JP2008112196A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 熱膨張係数の著しく異なる発光素子と光変調器素子を同一ケースに搭載した小型で高信頼性の光モジュールを提供する。
【解決手段】 発光素子１１の熱膨張係数とケース３０の熱膨張係数との差が、５×１０^−６[１／Ｋ]未満で、光変調器素子２の熱膨張係数とケース３０の熱膨張係数との差が５×１０^−６[１／Ｋ]以上である光モジュールにおいて、光変調器素子２とケース３０とを固定する部分の、光軸方向の幅を１０ｍｍ以内とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光モジュールに係り、特に光導波路を形成した光機能素子と発光素子とが同一ケースに搭載された光モジュールに関する。

光通信における変調器として、主に伝送レート１０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速域で利用されているニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）等を基板に用いた光機能素子は、半導体レーザダイオード素子とは、別体のそれぞれ気密封止されたケースに搭載されてきた。この理由は、光機能素子と半導体レーザダイオード素子との、熱膨張係数の違いによるものであった。

従来、半導体レーザダイオード素子に代表される発光素子は、熱膨張係数が発光素子とほぼ同じの材質で形成したパッケージに搭載されてきた。このとき、出力光は集光レンズを介してファイバ出射される。

同様に、電気光学効果を有する光導波路が形成された光機能素子も、光機能素子の熱膨張係数とほぼ同等の材質で形成したパッケージに搭載されてきた。光機能素子の入出射は、レンズを介して、または、接着剤等で直接、ファイバと結合される。

偏光方向依存性を有する光機能素子に、ファイバを介して光を入射するためには、偏波保持ファイバが利用される。発光素子からの光を、光機能素子に入射するには、発光素子パッケージの偏波保持ファイバと、光機能素子パッケージの入力側の偏波保持ファイバとをコネクタやスプライスによって結合してきた。

特許文献１には、発光素子と光機能素子とを別パッケージに収容し、それぞれのパッケージを溶接した光複合モジュールが記載されている。この光複合モジュールでは、発光素子と光機能素子との間の偏波面保存ファイバを省くことが可能である。
また、特許文献２には、光機能素子の入力端と出力端とをファイバに固定し、さらにファイバをパッケージに固定する構造の光機能素子モジュールの実装方法が記載されている。

特開平１１−２１８６４８号公報 特開２００１−２７２５７２号公報

上述したように、レーザダイオード等の発光素子を実装したモジュールと、光変調器等の光機能素子を実装したモジュールとを、接続するには、ファイバを接続するためのスペースが必要である。また、偏波面を保持しながら両モジュールを接続するため、高価な偏波保持ファイバ及び偏波位置あわせが必要な場合があった。従って、スペースを削除し小型化するためにも、偏波保持ファイバを削除し低コスト化するためにも、発光素子と光機能素子とを同一パッケージに実装することが必要である。

しかしながら、発光素子／光機能素子と熱膨張係数が著しく異なる材料のケース（パッケージ）に発光素子／光機能素子搭載すると、素子の信頼性および特性劣化を招く要因となる。

本発明の目的は、熱膨張係数の異なる発光素子と光機能素子とを同一ケースに搭載するのに生じる従来の諸問題を解決し、高信頼性の光モジュールを提供することにある。

発光素子と光機能素子とを同一ケースに搭載するために、本発明の光モジュールでは、熱膨張係数が発光素子のそれとほぼ同等のケースを利用する。このため、発光素子搭載では、従来の搭載方法を踏襲することができる。一方、光機能素子とケースとの熱膨張係数は、著しく異なるため、光機能素子をケースに搭載するのに光機能素子の一部で固定し、ケース温度変化によって生じる光機能素子への熱応力を緩和する。光機能素子の熱膨張係数とケースの熱膨張係数との差が５×１０^−６[１／Ｋ]以上である光モジュールにおいて、光機能素子とケースとを固定する部分の光軸方向の幅を１０ｍｍ以内とする。

本発明によれば、熱膨張係数の異なる発光素子と光機能素子とを同一ケースに搭載した高信頼性の光モジュールを提供できる。

本発明の実施の形態を説明する実施例を、以下図面を用いて説明する。なお、光機能素子とは、電気、光、応力等の外部制御信号に基づいて、光学的性質を変える素子である。以下の実施例では、光機能素子の一例として光変調器素子（強度変調素子）で、説明を進める。しかし、光機能素子の機能はこれにとどまらず、電気光学効果を用いたスイッチ、偏向器、非線形光学効果を用いた波長変換素子を含む。また、光変調器素子は、強度変調だけでなく、位相変調、偏向変調を含んだ光変調器素子である。

本発明の実施例１を、図１を用いて説明する。ここで、図１は光モジュールの要部断面図である。図1に示す光モジュール１００は、半導体レーザの発光素子１１とニオブ酸リチウムを用いた光変調器素子２を同一ケース３０内に搭載し、気密封止している。発光素子１１が搭載される発光素子ユニット１０は、発光素子１１の材質がＧａＡｓ系であり、熱膨張係数が４〜６×１０^−６[１／Ｋ]であることから、ほぼ同じ熱膨張係数である窒化アルミを材質としたサブマウント１２を含む。また、サブマウント１２は、発光素子１１の放熱のためペルチエ効果を有する熱電素子１３に搭載されている。

ケース３０の材料は、サブマウント１２と熱膨張係数がほぼ同じであるＦｅＮｉＣｏ合金(熱膨張係数４．４×１０^−６[１／Ｋ])である。ただし、放熱のため発光素子ユニット１０の搭載される一部分３０ａの材質は、熱膨張係数がほぼ等しく、熱抵抗の低いＣｕＷ合金(熱膨張係数６×１０^−６[１／Ｋ])を選んでいる。発光素子ユニット１０上には、発光素子１１からの光をコリメートするコリメート用レンズ４が搭載されている。コリメートされた光は、ケース３０に搭載された集光用レンズ５で集光され光機能素子２に入射する。光変調器素子２は、電気光学効果のあるニオブ酸リチウム単結晶基板である。コリメート用レンズ４と集光用レンズ５との間には、戻り光を遮断するアイソレータ６と、発光素子１１と光変調器素子２の伝搬モードをあわせる図示しない波長板とを搭載している。

ここで、光モジュール１００の出射方向をＺ軸、紙面に垂直手前方向をＹ軸、紙面内上方向をＸ軸とする。光変調器素子２のＸ方向の位置決めは、ケース３０の一部であるケース３０ｂに光変調素子２を平行に突き当てて行う。Ｚ方向、Ｙ方向の位置決めは、光変調器素子２の端部を集光用レンズ５の焦点に合わせる。位置決めしたまま事前に塗布しておいた接着剤８を固化し、光変調器素子２をケース３０に固定する。このとき、ケース３０ｂの出力側のケース３０と光変調器素子２との間隙には、軟質樹脂９で充填しておく。ここで、接着剤塗布部のＺ方向幅は、３ｍｍとした。

光変調器素子２の出射側は、シングルモード光ファイバ７を光学接着剤で接着し、光ファイバとケース３０とは、はんだによって封止固定する。このとき光ファイバの断線を防止するため、光変調器素子２出射端とケース３０の間の光ファイバには光変調器素子２とケース３０との熱膨張係数差で生じる伸縮変動分の余長を設ける。

上述した構成によって、光送信素子１１と光変調器素子２を同一のケースに搭載した光モジュール１００が完成した。電気信号配線については、図示を省略したが、光送信素子１１は連続発光し、光変調器素子２に導かれた光は、強度変調され、信号光となってシングルモードファイバ７より、出力される。

本実施例の光モジュールでは、光送信素子１１と光変調素子２との熱膨張係数が、大幅に異なる。ここで、ケース３０の材料の熱膨張係数は、光送信素子１１の熱膨張係数とほぼ同じとなるよう、ケース３０の材料を選択した。これは、発光素子の集光光学系は、レンズ系を使用しているため、発光素子と熱膨張係数が著しく異なるケースに搭載した場合、環境温度によって集光光学系に位置ずれが生じ、光機能素子に集光される光の結合効率が変動する要因となるためである。なお、発明者の経験則によれば、素子とその素子を搭載する搭載部との熱膨張係数の差は、５×１０^−６[１／Ｋ]未満とする必要がある。

上記の理由から、本実施例の光モジュールは、光変調器素子２とケース３０との熱膨張係数が大幅に異なる。光変調器素子２の材料であるニオブ酸リチウムは、そのＺ軸方向の熱膨張係数が１６×１０^−６[１／Ｋ]であり、熱膨張係数が４．４×１０^−６[１／Ｋ]のＦｅＮｉＣｏ合金のケース３０に搭載する場合、その熱膨張係数差は１１．６×１０^−６[１／Ｋ]である。光モジュールの保存温度範囲は、−４０℃から８５℃（レンジで１２５℃）である。また、光変調素子２のＺ軸方向の長さは、最大１００ｍｍなので、それらの積で求められる変位差は、最大１４５μｍ（マイクロメータ）となる。したがって、光変調素子２とケース３０とを光変調素子２の長手方向全長を接着した場合、きわめて大きい歪を生じる。

これに対して、実施例１では、光変調器２の光の入射端３ｍｍでのみケース３０と接着されているので、集光用レンズ５の焦点位置に当たる入射端は移動せず、しかも接着部（固定位置）以外はＺ軸方向に相対移動可能なので、光変調器２への結合効率を維持したままで、光変調器２に加わる熱応力を最小にすることができる。

また、実施例１は、光変調器素子２の片持ち接続構造であるため、光モジュールへの衝撃、振動等機械的外圧に弱い虞がある。そこで、光変調器素子２の固定された部分を除いた隙間の少なくとも一部に軟らかい樹脂９を充填し、Ｚ軸方向の伸縮変動に対して応力が加わりにくい構造となっている。

なお、実施例１ではＺ軸方向の光変調器２とケース３０との接着幅を３ｍｍとしたが、実験的に１０ｍｍまで特性不良を発生しないことを確認済みである。

本実施例に拠れば、熱膨張係数の異なる発光素子と光機能素子とを同一ケースに搭載した、小型で高信頼性の光モジュールを提供できる。

なお、光機能素子の材料として、ニオブ酸リチウムを用いたが、タンタル酸リチウムであってもよい。発光素子１１は、ＧａＡｓ系を用いたが、ＩｎＰ系であっても、他の化合物半導体であってもよい。サブマウントは、窒化アルミを用いたが、アルミナ、ＣｕＷ合金、ＦｅＮｉＣｏ合金等熱膨張係数が、発光素子の熱膨張係数との差が５×１０^−６[１／Ｋ]未満の材質であればよい。アイソレータと波長板とは、発光素子ユニット１０に搭載されているが、集光用レンズ５を搭載したケース３０に搭載してもよい。波長板は、光機能素子２のカット方向によっては不要である。光機能素子２とケース３０との接続は、接着剤８に限られず、はんだ接続であってもよい。これらの変形例は、本明細書の他の実施例においても共通である。

本発明の実施例２を、図２ないし図４を用いて説明する。ここで、図２は光モジュールの構造を説明する図であって、図２（a）は、その要部断面図で、図２（ｂ）は、その要部平面図である。図3は光変調器への入射部を説明する斜視図である。図４は光変調器からの出射部を説明する斜視図である。

明細書中で、同じ部位については同じ符号を付しており、図２の光モジュール１００の実施例２でも、発光素子ユニット１０から集光用レンズ５にいたる構造は、実施例１と同様である。従って、説明を省略し、光変調器素子２の実装構造のみを説明する。

実施例２で、光変調器素子２は、光変調器素子２とほぼ同一熱膨張係数の材質の台座２０に搭載される。本実施例の、光変調器素子２は、ニオブ酸リチウムであり、そのＺ軸方向の熱膨張係数が１６×１０^−６[１／Ｋ]程度である。台座２０は、熱膨張係数が１４〜１７×１０^−６[１／Ｋ]のステンレス鋼を使用する。両者の熱膨張係数差は、２×１０^−６[１／Ｋ]以下であるので、固定方法に注意を払う必要はない。本実施例では、台座２０と光変調器素子２とは接着剤で固定した。なお、台座２０には、台座２０をケース３０に固定したとき、光変調器素子の入射部のX軸位置が、ケース３０の溶接固定面と同じ高さとなる深さの溝が施されている。この理由は、後述する。

熱膨張係数が４．４×１０^−６[１／Ｋ]のＦｅＮｉＣｏ合金のケース３０に台座２０を搭載する場合、その熱膨張係数差が５×１０^−６[１／Ｋ]以上である。実施例２では、図３で表されているように、ケース３０には、台座２０を収容する深さの溝が設けられ、台座２０とケース３０とは、台座２０の耳部２０ａでＹＡＧレーザによるスポット溶接を施している。このとき、溶接はスポット径０．４ｍｍで片側２箇所（ピッチ２ｍｍ、但し図示は1箇所）行った。

このとき、Ｚ軸方向のレーザ溶接箇所（固定位置）は、光変調器２の入射端直近である。ケース３０には、台座２０の耳部２０ａを除いた台座部分を収容可能な溝があり、台座２０には、台座２０をケース３０に固定したとき、光変調器素子２の光軸のX軸位置が、ケース３０の溶接固定面と同じ高さとなる深さの溝が施されている。これを、もう少し詳しく説明すれば、前記光機能素子の光入射高さと、前記ケースの前記台座との固定位置高さとは、概ね一致するようにしておけば、熱膨張係数の大きい台座の熱膨張ではなく、熱膨張係数の小さく搭載位置による高さの差も小さいケース３０の伸縮にのみ依存して、Ｘ方向の光軸ずれが生じるからである。従って、熱膨張係数の大きい光変調器２のＺ軸方向への位置ずれを抑えるだけでなく、Ｘ軸方向への位置ずれを抑えるので、集光光学系の位置ずれを極力抑え、光変調器素子２への結合効率変動を小さくしている。

実施例２では、図４で説明されているように、光変調器素子２からの出射側は、シングルモード光ファイバ７を光学接着剤で接着し、光ファイバとケース３０とは、はんだによって封止固定する。このとき光ファイバの断線を防止するため、光変調器素子２出射端とケース３０の間の光ファイバには光変調器素子２とケース３０との熱膨張係数差で生じる伸縮変動分の余長を設ける。また、光変調器２を載せた台座２０の後端は、ケース３にＹＡＧ溶接２２で固定された板ばね２１で、Ｚ軸方向に伸縮自在に固定されている。これは、実施例２では台座２０がケース３０に対して片持ち接続構造であるため、光モジュールへの衝撃、振動等機械的外圧に対する補強のためである。なお、実施例１と同様に、台座２０とケース３０との隙間部分には、Ｚ軸方向の伸縮変動に対して応力が加わりにくい軟らかい樹脂９で充填してもよい。また、板ばねで、Ｚ軸方向ではなく、Ｘ軸方向の光変調器素子の変位を押さえてもよい。また、ＹＡＧ溶接は、他の固定方法（例えばねじ止め）であってもよい。

上述した構成によって、光送信素子１１と光変調器素子２を同一のケースに搭載した光モジュール１００が完成した。電気信号配線については、図示を省略したが、光送信素子１１は連続発光し、光変調器素子２に導かれた光は、強度変調され、信号光となってシングルモードファイバ７より、出力される。

本実施例に拠れば、熱膨張係数の異なる発光素子と光機能素子とを同一ケースに搭載した、小型で高信頼性の光モジュールを提供できる。
本実施例では、Ｘ方向のずれをも配慮しているので、光結合効率がさらに高い、光モジュールを提供できる。

本発明の実施例３を、図５および図６を用いて説明する。ここで、図５は光モジュールの構造を説明する要部断面図である。また、図６は光変調器への入射部を説明する斜視図である。

実施例３の光モジュールは、実施例２の光モジュールにおいて、台座２０に搭載される部品に、発光素子１１からの光を光変調器素子２へ入射する集光用レンズ５を加えた構成である。図６に詳細に表されているように、台座２０とケース３０とは、台座の耳部２０ａでＹＡＧレーザによるスポット溶接を施している。このとき、溶接はスポット径０．４ｍｍで片側２箇所（Ｙ方向でピッチ２ｍｍ）行った。

このとき、Ｚ軸方向のレーザ溶接箇所は、集光用レンズ５の搭載位置とした。ケース３０には、台座２０の耳部２０ａを除いた台座部分を収容可能な溝があり、台座２０には、台座２０をケース３０に固定したとき、光変調器素子２の光軸のX軸位置が、ケース３０の溶接固定面と同じ高さとなる深さの溝が施されている。また、集光用レンズ５の搭載位置にも、集光用レンズ５の光軸のX軸位置が、ケース３０の溶接固定面と同じ高さとなる深さの溝が施されている。従って、熱膨張係数の大きい光変調器２のＺ軸方向への位置ずれを抑えるだけでなく、Ｘ軸方向への位置ずれを抑えるので、集光光学系の位置ずれを極力抑え、光変調器素子２への結合効率変動を小さくしている。

なお、ＹＡＧ溶接の箇所は、集光用レンズ５の搭載位置に限られず、光変調器素子２の入射端面部であっても、集光用レンズ５の搭載位置から光変調器素子２の入射端面部までの間であってもよい。さらに、Ｚ軸で１０ｍｍ以内ならば、集光用レンズ５の搭載位置側と光変調器素子２の入射端面部側との両方の位置であってもよい。

上述した構成によって、光送信素子１１と光変調器素子２を同一のケースに搭載した光モジュール１００が完成した。電気信号配線については、図示を省略したが、光送信素子１１は連続発光し、光変調器素子２に導かれた光は、強度変調され、信号光となってシングルモードファイバ７より、出力される。

本実施例に拠れば、熱膨張係数の異なる発光素子と光機能素子とを同一ケースに搭載した、小型で高信頼性の光モジュールを提供できる。
本実施例では、Ｘ方向のずれをも配慮しているので、光結合効率がさらに高い、光モジュールを提供できる。

本発明の実施例４を、図７を用いて説明する。ここで、図７光モジュールの構造を説明する要部断面図である。

実施例４の光モジュールは、実施例１の光モジュールにおいて、光変調器素子２とケース３０とを固定する部分の中心のＺ座標が、前記光変調器素子２のＺ軸方向の中心とほぼ同一である。固定部分は、接着であり、Ｚ軸方向の幅は３ｍｍとした。発光素子１１から集光用レンズ５に至る構成は、実施例１と同様であるが、集光用レンズ５の後ろに偏波保持ファイバ２３を固定するフォルダ２４を設けている。集光用レンズ５によって、偏波保持ファイバ１３に集光された光は、偏波保持ファイバ２３に導かれる。偏波維持ファイバ２３と光変調器素子２の入射側とは、光学接着剤により接続されている。偏波保持ファイバ１３は、光変調器素子２の出射側に接続されたシングルモード光ファイバ７と同様に断線を防止するため光変調器素子２とケース３０の熱膨張係数差で生じる伸縮変動分の余長を設けている。光変調器素子２の入出射端はファイバによる接続であり、光変調器素子２とケース３０を固定する部分の中心のＺ座標が、前記光変調器素子２のＺ軸方向の中心とほぼ同一であることにより、光ファイバの断線を防止する。光モジュールへの衝撃、振動等機械的外圧に対する補強のため光変調器素子２の固定された部分を除いた隙間の少なくとも一部をＺ軸方向の伸縮変動に対して応力が加わりにくい軟らかい樹脂９で充填している。

なお、実施例２の図４で説明した板ばねを入射側に設けてもよい。また、板ばねで、Ｚ軸方向から抑えるだけでなく、Ｘ軸方向の光変調器素子の変位を押さえてもよい。これは、実施例５でも共通である。

上述した構成によって、光送信素子１１と光変調器素子２を同一のケースに搭載した光モジュール１００が完成した。電気信号配線については、図示を省略したが、光送信素子１１は連続発光し、光変調器素子２に導かれた光は、強度変調され、信号光となってシングルモードファイバ７より、出力される。

本実施例に拠れば、熱膨張係数の異なる発光素子と光機能素子とを同一ケースに搭載した高信頼性の光モジュールを提供できる。

本発明の実施例５を、図８を用いて説明する。ここで、図８は光モジュールの構造を説明する図であって、図８（a）はその要部断面図で、図８（ｂ）はその要部平面図である。

実施例５の光モジュールは、実施例４の光モジュールにおいて、実施例２で説明した台座２０を適用し、台座２０とケース３０とをＹＡＧ溶接したものである。従ってその構成、動作は前述の実施例から容易に理解できるので、ここでは省略する。

なお、本実施例でも台座２０には、光変調器素子２用の溝が形成されているが、変調器素子２の入出射は、光ファイバ２３、７を用いているので、単に機械的保護に過ぎない。

上述した構成によって、光送信素子１１と光変調器素子２を同一のケースに搭載した光モジュール１００が完成した。電気信号配線については、図示を省略したが、光送信素子１１は連続発光し、光変調器素子２に導かれた光は、強度変調され、信号光となってシングルモードファイバ７より、出力される。
本実施例に拠れば、熱膨張係数の異なる発光素子と光機能素子とを同一ケースに搭載した高信頼性の光モジュールを提供できる。

本発明の実施例１を説明する光モジュールの断面図である。 本発明の実施例２を説明する光モジュールの構造図である。 本発明の実施例２を説明する光モジュールの斜視図である。 本発明の実施例２を説明する光モジュールの斜視図である。 本発明の実施例３を説明する光モジュール断面図である。 本発明の実施例３を説明する光モジュールの斜視図である。 本発明の実施例４を説明する光モジュールの断面図である。 本発明の実施例５を説明する光モジュールの構造図である。

符号の説明

２…光変調素子、４…コリメート用レンズ、５…集光用レンズ、６…アイソレータ、７…シングルモード光ファイバ、８…固定部、９…樹脂、１０…発光素子ユニット、１１…発光素子、１２…サブマウント、１３…熱電素子、２０…台座、２１…板ばね、２２…ＹＡＧレーザ溶接部、２３…偏波保持ファイバ、２４…フォルダ、３０…ケース、１００…光モジュール。

Claims (3)

1. 発光素子と、前記発光素子からの第１の光を入力すると前記第１の光の性質を変えた第２の光を出力する光機能素子と、前記光機能素子を搭載する台座と、前記発光素子と前記台座を搭載するケースと、からなる光モジュールであって、
   前記台座は前記発光素子側の一端部において前記ケースと固定され、かつ、前記台座の前記発光素子とは反対側の端部はケースに固定された板ばねによって固定され、
   前記台座の第１の熱膨張係数と前記ケースの第２の熱膨張係数との差は５×１０^−６[１／Ｋ]以上で、かつ前記台座と前記ケースとの光軸方向の固定幅は１０ｍｍ以内である光モジュール。
2. 請求項１に記載の光モジュールであって、
   前記固定幅は３ｍｍ以内である光モジュール。
3. 請求項１または請求項２に記載した光モジュールであって、
   前記光機能素子の光入射高さと、前記ケースの前記台座との固定位置高さとは、概ね一致するように製造されてなる光モジュール。

Images