(57)【要約】【課題】本発明は、従来の温度可変範囲よりも広い温度可変範囲の光モジュールおよび光送信器を提供することを目的とする。【解決手段】光半導体素子１と、光半導体素子１を載置するキャリア６と、キャリア６を載置する電子冷却素子ユニット７と、電子冷却素子ユニット７を載置するベース部材８とを備え、電子冷却素子ユニット７は、互いに積み重ねられた複数の電子冷却素子を有するので、光半導体素子１の温度の可変幅を既存よりも大きくすることができ、結果として光半導体素子１から放出されるレーザ光の可変波長幅を大きくすることができる。【選択図】図２
2004207434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光半導体素子と、
前記光半導体素子を載置するキャリアと、
前記キャリアを載置する電子冷却素子ユニットと、
前記電子冷却素子ユニットを載置するベース部材と、を備え、
前記電子冷却素子ユニットは、互いに積み重ねられた複数の電子冷却素子を有する光モジュール。
【請求項２】
前記電子冷却素子の数は２つである請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
互いに隣接する２つの前記電子冷却素子のうち、前記ベース部材に近い側の電子冷却素子の吸熱能力が、遠い側の電子冷却素子の吸熱能力よりも大きい請求項１または請求項２に記載の光モジュール。
【請求項４】
互いに隣接する２つの前記電子冷却素子のうち、前記ベース部材に近い側の電子冷却素子の面積が、遠い側の電子冷却素子の面積よりも大きい請求項１から請求項３のいずれかに記載の光モジュール。
【請求項５】
互いに隣接する２つの前記電子冷却素子のうち、前記ベース部材に近い側の電子冷却素子の高さが、遠い側の電子冷却素子の高さよりも低い請求項１から請求項３のいずれかに記載の光モジュール。
【請求項６】
前記ベース部材は、薄肉部分とそれを囲む厚肉部分とを有し、前記薄肉部分に前記電子冷却素子ユニットを載置する請求項１から請求項５のいずれかに記載の光モジュール。
【請求項７】
前記薄肉部分と前記厚肉部分との段差を有する面に前記電子冷却素子ユニットを載置する請求項６に記載の光モジュール。
【請求項８】
前記ベース部材の材質がＣｕＷである請求項６または請求項７に記載の光モジュール。
【請求項９】
前記電子冷却素子ユニットの最下段の電子冷却素子の前記ベース部材と接する部分が窒化アルミからなる請求項１から請求項８のいずれかに記載の光モジュール。
【請求項１０】
前記ベース部材の熱伝導率が、前記電子冷却素子ユニットの最下段の電子冷却素子の前記ベース部材と接する部分の熱伝導率よりも高い請求項１から請求項９のいずれかに記載の光モジュール。
【請求項１１】
前記光半導体素子が放出する光の可変波長幅が２.０nmを超える請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光モジュール。
【請求項１２】
前記ベース部材の底面から、前記光半導体素子が放出する光の中心軸までの高さが４．７ｍｍから５．７ｍｍである請求項１から請求項１１のいずれかに記載の光モジュール。
【請求項１３】
電子冷却素子がペルチェ素子である請求項１から１２に記載の光モジュール。
【請求項１４】
光半導体素子と、
温度検出素子と、
前記光半導体素子と前記温度検出素子を載置するキャリアと、
互いに積み重ねられた電子冷却素子を有し、前記キャリアを載置する電子冷却素子ユニットと、
前記電子冷却素子ユニットを載置するベース部材と、
前記温度検出素子と電気的に接続されて前記電子冷却素子ユニットへ流入する電力を制御する温度制御装置と、
を備える光送信器。
【請求項１５】
光半導体素子と、
前記光半導体素子から放出される光を波長に依存して透過率が変化する波長フィルタと、
前記波長フィルタを透過した光を受光するフォトダイオードと、
前記光半導体素子、前記波長フィルタおよび前記フォトダイオードとを載置するキャリアと、
互いに積み重ねられた電子冷却素子を有し、前記キャリアを載置する電子冷却素子ユニットと、
前記電子冷却素子ユニットを載置するベース部材と、
前記フォトダイオードと電気的に接続されて前記電子冷却素子ユニットへ流入する電力を制御する波長制御装置と、
を備える光送信器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光モジュールおよび光送信器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光モジュールとしては、光半導体素子から放出される光の波長可変範囲をｎｍオーダーにすることを目的に、光半導体素子の温度を可変する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−３３１１０７号公報（第７頁、第２図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１の技術では、光半導体素子の温度可変範囲を広げるための技術が開示されておらず、従来の温度可変範囲は１５〜３５℃程度となり、より広い可変温度幅が要求される製品には対応できないといった問題点があった。
【０００５】
本発明は、従来の温度可変範囲よりも広い温度可変範囲の光モジュールおよび光送信器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる光モジュールは、光半導体素子と、前記光半導体素子を載置するキャリアと、前記キャリアを載置する電子冷却素子ユニットと、前記電子冷却素子ユニットを載置するベース部材と、を備え、前記電子冷却素子ユニットは、互いに積み重ねられた複数の電子冷却素子を有するものである。
【０００７】
この発明に係わる光送信器は、光半導体素子と、温度検出素子と、前記光半導体素子と前記温度検出素子を載置するキャリアと、互いに積み重ねられた電子冷却素子を有し、前記キャリアを載置する電子冷却素子ユニットと、前記電子冷却素子ユニットを載置するベース部材と、前記温度検出素子と電気的に接続されて前記電子冷却素子ユニットへ流入する電力を制御する温度制御装置とを備えるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１から図１１は、本発明の実施の形態１を示す図である。図１は、光送信器のブロック図である。また、図２から図４は光モジュールを示す図であり、図２は蓋を取り除いた状態の上面図、図３は図２の矢印AA矢視断面図、図４は図２のBB矢視断面図である。
【０００９】
図１において、光送信器１５は、光モジュール１１、温度制御装置１２、波長制御装置１３および出力制御回路１４を備えている。光モジュール１１は、光半導体素子１、温度検出素子２、波長フィルタ３、第１のフォトダイオード４（ＰＤ１）、第２のフォトダイオード５（ＰＤ２）、キャリア６、電子冷却素子ユニット７、集光レンズ９および光ファイバ１０を有している。
【００１０】
図２〜図４に示すように、光モジュールの筐体は、ベース部材８、側面部材１００および蓋１０１を備えている。側面部材１００の側面には光ファイバー１０を支持する筒状の支持部材１０２が接合されている。光モジュール１１は、ベース部材８、側面部材１００および蓋１０１等により気密構造としてもよい。
【００１１】
側面部材１００は、キャリア６およびキャリア６に載置されている光半導体素子１等の周囲を取り囲むとともに、内包する。そして、側面部材１００の上部に蓋１０１を取り付けることで、キャリア６およびキャリア６に載置されている光半導体素子１等は、ベース部材８、側面部材１００および蓋１０１で構成される筐体の内部に納められる。なお、詳細の構造等は後述する。
【００１２】
側面部材１００の材質は、一般的に加工の容易性、価格面での優位性などからFe-Ni-Co合金または、アルミナなどが用いられる。もちろん、ベース部材８と同一の材質でも良い。
【００１３】
キャリア６は、光半導体素子１、温度検出素子2、波長フィルタ３、第１のフォトダイオード４、第２のフォトダイオード５およびビームスプリッタ１６を載置している。
【００１４】
光半導体素子１は、その前面と背面とからレーザ光を放出する。光半導体素子１の前面から放出されるレーザ光は、レンズ９により集光され、そのレーザ光は光ファイバ１０の中を伝送し、光モジュール１１の外部へ伝送される。
【００１５】
また、光半導体素子１の背面から放出されるレーザ光は、ビームスプリッタ１６によって、第１のフォトダイオード４と第２のフォトダイオード５へ分配される。分配された後、一部のレーザ光は、第２のフォトダイオード５に入射する。また、残りの一部のレーザ光は、波長フィルタ３を透過後、第１のフォトダイオード４へ入射する。なお、波長フィルタ３は、波長に依存して光半導体素子１から放出される光の透過率が変化するものである。
【００１６】
キャリア６は、電子冷却素子ユニット７の上面に載置されている。電子冷却素子ユニット７は、キャリア６を冷却、場合により加熱して、キャリア６の温度を所定のレベルに制御する。なお、電子冷却素子ユニット７は、互いに積み重ねられた複数の電子冷却素子を有している。このように構成された電子冷却素子ユニット７は、ベース部材８に載置されている。冷却素子ユニット７およびベース部材８の詳細の構造は後述する。
【００１７】
キャリア６は、電子冷却ユニット７からの熱を光半導体素子１に伝達できればよいので、キャリア６は一般に窒化アルミ、Cu-W等の熱伝導率が良い材料が選定されるが、前記以外の材質でも熱が伝達できればよい。実際のキャリア６の材料選定は、設計仕様に応じて適当に決めればよい。
【００１８】
光半導体素子１が放出するレーザ光の波長は、光半導体素子１の温度に比例して変化する特性を有する。光半導体素子１の特性にもよるが、通常、温度に対する波長の変化率は、０．１０ｎｍ／℃から０．０８ｎｍ／℃程度である。つまり、光半導体素子１の温度を積極的に可変することにより、光半導体素子１から放出されるレーザ光の波長を可変することが可能となる。
【００１９】
キャリア６の温度は、電子冷却素子ユニット７により可変される。キャリア６の温度が可変すれば、キャリア６上に載置された光半導体素子１の温度も可変する。結果として光半導体素子１から放出されるレーザ光の波長を可変することができる。
【００２０】
電子冷却素子ユニット７は、上述のように互いに積み重なった複数の電子冷却素子を有している。本実施の形態では、一例として電子冷却素子ユニット７は、互いに積み重なった２つの電子冷却素子により構成される場合を示している。ここで、ベース部材８に近い側の電子冷却素子を第1の電子冷却素子１７、遠い側の電子冷却素子を第2の電子冷却素子１８とする。
【００２１】
電子冷却素子ユニット７は、キャリア６の温度を自在に冷却・加熱できればよいが、一般的にはペルチェ素子などが用いられて構成されている。ペルチェ素子とは、ペルチェ効果を用いた素子である。ペルチェ効果は、英文ではPeltier  effectと記載され、和文ではペルティエ効果と呼ばれる場合があるが、本実施の形態では、以下、ペルチェ効果を有した素子を総称してペルチェ素子と呼ぶこととする。
【００２２】
本実施の形態では、一例として電子冷却素子としてペルチェ素子を用いて構成した場合を説明するが、他の種類の電子冷却素子を用いた場合でも同じである。電子冷却素子は、電力を印可すると一面で吸熱動作が発生し、その面と相対する面で排熱動作が発生する構造となっている。ここで、前者の面を吸熱面、後者の面を排熱面という。つまり、一面が冷却され、他面は発熱することになる。
【００２３】
図５(a)は、一例としての電子冷却ユニット７の正面図であり、図５(b)は側面図である。ここでは、電子冷却素子ユニット７は、第１および第２の電子冷却素子１７、１８から構成されている。
【００２４】
第１の電子冷却素子１７は、第１の吸熱部材２０１と第１の排熱部材２０２との間にセル１９を複数配列する構成となっている。このセル１９の各々がペルチェ効果を示す。また、第２の電子冷却素子１８は、第２の吸熱部材２０３と第２の排熱部材２０４との間にセル１９を複数配列する構成となっている。
【００２５】
電子冷却素子ユニット７においては、第２の吸熱部材２０３は吸熱面となり、第１の排熱部材２０２が排熱面となる。なお、第２の排熱部材２０４と、第１の吸熱部材２０１とを一つの部材として構成してもよい。
【００２６】
第１および第２の吸熱部材２０１、２０３並びに、第１および第２の排熱部材２０２、２０４の材質は、熱伝導率等を考慮して窒化アルミ等を用いる場合があるが、詳細は設計仕様により決定すればよい。
【００２７】
電子冷却素子ユニット７の最下段の電子冷却素子のベース部材８と接する部分、図３、４の例で言えば第１の電子冷却素子１７の底面に配置した底面部材は、排熱を考慮して窒化アルミが用いられる。つまり、図５の例で言えば、第１の廃熱部材２０２が窒化アルミである。これは、電子冷却素子の底面部材の熱伝導率を高めることで、排熱を容易にするためである。よって、材質は窒化アルミに限定されるものではなく、排熱を容易に出来ればよい。
【００２８】
セル１９は、P型素子とN型素子とを組み合わせて一対の半導体型のセルを構成してもよい。つまり、P型素子とN型素子の一端を金属電極で接合したπ型の回路を構成するような形態でもよい。
【００２９】
電子冷却素子の中では、セル１９がそれぞれ直列または並列に接続されている。また、第１の電子冷却素子１７と第２の電子冷却素子１８も同様に直列または並列に接続されている。セル１９、第１および第２の電子冷却素子１７、１８の接続方法は、設計仕様に応じて適当に設定すればよい。
【００３０】
本実施の形態では、一例として前記した電子冷却素子を２段設ける構成としている。つまり、第２の電子冷却素子１８の排熱面と、第１の電子冷却素子１７の吸熱面とを接触させ、第２の電子冷却素子１８の排熱面の熱を第１の電子冷却素子１７で吸熱する構成としている。そして、第１の電子冷却素子１７と第２の電子冷却素子１８とにより電子冷却素子ユニット７を構成している。
【００３１】
図６は電子冷却素子が１段の場合において、その相対する面の間の温度差ΔTと、消費電力Ｐとの関係を示している。温度差ΔＴが大きくなるに従い、消費電力Ｐが増加している。一般的に電子冷却素子が１段の場合に使用される温度差ΔTの最大値は、５５℃程度であり、このときの消費電力は１.８Ｗとなる。
【００３２】
光モジュールの使用環境を７０℃と仮定すると、電子冷却素子の排熱面温度の最高温度は７０℃となる。最大温度差ΔTを５５℃とすると、吸熱面温度は７０℃−５５℃＝１５℃となる。つまり、キャリア６の温度が１５℃となり、光半導体素子１の温度も１５℃となる。実際には、光半導体素子の温度は、１５℃より若干高い値を示すのが一般的である。
【００３３】
図７は電子冷却素子を２段重ねた電子冷却素子ユニット７の相対する面の間の温度差ΔTと、消費電力Ｐとの関係を示している。図７には、電子冷却素子が１段の場合も併記している。電子冷却素子を２段の場合も、１段の場合と同様に温度差ΔＴが大きくなるに従い、消費電力Ｐが増加している。しかしながら、電子冷却素子２段の場合の消費電力の増加は、電子冷却素子１段の時よりも小さい。
【００３４】
ΔＴが５５℃のときの消費電力Ｐは、電子冷却素子が１段の場合は１.８Ｗ程度であるのに対して、電子冷却素子２段の場合は１.４Ｗ程度であり、電子冷却素子２段の方が約２０％消費電力が少ない。これは、電子冷却素子が２段の場合、５５℃の温度差を２つの電子冷却素子で受け持つため、消費電力が少なくなる。
【００３５】
電子冷却素子を２段とした場合、飽和直前の最大温度差ΔＴは９０℃となる。電子冷却素子ユニット７の最下段の電子冷却素子、つまり第１の電子冷却素子１７の排熱面温度を７０℃とすると、電子冷却素子ユニット７の吸熱面の温度は、７０℃−９０℃＝−２０℃とすることができる。
【００３６】
もちろん、前記吸熱面温度−２０℃は一例であり、電子冷却素子ユニット７の消費電力、所要となる吸熱面温度等の設計仕様に基づき吸熱面温度を設定すればよい。ここまで、電子冷却素子を２段積み重ねた場合について説明したが、複数段積み重ねてもよい。仮に電子冷却素子を更に多段にすれば、電子冷却素子ユニット７の吸熱面温度を更に低くすることが可能となる。
【００３７】
次に、光半導体素子１が放出するレーザ光の可変波長幅について以下で説明する。光半導体素子１は、寿命を考慮して３５℃以下で使用されることが一般的である。よって、電子冷却素子が１段の場合は、吸熱面の温度範囲は＋３５℃から＋１５℃となり、吸熱面の温度可変幅は２０℃となる。つまり、光半導体素子１の温度可変幅は理想状態で２０℃となる。実際には、若干温度可変幅が小さくなると考えられる。
【００３８】
前記したように、光半導体素子１が放出するレーザ光の波長は、光半導体素子１の温度に比例して変化し、その割合は０．１ｎｍ／℃から０．０８ｎｍ／℃程度である。つまり、既存のように電子冷却素子を１段とした場合、光半導体素子１が放出するレーザ光の可変波長幅は、２０℃×０．１０ｎｍ／℃＝２．０ｎｍとなる。この値は、前述の特許文献１に記載の値と同じである。
【００３９】
これに対して、本実施の形態のように電子冷却素子を２段とした場合は、吸熱面温度は前記したとおり−２０℃である。吸熱面の温度範囲は＋３５℃から−２０℃であるから、吸熱面の温度可変幅は５５℃となる。つまり、光半導体素子１の温度可変幅は理想状態で５５℃となる。実際は、若干温度可変幅が小さくなると考えられる。よって光半導体素子１が放出するレーザ光の可変波長幅は、５５℃×０．１ｎｍ／℃＝５．５ｎｍから５５℃×０．０８ｎｍ／℃＝４．４ｎｍとなり、可変波長幅が２．０ｎｍを超える。
【００４０】
上述したように、電子冷却素子を２段重ねよりさらに多段にしても良いが、既存の電子冷却素子が１段の光モジュールと、本発明による光モジュールとの設計寸法上の互換性を考慮した場合、電子冷却素子ユニット７の高さを抑えながら、冷却能力向上ためには、電子冷却素子を２段重ねとすることが望ましい。
【００４１】
電子冷却素子を複数積み重ねることにより吸熱面温度を低くすると、吸熱面や、キャリア６等が結露する場合がある。これを防止するため、光モジュール１１を気密構造としたり、光モジュール１１内に乾燥気体を封入したり、電子冷却素子モジュールにコーティングしたりする等して、結露対策を実施すればよい。なお、通常は前記乾燥気体として窒素ガスが用いられる。
【００４２】
次に、電子冷却素子ユニット７を構成している電子冷却素子の相互の特性上の差異と積み重ね順序に関して説明する。第１の電子冷却素子１７の吸熱能力が、第２の電子冷却素子１８の吸熱能力よりも大きくする。これを図８を参照して説明する。図８においてＱin1は第2の電子冷却素子１８の吸熱量、ＱP1は第２の電子冷却素子１８の内部発熱とすると、第２の電子冷却素子１８の排熱量Ｑout1は、第1の電子冷却素子１７の吸熱量Ｑin２と等しく下記の式（１）で示される。
【００４３】
ＱOut1＝Ｑin2＝Ｑin１＋ＱP1  ・・・（１）
【００４４】
さらに、第1の電子冷却素子１７の内部発熱量をＱP２とすると、それの排熱量Ｑout2は、式（２）となる。
【００４５】
ＱOut2＝Ｑin2＋ＱP２  ・・・（２）
【００４６】
実際には、内部発熱量の他に外部から侵入する熱量があるが、概算では上記のとおりとなる。この式から、Ｑout2＜ＱOut1となるため、ベース部材８に近い側の第1の電子冷却素子１７の吸熱能力は、遠い側の第2の電子冷却素子１８の吸熱能力よりも大きくする必要がある。
【００４７】
図５に示すように、第１の電子冷却素子１７の冷却能力を第２の電子冷却素子１８の冷却能力よりも大きくするため、第１の電子冷却素子１７の面積を、第２の電子冷却素子１８の面積よりも大きくしている。
【００４８】
この他の一例として、電子冷却素子ユニット７を、図９に示す様に第１の電子冷却素子１７の面積を第２の電子冷却素子１８の面積よりもさらに大きくしても良い。これは、電子冷却素子の面積を大きくすることにより前記したセル１９の数を増やすことが可能となり、結果として冷却能力を向上することが可能となる。
【００４９】
電子冷却素子の面積を大きくすると表面積が増え、外部からの熱侵入量が大きくなるため、この熱侵入量を考慮して電子冷却素子の大きさを決定する必要がある。
【００５０】
さらには、この他の一例として第１の電子冷却素子１７の冷却能力を第２の電子冷却素子１８の冷却能力よりも大きくするため、第１の電子冷却素子１７を構成しているセルの高さを、第２の電子冷却素子１８を構成しているセルの高さよりも低くしてもよい。これは、一般的に高さの低いセルは、高いセルと比較し、冷却能力が高いためである。一例として、電子冷却素子ユニット７は、図１０に示すような構成となる。
【００５１】
もちろん、第１の電子冷却素子１７の冷却能力を大きくすることを目的に、その面積を大きくすると共に、高さを低くしてもよい。また、第１の電子冷却素子１７の冷却能力に余裕があれば、第１の電子冷却素子１７と第２の電子冷却素子１８を同一にしても差し支えない。
【００５２】
次に、電子冷却素子ユニット７を載置するベース部材８について説明する。図３に示す様に、ベース部材８の底面から、光半導体素子１が放出するレーザ光の中心軸、つまり、光ファイバー１０の中心までの高さを４．７ｍｍから５．７ｍｍとしている。これは、電子冷却素子が１段の光モジュールと、本発明による光モジュールとの互換性を考慮したためである。つまり、電子冷却素子が１段の光モジュールに取って代わって、本発明の光モジュール１１を使用することが可能となる。
【００５３】
もちろん、ベース部材８の底面から、光半導体素子１が放出する光の中心軸までの高さに制限が無ければ、任意に設定してもよい。
【００５４】
図１１(a)はベース部材８の斜視図、図１１(b)はベース部材の上面図（図３に示される光モジュールのCC矢視図）、図１１(c)はベース部材のDD矢視断面図である。ベース部材８は、略直方体形状を成す薄肉部分２０とそれを囲む厚肉部分２１とを有し、薄肉部分２０に電子冷却素子ユニット７を載置する。また、薄肉部分２０には半田溜り２２が形成されている。
【００５５】
ベース部材８の底面から、光半導体素子１が放出するレーザ光の中心軸までの高さを電子冷却素子が１段の場合と同じとするため、ベース部材８に薄肉部分２０を設けている。つまり、薄肉部分２０の厚さをL1、厚肉部分２１の厚さをL2とすると、この差分L2-L1が、電子冷却素子ユニット７の高さと１段の電子冷却素子の高さの差分となる。
【００５６】
一例として電子冷却素子が１段の電子冷却素子と、電子冷却素子ユニット７との高さの差が１.３ｍｍとすると、L1は０.７ｍｍ、L2は２.０ｍｍとなる。つまり、電子冷却素子が１段の既存の光モジュールと、本発明の光モジュールとの、ベース部材８の底面から光半導体素子１がレーザを放出するレーザ光の中心軸までの高さを合わせることを目的に、ベース部材８の上面に段差２３を設けているため、L2の高さを電子冷却素子ユニット７の高さよりも高くする必要はない。
【００５７】
ベース部材８の段差２３を有していない下面は、放熱面２４である。放熱面２４は、図示していない光送信器１５の電子回路を搭載する基板を収納する筐体と接することで、放熱面２４の熱は、光送信器１５の電子回路を搭載する基板を収納する筐体に伝わる。放熱面２４は前記基板と面で接触するように平面であっても良いし、表面積を増やすために凹凸を設けても良い。
【００５８】
本発明においてベース部材８の強度を考慮して、厚肉部分２１を設けているが、設計において強度的に問題が無ければ、厚肉部分２１を設ける必要は無い。場合により、厚肉部分２１は、薄肉部分２０の全体を囲む必要はない。
【００５９】
もちろん、薄肉部分を設けることによりベース部材８が軽量化することができる。つまり、ベース部材８の強度以外に、質量を考慮して厚肉部分２１の寸法を設定してもよい。
【００６０】
側面部材１００の下面は、厚肉部分２１の上面に取り付けられ固着されている。側面部材１００の厚さは厚肉部分の厚さL3よりも薄くてもよい。これは、厚肉部分２１は側面部材１００を取り付けるのみの目的で設けられている分けではなく、ベース部材８の強度等を考慮して設けられているためである。逆に言えば、薄肉部分２０の大きさは、最低電子冷却素子ユニット７が載置できる程度であればよい。つまり、薄肉部分２０の形状、大きさ等は設計仕様に応じて設定すればよい。
【００６１】
もちろん、設計仕様に応じて、ベース部材８と側面部材１００とを一体形成してもよいが、価格面、質量および加工の容易性等を鑑みて設計仕様により決定すればよい。
【００６２】
次にベース部材８の材質について説明する。例えば、ベース部材８の材質はＣｕＷ等が用いられる。これは、ベース部材８には電子冷却素子ユニット７が載置されており、電子冷却素子ユニット７からの排熱をベース部材８に逃がす必要がある。
【００６３】
仮に電子冷却素子ユニット７の排熱がベース部材８に逃がせないと、電子冷却素子ユニット７とベース部材８との間に熱がこもり、結果として電子冷却素子ユニット７の排熱面の温度が上昇し、キャリア６を載置している面の温度を下げることができなく可能性がある。つまり、光モジュールの使用環境を７０℃としても、排熱面温度が７０℃を超えてしまい、電子冷却素子ユニット７の排熱面の温度を下げることができなくなる。
【００６４】
このため、ベース部材８の熱伝導率が、電子冷却素子ユニット７の底面部材の熱伝導率よりも高くまたは、同等にする必要がある。この様な条件においては、電子冷却素子ユニット７とベース部材８との間に熱がこもることは無くなり、キャリア６を載置している面の温度を下げることがでる。
【００６５】
また、電子冷却素子ユニット７とベース部材８とは半田によって接合することで、お互いが密着し熱の移動も容易となる。つまり、電子冷却素子ユニット７とベース部材８とは、熱が移動する様、密着できる形であればよい。
【００６６】
図１１においては、電子冷却素子ユニット７とベース部材８とを接合する場合に、余剰となった半田を溜めることを目的に、半田溜り２２を有している。また、半田溜り２２を設けることにより、余剰な半田の盛り上がりが、電子冷却素子ユニット７をはじめとする、光モジュール内部の電子機器と接触することにより発生する短絡不具合を防止できる。
【００６７】
通常半田溜りは、半田付けを実施したときに余剰となる半田が重力により流れることを考慮して、半田による接合面よりも低い位置に設けられることが一般的である。しかしながら、本発明においては、電子冷却素子ユニット７を載置するためにベース部材８に薄肉部分２０を設けており、この薄肉部分２０よりも更に低い半田溜りを設けることは難しい場合がある。
【００６８】
このため、半田溜り２２は、電子冷却素子ユニット７を載置する面と同様の面の薄肉部分２０の四隅に設けている。なお、設計仕様に応じて半田溜り２２の形状を変えても、または半田溜り２２を設けなくても良い。もちろん、薄肉部分２０よりも一段低い位置に半田溜り２２を設けられれば、一段低い部分に設けてもよい。
【００６９】
次に、光送信器１５について説明する。光送信器１５は、光モジュール１１の一部または全部を内包しており、光モジュール１１から放出されるレーザ光の波長を制御したり、電子冷却素子ユニット７の温度を制御したりする。
【００７０】
まず、電子冷却素子ユニット７の温度制御動作について説明する。前記したように、光半導体素子１から放出されるレーザ光の波長は、光半導体素子１の温度により変化する。このため、光半導体素子１が載置されているキャリア６の温度を、電子冷却ユニット７により変化させることで、光半導体素子１から放出されるレーザ光の波長を変化させる。
【００７１】
光半導体素子１の温度と、光半導体素子１から放出されるレーザ光の波長とは比例するため、キャリア６の温度と光半導体素子１から放出されるレーザ光の波長とは比例する。つまり、光半導体素子１から放出されるレーザ光の波長を所定の値とするために必要となるキャリア６の目標温度は、予め決定できる。キャリア６の目標温度が決定できれば、温度検出素子２の出力の目標値を予め決定することができる。
【００７２】
温度検出素子２は、キャリア６の温度を電気信号に変換するための素子である。温度検出素子２は、例えば、キャリア６と接触させることで直接的にキャリア６の温度を電気信号に変換する熱電対等でもよいし、キャリア６に接触させずに間接的にキャリア６の温度を電気信号に変換する赤外素子等でもよい。
【００７３】
温度制御装置１２は、温度検出素子２と電気的に接続され、温度検出素子２の出力が目標値となるように電子冷却素子ユニット７へ流入する電力を制御する。これにより、光半導体素子が放出するレーザ光の波長を所要の値にすることが可能となる。実際には、温度制御装置１２による電子冷却素子ユニット７の温度制御は、若干の範囲を持って行われる。
【００７４】
電子冷却素子ユニット７へ流入する電力を制御する方法は、電子冷却素子ユニット７へ印可する電圧または電流を制御する方法や、サイリスタのON/OFFにより電子冷却素子ユニット７へ印可する電圧の時間を制御する方法等通常実施されている方法でよい。
【００７５】
次に、第１のフォトダイオード４による電子冷却素子ユニット７の温度制御について説明する。光半導体素子１は、正面と背面からレーザ光を放出する。光半導体素子１の背面から放出される一部のレーザ光は、その光を波長に依存して透過率が変化する波長フィルタ３を透過し、第１のフォトダイオード４で受光される。つまり、第１のフォトダイオード４は、波長フィルタ３を透過した光を受光する。
【００７６】
このため、第１のフォトダイオード４の出力は、光半導体素子１が放出するレーザ光の波長に依存して連続的に変化する。つまり、光半導体素子１から放出されるレーザ光の波長を、所定の値にするための第１のフォトダイオード４の出力の目標値を予め決定することができる。
【００７７】
波長制御装置１３は、第１のフォトダイオード４と電気的に接続され、第１のフォトダイオード４の出力が目標値となるように電子冷却素子ユニット７へ流入する電力を制御する。これにより、光半導体素子が放出するレーザ光の波長を所要の値にすることが可能となる。実際には、波長制御装置１３による電子冷却素子ユニット７の温度制御は、若干の範囲を持って行われる。
【００７８】
これにより、光半導体素子１から放出されるレーザ光の波長を規定の範囲内に押さえることが可能となる。なお、電力を制御する方法は、温度制御装置と同様に、電圧や電流の制御、印可時間の制御等通常実施されている方法でよい。
【００７９】
温度制御装置１２および波長制御装置１３はともに電子冷却素子ユニット７へ流入する電力を制御することで、キャリア６の温度を可変し、光半導体素子１から放出されるレーザ光の波長を制御する。温度制御装置１２および波長制御装置１３の出力は、加算されて冷却素子ユニット７へ入力される。ここで、温度制御装置１２および波長制御装置１３の装置の特性を以下で示す。
【００８０】
温度と、光半導体素子１から放出されるレーザ光の波長とは広い温度範囲で比例関係にあるため、広い温度範囲で温度とレーザ光の波長とを対応させることができる。しかしながら、レーザ光の波長は、温度以外の要因によりわずかに変動するため、精密にレーザ光の波長を制御するには適さない。
【００８１】
これに対して、第１のフォトダイオード４の出力に基づく制御は、直接的に波長を検出しているため精密にレーザ光の波長を制御することが可能となる。しかしながら、広い波長範囲にわたり制御するには適さない。
【００８２】
本実施の形態では、温度制御装置１２および波長制御装置１３の両方を備えているが、光半導体素子１から放出されるレーザ光の要求されている波長精度等に応じて、温度制御装置１２、波長制御装置１３のいずれか、または両方を備えるようにしてもよい。もちろん、構成に応じて温度検出素子２、波長フィルタ３および第１のフォトダイオード４の必要有無を判断すればよい。
【００８３】
また、温度制御装置１２および波長制御装置１３により制御する対象は、電子冷却素子ユニット７としているが、互いに積み重ねられた電子冷却素子のセル１９に対して、それぞれに対して制御してもよい。
【００８４】
第２のフォトダイオード５は、光半導体素子１から放出されたレーザ光を直接受光するため、その出力は光半導体素子１から放出されるレーザ光の出力に比例する。出力制御回路１４は、第２のフォトダイオード５の出力に基づき、光半導体素子１から放出されるレーザ光の出力が目標値となるように、光半導体素子１へ入力する電力を調整するものである。
【００８５】
上述のように構成されるこの実施の形態の光モジュールは、下記の効果を奏することができる。
【００８６】
光半導体素子１と、光半導体素子１を載置するキャリア６と、キャリア６を載置する電子冷却素子ユニット７と、電子冷却素子ユニット７を載置するベース部材８とを備え、電子冷却素子ユニット７は、互いに積み重ねられた複数の電子冷却素子を有するので、光半導体素子１の温度の可変幅を既存よりも大きくすることができ、結果として光半導体素子１から放出されるレーザ光の可変波長幅を大きくすることができる。
【００８７】
電子冷却素子の数は２つとすることで、モジュールの高さ寸法の増大を最小限に抑えつつ、光半導体素子１から放出されるレーザ光の可変波長幅を大きくすることができる。さらに、キャリア６の温度によっては、電子冷却素子が１段の場合より消費電力を低くすることができる。
【００８８】
互いに隣接する２つの電子冷却素子のうち、ベース部材８に近い側の電子冷却素子、例えば第１の電子冷却素子１７の吸熱能力が、遠い側の電子冷却素子、例えば第２の電子冷却素子１８の吸熱能力よりも大きくすることで、電子冷却素子ユニット７の吸熱面と排熱面との温度差を、電子冷却素子が１段の場合と比較して大きく取ることができる。
【００８９】
互いに隣接する２つの前記電子冷却素子のうち、ベース部材８に近い側の電子冷却素子の面積が、遠い側の電子冷却素子の面積よりも大きくすることで、ベース部材に近い側の電子冷却素子の吸熱能力を高くすることができ、冷却能力を向上することができる。
【００９０】
互いに隣接する２つの前記電子冷却素子のうち、ベース部材８に近い側の電子冷却素子の高さが、遠い側の電子冷却素子の高さよりも低くすることで、ベース部材に近い側の電子冷却素子の吸熱能力を高くすることができ、電子冷却素子の面積を大きくしなくても冷却能力を向上することができる。
【００９１】
ベース部材８は、薄肉部分２０とそれを囲む厚肉部分２１とを有し、薄肉部分２０に電子冷却素子ユニット７を載置することで、光半導体素子１が放出するレーザ光の中心軸を、電子冷却素子が１段の光モジュールと、本発明による光モジュールとで合わせることができ、結果として互換性を持たせることができる。更に、軽量化するという効果も得られる。
【００９２】
薄肉部分２０と厚肉部分２１との段差２３を有する面に電子冷却素子ユニット７を載置することで、光半導体素子１が放出するレーザ光の中心軸を、電子冷却素子が１段の光モジュールと、本発明による光モジュールとで合わせることができ、結果として互換性を持たせることができる。
【００９３】
ベース部材８の材質をＣｕＷとすることで、電子冷却素子ユニット７の排熱をベース部材８に効率良く逃がすことができる。
【００９４】
電子冷却素子ユニット８の最下段の電子冷却素子のベース部材８と接する部分を窒化アルミとすることで、電子冷却素子ユニット７の排熱を効率良く放熱することができる。
【００９５】
ベース部材８の熱伝導率が、電子冷却素子ユニット７の最下段の電子冷却素子のベース部材８と接する部分の熱伝導率よりも高くすることで、電子冷却素子ユニット７とベース部材８との間に熱がこもることを防止できる。
【００９６】
光半導体素子１が放出する光の可変波長幅が２.０nmを超え、既存の電子冷却素子が１段の場合よりも光半導体素子１が放出するレーザ光の可変波長幅を大きくすることができる。
【００９７】
ベース部材８の底面から、前記光半導体素子が放出する光の中心軸までの高さを４．７ｍｍから５．７ｍｍとすることで、例えば電子冷却素子が１段の既存の光モジュールとの設計寸法上の互換性を持たせることができる。
【００９８】
電子冷却素子がペルチェ素子とすることで、キャリア６の温度を自在に冷却・加熱できる。
【００９９】
上述のように構成されるこの実施の形態の光送信器が、光半導体素子１と、温度検出素子２と、光半導体素子１と温度検出素子２を載置するキャリア６と、互いに積み重ねられた電子冷却素子を有し、キャリア６を載置する電子冷却素子ユニット７と、電子冷却素子ユニット７を載置するベース部材８と、温度検出素子２と電気的に接続されて電子冷却素子ユニット７へ流入する電力を制御する温度制御装置１２とにより構成されているので、光半導体素子１から放出されるレーザ光の波長を広い温度範囲で制御できる光送信器を提供できる。
【０１００】
光送信器が、光半導体素子１と、光半導体素子１から放出される光を波長に依存して透過率が変化する波長フィルタ３と、波長フィルタ３を透過した光を受光する第１のフォトダイオード４と、光半導体素子１、波長フィルタ３および第１のフォトダイオード４とを載置するキャリア６と、互いに積み重ねられた電子冷却素子を有し、キャリア６を載置する電子冷却素子ユニット７と、電子冷却素子ユニット７を載置するベース部材８と、第１のフォトダイオード４と電気的に接続されて電子冷却素子ユニット７へ流入する電力を制御する波長制御装置１３とにより構成されているので、光半導体素子１から放出されるレーザ光の波長を精度よく制御できる光送信器を提供できる。
【０１０１】
光モジュールの筐体はベース部材８、側面部材１００および蓋１０１で構成されているため気密構造とすることができる。内部に例えば乾燥気体を封入することで、電子冷却素子ユニット７の結露を防止することができる。
【０１０２】
ベース部材８の薄肉部分２０に半田溜りを設けることにより、余剰となった半田を溜めることができる。
【０１０３】
【発明の効果】
以上によれば本発明によれば、従来の温度可変範囲よりも広い温度可変範囲の光モジュールおよび光送信器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる光送受信器の実施の形態１を示すブロック図である。
【図２】本発明に係わる光モジュールの実施の形態１を示す上面図である。
【図３】図２に示される光モジュールのAA矢視側面図である。
【図４】図２に示される光モジュールのBB矢視側面図である。
【図５】(a)は電子冷却素子の前面図、(b)は側面図である。
【図６】電子冷却素子が１段の場合の相対する面の間の温度差ΔTと、消費電力Ｐとの関係を示す図である。
【図７】電子冷却素子が２段の場合の相対する面の間の温度差ΔTと、消費電力Ｐとの関係を示す図である。
【図８】電子冷却素子ユニットの吸熱量・排熱量を示すイメージ図である。
【図９】電子冷却素子ユニットの第１の構成を示す図である。
【図１０】電子冷却素子ユニットの第２の構成を示す図である。
【図１１】１(a)はベース部材の斜視図、 (b)はベース部材の上面図、(c)はベース部材のDD矢視断面図である。
【符号の説明】
１  光半導体素子、２  温度検出素子、３  波長フィルタ、４  第１のフォトダイオード（ＰＤ１）、５  第２のフォトダイオード（ＰＤ２）、６  キャリア、７  電子冷却素子ユニット、８  ベース部材、９  集光レンズ、１０  光ファイバ、１１  光モジュール、１２  温度制御装置、１３  波長制御装置、１４  出力制御回路、１５  光送信器、１６  ビームスプリッタ、１７  第１の電子冷却素子、１８  第２の電子冷却素子、１９  セル、２０  薄肉部分２０  厚肉部分、２２  半田溜り、２３  段差、２４  放熱面、１００  側面部材、１０１  蓋、１０２  支持部材、２０１  第１の吸熱部材、２０２  第１の排熱部材、２０３  第２の吸熱部材、２０４  第２の排熱部材
【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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【図９】
2004207434.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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