JP5785139B2 - 集積型光モジュール - Google Patents

Description

本発明は集積型光モジュールに関し、発光素子または受光素子とともに集積されて光送受信機を構成する平面型光波回路を搭載した集積型光モジュールに関する。

光通信技術の進展に伴い、光部品の開発が益々重要となっている。とりわけ、光送受信器は、伝送速度や応答速度の高速化が検討され、通信容量の拡大が進んでいる。一般的な送受信器の構成は、光半導体を用いて作製される発光素子または受光素子と、出力用または入力用の光ファイバとから構成され、それらがレンズを介して光結合されている。例えば、光受信器の場合、入力側の光ファイバから出射された光は、レンズにより受光素子に結像され、直接検波（強度検波）される。

光伝送システムにおける変復調処理技術に目を転ずると、位相変調方式を用いた信号伝送が広く実用化されている。位相シフトキーイング（ＰＳＫ）方式は、光の位相を変調することで信号を伝送する方法であり、変調の多値化などにより、従来に比べ、飛躍的な伝送容量の拡大が可能となる。

このようなＰＳＫ信号を受信するには、光の位相を検波する必要がある。受光素子は、信号光の強度を検波することはできるが、光の位相を検波することができない。従って、光の位相を光強度に変換する手段が必要となる。そこで、光の干渉を用いることにより、位相差を検波する方法等がある。信号光と他の光（参照光）とを干渉させ、その干渉光の光強度を受光素子で検波することにより、光の位相情報を得ることが可能となる。参照光として、別途用意した光源を用いるコヒーレント検波、信号光自体を一部分岐して参照光とし、両者を干渉させる差動検波がある。このように、従来の強度変調方式のみを用いた光受信機に比べ、近年のＰＳＫ方式の光受信機には、光の干渉により位相情報を強度情報に変換する、光干渉回路が必要となっている。

このような光干渉回路は、平面型光波回路（ＰＬＣ：Planar Light Circuit）を用いて実現できる。ＰＬＣは、量産性、低コスト性および高信頼性の面から優れた特徴をもち、様々な光干渉回路が実現可能である。実際に、ＰＳＫ方式の光受信機に用いられる光干渉回路として、光遅延干渉回路、９０度ハイブリッド回路等が実現され、実用化されている。このようなＰＬＣは、標準的なフォトグラフィー法、エッチング技術およびＦＨＤ（Flame Hydrolysis Deposition）等のガラス堆積技術によって作製されている。

具体的な製造プロセスを概観すれば、最初に、Ｓｉ等の基板上に、石英ガラス等を主原料とするアンダークラッド層と、クラッド層より高い屈折率を持つコア層とを堆積させる。その後、コア層に様々な導波路パターンを形成し、最後にオーバークラッド層によってコア層から形成された導波路を埋め込む。このようなプロセスにより、導波路型の光機能回路を有するＰＬＣチップが作製される。信号光は、上述のようなプロセスを経て作製された導波路内に閉じ込められ、ＰＬＣチップ内部を伝搬する。

図１に、従来のＰＬＣと光受信器との光接続方法を示す。ＰＳＫ方式の光受信機におけるＰＬＣと光受信器との光接続方法に目を転ずると、これらの基本的な接続方法は、図１に示すような、単純なファイバ接続である。入出力端に光ファイバ３ａ，３ｂが接続された平面型光波回路（ＰＬＣ）１と、入力光ファイバ３ｂを持つ光受信器２とを、光ファイバで繋ぐことにより光結合を行う。光結合に使用する光ファイバの本数は、ＰＬＣから出力される出力光の数により決まり、複数本になる場合もある。しかしながら、このような光ファイバ接続を用いた光受信機の構成では、サイズが大きくなるという問題があった。そこで、ＰＬＣの出力と光受信器の入力とを、レンズを用いて直接的に光結合し、全体を１つのパッケージに集積することにより、小型な構成が可能となる。このような、ＰＬＣと光受信器とが直接的に光結合された形態の光受信機を、集積型光モジュールと呼ぶ。

集積型光モジュールを実現するためには、ＰＬＣチップの固定方法が特に重要となる。平面型光波回路から出力される光を空間中に伝搬させ、レンズ等により受光素子に光結合する場合、光の出射端、レンズ、受光素子の位置関係が変化すると、全ての光を受光素子により受光できなくなり、損失となる。特に、光受信機を納めるパッケージの温度、環境温度、それぞれの素子温度等が変化した場合、熱膨張の影響によりこれらの位置が変動するため、このような問題が顕著になる。このため、低損失な光結合を実現するためには、環境温度等が変化した場合でも、それぞれの位置関係が、少なくとも相対的に、変動しないことが必要となる。

特に、ＰＬＣチップは、光受信機の中で占める面積が、受光素子に比べて１桁から２桁程度大きく、熱膨張による形状の変化が大きい。また、平面型光波回路を構成する基板と堆積された薄膜ガラスとは、大きな熱膨張係数差を持つため、温度変化によって大きなそりが発生する。このため、受光素子に対するＰＬＣチップからの出射光の位置変位および出射角度変化が非常に問題となる。これらの２つの変化により平面型光波回路からの出射光の位置や角度が変化し、光軸ズレが発生する。光軸ズレは受光素子への光結合を劣化させ、損失を発生する。集積型光モジュールの実現には、このような光軸ズレを解消、もしくは、無害化することが重要である。

図２に、従来の集積型光モジュールの内部構造を示す。上述したような、温度変化による光軸ズレが発生しないように、ＰＬＣチップの底面のほぼ全面を、しっかりと固定する方法が知られている。図２に示した集積型光モジュールでは、光機能回路として光干渉回路が形成されたＰＬＣチップ１３と、レンズ１４と、受光素子１５とは、それぞれ固定用マウント１２ａ，１２ｂ，１２ｃを支持部材として、ベース基板１１に固定されている。光ファイバ１６とＰＬＣチップ１３とは、光ファィバ固定部品１７を介して接続されている。集積型光モジュールでは、光ファイバ１６から入力された光は、ＰＬＣチップ１３において干渉したのち、レンズ１４により受光素子１５に結合する。

固定用マウント１２ａとＰＬＣチップ１３とは、接着剤１８または半田により固定される。ＰＬＣチップ１３の底面のほぼ全面を、しっかりと固定用マウントに固定することにより、温度による膨張やそり変化を抑えている。また、レンズ１４、受光素子１５も固定用マウントに固定することにより、温度変化による光軸ズレが発生しないようにしている。

しかしながら、図２に示す構成では、温度変化による光軸ズレは大きく抑制できるが、一方で、温度変化によるＰＬＣチップの特性変化が顕著になる。上述のように、平面型光波回路１３は、大きな熱膨張係数差を持つＳｉ基板１３ａと石英ガラス層１３ｂとから構成されているため、温度変化によるそり変化や、熱膨張が大きい。図２に示すような構成では、ＰＬＣチップ１３の底面が全面固定されているため、熱膨張やそり変化が抑制される。

一方で、この場合、大きな熱応力がＳｉ基板１３ａと石英ガラス層１３ｂとの間に発生する。応力は、光弾性効果を通じて、石英ガラス層１３ｂ内部に屈折率変化を引き起こす。ＰＬＣチップ１３内に構成された光干渉回路は、干渉特性を制御するために、導波路の長さと屈折率が正確に調整されている。応力を介して発生する屈折率変化は、等価回路長の変化をもたらし、干渉計の特性を変化させるため、光干渉回路の特性を劣化させる。

これに対して、熱応力の発生を抑制することにより光学特性の変化を抑制するために、接着剤１８として、弾性接着剤、ペーストなどの柔らかい接着剤、または固定用ペーストを用いたとすると（例えば、特許文献１参照）、前述の光軸ズレの影響が顕著となり、損失が発生する。

特開２００９−１７５３６４号公報

以上の問題を解決するために、ＰＬＣチップ等の光部品を集積した集積型光モジュールとして、図３に示す構成を採用することが提案されている。この構成では、固定用マウント３２ａの一部を***させて形成した台座上に接着剤３８を塗布してＰＬＣチップ３３を接着固定している。図３のその他の構成は、図２と同様に構成されている。すなわち、光ファイバ３６が光ファイバ固定部品３７を用いてＰＬＣチップ３３に接続され、ＰＬＣチップ３３、レンズ３４、受光素子３５等の光部品が、ベース基板３１に対して、固定用マウント３２ａ、３２ｂ、３２ｃを介して搭載されている。この構成により、温度変化によりＰＬＣチップに歪や反りが発生しても、光機能回路の部分は応力の影響が最小限で済み、光機能回路の特性劣化を抑制することができる。

この集積型光モジュールではＰＬＣチップ３３とマウント４０の台座部分４２とを接続するために塗布した接着剤３８の塗布量が多すぎると、図４（ａ）に示すように、接着剤３８が台座部分４２の周囲に溢れた状態で硬化する。溢れた接着剤３８はその接着力によって台座の周囲に集中して存在しやすく、マウントに広がらずに溢れた接着面の周囲に溜まってしまう。図４（ｂ）はマウントの上面図である。図４（ｂ）に示すように、断面が四角形の台座４２がマウントの一部に設けられているので、台座の４辺に溢れた接着剤が溜まる。台座４２とＰＬＣチップ３３との接着面が非常に小さいため、接着剤の量を正確に制御するためにはμｌ単位の制御をする必要がある。また一般に、金属は湿度変化に対して体積変化は大きくないが、樹脂は湿度変化に対する体積変化が大きく、湿度が変化したときに、樹脂で構成される接着剤３８は膨潤するが、金属で構成されるマウント４０の台座４２は体積変化しない。したがって、接着面の周囲に溢れた接着剤が溜まったまま湿度変化すると、溢れた接着剤３８が膨潤して、ＰＬＣチップ３３を上方に押し上げる力Ｆを生じ、ＰＬＣチップの変位変動・剥離の原因となっていた。なお、本明細書において台座の断面とはマウント４０の支持部４１の上面から見た断面のことをいう。

以上に鑑み、本発明の課題は、湿度変化する際に、ＰＬＣチップの変位変動の発生を回避し、剥離がないようにした集積型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に記載の発明は、ＰＬＣチップと、上面に塗布された接着剤により前記ＰＬＣチップの下面の一部と接着固定された台座と、前記台座を支持する支持部とを備え、前記支持部の上面の前記台座の周囲に接着面となる前記台座の上面から溢れた接着剤が溜まる溝を形成したことを特徴とする集積型光モジュールである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の集積型光モジュールであって、前記溝の一部は支持部の上面から下面に貫通した貫通孔を有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の集積型光モジュールであって、前記溝の形状は、台座の周囲において対称性を有することを特徴とする。

従来の平面光波回路と光受信機との光接続方法を示す図である。 従来の集積型光モジュールの一例の内部構造を示す図である。 従来の集積型光モジュールの他の例の内部構造を示す図である。 従来の集積型光モジュールにおけるＰＬＣチップの変位変動・剥離について説明する図である。 第１の実施形態の集積型光モジュールの一例の内部構造を示す図である。 第２の実施形態の集積型光モジュールの一例の内部構造を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図５は、第１の実施形態の集積型光モジュールの要部を示す図である。図５（ａ）は、第１の実施形態の集積型光モジュールの要部の概略構成を示す側面断面図であり、図５（ｂ）は、第１の実施形態の集積型光モジュールに用いられるマウントの上面図である。集積型光モジュールは、ＰＬＣチップ、レンズ、受光素子または発光素子等の光部品を、マウントを介してベース基板上に搭載し、これらをパッケージで封止して構成される。光干渉回路が形成されたＰＬＣチップ３３は図５に示すように、光ファイバ３６とファイバ固定部品３７を介して接続され、接着剤３８ａによってマウント４０に接着固定されている。

ＰＬＣチップ３３は、Ｓｉ基板３３ａ上に、コア、クラッドからなる導波路型の光機能回路が形成された石英ガラス層３３ｂが積層されて構成されている。接着剤３８は、例えば、熱硬化型エポキシ系の接着剤、湿度硬化型の接着剤、酸素硬化型の接着剤のいずれでもよい。

マウント４０は、Ｋｏｖａｒ等の金属で構成することができ、ベース基板上に搭載するための平板状の支持部４１と、平板状の支持部４１の上面の一部に***して形成された台座４２と、台座４２の周囲の支持部４１に設けられた溝部４３とを備えている。マウント４０の台座４２の上面である接着面には、接着剤３８ａが塗布され、ＰＬＣチップ３３がその下面の一部において接着固定されている。本発明の集積型光モジュールでは、マウント４０の一部に形成された台座４２の周囲に溝部４３を形成して、ＰＬＣチップ３３とマウント４０との接着面から溢れた接着剤３８ｂを収容している。マウント４０は金属で構成されている一方、接着剤は樹脂で構成されており、湿度が高くなった場合に接着剤のみが膨潤することとなる。この台座４２の周囲に溝部４３を形成したことにより、接着面から溢れた接着剤３８ｂが溝部４３に収容されるので溢れた接着剤３８ｂが膨潤してＰＬＣチップ３３を押し上げる圧力を及ぼさず、ＰＬＣチップ３３が変位変動・剥離するということがない。

この溝部４３の容積Ｖ２は、許容する接着剤量に基づいて決定され、例えば、ＰＬＣチップ３３と台座４０との間の接着面において必要な接着剤３８ａの量をＶ１よりも大きくすることで、必要な接着剤の量Ｖ１よりも倍量以上の接着剤が塗布された場合でも、溢れた接着剤３８ｂがＰＬＣチップ３３を押し上げる圧力を及ぼすことがない。

溝部４３は、切削ドリルを用いて形成することができる。溝部４３は例えば１ｍｍの幅に形成できる。溝部４３の幅は一定でなくてもよいが、台座４２の周囲の４辺で対称性を備えるように形成することが好ましい。溝部４３の幅は小さければ毛細管現象で接着剤が入り込むので好ましいが、溢れた接着剤をある程度の量を収容するためにはある程度の大きさが必要である。一方で溝部４３の幅が大きすぎると、マウント４０の支持部４１の表面の濡れ性が悪い場合は接着剤が溝部４３に入り込まない場合がある。したがって、溝部４３の幅は、マウント４０の表面の濡れ性と接着剤の表面張力との関係に応じて決定される。また、溝部４３は、台座４２の周囲の全部に設ける必要がなく、周囲の４つの辺においてそれぞれ一部のみに溝部４３を設けてもよい。この場合、４つの辺で溝部４３の形状が対称性を有するように設けることが好ましい。

なお、台座４２の断面形状は、図５に示すように、四角形であることに限定されず、円形等の任意の断面形状に構成することができるが、図５のように断面が四角形であると、接着面積を大きく取ることができるのでＰＬＣチップ３３との接着が安定する。

このように本実施形態によれば、マウント４０の一部に形成された台座４２の周囲に溝部４３を形成して、ＰＬＣチップ３３とマウント４０との接着面から溢れた接着剤３８ｂを収容できるようにしたことにより、溢れた接着剤３８ｂが膨潤してＰＬＣチップ３３を押し上げる圧力を及ぼさないので、ＰＬＣチップ３３が変位変動・剥離するということがない。

（第２の実施形態）
図６は第２の実施形態の集積型光モジュールの要部を示す図である。図６（ａ）は、第２の実施形態の集積型光モジュールの要部の概略構成を示す側面断面図であり、図６（ｂ）は、第２の実施形態の集積型光モジュールに用いられるマウントの上面図である。この実施形態の集積型光モジュールは、溝部４３の一部が支持部４１を貫通する貫通孔４４として構成された以外は、第１の実施形態の集積型光モジュールと同様の構成である。

本実施形態の集積型光モジュールでは、溝部４３の一部を貫通孔４４に構成することにより、接着剤がどこまで流れているか、どのぐらいの接着剤量でどういう接着状態となるかが観察できる。因みに従来のモジュールでは、接着剤の状態はモジュールのＰＬＣチップ３３とマウント４０の支持部４１との間のすきまから台座部分を部分横方向から観察する必要があった。このすきま部分は約数百μｍという非常に小さい領域であり、観察が非常に困難であった。

貫通孔４４は、溝４３と同様に、切削ドリルを用いて形成することができる。貫通孔４４は、４つの辺に形成された溝のそれぞれの辺のうちの一部に形成してもよい。貫通孔４４の形状を四辺で同じにすることが好ましい。対称性を備えることにより、ゆがみの発生を防止できるからである。

また、貫通孔４４を設けた場合は、溝部４３の幅が大きすぎたり、マウント４０の濡れ性が悪かったりして、溢れた接着剤が溝部４３に入り込まない場合でも、マウント４０の接着面とは裏面側から貫通孔４４を真空吸引することで余分な接着剤を接着面の周囲から除去することもできる。

このように、本実施形態の構成によれば、マウント４０の一部に形成された台座４２の周囲に形成された溝部４３の一部に貫通孔を形成して、ＰＬＣチップ３３とマウント４０との接着面から溢れた接着剤３８ｂを収容できるようにしたことにより、溢れた接着剤３８が膨潤してＰＬＣチップ３３を押し上げる圧力を及ぼさないので、ＰＬＣチップ３３が変位変動・剥離するということがない。

以上の実施形態では、マウントを構成する支持部と台座とを一体で構成した場合を例に挙げて説明しているが、支持部の上面に台座を接着剤で接着してもよい。

３３ ＰＬＣチップ
３３ａ Ｓｉ基板
３３ｂ 石英ガラス層
３６ 光ファイバ
３７ ファイバ固定部品
３８ａ、３８ｂ 接着剤
４０ マウント
４１ 支持部
４２ 台座
４３ 溝部
４４ 貫通孔

Claims (3)

1. ＰＬＣチップと、
   上面に塗布された接着剤により前記ＰＬＣチップの下面の一部と接着固定された台座と、
   前記台座を支持する支持部とを備え、
   前記支持部の上面の前記台座の周囲に接着面となる前記台座の上面から溢れた接着剤が溜まる溝を形成したことを特徴とする集積型光モジュール。
2. 前記溝の一部は支持部の上面から下面に貫通した貫通孔を有することを特徴とする請求項１に記載の集積型光モジュール。
3. 前記溝の形状は、台座の周囲において対称性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の集積型光モジュール。

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