JP5737254B2 - 光通信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電気信号を光信号に変換して出力する、あるいは光信号を電気信号に変換して出力する光通信モジュールに関するものである。

光通信では、通信速度の高速化に伴い多チャンネルによる伝送が行われている。多チャンネル伝送用の光通信モジュールでは、アレイ化が容易なＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）などの面発光素子またはフォトダイオードなどの面受光素子をアレイ状に配置した光素子アレイが用いられている。光素子アレイは、金属材料、セラミック材料、シリコン等の結晶材料からなる支持部材（基板）に載置される。

光通信モジュールでは、光素子アレイと光学的に接続される光ファイバは、取り回しを容易とするために、支持部材の表面に対して平行に配置されるのが通常である。そこで、支持部材の表面に対して垂直に光を入出射する光素子アレイと、支持部材の表面に対して平行に光を入出射する光ファイバとを光学的に結合させるために、光学部材（レンズブロック、光学ブロックともいう）が用いられている。

例えば、特許文献１では、光素子アレイと、光素子アレイに対して光学経路が９０度の方向にある光ファイバとの間に、集光用のレンズと光学経路変更用の反射面を有する光学部材を配置している。光学部材としては、樹脂やガラスからなるものが一般に用いられる。

ところで、光通信モジュールを組み立てる際には、光学部材と光素子アレイの位置合わせが必要になる。

光学部材と光素子アレイの位置合わせを行う方法として、光素子アレイを動作させた状態で、光ファイバに伝達される光強度を観測しながら光学部材の位置を決定する方法が知られている。しかし、この方法では、電気配線を行い、光素子アレイを動作させた状態で測定を行いながら位置合わせを行う必要があるため、非常に手間がかかってしまい、量産性の観点から問題があった。

光学部材と光素子アレイの位置合わせをより簡便に行う方法として、光素子アレイを動作させずに機械的に位置合わせを行う方法が知られている。

特許文献２では、光素子アレイの支持部材にガイドピンを設けると共に、光学部材に穴を設け、光素子アレイの支持部材を光学部材に対しても支持部材として位置合わせを行う方法が提案されている。

特開２００４−２４６２７９号公報 特開２００６−６５３５８号公報

ところで、光学部材に用いられる樹脂は、熱による膨張・収縮が光素子等と比べ比較的大きいという特徴がある。そのため、周囲温度の変化や、光素子アレイやモジュール内の半導体素子の動作時の発熱による温度変化により、光素子アレイや支持部材と光学部材との間にサイズ変化の差異が生じ、その結果、高い位置合わせ精度が要求される光素子アレイと光学部材間で位置ずれが生じてしまい、光通信の特性が悪化してしまうという問題がある。

特許文献２の方法では、このような温度変化による光素子アレイと光学部材の位置ずれの発生を抑制することはできず、さらには、光素子アレイや支持部材に対して光学部材が膨張した場合には、ガイドピンや光学部材の変形を招くおそれがあり、問題である。

本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、光学部材と光素子アレイの位置合わせを機械的に簡易に行うことができ、かつ、熱により光学部材が膨張・収縮した場合でも位置ずれを抑制することが可能な光通信モジュールを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、発光素子または受光素子をアレイ状に配置した光素子アレイと、前記光素子アレイが載置される支持部材と、前記光素子アレイと光学的に接続される複数の光ファイバと、前記光素子アレイと前記光ファイバとを光学的に結合させる光学部材と、前記支持部材または前記光学部材に形成された複数の溝と、前記溝と対応するように前記光学部材または前記支持部材に形成された複数の突起と、を備え、前記溝と前記突起とを嵌合させることで、前記光学部材を前記支持部材に載置すると共に、前記光学部材の前記光素子アレイに対する位置決めを行うように構成された光通信モジュールであって、前記溝が開口に向かって幅が広がるよう形成されるか、あるいは、前記突起が基端に向かって幅が広がるよう形成され、前記光学部材の膨張・収縮時に前記溝と前記突起の干渉により前記支持部材と前記光学部材との距離が変化するように構成され、前記溝と前記突起は、前記光学部材の膨張・収縮時に前記溝と前記突起間で相対的な位置ずれが発生しない幅方向の位置が、平面視で前記光素子アレイの中心を通る直線上に位置するようにそれぞれ形成され、かつ、前記溝と前記突起は、平面視で前記光素子アレイの中心を通る少なくとも２つ以上の異なる直線上にそれぞれ形成されている光通信モジュールである。

前記溝と前記突起の少なくとも一方は、幅方向の断面がＶ字状に形成され、当該Ｖ字状の溝または突起の幅方向の中心位置が、平面視で前記光素子アレイの中心を通る直線上に位置するように形成されていてもよい。

前記溝と前記突起は、その幅方向の一方の側面が、共に前記支持部材の表面に対して垂直に形成され、当該側面が、平面視で前記光素子アレイの中心を通る直線上に位置するように形成されていてもよい。

前記溝の底面の長さが、前記突起の基端部の長さよりも大きく形成されてもよい。

前記支持部材は、シリコン基板からなり、当該シリコン基板に前記溝が形成されてもよい。

前記光学部材は、前記光素子アレイの各発光部または受光部と対向する位置に形成された複数のレンズからなるレンズアレイを有し、前記光素子アレイからの光の光軸を変換して前記各光ファイバに出射する、あるいは前記各光ファイバからの光の光軸を変換して前記光素子アレイに出射してもよい。

前記レンズアレイの平面視における中心と前記光素子アレイの平面視における中心とが一致するとよい。

本発明によれば、光学部材と光素子アレイの位置合わせを機械的に簡易に行うことができ、かつ、熱により光学部材が膨張・収縮した場合でも位置ずれを抑制することが可能な光通信モジュールを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る光通信モジュールを示す図であり、（ａ）は光学部材を透視した上面図、（ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ線断面図、（ｃ）は溝と突起の嵌合状態を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明において、基準位置を説明する図である。 （ａ）は光素子アレイとレンズの中心を固定点とした場合、（ｂ）は光素子アレイとレンズの端部を固定点とした場合において、光学部材の膨張・収縮時の発光部または受光部とレンズとの位置ずれを説明する図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１の光通信モジュールの変形例を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１の光通信モジュールの変形例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る光通信モジュールを示す図であり、（ａ）は光学部材を透視した上面図、（ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ線断面図、（ｃ）は溝と突起の嵌合状態を示す断面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、光通信モジュール１は、光素子アレイ２と、支持部材３と、光ファイバ（図示せず）と、光学部材４と、を備えている。

光素子アレイ２は、ＶＣＳＥＬなどの発光素子またはフォトダイオードなどの受光素子をアレイ状に配置したものであり、１チップにアレイ状に発光部または受光部２ａを配列して構成される。図１では、光素子アレイ２が発光部または受光部２ａを４つ配列したものである場合を示しているが、発光部または受光部２ａの数はこれに限定されるものではない。隣接する発光部または受光部２ａ間の距離（ピッチ）は、例えば２５０μｍである。

光素子アレイ２は、支持部材３に載置される。支持部材３は、金属材料、セラミック材料、シリコン等の結晶材料からなる。光素子アレイ２が発光素子である場合、支持部材３には光素子アレイ２を駆動するドライバＩＣ（図示せず）が搭載される。光素子アレイ２が受光素子である場合、支持部材３には光素子アレイ２からの信号を増幅するアンプＩＣ（図示せず）が搭載される。また、支持部材３には、外部の通信機器等と接続するための電気コネクタ（図示せず）等が設けられる。

光ファイバは、光素子アレイ２と光学的に接続されるものであり、取り回しを容易とするため、その先端部が支持部材３の表面と平行に配置される。

光学部材４は、光素子アレイ２と光ファイバとを光学的に結合させるものである。本実施の形態では、光学部材４は、光素子アレイ２の各発光部または受光部２ａと対向する位置に形成された複数（ここでは４つ）のレンズからなるレンズアレイ４ａを有し、光素子アレイ２からの光の光軸を変換して各光ファイバに出射する、あるいは各光ファイバからの光の光軸を変換して光素子アレイ２に出射するように構成されている。光学部材４には、光ファイバ先端部の位置を固定するためのＶ溝（図示せず）が形成されている。光学部材４は、樹脂やガラスからなる。光学部材４は、レンズアレイ４ａの平面視における中心と光素子アレイ２の平面視における中心とが一致するように配置される。

また、光通信モジュール１は、支持部材３または光学部材４に形成された複数の溝５と、溝５と対応するように光学部材４または支持部材３に形成された複数の突起６と、を備え、溝５と突起６とを嵌合させることで、光学部材４を支持部材３に載置すると共に、光学部材４の光素子アレイ２に対する位置決めを行うように構成されている。

本実施の形態では、支持部材３に溝５、光学部材４に突起６を形成したが、これに限らず、支持部材３に突起６、光学部材４に溝５を形成するようにしてもよい。なお、支持部材３としてシリコン基板を用いる場合は、シリコンプロセスによる高い加工精度を期待できるため、支持部材３側に溝５を形成することがより望ましい。

光素子アレイ２と、支持部材３と、光ファイバの先端部と、光学部材４とは、図示しない筐体に収容される。光ファイバの一方の端部に光素子アレイ２として発光素子を用いた送信側の光通信モジュール１を設け、光ファイバの他方の端部に光素子アレイ２として受光素子を用いた受信側の光通信モジュール１を設けることで、光アクティブケーブルが形成される。すなわち、光アクティブケーブルは、送信側の光通信モジュール１と受信側の光通信モジュール１とで共通の光ファイバを用いたものと換言することもできる。

この光アクティブケーブルでは、送信側の光通信モジュール１にて、外部の通信機器等から入力された電気信号を光信号に変換して光ファイバに出射し、受信側の光通信モジュール１にて、光ファイバを介して入力された光信号を電気信号に変換して別の外部の通信機器等に出力するよう動作する。

さて、本実施の形態に係る光通信モジュール１では、溝５が開口に向かって幅が広がるよう形成されるか、あるいは、突起６が基端に向かって幅が広がるよう形成され、光学部材４の膨張・収縮時に溝５と突起６の干渉により支持部材３と光学部材４との距離が変化するように構成されている。

本実施の形態では、支持部材３に溝５を、光学部材４に突起６を形成している。そのため、低温になると突起６が溝５に対して相対的に収縮し、溝５と突起６の干渉位置（接触位置）が溝５の底部に近づいて、支持部材３と光学部材４の距離が小さくなる。同様に、高温となると、突起６が溝５に対して相対的に膨張し、溝５と突起６の干渉位置が溝５の底部から離れて、支持部材３と光学部材４の距離が大きくなる。なお、支持部材３に突起６を、光学部材４に溝５を形成する場合、逆に、低温となると溝５が突起６に対して相対的に収縮し、支持部材３と光学部材４の距離が大きくなる。同様に、高温となると溝５が突起６に対して相対的に膨張し、支持部材３と光学部材４の距離が小さくなる。

図１（ｃ）に示すように、本実施の形態では、溝５を開口に向かって幅が広がるように形成し、かつ、突起６を基端に向かって幅が広がるように形成したが、どちらか一方を満たせばよい。つまり、溝５を開口に向かって幅が広がるように形成すれば、突起６はどのような形状でもよい。ただし、溝５と突起６の形状の組み合わせによっては、後述する基準位置が生じない場合も考えられるので、この場合、突起６は幅方向の断面が左右対称形状であることが望ましい。また、この場合、想定される使用温度内の変形範囲において、溝５と突起６の干渉位置が溝５の両方の側面に接触している必要がある。干渉位置が溝５の側面に接触していないということは、溝５から突起６が抜けた状態となっているか、あるいは溝５内で突起６が拘束されず幅方向に自由に動ける状態となっていることを意味し、どちらも光素子アレイ２と光学部材４の位置ずれの原因となるためである。

同様の理由から、突起６を基端に向かって幅が広がるように形成し溝５を任意の形状とする場合、溝５は幅方向の断面が左右対称形状であることが望ましく、また、想定される使用温度内の変形範囲において、溝５と突起６の干渉位置が突起６の両方の側面に接触している必要がある。

本実施の形態では、溝５と突起６の幅方向の断面形状を略同じＶ字状とし、溝５と突起６とが面接触するように構成した。但し、溝５と突起６の断面形状を全く同じとすると、支持部材３と光学部材４が接触し、突起６の先端が溝５の底に接触してしまうので、これを避けるため、本実施の形態では、溝５の深さよりも突起６の高さを若干高くすると共に、突起６の先端部を面取り加工するようにしている。

さらに、本実施の形態に係る光通信モジュール１では、溝５と突起６は、光学部材４の膨張・収縮時に溝５と突起６間で相対的な位置ずれが発生しない幅方向の位置（基準位置という）が、平面視（上面視）で光素子アレイ２の中心Ａを通る直線Ａ１，Ａ２上に位置するようにそれぞれ形成される。

ここで、基準位置について説明しておく。

図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、溝５と突起６の幅方向の断面形状を略同じとした場合（但し、溝５の深さよりも突起６の高さを若干高くし、突起６の先端部を面取り加工している）における基準位置について考える。

図２（ａ）に示すように、溝５と突起６の幅方向の断面形状をＶ字状（二等辺三角形状）とする場合、突起６が相対的に膨張・収縮した際には、その幅方向の中心位置において位置ずれは生じない。よって、この場合、幅方向の中心位置が基準位置となる。本実施の形態では、溝５と突起６の幅方向の断面形状を共にＶ字状としているため、図１（ａ）に示すように、溝５と突起６は、その幅方向の中心位置が、平面視で光素子アレイ２の中心Ａを通る直線Ａ１，Ａ２上に位置するように（直線Ａ１，Ａ２に沿うように）に形成される。

図２（ｂ）に示すように、溝５と突起６の幅方向の一方の側面を支持部材３の表面に対して垂直に形成した場合は、当該側面において位置ずれが生じないこととなり、この側面の位置が基準位置となる。また、図２（ｃ）に示すように、開口の幅方向の中心からずれた位置に溝５の底となる頂点を位置させた場合、その頂点の位置が基準位置となる。

このように、溝５の断面形状を三角形状とする場合は、溝５の底となる頂点の位置が基準位置となり、この基準位置が平面視で光素子アレイ２の中心Ａを通る直線Ａ１，Ａ２上に位置するように溝５と突起６を形成すればよい。なお、図２（ｄ）に示すように、溝５の断面形状を台形状とする場合は、その側面（傾斜面）を延長した頂点の位置が基準位置となる。

図１に戻り、本実施の形態では、平面視で、光素子アレイ２の中心Ａを通り、かつ発光部または受光部２ａの配列方向に沿った直線Ａ１上に、光素子アレイ２を挟むように２つ（２セット）の溝５と突起６を形成している。この２つの溝５と突起６により、図１（ａ）の上下方向における位置決めがなされることになる。

ここで、溝５と突起６の長さが同じであると、図１（ａ）の左右方向における膨張を許容できず光学部材４や支持部材３の変形の原因となる。そこで、溝５は、その長さが、突起６の長さよりも大きく形成され、溝５の長さ方向において突起６が移動可能とされている。

そのため、直線Ａ１上に形成された２つの溝５と突起６では、図１（ａ）の上下方向の位置決めがなされるものの、図１（ａ）の左右方向の位置は規制がなされず、直線Ａ１に沿った方向において支持部材３に対する光学部材４の移動が許容された状態となる。

そこで、光通信モジュール１では、平面視で光素子アレイ２の中心Ａを通り、かつ直線Ａ１と直交する直線Ａ２上に、さらに溝５と突起６を形成している。この直線Ａ２上に形成された溝５と突起６により、図１（ａ）の左右方向における支持部材３に対する光学部材４の位置決めがなされることになる。なお、この直線Ａ２上に形成された溝５も、その長さが突起６の長さより大きく形成され、直線Ａ２に沿った突起６の移動が許容されている。

ここでは、直交する直線Ａ１，Ａ２上に溝５と突起６を形成したが、これに限らず、溝５と突起６は、その基準位置が、平面視で光素子アレイ２の中心Ａを通る少なくとも２つ以上の異なる直線上（光素子アレイ２の中心Ａから放射状に延びる直線上と換言することもできる）に位置するように、それぞれ形成されていればよい。

このように構成することで、光学部材４が熱により膨張・収縮すると、平面視においては、光学部材４の光素子アレイ２の中心Ａと対向する位置（つまりレンズアレイ４ａの中心位置）を固定点として放射状に膨張・収縮の変形が行われることとなり、断面視においては、各溝５と突起６の幅方向における移動が規制された状態のまま、支持部材３と光学部材４間の距離が変化するようになる。

図３（ａ）に示すように、光素子アレイ２の中心Ａ（レンズアレイ４ａの中心）を固定点とすることで、光学部材４が熱により膨張・収縮した際の発光部または受光部２ａとレンズ４ａの位置ずれを極小とすることが可能になる。これに対して、例えば図３（ｂ）に示すように、光素子アレイ２の端部（レンズアレイ４ａの端部）を固定点とした場合、固定点とした端部と反対側の端部において発光部または受光部２ａとレンズアレイ４ａの各レンズとの位置ずれが大きくなり、光通信の特性が悪化してしまう。

以上説明したように、本実施の形態に係る光通信モジュール１では、溝５が開口に向かって幅が広がるよう形成されるか、あるいは、突起６が基端に向かって幅が広がるよう形成され、光学部材４の膨張・収縮時に溝５と突起６の干渉により支持部材３と光学部材４との距離が変化するように構成され、溝５と突起６は、光学部材４の膨張・収縮時に溝５と突起６間で相対的な位置ずれが発生しない幅方向の位置（基準位置）が、平面視で光素子アレイ２の中心Ａを通る直線Ａ１，Ａ２上に位置するようにそれぞれ形成され、かつ、溝５と突起６は、平面視で光素子アレイ２の中心Ａを通る少なくとも２つ以上の異なる直線Ａ１，Ａ２上にそれぞれ形成されている。

このように構成することで、支持部材３に対する光学部材４の熱による膨張・収縮を許容しつつも、光素子アレイ２の平面視における中心と４つのレンズからなるレンズアレイ４ａの平面視における中心を常に対向位置に維持し、光学部材４の光素子アレイ２に対する位置ずれを抑制することが可能になり、光通信の特性の悪化を抑制できる。また、光学部材４に熱による膨張・収縮が光素子等よりも大きい樹脂等の材料を用いることが可能となるため、低コスト化にも寄与する。

さらに、光通信モジュール１では、位置合わせを機械的に行うことが可能であり、光素子アレイ２を動作させることなく簡易に位置合わせを行うことが可能であり、量産性に優れている。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、溝５と突起６が面で接触する場合を説明したが、図４（ａ）に示すように、突起６の幅方向の両側端部を先細に形成したり、図４（ｂ）に示すように、突起６を直方体状に形成するなどして、溝５と突起６が線で接触するように構成してもよい。また、図４（ｃ）に示すように、突起６を球形状とするなどして、溝５と突起６が点で接触するように構成してもよい。なお、複数の溝５と突起６は同じ形状である必要はなく、様々な形状の溝５と突起６を混在させることも可能である。

また、図４（ｄ）に示すように、１つの溝５に２つの突起４１を嵌合させるよう構成することも可能である。なお、この場合、２つの突起４１の間の空間を埋めても同じ作用を奏することから、２つの突起４１で１つの突起６に相当するといえる。

また、上記実施の形態では、光素子アレイ２の発光部または受光部２ａの配列方向とその垂直方向に沿った直線Ａ１，Ａ２上に溝５と突起６を形成したが、溝５と突起６を形成する位置は、基準位置が平面視で光素子アレイ２の中心Ａから放射状に延びる直線上となる位置であれば、適宜選択可能である。例えば、図５（ａ）に示すように、図１（ａ）における光素子アレイ２の左側の溝５と突起６を省略してもよいし、図５（ｂ）に示すように、光素子アレイ２の中心Ａから１２０度ごとに延びる３つの直線上に溝５と突起６をそれぞれ形成してもよい。

また、図５（ｃ）に示すように、図１（ａ）における光素子アレイ２の下側にさらに溝５と突起６を形成して光学部材４の設置の安定性を向上させてもよいし、図５（ｄ）に示すように、図５（ｃ）における光素子アレイ２と溝５および突起６との関係を回転させる（ここでは光素子アレイ２を４５度回転させた場合を示している）ことも可能である。なお、図５（ａ）〜（ｄ）では、図の簡略化のため突起６を省略して描いている。

さらに、上記実施の形態では、溝５または突起６の幅方向の側面をテーパ状とする場合について説明したが、これに限らず、例えば、溝５または突起６の幅方向の側面を円弧状に（所定の曲率で湾曲するように）形成することも勿論可能である。

また、上記実施の形態では、光学部材４の光素子アレイ２に対向する位置にレンズを配置したが、これに限らず、例えばレンズおよび反射板を有しない光学部材を用いて光素子アレイに対向する位置に光ファイバの入出射面を配置してもよい。

１ 光通信モジュール
２ 光素子アレイ
２ａ 発光部または受光部
３ 支持部材
４ 光学部材
４ａ レンズアレイ
５ 溝
６ 突起

Claims (7)

1. 発光素子または受光素子をアレイ状に配置した光素子アレイと、
   前記光素子アレイが載置される支持部材と、
   前記光素子アレイと光学的に接続される複数の光ファイバと、
   前記光素子アレイと前記光ファイバとを光学的に結合させる光学部材と、
   前記支持部材または前記光学部材に形成された複数の溝と、
   前記溝と対応するように前記光学部材または前記支持部材に形成された複数の突起と、を備え、
   前記溝と前記突起とを嵌合させることで、前記光学部材を前記支持部材に載置すると共に、前記光学部材の前記光素子アレイに対する位置決めを行うように構成された光通信モジュールであって、
   前記溝が開口に向かって幅が広がるよう形成されるか、あるいは、前記突起が基端に向かって幅が広がるよう形成され、前記光学部材の膨張・収縮時に前記溝と前記突起の干渉により前記支持部材と前記光学部材との距離が変化するように構成され、
   前記溝と前記突起は、前記光学部材の膨張・収縮時に前記溝と前記突起間で相対的な位置ずれが発生しない幅方向の位置が、平面視で前記光素子アレイの中心を通る直線上に位置するようにそれぞれ形成され、
   かつ、前記溝と前記突起は、平面視で前記光素子アレイの中心を通る少なくとも２つ以上の異なる直線上にそれぞれ形成されている
   ことを特徴とする光通信モジュール。
2. 前記溝と前記突起の少なくとも一方は、幅方向の断面がＶ字状に形成され、当該Ｖ字状の溝または突起の幅方向の中心位置が、平面視で前記光素子アレイの中心を通る直線上に位置するように形成されている
   請求項１記載の光通信モジュール。
3. 前記溝と前記突起は、その幅方向の一方の側面が、共に前記支持部材の表面に対して垂直に形成され、当該側面が、平面視で前記光素子アレイの中心を通る直線上に位置するように形成されている
   請求項１記載の光通信モジュール。
4. 前記溝の底面の長さが、前記突起の基端部の長さよりも大きく形成される
   請求項１〜３いずれかに記載の光通信モジュール。
   
5. 前記支持部材は、シリコン基板からなり、
   当該シリコン基板に前記溝が形成される
   請求項１〜４いずれかに記載の光通信モジュール。
6. 前記光学部材は、前記光素子アレイの各発光部または受光部と対向する位置に形成された複数のレンズからなるレンズアレイを有し、前記光素子アレイからの光の光軸を変換して前記各光ファイバに出射する、あるいは前記各光ファイバからの光の光軸を変換して前記光素子アレイに出射する
   請求項１〜５いずれかに記載の光通信モジュール。
7. 前記レンズアレイの平面視における中心と前記光素子アレイの平面視における中心とが一致する
   請求項６記載の光通信モジュール。