JP2015068997A - 光電気変換装置およびそれを用いた光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光結合損失をより低減することが可能な光電気変換装置およびそれを用いた光モジュールを提供する。
【解決手段】光電気変換装置１０は、光ファイバ素線２ａが収容される第１溝１ａと第１溝１ａに連通する第２溝１ｂとを有するマウント基板１と、マウント基板１に実装され第２溝１ｂを通過する光信号の光の光電気変換を行う光半導体素子３と、光ファイバ素線２ａと光半導体素子３との間に設けられ光信号を透過する光学素子４とを備え、マウント基板１は、第２溝１ｂの一部に、第２溝１ｂの幅より広い凹部１ｄを有し、凹部１ｄは、光ファイバ素線２ａのコア部２１の径より大きい光学素子４が載置されてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号を光ファイバで伝送する光通信機器に好適に用いられる光電気変換装置およびそれを用いた光モジュールに関する。

近年、インターネットなどの通信網の発展に伴って、光ファイバを用いた光ファイバ通信が急速に普及してきている。光ファイバ通信には、光ファイバへ光信号の光を出射する発光素子や光ファイバから光信号の光を受光する受光素子となる光半導体素子を備えた光電気変換装置が用いられている。

この種の光電気変換装置を用いた光モジュール１００としては、図２１ないし図２３に示すものが知られている（たとえば、特許文献１を参照）。

光モジュール１００は、複数のＬＤ１１２からなる光源アレイ１１０と、２つのマイクロレンズアレイ１２０ａ，１２０ｂと、光ファイバ群１３０と、複数のＶ溝１９２を備えたシリコンプラットフォーム１９８とを有している。シリコンプラットフォーム１９８は、光ファイバ群１３０の光ファイバ１３２を、Ｖ溝群１９０のＶ溝１９２に位置決め載置する。光モジュール１００は、光源アレイ１１０側にマイクロレンズアレイ１２０ａを配置している。光モジュール１００は、光ファイバ群１３０側にマイクロレンズアレイ１２０ｂを配置している。

マイクロレンズアレイ１２０ａは、複数のレンズ部１０２を一体化した取扱部１０４を有している。マイクロレンズアレイ１２０ａは、レンズ部１０２およびＶ溝１９２に適合する形状の張出部１０５を有している。また、マイクロレンズアレイ１２０ａは、取扱部１０４の上面１０６および側面１０７を平坦に形成している。レンズ部１０２は、レンズ部１０２の外周の一部としての縁部１０３を有している。

光モジュール１００では、マイクロレンズアレイ１２０ａ，１２０ｂは、Ｖ溝１９２に適合する形状を有するため、光ファイバ１３２とともにＶ溝１９２への高精度なパッシブアライメントが可能であり、小型化とともに高精度の実装が達成される、としている。

特開２００４−１０９４９８号公報

ところで、光電気変換装置は、光結合損失のより少ないものが求められており、上述の光モジュール１００の構造だけでは十分ではなく、更なる改良が求められている。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、光結合損失をより低減することが可能な光電気変換装置およびそれを用いた光モジュールを提供することにある。

本発明の光電気変換装置は、光信号を伝送する光ファイバ素線が収納される第１溝と当該第１溝に連通する第２溝とを一表面に有するマウント基板と、当該マウント基板の上記一表面側に実装され上記第２溝を通過する上記光信号の光の光電気変換を行う光半導体素子と、上記光ファイバ素線と上記光半導体素子との間に設けられ上記光信号を透過する光学素子とを備えており、上記マウント基板は、上記第２溝の一部に、上記第２溝の幅より広い凹部を有しており、上記凹部は、上記光ファイバ素線のコア部の径より大きい上記光学素子が載置されてなることを特徴とする。

この光電気変換装置において、上記凹部は、上記第２溝の深さより深いことが好ましい。

この光電気変換装置において、上記光学素子は、上記光信号の光を集光するレンズであることが好ましい。

この光電気変換装置において、上記マウント基板は、上記第２溝における上記光半導体素子側と上記光学素子との間に上記光信号の光を導波する光導波部を備えたことが好ましい。

この光電気変換装置において、上記マウント基板は、上記第２溝における上記光ファイバ素線側と上記光学素子との間に上記光信号の光を導波する光導波部を備えたことが好ましい。

この光電気変換装置において、上記光導波部は、上記光信号の光を導波させるコア部位と、当該コア部位を囲み上記光信号の光を上記コア部位に閉じ込めるクラッド部位とを備え、少なくとも上記コア部位が上記光信号の入射面側から出射面側にかけて光を絞り込むテーパ形状であることが好ましい。

この光電気変換装置において、上記凹部は、上記光ファイバ素線側の第１の凹部と、上記光半導体素子側の第２の凹部とを備え、上記光学素子は、上記第１の凹部に載置された第１光学素子と、上記第２の凹部に載置された第２光学素子とを備え、上記第１光学素子と上記第２光学素子とのうちの一方は、当該一方の上記第１光学素子または上記第２光学素子に入射される入射光を上記第１光学素子と上記第２光学素子との間で平行光とし、上記第１光学素子と上記第２光学素子とのうちの他方は、上記第１光学素子と上記第２光学素子との間の平行光を集光して出射することが好ましい。

本発明の光モジュールは、上述の光電気変換装置と、当該光電気変換装置の上記第１溝に固定する上記光ファイバ素線を有する光ファイバとを備えたことを特徴とする。

本発明の光電気変換装置では、マウント基板は、第２溝の一部に、第２溝の幅より広い凹部を有しており、凹部は、光ファイバ素線のコア部の径より大きい光学素子が載置されてなる構成とすることにより、光結合損失をより低減することが可能になる、という効果がある。

本発明の光モジュールでは、上述の光電気変換装置と、光ファイバとを備えることにより、光結合損失をより低減することが可能になる、という効果がある。

図１は、実施形態１の光電気変換装置を示し、（ａ）は平面説明図、（ｂ）は断面説明図である。 図２は、実施形態１の光電気変換装置を用いた光モジュールを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面説明図である。 図３は、実施形態１における光モジュールを用いた光通信機器を説明する側面説明図である。 図４は、実施形態１の別の光電気変換装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面説明図である。 図５は、実施形態１の光電気変換装置の要部を示し、（ａ）は略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸＸ断面図である。 図６は、実施形態１の光電気変換装置の別の要部を示し、（ａ）は略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸＸ断面図である。 図７は、実施形態１の光電気変換装置の他の要部を示し、（ａ）は略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸＸ断面図である。 図８は、実施形態１の光電気変換装置のさらに別の要部を示し、（ａ）は略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸＸ断面図である。 図９は、実施形態１の光電気変換装置のさらに他の要部を示し、（ａ）は略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸＸ断面図である。 図１０は、実施形態１の光電気変換装置のさらに異なる要部を示し、（ａ）は略平面図、（ｂ）は（ａ）のＸＸ断面図である。 図１１は、実施形態１の光電気変換装置における光学素子を示し、（ａ）は球面レンズ、（ｂ）は楕円体形状のレンズ、（ｃ）は非球面レンズ、それぞれの略側面図である。 図１２は、実施形態１の光電気変換装置における別の光学素子を示し、（ａ）は球面レンズ、（ｂ）は楕円体形状のレンズ、（ｃ）は非球面レンズ、それぞれの略側面図である。 図１３は、実施形態１の光電気変換装置における他の光学素子を示し、（ａ）は球面レンズ、（ｂ）は楕円体形状のレンズ、（ｃ）は非球面レンズ、それぞれの略側面図である。 図１４は、実施形態１の光電気変換装置におけるさらに別の光学素子を示し、（ａ）は球面レンズ、（ｂ）は楕円体形状のレンズ、（ｃ）は非球面レンズ、それぞれの略側面図である。 図１５は、実施形態２の光電気変換装置を示し、（ａ）は平面説明図、（ｂ）は断面説明図である。 図１６は、実施形態２の別の光電気変換装置を示し、（ａ）は平面説明図、（ｂ）は断面説明図である。 図１７は、実施形態３の光電気変換装置を示し、（ａ）は平面説明図、（ｂ）は断面説明図、(ｃ)は要部における光路を説明する光路説明図である。 図１８は、実施形態３の別の光電気変換装置を示し、（ａ）は平面説明図、（ｂ）は断面説明図、(ｃ)は要部における光路を説明する光路説明図である。 図１９は、実施形態３の他の光電気変換装置を示し、（ａ）は平面説明図、（ｂ）は断面説明図、(ｃ)は要部における光路を説明する光路説明図である。 図２０は、実施形態３の更に別の光電気変換装置を示し、（ａ）は平面説明図、（ｂ）は断面説明図、(ｃ)は要部における光路を説明する光路説明図である。 図２１は、従来の光モジュールの構成を示す上面図である。 図２２は、図２１の光モジュールに用いられるマイクロレンズアレイの構成を示す斜視図である。 図２３は、図２１の光モジュールの部分拡大斜視図である。

（実施形態１）
以下では、本実施形態の光電気変換装置１０、光モジュール２０および光通信機器３０について、図１ないし図１４を用いて説明する。なお、同一の構成については、同一の番号を用いて重複する説明を適宜省略している。

本実施形態の光電気変換装置１０は、図１に示すように、光信号を伝送する光ファイバ素線２ａが収容される第１溝１ａと第１溝１ａに連通する第２溝１ｂとを一表面１ａａに有するマウント基板１を備えている。光電気変換装置１０は、マウント基板１の一表面１ａａ側に実装され第２溝１ｂを通過する光信号の光の光電気変換を行う光半導体素子３を備えている。光電気変換装置１０は、光ファイバ素線２ａと光半導体素子３との間に設けられ光信号を透過する光学素子４を備えている。マウント基板１は、第２溝１ｂの一部に、第２溝１ｂの幅より広い凹部１ｄを有している。凹部１ｄは、光ファイバ素線２ａのコア部２１の径より大きい光学素子４が載置されてなる。

これにより、本実施形態の光電気変換装置１０は、光結合損失をより低減することが可能となる。

まず最初に、本実施形態の光電気変換装置１０を用いた光モジュール２０で構成する光通信機器３０について、図２および図３を用いて説明する。

光通信機器３０は、図３に示すように、光信号の光を発光する発光側の光電気変換装置１０を用いた光モジュール２０と、光信号の光を受光する受光側の光電気変換装置１０を用いた光モジュール２０とを備えている。以下では、発光側の光電気変換装置１０を光電気変換装置１０Ａ、発光側の光モジュール２０を光モジュール２０Ａとも称する。また、以下では、受光側の光電気変換装置１０を光電気変換装置１０Ｂ、受光側の光モジュール２０を光モジュール２０Ｂとも称する。光通信機器３０は、たとえば、図３の紙面の上側の光モジュール２０を発光側とすると、図３の紙面の下側の光モジュール２０を受光側とすることができる。光通信機器３０は、光ファイバ２により、発光側の光モジュール２０Ａと受光側の光モジュール２０Ｂとの間を光学的に結合している。言い換えれば、光通信機器３０は、光ファイバ２を介して、発光側の光電気変換装置１０Ａから受光側の光電気変換装置１０Ｂに光信号を伝送可能に構成している。光通信機器３０は、光モジュール２０と、光モジュール２０と電気的に接続する配線基板３２と、光モジュール２０Ａと光モジュール２０Ｂの間を光結合する光ファイバ２とを備えている。光通信機器３０は、光モジュール２０の電気コネクタ１８と、配線基板３２の電気コネクタ３７とを嵌め合わせて、電気的に接続可能に構成している。

光通信機器３０は、受光側の光モジュール２０Ｂの基本的な構成と、発光側の光モジュール２０Ａの基本的な構成とを同様にして構成している。以下、光モジュール２０は、受光側を中心として説明する。

光モジュール２０は、平板状のインタポーザ基板１６上に光電気変換装置１０を備えている。光モジュール２０は、接着剤などを用いて、光電気変換装置１０のマウント基板１をインタポーザ基板１６の表面１６ａａに実装している。光モジュール２０は、インタポーザ基板１６の表面１６ａａ側に、光ファイバ２を接着剤（図示していない）によって接合することができる。

受光側の光モジュール２０は、受光素子たる光半導体素子３からの電気信号を受信して信号処理する信号処理装置８を備えている。信号処理装置８は、たとえば、電流・電圧の変換を行うＴＩＡ（Trans-Impedance Amplifier）などにより構成することができる。信号処理装置８は、ＩＣ素子などを用いて構成することができる。なお、信号処理装置８は、発光側の光モジュール２０の場合、発光素子たる光半導体素子３の駆動を制御する制御ドライバを構成する駆動ＩＣなどで構成することができる。光モジュール２０は、インタポーザ基板１６の表面１６ａａに、光半導体素子３や信号処理装置８と電気的に接続させる配線３６を備えている。光モジュール２０は、信号処理装置８をインタポーザ基板１６に実装し、光半導体素子３を光電気変換装置１０のマウント基板１に実装している。これにより、光モジュール２０は、信号処理装置８からの熱的影響が光半導体素子３に及ぶことを低減することが可能となる。また、光モジュール２０は、マウント基板１が実装されるインタポーザ基板１６の表面１６ａａと反対の裏面１６ａｂに、電気コネクタ１８を実装することで、インタポーザ基板１６の両面を実装面として利用している。

光モジュール２０は、ワイヤ１３を用いて、インタポーザ基板１６の配線３６と、光電気変換装置１０の光半導体素子３側とを電気的に接続している。同様に、光モジュール２０は、ワイヤ１３を用いて、インタポーザ基板１６の配線３６と、信号処理装置８とを電気的に接続している。ワイヤ１３は、たとえば、金線やアルミニウム線などを用いることができる。光モジュール２０では、インタポーザ基板１６の表面１６ａａに設けた配線３６やワイヤ１３を介して、光半導体素子３と信号処理装置８とを電気的に接続することができる。光モジュール２０は、信号処理装置８や光半導体素子３側とインタポーザ基板１６の配線３６との電気的な接続をワイヤ１３により行うものだけに限られない。光モジュール２０は、光半導体素子３が実装されたマウント基板１と、インタポーザ基板１６の配線３６とを、バンプにより電気的に接続する構成としてもよい。同様に、光モジュール２０は、信号処理装置８と、インタポーザ基板１６の配線３６とを、バンプにより電気的に接続する構成としてもよい。

光モジュール２０は、光電気変換装置１０および信号処理装置８を囲むように、シールドケース１９をインタポーザ基板１６上に好適に設けている（図２(ｂ)を参照）。シールドケース１９は、シールドケース１９の貫通孔１９ａから光ファイバ２をシールドケース１９の外部に導出している。なお、光モジュール２０は、封止樹脂１４により、ワイヤ１３や配線３６を封止していることが好ましい。

光モジュール２０は、シールドケース１９の貫通孔１９ａを通して、シールドケース１９の内部に挿入された光ファイバ２が光電気変換装置１０と光学的に接合している。なお、光ファイバ２は、光信号の光を導波させるコア部２１と、コア部２１を囲み光信号の光をコア部２１に閉じ込めるクラッド部２２とを備えた光ファイバ素線２ａを有する構成とすることができる。光ファイバ２は、光ファイバ素線２ａのクラッド部２２の外周を保護する被覆部２３を備えている。光ファイバ２は、コア部２１と、クラッド部２２と、被覆部２３とを同心状に配置している。光ファイバ２は、たとえば、断面視において、円形に形成している。光ファイバ２は、被覆部２３が剥がされた部分において、光ファイバ素線２ａが露出している。光モジュール２０は、光電気変換装置１０におけるマウント基板１の第１溝１ａに、光ファイバ２の被覆部２３を剥した光ファイバ素線２ａを収納している。すなわち、光モジュール２０は、光電気変換装置１０と、光電気変換装置１０の第１溝１ａに固定する光ファイバ素線２ａを有する光ファイバ２とを備えた構成としている。

以下では、本実施形態の光電気変換装置１０について、より詳細に説明する。

光電気変換装置１０は、一表面１ａａに第１溝１ａと第１溝１ａに連通する第２溝１ｂを有するマウント基板１を備えている。光電気変換装置１０は、マウント基板１の一表面１ａａにおいて、第１溝１ａと第２溝１ｂとを直線状に設けている。第１溝１ａは、光ファイバ素線２ａを収納可能なものである。第１溝１ａは、光ファイバ２の光ファイバ素線２ａの少なくとも一部を収容し、位置決めできるものであればよい。第２溝１ｂは、伝送する光信号の光が通過可能な光路の一部を構成することができる。第１溝１ａおよび第２溝１ｂは、たとえば、Ｖ溝構造に形成することができる。

また、光電気変換装置１０は、第２溝１ｂの一部に、第２溝１ｂの幅より広い凹部１ｄを有している。凹部１ｄは、第２溝１ｂの深さより深くしている。第２溝１ｂの深さより深い凹部１ｄは、光ファイバ素線２ａのコア部２１の径より大きい光学素子４の位置決めを比較的簡単に行うことが可能となる。なお、凹部１ｄの深さとは、マウント基板１の厚み方向における最深部からマウント基板１の一表面１ａａ側までの距離をいう。言い換えれば、凹部１ｄは、光信号の光が進行する光軸と垂直方向の断面の大きさが、第２溝１ｂと異なる形状としている。本実施形態の光電気変換装置１０では、光学素子４として、樹脂製の球状レンズを用いて構成している。光学素子４は、入射光を集光して出射することができる。

マウント基板１は、第２溝１ｂの端部に、光信号の光の光路を変更するミラー部１ｍを好適に備えている。ミラー部１ｍは、マウント基板１の一表面１ａａに沿った光を、一表面１ａａの法線方向に沿った光に光路を変更させることができる。同様に、ミラー部１ｍは、一表面１ａａの法線方向に沿った光を、マウント基板１の一表面１ａａに沿った光に光路を変更させることもできる。

マウント基板１は、光信号の光の光電気変換を行う光半導体素子３を実装している。光電気変換装置１０は、バンプ６を用いて、光半導体素子３をマウント基板１の一表面１ａａに実装している。マウント基板１は、光半導体素子３をマウント基板１の一表面１ａａ上に配置する場合、光半導体素子３の真下となる位置に、光信号の光の光路を変更するミラー部１ｍを備えた構成とすることができる。

本実施形態の光電気変換装置１０では、単結晶のシリコン基板を用いて、マウント基板１を形成している。マウント基板１は、半導体微細加工技術を利用した半導体エッチングプロセスにより、比較的簡単にマウント基板１の一表面１ａａを加工することが可能となる。マウント基板１は、たとえば、シリコンの結晶方位を利用した異方性エッチングにより、マウント基板１の一表面１ａａに所定形状の第１溝１ａ、第２溝１ｂ、凹部１ｄやミラー部１ｍを高精度に形成することが可能となる。

光電気変換装置１０は、マウント基板１にシリコン基板を用いた場合、たとえば、ＫＯＨ(水酸化カリウム)溶液やＴＭＡＨ(テトラメチルアンモニアハイドロオキサイド)溶液などによるシリコンの異方性エッチングを行うことができる。本実施形態の光電気変換装置１０は、シリコンの結晶方位を利用した異方性エッチングにより、第１溝１ａを形成することが可能であり、第１溝１ａは光ファイバ素線２ａの設置の位置ずれを低減することが可能となる。また、本実施形態の光電気変換装置１０は、シリコンの結晶方位を利用した異方性エッチングにより、光信号の光を通過させる第２溝１ｂを形成することが可能である。さらに、本実施形態の光電気変換装置１０は、シリコンの結晶方位を利用した異方性エッチングにより、凹部１ｄを形成することが可能であり、凹部１ｄは光学素子４の設置の位置ずれを低減することが可能となる。本実施形態の光電気変換装置１０では、光学素子４は、光信号の光を集光するレンズである。光電気変換装置１０は、光学素子４の位置決めを正確に行うことで、光学設計通りにレンズの焦点を合わせることが容易となるから、光結合損失をより低減することが可能となる。

また、光電気変換装置１０は、シリコンの結晶方位を利用した異方性エッチングにより、第２溝１ｂを通過する光信号の光を反射するミラー部１ｍをマウント基板１に形成することもできる。また、ミラー部１ｍの傾斜角度は、光結合効率や光電気変換装置１０の大きさなどを考慮して適宜に設定してもよい。また、ミラー部１ｍは、傾斜面に金やアルミニウムを蒸着することにより形成してもよい。

ところで、光通信機器３０では、伝送する光信号の更なる高速化が求められている。光電気変換装置１０では、光信号の高速化のため、光半導体素子３の広帯域化が要求される。光半導体素子３は、たとえば、受光素子の場合、広帯域化に伴い信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）が悪くなり、信号の立ち上がりや立下りが遅くなる傾向にある。光電気変換装置１０では、光信号を高速化すれば、受光素子のキャパシタンスが増え信号が通りにくくなり、受信感度の低下や伝送エラーが増大することを抑制できるように、受光素子の受光部の大きさを小さくする必要がある。受光素子の受光部は、たとえば、光信号の速度が１０Ｇｂｐｓにおいて、直径が７０μｍ程度以下、光信号の速度が１２．５Ｇｂｐｓにおいて、直径が６０μｍ程度以下の大きさにすることが好ましい。同様に、受光素子の受光部は、たとえば、光信号の速度が１４Ｇｂｐｓにおいて、直径が５５μｍ程度以下、光信号の速度が１６Ｇｂｐｓにおいて、直径が３２μｍ程度以下の大きさにすることが好ましい。また、受光素子の受光部は、たとえば、光信号の速度が２５Ｇｂｐｓにおいて、直径が２０μｍ程度以下、光信号の速度が４０Ｇｂｐｓにおいて、直径が１２μｍ程度以下の大きさにすることが好ましい。

本実施形態の光電気変換装置１０では、光ファイバ２側と光半導体素子３側との間で光学素子４を用いて光を集光している。また、光電気変換装置１０は、光学設計に基づいて光学素子４をより正確に配置させることができる。そのため、光電気変換装置１０は、光信号の高速化に伴って、受光素子の受光部の大きさが小さくなる場合においても、光結合損失が増大することを抑制しつつ、光を集光させることができる。

光電気変換装置１０は、光ファイバ素線２ａが収容される第１溝１ａ、第１溝１ａに連通する第２溝１ｂ、光学素子４が載置される凹部１ｄやミラー部１ｍなどを、半導体エッチングプロセスにより同時に形成することができる。光電気変換装置１０は、光学素子４と、光ファイバ素線２ａとを高精度にパッシブアライメントすることにより、光半導体素子３側と、光ファイバ素線２ａ側との間で生ずる光結合損失を低減することが可能となる。

なお、光電気変換装置１０では、マウント基板１は、光半導体素子３や光学素子４と光学的に結合可能な光導波部５を好適に備えることができる。光導波部５は、第２溝１ｂの長手方向に沿ってマウント基板１に設けている。光導波部５は、屈折率の高いコア部位５ａと、コア部位５ａより屈折率の低いクラッド部位５ｂとを備えた構成とすることができる。光導波部５は、コア部位５ａをクラッド部位５ｂで覆った構成とすることができる。光導波部５は、光が伝播するコア部位５ａの形状を、断面視において、正方形状にすることができる。光電気変換装置１０は、マウント基板１の第２溝１ｂに光導波部５を設けることで、光導波部５のコア部位５ａと光ファイバ素線２ａとの光軸を一致させた状態で位置決めし、光導波部５と光ファイバ素線２ａとを光学的に結合することができる。本実施形態の光電気変換装置１０は、光半導体素子３が受光素子である場合、ミラー部１ｍを介して、光導波部５のコア部位５ａから光信号の光を受光する。光電気変換装置１０は、光半導体素子３が発光素子の場合、ミラー部１ｍを介して、光導波部５のコア部位５ａに光信号の光を出射する。

本実施形態の光電気変換装置１０では、図１に示すように、マウント基板１は、第２溝１ｂにおける光半導体素子３側と光学素子４との間に光信号の光を導波する光導波部５を備えている。これにより、光電気変換装置１０は、光半導体素子３の近傍に光学素子４を配置するのと同様の構成とすることができ、光信号の光の集光を効率よく行うことが可能となる。光電気変換装置１０は、第２溝１ｂにおける光半導体素子３側と光学素子４との間に光導波部５を備えた構成だけに限られない。光電気変換装置１０では、図４に示すよう、マウント基板１は、第２溝１ｂにおける光ファイバ素線２ａ側と光学素子４との間に光信号の光を導波する光導波部５を備え構成としてもよい。これにより、光電気変換装置１０は、光ファイバ素線２ａの近傍に光学素子４を配置するのと同様の構成とすることができ、光信号の光の集光を効率よく行うことが可能となる。光電気変換装置１０は、ミラー部１ｍ側と光ファイバ素線２ａ側との距離が短ければ、単に空気中に光信号の光を伝搬させるようにしても損失が少ない場合がある。この場合、光電気変換装置１０は、光導波部５を省略してもよい。

光電気変換装置１０は、マウント基板１の第１溝１ａ内に設置された光ファイバ素線２ａのコア部２１が、光学素子４を介して、光導波部５のコア部位５ａと光学的に接続している。光電気変換装置１０は、ミラー部１ｍを介して、受光素子である光半導体素子３が光導波部５のコア部位５ａからの光信号を受光する。光電気変換装置１０では、光半導体素子３が発光素子である発光側のマウント基板１は、ミラー部１ｍを介して、光導波部５のコア部位５ａに光信号を出射する。

光電気変換装置１０は、光ファイバ素線２ａと光半導体素子３との間に光学素子４を介在させており、光ファイバ素線２ａから出射して受光素子たる光半導体素子３に入射する光や発光素子たる光半導体素子３から出射する光が広がることを低減させることができる。したがって、光電気変換装置１０は、光結合損失を抑制することが可能となる。

以下では、本実施形態の光電気変換装置１０の各構成について詳述する。

マウント基板１は、光ファイバ素線２ａが収容される第１溝１ａ、第１溝１ａに連通する第２溝１ｂおよび光学素子４を載置する凹部１ｄを有するものである。マウント基板１は、単結晶のシリコン基板などの半導体基板を好適に用いることができる。マウント基板１は、マウント基板１の表面に絶縁性のシリコン酸化膜を備えていてもよい。シリコン基板よりなるマウント基板１では、光信号が赤外光の場合、光信号の光が減衰しながら透過する性質を有している。シリコン酸化膜は、光信号の赤外光を反射する反射面を構成することも可能となる。マウント基板１の材料は、半導体材料だけに限られず、窒化アルミニウムや窒化ケイ素などのセラミックス材料であってもよい。

マウント基板１は、１つのマウント基板１上に第１溝１ａおよび第１溝１ａに連通する第２溝１ｂを１本だけ設けたものに限られない。したがって、マウント基板１は、第１溝１ａおよび第２溝１ｂの数は限定されるものではなく、第１溝１ａおよび第１溝１ａに連通する第２溝１ｂを複数本形成してもよい。マウント基板１は、複数本の第１溝１ａおよび第１溝１ａに連通する複数本の第２溝１ｂをマウント基板１の一表面１ａａで、それぞれ平行となるように設けてもよい。第１溝１ａや第２溝１ｂは、第１溝１ａや第２溝１ｂの形状をＶ溝構造とするものだけに限られず、第１溝１ａや第２溝１ｂの長手方向と垂直な断面視において、逆台形状としてもよい。

マウント基板１では、第２溝１ｂの一部に、第２溝１ｂの幅より広い凹部１ｄを有していることで、光学素子４近傍で光が広がった状態でも、第２溝１ｂより広い凹部１ｄに収容され光ファイバ素線２ａのコア部２１の径より大きい光学素子４により光を収束することが可能となる。マウント基板１では、第２溝１ｂの一部に、第２溝１ｂの幅より広い凹部１ｄを有していることで、第２溝１ｂの長手方向における光学素子４の位置決めを、より正確に行うことが可能となる。マウント基板１では、第２溝１ｂの一部に、第２溝１ｂの幅より広い凹部１ｄに、光学素子４を載置するだけで、パッシブアライメントを行うことも可能となる。

凹部１ｄは、たとえば、図５に示すように、マウント基板１の一表面１ａａ側からマウント基板１の厚み方向に向かうにつれ先細る四角錐状の窪み形状としてもよいし、図６に示す直方体状の窪みとしてもよい。また、凹部１ｄは、図７に示すように、マウント基板１の一表面１ａａ側から窪んだ半球状の窪み形状としてもよい。さらに、凹部１ｄは、図８に示すように、マウント基板１の一表面１ａａ側からマウント基板１の厚み方向に向かうにつれ先細る六角錐台状の窪み形状としてもよい。また、凹部１ｄは、図９のごとき多面体の半分が収容できるように窪んだ形状や、図１０のごとき多段に窪んだ形状としてもよい。凹部１ｄは、光学素子４が載置できればよく、種々の形状をとることができる。凹部１ｄは、マウント基板１がシリコン基板などの場合、半導体ドライエッチング技術を利用して形成することができる。凹部１ｄは、光学素子４を載置して固定できるように、光学素子４と対応する形状に形成してもよいし、光学素子４を接着剤などで固定する場合、余分な接着剤を逃す隙間を設けていてもよい。

光ファイバ素線２ａは、芯となるコア部２１の外側をクラッド部２２が覆っている。コア部２１は、クラッド部２２と比較して屈折率を高くしている。光モジュール２０では、光ファイバ２の端部において光ファイバ素線２ａを露出させるため、光ファイバ２の被覆部２３を除去させている。光ファイバ２は、たとえば、石英ガラスファイバを用いることができる。光ファイバ２は、石英ガラスファイバとして、シングルモードファイバを採用することができるが、シングルモードファイバに限らず、ステップインデックス型（ＳＩ型）マルチモードファイバや、グレーデッドインデックス型（ＧＩ型）マルチモードファイバなどを採用してもよい。また、光ファイバ２は、石英ガラスファイバに限らず、多成分ガラスファイバ、ポリマークラッドファイバや、たとえば、コア部２１にポリメチルメタクリレート樹脂、クラッド部２２にフッ素系樹脂を用いたプラスチックファイバなどを利用することもできる。また、光ファイバ２は、フィルム状のものであってもよい。光ファイバ２は、コア部位５ａとクラッド部位５ｂの屈折率差を大きくすることによって、光ファイバ２の折り曲げの曲率が大きい場合でも、光の損失を低減させることができる。

光半導体素子３は、第２溝１ｂを通過する光信号の光の光電気変換を行うことが可能なものである。光半導体素子３は、光半導体素子３が受光素子の場合、たとえば、ＰＤ(Photo diode)を用いることができる。受光素子は、ｐｉｎフォトダイオードのベアチップを好適に用いることができる。なお、受光素子は、ｐｉｎフォトダイオードだけにとどまらず、アバランシェフォトダイオードなどを用いてもよい。光半導体素子３は、受光素子の半導体材料として、たとえば、ＩｎＧａＡｓ、ＳｉやＧｅを用いることができる。光半導体素子３は、受光素子の半導体材料を用いられる光通信用の光の波長帯域に応じて種々選択すればよい。光半導体素子３は、発光素子の場合、たとえば、半導体レーザである面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を用いることができる。発光素子は、面発光レーザだけに限られず、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)を用いることもできる。また、光半導体素子３は、１つだけに限られず、複数個あってもよい。複数個の光半導体素子３は、複数個の光半導体素子３を一体化したアレイ状のものを利用してもよい。光半導体素子３は、光ファイバ素線２ａの延伸方向に配置してもよい。また、光半導体素子３は、ミラー部１ｍにより光信号の光の光路を変更する場合、変更した光路上に配置すればよい。すなわち、光半導体素子３は、マウント基板１の一表面１ａａに沿った光信号の光の光軸方向に配置してもよいし、光軸方向と垂直な方向に配置してもよい。

光学素子４は、光信号の光を透過可能なものである。光学素子４は、レンズを構成することができる。光学素子４は、レンズだけに限られず、たとえば、プリズムを用いることもできる。光学素子４は、光学素子４の材料として、たとえば、ガラスや樹脂を用いることができる。したがって、光学素子４は、ガラスレンズや樹脂レンズを構成することができる。光学素子４は、たとえば、球レンズを用いて構成することができるが、球レンズだけに限られない。光学素子４は、たとえば、図１１（ａ）に示すように、球面レンズでもよいし、図１１（ｂ）に示す楕円体形状のレンズとしてもよい。また、光学素子４は、図１１（ｃ）に示す非球面レンズを用いて構成してもよい。

さらに、光学素子４は、図１２に示すように、マウント基板１の凹部１ｄへの実装時に光学素子４を保持することが可能な保持部４１を備えた構成としてもよい。光学素子４は、たとえば、先端が吸着ノズル構造とするマウント機構（図示していない）を用いて、保持部４１が保持されればよい。図１２（ａ）の光学素子４は、レンズを構成する光学素子本体４０に円柱状の保持部４１を備えた球面レンズを示している。図１２（ｂ）の光学素子４は、光学素子本体４０に保持部４１を備えた楕円体形状のレンズを示している。図１２（ｃ）の光学素子４は、光学素子本体４０に保持部４１を備えた非球面レンズを示している。光学素子４は、光学素子本体４０と保持部４１とを同じ材料を用いて、一体として形成することができる。光学素子４は、光学素子本体４０と保持部４１とを一体として形成するものだけに限られず、別途に形成させた後、光学素子本体４０と保持部４１とを接合させたものでもよい。

光学素子４は、光学素子４をマウント基板１の凹部１ｄへ載置しやすいように、図１３に示す突起部４２を光学素子本体４０に備えていてもよい。突起部４２は、凹部１ｄに収容できる形状であればよい。図１３（ａ）の光学素子４は、光学素子本体４０に突起部４２を備えた球面レンズを示している。図１３（ｂ）の光学素子４は、光学素子本体４０に突起部４２を備えた楕円体形状のレンズを示している。図１３（ｃ）の光学素子４は、光学素子本体４０に突起部４２を備えた非球面レンズを示している。光学素子４は、光学素子本体４０と突起部４２とを同じ材料を用いて一体として、形成することができる。光学素子４は、光学素子本体４０と突起部４２とを一体として形成するものだけに限られず、別途に形成させた後、光学素子本体４０と突起部４２とを接合させたものでもよい。

また、光学素子４は、保持部４１と突起部４２とを両方とも光学素子本体４０に備えた構成とすることもできる。図１４（ａ）の光学素子４は、光学素子本体４０を介して、保持部４１と対向する位置に突起部４２を備えた球面レンズを示している。図１４（ｂ）の光学素子４は、光学素子本体４０を介して、保持部４１と対向する位置に突起部４２を備えた楕円体形状のレンズを示している。図１４（ｃ）の光学素子４は、光学素子本体４０を介して、保持部４１と対向する位置に突起部４２を備えた非球面レンズを示している。

光導波部５は、マウント基板１の一表面１ａａに沿った方向に光信号の光を伝送可能なものである。光導波部５は、たとえば、屈折率の異なる２種類の樹脂から構成することができる。光導波部５は、光を導波するコア部位５ａと、コア部位５ａを周囲から覆って保持するクラッド部位５ｂとで構成することができる。光導波部５は、比較的に屈折率の高い樹脂によりコア部位５ａを形成することができる。光導波部５は、コア部位５ａより屈折率の低い樹脂によりクラッド部位５ｂを形成することができる。なお、光導波部５は、光導波部５の材料として、樹脂だけに限られず、光透過性のある無機材料により構成してもよい。光導波部５は、マウント基板１の一表面１ａａに形成された第２溝１ｂ内に設けることができる。

光電気変換装置１０は、光ファイバ素線２ａの先端と光半導体素子３との間に光導波部５を介在させており、光半導体素子３や光ファイバ素線２ａに入射あるいは出射される光が広がることを低減することができる。したがって、光電気変換装置１０は、光ファイバ素線２ａの先端と光半導体素子３との間の光信号の光結合損失を低減することが可能となる。光電気変換装置１０は、光導波部５の幅は、第２溝１ｂの幅より狭い構成とすることができるが、第２溝１ｂの幅より狭いものだけに限られない。

（実施形態２）
図１５に示す本実施形態の光電気変換装置１０は、図１に示す実施形態１における光導波部５の形状が主として相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して適宜に説明を省略している。

本実施形態の光電気変換装置１０では、図１５に示すように、光導波部５は、光信号の光を導波させるコア部位５ａと、コア部位５ａを囲み光信号の光をコア部位５ａに閉じ込めるクラッド部位５ｂとを備えている。光導波部５は、少なくともコア部位５ａが光信号の入射面側から出射面側にかけて光を絞り込むテーパ形状としている。

これにより、本実施形態の光電気変換装置１０は、より光結合を効率よく行うことが可能となる。本実施形態の光電気変換装置１０は、少なくともコア部位５ａが光信号の入射面側から出射面側にかけて光を絞り込むテーパ形状の光導波部５により、光信号の光を光導波部５の入射前よりも収束させて出射させて、光結合を効率よく行うことが可能となる。

光導波部５のコア部位５ａは、平面視において、コア部位５ａの幅が徐々に狭まるような直線的なテーパ形状に形成することができる。また、光導波部５は、コア部位５ａの幅が急激に狭まるような曲線的なテーパ形状に形成してもよい。

また、光電気変換装置１０では、図１５に示すように、マウント基板１は、第２溝１ｂにおける光半導体素子３側と光学素子４との間に光信号の光を導波する光導波部５を備えたものだけに限られない。光電気変換装置１０では、図１６に示すよう、マウント基板１は、第２溝１ｂにおける光ファイバ素線２ａ側と光学素子４との間に光信号の光を導波する光導波部５を備え構成としてもよい。

本実施形態の光電気変換装置１０は、図１５または図１６に示した構造だけに限られず、実施形態１の構成を適宜に用いて構成することもできる。また、光モジュール２０は、実施形態１と同様に、本実施形態の光電気変換装置１０を用いて構成することもできる。

（実施形態３）
図１７に示す本実施形態の光電気変換装置１０は、図１に示す実施形態１における凹部１ｄを第２溝１ｂにおいて、２か所に設け、それぞれの凹部１ｄに光学素子４を配置した点が主として相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して適宜に説明を省略している。

本実施形態の光電気変換装置１０では、図１７に示すように、凹部１ｄは、光ファイバ素線２ａ側の第１の凹部１ｄ１と、光半導体素子３側の第２の凹部１ｄ２とを備えている。光電気変換装置１０では、光学素子４は、第１の凹部１ｄ１に載置された第１光学素子４ａと、第２の凹部１ｄ２に載置された第２光学素子４ｂとを備えている。光電気変換装置１０では、第１光学素子４ａと第２光学素子４ｂとのうちの一方は、一方の第１光学素子４ａまたは第２光学素子４ｂに入射される入射光を第１光学素子４ａと第２光学素子４ｂとの間で平行光とすることができる。また、光電気変換装置１０では、第１光学素子４ａと第２光学素子４ｂとのうちの他方は、第１光学素子４ａと第２光学素子４ｂとの間の平行光を集光して出射する。なお、図１７（ｃ）では、光ファイバ素線２ａと光導波部５との間における光信号の光を一点鎖線で図示している。

これにより、本実施形態の光電気変換装置１０は、より光結合を効率よく行うことが可能となる。

本実施形態の光電気変換装置１０は、１つの光学素子４を用いたものに比べて、第１光学素子４ａと第２光学素子４ｂとを用いて、入射光を一度、平行光にしてから集光して出射しているので、より集光効果を高めることができる。本実施形態の光電気変換装置１０は、１つの光学素子４を用いたものに比べて、収差の影響が少ない。そのため、本実施形態の光電気変換装置１０では、１つの光学素子４を用いたものに比べて、第１光学素子４ａと第２光学素子４ｂから出力される光のスポット径を、より小さくすることが可能となる。そのため、本実施形態の光電気変換装置１０は、１つの光学素子４を用いたものと比較して、第１光学素子４ａと第２光学素子４ｂのレンズ形状の設計自由度を高くすることが可能となる。

なお、光電気変換装置１０では、図１７に示すように、マウント基板１は、第２溝１ｂにおける光半導体素子３側と第２光学素子４ｂとの間に光信号の光を導波する光導波部５を備えたものだけに限られない。光電気変換装置１０では、図１８に示すよう、マウント基板１は、第２溝１ｂにおける光ファイバ素線２ａ側と第１光学素子４ａとの間に光信号の光を導波する光導波部５を備え構成としてもよい。

また、光電気変換装置１０では、図１９や図２０に示すように、光導波部５は、光信号の光を導波させるコア部位５ａと、コア部位５ａを囲み光信号の光をコア部位５ａに閉じ込めるクラッド部位５ｂとを備え、少なくともコア部位５ａが光信号の入射面側から出射面側にかけて光を絞り込むテーパ形状としてもよい。なお、図１８（ｃ）、図１９（ｃ）、図２０（ｃ）では、図１７（ｃ）と同様に、光ファイバ素線２ａと光導波部５との間における光信号の光を一点鎖線で図示している。

なお、本実施形態の光電気変換装置１０は、図１７ないし図２０に示した構造だけに限られず、実施形態１の構成を適宜に用いて構成することもできる。また、光モジュール２０は、実施形態１と同様に、本実施形態の光電気変換装置１０を用いて構成することもできる。

１ マウント基板
１ａ 第１溝
１ｂ 第２溝
１ｄ 凹部
１ｄ１ 第１の凹部
１ｄ２ 第２の凹部
１ａａ 一表面
２ 光ファイバ
２ａ 光ファイバ素線
３ 光半導体素子
４ 光学素子
４ａ 第１光学素子
４ｂ 第２光学素子
５ 光導波部
５ａ コア部位
５ｂ クラッド部位
１０ 光電気変換装置
２０ 光モジュール
２１ コア部

Claims (8)

1. 光信号を伝送する光ファイバ素線が収容される第１溝と該第１溝に連通する第２溝とを一表面に有するマウント基板と、該マウント基板の前記一表面側に実装され前記第２溝を通過する前記光信号の光の光電気変換を行う光半導体素子と、前記光ファイバ素線と前記光半導体素子との間に設けられ前記光信号を透過する光学素子とを備えており、
   前記マウント基板は、前記第２溝の一部に、前記第２溝の幅より広い凹部を有しており、前記凹部は、前記光ファイバ素線のコア部の径より大きい前記光学素子が載置されてなることを特徴とする光電気変換装置。
2. 前記凹部は、前記第２溝の深さより深いことを特徴とする請求項１に記載の光電気変換装置。
3. 前記光学素子は、前記光信号の光を集光するレンズであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電気変換装置。
4. 前記マウント基板は、前記第２溝における前記光半導体素子側と前記光学素子との間に前記光信号の光を導波する光導波部を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光電気変換装置。
5. 前記マウント基板は、前記第２溝における前記光ファイバ素線側と前記光学素子との間に前記光信号の光を導波する光導波部を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光電気変換装置。
6. 前記光導波部は、前記光信号の光を導波させるコア部位と、該コア部位を囲み前記光信号の光を前記コア部位に閉じ込めるクラッド部位とを備え、少なくとも前記コア部位が前記光信号の入射面側から出射面側にかけて光を絞り込むテーパ形状であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載された光電気変換装置。
7. 前記凹部は、前記光ファイバ素線側の第１の凹部と、前記光半導体素子側の第２の凹部とを備え、前記光学素子は、前記第１の凹部に載置された第１光学素子と、前記第２の凹部に載置された第２光学素子とを備え、前記第１光学素子と前記第２光学素子とのうちの一方は、該一方の前記第１光学素子または前記第２光学素子に入射される入射光を前記第１光学素子と前記第２光学素子との間で平行光とし、前記第１光学素子と前記第２光学素子とのうちの他方は、前記第１光学素子と前記第２光学素子との間の平行光を集光して出射することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の光電気変換装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の光電気変換装置と、該光電気変換装置の前記第１溝に固定する前記光ファイバ素線を有する光ファイバとを備えたことを特徴とする光モジュール。

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