレンズ１０２と第二のレンズ１０３の固定時のずれを効果的に補正することができる。

また、初めのレンズの位置調整を第一，第二のレンズ１０２，１０３のみで行い、第一のレンズ１０２と第二のレンズ１０３を固定した後に、焦点距離の長い第三のレンズ１０４を挿入して位置調整して固定する方法も考えられる。但し、この場合は、初めのレンズの位置調整時に第三のレンズ１０４を介していないため、第三のレンズ１０４の屈折率分だけ光軸のずれが増加する。したがって、第一，第二のレンズ１０２，１０３の固定後に第三のレンズ１０４を位置調整して固定する際に時間、労力を要する。

レンズ１０２は半導体レーザ１０１の出射端からｘ１、レンズ１０４はレンズ１０２からｘ２、レンズ１０３はレンズ１０４からｘ３、半導体光変調器１０５の入射端はレンズ１０３からｘ４の位置に配されている。ここで、ｘ１は０．７５ｍｍ、ｘ２は５ｍｍ、ｘ３は２ｍｍ、ｘ４は０．７５ｍｍである。レンズ１０２，１０３の焦点距離はともに０．７５ｍｍであり、レンズ１０４の焦点距離は７５ｍｍである。

第一のレンズ１０２は半導体レーザ１０１が出射した光を平行光線にし、第三のレンズ１０４を介した上記平行光線を第二のレンズ１０３で集光し、半導体光変調器１０５に結合させる。これらのレンズ１０２，１０３，１０４は位置調整された後、キャリア１０６上に固定される。

ここで、位置調整時に一旦光損失は零程度にするが、その後のレンズ１０２，１０３の固定時にレンズ位置の２μｍ程度のずれにより光損失が生じる。エポキシ樹脂で固定する場合には通常２μｍ程度ずれる。

図２に、第三のレンズ１０４を配していない、レンズ１０２，１０３だけの結合系のトレランスの計算結果を示す。横軸が固定時のレンズの位置（ずれ）を示し、縦軸が光損失を示す。光損失はレンズの位置ずれが１μｍのときに５ｄＢ程度、２μｍになると２８ｄＢ程度になる。このように、レンズ１０２，１０３だけで結合系を構成する場合には、１〜２μｍの位置ずれで大きな光損失が生じる。

本発明では、レンズ１０２，１０３の間に配された第三のレンズ１０４を再度位置調整した後に固定する。この際、レンズ１０４によりレンズ１０２，１０３からなる光学系の光軸を補正するようにする。ここで、レンズ１０４はレンズ１０２，１０３より焦点距離の長いものを用いる。このように、焦点距離の短いコリメートレンズ結合系の中に長焦点距離のレンズ１０４を挿入することにより、実装トレランスを拡大することができる。

図３に、レンズ１０２，１０３の結合系にレンズ１０４を配する場合のレンズ１０４固定時のトレランスの計算結果を示す。横軸がレンズの位置（ずれ）を示し、縦軸が光損失を示す。レンズ１０４の位置ずれが１０μｍのときに光損失は０．０５ｄＢ、２０μｍのときでも０．２０ｄＢ程度である。このように、レンズ１０４でレンズ１０２，１０３に比べて１０倍の位置ずれを生じても、それによる光損失は１／２０程度で済む。

このようにレンズ１０４の固定時の位置ずれの光損失に対する影響は、レンズ１０２，１０３に比べて１／１００以下である。このことは、レンズ１０２，１０３を固定した後にレンズ１０４を位置調整して固定することにより光損失を低減でき、高結合効率の光半導体モジュールを作製できることを示す。

なお、半導体光変調器１０５から出射された光は、第四のレンズ１０８によって平行光線となり、第五のレンズ（図示省略）によって集光された光が光ファイバ（図示省略）に接続される。

図４に第三のレンズ１０４の焦点距離による光損失の変化を示す。図４Ａは、第三のレンズ１０４の焦点距離が７．５ｍｍから１５０ｍｍまでの範囲における、第三のレンズ１０４の固定時のずれに対する光損失の変化を示す。第三のレンズ１０４の焦点距離が７．５ｍｍから１５０ｍｍまで変化するとき、レンズ１０４の固定時のずれに対する光損失の増加は１桁以上減少することがわかる。

図４Ｂは、レンズ１０２，１０３の焦点距離を０．７５ｍｍとした場合の、レンズ１０４の位置ずれによる光損失に対するレンズ１０４の焦点距離依存性を示す。レンズ１０４の位置ずれは２μｍとする。第三のレンズ１０４の焦点距離が７．５ｍｍから１５ｍｍまで変化するとき、光損失は０．２２ｄＢ程度から０．０５ｄＢ程度まで大幅に減少する。さらに焦点距離が７５ｍｍ以上に増加すると０．００２ｄＢ以下と２桁以下に減少し、焦点距離が１５０ｍｍでは０．０００５ｄＢ程度まで減少する。このように、第三のレンズ１０４の焦点距離を１５ｍｍ以上にすることにより光損失を大幅に減少できることがわかる。ここで、この１５ｍｍという第三のレンズ１０４の焦点距離は、第一，第二のレンズ１０２，１０３の焦点距離（０．７５ｍｍ）によって決まっており、第一，第二のレンズ１０２，１０３の焦点距離が０．７５ｍｍ以外であっても、焦点距離の比が保たれていれば同様の効果が得られる。すなわち、第三のレンズ１０４の焦点距離は、第一，第二のレンズ１０２，１０３の焦点距離の２０（＝１５／０．７５）倍以上にすることにより光損失を大幅に減少できる。

ただし、焦点距離を大きくしようとするとレンズの曲率半径が大きくなり、特に焦点距離が３００ｍｍを超えると小型のレンズを作製することが困難になる。また、第一，第二のレンズの位置ずれで光軸がずれた分を第三のレンズの位置調整で直すのに必要な、第三のレンズの調整量（オフセット距離）は、焦点距離の倍率に比例して大きくなる。例えば、第三のレンズ１０４の焦点距離を３００ｍｍ、第一，第二のレンズ１０２，１０３の焦点距離を０．７５ｍｍとし、焦点距離の倍率を４００（＝３００／０．７５）倍とすると、光軸ずれ１μｍを補正するのに必要なオフセット距離は４００μｍとなる。このことは、第三のレンズが本来の位置から多少ずれても光軸への影響が小さくて済む、という本発明の特徴を示すとともに、焦点距離の倍率に応じて第三のレンズの位置をずらすために必要な周辺空間を確保しなければならないことも示している。よって、焦点距離を大きくしたときのレンズのサイズの大型化、大きすぎるオフセット距離は、光半導体モジュールの小型化の妨げになる。これらのことから、第三のレンズの焦点距離は、第一，第二のレンズ１０２，１０３の焦点距離の２０倍以上且つ３００ｍｍ以下の範囲が望ましい。

＜実施例２＞
実施例２においては、実施例１に比べてレンズの固定にＹＡＧレーザ溶接を用いる点で異なる。レンズ固定にエポキシ樹脂を用いる場合に比べて、ＹＡＧレーザ溶接で固定する場合にはレンズの位置ずれが少なく、通常１μｍ程度である。したがって、第三のレンズによって補正する量が少ないので光軸を簡便に合わせることができる。

さらに、エポキシ樹脂などの接着剤を用いた場合には固定後にエポキシ樹脂などの接着剤が経時変化して変形することに伴い光軸ずれが生じる等の問題があるが、ＹＡＧレーザ溶接を用いる場合にはそのような問題はないので信頼性に優れる。

図５に本発明の第二の実施例を示す。図５に示すように、本実施例による光半導体モジュールは、キャリア５０６上に搭載された光半導体素子としてそれぞれ導波路型の光半導体素子である半導体レーザ５０１と半導体光変調器５０５を具備し、半導体レーザ５０１から出射された光が半導体光変調器５０５へ低損失に結合するよう位置調整された、第一のレンズ５０２、第二のレンズ５０３、第三のレンズ５０４を備えている。第一のレンズ５０２、第二のレンズ５０３、第三のレンズ５０４は、それぞれ金属筐体５１２，５１３，５１４に収められている。

ここで、半導体レーザ５０１には発振波長が１．５５μｍ帯であるファブリーペロー型レーザを用い、半導体光変調器５０５には１．５５μｍ帯に対応できるマッハツェンダ型（ＭＺ）変調器を用いる。

本実施例の光半導体モジュールを組み立てる際には、まず２つの光半導体素子である半導体レーザ５０１及び半導体光変調器５０５をキャリア５０６上に固定する。次に、第一，第二，第三のレンズ５０２，５０３，５０４の位置をキャリア５０６上で調節し、第一のレンズ５０２と第二のレンズ５０３をＹＡＧレーザ溶接でキャリア５０６に固定する。最後に、焦点距離の長い第三のレンズ５０４を再度位置調整し、ＹＡＧレーザ溶接でキャリア５０６に固定する。

このように、第一のレンズ５０２と第二のレンズ５０３を固定した後に再度位置調整して固定する第三のレンズ５０４の焦点距離が長いので、第一のレンズ５０２と第二のレンズ５０３の固定時のずれを効果的に補正することができる。

また、初めのレンズの位置調整を第一，第二のレンズ５０２，５０３のみで行い第一のレンズ５０２と第二のレンズ５０３を固定した後に、焦点距離の長い第三のレンズ５０４を挿入して位置調整して固定する方法も考えられる。但し、この場合は、初めのレンズの位置調整時に第三のレンズ５０４を介していないため、第三のレンズ５０４の屈折率分だけ光軸のずれが増加する。したがって、第一，第二のレンズ５０２，５０３の固定後に第三のレンズ５０４を位置調整して固定する際に時間、労力を要する。

レンズ５０２は半導体レーザ５０１の出射端からｘ１、レンズ５０４はレンズ５０２からｘ２、レンズ５０３はレンズ５０４からｘ３、半導体光変調器５０５の入射端はレンズ５０３からｘ４の位置に配されている。ここで、ｘ１は０．７５ｍｍ、ｘ２は５ｍｍ、ｘ３は２ｍｍ、ｘ４は０．７５ｍｍである。レンズ５０２，５０３の焦点距離はともに０．７５ｍｍであり、レンズ５０４の焦点距離は７５ｍｍである。

第一のレンズ５０２は半導体レーザ５０１が出射した光を平行光線にし、第三のレンズ５０４を介した上記平行光線を第二のレンズ５０３で集光し、半導体光変調器５０５に結合させる。これらのレンズ５０２，５０３，５０４は位置調整された後、レンズホルダ５０７を介してキャリア５０６上に固定される。

なお、半導体光変調器５０５から出射された光は第四のレンズ５０８によって平行光線となり、第五のレンズ（図示省略）によって集光された光が光ファイバ（図示省略）に接続される。第四のレンズ５０８は、金属筐体５１８に収められている。

図２より、ＹＡＧレーザ溶接によるレンズの位置ずれが１μｍであることを考慮すれば、レンズ５０２，５０３だけの結合系においては５ｄＢ程度の光損失が生じる。

一方、レンズ５０４をレンズ５０２，５０３の結合系に挿入する場合は、図３よりレンズ５０４の位置ずれに対して０．０１ｄＢ以下の光損失しか生じない。

図６に、レンズ５０２，５０３の焦点距離を０．７５ｍｍとした場合の光損失に対するレンズ５０４の焦点距離依存性を示す。レンズ５０４の位置ずれは１μｍとする。

第三のレンズ５０４の焦点距離が７．５ｍｍから１５ｍｍまで変化するとき、光損失は０．０７ｄＢ程度から０．０１ｄＢ程度まで大幅に１桁近く減少する。さらに焦点距離が７５ｍｍ以上に増加すると０．０００７ｄＢ以下と２桁以下に減少し、焦点距離が１５０ｍｍでは０．０００１６ｄＢ程度まで減少する。このように、第三のレンズ５０４の焦点距離を１５ｍｍ以上にすることにより光損失を大幅に減少できることがわかる。ここで、この１５ｍｍという第三のレンズ５０４の焦点距離は、第一，第二のレンズ５０２，５０３の焦点距離（０．７５ｍｍ）によって決まっており、第一，第二のレンズ５０２，５０３の焦点距離が０．７５ｍｍ以外であっても、焦点距離の比が保たれていれば同様の効果が得られる。すなわち、第三のレンズ５０４の焦点距離は、第一，第二のレンズ５０２，５０３の焦点距離の２０（＝１５／０．７５）倍以上にすることにより光損失を大幅に減少できる。

ただし、焦点距離を大きくしようとするとレンズの曲率半径が大きくなり、特に焦点距離が３００ｍｍを超えると小型のレンズを作製することが困難になる。また、第一，第二のレンズの位置ずれで光軸がずれた分を第三のレンズの位置調整で直すのに必要な、第三のレンズの調整量（オフセット距離）は、焦点距離の倍率に比例して大きくなる。例えば、第三のレンズ５０４の焦点距離を３００ｍｍ、第一，第二のレンズ５０２，５０３の焦点距離を０．７５ｍｍとし、焦点距離の倍率を４００（＝３００／０．７５）倍とすると、光軸ずれ１μｍを補正するのに必要なオフセット距離は４００μｍとなる。このことは、第三のレンズが本来の位置から多少ずれても光軸への影響が小さくて済む、という本発明の特徴を示すとともに、焦点距離の倍率に応じて第三のレンズの位置をずらすために必要な周辺空間を確保しなければならないことも示している。よって、焦点距離を大きくしたときのレンズのサイズの大型化、大きすぎるオフセット距離は、光半導体モジュールの小型化の妨げになる。これらのことから、第三のレンズの焦点距離は、第一，第二のレンズ５０２，５０３の焦点距離の２０倍以上且つ３００ｍｍ以下の範囲が望ましい。

＜実施例３＞
図７に、実施例３として実施例２の光学系と同様な光学系を有する光半導体モジュールを示す。本実施例による光半導体モジュールは、キャリア７０６上に搭載された光半導体素子として、それぞれ導波路型の光半導体素子である半導体レーザ７０１と半導体光変調器７０５を具備し、半導体レーザ７０１から出射された光が半導体光変調器７０５へ低損失に結合するよう位置調整された、第一のレンズ７０２、第二のレンズ７０３、第三のレンズ７０４を備えている。第一のレンズ７０２、第二のレンズ７０３、第三のレンズ７０４は、それぞれ金属筐体７１２，７１３，７１４に収められている。

ここで、半導体レーザ７０１には発振波長が１．５５μｍ帯であるＤＦＢレーザを用い、半導体光変調器７０５には１．５５μｍ帯に対応できるマッハツェンダ型（ＭＺ）変調器を用いる。

第一のレンズ７０２と第二のレンズ７０３の間には、半導体レーザ７０１への反射光の入射を防止するためのアイソレータ７１１が備えられている。このアイソレータ７１１は、第三のレンズ７０４に対して半導体レーザ７０１側に配される。これは、第三のレンズ７０４の焦点距離が長いので第三のレンズ７０４からの反射光が半導体レーザ７０１に入射して与える影響が大きいため、第三のレンズ７０４からの反射光が半導体レーザ７０１に入射することを防止するためである。

また、本実施例の光半導体モジュールには、半導体光変調器７０５の出射光を平行光にするための第四のレンズ７０８、光ファイバー７２０に集光するための第五のレンズ７０９も備えている。キャリア７０６は、温度制御用のペルチェ素子７１０上に搭載されている。ペルチェ素子７１０は、外部から電気配線を介して温度制御され、波長の温度変動を抑制している。

本実施例の光半導体モジュールを組み立てる際には、まず２つの光半導体素子である半導体レーザ７０１及び半導体光変調器７０５をキャリア７０６上に固定する。次に、第一，第二，第三のレンズ７０２，７０３，７０４及びアイソレータ７１１の位置をキャリア７０６上で調節し、第二のレンズ７０３、アイソレータ７１１、第一のレンズ７０２の順で、第二のレンズ７０３、アイソレータ７１１、第一のレンズ７０２をＹＡＧレーザ溶接でキャリア７０６に固定する。最後に、焦点距離の長い第三のレンズ７０４を再度位置調整し、ＹＡＧレーザ溶接でキャリア７０６に固定する。その後、第四、第五のレンズ７０８，７０９を固定する。

レンズ７０２は半導体レーザ７０１の出射端からｘ１、アイソレータ７１１はレンズ７０２からｘ２、レンズ７０４はアイソレータ７１１からｘ３、レンズ７０３はレンズ７０４からｘ４、半導体光変調器７０５の入射端はレンズ７０３からｘ５の位置に配されている。ここで、ｘ１は０．７５ｍｍ、ｘ２は２．５ｍｍ、ｘ３は２．５ｍｍ、ｘ４は２ｍｍ、ｘ５は０．７５ｍｍである。レンズ７０２，７０３の焦点距離はともに０．７５ｍｍであり、レンズ７０４の焦点距離は７５ｍｍである。

第一のレンズ７０２は半導体レーザ７０１が出射した光を平行光線にし、第三のレンズ７０４を介した上記平行光線を第二のレンズ７０３で集光し、半導体光変調器７０５に結合させる。これらのレンズ７０２，７０３，７０４は位置調整された後、レンズホルダ７０７を介してキャリア７０６上に固定される。

なお、半導体光変調器７０５から出射された光は第四のレンズ７０８によって平行光線となり、第五のレンズ７０９によって集光された光が光ファイバー７２０に接続される。第四のレンズ７０８は、金属筐体７１８に収められている。

本実施例においては、ペルチェ素子７１０の制御用の配線がパッケージの側壁内部に収納されている。図８Ａ、図８Ｂそれぞれに従来例と本実施例における光半導体モジュールの断面図を示す。

従来、ペルチェ素子の制御用の配線は、図８Ａに示すようにパッケージの側壁の外側に配されていた。具体的には、金属ワイヤ８０６でペルチェ素子８０４からパッケージのセラミック部８０５の側壁内面まで接続し、セラミック部８０５の一部の層間に配された金属層８０７を介して外部の（パッケージの外部に露出した）ピン８０９まで配線する。このように金属ワイヤ８０６による配線にはスペースが必要であり、モジュールの小型化を妨げる一因となっていた。なお、図８Ａにおいて、８０１はパッケージ外枠、８０２はレンズ、８０３はキャリアである。

本実施例においては、図８Ｂに示すようにペルチェ素子７１０の制御用の配線がパッケージの側壁内部に収納されている。具体的には、キャリア７０６の下で金属ワイヤ８０６ａを配線してペルチェ素子７１０からパッケージのセラミック部８０５の側壁内面まで接続し、セラミック部８０５の層間に配された金属層８０７ａと、セラミック部８０５に開けた穴に通されたビア配線８０７Ａとを介して外部の（パッケージの外部に露出した）ピン８０９まで配線する。ここで、側壁の厚さは２．５ｍｍであり、表面から０．５ｍｍ程度のところに直径０．２ｍｍの穴を空けて配線を通す。このとき、ペルチェ素子７１０と、キャリア７０６下に配線した金属ワイヤ８０６ａと、セラミック表面の金属層８０８ｂと、セラミック部８０５の層間に配された金属層８０７Ｂとを介した別経路によっても外部のピン８０９まで配線される。このように、２経路で外部のビア配線に接続することにより電気抵抗を低減することができる。なお、図８Ｂにおいて、８０１はパッケージ外枠であり、７０２，７０３，７０４はレンズである。

以上のように、本実施例のパッケージ（セラミック部）側壁内部に配線することにより、外側に配される場合に比べて配線スペースが不要となり光半導体モジュールを小型化することができる。

特に本実施例においては、新たに挿入する第三のレンズ７０４のスペースを要するため、ペルチェ素子の制御用の配線をパッケージの側壁内部に収納し、従来の配線用スペースを不要とすることは光半導体モジュールの小型化という点で効果がある。本実施例の光半導体モジュールのパッケージサイズは３０×１２ｍｍであり、従来のパッケージサイズである４１×１３ｍｍよりも小型化することが可能となった。

本実施例の光半導体モジュールを動作させた結果、波長１．５５μｍの出力光がＣＷ（連続光）パワー＋６．５ｄＢｍという従来構造のものよりも高い値が得られる。本実施例の光半導体モジュールを用い、半導体光変調器の変調時の消光電圧を２．１Ｖとし、１０Ｇｂ／ｓ ２００ｋｍデュオバイナリ伝送を行うと、パワーペナルティー１ｄＢという良好な結果が得られる。

本実施例では、レンズ７０８とレンズ７０９の間に素子を配さなかったが、後述のように波長ロッカーを配すれば光出力と波長を制御することができる。また、半透明ミラーを介してフォトダイオード（パワーモニター）を配すれば光出力を制御することができる。

＜実施例４＞
図９に実施例４として、実施例３の光半導体モジュールの光源（半導体レーザ）に波長可変光源を用いる場合を示す。

本実施例による光半導体モジュールは、キャリア９０６上に搭載された光半導体素子として、それぞれ波長可変光源であるＴＬＡ（Tunable Laser Array）９０１と半導体光変調器９０５を具備し、ＴＬＡ９０１から出射された光が半導体光変調器９０５へ低損失に結合するよう位置調整された、第一のレンズ９０２、第二のレンズ９０３、第三のレンズ９０４を備えている。第一のレンズ９０２、第二のレンズ９０３、第三のレンズ９０４は、それぞれ金属筐体９１２，９１３，９１４に収められている。

ＴＬＡ９０１は１２素子のＤＦＢレーザを並列にアレイ化したもので、９７チャンネル、５０ＧＨｚ間隔でＣバンド（１．５３０μｍ〜１．５６０μｍ）に対応する。また、半導体光変調器９０５には１．５５μｍ帯に対応できるマッハツェンダ型（ＭＺ）変調器を用いる。

第一のレンズ９０２と第二のレンズ９０３の間には、ＴＬＡ９０１への反射光の入射を防止するためのアイソレータ９１１が備えられている。このアイソレータ９１１は第三のレンズ９０４に対してＴＬＡ９０１側に配される。これは第三のレンズ９０４の焦点距離が長いので第三のレンズ９０４からの反射光がＴＬＡ９０１に入射して与える影響が大きいため、第三のレンズ９０４からの反射光がＴＬＡ９０１に入射することを防止するためである。

また、本実施例の光半導体モジュールには、半導体光変調器９０５の出射光を平行光にするための第四のレンズ９０８、光ファイバー９２０に集光するための第五のレンズ９０９も備えている。キャリア９０６は、温度制御用のペルチェ素子９１０上に搭載されている。ペルチェ素子は、外部から電気配線を介して温度制御される。このペルチェ素子によりＴＬＡ９０１の温度を変化させ、ＴＬＡ９０１の発振波長を変化させる。

加えて、複数の波長の光を制御するために、波長ロッカー９３０も備えている。波長ロッカー９３０は、レンズ９０８とレンズ９０９との間に位置するように、ペルチェ素子９３１上に搭載される。波長ロッカー９３０においては、入射光（半導体光変調器９０５から出力された光）の一部を半透明ミラーにより反射させ、フォトダイオード（パワーモニタ）ＰＤ１（図示省略）に入射させる。また、他の一部を波長フィルタを介してフォトダイオードＰＤ２（図示省略）に入射させる。上記の半透明ミラーにより反射しなかった光は、透過光としてレンズ９０９により光ファイバー９２０に集光される。

各々のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に受光された光は電気に変換され、光半導体モジュールの外部の制御装置に入力される。制御装置は、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２からの入力電流に応じてＴＬＡ９０１に入力する電流（動作電流）を制御し、各波長の光出力を安定化する。また、この制御装置はペルチェ素子９１０への入力電流を制御し、ＴＬＡ９０１の発振波長を変化させる。また、別の制御装置を用いて半導体光変調器９０５に電圧を印加し、半導体光変調器９０５を動作させる。

本実施例の光半導体モジュールを組み立てる際には、まず２つの光半導体素子であるＴＬＡ９０１及び半導体光変調器９０５をキャリア９０６上に固定する。次に、第一，第二，第三のレンズ９０２，９０３，９０４及びアイソレータ９１１の位置をキャリア９０６上で調節し、第二のレンズ９０３、アイソレータ９１１、第一のレンズ９０２の順で、第二のレンズ９０３、アイソレータ９１１、第一のレンズ９０２をＹＡＧレーザ溶接でキャリア９０６に固定する。最後に、焦点距離の長い第三のレンズ９０４を再度位置調整し、ＹＡＧレーザ溶接でキャリア９０６に固定する。その後、第四、第五のレンズ９０８，９０９を固定する。

レンズ９０２はＴＬＡ９０１の出射端からｘ１、アイソレータ９１１はレンズ９０２からｘ２、レンズ９０４はアイソレータ９１１からｘ３、レンズ９０３はレンズ９０４からｘ４、半導体光変調器９０５の入射端はレンズ９０３からｘ５の位置に配されている。ここで、ｘ１は０．７５ｍｍ、ｘ２は２．５ｍｍ、ｘ３は２．５ｍｍ、ｘ４は２ｍｍ、ｘ５は０．７５ｍｍである。レンズ９０２、９０３の焦点距離はともに０．７５ｍｍであり、レンズ９０４の焦点距離は７５ｍｍである。

第一のレンズ９０２はＴＬＡ９０１が出射した光を平行光線にし、第三のレンズ９０４を介した上記平行光線を、第二のレンズ９０３は集光して半導体光変調器９０５に結合させる。これらのレンズ９０２，９０３，９０４は位置調整された後、レンズホルダ９０７を介してキャリア９０６上に固定される。

なお、半導体光変調器９０５から出射された光は第四のレンズ９０８によって平行光線となり、波長ロッカー９３０を介して第五のレンズ９０９によって集光された光が光ファイバー９２０に接続される。第四のレンズ９０８は、金属筐体９１８に収められている。

本実施例において、ペルチェ素子の制御用の配線がパッケージの側壁内部に収納されている。図８Ａ、図８Ｂそれぞれに従来例と本実施例における光半導体モジュールの断面図を示す。

従来、ペルチェ素子の制御用の配線は図８Ａに示すようにパッケージの側壁の外側に配されていた。具体的には金属ワイヤ８０６でペルチェ素子８０４からパッケージのセラミック部８０５の側壁内面まで接続され、セラミック部８０５の一部の層間に配された金属層８０７を介して外部のピン８０９まで配線される。このように金属ワイヤ８０６による配線にはスペースが必要となり、モジュールの小型化を妨げる一因となっていた。

本実施例においては、図８Ｂに示すようにペルチェ素子９１０の制御用の配線がパッケージの側壁内部に収納されている。具体的には、キャリア９０６の下で金属ワイヤ８０６ａを配線してペルチェ素子９１０からパッケージのセラミック部８０５の側壁内面まで接続し、セラミック部８０５に開けた穴に通されたビア配線８０７Ａを介して外部のピン８０９まで配線する。ここで、側壁の厚さは２．５ｍｍであり、表面から０．５ｍｍ程度のところに直径０．２ｍｍの穴を空けて配線を通す。このとき、ペルチェ素子９１０と、キャリア９０６下に配線した金属ワイヤ８０６ａと、セラミック表面の金属層８０８ｂと、セラミック部８０５の層間に配された金属層８０７Ｂとを介した別経路によっても外部のピン８０９まで配線される。このように２経路で外部のビア配線に接続することにより電気抵抗を低減することができる。なお、図８Ｂにおいて、８０１はパッケージ外枠であり、９０２，９０３，９０４はレンズである。

以上のように、本実施例のパッケージ（セラミック部）側壁内部に配線することにより、外側に配される場合に比べて配線スペースが不要となり光半導体モジュールを小型化することができる。

特に本実施例においては、新たに挿入する第三のレンズ９０４のスペースを要するために、ペルチェ素子の制御用の配線をパッケージの側壁内部に収納し、従来の配線用スペースを不要とすることは光半導体モジュールの小型化という点で効果がある。

本実施例の光半導体モジュールのパッケージサイズは３０×１２ｍｍであり、従来のパッケージサイズである４１×１３ｍｍよりも小型化することが可能となった。

図１０に、本実施例の光半導体モジュールにおける光ファイバーからの出力を示す。９７チャンネル、５０ＧＨｚ間隔でＣバンド(１．５３０μｍ〜１．５６０μｍ)の全波長において、ＣＷパワー＋６．５ｄＢｍが得られている。図１１に光変調器９０５の消光特性を示す。Ｃバンドの全波長範囲においてπ電圧（Ｖπ）が２．１Ｖであり、低電圧で動作する事が示されている。

本実施例の光半導体モジュールを用いて、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）２００ｋｍにおける１０Ｇｂｉｔ／ｓのデュオバイナリ伝送を行った結果を示す。ここで光変調器９０５はプッシュプル動作させ、駆動電圧は一定（２．１Ｖｐｐ／２．４Ｖｐｐ）とし、バイアス電圧のみをレーザ発振波長と温度に応じて−５．４Ｖから−１１．０Ｖまで変化させた。

図１２Ａに波長が１５２９．５５ｎｍのときの伝送前のアイ開口パターン、図１２Ｂに波長が１５２９．５５ｎｍのときの伝送後のアイ開口パターン、図１２Ｃに波長が１５６１．４２ｎｍのときの伝送前のアイ開口パターン、図１２Ｄに波長が１５６１．４２ｎｍのときの伝送後のアイ開口パターンを示す。波長１５２９．５５ｎｍと１５６１．４２ｎｍについて伝送前後で良好なアイ開口が得られている。

図１３に、符号誤り率特性（伝送前１３１、伝送後１３２）を示す。Ｃバンド全域において、ＳＭＦ２００ｋｍ伝送後でパワーペナルティーは１．０ｄＢｍ以下である。このように、本実施例によれば、全Ｃバンドにおいて＋６．５ｄＢｍのＣＷ光出力、変調器駆動条件無調整で全波長領域での１０Ｇｂ／ｓ動作、ＳＭＦ ２００ｋｍのデュオバイナリ伝送を実現できる。

本実施例においては第一のレンズ９０２と第二のレンズ９０３の焦点距離を等しいものとしたが、第一のレンズ９０２と第二のレンズ９０３の焦点距離は異なるものでもよい。この際、第三のレンズ９０４の焦点距離は、第一，第二のレンズ９０２，９０３のいずれか焦点距離の長い方と比べて長ければよい。つまり、本実施例では、第一のレンズ９０２、第二のレンズ９０３の焦点距離を０．７５ｍｍ、第三のレンズ９０４の焦点距離を７５ｍｍとしたが、第三のレンズ９０４の焦点距離が第一のレンズ９０２、第二のレンズ９０３の焦点距離より長ければ他の焦点距離でもよい。

本実施例においては可変波長光源にＴＬＡ９０１を用いたが、ＤＢＲレーザを用いても良い。また、変調器に半導体光変調器９０５を用いたが、ＬＮ変調器を用いても良い。また、ＴＬＡ９０１、半導体光変調器９０５を搭載したキャリア９０６と波長ロッカー９３０を別々のペルチェ素子９１０，９３１に搭載したが、同一のペルチェ素子に搭載してもよい。

本実施例ではＣバンド（１．５３０μｍ〜１．５６０μｍ）に対応する構成としたが、構成によってＬバンド（１．５８０μｍ〜１．６２０μｍ）に適用することもできる。本実施例においては、光半導体モジュールが対応する波長は１．５５μｍ帯としたが、半導体レーザと変調器を１．３μｍ帯に対応できるものを用いれば１．３μｍ帯にも適用できる。

１０１，５０１，７０１ 半導体レーザ
１０２，５０２，７０２，９０２ 第一のレンズ
１０３，５０３，７０３，９０３ 第二のレンズ
１０４，５０４，７０４，９０４ 第三のレンズ
１０５，５０５，７０５，９０５ 半導体光変調器
１０６，５０６，７０６，８０３，９０６ キャリア
５０７，７０７，９０７ レンズホルダ
１０８，５０８，７０８，９０８ 第四のレンズ
７０９，９０９ 第五のレンズ
７１０，８０４，９１０，９３１ ペルチェ素子
７１１，９１１ アイソレータ
５１２，５１３，５１４，５１８，７１２，７１３，７１４，７１８，９１２，９１３，９１４，９１８ 金属筐体
７２０，９２０ 光ファイバー
８０１ パッケージ外枠
８０２ レンズ
８０５ セラミック部
８０６ 金属ワイヤ
８０７，８０７ａ，８０７Ｂ セラミック部８０５の層間に配された金属層
８０７Ａ ビア配線
８０８ｂ セラミック表面の金属層
８０９ 外部のピン
９０１ ＴＬＡ
９３０ 波長ロッカー

Claims (9)

1. 第一の光素子と、第一の光素子から出射される光を平行光線にするための第一のレンズと、前記平行光線を集光させるための第二のレンズと、第一のレンズと第二のレンズの間に配された第三のレンズと、第二のレンズにより光が集光される位置に配置された第二の光素子とを内蔵した光半導体モジュールにおいて、
   前記第三のレンズの焦点距離が、前記第一のレンズの焦点距離と前記第二のレンズの焦点距離のいずれの焦点距離よりも長いことを特徴とする光半導体モジュール。
2. 請求項１に記載の光半導体モジュールにおいて、
   前記第三のレンズの焦点距離が、
   前記第一のレンズと第二のレンズの焦点距離が等しい場合には前記第一のレンズと第二のレンズの焦点距離に比べて２０倍以上且つ３００ｍｍ以下であり、
   前記第一のレンズと第二のレンズの焦点距離が異なる場合には前記第一のレンズと第二のレンズの焦点距離の長い方に比べて２０倍以上且つ３００ｍｍ以下であることを特徴とする光半導体モジュール。
3. 請求項１または請求項２に記載の光半導体モジュールにおいて、
   前記第一のレンズ，第二のレンズ及び第三のレンズは金属筐体内に収められており、
   前記第一のレンズ，第二のレンズ及び第三のレンズは、前記第一の光半導体素子と第二の光半導体素子を搭載するキャリア上にＹＡＧレーザ溶接によって固定されていることを特徴とする光半導体モジュール。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光半導体モジュールにおいて
   前記第一のレンズと第三のレンズの間にアイソレータを有することを特徴とする光半導体モジュール。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の光半導体モジュールにおいて、
   前記第一の光素子が発光素子であって、
   前記第二の光素子が光変調器であることを特徴とする光半導体モジュール。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の光半導体モジュールにおいて、
   前記第一の光素子が波長可変レーザであって、
   前記第二の光素子から出力された光が入射する位置に、波長ロッカーを備えることを特徴とする光半導体モジュール。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の光半導体モジュールにおいて、
   前記第一の光素子及び第二の光素子をキャリア上に固定した後、
   前記第二のレンズにより集光した光が前記第二の光素子に結合するように、前記第一のレンズ，第二のレンズ及び第三のレンズの位置を調節し、
   前記第一のレンズと第二のレンズをＹＡＧレーザによる溶接により前記キャリアに固定した後、焦点距離の長い第三のレンズを前記キャリアに固定することを特徴とする光半導体モジュールの組立方法。
8. パッケージ内に、光素子と、レンズを搭載したキャリアと、前記キャリアを搭載したペルチェ素子を備えると共に、電気信号を入出力するため前記パッケージの外部に露出したピンを備える光半導体モジュールにおいて、
   前記パッケージの側壁の一部がセラミックであり、
   前記ペルチェ素子を制御するための電気配線が、前記キャリアの下に配されると共に、
   前記セラミック内部の穴を通して配されて、前記ピンに接続されることを特徴とする光半導体モジュール。
9. 請求項８に記載の光半導体モジュールにおいて、
   前記ペルチェ素子を制御するための電気配線が、前記セラミックの内壁表面の一部に配した金属層に接続されると共に、前記セラミック内部を通して配されて、前記ピンに接続されることを特徴とする光半導体モジュール。

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