JP2005156687A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度な位置決めおよび小型化が可能な光モジュールを提供すること。
【解決手段】 部材配置用のＶ溝１１２を有する支持基板１１０と；支持基板に実装されたレーザダイオード１２０と；光学基板の表面に形成されたレンズ部１３２と，実装時に支持基板１１０のＶ溝１１２に当接する形状の張出部１３６と，を有し，レーザダイオード１２０に対して位置決めされたレンズ素子１３０と；からサブアセンブリ１００が構成される。このサブアセンブリ１００を内含するパッケージ１５０と；レンズ素子１３０を介してレーザダイオード１２０と光結合する光ファイバ１７１を含み，パッケージ１５０に当接することにより位置決めされたインタフェース１７０と；を備える光モジュールを提供する。
【選択図】 図２

Description

本発明は，光通信機器等に好適な，サブアセンブリおよび光モジュールに関するものである。

従来の光モジュールは一般に，サブアセンブリ用の基板にレーザダイオードを搭載し，光結合用のレンズ，および光ファイバと共にパッケージに実装されて構成されている。作製する際には通常，調芯器を用いて光出力をモニタしながら調芯を行い，部品を固定する。レンズはボールレンズや非球面レンズが主に用いられ，最近では高い結合効率と低価格化が可能なものが要求される。低価格化を図るため，例えば下記特許文献１に記載の半導体レーザモジュールでは，部品点数および調芯工程を減らしている。具体的には，ボールレンズ付きのホルダを用い，ホルダとレーザパッケージを固定した後，光ファイバを収容したフェルールをホルダに突き当てて光軸に垂直な方向に関して位置調整をする。

特開平８−２３１３８号公報

しかしながら，上記の従来技術には，ボールレンズをホルダの所定位置に高精度に配置する技術の開示はない。上記のような光モジュールでは，レーザダイオードに対してボールレンズを決められた位置に高精度に配置しないと結合効率は著しく低くなる。このようなことから，高精度な位置決めが可能な光モジュールが要望されていた。また，上記のような従来の光モジュールでは一般に，ボールレンズ等の外径サイズの大きなレンズをキャップ等の保持部材を用いて実装しているため，小型化が困難であるという問題があった。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，高精度な位置決めおよび小型化が可能な，新規かつ改良されたサブアセンブリおよび光モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，部材配置用の溝を有する支持基板と；支持基板に実装された光学素子と；光学基板の表面に形成されたレンズ部と，実装時に支持基板の溝に当接する張出部と，を有し，光学素子に対して位置決めされたレンズ素子と；光学素子およびレンズ素子が実装された支持基板を内含するパッケージ部品と；レンズ素子を介して光学素子と光結合する光ファイバを含み，パッケージ部品に当接することにより位置決めされたインタフェースと；を備えることを特徴とする光モジュールが提供される。

かかる構成によれば，張出部を溝に配置することにより，レンズ素子を発光素子に対して高精度に容易に位置決めできる。また，従来のようなボールレンズではなく，光学基板の表面に形成されたレンズ部を有するレンズ素子を用いているため，小型化を図ることができる。

本発明の別の観点によれば，部材配置用の溝を有する支持基板と；支持基板に実装された光学素子と；光学基板の表面に形成され，入射光束と異なる方向に光束を出射させるよう構成されたレンズ部と，実装時に支持基板の溝に当接する張出部と，を有し，光学素子に対して位置決めされたレンズ素子と；光学素子およびレンズ素子が実装された支持基板を内含するパッケージ部品と；レンズ素子を介して光学素子と光結合し，端面が斜めに形成された光ファイバを含み，パッケージ部品に当接することにより位置決めされたインタフェースと；を備えることを特徴とする光モジュールが提供される。

かかる構成によれば，張出部を溝に配置することにより，レンズ素子を発光素子に対して高精度に容易に位置決めできる。また，従来のようなボールレンズではなく，光学基板の表面に形成されたレンズ部を有するレンズ素子を用いているため，小型化を図ることができる。さらに，端面が斜めに形成された光ファイバを用いているため，光学素子が発光素子の場合，この発光素子から出射して光ファイバの端面で反射した光が再び発光素子に戻るのを防ぐことができる。さらにまた，上記構成のレンズ部を有するレンズ素子を用いれば，レンズ素子自体を偏心配置させることなく，光ファイバに対して所定の角度を持たせて光を入射させることができる。これにより，光ファイバの端面での挿入損失を低減させることができる。

また，本発明の別の観点によれば，第１構造の第１および第２の溝と，第１構造の第１の溝と第２の溝との間に位置する第２構造の溝とを有する支持基板と；支持基板に実装され，第１の波長の光を出射する発光素子と；光学基板の表面に形成されたレンズ部と，実装時に第１構造の第１の溝に当接する張出部と，を有し，光学素子に対して位置決めされ，光学素子から出射される発散光を略平行光に変換する第１のレンズ素子と；光学基板の表面に形成されたレンズ部と，実装時に第１構造の第２の溝に当接する張出部と，を有し，略平行光を収束光に変換する第２のレンズ素子と；第２構造の溝に配置され，異なる波長の光を分岐する機能を有する波長分波器と；波長分波器により分岐された第２の波長の光が入射される受光素子と；を備えることを特徴とするサブアセンブリが提供される。

かかる構成によれば，第１構造の２つの溝にそれぞれ２つのレンズ素子の張出部を載置することで，これら２つのレンズ素子を高精度に容易に位置決めできる。また，従来のようなボールレンズではなく，光学基板の表面に形成されたレンズ部を有するレンズ素子を用いているため，小型化を図ることができる。

また，本発明の別の観点によれば，第１構造の第１および第２の溝と，第１構造の第１の溝と第２の溝との間に位置する第２構造の溝とを有する支持基板と；支持基板に実装され，第１の波長の光を出射する発光素子と；光学基板の表面に形成されたレンズ部と，実装時に第１構造の第１の溝に当接する張出部と，を有し，光学素子に対して位置決めされ，光学素子から出射される発散光を略平行光に変換する第１のレンズ素子と；光学基板の表面に形成されたレンズ部と，実装時に第１構造の第２の溝に当接する張出部と，を有し，略平行光を収束光に変換する第２のレンズ素子と；第２構造の溝に配置され，異なる波長の光を分岐する機能を有する波長分波器と；波長分波器により分岐された第２の波長の光が入射される受光素子と；発光素子，第１のレンズ素子，第２のレンズ素子，波長分波器が実装された支持基板と，受光素子とを内含するパッケージ部品と；収束光に変換された第１の波長の光が入射されると共に第２の波長の光を第２のレンズ素子へ出射する光ファイバを含み，パッケージ部品に当接することにより位置決めされたインタフェースと；を備えることを特徴とする光モジュールが提供される。

第１構造の２つの溝にそれぞれ２つのレンズ素子の張出部を載置することで，これら２つのレンズ素子を高精度に容易に位置決めできる。また，従来のようなボールレンズではなく，光学基板の表面に形成されたレンズ部を有するレンズ素子を用いているため，小型化を図ることができる。さらに，発光素子から出射された第１の波長の光を光ファイバに入射させ，光ファイバから出射された第２の波長の光を波長分波器により分岐して受光素子へ導くことができ，一芯双方向の光モジュールを提供できる。

上記記載の光モジュールにおいて，レンズ部は回折光学素子からなることが好ましく，光学基板はシリコン結晶基板であるように構成してもよい。光学素子は，発光素子または受光素子を用いることができる。パッケージ部品は前記支持基板を気密に内含することが好ましい。また，パッケージ部品は同軸型パッケージの部品であってもよい。

以上のように本発明によれば，光学部品の高精度な位置決めが容易に可能であり，かつ小型化を図ることが可能な，サブアセンブリおよび光モジュールを提供することができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本発明の典型的な態様にかかる光モジュールは主に，光学素子とレンズ素子が実装された支持基板を含むサブアセンブリと，このサブアセンブリを内含するパッケージ部品と，パッケージ部品に固定され接続端子となるインタフェースとを有する。支持基板には部材配置用の溝が形成されている。光学素子とは，例えば，発光素子や受光素子のことである。レンズ素子は，光学基板の表面に形成されたレンズ部と，実装時に支持基板の溝に当接する形状の張出部と，を有する。この張出部を溝に配置することにより，レンズ素子は光学素子に対して高精度に位置決めされる。インタフェースは，光ファイバを含み，この光ファイバはレンズ素子を介して光学素子と光結合する。また，インタフェースは，パッケージ部品に当接することにより位置決めされる。

本発明の第１の実施の形態にかかる光モジュールの構成について，図１，図２を参照しながら説明する。図１は，本発明の第１の実施の形態にかかるサブアセンブリ１００の斜視図である。図２は，サブアセンブリ１００を用いた本発明の第１の実施の形態にかかる光モジュール１０２の断面図である。サブアセンブリ１００は，支持基板１１０と，レーザダイオード１２０と，レンズ素子１３０とを有する。

支持基板１１０は，例えば，シリコン結晶基板からなる。支持基板１１０のサイズは，例えば１ｍｍ角〜２ｍｍ角とすることができる。図１に示すように，支持基板１１０は，断面がＶ字形状のＶ溝１１２が形成されている。Ｖ溝１１２は，部材配置用の溝であり，支持基板１１０の一端から途中までに形成されている。Ｖ溝１１２は，直径１２５μｍのシングルモード光ファイバを載置可能な寸法を有する。Ｖ溝１１２は例えば異方性エッチングにより形成可能である。また，支持基板１１０にはＶ溝１１２と直交する方向に断面が長方形状の凹溝１１３が形成されている。凹溝１１３は，レーザダイオード１２０の出射光が遮光されるのを防止するものである。

レーザダイオード１２０は発光素子であり，支持基板１１０上のＶ溝１１２の延長上のＶ溝１１２が形成されていない部分に配置されている。

レンズ素子１３０は，光学基板からなり，ここではシリコン結晶基板からなる。レンズ素子１３０は，光学基板の表面に形成されたレンズ部１３２と，実装時にＶ溝１１２に当接する張出部１３６と，取扱時の保持を容易にするための取扱部１３４とを主に有する。

レンズ部１３２は，光学基板の片面の表面に形成された回折光学素子からなる。レンズ部１３２は，ここでは円形形状をしており，その直径は例えば５０〜１２５μｍとすることができる。レンズ部１３２は半導体製造プロセスで用いられるフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成できる。以下，レンズ素子１３０において，レンズ部１３２が形成されている側の面をレンズ形成面と呼ぶ。ここでは，レンズ形成面に垂直な方向が光軸方向となるように構成されている。

レンズ部１３２の下部側にはレンズ部１３２の外周の一部としての縁部１３３が位置し，レンズ部１３２の円周形状に沿った円弧形状を有する。この縁部１３３の円弧形状を呈する外形はレンズ形成面側からその対向面側まで延びており，レンズ部１３２の光軸を中心軸とする略円柱形状の一部である略蒲鉾形の形状となっている。取扱部１３４の中間位置から下方に張り出すこの略蒲鉾形の部分を張出部１３６と呼ぶ。張出部１３６のこの形状は，Ｖ溝１１２に張出部１３６が接した状態でレンズ素子１３０が支持基板１１０に実装されるよう，Ｖ溝１１２に適合する形状となっている。張出部１３６がＶ溝１１２に当接するようにレンズ素子１３０を載置するだけで，光軸に垂直な２方向（Ｘ，Ｙ方向）の位置決めができるよう構成されている。なお，ここでは縁部１３３はレンズ部１３２を囲むように設けられているが，レンズ部１３２の外周が縁部１３３を構成するようになっていてもよい。

取扱部１３４は，レンズ部１３２の周辺の上部側を取り巻くように延設され，レンズ部１３２表面に略平行な面内でレンズ部１３２より広い幅を有し，左右方向に伸長したバー形状を有する。取扱部１３４は，レンズ部１３２，縁部１３３，張出部１３６と一体的に形成されている。取扱部１３４の上面は平坦に形成されており，上方から保持手段によりレンズ素子１３０を保持することが容易である。保持手段としては例えば，吸引保持する負圧吸盤のような負圧保持手段が考えられる。

レンズ素子１３０を適用する光学系の光源の波長が１．３μｍまたは１．５５μｍである場合，レンズ素子１３０の材質としてはシリコン結晶基板が好適である。レンズ素子１３０は半導体製造技術で用いられるフォトリソグラフィとエッチング技術を用いて作製することができる。例えば，シリコン基板にフォトリソグラフィとエッチングを繰り返すことにより回折光学素子からなるレンズ部１３２を作製した後，レンズ素子１３０に対応する形状のパターンをフォトマスクパターンとして用いてＤｅｅｐ Ｅｔｃｈｉｎｇ手法を用いて任意の深さまで掘り下げることによりレンズ素子１３０を作製できる。このような方法により，レンズ素子１３０は高精度にかつ安価に量産可能である。

サブアセンブリ１００では，レーザダイオード１２０とレンズ素子１３０のレンズ部１３２とが同一光軸を共有するように位置決め配置されている。光軸に垂直な２方向の位置決めは，張出部１３６がＶ溝１１２に当接するようにレンズ素子１３０を載置することにより，容易に実現される。光軸方向（Ｚ方向）の位置決めは，後述するように，画像認識技術を用いて行う。

レンズ素子１３０の光軸方向の厚さは例えば１００μｍとすることができ，レンズ素子１３０とレーザダイオード１２０の間の距離は例えば８０μｍとすることができる。また，レンズ素子１３０の取扱部１３４の長軸方向の長さは例えば２５０〜５００μｍとすることができる。このように，レンズ素子１３０は，回折光学素子からなるレンズ部を有する構成のため，従来の光モジュールで使用されていたレンズに比べ，小サイズ化されている。また，レーザーダイオード１２０等の光結合する光学素子とレンズ素子との光軸方向の距離を大幅に短縮でき，これらの間を伝搬する光束の径も小さく維持できる。これらのことから，サブアセンブリ１００は，レーザダイオード１２０と光結合用のレンズ素子１３０とを含み，かつ非常に小サイズに構成できる。

次に，サブアセンブリ１００を用いて構成される光モジュール１０２について図２を参照しながら説明する。光モジュール１０２は，サブアセンブリ１００と，パッケージ１５０と，インタフェース１７０とを有する。図２に示すように，サブアセンブリ１００はパッケージ１５０に内含され，インタフェース１７０はパッケージ１５０に当接して固定されている。

パッケージ１５０は，外形が略円筒形のキャップ１５２と，台座部であるヘッダ１５４と，略円盤形状の基体１５６と，電極端子１５８とを部品として含む同軸型パッケージである。ヘッダ１５４はその一端が基体１５６の一面に固定され，他端にはサブアセンブリ１００を突き当てるための段が形成されている。なお，この突き当て用の段は必ずしも必要なものではなく，段を設けない構成としてもよい。ヘッダ１５４上には，サブアセンブリ１００が固定配置される。キャップ１５２は金属製であり，例えばステンレスを材質とする。キャップ１５２の一端は基体１５６に固着され，他端はインタフェース１７０が固着される。キャップ１５２の内部には隔壁１５３が形成され，隔壁１５３の一部には平板窓１５１が装着されている。隔壁１５３および平板窓１５１を境にして，キャップ１５２内部の基体１５６側の空間にはサブアセンブリ１００が配置され，反対側の空間にはインタフェース１７０の先端が挿入される。基体１５６，キャップ１５２，隔壁１５３，平板窓１５１で囲まれた空間は，サブアセンブリ１００が配置される空間であり，気密に保たれている。キャップ１５２の光軸方向の長さは，後述するように，インタフェース１７０の拡径部分とキャップ１５２の端が突き当てられたときに，光ファイバ１７１の端面にレンズ素子１３０による集光点が位置するよう予め設計されている。

インタフェース１７０は，光ファイバ１７１と，フェルール１７２，スリーブ１７３とを有するレセプタクル型の接続端子である。光ファイバ１７１のレンズ素子１３０側の端面は，この端面での反射光がレーザダイオード１２０へ再入射するのを防止するため，および外部への反射を防止するために斜めに形成されている。外枠であるスリーブ１７３は，キャップ１５２の端と突き当たるように，その一部が拡径された形状を有する。スリーブ１７３内部には一端から途中までに，光ファイバ１７１およびその周囲のフェルール１７２が挿入固定されている。スリーブ１７３内部の途中から他端までは空洞部１７４となり，コネクタ（不図示）が挿入されるために空洞になっている。

光モジュール１０２では，レーザダイオード１２０，レンズ部１３２，光ファイバ１７１は同一光軸を有するよう配置されている。光モジュール１０２において，レーザダイオード１２０を出射した発散光は，レンズ素子１３０により集光されて，平板窓１５１を経由した後，光ファイバ１７１に入射する。このように，レーザダイオード１２０はレンズ素子１３０を介して光ファイバ１７１と光学的に結合する。

以下に，サブアセンブリ１００および光モジュール１０２の作製方法の一例を説明する。まず，Ｖ溝１１２が形成されている支持基板１１０を準備し，支持基板１１０上部からマーカー（不図示）を用いて高精度に位置決めして，レーザーダイオード１２０を支持基板１１０に配置し，ハンダ等で接合する。次に，レンズ素子１３０を張出部１３６がＶ溝１１２に当接するよう配置する。これによって光軸に垂直な方向（Ｘ，Ｙ方向）の位置決めが行われる。レンズ素子１３０の光軸方向（Ｚ方向）の位置に関しては，支持基板にあらかじめ設けられたマーカー（不図示）を用いて位置決めして配置する。適切な位置にレンズ素子１３０が配置されたことが確認されたら，レンズ素子１３０をＶ溝１１２に接合する。接合用の接着剤としては，熱硬化性樹脂，ＵＶ（紫外線）硬化型樹脂，ハンダ等を用いることができる。この際に，レーザダイオード１２０とレンズ素子１３０との実装精度は，ボンダの精度に依存し，±３μｍでの実装が容易に可能となる。光軸に垂直な方向のレンズ素子１３０の実装精度は，張出部１３６の加工精度およびＶ溝１１２の加工精度に依存し，±１μｍでの実装が可能となる。

次に，サブアセンブリ１００をヘッダ１５４上に搭載し，サブアセンブリ１００をヘッダ１５４の段に突き当てて光軸方向の位置決めをし，熱硬化性樹脂やハンダ等を用いて固定する。なお，突き当て用の段を設けない場合でも，サブアセンブリ１００のヘッダ１５４への搭載精度は±１０μｍほどである。すでにレーザーダイオード１２０とレンズ素子１３０との調芯位置決めは終了しているため，サブアセンブリ１００の搭載精度は，サブアセンブリ１００と光ファイバ１７１との光結合効率に影響を与えるだけである。サブアセンブリ１００の実装後，レーザーダイオード１２０の配線をワイヤボンディングして電気的に接続する。そして，サブアセンブリ１００をキャップ１５２が内含するようキャップ１５２装着し，キャップ１５２の一端を基体１５６に溶接して固定する。この状態でサブアセンブリ１００は気密空間に保持される。

次に，インタフェース１７０をキャップ１５２の他端に挿入して，インタフェース１７０の拡径部分とキャップ１５２の端を突き当てる。キャップ１５２の光軸方向の長さは，この突き当てにより，光ファイバ１７１の端面にレンズ素子１３０による集光点が位置するように予め設計されているため，この突き当てにより，光軸方向を位置決めできる。このように拡径部をキャップ１５２に突き当てた状態で，レーザダイオード１２０を発光させて光ファイバ１７１から出射される光をモニタしながら，インタフェース１７０を光軸に垂直な方向に調芯する。調芯完了後，拡径部の当接部を溶接等で固定する。以上の動作により，光モジュール１０２が作製される。

以上述べたように，光モジュール１０２では，レーザダイオード１２０に対しレンズ素子１３０が，Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の３方向に関し高精度に配置されている。特に，Ｘ，Ｙ方向については，Ｖ溝１１２に張出部１３６を載置するだけで，容易に高精度な位置決めができる。Ｘ，Ｙ方向の位置決め精度は光結合効率に大きく影響するため，上記構成の光モジュール１０２では光結合効率の向上を期待できる。また，Ｚ方向についても，調芯が不要である。

光モジュール１０２では，レンズ素子１３０と光ファイバ１７１との距離は，レンズ素子１３０とレーザーダイオード１２０との距離の数倍である。光学系の倍率を考えると，レーザダイオード１２０に対しレンズ素子１３０のＺ方向位置がわずかでも変動すると，それにより光ファイバ１７１側の集光位置は大きく変動する。例えば，レーザダイオード１２０に対しレンズ素子１３０が高精度に配置されておらず，光モジュールごとに無視できない誤差がある場合，光ファイバ１７１側の集光位置のバラツキは大きくなり，光ファイバ１７１のＺ方向調芯が困難になる。これに対し，本実施の形態の光モジュール１０２では，レーザダイオード１２０に対しレンズ素子１３０が高精度に位置決めされているため，集光位置のバラツキを非常に小さく抑えることができる。

また，レーザーダイオード１２０とレンズ素子１３０との調芯公差に比べ，レンズ素子１３０と光ファイバ１７１との調芯公差は緩い。例えば，レーザーダイオード１２０とレンズ素子１３０との距離を約８０μｍ，レンズ素子１３０と光ファイバ１７１との距離を約５００μｍとする。図３は，Ｚ方向の調芯ずれに対する結合効率の測定結果を示すグラフである。図３の横軸はＺ方向の位置を示し，縦軸は結合効率を示す。図３において，Ｌで示された曲線はレーザーダイオード１２０とレンズ素子１３０との調芯ずれに関し，Ｆで示された曲線光ファイバ１７１とレンズ素子１３０との調芯ずれに関するものである。２つの曲線共に，調芯ずれが０のときをＺ方向位置を０とし，このときの結合損失を０として正規化して表示している。図３からわかるように，レーザーダイオード１２０とレンズ素子１３０との調芯ずれに関しては，微小なずれ量で結合効率が著しく低下するのに対し，レンズ素子１３０と光ファイバ１７１との調芯ずれに関しては，大きなずれ量であっても結合効率はそれほど低下しない。つまり，レーザダイオード１２０とレンズ素子１３０との実装には高精度が必要であるが，光ファイバ１７１の実装にはそれほど高精度は要求されない。

これらの点を考慮して，光モジュール１０２では，光ファイバ１７１のＺ方向の位置決めについては，インタフェース１７０の拡径部分とキャップ１５２の端との突き当てだけを行い，Ｚ方向を非調芯にしている。また，Ｘ，Ｙ方向に関しては，レーザダイオード１２０に対しレンズ素子１３０が非常に簡単な方法で高精度に配置されている。このように，位置決めが容易で，調芯工程が少ないため，光モジュール１０２の作製は容易になる。結果として，レーザダイオード１２０〜光ファイバ１７１間で約５０％の結合効率が得られる。

上述したように，本実施の形態の光モジュール１０２は，高効率で，量産性が高く，低コストな光モジュールを提供することができる。また，本実施の形態の光モジュール１０２では，回折光学素子による小さなレンズ素子を用いているため，ボールレンズに比べ，レンズサイズを小さくでき，焦点距離を短くすることができる。これにより，光モジュールの小型化が可能である。

次に，本発明の第２の実施の形態にかかる光モジュールについて，図４を参照しながら説明する。図４は本発明の第２の実施の形態にかかる光モジュール２０２の断面図である。光モジュール２０２が第１の実施の形態の光モジュール１０２と異なる点は，光学系を軸ずれ型で構成している点である。以下，この点に注目して説明し，光モジュール１０２と同様の構成については，重複説明を省略する。

光モジュール２０２を構成するサブアセンブリ２００にはレンズ素子２３０が用いられる。レンズ素子２３０のレンズ部は，入射光束と異なる方向に光束を出射させるような回折光学素子により構成されている。ここでは，このような構成を軸ずれ型と呼んでいる。本実施の形態のレンズ素子２３０と，第１の実施の形態のレンズ素子１３０とは，レンズ部の光学性能が異なるだけであり，その他の構成は同様である。また，レンズ素子２３０以外の部品については，第１の実施の形態のものと同じものを用いている。

図４に，レーザダイオード１２０の光軸Ｍを一点鎖線で示す。光軸Ｍは，パッケージ１５０の中心軸と一致している。光軸Ｍに沿ってレーザダイオード１２０から出射された発散光は，レンズ素子２３０のレンズ部により，収束光に変換され，かつ光軸Ｍに対して傾きをもつ方向を光束の中心軸とするよう偏向される。このように，レンズ素子２３０からの出射光の方向が第１の実施の形態のものと異なる。そのため，光ファイバ１７１の入射端面に入射する光は，光ファイバ１７１の入射端面の法線に対して第１の実施の形態の場合よりもさらに大きな角度をもつことができ，光ファイバ１７１への挿入損失を低減できる。例えば，光ファイバ１７１の入射端面が光軸Ｍに垂直な方向に対し９度の角度を有する場合，レンズ部から出射した光が光軸Ｍに対し下側に４度の角度を有するようにして光結合させる。このようなレンズ素子は，所望の角度で光を偏向させるようにレンズ部の回折光学素子を設計し，第１の実施の形態の場合と同様に形成することにより，容易に作製可能である。

本実施の形態の光モジュール２０２を作製する場合も，第１の実施の形態と同様であり，サブアセンブリ２００をヘッダに実装後，インタフェース１７０をキャップ１５２に突き当ててＺ方向の調芯を行い，Ｘ，Ｙ方向については光ファイバ１７１からの出射光をモニタしながら調芯する。この場合，光ファイバ１７１の中心はパッケージ１５０の中心からずれた位置となる。調芯完了後，突き当て部を溶接等で固定する。

従来のボールレンズ等を用いて，光軸Ｍと異なる方向で光ファイバの端面へ光を入射させようとすると，レンズを中心位置からずらす調芯作業が必要になり，煩雑である。本実施の形態のレンズ素子を用いれば，第１の実施の形態と全く同様にレンズ素子の外形を利用して実装すればよく，レンズ素子を中心位置からずらすような調芯作業は不要である。本実施の形態によれば，第１の実施の形態の場合よりも高い結合効率を得ることができる。また，本実施の形態においても，第１の実施の形態と同様に，高精度な位置決めが可能で，低コストで小型化が可能な光モジュールを提供できる。

次に，本発明の第３の実施の形態にかかる光モジュールについて，図５，図６を参照しながら説明する。図５は本発明の第３の実施の形態にかかるサブアセンブリ３００の斜視図である。図６は，サブアセンブリ１００を用いた本発明の第３の実施の形態にかかる光モジュール３０２の断面図である。本実施の形態の特徴は，一本の光ファイバに波長の異なる２種の光信号を双方向に伝搬させる，一芯双方向の光モジュールを構成している点である。以下，この点に注目して説明し，第１の実施の形態と同様の構成については，一部重複説明を省略する。

サブアセンブリ３００は，支持基板３１０と，レーザダイオード３２０と，２つのレンズ素子３３０ａ，３３０ｂと，波長分波器３４０と，フォトダイオード３４２とを有する。支持基板３１０は，例えば，シリコン結晶基板からなる。支持基板３１０の上面には，２つのＶ溝３１２ａ，３１２ｂと，凹溝３１４が形成されている。これらの溝は，凹溝３１４を中心にして，その両側に凹溝３１４と連通するように２つのＶ溝３１２ａ，３１２ｂが同一直線上に位置するよう配置されている。Ｖ溝３１２ａは凹溝３１４から支持基板３１０の途中まで形成され，Ｖ溝３１２ｂは凹溝３１４から基板１１０の一端まで形成されている。

Ｖ溝３１２ａ，３１２ｂは，断面形状がＶ字状で，直径１２５μｍのシングルモード光ファイバを載置可能な溝構造を有する。Ｖ溝３１２ａ，３１２ｂは，例えば異方性エッチングにより形成可能である。凹溝３１４は，波長分波器３４０を配置するための溝であり，底面に平坦部を持つ溝構造を有する。凹溝３１４の断面形状はここでは略長方形状としているがこれに限定するものではない。凹溝３１４は，ダイシングなどによって形成可能である。

レーザダイオード３２０は送信用の波長λ１の光を出射する発光素子である。レーザダイオード３２０は，支持基板３１０上のＶ溝３１２ａの延長上のＶ溝３１２ａが形成されていない部分に配置されている。

レーザダイオード３２０に近い側のＶ溝３１２ａにはレンズ素子３３０ａが配置され，レーザダイオード３２０から遠い側のＶ溝３１２ｂにはレンズ素子３３０ｂが配置されている。レンズ素子３３０ａ，３３０ｂは共に石英基板またはシリコン基板等の光学基板からなり，光学基板の片面の表面に形成された回折光学素子からなるレンズ部３３２ａ，３３２ｂをそれぞれ備えている。レンズ部３３２ａはレーザダイオード３２０からの出射光を略平行光に変換し，レンズ部３３２ｂはこの略平行光を集束光に変換するよう構成されている。レンズ素子３３０ａ，３３０ｂの相違点はレンズ部３３２ａ，３３２ｂの光学性能だけであり，その他の形状的な構成等は同じである。レンズ素子３３０ａ，３３０ｂは，第１の実施の形態のレンズ素子１３０同様に，実装時にＶ溝３１２ａ，３１２ｂに接する形状を有する張出部と，取扱時の保持を容易にするための取扱部とを有する。なお，レンズ素子３３０ａ，３３０ｂとレンズ素子１３０では，取扱部の先端形状が若干異なるが実装には関係ない。

凹溝３１４には，波長分波器３４０が配置されている。波長分波器３４０は波長選択性を有し，異なる波長の光を分岐する機能を有する。例えば，異なる波長λ１，λ２の２種類の光が波長分波器３４０に入射したとき，波長λ１の光を透過させ，波長λ２の光を反射する。波長分波器３４０には例えば多層膜ミラーを用いたものを採用できる。ここでは波長分波器３４０として，誘電体多層膜を２つのガラスブロックで挟んだ構成を採用している。この誘電体多層膜は波長λ１の光は透過し，波長λ２の光を反射する機能を有する。波長分波器３４０は，誘電体多層膜の方向がレーザダイオード３２０の出射光の光軸に対して４５度の角度で交わるように配置されている。

波長分波器３４０の上面部分には，受光用のフォトダイオード３４２がハンダにより固定され配置されている。フォトダイオード３４２は面入射型受光素子からなり，ここではフォトダイオード３４２は，レンズやスぺーサー等を介さずに，フォトダイオード３４２の受光部と波長分波器３４０とが対向するように波長分波器３４０に直接配置されている。

サブアセンブリ３００では，レーザダイオード３２０とレンズ素子３３０ａ，３３０ｂのレンズ部３３２ａ，３３２ｂとが同一光軸を共有するように位置決め配置されている。光軸に垂直な２方向の位置決めは，各レンズ素子の張出部がＶ溝３１２ａ，３１２ｂに当接するようにレンズ素子を載置することにより，容易に実現される。

次に，サブアセンブリ３００を用いて構成される光モジュール３０２について図６を参照しながら説明する。光モジュール３０２は，サブアセンブリ３００と，パッケージ３５０と，インタフェース１７０とを有する。パッケージ３５０は，キャップ３５２と，サブアセンブリ３００が配置される台座部であるヘッダ３５４と，略円盤形状の基体１５６と，電極端子３５８とを部品として含む同軸型パッケージである。電極端子３５８は，レーザダイオード３２０およびフォトダイオード３４２用の配線と接続可能である。キャップ３５２およびヘッダ３５４はそれぞれ第１の実施の形態のキャップ１５２およびヘッダ１５４に比べて光軸方向の長さが長くなっており，その他の構成はキャップ１５２およびヘッダ１５４と同じである。ヘッダ３５４は基体１５６の一面に固定されている。ヘッダ３５４上には，サブアセンブリ３００が固定配置されている。キャップ３５２は略円筒形状の外形を有し，その内部に平板窓１５１が装着された隔壁１５３を有する。キャップ３５２の一端は基体１５６に固着され，他端はインタフェース１７０が固着される。キャップ３５２は金属製であり，例えばステンレスを材質とする。平板窓１５１は，レーザダイオード３２０の出射光および光ファイバ１７１からの出射光に対し透光性の部材からなる。平板窓１５１，隔壁１５３，キャップ３５２と基体１５６の接合部は気密性を保持可能なように構成されている。

上記構成を有する光モジュール３０２の動作について説明する。レーザダイオード３２０から出射された波長λ１の信号光は，レンズ素子３３０ａによって平行光に変換され，波長分波器３４０を透過し，レンズ素子３３０ｂによって光ファイバ１７１へ向かって集光され，送信される。また，外部から光モジュール３０２の方向に向かって光ファイバ１７１を伝搬してきた波長λ２の光信号は，光ファイバ１７１の端部からレンズ素子３３０ｂへ向けて発散光として出射される。この出射光は，レンズ素子３３０ｂによって平行光に変換され，波長分波器３４０に入射し，波長分波器３４０の誘電体多層膜によって支持基板３１０の上面に対して垂直方向に反射され，フォトダイオード３４２へ入射する。フォトダイオード３４２へ入射する光を平行光とすることにより，フォトダイオード３４２の位置合わせが容易になる。上述したように光モジュール３０２は双方向送受信モジュールとして機能する。

以上より，本実施の形態によれば，第１の実施の形態の効果に加え，一本の光ファイバに波長の異なる２種の光信号を双方向に伝搬させる，一芯双方向の光モジュールをコンパクトに構成できるという効果が得られる。

なお，本実施の形態では，レンズ素子３３０ａとレンズ素子３３０ｂの間は平行ビームとした場合について説明したが，これに限定するものではない。レンズ素子３３０ａとレンズ素子３３０ｂの間で，徐々に光ビーム径が拡がる構成等，光ビーム径が変化する構成も採用可能である。例えば，レンズ素子を１つだけ用いる構成にして，非平行光が波長分波器３４０を透過するようにしてもよい。また，波長分波器３４０およびフォトダイオード３４２の代わりに，他の光機能素子，例えば，アイソレータ，偏向子，波長板，フィルタ等を配置することも考えられる。また，波長分波器３４０の構成によっては，フォトダイオード３４２は波長分波器３４０の上方だけでなく，側方に配置されることもある。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

上記の第１，第２の実施の形態で，光ファイバとレーザダイオードの結合を例にとり説明しているが，レーザダイオードの代わりにフォトダイオード等の受光素子を用いることも可能である。第１〜第３の実施の形態では同軸型パッケージを用いた光モジュールについて説明したが，これに限定するものではなく，略直方体形状のフラット型のパッケージも適用可能である。なお，光モジュールでは，レーザダイオードの出力をモニタするためのフォトダイオードを備えることが好ましい。また，レンズ素子，レンズ部，取扱部，張出部等の形状は上記例に限定されず，様々な形状が考えられる。上記例では，レンズ部は光学基板の片面に形成されているが，両面にレンズ部を有するようにしてもよい。また，サブアセンブリに含まれるレンズ素子の数は必ずしも１つに限定されない。レンズ素子を構成する光学基板の材質には，上記例以外にも，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＳｉＣ，Ｇｅ等を用いてもよい。支持基板は，ここではシリコン結晶基板からなるが，例えばセラミックス基板を用いてもよい。支持基板に形成されるレンズ素子配置用の溝の断面形状は，上記例に限定されず，略Ｖ字形状，略台形形状，略半円形状，略長方形形状，略正方形形状のいずれか１つであるよう構成してもよい。

本発明は，光通信機器に用いられる光モジュール等に適用可能である。

本発明の第１の実施の形態にかかるサブアセンブリの斜視図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる光モジュールの断面図である。 Ｚ方向位置と結合効率との関係を表す図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる光モジュールの断面図である。 本発明の第３の実施の形態にかかるサブアセンブリの斜視図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる光モジュールの断面図である。

符号の説明

１００ サブアセンブリ
１０２ 光モジュール
１１０ 支持基板
１１２ Ｖ溝
１２０ レーザダイオード
１３０ レンズ素子
１３２ レンズ部
１３３ 縁部
１３４ 取扱部
１３６ 張出部
１５０ パッケージ
１５１ 平板窓
１５２ キャップ
１５３ 隔壁
１５４ ヘッダ
１５６ 基体
１５８ 電極端子
１７０ インタフェース
１７１ 光ファイバ
１７２ フェルール
１７３ スリーブ
１７４ 空洞部

Claims (20)

1. 部材配置用の溝を有する支持基板と；
   前記支持基板に実装された光学素子と；
   光学基板の表面に形成されたレンズ部と，実装時に前記支持基板の前記溝に当接する張出部と，を有し，前記光学素子に対して位置決めされたレンズ素子と；
   前記光学素子および前記レンズ素子が実装された前記支持基板を内含するパッケージ部品と；
   前記レンズ素子を介して前記光学素子と光結合する光ファイバを含み，前記パッケージ部品に当接することにより位置決めされたインタフェースと；を備えることを特徴とする光モジュール。
2. 前記レンズ部は回折光学素子からなることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記光学基板はシリコン結晶基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
4. 前記光学素子は，発光素子または受光素子のいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュール。
5. 前記パッケージ部品は前記支持基板を気密に内含することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光モジュール。
6. 前記パッケージ部品は同軸型パッケージの部品であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光モジュール。
7. 部材配置用の溝を有する支持基板と；
   前記支持基板に実装された光学素子と；
   光学基板の表面に形成され，入射光束と異なる方向に光束を出射させるよう構成されたレンズ部と，実装時に前記支持基板の前記溝に当接する張出部と，を有し，前記光学素子に対して位置決めされたレンズ素子と；
   前記光学素子および前記レンズ素子が実装された前記支持基板を内含するパッケージ部品と；
   前記レンズ素子を介して前記光学素子と光結合し，端面が斜めに形成された光ファイバを含み，前記パッケージ部品に当接することにより位置決めされたインタフェースと；を備えることを特徴とする光モジュール。
8. 前記レンズ部は回折光学素子からなることを特徴とする請求項７に記載の光モジュール。
9. 前記光学基板はシリコン結晶基板であることを特徴とする請求項７または８に記載の光モジュール。
10. 前記光学素子は，発光素子または受光素子のいずれかであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の光モジュール。
11. 前記パッケージ部品は前記支持基板を気密に内含することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の光モジュール。
12. 前記パッケージ部品は同軸型パッケージの部品であることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の光モジュール。
13. 第１構造の第１および第２の溝と，前記第１構造の第１の溝と第２の溝との間に位置する第２構造の溝とを有する支持基板と；
    前記支持基板に実装され，第１の波長の光を出射する発光素子と；
    光学基板の表面に形成されたレンズ部と，実装時に前記第１構造の第１の溝に当接する張出部と，を有し，前記光学素子に対して位置決めされ，前記光学素子から出射される発散光を略平行光に変換する第１のレンズ素子と；
    光学基板の表面に形成されたレンズ部と，実装時に前記第１構造の第２の溝に当接する張出部と，を有し，前記略平行光を収束光に変換する第２のレンズ素子と；
    前記第２構造の溝に配置され，異なる波長の光を分岐する機能を有する波長分波器と；
    前記波長分波器により分岐された第２の波長の光が入射される受光素子と；を備えることを特徴とするサブアセンブリ。
14. 前記レンズ部は回折光学素子からなることを特徴とする請求項１３に記載のサブアセンブリ。
15. 前記光学基板はシリコン結晶基板であることを特徴とする請求項１３または１４に記載のサブアセンブリ。
16. 第１構造の第１および第２の溝と，前記第１構造の第１の溝と第２の溝との間に位置する第２構造の溝とを有する支持基板と；
    前記支持基板に実装され，第１の波長の光を出射する発光素子と；
    光学基板の表面に形成されたレンズ部と，実装時に前記第１構造の第１の溝に当接する張出部と，を有し，前記光学素子に対して位置決めされ，前記光学素子から出射される発散光を略平行光に変換する第１のレンズ素子と；
    光学基板の表面に形成されたレンズ部と，実装時に前記第１構造の第２の溝に当接する張出部と，を有し，前記略平行光を収束光に変換する第２のレンズ素子と；
    前記第２構造の溝に配置され，異なる波長の光を分岐する機能を有する波長分波器と；
    前記波長分波器により分岐された第２の波長の光が入射される受光素子と；
    前記発光素子，前記第１のレンズ素子，前記第２のレンズ素子，前記波長分波器が実装された前記支持基板と，前記受光素子とを内含するパッケージ部品と；
    収束光に変換された前記第１の波長の光が入射されると共に前記第２の波長の光を前記第２のレンズ素子へ出射する光ファイバを含み，前記パッケージ部品に当接することにより位置決めされたインタフェースと；を備えることを特徴とする光モジュール。
17. 前記レンズ部は回折光学素子からなることを特徴とする請求項１６に記載の光モジュール。
18. 前記光学基板はシリコン結晶基板であることを特徴とする請求項１６または１７に記載の光モジュール。
19. 前記パッケージ部品は前記支持基板を気密に内含することを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の光モジュール。
20. 前記パッケージ部品は同軸型パッケージの部品であることを特徴とする請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の光モジュール。
    
    
    

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