(57)【要約】【課題】発熱部品の放熱効率を高めた光学モジュールを提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る光学モジュールは、表面に法線方向に上段と下段の段差がある基板と、前記基板の上段面上に配置された導波路を有する光導波回路と、前記基板の下段面上に配置された光学素子と、前記光導波回路と前記光学素子とを光学的に結合する反射素子と、を備える。光学素子が受光素子の場合、本発明は受光モジュールであり、光学素子が発光素子の場合、本発明は発光モジュールである。光学素子と光導波回路とを空間分離したため、双方間で熱は直接伝達しない。このため、互いが発生する熱はそれぞれ基板を通じて放熱されることになり、放熱効率が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に法線方向に上段と下段の段差がある基板と、
前記基板の上段面上に配置された導波路を有する光導波回路と、
前記基板の下段面上に配置された光学素子と、
前記光導波回路と前記光学素子とを光学的に結合する反射素子と、
を備える光学モジュール。
【請求項２】
前記光導波回路は、前記導波路の端面に前記反射素子を有することを特徴とする請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項３】
前記光学素子は、受光素子又は発光素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学モジュール。
【請求項４】
前記反射素子と前記光学素子との間にレンズ部をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光学モジュール。
【請求項５】
前記光学素子を覆うガラス窓を有し、
前記レンズ部は前記ガラス窓に配置されることを特徴とする請求項４に記載の光学モジュール。
【請求項６】
前記レンズ部は前記反射素子の端面に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の光学モジュール。
【請求項７】
前記基板の下段面上に、前記光学素子に関する電気回路をさらに搭載することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光学モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波回路を伝搬する光信号を送信あるいは受光する光学モジュールを提供する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の受光モジュールは、光導波回路を伝わってきた光を反射ミラーで上方に反射し、自己形成光導波回路をさら伝搬して受光素子面上に光が到達して、受光される構造が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。また、光導波回路フィルムのコア部にミラー付微小光学反射部品を配置し、コアを伝搬してきた光を斜め４５度上方に反射させ、その光軸に配置された微小レンズを通してしてクラッド上部から集光ビームとして受光素子面で受光する構造も知られている（例えば、特許文献２を参照。）。微小レンズが設置されているため、光ビームの集光が容易であり、小さな受光面を持つＰＤの受光も可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−０７１９５１号公報
【特許文献２】特開２００５−１６４８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のような受光モジュールは、４５度ミラーで光路変換を行っているが、受光素子を導波路基板上に搭載する構造のため、受光素子あるいは送信部の発光素子の放熱が課題であった。また、特許文献２のような受光モジュールは、超高周波対応型になると受光素子やトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）などの発熱部品を光導波回路の上に配置せざるを得なくなる。例えば、光導波回路がフッ素化ポリイミド、紫外線硬化型エポキシ、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）など高分子材料である場合、それぞれの熱伝導率は０．２４Ｗ／ｍＫ、０．５８Ｗ／ｍＫ、０．２１Ｗ／ｍＫと小さいため、熱伝導性が悪く、発熱部品の放熱に課題があった。このほかに光導波回路が石英ガラス（熱伝導率２Ｗ／ｍＫ）やＳｉ基板上（熱伝導率１５０Ｗ／ｍＫ）に厚さ数十μｍの石英ガラスを形成したものがあるが、いずれも光導波回路上に発熱部品を搭載する場合にその熱伝導率は小さく、放熱性に課題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、発熱部品の放熱効率を高めた光学モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る光学モジュールは、発熱部品を光導波回路から空間分離し、光導波回路と独立に放熱できる構造とした。
【０００７】
具体的には、本発明に係る光学モジュールは、表面に法線方向に上段と下段の段差がある基板と、前記基板の上段面上に配置された導波路を有する光導波回路と、前記基板の下段面上に配置された光学素子と、前記光導波回路と前記光学素子とを光学的に結合する反射素子と、を備える。
【０００８】
光学素子と光導波回路とを空間分離したため、双方間で熱は直接伝達しない。このため、互いが発生する熱はそれぞれ基板を通じて放熱されることになり、放熱効率が向上する。従って、本発明は、発熱部品の放熱効率を高めた光学モジュールを提供することができる。
【０００９】
前記光導波回路は、前記導波路の端面に前記反射素子を有することが好ましい。また、前記光学素子は、受光素子又は発光素子とすることができる。
【００１０】
本発明に係る光学モジュールは、前記反射素子と前記光学素子との間にレンズ部をさらに備える。光学素子と光導波回路とを空間分離すると温度変動や実装精度などから受光感度の低下が懸念される。本発明に係る光学モジュールは、レンズ部で受光素子の受光面に集光しており、このレンズ部を光の伝搬路のほぼ中間に設置するため、温度変動や実装精度変動があっても受光感度の変化が少ない。
【００１１】
本発明に係る光学モジュールは、前記光学素子を覆うガラス窓を有する。ガラス窓で光学素子を覆うことで気密構造とすることができ、光学素子の長期信頼性を確保することができる。また、ガラスであるため気密構造であっても光学素子はガラス窓を介して光を受光又は出射することができる。
【００１２】
前記レンズ部は前記ガラス窓に配置することができる。フラットなガラス窓にマイクロレンズアレイのようなレンズを直接接着固定することでレンズ部の配置が容易であり、実装が容易になる。
【００１３】
また、前記レンズ部は前記反射素子の端面に配置してもよい。マイクロレンズアレイの作成方法として、金型による精密モールド成形法がある。本方法によれば、三角プリズムとマイクロレンズアレイを一体として製造可能であり、部品点数の削減によるコスト低減とともに一体化されたことで実装が容易になるという効果がある。
【００１４】
本発明に係る光学モジュールは、前記基板の下段面上に、前記光学素子に関する電気回路をさらに搭載してもよい。光学素子に関する電気回路とは、例えば、受光素子からの電気信号を増幅する増幅回路や発光素子のドライバである。このような電気回路からの熱も基板を通じて放熱することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、発熱部品の放熱効率を高めた光学モジュールを提供することができる。また、温度変動や実装精度変動があっても受光感度あるいは光導波回路への光結合率の変化が少ない光学モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る光学モジュールを説明する概観図である。
【図２】光導波回路の一端部付近の断面と光ビームの伝搬の様子を説明する図である。
【図３】光導波回路の一端部付近の断面と光ビームの伝搬の様子を説明する図である。
【図４】マイクロレンズアレイを説明する図である。
【図５】ＧＲＩＮレンズを搭載したマイクロレンズアレイを説明する図である。
【図６】プリズムマイクロレンズアレイを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、具体的に実施形態を示して本発明を詳細に説明するが、本願の発明は以下の記載に限定して解釈されない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る光学モジュールの一実施形態である受光モジュールを説明する概観図である。受光モジュールは、基板１１に搭載された光導波回路１２と受光パッケージ１６の２つの部品から構成される。この２つの部品は基板１１に直接搭載されているが、空間的に分離されていることが特徴である。詳細には、図１の受光モジュールは、表面に法線方向に上段１１ｂと下段１１ａの段差がある基板１１と、基板１１の上段１１ｂ面上に配置された導波路を有する光導波回路１２と、光導波回路１２の導波路端面に配置され、導波路端面からの光を基板１１の下段１１ａ方向に反射する反射素子１３と、反射素子１３からの入力光を集光するレンズ部１４と、レンズ部１４で集光された入力光を受光して電気信号に変換する受光素子１５と、基板１１の下段１１ａ面上に配置され、受光素子１５を搭載する受光パッケージ１６と、を備える。なお、本明細書では、基板１１の面から法線方向に離れる方向を上として説明している。
【００１９】
基板１１は下段部１１ａと上段部１１ｂとからなる。下段部１１ａに受光パッケージ１６が配置され、上段部１１ｂに光導波回路１２が配置される。このとき、光導波回路１２の一端が受光パッケージ１６の上方にあるように配置する。
【００２０】
光導波回路１２は、例えば、アレイ導波路格子である。他端から入射した波長多重通信光は、アレイ導波路格子の光導波回路１２で波長分離され、本実施例では１０個の異なる波長の光として光導波回路１２の一端から出射される。その出射部に反射素子１３である三角プリズムが接着剤で固定されている。光導波回路１２は薄いため、光導波回路１２の一端をやとい２６で補強し、反射素子１３が接着される。１０個の異なる波長の光は、約９０度下方に方向を変換され、三角プリズムの下面から空間に出射される。１０個の異なる波長の光のビーム直径は光導波回路１２出射後、伝搬距離に依存して次第に拡大する。
【００２１】
受光パッケージ１６は、受光素子１５や図示しないトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）１８等の電子部品が内蔵され、窓ガラス１７（図１において不図示）で気密封止された構造を持っている。トランスインピーダンスアンプ１８は、受光素子１５からの電気信号を増幅する増幅素子である。トランスインピーダンスアンプ１８は、超高周波の変調光に対応するため受光素子１５に近接した場所に配置される。
【００２２】
本実施例では１０個の異なる波長の光を同時並列的に受光するため、受光パッケージ１６は、受光素子１５とトランスインピーダンスアンプ１８を１０組内蔵している。１０本の光ビームをそれぞれ１０個の受光素子１５に集光させるために受光パッケージ１６の窓ガラス１７の直上にマイクロレンズアレイ２１が接着剤などで固定されている。
【００２３】
図４に示すように、マイクロレンズアレイ２１は１０個のレンズ部１４を搭載している。レンズ部１４は凸レンズである。マイクロレンズアレイ２１は、図５のようにＧＲＩＮレンズ２４を搭載してもよい。反射素子１３から空間に放射された１０本の光ビームはマイクロレンズアレイ２１で集光されて各受光素子１５の受光面に到達する。
【００２４】
１０Ｇｂｐｓ程度の変調光を受光するため、受光素子１５の受光面直径は１０〜３０μｍ程度と小さいが、マイクロレンズアレイ２１のレンズ部１４又はＧＲＩＮレンズ２４で受光素子１５の受光面直径よりも小さい光ビームに集光させることが可能である。受光パッケージ１６が基板１１の下段１１ａに直接搭載されているため、受光素子１５やトランスインピーダンスアンプ１８からの熱は直接基板１１を介して排熱可能である。一方、光導波回路１２にも熱光学（ＴＯ）効果による可変光減衰器などの光回路を設置することが多い。光導波回路１２が基板１１の上段１１ｂに直接搭載されているため、光回路からの熱も直接基板１１を介して排熱可能である。ここでは基板材料として、熱伝導性のよい金属材料（例えば、ＣｕＷ、ＫＯＶＡＲ、ＩＮＶＡＲなどでそれぞれの熱伝導率は２５５Ｗ／ｍＫ、１８Ｗ／ｍＫ、１３Ｗ／ｍＫ）を用い、また受光パッケージの底面にはＣｕＷやアルミナ積層セラミックス（熱伝導率１７Ｗ／ｍＫ）を用いているために、発熱素子の排熱性が優れている。
【００２５】
図２は、光導波回路１２の一端部付近の断面と光ビームの伝搬の様子を説明する図である。光導波回路１２のコア１２ｂを伝搬した光は出力端１２ａから出射する。以下、出射した光を光ビームとして説明する。光ビームは出力端１２ａの開口角（ＮＡ）によって決まるある特定のコーン角度を持つガウスビームとして放射される。この光ビームは、広がりながら、光導波回路１２と反射素子１３との接着層、三角プリズムである反射素子１３に入射し、さらに広がりながら、反射素子１３の４５度傾斜面で全反射により、下方９０度に方向が変換される。さらに光ビームは広がりながら、反射素子１３下面まで進み、空間に放射される。
【００２６】
このときの光ビーム直径は伝搬距離や光導波回路１２の出力端１２ａのＮＡで決まるが、反射素子１３下面とレンズ部１４面との間（ギャップ）でおおよそ数百ミクロン程度に広がった。この光ビーム直径より十分大きな有効径を持つレンズ部１４を１０個搭載したマイクロレンズアレイ２１を準備し、受光パッケージ１６の上面に配置した窓ガラス１７に直接取り付けた。例えば、レンズ部１４のレンズ有効径は５００μｍφとする。例えば、受光素子１５の受光面の直径は２５μｍφとする。光ビームはレンズ部１４により６〜７μｍφ程度の十分に小さいビームスポットとなって受光素子１５の受光面に照射される。
【００２７】
光導波回路１２はわずかではあるがどちらかの面方向に反っている場合が多い。例えば、光導波回路１２の一端が最大で１０μｍ程度の反り（図２において紙面に垂直方向に反り、出力端１２ａが弓なりに配列する。）があったと仮定すると光導波回路１２の出力端１２ａの位置は上下方向にそり量だけずれ、光ビームが反射素子１３へ入射する入射点はおよそ上下方向に１０μｍ程度変位する。図２の光学配置で反射素子１３へ入射する入射点が１０μｍ程度変位した場合、受光素子１５の受光面上の照射スポットはおよそ５μｍの変位があることがわかった。
【００２８】
ビームスポット直径が７μｍφでその中心が５μｍシフトしていた場合、受光面中心から最大で８．５μｍ離れた位置にまで光ビームの照射領域が広がることになる。受光素子１５の受光面直径が２５μｍφなので、光導波回路１２の反りがあったとしても受光素子１５の受光面から外れることはない。つまり、本受光モジュールの受光感度は光導波回路１２のそりが最大１０μｍあっても十分な余裕がある。
【００２９】
光導波回路１２が反った場合、反射素子１３とレンズ部１４との間の距離も変化する。反射素子１３とレンズ部１４とのギャップ間が設計上０．２ｍｍに対して、光導波回路１２の反りにより０．３ｍｍに変化した場合について、光ビーム位置、および直径の変化について説明する。
【００３０】
前記ギャップが０．２ｍｍから０．３ｍｍに０．１ｍｍ増加した場合、受光素子１５の受光面上の光ビームスポット直径は１１〜１２μｍφに増加し、かつ光ビーム中心シフトは５μｍであった。光ビームは、受光素子１５の受光面中心から最大１１μｍだけ離れた位置にまで光ビームの照射領域が広がることになるが、光ビームスポットは全て受光素子１５の受光面内に存在し、本受光モジュールの受光感度は変化しない。
【００３１】
以上説明したように、本受光モジュールは、光導波回路１２の反りや実装時の実装トレランスが大きく、安定した受光感度が得られる。また、本受光モジュールは、寸法トレランスも大きいため環境温度変化（−５℃〜７５℃）でも受光感度がほとんど低下しない。
【００３２】
（第２の実施形態）
図３は、本発明に係る光学モジュールの他の実施形態である受光モジュールにおいて、光導波回路１２の一端部付近の断面と光ビームの伝搬の様子を説明する図である。本受光モジュールと図２の受光モジュールとの違いは、マイクロレンズアレイ２１を用いず、レンズ部１４が反射素子２３の出射端面に配置されていることである。
【００３３】
反射素子２３は、例えば、図６のようなプリズム３１とレンズ部１４を一体化したプリズムマイクロレンズアレイである。プリズムマイクロレンズアレイは精密ガラスモールド法で作製することができる。反射素子２３のレンズ部１４で光ビームを受光素子１５の受光面に集光できるので、本受光モジュールの光学特性は図２の受光モジュールとほぼ同等であり、図２の説明と同様の効果を得ることができる。さらに、反射素子２３を用いることで、図２の受光モジュールで必要であった反射素子１３とマイクロレンズアレイ２１との光軸調整が不要となる。このため、本受光モジュールは実装が簡単であり、部品数も低減したことから低価格が実現できる。
【００３４】
（第３の実施形態）
本発明の光学モジュールは、発熱の多い可変減衰器を搭載する光学モジュールにも適用できる。このため本光学モジュールは、例えば、波長多重通信光を波長分離し、かつ各波長の光を最適な受光量に減衰調整しながら、高感度で受光できる光多重通信光用の集積化受光モジュールとして利用可能である。
【００３５】
（第４の実施形態）
本発明の光学モジュールは、発光素子を搭載した発光モジュールとすることもできる。発光素子は端面発光ＬＤと面発光ＬＤがある。面発光ＬＤを使用する発光モジュールの場合、前述の受光素子の代替として面発光ＬＤに置き換え、ＴＩＡの代替としてＬＤドライバに置き換えて配置する構成となる。このため、面発光ＬＤを使用する発光モジュールは、第１の実施形態及び第２の実施形態の受光モジュールの構造と同様になる。発光モジュールの場合、レンズ部で面発光ＬＤの放射角度を調整して結合効率を上げることができる。
【００３６】
一方、端面発光ＬＤ（直接変調ＬＤ、ＥＡ変調器付きＬＤなど）では端面を上部に向ける必要がある。端面発光ＬＤを使用する発光モジュールの場合、端面発光ＬＤを基板の下段面ではなく、側面に搭載して発光部を上部に向けること以外は、面発光ＬＤと同じ構成である。
【００３７】
発光素子を使用する発光モジュールの場合、発光素子が熱の影響を受けやすいが、光導波回路と発光素子とが分離されているため、光導波回路が熱光学効果（ＴＯ効果）を利用したものであっても、発光素子は光導波回路の熱の影響を受け難い。
【００３８】
（第５の実施形態）
第１の実施形態及び第２の実施形態では、光導波回路１２の出力端１２ａに反射素子１３を取り付ける構造を説明したが、光導波回路１２中にミラーを設けてもよい。具体的には、光導波回路１２の表面から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などでコア１２ｂを突き抜けて、クラッド層の下部程度まで掘り下げ、そこに反射素子１３を埋め込む構造とすることができる。このような構造とすることで光導波回路１２の途中で下方に光を取り出すことができる。この光は、Ｓｉや石英ガラスなどの材質である基板１１を透過して基板１１の下面を照射する。基板１１の下面が光学研磨されていない場合、散乱による損失が発生するため、基板１１の下面を光学研磨し、さらに無反射コーティングを施すことが好ましい。
【符号の説明】
【００３９】
１１：基板
１１ａ：下段
１１ｂ：上段
１２：光導波回路
１２ａ：出力端
１２ｂ：コア
１３：反射素子
１４：レンズ部
１５：受光素子
１６：受光パッケージ
１７：窓ガラス
１８：トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）
２１：マイクロレンズアレイ
２３：反射素子
２４：ＧＲＩＮレンズ
２６：やとい
３１：プリズム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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