JP3996083B2 - 光送信モジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、面発光型発光素子と、この面発光型発光素子からの出射光を導波する光ファイバと、面発光型発光素子からの出射光をモニタするモニタ用受光素子を備え、モニタ用受光素子からの出力信号により面発光型発光素子の光出力を一定に制御するようにした光送信モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の光送信モジュールに関しては、特開２００２−７２０２５号公報に開示のものがある。このものは、面発光型発光素子からの出射光を分光基体により分岐してモニタ用受光素子に入射し、モニタ用受光素子からの信号を面発光型発光素子の駆動用集積回路にフィードバックし、面発光型発光素子の光出力を常に一定に制御するようになっている。
【０００３】
しかしながら、この光送信モジュールでは、面発光型発光素子からの出射光を分光基体で分岐しているので、光ファイバへの光の結合効率が低い欠点がある。また、面発光型発光素子の発光点および放射角が小さいため、面発光型発光素子の実装精度または分光基体の寸法精度によって分岐比が大きく左右されるため、高い部品精度と実装精度が要求される。
さらに、動作中の温度変化に起因する分光基体の変形、膨張により分岐比が変動する不都合もある。
【０００４】
また、ＷＯ９７／０６４５８に開示された光送信モジュールでは、光ファイバを伝搬してきた発光素子からの光を溝に配置された光反射基体によって反射し、受光素子によって受けるものである。
【０００５】
しかしながら、この光送信モジュールでは、誘電体多層膜フィルタチップを溝に挿入しているため、誘電体多層膜フィルタチップのコストと、フィルタチップを挿入する工程が必要である。さらに、フィルタチップを挿入するためにはフィルタチップの厚さに対して余裕を持った幅の溝を形成しなくてはならず、この溝の幅が広いと光ファイバへと透過する方向での光の損失につながり、逆に溝の幅が狭いとフィルタチップを挿入することが困難になってしまう。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−０７２０２５号公報
【特許文献２】
ＷＯ／０６４５８
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
よって、本発明における課題は、面発光型発光素子と、この面発光型発光素子からの出射光を導波する光ファイバと、面発光型発光素子からの出射光をモニタするモニタ用受光素子を備えた光送信モジュールにおいて、面発光型発光素子から光ファイバへの光の損失が低く、モニタ用受光素子に入射される光強度の温度変化による変動がなく、部品点数が少なく、これに伴う製造工程も少なく、構造が簡単で、生産性が良好で、小形化が可能な光送信モジュールを得ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、透明材料からなるマウントに光ファイバが収容、固定され、このマウントの光ファイバの先端面が露出している第１の側面には、面発光型発光素子がその発光面を光ファイバに向けて実装されており、マウントの上記第１の側面に直交する第２の側面には、片面両電極型のモニタ用受光素子がその受光面をマウントに向けて実装されており、マウントの上記第１の側面および第２の側面に直交する第３の側面には、光ファイバの長手方向に対して３０〜６０度の角度で傾斜し、かつ光ファイバに至る深さの溝が形成され、この溝には、光ファイバをなす材料の実効屈折率と異なる屈折率の材料が充填されており、上記光ファイバに導波される面発光型発光素子からの光の一部が、上記溝に充填された材料によってフレネル反射が起こり、マウントを透過し、上記モニタ用受光素子に入射されるようになっていることを特徴とする光送信モジュールである。
【０００９】
請求項２にかかる発明は、マウントの第１の側面には、面発光型発光素子を実装するための電極が設けられており、この電極は、面発光型発光素子の発光部の中心と光ファイバのコアの中心とが合致するように、面発光型発光素子の外形に一致するパターンまたは面発光型発光素子の位置合わせパターンと相応するパターンを有することを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュールである。
【００１０】
請求項３にかかる発明は、マウントの第２の側面には、モニタ用受光素子を実装するための電極が設けられており、この電極は、モニタ用受光素子の受光部の中心とフレネル反射光の位置と一致するように、モニタ用受光素子の外形に一致するパターンまたはモニタ用受光素子の位置合わせパターンと相応するパターンを有することを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュールである。
【００１１】
請求項４にかかる発明は、面発光型発光素子の発光面に対して光ファイバの先端面が傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュールである。
請求項５にかかる発明は、マウントにドライバ用集積回路が搭載され、モニタ用受光素子からの信号がこのドライバ用集積回路に入力され、面発光型発光素子の光出力を一定とするようになされたことを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュールである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、この発明の光送信モジュールの一例を示すものである。この例の光送信モジュールは、マウント１から概略構成されている。マウント１は、この例では外形が四角柱状となっているが、これに限定されることなく、任意の形状のものが使用できる。
【００１３】
このマウント１をなす材料は、少なくとも使用波長帯域において透明である材料であり、絶縁体または半導体のいずれであっても良く、具体的には石英ガラス、結晶化ガラス、耐熱ガラスなどが挙げられる。
【００１４】
このマウント１の内部には、光ファイバ２を挿通し、固定するための円形の貫通孔３が形成されており、この例ではマウント１の長手方向に沿って延び、マウント１の第１の側面１ａからこの側面１ａに対向する側面１ｄに向かって、その中心部を貫くように形成されている。光ファイバ２およびこれを挿通する貫通孔３は、１個に限られず、複数個設けてもよい。
【００１５】
また、マウント１の第１の側面１ａには、貫通孔３に挿通される光ファイバ２の先端面が露出するように、その開口に臨んでいる。この光ファイバ２の先端面は、後述する面発光型発光素子４の発光面と平行であっても、あるいは面発光型発光素子４の発光面に対して傾斜していてもよい。光ファイバ２の先端面が傾斜しているものでは、その先端面で反射した光が直接面発光型発光素子４に戻ることが少なくなり、戻り光の影響を小さくすることができる。光ファイバ２とマウント１とは接着剤７で接合されている。
本発明では、この貫通孔３に代えて、その長手方向に沿ってＶ溝を形成し、このＶ溝に光ファイバを収容、固定することもできる。
【００１６】
また、マウント１の外表面には、電極（図示略）が設けられている。この電極は、面発光型発光素子４およびモニタ用受光素子５との電気的接続および機械的接合を行って実装するためのもので、この例では、第１の側面１ａに面発光型発光素子４用の電極が形成されている。
【００１７】
この面発光型発光素子４用の電極は、面発光型発光素子４の発光部の中心がマウント１に固定された光ファイバ２のコアの中心と一致するように、面発光型発光素子４の外形と一致するパターンまたは面発光型発光素子４の位置合わせパターンと相応のパターンを有するものであり、電極自体が面発光型発光素子４の位置合わせの指標を兼ねるようになっている。
なお、この電極のパターンは、上述の位置合わせ機能を有するものに限定されるものではなく、単に電気的導通と機械的接合が達成されるものでもよい。
【００１８】
また、マウント１の上記第１の側面１ａに直交する第２の側面１ｂには、モニタ用受光素子５用の電極（図示略）が設けられている。
このモニタ用受光素子５用の電極は、モニタ用受光素子５の受光部の中心が後述するように、フレネル反射光の位置に一致するように、モニタ用受光素子５の外形と一致するパターンまたはモニタ用受光素子５の位置合わせパターンと相応のパターンを有するものであり、電極自体がモニタ用受光素子５の位置合わせの指標を兼ねるようになっている。
なお、この電極のパターンも、上述の位置合わせ機能を有するものに限定されるものではなく、単に電気的導通と機械的接合が達成されるものでもよい。
【００１９】
また、これらの電極は、厚さ０．５〜５μｍの導電性膜からなるもので、好ましくは２層以上の層から構成され、マウント１に接する最下層は、マウント１をなす材料に対して良好な密着性を有するクロム、ニッケル、チタンなどの化学的に活性な金属からなり、最上層は酸化による劣化がなく、接触抵抗が低い金、白金などの貴金属からなるものである。最下層と最上層との間には１層以上の他の導電材料からなる層を設けてもよい。
【００２０】
そして、このマウント１の第１の側面１ａおよび第２の側面１ｂの各電極には、面発光型発光素子４およびモニタ用受光素子５が実装されている。ここでの面発光型発光素子４としては、発光面にアノードおよびカソードの両電極が設けられている片面両電極型の面発光型レーザー（ＶＣＳＥＬ）や両面両電極型の面発光型レーザなどが用いられ、モニタ用受光素子２２には、同様に受光面にアノードおよびカソードの両電極が設けられた片面両電極型のホトダイオードなどが用いられる。
【００２１】
これら光素子４、５の固定は、例えば以下のようにして行われる。まず、光素子４、５の受発光面あるいは電極に予め共晶ハンダ層を蒸着、スパッタなどの薄膜形成プロセスにより設ける方法、電極にスクリーン印刷やディスペンサにより塗布した共晶ハンダを加熱して予め共晶ハンダ層を形成する方法、薄く広げた共晶ハンダペーストを光素子４、５の受発光面に転写する方法、あるいは共晶ハンダプリフォームを電極に配置する方法などで共晶ハンダ層を形成する。
【００２２】
このようにして、共晶ハンダ層を設けた後、光素子４、５を電極上に位置合わせを行って置いたのち、加熱して共晶ハンダ層を溶融し、冷却して固定する。
これ以外の固定方法としては、金バンプを光素子４、５の受発光面もしくは電極に設けておき、加熱、荷重圧着またはスクラブのいずれかもしくはこれらの組み合わせにより固定してもよい。
【００２３】
このような面発光型発光素子４およびモニタ用受光素子５の固定により、同時にこれら光素子４、５の受発光面側の両電極とマウント１に設けられた電極との電気的接続が行われる。
さらに、これら光素子４、５の位置合わせは、光素子４、５の外形もしくは位置合わせパターンと、電極に形成されたパターンとを用いることにより容易に行うことができる。
【００２４】
また、マウント１の上記第１の側面１ａと直交し、かつ第２の側面１ｂとも直交する第３の側面１ｃには、溝６が形成されている。この溝６は、幅が１０〜１００μｍで、深さがマウント１の貫通孔３に固定された光ファイバ２の少なくともクラッドに届く深さの直線状のものである。この溝５の形成位置は、後述する溝６に充填した材料によるフレネル反射光が、効率よくモニタ用受光素子５に入射されるように決められ、通常は溝６と光ファイバ２とが交わる交点がモニタ用受光素子５の直下に来るように定められる。
【００２５】
さらに、この溝６は、光ファイバ２の長手方向に対して、傾斜角３０〜６０度、好ましくは４０〜５０度で傾斜している。この傾斜角は、この溝６によるフレネル反射光がモニタ用受光素子５に効率よく入射されるように、定められるものであり、上記範囲外の角度ではモニタ用受光素子５の受光感度が悪くなり、実用性に欠ける。
【００２６】
また、この溝６の内部には、光ファイバ２をなす材料、例えば石英、ＰＭＭＡなどの屈折率ｎ１と異なる屈折率ｎ２を有する材料で、ｎ１／ｎ２≦０．９５またはｎ１／ｎ２≧１．０５、好ましくはｎ１／ｎ２≦０．９またはｎ１／ｎ２≧１．１である材料、例えばエポキシ樹脂、紫外線硬化型樹脂など液状樹脂が充填され、固化されている。
この時の溝の片側での反射率Ｒは、
Ｒ＝（（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２））^{２
となる。}
この溝６の形成は、マウント１に面発光型発光素子４およびモニタ用受光素子５を実装したのち、ダイシングソー、精密スライサーなどを用いて行われる。
【００２７】
このような光送信モジュールにあっては、面発光型発光素子４からの出射光が光ファイバ２の先端面に入射され、導波される。光ファイバ２中に導波される光の一部は、溝６に充填された材料の屈折率と光ファイバ２をなすガラスの屈折率が異なるため、光ファイバ２のクラッドと溝６に充填された材料との界面でフレネル反射が起こり、この反射光はフレネルの法則に従い、マウント１中を透過し、マウント１の第２の側面１ｂ方向に進む。
【００２８】
この反射光は、第２の側面１ｂに実装されたモニタ用受光素子５で受光され、面発光型発光素子４の出力光のモニタが行われることになる。このモニタ用受光素子４からの出力は、面発光型発光素子４のドライバ用集積回路にフィードバックされ、面発光型発光素子４からの出射光の強度が一定に保持される。
【００２９】
そして、このような光送信モジュールでは、面発光型発光素子４として安価に入手可能な面発光型レーザーやモニタ用受光素子５としてホトダイオードなどを使用できるので、安価に製造できる。また、マウント１にドライバ用集積回路が搭載できるので、モジュール全体を小型化できる。
【００３０】
また、マウント１の第１の側面１ａに実装された面発光型発光素子２１から光ファイバ２に導波される光の一部が、溝６に充填された材料によってフレネル反射してマウント１の第２の側面１ｂに実装されたモニタ用受光素子５に入射されるので、特別の分光基体などの光分岐手段を必要とせず、構造が簡単で、しかも温度変化などによってモニタ用受光素子５に入力される光量が変動することもない。
【００３１】
また、面発光型発光素子４、モニタ用受光素子５をマウント１に固定する際、フリップチップボンダなどを用い、電極を位置合わせの指標とすることで、精度良く位置合わせを行った後に接合することができるため、高い結合効率の光送信モジュールとすることができる。
【００３２】
さらに、片面両電極型の面発光型発光素子４およびモニタ用受光素子５を使用したので、電極間の接続にボンディングワイヤを全く使用しなくても良く、これにより光送信モジュールの製作途中や製作後の取扱においてボンディングワイヤが破損するようなことがない。
【００３３】
本発明では、面発光型発光素子およびモニタ用受光素子として、アレイタイプのものを用いることもでき、これにより伝送容量を増大することができる。また、図２に示すように面発光型発光素子４の駆動用素子８をマウント１に実装することができ、光送信モジュールとして小型化が可能になり、高周波帯域におけるノイズ対策にもなる。
また、上述の例は、片面両電極の面発光型発光素子を実装する例を示したが、サブマウントを用いる両面両電極型の面発光型発光素子を用いても良い。
【００３４】
また、上述の例は、片面両電極の面発光型発光素子を実装する例を示したが、サブマウントを用いて、通常の面発光型発光素子（片面にアノード、その裏面にカソードがある面発光型発光素子）を用いても良い。
【００３５】
さらに、図３に示すように、光ファイバ２に至る深さの溝６に、光ファイバの実効屈折率ｎｅｆｆと異なる屈折率ｎｐの透明な材料からなる薄板９を挿入し、光ファイバ２の実効屈折率にほぼ等しい屈折率ｎｒの液状樹脂を充填し、加熱や紫外線照射により硬化してもよい。
【００３６】
これにより、溝６に樹脂のみを充填するものに比べて、薄板９を挿入する工程が必要になるが、材料の選択範囲が広くなり、樹脂と薄板９との界面での反射が主になり、光ファイバ２端面と樹脂との多重反射による影響を防ぐことができる。
【００３７】
この例での材料としては、ｎｒ／ｎｐ≦０．９５またはｎｒ／ｎｐ≧１．０５、好ましくはｎｒ／ｎｐ≦０．９またはｎｒ／ｎｐ≧１．１、また、０．９≦ｎｅｆｆ／ｎｒ≦１．１、好ましくは０．９５≦ｎｅｆｆ／ｎｒ≦１．０５、さらに好ましくは０．９８≦ｎｅｆｆ／ｎｒ≦１．０２である材料の組み合わせが好ましい。さらに、ｎｒ＜ｎｅｆｆ＜ｎｐの組み合わせとすることで、薄板９表面での反射率が高くなる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光送信モジュールによれば、面発光型発光素子の光の一部をモニタ用受光用素子に反射するしゅだんとして、フィルタを用いずにフレネル反射を用いているため、高価な誘電体多層膜フィルタチップおよびその溝への挿入工程も不要なため容易に作製できるほか、波長依存性が皆無であるため、種々の波長に対して有効である。すなわち、マウント材料の透明な領域の波長に対して共用することができる。さらに特別な分光基体などの分光手段を必要とせず、構造が簡単で、しかも温度変化などによって、モニタ用受光素子に入力される光量が変動することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光送信モジュールの一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の光送信モジュールの他の例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の光送信モジュールの他の例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１・・・マウント、１ａ・・・第１の側面、１ｂ・・・第２の側面、１ｃ・・・第３の側面、２・・・光ファイバ、３・・・貫通孔、４・・・面発光型発光素子、５・・・モニタ用受光素子、６・・・溝。

Claims (5)

1. 透明材料からなるマウントに光ファイバが収容、固定され、このマウントの光ファイバの先端面が露出している第１の側面には、面発光型発光素子がその発光面を光ファイバに向けて実装されており、マウントの上記第１の側面に直交する第２の側面には、片面両電極型のモニタ用受光素子がその受光面をマウントに向けて実装されており、マウントの上記第１の側面および第２の側面に直交する第３の側面には、光ファイバの長手方向に対して３０〜６０度の角度で傾斜し、かつ光ファイバに至る深さの溝が形成され、この溝には、光ファイバをなす材料の実効屈折率と異なる屈折率の材料が充填されており、上記光ファイバに導波される面発光型発光素子からの光の一部が、上記溝に充填された材料によってフレネル反射が起こり、マウントを透過し、上記モニタ用受光素子に入射されるようになっていることを特徴とする光送信モジュール。
2. マウントの第１の側面には、面発光型発光素子を実装するための電極が設けられており、この電極は、面発光型発光素子の発光部の中心と光ファイバのコアの中心とが合致するように、面発光型発光素子の外形に一致するパターンまたは面発光型発光素子の位置合わせパターンと相応するパターンを有することを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュール。
3. マウントの第２の側面には、モニタ用受光素子を実装するための電極が設けられており、この電極は、モニタ用受光素子の受光部の中心とフレネル反射光の位置と一致するように、モニタ用受光素子の外形に一致するパターンまたはモニタ用受光素子の位置合わせパターンと相応するパターンを有することを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュール。
4. 面発光型発光素子の発光面に対して光ファイバの先端面が傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュール。
5. マウントにドライバ用集積回路が搭載され、モニタ用受光素子からの信号がこのドライバ用集積回路に入力され、面発光型発光素子の光出力を一定とするようになされたことを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュール。

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