JP4955084B2

JP4955084B2 - 光モジュール

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Publication number: JP4955084B2
Application number: JP2010068775A
Authority: JP
Inventors: 育生小川; 真司美野; 俊和橋本; 俊英吉松
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: JP2011203377A

Description

本発明は光モジュールに関し、光受信装置に適用可能な光モジュールに関する。

近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、ＣＤＭＡ、ＯＦＤＭ、ＱＰＳＫ等の様々な通信方式の光通信が開発されている（非特許文献１、２、３）。通信容量の大型化を図るべく１００Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ以上の超高速光伝送システムの実現に向けて、様々な光通信装置が開発されつつある。特に、光雑音耐力向上や、光電変換後の電気信号処理による波長分散歪み補償能力の優位性から、ＤＰ−ＱＰＳＫ(Dual Polarization Quadrature Phase-Shift Keying)などのコヒーレント受信方式が注目を集め、伝送システムへの適用に向けた検討が活発化している。

図１にコヒーレント受信方式に用いられる光受信器の従来の構成を示す。光受信器は、局部発振光発生装置４０と、光モジュール１００と、復調用ＬＳＩ２００とが接続されて構成されている。光モジュール１００は、入力ポートＳ１およびＳ２から入力される信号光および局部発振光を信号処理するＰＬＣ(ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅｃｉｒｃｕｉｔ:平面光導波回路)１１０と、ＰＬＣ１１０からの光信号を光電変換するフォトダイオード（ＰＤ）アレイモジュール１３０と、変換された電気信号を電流から電圧に変換して増幅するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）１４０と、電圧信号を外部出力するＲＦ配線部（図示せず）とを備えている。ＰＬＣ１１０は、信号光および局部発振光を、その偏波状態に応じて異なる出力ポートに分離する偏波スプリッタ１１１ａ、１１１ｂと、信号光と局部発振光を合波する光９０度ハイブリッド回路１１２ａ、１１２ｂとを備えている。光９０度ハイブリッド回路１１２ａ、１１２ｂからの出力光は光配線を経由してＰＤアレイモジュール１３０に結合される。復調用ＬＳＩ２００は、ＡＤ変換器およびデジタル演算回路(DSP:Digital Signal Processor)を有し、入力された電気信号は、ＡＤ変換器によりデジタル信号に変換された後、デジタル演算回路によりデジタル処理される。

Hossam M.H.Shalaby, ‘‘Chip-Level Detection in Optical Code Division Multiple Access’’, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.16, No.6, June 1998,,p1077 Yan Tang, et al, ‘‘Optimum Design for RF-to-Optical Up-Converter in Coherent Optical OFDM Systems’’, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol.19, No.7, APRIL 1,2007,p483 Jeremie Renaudier, et al, ‘‘Linear Fiber Impairments Mitigation of 40-Gbit/s Polarization-Multiplexed QPSK by Digital Processing in a Coherent Receiver’’, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.26, No.1, January 1,2008,p36

このような光受信器において、従来、ＰＬＣ１１０とＰＤアレイモジュール１３０との光接続は、図２に示すように両者を直接接続するか、図３、図４に示すようにレンズを介して両者を分離接続することが多い。

図２では、ＰＬＣ１１０の各導波路１１３の出力ポートが、ＰＤ素子を小型パッケージに収容したＰＤアレイモジュール１３０を構成する各ＰＤ１３２の受光面に対向するように、ＰＤアレイ１３０をＰＬＣ１１０に直接貼り付ける構成としている。

図３、図４では、ＰＬＣ１１０とＰＤアレイモジュール１３０とを離間配置し、図３（ａ）では、両者の間に１つのレンズＬ１を配置し、図３（ｂ）では、両者の間に２つのレンズＬ２、Ｌ３を配置し、図４では、両者の間にマイクロレンズアレイ１２１，１２２を配置している。

しかしながら、高速でＯＥ変換を行う際には、高周波特性の劣化を防止するためにＰＤアレイモジュール１３０とＴＩＡ１４０とを分離することは困難で、両者は近接配置する必要がある。また、ＰＤアレイモジュール１３０およびＴＩＡ１４０が近接された光電変換部１５０は、ＴＩＡ１４０による発熱、さらに多チャンネル化による発熱を伴うため、十分な放熱性を確保する必要がある。また、光信号を処理するＰＬＣ１１０は熱の影響を受けやすいために、このようなＰＤアレイモジュール１３０およびＴＩＡ１４０が近接された光電変換部１５０からは離間させることが好ましい。したがって、ＰＤアレイモジュール１３０およびＴＩＡ１４０が近接された光電変換部１５０が採用される場合、ＯＥ変換部のサイズが大きくなるとともに、放熱のためパッケージ筐体等のヒートシンクに固定する必用が生じるため、図２のようにＰＬＣ１１０と光電変換部１５０を直接接続する構成を採用することはできない。

図５は、ＰＤアレイモジュール１３０とＴＩＡ１４０とが一体化された光電変換部１５０と、ＰＬＣ１１０とを分離配置した構成を示すものである。光電変換部１５０は、２つのモジュール１５０ａ、１５０ｂに分離配置されている。図５では、ＰＬＣ１１０と光電変換部１５０ａ、１５０ｂとの間には、マイクロレンズアレイ１２１、１２２を配置している。図５において、大きな発熱を伴う光電変換部１５０は、放熱を促進するために熱伝導性の高い筐体に固定する必要がある。また、上述の光モジュール１００を構成するためには、光学的な位置関係を保持するため、光電変換部１５０とＰＬＣ１１０とは、図５に示すように、同一の筐体１６０上など、共通の保持部材に固定する必要がある。

しかしながら、一般に熱伝導性の高い部材は熱膨張係数の高い部材であるので、光電変換部１５０およびＰＬＣ１１０が搭載される筐体１６０として熱伝導性の高い部材を採用した場合は、比較的低い熱膨張係数を有する材料が採用されるＰＬＣ１１０とは、熱膨張係数が大きく異なることとなり、温度変動時に、ＰＬＣ１１０の出力部と、ＰＤアレイモジュール１３０との間の光軸ずれが問題となる。

このような問題に対して、熱膨張係数が小さい材料を上記筐体１６０に用いる等して、光軸ずれを極力生じない構造とすることが考えられる。しかし熱膨張係数が小さい材料は、熱伝導率が小さいため放熱には適さない。これを回避するために放熱が必要な部分と熱膨張係数の小さい部分とを別々に構成することも考えられるが、筐体構造が複雑で高価になる。

また、図５に示すように、光電変換部１５０を２つのモジュールに分割した場合、光電変換部１５０ａ、１５０ｂを筐体１６０のｙ方向（光軸に垂直な方向）の中央位置に配置して固定することは不可能である。一方、ＰＬＣ１１０は１つのモジュールで構成されいるので、筐体１６０のｙ方向（光軸に垂直な方向）の中央位置に配置して固定可能である。このような配置において、筐体１６０として熱伝導性が高く、熱膨張係数が高い材料を採用した場合、筐体１６０の熱膨張、熱収縮によって、ＰＬＣ１１０の位置の変動はほとんどないが、光電変換部１５０ａ、１５０ｂは、矢印ｋに示すように、大きく変位してしまう。符号にダッシュ（’）を付けたものが、変位後の位置を示している。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、本発明の課題は、ＰＬＣおよび光電変換部を搭載する共通の保持部材として、複雑、高価な材料や構造を要せず、簡単な構成で、広い温度範囲においてＰＬＣの出力部と光電変換部との光軸ずれによる損失変動が発生しない光モジュールを提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、入力された光信号を光信号処理し、分離して複数の光導波路に出力する光信号処理モジュールと、前記光信号処理部から出力された各光信号を光電変換して出力する複数の受光素子を有する受光アレイと、前記受光アレイの各受光素子から出力される電気信号を増幅する複数の増幅器とをそれぞれ有し、別個のキャリアに搭載された複数の光電変換モジュールと、前記光信号処理モジュールと前記複数の光電変換モジュールとが分離されて搭載される共通のマウント基体と、前記光信号処理部の各出力ポートから出力される光を前記複数の光電変換モジュールの各受光素子に光結合するレンズ光学系とを備え、前記光信号処理モジュール、前記複数の光電変換モジュールおよび前記マウント基体の熱膨張による光信号処理モジュールに対する複数の光電変換モジュールの相対的な変位方向を予め導出し、該導出した変位方向と前記光信号処理モジュールの出力端部から前記受光素子までの各光軸方向とが一致するようにしたことを特徴とする光モジュールである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光モジュールにおいて、前記光信号処理モジュールの光導波路の出力端部分に、該光導波路に対して前記変位方向に対応する所定角度だけ折り曲げられた折り曲げ部を設け、この折り曲げ方向上に、前記レンズ光学系のレンズ中心および受光素子の受光部中心を配置したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光モジュールにおいて、前記レンズ光学系は、前記光信号処理部の出射光をコリメート光として出射する、前記光信号処理モジュールに固定される第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイからの光を受光して前記受光アレイの各受光素子に光結合させる、前記各光電変換モジュールに固定される複数の第２のレンズアレイとを有し、光信号処理モジュールの光導波路の各出力端と前記受光アレイの各受光素子の受光面中心を結ぶ線分の方向が前記変位方向に一致し、かつ前記線分上に第１および第２レンズアレイの主面上のレンズ中心点が位置するように前記第１および第２レンズアレイを偏芯させることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れかに記載の光モジュールにおいて、前記光信号処理モジュールは、マウント基体における前記複数の受光素子が並ぶ方向のほぼ中央位置に設けられ、２つの光電変換モジュールが、マウント基体の前記中央位置からオフセットされた位置に設けられたことを特徴とする。

本発明は、筐体の構造や材料を複雑、高価にすることなく、熱膨張係数差によるＰＬＣと光電変換部との間の光軸ずれを防止し、低コストで広い温度範囲で光軸ずれのない高性能の光モジュールを提供できるという効果を奏する。

コヒーレント受信方式に用いられる光受信器の構成を示す図である。従来のＰＬＣとＰＤアレイモジュールの接続を示す図である。レンズ系を用いたＰＬＣとＰＤアレイモジュールの接続を示す図である。マイクロレンズアレイを用いたＰＬＣとＰＤアレイモジュールの接続を示す図である。筐体上に配置されたＰＬＣおよび２つの光電変換部の膨張変位の様子を示す図である。本発明に用いられる光受信器の構成を示す図である。ＰＬＣの回路構成の一例を示す図である。本発明の第１の実施形態の光受信モジュールの構造を示す斜視図、断面図である。本発明の第１の実施形態の光受信モジュールの構造を示す平面図である。本発明の第１の実施形態の光受信モジュールの主要部を示す図である。光軸角度の決め方を概念的に示す図である。ＰＬＣおよび２つの光電変換部の膨張変位の様子を示す図である。本発明の第２の実施形態の光受信モジュールの主要部を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。まず、本発明の光モジュールを適用可能な光受信器５の構成について説明する。図６は、本発明の光モジュールを搭載した光受信器５の構成を模式的に示す図である。本実施形態では、光受信器５として受信する変調信号が偏波多重４位相多重通信(ＤＰ−ＱＰＳＫ=Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying)であるコヒーレント受信器を用いて説明をしているが、本発明はＤＰ−ＱＰＳＫのコヒーレント受信器に限るものではない。また、ＰＬＣの出力部と光電変換部とが対向している構成で説明を行っているが、対向していない場合でも本発明の趣旨に反しない限りは応用可能である。本発明は、ＰＬＣの出力部と光電変換部（例えばＰＤアレイモジュール）とが離れており、その間をレンズ光学系で光結合させるものであれば広く適用可能なものであることは言うまでもない。

図６において、光受信器５は、局部発振光発生装置４００と、光モジュール５００と、復調用ＬＳＩ６００とを備えて構成される。光モジュール５００は、信号光を入力する入力ポートＳ１と、局発光を入力する入力ポートＳ２とを備えている。入力ポートＳ１に入力される信号光は、光受信器５が外部から受信した光信号であり、入力ポートＳ２に入力される局発光は、局部発振光発生装置４００で発生させた光信号である。光モジュール５００は、２つの入力ポートから入力された光信号に対して光信号処理を行う光信号処理モジュールとしてのＰＬＣ５１０と、ＰＬＣ５１０で処理された光信号をＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂに光結合するためのレンズアレイ５２０と、光信号を電気信号に変換するＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂと、変換された電気信号を復調用ＬＳＩ６００へ出力するＲＦ配線部（図示せず）とを備えて構成される。

ＰＬＣ５１０は、入力光をＸ偏波、Ｙ偏波に分離して、その偏波状態に応じて異なる出力ポートに分離して出力する偏波スプリッタ（ＰＢＳ）５１１ａ、５１１ｂと、同じ偏向状態の信号光と局発光を９０度ハイブリッドして４つの光信号として出力する光９０度ハイブリッド回路５１２ａ、５１２ｂを備えている。図示の例では、偏波スプリッタ５１１ａが信号光をＸ偏波、Ｙ偏波に分離し、偏波スプリッタ５１１ｂが局発光をＸ偏波、Ｙ偏波に分離する。さらに、光９０度ハイブリッド回路５１２ａが、Ｘ偏向された信号光および局発光を９０度ハイブリッドして光導波路５１５の図示上側の４つのポートに出力し、光９０度ハイブリッド回路５１２ｂが、Ｙ偏向された信号光および局発光を９０度ハイブリッドして光導波路５１５の図示下側の４つのポートに出力している。ＰＬＣ５１０のＰＢＳ５１１、光９０度ハイブリッド回路５１２は、例えば図７に示すように複数の光導波路５１５の形態で構成されている。なお、図７に示すＰＬＣ５１０では、光９０度ハイブリッド回路５１２は、２つのモジュールに分割配置されたＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂとレンズアレイ５２０で光結合し易いように、各光導波路５１５が展開されるように引き回されている。

ＰＬＣ５１０から出力される光信号は、レンズアレイ５２０（マイクロレンズアレイ５１３ａ、５１３ｂ、５１４ａ、５１４ｂ）を介して２つのモジュールに分割されたＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂに結合される。ＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂは、ＰＬＣ５１０からの光信号を光電変換する受光素子としての複数のフォトダイオード（ＰＤ）を有するＰＤアレイモジュール５３０ａ、５３０ｂと、光電変換された電気信号を電流から電圧に変換して増幅するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）５４０ａ、５４０ｂとを有する。ＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂで変換された電気信号は、ＲＦ配線部を介して復調用ＬＳＩ６００に出力され、復調用ＬＳＩ６００のＡＤ変換器によりデジタル信号に変換された後、復調用ＬＳＩ６００のＤＳＰによりデジタル処理される。

ここで本発明の光受信モジュール５００は、高速で動作可能な２つのモジュールに分割されたＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂを用いており、ＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂからの発熱を促進するように、ＰＬＣ５１０およびＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂを固定するモジュール筐体を、高熱伝導率の材料（高い熱膨張係数を有する材料）で構成し、後述する各実施形態で示されるように、ＰＬＣ５１０とＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂとをモジュール筐体上で分離配置するとともに、モジュール筐体とＰＬＣ５１０とＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂとの熱膨張によるＰＬＣ５１０に対するＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂの相対的なずれ方向（変位方向）を予め求め、該求めた相対的なずれ方向と、ＰＬＣ５１０の出力端からＰＤアレイモジュール５３０ａ、５３０ｂまでの各光軸方向とを一致させるようにしている。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の光モジュールについて詳細に説明する。図８（ａ）は光モジュールの斜視図であり、図８（ｂ）は光モジュールのＡ−Ａ断面図である。図９は、光モジュールの平面図である。

本実施形態の光モジュール５００は、図９に示すように、ＰＬＣ５１０の光導波路５１５の出射端部分に光導波路５１５に対して所定角度だけ折り曲げられた折り曲げ部５１５’を設けることにより、ＰＬＣ５１０からの出射光の光軸方向を調整している。

図８に示すように、光モジュール５００は、光信号が伝搬する光ファイバＦ１、Ｆ２を受け入れてＰＬＣ５１０の入力ポートに固定する複数のパイレックスガラスなどで構成された固定具Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を備えている。ＰＬＣ５１０はシリコン基板上に形成した石英系ガラス薄膜に光導波路を設けた構造であり、ＰＬＣのシリコン基板５１６を介してパッケージ基板（マウント基体）としてのモジュール筐体５７０に銀ペーストなどを用いて固定されている。モジュール筐体５７０は、高周波で動作するＯＥ変換部５３５から発生する熱の放熱を促進するように、熱伝導性の高いアルミニウム（Ａｌ）で構成する。一般に、このような光モジュールを構成するためには、光学部品の位置ずれを小さくするため、熱膨張係数が小さいコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）が多用されるが、熱伝導性が比較的小さいため、本実施形態のような数Ｗ程度の発熱がある用途には適さない。そのような場合、熱伝導性が高く、熱膨張係数が比較的小さい数少ない材料であるＣｕＷ（銅タングステン）等が用いられるが、それでも本実施形態のように高速信号を扱う光モジュールではＰＤの受光径が小さくなるため、光軸ずれトレランスが極めて小さく、所望の動作温度範囲で光軸ずれをなくすことが困難である。また、そのような材料は比較的高価であり、加工も困難であることが多い問題もある。これに対して、本実施形態では、熱膨張係数が大きい材料を用いても温度変動時に光軸ずれを生じない本発明の構成を適用することによって、熱伝導性が高く、かつ安価なアルミニウムのような材料を用いることができる。またＰＬＣ５１０の光信号出力側には、光出力されるポートに対応する位置にレンズを備えたマイクロレンズアレイ５１３ａ、５１３ｂが固定されている。マイクロレンズアレイ５１３ａ、５１３ｂはＵＶ硬化接着剤などを用いてＰＬＣの端面に直接貼り付けられている。なお、図８ではマイクロレンズアレイの固定補助部材としてパイレックスガラスＤ４をＰＬＣ上にあらかじめ貼り付け、マイクロレンズアレイの接着面積を大きくすることによって、信頼性の高い貼り付けを実現している。

ＰＬＣ５１０からの光信号を受光するＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂは、ＰＬＣ５１０とは離間させてモジュール筐体５７０上にサブキャリア５３６を介して銀ペーストなどを用いて固定されている。ＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂは、熱伝導性の高い導体であるＣｕＷ等で構成されたサブキャリア５３６上に、ＰＤアレイモジュール５３０と、ＴＩＡ５４０と、チップコンデンサやチップ抵抗などの高周波チップ５４１と、ＲＦ配線部としての高周波配線回路５５０とを銀ペーストを用いて貼り付けて構成されている。ＰＤアレイモジュール５３０は、筐体５３３で囲まれた内部にＰＤ５３１を銀ペーストなどで固定し、ＰＤ５３１の受光面をサファイヤガラス５３２で覆って封止して構成されている。ＰＤアレイモジュール５３０のサファイヤガラス５３２にはマイクロレンズアレイ５１４がＵＶ硬化接着剤などを用いて貼り付けられている。マイクロレンズとしては非球面レンズが用いられ、マイクロレンズアレイ５１３、５１４が、いわゆるコリメート光学系を形成している。他、マイクロレンズアレイとしては、例えばＧＲＩＮレンズも用いることができる。

また、ＰＤアレイモジュール５３０の側面には内部のＰＤ５３１と電気的に接続された複数の電極パッド５３４が設けられており、この電極パッド５３４がＴＩＡ５４０とワイヤＷ１でボンディングされている。さらにＴＩＡ５４０は、ワイヤＷ２により高周波配線回路５５０とボンディングされており、高周波配線回路５５０の出力側には外部出力端子としてのＦＰＣ５６０が接続されている。

ここで、高周波配線回路５５０は、図８、図９に示すように、ＴＩＡ５４０の出力端からＦＰＣ５６０の入力端までの配線パターン５５１が、展開される（広がる）ように引き回されている。これは、外部機器としての復調用ＬＳＩ６００で使用される端子間ピッチにその端子間ピッチを合わせたＦＰＣ５６０に対応させるためである。また、高周波配線回路５５０での高周波特性を向上させるために、高周波配線回路５５０での各配線５５１をできるだけ迂回させることなく最短距離でＯＥ変換部５３５のＴＩＡ５４０の出力とＦＰＣ５６０の入力端子とを等配線長で接続できるように、ＯＥ変換部５３５のＰＤアレイモジュール５３０およびＴＩＡ５４０を２つに離間させて配置するようにしている。このため、この実施の形態では、ＯＥ変換部５３５は、ＰＤアレイモジュール５３０およびＴＩＡ５４０の他に、高周波配線回路５５０部分も含めて、２つのモジュール５３５ａ、５３５ｂに分離している。なお、図示はされていないが、ＰＬＣ５１０にも光導波路５１５が展開されるように引き回される展開部を設けるようにしており、これにより高周波配線回路５５０ａ、５５０ｂでの配線パターンの経路長を短くすることを可能としている。このような理由などから、ＯＥ変換部５３５は、２つのモジュール５３５ａ、５３５ｂに分割されている。

つぎに、図９および図１０にしたがって、本実施形態の主要部を説明する。図１０はＰＬＣ５１０の光導波路５１５とマイクロレンズアレイ５１３ａ、５１４ａと、ＰＤアレイモジュール５３０との位置関係を説明する図である。

図９、図１０に示すように、本実施形態の光モジュール５００は、ＰＬＣ５１０の光導波路５１５の出射端部分に光導波路５１５に対して所定角度αだけ折り曲げられた折り曲げ部５１５’を設けている。さらに、ＰＬＣ５１０に固定されるマイクロレンズアレイ５１３ａの各レンズｍ１のレンズ主面上のレンズ中心に光導波路５１５’からの出射光の光軸が入射して通過するようにマイクロレンズアレイ５１３ａを位置調整する。すなわち、図１０に示すように、レンズ主面上のレンズ中心を通る光線の方向は、レンズ入射側とレンズ出射側とで同じである。したがって、レンズ主面上のレンズ中心点を折り曲げ部５１５’から出射される主光線が通るようにマイクロレンズアレイ５１３ａ、５１３ｂのアライメントを調整する。これら折り曲げ部５１５’およびマイクロレンズアレイ５１３ａのアライメントによりＰＬＣ５１０からの光の出射方向を調整している。

さらに、図９に示すように、ＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂは、ＰＬＣ５１０から出射された光の光軸上にマイクロレンズアレイ５１４ａの各レンズｍ２のレンズ主面上のレンズ中心およびＰＤ５３１の受光面中心が位置するように、ＯＥ変換部５３５ａ、５３５ｂがそれぞれ搭載されるサブキャリア５３６ａ、５３６ｂがモジュール筐体５７０上に位置決めされる。

つぎに、ＰＬＣ５１０の光導波路５１５の折り曲げ部５１５’の角度α、マイクロレンズアレイ５１３の配設位置、マイクロレンズアレイ５１４の配設位置、ＰＤ５３１の配設位置をどのようにして決定するかについてまず図１１を用いて説明する。

マイクロレンズは短焦点であり、ＰＬＣ出射端とマイクロレンズアレイ５１３ａは近接して配置されているので、温度変動時のマイクロレンズアレイ５１３ａのＰＬＣ５１０に対する位置ずれは無視できる。また、ＰＤ５３１およびマイクロレンズアレイ５１４ａも同様の理由でサブキャリア５３６に対する位置ずれが無視できる。

ここで、熱膨張収縮を考える際、ＰＬＣモジュール５１０の熱膨張係数ｋｐとは、シリコン基板とその表面に形成された石英系ガラス薄膜からなるＰＬＣ５１０の実効的な熱膨張係数とする。ＰＬＣモジュール５１０Ｍは、ＰＬＣ５１０、および本実施形態では用いていないがＰＬＣと位置関係を固定して設けたサブマウント材を含めた構成をいう。ＯＥ変換モジュール５３５ａ、５３５ｂの熱膨張係数ｋｏｅとは、サブキャリア５３６ａ，５３６ｂを含めた各構成要素から構成されるＯＥ変換モジュール５３５ａ、５３５ｂの実効的な熱膨張係数とする。モジュール筐体５７０の熱膨張係数ｋｂとは、ＰＬＣモジュール５１０およびＯＥ変換モジュール５３５ａ、５３５ｂが共に固定されるマウント材としてのモジュール筐体５７０の熱膨張係数のことをいう。なお、共通のマウント材が複合的な材料、構造を有する場合は、トータルとしての実効的な熱膨張係数を考えれば良い。また、通常は、ｋｂ＞ｋｏｅ＞ｋｐの関係にあり、ｋｂはｋｐに対し一桁大きい。ｋｏｅとｋｐとは、ｋｏｅ＞ｋｐに限らず、ｋｏｅ≦ｋｐでもよい。

図１１において、ＰＬＣモジュール５１０Ｍ、ＯＥ変換モジュール５３５ａＭ、５３５ｂＭ、モジュール筐体５７０の熱膨張収縮によって、マイクロレンズアレイ５１３ａの出射端と、マイクロレンズアレイ５１４ａの出射端との相対位置が第１の相対位置（ｘ０、ｙ０）から第２の相対位置（ｘ０’、ｙ０’）に変位する場合、ｙ０／ｘ０＝ｙ０’／ｘ０’となるように光線角度αを決めればよい。（ｘ０、ｙ０）は、熱膨張前の定常状態にある温度Ｔ１における上記相対位置、（ｘ０’、ｙ０’）は熱膨張後としてのある温度Ｔ２における上記相対位置である。例えば、シミュレーションあるいは実験によって、想定される温度範囲内での熱膨張収縮による多数の温度での相対位置を求め、これら複数の相対位置を用いて代表的な光軸角度αの方向を決定する。

つぎに、図９を用いて、より具体的な光線角度αの決定方法について説明する。Ａ点をモジュール筐体５７０に対するＰＬＣモジュール５１０Ｍの実効的な固定点とし、Ｂ点をモジュール筐体５７０に対するＯＥ変換モジュール５３５ａＭの実効的な固定点であるとする。ＰＬＣの裏面をモジュール筐体に一様に接着固定している場合には、ＰＬＣとモジュール筐体の熱膨張によって生じる接着面の面方向の応力はＰＬＣの中央部でつりあい、この点は温度変動時にもモジュール筐体とＰＬＣとの位置ずれが発生しない。したがって、Ａ点は、モジュール筐体５７０のｙ方向のほぼ中央位置にあり、Ａ点はモジュール筐体５７０の熱膨張による変位はないと考える。同様に、Ｂ点はＯＥ変換モジュールとモジュール筐体との間で実効的に位置ずれが発生しない点である。Ｂ点は、モジュール筐体５７０のｙ方向の中央位置からｙ方向にオフセットされているので、Ｂ点はモジュール筐体５７０の熱膨張による変位があると考える。Ａ点およびＢ点のｘ方向の間隔をｘとし、ｙ方向の間隔をｙとする。また、ａは、マイクロレンズアレイ５１３ａのレンズ主面からＡ点までのｘ方向の間隔であり、ｂは、マイクロレンズアレイ５１３ａのある一つのレンズ（この場合は最も外側）のレンズ中心からＡ点までのｙ方向の間隔である。また、ｃは、マイクロレンズアレイ５１４ａのレンズ主面からＢ点までのｘ方向の間隔であり、ｄは、マイクロレンズアレイ５１４ａのある一つのレンズ（寸法ｂを規定するレンズに対応するレンズであり、この場合は最も外側）のレンズ中心からＢ点までのｙ方向の間隔である。

前述したｙ０／ｘ０＝ｙ０’／ｘ０’は、図９のモジュール実装構造を考えると、つぎのように表される。

(y-b+d)/(x-a-c)= (y’-b’+d’)/(x’-a’-c’) （１）
であるので、熱膨張係数の影響を考慮すると、ｘ、ｙは主にモジュール筐体５７０の熱膨張収縮によって変化し、ａ、ｂは、主にＰＬＣモジュール５１０Ｍの熱膨張収縮によって変化し、ｃ、ｄは、主にＯＥ変換モジュール５３５ａＭの熱膨張収縮によって変化するので、
(y-b+d)/(x-a-c)=
((y-b+d)+(y*kb-b*kp+d*koe)*dT)/((x-a-c)+(x*kb-a*kp-c*koe)*dT) （２）
である。したがって（２）を変形して、
(x*kb-a*kp-c*koe)/(x-a-c)=(y*kb-b*kp+d*koe)/(y-b+d) （３）
が成立する。ｄＴは、温度差である。

したがって、熱膨張係数ｋｐ、ｋｏｅ、ｋｂが決まれば、上記（３）式を満たすように、各パラメータ（a,b,c,d,ｘ,ｙ）の値を決めればよい。なお、c,d,yはＯＥ変換モジュールの構造や実現できる光学系によって制約されるので、自由度が大きいのは、ｂ、ｘ、ａである。また、各パラメータ（a,b,c,d,ｘ,ｙ）の値が決まれば、光軸角度αも決まる。

１つの具体的例として、ＰＬＣモジュール５１０Ｍのｘ方向の長さが１８ｍｍとし、ＯＥ変換モジュール５３５ａＭのｘ方向の長さが９ｍｍとし、マイクロレンズアレイ５１３ａ、５１３ｂ、５１４ａ、５１４ｂのレンズ厚を１ｍｍとし、マイクロレンズアレイ５１３ａ（５１３ｂ）とマイクロレンズアレイ５１４ａ（５１４ｂ）とのレンズ間距離を２．５ｍｍとし、ｃ＝６ｍｍ、ｙ＝５ｍｍ、ｄ＝０ｍｍとし、ｋｐ＝３×１０＾−６（１０のマイナス６乗）、ｋｏｅ＝７×１０＾−６、ｋｂ＝２３×１０＾−６としたとき、ａを１０ｍｍ、ｂ＝４．２７７ｍｍ、ｘ＝１８．５ｍｍとすることができる。なお、本実施形態では２５０μｍピッチの４ポートを２組、分離して配置しているが、この４ポートの間の距離は小さいので、実際のＰＬＣ側の出射光位置ｂは、ｂ＝４．２７７を中心として、±０．１２５ｍｍ、±０．３７５ｍｍの位置に配置すればよい。また、ＯＥ変換モジュール側もｄ＝０ｍｍを中心に、０．１２５ｍｍ、±０．３７５ｍｍに４ポートを配置することができる。

この構成によれば、例えば安価なアルミ筐体をモジュール筐体５７０として用いたとしても、図１２に示すように、ＯＥ変換モジュール５３５ａＭ、５３５ｂＭは斜めに設定された光軸に沿って変位することとなるので、光軸ずれが発生しない。ちなみに、上記スケールの装置において従来のように光軸を傾けない場合、１００度の温度差で約１０μｍの光軸ずれが発生する。ＰＤ受光径は直径１５μｍ程度なので、大幅なロスが生じることとなる。

この実施の形態によれば、ＰＬＣモジュール５１０Ｍ、ＯＥ変換モジュール５３５ａＭ、５３５ｂＭ、モジュール筐体５７０の熱膨張収縮によるＰＬＣモジュール５１０Ｍに対するＯＥ変換モジュール５３５ａＭ、５３５ｂＭの相対的な変位方向を予め導出し、該導出した変位方向と、ＰＬＣ５１０の光導波路５１５の出射端部分に設けた折り曲げ部５１５’の角度αをほぼ一致させ、この折り曲げ部５１５’の折り曲げ方向上に、マイクロレンズアレイ５１３、５１４のレンズ中心およびＰＤ５３１の受光面中心を配置しているので、筐体の構造や材料を複雑、高価にすることなく、ＰＬＣモジュール５１０Ｍ、ＯＥ変換モジュール５３５ａＭ、５３５ｂＭ、モジュール筐体５７０の熱膨張係数差によるＰＬＣモジュール５１０ＭとＯＥ変換モジュール５３５ａＭ、５３５ｂＭとの間の光軸ずれを防止し、低コストで広い温度範囲で光軸ずれのない高性能の光モジュールを提供できる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図１３は第２の実施形態の光モジュールの主要部の構成の配置関係を説明するための図である。本実施形態の光モジュールは、ＰＬＣ５１０の光導波路５１５の出射端部分に折り曲げ部５１５’を設けず、熱膨張方向と光軸を合わせるように、レンズを偏芯してＰＬＣモジュール５１０Ｍに貼り付けている。また、ＯＥ変換モジュール５３５ａＭ、５３５ｂＭは、光軸上にＰＤ５３１の受光面中心が位置するようにモジュール筐体５７０に固定する。

図１３において、ＰＬＣ５１０の光導波路５１５の出射端部分には折り曲げ部５１５’は設けられていない。この実施形態では、光導波路５１５の出射端５１５ｋとＰＤ５３１の受光面の中心とを結ぶ線分Ｊ１の光導波路５１５に対する角度が、前述のようにして導出した光軸角度αに一致し、かつ線分Ｊ１上に、ＰＬＣ５１０側のマイクロレンズアレイ５１３ａのレンズ主面上のレンズ中心点Ｅ１と、ＯＥ変換部５３５ａ側のマイクロレンズアレイ５１４ａのレンズ主面上のレンズ中心点Ｅ２とが位置するように、マイクロレンズアレイ５１３ａ、５１４ａを偏芯させる。Ｅ１およびＥ２を通過する光線は、主光線ではなく近軸光線である。

このようなマイクロレンズアレイ５１３ａ、５１４ａの偏芯により、光導波路５１５から出射された最大強度分布を持つ主光線Ｊ２は、マイクロレンズアレイ５１３ａ、５１４ａによって偏向されてＰＤ５３１の受光面の中心に入射される。

この実施形態によれば、第１の実施形態に比べて調整範囲は少ないが、簡単に光軸角度を調整することが可能となる。

５光受信器
５００光受信モジュール
５１１偏波スプリッタ
５１２９０度ハイブリッド回路
５１３、５１４マイクロレンズアレイ
５１５光導波路
５１５’ 折り曲げ部
５１６シリコン基板
５２０レンズアレイ
５３０ＰＤアレイモジュール
５３５ＯＥ変換部
５３６サブキャリア
５５０高周波配線回路
５７０モジュール筐体
６００復調用ＬＳＩ
Ｍミラー

Claims

入力された光信号を光信号処理し、分離して複数の光導波路に出力する光信号処理モジュールと、
前記光信号処理部から出力された各光信号を光電変換して出力する複数の受光素子を有する受光アレイと、前記受光アレイの各受光素子から出力される電気信号を増幅する複数の増幅器とをそれぞれ有し、別個のキャリアに搭載された複数の光電変換モジュールと、
前記光信号処理モジュールと前記複数の光電変換モジュールとが分離されて搭載される共通のマウント基体と、
前記光信号処理部の各出力ポートから出力される光を前記複数の光電変換モジュールの各受光素子に光結合するレンズ光学系と、
を備え、
前記光信号処理モジュール、前記複数の光電変換モジュールおよび前記マウント基体の熱膨張による光信号処理モジュールに対する複数の光電変換モジュールの相対的な変位方向を予め導出し、該導出した変位方向と前記光信号処理モジュールの出力端部から前記受光素子までの各光軸方向とが一致するようにしたことを特徴とする光モジュール。
前記光信号処理モジュールの光導波路の出力端部分に、該光導波路に対して前記変位方向に対応する所定角度だけ折り曲げられた折り曲げ部を設け、この折り曲げ方向上に、前記レンズ光学系のレンズ中心および受光素子の受光部中心を配置したことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記レンズ光学系は、
前記光信号処理部の出射光をコリメート光として出射する、前記光信号処理モジュールに固定される第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイからの光を受光して前記受光アレイの各受光素子に光結合させる、前記各光電変換モジュールに固定される複数の第２のレンズアレイと、
を有し、
光信号処理モジュールの光導波路の各出力端と前記受光アレイの各受光素子の受光面中心を結ぶ線分の方向が前記変位方向に一致し、かつ前記線分上に第１および第２レンズアレイの主面上のレンズ中心点が位置するように前記第１および第２レンズアレイを偏芯させることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記光信号処理モジュールは、マウント基体における前記複数の受光素子が並ぶ方向のほぼ中央位置に設けられ、
２つの光電変換モジュールが、マウント基体の前記中央位置からオフセットされた位置に設けられたことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の光モジュール。