JP7480609B2 - 光モジュール及び光モジュールの製造方法 - Google Patents

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Description

本開示は、光モジュール及び光モジュールの製造方法に関する。
特許文献1には、半導体レーザに対向する第1レンズと光ファイバに対向する第2レンズとを用いて、半導体レーザと光ファイバとを光学的に結合する光モジュールが開示されている。
特開平10-153724号公報
光モジュールに実装される半導体レーザ等の光半導体素子には、光変調器チップのように光導波路が設けられるものがあり、光導波路での光の伝搬性能を向上させるため、光導波路のコア径(MFD)を小さくすることが望まれている。一方、光変調器チップの光導波路のコア径を小さくすると、出射端の開口数(NA)が大きくなり、光変調器チップとコリメートレンズ(第1レンズ)との間の空間で光変調器チップの端面から出射されるビームが広がってしまい、レンズの蹴られ、即ちビームの一部がレンズの有効範囲(有効径)の外に外れてしまうことがある。その結果、光変調器チップから出射されたビームが光ファイバ等の光学素子に入射するまでの間に例えば2~3dB以上の光パワーのロスが発生し得る。それにより、光変調器チップの挿入損失が増大してしまう虞がある。
本開示は、光半導体素子を光学素子に光結合する際の接続損失を低減することができる、光モジュール及び光モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
本開示は、光モジュールを提供する。この光モジュールは、基板と、基板上に配置されたキャリアと、入出射面を有し、当該入出射面から光を出射する又は当該入出射面に光を入射するように構成され、キャリア上に実装された光半導体素子と、第1レンズ面と当該第1レンズ面の反対側に位置する第2レンズ面とを有し、光半導体素子の入出射面に第1レンズ面が対向するように基板上に配置されたレンズ部品と、光半導体素子とレンズ部品の第1レンズ面との間に配置された光透過性樹脂と、を備える。光透過性樹脂は、光半導体素子の入出射面とレンズ部品の第1レンズ面との間において光半導体素子の光路を少なくとも包含するように設けられている。
本開示は、基板と、キャリアと、入出射面を有し入出射面から光を出射する又は入出射面に光を入射するように構成された光半導体素子と、第1レンズ面及び当該第1レンズ面の反対側に位置する第2レンズ面を有するレンズ部品と、を備える光モジュールの製造方法を提供する。この光モジュールの製造方法は、キャリアを介して基板上に配置された光半導体素子の入出射面とレンズ部品の第1レンズ面とが対向するように、光半導体素子とレンズ部品との位置決めを行う工程と、光半導体素子の入出射面からの出射光をコリメート光にする若しくは当該出射光の光結合効率が最大値あるいは所定の値になるように、又は、光半導体素子の入出射面への入射光の光結合効率が最大値あるいは所定の値になるように、レンズ部品を調芯する工程と、調芯が為された位置から光半導体素子の光軸に沿ってレンズ部品を光半導体素子から離れるようにオフセットする工程と、オフセットされたレンズ部品と光半導体素子との間に、光硬化及び熱硬化の少なくとも一方が可能なジェル状の光透過性樹脂を充填する工程と、光透過性樹脂に対して光硬化及び熱硬化の少なくとも一方を行い、レンズ部品と光半導体素子との間に充填されたジェル状の光透過性樹脂を固化する工程と、を備える。充填する工程では、ジェル状の光透過性樹脂が固化された際に光半導体素子の入出射面とレンズ部品の第1レンズ面との間において当該光透過性樹脂が光半導体素子の光路を少なくとも包含するように、ジェル状の光透過性樹脂が充填される。
本開示の一態様によれば、光半導体素子を光学素子に光結合する際の接続損失を低減することができる。
図1は、一実施形態に係る光モジュールの内部構造を示す斜視図である。 図2は、図1の一部を拡大して示す平面図である。 図3は、図1に示す光モジュールにおける光接続構造を模式的に示した断面図である。 図4は、図3に示す光モジュールの光接続構造の組立方法を示すフローチャートである。 図5の(a)は、レンズ部品の調芯工程を示す図であり、図5の(b)は、レンズ部品のオフセット工程を示す図である。 図6の(a)は、比較例に係る光接続構造を模式的に示した断面図であり、図6の(b)は、本実施形態に係る光接続構造を模式的に示した断面図である。 図7の(a)は、図6の(a)に示す比較例に係る光接続構造を用いて光変調器チップと光ファイバとを光結合した場合のビーム光路を示す図であり、図7の(b)は、図6の(b)に示す本実施形態に係る光接続構造を用いて光変調器チップと光ファイバとを光結合した場合のビーム光路を示す図である。 図8の(a)は、図6の(a)に示す光接続構造を含む光モジュールでのビーム光路を上下方向で視た場合の図であり、図8の(b)は、図6の(a)に示す光接続構造を含む光モジュールでの光路を横方向で視た場合の図である。 図9の(a)は、図6の(a)に示す比較例の光接続構造でのビーム光路の広がりを示す図であり、図9の(b)は、図6の(b)に示す本実施形態に係る光接続構造でのビーム光路の広がりを示す図である。
[本開示の実施形態の説明]
最初に、本開示の実施形態を列記して説明する。本開示の一実施形態に係る光モジュールは、基板と、基板上に配置されたキャリアと、入出射面を有し、当該入出射面から光を出射する又は当該入出射面に光を入射するように構成され、キャリア上に実装された光半導体素子と、第1レンズ面と当該第1レンズ面の反対側に位置する第2レンズ面とを有し、光半導体素子の入出射面に第1レンズ面が対向するように基板上に配置されたレンズ部品と、光半導体素子とレンズ部品の第1レンズ面との間に配置された光透過性樹脂と、を備える。光透過性樹脂は、光半導体素子の入出射面とレンズ部品の第1レンズ面との間において光半導体素子の光路を少なくとも包含するように設けられている。
この光モジュールでは、光半導体素子とレンズ部品との間に光透過性樹脂を配置し、この光透過性樹脂が光半導体素子の入出射面とレンズ部品の第1レンズ面との間において光半導体素子の光路を少なくとも包含するように構成されている。このように従来、空間であった領域に光透過性樹脂を設けることにより、光半導体素子の入出射面からの出射光の広がりを抑制して、レンズの蹴られによる光パワーのロスを低減することができる。すなわち、光半導体素子からの出射光が対向するレンズ部品の有効範囲(有効径)内に確実に入り、出射光の一部がレンズ部品の有効範囲外に外れないようにして、レンズ部品を通した光学素子との光結合効率を高めることが可能となる。また、光半導体素子の入出射面に光を入射する場合でも同様に光結合効率を高めることが可能となる。更に、出射光等の入出射面での広がりを抑えることができるため、レンズ部品の小型化及び光モジュールの小型化を図ることも可能となる。なお、「入出射面」は、光半導体素子に光を入射する入射面又は光半導体素子から光を出射する出射面を意味する。「入出射面」は、光半導体素子の外部と光半導体素子との間の境界に位置する。
一実施形態として、レンズ部品の屈折率は光透過性樹脂の屈折率より大きくてもよい。この態様によれば、光透過性樹脂を光半導体素子とレンズ部品との間に配置した場合でも、レンズ部品としての機能を確実に果たすことが可能となり、例えば、光半導体素子からレンズ部品に入射されたビームを所望のコリメート光に変換することができる。
一実施形態として、レンズ部品の屈折率が3より大きくてもよい。レンズ部品と隣接する光透過性樹脂との屈折率の差が小さくなるとレンズ部品の機能が低減してしまう場合もあるが、本態様によれば、レンズ部品の屈折率と光透過性樹脂の屈折率との差を大きくして、レンズ部品としての機能をより確実に果たすことが可能となる。
一実施形態として、光透過性樹脂の屈折率が1.1より大きくてもよい。光半導体素子の入出射面とレンズ部品との間が空気(屈折率は1.000292)の場合、光半導体素子の入出射面からの出射光等が広がりやすいが、光透過性樹脂の屈折率を1.1より大きくすることにより、光半導体素子の光導波路のコアの実効的な開口数(NA)を低減し、光半導体素子から出射されるビームの広がり角を小さくすることが可能となる。この実施形態において、光透過性樹脂の屈折率が1.3以上1.6以下であってもよい。又は、光透過性樹脂はシリコーン樹脂であってもよい。シリコーン樹脂であれば、光透過性及び屈折率の点で優れており、実用度を高めることが可能となる。
一実施形態として、光透過性樹脂は、波長1.26μm以上1.63μm以下の光を透過率70%以上で透過させることが可能な樹脂であってもよい。この態様によれば、光半導体素子の入出射面とレンズ部品との間が空隙(空気)だった場合に比べて、光半導体素子からの出射光又は光半導体素子への入射光に対して光透過性樹脂によって生じる光結合損失を抑制することが可能である。この実施形態において、光透過性樹脂は、波長1.26μm以上1.63μm以下の光を透過率90%以上で透過させることが可能な樹脂であることがより好ましい。このような樹脂の一例として、シリコーン樹脂を用いることができる。
一実施形態として、光透過性樹脂は、光半導体素子とレンズ部品との間に設けられ、入出射面を起点として光半導体素子の光軸に対する角度が-15度から+15度までの範囲で第1レンズ面に向けて放射状に広がる領域を少なくとも包含してもよい。この態様によれば、光半導体素子からの出射光等の広がりをより一層確実に抑制して、光結合効率を高めることが可能となる。
一実施形態として、光透過性樹脂がキャリア及びレンズ部品の間にそれぞれに接触するように充填されると共に、光半導体素子をキャリアへ実装した面とは逆側の面であって入出射面と交差する方向に広がる光半導体素子の表面の少なくとも一部を光透過性樹脂が覆ってもよい。この態様によれば、光半導体素子が実装されるキャリアとレンズ部品との間の空隙にも光透過性樹脂が充填され、また、光半導体素子の入出射面の上方も光透過性樹脂に覆われることになり、光半導体素子の入出射面と第1レンズ面との間に配置された光透過性樹脂を長期且つ確実に維持することができる。その結果、長期に亘って高い光結合効率を維持した光モジュールを具現化することが可能となる。なお、他の構成により、長期に亘って光結合効率が高い光モジュールを具現化してももちろんよい。
一実施形態として、光半導体素子は、レンズ部品の中心軸と光半導体素子の光軸とが一致するようにキャリア上に配置されていてもよい。この態様によれば、レンズ部品を介して光半導体素子と光ファイバ等の光学素子との光結合効率をより高くできる。
本開示の一実施形態に係る光モジュールの製造方法は、基板と、キャリアと、入出射面を有し入出射面から光を出射する又は入出射面に光を入射するように構成された光半導体素子と、第1レンズ面及び当該第1レンズ面の反対側に位置する第2レンズ面を有するレンズ部品と、を備える光モジュールの製造方法に関する。この光モジュールの製造方法は、キャリアを介して基板上に配置された光半導体素子の入出射面とレンズ部品の第1レンズ面とが対向するように、光半導体素子とレンズ部品との位置決めを行う工程と、光半導体素子の入出射面からの出射光をコリメート光にする若しくは当該出射光の光結合効率が最大値あるいは所定の値になるように、又は、光半導体素子の入出射面への入射光の光結合効率が最大値あるいは所定の値になるように、レンズ部品を調芯する工程と、調芯が為された位置から光半導体素子の光軸に沿ってレンズ部品を光半導体素子から離れるようにオフセットする工程と、オフセットされたレンズ部品と光半導体素子との間に、光硬化及び熱硬化の少なくとも一方が可能なジェル状の光透過性樹脂を充填する工程と、光透過性樹脂に対して光硬化及び熱硬化の少なくとも一方を行い、レンズ部品と光半導体素子との間に充填されたジェル状の光透過性樹脂を固化する工程と、を備える。充填する工程では、ジェル状の光透過性樹脂が固化された際に光半導体素子の入出射面とレンズ部品の第1レンズ面との間において当該光透過性樹脂が光半導体素子の光路を少なくとも包含するように、ジェル状の光透過性樹脂が充填される。この製造方法によれば、光半導体素子とレンズ部品との間に光透過性樹脂を配置して光結合効率を高めた光モジュールを容易に製造することができる。
[本開示の実施形態の詳細]
本開示の実施形態に係る光モジュールの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。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及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、一実施形態に係る光モジュール1の内部構造を示す斜視図である。図2は、図1の一部を拡大して示す平面図である。光モジュール1は、例えば、直方体状の筐体2と、円柱状の光結合部3とを備える発光モジュール(TOSA;Transmitter Optical Subassembly)である。光結合部3は、例えば、フランジを有する。光モジュール1は、筐体2内に、例えば、N個(Nは2以上の整数)の発光素子11から14、キャリア15、N個の第1レンズ部品16から19、キャリア20、N個の受光素子(フォトダイオード、PD)21から24、N個の第2レンズ部品26から29、及び合波光学系30を備える。一例では、光モジュール1は、4チャネル(N=4)の発光モジュールである。N個の発光素子11から14、第1レンズ部品16から19、キャリア20、第2レンズ部品26から29、合波光学系30、及び光学部品35は、筐体2の内部に設けられた基板7の平坦な主面上に配置されている。なお、N個の発光素子11から14は、基板7上に配置されたキャリア15上に実装されている。
また、筐体2はフィードスルー2Bを有する。フィードスルー2Bは、Z方向における筐体2の後壁を貫通している。筐体2の外側のフィードスルー2Bの部分には、外部機器との電気的な接続の為の複数の端子39が、Z方向と交差するX方向に並んで設けられている。筐体2の内側のフィードスルー2Bの部分には、複数の端子38、及びコプレーナ線路を構成するN本の信号線路37が設けられている。N本の信号線路37及び複数の端子38は、それぞれ対応する端子39と電気的に接続されている。
光モジュール1では、光源として機能するN個の発光素子11から14が各々独立して駆動され、N個の発光素子11から14が個別に信号光を出力する。N個の発光素子11から14への駆動信号は、例えば、光モジュール1の外部からフィードスルー2Bを介して提供される。信号光は、駆動信号に応じて変調された光である。N個の発光素子11から14は、例えば半導体レーザを含む光変調器チップ等の光半導体素子であり、光導波路を構成する変調部を有している。なお、N個の発光素子11から14は、光変調器を含まず、半導体レーザから放射される光の光強度が駆動信号によって変調されることによって信号光が生成されてもよい。例えば、光モジュール1が4チャネルの発光モジュールである場合、N個の発光素子11から14から出力されるN個の信号光は、それぞれ互いに異なる中心波長(ピーク波長)を有する。第1レンズ部品16から19は、それぞれN個の発光素子11から14と光学的に結合されている。N個の発光素子11から14から出力された信号光は、それぞれ第1レンズ部品16から19に入力する。
キャリア20は、信号光の各光軸と交差する方向を長手方向として延びる直方体状の部材であり、Z方向において第1レンズ部品16から19と第2レンズ部品26から29との間に配置されている。キャリア20は、信号光のZ方向を向いた各光軸に対して傾斜する誘電体多層膜(ビームスプリッタ)を内部に有しており、この誘電体多層膜を信号光が通過する際に、信号光の各一部を分岐する。
PD21から24は、一つのキャリア20の主面上に搭載され、誘電体多層膜によって分岐された信号光の各一部を受光することにより、信号光の光強度を検出する。PD21から24は、それらの裏面とキャリア20の主面とが互いに対向するように、キャリア20上に実装されている。PD21から24は、誘電体多層膜によって分岐された信号光の一部を、それぞれの裏面において受ける。PD21から24は、例えば、裏面入射型のホトダイオードである。第2レンズ部品26から29は、キャリア20を挟んで第1レンズ部品16から19と光学的に結合されている。第1レンズ部品16から19から出力された信号光は、キャリア20を通過し、ビームウエストを形成したのち、再び拡がりつつ光学部品35に入力する。光学部品35は、キャリア20を通過した信号光を透過し、第2レンズ部品26から29以降の反射点からの戻り光を遮断する。光学部品35を通過した信号光は、第2レンズ部品26から29にそれぞれ入力する。光学部品35は、例えば、光アイソレータを含む光学部品である。例えば、光モジュール1が4チャネルの発光モジュールである場合、光学部品35は、4個の光アイソレータを含み、第1レンズ部品16から19から入力する4個の信号光のそれぞれの戻り光を遮断するように構成されていてもよい。
合波光学系30は、第2レンズ部品26から29と光学的に結合され、第2レンズ部品26から29から入力する信号光を互いに合波する。図1に示されるように、合波光学系30は、第1WDMフィルタ31、第2WDMフィルタ32、ミラー33、及び偏波合成器34を含む。ミラー33は、第2レンズ部品28及び29と光学的に結合されている。ミラー33の光反射面は、第2レンズ部品28及び29の光軸上に位置し、これらの光軸に対して傾斜している。第1WDMフィルタ31は、第2レンズ部品27と光学的に結合されている。第1WDMフィルタ31の波長選択面は、第2レンズ部品27の光軸上に位置し、該光軸に対して傾斜している。第1WDMフィルタ31は、第2レンズ部品27からの信号光を透過させるとともに、ミラー33によって反射された信号光を反射する。これにより、第2レンズ部品29からの信号光、及び第2レンズ部品27からの光路が互いに一致し、これらの信号光が互いに合波される。なお、第1WDMフィルタ31に入力する信号光が、波長選択面を透過するか、波長選択面によって反射されるかは、信号光の有する波長に応じて決まる。第2レンズ部品27からの信号光と第2レンズ部品29からの信号光のそれぞれの中心波長(ピーク波長)が互いに異なっていることで、第1WDMフィルタ31によって2個の信号光の合波が行われる。
第2WDMフィルタ32は、第2レンズ部品26と光学的に結合されている。第2WDMフィルタ32の波長選択面は、第2レンズ部品26の光軸上に位置し、該光軸に対して傾斜している。第2WDMフィルタ32は、第2レンズ部品26からの信号光を透過させるとともに、ミラー33によって反射された、第2レンズ部品28からの信号光を反射する。これにより、第2レンズ部品28からの信号光の光路と、第2レンズ部品26からの信号光の光路とが互いに一致し、これらの信号光が互いに合波される。なお、第2WDMフィルタ32に入力する信号光が、波長選択面を透過するか、波長選択面によって反射されるかは、信号光の有する波長に応じて決まる。第2レンズ部品26からの信号光と第2レンズ部品28からの信号光のそれぞれの中心波長(ピーク波長)が互いに異なっていることで、第2WDMフィルタ32によって2個の信号光の合波が行われる。偏波合成器34は、光透過性の板状の部材である。偏波合成器34は、第1WDMフィルタ31を通過して合波された信号光と、第2WDMフィルタ32を通過して合波された信号光とを合波する。この合波された信号光は、筐体2のXY平面に平行な前壁に設けられた窓を介して筐体2外に出力される。
光結合部3は、レンズ36及びファイバスタブを有する同軸モジュールである。なお、図1において、光結合部3は、YZ断面にて示されている。レンズ36は、合波光学系30と光学的に結合される。ファイバスタブは、光学素子である光ファイバを保持する。レンズ36は、偏波合成器34から出力される信号光を集光して光ファイバの端面に導く。光結合部3は、この信号光の光軸に対して調芯されたのち、筐体2の前壁に溶接により固定される。光結合部3の調芯は、例えば、光結合部をXY平面に平行な方向あるいはZ方向に移動させて光ファイバに入射する信号光の光強度が最大値あるいは所定の値となるように行われる。これにより、N個の発光素子11から14から出射されたビームが光ファイバに光学的に結合されるようになる。なお、光結合部3は、外部からの光を遮断する光アイソレータを更に有してもよい。
次に、図3を参照して、光モジュール1におけるN個の発光素子11から14と第1レンズ部品16から19との各光接続構造について、詳細に説明する。図3は、図1に示す光モジュールにおける光接続構造の一例を模式的に示した断面図である。以下では、図3を参照して、発光素子11と第1レンズ部品16との光接続構造について説明するが、発光素子12と第1レンズ部品17との光接続構造、発光素子13と第1レンズ部品18との光接続構造、発光素子14と第1レンズ部品19との光接続構造も同様であり、説明は省略する。
図3に示されるように、光モジュール1の光接続構造は、基板7、発光素子11、キャリア15、第1レンズ部品16、固定樹脂40、及び光透過性樹脂45を有している。基板7は、例えば、セラミック材料によって構成された基板である。基板7は、例えば、窒化アルミニウム(AlN:アルミナ)を含む。基板7の上にはキャリア15が配置されている。
発光素子11は、端面11a(入出射面)を有し、端面11aから第1レンズ部品16に向けて信号光(ビーム光路L2)を出射する(図6の(b)を参照)。発光素子11は、第1レンズ部品16の中心軸と発光素子11の光軸とが一致するように、キャリア15上に実装されている。発光素子11は、例えば単一の半導体レーザを含む変調器チップである。なお、発光素子11は、半導体レーザダイオードのみを含んでいてもよい。発光素子11は、例えば、単一の端面発光半導体レーザである。
第1レンズ部品16は、発光素子11から出射された信号光をコリメート光に変換するためのレンズであり、第1レンズ面16a及び逆側の第2レンズ面16bを含む。第1レンズ部品16は、例えば、単一の光学レンズである。第1レンズ面16aは、発光素子11に対向した面であり、一例として平面状のレンズ面である。第2レンズ面16bは、第2レンズ部品26に向いており、光学部品35を介して第2レンズ部品26と光結合する。第2レンズ面16bは、一例として凸レンズ面である。第1レンズ部品16は、更に底面16cを有している。底面16cは、第1レンズ面16a及び第2レンズ面16bに直交(交差)する面であり、基板7の表面と平行である。第1レンズ部品16は、底面16cが基板7の表面と平行な状態で固定樹脂40により基板7上に固定されている。第1レンズ面16aには後述する光透過性樹脂45が塗布される。発光素子11と第1レンズ部品16との間の距離が短い場合、第1レンズ面16aが凸レンズ面であると発光素子11と第1レンズ部品16との間が狭くなると、その間に充填される光透過性樹脂45に、す(気泡)や隙間等が生じる虞がある。従って、第1レンズ面16aは、平面状のレンズ面であることが好ましい。
また、第1レンズ部品16は、高屈折率ガラスから構成されており、例えば、TaF3(屈折率n=1.8)又はより屈折率の高いシリコン(Si)レンズ(屈折率n=3.2)である。第1レンズ部品16の屈折率は、発光素子11との間に設けられる光透過性樹脂45の屈折率よりも大きいことが好ましく、例えば1.6以上であり、より好ましくは、3.0以上である。例えば、Siレンズの屈折率nは3.4であってもよい。
固定樹脂40は、第1レンズ部品16を基板7に対して固定するための接着性樹脂である。固定樹脂40は、例えば光硬化性樹脂あるいは熱硬化性樹脂である。固定樹脂40は、発光素子11から放射されるビームの光軸と第1レンズ部品16の第1レンズ面16aの中心軸とが一致するように、第1レンズ部品16を基板7上に固定する。なお、第1レンズ面16aの中心軸と第2レンズ面16bの中心軸とは一致しており、固定樹脂40によって固定されることにより、発光素子11から放射されるビームの光軸と第2レンズ面16bの中心軸とも一致する。より詳細には、例えば、第1レンズ部品16の上面を吸着コレット等で吸着して第1レンズ部品16を保持した状態で、互いに対向する第1レンズ部品16の底面と基板7の主面との間に固定樹脂を塗布し、発光素子11に対して光軸方向および光軸と垂直な方向に移動させて発光素子11から放射されるビームの光軸と第1レンズ部品16の第1レンズ面16aの中心軸とが一致するように調芯を行い、光(紫外線)照射および加熱(熱キュア)により固定樹脂40を硬化させて第1レンズ部品16を固定する。なお、組立方法の詳細については後述する。
光透過性樹脂45は、発光素子11及びキャリア15と第1レンズ部品16との間の空間に配置される透明樹脂である。光透過性樹脂45は、例えば波長1.26μm以上1.63μm以下の光を透過可能な樹脂であり、その透過率は例えば70%以上であり、より好ましくは90%以上である。光透過性樹脂45は、UV光のような光によって硬化する光硬化性、及び、熱キュアによって硬化する熱硬化性を有する樹脂であることが好ましく、一例としてシリコーン樹脂である。光硬化性を有することにより、光接続構造の組立ての際にジェル状の光透過性樹脂を充填する場合、第1レンズ部品16の第2レンズ面16b等にジェル状の光透過性樹脂が回り込んでしまうといったことが防止される。なお、光透過性樹脂45は、このようなジェル状の光透過性樹脂が硬化した硬化物である。
光透過性樹脂45は、その屈折率が1.1以上であり、より具体的には、その屈折率が1.3以上1.6以下であってもよい。光透過性樹脂45の屈折率が空気の屈折率より大きいことにより、発光素子11の導波路の端面11aでの実効的な開口数(NA)を低減して、発光素子11の放射角を小さなものとすることができる。なお、光透過性樹脂45の屈折率は、1.8以上2.0以下であってもよい。
光透過性樹脂45は、上述したように発光素子11の端面11aから第1レンズ部品16へ向かう発光素子11から出射される信号光のビーム光路L2(図6の(b)を参照)を少なくとも包含するように設けられている。一例として、光透過性樹脂45は、発光素子11と第1レンズ部品16との間であって、端面11aを起点として発光素子11の光軸に対する角度が-15度から+15度までの範囲で第1レンズ面16aに向けて放射状に広がる領域を少なくとも包含する。
光透過性樹脂45は、更に、発光素子11をその上に実装するキャリア15と第1レンズ部品16の第1レンズ面16aとの間にも充填されている。この場合、光透過性樹脂45は、固定樹脂40にも接触する。また、光透過性樹脂45は、発光素子11のキャリア15への実装面11bとは逆の表面11cの少なくとも一部(第1レンズ部品16に近い側の表面11c)を覆うように配置されている。なお、光透過性樹脂45は、第1レンズ面16aの全体を覆うように配置されていてもよいが、第2レンズ面16bは覆わない程度であることが好ましい。但し、光透過性樹脂45は、隣接する第1レンズ部品17等との間には、ある程度入り込んでもよい。なお、第1レンズ部品16から19を1個ずつ固定して行くとき、例えば、第1レンズ部品16に使用された光透過性樹脂45が、その隣の第1レンズ部品17の底面にまで広がって第1レンズ部品17の固定樹脂40による固定に影響しないように第1レンズ部品16のレンズが並ぶ方向への光透過性樹脂45の広がりを抑制することが好ましい。
次に、上述した光モジュール1の光接続構造の組立方法について、図4及び図5の(a)及び(b)を参照して説明する。図4は、光モジュール1の光接続構造の組立方法を示すフロー図である。図5の(a)は、レンズ部品の調芯工程を示す図であり、図5の(b)は、レンズ部品のオフセット工程を示す図である。組立方法の前段として、まず、キャリア15を介して基板7上に配置された発光素子11の端面11aと第1レンズ部品16の第1レンズ面16aとが所定距離を離れて対向するように、発光素子11と第1レンズ部品16との位置決めを行う。
上記の前段の準備が完了すると、まず、図4及び図5の(a)に示すように、コリメータレンズである第1レンズ部品16のアクティブ調芯を行う(ステップS1)。具体的には、光変調器チップである発光素子11の電極に所定のバイアス電圧を掛けて、発光素子11からビーム(CW光)を出射させながら第1レンズ部品16を発光素子11の光軸G(Z方向)に沿って移動させて、第1レンズ部品16から出射されるビームを第1レンズ部品16から離れた位置で受光する。そして、例えば、この受光した光パワーが最大となる位置、即ち光結合効率が最大となる位置に、第1レンズ部品16の位置を調整する。この調芯の際、第1レンズ部品16で受光して出力されるビームがコリメート光になるように第1レンズ部品16の位置を調整してもよい。
ステップS1での第1レンズ部品16の移動は、第1レンズ部品16の上面を吸着コレット等で把持して行うことができる。一例では、ステップS1のコリメータレンズの調芯による発光素子11と第1レンズ部品16の第1レンズ面16aとの距離d1は80μm以上120μm以下になる。光軸Gに沿った移動による調芯の他、基板7の上面に平行な方向(X方向)の調芯及び基板7の上面に対して垂直な方向(Y方向)の調芯を行ってもよい。基板7の上面に垂直な方向への調芯により、発光素子11からの出射光の光軸Gと第1レンズ部品16の中心軸(光軸)とが一致するようになる。
続いて、図4及び図5の(b)に示すように、第1レンズ部品16を、上記のステップS1の調芯が為された位置から光軸Gに沿って発光素子11から離れる方向に移動し、その位置をオフセットさせる(ステップS2)。このオフセットは、後述するステップS4で充填するジェル状の光透過性樹脂の屈折率によって第1レンズ部品16の焦点距離が変わるので、そのための処理である。オフセット量は、充填する光透過性樹脂の屈折率やレンズの光学設計等により定まる値であり、当業者が適宜定めることが可能な値である。例えば、オフセット量は、光透過性樹脂45の屈折率が大きくなると、大きくなる。一例では、硬化された光透過性樹脂の屈折率が1.5の場合、オフセット量(発光素子11から第1レンズ部品16が遠ざかる量)は70μmとすることができる。例えば、この場合、第1レンズ部品16の第1レンズ面16aとの距離d1を80μmとしたとき、図5の(b)に示す離間距離d2は、150μmになる。
続いて、所定のオフセットがされた第1レンズ部品16をその位置に保持し、固定樹脂40となる接着剤(樹脂)により、第1レンズ部品16を基板7の上面(主面)に固定する。具体的には、オフセットされた第1レンズ部品16の底面16cと基板7の上面との間に熱硬化性且つUV硬化性を有する接着剤を導入し、当該接着剤に対してUV照射(光照射)を行って第1レンズ部品16を基板7に対して仮固定する。その後、固定用の接着剤に対して熱キュアを行って硬化させることにより、第1レンズ部品16を基板7の上面に本固定する。
続いて、第1レンズ部品16が基板7に固定されると、ディスペンサー等を用いて、発光素子11及びキャリア15と第1レンズ部品16との間にジェル状のシリコーン樹脂等の光透過性樹脂を充填する(ステップS4)。充填される光透過性樹脂は、上述したように、例えば硬化した際、波長1.26μm以上1.63μm以下の光を透過率70%以上で透過させる樹脂であり、熱硬化性且つUV硬化性を有するジェル状の透明樹脂である。この光透過性樹脂は、ステップS4で充填される際、下端側は固定樹脂40に接する位置から上端側は発光素子11の上面の一部を覆う位置までポッティングされる。即ち、発光素子11から出射される信号光が第1レンズ部品16で蹴られて、信号光の一部がレンズの有効範囲(有効径)の外に外れてしまわないように十分な量を発光素子11と第1レンズ部品16との間の空隙に充填する。なお、光透過性樹脂45を発光素子11と第1レンズ部品16との間に充填するときに、す(気泡)や隙間等ができないように粘度が比較的小さい樹脂材料を光透過性樹脂として用いることが好ましい。
続いて、発光素子11及びキャリア15と第1レンズ部品16との間に十分な量の光透過性樹脂45が充填されると、光透過性樹脂に対してまずはUV照射を行い、仮固定する。その後、熱キュアを行って光透過性樹脂を更に硬化して本固定する(ステップS5)。これにより、図3に示す光接続構造の組立てが完了する。なお、発光素子12と第1レンズ部品17との光接続構造、発光素子13と第1レンズ部品18との光接続構造、発光素子14と第1レンズ部品19との光接続構造も同様の方法により組み立てられる。その後、その他の光学部品等を基板7上に設置して、筐体2に取り付け、図1に示す光モジュール1が作製される。
ここで、上述した構成を有する光モジュール1の光接続構造による作用効果について、比較例に係る光接続構造と比較して、詳細に説明する。図6の(a)は、比較例に係る光接続構造を模式的に示した断面図であり、図6の(b)は、図3に示す光接続構造を模式的に示した断面図である。図7の(a)は、図6の(a)に示す比較例に係る光接続構造を用いて光変調器チップと光ファイバとを光結合した場合の光路を示す図であり、図7の(b)は、図6の(b)に示す本実施形態に係る光接続構造を用いて光変調器チップと光ファイバとを光結合した場合の光路を示す図である。図8の(a)は、図6の(a)に示す光接続構造を含む光モジュールでのビーム光路の上下方向(Y方向)の広がりを示す図であり、図8の(b)は、図6の(a)に示す光接続構造を含む光モジュールでのビーム光路の横方向(X方向)の広がりを示す図である。図9の(a)は、図6の(a)に示す比較例の光接続構造での上下方向での光路の広がりを示す図であり、図9の(b)は、図6の(b)に示す本実施形態に係る光接続構造の上下方向での光路の広がりを示す図である。なお、以下では、発光素子11と第1レンズ部品16との光接続構造を例にとってその作用効果を説明するが、発光素子12と第1レンズ部品17との光接続構造、発光素子13と第1レンズ部品18との光接続構造、発光素子14と第1レンズ部品19との光接続構造における作用効果も同様である。
図6の(a)に示すように、比較例の光モジュール101の光接続構造は、基板7、光変調器チップである発光素子11、キャリア15、固定樹脂40、及び、第1レンズ部品116を有している。第1レンズ部品116は、発光素子11に対向する第1レンズ面116aと反対側の第2レンズ面116bとを有する。第1レンズ面116a及び第2レンズ面116bは共に凸レンズである。なお、比較例の光接続構造には、発光素子11と第1レンズ部品116との間に、光透過性樹脂45が設けられておらず、空隙となっている。
比較例に係る光モジュール101及びその光接続構造では、図7の(a)、図8の(a)及び(b)、並びに、図9の(a)に示すように、発光素子11の端面11aから第1レンズ部品16(コリメートレンズ)に向けて出射される信号光のビーム光路L1が広がってしまう。これは次の理由による。例えば、発光素子11の導波路のコア径(MFD)が1.0μmの場合、基板7の平面方向(主面と平行な方向)における開口数NAxは0.35であり端面11aからの信号光のビーム光路L1はそれほど広がらないものの(図8の(b)を参照)、基板7に垂直な方向(上下方向)における開口数NAyは0.79となり発光素子11の端面11aから出射される信号光のビーム光路L1が広がってしまう(図8の(a)を参照)。このため、基板7に垂直な方向において、端面11aから出射される信号光の放射角(1/e)は45度前後となる。この場合、図9の(a)に示すように、信号光の一部のビームK1、K2、K3及びK4が第1レンズ部品16によって蹴られてしまい、即ち、第1レンズ部品16の有効径内に入射されない現象が生じてしまい、その部分で光損失が発生してしまう。その結果、光モジュールに外から取り付けられる光ファイバ等の光学素子と発光素子11との間の光結合効率が低下してしまう。光モジュール1、101の性能としては、光損失を低減して光結合効率を高めることが好ましい。
これに対し、本実施形態に係る光接続構造では、発光素子11の端面11aと第1レンズ部品16との間に光透過性樹脂45を配置し、この光透過性樹脂45が発光素子11の端面11aと第1レンズ部品16の第1レンズ面16aとの間において発光素子11からの信号光のビーム光路L2を少なくとも包含するように構成されている。このように従来、空間であった領域に光透過性樹脂45を設けることにより、発光素子11の端面11aからの出射光の上下方向の広がりを抑制して、レンズの蹴られによる光パワーのロスを低減することができる。すなわち、発光素子11からの出射光が第1レンズ部品16の有効範囲(有効径)内に確実に入り、出射光の一部が第1レンズ部品16の有効範囲外とならないようにして、第1レンズ部品16や光学素子である光ファイバとの光結合効率を高めることが可能となる。
より具体的には、本実施形態では、光透過性樹脂45として、空気の屈折率よりも大きい屈折率1.3以上1.6以下(例えば1.5前後)のシリコーン樹脂を用い、シリコーン樹脂を発光素子11の端面11a、即ち導波路の端部に充填しているため、発光素子11から出射されるビームの広がり角がsin-1(NA/1.5)である27.8度まで小さくすることができる。これは、変調器チップである発光素子11から出射された信号光が第1レンズ部品16まで空気中を伝搬するときの発光素子11側の開口数をNAとし、光透過性樹脂45の屈折率をnとした場合に、発光素子11の端面11aでの実効的な開口数がNA/nとなることに起因する。すなわち、基板7に垂直な方向における開口数NAyである0.79を、光透過性樹脂45のポッティングにより実効的な開口数NAyとして0.467まで低減することができる。これにより、本実施形態に係る光接続構造によれば、図6の(b)、図7の(b)及び図9の(b)に示すように、発光素子11から出射される信号光のビーム光路L2の広がりを低減して、レンズによる蹴られを防止することができる。その結果、発光素子11から出射されるビームの全量を第1レンズ部品16であるコリメートレンズに入射させ、光結合効率を高めることが可能となる。なお、本実施形態に係る光接続構造では、基板7の平面方向(X方向)と基板7に垂直な方向(Y方向)について、同じ割合で開口数NAを小さくするため、発光素子11から出射される信号光のビーム形状は維持される。
以上、本実施形態に係る光モジュール1では、発光素子11と第1レンズ部品16との間に光透過性樹脂45を配置し、光透過性樹脂45が発光素子11の端面14aと第1レンズ部品16の第1レンズ面16aとの間において発光素子11のビーム光路L2を少なくとも包含するように構成されている。このように従来、空間であった領域に光透過性樹脂45を設けることにより、光半導体素子である発光素子11の端面14aからの出射光の広がりを抑制して、レンズの蹴られによる光パワーのロスを低減することができる。すなわち、発光素子11からの出射光が対向する第1レンズ部品16の有効範囲(有効径)内に確実に入り、出射光の一部がレンズ部品の有効範囲外に外れないようにして、第1レンズ部品16を通した光学素子との光結合効率を高めることが可能となる。本実施形態によれば、出射光等の端面での広がりを抑えることができるため、レンズ部品の小型化及び光モジュールの小型化を図ることも可能となる。
また、本実施形態では、第1レンズ部品16の屈折率は、光透過性樹脂45の屈折率より大きい。第1レンズ部品16の屈折率が光透過性樹脂45よりも小さいとレンズとしての機能を十分に果たすことができないが、この構成によれば、レンズ部品としての機能をより確実に果たすことが可能となる。
また、本実施形態では、第1レンズ部品16の屈折率が3より大きくてもよい。第1レンズ部品16から19と隣接する光透過性樹脂45との屈折率の差が小さくなるとレンズ部品の機能が低減してしまう場合もあるが、本構成によれば、レンズ部品の屈折率と光透過性樹脂の屈折率との差を大きくでき、レンズ部品としての機能をより確実に果たすことが可能となる。
また、本実施形態では、光透過性樹脂45の屈折率は1.1より大きい。発光素子11の端面と第1レンズ部品16との間が空気(屈折率nは1.000292)の場合、発光素子11の端面からの出射光等が広がってしまいやすいが、光透過性樹脂45の屈折率を1.1より大きくすることにより、発光素子から出射される光の広がりを低減することが可能となる。光透過性樹脂45の屈折率が1.3以上1.6以下であってもよい。若しくは、光透過性樹脂45はシリコーン樹脂であってもよい。シリコーン樹脂であれば、光透過性及び屈折率の点で優れており、実用度を高めることが可能となる。
また、本実施形態では、光透過性樹脂45は、波長1.26μm以上1.63μm以下の光を透過率70%以上、より好ましくは90%以上で透過させることが可能な樹脂である。これにより、発光素子11の端面と第1レンズ部品16との間が空隙だった場合に比べて、発光素子からの出射光に対する光透過性樹脂45による光結合損失を抑制することが可能である。
また、本実施形態では、光透過性樹脂45は、発光素子11と第1レンズ部品16との間であって、発光素子11の端面を起点として発光素子11の光軸に対する角度が-15度から+15度までの範囲で第1レンズ面に向けて放射状に広がる領域を少なくとも包含している。この構成によれば、発光素子11からの出射光等の広がりをより一層確実に抑制して、光結合効率を高めることが可能となる。
また、本実施形態では、光透過性樹脂45がキャリア15と第1レンズ部品16との間の領域に充填されると共に、発光素子11をキャリア15への実装面11bとは逆側の面であって端面11aと交差する方向に広がる表面11cの少なくとも一部を光透過性樹脂45が覆っている。この構成によれば、発光素子11の端面14a等と第1レンズ部品16の第1レンズ面16a等との間に配置された光透過性樹脂45を長期且つ確実に維持することができる。その結果、長期に亘って高い光結合効率を維持した光モジュール1を具現化できる。
また、本実施形態では、発光素子11は、第1レンズ部品16の中心軸と発光素子11の光軸とが一致するようにキャリア15上に配置されている。この構成によれば、第1レンズ部品16を介して発光素子11と光ファイバ等の光学素子との光結合効率をより高くできる。
なお、上記において、発光素子11と第1レンズ部品16との光接続構造を例にとってその作用効果の詳細について種々説明したが、発光素子12と第1レンズ部品17との光接続構造、発光素子13と第1レンズ部品18との光接続構造、発光素子14と第1レンズ部品19との光接続構造においても同様の作用効果が得られることは当業者には明らかであり、その説明は省略する。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な実施形態に適用することができる。例えば上記の実施形態では、光モジュール1が複数の発光素子を含む構成を例示したが、発光素子の数はこれに限定されるものではなく、導波路を有する光半導体素子として1つの発光素子を含む光モジュールであってもよい。また、光半導体素子としては、変調部でない導波路を含む発光素子(LD)であってもよいし、導波路を含む受光素子(PD)であってもよいし、MMI(Multi-Mode Interference)チップであってもよい。
光半導体素子が受光素子の場合には、外部から第1レンズ部品に入射した信号光が光透過性樹脂45を介して光半導体素子である受光素子の受光面(入出射面)に入射される構成となる。なお、受光素子の受光面は、例えば、第1レンズ部品から入射する信号光の光軸に対してほぼ垂直となるように、受光素子はキャリア15に固定される。例えば、受光素子は、受光面が第1レンズ部品のキャリアの側面に第1レンズ面と対向するように固定される。この場合、上記と同様に、光透過性樹脂45により、第1レンズ部品16から19によって受光素子の受光面に確実に信号光を集光することが可能となる。また、受光素子を含む光接続構造の組立て方法では、図4に示すステップS1のアクティブ調芯において、外部の光学素子である光ファイバ等からの信号光を第1レンズ部品16等を介して受光素子の受光面に入射させながら第1レンズ部品16を受光素子の光軸(Z方向)に沿って移動させる。そして、受光素子で受光した光パワーが最大となる位置、即ち光結合効率が最大となる位置に、第1レンズ部品16の位置を調整する。その他の工程(オフセット工程等)は上述した発光素子を含む光接続構造の組立て方法と同様である。
1…光モジュール
2…筐体
2B…フィードスルー
3…光結合部
7…基板
11,12,13,14…発光素子(光半導体素子)
11a…端面(入出射面)
11b…実装面
11c…表面
15…キャリア
16,17,18,19…第1レンズ部品
16a…第1レンズ面
16b…第2レンズ面
16c…底面
20…キャリア
21,22,23,24…受光素子
26,27,28,29…第2レンズ部品
30…合波光学系
31…第1WDMフィルタ
32…第2WDMフィルタ
33…ミラー
34…偏波合成器
35…光学部品
36…レンズ
37…信号線路
38,39…端子
40…固定樹脂
45…光透過性樹脂
101…光モジュール
116…第1レンズ部品
116a…第1レンズ面
116b…第2レンズ面
d1,d2…距離
F…光ファイバ
G…光軸
K1,K2,K3,K4…ビーム
L1,L2…ビーム光路。

Claims (10)

  1. 基板と、
    前記基板上に配置されたキャリアと、
    入出射面を有し、前記入出射面から光を出射又は前記入出射面に光を入射するように構成され、前記キャリア上に実装された光半導体素子と、
    第1レンズ面と前記第1レンズ面の反対側に位置する第2レンズ面とを有し、前記光半導体素子の前記入出射面に前記第1レンズ面が対向するように前記基板上に配置されたレンズ部品と、
    前記光半導体素子と前記レンズ部品の前記第1レンズ面との間に配置された光透過性樹脂と、を備え、
    前記光透過性樹脂は、前記光半導体素子の前記入出射面と前記レンズ部品の前記第1レンズ面との間において前記光半導体素子の光路を少なくとも包含するように設けられ
    前記レンズ部品の屈折率は、前記光透過性樹脂の屈折率より大きい、光モジュール。
  2. 前記レンズ部品の屈折率が3より大きい、
    請求項1に記載の光モジュール。
  3. 前記光透過性樹脂の屈折率が1.1より大きい、
    請求項1または請求項2に記載の光モジュール。
  4. 前記光透過性樹脂の屈折率が1.3以上1.6以下である、
    請求項に記載の光モジュール。
  5. 前記光透過性樹脂は、シリコーン樹脂である、
    請求項1から請求項のいずれか一項に記載の光モジュール。
  6. 前記光透過性樹脂は、波長1.26μm以上1.63μm以下の光を透過率70%以上で透過させることが可能な樹脂である、
    請求項1から請求項のいずれか一項に記載の光モジュール。
  7. 前記光透過性樹脂は、前記光半導体素子と前記レンズ部品との間に設けられ、前記入出射面を起点として前記光半導体素子の光軸に対する角度が-15度から+15度までの範囲で前記第1レンズ面に向けて放射状に広がる領域を少なくとも包含する、
    請求項1から請求項のいずれか一項に記載の光モジュール。
  8. 前記光透過性樹脂が前記キャリア及び前記レンズ部品の間にそれぞれに接触するように充填されると共に、前記光半導体素子を前記キャリアへ実装した面とは逆側の面であって前記入出射面と交差する方向に広がる前記光半導体素子の表面の少なくとも一部を前記光透過性樹脂が覆う、
    請求項1から請求項のいずれか一項に記載の光モジュール。
  9. 前記光半導体素子は、前記レンズ部品の中心軸と前記光半導体素子の光軸とが一致するように前記キャリア上に配置されている、
    請求項1から請求項のいずれか一項に記載の光モジュール。
  10. 基板と、キャリアと、入出射面を有し前記入出射面から光を出射する又は前記入出射面に光を入射するように構成された光半導体素子と、第1レンズ面及び当該第1レンズ面の反対側に位置する第2レンズ面を有するレンズ部品と、を備える光モジュールの製造方法であって、
    前記キャリアを介して前記基板上に配置された前記光半導体素子の入出射面と前記レンズ部品の前記第1レンズ面とが対向するように、前記光半導体素子と前記レンズ部品との位置決めを行う工程と、
    前記光半導体素子の前記入出射面からの出射光をコリメート光にする若しくは当該出射光の光結合効率が最大値あるいは所定の値になるように、又は、前記光半導体素子の前記入出射面への入射光の光結合効率が最大値あるいは所定の値になるように、前記レンズ部品を調芯する工程と、
    前記調芯が為された位置から前記光半導体素子の光軸に沿って前記レンズ部品を前記光半導体素子から離れるようにオフセットする工程と、
    前記オフセットされたレンズ部品と前記光半導体素子との間に、光硬化及び熱硬化の少なくとも一方が可能なジェル状の光透過性樹脂を充填する工程と、
    前記光透過性樹脂に対して光硬化及び熱硬化の少なくとも一方を行い、前記レンズ部品と前記光半導体素子との間に充填された前記ジェル状の光透過性樹脂を固化する工程と、を備え、
    前記充填する工程では、前記ジェル状の光透過性樹脂が固化された際に前記光半導体素子の前記入出射面と前記レンズ部品の前記第1レンズ面との間において当該光透過性樹脂が前記光半導体素子の光路を少なくとも包含するように、前記ジェル状の光透過性樹脂が充填される、光モジュールの製造方法。
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