JP2007072199A - 光モジュールおよび光伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 面型発光素子と光導波路との光軸合せが容易で長期的な信頼性を確保することができる光モジュールおよび光伝送装置を提供する。
【解決手段】 金属ステム１０には、受光素子１２及び発光素子１３がサブマウント１６により位置決めされ、このサブマウント１６には導光部１５ａを有する光導波路１５の一端が位置決め保持され、光導波路１５の他端とキャップ１７に設けられた透過窓１８とが接着剤等の固定部材２０により固定される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発光素子や受光素子による光素子と光導波路を用いて光通信を行う光モジュールおよび光伝送装置に関する。

従来より、低コストの光伝送装置として、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）やフォトダイオード（ＰＤ）など実装面と反対側に受発光部を備えた面型光素子を用いた光伝送装置が知られており、これらの小型化、低コスト化、高機能化などのために光ファイバなどの光伝送媒体と面型光素子との光学的結合に光導波路を用いることが検討されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載された光モジュールは、面発光型あるいは面受光型の光素子に光導波路を有しており、光導波路に凹部を形成し、これを目印に光素子に対し光導波路をＣＣＤカメラを用いて光学的に位置決めし、両者を接着剤により結合している。
特開２００４−２１２７７４号公報

しかし、従来の光モジュールは、光導波路の他端が固定されていないため、経時変化により光軸ズレが生じ、結合効率の低下を招くという問題がある。また、光学的な位置決めでは、光軸合わせが難しいという問題がある。

本発明の目的は、面型発光素子と光導波路との光軸合せが容易で長期的な信頼性を確保することができる光モジュールおよび光伝送装置を提供することにある。

本発明の第１の態様は、上記目的を達成するため、台座部と、受光または発光する面型光素子と、両端部にそれぞれ形成された光入出射端面間で光を伝送する光導波路と、前記台座部に取り付けられ、前記面型光素子および前記光導波路の一方の端部を位置決め保持する保持部材と、前記台座部に取り付けられ、前記光導波路の前記他方の端部に対向する位置に光透過窓を有して前記保持部材、前記光素子および前記光導波路を覆うキャップと、前記光導波路の前記他方の端部と前記キャップとを固定する固定部材とを備えたことを特徴とする光モジュールを提供する。

上記光モジュールによれば、光導波路の両端部が固定されるため、光ファイバ等の光伝送媒体との結合効率の長期的な信頼性が得られる。

前記光導光路は、板状の導光路を用いることができる。

前記固定部材として、前記光導波路の前記他方の端部と前記キャップの前記光透過窓とを、屈折率整合性を有する接着剤、屈折率整合性を有する充填材、屈折率整合性を有する弾性部材や、接着性、弾性および屈折率整合性を有するものを用いることができる。

固定部材が屈折率整合性を有することで、光導波路の光入出射端面の反射が減少し、光源への戻り光や受光素子へのクロストークが減少する。固定部材が接着性を有することで、光導波路とキャップ側とを強固に固定することができる。固定部材として充填材を用いた場合は、光導波路を広い面積で押さえて確実に固定することができる。固定部材が弾性を有することで、振動や熱膨張係数差による変位を吸収することができる。

前記固定部材として、前記光導波路の前記他方の端部の前記光入出射端面以外の部分と前記キャップとの間を固定する場合は、前記光導波路を加圧固定する弾性部材や、接着剤を用いることができる。

前記キャップの前記光透過窓は、前記光導波路側に凹部を有し、前記固定部材は、屈折率整合性を有して前記凹部に収容され、前記光導波路の前記他方の端部と前記凹部との間を固定する構成とすることができる。少ない量の固定部材で光導波路と光透過窓とを固定することができる。

前記台座部および前記キャップは、金属からなる構成とすることができる。これにより、外部からのノイズやクロストークを低減することができる。

前記保持部材は、前記面型光素子を嵌入して位置決めする第１の貫通穴と、前記光導波路を嵌入して位置決めする第２の貫通穴とを備えた構成とすることができる。この構成によれば、面型光素子および光導波路を貫通穴に嵌入するだけで、面型光素子および光導波路の位置決めができるため、面型光素子と光導波路との光軸合せが容易となる。また、位置決め手段として貫通穴を用いることにより、保持部材の形成が容易となる。

前記保持部材は、前記面型光素子を嵌入して位置決めする第１の凹部と、前記光導波路を嵌入して位置決めする第２の凹部とを備えた構成とすることができる。この構成によれば、面型光素子および光導波路を凹部に嵌入するだけで、面型光素子および光導波路の位置決めができるため、面型光素子と光導波路との光軸合せが容易となる。また、第１の凹部の深さを調整することにより、面型光素子の受発光面と光導波路の光入出射端面との間にギャップを設けることができる。このギャップに屈折率整合層を形成することで、面型光素子と光導波路との結合効率を高めることができる。また、ギャップの存在により面型光素子からの発熱により光導波路の導光部が損傷するのを防止することができる。

前記面型光素子は、面型発光素子と、面型受光素子とからなり、前記光導波路は、前記面型発光素子および前記面型受光素子にそれぞれ光結合される前記光入出射端面の光入射部および光出射部と、外部の光伝送媒体に光結合される前記他方の端部の光入出射端面の１つの光入出射端部とを接続する導光部を有する構成とすることができる。この構成によれば、小型で１芯双方向通信を行うことができる。

本発明の第２の態様は、上記目的を達成するため、上記光モジュールと、前記光モジュールに装着され、光伝送媒体が接続される光学系を有するハウジングと、前記光モジュールに接続された回路基板とを備えたことを特徴とする光伝送装置を提供する。

上記光伝送装置によれば、光導波路の両端部を固定した光モジュールを回路基板に搭載したことにより、光伝送装置の長期的な信頼性が得られる。

本発明によれば、面型発光素子と光導波路との光軸合せが容易で長期的な信頼性を確保することができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光伝送装置を示す。更に、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。

この光伝送装置１は、光伝送媒体としての光ファイバ４が接続される光モジュール２と、この光モジュール２が実装される回路基板３とを備えて構成されている。

光モジュール２は、台座部としての金属ステム１０と、金属ステム１０上の配設された面型光素子としての受光素子１２および発光素子１３と、受光素子１３からの出力信号を増幅するＩＣ１４と、受光素子１２および発光素子１３に光結合される光導波路１５と、受光素子１２、発光素子１３および光導波路１５を位置決め保持する保持部材としてのサブマウント１６と、天井面に開口１７ａを有して金属ステム１０上の各部材を封止する金属製のキャップ１７と、開口１７ａを内側から封止する透過窓１８と、透過窓１８と光導波路１５とを固定する固定部材２０とを備える。

また、この光モジュール２は、金属ステム１０上に絶縁体１９によって保持された複数の電極ピン１１を有し、受光素子１２、発光素子１３、ＩＣ１４、電極ピン１１間をボンディングワイヤ２１Ａ〜２１Ｊによって接続しており、光ファイバ４を接続するハウジング５をキャップ１７の外側に装着している。

ハウジング５は、例えば、透明な樹脂をモールドして作られており、キャップ１７に着脱自在に装着される。このハウジング５は、キャップ１７に外嵌されるハウジング部５１と、ハウジング部５１内の中心部に形成されたレンズ部５２と、ハウジング部５１の上部に筒状に形成されて内部に光ファイバ４が嵌入される光ファイバ挿入部５３と、光ファイバ挿入部５３の外周に設けられた鍔部５４とを備える。

ハウジング部５１は、その下端面がキャップ１７の周縁部の上面との間に所定の間隙を有している。これにより、ハウジング５を上下、左右方向に微調整でき、レンズ部５２の焦点調整が行えるようになっている。

金属ステム１０は、グランド用のボンディングワイヤの接続が可能な材料、例えば、銅、銅合金等の金属により円板状に加工されている。

電極ピン１１Ａ，１１Ｂは送信信号用である。また、電極ピン１１Ｃ〜１１Ｆは受信用であり、電極ピン１１Ｃは電源用、電極ピン１１Ｄはグランド（ＧＮＤ）用、電極ピン１１Ｅ，１１Ｆは差動出力用である。

受光素子１２は、上面に光信号を受光する受光部１２ａを備え、下面に金属ステム１０に実装される実装面を備え、上面に２つの電極を有する面型光素子であり、例えば、ＧａＡｓ製ＰＩＮフォトダイオードを用いることができる。

発光素子１３は、上面に光信号を発光する発光部１３ａを備え、下面に金属ステム１０に実装される実装面を備え、上面と下面に電極を有する面型光素子であり、例えば、波長８５０ｎｍのＶＣＳＥＬを用いることができる。

光導波路１５は、例えば、高分子光導波路であり、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等のコア材からなるト字形の導光部１５ａを形成し、導光部１５ａの周囲にコア材よりも屈折率の小さいフッ素系ポリマー等からなるクラッドを形成して構成されている。導光部１５ａは、光ファイバと光結合される１つの光入出射部と、発光素子１３の発光部１３ａと光結合される光入射部と、受光素子１２の受光部１２ａと光結合される光出射部とを有する。このような光導波路１５は、例えば、特開平２００４−２２６９４１号公報に開示されているように作製することができる。すなわち、硬化性樹脂からなる型の表面に形成された凹部に紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂からなるコア形成用硬化性樹脂を充填し、型表面にクラッド用フィルム基材を接合させ、コア形成用硬化性樹脂を硬化させてコアを形成した後、型を剥離し、クラッド用フィルム基材のコア形成面側にクラッド層を形成することにより、高分子光導波路が作製される。

キャップ１７は、外部からのノイズを低減するために、金属により缶状に形成され、図２に示すように、下端部は金属ステム１０に導電性接着剤等により固定される。

透過窓１８は、例えば、所定の形状に加工したポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、アモルファスポリオレフィン等のプラスチック材料や、無機ガラス等からなる。透過窓１８は、その周辺部が接着剤等によりキャップ１７の内面に固定される。

固定部材２０は、光導波路１５および透過窓１８の屈折率と同程度の屈折率を有し、その屈折率差は、フレネル反射による伝送損失の面から０．１以内であることが好ましく、より好ましくは０．０５以内である。固定部材２０は、屈折率整合性、透光性を有する接着剤、例えば、エポキシ系接着剤、シリコーン系接着剤、アクリル系接着剤、紫外線硬化型接着剤等を用いることができる。

（回路基板の構成）
回路基板３は、絶縁材料からなる基材の表裏面に形成された導電パターンと、導電パターンに接続され、光モジュールの電極ピン２１が貫通されるピンホールと、発光素子１３を駆動する駆動用ＩＣ，コンデンサ，抵抗等の各種の電子部品とを備える。

（サブマウントの構成）
図３は、サブマウントの構成を示す。サブマウント１６は、樹脂モールド等による本体１６ａと、本体１６ａの中央部に設けられ、受光素子１２および発光素子１３の上に光導波路１５を載置した外形に沿った形状を有し、受光素子１２、発光素子１３および光導波路１５を嵌入して位置決めする貫通孔１６ｂとを有している。

（光モジュールの組立）
サブマウント１６を電極ピン２１を有する金属ステム１０上の所定の位置に接着剤により固定し、サブマウント１６の貫通穴１６ｂに受光素子１２および発光素子１３を嵌入してそれらの実装面を接着剤により金属ステム１０に固定する。なお、発光素子１３については導電性接着剤を用いて固定する。続いて、下端面が受光素子１２および発光素子１３に当接するように光導波路１５をサブマウント１６の貫通穴１６ｂに嵌入し、光導波路１５を接着剤によりサブマウント１６に固定する。導光部１５ａの下端面は、受光素子１２の受光部１２ａおよび発光素子１３の発光部１３ａにそれぞれ光学的に結合される。ＩＣ１４を金属ステム１０上の所定の位置に固定する。

次に、発光素子１３と送信系の電極ピン１１Ｂをボンディングワイヤ２１Ａで接続する。ＩＣ１４のグランド用電極及び電極ピン１１Ａ、１１Ｄと金属ステム１０とをボンディングワイヤ２１Ｃ，２１Ｆ，２１Ｊ,２１Ｇによって接続する。受光素子１２とＩＣ１４、ＩＣ１４と受信系の電極ピン１１Ｅ，１１Ｆとをそれぞれボンディングワイヤ２１Ｈ，２１Ｉ，２１Ｄ，２１Ｅによって接続する。

このようにして製造された光モジュール２の電極ピン１１Ａ〜１１Ｆを図２に示す回路基板３に形成された接続穴（スルーホール）に貫通させて、光モジュール２を実装する。次に、ハウジング５をキャップ１８に嵌合させ、光ファイバ４を光ファイバ挿入部５３に保持し、ハウジング５を位置決めした後、ハウジング５をエポキシ樹脂によってキャップ１８に固定する。以上により、光伝送装置１が完成する。

（光伝送装置の動作）
光ファイバ４から光モジュール２に光信号が送られてくると、透過窓１８及び固定部材２０を介して光導波路１５の導光部１５ａに入光する。導光部１５ａからの光信号は、受光素子１２の受光部１２ａに入光し、受光素子１２によって光電変換され、その電気信号がＩＣ１４によって増幅され、これによる差動信号が電極ピン１１Ｅ，１１Ｆを介して回路基板３に出力される。

一方、電極ピン１１Ａに外部から入力された信号により発光素子１３が駆動されると、発光部１３ａは光信号を生成する。この光信号は、光導波路１５の導光部１５ａに入光し、さらに固定部材２０及び透過窓１８を介して光ファイバ４へ送出される。以上のようにして１芯双方向通信が行われる。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（イ）光導波路１５の一端をサブマウント１６に固定し、光導波路１５の他端を透過窓１８に固定部材２０により固定したので、ＣＡＮパッケージ内に光導波路１５を垂直実装した構成において長期的な信頼性を確保することができる。
（ロ）光導波路１５と透過窓１８の固定が、固定部材２０のみにより行えるため、光モジュール２ひいては光伝送装置１の低コスト化を図ることができる。
（ハ）受光素子１２、発光素子１３および光導波路１５をサブマウント１６の貫通穴１６ｂに嵌入するだけで、受光素子１２および発光素子１３と光導波路１５の導光部１５ａとの位置決めができるため、受光素子１２および発光素子１３と光導波路１５との光軸合せが容易となる。

（サブマウントの他の構成例）
図４は、サブマウントの他の構成例を示す。同図中、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。このサブマウント１６は、受光素子１２の高さ以上の深さを有して受光素子１２を嵌入して位置決めする凹部１６ｄと、この凹部１６ｄに隣接させて設けられ、発光素子１３の高さ以上の深さを有して発光素子１３を嵌入して位置決めする凹部１６ｅと、凹部１６ｄ，１６ｅの一部をカットするようにして帯状に形成され、光導波路１５を嵌入して位置決めする凹部１６ｆとを備える。

なお、図４のサブマウント１６を用いた場合、搭載面（下面）が金属ステム１０に接触しないので、グランド接続が行えない。そこで、上面に電極を有する光素子を用い、ワイヤボンディングによりグランド接続を行う。

［第２の実施の形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る光モジュールを示す。本実施の形態は、第１の実施の形態の光モジュール２において、固定部材２０にゲル状屈折率整合剤を用いるとともに、この固定部材２０をキャップ１７と光導波路１５の間に充填させたものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

ゲル状屈折率整合剤として、例えば、透明なゲル状シリコーン系樹脂を用いることができる。ゲル状屈折率整合剤は、光導波路１５及び透過窓１８の屈折率と同程度の屈折率を有し、その屈折率差は、フレネル反射による伝送損失の面から０．１以内であることが好ましく、より好ましくは０．０５以内である。このゲル状屈折率整合剤は、ゼリー状であるため、キャップ１７の内面に対して十分な接着力が得られる。

第２の実施の形態によれば、固定部材２０にゲル状屈折率整合剤を用いることによって、光導波路１５を広い面積を押さて光導波路１５を確実に固定することができ、長期的な信頼性を確保できる。また、低コスト化を可能にすることができる。

［第３の実施の形態］
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る光モジュールを示す。また、図７は、図６の光モジュールにおける固定部材の配置及び形状を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態の光モジュール２において、固定部材２０に弾性部材を用いると共に、この固定部材２０を光導波路１５の端面の中央付近で、かつ導光部１５ａの位置から外した位置に設けたものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

弾性部材として、例えば、透明なシリコーンゴム等を用いることができ、図７の（ａ）のように円形に形成し、或いは、同図（ｂ）のように楕円型に形成する。いずれの場合も、光導波路１５及び透過窓１８に対して固定部材２０が弾性力（加圧力）を付与するように配設する。

この弾性部材は、光導波路１５側に設けてもよいし、透過窓１８側に設けてもよい。光導波路１５側に弾性部材を設けた場合には、確実かつ安定に光導波路１５と透過窓１８を固定することができる。また、透過窓１８に弾性部材を設けた場合には、光モジュール２を簡易に製造することが可能になる。

第３の実施の形態によれば、固定部材２０に弾性部材を用いているので、振動や熱膨張係数差による変位を吸収することができ、長期的な信頼性を確保できる。また、低コスト化を可能にすることができる。

［第４の実施の形態］
図８は、本発明の第４の実施の形態に係る光モジュールを示す。また、図９は、図８の固定部材の周辺構成を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態の光モジュール２において、図９に示すように、透過窓１８に突堤状のガイド部１８ａを設け、このガイド部１８ａによって形成された凹部１８ｂ内に接着剤またはゲル状屈折率整合剤による固定部材２０を挿入するようにしたものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

第４の実施の形態によれば、透過窓１８の凹部１８ｂ内に固定部材２０を挿入したことにより、より安定に光導波路１５と透過窓１８の固定が行えると共に、固定部材２０のはみ出しを極力抑えることができるので、少量の固定部材２０によって光導波路１５を固定することができる。

なお、ガイド部１８ａは、透過窓１８に代えて、キャップ１７の内面の透過窓１８の周辺近傍に設けてもよい。また、ガイド部１８ａは円形、角形等に形成するほか、対向する２辺に設ける構成であってもよい。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。

また、上記光伝送装置１及び光モジュール２においては、発光素子と受光素子の組み合わせについて示したが、このほか、発光素子と発光素子、受光素子と受光素子の組み合わせであってもよい。なお、上記の組み合わせに応じて、光導波路１５の導光部１５ａは、その形状をＹ字形等に変更する。

また、光モジュール２に発光素子１３を駆動する駆動用ＩＣを搭載してもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る光伝送装置の主要部の構成を示す平面図である。 図１の光伝送装置のＡ−Ａ線断面図である。 第１の実施の形態に係る光モジュールのサブマウントの構成を示す平面図である。 サブマウントの他の構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光モジュールを示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光モジュールを示す断面図である。 図６の光モジュールにおける固定部材の配置及び形状を示し、（ａ）は固定部材を円形に形成した場合の平面図、（ｂ）は固定部材を楕円型に形成した場合の平面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る光モジュールを示す断面図である。 図８の固定部材の周辺構成を示し、（ａ）は正面断面図、（ｂ）側面断面図である。

符号の説明

１ 光伝送装置
２ 光モジュール
４ 光ファイバ
５ ハウジング
１０ 金属ステム
１１Ａ〜１１Ｆ 電極ピン
１２ 受光素子
１２ａ 受光部
１３ 発光素子
１３ａ 発光部
１４ ＩＣ
１５ 光導波路
１５ａ 導光部
１６ サブマウント
１６ａ 本体
１６ｂ 貫通孔
１６ｄ〜１６ｆ 凹部
１７ キャップ
１７ａ 開口
１８ 透過窓
１８ａ ガイド部
１８ｂ 凹部
１９ 絶縁体
２０ 固定部材
２１Ａ〜２１Ｊ ボンディングワイヤ
５１ ハウジング部
５２ レンズ部
５３ 光ファイバ挿入部
５４ 鍔部

Claims (14)

1. 台座部と、
   受光または発光する面型光素子と、
   両端部にそれぞれ形成された光入出射端面間で光を伝送する光導波路と、
   前記台座部に取り付けられ、前記面型光素子および前記光導波路の一方の端部を位置決め保持する保持部材と、
   前記台座部に取り付けられ、前記光導波路の前記他方の端部に対向する位置に光透過窓を有して前記保持部材、前記光素子および前記光導波路を覆うキャップと、
   前記光導波路の前記他方の端部と前記キャップとを固定する固定部材とを備えたことを特徴とする光モジュール。
2. 前記光導光路は、板状の導光路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. 前記固定部材は、前記光導波路の前記他方の端部と前記キャップの前記光透過窓とを接着する屈折率整合性を有する接着剤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。
4. 前記固定部材は、前記光導波路の前記他方の端部の周囲に充填された屈折率整合性を有する充填材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。
5. 前記固定部材は、前記光導波路の前記他方の端部と前記キャップの前記光透過窓との間に設けられ、前記光導波路を加圧固定する屈折率整合性を有する弾性部材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。
6. 前記固定部材は、接着性、弾性および屈折率整合性を有して前記光導波路の前記他方の端部と前記キャップの前記光透過窓とを固定することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
7. 前記固定部材は、前記光導波路の前記他方の端部の前記光入出射端面の光入出射部以外の部分と前記キャップとの間に設けられ、前記光導波路を加圧固定する弾性部材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。
8. 前記固定部材は、前記光導波路の前記他方の端部の前記光入出射端面の光入出射部以外の部分と前記キャップとの間を固定する接着剤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。
9. 前記キャップの前記光透過窓は、前記光導波路側に凹部を有し、
   前記固定部材は、屈折率整合性を有して前記凹部に収容され、前記光導波路の前記他方の端部と前記凹部との間を固定することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
10. 前記台座部および前記キャップは、金属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。
11. 前記保持部材は、前記面型光素子を嵌入して位置決めする第１の貫通穴と、前記光導波路を嵌入して位置決めする第２の貫通穴とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
12. 前記保持部材は、前記面型光素子を嵌入して位置決めする第１の凹部と、前記光導波路を嵌入して位置決めする第２の凹部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
13. 前記面型光素子は、面型発光素子と、面型受光素子とからなり、
    前記光導波路は、前記面型発光素子および前記面型受光素子にそれぞれ光結合される前記光入出射端面の光入射部および光出射部と、外部の光伝送媒体に光結合される前記他方の端部の光入出射端面の１つの光入出射端部とを接続する導光部を有することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光モジュールと、
    前記光モジュールに装着され、光伝送媒体が接続される光学系を有するハウジングと、
    前記光モジュールに接続された回路基板とを備えたことを特徴とする光伝送装置。