JP2008270506A - 光半導体モジュールおよびその組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光結合効率の低下を抑制し、光結合効率の安定した光半導体モジュールおよびその組立方法を提供する。
【解決手段】半導体レーザ１０１と、該半導体レーザ１０１から出射される光を平行光線にする第一のレンズ１０２と、前記平行光線を集光させる第二のレンズ１０３と、該第二のレンズ１０３によって集光した光が光導波路に結合する位置に配置された半導体光変調器５０４とを共通のサブマウント上に搭載し、第二のレンズ１０３の焦点距離ｆ₂が第一のレンズ１０２の焦点距離ｆ₁に比較して長く、且つ半導体光変調器５０４の光のフィールド５１２の径が半導体レーザ１０１の光のフィールド１１０の径に比較して大きくなるような構成とした。
【選択図】図８

Description

本発明は、光半導体モジュールおよびその組立方法に関し、詳しくは光通信システムや、光情報処理システムにおいて用いられる光半導体素子の実装に関するものである。

従来の光半導体モジュールでは、二つの光半導体素子をレンズを介して光学的に結合させる際には、高い光結合効率を得るために焦点距離がほぼ同一の二つのレンズを用いていた。これは、半導体素子の光のフィールド径、すなわち光半導体素子内を伝搬する光のパワー分布の半値全幅（ＦＷＨＭ）が、どの種類の素子でも同一の２μｍ程度であることから、半導体素子間の光結合では、焦点距離がほぼ同一の二つのレンズを用いて像倍率をほぼ１とすることにより、損失の少ない光結合を得ることができるためである（例えば、非特許文献１参照）。

すなわち、非特許文献１によれば、像倍率をｍ、第一の半導体素子の光のフィールド径をｗ₁、第二の半導体素子の光のフィールド径をｗ₂、第一の半導体素子から出射される光を平行光線にする第一のレンズの焦点距離をｆ₁、第一のレンズを透過した光を集光する第二のレンズの焦点距離をｆ₂とすると、非特許文献１の第５８頁に記載の（４．３−６）式から、二つの素子の光のフィールド径が等しい（ｗ₁＝ｗ₂）場合に最大の光結合効率が得られる最適像倍率ｍ_optが１となる。非特許文献１の第５６頁に記載の（４．２−１６）式から、像倍率ｍ_opt＝１の場合、半導体素子間の光結合において最大の光結合効率が得られる二つのレンズの焦点距離ｆ₁，ｆ₂の関係はｆ₁＝ｆ₂となる。したがって、光半導体モジュールは、二つのレンズの焦点距離が等しい場合に最大の光結合効率が得られることがわかる。

一方、レンズ固定時の軸ズレ、すなわち一方の光半導体素子の出射端と、他方の光半導体素子の入射端とを結ぶ光軸に対して、この軸に直交する方向に生じるレンズの位置ズレや、位置調整の自由度の不足などによる光結合効率の低下を補うために、例えば、非特許文献２の第１９７頁、Ｆｉｇ１に示されているように、二つのレンズの間に第三のレンズまたはプリズムなど光の光線軸を補正するための光学部品を必要としていた。

河野健治著、「光デバイスのための光結合系の基礎と応用」、現代工学社出版、1991年、p.54-61 K. Anderson et al, "Design and Manufacturability Issues of a Co-packaged DFB/MZ Module", Electronic Components and Technology Conference, 1999, Proceedings, p.197-200 池上徹彦著、「半導体フォトニクス工学」、コロナ社、1995年、p.525-527 H.Oohashi et al., "Technical Digest Int. Conf. on InP and Related Material", 2001, p.575-578

しかし、二つの光半導体素子間を光結合するために焦点距離がほぼ同一の二つのレンズを用いると、レンズの軸ズレに対する結合損失が大きくなる。そして、例えばレンズや光軸補正用の光学部品を固定するためにエポキシ樹脂等の接着剤を用いた場合は、レンズ位置の長期的な安定性が悪く、時間とともに光結合効率が大幅に変化し、出力光強度が低下してしまうというおそれがあった。また、レンズや光軸補正用の光学部品を固定するためにＹＡＧレーザ溶接による固定手段を用いると、長期的な安定性は確保できるものの、溶接時の軸ズレにより、光結合効率が劣化し、出力光強度が低下するという問題があった。

ＹＡＧレーザ溶接によるレンズの固定の際は、溶接時の金属の溶融および凝固時に発生する伸縮に伴い、レンズ位置に数μｍのズレが生じる。一方、光半導体素子の光のフィールド径は、２μｍ程度であり、溶接時の軸ズレに比べて小さい。そのため、軸ズレに伴う光結合効率の劣化が大きな問題となっていた。

このようなことから本発明は、レンズの軸ズレによる光結合効率の低下を抑制し、光結合効率の安定した光半導体モジュールおよびその組立方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る光半導体モジュールは、第一の光半導体素子と、前記第一の光半導体素子から出射される光を平行光線にする第一のレンズと、前記平行光線を集光させる第二のレンズと、前記第二のレンズによって集光した光が光導波路に結合する位置に配置された第二の光半導体素子とを共通のサブマウント上に搭載した光半導体モジュールにおいて、前記第一のレンズの焦点距離と前記第二のレンズの焦点距離が互いに異なることを特徴とする。

第２の発明に係る光半導体モジュールは、第１の発明に係る光半導体モジュールにおいて、前記第二のレンズの焦点距離が前記第一のレンズの焦点距離に比較して長く、且つ前記第二の光半導体素子の光のフィールド径が前記第一の光半導体素子の光のフィールド径に比較して大きい、または、前記第一のレンズの焦点距離が前記第二のレンズの焦点距離に比較して長く、且つ前記第一の光半導体素子の光のフィールド径が前記第二の光半導体素子の光のフィールド径に比較して大きいことを特徴とする。

第３の発明に係る光半導体モジュールは、第２の発明に係る光半導体モジュールにおいて、前記第一の光半導体素子又は前記第二の光半導体素子のいずれか一方に、該光半導体素子の光のフィールド径が他方の光半導体素子の光のフィールド径に比較して大きくなるように、該光半導体素子の光のフィールド径を拡大するフィールド径拡大手段を設けたことを特徴とする。

第４の発明に係る光半導体モジュールは、第１乃至第３のいずれかの発明に係る光半導体モジュールにおいて、組立時に生じる前記レンズの軸ズレ量が、前記第一および第二の光半導体素子の光のフィールド径のうち小さいほうの光のフィールド径と同じか、又はそれよりも大きいことを特徴とする。

第５の発明に係る光半導体モジュールは、第１乃至第４のいずれかの発明に係る光半導体モジュールにおいて、前記二つのレンズの焦点距離の比が１：１．５以上かつ１：２．５以下であるとともに、像倍率１．５倍以上かつ２．５倍以下の光学系を形成していることを特徴とする。

第６の発明に係る光半導体モジュールの組立方法は、第１乃至第５のいずれかの発明に係る光半導体モジュールを組み立てる方法であって、前記レンズを収容した金属筐体をＹＡＧレーザ溶接によりレンズホルダを介して前記サブマウント上に固定したことを特徴とする。

第７の発明に係る光半導体モジュールの組立方法は、第１乃至第５のいずれかの発明に係る光半導体モジュールを組み立てる方法であって、前記二つの光半導体素子を前記サブマウント上に固定した後、前記レンズの位置を調整し、焦点距離の異なる前記第一のレンズおよび前記第二のレンズを固定する際、焦点距離の短いレンズを先に前記サブマウント上に固定し、焦点距離の長いレンズを後に前記サブマウント上に固定することを特徴とする。

第８の発明に係る光半導体モジュールは、第６又は第７の発明に係る光半導体モジュールの組立方法によって作製されたことを特徴とする。

上述した本発明による光半導体モジュールは、焦点距離が互いに異なる二つのレンズを用いて、半導体素子に結合する光の像倍率を拡大させている。焦点距離が互いに異なる二つのレンズを用いた場合、焦点距離の長いレンズを固定する際に、光軸に直交する方向に生じるレンズの軸ズレによる光結合効率の劣化は、焦点距離が略同一のレンズを用いた場合のレンズの軸ズレによる光結合効率の劣化に比べて小さいため、本発明による手段を用いることで、レンズ固定の際に軸ズレが生じた場合、出力光強度の低下を抑え、光結合効率の安定した光半導体モジュールを提供することができる。

さらに、第一のレンズの焦点距離と第二のレンズの焦点距離を互いに相違させるとともに、第二のレンズの焦点距離が第一のレンズの焦点距離より長い場合は第二の光半導体素子の光のフィールド径を大きくし、第一のレンズの焦点距離が第二のレンズの焦点距離より長い場合は第一の光半導体素子の光のフィールド径を大きくする構成とすれば、第一の光半導体素子と第二の光半導体素子の光結合を、第一の光半導体素子の光のフィールド径と第二の光半導体素子の光のフィールド径とがそれぞれ拡大された状態で行うこととなるため、レンズの軸ズレに対する光結合損失を低減することができる。

また、本発明に係る光半導体モジュールの組み立て方法によれば、光半導体モジュールの組立時にレンズの軸ズレが生じた場合であっても光結合効率の変化を抑制し、光結合効率の安定した光半導体モジュールを作製することができる。

以下に、本発明に係る光半導体モジュールおよびその組立方法の実施形態を示す。本実施形態は、一つのモジュール内に二つの光半導体素子を実装し、この二つの光半導体素子を焦点距離の互いに異なる二個のレンズを用いて光結合するものであり、且つ、二つの半導体光素子の入力部または出力部の光のフィールド径を相違させる、具体的には、焦点距離が長いレンズ側に位置する半導体光素子の光のフィールド径を、焦点距離が短いレンズ側に位置する半導体光素子の光のフィールド径に比較して大きくなるように設定するものである。さらに、光半導体モジュールを組み立てる際には、最初に焦点距離の短いレンズを固定し、次に、焦点距離の長いレンズを、焦点距離の短いレンズの固定時に生じた軸ズレを補正するように再調整した後、固定するものとする。

光半導体素子、特に導波路型光半導体素子は、素子の種類が異なっても略等しい光のフィールド径を持つことから、二つのレンズの焦点距離が等しい場合に最大の光結合効率が得られ、二つのレンズの焦点距離が異なると、光結合効率が低下する。したがって、従来の光半導体モジュールは、二個の光半導体素子を光結合する場合に焦点距離の等しい二個のレンズを用いていた。

しかし、本実施形態のように焦点距離が異なる二個のレンズを用いれば、光半導体モジュール組立において、レンズの軸ズレ、すなわち、光軸に直交する方向へのずれが発生しても、それぞれ焦点距離が等しい二個のレンズを用いた場合に比べ、軸ズレに伴う光結合効率の低下が少ないという効果がある。さらに、焦点距離の短いレンズの軸ズレ量に対し、焦点距離の長いレンズの軸ズレ量に対する光結合効率の低下は小さいため、焦点距離の短いレンズを固定した後に焦点距離の長いレンズを固定することで、より光結合効率の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態の光半導体モジュールは、実装する二個の光半導体素子の光のフィールド径が略等しい場合、およびモジュール組立時に生じるレンズの軸ズレ量が光半導体素子の光のフィールド径と同程度か、それよりも大きい場合に効果を有する。

光半導体素子の光のフィールド径の典型的な値は約２μｍである。特に導波路型光半導体素子の場合は、素子の種類によらず約２μｍである。したがって導波路型光半導体素子同士の場合は、光のフィールド径が略等しいと考えて差し支えない。また導波路型以外の光半導体素子の場合であっても、その光のフィールド径は大概１．０〜２．５μｍの範囲に入る。この範囲に入る光のフィールド径をもつ光半導体素子同士を光結合する場合も、光のフィールド径が略等しい範疇に入り、本発明を適用することにより光結合損失を低減する効果が得られる。

また、光結合効率は、略等しい光のフィールド径をもった光半導体素子同士を光結合する場合であっても、光のフィールド径が小さい方の光半導体素子の影響をより大きく受ける。したがって、モジュール組立時に生じるレンズの軸ズレ量が、光半導体素子の光のフィールドの小さい方の径と同じかそれよりも大きい場合に、本発明は効果を有する。さらに、実装する２個の光半導体素子の光のフィールド径が異なる場合であって、２個の光半導体素子のうち光のフィールド径が大きい光半導体素子側に位置するレンズの焦点距離を、光のフィールド径が小さい光半導体素子側に位置するレンズの焦点距離に比較して長く設定した場合、換言すると、焦点距離が長いレンズ側に位置する半導体光素子の光のフィールド径が、焦点距離が短いレンズ側に位置する半導体光素子の光のフィールド径に比較して大きい場合に、特に効果を奏する。

図１および図２に本発明の第１の実施例を示す。図１に示すように、本実施例による光半導体モジュールは、サブマウント１０５上に搭載された第一、第二の光半導体素子として、それぞれ導波路型の半導体レーザ１０１、半導体光変調器１０４を具備し、半導体レーザ１０１から出射された光が半導体光変調器１０４へ低損失に結合するよう位置調整された、第一のレンズ１０２および第二のレンズ１０３を備えている。第一のレンズ１０２および第二のレンズ１０３は、それぞれ金属筐体１１２，１１３に収められている。

第一のレンズ１０２は半導体レーザ１０１が出射した光を平行光線にし、第二のレンズ１０３は、上記平行光線を集光して半導体光変調器１０４に結合させる。これらのレンズ１０２，１０３は位置調整された後、レンズホルダ１０６を介してサブマウント１０５上に固定される。この際、まず、第一のレンズ１０２を固定し、次に、第二のレンズ１０３を第一のレンズ１０２の固定時に生じた軸ズレを補正するように再調整した後、固定する。なお、半導体光変調器１０４から出射された光は第三のレンズ１０７によって平行光線となり、第四のレンズ（図示省略）によって集光された光が光ファイバ（図示省略）に接続される。第三のレンズ１０７は、金属筐体１１７に収められている。

第一のレンズ１０２と、第二のレンズ１０３とは、互いに異なる焦点距離を有するものとし、図２（ａ）に示すように、第一のレンズ１０２の焦点距離をｆ₁、第二のレンズ１０３の焦点距離をｆ₂（ｆ₂≠ｆ₁）とすると、半導体レーザ１０１から出射され、二つのレンズ１０２，１０３を介して半導体光変調器１０４の入力導波路へ集光される光の像倍率、換言すると、半導体光変調器１０４に入射する光の像倍率はｆ₂／ｆ₁になる。このため、焦点距離ｆ₁が焦点距離ｆ₂より小さいと、半導体光変調器１０４の入力導波路へ集光される光のフィールド１１１の径は、半導体レーザ１０１の出射端での光のフィールド１１０の径のｆ₂／ｆ₁（＞１）倍に拡大される。

なお、半導体素子の光のフィールド径は、どの種類の素子でも略同一であることから、半導体レーザ１０１の出射端での光のフィールド１１０の径と、半導体光変調器１０４の入射端での光のフィールド１１２の径とは、略等しいものとする。

図２（ｂ）に、半導体光変調器１０４に入射する拡大した光のフィールド１１１、および、半導体光変調器１０４の光のフィールド１１２の例を示す。光結合効率は、上記拡大した光のフィールド１１１と、半導体光変調器１０４の光のフィールド１１２との重なり積分で表される。したがって、本実施例における光結合効率は、同じ大きさの光のフィールドを重ね合わせたときの光結合効率より低下するが、第二のレンズ１０３の図中矢印で示す方向に生じる軸ズレ、すなわち光軸と垂直方向に生じる軸ズレによる光結合効率の変化量は小さくなる。

このため、レンズ固定時に軸ズレが発生するような場合には、互いに異なる焦点距離を有する第一のレンズ１０２と第二のレンズ１０３とを用いることで、軸ズレによる光結合効率の低下を軽減することができるとともに、その変化量を一定値以内に収めることが容易になる。

したがって、本実施例によれば、光半導体モジュールの組立時にレンズの軸ズレが生じた場合であっても光結合効率の変化を抑制し、光結合効率の安定した光半導体モジュールを作製することができる。

図３および図４に本発明の第２の実施例を示す。図３に示すように、本実施例による光半導体モジュールは、サブマウント２０５上に搭載された第一、第二の光半導体素子として、それぞれ導波路型の半導体レーザ２０１と半導体光変調器２０４を具備し、半導体レーザ２０１から出射された光が半導体光変調器２０４へ低損失に結合するよう位置調整された、第一のレンズ２０２および第二のレンズ２０３を備えている。第一のレンズ２０２および第二のレンズ２０３は、それぞれ金属筐体２１２，２１３に収められている。

第一のレンズ２０２は半導体レーザ２０１が出射した光を平行光線にし、第二のレンズ２０３は、上記平行光線を集光して半導体光変調器２０４に結合させる。これらのレンズ２０２，２０３は位置調整された後、レンズホルダ２０６を介してサブマウント２０５上に固定される。この際、まず、第二のレンズ２０３を固定し、次に、第一のレンズ２０２を第二のレンズ２０３の固定時に生じた軸ズレを補正するように再調整した後、固定する。なお、半導体光変調器２０４から出射された光は第三のレンズ２０７によって平行光線となり、第四のレンズ（図示省略）によって集光された光が光ファイバ（図示省略）に接続される。第三のレンズ２０７は金属筐体２１７に収められている。

ここで、第一のレンズ２０２と、第二のレンズ２０３とは焦点距離が異なるものとし、図４（ａ）に示すように、第一のレンズ２０２の焦点距離をｆ₁、第二のレンズ２０３の焦点距離をｆ₂とする。半導体光変調器２０４から光の進行方向と逆に光のフィールド形状をたどると、二つのレンズ２０２，２０３を介して半導体レーザ２０１の出力導波路に結合する光の像倍率は、ｆ₁／ｆ₂になる。このため、焦点距離ｆ₁が焦点距離ｆ₂より大きいと、半導体レーザ２０１の出力導波路に結合する光のフィールド２１１の径は、半導体光変調器２０４の光のフィールド２１０の径のｆ₁／ｆ₂（＞１）倍に拡大される。

なお、光半導体素子の光のフィールド径は、どの種類の素子でも略同一であることから、半導体レーザ２０１の出射端の光のフィールド２１２の径と、半導体光変調器２０４の入射端の光のフィールド２１０の径とは、略等しいものとする。

図４（ｂ）に、半導体レーザ２０１の出力導波路に結合する拡大した光のフィールド２１１、及び、半導体レーザ２０１の光のフィールド２１２の例を示す。光結合効率は、この拡大した光のフィールド２１１と、半導体レーザ２０１の光のフィールド２１２との重なり積分で表される。本実施例における光結合効率は、同じ大きさの光のフィールドを重ね合わせたときの光結合効率よりも低下するが、第一のレンズ２０２の図中矢印で示す方向に生じる軸ズレ、すなわち光軸と垂直方向に生じる軸ズレによる光結合効率の変化量は小さくなる。このため、レンズ固定時に軸ズレが発生する場合には、軸ズレによる光結合効率の低下を軽減することができるとともに、その変化量を一定値以内に収めることが容易になる。

したがって、本実施例によれば、光半導体モジュールの組立時にレンズの軸ズレが生じた場合であっても光結合効率の変化を抑制し、光結合効率の安定した光半導体モジュールを作製することができる。

本発明の第３の実施例を示す。本実施例は、上記実施例１又は上記実施例２に記載の形態に適用可能である。以下、本実施例を実施例１の構成に適用した例を説明する。

本実施例による光半導体モジュールは、図１および図２に示す構成に適用され、サブマウント１０５上に搭載されたそれぞれ導波路型の光半導体素子である半導体レーザ１０１と半導体光変調器１０４を具備し、半導体レーザ１０１から出射された光が半導体光変調器１０４へ低損失に結合するよう位置調整された、第一のレンズ１０２および第二のレンズ１０３を備えている。そして、レンズ１０２，１０３は位置調整された後、レンズホルダ１０６を介してサブマウント１０５上にＹＡＧレーザ溶接によって第一のレンズ１０２、第二のレンズ１０３の順に固定されているものとする。この際、まず、第一のレンズ１０２を固定し、次に、第二のレンズ１０３を第一のレンズ１０２の固定時に生じた軸ズレを補正するように再調整した後、固定する。

第一のレンズ１０２と、第二のレンズ１０３とは、焦点距離が異なるものとし、第一のレンズ１０２の焦点距離をｆ₁、第二のレンズ１０３の焦点距離をｆ₂とする。すると、半導体レーザ１０１から出射され、半導体光変調器１０４の入力導波路へ集光される光の像倍率はｆ₂／ｆ₁になる。このため、焦点距離ｆ₁が焦点距離ｆ₂より小さいと、半導体レーザ１０１から出射され、半導体光変調器１０４の入力導波路に集光される光のフィールド１１１の径は、半導体レーザ１０１の出射端での光のフィールド１１０の径のｆ₂／ｆ₁（＞１）倍に拡大される。

なお、半導体素子の光のフィールド径は、どの種類の素子でも略同一であることから、半導体レーザ１０１の光のフィールド１１０の径と、半導体光変調器１０４の光のフィールド１１２の径とは、略等しいものとする。

光結合効率は、この拡大した光のフィールド１１１と、半導体光変調器１０４の光のフィールド１１２との重なり積分で表されるため、本実施例における光結合効率は、同じ大きさの光のフィールドを重ね合わせたときの効率よりも低下するが、第二のレンズ１０３の軸ズレによる光結合効率の変化量は小さくなる。

第二のレンズ１０３の、光軸に直交する方向への軸ズレに対する結合損失の変化を計算した結果を図５に示す。なお、レンズの焦点距離ｆ₁とｆ₂の比は、ｆ₁：ｆ₂＝１：１，１：１．５，１：２，１：２．５，１：３の五通りの場合について計算してある。

例えば、光半導体モジュールを組み立てる際にＹＡＧレーザ溶接によってレンズを固定する場合、レンズの軸ズレ量は数μｍ（条件により５〜８μｍ）程度である。このズレ量は、溶接前にレンズ位置を収縮方向（ズレ方向）と反対にオフセットすることで光軸のズレを最小限に抑えることができるが、ズレ量のばらつきは補正することが困難である。そして、このズレ量のばらつきは１．０〜２．５μｍ程度であり、概ね二つの光半導体素子の光のフィールド径のうち小さいほうの光のフィールド径と同じか、又はそれよりも大きい値である。

図５より、第二のレンズ１０３の軸ズレ量が１．０μｍ以上である場合は、焦点距離ｆ₁とｆ₂の比がｆ₁：ｆ₂＝１：１の場合より、ｆ₁：ｆ₂＝１：１．５の場合の方が、第二のレンズ１０３の軸ズレに対して結合損失の低下が小さいことがわかる。また、第二のレンズ１０３の軸ズレ量が２．５μｍ以下である場合は、焦点距離ｆ₁とｆ₂の比がｆ₁：ｆ₂＝１：３の場合より、ｆ₁：ｆ₂＝１：２．５の場合の方が、第二のレンズ１０３の軸ズレに対して結合損失の低下が小さいことがわかる。

そして、軸ズレ量１．０〜２．５μｍの範囲においては、図５に示すように、第一のレンズ１０２および第二のレンズ１０３の焦点距離ｆ₁，ｆ₂の比を１：１．５〜１：２．５とすることで、焦点距離が等しい二つのレンズを用いる場合と比べて、レンズ固定時に軸ズレが発生する場合のレンズの軸ズレによる光結合効率の低下をより軽減することができるとともに、その変化量を一定値以内に収めることが容易になる。

したがって、本実施例によれば、光半導体モジュールの組立時にレンズの軸ズレが生じた場合であっても光結合効率の変化を抑制し、光結合効率の安定した光半導体モジュールを作製することができた。

本発明の第４の実施例を以下に示す。本実施例は上記実施例１から実施例３に記載の形態に適用される。以下、実施例１を例に挙げて説明する。

図１および図２に示すように、本実施例による光半導体モジュールは、サブマウント１０５上に搭載されたそれぞれ導波路型の光半導体素子である半導体レーザ１０１と半導体光変調器１０４を具備し、半導体レーザ１０１から出射された光が半導体光変調器１０４へ低損失に結合するよう位置調整された、第一のレンズ１０２および第二のレンズ１０３を備えている。レンズ１０２および１０３は位置調整された後、レンズホルダ１０６を介してサブマウント１０５上に固定されている。第一のレンズ１０２と第二のレンズ１０３は、焦点距離が異なるものとし、第一のレンズ１０２の焦点距離をｆ₁、第二のレンズ１０３の焦点距離をｆ₂とする。

図６に、第一のレンズ１０２を先に固定し、次に第二のレンズ１０３を第一のレンズ１０２の固定時に生じた軸ズレを補正するように再調整して固定した場合の第二のレンズ１０３の軸ズレ量に対する結合損失の変化を示したグラフを示す。図６は、第一および第二のレンズの焦点距離ｆ₁，ｆ₂の比をｆ₁：ｆ₂＝１：１，１：２，２：１とした三通りの場合について計算した結果である。

第一のレンズ１０２として焦点距離の短いレンズを用い、第二のレンズ１０３として焦点距離の長いレンズを用いた（ｆ₁：ｆ₂＝１：２）場合、第二のレンズ１０３の軸ズレ量に対する結合損失は、図６中に実線で示すように変化し、第二のレンズ１０３の軸ズレ量が１．２μｍ以上の場合には、図６中に破線で示した、焦点距離が同一（ｆ₁：ｆ₂＝１：１）の場合と比べて、結合損失が小さい。

一方、第一のレンズ１０２として焦点距離の長いレンズを用い、第二のレンズ１０３として焦点距離の短いレンズを用いた（ｆ₁：ｆ₂＝２：１）場合、第二のレンズ１０３の軸ズレ量に対する結合損失は図６に点線で示すように変化し、軸ズレ量に対して結合損失が大きくなる。

すなわち、焦点距離の異なる二つのレンズを用いて半導体素子間の光結合をとる際には、焦点距離の短いレンズの軸ズレ量に対する光結合効率の低下は大きく、焦点距離の長いレンズの軸ズレ量に対する光結合効率の低下は小さいことがわかる。なお、図３に示す実施例２の構成において、焦点距離の短い第二のレンズ２０３を固定した後、焦点距離の長い第一のレンズ２０２を第二のレンズ２０３の固定時に生じた軸ズレを補正するように再調整して固定した場合、焦点距離の長い第一のレンズ２０２の軸ズレに対する光結合効率の変化は、図６に実線で示した計算結果と同一になる。

したがって、二つのレンズを固定する際は、レンズの位置調整により最適結合位置にレンズを持ってきた後、まず、焦点距離の短いレンズを固定し、この焦点距離の短いレンズの固定時に生じた軸ズレを補正するように、焦点距離の長いレンズを再調整した後、焦点距離の長いレンズを固定することにより、光半導体モジュールの組立時にレンズの軸ズレが生じた場合であっても光結合効率の低下を抑制し、光結合効率の安定した光半導体モジュールを作製することができる。

図７〜図９を用いて本発明の第５の実施例を説明する。

本実施例は、上記実施例１における半導体光変調器１０４に変えて、図７に示す、変調器部５０８とフィールド径拡大手段としてのスポットサイズ変換部５０９とを同一基板上に集積してなる第二の光半導体素子としての半導体光変調器５０４を用いる例である。なお、図７において、一点鎖線は変調器部５０８とスポットサイズ変換部５０９との境界を表している。その他の構成は実施例１に示したものと概ね同様であり、図１及び図２に示し上述した部材と同一の部材には同一符号を付して重複する説明は適宜省略する。

図８（ａ）に示すように、本実施例に係る光半導体モジュールは、第一、第二の光半導体素子として、導波路型の半導体レーザ１０１、半導体光変調器５０４を備えると共に、半導体レーザ１０１と半導体光変調器５０４の間に、半導体レーザ１０１から出射された光が半導体光変調器５０４へ低損失に結合するよう位置調整された、第一のレンズ１０２および第二のレンズ１０３を備えている。

図７に示すように、変調器部５０８はハイメサ構造を有し、ＩｎＰ下部クラッド層５４１、活性層５８１、ＩｎＰ上部クラッド層５４２からなる。活性層５８１は、幅が１．６μｍ、厚さが０．３μｍであり、該変調器部５０８の光のフィールド径はｘ方向（光の進行方向に平行な方向）に１．２μｍ、ｙ方向（光の進行方向に直交する方向）に０．８μｍである。

また、スポットサイズ変換部５０９は、ＩｎＰ下部クラッド５４１、ＩｎＧａＡｓＰからなる傾斜型導波層５９１、及びＩｎＰ上部クラッド層５４２から構成されている。傾斜型導波層５９１は、変調器部５０８側の端部（図７中、右側）から他方（図７中、左側）の端部へ向かうにしたがって層厚を薄層化した傾斜構造を有し、このような傾斜構造を有することにより、ＩｎＰクラッド５４１，５４２より屈折率の大きい傾斜型導波層５９１を伝播する光を、該傾斜型導波層５９１の薄層化された部分から外部に放射させ、スポットサイズを拡大することができる（例えば、非特許文献３参照）。

なお、傾斜型導波層５９１は、変調器部５０８とは反対側の薄層化した端部において、導波層幅が３．０μｍ、導波層厚が０．１μｍである。なお、スポットサイズ変換部５０９は、変調器部５０８に対して半導体光変調器５０４の入射端側に配置される。

上記スポットサイズ変換部５０９により、変調器部５０８の光のフィールド径はｘ方向に２．３μｍ、ｙ方向に１．５５μｍに拡大される。即ち、半導体光変調器５０４の入射端（スポットサイズ変換部５０９の入射端）での図８に破線で示す光のフィールド５１２の径が、ｘ方向に２．３μｍ、ｙ方向に１．５５μｍとなる。これにより、半導体光変調器５０４の入射端（スポットサイズ変換部５０９の入射端）での光のフィールド５１２の径は半導体レーザ１０１の光のフィールド１１０の径より大きくなる。

一方、半導体レーザ１０１は、図示はしないがメサ形状に加工された活性層をＩｎＰで埋め込んだ埋め込み型構造とする。活性層の幅が１．０μｍ、厚さが０．３μｍとし、光のフィールド１１０の径はｘ方向に１．２μｍ、ｙ方向に０．８μｍである。

本実施例において、図８（ａ）に示す半導体レーザ１０１側に位置する第一のレンズ１０２の焦点距離ｆ₁と、半導体光変調器５０４側に位置する第二のレンズ１０３の焦点距離ｆ₂の比はｆ₁：ｆ₂＝１：２とする。この場合、実施例１で説明したように、半導体レーザ１０１から出射され、二つのレンズ１０２，１０３を介して半導体光変調器５０４の入力導波路に集光される光の像倍率はｆ₂／ｆ₁＝２倍になるので、半導体光変調器５０４に入射する光のフィールド１１１の径は、ｘ方向に２．４μｍ、ｙ方向に１．６μｍとなる。

この結果、図８（ｂ）に示すように、半導体光変調器５０４に入射する光のフィールド１１１の径が、半導体光変調器５０４の入力導波路（スポットサイズ変換部５０９）の光のフィールド５１２の径（ｘ方向に２．３μｍ、ｙ方向に１．５５μｍ）と同等の大きさになる。これにより、半導体光変調器５０４の入力導波路（スポットサイズ変換部５０９）における光の結合効率が向上するので、レンズの軸ズレの影響を低減することができる。

つまり、実施例１で説明したように、光結合効率は、上記拡大した光のフィールド１１１と、半導体光変調器５０４の光のフィールド５１２との重なり積分で表される。本実施例では、半導体レーザ１０１と半導体光変調器５０４とを光学的に結合させる際に、半導体レーザ１０１を出射して半導体光変調器５０４に入射する光のフィールド１１１の径と、半導体光変調器５０４の入射端での光のフィールド５１２の径がそれぞれ拡大される。このため、図８（ｂ）に矢印で示すようなレンズの軸ズレが発生した場合であっても、従来に比較して、光のフィールド径に対する軸ズレ量を相対的に低減することができる。

図９に、図８（ａ）に示す構成において、第一のレンズ１０２の焦点距離と第二のレンズ１０３の焦点距離の比をｆ₁：ｆ₂＝１：２とし、スポットサイズ変換部半導体光変調器５０４の光のフィールド５１２の径を変化させた場合の光結合損失の軸ズレ量依存性の一例を示す。なお、図９には、半導体光変調器５０４の光のフィールド５１２の径の増加倍率（例えば、本実施例においては２倍）を、０．８倍、１倍、２倍、３倍、４倍、５倍、６倍と変化させた例を示している。

上述したように光半導体モジュール組み立てにおけるレンズ固定時の軸ズレが１．０μｍから２．５μｍ程度であることを考慮すると、図９から、半導体光変調器５０４の光のフィールド５１２の径の増加倍率が、１倍より大きく５倍以下である範囲、換言すれば、上記増加倍率が１倍より大きく、第一のレンズ１０２の焦点距ｆ₁と第二のレンズ１０３の焦点距離ｆ₂の比ｆ₂／ｆ₁の２．５倍程度の値以下の範囲で、光結合損失の低減に有効であることがわかる。

なお、図９においては半導体光変調器５０４の光のフィールド５１２の径の増加倍率を６倍とした場合、増加倍率を１倍とした場合に比較して一部（軸ズレ量が１．７μｍ以上の場合）光結合損失が小さくなっているが、光半導体モジュール組み立てにおけるレンズ固定時の軸ズレが１．０μｍから２．５μｍ程度であることから、光のフィールド径の増加倍率は上述した１倍より大きく５倍以下の範囲が好適である。

以上に示したように、本実施例に係る光半導体モジュールによれば、第一のレンズ１０２の焦点距離ｆ₁と第二のレンズ１０３の焦点距離ｆ₂が互いに異なるように焦点距離の比をｆ₁：ｆ₂＝１：２とすると共に、半導体光変調器５０４を、変調器部５０８とスポットサイズ変換部５０９とから構成し、該半導体光変調器５０４の光のフィールド５１２の径を、半導体レーザ１０１の光のフィールド１１０の径に比較して拡大したことにより、レンズの軸ズレに対する光結合効率の変化量を低減しつつ、上述した実施例１による効果に加えて、光結合損失をより低減することが可能となった。

なお、本実施例では、第一のレンズ１０２の焦点距離ｆ₁と、第二のレンズ１０３の焦点距離ｆ₂の比をｆ₁：ｆ₂＝１：２としたが、前述したようにｆ₁：ｆ₂が１：１．５〜１：２．５となるように、換言すると、ｆ₂／ｆ₁が１．５以上２．５以下の範囲となるように設定すれば、概ね同様の効果を得ることができる。

また、本実施例では半導体光変調器５０４のフィールド径を拡大させる手段としてスポットサイズ変換部５０９を用いる例を示したが、このような構成の他に、光半導体素子の発光層あるいは導波層の層構造を調整する、例えば、活性層とクラッド層の間に、該活性層とクラッド層の中間の組成からなる中間層（ガイド層）を導入することにより光半導体素子のフィールド径を拡大させることができる。

前記中間層を導入する場合は、特に、この中間層の組成（組成成長）や層厚を調整することによりフィールド径を拡大させることができる。例えば、この中間層の組成成長を短くしたり層厚を厚くしたりすることにより、フィールド径を拡大させることができる。また、中間層の組成成長を活性層側からクラッド層側に向けて徐々に短波長に変化するように設定することによりフィールド径を拡大させることができる。

図１０及び図１１を用いて本発明の第６の実施例を説明する。本実施例は、上記実施例２における半導体レーザ２０１に変えて、図１０に示す、第一の光半導体素子としてのレーザ部６０８とフィールド径拡大手段としてのスポットサイズ変換部６０９とを同一基板上に集積してなる半導体レーザ６０１を用いる例である。なお、図１０において、一点鎖線はレーザ部６０８とスポットサイズ変換部６０９との境界を表している。その他の構成は実施例２に示したものと概ね同様であり、以下、図３及び図４に示し上述した部材と同一の部材には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図１１（ａ）に示すように、本実施例に係る光半導体モジュールは、第一、第二の光半導体素子として、導波路型の半導体レーザ６０１、半導体光変調器２０４を具備し、これら半導体レーザ６０１と半導体光変調器２０４の間に、半導体レーザ６０１から出射された光が半導体光変調器２０４へ低損失に結合するよう位置調整された、第一のレンズ２０２および第二のレンズ２０３を備えている。

図１０に示すように、レーザ部６０８は、メサ形状に加工された活性層６８１をＩｎＰ６４２で埋め込んだ埋め込み型構造を有し、活性層６８１の幅が１．０μｍ、厚さが０．３μｍとする。該レーザ部６０８の光のフィールド２１１の径はｘ方向（光の進行方向に平行な方向）に１．２μｍ、ｙ方向（光の進行方向に直交する方向）に０．８μｍである。

スポットサイズ変換部６０９は、ＩｎＰ下部クラッド層６４１、ＩｎＧａＡｓＰからなる傾斜型導波層６９１、及びＩｎＰ上部クラッド層６４２を積層して構成されている。傾斜型導波層６９１は、レーザ部６０８側（図１０中、右側）の端部から他方（図１０中、左側）の端部へ向かって層厚を薄層化した傾斜構造となっており、レーザ部６０８とは反対側の端部において導波層幅が３．０μｍ、導波層厚が０．１μｍである。なお、スポットサイズ変換部６０９は、半導体レーザ６０１の出射端側に配置される。

このスポットサイズ変換部６０９により、レーザ部６０８の光のフィールド径はｘ方向に２．４μｍ、ｙ方向に１．６μｍに拡大される。即ち、半導体レーザ６０１の出力導波路の図１１中破線で示す光のフィールド６１２の径はｘ方向に２．４μｍ、ｙ方向に１．６μｍとなる。

一方、半導体光変調器２０４は、図示はしないがハイメサ構造を有し、ＩｎＰクラッド層、活性層、ＩｎＰクラッド層からなる。活性層の幅が１．６μｍ、厚さが０．３μｍであり、該半導体光変調器２０４の光のフィールド２１０の径はｘ方向に１．２μｍ、ｙ方向に０．８μｍである。

図１１（ａ）に示すように、第一のレンズ２０２の焦点距離をｆ₁、第二のレンズ２０３の焦点距離をｆ₂とし、二つの焦点距離の比ｆ₁：ｆ₂を２：１とする。実施例２で説明したように、半導体光変調器２０４から光の進行方向と逆に光のフィールド形状をたどると、二つのレンズ２０３，２０２を介して半導体レーザ６０１の出力導波路（スポットサイズ変換部６０９）に集光される光の像の倍率は、ｆ₁／ｆ₂、即ち２倍になるので、この半導体レーザ６０１の出力導波路（スポットサイズ変換部６０９）に集光される光のフィールド２１１の径はｘ方向に２．４μｍ、ｙ方向に１．６μｍとなる。

この結果、図１１（ｂ）に示すように、半導体レーザ６０１の出力導波路（スポットサイズ変換部６０９）に集光される拡大した光のフィールド２１１の径が、半導体レーザ６０１の出力導波路（スポットサイズ変換部６０９）の光のフィールド６１２の径（ｘ方向に２．４μｍ、ｙ方向に１．６μｍ）と同等になる。これにより、半導体レーザ６０１の出力導波路（スポットサイズ変換部６０９）における光の結合効率が向上するので、レンズの軸ズレの影響を低減することができる。

つまり、実施例２で説明したように、光結合効率は、半導体レーザ６０１の光のフィールド６１２と、上記拡大した光のフィールド２１１との重なり積分で表される。本実施例では、半導体レーザ６０１と半導体光変調器２０４を光学的に結合させる際に、半導体レーザの出力導波路（スポットサイズ変換部６０９）の光のフィールド６１２の径と、上記半導体レーザ６０１の出力導波路（スポットサイズ変換部６０９）に結合する光のフィールド２１１の径とがそれぞれ拡大される。このため、従来に比較して、図１１（ｂ）に矢印で示すようなレンズの軸ズレが生じた場合であっても、レンズの軸ズレに伴う光結合損失を光のフィールド径に対して相対的に低減することができるため、光結合効率の変化量を低減することができる。

以上に説明したように、本実施例によれば、第一のレンズ２０２の焦点距離ｆ₁と第二のレンズ２０３の焦点距離ｆ₂が相互に異なるようにｆ₁：ｆ₂＝２；１に設定すると共に、半導体レーザ６０１をレーザ部６０８とスポットサイズ変換部６０９とから構成し、半導体レーザ６０１の光のフィールド６１２を半導体光変調器２０４の光のフィールド２１０に比較して拡大したことにより、上述した実施例２による効果に加えて、光結合損失をより低減することが可能となった。

なお、本実施例においても実施例５と同様に、スポットサイズ変換部６０９により半導体レーザ６０１の光のフィールド６１２の径を半導体光変調器２０４に比較して拡大させる倍率は、１倍より大きく、第一のレンズ２０２の焦点距離ｆ₁と第二のレンズ２０３の焦点距離ｆ₂との比ｆ₂／ｆ₁の２．５倍程度の値以下の範囲とすれば好適である。

また、本実施例では半導体レーザ６０１の光のフィールド径を拡大させる手段としてスポットサイズ変換部６０９を用いる例を示したが、このような構成の他に、実施例５でも説明したように、光半導体素子の発光層あるいは導波層の層構造を調整する、例えば、活性層とクラッド層の間に、該活性層とクラッド層の中間の組成からなる中間層（ガイド層）を導入することにより光半導体素子のフィールド径を拡大させることができる。

前記中間層を導入する場合は、特に、この中間層の組成（組成成長）や層厚を調整することによりフィールド径を拡大させることができる。例えば、この中間層の組成成長を短くしたり層厚を厚くしたりすることにより、フィールド径を拡大させることができる。また、中間層の組成成長を活性層側からクラッド層側に向けて徐々に短波長に変化するように設定することによりフィールド径を拡大させることができる。

本発明の第７の実施例を以下に示す。本実施例は、上述した実施例１において半導体レーザ１０１、半導体光変調器１０４として、それぞれ多波長レーザ（Tunable Laser Array；ＴＬＡ）、マッハツェンダ型光変調器（例えば、特願２００５−５０３５６４参照）を用いる例である。

多波長レーザはＤＦＢレーザをアレイ状に集積したレーザであり（例えば、非特許文献４参照）、本実施例では１０本のＤＦＢレーザを並列にアレイ状に集積したものを用いるものとする。該多波長レーザは１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲の波長の光を可変に選択して出力することができる。

本実施例の光半導体モジュールを用いて、１００ｋｍ−ＳＭＦ（シングルモード光ファイバ）を用いた伝送測定を行った結果、１０Ｇｂ／ｓの信号で良好なアイパターンが観測された。このことは、本実施例の光半導体モジュールが組み立て時のレンズの軸ズレの影響を低減し、光結合効率に優れるものであることを示す。

なお、本発明は上述した実施例に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。例えば、上述した実施例では光半導体素子として半導体レーザ、半導体光変調器を用いる例を示したが、本発明は、光半導体素子として半導体光増幅器など他の素子に適用することができる。

本発明は、光半導体モジュールおよびその組立方法に関し、詳しくは光通信システムや、光情報処理システムにおいて用いられる光半導体素子の実装に利用可能である。

本発明の実施例１の構成を模式的に示す概略構成図である。 図２（ａ）は本発明の実施例１における構成と光のフィールドとの関係を示す模式図、図２（ｂ）は光のフィールドを示す説明図である。 本発明の実施例２の構成を模式的に示す概略構成図である。 図４（ａ）は本発明の実施例１における構成と光のフィールドとの関係を示す模式図、図４（ｂ）は光のフィールドを示す説明図である。 本発明の実施例３による軸ズレ量と光結合損失の関係を示すグラフである。 本発明の実施例４による軸ズレ量と光結合損失の関係を示すグラフである。 本発明の実施例５に係る半導体光変調器の層構造を示す概略断面図である。 図８（ａ）は本発明の実施例５に係る光半導体モジュールの概略構成図、図８（ｂ）は実施例５に係る半導体光変調器の光のフィールドと半導体光変調器に入射する光のフィールドの関係を示す説明図である。 本発明の実施例５による軸ズレ量と光結合損失の関係を示すグラフである。 本発明の実施例６に係る半導体レーザの層構造を示す概略断面図である。 図１１（ａ）は本発明の実施例６に係る光半導体モジュールの概略構成図、図１１（ｂ）は実施例５に係る半導体レーザの光のフィールドと半導体レーザから出射される光のフィールドの関係を示す説明図である。

符号の説明

１０１，２０１，６０１ 半導体レーザ
１０２，２０２ 第一のレンズ
１０３，２０３ 第二のレンズ
１０４，２０４，５０４ 半導体光変調器
１０５，２０５ サブマウント
１０６，２０６ レンズホルダ
１１０，２１２，６１２ 半導体レーザ出射端での光のフィールド
１１１ レンズによって倍率変換された半導体レーザの光のフィールド
１１２，２１０，５１２ 半導体光変調器入射端での光のフィールド
２１１ レンズによって倍率変換された半導体光変調器の光のフィールド
５０８ 変調器部
５０９，６０９ スポットサイズ変換部
６０８ レーザ部

Claims (8)

1. 第一の光半導体素子と、前記第一の光半導体素子から出射される光を平行光線にする第一のレンズと、前記平行光線を集光させる第二のレンズと、前記第二のレンズによって集光した光が光導波路に結合する位置に配置された第二の光半導体素子とを共通のサブマウント上に搭載した光半導体モジュールにおいて、
   前記第一のレンズの焦点距離と前記第二のレンズの焦点距離が互いに異なる
   ことを特徴とする光半導体モジュール。
2. 請求項１記載の光半導体モジュールにおいて、
   前記第二のレンズの焦点距離が前記第一のレンズの焦点距離に比較して長く、且つ前記第二の光半導体素子の光のフィールド径が前記第一の光半導体素子の光のフィールド径に比較して大きい、
   または、前記第一のレンズの焦点距離が前記第二のレンズの焦点距離に比較して長く、且つ前記第一の光半導体素子の光のフィールド径が前記第二の光半導体素子の光のフィールド径に比較して大きい
   ことを特徴とする光半導体モジュール。
3. 請求項２記載の光半導体モジュールにおいて、
   前記第一の光半導体素子又は前記第二の光半導体素子のいずれか一方に、該光半導体素子の光のフィールド径が他方の光半導体素子の光のフィールド径に比較して大きくなるように、該光半導体素子の光のフィールド径を拡大するフィールド径拡大手段を設けた
   ことを特徴とする光半導体モジュール。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光半導体モジュールにおいて、
   組立時に生じる前記レンズの軸ズレ量が、前記第一および第二の光半導体素子の光のフィールド径のうち小さいほうの光のフィールド径と同じか、又はそれよりも大きい
   ことを特徴とする光半導体モジュール。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光半導体モジュールにおいて、
   前記二つのレンズの焦点距離の比が１：１．５以上かつ１：２．５以下であるとともに、像倍率１．５倍以上かつ２．５倍以下の光学系を形成している
   ことを特徴とする光半導体モジュール。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の光半導体モジュールを組み立てる方法であって、
   前記レンズを収容した金属筐体をＹＡＧレーザ溶接によりレンズホルダを介して前記サブマウント上に固定した
   ことを特徴とする光半導体モジュールの組立方法。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の光半導体モジュールを組み立てる方法であって、
   前記二つの光半導体素子を前記サブマウント上に固定した後、前記レンズの位置を調整し、焦点距離の異なる前記第一のレンズおよび前記第二のレンズを固定する際、焦点距離の短いレンズを先に前記サブマウント上に固定し、焦点距離の長いレンズを後に前記サブマウント上に固定する
   ことを特徴とする光半導体モジュールの組立方法。
8. 請求項６又は請求項７記載の光半導体モジュールの組立方法によって作製されたことを特徴とする光半導体モジュール。

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