JP2013205494A - 光素子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】より低消費電力である光素子モジュールを提供すること。
【解決手段】底板を有する筐体と、前記筐体内において前記底板に載置された温度調節素子と、前記筐体内において前記底板に載置された支持部材と、前記温度調整素子に載置された半導体光素子と、前記半導体光素子に接合するとともに前記支持部材に載置された、シリコン基板を有する石英ガラス系平面光波回路素子とを有する光素子と、を備え、前記支持部材は、熱が外部から前記底板を介して前記筐体内部に流入することを抑制する構成を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光素子モジュールに関する。

石英系ガラスからなる平面光波回路（Planner Lightwave Circuit：ＰＬＣ）素子と半導体光素子とを一体集積した、ハイブリッド集積モジュールと呼ばれる光素子モジュールが開示されている（特許文献１、２参照）。このような光素子モジュールでは、低消費電力化のために、特性の温度依存性が高い半導体光素子のみを温度調節素子によって温度制御し、特性の温度依存性が低いＰＬＣ素子については温度制御をしない構成をとる場合がある。

特開２０１１−２５８７５８号公報 特表２００９−５２２６０８号公報

しかしながら、上述した半導体光素子のみを温度制御する構成の光素子モジュールにおいて、温度調節素子の消費電力が、予測される値よりも大きくなる場合があるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より低消費電力である光素子モジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光素子モジュールは、底板を有する筐体と、前記筐体内において前記底板に載置された温度調節素子と、前記筐体内において前記底板に載置された支持部材と、前記温度調整素子に載置された半導体光素子と、前記半導体光素子に接合するとともに前記支持部材に載置された、シリコン基板を有する石英ガラス系平面光波回路素子とを有する光素子と、を備え、前記支持部材は、熱が外部から前記底板を介して前記筐体内部に流入することを抑制する構成を有することを特徴とする。

また、本発明に係る光素子モジュールは、上記の発明において、前記支持部材の熱伝導率は、前記底板の熱伝導率よりも低いことを特徴とする。

また、本発明に係る光素子モジュールは、上記の発明において、前記支持部材の熱伝導率は、前記底板の熱伝導率の１／１０以下であることを特徴とする。

また、本発明に係る光素子モジュールは、上記の発明において、前記底板はＣｕＷからなり、前記支持部材はジルコニア、石英ガラス、ガラスセラミック、およびホウケイ酸ガラスのいずれか一つからなることを特徴とする。

また、本発明に係る光素子モジュールは、上記の発明において、前記支持部材の熱膨張係数と前記平面光波回路素子の基板の熱膨張係数との差が３×１０^−６／Ｋ以下であることを特徴とする。

また、本発明に係る光素子モジュールは、上記の発明において、前記支持部材が石英ガラスまたはホウケイ酸ガラスからなることを特徴とする。

また、本発明に係る光素子モジュールは、上記の発明において、前記支持部材は、前記底板および前記平面光波回路素子に接触する面積の合計が小さく設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、より低消費電力である光素子モジュールを実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る光素子モジュールの模式的な側断面図である。 図２は、図１に示す光素子の平面図である。 図３は、温度調節素子の駆動電流と素子表面温度との関係を示す図である。 図４は、実施の形態２に係る光素子モジュールの模式的な要部側断面図である。 図５は、図４に示す光素子モジュールの模式的な要部平面図である。 図６は、支持部材の一例の模式的な平面図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る光素子モジュールの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、適宜説明を省略している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光素子モジュールの模式的な側断面図である。図１に示すように、本実施の形態１に係る光素子モジュール１００は、筐体１０内に、温度調節素子２０、サブキャリア３０、半導体光素子４１とＰＬＣ素子４２とを有する光素子４０、支持部材５０、および光ファイバ固定部材６０が収容され、かつ光ファイバ７０の一端が挿入された構成を有する。

筐体１０は、底板１１と、側壁部１２と、蓋１３と、側壁部１２に形成された光ファイバ挿入部１４とを有している。これらの要素は内部が気密構造となるように封止されている。底板１１は熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ〜２００Ｗ／ｍ・Ｋと高い銅タングステン（ＣｕＷ）からなる。側壁部１２、蓋１３、および光ファイバ挿入部１４は熱膨張係数が低いＫｏｖａｒ（登録商標）からなる。

温度調節素子２０は、筐体１０内において、底板１１に載置されている。温度調節素子２０は、たとえばペルチェ素子であり、駆動電流が供給されることによって光素子４０の半導体光素子４１を冷却し、その温度を調節することができる。

サブキャリア３０は、温度調節素子２０に載置されている。サブキャリア３０は、光素子４０の半導体光素子４１の部分を載置するものであり、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋと高いＡｌＮからなる。半導体光素子４１は、サブキャリア３０を介して温度調節素子２０に載置されている。

光素子４０は、半導体光素子４１とＰＬＣ素子４２とが接着剤等によって接合され、ハイブリッド集積素子として構成されている。光素子４０のより具体的構成については後述する。

支持部材５０は、筐体１０内において、底板１１に載置されている。支持部材５０は、光素子４０のＰＬＣ素子４２の部分を載置するものであり、熱伝導率が低い石英系ガラスからなる。

光ファイバ固定部材６０は、ＰＬＣ素子４２の先端に接合されている。光ファイバ固定部材６０は、たとえばガラスからなり、光ファイバ挿入部１４から挿入された光ファイバ７０の一端を載置し、固定するためのものである。光ファイバ７０の光ファイバ挿入部１４にかかる部分はメタライズ加工されている。ＰＬＣ素子４２と半導体素子４１とを筺体１０内に固定した後、光ファイバ挿入部１４にハンダを封入することで、気密封止が行なわれる。

つぎに、光素子４０についてより具体的に説明する。図２は、図１に示す光素子の平面図である。図２に示すように、光素子４０は、接合された半導体光素子４１とＰＬＣ素子４２とを有する。

半導体光素子４１は、ＩｎＰ基板上に積層されたＩｎＰ半導体積層構造内に、埋め込み型の光増幅導波路４１ａがＵ字状に形成されたものである。光増幅導波路４１ａは、たとえばＧａＩｎＮＡｓＰ系半導体材料、またはＡｌＧａＩｎＡｓ半導体材料からなる活性層で構成されており、１．５５μｍ帯の波長の光を増幅することができるようにその組成が設定されている。また、ＩｎＰ基板の裏面およびＩｎＰ半導体積層構造の表面には、それぞれ不図示のｎ側電極、ｐ側電極が形成されている。なお、上記の半導体材料は例示であり、使用される半導体材料は、使用される光の波長に応じて適宜選択することができる。

ＰＬＣ素子４２は、シリコン基板上に積層された石英系ガラスからなるクラッド層内に、クラッド層の屈折率よりも高い屈折率を有する石英系ガラスからなるコア層で構成された各種の光導波路が形成されたものである。具体的には、ＰＬＣ素子４２は、入力光導波路４２ａと、光導波路型方向性結合器からなる３ｄＢカプラ４２ｂと、２つのアーム光導波路４２ｃ、４２ｄと、光導波路型方向性結合器からなる３ｄＢカプラ４２ｅと、出力光導波路４２ｆ、４２ｇとが順次接続されて、マッハツェンダー（Mach-Zehnder Interferometer：ＭＺＩ）干渉計型の偏波分離／合成素子として構成されている。出力光導波路４２ｆには１／２波長板４２ｈが挿入されている。アーム光導波路４２ｃ、４２ｄの上方のクラッド層の表面には、ヒータ４２ｉ、４２ｊがそれぞれ形成されている。ヒータ４２ｉ、４２ｊは、アーム光導波路４２ｃ、４２ｄを局所加熱して実効屈折率を変化させることによって、ＰＬＣ素子４２の偏波分離／合成素子としての特性を、導波路構造形成後に調整するためのものである。ヒータ４２ｉ、４２ｊはたとえば金属薄膜で形成される。

半導体光素子４１の光増幅導波路４１ａと、ＰＬＣ素子４２の出力光導波路４２ｆ、４２ｇとは、互いに端面４１ｂ、４２ｋにおいて光学的に結合している。なお、光増幅導波路４１ａ、出力光導波路４２ｆ、４２ｇのそれぞれは、端面４１ｂまたは４２ｋの近傍において曲げ導波路となっている。これによって、端面４１ｂまたは４２ｋによって反射された光が各導波路に再び結合することが防止されている。

つぎに、光素子モジュール１００の動作の一例について説明する。まず、光ファイバ７０は、ポートＣ１、Ｃ２、Ｃ３を有する光サーキュレータＣのポートＣ２に接続される。光サーキュレータＣは、ポートＣ１から任意の偏波状態を有する１．５５μｍ帯の波長の光Ｌ１が入力され、ポートＣ２から光ファイバ７０に光Ｌ１を入力させる。ＰＬＣ素子４２は、入力光導波路４２ａから光Ｌ１が入力されると、光Ｌ１をＴＭ偏波（ＰＬＣ素子４２の基板面に垂直方向の偏波）の光Ｌ１１とＴＥ偏波（ＴＭ偏波に対して垂直方向の偏波）の光Ｌ１２に偏波分離し、それぞれを出力光導波路４２ｆ、４２ｇから出力する。

１／２波長板４２ｈは、光Ｌ１１が入力されるとその偏波方向を９０度回転し、ＴＥ偏波の光Ｌ１３として出力し、半導体光素子４１の光増幅導波路４１ａの一端に入力させる。一方、光Ｌ１２はＴＥ偏波のままで光増幅導波路４１ａの他の一端に入力する。

ここで、半導体光素子４１は、ｎ側電極およびｐ側電極間に電圧を印加して電力を供給されて、活性層で構成された光増幅導波路４１ａが光増幅作用を有する状態となっている。そこで、光増幅導波路４１ａは、入力された光Ｌ１２、Ｌ１３を光増幅しながら導波し、入力された側の一端とは反対側の一端から出力する。このとき、光Ｌ１２、Ｌ１３は、いずれもＴＥ偏波として光増幅導波路４１ａを導波し、増幅されるので、半導体光素子４１が有する偏波依存利得（Polarization Dependent Gain：ＰＤＧ）の影響を受けずに光増幅される。

その後、光増幅された光Ｌ１３は、ＴＥ偏波で出力光導波路４２ｇに入力される。一方、光増幅された光Ｌ１２は、ＴＥ偏波で出力光導波路４２ｆに入力され、１／２波長板４２ｈによってＴＭ偏波とされる。その後、ＰＬＣ素子４２は、光Ｌ１２、Ｌ１３を偏波合成したものを、増幅された光Ｌ２として、入力光導波路４１ａから光ファイバ７０に出力する。光サーキュレータＣは、光ファイバ７０から入力された光Ｌ２をポートＣ２で受付け、ポートＣ３から出力する。

このように、光素子モジュール１００は、ＰＤＧが低い光増幅モジュールとして動作する。

上記の光素子モジュール１００において、半導体光素子４１は、光増幅作用を奏する際に発熱する。温度調節素子２０はサブキャリア３０を介して半導体光素子４１を冷却し、半導体光素子４１が好ましい特性（たとえば増幅特性）となるような適正な温度に調節する。この温度調節は、たとえば外部に設けられた制御装置が、半導体光素子４１の近傍に設けられた温度モニタからの情報に基づいて、温度調節素子２０の駆動電流を調整することによって行う。

ここで、従来の光素子モジュールでは、ＰＬＣ素子４２の部分を載置するための支持部材としては、底板１１との熱膨張係数との差を小さくするために、底板１１と同じ材料、たとえばＣｕＷからなる支持部材を用いているものがあった。

ところが、本発明者らが検討したところによれば、ＣｕＷからなる支持部材を用いた場合、両者ともに熱伝導性が高い底板１１から支持部材を介して、外部から熱が流入し、さらに流入した熱がＰＬＣ素子４２を介して半導体光素子４１に到達し、半導体光素子４１の温度を上昇させる場合があることを発見した。この場合、半導体光素子４１を適正な温度とするために、温度調節素子２０の駆動電流を大きくして、半導体光素子４１をさらに冷却する必要があるため、光素子モジュール１００の消費電力が大きくなる。

これに対して、本実施の形態１に係る光素子モジュール１００では、支持部材として、底板１１の材料であるＣｕＷに比べて熱伝導率が低い石英系ガラスからなる支持部材５０を備えているので、外部から底板１１および支持部材５０を介した熱の流入は抑制される。その結果、温度調節素子２０に必要な駆動電流は低減されるので、光素子モジュール１００はより低消費電力となる。

つぎに、本発明の実施例、比較例として、上記実施の形態１に係る光素子モジュールと、同様の構成を有する、石英ガラスからなる支持部材を用いた光素子モジュール、および、実施例の光素子モジュールと略同じ構成を有するが、ＣｕＷからなる支持部材を用いた光素子モジュールの熱的特性を比較した。石英ガラスの熱伝導率は２Ｗ／ｍ・Ｋとし、ＣｕＷの熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋとした。また、参考例としては、実施例の光素子モジュールにおいて、ＰＬＣ素子と支持部材とを除去した構成の光素子モジュールとした。実施例、比較例、および参考例の光素子モジュールを７５℃の環境温度に設置し、半導体光素子の発熱量が２．７Ｗとなるように駆動させた状態で、半導体光素子の表面温度が２５℃になるように温度調節素子を駆動するように設定した。

図３は、温度調節素子の駆動電流と素子表面温度との関係を示す図である。図３に示すように、参考例の場合は、駆動電流を０．７５Ａにすれば素子表面温度を２５℃にできた。実施例の場合は、駆動電流を１．９Ａにすれば素子表面温度を２５℃にできた。しかしながら、比較例の場合は、駆動電流を２．０Ａとしても素子表面温度は４８．８℃にしかできなかった。また、駆動電流を４．０Ａまで増加させても素子表面温度を２５℃にすることはできなかった。

以上説明したように、本実施の形態１に係る光素子モジュール１００は、より低消費電力なものである。

なお、支持部材５０の構成材料としては、底板１１の構成材料よりも熱伝導率が低いものであればよいが、熱伝導率が１／１０以下のものが好ましく、１／１００以下のものがさらに好ましい。たとえば、底板１１がＣｕＷ（熱伝導率：１８０Ｗ／ｍ・Ｋ〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ）からなる場合は、支持部材５０の構成材料は、ジルコニア（熱伝導率：３Ｗ／ｍ・Ｋ）、石英ガラス（熱伝導率：２Ｗ／ｍ・Ｋ）、ガラスセラミック（熱伝導率：０．２Ｗ／ｍ・Ｋ）、ホウケイ酸ガラス、たとえばパイレックスガラス（登録商標）（熱伝導率：１Ｗ／ｍ・Ｋ）などを利用できる。

また、支持部材５０の構成材料としては、ＰＬＣ素子４２の基板の構成材料と比較して熱膨張係数の差がたとえば小さいものであれば、光素子モジュール１００が温度変化した場合に支持部材５０とＰＬＣ素子４２との間に発生する熱応力が小さいので好ましい。基板の構成材料であるシリコンの熱膨張係数は２．６×１０^−６／Ｋであるが、ジルコニア、石英ガラス、ガラスセラミック、パイレックスガラスの熱膨張係数は、それぞれ１０×１０^−６／Ｋ、０．４×１０^−６／Ｋ、１１．５×１０^−６／Ｋ、３．２×１０^−６／Ｋであり、差はそれぞれ７．４×１０^−６／Ｋ、２．２×１０^−６／Ｋ、８．９×１０^−６／Ｋ、０．６×１０^−６／Ｋである。したがって、熱膨張係数の点からは、支持部材５０の熱膨張係数とＰＬＣ素子４２の基板の熱膨張係数との差が３×１０^−６／Ｋ以下である石英ガラス、パイレックスガラスがより好ましい。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る光素子モジュールの模式的な要部側断面図である。図５は、図４に示す光素子モジュールの模式的な要部平面図である。本実施の形態２に係る光素子モジュール１００Ａは、実施の形態１に係る光素子モジュール１００において、支持部材５０を支持部材５０Ａに置き換えた構成を有する。

支持部材５０Ａは、底板１１の上に載置されている。支持部材５０Ａは、光素子４０のＰＬＣ素子４２の部分を載置するものであり、石英系ガラスからなる２つのブロック体からなる。

この支持部材５０Ａは、橋げた状の形状であるため、底板１１およびＰＬＣ素子４２に接触する面積の合計が、板状である支持部材５０の場合よりも小さい。これによって、外部から底板１１および支持部材５０Ａを介した熱の流入はさらに抑制される。その結果、温度調節素子２０に必要な駆動電流は低減されるので、光素子モジュール１００Ａはさらに低消費電力となる。

なお、支持部材５０Ａの構成材料としては、支持部材５０と同様に、底板１１の構成材料よりも、熱伝導率が１／１０以下のものが好ましく、１／１００以下のものがさらに好ましく、たとえば、ジルコニア、石英ガラス、ガラスセラミック、パイレックスガラスなどを利用できる。

また、本実施の形態２で使用することができる支持部材としては、支持部材５０Ａのように２つのブロック体からなるものに限られない。支持部材は、底板１１およびＰＬＣ素子４２に接触する面積が、外部から底板１１を介しての熱の流入が抑制され、温度調節素子２０に必要な駆動電流が増加しない程度の大きさのものであればよい。図６は、支持部材の一例の模式的な平面図である。図６に示すような格子状の支持部材５０Ｂも、底板１１およびＰＬＣ素子４２に接触する面積を小さくできるので好ましい。

なお、上記実施の形態では、光素子は図２に示す構成のものであるが、本発明に係る光素子の構成は、半導体光素子とＰＬＣ素子とが接合されたものであれば特に限定されず、たとえば特許文献１に示すような、半導体レーザ素子と光選択素子と半導体光増幅器とを備えた構成の光素子でもよい。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１０ 筐体
１１ 底板
１２ 側壁部
１３ 蓋
１４ 光ファイバ挿入部
２０ 温度調節素子
３０ サブキャリア
４０ 光素子
４１ 半導体光素子
４１ａ 光増幅導波路
４１ｂ 端面
４２ ＰＬＣ素子
４２ａ 入力光導波路
４２ｂ、４２ｅ ３ｄＢカプラ
４２ｃ、４２ｄ アーム光導波路
４２ｆ、４２ｇ 出力光導波路
４２ｈ １／２波長板
４２ｉ、４２ｊ ヒータ
５０、５０Ａ、５０Ｂ 支持部材
６０ 光ファイバ固定部材
７０ 光ファイバ
１００、１００Ａ 光素子モジュール
Ｃ 光サーキュレータ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ ポート
Ｌ１、Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ２ 光

Claims (7)

1. 底板を有する筐体と、
   前記筐体内において前記底板に載置された温度調節素子と、
   前記筐体内において前記底板に載置された支持部材と、
   前記温度調整素子に載置された半導体光素子と、前記半導体光素子に接合するとともに前記支持部材に載置された、シリコン基板を有する石英ガラス系平面光波回路素子とを有する光素子と、
   を備え、前記支持部材は、熱が外部から前記底板を介して前記筐体内部に流入することを抑制する構成を有することを特徴とする光素子モジュール。
2. 前記支持部材の熱伝導率は、前記底板の熱伝導率よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の光素子モジュール。
3. 前記支持部材の熱伝導率は、前記底板の熱伝導率の１／１０以下であることを特徴とする請求項２に記載の光素子モジュール。
4. 前記底板はＣｕＷからなり、前記支持部材はジルコニア、石英ガラス、ガラスセラミック、およびホウケイ酸ガラスのいずれか一つからなることを特徴とする請求項２に記載の光素子モジュール。
5. 前記支持部材の熱膨張係数と前記平面光波回路素子の基板の熱膨張係数との差が３×１０^−６／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光素子モジュール。
6. 前記支持部材が石英ガラスまたはホウケイ酸ガラスからなることを特徴とする請求項５に記載の光素子モジュール。
7. 前記支持部材は、前記底板および前記平面光波回路素子に接触する面積の合計が小さく設定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光素子モジュール。

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