JP2005070507A - 光モジュール及び光結合調心方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｖ溝基板を用いたパッシブアライメントに加えて、レンズ部品で簡単なアクティブアライメントを行なうことにより、低コストで、高精度の光結合が得られる構成の光モジュール及び光結合調心方法を提供する。
【解決手段】光源１４からの信号光をレンズ１６を介して光ファイバ１５に光結合する光モジュールであって、レンズ１６は、円柱状のレンズ素子１７の外周を楕円状の外被１８で覆って光路上のＶ溝１３内に収納されている構成としたものである。また、レンズの楕円状の外被１８の扁平率ｒ＝長軸／短軸としたとき、１＜ｒ≦２とし、Ｖ溝１３内で回転させて光結合を調心する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子等からの信号光を集光レンズを用いて光ファイバに結合させ、光ファイバを通じて光通信を行なうのに用いられる光モジュールとそのための光結合の調心方法に関する。

近年の光通信の進展と高度化で、半導体レーザやフォトダイオード等の半導体光素子と光ファイバ等の光導波路との結合率を高めると共に、これらの光結合の調心に多くの時間をかけることなく効率よく光モジュールを組立てることが求められている。光ファイバと半導体光素子との結合で、各部品間の最適な位置関係を割り出すために、アウトプットをモニタしながら設定するアクティブアライメント法がある。例えば、特許文献１に示すように、半導体レーザチップとレンズを所定の位置関係で組付けたパッケージに対して、光ファイバが装着されたフェルールの位置を移動させ、光量が最大となる最適位置を調心することが知られている。

また、他の方法として、各部品の搭載基板上に識別可能な溝や基準マーキングを形成して、各部品の組付けを高精度で位置決めして実装するパッシブアライメント法がある。例えば、特許文献２に示すように、シリコン基板上に光ファイバを位置決めするＶ溝及び光ファイバに結合する光導波路等の形成と同時に、光デバイスの実装を位置決めするマーカ等を形成しておき、無調心での光結合を行なうことが知られている。

また、同じくパッシブアライメント法の例として、特許文献３には、図６に示すような光ファイバとマイクロレンズの光軸を、シリコン基板上に形成したＶ溝で一致させる技術が開示されている。図中、１は光モジュール、２は支持基板、３はＶ溝、４は光源（半導体レーザチップ）、５は光ファイバ、６ａ，６ｂはマイクロレンズ、７はレンズ面、８は取扱部、９は弧状縁部を示す。

この光モジュール１は、シリコン結晶基板などからなる支持基板２上にＶ溝３を設け、Ｖ溝３の端部に半導体レーザチップ等の光源４を搭載し、この光源４からの光を受光する光ファイバ５をＶ溝３で位置決めし、光源４と光ファイバ５の間にマイクロレンズ６ａ，６ｂを配置して構成される。マイクロレンズ６ａと６ｂは光学的に等価で、一方のマイクロレンズ６ａは光源２からの発散光を平行光束に変換し、他方のマイクロレンズ６ｂは平行光束を光ファイバ５の受光面の中心に集光させる。

マイクロレンズ６ａと６ｂは、シリコン結晶基板から形成され、光ファイバ５の外径より小さな直径を有するレンズ面７が形成される。レンズ面７は半導体製造技術で用いられるフォトリソ・エッチング技術を用いて、例えば、回折型レンズ（フレネルレンズ）で形成される。また、レンズ面７の縁部の上半部を取り巻くように、縁部と一体的に横方向に伸長する取扱部８が形成されている。この取扱部８は、組立てやそのときの取扱を容易にすることができる。そして、マイクロレンズ６ａ，６ｂは、下半部の弧状縁部９をＶ溝３上に位置させることにより、光ファイバ５の光軸にその光軸を一致させることができるとされている。

特開平１０−９６８３９号広報 特開平１１−１９０８１１号公報 特開２００２−３２８２０４号公報

アクティブアライメント法は、半導体レーザ、フォトダイオードや平面導波路等とコア形が９μｍ程度の光ファイバをミクロン、サブミクロンオーダーで精度よく光結合させるのに適しているが、最高出力やカップリングの検出にかなりの時間を必要とし、調心装置も精度の高い高価なものが必要とされる。また、光結合の調心後に位置固定の接着や溶接を行なうが、そのための機械的強度の確保と精密固定を満足させる必要があり、このための材料、設備上の制約からコスト高なものとなっていた。

一方、パッシブアライメント法は、アクティブアライメント法に比べて、モニタを行なわないので短時間で実装することができる。しかしながら、所定の光結合を得るには、その実装には１μｍ以下の精度が要求され、高精度の高価な実装設備が必要とされる。また、半導体光素子内での発光位置にばらつきがあると、光ファイバへの光結合状態もばらついてしまい、パッシブアライメント法による実装のみでは、精密実装に問題があり、やはりコスト高となっていた。

また、図６のようなマイクロレンズを用いた場合、レンズ下半部の弧状縁部９の径が光ファイバ５の外径より小さいと、取扱部８が支持基板２の表面に当たって上下方向については位置決めされる。しかし、横方向については、レンズ下半部の弧状縁部９がＶ溝３の側面から離れるので位置決めされない。なお、レンズ下半部の弧状縁部９の径を光ファイバ５の外径と同じにすることにより、レンズの光軸と光ファイバ５の光軸を一致させることができ、パッシブアライメントの目的を達成することができる。但し、この場合、取扱部８の少なくとも一方が、支持基板２の表面から浮いた状態で固定されることになる。

しかしながら、光モジュールとして最終的には、半導体レーザチップ４と光ファイバ５とが精度よく光結合されていることにある。半導体レーザチップ４は、実際上はＶ溝３内に搭載することはできず、例えば、支持基板２に段差を設けて、この段差部で実装する等の方法が用いられている。この場合、Ｖ溝３で仮想的に形成される光軸と、段差上に実装される半導体レーザチップ４の光軸を合わせる必要がある。Ｖ溝３内に搭載される光ファイバ５とマイクロレンズ６ａ，６ｂは上下及び横方向に対しては固定されてしまうので、半導体レーザチップ４の実装位置を調整して調心する必要がある。この場合、画像認識等の手法を用いてチップ実装を行なうこととなるが、設備コスト、実装精度、実装時間など生産性の点で問題が残っている。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、Ｖ溝基板を用いたパッシブアライメントに加えて、レンズ部品で簡単なアクティブアライメントを行なうことにより、低コストで、高精度の光結合が得られる構成の光モジュール及び光結合調心方法の提供を課題とする。

本発明による光モジュールは、光源からの信号光をレンズを介して光ファイバに光結合する光モジュールであって、レンズは、円柱状のレンズ素子の外周を楕円状の外被で覆って光路上のＶ溝内に収納されている構成としたものである。また、レンズの楕円状の外被の扁平率ｒ＝長軸／短軸としたとき、１＜ｒ≦２とし、Ｖ溝内で回転させて光結合を調心する。Ｖ溝の底角θは、例えば、７０.５°或いは９０°に選定する。円柱状のレンズ素子は、例えば、レンズ面がフレネルレンズで形成する。

本発明の構成によれば、光源と光導波路の光ファイバとは、予め支持基板上で所定の精度で光結合を行ない（パッシブアライメント）、光源と光ファイバの間に配置されるレンズを外被が楕円状に形成された楕円レンズを回転させて調心する（アクティブアライメント）ことで、高精度の光結合を容易かつ低コストで行なうことができる。

図１及び図２により本発明の実施の形態を説明する。図１（Ａ）は本発明の光モジュールの概略を説明する図、図１（Ｂ）は光結合部を説明する部分拡大図、図２は楕円レンズを説明する図である。図中、１１は光モジュール、１２は支持基板、１３はＶ溝、１４は光源部品（半導体レーザチップ）、１５は光ファイバ、１６はレンズ（楕円レンズ）、１７はレンズ素子、１８は楕円状外被、１９はフェルール、２０はフェルール取付け溝、２１は受光部品、２２は筺体を示す。

本発明で対象とする光モジュール１１は、図１（Ａ）に示すように、支持基板１２上に光源部品１４と受光部品２１を搭載し、光源部品１４からの光をレンズ１６を介して光ファイバ１５に光結合させる構成の光モジュールである。支持基板１２には、例えば、シリコン結晶基板が用いられ、その表面に光ファイバ１５を位置決めして固定するためのＶ溝１３、光ファイバ取付けのためのフェルール１９を取付け固定するフェルール取付け溝２０等が形成されている。

また、支持基板１２上には、半導体レーザチップ等の光源部品１４やモニタ用のフォトダイオード等の受光部品２１が搭載される。これらの搭載部品の接続用電極及び配線導体等も支持基板１２上に形成されていて、搭載部品の位置決め手段及びＶ溝１３、フェルール取付け溝２０は、例えば、特許文献２でも開示のようなマスクとエッチングによる周知の技術等により形成することができる。この他、機能動作部分を閉塞する筐体２２等が、支持基板１２上に位置決めされて取付けられる。

図１（Ｂ）に、光源部品１４と光ファイバ１５の光結合構造を拡大図で示すように、両者を結ぶＶ溝１３の光路上には、レンズ１６（特許文献３でマイクロレンズと称している）が配置される。このレンズ１６は、光源部品１４と光ファイバ１５の間に位置して、光源部品１４からの発散光を集光して、光ファイバ１５の受光端中心に入射させる。レンズ１６は、例えば、両端にレンズ面を有する円柱状のレンズ素子１７の外側を、外被１８で一体に覆った単一形状のものとすることができる。なお、レンズ１６は、特許文献３に示されているように、２つのレンズを用い、一方のレンズを光源部品１４からの発散光を平行光束に変換し、もう一方のレンズで平行光束を光ファイバ１５の受光面中心に入射させる構成であってもよい。

本発明では、図２（Ａ）に示すように、レンズ１６を中央のレンズ素子１７の外側を楕円状の外被１８で一体に覆って形成したレンズ（以下、楕円レンズという）を用い、その外周面をＶ溝１３の２つの側壁に接触させて回転するようにしたものである。この楕円レンズ１６は、シリコン結晶基板のような材料を、半導体製造で用いているようなフォトリソ・エッチング技術で、中央にレンズ素子１７、その外側に外被１８を一体に形成して作製することができる。

中央のレンズ素子１７は、図２（Ｂ）に示すように、レンズ面を球状にした凸レンズで形成されていてもよいが、図２（Ｃ）に示すように、回折型レンズ（フレネルレンズともいわれる）で形成されたものでもよい。後者の回折型レンズの場合、レンズ面を平坦形状にすることができるので、軸方向形状を薄くでき、光軸（Ｚ方向）の精度を高めることが可能となる。

本発明は後述するように、支持基板１２上に形成するＶ溝１３の底角θを変えるか、楕円レンズ１６の長辺と短辺の比である扁平率ｒを変えることにより、楕円レンズ１６の中心位置を変化させて調心することができる。支持基板１２は、通常、シリコン結晶基板が用いられるが、本発明においても同様にシリコン結晶基板を用いることができ、この場合、底角θとしてシリコン結晶基板のエッチングの異方性を利用することにより、Ｖ溝１３を形成することができる。すなわち、図２（Ｄ）に示すように、シリコン基板の（１００）面を平面として化学エッチングすると、底角θが７０.５°の（１１１）面を残しながらＶ溝１３が形成される。この方法を用いることにより、支持基板２上にＶ溝１３を比較的容易にかつ精度よく形成することができる。

次に、図３〜図５により楕円レンズによる調心について説明する。図３はＶ溝の所定の底角θにおける楕円レンズの中心座標を示す図、図４は底角θを９０°とした際の楕円レンズ中心の移動状態を説明する図、図５は底角θが６０°、９０°、１２０°におけるそれぞれの楕円レンズ中心の移動軌跡を示す図である。なお、楕円レンズの比（長軸／短軸）を扁平率ｒとする。そして、長軸の半径をｃとし、短軸の半径をｃ／ｒとし、Ｖ溝の上下方向をＹ軸座標、横方向をＸ軸座標として説明する。

図３において、Ｖ溝の底角θを、９０°、６０°、１２０°と変えたとき、楕円レンズの中心座標は、長軸が横方向に水平並びに垂直であるときは、Ｘ軸座標の０点上にあるのでＸ＝０となり、Ｙ軸座標上を移動するのみである。また、長軸がＶ溝側辺に平行とは、楕円レンズの長軸が、Ｖ溝の２つの側壁に平行な状態となるように回転した状態をいう。この場合、楕円レンズ中心のＸ軸座標方向における移動量が最大値を示す。なお、左右の側壁で回転方向が反転するので、Ｘ軸座標のプラス側とマイナス側で２つの値が生じる。図３ではＸ軸座標を右側壁に平行な状態としたときの座標値で、プラス値を示してある。

図４は、図３のＶ溝の底角θを９０°としたときの楕円レンズ中心の移動状態を示した図で、説明を解りやすくするため、長軸と短軸の比を２：１、すなわち扁平率ｒ＝２として作図してある。図４（Ａ）は、楕円レンズの長軸が垂直の場合で、図３に示したようにＸ軸座標は０であり、Ｙ軸座標上に示され、このときの楕円レンズ中心位置をＮとして示す。図４（Ｂ）は、楕円レンズの長軸ＣをＶ溝の右側壁Ｌに平行となるように回転させた状態で、楕円レンズ中心はＮからＰにほぼ水平に移動する。

また、図４（Ｃ）は長軸が水平の場合で、楕円レンズ中心は、図３で示したようにＸ軸座標は０であり、図４（Ａ）の場合と全く同じになる。図４（Ｄ）は、楕円レンズの長軸ＣをＶ溝の左側壁Ｌ’に平行となるように回転させた状態である。これは、図４（Ｂ）におけるＹ軸に対して線対称の状態であり、楕円レンズ中心は、Ｎから−Ｐにほぼ水平に移動する。すなわち、底角θを９０°とすると、Ｙ方向の変化は非常に小さく実質的にはＸ方向のみが変化する。

図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、図３で示される数式に、Ｖ溝の底角θを６０°、９０°、１２０°としたそれぞれについて、扁平率ｒを「１.０、１.２、１.５、２.０、５.０、１０.０」としたときの楕円レンズ中心の軌跡を示すものである。なお、ｒ＝１.０は円形レンズの場合を意味する。また、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）において、Ｙ軸線上のプロット点は、楕円レンズの長軸が垂直又は水平の場合であり、Ｙ軸線の左右のプロット点は、楕円レンズの長軸がＶ溝壁に平行になるような回転位置における楕円レンズ中心を示すものである。

図５（Ａ）は、Ｖ溝の底角θが６０°の場合であるが、楕円レンズを回転させることにより、Ｙ軸方向とＸ軸方向の双方に三角形状の軌跡を描いて変化させることができる。図５（Ｂ）は、Ｖ溝の底角θが９０°の場合で、図４でも説明したように、Ｙ軸方向の変化が小さく、実質的にはＸ軸方向に変化させることができる。図５（Ａ）の場合と異なり三角形状の軌跡とはならず線状の軌跡となる。したがって、Ｙ軸方向に対しては調心が不要で、Ｘ軸方向の調心を必要とする場合は、Ｖ溝の底角θを９０°とする形態が好ましい。

例えば、図１（Ｂ）において、Ｖ溝１３で位置決めされる光ファイバ１５に対して、光源部品１４の取付け高さ方向の相対位置は、製造精度によって物理的に定まることから調心は不要となる。すなわちパッシブアライメントで精度を出すことができる。しかし、横方向の相対位置については、部品搭載時に調整可能であるが作業的にはかなりの労力を要する。このような調整には、上述したようにＶ溝１３の底角θを９０°として、楕円レンズ１６を回転調整することにより、容易に調心することができる。

Ｖ溝の底角θが９０°の場合、扁平率ｒを１.２とすると、Ｘ軸方向の変化はほぼ±０.１ｃ（ｃは長軸の半径）で、Ｙ軸方向はほぼ一定として扱うことができる。また、扁平率ｒを１.５とするとＸ軸方向の変化はほぼ±０.２ｃであり、扁平率ｒを２.０とするとＸ軸方向の変化はほぼ±０.３５ｃであり、これら場合もＹ軸方向はほぼ一定として扱うことができる。ここで、ｃを通常の光ファイバの外径１２５μｍ／２とすると、扁平率１.２で±６μｍの範囲で楕円レンズの中心を変化させることができ、扁平率１.５では±１２μｍ、扁平率２.０では±２０μｍの範囲で楕円レンズの中心を変化させることができる。これは、調心裕度としては十分な値である。

図５（Ｃ）は、Ｖ溝の底角θが１２０°の場合であるが、楕円レンズを回転させることにより、Ｙ軸方向に対してＸ軸方向の変化を大きくすることができ、扁平な三角形状、むしろ楕円に近い形状の軌跡を描いて変化させることができる。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）の軌跡からは、Ｖ溝の底角θが９０°以下では三角形に近い変化軌跡となり、底角θが小さいほどＹ軸方向の調心裕度を大きくすることができるといえる。反対にＶ溝の底角θが９０°以上では楕円に近い変化軌跡となり、底角θが大きいほどＹ軸方向の調心裕度を大きくできる。

なお、扁平率ｒを大きくすることにより、調心可能な範囲を広げることができるが、上述したように扁平率２.０で±２０μｍの範囲の調心が可能で、光ファイバのコア径が１０μｍ前後であることから十分な値である。また、扁平率ｒを２以上とすると、Ｖ溝内での安定性が悪くなる。したがって、本発明における楕円レンズの扁平率ｒ＝長径／短径は、１＜ｒ≦２とするのが好ましい。また、Ｖ溝の底角θは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して必要とされる調心範囲や製造上の容易性を勘案して選定される。

本発明による光モジュールの概略を説明する図である。 本発明による楕円レンズの概略を説明する図である。 本発明における楕円レンズ中心の座標を説明する図である。 本発明における楕円レンズ中心の移動状態を説明する図である。 本発明におけるＶ溝底角が、６０°、９０°、１２０°におけるそれぞれの楕円レンズ中心の移動軌跡を示す図である。 従来の光モジュールの概略を説明する図である。

符号の説明

１１…光モジュール、１２…支持基板、１３…Ｖ溝、１４…光源部品（半導体レーザチップ）、１５…光ファイバ、１６…レンズ（楕円レンズ）、１７…レンズ素子、１８…楕円状外被、１９…フェルール、２０…フェルール取付け溝、２１…受光部品、２２…筺体。

Claims (6)

1. 光源からの信号光をレンズを介して光ファイバに光結合する光モジュールであって、前記レンズは、円柱状のレンズ素子の外周を楕円状の外被で覆って光路上のＶ溝内に収納されていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記レンズの楕円状の外被の扁平率ｒ＝長軸／短軸としたとき、１＜ｒ≦２であることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記レンズの円柱状のレンズ素子は、レンズ面がフレネルレンズで形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
4. 前記Ｖ溝は、シリコン基板上に底角７０.５°で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
5. 前記Ｖ溝は、支持基板上に底角９０°で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
6. 光源からの信号光をレンズを介して光ファイバに光結合させる光結合調心方法であって、前記レンズに円柱状のレンズ素子の外周を楕円状の外被で覆った形状のものを用い、前記レンズを光路上のＶ溝内で回転させて調心することを特徴とする光結合調心方法。

Images