JP2001215372A

JP2001215372A - レーザダイオードモジュール

Info

Publication number: JP2001215372A
Application number: JP2000356126A
Authority: JP
Inventors: Taijirou Takase; 泰治郎高瀬; Hiroshi Matsuura; 寛松浦; Takeo Shimizu; 健男清水
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2001-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】高温環境下においても、レーザダイオードと
光ファイバの光結合効率の低下を許容範囲内に抑えるこ
とができるレーザダイオードモジュールを提供する。【解決手段】レーザダイオード１がマウントされたベ
ース２が直接、あるいは電子冷却素子３を介してパッケ
ージ４の基板部４ａに接合され、光ファイバ５が前記レ
ーザダイオード１に光結合されたレーザダイオードモジ
ュールである。パッケージ４の基板部４ａの材料と、該
基板部４ａに接合するベース２もしくは電子冷却素子３
の基板３ａ，３ｂとの線膨張率差を１．０×１０^-6／℃
以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザダイオード
をパッケージ内に収容し、前記レーザダイオードの出射
レーザ光を光ファイバに光結合させ、この結合光を光フ
ァイバによりパッケージ外に導出するレーザダイオード
モジュールに関し、おもに光通信分野において使用され
るものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザダイオードモジュールには、レー
ザダイオードからのレーザ光をレンズを含む光学機構を
介して光ファイバに光結合する方式のものと、レーザダ
イオードからのレーザ光を直接的にレンズドファイバ
（光結合端がレンズ状に形成されている光ファイバ）に
結合する方式のものが有り、光学機構を介してレーザ光
を光ファイバに結合する方式のレーザダイオードモジュ
ールは、例えば図１に示すような構造をしている。

【０００３】即ち、光源となるレーザダイオード１は金
属もしくはセラミックなどからなるマウント基台として
機能するベース２のマウント部分１６に半田もしくは接
着剤などにより固定されている。そのベース２はさらに
半田もしくは接着剤などにより、レーザダイオード１を
冷却する電子冷却素子３の基板３ａ上にマウントされて
いる。この電子冷却素子３は通常、ペルチェ素子により
構成される。これら、ベース２および電子冷却素子３の
機構部分はパッケージ４内に気密収容され、この電子冷
却素子３はその基板３ｂ側で、金属もしくはセラミック
などから成るパッケージ４の基板部４ａに、半田もしく
は接着剤などにより固定されている。基板３ａと基板３
ｂは同一材料（材質）の部材である。５はレーザダイオ
ード１から出射されたレーザ光８に光結合された光ファ
イバである。

【０００４】なお、レンズ収容部材１４はパッケージ４
の側壁４ｂに設けられた筒状突起部の形状を呈し、内部
に結合レンズとして機能するレンズ（第２のレンズ）７
を保持している。フェルール１９はその内部のファイバ
挿通孔に光ファイバ５が貫通し、光ファイバ５は接着剤
もしくは溶接などによりフェルール１９に固定されてい
る。図１中の１５は、フェルール１９に固定された光フ
ァイバ５をレンズ収容部材１４に接着剤もしくは溶接な
どにより固定するための保持部材である。

【０００５】電子冷却素子３は、例えば数十対のＢｉ−
Ｔｅ系の半導体素子（ペルチェ素子）を、Ａｌ_２Ｏ
_３（アルミナ)などのセラミックス基板３ａ，３ｂで上
下から挟み込み、半田などによって固定した構造をして
いる。

【０００６】パッケージ４は、電子冷却素子３からの発
熱を効率よく外部に逃がすために、熱伝導のよいＣｕ−
Ｗ合金からなることが多い。Ｃｕ−Ｗ合金は、Ｃｕの含
有率が１０〜２５％程度のものが一般に使用されるが、
その中でもＣｕが２０％程度含まれたものは加工性、熱
伝導性がより優れ、よく使用される。また、パッケージ
４に構造部材などを溶接する場合には、パッケージ４の
材料として溶接性の良いコバールなどの鉄−コバルト−
ニッケル合金がよく使用される。この場合、前述のよう
に電子冷却素子３からの発熱を効率よく逃がすために、
電子冷却素子３が接合するパッケージ４の基板部（パッ
ケージ基板）４ａのみをＣｕ−Ｗ合金とし、その他の溶
接部分などにはコバールなどを用いることが多い。

【０００７】図１において、レーザダイオード１と光フ
ァイバ５の光結合は、適切な像倍率となるように、レー
ザダイオード１がマウントされる同じベース２の上にコ
リメートレンズとして機能する第１のレンズ６を固定
し、パッケージ４のレンズ収容部材１４には集光レンズ
としての第２のレンズ７を設置して行っている。

【０００８】また、レーザダイオード１と光ファイバ５
のレンズを用いた光結合方式には、多くの光学部品や光
素子をベース２上にマウントする複合光結合方式があ
る。例えば図２（ａ）、（ｂ）に示すように、ベース２
の上にレンズ６と半透明な反射鏡１０をマウントし、反
射鏡１０でレーザ光８を部分的に反射させる。反射され
たレーザ光１１は光ファイバ５ａにレンズ７を介して結
合される。一方、光ファイバ５ａからレーザ光１１の進
行方向とは逆方向に出射したレーザ光（光ファイバ５ａ
を通して外部から伝送されてきたレーザ光）は、半透明
な反射鏡１０、アイソレータ１３を透過する。この反射
鏡１０を透過したレーザ光１２は、アイソレータ１３を
透過し、レンズ（結合レンズ）９を介して光ファイバ５
ｂに結合される。

【０００９】一方、レンズ単体を用いないで、レーザダ
イオード１から出射されたレーザ光をレンズドファイバ
に直接的に結合する方式のレーザダイオードモジュール
として、図３，図４に示すものがある。なお、前記図１
および図３，図４において共通の構成部分には共通の符
号を付して、その重複説明は省略又は簡略化する。

【００１０】図３に示されるものは、レーザダイオード
１のベース２上に、先端をレンズ状に加工した光ファイ
バ１７（レンズド光ファイバ又は単にレンズドファイバ
ともいう)をファイバ固定部材１８を介して溶接固定、
半田固定、もしくは接着剤固定した、レンズを使用しな
い光結合方式のレーザダイオードモジュールである。通
常は、レンズドファイバ１７は金属製のフェルール１９
に保持され、このフェルール１９がファイバ固定部材１
８を介してベース２上に固定される。レンズドファイバ
１７をベース２上のファイバ固定部材１８に固定する
際、レーザダイオード１とレンズドファイバ１７の調心
が行われ、この調心状態で、レンズドファイバ１７はベ
ース２上に固定される。

【００１１】フェルール１９の外側端はパッケージ４の
側壁４ｂを貫通して筒状部材２５の途中部に入り込み、
この筒状部材２５内で、フェルール１９の外端部とレン
ズドファイバ１７は封着樹脂２４によって封着固定され
ている。なお、レンズドファイバ１７（より具体的には
フェルール１９）は、筒状部材２５に半田を用いて固定
されることもある。

【００１２】図４に示されるレーザダイオードモジュー
ルも、図３に示すものと同様に単体のレンズを使用しな
いでレーザダイオード１とレンズドファイバ１７とを光
結合する方式のものである。この図４に示されるレーザ
ダイオードモジュールは、レーザダイオード１がベース
２とは別部材のマウント部分１６を介してベース２上に
マウントされており、また、レンズドファイバ１７に金
属製フェルール２０ａと第二のフェルール２０ｂとが設
けられ、金属製フェルール２０ａ側で、レンズドファイ
バ１７がファイバ固定部材１８を介してベース２上に固
定され、第二のフェルール２０ｂ側でレンズドファイバ
１７がパッケージ４の側壁４ｂに固定されている。

【００１３】金属製フェルール２０ａはファイバ固定部
材１８を介してベース２に固定されるが、その固定に際
してはレーザダイオード１とレンズドファイバ１７とを
光学的に調心し、その調心状態を維持して固定する必要
がある。調心後、レーザダイオード１とレンズドファイ
バ１７の微細な相対的変位が生じないような固定手段と
してＹＡＧ溶接が用いられるが、効率よくＹＡＧ溶接を
行うためには、ＹＡＧレーザに対し熱吸収特性の良い材
質（材料）を使用しなければならない。そのため、金属
製フェルール２０ａ、ファイバ固定部材１８およびベー
ス２はＫｏｖａｒの商標で知られる溶接接合性のよいＦ
ｅーＮｉーＣｏ系合金（以下、Ｋｏｖａｒという）の材
料によって形成し、金属製フェルール２０ａとファイバ
固定部材１８、およびファイバ固定部材１８とベース２
はそれぞれＹＡＧ溶接によって固定されている。

【００１４】また、電子冷却素子３の基板３ａ，３ｂは
材料Ａｌ_２Ｏ_３により形成され、パッケージ基板４ａの
材料は放熱性を確保するため、放熱性の良い銅ータング
ステン合金が使用され、より一般的にはＣｕ−Ｗ２０が
使用され、これら電子冷却素子３の基板３ａとベース２
は半田固定され、電子冷却素子３の基板３ｂとパッケー
ジ基板４ａも半田によって固定されている。

【００１５】前記第二のフェルール２０ｂはパッケージ
４の側壁４ｂに取り付けられたフェルール挿通支持部材
２１のパッケージ貫通穴２２に挿通し、封着樹脂２４に
より気密封止されてフェルール挿通支持部材２１に固定
されている。なお、図４中のフォトダイオード等のモニ
タ素子２３はレーザダイオード１の後方放射光を検出す
るものであり、支持部２６に支持されベース２にマウン
トされている。前記図１，図３にはモニタ素子２３は図
示されていないが、一般的にはこれら図１，図３に示す
装置（モジュール）においてもこのモニタ素子２３は配
置される。このモニタ素子２３の検出信号を利用して、
レーザダイオード１の出力が一定になるようにレーザダ
イオード１の駆動が制御装置（図示せず）により制御さ
れるものである。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
のレーザダイオードモジュールには、高温環境下では光
ファイバ５，１７の出射端からの光出力が低下するとい
う問題があった。特に、複合光結合方式やレンズド光フ
ァイバ光結合方式では、光ファイバ５，１７の出射端か
らの高温での光出力の低下が顕著になる。

【００１７】その原因は、図１，図２に示す光結合方式
では、高温になるとベース２に反りが発生し、レーザダ
イオード１と反射鏡１０が逆向きに傾き、反射鏡１０へ
のレーザ光８の入射角度が変化し、さらに、反射鏡１０
で反射したレーザ光１１の角度変化は入射角度変化の２
倍となる。従って、マウント部材２のわずかな反りも、
レーザ光１１の大きな角度変化をもたらし、光結合効率
の著しい低下を招く。

【００１８】また、図３，図４に示すレンズド光ファイ
バ光結合方式においては、もともとそのレーザダイオー
ド１とレンズドファイバ１７との結合トレランスは非常
に狭いことが知られており、光ファイバ１７とレーザダ
イオード１の相対的な位置変動の許容度はおよそサブミ
クロンの程度であり、ベース２のわずかな反りが光結合
効率を著しく低下させる。

【００１９】レンズドファイバの一例として、図５に示
されるように、ファイバ先端（レーザダイオード１に対
面する側の先端）を研磨等により、シリンドルカル形状
に加工してレンズ部１７ａを形成し、モジュールの設置
平面（ベース２の上平面）に対し垂直な方向にレンズ効
果を持たせた場合、ファイバの設置平面に対して垂直方
向における結合トレランスは０．３μｍ程度である。な
お、本明細書で定義する結合トレランスとは、最大光出
力を得るファイバの位置から、１０％光出力が低下する
時のファイバの位置ずれ量（ファイバの設置平面に対
し、垂直方向の位置ずれ量）を意味している。

【００２０】このレンズド光ファイバ光結合方式の狭い
結合トレランスに起因して、上記従来の図３，図４に示
される光結合方式のレーザダイオードモジュールには次
の（Ａ），（Ｂ）に示す問題点があった。（Ａ）高温放
置による結合劣化（レーザダイオード１とレンズドファ
イバ１７との光結合劣化）が大きく、長期的に光結合特
性が安定しない。（Ｂ）環境温度変化による光結合特性
（単に光特性ともいう）の変化が大きく安定しない。

【００２１】上記（Ａ）に関する評価を図４に示す従来
品について行った結果を図６に示す。この評価結果は雰
囲気温度８５℃の環境にレーザダイオードモジュールを
放置したときの光出力の変化率を時間に対してプロット
したものである。この評価の合格基準としては２０００
時間の試験に対し光出力の変化率が１０％以内であるこ
とが必要条件であるが、従来品はこの基準を満たしてい
ない。

【００２２】上記（Ｂ）の評価結果による問題点は、レ
ーザダイオード１とレンズドファイバ１７との光結合の
不安定化の要因以外に、レーザダイオード１からの後方
出射光を検出するモニタ素子（フォトダイオード：Ｐ
Ｄ）２３の出力信号（出力電流）の不安定化に依存す
る。モニタ素子２３からの出力電流は外部の出力制御回
路上でサンプリングされ、モニタ素子２３からの出力電
流が一定となるように（つまり、レーザダイオード１の
発振出力が一定となるように）、レーザダイオード１の
駆動を制御することで、レンズドファイバ１７の出射端
からの出力が一定となるように制御するのであるが、モ
ニタ素子２３のモニタ電流が環境温度変化により不安定
になるとレンズドファイバ１７の出射端からの光出力を
一定に制御することができなくなるという問題が生じ
る。

【００２３】このモニタ電流の不安定化は、レンズドフ
ァイバ１７からレーザダイオード１への近端反射が原因
と考えられ、レンズドファイバ１７を使用したレーザダ
イオードモジュールにおいて解決すべき特有の問題点で
ある。通常、パッケージ４のパッケージ基板４ａの温度
（ケース温度）で、常温から７０℃までの温度変化の間
にモニタ素子２３の出力電流（モニタ電流）の変化は±
１０％以内であることが望まれるが、上記従来品のレー
ザダイオードモジュールはこの基準を満足することがで
きない。

【００２４】本発明は上述した従来の課題を解決するた
めに成されたものであり、その目的は、環境温度変化お
よび高温放置に起因する特性劣化を抑制し、環境温度に
影響されず一定の安定出力を得ることが可能な高品質の
信頼性に優れたレーザダイオードモジュールを提供する
ことにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたものであり、次の構成をもって課題
を解決する手段としている。すなわち、第１の発明は、
レーザダイオードがマウントされたマウント基台がパッ
ケージ内に収容され、該マウント基台が直接、あるいは
電子冷却素子を介してパッケージの基板部に接合され、
レーザダイオードから出力された光を光ファイバに光結
合するレーザダイオードモジュールにおいて、パッケー
ジの基板部と、該基板部に接合するマウント基台もしく
は電子冷却素子の基板との線膨張率差が１．０×１０^-6
／℃以下に設定されている構成をもって課題を解決する
手段としている。

【００２６】また、第２の発明は、レーザダイオードが
マウントされたマウント基台がパッケージ内に収容さ
れ、該マウント基台が電子冷却素子を介してパッケージ
の基板部に接合され、レーザダイオードから出力された
光を光ファイバに光結合するレーザダイオードモジュー
ルにおいて、電子冷却素子は前記マウント基台およびパ
ッケージの基板部にそれぞれ接合する基板を持ち、パッ
ケージの基板部の線膨張率と、電子冷却素子の基板の線
膨張率と、マウント基台の線膨張率の３者間の相互の線
膨張率差がそれぞれ１．４×１０^−６／℃以内に設定さ
れている構成をもって課題を解決する手段としている。

【００２７】さらに、第３の発明は、前記第１又は第２
の発明の構成を備えたものにおいて、マウント基台の線
膨張率が電子冷却素子の基板の線膨張率とパッケージの
基板部の線膨張率との間の線膨張率の値に設定されてい
る構成をもって課題を解決する手段としている。

【００２８】さらに、第４の発明は、前記第１又は第２
の発明の構成を備えたものにおいて、パッケージの基板
部とマウント基台は同一の材料により形成されて、同一
の線膨張率を有している構成をもって課題を解決する手
段としている。

【００２９】さらに、第５の発明は、前記第１乃至第４
の何れか１つの発明の構成を備えたものにおいて、レー
ザダイオードと光ファイバとの光結合は集光レンズおよ
びコリメートレンズを介して行われることを特徴とす
る。

【００３０】さらに、第６の発明は、前記第１乃至第４
の何れか１つの発明の構成を備えたものにおいて、光フ
ァイバはその先端部に加工形成されたレンズ部を持つレ
ンズドファイバであり、レーザダイオードと光ファイバ
との光結合は光ファイバ先端の前記レンズ部を介して行
われることを特徴とする。

【００３１】さらに、第７の発明は、前記第６の発明の
構成を備えたものにおいて、マウント基台上面のレンズ
ドファイバ固定部位には溶接接合性を有する溶接媒介部
材が固定され、この溶接媒介部材に溶接接合性を有する
ファイバ固定部材がＹＡＧ溶接され、レンズドファイバ
はこのファイバ固定部材に固定されてマウント基台にマ
ウントされている構成をもって課題を解決する手段とし
ている。

【００３２】さらに、第８の発明は、前記第１乃至第４
の何れか１つの発明の構成を備えたものにおいて、マウ
ント基台には少なくともレーザダイオードからの出射光
をコリメートするコリメートレンズがマウントされ、こ
のコリメートレンズからの出射光を反射する反射鏡と、
この反射鏡からの反射光が結合レンズによって光ファイ
バに光結合することを特徴とする。

【００３３】さらに、第９の発明は、前記第１乃至第８
の何れか１つの発明の構成を備えたものにおいて、レー
ザダイオードはマウント基台上に台状のマウント部分を
介してマウントされており、このマウント部分はマウン
ト基台と同一材料の部材によって構成されていることを
特徴とする。

【００３４】本発明においては、マウント基台又は電子
冷却素子の基板とパッケージ基板（パッケージの基板
部）との線膨張率を同一或いはその差が１．０×１０^-6
／℃以下と小さくしているので、バイメタル的な構造形
態から脱皮し、環境温度変化に起因するマウント基台の
反りが抑制される。このことで、温度変化に対するレー
ザダイオードと光ファイバ（レンズドファイバ）との光
結合特性が安定し、環境温度変化の影響を抑制して安定
した一定の光出力（要求基準を十分に満たす光出力）が
得られるものである。特に、複合モジュールのように反
射鏡１０を持ったレンズ系のモジュールには効果的であ
る。

【００３５】また、レンズドファイバ１７を用いたレー
ザダイオードモジュールにおいてはモニタ電流が安定化
する。すなわち、各部材の線膨張率差に起因する光軸方
向のファイバ（レンズドファイバ）とレーザダイオード
との相対的な位置関係の変化（変位）が抑えられ、レン
ズドファイバからレーザダイオードへの近端反射量の変
動が抑制されることで、環境温度変化に伴うモニタ電流
の変化量を低減でき、これにより、モニタ電流を用いて
のレーザダイオードの駆動制御の信頼性が高まり、広い
温度範囲において、より安定的なレーザダイオードの光
出力を得ることができるものである。

【００３６】さらに、電子冷却素子とパッケージ基板
（パッケージの基板部）の線膨張率を同一或いはその差
が１．０×１０^-6／℃以下と小さくしている条件の下
で、マウント基台の線膨張率を電子冷却素子の基板の線
膨張率とパッケージ基板の線膨張率との間の線膨張率に
設定されることにより、あるいは、パッケージの基板部
の線膨張率と電子冷却素子の基板の線膨張率とマウント
基台の線膨張率の３者間のそれぞれ相互の線膨張率差が
１．４×１０^−６／℃以内に設定されることで、マウン
ト基台の反りに起因するレーザダイオードとレンズドフ
ァイバ間の軸ずれによる結合効率の劣化が抑制され、高
温放置でも安定した結合効率が維持される。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態例を図面
に基づき説明する。本発明はレンズを用いてレーザダイ
オードと光ファイバを光結合する方式のレーザダイオー
ドモジュールと、レンズを用いずにレーザダイオードと
レンズドファイバを光結合する方式のレーザダイオード
モジュールを提供するが、まず、レンズを用いた光結合
方式のレーザダイオードモジュールの実施形態例を説明
する。

【００３８】本実施形態例における光結合方式のレーザ
ダイオードモジュールの機械的構成は図１，図２に示す
ものと同じである。本実施形態例のレーザダイオードモ
ジュールが従来例と異なる特徴点は、パッケージ基板
（パッケージの基板部）４ａと、マウント基台として機
能するベース２もしくは電子冷却素子３の接合部材（図
１，図２においては電子冷却素子基板３ａ，３ｂ）との
線膨張率差を１．０×１０^−６℃以内に設定したことで
ある。

【００３９】一実施例として、本発明者は、図２
（ａ）、（ｂ）に示した複合光結合方式を用いたレーザ
ダイオードモジュールの構成のものを例にして、パッケ
ージ４のパッケージ基板（パッケージ基板部ともいう）
４ａの材料と、電子冷却素子３の接合部材（セラミック
基板３ａ，３ｂ）の組合せを変えて、表１に示す２種類
のレーザダイオードモジュールを試作品１，試作品２と
して試作し、従来例と光出力特性を比較した。なお、電
子冷却素子の基板３ａと基板３ｂは同じ材質（材料）で
あり、線膨張率は全く同じである。

【００４０】

【表１】

【００４１】表１中の数値は線膨張率（×１０^−６／
℃）を示す。従来例はセラミックス基板３ａ，３ｂの材
料（Ａｌ_２Ｏ_３）とパッケージ基板（基板部）４ａの材
料（Ｃｕ−Ｗ２０）の線膨張率差は１．６×１０^-6／℃
となっている。これに対し、本実施例の試作品１および
試作品２のセラミックス基板３ａ，３ｂと基板部４ａの
線膨張率差は、それぞれ０．２×１０^-6／℃および０．
８×１０^-6／℃となっている。

【００４２】上記試作品１，２と従来品について、レー
ザダイオード１を電子冷却素子３で温度調節して２５℃
に保持し、定電流駆動で発振させ、基板部４ａの温度を
変えて、光ファイバ５（５ａ）からの光出力を測定し
た。その結果を図７に示す。図７において、光出力は、
基板部４ａの温度が２５℃における光出力を基準にした
値である。

【００４３】図７から分かるように、従来品は、基板部
４ａの温度が４０℃を超えると、急激に光出力が低下
し、６０℃では０．５ｄＢ以上低下する。これに対し
て、試作品１、２は６０℃においても、光出力の低下は
０．５ｄＢ以内である。通常、レーザダイオードモジュ
ールの温度上昇による光出力の低下は、使用温度環境に
おいて、０．５ｄＢが許容限界とされているので、試作
品１、２は実用に適したものである。

【００４４】本発明者の検討によれば、電子冷却素子３
のセラミックス基板３ａ，３ｂの材料とパッケージ４の
基板部４ａの材料の線膨張率差が１．０×１０^-6／℃以
下であると、光出力の低下は高温の使用環境において
０．５ｄＢ以下であり、許容範囲内に入る。

【００４５】なお、電子冷却素子３のセラミックス基板
３ａ，３ｂとパッケージ４の基板部４ａの材料の組合せ
は、上記試作例に限定されず、例えば、セラミックス基
板３ａ，３ｂをＡｌＮ（線膨張率４．５×１０^-6／℃）
とし、パッケージ４の基板部４ａをＷ（線膨張率４．５
×１０^-6／℃）又はＭｏ（線膨張率５．１×１０^-6／
℃）にしてもよい。

【００４６】また、本発明におけるレーザダイオードモ
ジュールは、マウント基台のベース２が直接パッケージ
４の基板部４ａに接合する構成としてもよく、その場合
のベース２と基板部４ａの材料の線膨張率差についても
同様に上記の検討結果が適用できる。つまり、ベース２
の線膨張率と基板部４ａの線膨張率との差を１．０×１
０^-6／℃以下に設定することにより、実用に適した安定
光出力のレーザダイオードモジュールとすることができ
る。

【００４７】次に、レンズを使用せずにレーザダイオー
ドとレンズドファイバを光接続する方式（以下、レンズ
ドファイバ光結合方式という）の本発明のレーザダイオ
ードモジュールの実施形態例を説明する。このレンズド
ファイバ光結合方式の本実施形態例のレーザダイオード
モジュールの機械的構成は前述した図４に示すものと同
様であり、その機械的構成（機械的構造）の説明は省略
する。本実施形態例のレンズドファイバ光結合方式のレ
ーザダイオードモジュールが従来のレンズドファイバ光
結合方式のレーザダイオードモジュールと異なる特徴点
は、マウント基台である、ベース２と電子冷却素子３の
基板３ａ，３ｂとパッケージ基板４ａとの線膨張率を特
有な関係に設定したことである。

【００４８】この線膨張率の特有な関係は本発明者の次
の検討結果に基づいて設定されている。すなわち、レー
ザダイオードモジュールの光結合系をパッケージ４内に
保持している、パッケージ基板４ａ、電子冷却素子３、
ベース２により構成される光学系の固定構造は、これら
の部材が半田等によりバイメタル状に結合されたものと
見ることができる。従って、前述したレンズドファイバ
光結合方式の（Ａ）の問題点が生じる高温の温度ストレ
スが継続的にかかる場合、高温度環境での部材間の変位
の歪が長期的に光結合系に加わっていると考えられる。
そしてそれが長期にわたる場合、不可逆的な変位となっ
てレンズドファイバ１７とレーザダイオード１の光結合
劣化を引き起こす。

【００４９】従来例のレンズドファイバ光結合方式のレ
ーザダイオードモジュールは下側のパッケージ基板４ａ
から電子冷却素子基板（３ａ，３ｂ：基板３ａと基板３
ｂの線膨張率は同じ）、ベース２と順に上側に向かうに
つれ線膨張率が小さくなっていくため、バイメタルの機
能性を持ち、温度によるバイメタル的変位が助長され、
温度による反り等の変位がより大きくなるものと考えら
れる。

【００５０】また、モニタ素子２３のモニタ電流の不安
定性は、温度に対し周期的に起こることが本発明者によ
り確認されている。図８にその一例を示す。ここで、グ
ラフ横軸には、パッケージ４下面の温度であるケース温
度が示されている。レーザダイオードモジュールの環境
温度はケース温度（パッケージ４の温度）によって定義
されることが多く、そのため、本願の明細書、図面では
環境温度をケース温度によって表示している。

【００５１】本発明者は、温度不安定に起因するモニタ
電流の周期現象の原因を調べるべく、光学ベンチにレー
ザダイオードモジュールの光結合系を再現し、光ファイ
バとレーザダイオード１の位置関係を変化させることに
伴うモニタ電流の変動を評価した。その結果、互いに対
向する光ファイバ先端とレーザダイオード１の出射端面
間の距離に依存して周期的にモニタ電流が変化するこ
と、および、その周期がおよそレーザダイオード１が出
射するレーザ光の波長に一致することが確認された。

【００５２】この事実をレーザダイオードモジュールの
環境温度変動に対するモニタ電流の変動の傾向とあわせ
て考えると、モジュール内でのレーザダイオード１とレ
ンズドファイバ１７の間の距離が環境温度の変動（変
化）に伴い、主に光軸方向に変位しているものと考える
ことができる。

【００５３】以上の検討結果を要約すると、レーザダイ
オードモジュールの光学系を保持しているパッケージ基
板４ａと基板３ａ３ｂを含む電子冷却素子３とベース２
とから成る光学系固定構造の温度によるバイメタル的変
位によってベース２が反り変形し、レーザダイオード１
とレンズドファイバ１７の光結合劣化が起こり、また、
温度による光学系固定構造の光軸方向の変位に起因する
レーザダイオード１とレンズドファイバ１７との光接合
端面間の周期的距離変化よって、レンズドファイバ１７
からレーザダイオード１への近端反射量が変化し、これ
によりモニタ電流が不安定化し、このモニタ電流によっ
て制御されるレーザダイオード１の出力変動が生じるも
のと考えられる。

【００５４】したがって、レーザダイオードモジュール
の出力特性を改善するためには環境温度変化に対して、
光学系固定構造がバイメタル的変位や、光軸方向の変位
を起さないように（抑制するように）、光学系固定構造
を構成するパッケージ基板４ａと電子冷却素子基板３
ａ，３ｂとベース２の線膨張率の関係を設定することが
必要となる。

【００５５】この検討結果を踏まえて、本発明者は、レ
ンズドファイバ光結合方式の本実施形態例の試作品ａ，
ｂ，ｃと従来品を作成しその特性を評価した。これら試
作品と従来品の光学系固定構造の各構成部材の材料（材
質）を表２に示す。なお、表２中の数値は線膨張率を表
している。また、従来品と試作品ａ，ｂのマウント部分
１６の材料はＣｕ−Ｗ２０（線膨張率は８．３×１０
^−６／℃）であり、試作品ｃのマウント部分１６の材料
はＣｕ−Ｗ１０（線膨張率は６．５×１０^−６／℃）で
あり、従来品と試作品ａ，ｂにおいてはレーザダイオー
ド１のマウント部分１６はベース２とは別体の部材とし
て構成されているが、試作品ｃはマウント部分１６をベ
ース２と一体構造（一体成形部品）としている。

【００５６】

【表２】

【００５７】図９は試作品ａの高温放置の試験結果を示
し、図１０は試作品ｂの高温放置の試験結果を示し、図
１１は試作品ｃの高温放置の試験結果を示す。高温放置
の試験条件は前述した図６の場合と同じである。これら
何れの試作品についても高温放置試験の結果は良好であ
った。なお、従来品の高温放置の試験結果は図６に示す
ものとほぼ同様の結果となる。これらの試験結果を比較
すれば明らかなように、試作品ａ，ｂ，ｃについてはほ
ぼ同様の結果となり、従来品に対して大幅な特性改善が
認められた。試験の合否判定の基準である光出力変動１
０％以内という条件に照らしてみても、これら試作品
ａ，ｂ，ｃは試験において十分に安定した特性を保ち、
合格していることが確認できた。

【００５８】従来品に対する試作品の特性改善効果は光
学系固定構造の各構成部材の材料（材質）変更により得
られたものであるが、その材料変更による特性改善の理
由として次の２つが考えられる。その１つの理由は、ベ
ース２とパッケージ基板４ａを同じ線膨張率の部材とし
たことにより、バイメタル的な歪みを相殺することで、
つまり、光学系固定構造の下側のパッケージ基板４ａと
上側のベース２とが同じ線膨張率であるため、光学系固
定構造全体のバイメタル的な変位（ベース２等の反り変
位）が抑制されることで、レーザダイオード１とレンズ
ドファイバ１７の光結合部における軸ずれが防止され、
このことにより温度に対する光結合劣化が防止されたと
考えられる。

【００５９】２つ目の理由は、上記の理由に加え、電子
冷却素子基板３ａ，３ｂと他の２つの部材間の線膨張率
差を小さくして、さらに光学系固定構造の反り変形等の
歪を抑制して光結合部における温度に対する軸ずれをよ
り一層小さくできたことによるものと考えられる。

【００６０】本発明者は、同時に、従来品と試作品ａ，
ｂ，ｃについて、環境温度変化に対する、モニタ電流の
変化についての試験を行っており、その結果を図１２に
示す。この結果を評価するに際しては、モニタ電流の変
動量自体の大きさの評価に加え、温度に対するモニタ電
流変動の周期についても評価する必要がある。

【００６１】試作品ａは従来品に対しモニタ電流の変動
量が小さく若干改善されているが、レーザダイオードモ
ジュールを使用する環境温度範囲である、ケース温度が
２５℃〜７０℃の範囲において、半周期以上の変動が見
られる。試作品ｂは試作品ａよりも同一温度範囲内での
変動周期が長くなっており、特性改善効果が確認されて
いる。試作品ｃは試作品ｂよりも同一温度範囲内での変
動周期が長くなっており、最も顕著な特性改善効果が確
認される。同一温度範囲内での変動周期が長くなるとい
うことは、レーザダイオード１に対してレンズドファイ
バ１７の光軸方向の距離変化が小さくなったことを示し
ており、温度負荷による光学系の歪みが抑制されたこと
を示している。

【００６２】使用する温度範囲内でのモニタ電流変動の
周期が半周期よりも短くなった場合（試作品ａ，ｂの結
果より、パッケージ基板４ａと電子冷却素子３ａ，３ｂ
との線膨張率差がおおよそ１×１０^−６／℃程度の場
合）、その変化曲線上において最大、最小の値が出なく
なるため、モニタ電流の使用温度範囲内での最大変動量
は減少し（レンズドファイバ１７からレーザダイオード
１への近端反射の影響が許容範囲内に収まり）、光学特
性を改善することができる。試作品ｂ，ｃは、この光学
特性改善の条件を満たし、モニタ電流の環境温度に対す
る安定性が改善される構造（構成）であることが確認さ
れた。

【００６３】上記の検討結果を踏まえ、レンズドファイ
バ光結合方式のレーザダイオードモジュールの光学系固
定構造を構成するパッケージ基板４ａと電子冷却素子基
板３ａ，３ｂとベース２の材料は次の関係を持たせた構
成とすることが望ましい。

【００６４】先ず、基本構成として、光学系固定構造の
バイメタル的構造を避けるために、電子冷却素子３を用
いる場合には、その基板３ａ，３ｂとパッケージ基板４
ａとの差を１×１０^−６／℃以下にする。電子冷却素子
３を用いない場合は、ベース２とパッケージ基板４ａは
同一材料（同一材質）の部材とするか又は略同一の線膨
張率をもった部材で構成する。ベース２とパッケージ基
板４ａを異なる線膨張率の部材で構成する場合は、両者
の線膨張率差は１×１０^−６／℃以内に設定する。この
線膨張率差は小さければ小さいほどよい。

【００６５】さらに好ましくは、温度変化によるレーザ
ダイオード１に対するレンズドファイバ１７の相対的な
変位をさらに小さくする観点から、前記基本構成の条件
を維持した上で、ベース２およびパッケージ基板４ａ
と、電子冷却素子の基板（３ａ，３ｂ）の線膨張率差を
１．４×１０^−６／℃以内（より好ましくは１×１０⁻
^６／℃以内）に抑える。この線膨張率差は小さいほどよ
い。ベース２とパッケージ基板４ａと電子冷却素子基板
（３ａ，３ｂ）の１つ以上を異なる部材で構成した場合
においても、上記基本構成の条件を維持した上で、パッ
ケージ基板（パッケージ基板部）４ａの線膨張率と電子
冷却素子基板（３ａ，３ｂ）の線膨張率とベース２の線
膨張率の３者間のそれぞれ相互の線膨張率差が１．４×
１０^−６／℃以内となるように設定する。好ましくはベ
ース２の線膨張率を基板３ａ，３ｂの線膨張率とパッケ
ージ基板４ａの線膨張率との間の線膨張率の値に設定す
る。

【００６６】さらに好ましくは、レーザダイオード１の
マウント部分１６をベース２と同一もしくは略同一の線
膨張率をもつ部材によって構成する。この構成により、
ベース２とマウント部分１６のバイメタル効果による反
りをさらに抑制できる。

【００６７】ところで、ベース２をパッケージ基板４ａ
と同一部材もしくは略同一の線膨張率をもった部材にす
ると、放熱性が高い（熱伝導度が高い）ため、溶接性が
低下し、金属製フェルール２０ａをベース２側にＹＡＧ
溶接固定することが困難となる。そのため、金属製フェ
ルール２０ａをＹＡＧ溶接によりベース２に固定するた
めには新たな工夫が必要となる。

【００６８】例えば、前記試作品ｂ，ｃの場合のよう
に、パッケージ基板４ａとベース２を共にＣｕ−Ｗ１０
で形成した場合、熱伝導率が従来品のベース２の材料で
あるＫｏｖａｒの１０倍程度と非常に良好なため、レー
ザダイオード１からの発熱熱量を効率的にパッケージ４
外に逃がすことができるという効果が得られる。

【００６９】しかしその反面、Ｃｕ−Ｗ１０は熱伝導性
が良すぎるため、溶接のための必要熱量を蓄熱すること
が困難となり、その結果としてＹＡＧ溶接には適さず、
ファイバ固定部材１８をベース２にＹＡＧ溶接固定する
には問題が生じる。この問題を解消すべく、本実施形態
例では、ベース２の上面のレンズドファイバ１７の固定
位置、つまりファイバ固定部材１８の局部固定位置に溶
接性に優れた材料、本例ではＫｏｖａｒの部材を溶接媒
介部材として、ろう付け等により固定して置き、この溶
接媒介部材に同じく溶接性に優れた材料のＫｏｖａｒ等
で形成したファイバ固定部材１８をＹＡＧ溶接固定する
ようにして上記問題を解決している。

【００７０】なお、本発明は上記実施形態例に限定され
ることなく様々な実施の形態を採り得る。レンズを用い
た光結合方式のレーザダイオードモジュールもレンズド
ファイバ光結合方式のレーザダイオードモジュールも共
に、環境温度の変化に起因する光結合の不安定化および
光出力特性の不安定化を解消する点では共通している。
この光結合の不安定化は温度による光学系固定構造のバ
イメタル的変位に起因し、光出力特性の不安定化はモニ
タ素子２３によるレーザダイオード１の制御駆動方式を
採用するレーザダイオードモジュールの光学系固定構造
の光軸方向の変位に起因する（この光出力の不安定化は
特にレンズドファイバ光結合方式のレーザダイオードモ
ジュールにおいて問題となる）。前記光学系固定構造は
レンズを用いた光結合方式とレンズドファイバ光結合方
式のレーザダイオードモジュールに共通の構成態様で使
用される。

【００７１】したがって、上記実施形態例のレンズドフ
ァイバ光結合方式で検討したバイメタル的変位の抑制事
項はレンズ光結合方式（複合光結合方式を含む）のレー
ザダイオードモジュールにおけるバイメタル的変位の抑
制手段として適用可能である。また、レンズ光結合方式
（複合光結合方式を含む）のレーザダイオードモジュー
ルの実施形態例の光学系固定構造およびレーザダイオー
ド１のベース２に対するマウント構造は同じバイメタル
変位を防止するレンズドファイバ光結合方式のレーザダ
イオードモジュールの構成として適用可能である。

【００７２】例えば、図１，図２に示したレンズ光結合
方式のレーザダイオードモジュールでは、マウント部分
１６はベース２と一体成形品の例で示されているが、マ
ウント部分１６とベース２は別部材として形成してもよ
く、その場合は、両者の部材の線膨張率は同一もしくは
略同一とすることが望まれる。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
温環境下においても、レーザダイオードと光ファイバの
光結合効率の低下を許容範囲内に抑えることができると
いう優れた効果がある。

【００７４】特に、マウント基台を、電子冷却素子を介
してパッケージのパッケージ基板（パッケージの基板
部）に結合（固定）する本発明のレーザダイオードモジ
ュールにおいては、パッケージ基板（パッケージの基板
部）と、マウント基台と、電子冷却素子の基板との各部
材の線膨張率を選定し、パッケージ基板とマウント基台
の線膨張率差を小さく（望ましくは両者の線膨張率を同
一、もしくは略同一とする）基本条件を満たすことで、
高温環境における光学系のバイメタル的な反りを防止
し、この反りに起因して長期にわたり恒久的に引き起こ
される軸ずれ（レーザダイオードと光ファイバ（レンズ
ドファイバを含む）との光結合の軸ずれ）による光結合
効率の低下を抑え、高い信頼度をもつレーザダイオード
モジュールを得ることができる。

【００７５】さらに、理想的にはパッケージ基板（パッ
ケージの基板部）と、マウント基台と、電子冷却素子の
基板との各部材の線膨張率を一致させればよいが、仕様
や、製造の都合上、各部材の線膨張率一致させることが
できない場合においても、前記基本条件を満たした上
で、電子冷却素子の基板の線膨張率をパッケージ基板お
よびマウント基台の線膨張率と調整し、電子冷却素子の
基板と、パッケージ基板およびマウント基台との線膨張
率差を小さく設定することにより、好ましくは、マウン
ト基台の線膨張率を、パッケージ基板の線膨張率と電子
冷却素子の基板の線膨張率との間の線膨張率の値に設定
することにより、環境温度変動による各部材の線膨張率
差に起因するレーザダイオードと光ファイバの高温放置
による軸ずれ劣化を防止し、長期的に信頼性の高いモジ
ュールを提供する。

【００７６】さらに、電子冷却素子基板とパッケージ基
板との線膨張率差を小さくしてレーザダイオードに対す
る光ファイバ（レンズドファイバ）の相対的な変位を抑
え、この距離変化に起因して生じるレンズドファイバか
らレーザダイオードへの近端放射の変動量を抑制してモ
ニタ電流の変化量を低減することができる。したがっ
て、特に、このモニタ電流に基づいてレーザダイオード
の出力制御を行うレンズドファイバ光結合方式のレーザ
ダイオードモジュールにあっては、広い温度範囲にわた
って、より高安定なレーザダイオードモジュールの光出
力を得ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レンズ光結合方式のレーザダイオードモジュー
ルの断面説明図である。

【図２】複合光結合方式のレーザダイオードモジュール
を示す図であり、（ａ）はレーザダイオードモジュール
の平面説明図であり、（ｂ）はレーザダイオードモジュ
ールの要部側面説明図である。

【図３】レンズドファイバ光結合方式のレーザダイオー
ドモジュールの断面説明図である。

【図４】レンズドファイバ光結合方式の他のレーザダイ
オードモジュールの断面説明図である。

【図５】レンズドファイバの光接続先端部の形状説明図
であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図であ
る。

【図６】レンズドファイバ光結合方式の従来のレーザダ
イオードモジュールの高温放置試験結果を示すグラフで
ある。

【図７】本発明にかかるレンズ光結合方式のレーザダイ
オードモジュールの一実施形態例における、パッケージ
基板部の温度と光出力の関係を従来品との比較状態で示
す図である。

【図８】従来のレンズドファイバ光結合方式レーザダイ
オードモジュールの環境温度（ケース温度）に対するモ
ニタ電流変動の関係を示すグラフである。

【図９】レンズドファイバ光結合方式の試作品ａの高温
放置試験結果のグラフである。

【図１０】レンズドファイバ光結合方式の試作品ｂの高
温放置試験結果のグラフである。

【図１１】レンズドファイバ光結合方式の試作品ｃの高
温放置試験結果のグラフである。

【図１２】レンズドファイバ光結合方式の試作品ａ，
ｂ，ｃの環境温度（ケース温度）に対するモニタ電流変
動の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１レーザダイオード２ベース３電子冷却素子３ａ，３ｂ電子冷却素子基板４パッケージ４ａパッケージ基板５光ファイバ１６マウント部分１７レンズドファイバ２０ａ金属製フェルール２３モニタ素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者清水健男東京都千代田区丸の内２丁目６番１号古河電気工業株式会社内Ｆターム(参考） 2H037 BA03 CA08 CA37 DA04 DA17 DA35 DA38 5E322 AA11 AB07 AB09 AB10 DC01 5F073 AB27 AB28 BA01 EA15 EA28 EA29 FA02 FA06 FA15 FA22 FA25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザダイオードがマウントされたマウ
ント基台がパッケージ内に収容され、該マウント基台が
直接、あるいは電子冷却素子を介してパッケージの基板
部に接合され、レーザダイオードから出力された光を光
ファイバに光結合するレーザダイオードモジュールにお
いて、パッケージの基板部と、該基板部に接合するマウ
ント基台もしくは電子冷却素子の基板との線膨張率差が
１．０×１０^-6／℃以下に設定されていることを特徴と
するレーザダイオードモジュール。
【請求項２】レーザダイオードがマウントされたマウ
ント基台がパッケージ内に収容され、該マウント基台が
電子冷却素子を介してパッケージの基板部に接合され、
レーザダイオードから出力された光を光ファイバに光結
合するレーザダイオードモジュールにおいて、電子冷却
素子は前記マウント基台およびパッケージの基板部にそ
れぞれ接合する基板を持ち、パッケージの基板部の線膨
張率と、電子冷却素子の基板の線膨張率と、マウント基
台の線膨張率の３者間の相互の線膨張率差がそれぞれ
１．４×１０^−６／℃以内に設定されているレーザダイ
オードモジュール。
【請求項３】マウント基台の線膨張率が電子冷却素子
の基板の線膨張率とパッケージの基板部の線膨張率との
間の線膨張率の値に設定されている請求項１又は請求項
２記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項４】パッケージの基板部とマウント基台は同
一の材料により形成されて、同一の線膨張率を有してい
る請求項１又は請求項２記載のレーザダイオードモジュ
ール。
【請求項５】レーザダイオードと光ファイバとの光結
合は集光レンズおよびコリメートレンズを介して行われ
ることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１つ
に記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項６】光ファイバはその先端部に加工形成され
たレンズ部を持つレンズドファイバであり、レーザダイ
オードと光ファイバとの光結合は光ファイバ先端の前記
レンズ部を介して行われることを特徴とする請求項１乃
至請求項４の何れか１つに記載のレーザダイオードモジ
ュール。
【請求項７】マウント基台上面のレンズドファイバ固
定部位には溶接接合性を有する溶接媒介部材が固定さ
れ、この溶接媒介部材に溶接接合性を有するファイバ固
定部材がＹＡＧ溶接され、レンズドファイバはこのファ
イバ固定部材に固定されてマウント基台にマウントされ
ている請求項６記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項８】マウント基台には少なくともレーザダイ
オードからの出射光をコリメートするコリメートレンズ
がマウントされ、このコリメートレンズからの出射光を
反射する反射鏡と、この反射鏡からの反射光が結合レン
ズによって光ファイバに光結合する請求項１乃至請求項
４の何れか１つに記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項９】レーザダイオードはマウント基台上に台
状のマウント部分を介してマウントされており、このマ
ウント部分はマウント基台と同一材料の部材によって構
成されている請求項１乃至請求項８の何れか１つに記載
のレーザダイオードモジュール。