JP2009244664A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザと光ファイバとの間をシリコーン樹脂により充填された状態で長期的に使用したとしても、安定した光結合効率を維持することができる光モジュールを提供する。
【解決手段】半導体レーザ１０と光ファイバ３０とがシリコーン樹脂２０を介して光結合されている光モジュールであり、この半導体レーザ１０の出射部１００は、このシリコーン樹脂２０により覆われており、この半導体レーザ１０の出射部１００から出力される出射光の波長成分は１．２７０μｍ以下の波長成分を取り除いた波長成分である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザから出射された出射光を光ファイバに結合させて出力する光モジュールに関する。特に、半導体レーザと光ファイバとの間にシリコーン樹脂が充填された半導体レーザ光モジュールに関する。

従来、半導体レーザから出射された出射光を、光ファイバを介して出力する光モジュールでは、両者を光学的に結合させる方法が色々と提案されている。例えば、半導体レーザからの出射光をレンズ等の集光手段を用いて集光し光ファイバに結合させる方法、レンズ等を使用せずに半導体レーザからの出射光を直接光ファイバに結合させる方法等がある。後者の方法では、半導体レーザと光ファイバの間にシリコーン樹脂が充填されている構造のものである。

集光手段を用いた方法として、特許文献１では、半導体レーザアレイとレンズアレイとを金属ブロックに搭載してＬＤアセンブリを構成し、ＬＤアセンブリを側壁に窓を有するパッケージに収容封止し、側壁の外側に取着する光ファイバアレイとＬＤアセンブリとを光結合されてなる半導体レーザモジュールであって、パッケージの側壁の内側面に金属ブロックがレーザ溶接されてなる構成である半導体レーザモジュールが提案されている。

シリコーン樹脂で埋める方法として、特許文献２では、光モジュールの半導体レーザと光ファイバとの間に、空気よりも光の屈折率の高いフッ素添加シリコーン樹脂（屈折率ｎ＝１．３７）を挿入する方法が提案されている。
特開平６−３０８３５８号公報 特許第３１０４６６３号公報

しかしながら、上述したような特許文献１の方法では、半導体レーザ、集光手段、光ファイバを同時にそれぞれの光軸に合わせる必要があるため、組み立てに時間とコストとを要した。

また、上述したような特許文献２の方法では、半導体レーザと光ファイバとの間に充填されているシリコーン樹脂の特に光路付近に変質が発生してしまう現象が見られる。このため、シリコーン樹脂における光透過特性が変化してしまう恐れがあった。この結果、半導体レーザの出射光がシリコーン樹脂を通じて光ファイバの入射部へ導かれる際に、半導体レーザと光ファイバとの間における光結合効率が変動してしまうという問題点があった。

本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたもので、半導体レーザと光ファイバとの間をシリコーン樹脂により充填された状態で長期的に使用したとしても、安定した光結合効率を維持することができる光モジュールを提供することを目的とする。

上述した従来の問題点を解決すべく下記の発明を提供する。
本発明の第１の態様にかかる光モジュールは、半導体レーザから出射された出射光が光ファイバに結合される光モジュールであって、前記半導体レーザと前記光ファイバとの間にシリコーン樹脂が介在され、前記半導体レーザには当該半導体レーザから出射される出射光の１．２７０μｍ以下の短波長成分を取り除く機能を有する出射部が形成され、前記シリコーン樹脂内を伝播して前記半導体レーザから前記光ファイバへ出力されることを特徴とする。

シリコーン樹脂は、酸素雰囲気中で、主に１．２６８７μｍのピーク波長を有する光により、酸素が活性化（３重項状態から１重項状態になる）し、場合によってはラジカル反応が起こり、メチル基等の低分子側鎖を切り、主鎖を重合化することにより、シリコーン樹脂自体が変質することを、本発明者は見いだした。

従って、１．２７０μｍ以下の波長成分を取り除いた波長成分を出射光とすることにより、シリコーン樹脂の変質を大幅に低減させることができる。即ち、長期的に使用したとしても、シリコーン樹脂が変質せず、安定した光結合効率を維持することができる。

本発明の第２の態様にかかる光モジュールは、半導体レーザから出射された出射光が光ファイバに結合される光モジュールであって、前記半導体レーザと前記光ファイバとの間にシリコーン樹脂が介在され、前記シリコーン樹脂内を伝播して前記半導体レーザから１．２７０μｍより長波長側の波長成分を有する出射光が出射され、前記光ファイバに結合されることを特徴とする。

これにより、半導体レーザ自身によって発生する出射光自体を、シリコーン樹脂を変質させない１．２７０μｍより長波長側の波長成分のみを有するようにして、シリコーン樹脂内を伝播して、半導体レーザから光ファイバへ導くことができる。

本発明の第３の態様にかかる光モジュールは、本発明の第１の態様にかかる光モジュールの前記半導体レーザの前記出射部には、１．２７０μｍ以下の波長成分を遮断するフィルタがコーティングされていることを特徴とする。

これにより、半導体レーザから出射される出射光に、１．２７０μｍ以下の波長成分が含まれていたとしても、フィルタにより出射部からの出射を遮断することが可能である。このため、シリコーン樹脂内を１．２７０μｍ以下の波長成分を有する光が伝播されることがなく、シリコーン樹脂の変質を防ぐことができる。

本発明の第４の態様にかかる光モジュールは、本発明の第１から３のいずれか１つの態様にかかる光モジュールにおいて、前記半導体レーザは、分布帰還型半導体レーザであることを特徴とする。

本発明によれば、１．２７０μｍ以下の波長成分を有する光が、半導体レーザと光ファイバとの間に充填されたシリコーン樹脂内を伝播させないことにより、シリコーン樹脂の変質を低減させることができる。即ち、酸素を含む雰囲気の環境下で長期的に使用したとしても、シリコーン樹脂が変質せず、安定した光結合効率を維持することができる。

この発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。従って、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと同等なもので置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。

図１は、本発明を適用可能な光モジュールの好ましい実施形態を示す断面図である。
図１に示すように、光モジュール１Ａは、半導体レーザ１０と、半導体レーザ１０から出射された光を出力するための光導波路である光ファイバ３０とを備え、半導体レーザ１０の出射部１００と光ファイバ３０の入射部３１は透明のシリコーン樹脂２０で覆われた構成となっている。つまり、シリコーン樹脂２０は、半導体レーザ１０の出射部１００と光ファイバ３０の入射部３１との間に充填され、出射光Ｌ１の光路上に存在している。

なお、図１に示す光モジュール１Ａは、一例として、光信号の光送信モジュールを説明したが、図示しないが、半導体レーザ１０の代わりにＰＤ（フォトダイオード）を設置し、光信号の受信が可能な光受信モジュールであっても良い。また、半導体レーザ１０とＰＤの両者が設置され光信号の送受信が可能な光送受信モジュールであっても良い。

図１に示すシリコーン樹脂２０は、好ましくはメチルレジン系シリコーン樹脂である。ここで、シリコーン樹脂は、シロキサン結合を主鎖とした高分子有機化合物（ポリマー）の総称である。なお、シリコーン樹脂２０は、出射光Ｌ１の光路上に存在するため、伝送損失が大きくならないように、色は無色であり、屈折率は光ファイバ３０と近い値のものを選択している。

次に、図２に示す光モジュール１は、図１に示す光モジュール１Ａの構造例をより具体的に示している。図２に示す光モジュール１は、一例として、光送受信モジュールを示すものであり、図２の例では出力光信号Ｌ１を送信し、入力光信号Ｌ２を受信することができる。図２に示す光モジュール１は、概略的に本体部２とフェルール部３を有し、さらに、発光部６０と、光ファイバ保持部６１と、出力端部６２の各領域に分けることができる。まず、本体部２の構造について説明する。

図２に示す本体部２は、基板５と、半導体レーザ１０と、モニター用受光素子１１と、受光部１２と、光ファイバ３０などを有している。

基板５は、例えば金属リードフレーム材であり、基板５は絶縁性を有するベース部材６の上に配置されている。基板５の上には、発光部基板７と、受光した光信号処理部８が搭載されている。発光部基板７は例えばシリコン基板である。

発光部基板７の上には、半導体レーザ１０とモニター用受光素子１１が搭載されており、半導体レーザ１０とモニター用受光素子１１は、外部接続端子９を介して外部の回路に対して電気的に接続されている。

半導体レーザ１０は、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）のレーザダイオード（ＬＤ）チップを用いることができ、例えば１．２７０μｍ以上の波長を有する出力光信号（上り信号）Ｌ１を出力する。モニター用受光素子１１は、半導体レーザ１０の発生する出力光信号Ｌ１の光出力をモニターする。ここで、モニター用受光素子１１は、例えばフォトダイオードである。

図２に示す受光部１２は、光ファイバ３０を通じて外部から入力された入力光信号Ｌ２を受光する。ここで、受光部１２は、例えばフォトダイオードである。光ファイバ３０の受光部１２の上部には、ＷＤＭ（波長分割多重）フィルタ２１が配置されており、光ファイバ３０を通じて入射されてきた入力光信号Ｌ２は、ＷＤＭフィルタ２１により反射されて受光部１２に入る。ＷＤＭフィルタ２１は、出力光信号Ｌ１を透過させて、入力光信号Ｌ２を選択的に反射する機能を有する。入力光信号（下り信号）Ｌ２は、例えば１．５５０μｍあるいは１．４９０μｍの波長を有する。

図２に示す光ファイバ３０は、光モジュール１内において光導波路を形成しており、例えば一心双方向通信用のシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）の端部３０Ｔに対して、別のハイデルタシングルモード光ファイバ３９を融着して接続した構成である。

光ファイバ３０のハイデルタシングルモード光ファイバ３９の光入射端部３１は、半導体レーザ１０の出射部１００（図４参照）に対応して配置されている。光ファイバ３０は、コア３２とこのコア３２の周囲を覆うクラッド３３を有している。光ファイバ３０は、樹脂成形体１９のΩ型断面を有する溝部３４内に嵌め込まれており、光ファイバ３０の光入射端部３１は半導体レーザ１０の出射部１００に対して高精度に位置決めして保持されている。

次に、フェルール部３の構造について説明する。フェルール部３は、２つのフェルール４１及び４２とスリーブ４３とを有している。フェルール４１は、光ファイバ３０の他端部３６と、他の接続用の光ファイバ５５の端部３７をコネクタ構造により光学的に接続している。

次に、図３に示す光モジュール１の回路の一例を説明する。
図３は、光ファイバ３０と、半導体レーザ１０と、モニター用受光素子１１と、受光部１２と、入力光信号Ｌ２の光信号処理部８と、レーザダイオードドライバ回路７０を示している。

レーザダイオードドライバ回路７０は、半導体レーザ１０に駆動用の電流を供給して半導体レーザ１０を駆動する。駆動された半導体レーザ１０は、出力光信号Ｌ１を発生する。発生した出力光信号Ｌ１は、光ファイバ３０を通じて相手側に送られる。

また、半導体レーザ１０により発生された出力光信号Ｌ１は、モニター用受光素子１１により受光される。レーザダイオードドライバ回路７０は、モニター用受光素子１１によって受光された出力光信号Ｌ１の光信号出力をモニターすることにより、一定の光信号出力を有する出力光信号Ｌ１を出力する。

一方、受光側の入力光信号Ｌ２は、相手側から光ファイバ３０を通じて送られてきて、ＷＤＭフィルタ２１により反射されてバンドパスフィルタ７５を通った後に、受光部１２に入る。受光された入力光信号Ｌ２は、光信号処理部８により所定の処理が行われる。このバンドパスフィルタ７５は、１．４８０μｍ〜１．５００μｍのみの波長を有する入力光信号を通す。

図４は、図２の部分Ｘを示す模式的な図である。部分Ｘは、半導体レーザ１０、光ファイバ３０の光入射端部３１、及びシリコーン樹脂２０の一部分を示している。半導体レーザ１０と光ファイバ３０との間は、シリコーン樹脂２０により埋められ、また、半導体レーザ１０と光ファイバ３０はシリコーン樹脂２０により封止されている。

図４において、半導体レーザ１０の出射部１００と光ファイバ３０の光入射端部３１の距離Ｍは、例えば１５μｍである。また、半導体レーザ１０の出力光信号Ｌ１の光出力は、例えば１０ｍＷである。また、半導体レーザ１０の出射部１００から出力される出射光は、１．２７０μｍより長波長側の波長成分を有している。

次に、出射光を１．２７０μｍ以下の波長成分を取り除いた波長成分にすることにより、シリコーン樹脂２０の変質が抑制されることを、図５を参照して説明する。

本発明者は、窒素雰囲気中において、半導体レーザ１０の出射部１００の端面付近のシリコーン樹脂に変質が発生しないことが実験より観測した。これは、半導体レーザ１０からの出射光の波長が、酸素を１重項励起状態にする波長領域（１．２６８７μｍ以下の波長領域）であるとき、出射光のエネルギーにより雰囲気中の酸素が活性化し、即ち、３重項励起状態から１重項励起状態になり、メチル基を側鎖に有するメチルレジン系シリコーン樹脂と反応するためである。

即ち、シリコーン樹脂において、酸素が活性化（３重項状態から１重項状態になる）し、場合によってラジカル反応が起こり、メチル基等の低分子側鎖を切り、主鎖を重合化させるためである。

図５は、メチルレジン系シリコーン樹脂の変質メカニズムを説明するための図である。図５に示すように、酸素雰囲気において、メチル基を側鎖に有するメチルレジン系シリコーン樹脂（状態１）に、１．２６８７μｍ以下の波長領域を有する波長の出射光を半導体レーザ１０から出力すると、メチル基である側鎖を切って１重項励起状態の酸素と結合し（状態２）、主鎖を重合化する（状態３）。これにより、シリコーン樹脂２０は、Ｓｉの架橋密度が上がって硬くなってしまっていた。即ち、シリコーン樹脂２０における光透過特性が変化してしまっていた。

そこで、１．２７０μｍ以下の波長成分を取り除いた波長成分を有する出射光を利用することにより、酸素の活性化による主鎖の重合化を抑制する。

従って、上述したように、本発明の実施形態の光モジュールでは、シリコーン樹脂２０内を伝播して半導体レーザ１０から光ファイバ３０へ出力された出射光を、１．２７０μｍ以下の波長成分を取り除いた波長成分を有する出射光に制御することにより、シリコーン樹脂２０の変質を低減させることができる。

即ち、酸素を含む雰囲気の環境下で長期的に使用したとしても、半導体レーザ１０の出射光を、シリコーン樹脂２０内を伝播して光ファイバ３０の入射部３１へ導く際の光結合効率を安定して維持することができる。
ところで、本発明は、上記実施形態に限定されず種々の変形例を採用できる。

上述した図２及び図４に示す光モジュールの例では、半導体レーザ１０自身によって発生する出射光Ｌ１自体を、シリコーン樹脂２０を変質させる１．２７０μｍ以下の波長成分を取り除いた出射光となるようにして、シリコーン樹脂２０内を伝播して、半導体レーザ１０から光ファイバ３０へ導くようにしているが、図６に示すように、半導体レーザ１０に１．２７０μｍ以下の波長成分を削除するフィルタをコーティングするような構造にしても良い。

半導体レーザ１０は、１．２７０μｍ以下の波長成分を削除するフィルタ１５０により、出射部１００を覆うようにコーティングされている。半導体レーザ１０を駆動して、シリコーン樹脂２０に対して半導体レーザ１０から発生する出射光を、フィルタ１５０を通して、１．２７０μｍ以下の波長成分を取り除いた出射光Ｌ１にする。この出射光Ｌ１がシリコーン樹脂２０内を伝播して光ファイバ３０へ導かれる。

図６に示す光モジュールでは、シリコーン樹脂２０内を伝播して半導体レーザ１０から光ファイバ３０へ出力された出射光が、１．２７０μｍ以下の波長成分を有する場合であっても、シリコーン樹脂２０の変質を低減させることができる。

即ち、酸素を含む雰囲気の環境下で長期的に使用したとしても、半導体レーザ１０の出射光を、シリコーン樹脂２０内を伝播して光ファイバ３０の入射部３１へ導く際の光結合効率を安定して維持することができる。

例えば、ファブリペロー半導体レーザ（ＦＰＬＤ：Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）のような、広い幅の波長成分を有するＬＤチップを利用した場合、１．５５０μｍあるいは１．４９０μｍの波長のＦＰＬＤであっても、１．２７０μｍ以下の波長成分が出射光に含まれてしまう。このような場合においても、フィルタ１５０を通して出射光を１．２７０μｍ以下の波長成分を取り除いた出射光Ｌ１にすることにより、シリコーン樹脂２０の変質を低減させることができる。

また、例えば、図２に示す本発明の実施形態の光モジュール１は、光信号の送信と受信が可能な光送受信モジュールであるが、これに代えて光信号を送信できる光送信モジュールであってもよい。

また、半導体レーザに対して、複数本の光ファイバがアレイ（配列）された光ファイバアレイを配置して、光ファイバアレイと半導体レーザとの間にシリコーン樹脂２０を配置しても良い。

本発明を適用可能な光モジュールの好ましい実施形態を示す断面図である。 図１の光モジュールの構造例をより具体的に示す図である。 図２の光モジュールの回路例を示す図である。 図２の部分Ｘを模式的に拡大して示す図である。 メチルレジン系シリコーン樹脂の変質メカニズムを説明するための図である。 出射部１００を覆うようにファイルタ１５０をコーティングした半導体レーザ１０を利用した光モジュールの一例を示す図である。

符号の説明

１ 光モジュール
２ 本体部
３ フェルール部
１０ 半導体レーザ
２０ 透明樹脂
３０ 光ファイバ
３１ 光ファイバの入射部
１００ 半導体レーザの出射部
Ｌ１ 出力光信号パワー（光ファイバコア結合光）

Claims (4)

1. 半導体レーザから出射された出射光が光ファイバに結合される光モジュールであって、
   前記半導体レーザと前記光ファイバとの間にシリコーン樹脂が介在され、前記半導体レーザには当該半導体レーザから出射される出射光の１．２７０μｍ以下の短波長成分を取り除く機能を有する出射部が形成され、前記シリコーン樹脂内を伝播して前記半導体レーザから前記光ファイバへ出力されることを特徴とする光モジュール。
2. 半導体レーザから出射された出射光が光ファイバに結合される光モジュールであって、
   前記半導体レーザと前記光ファイバとの間にシリコーン樹脂が介在され、前記シリコーン樹脂内を伝播して前記半導体レーザから１．２７０μｍより長波長側の波長成分を有する出射光が出射され、前記光ファイバに結合されることを特徴とする光モジュール。
3. 前記半導体レーザの前記出射部には、１．２７０μｍ以下の波長成分を遮断するフィルタが設けられ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。
4. 前記半導体レーザは、分布帰還型半導体レーザであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光モジュール。
   
   

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