光半導体モジュール
【課題】ＤＦＢレーザを有する光半導体モジュールとして、広域な温度範囲で高い通信速度で動作するものの歩留まりを向上する。
【解決手段】光半導体モジュールは、ＤＦＢレーザ１と、光信号を伝送する光伝送路（例えば、光ファイバ２）を有する。光半導体モジュールは、更に、ＤＦＢレーザ１からの出射光（レーザ光３）を光伝送路に結合させる光学系４であって、出射光を光伝送路の入射端面２ａに集束させるレンズ４１を含む光学系４を有する。光半導体モジュールは、更に、ＤＦＢレーザ１の出力を検出する検出部５と、検出部５による検出結果に応じてＤＦＢレーザ１の出力を制御する制御部（ＡＰＣ駆動回路６）を有する。光学系４は、想定使用温度範囲の上限温度（例えば８５℃）での結合効率よりも、想定使用温度範囲の下限温度（例えば−４０℃）での結合効率が低くなるように構成されている。
【解決手段】光半導体モジュールは、ＤＦＢレーザ１と、光信号を伝送する光伝送路（例えば、光ファイバ２）を有する。光半導体モジュールは、更に、ＤＦＢレーザ１からの出射光（レーザ光３）を光伝送路に結合させる光学系４であって、出射光を光伝送路の入射端面２ａに集束させるレンズ４１を含む光学系４を有する。光半導体モジュールは、更に、ＤＦＢレーザ１の出力を検出する検出部５と、検出部５による検出結果に応じてＤＦＢレーザ１の出力を制御する制御部（ＡＰＣ駆動回路６）を有する。光学系４は、想定使用温度範囲の上限温度（例えば８５℃）での結合効率よりも、想定使用温度範囲の下限温度（例えば−４０℃）での結合効率が低くなるように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
分布帰還形のレーザーダイオード（以下、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザ）は、広域な温度範囲（例えば−４０℃〜８５℃）で単一モードにて動作する光通信用の光源として広く用いられている。
【０００３】
特許文献１にも記載されているように、ＤＦＢレーザでは、最大利得波長λＧとブラッグ波長λＢの差、すなわちΔλ＝λＢ−λＧが重要なパラメータとなる。Δλは、離調量、或いはデチューニングと呼ばれる。
【０００４】
なお、特許文献２には、緩和振動に起因する半導体レーザの特性劣化を抑制するために、温度が上昇すると半導体レーザの平均光出力を増大させる制御を行う技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０９−１２９９７０号公報
【特許文献２】特開２００５−２０３５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＤＦＢレーザにおいては、温度変化に伴うλＧ及びλＢの変化量は、λＧの方がλＢよりも大きい。これにより、低温（例えば−４０℃）では、Δλがプラス側に大きくなって緩和振動が低下するため、所望の高い通信速度（例えば２．４８８Ｇｂｐｓ以上）での動作ができなくなる場合がある。また、高温（例えば８５℃）では Δλがマイナス側に（その絶対値が）大きくなることにより、スロープ効率が低下する。
【０００７】
このような低温と高温でのトレードオフが存在するため、広域な温度範囲（例えば−４０℃〜８５℃）で光出力一定制御（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ：以下、ＡＰＣ）によって所望の高い通信速度（例えば２．４８８Ｇｂｐｓ以上）で動作可能な高性能のＤＦＢレーザを高い歩留まりで製造することは困難だった。なお、良品と不良品は、例えば常温（例えば２５℃）でのΔλの値により判別される。このような高性能のＤＦＢレーザにおいては、許容されるΔλが極めて狭い範囲に限られることから、歩留が大きく低下する。
【０００８】
このため、ＤＦＢレーザを有する光半導体モジュールとして、広域な温度範囲で高い通信速度で動作するものの歩留まりを向上することが困難だった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ＤＦＢレーザと、
光信号を伝送する光伝送路と、
前記ＤＦＢレーザからの出射光を前記光伝送路に結合させる光学系であって、前記出射光を前記光伝送路の入射端面に集束させるレンズを含む光学系と、
前記ＤＦＢレーザの出力を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に応じて前記ＤＦＢレーザの出力を制御する制御部と、
を有し、
前記光学系は、想定使用温度範囲の上限温度での結合効率よりも、前記想定使用温度範囲の下限温度での結合効率が低くなるように構成されていることを特徴とする光半導体モジュールを提供する。
【００１０】
この光半導体モジュールによれば、想定使用温度範囲の上限温度での結合効率よりも、想定使用温度範囲の下限温度での結合効率が低くなるので、ＤＦＢレーザの出力の検出結果に応じてＤＦＢレーザの出力を制御することによって、低温での駆動電流を高くして緩和振動周波数を大きくすることができる。このため、低温でも容易に高速動作を実現することができる。
よって、ＤＦＢレーザを有する光半導体モジュールとして、広域な温度範囲で高い通信速度で動作するものの歩留まりを向上することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＤＦＢレーザを有する光半導体モジュールとして、広域な温度範囲で高い通信速度で動作するものの歩留まりを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態に係る光半導体モジュールの波長フィルタの透過率と波長との関係の一例を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る光半導体モジュールのＤＦＢレーザのピーク波長の温度依存性の一例を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る光半導体モジュールの波長フィルタの透過率の温度依存性の一例を示す図である。
【図５】本実施形態に係る光半導体モジュールと比較例に係る光半導体モジュールの緩和振動周波数のΔλ依存性の一例を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
【図７】第３の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
【図８】第３の実施形態に係る光半導体モジュールのプラスチックレンズの最適結合位置の温度依存性の一例を示す図である。
【図９】第３の実施形態に係る光半導体モジュールのプラスチックレンズの結合位置と結合効率との関係の一例を示す図である。
【図１０】第３の実施形態に係る光半導体モジュールのレンズの結合効率の温度依存性の一例を示す図である。
【図１１】第４の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
【図１２】第４の実施形態に係る光半導体モジュールの非球面レンズの結合位置と結合効率との関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施形態を説明する前に、本発明者が認識した課題について、より詳細に説明する。
【００１４】
上述のように、ＤＦＢレーザでは、最大利得波長λＧとブラッグ波長λＢの差Δλが重要なパラメータとなり、温度が変化した時のそれぞれの変化量は、λＢよりもλＧの方が大きい。例えば、２５℃でのΔλの値が０、λＢの温度変動が０．１ｎｍ／℃、λＢの温度変動が０．４５ｎｍ／℃のＤＦＢレーザの場合、−４０℃では、Δλ＝＋２２．７５ｎｍとなり、８５℃では、Δλ＝−２１ｎｍとなる。
【００１５】
つまり、低温側では、Δλの値がプラス側に大きくなる。そして、λＢとλＧの乖離が大きくなるほど（Δλがプラス側に大きくなるほど）、緩和振動の低下が生じる。伝送速度２．４８８Ｇｂｐｓ用のＤＦＢレーザでは、緩和振動周波数が５ＧＨｚ未満になると、アイバターンのマスクマージンが減少し伝送エラーが発生しやすくなるため、緩和振動周波数が５ＧＨｚ以上であることが望ましい。
【００１６】
一方、高温側では、Δλがマイナス側に大きくなる。そして、λＢとλＧの乖離が大きくなるほど（Δλがマイナス側に大きくなるほど）、スロープ効率が低下する。
【００１７】
ここで、ＤＦＢレーザの２５℃でのΔλがプラス側であっても、想定使用温度範囲の下限温度（例えば−４０℃）では、変調電流を増大させることによって、５ＧＨｚ以上の緩和振動周波数を得ることが可能である。
【００１８】
しかし、ＤＦＢレーザの出力をフィードバック制御により自動調節するＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御を行う場合、変調電流を増大させると、想定使用温度範囲の上限温度（例えば８５℃）でのスロープ効率が低下する結果、変調電流が駆動回路に対して予め定められている最大値を上回ったり、光出力が飽和のために不足したりして、高温での動作が困難になる場合がある。
【００１９】
また、上記のようにＤＦＢレーザでは、低温側での緩和振動と高温側でのスロープ効率との間にトレードオフの関係があり、この想定使用温度範囲内の何れの温度でも所望の通信速度（例えば２．４８８Ｇｂｐｓ以上）を得るためには、Δλ（例えば常温でのΔλ）の許容範囲が限定され、その結果として歩留が低下するという課題があった。
【００２０】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２１】
本実施形態では、低温（例えば−４０℃）で所望の伝送速度（例えば２．４８８Ｇｂｐｓ以上）の動作を容易に実現できるようにするために、低温時に光伝送路（例えば光ファイバ）との結合効率が低下する光学系を採用する。
ここで、低温で結合効率を小さくするためには、ＤＦＢレーザの波長が低温ほど短くなることを利用して、ＤＦＢレーザと光伝送路との間に、短波長で透過率が低下する（反射率が大きくなる）波長フィルタを挿入することが挙げられる。
或いは、プラスチックのように温度によって屈折率が大きく変化する材質により構成されたレンズを用いて、低温でのＤＦＢレーザと光伝送路の結合効率が小さくなるようにしてもよい。
【００２２】
このような光学系を採用するとともに、光伝送路に入射する光出力が一定になるように動作させて低温でのＤＦＢレーザの駆動電流を大きくすることにより、緩和振動周波数を大きくすることができる。これにより、想定使用温度範囲内の何れの温度でも所望の通信速度（例えば２．４８８Ｇｂｐｓ以上）で動作可能な光半導体モジュールの歩留まりを向上させることができる。
【００２３】
ここで、ＤＦＢレーザの緩和振動周波数は、動作速度を決めるパラメータであり、以下の式（１）により表される。
【００２４】
【数１】
【００２５】
式（１）において、Ｇｔｈはしきい値利得レベル、Ｉは駆動電流、Ｉｔｈはしきい値電流、τは自然放出光による電子寿命時間、Ｉｇは利得が正になるキャリア密度に対応する電流値、である。
【００２６】
上記の式（１）に示される通り、ＤＦＢレーザの駆動電流が大きくなるほど、緩和振動周波数は大きくなる。また、駆動電流としきい値電流の差分（Ｉ−Ｉｔｈ）を変調電流と定義する。この変調電流は、緩和振動周波数の２乗と比例し、変調電流が大きくなるほど、緩和振動周波数も大きくなる。
【００２７】
以下、より具体的な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。
【００２８】
〔第１の実施形態〕
図１は第１の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
【００２９】
本実施形態に係る光半導体モジュールは、ＤＦＢレーザ１と、光信号を伝送する光伝送路（例えば、光ファイバ２）と、ＤＦＢレーザ１からの出射光（レーザ光３）を光伝送路に結合させる光学系４であって、出射光を光伝送路の入射端面２ａに集束させるレンズ４１を含む光学系４と、ＤＦＢレーザ１の出力を検出する検出部５と、検出部５による検出結果に応じてＤＦＢレーザ１の出力を制御する制御部（ＡＰＣ駆動回路６）と、を有し、光学系４は、想定使用温度範囲の上限温度（例えば８５℃）での結合効率よりも、想定使用温度範囲の下限温度（例えば−４０℃）での結合効率が低くなるように構成されている。
本実施形態では、ＤＦＢレーザ１のピーク波長が、約０．１ｎｍ／℃の温度依存性を持ち、低温になるほど短くなることを利用する。
以下、詳細に説明する。
【００３０】
図１に示すように、光半導体モジュールは、光源としてのＤＦＢレーザ１と、光伝送路２０を構成する光ファイバ２、２１と、ＤＦＢレーザ１から出射されるレーザ光３を光伝送路２０の光ファイバ２に結合させる光学系４とを有している。
【００３１】
光学系４は、レンズ４１と、波長フィルタ４２と、を有している。レンズ４１は、ＤＦＢレーザ１と、光ファイバ２の入射端面２ａと、の間に配置されている。波長フィルタ４２は、このレンズ４１と入射端面２ａとの間に配置されている。
【００３２】
レンズ４１は、例えば、球面レンズである。より具体的には、レンズ４１は、例えば球形のレンズ（球レンズ）である。また、本実施形態の場合、レンズ４１の材質は、例えば、ガラスである。なお、本実施形態の場合、レンズ４１は、非球面レンズであっても良い。
【００３３】
ＤＦＢレーザ１から出射したレーザ光３は、レンズ４１及び波長フィルタ４２をこの順に介して光ファイバ２に結合する。
なお、波長フィルタ４２は、ＤＦＢレーザ１とレンズ４１との間に配置しても良い。この場合、ＤＦＢレーザ１から出射したレーザ光は、波長フィルタ４２及びレンズ４１をこの順に介して光ファイバ２に結合する。
【００３４】
ＤＦＢレーザ１から出射したレーザ光３は、光ファイバ２の入射端面２ａ（ＤＦＢレーザ１側の端面）より、光ファイバ２内に入射し、光伝送路２０内を伝送される。
【００３５】
検出部５は、例えば、ファイバカプラ７とフォトダイオード（ＰＤ）８と光ファイバ９とにより構成されている。ファイバカプラ７は、光伝送路２０の途中に挿入されている。すなわち、ファイバカプラ７は、光ファイバ２と光ファイバ２１との間に挿入されている。更に、ファイバカプラ７は、更に別の光ファイバ９の一端にも接続され、この光ファイバ９の他端はフォトダイオード８と接続されている。ファイバカプラ７は、光ファイバ２を伝送される光の一部（例えば１０％）をフォトダイオード８側の光ファイバ９に入射させ、残りの一部（例えば９０％）の光を光ファイバ２１に透過させることができる。すなわち、ファイバカプラ７は、該一部の光を光伝送路２から分岐させてフォトダイオード８に入射させる。フォトダイオード８は、ファイバカプラ７により分岐された光の強度を検出し、検出結果をＡＰＣ駆動回路６に入力する。
また、ファイバカプラ７を透過した光は、ファイバカプラ７の先（光ファイバ２の延長上）に設けられた光ファイバ２１に入射される。光ファイバ２１は、ファイバカプラ７から入射された光を伝送する。
【００３６】
ＡＰＣ駆動回路６は、検出部５から入力される検出結果に基づいて、光ファイバ２に入射する光出力が一定となるように、ＤＦＢレーザ１の出力を制御する。すなわち、ＡＰＣ駆動回路６は、光量一定制御（ＡＰＣ動作）を行う。
このように、検出部５は、ＤＦＢレーザ１の出力を検出し（実際には、検出部５は、例えば、光ファイバ２に入射される光の一部（例えば１０％）を検出するため、検出部５が検出するのはＤＦＢレーザ１の出力と正の相関がある値である）、ＡＰＣ駆動回路６は検出部５による検出結果に応じてＤＦＢレーザ１の出力を制御する。
なお、光出力が一定となるような制御には、厳密に一定となるような制御のみならず、所定の目標範囲内に収まるような制御も含まれる。
【００３７】
光送信機としての光半導体モジュールでは、光源としてのＤＦＢレーザ１からの光出力が定められているため、図１に示すように光出力モニタ用の検出部５を光伝送路２０の途中に挿入して、ＡＰＣ動作を行う。
【００３８】
波長フィルタ４２は、短波側の波長の透過率が低くなる特性を持つ。
すなわち、波長フィルタ４２は、光半導体モジュールの想定使用温度範囲の下限温度（例えば−４０℃）でのＤＦＢレーザ１のピーク波長に対して損失が大きく、該想定使用温度範囲の上限温度（例えば８５℃）でのＤＦＢレーザ１のピーク波長に対して損失が小さいという特性を持つ。
より具体的には、波長フィルタ４２は、低温になるほど、ＤＦＢレーザ１のピーク波長に対する損失が大きくなり、従って、低温になるほど透過率が低下する。
【００３９】
本実施形態では、このような特性の波長フィルタ４２を用いることにより、想定使用温度範囲の上限温度での結合効率よりも、想定使用温度範囲の下限温度での結合効率が低くなるように、光学系４が構成されている。
【００４０】
例えば、８５℃では、光ファイバ２に入射する光出力は、波長フィルタ４２がない場合とほぼ同等になるが、−４０℃では、波長フィルタ４２での損失が生じる。このため、光ファイバ２に入射した光の光出力の検出結果に基づきＡＰＣ動作を行うと、−４０℃では、波長フィルタ４２で生じた損失の分、変調電流が大きくなり、その結果、緩和振動周波数を大きくすることができる。
【００４１】
以下、ＤＦＢレーザ１の２５℃でのピーク波長λｐ＝１．３１ｕｍの場合について、より具体的に説明する。
【００４２】
図２は波長フィルタ４２の透過率と波長との関係の一例を示す図、図３はＤＦＢレーザ１のピーク波長の温度依存性の一例を示す図、図４は波長フィルタ４２の透過率の温度依存性の一例を示す図である。図２の縦軸は透過率（％）、横軸は波長（ｎｍ）である。図２は２５℃での特性の一例を示す。波長フィルタ４２は、温度変化に応じて透過率が変化するが、予め温度変動を考慮して２５℃での透過率が設計されるので、以下では、説明を簡単にするため、波長フィルタ４２に温度依存性がないものとする。図３の縦軸はピーク波長（ｎｍ）、横軸は温度（℃）である。図４の縦軸は透過率（％）、横軸は温度（℃）である。
【００４３】
図２に示すように、波長フィルタ４２は、例えば、波長が１３１０ｎｍ以下になると、波長が短くなるほど透過率が低下するという特性を持つ。
ＤＦＢレーザ１のピーク波長λｐの温度依存性は、０．１ｎｍ／℃であるため、図３に示すように、例えば、−４０℃でλｐ＝１３０３．５ｎｍ、８５℃でλｐ＝１３１６ｎｍとなる。
【００４４】
また、図２に示される透過率特性と図３に示されるピーク波長λｐの温度依存特性から、各温度での波長フィルタ４２の透過率は、図４に示すようになる。
すなわち、図４に示すように、例えば、−４０℃での透過率は５９％、８５℃での透過率は９６％となる。光ファイバ２に入射した光出力をモニタし、ＡＰＣ動作を行うと、−４０℃では、波長フィルタ４２がない場合と比較して、光ファイバ２に結合する光が小さくなるので、変調電流が６９％大きくなる。
【００４５】
図５は本実施形態に係る光半導体モジュールと比較例に係る光半導体モジュールの緩和振動周波数のΔλ依存性の一例を示す図である。図５の縦軸は緩和振動周波数（ＧＨｚ）、横軸は変調電流の平方根であり、横軸の値が大きいほど、変調電流が大きいことを意味する。図５には、Δλ＝０、Δλ＝５、Δλ＝１０のそれぞれの場合について、緩和振動周波数と、変調電流の平方根と、の関係を示している。
【００４６】
図５において、先ず、比較例として、−４０℃での変調電流（Ｉｍｏｄ）が１５ｍＡの場合（横軸の値が約３．８）について説明する。この場合、Δλ＝０では、緩和振動周波数ｆｒ＝５．６ＧＨｚが得られ、２．４８８Ｇｂｐｓでの動作が可能である。しかし、Δλ＝５ｎｍでは、ｆｒ＝４．８ＧＨｚ、Δλ＝１０ｎｍでは、ｆｒ＝４ＧＨｚとなり、何れも２．４８８Ｇｂｐｓでの動作に必要な５ＧＨｚを下回っていた。
【００４７】
これに対して、本実施形態では、上記のような波長フィルタ４２を用いることにより、−４０℃での変調電流が２５ｍＡとなるため（横軸の値が約５．０）、Δλ＝５ｎｍでは、ｆｒ＝６．４ＧＨｚ、Δλ＝１０ｎｍでも、ｆｒ＝５．６ＧＨｚといずれも５ＧＨｚ を超える緩和振動周波数を得ることができた。
【００４８】
以上のような第１の実施形態に係る光半導体モジュールによれば、想定使用温度範囲の上限温度での結合効率よりも、想定使用温度範囲の下限温度での結合効率が低くなる。よって、ＤＦＢレーザ１の出力の検出結果に応じてＤＦＢレーザ１の出力を一定に制御することによって、低温での駆動電流を高くして緩和振動周波数を大きくすることができる。このため、低温でも容易に高速動作を実現することができる。
よって、ＤＦＢレーザ１を有する光半導体モジュールとして、広域な温度範囲で高い通信速度で動作するものの歩留まりを向上することができる。
具体的には、例えば、−４０℃でのＤＦＢレーザ１の駆動電流を高くすることで、−４０℃の緩和振動周波数を高くすることができ、−４０℃以上８５℃以下の温度範囲で、２．４８８Ｇｂｐｓ以上で動作する光半導体モジュールを歩留よく製造することができる。
【００４９】
光学系４は、ＤＦＢレーザ１と光ファイバ２との間に配置された波長フィルタ４２を有し、波長フィルタ４２は、想定使用温度範囲の上限温度におけるＤＦＢレーザ１の出射波長の透過率が、下限温度におけるＤＦＢレーザ１の出射波長の透過率よりも低くなる特性を持つ。ＤＦＢレーザ１の波長は、低温ほど短くなるので（図３）、このような波長フィルタ４２を用いることにより、想定使用温度範囲の上限温度での結合効率よりも、想定使用温度範囲の下限温度での結合効率を低くすることができる。
【００５０】
なお、レンズ４１がガラスにより構成される場合、レンズ４１を球形にする方がレンズ４１の加工が容易である。また、レンズ４１が球形の方が、結合位置が変わった時の結合率の変化が小さいので、光ファイバ２と結合する際の調整がしやすくなる。
【００５１】
〔第２の実施形態〕
図６は第２の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
本実施形態では、上記の第１の実施形態と比べて、検出部５の配置及び構成が異なる。すなわち、本実施形態では、ＤＦＢレーザ１を基準として、検出部５は、光ファイバ２の入射端面２ａと反対側に配置されている。また、検出部５は、ファイバカプラ７を有していない。
ＤＦＢレーザ１と検出部５との間には、波長フィルタ４２と同じ特性の第２波長フィルタ４２１が配置されている。
そして、検出部５は、ＤＦＢレーザ１の出力として、第２波長フィルタ４２１を介して検出部５に入射した光の強度を検出する。
また、本実施形態の場合、光伝送路２０は、その途中に検出部５を挿入する必要がないため、光ファイバ２と光ファイバ２１とにより構成する必要が無く、光ファイバ２により構成されている。
【００５２】
ＤＦＢレーザ１は、光ファイバ２側にレーザ光３を出射するとともに、検出部５側にもレーザ光３１を出射する。
【００５３】
レーザ光３１は、第２波長フィルタ４２１を介して検出部５に入射する。本実施形態の場合、ＡＰＣ駆動回路６は、検出部５から入力される検出結果に基づいて、検出部５に入射する光出力が一定となるように、ＤＦＢレーザ１の出力を制御する。
【００５４】
第２の実施形態のように、ＤＦＢレーザ１の後方に配置した検出部５による検出結果に応じてＤＦＢレーザ１をＡＰＣ動作する場合にも、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
〔第３の実施形態〕
図７は第３の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
本実施形態に係る光半導体モジュールは、上記の第１の実施形態と比べて、以下の点が相違する。すなわち、光半導体モジュールは、波長フィルタ４２を有しておらず、また、レンズ４１に代えてレンズ４１１を有している。本実施形態の場合、例えば、レンズ４１１のみにより光学系４が構成されている。ＤＦＢレーザ１から出射したレーザ光３は、レンズ４１１を介して光ファイバ２に結合する。光ファイバ２に入射した光を検出部５により検出し、その検出結果に応じ、ＡＰＣ駆動回路６によってＤＦＢレーザ１をＡＰＣ動作させる。
【００５６】
レンズ４１１は、例えば、球面レンズである。より具体的には、レンズ４１１は、例えば球形のレンズ（球レンズ）である。レンズ４１１の直径は、例えば１．５ｍｍ程度とすることができる。
【００５７】
レンズ４１１は、例えば、プラスチックなどの樹脂により構成されている。
レンズ４１１の材料は、より具体的には、例えば、２５℃での屈折率が１．４９、屈折率の温度依存性が−１．１×１０−４／℃のプラスチックとすることができる。
【００５８】
光ファイバ２の入射端面２ａは、想定使用温度範囲の上限温度（例えば８５℃）で最適な結合が得られる位置（最適結合位置）に配置する。なお、光ファイバ２の位置は、８５℃にて最適な結合位置に調整してもよいし、常温（例えば２５℃）と上限温度での最適結合位置との差が予め分かっていれば、常温での最適結合位置に光ファイバ２の入射端面２ａを位置合わせしてから、その差分（例えば１２０μｍ）だけ、レンズ４１１と反対側に入射端面２ａをずらすことによって行っても良い。
【００５９】
図８はレンズ４１１の最適結合位置の温度依存性の一例を示す図、図９はレンズ４１１の結合位置と結合効率との関係の一例を示す図、図１０はレンズ４１１の結合効率の温度依存性の一例を示す図である。図８の縦軸は最適結合位置（ｍｍ）、横軸は温度（℃）、図９の縦軸は結合効率（％）、横軸は結合位置（ｍｍ）、図１０の縦軸は結合効率（％）、横軸は温度（℃）である。
【００６０】
レンズ４１１を構成するプラスチックの屈折率の温度変化により、最適結合位置は、温度変化に対して、図８のように変化する。
【００６１】
また、レンズ４１１の結合位置と結合効率の関係は−４０℃、２５℃、８５℃のそれぞれの温度において、図９のようになる。なお、図９には、本実施形態での結合位置Ｐ１、すなわち想定使用温度範囲の上限温度（例えば８５℃）で最適な結合が得られる位置を示している。
【００６２】
また、図１０に示すように、８５℃の最適結合位置での結合効率は例えば１７．９％となるが、−４０℃では、同じ位置で光ファイバ２に結合させると、結合効率が例えば９．２％となる。
【００６３】
以下、光出力を１ｍＷとしてＡＰＣ動作する場合について説明する。
【００６４】
ガラスレンズを使った場合、例えば、−４０℃でのスロープ効率が０．５Ｗ／Ａとなり、結合効率が１８％となるので、光出力が１ｍＷの場合は、変動電流が１１ｍＡとなる。変調電流が１１ｍＡの場合、２５℃のΔλ＝０ でも、ｆｒ＝４．７ＧＨｚとなり、５ＧＨｚを下回るので、２５℃でのΔλ＝０〜１０ｎｍでは、２．４８８Ｇｂｐｓでの動作ができない。
【００６５】
これに対し、プラスチックレンズを使った場合、例えば、−４０℃でのスロープ効率が０．５Ｗ／Ａとなり、結合効率が９．２％となるので、変調電流は２２ｍＡとなり、２５℃でのΔλ＝１０ｎｍの時でも、ｆｒ＝５．２ＧＨｚとなる。その結果、２５℃でのΔλ＝０〜１０ｎｍの間で、２．４８８Ｇｂｐｓの動作条件を満たす。
【００６６】
一般に、光半導体モジュールに用いられる光ファイバ２のコアの径は１０μｍ程度であり、そのサイズのコアに光を結合させるため、光半導体モジュールのレンズの材料としては、一般に、屈折率の温度変動が２×１０−６／℃と非常に小さいガラスが採用されている。
【００６７】
一方、プラスチックなどの樹脂を材料にしたレンズ４１１は、ガラスと比較して加工が容易で、且つ安価である。しかし、レンズ４１１は、ガラスと比べて屈折率の温度依存性が−１×１０−５から−１×１０−４と１桁から２桁大きく、これまで光ファイバ２を使った装置には採用されなかった。例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）は、屈折率が１．４９であり、レンズのガラス材料として採用されることが多いＢＫ−７と同等の屈折率を有しているが、その温度依存性は−１．１×１０−４／℃と、ガラス材料よりも２桁大きい。
【００６８】
本実施形態では、樹脂の屈折率が温度依存性を利用して、下限温度（例えば−４０℃）での結合効率を低くする。
樹脂の屈折率は、高温ほど小さくなり、低温ほど大きくなるので、最大の結合効率が得られる結合位置は、高温ほどレンズ４１１から離れ、低温ほどレンズ４１１に近くなる。上限温度（例えば８５℃）で結合効率が最大になる位置で光ファイバ２と結合させると、−４０℃では、最適結合位置がレンズ４１１に近くなり、結合効率が低下する。その結果、ＡＰＣ動作した場合は、下限温度（−４０℃）での変調電流を高くすることができ、緩和振動周波数を高くすることができる。
【００６９】
以上のような第３の実施形態でも、想定使用温度範囲の上限温度での結合効率よりも、想定使用温度範囲の下限温度での結合効率が低くなるので、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
また、ガラスよりも安価な樹脂によりレンズ４１１が構成されているので、光半導体モジュールのコストを低減することができる。
【００７０】
〔第４の実施形態〕
図１１は第４の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
本実施形態に係る光半導体モジュールは、以下に説明する点でのみ上記の第３の実施形態と相違する。
【００７１】
本実施形態の場合、レンズ４１１は、非球面レンズである。また、レンズ４１１の材料は、例えば、２５℃での屈折率が１．５、屈折率の温度依存性が−１．２×１０−５／℃ のプラスチックとすることができる。
【００７２】
非球面レンズでは、最適結合位置から結合位置がずれたときの結合効率の低下が大きく、屈折率が−１×１０−４／℃の温度依存性を持つと、−４０℃では、光ファイバ２に入射する光出力が取れなくなるため、第３の実施形態よりも温度依存性が小さいプラスチックを用いる。
【００７３】
図１２は、レンズ４１１が非球面レンズである場合の結合位置と結合効率との関係の一例を示す図である。図１２の縦軸は結合効率（％）、横軸は結合位置（ｍｍ）である。
最適結合位置は、８５℃から−４０℃に変化すると、０．０２３ｍｍだけレンズ側に近付くので、結合位置Ｐ２での結合効率は、５１．５％から４５．２％と１３％低くなる。なお、結合位置Ｐ２は、図１２に示す通り本実施形態における想定使用温度範囲の上限温度（例えば８５℃）で最適な結合が得られる位置を示している。
【００７４】
以下、光出力を４ｍＷとしてＡＰＣ動作する場合について説明する。
【００７５】
ガラスレンズを使った場合、−４０℃でのスロープ効率が０．５Ｗ／Ａ、結合効率が ５１．５％となるので、光出力が４ｍＷの場合は、変動電流が１５．４ｍＡとなる。変調電流が１５．４ｍＡの場合、２５℃のΔλ＝０ではｆｒ＝５．６ＧＨｚとなり５ＧＨｚを超えるが、２５℃でのΔλ＝５ｎｍでは、ｆｒ＝４．８ＧＨｚとなり、５ＧＨｚ以下となって、２．４８８Ｇｂｐｓでの動作条件を満足しない。
【００７６】
一方、プラスチックレンズを使用した場合、スロープ効率０．５Ｗ／Ａ、結合効率が４５．２％であるので、変調電流は、１７．７ｍＡとなる。２５℃でのΔλ＝０の時はｆｒ＝６．１ＧＨｚ、２５℃でのΔλ＝５ｎｍの時は、ｆｒ＝５．３ＧＨｚとなり、２．４８８Ｇｂｐｓでの動作条件を満足する。
【００７７】
なお、ここでは、屈折率の温度依存性が−１．２×１０−５／℃ の材料を採用したが、温度依存性が更に大きい材料を採用することになって、−４０℃と８５℃の結合効率の差を大きくすることも可能である。
【００７８】
以上のような第４の実施形態によっても、第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７９】
なお、上記の第１及び第２の実施形態では結合効率を低下させるために波長フィルタ４２を用いる例を説明し、上記の第３及び第４の実施形態では結合効率を低下させるための樹脂により構成されたレンズ４１１を用いる例を説明したが、波長フィルタ４２及びレンズ４１１を併用することによって、結合効率を低下させても良い。
【符号の説明】
【００８０】
１ ＤＦＢレーザ
２ 光ファイバ
２ａ 入射端面
２０ 光伝送路
２１ 光ファイバ
３ レーザ光
４ 光学系
５ 検出部
６ ＡＰＣ駆動回路
７ ファイバカプラ
８ フォトダイオード
９ 光ファイバ
３１ レーザ光
４１ レンズ
４２ 波長フィルタ
４１１ レンズ
４２１ 波長フィルタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
分布帰還形のレーザーダイオード（以下、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザ）は、広域な温度範囲（例えば−４０℃〜８５℃）で単一モードにて動作する光通信用の光源として広く用いられている。
【０００３】
特許文献１にも記載されているように、ＤＦＢレーザでは、最大利得波長λＧとブラッグ波長λＢの差、すなわちΔλ＝λＢ−λＧが重要なパラメータとなる。Δλは、離調量、或いはデチューニングと呼ばれる。
【０００４】
なお、特許文献２には、緩和振動に起因する半導体レーザの特性劣化を抑制するために、温度が上昇すると半導体レーザの平均光出力を増大させる制御を行う技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０９−１２９９７０号公報
【特許文献２】特開２００５−２０３５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＤＦＢレーザにおいては、温度変化に伴うλＧ及びλＢの変化量は、λＧの方がλＢよりも大きい。これにより、低温（例えば−４０℃）では、Δλがプラス側に大きくなって緩和振動が低下するため、所望の高い通信速度（例えば２．４８８Ｇｂｐｓ以上）での動作ができなくなる場合がある。また、高温（例えば８５℃）では Δλがマイナス側に（その絶対値が）大きくなることにより、スロープ効率が低下する。
【０００７】
このような低温と高温でのトレードオフが存在するため、広域な温度範囲（例えば−４０℃〜８５℃）で光出力一定制御（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ：以下、ＡＰＣ）によって所望の高い通信速度（例えば２．４８８Ｇｂｐｓ以上）で動作可能な高性能のＤＦＢレーザを高い歩留まりで製造することは困難だった。なお、良品と不良品は、例えば常温（例えば２５℃）でのΔλの値により判別される。このような高性能のＤＦＢレーザにおいては、許容されるΔλが極めて狭い範囲に限られることから、歩留が大きく低下する。
【０００８】
このため、ＤＦＢレーザを有する光半導体モジュールとして、広域な温度範囲で高い通信速度で動作するものの歩留まりを向上することが困難だった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ＤＦＢレーザと、
光信号を伝送する光伝送路と、
前記ＤＦＢレーザからの出射光を前記光伝送路に結合させる光学系であって、前記出射光を前記光伝送路の入射端面に集束させるレンズを含む光学系と、
前記ＤＦＢレーザの出力を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に応じて前記ＤＦＢレーザの出力を制御する制御部と、
を有し、
前記光学系は、想定使用温度範囲の上限温度での結合効率よりも、前記想定使用温度範囲の下限温度での結合効率が低くなるように構成されていることを特徴とする光半導体モジュールを提供する。
【００１０】
この光半導体モジュールによれば、想定使用温度範囲の上限温度での結合効率よりも、想定使用温度範囲の下限温度での結合効率が低くなるので、ＤＦＢレーザの出力の検出結果に応じてＤＦＢレーザの出力を制御することによって、低温での駆動電流を高くして緩和振動周波数を大きくすることができる。このため、低温でも容易に高速動作を実現することができる。
よって、ＤＦＢレーザを有する光半導体モジュールとして、広域な温度範囲で高い通信速度で動作するものの歩留まりを向上することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＤＦＢレーザを有する光半導体モジュールとして、広域な温度範囲で高い通信速度で動作するものの歩留まりを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態に係る光半導体モジュールの波長フィルタの透過率と波長との関係の一例を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る光半導体モジュールのＤＦＢレーザのピーク波長の温度依存性の一例を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る光半導体モジュールの波長フィルタの透過率の温度依存性の一例を示す図である。
【図５】本実施形態に係る光半導体モジュールと比較例に係る光半導体モジュールの緩和振動周波数のΔλ依存性の一例を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
【図７】第３の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
【図８】第３の実施形態に係る光半導体モジュールのプラスチックレンズの最適結合位置の温度依存性の一例を示す図である。
【図９】第３の実施形態に係る光半導体モジュールのプラスチックレンズの結合位置と結合効率との関係の一例を示す図である。
【図１０】第３の実施形態に係る光半導体モジュールのレンズの結合効率の温度依存性の一例を示す図である。
【図１１】第４の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
【図１２】第４の実施形態に係る光半導体モジュールの非球面レンズの結合位置と結合効率との関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施形態を説明する前に、本発明者が認識した課題について、より詳細に説明する。
【００１４】
上述のように、ＤＦＢレーザでは、最大利得波長λＧとブラッグ波長λＢの差Δλが重要なパラメータとなり、温度が変化した時のそれぞれの変化量は、λＢよりもλＧの方が大きい。例えば、２５℃でのΔλの値が０、λＢの温度変動が０．１ｎｍ／℃、λＢの温度変動が０．４５ｎｍ／℃のＤＦＢレーザの場合、−４０℃では、Δλ＝＋２２．７５ｎｍとなり、８５℃では、Δλ＝−２１ｎｍとなる。
【００１５】
つまり、低温側では、Δλの値がプラス側に大きくなる。そして、λＢとλＧの乖離が大きくなるほど（Δλがプラス側に大きくなるほど）、緩和振動の低下が生じる。伝送速度２．４８８Ｇｂｐｓ用のＤＦＢレーザでは、緩和振動周波数が５ＧＨｚ未満になると、アイバターンのマスクマージンが減少し伝送エラーが発生しやすくなるため、緩和振動周波数が５ＧＨｚ以上であることが望ましい。
【００１６】
一方、高温側では、Δλがマイナス側に大きくなる。そして、λＢとλＧの乖離が大きくなるほど（Δλがマイナス側に大きくなるほど）、スロープ効率が低下する。
【００１７】
ここで、ＤＦＢレーザの２５℃でのΔλがプラス側であっても、想定使用温度範囲の下限温度（例えば−４０℃）では、変調電流を増大させることによって、５ＧＨｚ以上の緩和振動周波数を得ることが可能である。
【００１８】
しかし、ＤＦＢレーザの出力をフィードバック制御により自動調節するＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御を行う場合、変調電流を増大させると、想定使用温度範囲の上限温度（例えば８５℃）でのスロープ効率が低下する結果、変調電流が駆動回路に対して予め定められている最大値を上回ったり、光出力が飽和のために不足したりして、高温での動作が困難になる場合がある。
【００１９】
また、上記のようにＤＦＢレーザでは、低温側での緩和振動と高温側でのスロープ効率との間にトレードオフの関係があり、この想定使用温度範囲内の何れの温度でも所望の通信速度（例えば２．４８８Ｇｂｐｓ以上）を得るためには、Δλ（例えば常温でのΔλ）の許容範囲が限定され、その結果として歩留が低下するという課題があった。
【００２０】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２１】
本実施形態では、低温（例えば−４０℃）で所望の伝送速度（例えば２．４８８Ｇｂｐｓ以上）の動作を容易に実現できるようにするために、低温時に光伝送路（例えば光ファイバ）との結合効率が低下する光学系を採用する。
ここで、低温で結合効率を小さくするためには、ＤＦＢレーザの波長が低温ほど短くなることを利用して、ＤＦＢレーザと光伝送路との間に、短波長で透過率が低下する（反射率が大きくなる）波長フィルタを挿入することが挙げられる。
或いは、プラスチックのように温度によって屈折率が大きく変化する材質により構成されたレンズを用いて、低温でのＤＦＢレーザと光伝送路の結合効率が小さくなるようにしてもよい。
【００２２】
このような光学系を採用するとともに、光伝送路に入射する光出力が一定になるように動作させて低温でのＤＦＢレーザの駆動電流を大きくすることにより、緩和振動周波数を大きくすることができる。これにより、想定使用温度範囲内の何れの温度でも所望の通信速度（例えば２．４８８Ｇｂｐｓ以上）で動作可能な光半導体モジュールの歩留まりを向上させることができる。
【００２３】
ここで、ＤＦＢレーザの緩和振動周波数は、動作速度を決めるパラメータであり、以下の式（１）により表される。
【００２４】
【数１】
【００２５】
式（１）において、Ｇｔｈはしきい値利得レベル、Ｉは駆動電流、Ｉｔｈはしきい値電流、τは自然放出光による電子寿命時間、Ｉｇは利得が正になるキャリア密度に対応する電流値、である。
【００２６】
上記の式（１）に示される通り、ＤＦＢレーザの駆動電流が大きくなるほど、緩和振動周波数は大きくなる。また、駆動電流としきい値電流の差分（Ｉ−Ｉｔｈ）を変調電流と定義する。この変調電流は、緩和振動周波数の２乗と比例し、変調電流が大きくなるほど、緩和振動周波数も大きくなる。
【００２７】
以下、より具体的な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。
【００２８】
〔第１の実施形態〕
図１は第１の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
【００２９】
本実施形態に係る光半導体モジュールは、ＤＦＢレーザ１と、光信号を伝送する光伝送路（例えば、光ファイバ２）と、ＤＦＢレーザ１からの出射光（レーザ光３）を光伝送路に結合させる光学系４であって、出射光を光伝送路の入射端面２ａに集束させるレンズ４１を含む光学系４と、ＤＦＢレーザ１の出力を検出する検出部５と、検出部５による検出結果に応じてＤＦＢレーザ１の出力を制御する制御部（ＡＰＣ駆動回路６）と、を有し、光学系４は、想定使用温度範囲の上限温度（例えば８５℃）での結合効率よりも、想定使用温度範囲の下限温度（例えば−４０℃）での結合効率が低くなるように構成されている。
本実施形態では、ＤＦＢレーザ１のピーク波長が、約０．１ｎｍ／℃の温度依存性を持ち、低温になるほど短くなることを利用する。
以下、詳細に説明する。
【００３０】
図１に示すように、光半導体モジュールは、光源としてのＤＦＢレーザ１と、光伝送路２０を構成する光ファイバ２、２１と、ＤＦＢレーザ１から出射されるレーザ光３を光伝送路２０の光ファイバ２に結合させる光学系４とを有している。
【００３１】
光学系４は、レンズ４１と、波長フィルタ４２と、を有している。レンズ４１は、ＤＦＢレーザ１と、光ファイバ２の入射端面２ａと、の間に配置されている。波長フィルタ４２は、このレンズ４１と入射端面２ａとの間に配置されている。
【００３２】
レンズ４１は、例えば、球面レンズである。より具体的には、レンズ４１は、例えば球形のレンズ（球レンズ）である。また、本実施形態の場合、レンズ４１の材質は、例えば、ガラスである。なお、本実施形態の場合、レンズ４１は、非球面レンズであっても良い。
【００３３】
ＤＦＢレーザ１から出射したレーザ光３は、レンズ４１及び波長フィルタ４２をこの順に介して光ファイバ２に結合する。
なお、波長フィルタ４２は、ＤＦＢレーザ１とレンズ４１との間に配置しても良い。この場合、ＤＦＢレーザ１から出射したレーザ光は、波長フィルタ４２及びレンズ４１をこの順に介して光ファイバ２に結合する。
【００３４】
ＤＦＢレーザ１から出射したレーザ光３は、光ファイバ２の入射端面２ａ（ＤＦＢレーザ１側の端面）より、光ファイバ２内に入射し、光伝送路２０内を伝送される。
【００３５】
検出部５は、例えば、ファイバカプラ７とフォトダイオード（ＰＤ）８と光ファイバ９とにより構成されている。ファイバカプラ７は、光伝送路２０の途中に挿入されている。すなわち、ファイバカプラ７は、光ファイバ２と光ファイバ２１との間に挿入されている。更に、ファイバカプラ７は、更に別の光ファイバ９の一端にも接続され、この光ファイバ９の他端はフォトダイオード８と接続されている。ファイバカプラ７は、光ファイバ２を伝送される光の一部（例えば１０％）をフォトダイオード８側の光ファイバ９に入射させ、残りの一部（例えば９０％）の光を光ファイバ２１に透過させることができる。すなわち、ファイバカプラ７は、該一部の光を光伝送路２から分岐させてフォトダイオード８に入射させる。フォトダイオード８は、ファイバカプラ７により分岐された光の強度を検出し、検出結果をＡＰＣ駆動回路６に入力する。
また、ファイバカプラ７を透過した光は、ファイバカプラ７の先（光ファイバ２の延長上）に設けられた光ファイバ２１に入射される。光ファイバ２１は、ファイバカプラ７から入射された光を伝送する。
【００３６】
ＡＰＣ駆動回路６は、検出部５から入力される検出結果に基づいて、光ファイバ２に入射する光出力が一定となるように、ＤＦＢレーザ１の出力を制御する。すなわち、ＡＰＣ駆動回路６は、光量一定制御（ＡＰＣ動作）を行う。
このように、検出部５は、ＤＦＢレーザ１の出力を検出し（実際には、検出部５は、例えば、光ファイバ２に入射される光の一部（例えば１０％）を検出するため、検出部５が検出するのはＤＦＢレーザ１の出力と正の相関がある値である）、ＡＰＣ駆動回路６は検出部５による検出結果に応じてＤＦＢレーザ１の出力を制御する。
なお、光出力が一定となるような制御には、厳密に一定となるような制御のみならず、所定の目標範囲内に収まるような制御も含まれる。
【００３７】
光送信機としての光半導体モジュールでは、光源としてのＤＦＢレーザ１からの光出力が定められているため、図１に示すように光出力モニタ用の検出部５を光伝送路２０の途中に挿入して、ＡＰＣ動作を行う。
【００３８】
波長フィルタ４２は、短波側の波長の透過率が低くなる特性を持つ。
すなわち、波長フィルタ４２は、光半導体モジュールの想定使用温度範囲の下限温度（例えば−４０℃）でのＤＦＢレーザ１のピーク波長に対して損失が大きく、該想定使用温度範囲の上限温度（例えば８５℃）でのＤＦＢレーザ１のピーク波長に対して損失が小さいという特性を持つ。
より具体的には、波長フィルタ４２は、低温になるほど、ＤＦＢレーザ１のピーク波長に対する損失が大きくなり、従って、低温になるほど透過率が低下する。
【００３９】
本実施形態では、このような特性の波長フィルタ４２を用いることにより、想定使用温度範囲の上限温度での結合効率よりも、想定使用温度範囲の下限温度での結合効率が低くなるように、光学系４が構成されている。
【００４０】
例えば、８５℃では、光ファイバ２に入射する光出力は、波長フィルタ４２がない場合とほぼ同等になるが、−４０℃では、波長フィルタ４２での損失が生じる。このため、光ファイバ２に入射した光の光出力の検出結果に基づきＡＰＣ動作を行うと、−４０℃では、波長フィルタ４２で生じた損失の分、変調電流が大きくなり、その結果、緩和振動周波数を大きくすることができる。
【００４１】
以下、ＤＦＢレーザ１の２５℃でのピーク波長λｐ＝１．３１ｕｍの場合について、より具体的に説明する。
【００４２】
図２は波長フィルタ４２の透過率と波長との関係の一例を示す図、図３はＤＦＢレーザ１のピーク波長の温度依存性の一例を示す図、図４は波長フィルタ４２の透過率の温度依存性の一例を示す図である。図２の縦軸は透過率（％）、横軸は波長（ｎｍ）である。図２は２５℃での特性の一例を示す。波長フィルタ４２は、温度変化に応じて透過率が変化するが、予め温度変動を考慮して２５℃での透過率が設計されるので、以下では、説明を簡単にするため、波長フィルタ４２に温度依存性がないものとする。図３の縦軸はピーク波長（ｎｍ）、横軸は温度（℃）である。図４の縦軸は透過率（％）、横軸は温度（℃）である。
【００４３】
図２に示すように、波長フィルタ４２は、例えば、波長が１３１０ｎｍ以下になると、波長が短くなるほど透過率が低下するという特性を持つ。
ＤＦＢレーザ１のピーク波長λｐの温度依存性は、０．１ｎｍ／℃であるため、図３に示すように、例えば、−４０℃でλｐ＝１３０３．５ｎｍ、８５℃でλｐ＝１３１６ｎｍとなる。
【００４４】
また、図２に示される透過率特性と図３に示されるピーク波長λｐの温度依存特性から、各温度での波長フィルタ４２の透過率は、図４に示すようになる。
すなわち、図４に示すように、例えば、−４０℃での透過率は５９％、８５℃での透過率は９６％となる。光ファイバ２に入射した光出力をモニタし、ＡＰＣ動作を行うと、−４０℃では、波長フィルタ４２がない場合と比較して、光ファイバ２に結合する光が小さくなるので、変調電流が６９％大きくなる。
【００４５】
図５は本実施形態に係る光半導体モジュールと比較例に係る光半導体モジュールの緩和振動周波数のΔλ依存性の一例を示す図である。図５の縦軸は緩和振動周波数（ＧＨｚ）、横軸は変調電流の平方根であり、横軸の値が大きいほど、変調電流が大きいことを意味する。図５には、Δλ＝０、Δλ＝５、Δλ＝１０のそれぞれの場合について、緩和振動周波数と、変調電流の平方根と、の関係を示している。
【００４６】
図５において、先ず、比較例として、−４０℃での変調電流（Ｉｍｏｄ）が１５ｍＡの場合（横軸の値が約３．８）について説明する。この場合、Δλ＝０では、緩和振動周波数ｆｒ＝５．６ＧＨｚが得られ、２．４８８Ｇｂｐｓでの動作が可能である。しかし、Δλ＝５ｎｍでは、ｆｒ＝４．８ＧＨｚ、Δλ＝１０ｎｍでは、ｆｒ＝４ＧＨｚとなり、何れも２．４８８Ｇｂｐｓでの動作に必要な５ＧＨｚを下回っていた。
【００４７】
これに対して、本実施形態では、上記のような波長フィルタ４２を用いることにより、−４０℃での変調電流が２５ｍＡとなるため（横軸の値が約５．０）、Δλ＝５ｎｍでは、ｆｒ＝６．４ＧＨｚ、Δλ＝１０ｎｍでも、ｆｒ＝５．６ＧＨｚといずれも５ＧＨｚ を超える緩和振動周波数を得ることができた。
【００４８】
以上のような第１の実施形態に係る光半導体モジュールによれば、想定使用温度範囲の上限温度での結合効率よりも、想定使用温度範囲の下限温度での結合効率が低くなる。よって、ＤＦＢレーザ１の出力の検出結果に応じてＤＦＢレーザ１の出力を一定に制御することによって、低温での駆動電流を高くして緩和振動周波数を大きくすることができる。このため、低温でも容易に高速動作を実現することができる。
よって、ＤＦＢレーザ１を有する光半導体モジュールとして、広域な温度範囲で高い通信速度で動作するものの歩留まりを向上することができる。
具体的には、例えば、−４０℃でのＤＦＢレーザ１の駆動電流を高くすることで、−４０℃の緩和振動周波数を高くすることができ、−４０℃以上８５℃以下の温度範囲で、２．４８８Ｇｂｐｓ以上で動作する光半導体モジュールを歩留よく製造することができる。
【００４９】
光学系４は、ＤＦＢレーザ１と光ファイバ２との間に配置された波長フィルタ４２を有し、波長フィルタ４２は、想定使用温度範囲の上限温度におけるＤＦＢレーザ１の出射波長の透過率が、下限温度におけるＤＦＢレーザ１の出射波長の透過率よりも低くなる特性を持つ。ＤＦＢレーザ１の波長は、低温ほど短くなるので（図３）、このような波長フィルタ４２を用いることにより、想定使用温度範囲の上限温度での結合効率よりも、想定使用温度範囲の下限温度での結合効率を低くすることができる。
【００５０】
なお、レンズ４１がガラスにより構成される場合、レンズ４１を球形にする方がレンズ４１の加工が容易である。また、レンズ４１が球形の方が、結合位置が変わった時の結合率の変化が小さいので、光ファイバ２と結合する際の調整がしやすくなる。
【００５１】
〔第２の実施形態〕
図６は第２の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
本実施形態では、上記の第１の実施形態と比べて、検出部５の配置及び構成が異なる。すなわち、本実施形態では、ＤＦＢレーザ１を基準として、検出部５は、光ファイバ２の入射端面２ａと反対側に配置されている。また、検出部５は、ファイバカプラ７を有していない。
ＤＦＢレーザ１と検出部５との間には、波長フィルタ４２と同じ特性の第２波長フィルタ４２１が配置されている。
そして、検出部５は、ＤＦＢレーザ１の出力として、第２波長フィルタ４２１を介して検出部５に入射した光の強度を検出する。
また、本実施形態の場合、光伝送路２０は、その途中に検出部５を挿入する必要がないため、光ファイバ２と光ファイバ２１とにより構成する必要が無く、光ファイバ２により構成されている。
【００５２】
ＤＦＢレーザ１は、光ファイバ２側にレーザ光３を出射するとともに、検出部５側にもレーザ光３１を出射する。
【００５３】
レーザ光３１は、第２波長フィルタ４２１を介して検出部５に入射する。本実施形態の場合、ＡＰＣ駆動回路６は、検出部５から入力される検出結果に基づいて、検出部５に入射する光出力が一定となるように、ＤＦＢレーザ１の出力を制御する。
【００５４】
第２の実施形態のように、ＤＦＢレーザ１の後方に配置した検出部５による検出結果に応じてＤＦＢレーザ１をＡＰＣ動作する場合にも、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
〔第３の実施形態〕
図７は第３の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
本実施形態に係る光半導体モジュールは、上記の第１の実施形態と比べて、以下の点が相違する。すなわち、光半導体モジュールは、波長フィルタ４２を有しておらず、また、レンズ４１に代えてレンズ４１１を有している。本実施形態の場合、例えば、レンズ４１１のみにより光学系４が構成されている。ＤＦＢレーザ１から出射したレーザ光３は、レンズ４１１を介して光ファイバ２に結合する。光ファイバ２に入射した光を検出部５により検出し、その検出結果に応じ、ＡＰＣ駆動回路６によってＤＦＢレーザ１をＡＰＣ動作させる。
【００５６】
レンズ４１１は、例えば、球面レンズである。より具体的には、レンズ４１１は、例えば球形のレンズ（球レンズ）である。レンズ４１１の直径は、例えば１．５ｍｍ程度とすることができる。
【００５７】
レンズ４１１は、例えば、プラスチックなどの樹脂により構成されている。
レンズ４１１の材料は、より具体的には、例えば、２５℃での屈折率が１．４９、屈折率の温度依存性が−１．１×１０−４／℃のプラスチックとすることができる。
【００５８】
光ファイバ２の入射端面２ａは、想定使用温度範囲の上限温度（例えば８５℃）で最適な結合が得られる位置（最適結合位置）に配置する。なお、光ファイバ２の位置は、８５℃にて最適な結合位置に調整してもよいし、常温（例えば２５℃）と上限温度での最適結合位置との差が予め分かっていれば、常温での最適結合位置に光ファイバ２の入射端面２ａを位置合わせしてから、その差分（例えば１２０μｍ）だけ、レンズ４１１と反対側に入射端面２ａをずらすことによって行っても良い。
【００５９】
図８はレンズ４１１の最適結合位置の温度依存性の一例を示す図、図９はレンズ４１１の結合位置と結合効率との関係の一例を示す図、図１０はレンズ４１１の結合効率の温度依存性の一例を示す図である。図８の縦軸は最適結合位置（ｍｍ）、横軸は温度（℃）、図９の縦軸は結合効率（％）、横軸は結合位置（ｍｍ）、図１０の縦軸は結合効率（％）、横軸は温度（℃）である。
【００６０】
レンズ４１１を構成するプラスチックの屈折率の温度変化により、最適結合位置は、温度変化に対して、図８のように変化する。
【００６１】
また、レンズ４１１の結合位置と結合効率の関係は−４０℃、２５℃、８５℃のそれぞれの温度において、図９のようになる。なお、図９には、本実施形態での結合位置Ｐ１、すなわち想定使用温度範囲の上限温度（例えば８５℃）で最適な結合が得られる位置を示している。
【００６２】
また、図１０に示すように、８５℃の最適結合位置での結合効率は例えば１７．９％となるが、−４０℃では、同じ位置で光ファイバ２に結合させると、結合効率が例えば９．２％となる。
【００６３】
以下、光出力を１ｍＷとしてＡＰＣ動作する場合について説明する。
【００６４】
ガラスレンズを使った場合、例えば、−４０℃でのスロープ効率が０．５Ｗ／Ａとなり、結合効率が１８％となるので、光出力が１ｍＷの場合は、変動電流が１１ｍＡとなる。変調電流が１１ｍＡの場合、２５℃のΔλ＝０ でも、ｆｒ＝４．７ＧＨｚとなり、５ＧＨｚを下回るので、２５℃でのΔλ＝０〜１０ｎｍでは、２．４８８Ｇｂｐｓでの動作ができない。
【００６５】
これに対し、プラスチックレンズを使った場合、例えば、−４０℃でのスロープ効率が０．５Ｗ／Ａとなり、結合効率が９．２％となるので、変調電流は２２ｍＡとなり、２５℃でのΔλ＝１０ｎｍの時でも、ｆｒ＝５．２ＧＨｚとなる。その結果、２５℃でのΔλ＝０〜１０ｎｍの間で、２．４８８Ｇｂｐｓの動作条件を満たす。
【００６６】
一般に、光半導体モジュールに用いられる光ファイバ２のコアの径は１０μｍ程度であり、そのサイズのコアに光を結合させるため、光半導体モジュールのレンズの材料としては、一般に、屈折率の温度変動が２×１０−６／℃と非常に小さいガラスが採用されている。
【００６７】
一方、プラスチックなどの樹脂を材料にしたレンズ４１１は、ガラスと比較して加工が容易で、且つ安価である。しかし、レンズ４１１は、ガラスと比べて屈折率の温度依存性が−１×１０−５から−１×１０−４と１桁から２桁大きく、これまで光ファイバ２を使った装置には採用されなかった。例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）は、屈折率が１．４９であり、レンズのガラス材料として採用されることが多いＢＫ−７と同等の屈折率を有しているが、その温度依存性は−１．１×１０−４／℃と、ガラス材料よりも２桁大きい。
【００６８】
本実施形態では、樹脂の屈折率が温度依存性を利用して、下限温度（例えば−４０℃）での結合効率を低くする。
樹脂の屈折率は、高温ほど小さくなり、低温ほど大きくなるので、最大の結合効率が得られる結合位置は、高温ほどレンズ４１１から離れ、低温ほどレンズ４１１に近くなる。上限温度（例えば８５℃）で結合効率が最大になる位置で光ファイバ２と結合させると、−４０℃では、最適結合位置がレンズ４１１に近くなり、結合効率が低下する。その結果、ＡＰＣ動作した場合は、下限温度（−４０℃）での変調電流を高くすることができ、緩和振動周波数を高くすることができる。
【００６９】
以上のような第３の実施形態でも、想定使用温度範囲の上限温度での結合効率よりも、想定使用温度範囲の下限温度での結合効率が低くなるので、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
また、ガラスよりも安価な樹脂によりレンズ４１１が構成されているので、光半導体モジュールのコストを低減することができる。
【００７０】
〔第４の実施形態〕
図１１は第４の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す模式図である。
本実施形態に係る光半導体モジュールは、以下に説明する点でのみ上記の第３の実施形態と相違する。
【００７１】
本実施形態の場合、レンズ４１１は、非球面レンズである。また、レンズ４１１の材料は、例えば、２５℃での屈折率が１．５、屈折率の温度依存性が−１．２×１０−５／℃ のプラスチックとすることができる。
【００７２】
非球面レンズでは、最適結合位置から結合位置がずれたときの結合効率の低下が大きく、屈折率が−１×１０−４／℃の温度依存性を持つと、−４０℃では、光ファイバ２に入射する光出力が取れなくなるため、第３の実施形態よりも温度依存性が小さいプラスチックを用いる。
【００７３】
図１２は、レンズ４１１が非球面レンズである場合の結合位置と結合効率との関係の一例を示す図である。図１２の縦軸は結合効率（％）、横軸は結合位置（ｍｍ）である。
最適結合位置は、８５℃から−４０℃に変化すると、０．０２３ｍｍだけレンズ側に近付くので、結合位置Ｐ２での結合効率は、５１．５％から４５．２％と１３％低くなる。なお、結合位置Ｐ２は、図１２に示す通り本実施形態における想定使用温度範囲の上限温度（例えば８５℃）で最適な結合が得られる位置を示している。
【００７４】
以下、光出力を４ｍＷとしてＡＰＣ動作する場合について説明する。
【００７５】
ガラスレンズを使った場合、−４０℃でのスロープ効率が０．５Ｗ／Ａ、結合効率が ５１．５％となるので、光出力が４ｍＷの場合は、変動電流が１５．４ｍＡとなる。変調電流が１５．４ｍＡの場合、２５℃のΔλ＝０ではｆｒ＝５．６ＧＨｚとなり５ＧＨｚを超えるが、２５℃でのΔλ＝５ｎｍでは、ｆｒ＝４．８ＧＨｚとなり、５ＧＨｚ以下となって、２．４８８Ｇｂｐｓでの動作条件を満足しない。
【００７６】
一方、プラスチックレンズを使用した場合、スロープ効率０．５Ｗ／Ａ、結合効率が４５．２％であるので、変調電流は、１７．７ｍＡとなる。２５℃でのΔλ＝０の時はｆｒ＝６．１ＧＨｚ、２５℃でのΔλ＝５ｎｍの時は、ｆｒ＝５．３ＧＨｚとなり、２．４８８Ｇｂｐｓでの動作条件を満足する。
【００７７】
なお、ここでは、屈折率の温度依存性が−１．２×１０−５／℃ の材料を採用したが、温度依存性が更に大きい材料を採用することになって、−４０℃と８５℃の結合効率の差を大きくすることも可能である。
【００７８】
以上のような第４の実施形態によっても、第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７９】
なお、上記の第１及び第２の実施形態では結合効率を低下させるために波長フィルタ４２を用いる例を説明し、上記の第３及び第４の実施形態では結合効率を低下させるための樹脂により構成されたレンズ４１１を用いる例を説明したが、波長フィルタ４２及びレンズ４１１を併用することによって、結合効率を低下させても良い。
【符号の説明】
【００８０】
１ ＤＦＢレーザ
２ 光ファイバ
２ａ 入射端面
２０ 光伝送路
２１ 光ファイバ
３ レーザ光
４ 光学系
５ 検出部
６ ＡＰＣ駆動回路
７ ファイバカプラ
８ フォトダイオード
９ 光ファイバ
３１ レーザ光
４１ レンズ
４２ 波長フィルタ
４１１ レンズ
４２１ 波長フィルタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＦＢレーザと、
光信号を伝送する光伝送路と、
前記ＤＦＢレーザからの出射光を前記光伝送路に結合させる光学系であって、前記出射光を前記光伝送路の入射端面に集束させるレンズを含む光学系と、
前記ＤＦＢレーザの出力を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に応じて前記ＤＦＢレーザの出力を制御する制御部と、
を有し、
前記光学系は、想定使用温度範囲の上限温度での結合効率よりも、前記想定使用温度範囲の下限温度での結合効率が低くなるように構成されていることを特徴とする光半導体モジュール。
【請求項２】
前記光学系は、低温になるほど結合効率が低下するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体モジュール。
【請求項３】
前記光学系は、前記ＤＦＢレーザと前記光伝送路との間に配置された波長フィルタを更に有し、
前記波長フィルタは、前記上限温度における前記ＤＦＢレーザの出射波長の透過率が、前記下限温度における前記ＤＦＢレーザの出射波長の透過率よりも低くなる特性を持つことを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体モジュール
【請求項４】
前記検出部は、前記ＤＦＢレーザの出力として、前記光伝送路に入射した光の強度を検出することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光半導体モジュール。
【請求項５】
前記ＤＦＢレーザを基準として、前記検出部は、前記光伝送路の入射端面と反対側に配置され、
前記ＤＦＢレーザと前記検出部との間には、前記波長フィルタと同じ特性の第２波長フィルタが配置され、
前記検出部は、前記ＤＦＢレーザの出力として、前記第２波長フィルタを介して当該検出部に入射した光の強度を検出する請求項３に記載の光半導体モジュール。
【請求項６】
前記レンズが樹脂により構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の光半導体モジュール。
【請求項７】
前記光伝送路の入射端面が、前記上限温度での最適結合位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光半導体モジュール。
【請求項８】
前記レンズは球面レンズであることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の光半導体モジュール。
【請求項９】
前記レンズは非球面レンズであることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の光半導体モジュール。
【請求項１０】
前記上限温度は８５℃であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の光半導体モジュール。
【請求項１１】
前記下限温度は−４０℃であることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光半導体モジュール。
【請求項１】
ＤＦＢレーザと、
光信号を伝送する光伝送路と、
前記ＤＦＢレーザからの出射光を前記光伝送路に結合させる光学系であって、前記出射光を前記光伝送路の入射端面に集束させるレンズを含む光学系と、
前記ＤＦＢレーザの出力を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に応じて前記ＤＦＢレーザの出力を制御する制御部と、
を有し、
前記光学系は、想定使用温度範囲の上限温度での結合効率よりも、前記想定使用温度範囲の下限温度での結合効率が低くなるように構成されていることを特徴とする光半導体モジュール。
【請求項２】
前記光学系は、低温になるほど結合効率が低下するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体モジュール。
【請求項３】
前記光学系は、前記ＤＦＢレーザと前記光伝送路との間に配置された波長フィルタを更に有し、
前記波長フィルタは、前記上限温度における前記ＤＦＢレーザの出射波長の透過率が、前記下限温度における前記ＤＦＢレーザの出射波長の透過率よりも低くなる特性を持つことを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体モジュール
【請求項４】
前記検出部は、前記ＤＦＢレーザの出力として、前記光伝送路に入射した光の強度を検出することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光半導体モジュール。
【請求項５】
前記ＤＦＢレーザを基準として、前記検出部は、前記光伝送路の入射端面と反対側に配置され、
前記ＤＦＢレーザと前記検出部との間には、前記波長フィルタと同じ特性の第２波長フィルタが配置され、
前記検出部は、前記ＤＦＢレーザの出力として、前記第２波長フィルタを介して当該検出部に入射した光の強度を検出する請求項３に記載の光半導体モジュール。
【請求項６】
前記レンズが樹脂により構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の光半導体モジュール。
【請求項７】
前記光伝送路の入射端面が、前記上限温度での最適結合位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光半導体モジュール。
【請求項８】
前記レンズは球面レンズであることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の光半導体モジュール。
【請求項９】
前記レンズは非球面レンズであることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の光半導体モジュール。
【請求項１０】
前記上限温度は８５℃であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の光半導体モジュール。
【請求項１１】
前記下限温度は−４０℃であることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光半導体モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１５６４３０（Ｐ２０１２−１５６４３０Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６１１９（Ｐ２０１１−１６１１９）
【出願日】平成２３年１月２８日（２０１１．１．２８）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２８日（２０１１．１．２８）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
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