(57)【要約】【課題】周囲の温度変化に影響されることなく光素子の動作温度を安定化させるとともに、光素子の動作温度が変化した場合であっても速やかに光素子の動作温度を安定化させることが可能な光素子モジュールを実現する。【解決手段】光を出力する半導体レーザ１０３と、光を集光するレンズ１０６と、レンズ１０６を介して半導体レーザ１０３と光学結合される光ファイバ１０８と、半導体レーザ１０３、レンズ１０６及び光ファイバ１０７を収納・固定する筐体１０１、ステム１０２及びキャップ１０５とを有する光素子モジュールにおいて、筐体１０１、ステム１０２及びキャップ１０５の表出部を、シート状に形成され、所定の温度で一定となる正温度係数ヒータ２０１で覆うようにした。【選択図】図１
2008294262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を入力又は出力する光素子と、
前記光を集光するレンズと、
前記レンズを介して前記光素子と光学結合される光ファイバと、
前記光素子、前記レンズ及び前記光ファイバを収納・固定するパッケージとを有する光素子モジュールにおいて、
前記パッケージの外周部を、シート状に形成され、所定の温度で一定となる正温度係数ヒータで覆ったことを特徴とする光素子モジュール。
【請求項２】
前記正温度係数ヒータの抵抗値に基づいて前記光素子の温度を導出し、導出した前記光素子の温度に基づいて前記光素子の動作を制御する制御手段を具備することを特徴とする請求項１記載の光素子モジュール。
【請求項３】
前記光素子が半導体レーザであり、前記制御手段が、測定した前記正温度係数ヒータの抵抗値に基づいて前記半導体レーザの光出力を制御することを特徴とする請求項２記載の光素子モジュール。
【請求項４】
前記光素子がアバランシェフォトダイオードであり、前記制御手段が、測定した前記正温度係数ヒータの抵抗値に基づいて前記アバランシェフォトダイオードの増倍率を制御することを特徴とする請求項２記載の光素子モジュール。
【請求項５】
前記光素子が光変調器集積化レーザであり、前記制御手段が、前記正温度係数ヒータの抵抗値に基づいて前記光変調器集積化レーザの光変調器に印加する電圧を制御することを特徴とする請求項２記載の光素子モジュール。
【請求項６】
前記光素子がルテニウムをドーピングした半絶縁性埋め込み層を有する埋め込み型光素子であることを特徴とする請求項３又は請求項５記載の光素子モジュール。
【請求項７】
前記光素子の特性の制御を、前記正温度係数ヒータの抵抗値に基づいて検出した前記光素子の温度と、あらかじめ測定された光素子の温度特性とを比較することにより行うことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光素子モジュール。
【請求項８】
前記正温度係数ヒータの外周部に、さらに断熱シートを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光素子モジュール。
【請求項９】
光を入力又は出力する光素子と、
前記光を集光するレンズと、
前記レンズを介して前記光素子と光学結合される光ファイバと、
前記光素子、前記レンズ及び前記光ファイバを収納・固定するパッケージと、
前記パッケージの外周面を覆う正温度係数ヒータと
を有する光素子モジュールを製造する方法であって、
前記パッケージに前記光素子、前記レンズ及び前記光ファイバを収納・固定した後に前記パッケージの外出部をシート状正温度係数ヒータで覆う工程を有することを特徴とする光素子モジュールの製造方法。
【請求項１０】
半導体光素子をステムに固定する工程と、前記半導体光素子をキャップにより封止する工程と、少なくとも前記ステム及び前記キャップの表出部を前記シート状正温度係数ヒータで覆う工程を有することを特徴とする請求項９に記載の光素子モジュールの製造方法。
【請求項１１】
光を入力又は出力する光素子、及び前記光を集光するレンズ、及び前記レンズを介して前記光素子と光学結合される光ファイバ、及び前記光素子、前記レンズ及び前記光ファイバを収納・固定するパッケージ、及び前記パッケージの外周面を覆う正温度係数ヒータを有する光素子モジュールと、
前記光素子を駆動する光素子用電源と、
前記正温度係数ヒータに電圧を印加するヒータ用電圧源と、
前記ヒータ用電圧源から電圧を印加され前記正温度係数ヒータの抵抗値を測定する抵抗計と、
前記抵抗計によって測定された前記正温度係数ヒータの抵抗値に基づいて前記光素子用電源が前記光素子に印加する電圧又は電流を調整する制御装置と
を備えることを特徴とする光素子モジュール特性安定化装置。
【請求項１２】
光を入力又は出力する光素子と、前記光を集光するレンズと、前記レンズを介して前記光素子と光学結合される光ファイバと、前記光素子、前記レンズ及び前記光ファイバを収納・固定するパッケージと、シート状に形成され、前記パッケージの外周部に設けられて所定の温度で一定となる正温度係数ヒータとを有する光素子モジュールの温度特性を制御する方法であって、
前記正温度係数ヒータの抵抗値を測定し、測定した前記抵抗値に基づいて光素子の温度を導出し、導出した光素子の温度とあらかじめ測定した前記光素子の温度特性とを比較して前記光素子の動作電流を調整する
ことを特徴とする光素子モジュールの温度特性制御方法。
【請求項１３】
前記正温度係数ヒータに電圧を印加するヒータ用電圧源が、前記正温度係数ヒータの温度が所定の値より小さい場合は前記正温度係数ヒータに一定の電圧を印加する一方、前記正温度係数ヒータの温度が所定の値以上の場合は前記正温度係数ヒータに一定の時間間隔で電圧を印加する
ことを特徴とする請求項１２に記載の光素子モジュールの温度特性制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザに代表される半導体光素子を搭載した光素子モジュールに係り、特に光通信システム、光ネットワークに用いて好適な光素子モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザに代表される半導体光素子を搭載し、光通信システム、光ネットワークに用いられる光通信用光素子モジュール（以下、単に「光素子モジュール」という）にあっては、例えば、−４０℃〜８５℃といった広い温度範囲で動作可能なものが求められるようになってきている。このような光素子モジュールに搭載される光素子は、低コスト化のため、温度調整手段を設けることなく広い温度範囲でその特性が所望の仕様を満たすことが求められている。
【０００３】
インターネット、ブロードバンドの普及によって光通信システムは高速、大容量化が必然となり、通信装置が過密化する傾向にある。これに伴い、通信装置に用いられる光通信用光素子は過密で、且つ過酷な温度条件で使用されるようになってきており、該光素子自体の消費電力の低減、小型化、及び高温環境下における動作の安定化が求められている。例えば非特許文献１に記載されているように、該光素子が求められる特性を保障する温度範囲は更に拡大しつつある。
【０００４】
このような背景において、近年、光素子モジュールに搭載されている半導体レーザの動作の安定化を図るために、ペルチェ素子よりも廉価である過熱素子を用いて半導体レーザの温度を制御し、動作温度範囲を狭めることにより、該半導体レーザの動作の安定化を図ろうとする提案がなされている。とりわけ画像記憶用レーザでは、発振波長によって感光体の感度が変化することから、上記のような、過熱素子を用いて半導体素子の温度制御を行い、発振波長を安定化させる提案がなされている。
【０００５】
例えば特許文献１には、同一基板上に複数の光素子を搭載する場合であっても、搭載した光素子ごとにそれぞれ加熱素子を搭載し基板裏面が一定温度となるようにすることにより、搭載した光素子ごとに温度を制御することを可能にしたハイブリット光集積基板が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−９１６９２号公報
【非特許文献１】T.Takeshita 他、「Highly Reliable (<1000 FITs at 95℃)1.5μm DFB Laser with High-Mesa SIBH Structure for CWDM Systems」、OThN2.pdf、2006年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の光素子モジュールにおいては、周囲の温度変化の影響により光素子の温度が変化し、該光素子の動作が不安定になる虞があった。
【０００８】
このようなことから本発明は、周囲の温度変化に影響されることなく光素子の動作温度を安定化させることが可能な光素子モジュールを実現すること、また、光素子の動作温度が変化した場合に速やかに温度変化を検知し、種々の制御を行って光素子の特性を安定化させることが可能な光素子モジュールを実現することを目的とする。更に、光素子の動作温度を安定化させることによって光素子モジュールのコストが上昇することを回避するために、付属部品を装着するだけの簡単な構成で光素子の動作温度を安定化させることができる、低価格かつコンパクトな光素子モジュールを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するための第１の発明に係る光素子モジュールは、光を入力又は出力する光素子と、前記光を集光するレンズと、前記レンズを介して前記光素子と光学結合される光ファイバと、前記光素子、前記レンズ及び前記光ファイバを収納・固定するパッケージとを有する光素子モジュールにおいて、前記パッケージの外周部を、シート状に形成され、所定の温度で一定となる正温度係数ヒータで覆ったことを特徴とする。
【００１０】
なお、正温度係数ヒータは、電圧を印加すると自らの発熱により加熱する一方、温度の上昇とともに抵抗値が指数関数的に増加し、所定の温度で一定となる自己制御機能を有することから、従来のペルチェ素子や熱線ヒータのような外部の制御機能を必要としない。
【００１１】
第２の発明に係る光素子モジュールは、第１の発明において、前記正温度係数ヒータの抵抗値に基づいて前記光素子の温度を導出し、導出した前記光素子の温度に基づいて前記光素子の動作を制御する制御手段を具備することを特徴とする。
【００１２】
第３の発明に係る光素子モジュールは、第２の発明において、前記光素子が半導体レーザであり、前記制御手段が、測定した前記正温度係数ヒータの抵抗値に基づいて前記半導体レーザの光出力を制御することを特徴とする。
【００１３】
第４の発明に係る光素子モジュールは、第２の発明において、前記光素子がアバランシェフォトダイオードであり、前記制御手段が、測定した前記正温度係数ヒータの抵抗値に基づいて前記アバランシェフォトダイオードの増倍率を制御することを特徴とする。
【００１４】
第５の発明に係る光素子モジュールは、第２の発明において、前記光素子が光変調器集積化レーザであり、前記制御手段が、前記正温度係数ヒータの抵抗値に基づいて前記光変調器集積化レーザの光変調器に印加する電圧を制御することを特徴とする。
【００１５】
第６の発明に係る光素子モジュールは、第３又は第５の発明において、前記光素子がルテニウムをドーピングした半絶縁性埋め込み層を有する埋め込み型光素子であることを特徴とする。
【００１６】
第７の発明に係る光素子モジュールは、第１乃至第６のいずれか一つの発明において、前記光素子の特性の制御を、前記正温度係数ヒータの抵抗値に基づいて検出した前記光素子の温度と、あらかじめ測定された光素子の温度特性とを比較することにより行うことを特徴とする。
【００１７】
第８の発明に係る光素子モジュールは、第１乃至第７のいずれか一つの発明において、前記正温度係数ヒータの外周部に、さらに断熱シートを設けたことを特徴とする。
【００１８】
第９の発明に係る光素子モジュールの製造方法は、光を入力又は出力する光素子と、前記光を集光するレンズと、前記レンズを介して前記光素子と光学結合される光ファイバと、前記光素子、前記レンズ及び前記光ファイバを収納・固定するパッケージと、前記パッケージの外周面を覆う正温度係数ヒータとを有する光素子モジュールを製造する方法であって、前記パッケージに前記光素子、前記レンズ及び前記光ファイバを収納・固定した後に前記パッケージの外出部をシート状正温度係数ヒータで覆う工程を有することを特徴とする。
【００１９】
第１０の発明に係る光素子モジュールの製造方法は、第９の発明において、半導体光素子をステムに固定する工程と、前記半導体光素子をキャップにより封止する工程と、少なくとも前記ステム及び前記キャップの表出部を前記シート状正温度係数ヒータで覆う工程を有することを特徴とする。
【００２０】
第１１の発明に係る光素子モジュール特性安定化装置は、光を入力又は出力する光素子、及び前記光を集光するレンズ、及び前記レンズを介して前記光素子と光学結合される光ファイバ、及び前記光素子、前記レンズ及び前記光ファイバを収納・固定するパッケージ、及び前記パッケージの外周面を覆う正温度係数ヒータを有する光素子モジュールと、前記光素子を駆動する光素子用電源と、前記正温度係数ヒータに電圧を印加するヒータ用電圧源と、前記ヒータ用電圧源から電圧を印加され前記正温度係数ヒータの抵抗値を測定する抵抗計と、前記抵抗計によって測定された前記正温度係数ヒータの抵抗値に基づいて前記光素子用電源が前記光素子に印加する電圧又は電流を調整する制御装置とを備えることを特徴とする。
【００２１】
第１２の発明に係る光素子モジュールの温度特性制御方法は、光を入力又は出力する光素子と、前記光を集光するレンズと、前記レンズを介して前記光素子と光学結合される光ファイバと、前記光素子、前記レンズ及び前記光ファイバを収納・固定するパッケージと、シート状に形成され、前記パッケージの外周部に設けられて所定の温度で一定となる正温度係数ヒータとを有する光素子モジュールの温度特性を制御する方法であって、前記正温度係数ヒータの抵抗値を測定し、測定した前記抵抗値に基づいて光素子の温度を導出し、導出した光素子の温度とあらかじめ測定した前記光素子の温度特性とを比較して前記光素子の動作電流を調整することを特徴とする光素子モジュールの温度特性制御方法。
【００２２】
第１３の発明に係る光素子モジュールの温度特性制御方法は、第１２の発明において、前記正温度係数ヒータに電圧を印加するヒータ用電圧源が、前記正温度係数ヒータの温度が所定の値より小さい場合は前記正温度係数ヒータに一定の電圧を印加する一方、前記正温度係数ヒータの温度が所定の値以上の場合は前記正温度係数ヒータに一定の時間間隔で電圧を印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
上述した本発明に係る光素子モジュールによれば、半導体光素子の温度を制御するために正温度係数ヒータを用いる構成としたことにより、従来のペルチェ素子を用いた温度制御に比較して、簡便で廉価な光素子モジュールを実現することが可能となる。詳しくは、正温度係数ヒータは、電圧を印加すると自らの発熱により加熱する一方、温度の上昇とともに抵抗値が指数関数的に増加し、所定の温度で一定となる自己制御機能を有することから、従来のペルチェ素子や熱線ヒータのような外部の制御機能を必要としないため、簡便で廉価な光素子モジュールを実現することが可能となるのである。
【００２４】
また、正温度係数ヒータの抵抗値に基づいて光素子の特性を制御することができるため、光素子の動作温度が変化した場合であっても、正温度係数ヒータの抵抗値から光素子の温度変化を速やかに検知し、種々の制御を行うことができる。
【００２５】
例えば、光素子モジュールが半導体レーザモジュールである場合は、該正温度係数ヒータの抵抗値から半導体レーザの温度を導出し、導出された温度に基づいて光出力をフィードフォワード制御することができるため、光モニタ用受光素子を省略することが可能である。また、光素子モジュールがアバランシェフォトダイオードモジュールである場合は、該正温度係数ヒータの抵抗値からアバランシェフォトダイオードの温度を導出し、導出された温度に基づいて増倍率制御することが可能である。また、光素子モジュールが光変調器集積化レーザモジュールである場合は、該正温度係数ヒータの抵抗値から光変調器集積化レーザの温度を導出し、導出された温度に基づいて光変調器集積化レーザの光変調器に印加する電圧を制御することが可能である。
【００２６】
更には、搭載する光素子を、ルテニウムをドーピングした半絶縁性埋め込み層を有する埋め込み型光素子とすれば、高速伝送が可能な廉価な光素子モジュールを実現することができる。
【００２７】
また、本発明に係る光素子モジュールの製造方法によれば、従来用いられていた光素子モジュールの製造方法に、パッケージの外出部をシート状正温度係数ヒータで覆う工程を加えるだけで、上記機能を有する、低価格、コンパクトな光素子モジュールを作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に示す実施例において、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２９】
以下、本発明の第１の実施例を図１〜図６を用いて説明する。図１は本実施例に係る半導体レーザモジュールの一部を破断して示す外観図、図２は本実施例に係る半導体レーザモジュール本体の断面構造図、図３は本実施例に係る半導体モジュールの製造方法の一部を示す説明図、図４は本実施例の正温度係数ヒータの制御装置を示すブロック図、図５は本実施例において正温度係数ヒータに印加する電圧の例を示す説明図、図６（ａ）は本実施例における正温度係数ヒータの抵抗値と半導体レーザの温度との関係を示すグラフ、図６（ｂ）は本実施例における半導体レーザの温度と発光波長の関係を示すグラフ、図６（ｃ）は本実施例における半導体レーザの動作電流と発光波長の関係を示すグラフである。
【００３０】
図１に示す光素子モジュールは、１０Ｇｂｐｓイーサネット（登録商標）用光伝送システムで用いられる１．３μｍ帯分布帰還形半導体レーザモジュール（以下、単に「半導体レーザモジュール」という）であり、モジュール本体１００にレーザ温度制御手段としての正温度係数ヒータ２０１を設けた構成となっている。
【００３１】
図１〜図３を用いて詳述すると、本実施例においてモジュール本体１００は、略円筒状に形成された筐体１０１の一方の端面１０１ａ側に板状のステム１０２を配置し、このステム１０２の筐体１０１側に位置する搭載面１０２ａに、光素子として、光信号を送信する送信素子である１．３μｍ帯分布帰還形半導体レーザ（以下、単に「半導体レーザ」という）１０３を搭載している。半導体レーザ１０３は、ステム１０２を貫通して設けられた複数のピン１０４に電気的に接続されている。
【００３２】
ステム１０２の前記搭載面１０２ａには、さらに半導体レーザ１０３を覆うキャップ１０５が固定されており、キャップ１０５により半導体レーザ１０３の周囲を封止する構造となっている。キャップ１０５は前記搭載面１０２ａに固定される一方、筐体１０１の上記一方の端面１０１ａ側に取り付けられており、キャップ１０５の半導体レーザ１０３に対向する部分には、光を集光するレンズ１０６が支持されている。
【００３３】
筐体１０１の他方の端面１０１ｂ側には、フェルール１０７を介して光ファイバ１０８を保持するフェルールカラー１０９が取り付けられている。光ファイバ１０８の筐体１０１側に位置する端面には光アイソレータ１１０が固定されている。
【００３４】
これにより、フェルールカラー１０９に保持された光ファイバ１０８は、レンズ１０６および光アイソレータ１１０を介して半導体レーザ１０３と光学接続されている。図１〜図３に示す構造とすることにより、モジュール本体１００は製造コストが安価なものとなる。
【００３５】
なお、キャップ１０５、フェルール１０７、フェルールカラー１０９は、金属製の加工部品であり、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ溶接に適した材料（SUS304、SF20T等）を使用することが好ましい。
【００３６】
正温度係数ヒータ２０１は、図３に示すように、上述したモジュール本体１００のステム１０２の外周面から筐体１０１の一部にわたる部分を覆うように取り付けられる。正温度係数ヒータ２０１には、電源を接続するためにリード線２０２が設けられている。ここで、正温度係数ヒータ２０１は、シリコン樹脂などの柔軟性を有する材料を用いてシート状に形成されたものである。このため、モジュール本体に凹凸がある場合であっても、モジュール本体に隙間なく密着させることが可能となり、加熱効率を向上させることができる。本実施例では、正温度係数ヒータ２０１は幅が４ｍｍ、長さが３５ｍｍ、厚さが約１ｍｍとし、直径５．６ｍｍのステム１０２にほぼ二巻きすることができる長さとした。
【００３７】
さらに、正温度係数ヒータ２０１の二巻き目に該当する長さ約１８ｍｍの部分（図３中、破線部より右側部分）には、その外周部、換言すると、該正温度係数ヒータ２０１を巻回した状態における外周面部分に断熱シート２０３が設けられており、正温度係数ヒータ２０１をモジュール本体に巻き終わったときに正温度係数ヒータ２０１が断熱シート２０３によって覆われるように構成されている。なお、このような正温度係数ヒータ２０１の取り付けは、半導体レーザモジュールがトランシーバ内に実装された状態であっても行うことができる。なお、図１に示す正温度係数ヒータ２０１、断熱シート２０３は断面構造を示している。
【００３８】
図４〜図６を用いて本実施例に係る半導体レーザモジュールの温度制御方法について説明する。
【００３９】
図４に示すように、本実施例においてモジュール本体１００に搭載された半導体レーザ１０３には該半導体レーザ１０３を駆動するための半導体レーザ用電源１２１が接続されている。また、正温度係数ヒータ２０１には、該正温度係数ヒータ２０１における抵抗値を測定する抵抗計１２２と、正温度係数ヒータ２０１及び抵抗計１２２に電圧を印加するためのヒータ用電圧源１２３とが接続されている。半導体レーザ用電源１２１及び抵抗計１２２は、制御手段としての制御装置１２４に接続されている。
【００４０】
制御装置１２４は、抵抗計１２２によって計測された正温度係数ヒータ２０１の抵抗値に基づいて半導体レーザ１０３の温度を導出し、導出した温度に基づいて半導体レーザ用電源１２１が半導体レーザ１０３に印加する電流（又は電圧）を調整して、半導体レーザ１０３の発振波長を制御する。なお、本実施例では図４に示すように抵抗計１２２を設け、これにより検知した抵抗値に基づいて半導体レーザ１０３の温度を導出する例を示したが、抵抗計１２２に変えて電流計を設け、検知した電流値に基づいて半導体レーザ１０３の温度を導出するようにしても良い。
【００４１】
本実施例による作用効果を説明する。半導体レーザ１０３を動作させると半導体レーザ１０３自体の温度が上昇し、これに伴って半導体レーザモジュールの温度が上昇する。また、正温度係数ヒータ２０１においても、電圧を印加されることにより温度が上昇すると抵抗が増加して正温度係数ヒータ２０１に流れる電流量が減少する。
【００４２】
正温度係数ヒータ２０１の抵抗値が増加した場合、抵抗値の増加量（抵抗計１２２に変えて電流計を設けた場合は、ヒータ電流の減少量）を計測すれば、半導体レーザ１０３の温度を検知することができる。本実施例においては、例えば図６（ａ）に示すような正温度係数ヒータ２０１の抵抗値と半導体レーザ１０３の温度との関係を、参考値（以下、第一参考値という）としてあらかじめ制御装置１２４に記憶しておく。測定された抵抗値を制御装置１２４に入力し、該制御装置１２４において上記第一参考値と比較することにより、半導体レーザ１０３の温度が導出される。本実施例では、図６（ａ）に示すように、抵抗値がＲ１からＲ２へと増加した場合は、半導体レーザ１０３の温度がＴ１からＴ２へ上昇したことを導出することができる。
【００４３】
また、例えば図６（ｂ）に示すように、半導体レーザ１０３においては温度の上昇に伴い発振波長が増加する。図６（ｂ）においては、半導体レーザ１０３の温度がＴ１からＴ２に上昇すると、半導体レーザ１０３の発振波長はλ１からλ２に増加することがわかる。
【００４４】
さらに、例えば図６（ｃ）に示すように、半導体レーザ１０３の発振波長は半導体レーザ１０３の動作電流量によって変化する。従って、半導体レーザ１０３の温度と発振波長との関係を測定し、この関係により正温度係数ヒータ２０１の電流量に基づいて検知された半導体レーザ１０３の温度から所定の発振波長を出力するための動作電流を導出し、導出した温度と発振波長と動作電流の関係を、参考値（以下、第二参考値という）としてあらかじめ制御装置１２４に記憶しておくものとする。
【００４５】
本実施例においては、制御装置１２４に入力される計測された正温度係数ヒータ２０１の抵抗値に基づいて半導体レーザ１０３の温度が導出され、この導出された温度と、制御装置１２４に第二参考値として記憶された温度、発振波長および動作電流との関係から半導体レーザ１０３に必要な動作電流が決定される。
【００４６】
そして抵抗計１２２によって計測した正温度係数ヒータ２０１における抵抗値に基づいて導出した動作電流値を半導体レーザ１０３の動作電流として設定する、換言すると、制御装置１２４によって半導体レーザ用電源１２１が半導体レーザ１０３に印加する電流を調整することにより、半導体レーザ１０３の発振波長が所定の発振波長になるように制御することができる。図６（ｃ）に示すように、例えば半導体レーザ１０３の温度がＴ２の場合、半導体レーザ１０３の動作電流をＩ２からＩ１に低減することにより半導体レーザ１０３の発振波長をλ２からλ１に変化させることができる。
【００４７】
よって、半導体レーザ１０３の温度がＴ１からＴ２へ温度が上昇しても、該半導体レーザ１０３の動作電流をＩ２からＩ１に低減することにより半導体レーザ１０３の発振波長をλ１に維持することができる。以上のように、半導体レーザ１０３において温度上昇に伴い発振波長が大きくなろうとするのに対して、制御装置１２４を用いて半導体レーザ１０３の動作電流を調整することで、半導体レーザ１０３の温度変化による発振波長の変動を抑制し、半導体レーザの動作の安定化を図ることができる。
【００４８】
なお、図５に示すように、本実施例においてヒータ用電圧源１２３は、正温度係数ヒータ２０１の温度が設定値以下である場合には正温度係数ヒータ２０１に一定の電圧を印加する一方、正温度係数ヒータ２０１の温度が設定値以上である場合は省電力化のために原則として正温度係数ヒータ２０１に印加する電圧を零とする。但し、正温度係数ヒータ２０１の温度が設定値以下の間印加する電圧を零とすると、抵抗計１２２による抵抗値の測定を行うことができず、半導体レーザ１０３の温度推移を測定することができない。従って、正温度係数ヒータ２０１の温度が設定値以上である場合には、正温度係数ヒータ２０１の温度をモニタするため、一定の時間間隔でパルス状の電圧を印加するようにする。
【００４９】
このように、正温度係数ヒータ２０１の温度が設定値以上の場合に印加電圧をパルス状とすれば、電圧の印加時間が短いために正温度係数ヒータ２０１や半導体レーザモジュールの温度を上昇させることなく半導体レーザ１０３の温度をモニタすることができる。正温度係数ヒータ２０１の温度が設定値以下になった場合には、再度正温度係数ヒータ２０１に一定の電圧を印加するものとする。
【００５０】
なお、パルス状の電圧を印加する時間間隔は一定でなくてもよい。また、正温度係数ヒータ２０１に印加する電圧は一定でなくても良く、測定される温度に応じて変化させることでより効率的に温度制御することが可能である。
【実施例２】
【００５１】
以下、図７を用いて本発明の第２の実施例を説明する。図７は本実施例による半導体レーザモジュールの発振波長と動作温度の関係を示すグラフであり、正温度係数ヒータの飽和温度を６０℃に設定した場合の例である。本実施例は、図１〜６に示し上述した実施例１の半導体レーザモジュールにおいて、正温度係数ヒータ２０１の飽和温度をあらかじめ設定する例であり、以下、図１〜６に示し上述した部材と同一の部材には同一符号を付して説明するものとし、実施例１と重複する説明は省略する。
【００５２】
実際のＷＤＭ（波長多重）通信システムにおいては、複数の波長の光信号が通信に用いられるため、波長信号ごとの安定性は重要であり、波長が１０ｎｍ変動すると問題が生じるため、波長変動を２ｎｍ程度に抑制する必要がある。しかしながら、従来、−１０℃から８５℃の温度変動においては波長が１０ｎｍ程度変動する場合があった。実際に室温（２０℃程度）で半導体レーザを動作させ続けると、半導体レーザ自体が発熱して半導体レーザの温度が上昇し続け、パッケージなどの密閉状態では８５℃以上に上昇する。この温度上昇により波長の変動は１０ｎｍ以上になり、ＷＤＭ通信システムへの適用が困難となっていた。
【００５３】
本実施例では、上述した実施例１の半導体レーザモジュールにおいて、正温度係数ヒータ２０１の飽和温度をあらかじめ６０℃に設定した。つまり、正温度係数ヒータ２０１に飽和温度が６０℃になるように電圧を印加するようにした。正温度係数ヒータ２０１は、電流が流れると発熱して温度が上昇する。これに伴って該正温度係数ヒータ２０１に流れる電流は減少し、正温度係数ヒータ２０１の温度が６０℃に達すると、電流量が一定になり、発熱量も一定となって、正温度係数ヒータ２０１の温度は６０℃一定に維持される。
【００５４】
この状況下で、実施例１と同様に正温度係数ヒータ２０１を用いてレーザ特性の温度変動を制御すると半導体レーザ１０３自体が発熱しても６０℃までは発振波長が一定であり、８０℃程度までの温度上昇において半導体レーザ１０３の発振波長の変動を２ｎｍ程度に抑制できる。
【００５５】
詳細には図７に示すように、本実施例に係る正温度係数ヒータを具備する構成の場合、図中実線で示すように−１０℃〜８５℃の動作温度範囲において、発振波長は１３１４ｎｍ〜１３１６ｎｍと約２ｎｍの変動に抑制されていることが分かる。これに対し、正温度係数ヒータを設けない従来構成の場合、図中破線で示すように−１０℃〜８５℃の動作温度範囲において発振波長は１３０６ｎｍ〜１３１６ｎｍと約１０ｎｍ変動している。
【００５６】
なお、正温度係数ヒータ２０１の温度を高温に設定すればするほど半導体レーザ１０３の発振波長の温度変動を抑制可能な範囲は拡大できるが、半導体レーザ１０３の光出力は低下する。一方、温度設定を比較的低温にすれば半導体レーザ１０３の光出力の低下は抑制できるが、半導体レーザ１０３の発振波長の温度変動を抑制可能な範囲は縮小する。従って、正温度係数ヒータ２０１の設定温度は半導体レーザ１０３の特性と素子適用条件下での許容範囲によって決定すれば好適である。例えば、本実施例のように半導体レーザを通信システムに適用する場合であれば、５０℃から１００℃の範囲で設定することができ、６０℃から８５℃の範囲で有効である。
【００５７】
このように実施例１の光素子モジュールにおいて、正温度係数ヒータ２０１の飽和温度を適度な値に設定することにより、半導体レーザ１０３の発振波長の温度変動をＷＤＭ通信システムに適用可能な範囲に抑制することができる。
【実施例３】
【００５８】
以下、図８を用いて本発明の第３の実施例を説明する。図８は本実施例による半導体レーザモジュールの光出力、及び動作電流の動作温度依存性を示すグラフである。本実施例は、上述した実施例１の半導体レーザモジュールにおいて、制御装置１２４が、正温度係数ヒータ２０１の抵抗値から温度を検知し、検知した温度に基づいて光出力の温度変動をフィードフォワード制御する例であり、以下、図１〜６に示し上述した部材と同一の部材には同一符号を付して説明するものとし、実施例１と重複する説明は省略する。
【００５９】
従来の半導体レーザモジュールにおいて半導体レーザの動作電流を６０ｍＡ一定にした場合は、図８において破線で示すように動作温度によって半導体レーザの光出力が変動している。このため、従来の半導体レーザモジュールでは、光出力モニタ用受光素子を半導体レーザの直近に搭載し、その電流値が一定になるように制御することで光出力を安定化させている。しかし、結合効率などの温度変動の他の要因によりトラッキングエラーが発生してしまうおそれがあった。
【００６０】
これに対し、制御装置１２４によって、正温度係数ヒータ２０１の抵抗値から温度を検知し、フィードフォワード制御する本実施例の半導体レーザモジュールは、図８中実線で示すように半導体レーザ１０３光出力値が安定していることが分かる。
【００６１】
本実施例に係る半導体レーザモジュールによれば、全ての温度変動要因を考慮して制御することが可能であるため、より安定化した光出力を得ることができるのである。
【実施例４】
【００６２】
以下、図９を用いて本発明の第４の実施例を説明する。図９は本実施例に係る光素子モジュールを示す部分断面図であり、図１乃至図３に示し上述したものと同一の構成を有する部材には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００６３】
本実施例に係る光素子モジュールは、１０Ｇｂｐｓ光伝送システムで用いられるアバランシェフォトダイオードモジュールであり、モジュール本体３００に正温度係数ヒータ２０１を設けた構成となっている。
【００６４】
図９に示すように、本実施例に係るアバランシェフォトダイオードモジュールは、モジュール本体３００に正温度係数ヒータ２０１を設けて構成されている。本実施例のモジュール本体３００においては、略円筒状に形成された筐体３０１の一方の端面３０１ａ側に板状のステム３０２が配置され、このステム３０２の筐体３０１側に位置する搭載面３０２ａに、光素子として、光信号を受信する受光素子であるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）３０３が搭載されている。アバランシェフォトダイオード３０３は、ステム３０２を貫通して設けられている複数のピン３０４に電気的に接続されている。
【００６５】
ステム３０２の前記搭載面３０２ａには、アバランシェフォトダイオード３０３を覆うようにキャップ３０５が固定されており、該キャップ３０５は筐体３０１の一方の端面３０１ａ側に取り付けられている。キャップ３０５のアバランシェフォトダイオード３０３に対向する部分には、光を集光するレンズ３０６が支持されている。なお、キャップ３０５は、ステム３０２の搭載面３０２ａに固定されることによりアバランシェフォトダイオード３０３の周囲を封止する構造となっている。
【００６６】
また、筐体３０１の他方の端面３０１ｂ側には、フェルール３０７を介して光ファイバ３０８を保持するフェルールカラー３０９が取り付けられている。
【００６７】
これにより、フェルールカラー３０９に保持された光ファイバ３０８は、レンズ３０６を介してアバランシェフォトダイオード３０３と光学接続されている。モジュール本体は図９に示す構造とすることで製造コストが安価なものとなる。
【００６８】
なお、キャップ３０５、フェルール３０７、フェルールカラー３０９は、金属製の加工部品であり、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ溶接に適した材料（SUS304、SF20T等）を使用することが好ましい。
【００６９】
モジュール本体の筐体３０１の一部からステム３０２の外周面にわたる部分には、一部に断熱シート２０３で覆われた正温度係数ヒータ２０１が取り付けられ、本実施例のアバランシェフォトダイオードモジュールが完成する。なお、正温度係数ヒータ２０１には、電源を接続するためにリード線（図示省略）が設けられている。
【００７０】
本実施例に係るアバランシェフォトダイオードモジュールによれば、正温度係数ヒータ２０１により該モジュールの温度が変動した場合であっても、アバランシェフォトダイオード３０３の動作温度の変動は抑えられるため、電圧調整による増倍率制御がほぼ不要となる。また、万が一、アバランシェフォトダイオード３０３の動作温度が変化した場合であっても、制御手段として図４に示す構成と同様の構成を設けて正温度係数ヒータ２０１の抵抗値からアバランシェフォトダイオード３０３の温度を導出し、増倍率制御を行うことが可能である。
【００７１】
従来のアバランシェフォトダイオードモジュールでは、モジュール外部に設置されたサーミスタにより温度を検知し、増倍率制御を行っていた。しかし、モジュールとサーミスタの間には数ｃｍオーダーの距離があり、温度変動の検知の遅れや誤差が生じる可能性があった。
【００７２】
これに対し、本実施例に係るアバランシェフォトダイオードモジュールによれば、正温度係数ヒータ２０１はアバランシェフォトダイオード３０３と直接熱接触しているステムと熱接触してアバランシェフォトダイオード３０３の温度を検知しているため、より精度が高く、応答の速い増倍率制御が可能なアバランシェフォトダイオードモジュールを実現することができる。
【実施例５】
【００７３】
以下、図１０を用いて本発明の第５の実施例を説明する。図１０は本実施例に係る光素子モジュールの構造を示す部分断面図であり、図１乃至図３に示し上述したものと同一の構成を有する部材には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００７４】
本実施例に係る光素子モジュールは、１０Ｇｂｐｓ光伝送システムで用いられるルテニウムをドーピングした半絶縁性埋め込み層を有する埋め込み型光変調器集積化（ＥＡ−ＤＦＢ）レーザモジュールである。
【００７５】
図１０に示すように、本実施例に係る埋め込み型光変調器集積化レーザモジュールは、モジュール本体４００に正温度係数ヒータ２０１を設けて構成されている。詳述すると、本実施例のモジュール本体においては、略円筒状に形成された筐体４０１の一方の端面４０１ａ側に板状のステム４０２が配置され、このステム４０２の筐体４０１側に位置する搭載面４０２ａに、光素子として、光信号を発信する発光素子である埋め込み型光変調器集積化レーザ４０３が搭載されている。埋め込み型光変調器集積化レーザ４０３は、ステム４０２を貫通して設けられている複数のピン４０４に電気的に接続されている。
【００７６】
ステム４０２の前記搭載面４０２ａには、埋め込み型光変調器集積化レーザ４０３を覆うようにキャップ４０５が固定されており、該キャップ４０５は筐体４０１の一方の端面４０１ａ側に取り付けられている。キャップ４０５の埋め込み型光変調器集積化レーザ４０３に対向する部分には、光を集光するレンズ４０６が支持されている。なお、キャップ４０５は、ステム４０２の搭載面４０２ａに固定されることにより埋め込み型光変調器集積化レーザ４０３の周囲を封止する構造となっている。
【００７７】
また、筐体４０１の他方の端面４０１ｂ側には、フェルール４０７を介して光ファイバ４０８を保持するフェルールカラー４０９が取り付けられている。光ファイバ４０８の筐体４０１側に位置する端面には光アイソレータ４１０が固定されている。
【００７８】
これにより、フェルールカラー４０９に保持された光ファイバ４０８は、レンズ４０６および光アイソレータ４１０を介して埋め込み型光変調器集積化レーザ４０３と光学接続されている。モジュール本体は図１０に示す構造とすることで製造コストが安価なものとなる。
【００７９】
なお、キャップ４０５、フェルール４０７、フェルールカラー４０９は、金属製の加工部品であり、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ溶接に適した材料（SUS304、SF20T等）を使用することが好ましい。
【００８０】
モジュール本体の筐体４０１の一部からステム４０２の外周面にわたる部分には、一部に断熱シート２０３で覆われた正温度係数ヒータ２０１が取り付けられ、本実施例の埋め込み型光変調器集積化レーザモジュールが完成する。なお、正温度係数ヒータ２０１には、電源を接続するためにリード線（図示省略）が設けられている。
【００８１】
本実施例に係る埋め込み型光変調器集積化レーザモジュールによれば、正温度係数ヒータ２０１による埋め込み型光変調器集積化レーザ４０１の動作温度の安定化が図られる。また、万が一動作温度が変化した場合でも、制御手段として図４に示す構成と同様の構成を設けて正温度係数ヒータ２０１の抵抗値から温度を導出し、フィードフォワード制御を行うことが可能である。
【００８２】
従来の埋め込み型光変調器集積化レーザモジュールでは光出力モニタ用受光素子を埋め込み型光変調器集積化レーザ直近に搭載し、その電流値が一定になるように制御することで光出力を安定化させる構造であるため、結合効率などの温度変動の他の要因によりトラッキングエラーが発生する虞があった。
【００８３】
これに対し、本実施例に係る埋め込み型光変調器集積化レーザモジュールによれば、全ての温度変動要因を考慮して制御することが可能であるため、より安定化した光出力を得る埋め込み型光変調器集積化レーザモジュールを実現することが可能である。
【００８４】
更に、本実施例に係る埋め込み型光変調器集積化レーザモジュールは、モジュールの動作温度が変動した場合であっても埋め込み型光変調器集積化レーザ４０１の動作温度変動は抑えられ、変調器印加電圧の制御がほぼ不要になる。さらには、万が一埋め込み型光変調器集積化レーザ４０１の温度が変化した場合であっても、正温度係数ヒータ２０１の抵抗値から埋め込み型光変調器集積化レーザ４０１の温度を導出し、変調器印加電圧の制御を行うことができる。
【００８５】
従来の埋め込み型光変調器集積化レーザモジュールでは、モジュール内部に設置されたサーミスタにより温度を検知し、変調器印加電圧の制御を行っていた。しかし、ステムにサーミスタ専用のピンを設置することが必要になり、従来用いられていたステムの変更が必要であった。
【００８６】
これに対して本実施例では、独立にリード線を備える正温度係数ヒータ２０１により温度を検知することができることにより従来のステムを変更なく用いることができるため、簡便で廉価な埋め込み型光変調器集積化レーザモジュールを実現することができる。更には、搭載する光素子がルテニウムをドーピングした半絶縁性埋め込み層を有する埋め込み型光素子である光素子モジュールとすることで、高速伝送が可能な廉価な光素子モジュールを実現することができた。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、半導体レーザに代表される半導体光素子を搭載した光素子モジュールに係り、特に光通信システム、光ネットワークに用いる光素子モジュールに適用して好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体レーザモジュールの一部を破断して示す外観図である。
【図２】本発明の実施例１に係る半導体レーザモジュール本体の断面構造図である。
【図３】本発明の実施例１に係る半導体モジュールの製造方法の一部を示す説明図である。
【図４】本発明の実施例１の正温度係数ヒータの制御装置を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施例１における正温度係数ヒータに印加する電圧の例を示す説明図である。
【図６】図６（ａ）は本発明の実施例１における正温度係数ヒータの抵抗値と半導体レーザの温度との関係を示すグラフ、図６（ｂ）は本発明の実施例１における半導体レーザの温度と発光波長の関係を示すグラフ、図６（ｃ）は本発明の実施例１における半導体レーザの動作電流と発光波長の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例２による半導体レーザモジュールの発振波長と動作温度の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例３による半導体レーザモジュールの光出力、及び動作電流の動作温度依存性を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例４に係る光素子モジュールの構造を示す部分断面図である。
【図１０】本発明の実施例５に係る光素子モジュールの構造を示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０１，３０１，４０１  筐体
１０２，３０２，４０２  ステム
１０３  １．３μｍ帯分布帰還形半導体レーザ
１０４，３０４，４０４  ピン
１０５，３０５，４０５  キャップ
１０６，３０６，４０６  レンズ
１０７，３０７，４０７  フェルール
１０８，３０８，４０８  光ファイバ
１０９，３０９，４０９  フェルールカラー
１１０，４１０  アイソレータ
１２１  半導体レーザ用電源
１２２  抵抗計
１２３  ヒータ用電圧源
１２４  制御装置
２０１  正温度係数ヒータ
２０２  ピン
２０３  断熱シート
３０３  アバランシェフォトダイオード
４０３  埋め込み型光変調器集積化レーザ
【図１】
2008294262.tif 000003
【図２】
2008294262.tif 000004
【図３】
2008294262.tif 000005
【図４】
2008294262.tif 000006
【図５】
2008294262.tif 000007
【図６】
2008294262.tif 000008
【図７】
2008294262.tif 000009
【図８】
2008294262.tif 000010
【図９】
2008294262.tif 000011
【図１０】
2008294262.tif 000012