JP4554633B2

JP4554633B2 - Ｓｏａアレイ光モジュール

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Publication number: JP4554633B2
Application number: JP2007069579A
Authority: JP
Inventors: 剛二中川
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: US20080226229A1; US7702197B2; JP2008235376A

Description

本発明は、ＳＯＡ(semiconductor optical amplifier：半導体光増幅器）アレイ光モジュールに係わり、特にＳＯＡアレイと光ファイバアレイとの間にレンズアレイを配した複数の光ゲートを配列して複数の光信号の制御を行うためのレンズアレイを用いたＳＯＡアレイ光モジュールに関する。

近年、ブロードバンドサービスによる通信需要の増大に伴い、光通信ネットワークの長距離・大容量化が進展している。
例えば、高速大容量のＷＤＭ(Wavelength Division Multiplex：波長の異なる光を多重して１本の光ファイバで複数の信号を同時に伝送する波長多重伝送方式）の開発が進んでいる。

一方、インターネットの急激な普及や大容量の通信内容の増加に伴って更なる高速・大容量で且つ柔軟性のある光通信ネットワークが要求されている。
そして、そのような光通信ネットワークを構築する技術として、光パケットスイッチング技術が注目されている。

光パケットスイッチングは、通信情報を完全に光のままパケット交換する技術であり、従来の光信号を電気信号に一旦変換するスイッチングと比べて、電子処理速度の制限がなくなるので、処理速度は光の伝搬遅延時間にのみ依存する。したがって、高速・大容量の伝送が可能となる。

ところで、光信号をパケット単位でスイッチングする場合、光信号をオン・オフするために、ゲートスイッチを使用することになる。電気制御によって光信号をオン・オフするゲートスイッチには主に、電界吸収型ゲートスイッチと、半導体光増幅型ゲートスイッチがある。

電界吸収型ゲートスイッチは、電界吸収の効果を利用して光吸収を変化させるものであるが、透過状態でも損失が大きいといった欠点がある。
これに対して、半導体光増幅型ゲートスイッチは、半導体アンプへの駆動電流により利得を変化させるスイッチであり、光をオン・オフする光ゲートとしての機能だけでなく、増幅機能も持ち合わせている（ゲートのオン時に光が増幅されて出力される）。このため、光信号の損失が小さく高速にスイッチングする光素子として現在注目されている。

ＳＯＡは、ゲートＯＮ（ｏｐｅｎ）／ＯＦＦ（ｃｌｏｓｅ）の消光比が高く、また増幅機構により光損失を低減化することができる。さらに、半導体により形成される光素子のため、半導体集積技術によって、低コストで小型化可能といった利点を持っている。

なお、消光比とは、ゲートＯＮ時の信号“１”“０”の平均光強度と、ゲートＯＦＦ時の信号“１”“０”の平均光強度の比率のことで、消光比が大きいほどゲートＯＮ、ＯＦＦが明確に識別でき、他のポートへの信号の混信（クロストーク）が少なくなり、符号誤り率が小さくなる。

図７(a),(b) は、そのような従来の単チャンネルＳＯＡモジュールの光結合構成の２例を模式的に示す図である。尚、同図に示す一点鎖線は光信号の伝播経路を示している。
図７(a) に示す単レンズを用いた単チャンネルＳＯＡモジュールは、矢印ａ出示す入射
側に配置された単チャネル光ファイバ１ａと、矢印ｂで示す出射側に配置された単チャネル光ファイバ１ｂとの中間に、ＳＯＡ２が配置されている。

そして、入射側の単チャネル光ファイバ１ａとＳＯＡ２との間には第２レンズ４ａと第１レンズ３ａが配置され、ＳＯＡ２と出射側の単チャネル光ファイバ１ｂとの間には第１レンズ３ｂと第２レンズ４ｂが配置されている。

また、これら第２レンズ４ａと第１レンズ３ａの間、及び第１レンズ３ｂと第２レンズ４ｂとの間には半導体素子（ＳＯＡ）の気密封止を行うための気密窓５ａ及び５ｂが配置されるている。

図７(a) に示すように、ＳＯＡ２の出射光６は、ＳＯＡ２の軸７に対して２２．３度の傾きがあるため、このＳＯＡ２の傾きのある出射光６に対して、レンズ面が垂直になるように第１レンズ３ｂや第ニレンズ４ｂが配置されて光結合をとっている。入射側も同様である。

この図７(a) に示す光結合方式は、光ビームが素子端面に対して垂直に出射するＬＤ(laser diode：半導体レーザ）などの光モジュールの光結合に一般的に用いられている技術である。

尚、ＳＯＡを用いたゲートスイッチでは、ＳＯＡの内部反射による発振を抑えるために、ＳＯＡの光出射端面の反射を５０ｄＢ以下に低減させて、戻り光による不要発振を抑える必要がある。

そのために、先ず、上記のようにＳＯＡ２の光出射側端面の垂直線と、ＳＯＡ内の光導波路とを例えば７度の角度の関係となるように、ＳＯＡ２のチップ端面を斜めとする。
そして、チップ内の光導波路の屈折率と空間の屈折率との関係により、チップ端面の垂直線（破線）に対して例えば２２．３度の方向に、一点鎖線で示すように光信号が第１レンズ３ｂに出射されるようにして、反射戻り光を抑制する構成をとっている。

図８(a) は、ＳＯＡチップ端面を斜めにした場合の軸に対する出射光の傾きを示す図であり、図８(b) は、その出射光の傾き（出射角度）と反射戻り率との関係を示す示す図である。図８(b) は横軸に出射角度θ（度）を示し、縦軸に反射戻り率（ｄＢ）を示している。

図８(b) に示す出射光の傾き角度θと反射戻り率ｄＢとの関係では、反射戻り率は一般に−２０〜−３０ｄＢにするのが全体的に効率が良いとされている。
しかし、傾き角度θによる光出射端面の反射の低減が−２０〜−３０ｄＢ程度では不十分であるから、通常、チップ端面にＡＲ(Anti Reflection）コートを施している。

図９は、ＳＯＡチップ端面にＡＲコートの多層膜を形成した状態を示す図である。図９に示すように、ＳＯＡ２のチップ両端面には、ＡＲコートの多層膜８ａ及び８ｂが形成されている。こにように現在は、ＳＯＡ２の光射出角度の設定とＡＲコート層の形成によって、反射戻り光量を低減させている。

また、図７(b) に示した先球レンズファイバを用いた単チャンネルＳＯＡモジュールは矢印ａ及びｂで示す入射側と出射側に配置された単チャネル先球レンズファイバ９ａ及び９ｂの中間にＳＯＡ２が配置されている。

先球レンズファイバ９ａ及び９ｂの先端は球状に形成されてレンズ作用を有しているの
で、図７(a) に示すような第１レンズ３ａ、３ｂや第２レンズ４ａ、４ｂを省略することができる。

本構成は、斜めに出射する光に対して簡易に光結合ができるため、主に研究などでの実験を目的として用いられることが多い構成であるが、ＳＯＡの気密封止を行うことが難しく、実用のモジュールとして用いられることは殆どない。

図１０に示す構成でＳＯＡの気密封止を行う場合、ＳＯＡ２と先球レンズファイバ９ａ及び９ｂとの間に気密封止を設けることはできないから、ＳＯＡ２と先球レンズファイバ８ａ及び８ｂの先端部を一体に気密封止することになる。

そうすると、周囲温度の変化に基づく気密用筐体の熱膨・収縮にともなうＳＯＡ２と先球レンズファイバ９ａ及び９ｂとの間に生じる位置ずれなどで信頼性が確保できなくなる。これが、この先球レンズファイバを用いた単チャンネルＳＯＡモジュールが、試験室で用いられるだけで実用化されない理由である。

ところで、光ゲートスイッチでは、複数のチャネルを一括で形成する、いわゆるアレイ化を行うことにより、モジュールや装置の小型化、低消費電力化、低コスト化を実現することが要求されている。

この場合、ＬＤアレイやＳＯＡアレイ等の半導体素子アレイと、光ファイバアレイの光結合においては、相互のアレイピッチが問題となる。
先球レンズファイバを用いたアレイ化された光結合構造については、半導体光増幅器（ＳＯＡ）とファイバグレーティングによる外部共振器とを組み合わせ、ファイバグレーティングの先端を球状として、半導体光増幅器の低反射膜を形成した光出射側とを光結合するように構成し、更にこれをアレイ状に構成することが知られている（例えば、特許文献１参照）。但し、この特許文献１には気密封止については開示がない。

また、ゲートスイッチとしてのＳＯＡアレイをハイブリッド集積回路化した石英系光波回路基板と、アレイ導波路格子を形成した石英系光波回路基板とを結合させて、光クロスコネクト等の光信号のスイッチングを行う構成も知られている（例えば、特許文献２参照）。

しかし、上記特許文献１及び２は、いずれもレンズアレイを用いたものではない。通常光ファイバアレイにおける光ファイバの直径は１２５μｍであり、２５０μｍピッチの光ファイバアレイが市販品として多数出荷されている。

他方、半導体素子においても、基板単位面積当たりの取れ数を多くしたいという理由から、半導体素子アレイのピッチは一般的に２５０μｍが選ばれることが多い。
このように、光ファイバアレイのピッチと、半導体素子アレイのピッチが同一であるから、これらと同一ピッチのレンズアレイさえあれば、半導体素子アレイと光ファイバアレイのレンズアレイを介した光結合による複数チャネルの光ゲートスイッチを一括で形成する構成は容易に構築できると思われた。

ところが、図７(a) に示した光結合に用いられるレンズ（第１レンズ３ａ、３ｂ、第２レンズ４ａ、４ｂ）は、一般的に直径が約１ｍｍ〜２ｍｍの大きさであるため、この大きさのレンズを並べることによってでは、２５０μｍピッチのレンズアレイを形成することはできない。

したがって、半導体素子アレイと光ファイバアレイとの光結合に用いるレンズアレイに
は、一般的に透明基板上に凸形状を多数形成したものが用いられる。
図１０は、従来よく知られているＬＤからなる半導体素子アレイと光ファイバアレイとの間にレンズアレイを配して構成された光結合構成の例を模式的に示す図である。尚、ＬＤは光源である。

同図に示す光結合構成は、２５０μｍピッチのＬＤアレイ１１と２５０μｍピッチの光ファイバアレイ１２の光結合に、２５０μｍピッチのレンズアレイ１３を用いた例を示している。

この例では、レンズアレイ１３は、基板厚み５００μｍの基板１４の表面に、２５０μｍピッチの凸レンズ１５を形成したマイクロレンズアレイを示している。
レンズアレイ１３は、凸レンズ１５の形成面をＬＤアレイ１１に向けて、ＬＤアレイ１１の射出側端面に平行に配置されている。

そして、光ファイバアレイ１２は、光ファイバ１８の軸に垂直に形成された入射面を、レンズアレイ１３の裏面に平行に配置されている。
ＬＤアレイ１１の各素子の光導波路１６から、ＬＤアレイ１１の射出側端面に垂直の光軸１９に沿って射出される光信号１７は、レンズアレイ１３の凸レンズ１５に対しレンズ光軸に沿って入射し、レンズアレイ１３を透過しながら収束され、レンズアレイ１３の裏面を抜けて光ファイバアレイ１２の各光ファイバ１８に、光ファイバ１８の光軸に沿って入射する。

すなわち、ＬＤアレイ１１を用いた光結合構成では、光信号の通過する各素子の光軸は一直線の光軸１９で形成されている。
特開２０００−２３６１３８号公報特開２００３−１４９６１４号公報

このようにＬＤアレイを光源として、光源からの光信号をレンズアレイを介して光ファイバアレイに入射させる構成は従来からあるが、光信号を中継し且つオン・オフするゲートスイッチの光結合構成において、レンズアレイを用いたものは見当たらない。

アレイ化されたゲートスイッチとしては前述した特許文献１又は２があるが、いずれもレンズアレイを用いたものではない。
光信号をオン・オフするゲートスイッチには、主として電界吸収型ゲートスイッチと、半導体光増幅型ゲートスイッチがあるが、電界吸収型ゲートスイッチは透過状態でも損失が大きいといった欠点があることは前述した。

本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、結合損失を生じない半導体光増幅型ゲートスイッチとしてのレンズアレイを用いたＳＯＡアレイ光モジュールを提供することである。

本発明のＳＯＡ(semiconductor optical amplifier）アレイ光モジュールは、レンズアレイを用いてＳＯＡアレイと光ファイバアレイを光結合するＳＯＡアレイ光モジュールであって、上記レンズアレイの各チャネルのレンズ光軸を、上記ＳＯＡアレイの光信号出力側端面の垂線に対し傾斜する上記ＳＯＡアレイの各チャネルの出射ビームの中心軸と同一になるように配置し、且つ、上記ＳＯＡアレイの光信号出力側端面と平行な面である上記レンズアレイの入射側端面となる光信号入力側端面または出射側端面となる光信号出力側端面の垂線に対し傾斜させ、上記レンズアレイは、裏面に、上記ＳＯＡアレイの各チャネルの出射ビームの中心軸に対してほぼ垂直になるように上記レンズアレイの上記光信号入力側端面または上記光信号出力側端面に対し傾斜した段差が設けられているように構成される。

また、上記レンズアレイは、例えば、低融点ガラスを型押し成形して形成されたものでもよく、また、例えば、プラスチックを型押し成形して形成されたものでもよい。

本発明によれば、レンズアレイの各チャネルのレンズ光軸をＳＯＡアレイの各チャネルの出射ビームの中心軸と同一になるように配置するので、レンズアレイを用いてもレンズ収差による結合損失の生じないＳＯＡアレイ光モジュールを提供することが可能となる。

また、レンズアレイに低融点ガラス又はプラスチックを用いるので、微細な形状であっても型押し加工で量産でき、低コスト化に寄与することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、実施例１として試作したレンズアレイを用いたＳＯＡアレイ光モジュールの主要部の構成を模式的に示す図である。
図１に示すように、このＳＯＡアレイ光モジュール２０の主要部は、ＳＯＡアレイ２１、第１レンズアレイ２２、気密窓２３、第２レンズアレイ２４、光ファイバアレイ２５から成る。

尚、図１には、ＳＯＡアレイ光モジュール２０の光信号出力側のみを示しており、光信号入力側の第１レンズアレイ、気密窓、第２レンズアレイ、光ファイバアレイは、それぞれＳＯＡアレイ２１の中心点に対して点対称に配置されていて、光信号の進路の向きが異なるだけで光結合の原理は光信号出力側と同一であるので図示を省略している。

図１に示すように、ＳＯＡアレイ２１の光信号入力側端面２１ａ、光信号出力側端面２１ｂ、第１レンズアレイ２２の光信号入力側端面２２ａ、光信号出力側端面２２ｂ、気密窓２３の光信号入力側端面２３ａ、光信号出力側端面２３ｂ、第２レンズアレイ２４の光信号入力側端面２４ａ、光信号出力側端面２４ｂ、及び光ファイバアレイ２５の光信号入力側端面２５ａは、それぞれ平行に配置されている。

ＳＯＡアレイ２１の各チャネルを構成する各ＳＯＡ内導波路２６は、ＳＯＡアレイ２１の端面の垂線２７に対して７度の傾斜を持つように形成されている。このため各ＳＯＡ内
導波路２６から出射されるビームの光軸２８は、ＳＯＡアレイ２１の端面の垂線２７に対して２２．３度斜めに出射する。

したがって、各ＳＯＡ内導波路２６から出射されるビームは、レンズアレイ２２の各チャネルを構成する各レンズ凸部２９に対して斜めに入射する。
気密窓２３対し、第１レンズアレイ２２と対称的に配置されている第２レンズアレイ２４の各チャネルを構成する各レンズ凸部３０からの出射光もレンズ凸部３０から斜めに出射されて、光ファイバアレイ２５の各チャネルを構成する各光ファイバ３１に斜めに入射する。

光ファイバアレイ２５の光信号入力側端面２５ａは所定の角度で斜めに切断されて形成されている。すなわち、光ファイバアレイ２５の各光ファイバ３１の光入射面の切り口が入射光に対して所定の角度で斜めになるように形成されている。したがって、この光ファイバ３１の光入射面の切り口を正面から見れば、やや楕円形になっている。

各光ファイバ３１の光入射面の切り口が所定の角度で斜めに形成されていることにより第２レンズアレイ２４の各レンズ凸部３０から出射されて各光ファイバ３１に斜めに入射する光信号は、界面での屈折により、光ファイバ３１の導波路軸３２に沿って光ファイバ３１に入射する。

ここで、この構成において、ＳＯＡアレイ２１のＳＯＡ内導波路２６から出射されるビームスポット３３と、光ファイバアレイ２５の光ファイバ３１に入射されるビームスポット３４との間における結合損失の程度を調べるために、この光結合系におけるシミュレーションをおこなってみた。

図２(a),(b) は、図１に示す光結合系における結合損失のシミュレーション結果の例を示す図である。尚、図２(a) には、図１に示す構成と同一構成部分には図１と同一の番号を付与して示している。また、図２(b) は、図２(a) の第２レンズアレイ２４の光入射面と光出射面を入替えて配置した場合のシミュレーション結果を示している。

この試作例のＳＯＡアレイ光モジュールの光結合系では、レンズに対して斜めに光を入射させているため、レンズの収差の影響により、図２(a),(b) の破線丸ｅ及びｆで示すように、光拡散による結合損失が大きくなることが判明する。

このように、レンズに対して斜めに光を入射させる光結合系を用いると、収差の影響を取り除くことが難しく、結合損失が大きくなるという問題のある構成であることが判明した。

そこで、本発明者は、結合損失を低減させるために、レンズアレイの各チャネルのレンズ凸部の光軸を、ＳＯＡアレイの各チャネルの出射ビームの中心軸と同一になるように工夫した。以下、これについて実施例２として説明する。

図３は、実施例２におけるレンズアレイを用いたＳＯＡアレイ光モジュールの主要部の構成を模式的に示す図である。
このＳＯＡアレイ光モジュール３５は、８チャネルのＳＯＡ内導波路３６を有するＳＯＡアレイ３７、８チャネルのレンズ凸部３８を有する第１レンズアレイ３９、８チャネルの光信号を一括透過させる気密窓４１、８チャネルのレンズ凸部４２を有する第２レンズアレイ４３、及び８チャネルの光ファイバ４４を有する光ファイバアレイ４５を備えている。

尚、図３には、このＳＯＡアレイ光モジュール３５の光信号出力側のみを示しており、光信号入力側の第１レンズアレイ、気密窓、第２レンズアレイ、光ファイバアレイは、それぞれＳＯＡアレイ３７の中心点に対して点対称に配置されていて、光信号の進路の向きが異なるだけで光結合の原理は光信号出力側と同一であるので図示を省略している。

また、このＳＯＡアレイ光モジュール３５は、図３に示すように、ＳＯＡアレイ３７の光信号入力側端面３７ａ、光信号出力側端面３７ｂ、第１レンズアレイ３９の光信号入力側端面３９ａ、光信号出力側端面３９ｂ、気密窓４１の光信号入力側端面４１ａ、光信号出力側端面４１ｂ、第２レンズアレイ４３の光信号入力側端面４３ａ、光信号出力側端面４３ｂ、及び光ファイバアレイ４５の光信号入力側端面４５ａは、それぞれ平行に配置されている。

ＳＯＡアレイ３７の各チャネルを構成する各ＳＯＡ内導波路３６は、ＳＯＡアレイ３７の端面の垂線４６に対して７度の傾斜を持つように形成されている。このため各ＳＯＡ内導波路３６から出射されるビームは、その中心軸４７がＳＯＡアレイ３７の端面の垂線４６に対して２２．３度斜めになって出射される。

本例では、この２２．３度斜めに出射するＳＯＡアレイ３７からの出射ビームの中心軸４７と、第１レンズアレイ３９の各チャネルのレンズ凸部３８の光軸及び第２レンズアレイ４３の各チャネルのレンズ凸部４２の光軸とが、同一になるように、ＳＯＡアレイ３７に対して第１及び第２レンズアレイ３９及び４３が配置される。

すなわち、第１レンズアレイ３９のレンズ凸部３８の反対側面、つまり第１レンズアレイ３９の裏面となる光信号出力側端面３９ｂ及び第２レンズアレイ４３のレンズ凸部４２の反対側面、つまり第２レンズアレイ４３の裏面となる光信号入力側端面４３ａは、それぞれ、ＳＯＡアレイ３７の各チャネルであるＳＯＡ内導波路３６の出射ビームの中心軸４７に対して、ほぼ垂直になるように段差が設けられている。

これにより、第１レンズアレイ３９のレンズ凸部３８の光軸に沿って入射するビームは、第１レンズアレイ３９の裏面へ透過するに際して、屈折することなく直線で進行する。
その直線方向（ここでは気密窓４１における屈折は無視するものとする）に、第２レンズアレイ４３の裏面に形成された各レンズ凸部４２に対応する段差部が来るように第２レンズアレイ４３が配置されている。

したがって、第１レンズアレイ３９から出力されるビームは、第２レンズアレイ４３の裏面に入射するに際し、屈折することなく、そのままレンズ凸部４２の光軸に沿って入射する。

また、本例において、第２レンズアレイ４３からレンズ光軸（ＳＯＡアレイ３７からの出射ビームの中心軸４７と同一）に沿って出射されるビームスポットは、光ファイバアレイ４５の光信号入力側端面４５ａの界面で屈折し、その光信号入力側端面４５ａの垂線４８に対し１５．２度の傾斜を持って配置された光ファイバ４４の中心軸４９に沿って入射される。

このように、本例では、レンズアレイの各チャネルのレンズ光軸をＳＯＡアレイの各チャネルの出射ビームの中心軸と同一になるように配置するので、レンズ収差による結合損失を生じることがない。

（実施例２の変形例）
図４は、実施例２の変形例としてのレンズアレイを用いたＳＯＡアレイ光モジュールの主要部の構成を模式的に示す図である。尚、図４には、図３と同一の構成部分には図３と同一の番号を付与して示している。また、本例のＳＯＡアレイ光モジュール５０は、図３の場合に対して、第１と第２レンズアレイの構成のみが異なる。

なわち本例のＳＯＡアレイ光モジュール５０は、８チャネルのＳＯＡアレイ３７、８チャネルの第１レンズアレイ５１、８チャネル光信号一括透過用の気密窓４１、８チャネルの第２レンズアレイ５２、及び８チャネルの光ファイバアレイ４５を備えている。

尚、図４も、このＳＯＡアレイ光モジュール３５の光信号出力側のみを示しており、光信号入力側の第１レンズアレイ、気密窓、第２レンズアレイ、光ファイバアレイは、それぞれＳＯＡアレイ３７の中心点に対して点対称に配置されていて、光信号の進路の向きが異なるだけで光結合の原理は光信号出力側と同一であるので図示を省略している。

本例のＳＯＡアレイ光モジュール５０においても、図４に示すように、ＳＯＡアレイ３７の光信号入力側端面３７ａ、光信号出力側端面３７ｂ、第１レンズアレイ５１の光信号入力側端面５１ａ、光信号出力側端面５１ｂ、気密窓４１の光信号入力側端面４１ａ、光信号出力側端面４１ｂ、第２レンズアレイ５２の光信号入力側端面５２ａ、光信号出力側端面５２ｂ、及び光ファイバアレイ４５の光信号入力側端面４５ａは、それぞれ縦に平行に配置されている。

本例においても、ＳＯＡアレイ３７の各チャネルを構成する各ＳＯＡ内導波路３６は、ＳＯＡアレイ３７の端面の垂線４６に対して７度の傾斜を持つように形成されている。このため各ＳＯＡ内導波路３６から出射されるビームは、その中心軸４７がＳＯＡアレイ３７の端面の垂線４６に対して２２．３度斜め下方に出射される。

尚、各アレイの光入出力側両端面は全て縦に平行であるので、一つの端面に対する垂線４６は、このＳＯＡアレイ光モジュール５０内では各アレイ共通の端面における垂線でもある。

本例では、上記のように２２．３度斜め下方に出射するＳＯＡアレイ３７からの出射ビームの中心軸４７と、第１レンズアレイ５１の各チャネルのレンズ凸部３８の光軸５３とが、同一になるように、ＳＯＡアレイ３７に対して第１レンズアレイ５１が配置される。

また、本例においては、第１レンズアレイ５１の裏面５１ｂと、第２レンズアレイ５２の裏面５２ａが、ＳＯＡアレイ３７の各チャネルの出射ビームの中心軸４７に対して同一の角度になるように平面に形成されている。つまり段差が無い。

このように第１レンズアレイ５１の裏面５１ｂが平面であることにより、ＳＯＡアレイ３７から出射され、第１レンズアレイ５１のレンズ凸部３８の光軸５３に沿って第１レンズアレイ５１に入射するビームは、第１レンズアレイ５１の裏面から抜ける際に第１レンズアレイ５１の界面で１２．４度下方に屈折したビーム４７´となる。

すなわち、２２．３度斜め下方に出射したＳＯＡアレイ３７からの出射ビーム４７は、第１レンズアレイ５１の裏面から抜ける際には、２２．３度＋１２．４度＝３４．７度斜め下方に屈折したビーム４７´となって気密窓５２を透過し、第２レンズアレイ５２の裏面５２ａに入射する。

この入射に際して、ビーム４７´は、第２レンズアレイ５２の界面で１２．４度上方に屈折して、先の下方への１２．４度の屈折を相殺され、再び、垂線４６（＝第２レンズア
レイ５２の光信号入力側断面５２における垂線）に対し、２２．３度斜め下方に向くビームとなって第２レンズアレイ５２に入射する。

このビームは、一旦１２．４度下方に屈折して第１及び第２レンズアレイ間を進行した分だけ下方に位置ずれしているが、上記のように下方への１２．４度の屈折を相殺されて第２レンズアレイ５２に入射した時点で、ＳＯＡアレイ３７から出射された時点のビームの中心軸と平行になっている。

このＳＯＡアレイ３７からの出射時点のビーム中心軸と平行な入射ビームの中心軸に対して、第２レンズアレイ５２の各チャネルを構成するレンズ凸部４２のレンズ光軸５４が同一になるように、第２レンズアレイ５２が配置されている。

したがって、第２レンズアレイ５２の光信号出力側に配列されているレンズ凸部４２からは、レンズ光軸５４に沿ったビームが光ファイバアレイ４５の光ファイバ４４に出射される。

本例においても、第２レンズアレイ５２からレンズ光軸５４（ＳＯＡアレイ３７からの出射ビームの中心軸４７と平行）に沿って出射されるビームスポットは、光ファイバアレイ４５の光信号入力側端面４５ａの界面で屈折し、その光信号入力側端面４５ａの垂線４８に対し１５．２度の傾斜を持って配置された光ファイバ４４の中心軸４９に沿って入射される。

このように、本例では、レンズアレイの各チャネルのレンズ光軸を、ＳＯＡアレイの各チャネルの出射ビームの中心軸と同一又は平行になるように配置するので、レンズ収差による結合損失を生じることがない。

図５は、上述した本発明のＳＯＡアレイ光モジュールの結合損失の評価を示す図表である。
図５には、横に本発明の「レンズアレイを用いた実施例２とその変形例」、同じく「レンズアレイを用いた試作例」（実施例１）、「単チャネルレンズを用いた従来技術１」（図７(a) ）、及び「先球レンズファイバを用いた従来技術２」（図７(b) ）を示し、縦に特徴となる「構成」、「結合損失」、及び「モジュールの気密封止の容易性」を示している。

なお、「結合損失」、及び「モジュールの気密封止の容易性」には、○、△、×、をもって評価結果を示している。
同図に示すように、「レンズアレイを用いた実施例２とその変形例」の構成は、実施例２及びその変形例の説明でも述べたように、ＳＯＡアレイからの光をレンズアレイのレンズ凸部に対して垂直に入射する構成である。

この調べたところ、この構成における結合損失は３ｄＢであって、評価は「○」であった。また、モジュールの気密封止の容易性についても、第１と第２レンズアレイの間に気密窓を設けることができるので一般的な封止方法を用いることができ、評価は「○」であった。

これに対して、「レンズアレイを用いた試作例」の構成は、実施例１の説明でも述べたように、ＳＯＡアレイからの光をレンズアレイのレンズ凸部に対して斜めに入射する構成である。

これを調べたところ、この構成における結合損失は６ｄＢであって、評価は「×」であ
った。但し、モジュールの気密封止の容易性については、第１と第２レンズアレイの間に気密窓を設けることができるので一般的な封止方法を用いることができ、評価は「○」であった。

また、「単チャネルレンズを用いた従来技術１」の構成は、単レンズを用いて単チャネルＳＯＡを単チャネル光ファイバと結合する構成である。
この構成における結合損失は３ｄＢであって、評価は「○」であった。また、モジュールの気密封止の容易性についても、第１と第２レンズアレイの間に気密窓を設けることができるので一般的な封止方法を用いることができ、評価は「○」であった。

また、「先球レンズファイバを用いた従来技術２」の構成は、光ファイバの先端にレンズを形成した構成である。
これを調べたところ、この構成における結合損失は３ｄＢであったが、複数チャネルについて調べるとチャネル化にバラツキがあり、評価は「△」であった。

また、他の３例のように独立のレンズ装置を必要とせず光ファイバの先端レンズ部がＳＯＡに殆ど密着する構成となるなめ、光ファイバとＳＯＡパッケージとの間の封止は困難であり、気密封止の容易性については評価は「×」であった。

上記の評価結果から、複数チャネルのレンズアレイを用いたＳＯＡアレイ光モジュールで、結合損失が小さく、且つ気密封止が容易なモジュールは、本発明のレンズアレイを用いたＳＯＡアレイ光モジュールのみであることが確認できた。

図６は、実施例３としての８チャネルのＳＯＡアレイ光モジュールの構成を模式的に示す図である。
図６に示すＳＯＡアレイ光モジュール５５は、矢印ｇで示すように光ファイバアレイ５６から入射される光信号は、入射側第２レンズアレイ５７、入射側気密窓５８、入射側第１レンズアレイ５９を介して、ＳＯＡアレイ６０に入射する。

ＳＯＡアレイ６０から出射される光信号は、出射側第１レンズアレイ６１、出射側気密窓６２、出射側第２レンズアレイ６３を介して、矢印ｈで示すように、光ファイバアレイ６４に向けて出射される。

上記の入射側気密窓５８及び出射側気密窓６２は、例えば厚さ０．４ｍｍ、直径４ｍｍのサファイアガラスからなり、接着剤により固定されてパッケージ６５と一体化され、パッケージ６５と協働して、入射側第１レンズアレイ５９、ＳＯＡアレイ６０、及び出射側第１レンズアレイ６１から成るＳＯＡユニット子６６を気密封止している。

また、光ファイバアレイを固定する構造については、入射側も出射側も同一構造であるので、出射側について説明する。図６に示すように、出射側気密窓６２に近接して溶接用固定スリーブ６７がパッケージ６５が密着固定されている。

溶接用固定スリーブ６７には、出射側気密窓６２側に、出射側第２レンズアレイ６３が図３又は図４に示した第１レンズアレイとの位置関係に基づいて固定されている。
そして、その出射側第２レンズアレイ６３のレンズ凸部４２（図３又は図４参照）に対応する位置に、光ファイバアレイ６４が、ブファイバ整列用溝基板６８とファイバ押さえ材６９により位置決めされて配設されている。

また、ＳＯＡユニット子６６を気密封止しているパッケージ６５の内部には窒素ガス７
１が封入されている。また、パッケージ６５の一方の側壁（図では上方の側壁）には、ストリップライン基板７２から成るセラミック端子が、パッケージ６５の内外に貫通して取り付けられている。

ストリップライン基板７２には、内外に貫通する７本のストリップライン７３が配設されている。ストリップライン７３の外端部には、それぞれ電流駆動用の電極ピン７４が接続されている。

そして、パッケージ６５内には、ストリップライン基板７２とＳＯＡユニット子６６との間には、ＳＯＡキャリア７７の電極ピッチとパッケージ６５のセラミック端子ピッチ（ストリップライン７３のピッチ）が大きく異なるため、ピッチを整合するためのフアンナウト型端子としてのピッチ変換用ストリップライン基板７５が配設されている。

ピッチ変換用ストリップライン基板７５には、４本のピッチ変換用ストリップライン７６が配線されている。
パッケージ６５内において、ストリップライン基板７２の７本のストリップライン７３は、７本のうちの左端部のストリップライン７３は、ピッチ変換用ストリップライン基板７５のグランドに接続されている。次の４本のストリップライン７３は、ピッチ変換用ストリップライン基板７５の４本のピッチ変換用ストリップライン７６にそれぞれ接続されている。

また、左端の２本のストリップライン７３は、特には図示しないが、サーミスタ又はペルチェ素子等の熱電素子に接続される。
そして、ピッチ変換用ストリップライン７６のピッチ変換された４本の端子部は、ＳＯＡユニット子６６内に配設されているストリップライン基板７２とそれぞれ接続されている。

また、パッケージ６５の他方の側壁（図では下方の側壁）にも、上記と同一構成のストリップライン基板から成るセラミック端子が取り付けられている。そして、そのピッチ変換用ストリップラインを介して、ＳＯＡユニット子６６のストリップライン基板と同一側壁側の４本のＳＯＡキャリアと外部の電流駆動用電極ピンとが接続されている。

この合計８本の電流駆動用電極ピン７４により、ストリップライン７３、ピッチ変換用ストリップライン７６、及びＳＯＡキャリア７７を介して、ＳＯＡアレイ６０の各ＳＯＡに電気信号が印加され、これにより各ＳＯＡは光増幅の状態となる。

本実施例では、入射側第１レンズ５９及び出射側第１レンズ６１をＳＯＡアレイ６０の近傍に不図示のべルチェ素子とともに配置し、気密窓５８及び６２で封止して、ＳＯＡアレイ６０の各ＳＯＡを水分や酸素から遮断している。

気密窓５８及び６２を通してパッケージ６５の外側では、第２レンズ５７、６３、光ファイバアレイ５６、６４が配置されており、それぞれの部品は位置あわせを行ったあとＹＡＧレーザなどで溶接固定される。

実施例１として試作したレンズアレイを用いたＳＯＡアレイ光モジュールの主要部の構成を模式的に示す図である。 (a),(b) は実施例１に示す光結合系における結合損失のシミュレーション結果の例を示す図である。実施例２におけるレンズアレイを用いたＳＯＡアレイ光モジュールの主要部の構成を模式的に示す図である。実施例２の変形例としてのレンズアレイを用いたＳＯＡアレイ光モジュールの主要部の構成を模式的に示す図である。本発明のＳＯＡアレイ光モジュールの結合損失の評価を示す図表である。実施例３としての８チャネルのＳＯＡアレイ光モジュールの構成を模式的に示す図である。 (a),(b) は従来の単チャンネルＳＯＡモジュールの光結合構成の２例を模式的に示す図である。 (a) は従来のＳＯＡチップ端面を斜めにした場合の軸に対する出射光の傾きを示す図、(b) はその出射光の傾き（出射角度）と反射戻り率との関係を示す示す図である。従来のＳＯＡチップ端面に反射防止膜の多層膜を形成した状態を示す図である。従来の半導体素子アレイと光ファイバアレイとの間にレンズアレイを配して構成された光結合構成の例を模式的に示す図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ単チャネル光ファイバ
２ＳＯＡ
３ａ、３ｂ第１レンズ
４ａ、４ｂ第２レンズ
５ａ、５ｂ気密窓
６出射光
７軸
８ａ、８ｂＡＲコート多層膜
９ａ、９ｂ単チャネル先球レンズファイバ
１１ＬＤアレイ
１２ファイバアレイ
１３レンズアレイ
１４基板
１５凸レンズ
１６光導波路
１７光信号
１８ファイバ
１９光軸
２０ＳＯＡアレイ光モジュール
２１ＳＯＡアレイ
２１ａ光信号入力側端面
２１ｂ光信号出力側端面
２２第１レンズアレイ
２２ａ光信号入力側端面
２２ｂ光信号出力側端面
２３気密窓
２３ａ光信号入力側端面
２３ｂ光信号出力側端面
２４第２レンズアレイ
２４ａ光信号入力側端面
２４ｂ光信号出力側端面
２５光ファイバアレイ
２５ａ光信号入力側端面
２６ＳＯＡ内導波路
２７端面垂線
２８ビーム光軸
２９レンズ凸部
３０レンズ凸部
３１光ファイバ
３２導波路軸
３３、３４ビームスポット
３５ＳＯＡアレイ光モジュール
３６ＳＯＡ内導波路
３７ＳＯＡアレイ
３７ａ光信号入力側端面
３７ｂ光信号出力側端面
３８レンズ凸部
３９第１レンズアレイ
３９ａ光信号入力側端面
３９ｂ光信号出力側端面
４１気密窓
４１ａ光信号入力側端面
４１ｂ光信号出力側端面
４２レンズ凸部
４３第２レンズアレイ
４３ａ光信号入力側端面
４３ｂ光信号出力側端面
４４ＳＯＡ内導波路
４５光ファイバアレイ
４５ａ光信号入力側端面
４６ＳＯＡアレイ端面垂線
４７ＳＯＡ内導波路出射ビーム中心軸
４８光ファイバアレイ光信号入力側端面垂線
４９光ファイバ中心軸
５０ＳＯＡアレイ光モジュール
５１第１レンズアレイ
５１ａ光信号入力側端面
５１ｂ光信号出力側端面
５２第２レンズアレイ
５２ａ光信号入力側端面
５２ｂ光信号出力側端面
５３、５４レンズ光軸
５５ＳＯＡアレイ光モジュール
５６光ファイバアレイ
５７入射側第２レンズアレイ
５８入射側気密窓
５９入射側第１レンズアレイ
６０ＳＯＡアレイ
６１出射側第１レンズアレイ
６２出射側気密窓
６３出射側第２レンズアレイ
６４光ファイバアレイ
６５パッケージ
６６ＳＯＡユニット子
６７溶接用固定スリーブ
６８ブファイバ整列用溝基板
６９ファイバ押さえ材
７１窒素ガス
７２ストリップライン基板
７３ストリップライン
７４電極ピン
７５ピッチ変換用ストリップライン基板
７６ピッチ変換用ストリップライン
７７ＳＯＡキャリア

Claims

ＳＯＡ(semiconductor optical amplifier）アレイと光ファイバアレイを光結合するレンズアレイを用いたＳＯＡアレイ光モジュールであって、
前記レンズアレイの各チャネルのレンズ光軸を、前記ＳＯＡアレイの光信号出力側端面の垂線に対し傾斜する前記ＳＯＡアレイの各チャネルの出射ビームの中心軸と同一になるように配置し、且つ、前記ＳＯＡアレイの光信号出力側端面と平行な面である前記レンズアレイの入射側端面となる光信号入力側端面または出射側端面となる光信号出力側端面の垂線に対し傾斜させ、
前記レンズアレイは、裏面に、前記ＳＯＡアレイの各チャネルの出射ビームの中心軸に対してほぼ垂直になるように前記レンズアレイの前記光信号入力側端面または前記光信号出力側端面に対し傾斜した段差が設けられている、ことを特徴とするＳＯＡアレイ光モジュール。
前記レンズアレイは、低融点ガラスを型押し成形して形成される、ことを特徴とする請求項１記載のＳＯＡアレイ光モジュール。
前記レンズアレイは、プラスチックを型押し成形して形成される、ことを特徴とする請求項１記載のレンズアレイを用いたＳＯＡアレイ光モジュール。