JP2007133160A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】モニタ光量の変動を抑えた光モジュールを提供する。
【解決手段】光モジュール１Ａは、平面型の光導波路２と、光導波路２を支持する実装基板３とを有した光導波路基板４が、回路基板５上に実装されている。光モジュール１Ａは、面発光型半導体レーザ６とモニタ用のフォトダイオード７が実装基板３に実装され、面発光型半導体レーザ６から出射された光の一部を、光導波路２に入射させずに反射部材１３で反射させて、フォトダイオード７に入射させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、平面型の光導波路に発光素子等を結合させた光モジュールに関する。詳しくは、発光素子の光出力をモニタするための光を、光導波路を導波させずに受光素子に入射できるようにしたものである。

近年の回路処理速度の上昇に伴って、電気配線では信号遅延や波形の歪み等が生じ、正確に信号伝送ができなくなってきている。このような問題を解決するために、従来の電気信号を光に置き換えて信号伝達する光インターコネクション技術が注目を集めている。

このような背景から、光通信システムにおいて、基板に光導波路が形成された光導波路基板に、レーザダイオードやフォトダイオード等の光素子を結合させた光モジュールの開発が進んでいる。

しかし、光モジュールに用いる発光素子である半導体レーザは、温度の変化によって光出力が変動することや、長時間動作させた場合に、レーザ素子活性領域の結晶欠陥、例えば、点欠陥や転位等が増殖され、光出力やレーザ発振しきい電流値等の発光特性が経時変化を起こし、光出力が変動することが知られている。

このため、光導波路を用いた従来の光モジュールでは、Ｙ分岐型の導波路を用いることにより、導波路を導波される光の一部をモニタ用のフォトダイオードで検出し、このモニタ光が一定となるように、半導体レーザの駆動電流を制御し、光出力を常に安定化させる自動光出力制御を行っている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特開昭５９−８６９３０号公報 特開平５−１７３１０１号公報

しかし、従来の光モジュールでは、光導波路の温度特性による膨張・伸縮、またはＹ分岐の分岐比が変わることによる影響が、モニタ用のフォトダイオードに入射する光量に影響してしまい、正確な光出力を一定に保持することができないという問題があった。

また、光導波路がＹ分岐構造を有するので、導波路を長くしなければならず、モジュールが大型化するという問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、モニタ光量の変動を抑えた光モジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る光モジュールは、電気信号を光信号に変換して出射する発光素子と、発光素子と光学的に結合した平面型の光導波路と、入射した光信号を電気信号に変換して出力する受光素子とを備え、光導波路は、発光素子に対向して形成される光の入射面に、発光素子から出射された光を透過すると共に、発光素子から出射された光の一部を反射する透過率を有した反射部材を備え、受光素子を、発光素子から出射されて反射部材で反射した光が入射する位置に実装したことを特徴とする。

本発明の光モジュールでは、発光素子から出射された光は、光導波路に入射面から入射し、光導波路を導波される。また、発光素子から出射された光の一部は、光導波路に入射せずに反射部材で反射して受光素子に入射する。受光素子に入射した光は電気信号に変換されて、発光素子の光出力がモニタされる。

本発明の光モジュールによれば、発光素子から出射された光の一部を、光導波路に入射させずにモニタ用の受光素子に入射させることができるので、モニタ用の受光素子に入射する光は光導波路を通らない。これにより、光導波路の温度特性によるモニタ光量の変動が抑えられ、発光素子を安定駆動することができる。

また、モニタ光量の調整は、反射部材での透過率を調整することで行えるので、光導波路の構成を変更することなく、容易に所望のモニタ光量を得ることができる。

更に、発光素子から出射された光の一部を、簡単な構成でモニタ用の受光素子に入射できるので、モジュールの小型化が可能である。

以下、図面を参照して本発明の光モジュールの実施の形態について説明する。

＜第１の実施の形態の光モジュールの構成例＞
図１は第１の実施の形態の光モジュールの一例を示す構成図で、図１（ａ）は第１の実施の形態の光モジュール１Ａの平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す光モジュール１ＡのＡ−Ａ断面図である。

第１の実施の形態の光モジュール１Ａは、平面型の光導波路２と、光導波路２を支持する実装基板３とを有した光導波路基板４が、回路基板５上に実装されている。光モジュール１Ａは、面発光型半導体レーザ６とモニタ用のフォトダイオード７が実装基板３に実装され、面発光型半導体レーザ６から出射された光の一部を、光導波路２に入射させずに反射させて、フォトダイオード７に入射させる構成を備えている。

光導波路２は、１本あるいは複数本のコア８と、コア８を覆うクラッド９を備えた埋め込み型導波路である。コア８及びクラッド９は、例えば高分子系材料で作製され、本例では３本の直線状のコア８が所定のピッチで平行に配置される。そして、光導波路２は、各コア８の屈折率が、クラッド９の屈折率より若干大きくなるように構成され、各コア８に入射した光が、各コア８に閉じ込められて導波される。

光導波路２は、各コア８が交差する一端に反射端面１０を備える。反射端面１０は、光導波路２の上下面に対して略４５度の傾斜を有した斜面で、各コア８の端面が露出して光入出力部１０ａが構成される。そして、光導波路２は、反射端面１０に対向した下面が光の入射面２ａとなる。

光導波路２は、各コア８が交差する他端にファイバガイド溝１１を備える。ファイバガイド溝１１は、各コア８の延長線上に形成され、コア８の長手方向に沿って直線状に延びて、光導波路２の端面に到達し、各ファイバガイド溝１１の先端は開口している。また、各ファイバガイド溝１１の後端にはコア８の端面が露出している。

ファイバガイド溝１１は、断面形状が四角形で、ファイバガイド溝１１の幅は、光導波路２に接合される光ファイバ１２の直径と略同等に構成されている。また、ファイバガイド溝１１は、光導波路２の上下面まで到達しており、ファイバガイド溝１１の深さは、光導波路２の厚さと同等である。そして、光導波路２の厚さは、光ファイバ１２の直径と略同等、もしくは光ファイバ１２の直径より若干薄く構成されている。

これにより、光導波路２は、ファイバガイド溝１１に光ファイバ１２が挿入されると、光ファイバ１２の外周面とファイバガイド溝１１の内壁面との間にはほとんど隙間が形成されず、光ファイバ１２の径方向の移動が規制される。

従って、ファイバガイド溝１１に光ファイバ１２が挿入されると、光導波路２の各コア８と、光ファイバ１２のコア１２ａの位置が合うように、ファイバガイド溝１１の形成位置等を設定することで、光ファイバ１２がファイバガイド溝１１に挿入されると、光ファイバ１２のコア１２ａが、光導波路２の各コア８に対して位置調芯される構成となっている。なお、光ファイバ１２は例えばリボンファイバで、露出させた各光ファイバ１２がファイバガイド溝１１に挿入され、図示しない押さえ板等を使用して光導波路２に接着固定される。

光導波路２は、光入出力部１０ａに対向した入射面２ａを含む下面に反射部材１３を備える。反射部材１３は、面発光型半導体レーザ６から出射された光を透過すると共に、面発光型半導体レーザ６から出射された光の一部を反射する透過率を有した例えばガラス板等の反射板、フィルム状の反射シート、あるいは薄膜状の反射膜等で構成される。

なお、反射部材１３の透過率は、面発光型半導体レーザ６から出射される光の波長に対して、例えば７０〜８０％程度が望ましい。

反射部材１３が反射板あるいは反射シートで構成される場合、反射部材１３は、光導波路２との間に図示しない接着剤が塗布されて、光導波路２に接着固定される。このような構成では、接着面での光の散乱を防止するため、光導波路２のコア８の屈折率に近い屈折率を有した光を透過する接着剤を用いる。また、このような接着剤として、例えば紫外線（ＵＶ）硬化樹脂を用いて、熱の影響を光導波路２に与えないようにする。

更に、反射部材１３が反射シートで構成される場合、反射部材１３は、光導波路２の下面全体、あるいは、入射面２ａを少なくとも含む任意の範囲に貼り付けられる。

また、反射部材１３が反射膜で構成される場合、例えばフォトリソグラフィプロセスで形成される光導波路２の作製時に、光導波路２の下面全体、あるいは、入射面２ａを少なくとも含む任意の範囲に成膜により形成される。

実装基板３は、例えばシリコン（Ｓｉ）等の光に対して吸収のない材料で作製され、表面に光導波路２が実装される。ここで、反射部材１３を備えた光導波路２は、接着剤で実装基板３に接着固定されるが、接着剤としては、例えば光導波路２のコア８の屈折率に近い屈折率を有した紫外線硬化樹脂を用いる。

実装基板３は、表面に実装された光導波路２の光入出力部１０ａに対して、面発光型半導体レーザ６の光軸中心が合わせられる位置に、面発光型半導体レーザ６を位置決めするための段差または溝等により構成される位置決め部１４を備える。なお、実装基板３は、例えばＧａＡｓ基板やサファイア基板等で構成されても良い。

面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）６は発光素子の一例で、入力された電気信号を光信号に変換して出射する。フォトダイオード７は受光素子の一例で、入射した光を電気信号に変換して出力する。

面発光型半導体レーザ６とフォトダイオード７は、面発光型半導体レーザ６の下にフォトダイオード７を積層して実装され、フォトダイオード７は、上面に実装された面発光型半導体レーザ６の周囲に受光面が形成される。

また、フォトダイオード７に実装された面発光型半導体レーザ６は、実装基板３の位置決め部１４に実装されて、面発光型半導体レーザ６の光軸中心と、光導波路２の光入出力部１０ａの位置が合わせられる。

光導波路２と、面発光型半導体レーザ６及びフォトダイオード７等が実装基板３に実装されて構成される光導波路基板４は、回路基板５の表面に実装される。面発光型半導体レーザ６とフォトダイオード７は、回路基板５に実装された図示しないＡＰＣ（Auto Power Control）ドライバ回路（自動出力制御回路）に金線等の導電性を有したワイヤ１５で接続され、フォトダイオード７の検出値（受光量）に基づいて、面発光型半導体レーザ６の発光量（光出力）が例えば一定に保持されるように制御される。

＜第１の実施の形態の光モジュールの動作例＞
図２は第１の実施の形態の光モジュール１Ａの動作例を示す構成図で、次に、第１の実施の形態の光モジュール１Ａの動作例について説明する。

面発光型半導体レーザ６は、回路基板５に実装された図示しない回路部から入力された電気信号を光信号に変換して出射する。面発光型半導体レーザ６から出射される光信号Ｓは、光導波路２に対して略垂直な向きで出射され、反射部材１３を透過して入射面２ａから入射する。入射面２ａから入射した光信号Ｓは、光入出力部１０ａを構成する反射端面１０で反射して光路が略９０度曲げられて、コア８に結合される。コア８に結合された光信号Ｓは、コア８を導波され、更に、図１に示すように光導波路２に接合された光ファイバ１２に入射して、光ファイバ１２のコア１２ａを導波されて、図示しない対向装置の受光素子で受光される。

面発光型半導体レーザ６から出射される光の一部は、反射部材１３で反射してモニタ光Ｍとなってフォトダイオード７に入射する。フォトダイオード７に入射したモニタ光Ｍは電気信号に変換され、回路基板５に実装された図示しないＡＰＣドライバ回路に入力される。そして、フォトダイオード７の検出値に基づいて、面発光型半導体レーザ６の発光量が例えば一定に保持されるように制御される。

＜第１の実施の形態の光モジュールの効果＞
第１の実施の形態の光モジュール１Ａでは、面発光型半導体レーザ６から出射された光の一部が、入射面２ａの手前側に配置されることになる反射部材１３で反射してモニタ用のフォトダイオード７に入射するので、モニタ用のフォトダイオード７に入射する光は、光導波路２を通らない。

これにより、光導波路２の温度特性によるモニタ光量の変動が抑えられ、面発光型半導体レーザ６を安定駆動することができる。

また、フォトダイオード７に入射するモニタ光量の調整は、光導波路２の設計を変更する必要がなく、反射部材１３の反射率（透過率）を変更することで、所望のモニタ光量を得ることができる。

更に、反射部材１３を、光導波路２の下面で例えば光導波路２と実装基板３との間に備えているので、モニタ用のフォトダイオード７への光路の形成が簡単な構成で行え、モジュールの小型化が可能である。

反射部材１３がガラス板等の反射板で構成される場合は、反射部材１３が貼り付けられた光導波路２のハンドリング等の取り回しが容易になり、実装が容易に行えるようになる。

また、反射部材１３として、反射膜が形成された一般的な反射板を使用することができるので、コストを抑えることができる。

更に、反射部材１３が反射板あるいは反射シートで構成される場合は、光導波路２の作製後に任意の反射部材１３を貼り付けることができるので、光導波路２に貼り付ける反射部材１３を選択して、容易に反射率（透過率）を変更することができる。

反射部材１３が反射シートあるいは反射膜で構成される場合は、ガラス板等と比較して厚さが薄いので、光導波路２と実装基板３との間隔を狭くすることができ、面発光型半導体レーザ６と光導波路２のコア８との結合特性を向上させることができる。

また、必要に応じて任意の位置に反射部材１３を備えることが可能となるので、光導波路２の大きさに対して反射部材１３の大きさを小さくすることができ、コストを抑えることができる。

反射部材１３が反射膜で構成される場合は、光導波路２の作製時に任意の反射率（透過率）を有した反射部材１３を形成することができるので、光導波路２の実装前に反射部材１３を設置する工程が不要となり、コストを抑えることができる。

＜第２の実施の形態の光モジュールの構成例＞
図３は第２の実施の形態の光モジュールの一例を示す構成図で、図３（ａ）は第２の実施の形態の光モジュール１Ｂの平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す光モジュール１ＢのＢ−Ｂ断面図である。ここで、第２の実施の形態の光モジュール１Ｂにおいて、第１の実施の形態の光モジュール１Ａと同じ構成の部材については同じ番号を付して説明する。

第２の実施の形態の光モジュール１Ｂは、面発光型半導体レーザ６及びフォトダイオード７が実装される実装基板３の位置決め部１４の側壁面に反射面１４ａを備える。反射面１４ａは、位置決め部１４の側壁面に例えばＡｕ（金）メッキを施すことで構成される。なお、本例の光モジュール１Ｂでは、位置決め部１４は、３面の側壁面で囲われた構成であり、全ての側壁面に反射面１４ａを形成している。なお、一部の側壁面に反射面１４ａを形成する構成でも良い。

第２の実施の形態の光モジュール１Ｂにおいて、実装基板３に実装される光導波路２の構成は、第１の実施の形態の光モジュール１Ａと同じであり、一端に反射端面１０を備えて光入出力部１０ａが構成され、光入出力部１０ａに対向した入射面２ａを含んだ下面に反射部材１３を備える。

また、光導波路２の他端には例えばファイバガイド溝１１が形成されて、光ファイバ１２が接合されている。

更に、上述した実装基板３及び光導波路２等を有した光導波路基板４は、回路基板５に実装されている。

＜第２の実施の形態の光モジュールの動作例＞
図４は第２の実施の形態の光モジュール１Ｂの動作例を示す構成図で、次に、第２の実施の形態の光モジュール１Ｂの動作例について説明する。

面発光型半導体レーザ６は、回路基板５に実装された図示しない回路部から入力された電気信号を光信号に変換して出射する。面発光型半導体レーザ６から出射される光信号Ｓは、光導波路２に対して略垂直な向きで出射され、反射部材１３を透過して入射面２ａから入射する。入射面２ａから入射した光信号Ｓは、光入出力部１０ａを構成する反射端面１０で反射して光路が略９０度曲げられて、コア８に結合される。コア８に結合された光信号Ｓは、コア８を導波され、更に、図３に示す光導波路２に接合された光ファイバ１２に入射して、光ファイバ１２のコア１２ａを導波されて、図示しない対向装置の受光素子で受光される。

面発光型半導体レーザ６から出射される光の一部は、反射部材１３で反射してモニタ光Ｍとなってフォトダイオード７に入射する。また、反射部材１３で反射した光の一部は、フォトダイオード７が実装されている位置決め部１４の側壁面に形成された反射面１４ａで反射してモニタ光Ｍとなって、フォトダイオード７に入射する。

フォトダイオード７に入射したモニタ光Ｍは電気信号に変換され、回路基板５に実装された図示しないＡＰＣドライバ回路に入力される。そして、フォトダイオード７の検出値に基づいて、面発光型半導体レーザ６の発光量が例えば一定に保持されるように制御される。

＜第２の実施の形態の光モジュールの効果＞
第２の実施の形態の光モジュール１Ｂでは、面発光型半導体レーザ６から出射され、反射部材１３で反射した光で、フォトダイオード７に直接入射しない光を、フォトダイオード７が実装されている位置決め部１４の側壁面に形成された反射面１４ａで反射させて、フォトダイオード７に入射させることができる。これにより、反射部材１３の透過率を低下させることなく、モニタ光量を増加させることができる。

＜各実施の形態の光モジュールの変形例＞
各実施の形態の光モジュール１Ａ，１Ｂにおいては、光導波路２の一端に光入出力部１０ａを形成して面発光型半導体レーザ６を結合させると共に、光導波路２の他端にファイバガイド溝１１を形成して、光ファイバ１２が接合される構成とした。

これに対して、光導波路２の他端にも光入出力部を形成して、信号受信用のフォトダイオードを結合させる構成としても良い。

また、面発光型半導体レーザ６及びフォトダイオード７が実装される実装基板３の位置決め部１４を、光を透過する樹脂で埋めると共に、樹脂の屈折率を調整することで、反射部材１３と樹脂の界面での反射率を調整するようにしても良い。

更に、反射部材１３に、面発光型半導体レーザ６から出射される光のスポットより小さな直径の穴を形成し、穴の径を調整することで、透過率（反射率）を調整するようにしても良い。

本発明は、電子機器のボード間やチップ間等の光通信モジュールや、光ファイバを利用した通信ケーブルのコネクタ等に適用される。

第１の実施の形態の光モジュールの一例を示す構成図である。 第１の実施の形態の光モジュールの動作例を示す構成図である。 第２の実施の形態の光モジュールの一例を示す構成図である。 第２の実施の形態の光モジュールの動作例を示す構成図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ・・・光モジュール、２・・・光導波路、２ａ・・・入射面、３・・・実装基板、４・・・光導波路基板、５・・・回路基板、６・・・面発光型半導体レーザ、７・・・フォトダイオード、８・・・コア、９・・・クラッド、１０・・・反射端面、１０ａ・・・光入出力部、１１・・・ファイバガイド溝、１２・・・光ファイバ、１３・・・反射部材、１４・・・位置決め部、１５・・・ワイヤ

Claims (7)

1. 電気信号を光信号に変換して出射する発光素子と、
   前記発光素子と光学的に結合した平面型の光導波路と、
   入射した光信号を電気信号に変換して出力する受光素子とを備え、
   前記光導波路は、前記発光素子に対向して形成される光の入射面に、前記発光素子から出射された光を透過すると共に、前記発光素子から出射された光の一部を反射する透過率を有した反射部材を備え、前記受光素子を、前記発光素子から出射されて前記反射部材で反射した光が入射する位置に実装した
   ことを特徴とする光モジュール。
2. 前記光導波路は、光を導波するコアと交差する端部を傾斜させて形成された反射端面により、前記コアに対する光入出力部が構成され、前記光入出力部と対向した面に前記入射面が形成されて、前記反射部材が備えられると共に、
   前記発光素子として、面発光素子が前記反射部材に対向して実装される
   ことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
3. 前記受光素子は、前記発光素子の下部に実装されると共に、前記発光素子の周囲に受光面が形成される
   ことを特徴とする請求項２記載の光モジュール。
4. 前記反射部材は、所定の透過率を有した板状の反射板を、前記光導波路の前記入射面が形成された面に貼り付けて構成される
   ことを特徴とする請求項２記載の光モジュール。
5. 前記反射部材は、所定の透過率を有したフィルム状の反射シートを、前記光導波路の前記入射面が形成された面の全体、あるいは少なくとも前記入射面を含む任意の範囲に貼り付けて構成される
   ことを特徴とする請求項２記載の光モジュール。
6. 前記反射部材は、所定の透過率を有した薄膜状の反射膜を、前記光導波路の前記入射面が形成された面の全体、あるいは少なくとも前記入射面を含む任意の範囲に成膜して構成される
   ことを特徴とする請求項２記載の光モジュール。
7. 前記光導波路と前記発光素子及び前記受光素子が実装される実装基板を備え、
   前記実装基板は、前記光導波路の前記入射面と対向する位置を凹状として、前記発光素子及び前記受光素子が実装される位置決め部が形成されると共に、前記位置決め部の側壁面に反射面が形成される
   ことを特徴とする請求項２記載の光モジュール。
   
   

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