JP5387224B2

JP5387224B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP5387224B2
Application number: JP2009190705A
Authority: JP
Inventors: 利彰木原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: JP2011043594A

Description

本発明は、光通信に用いられるセラミックパッケージ型の光モジュールに関する。

光通信に用いられる光送信モジュールあるいは光送受信もモジュール（以下、光モジュールという）は、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）からの光を信号光として用いており、この信号光をレンズにより集光してパッケージの光学窓を通して通信用の光ファイバに結合している。また、光ファイバを通して送られてきた信号光を、受信用のフォトダイオード（ＰＤ：photodiode）で受光して双方向の光通信を行うことができる。温度調整機能（以下、ＴＥＣという）を搭載した光モジュールでは、パッケージのベース上にＴＥＣを固定し、該ＴＥＣ上にキャリアを介してレーザダイオード（以下、ＬＤという）を実装している。また、信号光は、必要に応じてプリズムや光学フィルタを用いることにより光軸の方向が曲げられ、所定の方向に出射される。

光モジュールの形態として、ＣＡＮパッケージ型とバタフライ型と呼ばれているものがある。ＣＡＮパッケージ型の光モジュールは、例えば、ＬＤを収容する円形状の金属製パッケージの上端側に光学窓が設けられ、下端側からリードピンが伸びる形態のものである（例えば、特許文献１参照）。バタフライ型の光モジュールは、形状的にはＣＡＮパッケージ型より一回り大きく、直方体形状の前端部に光学窓が設けられ、側部および後端部からリードピンが伸びる形態のものである（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−２５３７７９号公報特開２００５−２３６２９８号公報

着脱式小型光トランシーバの標準規格であるＸＦＰやＳＦＰｐｌｕｓに示されるように、光トランシーバの小型化、低電力化、低コスト化が進む中で、ＴＥＣを備えたものについても、その対応が必要とされている。
最近は、上記の特許文献１，２に示すような形態の光モジュールに加えて、より小さくて安価なセラミックパッケージ型の光モジュールが考えられている。この場合、パッケージ内のスペースは、上記のものに比べて大きく制限される。このため、ＬＤやＰＤの配置に関連して実装されるレンズの設置、光軸を所定の方向に曲げるための光学フィルタあるいは反射面の配置、光学系の調心、実装の容易性、コストなど、種々の観点からの検討が求められている。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、セラミックパッケージ型の光モジュールで、レンズ、光学フィルタの設置、調心を容易に行うことができ、低コスト化が可能な光モジュールの提供を目的とする。

本発明による光モジュールは、レーザダイオードから出力された信号光を、光学フィルタで反射させた後に光学レンズで集光して、スリーブ内に収納された光ファイバに結合する光モジュールであって、光学フィルタと光学レンズは共にフィルタレンズキャリアに搭載されており、さらにフィルタレンズキャリアは光学レンズを搭載する搭載面を有し、光学レンズを搭載面上で移動させることにより、レーザダイオードと光ファイバとは光学結合され、光学フィルタ、光学レンズ、フィルタレンズキャリアはレーザダイオードと共にセラミックパッケージ内に実装されていることを特徴とする。なお、上記のレーザダイオードとフィルタレンズキャリアは、温度調整を行う電子冷却器を介して実装することができる。

また、上記の光モジュールは、光ファイバから出射された信号光を受光するフォトダイオードをさらに備え、光学フィルタが波長合分波フィルタであり、フォトダイオードは波長合分波フィルタを透過した前記信号光を受光する一心双方向の送受信器として構成するようにしてもよい。
また、上記のフィルタレンズキャリアは、一対のアームと該アームを連結するブリッジを有し、光学フィルタはブリッジの傾斜した面に搭載される。なお、光学フィルタの一方の端部分は、ブリッジの傾斜した面から下方の一対のアーム間に延在するようにしてもよい。

本発明によれば、光学レンズと光学フィルタを予め単一体からなるフィルタレンズキャリアに自動的に位置決めして固定することができ、製造上でバラツキのあるセラミックパッケージに対しての設置、調心が容易で、小型で精度のよい光モジュールを得ることが可能となる。

本発明の光モジュールの外観の一例を示す図である。本発明によるセラミックパッケージ内の部品実装形態を説明する図である。本発明に用いるフィルタレンズキャリアの一例を説明する図である。本発明によるフィルタレンズキャリアを介して非球面レンズと光学ファイルタを実装する一例を説明する図である。非球面レンズと光学ファイルタの実装例を説明する図である。球レンズと光学ファイルタの他の実装例を説明する図である。本発明による受信用ＰＤが搭載された一心双方向用光モジュールの一例を説明する図である。

本発明による光モジュールは、例えば、図１に示すように、セラミックパッケージ１の上面にパッケージ内を封止するリッド２、該リッド２にジョイントスリーブ３を介して、光ファイバが挿入接続されるスリーブ４を連結して構成される。リッド２は、上面側中央にジョイントスリーブ３と嵌合されるホルダ部２ａが一体に形成され、また、信号光を透過させる光学窓２ｂ（図２参照）を有し、セラミックパッケージ１の上面周縁で封止固定されている。

ジョイントスリーブ３は、ホルダ部２ａとのＺ軸方向の位置調整により、光ファイバ端との光路長の調心が行なわれ、スリーブ４との接合面３ａでＸＹ方向の位置調整により、光ファイバ端との位置ずれに対する調心が行なわれる。ジョイントスリーブ３を介して、信号光と光ファイバ端との調心が行なわれた後、それぞれの調整部分は接着剤あるいは溶接により固定される。なお、スリーブ４には、光ファイバ端に取付けられた光コネクタが嵌合接続されるレセプタクル部４ａ、光トランシーバ等に保持固定する支持部４ｂなどが設けられている。

セラミックパッケージ１は、図２に示すように、例えば、矩形状の底部セラミック基板１ａと、セラミック製の矩形枠状の複数のパッケージフレーム１ｂを順次積層し、最上端に金属フレーム１ｃを配した積層構造のものを用いることができる。なお、図２（Ａ）は、構造を解りやすくするためにパッケージ壁部の一部を除去した図で示し、図２（Ｂ）は断面図である。また、セラミックパッケージ１は、例えば、図１に示すように（縦ａ＝５.０ｍｍ、横ｂ＝５.０ｍｍ、高さｃ＝３.７ｍｍ）程度の箱型で形成され、その収納室１０内には後述する実装部品が搭載される。

セラミックパッケージ１の底部セラミック基板１ａは、パッケージ内に実装される電子部品の支持台およびパッケージのベース、外部回路への電気接続口となるステムとしての機能を有している。パッケージフレーム１ｂは、その積層数によってパッケージ高さｃを所望の値に設定することができる。中間に位置するパッケージフレーム１ｂは、例えば、電源や電気信号のための導体やパッドを形成してパッケージ内に搭載される電子部品の電気接続が行なわれる信号供給基板１ｄとしたり、また、電子部品を実装するための領域を設けた部品実装基板１ｅとすることができる。金属フレーム１ｃは、図１に示す金属製のリッド２を溶接や半田により固定するもので、樹脂接着する場合は省略することもある。

セラミックパッケージ１の収納室１０は矩形状に形成され、例えば、底部セラミック基板１ａ上に電子冷却器１１（以下、ＴＥＣという）が搭載される。ＴＥＣ１１は、ペルチェ素子等の電子冷却素子１１ａの上面側に吸熱板１１ｂを有し、下面側に放熱板１１ｃを有し、放熱板１１ｃが底部セラミック基板１ａに接するようにして配設される。吸熱板１１ｂ上には、ＬＤキャリア１２（サブマウントとも言う）を介してＬＤ１３が実装される。なお、ＬＤの温度制御を行わない無温調タイプの光モジュールでは、ＴＥＣ１１が搭載されない形態とされる。

なお、ＬＤ１３からの信号光は、実装面と平行な方向に出射された後、直交方向に反射されて光ファイバに結合され、信号光の出射側と反対の背面側からはモニタ光が取り出され、モニタ用のフォトダイオード（以下、モニタＰＤという）で受光される。モニタＰＤ（図示省略）は、例えば、上述したパッケージフレームに積層により組み込まれている部品実装基板１ｅを用いてＬＤ１３の背面光を受光できるように実装される。また、モニタＰＤやＬＤ１３の電源や信号線等の電気回路配線は、信号供給基板１ｄを用いて形成される。

ＬＤ１３からの信号光は、光学フィルタ１５により反射された後、光学レンズ１６で集光あるいは平行光にされ、図１のスリーブ４内の光ファイバ端に出射される。また、光学フィルタ１５は、所定の波長の光を反射させ、他の波長の光は透過させるもの（合分波フィルタで、ＷＤＭフィルタとも言われている）を用いることができる。なお、信号光を反射させるだけの場合は、光学フィルタ１５として、ガラス面上に全反射膜が蒸着したものを用いることもできる。反射膜としては信頼性の高いＡｇの蒸着膜を使用し、反射率９８％以上とすることができる。

この他、信号光を反射させる光学フィルタ１５として、Ａｕメッキが施されたセラミック材を用いることができる。このときのセラミック材としては、ＬＤが実装されるキャリア材として用いるのと同様なセラミック材を用いることができる。また、後述するフィルタレンズキャリアの傾斜した光学フィルタの取付け面に、直接Ａｕメッキを施して、光学フィルタに代えさせることもできる。

光学レンズ１６は、角形または円柱形状の非球面レンズあるいは球レンズを用いることができる。なお、高出力仕様の光モジュールでは非球面レンズが用いられ、低出力仕様の光モジュールでは球レンズが用いられる。光学レンズ１６は、光学フィルタ１５と光ファイバとの間に配される。

本発明においては、光学フィルタ１５と光学レンズ１６とを単一体からなる共通のキャリア上に実装させることにより、これらの設置および調心を容易にし、小型で精度のよい光モジュールを得ることが可能としている。なお、本発明において、光学フィルタ１５と光学レンズ１６を実装する共通のキャリアを、フィルタレンズキャリア１４と称して説明する。

図３は、フィルタレンズキャリアと該キャリア上に光学フィルタを実装する例を示す図である。フィルタレンズキャリア１４は、図３（Ａ）に示すように、水平部１４ａと垂直部１４ｂとからなり、金属、セラミック、樹脂を成形・プレスあるいは機械加工で形成することができる。なお、フィルタレンズキャリア１４は、例えば、（縦ｅ＝２.０ｍｍ、横ｇ＝３.０ｍｍ、高さｆ＝１.５ｍｍ）程度の外形で形成される。

フィルタレンズキャリア１４の水平部１４ａは、互いに向き合うアングル状のアームからなり、垂直部１４ｂは前記アームを連結するブリッジとなる。フィルタレンズキャリア１４の下面（裏面）は、第１の面２０ａとして、フィルタレンズキャリア１４をセラミックパッケージ１の搭載面に対する基準面とされる。垂直部１４ｂには、第１の面２０ａに対して４５°の角度を持たせた第２の面２０ｂが形成される。この傾斜した第２の面２０ｂには、ＬＤからの信号光を反射させる（折り曲げる）光学フィルタ１５が、予めオフラインで自動的に位置決めされて紫外線硬化型（ＵＶ）樹脂等により接着固定される。

なお、光学フィルタ１５の基材がセラミックで形成されている場合は、光学フィルタ１５の背面にＡｕＳｎ半田を蒸着しておき、第２の面２０ｂにＮｉ／Ａｕメッキを施しておくことにより、光学フィルタ１５をＬＤと同じように自動ダイボンダを用いて固定することができる。また、この他、専用の治具を用いて、リフロー半田で半田材で固定することもでき、組立てが容易で部品の加工費もかからず、安価に作製することができる。なお、光学フィルタ１５は、例えば、（縦ｈ＝１.２ｍｍ、横ｉ＝１.２ｍｍ、）程度の正方形で形成される。

フィルタレンズキャリア１４の上面（表面）は、第１の面２０ａと平行な第３の面２０ｃで形成される。この第３の面２０ｃ側には、後述するように非球面レンズまたは球レンズが載せられ、ＵＶ樹脂等で接着固定される。なお、光学レンズの実装は、フィルタレンズキャリア１４をセラミックパッケージ１に搭載し、光学レンズの実装領域を確保した状態で実施することができる。

図４は、フィルタレンズキャリア１４の実装形態を説明する図である。図４（Ａ）は、フィルタレンズキャリア１４が搭載される前の状態を示し、セラミックパッケージ１の収納室１０には、ＬＤキャリア１２によりＬＤ１３が実装された状態を示している。セラミックパッケージ１を構成するパッケージフレーム１ｂのうちで、適当なパッケージフレームにフィルタレンズキャリア１４を載置させるための収納室１０内に張り出す支持部１ｂ’を設けておくことができる。

図４（Ｂ）に示すように、光学フィルタ１５が予め取付けられたフィルタレンズキャリア１４は、ＬＤ１３を跨ぐような形で、フィルタレンズキャリア１４の第１の面２０ａをパッケージフレームの支持部１ｂ’上に載置される。このときフィルタレンズキャリアの第１の面２０ａを支持部１ｂ’上で移動調整し、パッケージ上方からＣＣＤカメラ等でＬＤ１３と光学フィルタ１５との距離を観察して位置決めし、フィルタレンズキャリア１４を接着固定する。なお、パッケージフレーム側とフィルタレンズキャリア側の接着面を予めメタライズ化して、半田材で固定するようにしてもよい

フィルタレンズキャリア１４を収納室１０内に実装するに際して、ＴＥＣが搭載されている場合は、その吸熱板上にＬＤキャリア１２と共に実装するようにしてもよい。しかしこの場合、ＴＥＣの放熱容量が増加し、消費電力も大きくなるので、これを回避するために、上記のように、パッケージフレーム１ｂで支持させるようにし、フィルタレンズキャリア１４をＴＥＣから浮かせて実装させるのが好ましい。

光学フィルタ１５がフィルタレンズキャリア１４を介して実装された後、図４（Ｃ）に示すように、光学レンズ１６がフィルタレンズキャリア１４の上面である第３の面２０ｃに載せて実装される。このとき光学レンズをフィルタレンズキャリアの第３の面２０ｃ上で移動調整し、パッケージ上方からＣＣＤカメラ等でＬＤ１３の像が光学レンズ１６の中央になるように位置決めし、フィルタレンズキャリア１４上に接着固定する。

なお、光学レンズ１６は、フィルタレンズキャリア１４を収納室１０に実装した後に、フィルタレンズキャリア上に実装する形態で説明したが、予め、オフラインで光学フィルタ１５と共に光学レンズ１６もフィルタレンズキャリア上に実装するようにしてもよい。この後、光学フィルタ１５と光学レンズ１６が実装されたフィルタレンズキャリア１４を収納室１０に実装する。

図５は、フィルタレンズキャリアに非球面レンズと光学フィルタを実装した状態を示す図である。非球面レンズ１６ａとしては、図に示す円柱形レンズの他に、角形レンズであってもよい。非球面レンズ１６ａは、フィルタレンズキャリア１４の上面である第３の面２０ｃに載せられて、第２の面２０ｂに取付けられている光学フィルタ１５の中心部もほぼ真上あたりに位置して、光学フィルタ１５で反射された信号光がレンズ中心を通るように接着固定される。なお、非球面レンズ１６ａは、例えば、（外径ｐ＝２.５０ｍｍΦ、厚さｎ＝１.５ｍｍ）程度の外形で形成される。

図６は、フィルタレンズキャリアに球レンズと光学フィルタを実装した状態を示す図である。球レンズ１６ｂは、フィルタレンズキャリア１４の水平部１４ａの互いに向き合うアングル状のアームと垂直部１４ｂの３辺で形成される開口部分に載置され、第２の面２０ｂに取付けられている光学フィルタ１５の中心部もほぼ真上あたりに位置して、光学フィルタ１５で反射された信号光がレンズ中心を通るように接着固定される。なお、球レンズ１６ｂは、例えば、（直径ｑ＝２.０ｍｍΦ）程度の球体で形成される。

図７は、本発明を一心双方向の光モジュールとして構成する例に説明する図である。なお、図７（Ａ）は、セラミックパッケージ内の構造を解りやすくするためにパッケージ壁部の一部を除去した図であり、図７（Ｂ）は断面図である。
セラミックパッケージ１は、図２で説明したのと同様で、矩形状の底部セラミック基板１ａと、セラミック製の矩形枠状の複数のパッケージフレーム１ｂを順次積層し、最上端に金属フレーム１ｃを配した積層構造の箱型で、その収納室１０内には後述する実装部品が搭載される。

セラミックパッケージ１の収納室１０は矩形状に形成され、例えば、底部セラミック基板１ａ上にＴＥＣ１１が搭載され、ＴＥＣ上には、ＬＤキャリア１２を介してＬＤ１３が温度調節可能に実装される。なお、ＬＤの温度制御を行わない無温調タイプの光モジュールでは、ＴＥＣ１１が搭載されない形態とされ、そのセラミックパッケージ１の高さ寸法は小さくできる。

なお、ＬＤ１３からの信号光は、実装面と平行な方向に出射された後、上述したフィルタレンズキャリア１４に実装された光学フィルタ１５で反射され、光学レンズ１６を経て光ファイバに結合される。なお、ＬＤ１３の信号光の出射側と反対の背面側からはモニタ光が取り出され、モニタＰＤで受光される。光学フィルタ１５の下方には、外部からの光信号を受光するための受信用のフォトダイオード１８（受信用ＰＤ）が配され、また、受信用ＰＤ１８で受信された信号を増幅するトランスインピーダンス前置増幅回路（ＴＩＡ）１９等の電子部品が実装される。

この場合、光学フィルタ１５には、ＬＤ１３からの波長信号光は反射させ、外部から光ファイバにより送られてくる波長の異なる信号光は透過させるＷＤＭフィルタが用いられる。外部からの信号光は、図１のスリーブ内に配された光ファイバ端から出射され、光学レンズ１６で集光されて光学フィルタ１５を透過し、受信用ＰＤ１８で受光される。受信用ＰＤ１８で受光された光電流はＴＩＡ１９で電圧変換されて外部回路に出力される。

以上、図２および図７で説明した光モジュールで示すように、ＬＤ１３からの信号光は光学フィルタ１５で光軸を直交する方向に曲げられ、光学フィルタ１５の直上に配された光学レンズ１６により集光または平行光にされて、光ファイバに結合される。この構成で、光学ファイルタ１５と光学レンズ１６は、単一体のフィルタレンズキャリア１４により、互いに近接しコンパクトに位置決めされて配置される。また、フィルタレンズキャリア１４は、ＬＤ１３を跨ぐように接近させて配置することができ、奥行き方向の寸法を縮小して更なる小型化を実現することが可能となる。

また、光学フィルタ１５は、フィルタレンズキャリア１４の傾斜した第２の面２０ｂで一義的に実装することができ、光学レンズはフィルタレンズキャリア１４の上面の第３の面２０ｂに載せた状態で移動させて位置調整ができ、位置決めと実装が容易である。

１…セラミックパッケージ、１ａ…底部セラミック基板、１ｂ…パッケージフレーム、１ｂ’…張り出し部、１ｃ…金属フレーム、１ｄ…信号供給基板、１ｅ…部品実装基板、２…リッド、２ａ…ホルダ部、２ｂ…光学窓、３…ジョイントスリーブ、３ａ…接合面、４…スリーブ、４ａ…レセプタクル部、４ｂ…支持部、１０…収納室、１１…電子冷却器（ＴＥＣ）、１１ａ…電子冷却素子、１１ｂ…吸熱板、１１ｃ…放熱板、１２…ＬＤキャリア、１３…レーザダイオード（ＬＤ）、１４…フィルタレンズキャリア、１４ａ…水平部、１４ｂ…垂直部、１５…光学フィルタ、１６…光学レンズ、１６ａ…非球形レンズ、１６ｂ…球レンズ、１８…受信用ＰＤ、１９…トランスインピーダンス前置増幅器（ＴＩＡ）、２０ａ…第１の面、２０ｂ…第２の面、２０ｃ…第３の面。

Claims

レーザダイオードから出力された信号光を、光学フィルタで反射させた後に光学レンズで集光して、スリーブ内に収納された光ファイバに結合する光モジュールであって、
前記光学フィルタと前記光学レンズは共にフィルタレンズキャリアに搭載されており、さらに前記フィルタレンズキャリアは前記光学レンズを搭載する搭載面を有し、前記光学レンズを前記搭載面上で移動させることにより、前記レーザダイオードと前記光ファイバとは光学結合され、
前記光学フィルタ、前記光学レンズ、前記フィルタレンズキャリアは前記レーザダイオードと共にセラミックパッケージ内に実装されていることを特徴とする光モジュール。
前記レーザダイオードと前記フィルタレンズキャリアは、温度調整を行う電子冷却器を介して実装さ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。
前記光ファイバから出射された信号光を受光するフォトダイオードをさらに備え、前記光学フィルタが波長合分波フィルタであり、前記フォトダイオードは前記波長合分波フィルタを透過した前記信号光を受光す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。
前記フィルタレンズキャリアは、一対のアームと該アームを連結するブリッジを有し、前記光学フィルタは前記ブリッジの傾斜した面に搭載されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュール。
前記光学フィルタの一方の端部分は、前記ブリッジの傾斜した面から下方の前記一対のアーム間に延在していることを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。