JP3619367B2

JP3619367B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP3619367B2
Application number: JP11894198A
Authority: JP
Inventors: 裕司岸田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2018-04-28
Also published as: JPH11311720A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野で用いられる光モジュールに関連し、特に光変調器，光スイッチ等の導波路型の機能性光デバイス（以下光導波路デバイスと記す）とその光源の発光素子を一体化させた光モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有線通信の分野では、主に基幹伝送系から通信局間を結ぶアクセス系を含む中継系と呼ばれる伝送路において光ファイバ通信方式が実用化され、通信の大容量化がはかられてきた。
【０００３】
今日、光ファイバ通信は中継系のみならず、オフィスや家庭を結ぶ加入者系にまで導入されつつあり、情報ハイウェーとして、電話，ファクシミリ，データ通信，映像伝送等が統合された高速・広帯域サービス統合デジタル網（ＩＳＤＮ）による高度情報通信の利用が発展している。
【０００４】
このため、将来、電話以外の非電話系による大量の情報アクセスが急激に増加するといった、ＩＳＤＮの高度利用による通信の大量消費が進むことが予測され、通信の高速・広帯域のニーズはより一層期待されることになる。
【０００５】
通信の高速・広帯域化を背景に、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４），ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３），タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）等から成る強誘電体基板の電気光学効果を利用した光導波路デバイスが有望視されている。これらの光導波路デバイスは光半導体素子の直流光を外部変調することにより、光半導体素子の直接変調時にみられるチャーピングを減らすことができ、分散が大きい光ファイバにおいても、長距離，大容量の伝送を可能とする。
【０００６】
以下に、従来例について説明する。
【０００７】
〔例１〕図４に示すように、気密封止された光半導体素子およびレンズ系を介して光ファイバ６４と位置決め調心し、ＹＡＧ溶接されたピグテール型の光半導体モジュール６１と、同様に気密封止された光導波路デバイスチップおよびレンズ系を介して入出射ファイバ６４，６５と位置決め調心し、ＹＡＧ溶接されたピグテール型の光導波路デバイスモジュール６２を個々に作製しておき、両者をコネクタやスプライサ等の接続部材６３で接続したものが知られている。
【０００８】
使用されるパッケージとしては、光半導体モジュールはキャン型のパッケージやバタフライ型のパッケージが一般に用いられ、光導波路デバイスモジュール６１は、入出射に光ファイバを用いたピグテール型のものが一般に用いられる。
【０００９】
また、光ファイバとしては、光導波路デバイスの場合、一般的に偏光方向依存性があるデバイスが多いため、光半導体モジュール６１の出射側やＬＮ光変調器や光スイッチ等の入射側には偏波面保存ファイバが用いられる。
【００１０】
また、偏波面保存ファイバを伝搬後の直線偏光は消光比が劣化するため、一般的に光導波路デバイスの入射側の端面に角度調整された偏光子がＵＶ接着剤等で貼り付けられる等の方法により消光比の改善が行われることがある。
【００１１】
〔例２〕また、光半導体モジュールと光導波路デバイスモジュールとを、レンズが固定されたフランジ付きパイプを介して、ＹＡＧレーザ溶接固定するものが知られている（例えば、特開平４−３５５４１６号公報を参照）。
【００１２】
この方法では、フランジ付パイプは光軸が導波路に対し、斜めとなる構造を有し、また、導波路端面が斜め研磨される。これにより、光導波路デバイスから光半導体素子への反射戻り光が抑制される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般的に上記例１にみられる光導波路デバイスでは、モジュールの組立工程において、光ファイバと光導波路とを接続する場合が煩雑であるという問題があった。しかも、この種のデバイスは、通常、光源と組み合わせて用いられるが、従来、光源との接続は光導波路デバイスモジュールの入射側に組み込まれた光ファイバとピグテール型光半導体モジュールの光ファイバとをコネクタ接続することにより行われており、このような光ファイバの接続が出射側だけでなく入射側にも行われなければならない。
【００１４】
さらに、光半導体素子と光ファイバとの接続部の損失、および光ファイバと光導波路デバイスとの接続部の損失の少なくとも２つの大きな過剰損失が生じてしまい、光半導体素子の発光エネルギーの大部分が、光変調器へ入射させる前に失われてしまうといった問題があった。また、光半導体モジュールと光導波路デバイスモジュールとの双方に気密封止を施す必要があることから、その製造工程が煩雑となったり、２つのモジュールおよびその間を接続する光ファイバの実装性に問題があった。
【００１５】
また、上記例２の場合、モジュール組立時の偏光方向の調整、初期の光軸調整、ＹＡＧレーザヘッドの光軸調整等に多くの工数がかかることと、工程の再現性に問題があった。
【００１６】
また、前記フランジ付パイプは光軸の傾斜のため、熱膨張によるわずかのパイプの伸縮により光軸が調整からずれてしまう問題があった。さらに、冷却器付光半導体素子では冷却器の熱膨張差による光軸のずれが著しく、この構造では、光半導体モジュールは非冷却タイプに限定され汎用性に乏しいといった問題があった。
【００１７】
そこで、本発明は上述した諸問題を克服し，簡便で高効率な光接続および小型、高信頼性を有する光モジュールを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明の光モジュールでは、基体上に、フェースダウン実装した発光素子と、レンズと、フェースダウン実装した光変調器と、光ファイバとをこの順で光接続させるべく配設して成り、前記光変調器の光導波路の光入射面および光出射面のそれぞれを前記光導波路の光軸に垂直な面に対して傾斜させた光モジュールであって、前記光導波路の前記光出射面を前記光ファイバのコアに当接させるとともに、前記光導波路の前記光入射面および前記光出射面のそれぞれが下記式（１），（２）を満足するように傾斜していることを特徴とする。
ｎ_１ｓｉｎα＝ｎ_２ｓｉｎ（θ＋α）・・・（１）
ｓｉｎβ＝ｓｉｎθ／（（ｎ_１−ｃｏｓθ）^２＋ｓｉｎ^２θ）^１／２・・・（２）
（ただし、空気の屈折率を１とし、ｎ_１を前記光導波路の等価屈折率とし、ｎ_２を前記光ファイバの前記コアの屈折率とし、αを前記光導波路の前記光軸に垂直な面と前記光導波路の前記光出射面との成す角度とし、βを前記光導波路の前記光軸に垂直な面と前記光導波路の前記光入射面との成す角度とし、θを前記レンズからの光出射軸と前記光導波路の前記光軸との成す角度とする。）
【００１９】
ここで、特に、６゜＜α＜９゜となるようにすると光損失が極力低減される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る光モジュールの実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１（ａ），（ｂ）は、それぞれ光モジュールＭの上面図と側面図である。光モジュールＭは、基体２とその上に載置された光導波路体である光変調器１、発光素子であるＬＤ素子３、集光もしくはコリメートするレンズであるボールレンズ４および光ファイバ５とから構成され、ＬＤ素子３、ボールレンズ４、光変調器１がこの順で光接続させるべく配設されている。そして、光変調器１の光入射面１ａと光出射面１ｂのそれぞれを光変調器１の光軸に垂直な面に対して傾斜させている。
【００２１】
ここで、光変調器１は、一主面に光導波路が形成された、例えばニオブ酸リチウム（ＬＮ）単結晶、等から成る焦電性基板と制御電極などから構成され、基体２は例えばノンドープの単結晶のシリコン基板などから構成される。ただし、上記した光導波路，制御電極は簡単のため図示を省略している。
【００２２】
また、基体２は後記するＶ溝とＬＤ素子３および光変調器１を位置決めするためのマーカおよび電極とから構成される。ただし、マーカは簡単のため図示を省略している。
【００２３】
図２（ａ），（ｂ）に、ＬＤ素子３と光変調器１の光接続部（図１Ａ部）の拡大図平面図、および拡大断面図を示す。光変調器１、ＬＤ素子３、ボールレンズ４は、基体２上でＬＤ素子３の出射光が光導波路に最大効率で結合するように、予め正確に位置決め加工されたＶ溝２１とマーカを用いて機械的な位置合わせによって配置されるか、もしくは高さ方向とあおり方向のみ機械的精度で位置合わせし、基体２に対し水平面内の位置合わせは光導波路からの出力光をモニタすることにより行う。
【００２４】
また、ＬＤ素子３と光変調器１は基体２にフェースダウンで実装され、光軸がほぼ基体２表面に近い配置となるようにボールレンズ４の中心もそれに近い配置をとる。このとき、入射側の光軸近傍は光波の伝搬領域が確保される。また、マーカも同時にＶ溝で形成させる。これらの構成によって、光変調器１を高効率で光源と一体化させ、一つの筐体内に実装することができる。また、複雑な偏波面保存ファイバとその接続工程を簡略化することができる。
【００２５】
次に、本発明を実施する上で、特に重要な点を述べる。
【００２６】
１）ＬＤ素子３、光変調器１間の光路を確保するボールレンズ４を搭載するＶ溝２１以外に、ＬＤ素子３−光変調器１間の光路を確保するための溝が必要であるが、Ｖ溝で形成した場合、ボールレンズのＶ溝２１との交差部のパターンエッジ部でオーバエッチが起こりエッジが鈍り、ボールレンズ４の取り付け精度が確保できなくなる。
【００２７】
そこで、ＬＤ素子３の光路に沿って、幅ｗ２，深さｄ２の溝２３をダイシングにより形成した。このとき、Ｖ溝２２と溝２３とが交叉しないように光変調器１のチップ長をＬ（入射端面１ａ〜出射端面１ｂの長さ），レンズからの光出射軸Ｌ１と光導波路体の光軸Ｌ２との成す角度（＜９０°）をθ，光ファイバ５のＶ溝２２の幅ｗ１とするとＬｓｉｎθ＞（ｗ１／２＋ｗ２／２）となる条件を満足する必要がある。
【００２８】
例えば、Ｌ＝40mm，ｗ１＝154μｍ，ｗ２＝60μｍ，θ＞0.16゜で光路を確保することができ、かつ後記する反射減衰量を十分確保することができる。
【００２９】
２）反射減衰量の確保ＬＤ素子３にはＤＦＢ（Distributed Feedback)−ＬＤ素子等が用いられるのが一般的であるが、ＤＦＢ−ＬＤ素子ではデバイスを安定に動作させるために、光変調器１の端面や光ファイバの端面からの反射光量を十分抑制する必要がある。反射光量を抑制するにはＬＤ素子３の後に光アイソレータを挿入する方法または端面を斜め研磨する方法が従来より用いられてきた。
【００３０】
ところが、本発明のモジュールでは、ＬＤ素子３と光変調器１の光結合部のスペースが従来のモジュールと比較し非常に狭いため、設計上、光アイソレータを挿入するのが困難か、またはＬＤ素子３が非冷却タイプに限定される等の制限が発生してしまう。また、斜め研磨をする方法では、光変調器１の入射側と出射側の屈折率が異なるため、斜め研磨の角度によっては、溝２３の方向や基板方位により方向が限定されるＶ溝２１とＶ溝２２の方向と光軸方向との整合がとれなくなる。
【００３１】
そこで、各端面の斜め研磨角は、光変調器１の出射面と光変調器１の光軸に垂直な面との成す角度（＜９０°）をα、光変調器１の入射面と光変調器１の光軸に垂直な面との成す角度（＜９０°）をβ、光ファイバ５の入射面の傾斜角をγ（＝θ＋α）、光変調器１の光導波路の等価屈折率をｎ_１、光ファイバのコアの屈折率をｎ_２、空気の屈折率を１、光変調器１の光軸とボールレンズ４からの光出射軸との成す角度をθとすると、周知であるスネルの法則にしたがって、ｎ_１ｓｉｎα＝ｎ_２ｓｉｎ（θ＋α）、およびｎ_１ｓｉｎβ＝１・ｓｉｎ（β＋θ）を変形して、ｓｉｎβ＝ｓｉｎθ／（（ｎ_１−ｃｏｓθ）^２＋ｓｉｎ^２θ）^１／２となるように、Ｓｉ基板１上にＬＤ素子３、ボールレンズ４、光変調器１、光ファイバ５を配置する。
【００３２】
一般的に光路の屈折率はｎ₁が最も大きいため、β＜α＜γとなるが、光変調器１の入射端は空間光学系となっているため、設計上βは他の端面に比べ小さくても十分、反射を抑制することができる。本構成で各端面からの反射の総和を抑制するための設計はαを最適化することにより行うことができる。
【００３３】
図３に光モジュールの反射減衰量、結合効率の斜め研磨角（α）依存性を示す。例えば、α＝６〜９゜で好適な領域がある。なお、他の例においても、αを適宜変更してモジュールを設計することができる。
【００３４】
３）偏光方向の制御ＬＤ素子３の出力光はＴＥモードの直線偏光であるが、フェースダウン実装では、そのまま光変調器１を実装すると光変調器１はＴＥモード導波での動作に限定されてしまう。そこで、ＴＭモードで動作には、Ｓｉ基板２上に溝２４を形成しボールレンズ４と光変調器１との間に１／２波長版を挿入し、１／２波長板の光学軸をＳｉ基板２に対し４５゜傾斜させることにより、９０゜偏光方向を回転させた直線偏光を得る。
【００３５】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明の光モジュールでは以下のような顕著な効果を期待することができる。
【００３６】
・典型的な発光素子と光変調器の光導波路のニアフィールドは、いずれも光導波路の水平方向に長く広がる非対称な形状をしており、縦横比は例えば発光素子で約１：３、光変調器で約１：２程度である。したがって、ベース基板（基体）上に水平に置き、直接結合させる簡便な操作でモードフィールドのマッチングを最適に調整することができる。また、モードフィールド形状が異なる光ファイバを間に挿入する必要がなくなり、より理想的な結合が可能である。さらに、ボールレンズの代わりに筒状のレンズホルダーに実装された非球面レンズをＶ溝に搭載してもよく、この場合はいっそう結合効率を高めることができる。
【００３７】
・光アイソレータが不要となるため、光モジュールが小型化できる。また、これにより光アイソレータ自身からの反射を考慮しなくともよく設計が容易になる。さらに、素子周辺のスペースが確保できるため、発光素子の冷却器を配設しやすくなる等のメリットがある。
【００３８】
・光源の直線偏光の劣化が少ないため、光変調器の入射側にラミポール等の偏光子を入れる必要がない。これにより、部品点数の削減による組立効率や信頼性が大幅に向上する。
【００３９】
・発光素子と光変調器の光導波路とをベース基板（基体）上に置くだけの簡単な工程で、従来複雑であった偏光方向の調整が容易となる。
【００４０】
・発光素子のパッケージを光変調器と共通にすることができる。また、従来、発光素子と光変調器の光導波路とを接続していた偏波面保存ファイバが不要となることから、部品点数を大幅に削減できる。また、取扱いが容易となりシステムのメンテナンス性が向上する。
【００４１】
・発光素子と光変調器の光導波路とが簡単かつ高効率で光接続できる優れた光モジュールを提供できる。すなわち、光アイソレータがなくとも十分に戻り光を抑制でき小型化でき、さらに、一体化により部品点数が削減でき、信頼性が向上する。これらにより、高光出力，小型，高信頼性の実現した優れた光モジュールを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の光モジュールの実施形態を説明する上面図であり、（ｂ）その側面図である。
【図２】（ａ）は本発明の光モジュールの実施形態を説明する入射側光接続部の拡大平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】本発明の光モジュールの光学特性の一例を説明する線図である。
【図４】従来の光接続を説明する模式図である。
【符号の説明】
１：光変調器（光導波路体）
２：Ｓｉ基板（基体）
３：ＬＤ素子（発光素子）
４：ボールレンズ（レンズ）
５：光ファイバ
６１：光半導体モジュール
６２：光導波路デバイスモジュール
６３：接続部材
６４：入射ファイバ
６５：出射ファイバ
Ｍ：光モジュール

Claims

基体上に、フェースダウン実装した発光素子と、レンズと、フェースダウン実装した光変調器と、光ファイバとをこの順で光接続させるべく配設して成り、前記光変調器の光導波路の光入射面および光出射面のそれぞれを前記光導波路の光軸に垂直な面に対して傾斜させた光モジュールであって、前記光導波路の前記光出射面を前記光ファイバのコアに当接させるとともに、前記光導波路の前記光入射面および前記光出射面のそれぞれが下記式（１），（２）を満足するように傾斜していることを特徴とする光モジュール。
ｎ _１ｓｉｎα＝ｎ _２ｓｉｎ（θ＋α）・・・（１）
ｓｉｎβ＝ｓｉｎθ／（（ｎ _１ −ｃｏｓθ） ^２＋ｓｉｎ ^２ θ） ^１／２・・・（２）
（ただし、空気の屈折率を１とし、ｎ _１を前記光導波路の等価屈折率とし、ｎ _２を前記光ファイバの前記コアの屈折率とし、αを前記光導波路の前記光軸に垂直な面と前記光導波路の前記光出射面との成す角度とし、βを前記光導波路の前記光軸に垂直な面と前記光導波路の前記光入射面との成す角度とし、θを前記レンズからの光出射軸と前記光導波路の前記光軸との成す角度とする。）