JP2004207434A - 光モジュールおよび光送信器 - Google Patents
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Abstract
【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
Description
【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Qin 2と等しく下記の式(1)で示される。
【0043】
QOut1=Qin2=Qin 1+QP1 ・・・(1)
【0044】
さらに、第1の電子冷却素子17の内部発熱量をQP 2とすると、それの排熱量Qout2は、式(2)となる。
【0045】
QOut2=Qin2+QP 2 ・・・(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
Claims (15)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
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