(57)【要約】【課題】ＰＬＣと他の導波路型光素子とが付き合わせ接続されて構成された光素子チップをパッケージに収納する光モジュールにおいて、熱応力による光学的・機械的信頼性の低下を抑制すること。【解決手段】光モジュール３００は、ＧａＮ系光変調器３１１の両端に第１及び第２のＰＬＣ３１２、３１３が突き合わせ接続された光素子チップ３１０と、ＧａＮ系光変調器３１１が固定された凸部３２０Ａを有するパッケージ３２０とを備える。パッケージ３２０の材料を、熱膨張係数がＧａＮ系光変調器とＰＬＣの両方に合うように選択することが可能であり、そのような場合、ＧａＮ系光変調器３１１に加えて、第１及び第２のＰＬＣ３１２、３１３もパッケージ３２０の凸部３２０Ａに固定することができる。たとえば、パッケージ３２０の材料として、熱膨張係数が５．３×１０-6／Ｋ程度のコバールを用いることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ系導波路型光素子の両端に第１及び第２のＰＬＣが突き合わせ接続された光素子チップと、
前記ＧａＮ系導波路型光素子が固定され、かつ、前記第１又は第２のＰＬＣが少なくとも部分的に固定された凸部を有するパッケージと
を備え、
前記パッケージの材料の熱膨張係数は、前記ＧａＮ系導波路型光素子並びに前記第１及び第２のＰＬＣの両方に合うように選択されていることを特徴とする光部品。
【請求項２】
前記パッケージの材料は、コバール、銅タングステン合金、アルミナ及び窒化アルミのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の光部品。
【請求項３】
前記ＧａＮ系導波路型光素子は、ＧａＮ基板上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光部品。
【請求項４】
前記ＧａＮ系導波路型光素子は、サファイア基板上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光部品に関し、より詳細には、ＰＬＣと他の導波路型光素子とが付き合わせ接続されて構成された光素子チップをパッケージに収納した光部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板上にチタン（Ｔｉ）拡散を用いて光導波路を形成したＬＮ変調器は、光通信システムの重要なデバイスであり、例えば４０Ｇｂｉｔ／ｓ用のＤＱＰＳＫ変調器や１００Ｇｂｉｔ／ｓ用偏波多重ＱＰＳＫ変調器等の開発が進められている。しかしながら、ＬＮ変調器は、伝搬損失や許容曲げ半径がＰＬＣと比べて大きく、可変カプラ、折返し、偏波合成回路等の複雑な光回路の構成に不向きであるという欠点を有する。ここで、「ＰＬＣ」とは、Ｓｉ基板上にＳｉＯ2系ガラスを主成分とする光導波路を形成した石英系光波回路（Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）を言う。
【０００３】
ＬＮ変調器の欠点を補うために、図１に示すようなＬＮ変調器とＰＬＣを組み合わせた光変調器（以下「ＰＬＣ−ＬＮ変調器」という。）を構成する従来例も報告されている（特許文献１及び２参照）。図１では、位相シフタの部分にのみＬＮ変調器１２０を用い、引き回しのための光導波路には、ＬＮ変調器１２０の両端に接続された第１及び第２のＰＬＣ１１０、１３０を用いている。このため、ＬＮ変調器の優れた特性はそのままで、ＰＬＣの優れたパッシブ回路の特徴を生かすことができる。例えば、回路全体を小型にしたり、全体の損失を低減したりすることが可能である。
【０００４】
ＰＬＣ−ＬＮ変調器の信頼性には、当該変調器を筐体（パッケージ）に気密封止する実装技術が大きな影響を持ち、高信頼化のための研究が進められている。図２に、従来のＰＬＣ−ＬＮ変調器がパッケージに収納された光モジュール（光部品）を示す。光モジュール２００は、ＬＮ変調器２１１の両端に第１及び第２のＰＬＣ２１２、２１３が突き合わせ接続（バットジョイント）されたＰＬＣ−ＬＮ変調器２１０と、ＬＮ変調器２１１が固定された凸部２２０Ａを有するパッケージ２２０と、第１のファイバブロック２１４を介して第１のＰＬＣ２１２と接続されたファイバ２３１及び第２のファイバブロック２１５を介して第２のＰＬＣ２１３と接続されたファイバ２３２とを備える。
【０００５】
パッケージ２２０の材料はステンレス、例えばＳＵＳ３０３として、ＬＮとの熱膨張係数の差を小さくしている。ＰＬＣとＳＵＳ３０３の間には大きな熱膨張係数の差が存在するが、第１及び第２のＰＬＣ２１２、２１３はパッケージ２２０から浮いており、熱膨張の差に起因する熱応力が抑制される。これにより、ＬＮ変調器２１１自体や、ＬＮ変調器２１１と第１及び第２のＰＬＣ２１２、２１３との接続部等に対する応力が抑制され、光学的・機械的信頼性が向上する。表１に光モジュール２００の構成要素の熱膨張係数を示す。
【０００６】
【表１】
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【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１９５２３９号公報
【特許文献２】特開２００３−１２１８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図２の構造では、第１及び第２のＰＬＣ２１２、２１３がパッケージ２２０に固定されていないため、光線方向に垂直な方向に対して機械的な振動や衝撃が加わると、第１及び第２のＰＬＣ２１２、２１３が上下方向に変動してしまい、破壊の恐れがある。また、この方向は、ＬＮ変調器とＰＬＣの接続部における結合損失に最も影響する方向であり、上下の変動は光学特性の劣化を招く。加えて、第１又は第２のＰＬＣ２１２、２１３にヒータをつけたＴＯ効果デバイスの場合には、放熱性が悪く、光導波路間の屈折率差を利用するＴＯ効果デバイスにとって各導波路間の温度差が取れなくなり、デバイス特性に悪影響が出るという問題が生じる。また、温度の上昇・下降速度も制限されることになり、高速な応答が困難になる。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＰＬＣと他の導波路型光素子とが付き合わせ接続されて構成された光素子チップをパッケージに収納する光モジュールにおいて、熱応力による光学的・機械的信頼性の低下を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、ＧａＮ系導波路型光素子の両端に第１及び第２のＰＬＣが突き合わせ接続された光素子チップと、前記ＧａＮ系導波路型光素子が固定され、かつ、前記第１又は第２のＰＬＣが少なくとも部分的に固定された凸部を有するパッケージとを備え、前記パッケージの材料の熱膨張係数は、前記ＧａＮ系導波路型光素子並びに前記第１及び第２のＰＬＣの両方に合うように選択されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記パッケージの材料がコバール、銅タングステン合金、アルミナ及び窒化アルミのうちのいずれかであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記ＧａＮ系導波路型光素子がＧａＮ基板上に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第４の態様は、第２の態様において、前記ＧａＮ系導波路型光素子がサファイア基板上に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＰＬＣとＧａＮ系導波路型光素子とが付き合わせ接続されて構成された光素子チップをパッケージに収納する光モジュールにおいて、パッケージの材料の熱膨張係数を、ＧａＮ系導波路型光素子およびＰＬＣの両方に合うように選択し、ＧａＮ系導波路型光素子に加えて、ＰＬＣを少なくとも部分的にパッケージの凸部に固定することにより、熱応力による光学的・機械的信頼性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来のＰＬＣ−ＬＮ変調器を示す図である。
【図２】従来のＰＬＣ−ＬＮ変調器がパッケージに収納された光モジュールを示す図である。
【図３】本発明に係る光モジュールを示す図である。
【図４】サファイア基板上に形成したＧａＮ系変調器をＰＬＣと接続した場合の実施例を示す図である。
【図５】ＧａＮ基板上に形成したＧａＮ系変調器をＰＬＣと接続した場合の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１７】
図３に、本発明に係る光モジュールを示す。光モジュール３００は、ＧａＮ系光変調器３１１の両端に第１及び第２のＰＬＣ３１２、３１３が突き合わせ接続された光素子チップ３１０と、ＧａＮ系光変調器３１１が固定された凸部３２０Ａを有するパッケージ３２０と、第１のファイバブロック３１４を介して第１のＰＬＣ３１２と接続された第１のファイバ３３１及び第２のファイバブロック３１５を介して第２のＰＬＣ３１３と接続された第２のファイバ３３２とを備える。ここで「ＧａＮ系光変調器」とは、ＩＩＩ族窒化物半導体ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ及びこれらの三元または四元混晶を材料として用いた光変調器を指す。ＩＩＩ族窒化物半導体はウルツ鉱型の構造を最も安定な結晶構造として持ち、直接遷移型のワイドギャップ半導体として知られている。ＧａＮを中心としてＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの混晶を組み合わせて、屈折率やバンドギャップの差を利用したデバイスが作製されているので、ここではこれらＩＩＩ族窒化物半導体で構成された光変調器を「ＧａＮ系光変調器」と呼ぶ。
【００１８】
ＧａＮ系光変調器は、屈折率がＬＮ変調器とほぼ同じでＰＬＣとの接続損失が少ない上、サファイア基板を用いる場合でもＧａＮ基板を用いる場合でも、ＰＬＣとの熱膨張係数の差がＬＮ変調器の場合よりも大幅に小さい。したがって、図２の従来例とは異なり、パッケージ３２０の材料を、熱膨張係数がＧａＮ系光変調器とＰＬＣの両方に合うように選択することが可能であり、そのような材料を選択した場合、ＧａＮ系光変調器３１１に加えて、第１及び第２のＰＬＣ３１２、３１３もパッケージ３２０の凸部３２０Ａに固定することができる。たとえば、パッケージ３２０の材料として、熱膨張係数が５．３×１０-6／Ｋ程度のコバールを用いることができる。パッケージ３２０と光素子チップ３１０との間の熱膨張係数の差が小さいため、歪による特性変動が小さく、また機械的な破壊の恐れも少ない。さらに、第１又は第２のＰＬＣ３１２、３１３にヒータをつけたＴＯ効果デバイスの場合には放熱性が向上する。本発明に係る光モジュール３００の構成要素の熱膨張係数および屈折率を表２に示す。参考としてＬＮの値も示す。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
なお、ＧａＮ系光変調器の熱膨張係数は、光変調器を構成する種々の窒化物半導体層の厚さに比べて基板の厚さが充分に厚いため、基板となる材料の熱膨張係数が支配的となり、その材料の値で近似できる。ＰＬＣも同じくＳｉ基板上にＳｉＯ2系ガラスを堆積することにより構成されており、ＳｉＯ2系ガラスに比べＳｉ基板の厚さが充分に厚いため、Ｓｉ基板の熱膨張係数で近似できる。
【００２１】
また、パッケージの材料としてコバール以外には、例えば熱伝導率が１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度と高く（コバール熱伝導率：１７Ｗ／（ｍ・Ｋ））放熱性に優れた銅タングステン合金（Ｃｕ10Ｗ90：熱膨張係数が６．５×１０-6／Ｋ）を用いることができる。放熱性が高い材料はＰＬＣにＴＯ効果デバイスを導入するなど、発熱をするデバイスを使用する際に、応答の高速化や安定化など特性の向上を図ることができる。また、アルミナ（熱膨張係数：６．７×１０-6／Ｋ）や窒化アルミ（熱膨張係数：４．５×１０-6／Ｋ）などのセラミック材料をパッケージ材料に用いることもできる。アルミナは積層セラミックに電気配線を施すことで、半導体レーザーのパッケージなどに使用されており、低コストなパッケージを実現できる。さらに電気配線を高周波信号の伝播に適した構造とすることで、高周波コネクタを使用しない小型で高密度実装が可能な高周波パッケージを作製することができる。窒化アルミは銅タングステン同様高い熱伝導率をもち（窒化アルミ熱伝導率：＞２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、アルミナ熱伝導率：１７Ｗ／（ｍ・Ｋ））、発熱をするデバイスを使用する際に、応答の高速化や安定化など特性の向上を図ることができる。
【００２２】
また、ＧａＮはＩｎＰ、ＧａＡｓ等の半導体光素子と比べて結晶が強固であるので、ＰＬＣやファイバとバッティングさせても素子が破壊されない。ＩｎＰやＧａＡｓ等の半導体光素子はＰＬＣと突き合わせ接続の調芯を行なう際、ＰＬＣを構成するＳｉやＳｉＯ2系ガラスとの固さの違いから素子端面が破損され易く、接続することができなくなる。
【００２３】
また、以上の説明では、ＰＬＣと突き合わせ接続される導波路型光素子としてＧａＮ系光変調器を主に考えてきたが、本発明は、光変調器に限らず、ＧａＮ系の導波路型光素子に適用できることに留意されたい。
【００２４】
また、図３には第１及び第２のＰＬＣ３１２、３１３が共に凸部３２０Ａに固定されたものが図示されているが、本発明の効果は、第１及び第２のＰＬＣ３１２、３１３のどちらかが少なくとも部分的に固定されていれば得られるため、そのような態様も本発明に包含される。歪に敏感なＰＬＣを接続する場合、ＰＬＣ部分はゆるく固定、または固定せずに浮かせておくことがある。
【００２５】
図４は、サファイア基板上に形成したＧａＮ系変調器をＰＬＣと接続した場合の実施例を示す図である。ＧａＮ系光変調器は、曲げ半径をＰＬＣと比べ小さくできるものの、伝播損失が大きく、光合分岐部や可変カプラ、偏波合成回路等の複雑な光回路の構成に不向きであるという欠点を持つ。図４では、位相シフタの部分にのみＧａＮ系光変調器を用い、引き回しのための光導波路には、ＧａＮ系光変調器の両端に接続された第１および第２のＰＬＣを用いている。このため、ＧａＮ系光変調器の優れた特性はそのままで、ＰＬＣの優れたパッシブ回路の特徴を生かすことができる。例えば、回路全体を小型にしたり、全体の損失を低減したりすることが可能である。
【００２６】
光変調器４００は、光素子チップ４１０と、光素子チップ４１０を囲むパッケージ４２０と、パッケージ４２０に設けられた高周波（ＲＦ）コネクタ４２１と、ＲＦコネクタ４２１と光素子チップ４１０を構成するＧａＮ系光変調器４１１の高周波電極４１１Ａとの間の高周波電気配線４３０とを備える。図４には、パッケージ４２０に設けられたＤＣコネクタ４２２と、ＤＣコネクタ４２２と光素子チップ４１０のＤＣ電極４１１Ｂとの間のＤＣ電極配線４４０がさらに示されている。
【００２７】
ＧａＮ系光変調器４１１上の高周波電極４１１Ａには、高周波電気配線４３０及びＲＦコネクタ４２１を通じて、高周波電圧信号が印加される。印加電圧量の変化によって、ＧａＮ系光変調器４１１上の光導波路の屈折率が変化し、光の位相が変化する。光の位相を制御することによって、２本の光導波路からの光を干渉させて光強度の変調を行ったり、光の位相を０、πで変化させて位相変調を行なう光変調器として動作させることができる。このとき、ＧａＮ系光変調器４１１上の光導波路を伝播する光に印加される高周波電圧信号は、光と電気信号の位相を合わせておく必要があるため、ＲＦコネクタ４２１から高周波電気配線４３０を介して高周波電極４１１Ａに至る長さは精密に制御されている必要がある。
【００２８】
図５は、ＧａＮ基板上に形成したＧａＮ系変調器をＰＬＣと接続した場合の実施例を示す図である。図４と異なるのは基板がサファイアではなくＧａＮで構成されており、ＧａＮ基板をＧａＮ系光変調器５１１のクラッド層として使用できる点である。ＧａＮ基板をクラッド層としたＧａＮ系光変調器では、コア層をＧａＮより屈折率の大きいＩｎＧａＮとすることで、モードフィールドの拡大が容易に実現できる。
【００２９】
サファイア基板上にＧａＮ系変調器を作製する場合、ＧａＮとの屈折率差が大きいサファイア基板内には光が拡がらないため、モードフィールドは半導体結晶のエピタキシャル厚さに制限される。サファイア基板上へのＧａＮ系半導体材料のエピタキシャル成長は格子定数の差により厚い成長が困難であり、４〜５μｍ程度の厚さまでとなっている。このため、モードフィールド径も４〜５μｍ程度までしか拡がらない。光ファイバやＰＬＣと低損失な光結合を行なうには、モードフィールド径をファイバと同じ８μｍ程度まで拡げることが望ましく、サファイア基板上に形成されたＧａＮ系光変調器では結合損失が低減できないことが問題となる。
【００３０】
一方、ＧａＮ基板上に形成されたＧａＮ系光変調器は、ＧａＮより屈折率の大きいＩｎＧａＮをコア層に用い、ＧａＮをクラッド層とすることで、基板まで光を拡げることができる。このため、光のモードフィールド径はエピタキシャル厚さに制限されず拡大することができる。さらにＧａＮ基板上へのＧａＮ系半導体材料のエピタキシャル成長は、サファイア基板上への成長よりも格子定数の違いが少なく、良質で厚い結晶成長を行なうことができる。
【００３１】
したがって、ＧａＮ基板上に形成されたＧａＮ系光変調器では、モードフィールド径を光ファイバやＰＬＣと同じ８μｍ程度まで拡大させることができ、モードフィールド径の不整合に起因する光結合損失を極めて小さく抑えることが可能となる。
【符号の説明】
【００３２】
３００  光モジュール（「光部品」に対応）
３１０  光素子チップ
３１１  ＧａＮ系光変調器（「ＧａＮ系導波路型光素子」に対応）
３１２  第１のＰＬＣ
３１３  第２のＰＬＣ
３１４  第１のファイバブロック
３１５  第２のファイバブロック
３２０  パッケージ
３２０Ａ  凸部
３３１  第１のファイバ
３３２  第２のファイバ
４００  光モジュール（「光部品」に対応）
４１０  光素子チップ
４１１  ＧａＮ系光変調器（「ＧａＮ系導波路型光素子」に対応）
４１１Ａ  高周波電極
４１１Ｂ  ＤＣ電極
４１２  第１のＰＬＣ
４１３  第２のＰＬＣ
４２０  パッケージ
４２０Ａ  ＲＦコネクタ
４２０Ｂ  ＤＣコネクタ
４３０  高周波電気配線
４４０  ＤＣ電気配線
【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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