(57)【要約】【課題】光導波路型モジュールにおけるチップの温度の均一性、チップにかかる応力の低減化、チップを加熱するための加熱手段の低消費電力化を図ることが可能なパッケージを提供することを課題とする。【解決手段】導波路を形成したチップ（２０）と、このチップを加熱するアルミナ製ヒータ（２４）と、該ヒータの熱を均一に分布させて前記チップに伝えるべく、チップとヒータとの間に介在させたＣｕ−Ｗ合金のような高熱伝導性材料（２６）と、を含むことを特徴とする光導波路型モジュール用パッケージ。【選択図】　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路を形成したチップと、該チップを加熱するヒータと、該ヒータの熱を均一に分布させて前記チップに伝えるべく介在させた高熱伝導性材料と、を含むことを特徴とする光導波路型モジュール用パッケージ。
【請求項２】
前記高熱伝導性材料を前記チップと前記ヒータとの間に介在させたことを特徴とする請求項１に記載の光導波路型モジュール用パッケージ。
【請求項３】
前記高熱伝導性材料は平面状であって、該材料の一方の面を接着剤を介して前記チップに接着し、該材料の他方の面を接着剤を介して前記ヒータに接着し、前記高熱伝導性材料のチップ側の接触面積は、前記チップの該高熱伝導性材料側の面積よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の光導波路型モジュール用パッケージ。
【請求項４】
前記チップはシリコン上にガラス導波路を形成したシリコンチップであり、前記ヒータはアルミナ製ヒータであり、前記高熱伝導性材料はＣｕ−Ｗ合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路型モジュール用パッケージ。
【請求項５】
前記ヒータを前記チップに隣接させて配置し、前記高熱伝導性材料を前記ヒータの前記チップ側とは反対側に接続したことを特徴とする請求項１に記載の光導波路型モジュール用パッケージ。
【請求項６】
導波路を形成したチップと、該チップを加熱するヒータと、該ヒータの熱を均一に分布させて前記チップに伝えるべく、前記チップと前記ヒータとの間に介在させた高熱伝導性材料と、から成るコア部と、
該コア部を支持するパッケージ本体と、
前記ヒータと該パッケージ本体の底面との間に空気層が規定されるように前記コア部をパッケージ本体に支持する手段と、
を具備することを特徴とする光導波路型モジュール用パッケージ。
【請求項７】
前記コア部をパッケージ本体の底面に支持する手段は、前記ヒータと該パッケージ本体の底面との間の接触面積が少なくなるように両者間に設けた脚部から成ることを特徴とする請求項６に記載の光導波路型モジュール用パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板上に光導波路を形成したデバイス（以下、チップと称する）を支持する光導波路型モジュール用パッケージに関し、更に詳しくは、アレイ導波路格子（Ａｒｒａｙｅｄ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｇｒａｔｉｎｇ：　ＡＷＧ）光波長合分波回路モジュール用のパッケージの構造に関する。
【０００２】
光ファイバを伝送媒体とする光通信システムでは、１本の光ファイバに波長の異なる複数の光信号を多重伝送する光波長多重伝送（光ＷＤＭ）技術が採用されている。本発明は、このような光ＷＤＭの中でも最も広く用いられるＡＷＧ光合分波器モジュール用のパッケージに関わる。ＡＷＧ光合分波器モジュールは、波長の異なる複数の光信号を１本のファイバに多重伝送したり、多重伝送された光信号を波長成分ごとに分波するものである。
【０００３】
【従来の技術】
導波路型モジュールは、光通信における通信量の増加に伴い広く利用されるようになった。この種の光導波路型モジュールを製造するために使用されるパッケージは、従来、シリコン又は石英からなる基板上にガラス導波路を形成したデバイス（チップ）をパッケージ内壁に支持する構造体であるが、設計時に定めた光学特性を発揮させるためには、次のような条件を満たす必要がある。
（１）チップの温度均一性。特にチップの光回路形成部においては、±数℃以下程度の温度均一性が要求される。
（２）チップの光導波路部分に応力を与えないこと。導波路部分に加わる応力は、数ＭＰａ以下であることが要求される。
（３）低消費電力化。チップの均熱性は、ヒータによる加熱で実現されるが、この場合のヒータの消費電力は数Ｗ以下であることが要求される。
【０００４】
なお、関連する従来技術として特許文献１に開示されている導波路型光合分波装置は、回路構成を簡素化して歩留りを向上させ、製造偏差に対するトレランス緩和を図ることを目的として、各スラブ導波路に接続される出力導波路間で対向する端面形成位置、又は各スラブ導波路に接続される入力導波路間で対向する端面形成位置を、互いに重なり合わないようにずらして形成している。
【０００５】
また、特許文献２に開示されている平面光導波路の製造方法においては、光導波路内の有効屈折率が均一になって、より精密な光素子を得るべく、基板に下位被覆層を形成する工程、更にコア層を形成する工程等の各段階にて表面を研磨する工程を加えることにより、光導波路の厚さの均一度を増加させることが提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−７１９７７号公報
【特許文献２】
特開平１１−７２６３７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光導波路型モジュール用パッケージの構造によると、チップの温度の均一性、チップにかかる応力の低減化、チップを加熱するための加熱手段の低消費電力化が十分とは言えなかった。
【０００８】
そこで、本発明では、光導波路型モジュールにおけるチップの温度の均一性、チップにかかる応力の低減化、チップを加熱するための加熱手段の低消費電力化を図ることが可能な光導波路型モジュール用パッケージを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するために、本発明によれば、導波路を形成したチップと、該チップを加熱するヒータと、該ヒータの熱を均一に分布させて前記チップに伝えるべく介在させた高熱伝導性材料と、を含むことを特徴とする光導波路型モジュール用パッケージが提供される。
【００１０】
前記高熱伝導性材料を前記チップと前記ヒータとの間に介在させたことを特徴とする。この場合において、前記高熱伝導性材料は平面状であって、該材料の一方の面を接着剤を介して前記チップに接着し、該材料の他方の面を接着剤を介して前記ヒータに接着し、前記高熱伝導性材料のチップ側の接触面積は、前記チップの該高熱伝導性材料側の面積よりも小さいことを特徴とする。
【００１１】
前記チップはシリコン上にガラス導波路を形成したシリコンチップであり、前記ヒータはアルミナ製ヒータであり、前記高熱伝導性材料はＣｕ−Ｗ合金であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記ヒータを前記チップに隣接させて配置し、前記高熱伝導性材料を前記ヒータの前記チップ側とは反対側に接続することも可能である。
【００１３】
また、本発明によれば、導波路を形成したチップと、該チップを加熱するヒータと、該ヒータの熱を均一に分布させて前記チップに伝えるべく、前記チップと前記ヒータとの間に介在させた高熱伝導性材料と、から成るコア部と；該コア部を支持するパッケージ本体と；前記ヒータと該パッケージ本体の底面との間に空気層が規定されるように前記コア部をパッケージ本体に支持する手段と；を具備することを特徴とする光導波路型モジュール用パッケージが提供される。
【００１４】
この場合において、前記コア部をパッケージ本体の底面に支持する手段は、前記ヒータと該パッケージ本体の底面との間の接触面積が少なくなるように両者間に設けた脚部から成ることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の光導波路型モジュール用パッケージを使用するに適した光合分波システムの一例を示すものである。１は発光部であり、複数のレーザダイオード（ＬＤ）等からなり、それぞれ異なる波長のレーザ光信号を発光する。２はモジュレータであり、各レーザダイオード（ＬＤ）にて発光され且つ光ファイバを伝送された各波長の光信号を変調する。３は合波部であり、レーザダイオード（ＬＤ）にて発光された波長の異なる光信号を１本の光ファイバで伝送可能となるように合波する。４は増幅部であり、カプラー４ａ、アイソレータ４ｂ、フィルタ４ｃ、励起用ＬＤ４ｄ等を具備する。５は分波部であり、１本の光ファイバで伝送された波長の異なる光信号を各波長ごとの光信号に分波する。分波され且つ複数の光ファイバで伝送される各光信号は、フィルタ６、スイッチ７、アッテネータ（減衰器）８を通り受光素子（フォトダイオード）９にて受光される。
【００１７】
図２は基板上にスラブ導波路を形成して成る、アレイ導波路格子（Ａｒｒａｙｅｄ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｇｒａｔｉｎｇ：　ＡＷＧ）光波長合分波回路（チップ）２０を示す。矩形で板状のシリコン又は石英基板１０の上に複数本のガラス導波路１１がアレイ状に形成されている。異なった波長の光信号Ａがそれぞれ図示しない光ファイバから伝送され、基板１０上の複数の導波路１１ａに入力される。各導波路１１ａを伝送された光信号は格子１２にて多重化され、２つの導波路１１ｂ、１１ｃに合波される。更に、格子１３にて１つの導波路１１ｄに合波される。合波された光信号Ｂは、図示しない光ファイバへ伝送される。
【００１８】
この種のチップ２０を支持するパッケージ構造体は、前述のように、チップの温度均一性を図ること、チップの光導波路部分に応力を与えないこと、低消費電力化を図ることが要求される。これらの要求を実現するために、図３〜９において比較例と共に本発明の実施形態を説明する。これらの図において、２０はチップ、２２は接着剤、２４はアルミナ製ヒータ、２６は高熱伝導性材料を示す。
【００１９】
チップ２０の均熱性を確保するためのヒータとして、矩形で平板状のアルミナ製ヒータ２４を用いる。このヒータ２４の内部に配線されている抵抗回路には、通常使用されているタングステン（Ｗ）を用いる。この場合、均熱性、応力、消費電力はいづれも光学特性を発揮させるには不十分な値であった。
【００２０】
図３〜図５は、特にチップの均熱性を考慮したもので、図３は比較例、図４は第１実施形態、図５は第１実施形態をそれぞれ断面図で示す。図３に示す比較例では、アルミナ製ヒータ２４を接着剤２２により直接チップ２０に接合している。チップ２０は、前述のように、基板上にスラブ導波路を形成したもので、チップ２０の導波路形成面とは反対側の基板面を接着剤２２によりアルミナ製ヒータ２４に直接接合している。
【００２１】
これに対し、図４に示す第１実施形態では、チップ１０とアルミナ製ヒータ２４との間に、熱伝導性の高い矩形平板状の材料（高熱伝導性材料）２６を挿入している。即ち、チップ１０と高熱伝導性材料２６との間、及び高熱伝導性材料２６とアルミナ製ヒータ２４との間は接着剤２２により接合されている。熱伝導性の高い平板状の材料（高熱伝導性材料）２６としては、シリコン、窒化アルミニウム、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ等であり、熱伝導性率はα＞１５０Ｗ／ｍ℃であるのが望ましい。
【００２２】
このように、アルミナ製ヒータ２４に高熱伝導性材料２６を貼り付けることで、熱容量を増加させるとともに、ヒータ側の熱を全体的に均等化する作用をする。
【００２３】
図５に示す第２実施形態では、高熱伝導性材料２６を、第１実施形態のようにチップ２０とアルミナ製ヒータ２４との間にではなく、アルミナ製ヒータ２４のチップ２０とは反対側に配置している。即ち、アルミナ製ヒータ２４は接着剤２２によりチップ２０に直接接合させ、高熱伝導性材料２６をアルミナ製ヒータ２４の裏面側に貼り付けている。この場合においても、アルミナ製ヒータ２４の熱は高熱伝導性材料２６にてその平面全体にわたって均等化されチップ２０に対して均熱化を図ることができる。
【００２４】
図６及び図７は、特にチップの光導波路部分に応力を与えないように配慮したもので、図６は比較例、図７は第３実施形態を示す。
【００２５】
図６に示す比較例では、チップ２０とアルミナ製ヒータ２４との間に、熱伝導性の高い平板状の材料（高熱伝導性材料）２６を挿入し、これらの間をそれぞれ接着剤２２により接合しているが、チップ２０の矩形の接合面の面積、高熱伝導性材料２６の矩形の上下面の面積、及びアルミナ製ヒータ２４の矩形の接合面側の面積がほぼ同一である。そして、これらの三者が互いに面一に接合されている。
【００２６】
これに対し、図７に示す第３実施形態では、矩形平板状の高熱伝導性材料２６の面積を相対的に小さくしている。即ち、高熱伝導性材料２６のチップ２０側の接触面積を、チップ２０の高熱伝導性材料２６側の面積よりも小さくしている。
【００２７】
本来チップ２０にかかる応力は、チップ２０の熱膨張率と異なる材料のものがチップ２０に接着されることによって生ずる。その場合の発生応力は、相互の熱膨張率の差が大きければ大きい程、また接触面積が広ければ広い程、大きくなる。しかしながら、チップ２０の発生応力は単にチップが接着される部品との関係だけで決まるものではない。そのため、チップの周辺部及びその接触面積をも含めた応力解析を行なって、最適な構成を検討した。その結果、チップ２０を接着する部品は、単純にチップ２０との熱膨張率差の小さいものを使用すれば良い、というのではないことが判明した。チップとして、シリコン上のガラス導波路を形成したものを使用し、またヒータとして、アルミナ製ヒータを用いた場合は、両者間に挿入する高熱伝導性材料２６は、シリコンとの熱膨張率が近い窒化アルミニウムを使用するよりも、比較的シリコンとの熱膨張率に差のあるＣｕ−Ｗ合金を使用した方がチップの発生応力が小さいことが判明した。
【００２８】
したがって、チップ２０の接触面積を、チップ２０のほぼ全体領域からチップ２０上の格子１２、１３（図２）や導波路を含む光学回路形成部Ｃ（図７）に対応する領域にまで縮小し、チップ２０の発生応力を低減することとした。
【００２９】
シミュレーション・テストによると、接触面積を縮小後のモデルで、高熱伝導材料として窒化アルミニウムからＣｕ−Ｗ合金に変更した場合の発生応力は、約７５％に減少した。
【００３０】
一方、接触面積を約１／３に減少し且つ高熱伝導材料２６としてＣｕ−Ｗ合金を使用した場合、シミュレーション・テストの結果、発生応力は約２３％に減少することがわかった。
【００３１】
したがって、接触面積をチップ２０の全体領域からチップ２０上の格子や導波路を含む光学回路形成部の形成領域Ｃにまで縮小すると共に、高熱伝導材料２６としてＣｕ−Ｗ合金を使用するのが好適であることがわかった。
【００３２】
図８及び図９は、特にアルミナ製ヒータ２４の消費電力の低減化を図ることを配慮したもので、図８は比較例、図９は第４実施形態を示す。導波路を形成したチップ２０と、チップ２０を加熱するアルミナ製ヒータ２４と、チップ２０とアルミナ製ヒータ２４との間に介在させた高熱伝導性材料２６とから成る構成は、図７の第３実施形態と同じである。即ち、チップ２０とアルミナ製ヒータ２４との間の接触面積をチップ２０の面積より小さくしている。以上の部分をコア部３０と称する。
【００３３】
図８に示す比較例では、コア部３０をパッケージ３４の内壁に支持・固定するにあたって、アルミナ製ヒータ２４の裏面にヒータフランジ３２を介在させてコア部３０をパッケージ３４の内壁面３４ａに固定していた。ヒータフランジ３２を使用する場合は、アルミナ製ヒータ２４とパッケージ内壁面３４ａとの間の空気層の容積を十分とることができず、十分な断熱効果が得られなかった。
【００３４】
アルミナ製ヒータ２４の消費電力の低減化を図るには、加熱すべき部分の断熱効果を高めることが必要である。また、コア部３０を支持するパッケージ構造及び構成部品の材料選定にあたっては、加熱部分の周辺の熱抵抗を高める方向に変更するのが好適である。
【００３５】
図９に示す第４実施形態によると、コア部３０をパッケージ３４の底面上に支持するのに、パッケージ３４の内壁３４ａに対してなるべく接触面積が少なくなるようにし、且つその間に熱抵抗の高い空気層３８を介在させるようにするのが好適である。このため、アルミナ製ヒータ２４の裏面の４隅にインナーステー（突起ないし脚）３６を設け、アルミナ製ヒータ２４の裏面とパッケージの内壁面３４ａとの間の相互接続のための面積（接触面積）を少なくして、即ちこれらのインナーステー部の部分のみに限定して、アルミナ製ヒータ２４の裏面とパッケージ３４の内壁面３４ａとの間隔を確保して空気層３８の容量を確保するようにした。この空気層３８は断熱効果によりアルミナ製ヒータ２４の消費電力を低減する効果がある。
【００３６】
シミュレーションテストによると、上記のように、アルミナ製ヒータ２４とパッケージの内壁面３４ａ間に空気層３８を確保することで、消費電力を約２２％に減少することができた。また、パッケージ底面に厚さ（ｔ）が１ｍｍの突起３６を設けることで、約２０％から約５０％の消費電力の低減効果が期待できるという結果が得られた。
【００３７】
以上添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神ないし範囲内において種々の形態、変形、修正等が可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板に導波路を形成したチップを支持・固定するパッケージ構造体において、チップの温度均一性を図ることができ、チップの光導波路部分に応力を与えず、且つヒータの低消費電力化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路型モジュール用パッケージを使用するに適した光合波分波システムの一例を示す。
【図２】基板上にスラブ導波路を形成して成る、アレイ導波路格子（Ａｒｒａｙｅｄ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｇｒａｔｉｎｇ：　ＡＷＧ）光波長合分波回路（チップ）を示す。
【図３】チップの均熱性を検討する比較例を示す。
【図４】チップの均熱性を考慮した本発明の第１実施形態を示す。
【図５】チップの均熱性を考慮した本発明の第２実施形態を示す。
【図６】チップの応力低減を検討する比較例を示す。
【図７】チップの応力低減を考慮した本発明の第３実施形態を示す。
【図８】ヒータの低消費電力化を検討する比較例を示す。
【図９】ヒータの低消費電力化を考慮した本発明の第４実施形態を示す。
【符号の説明】
２０…チップ
２２…接着剤
２４…ヒータ
２６…高熱伝導材料
３０…コア部
３４…パッケージ
３６…インナーステー
３８…空気層
【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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