JP2008102282A

JP2008102282A - 光モジュール

Info

Publication number: JP2008102282A
Application number: JP2006284115A
Authority: JP
Inventors: Akikazu Naruse; 晃和成瀬; Takahiro Arakida; 孝博荒木田; Hidehiko Nakada; 英彦中田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2008-05-01

Abstract

【課題】複数の光素子アレイを用いて多チャンネル化すると共に、全ての光素子のピッチを一定にできるようにした光モジュールを提供する。
【解決手段】本発明の光モジュール１Ａは、複数の発光素子２０が並列された複数のレーザアレイ２と、複数の光ファイバ３０が並列されたファイバアレイ３と、レーザアレイ２が実装される実装基板４と、レーザアレイ２とファイバアレイ３を結合する光導波路５とを備える。隣接するレーザアレイ２は、発光素子２０の並列する長手方向に交した短手方向に位置をずらして実装され、レーザアレイ２同士の長手方向の端面を接触させることなく、隣接するレーザアレイ２の端部に位置する発光素子２０の間隔を、他の発光素子２０と等間隔で配置されるように位置調芯して、複数のレーザアレイ２が実装される。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光素子が並列された光素子アレイと、光導波路が光学的に結合した光モジュールに関する。詳しくは、複数の光素子アレイを、光素子の並列する方向に対して交する方向に位置をずらして配置することで、光素子の間隔を広げることなく、各光素子アレイの位置調芯を行えるようにしたものである。

従来より、電子機器内のボード間、チップ間等の情報伝達は電気信号により行われてきたが、更に超高速、大容量の情報伝送を実現するために、光配線技術が注目されている。

大容量の情報伝送を実現するため、複数の光素子を用いた並列型の光デバイスでは、従来、個別の光素子を間隔を開けて実装していた（例えば、特許文献１参照）。

しかし、光素子の間隔を開けて実装した構成では、光素子の並列する方向に沿った幅方向の寸法が大きくなり、また、光素子の間隔が広がるため、所定の一定間隔でアレイ化されたファイバアレイ等のピッチと光素子のピッチが合わず、光学的なピッチ変換回路が必要となって、長さも長くなるという問題があった。更に、個別の光素子を１個ずつ実装するため、実装コストが高いという問題があった。

これに対して、アレイ化された光素子を用いる構成とすると、一定間隔で並列された光素子を一括して実装できるため、実装コストの点で有利となる。しかし、光素子アレイの多チャンネル化が進むと、例えば１チャンネルでも発光しない等の不良が発生した場合は、１つのアレイ全てが不良となるため、非常に高い歩留まりを要求される。

このため、アレイ化された光素子に、予備のチャンネルを備えておく技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、チャンネル数の少ない光素子アレイを複数実装して多チャンネル化する技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００４−２５２４２５号公報特開平６−５９１６８号公報特開２００１−５３２２３号公報

しかし、アレイ化された光素子に予備のチャンネルを備える構成では、必然的に光素子の並列する方向の寸法が大型化する。また、１個のアレイあたりの素子数が増えるので、コストが上昇してしまう。

更に、複数の光素子アレイを並列させて多チャンネル化する構成では、それぞれの光素子アレイの位置調芯のために、各光素子アレイの間に隙間を形成しておく必要が生じ、光素子アレイ間では光素子のピッチが大きくなってしまう。

このため、一定間隔でアレイ化されたファイバアレイ等のピッチと光素子のピッチが合わず、ファイバアレイ等を結合する構成とするためには、やはりピッチ変換回路が必要となる。

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、複数の光素子アレイを用いて多チャンネル化すると共に、全ての光素子のピッチを一定にできるようにし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、本発明の光モジュールは、複数の光素子が並列された複数の光素子アレイと、光素子と結合される複数のコアが並列された平面型の光導波路と、隣接する光素子アレイが光素子の並列する長手方向に交した短手方向に位置をずらして実装され、光素子アレイ同士の長手方向の端面を非接触とした位置調整部が形成された実装部を有した実装基板とを備えたことを特徴とする。

本発明の光モジュールでは、光導波路の複数のコアの配置に合わせて、複数の光素子が並列される方向に複数の光素子アレイが配置される。各光素子アレイは、光素子の並列する長手方向に交した短手方向に位置をずらして実装されることで、光素子アレイの長手方向に沿って位置調整部が形成され、光素子アレイを位置調芯する際に、光素子アレイ同士の長手方向の端面が接触することはない。

これにより、隣接する光素子アレイの間で、端部に位置する光素子の間隔も、他の光素子と等間隔で配置されるように位置調芯して、複数の光素子アレイが実装される。

本発明の光モジュールによれば、隣接する光素子アレイを、光素子の並列する長手方向に交した短手方向に位置をずらして配置することで、光素子アレイの光素子が並列する長手方向に沿って、光素子アレイ同士の長手方向の端面が接触しないように位置調整部を形成することができる。

これにより、光素子の間隔を広げることなく、各光素子アレイの位置調芯を行うことができる。従って、複数の光素子アレイで所望の多チャンネルの光モジュールを構成することができ、歩留まりを向上させることができる。

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。

＜本実施の形態の光モジュールの構成例＞
図１〜図３は、本実施の形態の光モジュールの一例を示す構成図で、図１は、本実施の形態の光モジュール１Ａの斜視図、図２は、光モジュール１Ａの平面図、図３は、光モジュール１Ａの断面図である。

本実施の形態の光モジュール１Ａは、光を出射する複数のレーザアレイ２と、光を伝搬するファイバアレイ３と、レーザアレイ２が実装される実装基板４と、レーザアレイ２とファイバアレイ３を結合する光導波路５とを備える。

レーザアレイ２は光素子アレイの一例で、複数の発光素子２０が一列に並んで配置される。発光素子２０は面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）で、入力された電気信号を光信号に変換して、基板に対して垂直方向へ出射する。

光モジュール１Ａは、本例では、４個の発光素子２０がファイバアレイ３のピッチに合わせて等間隔で配置された４チャンネルのレーザアレイ２を３個備え、１２チャンネルの光モジュールを構成している。

ファイバアレイ３は光伝送部材の一例で、複数本の光ファイバ３０が等間隔で並列されて一体に被覆される。各光ファイバ３０は、例えばマルチモード光ファイバで、ファイバアレイ３の光モジュール１Ａ等と結合される端部は、それぞれの光ファイバ３０を１本ずつに露出させている。

ここで、ファイバアレイ３において、光ファイバ３０のピッチは約２５０μｍである。これにより、ぞれぞれのレーザアレイ２において、発光素子２０のピッチは約２５０μｍである。また、光ファイバ３０の本数は、発光素子２０の数に合わせて１２本である。

実装基板４は、レーザアレイ２が搭載される実装部４０と、レーザアレイ２と電気的に接続される配線パターン４１等を備える。実装基板４は、例えばシリコン（Ｓｉ）で構成され、レーザアレイ２の形状に合わせて略長方形の開口を有した凹部をエッチング等によって形成して、実装基板４の表面に、レーザアレイ２の数に合わせて実装部４０が構成される。

図４は、実装部の配置の構成例を示す要部平面図である。実装部４０は、レーザアレイ２の発光素子２０が並列する方向に沿った長手方向に対する短手方向に位置をずらして配置され、本例では、３個の実装部４０が、例えば約６００μｍずつ交互に位置をずらして配置される。

また、実装部４０は、光の出射方向に対して直交する平面上でのレーザアレイ２の実装位置を調整できるように、レーザアレイ２の外形より若干大きく構成される。そして、交互に位置をずらして配置される隣接した実装部４０のそれぞれで、図示しないハンドリング装置等での実装作業の作業性を考慮して、短手方向には隙間Ｍ１が形成され、長手方向には重なる範囲Ｍ２が形成される。これにより、各実装部４０には、レーザアレイ２の長手方向と短手方向のそれぞれに位置調整部４２が形成される。

このように、交互に位置をずらして形成された実装部４０にレーザアレイ２を実装することで、各レーザアレイ２を約１０００μｍ間隔で実装して、全ての発光素子２０のピッチを約２５０μｍとしている。

図１〜図３に戻り、光導波路５は、コア５０ａがクラッド５０ｂで覆われた埋め込み型導波路で、実装基板４の表面に接着固定等により実装される。光導波路５は、例えば高分子導波路材料で構成され、コア５０の屈折率がクラッド５０ｂの屈折率より若干大きくなるように構成されて、コア５０ａに結合された光が、コア５０ａに閉じ込められて伝搬される。

光導波路５は、レーザアレイ２の各発光素子２０と、ファイバアレイ３の各光ファイバ３０を結合するため、各レーザアレイ２に備えられる発光素子２０の数に合わせて複数本のコア５０ａを備えており、本例では、３個のレーザアレイ２にそれぞれ４個ずつ備えられる発光素子２０の数に合わせて１２本のコア５０ａを備える。

各コア５０ａは、光導波路５の一端側から他端側まで直線状に延び、ファイバアレイ３のピッチに合わせて等間隔で平行に配置される。ここで、コア５０ａのピッチは約２５０μｍである。

光導波路５は、各コア５０ａが交差する一方の端部に傾斜端面５１を備える。傾斜端面５１は、光導波路５の平面に対して約４５度の傾斜を有し、各コア５０ａの端面が露出して反射面５２が形成される。

反射面５２は、光導波路５の下面から反射面５２に入射した光を空気との境界で全反射させて、コア５０ａに入射させる。

傾斜端面５１は、実装基板４の実装部４０に実装されるレーザアレイ２の配置に合わせて、コア５０ａの伸びる方向に沿って位置をずらして配置され、本例では、３面の傾斜端面５１が交互に位置をずらして配置される。

各傾斜端面５１には、４個の反射面５２が、レーザアレイ２の発光素子２０のピッチに合わせて一列に並んで配置される。

これにより、各実装部４０に位置調芯されてレーザアレイ２が実装された実装基板４の表面に、光導波路５を位置調芯して実装すると、交互に位置をずらして配置されるレーザアレイ２の各発光素子２０の直上に、光導波路５の各コア５０ａの反射面５２が対向して位置合わせされる。

ここで、各傾斜端面５１は、ダイシングで一列に形成することができないので、レーザ加工により形成される。

光導波路５は、各コア５０ａが交差する他方の端部に、ファイバアレイ３の光ファイバ３０が挿入されるファイバガイド溝５３を備える。ファイバガイド溝５３は、コア５０ａの伸びる方向に沿って直線状に伸び、光導波路５の他方の端部で先端が開口している。また、ファイバガイド溝５３の後端には、コア５０ａの端面が露出している。

ファイバガイド溝５３は、断面形状が四角形で、ファイバガイド溝５３の幅は、光ファイバ３０の直径と略同等に構成される。また、ファイバガイド溝５３の深さは、光ファイバ３０の直径より若干浅く構成される。

これにより、光導波路５は、ファイバガイド溝５３に光ファイバ３０が挿入されると、光ファイバ３０の外周面とファイバガイド溝５３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３０の径方向の移動が規制される。

そして、光導波路５は、光ファイバ３０がファイバガイド溝５３に挿入されると、光導波路５のコア５０ａと、光ファイバ３０のコアの光軸が合うように、ファイバガイド溝５３の形成位置等が設定される。

従って、光導波路５は、光ファイバ３０がファイバガイド溝５３に挿入されると、光ファイバ３０のコアが、コア５０ａに対して光軸が一致するように位置調芯されて、光ファイバ３０とコア５０ａが光学的に結合される構成となっており、光導波路５と光ファイバ３０との結合を、機械的な位置決め精度によるパッシブアライメントで行うことが可能である。

ここで、ファイバガイド溝５３に挿入された光ファイバ３０は、例えば、図示しない押さえ板等を使用して、光導波路５に接着固定される。

また、ファイバガイド溝５３は、高分子導波路材料の持つ感光性を利用して、フォトリソグラフィプロセスで作製される。

＜本実施の形態の光モジュールの動作例＞
次に、本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。本実施の形態の光モジュール１Ａは、各レーザアレイ２の各発光素子２０に供給された電気信号が光信号に変換され、レーザ光が出射される。

レーザアレイ２の発光素子２０から出射されたレーザ光は、光導波路５の下面から反射面５２に入射する。反射面５２に入射したレーザ光は、空気との境界で全反射してコア５０ａに入射する。

コア５０ａに入射したレーザ光は、コア５０ａを伝搬されて、ファイバガイド溝５３に実装された光ファイバ３０に入射する。そして、光ファイバ３０に入射されたレーザ光は、光ファイバ３０を伝搬される。

本例の光モジュール１Ａは、１２個の発光素子２０と１２本の光ファイバ３０を、光導波路５を介してそれぞれ結合しており、１２チャンネルの光送信モジュールとして機能する。

＜本実施の形態の光モジュールの作用効果例＞
（１）複数のレーザアレイを使用して多チャンネル化した効果例
例えば１２チャンネルの光モジュールの場合、４チャンネルのレーザアレイ２を３個用いる等により、１個のレーザアレイあたりの発光素子数を少なくすることで、歩留まりの問題が解決される。

ウェハ上に発光素子等の光素子を製作した場合に、発光が弱い等の不良品の発生する確率を仮に５％とすると、１２チャンネルのレーザアレイを製作して全ての光素子が正常に稼働する確立は、０．９５¹²≒０．５４０で、５４％まで下がってしまい、かなりの歩留まりが予想される。

これに対して、４チャンネルのレーザアレイを製作して全ての光素子が正常に稼働する確立は、０．９５⁴≒０．８１５で、８１％以上と高くなる。これにより、レーザアレイの製作工程での歩留まりを大幅に向上させることができる。

そして、このように、１個あたりの発光素子２０の数を少なくしたレーザアレイ２を、交互に配置して多チャンネル化することで、発光素子２０の所望の狭ピッチでの等間隔配置を実現できる。

図５は、レーザアレイの配置と発光素子の間隔の関係を示す説明図である。高精度な位置調芯が要求されるレーザアレイの実装工程では、図５（ｂ）に示すように、レーザアレイ２同士を発光素子２０の並列方向に沿って隙間無く横一列に配置すると、互いのレーザアレイ２が接触してしまい調芯しながらの実装ができないため、隣接するレーザアレイ２間にある程度の隙間Ｌ１が必要となる。

このため、複数のレーザアレイ２を一列に並べて配置すると、例えば、隣接するレーザアレイ２ａとレーザアレイ２ｂの間で、端に位置する発光素子２０ａ（１）と発光素子２０ｂ（４）のピッチＰ３が、同一レーザアレイ内の発光素子のピッチ、例えば、発光素子２０ａ（１）と発光素子２０ａ（２）のピッチＰ４より大きくなってしまい、発光素子のピッチが等間隔にならない。

また、ウェハからレーザアレイをダイシングにより切り出す際に、全てのレーザアレイを同一寸法に切り出すことはできず、多少の寸法の誤差が生じるので、複数のレーザアレイを隙間無く配置しても、発光素子のピッチは等間隔とならない可能性がある。

これに対して、図５（ａ）に示すように、複数のレーザアレイ２を、発光素子２０が並列する長手方向に対する短手方向に位置をずらして交互に配置すると、レーザアレイ２を長手方向に移動させて調芯しても、互いのレーザアレイ２が接触することがない。

これにより、レーザアレイ２の長手方向に位置調整部４２を形成して、隣接するレーザアレイ２ａとレーザアレイ２ｂの間で、端に位置する発光素子２０ａ（１）と発光素子２０ｂ（４）のピッチＰ１が、同一レーザアレイ内の発光素子のピッチ、例えば、発光素子２０ａ（１）と発光素子２０ａ（２）のピッチＰ２と同じとなるように調芯して実装することが可能となり、発光素子２０のピッチを等間隔に配置することができる。

例えば、レーザアレイ２及びレーザアレイ２間での発光素子２０のピッチを、光学的に結合させるファイバアレイ３や光導波路５のコアピッチと同じとなるようにすれば、ピッチ変換部を排除した小型の光モジュールを実現できる。また、ファイバアレイとして汎用品を使用することができ、低コスト化が実現できる。

なお、以上の説明では、光モジュール１Ａとして１２チャンネルの光モジュールを例に説明したが、１２チャンネルより少数あるいは多数のチャンネル数でも良い。

（２）光素子として面発光または面受光型の光デバイスを使用した効果例
本例の光モジュール１は、光素子として面発光型半導体レーザを使用すると共に、光導波路５の一端に傾斜端面５１を備えて反射面５２を形成している。

面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）のような面発光型または面受光型の光デバイスは、ウェハ状態で光パワーの測定等の検査が可能になる等の優位点から、へき開面を利用した他の構造のレーザ等に比べて、一般的に低コスト化に向いている。

このような面発光型の発光素子２０を備えたレーザアレイ２を実装基板４に実装し、また実装基板４に光導波路５を実装して、レーザアレイ２と光導波路５を光学的に結合する場合、レーザアレイ２からはレーザ光が基板に対して垂直方向に出射されることから、光導波路５に沿った横方向に光軸変換する機能が必要となる。

そこで、例えば、コア５０ａに屈折率が約１．５である材料を用いた光導波路５の端面に、４５度の斜め加工を施して傾斜端面５１を形成すると、傾斜端面５１に露出したコア５０ａにより形成される反射面５２では、全反射条件を満たすことから、光導波路５の下面から垂直に入射したレーザ光は９０度光路変換されて水平方向に向かうことから、光導波路５のコア５０ａと結合させることができる。

なお、傾斜端面５１の形成位置は、各レーザアレイ２の発光素子２０の直上となるようにする必要があることから、傾斜端面５１もレーザアレイ２の配置に合わせて交互に配置する必要がある。このように一列に並ばない任意の場所への斜め加工は、ＣＯ₂レーザやフェトム秒レーザ等によるレーザ加工技術を用いることで実現可能である。

以上説明したように、面発光型の発光素子２０を備えたレーザアレイ２と、傾斜端面５１を備えた光導波路５を用いた構成では、実装基板４の実装部４０にレーザアレイ２を位置調芯して実装した後、マーカ等を利用して光導波路５を実装基板４に実装することで、レーザアレイ２と光導波路５との光学的な結合を、パッシブアライメントで行うことが可能となり、製造コストを抑えることができる。

（３）光導波路にファイバガイド溝を形成して光ファイバを結合した効果例
本例の光モジュール１Ａは、光導波路５の他端にファイバガイド溝５３を形成して、ファイバガイド溝５３にファイバアレイ３の各光ファイバ３を挿入固定して、光導波路５とファイバアレイ３を光学的に結合している。

これにより、レーザアレイ２の各発光素子２０と、ファイバアレイ３の各光ファイバ３０が光学的に結合して、レーザアレイ２から出射されたレーザ光を光ファイバ３０で伝搬する光送信モジュールを実現できる。また、光デバイスとして受光素子を備える構成とすることで、光ファイバを伝搬された光を受光素子で受光する光受信モジュールを実現できる。更に、発光素子と受光素子の双方を備えることで、光送受信モジュールを実現できる。

光導波路５に形成されるファイバガイド溝５３は、例えば感光性を有する高分子導波路材料等でフィルム状の光導波路を製作した場合は、半導体製造プロセスにおけるフォトリソグラフィプロセスを利用することで、高精度な溝加工を簡便に行うことができる。

そして、ファイバガイド溝５３の形成位置及びサイズを、ファイバガイド溝５３に光ファイバ３０を挿入することで、光導波路５のコア５０ａと光学的に結合されるようにすれば、調芯を必要としない簡易な光ファイバ実装が可能となる。

本発明は、電子機器のボード間やチップ間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。

本実施の形態の光モジュールの一例を示す構成図である。本実施の形態の光モジュールの一例を示す構成図である。本実施の形態の光モジュールの一例を示す構成図である。実装部の配置の構成例を示す要部平面図である。レーザアレイの配置と発光素子の間隔の関係を示す説明図である。

符号の説明

１Ａ・・・光モジュール、２・・・レーザアレイ、３・・・ファイバアレイ、４・・・実装基板、５・・・光導波路、２０・・・発光素子、３０・・・光ファイバ、４０・・・実装部、４１・・・配線パターン、４２・・・位置調整部、５０ａ・・・コア、５０ｂ・・・クラッド、５１・・・傾斜端面、５２・・・反射面、５３・・・ファイバ挿入溝

Claims

複数の光素子が並列された複数の光素子アレイと、
前記光素子と結合される複数のコアが並列された平面型の光導波路と、
隣接する前記光素子アレイが、前記光素子の並列する長手方向に交した短手方向に位置をずらして実装され、前記光素子アレイ同士の長手方向の端面を非接触とした位置調整部が形成された実装部を有した実装基板と
を備えたことを特徴とする光モジュール。
前記光素子アレイは、面発光または面受光型の光素子を備え、
前記実装部は、前記光素子アレイが入って前記位置調整部が形成される大きさを有した凹部を前記実装基板に形成して構成され、
前記光導波路は、前記光素子アレイの配置に合わせて、前記コアの延びる方向に沿った端部に複数の傾斜端面が形成され、前記傾斜端面に露出した前記コアの端面により反射面が形成されて、前記各光素子アレイの前記光素子の直上に、前記反射面が対向する位置で前記実装基板に実装される
ことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
前記光導波路は、光伝送部材が挿入され、前記光伝送部材が前記コアに対して位置調芯されて結合されるガイド溝を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
前記光伝送部材は、複数本の光ファイバが等間隔で配列されたファイバアレイで、前記光素子アレイは、前記光ファイバのピッチに合わせた等間隔で前記光素子が配置される位置に位置調芯されて実装される
ことを特徴とする請求項３記載の光モジュール。