JP2011151209A - 光結合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光結合の精度を維持しつつ、光結合装置の軽量化・小型化を実現すること。
【解決手段】光結合装置１は、パッケージ６の底板６ａが０．６ミリメートル以下の厚さを有する光結合装置であり、ペルチェ素子５の光軸方向の長さＷ１に対する、ペルチェ素子５と側壁６ｂとの光軸方向の距離Ｗ２の比率、が０．５１より大きく、且つ、ペルチェ素子５の光軸方向の長さＷ１に対する、基板部材４の光軸方向の長さＷ３の比率、が０．８５以下であり、且つ、基板部材４の光軸方向の中心Ｏ２が、ペルチェ素子５の光軸方向の中心Ｏ１よりも側壁６ｂ寄りに位置している。
【選択図】図１

Description

本発明は、光結合装置に関する。

レンズを介して、レーザと光ファイバとの光結合を行う光結合装置が知られている。

図４は、このような光結合装置の簡単な構成を示す図であり、光結合装置の断面図を示す図である。

同図に示す光結合装置４１は、レーザ４２と、レーザ４２から出力されるレーザ光を集光するレンズ４３と、レーザ４２とレンズ４３とが設置された基板部材４４と、基板部材４４が設置され、レーザ４２の温度を調整するペルチェ素子４５と、これらが収容されるパッケージ４６と、レンズ４３を透過した光が結合される光ファイバ４７と、を含む。パッケージ４６は、破線で示されるレーザ光の光軸と略垂直な壁を有し、パッケージ４６の底板４６ａにペルチェ素子４５が設置されている。また、パッケージ４６には、上述の壁を貫通する貫通孔部４６ｂが光軸上に形成され、この貫通孔部４６ｂに光ファイバ４７が連絡されている。

このような光結合装置４１は、例えば−５度から７５度の環境温度下で動作することが求められる。環境温度の変化に伴い生じる熱変形によって光ファイバ４７に対して光軸がほんの少しでもずれると、光ファイバ４７に結合される光の量が大きく減少してしまい、その結果、光結合の精度が大きく落ちる。そこで、このような光結合装置４１では、熱変形が発生しても、光結合の精度が落ちないよう工夫が施されている。

例えば、下記特許文献１では、下記に示すような工夫が施されている。図５は、下記特許文献１で想定された熱変形の様子を示す図である。同図に示すように、熱変形により、底板４６ａ全体が凹型に変形する。そこで、下記特許文献１では、このような熱変形が発生しても、光ファイバ４７に対する光軸のずれが小さくなるよう、ペルチェ素子４５を貫通孔部４６ｂになるべく近づけるようにしている。

具体的には、ペルチェ素子４５が、ペルチェ素子４５の光軸方向の長さｗ（図４参照）に対するペルチェ素子４５と上述の壁との距離ｌ（図４参照）の比率が０．５１以下になるように配置されている（特許文献１の第００３４段落参照）。こうすることにより、ペルチェ素子４５が、底板４６ａの真ん中よりも右側に配置されるようになり、光ファイバ４７に対する光軸のずれが小さくなるよう配慮されている。

特開２００３−２６２７６６号公報

しかしながら、熱変形の態様は、図５に示す態様ばかりではない。例えば、底板４６ａの厚さが０．６ミリメートル以下である場合、底板４６ａ全体が変形するのではなく、主に、底板４６ａのうちのペルチェ素子４５に接する部分が凹型に変形することがわかっている。つまり、底板４６ａの厚さが０．６ミリメートル以下である場合、熱変形の態様が図５に示す態様とは異なる。

そのため、底板４６ａの厚さが０．６ミリメートル以下である場合、特許文献１に記載の技術を適用しても、熱変形が発生した場合に光結合の精度が落ちてしまうという問題がある。そのため、底板４６ａの厚さを０．６ミリメートル以下にして、光結合装置４１を軽量化・小型化することが困難であった。

なお、ペルチェ素子４５の小型化が進み、長さｗに対する長さｌの比率を０．５１以下にすることが困難であるという実情もある。

本発明の目的は、光結合の精度を維持しつつ、光結合装置の軽量化・小型化を実現することである。

上記課題を解決するために、本発明に係る光結合装置は、レーザ素子と、前記レーザ素子から出力されるレーザ光を集光するレンズと、前記レーザ素子と前記レンズとが設置された基板部材と、前記基板部材が設置され、前記レーザ素子の温度を調整する温度制御素子と、前記レーザ素子と、前記レンズと、前記基板部材と、前記温度制御素子と、を収納してなる容器であって、前記レーザ素子から出力されるレーザ光の光軸と略垂直な壁を有し、且つ、該壁を貫通する貫通孔部が前記光軸上に形成された容器と、前記貫通孔部に連絡され、前記レンズを透過した光が結合される光ファイバと、を含み、前記温度制御素子が前記容器の底板に設置され、前記底板が０．６ミリメートル以下の厚さを有する光結合装置において、前記温度制御素子の前記光軸に平行な光軸方向の長さに対する、該温度制御素子と前記壁との前記光軸方向の距離の比率、が０．５１より大きく、且つ、前記温度制御素子の前記光軸方向の長さに対する、前記基板部材の前記光軸方向の長さの比率、が０．８５以下であり、且つ、前記基板部材の前記光軸方向の中心が、前記温度制御素子の前記光軸方向の中心よりも前記壁寄りに位置していることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る光結合装置の構成を示す図である。 熱変形を説明するための図である。 基板部材が傾く様子を示す図である。 光結合装置の簡単な構成を示す図である。 熱変形の様子を示す図である。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る光結合装置１の断面図であり、光結合装置１の構成を示す図である。同図に示すように、光結合装置１は、レーザ２と、レーザ２から出力されるレーザ光を集光するレンズ３と、レーザ２とレンズ３とが設置された基板部材４と、前記基板部材４が設置され、レーザ２の温度を調整するペルチェ素子（温度制御素子）５と、パッケージ（容器）６と、レンズ３を透過した光が結合する光ファイバ７と、を含む。レーザ２と、レンズ３と、基板部材４と、ペルチェ素子５と、はパッケージ６に収容される。

レーザ２は、レーザ光を出力する。図１に示される破線は、レーザ光の光軸を示している。

レンズ３は、レーザ２から出力されたレーザ光を集光する。上述のように、レーザ２と、レンズ３と、は基板部材４上に設置されている。

基板部材４は、上述のように、ペルチェ素子５上に設置される。図１の長さＷ３は、基板部材４の光軸方向の長さを示す。

ペルチェ素子５は、基板部材４を加熱したり冷却したりする。基板部材４を加熱したり冷却したりすることにより、ペルチェ素子５は、レーザ２の温度が所望の温度になるよう、調整する。

図１に示すように、ペルチェ素子５は、冷却基板５ａと、放熱基板５ｂと、冷却基板５ａと放熱基板５ｂとに挟まれた熱電素子５ｃと、からなる。ここでは、ペルチェ素子５は、冷却基板５ａの温度が２５℃から６０℃までの温度範囲内に収まるよう駆動制御される。一般的には、冷却基板５ａと放熱基板５ｂとの材質はアルミナであり、熱電素子５ｃの材質はビスマステルル合金である。また、ペルチェ素子５の光軸方向（すなわち、光軸と平行な方向）の長さＷ１は、２ミリメートルから４ミリメートルである。

パッケージ６は、底板６ａと、側壁６ｂ，６ｃと、側壁６ｂを貫通する貫通孔６ｄと、を含む。底板６ａは、光軸方向と平行な板であり、ペルチェ素子５が設置される。底板６ａは、ペルチェ素子５の発する熱を放熱する役割を有し、その材質は、一般的には、銅の含有率が１０パーセントから２０パーセントである銅タングステンである。ここでは、光結合装置１を軽量化・小型化するため、底板６ａの厚さは、０．６ミリメートル以下に設定されている。側壁６ｂ，６ｃは、光軸方向と略垂直な壁であり、側壁６ｂの材質は、一般的には、鉄ニッケルコバルト合金である。貫通孔６ｄは、光軸上に形成され、その材質は、一般的には、鉄ニッケルコバルト合金である。なお、パッケージ６の光軸方向の長さは、概ね、５ミリメートルから３０ミリメートルである。

ここで、ペルチェ素子５と側壁６ｂとの光軸方向の距離であり、ペルチェ素子５と側壁６ｂの内壁面との距離でもある距離Ｗ２は、１ミリメートルから３ミリメートルに設定される。これは、部品同士の干渉を避けるためである。

光ファイバ７は、貫通孔６ｄに連絡される。すなわち、光ファイバ７は、貫通孔６ｄに挿入される。上述のように、光ファイバ７には、レンズ３を透過した光が結合されることとなる。

以下、側壁６ｂのうちの、貫通孔６ｄより下の部分を下壁と呼び、側壁６ｂのうちの、貫通孔６ｄより上の部分を上壁と呼ぶ。

この光結合装置１では、以下に説明するように、熱変形が発生する。図２は、熱変形を説明するための図である。

すなわち、側壁６ｂが、外気温度に応じて熱膨張する。そのため、下壁が膨張し、下壁が図１の上方向に伸びる。その結果、貫通孔６ｄが、図１の上方向に移動する。例えば、側壁６ｂの材質である鉄ニッケルコバルト合金の線膨張係数は５．４であるので、外気温度が２５℃から７５℃に変化した場合、底板６ａと貫通孔６ｄとの距離が３ミリメートルであるとき、貫通孔６ｄは、０．８マイクロメートルだけ上方向に移動する。

また、上述のように、冷却基板５ａの温度が２５℃から６０℃までの温度範囲内に収まるようペルチェ素子５が駆動制御されるため、外気温度が２５℃から７５℃に変化したときに冷却基板５ａと放熱基板５ｂとの温度差により、ペルチェ素子５は、凹型に変形する。その結果、底板６ａの厚さが０．６ミリメートル以下と薄いので、底板６ａのうちの、ペルチェ素子５が設置された部分も凹型に変形する。

光ファイバ７に対して光軸がわずかにずれただけでも、光ファイバ７に結合される光の量が大きく減少し、光結合の精度が損なわれてしまう。このことに鑑みれば、図２に示すような熱変形が生じた場合に、光結合の精度が損なわれないよう図る必要がある。

この点、この光結合装置１では、図２に示すような熱変形が生じた場合に、光結合の精度が損なわれないよう図られている。以下、この点について説明する。

上述のように、図２に示すような熱変形が発生すると、貫通孔６ｄが図１の上方向に移動することは先に述べた。この場合、光ファイバ７に導入される光の量を維持するためには、熱変形が発生した場合にレーザ２から出力されるレーザ光の仰角が大きくなるようにする必要がある。

この点、この光結合装置１では、ペルチェ素子５の光軸方向の長さＷ１に対する、基板部材４の光軸方向の長さであり基板部材４とペルチェ素子５との接合面の光軸方向の長さでもある長さＷ３の比率が、０．８５以下となるようになっている。また、基板部材４がペルチェ素子５の右側に設置されるようになっている。より詳しくは、図１に示すように、基板部材４の光軸方向の中心Ｏ２がペルチェ素子５の光軸方向の中心Ｏ１よりも側壁６ｂ寄りに位置するようになっている。

そのため、図２に示すような熱変形が発生した場合に、基板部材４が図３に示すように傾くことになるので、レーザ２から出力されるレーザ光の仰角が小さくなるのではなく、レーザ２から出力されるレーザ光の仰角が大きくなるようになっている。なお、図３は、図２に示す熱変形が発生した場合に基板部材４が傾く様子を示す図である。

但し、レーザ２と光ファイバ７との距離が小さすぎる場合、レーザ２から出力されるレーザ光の仰角を大きくしても光軸が光ファイバ７の下を通過することとなり、依然として、光ファイバ７に導入される光の量の減少を抑止することができない。

この点、この光結合装置１では、レーザ２と光ファイバ７との距離が小さくなりすぎないよう図られている。すなわち、この光結合装置１では、レーザ２と光ファイバ７との距離が小さくなりすぎないよう、ペルチェ素子５の光軸方向の長さでありペルチェ素子５と底板６ａとの接合面の光軸方向の長さでもある長さＷ１に対する、ペルチェ素子５と側壁６ｂとの光軸方向の距離でありペルチェ素子５と側壁６ｂの内壁面との距離でもある距離Ｗ２の比率、が０．５１より大きくなるように、ペルチェ素子５が底板６ａ上に設置されている。

その結果、光ファイバ７に導入される光の量が維持され、光結合の精度が損なわれなくなるようになる。

以上のように、光結合装置１では、ペルチェ素子５の光軸方向の長さＷ１に対する、ペルチェ素子５と側壁６ｂとの光軸方向の距離Ｗ２の比率、が０．５１より大きく、且つ、ペルチェ素子５の光軸方向の長さＷ１に対する、基板部材４の光軸方向の長さＷ３の比率、が０．８５以下であり、且つ、基板部材４の光軸方向の中心Ｏ２が、ペルチェ素子５の光軸方向の中心Ｏ１よりも側壁６ｂ寄りに位置しているので、底板６ａの厚さを０．６ミリメートル以下として光結合装置１を軽量化・小型化しても、光結合の精度が維持することが可能となる。

実際、ペルチェ素子５の光軸方向の長さＷ１が３．１ミリメートル、基板部材４の光軸方向の長さＷ２が長さＷ１の０．７５倍の２．７ミリメートルであり、且つ、基板部材４の光軸方向の中心Ｏ２が、ペルチェ素子５の光軸方向の中心Ｏ１より０．４５ミリメートルだけ側壁６ｂ寄りに位置している場合、外気温度が２５℃から７５℃に変化したときのレーザ光の仰角の変化は約０．０２度となることがわかっている。ここにおいて、例えば、ペルチェ素子５と側壁６ｂとの距離が長さＷ１の０．７４倍である２．３ミリメートルであるとき、光軸と側壁６ｂとの交点は、貫通孔６ｄと同様に、上方向に約０．８マイクロメートル移動することとなるので、光結合の精度が維持される。

１ 光結合装置、２ レーザ、３ レンズ、４ 基板部材、５ ペルチェ素子、５ａ 冷却基板、５ｂ 放熱基板、５ｃ 熱電素子、６ パッケージ、６ａ 底板、６ｂ，６ｃ 側壁、６ｄ 貫通孔、７ 光ファイバ。

Claims (1)

1. レーザ素子と、
   前記レーザ素子から出力されるレーザ光を集光するレンズと、
   前記レーザ素子と前記レンズとが設置された基板部材と、
   前記基板部材が設置され、前記レーザ素子の温度を調整する温度制御素子と、
   前記レーザ素子と、前記レンズと、前記基板部材と、前記温度制御素子と、を収納してなる容器であって、前記レーザ素子から出力されるレーザ光の光軸と略垂直な壁を有し、且つ、該壁を貫通する貫通孔部が前記光軸上に形成された容器と、
   前記貫通孔部に連絡され、前記レンズを透過した光が結合される光ファイバと、を含み、
   前記温度制御素子が前記容器の底板に設置され、
   前記底板が０．６ミリメートル以下の厚さを有する光結合装置において、
   前記温度制御素子の前記光軸に平行な光軸方向の長さに対する、該温度制御素子と前記壁との前記光軸方向の距離の比率、が０．５１より大きく、且つ、
   前記温度制御素子の前記光軸方向の長さに対する、前記基板部材の前記光軸方向の長さの比率、が０．８５以下であり、且つ、
   前記基板部材の前記光軸方向の中心が、前記温度制御素子の前記光軸方向の中心よりも前記壁寄りに位置していること、
   を特徴とする光結合装置。

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