JP5365545B2

JP5365545B2 - 光デバイス及び光デバイスの製造方法

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Publication number: JP5365545B2
Application number: JP2010039777A
Authority: JP
Inventors: 龍一吉田; 康平柴田; 俊哉岸田; 博之古川
Original assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Current assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: US20110204215A1; JP2011175133A; US9188761B2

Description

本発明は、光デバイス及び光デバイスの製造方法
に関する。

レンズと、レンズに向けて光を送信又はレンズを透過した光を受信する光部品とを備えた光デバイスがある。特許文献１には、このような光デバイスに関連した技術が開示されている。

特開２００７−２０１９３９号公報

このようなレンズと光部品とをモジュール化するために、単一の筐体内にレンズと光部品とを設けて筐体を気密封止することが考えられる。しかしながら、筐体を気密封止した場合、気密封止の前と後では筐体が変形している場合がある。この変形に起因してレンズが所望の位置からずれるおそれがある。

本発明は、レンズを所望の位置に設定できる光デバイス及び光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本明細書に開示の光デバイスは、光部品と、前記光部品が内部に固定され気密封止された金属製の筐体と、前記筐体内に設けられ、前記光部品から出射される光が透過する又は前記光部品へ進行する光が透過し、前記筐体を気密封止した後の前記筺体の変形を考慮して位置が調整されているレンズと、を備えている。

本明細書に開示の光デバイスの製造方法は、気密封止される前の前記筺体の内部に光部品を固定し、前記光部品から出力される光が透過する又は前記光部品へ進行する光が透過するレンズを、前記筐体を気密封止した後の前記筺体の変形を考慮して位置を調整して気密封止される前の前記筐体内に設け、前記筐体を気密封止する、ことを含む。

レンズを所望の位置に設定できる光デバイス及び光デバイスの製造方法を提供できる。

図１は、光デバイスの上面図。図２は、光デバイスの構造の説明図。図３Ａ，３Ｂは、封止前後での筐体の変形の説明図。図４Ａ、４Ｂは、封止前後での筐体の変形の説明図。図５は、封止前後でのＰＤの光の応答度の変化を示したグラフ。図６Ａ、６Ｂは、レンズの位置ずれ量の算出方法の一例の説明図。図７は、レンズを位置調整した場合での封止前後でのＰＤの光の応答度の変化を示したグラフ。

図１は、光デバイス１の上面図である。光デバイス１は、筐体２、干渉計モジュール１０、受光モジュール２０Ａ、２０Ｂ、レンズ６２Ａ、６２Ｂを含む。筐体２は、上方が開口した筐体である。筐体２は、低壁部２ａ、低壁部２ａ等を囲む側壁部２ｂを含む。低壁部２ａは略矩形状である。干渉計モジュール１０、受光モジュール２０Ａ、２０Ｂは、低壁部２ａの内側に固定されている。干渉計モジュール１０、受光モジュール２０Ａ、２０Ｂは、筐体２に収納されてモジュール化されている。レンズ６２Ａ、６２Ｂは、それぞれ支持部材４０Ａ、４０Ｂに支持されている。支持部材４０Ａ、４０Ｂは、筐体２の低壁部２ａに固定されている。干渉計モジュール１０は、ＰＬＣチップ１０Ａ、ガラスブロック３０、レンズ６１Ａ、６１Ｂを含む。干渉計モジュール１０は、光ファイバＦと接続されている。光ファイバＦは、筺体２の側壁部２ｂに形成された孔を貫通している。この孔は、半田等により封止されている。

レンズ６１Ａとレンズ６１Ｂ、レンズ６２Ａとレンズ６２Ｂは、低壁部２ａの中心を通過してＹ方向に延びた中心軸ＹＡ上にはレンズは配置されていない。また、これらレンズは、低壁部２ａの中心を通過してＸ方向に延びた中心軸ＸＡ上には配置されていない。

図２は、光デバイス１の構造の説明図である。
干渉計モジュール１０は、入力ポート、光スプリッタ１１、干渉計Ａ、Ｂを含む。光スプリッタ１１は、ＤＱＰＳＫ変調信号の入力ポートから入力されるＤＱＰＳＫ変調信号を二つの導波路に分岐させる。干渉計Ａ、Ｂは、光スプリッタ１１で分岐したＤＱＰＳＫ変調信号が夫々入力される。入力ポートには、ＤＱＰＳＫ変調信号を伝送する光ファイバＦ(シングルモード)が接続されている。

干渉計Ａは、光スプリッタ１２Ａ、光カプラ１３Ａ、導波路１４Ａ、１４Ｂを含む。光スプリッタ１２Ａは、ＤＱＰＳＫ変調信号を均等に分配する。導波路１４Ａ、１４Ｂは、光スプリッタ１２Ａと光カプラ１３Ａとの間に設けられている。導波路１４Ａは、導波路１４Ｂよりも長い。導波路１４Ａは、ＤＱＰＳＫ変調信号に１シンボル分の相対的な遅延時間τを与える。光カプラ１３Ａにおいて、導波路１４Ａ、１４Ｂをそれぞれ流れる光信号間に、その光信号波長のπ／４[rad]の位相差が生じるように設定される。

干渉計Ｂは、干渉計Ａと同様の構造を有する。干渉計Ｂでは、導波路１５Ａ、１５Ｂとの間で光信号に−π／４[rad]の位相差が生じる。干渉計Ａ、Ｂの光カプラで結合(干渉)した光信号は、干渉計Ａ、Ｂにそれぞれ設けられた二つの出力ポートから出力される。干渉計モジュール１０は、ＰＬＣ技術を用いたＰＬＣチップ(ＰＬＣ型遅延干渉計)１０Ａとして実現されている。

ＰＬＣチップ１０Ａは、直接筐体２の低壁部２ａに固定されていてもよいし、ペルチェ素子等の温度調整素子を介して低壁部２ａに固定されていてもよい。

ＰＬＣチップ１０Ａ上には、ＰＬＣチップ１０Ａの温度を検知するための温度センサ５３、導波路１４Ａ、１５Ａをそれぞれ加熱するヒータ５４Ａ、５４Ｂ、が設けられている。温度センサ５３は、例えばサーミスタやＲＴＤ(Resistance Temperature Detector)である。ヒータ５４Ａ、５４Ｂは、例えば薄膜ヒータ、マイクロヒータである。

干渉計Ａの光カプラ１３Ａから出射された光は、ガラスブロック３０を透過して、レンズ６１Ａに進行して透過する。同様に、干渉計Ｂの光カプラ１３Ｂから出射された光は、ガラスブロック３０、レンズ６１Ｂを透過する。ガラスブロック３０は、ＰＬＣチップ１０Ａの端部に固定されている。レンズ６１Ａ、６１Ｂは、ガラスブロック３０の端部に固定されている。即ち、レンズ６１Ａ、６１Ｂは、ガラスブロック３０、ＰＬＣチップ１０Ａを介して間接的に筐体２の低壁部２ａに固定されている。

レンズ６１Ａ、６１Ｂから出射された光は、それぞれレンズ６２Ａ、６２Ｂに向かって進行する。レンズ６２Ａ、６２Ｂは、それぞれ支持部材４０Ａ、４０Ｂに固定されている。即ち、レンズ６２Ａ、６２Ｂは、それぞれ支持部材４０Ａ、４０Ｂを介して間接的に筐体２の低壁部２ａに固定されている。レンズ６２Ａ、６２Ｂをそれぞれ透過した光は、それぞれ受光モジュール２０Ａ、２０Ｂで結合される。

受光モジュール２０Ａは、２つのＰＤ（Photo Detector）２１Ａ、ＰＤ２１Ａの出力の差分を増幅する増幅器（ＴＩＡ（Trance Impedance Amp））２２Ａ、ＰＤ２１Ａ及び増幅器２２Ａを支持した支持部材２８Ａ、を含む。受光モジュール２０Ｂも同様に、２つのＰＤ２１Ｂ、増幅器２２Ｂ、支持部材２８Ｂを含む。レンズ６２Ａを透過した光は２つのＰＤ２１Ａに結合され、レンズ６２Ｂを透過した光は２つのＰＤ２１Ｂに結合される。
さらに、伝送するボーレート（ＢｏｕｄＲａｔｅ）が増加するにつれて、受光素子（たとえば，フォトダイオード）の受光面の直径を小さくしなければ光信号を正しく光電変換できないという傾向がある。

干渉計チップ１０Ａは光部品に相当し、レンズ６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ，６２Ｂは、光部品から出射される光が透過する。換言すれば、干渉計チップ１０Ａは、レンズに向けて光を出射する光部品に相当する。ＰＤ２１Ａ、２１Ｂは光部品に相当し、レンズ６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂは、光部品へ進行する光が透過する。換言すれば、ＰＤ２１Ａ、２１Ｂは、レンズを透過した光を受光する光部品に相当する。

次に、封止前後での筐体２の変形について説明する。
図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂは、封止前後での筐体２の変形の説明図である。
図３Ａは、封止前の光デバイス１のＡ−Ａ断面図であり、図３Ｂは、封止後の光デバイス１のＡ−Ａ断面図である。図４Ａは、封止前の光デバイス１のＢ−Ｂ断面図である。図４Ｂは、封止後の光デバイス１のＢ−Ｂ断面図である。図３Ａ、図４Ａに示すように、筐体２の低壁部２ａは、上部側に突出するように湾曲しているが、これは理解を容易にするために誇張して描いている。

図３Ｂ、図４Ｂは、筐体２に蓋３を溶接して筐体２を気密封止した後の光デバイス１のＡ−Ａ断面図である。筐体２と蓋３とはシーム溶接により接合される。筐体２、蓋３は金属製であり、例えばインバーやコバールである。封止後に筐体２は変形する。筐体２が変形する理由の一つとして溶接時の筐体２への負荷などが考えられる。低壁部２ａは、面積が大きく平板状であるため変形しやすい。図３Ｂ、図４Ｂに示すように、低壁部２ａは、封止前と比較して封止後に下方に移動する。このように、レンズ６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂは、封止前後で位置がずれる。特に、いずれのレンズも、図１に示したように、中心軸ＹＡ、ＸＡ上に配置されていない。このため、筐体２の低壁部２ａの僅かな変形によっても、レンズ６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂの位置はずれ易い。
このようなレンズの位置ずれは、伝送のボーレートが２０ＧＨｚ以上の場合には受光素子の受光面の直径がより小さくなるため、この位置ずれによって受光できる光信号の光量が少なくなるという現象が現れはじめる。したがって、ボーレートが２０ＧＨｚ以上の光信号を用いた通信において、ある光部品が２０ＧＨｚ以上のボーレートで光信号を光電変換できる受光素子を備える場合には、受光面の位置を精密に調節することが重要になる。

尚、封止前の低壁部２ａが水平である場合には、封止後では低壁部２ａは下部に突出するように湾曲する。また、封止前の低壁部２ａが下部に突出するように湾曲している場合には、封止後では低壁部２ａは更に下部に突出する。

図５は、封止前後でのＰＤ２１Ａの光の応答度（A/W）の変化を示したグラフである。図５のグラフでは、一つのＰＤ２１Ａの応答度を示している。光デバイス１の周辺温度が２５℃の場合と７５℃との場合とを示している。尚、レンズ６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ，６２Ｂは、筐体２を封止する前の低壁部２ａを基準として、ＰＤ２１Ａの光の応答度を考慮した所望の位置に設定されている。

線分Ｌは、封止前のＰＤ２１Ａの応答度を示している。封止前ではＰＤ２１Ａの応答度は、何れの温度でも略変化しない。線分Ｌ´は、封止後でのＰＤ２１Ａの応答度を示している。封止後のＰＤ２１Ａの応答度は、封止前と比較して大きく低下している。特に、光デバイス１の周辺温度が高温であるほど、封止前後でのＰＤ２１Ａの応答度の差は大きくなる。

このように、封止前後では筐体２の変形に起因して、レンズ６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂが所望の位置からずれ、これによりＰＤ２１Ａの応答度が低下する。しかしながら、封止前後でのレンズの位置ずれ量を算出して位置ずれ量を考慮してレンズの位置を調整することにより、封止後のレンズの位置を所望の位置に設定できる。

まず、レンズの位置ずれ量の算出方法の一例について説明する。図６Ａ、６Ｂは、レンズの位置ずれ量の算出方法の一例の説明図である。図６Ａは、レンズ６１ＡのＺ軸方向の位置ずれ量を算出する場合の説明図である。筐体２の角の座標点をＯ（ｘ、ｙ、ｚ）＝（０、０、０）とする。封止前のレンズ６１Ａの座標点をＰ１（ｘ１、ｙ１、ｚ１）、封止後のレンズ６１Ａの座標点をＰ１´（ｘ１´、ｙ１´、ｚ１´）とする。点Ｏと点Ｐ１とを結ぶ直線と水平線との角度をθ１、点Ｏと点Ｐ１´とを結ぶ直線と水平線との角度をθ１´とする。点Ｏと点Ｐ１との距離をｒ１とし、点Ｏと点Ｐ１´との距離をｒ１´とする。

封止前後でのＺ軸方向でのレンズ６１Ａのずれ量ΔＺは、次の式により推定できる。
ΔＺ＝ｚ１−ｚ１´＝ｒ１ｓｉｎθ１−ｒ１´ｓｉｎθ１´
ここで、レンズ６１Ａは、点Ｏを支点とした円弧上を移動すると仮定するとｒ１＝ｒ１´が成立する。従って、
ΔＺ＝ｒ１（ｓｉｎθ１−ｓｉｎθ１´）＝（ｙ１^２＋ｚ１^２）^１／２×（ｓｉｎθ１−ｓｉｎθ１´）
が成立する。

ｙ１、ｚ１は、封止前のレンズ６１Ａの値であるため、レンズ６１Ａの設計条件や、低壁部２ａに対する干渉計モジュール１０の設置位置等から、これら値を算出できる。角度θ１は、封止前の点Ｏと点Ｐ１とを結ぶ直線と水平線と角度を示すので、封止前に筐体２の低壁部２ａを計測することにより算出できる。例えば、低壁部２ａを段差計などにより計測することにより封止前の角度θ1を算出できる。

封止後の角度θ１´は、実際に封止した筺体の低壁部２ａを予め計測しておき、この計測値から推定することができる。この場合も、例えば段差計などにより封止後の低壁部２ａを計測する。以上により、筐体２を封止することによりレンズ６１ＡのＺ方向の位置ずれ量を推定できる。上記と同様の方法によりレンズ６１Ｂについても位置ずれ量を推定する。

図６Ｂは、レンズ６２ＡのＸ軸方向の位置ずれ量の算出する場合の説明図である。
封止前のレンズ６２Ａの座標点をＰ２（ｘ２、ｙ２、ｚ２）、封止後のレンズ６２Ａの座標点をＰ２´（ｘ２´、ｙ２´、ｚ２´）とする。点Ｏと点Ｐ２とを結ぶ直線と水平線との角度をθ２、点Ｏと点Ｐ２´とを結ぶ直線と水平線との角度をθ２´とする。点Ｏと点Ｐ２との距離をｒ２とし、点Ｏと点Ｐ２´との距離をｒ２´とする。
ΔＸ＝ｘ２−ｘ２´＝ｒ２ｃｏｓθ２−ｒ２´ｃｏｓθ２´
ｒ２＝ｒ２´と仮定すると、
ΔＸ＝ｒ２（ｃｏｓθ２−ｃｏｓθ２´）＝（ｘ２^２＋ｚ２^２）^１／２×（ｃｏｓθ２−ｃｏｓθ２´）
が成立する。

ｘ２、ｚ２は、封止前のレンズ６２Ａの値であるため、支持部材４０Ａの設計条件や、低壁部２ａに対する支持部材４０Ａの設置位置等からこれら値を算出できる。角度θ２も、封止前に筐体２の低壁部２ａを計測することにより算出できる。封止後の角度θ２´は、実際に封止した筐体の低壁部２ａを予め計測しておき、この計測値から推定することができる。以上により、筐体２を封止することによりレンズ６２ＡがＸ方向の位置ずれ量を推定できる。上記と同様の方法によりレンズ６２Ｂについても位置ずれ量を推定する。

尚、上記と同様の方法でＹ方向の位置ずれ量を推定してもよい。上記位置ずれ量の算出方法は一例であり、上記以外の方法によって位置ずれ量を算出してもよい。

次に、位置ずれ量に基づいてレンズの位置を調整する。
ガラスブロック３０を固定した干渉計モジュール１０を低壁部２ａに固定した後、ガラスブロック３０に対するレンズ６１Ａの位置を調整してレンズ６１Ａをガラスブロック３０に固定する。具体的には、上記により算出したＺ軸方向での位置ずれ量ΔＺを考慮してレンズ６１Ａをガラスブロック３０に固定する。そののち筐体２を封止することにより、筐体２の封止後のＺ軸方向でのレンズ６１Ａの位置は、所望の位置に位置付けられる。上記と同様の方法によりレンズ６１Ｂについても位置を調整する。

同様に、低壁部２ａに対する支持部材４０Ａの位置を調整して支持部材４０Ａを低壁部２ａに固定する。具体的には、上記により算出したＸ軸方向での位置ずれ量ΔＸを考慮して支持部材４０Ａを低壁部２ａに固定する。これにより、筐体２の封止後のＸ軸方向でのレンズ６２Ａの位置は、所望の位置に位置付けられる。上記と同様の方法によりレンズ６２Ｂについても位置を調整する。尚、レンズ６２Ａの位置調整は、上記のように低壁部２ａに対するレンズ６２Ａが固定された支持部材４０Ａの位置を調整することにより行なってもよいし、支持部材４０Ａとレンズ６２Ａの位置を同時に調整することにより行なってもよい。

図７は、上記のようにレンズを位置調整した場合での封止前後でのＰＤ２１Ａの光の応答度（A/W）の変化を示したグラフである。線分Ｌは、封止前のＰＤ２１Ａの応答度を示している。線分Ｌ´は、封止後でのＰＤ２１Ａの応答度を示している。封止前のＰＤ２１Ａの応答度が高温でわずかに高く、室温で低い理由は、レンズ６１Ａ等が封止後の筐体２の変形を考慮して位置調整されているからであり、封止前ではレンズ６１Ａ等は所望の位置からずれているからである。しかしながら、レンズ６１Ａ等は封止後に所望の位置に位置付けられるように設定されているので、封止後の応答度は温度によらず高い応答度となる。

このように気密封止される筐体２の変形を考慮してレンズが位置調整されているので、封止後においてレンズ６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂは所望の位置に位置づけられる。これにより、レンズ６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂと、受光モジュール２０Ａ、２０Ｂとの結合効率の低下が防止される。換言すれば、レンズ６２Ａ、６２Ｂと、干渉計モジュール１０との結合効率の低下が防止される。

上記のように、レンズ６１ＡはＺ軸方向の位置のみを調整し、レンズ６２ＡはＸ軸方向の位置のみを調整する例を示した。単一のレンズを複数の軸方向の位置を調整すると、レンズの位置の調整精度を確保するのが難しくなる。しかしながら、上記に示したように、異なるレンズについて、それぞれ異なる方向の位置のみを調整することにより、各レンズの位置の調整精度を確保することが容易となる。但し、レンズ６１Ａ、６１Ｂについて、Ｘ軸方向やＹ軸方向の位置をも調整してもよいし、レンズ６２Ａ、６２Ｂについて、Ｙ軸方向やＺ軸方向の位置をも調整してもよい。

以上本発明の好ましい一実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上記実施例において、増幅器が設けられていない光デバイスであってもよい。光ファイバからの光がレンズを介して受光モジュール２０Ａ、２０Ｂに照射される構造であってもよい。光部品として、フォトダイオード以外のフォトトランジスタ等の受光素子を用いてもよい。

上記実施例において光を受信する光デバイスについて説明したが、光を送信する光デバイスであってもよい。レンズに光を出射する光部品として、レーザダイオード、ＬＥＤ等の発光素子を用いてもよい。レンズを透過した光が進行する光部品として、変調器やＬＮ（LiNbO₃：リチウムナイオベート）変調器であってもよい。

１光デバイス
２筐体
２ａ低壁部
３蓋
１０干渉計モジュール
１０Ａ干渉計チップ
２０Ａ、２０Ｂ受光モジュール
２１Ａ、２１ＢＰＤ
２２Ａ、２２Ｂ増幅器
６１Ａ、６１Ｂ、６２Ａ、６２Ｂレンズ

Claims

光部品と、
金属製の蓋と、
前記光部品が内部に固定され前記蓋とシーム溶接することにより気密封止された金属製の筐体と、
前記筐体内に設けられ、前記光部品から出射される光が透過する又は前記光部品へ進行する光が透過し、気密封止することによる前記筺体の変形を考慮して位置が調整されているレンズと、を備えた光デバイス。
前記レンズは、前記光部品から出力される光が透過する又は前記光部品へ進行する光が透過する第１及び第２レンズを含み、
前記第１及び第２レンズは、それぞれ異なる方向に位置調整がされている、請求項１の光デバイス。
前記レンズは、該レンズが間接的に固定されている前記筺体の底面の中心を通過する中心軸から離れている、請求項１又は２の光デバイス。
前記レンズを通過する光は、ボーレートが２０ＧＨｚ以上の光信号である、請求項１又は２の光デバイス。
前記光部品は、ボーレートが２０ＧＨｚ以上の光信号を光電変換できる受光素子を備える、請求項１又は２の光デバイス。
気密封止される前の金属製の筺体の内部に光部品を固定し、
前記光部品から出力される光が透過する又は前記光部品へ進行する光が透過するレンズを、金属性の蓋と前記筐体とをシーム溶接することにより気密封止することによる前記筺体の変形を考慮して位置を調整して気密封止される前の前記筐体内に設け、
前記蓋と前記筐体とをシーム溶接により気密封止する、ことを含む光デバイスの製造方法。