CN102411169B

CN102411169B - 光学模块及其制造方法

Info

Publication number: CN102411169B
Application number: CN201110290686.9A
Authority: CN
Inventors: 石井理
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2031-09-22
Also published as: JP2012068399A; CN102411169A; US20120070113A1

Abstract

本公开提供了一种光学模块及其制造方法。光学模块具有包括干涉计的衬底和连接到结合区域的托架，结合区域是衬底的底部表面的部分区域，其中，与衬底上的由干涉计所占据的区域相对应的底部表面区域不被包括在结合区域中。

Description

光学模块及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请基于2010年9月22日提交的日本专利申请No.2010-212478并主张其优先权，其全部内容通过引用而结合于此。

技术领域

本发明涉及光学模块及其制造方法，具体地，涉及具有干涉计的光学模块及其制造方法。

背景技术

使用具有平面光波回路(PLC)的光波导的干涉计(诸如图2所示的马赫曾德干涉计(MZI)和图3所示的多模式干涉计(MMI))用在各种光学功能元件中。此外，近年来，根据网络流量的急剧增长，用于100Gb/s的光学发送技术的研发得到广泛地的进展，并且使用多水平译码技术的光学数字干涉技术，诸如双偏振四相相移键控(DP-QPSK)，受到很重要的关注。此外，对于光学数字干涉技术，使用诸如混合干涉计和偏振光束分光器(PBS)等的高精度干涉计。

折射率的波动影响以上所述干涉计的干涉特性。例如，在图2所示的MZI的情况下，当分光器108a和与光学耦合器109a连接的两个臂光导110a之间的折射率失去平衡时，干涉特性显著地波动。添加到PLC的衬底的应力被认为是折射率的平衡恶化因素之一。应力主要是在将PLC的衬底粘在托架上时，为了将PLC的衬底集成在模块封装中，使用焊料或者粘结剂将衬底安装到托架而造成的。此时添加到衬底的应力趋于严重地影响形成在PLC的衬底上的干涉计。

例如，如图4所示，对于包括MZI并具有分光器108b和光学耦合器109b的混合干涉计，端口之间的输出相位具有九十度的相位角差。假定应力均匀地添加到MZI的整个结构上，其仅仅影响与λ/4量对应的两个臂波导长度之间的差。因为这些波导长度之间的实际差在亚微米数量级内，所以为了让相位角波动一度，要求两个臂的折射率的波动在10^-2的数量级。然而，在此情况下，由应力引起的正常的折射率波动在10^-5的数量级内。由于此原因，当应力均匀地添加到MZI的整个结构时，应力几乎不造成任何影响。

然而，在实际情况中，非均匀应力被添加在MZI的整个结构上。由于此原因，因为添加到两个臂波导中的每一者的应力量不同，所以对于两个臂波导中的每一者，由应力引起的折射率波动量也取不同的值。相位角由光学长度之差指定，而光学长度由折射率和两个臂波导的波导长度的乘积给定。当两个臂波导之间的折射率波动量不同时，其对相位角的影响由臂波导总长度确定。实际上，实际臂波导长度约为几毫米。在此情况下，每一度相位角的波动由折射率的10^-6的数量级的波动引起。因而，实际上，存在相位角由添加到MZI的结构的应力而波动的可能性。

此外，当使用图5所示的MZI来设计偏振光束分光器(PBS)时，整个干涉计的折射率以及两个臂波导之间的折射率差必须控制在10^-5的数量级内。PBS包括分光器108c、光学耦合器109c和双折射结构112c。

对于这些高精度干涉计，即使能以高精度生产干涉计，当被集成在模块封装等中时，通过应力引起折射率的波动，结果，降低了干涉计的精度。

日本专利申请公开No.2008-193003(以下称为专利文件1)公开了一种光学模块，其包括光学元件单元和温度控制元件，光学元件单元是包括光学波导和光学元件两者的PLC衬底的混合集成，温度控制元件控制光学元件单元的温度，其中，光学元件单元和温度控制元件在底部表面的与除了光学元件单元的光学波导以外的部分对应的部分处结合。光学模块已经同时实现光学元件特性的外应力相关性的释放和光学元件的恒定温度的适合控制两者，其中通过制造这样的结构使得由温度控制元件或者封装的热或者机械变形引起的应变不作为应力来影响光学元件来实现外应力相关性的释放。

日本外观设计申请公开No.1992-137305(以下称为专利文件2)公开了一种波导类型的光学装置，其包括光学波导形成在衬底中的波导衬底和保持波导衬底的强化构件，其中，波导类型光学模块的结构具有固定有强化结构的波导衬底的底部表面的区域，该区域小于波导衬底的整个底部表面的面积。该公开的光学装置能释放在粘结剂硬化时发生的应力，并能使光学波导特性稳定化，因为波导衬底的、强化构件固定在其中的底部表面的固定面积与波导衬底的整个底部表面相比而减小。

然而，尽管根据专利文件1的光学模块具有由温度控制元件和封装的热或者机械变形引起的应变不作为应力来影响光学元件的结构，但是对于光学模块不考虑对具有包括干涉计的波导的衬底产生影响的任何应力。由于此原因，当该结构应用到具有干涉计的衬底时，引起对干涉计的应力，并且认为干涉计的精度将降低。

此外，对于根据专利文件2的光学装置，与波导衬底的整个底部表面相比，波导衬底的、强化构件固定在其中的底部表面的固定面积最小化。由于此原因，强化构件不能与波导衬底紧紧地粘结，并且不能维持光学装置所要求的足够的机械强度。

因而，相关技术具有这样的问题：在不造成光学模块的机械强度的任何恶化的情况下不能高水平地保持干涉计的精度。

发明内容

本发明的示例目的是提供一种利用干涉计的光学模块及其制造方法，该干涉计的精度在不造成光学模块的机械强度恶化的情况下维持在高的水平。

根据本发明的示例方面的光学模块包括具有干涉计的衬底和连接到结合区域的托架，该结合区域是衬底的底部表面的部分区域，其中，与衬底上的由干涉计所占据的区域相对应的底部表面区域不被包括在结合区域中。

根据本发明的示例方面的光学模块的制造方法包括以下步骤：形成结合区域，并将安装有衬底的托架连接到结合区域，该结合区域是衬底的底部表面的具有干涉计的部分区域，并不包括底部表面的与衬底上的由干涉计所占据的区域相对应的其他部分区域。

附图说明

当结合附图阅读，从以下详细描述中，本发明的示例特征和优点将变得明显，在附图中：

图1A示出了本发明的第一实施例的光学模块的分解立体图；

图1B示出了沿着图1A的分解立体图的1B-1B线的横截面图；

图1C示出了本发明第一实施例的光学模块的未分解状态下的横截面图；

图2示出了马赫曾德干涉计；

图3示出了多模式干涉计；

图4示出了混合干涉计；

图5示出了使用MZI的偏振分光器；

图6是示出本发明第一实施例的光学模块的另一示例的横截面图；

图7是示出本发明第一实施例的光学模块的另一示例的分解立体图；

图8是示出本发明第一实施例的光学模块的另一示例的分解立体图；

图9是示出本发明第一实施例的光学模块的另一示例的分解立体图；

图10是示出本发明第一实施例的光学模块的示例的横截面图；

图11是示出本发明的比较示例的相位角的变化量的图；以及

图12是示出本发明的优选实施例的详细描述的相位角的变化量的图。

符号说明

100、100a、100b、100c、100d和100e光学模块

101、101a、101b、101c、101d和101e衬底

102、102a、102b、102c、102d和102e托架

103、103a、103b、103c、103d和103e第一干涉计

104、104a、104b、104c、104d和104e第二干涉计

105、105d和105e第一干涉计区域

106和106e第二干涉计区域

107、107a、107b、107c、107d和107e结合区域

108a、108b和108c光学分光器

109a、109b和109c光学耦合器

110a和110d臂波导

111a、111b和111c第三干涉计区域

112c双折射结构

113和113d波导

114d MMI

具体实施方式

接着，将参照附图详细地描述用于执行本发明的实施例。

第一实施例

如图1(A)所示，本实施例的光学模块100包括衬底101和衬底101安装在其上的托架102。第一干涉计103、第二干涉计104和与这些干涉计连接的波导113制造在衬底101上。

此外，参照图1B详细描述光学模块100的结构。图1B是图1A示出的光学模块100的沿着1B-1B线的横截面图。托架102连接到衬底101的底部表面的部分区域。此外，在说明书中，结合区域107限定为托架102所结合的衬底101的底部表面的部分区域。此外，在说明书中，第一干涉计区域105限定为底部表面的、与衬底上第一干涉计103所占据的区域对应的部分区域。此外，在说明书中，第二干涉计区域106限定为底部表面的、与衬底上第二干涉计104所占据的区域对应的部分区域。如图2所示，结合区域107既不包括第一干涉计区域105也不包括第二干涉计区域106。因而，如图1所示，光学模块100包括衬底101和与衬底101的结合区域107相连接的托架102，并且第一干涉计区域105和第二干涉计区域106都不包括在结合区域107中。

图4所示的混合干涉计能用作第一干涉计103和第二干涉计104。此外，图2所示的MZI或者图3所示的MMI能用作第一干涉计103和第二干涉计104。MMI 114与波导113d连接。此外，它能使用利用图5所示的MZI的PBS。

根据本实施例的光学模块100的结合区域107既不包括第一干涉计区域105也不包括第二干涉计区域106。即，托架102连接到的区域既不是第一干涉计区域105也不是第二干涉计区域106。由于此原因，因为受托架102影响的应力在第一干涉计区域105和第二干涉计区域106处释放，它能抑制折射率的波动，并能将干涉计的精度保持在高水平。此外，托架102能连接到衬底101的除了第一干涉计区域105和第二干涉计区域106以外的区域。由于此原因，因为托架102安装衬底101，它能保持用于将衬底101结合到托架102的足够面积，并能作为整个光学模块100获得足够的机械强度。

可期望托架102具有突起部分。在此情况下，可期望突起部分连接到衬底101的结合区域107。

此外，如图6所示，可期望光学模块100e的衬底101e的底部表面具有突起部分。在此情况下，还期望突起部分是连接到托架102的结合区域107e。衬底101e具有第一干涉计103e和第二干涉计104e。结合区域107e既不包括第一干涉计区域105e也不包括第二干涉计区域106e。

在以上所述描述中，尽管描述了光学模块100具有包括第一干涉计103和第二干涉计104的两个干涉计的情况，但是干涉计的数量不限于两个。例如，光学模块可以具有不少于三个干涉计或者可以具有一个干涉计。

结合区域107的形状没有限制。例如，如图1所示，结合区域107可以是第一干涉计区域和第二干涉计区域之间的区域。在说明书中，将类型-I的结构限定为具有这种形状的结合区域107的光学模块100的结构。当第一干涉计103和第二干涉计104之间的距离较长时，类型-I的结构是有效的。在类型-I的结构中，因为结合区域107存在干涉计的一侧中，所以它能降低添加到干涉计的应力。

此外，如图7所示，结合区域107a可以是与第三干涉计区域111a相邻定位的第一横穿区域，第三干涉计区域111a包括与第一干涉计103a对应的第一干涉计区域、与第二干涉计104a对应的第二干涉计区域以及第一干涉计区域与第二干涉计区域之间的区域。在说明书中，悬臂结构是指光学模块100a包括具有这种形状的结合区域107a的衬底101a以及其上安装衬底101a的托架102a的结构。悬臂结构在第一干涉计103a和第二干涉计104a的两个干涉计布置在衬底的边缘处时是有用的。通过采用悬臂结构，因为结合区域107a存在于干涉计的一侧，所以添加到干涉计的应力能够被降低。

此外，如图8所示，结合区域107b可以是位于第三干涉计111b的左右位置处的区域，第三干涉计区域111b包括与第一干涉计103b对应的第一干涉计区域、与第二干涉计104b对应的第二干涉计区域以及第一干涉计区域与第二干涉计区域之间的区域。即，结合区域107b包括位于第三干涉计区域111b的结合位置处的第一横穿区域和位于横越第三干涉计区域111b而与第一横穿区域相对的位置处的第二横穿区域。在说明书中，类型-II的结构是指光学模块100b包括具有这种形状的结合区域107b的衬底101b和其上安装有托架102b的衬底101b的结构。类型-II的结构在第一干涉计103b和第二干涉计104b之间的距离较短时是有用的。此外，对于类型-II的结构的情况，因为结合区域107b布置成使得其将第一干涉计103b和第二干涉计104b夹置于其间，所以能维持足够的机械强度。

此外，如图9所示，结合区域107c可以包括在与第一干涉计103c对应的第一干涉计区域和与第二干涉计104c对应的第二干涉计区域之间的区域、以及位于第三干涉计区域111c的左右位置的区域，第三干涉计区域111c包括第一干涉计区域、第二干涉计区域和这些区域之间的区域。在说明书中，类型-H的结构是指光学模块100c包括具有这种形状的结合区域107c的衬底101c和其上安装有衬底101c的托架102c的结构。在类型-H的结构中，因为结合区域107c布置成使得其可以包围第一干涉计103c和第二干涉计104c，所以能维持足够的机械强度。

此外，类似于图10所示的光学模块100d，期望结合区域107d距底部表面的、与衬底上的构成第一干涉计的波导110d的区域对应的部分区域105d不小于1mm。利用这些不小于1mm的间隔，干涉计的精度能更精确地保持在高水平。

第二实施例

接着，参照图1描述本实施例的光学模块的制造方法。

根据本实施例的光学模块100的制造方法，安装衬底101的托架102连接到作为衬底101的底部表面的部分区域的结合区域107，该部分区域安装干涉计并不包括底部表面的与干涉计占据在衬底101上的区域对应的其他部分区域。结果，可以根据第一实施例制造光学模块100。

例如，通过在衬底101的底部表面固定金属膜并对其进行图案化来形成结合区域107。通过对金属膜图案化并将具有金属膜的部分指定为结合区域107并将不具有金属膜的部分指定为其余区域，能容易地使用焊料将托架102连接到结合区域107。

优选实施例的详细描述

接着，描述本发明优选实施例的详细描述。在优选实施例的详细描述中，对于类型-H的结构的情况，观察具有混合干涉计以及形成在衬底的底部表面处的金属膜的图案的衬底元件(各PLC)与将衬底焊接到具有突起部分的托架的光学模块(具有托架的各PLC)之间的相位角差(相位角变化量)。此外，作为比较示例，观察具有混合干涉计以及形成在衬底的整个底部表面处的金属膜的衬底元件(各PLC)与将衬底焊接到具有突起部分的托架的光学模块(具有托架的各PLC)之间的相位角差(相位角变化量)。比较示例的结果在图11中示出。本发明的优选实施例的详细描述的结果在图12中示出。

如图11所示，所检测的相位角的最大变化量在比较示例中至多约为5度。另一方面，如图12所示，在本发明的优选实施例的详细描述中，在所有五个样本中，相位角的变化量被抑制为不超过一度。

以上公开的示例实施例的整个或者部分能描述为(但是不限于)以下补充点。

(补充点1)一种光学模块，包括：

衬底，包括干涉计；以及

托架，其连接到结合区域，所述结合区域是所述衬底的底部表面的部分区域，其中

与所述衬底上的由所述干涉计所占据的区域相对应的底部表面区域不被包括在所述结合区域中。

(补充点2)根据补充点1所述的光学模块，其中

所述衬底包括不少于两个干涉计，所述不少于两个干涉计包括第一干涉计和第二干涉计

(补充点3)根据补充点1或2所述的光学模块，其中

所述结合区域与所述底部表面区域隔开不小于1mm，所述底部表面区域与所述衬底上的由构成所述干涉计的波导所占据的区域相对应。

(补充点4)根据补充点2或3所述的光学模块，其中，所述结合区域包括第一横穿区域，所述第一横穿区域定位成邻接于：

第一干涉计区域，其为所述底部表面的与所述衬底上的由所述第一干涉计所占据的区域相对应的区域；

第二干涉计区域，其为所述底部表面的与所述衬底上的由所述第二干涉计所占据的区域相对应的另一区域；以及

第三干涉计区域，其包括所述底部表面的在所述第一干涉计区域与所述第二干涉计区域之间的区域。

(补充点5)根据补充点4所述的光学模块，其中，所述结合区域包括第二横穿区域，所述第二横穿区域定位在：

经过所述第三干涉计区域而与所述第一横穿区域相对的位置。

(补充点6)根据补充点2至5中任意一者所述的光学模块，其中，所述结合区域包括在以下区域之间的区域：

第一干涉计区域，其为所述底部表面的与所述衬底上的由所述第一光学干涉计所占据的区域相对应的区域；以及

第二干涉计区域，其为所述底部表面的与所述衬底上的由所述第二光学干涉计所占据的区域相对应的另一区域。

(补充点7)根据补充点1至6中任意一者所述的光学模块，其中

所述干涉计是混合干涉计。

(补充点8)根据补充点1至7中任意一者所述的光学模块，其中

第一突起部分位于所述托架的表面处，并且

所述结合区域连接到所述第一突起部分。

(补充点9)根据补充点1所述的光学模块，其中

第二突起部分位于所述衬底的底部表面处，并且

所述结合区域是所述第二突起部分。

(补充点10)根据补充点1所述的光学模块，其中

使用焊料将所述衬底连接到所述托架。

(补充点11)一种制造光学模块的方法，包括以下步骤：

形成结合区域；以及

将安装有衬底的托架连接到所述结合区域，所述结合区域是所述衬底的底部表面的具有干涉计的部分区域，并且不包括所述底部表面的与所述衬底上的由所述干涉计所占据的区域相对应的其他部分区域。

(补充点12)根据补充点11所述的光学模块的制造方法，其中

通过对固定在所述衬底的底部表面中的金属膜进行图案化来形成所述结合区域，并且

所述托架通过焊料结合到所述结合区域，使得具有所述金属膜的部分用作所述结合区域。

根据本发明的示例性优点是在不造成光学模块的机械强度恶化的情况下，它能将干涉计的精度保持在高水平。

提供前述实施例的描述，使得本领域的技术人员能制造和使用本发明。此外，这些示例实施例的各种修改对于本领域的技术人员是显而易见的，并且此处限定的基本原理和具体示例可以在不使用发明性的设备的情况下应用到其他实施例。因而，本发明不在意在限制于此处描述的示例实施例，但是符合由权利要求的限制和等同所限定的最宽的范围。

此外，要注意，即使在审查过程中修改权利要求，发明者的意图是保留所主张权利的发明的所有等同物。

Claims

1.一种光学模块，包括：

第一干涉计和第二干涉计；

衬底，包括面状下表面，所述下表面包括布置所述第一干涉计的第一区域和布置所述第二干涉计的第二区域以及结合区域；以及

托架；以及

连接部分，其将所述衬底的所述结合区域的底部表面连接到所述托架，

其中，所述结合区域布置成包围所述第一区域和所述第二区域，并呈大致H形状，并包括第一部分、第二部分和第三部分，其中，所述第一部分在第一方向上延伸，并设置在所述第一区域和所述第二区域之间，所述第二部分在垂直于所述第一方向的第二方向上延伸，并连接到所述第一部分的第一端，所述第三部分在所述第二方向上延伸，并连接到所述第一部分的第二端，

其中，所述第一区域和所述第二区域各与所述连接部分间隔开，

其中，所述结合区域的所述第二部分和所述第三部分在所述第二方向上比在所述第一方向上延伸更长，并在所述第一区域和第二区域的每个的一侧凸起。

2.根据权利要求1所述的光学模块，其中

所述第一干涉计和所述第二干涉计是混合干涉计。

3.根据权利要求1所述的光学模块，其中

所述连接部分从所述托架突起。

4.根据权利要求3所述的光学模块，其中

所述连接部分和所述衬底通过焊料连接。

5.根据权利要求1所述的光学模块，其中

所述连接部分从所述衬底的所述结合区域的所述底部表面突起。

6.根据权利要求5所述的光学模块，其中

所述连接部分和所述托架通过焊料连接。