JP2015169794A - 光モジュール及び光変調装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】工数の増加を抑止しつつ高精度な光結合を実現すること。【解決手段】光を伝送する光ファイバに接続される光モジュールは、基板と、所定の波長の光を透過させる材料から成形されて前記光ファイバの端部を収納し、当該材料を透過する光を照射することによって硬化する固定剤によって前記基板上に固定されるフェルールと、前記基板上に配置され、前記フェルールに収納された前記光ファイバの端部から出射される光を変調する半導体チップとを有する。【選択図】図2

Description

本発明は、光モジュール及び光変調装置に関する。
近年、光伝送システムにおいては、例えばDP−QPSK(Dual Polarization Differential Quadrature Phase Shift Keying)方式などの光位相変調方式が注目されている。DP−QPSK方式は、伝送時の劣化が少なく、大容量を実現することができる方式であり、OIF(Optical Internetworking Forum)による標準化も進められている。
このような光位相変調方式を採用する光変調器には、半導体チップを用いて変調を行うものがある。半導体チップを用いる光変調器は、例えばニオブ酸リチウム(LiNbO3)などの強誘電体結晶を用いる光変調器と比較して、小型化することが可能である一方で、光ファイバと半導体チップとの正確な光結合が求められる。
すなわち、シングルモードの光ファイバのビーム径は例えば10μm程度であるのに対し、半導体チップに入射するビーム径は例えば1〜2μm程度となる。このため、光ファイバと半導体チップの相対的な位置がずれていると、光結合の精度が低下し、結合損が大きくなる。具体的には、例えば図9に示すように、光ファイバと半導体チップの位置ずれ量が0であれば結合損も0であるのに対し、位置ずれ量が例えば0.3μm程度となると、−1dBの結合損が発生する。
このように、半導体チップを用いた光変調器では、高精度な光結合が求められることから、光ファイバの位置を正確に固定することが望ましい。具体的には、例えば光ファイバをハンダで固定する際に、レーザマイクロメータを用いて光ファイバの位置を測定し、光ファイバを正確な位置に固定することなどが検討されている。
特開2004−157208号公報
しかしながら、ハンダは、少なくとも100℃以上の融点を有するため、光ファイバ固定時に融解して凝固するハンダの温度は、例えば室温で稼働する光変調器の稼働環境の温度と大きく異なっている。このため、ハンダの熱膨張による体積変化に伴い、光変調器の稼働時には、ハンダで固定された光ファイバの位置が変動してしまう。具体的には、ハンダが凝固した後冷却される過程で収縮し、光変調器の稼働環境においては、ハンダによって固定された光ファイバの位置がずれてしまうことがある。
そこで、ハンダを用いて光ファイバを固定する場合には、光ファイバを固定する過程でハンダの熱膨張による位置の変動を測定した後、再度ハンダを融解させて光ファイバの位置を調整するなどの方法が採られる。このように、ハンダを用いて光ファイバを固定し、光ファイバと半導体チップを高精度に光結合させるためには、工数が増加するという問題がある。
開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、工数の増加を抑止しつつ高精度な光結合を実現することができる光モジュール及び光変調装置を提供することを目的とする。
本願が開示する光モジュールは、1つの態様において、光を伝送する光ファイバに接続される光モジュールであって、基板と、所定の波長の光を透過させる材料から成形されて前記光ファイバの端部を収納し、当該材料を透過する光を照射することによって硬化する固定剤によって前記基板上に固定されるフェルールと、前記基板上に配置され、前記フェルールに収納された前記光ファイバの端部から出射される光を変調する半導体チップとを有する。
本願が開示する光モジュール及び光変調装置の1つの態様によれば、工数の増加を抑止しつつ高精度な光結合を実現することができるという効果を奏する。
図1は、一実施の形態に係る光変調器の構成を示す図である。 図2は、一実施の形態に係る基板上の構成を示す斜視図である。 図3は、一実施の形態に係る基板上の構成を示す側面図である。 図4は、一実施の形態に係る温度制御器の構成を示すブロック図である。 図5は、一実施の形態に係るフェルールの構成の一例を示す図である。 図6は、一実施の形態に係るフェルールの構成の他の一例を示す図である。 図7は、一実施の形態に係るフェルールの構成のさらに他の一例を示す図である。 図8は、一実施の形態に係る基板の構成の一例を示す図である。 図9は、位置ずれ量と結合損の関係の一例を示す図である。
以下、本願が開示する光モジュール及び光変調装置の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
図1は、一実施の形態に係る光変調器100の構成を示す図である。図1に示す光変調器100は、光ファイバ110a、110bに接続される。そして、光変調器100は、フェルール120a、120b、レンズ130、光変調チップ140、マイクロレンズアレイ(Microlens Array:以下「MLA」と略記する)150、偏波結合部160、レンズ170及び基板180を有する。
フェルール120a、120bは、それぞれ光ファイバ110a、110bの先端を収納し、光ファイバ110a、110bの位置を固定する。図1に示す光変調器100においては、光ファイバ110a及びフェルール120aから信号光が入力され、フェルール120b及び光ファイバ110bから信号光が出力される。
また、フェルール120aは、所定の波長の光を照射されると硬化する接着剤によって、基板180に接着されている。そして、フェルール120aは、接着剤を硬化させる波長の光が透過する材料から成形されている。フェルール120aについては、後に詳述する。
レンズ130は、フェルール120aに収納された光ファイバ110aの先端から出射される信号光を集光して、得られた光ビームを光変調チップ140へ入力する。レンズ130の倍率は、光ファイバ110aのモードフィールド径と光変調チップ140に入射する光ビームのビーム径との差異を吸収して接続損失を低減するために、例えば5〜10倍となっている。したがって、レンズ130によって、光ファイバ110aの先端から出射するビーム径10μm程度の光ビームがビーム径1〜2μm程度の光ビームに変換される。
光変調チップ140は、半導体材料から形成され、レンズ130から入力される光ビームを2つに分岐し、それぞれの光ビームに電気信号を重畳する。そして、光変調チップ140は、2つの光ビームをMLA150を介して偏波結合部160へ出力する。また、光変調チップ140は、電気信号が重畳された2つの光ビーム以外にも、光変調チップ140の動作を監視するための監視用の光ビームを出力する。
MLA150は、光変調チップ140によって電気信号が重畳された光ビームを平行光に変換し、偏波結合部160へ向けて出力する。すなわち、MLA150は、2つの併進する光ビームを偏波結合部160へ出力する。MLA150が出力する2つの光ビームの偏波方向は同一である。
偏波結合部160は、MLA150から出力される2つの光ビームを合成し、偏波方向が直交する2つの偏波を含む光ビームを出力する。すなわち、偏波結合部160は、MLA150から出力される一方の光ビームの偏波方向を回転させた後、他方の光ビームと合成し、得られた1つの光ビームを出力する。
レンズ170は、偏波結合部160から出力される光ビームをフェルール120bに収納された光ファイバ110bの先端に照射する。
基板180は、フェルール120a、レンズ130、光変調チップ140及びMLA150を搭載する。そして、後述するように、基板180は、温度制御器によって温度が一定に保たれており、搭載された各部品の位置が温度変化によって変動することを抑止している。
図2は、一実施の形態に係る基板180上の構成を示す斜視図である。図2に示すように、基板180は、温度制御器190の上に配置されている。そして、基板180上には、フェルール120a、レンズ130、光変調チップ140及びMLA150が搭載されている。
光変調チップ140は、基板180の台状に盛り上がった部分に配置されており、光変調に用いられる光ビームは、光ファイバ110a側の面から入射する。この光ビームのビーム径は、例えば1〜2μm程度であるため、光変調チップ140はニオブ酸リチウム(LiNbO3)などの強誘電体結晶と比較して小型であり、光変調器100を小型化することが可能となっている。
一方で、光ファイバ110aと光変調チップ140の高精度な光結合が求められるが、本実施の形態においては、光変調チップ140が基板180上に配置された後に、フェルール120a及びレンズ130が基板180上に接着される。これにより、光変調チップ140の位置に合わせて光ファイバ110aの位置が最適に調整され、光ファイバ110aと光変調チップ140を高精度に光結合させることができる。
以下、フェルール120aの構造及び接着方法について、具体的に説明する。
フェルール120aは、波長が例えば360nm程度の紫外光(Ultraviolet:UV)が透過する硼珪酸ガラスなどの材料から成形されており、内部に光ファイバ110aの先端を収納する。そして、フェルール120aのレンズ130側の面(以下「前面」という)は、光ファイバ110aの端面とともに研磨され、面一になっている。このとき、光ファイバ110aから出射した光が反射して光ファイバ110a内に戻ることを防止するため、フェルール120aの前面と光ファイバ110aの端面とを斜めに研磨し、光ビームの出射方向が光ファイバ110aの延伸方向と異なるようにしても良い。この場合には、レンズ130は、光軸が光ビームの出射方向と略平行となるように配置される。具体的には、レンズ130の光軸と光ビームの出射方向とがなす角度が±3度以内であることが好ましい。
フェルール120aは、UVを照射されることによって硬化するUV接着剤によって基板180に接着されている。換言すれば、フェルール120aは、UV接着層210によって規定される位置に固定され、光ファイバ110aと光変調チップ140の高精度な光結合を実現している。上述したように、フェルール120aがUVを透過させる材料から成形されているため、フェルール120aを基板180に接着する際には、接着面とは反対側からUVを照射してUV接着剤を硬化させることができる。すなわち、接着面にUV接着剤が塗布されたフェルール120aを光変調チップ140の位置に合わせて配置し、フェルール120aの上方からUVを照射すると、UVはフェルール120aを透過して接着面のUV接着剤を硬化させる。この結果、UV接着層210の上にフェルール120aが固定される。
このとき、接着面に塗布されるUV接着剤の量を調節することにより、UV接着層210の高さを調節することができ、結果として、フェルール120aの高さを高精度に調整することができる。また、UV接着剤は、UVが照射されることによって硬化するため、フェルール120aの接着時に熱を加える必要がなく、熱膨張による体積変化の影響を考慮する必要がない。すなわち、フェルール120aの接着時と光変調器100の稼働時とでUV接着層210の温度が大きく異なることがないため、一度UVを照射してフェルール120aを固定すれば、高精度な光結合を実現することができる。
さらに、本実施の形態においては、図3に示すように基板180の下に温度制御器190が接触している。すなわち、基板180のフェルール120aなどの部品を搭載する面の裏面には、温度制御器190が接触している。そして、温度制御器190によって、基板180の温度が一定に保たれている。このため、UV接着層210の温度も一定に保たれ、UV接着層210の膨張や収縮が発生せず、フェルール120aの位置ずれを最小限に抑制することができる。
図4は、一実施の形態に係る温度制御器190の構成を示すブロック図である。図4に示すように、温度制御器190は、温度記憶部191、温度検出部192、比較部193及び温度調節部194を有する。
温度記憶部191は、例えば管理者などが基板180の温度として指定する指定温度を記憶する。温度検出部192は、例えば白金及びサーミスタなどの温度によって抵抗値が変化する抵抗体を有し、基板180の温度を監視して検出された温度を比較部193へ通知する。比較部193は、温度記憶部191によって記憶された指定温度と温度検出部192から通知された温度とを比較し、比較の結果に応じて、温度調節部194に基板180の温度を調節させる。温度調節部194は、例えば抵抗発熱体及びペルチェ素子などの発熱又は冷却が可能な素子を有し、比較部193からの指示に従って、基板180の温度を上昇させたり低下させたりする。
このように構成された温度制御器190によって、基板180の温度が温度記憶部191によって記憶された指定温度より高い場合には、基板180が冷却される一方、基板180の温度が指定温度より低い場合には、基板180が加熱される。結果として、基板180の温度が指定温度と等しい温度に収束し、一定に保たれる。
次いで、一実施の形態に係るフェルール120aの構成について、具体的に例を挙げながら説明する。図5〜7は、一実施の形態に係るフェルール120aの構成の具体例を示す図である。
上述したように、フェルール120aは、UVを透過させる材料から成形されており、フェルール120aを基板180に接着する際には、接着面に塗布されたUV接着剤にフェルール120aを介してUVを照射する。この結果、フェルール120aと基板180の間には、UV接着層210が形成され、UV接着層210の厚みに応じてフェルール120aの高さ方向の位置が規定される。このとき、フェルール120aの接着面に塗布されたUV接着剤の量によっては、UV接着剤が接着面からはみ出すことがある。そして、UV接着剤のはみ出す量が多い場合には、はみ出したUV接着剤がフェルール120aの側面に沿って上昇し、例えば光ファイバ110aの端面を覆ってしまうことなどが考えられる。
そこで、本実施の形態においては、接着面からはみ出したUV接着剤の影響を抑止する構造をフェルール120aに設けておくのが好ましい。一例としては、例えば図5に示すように、フェルール120aに突出部122を設けて、接着面からはみ出したUV接着剤の上昇を妨げるようにしても良い。すなわち、図5の左図に示すように、フェルール120aの前面121には、光ファイバ110aの端面111が露出するが、この端面111よりも基板180に近い位置に突出部122を設ける。これにより、フェルール120aの接着時に接着面からはみ出して前面121を上昇するUV接着剤が突出部122によって塞き止められる。結果として、光ファイバ110aの端面111がUV接着剤によって覆われることがなく、光ファイバ110aからの光ビームの出射が妨げられることがない。
また、突出部122は、図5の右図に示すように、フェルール120aの側面123まで連続していても良く、フェルール120aの周囲を囲んでいても良い。これにより、突出部122よりも上方にまでUV接着剤が上昇することがなく、接着面からはみ出したUV接着剤が他の部品と干渉することなどを防止することができる。
他の一例としては、例えば図6に示すように、フェルール120aに溝部124を設けて、接着面からはみ出したUV接着剤の上昇を妨げるようにしても良い。すなわち、図6の左図に示すように、フェルール120aの前面121に露出する光ファイバ110aの端面111よりも基板180に近い位置に窪んだ溝部124を設ける。これにより、フェルール120aの接着時に接着面からはみ出して前面121を上昇するUV接着剤が溝部124によって塞き止められる。結果として、光ファイバ110aの端面111がUV接着剤によって覆われることがなく、光ファイバ110aからの光ビームの出射が妨げられることがない。
また、溝部124は、図6の右図に示すように、フェルール120aの側面123まで連続していても良く、フェルール120aの周囲を囲んでいても良い。これにより、溝部124よりも上方にまでUV接着剤が上昇することがなく、接着面からはみ出したUV接着剤が他の部品と干渉することなどを防止することができる。
さらに他の一例としては、例えば図7に示すように、フェルール120aを台座125の上に設けて、台座125が基板180に接着されるようにしても良い。すなわち、図7の左図及び右図に示すように、フェルール120aの底面よりも広い面積を有する台座125の上にフェルール120aを設け、台座125を基板180に接着する。これにより、台座125を基板180に接着する際に接着面からはみ出したUV接着剤は、フェルール120aまで到達しない。結果として、光ファイバ110aの端面111がUV接着剤によって覆われることがなく、光ファイバ110aからの光ビームの出射が妨げられることがない。
なお、当然ながら、台座125は、フェルール120aと同様にUVを透過させる材料から成形されており、台座125を基板180に接着する際には、フェルール120a及び台座125の上方からUVが照射される。また、台座125は、フェルール120aと一体成形されていても良い。
このように、フェルール120aは、接着面からはみ出したUV接着剤が側面を上昇して光ファイバ110aの端面111を覆ってしまうことを防止する構造を有している。ところで、UV接着剤が接着面からはみ出すのは、接着面に過剰な量のUV接着剤が塗布されることによっている。そこで、接着面に適切な量のUV接着剤を供給するための構造を基板180に設けても良い。
具体的には、図8に示すように、基板180は、接着剤貯留部181、案内溝182及び接着剤供給部183を有する。
接着剤貯留部181は、基板180の部品が配置されない位置を陥没させて形成された凹部であり、内部にUV接着剤を貯留する。UV接着剤は、UVによって硬化される前段階においては比較的粘度が高い液体状であるため、接着剤貯留部181に貯留することが可能である。
案内溝182は、接着剤貯留部181及び接着剤供給部183を接続する細長い溝であり、接着剤貯留部181に貯留されたUV接着剤を接着剤供給部183へ案内する。
接着剤供給部183は、図中破線で示すフェルール120aの接着位置を陥没させて形成された凹部であり、案内溝182によって案内されるUV接着剤をフェルール120aの底面に供給する。
このように構成された基板180にフェルール120aを接着する際には、まずフェルール120aの底面に接着剤供給部183へ案内されたUV接着剤を付着させる。そして、フェルール120aの位置を調整しつつ、フェルール120aの底面を基板180から離間させていく。このとき、UV接着剤の凝集力と毛細管現象により、フェルール120aの底面と基板180の間を満たす量のUV接着剤が接着剤貯留部181から案内溝182を移動し、接着剤供給部183から供給される。したがって、フェルール120aの底面と基板180の間の距離に応じた適切な量のUV接着剤が接着剤供給部183から供給され、UV接着剤が過度に接着面からはみ出すことを防止することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、光ファイバの先端を収納するフェルールをUVを透過させる材料で成形し、UVを照射することによって硬化するUV接着剤を用いてフェルールを光変調チップと同じ基板に接着する。このため、フェルールの接着時と光変調器との稼働時とで接着層の熱膨張による体積変化が小さく、フェルールの位置が変動することがない。したがって、一度UVを照射してフェルールを固定すれば、フェルールに収納された光ファイバの先端と光変調チップの位置ずれが発生することがなく、工数の増加を抑止しつつ高精度な光結合を実現することができる。
なお、上記一実施の形態においては、フェルール120aがUV接着剤によって基板180に接着されるものとしたが、レンズ130及びMLA150などもUV接着剤によって基板180に接着しても良い。この場合には、図5〜7に示した突出部122、溝部124又は台座125と同様の構造をレンズ130やMLA150に設けても良い。また、図8に示したUV接着剤を供給する構造をレンズ130やMLA150のために設けても良い。
また、上記一実施の形態においては、UVを照射することによって硬化するUV接着剤を用いるものとしたが、熱を加えることによっても硬化するUV接着剤を用いても良い。UV照射又は加熱によって硬化するUV接着剤を用いることにより、最初にUV照射によってフェルール120aの位置を固定した後、十分にUVが照射されない部分のUV接着剤を加熱によって硬化させることができる。
さらに、フェルール120aの接着に用いられる接着剤はUV接着剤に限定されず、UV以外の光を照射することによって硬化する光硬化樹脂を用いた他の光硬化固定剤を用いても良い。この場合には、フェルール120aは、光硬化固定剤を硬化させるための光を透過させる材料から成形される。
110a、110b 光ファイバ
120a、120b フェルール
121 前面
122 突出部
123 側面
124 溝部
125 台座
130、170 レンズ
140 光変調チップ
150 MLA
160 偏波結合部
180 基板
181 接着剤貯留部
182 案内溝
183 接着剤供給部
190 温度制御器
191 温度記憶部
192 温度検出部
193 比較部
194 温度調節部
210 UV接着層

Claims (9)

  1. 光を伝送する光ファイバに接続される光モジュールであって、
    基板と、
    所定の波長の光を透過させる材料から成形されて前記光ファイバの端部を収納し、当該材料を透過する光を照射することによって硬化する固定剤によって前記基板上に固定されるフェルールと、
    前記基板上に配置され、前記フェルールに収納された前記光ファイバの端部から出射される光を変調する半導体チップと
    を有することを特徴とする光モジュール。
  2. 前記光ファイバの端部から出射される光を集光して前記半導体チップに入射させる第1のレンズと、
    前記半導体チップから出射される光を平行光に変換する第2のレンズとをさらに有し、
    前記基板は、
    前記第1のレンズ及び前記第2のレンズを搭載する
    ことを特徴とする請求項1記載の光モジュール。
  3. 前記第1のレンズ及び前記第2のレンズの少なくともいずれか一方は、前記フェルールを前記基板上に固定する固定剤と同一の固定剤によって前記基板上に固定されることを特徴とする請求項2記載の光モジュール。
  4. 前記基板の温度を一定に保つ温度制御器をさらに有し、
    前記温度制御器は、
    前記基板の温度を検出する検出部と、
    前記検出部によって検出された温度と所定の温度とを比較する比較部と、
    前記比較部による比較の結果に応じて、前記基板の温度を調節する調節部と
    を有することを特徴とする請求項1記載の光モジュール。
  5. 前記フェルールは、
    前記光ファイバの端面が露出する面を有し、当該面において露出する前記光ファイバの端面よりも前記基板に近い位置に、前記面から突出する突出部を有することを特徴とする請求項1記載の光モジュール。
  6. 前記フェルールは、
    前記光ファイバの端面が露出する面を有し、当該面において露出する前記光ファイバの端面よりも前記基板に近い位置に、前記面より窪んだ溝部を有することを特徴とする請求項1記載の光モジュール。
  7. 前記フェルールは、
    当該フェルールの底面よりも広い面積を有する台座上に設置され、当該台座を介して前記基板上に固定されることを特徴とする請求項1記載の光モジュール。
  8. 前記基板は、
    部品が配置されない位置を陥没させて形成された第1の凹部と、
    前記フェルールが配置される位置を陥没させて形成された第2の凹部と、
    前記第1の凹部と前記第2の凹部とを接続する細長形状の溝部と
    を有することを特徴とする請求項1記載の光モジュール。
  9. 光を伝送する第1の光ファイバ及び第2の光ファイバに接続される光変調装置であって、
    基板と、
    所定の波長の光を透過させる材料から成形されて前記第1の光ファイバの端部を収納し、当該材料を透過する光を照射することによって硬化する固定剤によって前記基板上に固定される第1のフェルールと、
    前記基板上に配置され、前記第1のフェルールに収納された前記第1の光ファイバの端部から出射される光を変調する半導体チップと、
    前記半導体チップによって変調されて得られた複数の光ビームを合成する合成部と、
    前記合成部によって合成された光ビームが入射する位置に前記第2の光ファイバの端部を収納する第2のフェルールと
    を有することを特徴とする光変調装置。
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