(57)【要約】  第１面と、該第１面と反対側の第２面とを有するステムと、該第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、該熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、該第１面に固定され、該熱電クーラーと該半導体レーザ素子を覆うように設けられたキャップと、該キャップに固定されたレンズと、該第２面に固定された拘束体と、を備え、該放熱基板と該拘束体の線熱膨張係数は、該ステムの線熱膨張係数より小さいことを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と、前記第１面と反対側の第２面とを有するステムと、
前記第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、
前記熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、
前記第１面に固定され、前記熱電クーラーと前記半導体レーザ素子を覆うキャップと、
前記キャップに固定されたレンズと、
前記第２面に固定された拘束体と、を備え、
前記放熱基板と前記拘束体の線熱膨張係数は、前記ステムの線熱膨張係数より小さいことを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記拘束体の線熱膨張係数は、前記放熱基板の線熱膨張係数より小さいことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記拘束体の線熱膨張係数は、前記放熱基板の線熱膨張係数より大きいことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記第２面には凹部が形成され、前記拘束体は前記凹部に設けられたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光モジュール。
【請求項５】
前記凹部を避けて前記ステムを貫通するリードピンと、
前記第２面に固定され、前記リードピンに電気的に接続されたフレキシブル基板と、を備えたことを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
【請求項６】
前記ステムを貫通するリードピンを備え、
前記拘束体には前記リードピンを通す貫通孔が形成された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。
【請求項７】
前記拘束体と前記第２面の接触面積は、前記放熱基板と前記第１面の接触面積より大きいことを特徴とする請求項６に記載の光モジュール。
【請求項８】
第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、側面とを有するステムと、
前記第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、
前記熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、
前記第１面に固定され、前記熱電クーラーと前記半導体レーザ素子を覆うキャップと、
前記キャップに固定されたレンズと、
前記側面のうち、前記第１面より前記第２面に近い位置に固定された拘束体と、を備え、
前記放熱基板と前記拘束体の線熱膨張係数は、前記ステムの線熱膨張係数より小さいことを特徴とする光モジュール。
【請求項９】
前記拘束体は、前記側面のうち前記第１面からの距離と前記第２面からの距離が等しい中間位置よりも前記第２面側に固定されたことを特徴とする請求項８に記載の光モジュール。
【請求項１０】
前記拘束体は平面視で環状となっていることを特徴とする請求項８又は９に記載の光モジュール。
【請求項１１】
前記拘束体はアーチ状となっていることを特徴とする請求項８又は９に記載の光モジュール。
【請求項１２】
前記キャップの外側に前記レンズに対向して設けられた光ファイバを備え、
前記光ファイバは、動作温度の中心温度よりも低い温度で結合効率のピークが得られる位置に設けられたことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の光モジュール。
【請求項１３】
前記ステムの材料はＳＰＣＣであり、
前記放熱基板の材料は窒化アルミまたはアルミナであり、
前記拘束体の材料は窒化アルミ、アルミナ、コバール、またはインバーであることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
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には、電界吸収型変調器を集積し、高品質な光信号を送信できる半導体レーザと、半導体レーザ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が搭載される。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。【０００３】
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。半導体レーザ素子の前面光は、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。【０００４】
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（Thermoelectric Cooler）により一定に制御される。ＴＥＣ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。吸熱基板側には半導体レーザ素子が接続され、放熱基板側にはステムが接続される。ステムの側面は光トランシーバ筐体と接しており、ＴＥＣの動作により発生する熱は光トランシーバ筐体へと放熱される。【０００５】
例えば、ステムの材料は冷間圧延鋼が用いられ、ＴＥＣの放熱基板及び吸熱基板の材料はＡｌＮ又はアルミナ等のセラミックが用いられる。放熱基板はステムよりも線熱膨張係数が小さいため、ステムのＴＥＣと接する面は熱変形が拘束され熱膨張が小さくなるが、ステムのＴＥＣと接する面と対向する面は熱変形が拘束されず熱膨張が大きくなる。これにより、ステムに反りが発生し、半導体レーザ素子の位置はステムへ向かう方向に変動する。一方、レンズの位置はキャップの熱膨張により光ファイバへ向かう方向に変動する。このため、半導体レーザ素子とレンズの間の距離が変動することで、半導体レーザ素子の前面光の集光点位置が変動し、光ファイバへの結合効率も変動してしまう。このような熱変形による光ファイバへの結合効率の変動をトラッキングエラーと呼ぶ。【０００６】
そこで、特許文献１では、ＴＥＣ上の半導体レーザ素子とレンズとの間にさらに別のレンズを配置したＴＯ−ＣＡＮ型パッケージが提案されている。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。また、ＴＥＣ上の半導体レーザ素子とレンズとの間にプラスチック板を配置することもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】日本特開２０１１−１０８９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に示されたＴＯ−ＣＡＮ型パッケージは、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。また、パッケージ内部にプラスチック板を収容する場合、光軸方向のパッケージ長が長くなりやすい問題があった。【０００９】
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、簡単かつ低コストに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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願の発明にかかる光モジュールは、第１面と、該第１面と反対側の第２面とを有するステムと、該第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、該熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、該第１面に固定され、該熱電クーラーと該半導体レーザ素子を覆うキャップと、該キャップに固定されたレンズと、該第２面に固定された拘束体と、を備え、該放熱基板と該拘束体の線熱膨張係数は、該ステムの線熱膨張係数より小さいことを特徴とする。【００１１】
本願の発明にかかる他の光モジュールは、第１面と、該第１面と反対側の第２面と、側面とを有するステムと、該第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、該熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、該第１面に固定され、該熱電クーラーと該半導体レーザ素子を覆うキャップと、該キャップに固定されたレンズと、該側面のうち、該第１面より該第２面に近い位置に固定された拘束体と、を備え、該放熱基板と該拘束体の線熱膨張係数は、該ステムの線熱膨張係数より小さいことを特徴とする。【００１２】
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、例えばステムよりも線熱膨張係数が小さい熱電クーラーと拘束体とでステムを挟むことで、簡単かつ低コストにトラッキングエラーを軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１に係る光モジュールの断面図である。
【図２】高温時における光モジュールの断面図である。
【図３】低温時における光モジュールの断面図である。
【図４】実施の形態２に係る光モジュールの断面図である。
【図５】ステム等の底面図である。
【図６】実施の形態３に係る光モジュールの断面図である。
【図７】実施の形態４に係る拘束体等の平面図である。
【図８】実施の形態４に係る光モジュールの断面図である。
【図９】高温時における光モジュールの断面図である。
【図１０】実施の形態５に係る拘束体等を示す図である。
【図１１】実施の形態６に係る光モジュールの断面図である。
【図１２】パッケージ周囲温度と結合効率の関係を示す図である。
【図１３】低温時における光モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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又は同じ名称を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１６】
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、第１面１３ａと、第１面１３ａと反対側の第２面１３ｂとを有するステム１３を備えている。ステムの１３の第１面１３ａ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）である。放熱基板１６ｃが第１面１３ａ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。
【００１７】
熱電クーラー１６には、放熱ブロック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。
【００１８】
第１面１３ａ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を覆う。キャップ２０にはレンズ２２が固定されている。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の第１面１３ａ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。
【００１９】
第２面１３ｂには拘束体３０が固定されている。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。拘束体３０は例えば板状の金属である。拘束体３０と放熱基板１６ｃの線熱膨張係数は、ステム１３の線熱膨張係数より小さい。拘束体３０、放熱基板１６ｃおよびステム１３の材料として、この線熱膨張係数の関係を満たすあらゆる材料を採用することができる。拘束体３０の線熱膨張係数は、放熱基板１６ｃの線熱膨張係数より小さくすることが好ましい。
【００２０】
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。
【００２１】
図２は、高温時における光モジュール１０の熱変形の様子を示す図である。図３は、低温時における光モジュール１０の熱変形の様子を示す図である。図２、３は、放熱基板１６ｃの線熱膨張係数はステム１３の線熱膨張係数より小さく、拘束体３０の線膨張係数は放熱基板１６ｃの線熱膨張係数よりも小さい光モジュールに関する。図２、３には、半導体レーザ素子１８からのレーザ光と結合する光ファイバ３２を示す。
【００２２】
図２に示されるように、ステム１３の熱膨張は、拘束体３０と放熱基板１６ｃの双方から拘束されるが、拘束体３０の方が放熱基板１６ｃよりも熱膨張を拘束する力が大きい。従って、第２面１３ｂの熱膨張は、第１面１３ａの熱膨張よりも小さくなり、ステム１３がキャップ２０側に凸に反る。このため、半導体レーザ素子１８の位置は、光ファイバ３２へと向かう方向に変動する。また、レンズ２２の位置もキャップ２０の熱膨張により光ファイバ３２へと向かう方向に変動するので、熱変形による半導体レーザ素子１８とレンズ２２との間の距離の変動を抑制することができる。
【００２３】
低温時における光モジュール１０の熱変形を示す図３について説明する。拘束体３０は放熱基板１６ｃよりもステム１３の熱収縮を拘束する力が強いため、ステム１３は拘束体３０側に凸に反る。このため、半導体レーザ素子１８の位置はステム１３へと向かう方向に変動する。レンズ２２の位置もキャップ２０の熱収縮によりステム１３へと向かう方向に変動するので、熱変形による半導体レーザ素子１８とレンズ２２との間の距離の変動を抑制することができる。
【００２４】
実施の形態１に係る光モジュール１０では、ステム１３の第１面１３ａに放熱基板１６ｃを取り付け、第２面１３ｂに拘束体３０を取り付けることで、熱変形による半導体レーザ素子１８とレンズ２２の間の距離の変動を抑制できる。これにより、集光点の位置の変動を抑制することができるので、トラッキングエラーを軽減できる。
【００２５】
実施の形態１に係る光モジュール１０はその特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。拘束体３０と放熱基板１６ｃの線熱膨張係数は、ステム１３の線熱膨張係数より小さくする必要がある。しかし、拘束体３０と放熱基板１６ｃの線熱膨張係数は等しくしてもよい。あるいは、拘束体３０の線熱膨張係数を、放熱基板１６ｃの線熱膨張係数より大きくしてもよい。これらの場合でも、拘束体３０を設けない場合と比べてトラッキングエラーを軽減することができる。
【００２６】
ステム１３の材料は例えばＳＰＣＣなどの冷間圧延鋼とすることができる。放熱基板１６ｃの材料は例えば窒化アルミすなわちＡｌＮまたはアルミナとすることができる。拘束体３０の材料は例えば窒化アルミ、アルミナ、コバール、またはインバーとすることができる。これらの材料は、拘束体３０の線熱膨張係数を放熱基板１６ｃの線熱膨張係数以下とし、ステム１３の線熱膨張係数を拘束体３０及び放熱基板１６ｃの線熱膨張係数よりも大きくすることができるものである。また、拘束体３０の材料としてＡｌＮまたはアルミナを選定した場合、拘束体３０の熱伝導率をステム１３の熱伝導率より高くすることができるので、拘束体３０の取り付けによる製品の放熱性悪化を防止できる。なお、これらの材料は例示である。
【００２７】
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。
【００２８】
実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る光モジュールの断面図である。第２面１３ｂには凹部１３ｃが形成されている。拘束体３０は凹部１３ｃに設けられている。例えば溶接により拘束体３０が凹部１３ｃに固定されている。拘束体３０は、凹部１３ｃに格納されることで、第１面１３ａと第２面１３ｂの間にある。
【００２９】
ステム１３の第２面１３ｂにはフレキシブル基板４０が固定されている。フレキシブル基板４０は高周波線路を有し、半導体レーザ素子１８と熱電クーラー１６へ入力電気信号を伝送するものである。ステム１３の側面は光トランシーバの筐体４２と接している。これにより、熱電クーラー１６の動作により発生する熱が光トランシーバの筐体４２へ放熱される。
【００３０】
図５は、実施の形態２に係る光モジュールのステム１３の底面図である。前述の凹部１３ｃはステム１３の中央に形成されている。ステム１３には半導体レーザ素子１８および熱電クーラー１６への給電に用いるリードピン４４が固定されている。リードピン４４は凹部１３ｃを避けてステム１３を貫通している。つまり、リードピン４４は凹部１３ｃとは異なる位置に設けられる。拘束体３０の面積と厚みは、放熱基板１６ｃの面積と厚みよりも大きくすることが望ましい。そのような面積と厚みを有する拘束体３０を格納できるように凹部１３ｃの寸法を決める。
【００３１】
そして、フレキシブル基板４０は、リードピン４４に電気的に接続されることで、半導体レーザ素子１８と熱電クーラー１６へ入力電気信号を伝送できるようになっている。
【００３２】
図１に示す光モジュールにおいて、フレキシブル基板を設けようとすると、拘束体３０の下面にフレキシブル基板を設けざるを得ないので、第２面１３ｂに直接フレキシブル基板を固定する場合と比べてフレキシブル基板とステム１３の距離が大きくなる。したがって、図１の構成では、新たな設計が必要となってしまう。
【００３３】
しかしながら、図４に示す光モジュールでは、ステム１３の凹部１３ｃに拘束体３０を設けるので、フレキシブル基板４０とステム１３との間の隙間を拘束体３０がない従来製品と同等にできる。従って、従来製品と同等のインピーダンスでステム１３からフレキシブル基板４０の間の高周波線路を設計でき、高周波特性が劣化することはない。また、ステム１３の側面を従来製品と同様に光トランシーバの筐体４２に接触させることができ、従来製品と同様の方法で筐体４２への放熱が可能である。したがって、拘束体３０とフレキシブル基板４０を設けることによる放熱性の劣化はない。
【００３４】
放熱基板１６ｃは、拘束体３０と同様に、ステム１３のうちリードピン４４がない部分に取り付けられる。このため、拘束体３０の面積は放熱基板１６ｃの面積と同程度に設計できる。また、ステム１３の厚みは例えば１．２〜１．３ｍｍ程度であり、放熱基板１６ｃの厚みは例えば０．２ｍｍ程度である。この場合、凹部１３ｃに設ける拘束体３０の厚みを放熱基板１６ｃの厚みと同等以上に設計することは容易である。この例では、凹部１３ｃの深さを０．２ｍｍ以上として、その凹部１３ｃに０．２ｍｍ以上の厚さの拘束体３０を設ける。
【００３５】
以上より、拘束体３０の面積及び厚みを放熱基板１６ｃの面積及び厚みと同等以上にすることができる。拘束体３０の線熱膨張係数が放熱基板１６ｃの線熱膨張係数と同じであれば、少なくとも拘束体を設けない場合よりはステムの反りを抑制することができる。また、拘束体３０の線熱膨張係数が放熱基板１６ｃの線熱膨張係数よりも小さければ、実施の形態１で示したように熱変形に伴う半導体レーザ素子１８とレンズ２２の位置変動方向を一致させることができる。
【００３６】
このように、実施の形態２に係る光モジュールは、ステム１３に凹部１３ｃを設け、その中に拘束体３０を埋め込むことで、従来製品と同等の高周波特性と放熱性を維持しつつトラッキングエラーを軽減することができる。
【００３７】
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断面図である。この光モジュールはステム１３を貫通するリードピン４４を備えている。さらに、拘束体３０にはリードピン４４を通す貫通孔３０ａが形成されている。これにより、拘束体３０の面積を大きくして、拘束体３０とステム１３の接触面積を大きくすることができる。例えば、拘束体３０と第２面１３ｂの接触面積を、放熱基板１６ｃと第１面１３ａの接触面積より大きくすることができる。拘束体３０とステム１３の接触面積が大きいと、拘束体３０がステム１３の熱変形を拘束する力を大きくすることができる。このため、実施の形態３に係る光モジュールのステム１３には、高温時又は低温時に、実施の形態１、２のステムよりも大きな反りが発生し、熱変更に伴う半導体レーザ素子１８の位置変動量は大きくなる。
【００３８】
例えば、ステム１３の材料を冷間圧延鋼とし、キャップ２０の材料をステンレス鋼とすることで、両者の線熱膨張係数の差を１２ｐｐｍ程度まで小さくできる。また、光軸方向のキャップ２０の長さを例えば５〜６ｍｍとし、ステム１３の光軸方向の長さを１．２〜１．３ｍｍとすると、キャップ２０の光軸方向長さはステム１３の光軸方向長さより長くなるので、キャップ２０はステム１３よりも熱膨張量が大きくなる。この場合、熱変形に伴うレンズ２２の位置変動量は同条件下での半導体レーザ素子１８の位置変動量よりも大きくなる。
【００３９】
上述のとおり、ステム１３に拘束体３０を取り付けることで半導体レーザ素子１８とレンズ２２の位置変動方向を一致させることができる。ただし、半導体レーザ素子１８よりもレンズ２２の方が位置変動量が大きい。実施の形態３では、拘束体３０の面積を大きくすることで半導体レーザ素子１８の位置変動量を大きくできるので、半導体レーザ素子１８とレンズ２２との相対位置変動量を小さくすることができる。したがって、トラッキングエラーを更に軽減することができる。
【００４０】
実施の形態４．
図７は、実施の形態４に係る光モジュールのステム等の平面図である。ステム１３の側面１３ｄに拘束体５０が固定されている。拘束体５０は平面視で環状となっている。図８は、実施の形態４に係る光モジュールの断面図である。一点鎖線はステム１３の中央線である。この中央線は第１面１３ａと第２面１３ｂの中間にある。拘束体５０は、側面１３ｄのうち、第１面１３ａより第２面１３ｂに近い位置に固定されている。言いかえれば、拘束体５０は、ステム１３の側面１３ｄの内、リードピン出力側を覆うように取り付けられ、熱電クーラー１６側には取り付けられない。つまり、一点鎖線よりも第２面１３ｂ側に拘束体５０を設ける。放熱基板１６ｃと拘束体５０の線熱膨張係数は、ステム１３の線熱膨張係数より小さい。
【００４１】
高温又は低温時には、拘束体５０がステム１３のリードピン出力側の熱伸縮を拘束することで、ステム１３に実施の形態１と同方向の反りを発生させることができる。そのため、トラッキングエラーが軽減される。図９は、高温時における実施の形態４の光モジュールの断面図である。図９には、ステム１３が第１面１３ａ側では大きく膨張するが、第２面１３ｂ側では拘束体５０により膨張が制限されることが示されている。このようにトラッキングエラーを抑制する効果に加えて、実施の形態４の光モジュールではステム１３に凹部を設けるなどの特殊加工は必要ないので、ステム１３のコストアップを避けることができる。
【００４２】
図８の拘束体５０は、側面１３ｄのうち第１面１３ａからの距離と第２面１３ｂからの距離が等しい中間位置よりも第２面側に固定するものであれば様々な変形が可能である。例えば、拘束体とステムの接触面積を図８の場合よりも低下させてもよい。
【００４３】
実施の形態５．
図１０は、実施の形態５に係る拘束体等を示す図である。拘束体５２はアーチ状の形状を有し、ステム１３の側面１３ｄに設けられている。この拘束体５２も、実施の形態４で説明したとおり、側面１３ｄのうち、第１面１３ａより第２面１３ｂに近い位置に固定される。図１０に示されているように、拘束体５２は、平面視でステム１３の側面全体を覆うのではなく、平面視でステム１３の側面１３ｄの一部を覆う。側面１３ｄのうち拘束体５２に覆われていない部分は、光トランシーバの筐体４２と熱的に接触させる。これにより、拘束体５２を取り付けつつ、光モジュールから筐体４２への良好な放熱を確保できる。
【００４４】
実施の形態６．
図１１は、実施の形態６に係る光モジュールの断面図である。製品としての光モジュールについて、動作温度範囲が定められている。例えば、−５℃〜８０℃で動作させる製品であれば中心温度は３７．５℃である。−４０〜９５℃で動作させる製品であれば中心温度は２７．５℃である。例えば、製品の動作温度範囲の中心温度を、製品の周囲温度である室温に一致させる。
【００４５】
図１１には、キャップ２０の外側にレンズ２２に対向して設けられた光ファイバ３２が示されている。一般的には、動作温度範囲の中心温度で結合効率のピークが得られるように光ファイバを設ける。これに対し、実施の形態６の光ファイバ３２は、動作温度の中心温度よりも低い温度で結合効率のピークが得られる位置に設けた。具体的には、光ファイバ３２は光モジュールから遠ざかる方向にデフォーカスして固定した。
【００４６】
図１２は、パッケージ周囲温度と結合効率の関係を示す図である。想定される動作温度範囲の最低温度をＴ１とし最高温度をＴ２とする。動作温度範囲の中心温度はＴｃである。Ｔｃは例えば２５℃程度の室温である。実線で示す「デフォーカス無し」の場合は、動作温度の中心であるＴｃで結合効率のピークが得られるように光ファイバを設ける。
【００４７】
ステム１３と拘束体３０との接合強度が弱い場合などにおいては、低温時にステム１３が熱収縮すると、拘束体５０がステム１３の熱変形を拘束する力が弱くなる。したがって、低温側ではトラッキングエラーの軽減効果が小さく、周囲温度の変化に対する結合効率変化が大きくなる。このため、低温側では結合効率の低下が大きい。その結果、図１２の「デフォーカス無し」の場合、中心温度Ｔｃでは高い結合効率が得られるものの、Ｔｃよりも温度が低下すると結合効率が急激に低下する。
【００４８】
図１２に破線で示す「デフォーカス有り」は、光ファイバ３２をレンズ２２から遠ざかる方向にデフォーカスして固定した場合の温度と結合効率の関係を示す。デフォーカス有りの場合、動作温度の中心温度Ｔｃよりも低い温度で結合効率のピークが得られる位置に光ファイバ３２を設ける。図１３は、「デフォーカス有り」の場合において、周囲温度がＴｃよりも低くなったときの光モジュールの断面図である。この場合、キャップ２０は熱収縮するため、レンズ２２の位置はステム１３の方向に変動する。これに伴い、半導体レーザ素子１８の出射光の集光点の位置は光ファイバ３２へ向かう方向に変動する。光ファイバ３２はデフォーカスしたため、低温側で結合効率が上昇する。そして、結合効率のピークはＴｃよりも低温で得られる。
【００４９】
実施の形態６の光モジュールは、ステム１３と拘束体３０の接合強度が弱い場合などにおいて低温側で結合効率が急激に低下することを考慮して、結合効率のピークを低温側にずらすものである。これにより、動作温度範囲全体で発生する結合効率変化を小さくすることができる。つまり、トラッキングエラーを軽減できる。
【００５０】
ステム１３と拘束体３０の接合強度が弱い場合だけでなく、拘束体の材料の特性上ステムの熱変形を拘束する力が弱い場合などにおいても、低温側で結合効率が急激に低下するので、上述のとおり光ファイバの光軸方向の位置を調整することが有効である。
【００５１】
なお、上記の各実施の形態に係る光モジュールの特徴を適宜に組み合わせて、本発明の効果を高めても良い。
【符号の説明】
【００５２】
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
【図１】
2019155602.tif 000003
【図２】
2019155602.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年10月11日(2018.10.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と第２面とを有するステムと、
前記第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、
前記熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、
前記第１面に固定され、前記熱電クーラーと前記半導体レーザ素子を覆うキャップと、
前記キャップに固定されたレンズと、
前記レンズから見て前記第１面と対向する前記第２面に固定された拘束体と、を備え、
前記放熱基板と前記拘束体の線熱膨張係数は、前記ステムの線熱膨張係数より小さいことを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記拘束体の線熱膨張係数は、前記放熱基板の線熱膨張係数より小さいことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記拘束体の線熱膨張係数は、前記放熱基板の線熱膨張係数より大きいことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記第２面には凹部が形成され、前記拘束体は前記凹部に設けられたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光モジュール。
【請求項５】
前記凹部を避けて前記ステムを貫通するリードピンと、
前記第２面に固定され、前記リードピンに電気的に接続されたフレキシブル基板と、を備えたことを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
【請求項６】
前記ステムを貫通するリードピンを備え、
前記拘束体には前記リードピンを通す貫通孔が形成された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。
【請求項７】
前記拘束体と前記第２面の接触面積は、前記放熱基板と前記第１面の接触面積より大きいことを特徴とする請求項６に記載の光モジュール。
【請求項８】
第１面と第２面および側面とを有するステムと、
前記第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、
前記熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、
前記第１面に固定され、前記熱電クーラーと前記半導体レーザ素子を覆うキャップと、
前記キャップに固定されたレンズと、
前記側面のうち、前記レンズから見て前記第１面より前記第１面と対向する前記第２面に近い位置に固定された拘束体と、を備え、
前記放熱基板と前記拘束体の線熱膨張係数は、前記ステムの線熱膨張係数より小さいことを特徴とする光モジュール。
【請求項９】
前記拘束体は、前記側面のうち前記第１面からの距離と前記第２面からの距離が等しい中間位置よりも前記第２面側に固定されたことを特徴とする請求項８に記載の光モジュール。
【請求項１０】
前記拘束体は前記レンズから見て環状となっていることを特徴とする請求項８又は９に記載の光モジュール。
【請求項１１】
前記拘束体は前記レンズから見てアーチ状となっていることを特徴とする請求項８又は９に記載の光モジュール。
【請求項１２】
前記キャップの外側に前記レンズに対向して設けられた光ファイバを備え、
前記光ファイバは、動作温度の中心温度よりも低い温度で結合効率のピークが得られる位置に設けられたことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の光モジュール。
【請求項１３】
前記ステムの材料はＳＰＣＣであり、
前記放熱基板の材料は窒化アルミまたはアルミナであり、
前記拘束体の材料は窒化アルミ、アルミナ、コバール、またはインバーであることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の光モジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本願の発明にかかる光モジュールは、第１面と第２面とを有するステムと、該第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、該熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、該第１面に固定され、該熱電クーラーと該半導体レーザ素子を覆うキャップと、該キャップに固定されたレンズと、該レンズから見て該第１面と対向する該第２面に固定された拘束体と、を備え、該放熱基板と該拘束体の線熱膨張係数は、該ステムの線熱膨張係数より小さいことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本願の発明にかかる他の光モジュールは、第１面と第２面および側面とを有するステムと、該第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、該熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、該第１面に固定され、該熱電クーラーと該半導体レーザ素子を覆うキャップと、該キャップに固定されたレンズと、該側面のうち、該レンズから見て該第１面より該第１面と対向する該第２面に近い位置に固定された拘束体と、を備え、該放熱基板と該拘束体の線熱膨張係数は、該ステムの線熱膨張係数より小さいことを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
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断面図である。この光モジュールはステム１３を貫通するリードピン４４を備えている。さらに、拘束体３０にはリードピン４４を通す貫通孔３０ａが形成されている。これにより、拘束体３０の面積を大きくして、拘束体３０とステム１３の接触面積を大きくすることができる。例えば、拘束体３０と第２面１３ｂの接触面積を、放熱基板１６ｃと第１面１３ａの接触面積より大きくすることができる。拘束体３０とステム１３の接触面積が大きいと、拘束体３０がステム１３の熱変形を拘束する力を大きくすることができる。このため、実施の形態３に係る光モジュールのステム１３には、高温時又は低温時に、実施の形態１、２のステムよりも大きな反りが発生し、熱変形に伴う半導体レーザ素子１８の位置変動量は大きくなる。
【手続補正書】
【提出日】平成31年1月30日(2019.1.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と第２面とを有するステムと、
前記第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、
前記熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、
前記第１面に固定され、前記熱電クーラーと前記半導体レーザ素子を覆うキャップと、
前記キャップに固定されたレンズと、
前記レンズから見て前記第１面と対向する前記第２面に凹部が形成され、前記凹部に設けられた拘束体と、
前記凹部を避けて前記ステムを貫通するリードピンと、
前記第２面に固定され、前記リードピンに電気的に接続されたフレキシブル基板と、を備え、
前記放熱基板と前記拘束体の線熱膨張係数は、前記ステムの線熱膨張係数より小さいことを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記拘束体の線熱膨張係数は、前記放熱基板の線熱膨張係数より小さいことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記拘束体の線熱膨張係数は、前記放熱基板の線熱膨張係数より大きいことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項４】
第１面と第２面とを有するステムと、
前記第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、
前記熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、
前記第１面に固定され、前記熱電クーラーと前記半導体レーザ素子を覆うキャップと、
前記キャップに固定されたレンズと、
前記レンズから見て前記第１面と対向する前記第２面に固定された拘束体と、
前記ステムを貫通するリードピンと、を備え、
前記放熱基板と前記拘束体の線熱膨張係数は、前記ステムの線熱膨張係数より小さく、
前記拘束体には前記リードピンを通す貫通孔が形成されたことを特徴とする光モジュール。
【請求項５】
前記拘束体と前記第２面の接触面積は、前記放熱基板と前記第１面の接触面積より大きいことを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
【請求項６】
第１面と第２面および側面とを有するステムと、
前記第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、
前記熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、
前記第１面に固定され、前記熱電クーラーと前記半導体レーザ素子を覆うキャップと、
前記キャップに固定されたレンズと、
前記側面のうち、前記レンズから見て前記第１面より前記第１面と対向する前記第２面に近い位置に固定された拘束体と、を備え、
前記放熱基板と前記拘束体の線熱膨張係数は、前記ステムの線熱膨張係数より小さく、
前記拘束体は、前記側面のうち前記第１面からの距離と前記第２面からの距離が等しい中間位置よりも前記第２面側に固定されたことを特徴とする光モジュール。
【請求項７】
第１面と第２面および側面とを有するステムと、
前記第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、
前記熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、
前記第１面に固定され、前記熱電クーラーと前記半導体レーザ素子を覆うキャップと、
前記キャップに固定されたレンズと、
前記側面のうち、前記レンズから見て前記第１面より前記第１面と対向する前記第２面に近い位置に固定された拘束体と、を備え、
前記放熱基板と前記拘束体の線熱膨張係数は、前記ステムの線熱膨張係数より小さく、  前記拘束体は前記レンズから見て環状となっていることを特徴とする光モジュール。
【請求項８】
第１面と第２面および側面とを有するステムと、
前記第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、
前記熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、
前記第１面に固定され、前記熱電クーラーと前記半導体レーザ素子を覆うキャップと、
前記キャップに固定されたレンズと、
前記側面のうち、前記レンズから見て前記第１面より前記第１面と対向する前記第２面に近い位置に固定された拘束体と、を備え、
前記放熱基板と前記拘束体の線熱膨張係数は、前記ステムの線熱膨張係数より小さく、
前記拘束体は前記レンズから見てアーチ状となっていることを特徴とする光モジュール。
【請求項９】
前記キャップの外側に前記レンズに対向して設けられた光ファイバを備え、
前記光ファイバは、動作温度の中心温度よりも低い温度で結合効率のピークが得られる位置に設けられたことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光モジュール。
【請求項１０】
前記ステムの材料はＳＰＣＣであり、
前記放熱基板の材料は窒化アルミまたはアルミナであり、
前記拘束体の材料は窒化アルミ、アルミナ、コバール、またはインバーであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光モジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本願の発明にかかる光モジュールは、第１面と第２面とを有するステムと、該第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、該熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、該第１面に固定され、該熱電クーラーと該半導体レーザ素子を覆うキャップと、該キャップに固定されたレンズと、該レンズから見て該第１面と対向する該第２面に凹部が形成され、該凹部に設けられた拘束体と、該凹部を避けて該ステムを貫通するリードピンと、該第２面に固定され、該リードピンに電気的に接続されたフレキシブル基板と、を備え、該放熱基板と該拘束体の線熱膨張係数は、該ステムの線熱膨張係数より小さいことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本願の発明にかかる他の光モジュールは、第１面と第２面および側面とを有するステムと、該第１面に固定された放熱基板を有する熱電クーラーと、該熱電クーラーに取り付けられた半導体レーザ素子と、該第１面に固定され、該熱電クーラーと該半導体レーザ素子を覆うキャップと、該キャップに固定されたレンズと、該側面のうち、該レンズから見て該第１面より該第１面と対向する該第２面に近い位置に固定された拘束体と、を備え、該放熱基板と該拘束体の線熱膨張係数は、該ステムの線熱膨張係数より小さく、該拘束体は、該側面のうち該第１面からの距離と該第２面からの距離が等しい中間位置よりも該第２面側に固定されたことを特徴とする。
【国際調査報告】
2019155602.tif 000016
2019155602.tif 000017