光傳輸模塊和光傳輸系統的製作方法

2023-04-27 00:11:46

專利名稱：光傳輸模塊和光傳輸系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過例如半導體雷射器裝置輸出光束的光傳輸模塊和光傳 輸系統。
背景技術：
如圖1所示，作為與本發明相關的光傳輸模塊，有一種光傳輸模塊包
括安裝到託架106上的雷射器裝置101、監測PD (光電二極體)102、熱 敏電阻103和透鏡104。託架106被安裝在珀耳帖裝置107上。
為保持振蕩波長恆定和使光輸出穩定，需要控制雷射器裝置101以保 持其溫度恆定。因此，在圖1中示出的光傳輸模塊中，為了控制溫度，熱 敏電阻103鄰近雷射器裝置101安裝並且電流流過珀耳帖裝置以保持熱敏 電阻103的阻值恆定。
另外，如圖1所示，作為與本發明相關的光傳輸模塊，有一種光學傳 輸系統包括半導體雷射器裝置、光吸收型半導體光調製器裝置和可以獨立 控制這些裝置溫度的溫度控制單元。作為溫度控制單元，有一種單元，其 中電阻元件被蒸發沉積到半導體雷射器裝置和光吸收型半導體光調製器裝 置的底部以提供電加熱器，並且在其下另外安裝有一個熱電冷卻元件，例 如，如日本專利申請公開No.2000-228556中公開的。
作為與本發明相關的光學裝置模塊，有一種模塊，其中包括熱源和溫
度傳感器的集成熱傳遞模塊被安裝到光子裝置上，例如，如日本專利申請 公開No.2002-232065中公開的。
作為與本發明相關的另一種系統，有一種系統，其中半導體雷射器被
設置於殼體中，該殼體可以將雷射束出射端面同外界空氣屏蔽開並基於外 部空氣溫度探測器探測的信號驅動加熱器，例如，如日本專利申請公開 No.61-216381中公開的。
接下來，以下將會描述各個傳統技術的問題。
在圖1所示的光傳輸模塊的情況下，如果試圖使包裝108與託架106 間的溫度差增加(例如當包裝外面的溫度下降時)，那麼珀耳帖裝置107 頂面與底面間的溫度差變大，因此在珀耳帖裝置處可能會發生形變。這樣 產生於珀耳帖裝置處的形變影響雷射器裝置或透鏡的安裝狀態。結果，激 光束偏離並且光輸出降低。
在專利申請公開No.2000-228556描述的技術中，電動機被設置在熱電 冷卻元件上並因此在熱電冷卻元件的頂面與底面間可能有大的溫度差，但 是對於熱電冷卻元件頂面與底面間的溫度差引起的形變的處理措施卻沒有 被考慮。該技術涉及一種結構，該結構中獨立的各個組件穿過熱電冷卻元 件被固定到殼體上，因此在該技術中沒有考慮通過將包括發光裝置的多個 組件安裝在例如基片的支持單元上從而進行穩定的固定。
根據專利申請公開No.2002-232065的模塊包括作為集成熱傳遞模塊提 供熱源的加熱器，卻並未考慮包括冷卻功能的溫度調節單元。該模塊構造 成將一個光子裝置安裝到集成熱傳遞模塊上，並沒有考慮通過將包括發光 裝置的多個組件安裝到例如基片的支持單元上使獨立的各個組件穩定固 定。
根據專利申請公開號No.61-216381的系統包括基於外部空氣溫度探測 器探測的信號驅動的加熱器，但並未考慮包括冷卻功能的溫度調節單元。 系統設置有安裝於殼體上的半導體雷射器，但並未考慮通過將包括發光裝 置的多個組件安裝到例如基片的支持單元上使獨立組件穩定固定。

發明內容
本發明的示範性目的針對解決上述的各個問題。因此，本發明的一個 示範性目的為提供一種光傳輸模塊和光傳輸系統，其包括安裝到支持單元 的包括發光裝置的多個組件，能夠抑制由對發光裝置和支持單元等進行溫 度調節的溫度調節單元的頂面與底面間的溫度差引起的形變，並能夠保持 穩定的光學性能。
為實現該示範性目的，根據本發明，光傳輸模塊為這樣的一種光傳輸
模塊，其包括支持單元，其上安裝有至少包括發光裝置的多個組件；溫 度調節單元，其對支持單元和發光裝置進行溫度調節；加熱單元，其設置 於支持單元內部。
根據本發明的光傳輸系統包括根據上述發明的光傳輸模塊。


圖1是示出作為本發明相關技術的光傳輸模塊的縱向截面圖2是示出本發明各個示範性實施例中光傳輸模塊的主要部分的示意
圖3是示出根據本發明第一示範性實施例的光傳輸模塊結構的俯視
圖4是示出沿圖3中的線A-A'取的截面圖5是示出圍繞光傳輸模塊的控制結構的框圖6是示出根據本發明第二示範性實施例的光傳輸模塊結構的俯視
圖7是示出根據本發明第三示範性實施例的光傳輸模塊及其託架附近 的詳細結構的縱向截面圖8是示出根據本發明第四示範性實施例的光傳輸模塊及其託架附近 的詳細結構的縱向截面圖9是示出根據第本發明五示範性實施例的光傳輸模塊及其託架附近 的詳細結構的縱向截面圖。
具體實施例方式
接下來參考附圖詳細說明一種示範性實施例，作為根據本發明的光傳 輸模塊和光傳輸系統的應用。
首先，以下對每個示範性實施例公共的要點進行描述。 如圖2所示，本發明的每個示範性實施例中的光傳輸模塊的結構被構 造成使得包括至少一個發光裝置的多個元件被安裝到支持單元的一個表 面，而對支持單元和發光裝置的溫度進行調節的溫度調節單元被固定到支
持單元的另一表面。另外，用於加熱發光裝置的加熱單元被設置於支持單 元的內部。
在本發明的每個示範性實施例中，以該方式設置於支持單元內部的加 熱單元與支持單元下方的溫度調節單元一起對雷射器裝置進行溫度控制。 因此，通過增加發光裝置周圍的溫度，可以防止溫度調節單元頂面與底面 間的溫度差增加。因此，由溫度調節單元頂面與底面間的溫度差產生的形 變被抑制，因此保持穩定的光學性能而不使雷射束偏離。
接下來參考附圖，對本發明的第一示範性實施例進行具體說明。
圖3示出了根據本發明第一示範性實施例的光傳輸模塊的俯視圖。圖
4示出了沿圖3中線A-A'取的截面圖。
如圖3和圖4所示，產生雷射束的雷射器裝置(發光裝置)1、用於 監測雷射器裝置1輸出的光的監測PD (光敏二極體)2、用於監測雷射器 裝置1的溫度的熱敏電阻(發光裝置溫度傳感單元)3和用於聚焦雷射束 的透鏡(光學組件)4被安裝到託架(支持單元)6上，託架6被形成為陶 瓷基片(板狀部件)6A和6B的多層板。
託架6被牢固的固定到珀耳帖裝置(溫度調節單元)7上。更進一步 的，珀耳帖裝置7被牢固的安裝到金屬材料(例如KOVAR)製成的包裝 8中。透射窗8a形成於包裝8上以輸出從雷射器裝置1經透鏡4會聚的激 光束。
託架6包括陶瓷基片6A和6B並被構造為設置有布線圖等的多層基 片。在陶瓷基片6A和6B之間，加熱器(加熱單元)5是由包括鉑的合金 薄膜形成的電阻元件。氮化鋁基片或矽基片可以被用來代替陶瓷基片 6A、 6B。
電流從包裝8外部通過引線鍵合(wire bonding)或布線提供給加熱器 5。此時，在加熱器5中，產生的焦耳熱由提供的電流量和加熱器5自身 的電阻值所決定。這些熱通過陶瓷基片6B使雷射器裝置1和熱敏電阻3 等的溫度升高。因此，控制流過加熱器5的電流提供了可以對設置於加熱 器5正上方或周圍的雷射器裝置1的溫度可變地進行控制的效果。
接下來，參考圖5中的功能框圖，描述在包括根據示範性實施例的光 傳輸模塊的光傳輸系統中的溫度控制操作。
必須保持雷射器裝置1的振蕩波長恆定。因此，雷射器裝置1的溫度 需要被精確調節為預定的溫度。為準確監測雷射器裝置1的溫度，熱敏電
阻3被放置於與雷射器裝置1在熱學上接近(thermally close)的位置。熱 敏電阻3的電阻值根據溫度變化，因此，電阻值被傳送給自動溫度控制電 路(ATC)(控制單元)9作為控制信號。
自動溫度控制電路9將信號轉換為珀耳帖裝置的驅動電流。之後信號 流進珀耳帖裝置7以冷卻或加熱陶瓷件6A。熱流通過加熱器5和陶瓷件 6B被傳送給雷射器裝置1或熱敏電阻3。這種反饋電路可以將雷射器裝置 l周圍的溫度穩定在預定值。
以包裝8外部的溫度降低為例。設置於包裝8外部並包括監測外部空 氣溫度功能的外部溫度傳感器(外部溫度探測器)IO輸出對應於溫度的電 流。於是陶瓷基片6B變熱並對雷射器裝置1和熱敏電阻3加熱。自動溫 度控制電路9基於來自熱敏電阻3的輸出而調節電流以減少珀耳帖裝置7 的發熱量。具體而言，加熱器5和珀耳帖裝置7的總發熱量被傳遞到雷射 器裝置l和熱敏電阻3。
相反，在包裝8外部的溫度升高等情況下，為冷卻雷射器裝置1周 圍，自動溫度控制電路9使電流沿與加熱的情況相反的方向流過珀耳帖裝 置7。因此，珀耳帖裝置7冷卻雷射器裝置1和託架6的周圍以進行溫度 控制。
接下來參考圖4，對根據示範性實施例的光傳輸模塊的製作方法進行 描述。
首先，在陶瓷基片6A上蒸發沉積包括鉑的合金電阻元件，之後在其 上形成電極以構造加熱器5。加熱器5被圖案化使熱量在陶瓷基片6A的整 個表面上均勻分布。之後堆疊陶瓷基片6B以形成多層託架6。陶瓷基片 6A和6B可以由氮化鋁或矽製成。
之後用共晶釺料(例如AuSn)將雷射器裝置1和熱敏電阻3安裝到 託架6上。熱敏電阻3被放置於與雷射器裝置1在熱學上接近的位置。接
著，監測PD2被安裝在雷射器裝置1的後向雷射束照射的位置。透鏡4被
安裝在雷射器裝置1的前向雷射束照射的中心位置。其上包括這些組件的
託架6被安裝到預先焊接的珀耳帖裝置7上。最後，設置有託架6的珀耳 帖裝置7被安裝到包裝8上以獲得光傳輸模塊。
在示範性實施例中，採用了形成加熱器5作為託架6的內層的處理， 所以經過的電流使加熱器5成為加熱元件。因此，有幾個優點，例如減少 珀耳帖裝置7的熱量值和通過抑制珀耳帖裝置7頂面與底面間的溫度差而 減少了形變。
如上所述，在第一示範性實施例中，加熱器5內置於託架6中並與珀 耳帖裝置7結合為一體以控制雷射器裝置1的溫度。因此，這種示範性實 施例可以抑制因為珀耳帖裝置7加熱所引起的形變，並在因外部空氣溫度 變化而引起光輸出的小波動的情況下保持穩定的光學性能。
更具體地說，本來要由珀耳帖裝置7產生的熱的一部分現在由加熱器 5發出了，因此，可以減小要由珀耳帖裝置7產生的溫度差。因此，由珀 耳帖裝置7產生的溫度差引起的珀耳帖裝置7自身的形變量可以被減少， 因此可以穩定雷射器裝置1發出的前向雷射束。因此，本發明提供的光傳 輸模塊可以減少由溫度變化引起的前向光輸出與後向光輸出間的偏差， 即，跟蹤(tracking)誤差。
根據示範性實施例的光傳輸模塊被構造為使得加熱器5被內置於託架 6內部，在將例如雷射器裝置1的組件安裝到託架表面時，相比於構造為 加熱器被安裝到託架表面的光傳輸模塊可以有更高的靈活性。同樣，根據 示範性實施例構造的託架6更不容易因託架6的頂面與底面間的溫度差而 變形。
此外，根據示範性實施例的光傳輸模塊包括用於探測外部溫度的外部 溫度傳感器，並包括作為發光裝置溫度探測器的熱敏電阻3，可以高速和 高精度的進行溫度控制。
另外，包括根據示範性實施例的光傳輸模塊的光傳輸系統基於外部溫 度傳感器10和熱敏電阻3的溫度探測結果進行溫度控制，因此如上所 述，雷射器裝置1周圍的溫度可以被穩定在特定的設置值，於是通過上述
的光傳輸模塊獲得穩定的光學性能。 [第二示範性實施例]
接下來，以下對根據本發明的第二示範性實施例進行表述。 在第二示範性實施例中，上述第一示範性實施例中的加熱器5僅僅被 放置在靠近需要被加熱的雷射器裝置附近的部分，並且溫度傳感器(發光
裝置溫度探測器)13代替熱敏電阻3被設置於託架6內部。
如圖6所示，在第二示範性實施例中，加熱器15被僅僅放置於雷射 器裝置ll之下以縮小加熱面積，從而表現出低加熱能量消耗的優點。
另外，通過與形成加熱器15相同的方式在託架16內層形成由包括鉑 的合金製成的、電阻值隨溫度線性變化的溫度傳感器13，熱敏電阻3可以 被除去。溫度傳感器13以與加熱器15相同的式樣形成在陶瓷基片上，使 降低成本成為可能。
在第二示範性實施例中，可以用第一示範性實施例中描述的熱敏電阻 3代替溫度傳感器13。
如上所述，根據第二示範性實施例，因為加熱器5僅被布線於需要被 加熱的雷射器裝置11附近的區域，而該加熱器5進行加熱，所以實現了 有效地加熱。因此，該示範性實施例提供了包括珀耳帖裝置7的光傳輸模 塊，可以獲得與上述第一示範性實施例相同的優點並且除此之外實現了低 的總能量消耗。
如上所述，該示範性實施例能夠減小光學模塊的能量消耗並且在因外 部空氣溫度變化而引起光輸出的小波動的情況下確保光學性能穩定。 [第三示範性實施例]
接下來，以下對根據本發明的第三示範性實施例進行表述。
在第三示範性實施例中，具有不同熱阻的材料被用於上述第二示範性 實施例中基片6A和6B。
如圖7所示，在第三示範性實施例中，低熱阻材料被用於基片6A而 高熱阻材料被用於基片6B。因此，加熱器5的熱量有效的傳遞給包括雷射 器裝置1的組件，而加熱器5的熱量卻不能輕易的傳遞給珀耳帖裝置7。
如上所述，通過增加多層基片的託架6的頂面與底面間的溫度差，珀
耳帖裝置7的頂面與底面間的溫度差可以被減少與託架6頂面與底面間的 溫度差相對應的量。因此，該示範性實施例提供與上述第二示範性實施例 相同的優點，並且除此之外還可以進一步抑制由珀耳帖裝置7的頂面與底 面間的溫度差引起的形變和進一步穩定光傳輸模塊的光學性能。
在上述第三示範性實施例中，基片不限於包括兩層，而只需要是包括
多層構造的結構，不用考慮層的數目。在這種情況下，在加熱器5的與激
光器裝置1靠近的一側的基片是由低熱阻材料製成，而其他基片(即在加
熱器5的與珀耳帖裝置7靠近的另一側的基片)是由高熱阻材料製成。 [第四示範性實施例]
接下來，以下對根據本發明的第四示範性實施例進行表述。
第四示範性實施例提供一種結構，該結構被設置為在上述第二示範性 實施例中部分地增加高熱阻材料。
如圖8所示，在第四示範性實施例中，高熱阻材料6C被部分地設置 於加熱器5靠近珀耳帖裝置7的一側。加熱器5和高熱阻材料6C被夾於 基片6A和6B之間放置。
通過在託架6中加熱器5的靠近珀耳帖裝置7的一側設置高熱阻材料 6C，相比於雷射器裝置1的那一側，加熱器5的熱量不能輕易的傳遞到珀 耳帖裝置7的這一側。通過增加多層基片的託架6的頂面與底面間的溫度 差，珀耳帖裝置7的頂面與底面間的溫度差可以減小與託架6的頂面與底 面間的溫度差相對應的量。
通過第四示範性實施例的結構，來自加熱器5的熱量在高熱阻材料6C 周圍轉向而被傳遞到珀耳帖裝置7。因此，與上述第三示範性實施例相 比，本示範性實施例對於託架6的頂面與底面間的溫度差提供更小的增加 的效果，但是可以比第三示範性實施例中的結構更加減少基片的形變量。
因此，本示範性實施例提供與上述第二示範性實施例相同的優點，並 且除此之外還可以進一步抑制由珀耳帖裝置7的頂面與底面間的溫度差產 生的形變和進一步穩定光傳輸模塊的光學性能。
接下來，以下對根據本發明的第五示範性實施例進行表述。
在第五示範性實施例中，作為第二示範性實施例中基片6A和6B的材 料，低熱阻材料僅僅被用在加熱器5與雷射器裝置1之間的部分而高熱阻 材料被用在其他部分。
如圖9所示，在第五示範性實施例中，低熱阻材料6D被設置在基片 6A內加熱器5與雷射器裝置1間的部分。作為用以安裝例如雷射器裝置1 的組件的片狀部件，基片6A的其他部分由高熱阻材料製成。設置於珀耳 帖裝置7這一側的基片6B也是由高熱阻材料製成。
如上所述，在本示範性實施例中，低熱阻材料被僅僅用在加熱器5與 雷射器裝置1之間的部分而高熱阻材料被用在其他部分。因此，加熱器5 的熱量被有效的傳遞給雷射器裝置1而加熱器5的熱量不能輕易傳遞給珀 耳帖裝置7。
如上所述，通過增加多層基片的託架6的頂面與底面間的溫度差，珀 耳帖裝置7的頂面與底面間的溫度差可以減小與託架6的頂面與底面間的 溫度差相對應的量。因此，本示範性實施例提供與上述第二示範性實施例 相同的優點，並且除此之外可以進一步抑制由珀耳帖裝置7的頂面與底面 間的溫度差產生的形變以增加減小託架6的形變量的效果和進一步穩定光 傳輸模塊的光學性能。
在上述第五示範性實施例中，基片不限於包括兩層，而只需要是包括 多層構造的結構，不用考慮層的數目。在這種情況下，在加熱器5的與激 光器裝置1靠近的一側的基片的鄰近雷射器裝置1的部分設置有低熱阻材 料6D而該基片其他部分是由高熱阻材料製成。另一基片(即在加熱器5 的與珀耳帖裝置7靠近的另一側的基片)是由高熱阻材料製成。
第二示範性實施例中描述的溫度傳感器13可以被用來代替每個示範 性實施例中的熱敏電阻3。即使在使用熱敏電阻3作為發光裝置溫度探測 器的結構的情況下，本發明也可以以相同方式應用到任何情況中。
在上述每個示範性實施例中，基片不限於包括兩層，而只需要是由多 層結構構造的結構，不用考慮層的數目。在這種情況下，加熱器被夾在構 成託架的任意基片之間。
如上所述，根據本發明，通過將包括發光裝置的多個組件安裝到支持 單元上，每個組件可以被穩定的支持。同時，由控制發光裝置溫度的溫度 調節單元和支持單元的頂面與底面間的溫度差產生的形變可以被抑制以保 持穩定的光學性能。
以下將會對本發明的工業應用進行表述。本發明能夠針對溫度改變穩 定光學性能，適合應用於有寬環境工作溫度範圍的光傳輸系統，例如波分 傳輸系統。
以上描述為本發明的優選的示範性實施例，本發明不僅限於此，並且 可以做多種改變和修改而不離開本發明的精神和範圍。
本發明基於2007年9月4日提交的日本專利申請No.2007-229283， 並要求其優先權，該公開文件以引用方式全部結合在這裡。
權利要求
1. 一種光傳輸模塊，包括支持單元，其上安裝有多個組件，所述多個組件至少包括發光裝置；溫度調節單元，其至少對所述支持單元和所述發光裝置進行溫度調節；和加熱單元，其設置於所述支持單元內部。
2. 根據權利要求1所述的光傳輸模塊，其中，所述加熱單元被安裝於 所述支持單元內並鄰近所述發光裝置。
3. 根據權利要求1所述的光傳輸模塊，其中，所述支持單元包括至少兩個片狀部件；所述加熱單元夾於所述片狀部件之間。
4. 根據權利要求3所述的光傳輸模塊，其中，所述加熱單元的靠近所 述發光裝置一側的所述片狀部件是由低熱阻材料製成，而其他片狀部件是 由高熱阻材料製成。
5. 根據權利要求3所述的光傳輸模塊，其中，高熱阻材料被設置於所 述支持單元中所述加熱單元靠近所述溫度調節單元的一側。
6. 根據權利要求3所述的光傳輸模塊，其中，所述支持單元在所述加 熱單元靠近所述發光裝置的一側的所述片狀部件中在鄰近所述加熱單元處包括低熱阻材料，而所述片狀部件的其他部分和其他片狀部件是由高熱阻 材料製成。
7. 根據權利要求1所述的光傳輸模塊，其中，所述支持單元和所述溫 度調節單元被安裝在包裝中，並且所述支持部件被固定在所述溫度調節單 元上，從而通過所述溫度調節單元與所述包裝接觸。
8. 根據權利要求1所述的光傳輸模塊，其中，安裝於所述支持單元上 的所述多個組件包括對鄰近所述發光裝置的位置處的溫度進行探測的發光 裝置溫度探測單元。
9. 根據權利要求1所述的光傳輸模塊，其中，對鄰近所述發光裝置的 位置處的溫度進行探測的所述發光裝置溫度探測單元被安裝於所述支持單 元內部。
10. 根據權利要求1所述的光傳輸模塊，其中，安裝在所述支持單元 上的所述多個組件包括會聚所述發光裝置發出的光的光學組件。
11. 一種光傳輸模塊，包括支持裝置，其上安裝有多個組件，所述多個組件至少包括發光裝置； 溫度調節裝置，其至少對所述支持裝置和所述發光裝置進行溫度調 節；和加熱裝置，其設置於所述支持裝置內部。
12. —種光傳輸系統，包括根據權利要求1所述的光傳輸模塊。
13. —種光傳輸系統，包括 根據權利要求7所述的光傳輸模塊；和外部溫度探測單元，用來探測所述包裝外部的溫度，其中， 所述加熱單元基於所述外部溫度探測單元的探測結果進行溫度控制。
14. 一種光傳輸系統，包括 根據權利要求8所述的光傳輸模塊；和控制單元，其基於所述發光裝置溫度探測單元的探測結果進行溫度控制。
全文摘要
本發明提供了光傳輸模塊和光傳輸系統，其包括安裝到支持單元的包括發光裝置的多個組件，可以抑制由對發光裝置和支持單元等進行溫度調節的溫度調節單元的頂面與底面間的溫度差引起的形變並可以保持穩定的光學性能。為了該示範性目的，光傳輸模塊包括支持單元，其上安裝有至少包括發光裝置的多個組件；溫度調節單元，其至少對所述支持單元和所述發光裝置進行溫度調節；加熱單元，其設置於所述支持單元內部。
文檔編號G05D23/20GK101383483SQ20081021560
公開日2009年3月11日 申請日期2008年9月4日 優先權日2007年9月4日
發明者田中博仁 申請人:日本電氣株式會社