JP6774885B2 - 光ファイバ実装構造及び光モジュール - Google Patents
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Description
コンピュータなどの情報系装置も信号の高速化により、装置間ではすでに光信号が実用化されており、装置内、ボード内への光信号の導入が視野に入ってきている。
さらに、最近ではシリコンフォトニクスも用いられつつある。
この場合、光回路を備える光回路チップ上に光ファイバを実装するために、光ファイバ実装構造が必要になる。
なお、従来、LDアレイ部と、レンズアレイ部と、光ファイバアレイ部とからなる光アレイモジュールにおいて、光軸ずれを少なくするために、各部の熱膨張がマッチングするように各部のマウント部の熱膨張係数が所望の関係となる材料を選択する技術がある。
しかしながら、光ファイバ実装構造の占有するスペースが大きくなってしまい、大型化を招くことになる。
そこで、光ファイバ実装構造103に片持ちで支持される片持ち支持構造を採用することが考えられる(例えば図4参照)。
そして、光回路チップ100の光入出力部104(例えばグレーティングカプラ、面発光レーザ、フォトディテクタなど)の位置、レンズ105の主点の位置、光ファイバ102の中心位置を合わせて、光回路チップ100上に光ファイバ実装構造103を設けることになる(例えば図5(A)参照)。
このため、光ファイバ102の中心位置と結像位置との間に位置ずれが生じてしまい、通常、許容できない損失が生じることになる(例えば図5(B)参照)。
本発明は、片持ち支持構造を採用した場合に、熱膨張による光ファイバの中心位置と結像位置との間の位置ずれを抑制できるようにすることを目的とする。
本実施形態にかかる光ファイバ実装構造は、例えば、高速、大容量の信号伝送を必要とする情報通信系の装置に用いられ、光ファイバと光回路チップ(光回路基板)を接続するための構造である。
このため、両端支持構造を採用する場合と比較して、省スペース化、小型化を実現することができる。また、光回路チップ上に光ファイバ実装構造を設け、さらに、例えば電子回路チップ(例えば駆動用ICチップなど)を設ける場合などに、例えば性能面の要求から、光ファイバ実装構造を設ける位置と電子回路チップを設ける位置を近づけたい場合にも対応することが可能となる。なお、電子回路チップを半導体回路チップ(半導体回路を備える半導体回路チップ)又は電気回路チップともいう。
なお、この光ファイバ実装構造6を構成する部品をフェルール又はレンズ式フェルールともいう。ここでは、フェルールは、逆L字形状の片持ち梁を2重にした2重の片持ち梁形状を有し、その断面形状がF字形状になっており、光回路チップ1上に搭載される。
また、第2の梁部5は、光ファイバ4を保持する光ファイバ保持部(光ファイバ保持構造;光ファイバ保持機構)8として、例えばV溝や穴(ファイバ穴)などを備える。なお、第2の梁部5を光ファイバ梁ともいう。
この場合、第1の梁部3と第2の梁部5との間にスリット9が形成されるように、第1の部品3Xと第2の部品5Xを接合して、これらを一体化すれば良い。
なお、これに限られるものではなく、例えば、光ファイバ実装構造6は、第1の梁部3と、第2の梁部5と、第1の梁部1及び第2の梁部5を片持ちで支持する支持部とから構成される部品を備えるものとしても良い。
この場合、光回路チップ1上に光ファイバ実装構造6を設けた場合に、第1の梁部3が下側に位置し、第2の梁部5が上側に位置することになる。
本実施形態では、光回路チップ1からレンズ2までの距離をAとし、光回路チップ1から光ファイバ4までの距離をBとし、レンズ2の光軸までの第1の梁部3の長さをL1とし、光ファイバ4の中心位置までの第2の梁部5の長さをL2とし、第1の梁部3の熱膨張係数をα1とし、第2の梁部5の熱膨張係数をα2として、A:B=L1×α1:L2×α2の関係が成立するように、光回路チップ1からレンズ2までの距離、光回路チップ1から光ファイバ4までの距離、レンズ2の光軸までの第1の梁部3の長さ及び第1の梁部3の熱膨張係数、並びに、光ファイバ4の中心位置までの第2の梁部5の長さ及び第2の梁部5の熱膨張係数が設定されている。
この場合、α1=α2となるため、A:B = L1:L2の関係が成立するように、光回路チップ1からレンズ2までの距離、光回路チップ1から光ファイバ4までの距離、レンズ2の光軸までの第1の梁部3の長さ及び第1の梁部3の熱膨張係数、並びに、光ファイバ4の中心位置までの第2の梁部5の長さ及び第2の梁部5の熱膨張係数を設定すれば良い。
そして、熱膨張が生じると、図1(B)に示すように、第1の梁部3の熱膨張で、レンズ2の主点が横方向にΔx1移動し、結像位置はΔx2=Δx1×B/Aだけ移動する。一方、第2の梁部5の熱膨張で、光ファイバ4の中心位置が横方向にΔx2移動する。
そして、熱膨張による移動量は梁の長さに比例するため、熱膨張係数を考慮した梁の長さの比をA:Bと等しくすることで(A:B=L1×α1:L2×α2あるいはA:B = L1:L2)、光ファイバ4の移動量を結像位置の移動量に一致させることができるようにしている。つまり、熱膨張による結像位置のずれに、熱膨張による光ファイバ4のずれが追従するようにしている。
また、熱膨張の影響を抑えるために熱膨張係数が異なる材料を選択しなくても良く、熱膨張係数が同じ材料又は熱膨張係数が近い材料を用いても、熱膨張の影響、即ち、熱膨張による光ファイバ4の中心位置と結像位置との間の位置ずれを抑制できることになる。
また、例えば、成型した樹脂のみでフェルール(光ファイバ実装構造)6を構成することで、製造性を向上させることも可能である。
これらのデータを用いて、図2(A)、図2(B)に示すように、断面F字形状のフェルール(光ファイバ実装構造)6を作製し、光回路チップ1上に設ければ良い。
このため、例えば図3(A)、図3(B)に示すように、レンズ2を有するL字状部品3X及び光ファイバ4を保持するための穴(光ファイバ穴)8を有するL字状部品5Xの2個のL字状部品3X,5Xを用い、図3(C)に示すように、これらをスリット9が形成されるように接合して、断面F字形状のフェルール(光ファイバ実装構造)6を作製するのが好ましい。そして、図3(D)に示すように、このようにして作製したフェルール6の光ファイバ穴8に光ファイバ4を挿入して接着し、例えばシリコンフォトニクスによる光回路チップ1上に設ければ良い。
最近では光回路チップ1としてシリコンフォトニクスも用いられつつある。これは、シリコンを半導体製造プロセスで微細加工することにより、同じ機能を非常に小さいエリアに形成できる長所がある。
これらを基板上に形成した光導波路部品は単独では用途が限られており、離れた位置の部品間を接続する必要がある。接続する配線部材としては、光ファイバが性能面、価格面で優れている。
そこで、光導波路部品に光ファイバを接続することによって、光導波路で加工した光信号を目的の場所に伝達することが可能となる。
上述のシリコンフォトニクスでは、光ファイバとのインターフェースとしてグレーティングカプラが使われる場合がある。これは回折格子を利用して光導波路を伝搬する光を基板上方に放射するもので、これが使われる場合、光ファイバは、基板に対して垂直に近い角度で突き立てて実装することになる。そこで、フェルール6は、グレーティングカプラの放射角度に合わせて光回路チップ1上に斜めに傾けて設けることになる。
シリコンフォトニクスはシリコン基板に半導体プロセスを用いて形成するため、半導体回路も一緒に形成することは不可能ではない。
その場合は、光回路と半導体回路が別基板となり、両者を組み合わせることになる。例えば、シリコンフォトニクス基板100の上に駆動IC(搭載部品)101を搭載することが考えられる(例えば図4、図6参照)。
しかしながら、光ファイバを収納するための機械的寸法や強度を確保するための接着面積が必要であり、これらはシリコンフォトニクスの特徴である微細化に比較して、きわめて巨大である。
例えば、光導波路の損失が無視できず、その長さを短くしたい場合、あるいは、グレーティングカプラではなく光ファイバからの光信号を直接受光器で受ける構成になっており、受光器〜半導体回路間の電気配線を短くしたい場合などである。
面発光レーザを使用する場合はチップから真上に光が放射される。このため、レンズで受けてマルチモードファイバに導く構造が一般的である。この場合、面発光レーザとレンズの間には空間が生じるため、ここに駆動用ICなどを配置することができる。その結果、全体としても小型化が可能となる。
また、フェルール103を構成する樹脂を成型してレンズ105を加工する場合、樹脂としてフィラーの入っていない透明樹脂を使用することになるため、樹脂そのものが有する大きな熱膨張率を発現する。シリコンの熱膨張率は樹脂の約1/30と非常に小さいため、樹脂の熱膨張はそのまま部品の移動量となる。
一方、図6に示すように、フェルール103を両端支持形状にすると、熱膨張による変形のバランスを取りやすいため、熱膨張の影響を抑えることができる。
しかし、フェルール103の占有する面積が大きくなってしまい、大型化を招くことになる。
しかしながら、これには、熱膨張係数のバリエーションが重要になってくる。レンズに用いる透明樹脂には、例えばポリエーテルイミド、ポリカーボネート、アクリル樹脂などがあるが、似たような熱膨張係数を有しているため、これらの樹脂を組み合わせても、熱膨張が発生した際に結像位置がずれない構造を実現することは難しい。このため、例えば、金属、セラミックス、ガラスなどの他の材質を組み合わせることになるが、加工性の悪い材質の使用、異種材質の組み合わせは、製造性の低下や大型化を招くことになるため、好ましくない。
ところで、上述のように構成される光ファイバ実装構造6を、光回路チップ1上に設けることで、光モジュール10を構成することができる。
この場合、光モジュール10は、光回路を備える光回路チップ1と、光回路チップ1上に光ファイバ4を実装するための光ファイバ実装構造6とを備えるものとなり、光ファイバ実装構造6は、上述のように構成されることになる。
この光モジュール10は、貫通配線基板12を用いることで、光回路チップ1上に、駆動・制御を担う電子回路チップ13を集積した構造を有する。
また、上述のように構成される光ファイバ実装構造(フェルール)6は、片持ち梁形状になっているため、電子回路チップ13に近接した配置が可能となっている。
なお、本発明は、上述した実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
(付記1)
光回路を備える光回路チップ上に光ファイバを実装するための光ファイバ実装構造であって、
前記光回路チップ上に片持ちで支持され、レンズを有する第1の梁部と、
前記光回路チップ上に片持ちで支持され、前記光ファイバを保持する第2の梁部とを備え、
前記光回路チップから前記光ファイバまでの距離が、前記光回路チップから前記レンズまでの距離よりも長くなるように、前記第1の梁部及び前記第2の梁部が設けられており、
前記レンズの光軸までの前記第1の梁部の長さに熱膨張係数を掛けて得られる第1移動量よりも前記光ファイバの中心位置までの前記第2の梁部の長さに熱膨張係数を掛けて得られる第2移動量が大きくなるように、前記第1の梁部の長さ及び熱膨張係数並びに前記第2の梁部の長さ及び熱膨張係数が設定されていることを特徴とする光ファイバ実装構造。
前記光回路チップから前記レンズまでの距離をAとし、前記光回路チップから前記光ファイバまでの距離をBとし、前記レンズの光軸までの前記第1の梁部の長さをL1とし、前記光ファイバの中心位置までの前記第2の梁部の長さをL2とし、前記第1の梁部の熱膨張係数をα1とし、前記第2の梁部の熱膨張係数をα2として、A:B=L1×α1:L2×α2の関係が成立するように、前記光回路チップから前記レンズまでの距離、前記光回路チップから前記光ファイバまでの距離、前記レンズの光軸までの前記第1の梁部の長さ及び前記第1の梁部の熱膨張係数、並びに、前記光ファイバの中心位置までの前記第2の梁部の長さ及び前記第2の梁部の熱膨張係数が設定されていることを特徴とする、付記1に記載の光ファイバ実装構造。
前記第1の梁部と、前記第1の梁部を片持ちで支持する第1支持部とから構成される第1の部品と、
前記第2の梁部と、前記第2の梁部を片持ちで支持する第2支持部とから構成される第2の部品とを備えることを特徴とする、付記1又は2に記載の光ファイバ実装構造。
前記第1の梁部と前記第2の梁部は、同一の材料からなることを特徴とする、付記1〜3のいずれか1項に記載の光ファイバ実装構造。
(付記5)
前記光回路チップは、シリコン光回路チップであり、
前記第1の梁部は、透明樹脂からなることを特徴とする、付記1〜4のいずれか1項に記載の光ファイバ実装構造。
光回路を備える光回路チップと、
前記光回路チップ上に光ファイバを実装するための光ファイバ実装構造とを備え、
前記光ファイバ実装構造は、
前記光回路チップ上に片持ちで支持され、レンズを有する第1の梁部と、
前記光回路チップ上に片持ちで支持され、前記光ファイバを保持する第2の梁部とを備え、
前記光回路チップから前記光ファイバまでの距離が、前記光回路チップから前記レンズまでの距離よりも長くなるように、前記第1の梁部及び前記第2の梁部が設けられており、
前記レンズの光軸までの前記第1の梁部の長さに熱膨張係数を掛けて得られる第1移動量よりも前記光ファイバの中心位置までの前記第2の梁部の長さに熱膨張係数を掛けて得られる第2移動量が大きくなるように、前記第1の梁部の長さ及び熱膨張係数並びに前記第2の梁部の長さ及び熱膨張係数が設定されていることを特徴とする光モジュール。
前記光回路チップから前記レンズまでの距離をAとし、前記光回路チップから前記光ファイバまでの距離をBとし、前記レンズの光軸までの前記第1の梁部の長さをL1とし、前記光ファイバの中心位置までの前記第2の梁部の長さをL2とし、前記第1の梁部の熱膨張係数をα1とし、前記第2の梁部の熱膨張係数をα2として、A:B=L1×α1:L2×α2の関係が成立するように、前記光回路チップから前記レンズまでの距離、前記光回路チップから前記光ファイバまでの距離、前記レンズの光軸までの前記第1の梁部の長さ及び前記第1の梁部の熱膨張係数、並びに、前記光ファイバの中心位置までの前記第2の梁部の長さ及び前記第2の梁部の熱膨張係数が設定されていることを特徴とする、付記6に記載の光モジュール。
前記第1の梁部と、前記第1の梁部を片持ちで支持する第1支持部とから構成される第1の部品と、
前記第2の梁部と、前記第2の梁部を片持ちで支持する第2支持部とから構成される第2の部品とを備えることを特徴とする、付記6又は7に記載の光モジュール。
前記第1の梁部と前記第2の梁部は、同一の材料からなることを特徴とする、付記6〜8のいずれか1項に記載の光モジュール。
(付記10)
前記光回路チップは、シリコン光回路チップであり、
前記第1の梁部は、透明樹脂からなることを特徴とする、付記6〜9のいずれか1項に記載の光モジュール。
2 レンズ
3 第1の梁部
3A 第1支持部
3X 第1の部品
4 光ファイバ
5 第2の梁部
5A 第2支持部
5X 第2の部品
6 光ファイバ実装構造(フェルール)
7 光出力部
8 光ファイバ保持部(ファイバ穴)
9 スリット
10 光モジュール
11 回路基板
12 貫通配線基板
13 電子回路チップ
14 アンダーフィル材
100 シリコンフォトニクス基板
101 駆動IC(搭載部品)
102 光ファイバ
103 フェルール
104 光ファイバインターフェース
105 レンズ
106 梁
107 柱
Claims (5)
- 光回路を備える光回路チップ上に光ファイバを実装するための光ファイバ実装構造であって、
前記光回路チップ上に片持ちで支持され、レンズを有する第1の梁部と、
前記光回路チップ上に片持ちで支持され、前記光ファイバを保持する第2の梁部とを備え、
前記光回路チップから前記光ファイバまでの距離が、前記光回路チップから前記レンズまでの距離よりも長くなるように、前記第1の梁部及び前記第2の梁部が設けられており、
前記レンズの光軸までの前記第1の梁部の長さに熱膨張係数を掛けて得られる第1移動量よりも前記光ファイバの中心位置までの前記第2の梁部の長さに熱膨張係数を掛けて得られる第2移動量が大きくなるように、前記第1の梁部の長さ及び熱膨張係数並びに前記第2の梁部の長さ及び熱膨張係数が設定されていることを特徴とする光ファイバ実装構造。 - 前記光回路チップから前記レンズまでの距離をAとし、前記光回路チップから前記光ファイバまでの距離をBとし、前記レンズの光軸までの前記第1の梁部の長さをL1とし、前記光ファイバの中心位置までの前記第2の梁部の長さをL2とし、前記第1の梁部の熱膨張係数をα1とし、前記第2の梁部の熱膨張係数をα2として、A:B=L1×α1:L2×α2の関係が成立するように、前記光回路チップから前記レンズまでの距離、前記光回路チップから前記光ファイバまでの距離、前記レンズの光軸までの前記第1の梁部の長さ及び前記第1の梁部の熱膨張係数、並びに、前記光ファイバの中心位置までの前記第2の梁部の長さ及び前記第2の梁部の熱膨張係数が設定されていることを特徴とする、請求項1に記載の光ファイバ実装構造。
- 前記第1の梁部と、前記第1の梁部を片持ちで支持する第1支持部とから構成される第1の部品と、
前記第2の梁部と、前記第2の梁部を片持ちで支持する第2支持部とから構成される第2の部品とを備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の光ファイバ実装構造。 - 前記第1の梁部と前記第2の梁部は、同一の材料からなることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の光ファイバ実装構造。
- 光回路を備える光回路チップと、
前記光回路チップ上に光ファイバを実装するための光ファイバ実装構造とを備え、
前記光ファイバ実装構造は、
前記光回路チップ上に片持ちで支持され、レンズを有する第1の梁部と、
前記光回路チップ上に片持ちで支持され、前記光ファイバを保持する第2の梁部とを備え、
前記光回路チップから前記光ファイバまでの距離が、前記光回路チップから前記レンズまでの距離よりも長くなるように、前記第1の梁部及び前記第2の梁部が設けられており、
前記レンズの光軸までの前記第1の梁部の長さに熱膨張係数を掛けて得られる第1移動量よりも前記光ファイバの中心位置までの前記第2の梁部の長さに熱膨張係数を掛けて得られる第2移動量が大きくなるように、前記第1の梁部の長さ及び熱膨張係数並びに前記第2の梁部の長さ及び熱膨張係数が設定されていることを特徴とする光モジュール。
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