WO2023053402A1 - 光デバイス、光変調デバイス及び光送信装置 - Google Patents

Abstract

小型化が可能であり、製造コストの増加を抑えた光デバイスを提供することを目的とする。　本発明の光デバイスは、光学部品を筐体内に収容する光デバイスにおいて、該光学部品を載置する光学部品固定部材ＯＦを有し、該筐体は、側面部ＣＳと底面部ＣＢとが接合されており、該光学部品固定部材ＯＦは、該側面部ＣＳに当接すると共に、該底面部ＣＢに接合されていることを特徴とする。

Description

光デバイス、光変調デバイス及び光送信装置

　本発明は、光デバイス、光変調デバイス、及び光送信装置に関し、特に、光学部品を筐体内に収容する光デバイスにおいて、該光学部品を載置する光学部品固定部材を有する光デバイスに関する。

　光計測技術分野や光通信技術分野において、光変調デバイスなどの各種の光デバイスが利用されている。これらの光デバイスでは、筐体内に光導波路素子、レンズ、ミラーなどの光学部品を固定配置している。特に、偏波合成モジュールを備えた光デバイスでは、波長板や偏光合成機能を備えたビームシフターなど、より多くの光学部品を筐体内に固定配置する必要がある。

　複数の光学部品の光ビームの光軸合わせ（アライメント）を容易にするためには、特許文献１に示すように、光学部品を載置した光学部品固定部材（位置決め手段）が利用されている。具体的には、固定部材の表面の一部に突出部を設け、該突出部に光学部品を接触した状態で固定する。このように複数の光学部品を載置・固定した光学部品固定部材を、筐体内の底面部に接合している。さらに、該底面部の表面にも切削加工等で段差を形成し、該段差の側面に光学部品固定部材を接触させた状態で固定することも行われている。

　他方、光デバイスの小型化や高機能化が求められ、光変調素子（光導波路素子）など光導波路や変調電極を基板上に配置した光導波路基板を筐体内に配置するだけでなく、さらに、終端基板やドライバーＩＣ基板を筐体内に実装することが行われている。該終端基板は、光変調素子に印加された変調信号を終端する終端抵抗を備えた基板であり、該ドライバーＩＣ基板は、光変調素子を駆動する変調信号を増幅するドライバーＩＣを備えた基板である。

　このような光デバイスでは、筐体サイズが小さく（例えば、筐体のサイズが長さ３０ｍｍ以下×幅１２ｍｍ以下）、筐体の底面部や側面部で異なる材料を使用した、複合材料の筐体が利用される。例えば、側面部にコバール（Ｋｏｖａｒ）やセラミックを使用し、底面部に銅タングステンが使用される。

　図１は、光デバイスの一例を示す平面図であり、図２は、図１の一点鎖線Ａ－Ａ’における断面図を示す。
　符号ＯＳは光導波路基板であり、矢印で示すように、該光導波路基板ＯＳに形成される光導波路（不図示）に光波Ｌｉｎが入力され、該光導波路基板ＯＳから出力される光波（Ｌｏｕｔ）が外部に導出される。

　光導波路基板ＯＳは、その一端に、光学レンズＬＳを配置した光学ブロックＯＢが固定され、台座ＰＤを用いて筐体の底面部ＣＢに固定配置される。また、偏波合成モジュールとして、半波長板ＷＰ、ビームシフターと偏光合成の機構を備えた偏光合成ビームシフター（ＰＣ－ＢＳ）を光学部品固定部材ＯＦに載置し固定している。半波長板ＷＰ、ビームシフターＢＳ及び偏光合成ビームシフター（ＰＣ－ＢＳ）などは、固定部材の突起部ＯＦ１に当接して位置決めされる。

　該光学部品固定部材ＯＦは、筐体内の底面部ＣＢに接合される。特に、筐体の底面部に形成された段差ＳＰを利用し、段差ＳＰの側面に光学部品固定部材を接触させ、固定配置している。符号ＲＳは、光導波路基板ＯＳの端部を補強し光学ブロックＯＢの接合を補助する補強部材である。また、符号ＯＬは、筐体外に配置されるレンズ等を収納したレンズ鏡筒などであり、レンズ鏡筒に固定された光ファイバ（不図示）と光導波路基板ＯＳに形成される光導波路とが光学的に結合される。
　光波が筐体の側面部ＣＳを横切る位置には、貫通孔（不図示）が形成されている。

　筐体は、図２に示すように、側面部ＣＳと底面部ＣＢとを接合する必要がある。接合には、接合材や接着剤が利用されるが、該接合材等が側面部ＣＳと底面部ＣＢの接合位置からはみ出し、筐体内側の底面部の角部に表面が曲がった突出部ＡＲが形成される。特に、筐体を異種材料の接合により構成する場合には、ろう材（Ａｕ/Ｓｎ等）を用いるため、従来の金属切削で内側の側面部や底面部を形成した筐体と比較して、内側の底面部の角部に、より大きな突出部ＡＲが形成されることとなる。

　このような突出部ＡＲが存在すると、この突出部ＡＲを避けて、光学部品固定部材ＯＦを配置する必要がある。このため、図２に示すように、光学部品固定部材ＯＦと筐体の側面部ＣＳとの間に隙間が形成され、光デバイスの小型化を阻害する原因の一つとなっている。しかも、この隙間が発生するのを回避するため、突出部ＡＲを切削加工で取り除くことも可能であるが、切削加工に追加の費用が掛かり製造コストの増加の一因となる。

　さらに、図２に示すように、光学部品固定部材ＯＦの位置決めを行う段差ＳＰを筐体の底面部ＣＢに形成するには、底面部ＣＢの表面を切削加工することが必要となる。これは、製造コストを増加させるだけでなく、段差ＳＰに光学部品固定部材ＯＦを突き当てる作業を可能にするため、光学部品固定部材ＯＦの移動スペースも余分に必要となるため、光デバイスの小型化を阻害する原因にもなっていた。
　光学部品固定部材ＯＦの配置固定に関連して多くのスペースを占有する場合には、当然、他の光学部品や電気部品を実装するスペースが少なくなり、光デバイスの小型化を一層困難にしていた。

特開２０１９－１７９０６６号公報

　本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、小型化が可能であり、製造コストの増加を抑えた光デバイスを提供することである。また、該光デバイスの構造を採用する光変調デバイス及びそれを用いた光送信装置を提供することである。

　上記課題を解決するため、本発明の光デバイス、光変調デバイス及び光送信装置は、以下の技術的特徴を有する。

（１）　光学部品を筐体内に収容する光デバイスにおいて、該光学部品を載置する光学部品固定部材を有し、該筐体は、側面部と底面部とが接合されており、該光学部品固定部材は、該側面部に当接すると共に、該底面部に接合されていることを特徴とする。

（２）　上記（１）に記載の光デバイスにおいて、該光学部品固定部材は、該筐体の該側面部と該底面部とが接合された箇所の内側の角部から離れるための凹部を有することを特徴とする。

（３）　上記（１）又は（２）に記載の光デバイスにおいて、該光学部品固定部材は、積層体で形成されていることを特徴とする。

（４）　上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光デバイスにおいて、該光学部品固定部材における該側面部が配置された側とは反対の側には、該底面部に接合された台座が配置され、該台座上には、該台座から該光学部品固定部材が配置された側に突出するように配置された他の光学部品を備え、該光学部品固定部材の一部が、前記他の光学部品と該底面部との間に入り込む部分を備えたことを特徴とする。

（５）　上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光デバイスにおいて、該筐体の該側面部と該底面部とは異なる材料で形成されていることを特徴とする。

（６）　上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光デバイスにおいて、該筐体内部の該底面部は平坦な形状となっていることを特徴とする。

（７）　上記（１）乃至（６）いずれかに記載の光デバイスは、該筐体内に収容される光導波路素子と、該光導波路素子内の光導波路に光波を入力又は出力する光ファイバを備えることを特徴とする光変調デバイスである。

（８）　上記（７）に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子は該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を備え、該光導波路素子の変調電極に入力する変調信号を増幅する電子回路を該筐体の内部に有することを特徴とする。

（９）　上記（７）又は（８）に記載の光変調デバイスと、該光変調デバイスに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路とを有することを特徴とする光送信装置である。

　本発明は、光学部品を筐体内に収容する光デバイスにおいて、該光学部品を載置する光学部品固定部材を有し、該筐体は、側面部と底面部とが接合されており、該光学部品固定部材は、該側面部に当接すると共に、該底面部に接合されているため、側面部を光学部品固定部材の位置決めに利用でき、側面部と光学部品固定部との間に隙間が発生しない。しかも、筐体の底面部に光学部品固定部材のための段差を形成する必要もなく、光デバイスの小型化が可能となる、また、製造コストの増加も抑制できる。
　そして、同様の効果を有する光変調デバイスや光送信装置も提供することが可能となる。

　さらに、光学部品固定部材は、筐体の側面部と底面部とが接合された箇所の内側の角部から離れるための凹部を有することで、該側面部と該底面部との接合ではみ出したろう材などの接合材等を切除することなく、光学部品固定部材を配置固定することができるため、製造コストの増加をより一層抑制することも可能となる。

従来の光デバイスの一例を示す平面図である。 図１の一点鎖線Ａ―Ａ’における断面図である。 本発明に係る光デバイスの第１実施例を示す平面図である。 図３の一点鎖線Ｂ―Ｂ’における断面図である。 本発明に係る光デバイスの第２実施例を示す平面図である。 図５の一点鎖線Ｃ―Ｃ’における断面図である。 本発明に係る光デバイスの第３実施例を示す平面図である。 図７の一点鎖線Ｄ―Ｄ’における断面図である。 本発明の光変調デバイス及び光送信装置を説明する平面図である。

　以下、本発明の光デバイス、光変調デバイス及び光送信装置について、好適例を用いて詳細に説明する。
　本発明の光デバイスは、図３乃至８に示すように、光学部品を筐体内に収容する光デバイスにおいて、該光学部品を載置する光学部品固定部材ＯＦを有し、該筐体は、側面部ＣＳと底面部ＣＢとが接合されており、該光学部品固定部材ＯＦは、該側面部ＣＳに当接すると共に、該底面部ＣＢに接合されていることを特徴とする。

　なお、本発明で「当接」とは、筐体の側面部ＣＳの内壁と該光学部品固定部材ＯＦとが接着剤やろう材などで固定されず直接接触した状態をいう。
　また、本発明で「接合」とは、筐体の底面部ＣＢと光学部品固定部材ＯＦとが接着剤やろう材などで固定された状態をいう。

　図３乃至８では、従来の光デバイスを示した図１及び２と同様に、偏波合成モジュールを備えた光変調デバイスを示している。図１及び２で説明した部材と同一の符号を用いるものは、特に説明がない限り、図１及び２と同じ部材を意味する。

　図面では、光学部品固定部材ＯＦとビームシフターＢＳ又は偏光合成機能付きビームシフター（ＰＣ－ＢＳ）は、ほぼ同じ大きさで描かれているが、実際のサイズは、ビームシフター（ＢＳ、Ｐ－ＢＳ）は、光学部品固定部材ＯＦよりも小さい。また、比較的厚いビームシフター（プリズムなど）ＢＳと薄い波長板ＷＰとの光学部品固定部材への接合において、光学部品固定部材への接合強度を高めるためには、図４に示すように、一般的に、波長板ＷＰの方が固定部材での位置決めに係る部分（波長板ＷＰと固定部材の接触部分）の深さ（図４において上下方向）が深くなる。

　本発明の光デバイスの特徴は、光学部品固定部材ＯＦの位置決めに、筐体の側面部ＣＳを利用することである。特に、図３乃至８に示すように、光波が出入りする筐体の側面部を利用することで、側面部の外側にあるレンズ鏡筒ＯＬなどの光学部品と該側面部の内側にある光学部品固定部材ＯＦとの間で、より精確な位置決めが可能となる。

　上述したように、光デバイスの小型化や多機能化に伴い、筐体を構成する材料を２つ以上の異種材料（コバール、銅タングステン、セラミックなど）で構成することが行われている。このため、側面部に使用するコバールと、底面部に使用する銅タングステンの合金などは、ろう材（Ａｕ/Ｓｎ等）などの接合材を用いて接合されている。このような異種材料の接合部の角部分には、ろう材などのはみ出しにより、突出部ＡＲが形成される。この突出部ＡＲにより十分な密閉性を確保できる。

　本発明の光デバイスでは、製造コストの増加を抑制する観点から、接合材などの突出部ＡＲを切削工程などで切除する必要は無い。また、筐体の側面部ＣＳや底面部ＣＢの表面には、光学部品固定部材の位置決めなどのために、切削加工や段差加工を実施する必要性は低い。

　本発明の光デバイスのもう一つの特徴として、光学部品固定部材ＯＦは、筐体の側面部ＣＳと底面部ＣＢとが接合された箇所の内側の角部から離れるための凹部ＣＬを有している。この凹部ＣＬを設けることで、接合材等の突出部ＡＲを除去する必要性はより低下する。この凹部ＣＬが存在することにより、光学部品固定部材ＯＦの底面は、突出部ＡＲに接触することなく、光学部品固定部材ＯＦを筐体の側面部ＣＳに位置決めすることが可能となる。この凹部ＣＬは、固定部材の一部を切削加工などで切除し形成することが可能である。後述する積層体を用いる場合は、積層体を構成する金属プレートの形状を調整することで形成することができる。

　本発明の光デバイスに使用する光学部品固定部材は、図６又は図８に示すように、積層体で形成することも可能である。固定部材に積層体を用いる技術は、特許文献１にも開示されており、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４など）やコバール等の薄型金属プレート（プレートの厚みは０．１～１ｍｍ程度）を積層して構成され、図６で６枚の金属プレートを、筐体の底面部の法線方向に積層している。各層の金属プレートは、フォトレジストを用いたエッチング等により、任意の形状を備えることが可能である。このため、積層体の設計の自由度が向上し、筐体内の空間をより有効利用することも可能となる。

　複数の薄型金属プレートは、積層され、圧着加熱等により接合され、一体化される。積層する際に各金属プレートに位置決めマークを設けたり、積層された金属プレートの側面を溶接等で強固に結合することも可能である。

　また、光学部品が大きい場合、金属プレートは１枚ではなく、同じパターンの金属プレートを複数枚重ね合わせ、全体を圧着加熱等することで光学部品を固定するための側面を形成してもよい。こうすることで光学部品を固定するための固定部材側面の面積を大きくできるため、光学部品の位置合わせが容易になるとともに位置精度を向上することができる。

　図５及び６、または図７及び８の光デバイスにおいても、光学部品固定部材ＯＦの筐体内の側面部と底面部との接合部（角部分、突出部ＡＲ）に面した箇所には、凹部（切り欠き）が接合部に沿って形成されている。この結果、図６（図４も同様）に示すように、光学部品固定部材ＯＦと筐体の底面部ＣＢとの接触面積が狭くなっている。また、光学部品固定部材ＯＦの筐体の側面部側とは反対の面（光導波路基板ＯＳ側の面）は一つの平面（面一）となっている。このような光学部品固定部材ＯＦは、筐体内で占有する領域を狭く構成することが可能である。

　また、図６と異なり、図８に示すように、光学部品固定部材ＯＦを構成する金属プレートの下部分を光導波路基板ＯＳ側に突出させるよう配置することも可能である。この際には、図８に示す下側２枚の金属プレートとその次の中間にある２枚の金属プレートは、同じサイズの金属プレートを使用することが可能である。
　このように、下部分が突出する構成は、光学部品固定部材ＯＦが筐体の底面部に接触する面積が増加し、配置固定を安定化することが可能となる。

　なお、本説明では下部分の金属プレートとその次の中間にある金属プレートをそれぞれ２枚としたがこの枚数に限定されることはない。
　また、下部分の金属プレートとその次の中間にある金属プレートをそれぞれ同じサイズの金属プレートとしたが、下部分の金属プレートのサイズを中間にある金属プレートのサイズより大きくしてもよい。これにより光学部品固定部材ＯＦの重心を下げることができるとともに下部分の金属プレートが底面部に接触する面積を更に増加させることができるため光学部品固定部材をより安定に固定することができる。
　さらに、突出した部分ＯＦ２や下部分の金属プレートとその次の中間にある金属プレートで形成される角部は、光学部品固定部材ＯＦを筐体の側面部ＣＳに押し当てる際に、力を加える場所にもなる。

　さらに、図８が示すように、光学部品固定部材ＯＦにおける筐体の側面部ＣＳが配置された側とは反対の側には、筐体の底面部ＣＢに接合された台座ＰＤが配置され、該台座上には、該台座ＰＤから該光学部品固定部材ＯＦが配置された側に突出するように配置された他の光学部品（光導波路基板ＯＳ、光学ブロックＯＢ）を備え、該光学部品固定部材の一部（ＯＦ２）が、前記他の光学部品と該底面部ＣＢとの間に入り込む部分を備えるよう構成することも可能である。
　このような構成により、筐体内の空間をより有効に活用でき、光学部品固定部材ＯＦや他の光学部品を配置した台座ＰＤなどをより近接させることも可能となる。
　なお、台座ＰＤを筐体内の底面部ＣＢに固定するには、接着剤ＡＤとして、導電性接着剤またはハンダが使用される。台座ＰＤと筐体の底面部ＣＢとの隙間からは、接着剤のはみ出し部分が形成される。光学部品固定部材ＯＦの台座ＰＤに近接する部分についても、必要に応じ凹部（切り欠き）を形成することが可能である。

　本発明は上述のように筐体の側面部ＣＳと底面部ＣＢとの接合部や台座ＰＤと筐体の底面部ＣＢとの隙間から、接合材などがはみ出し筐体の底面部ＣＢの利用面積が非常に小さくなる場合に特に有効である。
　最近の光変調デバイスでは側面部ＣＳのレンズ鏡筒ＯＬの取り付けられた面の内壁と台座ＰＤとの間の距離は３．５ｍｍ以下であり、また側面部ＣＳのレンズ鏡筒ＯＬの取り付けられた面の内壁と光学ブロックＯＢとの間の距離は３ｍｍ以下と非常に小さくなっている。さらに、ろう材や接着剤などのしみ出しは側面部ＣＳや台座ＰＤから０．５ｍｍ程度である。
　このため、本発明の構成を採用することにより、底面部の利用スペースを有効活用することが可能となる。

　本発明の光デバイスに使用される筐体は、上述したように、筐体の側面部ＣＳと底面部ＣＢとを、異なる材料で形成されているものを、光デバイスの用途・目的に応じて利用することが可能である。
　また、本発明の光デバイスでは、筐体内側の底面部ＣＢは平坦な形状となっており、段差が形成されていないものを利用することが可能である。例えば、筐体のサイズが小さく（長さ３０ｍｍ以下×幅１２ｍｍ以下）、複合材料を使用する筐体において、光学部品固定部材（サイズ７～１０ｍｍ×１～２ｍｍ）のための位置決め加工（段差形成）を筐体内部に実施する必要がない。その結果、光学部品固定部材のための位置決め加工を施した場合に比べより少ないスペースで光学部品固定部材を配置固定することが可能となる。当然、段差形成を行わないため、低コストで作業性も良く、筐体の側面部ＣＳを利用して、光学部品固定部材を精確に実装できる。

　次に、本発明の光デバイスを、光変調デバイスや光送信装置に適用した例について説明する。以下では、２つのマッハツェンダー型光導波路を利用した光変調デバイスについて説明するが、本発明はこれに限らず、複数のマッハツェンダー型光導波路を集積した光導波路素子や、その一例である高帯域幅コヒーレントドライバ変調器（ＨＢ－ＣＤＭ）などにも適用可能であることは言うまでもない。

　図９に示すように、光導波路素子は、光導波路基板１に形成された光導波路２と、該光導波路２を伝搬する光波を変調する変調電極（不図示）とを有しており、筐体ＣＡ内に収容される。さらに、光導波路に光波を入出力する光ファイバ（Ｆ）を設けることで、光変調デバイスＭＤを構成することができる。図９では、光ファイバＦは、光学部品を載置した光学部品固定部材４、光学レンズを備えた光学ブロック３、又はレンズ鏡筒ＯＬなどを用いて光導波路素子内の光導波路と光学的に結合されている。これに限らず、光ファイバを筐体の側壁を貫通する貫通孔を介して筐体内に導入し、光学部品と光ファイバを直接接合、または光ファイバ端部にレンズ機能を有した光ファイバを光導波路素子内の光導波路と光学的に結合しても良い。図９の点線の矢印は、光路（光軸）の一例を示している。

　光変調デバイスＭＤに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路（デジタル信号プロセッサーＤＳＰ）を、光変調デバイスＭＤに接続することにより、光送信装置ＯＴＡを構成することが可能である。光導波路素子に印加する変調信号は増幅する必要があるため、ドライバ回路ＤＲＶが使用される。ドライバ回路ＤＲＶやデジタル信号プロセッサーＤＳＰは、筐体ＣＡの外部に配置することも可能であるが、筐体ＣＡ内に配置することも可能である。特に、ドライバ回路ＤＲＶを筐体内に配置することで、ドライバ回路からの変調信号の伝搬損失をより低減することが可能となる。

　以上説明したように、本発明によれば、小型化が可能であり、製造コストの増加を抑えた光デバイスを提供することが可能となる。また、該光デバイスの構造を採用する光変調デバイス及びそれを用いた光送信装置を提供することが可能となる。

　ＡＤ　接着剤
　ＡＲ　突出部（接合材など）
　ＢＳ　ビームシフター
　ＣＢ　筐体の底面部
　ＣＬ　凹部
　ＣＳ　筐体の側面部
　ＯＢ　光学ブロック
　ＯＦ　光学部品固定部材
　ＯＦ１　突起
　ＯＬ　レンズ鏡筒
　ＯＳ　光導波路基板
　Ｐ－ＢＳ　偏光ビームスプリッター機能付きビームシフター
　ＰＤ　台座
　ＲＳ　補強部材

 

Claims (9)

1. 　光学部品を筐体内に収容する光デバイスにおいて、
   　該光学部品を載置する光学部品固定部材を有し、
   　該筐体は、側面部と底面部とが接合されており、
   　該光学部品固定部材は、該側面部に当接すると共に、該底面部に接合されていることを特徴とする光デバイス。
2. 　請求項１に記載の光デバイスにおいて、
   　該光学部品固定部材は、該筐体の該側面部と該底面部とが接合された箇所の内側の角部から離れるための凹部を有することを特徴とする光デバイス。
3. 　請求項１又は２に記載の光デバイスにおいて、
   　該光学部品固定部材は、積層体で形成されていることを特徴とする光デバイス。
4. 　請求項１乃至３のいずれかに記載の光デバイスにおいて、
   　該光学部品固定部材における該側面部が配置された側とは反対の側には、該底面部に接合された台座が配置され、
   　該台座上には、該台座から該光学部品固定部材が配置された側に突出するように配置された他の光学部品を備え、
   　該光学部品固定部材の一部が、前記他の光学部品と該底面部との間に入り込む部分を備えたことを特徴とする光デバイス。
5. 　請求項１乃至４のいずれかに記載の光デバイスにおいて、
   　該筐体の該側面部と該底面部とは異なる材料で形成されていることを特徴とする光デバイス。
6. 　請求項１乃至５のいずれかに記載の光デバイスにおいて、
   　該筐体内部の該底面部は平坦な形状となっていることを特徴とする光デバイス。
7. 　請求項１乃至６いずれかに記載の光デバイスは、
   　該筐体内に収容される光導波路素子と、
   　該光導波路素子内の光導波路に光波を入力又は出力する光ファイバを備えることを特徴とする光変調デバイス。
8. 　請求項７に記載の光変調デバイスにおいて、
   　該光導波路素子は該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極を備え、
   　該光導波路素子の変調電極に入力する変調信号を増幅する電子回路を該筐体の内部に有することを特徴とする光変調デバイス。
9. 　請求項７又は８に記載の光変調デバイスと、
   　該光変調デバイスに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路とを有することを特徴とする光送信装置。

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