JP2013195437A

JP2013195437A - 発光装置

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Publication number: JP2013195437A
Application number: JP2012059027A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Yasui; 伸之安井; Hiroshi Ariga; 博有賀
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-09-30
Anticipated expiration: 2032-03-15
Also published as: CN103308998A; US8646958B2; JP5901367B2; CN103308998B; US20130242594A1

Abstract

【課題】発光部と光導波路との間の高さずれを個別に容易に高精度で調整できる発光装置を実現する。
【解決手段】発光装置は、複数の発光部と、該複数の発光部からの光の入射端に複数の光導波路の開口部、及び光の出射端に複数の光導波路を一つにまとめた光導波路の開口部を備えた光合波器と、光導波路の形成された面に所定の角度で傾斜した面の傾斜した方向に沿って、複数の発光部をそれぞれ駆動する複数の駆動部と、を備え、発光部は、その発光方向の中心軸が光導波路の形成面に平行となるような角度で配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、発光部と光合波器とを備える発光装置に関する。

発光部と光ファイバや光導波路などの光導波系とを備え、発光部からの光を光導波系を介して出力する発光装置では、結合効率が大きいことが重要である。結合効率とは、光導波系に入射する光のパワーに対する導波光のパワーの比を意味するが、ここでは発光部で発生する光のパワーに対する導波光のパワーの比を意味する用語であるとする。

この結合効率を向上させるためには、発光部の発光点と光導波系の光入射部の高さのずれを小さくすることが重要である。通常、発光部と光導波系との間にレンズを配置し、発光部から出射される光を集光して光導波系の光入射部に導くことにより結合効率の一層の改善が図られている。

しかし、発光部、レンズ、及び光導波系を実装して発光装置を構成する場合、発光部の発光点の高さと光導波系の光入射部中心の高さとは、通常、ずれ（高さずれ）があり、高さの調整無しでは結合効率は低くなる。

例えば、発光装置が、発光部として１個の光半導体デバイスと、１個のレンズと、光導波系として１本の光ファイバとで構成されている場合は、光半導体デバイス、レンズ、光ファイバの順に実装することで、光半導体デバイスの発光点に対してレンズと光ファイバの高さを調整することができ、発光点高さの実装位置ずれによる結合効率の低下を回避することが出来る。

一方、複数の発光部と、光導波系として、光ファイバに代えて発光部の数に対応する数の複数の光導波路（発光部と、各発光部に対応する光導波路とをまとめてチャンネルと呼ぶ。）を持つ光合波器とを備える発光装置では、各発光部の実装時の高さにばらつきが生じるため、各チャンネル毎に、光導波路の光入射部の高さを調整する必要が生じる。

このようなケースでは、１つのチャンネルに対しては、発光部が１個で、光導波系が１本の光ファイバで構成されている場合と同様な組立て手順により発光部の発光点の高さとこれに対応する光導波路の高さの実装位置ずれを低減することができる。しかし、その他のチャンネルについては、既に光合波器が実装されているため、発光部の発光点高さの実装位置ずれを、光合波器で調整して、その発光部に対応する光導波路の光入射部の高さを合わせることは困難である。

また、発光部の発光点の高さのばらつきだけでなく、光合波器に形成されている複数の光導波路の高さのばらつきも調整する必要がある。このような調整ができなければ複数の発光部と光合波器との間の平均した光結合効率は低下する。

このような、複数の発光部と、光合波器の、各チャンネル毎の発光部の発光点と光導波路との間の高さずれによる結合効率の低下を改善するために、発光部である光半導体デバイスと光合波器との間にレンズを入れ、チャンネル毎にレンズを３次元的に位置調整することにより、結合効率を改善する発明が開示されている（特許文献１）。実装手順としては、３次元的に移動させることができる機構部にレンズを実装し、機構部によりレンズ位置を最適位置に移動させた後、ヒータで半田を溶かして機構部を固定する。

米国特許出願公開第２０１１／００１３８６９号明細書

このように、特許発明１によれば、レンズの３次元位置調整により、発光部の発光点高さと光合波器に形成されている光導波路の高さのずれによる結合効率の低下を軽減しているが、その効果は十分ではない。また、発光部と光導波路との間の高さずれを個別に調整することは、必要となる調整精度（１／１００μｍ程度）が厳しいため容易ではない。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、発光部と光導波路との間の高さずれを個別に容易に高精度で調整できる発光装置を実現することを目的とする。

本発明に係る発光装置は、複数の発光部と、該複数の発光部からの光の入射端に複数の光導波路の開口部、及び光の出射端に前記複数の光導波路を一つにまとめた光導波路の開口部を備えた光合波器と、前記光導波路の形成された面に所定の角度で傾斜した面の該傾斜した方向に沿って、前記複数の発光部をそれぞれ駆動する複数の駆動部と、を備え、前記発光部は、その発光方向の中心軸が前記光導波路の形成面に平行となるような角度で配置されている、ことを特徴とする。

上記発明に係る発光装置に依れば、発光部と光導波路との間の高さずれを個別に容易に高精度で調整することができる。従って、この調整により結合効率の改善が可能となる。

本発明の実施形態１に係る発光装置の構成例の上面図である。実施形態１に係る発光装置のＡ−Ａ’断面図である。実施形態１に係る発光装置のＢ−Ｂ’断面図である。実施形態１に係る発光装置の結合効率の改善例を示す図である。実施形態１の変形例に係る発光装置のＢ−Ｂ’断面図である。本発明の実施形態２に係る発光装置のＡ−Ａ’断面図である。実施形態２に係る発光装置の結合効率の改善例を示す図である。

（実施形態１）
図１に、実施形態１に係る発光装置の構成例を上面図で示す。また、図１のＡ−Ａ’の断面図を図２に、Ｂ−Ｂ’の断面図を図３に示す。図３では、Ｂ−Ｂ’断面図を上段に示し、その中の一点鎖線で囲んだ部分であるＣ部の拡大図を下段に示す。図１〜３には、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向を示す。Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の定義は後述する。

発光装置１は、構成要素として複数の発光部２と、複数の第１レンズ３と、光合波器４と、複数の駆動部５とを備えるとともに、複数の発光部基板６、複数の発光部キャリア７、複数のレンズホルダ８、第２レンズ９、レンズキャリア１０、フィードスルー１１、複数のパターン１２、複数の発光部ワイヤ１３、複数の信号ワイヤ１４、パッケージキャリア１５（図２、図３にのみ表示）、パッケージ１６、及びパッケージ蓋１７（図２、図３にのみ表示）を備える。複数とした上記各構成要素は、それぞれ、複数の発光部２に対応している。

複数の発光部２は、それぞれ、例えばレーザダイオード等の光半導体デバイスで構成され、発光装置１用の光を発生する。なお、図１〜３では複数の発光部２を４つの発光部２として例示している。

複数の第１レンズ３は、複数の発光部２にそれぞれ対応しており、各第１レンズ３は、各発光部２と、光合波器４の各発光部２に対応する入射端の光導波路４０の開口部との間に設置され、各発光部２の発光点から放出された光を、対応する光導波路４０の光の入射端開口部に集光する。

光合波器４は、複数の光導波路４０と１つの光導波路４２と光合波部４１とを備え、複数の光導波路４０の入射端開口部に入射した光を光導波路４０で光合波部４１に導き合波し、合波した光を、光導波路４２の出射端開口部を介して出力する。複数の光導波路４０の入射端開口部は第１レンズ３を介して、複数の発光部２の発光点にそれぞれ対向している。光導波路４０の長手方向、すなわち光の導波方向がＹ方向である。光合波器４の複数の光導波路４０が配列されている方向をＸ方向（光合波器４の幅方向ともいう。）、Ｘ及びＹ方向に直交する方向がＺ方向で、このＺ方向が高さ方向になる。

複数の駆動部５は、複数の発光部２にそれぞれ対応しており、各駆動部５は、対応する発光部２を駆動してその高さ位置を調整する。詳細は後述する。

複数の発光部基板６は、各々、発光部２を使用するための回路パターンが形成された基板で、各発光部基板６の上に発光部２が取り付けられる。発光部２と発光部基板６とは発光部２への電源供給用及び信号送受信用として、ワイヤが結線される。図示された発光部ワイヤ１３はこれらのワイヤを示す。また、発光部基板６とフィードスルー１１上のパターン１２との間には同じく電源供給用及び信号送受信用としてワイヤが結線される。図示された信号ワイヤ１４はこれらのワイヤを示す。

複数の発光部キャリア７は、複数の発光部２にそれぞれ対応しており、その上面に、発光部基板６を介して発光部２が設置され、駆動部５により、駆動される。発光部キャリア７は、駆動されてその位置を変えることにより、その高さが変化するように構成されている。これにより、発光部２の高さ方向（Ｚ方向）の位置が調整される。具体的には、図３の一点鎖線で囲んだＣ部に示すように、発光部キャリア７は、発光部基板６を設置した面に対して、その反対側の面が角度θで傾斜している。傾斜の方向は、光導波路４０の形成された面（Ｘ−Ｙ平面）上で光導波路４０の長手方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）を基準として、高さ方向への仰角θの方向である。

複数のレンズホルダ８は、複数の第１レンズ３にそれぞれ対応しており、第１レンズ３をレンズキャリア１０上で、３次元で位置調整が可能な形に保持する。３次元での位置調整とは、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向及び各軸周りの回転方向での位置調整という意味である。

第２レンズ９は、光合波器４からの出力光を集光する。

レンズキャリア１０は、レンズホルダ８と第２レンズ９とを取り付け、レンズホルダ８を介して第１レンズ３の位置調整を可能にする基盤である。また、発光部キャリア７、光合波器４を設置するための基盤でもある。発光部キャリア７を設置する部分のレンズキャリア１０は、図３の一点鎖線で囲んだＣ部に示すように、発光部キャリア７の傾斜面と同じ角度θで同じ方向に傾斜した面で構成される。発光部キャリア７は、駆動部５により、レンズキャリア１０の傾斜面上で傾斜方向に沿って駆動されその位置を変える。これにより、発光部キャリア７、従ってその上部に設置されている発光部２の発光点の高さが調整される。

フィードスルー１１は、電源供給及び各種信号の送受信用にパッケージ１６の内外を結ぶ。具体的には、信号ワイヤ１４をフィードスルー１１上に形成されているパターン１２で受け、信号ワイヤ１４を介して、パッケージ１６の外部から電源供給を受け、外部との間で信号の送受信を行う。

パッケージキャリア１５は、レンズキャリア１０を支持し、パッケージ１６内で所定の配置に設置調整するための支持基盤である。（図２、図３参照）

パッケージ１６は、以上の構成要素を収納する。パッケージ１６はパッケージ蓋１７により密閉される。（図２、図３参照）

次に、実施形態１に係る発光装置１の動作について説明する。複数の発光部２で発生した光はそれぞれに対応する第１レンズ３で集光され、光合波器４のそれぞれに対応する光導波路４０の入射端開口部に入射される。光合波器４の各光導波路４０の入射端開口部に入射した光は光合波部４１で合波され、光導波路４２を介して第２レンズ９に出射される。第２レンズ９はこの光を集光して発光装置１の外部に出力する。なお、図１〜３ではパッケージ１６からの光出力の取り出し部については図示を省略している。

既に説明したように、組み上げられた発光装置１で、発光部２の発光点の高さと光導波路４０の光入射部の高さとはそれぞれに各種の誤差によりばらつきを有し、そのために両者間の高さには、通常、ずれ（高さずれ）が生じている。

発光部２の発光点の高さは、発光部２を光半導体デバイスで構成した場合、その製造ばらつきや、発光部基板６、発光部キャリア７、レンズキャリア１０の製造公差により最適高さに対して、一例として最大で±０．０６５ｍｍばらつく。一方、光導波路４０の高さは、光導波路４０の製造公差やレンズキャリア１０の製造公差により最適高さに対して、一例として最大で±０．０５８ｍｍばらつく。従って、この場合は、光導波路４０の高さは発光部２の発光点の高さに対して最大で−０．１２３ｍｍの高さずれが生じ得る。このような高さのずれが生じると特許文献１で開示されている第１レンズ３の３次元的な位置調整を行っても結合効率の改善は十分なものとはならない。

このときの結合効率を図４に白丸で示す。図４は実施形態１に係る発光装置の結合効率の改善例を示す図であるが、比較対象として従来の結合効率を白丸で示している。横軸は高さのずれ量で、上記例では−０．１２３ｍｍであり、そのときの結合効率は−３．３ｄＢとなる。この結合効率は、目標とする結合効率が例えば０〜−２．５ｄＢの場合は、これを満たすことができないため、この発光装置１を、０〜−２．５ｄＢの結合効率が必要な用途の製品に適用することはできないことになる。

実施形態１に係る発光装置１では、図３の一点鎖線で囲まれたＣ部に示すように、発光部キャリア７のレンズキャリア１０と接する面を、光導波路４０の形成された面（Ｘ−Ｙ面）上で、光導波路４０の長手方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）を基準として、高さ方向への仰角θ傾斜させた面とし、この傾斜させた面に対向して接するレンズキャリア１０の面も同様に、同じ角度θだけ傾斜させた面とする。駆動部５は、発光部キャリア７を駆動軸５０を介してレンズキャリア１０の傾斜面に沿って移動させる（図３の矢印の方向）。発光部キャリア７には発光部基板６を介して発光部２が取り付けられているので、発光部キャリア７がレンズキャリア１０の傾斜面に沿って、すなわち図３の矢印で示す方向に移動すると、発光部２の高さが変化する。このとき、発光部２は光導波路４０の形成された面、すなわちＸ−Ｙ平面に平行に設置され、高さ調整においてもこの平行状態は保持される。すなわち、発光部２からの光の中心軸（光軸）は、光導波路４０の形成された面に平行な状態を維持する。

高さのずれ量が−０．１２３ｍｍの上記例では、例えば、角度θを１３°とした場合、発光部キャリア７をX方向に０．３ｍｍ移動させたとき、発光部２の発光点の高さは０．０９ｍｍ低くなり、発光部２の発光点と光導波路４０の高さのずれ量を従来の−０．１２３ｍｍから−０．０３３ｍｍに低減することができる。この高さずれ量に対する結合効率は、図４に黒丸で示すように−１．４ｄＢとなり、目標結合効率０〜−２．５ｄＢを満たすようになる。

また、角度θを５°とした場合、発光部キャリア７をX方向に０．３ｍｍ移動させたとき、発光部２の発光点の高さは０．０３ｍｍ低くなり、発光部２の発光点と光導波路４０の高さのずれ量を従来の−０．１２３ｍｍから−０．０９３ｍｍに低減することができる。この高さずれ量に対する結合効率は、図４に黒丸で示すように−２．４ｄＢとなり、目標結合効率０〜−２．５ｄＢを満たすようになる。

なお、角度θが小さいほど高さの調整精度は向上するが、同じ量の高さ調整を行う場合のX方向の移動量が増加する。光導波路４０は高さ方向（Ｚ方向）の幅よりもＸ方向の幅が大きいため、Ｘ方向の位置ずれは高さ方向の位置ずれに比べると結合効率の低下に対する裕度が大きい。しかし、Ｘ方向の位置ずれであってもあまり大きくなると結合係数が低下するので所定の範囲に抑える必要がある。上記０．３ｍｍはこの所定の範囲の一例である。

図５に実施形態１の変形例に係る発光装置の構成例を示す。図５では、図１のＢ−Ｂ’の断面図を上段に示し、その中の一点鎖線で囲んだ部分であるＤ部の拡大図を下段に示す。

この変形例では発光部キャリア７を省略し、駆動部５は発光部基板６を直接駆動する。従って、発光部２はレンズキャリア１０の傾斜面に沿って傾斜した形で移動することにより発光点の高さが調整される。なお、この変形例においては、発光部２は光導波路４０の形成された面、すなわちＸ−Ｙ平面に平行ではなく傾斜して設置されている。しかし、発光部２の光軸は、光導波路４０の形成された面に平行であり、高さ調整時にも、この平行な状態を維持する。

本実施形態１に係る発光装置１に依れば、変形例を含めて光合波器４のそれぞれの光導波路４０に対して、これに対応する発光部２の高さを個別に容易に高精度で調整することができる。従って、この調整により、結合効率の改善が可能となる。なお、高さ調整の際、発光部２の光軸は、光導波路４０の形成された面に平行な状態が維持される。そのため発光部２の高さ調整が光軸の高さ調整にそのまま対応することとなり、高さずれの調整が容易となる。

上記変形例で、発光部キャリア７を平板にして残し、発光部基板６をこの平板上に設置しても上記と同様の効果を奏することができる。平板を置く場合は発光部基盤６を直接駆動せずに平板の発光部キャリア７を駆動することができるので、変形例に比べて駆動に伴う発光部基板６の破損の危険性を低減することができ、発光装置１としての信頼性を確保できる。

発光装置１は、パッケージ１６内に、用途により他の構成要素を含んでもよい。また、図１〜３、及び５に示す構成要素を全て備える必要はなく、いくつかの構成要素をまとめてもよい。

（実施形態２）
実施形態２に係る発光装置１の構成は上面図で示すと図１と基本的には同じである。実施形態１との違いを図６に示す。図６では、図１のＡ−Ａ’の断面図を上段に示し、その中の一点鎖線で囲んだ部分であるＥ部の拡大図を下段に示す。

実施形態１と異なる点は、発光部キャリア７のレンズキャリア１０と接する面を、光導波路４０の形成された面（Ｘ−Ｙ面）に対して、光導波路４０の長手方向（Ｙ方向）と逆の方向を基準として、高さ方向に所定の仰角θだけ傾斜させた面とし、この傾斜させた面に対向して接するレンズキャリア１０の面も同様に、同じ角度θだけ傾斜させた面とする。駆動部５は、発光部キャリア７を駆動軸５０を介してレンズキャリア１０の傾斜面に沿って図６の矢印の方向に移動させる。発光部キャリア７には発光部基板６を介して発光部２が取り付けられているので、発光部キャリア７がレンズキャリア１０の傾斜面に沿って移動すると、発光部２の高さが変化する。なお、高さ調整の際、発光部２からの光の中心軸は、光導波路４０の形成された面に平行な状態が維持される。

図６に示す例では高さ調整に伴い発光部２の発光点の位置が光導波路４０の長手方向（Ｙ方向）に移動する。そのため第１レンズ３が固定状態の場合は、Ｙ方向の集光点の位置が変化し、光導波路４０の光入射部での集光スポットの大きさが変化してしまう。集光スポットのサイズが大きくなった場合、すなわちピントがぼけた場合は、光導波路４０への光の入射率が低下するので結合効率が低下する。しかし、この影響は高さの変化による影響に比べると小さい。従って、傾斜角度θをあまり小さくしない限り、実質上は問題にしなくてもよい。更に、第１レンズ３のＹ方向位置を調整することによって、集光点の位置変化を小さくすることもできる。

本実施形態２に係る発光装置１に依れば、光合波器４のそれぞれの光導波路４０に対して、これに対応する発光部２の高さを個別に容易に高精度で調整することができる。従って、発光部２とこれに対応する光導波路４０との間の高さずれを個別に容易に高精度で調整することができ、結合効率の改善が可能となる。なお、高さ調整の際、発光部２の光軸は、光導波路４０の形成された面に平行な状態が維持される。そのため発光部２の高さ調整が光軸の高さ調整にそのまま対応することとなり、高さずれの調整が容易となる。

実施形態２に係る発光装置１に依れば、高さ調整により発光点と光導波路４０の光入射部との間の距離が変化する。そのため、光導波路４０の光入射部での集光スポットの大きさが変化する。しかし、これによる結合効率の低下の程度は高さのずれの場合に比べると小さい。また、第１レンズ３の位置を調整することにより集光スポットのサイズを小さくすることができるので、その場合は結合効率の低下の程度は更に小さくなる。

発光装置１は、電気信号と光信号とを相互に変換するための電子部品である光モジュール等に使用される。

１発光装置
２発光部
３第１レンズ
４光合波器
５駆動部
６発光部基板
７発光部キャリア
８レンズホルダ
９第２レンズ
１０レンズキャリア
１１フィードスルー
１２パターン
１３発光部ワイヤ
１４信号ワイヤ
１５パッケージキャリア
１６パッケージ
１７パッケージ蓋
４０光導波路
４１光合波部
４２光導波路
５０駆動軸

Claims

複数の発光部と、
該複数の発光部からの光の入射端に複数の光導波路の開口部、及び光の出射端に前記複数の光導波路を一つにまとめた光導波路の開口部を備えた光合波器と、
前記光導波路の形成された面に所定の角度で傾斜した面の該傾斜した方向に沿って、前記複数の発光部をそれぞれ駆動する複数の駆動部と、を備え、
前記発光部は、その発光方向の中心軸が前記光導波路の形成面に平行となるような角度で配置されている、
ことを特徴とする発光装置。
前記傾斜した面とは、前記光導波路の長手方向の逆方向を基準として、高さ方向への所定の仰角を有する傾斜した面である、
ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記傾斜した面とは、前記光導波路の形成された面上で、前記光導波路の長手方向に直交する方向を基準として、高さ方向への所定の仰角を有する傾斜した面である、
ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記発光部は、前記光導波路の形成された面に平行に配置されている、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の発光装置。
前記発光部は、前記傾斜した面に平行に配置されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の発光装置。