JP7480726B2

JP7480726B2 - 光送受信モジュール

Info

Publication number: JP7480726B2
Application number: JP2021039657A
Authority: JP
Inventors: 利治宮原; 端佳畑
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2024-05-10
Anticipated expiration: 2041-03-11
Also published as: JP2022139331A

Description

本開示は、光送受信モジュールに関する。

従来の光通信システムでは、光送受信モジュールとして光送信モジュールと光受信モジュールを１組として使用していた。光送受信モジュールを小型化するために、光送信器と光受信器を１台のモジュールに集積し、かつ多層階構造とすることが検討されている。多層階構造の光送受信モジュールとして、光が別の階に移動するための中空穴の上に面受光型ＰＤ（Photo Diode）を実装したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。面受光型ＰＤの受光面は約Φ５０μｍである。受光面に全ての光が入射されるような光伝搬寸法にて光が中空穴を通過する。従って、穴径として例えば１５０μｍを想定する。面受光型ＰＤの寸法は約□３００μｍであり、穴径との差が１５０μｍある。このため、受光型ＰＤを固定することができる。

多層階構造の光送受信モジュールで導波路型の光受信器、例えばＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）を使用する場合、光を光受信器の側面から入射させる必要がある。このため、別の階から移動してきた光の光路を折り曲げる光学部品が必要となる。空間を伝搬する光の広がり角度θは、集光部分の光の半径ω_０に反比例し、θ＝λ／（π・ω_０）で求まる。例えば、光の波長λを１．５５μｍ、集光部分を受光面の径と同じと仮定すると、集光部分の光の半径は２５μｍとなる。この場合、光が集光位置から５ｍｍ進むとビームの半径は約１００μｍに広がることとなる。

一方、ＰＬＣへの入力部分のビーム径は約５μｍにする必要があり、レンズを用いて集光される。この光受信器の入力部分のビーム径のずれが光の結合効率となる。このため、高精度でビーム径を一致させる必要があり、光の伝搬が集光・拡散となる場合には、各部でのビーム径の管理が必要となる。また、光を集光するレンズの実装領域を確保する必要があるため、小型化が困難となる。

特開２００４－２０９７３号公報

光の伝搬のビーム径を大きくすれば、各部でのビーム径の管理が不要となる。例えば、ビーム径をΦ３００μｍとした場合、５ｍｍ伝搬してもほぼ同じ径のままである。しかし、ビーム径に合わせて光の光路を折り曲げる光学部品も大型になり、モジュールの小型化に反する。また、固定部分を穴径の全周にすると固定部材が光路部分に流れ出し、光が蹴られて光学損失が発生する。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は小型化を実現し、光学損失を防ぐことができる光送受信モジュールを得るものである。

本開示に係る光送受信モジュールは、第１の階層と、前記第１の階層の上方の第２の階層と、前記第１の階層と前記第２の階層の間に設けられ中空穴を持つ仕切板とを有するモジュール本体と、前記第１の階層に設けられた第１の光半導体素子と、前記第２の階層に設けられた第２の光半導体素子と、前記中空穴の上に設けられ、前記中空穴を通る光路を折り曲げて前記第２の光半導体素子に結合する光学部品とを備え、前記第１の光半導体素子は、電気信号を光信号に変換する光送信器であり、前記第２の光半導体素子は、光信号を電気信号に変換する光受信器であり、前記光学部品の下面は角部を持つ四角形であり、前記角部は平面視で前記中空穴を囲み、前記光学部品の前記下面のうち前記角部のみが固定部材により前記仕切板の上面に固定されていることを特徴とする。

本開示では、光学部品の四角形の下面の角部が平面視で中空穴を囲む。この角部を仕切板の上面に固定する。これにより、光学部品の実装面積を小さくすることが可能となり、モジュールの小型化が可能となる。また、光学部品の下面と仕切板が重なる部分全てではなく、光学部品の下面のうち角部のみを固定部材により仕切板の上面に固定する。このため、使用する固定部材の量を少なくすることができる。これにより、光路への固定部材のはみ出しを抑制することができ、光が蹴られることによる光学損失を防ぐことができる。

実施の形態１に係る光送受信モジュールを示す上面図である。図１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。図１のＩＩＩ－ＩVに沿った断面図である。実施の形態１に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図４のＩ－ＩＩに沿った断面図である。実施の形態２に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図６のＩ－ＩＩに沿った断面図である。実施の形態３に係る光送受信モジュールの光学部品を示す断面図である。実施の形態４に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図９のＩ－ＩＩに沿った断面図である。実施の形態５に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図１１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。実施の形態６に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図１３のＩ－ＩＩに沿った断面図である。実施の形態７に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図１５のＩ－ＩＩに沿った断面図である。実施の形態８に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図１７のＩ－ＩＩに沿った断面図である。実施の形態９に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図１９のＩ－ＩＩに沿った断面図である。実施の形態１０に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図２１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。実施の形態１１に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図２３のＩ－ＩＩに沿った断面図である。実施の形態１２に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。

実施の形態に係る光送受信モジュールについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る光送受信モジュールを示す上面図である。図２は図１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。図３は図１のＩＩＩ－ＩVに沿った断面図である。モジュール本体１は、第１の階層２と、第１の階層２の上方の第２の階層３とを少なくとも有する多層階構造である。仕切板４が第１の階層２と第２の階層３の間に設けられている。仕切板４には、第１の階層２と第２の階層３をつなぐ中空穴５が設けられている。なお、モジュール本体１が３階層以上の構造の場合でも同様に各階層の間に仕切板４が設けられ、隣接する階層を中空穴５でつなぐ。

光送信器６が第１の階層２に設けられている。光受信器７が第２の階層３に設けられている。光送信器６は、電気信号を光信号に変換して出力する。光受信器７は、導波路型であり、光信号を側面で受信して電気信号に変換する。

光出力部８と光入力部９が第１の階層２においてモジュールの側壁に設けられている。光出力部８は光送信器６の出力信号を光ファイバ１０に出力する。光入力部９は光ファイバ１０から光を入力する。光学部品１１が第２の階層３において中空穴５の上に設けられている。打上用光学部品１２が第１の階層２に設けられている。光学部品１１及び打上用光学部品１２は、ここでは４５度プリズムである。

打上用光学部品１２は、光入力部９から入力した光を上方向に折り曲げ、中空穴５を介して第２の階層３に打ち上げる。光学部品１１は中空穴５を通る光路を横方向に折り曲げて光受信器７に結合する。従って、第１の階層２から打ち上げられた光は、中空穴５を通って第２の階層３に移動し、光学部品１１で折り曲げられて光受信器７の側面に入射される。なお、入力した光をコリメート光又は集光光等に変換するレンズ、電気信号を入出力する装置はここでは省略している。

図４は、実施の形態１に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図５は図４のＩ－ＩＩに沿った断面図である。中空穴５は円形状である。光学部品１１の下面は、角部を持つ四角形である。このように光学部品１１の下面と中空穴５の形状は異なる。従って、光学部品１１の下面の角部は、仕切板４の上面に対して垂直方向から見た平面視で中空穴５に重なっておらず、仕切板４に重なっている。光学部品１１の下面の角部が平面視で円形の中空穴５を囲むように光学部品１１を配置する。例えば、光学部品１１の下面は□１ｍｍ、中空穴５の円形状の直径は０．８ｍｍである。両者の比率は１．５以下とする。

光学部品１１の下面のうち角部のみが固定部材１３により仕切板４の上面に固定されている。固定部材１３は、例えばアクリル樹脂系又はエポキシ樹脂系の接着剤である。なお、ここでは４つの角部の全てが固定されているが、これに限らず角部の一部が固定されていてもよい。

以上説明したように、本実施の形態では、光学部品１１の四角形の下面の角部が平面視で中空穴５を囲む。この角部を仕切板４の上面に固定する。これにより、光学部品１１の実装面積を小さくすることが可能となり、モジュールの小型化が可能となる。

また、光学部品１１の下面と仕切板４が重なる部分全てではなく、光学部品１１の下面のうち角部のみを固定部材１３により仕切板４の上面に固定する。このため、使用する固定部材１３の量を少なくすることができる。これにより、光路１４への固定部材１３のはみ出しを抑制することができ、光が蹴られることによる光学損失を防ぐことができる。

また、光学部品１１で折り曲げた光を導波路型の光受信器７の側面に高効率で入射させる必要がある。従って、光受信器７への光の入射を正しい位置で行うために光学部品１１の実装位置・角度の調芯が必要である。調芯を行うと光学部品１１の下面の４つの角部の仕切板４からの高さに差異が発生する。固定部材１３の厚みが薄いと、高さが高くなった角部が固定部材１３から外れる場合がある。そこで、固定部材１３の厚みを１０μｍ以上とする。これにより、４つの角部の高さに差異が発生しても全ての角部と固定部材１３が接触するため、光学部品１１の安定した固定が可能となる。なお、固定部材１３がはんだの場合、厚さを１０μｍ以上と厚くすることは困難である。固定部材１３の高さを確保するため、固定部材１３に直径１０μｍ程度のフィラーを含有してもよい。

また、調芯を行った後に４つの角部の高さを確認し、それぞれの高さに合わせて適量の固定部材１３を供給してもよい。これにより、光路１４への固定部材１３のはみ出しを抑制することができ、光が蹴られることによる光学損失を防ぐことができる。

また、本実施の形態では２階構造のモジュールであるため、光学部品１１としてプリズムを用いた。３階以上の構造のモジュールでは、光学部品１１として、２つのプリズムを貼り合わせて立方体又は直方体とし、貼り合わせ面に波長選択性を持たせたものを用いる。このような光学部品は光合波・光分波機能を有する。なお、本実施の形態ではモジュールの各階に光半導体素子を設けているが、必ずしも全ての階に光半導体素子を設けなくてもよい。

一般的に光送信器６の方が光受信器７よりもＩＣの消費電力が大きい。そして、光送信器６には性能を安定させるための温度調整デバイス（ＴＥＣ）が必要となる。従って、光送信器６の方が光受信器７よりも発熱量が大きくなる。また、光送受信モジュールは筐体の上に実装される。そして、２階以上に設けた光半導体素子の熱はモジュール本体の側壁を通って筐体に排熱される。一方、最も下にある１階に設けた光半導体素子の熱はモジュール本体の底面から直接的に筐体に排熱される。従って、排熱の効率は２階よりも１階の方がよい。このため、発熱量の大きい光送信器６を１階に設けることが好ましい。

従来の光モジュールでは、光送信器を設けたユニットと光受信器を設けたユニットを横に並べていた。光モジュールは複数メーカが製造しており、互換性を確保するために外観規格がある。このため、光送信器と光受信器を１台に集積したモジュールは、それらの光入出力部を横に並べた状態で開発されている。また、光入出力部は光ファイバの保持部、レンズ等が必要となるため、ある程度の厚みを持つ。従って、複数の光入出力部を縦に並べるとモジュールの高密度化の妨げとなる。このため、本実施の形態でも光出力部８と光入力部９を横に並べて第１の階層２に設けている。

なお、位相変調の場合、光受信器７には位相を干渉させるための光源が必要となる。この光源は、小型化のために光送信器６の光源と共用化される。この場合、光源の光を光送信器６が設けられた第１の階層２から打上用光学部品１２によって、光受信器７が設けられた第２の階層３に打ち上げる必要がある。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図７は図６のＩ－ＩＩに沿った断面図である。本実施の形態では、仕切板４の上面において中空穴５の周りに４つの突起１５が設けられている。光学部品１１の下面の４つの角部はそれぞれ固定部材１３により突起１５に固定されている。突起１５からはみ出した固定部材１３は、中空穴５に流れ込む前に仕切板４の上面と突起１５との段差部分に溜まる。これにより、光路１４への固定部材１３のはみ出しを抑制することができ、光が蹴られることによる光学損失を防ぐことができる。

実施の形態３．
図８は、実施の形態３に係る光送受信モジュールの光学部品を示す断面図である。本実施の形態では、突起１５は、中空穴５の反対側の側面に傾斜を有する。その他の構成は実施の形態２と同様である。突起１５からはみ出した固定部材１３は、傾斜によって中空穴５とは反対方向に流れる。これにより、光路１４への固定部材１３のはみ出しを抑制することができ、光が蹴られることによる光学損失を防ぐことができる。

また、突起１５の先端に光学部品１１の下面を当てて調芯時の支点としてもよい。これにより、どこかの突起１５の先端が光学部品１１の下面に接触するため、安定して調芯を行うことができる。

実施の形態４．
図９は、実施の形態４に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図１０は図９のＩ－ＩＩに沿った断面図である。本実施形態では、仕切板４の上面において４つの固定部材１３と中空穴５との間にそれぞれ突起１６が設けられている。突起１６は固定部材１３が中空穴５に流れ込むのを防ぐ。これにより、光路１４への固定部材１３のはみ出しを抑制することができ、光が蹴られることによる光学損失を防ぐことができる。

実施の形態５．
図１１は、実施の形態５に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図１２は図１１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。本実施形態では、仕切板４の上面側において中空穴５の角に角Ｒ又はＣ面取りが設けられている。流れ出した固定部材１３が中空穴５に流れ込み易くなるため、光学部品１１の下面を伝って行かない。これにより、光路１４への固定部材１３のはみ出しを抑制することができ、光が蹴られることによる光学損失を防ぐことができる。

実施の形態６．
図１３は、実施の形態６に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図１４は図１３のＩ－ＩＩに沿った断面図である。本実施形態では、仕切板４の上面において４つの固定部材１３と中空穴５との間にそれぞれ溝１７が設けられている。流れ出した固定部材１３が溝１７に溜まって中空穴５に流れ込まない。これにより、光路１４への固定部材１３のはみ出しを抑制することができ、光が蹴られることによる光学損失を防ぐことができる。

なお、溝１７は、固定部材１３側を深くした斜め形状としてもよいし、多段構造として固定部材１３の塗布領域側の溝に固定部材１３が多く溜まるようにしてもよい。

実施の形態７．
図１５は、実施の形態７に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図１６は図１５のＩ－ＩＩに沿った断面図である。本実施形態では、中空穴５の側壁に溝１８が設けられている。流れ出した固定部材１３が溝１８に溜まる。これにより、光路１４への固定部材１３のはみ出しを抑制することができ、光が蹴られることによる光学損失を防ぐことができる。

実施の形態８．
図１７は、実施の形態８に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図１８は図１７のＩ－ＩＩに沿った断面図である。本実施形態では、仕切板４の上面において固定部材１３に対して中空穴５の反対側に溝１９が設けられている。流れ出した固定部材１３は溝１９に溜まる。これにより、光路１４への固定部材１３のはみ出しを抑制することができ、光が蹴られることによる光学損失を防ぐことができる。

実施の形態９．
図１９は、実施の形態９に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図２０は図１９のＩ－ＩＩに沿った断面図である。本実施形態では、仕切板４の上面において固定部材１３を囲むように溝２０が設けられている。流れ出した固定部材１３は溝２０に溜まる。これにより、光路１４への固定部材１３のはみ出しを抑制することができ、光が蹴られることによる光学損失を防ぐことができる。

また、平面視で光学部品１１の外側への固定部材１３の流れ出しも抑制することができるため、他の部材を近くに実装することが可能となる。従って、高密度の実装を行うことができ、光モジュールの更なる小型化が可能となる。

実施の形態１０．
図２１は、実施の形態１０に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図２２は図２１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。本実施形態では、光学部品１１の下面の角に角Ｒ又はＣ面取りが設けられている。流れ出した固定部材１３は中空穴５の反対側に押し出される。これにより、光路１４への固定部材１３のはみ出しを抑制することができ、光が蹴られることによる光学損失を防ぐことができる。

実施の形態１１．
図２３は、実施の形態１１に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。図２４は図２３のＩ－ＩＩに沿った断面図である。本実施形態では、光学部品１１の側面の角に掘り込み２１が設けられている。流れ出した固定部材１３は掘り込み２１に溜まる。これにより、光路１４への固定部材１３のはみ出しを抑制することができ、光が蹴られることによる光学損失を防ぐことができる。

実施の形態１２．
図２５は、実施の形態１２に係る光送受信モジュールの光学部品を示す平面図である。光ファイバ１０を伝搬する光の形状は円形のため、光モジュール内部を伝搬する光の形状もほぼ円形となるように設計される。中空穴５の形状と光伝搬形状が異なる部分には光が通過しないため、その部分に固定部材１３が流れ込んでも光学損失は増加しない。そこで、本実施形態では、中空穴５の形状を楕円形状又は十字形状として、中空穴５の形状と光伝搬形状が異なる部分に固定部材１３が流れ込むようにする。これにより、光路１４への固定部材１３のはみ出しを抑制することができ、光が蹴られることによる光学損失を防ぐことができる。また、中空穴５の形状を十字形状とした場合、光学部品１１の四角形の下面と重ならない部分が固定領域となる。これにより、領域の効率的な使用ができるため、高密度の実装を行うことができ、光モジュールの更なる小型化が可能となる。

１モジュール本体、２第１の階層、３第２の階層、４仕切板、５中空穴、６光送信器（第１の光半導体素子）、７光受信器（第２の光半導体素子）、８光出力部、９光入力部、１０光ファイバ、１１光学部品、１２打上用光学部品、１３固定部材、１４光路、１５，１６突起、１７－２０溝、２１掘り込み

Claims

第１の階層と、前記第１の階層の上方の第２の階層と、前記第１の階層と前記第２の階層の間に設けられ中空穴を持つ仕切板とを有するモジュール本体と、
前記第１の階層に設けられた第１の光半導体素子と、
前記第２の階層に設けられた第２の光半導体素子と、
前記中空穴の上に設けられ、前記中空穴を通る光路を折り曲げて前記第２の光半導体素子に結合する光学部品とを備え、
前記第１の光半導体素子は、電気信号を光信号に変換する光送信器であり、
前記第２の光半導体素子は、光信号を電気信号に変換する光受信器であり、
前記光学部品の下面は角部を持つ四角形であり、
前記角部は平面視で前記中空穴を囲み、
前記光学部品の前記下面のうち前記角部のみが固定部材により前記仕切板の上面に固定されていることを特徴とする光送受信モジュール。
前記第１の階層に設けられ、前記第１の光半導体素子の出力信号を光ファイバに出力する光出力部と、
前記第１の階層に設けられ、前記光ファイバから光を入力する光入力部と、
前記光入力部から入力した光を前記中空穴を介して前記第２の階層に打ち上げる打上用光学部品とを備えることを特徴とする請求項１に記載の光送受信モジュール。
前記固定部材の厚さは１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光送受信モジュール。
前記仕切板の前記上面において前記中空穴の周りに突起が設けられ、
前記角部は前記突起に固定されていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光送受信モジュール。
前記突起は、前記中空穴の反対側の側面に傾斜を有することを特徴とする請求項４に記載の光送受信モジュール。
前記仕切板の前記上面において前記固定部材と前記中空穴との間に突起が設けられていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光送受信モジュール。
前記仕切板の上面側において前記中空穴の角に角Ｒ又はＣ面取りが設けられていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光送受信モジュール。
前記仕切板の前記上面において前記固定部材と前記中空穴との間に溝が設けられていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光送受信モジュール。
前記中空穴の側壁に溝が設けられていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光送受信モジュール。
前記仕切板の前記上面において前記固定部材に対して前記中空穴の反対側に溝が設けられていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光送受信モジュール。
前記仕切板の前記上面において前記固定部材を囲むように溝が設けられていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光送受信モジュール。
前記光学部品の下面の角に角Ｒ又はＣ面取りが設けられていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光送受信モジュール。
前記光学部品の側面の角に掘り込みが設けられていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光送受信モジュール。
前記中空穴の形状は楕円形状又は十字形状であることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光送受信モジュール。