JP2008197500A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＬＣを構成する基板１とそれを保持するキャリア６とを接合してなる光モジュールにおいて、基板１とキャリア６の線膨張係数の差によって生じる基板１への熱収縮応力及び残留収縮応力を極力低減するように構成し、高精度な光の波長制御を実現可能にする。
【解決手段】基板１とキャリア６の線膨張係数を等しくするために、キャリア６を基板１と同一の材質で構成し、そのキャリア６上に基板１を半田接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ通信に使用される光モジュールに関する。

光通信システムの高速大容量化に伴い、波長分割多重通信（Ｄ−ＷＤＭ）が幹線系の光通信システムで採用されている。それに伴い、Ｄ−ＷＤＭ用の光モジュールとして、高精度な波長制御を可能とする信頼性の高い光モジュールが必要とされている。

そのような光モジュールとして、低い線膨張係数の材料により形成したパッケージ内に光学ユニットを収納した光モジュールが特許文献１に開示されている。この特許文献１に記載された光モジュールによれば、パッケージの温度変化による熱膨張や熱収縮が小さくなり、それが光学ユニットに及ぼす応力を低減しているので、光学ユニットに集積された光素子の破壊や損失変動増加を防ぐことができる。

一方で、多くのＤ−ＷＤＭ用光モジュールでは、環境温度の変化による光素子の諸特性変化に起因する光の波長変動等を抑えるため、温度制御素子を用いて光素子を定温動作させている。

また、平面光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）は薄いチップ形状であり、レンズや光ファイバと光結合させるには光の出射位置が低いため、光軸の高さ調整が必要になる。そこで、光素子をキャリア上に搭載して出射光の光軸位置を調整した構成の光学ユニットをパッケージ内に搭載した光モジュールが一般的である。このキャリアには、光学ユニットの機械的な強度を向上させるとともに、温度制御素子と光素子の熱抵抗を下げて安定した定温動作を行う機能もあり、このため、キャリアには、強固で導熱性の良い材質を用いることが求められている。

そして、従来、ＰＬＣとキャリアとを接合する際は、接合面の導熱性を妨げないように、半田接合が用いられている。図２は、光素子とキャリアとが半田接合された従来の光モジュールを示す図である。図２に示す光モジュールは、ＰＬＣによりリング光共振器１２を構成した基板１１とＳＯＡ素子１３とがキャリア１４上に搭載されており、基板１１とキャリア１４とが半田接合面２Ａで半田接合されている。

特開平８‐９４８７５号公報

しかしながら、基板１１をキャリア１４に半田接合する際には、半田の融点まで昇温する必要があり、この昇温によって基板１１及びキャリア１４はそれぞれの材質の物性に従って伸張し、この両者が伸張した状態にて半田接合が行われてしまう。このような状態から、半田を固着させるために常温まで降温すると、基板１１とキャリア１４とはそれぞれの材質が持つ物性に従って収縮しようとし、互いが半田で固着されている基板１１とキャリア１４との収縮幅が異なると、バイメタル効果が生じて図２の（ｂ）に示すように基板１１はキャリア１４と共に反ってしまう。

従来のキャリアは、例えば、銅タングステン（ＣｕＷ）やコバール（ＫＯＶＡＲ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等で構成されており、それぞれの線膨張係数は、Ｃｕ（２０）‐Ｗが８．５×１０＾−６／Ｋ、ＫＯＶＡＲが５．３×１０＾−６／Ｋ、ＡｌＮが４．５×１０＾−６／Ｋである。通常、ＰＬＣを構成する基板は、線膨張係数が４．２×１０＾−６／ＫのＳｉで構成されているので、ＣｕＷやＫＯＶＡＲとでは線膨張係数が大きく異なる。ＳｉとＡｌＮとでは線膨張係数は比較的小さな差であるが、この基板とキャリアとを半田接合すると、図２に示すようなバイメタル効果が生じてしまい、ＰＬＣに応力が及んでしまう。

このような従来の光モジュールでは、ＰＬＣを構成する基板の反りにより波長変動が起きてしまい、ＰＬＣを構成する基板をキャリアに実装する前後で平面光波回路の特性が変わってしまうという問題が生じていた。

さらに、基板やキャリアの反りは、熱収縮応力としてそれらに残留しているため、高温環境や熱サイクル環境の下では、その残留していた収縮応力が開放されて反り量が少なくなることが知られている。そのため、ＰＬＣを構成する基板をキャリアに実装する前後のみでなく、実装中にも徐々にＰＬＣの特性が変わるという問題も生じていた。そのため、初期的な熱収縮応力を極力低減した実装が求められている。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題を改善し、昇温中に半田接合されたＰＬＣを構成する基板及びキャリアの降温後のバイメタル効果を抑制し、ＰＬＣの歪みによる波長変動を防止して高精度な波長制御を可能とする光モジュールを提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の光モジュールは、平面光波回路を構成する基板とこの基板を保持するキャリアとを半田部材を介して半田接合してなる光モジュールであり、このキャリアを、基板の材質と同一の線膨張係数を有する材質で構成したことを特徴とする。

このような光モジュールによれば、半田接合された基板とキャリアとの線膨張係数が等しいので、温度が変化してもバイメタル効果を生じず、ＰＬＣの歪みによる波長変動が軽減されて高精度な波長制御を可能とする。

また、本発明の光モジュールは、平面光波回路を構成する基板とこの基板を保持するキャリアとを半田部材を介して半田接合してなる光モジュールであり、このキャリアを、基板と同一の材質で構成したことを特徴とする。

このような光モジュールによれば、半田接合された基板とキャリアとの線膨張係数が等しいので、温度が変化してもバイメタル効果を生じず、ＰＬＣの歪みによる波長変動が抑制されて高精度な波長制御を可能とする。

また、上記の光モジュールにおいて、上述した平面光波回路が、共振波長を可変制御可能な光共振器を形成してもよい。このようにすると、光共振器におよぶ応力量が軽減され、応力による光共振器の共振波長変動を抑制できる。

また、上記の光モジュールにおいて、上述した光共振器が、リング共振器であってもよい。このようにすると、リング共振器に対する応力量を軽減し、リング共振器を波長可変フィルタとして用いれば、高精度な波長制御が可能な波長可変光源を提供することができる。

また、上記の光モジュールにおいて、上述した基板及びキャリアの材質が、Ｓｉであってもよい。このようにすると、通常のＰＬＣの材質に用いられるＳｉをキャリアの材質として用いるため、通常のＰＬＣを搭載して、より高精度な波長制御が可能な光モジュールを提供することができる。

また、上記の光モジュールにおいて、上述した平面光波回路に光素子を集積してもよい。このようにすると、高精度な波長制御を可能とする光モジュールを提供することができる。

また、上記の光モジュールにおいて、上述した平面光波回路に光を供給するための半導体光源素子を集積してもよい。このようにすると、より精度の高い波長制御を可能とする可変波長光源モジュールを提供することができる。

本発明は以上のように構成され機能するため、これにより、光モジュールは、ＰＬＣ及びキャリアの線膨張係数が等しくなるので、従来の熱収縮応力の問題を大幅に緩和することができ、キャリア上に実装するＰＬＣの特性変動を抑えて高精度な波長制御を実現することができる。

以下、本発明における一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態の光モジュールの構成を示す図である。本第１実施形態の光モジュールは、ＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ：平面光波回路）を構成した基板１と、光増幅器としてのＳＯＡ素子３と、ＳＯＡ素子３からの光を光ファイバに結合させるレンズ４と、光を光ファイバ方向のみに透過させるアイソレータ５と、これらを保持する導熱性のキャリア６と、これら光素子の温度を一定に保つように制御するための温度制御素子であるペルチェ素子８とを有した波長可変光源モジュールである。

図１に示す基板１には、ＰＬＣにより外部共振器２が形成されている。この外部共振器２はリング共振器であり、このＰＬＣ型のリング共振器は小型で量産性に優れる波長フィルタで、リングをヒーター等で温度制御すると可変波長フィルタとして機能する。

本実施形態における基板１は、厚さ約１ｍｍ程度のＳｉ基板の上に、ガラス薄膜を成膜して作られる。そのため、光の出射位置は、基板１の底面から１ｍｍ程度となるので、基板１上にレンズやその他の光学部品を搭載することは困難である。さらに、基板厚が１ｍｍ程度と薄いので、発熱源であるリング共振器２とペルチェ８の熱抵抗が大きいため、リング共振器２の発熱量が大きい場合、高温環境下における定温制御が困難である。

そこで、本実施形態では、ＰＬＣを構成する基板１をある程度の厚さの導熱性キャリア６に半田接合し、そのキャリア６をペルチェ素子８の上に固定する構造を用いることで、大型のレンズ４や、アイソレータ５の光学部品を搭載することを可能にすると同時に、発熱源の外部共振器２とペルチェ素子８との間の熱抵抗を下げることで、余裕のある定温制御を実現した。

ペルチェ素子８は、熱交換器として機能するものであり、通常は２枚の板の間に半導体素子を挟んで、片面をＨＯＴ、もう片面をＣＯＬＤとなるように構成される。波長制御のためにはＰＬＣ型波長可変フィルタの外部共振器２を定温動作させる必要があるので、通常は、基板１上にサーミスタを取り付け、サーミスタで温度を監視しながらペルチェ素子８で加熱または冷却を行う。

基板１とキャリア６との半田接合は、半田部材の融点まで昇温した高温の中で行われ、基板１及びキャリア６はそれぞれの材質の物性に従って伸張した状態で半田接合される。このため、常温へ移行するときに、基板１とキャリア６とはそれぞれの材質が持つ物性に従って収縮しようとし、例えば、基板１とキャリア６との線膨張率が異なると、基板１とキャリア６の収縮幅が異なり、バイメタル効果によって基板１はキャリア６と共に反ってしまう。このように、基板１とキャリア６との線膨張率が異なると、基板１への熱収縮応力や残留収縮応力が発生して、ＰＬＣの共振波長が変わってしまう。これが、高精度な波長精度が要求される波長可変光源モジュールでは問題になっていた。

そこで、本第実施形態の光モジュールでは、キャリア６が、ＰＬＣの基板１と同一の材質であるＳｉで構成されている。この構造により、ＰＬＣの基板１とキャリア６との線膨張係数が等しくなり、図３に示すとおり、常温時においてもバイメタル効果は生じず、基板１の反りが抑制される。

ここで、本第実施形態は、リング共振器回路を有するＰＬＣを構成する基板１を備えた光モジュールであるが、それに限らず、応力制御が必要な回路を含むＰＬＣを有した光モジュールであれば、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）や可変振幅減衰器（ＶＯＡ）などを構成したＰＬＣを備えた光モジュールであってもよい。また、キャリア６上に搭載された光素子は、本第実施形態におけるＳＯＡ素子３のようなアクティブ素子であってもよいし、光学レンズや光ファイバや薄膜フィルタのようなパッシブ素子であってもよい。

以上のように、本実施形態の光モジュールにおいては、ＰＬＣを構成する基板１とこの基板１を保持するキャリア６とを半田接合面３Ａで半田接合しているが、キャリア６を基板１と同一の材質で構成したことで、基板１とキャリア６との線膨張係数が等しくなり、熱収縮応力や残留収縮応力が外部共振器２に与える影響を大幅に緩和することができる。

本発明における一実施形態の光モジュールの構成を示す図である。 従来の実施形態の光モジュールの構成を示す図である。 図１に開示された実施形態の光モジュールの構成を示す図である。

符号の説明

１，１１ ＰＬＣ（平面光波回路）を構成する基板
２，１２ 光共振器
３，１３ ＳＯＡ（半導体光増幅器）
４ レンズ
５ アイソレータ
６，１４ キャリア
８ ペルチェ素子

Claims (7)

1. 平面光波回路を構成する基板とこの基板を保持するキャリアとを半田部材を介して半田接合してなる光モジュールにおいて、
   前記キャリアを、前記基板の材質と同一の線膨張係数を有する材質で構成したことを特徴とする光モジュール。
2. 平面光波回路を構成する基板とこの基板を保持するキャリアとを半田部材を介して半田接合してなる光モジュールにおいて、
   前記キャリアを、前記基板と同一の材質で構成したことを特徴とする光モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の光モジュールにおいて、
   前記平面光波回路が、共振波長を可変制御可能な光共振器を形成したことを特徴とする光モジュール。
4. 前記請求項３に記載の光モジュールにおいて、
   前記光共振器が、リング共振器であることを特徴とする光モジュール。
5. 前記請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
   前記基板及び前記キャリアの材質が、Ｓｉであることを特徴とする光モジュール。
6. 前記請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
   前記平面光波回路に光素子を集積したことを特徴とする光モジュール。
7. 前記請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光モジュールにおいて、
   前記平面光波回路に光を供給するための半導体光源素子を集積したことを特徴とする光モジュール。

Images