(57)【要約】【課題】ファイバ余長部において光ファイバの座屈を設ける必要がなく、偏波特性を劣化させることなく光ファイバを固定することができる光モジュールを提供する。【解決手段】平面光波回路（ＰＬＣ）と光機能部材とから構成されたマルチチップ集積デバイスをパッケージに収容した光モジュールにおいて、前記ＰＬＣの光導波路と光学的に接続される光ファイバが挿入されたフェルールであって、前記パッケージの側面を貫通するパイプ部に固定されたフェルールを備え、前記光ファィバは、前記フェルールの前記ＰＬＣ側の端部においてのみ固定され、前記ＰＬＣと前記光ファイバとの接続位置から、前記フェルールと前記パイプ部との接続位置までの長さが温度変化に伴って変化する伸びと、前記フェルールと前記パイプ部との接続位置から前記ＰＬＣの方向に前記フェルールが温度変化に伴って変化する伸びとが等しくなるようにした。【選択図】図３
2015200746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面光波回路（ＰＬＣ）と光機能部材とから構成されたマルチチップ集積デバイスをパッケージに収容した光モジュールにおいて、
前記ＰＬＣの光導波路と光学的に接続される光ファイバが挿入されたフェルールであって、前記パッケージの側面を貫通するパイプ部に固定されたフェルールを備え、
前記光ファィバは、前記フェルールの前記ＰＬＣ側の端部においてのみ固定され、前記ＰＬＣと前記光ファイバとの接続位置から、前記フェルールと前記パイプ部との接続位置までの長さが温度変化に伴って変化する伸びと、前記フェルールと前記パイプ部との接続位置から前記ＰＬＣの方向に前記フェルールが温度変化に伴って変化する伸びとが等しくなるようにしたことを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記フェルールは、前記パッケージに使用される金属材料の熱膨張係数よりも、大きな熱膨張係数を有する金属材料からな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】
前記パッケージはステンレスからなり、前記フェルールはアルミニウムからなることを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記光機能部材は、石英ガラス系材料、誘電体材料、半導体材料または有機材料のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光モジュール。
【請求項５】
前記ＰＬＣは石英ガラス系材料からなり、前記光機能部材はＬｉＮｂＯ３であり、前記マルチチップ集積デバイスは光変調器であることを特徴とする請求項１ないし４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、光モジュールに関し、より詳細には、光ファイバとの接続を考慮して小型化を図った光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信トラフィックの増大に伴い、幹線系の光伝送ネットワークにおいては、光ファイバ１本当たりに、より多くのデータを伝送する大容量伝送が求められている。これを実現する手段として、周波数利用効率の向上と長距離伝送とを実現するための多値変調技術およびデジタルコヒーレント受信技術が注目されている。多値変調方式においては、光の位相を考慮した高機能な光変調器の実現が必須となる。
【０００３】
光変調器とは、電気信号を光の強弱信号などに変換する、光通信の基幹デバイスの一つであり、一般に高速・低損失・低消費電力・小型・高信頼性が求められている。光変調器を実現する方式は、直接変調方式と外部変調方式とに分類される。高速・基幹ネットワークにおいては、高速性と長距離伝送性といった点から、外部変調方式が主流である。外部変調方式を適用した光変調器においては、電気光学効果（以下、ＥＯという）を利用したＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム、以下、ＬＮという）などの誘電体材料、半導体材料または有機材料、電界吸収効果を用いた半導体材料などが用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
一方、多値変調方式の光変調器においては、光の偏波などを積極的に利用する必要があるため、それらを分波・合波する受動的な光回路を備える必要がある。しかしながら、ＬＮ、半導体材料の光学的特性は、ガラス材料と比較して、低損失性、光ファイバとの接続性の観点から劣るため、機能向上に課題があった。
【０００５】
受動的な光回路を、低損失で実現するデバイスとして、石英ガラスをＳｉ基板などの上に堆積させた平面光波回路（Planer Lightwave circuit、以下、ＰＬＣという）が知られている。石英ガラス系材料からなる石英ＰＬＣの優れた光学的特性を利用し、石英ＰＬＣと、ＬＮ等の誘電体材料または半導体材料、有機材料などからなる光機能部材とを組み合わせる技術が注目されている。
【０００６】
このような光変調器においては、石英ＰＬＣのチップと光機能部材のチップとの間の光入出力部が、適切に接続されて一体化されている。２つ以上のチップを集積したものを、１つのデバイス（以下、マルチチップ集積デバイスという）として扱い、外部との光入出力を行う光ファイバとマルチチップ集積デバイスとを接続する。マルチチップ集積デバイスを用いた光変調器の代表的な例としては、石英ＰＬＣとＬＮ導波路とを組み合わせた変調器（以下、石英−ＬＮ変調器という）が知られている。
【０００７】
ここで、マルチチップ集積デバイスを通信装置内のボードに搭載する際、一般的に、信頼性、ガスバリア性などの観点から、金属、セラミックなどからなるパッケージ、ケースなどに収容している。光ファイバとマルチチップ集積デバイスとは、ガラスなどからなるファイバ接続部品により接着固定される方法が一般的である。光ファイバは、パッケージまたはケースのパイプ部を貫通して、マルチチップ集積デバイスと接続される。光ファイバに金属皮膜を付したメタルコートファイバを用いて、パイプ部をハンダ封止したり、光ファイバを接着剤などにより固定するなどして、封止することが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平２―７３２０７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】永田裕俊他、「高速光通信用ＬｉＮｂＯ３変調器の信頼性」、日本信頼性学会、ＲＥＡＪ誌、Vol.21, No.2, pp.86-93、１９９９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１は、従来の石英−ＬＮ変調器の構成を示す上面図である。図２は、ＬＮ変調器の光導波路に沿って切断した断面図である。石英−ＬＮ変調器１０は、両端部に石英ＰＬＣ１３ａ，１３ｂを接続したＬＮ変調器１２を、パッケージ１１に収容している。光ファイバ１４ａ，１４ｂは、接続用端面２１ａ，２１ｂにおいて、ファイバ接続部品２０ａ，２０ｂにより、石英ＰＬＣ１３ａ，１３ｂに接続され、パッケージ１１のパイプ部２２ａ，２２ｂに固定されている。なお、補強板１５ａ，１５ｂおよび１５e，１５ｆは、ファイバ接続部品と石英ＰＬＣとの接続、石英ＰＬＣとＬＮ変調器との接続において、接着面積を確保して、接続を強固にするためのガラスブロックであり、補強板１５ｃ，１５ｄはＬＮである。
【００１１】
パッケージ１１に使用される金属材料と、マルチチップ集積デバイスに使用されるガラス材料、半導体材料等とは、熱膨張係数が異なる。このため、温度変化が起こると各材料の熱膨張の大きさが異なってくるので、温度変化に応じた熱応力に起因して、光ファイバ自体または光ファイバを固定する部材に新たな力が加わり、機械的信頼性が低下するという問題があった。
【００１２】
そこで、光デバイスの接続部とパイプ部との間で、光ファイバを一定の長さ座屈させ、温度変化に伴う機械的信頼性の低下を軽減する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１を例にすると、光ファイバ１４ａ，１４ｂに、一定の長さ座屈させたファイバ余長部２３ａ，２３ｂを設ける。しかしながら、ファイバ余長部２３ａ，２３ｂにおいて、光ファイバを一定の長さだけ座屈させる工程は、特殊な治具を必要とするなど光モジュールの製作工程の中で大きな割合を占めており、生産コストの増大につながっていた。
【００１３】
また、光ファイバ１４ａ，１４ｂとパッケージ１１のパイプ部２２ａ，２２ｂとの固定は、メタライズ加工した光ファイバを、直接パッケージに半田付けしていた。従って、光ファイバ１４ａ，１４ｂとして偏波保持ファイバを使用した場合、半田硬化時の応力によって、偏波特性に影響を及ぼすという問題もあった。
【００１４】
本発明の目的は、ファイバ余長部において光ファイバの座屈を設ける必要がなく、偏波特性を劣化させることなく光ファイバを固定することができる小型の光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような目的を達成するために、本発明の実施態様は、平面光波回路（ＰＬＣ）と光機能部材とから構成されたマルチチップ集積デバイスをパッケージに収容した光モジュールにおいて、前記ＰＬＣの光導波路と光学的に接続される光ファイバが挿入されたフェルールであって、前記パッケージの側面を貫通するパイプ部に固定されたフェルールを備え、前記光ファィバは、前記フェルールの前記ＰＬＣ側の端部においてのみ固定され、前記ＰＬＣと前記光ファイバとの接続位置から、前記フェルールと前記パイプ部との接続位置までの長さが温度変化に伴って変化する伸びと、前記フェルールと前記パイプ部との接続位置から前記ＰＬＣの方向に前記フェルールが温度変化に伴って変化する伸びとが等しくなるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＰＬＣと光ファイバとの接続位置から、フェルールとパイプ部との接続位置までの長さが温度変化に伴って変化する伸びと、フェルールとパイプ部との接続位置からＰＬＣの方向にフェルールが温度変化に伴って変化する伸びとが等しくなるようにしたので、ＰＬＣとパイプ部との間に設けていたファイバ余長部が不要となり、光モジュールの小型化を図ることができる。また、偏波保持ファイバを用いた場合であっても、偏波特性を劣化させることなく光ファイバを固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来の石英−ＬＮ変調器の構成を示す上面図である。
【図２】従来の石英−ＬＮ変調器の構成を示す断面図である。
【図３】従来の光モジュールにおける温度変化に伴う形状変化を模式的に示した図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる光モジュールにおける温度変化に伴う形状変化を模式的に示した図である。
【図５】本発明の実施例にかかる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】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態においては、石英−ＬＮ変調器を実装する光モジュールを例に説明するが、ＬＮ変調器の両端部または片端部に平面光波回路（ＰＬＣ）を接続した光機能部材が一体化されたマルチチップ集積デバイスであれば、これに限られない。
【００１９】
図３および図４を参照して、本発明の原理について説明する。図３（ａ）は、図２に示した従来の光モジュールのパイプ部２２ａおよびファイバ余長部２３ａ付近の拡大図である。光ファイバ１４ａおよび石英ＰＬＣ１３ａの光軸方向をｚ軸としたとき、接続用端面２１ａの位置を基準位置Ｚ０とする。また、光ファイバ１４ａのメタライズ部分１４ｍが、パイプ部２２ａに半田２４で固定されている位置を常温時位置Ｚ１１とする。
【００２０】
ここで環境温度が変化して高温状態になると、光モジュールがｚ軸方向に伸張する。パッケージ１１に使用される金属材料の熱膨張係数は、マルチチップ集積デバイスに使用されるガラス材料、半導体材料等の熱膨張係数より大きいので、光モジュールは、図３（ｂ）に示すように形状が変化する。基準位置Ｚ０から見ると、ＬＮ変調器および石英ＰＬＣ１３ａよりもパッケージ１１の方が、より伸張するので、半田２４で固定している常温時位置Ｚ１１は、高温時位置Ｚ１２に移動する。従って、ファイバ余長部２３ａにおける光ファイバ１４ａの座屈は、常温時位置Ｚ１１から高温時位置Ｚ１２への伸張により、ほぼ平坦な状態（ｚ軸方向に一直線の状態）になる。
【００２１】
このとき、常温時位置Ｚ１１から高温時位置Ｚ１２への伸張分を、光ファイバ１４ａの座屈により吸収できないとき、光ファイバ１４ａ自体、ファイバ接続部品２０ａ、および接続用端面２１ａの接着面に対して、新たな力が加わることになる。
【００２２】
図４（ａ）は、本発明の一実施形態にかかる光モジュールのパイプ部１２２付近の拡大図である。石英ＰＬＣ１１３の光導波路と光学的に接続される光ファイバ１１４は、フェルール１３１に挿入されている。フェルール１３１は、パッケージ１１１の側面を貫通するパイプ部１２２に半田１２４で固定されている。また、光ファイバ１１４は、フェルール１３１の石英ＰＬＣ１１３側の端部においてのみ、半田１３２によりフェルール１３１に固定されている。
【００２３】
図３の場合と同様に、光ファイバ１１４および石英ＰＬＣ１１３の光軸方向をｚ軸としたとき、接続用端面１２１の位置を基準位置Ｚ０とする。また、フェルール１３１とパイプ部１２２とが固定されている位置を常温時位置Ｚ１１とし、フェルール１３１と光ファイバ１１４とが固定されている位置をファイバ固定位置Ｚ２とする。
【００２４】
ここで環境温度が変化して高温状態になると、光モジュールがｚ軸方向に伸張する。パッケージ１１は、図３（ｂ）に示した場合と同様に形状が変化する。すなわち、図４（ｂ）に示すように、基準位置Ｚ０から見ると、ＬＮ変調器および石英ＰＬＣ１１３よりもパッケージ１１１の方が、より伸張するので、半田１２４で固定している常温時位置Ｚ１１は、高温時位置Ｚ１２に移動する。一方、高温状態になると、フェルール１３１自体も伸張し、図４（ｂ）の矢印で示すように、半田１２４で固定した位置を中心に、ｚ軸方向に伸張する。そこで、パッケージ１１に使用される金属材料の熱膨張係数よりも、大きな熱膨張係数を有する金属材料からなるフェルール１３１を用いる。
【００２５】
このとき、パッケージ１１１の伸張による常温時位置Ｚ１１と高温時位置Ｚ１２との差分と、フェルール１３１が半田１２４で固定した位置から石英ＰＬＣ１１３への方向に伸張した分とが同じであれば、ファイバ固定位置Ｚ２は、ｚ軸上の位置が変わらないことになる。すなわち、ファイバ余長部２３ａにおける光ファイバ１４ａには、何ら応力が掛かっていない状態のままとなる。
【００２６】
従って、本実施形態によれば、ファイバ余長部において光ファイバの座屈を設ける必要がなく、光モジュールの小型化を図ることができる。また、偏波保持ファイバを用いた場合であっても、偏波特性を劣化させることなく光ファイバを固定することができる。
【実施例】
【００２７】
図５を参照して、本発明の実施例について説明する。図５（ａ）は、常温時の光モジュールのパイプ部１２２付近の拡大図である。石英−ＬＮ変調器を実装する光モジュール１１０は、石英ＰＬＣ１１３を接続したＬＮ変調器（図示を省略）が一体化されたマルチチップ集積デバイスであり、パッケージ１１１に収容されている。パッケージ１１１は、ステンレス（SUS303）製であり、熱膨張係数β_pkg＝14.7×10-6/Ｋである。パッケージ１１１の全体の形状は、図１，２に示した光モジュールと同じ外形であり、両端のパイプ部１２２の間の全長は、１１０ｍｍである。
【００２８】
光ファイバ１１４は、フェルール１３１に挿入されており、フェルール１３１の石英ＰＬＣ１１３側の端部においてのみ、光ファイバ１１４とフェルール１３１とが半田１３２により固定されている。フェルール１３１は、アルミニウム製であり、熱膨張係数β_sle＝23.5×10-6/Ｋである。フェルール１３１の全長は２５ｍｍであり、端部から５ｍｍの位置でパイプ部１２２に固定されている。
【００２９】
ここで、図３，４の場合と同様に、光ファイバ１１４および石英ＰＬＣ１１３の光軸方向をｚ軸としたとき、接続用端面１２１の位置を基準位置Ｚ０とする。また、フェルール１３１とパイプ部１２２とが固定されている位置を常温時位置Ｚ１１とし、フェルール１３１と光ファイバ１１４とが固定されている位置をファイバ固定位置Ｚ２とする。
【００３０】
パッケージ１１１の基準位置Ｚ０と常温時位置Ｚ１１との間のパッケージ長さL_pkgは、３０ｍｍである。また、フェルール１３１の常温時位置Ｚ１１とファイバ固定位置Ｚ２との間の長さL_sleは、２０ｍｍである。温度がΔＴだけ変化した際の伸びは、  
パッケージ１１１の伸び  ΔＬ_pkg＝L_pkg×β_pkg×ΔＴ  （式１）
フェルール１３１の伸び  ΔＬ_sle＝L_sle×β_sle×ΔＴ  （式２）
となる。このとき、フェルール１３１と光ファイバ１１４とが固定されているファイバ固定位置Ｚ２と、光ファイバ１１４および石英ＰＬＣ１１３の接続用端面１２１の基準位置Ｚ０との間の距離の変化をΔLとすると、  
ΔＬ＝ΔＬ_pkg−ΔＬ_sle  （式３）
である。温度変化ΔＴが３０℃のとき、式１-３から、ΔＬ＝０．８７μｍとなる。すなわち、フェルール１３１から石英ＰＬＣ１１３までの距離１０ｍｍと比較すると極めて小さい。従って、本実施例によれば、温度変化が起こっても、光ファイバに加わる応力は無視できる程度に小さい。
【００３１】
従って、光モジュールの設計に際しては、第１に、パッケージの材料、寸法から、想定される温度変化に伴うパッケージの伸びを算出する。すなわち、石英ＰＬＣと光ファイバとの接続位置から、フェルールとパイプ部との接続位置までの長さが温度変化に伴って変化する伸びを計算する。第２に、このパッケージの伸びを相殺する伸び代が得られるように、フェルールの材料と寸法を決定すればよい。すなわち、パッケージの伸びと、フェルールとパイプ部との接続位置からＰＬＣの方向にフェルールが温度変化に伴って変化する伸びとを等しくすれば良い。
【００３２】
本実施例によれば、ファイバ余長部において光ファイバの座屈を設ける必要がなく、ファイバ余長部の全長を短くすることができるので、光モジュールの小型化を図ることができる。また、温度変化に伴う光ファイバへの応力変化が非常に小さい事から、偏波保持ファイバを用いた場合であっても、偏波特性を劣化させることなく光ファイバを固定することができる。
【００３３】
本実施形態では、光機能部材としては、ＬＮ以外の誘電材料、例えば、ＬｉＴａＯ３（ＬＴ）からなるＬＴ変調器を用いても、同様の作用効果を奏することができる。さらに、半導体材料であるＧａＮからなるＧａＮ変調器、ＩｎＰからなるＩｎＰ変調器を用いても、それらの高いＥＯ効率を活かしたまま、同等の作用効果を得ること、および、有機ＥＯ材料を用いても、その高速応答性の利点を低減させることなく、同等の作用効果を得ることができる。
【００３４】
光機能部材は、本実施形態で示した変調機能に限られず、例えば、有機材料、半導体材料からなるＥＯスイッチ導波路や光−光スイッチ導波路、Ｓｉからなる熱光学スイッチ導波路を用いることもできる。これらの場合でも、光スイッチ機能を維持したまま、パッケージの長手方向の短尺化を図ることが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１０，１１０  石英−ＬＮ変調器
１１，１１１  パッケージ
１２，１１２  ＬＮ変調器
１３，１１３  石英ＰＬＣ
１４，１１４  光ファイバ
２０，１２０  ファイバ接続部品
２１，１２１  接続用端面
２２，１２２  パイプ部
２３  ファイバ余長部
２４，１２４，１３２  半田
１３１  フェルール
【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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