JP2019090967A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバにたわみを持たせるための領域の長さを従来と比較して大幅に削減しつつ、製造工程も簡素した光モジュールを実現する。【解決手段】光ファイバ、光導波路チップ、サブマウントおよびそれらを収納するパッケージを備えた光モジュールであって、パッケージの底部上面に固定されたサブマウントの上面に光導波路チップが搭載され、光導波路チップの光導波路端面の光ファイバ接続部に光ファイバが接続されてパッケージの外部に引き出されており、光ファイバの一部がパッケージの壁部に形成されたパイプの内部で固定され、サブマウントの厚さが光ファイバ接続部の側で最も薄く、光ファイバ接続部と反対の側で厚くなっており、パイプの中心軸はパッケージの底部上面に平行であり、光ファイバ接続部の光ファイバ接続点のパッケージの底部上面からの高さは、パイプの中心軸の高さよりも高く形成されている ことを特徴とする光モジュールとした。【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバ、光導波路チップなどの光学素子がパッケージ内に収納された光モジュールの技術に関する。

従来、スマートフォンに代表される携帯型端末の爆発的普及や、映像配信サービスの充実により、光ネットワークの伝送容量増大への要求が日増しに高まっている。光通信技術はこの要求に対応するため更なる発展が求められ、光通信システムで使用される部品の小型化、低コスト化技術が益々重要となっている。

光通信システム用の部品を実現するために重要な技術として、光導波路型デバイスが挙げられる。光の干渉原理を応用することにより光信号の分岐結合器、波長合分波器、インターリーブフィルタ、光スイッチ、可変光減衰器（ＶＯＡ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）などさまざまな基本的機能を実現してきた。これらデバイスは平面上で自由に配置できることから回路設計に柔軟性があり、大規模化や高集積化が容易であるばかりでなく、ＬＳＩなどの半導体部品製造プロセスを流用して製造されるため、量産性に優れたデバイスとして多くの実績を残してきた。

光導波路部分の材料としては半導体、高分子材料などさまざまなものが実用化されている。特にシリコン基板上に作製される石英系光導波路は、低損失であり安定性及び光ファイバとの整合性に優れるといった特徴を有し、実用化が最も進んだ光導波路型デバイスの一つである。

上述の光ネットワークの伝送容量増大の要求に対応するため、光通信システム用の部品は小型化を実現する必要があり、光ファイバや光導波路チップなどの光学素子を実装するためのスペースをより一層削減することが求められる。

光モジュールは、光学素子をパッケージ内部に収納して作製されるが、耐環境性を向上させるため、樹脂材料もしくはハンダなどの金属材料を用いて気密封止をする場合がある。

その場合に光ファイバは、パッケージ壁面に形成されるパイプ形状の部分を通じてパッケージ内部から外部へ引き出される形となり、パイプ内部で光ファイバの一部が樹脂もしくは金属によって封止および固定される構造となる。

さらにこの光ファイバを、パッケージ内部の光導波路チップの端面へ接続された構成とし、また光導波路チップがパッケージ内でサブマウント上に搭載されて固定される構成とする場合には、パッケージ、光ファイバ、光導波路チップ、サブマウントがいずれも固定された形となる。したがってこの場合、それぞれの素子、部材が固有にもつ熱膨張係数によって温度に対して伸縮することとなり、熱膨張係数の差によって生じる素子、部材同士の歪み、ストレスが問題となる。

通常は、パッケージ、光導波路チップ、サブマウントを、それぞれの熱膨張係数がほぼ一致するように部材を選定して構成すれば、歪みが生じにくい構造とできる。しかし、光ファイバは石英系ガラスを素材とする制約があり、熱膨張係数の差による歪みを完全には解消することができないという問題があった。

従来、この問題の解決策として、光ファイバの固定点（上述の例によれば、パイプ内部の封止部分と光導波路チップへの接続部分）の間に意図的に一定量のたわみが室温時に生じるように構成し、高温による部材伸長時に光ファイバに過度な歪みが生じないようにすることが行われてきた。

モジュールの大きさや構造によっても異なるが、例えばＫｏｖａｒ（鉄、ニッケル、コバルトの低膨張合金）もしくは銅タングステン材によって形成されたパッケージおよびサブマウントを使用し、シリコン基板上に形成された石英系ガラスによる光導波路チップに光ファイバが接続された構成の光モジュールの場合には、５０μｍ程度の熱膨張による伸長差を解消することが求められる。このため、従来は図１に示すような構造として、室温において光ファイバ６に、たわみ６ａを予め形成していた（特許文献１の図４参照）。

図１は、このような従来の光モジュール１０の光ファイバの光経路に沿った側面図を示す。従来の光モジュール１０のパッケージ底部１の面上に固定された平板状のサブマウント３の上には、光導波路チップ４が搭載されている。光導波路チップ４の左端の光ファイバ接続部５において光導波路チップ４に接続された光ファイバ６は、前述のたわみ６ａを有してパッケージ底部１左端のパッケージ壁部２の穴を通り、さらにパッケージ壁部２の外部に設けられたパイプ８の内部を通り、光モジュール１０の外部に引き出される。パッケージ１０の底部１と壁部２は一体構成の筐体であってもよく、更に図示しない蓋部を設けてもよい。

図１の部分断面として示すようにパイプ８の内部では、樹脂もしくは金属によって形成された光ファイバ固定部７により、光ファイバ６の一部が封止および固定される構造となっている。

通常、パッケージ底部１の上面の水平面に対してパッケージ壁部２はほぼ垂直であり、他の光モジュールとの接続の必要性などから、パッケージ壁部２の外部に設けられたパイプ８の光ファイバ６が通過する中心軸は、パッケージ底部１の上面の水平面に平行に設けられている。

特開２０１１−０６９９６６号公報

この光ファイバ６にたわみ６ａを持たせる従来構造では、光ファイバの小さな曲率半径によって生じる光放射損失を避けるため、例えば０．５ｍｍ以上の曲率半径によってたわみを形成する必要があった。その場合、半径０．５ｍｍの円弧部分を有する光ファイバ６のたわみ領域６ａは、前後の曲がりの戻り部分も加えると全長が１ｍｍ以上必要になる。

従来構造では、５０μｍ程度の熱膨張差を解消するためのたわみ領域の全長が１ｍｍであるから、光伝搬損失を考慮した光ファイバのたわみ領域は、熱膨張差の２０倍以上の長さを必要とすることになる。実際にたわみを形成するための実装公差を考慮すれば、そのために必要なスペースはさらに大きくなり、光モジュールの小型化を阻害する要因となっていた。

また、光ファイバ接続部５からパイプ８に至る直線上に配置された光ファイバ６に、たわみ６ａを形成するためには、例えばパイプ８側から光ファイバ６を押し込んだ状態で、光ファイバ６を適量たわませつつ光ファイバ固定部７を封止、固定するなどの工程が必要になり、製造工程が複雑化し高コスト化するものであった。

本発明の光モジュールの構成によれば、光ファイバにたわみを持たせるための領域の長さを従来と比較して大幅に削減しつつ、製造工程も簡素することができ、光モジュールのさらなる小型化、低価格化が可能となる。

本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。

（発明の構成１）
光ファイバ、光導波路チップ、サブマウントおよびそれらを収納するパッケージを備えた光モジュールであって、
前記パッケージの底部上面に固定された前記サブマウントの上面に前記光導波路チップが搭載され、前記光導波路チップの光導波路端面の光ファイバ接続部に前記光ファイバが接続されて前記パッケージの外部に引き出されており、
前記光ファイバの一部が前記パッケージの壁部に形成されたパイプの内部で固定され、
前記サブマウントの厚さが前記光ファイバ接続部の側で最も薄く、前記光ファイバ接続部と反対の側で厚くなっており、
前記パイプの中心軸は前記パッケージの底部上面に平行であり、前記光ファイバ接続部の光ファイバ接続点の前記パッケージの底部上面からの高さは、前記パイプの中心軸の高さよりも高く形成されている
ことを特徴とする光モジュール。

（発明の構成２）
前記光ファイバが、室温において前記パッケージの壁部に形成された前記パイプの内部で固定された部分から、前記光ファイバ接続部までの間で曲率半径１ｍｍ以上の円弧状で滑らかに湾曲している
ことを特徴とする発明の構成１に記載の光モジュール。

（発明の構成３）
前記サブマウントに搭載されている前記光導波路チップの基板面と前記パッケージの底部上面とのなす角度が、１度以上１０度以下である
ことを特徴とする発明の構成１または２に記載の光モジュール。

（発明の構成４）
前記サブマウントの光経路に沿った断面の形状が、三角形の楔形形状、台形形状または五角形の形状である
ことを特徴とする発明の構成１乃至３のいずれか１項に記載の光モジュール。

以上記載したように、本発明の光モジュールの構成では、光導波路チップがパッケージ水平面に対して傾きを持ってサブマウントに搭載されているため、光ファイバがパッケージのパイプ内部の固定点から光導波路チップに向かって湾曲する形となり、その部分で熱膨張の伸長差を解消することが可能である。このため、従来のたわみによる光ファイバの形状と比べて非常に短いたわみ領域とすることができ、光モジュールを小型化するだけでなく、簡素な製造工程として低価格化を実現できる。

従来技術による光モジュールの構成を示した図である。 本発明の実施例１として、光モジュールの構成を示した図である。 実施例１の光モジュールの、室温時におけるたわみの状態を説明する図である。 実施例１の光モジュールの、高温時におけるたわみの状態を説明する図である。 本発明の実施例２として、サブマウント形状の別の例を示した図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
以下の実施例では、シリコン基板上に形成した光導波路チップおよびＫｏｖａｒ材をベースとするパッケージ、サブマウントを用いた光モジュールについて説明する。これは光モジュールに一般的に用いられる材料の例であるが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。

（実施例１）
図２は、本発明の実施例１の光モジュール２０の光経路に沿った構成を示す側面図である。本発明の実施例１の光モジュール２０は、光ファイバ６、光導波路チップ４、サブマウント３１およびそれらを収納するパッケージ（底部１、壁部２）によって構成される。パッケージの底部と壁部は一体構成の筐体としてもよく、更に図示しない蓋部を設けてもよいことは従来と同様である。

図２において、光導波路チップ４の左端の光ファイバ接続部５において光導波路チップ４に接続された光ファイバ６は、たわみ６ｂを有してパッケージ底部１左端のパッケージ壁部２の穴を通り、さらにパッケージ壁部２の外側に設けられたパイプ８を通り、光モジュール２０の外部に引き出される。前述のようにパイプ８の内部では、光ファイバ固定部７で光ファイバ６の一部が樹脂もしくは金属によって封止および固定される構造となっている。

図２の本発明の実施例１の光モジュール２０の従来との相違点は、サブマウント３１が平板ではなく、その厚さが光経路に沿って光ファイバ接続部５側で最も薄く、光ファイバ接続部５と反対側で厚い、台形の断面形状となっている点である。このため光ファイバ接続部５において光導波路チップ４に接続された光ファイバ６は、必然的にパッケージ底部１の水平面に対して所定の角度を有することとなる。

前述のようにパイプ８の中心軸の延伸方向はパッケージ底部１上面の水平面に平行であり、更に光ファイバ接続部５の光ファイバ接続点のパッケージ底部１上面の水平面からの高さは、パイプ８の光ファイバ６が通る中心軸の高さよりも高く形成されている。このため、光ファイバ６は、光ファイバ接続部５の光ファイバ接続点から、パッケージ壁部２の穴を介してパッケージ壁部２の外部に設けられたパイプ８を通るまで間に、所定の曲率半径で湾曲するたわみ６ｂを自然にもつこととなる。

すなわち、サブマウント３１上に光導波路チップ４を配置するだけで、そのまま光ファイバ６にたわみを形成することが可能となり製造工程の大幅な簡素化となる。

光モジュールとしての機能は様々なものが考えられ、光半導体などによるレーザー素子や電気光学効果を用いる光変調素子、またはフォトダイオードなどの受光素子と集積することにより、それぞれ光源、光変調器、光受信器などを実現することができる。しかしながら本発明における本質的な構成要素は、光ファイバ、光導波路チップ、サブマウント、パッケージであり、それ以外の素子については実施例においては説明を省略する。

図３に、室温時における光ファイバ６のたわみ６ｂの状態を拡大して示す。図３では、光導波路チップ４はサブマウント３１の上面に搭載されており、光導波路チップ４の光導波路端面の光ファイバ接続部５において直接光ファイバ６が接続されている。また光ファイバ６の一部は、パッケージ壁部２に形成されたパイプ８の内部の光ファイバ固定部７でＰｂフリーハンダによって固定されている。光ファイバ６は、この固定部７から光導波路チップ４の光ファイバ接続部５に向かって、たわみ６ｂの示す曲率半径で自然に滑らかに湾曲している。前述のように、光ファイバ接続部５における光ファイバ６の接続点の高さは、光ファイバ６が通るパイプ８の中心軸の高さよりも高く形成されているので、台形の断面形状のサブマウント３１上に光導波路チップ４を載置するだけで、このようなたわみ６ｂが自然に形成される。

この時、光ファイバ６のたわみ６ｂの湾曲は、曲率半径が１ｍｍ以上の円弧状となるように構成している。光ファイバの固定は、光モジュールの用途に応じて樹脂材料を用いて固定してもよい。またサブマウント３１の厚さは、光ファイバ接続部５側で最も薄く、光ファイバ接続と反対側で厚くなっている構成である。このため光導波路チップ４の基板面はパッケージの水平面に対して傾いた状態で搭載されていることとなり、その角度（光導波路チップ角度）θは例えば６度となるように構成している。

図４には、高温時における光ファイバ６のたわみの状態を拡大して示す。図４のように、この光モジュール２０の構成では、高温時に熱膨張係数の差でそれぞれの部材の伸長に差が生じた場合、光ファイバ６はパッケージ水平方向に５０μｍ程度引っ張られる状態となる。ここで光ファイバの２つの固定点間の水平距離Ｌは、たわみの曲率半径をＲとしたとき、
Ｌ ＝ Ｒ×ｓｉｎθ
の関係がある。本実施例の場合に、θは６度で水平距離Ｌは１００μｍ程度あれば、室温における曲率半径Ｒを１ｍｍ程度確保することができ、大幅な小型化となる。

高温時の熱膨張による伸長（図４においてｄと表記）により、光ファイバが５０μｍ引っ張られることによって、たわみ部分の曲率半径は全体的には大きくなる。しかし、図４に示すようにたわみ部分の両端では光ファイバ６の角度が固定されているため、たわみ部分の一部で曲率半径が６ｂ’のように小さくなることも考えられる。その場合でも、その曲率半径は元の曲率半径の１ｍｍに対して半分の約０．５ｍｍ程度となり、光ファイバ曲げ部分による光放射損失は生じない範囲である。

また図示はしないが、低温時には、パッケージ底部１やサブマウント３１が収縮する方向になり、これによって湾曲する光ファイバ６は更にたわむことになる。しかしながらその時に最も曲率半径の小さくなる部分であっても、やはり元の曲率半径１ｍｍの半分である約０．５ｍｍ程度である。したがって本発明は、実際の使用温度範囲において光モジュールの特性に影響を与えない構成である。

図１に示したように、従来技術では光ファイバにたわみを持たせて５０μｍの引っ張りを解消するような構成を取るが、その場合一度曲げた光ファイバが光導波路チップの接続点でまた水平方向に戻るように構成する必要がある。０．５ｍｍ以上の曲率半径を持つようにし、かつ５０μｍ程度のたわみを持たせるために必要な、光ファイバの水平方向の距離は１ｍｍに達する。途中の曲げで接続点に達してしまった場合は、光ファイバの持つ弾性によっていずれかの固定点で局所的にファイバの曲りが小さくなるため、急激な温度変化や繰り返しの温度変化によって光ファイバ断線の危険性が高まる。

一方、本発明の構成によれば、光導波路チップが傾いていることによって、光ファイバが自然に一定の曲率半径で滑らかに湾曲する形状となり、パッケージやサブマウントが伸縮する水平方向における光ファイバの伸縮は、この湾曲部によって解消される。このため、解消すべき伸長差にもよるが、本実施例のように１００μｍ程度の水平方向の距離を確保すれば、たわみ領域を構成することが可能である。これによって、光ファイバのパッケージ壁部固定点から光導波路チップとの接続点までの、たわみ領域の大幅な小型化が可能となる。

（実施例２）
図５に、本願発明の実施例２の光モジュール５０を示す。サブマウントの光経路に沿った断面形状は図２の実施例１のような台形形状だけではなく、サブマウントの厚さが光ファイバ接続部の側で最も薄く、前記光ファイバ接続部と反対の側で厚くなっている形状であれば何でもよい。

例えば図５に示すサブマウント３２のように、光導波路チップ４の搭載部分の一部のみを傾けた五角形の断面形状でもよい。あるいは、光ファイバ接続部５の高さが確保されパッケージ底面に接触するなどの問題が無い限り、三角形ないし楔状の断面形状のサブマウントであっても良い。

さらに、サブマウントの加工精度や公差に依存して、湾曲する光ファイバの曲率半径は１ｍｍ以上に大きくとる必要が可能であるが、その上限値について本発明の目的を果たす条件である限り制約は生じない。

本発明において、上記光ファイバの曲率半径によって決定されるサブマウントの角度θは解消すべき伸長差にもよるが、１〜１０度の範囲であることが望ましい。これ以上小さな角度は加工精度が技術的に困難であることと、大きい角度はパッケージの厚みが大きくなり過ぎてしまうことを考慮すれば、適切な角度範囲である。

以上、詳細に説明してきたように、本発明の光モジュールにより、光ファイバ固定部から光導波路チップ接続部の間に必要なたわみ領域を、簡易な製造工程で大幅に削減することが可能であり、これにより光モジュールの小型化、低価格化を実現することができる。

本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、小型、低価格の光通信システムの光モジュールとして利用できる。

１０，２０，５０ 光モジュール
１ パッケージ底部
２ パッケージ壁部
３、３１、３２ サブマウント
４ 光導波路チップ
５ 光ファイバ接続部
６ 光ファイバ
６ａ、６ｂ たわみ
７ 光ファイバ固定部
８ パイプ

Claims (4)

1. 光ファイバ、光導波路チップ、サブマウントおよびそれらを収納するパッケージを備えた光モジュールであって、
   前記パッケージの底部上面に固定された前記サブマウントの上面に前記光導波路チップが搭載され、前記光導波路チップの光導波路端面の光ファイバ接続部に前記光ファイバが接続されて前記パッケージの外部に引き出されており、
   前記光ファイバの一部が前記パッケージの壁部に形成されたパイプの内部で固定され、
   前記サブマウントの厚さが前記光ファイバ接続部の側で最も薄く、前記光ファイバ接続部と反対の側で厚くなっており、
   前記パイプの中心軸は前記パッケージの底部上面に平行であり、前記光ファイバ接続部の光ファイバ接続点の前記パッケージの底部上面からの高さは、前記パイプの中心軸の高さよりも高く形成されている
   ことを特徴とする光モジュール。
2. 前記光ファイバが、室温において前記パッケージの壁部に形成された前記パイプの内部で固定された部分から、前記光ファイバ接続部までの間で曲率半径１ｍｍ以上の円弧状で滑らかに湾曲している
   ことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記サブマウントに搭載されている前記光導波路チップの基板面と前記パッケージの底部上面とのなす角度が、１度以上１０度以下である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
4. 前記サブマウントの光経路に沿った断面の形状が、三角形の楔形形状、台形形状または五角形の形状である
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光モジュール。

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