JP2011066339A - 光通信モジュール、および光通信モジュールの製造方法 - Google Patents

光通信モジュール、および光通信モジュールの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】低コストで、光結合効率を高くした光通信モジュールを得る。
【解決手段】光通信モジュールは、複数の波長の光を出射するアレイ型半導体レーザ１０と、アレイ型半導体レーザから出射された複数の波長の光の各々を平行光にするアレイレンズ２０と、波長の数分のミラーを含み、アレイレンズ２０から出射された光を入射可能な位置に設けられ、複数のミラーの各々がアレイ型半導体レーザ１０から出射された複数の波長の光を選択的に反射するアレイミラー３０とを備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、大容量光伝送システム等において使用され、複数の波長の光を発振することが可能な光通信モジュール、および光通信モジュールの製造方法に関する。
ブロードバンド接続の普及、アクセス手段の多様化、およびサービスの多様化等により、通信回線におけるトラフィックが増加している。トラフィックの増加に対応するために、光信号を波長領域で多重化して伝送する波長多重（ＷＤＭ）光伝送技術が実用化されている。
半導体レーザの素子長は数１００μｍ以下であり、また消費電力も数１０ｍＷ以下と小さい。従って、光源として半導体レーザを用い、半導体レーザの駆動電流を変調する直接変調方式や、ＬＮ（ニオブ酸リチウム）変調器やＥＡ（Electro-absorption）変調器などの外部変調器によって光を変調する方式を用いれば、光送信装置または光通信装置の小型化および低消費電力化を実現することができる。
通常、波長多重光伝送システムでは、波長数に応じた光源を用意し、それぞれの光源の波長をあらかじめ定められた波長配置に設定する。そして、各々の波長の光が石英の導波路等を用いて合波された後、光ファイバに出射される（例えば、特許文献１参照）。
図５は、特許文献１に記載された半導体レーザを含む光結合装置の構成を示す平面図である。図５に示す光結合装置は、アレイ型半導体レーザ４１と、シリンドリカルレンズ４３と、光集束器５０とを有する。
アレイ型半導体レーザ４１は、直線状に配列された複数の光放射部４２ａを含む。各光放射部４２ａの各光放射面４２から、複数のＬＤ光（レーザ光）４４が所定の発散角をもって放射される。
光放射面４２に平行な軸をスロー軸とし、光放射面４２に垂直な軸をＬＤ光進行方向軸とし、ＬＤ光進行方向軸とスロー軸との両方に垂直な軸をファースト軸とした場合、各ＬＤ光４４のスロー軸方向発散角が半値全幅で約１０度、ファースト軸方向発散角が半値全幅で約４０度と、各ＬＤ光４４は、ファースト軸方向に大きく発散する。そこで、シリンドリカルレンズ４３によって、ファースト軸方向の発散光が平行光に変換される。
光集束器５０は、アレイ型半導体レーザ４１における各光放射部４２ａの数と同数の光導波路４６を有している。各光導波路６は、ＬＤ光４４の進行方向に向かって、その配列間隔が狭められて結合部４７で１本に結合される。そして、各々のＬＤ光４４は、射出口４８から高密度ＬＤ光４９として射出される。なお、アレイ型半導体レーザ４１として、特許文献２に例示されたようなレーザアレイを用いることができる。
特開２０００−１９３６２号公報（段落００２４−００２９） 特開平７−２２６５６３号公報（段落００１８）
しかし、石英の導波路は比較的高価であり、石英の導波路を用いた光通信モジュールは高価になる。また、石英の導波路の光結合損失は小さくないので、多重された光の出力レベルが低下するという課題がある。
そこで、本発明は、低コストで、光結合効率を高くした光通信モジュール、および光通信モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
本発明による光通信モジュールは、複数の波長の光を出射するアレイ型半導体レーザと、アレイ型半導体レーザから出射された複数の波長の光の各々を平行光にするアレイレンズと、波長の数分のミラーを含み、アレイレンズから出射された光を入射可能な位置に設けられ、複数のミラーの各々がアレイ型半導体レーザから出射された複数の波長の光を選択的に反射するアレイミラーとを備えたことを特徴とする。
本発明による光通信モジュールの製造方法は、複数の波長の光を出射するアレイ型半導体レーザを基板上に形成し、アレイ型半導体レーザから出射された複数の波長の光の各々を平行光にするアレイレンズを基板上に形成し、波長の数分のミラーを含み、複数のミラーの各々がアレイ型半導体レーザから出射された複数の波長の光を選択的に反射するアレイミラーを、基板上におけるアレイレンズから出射された光を入射可能な位置に形成することを特徴とする。
本発明によれば、低コストで、光結合効率を高くした光通信モジュールを得ることができる。
本発明による光通信モジュールの実施形態の構成例を示す斜視図である。 パッケージに収納された光通信モジュールを示す平面図である。 光通信モジュールの製造方法を示すフローチャートである。 本発明による光通信モジュールの概略構成を示す説明図である。 特許文献１に記載された半導体レーザを含む光結合装置の構成を示す平面図である。
図１は、本発明による光通信モジュールの実施形態の構成例を示す斜視図である。図１に示す光通信モジュールは、アレイ型半導体レーザ（以下、アレイレーザという。）１、アレイレーザ１から出射された光を入射する非球面アレイレンズ（以下、アレイレンズという）２、アレイレンズ２から出射された光を入射するアレイミラー３、およびアレイミラー３からの光を集光して光ファイバ（図示せず）に出射するレンズ４を備えている。
なお、図１には、アレイレーザ１に駆動電流を供給するための電極１１，１２，１３，１４、アレイレーザ１と電極１１，１２，１３，１４とを保持する基板１５、および基板１５を支持するキャリア１６も示されている。電極１１，１２，１３，１４は、例えば、マイクロストリップラインとして形成される。基板１５は例えばセラミック製である。キャリア１６は例えばＣｕＷ（銅タングステン）製である。
アレイレーザ１は、異なる波長の複数の光を出射する半導体レーザである。アレイレーザ１は、直接変調を行うための素子（図示せず）、またはＬＮ変調器もしくはＥＡ変調器などの外部変調器（図示せず）によって変調が施された各光を出射する。アレイレンズ２は、アレイレーザ１から出射された各光をコリメートして平行波にする。アレイミラー３は、アレイレンズ２から入射した各々の光の伝搬方向を変えてレンズ４に入射させる。
以下、アレイレーザ１は、４波の光を出射する４波アレイレーザであるとする。また、アレイレーザ１から出射される波長が異なる光を、第１の光，第２の光、第３の光および第４の光とする。また、第１の光の波長を第１波長とし、第２の光の波長を第２波長とし、第３の光の波長を第３波長とし、第４の光の波長を第４波長とする。
次に、図１に例示された光通信モジュールの動作を説明する。
アレイレーザ１は、４つのレーザ共振器が集合した構造を有し、通電によって光利得を発生する４つの発光活性層を有している。電極１１，１２，１３，１４と基板１５の裏面に設けられている電極（図示せず）との間に電圧が印加されると、各々の発光活性層は、互いに異なる波長の光を発光する。
アレイレーザ１から出射された４つの光は、アレイレンズ２に入射する。アレイレンズ２は、４つの光の各々を平行光にするレンズが集合した構造を有する。従って、アレイレーザ１から出射された４つの光は、アレイレンズ２によって平行光にされた後、アレイミラー３に入射する。
なお、アレイレンズ２を構成する４つのレンズのピッチ（配置の間隔）は、アレイレーザ１における４つの発光活性層の間隔に合うように設定されている。また、４つの発光活性層の配置の間隔は同じである。そして、アレイレンズ２における各々のレンズと隣接レンズとの間隔は同じである。すなわち、４つのレンズのピッチは同一である。なお、各々のレンズと隣接レンズとの間隔は同じであるということは、各々のレンズにおける光入射位置と隣接レンズにおける光入射位置との間隔が、いずれのレンズについても同じであることを意味する。
アレイミラー３は、アレイレンズ２から出射された４つの光の各々を選択的に反射するフィルタ機能を有するミラーが集合した構造を有する。すなわち、アレイミラー３において、第ｎ（ｎ：１〜４のいずれか）の光を入射するミラーは、第ｎの波長成分を反射し、かつ、光の進行方向を９０度変える。また、他の波長成分を透過させる。換言すれば、アレイミラー３は、４つの波長を選択するフィルタ機能を有するミラーが集合したものである。
アレイミラー３から出射された４つの光は、レンズ４で集光された後、光ファイバに出射される。
なお、アレイミラー３を構成する４つのミラーのピッチ（配置の間隔）は、アレイレーザ１における４つの発光活性層の間隔に合うように設定されている。
そして、アレイミラー３における各々のミラーと隣接ミラーとの間隔は同じである。すなわち、４つのミラーのピッチは同一である。なお、各々のミラーと隣接ミラーとの間隔は同じであるということは、各々のミラーにおける光入射位置と隣接ミラーにおける光入射位置との間隔が、いずれのミラーについても同じであることを意味する。
アレイレーザ１から出射される光が、それぞれ、ビットレート２５Ｇｂ／ｓ程度で変調された光であるとすると、光ファイバによる伝送容量を、１００Ｇｂ／ｓ程度にすることができる。よって、本実施形態の光通信モジュールを、１００Ｇｂ／ｓイーサネット（登録商標）やＣＦＰ光モジュールなどの１００Ｇｂ／ｓ伝送装置に関する分野に適用することができる。
次に、本発明による光通信モジュールの製造方法を説明する。図２は、パッケージに収納された光通信モジュールを示す平面図である。また、図３は、光通信モジュールの製造方法を示すフローチャートである。パッケージに収納されているモジュールは、図１に示された光通信モジュールである。すなわち、以下に説明する製造方法では、サブアッセンブリされた図１に示す光通信モジュールをパッケージ内に収納することによって、パッケージングされた光通信モジュールが作製される。
基板５は、ＣｕＷまたはコバール（Kovar ）等で作製されたキャリア（図示せず）上に設けられている。
そして、まず、アレイレーザ１用のウェーハを作製する（ステップＳ３１）。すなわち、例えばＧａＡｓ（ガリウム砒素）基板上に、下部クラッド層、多重量子井戸活性層、上部クラッド層等を積層して、発光活性層を形成する。また、ウェーハに形成された活性層における４つの領域が互いに異なる波長の光を出すことになるように、電子ビーム露光によってグレーティング（回折格子）を形成する。そして、ウェーハにおける各々の波長の光を発光する領域を分離する（ステップＳ３２）。すなわち、ウェーハを小片化して、４つのレーザ素子１０１，１０２，１０３，１０４を得る。
小片化された４つのレーザ素子１０１，１０２，１０３，１０４が基板５上に等間隔で配置されるように、レーザ素子１０１，１０２，１０３，１０４を基板５に実装する（ステップＳ３３）。なお、レーザ素子１０１，１０２，１０３，１０４の集合が、図１に示されたアレイレーザ１に相当する。また、等間隔とは、４つの光の出射部分の間隔が同じであることを意味する。
次に、レーザ素子１０１，１０２，１０３，１０４から出射される光をコリメートするための非球面レンズ（例えば、凸レンズ：以下、コリメートレンズという。）２０１，２０２，２０３，２０４を作製し、それらを、基板５上において、レーザ素子１０１，１０２，１０３，１０４から出射された光を入射可能な位置に等間隔で配置する（ステップＳ３４）。等間隔とは、４つの光の入射部分の間隔が同じであることを意味する。また、その間隔は、レーザ素子１０１，１０２，１０３，１０４の配置の間隔と同じである。なお、コリメートレンズ２０１，２０２，２０３，２０４の集合が、アレイレンズ２に相当する。また、コリメートレンズ２０１，２０２，２０３，２０４は、ステップＳ３４の処理が実行される直前に形成されるのではなく、あらかじめ作製されていてもよい。
コリメートレンズ２０１，２０２，２０３，２０４が等間隔で配置され、かつ、コリメートレンズ２０１，２０２，２０３，２０４の配置の間隔は、レーザ素子１０１，１０２，１０３，１０４の配置の間隔と同じであるから、例えば、コリメートレンズ２０１の光軸をレーザ素子１０１の光軸（発光の中心）に合わせるだけでよく、他のコリメートレンズ２０２，２０３，２０４の光軸をレーザ素子１０２，１０３，１０４の光軸と合わせるための調整作業が不要になる。コリメートレンズ２０１の光軸をレーザ素子１０１の光軸（発光の中心）に合わせた後、コリメートレンズ２０２，２０３，２０４を順に等間隔で配置すればよいからである。
また、アレイレンズ２でコリメートされた第ｎ（ｎ：１〜４のいずれか）の波長の光を特定波長の光として反射し、特定波長以外の波長の光を透過させる機能を果たす第１〜第４の４つの多層膜ミラーを作製する。第ｎの多層膜ミラーは、第ｎの波長の光を選択的に反射する。そこで、以下、４つの多層膜ミラーを選択波長反射ミラー３０１，３０２，３０３，３０４という。
そして、基板５上に、選択波長反射ミラー３０１，３０２，３０３，３０４を等間隔で配置する（ステップＳ３５）。等間隔とは、４つの光の入反射部分の間隔が同じであることを意味する。また、その間隔は、レーザ素子１０１，１０２，１０３，１０４の配置の間隔と同じである。なお、選択波長反射ミラー３０１，３０２，３０３，３０４の集合が、アレイミラー３に相当する。また、選択波長反射ミラー３０１，３０２，３０３，３０４は、ステップＳ３５の処理が実行される直前に形成されるのではなく、あらかじめ作製されていてもよい。
選択波長反射ミラー３０１，３０２，３０３，３０４が等間隔で配置され、かつ、選択波長反射ミラー３０１，３０２，３０３，３０４の配置の間隔は、レーザ素子１０１，１０２，１０３，１０４の配置の間隔と同じであるから、例えば、選択波長反射ミラー３０１の光軸を入射光の位置に合わせるだけでよく、他の選択波長反射ミラー３０２，３０３，３０４の光軸を入射光の位置と合わせるための調整作業が不要になる。選択波長反射ミラー３０１の光軸を入射光の位置に合わせた後、選択波長反射ミラー３０２，３０３，３０４を順に等間隔で配置すればよいからである。
また、選択波長反射ミラー３０１，３０２，３０３，３０４による反射方向は、４つの反射光が束になるように設定される。また、基板５上において、反射光の束の光路にレンズ４を設置する。レンズ４は、反射光の束を集光する。
そして、キャリアを、予備半田がなされたペルチェ素子６上に実装する（ステップＳ３６）。ペルチェ素子６は、温度調節のための素子である。さらに、気密封止するために、光通信モジュールを、例えばコバール製のパッケージ７の内部に実装する（ステップＳ３７）。パッケージ７には、レンズ４からの光を通過させるための透過孔９が設けられている。レンズ４からの光は、透過孔９を通過した後、調芯された光ファイバ８に結合する。
以上に説明したように、上記の実施形態では、複数の波長の光を得るための構成要素の各々が集合化されているので、光通信モジュールを小型化することができる。なお、複数の波長の光を得るための構成要素は、アレイレーザ１、アレイレンズ２およびアレイミラー３である。
また、アレイレーザ１の構成要素である複数のレーザ素子１０１，１０２，１０３，１０４の配置の間隔と、アレイレンズ２の構成要素である複数のコリメートレンズ２０１，２０２，２０３，２０４の配置の間隔とは同じであるから、１つのコリメートレンズの光軸を１つのレーザ素子の光軸に合わせる調整を行い、他の複数のコリメートレンズを等間隔で設置するだけで、アレイレーザ１とアレイレンズ２との位置合わせができることになる。また、レーザ素子１０１，１０２，１０３，１０４の配置の間隔と、アレイミラー３の構成要素である複数の選択波長反射ミラー３０１，３０２，３０３，３０４の配置の間隔とは同じであるから、１つの選択波長反射ミラーの光軸を１つのコリメートレンズからの入射光の位置に合わせる調整を行い、他の複数の選択波長反射ミラーを等間隔で設置するだけで、アレイレーザ１とアレイミラー３との位置合わせができることになる。
すなわち、上記の実施形態では、光通信モジュールを作製する際の調整工数が低減する。
また、上記の実施形態では、複数の波長の光を合波するための光導波路は使用されないので、図５に例示された光通信モジュールに比べて、光結合効率を向上させることができるとともに、光通信モジュールのコストが低減する。
図４は、本発明による光通信モジュールの概略構成を示す説明図である。図４に示すように、光通信モジュールは、複数の波長の光を出射するアレイ型半導体レーザ１０と、アレイ型半導体レーザから出射された複数の波長の光の各々を平行光にするアレイレンズ２０と、波長の数分のミラーを含み、アレイレンズ２０から出射された光を入射可能な位置に設けられ、複数のミラーの各々がアレイ型半導体レーザ１０から出射された複数の波長の光を選択的に反射するアレイミラー３０とを備えている。
また、アレイ型半導体レーザ１０は、各々が互いに異なる波長の光を出射する複数のレーザ素子を含み、アレイレンズ２０は、複数のレーザ素子の各々に対応して設けられた複数のコリメートレンズを含み、複数のコリメートレンズの配置の間隔（図４に示すｐ）は、複数のレーザ素子の配置の間隔（図４に示すｐ）と同じであることが好ましい。
アレイミラー３０における複数のミラーは、複数のレーザ素子の各々に対応して設けられ、複数のミラーの配置の間隔（図４に示すｐ）は、複数のレーザ素子の配置の間隔（図４に示すｐ）と同じであることが好ましい。
図４に示すように、アレイミラー３０における各々のミラーによる反射光が一つの光束になるように、アレイミラー３０における複数のミラーが設置されていることが好ましい。
光通信モジュールの構造は、アレイ型半導体レーザ１０、アレイレンズ２０、アレイミラー３０、およびアレイミラーから出射された複数の光を集光するレンズが、金属製のパッケージに収容されている構造であってもよい（図２参照）。
本発明を、大容量光伝送システム等において使用される光通信モジュールに好適に適用することができる。
１ アレイレーザ（アレイ型半導体レーザ）
２ アレイレンズ
３ アレイミラー
４ レンズ
５ 基板
６ ペルチェ素子
７ パッケージ
８ 光ファイバ
９ 透過孔
１０ アレイ型半導体レーザ
２０ アレイレンズ
３０ アレイミラー
１１，１２，１３，１４ 電極
１５ 基板
１６ キャリア
１０１，１０２，１０３，１０４ レーザ素子
２０１，２０２，２０３，２０４ 非球面レンズ（コリメートレンズ）
３０１，３０２，３０３，３０４ 選択波長反射ミラー

Claims (9)

  1. 複数の波長の光を出射するアレイ型半導体レーザと、
    前記アレイ型半導体レーザから出射された複数の波長の光の各々を平行光にするアレイレンズと、
    波長の数分のミラーを含み、前記アレイレンズから出射された光を入射可能な位置に設けられ、複数のミラーの各々が前記アレイ型半導体レーザから出射された複数の波長の光を選択的に反射するアレイミラーと
    を備えた光通信モジュール。
  2. アレイ型半導体レーザは、各々が互いに異なる波長の光を出射する複数のレーザ素子を含み、
    アレイレンズは、前記複数のレーザ素子の各々に対応して設けられた複数のコリメートレンズを含み、
    前記複数のコリメートレンズの配置の間隔は、前記複数のレーザ素子の配置の間隔と同じである
    請求項１記載の光通信モジュール。
  3. アレイミラーにおける複数のミラーは、複数のレーザ素子の各々に対応して設けられ、
    前記複数のミラーの配置の間隔は、前記複数のレーザ素子の配置の間隔と同じである
    請求項１または請求項２記載の光通信モジュール。
  4. アレイミラーにおける各々のミラーによる反射光が一つの光束になるように、アレイミラーにおける複数のミラーが設置されている
    請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の光通信モジュール。
  5. アレイ型半導体レーザ、アレイレンズ、アレイミラー、およびアレイミラーから出射された複数の光を集光するレンズが、金属製のパッケージに収容されている
    請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の光通信モジュール。
  6. 複数の波長の光を出射するアレイ型半導体レーザを基板上に形成し、
    前記アレイ型半導体レーザから出射された複数の波長の光の各々を平行光にするアレイレンズを前記基板上に形成し、
    波長の数分のミラーを含み、複数のミラーの各々が前記アレイ型半導体レーザから出射された複数の波長の光を選択的に反射するアレイミラーを、前記基板上における前記アレイレンズから出射された光を入射可能な位置に形成する
    光通信モジュールの製造方法。
  7. 各々が互いに異なる波長の光を出射する複数のレーザ素子をウェーハに形成した後、複数のレーザ素子を分離し、
    前記複数のレーザ素子を基板上に実装し、
    アレイレンズとして、前記複数のレーザ素子の各々に対応して設けられた複数のコリメートレンズを形成し、
    前記複数のコリメートレンズを、基板上で、前記複数のレーザ素子から出射された光を入射可能な位置に実装し、
    前記複数のコリメートレンズの配置の間隔を、前記複数のレーザ素子の配置の間隔と同じにする
    請求項６記載の光通信モジュールの製造方法。
  8. アレイミラーにおける複数のミラーの配置の間隔を、前記複数のレーザ素子の配置の間隔と同じにする
    請求項６または請求項７記載の光通信モジュールの製造方法。
  9. アレイ型半導体レーザ、アレイレンズ、アレイミラー、およびアレイミラーから出射された複数の光を集光するレンズを、金属製のパッケージに収容する
    請求項６から請求項８のうちのいずれか１項に記載の光通信モジュールの製造方法。
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