(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低位置面の両側に高位置面を有する段差が形成された基体の前記高位置面の一方に光半導体素子が、前記高位置面の他方に前記光半導体素子に光接続される光導波路が下面に形成された光変調器がそれぞれフェースダウンで配設されているとともに、前記低位置面に、前記光半導体素子および前記光変調器に光接続される集光レンズおよび光アイソレータを配設して成り、前記光変調器は、Ｚカットのニオブ酸リチウムから成る基板にＴＭモードを導波させる前記光導波路が形成されて成り、前記光アイソレータは、前記光半導体素子側から第１の偏光子、ファラデーローテータ、第２の偏光子および該第２の偏光子の偏光方向から光学軸を２２．５°傾斜させた１／２波長板を配置して成ることを特徴とする光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野で用いられる光モジュールに関連し、例えば、光変調器，光スイッチ等の光導波路デバイス（光導波路体）と発光素子や受光素子を一体化させた光モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有線通信の分野において主に基幹伝送系から通信局間を結ぶアクセス系を含む中継系と呼ばれる伝送路において光ファイバ通信方式が実用化され、通信の大容量化がはかられてきた。今日、光ファイバ通信は中継系のみならず、オフィスや家庭を結ぶ加入者系にまで導入されつつあり、情報ハイウェーとして、電話，ファクシミリ，データ通信，映像伝送等が統合された、高速・広帯域サービス統合デジタル網（ＩＳＤＮ）による高度情報通信の利用が発展している。
【０００３】
このため、将来、電話以外の非電話系による大量の情報アクセスが急激に増加するといった、ＩＳＤＮの高度利用による通信の大量消費が進むことが予測され、通信の高速・広帯域のニーズはより一層期待されることになる。
【０００４】
通信の高速・広帯域化を背景に、ＫＤＰ（ＫＨ2 ＰＯ4 ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3 ）等から成る強誘電体基板の電気光学効果を利用した導波路型光制御デバイス（以下、光導波路デバイスという）が有望視されている。これらの光導波路デバイスは比較的低電圧で駆動し、低損失で、なおかつ応答速度が速く、ミリ波帯においても十分変調が可能である。また、原理的にチャーピングがないことから、分散の大きい光ファイバにおいても、大容量の伝送を高品質で行なえる特徴を有する。
【０００５】
従来、図５に示すように、気密封止された光半導体素子およびレンズ系を介して光ファイバと位置決め調心し、ＹＡＧ溶接されたピグテール型の光半導体モジュール６１と、同様に気密封止された機能性光デバイスチップおよびレンズ系を介して入出射ファイバと位置決め調心し、ＹＡＧ溶接されたピグテール型の機能性光デバイスモジュール６２を個々に作製しておき、両者をコネクタやスプライサ等の接続部材６３で接続したものが知られている。
【０００６】
ここで、使用されるパッケージとしては、光半導体モジュール６１はキャンのパッケージやバタフライ型のパッケージが一般に用いられ、機能性光デバイスモジュール６２は、入出射に光ファイバ６４，６５を用いたピグテール型のものが一般に用いられる。
【０００７】
また、光ファイバ６４としては、機能性光デバイスは一般的に偏光方向依存性があるデバイスが多いため、光半導体モジュール６１の出射側やＬＮ光変調器や光スイッチ等の入射側には偏波面保存ファイバが用いられる。
【０００８】
また、偏波面保存ファイバを伝搬後の直線偏光は消光比が劣化するため、一般的に機能性光デバイスモジュール６２の入射側の端面に偏光子が角度調整されてＵＶ接着剤等で貼り付けられる方法その他で消光比の改善が行なわれることがある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記構成では、光半導体モジュールと光ファイバ，光ファイバと機能性光デバイスモジュールの各々にモードフィールドの不整合を有しており、設計上、結合効率が悪くなってしまう問題や、組立調整箇所が２カ所あり、工程での過剰損失の増加要因となっていたため、モジュール全体の効率が悪く、光源の光強度を機能性光デバイスモジュールより十分引き出せないという深刻な問題を有していた。
【００１０】
また、光半導体モジュール、機能性光デバイスモジュールの各々で偏波面保存ファイバとの接続の際に、偏波面の角度調整が複雑で調整を間違えば、機能性光デバイスの消光比等の性能に悪影響を及ぼしたり、組立コストがかかという問題があった。
【００１１】
さらに、光半導体モジュールと機能性光デバイスモジュールを偏波面保存ファイバで接続した構造は、システムへの設置の際に、スペース効率が悪く、実装密度を落とすといった問題やシステムの調整等の際、ファイバとモジュールの付け外しに手間がかかり、メンテナンス効率が悪いといった問題もあった。
【００１２】
本発明の目的は、上述した諸問題を克服し、簡便で高効率な光接続ができ、小型で高信頼性の光モジュールを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の光モジュールは、低位置面の両側に高位置面を有する段差が形成された基体の前記高位置面の一方に光半導体素子が、前記高位置面の他方に前記光半導体素子に光接続される光導波路が下面に形成された光変調器がそれぞれフェースダウンで配設されているとともに、前記低位置面に、前記光半導体素子および前記光変調器に光接続される集光レンズおよび光アイソレータを配設して成り、前記光変調器は、Ｚカットのニオブ酸リチウムから成る基板にＴＭモードを導波させる前記光導波路が形成されて成り、前記光アイソレータは、前記光半導体素子側から第１の偏光子、ファラデーローテータ、第２の偏光子および該第２の偏光子の偏光方向から光学軸を２２．５°傾斜させた１／２波長板を配置して成ることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１（ａ），（ｂ）は、それぞれ光モジュールＭ１の上面図と側面図である。また、図２にその拡大斜視図を示す。光モジュールＭ１は、基体２，１２とその上に載置された光導波路体である光変調器１、光半導体素子であるＬＤ素子３、集光レンズまたはコリメートレンズであるボールレンズ４、光アイソレータ５および光ファイバ６等から構成される。
【００１５】
ここで、光変調器１は、一主面（下面）に光導波路が形成された、例えばニオブ酸リチウム（以下、ＬＮという）から成る焦電性基板と制御電極等から成り、基体２，１２は例えばノンドープのシリコン基板から構成され、その主面は異方性エッチングが行ないやすいように、（１００）面または（１１０）面としている。なお、簡単のため、光変調器１における光導波路や制御電極は図示を省略している。
【００１６】
また、基体２はＶ溝２１とＬＤ素子３および光変調器１を位置決めするためのマーカおよび電極とから構成される。ただし、簡単のためマーカは図示を省略している。
【００１７】
光変調器１、ＬＤ素子３、ボールレンズ４、および光アイソレータ５は、基体２上でＬＤ素子３の出射光が光変調器１の光導波路に最大効率で結合するように、予め正確に位置決め加工されたＶ溝２１とマーカを用いて機械的な位置合わせによって配置されるか、もしくは高さ方向とあおり方向のみ機械的精度で位置合わせし、基体２に対し水平面内の位置合わせは光導波路からの出力光をモニターすることにより行なう。ここで、段差の低位置面である凹平面２に形成された、凹部であるＶ溝２１は、基体２の異方性エッチングで形成すると正確に形成することが可能である。
【００１８】
また、低位置面の両側に高位置面を有する段差が形成された基体の前記高位置面の一方にＬＤ素子３が、前記高位置面の他方にＬＤ素子３に光接続される光導波路が下面に形成された光変調器１がそれぞれ配設されている。すなわち、ＬＤ素子３と光変調器１は基体２の段差の高位置面にフェースダウンで実装され、光軸１１がほぼ基体２の表面に近い配置となるように、ボールレンズ４の中心もそれに近い配置をとる。このとき、入射側の光軸近傍は光波の伝搬領域が確保される。また、マーカも同時にＶ溝２１で形成させる。これらの構成によって、光変調器１を高効率で光源と一体化させ、一つの筐体内に実装することができる。また複雑な偏波面保存ファイバとその接続工程を簡略化することができる。
【００１９】
次に本発明を実施する上で、特に重要な点を述べる。
【００２０】
１）ＬＤ素子と光変調器との間の光路の確保
ボールレンズ４を搭載する溝以外にＬＤ素子と光変調器との間の光路を確保するための溝が必要であるが、Ｖ溝で形成した場合、ボールレンズのＶ溝との交差部のパターンエッジ部でオーバエッチが起こりエッジが鈍り、ボールレンズの取り付け精度が確保できなくなる。また、ダイシングで光線方向に溝を形成した場合、ＬＤの下部にも溝が形成されてしまい、ＬＤ素子の放熱が悪くなってしまう問題がある。
【００２１】
このため、素子搭載部とボールレンズ搭載部とに段差の低位置面である凹平面２２を形成し、Ｖ溝２１の周囲を平面構造としＶ溝２１から数十μｍ離れた位置に素子搭載用テラス２３を構成することにより光路を確保する方法を用いた。テラス２３の高さは後記する光学系の設計により異なるが、例えば６０μｍ程度が好適であり、これにより光路の確保と必要なボールの高さの確保が同時にできる。テラス２３の形成は、例えばマーカ用のＶ溝とボールレンズ搭載用Ｖ溝を同時にパターン形成し、エッチング用マスクを作製した後、異方性エッチングでＶ溝２１を形成した後、Ｖ溝２１の周囲を広範囲に機械的に研削する方法がある。
【００２２】
２）ＬＮとＳｉの熱膨張係数差の補償
ＬＮとＳｉの熱膨張係数αは各１５．４×１０−６，２．６  ×１０−６程度であり、値が一桁異なる。そのため、接合部に大きな応力がかかり、基板間の平行度を保つのが困難である。また、環境変化により入射光学系にあおり角が生じ、その変化により光変調器１への結合効率が変動する問題がある。
【００２３】
このため、ＬＮとＳｉの接合面積を小さくすることにより、機械的応力を小さくし、また同時にレンズの物像間距離を小さくすることにより、応力による基板間のあおり角の影響の回避とＬＤ素子搭載部の機械的強度の確保を行なうことができる。例えばチップ幅１．０〜２．０ｍｍ，接合部の光軸方向の幅１．５〜２．０ｍｍ、物像間距離約1mmにすることにより良好な特性が得られる。
【００２４】
３）偏光方向の制御
ＬＤ素子３の出力光はＴＥモードの直線偏光であるが、フェースダウン実装では光変調器１はＴＥモード導波での動作に限定されてしまう。また、光変調器１の端面からＬＤ素子３への戻り光を十分抑制するために、一般的にはＬＤ素子３と光変調器１の間に光アイソレータ５が挿入されるが、光アイソレータ５からの出射光はもとの偏光方向から４５゜回転し光変調器１に入射するため、ＴＥ，ＴＭ両方のモードを励振してしまう。すなわち、偏光方向を制御する必要がある。
【００２５】
このため、光アイソレータ５を光源側から順に第１の偏光子５２、ファラデーローテータ５１、第２の偏光子５３、１／２波長板５４で構成し、偏光角を１／２波長板５４で制御する方法を用いる。ＺカットのＬＮ基板ではＴＭモードを導波させるため、光アイソレータ５によって４５゜回転した光源のＴＥモード光をさらに４５゜回転させ、光源に対し９０゜偏光角を回転させる。これには、偏光子５３の偏光方向から１／２波長板５４の光学軸（結晶光軸）を２２．５゜だけ傾斜させる。同様にＴＥモードを導波させるためには１／２波長板の光学軸を偏光子５３の偏光方向に対し−２２．５゜だけ傾斜させれば良い。このように、光アイソレータ５は、直線偏光のみが透過する偏光板の一主面に、該偏光板の偏光透過軸に対し結晶光軸を左または右回りに所定角度回転傾斜させた１／２波長板を接合させた偏光子を、ファラデー回転子の光入射側および光出射側のいずれか一方に配設して形成されている。
【００２６】
図４に光アイソレータ５の基本動作を示す。図において、円内の矢印は偏光方向を示す。ＬＤ素子３からの出射光Ｌ１は第１の偏光子５２を通過しファラデー回転子５１で４５゜回転し、予め４５゜傾けて配置した第２の偏光子５３を通過する。次に１／２波長板５４によりさらに４５゜回転し、光源の偏光方向に対し、９０゜の直線偏光が光変調器１に入射する。光変調器１からの戻り光Ｌ２は第２の偏光子５３により、−４５゜の成分のみ通過し、ファラデー回転子５１で４５゜回転し、もとの戻り光と同じ角度の偏光が第１の偏光子５２に入射する。第１の偏光子５２は光源の偏光に対し９０゜の偏光に対し損失が大きいため、戻り光Ｌ２は通過せずＬＤ素子３への戻り光が抑制される。
【００２７】
図３に本発明の第２の実施形態を示す。上記第１の実施形態では、１枚レンズ系を用いＬＤ素子３と光変調器Ｔの接続を行なっているが、本実施形態の光モジュールＭ２では光アイソレータ５の前後に２個のボールレンズ４１，４２を用い、平行光学系を構成している。これにより、光アイソレータ５を通過する光の角度依存性を抑制することができる。なお、２１，２４は各ボールレンズを配設するための異方性エッチングにより形成したＶ溝である。
なお、本発明の実施形態では光導波路体として光変調器を、また光半導体素子として発光素子を例にとり説明したが、これに限定されるものではなく、光スイッチ等の各種光導波路体やフォトダイオード等の受光素子等にも適用が可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更実施が可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明による光モジュールは以下に示す顕著な効果を奏する。
【００２９】
・典型的な光半導体素子（ＬＤ素子）と光変調器のニアフィールドはいずれも導波路の水平方向に長く広がる非対称な形状をしており、縦横比は例えばＬＤ素子で約１：３、光変調器で約１：２程度である。したがって、光半導体素子と光変調器を直接結合させれば、円形のモードフィールド形状を有するファイバと比較的近い形状を有している。
【００３０】
したがって、基体上に水平に置き、直接結合させる操作で、簡単にモードフィールドのマッチングを最適に調整することができる。また、モードフィールド形状が異なるファイバを間に挿入する必要がなくなり、より理想的な結合が可能である。ボールレンズの代わりに筒状のレンズホルダーに実装された非球面レンズをＶ溝に搭載してもよく、この場合はさらに結合効率を高めることができる。
【００３１】
・光アイソレータ以降の直線偏光の劣化がないため、光変調器の入射側にラミポール等の偏光子を入れる必要がない。これによって部品点数の削減による組立効率や信頼性が大幅に向上する。
【００３２】
・光半導体素子と光変調器を基体上に置くだけの簡単な工程で従来複雑であった偏光方向の調整が容易となる。
【００３３】
・光半導体素子のパッケージを光変調器と共通にすることができる。従来光半導体素子と光変調器を接続していた偏波面保存ファイバが不要になることから、部品点数を大幅に削減できる。また、取扱いが容易となりシステムのメンテナンス性が向上する。
【００３４】
・光半導体素子と光変調器が簡単かつ高効率で光接続でき、偏光制御が容易でありかつ自由度の高い優れた光モジュールを提供できる。また、一体化により部品点数が削減でき、信頼性が向上する。これらにより、高光出力、小型、高信頼の光モジュールを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る光モジュールの一実施形態を説明する図であり、（ａ）は光モジュールの平面図、（ｂ）は光モジュールの側面図である。
【図２】  本発明に係る光モジュールの一実施形態を説明する斜視図である。
【図３】  本発明に係る光モジュールの他の実施形態を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】  本発明に係る光アイソレータの作動を説明する図である。
【図５】  従来技術による光モジュールの構造を示す模式図である
【符号の説明】
１：光変調器（光導波路体）
２，１２：基体
３：ＬＤ素子（光半導体素子）
４：ボールレンズ（集光レンズまたはコリメートレンズ）
５：光アイソレータ
６：光ファイバ
１１：光路
２１，２４：Ｖ溝
２２：段差の低位置面（凹平面）
２３：テラス
Ｍ１，Ｍ２：光モジュール
【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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