JP7293672B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本開示の一側面は、光モジュールに関するものである。

特許文献１には、波長多重光受信モジュールが記載されている。波長多重光受信モジュールは、互いに波長が異なる複数の信号光を含む波長多重光を単一の信号光に分割してそれぞれの信号光に含まれる信号を再生させる。波長多重光受信モジュールは、外部ファイバが接続される光レセプタクルと、受光素子が収容されるパッケージとを備える。パッケージの内部には、光レセプタクルの内部に配置されたコリメートレンズから出射した波長多重光を互いに異なる波長を有する複数の信号光に分波する光分波器と、分波された信号光を反射するミラーとが収容される。パッケージの内部には、ミラーにおいて反射した光を集光するレンズアレイと、レンズアレイにおいて集光された光を受光するＰＤ（Photo Diode）とが配置される。ＰＤは、レンズアレイからの光を受光するモノリシックレンズと、モノリシックレンズを透過した光を受光する受光層と、受光層の下部に位置する反射層とを有する。

特開２０１７－３２７３１号公報

ところで、光を反射する反射面、及び反射面において反射した光を集光するレンズと、レンズによって集光された光を受光するＰＤ等の受光素子とを備える光モジュールでは、光の受信経路を遡る戻り光は信号ノイズとなり誤り率特性を劣化させる場合があるために光反射減衰量（ＯＲＬ；Optical Return Loss）を低減させることが求められる。しかしながら、上記の光モジュールにおいて、レンズの入射部の形状は曲面状とされており、曲面状とされたレンズに反射面からの光が入射する。レンズに入射する光のうちレンズの曲面に対して垂直に入射する成分である垂直入射光は、当該曲面において１８０°反射されて戻り光となる。従って、ＯＲＬを低減して受光感度を高めることが求められる。

本開示の一側面は、ＯＲＬを低減させて受光感度を高めることができる光モジュールを提供することを目的とする。

本開示の一側面に係る光モジュールは、平面状の実装面を有する基板と、光を伝搬する光導波路、及び光導波路を通る光を平行光として出射する反射面を有する光回路素子と、実装面上に光回路素子を支持する支持部材と、実装面に実装されており、反射面から出射した平行光を集光するレンズ、及びレンズによって集光された光を受光する受光層を有する受光素子と、を備え、平行光は、レンズの頂点の接平面に対して垂直に入射し、平行光を出射する光回路素子の反射面とレンズの頂点との距離は、所定値より短く設定されており、実装面の法線方向から見たときに、平行光の光軸とレンズの頂点との距離は所定のオフセット量に設定されている。

本開示の一側面によれば、ＯＲＬを低減させて受光感度を高めることができる。

図１は、本開示の実施形態に係る光モジュールを示す斜視図である。 図２は、図１の光モジュールの側面図である。 図３は、図１の光モジュールの光回路素子を示す図である。 図４は、図１の光モジュールの基板、受光素子及び光回路素子を拡大した側面図である。 図５は、図４の受光素子のレンズを拡大した側面図である。 図６は、図４の受光素子のレンズと光回路素子からのビームとを示す平面図である。 図７は、図３の光回路素子から出射した光を模式的に示す図である。 図８は、比較例の光モジュールの受光素子及び光回路素子を示す側面図である。 図９は、図８とは異なる比較例の光モジュールの受光素子及び光回路素子を示す側面図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に、本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。本願発明の一実施形態に係る光モジュールは、平面状の実装面を有する基板と、光を伝搬する光導波路、及び光導波路を通る光を平行光として出射する反射面を有する光回路素子と、実装面上に光回路素子を支持する支持部材と、実装面に実装されており、反射面から出射した平行光を集光するレンズ、及びレンズによって集光された光を受光する受光層を有する受光素子と、を備え、平行光は、レンズの頂点の接平面に対して垂直に入射し、平行光を出射する光回路素子の反射面とレンズの頂点との距離は、所定値より短く設定されており、実装面の法線方向から見たときに、平行光の光軸とレンズの頂点との距離は所定のオフセット量に設定されている。

この光モジュールでは、基板の平面状の実装面に支持部材を介して光回路素子が支持されており、光回路素子は、光が伝搬する光導波路と、光導波路を通る光を反射する反射面とを有する。反射面からは平行光が出射し、反射面から出射した平行光はレンズに入射する。この反射面とレンズの頂点との距離は所定値よりも短く設定されている。平行光は遠方に伝搬する場合に拡がることがあり、レンズに入射する平行光が拡がると光の損失が生じる可能性がある。これに対し、この光モジュールでは、平行光を出射する光回路素子の反射面とレンズの頂点との距離が所定値よりも短く設定されている。よって、反射面からの平行光が拡がることなくレンズに入射する。従って、光の損失が生じる可能性を低減できるので、受光感度を高めることができる。また、この光モジュールでは、反射面からの平行光はレンズの頂点の接平面に対して垂直に入射し、実装面の法線方向から見たときにレンズの頂点の位置と平行光の光軸との距離が所定のオフセット量に設定されている。従って、レンズに入射する平行光はレンズの曲面に対して垂直に入射しないので、当該曲面から反射する戻り光を抑制することができる。よって、戻り光の発生を抑制することができるので、ＯＲＬを低減させて受光感度を高めることができる。

また、当該所定値は、支持部材の高さによって定められていてもよい。この場合、基板と光回路素子の間に介在する支持部材の高さによって反射面とレンズの頂点との距離が定められている。従って、高さが調整された支持部材が基板に載せられていることによって反射面とレンズの頂点との距離を定めることが可能となるので、反射面とレンズの頂点との距離を容易に且つ正確に設定することができる。

また、オフセット量が光のビーム径以上であってもよい。この場合、レンズの頂点からの平行光の光軸のオフセット量がビーム径以上であるため、平行光がレンズの頂点に確実に入射しないようにすることができる。従って、平行光がレンズの頂点に入射しないようにすることができるので、ＯＲＬをより効果的に低減させることができる。

また、前述した所定値は、光のレイリー長より短くてもよい。この場合、反射面とレンズの頂点との距離がレイリー長より短いので、反射面からの平行光が拡がる前に平行光をレンズに入射させることができる。従って、レンズの曲面への垂直入射光の発生をより確実に抑制することができるので、ＯＲＬを更に効果的に低減させることができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
本願発明の実施形態に係る光モジュールの具体例を、以下で図面を参照しながら説明する。本発明は、以降の例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示され、特許請求の範囲と均等の範囲内における全ての変更が含まれることが意図される。図面の説明において、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、図面は、理解の容易のため、一部を簡略化又は誇張している場合があり、寸法比率及び角度は図面に記載のものに限定されない。

図１は、実施形態に係る光モジュール１を示す斜視図である。図２は、光モジュール１を示す側面図である。図１及び図２に示されるように、光モジュール１は、電気信号を処理する回路を搭載すると共に平面状の実装面２ｂを有する基板２と、実装面２ｂに搭載される支持部材３と、多重化された多重光信号を分波する光回路素子４と、光回路素子４によって分波された各光Ｌを受光する複数の受光素子５とを備える。受光素子５は、例えば、ＰＤ（Photo Diode）である。光モジュール１は、例えば、光ファイバから多重化された入射光Ｌ０を受光する光受信器であり、多重化された入射光Ｌ０を光回路素子４によって各光Ｌに分波する光受信モジュールである。なお、基板２は、光信号を送信するための回路と発光素子（不図示）が搭載されていてもよく、光モジュール１は、光信号の送信及び受信を行う光送受信器であってもよい。複数の受光素子５のそれぞれは、基板２の実装面２ｂに搭載されたＰＤキャリア６に実装されている。また、基板２の実装面２ｂにはＴＩＡ（Trans-Impedance Amplifier）７が実装されており、ＴＩＡ７は複数のワイヤ８のそれぞれを介して各受光素子５と電気的に接続されている。以下では、基板２から見て光回路素子４が設けられる方向を「上」、その反対方向を「下」と称することがある。但し、これらの方向は説明の便宜上のものであり、各部の方向を限定するものではない。

図３は、光回路素子４を下方から見た底面図である。図３に例示される光回路素子４は、アレイ導波路型回折格子素子（ＡＷＧ；Arrayed Waveguide Grating）を有する。光回路素子４は、例えば、光ファイバからの光が伝搬する光導波路として、４波長の波長多重光が入力される入力導波路４ｂと、入力側スラブ導波路４ｃと、アレー導波路４ｄと、出力側スラブ導波路４ｆと、４本の出力導波路４ｇとを備える。入力導波路４ｂ、入力側スラブ導波路４ｃ、アレー導波路４ｄ、出力側スラブ導波路４ｆ及び出力導波路４ｇは、光回路素子４の実装面２ｂに対向する下面４ｈに形成されている。光ファイバから入力導波路４ｂに入力された入射光Ｌ０は、入力側スラブ導波路４ｃを介してアレー導波路４ｄに入力され、アレー導波路４ｄによって波長が互いに異なる４つの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に分波される。分波された光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４のそれぞれは、出力側スラブ導波路４ｆ及び４本の出力導波路４ｇのそれぞれを介して光回路素子４の外部に出射する。なお、本実施形態では、光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４のそれぞれを纏めて光Ｌと称している。

図４は、光回路素子４の光Ｌの出射部分と、基板２、受光素子５、ＰＤキャリア６、ＴＩＡ７及びワイヤ８を示す側面図である。図４に示されるように、例えば、光回路素子４の端部には反射面４ｊが形成されている。反射面４ｊは、光回路素子４の下面４ｈが上下方向に対して９０°であるときに、上下方向に対して４５°の角度を成すテーパが形成されたカット面とされており、下面４ｈに形成された光導波路を伝搬してきた光Ｌの進行方向を９０°曲げる。すなわち、反射面４ｊは、光回路素子４の下面４ｈに沿って伝搬する光Ｌを下方に反射する。反射面４ｊは光回路素子４の各出力導波路４ｇを通る光Ｌを平行光として下方に出射し、反射面４ｊから下方に出射する光Ｌは受光素子５に入射する。支持部材３は、例えば直方体状の形状をしており、光回路素子４の下面４ｈと面接触する上面３ａと、基板２の実装面２ｂと面接触する下面３ｂとを有する（図２参照）。上面３ａと下面３ｂとが互いに平行になるように支持部材３を成形することで、反射面４ｊから出射される光Ｌの光軸の方向を基板２の法線方向と一致させることができる。すなわち、光Ｌは基板２に対して垂直に出射される。

受光素子５は、基板２の実装面２ｂにＰＤキャリア６を介して実装されている。受光素子５は、光回路素子４の反射面４ｊから出射した平行光である光Ｌを集光するレンズ５ｂと、レンズ５ｂによって集光された光Ｌを受光する受光層５ｃとを備える。例えば、受光層５ｃは円板状とされている。レンズ５ｂは、例えば、光回路素子４側に突出する凸レンズとされており、反射面４ｊに上下に対向する曲面（一例として球面）を有する。レンズ５ｂに入射した光Ｌはレンズ５ｂにおいて集光され、レンズ５ｂが集光した光Ｌは受光層５ｃに入射する。受光層５ｃに入射した光Ｌは電気信号（光電流）に変換されて前述したワイヤ８を介してＴＩＡ７に伝送される。反射面４ｊからの光Ｌは、レンズ５ｂの頂点５ｄの接平面Ｓに対して垂直に入射する。レンズ５ｂへの光Ｌの入射位置は、頂点５ｄから所定のオフセット量Ｆだけ離れており、例えば、頂点５ｄには光Ｌは入射しない。すなわち、実装面２ｂの法線方向から見たときに、光Ｌの光軸Ｘは頂点５ｄの位置からオフセット量Ｆだけ離間している。

ここで、図８に示されるように、光回路素子１０４の反射面１０４ｊからの光Ｌが、受光素子１０５の頂点１０５ｄの接平面Ｓに対して垂直に入射すると共に、レンズ１０５ｂへの光Ｌが頂点１０５ｄに入射する比較例の光モジュール１０１について説明する。なお、光モジュール１０１と光モジュール１とは、レンズに対する光Ｌの入射位置が異なっており、それ以外の点では互いに同様である。光モジュール１０１の場合、レンズ１０５ｂが球形状であって頂点１０５ｄに垂直に光Ｌが入射する。すなわち、接平面Ｓは光Ｌに対して垂直なレンズ面となる。レンズ１０５ｂに垂直に入射した光Ｌは、レンズ１０５ｂ（頂点１０５ｄ）において１８０°反射するため、光回路素子１０４への戻り光となりうる。光モジュール１０１では、上記のように光Ｌが光回路素子１０４への戻り光となることにより、ＯＲＬ（Optical Return Loss）が増大する問題が発生しうる。

上記の問題への対応として、例えば図９に示されるように、光回路素子１０４に代えて、実装面２ｂに対する傾斜角度が４５°でない（一例として４０°）である反射面２０４ｊを有する光回路素子２０４を用いることにより、上下方向から光軸Ｘが傾くようにレンズ１０５ｂへの光Ｌの出射方向を変えることが考えられる。この場合、光Ｌは、受光素子１０５の頂点１０５ｄの接平面に対して垂直に入射しなくなる。しかしながら、上記のように光Ｌの出射方向を変えた場合であっても、レンズ１０５ｂの曲面上に光Ｌの出射方向と法線方向が等しい接平面が存在するため、当該成分の光Ｌが光回路素子２０４への戻り光となりうる。従って、光回路素子２０４を用いて光Ｌの出射方向を変えた場合であっても、依然としてＯＲＬが増大する問題は発生しうる。

そこで、本実施形態では、図９とは異なる手段によってＯＲＬを低減している。図５は、本実施形態に係る光Ｌ、受光素子５のレンズ５ｂ及び受光層５ｃを示す側面図である。図６は、本実施形態において、実装面２ｂの法線方向から見た光Ｌ及びレンズ５ｂを模式的に示す平面図である。図５及び図６に示されるように、光Ｌは一定のビーム径Ｒを有する平行光として反射面４ｊからレンズ５ｂに出射する。反射面４ｊとレンズ５ｂの頂点５ｄとの上下方向の距離Ｄは、所定値より短く設定されており、当該所定値は、例えば後述するレイリー長よりも短い。前述したように、平行光である光Ｌは頂点５ｄの接平面Ｓに対して垂直にレンズ５ｂに入射し、且つ光Ｌはレンズ５ｂの頂点５ｄ以外の部分に入射する。従って、レンズ５ｂの曲面上の光Ｌが入射する範囲内に、光Ｌの出射方向と法線方向が等しい接平面が存在しないため、光回路素子４への戻り光は発生しない。また、レンズ５ｂの頂点５ｄに対して光軸Ｘがオフセットする方向は、レンズ５ｂの同心円上、すなわち頂点５ｄからの距離が等しい軌跡Ｚ上に光軸Ｘが位置すれば適宜変更可能である。

一例として、レンズ５ｂの開口径Ａ１は１００μｍであり、レンズ５ｂの曲率半径Ａ２は７０μｍである。例えば、光Ｌのビーム径Ｒは１０μｍであり、レンズ５ｂの頂点５ｄからの光軸Ｘのオフセット量Ｆは１０μｍ以上である。オフセット量Ｆが１０μｍである場合、レンズ５ｂに対する光Ｌの入射角は４．０°以上且つ１２．６°以下となるので、光回路素子４への光Ｌの戻りは抑制される。レンズ５ｂへの光Ｌの入射の観点では、オフセット量Ｆの上限は４５μｍであることが好ましい。また、受光素子５のチップ厚Ａ３は１５０μｍであり、受光素子５の受光層５ｃの直径Ａ４は１５μｍである。但し、これらの値は適宜変更可能である。

図７は、反射面４ｊから出射する光Ｌを模式的に示す側面図である。前述したように、反射面４ｊからは平行光である光Ｌが出射する。ところで、光Ｌは、反射面４ｊの出射部付近でビームウェストＷを形成し、その前後でビーム径Ｒの平面波（コリメート光）として進行する。光Ｌが反射面４ｊの出射部からレイリー長よりも長く離れると、光Ｌは緩やかに発散する。本実施形態では、光Ｌが平面波である光Ｌの光軸Ｘに沿った方向の長さをレイリー長としており、レイリー長はビームウェストＷの半径の２乗に比例する。ビームウェストＷの半径は、ビーム径よりも小さいが、近似としてビームウェストＷの半径をＲとしてもよい。反射面４ｊとレンズ５ｂとの距離をレイリー長よりも短くすることで、光Ｌをビーム径Ｒで進行する状態でレンズ５ｂに入射させることができる。

本実施形態では、受光層１１の受光径が５０μｍである表面入射型のＰＤ（Photo Diode）を用いてレイリー長を見積もる実験を行った。この実験では、まず受光層１１と光回路素子４の光Ｌの光軸Ｘを受光層１１の受光径の中心に設定し、光回路素子４からの受光層１１の距離を変化させてＰＤの受光感度を取得した。その結果、光回路素子４と受光層１１との距離Ｙが７５μｍ以上である場合にＰＤの受光感度が下がりはじめた。従って、７５μｍはレイリー長より長い値であると推定される。これに対し、光回路素子４と受光層１１との距離Ｙが５０μｍ以下である場合にはＰＤの受光感度が下がっていない。従って、５０μｍはレイリー長より短い値であると考えられる。

以上の実験より、図４に示されるように、光Ｌを出射する光回路素子４の反射面４ｊとレンズ５ｂの頂点５ｄとの距離Ｄは本実施形態のレイリー長である５０μｍより短い方が好ましい。すなわち、光回路素子４からの光Ｌの出射位置と受光素子５のレンズ５ｂとの距離は、平行光として出射される光Ｌの拡がりが検出される距離よりも短く、例えば、５０μｍ以下である。距離Ｄは、例えば、実装面２ｂに載せられる支持部材３の高さＨが調整されることによって適宜変更可能である。支持部材３の高さＨは、上面３ａと下面３ｂとの間の距離に等しい。

続いて、本実施形態に係る光モジュール１から得られる作用効果について詳細に説明する。光モジュール１では、基板２の平面状の実装面２ｂに支持部材３を介して光回路素子４が支持されており、光回路素子４は、入射光Ｌ０が伝搬する光導波路である入力導波路４ｂ、入力側スラブ導波路４ｃ、アレー導波路４ｄ、出力側スラブ導波路４ｆ及び出力導波路４ｇと、出力導波路４ｇを通る光Ｌを反射する反射面４ｊとを有する。反射面４ｊからは平行光である光Ｌが出射し、反射面４ｊから出射した光Ｌはレンズ５ｂに入射する。反射面４ｊとレンズ５ｂの頂点５ｄとの距離Ｄは所定値よりも短く設定されている。平行光は遠方に伝搬する場合に拡がることがあり、レンズ５ｂに入射する平行光が拡がると光の損失が生じる可能性がある。これに対し、光モジュール１では、光Ｌを出射する光回路素子４の反射面４ｊとレンズ５ｂの頂点５ｄとの距離Ｄが所定値よりも短く設定されている。よって、反射面４ｊからの光Ｌが拡がることなくレンズ５ｂに入射する。従って、光の損失が生じる可能性を低減できるので、受光感度を高めることができる。

光モジュール１では、反射面４ｊからの光Ｌはレンズ５ｂの頂点５ｄの接平面Ｓに対して垂直に入射し、実装面２ｂの法線方向（すなわち上下方向）から見たときにレンズ５ｂの頂点５ｄの位置と光Ｌの光軸Ｘとの距離が所定のオフセット量Ｆに設定されている。従って、レンズ５ｂに入射する光Ｌはレンズ５ｂの曲面に対して垂直に入射しないので、当該曲面から反射する戻り光を抑制することができる。よって、戻り光の発生を抑制することができるので、ＯＲＬを低減させて受光感度を高めることができる。

前述した所定値は、支持部材３の高さＨによって定められていてもよい。この場合、基板２と光回路素子４との間に介在する支持部材３の高さＨによって反射面４ｊとレンズ５ｂの頂点５ｄとの距離Ｄが定められる。従って、高さＨが調整された支持部材３が基板２に載せられることによって反射面４ｊとレンズ５ｂの頂点５ｄとの距離Ｄを定めることが可能となるので、反射面４ｊとレンズ５ｂの頂点５ｄとの距離Ｄを容易に且つ正確に設定することができる。

オフセット量Ｆが光Ｌのビーム径Ｒ以上であってもよい。この場合、レンズ５ｂの頂点５ｄからの光Ｌの光軸Ｘのオフセット量Ｆがビーム径Ｒ以上であるため、光Ｌがレンズ５ｂの頂点５ｄに確実に入射しないようにすることができる。従って、光Ｌがレンズ５ｂの頂点５ｄに入射しないようにすることができるので、ＯＲＬをより効果的に低減させることができる。

前述した所定値は、光Ｌのレイリー長より短くてもよい。この場合、反射面４ｊとレンズ５ｂの頂点５ｄとの距離Ｄがレイリー長より短いので、反射面４ｊからの光Ｌが拡がる前に光Ｌをレンズ５ｂに入射させることができる。従って、レンズ５ｂの曲面への垂直入射光の発生をより確実に抑制することができるので、ＯＲＬを更に効果的に低減させることができる。

以上、本開示に係る光モジュールの実施形態について説明した。しかしながら、本発明は前述した実施形態に限定されない。すなわち、本発明が特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内において種々の変形及び変更が可能であることは、当業者によって容易に認識される。例えば、前述の実施形態では、反射面４ｊが光回路素子４の端部に設けられる例について説明した。しかしながら、反射面の位置は適宜変更可能である。また、前述した実施形態では、ＡＷＧである光回路素子４について説明した。しかしながら、光回路素子の種類は適宜変更可能である。

前述した実施形態では、基板２の実装面２ｂに、ＰＤキャリア６を介して４個の受光素子５が搭載され、ＴＩＡ７が搭載されると共に、支持部材３を介して光回路素子４が搭載される例について説明した。しかしながら、基板２の実装面２ｂに搭載される支持部材、光回路素子及び受光素子の搭載の態様は適宜変更可能である。更に、前述した実施形態では、光受信器である光モジュール１について説明した。しかしながら、本発明は、例えば、光送信器等、光受信器以外の光モジュールにも適用可能である。

１…光モジュール、２…基板、２ｂ…実装面、３…支持部材、４…光回路素子、４ｂ…入力導波路、４ｃ…入力側スラブ導波路、４ｄ…アレー導波路、４ｆ…出力側スラブ導波路、４ｇ…出力導波路、４ｈ…下面、４ｊ…反射面、５…受光素子、５ｂ…レンズ、５ｃ…受光層、５ｄ…頂点、６…ＰＤキャリア、７…ＴＩＡ、８…ワイヤ、Ａ１…開口径、Ａ２…曲率半径、Ａ３…チップ厚、Ａ４…直径、Ｄ…距離、Ｆ…オフセット量、Ｌ…光（平行光）、Ｌ０…入射光、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４…光、Ｒ…ビーム径、Ｓ…接平面、Ｗ…ビームウェスト、Ｘ…光軸、Ｙ…距離。

Claims (2)

1. 平面状の実装面を有する基板と、
   光を伝搬する光導波路、及び前記光導波路を通る光を平行光として出射する反射面を有する光回路素子と、
   前記実装面上に前記光回路素子を支持する支持部材と、
   前記実装面に実装されており、前記反射面から出射した前記平行光を集光するレンズ、
   及び前記レンズによって集光された光を受光する受光層を有する受光素子と、
   を備え、
   前記平行光は、前記レンズの頂点の接平面に対して垂直に入射し、
   前記平行光を出射する前記光回路素子の反射面と前記レンズの頂点との距離は、前記平行光のレイリー長より短く設定されており、
   前記実装面の法線方向から見たときに、前記平行光の光軸と前記レンズの頂点との距離は前記平行光のビーム径以上のオフセット量に設定されている、
   光モジュール。
2. 前記光回路素子の反射面と前記レンズの頂点との距離は、前記支持部材の高さによって定められている、
   請求項１に記載の光モジュール。

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