JP2015210457A - 光モジュール及び光モジュールの組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却素子が固定されている固定部の歪みが光素子に与える影響を抑制することができる光モジュールを提供する。【解決手段】光モジュール１０は、光素子３００と、光素子３００を固定する第１の固定部２００と、光素子３００を冷却する冷却素子４００と、冷却素子４００を固定する第２の固定部１２２と、を有する。第２の固定部１２２は、第１の固定部２００とは異なっている。冷却素子４００は、光素子３００と所定のギャップをあけて互いに対向している。【選択図】図２

Description

本発明は、光素子と当該光素子を冷却する冷却素子とを有する光モジュールと、当該光モジュールの組立方法に関する。

近年、光通信回線の普及やスマートフォンの普及等により、通信トラフィックは急激に増加している。このような通信トラフィックを解消するため、デジタルコヒーレント光伝送技術が開発されている。デジタルコヒーレント光伝送技術では、光の強度の変調ではなく、光の位相変調を利用することにより通信が行われる。

デジタルコヒーレント光伝送用の光変調器は、電気信号が光信号に作用することにより、電気信号に応じて光の位相を変調する素子を有する（特許文献１）。そのような素子として、一般に、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）やインジウムリン（ＩｎＰ）のような強誘電体結晶を用いた変調器が利用される。

特許文献１に記載の光半導体モジュールは、高周波電源からの電力を伝送する伝送線路と、伝送線路と光半導体素子とを電気的に接続する接続線と、光半導体素子に光を導入或いは導出する光ファイバと、を備えている。第１基盤上に、ペルチェ素子が半田によって固着されている。ペルチェ素子の、第１基盤と固着された面とは反対側の面に、基板が半田によって固着されている。さらに、基板の、ペルチェ素子と固着された面とは反対側の面に、光半導体素子が半田によって固着されている。

特開２００７−１８７８７４号

特許文献１に記載された光半導体モジュールでは、光半導体素子とペルチェ素子は、同一の基板に固着している。ペルチェ素子のような熱電冷却素子では、その冷却面の温度と放熱面の温度との差が生じる。この温度差により、熱電冷却素子及び熱電冷却素子が固着された基板が、変形したり歪んだりすることがある。この基板の変形又は歪みにより、光半導体素子の光軸が光ファイバの光軸とずれることがある。その結果、光半導体素子と光ファイバとの光学的な結合効率が変化してしまう。
本発明の目的は、冷却素子が固定されている固定部の変形又は歪みが光素子に与える影響を抑制することができる光モジュール及び光モジュールの組立方法を提供することにある。

一実施形態に係る光モジュールは、光素子と、光素子を固定する第１の固定部と、光素子を冷却する冷却素子と、冷却素子を固定する第２の固定部と、を有する。第２の固定部は、第１の固定部とは異なっている。冷却素子は、光素子と所定のギャップをあけて互いに対向している。

一実施形態に係る光モジュールの組立方法は、光素子と、光素子を冷却する冷却素子と、を用意するステップと、光素子を第１の固定部に固定するステップと、冷却素子を第１の固定部とは異なる第２の固定部に固定するステップと、光素子と冷却素子とを所定のギャップをあけて互いに対向させるステップと、を有する。

本発明によれば、冷却素子が固定されている第２の固定部の歪みが光素子に与える影響を抑制することができる。

第１の実施形態に係る光モジュールの模式的斜視図である。 図１の２Ａ−２Ａ線に沿った光モジュールの模式的断面図である。 図２の矢印３Ａの方向から見た光モジュールの模式的平面図である。 光素子及びレンズが搭載された光学ステージの模式的斜視図である。 一実施形態に係る光モジュールの組立方法を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る光モジュールの模式的断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、一実施形態に係る光モジュールの斜視図である。図２は、図１の２Ａ−２Ａ線に沿った光モジュールの断面図である。図３は、図２の矢印３Ａ方向から見た光モジュールの断面図である。図４は、光モジュールに備えられた、光素子及びレンズが搭載された光学ステージの模式的斜視図である。

光モジュール１０は、光素子３００と、光素子３００を冷却する冷却素子４００と、光素子３００及び冷却素子４００を収容する筐体１００と、を有する。また、光モジュール１０は、光素子３００を固定する第１の固定部としての光学ステージ２００と、冷却素子４００を固定する第２の固定部と、を有する。本実施形態では、冷却素子４００を固定する第２の固定部は、筐体１００の一部、ここでは筐体の底部１２２から構成されている。これに代えて、冷却素子４００を固定する第２の固定部は、筐体１００に固定された別個の部材から構成されていてもよい。冷却素子４００としては、例えばペルチェ素子のような熱電冷却素子を用いることができる。

筐体１００は、蓋部１１０及び本体部１２０を有していてよい。図１は、蓋部１１０が取り外された状態の筐体１００を示している。なお、図２は、便宜上、筐体の蓋部を示していない。筐体の本体部１２０には、光又は光ファイバ８００，８０２が通過する貫通孔１０２，１０３が形成されている。本実施形態では、筐体１００は、光が進入するための第１の貫通孔１０２と、光が導出するための第２の貫通孔１０３とを有する。

光素子３００は、電気信号に基づき変調された光を生成する素子であればよい。一例として、光素子は、高周波電源から供給された電力によって光ファイバ８００から供給された光の位相を変調し、かつ変調された光を別の光ファイバ８０２へ出力する光変調素子であってよい。光変調素子の構成は、任意の公知の構成であってよい。

典型的には、このような光変調素子は、強誘電体結晶からなる基体と、基体上の一面（第１の面）に形成された光導波路及び配線層を有している。強誘電体結晶としては、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）やインジウムリン（ＩｎＰ）などを利用することができる。なお、図１〜４に示された例示の光モジュール１０は、このような光変調素子を含むモジュールである。

光素子３００は、光学ステージ２００上に形成された台座２０２に接着固定されていてよい。光学ステージ２００は、低熱膨張材料、例えばコージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）から形成されることが好ましい。また、光モジュール１０は、光素子３００に入射する光が通過する第１のレンズ５００と、光素子３００から出射した光が通過する第２のレンズ５０２と、を有していてよい。第１及び第２のレンズ５００，５０２は、光素子３００が固定された光学ステージ２００に固定されていることが好ましい。光素子３００と第１及び第２のレンズ５００，５０２とが、同一の光学ステージ２００に固定されることにより、光素子３００と第１及び第２のレンズ５００，５０２の光軸の調整を筐体１００の外で行うことができる。これにより、光素子３００と第１及び第２のレンズ５００，５０２の光軸の調整が容易になる。

光素子３００を冷却する冷却素子４００は、光素子３００と所定のギャップをあけて互いに対向している。また、上述したように、光素子３００を固定する光学ステージ２００は、冷却素子４００を固定する第２の固定部とは異なる部材から構成されている。これにより、冷却素子４００及び第２の固定部が熱膨張又は熱収縮により変形したとしても、それらの変形が光学ステージ２００及び光素子３００へ与える影響は小さくなる。したがって、冷却素子及び第２の固定部に変形又は歪みが発生したとしても、光素子３００やレンズ５００，５０２の光軸のずれはほとんど発生しない。

好ましい実施形態では、光学ステージ２００は、冷却素子４００及び第２の固定部とは反対側に向けられている。図１〜３に示す例では、筐体１００は、筐体の底部１２２から直立した側面上の、筐体の底部から離れた位置に、位置決め部としてのテラス１０１が形成されている。このテラス１０１上に、光素子３００を固定する光学ステージ２００が載せられている。このように、光素子３００を固定する光学ステージ２００は、冷却素子４００を固定する第２の固定部、本実施形態では筐体の底部１２２から遠く離れたところに配置されている。

光モジュール１０は、少なくとも光素子３００と冷却素子４００との間のギャップを埋めるゲル状の放熱材６００を有することが好ましい。これにより、光素子３００から冷却素子４００までの熱抵抗が低下し、それによって光素子３００をより効果的に放熱することができる。また、放熱材６００はゲル状であるため、冷却素子４００の変形又は歪みが光素子３００に与える影響が緩和される。

光素子３００の、光導波路及び配線層が形成された第１の面３０２は、冷却素子４００及びゲル状の放熱材６００とは反対側に向けられていることが好ましい。これにより、放熱材６００が光素子３００上の配線層を覆うことを防止することができる。これにより、光素子３００の特性インピーダンスが、変化し、それにより設計値から外れてしまうことを防ぐことができる。一例として、光素子３００の特性インピーダンスは５０Ωに設定することができる。

筐体１００は、光を変調する高周波電気信号を印加するための電気コネクタ１２４と、高周波電気信号を終端する電気的終端１２６と、を有していてよい。また、光素子３００は、電気コネクタ１２４と電気的に接続される電極３０４と、電気的終端１２６と電気的に接続される電極３０６と、を有していてよい。これらの電極３０４，３０６は、電気ワイヤ８０４，８０６により、電気コネクタ１２４又は電気的終端１２６と電気的に接続されていてよい。

好ましい態様では、図３に示すように、光学ステージは、幅の狭い長尺部と、長尺部の両端に形成された幅の広い保持部２０１と、を有する。平面視で、光素子３００の一部分は光学ステージ２００の長尺部からはみ出していてよい。光学ステージ２００からはみ出した光素子３００の一部分に、電極３０４，３０６が設けられていることが好ましい。これにより、光素子３００及び光学ステージ２００を筐体１００の本体部１２０内に設置した状態で、電極３０４，３０６と電気コネクタ１２４又は電気的終端１２６とをワイヤボンディングにより容易に電気的に接続することができる。なお、電気コネクタ１２４又は電気的終端１２６用の接続パッドは、筐体１００上の、光素子３００の電極３０４，３０６の近くに配置されていることが好ましい。

筐体１００は、光学ステージ２００の高さ方向の位置決めをする位置決め部を有することが好ましい。具体的一例として、この位置決め部は、筐体の側面から内側に突出したテラス１０１であってよい。光学ステージ２００の保持部２０１が、テラス１０１上に保持されていてよい。このように、光学ステージ２００の高さ方向の位置を適切に設計することにより、光素子３００と冷却素子４００との間にギャップを維持することができる。

次に、上記の光モジュールを組立てる方法について図５に示すフローチャートを参照しつつ説明する。まず、上記の光素子３００及び冷却素子４００を用意する（ステップＳ１）。光素子３００は、第１の固定部としての光学ステージ２００に固定される（ステップＳ２）。光素子３００は、光学ステージ２００上にフリップチップ実装されてよい。このとき、光素子３００の、光導波路及び配線層が形成された第１の面３０２が、光学ステージ２００側に向けられることが好ましい。

また、光学ステージ２００を筐体１００内に設置する前に、光学ステージ２００に、第１及び第２のレンズ５００，５０２が固定されることが好ましい（ステップＳ３）。これにより、筐体１００の外で、光素子３００の光軸とレンズ５００，５０２の光軸とを容易に調整することができる。レンズ５００，５０２は、紫外線硬化型接着剤により光学ステージ２００へ接着することができる。このとき、レンズ５００，５０２は、光素子３００と最も効率よく光結合できる位置に調整される。

また、筐体１００内に設置される前に、光素子３００とレンズ５００，５０２とが同一の光学ステージ２００に設置されると、光モジュールの完成前に、光素子３００の機能を試験することができる。筐体１００内に設置される前に不良の光素子３００を発見することができる。そのため、不良の光素子があったとしても、筐体を廃棄する必要がないというメリットがある。

冷却素子４００は光学ステージ２００とは異なる第２の固定部に固定される（ステップＳ４）。第２の固定部は、筐体１００の一部であってもよく、筐体１００とは別個の部材であってもよい。ここでは、冷却素子４００は、熱伝導性に優れた半田等の接着剤によって筐体の底部１１２に実装される。好ましくは、筐体１００内に設置された冷却素子４００の上にゲル状の放熱材６００を設ける（ステップＳ５）。

光素子３００と冷却素子４００とは、所定のギャップをあけて互いに対向させられる（ステップＳ６）。このとき、冷却素子４００の上にゲル状の放熱材６００が設けられていれば、光素子３００と冷却素子４００との間のギャップにゲル状の放熱材６００が充填される。なお、光学ステージ２００の保持部２０１が筐体のテラス１０１上に保持されることで、光素子３００と冷却素子４００との間のギャップが維持される。ここで、光素子３００の、光導波路及び配線層が形成された第１の面３０２が冷却素子４００及び放熱材６００とは反対側に向くように、光素子３００が配置されることが好ましい。

次に、筐体１００に形成された電気コネクタ１２４又は電気的終端１２６と光素子３００に形成された電極３０４，３０６とをワイヤボンディングにより電気的に接続する（ステップＳ７）。それから、光ファイバ８００，８０２が筐体１００に取付けられて、筐体の本体部１２０に蓋１１０が取り付けられる。このようにして光モジュールが組み立てられる。上記の各ステップＳ１〜Ｓ７の順番は、可能な限り入れ替えることができる。一変形例として、第２の固定部への冷却素子４００の固定は、上記ステップＳ２より前に行うこともできる。

次に、図６を参照しつつ第２の実施形態に係る光モジュールについて説明する。なお、図６では、第１の実施形態に係る光モジュール１０と同一の構成については同一の符号が付されている。第１の実施形態に係る光モジュール１０では、光素子３００は、ワイヤボンディングにより電気コネクタ１２４又は電気的終端１２６と電気的に接続されている。この代わりに、第２の実施形態に係る光モジュール２０では、光素子３００は、フレキシブル配線基板７００により電気コネクタ１２４又は電気的終端１２６と電気的に接続されていてよい。

フレキシブル配線基板７００は、光素子３００の、冷却素子４００に面する第２の面３０１に接合されていることが好ましい。また、フレキシブル配線基板７００のサイズは、光素子３００と同程度かそれ以上であることが好ましい。これにより、ゲル状の放熱材６００が、光素子３００の側面３０３及び上面３０２へ這い上がることを防止できる。その結果、ゲル状の放熱材６００が、光路内へ流れ込むことを防止できる。

本実施形態では、光素子３００と冷却素子４００との間にフレキシブル配線基板７００が配置される。フレキシブル配線基板７００は非常に薄いため、光素子３００から冷却素子４００への放熱効果はそれほど低下しない。さらに、フレキシブル配線基板７００上に５０Ωの電気線路を設計することは容易であり、その結果、電気的に良好な特性を維持することができる。

以上、本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。

例えば、光素子が固定された第１の固定部が、冷却素子が固定された第２の固定部と異なる部材からなり、かつ光素子が冷却素子と対向して配置される上記の冷却構造は、上述した光変調器モジュールだけではなく、様々な光モジュールに適用できる。例えば、光モジュールは、半導体レーザモジュールであってもよい。この場合、光素子は半導体レーザ素子であってよく、かつ入力側の光ファイバは不要である。

ただし、上記の冷却構造は、半導体レーザ素子よりも強誘電体結晶を用いた光変調素子に適用されることによってより大きい効果を発揮する。これは、一般に、強誘電体結晶を用いた光変調素子のサイズが半導体レーザ素子よりも大きいことに依る。半導体レーザ素子の大きさは１ｍｍ程度のオーダであり、強誘電体結晶を用いた光変調素子の大きさは数ｃｍ程度のオーダである。そのため、強誘電体結晶を用いた光変調素子を含む光モジュールでは、光変調素子を冷却するための冷却素子の大きさも相対的に大きくなる。冷却素子が大きくなると、冷却素子を固定する固定部の歪みの影響も大きくなり易い。そのため、強誘電体結晶を用いた光変調素子を含む光モジュールでは、冷却素子を固定する固定部及び冷却素子の変形又は歪みの影響が光素子に与える影響をより低下させる必要が生じる。よって、上記の冷却構造は、強誘電体結晶を用いた光変調素子を含む光変調モジュールに適用されることがより好ましい。

以下、付記として、本発明に含まれる光モジュールの組立方法の例をいくつか示す。
［付記１］
光素子と、前記光素子を冷却する冷却素子と、を用意するステップと、
前記光素子を第１の固定部に固定するステップと、
前記冷却素子を前記第１の固定部とは異なる第２の固定部に固定するステップと、
前記光素子と前記冷却素子とを所定のギャップをあけて互いに対向させるステップと、を有する、光モジュールの組立方法。
［付記２］
少なくとも前記ギャップをゲル状の放熱材で埋めるステップを有する、付記１に記載の光モジュールの組立方法。
［付記３］
前記光素子は、光導波路及び配線層が形成された第１の面を有し、
前記光素子の前記第１の面が前記冷却素子とは反対側に向くように、前記光素子と前記冷却素子とは所定のギャップをあけて互いに対向させられる、付記１又は２に記載の光モジュールの組立方法。
［付記４］
前記光素子と前記冷却素子とを所定のギャップをあけて互いに対向させるステップの前に、前記光素子の、前記冷却素子に面する第２の面にフレキシブル配線基板を接合する、付記１から３のいずれか１項に記載の光モジュールの組立方法。
［付記５］
前記光素子と前記冷却素子とを所定のギャップをあけて互いに対向させるステップの前に、前記光素子に入射する光又は前記光素子から出射した光が通過するレンズを前記第１の固定部に固定する、付記１から４のいずれか１項に記載の光モジュールの組立方法。
［付記６］
前記光素子及び前記冷却素子を筐体に収容する、付記１から５のいずれか１項に記載の光モジュールの組立方法。
［付記７］
平面視で前記光素子の一部分が前記第１の固定部からはみ出しており、
前記第１の固定部からはみ出した前記光素子の前記一部分に、電極が設けられており、
前記筐体は電気コネクタを有し、
前記光素子及び前記冷却素子が前記筐体内に収容された状態で、前記電気コネクタと前記電極をワイヤボンディングにより互いに電気的に接続する、付記６に記載の光モジュールの組立方法。
［付記８］
前記第２の固定部は前記筐体の一部から形成されている、付記６又は７に記載の光モジュールの組立方法。

１０，２０ 光モジュール
１００ 筐体
１２２ 筐体の底部（第２の固定部）
２００ 光学ステージ（第１の固定部）
３００ 光素子
４００ 冷却素子
５００，５０２ レンズ
６００ 放熱材

Claims (10)

1. 光素子と、
   前記光素子を固定する第１の固定部と、
   前記光素子と所定のギャップをあけて互いに対向し、前記光素子を冷却する冷却素子と、
   前記冷却素子を固定し、前記第１の固定部とは異なる第２の固定部と、を有している、光モジュール。
2. 少なくとも前記ギャップを埋めるゲル状の放熱材を有する、請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記光素子は、光導波路及び配線層が形成された第１の面を有し、
   前記光素子の前記第１の面は、前記冷却素子とは反対側に向けられている、請求項１又は２に記載の光モジュール。
4. 前記光素子の、前記冷却素子に面する第２の面に接合されたフレキシブル配線基板を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の光モジュール。
5. 前記第１の固定部に固定され、前記光素子に入射する光又は前記光素子から出射した光が通過するレンズを有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の光モジュール。
6. 前記光素子及び前記冷却素子を収容する筐体を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の光モジュール。
7. 平面視で前記光素子の一部分が前記第１の固定部からはみ出しており、
   前記第１の固定部からはみ出した前記光素子の前記一部分に、電極が設けられており、
   前記筐体は電気コネクタを有し、
   前記電気コネクタと前記電極がワイヤボンディングにより互いに電気的に接続されている、請求項６に記載の光モジュール。
8. 前記筐体は、前記光素子と前記冷却素子との間の前記ギャップの大きさを規定するよう前記第１の固定部を位置決めする位置決め部を有する、請求項６又は７に記載の光モジュール。
9. 前記第２の固定部は前記筐体の一部から形成されている、請求項６から８のいずれか１項に記載の光モジュール。
10. 光素子と、前記光素子を冷却する冷却素子と、を用意するステップと、
    前記光素子を第１の固定部に固定するステップと、
    前記冷却素子を前記第１の固定部とは異なる第２の固定部に固定するステップと、
    前記光素子と前記冷却素子とを所定のギャップをあけて互いに対向させるステップと、を有する、光モジュールの組立方法。

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