JP2008046367A - 光送受信器および光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】多チャンネル化された場合であっても、光送受信器の小型化を図る。
【解決手段】少なくとも一方が開口した筐体５２と、光を透過し、筐体５２の開口部を塞いで密封する蓋５３と、受発光面５４を蓋５３と対向させて固定された光素子５５とを含む光モジュール５１において、光素子５５は、複数の受発光面５４が２次元に配列され、蓋５３に、各々の受発光面５４と光学的に結合する光ファイバ８２を保持する光ファイバ接続手段８１，８３が、光ファイバの端面を含む面において接合されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、光送受信器および光モジュールに関し、より詳細には、機能素子が形成されたＰＬＣとともに実装ボードに実装された光送受信器、および光送受信器を構成するための光モジュールに関する。

近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光素子を高密度に集積する技術が求められており、その一つとして、平面光波回路（以下、ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuitという）が知られている。ＰＬＣは、シリコン基板または石英基板上に、光導波路、光導波路からなる光素子を集積した光回路であり、生産性、信頼性が高く、集積化、高機能化の点で優れている。伝送端局における光送受信器には、ＬＤなどの発光素子、ＰＤなどの受光素子と、合分波器、分岐・結合器、光変調器などの機能素子が形成されたＰＬＣとが実装されている。

光送受信器において、受発光素子とＰＬＣとの接続は、発光素子モジュールおよび／または受光素子モジュール（以下、光モジュールという）とＰＬＣとを、光ディスクリート部品によって光学的に結合させたり、直接接合することが行われている。図１に、従来の光モジュールとＰＬＣとを直接接合する方法を示す。

また、図２に、従来の光モジュールの構成を示す。光モジュール１１は、一例として、発光面または受光面（以下、受発光面）１４を有する４つの発光素子または受光素子（以下、光素子という）１５を備えている。光素子１５は、箱型の筐体１２と、受発光面１４への光信号の入出力を可能にするサファイアガラスからなる蓋１３とにより封止されている（例えば、非特許文献１参照）。筐体１２と蓋１３とは、金属半田により接合され、高い気密性を有していることから、外部環境から保護され、光素子１５の信頼性を確保している。光素子１５は、受発光面１４を蓋１３に対向させ、筐体１２に金属半田等により固定され、ボンディングワイヤ１６により、筐体１２の金属配線１７に接続されている。金属配線１７は、筐体１２を貫通して、筐体１２の裏面および側面にまで延長されている。

一方、ＰＬＣ２１は、シリコン基板２２上に形成された光導波路２４を有している。ＰＬＣ２１に形成されている光導波路２４と、光素子１５の受発光面１４とが光学的に結合するように配置される。補強板としてのやとい２３がＰＬＣ２１上に接合され、ＰＬＣ２１の光導波路２４の端面を含む面において、光モジュール１１の蓋１３に接合される。光モジュール１１とＰＬＣ２１との接合には、ＵＶ硬化性接着剤等が用いられる。光モジュール１１とＰＬＣ２１とは、実装ボード３１上に固定され、光モジュール１１の金属配線１７と、実装ボード３１上に形成された金属配線３４につながる電極３２とが、ボンディングワイヤ３３により接続される。

A. Kaneko, et al, "Ultra small and low power consumption 8ch variable optical attenuator multiplexer (V-AWG) using multi-chip PLC integration technology", Proc. OFC’2005, OTuD3

光ファイバ伝送において、多チャンネル化が進むと、上述した光モジュールに搭載する光素子の数を増やしたり、光送受信器に搭載する光モジュールの数を増やす必要がある。しかしながら、図２に示すような１次元配列の光素子の素子数を増やすと、光素子アレイ全体の素子長が長くなる。例えば、一般的に用いられている素子幅２５０μｍの光素子により、４８チャネルの光素子アレイを構成すると、全長は１２０００μｍ、アスペクト比は４８となる。このように素子長が長くなると、光素子の製造過程において劈開が困難になる。また、光素子アレイを光モジュールに半田により固定した際に、わずかな応力により光素子が折損、破断してしまう場合があり、実装上の取扱が困難になるという問題があった。

また、ＰＬＣに形成されている光導波路と、光素子の受発光面とのアライメントが必要なために、光送受信器に搭載する光モジュールの数を増やすと、光モジュールの実装工程が増えるため、製造コストが増大するという問題もあった。

さらに、多チャンネル化が進むと、ＰＬＣの端面に展開される光導波路の数も増えるために、ＰＬＣの面積が増大し、光送受信器の大型化を招いていた。

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、多チャンネル化された場合であっても、小型化を図ることのできる光送受信器、およびその光送受信器を構成するための光モジュールを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、少なくとも一方が開口した筐体と、光を透過し、前記筐体の開口部を塞いで密封する蓋と、受発光面を前記蓋と対向させて固定された光素子とを含み、前記光素子の複数の受発光面が２次元に配列された光モジュールと、光導波路のコアよりも深く形成されたミラー溝の内部に設けられ、前記光導波路の光路を変換する光路変換ミラーであって、前記光導波路の端部から出射された光信号が、各々の前記受発光面と光学的に結合するように、２次元に配列された光路変換ミラーを含む平面光波回路とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、少なくとも一方が開口した筐体と、光を透過し、前記筐体の開口部を塞いで密封する蓋と、受発光面を前記蓋と対向させて固定された光素子とを含む光モジュールにおいて、前記光素子は、複数の受発光面が２次元に配列され、前記蓋に、各々の前記受発光面と光学的に結合する光ファイバを保持する光ファイバ接続手段が、前記光ファイバの端面を含む面において接合されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光モジュールにおいて、前記光素子と電気的に接続され、前記筐体内部から前記筐体外部に貫通して形成された金属配線と、前記筐体外部の前記金属配線に接合されたリードピンとを備え、実装ボードの実装面と前記光素子の光軸とが平行となるように、前記実装ボードに固定されたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の光モジュールにおいて、前記光ファイバ接続手段は、ガラスブロックからなり、前記光ファイバの端面を含む面に凸部と凹部のいずれか一方が形成され、前記蓋は、前記光素子と前記光ファイバとが光学的に結合するために、前記凸部と凹部のいずれか一方に勘合するように凹部と凸部のいずれか一方が形成されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項２または３に記載の前記光ファイバ接続手段は、ガラスブロックからなり、前記蓋と前記ガラスブロックとが接合される面が、前記光軸に対して傾斜していることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項２または３に記載の前記光ファイバ接続手段は、光フェルールと光コネクタのいずれか一方と勘合するコネクタであることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項３ないし６のいずれかに記載の前記金属配線は、前記光素子が前記光ファイバと光学的に結合する搭載位置を確定するようにマーカパターンが形成されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光素子の複数の受発光面が２次元に配列された光モジュールと、２次元に配列された光路変換ミラーを含む平面光波回路とを光学的に結合させるので、光送受信器の小型化を図ることが可能となる。また、１次元配列の光素子は、多チャンネル化によって実装上の取扱が困難であったが、２次元配列にすることで、取扱が容易になる。

また、本発明によれば、光素子の複数の受発光面が２次元に配列された光モジュールの蓋に、各々の受発光面と光学的に結合する光ファイバを保持する光ファイバ接続手段が接合されているので、多チャンネル化された場合であっても、光送受信器の小型化を図ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図３に、本発明の第１の実施形態にかかる光モジュールの構成を示す。光モジュール５１は、箱型の筐体５２とサファイアガラスからなる蓋５３とにより封止された光素子５５を有する。筐体５２の材質として、例えば、アルミナ系セラミックスが使用される。筐体５２と蓋５３の周縁の外側には接合用の金属が、金属蒸着によって形成されている。筐体５２と蓋５３とを接合するための接合剤は、金属半田が用いられる。筐体５２と蓋５３とにより高い気密性を有していることから、外部環境から保護され、光素子５５の信頼性を確保することができる。

光素子５５は、ＬＤなどの発光素子またはＰＤなどの受光素子である。受発光面５４を蓋５３に対向させ、筐体５２に金属半田等により固定され、ボンディングワイヤ５６により、筐体５２の金属配線５７に接続されている。金属配線５７は、筐体５２を貫通して、筐体５２の裏面および側面にまで延長されている。筐体５２の裏面および側面の金属配線５７には、リードピン５８が溶接（ろう付け等）により固定されている。

光素子５５は、素子幅２５０μｍの光素子により、４８チャネルの光素子アレイを構成する。光素子の受発光面を、１６個×３列の２次元配列とすることにより、素子長は４０００μｍ、アスペクト比は５．３となり、１次元配列の場合と比較して小さくすることができる。このように素子長が短いので、光素子の製造過程における劈開が容易となり、歩留まりが向上する。また、半田により固定した際の応力が、面的に分散されるので、光素子の折損、破断を防止することができる。

図４に、本発明の第１の実施形態にかかるＰＬＣの構成を示す。ＰＬＣ７１は、シリコン基板７２上に形成され、コア、上部クラッドおよび下部クラッドから成る光導波路７４を有している。ＰＬＣ７１に形成されている光導波路７４と、光素子５５の受発光面５４とが光学的に結合するように、光導波路の光路を変換する光路変換ミラーが配置されている。光路変換ミラーは、４８チャネルの光素子アレイと対応するように、１６個×３列の２次元配列で形成されている。

光路変換ミラーは、所望の位置に、光導波路のコアよりも深く、基板７２に達するまで堀り込まれたミラー溝７５に形成されている。光導波路７４の導波路端部と対向する壁面に沿って、ミラーを形成するための斜面が形成されている。光導波路７４からの出射光、または光導波路７４への入射光の光路にあたる斜面に、ミラー７６が形成されている。

図５に、本発明の第１の実施形態にかかる光モジュールとＰＬＣとを直接接合する方法を示す。光モジュール５１とＰＬＣ７１との接合には、ＵＶ硬化性接着剤等が用いられる。例えば、光導波路７４の導波路端部から出射された光信号は、ミラー７６を介して基板垂直上方に出力され、光素子５５の受発光面５４に入射される。

第１の実施形態によれば、ＰＬＣに形成されている光導波路と、光素子の受発光面とのアライメントが１回の工程で終了するので、製造コストを低減することができる。また、ＰＬＣの端面に光モジュールを接続するのではなく、ＰＬＣの上面に光モジュールを接続するので、光送受信器の小型化を図ることができる。

図６に、本発明の第２の実施形態にかかる光モジュールとＰＬＣの接合方法を示す。光モジュール５１は、図３に示した光モジュール５１と同じ構造を有しており、箱型の筐体５２とサファイアガラスからなる蓋５３とにより封止された光素子５５を有する。光モジュール５１は、実装ボード９１の実装面と、光モジュール５１の光素子５５の光軸とが平行になるように固定される。光モジュール５１のリードピン５８と実装ボード９１上に形成された電気配線９２とを、金属半田等で固定するので、光モジュール５１を実装ボード９１上に強固に固定することができる。

光モジュール５１の光素子５５は、その受発光面５４が、ガラスブロック８３に固定された光ファイバ８２と光学的に結合する。光ファイバ接続手段としてのガラスブロック８３は、光ファイバ８２の端面を含む面において、光モジュール５１の蓋５３に、ＵＶ硬化性接着剤等を用いて接合される。

一方、ＰＬＣ７１に形成されている光導波路７４は、ガラスブロック８１に固定された光ファイバ８２と光学的に結合する。光ファイバ８２は、ＰＬＣ７１の光導波路端面を含む面において、ガラスブロック８１に接合される。このようにして、光モジュール５１とＰＬＣ７１とを、光ファイバ８２を介して接続するので、ＰＬＣ７１に１次元配列された光導波路７４を、２次元配列された光素子５５の受発光面５４に光学的に結合することができる。

また、ＰＬＣ７１に１次元配列された光導波路７４を、例えば、１２７μｍの狭ピッチで配列すれば、ＰＬＣの面積の増大を抑えることができ、一層の小型化が可能となる。さらに、光ファイバ８２を介して接続することにより、光モジュール５１は、ＰＬＣ７１で発生する熱の影響を受けることがなく、光素子５５の受発光特性を損なうことがない。

図７に、本発明の第３の実施形態にかかる光モジュールとＰＬＣの接合方法を示す。第３の実施形態では、光モジュール５１の光素子５５と光ファイバ１０３とを光学的に結合するためにフェルールまたは光コネクタを用いる。ここでは、ＭＴコネクタ１０１，１０２を用いて、光モジュール５１の光素子５５と光ファイバ１０３とを光学的に結合する。光モジュール５１には、接続ピン１０４ａ，１０４ｂを有するコネクタ１０１が接合されている。接続ピン１０４ａ，１０４ｂが、コネクタ１０２の接続ピンホール１０５ａ，１０５ｂと勘合する。ＭＴコネクタ１０１，１０２は、例えば、金属性の板ばね等により圧着する。

第３の実施形態によれば、実装ボードに光モジュールを固定する場合に、取り扱いが煩雑であった光ファイバ等の光コードを、後工程で取り付けることが可能となり、光送受信器の組立工程における工数を大幅に削減することができ、製造コストを低減することができる。また、ＭＴコネクタの代わりに、ＭＰＯコネクタまたはＭＰＸコネクタなどの光コネクタを用いてもよい。なお、フェルールまたは光コネクタによる着脱が必要でない場合には、光モジュールの蓋に直接フェルール端面を、接着剤を用いて接合してもよい。

図８に、本発明の第４の実施形態にかかる光モジュールとＰＬＣの接合方法を示す。光モジュール５１の光素子５５は、ガラスブロック８３に固定された光ファイバ８２と光学的に結合する。ガラスブロック８３は、光ファイバ８２の端面を含む面において、光モジュール５１の蓋５３に接合される。ガラスブロック８３の端面に凸部８４を設け、蓋５３には凹部５９を設ける。凸部８４と凹部５９とは、光素子５５の受発光面５４と光ファイバ８２のコアとが、光学的に結合するように勘合される。このようにして、光素子５５と光ファイバ８２とのアライメントを容易にすることができる。もちろん、ガラスブロック８３の端面に凹部を設け、蓋５３の端面に凸部を設けてもよい。

なお、光モジュールとＰＬＣとを直接接続する場合において、光素子の受発光面とＰＬＣの光導波路とが光学的に結合するように、ＰＬＣの端面に凸部（または凹部）を形成すれば、受発光面と光導波路とのアライメントを容易にすることができる。

図９に、本発明の第５の実施形態にかかる光モジュールとＰＬＣの接合方法を示す。光モジュール５１の光素子５５は、ガラスブロック８３に固定された光ファイバ８２と光学的に結合する。ガラスブロック８３は、光ファイバ８２の端面を含む面において、光モジュール５１の蓋５３に接合される。光ファイバ８２からの光入出力により、端面において反射が生じるため、ガラスブロック８３の端面と蓋５３とに、例えば、８度の傾斜面を設ける。この傾斜面によって光素子５５への戻り光、および光ファイバ８２への戻り光を防止することができる。なお、蓋５３の表面に、薄膜フィルタを接着してもよい。

なお、光モジュールとＰＬＣとを直接接続する場合において、端面において発生する戻り光を防止するために、ＰＬＣの端面と光モジュールの蓋とに傾斜面を設けてもよく、蓋５３の表面に、薄膜フィルタを接着してもよい。

光モジュールとガラスブロックとのアライメントの精度を確保するためには、光モジュール内部において、光素子を正確に配置しなければならない。図１０に、光モジュールにおける光素子の配置を示す。上述したように、光モジュール５１の筐体５２の内部には、光素子５５を接続するための金属配線５７が形成されている。この光素子５５に電気的に接続される金属配線５７を形成するときに、例えば、マーカパターン６０を形成する。マーカパターン６０により、光素子５５の受発光面５４の中心を、常に一定の精度でアライメントして、筐体５２に固定することができる。

本実施形態において、筐体の材質としてアルミナ系セラミックスを用いたが、例えば、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミ、ジルコニア等の他のセラミックスを用いてもよい。また、石英、サファイア等のガラスを用いてもよい。また、筐体と蓋とを接合する接合剤は、金錫や金ゲルマニウム、錫鉛といった金属半田に限らず、例えば、低融点ガラスやロウ剤などを用いることができる。蓋の材質は、上述したサファイアに限らず、例えば、石英ガラス、ホウ酸塩ガラスなどを用いることができる。筐体と蓋とにより、光モジュール内部に配置した光素子の特性が劣化しないように気密性が確保できれば、その材料・部材を問わない。

従来の光モジュールとＰＬＣとを直接接合する方法を示す横断面図である。 従来の光モジュールの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態にかかる光モジュールの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態にかかるＰＬＣの構成を示す上面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる光モジュールとＰＬＣとを直接接合する方法を示す横断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる光モジュールとＰＬＣの接合方法を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかる光モジュールとＰＬＣの接合方法を示す図である。 本発明の第４の実施形態にかかる光モジュールとＰＬＣの接合方法を示す図である。 本発明の第５の実施形態にかかる光モジュールとＰＬＣの接合方法を示す図である。 光モジュールにおける光素子の配置を示す図である。

符号の説明

１１，５１ 光モジュール
１２，５２ 筐体
１３，５３ 蓋
１４，５４ 受発光面
１５，５５ 光素子
１６，３３，５６ ボンディングワイヤ
１７，３４，５７，９２ 金属配線
２１，７１ ＰＬＣ
２２，７２ 基板
２３ やとい
２４，７４ 光導波路
３１，９１ 実装ボード
３２ 電極
５８ リードピン
７５ ミラー溝
７６ ミラー
８１，８３ ガラスブロック
８２，１０３ 光ファイバ
１０２ ＭＴフェルール
１０１ コネクタ

Claims (7)

1. 少なくとも一方が開口した筐体と、光を透過し、前記筐体の開口部を塞いで密封する蓋と、受発光面を前記蓋と対向させて固定された光素子とを含み、前記光素子の複数の受発光面が２次元に配列された光モジュールと、
   光導波路のコアよりも深く形成されたミラー溝の内部に設けられ、前記光導波路の光路を変換する光路変換ミラーであって、前記光導波路の端部から出射された光信号が、各々の前記受発光面と光学的に結合するように、２次元に配列された光路変換ミラーを含む平面光波回路と
   を備えたことを特徴とする光送受信器。
2. 少なくとも一方が開口した筐体と、光を透過し、前記筐体の開口部を塞いで密封する蓋と、受発光面を前記蓋と対向させて固定された光素子とを含む光モジュールにおいて、
   前記光素子は、複数の受発光面が２次元に配列され、
   前記蓋に、各々の前記受発光面と光学的に結合する光ファイバを保持する光ファイバ接続手段が、前記光ファイバの端面を含む面において接合されていることを特徴とする光モジュール。
3. 前記光素子と電気的に接続され、前記筐体内部から前記筐体外部に貫通して形成された金属配線と、
   前記筐体外部の前記金属配線に接合されたリードピンとを備え、
   実装ボードの実装面と前記光素子の光軸とが平行となるように、前記実装ボードに固定されたことを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
4. 前記光ファイバ接続手段は、ガラスブロックからなり、前記光ファイバの端面を含む面に凸部と凹部のいずれか一方が形成され、
   前記蓋は、前記光素子と前記光ファイバとが光学的に結合するために、前記凸部と凹部のいずれか一方に勘合するように凹部と凸部のいずれか一方が形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の光モジュール。
5. 前記光ファイバ接続手段は、ガラスブロックからなり、前記蓋と前記ガラスブロックとが接合される面が、前記光軸に対して傾斜していることを特徴とする請求項２または３に記載の光モジュール。
6. 前記光ファイバ接続手段は、光フェルールと光コネクタのいずれか一方と勘合するコネクタであることを特徴とする請求項２または３に記載の光モジュール。
7. 前記金属配線は、前記光素子が前記光ファイバと光学的に結合する搭載位置を確定するようにマーカパターンが形成されていることを特徴とする請求項３ないし６のいずれかに記載の光モジュール。
   

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