(57)【要約】【課題】光モジュールの製造工程を簡易化する。【解決手段】光モジュール１は、大気中において光導波路からの出射光が全反射する角度で傾斜した光出射端面１２１を備えたＰＬＣ１２と、その光出射端面１２１に配置され、光導波路よりも屈折率の高い媒質で構成された受光素子１３と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中において光導波路からの出射光が全反射する角度で傾斜した光出射端面を備えた平面光導波回路と、
前記光出射端面に配置され、前記光導波路よりも屈折率の高い媒質で構成された受光素子と、
を備えることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記受光素子は、
前記光出射端面における前記光導波路の断面形状又は前記出射光のモードフィールド形状に応じた形状の受光部を備えることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記光出射端面と前記受光素子との間に光反射防止体を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記光出射端面と前記受光素子との間に集光体を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信に用いられる光モジュールに関する。特にデジタルコヒーレント光伝送に用いられる光受信器に適用可能な光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野において、同期検波方式とデジタル信号処理とを組み合わせた伝送方式が注目されている。この伝送方式は、デジタルコヒーレント方式とも呼ばれ、周波数利用効率を飛躍的に向上でき、伝送速度の高速化及び伝送容量の大容量化を実現できる。
【０００３】
デジタルコヒーレント方式を適用した伝送システムに用いられる光受信器の構成例を図１３に示す。光受信器１００は、同期検波用の局発光を出力する局発光源４０と、発信側からの信号光と局発光源４０からの局発光とをそれぞれ入力し、信号光の２つの偏波成分（Ｘ偏波／Ｙ偏波）のそれぞれについて同相位相成分（Ｉチャネル）と直交位相成分（Ｑチャネル）とを分離し、計４対の差動電気信号を出力する光受信フロントエンド５０と、その４対の差動電気信号をデジタル電気信号にそれぞれ変換するアナログデジタル変換器（ＡＤＣ：Analog-to-Digital Converter）６０と、光ファイバを伝送してきた光信号の波形歪等をデジタル信号処理により補償して受信信号として出力するデジタル信号処理回路７０と、を備えて構成される。
【０００４】
特に、光受信フロントエンド５０は、平面光導波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）１２と、受光素子１３と、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ：Trans Impedance Amplifier）１６と、を備えて構成される。また、ＰＬＣ１２は、信号光と局発光とのそれぞれを偏波分離する２つの偏波分離回路１２ａと、Ｘ偏波とＹ偏波との信号光のそれぞれについてＩチャネルとＱチャネルの光信号とに分離して出力する２つの９０度光ハイブリッド回路１２ｂと、を備えて構成される。ＰＬＣ１２から出力される４対の光信号は、複数の受光素子１３で電気信号にそれぞれ変換された後にＴＩＡ１６で増幅され、計４対（Ｘ偏波のＩ／Ｑチャネル、Ｙ偏波のＩ／Ｑチャネル）の差動電気信号として出力される。この光受信フロントエンド５０は、複数の電子部品が集積された光モジュールとして提供されている（非特許文献１）。
【０００５】
次に、従来の光モジュールについて説明する。図１４は、従来の光モジュール１の物理的構成を示す図である。図１４（ａ）は、光モジュール１の側面図、図１４（ｂ）は、その上面図である。
【０００６】
従来の光モジュール１は、光モジュール１を構成する複数の電子部品を収容する筐体１８と、筐体１８の内部表面に固定されるＰＬＣマウント用の基板１１と、基板１１の上面に配置されるＰＬＣ１２と、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１に配置される裏面入射型の受光素子１３と、受光素子１３を光出射端面１２１に固定するヤトイ１４と、光ファイバ２０をＰＬＣ１２の光入射端面１２２に固定するヤトイ１９と、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１に近傍配置されるＴＩＡキャリア１５と、ＴＩＡキャリア１５の上面に配置されるＴＩＡ１６と、を備えて構成される。受光素子１３とＴＩＡ１６は、金属ワイヤ１７により接続されている。
【０００７】
このような光モジュール１において、ＰＬＣ１２の光導波路から出射した光は、受光素子１３の受光部３１で受光され、その受光素子１３により電気信号に変換された後に出力端子３２から出力される。その後、その電気信号は金属ワイヤ１７を介してＴＩＡ１６の入力端子３３に入力され、そのＴＩＡ１６により増幅された後に図１３のＡＤＣ６０へ出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１２８６０４号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】小川、外６名、“100Gbit/s光受信FEモジュール技術”、NTT技術ジャーナル、Vol.23、No.3、2011年3月、p.62-p.66
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来の光モジュール１では、受光素子１３とＴＩＡ１６の各ワイヤボンディング面が互いに直交しているため、金属ワイヤ１７を受光素子１３とＴＩＡ１６に接続する工程が複雑であった。例えば、光モジュール１を一旦立たせて受光素子１３の出力端子３２をワイヤボンディングし、光モジュール１を寝かせてＴＩＡ１６の入力端子３３をワイヤボンディングするなど、光モジュール１を回転させる工程を経る必要があった。
【００１１】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、光モジュールの製造工程を簡易化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載の光モジュールは、大気中において光導波路からの出射光が全反射する角度で傾斜した光出射端面を備えた平面光導波回路と、前記光出射端面に配置され、前記光導波路よりも屈折率の高い媒質で構成された受光素子と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の光モジュールは、請求項１に記載の光モジュールにおいて、前記受光素子は、前記光出射端面における前記光導波路の断面形状又は前記出射光のモードフィールド形状に応じた形状の受光部を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の光モジュールは、請求項１又は２に記載の光モジュールにおいて、前記光出射端面と前記受光素子との間に光反射防止体を更に備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の光モジュールは、請求項１乃至３のいずれかに記載の光モジュールにおいて、前記光出射端面と前記受光素子との間に集光体を更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光モジュールの製造工程を簡易化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る光モジュール１の斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る光モジュール１の側面図である。
【図３】光出射端面の傾斜角を説明する際の参照図である。
【図４】受光素子１３に対する出射光の入射を説明する際の参照図である。
【図５】傾斜角（＝入射角）θ１と屈折角θ２との関係を示す図である。
【図６】従来の光導波路の断面形状を示す図である。
【図７】第１の実施形態における光導波路の断面形状を示す図である。
【図８】受光部の形状例を示す図である。
【図９】傾斜角θ１とモードフィールド径との関係を示す図である。
【図１０】第２の実施形態に係る光モジュール１の側面図である。
【図１１】第３の実施形態に係る光モジュール１の側面図である。
【図１２】第３の実施形態に係る光モジュール１の側面図である。
【図１３】光受信器の構成を示す図である。
【図１４】従来の光モジュールの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、ＰＬＣの光出射端面を、大気中において光導波路からの出射光が全反射する角度で傾斜させることを特徴とする。この構成により、ＰＬＣの光出射端面に配置される受光素子も傾斜するので、その受光素子全体が上を向くこととなり、作業者から見て受光素子の出力端子の露出度が大きくなる。それゆえ、光モジュールを回転させる工程を得ることなくワイヤボンディングを行うことが可能となり、光モジュールの製造工程の簡易化を実現できる。
【００１９】
なお、以下説明する各実施形態では、デジタルコヒーレント方式に用いられる光受信器の構成要素の１つである光受信フロントエンドを実装した光モジュールを例に説明するが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。例えば、光受信フロントエンド以外の機能を実装した光モジュール、信号光を送信する光モジュールにも適用可能である。以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る光モジュール１の斜視図である。図２は、図１に示した光モジュール１の側面図である。
【００２１】
本実施形態に係る光モジュール１は、ＰＬＣを載置する基板１１と、基板１１の上面に載置されたＰＬＣ１２と、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１に配置された受光素子１３と、受光素子１３を光出射端面１２１に固定するヤトイ１４と、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１に近傍配置されたＴＩＡキャリア１５と、ＴＩＡキャリア１５の上面に配置されたＴＩＡ１６と、受光素子１３とＴＩＡ１６との間を接続する金属ワイヤ１７と、を備えて構成される。
【００２２】
ＰＬＣ１２は、２つの偏波分離回路と２つの９０度光ハイブリッド回路とを備え、発信側からの信号光と局発光源からの局発光とのそれぞれを入力して偏波分離し、Ｘ偏波とＹ偏波との信号光のそれぞれについてＩチャネルとＱチャネルの光信号とに分離して出力する（図１３参照）。
【００２３】
受光素子１３は、裏面入射型の受光素子であり、受光素子裏面１３１がＰＬＣ１２の光出射端面１２１に直接固定される。この受光素子１３は、ＰＬＣ１２の光導波路から出力された光信号を受光素子裏面１３１を介して受光面１３２の受光部３１で受光し、電気信号に変換して出力端子３２から出力する。受光面１３２には、受光部３１から出力される電気信号を出力端子３２に伝送する伝送線路が形成されている。なお、図２には１つの受光部３１が示されているが、複数の受光部３１が受光面１３２の任意の位置又は全面に形成される構成であってもよい。
【００２４】
ヤトイ１４は、受光素子１３をＰＬＣ１２に固定するための補助材であり、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１に対する受光素子１３の受光素子裏面１３１の接触面積を拡大させるために用いられる。
【００２５】
ＴＩＡキャリア１５は、ＴＩＡ１６を搭載するための支持台である。このＴＩＡキャリア１５は、熱伝導性が高く、ＴＩＡ１６を構成する半導体とほぼ同程度の熱膨張係数を有する金属（例えば、銅タングステンＣｕＷなど）で構成され、ＴＩＡ１６を放熱し、受光素子１３の位置との高さ合わせのために用いられる。
【００２６】
ＴＩＡ１６は、受光素子１３からの電気信号を入力端子３３で入力し、増幅した後にＡＤＣへ出力する（図１３参照）。
【００２７】
金属ワイヤ１７は、受光素子１３の出力端子３２とＴＩＡ１６の入力端子３３との間を物理的かつ電気的に接続し、受光素子１３から出力された電気信号をＴＩＡ１６へ入力するために用いられる。受光素子１３とＴＩＡ１６との間を接続する金属ワイヤ１７をより短く接続することにより、受光素子１３とＴＩＡ１６との間の寄生容量及びインダクタンスが抑制され、高速伝送に対応できる。
【００２８】
上述した光モジュール１では、受光素子１３により、ＰＬＣ１２の光導波路から出射した光が受光部３１で受光され、電気信号に変換された後に出力端子３２から出力される。その電気信号は金属ワイヤ１７を介して入力端子３３で受信され、ＴＩＡ１６により増幅された後に光モジュール１の外部へ出力される。
【００２９】
ここまで、本実施の形態に係る光モジュール１の構成及び動作について説明した。なお、図１又は図２には、光モジュール１の全体構成をより容易に理解し得るように、光モジュール１を構成する複数の電子部品を収容する筐体１８、光ファイバをＰＬＣ１２の光入射端面１２２に固定するヤトイ１９も併せて記載している。このように、図１及び図２に示した光モジュール１の構成は例であり、光モジュール１として構成され得る他の構成要素を更に含めてもよい。
【００３０】
次に、本実施形態に係る光モジュール１の特徴について説明する。本実施の形態では、図１及び図２に示したように、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１を、光導波路に直交する面から所定の角度で傾斜させ、受光素子１３を当該傾斜した光出射端面１２１に隙間を設けることなく直接載置する。このとき、図３に示すように、光導波路との直交面から光出射端面１２１への傾斜角θ１、すなわちＰＬＣ１２の光導波路を導波した光が光出射端面１２１に入射するときの入射角θ１は、ＰＬＣ１２が単体で大気中にある場合に該光導波路の導波光が光出射端面１２１で全反射する角度（臨界角）とする。
【００３１】
これにより、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１は上を向き、傾斜した光出射端面１２１に直接載置された受光素子１３の受光面１３２も上を向くので、光モジュール１を回転させる工程を経ることなく、金属ワイヤ１７を受光素子１３とＴＩＡ１６に取り付けることが可能となり、ワイヤボンディング工程の簡易化を実現できる。
【００３２】
例えば、傾斜角θ１を７０°以上とすれば、受光素子１３の受光面１３２が十分に上を向き、作業者から見て受光面１３２上の出力端子３２が確実に露出するので、光モジュール１を回転させることなく、受光素子１３とＴＩＡ１６とを同時にワイヤボンディングできる。また、傾斜角θ１を７０°未満としても、その傾斜角θ１が０°であった従来の光モジュールよりもワイヤボンディングの際に光モジュール１を回転させる角度を小さくすることができるので、ワイヤボンディング工程に要する時間を短縮できる。
【００３３】
それゆえ、受光素子１３とＴＩＡ１６に対する金属ワイヤ１７のワイヤボンディングを簡便に行うことができる。また、金属ワイヤ１７に切断、破断などが生じた場合であっても、受光素子１３が筐体１８に収納されたままの状態でワイヤ打ち直しができるので、歩留まり率の向上も期待できる。
【００３４】
次に、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１の傾斜角θ１について説明する。上述したように、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１は、ＰＬＣ１２が単体の状態、すなわち光出射端面１２１が空気又は真空に暴露している状態において、光導波路から出射しようとする光が全反射する角度で傾斜している。例えば、光導波路の屈折率をｎ１（光導波路がＳｉＯ２の場合、ｎ１≒１．４５）とし、空気の屈折率をｎ０＝１とすると、光導波路からの出射光が全反射する条件は、スネルの法則より、θ１＞ｓｉｎ−１（ｎ０／ｎ１）≒４４°となる。つまり、光出射端面１２１の傾斜角θ１は、４４°よりも大きければよい。
【００３５】
このようなＰＬＣ１２の光出射端面１２１に光導波路の屈折率よりも高い媒質の受光素子１３を載置すれば、同じくスネルの法則より全反射は解消されるので、ＰＬＣ１２からの出射光の少なくとも一部は屈折作用により光路変換され、受光素子１３を伝搬することになる。
【００３６】
具体的には、図４に示すように、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１に屈折率がｎ２（＞ｎ１）の受光素子１３を直接載置した場合、その受光素子１３への屈折角θ２は、ｓｉｎθ２＝（ｎ１／ｎ２）ｓｉｎθ１を満たすこととなり、ＰＬＣ１２からの出射光は受光素子１３を伝搬する。例えば、光導波路がＳｉＯ２（ｎ１≒１．４５）、受光素子１３がＩｎＰ（ｎ２≒３．１７）、傾斜角θ１が８０°（＞４４°）の場合、θ２≒２７°となる。それゆえ、光導波路からの出射光は受光素子１３の内部を伝搬することになる。傾斜角（＝入射角）θ１と屈折角θ２との関係については、図５に示す通り、入射角θ１が大きくなるに従って屈折角θ２が大きくなる（受光素子１３の内部に向けて深く屈折する）。
【００３７】
すなわち、本実施形態では、光の屈折現象を用いて光導波路からの出射光を受光素子１３へ導光するので、ミラーなどの偏向素子を用いる必要がなく、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１及び該光出射端面１２１と同一面を成すヤトイ１４を斜めに研磨するという極めて簡単な工程を追加することのみで光モジュール１を製造できる。
【００３８】
次に、受光素子１３の受光部３１について説明する。一般的に、ＰＬＣ１２の光導波路の断面形状は、図６に示すように略正方形とされる。典型的には、コア８０ａを伝搬する光のモードフィールド径が９μｍとなるように設計されている。なお、８０ｂと８０ｃは、それぞれ上部クラッドと下部クラッドを示す。
【００３９】
一方、本実施形態では、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１が所定の角度となるよう斜めに加工されるため、下部クラッド８０ｃに対してコア８０ａが垂直方向に向けて延伸されることから、光出射端面１２１における光導波路のコア８０ａの断面形状は図７に示すように矩形となる。それゆえ、コア８０ａの断面が延伸された光導波路からは、モードフィールド形状がほぼ楕円形の光が出射されることになる。例えば、傾斜角θ１＝７５°の場合、コア８０ａを伝搬する光のモードフィールド長径（コア８０ａの縦方向の長手辺）は約２０μｍに延伸される。
【００４０】
光導波路からの出射光を受光する受光素子１３の受光部３１は、面積が大きいと寄生容量が増えて高周波受信特性が劣化するため、面積を小さくすることが好ましい。そこで、図８に示すように、光導波路からの出射光を受光する受光素子１３の受光部３１を、コア８０ａ又は出射光のモードフィールド形状に応じて楕円形にする。受光部３１の形状が真円であれば楕円形の出射光を十分に集光できない可能性があるが、このように受光部３１の形状をコア８０ａ又は出射光のモードフィールド形状に応じた形状にすることで、受光部３１の面積を大きくすることなく、受光部３１での出射光の受光損失を低減できる。
【００４１】
次に、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１の傾斜角θ１及び受光素子１３の厚さｄ（図８参照）の設計例について説明する。光導波路を出射した光は、モードフィールド径が広がりながら受光素子１３の内部を伝搬し、受光素子１３の受光面１３２に到達する。受光素子１３の厚さｄが大きくなるほど、その受光面１３２でのモードフィールド径は大きくなり、受光損失が増大する。それゆえ、受光素子１３の厚さｄは小さい方が好ましいが、その一方で受光素子１３自身の強度を保持する必要がある。受光素子１３の厚さｄは、約０．１５ｍｍ以上が好適である。
【００４２】
また、図７を用いて説明したように、光出射端面１２１の傾斜角θ１を大きくすると、光出射端面１２１での縦方向のモードフィールド径が大きくなる。一般に、光出射端面１２１でのモードフィールド径が大きくなると開口角（出射する光の広がり角）は小さくなることが知られている。従って、光出射端面１２１の傾斜角θ１を大きくすることにより、受光素子１３の内部を伝搬する開口角が小さくなり、受光面１３２におけるモードフィールド径が拡大されず、受光損失を抑制することができる。
【００４３】
ここで、光出射端面１２１の傾斜角θ１と、受光素子１３の受光面１３２における長手方向のモードフィールド径（ビーム直径）との関係を計算した結果を図９に示す。図９から分かるとおり、４５°＜θ１＜６０°の範囲で、受光素子１３の受光部３１におけるモードフィールド径を極小化することができる。この範囲の傾斜角θ１は上述した４４°よりも大きいので、光導波路からの出射光を全反射させる条件を満たすことになる。
【００４４】
上述した評価にしたがい、光出射端面１２１の傾斜角θ１は４５°＜θ１＜６０°の範囲で設計し、受光素子１３の厚さｄは０．１５ｍｍ以上が好ましい。また、受光面の受光損失よりもワイヤボンディングのし易さを優先する場合には、θ１＞６０°としてもよく、４５°＜θ１＜９０°の範囲であれば同様の効果を得ることができる。
【００４５】
本実施形態によれば、光モジュール１は、大気中において光導波路からの出射光が全反射する角度で傾斜した光出射端面１２１を備えたＰＬＣ１２と、その光出射端面１２１に配置され、光導波路よりも屈折率の高い媒質で構成された受光素子１３と、を備えるので、光モジュールの製造工程を簡易化することができる。
【００４６】
＜第２の実施形態＞
図１０は、第２の実施形態に係る光モジュール１の側面図である。本実施形態に係る光モジュール１は、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１と受光素子１３との間に反射防止部材２１を更に備えて構成される。それ以外の構成は、第１の実施形態と同じである。
【００４７】
反射防止部材２１は、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１での光の反射を抑制するために用いられる。例えば、受光素子１３の表面に、誘電体膜を単層で堆積したもの、又は屈折率が異なる２種類の誘電体膜を交互に多層堆積したものを用いる。誘電体膜の材料としては、ＴｉＯ２、ＴｉＮなどを用いればよい。
【００４８】
本実施形態によれば、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１と受光素子１３との間に反射防止部材２１を備えるので、光出射端面１２１で反射する光、すなわち受光素子１３に結合しない光を低減することができ、受光素子１３での受光効率を更に向上することができる。
【００４９】
＜第３の実施形態＞
図１１及び図１２は、第３の実施形態に係る光モジュール１の側面図である。本実施形態に係る光モジュール１は、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１と受光素子１３との間に集光部２２（２２ａ，２２ｂ）を更に備えて構成される。それ以外の構成は、第１の実施形態又は第２の実施形態と同じである。
【００５０】
集光部２２（２２ａ，２２ｂ）は、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１から出射した光を集光するために用いられる。その集光部２２を配置する際、集光部２２の既存形状又は加工形状などにより、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１と受光素子１３との間に空隙が生じる場合には、その空隙を光導波路よりも高い屈折率の屈折率整合剤を充填する。この集光部２２としては、図１１に示すように、例えばフレネルレンズや屈折率分布レンズなど、光学レンズを組み込んだプレート形状のレンズを用いる。また、図１２に示すように、受光素子１３の受光素子裏面１３１の中央部を凸面形状又は凹面形状などに加工し、その隙間に屈折率整合剤を充填してもよい。その他、楕円形状のモードフィールドが受光できるように、楕円形状の集光部２２を用いてもよいし、集光部２２を楕円形に形成（レンズ形成など）してもよい。又は、楕円形状のモードフィールドを円形に補正できるよう、シリンドリカルレンズなどのビームシェーパを用いてもよい。
【００５１】
本実施形態によれば、ＰＬＣ１２の光出射端面１２１と受光素子１３との間に集光部２２を備えるので、受光素子１３での受光効率を更に向上することができる。なお、本実施形態に第２の実施形態で用いた反射防止部材２１を組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１…光モジュール
１１…基板
１２…ＰＬＣ（平面光導波回路）
１２ａ…偏波分離回路
１２ｂ…９０度光ハイブリッド回路
１２１…ＰＬＣの光出射端面
１２２…ＰＬＣの光入射端面
１３…受光素子
１３１…受光素子の裏面
１３２…受光素子の受光面
１４…ヤトイ
１５…ＴＩＡキャリア
１６…ＴＩＡ（トランスインピーダンス増幅器）
１７…金属ワイヤ
１８…筐体
１９…ヤトイ
２０…光ファイバ
２１…反射防止部材（光反射防止体）
２２（２２ａ，２２ｂ）…集光部（集光体）
３１…受光素子の受光部
３２…受光素子の出力端子
３３…ＴＩＡの入力端子
５０…光受信フロントエンド
６０…ＡＤＣ（アナログデジタル変換器）
７０…デジタル信号処理回路
８０ａ…コア
８０ｂ…上部クラッド
８０ｃ…下部クラッド
１００…光受信器
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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