JP6380069B2 - 光送信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光送信モジュールに関し、特に、波長多重化された信号光を送信する光送信モジュールに関する。

近年、通信速度の高速化が進んでおり、光トランシーバ等に用いられる光送信モジュールには４０Ｇｂｐｓや１００Ｇｂｐｓの伝送速度に対応することが求められる。このような高速伝送では、単一波長の信号光ではなく波長多重された信号光（以下、波長多重信号光という）が用いられることが多い。

特許文献１には、それぞれ異なる波長の信号光を出射する４つの半導体レーザを備え、当該複数の信号光を多重化して出力する光モジュールが記載されている。この光モジュールでは、複数の光学レンズ、複数の反射ミラー、複数の波長選択フィルタ、及び、偏波合波器を備える光学系により４つの信号光を多重化する。また、これら多数の光学部品の機能を一つのデバイス上に実現する、所謂光導波路を有する導波路素子を用いた光学系により複数の光信号を多重化する構成も知られている。

米国特許第８６２５９８９号公報 特開２０００−２４９８７６号公報

一般に、光導波路は導波路素子の表面に作製される。が、導波路素子の母材はその厚さのばらつきが大きく、この場合、表面に形成された光導波路の光軸は、導波路素子を搭載する実装基板の表面からの距離（高さ）のばらつきが大きくなってしまう。光導波路に信号光を結合するにはレンズ等の集束光学系を採用するが、高さのばらつきが大きいと、適正な光結合が実現されない場合もある。特許文献２はその一解決方法として、導波路素子を表裏逆にして実装基板上に搭載する例を示している。その場合、光導波路が目視できない状態となるので、光導波路に対する調芯を如何に実現するかが課題として残る。

本発明は、上述のごとき実情に鑑み、複数の光源からの信号光を光導波路素子によって波長多重化して送信するものであって、導波路素子に設けられた光導波路と複数の光源との光結合効率のばらつきが少ない光送信モジュール及びその製造方法を提供することをその目的とする。

本発明に係る光送信モジュールは、光信号を出力する光源と、この光源に対応する光導波路を有する導波路素子と、この導波路素子を搭載し、かつ光導波路に対応する指標線を有する導波路キャリアと、この光源及び導波路キャリアを搭載し導波路キャリアの外形に対応するマークを有する実装基板を備える光モジュールである。そして、本発明に係る光送信モジュールは、導波路素子が導波路と指標線を対応させ、かつ導波路が形成された主面を導波路キャリアに対向させてこの導波路キャリア上に搭載されており、さらに、導波路キャリアがその外形をマークに整合させて実装基板に搭載されている。

ここで、指標線は上記主面と反対の面に形成されていることが好ましい。また光送信モジュールは、導波路素子の光源に対向する面が光導波路の光軸に対して傾斜しており、光源と導波路素子との間に第１レンズ、第２レンズを含むレンズ系をさらに備え、第１レンズの光軸が光源の光軸に一致し、第２レンズの光源が光導波路の光軸に一致し、かつ第１レンズの光軸との間にオフセットを有する。

本発明の別の側面は光送信モジュールの製造方法に係る。この製造方法は、導波路キャリアを、複数の光導波路それぞれに対応して導波路キャリアに形成された複数の指標線を複数の光導波路それぞれに整合させ、これら複数の光導波路が形成された導波路素子の主面上に搭載する工程と、導波路素子を搭載した導波路キャリアを、複数の光源を搭載する実装基板であって、導波路キャリアの外形に対応したマークを備える実装基板上に、導波路キャリアの外形をこのマークに整合させて搭載する、工程を含む。

本発明によれば、導波路素子に設けられた光導波路と複数の光源との光結合効率のばらつきを少なくすることができる。

本発明に係る光送信モジュールの一例を模式的に示した上面図である。 図１の光送信モジュールの本体部内の様子を示す側面図である。 導波路素子の導波路キャリアに対する位置合わせ方法及び導波路キャリアの実装基板に対する位置合わせ方法の例を説明する図である。 入力光学レンズを２レンズ構成とした効果を説明するための図である。 図１の光送信モジュールの効果を説明する図である。 第１レンズ及び第２レンズの実装方法を説明するための図である。 第１レンズ及び第２レンズの実装方法を説明するための図である。 第１レンズ及び第２レンズの実装方法を説明するための図である。 第１レンズ及び第２レンズの実装方法を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る光送信モジュール及びその製造方法に係る好適な実施の形態について説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内ですべての変更が含まれることを意図する。また、以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。

図１は、本発明に係る光送信モジュールの一例を模式的に示す上面図である。図１に記載した光送信モジュール１は、信号光を波長多重して送信する本体部２と、波長多重信号光を光伝送路に導くためのスリーブ部品３と、を備える。本体部２は、直方体形状のパッケージ４と該パッケージ４の上部の開放部分を塞ぐ蓋５からなる筐体６を有する。パッケージ４の前方（スリーブ部品３側）には不図示の開口が設けられており、該開口には窓材が設けられ、信号光に対する窓となっている。

また、本体部２は、筐体６内に、信号光を出射する複数の光源７ａ〜７ｄを有する。なお、以下では、後述の実装基板１１側を下側という。本体部２は、筐体６内に、光源７ａ〜７ｄの他、各種光学系部品を有する。ここでの光学系部品とは、導波路素子８と、複数の入力光学レンズ系９ａ〜９ｄと、一つの出力光学レンズ１０である。

複数の光源７ａ〜７ｄは、一列に並べられて設けられており、互いに異なる波長の信号光、例えばそれぞれ中心波長が１２９５．５６、１３００．５６ｎｍ、１３００．０５ｎｍ、１３０４．５８ｎｍ、１３０９．１４ｎｍの波長の信号光を生成し出力する半導体レーザとすることができる。入力光学レンズ系９ａ〜９ｄはそれぞれ、光源７ａ〜７ｄに対応した位置に設けられており、光源７ａ〜７ｄに近い側に配置された第１のレンズであるコリメートレンズ９ｅと光源７ａ〜７ｄに第１レンズより離して配置された第２のレンズである集光レンズ９ｆの２レンズ構成になっている。

導波路素子８は、例えば、アレイ導波路（AWG：arrayed waveguide grating）型回折格子を用いた波長多重素子であり、光源７ａ〜７ｄからの信号光を波長多重して出力する。導波路素子８の光入力側には、光源７ａ〜７ｄそれぞれに対応した位置に、すなわち、入力光学レンズ系９ａ〜９ｄそれぞれに対応した位置に、入力光導波路８ａ〜８ｄが設けられており、また、スリーブ部品３に対向する側には、出力光導波路８ｅが設けられている。

出力光学レンズ１０は、導波路素子８の出力光導波路８ｅに対向する位置に設けられており、該出力光導波路８ｅから出力された光をコリメートし出力する。

以上のような光学部品を有する光送信モジュール１では、複数の光源７ａ〜７ｄから出力された信号光が、入力光学レンズ系９ａ〜９ｄのコリメートレンズ９ｅによりコリメート光に変換され、集光レンズ９ｆにより導波路素子８の入力光導波路８ａ〜８ｄに光結合される。そして、上記入力光導波路８ａ〜８ｄに光結合された複数の信号光は、導波路素子８により波長多重されて該導波路素子８の出力光導波路８ｅから出力され、さらに、出力光学レンズ１０によりコリメート光に変換されて本体部２の筐体６に設けられた窓から出射される。出射された波長多重信号光はスリーブ部品３内の光学レンズ３１により集光され、アイソレータ３２を透過し、光ファイバ３３に光結合する。

また、光送信モジュール１は、筐体６内に、光源７ａ〜７ｄや各種光学系部品が搭載される実装基板１１を有する。

図２は、図１の光送信モジュール１の本体部２内の側面図である。図示するように、光送信モジュール１において、入力光学レンズ系９ｄと出力光学レンズ１０は不図示の樹脂により直接実装基板１１に固定されている。図示されていないが、他の入力光学レンズ系９ａ〜９ｃも同様である。それに対し、光源７ｄは光源キャリア１２を介して実装基板１１に実装されている。光源７ａ〜７ｃも同様である。なお、図示は省略するが、光源キャリア１２には、光源７ａ〜７ｃを駆動するための回路部品を搭載することもできる。

また、導波路素子８は導波路キャリア１３を介して実装基板１１に実装されている。この実装の際、導波路素子８は、入力光導波路８ａ〜８ｄ及び出力光導波路８ｅ（図１参照）が形成された主面８ｆが導波路キャリア１３に対向させた状態、すなわち主面８ｆが実装面とされた状態で、該導波路キャリア１３に実装されている。導波路キャリア１３は、例えば工作精度の高い材料（本実施の形態では窒化アルミ（ＡｌＮ）を採用しているが、他にアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、あるいは金属も用いることができる）から形成される。さらに、導波路素子８は、その外形を基準として位置合わせされるのではなく、後に具体的に詳述するように、その入力光導波路８ａ〜８ｄ自体を基準として位置合わせされて導波路キャリア１３に固定されている。そして、このように導波路素子８が位置合わせされた導波路キャリア１３が、後に具体的に詳述するように、該導波路キャリア１３の外形を基準に実装基板１１に固定されている。

したがって、上述のように、光送信モジュール１では、導波路素子８の実装基板１１への実装の際、寸法精度が高くない導波路素子８そのものを基準とせずに、入力光導波路８ａ〜８ｄ自体を導波路キャリア１３の外形を参照して位置合わせするので、入力光導波路８ａ〜８ｄと光源７ａ〜７ｃとの光結合効率のばらつきを少なくすることができる。

図３は、導波路素子８の導波路キャリア１３に対する位置合わせ方法及び導波路キャリア１３の実装基板１１に対する位置合わせ方法の例を説明する図である。図３（Ａ）は、導波路素子８が導波路キャリア１３に固定された状態を示す斜視図、図３（Ｂ）は、同下面図、図３（Ｃ）は、導波路素子８が固定された状態の導波路キャリア１３を実装基板１１に固定する様子を示す斜視図である。

導波路素子８の入力光導波路８ａ〜８ｄを基準とした導波路キャリア１３に対する位置合わせのために、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、導波路キャリア１３の下面には、例えば、複数の指標線１３ａが設けられている。これら指標線１３ａは、互いに平行であり、且つ、入力光導波路８ａ〜８ｄの間隔と等しい間隔で形成されている。また、実装基板１１の上面には、図３（Ｃ）に示すように、導波路キャリア１３の外形を基準とした位置合わせのためのマーク１１ａが設けられている。

導波路キャリア１３を介した導波路素子８の実装基板１１への実装は、例えば、以下の工程（１）〜（６）の順で行われる。

工程（１）：導波路素子８の主面８ｆを導波路キャリア１３の複数の指標線１３ａが設けられた面とは反対の面に対向させてから、図３（Ｂ）に示すように、導波路キャリア１３を所定量だけオフセットさせ、導波路素子８の導波路キャリア１３からの飛び出し量（オフセット量）を所定値とする。その後、指標線１３ａのうちのひとつの線と、それに対応する光導波路の線を、斜めあるいは上方から観測し両者が直線で結ばれる様に調芯する。

工程（２）：導波路キャリア１３を一旦退避させ、導波路素子８の所定位置に樹脂接着剤を塗布する。ここで、退避とは、導波路キャリア１３を実装治具により保持したまま平行移動することを言う。具体的には、両者の水平位置関係を保持しつつ導波路キャリア１３と導波路素子８との間隔をあけることをいう。平行移動した量だけ導波路キャリアを戻すことで、導波路素子８と導波路キャリア１３の相対位置は維持される。

工程（３）：工程（２）で塗布した樹脂接着剤を硬化させる。
工程（４）：図３（Ｃ）に示すように、導波路素子８が固定された導波路キャリア１３を、その外形が実装基板１１のマーク１１ａに一致するように位置合わせする。ここで、導波路キャリア１３の対向する２辺、すなわち、導波路素子８の入力側、および出力側の対向する２辺は導波路素子８の下に隠れて観測できないが、これら２辺を接続する導波路キャリア１３の側辺が導波路素子８からはみ出しているため、導波路キャリア１３の四隅が観測できる。当該四隅を実装基板１１上のマーク１１ａに対して整合させることで位置合わせを行う。

工程（５）：導波路キャリア１３を実装基板１１との間の水平相対位置関係を維持しつつ実装基板１１との間隔を空け、実装基板１１のマーク１１ａ内に樹脂接着剤を塗布する。
工程（６）：導波路キャリア１３を元の位置に戻して、工程（５）で塗布した樹脂接着剤を硬化させる。

このようにすることで、光送信モジュール１において、導波路素子８に設けられた入力光導波路８ａ〜８ｄと複数の光源７ａ〜７ｄとの間の位置バラつきを抑えることができ、入力光導波路８ａ〜８ｄと光源７ａ〜７ｄとの光結合効率のばらつきを少なくすることができる。光源７ａ〜７ｄと入力光導波路８ａ〜８ｄとの間の光結合を、少なくとも入力レンズ系９ａ〜９ｄにより可能とされる範囲に導波路素子８と光源７ａ〜７ｄとの間の位置を設定することができる。

図４は、光送信モジュール１の他の効果を説明する図であり、光源７ａ〜７ｄと導波路素子８の入力光導波路８ａ〜８ｄとの間の光学レンズ系を１レンズ構成とした場合と、２レンズ構成とした場合における光結合損失のシミュレーション結果を示している。図４のグラフにおいて、横軸は最大光量が検出される位置からの光学レンズの光軸のズレ量（単位：μｍ）を示し、縦軸は最大光量からの相対損失量（単位：ｄＢ）を示す。なお、光源の開口数（ＮＡ）が０．５、光導波路の開口数が０．２であるものとする。

光源７ａ〜７ｄと入力光導波路８ａ〜８ｄとの間の光学レンズ系が、本発明に係る光送信モジュール１とは異なり、集光レンズ１つの場合、損失量が−０．５ｄＢ以下となる光学レンズの許容ズレ量は約０．２２μｍである。それに対し、上記光学レンズ系が、光送信モジュール１と同様に、コリメートレンズと集光レンズの２レンズ構成の場合、集光レンズの上記許容ズレ量は約０．９μｍであり、１レンズ構成の場合に比べて、約４倍となる。

したがって、入力光学レンズ系９ａ〜９ｄを２レンズ構成としている光送信モジュール１では、入力光学レンズ系９ａ〜９ｄの固定位置に対するトレランスが大きくなる。

図５は、光送信モジュール１のさらに別の効果を説明する図である。光送信モジュール１の導波路素子８の入力面８ｈには、反射戻り光を防ぐためのカット角θが設けられている。また、光送信モジュール１では、光源７ａ〜７ｄの光軸とコリメートレンズ９ｅの光軸ｃ１とが一致し、導波路素子８の入力光導波路８ａ〜８ｄの光軸と集光レンズ９ｆの光軸ｃ２とが一致している。さらに、光源７ａ〜７ｄが出力する信号光が入力光導波路８ａ〜８ｄに対して適切な角度で入射するように、上記光軸ｃ１と上記光軸ｃ２が以下の関係で与えられる間隔ｄ１だけオフセットされている。なお、数式中、ｆは集光レンズ９ｆの焦点距離、ｎは入力光導波路８ａ〜８ｄの屈折率である。

光送信モジュール１では、光源キャリア１２及び導波路キャリア１３は、それぞれ光源７ａ〜７ｄ及び導波路素子８が実装される際に光源７ａ〜７ｄの光軸と入力光導波路８ａ〜８ｄの光軸との間に間隔ｄ１のオフセットが生ずる厚さを有している。

また、光送信モジュール１では、コリメートレンズ９ｅ及び集光レンズ９ｆの両レンズと実装基板１１との隙間ｄ２、すなわち両レンズの実装基板１１に対する実装面の高さｄ２が一致したときに、両レンズ９ｅ、９ｆの物理的寸法によりその光軸間に間隔ｄ１が生ずる。上記隙間ｄ２はレンズ固定用の樹脂の厚さに相当するので、光送信モジュール１では、コリメートレンズ９ｅ及び集光レンズ９ｆの樹脂接着剤の厚さを一致することができる。そのため、樹脂の硬化の影響が一方のレンズに大きく及ぶことがないので、光源７ａ〜７ｄと入力光導波路８ａ〜８ｄの光結合効率のばらつきを低減することができる。

図６〜図９は、光送信モジュール１における入力光学レンズ系９ａ〜９ｄ及び出力光学レンズ１０の実装方法を説明する図である。以下の説明では、図１を参照する。まず、光源７ａ〜７ｄ及び導波路素子８が実装された実装基板１１上であって、光源７ａ〜７ｄと導波路素子８との間の位置に、光路折り返し部品２０を置く。この光路折り返し部品２０は、光源７ａ〜７ｄから出力された光を、導波路素子８の上方において該光源７ａ〜７ｄの光軸と平行な方向に取り出すためのものである。また、光源７ａ〜７ｄから出力された光のビーム形状を観察するためのモニタ３０を、光源７ａ〜７ｄに対して遠点（約１ｍ）の位置に設置する。

次いで、実装基板１１上に樹脂接着剤を塗布し、入力光学レンズ系９ａのコリメートレンズ９ｅを、光源７ａと光路折り返し部品２０との間に置く。そして、光源７ａを発光させ、モニタからの出力結果を観察し、光源７ａから出力されコリメートレンズ９ｅを透過した光がコリメート光となるようにコリメートレンズ９ｅの位置を調整し、樹脂接着剤を紫外線等で仮固定する。その後、他の入力光学レンズ系９ｂ〜９ｄのコリメートレンズ９ｅについても同様な調整を行い、樹脂接着剤を紫外線等で仮固定する。その後、ベーク等を行い樹脂接着剤を本固定する。

全てのコリメートレンズ９ｅの位置調整が終了した後に、光路折り返し部品２０及びモニタ３０を取り除き、図７に示すように、導波路素子８の出力光導波路８ｅに対向する位置に、ＰＤ（フォトダイオード）やレンズファイバ、カメラ等のセンサ４０を置く。次いで、実装基板１１上に樹脂接着剤を塗布し、入力光学レンズ９ａの集光レンズ９ｆを、入力光学レンズ９ａのコリメートレンズ９ｅと導波路素子８との間に置く。そして、光源７ａを発光させ、センサ４０での受光強度が最大となるように集光レンズ９ｆの位置を調整し、樹脂接着剤を紫外線等で仮固定する。

複数の集光レンズ９ｆのうちの１つを上述のように位置調整し、仮固定した後、センサ４０を取り除き、図８に示すように、導波路素子８の出力光導波路８ｅの光軸上にコリメートファイバ５０を置く。次いで、実装基板１１上に樹脂接着剤を塗布し、出力光学レンズ１０を出力光導波路８ｅとコリメートファイバ５０との間に置く。そして、光源７ａを発光させ、コリメートファイバ５０での受光量が最大となるように出力光学レンズ１０の位置を調整し、樹脂接着剤を紫外線等で仮固定する。

そして、図９に示すように、複数の集光レンズ９ｆのうちまだ位置調整していない残りの集光レンズ９ｆについて、実装基板１１上に樹脂接着剤を塗布し、コリメートレンズ９ｅと導波路素子８との間に置く。そして、対応する光源７ｂ〜７ｄを発光させ、コリメートファイバ５０での受光量が最大となるように上記残りの集光レンズ９ｆの位置を調整し、樹脂接着剤を紫外線等で仮固定する。

全てのレンズについて位置調整が終了した後に、これらのレンズに塗布されている樹脂接着剤をベーク等で本固定硬化し、これらレンズを実装基板１１に固定する。これにより、光送信モジュール１における全てのレンズの固定が完了する。

なお、以上の例では、導波路キャリア１３に設けた、位置合わせのためのパターンである複数の指標線１３ａは、導波路素子８の入力光導波路８ａ〜８ｄの間隔に合わせて等間隔に設定されていた。しかし、入力光導波路の間隔が等間隔でない場合は、上記複数の線は等間隔でなくてよく、入力光導波路の位置と対応した位置にあればよい。

１…光送信モジュール、１０…出力光学レンズ、１１…実装基板、１１ａ…マーク、１２…光源キャリア、１３…導波路キャリア、１３ａ…指標線、２…本体部、３…スリーブ部品、４…パッケージ、５…蓋、６…筐体、７ａ〜７ｄ…光源、８…導波路素子、８ａ〜８ｄ…入力光導波路、８ｅ…出力光導波路、８ｆ…主面、９…入力光学レンズ、９ｅ…コリメートレンズ、９ｆ…集光レンズ。

Claims (8)

1. 光信号を出力する光源と、
   該光源に対応する光導波路を有する導波路素子と、
   該導波路素子を搭載し、前記光導波路に対応する指標線を有する導波路キャリアと、
   前記光源及び前記導波路キャリアを搭載し該導波路キャリアの外形に対応するマークを有する実装基板を備える光モジュールであって、
   前記導波路素子は前記光導波路を前記指標線に対応させ、前記光導波路が形成された主面を前記導波路キャリアに対向させて該導波路キャリアに搭載されており、
   該導波路キャリアは当該導波路キャリアの外形を前記マークに整合させて前記実装基板に搭載されている、光送信モジュール。
2. 前記指標線は前記主面と反対の面に形成されている、請求項１に記載の光送信モジュール。
3. 前記導波路素子の前記光源に対向する辺は前記光導波路の光軸に対して傾斜しており、
   前記光送信モジュールは、前記光源と前記導波路素子との間に第１レンズ、第２レンズを含むレンズ系を備え、
   前記第１レンズの光軸は前記光源の光軸に一致し、前記第２レンズの光軸は前記光導波路の光軸に一致し、前記第１レンズの光軸との間にオフセットを有する、請求項１または２に記載の光送信モジュール。
4. 前記オフセットｄは前記傾斜面の角度をθ、前記光導波路の屈折率をｎ、前記第２レンズの焦点距離をｆとすると、
   ｄ＝ｆ（１／ｎ²ｓｉｎ²θ−１）^-1/2
   で与えられる、請求項３に記載の光送信モジュール。
5. 複数の光源それぞれから出力される互いに波長の異なる複数の信号光を、導波路キャリア上に搭載され前記複数の光源それぞれに対応する複数の光導波路を有する導波路素子により多重化して出力する光送信モジュールの製造方法であって、
   前記導波路キャリアを、前記複数の光導波路それぞれに対応して当該導波路キャリアに形成された複数の指標線を前記複数の光導波路それぞれに整合させ、該複数の光導波路が形成された前記導波路素子の主面上に搭載し、
   該導波路素子を搭載した前記導波路キャリアを、前記複数の光源を搭載する実装基板であって、前記導波路素子の外形に対応したマークを備える前記実装基板上に、当該導波路キャリアの外形を前記マークに整合させて搭載する、
   工程を含む光送信モジュールの製造方法。
6. 前記光送信モジュールはさらに、前記複数の信号光それぞれを前記導波路素子に結合する前記複数の光源それぞれに対応し第１レンズ、第２レンズを含む複数のレンズ系を含み、前記製造方法は前記導波路キャリアを前記実装基板上に搭載した後、さらに、
   前記第１レンズそれぞれを、前記複数の光源が出力する前記複数の信号光をコリメート光に変換する前記実装基板上の位置に搭載し、
   前記第２レンズそれぞれを、前記複数の光源が出力する前記複数の信号光の前記導波路素子からの出力強度が最大となる前記実装基板上の位置に搭載する、請求項５に記載の光送信モジュールの製造方法。
7. 前記第１レンズを搭載する工程は、前記複数の光源それぞれの光軸と、当該第１レンズそれぞれの光軸を一致させる、請求項６に記載の光送信モジュールの製造方法。
8. 前記導波路素子の前記第２レンズに対向する面は、前記複数の光導波路の光軸に対して角度θ（＞０）で傾斜しており、
   前記第２レンズを搭載する工程は、当該第２レンズの光軸それぞれと前記複数の光導波路の光軸それぞれを一致させ、前記第１レンズそれぞれの光軸とは、前記複数の光導波路の屈折率をｎ、前記第２レンズそれぞれの焦点距離をｆとしたとき、
   ｄ＝ｆ（１／ｎ²ｓｉｎ²θ−１）^-1/2
   で与えられる距離ｄだけオフセットさせる、請求項７に記載の光送信モジュールの製造方法。

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