JP4440221B2

JP4440221B2 - 光モジュール

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Publication number: JP4440221B2
Application number: JP2006018390A
Authority: JP
Inventors: 真弘上川
Original assignee: Oki Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2026-01-27
Also published as: JP2007199435A

Description

本発明は，光モジュールに関し，より詳細には，単一の光ファイバを伝搬する，２以上の異なる波長の光信号の送受信に好適な光モジュールの構造に関する。

光通信の分野，特にファイバトゥザホーム（ＦＴＴＨ）において，１本の光ファイバに波長の異なる２種の光信号を双方向に伝搬させて通信を行う一芯双方向通信方式が普及してきている。例えば，異なる２種の波長の光を１本の光ファイバに入射させて双方向通信を行う方式がある（例えば，非特許文献１）。

図６は，従来の一芯双方向光通信用の送受信モジュールの構成を示す説明図である。図６に示すように，従来の送受信モジュールは，略直方体のハウジング１０の内部に，波長選択性を有する波長フィルタ１１が配設されている。また，ハウジング１０の外壁には，光ファイバ１７，発光素子（以下，「ＬＤ」とする。）１２および受光素子（以下，「ＰＤ」とする。）１３が配設されており，光ファイバ１７，ＬＤ１２およびＰＤ１３それぞれに対して光ファイバ用レンズ１４，ＬＤ用レンズ１５およびＰＤ用レンズ１６が設けられている。

ＬＤ１２から出射された波長λ１の光信号は，ＬＤ用レンズ１５により平行ビームに変換されて，波長フィルタ１１によって約９０°反射された後，光ファイバ用レンズ１４により光ファイバ１７へ集光されて伝搬される。一方，光ファイバ１７を伝搬してきた波長λ２の光信号は，光ファイバ用レンズ１４により平行ビームに変換されて，波長フィルタ１１を透過した後，ＰＤ用レンズ１６によってＰＤ１３に集光される。

特開平６−１６０６７４号公報「レセプタクル形双方向波長多重光モジュールＩ」，小楠正大，他２名，１９９６年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会，Ｃ−２０８，ｐ２０８

このような一芯双方向光通信モジュールにおいて，迷光と呼ばれる正規の屈折や反射以外の要因で生じる結像に望ましくない光がＰＤに入射することが問題になっている。例えば，図６に示すように，ＬＤからの出射光が直接ＰＤに入射するＰのような光は迷光とよばれ，ノイズとなってデータが劣化してしまい，信号の判別が付き難くなったり，エラーが増大するなどの問題が生じる原因と考えられている。このような問題に対し，例えば特許文献１には，ＬＤからの光路を曲げることによりＰＤへの迷光を妨げる方法が提案されているが，設計が複雑であるため，更なる改善が求められている。

また，１つの基板にＬＤ，ＰＤを集積化した一芯双方向光通信モジュールの場合，さらに，光路からの迷光以外にパッケージ内部で反射する迷光も問題になる。かかる迷光を防止するためにＰＤの周囲を樹脂で覆う方法も提案されているが，樹脂の応力によってＰＤが基板から剥離してしまう恐れがある。

そこで，本発明は，上記問題に鑑みてなされたものであり，本発明の目的とするところは，受光素子に入射する迷光を低減させることの可能な，新規かつ改良された光モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，第１の基板と，該第１の基板上に載置される発光素子と，波長分波器と，受光素子と，レンズ素子とを備え，受光素子を載置すると共に該受光素子の少なくとも一部を金属膜により包囲可能に形成された第２の基板を具備してなる光モジュールが提供される。

かかる構成によれば，受光素子は，少なくともその周囲の一部を金属膜により包囲可能に設けられる。かかる金属膜は，発光素子から直接受光素子に入射しようとする光を遮断するために設けられ，これにより受光素子の周囲から入射する迷光の量を低減することができる。したがって，受光素子の性能を劣化させる要因となる迷光が受光素子に入射するのを低減させることができる。そして，好ましくは，第２の基板に設けられた金属膜の高さを，第２の基板に載置された受光素子側面の高さ以上に形成することにより，受光素子の側面を金属膜によって覆うことができる。これにより，迷光をより確実に遮断することができる上，従来と比較して極めて簡単な方法で上記課題を解決できる。

上記光モジュールを構成する第２の基板は，例えばシリコンを含む材料から形成することができる。このとき，第１の基板と第２の基板とを同一材質から形成すれば，第１の基板と第２の基板とを接合させても，これらの間に歪みが生じることを抑制できる。また，金属膜は，迷光を遮断するのに優れ，薄膜形成に優れた金を含む材料から形成することができる。

また，上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，第１の方向にエッチング形成された第１の溝構造と第１の方向と９０度をなす第２の方向にエッチング形成された第２の溝構造とを有する第１の基板と，第１の基板上に配置され，波長に応じて光を透過または９０度反射する，キューブ型の波長分波器と，第１の溝構造に配置された発光素子側レンズ素子と，第２の溝構造に配置された受光素子側レンズ素子と，第１の溝構造の端部近傍に配置され，光を発光し，発光素子側レンズ素子および波長分波器を介して外部への出射光とするための発光素子と，第２の溝構造の端部近傍に載置され，凹部が形成された第２の基板と，第２の基板の凹部に配置され，外部からの入射光を波長分波器および受光素子側レンズ素子を介して受光する受光素子と，を備える光モジュールが提供される。第２の基板に形成された凹部の高さは，受光素子の高さ以上であり，凹部の少なくとも内側面には，金属膜が設けられていることを特徴とする。

かかる光モジュールも，第１の基板と別基板である第２の基板が設けられ，第２の基板には受光素子が収容される凹部が形成される。この際，第２の基板に形成された凹部の高さを受光素子の高さ以上とすることにより，受光素子の側面から入射する迷光の量を低減することができる。また，凹部の少なくとも内側面に赤外光を遮断するための金属膜を設けることにより，さらに受光素子の側面方向から入射する迷光の量を低減することができる。このように構成することにより，受光素子の性能を劣化させる要因となる迷光が受光素子に入射するのを低減させることができる。

以上説明したように本発明によれば，受光素子に入射する迷光を低減させることができるので，極めて精度の高い光モジュールを提供することができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

まず，本発明の実施形態にかかる光モジュールについて説明する。ここで，図１は，本実施形態にかかる光モジュールの概略構成を示す概略斜視図である。

本実施形態にかかる光モジュール１００は，図１に示すように，Ｖ溝１１２ａ，１１２ｂを有する第１の基板１１０と，発光素子の一例としてレーザダイオード（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ，以下，「ＬＤ」という。）１２０と，受光素子の一例としてフォトダイオード（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ，以下，「ＰＤ」という。）１３０と，波長分波器１４０と，レンズ素子１５０ａ，１５０ｂと，第１の基板１１０上に載置された第２の基板１６０とを有して構成されている。以下，各構成要素について詳細に説明する。

第１の基板１１０は，光モジュール１００を構成する各構成要素が配置される基板であり，例えばシリコン基板からなる。第１の基板１１０は，略直交する２つの溝が形成されており，かかる溝によって３つの段差部１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃと，平面部１１０ｄからなる４つの領域に分けて配置が行われる。段差部１１０ａおよび１１０ｂの上面には，横断面形状が例えばＶ字形状であるＶ溝１１２ａ，１１２ｂが形成されている。また，段差部１１０ａには，後述するＬＤ１２０およびレンズ素子１５０ａが配置され，段差部１１０ｂには，後述する第２の基板１６０，ＰＤ１３０およびレンズ素子１５０ｂが配置される。そして，第１の基板１１０の平面部１１０ｄには，波長分波器１４０が載置される。

Ｖ溝１１２ａ，１１２ｂは，第１の基板１１０をエッチングすることにより形成され，シリコンの（１１１）面群を斜面に持つような構成で精密に作製されている。Ｖ溝１１２ａはＬＤ１２０側に形成され，Ｖ溝１１２ｂはＰＤ１３０側に形成されている。Ｖ溝１１２ａの延在する方向とＶ溝１１２ｂの延在する方向とは，９０度をなすように形成されている。

ＬＤ１２０は，光を出射する発光素子であり，例えば略直方体形状からなる。ＬＤ１２０は，Ｖ溝１１２ａの端部近傍に配置されており，光を発光し，発光素子側レンズ素子１５０ａおよび波長分波器１４０を介して外部への出射光とする。

ＰＤ１３０は，光を面で受光する受光素子であり，例えば略直方体形状からなる。ＰＤ１３０は，Ｖ溝１１２ｂの端部近傍に配置されており，外部からの入射光を，波長分波器１４０および受光素子側レンズ素子１５０ｂを介して受光する。ＰＤ１３０は，後述する第２の基板１６０上に設けられている。ＰＤ１３０の上面には，上方から入射する迷光を遮断するために，例えば金属膜（図示せず。）が設けられている。この金属膜は，赤外光を透過しない材質であればよく，例えば金，アルミニウム，白金，ニッケル，銅，銀等からなり，特に金が好ましい。

波長分波器１４０は，波長に応じて，光を透過または９０度反射する分波器であり，例えばキューブ型の誘電体フィルタを用いることができる。キューブ型の誘電体フィルタを採用することにより，図６に示す従来の波長フィルタ１１と比べて，位置合わせが容易であるという利点がある。波長分波器１４０は，第１の基板１１０の平面部１１０ｄ上に載置されており，波長分波器１４０は，ＬＤ１２０から発光する光（例えば，波長１．３μｍの光）を透過し，外部から入射される光（例えば，波長１．４９μｍの光）を９０度反射してＰＤ１３０に入射する。なお，入射光の波長や角度は仕様により適宜調整されるものであるため，本発明は上記波長，角度等に限定されるものではない。

レンズ素子１５０ａ，１５０ｂは，光を集光するまたは光を平行光に変換するレンズであり，例えばシリコン製マイクロレンズを用いることができる。レンズ素子１５０ａ，１５０ｂは，一方の面に，回折光学素子が形成されたレンズ部が形成されている。レンズ部に回折光学素子を用いることにより，レンズ素子１５０ａ，１５０ｂはマスクパターンの変更で，光を任意の方向へ容易に曲げることができる。また，レンズ素子の縁部は，Ｖ溝１１２ａ，１１２ｂに適合する形状として例えば略円弧状に形成されている。

レンズ素子１５０ａは，ＬＤ１２０側に設けられている。レンズ素子１５０ａのレンズ部は，ＬＤ１２０からの出射光を平行光に変換し，波長分波器１４０に入射するコリメータレンズとしての機能を有する。一方，レンズ素子１５０ｂは，ＰＤ１３０側に設けられている。レンズ素子１５０ｂのレンズ部は，波長分波器１４０により分波された光を集光し，ＰＤ１３０へ入射する集光用レンズとしての機能を有する。

第２の基板１６０は，本実施形態の特徴的部分であり，ＰＤ１３０を載置して，ＰＤ１３０に入射する迷光を遮断するための基板であり，例えば，第１の基板１１０と同一材質であるシリコン基板から形成される。第２の基板１６０は，必ずしも第１の基板１１０と同一材質から形成しなくともよいが，第１の基板１１０と同一材質から形成することにより，第１の基板１１０と第２の基板１６０とを，例えば半田等により接合させたときに，熱膨張係数の違いにより歪みが生じることを防止できる。なお，かかる第２の基板１６０の詳細については後述する。

以上，本実施形態にかかる光モジュール１００の構成について説明した。次に，図２〜４に基づいて，本実施形態の特徴的部分である第２の基板１６０の構成について説明する。ここで，図２は，ＰＤ１３０が載置された本実施形態にかかる第２の基板１６０を示す斜視図である。また，図３は，図２のＰＤ１３０を取り除いた状態を示す，第２の基板１６０の斜視図である。さらに，図４は，第２の基板１６０の正面図である。

まず，第２の基板１６０の構成について説明する。第２の基板１６０は，図２および図３に示すように，一対の腕部１６２，１６３と，一対の腕部１６２，１６３を連結する連結部１６４とから略コの字形状に形成されている。一対の腕部１６２，１６３の互いに対向する側には，傾斜面１６２ａ，１６３ａおよびＰＤ１３０が載置される載置面１６２ｂ，１６３ｂが形成されている。傾斜面１６２ａ，１６３ａの傾斜角度は，例えば，５４．７°とすることができる。また，第２の基板１６０には，レンズ素子１５０ｂと対向する側（Ｙ軸正方向側）の面が開口した凹部１６５が形成されている。すなわち，凹部１６５は，傾斜面１６２ａ，１６３ａと，連結部１６４の内側面１６４ａと，載置面１６２ｂ，１６３ｂとにより形成される。

また，第２の基板１６０の底面側（Ｚ軸負方向側）は，Ｙ軸方向に沿って開口された開口部１６６が形成されている。ここで，開口部１６６は，一対の腕部１６２，１６３の内側面１６２ｃ，１６３ｃとによって囲まれる空間をさす。第２の基板１６０の載置面１６２ｂ，１６３ｂに載置されたＰＤ１３０は，波長分波器１４０および受光素子側レンズ素子１５０ｂを介した外部からの入射光を，開口部１６６側から受光する。本実施形態にかかる第２の基板１６０が例えばシリコン基板から形成されている場合，ＰＤ１３０は，開口部１６６を形成しなくとも，第２の基板１６０を介して外部からの光を受光することができるが，ＰＤ１３０の受光面側を開口させることにより，受光効率を高めることができる。

第２の基板１６０の凹部１６５は，ＰＤ１３０が迷光を受光しにくくするために形成される。上述したように，ＰＤ１３０は，第２の基板１６０の開口部１６６側から外部からの入射光を受光するが，かかる光以外に，ＰＤ１３０の性能を劣化させる原因となる迷光を受光してしまう。そこで，ＰＤ１３０が受光する迷光を低減させるために，ＰＤ１３０を第２の基板１６０の凹部１６５内に配置する。このとき，図４に示すように，第２の基板１６０の凹部１６５の高さＨはＰＤ１３０の高さｈ以上となるように（すなわち，Ｈ≧ｈとなるように）形成される。このように，ＰＤ１３０が凹部１６５から突出しないようにして，迷光のＰＤ１３０への入射を低減させることができる。

さらに，第２の基板１６０の凹部１６５の内面には，金属膜１７０ａ，１７０ｂおよび１７０ｃが設けられている。かかる金属膜１７０ａ，１７０ｂおよび１７０ｃは，第２の基板１６０が例えばシリコン等の赤外光を透過する材質から形成されている場合，外部からＰＤ１３０に入射する迷光を遮断するために設けられる。このため，金属膜１７０ａ，１７０ｂおよび１７０ｃは，赤外光を透過しない材質から形成され，例えば金，アルミニウム，白金，ニッケル，銅，銀等からなる。金属膜１７０ａ，１７０ｂおよび１７０ｃは，例えば蒸着器により金属を蒸着させることにより設けることができる。

迷光を遮断する方法としては，従来のようにＰＤ１３０を樹脂で被覆し，赤外光を吸収させることが考えられる。しかし，上述したように，かかる方法では樹脂の応力によってＰＤ１３０が基板から剥離してしまう恐れがある。また，赤外光を十分に吸収させるためにはＰＤ１３０を厚く覆う必要があり，光モジュールのサイズ上の問題も生じる。これに対し，本実施形態にかかる光モジュール１００では，迷光遮断のために金属膜１７０ａ，１７０ｂおよび１７０ｃを設けるので，ＰＤ１３０が基板から剥離することもなく，光モジュール１００のサイズにもほとんど影響がないという利点がある。

また，凹部１６５の載置面１６２ｂ，１６３ｂにも金属膜１７０ａ，１７０ｂを設けることにより，金属膜１７０ａ，１７０ｂを介してＰＤ１３０の電流を導く導線としても機能する。ＰＤ１３０の電極（図示せず。）と金属膜１７０ａ，１７０ｂとが接するようにＰＤ１３０を配置することにより，ＰＤ１３０から出力される電流を容易に取り出すことができる。この際，ＰＤ１３０の電極（図示せず。）と金属膜１７０ａ，１７０ｂとは，例えば半田などにより接合される。

このように，光モジュール１００に，内部に金属膜１７０ａ，１７０ｂおよび１７０ｃが設けられた凹部１６５を有する第２の基板１６０を設け，第２の基板１６０の凹部１６５内にＰＤ１３０を配置する。ＰＤ１３０を凹部１６５の内部に配置することにより，ＰＤ１３０は迷光を受光しにくくなる。さらに，凹部１６５の内部に金属膜１７０ａ，１７０ｂおよび１７０ｃを設けることにより，第２の基板１６０を介して傾斜面１６２ａ，１６３ａおよび内側面１６４ａ側からＰＤ１３０へ入射する迷光を金属膜１７０ａ，１７０ｂおよび１７０ｃにより遮断することができる。したがって，ＰＤ１３０が受光する迷光の量を低減されるので，迷光によりデータが劣化することを防止することができ，ＰＤ１３０の性能劣化を防止することができる。

本実施形態にかかる光モジュール１００の構成による効果を検証するために，本実施形態にかかる光モジュール１００に対して光ファイバを調芯し，ＬＤ１２０を発光させたときのＰＤ１３０の電流値を測定した。また，比較対象として，第２の基板１６０を設けず，第１の基板１１０上にＰＤ１３０が配置された従来の光モジュールについて，同様に光ファイバを調芯し，ＬＤ１２０を発光させたときのＰＤ１３０の電流値を測定した。このとき，本実施形態にかかる光モジュール１００のＰＤ１３０の電流値は，従来の光モジュールに搭載されたＰＤの電流値と比較してほぼ半減した。これは，ＰＤ１３０が発生する電流量は受光量に比例することから，ＰＤ１３０が受光する迷光の量が低減されたことによると考えられる。これにより，ＰＤ１３０の性能劣化が防止され，エラーやノイズが低減されたと考えられる。

以上，本発明の実施形態にかかる光モジュール１００について説明した。かかる光モジュール１００は，第１の基板１１０上に，凹部１６５が形成された第２の基板１６０を設け，凹部１６５の内部にＰＤ１３０を配置することを特徴とする。このとき，凹部１６５の高さＨをＰＤ１３０の高さｈ以上とし，凹部１６５の少なくとも内側面に金属膜１７０ａ，１７０ｂおよび１７０ｃを設けることにより，ＰＤ１３０が受光する迷光の量を低減することができる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば，上記本実施形態では，第２の基板１６０の上面および凹部１６５の内部に金属膜１７０ａ，１７０ｂおよび１７０ｃが設けられているが，本発明はかかる例に限定されず，少なくとも凹部１６５の傾斜面１６２ａ，１６３ａおよび内側面１６４ａに金属膜１７０ａ，１７０ｂおよび１７０ｃが設けられていれば，迷光の入射を低減させることができる。

また，上記実施形態にかかる第２の基板１６０に設けられた金属膜１７０ａ，１７０ｂおよび１７０ｃは，３つに分離して設けられていたが，本発明はかかる例に限定されず，例えば，図５に示すように，連続したひとつの金属膜１７０として形成してもよい。この場合，金属膜１７０は，図２に示す金属膜１７０ａ，１７０ｂのように異なる極性を有することはできないため，金属膜１７０を利用して受光素子の電極を引き出す必要のない場合にかかる構成を適用するのがよい。

さらに，上記実施形態にかかる第２の基板１６０の形状は，略コの字形状であったが，本発明はかかる例に限定されず，第２の基板１６０にＰＤ１３０が収容可能な凹部が形成されており，凹部の高さがＰＤ１３０の高さ以上であればよい。例えば，ＰＤ１３０を第２の基板１６０の凹部に収容した際に，ＰＤ１３０の側面すべてが囲まれるような凹部が形成された略直方体形状の基板であってもよい。

また，上記実施形態では，第２の基板１６０に形成された凹部１６５の内側面は，傾斜を有していたが，本発明はかかる例に限定されず，例えばＰＤ１３０の載置面１６２ｂ，１６３ｂに対して略垂直となるように形成してもよい。ただし，凹部１６５の内側面に金属膜１７０ａ，１７０ｂおよび１７０ｃを設ける際，上記実施形態のように凹部１６５の内側面に傾斜を設ける方が，内側面に金属膜１７０ａ，１７０ｂおよび１７０ｃを蒸着させやすいので，製造上有利である。

本発明の実施形態にかかる光モジュールの概略構成を示す概略斜視図である。ＰＤが載置された，本発明の実施形態にかかる第２の基板を示す斜視図である。図２のＰＤを取り除いた状態を示す，第２の基板の斜視図である。本発明の実施形態にかかる第２の基板の正面図である。第２の基板に設けられた金属膜の変形例を示す斜視図である。従来の一芯双方向光通信用の送受信モジュールの構成を示す説明図である。

符号の説明

１００光モジュール
１１０第１の基板
１２０発光素子（ＬＤ）
１３０受光素子（ＰＤ）
１４０波長分波器
１５０ａ，１５０ｂレンズ素子
１６０第２の基板
１６５凹部
１６６開口部
１７０，１７０ａ，１７０ｂ，１７０ｃ金属膜

Claims

第１の基板と，該第１の基板上に載置される発光素子と，波長分波器と，受光素子と，レンズ素子とを備え，
前記受光素子を載置すると共に該受光素子の少なくとも一部を金属膜により包囲可能に形成された第２の基板を備え，
前記第２の基板には，前記受光素子を収納するための凹部が形成されており，
前記第２の基板に設けられた前記金属膜の高さは，前記第２の基板上に載置された前記受光素子の側面の高さ以上に形成され，
前記第２の基板の前記凹部の内側面には分離された２つの金属膜が形成され，
前記受光素子は，当該受光素子の各電極が，分離して異なる前記金属膜に接触するように設けられることを特徴とする，光モジュール。
前記第２の基板は，シリコンを含む材料からなる請求項１に記載の光モジュール。
前記金属膜は，金を含む材料からなる請求項１または２に記載の光モジュール。