JP2012068399A

JP2012068399A - 光モジュール及びその製造方法

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Publication number: JP2012068399A
Application number: JP2010212478A
Authority: JP
Inventors: Osamu Ishii; 理石井
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2012-04-05
Also published as: CN102411169A; US20120070113A1; CN102411169B

Abstract

【課題】光モジュールの機械的強度の低下を招くことなく、干渉計の精度を高い状態に保つことができない。
【解決手段】光モジュールは、干渉計を有する基板と、基板の底面の一部の領域である接合領域に接合するキャリアと、を有し、接合領域には、干渉計が占める基板上の領域に対応する底面の領域が含まれない。
【選択図】図１

Description

本発明は光モジュール及びその製造方法に関し、特に、干渉計を有する光モジュール及びその製造方法に関する。

図２に示されるマッハツェンダー干渉計（Ｍａｃｈ−ＺｅｈｎｄｅｒＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔ；ｒ；ＭＺＩ）や図３に示される多モード干渉計（Ｍｕｌｔｉ−ＭｏｄｅＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ；ＭＭＩ)などの平面光回路（ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ；ＰＬＣ)の光導波路を用いた干渉計は、様々な光機能素子において活用されている。また、近年、ネットワークトラフィックの劇的な増加に伴い、１００Ｇｂ／ｓレベルの光伝送技術の開発が盛んに進められ始め、その中でＤｕａｌ−ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＱｕａｄｒａｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｋｅｙｉｎｇ（ＤＰ−ＱＰＳＫ）等の多値符号化技術を利用した光デジタルコヒーレント技術が重要視されている。そして、光デジタルコヒーレント技術においては、ハイブリッド干渉計や、偏波分離器（ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＢｅａｍＳｐｌｉｔｔｅｒ；ＰＢＳ）などのより高精度な干渉計が用いられている。

上述した干渉計の干渉特性は屈折率の変動の影響を受ける。例えば図２に示されるＭＺＩの場合、光スプリッタ１０８ａと光カプラ１０９ａに接続された２本のアーム導波路１１０ａ間の屈折率のバランスが崩れると、その干渉特性は大きく変動してしまう。屈折率のバランスが崩れる要因の一つとしては、ＰＬＣの基板に加えられる応力が考えられる。この応力は、ＰＬＣの基板をモジュールパッケージに組み込むために、ＰＬＣの基板を搭載するキャリアに半田や接着剤等で貼り付ける時に主に生じる。ＰＬＣの基板に形成された干渉計は、この時の基板に加わる応力の影響を非常に受けやすい。

例えば、図４に示される、ＭＺＩからなり、光スプリッタ１０８ｂと光カプラ１０９ｂとを有するハイブリッド干渉計では、ポート間の出力位相が９０°の位相角の差をもっている。仮にこのようなＭＺＩの構造の全体に均一に応力が加わった場合、λ／４分に対応した２本のアーム導波路長の差分のみに影響が出ることとなる。この導波路長の実際の差はサブミクロン単位であり、位相角が１°変動するためには両アームに１０^−２オーダの屈折率変動が必要となる。しかしながら、この場合、応力により発生する一般的な屈折率変動は１０^−５オーダである。このため、ＭＺＩの構造の全体に均一に応力が加わった場合は応力による影響はほとんど生じない。

しかしながら、実際のＭＺＩの構造には、その全体に対して不均一な応力が加わる。このため、両アーム導波路にかかる応力の大きさは異なり、応力による屈折率変動量も両アーム導波路で異なる値となる。位相角は、両アーム導波路における屈折率と導波路長の積で与えられる光路長の差によって決まる。両アーム導波路の屈折率変動量が異なる場合、位相角への影響はアーム導波路長全体の長さで効いてくる。そして、実際のアーム導波路長は数ｍｍ程度である。この場合、位相角の１°あたりの変動は１０^−６オーダの屈折率変動で発生する。したがって、実際には、ＭＺＩの構造に加わる応力により位相角が変動する恐れがある。

また、図５に示される様なＭＺＩによる偏光ビームスプリッター（ＰｏｌａｒｉｚｉｎｇＢｅａｍＳｐｌｉｔｔｅｒ；ＰＢＳ）では、２本のアーム導波路間の屈折率差はもちろん、干渉計全体の屈折率を１０^−５オーダに制御しなくてはならない。このＰＢＳは、光スプリッタ１０８ｃと光カプラ１０９ｃと複屈折構造１１２ｃとを有する。

これら高精度な干渉計においては、高精度な干渉計が製造できたとしても、モジュールパッケージ等に組み込まれる際に応力による屈折率変動が起こり、その結果、干渉計の精度が低くなってしまう懸念がある。

特許文献１には、光導波路を備えるＰＬＣ基板と光素子とをハイブリッド集積してなる光素子ユニットと、光素子ユニットの温度を制御するための温度制御素子とを有し、光素子ユニットと温度制御素子とが、光素子ユニットにおける光導波路以外の他の部分に対応する底面の一部分で接合された光モジュールが開示されている。この光モジュールは、温度制御素子やパッケージの熱変形あるいは機械変形による歪が、応力として光素子へ伝わらないような構造にすることによる光素子特性の外部応力依存性の緩和と、光素子の適切な定温制御とを同時に実現する。

特許文献２には、基板中に光導波路が形成された導波路基板と、導波路基板を保持する補強部材とからなる導波路型光デバイスにおいて、補強部材の導波路基板の底面と固着された部分の面積が導波路基板の底面の全体の面積よりも小さい形状を有する導波路型光モジュールの構造が開示されている。この光デバイスでは、補強部材が固着される導波路基板底面の固着面積が導波路基板の底面全体より小さくされているため、接着剤硬化時に発生する歪を緩和でき、光導波路特性を安定させることができる。

特開２００８−１９３００３号公報（段落「０００８」、「０００９」、図１）実開平４−１３７３０５号公報（段落「０００５」、「００１２」、「００１４」、図１、図２）

しかしながら、特許文献１の光モジュールは、温度制御素子やパッケージの熱変形あるいは機械変形による歪が応力として光素子へ伝わらないような構造になってはいるが、干渉計を含む、導波路を有する基板に伝わる応力は一切考慮されていない。このため、干渉計を有する基板にこの構造を適用した場合、干渉計に応力が加わり、干渉計の精度が低下することが予想される。

また、特許文献２の光デバイスでは、補強部材が固着される導波路基板底面の固着面積が導波路基板の底面全体と比べて非常に小さくされている。このため、補強部材と導波路基板とを強く接着することができず、光デバイスとしての機械的強度を高く維持することができない。

このように、関連する技術にておいては、光モジュールの機械的強度の低下を招くことなく、干渉計の精度を高い状態に保つことができない、という問題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、光モジュールの機械的強度の低下を招くことなく、干渉計の精度を高い状態に保つことができない、という課題を解決する光モジュール及び光モジュールの製造方法を提供することにある。

本発明の光モジュールは、干渉計を有する基板と、基板の底面の一部の領域である接合領域に接合するキャリアと、を有し、接合領域には、干渉計が占める基板上の領域に対応する底面の領域が含まれない。

また、本発明の光モジュールの製造方法は、干渉計を有する基板の底面の一部の領域であって、干渉計が占める基板上の領域に対応する底面の別の一部の領域が含まれない接合領域に、基板を搭載するキャリアを接合する。

本発明の光モジュールによれば、光モジュールの機械的強度の低下を招くことなく、干渉計の精度を高い状態に保つことができる。

本発明の第１の実施形態の光モジュールの（Ａ）分解斜視図、（Ｂ）分解斜視図（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線断面図、（Ｃ）分解されていない状態の断面図である。マッハツェンダー干渉計を示す図である。多モード干渉計を示す図である。ハイブリッド干渉計を示す図である。ＭＺＩによる偏光ビームスプリッターを示す図である。本発明の第１の実施形態の光モジュールの別の例を示す断面図である。本発明の第１の実施形態の光モジュールのさらに別の例を示す分解斜視図である。本発明の第１の実施形態の光モジュールのさらに別の例を示す分解斜視図である。本発明の第１の実施形態の光モジュールのさらに別の例を示す分解斜視図である。本発明の第１の実施形態の光モジュールの例を示す断面図である。本発明の比較例の位相角変動量を示す図である。本発明の実施例の位相角変動量を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

〔第１の実施形態〕
本実施形態の光モジュール１００は、図１（Ａ）に示すように、基板１０１と、基板１０１が搭載されるキャリア１０２とを有する。基板１０１には、第１の干渉計１０３、第２の干渉計１０４と、これらの干渉計に接続された導波路１１３とが位置する。

光モジュール１００の構造について、図１（Ｂ）を用いてさらに詳細に説明する。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した光モジュール１００の１Ｂ−１Ｂ線断面図である。キャリア１０２は基板１０１の底面の一部の領域に接合する。なお、本明細書では、キャリア１０２が接合する基板１０１の底面の一部の領域を接合領域１０７と呼ぶ。また、本明細書では、第１の干渉計１０３が占める基板上の領域に対応する底面の一部の領域を第１の干渉計領域１０５と呼ぶ。また、本明細書では、第２の干渉計１０４が占める基板上の領域に対応する底面の一部の領域を第２の干渉計領域１０６と呼ぶ。図２に示すように、接合領域１０７には、第１の干渉計領域１０５、第２の干渉計領域１０６のいずれも含まれない。よって、光モジュール１００は、図１に示すように、基板１０１と、基板１０１の接合領域１０７に接合するキャリア１０２とを有し、接合領域１０７には第１の干渉計領域１０５及び第２の干渉計領域１０６のいずれもが含まれないこととなる。

第１の干渉計１０３と第２の干渉計１０４として、図４に示されるハイブリッド干渉計を用いることができる。また、第１の干渉計１０３と第２の干渉計１０４として、図２のＭＺＩや図３のＭＭＩを用いても良い。ＭＭＩ１１４ｄは導波路１１３ｄに接続されている。また、図５のＭＺＩによるＰＢＳを用いても良い。

本実施形態の光モジュール１００は、接合領域１０７が第１の干渉計領域１０５及び第２の干渉計領域１０６のいずれをも含まない。すなわち、第１の干渉計領域１０５と第２の干渉計領域１０６のいずれの領域にも、キャリア１０２は接合しない。このため、第１の干渉計領域１０５と第２の干渉計領域１０６とではキャリア１０２から伝わる応力が開放されるため、屈折率が変動するのを抑制することができ、干渉計の精度を高い状態に保つことができる。また、キャリア１０２は基板１０１の第１の干渉計領域１０５及び第２の干渉計領域１０６以外の領域と接合することができる。このため、基板１０１をキャリア１０２に搭載するために、基板１０１とキャリア１０２との十分な接合面積を得ることができ、光モジュール１００全体として十分な機械的強度を得ることができる。

キャリア１０２は凸部を有するのが望ましい。この場合、凸部が基板１０１の接合領域１０７と接合するのが望ましい。

また、図６に示すように、光モジュール１００ｅの基板１０１ｅの底面は凸部を有するのが望ましい。この場合、凸部がキャリア１０２ｅと接合する接合領域１０７ｅとなるのが望ましい。基板１０１ｅは、第１の干渉計１０３ｅと第２の干渉計１０４ｅとを有する。接合領域１０７ｅは、第１の干渉計領域１０５ｅ、第２の干渉計領域１０６ｅを含まない。

上述の説明では、第１の干渉計１０３及び第２の干渉計１０４の２つの干渉計を有する光モジュール１００について説明したが、干渉計の数はこれに限られない。例えば、光モジュールは干渉計を３つ以上有していても良いし、１つのみを有していても良い。

接合領域１０７の形状は限定されない。例えば、図１に示されるように、接合領域１０７が、第１の干渉計領域と第２の干渉計領域との間の領域であっても良い。本明細書では、このような形状の接合領域１０７を有する光モジュール１００の構造をＩ型構造と呼ぶ。このＩ型構造は、第１の干渉計１０３と第２の干渉計１０４との間隔が大きいときに有効である。このＩ型構造では、接合領域１０７が干渉計に対して一方向にしか存在しないため、干渉計に加わる応力を軽減することができる。

また、図７に示すように、接合領域１０７ａは、第１の干渉計１０３ａに対応する第１の干渉計領域と、第２の干渉計１０４ａに対応する第２の干渉計領域と、第１の干渉計領域と第２の干渉計領域との間の領域とを含む第３の干渉計領域１１１ａの横に位置する第１の横の領域であっても良い。本明細書では、このような形状の接合領域１０７ａを有する基板１０１ａと、この基板１０１ａが搭載されるキャリア１０２ａとを有する光モジュール１００ａの構造を片持ち構造と呼ぶ。この片持ち構造は、第１の干渉計１０３ａと第２の干渉計１０４ａの両方の干渉計を基板の端に配置させることができる場合に有効である。この片持ち構造では、接合領域１０７ａが干渉計に対して一方向にしか存在しないため、干渉計に加わる応力を軽減することができる。

また、図８に示すように、接合領域１０７ｂは、第１の干渉計１０３ｂに対応する第１の干渉計領域と、第２の干渉計１０４ｂに対応する第２の干渉計領域と、第１の干渉計領域と第２の干渉計領域との間の領域とを含む第３の干渉計領域１１１ｂの左右に位置する領域であっても良い。すなわち、接合領域１０７ｂは第３の干渉計領域１１１ｂの横に位置する第１の横の領域と、この第１の横の領域の、第３の干渉計領域１１１ｂを介して反対側に位置する第２の横の領域とを含む。本明細書では、このような形状の接合領域１０７ｂを有する基板１０１ｂと、この基板１０１ｂが搭載されるキャリア１０２ｂとを有する光モジュール１００ｂの構造をＩＩ型構造と呼ぶ。このＩＩ型構造は、第１の干渉計１０３ｂと第２の干渉計１０４ｂとの間隔が小さい場合に有効である。また、このＩＩ型構造では、第１の干渉計１０３ｂと第２の干渉計１０４ｂとを挟むように接合領域１０７ｂが配置されているため、より高い機械的強度を保つことができる。

また、図９に示すように、接合領域１０７ｃは、第１の干渉計１０３ｃに対応する第１の干渉計領域と第２の干渉計１０４ｃに対応する第２の干渉計領域との間の領域と、第１の干渉計領域と第２の干渉計領域とこれらの間の領域とを含む第３の干渉計領域１１１ｃの左右に位置する領域とを含む領域であっても良い。本明細書では、このような形状の接合領域１０７ｃを有する基板１０１ｃと、この基板１０１ｃが搭載されるキャリア１０２ｃとを有する光モジュール１００ｃの構造をＨ型構造と呼ぶ。このＨ型構造では、第１の干渉計１０３ｃと第２の干渉計１０４ｃとを取り囲む様に接合領域１０７ｃが配置されているため、より高い機械的強度を保つことができる。

また、図１０に示す光モジュール１００ｄのように、接合領域１０７ｄと、第１の干渉計を構成するアーム導波路１１０ｄが占める基板上の領域に対応する底面の一部の領域である導波路領域１１５ｄとは１ｍｍ以上離れているのが望ましい。これらを１ｍｍ以上離すことにより、より確実に干渉計の精度を高い状態に保つことができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本実施形態の光モジュールの製造方法について図１を用いて説明する。

本実施形態の光モジュール１００の製造方法では、干渉計を有する基板１０１の底面の一部の領域であって、干渉計が占める基板１０１上の領域に対応する底面の別の一部の領域が含まれない接合領域１０７に、基板１０１を搭載するキャリア１０２を接合する。これにより、第１の実施形態に係る光モジュール１００を製造することができる。

接合領域１０７は、例えば、基板１０１の底面に金属膜を設けて、この金属膜をパターニングすることにより形成することができる。金属膜をパターニングして、金属膜を有する部分を接合領域１０７とし、金属膜を有しない部分をそれ以外の領域とすれば、半田付けにより、キャリア１０２を接合領域１０７に容易に接合することができる。

〔実施例〕
次に本発明の実施例について説明する。本実施例では、Ｈ型構造の基板であって、ハイブリッド干渉計と基板の底面に備えられた金属膜のパターンとを有する基板単体（ＰＬＣ単体）の位相角と、この基板を、凸部を有するキャリアに半田で融着して得られた光モジュール（ＰＬＣ単体＋キャリア）の位相角の差（位相角変動量）を調べた。また、比較例として、ハイブリッド干渉計と基板の底面全面に備えられた金属膜とを有する基板単体（ＰＬＣ単体）の位相角と、この基板を、凸部を有するキャリアに半田で融着して得られた光モジュール（ＰＬＣ単体＋キャリア）の位相角の差（位相角変動量）を調べた。比較例の結果を図１１に示す。本発明の実施例の結果を図１２に示す。

図１１に示すように、比較例では最大で約５°程度の位相角変動量が生じた。一方、図１２に示すように、本発明の実施例では、５つのサンプル全てにおいて位相角変動量を１°以下に抑制することができた。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）干渉計を有する基板と、前記基板の底面の一部の領域である接合領域に接合するキャリアと、を有し、前記接合領域には、前記干渉計が占める前記基板上の領域に対応する前記底面の領域が含まれない光モジュール。

（付記２）前記基板は、第１の干渉計と第２の干渉計とを含む少なくとも２以上の干渉計を有する付記１に記載の光モジュール。

（付記３）前記接合領域と、前記干渉計を構成する導波路が占める前記基板上の領域に対応する前記底面の領域とは１ｍｍ以上離れている付記１又は２に記載の光モジュール。

（付記４）前記接合領域には、前記第１の干渉計が占める前記基板上の領域に対応する前記底面の領域である第１の干渉計領域と、前記第２の干渉計が占める前記基板上の領域に対応する前記底面の別の領域である第２の干渉計領域と、前記第１の干渉計領域と前記第２の干渉計領域との間の前記底面の領域とを含む第３の干渉計領域の横に位置する第１の横の領域が含まれる付記２又は３に記載の光モジュール。

（付記５）前記接合領域には、前記第１の横の領域の、前記第３の干渉計領域を介して反対側に位置する第２の横の領域が含まれる付記４に記載の光モジュール。

（付記６）前記接合領域には、前記第１の光干渉計が占める前記基板上の領域に対応する前記底面の領域である第１の干渉計領域と、前記第２の光干渉計が占める前記基板上の領域に対応する前記底面の別の領域である第２の干渉計領域との間の領域が含まれる付記２から５のいずれかに記載の光モジュール。

（付記７）前記干渉計は、ハイブリッド干渉計である付記１から６のいずれかに記載の光モジュール。

（付記８）前記キャリアの表面に第１の凸部が位置し、前記接合領域は前記第１の凸部と接合する付記１から７のいずれかに記載の光モジュール。

（付記９）前記基板の底面に第２の凸部が位置し、前記接合領域は前記第２の凸部である付記１から８のいずれかに記載の光モジュール。

（付記１０）前記基板と前記キャリアは半田を介して接合している付記１から９のいずれかに記載の光モジュール。

（付記１１）干渉計を有する基板の底面の一部の領域であって、前記干渉計が占める前記基板上の領域に対応する前記底面の別の一部の領域が含まれない接合領域に、前記基板を搭載するキャリアを接合する光モジュールの製造方法。

（付記１２）前記接合領域は、前記基板の底面に設けられた金属膜をパターニングして形成され、前記金属膜を有する部分を前記接合領域として、半田付けにより、前記キャリアを前記接合領域に接合する付記１１に記載の光モジュールの製造方法。

１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ光モジュール
１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｅ基板
１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｅキャリア
１０３、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｅ第１の干渉計
１０４、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｅ第２の干渉計
１０５、１０５ｅ第１の干渉計領域
１０６、１０６ｅ第２の干渉計領域
１０７、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ、１０７ｅ接合領域
１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ光スプリッタ
１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ光カプラ
１１０ａ、１１０ｄアーム導波路
１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ第３の干渉計領域
１１２ｃ複屈折構造
１１３、１１３ｄ導波路
１１４ｄＭＭＩ
１１５ｄ導波路領域

Claims

干渉計を有する基板と、
前記基板の底面の一部の領域である接合領域に接合するキャリアと、を有し、
前記接合領域には、前記干渉計が占める前記基板上の領域に対応する前記底面の領域が含まれない光モジュール。
前記基板は、第１の干渉計と第２の干渉計とを含む少なくとも２以上の干渉計を有する請求項１に記載の光モジュール。
前記接合領域と、前記干渉計を構成する導波路が占める前記基板上の領域に対応する前記底面の領域とは１ｍｍ以上離れている請求項１又は２に記載の光モジュール。
前記接合領域には、前記第１の干渉計が占める前記基板上の領域に対応する前記底面の領域である第１の干渉計領域と、前記第２の干渉計が占める前記基板上の領域に対応する前記底面の別の領域である第２の干渉計領域と、前記第１の干渉計領域と前記第２の干渉計領域との間の前記底面の領域とを含む第３の干渉計領域の横に位置する第１の横の領域が含まれる請求項２又は３に記載の光モジュール。
前記接合領域には、前記第１の横の領域の、前記第３の干渉計領域を介して反対側に位置する第２の横の領域が含まれる請求項４に記載の光モジュール。
前記接合領域には、前記第１の光干渉計が占める前記基板上の領域に対応する前記底面の領域である第１の干渉計領域と、前記第２の光干渉計が占める前記基板上の領域に対応する前記底面の別の領域である第２の干渉計領域との間の領域が含まれる請求項２から５のいずれかに記載の光モジュール。
前記干渉計は、ハイブリッド干渉計である請求項１から６のいずれかに記載の光モジュール。
前記キャリアの表面に第１の凸部が位置し、
前記接合領域は前記第１の凸部と接合する請求項１から７のいずれかに記載の光モジュール。
干渉計を有する基板の底面の一部の領域であって、前記干渉計が占める前記基板上の領域に対応する前記底面の別の一部の領域が含まれない接合領域に、前記基板を搭載するキャリアを接合する光モジュールの製造方法。
前記接合領域は、前記基板の底面に設けられた金属膜をパターニングして形成され、
前記金属膜を有する部分を前記接合領域として、半田付けにより、前記キャリアを前記接合領域に接合する請求項９に記載の光モジュールの製造方法。