JP4204476B2 - 波長モニタ装置、光モジュールおよび光モジュールの組立方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ光源の発振波長をモニタする波長モニタ装置、およびレーザ光を出力する光モジュール、および光モジュールの組立方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、複数の光ファイバに夫々1つの光信号を伝送させるかの如く、波長の異なる多数の光信号を多重化させて1本の光ファイバ内に伝送させる波長分割多重(Wavelength Division Multiplexing ;以下、WDMという)方式に関わる技術が開発されている。WDM方式では、例えば1波あたりで数Gbitの帯域を確保し、1本の光ファイバに数十波(数百Gbit)の波長を多重化させて伝送することにより、多重化する波長の数を増加することによって伝送容量を増加させることができる。
【0003】
WDM方式では、異なる波長帯域の光信号を高密度に多重化するために、各波長帯域の間隔を(例えば50GHzのように)狭くするとともにその重なりを避けて、それぞれの波長帯域を精度よく安定化させる必要がある。このWDM方式に適用する光通信用デバイスとして、搭載するレーザダイオード(以下LD素子)の発振波長を安定化させ、LD素子から出射される特定の波長帯域の光信号を光ファイバから出力する光モジュールが用いられている。この場合、波長帯域の異なる複数の光モジュールのそれぞれの光ファイバから出力された光信号を、光カプラを介して1本の光ファイバーに入射させることによって波長の多重化が行われる。
【0004】
先行技術1.
この種の従来の光モジュールとして、特開2001−291928号公報がある。この公報には、LD素子の発振波長をモニタし、LD素子の温度を調整することによって波長をロックさせる光モジュールが記載されている。同公報には、前方向および後方向にレーザ光を光信号として出力するLD素子と、LD素子の後方から出力された光信号を受光すると共に透過させる半透明構造の第1のフォトダイオード(以下フォトダイオードをPD素子と称する)と、第1のPD素子を透過した光信号が入射し、波長に依存した透過特性を有するエタロンフィルタから成る波長フィルタと、波長フィルタを透過した光信号を受光する第2のPD素子とが、夫々直列に配列されて構成された光モジュールが開示されている。この光モジュールでは、第1のPD素子の出力電流と第2のPD素子の出力電流を除算し、その除算結果が波長に応じて増加もしくは減少する特性を有する点を利用してLD素子の発振波長をモニタし、このモニタ結果に応じてLD素子付近の温度制御を行う。また、第1のPD素子の出力電流に基いてLD素子の出力光の強度をモニタする。
【0005】
しかし、このような光モジュールは、第1のPD素子に半透明構造を有するPD素子を用いて、第1のPD素子の透過光を波長フィルタおよび第2のPD素子に連続して入射させるため、波長フィルタを透過し第2のPD素子で受光される光信号の光量が第1のPD素子の透過に伴って減少し、その結果、第1,第2のPD素子の出力電流の比が大きくなり、それに応じて信号のS/N特性が劣化してLD素子の発振波長のモニタ性能が悪くなるという問題があった。
【0006】
先行技術2.
また、上記公報には、LD素子の後方から出力されたレーザ光を2分岐させるビームスプリッタと、ビームスプリッタで2分岐された光信号のうち、一方の光信号を受光する第1のPD素子と、他方の光信号が通過する波長フィルタと、この波長フィルタを通過した光信号を受光する第2のPD素子とを設けることにより、第1、第2のPD素子の出力電流に基いてLD素子の発振波長をモニタするとともに、第1のPD素子によってLD素子の出力光の強度をモニタする技術についても記載されている。また、これと同種の技術が、特開2000−56185号公報、および特開2001−244557号公報にも開示されている。
【0007】
これらの先行技術1、2に記載された従来技術には、いずれも波長フィルタとして用いる光学部品の具体的な構成例について開示されておらず、光モジュール内へ光学部品を配置した際に温度環境の変化によって光学部品に生じる問題点や、複数の光学部品を保持するための構造については言及されていない。また、特開2000−56185号公報には、波長フィルタを基板に対して半田や接着剤で固定する点が記載されているものの、LD素子から基板に平行な方向に出射されたレーザ光が通過するように波長フィルタを基板に直立させて保持する際、その厚みを考慮して波長フィルタを固定するための具体的な保持構造については開示されていない。
【0008】
先行技術3.
一方、特開2001−244557号公報には、光学部品として、エタロン結晶構造を有する複屈折結晶と、偏光子とを並置して波長フィルタを構成し、波長フィルタの通過光を複数の受光素子で受光することによって、LD素子の発振波長をモニタする技術が記載されている。特に、同公報の第8図には、結晶温度の増加に伴って一方の結晶の屈折率が増加すると共に他方の結晶の屈折率が減少するような2枚の複屈折結晶を並置し、結晶温度に対する屈折率の変化を相殺する波長フィルタの例が開示されており、2枚の複屈折結晶としてYVO4結晶とβ−BaB2O4結晶を組合わせて用いる例が記載されている。
【0009】
しかし、この複屈折結晶の厚みはいずれも約0.05mmと薄く割れ易いため、光モジュール内に配置するには取り扱い難いものとなる。また、同公報には、LD素子から出射されたレーザ光が連通するように、複数の波長フィルタを光モジュール内に固定するための具体的な構造について開示されておらず、波長フィルタの固定に伴って発生する問題点についても開示されていない。
【0010】
なお、同公報の第8図には、先行技術2と同様、ビームスプリッタで2分岐させた信号を2つのPD素子で受光することによって波長をモニタする点が記載されている。
【0011】
このような厚みの薄い複屈折結晶を光モジュール内に搭載するにあたり、発明者等の実施した研究目的のための実験や検討によって次の課題が判明した。
【0012】
複屈折結晶の厚みが、例えば1mm以下と薄い場合、これら複屈折結晶を光モジュール内で直立させて保持するためには、光モジュール内に金属製のホルダを配置し、複屈折結晶におけるレーザ光の入射もしくは出射面を、該金属ホルダに対して接合して保持する必要がある。
【0013】
ところが、例えばこの複屈折結晶を金属ホルダに半田接合すると、金属ホルダと複屈折結晶の線膨張係数の差によって接合部に熱応力が発生し、その残留応力による歪みによって光学特性が劣化したり、半田収縮の際の応力変化によって接合部の周辺で割れやクラックが発生して、複屈折結晶が損傷するものがあることが明らかになった。さらに、この損傷は、金属ホルダとして複屈折結晶の線膨張係数に近いものを選定した場合にも同様に発生した。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の光モジュールでは、以下のような問題点があった。
先行技術1の光モジュールは、LD素子の光路上に直列に並べられた波長フィルタの前段と後段に第1、第2のPD素子を配置するため、PD素子が配列方向に長くなって、光モジュールの小型化の妨げになるという問題があった。
【0015】
また、先行技術2の光モジュールは、光モジュールの底面に平行な面内でビームスプリッタによって2分岐された光信号を、同面内におけるLD素子の出射方向の両脇における異なる位置に配置された第1、第2のPD素子で、夫々受光するため、光モジュールの底面に平行な面内において第1、第2のPD素子モジュールの実装に占める面積が大きくなり、光モジュールの小型化を妨げるという問題があった。
【0016】
また、第1、第2のPD素子を互いに離間した位置に設置するとともに、ビームスプリッタで直交方向に分岐される夫々の光軸の方向に合致するように、第1、第2のPD素子の光軸のアライメントを調整する必要があって、各光学部品を光モジュール内に固定する際にその調整に手間を要するという問題があった。
【0017】
なお、先行技術3についても、これと同様の課題を有していた。
さらに、先行技術1〜3には、いずれも複数の光学部品から成る波長フィルタを、基板に直立させて保持するための具体的な保持構造については開示されていなかった。
【0018】
そこで、発明者等は、波長フィルタを金属ホルダに接合させて、波長フィルタがLD素子の後方出射光を受けるように、該金属ホルダを光モジュール内に配置する構成を検討したところ、上述したように発明者等の実験によって、複屈折結晶を金属ホルダに接合した後に、接合部周辺に割れやクラックが発生するものがあることが判明した。
【0019】
発明者等がその原因を調べたところ、金属ホルダと複屈折結晶の線膨張係数を近づけても、複屈折結晶が異方性を有して特定の方向(光学軸方向)に線膨張係数が大きいことから、線膨張係数の差に起因する熱応力が接合部に発生することが明らかになった。
【0020】
また、これらの複屈折結晶は端縁が切断された切断縁を有し、この切断縁を含めて複屈折結晶が金属ホルダに接合された後、この切断縁に存在する微少なクラックやひび割れに熱応力が作用して、微少なクラックやひび割れが生長し、複屈折結晶が損傷したり光学特性が劣化することも明らかになった。
【0021】
この発明は、係る課題を解決するためになされたものであって、複数の光学部品から成る波長フィルタ、またはLD素子の出力光と波長フィルタの透過光の光量を測定するPD素子を、光モジュール内に載置する際に、波長フィルタまたはPD素子が、光モジュール内に占める面積が小さくなるように効率良く配置することを目的とする。
【0022】
また、波長フィルタまたはPD素子以外の他の部品を実装するためのスペースを、より大きくとるための実装構造を得ることを目的とする。
【0023】
さらに、光学特性の劣化、もしくは温度変化に応じた光学部品の損傷を生じることなく波長フィルタを光モジュールに固定するための保持構造を得ることを目的とする。
【0024】
【課題を解決するための手段】
この発明による波長モニタ装置は、レーザダイオードと、上記レーザダイオードの出射光を受光する光検出器と、上記レーザダイオードと上記光検出器の間に配置された波長フィルタと、上記波長フィルタの一端部における入射面または出射面のいずれか一方の面における一部を接合する突出部を有する保持部材とを備えたものである。また、上記波長フィルタは、複屈折結晶と偏光子から成り、上記保持部材の突出部は、上記複屈折結晶を接合する第1の突出部と、上記偏光子を接合する第2の突出部を有したものである。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる波長モニタ装置、光モジュールおよび光モジュールの組立方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【0026】
実施の形態1.
この発明の実施の形態1は、波長フィルタを構成する複屈折結晶や偏光子等の光学部品が接合された金属ホルダを有し、該金属ホルダを光信号の光路上に配置した波長モニタ装置と、波長モニタ装置を搭載し光信号を出力する光モジュールと、波長モニタ装置によるモニタ結果に基づいて光モジュールからの出力光の波長および強度を調整する光送信器に関するものである。この実施の形態による発明の構成を説明するに先立って、複屈折結晶を用いた波長フィルタの基本原理について説明する。
【0027】
本出願人の発明者等が先に出願した特願2001−336583号の明細書には、軸方位により屈折率が異なる光学異方性を有した一軸性の複屈折結晶を、波長に応じて透過光の偏光方向を変化させる波長板として用い、この波長板の透過光を偏光子に通過させ、偏光子の透過光の強度が波長に応じて変化する特性を利用することにより、レーザ光の波長を弁別する波長フィルタに関する技術が記載されている。
【0028】
この波長フィルタでは、YVO4結晶とLiNbO3結晶(以下LN結晶と称する)の2枚の複屈折結晶を並置して波長板を形成し、結晶温度に対する屈折率変化を相殺している。このYVO4結晶とLN結晶は、安価で量産し易く、かつ結晶温度の変化に伴う結晶の屈折率変化の方向が互いに反対の方向となっている。
【0029】
また、YVO4結晶及びLN結晶として、それぞれ厚みが約0.97mm及び約0.15mmのものを用いることにより、依然として厚みが薄いものの、結晶を割れ難くかつ取り扱い易いものとしている。
【0030】
これらの複屈折結晶において、他の2軸と屈折率の異なるある特定の軸方向を光学軸(c軸)とし、この光学軸に垂直な軸方向をa軸と称する。なお、一般にYVO4結晶はアイソレータ等に用いられ、LN結晶はマハツェンダー型光変調器の導波路等に用いられており、比較的入手し易い光学結晶である。
【0031】
これらの複屈折結晶には、入射するレーザ光の進行方向に垂直な面内に、互いに直交方向に向いたファースト軸とスロー軸が存在する。ファースト軸方向の偏光は感じる屈折率が小さく、位相速度が速い。スロー軸方向の偏光は屈折率が大きく、位相速度が遅い。
【0032】
従って、直交する両偏光成分をもつレーザ光がこれらの複屈折結晶に入射すると、その出力光はその両軸に沿って位相ずれを起こし、偏光状態が変化する。位相ずれ量δは、レーザ光の波長をλ、c軸方向およびa軸方向の偏光が感じる屈折率をそれぞれne、no、レーザ光伝播方向長さをLとすると、δ=2π(ne−no)L/λで与えられ、波長λに応じた関数となる(なお、δ=1/4π、1/2πとなるものは、特にそれぞれ四分の一波長板、二分の一波長板と呼ぶ)。
【0033】
これら複屈折結晶を用いて波長板を構成し、さらにその後段に偏光子を配置することにより、波長に依存して通過光の強度が変化する波長フィルタが構成される。
【0034】
第14図は、上記明細書(特願2001−336583号)に記載された波長フィルタの基本動作を示す図である。第14図に示す波長フィルタは、複屈折結晶であるYVO4結晶2と、複屈折結晶であるLN結晶3と、y軸方向の偏光成分のみを透過し、それに直交したx軸方向の偏光成分を吸収または反射する偏光子4とを備え、この波長フィルタには、x軸方向に偏光成分を有したレーザ光1がz方向に沿って入射される。
【0035】
また、YVO4結晶2のc軸5は、xy平面に入射するレーザ光1の偏光方向(x軸方向)に対してxy平面上で45°傾いて配置され、YVO4結晶2のa軸6はc軸5と同一面内でc軸5に対して直交するように配置されている。YVO4結晶2のc軸方向は、位相速度が遅くて屈折率が高いスロー軸方向であり、a軸方向は、位相速度が速くて屈折率が低いファースト軸方向である。
【0036】
LN結晶3のc軸7は、x軸方向に対してxy平面上で45°傾いて配置され、LN結晶3のa軸8はc軸7と同一面内でc軸7に対して直交するように配置されている。LN結晶3のc軸7はファースト軸、a軸8はスロー軸である。
【0037】
さらに、YVO4結晶2の例として、x軸方向の長さが約2.5mm、y軸方向の長さが約2.4mm、z軸方向の厚み(板厚)LAが0.9725mmの大きさを有し、長方形に切り出された結晶の板を用いている。LN結晶3の例として、x軸方向の長さが約2.5mm、y軸方向の長さが約2.4mm、z軸方向の厚み(板厚)LBが0.1494mmの大きさを有し、長方形に切り出された結晶の板を用いている。
【0038】
ここで、第14図のz軸方向に入射したレーザ光1は、まずYVO4結晶2に入射する。YVO4結晶2に入射したレーザ光1の位相速度は、c軸方向よりもa軸方向の偏光成分の方が速いため、レーザ光1の偏光状態はYVO4結晶2を通過することにより変化する。
【0039】
この偏光状態の変化は、c軸方向とa軸方向との間の位相ずれに起因し、その位相量δは、レーザ光の波長をλ、c軸方向の屈折率とa軸方向の屈折率との差(以下、屈折率差)を△nA、YVO4結晶2のレーザ光伝播方向長さを板厚のLAとすると、δ=2π△nALA/λで表される。
【0040】
次に、YVO4結晶2を通過したレーザ光のうちz軸方向に沿って進行したレーザ光がLN結晶3に入射する。LN結晶3に入力したレーザ光の位相速度は、c軸方向よりもa軸方向の偏光成分の方が遅いため、レーザ光の偏光状態は、LN結晶3を通過することにより変化する。
【0041】
偏光状態の変化はc軸方向とa軸方向との間の位相ずれに起因し、その量δは、レーザ光の波長をλ、c軸方向の屈折率とa軸方向の屈折率との差(以下、屈折率差)を△nB、LN結晶のレーザ光伝播方向長さをLBとすると、δ=2π△nBLB/λで表される。
【0042】
このように、YVO4結晶2およびLN結晶3を通過したレーザ光のc軸方向とa軸方向との間での位相ずれδは、
δ=2π(△nA・LA+△nB・LB)/λ ・・・・式(1)
で表され、波長に依存した関数となる。このとき、温度に応じた波長の変動は、式(2)に示されるようになる。
式(2)中で、αAはYVO4結晶2のレーザ伝播方向の線膨張係数、αBはLN結晶3のレーザ伝播方向の線膨張係数である。
【数1】
【0043】
そこで、LA、LBが式(3)を満たすように、YVO4結晶2およびLN結晶3を加工すれば、式(2)の右辺はゼロとなり、理論上は温度変化による波長の変化が相殺される。
【数2】
【0044】
この一例として、例えば、YVO4結晶2およびLN結晶3の板厚が、それぞれLA =0.9725mm、LB =0.1494mmとした場合は、それらの材料特性を△nA =0.2039、△nB =−0.0731、d△nA /dT=−5.5[×10-6/K]、d△nB /dT=31.1[×10-6/K]、αA=4.5[×10-6/K]、αB =15.7[×10-6/K]とすることによって、式(3)が成立し、温度変化によるそれぞれの△nの変化を互いに相殺して理論上はδの変化がゼロとなり、温度に応じた波長の変化が抑圧される。
【0045】
この位相ずれ量δを使用して偏光子4を通過したレーザ光9の強度Ipを求めると、偏光子4がy軸方向の偏光成分のみを透過させる特性を有し、YVO4結晶2およびLN結晶3のc軸方向がx軸方向に対して45°傾いているので、偏光子4を通過した直後のレーザ光の強度Ipは、ジョーンズマトリックスにおいて角度を45°として計算することにより、式(4)に示すようになる。
Ip=sin(δ/2)2 ・・・・ 式(4)
【0046】
一方、もし偏光子4にx軸方向の偏光成分のみを透過させる特性をもった偏光子を使用した場合には、Ipはcos(δ/2)の2乗となる。
【0047】
式(1)、(4)より、δは波長に依存するため、偏光子4を透過した光の強度IpをPD素子のような光検出器で計測することにより、波長に依存した特性、すなわち波長弁別特性を得ることができる。
【0048】
なお、第15図は偏光子4を通過したレーザ光9の強度Ipを、波長フィルタに入射する(波長フィルタ通過前の)レーザ光1の強度Irで除した規格化強度Inを示すものであり、図においてFSRは自由スペクトル領域と呼ばれる周期間隔を示し、その値は式(5)のようになる。上述のYVO4結晶2とLN結晶3を用いた波長フィルタの例では、波長λが1.55μmのとき、概ねFSR=1600GHz(12.8nm)となる。
【数3】
【0049】
このFSRにおいて、例えば波長λ0を含む概ね直線に近い使用スロープ範囲内では、受光信号の規格化強度から波長が一意的に決まるため、この受光信号に基づいて波長を弁別することができる。
【0050】
[波長モニタ装置の構成]
第1図は、この発明の実施の形態1による波長モニタ装置の構成を示す図であり、第1図(a)は波長モニタ装置を示す上面図、第1図(b)は波長モニタ装置の構成の一部を成す光検出器を受光面側(第1図(a)の右側)から見た図、第1図(c)は給電基板に設けられた導体線路の接合部周辺の図、第1図(d)は波長モニタ装置の構成の一部を成すキャリア上面の斜視図である。
【0051】
また、図中のz軸はLD素子11の後方出射光の出力方向、y軸は波長モニタ装置の上方向、x軸はz軸とy軸に直交する方向を示す。この実施の形態における以下の説明で、この座標軸は共通とする。
【0052】
第1図において、レーザダイオード(LD素子)11はレーザ発振して前方(矢印B方向)および後方(矢印A方向)にレーザ光を出射する。LD素子11の後方側にはドラムレンズ12が配されている。ドラムレンズ12は円筒形状を呈し、LD素子11の後方から出力された後方出射光を集光する。ドラムレンズ12は、その長手方向(円筒の軸線方向)がy軸方向に一致するようにLD素子11の後方に配置される。
【0053】
ドラムレンズ12は、zx面でレーザ光の入出力側が円形を成して集光作用が最大となり、その断面がzx面からyz面に近づくにつれて長軸の伸びた楕円形状となり入出力側の曲率が小さくなって集光作用が徐々に小さくなり、yz面ではレーザ光の入出力側が平面となってほとんど集光作用を有さなくなる。
【0054】
ドラムレンズ12の後方側には、波長フィルタ13が配置されている。波長フィルタ13は透過率に波長依存性があり、入射するレーザ光の波長に応じて透過光の強度が変化する。波長フィルタ13の後方側には、光検出器としての第1、第2のフォトダイオード(PD素子)14a、14bが配置されている。第1、第2のPD素子14a、14bは、上下方向に並置されており、波長フィルタ13の透過光(矢印D)を受光し、受光した光の強度に応じた電流を出力する。
【0055】
LDマウント15は、例えば炭化ケイ素(SiC)系の素材から成り、LD素子11のアノード側を接地する接地導体15aを有するとともにLD素子11のカソードに電気信号を供給する導体線路15bが設けられている。LD素子11は接地導体15aの上面でLDマウント15上に半田接合されている。
【0056】
金属製のキャリア16は、面16a上にLDマウント15を載置してLDマウント15の接地導体15aを接地するとともに、面16aと段差を成して下方に設けられた面16b上にドラムレンズ12、金属ホルダ17およびPD素子マウント18を載置している。金属ホルダ17は、キャリア16の面16b上にその底面が載置されており、波長フィルタ13を保持する保持部材として機能する。PD素子マウント18は、例えば酸化アルミナ(Al2O3)セラミック製であり、キャリア16の面16b上に載置されている。PD素子マウント18は、第1、第2のPD素子14a、14bのカソード側をその側面に接合して保持する。第1、第2のPD素子14a、14bは上下(y軸)方向に縦に並べられており、受光面が波長フィルタ13と対向するようにPD素子マウント18の側面に配置されている。
【0057】
ここで、LDマウント15は半田接合、ドラムレンズ12は半田接合や低融点ガラスの溶融接合によってキャリア16に接合される。好ましくは、ドラムレンズ12はSn−Pb合金で接合される。また、金属ホルダ17はYAG溶接によってキャリア16に接合するのが良い。
【0058】
キャリア16には銅タングステン系のCu−W−Ni合金が用いられ、金属ホルダ17には鉄−ニッケル−コバルト合金(商品名:コバール(Kovar))が用いられているが、金属ホルダ17を構成する他の金属素材としてSUS304、SUS316、SUS430F、SUS450等のステンレス鋼が使用されても良い。
【0059】
また、ドラムレンズ12、PD素子マウント18、および波長フィルタ13の上面は、概ね同じ高さとなっている。
【0060】
また、金属ホルダ17やPD素子マウント18は、波長フィルタ13やPD素子14の光入射面が、xz面内で(y軸まわりに)レーザ光の出射方向に対して傾斜して配置されるのが好適である。このように傾斜して配置することによって、レーザ光が波長フィルタ13の入射面やPD素子14の受光面によって反射して、LD素子11に再入射することを防ぐことができる。
【0061】
また、PD素子マウント18は、側面における同一面上で、第1、第2のPD素子14a,14bをy軸方向に並べて配置するのが、PD素子の接合作業工程の上で好適である。しかし、PD素子マウント18の側面に段差を持たせ、光信号の入射面に平行で互いに段違いに配置された2つの面を設け、この段差を成すそれぞれの面に、第1のPD素子14aと第2のPD素子14bを配置しても良い。
【0062】
このように、第1、第2のPD素子14a,14bを、PD素子マウント18に共に配置することにより、波長フィルタ13、ドラムレンズ12のような他の光学部品や、LD素子11との位置合わせを、比較的容易に行うことができる。
【0063】
次に、第1図において、キャリア16の面16b上には、長方形状の給電基板20が、その長手方向がLD素子11の出射方向と平行になるように載置されている。給電基板20上には、太い導体線路21aと細い導体線路21bから成る導体線路21が形成されている。太い導体線路21aと細い導体線路21bは、L字状に直交して連続に接続されている。金属製のワイヤ19aは、その一端が導体線路15bの一端に接続され、他端が導体線路21に接続されている。金属製のワイヤ19bは、一端が導体線路15bの他端に接続され、その他端がLD素子11のカソードに接続されており、このワイヤ19bを介してLD素子11を駆動する電気信号が伝送される。導体線路21aは、第1図(c)に示すように、円弧状のカーブを有しており、このカーブ部分で方向が90°曲がっている。
【0064】
導体線路21aは、インピーダンスの整合とDCレベル信号の抑圧のために設けられた薄膜抵抗22bを介して導体線路22に接続されている。導体線路22は、給電基板20上に設けられ、導体線路21にLD素子11を変調駆動するための高周波信号(RF信号)を供給する。金属製のワイヤ23は、一端が導体線路21の導体線路21bに接続され、他端がバイアス回路24に接続されている。バイアス回路24は、給電基板20上のPD素子14側に設けられ、ワイヤ23を介してLD素子11にバイアス電流を与えるためのDCレベルの電流信号(バイアス信号)が導体線路21に供給する。バイアス回路24には、高周波信号を遮断するローパスフィルターが設けられている。
【0065】
バイアス回路24の他端は、金属製のワイヤ25を介して導体パッド26に接続されている。導体パッド26はPD素子マウント18の上面に設けられている。導体線路27a,27bは、PD素子マウント18の上面からPD素子接合面(側面)に渡って設けられている。導体線路27aは、第1のPD素子14aのアノード(受光面側の端子)にワイヤ100aを介して接続され、導体線路27bは第2のPD素子14bのアノード(受光面側の端子)にワイヤ100bを介して接続されている。導体線路27a、27bは導体パッド26を間に挟んで離間して配置される。
【0066】
導体線路28はPD素子マウント18の上面からPD素子接合面(側面)に渡って設けられ、第1、第2のPD素子14a、14bのカソード(接地面側の端子)に共通に接続されている。導体線路28は、導体線路27aおよび27bから離間して配置され、導体線路27a、27bの間に挟まれるように設けられている。
【0067】
この導体線路28は、第1、第2のPD素子14a、14bに、それぞれ対応した別体の基板で構成されて、PD素子マウント18の上面でワイヤによって接続されるような構成であっても良い。また、給電基板20に関しては、近くに別体の他の基板を設け、この他の基板上にバイアス回路24を設ける構成であっても良い。
【0068】
また、キャリア16の面16a上には温度検出器29が載置されている。温度検出器29には、サーミスタ29bが設けられており、温度検出器29はLD素子11の温度に応じた電流信号を出力する。
【0069】
これらの構成品がキャリア16に搭載されて、波長モニタ装置が構成される。
【0070】
LD素子11の前方側には、LD素子11の前方から出射された前方出射光を集光し、光信号として外部に出力するための第1のレンズ30が配設されている。レンズホルダ31は、キャリア16の前方側面(LD素子11の前方出射光側)に接合され、レンズ30を保持する。レンズホルダ31にはSUS430F等のステンレス鋼が用いられ、YAG溶接によってキャリア16に接合される。
【0071】
キャリア16の面16bには、キャリア16の面16bから突出している突出部32が設けられている。突出部32は、金属ホルダ17に当接して金属ホルダ17をx軸方向に固定する当て面32aを有している。キャリア16の面16aと面16bに垂直に形成される側面部33c,33a,33bは当て面として機能する。当て面33cは、金属ホルダ17のz軸方向を固定する。すなわち、金属ホルダ17は当て面32a、当て面33cによって2方を囲まれた状態で、キャリア16の面16b上に固定される。当て面33aはドラムレンズ12に当接しており、ドラムレンズ12をx軸方向に固定する。当て面33bはドラムレンズ12に当接しており、ドラムレンズ12をz軸方向に固定する。ドラムレンズ12は当て面33a、33bによって2方を囲まれた状態で、キャリア16の面16b上に固定される。
【0072】
突出部32の高さは面16aと同じ高さであり、したがって、キャリア16は、第1図(d)に示すように面16aと面16bの2つの異なる高さの上面から成る。
【0073】
なお、波長フィルタ13を光信号の光軸に対して傾斜させて配置する場合、当て面32a,33cを、光信号の光軸に対して少し傾ければ、金属ホルダ17とともに波長フィルタ13を、光信号の光軸に対して簡単に傾斜配置することができる。
【0074】
[光モジュールの構成]
次に、第1図に示した波長モニタ装置を収納した実施の形態1による光モジュールについて説明する。第2図(a)は光モジュールの上蓋を外した状態の上面図、第2図(b)は光モジュールを第2図(a)のCC方向から見た側断面図、第2図(c)は波長モニタ装置の構成の一部を成すLD素子11の周辺をxy面で切断し前方(第2図(a)の右側)から見た図である。
【0075】
金属製のケース40は、四角形状の底面40aと、その四方の周囲を囲む側壁40bと、側壁40bのケース内側に接合面が突出し、LD素子11の前方出射光の通過する貫通孔の設けられた突起部40cとから成り、波長モニタ装置の搭載されたキャリア16を収納する。ケース40の上側は、上蓋50がケース40の上面の開口を塞ぐように配置されている。上蓋50は、シーム溶接によって気密性を保つようにケース40に接合される。
【0076】
ケース40の底面40a上にはペルチェ41が配置されている。ペルチェ41の上面にキャリア16が配置されている。ペルチェ41は、キャリア16を介在させてLD素子11を冷却もしくは温めることによりLD素子11の温度Tを調整する。
【0077】
LD素子11からの出射光の光路を跨ぐ両側に位置するケース40の側壁40bには、フィードスルー42a,42bが嵌め込まれて接合されている。フィードスルー42a,42bは、セラミック製の誘電体の内外層に導体線路200が設けられることによって構成されており、ケース40の内外で電気信号を伝送する。LD素子11に向かって右側(x軸正方向側)をフィードスルー42aとし、左側をフィードスルー42bとする。
【0078】
フィードスルー42a,42bに設けられた導体層200は、リード51と接続されている。リード51aはワイヤ60を介して温度検出器29に接続されている。リード51bはワイヤ61を介して導体パッド26に接続されている。リード51cはワイヤ62aを介してPD素子マウント18の上面の導体線路27aに接続されている。リード51e、51dはワイヤ63a、63bを介してペルチェ41の電極に接続されている。リード51e、51dを介してペルチェを駆動するための電流が供給される。
【0079】
リード51fはワイヤ64を介してPD素子マウント18の上面の導体線路28に接続されている。リード51gはワイヤ62bを介してPD素子マウント18の上面の導体線路27bに接続されている。リード51lはワイヤ63を介してキャリア16におけるLD素子11の接地面に接続されている。リード51lはケース外部でグランドに接続されている。リード51iはワイヤ64を介して導体線路22に接続されるRF信号伝送用のリードである。リード51mはその他の信号を伝送する。
【0080】
突起部40cの側面には、LD素子11の前方の光路側でレンズ30と対向配置するように、光学窓43が接合されている。ケース40の側壁外面には、レンズホルダ45の一端面がYAG溶接によって接合されており、管状のレンズホルダ45はレンズ44の光軸がレンズ30の光軸と概ね同軸になるようにレンズ44を保持する。第2のレンズ44には、LD素子11の前方に出力されレンズ30を通過したレーザ光が入射される。レンズホルダ45の端面には、管状のファイバホルダ(フェルールホルダ)47がYAG溶接によって接合されており、ファイバホルダ47は、レーザ出射側の挿入孔から挿入された光ファイバ46のフェルール46bを保持している。
【0081】
レンズホルダ45、ファイバホルダ47、および光ファイバ46から成る前面光学系は、LD素子11の前面出射光を光信号として外部機器に伝送するための光インタフェース65を構成する。
【0082】
以上により、ケース40にペルチェ41とキャリア16が搭載された後、各ワイヤがリードとキャリア16上の導体線路に接合され、光インタフェース65がケース40に接続された後、上蓋50が接合されて光モジュール66が構成される。
【0083】
なお、第2図(c)に示すように、給電基板20上の導体線路21の設けられた上面の高さと、LDマウント15上の導体線路15bの設けられた上面の高さとは、ほぼ同じ高さとなっている。
【0084】
また、フィードスルー42aは、リード51iに接続される導体線路200の近辺で、その上面が給電基板20の上面の高さとほぼ同じ高さとすることが望ましい。
【0085】
また、光モジュール66を搭載し、リード51の接続される図示しない電子回路基板は、フィードスルー42b側のリード51e、51d、および51bを介して光モジュール66に電源を供給する。このとき、光モジュール66に電源を供給するためのリードを、光モジュール66の片側に集合させて配置しており、光モジュール66に電源を供給する電源回路を、光モジュール66の一方側(フィードスルー42b側)の近くに配置することができる。
【0086】
また、この電源回路から光モジュール66に電源供給するための配線経路(電源供給ライン)を、リード51e、51d、および51bの周囲に集合させて配置することができる。
【0087】
加えて、RF信号を供給するリード51iが光モジュール66の他方側(フィードスルー42a側)に配置されるので、この他方側の近辺にLD素子11にRF信号を供給するためのドライバと、このRF信号を供給するための配線経路(RF信号ライン)が配置される。
【0088】
このため、光モジュール66を挟んで、電源回路および電源供給ラインと、RF信号を供給するドライバおよびRF信号ラインとを、離間させて配置することにより、電源とドライバとの電磁干渉をある程度抑えることができる。
【0089】
また、リード51bからフィードスルー42bを介して入力されるバイアス信号は、PD素子マウント18の上面でワイヤ61とワイヤ25に接続された導体パッド26に中継されて、波長フィルタ13を挟んでリード51bと反対側に設けられた給電基板20に伝送される。すなわち、リード51bと給電基板20との間を接続するバイアス信号の供給線路が、波長フィルタ13の真下や周辺を通らずに、波長フィルタを迂回するように配置される。
【0090】
バイアス信号の供給線路には金が用いられ、また、フィードスルー42aやバイアス回路24との信号伝送のために金ワイヤが接続される。ここで、供給線路や金ワイヤが波長フィルタ13の下部に配置された場合、そこで波長フィルタ13を通過する光信号の一部が反射する。したがって、波長フィルタ13を迂回するようにバイアス信号の供給線路を配置することによって、この反射に伴う波長フィルタ13への影響を抑えることができる。
【0091】
また、波長フィルタ13の下部に供給線路を配置していないので、波長フィルタ13の下端をキャリア上面16b付近まで下げることができる。
【0092】
さらに、PD素子マウント18上面を中継基板として利用することにより、バイアス信号の供給線路を構成するために別体の中継基板を設ける必要がなく、光モジュールの構成がより簡潔になる。また、RF信号とバイアス信号を一体の給電基板20上で合流させることにより、RF信号とバイアス信号の給電基板を別体にして配置する場合と比べて、光モジュールの構成がさらに簡潔になる。
【0093】
なお、バイアス回路24の配置の他の態様として、給電基板20と別体のバイアス回路を、フィードスルー42aの上面の空きスペースに配置するような構成を用いても良い。
【0094】
また、LD素子11に変調信号を供給せずに、一定強度で一定波長の信号光を得るための光モジュールを構成してもよい。例えば、給電基板20の導体線路22にRF信号を供給することなく、給電基板20の導体線路21にバイアス信号のみを供給するような構成とする。この際、バイアス回路24は不要となる。或いは他の態様として、フィードスルー42aから導体線路22にバイアス信号を供給し、導体線路21bにはバイアス信号を供給しないような構成としてもよい。
【0095】
[波長フィルタの保持構造]
第3図は実施の形態1による波長フィルタ13の保持構造を示す図であり、第3図(a)は上面図(第1図の紙面上方から見た図)、第3図(b)は側面図(第1図のx軸の負方向を見た図)である。図中で第13図と同一番号のものは、同じものを示す。
【0096】
図に示すように、金属ホルダ17は、x軸方向に向かって串歯状に(平行に)、複数個突出して設けられた把持部70a、70b、および70cを有し、それぞれの把持部70a、70b、および70cにおけるレーザ光Aの入射側の一側面に、YVO4結晶2、LN結晶3、および偏光子4bにおけるレーザ光出力側の一端面が接合される。
【0097】
各把持部70a、70b、および70cの接合面は同一方向(z軸負方向)を向いており、YVO4結晶2、把持部70a、LN結晶3、把持部70b、偏光子4b、および把持部70cの順に、それぞれが交互に配置されて、各把持部と各光学部品が接合される。
【0098】
ここで、YVO4結晶2、LN結晶3、および偏光子4bの各光学部品は、第13図と同様に、レーザ光の発振波長に応じて偏光子4bの通過光の強度Ipが変動する波長フィルタを構成する。YVO4結晶2は、例えばx軸方向の長さWAが約2.5mm、y軸方向の長さHAが約2.4mm、z軸方向の厚み(板厚)LAが0.9725mmの大きさで長方形に切り出された結晶の板を用いており、LN結晶3は例えばx軸方向の長さWBが約2.5mm、y軸方向の長さHBが約2.4mm、z軸方向の厚み(板厚)LBが0.1494mmの大きさで長方形に切り出された結晶の板を用いており、YVO4結晶2とLN結晶3はLD素子11から出力されるレーザ光の光軸と垂直なxy面内で、大きさが等しくなっている。
【0099】
また、YVO4結晶2の線膨張係数は、c軸方向で11.4×10−6[1/℃]、a軸方向で4.43×10−6[1/℃]である。LN結晶3の線膨張係数は、c軸方向で4.0×10−6[1/℃]、a軸方向で15.7×10−6[1/℃]である。
【0100】
一方、偏光子4bは、例えばx軸方向の長さWCが約2.5mm、y軸方向の長さHCが約1.1mm、z軸方向の厚み(板厚)LCが約0.5mmの大きさで長方形に切り出されたポーラコア(商品名)を用いており、YVO4結晶2とLN結晶3に比して、y軸方向の長さ(高さ)が半分以下と小さくなっている。さらに、偏光子4bはその入射面の中心が、LN結晶3の出射面の中心よりも下側(y軸の負方向)にずれた位置で、LN結晶3に対向して配置される。
【0101】
ここで、LD素子11の後方から出射されたレーザ光Aは、第3図(b)に示すように、波長フィルタ13の上部を通過する光信号A1の光路と、波長フィルタ13の下部を通過する光信号A2の光路とを有しているが、各光路上に配置される光学部品は異なっている。すなわち、上側の光信号A1はYVO4結晶2とLN結晶3のみを透過して光信号D1となり、下側における光信号A1以外の光信号A2はYVO4結晶2、LN結晶3および偏光子4bを透過して光信号D2となる。
【102】
したがって、ドラムレンズ12を用いてLD素子11の後方出射光Aのy軸方向に広がり角を持たせ、その広がった信号の下側に偏光子4bを配置することにより、複屈折結晶の透過後の光を、偏光子4bの通過の有無によって上下に分割することができ、このような簡単な構成によって、光信号の波長と強度を両方ともモニタすることができる。
【0102】
なお、把持部70a、70b、70cに接合された各光学部品の間隔、すなわち、YVO4結晶2の出射面とLN結晶3の入射面間の距離dL1と、LN結晶3の出射面と偏光子4bの入射面間の距離dL2は、いずれも0.25mmの大きさで等間隔になっている。
【0103】
第4図は、YVO4結晶2またはLN結晶3(以下これらを総称して複屈折結晶300と呼ぶ)の、光学軸(c軸)およびa軸の配交方向と接合面Sとの配置関係を図示したものであり、図に示すように、接合面Sに沿って右上がりにa軸が配置され、左上がりにc軸が配置されている。
【0104】
この接合面Sは、複屈折結晶300の光出力面側の端面における、金属ホルダ側(一端部)の側端から(x軸方向に)長さT(非接合長さT)乃至長さMの範囲と、光出力側の端面における金属ホルダ側の下端から(y軸方向に)長さNの範囲とで囲まれる領域であって、この領域で複屈折結晶300が、金属ホルダ17の把持部70aまたは70bに接合される。
【0105】
すなわち、複屈折結晶300は、金属ホルダ17側の最側端から非接合長さTだけ離れた領域をもって金属ホルダ17と接合されている。ここで、例えば、Nは約1.8mm、Mは約0.6mm、非接合長さTは約20〜50μmである。なお、YVO4結晶2については、さらに側端面が金属ホルダ17の当て面70dに当接している。
【0106】
一方、偏光子4bは、複屈折結晶ではないため光学軸を有しておらず、x方向に関しては最側端からx軸方向に長さMの範囲まで金属ホルダ17の把持部70cに接合し(すなわち第4図において非接合長さT=0とし)、y方向に関しては金属ホルダ17の下端から上端まで把持部70cに接合している(すなわち第4図においてN=Hとしている)接合面Sを有している。
【0107】
なお、偏光子4bについても、複屈折結晶300と同様に、非接合長さTが約20〜50μmとなるように、その最側端から長さTだけ離れた金属ホルダ17の把持部70cとの非接合部を設けるようにしてもよい。
【0108】
このような構成によれば、複屈折結晶300および偏光子4の接合面Sを除いた部分は、光信号の通過できる開口面を成す。
【0109】
また、波長フィルタ13を構成する各光学部品は、Au−Sn合金からなる半田を用いて金属ホルダに接合されているが、その他の半田部材として、Au−Ag−Cu合金、Sn−Ag合金、あるいはSn−Pb合金や、半田部材ではなく、低融点ガラスを用いても良い。
【0110】
なお、波長フィルタを構成する各光学部品を、接着剤によって金属ホルダに接合しても良い。ただし、この接着構造は、線膨張係数の差によって接合部に接着剤の剥離が生じたり、或いは接着剤からアウトガスが発生し、光モジュール内の光学部品に付着して屈折率を変化させたり、透過率を変化させることがない場合に限って適用することが好ましい。
【0111】
[光送信器の構成]
第5図は実施の形態1による波長モニタ装置の光路と信号の流れを示すための構成図であり、第1図、第2図と同一符号のものは、同一相当のものである。
【0112】
光送信器84は、光モジュール66、モニタ回路80、温度制御回路81、APC回路82およびドライバ83を、図示しない上述の電子回路基板に搭載し、この電子回路基板を図示しないケースに収納することによって構成される。ただし、本明細書では光送信器を光モジュールとも呼ぶ。
【0113】
モニタ回路80は、光モジュール66の外部に配置され、リード51d,51cを介してPD素子14a、14bからのモニタ信号S1、S2が伝送され、モニタ信号S1、S2に基いてLD素子11の発振波長および出力光の強度をモニタする。温度制御回路81は、モニタ回路80から出力される波長モニタ信号S3と温度検出器29から出力される温度モニタ信号S4に基いてペルチェ41に温度制御信号S5を出力する、APC(Automatic Power Control)回路82は、PD素子14aからのモニタ信号S1に基いてLD素子11の出力光の強度が一定になるようにLD素子11にバイアス信号S7を供給する。ドライバ83はLD素子11にRF信号S8を供給し、LD素子11の出力光の強度を変調させる。ここで、バイアス信号S7はRF信号S8が印加されてLD素子11に入力される。なお、ここでのAPC回路82は、LD素子11に供給するバイアス信号を発生させる電流源も含めたものとする。
【0114】
[波長モニタ装置の動作]
この実施の形態1による波長モニタ装置、光モジュール、および光送信器は以上のように構成され、次のように動作する。
【0115】
第1図、第2図および第5図において、光送信器84に設けられたドライバ83から、リード51iを介して光モジュール66内にRF信号が入力され、入力されたRF信号はワイヤ64、導体線路22、ワイヤ19a、導体線路15b、及びワイヤ19bを伝送されてLD素子11に供給される。また、光送信器84に設けられたAPC回路82から出力されたバイアス信号S7が、リード51bを介して光モジュール66内に入力され、ワイヤ61、導体パッド26、ワイヤ25を介してバイアス回路24に伝送されて、この伝送されたバイアス信号S7が、ワイヤ23、導体線路21b、ワイヤ19a、導体線路15b、及びワイヤ19bを通過して、RF信号S8とともにLD素子11に供給される。LD素子11は、与えられたバイアス信号S7をバイアスとし、RF信号S8に基いて出射光の強度が変調するようにレーザ発振する。
【0116】
第1図、第3図において、LD素子11のレーザ発振によって後方に出射されたレーザ光Aは、ドラムレンズ12を通過し、波長フィルタ13のYVO4結晶2に入射する。YVO4結晶2を通過した光信号は、さらにLN結晶3に入射する。レーザ光Aは、これら複屈折結晶のYVO4結晶2およびLN結晶3を通過することによって偏光状態が変化するとともに、温度変化に伴う偏光状態の変化が抑圧される。
【0117】
次に、LN結晶3を透過した光信号における上方の一部の信号D1は、偏光子4bに入射せずにPD素子14aで受光される。また、LN結晶3を透過した光信号における下方の一部の信号D2は、偏光子4bを通過してPD素子14bで受光される。光信号D2は偏光子4bを透過してy軸方向に偏光した光のみが透過されたものであり、その偏光子4bを透過した光信号D2の強度Ipは、上記式(1)、(2)、(4)に基いて、LD素子11の発振波長λに依存した大きさとなる。
【0118】
つまり、光信号D2がPD素子14bで受光され、PD素子14bから出力される出力電流(モニタ信号S2)の大きさは、波長λに依存した光信号D2の強度Ipに応じた大きさとなる。一方、偏光子4bから上側に外れた光路を通過する光信号D1は、偏光子4bを通過しないので、波長によって強度が変化することがない。このため、光信号D1がPD素子14aで受光されると、PD素子14aから出力される出力電流(モニタ信号S1)の大きさは、光信号D1の強度Iに応じた大きさとなる。
【0119】
したがって、PD素子14aで受光された光信号の強度Iは波長に依存せず、PD素子14aから出力されるモニタ信号S1の大きさはLD素子11の出力光の強度に応じた大きさとなる。ここで、モニタ回路80において、モニタ信号S2をモニタ信号S1で除し、LD素子11の出力光の強度に依存しない規格化強度Inを求めることにより、第14図に示すような基準波長λ0を含む概ね直線に近い使用スロープ範囲内で、規格化強度Inから波長λが一意的に決まり、S2/S1の値に基いてLD素子11の波長を弁別することができる。このとき、YVO4結晶2とLN結晶3を透過した信号光の上側と下側から、それぞれ波長に依存しない光強度と波長に依存した光強度との両方を得て、規格化強度Inを求めることによって、YVO4結晶2とLN結晶3の透過に伴って光信号が減衰する分を抑圧し、より高い感度で波長を弁別することができる。また、PD素子14aからのモニタ信号S1の大きさをモニタすることによって、LD素子11の出射光の強度をモニタできる。
【0120】
なお、波長フィルタ13の構成として、各複屈折結晶300(YVO4結晶2またはLN結晶3)を下側半分のみの大きさとし、偏光子4bと同じ大きさとして、複屈折結晶300と偏光子4bの両方を通過した第2の光信号と、両方とも通過しない第1の光信号によって、光信号Aの光路を分ける構成を用いても良い。ただし、この場合は、2つの複屈折結晶をそれぞれ通過した光信号の上端が、偏光子の上端に入射するように、各複屈折結晶の上端と偏光子の上端を、通過する光ビームの光軸に合わせるように、互いの位置を正確に合わせる必要があり、その位置調整に手間がかかる。
【0121】
しかし、複屈折結晶300と偏光子4bを用いた、この実施の形態の波長フィルタ13では、複屈折結晶300側では通過する光ビームの分割を行わず、PD素子14側の偏光子4bの通過の有無によって光信号が分割されるため、複屈折結晶300の開口内に光ビームが通過するように複屈折結晶300を適宜配置し、複屈折結晶300を通過した光ビームの開口内に偏光子4bが入るように適宜配置すれば良く、複屈折結晶300と偏光子4bの互いの位置合わせ精度をより緩くすることができる。
【0122】
また、金属ホルダ17の把持部70a,70b,70cは、波長フィルタ13を構成する複屈折結晶300と偏光子4bが、横方向(x軸に垂直な方向)の側端部で片持ち支持される構造となっており、波長フィルタ13の下端がキャリア16の面16b近くで金属ホルダ17に保持され、波長フィルタ13の開口面の下端をキャリア16の面16b付近にまで下げて配置することができる。このため、波長フィルタ13の上端を下げることができ、波長フィルタを収納するケース40の高さを低くすることができる。
【0123】
また、LD素子11とPD素子マウント18間の光路上で、波長フィルタ13をこれらの間に挟んで直列に配置することにより、LD素子11の出射方向における、LD素子11からPD素子マウント18までの長さを、波長フィルタ13の配置に必要な最小限の大きさとすることができる。
【0124】
すなわち、先行技術1のように、波長フィルタを挟んで配置された2つのPD素子を、LD素子の出射方向に並べて配置したり、先行技術2、3のようにLD素子の出射方向をビームスプリッタで垂直方向に分岐させて、LD素子の出射方向の両脇にそれぞれ配置された2つのPD素子に入射させた場合のような、配置スペースの無駄がない。
【0125】
加えて、光信号Aの光路の片脇もしくは両脇に、LD素子11にRF信号やバイアス信号を供給するための給電基板20や、温度検出器29を配置することによって、光モジュールをよりコンパクトに構成することができる。
【0126】
さらに、波長フィルタ13、給電基板20やPD素子マウント18のような他の構成品の配置された面16bに対して上方に段差を有した他の面16aの上に、温度検出器29とLD素子11が隣接して配置されるので、温度検出器29はLD素子11の温度を精度良く測定することができる。
【0127】
また、ドラムレンズ12を用いてLD素子11の後方出射光のx軸方向を集光することにより、PD素子14で受光される光の強度が強くなり、周囲の反射光によって生じるノイズに対し受光される光信号D1、D2の強度を強くすることができ、モニタする波長の弁別精度をより向上させ、好適な波長モニタ装置を得ることができる。ただし、波長の弁別のために所望される精度によっては、ドラムレンズ12を持たない構成を用いてもよい。
【0128】
[波長安定化の動作]
次に、LD素子11の波長を安定化させるための制御動作について説明する。まず、PD素子14a、14bのモニタ信号S1、S2がモニタ回路80に入力されると、モニタ回路80では、PD素子14aのモニタ信号S1によってPD素子14bのモニタ信号S2を除算し、その信号強度比Pr=S2/S1を計測する(なお、信号強度比Prは規格化強度Inに応じて比例した値となる)。この説明では、便宜的にPr=Inとしておく。
【0129】
また、モニタ回路80は、この計測された信号強度比Prと予め設定された信号強度比P0との差分ΔPを算出する。そして、PrとP0との比較により、LD素子11から出射される光信号が基準波長λ0に対し短波長側にずれているか、それとも長波長側にずれているかを判定する。
【0130】
具体的には、試験調整の段階でペルチェに印加する電流を調整しながら、LD素子11の前方へ出射され光ファイバ46から出力された信号の波長を、ファブリペロー共振器等の波長計測器で測定する。その測定波長が所望の基準波長λ0になったときに、ΔPが0になるようにP0の値を設定しておく。また、波長フィルタ13は、第14図の使用スロープ範囲内にλ0が来るように構成しておく。
【0131】
これによって、LD素子11の発振する波長λが使用スロープ範囲内にあるとき、モニタ回路80で計測されるΔPが負となる場合は、波長λが基準波長λ0より長波長側にあると判定でき、ΔPが正となる場合は、波長λが基準波長λ0より短波長側にあると判定できる。
【0132】
次に、モニタ回路80で算出されたΔPは、信号S3として温度制御回路81に入力される。温度制御回路81では、モニタ回路80から入力された信号S3に基いて、制御目標温度Tmを調整する。一般に、LD素子は温度によって波長が変化し、温度を高くすると発振波長が長くなり、温度を低くすると発振波長が短くなる。
【0133】
一方、モニタ回路80から出力されるΔPは、発振波長λが長波長側にずれている場合は負となり、短波長側にずれている場合は正となる。このため、ΔPに所定のゲイン定数Gを掛けた分を初期制御目標温度T0に加え、Tm=T0+GΔPとして、制御目標温度Tmを設定することにより、LD素子11の発振波長を安定化させることができる。
【0134】
なお、温度検出器29は、マウント16の面16aの温度を検出する。したがって、LD素子11の発振波長が基準波長λ0となるときに、温度検出器29の検出する温度を、予め初期制御目標温度T0に設定しておく。
【0135】
また、温度制御回路81は、温度検出器29の出力信号S4に基いて、LD素子11の温度が制御目標温度Tmとなるように、ペルチェ41に印加する電流の大きさを調整し、LD素子11の搭載されたLDマウント15およびキャリア16を加熱もしくは冷却して、LD素子11の温度制御を行う。具体的には、温度制御回路81は、温度検出器29の検出温度TとTmとの差分ΔTが、0あるいは目標偏差e以下となるように、ペルチェ41に印加する制御電流を調整する。
【0136】
また、APC回路82は、PD素子14aのモニタ信号S1に基いて、LD素子11の出射光が一定の強度となるように制御を行う。具体的には、LD素子11から出射される光信号が基準波長λ0となるときのモニタ信号S1を、予めS10として記憶しておく。温度制御回路81およびLD素子11が動作しているとき、PD素子14aからのモニタ信号S1とS10との差分を求め、その差分が0になるように、LD素子11に供給するバイアス信号S7の電流の大きさを調整する。
【0137】
この実施の形態1による波長モニタ装置、光モジュール、および光送信器は以上のように動作し、これによって、LD素子11の発振波長と光出力強度を安定に保つことができる。
【0138】
また、複屈折結晶と偏光子から成る複数の光学部品を有した波長フィルタと、LD素子の出力光と波長フィルタの透過光の光量を測定するためのPD素子とを、光モジュール内に載置する際に、波長フィルタまたはPD素子が、光モジュール内に占める面積が小さくなるように効率良く配置し、これによって、他の部品を実装するためのスペースをより大きくした光モジュールを得ることができる。
【0139】
なお、LD素子11に変調信号を供給せずに、一定強度で一定波長の信号光を得るための光モジュールを構成する場合には、第5図において、ドライバ83およびドライバ83からの供給信号を除く。この場合は、LD素子11から一定強度の信号光が出力される以外は、上述と同様に動作する。
【0140】
[波長フィルタの保持構造の作用]
複屈折結晶300が金属ホルダ17に半田接合される場合、複屈折結晶300の残留応力の影響によって複屈折結晶が歪み、電気光学効果や光弾性効果によって、接合部から結晶の長手方向に渡って屈折率がばらつく。屈折率のばらつきは波長フィルタの波長弁別特性を劣化させるため、波長をモニタするためのレーザ光は、屈折率のばらつきが小さくなる領域内を通過させる必要がある。
【0141】
実施の形態1による複屈折結晶300は、一端が金属ホルダ17に片持ち支持され他端が機械的に拘束されないため、接合部から複屈折結晶300のx軸方向に向かって内部応力の影響が小さくなり、結果的に波長フィルタ13のx軸方向の長さを短くできる。以下これについて詳述する。
【0142】
第6図は複屈折結晶300を片持ちで支持した場合(第6図(a))と、複屈折結晶300を両端で支持した場合(第6図(b))の応力分布を定性的に示した図である。
図において、Lは、複屈折結晶における金属ホルダの接合部の最側端を基準としたときのx軸方向の位置を示す。
【0143】
第6図(a)において301は複屈折結晶300の接合部を示し、302は複屈折結晶300における内部応力が半値(σ1)以下となる領域を示す。LR1は複屈折結晶300の開放端(図の右端)を示す。
【0144】
また、第6図(b)において300bは複屈折結晶300と同一材質で同一厚さであってL方向の長さが異なる複屈折結晶、400aは複屈折結晶300bの一端部(図の左端)を支持する金属ホルダ、400bは複屈折結晶300bの他端部(図の右端)を支持する金属ホルダを示し、401aは複屈折結晶300bと金属ホルダ400aとの接合部、401bは複屈折結晶300bと金属ホルダ400bとの接合部を示す。また、402は複屈折結晶300bにおける内部応力が半値(σ3)以下となる領域を示し、LR2は複屈折結晶300bの右端を示す。
【0145】
また、第6図(c)は複屈折結晶300を片持ちで支持した場合の複屈折結晶の長手方向(L方向)の応力分布を示し、第6図(d)は複屈折結晶300bを両端で支持した場合の複屈折結晶300bの長手方向(L方向)の応力分布を示す図である。
【0146】
ここで、複屈折結晶300が片持ち支持され、接合部301から領域302の左端までの位置が、第6図(c)に示すようにL1となる場合を想定する。このとき、両端支持された複屈折結晶300bは、第6図(d)に示すように接合部401aから領域402の左端までの位置がL2、領域402の右端までの位置がL3となり、第6図(c)よりも内部応力が半値以下となる領域までの距離が長くなる(L2>L1)。
【0147】
また、複屈折結晶300bでは、位置L1の応力σ2がσ1よりも大きくなり、しかも半値となる応力σ3がσ1よりも大きくなる。したがって、複屈折結晶を片持ち支持した場合は、複屈折結晶を両端支持した場合と比べて、内部応力の影響が小さくなる位置までの長さが短くなり、内部応力によって屈折率のばらつきが大きくなる領域を小さくすることができる。
【0148】
結果として、レーザ光が通過する所望の波長弁別特性を得るための、屈折率のばらつきを抑えた充分な大きさの領域を確保しつつ、x軸方向の長さを、両端支持した場合よりも短くする(LR1<LR2)ことができる。すなわち、波長フィルタの大きさとその保持に必要な大きさを小さくできる。
【0149】
なお、特開2001−291928号公報には、孔の設けられた部材(PDキャリア)の孔の周縁で波長フィルタを保持する構造が開示されているが、この構造は両端支持に近い形となっており、この実施の形態1の片持ち支持構造のように、光信号の通過領域として充分な大きさの領域を確保しつつ、波長フィルタの大きさと、その保持に必要な大きさを小さくできるものとは異なる。
【0150】
第7図は、実施の形態1による波長フィルタ13の金属ホルダ17への接合に伴う波長のばらつきを測定するために、常温で波長フィルタ13の接合部S(図のハッチング部)から長さが1600μmまでの位置(図の左端)について波長変動量を調査したときの実験結果を示すものであり、第7図(a)は測定に使ったLN結晶の測定位置Qの座標を示す図、第7図(b)は、波長フィルタ13の接合部Sからの長さが1600μmまでの位置について波長変動量を調べた実験結果を示す図である。
【0151】
図において、305はレーザ光のビーム通過領域を示す。この実験では、波長フィルタとして、実施の形態1と同様、YVO4結晶2、LN結晶3、偏光子4bを組合わせたものを用いた。また、レーザ光源に、口径600μmで波長1520〜1620μmのものを用いて、レーザ光源をYVO4結晶に対向させて配置し、レーザ光源の光軸の位置Qを、−600μm〜600μmの範囲で移動させたときの、波長λの値を測定した。
【0152】
第7図(b)の縦軸は、波長フィルタ13を透過したレーザ光が、位置Q=0のところで測定された波長λを基準として、その波長からの変動量Δλを示すものである。この結果より、接合部Sに近づくにつれて徐々に波長が長くなることが判明した。
【0153】
また、−600μm〜600μmの範囲において、波長変動量Δλを40pm程度に抑えられることが確認できた。なお、波長フィルタの波長変動量がこの程度に抑圧されていれば、光モジュールの波長を安定化させるための波長モニタ装置として、充分機能するものと考えられる。すなわち、片持ち支持の構造とした場合には、内部応力による接合部への影響がそれ程問題とならないことを確認した。
【0154】
また、波長フィルタ13と金属ホルダ17の接合に伴う残留応力をさらに低減するためには、金属ホルダ17としてより好適な材料を選択する必要がある。
【0155】
第8図は、金属ホルダ17に各種材料を用いてLN結晶3を接合させた際に、接合部Sに発生する内部応力が板厚方向に分布する内部応力の計算結果を示す図である。図において、縦軸は応力、横軸は板厚の中心を0とした場合の板厚方向の位置を示し、図中のグラフは、上からKOVAR(商品名:コバール)、Ni−Fe合金(Ni50%、Fe50%)、およびSUS430Fを用いた場合の測定結果を示す。ここで、KOVARの線膨張率が5.7〜6.2[1/℃]、Ni−Fe合金の線膨張率が9.4〜10.0[1/℃]、SUS430Fの線膨張率が約10.3[1/℃]である。
【0156】
図から判るように、Ni−Fe合金、SUS430Fを用いたときの応力が、KOVARを用いたときの応力の1/3程度の大きさとなり、またその応力分布も小さくなる。この結果において、材料の入手性や、加工性を考慮して、SUS304Fを用いることが好適であると言える。
【0157】
以上により、波長フィルタの片側側面のみを金属フォルダの把持部に面接合することによって、波長フィルタと金属ホルダの接合に伴う内部応力を低減した波長フィルタを、より小さいサイズで実現でき、波長フィルタでの光学特性の劣化が少ない波長モニタ装置を得ることができる。
【0158】
[波長フィルタの接合構造の詳細]
次に、複屈折結晶300(YVO4結晶2とLN結晶3)および偏光子4bと、金属ホルダ17の把持部との接合構造について説明する。
【0159】
第9図は、この発明の実施の形態1による波長フィルタを構成する複屈折結晶300と金属ホルダ17の把持部との接合構造の詳細を示したものであり、第9図(a)は、この発明の実施の形態1による複屈折結晶300(または偏光子4b)と金属ホルダ17との接合構造、第9図(b)は第9図(a)の接合構造と対比させるために示した他の接合構造、第9図(c)はこの発明の実施の形態1による他の態様の接合構造を示す。
【0160】
図において、601は複数の金属を積層したメタライズ層、602は半田を示している。複屈折結晶300(または偏光子4b)へのメタライズ層601の積層から複屈折結晶の半田付けまでの加工を、次のように行う。
【0161】
まず、YVO4結晶2、LN結晶3、偏光子4bにおけるx軸方向についての一端部の端縁からMμmまでの部位に、それぞれ膜厚が0.05μmになるまでクロム(Cr)を蒸着して成るCr層を成膜する。ついで、それぞれ膜厚が0.1μmになるまでニッケル(Ni)を蒸着して成るNi層を成膜する。最後に、それぞれ膜厚が0.5μmになるまで金(Au)を蒸着して成るAu層を成膜することにより、3層構造から成るメタライズ層601をそれぞれ形成する。
【0162】
このとき、第4図に示したように、上記一端部の端縁に沿って(y軸方向に)、YVO4結晶2、LN結晶3、および偏光子4bにおける下端から上端までの長さHに渡って、それぞれメタライズ層を形成する。なお、このメタライズ層は、Cr−Ni−Auの組み合わせの他に、Ti−Ni−Auの組み合わせのものを用いても良い。
【0163】
また、金属ホルダ17については、電解メッキにより、膜厚が5.0μmになるようにニッケル(Ni)メッキを施した後、膜厚が1.0μmになるように金(Au)メッキを施して、金属ホルダ17における各把持部70a、70b、70cの接合面Sが、Au−Sn合金からなる半田602により接合されやすくする。
【0164】
なお、このメッキ処理による膜厚、メッキ金属の材質はこれに限られることはなく、金属ホルダへの接合強度等を考慮して適宜選択すれば良い。また、半田602については、Pb−Sn合金など他の母材を用いても良い。
【0165】
次に、金属ホルダ17の各把持部70a、70b、70cの接合面に、それぞれ幅(M−T)μmの半田602を介在させて、その上にYVO4結晶2、LN結晶3、偏光子4bをそれぞれ載置する。すなわち、YVO4結晶2、LN結晶3および偏光子4bが、それぞれの接合される把持部70a、70b、70cの接合面より上側となるように配置する。
【0166】
ここで、YVO4結晶2、LN結晶3および偏光子4bの上から、接合面を押し付けるように重りを載せて、波長フィルタを構成する各光学部品を仮保持する。このとき、YVO4結晶2、LN結晶3および偏光子4bは、各把持部70a、70b、70cと接合されていない。なお、YVO4結晶2、LN結晶3を接合する半田の高さは、金属ホルダ17の把持部の端縁に沿って(y軸方向に)、把持部の高さと同じ長さNとなるようにした。
【0167】
このとき、半田602が、YVO4結晶2、LN結晶3および偏光子4bの端縁から所定のTμmの部位までは、半田が存在しないように、YVO4結晶2、LN結晶3および偏光子4bをずらして、YVO4結晶2、LN結晶3および偏光子4bの接合面における端縁周辺に金属ホルダ17との間に隙間Uをもたせた。
【0168】
この後、リフロー炉中で、300℃で10分間加熱されるリフロー条件で加熱処理して、半田602を溶融した。これにより、金属ホルダ17の各把持部70a、70b、70cの接合面Sに、非接合部を成す隙間Uを有した状態で、YVO4結晶2、LN結晶3および偏光子4bの端部が接合される。
【0169】
ここで、発明者等の実験によって、複屈折結晶300(YVO4結晶2またはLN結晶3)が金属ホルダ17に接合された後、隙間Uの長さ(非接合長さT)の条件によっては、複屈折結晶300の端縁に割れが生じることが判明した。
【0170】
すなわち、第9図(b)に示すように複屈折結晶300の端縁まで半田603を配置し、隙間Uが0(非接合長さT=0)となるときには、リフロー炉中の加熱により複屈折結晶300が金属ホルダに半田接合され、常温まで冷却される際に、複屈折結晶の接合後に割れやクラック等の不具合が発生した。
【0171】
このため、熱冷試験を実施したところ、この不具合の発生割合は90%であることが明らかになった。また、隙間Uが小さく、その非接合長さTが10μmとなるときにも、同じ熱冷試験によって50%の割合で複屈折結晶の接合後に割れやクラックが発生した。
【0172】
なお、この熱冷試験は、複屈折結晶300を金属ホルダ17に接合するためのテストピースを100個準備して、これらを−40℃に冷却してこの状態を30分間維持し、さらに+85℃まで加熱してこの状態を30分間維持するというサイクルを繰り返して行った。
【0173】
この不具合の原因は、端縁が切断縁となっている複屈折結晶にあっては、切断時に端縁に微少なクラックや歪みが生じていることに起因すると考えられる。
【0174】
すなわち、リフロー炉中で半田接合する際に、半田接合部において熱応力に起因する歪みが生じ、この歪みが加熱、冷却を繰り返す毎に、微少なクラックや歪みを拡大させ、そのクラックや歪みが生長することにより、やがては割れが発生したためであると考えられる。
【0175】
また、端縁から接合部までの隙間Uが10μm程度と小さいときには、半田接合部に作用する熱応力によって、依然として割れやクラックが発生する。
【0176】
一方、隙間Uをより大きくし、その非接合長さTが20μm以上の場合、接合後に割れやクラックが発生する割合は、上記熱冷試験において、20μmで5%とほぼ発生しなくなり、30〜50μmでは全く発生しないことが明らかになった。
【0177】
これは、非接合部となる隙間Uの部分が端縁から20μm以上離れることにより、複屈折結晶が金属ホルダに接合されたときに、熱応力に起因する歪みが発生することを効果的に防止できるようになったためであると考えられる。
【0178】
すなわち、複屈折結晶の端縁から20μm以上離れた位置までは、金属ホルダに接合されない非接合部となるため、この非接合部に微少なクラックや歪みが存在していても、この非接合部には熱応力が作用しにくくなるためと考えられる。
【0179】
なお、偏光子4bについては、非接合長さT=0とし、非接合部となる隙間Uを持たせない状態で、金属ホルダ17の把持部70cに接合しても、割れやクラックが発生しなかった。
【0180】
[複屈折結晶の接合構造の他の態様]
第9図(c)に複屈折結晶の他の態様の接合構造を示す。
この図は、YVO4結晶2、LN結晶3および偏光子4bにおけるx軸方向についての一端部の端縁からMμmまでの部位を、低融点ガラス604によって、金属ホルダ17の把持部70a、70b、および70cにそれぞれ接合した状態を示す図である。
【0181】
金属ホルダ17の把持部70a、70b、および70cには、腐食防止のため、電解メッキにより、膜厚が5.0μmになるようにニッケル(Ni)メッキを施した後、膜厚が1.0μmになるように金(Au)メッキを施す。
【0182】
なお、このメッキ処理による膜厚、メッキ金属の材質はこれに限られることはなく、金属ホルダへの腐食防止を考慮して適宜選択すれば良い。また、金属ホルダがステンレス系の素材である場合は、その表面に不動態化処理を施すことによって、メッキ処理を不要としても良い。
【0183】
次に、この低融点ガラスによる接合について詳細を説明する。
金属ホルダ17の各把持部70a、70b、70cの接合面上に、各把持部が下になるように、それぞれYVO4結晶2、LN結晶3、偏光子4bの各光学部品を上から載置する。この際、金属ホルダ17の各把持部と各光学部品との間に、幅が(M−T)μmの薄板状のPbO系の低融点ガラス604を介在させ、それぞれ各光学部品の一端部の端縁からTμmの部位まではPbO系の低融点ガラス604が存在しないように、光学部品の端縁からTμmだけずらしてPbO系の低融点ガラス604を配置する。また、薄板状のPbO系の低融点ガラス604の高さは金属ホルダの突出部の端縁に沿って(y軸方向に)、金属ホルダの突出部の高さと同じ長さNとなるようにする。
【0184】
この後、リフロー炉中で、280℃で10分間加熱されるリフロー条件で加熱処理して、低融点ガラス604を溶融する。これにより、金属ホルダ17の各把持部70a、70b、70cの接合面Sに、非接合部Uを有した状態で、YVO4結晶2、LN結晶3および偏光子4bの端部が接合する。
【0185】
ここで、上述の半田接合の場合と同様に、非接合部となる隙間Uの部分を、端縁から20μm以上離すことにより、複屈折結晶が金属ホルダに接合されたときに、この非接合部には熱応力が作用しにくくなる。
【0186】
以上により、金属ホルダ17の突出部の接合面において、光学部品の端面から20μm以上の部位までは、金属ホルダ17に接合されない非接合部Uを備えることにより、光学部品が金属ホルダに接合された際の熱応力に起因する光学部品の割れやクラックが発生するのを防止できるようになる。
【0187】
[光モジュールの組立方法]
次に、第10図に従って実施の形態1による光モジュールの組立工程を説明する。
【0188】
まず、顕微鏡やカメラの画像を見ながら、LD素子11およびPD素子14を、それぞれLDマウント15およびPD素子マウント18上に正確に配置し、半田接合する(ステップS1)。
【0189】
さらに、LDマウント15とPD素子マウント18を、顕微鏡やカメラの画像を見ながら、キャリア16上に正確に配置し、半田接合する(ステップS2)。
【0190】
次に、LD素子11の前方から出射される光信号をモニタしながら、レンズ30の保持されたレンズホルダ31を、キャリア16の前面に押し当てた状態で上下左右に移動させ、同時にレンズ30を通過した光をモニタし、そのモニタ光の強度が最大になる位置で、レンズホルダ31をキャリア16にYAG接合する(ステップS3)。
【0191】
さらに、ドラムレンズ12をキャリア16の当て面33a、33bに押し当てた状態で面16b上に半田接合する(ステップS4)。
【0192】
次に、波長フィルタ13を構成する各光学部品を、顕微鏡を見ながら位置合わせして、それぞれ金属ホルダ17に半田接合する(ステップS5)。
【0193】
次に、波長フィルタ13の接合された金属ホルダ17を、キャリア16の当て面32a、33cに押し当てた状態で面16b上にYAG溶接で接合する(ステップS6)。
【0194】
次に、ケース40内にペルチェ41を接合し、ペルチェ41の上にキャリア16を接合する(ステップS7)。なお、このとき、ケース40にはフィードスルー42やリード51が接合されている。
【0195】
さらに、ケース40内の配線を実施し、各ワイヤをキャリア16上の各部品にボンディングする(ステップS8)。
【0196】
さらに、光インタフェース65における前面光学系を構成する各部品を、それぞれ保持するホルダ内に収納固定した後、レンズホルダ45をケース40にYAG溶接し、LD素子11から出力され光ファイバ46に結合されて、光ファイバ46の他端から出力される信号の強度をモニタしながら、信号の強度が最適な値となるように、光ファイバ46の一端に設けられたフェルール46bをフェルールホルダ47内で光軸方向に位置合わせし、また、フェルールホルダ47をレンズホルダ45に垂直な方向に位置合わせした後、フェルールホルダ47とフェルール46bをYAG溶接し、再度フェルールホルダ47をレンズホルダ45に垂直な方向に位置合わせした後、フェルールホルダ47をレンズホルダ45にYAG溶接することによって、光ファイバ46をケース40に対して固定する(ステップS9)。
【0197】
最後に、ケース40上面に、上蓋50を溶接する(ステップS10)。
このようにして光モジュールを組み立てることにより、LD素子の前方出射光を光ファイバに効率よく結合させることができるとともに、LD素子の後方出射光の光検出器への受光量が好適な状態となるように、波長をモニタするための各光学部品やPD素子を配置し、かつ波長をモニタするための各光学部品やPD素子を作業効率よく組み立てることができる。
【0198】
以上のように、この実施の形態1によれば、LD素子11から出射された光を、一端部が金属ホルダ17に突設された把持部に接合された波長フィルタ13に通過させ、その透過光をPD素子14でモニタすることにより、波長フィルタ13での光学特性の劣化が少なく、LD素子11の発振波長を安定に保つことができる。
【0199】
また、複屈折結晶300と偏光子4bから成る波長フィルタ13を複数の突出部を有した金属ホルダ17に接合することにより、波長フィルタ13の配置に必要な面積が小さくなる。
【0200】
また、LD素子11と、LD素子11の出力光および波長フィルタ13の透過光の光量を測定する第1および第2のフォトダイオード14a、14bとの間に、波長フィルタを配置することにより、波長フィルタ13とPD素子14の配置に必要な面積が小さくなる。また、これによって、波長フィルタ13またはPD素子14に加えて、給電基板20や温度検出器29のような他の電子部品を、光モジュール内に実装するための配置空間を、より大きく確保することができる。
【0201】
さらにまた、波長フィルタ13の一端部の側端と金属ホルダ17との間に間隙を有して接合することにより、波長フィルタ13を成す複屈折結晶300を金属ホルダ17に接合した際に、複屈折結晶300にクラックや損傷を生じない接合構造を得ることができる。
【0202】
実施の形態2.
実施の形態1に示した金属ホルダは、その大きさが、横巾約3mm、縦巾約2mm、高さ1.8mm程度の大きさであるため、比較的小さく、また長さ2.5mm角程度の大きさの波長フィルタ13が、突出部の設けられた側面から突出して固定されるため、金属ホルダをキャリア上に置いて立てたときのバランスが悪くなり易く、金属ホルダを確実に抑えた状態で金属ホルダの位置調整を実施しないと、金属ホルダが転倒して、波長フィルタの先端がキャリアの面16bに接触してしまう懸念があり、作業性が悪くなることがある。このため、実施の形態2では、実施の形態1に示した金属ホルダを、より作業性良くキャリア上に配置するための構造と、組立方法を提供する。
【0203】
第11図(a)は、実施の形態2の金属ホルダの上面図であり、図において、金属ホルダ700には、実施の形態1と同じ把持部70a、70b、70cが設けられている。
【0204】
また、金属ホルダ700は、波長フィルタ13を保持する把持部70a、70b、70cと反対側(図の上側)の側面700bに、この側面700bから突出した突起部700cが設けられ、この突出部700cには、鍵穴状にスリットが設けられ、かつ上下(y軸方向)に貫通した穴部700dが設けられる。
【0205】
なお、波長フィルタ13を構成する各光学部品2、3、4bと金属ホルダ700との接合構造や、波長モニタ装置、光モジュール、および光送信器に金属ホルダ700が搭載されたときの、保持構造や動作については、実施の形態1に示したものと同じである。
つぎに、波長フィルタ13の接合された金属ホルダ700をキャリア16上に配置するための作業について説明する。
【0206】
まず、金属ホルダ700の穴部700dに棒状の治工具を挿入して嵌合させ、金属ホルダ700を把持する。次に、金属ホルダ700を当て面32a、33cに近づけるように、この治工具を介して金属ホルダ700をキャリア16上で、第11図(b)に示すように、前後(XX方向)、左右(ZZ方向)に移動させる(ステップS100)。
【0207】
次に、金属ホルダ700が当て面32a、33cに接近したら、上記治工具を前後左右に移動させて、金属ホルダ700を当て面32a、33cに接するように微調整する。その後、金属ホルダ700が当て面に当接した状態で、金属ホルダ700をYAG溶接する(ステップS101)。
【0208】
このように、金属ホルダ700に治工具を挿入する穴部を設けることにより、各種光学部品や基板が搭載されたキャリア16上で、金属ホルダ700を効率よく当て面32a、33cに当てることができる。また、治工具を使って、小さい金属ホルダを安定して保持することができるため、この作業の際に、金属ホルダが倒れて波長フィルタが損傷することを防止することができる。
【0209】
また、金属ホルダ17は、水平断面(xz平面に平行な断面)が上から下まで(y軸方向に)同一な形状を有しており、上方から切削用のカッターを挿入した際の加工性が良く、また、上下に通電されたワイヤを通し、ワイヤカット放電加工を用いて加工する場合でも、容易に加工することができる。
【0210】
実施の形態3.
実施の形態3は、実施の形態1の金属ホルダの他の変形態様を示すものである。
第12図は、この実施の形態3による金属ホルダの把持部を示すものである。金属ホルダ17bの有する把持部70a、70b、70cの先端部は、第12図(a)に示すように、その接合面Sが各光学部品(YVO4結晶2、LN結晶3および偏光子4b)の方に突出した突出部170を有している。ここで、突出部170は、y軸方向に高さH、x軸方向に長さM2の大きさを有しており、第4図に示されたMとTに対し、M2=M−Tとなっている。具体的には、Tが20μm以上となるようにする。その他の構成は、実施の形態1の金属ホルダ17と同じである。
【0211】
各光学部品の一端部が金属ホルダ17bの把持部70a、70b、70cに接合される際に、第12図(b)に示すように、各光学部品の端縁から長さTの部分が接合面Sと当接しないように、各光学部品を把持部70の根元方向(x軸の負方向)にずらして接合することにより、各光学部品と把持部70との間に長さTの隙間Uを有することになる。
【0212】
ここで、実施の形態1と同様、各光学部品(YVO4結晶2、LN結晶3および偏光子4)には、メタライズ層610を施す。このメタライズ層610は、突出部170の接合面Sと同じ大きさで良く、第12図(b)に示すように、各光学部品の側端から非接合長さTの分だけずれた位置から設けて良い。また、各光学部品と金属ホルダ17bの把持部70a、70b、70cとの間に、半田611を配置して、リフロー炉内で加熱処理することによって、金属ホルダ17bと各光学部品を接合する。
【0213】
これによって、第9図(a)と同様に、半田611が光学部品の端縁から長さTの部分で金属ホルダ17bと接合せず、したがって非接合部となる隙間Uの部分が端縁から20μm以上だけ離れることにより、複屈折結晶の端縁から20μm以上離れた位置までは金属ホルダに接合されない非接合部となるため、この非接合部に微少なクラックや歪みが存在していても、この非接合部には熱応力が作用しにくくなり、光学部品が金属ホルダに接合された際の熱応力に起因する光学部品の割れやクラックが発生するのを防止できるようになる。
【0214】
実施の形態4.
実施の形態4は、実施の形態1による金属ホルダの他の変形態様を示すものである。
第13図は、この実施の形態4による金属ホルダ800の構造を示すものである。図において、801は金属ホルダ800の側面に設けられ、波長フィルタ13を保持するように突出した把持部であり、801aは把持部801に設けられたYVO4結晶2を接合する接合面、801bは把持部801に設けられたLN結晶3を接合する接合面、802は偏光子4を接合する接合面802bの設けられた把持部、803はYVO4結晶2が当接する当接面、804は金属ホルダ800の上部に設けられた突出部、805は金属ホルダ800の下側から突出し、金属ホルダ800の底面を成す突出部である。
【0215】
この金属ホルダ800は、YVO4結晶2を接合面801aに接合し、LN結晶3を接合面801bに接合する。また、偏光子4を、LN結晶3と向き合うように接合面802bに接合して、波長フィルタ13を保持する。
【0216】
金属ホルダ800は、光モジュール内に配置される際に、突出部805の底面がキャリア16の面16b上に載置され、突出部804を掴んだ状態で前後左右に移動させて、位置調整が行われる。そして、金属ホルダ800は図1(d)に示す当て面32a、33cに当接した後、キャリア16にYAG溶接される。このとき、突出部805の接触面積が大きいため、金属ホルダが転倒しにくく、キャリア16上の位置調整がし易い。
【0217】
なお、金属ホルダ800の突起801と突起802による構成においては、接合面801aと接合面802bを同時に加工できる。このとき、突出部805が存在する故、金属ホルダの上方(第13図(a)の上方向)から切削用のカッターを挿入して、突出部805についても同時に加工する。また、YVO4結晶2および偏光子4bは第13図(a)の右側から接合し、LN結晶3は第12図(a)の左側から接合面され、その接合方向が異なるため、半田接合時には、第13図(a)のように、光学部品を立てた状態で金属ホルダ800に接合する。この実施の形態4では、実施の形態1〜3と比べて加工性や組み立て性が劣るものの、位置調整はし易くなる。
【0218】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、レーザダイオードから出射された光を、一端部が保持部材の突出部に接合された波長フィルタに通過させ、その透過光を光検出器でモニタすることにより、波長フィルタでの光学特性の劣化が少なく、レーザダイオードの発振波長を安定に保つことができる。また、複屈折結晶と偏光子から成る波長フィルタを複数の突出部を有した保持部材に接合することにより、波長フィルタの配置に必要な面積が小さくなる。また、レーザダイオードと、レーザダイオードの出力光および波長フィルタの透過光の光量を測定する第1、第2のフォトダイオードとの間に、波長フィルタを配置することにより、波長フィルタとPD素子の配置に必要な面積が小さくなる。また、これによって、波長フィルタまたはPD素子に加えて、他の電子部品を光モジュール内に実装するための配置空間を、より大きくとることができる。さらにまた、波長フィルタの一端部の側端と金属製の保持部材との間に間隙を有して接合することにより、波長フィルタを成す複屈折結晶を金属製の保持部材に接合した際に、複屈折結晶にクラックや損傷を生じない接合構造を得ることができる。
【0219】
【産業上の利用可能性】
この発明は、光ファイバーを利用した波長分割多重(WDM)通信、高密度波長分割多重(DWDM)通信に用いられる光源としての半導体レーザの波長フィルタ、波長モニタ装置あるいは波長モニタ装置を搭載する光モジュールとして用いて好適である。また、保持構造や温度変動の影響による光学特性の劣化や損傷を発生させずにレーザ光の波長を高精度にモニタすることが要求されるシステムに適している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1による波長モニタ装置の構成を示す図である。
【図2】 この発明の実施の形態1による光モジュールの構成を示す図である。
【図3】 この発明の実施の形態1による波長フィルタの保持構造を示す図である。
【図4】 この発明の実施の形態1による複屈折結晶の光学軸を接合面との配置関係を示す図である。
【図5】 この発明の実施の形態1による光送信器の構成を示す図である。
【図6】 波長フィルタを片持ち支持した場合と両端支持した場合の比較を示す図である。
【図7】 波長フィルタの波長変動量のばらつきを示す図である。
【図8】 金属ホルダの部材と波長フィルタの接合部の応力との関係を示す図である。
【図9】 金属ホルダと複屈折結晶の接合構造を示す図である。
【図10】 実施の形態1による光モジュールの組立工程を説明するための工程図である。
【図11】 この発明の実施の形態2による金属ホルダを示す図である。
【図12】 この発明の実施の形態3による金属ホルダを示す図である。
【図13】 この発明の実施の形態4による金属ホルダを示す図である。
【図14】 波長フィルタの動作原理を示す図である。
【図15】 波長と受光信号の規格化強度との関係を示す図である。
Claims (17)
- レーザダイオードと、
上記レーザダイオードの出射光を受光する光検出器と、
上記レーザダイオードと上記光検出器の間に配置された波長フィルタと、
上記波長フィルタの一端部における入射面または出射面のいずれか一方の面における一部を接合する突出部を有する保持部材と
を備え、
上記波長フィルタは、複屈折結晶と偏光子から成り、
上記保持部材の突出部は、上記複屈折結晶を接合する第1の突出部と、上記偏光子を接合する第2の突出部を有することを特徴とする波長モニタ装置。 - レーザダイオードと、
上記レーザダイオードの出射光を受光する光検出器と、
上記レーザダイオードと上記光検出器の間に配置された波長フィルタと、
上記波長フィルタの一端部における入射面または出射面のいずれか一方の面における一部を接合する突出部を有する保持部材と
を備え、
上記波長フィルタは、屈折率の異なる第1,第2の複屈折結晶と、偏光子とを有し、
上記保持部材の突出部は、上記第1の複屈折結晶を接合する第1の突出部と、上記第2の複屈折結晶を接合する第2の突出部と、上記偏光子を接合する第3の突出部とを有し、
上記第1の複屈折結晶における光学軸と光学軸に直交する方向の屈折率差の温度変化率と、上記第2の複屈折結晶における光学軸と光学軸に直交する方向の屈折率差の温度変化率とが、正負が逆となることを特徴とする波長モニタ装置。 - レーザダイオードと、
上記レーザダイオードの出射光を受光する光検出器と、
上記レーザダイオードと上記光検出器の間に配置された波長フィルタと、
上記波長フィルタの一端部における入射面または出射面のいずれか一方の面における一部を接合する突出部を有する保持部材と
を備え、
上記波長フィルタは、複屈折結晶であるYVO4結晶、複屈折結晶であるLiNbO3結晶、および偏光子から成り、
上記保持部材の突出部は、上記YVO4結晶を接合する第1の突出部と、上記LiNbO3結晶を接合する第2の突出部と、上記偏光子を接合する第3の突出部とを有することを特徴とする波長モニタ装置。 - 上記光検出器は、第1のフォトダイオードと第2のフォトダイオードを有し、
上記偏光子は、上記第2のフォトダイオードと上記複屈折結晶の間に配置され、上記複屈折結晶の大きさよりも小さいことを特徴とする請求の範囲第1項に記載の波長モニタ装置。 - 上記レーザダイオードと上記波長フィルタとの間に、軸線が上記第1、第2のフォトダイオードの並列方向と平行に配置された円筒形状のレンズを設けたことを特徴とする請求の範囲第4項に記載の波長モニタ装置。
- 上記第1、第2のフォトダイオードを、それぞれの受光面が平行となるように側面に接合したPDマウントを備えたことを特徴とする請求の範囲第4項に記載の波長モニタ装置。
- 上記レーザダイオード、保持部材、および光検出器を、それぞれ直接的にもしくは間接的に固定したキャリアを備え、
上記保持部材は、側面に上記突出部が設けられて、底面が上記キャリアに接合され、
上記波長フィルタの他端部は、上記保持部材と非接合であることを特徴とする請求の範囲第1〜3項の何れか一つに記載の波長モニタ装置。 - 上記レーザダイオードの駆動電流を供給する給電基板が前記キャリアに設けられ、
この給電基板は、上記レーザダイオードと上記光検出器との光路の一方の脇に配置されることを特徴とする請求の範囲第7項に記載の波長モニタ装置。 - 上記レーザダイオードにバイアス電流を供給する給電基板が設けられ、
上記キャリアは、上記レーザダイオードと上記光検出器の光路の一方の脇に、上記給電基板が配置されたことを特徴とする請求の範囲第8項に記載の波長モニタ装置。 - 上記光検出器が側面に接合され、上記キャリアの上面に載置されるPDマウントを備え、
上記PDマウントは上面に導体層を有し、該導体層を介在させて、上記給電基板と、上記レーザダイオードと上記光検出器との光路の他方の脇に設けられた導体板とを接続する接続線路を上記PDマウントに設けたことを特徴とする請求の範囲第9項に記載の波長モニタ装置。 - 上記キャリアは、段差を成す第1面と第2面を有し、上記レーザダイオードは上記キャリアの第1面に直接的もしくは間接的に接合され、上記保持部材は、上記第2面に接合されることを特徴とする請求の範囲第7項に記載の波長モニタ装置。
- 上記保持部材は金属から成り、
上記保持部材と波長フィルタは、半田あるいは低融点ガラスの溶融接合により接合されることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の波長モニタ装置。 - 上記保持部材は金属から成り、
上記保持部材と、上記波長フィルタの一端部の入射面もしくは出射面とは、上記波長フィルタの接合面から当該一端部の側端までの間に、非接合部を有して接合されたことを特徴とする請求の範囲第1項に記載の波長モニタ装置。 - 上記保持部材は、上記波長フィルタとの接合面が上記突出部から接合面側に突出して設けられることを特徴とする請求の範囲第13項に記載の波長モニタ装置。
- 上記請求項1に記載の波長モニタ装置と、
上記波長モニタ装置を載置するペルチェと、
上記光検出器の出力に基いて、上記ペルチェの温度を制御する制御回路とを備えたことを特徴とする光モジュール。 - 上記レーザダイオードの一方から出射された光が上記波長フィルタに入射される上記請求項1に記載の波長モニタ装置と、
上記レーザダイオードの他方から出射された光を外部に出力するレンズと、
上記波長モニタ装置を載置するペルチェと、
ケースとを備え、
上記波長モニタ装置、レンズ、およびペルチェが上記ケースに収納されたことを特徴とする光モジュール。 - キャリア上にレーザダイオードの搭載基板を載置する第1の工程と、
上記キャリア上に光検出器の搭載基板を載置する第2の工程と、
上記キャリアにレンズを接合する第3の工程と、
複屈折結晶と偏光子から成る波長フィルタにおける複屈折結晶の一端部における入射面または出射面側のいずれか一方の面を、保持部材に設けられた第1の突出部に接合し、前記波長フィルタにおける偏光子の一端部における入射面または出射面側のいずれか一方の面を、保持部材に設けられた第2の突出部に接合する第4の工程と、
上記第4の工程での加工が施された上記保持部材を、上記キャリアに設けられた当接面に当接する位置で上記キャリア上に載置し、接合する第5の工程と、
を備えることを特徴とする光モジュールの組立方法。
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