JPWO2018142499A1

JPWO2018142499A1 - 波長可変光源

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Publication number: JPWO2018142499A1
Application number: JP2017533979A
Authority: JP
Inventors: 雄鋭上野; 敬太望月; 清智長谷川; 勇人佐野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-02-01
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2019-02-07
Also published as: WO2018142499A1

Abstract

波長可変光源は、ヒートシンクと、ヒートシンクに取付けられるレーザサブマウントと、レーザサブマウントの上面に取付けられる波長可変レーザ素子とを有し、波長可変レーザ素子は、実装面と、実装面に水平方向に並べて実装される、レーザダイオードと半導体光増幅器とを有し、レーザサブマウントは、放熱ビアを有し、放熱ビアは、レーザサブマウントの上面に開口部を有する貫通孔と、貫通孔に充填される、レーザサブマウントより熱伝導率の高い材料とにより形成され、波長可変レーザ素子は、放熱ビアが形成された領域の上方に、半導体光増幅器が実装された実装面と対応する背面を配置し、放熱ビアの形成されていない領域の上方に、レーザダイオードが実装された実装面と対応する背面を配置して、レーザサブマウントの上面に取付けられる。

Description

本発明は、レーザサブマウントに放熱ビアを備えた波長可変光源に関する。

近年、動画配信等の大容量コンテンツの増加及びスマートフォン、タブレット等のモバイル端末の普及により、インターネットトラヒックは爆発的な増加を続けており、光通信システムの伝送容量の増大が強く求められている。これを実現するための中核技術の一つとして、波長分割多重（ＷａＶｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇｕ。以下、「ＷＤＭ」という。）がある。ＷＤＭにおいては、単一の波長を有する光源を複数備えるよりも、任意の波長を出力可能な、波長可変光源を用いることが、保守及び運用上の観点から望ましい。

ＷＤＭを用いたネットワークシステムにおいては、障害発生時に新たな正常光パスへ切り替える波長リストレーション及び電気の帯域や遅延に影響されない光スイッチに対し、高速化の要求がある。よって、波長可変光源には、波長切り換えの高速化が求められている。

これを実現するための波長制御手法としては、レーザダイオード（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ。以下、「ＬＤ」という。）の自己発熱を利用した、温度調整による波長制御が有効である。ＬＤの自己発熱を利用した波長制御においては、広い波長可変幅、すなわち温度調整幅を得るために、ＬＤで発生した熱を素子内へ強く閉じ込める必要がある。

そこで、低熱伝導率のレーザサブマウントを使用して、ＬＤで発生した熱の放熱を抑制するものが開示されている（例えば特許文献１参照）。また、１つの素子を配置するレーザサブマウントを、熱伝導率の異なる二つのレーザサブマウントに分割し、素子の、放熱を抑制する部位を低熱伝導率のレーザサブマウント側に配置し、素子の、放熱させたい部位を高熱伝導率のレーザサブマウント側に配置するものが開示されている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１３−２４３２０６号公報特開２００４−００７０２３号公報

しかしながら、特許文献１のレーザサブマウントでは、ＬＤと半導体光増幅器（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ。以下、「ＳＯＡ」という。）が集積された、一般的な波長可変レーザ素子を実装した場合に、ＳＯＡで発生した熱の放熱も抑制されてしまう。このため、ＳＯＡの温度が上昇して、光出力特性が劣化してしまうという課題があった。また、特許文献２のレーザサブマウントは、２つの部品で構成されているため、加工誤差などにより、２つの部品の高さが異なる可能性がある。２つの部品の高さが異なると、波長可変レーザ素子が傾いて実装され、場合によっては必要なパワーが得られなくなるおそれがある。さらに、波長可変レーザ素子をレーザサブマウントにはんだ接合した際には、レーザサブマウントと波長可変レーザ素子との熱膨張率の差に応じた応力が、波長可変レーザ素子に加わる。よって、２つの部品の熱伝導係数が異なる場合には、２つの部品から、異なる熱応力が波長可変レーザ素子に加わり、波長可変レーザ素子の特性や長期信頼性に悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、波長可変レーザ素子の特性及び信頼性に悪影響を与えずに、広い波長可変範囲と高出力特性を両立する波長可変光源を得ることを目的とする。

本発明に係る波長可変光源は、ヒートシンクと、ヒートシンクに取付けられるレーザサブマウントと、レーザサブマウントの上面に取付けられる波長可変レーザ素子とを有し、波長可変レーザ素子は、実装面と、実装面に水平方向に並べて実装される、レーザダイオードと半導体光増幅器とを有し、レーザサブマウントは、放熱ビアを有し、放熱ビアは、レーザサブマウントの上面に開口部を有する貫通孔と、貫通孔に充填される、レーザサブマウントより熱伝導率の高い材料とにより形成され、波長可変レーザ素子は、放熱ビアが形成された領域の上方に、半導体光増幅器が実装された実装面と対応する背面を配置し、放熱ビアの形成されていない領域の上方に、レーザダイオードが実装された実装面と対応する背面を配置して、レーザサブマウントの上面に取付けられる。

本発明は、１つのレーザサブマウントにおける複数の領域に、それぞれ異なる放熱効果をもたせている。そして、レーザサブマウントに取付けられる、波長可変レーザ素子を構成する各素子に適した放熱をするとともに、波長可変レーザ素子の姿勢を安定させることができる。これにより、波長可変レーザ素子の特性及び信頼性に悪影響を与えずに、広い波長可変範囲と高出力特性を両立した波長可変光源を得ることができる。

本発明の実施の形態１における波長可変光源の上面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う波長可変光源を示す断面図である。実施の形態１における波長可変光源の変形例を示す上面図である。本発明の実施の形態２における波長可変光源を示す断面図である。本発明の実施の形態３における波長可変光源を示す断面図である。本発明の実施の形態４における波長可変光源の上面図である。図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う波長可変光源を示す断面図である。

以下、本発明の波長可変光源の好適なえ実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における波長可変光源１の上面図である。また、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図１及び図２に示すように、実施の形態１による波長可変光源１は、ヒートシンク１０と、ヒートシンク１０上に配置されたレーザサブマウント２０とを有する。レーザサブマウント２０の上には、波長可変レーザ素子３０が配置されている。波長可変レーザ素子３０は、レーザ発振するＬＤ４０と、ＬＤ４０から出射された光を増幅するＳＯＡ５０が実装された実装面３０ａと、実装面３０ａの裏側の放熱面３０ｂを有している。

波長可変レーザ素子３０は、単一モード発振する半導体レーザであればよく、例えば、分布帰還型（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ）レーザや、分布反射型（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザ等が用いられる。

図１及び図２に示すように、レーザサブマウント２０には、４つの円柱状の放熱ビア６０が設けられている。４つの放熱ビア６０は、それぞれレーザサブマウント２０に設けられた４つの貫通孔２０ａの中に、レーザサブマウント２０とは異なる材料を充填して形成されている。レーザサブマウント２０は、例えば石英ガラスなど、波長可変レーザ素子３０よりも熱伝導率の低い材料で形成される。一方、放熱ビア６０は、例えば、銅ペースト等、レーザサブマウント２０よりも熱伝導率が高い材料で形成される。

図２に示すように、波長可変レーザ素子３０は、ＳＯＡ５０が実装された位置と対峙する放熱面３０ｂの位置に、放熱ビア６０が配置されるように、レーザサブマウント２０に取付けられる。このとき、ＬＤ４０が実装された位置と対峙する放熱面３０ｂの位置には、放熱ビア６０は配置されない。

次に、実施の形態１による波長可変光源１の作用及び効果について説明する。実施の形態１による波長可変光源１では、ＬＤ４０に電流が供給されて、レーザが発光した際に発生する熱は、レーザサブマウント２０を介して、ヒートシンク１０に放熱される。しかし、レーザサブマウント２０は、熱伝導率の低い材料で形成されているため、ＬＤ４０で発生した熱の放熱が抑制される。そして、ＬＤ４０で発生した熱により、ＬＤ４０自身の温度が大きく上昇する。これにより、同一の発熱量であっても、熱伝導率の高いレーザサブマウント２０に取付けた場合と比較して、波長の変化幅が広くなる。

一方、ＳＯＡ５０の下方には、熱伝導率の高い材料で形成された放熱ビア６０が配置されているため、ＳＯＡ５０の発熱は速やかに放熱される。よって、ＳＯＡ５０の発熱によるＳＯＡ５０自身の温度上昇は小さく抑えられ、ＳＯＡ５０の出力特性の劣化が抑制される。

また、実施の形態１では、放熱ビア６０を、レーザサブマウント２０に形成された貫通孔２０ａ内に、レーザサブマウント２０とは異なる材料を充填する、という形で、レーザサブマウント２０と一体に形成している。このため、レーザサブマウント２０全体の熱膨張率は、レーザサブマウント２０を形成している材料によって決定される。したがって、特許文献２に記載されたレーザサブマウントのように、異種材料のレーザサブマウントを並べて配置したものとは異なり、波長可変レーザ素子３０には、均一の熱応力が印可される。よって、波長可変レーザ素子３０に加わる負荷が軽減され、耐久性及び性能の信頼性が向上する。

実施の形態１では、波長可変レーザ素子３０の姿勢は、波長可変レーザ素子３０の背面が当接する、放熱ビア６０の上面の凹凸に影響されるが、放熱ビア６０の上面の凹凸は、一般に±数μｍ程度である。一方、特許文献２に記載されたレーザサブマウントのように、異なる複数のレーザサブマウントを並べて配置する場合には、各レーザサブマウントの加工精度が、波長可変レーザ素子３０の姿勢に影響を与える。通常採用される切削加工においては、標準寸法精度は・数十μｍである。

このように、実施の形態１による波長可変光源１によれば、レーザサブマウント２０に取付けられる、波長可変レーザ素子３０を構成する各素子に適した放熱をするとともに、波長可変レーザ素子３０の姿勢を安定させることができる。これにより、波長可変レーザ素子３０の特性及び信頼性に悪影響を与えずに、広い波長可変範囲と高出力特性を両立した波長可変光源１を得ることができる。

なお、実施の形態１では、レーザサブマウント２０に、放熱ビア６０を４つ形成しているが、放熱ビア６０の数は、これに限るものではない。例えば、放熱ビア６の数は一つでもよい。また、実施の形態１では、放熱ビア６０を円柱状に形成したが、これに限るものではない。例えば、放熱ビア６０の形状は、角柱状であってもよいし、傾斜していてもよい。

また、レーザサブマウント２０の材質は、波長可変レーザ素子３０よりも熱伝導率の低い材質であればよい。例えば、アルミナなどのセラミックのほか、ガラス又は合成樹脂などでもよい。また、放熱ビア６０を形成する材料は、例えば、銅ペーストや銀ペースト等の金属粉末を溶かし込んだ樹脂のほか、金属やはんだなどでもよい。レーザサブマウント２０よりも、熱伝導率の高い材料であればよい。

また、実施の形態１では、波長可変レーザ素子３０は、１つのＬＤ４０と、１つのＳＯＡ５０により形成されていたが、これに限るものではない。例えば、図３に示す変形例のように、ＬＤ４０を、それぞれ発光する光の波長が異なる１２個のＬＤ４０Ａ〜４０Ｌで構成してもよい。そして、波長可変レーザ素子３０は、並列に配置されたＬＤ４０Ａ〜４０Ｌと、ＬＤ４０Ａ〜４０Ｌから出力された光を合成して出力する合分波器７０と、ＳＯＡ５０とにより構成してもよい。ＬＤ４０Ａ〜４０Ｌを使い分けることで、出射可能な波長範囲を更に拡大することができる。なお、ＬＤ４０の数は１２個に限るものでなく、２〜１１個でもよく、１３個以上であってもよい。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２による波長可変光源２の断面図である。実施の形態２による波長可変光源２は、実施の形態１の波長可変光源１と、レーザサブマウント２１の構造が異なる。他の構成は、実施の形態１と同様である。

図４に示すように、実施の形態２による波長可変光源２は、レーザサブマウント２１を、第１層２１ａと第２層２１ｂの２層からなる基板で構成している。ヒートシンク１０と接する側の第１層２１ａは、熱伝導率の低い材料に形成した４つの貫通孔に、熱伝導率の高い材料を充填した、４つの円柱状の放熱ビア６１を有している。一方、波長可変レーザ素子３０と接する第２層２１ｂは、熱伝導率の低い材料のみで形成されている。

放熱ビア６１の上面は、数μｍ程度の凹凸を有しているため、波長可変レーザ素子３０の姿勢に、わずかながら影響を及ぼす可能性がある。実施の形態２による波長可変光源２によれば、ＬＤ４０及びＳＯＡ５０の放熱性を調整する第１層２１ａと、単一材料で形成され、表面の平面性が高い第２層２ｂとを分離することにより、波長可変レーザ素子３０の姿勢をさらに安定なものとすることができる。

なお、実施の形態２では、レーザサブマウント２１を２層からなる基板としたが、これに限るものではない。例えば、レーザサブマウント２１は、３層以上からなる基板であってもよい。放熱ビア６１が形成される層と、波長可変レーザ素子３０が実装される層とが、分離されていればよい。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３における波長可変光源３を示している。実施の形態２におけるレーザサブマウント２１は２層からなる基板であったが、実施の形態３による波長可変光源３は、レーザサブマウント２０を２層とすることに代えて、レーザサブマウント２０と波長可変レーザ素子３０との間に、バッファ基板８０を配置した点が異なる。他の構成は、実施の形態２と同様である。

電子部品を基板に実装する際に使用されるはんだは、通常２００℃以上の高温で溶解される。電子部品と基板の熱膨張率が異なれば、はんだが室温に戻る際に電子部品に応力が加わる。この応力は、熱膨張率の差が大きければ大きいほど大きくなり、電子部品の性能に悪影響を及ぼすことがある。

図５に示すように、実施の形態３による波長可変光源３は、レーザサブマウント２０と波長可変レーザ素子３０の間に、バッファ基板８０を配置している。バッファ基板８０は、レーザサブマウント２０とは異なる材料で形成されている。バッファ基板８０と波長可変レーザ素子３０との熱膨張率の差は、レーザサブマウント２０と波長可変レーザ素子３０の熱膨張率の差よりも小さい。バッファ基板８０は、窒化アルミまたはアルミナなどのセラミックのほか、シリコン又は合成樹脂又は金属などの材料により形成される。

実施の形態３による波長可変光源３によれば、波長可変レーザ素子３０と直接接合されるバッファ基板８０の熱膨張率を、波長可変レーザ素子３０の熱膨張率に近くする。そして、レーザサブマウント２０と波長可変レーザ素子３０の熱膨張率の差よりも、バッファ基板８０と波長可変レーザ素子３０の熱膨張率の差を小さくする。これにより、はんだ接合の前後に、波長可変レーザ素子３０に加わる応力が緩和され、波長可変レーザ素子３０の耐久性及び信頼性が向上する。また、応力に起因する歪に応じた発振波長シフトも小さくなる。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４における波長可変光源４の上面図である。また、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う波長可変光源を示す断面図である。実施の形態４による波長可変光源４は、レーザサブマウント２２に、空洞ビア９０を有している点が、実施の形態１のレーザサブマウント２０と異なる。さらに、実施の形態４のレーザサブマウント２２には、ワイヤボンディング用のＬＤ電極１００と、ＳＯＡ５０と電気的に導通したワイヤボンディング用のＳＯＡ電極１１０が設けられている点が実施の形態１とは異なる。他の構成は、実施の形態１と同様である。

実施の形態４による波長可変光源４のレーザサブマウント２２は、図６及び図７に示すように、４つの円柱状の放熱ビア６２と、４つの円柱状の空洞ビア９０を有している。各空洞ビア９０は、ＬＤ４０の下方に配置されており、各空洞ビア９０の中には、空気又は窒素などの気体が充填されている。

また、図６に示すように、実施の形態４による波長可変光源４は、波長可変レーザ素子３０の上面に、ＬＤ４０と電気的に導通するワイヤボンディング用のＬＤ電極１００と、ＳＯＡ５０と電気的に導通するワイヤボンディング用のＳＯＡ電極１１０を有している。ＬＤ電極１００とＳＯＡ電極１１０は、波長可変レーザ素子３０の実装面３０ａにおける、波長可変レーザ素子３０を挟んで、各空洞ビア９０と対峙しない領域に配置される。

ＬＤ４０で発生した熱は、レーザサブマウント２２の、各空洞ビア９０が形成された部分を介してヒートシンク１０に放熱される。各空洞ビア９０の中に充填された空気又は窒素などの気体の熱伝導率は、固体と比較して非常に小さい。このため、各空洞ビア９０は、ＬＤ４０の放熱にほとんど寄与しない。また、各空洞ビア９０が形成されている領域における、レーザサブマウント２２の水平方向の断面積は、各空洞ビア９０が形成されていない場合よりも小さくなるため、放熱効果は更に抑制される。

したがって、ＬＤ４０の温度上昇は、各空洞ビア９０がない場合よりも大きくなり、波長の可変幅が更に拡大される。一方、ＳＯＡ５０で発生した熱は、ＳＯＡ５０の下方にある各放熱ビア６０を介して放熱される。よって、各空洞ビア９０により、ＳＯＡ５０の放熱が抑制されることはほとんどなく、ＳＯＡ５０の出力特性が損なわれることはない。

一般に、ＬＤ４０及びＳＯＡ５０に給電する際には、波長可変レーザ素子３０上に設けられたＬＤ電極１００と、ＳＯＡ電極１１０にボンディングしたワイヤを介して給電される。そして、ワイヤボンディングする際には、熱と荷重及び超音波によりワイヤとＬＤ電極１００及びＳＯＡ電極１１０をボンディングする。このとき、ＬＤ電極１００又はＳＯＡ電極１１０の直下に空洞ビア９０があると、ワイヤボンディングする際の熱が放熱されず、波長可変レーザ素子３０への負荷が増大して、波長可変レーザ素子３０の破損及び信頼性が低下するおそれがある。実施の形態４による波長可変光源４では、ＬＤ電極１００とＳＯＡ電極１１０を、各空洞ビア９０の上部から離れた位置に配置しているため、ワイヤボンディングによる、波長可変レーザ素子３０への負荷が増大することはない。

なお、実施の形態４では、４つの円柱状の空洞ビア９０を設けたが、空洞ビア９０の数及び形状は、これに限るものではない。例えば、空洞ビア９０の数は１つであってもよく、形状は角柱状などでもよい。空洞ビア９０の形状及び数については任意に設定可能であるが、空洞ビア９０と波長可変レーザ素子３０の位置関係については、空洞ビア９０の上方にＬＤ４０を配置し、ＳＯＡ５０を配置しないようにする必要がある。

１〜４波長可変光源、１０ヒートシンク、２０〜２２レーザサブマウント、２０ａ貫通孔、２１ａ第１層、２１ｂ第２層、３０波長可変レーザ素子、３０ａ実装面、３０ｂ放熱面、４０，４０Ａ〜４０ＬＬＤ（レーザダイオード）、５０ＳＯＡ（半導体光増幅器）、６０〜６２放熱ビア、７０合分波器、８０バッファ基板、９０空洞ビア、１００ＬＤ電極（第１の電極）、１１０ＳＯＡ電極（第２の電極）。

Claims

ヒートシンクと、
前記ヒートシンクに取付けられるレーザサブマウントと、
前記レーザサブマウントに取付けられる波長可変レーザ素子とを有する波長可変光源であって、
前記波長可変レーザ素子は、
レーザダイオード及び半導体光増幅器が実装される実装面と、
前記実装面の反対側に形成された放熱面とを有し、
前記レーザサブマウントは、
放熱ビアを有し、
前記放熱ビアは、
前記レーザサブマウントに設けられた貫通孔に、
前記レーザサブマウントより熱伝導率の高い材料が充填されて形成され、
前記放熱ビアの一端側は、
前記波長可変レーザ素子の前記放熱面側において、
前記波長可変レーザ素子を挟んで前記半導体光増幅器と対峙する位置に当接され、
前記放熱ビアの他端側は、
前記ヒートシンクに当接される、
波長可変光源。
前記レーザサブマウントは、
前記放熱ビアが形成された第１層と、
前記第１層に積層され前記放熱ビアが形成されていない第２層とにより形成され、
前記波長可変レーザ素子は、
前記第２層に取付けられる、
請求項１の波長可変光源。
前記レーザサブマウントと前記波長可変レーザ素子との間にバッファ基板を有し、
前記波長可変レーザ素子と前記バッファ基板との熱膨張率の差は、
前記波長可変レーザ素子と前記レーザサブマウントとの熱膨張率の差よりも小さい、
請求項１の波長可変光源。
前記波長可変レーザ素子は、
並列に配置された複数の前記レーザダイオードと、
前記複数のレーザダイオードから出力された光を合波して出力する合分波器とを有し、
前記合分波器の出力は前記半導体光増幅器に入力される、
請求項１から３のいずれか１項に記載の波長可変光源。
前記レーザサブマウントは、
空洞ビアを有し、
前記空洞ビアは、
前記レーザサブマウントに設けられた貫通孔により形成され、
前記空洞ビアを形成する前記貫通孔の一端側は、
前記波長可変レーザ素子の前記放熱面側において、
前記波長可変レーザ素子を挟んで前記レーザダイオードと対峙する位置に対して開口し、
前記空洞ビアを形成する前記貫通孔の他端側は、
前記ヒートシンクに対して開口する、
請求項１に記載の波長可変光源。
前記波長可変レーザ素子は、
前記レーザダイオードに接続される第１の電極と、
前記半導体光増幅器に接続される第２の電極とを有し、
前記第１の電極及び前記第２の電極は、
前記波長可変レーザ素子の前記実装面において、前記波長可変レーザ素子を挟んで、
前記レーザサブマウントにおける前記空洞ビアが形成されていない領域と対峙する領域に配置される、
請求項５に記載の波長可変光源。
前記レーザサブマウントは、
セラミック、合成樹脂又はガラスのいずれかにより形成される、
請求項１から６のいずれか一つに記載の波長可変光源。