JP5583632B2

JP5583632B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP5583632B2
Application number: JP2011108655A
Authority: JP
Inventors: 寿樹西澤; 祐司三橋; 亮一笠原; 育生小川
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2031-05-13
Also published as: CN202600194U; US20120288242A1; CN102778733B; CN102778733A; JP2012242400A; EP2523030A1; US20150183060A1

Description

本発明は、光信号を送信又は受信する光モジュールに関する。

従来より、光信号を送信又は受信する光モジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１の光モジュールは、光素子と、光素子を搭載するベース（以下、キャリアと記載する。）と、レンズと、レンズ固定金具と、が収容される。レンズとレンズ固定金具は光学調芯後ＹＡＧレーザによりスポット溶接され、キャリア上に固定され、そのキャリアをモジュールケース内に搭載しモジュール実装している。

特開２０００−２７７８４３号公報

特許文献１の光モジュールは、キャリアをモジュールケース外で実装し、それをモジュールケース内に搭載していたため、実装に時間を要するという問題があった。更に、モジュールケース外で光学調芯したサブアセンブリをモジュールケース内に搭載した場合、サブアセンブリの高さ公差に依存し、光軸位置がシフトするため、ファイバのような導波路への光結合が困難であった。

この問題を解決する方法として、パッケージ内で光学調芯を行い、ＹＡＧレーザにてレンズとレンズ固定金具をスポット溶接することが考えられる。しかし、図４に示すように、フレーム１１８があるため、レーザ光の照射角度を水平近くにすることができず、レーザ光を上から照射することになる。そうすると、光学レンズ１１４がレンズ保持ホルダ１１７内で沈み込んでしまうことがある。これにより、光軸ズレが発生し、歩留まりが低下する。特に、光学レンズ１１４が複数ポートの光を入出力する場合、歩留まりの低下は著しい。

そこで、ＹＡＧレーザ溶接時において光軸ズレが発生しない構造を有する光モジュールの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明の光モジュールは、パッケージの剛性を確保するために必要な所定の厚みを有する平板型ベース上に、発光素子又は受光素子といった能動型光素子が気密封止されている光半導体パッケージ、光学レンズ及び導波型光学素子を搭載した。

具体的には、本願発明の光モジュールは、モジュールケースを構成する所定の厚みを有する平板型ベースと、前記平板型ベースの平面上に搭載され、能動型光素子が気密封止されている光半導体パッケージと、前記平板型ベースの前記平面上に搭載され、光ファイバからの又は光ファイバへの光を導波する導波型光学素子と、前記平板型ベースに固定されているレンズ保持ホルダと、
前記レンズ保持ホルダに保持され、前記能動型光素子と前記導波型光学素子とを接続する光学レンズと、前記平板型ベースの前記平面上に固定され、前記光半導体パッケージ、前記導波型光学素子及び前記光学レンズを覆い、モジュールケースを構成するフレーム付きリッドと、を備え、前記光学レンズと前記レンズ保持ホルダとが、水平近くから照射されたレーザ光によりスポット溶接されている。
具体的には、本願発明の光モジュールの作製方法は、モジュールケースを構成する所定の厚みを有する平板型ベースと、前記平板型ベースの平面上に搭載され、能動型光素子が気密封止されている光半導体パッケージと、前記平板型ベースの前記平面上に搭載され、光ファイバからの又は光ファイバへの光を導波する導波型光学素子と、前記平板型ベースに固定されているレンズ保持ホルダと、前記レンズ保持ホルダに保持され、前記能動型光素子と前記導波型光学素子とを接続する光学レンズと、前記平板型ベースの前記平面上に固定され、前記光半導体パッケージ、前記導波型光学素子及び前記光学レンズを覆い、モジュールケースを構成するフレーム付きリッドと、を備える光モジュールの作製方法であって、前記光学レンズと前記レンズ保持ホルダとを、水平近くから照射されたレーザ光によりスポット溶接する手順を有する。

本願発明の光モジュールは、平板型ベースと、光半導体パッケージと、導波型光学素子と、光学レンズと、フレーム付きリッドと、を備えるため、光信号を送信又は受信する光モジュールを構成することができる。ここで、本願発明の光モジュールは、光半導体パッケージ、導波型光学素子及び光学レンズを搭載するベースに所定の厚さを有する平板型ベースを採用したため、フレームなしでもパッケージの剛性を確保し、光半導体パッケージ、導波型光学素子及び光学レンズをベースに固定する際におけるレーザ光の照射角度を水平近くにすることができる。導波型光学素子及び光学レンズをベースに固定する際におけるレーザ光の照射角度を水平近くにすることができるため、光半導体パッケージ、導波型光学素子及び光学レンズをベースに固定する際における光軸ズレの発生を防ぐことができる。したがって、本願発明の光モジュールは、ＹＡＧレーザ溶接時において光軸ズレが発生しない構造を有する光モジュールを提供することができる。

本願発明の光モジュールでは、前記平板型ベースがコバール（Ｋｏｖａｒ）からなり、前記光半導体パッケージの筐体がセラミックスからなっていてもよい。
コバールとセラミックスは線膨張係数が近いため、光半導体パッケージ又は導波型光学素子の温度が変化した場合であっても変形が少なく、温度変化による光軸ズレを防ぐことができる。

本願発明の光モジュールでは、前記平板型ベースの前記所定の厚みは、２．２５ｍｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。
平板型ベースの厚みが２．２５ｍｍ以上であることで、平板型ベースの変形を防ぐことができる。また、平板型ベースの厚みが５ｍｍ以下であることで、光モジュールの厚みを９ｍｍ以下にすることができる。

本願発明の光モジュールでは、前記平板型ベースは、外縁にフランジが設けられ、前記フランジの厚みが、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。
フランジの厚みが０．５ｍｍ以上であることで、平板型ベースの変形を防ぎつつ、十分な強度で光モジュールを固定することができる。また、フランジの厚みが５ｍｍ以下であることで、光モジュールの厚みを９ｍｍ以下にすることができる。

本願発明の光モジュールでは、前記平板型ベースの前記平面及び前記フレーム付きリッドの外壁面に、Ｎｉメッキが施されていてもよい。
平板型ベースにＮｉメッキが施されているため、酸化を防止することができる。更にＮｉメッキは反射率が低いためレーザ溶接が可能となり、光半導体パッケージ、導波型光学素子及び光学レンズを平板型ベースに固定することができる。さらにフレーム付きリッドの外壁面にＮｉメッキが施されているため、レーザ溶接によって、フレーム付きリッドを平板型ベースに固定することができる。

本願発明の光モジュールでは、前記平板型ベースが前記光半導体パッケージより面積が広いことが好ましい。
本発明により、光学レンズ及び導波型光学素子の設置スペースに余裕ができるため、光学レンズ及び導波型光学素子の光軸調整が容易であるとともにレーザ溶接が容易になる。また、光学レンズを複数配置したり、導波型光学素子を複数配置したりすることができるため、光モジュールに搭載する光学設計のバリエーションを増やすことができる。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、ＹＡＧレーザ溶接時において光軸ズレが発生しない構造を有する光モジュールを提供することができる。

本実施形態に係る光モジュールの上面図を示す。本実施形態に係る光モジュールのＡ−Ａ’断面図を示す。本実施形態に係る光モジュールにおけるレーザ光の照射角度の一例を示す。従来の光モジュールにおけるレーザ光の照射角度の一例を示す。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１及び図２に、本実施形態に係る光モジュールの一例を示す。図１は本実施形態に係る光モジュールの上面図であり、図２はＡ−Ａ’断面図である。本実施形態に係る光モジュールは、平板型ベース１１と、光半導体パッケージ１２と、導波型光学素子１３と、光学レンズ１４と、フレーム付きリッド１５と、レンズ保持ホルダ１７と、フランジ１８と、を備える。

本実施形態に係る光モジュールは、更なる通信トラフィック増大に伴う光位相変調すなわちＱＰＳＫ（ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）伝送方式やＤＰ−ＱＰＳＫ（Ｄｕａｌ−ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）伝送方式に対応した集積型受信ＦＥ（ＦｒｏｎｔＥｎｄ）モジュールを構成することができる。これらの伝送方式で使用されるＰＬＣ受信光回路は、遅延干渉計（ＤＬＩ）やＤＰＯＨ（ＤｕａｌＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＯｐｔｉｃａｌＨｙｂｒｉｄ）と呼ばれ、光信号の位相状態の差異を光強度の差異に変換する。導波型光学素子１３は、このＰＬＣ受信光回路として機能する。そして、光半導体パッケージ１２内の強度差異のみ検出可能なＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）が、ＰＬＣ受信光回路が光強度の差異に変換した光信号を受信する。光半導体パッケージ１２内のＴＩＡ（ＴｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）が、ＰＤで復調された電気信号を電流／電圧変換し増幅して高周波電気信号として出力する。このように、光半導体パッケージ１２には、ＬＤやＰＤなどの能動型光素子だけでなくＴＩＡなどの回路が収容されていてもよい。以下、本実施形態に係る光モジュールの詳細について説明する。

平板型ベース１１は、光半導体パッケージ１２より十分面積が大きく、光学レンズ１４などの光学部品や導波型光学素子１３を搭載する。平板型ベース１１は、光学レンズ１４などの光学部品をＹＡＧレーザなどのスポット溶接を可能にするため、ＡｕメッキではなくＮｉメッキとなっている。また、平板型ベース１１は、側面にフレームがなく、パッケージの剛性を確保するために平板型ベース１１が所定の厚みを有する。パッケージの剛性を確保することで、光モジュールを光送受信装置に組み込む際にプリント基板に共締め固定しても平板型ベース１１が変形することがなく、良好な光学特性を確保できる。

ここで、平板型ベース１１は、コバール（Ｋｏｖａｒ）からなることが好ましい。この場合、所定の厚みＨＢは、２．２５ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。平板型ベース１１の厚みＨＢが２．２５ｍｍ以上であることで、プリント基板に共締め固定しても平板型ベース１１が変形しない。また、平板型ベース１１の厚みＨＢが５ｍｍ以下であることで、光モジュールの厚みを９ｍｍ以下にすることができる。これにより、ＯＩＦ（ＴｈｅＯｐｔｉｃａｌＩｎｔｅｒｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇＦｏｒｕｍ）で定められた規格に準拠することができる。

さらに、平板型ベース１１がコバールからなる場合、光半導体パッケージ１２の筐体がセラミックスからなることが好ましい。コバールとセラミックスとは線膨張係数の差異が少ないためである。

光半導体パッケージ１２は、発光素子又は受光素子などの能動型光素子が気密封止され、筺体に光信号を透過させる透過窓２１が備え付けられている。能動型光素子は、光半導体パッケージ１２の能動型光素子収納部にハンダや樹脂などで固定される。能動型光素子は、光位相変調方式対応のため、複数の素子がアレイ化されている。アレイ数は伝送方式により異なるが、２アレイであってもよいし、４アレイであってもよいし、８アレイであってもよい。また、アレイ化されていない素子が複数個並べられていても良い。アレイの間隔は等間隔であってもよいし、不均一であってもよい。

能動型光素子収納部の上部には封止用の金属が備え付けられており、金属製のリッドをシーム溶接、抵抗溶接、レーザ溶接などにより能動型光素子を気密封止することができる。置換ガスには例えばＮ_２ガスを用いる。

透過窓２１は光信号の反射を防ぐためにＡＲ（ＡｎｔｉＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コートが施され、さらに光信号に対し角度が付いて搭載されている。透過窓２１の材料は、筺体に用いるセラミックスの線膨張係数と差異が少ないサファイア又はホウケイ酸ガラスであることが好ましい。

光学レンズ１４は、光半導体パッケージ１２と導波型光学素子１３とを接続する。光半導体パッケージ１２内の能動型光素子と導波型光学素子１３の光信号は光学レンズ１４により光結合される。光学レンズ１４は１枚の有限系であってもよいし、２枚の共焦点系であってもよい。光学レンズ１４は所定の有効径をもった１枚のレンズであってもよいし、レンズアレイであってもよい。

導波型光学素子１３は、光ファイバ１６への光又は光ファイバ１６からの光を導波する。導波型光学素子１３は、ＰＬＣ（ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ）で構成してもよいし、光ファイバアレイで構成してもよい。能動型光素子に発光素子を用い、導波型光学素子１３に光変調器を用いれば、光モジュールとして集積型送信モジュールを構成することができる。能動型光素子に受光素子を用い、導波型光学素子１３に光復調器を用いれば、光モジュールとして集積型受信モジュールを構成することができる。

導波型光学素子１３は、１つ又は複数の入力導波路を備えている。また、導波型光学素子１３は、１つ又は複数の出力導波路を備えていてもよい。アレイ数は、光半導体パッケージ１２のアレイ数と同じである。アレイ間隔は、光半導体パッケージ１２のアレイ間隔と同じであってもよいし、異なってもよい。

導波型光学素子１３がＰＬＣ又は光ファイバアレイの場合、様々な樹脂を使用しているため、樹脂からのアウトガスが能動型光素子に影響を及ぼす可能性がある。しかし、本実施形態に係る光モジュールは、光半導体パッケージ１２のみ個別封止しているため樹脂からのアウトガスが能動型光素子に影響を及ぼすことはない。したがって、能動型光素子は常に安定した動作を行うことができる。

フレーム付きリッド１５は、光半導体パッケージ１２、導波型光学素子１３及び光学レンズ１４を覆うバスタブ形状を有している。フレーム付きリッド１５は、金属で形成されていてもよいし、樹脂系素材で形成されていてもよい。フレーム付きリッド１５は、平板型ベース１１とのＹＡＧレーザなどのスポット溶接を可能にするため、外壁面にＮｉメッキが施されている。

平板型ベース１１の外縁に、プリント基板に共締めするためのフランジ１８が設けられていてもよい。フランジ１８がコバールからなる場合、フランジ１８の厚みＨＦは、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。フランジ１８の厚みＨＦが０．５ｍｍ以上であることで、プリント基板に共締め固定しても平板型ベース１１が変形せず、十分な強度で光モジュールを固定することができる。また、フランジ１８の厚みＨＦが５ｍｍ以下であることで、光モジュールの厚みを９ｍｍ以下にすることができる。これにより、ＯＩＦで定められた規格に準拠することができる。

光半導体パッケージ１２及び導波型光学素子１３は、平板型ベース１１上に、ハンダ、樹脂又はレーザなどで所定の位置に固定される。光学レンズ１４はレンズ保持ホルダ１７により保持され、ＹＡＧレーザなどのスポット溶接により平板型ベース１１に固定される。固定手順は、まず、レンズ保持ホルダ１７と平板型ベース１１とを固定し、光信号と直交方向を固定する。次に、ＹＡＧレーザなどのスポット溶接により、光学レンズ１４とレンズ保持ホルダ１７を固定する。従来は、このレーザ光の照射角度に依存して光結合にズレが発生することがあった。

図３に、本実施形態に係る光モジュールにおけるレーザ光の照射角度の一例を示す。本実施形態に係る光モジュールは、フレームのない平板型ベース１１を備えるため、図３に示すように、レーザ光が照射される角度を水平近くにすることができる。その結果、光学レンズ１４とレンズ保持ホルダ１７の固定時に光学レンズ１４の沈み込みがなく、光軸ズレが発生しない。さらにはアレイ化光結合のため、光軸ズレが発生しないことによる歩留まり向上の効果は大きい。

光学実装が完了したら、フレーム付きリッド１５を平板型ベース１１の平面上に固定する。このように、本実施形態に係る光モジュールは、光半導体パッケージ１２をさらにフレーム付きリッド１５で覆った２重カバー構造をもつ。フレーム付きリッド１５は、ＹＡＧ溶接などのスポット溶接や樹脂固定、ハンダ固定などで平板型ベース１１に固定される。フレーム付きリッド１５を固定することで、パッケージの剛性を確保することができる。

以上のように、本実施形態に係る光モジュールは、困難なアレイ化光結合を安定して行うとともに、光結合特性を良好にすることができる。

本発明は情報通信産業に適用することができる。

１１：平板型ベース
１２：光半導体パッケージ
１３：導波型光学素子
１４、１１４：光学レンズ
１５：フレーム付きリッド
１６：光ファイバ
１７、１１７：レンズ保持ホルダ
１８：フランジ
２１：透過窓
１１８：フレーム

Claims

モジュールケースを構成する所定の厚みを有する平板型ベースと、
前記平板型ベースの平面上に搭載され、能動型光素子が気密封止されている光半導体パッケージと、
前記平板型ベースの前記平面上に搭載され、光ファイバからの又は光ファイバへの光を導波する導波型光学素子と、
前記平板型ベースに固定されているレンズ保持ホルダと、
前記レンズ保持ホルダに保持され、前記能動型光素子と前記導波型光学素子とを接続する光学レンズと、
前記平板型ベースの前記平面上に固定され、前記光半導体パッケージ、前記導波型光学素子及び前記光学レンズを覆い、モジュールケースを構成するフレーム付きリッドと、
を備え、
前記光学レンズと前記レンズ保持ホルダとが、水平近くから照射されたレーザ光によりスポット溶接されている光モジュール。
前記平板型ベースがコバール（Ｋｏｖａｒ）からなり、
前記光半導体パッケージの筐体がセラミックスからなることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記平板型ベースの前記所定の厚みは、２．２５ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
前記平板型ベースは、外縁にフランジが設けられ、
前記フランジの厚みが、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光モジュール。
前記平板型ベースの前記平面及び前記フレーム付きリッドの外壁面に、Ｎｉメッキが施されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光モジュール。
前記平板型ベースが前記光半導体パッケージより面積が広いことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光モジュール用パッケージ。
モジュールケースを構成する所定の厚みを有する平板型ベースと、
前記平板型ベースの平面上に搭載され、能動型光素子が気密封止されている光半導体パッケージと、
前記平板型ベースの前記平面上に搭載され、光ファイバからの又は光ファイバへの光を導波する導波型光学素子と、
前記平板型ベースに固定されているレンズ保持ホルダと、
前記レンズ保持ホルダに保持され、前記能動型光素子と前記導波型光学素子とを接続する光学レンズと、
前記平板型ベースの前記平面上に固定され、前記光半導体パッケージ、前記導波型光学素子及び前記光学レンズを覆い、モジュールケースを構成するフレーム付きリッドと、
を備える光モジュールの作製方法であって、
前記光学レンズと前記レンズ保持ホルダとを、水平近くから照射されたレーザ光によりスポット溶接する手順を有する光モジュールの作製方法。