JP2001305394A

JP2001305394A - 光ファイバ用の受光装置および発光装置

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Publication number: JP2001305394A
Application number: JP2000119178A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Matsumoto; 佳宣松本; Yasuhiro Koike; 康博小池; Kenji Watanabe; 健治渡邊
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2001-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】多モードポリマー光ファイバのように比較的
コア径が大きい光ファイバ用の受光装置（または発光装
置）であって、構造が簡易であって接続などの取扱いが
容易でありながら高い効率の光学的接続を実現でき、低
コスト化も可能とする受光装置（または発光装置）を提
供する。【解決手段】受光装置は、素子層２と表面層３とを備
え、素子層には、受光部６を有する半導体受光素子４が
形成され、表面層には、一端側が光ファイバＰを挿入可
能な径とされる一方で、他端側が受光部の大きさと同じ
程度の径とされ且つ、高反射性の内周面を与えられた導
光孔９が貫通状態で受光部と位置対応させて形成されて
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ用の受
光装置および発光装置並びにその製造方法に関し、特に
例えば多モードポリマー光ファイバのように比較的コア
径が大きい光ファイバに好適な受光装置および発光装置
並びにその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電話局間などを結ぶ幹線系についてはそ
のほとんどが既に光ファイバ化されて大容量・高速通信
が可能となっている。しかしその一方で、電話局などか
ら各ユーザーに到るアクセス系や各家庭内あるいは各オ
フィス内での電子機器間の接続系などについては未だ光
ファイバ化が進んでいない。それにはさまざまな理由が
あるが、その最も大きな一つとして、従来の光ファイバ
システムにおける光ファイバ同士の接続や光ファイバと
受光装置あるいは発光装置との接続が複雑であり、高コ
ストであることが挙げられる。すなわちアクセス系など
における光ファイバ化の普及のためには従来の金属ケー
ブルシステムにおけるような接続における高い取扱い容
易性と廉価性が求められるが、従来の光ファイバシステ
ムは、その接続構造が複雑であり、高コストであるため
に、このようなアクセス系などにおける光ファイバ化の
広い普及の前提となる要求に応えることができていない
ということである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】光ファイバと受光装置
や発光装置との接続を簡易化する技術については、例え
ば特開平１０−２２１５７３号および特開平１０−２２
１５７４号公報に開示されるような構造が既に提案され
ている。この構造は高反射性の導光路を利用して光ファ
イバを受光装置や発光装置と光学的に接続するものであ
り、従来の接続構造に比較して格段に簡易な構造で高い
光学的な接続効率を得ることを可能とする。しかしこの
ような導光路による接続構造を実際の受光装置や発光装
置として、特に低コスト化を可能とするように具体化す
るためには、デバイス構造自体にさらなる工夫が求めら
れる。

【０００４】本発明は、以上のような事情を背景になさ
れたものであり、構造が簡易であって接続などの取扱い
が容易でありながら高い効率の光学的接続を実現でき、
したがってまた低コスト化も可能とする受光装置と発光
装置の提供を目的としており、またその製造方法の提供
を目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、導光路によ
る接続構造を単一の装置内に一体的に形成することで低
コスト化を望める受光装置や発光装置を可能としてい
る。具体的には、光ファイバから出射される信号光を受
光する受光装置については、素子層とこれに積層された
表面層とを備える装置構造とし、その素子層には、受光
部を有する半導体受光素子を形成し、その表面層には、
一端側が光ファイバを挿入可能な径とされる一方で、他
端側が前記受光部の大きさと同じ程度の径とされ且つ、
高反射性の内周面を与えられた導光孔を貫通状態で前記
受光部と位置対応させて形成するようにしている。

【０００６】また光ファイバに信号光を入射させるため
の発光装置についても同様に、素子層とこれに積層され
た表面層とを備える装置構造とし、その素子層には、発
光部を有する半導体発光素子を形成し、その表面層に
は、一端側が前記光ファイバを挿入可能な径とされる一
方で、他端側が前記発光部の大きさと同じ程度の径とさ
れ且つ、高反射性の内周面を与えられた導光孔を貫通状
態で前記発光部と位置対応させて形成するようにしてい
る。

【０００７】上記のような本発明による受光装置や発光
装置は、さまざまな方法で製造することができるが、特
にその構造から、従来の一般的な半導体製造技術を利用
して製造可能であるということが、低コスト化を図る上
で有効である。そのような半導体製造技術を利用する製
造方法は、表面層用の基板に複数の導光孔を形成して表
面層材を形成する工程、素子層用の基板に複数の半導体
受光素子または半導体発光素子を形成して素子層材を形
成する工程、前記表面層材を前記素子層材に積層する工
程、および積層された表面層材と素子層材を一体的にダ
イシングして素子層と表面層からなるチップを得る工程
を含むことになる。

【０００８】このような製造方法については、表面層用
の基板への導光孔の形成をサンドブラストにより行うこ
とが特に好ましい。その理由は以下の通りである。アク
セス系などの光ファイバ化に特に有力である多モードポ
リマー光ファイバは、そのコア径が数百μｍレベルと大
きいことで光学的接続を容易にするということを大きな
利点としているが、このことは例えば受光装置に関して
一つの問題をもたらす。すなわち特に通信速度が例えば
ギガレベルまで高速化する場合に、受光素子における受
光部が寄生容量などの問題に起因して小型化することか
ら、光ファイバの出射端から受光部に向けて信号光を効
率的に集光することが必要となり、この集光のための簡
易な構造を容易に形成できることが望まれる。集光のた
めの簡易な構造は、上記の特開平特開平１０−２２１５
７３号公報にも開示されるように、導光路を光ファイバ
側から受光部側に向けて先細りとする、つまり円錐形状
の貫通孔とすることである。そして円錐形状の貫通孔の
形態で導光路を表面層用の基板に形成するには、サンド
ブラスト法が最適である。すなわちサンドブラスト法に
よれば、砂（切削粒子）の吹付け条件しだいで自然に円
錐形状を得ることができ、しかも砂の吹付け条件に応じ
て円錐の角度も容易に調節することができる。また多数
の導光路を所定の配列パターンで同時的に形成すること
が容易であり、加工効率も高い。

【０００９】このようにサンドブラスト法を用いる場合
には、その処理の後に導光孔の内周面を高反射性とする
処理が必要になる。その処理には光沢めっき法が好まし
い。すなわち光沢めっき法によるめっきは、サンドブラ
ストにより導光孔の内周面に生じている微小な凹凸を吸
収することができ、これにより平滑で鏡面的な反射を生
じる内周面を与えることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。図１に、一実施形態による受光装置の構成を
模式化して示す。図に見られるように受光装置は、例え
ば幅が１０ｍｍ程度で、高さが５ｍｍ程度のパッケージ
１で封止されており、その内部に、厚さが例えば１ｍｍ
程度の素子層２とこれに積層された例えば２〜３ｍｍ程
度の厚さの表面層３からなる機能部を有している。シリ
コンウエハなどを基板とする素子層２には、半導体製造
技術で形成された例えばフォトダイオード構造の受光素
子４と受信信号処理用の回路素子５が一体的に設けられ
ており、その受光素子４の受光部６は素子層２において
露出状態となるようにして形成されている。また素子層
２にはボンディングパッド７が設けられており、これを
介して電源端パッド８への素子層２の接続がなされてい
る。

【００１１】一方、表面層３は、例えばガラスやシリコ
ンを素材としており、導光孔９が貫通状態で形成されて
いる。この導光孔９は、素子層２の受光部６と位置対応
するようにされており、受光部６の側に向けて先細りと
なる円錐形に形成されている。より具体的には、一端側
が例えば多モードポリマー光ファイバのようにコア径が
２００〜６００μｍ程度で５００〜１０００μｍ程度の
外径を有する光ファイバＰを挿入可能な径とされる一方
で、他端側が例えば１００〜５００μｍ程度の大きさと
される素子層２の受光部６の大きさと同じ程度の径とさ
れ、一端側から他端側に向けて連続的に径が縮小するよ
うにされており、その最小径の開口端が受光部６に直接
的に被さるようにされている。また導光孔９の内周面は
例えばめっき処理などにより高反射面、特に鏡面的な高
反射面となるようにされている。このように導光孔９を
その内周面が高反射性である円錐形状とすることによ
り、光ファイバＰから出射される信号光を光ファイバＰ
の径よりも小さなサイズの受光部６に対して効率的に集
光して入射させることができ、光学的接続の効率を大き
く高めることができる。

【００１２】また導光孔９には、信号光に用いられる光
に対し透明性の高い材料で形成された透明体１１がその
一端を受光部６に密着させるようにして充填されてい
る。この透明体１１は、光ファイバＰから出射する信号
光が受光部６に入射する際に受光部６の表面で反射され
るのをできるだけ防止することで、上記のように円錐形
導光孔９により高められた光学的接続効率をさらに高め
るためのものである。したがって透明体１１には、光フ
ァイバＰのコアの屈折率や受光部６の屈折率にできるだ
け近い屈折率を有し、しかも光ファイバＰを導光孔９に
図に示すように挿入してその出射端面を透明体１１に押
接させる際に透明体１１が変形して光ファイバＰの出射
端面に密着できるような柔軟性に加えて適度な弾力性を
有する材料を用いる。そのような材料としては、例えば
シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂あ
るいは熱可塑性エラストマー系樹脂などを用いることが
でき、なかでも好ましいのは安定性や密着性などの点か
らシリコーン系樹脂によるゲル材である。なお、図では
光ファイバＰが透明体１１に押接する前の状態を示して
ある。

【００１３】また透明体１１の接触面１２には、導光孔
９に挿入された光ファイバＰがこの接触面１２に押接し
てこれを変形させながら密着する際に、その密着面に空
気が取り込まれるのを防止できるような形状を与えるの
が好ましい。つまり密着面に空気が取り込まれると、光
ファイバＰから透明体１１に入射する信号光の界面反射
率が高まり、それだけ光学的接続効率が低下することに
なるので、これを防止できるような形状を接触面１２に
与える。そのような形状は、接触面１２の中央部が最初
に光ファイバＰの端面に接触する形状であり、具体的に
は例えば凸曲面形状や錐体形状などの凸形状であり。図
の例では凸曲面形状にしてある。

【００１４】また透明体１１は、上記のように素子層２
で露出状態とされている受光部６が導光孔９を介して外
気に曝されるのを防止する役目も負っている。したがっ
て透明体１１の導光孔９への充填は十分な気密性が得ら
れるようになすとともに、受光部６への密着にも十分な
気密性が得られるようにする。そのためには、受光部６
への密着側の柔軟性を接触面１２の側のそれよりも高め
るような構造を採用することも好ましいことの一つであ
る。ここで、受光部６を素子層２において露出させ、こ
れを透明体１１で保護する構造は、導光孔９で集光した
信号光をより効率的に受光部６に入射させるのに有効で
ある。すなわち光ファイバＰから出射される信号光を透
明体１１のみを媒体として受光部６に入射させることが
でき、例えば従来の一般的なフォトダイオードにおける
樹脂封止のような構造が介在する場合に比べ、より効率
的に信号光を受光部６に入射させることができる。

【００１５】次に、本発明による発光装置の一実施形態
について図２を参照して説明する。この発光装置は、素
子層２２に発光素子２４が形成されていることを除い
て、基本的には上記の受光装置と同様である。すなわち
パッケージ１で封止された内部に素子層２２とこれに積
層された表面層２３からなる機能部を有しており、その
素子層２２には半導体製造技術により例えば発光ダイオ
ード構造やレーザダイオード構造などとして形成された
発光素子２４が発信信号処理用の回路素子２５と一体的
に設けられており、その発光素子２４の発光部２６は素
子層２２において露出状態で形成されている。一方、表
面層２３は、受光装置の場合と同様な円錐形の導光孔２
７が素子層２２の受光部２６と位置対応させて形成され
ている。ただこの導光孔２７は、受光装置における導光
孔９の集光機能とは逆にその円錐形形状が機能すること
により、発光部２６から出射される信号光を発光部２６
のサイズよりも大きな径の光ファイバＰに効率的に入射
させるのに働く。

【００１６】また導光孔２７に透明体２８が充填されて
いることも受光装置の場合と同様であり、この透明体２
８も受光装置の場合と同様な作用により、発光部２６か
らの信号光が光ファイバＰに入射する際に反射されるの
を防止するなどに機能し、凸曲面形状の接触面２９を有
している。したがってそれらについての詳細な説明は省
略する。

【００１７】以下では上記のような受光装置や発光装置
を製造する方法の一実施形態について説明する。本発明
による受光装置や発光装置は従来の一般的な半導体製造
技術を利用して製造するのが好ましい。半導体製造技術
を利用して製造する場合には次ぎのような工程を主要な
工程として含む。大別してまず表面層材を形成する工程
と素子層材を形成する工程がある。これらは互いに独立
した工程であり、場合によっては表面層材の製造と素子
層材の製造を別々の工場で行うこともあり得る。次に、
表面層材を素子層材に積層してからダイシングして上記
のような受光装置や発光装置の機能部となるチップを形
成する工程があり、最後にこのチップをパッケージで封
止する工程がある。以下、各工程ついて主な内容を説明
する。

【００１８】表面層材を製造するには、例えばガラスや
シリコンあるいは金属あるいはプラスチックなどの適当
な材料を基板に用い、これに後述する素子層材における
半導体素子の配列パターンと対応するパターンで配列す
るようにして多数の導光孔を形成する。導光孔の形成に
は、基板がガラス材やシリコン材あるいは金属材であれ
ば、例えばレーザ加工や超音波加工あるいはディープリ
アクティブイオンエッチング法などを用いることができ
るが、円錐状の導光孔を最も効率的に形成する方法とし
てはサンドブラスト法が適している。一方、成形加工が
容易なプラスチック材を用いる場合には、例えば射出成
形などにより成形的に導光孔を形成する。ここでは例え
ば２〜３ｍｍ程度の厚さのガラス板を基板に用いてサン
ドブラスト加工を行う場合について説明する。サンドブ
ラスト処理による場合にはマスク法を用いる。すなわち
サンドブラスト処理の影響を受けないような素材、例え
ばドライフィルムを用いたマスク層をガラス基板に積層
し、それからこのマスク層にフォトエッチングなどでマ
スクパターンを形成し、そしてその上からサンドブラス
ト処理を施すことにより、所定配列パターンで導光孔を
形成する。サンドブラスト法の場合には、通常の条件で
砂を吹き付けるだけで、導光孔に円錐形状を与えること
ができる。また砂の吹付け圧などを適当に調整すること
で、円錐形状における傾斜角度も調節することができ
る。そして通常は、例えば４５〜７０°の範囲で自由に
角度を選ぶことができる。ここで、この傾斜角度は、上
記の説明から分かるように、光ファイバの外径と受光部
の大きさ、それに表面層の厚みとの関係からほぼ必然的
に定まるので、これに応じて設定することになる。

【００１９】このようにしてサンドブラスト法によりガ
ラス基板に導光孔を形成したら、次には導光孔の内周面
を高反射化する処理を施す。サンドブラスト法で形成し
た導光孔に対する高反射化処理には、例えば蒸着法やス
パッタ法なども利用可能であるが、光沢めっき法が特に
適している。光沢めっき法は電解めっき法によるのが通
常である。したがって光沢めっき法で導光孔の内周面に
光沢めっきを施すには、導光孔の内周面に導電性を与え
る必要がある。そこで、まず前処理として無電解めっき
により下地の金属めっき層を導光孔の内周面に形成し、
それからこの下地の金属めっき層の上に光沢めっきを施
すようにする。このようなめっき処理を経ることによ
り、サンドブラストにより導光孔の内周面に生じている
微小な凹凸を覆って平滑で鏡面的な反射を生じる内周面
を与えることができる。以上により表面層材の製造は完
了する。

【００２０】素子層材の製造は、従来から一般的に用い
られている半導体製造技術で行う。そのような半導体製
造の工程は既によく知られているのでその説明は省略す
る。半導体製造工程により素子層材ができたら、通常は
その工程の連続工程として、素子層材に表面層材をそれ
ぞれの導光孔配列パターンと素子配列パターンが一致す
るようにして積層する。この積層は、素子層材がシリコ
ンウエハを基板としており、表面層材がガラス板を基板
としている場合には、例えば低融点ガラスによる接着で
行うことも可能であるが、陽極接合によるのが好まし
い。積層を終えたら、配列パターンに基づいてダイシン
グを行って素子層と表面層からなるチップを得る。そし
て得られたチップにパッケージ処理を施せば、上記のよ
うな受光装置または発光装置が完成する。

【００２１】以上の上記各実施形態では、受光素子や発
光素子を回路素子と一体的に設ける構造としていたが、
これに代えて受光素子や発光素子と回路素子とをそれぞ
れ別の基板に形成する構造とすることも可能である。そ
のような構造とする場合の素子層材の製造は、受光素子
や発光素子用の素子層材の製造と回路素子用の素子層材
の製造が別工程となるのが通常である。なおこの場合、
回路素子用の素子層については表面層を積層する必要は
ない。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、光ファイ
バ通信システムにおける光ファイバと受光装置や発光装
置との接続について、取扱いが容易である簡易な構造で
高い効率の光学的接続を可能とし、大容量・高速通信を
可能とする光ファイバ化をアクセス系や電子機器間接続
系についても普及させるのに寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施形態による受光装置の模式化した構成
図。

【図２】一実施形態による発光装置の模式化した構成
図。

【符号の説明】

２素子層３表面層４半導体受光素子６受光部９導光孔 22 素子層 23 表面層 24 半導体発光素子 26 発光部Ｐ光ファイバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡邊健治東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA02 BA11 DA03 DA04 DA06 DA14 5F041 AA06 DA43 DA47 DA57 EE02 EE04 FF14 5F073 AB12 AB21 AB28 BA01 FA07 FA13 5F088 AA01 BA03 BA16 BB01 JA06 JA12 JA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバから出射される信号光を受光
する受光装置において、素子層とこれに積層された表面
層とを備え、前記素子層には、受光部を有する半導体受
光素子が形成され、前記表面層には、一端側が前記光フ
ァイバを挿入可能な径とされる一方で、他端側が前記受
光部の大きさと同じ程度の径とされ且つ、高反射性の内
周面を与えられた導光孔が貫通状態で前記受光部と位置
対応させて形成されてなることを特徴とする光ファイバ
用の受光装置。
【請求項２】光ファイバに信号光を入射させるための
発光装置において、素子層とこれに積層された表面層と
を備え、前記素子層には、発光部を有する半導体発光素
子が形成され、前記表面層には、一端側が前記光ファイ
バを挿入可能な径とされる一方で、他端側が前記発光部
の大きさと同じ程度の径とされ且つ、高反射性の内周面
を与えられた導光孔が貫通状態で前記発光部と位置対応
させて形成されてなることを特徴とする光ファイバ用の
発光装置。
【請求項３】請求項１に記載の受光装置または請求項
２に記載の発光装置の製造方法であって、表面層用の基
板に複数の導光孔を形成して表面層材を形成する工程、
素子層用の基板に複数の半導体受光素子または半導体発
光素子を形成して素子層材を形成する工程、前記表面層
材を前記素子層材に積層する工程、および積層された表
面層材と素子層材を一体的にダイシングして素子層と表
面層からなるチップを得る工程を含んでなる製造方法。
【請求項４】表面層用の基板への導光孔の形成をサン
ドブラストにより行うようにした請求項３に記載の製造
方法。
【請求項５】サンドブラスト処理後に導光孔の内周面
に光沢めっき法によりめっきを施すようにした請求項４
に記載の製造方法。