JP2011053575A - 複合型光素子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】小型で結合効率が高く且つ低コストな複合型光素子モジュールを提供する。
【解決手段】一つのチップで複数の光信号を入出力する複合型の光素子１と複数の光導波路を持つ平面型光導波路（ＰＬＣ）１２とを光結合させた構造を持ち、光素子１とＰＬＣ１２との間に１枚もしくは１組の光学レンズ３ａ，３ｂを配置して複数の光信号を一括して結合する光学系を用い、ＰＬＣ１２の端面部から入出力する光信号が光学レンズ３ａ，３ｂの有効径に入るように、複数ある光導波路の角度を個別に設定した複合型光素子モジュール。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信や光計測に用いられる光素子モジュールに関し、特に、多チャンネルの光信号を扱う複合型の光素子モジュールの小型化、低コスト化に関する。

近年、一つのチップで複数の光信号を入出力する光素子と整列した複数本の光ファイバ（多心テープファイバ）とを、１枚または１組の光学レンズを介して一括して光結合させる多チャンネルの光信号を扱う光素子モジュールが用いられるようになっている。

図４は、従来の複合型光素子モジュールの構成を表す図である。図４（ａ）は従来の複合型光素子モジュールの平面図、図４（ｂ）は従来の複合型光素子モジュールの正面図である。

尚、図４（ａ）および図４（ｂ）では、一部の部位については断面によって示してある。

図４において、１はレーザダイオードやフォトダイオード等の光素子を複数個並列アレイ状整列して配したアレイ光素子、２は多心テープファイバ、３ａは第１光学レンズ、３ｂは第２光学レンズ、４はパッケージ、５は素子搭載用キャリア、６はテープファイバを内部に固定した金属製のフェルール、７は第２光学レンズを固定する第２レンズホルダ、８はフェルール固定用ホルダ、９は第１レンズを固定する第１レンズホルダ、１０は気密封止用の蓋、１１は光信号を通すためのパッケージに設置されたガラス窓である。尚、ガラス窓１１はフランジ１１ｆ内に反射防止用の角度を付けて保持されたガラス板で構成され、これによりパッケージ４を封止している。

図４の複合型光素子モジュールを組立てるには、先ず、アレイ光素子１をキャリア５にダイボンダ等で搭載する。

次いで、第１光学レンズ３ａをアレイ光素子１に対して光学調芯して、第１レンズホルダ９を介して素子搭載用キャリア５にＹＡＧレーザで溶接する。そして、この素子搭載用キャリア５をパッケージ４の中にハンダ等で固定する。

ワイヤボンダでパッケージ４と素子搭載用キャリア５との間の電気配線を行った後、蓋１０をシーム溶接機でパッケージ４に溶接して気密封止する。

一方、第２光学レンズ３ｂは、予め第２レンズホルダ７に溶接して固定しておく。多心テープファイバ２も、予めフェルール６に挿入して接着固定し、端面を斜め研磨して無反射コートを施しておく。

そして、パッケージ４に対して第２レンズホルダ７をＸＹＺθ（軸回りの回転方向）の４軸に関して最適な光学結合が得られるように調芯し、この調芯が得られた位置で、パッケージ４と第２レンズホルダ７とをＹＡＧレーザで溶接して固定する。

この溶接による固定に際して、第２光学レンズの位置に僅かなずれが生じるため、再度、フェルール６を調芯し直し、その上で、フェルール固定用ホルダ８を介してフェルール６をレンズホルダ７にＹＡＧレーザで溶接して固定する。以上で複合型光素子モジュールは完成を見ることになる。

以上説明したような従来の複合型光素子モジュールでは、その構造上、外側のファイバは光学レンズの中心軸から外れて位置することになるため、光線が斜めに結合することに起因して角度損失が生じる。

図５は、図４のような従来の複合型光素子モジュールにおいて多心のテープファイバにおける外側のファイバが光学レンズの中心軸から外れて位置することに起因して角度損失が生じる現象を表す図である。

既述のように、図４のような従来の複合型光素子モジュールでは、外側のファイバは光学レンズの中心軸から外れて位置する。より具体的には、多心テープファイバの標準ピッチは２５０μｍであるため、４心のテープファイバでは、中心から外側のコアまでの距離は３７５μｍとなる。

レンズ（図４における第２光学レンズ３ｂ）から光ファイバの端面までの距離は、一般的な複合型光素子モジュールでは３ｍｍ〜５ｍｍ程度であるため、このような場合における光ファイバの端面への光の入射（出射）角は、７．１度〜４．３度となる。

シングルモードファイバにおける光の伝播はガウシアンビームとして近似できる。この前提で、通信用として一般的なスポットサイズ半径が４μｍで光の波長が１．５５μｍの場合におけるファイバ端部での結合効率を計算すると、上述の入射（出射）角に対応する損失は４．４ｄＢ〜１．６ｄＢとなる。この損失は実用上看過し得ないレベルである。

尚、テープファイバが２心である場合には、各ファイバにおける光学レンズの中心軸からのずれは１２５μｍである。この場合では、レンズ（図４における第２光学レンズ３ｂ）から光ファイバの端面までの距離が５ｍｍであるとすると、光ファイバの端面への光の入射（出射）角は、１．４度となる。この入射（出射）角に対応する損失は０．２ｄＢと比較的小さな値に留まるので２心なら実用レベルと言える。

尚、敢えてファイバの被覆を除去して各ファイバを相互に密着させ、１２６μｍピッチで整列させれば、４心のファイバでも、中心から外側のコアまでの距離は１８９μｍとなる。この場合は、レンズ（図４における第２光学レンズ３ｂ）から光ファイバの端面までの距離が５ｍｍという上述同様の条件での損失は０．４ｄＢに留まる。

しかしながら、一定の精度を確保しつつ光ファイバをこのように狭いピッチで整列させることは、多心テープファイバの標準である２５０μｍのピッチで配置する場合に比し格段に難度が高く、損失のばらつきを生じ易い。ばらつきを抑えようとすれば、歩留まりの低下、ひいては、コスト上昇を招来する。

上述のような状況にあったため、図４におけるような従来の複合型光素子モジュールの構造では、シングルモードファイバで２心にするか、多少の損失を見込んでも高々４心程度に留めるのが限界であった。

尤も、アレイ光素子と光学レンズとの距離、および、光学レンズと光ファイバの端面との距離を大きくとれば、相対的に入射（出射）角を小さくすることができる。しかしながら、この場合は、複合型光素子モジュール全体のサイズが大型化し、且つ、光学レンズの見込角（ＮＡ）が小さくなるため、光学系に関してよく知られたケラレによる損失が増大する。

また、ＮＡが小さいと、光学レンズの回折限界によってビームを小さく集光できなくなるため、スポットの小さな光素子（レーザダイオード等）とは高い結合がとれなくなる。

他方、ＮＡを大きくするために光学レンズを大口径化しようとすると、現存の殆どの光モジュール用レンズは単心用に設計されているため、現実には選択の余地が極めて限られてしまう。仮に、要求仕様に合わせて特注品を製作する場合には、当然ながら、多大なコストがかかることになり、その上、モジュールサイズが大きくなってしまう。

以上のとおり、アレイ数（即ち、信号のチャンネル数）が増えれば、複合型光素子モジュール全体のサイズの小型化が難しく、光ファイバの位置による損失ばらつきを抑え難い。

上記の多チャンネルの光信号を一括して光学結合させるモジュール構造に対して、アレイ光素子の複数の光入出力に対して、微小レンズを各光素子と等間隔で配置したアレイレンズを用いて個別に光結合させるアレイレンズ光学系を用いるモジュール構成も知られている（例えば、特許文献１参照）。このような構成では、光信号は常にアレイ光素子および光ファイバに正対するため、入射（出射）角に起因する損失は原理的に発生しない。

この場合、個々のレンズの有効径はレンズのピッチで制限されるが、そのレンズピッチは光素子や光ファイバのピッチに合わせなければならず、余り大きくすることができない。

一般に、光素子を大型化することは、コストアップや歩留まりの低下を招来するため、回避されるからである。これに伴って、レンズの有効径は小さくならざるを得ず、従って、ＮＡを大きくとるためにはアレイレンズを光素子の直近に配置する必要がある。

このような配置をとる場合には、モジュールの構造やサイズ、レンズの固定方法、ひいては、モジュールの組立て方法やこの組立てに適用する組立て装置に大きな制約を及ぼすことになってしまう。

一般的には、一括して光学結合させる構造の方が、従来型の単心モジュールに近い構造を採ることができるため、製造が容易であることが多い。しかしながら、既述のように、アレイの数が多くなると、一括して光学結合させる構造を採ると入射（出射）角に起因する損失やそのばらつきが許容できない程度にまで増大してしまう。

従って、アレイの数が多い構造を採る場合には、アレイレンズ結合を適用せざるを得なかった。

特開平０４−３０１８１０号公報

ＮＴＴフォトニクス研究所 研究成果の紹介 光半導体技術-１０"４３Ｇｂｉｔ／ｓ ＤＰＳＫ用バランス型 フォトダイオードモジュール"[online]［平成２１年８月３１日検索］、インターネット ＜ＵＲＬ ： http://www.phlab.ecl.ntt.co.jp/theme/2007/2007_05_02.pdf＞

上述のように、単一光学系で一括結合するモジュール構成と、アレイレンズ構成とを比較した場合には、一長一短がある。そして、何れが有利であるかは、光素子の種類、モジュールサイズ等に関する要求仕様や、用い得る既存の組立て設備の有無といった製造に関わる条件等に応じて異なってくる。

以上の状況にあって、本発明は、小型で結合効率が高く且つ低コスト化が図り易い複合型光素子モジュールを提供することをその目的とする。

上記課題を解決するために、以下のような技術を提案する。
（１）一つのチップで複数の光信号を入出力する複合型の光素子と、
前記複数の光信号に対応する複数の光導波路を持つ平面型光導波回路と、
前記光素子と前記平面型光導波回路との間に介在し１枚若しくは１組の光学レンズによって前記光素子と前記平面型光導波回路の各対応する光導波路とを一括して光結合する光学系と、を備え
且つ、
前記平面型光導波回路は、その各光導波路の端面部から入出力する光信号が前記光学レンズの有効径に入るように、当該各光導波路の角度を個別に設定してあることを特徴とする複合型光素子モジュール。

上記（１）の複合型光素子モジュールでは、複数の光信号を入出力する複合型の光素子の複数の光信号が、光素子と前記平面型光導波回路との間に介在する光学系の光学レンズの有効径に入るように、平面型光導波回路における各光導波路の角度が個別に合わせ込まれる構成であるため、製造時に当該各光導波路の角度の合わせ込みが容易である。
（２）前記面型光導波回路は、予め光ファイバと接続され該接続された光ファイバの該当部位と共に金属製のフェルール内で固定されていることを特徴とする請求項１に記載の複合型光素子モジュール。

上記（２）の複合型光素子モジュールでは、（１）の複合型光素子モジュールにおいて特に、面型光導波回路は、予め光ファイバと接続され該接続された光ファイバの該当部位と共に金属製のフェルール内で固定されている形態をとるため製造が容易である。
（３）前記光素子は複数の波長の光信号を発する素子であり、前記光学系は、該複数の波長の光信号を分波するプリズムを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の複合型光素子モジュール。

上記（３）の複合型光素子モジュールでは、（１）の複合型光素子モジュールにおいて特に、複数の波長の光信号を発する光素子から発せられた光信号がプリズムによって分波され、該分波された各光信号が平面型光導波回路における各対応する光導波路に適切な範囲の入射角で入射する。

本発明によれば、小型で結合効率の高い複合型光素子モジュールを低コストで実現することができる。

特に、光結合の要となる光学レンズについては従来同様のものを適用することが可能であり、製造コストの低減に有利である。

また、その一態様においては、予め光導波路を固定したモジュールを用いるので、この態様の場合は、モジュールの組立てに従来の装置を流用でき、初期コストの低減をはかることができる。

本発明の一つの実施の形態としての複合型光素子モジュールの構成を表す図である。 図１の複合型光素子モジュールにおける光結合の構造を表す模式図である。 本発明の他の実施の形態としての複合型光素子モジュールにおける光結合の構造を表す模式図である。 従来の複合型光素子モジュールの構成を表す図である。 図４の複合型光素子モジュールにおいて角度損失が生じる現象を表す図である。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態について詳述することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本発明の一つの実施の形態としての複合型光素子モジュールの構成を表す図である。

図１（ａ）は、この複合型光素子モジュールの平面図、図１（ｂ）は、この複合型光素子モジュールの正面図である。

尚、図１（ａ）および図１（ｂ）では、一部の部位については断面によって示してある。

図１において、１はレーザダイオードやフォトダイオード等の光素子を複数個並列アレイ状整列して配したアレイ光素子、２は多心テープファイバ、３ａは第１光学レンズ、３ｂは第２光学レンズ、４はパッケージ、５は素子搭載用キャリア、６はテープファイバを内部に固定した金属製のフェルール、７は第２光学レンズ３ｂを固定する第２レンズホルダ、８はフェルール固定用ホルダ、９は第１レンズ３ａを固定する第１レンズホルダ、１０は気密封止用の蓋、１１は光信号を通すためのパッケージに設置されたガラス窓である。

また、１２は平面型光導波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）、１３はＰＬＣ補強用のヤトイ（補強部材）である。

尚、従来同様に、ガラス窓１１はフランジ１１ｆ内に反射防止用の角度を付けて保持されたガラス板で構成され、これによりパッケージ４を封止している。

また、第１光学レンズ３ａおよび第２光学レンズ３ｂは、アレイ光素子１とＰＬＣ１２の各対応する導波路とを一括して光結合させる光学系を構成している。

図１の複合型光素子モジュールの組立て手順は、大筋で従来と略同様であるが、次の点で相違する。

即ち、図４を参照して既述のテープファイバを内部に固定した金属製のフェルールに替えて、多心テープファイバ２とＰＬＣ１２とを予め接合し、接合された両者の部位を金属製のフェルール６の内部に固定するという点で従来とは相違する。

また、ＰＬＣ１２には補強と先端を研磨する際のダレを防止するためにヤトイ１３を接着しておく。

フェルール６の形状については、極力既存の組立装置を用いることができるように設計して装置の共通化を図ることが製造コスト低減の上で望ましい。フェルール６の形状の具体例としては、外形は円筒形で、内側にＰＬＣ１２とヤトイ１３を挿入するための角型の空所を設けた形状にすることが推奨される。

また、フェルール６の材料としては、極力、ＰＬＣ１２やガラスに、線膨張係数の近い金属を適用する。

上述におけるＰＬＣ１２やヤトイ１３は、予め先端を反射防止用に斜め研磨し、所要に応じて、無反射コートを施した上で、フェルール６内に接着固定する。

尚、上述のようにフェルール６内に接着固定した際に、各ファイバのコアを結んだ線がフェルール６の略中心を通るように、ＰＬＣ１２およびヤトイ１３の厚みを選択することによって光学調芯が容易になる。

図２は、図１の複合型光素子モジュールにおける光結合の構造を表す模式図である。

図２において、多心テープファイバ２の先端に接続した平面導波回路（ＰＬＣ）１２において、第２光学レンズ３ｂからの光線が屈折して正確に各導波路１２１、１２２、１２３、１２４に結合するように、導波路の入出射角度を個別に適切な角度に設定してある。

ここで、ＰＬＣ１２の各導波路１２１、１２２、１２３、１２４の入出射角度は、製造時のマスクパターン設計により任意に設定することが可能である。ファイバとは異なり、ＰＬＣの場合はコアピッチの設計の自由度が高いため、通常１２６μｍピッチ或いは２５０μｍピッチに設定される一般的なファイバアレイの場合に比し、光素子の設計の自由度を高められるという利点もある。

また、図２の例では、導波路は４本であるが、５本以上の導波路が設けられた場合にも、各導波路を適切な角度に設定することによって、光学レンズ等は従前の配置であっても、モジュール化が可能になる。

図２を参照して説明したような光結合の構造を採ることによって、結合損失の増加やファイバの位置による損失のばらつきといった既述の従来の問題を一掃できる。

また、光学レンズとして安価な既存の単心用のものを適用できる。更に、モジュールサイズも通常の単心用のモジュールと同等にできるため、組立て装置も単心用のものと共通化をはかることができる。

尚、図１および図２を参照して説明した複合型光素子モジュールの一般的な用途としては、ＰＬＣの端部に光ファイバを接続した構造において、この光ファイバを光信号の入出力端子とすることが多い。しかしながら、この他に、用途に応じて、ＰＬＣの出口側端面に直接フォトダイオード等を搭載した形で本発明の複合型光素子モジュールを構成することも可能である。

即ち、本発明の技術思想は、ＰＬＣの出口側に光結合されるデバイスの如何によって限定されるものではない。

図３は、本発明の他の実施の形態としての複合型光素子モジュールにおける光結合の構造を表す模式図である。

図３の複合型光素子モジュールは、多出力型光素子モジュールである。図３において、１ａは光素子であり、複数の波長の光を同時に発振する。２は多心テープファイバ、３ａは第１光学レンズ、３ｂは第２光学レンズ、１２は平面型光導波回路（ＰＬＣ）である。更に、１４は光素子１ａからの複数の波長の光信号を分波する分光プリズムである。

そして、第１光学レンズ３ａ、第２光学レンズ３ｂ、および、分光プリズム１４は、光素子１ａとＰＬＣ１２の各対応する導波路とを一括して光結合させる光学系を構成している。

従来は、上述のような多波長光源から特定の波長を分波するためには、アレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ: Arrayed Waveguide Grating）のような特殊なＰＬＣや、誘電体多層膜を用いた分波器を用いていた。しかしながら、ＡＷＧは製造が難しく極めて高価である。一方、誘電体多層膜の場合は、出力波長の数だけ膜の種類が必要であるため、多種の波長を取り出そうとする程にコストが嵩むことになる。

図３の実施の形態では、光学素子１からの出力を第１レンズ３ａでコリメートした後、分光プリズム１４を用いて波長別に角度の違いとして分解する。そして、分解した光を第２光学レンズ３ｂで集光して、必要な波長に合わせて各導波路１２１、１２２、１２３、１２４の位置と入射角とを設定したＰＬＣ１２に接合させる。

この場合、ＰＬＣ１２は各導波路１２１、１２２、１２３、１２４の位置と入射角度が個別に適切な角度に設定されている以外の点では、単純なアレイ導波路であり、ＡＷＧに比し製造が容易で小型化が可能である。従って、コストが低廉なものとなる。

誘電体多層膜との比較においても、多波長に対応する構造を一括して製造することができるため、多波長光源として、より低コストである。

図３の実施の形態では、ファイバアンプのスポンティニアス光を利用した広帯域の連続波長光源やスーパーコンティニウム光源と呼ばれる一定の波長間隔の多波長光源モジュールを実現する場合に上述の利点が顕著である。

また、複数波長の光信号を一括増幅する半導体光増幅器のように、一つの導波路から複数の波長の光信号を発生する光素子を対象として、そこから放射された複数の波長の光信号を分波して、それぞれファイバ出力として取り出すような多波長光源を実現する場合に適用しても有効である。

１………………………………………アレイ光素子
１ａ……………………………………光素子
２………………………………………多心テープファイバ
３ａ……………………………………第１光学レンズ
３ｂ……………………………………第２光学レンズ
４………………………………………パッケージ
５………………………………………素子搭載用キャリア
６………………………………………フェルール
７………………………………………第２レンズホルダ
８………………………………………フェルール固定用ホルダ
９………………………………………第１レンズホルダ
１０……………………………………蓋
１１……………………………………ガラス窓
１１ｆ…………………………………フランジ
１２……………………………………平面型光導波回路（ＰＬＣ）
１３……………………………………ヤトイ（補強部材）
１４……………………………………分光プリズム
１２１、１２２、１２３、１２４…導波路

Claims (3)

1. 一つのチップで複数の光信号を入出力する複合型の光素子と、
   前記複数の光信号に対応する複数の光導波路を持つ平面型光導波回路と、
   前記光素子と前記平面型光導波回路との間に介在し１枚若しくは１組の光学レンズによって前記光素子と前記平面型光導波回路の各対応する光導波路とを一括して光結合する光学系と、を備え
   且つ、
   前記平面型光導波回路は、その各光導波路の端面部から入出力する光信号が前記光学レンズの有効径に入るように、当該各光導波路の角度を個別に設定してあることを特徴とする複合型光素子モジュール。
2. 前記面型光導波回路は、予め光ファイバと接続され該接続された光ファイバの該当部位と共に金属製のフェルール内で固定されていることを特徴とする請求項１に記載の複合型光素子モジュール。
3. 前記光素子は複数の波長の光信号を発する素子であり、前記光学系は、該複数の波長の光信号を分波するプリズムを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の複合型光素子モジュール。

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