JP2002107582A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡便な構成で、面発光型素子を表面実装し、
同じに光信号の監視を行うこと。 【解決手段】 基体Ｃ１の側面Ｃ１ａに面型の発光素子
２及び発光素子２の出射光の強度を監視するための受光
素子３を並設した光素子キャリアと、発光素子２に光結
合させる光導波体４とを備えた光モジュールＭ１であっ
て、発光素子２からの出射光を光導波体４の入射面で反
射させて受光素子３で受光させるように成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信及び光情報
処理分野等において使用される光モジュールに関し、特
にレーザダイオード（以下ＬＤという）等の発光素子や
フォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子と光導波体とを
光接続させる光モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信システムは大容量の光信号
を処理することができ、かつ高機能を有することが要求
されている。これらシステムの実現にはＬＤ、ＰＤ、レ
ンズ等の光機能素子を集積した光集積回路が不可欠であ
り、盛んに研究されている。

【０００３】特に、ＬＤ、ＰＤ等の光素子と光ファイバ
を光接続する技術に関し、従来、例えばＬＤと光ファイ
バを光接続させる光モジュールにおいては、ＬＤを発光
させビーム出射側に光ファイバを設置し、その位置を微
妙に調整して光ファイバ受光量が最大になるように光学
的接続を行っていた。すなわち、いわゆるアクティブア
ラインメント方法による光接続が一般的であった。

【０００４】アクティブアラインメント方法は、素子自
身を発光させる、若しくは、片端から光を入射させる必
要が生じる。また、素子個々毎に対する光軸調芯には時
間がかかりコスト上昇につながる等の不便さがあった。

【０００５】このような問題を解決するために、光素子
及び光ファイバ相対位置を機械的に精度よく配置し、光
学接続を達成する技術、すなわちパッシブアラインメン
ト技術が、近年盛んに研究されている。パッシブアライ
ンメント技術は、光素子及び光ファイバ位置は機械的な
精度のみで決まるため、アクティブアライメント技術の
様に光素子を発光させる、若しくは光を入射させる必要
がないため、従来電気素子のマウント技術の延長線上に
あるといえる。このため、量産効果は極めて絶大であ
り、光モジュールの低価格化には必須の技術となりつつ
ある。また、パッシブアラインメント技術はこのような
表面実装型光モジュールを実現させ、光モジュールの高
速化、小型低背化に必要不可欠の技術となっている。

【０００６】一方、近年、面発光型素子の応用展開が盛
んに議論されている。面発光型素子は、端面共振器型の
従来のファブリペローレーザと比較し、動作電流が小さ
く、温度特性にも優れる等の優れた特徴を有しているた
めに、次世代の光通信用光源として注目されている。

【０００７】以上のことから、前記パッシブアラインメ
ント技術を前記面発光型素子に応用展開しようとする流
れは至極自然である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、面発光
型素子を表面実装した光モジュールを実現するために
は、面発光型素子の発光強度を常時監視する手段におい
て大きな課題があった。ＬＤは周囲の温度環境等により
駆動電流値や微分発光効率（注入電流に対する発光強度
の比率）が変動する。面発光型素子は一般に通常のファ
ブリペローレーザ等と比較し、温度に対する安定性は優
れているものの、外部環境変動による発光強度の監視は
怠ることはできない。

【０００９】面発光型素子の発光強度を常に監視し、且
つ表面実装型光モジュールを実現するためには、面発光
型素子の発光部とファイバの入射端面の間に、例えば受
光素子を配置する、或いは前記両端面間にハーフミラー
を配置し発光強度を監視する方法がまず考えられるが、
前記両端間の間隔は数百μｍ程度であり現実的でない。

【００１０】以上のような理由から、従来光モジュール
例に用いられる光結合構造として特表２０００−５０２
８１９号公報に記載されているように、実装基板上に面
発光型素子と受光素子を発光部、また受光面を実装基板
法線方向に向くように配置し、出射光を集光して光ファ
イバに入射させるような光結合エレメントを有した反射
エレメントを有し、反射エレメントを介して出射光を反
射させて、その一部を受光素子で検知することで面発光
型素子の発光強度を監視する方法が提案されている。

【００１１】しかしながらこの方法では、前記集光エレ
メント或いは反射エレメントを配置するため、機械的な
サイズが大きくならざるを得ず、また集光エレメントや
反射エレメント等の構成部材が必要となりコストアップ
の要因となる。さらに、本構造を実現するためには大型
で構造的に複雑な同軸型光モジュールにならざるをえな
い。

【００１２】そこで本発明では、小型化が可能でしかも
構成が簡単でさらに信頼性に優れた光モジュールを提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の光モジュールは、基体の側面に面型の発光
素子及び該発光素子の出射光の強度を監視するための受
光素子を並設した光素子キャリアと、前記発光素子に光
結合させる光導波体とを備えた光モジュールであって、
前記発光素子からの出射光を前記光導波体の入射面で反
射させて前記受光素子で受光させるように成したことを
特徴とする。また特に、前記発光素子と前記受光素子と
の間に、前記基体に形成した凹部または導体層を介在さ
せたことを特徴とする 特に、面発光型素子、および受光素子を実装固定するた
めの光素子キャリアにおける基体は、アルミナや窒化ア
ルミニウム等を主原料としたセラミックチップキャリア
とし、面発光型素子と受光素子を実装する位置を電気的
に分離するための溝やアルミニウム、Ａｕ、Ａｇ等を用
いた金属の中間層を形成すると電気的遮蔽効果によりク
ロストーク抑制が持つのでよい。

【００１４】また、特に、光導波体として光ファイバを
用い、光ファイバを実装固定する保護基体にジルコニア
やアルミナ等を主原料としたセラミックもしくはエポキ
シや液晶ポリマーを主原料とした樹脂成形されたフェル
ールをもちいて光ファイバスタブ構造としすると光コネ
クタ同士を精密に位置決め固定できてよい。

【００１５】光入射部端面を斜め研磨して表面に誘電体
多層膜等の反射膜を施すことにより、監視用受光素子に
任意の光出力を反射させることができよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。

【００１７】図１に光モジュールの光結合系の断面図を
示す。また、図２（ａ）に光半導体素子を実装する基体
の斜視図、図２（ｂ）に光半導体素子が実装された光半
導体素子キャリアの斜視図、図２（ｃ）に溝付き基体の
斜視図を、図２（ｄ）に金属中間層を挿入した基体の斜
視図を示す。

【００１８】図１に示すように、光モジュールＭ１は、
例えばパッケージ基体等の基板１上に、１つ以上の発光
素子である面発光型素子２の発光強度を監視するため
に、これら面発光型素子２の各々に対応した１つ以上の
受光素子である面受光型素子３を側面Ｃ１ａに配設した
基体Ｃ１と、面発光型素子２に光結合を行なう光ファイ
バ等の光導波体４を実装固定したフェルールなどの保護
基体５とを配置して構成されている。

【００１９】このように、光モジュールＭ１は、基体Ｃ
１の側面に面型の発光素子及び該発光素子の出射光の強
度を監視するための受光素子を並設した光素子キャリア
と、発光素子に光結合させる光導波体とを備えたもので
あり、発光素子からの出射光を少なくとも光導波体の入
射面で反射させて受光素子で受光させるように成してい
る。

【００２０】ここで、基体Ｃ１はアルミナや窒化アルミ
ニウム等を主原料としたセラミックスやガラス、さらに
は単結晶シリコン等で作製されており、図２（ｃ）に示
すように、溝Ｃ１ｂをダイシング等で形成したり、図２
（ｄ）に示すように、基体Ｃ１の中間部にアルミニウ
ム、Ａｕ、Ａｇ等を材料とした金属中間層Ｃ１ｃを挿入
することで、同一基体上に実装されている面発光型素子
と面受光型素子間の電気クロストークの抑制を行う。こ
れにより、光モジュールの動作上問題の無い電気的特性
を好適に得ることができる。

【００２１】さらに、基体Ｃ１の側面Ｃ１ａには、面受
光型光素子２及び面受光型光素子３へ給電するために、
Ａｕ等で施された電極パターンＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４
が薄膜印刷プロセスにより形成されている。すべての電
極パターンは光半導体素子実装時の画像認識用マーカと
して用いるため、表面に均一なフォトレジストの塗布が
できるスプレー方式、露光にはネガ型フォトレジストを
各々用いる。

【００２２】面発光型素子２と面受光型光素子３はフリ
ップチップ実装機等を用い、それぞれ発光部２１、受光
面３１を上にして電極パターンＤ１、Ｄ２上にビジュア
ルアライメント方法等により精密に位置決め固定される
（この固定材としてはＡｕＳｉ系、ＡｕＳｕ系、ＰｂＳ
ｎ系、Ｉｎ系半田等を用いることにより実装強度、信頼
性に優れた実装が行なえる）。その後、各光素子と電極
パターンＤ３、Ｄ４とをＡｕワイヤ等を用いたボンディ
ングワイヤ５０により電気的接続がなされる。

【００２３】保護基体５は図２（ｂ）に示すように、単
独の光導波体もしくは、図３に示すように、光導波路を
一体に形成されたアレイ状の基板か、樹脂またはセラミ
ック等で形成されたアレイ状のフェルールに光ファイバ
等の光導波体４を挿入したものを用いる。保護基体５の
端面は面発光型素子２の出射光を反射させ、面受光型素
子３に接続させるに最適な角度に斜め加工を施すとよ
い。また、表面にある反射率を有する反射膜を施すこと
は、任意の光入射ならびに光出射強度が得られるように
することができより効果的である。ここで反射膜には、
例えば高屈折率材料にＭｇＯ、低屈折率材料にＳｉＯ₂
等を用いた誘電体多層膜、もしくはアルミニウム、Ａ
ｇ、Ａｕ等の金属多層膜やそれらを組み合わせた複合反
射膜を真空蒸着法等にて蒸着し、各々膜の高屈折率、低
屈折率材料のペア数を調節することにより所望の反射率
が得られる。

【００２４】面発光型素子２から発光される信号光は、
光導波体４に入射され信号光として伝搬される。一方、
光導波体４端面および保護基体５の表面で反射された光
は、発光出力監視用として面受光型光素子３の受光部３
１に入射され検出される。このときの電流を制御信号と
して帰還回路に使用し、面発光型素子からの発光強度を
制御することが可能となる。

【００２５】

【実施例】次に、本発明に係る光モジュールのより具体
的な実施例について図面を用いて説明する。

【００２６】図４（ａ）にセラミックチップキャリアＣ
２の斜視図を、図４（ｂ）に光素子キャリア、すなわち
光素子アレイを実装したセラミックチップキャリアＣ２
の斜視図を示す。また、図５に、光結合系を模式的に説
明するための断面図、図６に光モジュールＭ２の斜視図
を示す。

【００２７】光モジュールM２は、１×４の面発光型素
子アレイ２２を用い、本発明による光結合構造を用いた
並列伝送用光モジュールであって、面発光型素子アレイ
２２と光ファイバ４４との光結合効率が４０％以上、監
視用面受光型光素子アレイ３３への結合効率が２０〜３
０％を設計値とした。

【００２８】光モジュールＭ２の光結合系は、４つの発
光部が間隔ＰＡ＝０．２５ｍｍで形成され、ビーム広が
り角が１０°、外形寸法が巾０．２５ｍｍ長さ１ｍｍ厚
さ０．１５ｍｍの面発光型素子アレイ２２と、同様に４
つの受光部が０．２５ｍｍ間隔で形成されている受光径
φ０．０８ｍｍ、巾０．２５ｍｍ長さ１ｍｍ厚さ０．１
５ｍｍの面受光型光素子アレイ３３が、アルミナを主原
料とした基体であるセラミックチップキャリアＣ２に実
装され、ＧＩ−５０マルチモード光ファイバ４４とエポ
キシ系樹脂を主原料とした樹脂フェルール５５からなる
光ファイバスタブＳ２とがパッシブアライメントにて、
パッケージＰ１に実装固定されてなる。

【００２９】光ファイバスタブＳ２の光入射端面は端面
角度θＳが１４°の斜め研磨を施し、面受光型光素子へ
の反射光を２５％とするために研磨面に反射膜を形成し
た。膜には光吸収の少ない誘電体多層膜を選定し、今回
は高屈折率材料に屈折率２．２１のＺｒＯ２、低屈折率
材料に屈折率１．４２のＳｉＯ２を２ペア（合計４層）
使用した。

【００３０】チップキャリアＣ２には光素子間の電気ク
ロストーク抑制のため、幅０．０５ｍｍ深さ０．７ｍｍ
のダイシング溝Ｃ２ｃを形成している。これにより光モ
ジュール動作上問題の無い特性を達成している。また、
チップキャリアＣ２の面発光型素子アレイ２２の実装面
Ｃ２ｄにおける角度θＣを６°に加工した。これは１４
°に研磨された光ファイバ４４への結合効率を最大にす
るための処置であり、また加えて光ファイバ４４と面発
光型素子アレイ２２の光軸方向間隔も縮めることが可能
となり同じく結合効率の向上が可能となる。

【００３１】次に、面発光型素子アレイ２２と面受光型
素子アレイ３３は、高精度フリップチップ実装機にてセ
ラミックチップキャリアＣ２の基体側面Ｃ２１上に予め
Ａｕ薄膜で形成された電極パターンＤ２１、Ｄ２２上に
ビジュアルアライメント方式により±１０μｍ以下で精
密に実装組立てられる。

【００３２】組み立てられたセラミックチップキャリア
Ｃ２と樹脂フェルール５５をパッケージＰ１に実装固定
する。樹脂フェルール５５はパッケージＰ１に予め形成
して樹脂フェルール５５用のガイドＰ２に挿入しエポキ
シ接着剤にて接着固定する。次に、セラミックチップキ
ャリアＣ２をチップ実装機のマニュピュレータにて側面
Ｃ２２を吸着保持し、面発光型素子アレイ２２の発光部
２１と光ファイバ４４の中心を一致させるビジュアルア
ライメント方式によりアライメントされエポキシ接着剤
にて固定実装する。

【００３３】ここで光ファイバ４４の端面と面発光型素
子アレイ２２との距離ＷＤは０．３６mmと設定した。こ
れは端面面発光型素子アレイ２２、光ファイバ４４の開
口数ＮＡ、距離WDを考慮したとき、距離ＷＤを０．３６
mmとすると結合効率７０％以上が得られるためである。
またこのＷＤを高精度で実装するため、今回パッケージ
上に高精度な異方性エッチングにより形成したＶ溝Ｖ１
を有するＳｉ基板Ｓ１を配設し、チップキャリアＣ２の
光軸方向の位置決め用ガイドとして用いた。

【００３４】セラミックチップキャリアＣ２に形成され
た電極パッドとパッケージＰ１上に形成された電極パッ
ドをＡｕワイヤボンディングで配線が施し（不図示）光
モジュールＭ２が完成した。

【００３５】パッケージに形成されたリードに給電する
ことによって光モジュールＭ２が駆動する。このとき、
最終的な光ファイバへの結合効率は少なくとも４５％を
得ることができた。

【００３６】光モジュールＭ２を駆動させると、面発光
型素子アレイ２２から発光される光信号の一部が光ファ
イバ４４および樹脂フェルール５５端面で反射され、光
出力監視用として使用される面受光型光素子アレイ３３
の受光部３１にて検出される。ここで、このとき樹脂フ
ェルール５５は研磨面に誘電体多層膜フィルタを蒸着さ
せたことで受光部３１に十分な入射光が得られ、検出さ
れた光信号は制御信号として帰還回路のために使用さ
れ、面発光型素子２２の発光強度強度変動を好適に制御
することが可能となった。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光モジュ
ールによれば、基体の側面に面型の発光素子及び該発光
素子の出射光の強度を監視するための受光素子を並設し
た光素子キャリアと、発光素子に光結合させる光導波体
とを備え、発光素子からの出射光を光導波体の入射面で
反射させて受光素子で受光させるように成したので、小
型化が可能であるとともに面発光型素子から出射する光
信号の強度を正確に制御することが可能な光モジュール
を提供できる。また、複数個配列させたアレイ型の面発
光型素子の監視についても個々について行なえ、安定性
に優れた光結合をもたらす優れた光モジュールを提供で
きる。

【００３８】また、光素子キャリアの基体に溝もしくは
導体層を形成することで、電気的クロストークを低減す
ることができ、信頼性及び光特性に優れた光モジュール
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる光モジュールの光結合系を模式
的に説明するための断面図である。

【図２】本発明に係わる光素子キャリア及びその基体を
模式的に説明するための斜視図であり、（ａ）は電極を
形成した基体の斜視図、（ｂ）は面発光型素子と面受光
型素子を実装した基体（光素子キャリア）の斜視図、
（ｃ）は溝付き基体の斜視図、（ｄ）は金属中間層を挿
入した基体の斜視図である。

【図３】本発明に係わる保護基体を模式的に説明するた
めの斜視図であり、（ａ）は基板に光導波路を一体的に
形成した保護基体の斜視図、（ｂ）は光ファイバと一体
的に形成された樹脂製のフェルールを示す斜視図であ
る。

【図4】本発明に係わる面発光型素子アレイと面受光型
素子アレイを実装したセラミックチップキャリアを模式
的に説明するための斜視図であり、（ａ）はセラミック
チップキャリアの斜視図、（ｂ）は光素子アレイを実装
したセラミックチップキャリアの斜視図である。

【図５】本発明に係わる光結合系を模式的に説明するた
めの断面図である。

【図６】本発明に係わる光モジュール（ただし、蓋体省
略）の斜視図である。

【符号の説明】

２：面発光型素子（発光素子） ３：面受光型素子（受光素子） ４：光導波体 ５：保護基体 ２１：発光部 ２２：面発光型素子アレイ ３１：受光面 ３３：面受光型素子アレイ ４４：光ファイバ ５５：樹脂フェルール Ｃ１：基体 Ｃ１ａ：基体側面 Ｃ１ｂ：溝（凹部） Ｃ１ｃ：金属中間層（導体層） Ｃ２：アレイ用基体 Ｃ２ａ：アレイ用基体側面 Ｃ２ｂ：アレイ用基体側面 Ｃ２ｃ：溝 Ｃ２ｄ：実装面 Ｄ１〜Ｄ４、Ｄ２１〜Ｄ２４：電極パターン Ｍ１、Ｍ２：光モジュール ＰＡ：間隔 ＰＢ：配置間隔 Ｐ１：パッケージ Ｐ２：ガイド Ｓ１：Ｓｉ基板 Ｓ２：光ファイバスタブ Ｖ１：Ｓｉ異方性エッチングＶ溝 ＷＤ：距離 θＣ：角度 θＳ：端面角度

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体の側面に面型の発光素子及び該発光
   素子の出射光の強度を監視するための受光素子を並設し
   た光素子キャリアと、前記発光素子に光結合させる光導
   波体とを備えた光モジュールであって、前記発光素子か
   らの出射光を前記光導波体の入射面で反射させて前記受
   光素子で受光させるように成したことを特徴とする光モ
   ジュール。
2. 【請求項２】 前記発光素子と前記受光素子との間に、
   前記基体に形成した凹部または導体層を介在させたこと
   を特徴とする請求項１に記載の光モジュール。