(57)【要約】【課題】第１の側部で光ファイバーに結合し、第２の側部で複数の導電体に結合するように適合された光−電気モジュールを提供する。【解決手段】光−電気モジュールは、貫通して延びる複数のピンを有するヘッダーであって、複数のピンの各ピンがヘッダーを貫通して延び且つ複数のピンの各ピンがヘッダーの第１の側部上で複数の導体のそれぞれの導体に係合するように適合されているヘッダーと、ヘッダーの反対側の第２の側部に接触して配置されたホットプレートを有する熱電クーラーと、光ファイバー内部の光信号フォーマットと複数の導体のうちの少なくとも１つの導体内の電気信号フォーマットとの間を変換するように適合された複数の能動及び受動光学構成要素とを備え、複数の能動及び受動光学構成要素が全て、熱電クーラーの冷却プレートに熱的に接触していることを特徴とする。【選択図】図２
2006210935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の側部で光ファイバーに結合し、第２の側部で複数の導電体に結合するように適合された光−電気モジュールにおいて、
貫通して延びる複数のピンを有するヘッダーであって、前記複数のピンの各ピンが前記ヘッダーを貫通して延び、前記複数のピンの各ピンが前記ヘッダーの第１の側部上で前記複数の導体のそれぞれの導体に係合するように適合されているヘッダーと、
前記ヘッダーの反対側の第２の側部に接触して配置されたホットプレートを有する熱電クーラーと、
光ファイバー内部の光信号フォーマットと前記複数の導体のうちの少なくとも１つの導体内の電気信号フォーマットとの間を変換するように適合された複数の能動及び受動光学構成要素と、
を備え、
前記複数の能動及び受動光学構成要素が全て、熱電クーラーの冷却プレートに熱的に接触していることを特徴とする光−電気モジュール。
【請求項２】
ウィンドウを含み、前記ヘッダーに係合し且つ前記熱電クーラーと前記複数の能動及び受動光学構成要素とを実質的に囲むシーリングキャップを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光−電気モジュール。
【請求項３】
ワイヤボンドのペアを更に備え、前記ワイヤボンドのペアの各ワイヤボンドが、前記熱電クーラーのワイヤボンド・パッドと前記複数のピンのうちのピンのペアのそれぞれのピンとを接続することを特徴とする請求項１に記載の光−電気モジュール。
【請求項４】
前記熱電クーラーの冷却プレートと前記複数の能動及び受動光学構成要素との間に配置されたキャリアモジュールを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光−電気モジュール。
【請求項５】
前記レーザダイオードが更に、前面及び背面から発光する面発光レーザを含み、前記前面からの光がウィンドウを介して前記光ファイバーに結合することを特徴とする請求項４に記載の光−電気モジュール。
【請求項６】
前記複数の能動及び受動光学構成要素が、半導体レーザ及びモニタフォトダイオードを含むことを特徴とする請求項１に記載の光−電気モジュール。
【請求項７】
前記複数の能動及び受動光学構成要素が更に、面発光レーザの背面からの光を前記モニタフォトダイオードに結合させる楔形ミラーを含むことを特徴とする請求項６に記載の光−電気モジュール。
【請求項８】
前記キャリアモジュール上に配置されて前記熱電クーラーによって冷却される光学レンズ及びアイソレータと、前記キャリアモジュールに前記レンズ及びアイソレータの組み合わせを取り付ける接合リングとを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光−電気モジュール。
【請求項９】
情報を含む電気信号を変換して光ファイバーと結合する光トランスミッターであって、
外部電気情報システムデバイスを組み込んでこれと結合するため、及び情報を含む電気通信信号を受信するための電気コネクタを含むハウジングと、
光通信信号を伝送するため外部光ファイバーに結合するように適合されたウィンドウと、
情報を含む電気信号と前記電気信号に対応する変調光信号との間を変換するための、前記ハウジング内部に配置された複数の能動及び受動構成要素を含む少なくとも１つの電気−光組立体と、
前記組立体の能動及び受動構成要素の両方を冷却するために前記ハウジングと電気−光組立体との間に結合された熱電クーラーと、
を備える光トランスミッター。
【請求項１０】
前記ハウジングが更に、
貫通して延びる複数のピンを有するヘッダーであって、前記複数のピンの各ピンが前記ヘッダーを貫通して延び且つ前記複数のピンの各ピンが前記ヘッダーの第１の側部で前記外部コネクタのそれぞれの導体に係合するように適合されている前記ヘッダーと、
前記ヘッダーに係合し前記熱電クーラーと能動及び受動構成要素とを実質的に囲むシーリングキャップと、
を含むことを特徴とする請求項９に記載の光トランスミッター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気−光コンバーターに関し、より詳細には、光ファイバー通信回線で使用されるような、電気コネクタ又はインターフェース及び光ファイバーを有するコンピュータ又は通信ユニット間の通信インターフェースを提供する一体化レーザ組立体又はモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の電気−光トランシーバが当技術分野で知られている。このようなデバイスは通常、光トランスミッター部（電気信号を光ファイバーに結合する変調光ビームに変換する）、及びレシーバー部（光ファイバーからの光学信号を受信してその信号を電気信号に変換する）を含む。従来から、光レシーバー部は、光ファイバーからの光を光検出器に集光又は配光する光学アセンブリを含み、この検出器は回路基板上の増幅／リミッタ回路に接続される。光検出器又はフォトダイオードは通常、密閉パッケージ内にパッケージングされ、過酷な環境条件から保護される。
【０００３】
同軸レーザモジュールは、光ファイバー通信システム及びＣＡＴＶ用途においてある程度の用途が見出されていた。こうしたモジュールは通常、トランジスタアウトライン（ＴＯ）パッケージを使用し、ある市場において比較的低コストの解決策を提供する。しかしながら、レーザが比較的多量の電力を消費する場合、或いはレーザが広範囲の周囲温度にわたって動作される用途では、レーザダイオード（ＬＤ）及び他の光学構成要素は、極めて狭い周波数スペクトルと安定したＬＤ性能の要件を満たすために冷却される必要がある。最適の方法は外部強制空冷であった。
【０００４】
ＴＯパッケージでの内部冷却は、ＴＯヘッダー内部の限定されたスペース及びそこに見出される能動及び受動構成要素の寸法に起因して困難であることが証明されている。この点に関するこれまでの1つの試みは、非常に小さい特製の熱電クーラー（ＴＥＣ）を用いてコンバーターモジュールを冷却することを含み、これは能動構成要素（すなわちＬＤ）の冷却に限定され、受動構成要素（すなわちレンズ及びアイソレータ）の冷却には及ばなかった。能動構成要素単独の冷却は、広範囲の作動温度が必要とされる場合に不安定な光学性能をもたらすことが証明されている。
【０００５】
従来の設計におけるこれらの欠点に対処するために、最適化された熱的及び機械的設計に基づく新規の様式の同軸冷却レーザモジュールが、本発明の図示の実施形態に基づいて以下で説明される。この提案の冷却レーザモジュールは、市販の小型ＴＥＣを使用し、温度制御可能なプラットホーム上に能動及び受動光学構成要素の両方を一体化し、安定なレーザ及び光学性能を提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、一体化した熱電クーラー及び他の光学組立体を用いる、改良された光トランスミッターを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
これら及び他の目的は、第１の側部で光ファイバーに結合され第２の側部で複数の導電体に結合するように適合された光−電気モジュールによって提供される。光−電気モジュールは、貫通して延びる複数のピンを有するヘッダーであって、複数のピンの各ピンがヘッダーを貫通して延び且つ複数のピンの各ピンがヘッダーの第１の側部上で複数の導体のそれぞれの導体に係合するように適合されているヘッダーと、ヘッダーの反対側の第２の側部に接触して配置されたホットプレートを有する熱電クーラーと、光ファイバー内部の光信号フォーマットと複数の導体のうちの少なくとも１つの導体内の電気信号フォーマットとの間を変換するように適合された複数の能動及び受動光学構成要素とを含み、複数の能動及び受動光学構成要素が全て熱電クーラーの冷却プレートに熱的に接触している。
【０００８】
要約すると、別の総括一般的な表現では、本発明は、情報を含む電気信号を光信号に変換し、その光信号を光ファイバー内に結合する光トランスミッターを提供する。光トランスミッターはハウジングを含み、このハウジングは、プリント基板上のレセプタクルのような外部マウントと結合するための電気コネクタを含み、ハウジング内で外部光ファイバー組立体に光信号を結合するように適合された透明ウィンドウを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
添付図において示された寸法及び縮尺は正確ではなく、単に例証及び説明のためのものである点に留意されたい。同様に、図示の構成要素もまた、例証及び説明のためのものである。実際の構成要素とは異なる可能性がある。簡単にするため、構成要素間のワイヤボンドはここでは省略されている。
【００１０】
次に、例示的な態様及び実施形態を含む本発明の詳細を以下に説明する。
【００１１】
この点を考慮し、図１は、本発明の図示の実施形態において同軸冷却レーザモジュール１０を示している。図１に示される同軸冷却レーザモジュール１０は、ＴＯ缶と、このＴＯ缶と光ファイバーとの間の光伝送軸を整列させるよう機能するファイバーピッグテール・モジュール１２とからなる。
【００１２】
本明細書で説明される実施形態は、ＴＯ缶設計に関連している。従って、本明細書で提供される考察は、主としてＴＯ缶及び同様のパッケージングを中心に進める。図２に示されるＴＯ缶パッケージは、典型的には、図２（ａ）に示されるＴＯヘッダー組立体１４と、図２（ｂ）に示されるフラットウィンドウ１８を有するシーリングキャップ１６とからなる。
【００１３】
ＴＯヘッダー組立体１４は、ＴＯヘッダー２０を含むことができ、該ＴＯヘッダー２０を貫通して延びる幾つかの導電ピン２２を備えている。また、ＴＯヘッダー組立体１４は、熱電クーラー（ＴＥＣ）２４と、能動及び受動光学構成要素すなわちＬＤ、ＭＰＤ、光学レンズ及びアイソレータ（レンズとアイソレータの組み合わせ）を支持するキャリアモジュール２６とを含むことができる。ＴＯヘッダー２０は、冷間圧延鋼、コバール又は他の合金のような幾つかの異なる材料で作ることができる。ヘッダーの直径は、選択したＴＥＣ２４を収容するのに十分大きくなければならない。１つの実施例は、直径が９ｍｍであるＴＯヘッダー２４とすることができる。
【００１４】
ヘッダーピン２０は、図３及び図４に示されるように、直列レイアウト又は代替として環状レイアウトのものとすることができる。高周波数領域でより良好なＲＦ性能を得るために、ＲＦピン３００は良好なインピーダンス整合を有するように設計することができる。図示の実施形態では、図３及び図４に示すように同軸ピン構造が使用される。同軸ピンは、金属チューブ及びガラス充填剤からなる。チューブ及びピンの直径は、整合インピーダンス及びガラス充填剤の誘電定数によって決まる。金属チューブは、ヘッダー上にろう付けされる。
【００１５】
ＴＥＣ２４は、図５に示されるような、ホットプレート、冷却プレート及び熱電半導体素子からなる、何れかの市販の小型クーラーとすることができる。熱電半導体素子は、対の状態で配置される。ＴＥＣの熱容量は、低コストを維持し且つＬＤによって発生する能動的熱負荷と周囲環境からパッケージ内に漏洩する受動的熱負荷の両方を放散するのに尚十分とすることができる十分な数の熱電対をＴＥＣが有するように選択されなければならない。１つの実施例は、約５×４ｍｍの占有面積を有するＴＥＣである。
【００１６】
２つのワイヤボンド・パッド５００，５０２がＴＥＣ２４の向い合った側に配置されていてもよい。ワイヤボンド・パッドの他の構成も可能である。ＴＥＣは、ＴＯヘッダーの中心に半田付けすることができる。ワイヤボンド・パッド５００、５０２は、ワイヤボンド３２のペアを介してピン２２に接続することができる。
【００１７】
キャリアモジュール２６は、ＴＥＣの冷却プレート５０４上に組み込まれ、ＬＤ６００、ＭＰＤ６０４、反射ミラー６０２、及びレンズとアイソレータの組み合わせが実装される（図７及び図８）。ＬＤ６００は、良好な熱伝導性を有する材料で作られたＬＤサブマウント６０６上に組み込むことができる。１つの実施例は窒化アルミニウム（ＡＬＮ）である。ＬＤサブマウント（図示せず）上には幾つかのＡｕ金属化パッドがあってもよく、ＬＤ及び他の利用可能な構成要素のリードを中間接続点、次いでリード２２へ半田付けすることができる。ＬＤ６００は、端面発光レーザとすることができ、サブマウント上に垂直方向に半田付けすることができる。
【００１８】
代替として、ＬＤサブマウント６０６を僅かに修正することで、面発光レーザもこの用途に適切である。端面発光レーザは、１つが前面から前方向であり、他が背面から後方向である２方向にレーザ光を放射する。
【００１９】
端面発光レーザが使用される場合の従来型の非冷却ＴＯレーザパッケージにおいては、ＭＰＤがＬＤの下に組み込まれ、レーザ性能をモニタリングする目的でＬＤの背面からのレーザ光を捉える。この構成は欠点を有し、すなわち、ＴＥＣの冷却プレート上の構成要素の外形が高くなり、結果として機械的及び熱的安定性が不十分になる。図示の実施形態では、図６に示されるようなコンパクトＬＤ−ＭＰＤ構成が提供される。
【００２０】
楔形ミラー反射器６０２を使用して、レーザ光を反射し、その光をＬＤの前面に組み込まれたＭＰＤに再配向する。このような方法で、構成要素の外形が有意に低くなる。楔形ミラーは、金属、セラミック又はシリコンで作られ、反射面上にはＡｕがメッキされる。反射面は単にモニタリングの目的であるので、表面の品質は重要ではない。楔の角度は、ＭＰＤの位置及び高さに応じて変わる（例えば３０−６０度）。ＭＰＤの向きは、飽和及び後方反射を回避するために若干調整される場合がある。
【００２１】
ここで図７及び図８を参照すると、光学レンズとアイソレータの組み合わせ３０の上側表面上の投射部と肩部の組み合わせ７０２は、シーリングキャップ１６のフラットウィンドウ（アパーチャー）１８と係合することができる。或いは、フラットウィンドウ１８は、シーリングキャップ１６の上側表面内に配置された光学的に透明な材料から構成することができる。
【００２２】
フラットウィンドウ１８が透明材料である場合、光学レンズとアイソレータの組み合わせ３０は、短い距離（例えば１ｍｍ未満）だけこのウィンドウから分離することができる。光学レンズとアイソレータの組み合わせ３０の分離は、組み合わせ３０をシーリングキャップ１６から熱的に離隔することが可能となり、それでも尚光信号は組み合わせ３０によってウィンドウ１６を通って光ファイバー内に伝送することができる。
【００２３】
光学レンズとアイソレータの組み合わせ３０は、ハウジング内で光学レンズとアイソレータとを一体化し、図７（ａ）に示されるような単一のコンパクトな構成要素を形成することによって作製することができる。光学レンズ７００は、光学設計及び結合効率に応じて球レンズ又は非球面レンズとすることができる。レンズの表面は、反射防止（ＡＲ）コーティングを有することができる。光アイソレータは、キャリアに対して接続部が形成されているだけで、レンズ７００を自由空間で懸架することができる。
【００２４】
或いは、支持スタンド８００は、図７（ｂ）に示されるように組み合わせの構成要素内に一体化することができる。ハウジングは、コバール又は他の適切な金属で作られる。
【００２５】
良好な光学性能を得るために、レンズとアイソレータの組み合わせ３０は、ＴＥＣの冷却プレートによって冷却できる。従って、冷却プレートはＬＤ及びＭＰＤと共にキャリアモジュール２６上に組み込むことができる。組み合わせ構成要素上に支持スタンドがない場合には、図８（ａ）に示されるように、接合リング８０２が必要とされる可能性がある。接合リングは、コバール又はステンレス鋼のような金属で作られる。しかしながら、支持スタンドが組み合わせ構成要素に一体化される場合には、組み合わせ構成要素は、図８（ｂ）に示されるように直接キャリアに組み込むことができる。
【００２６】
キャリアは、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されるように１つが押し出し型、他が平型である、２種類の構成とすることができる。キャリアは、コバール又はステンレス鋼で作ることができる。２つの方法を用いて、キャリア上に組み合わせ構成要素を接合することができ、１つはレーザ溶接で、他がエポキシ接着である。レンズ−アイソレータ構成要素の配置は、製造工プロセスと結合効率の要件に応じて能動的又は受動的アライメントの何れかを用いて行う必要がある。
【００２７】
現在までに報告されたＴＯパッケージと比較して、本発明の同軸パッケージは、能動構成要素単独ではなく、冷却プラットホーム上の能動構成要素と受動構成要素双方のための冷却を可能にする。同軸パッケージは広範囲の作動温度にわたって安定したレーザ性能を保証する。
【００２８】
同軸パッケージは、市販のＴＯヘッダー及びＴＥＣを含むことができ、そのため、より経済的で且つ主要構成要素の選択において柔軟性がある。
【００２９】
従来のバタフライ型パッケージと比較して、本明細書で説明された同軸パッケージは、実質的に同じレーザ出力に対して、消費するＤＣ電力がバタフライ型よりもはるかに少ない。典型的には、上述のモジュールは、バタフライ型パッケージが消費するＤＣ電力の１／２のみを必要とする。従って、パッケージの信頼性が高くなり、熱効率もまた向上する。
【００３０】
同軸パッケージは、製造プロセスを簡素化し、構成要素のコスト及び人件費を大幅に低減する。材料コストは、１／３から１／２に有意に低下する。
【００３１】
上述の要素の各々は、或いは２つ又はしれ以上共に、上述のタイプとは異なる他のタイプの構成においても有用な用途を見出せることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】提案の同軸冷却レーザモジュールの斜視図である。
【図２】（ａ）は、フラットウィンドウを有する図１のＴＯ缶パッケージの代表的な図であり、（ｂ）は、フラットウィンドウを有する図１のキャップの代表的な図である。
【図３】図１のＴＯヘッダー及びそのピンの配置を示す図である。
【図４】図１のモジュールに使用できる別のＴＯヘッダーを示す図である。
【図５】図１のモジュールに使用できる小型ＴＥＣの実施例を示す図である。
【図６】図１のモジュール内部のコンパクトＬＤ−ＭＰＤ配列を示す図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、図１の光学レンズとアイソレータの組み合わせを示す図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、図１のモジュールに使用できるレンズとアイソレータの組み合わせを有する別のキャリアモジュールを示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１４  ＴＯヘッダー組立体
１６  シーリングキャップ
１８  フラットウィンドウ
２０  ＴＯヘッダー
２２  導電ピン
２４  熱電クーラー（ＴＥＣ）
２６  キャリアモジュール
【図１】
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【図２】
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【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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【外国語明細書】
2006210935.tif 000011
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