(57)【要約】光学的または光電子的モジュール１において、光学屈折率が温度とともに低下する中間媒質４、１０が、レーザダイオード９と光ファイバ５との間の光路７内に導入される。これは、ダイオード９と光ファイバ５との間の伝送を改善することによって、動作温度の上昇によるレーザ放射のパワー損失を、受動的手段によって補償する。中間媒質４、１０は、好ましくは、ダイオード９および光ファイバ５の端部を包封するカプセル１０の形で付着される。これは、受動的手段によって、動作温度に左右されない伝送パワーを達成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的または光電子的構成要素（９）を含む光学的または光電子的モジュール（１、１’）であって、前記構成要素（９）は、前記構成要素（９）と光導波路（５）とを結合する光路（７）を介して、カップリング手段（３、３’、１２）によって、前記光導波路（５）にカップリングされ、前記構成要素と前記光導波路（５）との間のカップリング手段が、光波に対して透明であり、かつ屈折率が温度とともに変化する中間媒質（４、１０）を含むことを特徴とする光学的または光電子的モジュール（１、１’）。
【請求項２】
前記中間媒質（４、１０）の屈折率の変化によって誘発される、前記光ファイバ（５）と前記構成要素（９）との間のカップリングの変化は、前記モジュール（１、１’）の動作温度が、前記モジュール（１、１’）に対する動作温度設計範囲の極値温度の１つであるときに、前記光ファイバ（５）と前記構成要素（９）との間の最大カップリングを生成することを特徴とする、請求項１に記載の光学的または光電子的モジュール（１、１’）。
【請求項３】
前記構成要素（９）の外部効率が温度とともに低下し、前記中間媒質（４、１０）の前記屈折率が温度の減少関数である場合に、前記光ファイバ（５）と前記光学的構成要素（９）との間の前記最大カップリングは、前記モジュール（１、１’）の動作温度の設計範囲の最高動作温度に対して設定されることを特徴とする、請求項２に記載の光学的または光電子的モジュール（１、１’）。
【請求項４】
前記構成要素（９）の前記外部効率が温度とともに低下し、前記中間媒質（４、１０）の前記屈折率が温度の増加関数である場合に、前記光ファイバ（５）と前記光学的構成要素（９）との間の前記最大カップリングは、前記モジュール（１、１’）の動作温度の設計範囲の最低動作温度に対して設定されることを特徴とする、請求項２に記載の光学的または光電子的モジュール（１、１’）。
【請求項５】
前記構成要素（９）の前記外部効率が温度とともに増大し、前記中間媒質（４、１０）の前記屈折率が温度の減少関数である場合に、前記光ファイバ（５）と前記光学的構成要素（９）との間の前記最大カップリングは、前記モジュール（１、１’）の動作温度の設計範囲の最低動作温度に対して設定されることを特徴とする、請求項２に記載の光学的または光電子的モジュール（１、１’）。
【請求項６】
前記構成要素（９）の前記外部効率が温度とともに増大し、前記中間媒質（４、１０）の前記屈折率が温度の増加関数である場合に、前記光ファイバ（５）と前記光学的構成要素（９）との間の前記最大カップリングは、前記モジュール（１、１’）の動作温度の設計範囲の最高動作温度に対して設定されることを特徴とする、請求項２に記載の光学的または光電子的モジュール（１、１’）。
【請求項７】
前記中間媒質（４、１０）がポリマであることを特徴とする、請求項１に記載の光学的または光電子的モジュール（１、１’）。
【請求項８】
前記中間媒質（４、１０）の前記屈折率の変化が、温度の１度の各上昇に対して１０−４より大きいことを特徴とする、請求項７に記載の光学的または光電子的モジュール（１、１’）。
【請求項９】
前記中間媒質（４、１０）の前記屈折率の前記変化が、温度の１度の各上昇に対して２×１０−４から４×１０−４であることを特徴とする、請求項８に記載の光学的または光電子的モジュール（１、１’）。
【請求項１０】
前記中間媒質（１０）が、前記光ファイバ（５）の１つの端部（６）、前記光ファイバ（５）に対面する前記光学的構成要素（９）の少なくとも１つの面（１１）、および、場合によっては前記構成要素（９）と前記光ファイバ（５）との間の前記光路（７）上のレンズ（３、３’）などの部品（３、３’、１２）を包封する、カプセル（１０）の形を取ることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学的または光電子的モジュール（１、１’）。
【請求項１１】
２つのレンズ（３、３’）が、前記構成要素（９）と前記光ファイバの前記端部（６）との間の光路（７）内に挿入されることを特徴とする、請求項１０に記載の光学的または光電子的モジュール（１、１’）。
【請求項１２】
アイソレータ（１２）が、前記２つのレンズ（３，３’）の間の光路（７）内に挿入されることを特徴とする、請求項１１に記載の光学的または光電子的モジュール（１、１’）。
【請求項１３】
前記構成要素（９）と前記光ファイバ（５）の端部（６）との間の距離が、２ミリメータより長いことを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の光学的または光電子的モジュール（１、１’）。
【請求項１４】
前記モジュール（１、１’）の動作温度の範囲内のいかなる温度に対しても、前記構成要素（９）と前記光ファイバ（５）の間の光路（７）内に挿入される前記媒質（４、１０）の屈折率が、前記光ファイバ（５）の屈折率と等しいことを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光学的または光電子的モジュール（１、１’）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、変調された、または変調されていないレーザ波を放射する光学的または光電子的構成要素と、放射された光のための導波路、例えば光ファイバとの間のカップリング手段を含む光電子または光学システムに関する。
【０００２】
従来の技術
高価でない光モジュール、例えば、印刷回路上に表面実装されたモジュール（ＳＭＬモジュール）に使用されるレーザダイオードは、モジュールの動作温度の関数である外部効率、すなわち放射された光パワーを集めるファイバにおいて利用可能であるパワーの変化と、レーザダイオードに注入された電流の変化との比を有する。ＳＭＬモジュールを使用して得られた実験的な結果は、温度が２５℃から８５℃にわたるとき、モジュールの外部効率は約３デジベルの減少を示す。効率のこの損失は、半導体レーザダイオードの温度の関数として特性に直接関係する。一定のバイアス電流があると、レーザダイオードの外部効率は、温度が上昇するにつれて減少する。
【０００３】
当業者は、一定の外部効率のモジュールを得るための様々な解決方法を知っている。
【０００４】
動作温度に左右されないモジュールの外部効率は、変調電流を調節するための電子ループを使用することによって得ることができる。このことは、当業者に知られている。このループは、直流バイアス電流および変調電流を温度の関数として変化させなければならない。モジュールの最良の特性は、モジュールの動作温度の範囲全体を通じた温度において、変調電流を正確に調整することによって得られる。この方法は良好な成果を達成するが、調節ループは複雑であり、したがって、費用がかかる。このことは、この方法を、高価でないモジュールに使用するためには不適切にしている。
【０００５】
反射率が温度の関数であるミラーを備えたレーザを使用することも検討されている。１９９４年６月２３日のＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第３０巻、第１３号に発表されている「Ｖｅｒｙ  ｈｉｇｈ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  １．３μｍ  ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ  ｓｔｒａｉｎｅｄ  ｌａｙｅｒ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ｌａｓｅｒｓ  ｂｙ  ｕｓｅ  ｏｆ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｄｅｐｅｎｄａｎｔ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ  ｍｉｒｒｏｒ」と題されたＡ．ＫＡＳＵＫＡＷＡ、Ｎ．ＩＷＡＩ、および、Ｎ．ＹＡＭＡＮＡＫＡによる論文を参照されたい。上記の種類のミラーを使用することは、残念ながら、ファブリペロレーザのみと両立し、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザとは両立しない。ミラーは、分布帰還型レーザの特性に対する影響が小さく、温度に応じてレーザの特性を制御するために使用することはできない。
【０００６】
ペルティエモジュールなどの冷却手段によって、レーザの温度が一定に維持されるシステムが生産されている。このようなモジュールの使用は、小型の高価でない構成要素とは両立しない。
【０００７】
発明の簡単な説明
説明した従来技術とは対照的に、本発明は、モジュールの動作温度の範囲全体を通じて、外部効率が、モジュールの動作温度に左右されない、または実質的に左右されない光学または光電子モジュールを提供することを目的とする。本発明は、再現可能かつ高信頼性であり、モジュールの外形寸法を増加させない小さな全体的サイズを有するこの経済的かつ有用な手段を達成することを目的とする。
【０００８】
本発明は、受動的な手段によって、動作温度の範囲全体を通じて、光学モジュールの一定した外部効率を達成する。受動的補償手段は、光学的構成要素、例えばレーザ、特にレーザダイオードと、光ファイバとをカップリングするために使用される。受動的補償手段は、温度が上昇するときに、カップリングされた構成要素によって放射される発光パワーの損失を正確に補償するために、カップリングの効率を増大させる。したがって、一定の変調電流を使用するレーザを変調することが可能になる。もし構成要素の外部効率が温度とともに増大するなら、温度が上昇した場合にカップリングを減少させるために、本発明に従って受動的補償器手段を使用することが当然可能である。
【０００９】
本発明は、光学的または光電子的構成要素からの出力波の、光ファイバと該構成要素との間の光路に対して、光学屈折率が温度の関数である媒質を加える。この関数は、無視できない程度で、例えば、１０−４／℃〜１０−４／℃の数倍で増大または減少する単調関数であることが好ましい。
【００１０】
関数が減少関数であるとき、光ファイバと光学的構成要素との間の最大カップリングは、最高設計動作温度、例えば、８５℃に対して最適化される。もし関数が増加関数であれば、光ファイバと光学的構成要素との間の最大カップリングは、最低設計動作温度、例えば、２５℃に対して最適化される。
【００１１】
光学屈折率が温度の関数である媒質を、光学的構成要素と光ファイバとの間の光路上に分離したブロックの形で設置したとき、最大カップリングを与える温度から開始される温度変化によって引き起こされるカップリングの損失は、レーザのみの光効率の変化のみを補償する。他方、光学屈折率が温度の関数である媒質が、光学的構成要素、および、同じく構成要素に対面する光ファイバの一端も覆うカプセルの形を取る場合、この媒質によって誘発されたレーザの動作における変化、および、媒質の存在による構成要素と光ファイバとの間の光路の変化を考慮することが必要である。
【００１２】
本発明では、モジュールの動作温度の上昇のために、レーザの外部効率が変化する、例えば減少すると、前記媒質を介して光ファイバに伝送されるパワーの割合は、変化し、例えば増大し、光ファイバと構成要素との間に設置された媒質を正しく選択することによって、光ファイバによって受け取られる光パワーの割合を、補償するように変化させる、例えば、補償するように増大させ、光ファイバによって受け取られるパワーを、モジュールの動作温度に左右されなくすることが可能である。言い換えれば、温度が変化し、レーザによって放射された光パワーもそれに従って変化し、他の全てのものが等しいときに、大きな熱光学係数を持つ光学媒質、例えばポリマは、光学的構成要素と光ファイバとの間のカップリングを受動的に変化させる。
【００１３】
また、光学的構成要素（レーザ、レーザと光ファイバとの間の１または複数枚のレンズ、および光ファイバ）の相対的位置が、伝送に対して影響がない訳ではないことに注意すべきである。最良の位置の近似は、光路上の材料、例えば、レンズ（複数も可）のパラメータの関数として、例えば、専用のソフトウエアを使用して計算することができる。
【００１４】
要するに、本発明は、光学的または光電子的構成要素を含む光学的または光電子的モジュールであって、構成要素は、構成要素と光導波路とを接続する光路を介して、カップリング手段によって、光導波路にカップリングされ、構成要素と光導波路との間のカップリング手段が、光波に対して透明であり、かつ屈折率が温度とともに変化する中間媒質を含むことを特徴とする光学的または光電子的モジュールに関する。上記に説明したように、温度に従う屈折率の変化は、一般に、単調に増大または低下する変化であり、したがって、単調に増大または減少するカップリングを含む。
【００１５】
この結果、中間媒質の光学屈折率の変化によって誘発された光ファイバと構成要素との間のカップリングの変化は、モジュールの動作温度が、モジュールの動作温度の設計範囲の極値温度の１つであるときに、光ファイバと構成要素との間の最大カップリングをもたらす。
【００１６】
概して、構成要素の外部効率は温度とともに低下する。中間媒質の屈折率が温度の減少関数である場合、光ファイバと光学的構成要素の間の最大カップリングは、モジュールの動作温度の設計範囲の最高動作温度に対して設定される。
【００１７】
他方、構成要素の外部効率が温度とともに低下し、中間媒質の屈折率が温度の増加関数であるなら、光ファイバと光学的構成要素との間の最大カップリングは、モジュールの動作温度の設計範囲の最低動作温度に対して設定される。
【００１８】
同様に起こるように、構成要素の外部効率が温度とともに増大し、中間媒質の屈折率が温度の減少関数であるなら、光ファイバと光学的構成要素との間の最大カップリングは、モジュールの動作温度の設計範囲の最低動作温度に対して設定される。
【００１９】
他方、構成要素の外部効率が温度とともに増大し、中間媒質の屈折率が温度の増加関数であるなら、光ファイバと光学的構成要素との間の最大カップリングは、モジュールの動作温度の設計範囲の最高動作温度に対して設定される。
【００２０】
中間媒質は、ポリマのブロック、例えば、シリコーンエラストマのブロックでもよい。もしポリマが、光ファイバと構成要素との間の光路上で分離したブロックの形を取るなら、ブロックの入射面および出射面は、好ましくは、反射防止層でコーティングされる。
【００２１】
中間媒質は、好ましくは、光ファイバの１つの端部、少なくとも光ファイバの前記１つの端部に対面する光学的構成要素の面、および構成要素と光ファイバとの間の光路上のレンズまたは他の構成要素などのいかなる構成要素も取り囲む材料のカプセルの形を取る。
【００２２】
カプセルの形で付着された中間媒質の光学屈折率は、好ましくは、構成要素の動作と干渉しやすい迷光反射を導入しないように、光ファイバの光学屈折率と同じ、または非常に類似する。モジュールの動作温度の範囲内、例えば２５℃から８５℃の範囲のいかなる温度についても、媒質の光学屈折率は、好ましくは、光ファイバの光学屈折率と等しい。この等しさは、好ましくは、モジュールの設計動作温度で、または動作温度の設計範囲の中央の温度で適用される。
【００２３】
本発明の実施形態は、添付の図面を参照して以下に説明する。
【００２４】
発明の実施形態の説明
図１は、モジュール１の部分の模式的断面図である。光電子的構成要素９、例えばレーザダイオードは、レーザファイバ５と通信するために、ベース８上に搭載される。これは、当技術分野では知られている。
【００２５】
本発明によれば、光路上にレンズ３が直列にあるとき、温度ともに線形に変化する屈折率を有する材料のブロック４が、レンズ３と直列に光路７上に挿入される。
【００２６】
説明する例において、最も一般的な場合である、レーザの外部効率が温度とともに低下すると仮定されている。光ファイバ５と構成要素９との間の最大カップリングは、最高設計動作温度に対応する。最大カップリングは、温度が上昇するにつれて屈折率が低下する媒質を使用して得ることができる。
【００２７】
示される例において、レンズ３は、光ファイバの端部６およびレーザダイオード９の面１１をカップリングしている。レンズ３は、くぼみ２の底部に配置される。構成要素９の面１１と光ファイバ５の端部６との間の光路７は、２組の点線によって表される。第１の組は、レーザダイオード９によって放射された光の全てが、光ファイバ５に導入される状況を表す。光路のこの構成は、光ファイバ５と構成要素９との間の最大カップリングの温度、すなわち、モジュール１の最高動作温度に対応する。光路７を表す第２の組の点線は、レーザダイオード９によって放射された光の一部のみが、光ファイバ５に導入される状況に対応する。光路７のこの構成は、光ファイバ５と構成要素９との間のカップリングが減少される温度、例えば、最高動作温度より低く、動作温度の設計範囲の中にあるモジュール１の動作温度に対応する。
【００２８】
この例におけるレンズ３は、５００マイクロメータの直径および１．８の屈折率を有する。
【００２９】
上記に説明したように、レーザ９、レンズ３およびブロック４などの中間カップリング要素、および光ファイバ５の端部６の相対位置は、温度が上昇し、したがって、レーザの外部効率が低下すれば、媒質４の光学屈折率の変化が、構成要素９と光ファイバ５との間の光路を、効率の損失を補償ためにカップリングを改善するような方法で変化させるように決定される。
【００３０】
レーザによって放射される減少されたパワーは、同じバイアス電流を使用して補償される。そのため、上昇した動作温度によるレーザ放射のパワー損失は、受動的手段によって補償される。
【００３１】
温度による光学屈折率の変化の範囲は、一般に、１０−４／度から１０−４／度の数倍にわたる。光路の補償的な変化は、構成要素と光ファイバとの間の距離が、約２ミリメータより大きい場合にのみ得られることができる。もしさらに高い屈折率の変化を持つ新材料が現われれば、構成要素と光ファイバとの間の距離を短縮することが可能となる。
【００３２】
図２は、本発明の好ましい実施形態の第１の変形を示す。図１を参照して既に説明したこの形状における各部品は、再び説明しない。
【００３３】
図２に示す実施形態において、分離したブロック４の形で図１に表された中間媒質は、屈折率が温度の単調増加関数または単調減少関数である材料のカプセル１０の形で、ベース８に付着される。この解決方法は、図１を参照して説明した解決方法と比較して、以下の長所を有する。
【００３４】
先ず、レーザダイオード９によって放射された光は、カプセル１０の材料に直接放射され、そのため、レーザの動作と干渉しやすい反射はない。この反射のないことを十分に利用するために、カプセル１０を構成する媒質の光学屈折率は、光ファイバ５の屈折率に同じ、または、非常に近いことが好ましい。他の長所は、カプセルが、簡単に付着できることである。光学的な見地からは、カプセルにとって、光学的構成要素９の面１１と光ファイバ５の端部６との間の光路７を全体的に覆うことが十分であることに注意すべきである。また、図２に示すように、構成要素９および光ファイバ５の端部６を完全に包み込むことも可能である。
【００３５】
この例において、モジュール１の動作温度は、２５℃から８５℃にわたり、６０℃の温度差を示す。屈折率の変化が、１０−４より大きく、好ましくは、２×１０−４／℃から４×１０−４／℃である材料を中間媒質１０に選択することによって、温度のこの範囲にわたっては、１．２×１０−２から２．４×１０−２の屈折率変化が得られる。この屈折率変化の場合、温度が２５℃から８５℃に上昇するとき、カップリング効率は約３デジベル増大させることが可能である。伝送におけるこの増加は、温度の同じ上昇に対して、レーザダイオードによって放射されたパワーの減少に対応することに注意すべきである。
【００３６】
図３に示す本発明の好ましい実施形態の第２の変形１’において、構成要素９および光ファイバ６の端部５は、図２におけるように、屈折率が温度とともに単調に変化する材料のカプセル１０内に包封される。この実施形態において、補助レンズ３’は、構成要素９と光ファイバ５の端部６との間の光路７上のくぼみ２’内に追加される。この変形は、動作温度の範囲の全体にわたって、レーザの外部効率の変化を補償するために、光路の変化を調整することを容易にする。光ファイバ５から戻り、レーザダイオード９の動作と干渉しやすい光から構成要素９を遮断するために、図３に示すように、レンズ３と３’との間にアイソレータ１２を光学的に追加することができる。
【００３７】
既に説明した部品と同じ参照符号を有する図３の部品は、再び説明しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
分離したブロックの形を取る中間媒質を含む、本発明による光モジュールの部分の側面の模式的断面図である。
【図２】
構成要素および光ファイバの１つの端部を包封するカプセルの形を取る中間媒質を含む、本発明による光モジュールの部分の模式的断面図である。
【図３】
構成要素および光ファイバの１つの端部を包封するカプセルの形を取る中間媒質と、中間媒質に加えて、２つの中間レンズを含むレーザと光ファイバとの間のカップリング手段とを含む、本発明の好ましい実施形態による光モジュールの部分の模式的断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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