JP2005038956A - 光部品とその製造方法 - Google Patents

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直樹 立畠
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和成 西原
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Abstract

【課題】小型・低背化を図ると共に伝送速度の高周波化および高速化に対応できる安価な光部品を提供することを目的とするものである。
【解決手段】セラミック基板を積層して形成する凹状のパッケージ１３と、このパッケージ１３の内部の底面に設けた溝部１９と、この溝部１９の内部に設けた受光素子または発光素子２０と、パッケージ１３の開口部を覆うように設けた蓋体１２と、この蓋体１２に形成したレンズ１１とからなる光部品であり、蓋体１２にレンズ１１を形成することにより、安価な光部品を提供することができると共にセラミック基板を積層したパッケージ１３により小型および低背化が実現できる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信用に用いられる発光素子としてのＬＥＤ、ＬＤおよび受光素子としてのＰＤなどを用いた光部品とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信用に用いられる光部品としては、図７に示すものがある。
【０００３】
図７（ａ）は従来の光部品を示す斜視図、図７（ｂ）は従来の光部品を示す断面図である。
【０００４】
図７（ａ）、（ｂ）に受光素子モジュールまたは発光素子モジュールを示し、１は金属製キャップ、２は金属製キャップ１に封着されているレンズ、３はチップを実装するための金属ベース、４は金属ベース３の主面から裏面に取り出すための外部取り出し電極、５は外部取り出し電極４を金属ベース３に気密封止するための低融点ガラス、６はＬＥＤまたはＰＤなどの発光素子または受光素子、７は発光素子または受光素子６の電極を外部取り出し電極４に電気的に接続させるための金属ワイヤを示している。
【０００５】
金属製キャップ１および金属ベース３は通常はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏなどの合金が用いられ、その表面は酸化防止のためＮｉ−Ａｕなどでメッキ処理されている。この金属製キャップ１と金属ベース３を抵抗溶接して気密封止する構造となっている。気密封止された内部は通常は窒素に置換または真空として発光素子または受光素子６の経年劣化を防止している。
【０００６】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６３−２８２７１０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では、外部取り出し電極４を金属ベース３に気密封止するため、外部取り出し電極４を貫通させるための穴加工が必要となり、この穴加工のために高コストになるという課題がある。また低融点ガラス５を埋め込むため金属ベース３の製作コストが高くなるという課題がある。
【０００９】
また、発光素子または受光素子６の電極を外部取り出し電極４に電気的に接続させるために金属ワイヤ７を使用するが、金属ワイヤ７のインダクタンスおよび浮遊容量により伝送する信号の高周波化、高速化への対応が困難になる。
【００１０】
本発明は小型・低背化を図ると共に伝送速度の高周波化および高速化に対応できる安価な光部品を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そしてこの目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、セラミック基板を積層して形成する凹状のパッケージと、このパッケージ内の底面に設けた溝部と、この溝部内に設けた受光素子または発光素子と、前記パッケージの開口部を覆うように設けた蓋体と、この蓋体に形成したレンズとからなる光部品であり、蓋体にレンズを形成することにより、安価な光部品を提供することができると共にセラミック基板を積層したパッケージにより小型および低背化が実現できる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、受光素子または発光素子上に固定基板を設け、前記受光素子または発光素子を固定基板とパッケージ間に挟持して固定する構成とした請求項１に記載の光部品であり、固定基板とパッケージ間に挟持して固定し、接触面積が広くできるため放熱効果が向上する。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、固定基板に受光素子の受光部または発光素子の発光部の面積より大きく受光素子または発光素子の面積より小さい窓を設けた請求項２に記載の光部品であり、固定基板とパッケージ間に挟持して固定するため放熱効果が向上すると共に固定を強固にすることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、固定基板の少なくとも一面に受光素子または発光素子の電極およびパッケージ内の底面に設けた電極と接続する配線を設けた請求項２に記載の光部品であり、配線長のばらつきが低減できると共に導体抵抗値が低減できるため高周波特性が安定すると共に向上する。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、セラミック基板の積層間に設けた配線と、この配線とパッケージの側面または底面の少なくともいずれかに設けた外部電極とを接続する構成とした請求項１に記載の光部品であり、小型および低背化が実現でき、面実装に対応することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、溝部に二段以上の段差を設けた請求項１に記載の光部品であり、二種類以上の形状が異なる受光素子または発光素子に対応することができるため低コスト化が図れる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、溝部の形状を受光素子または発光素子の形状とほぼ等しくした請求項１に記載の光部品であり、光軸調整が容易になるため低コスト化が図れる。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、溝部内に設けた受光素子の受光面または発光素子の発光面をレンズの光軸にほぼ垂直になるように配置する構成とした請求項１に記載の光部品であり、光軸調整が容易になるため低コスト化が図れる。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、レンズを回折型レンズとする請求項１に記載の光部品であり、小型化および低背化が実現できる。
【００２１】
請求項１０に記載の発明は、回折型レンズの回折パターンをパッケージ内の蓋体表面に設けた請求項６に記載の光部品であり、回折パターンの損傷を防止でき安定した光結合効率が得られる。
【００２２】
請求項１１に記載の発明は、パッケージの蓋体と接する面に段差を設け、その段差部分が蓋体に嵌合する構成とした請求項１に記載の光部品であり、位置合わせが容易になると共に封止効果が向上する。
【００２３】
請求項１２に記載の発明は、蓋体の側面に段差を設け、その段差部分がパッケージの開口部に嵌合する構成とした請求項１に記載の光部品であり、位置合わせが容易になると共に封止効果が向上する。
【００２４】
請求項１３に記載の発明は、パッケージとレンズとの線膨張係数の差を９×１０−７Ｋ−１以下とする請求項１に記載の光部品であり、熱応力を小さくできるため信頼性を高めることができる。
【００２５】
請求項１４に記載の発明は、レンズとして、少なくともＳｉＯ２およびＢ２Ｏ３からなり、かつ少なくともＮａＯ２またはＫ２Ｏのいずれか一方を含むガラス材料を用いた請求項１に記載の光部品であり、低コスト化が図れると共に線膨張係数差を小さくできるため信頼性を高めることができる。
【００２６】
請求項１５に記載の発明は、レンズとして、少なくともＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３およびフッ素を含むフッ素系クラウンガラスを用いた請求項１に記載の光部品であり、軟化温度が低くできると共に作業温度が低くできるため低コスト化が図れる。
【００２７】
請求項１６に記載の発明は、レンズとして、Ｐ２Ｏ５、フッ素からなるフツリン酸ガラスを用いた請求項１に記載の光部品であり、軟化温度が低くできると共に作業温度が低くできるため低コスト化が図れる。
【００２８】
請求項１７に記載の発明は、固定基板の窓に球レンズを設け、所定のオポティカルパスを前記固定基板の厚みとする請求項２に記載の光部品であり、高さ方向の位置合わせが固定基板の厚みで調整できるため低コスト化が図れる。
【００２９】
請求項１８に記載の発明は、固定基板の厚さを制御して、球レンズと発光素子または受光素子との距離を調整する光部品の製造方法であり、高さ方向の位置合わせが固定基板の厚みで調整できるため、低コスト化が図れる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態における光部品について図１から図６を用いて説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１（ａ）は本発明の実施の形態１における光部品を示す斜視図、図１（ｂ）は本発明の実施の形態１における光部品を示す分解斜視図、図１（ｃ）は本発明の実施の形態１におけるパッケージを示す断面図である。図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、１１はレンズ、１２はレンズ１１を設けた蓋体、１３は積層したセラミック基板よりなる凹状のパッケージ、１４はパッケージ１３の外表面に設けた外部電極、１５はパッケージ１３と蓋体１２の間に固着されるシールリング、１６は積層したセラミック基板からなるパッケージ１３に形成した配線、１７は両面の配線１６を接続するスルーホール、１８はワイヤ、１９は溝部、２０は受光素子または発光素子である。レンズ１１については図２を用いて詳細に説明する。
【００３２】
スルーホール１７および配線１６を形成するセラミック基板を積層する凹状のパッケージ１３の内部の底面に設けた少なくとも二段の溝部１９に受光素子または発光素子２０を実装し、この受光素子または発光素子２０の電極とパッケージ１３に設けた配線１６とをワイヤ１８により接続し、パッケージ１３のレンズ１１を形成する蓋体１２と接する面にシールリング１５を形成し、このレンズ１３を形成する蓋体１２によりシールリング１５を介して気密封止する構成となっている。ここでパッケージ１３の外側の側面または裏面に外部と接続するための外部電極１４が設けられている。
【００３３】
図１（ｃ）に示すようにパッケージ１３はセラミック基板を積層して凹状に形成されており、内部には電極および配線が積層されている。この積層されたセラミック基板により形成されたパッケージ１３の断面図はセラミック基板とともに積層された配線１６、積層セラミック基板に設けられたスルーホール１７により接続されている。なおセラミック基板が窒化アルミニウムや窒化珪素のような熱伝導のよい材料を含む場合、受光素子または発光素子２０に発生する熱が放熱できるため、特性劣化を少なくできるので好ましい。
【００３４】
パッケージ１３は例えばグリーンシートを積層して形成され、配線１６およびスルーホール１７などを設けて結線することにより、パッケージ１３の内部に形成された配線１６からパッケージ１３の外側側面または裏面の外部電極１４に取り出すことができるため、面実装化にも対応が可能である。なおセラミック基板を積層して形成するパッケージ１３を矩形にすることにより、レーザ光の偏波方向をパッケージ１３の所定方向に実装することにより、パッケージ１３の外観から偏波方向が確認できるため、光ファイバ（図示せず）等との接続が容易になる。
【００３５】
シールリング１５と蓋体１２との線膨張係数の差は９×１０−７Ｋ−１以下であると熱応力を小さくできるため、信頼性を高めることができる。同様にパッケージ１３とシールリング１５との線膨張係数差を９×１０−７Ｋ−１以下とすることにより、同様の効果が得られる。
【００３６】
本発明による光部品において、上記のように外部電極１４、配線１６、スルーホール１７などをセラミック基板に形成でき、パッケージ１３を小型化することが可能となる。レンズ１１の上に光ファイバや光導波路のような光通路があり、光信号を伝搬させる。
【００３７】
受光素子または発光素子２０は溝部１９に実装される。この場合、溝部１９の形状は実装される受光素子または発光素子２０の外形形状とほぼ同じに形成する。すなわち受光素子または発光素子２０を溝部１９に嵌合させることによって、受光素子または発光素子２０の位置決めが容易となり作業性を高めることができる。
【００３８】
図１（ｃ）に示すように、溝部１９に二段以上の段差を設けてもよい。この場合、二種類以上の受光素子または発光素子２０の形状に対応することが可能となり、パッケージ１３としての部材を共通化することにより、低コスト化が図れる。
【００３９】
レンズ１１の光軸と受光素子の受光面または発光素子の発光面と垂直になるようにした場合、レンズ１１の上に配置される光ファイバ（図示せず）と位置合わせが容易になると共に結合効率を向上させることができる。レンズ１１は受光素子または発光素子２０がＬＥＤなどの発光素子の場合はその放射角と焦点位置を考慮して設計すべきである。なお発光素子はＬＥＤ、ＬＤ、ＶＣＳＥＬなどがあり、特にＶＣＳＥＬのような面発光レーザを用いた場合、小型化および低背化が実現できる。
【００４０】
ＰＤなどの受光素子の場合、受光面への入射光量を考慮してレンズ１１を設計すべきであるが、ＰＤの場合はレンズ１１が必ずしも集光機能を有する必要はなく、平板の窓でも問題の無い場合もある。ただし界面での反射を低減するためにその主表面には反射防止膜などのコーティングを施したほうが望ましい。
【００４１】
パッケージ１３の内部を気密封止すると高い信頼性が得られるので望ましい。またパッケージ１３の内部を気密封止する場合、パッケージ１３の内部を窒素で満たすとさらに高い信頼性が得られる。
【００４２】
蓋体１２をパッケージ１３に溶接して気密封止する方法は抵抗溶接法を用いることが困難となる。一般的に使用されるシーム溶接では通電するための電極構造により蓋体１２は平板の形状に制限されるが、実施の形態１において、シーム溶接により気密封止することが可能である。
【００４３】
図２（ａ）〜（ｅ）は本発明の光部品に用いるレンズ１１を示す断面図である。図２（ａ）、（ｂ）は屈折型レンズ、図２（ｃ）は回折型レンズ、図２（ｄ）はバイナリレンズ、図２（ｅ）は回折型レンズと屈折型レンズを組み合わせたレンズを示す。
【００４４】
以上のように、レンズに回折型レンズ、屈折型レンズ、それらの複合したレンズ、また表裏にそれぞれを形成したものなど、様々なものが考えられ、バイナリレンズ、回折型レンズ等を用いることにより小型化および低背化に対応できる。
【００４５】
レンズ１１の材料はガラスや樹脂が用いられる。特に屈折率の温度特性や信頼性などを重視するとレンズ１１の材料としてガラスが望ましいが、低コスト化を重視すると樹脂が望ましいことになる。
【００４６】
図３（ａ）、（ｂ）は本発明の他の光部品を示す断面図である。図３（ａ）は回折型レンズの回折パターンをパッケージ１３の外側になるように蓋体１２の表面に形成し、図３（ｂ）では回折パターンをパッケージ１３の内部になるように蓋体１２の表面に形成している。図３（ｂ）は図３（ａ）と比較して空気中のダストが回折パターンに付着するレンズの汚れを防止できるため好ましい。この構成は回折型レンズを利用する場合、他の実施の形態においても同様である。
【００４７】
シールリング１５の材料は溶接性を考慮して通常Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏの合金を用いる。またシールリング１５はパッケージ１３の蓋体１２と接する面に銀などでロウ付けされている。蓋体１２にガラスを用いる場合、シールリング１５と線膨張係数ができるだけ近いほうが望ましい。例えばシールリング１５にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏの合金を用いる場合、蓋体１２は硼珪酸塩ガラスなどを用いると良い。またＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金に熱膨張係数を合わせたコバールガラスなどが市販されている。
【００４８】
図４は本発明の他の光部品を示す断面図である。図４（ａ）に示すように蓋体１２とパッケージ１３が接する部分において、蓋体１２に段差を設けることにより、蓋体１２をパッケージ１３にはめ込むようにすることができる。あるいは図４（ｂ）に示すように蓋体１２とパッケージ１３が接する部分において、パッケージ１３に段差を設け、蓋体１２をパッケージ１３にはめ込むようにすることができる。この構成により受光素子または発光素子２０と蓋体１２に形成されたレンズ１１との位置合わせが容易になると共に気密封止の効果が向上する。なおこれらの段差は二段以上の多段であってもよい。図４（ａ）、（ｂ）には、蓋体１２やパッケージ１３に段差を設けているが、蓋体１２とパッケージ１３の両方に段差を設けても良い。また蓋体１２またはパッケージ１３の段差を二段以上設けてもよい。
【００４９】
ガラスや樹脂を加工して回折型レンズを形成する場合、ドライエッチングによりエッチングする方法、切削により加工する方法、プレス成形する方法などがある。
【００５０】
レンズ１１を形成する蓋体１２にガラスを用いる場合、少なくともＳｉＯ２およびＢ２Ｏ３とを含み、少なくともＮａＯ２またはＫ２Ｏのいずれか一方を含むガラスを用いることにより低コスト化が図れると共に線膨張係数差が小さくできるため、信頼性が向上できる。
【００５１】
また、少なくともＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とフッ素とを含むフッ素クラウンガラス、あるいは、Ｐ２Ｏ５とフッ素とを含むフツリン酸ガラスなどを用いることにより、軟化温度を低くできると共に作業温度を低くできるため、低コスト化が図れる。
【００５２】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について図を用いて説明する。以下、実施の形態１と異なる点について説明する。
【００５３】
図５（ａ）は本発明の実施の形態２における光部品を示す断面図、図５（ｂ）は本発明の実施の形態２における光部品を示す分解斜視図、図５（ｃ）は本発明の実施の形態２における光部品に用いたパッケージを示す断面図、図５（ｄ）は本発明の実施の形態２における光部品を示す断面図である。図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、スルーホール１７および配線１６を形成するセラミック基板を積層した凹状のパッケージ１３の内部の底面に設けた少なくとも２段の溝部１９に受光素子または発光素子２０をパッケージ１３の内部の底面の高さとほぼ同じとなるように実装し、この受光素子または発光素子２０の電極とパッケージ１３の形成するセラミック基板に形成した電極または配線１６とを固定基板２１の少なくとも一面に設けた配線により接続し、挟持して固定する。そしてパッケージ１３のレンズ１１を形成する蓋体１２と接する面にシールリング１５を形成し、このレンズ１１を形成する蓋体１２によりシールリング１５を介して気密封止する構成となっている。ここでパッケージ１３の外側の側面または裏面に外部と接続するための外部電極１４が設けられている。また固定基板２１には受光素子の受光部または発光素子の発光部の面積より大きく、受光素子または発光素子２０より小さな孔を設けている。
【００５４】
この構成により、固定基板２１とパッケージ１３の間に挟持して固定し、接触面積が広くできるため、放熱効果が向上する。また配線長のばらつきが低減できると共に導体抵抗値が低減できるため、高周波特性が安定すると共に向上する。
【００５５】
図５（ｄ）に示すように、固定基板２１の上に球レンズ２２を設け、固定基板２１の厚さを制御することにより発光素子または受光素子２０と球レンズ２２との間隔が容易に調整できるため、低コスト化が図れる。
【００５６】
図６（ａ）は本発明の光部品を用いた光リンクモジュールを示す斜視図、図６（ｂ）は本発明の光部品を用いた光リンクモジュールを示す断面図である。図６（ａ）、（ｂ）に示すように、１０１および１０２は本発明による光部品、１０３は光部品１０１および１０２を駆動させるためのドライバーＩＣ、プリアンプ、メインアンプなどのＬＳＩ、１０４は回路を構成するチップ抵抗、積層セラミックコンデンサなどのディスクリート部品、１０５はそれらを実装するための実装基板、１０６は外部取り出し用の電極、１０７は受光素子または発光素子、１０８はレンズである。なお図６（ａ）、（ｂ）では、レンズ１０８は蓋体と一体化している例を示した。
【００５７】
以上のように、本発明による光部品を用いることにより、安価な光部品を提供することができると共にセラミック基板を積層したパッケージにより小型および低背化が実現できる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明は、セラミック基板を積層して形成する凹状のパッケージと、このパッケージ内の底面に設けた溝部と、この溝部内に設けた受光素子または発光素子と、前記パッケージの開口部を覆うように設けた蓋体と、この蓋体に形成したレンズとからなる光部品であり、蓋体にレンズを形成することにより、安価な光部品を提供することができると共にセラミック基板を積層したパッケージにより小型および低背化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における光部品を示す斜視図
（ｂ）本発明の実施の形態１における光部品を示す分解斜視図
（ｃ）本発明の実施の形態１におけるパッケージを示す断面図
【図２】（ａ）〜（ｅ）本発明の光部品に用いたレンズを示す断面図
【図３】（ａ）、（ｂ）本発明の他の光部品を示す断面図
【図４】（ａ）、（ｂ）本発明の他の光部品を示す断面図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態２における光部品を示す断面図
（ｂ）本発明の実施の形態２における光部品の一例の分解斜視図
（ｃ）本発明の実施の形態２における光部品に用いたパッケージの断面図
（ｄ）本発明の実施の形態２における光部品を示す断面図
【図６】（ａ）本発明の光部品を用いた光リンクモジュールを示す斜視図
（ｂ）本発明の光部品を用いた光リンクモジュールを示す断面図
【図７】（ａ）従来の光部品を示す斜視図
（ｂ）従来の光部品を示す断面図
【符号の説明】
１１ レンズ
１２ 蓋体
１３ パッケージ
１４ 外部電極
１５ シールリング
１６ 配線
１７ スルーホール
１８ ワイヤ
１９ 溝部
２０ 受光素子または発光素子
２１ 固定基板
２２ 球レンズ
１０１ 光部品
１０２ 光部品
１０３ ＬＳＩ
１０４ ディスクリート部品
１０５ 実装基板
１０６ 外部取り出し用の電極
１０７ 受光素子または発光素子
１０８ レンズ

Claims (18)

  1. セラミック基板を積層して形成する凹状のパッケージと、このパッケージ内の底面に設けた溝部と、この溝部内に設けた受光素子または発光素子と、前記パッケージの開口部を覆うように設けた蓋体と、この蓋体に形成したレンズとからなる光部品。
  2. 受光素子または発光素子上に固定基板を設け、前記受光素子または発光素子を固定基板とパッケージ間に挟持して固定する構成とした請求項１に記載の光部品。
  3. 固定基板に受光素子の受光部または発光素子の発光部の面積より大きく受光素子または発光素子の面積より小さい窓を設けた請求項２に記載の光部品。
  4. 固定基板の少なくとも一面に受光素子または発光素子の電極およびパッケージ内の底面に設けた電極と接続する配線を設けた請求項２に記載の光部品。
  5. セラミック基板の積層間に設けた配線と、この配線とパッケージの側面または底面の少なくともいずれかに設けた外部電極とを接続する構成とした請求項１に記載の光部品。
  6. 溝部に二段以上の段差を設けた請求項１に記載の光部品。
  7. 溝部の形状を受光素子または発光素子の形状とほぼ等しくした請求項１に記載の光部品。
  8. 溝部内に設けた受光素子の受光面または発光素子の発光面をレンズの光軸にほぼ垂直になるように配置する構成とした請求項１に記載の光部品。
  9. レンズを回折型レンズとする請求項１に記載の光部品。
  10. 回折型レンズの回折パターンをパッケージ内の蓋体の表面に設けた請求項６に記載の光部品。
  11. パッケージの蓋体と接する面に段差を設け、その段差部分が蓋体に嵌合する構成とした請求項１に記載の光部品。
  12. 蓋体の側面に段差を設け、その段差部分がパッケージの開口部に嵌合する構成とした請求項１に記載の光部品。
  13. パッケージとレンズとの線膨張係数の差を９×１０−７Ｋ−１以下とする請求項１に記載の光部品。
  14. レンズとして、少なくともＳｉＯ２およびＢ２Ｏ３からなり、かつ少なくともＮａＯ２またはＫ２Ｏのいずれか一方を含むガラス材料を用いた請求項１に記載の光部品。
  15. レンズとして、少なくともＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３およびフッ素を含むフッ素系クラウンガラスを用いた請求項１に記載の光部品。
  16. レンズとして、Ｐ２Ｏ５、フッ素からなるフツリン酸ガラスを用いた請求項１に記載の光部品。
  17. 固定基板の窓に球レンズを設け、所定のオポティカルパスを前記固定基板の厚みとする請求項２に記載の光部品。
  18. 固定基板の厚さを制御して球レンズと発光素子または受光素子との距離を調整する光部品の製造方法。
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