(57)【要約】【課題】同軸型パッケージ構造を有し、且つ半導体レーザ素子の温度を精度よく測定できる光送信器を提供する。【解決手段】光送信器１は、レーザダイオード１１とサーミスタ２７とを搭載したキャリア２９と、キャリア２９を搭載した台座部２３と、台座部２３を搭載した熱電変換素子１５と、熱電変換素子１５を搭載したステム７と、ステム７に固定されたレンズキャップ９ａとを備えている。そして、レーザダイオード１１とサーミスタ２７とは、キャリア２９の互いに反対側の実装面２９ａ，２９ｂに実装され、キャリア２９に実装されたサーミスタ２７と当該サーミスタ２７の電気接続用のボンディングワイヤ２７ａとが台座部２３の凹部２３ｂ内に収納されるように、キャリア２９が台座部２３に固定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子とサーミスタとを搭載したキャリアと、
前記キャリアを搭載した台座部と、
前記台座部を搭載した熱電変換素子と、
前記熱電変換素子を搭載したステムと、
前記ステムに固定されたレンズキャップとを備えた光送信器であって、
前記半導体レーザ素子と前記サーミスタとは、前記キャリアの互いに反対側の実装面に実装されており、前記キャリアの実装面には前記サーミスタと電気的に接続された配線パターンが形成されており、
前記台座部には凹部が設けられ、前記サーミスタと、当該サーミスタを前記配線パターンに接続するワイヤとが前記凹部内に収納されるように、前記キャリアが前記台座部に固定されていることを特徴とする光送信器。
【請求項２】
前記キャリアには、前記半導体レーザ素子の実装面と前記サーミスタの実装面とを接続するビア電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送信器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子を有する光送信器のパッケージには、次の二つの形状がある。一つは、特許文献１に開示されているようないわゆるバタフライ型パッケージである。他の一つは、特許文献２に開示されているようないわゆる同軸型パッケージである。
【０００３】
特許文献１に記載されたレーザモジュールは、バタフライ型のパッケージと、該パッケージ内に収容されたベースと、パッケージとベースとの間に配置された冷却用サーモモジュールと、ベース上に搭載された被冷却要素（レーザダイオード、レンズ、フォトダイオード等）とを備える。そして、特許文献１に係る発明は、このレーザモジュールにおいて、ベース上に搭載された各被冷却要素を熱遮蔽部材によって覆うことにより、パッケージから被冷却要素へ伝わる熱を低減し、冷却用サーモモジュールが冷却すべき熱量を小さくして消費電力を抑制することを目的としている。
【０００４】
また、特許文献２に記載されたレーザパッケージは、熱電素子と、レーザエミッタと、サーミスタとを備える。レーザエミッタおよびサーミスタは、一部材を介して熱電素子上に搭載されている。そして、特許文献２に係る発明は、同軸型といった小型のレーザパッケージにおいて、熱電素子を用いてレーザエミッタの温度の制御を可能にすることを目的としている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１４２７６７号公報
【特許文献２】特開２００３−１４２７６６号公報
【特許文献３】特開２００４−２５３７７９号公報
【特許文献４】特開平１１−２３８９４６号公報
【特許文献５】特開２９５９６７８号公報
【特許文献６】特許３０３５８５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に記載されたような同軸型パッケージを有する光送信器は、その構造上、バタフライ型パッケージよりも小型に構成できることが利点の一つである。しかしながら、この光送信器は、小型であることによって次の課題を有する。すなわち、サーミスタといった測温素子とケース壁面との距離が近くなり、測温素子からの温度信号がケースの温度（すなわち光送信器の周囲温度）の影響を受け易くなってしまう。
【０００７】
具体的には、半導体レーザ素子の温度をＴ［℃］に設定しようとすると、測温素子からの温度信号にはケースからの輻射熱による温度上昇分（或いは下降分）Δ［℃］が加わるので、熱電素子によって半導体レーザ素子がＴ−Δ［℃］に過冷却（または過熱）されてしまう。従って、半導体レーザ素子の温度を所望の温度に精度よく制御することが難しい。
【０００８】
特に、光送信器が高密度波長分割多重方式（ＤＷＤＭ：Dense WavelengthDivis
ion Multiplexing）の光通信に用いられる場合に、この課題は重要となる。すなわち、半導体レーザ素子は温度によって発光波長が変動するが、ＤＷＤＭ方式の光通信では信号光の波長間隔が狭く設定されているので、発光波長の変動幅を極めて小さく抑える必要がある。従来の光送信器では、例えば半導体レーザ素子の発光波長を一定に制御するための回路を光送信器の外部に設けるよって、発光波長の変動幅を小さく抑えていた。しかし、この方法では光送信器の周辺回路規模が大きくなってしまう。
【０００９】
また、特許文献１に記載されたような熱遮蔽部材は、半導体レーザ素子その他の被冷却要素をまとめて覆うものであるが、このような部材を同軸型パッケージ内部に設けることは困難である。すなわち、同軸型パッケージはケースがレンズを保持する構造を有するので、半導体レーザ素子とケースとの間隔が極めて狭く、特許文献１に記載されたような熱遮蔽部材を設けることは困難である。
【００１０】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、同軸型パッケージ構造を有し、且つ半導体レーザ素子の温度を精度よく測定できる光送信器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】
【００１１】
本発明の光送信器は、半導体レーザ素子とサーミスタとを搭載したキャリアと、キャリアを搭載した台座部と、台座部を搭載した熱電変換素子と、熱電変換素子を搭載したステムと、ステムに固定されたレンズキャップとを備えた光送信器であって、半導体レーザ素子とサーミスタとは、キャリアの互いに反対側の実装面に実装されており、キャリアの実装面にはサーミスタと電気的に接続された配線パターンが形成されており、台座部には凹部が設けられ、サーミスタと、当該サーミスタを配線パターンに接続するワイヤとが凹部内に収納されるように、キャリアが台座部に固定されていることを特徴とする。
【００１２】
この光送信器では、サーミスタにより測定した半導体レーザ素子の温度に基づいて熱電変換素子を制御することで、半導体レーザ素子の温度を一定させ半導体レーザ素子の発光波長のずれ（波長ドリフト）を抑えることができる。そして、この光送信器では、半導体レーザとサーミスタとが、キャリアにおいて互いに反対側の実装面に実装され、サーミスタが台座部の凹部に収納されるので、サーミスタが台座部に囲まれて周囲の温度の影響を受け難い。更に、サーミスタと半導体レーザ素子とを、キャリアを挟んで近い位置に配置することにより、サーミスタには半導体レーザ素子の温度が正確に反映され易くなるので、半導体レーザ素子の温度を精度よく測定することができる。
【００１３】
また、キャリアには、半導体レーザ素子の実装面とサーミスタの実装面とを接続するビア電極が設けられていることが好ましい。この構成によれば、サーミスタは、台座部の凹部内にあっても、ビア電極と半導体レーザ素子の実装面とを介して電気的な接続を図ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による発光モジュールによれば、同軸型パッケージ構造を有し、且つ半導体レーザ素子の温度を精度よく測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る光送信器の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１及び図２に示すように、光送信器１は、素子搭載部３及びＣＡＮケース５を備えたいわゆる同軸型パッケージといった構成を有する。ＣＡＮケース５は、ステム７及びキャップ９を有する。ステム７は、複数のリード端子７ａと、該複数のリード端子７ａを支持するベース部７ｂとを有する。複数のリード端子７ａは、所定軸線Ｘに沿った方向に延びる棒状の金属部材であり、ベース部７ｂを貫通して配置されている。ベース部７ｂは、所定軸線Ｘと交差する平面に沿った主面７ｃを有する。ベース部７ｂの主面７ｃ上には、後述する素子搭載部３が載置されている。
【００１７】
キャップ９は、レンズキャップ９ａと、レンズキャップ９ａの開口９ｂに嵌め込まれたレンズ９ｃとを有する。このうち、レンズキャップ９ａは、所定軸線Ｘの方向に延びる筒状をなしている。レンズキャップ９ａは、ベース部７ｂの主面７ｃ上に取り付けられ、素子搭載部３を覆う。詳細には、レンズキャップ９ａの一端が抵抗溶接で主面７ｃに接合されることによって、レンズキャップ９ａはベース部７ｂに固定されている。
【００１８】
開口９ｂは、レンズキャップ９ａの他端に形成されている。開口９ｂを画する内周面は、レンズ９ｃを保持するためのレンズ保持部となっている。なお、開口９ｂは、半導体レーザダイオード１１（後述）から出力されるレーザ光を通過させるための開口である。レンズキャップ９ａは、レーザダイオード１１からのレーザ光の光軸上に開口９ｂが位置するように配置されている。すなわち、レンズ９ｃは、レーザダイオード１１と光学的に結合されてレーザダイオード１１からのレーザ光を集光することとなる。レンズ９ｃによって集光された光は、例えば光ファイバといった光伝送媒体（図示せず）の一端に導かれる。
【００１９】
素子搭載部３は、複数の熱電変換素子１５、支持板１７、フォトダイオード１９、フォトダイオード（ＰＤ）キャリア２１、レーザダイオード１１、台座部２３、及びサーミスタ２７を有する。
【００２０】
支持板１７は、ステム７のベース部７ｂ上に、所定軸線Ｘと交差する平面に沿って設けられている。支持板１７は、絶縁性の材料によって構成されている。複数の熱電変換素子１５は、いわゆるペルチェ素子と呼ばれる素子であり、支持板１７と台座部２３との間に配置されている。複数の熱電変換素子１５のそれぞれは、ＣＡＮケース５の複数のリード端子７ａのうちの少なくとも２本にボンディングワイヤ等を介して電気的に接続される。複数の熱電変換素子１５は、リード端子７ａを介して供給される制御電流の電流量に応じて、熱電変換素子１５上に搭載される部材から熱量を奪う（または与える）ことができる。熱電変換素子１５においては、制御電流の方向に応じて、下面が吸熱面又は放熱面の一方となり、上面が吸熱面又は放熱面の他方となる。
【００２１】
台座部２３は、例えばＣｕＷといった金属材料からなり、ベース部７ｂ上において複数の熱電変換素子１５上に搭載されている。直方体形状をなすこの台座部２３の側面２３ａには、直方体形状をなす凹部２３ｂが形成されている。そして、図３にも示すように、この台座部２３の側面２３ａには、レーザダイオード１１及びサーミスタ２７が実装された板状のキャリア２９が搭載されている。なお、このキャリア２９の材料としては、電気絶縁性の材料であり熱伝導性が高い材料が用いられ、例えば、窒化アルミニウムといった材料が好適に採用される。また、キャリア２９の厚さは、約０．２ｍｍである。
【００２２】
上記レーザダイオード１１は、キャリア２９において、台座部２３との接合面とは反対側の第１実装面２９ａ上に実装されている。このとき、レーザダイオード１１は、その光出射端面１１ａ及び光反射端面１１ｂが所定軸線Ｘと交差するように（すなわち、レーザダイオード１１からのレーザ光の光軸が所定軸線Ｘと平行になるように）、レンズ９ｃと同軸に配置される。レーザダイオード１１のアノード電極は、キャリア２９上に設けられた配線パターンに、ボンディングワイヤにより電気的に接続される。同様に、レーザダイオード１１のカソード電極は、ＬＤキャリア２９上に設けられた別の配線パターンに、ボンディングワイヤにより電気的に接続される。更に、これらの配線パターンは、それぞれボンディングワイヤを介してＣＡＮケース５のリード端子７ａに電気的に接続される。レーザダイオード１１は、リード端子７ａを介して供給される駆動電流の電流量に応じた光量のレーザ光を光出射端面１１ａから出射することができる。
【００２３】
一方、上記サーミスタ２７は、上記第１実装面２９ａの反対側に位置する第２実装面２９ｂに実装されている。サーミスタ２７が有する二つの電極のうち一方の電極は、第２実装面２９ｂ上の裏面配線パターン２９ｄに、ボンディングワイヤ（電気接続用のワイヤ）２７ａにより電気的に接続される。この裏面配線パターン２９ｄは、キャリア２９を厚さ方向に貫通したビア電極２９ｃを介して第１実装面２９ａ上の配線パターン２９ｅに接続されている。更に、この配線パターン２９ｅがボンディングワイヤ（図示せず）を介してＣＡＮケース５のリード端子７ａに電気的に接続される。また、サーミスタ２７が有する二つの電極のうちの他方の電極は、第２実装面２９ｂ上の別の裏面配線パターンに直接接合され、図面には表れないが、別のビア電極を介して第１実装面２９ａの配線パターン２９ｆに電気的に接続されている。そして、配線パターン２９ｆがボンディングワイヤ（図示せず）を介してＣＡＮケース５のリード端子７ａに電気的に接続される。
【００２４】
サーミスタ２７は、キャリア２９を介して伝わるレーザダイオード１１の温度に応じてその電気抵抗値が変化することにより、レーザダイオード１１の温度に応じた電気信号（温度信号）を生成し、リード端子７ａを介して光送信器１の外部へ該温度信号を出力できる。そして、外部の制御装置（図示せず）は、この温度信号に基づいて、上記熱電変換素子１５への制御電流の電流量をコントロールすることで、レーザダイオード１１の温度を一定に制御することができる。
【００２５】
上記のようなキャリア２９が、上記第２実装面２９ｂを接合面として台座部２３の側面２３ａに固定されているので、サーミスタ２７及びボンディングワイヤ２７ａは、台座部２３の凹部２３ｂ内に収容されることになり、台座部２３とキャリア２９とに囲まれた空間内に位置する。なお、前述したように、キャリア２９にはビア電極２９ｃが設けられているので、サーミスタ２７は、台座部２３内部の閉ざされた空間内にあっても、ビア電極２９ｃを介してリード端子７ａとの電気的な接続を図ることができる。
【００２６】
フォトダイオード１９は、レーザダイオード１１の発光強度をモニタするための受光素子である。フォトダイオード１９は、レーザダイオード１１の光反射端面１１ｂと対向する受光面１９ａを有する。フォトダイオード１９のアノード電極及びカソード電極のうち一方の電極は、ハンダ付け等によりＰＤキャリア２１に直接接合される。ＰＤキャリア２１は、ボンディングワイヤを介してリード端子７ａに電気的に接続される。また、フォトダイオード１９の他方の電極は、ボンディングワイヤを介して別のリード端子７ａに電気的に接続される。フォトダイオード１９は、レーザダイオード１１の光反射端面１１ｂからの光（背面光）の強度に応じた電流を、リード端子７ａを介して光送信器１の外部へ出力することができる。
【００２７】
ＰＤキャリア２１は、フォトダイオード１９を搭載するための部材である。ＰＤキャリア２１は、支持板１７上において、レーザダイオード１１に対して所定軸線Ｘの方向に配置されている。ＰＤキャリア２１は、所定軸線Ｘに対して所定角度で傾斜する面を有しており、フォトダイオード１９は、この傾斜面上に搭載される。これにより、フォトダイオード１９の受光面１９ａも、所定軸線Ｘ（すなわちレーザダイオード１１の光軸）に対して所定角度で傾斜して設けられることとなり、フォトダイオード１９からレーザダイオード１１への戻り光が低減される。
【００２８】
なお、本実施形態のように、フォトダイオード１９は、熱電変換素子１５を介さずにベース部７ｂ上（ＰＤキャリア２１上）に設けられることが好ましい。フォトダイオード１９は、−４０℃〜８５℃といった室温環境においては、レーザダイオード１１と比較して温度変化による影響が軽微である。従って、熱電変換素子１５を介さずにフォトダイオード１９をベース部７ｂ上に設けることが可能であり、熱電変換素子１５の負荷（消費電力）を低減できる。
【００２９】
続いて、以上のような構成の光送信器１による作用効果について説明する。一般的に、レーザダイオードを駆動する際には、サーミスタからの温度信号が設定温度に応じた値に近づくように熱電変換素子への電流量及び電流の向きを制御する。例えば、設定温度を４０℃とした場合、４０℃に相当する基準信号とサーミスタからの温度信号との差に基づく制御電流を熱電変換素子へ送ることにより、帰還ループを構成し、サーミスタからの温度信号値を、４０℃（一定）を示す値に保つことができる。
【００３０】
ここで、発光モジュールの周囲温度が例えば７５℃に上昇すると、これに伴ってケースの温度が上昇し、ケースからサーミスタへの熱の輻射が生じる。このため、サーミスタが実際に感じる温度は、輻射熱による温度上昇分α［℃］を加えて４０＋α［℃］となる。従って、サーミスタからの温度信号値を４０℃に保つよう熱電変換素子への電流量及び電流の向きを制御すると、結果的に、α［℃］だけ過冷却することとなる。これにより、レーザダイオードの発光波長は本来出力すべき波長よりもＡ×α［ｎｍ］（Ａ：温度変化と波長変動との相関係数）だけ短くなる。また、発光モジュールの周囲温度が下降した場合には、上記とは逆に、サーミスタが実際に感じる温度は、温度下降分β［℃］を減じて４０−β［℃］となる。従って、β［℃］だけ過熱することとなり、レーザダイオードの発光波長は本来出力すべき波長よりもＡ×β［ｎｍ］だけ長くなる。
【００３１】
ケースからサーミスタへの輻射熱量は、サーミスタとケースとの間隔に大きく依存する。サーミスタとケースとの間隔は、特許文献１に記載されたようなバタフライ型パッケージの場合、３ｍｍ程度と充分に確保される。これに対し、本実施形態のような同軸型パッケージの場合、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度と極めて小さいことが多い。この要因の一つは、バタフライ型パッケージのケース寸法が一般的に１０ｍｍ角程度であるのに対し、同軸型パッケージのケース寸法（ＣＡＮケース５の外径）が３〜５ｍｍ程度と比較的小さいことである。また、同軸型パッケージの場合、レンズを保持するレンズキャップがＣＡＮケースの一部を構成しているが、レーザダイオードとレンズとを焦点距離まで近づける必要があり、必然的にレーザダイオードとキャップとが近接してしまう。
【００３２】
これに対し、本実施形態による光送信器１では、サーミスタ２７が、台座部２３とキャリア２９とに囲まれた空間内にあり、台座部２３は熱電変換素子１５によって温度一定とされているので、サーミスタ２７はキャップ９からの輻射熱といったような素子搭載部３周囲の温度の影響を受けにくい。更に、サーミスタ２７は、熱伝導性が高い薄型（厚さ約０．２ｍｍ）のキャリア２９を挟んでレーザダイオード１１に近い位置に配置されているので、サーミスタ２７にはレーザダイオード１１の温度が正確に反映され易い。以上の結果、光送信器１においては、サーミスタ２７がレーザダイオード１１の温度を精度よくモニタリングすることができる。
【００３３】
図４（ａ）は、上述した光送信器１における、ＣＡＮケース５の温度とレーザダイオード１１の発光波長のずれ（波長ドリフト）との相関を示すグラフである。また、図４（ｂ）は、比較のため、上に挙げた特許文献３の図１に示された従来の光送信器におけるＣＡＮケースの温度と波長ドリフトとの相関を示すグラフである。なお、これらのグラフを求める際には、レーザダイオードへの駆動電流値を４０［ｍＡ］に設定するとともに、サーミスタからの温度信号値が４０℃を示す値に保たれるよう熱電変換素子への電流量及び電流の向きを制御した。
【００３４】
図４（ａ）に示すように、光送信器１では、ＣＡＮケース５の温度が−１０［℃］〜８０［℃］の間で変動する場合であっても、波長ドリフト幅を２０［ｐｍ］以内に収めることができた。これに対し、図４（ｂ）に示すように、従来の光送信器では、ケース温度が−４０［℃］〜８０［℃］の間で変動する場合に、波長ドリフト幅が２００［ｐｍ］近くになった。このように、レーザダイオード１１の温度を精度よく測定できる光送信器１を用いれば、レーザダイオード１１の温度を設定温度付近に精度よく制御することが可能となり、レーザ光の波長ドリフトを効果的に低減することができる。
【００３５】
また、上述したように光送信器１のような同軸型パッケージの発光モジュールにおいては、レーザダイオード１１とケース５との間隔が狭いため、特許文献１の熱遮蔽部材のようにレーザダイオードなどの被冷却部材を覆う構成は実現し難い。これに対し、光送信器１は、台座部２３に凹部２３ｂを設けることで、サーミスタ２７を台座部２３の内部空間に収容する構成としているので、素子搭載部３が小型になり、このような構成は同軸型パッケージに適している。
【００３６】
また、特許文献４に記載の光送信器は、エタロンと２つのフォトダイオードとを用いてレーザダイオードの発光波長をモニタリングし、熱電冷却器を制御しているが、実装が複雑であり高コスト化の要因となる。上記光送信器１は、この特許文献４に記載の光送信器に比較して、低コスト化が図り易い点で優れている。
【００３７】
また、サーミスタに対するキャップからの輻射熱を低減するためには、図５（ａ）に示すようなＬ字断面をもつ台座部５３を備えた光送信器５１も考えられる。また、図５（ｂ）に示すように、レーザダイオード１１の反対側の面にサーミスタ２７設置用の凹部６５が形成された台座部６３を備えた光送信器６１も考えられる。しかしながら、これらの光送信器５１，６１では、サーミスタ２７とレーザダイオード１１との間の距離が大きい上に、両者の間にはある程度の厚さをもつ台座部５３，６３が存在しているので、サーミスタ２７にはレーザダイオード１１の温度が正確に反映されるとは言えない。また、光送信器５１の組立時においては、台座部５３が上方から押し付けられて熱電変換素子１５上に実装されるが、この台座部５３の形状によれば、上方から押される台座部５３が不安定で倒れるおそれがあるなど、実装が困難であるといった問題もある。これに対し光送信器１は、このような問題を解消できる点において光送信器５１，６１よりも優れている。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る光送信器の一実施形態を示す一部破断斜視図である。
【図２】図１に示した光送信器１のII−II線断面図である。
【図３】図１の光送信器の台座部及びキャリアを示す一部破断斜視図である。
【図４】（ａ）は、図１に示す光送信器における波長ドリフトを示すグラフであり（ｂ）は、従来の光送信器における波長ドリフトとを示すグラフである。
【図５】（ａ），（ｂ）は、図１の光送信器の比較に係る他の光送信器を示す側面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…光送信器、７…ステム、９ａ…レンズキャップ、１１…レーザダイオード（半導体レーザ素子）、１５…熱電変換素子、２３…台座部、２３ｂ…凹部、２７…サーミスタ、２９…キャリア、２９ａ…第１実装面（半導体レーザ素子の実装面）、２９ｂ…第２実装面（サーミスタの実装面）、２９ｃ…ビア電極。
【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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