JP2005122084A - Optical element module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバ通信に用いられる光伝送モジュール等を構成する、光ファイバと発光素子あるいは受光素子である光素子とが実装された光素子モジュールに関するものである。 The present invention relates to an optical element module on which an optical fiber and an optical element which is a light emitting element or a light receiving element, which constitute an optical transmission module or the like used for optical fiber communication.
近年、光ファイバを通信信号の伝送路に用いた通信技術、すなわち光ファイバ通信は、大陸間海底ケーブル通信を初めとして、長距離幹線系通信,都市網通信,そして一般家庭やオフィス内の通信へと展開されている。中でも、一般家庭やオフィス内の通信としての光ファイバ通信においては、今後の普及に際して一層の低コスト化および高速化が要求されている。 In recent years, communication technology using optical fiber as a transmission path for communication signals, that is, optical fiber communication, has been used for intercontinental submarine cable communication, long-distance trunk line communication, urban network communication, and communication in general homes and offices. It is expanded. In particular, in optical fiber communication as communication in general homes and offices, further cost reduction and higher speed are required for the future spread.
その要求に対する最も大きな技術的課題は、光信号を伝送する光ファイバと、発光素子や受光素子等の光信号−電気信号の変換素子とを実装して接続する変換手段である光伝送モジュールとしての光素子モジュールの高性能化および低コスト化である。すなわち、電気信号を光信号に変換する半導体発光素子と光ファイバとを組み合わせた光送信モジュールと、その逆に光信号を電気信号に変換する半導体受光素子と光ファイバとを組み合わせた光受信モジュールとを、またはそれらを一体的に組み合わせた一体型光モジュールをより高速に動作させ、小型にし、そのモジュールが実装される回路基板等への実装性を上げ、かつ低コストに製作することが、光ファイバ通信の普及におけるポイントである。 The biggest technical problem for the requirement is that the optical transmission module is a conversion means for mounting and connecting an optical fiber for transmitting an optical signal and an optical signal-electric signal conversion element such as a light emitting element or a light receiving element. High performance and low cost of the optical element module. That is, an optical transmission module combining a semiconductor light emitting element that converts an electrical signal into an optical signal and an optical fiber, and vice versa, and an optical receiving module that combines a semiconductor light receiving element that converts an optical signal into an electrical signal and an optical fiber. Or an integrated optical module in which they are integrated together can be operated at higher speed, miniaturized, improved mountability to a circuit board on which the module is mounted, and manufactured at low cost. It is a point in the spread of fiber communications.
なお、これ以降、半導体発光素子を初めとする発光素子と半導体受光素子を初めとする受光素子とを総じて光素子と呼ぶこととする。 Hereinafter, a light emitting element including a semiconductor light emitting element and a light receiving element including a semiconductor light receiving element are collectively referred to as an optical element.
その光素子モジュールの小型化および低コスト化に対しては、光素子モジュールの部品点数をできる限り減らし、また光ファイバと光素子との光軸合わせ作業をより簡便なものにする取り組みがなされている。例えば、光素子と光ファイバとの間に用いる結合レンズを除いて直接結合にしたり、高精度に加工された実装基板を用いることでモジュールの各構成部品を保持する筐体を除いたり、光素子および光ファイバを実装する実装機器によるこれらの位置決めのみで組立てを行なったりするといった開発が進められて久しい。 To reduce the size and cost of the optical element module, efforts have been made to reduce the number of parts of the optical element module as much as possible and to make the optical axis alignment operation between the optical fiber and the optical element easier. Yes. For example, the coupling lens used between the optical element and the optical fiber can be directly coupled, or the mounting substrate processed with high precision can be used to remove the casing that holds each component of the module. In addition, it has been a long time since development has been carried out such that assembly is performed only by such positioning by mounting equipment for mounting optical fibers.
そのうち、例えば特許文献1に開示されている半導体モジュールにおいては、低コストで簡単な構成の半導体モジュールを実現するために、各光学部品間の光接続や光結合を片方の端面のみの無調芯で行なうことが提案されている。
Among them, for example, in the semiconductor module disclosed in
ここでは、シリコン基板上に形成された方形溝に方形の外形断面を有する光ファイバが埋設されて固着されており、それを跨ぐ形でキャリアが金属パッド上に実装され、そのキャリア上に受光素子(フォトダイオード)が搭載されている。キャリアの断面はコの字をしており、その中心には光通過孔が形成されている。そして、方形断面をした光ファイバの端部の出射端面を軸線方向に45度に傾斜させている。これによれば、基板上の金属パッドに合わせてキャリアあるいは光素子を実装することで、光信号を効率良く検出できる位置に両者を精度良く実装することができるというものである。
光素子モジュールにおいて、光素子と光ファイバとの光軸の位置ずれは、通常は1μm以内が許容量である。これは、光ファイバとしてコアの直径が約10μmのシングルモード光ファイバと発光素子として半導体レーザとを用いる場合の値であるが、光軸に許容量を超える位置ずれが生じた場合には、光ファイバに結合させる光信号レベルが低下するために信号伝送に必要なレベルが確保できないという重大な欠陥を生じることとなる。 In the optical element module, the allowable amount of positional deviation of the optical axis between the optical element and the optical fiber is usually within 1 μm. This is the value when using a single mode optical fiber with a core diameter of about 10 μm as the optical fiber and a semiconductor laser as the light emitting element. Since the level of the optical signal to be coupled to the fiber is lowered, a serious defect that a level necessary for signal transmission cannot be secured is caused.
例えば、特許文献1に開示された半導体モジュールの場合であれば、シリコン基板上に形成された方形溝に光ファイバを埋設して固着するが、方形溝の加工精度、光ファイバの外形精度、そして両者のはめ合いの精度を合算すると、光ファイバについては理想的な位置から1μm以上のずれが生じてしまうことになるという問題点がある。
For example, in the case of the semiconductor module disclosed in
従って、光送信モジュール、すなわち光素子が発光素子の場合には、実装用基板の表面上に形成された他の方形溝を介して所定の位置に位置決めされて実装されるが、光ファイバと発光素子との光軸の位置ずれ量は許容量の1μmを超えてしまい、光送信モジュールを効率良く、低コストで製作することが困難であるという問題点がある。 Therefore, when the optical transmission module, that is, the optical element is a light emitting element, it is positioned and mounted at a predetermined position via another rectangular groove formed on the surface of the mounting substrate. The positional deviation of the optical axis from the element exceeds the allowable amount of 1 μm, and there is a problem that it is difficult to manufacture the optical transmission module efficiently and at low cost.
また、光受信モジュール、すなわち光素子が面型受光素子(面型フォトダイオード)の場合には、断面がコの字形をしたキャリアに面型受光素子を搭載して実装用基板に実装しておき、そのキャリアを、実装用基板に形成されたボンディング固定用金属パッドに脚部底面を基準にして位置決めをして、金属ペーストや光学接着剤,エポキシ樹脂等で固定されている。すなわち、受光素子はキャリアに搭載されて実装用基板に対して位置決めされることになり、キャリアに対する受光素子の実装位置ずれ、および実装用基板に対するキャリアの実装位置ずれが生じてしまうことにより、キャリアの製作精度を合わせると受光素子は実装用基板に対して大きな位置ずれを持って実装されることになるという問題点がある。 When the optical receiver module, that is, the optical element is a surface light receiving element (surface photodiode), the surface light receiving element is mounted on a mounting substrate mounted on a carrier having a U-shaped cross section. The carrier is positioned on a bonding fixing metal pad formed on the mounting substrate with reference to the bottom surface of the leg, and fixed with a metal paste, an optical adhesive, an epoxy resin, or the like. That is, the light receiving element is mounted on the carrier and positioned with respect to the mounting substrate, and the mounting position shift of the light receiving element with respect to the carrier and the mounting position shift of the carrier with respect to the mounting substrate are caused. If the manufacturing accuracy is adjusted, the light receiving element is mounted with a large positional deviation with respect to the mounting substrate.
よって、これらの位置ずれ量を合算すると最終的に光ファイバと受光素子とは大きな相対位置ずれを持つことになるため、高精度な実装が要求される光受信モジュールを効率良く、低コストで提供できないという問題がある。 Therefore, when these misalignment amounts are added together, the optical fiber and the light receiving element will eventually have a large relative misalignment, so an optical receiver module that requires high-accuracy mounting is provided efficiently and at low cost. There is a problem that you can not.
また、近年では高性能かつ低コストな面型発光素子として面型半導体レーザ(VCSEL)が多く用いられている。この面型半導体レーザは、量産性も高く、今後益々光通信用の光源として用いられることになるであろうが、上記の面型受光素子と類似の構造であることから、同様な実装構造が用いられることになるため、この場合も実装位置ずれやキャリアの製作精度が同様に発生するため、効率良く光送信モジュールを製作することは難しいという問題点がある。 In recent years, a surface-type semiconductor laser (VCSEL) is often used as a high-performance and low-cost surface light-emitting element. This surface-type semiconductor laser has high mass productivity and will be used more and more as a light source for optical communication in the future, but since it has a structure similar to the above-described surface-type light receiving element, a similar mounting structure is provided. In this case as well, the mounting position shift and the carrier manufacturing accuracy occur in this case, and it is difficult to manufacture the optical transmission module efficiently.
併せて、光ファイバ通信で一般的に用いられる光ファイバは、円形の断面をしたガラス製またはプラスチック製の繊維であり、特許文献1に開示された半導体モジュールの特徴とは合致しないという問題点もある。
In addition, an optical fiber generally used in optical fiber communication is a fiber made of glass or plastic having a circular cross section, and there is a problem that it does not match the characteristics of the semiconductor module disclosed in
本発明は以上のような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、面型発光素子および面型受光素子を初めとする光素子を搭載したキャリアを、実装用基板に固定した光ファイバに精度良く、かつ簡便に位置決め固定することができる、高性能で小型化が可能であり、かつ低コストな光素子モジュールを提供することにある。 The present invention has been devised in view of the problems in the prior art as described above, and its purpose is to mount a carrier on which an optical element such as a surface light emitting element and a surface light receiving element is mounted. It is an object of the present invention to provide an optical element module that can be accurately positioned and fixed to an optical fiber fixed to a substrate for use with high performance, can be miniaturized, and can be reduced in cost.
本発明の光素子モジュールは、実装用基板に光ファイバとこの光ファイバに接続された光接続手段と発光素子および受光素子の少なくとも一方が搭載されたキャリアとを実装してなり、前記キャリアは、上面に前記発光素子および前記受光素子の少なくとも一方を搭載するための電極が形成され、下面にV型断面溝が形成されており、前記光接続手段に対して前記V型断面溝を当接させて位置決めされていることを特徴とするものである。 The optical element module of the present invention is formed by mounting an optical fiber on a mounting substrate, an optical connecting means connected to the optical fiber, and a carrier on which at least one of a light emitting element and a light receiving element is mounted. An electrode for mounting at least one of the light emitting element and the light receiving element is formed on the upper surface, and a V-shaped cross-sectional groove is formed on the lower surface, and the V-shaped cross-sectional groove is brought into contact with the optical connecting means. It is characterized by being positioned.
また、本発明の光素子モジュールは、上記構成において、前記キャリアは単結晶シリコンから成り、前記V型断面溝はエッチングによって形成されていることを特徴とするものである。 The optical element module of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the carrier is made of single crystal silicon, and the V-shaped cross-sectional groove is formed by etching.
また、本発明の光素子モジュールは、上記各構成において、前記光接続手段は、前記光ファイバの端部がその端面を光軸に対して略45度に加工されたものであることを特徴とするものである。 Further, the optical element module of the present invention is characterized in that, in each of the above-mentioned configurations, the optical connecting means has an end portion of the optical fiber whose end face is processed at approximately 45 degrees with respect to the optical axis. To do.
さらに、本発明の光素子モジュールは、上記構成において、前記発光素子および受光素子の少なくとも一方と前記光接続手段との間にレンズが配置されていることを特徴とするものである。 Furthermore, the optical element module of the present invention is characterized in that, in the above configuration, a lens is arranged between at least one of the light emitting element and the light receiving element and the optical connecting means.
また、本発明の光素子モジュールは、上記各構成において、前記光ファイバは、前記キャリアと前記実装用基板とによって挟持されていることを特徴とするものである。 The optical element module of the present invention is characterized in that, in each of the above-described configurations, the optical fiber is sandwiched between the carrier and the mounting substrate.
本発明の光素子モジュールによれば、実装用基板に光ファイバとこの光ファイバに接続された光接続手段と発光素子および受光素子の少なくとも一方が搭載されたキャリアとを実装してなり、キャリアは、上面に発光素子および受光素子の少なくとも一方を搭載するための電極が形成され、下面にV型断面溝が形成されており、光接続手段に対してV型断面溝を当接させて位置決めされていることから、発光素子および受光素子の少なくとも一方を電極に対して精密に位置決めすることでキャリア自らもV型断面溝によって光接続手段に対して位置決めされるので、発光素子および受光素子の少なくとも一方を搭載したキャリアを、実装用基板に固定され光ファイバに接続された光接続手段に精度良く、かつ簡便に位置決めして、光接続手段の光軸と光素子の光軸とを精度良く位置合わせして固定し実装することができる。また、実装用基板にキャリアを実装し、そのキャリアに光素子が搭載され、キャリアのV型断面溝に光接続手段が当接される構造であるために、光素子から光接続手段までを極めて短距離に配置できるので、光素子モジュールの小型化も図ることができる。さらに、キャリアに安価な単結晶シリコンを用い、それにエッチングによってV型断面溝を形成することにより、同一ウェハから大量にかつ一括してキャリアの加工が可能であるため、従来よりも量産性が高く低コスト化にも有利なものとなる。その結果、高性能で小型化が可能であり、しかも低コストな光素子モジュールを提供することができる。 According to the optical element module of the present invention, an optical fiber, an optical connection means connected to the optical fiber, and a carrier on which at least one of a light emitting element and a light receiving element is mounted are mounted on a mounting substrate. An electrode for mounting at least one of the light emitting element and the light receiving element is formed on the upper surface, and a V-shaped cross-sectional groove is formed on the lower surface, and the V-shaped cross-sectional groove is brought into contact with the optical connecting means and positioned. Therefore, since at least one of the light emitting element and the light receiving element is precisely positioned with respect to the electrode, the carrier itself is also positioned with respect to the optical connecting means by the V-shaped cross-sectional groove. The carrier carrying one side is accurately and simply positioned on the optical connecting means fixed to the mounting substrate and connected to the optical fiber, and the optical connecting means It can be in the optical axis of the optical element aligned precisely positioned and fixed mounting. In addition, since the carrier is mounted on the mounting substrate, the optical element is mounted on the carrier, and the optical connection means is in contact with the V-shaped cross-sectional groove of the carrier, the optical connection from the optical element to the optical connection means is extremely difficult. Since it can be arranged at a short distance, the optical element module can be downsized. Furthermore, by using inexpensive single crystal silicon for the carrier and forming a V-shaped cross-sectional groove by etching, it is possible to process the carrier in large quantities from the same wafer, so the mass productivity is higher than before. This is also advantageous for cost reduction. As a result, it is possible to provide an optical element module that has high performance and can be miniaturized and that is low in cost.
さらに、本発明の光素子モジュールによれば、光接続手段が、光ファイバの端部がその端面を光軸に対して略45度に加工されたものであるときには、光素子が発光素子の場合はその出射光はその端面で90度反射されて光ファイバに入射することとなるし、光素子が受光素子の場合は光ファイバを伝搬した光信号はその端面で90度反射されて受光素子に入射することとなるので、実装用基板上のキャリアの実装部と光ファイバを搭載するV型断面溝とを同一面に配置することができるものになるため、実装用基板の製作が容易になり、かつ光素子と光ファイバとの実装面が平行になった実装し易い光素子モジュールを最小の部品点数で実現できるものとなる。 Further, according to the optical element module of the present invention, when the optical connecting means has an end portion of the optical fiber whose end face is processed at approximately 45 degrees with respect to the optical axis, the optical element is a light emitting element. The emitted light is reflected at the end face by 90 degrees and enters the optical fiber. When the optical element is a light receiving element, the optical signal propagated through the optical fiber is reflected at the end face by 90 degrees and enters the light receiving element. Since it is incident, the mounting portion of the carrier on the mounting substrate and the V-shaped cross-sectional groove on which the optical fiber is mounted can be arranged on the same plane, which facilitates the manufacture of the mounting substrate. In addition, it is possible to realize an optical element module that is easy to mount with the mounting surfaces of the optical element and the optical fiber being parallel, with a minimum number of components.
さらに、本発明の光素子モジュールによれば、発光素子および受光素子の少なくとも一方と光接続手段との間にレンズが配置されているものであるときには、光素子が発光素子の場合にはその出射光は、レンズによって集光してから、その後に略45度に加工された光ファイバの端面に入射させることができ、一方、光素子が受光素子の場合には光ファイバの端面から光素子への入射光は、レンズによって集光してから光素子の受光面に入射させることができるので、光素子と光ファイバとの結合効率をレンズを配置しない場合に比較して高めることが可能となるため、光信号レベルのより高い光素子モジュールを効率良く実現できるものとなる。 Furthermore, according to the optical element module of the present invention, when a lens is disposed between at least one of the light emitting element and the light receiving element and the optical connecting means, when the optical element is a light emitting element, the output is The incident light can be collected by the lens and then incident on the end face of the optical fiber processed at approximately 45 degrees. On the other hand, when the optical element is a light receiving element, the end face of the optical fiber is passed to the optical element. Can be incident on the light receiving surface of the optical element after being condensed by the lens, so that the coupling efficiency between the optical element and the optical fiber can be increased as compared with the case where no lens is arranged. Therefore, an optical element module having a higher optical signal level can be efficiently realized.
さらにまた、光ファイバがキャリアと実装用基板とによって挟持されているものとしたとき、例えばキャリアに形成したV溝によって光ファイバを実装用基板に押し付けて固定するものとしたときには、実装用基板に光ファイバを固定するための光ファイバ押さえ等の専用部品を用いなくともよく、光素子モジュールの構成部品を最少にでき、光部品モジュールの一層の小型化を図ることができる。併せて、光素子を搭載し、必要に応じてレンズを配置したキャリアを実装用基板に実装する作業と光ファイバを実装用基板に位置決めして固定する作業とを同一工程で行なえるため、光素子モジュールの組立が簡便に、かつ精度良く行なえるものとなり、小型かつ高性能で、しかもより低コストな光素子モジュールを実現できるものとなる。 Furthermore, when the optical fiber is sandwiched between the carrier and the mounting substrate, for example, when the optical fiber is pressed against the mounting substrate by a V-groove formed on the carrier, the mounting substrate is There is no need to use a dedicated component such as an optical fiber retainer for fixing the optical fiber, the number of components of the optical element module can be minimized, and the optical component module can be further miniaturized. At the same time, the work of mounting the optical element and mounting the carrier on which the lens is arranged on the mounting substrate as needed, and the operation of positioning and fixing the optical fiber to the mounting substrate can be performed in the same process. Assembling of the element module can be performed easily and with high accuracy, and an optical element module having a small size, high performance, and lower cost can be realized.
以下、図面を参照しつつ本発明の光素子モジュールについて詳細に説明する。 Hereinafter, the optical element module of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の光素子モジュールの実施の形態の一例を示す、光素子モジュールAの斜視図である。また、図2は図1に示す光素子モジュールAの分解斜視図である。図1および図2に示す光素子モジュールAにおいて、1は実装用基板、1a〜1cは実装用基板1の上面に形成されたV溝である。2aは光ファイバ、2bはフェルール、2cは光ファイバ2aのフェルール2b側の端面、2dは光ファイバ2aの端面、2はこれらによる光ファイバ組立体である。この例では、光ファイバ2aとその端面2dとが光接続手段を構成している。3は光ファイバ押さえ、4はキャリア、4aはキャリア4の上面、4bは金属電極、4cはハンダ、4eはキャリア4の下面に形成されたV型断面溝、4fはV型断面溝4eの貫通部分であり、5は発光素子および受光素子の少なくとも一方である光素子である。
FIG. 1 is a perspective view of an optical element module A showing an example of an embodiment of the optical element module of the present invention. 2 is an exploded perspective view of the optical element module A shown in FIG. In the optical element module A shown in FIGS. 1 and 2, 1 is a mounting substrate, and 1 a to 1 c are V grooves formed on the upper surface of the mounting
実装用基板1は、例えばシリコン単結晶から成り、光ファイバ2aおよびフェルール2bの外径にそれぞれ合わせた幅のV溝1aおよび1bが形成されている。この例では、V溝1bは実装用基板1を貫通して形成されている。また、光ファイバ2aの端面2dと光素子5とが光接続される周辺には、断面形状が略凹形のV型断面溝1cが形成されている。V型断面溝1cの形成には、例えば実装用基板1が単結晶シリコンから成る場合であれば、アルカリ溶液によるエッチング法を用いるとよい。また、実装用基板1の光素子5が搭載されたキャリア4が実装される部位の周辺には、金属薄膜等による各種の電極パターン(図示せず)が形成されている。
The mounting
光ファイバ2aは、光ファイバ通信で広く一般的に用いられる断面が円形のものであり、他の光ファイバ(図示せず)と接続される側の端部には光コネクタ用のフェルール2bが取り付けられ、他の光ファイバの端面と対向して接続される端面2cは、研磨等で平滑な面が形成されている。他方、光素子5と光接続する側の端面2dは、光ファイバ2aの光軸に対して略45度の面に加工されている。この端面2dの加工においては、光ファイバ2aに一旦支持材を取付けて研磨を行ない、後で支持材を取り除く方法を用いることができるし、あるいはガラス製光ファイバ2aのへき開端面を利用して、光ファイバ2aの切断時に形成する方法を用いることも可能である。この略45度の端面2dによって、光ファイバ2aの光軸は略90度変換され、光信号は光素子5に対して略90度反射し、光素子5と光ファイバ2aとの光接続が可能になる。
The optical fiber 2a has a circular cross section that is widely used in optical fiber communications, and a
光ファイバ組立体2は、実装用基板1のV溝1aに沿って光ファイバ2aを、およびV溝1bに沿ってフェルール2bをそれぞれ位置決めして配置され、光ファイバ2aが光ファイバ押さえ3でV溝1aに押さえつけられた後に、接着剤や金属ペースト等を用いて固定されて実装される。
The
このとき、光ファイバ2aの略45度に加工した端面2dの光軸方向の回転角度は、光ファイバ組立体2の位置決めの際に光ファイバ2aとフェルール2bとを回転させることによって、所望の角度に位置決めして実装することが容易に行なえる。ここで、光ファイバ押さえ3を透明なガラス板で形成すると、光ファイバ押さえ3を通して上方から光ファイバ2aの位置や接着剤の浸透具合等が目視で容易に観察できて好適である。なお、耐熱性等の信頼性が強く要求される場合は、光ファイバ2aおよびフェルール2bの周囲、ならびにV型断面溝1aおよび1bの側面に金等のメタライズを施しておいて、両者をハンダ付けで固定するとよい。
At this time, the rotation angle in the optical axis direction of the end face 2d processed to approximately 45 degrees of the optical fiber 2a is set to a desired angle by rotating the optical fiber 2a and the
この図1および図2に示す例では、光ファイバ組立体2として光ファイバ2aとフェルール2bとを予め一体に組み立てたものを用いた例を示しているが、フェルール2bを用いずに光ファイバ2aのみを実装用基板1の上面に実装してもよい。光ファイバ組立体2の場合はフェルール2bによって光コネクタが形成できるため、光ファイバの着脱が可能な光素子モジュールを構成することができる。また、光ファイバ2aのみを実装用基板1の上面に実装する場合は、フェルール2bが無い分だけ光素子モジュールの薄型化や小型化を図ることができる。
In the example shown in FIGS. 1 and 2, an example in which an optical fiber 2a and a
また、この例では光接続手段として光ファイバ2aの端部を利用し、その端面2dを光ファイバ2aの光軸に対して略45度に加工したものを用いているが、光接続手段をこのように構成することによって、光素子5が発光素子の場合はその出射光はその端面で90度反射されて光ファイバ2aに入射することとなるし、光素子5が受光素子の場合は光ファイバ2aを伝搬した光信号はその端面で90度反射されて受光素子に入射することとなるので、実装用基板1のキャリア4の実装部と光ファイバ2aを実装するV溝1aとを同一面に配置することができるようになるため、実装用基板1の製作が容易になり、かつ光素子5と光ファイバ2aとの実装面が平行になった実装し易い光素子モジュールを最小の部品点数で実現できるものとなる。なお、光ファイバ2aと光素子5とを光接続するための光接続手段としては、この他にも、微小な球形レンズを用いてもよい。この場合は、実装基板1上のV溝に搭載した球形レンズに対してキャリア4の裏面に形成したV型断面溝4eを当接して位置決めすることで、光素子5と球形レンズと光ファイバ2aとを正確に位置決めすることができるため、同様に光素子モジュールを小型かつ低コストに構成することができる。
In this example, the end of the optical fiber 2a is used as the optical connecting means, and the end face 2d is processed at approximately 45 degrees with respect to the optical axis of the optical fiber 2a. With this configuration, when the
なお、光ファイバ2aの光軸に対する端面2dの角度の略45度というのは、ここでは45度を中心として42度から48度を指している。この光ファイバ2aの光軸に対する端面2aの角度は厳密に45度でなくとも、この範囲であれば光接続は良好な特性となる。従って、端面2dの加工精度に対する余裕度は高い。 Here, the angle of the end surface 2d with respect to the optical axis of the optical fiber 2a of approximately 45 degrees refers to 42 degrees to 48 degrees with 45 degrees as the center. Even if the angle of the end face 2a with respect to the optical axis of the optical fiber 2a is not strictly 45 degrees, the optical connection is excellent in this range. Therefore, the margin with respect to the processing accuracy of the end face 2d is high.
次に、キャリア4について、図3(a)にその上面から見た斜視図、図3(b)にその下面から見た斜視図を示す。
Next, with respect to the
キャリア4はその上面4aに面型発光素子および面型受光素子等の光素子5に給電や電気信号の授受を行なうための電極としての金属電極4bが光素子5の金属電極(図示せず)と合致したパターンで形成されている。光素子5は、その発光面または受光面をこの金属電極4bが形成されたキャリア4側に向けて、キャリア4の上面4aに位置決め実装されて搭載される。光素子5の実装にはハンダ4cを用い、光素子5との電気的接続と熱的接続とを同時に行なうようにするとよい。このハンダ4cは、金属電極4bの一部に薄膜蒸着等によって予め形成しておくとよい。
The
キャリア4の金属電極4bが形成された上面4aと対向する下面4dにはV型断面溝4eが形成されており、この例ではV型断面溝4eはキャリア4の上面4aまで貫通して貫通部分4fを有している。面型発光素子または面型受光素子の光素子5の発光領域または受光領域はこの貫通部分4fの上に位置するように配置され、これによって貫通部分4fを通してその下方に位置するように位置決めされる光ファイバ2aの端面2d等の光接続手段と光接続され、この空間を通して光信号の授受が可能になる。
A V-shaped cross-sectional groove 4e is formed on the lower surface 4d opposite to the upper surface 4a on which the metal electrode 4b of the
キャリア4は例えば単結晶シリコンから成るものであり、単結晶シリコンから成る場合には、V型断面溝4eは実装用基板1のV溝1a〜1cと同様にアルカリ溶液によるエッチング法を用いて精度良く形成することができる。
The
例えば、(100)方位に切り出された単結晶シリコンウェハにフォトリソグラフィを施してキャリア4の下面4dとなる側の表面にシリコンの酸化膜によるエッチングマスクパターンを形成しておき、このウェハをKOH等のアルカリ水溶液に一定時間浸漬することによって、正確に54.7度の角度を有する斜面を形成しながらエッチングが進み、ばらつきが1μm以下の高精度なV型断面溝4eを容易かつ精度良く形成することができる。そして、エッチングをさらに進めることにより、キャリア4の上面4aとなる側の表面にまで貫通したV型断面溝4eも容易に形成することができる。
For example, a single crystal silicon wafer cut out in the (100) direction is subjected to photolithography to form an etching mask pattern made of a silicon oxide film on the surface of the
下面4dにV型断面溝4eが形成され、上面4aに金属電極4bに接続された光素子5が搭載されたキャリア4は、実装用基板1の上面に実装された光接続手段、この例では光ファイバ2aの端面2d側の端部の上に重ねて載置され実装される。その際、本発明の光素子モジュールAにおいては、光接続手段、ここでは光ファイバ2aの外周面に対してキャリア4に形成されたV型断面溝4eを当接させて位置決めされて実装される。これにより、V型断面溝4eが光ファイバ2aの外周面に確実に沿った状態で配置されることとなるので、キャリア4は光接続手段である光ファイバ2aの端部に対して正確に位置決めされ、光ファイバ2aから光接続手段(ここでは光ファイバ2aおよび端面2d)を介して変換された光軸と、キャリア4に搭載された光素子5の光軸とが正確に位置決めされる。これによって、従来の半導体モジュールで生じていたようなキャリアの位置ずれや、それによる光ファイバと光素子との光軸の位置ずれは解消することができる。
The
なお、キャリア4は実装用基板1上にハンダや接着剤等を用いて固定すればよい。これらハンダや接着剤等が硬化するまでの間も、キャリア4およびそれに搭載された光素子5の光ファイバ2aの光軸に対する位置はV型断面溝4eによって正確に制御しながら、キャリア4を実装用基板1の略凹形のV溝1cに対して正確に位置決めして実装することができる。
The
このとき、キャリア4のV型断面溝4eの開口幅と実装用基板1のV溝1aの開口幅とを同じ幅にしておくことで、光ファイバ2aの中心は両方のV型断面溝4eとV溝1bとの中間に位置するように配置されることになるため、光ファイバ2aが実装用基板1およびキャリア4の両側から均等に押さえつけられるようになって、キャリア4の位置決め効果が最大限に発揮できるものとすることができる。
At this time, by setting the opening width of the V-shaped cross-sectional groove 4e of the
例えば、外径が125μmの光ファイバ2aを用いる場合であれば、V溝1aの開口幅を144μmにしておけば、光ファイバ2aの中心軸は実装用基板1の実装面と一致する。同じく、キャリア4のV型断面溝4eの開口幅を同じ幅にしておけば、実装用基板1の実装面とキャリア4の下面4dとを密着させることによって、光ファイバ2aはその両者から均等に押し付けられることとなり、光ファイバ2aへの偏った応力付与や、高低温負荷時の微動が抑えられるものとなって都合がよい。
For example, if an optical fiber 2a having an outer diameter of 125 μm is used, the center axis of the optical fiber 2a coincides with the mounting surface of the mounting
次に、図4〜図7に本発明の光素子モジュールの実施の形態の他の例を示す。図4は本発明の光素子モジュールの実施の形態の他の例を示す、光素子モジュールBの斜視図である。また、図5は図4に示す光素子モジュールBの分解斜視図である。さらに、図6は図4に示す光素子モジュールBのa−a’線断面図である。そして、図7(a)は光素子モジュールBにおけるキャリアの上面から見た斜視図、図7(b)は(a)の斜視図の貫通部分4fと金属電極4bを拡大したキャリアの要部拡大上面図、図7(c)はキャリアの下面から見た斜視図である。これら図4〜図7において、図1〜図3と同様の箇所には同じ符号を付してあり、重複する説明は省略する。 Next, FIGS. 4 to 7 show other examples of the embodiment of the optical element module of the present invention. FIG. 4 is a perspective view of an optical element module B showing another example of the embodiment of the optical element module of the present invention. FIG. 5 is an exploded perspective view of the optical element module B shown in FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of the optical element module B shown in FIG. 7A is a perspective view seen from the top surface of the carrier in the optical element module B, and FIG. 7B is an enlarged view of the main part of the carrier in which the through portion 4f and the metal electrode 4b in the perspective view of FIG. FIG. 7C is a top view and a perspective view seen from the bottom surface of the carrier. 4 to 7, the same parts as those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図4〜図7に示す光素子モジュールBにおいて、実装用基板1は光素子モジュールAにおける実装用基板1と同様に、シリコン単結晶からなり、V溝1aおよび1bが形成されている。同じく光ファイバ組立体2も、光素子モジュールaにおける光ファイバ組立体2と同様に、光ファイバ2a,フェルール2b,端面2c,光接続する側の端面2dを有しており、この光ファイバ組立体2も光素子モジュールaにおける光ファイバ組立体2と同様に、実装用基板1のV溝1aおよび1bに沿って位置決めして配置される。
In the optical element module B shown in FIGS. 4 to 7, the mounting
この例におけるキャリア4は、図7(a)〜(c)に示すように、その上面4aに面型発光素子および面型受光素子等の光素子5の金属電極(図示せず)と合致したパターンの金属電極4bが形成されている。光素子5は、その発光面または受光面をこの上面4aに向けて位置決め実装されて搭載される。その実装には、金属電極4bの一部に予め薄膜蒸着等によって形成されたハンダ4cを用いる。
As shown in FIGS. 7A to 7C, the
キャリア4の上面4aと対向する下面4dにはV型断面溝4eが形成されており、光素子5の発光領域または受光領域が配置される箇所には貫通部分4fが設けられている。このV型断面溝4eおよび貫通部分4fは、光素子モジュールAにおけるのと同様に、特定の方位に切り出された単結晶シリコンウェハに対してフォトリソグラフィによる酸化膜によるエッチングマスクパターンを形成し、アルカリ水溶液によるエッチングを行なって形成される。この形成方法であれば、V型断面溝4eおよび貫通部分4eを一括して同時に形成することができるため、両者の中心軸は自ずと一致したものにすることができる。貫通部分4fは光素子5の発光領域または受光領域に合わせたサイズで形成されており、光素子5が面型発光素子の場合であれば数十μm角程度のサイズであり、面型受光素子の場合であれば数百μm角程度のサイズである。このような貫通部分4fに対して、光素子5は、貫通部分4fと発光領域および受光領域が一致する様に画像認識等を用いて位置決め実装される。
A V-shaped cross-sectional groove 4e is formed in the lower surface 4d facing the upper surface 4a of the
この光素子モジュールBにおいては、光素子5と光接続手段としての光ファイバ2aの端面2dとの間にレンズ6を配置している。この例では、レンズ6は球形をしており、ガラス等の透明な材料で形成されている。このレンズ6はV型断面溝4eの斜面に当接させて、その光軸が光ファイバ2aの端面2dと光素子5とを結ぶ光軸に一致するように位置決めされ、接着剤等を用いて固定される。このようにしてレンズ6を配置すれば、エッチングによって形成されるV型断面溝4eは正確に54.7度の角度の斜面を形成するため、レンズ6の中心軸、すなわち光軸はV型断面溝4eの中心軸と精度良く一致させることができる。その結果、レンズ6の中心軸は特別な位置合わせ操作を行なわなくとも貫通部分4fの中心とも一致させることができる。
In this optical element module B, a
この光素子モジュールBにおけるキャリア4の下面4dの一部にはV溝4gが形成されている。このV溝4gは中心をキャリア4のV型断面溝4eの中心に一致させて形成されている。両方の溝4e・4gとも下面4dから上面4aに向かって同じ向きにエッチングを行なうことによって形成されるものであるため、エッチング用の酸化膜は下面4d側に一括して形成すれば良く、その位置精度はマスクパターンの作成精度と同じ程度の良好なものとすることができる。すなわち、V溝4gとV型断面溝4eの位置ずれは1μm未満に抑制することができる。従って、V溝4gとV型断面溝4eの内部に固定したレンズ6との位置決めも同程度の位置精度で行なうことができる。そして、このキャリア4のV溝4gによって光ファイバ2aを実装用基板1の上面のV溝1aに押し付けるようにして位置決めしながら、キャリア4と実装用基板1とによって光ファイバ2aが挟持されるため、光素子モジュールAにおいて用いた光ファイバ押さえ3を用いなくとも光ファイバ2aを簡便にかつ精度良く位置決めして固定することができる。
A V-groove 4g is formed in a part of the lower surface 4d of the
このキャリア4は、上面4aに光素子5を搭載し、V型断面溝4eにレンズ6を固定した状態にて、光ファイバ組立体2を固定した実装用基板1の上面に実装される。その際には、キャリア4のV溝4gを光ファイバ2aの外周面に当接させて位置決めして配置をする。これにより、光ファイバ2a,V溝4g,V型断面溝4e,レンズ6,貫通部分4fおよび光素子6の位置決めが同時に可能になる。なお、光素子5は、キャリア4を実装用基板1に実装した後にキャリア4の上面4aに搭載しても構わない。
The
このとき、光素子5と光ファイバ2aの光接続手段となる側の端面2dとの間隔は、キャリア4の厚みで制御することが可能である。キャリア4の厚みは、例えばシリコン単結晶を用いる場合であれば、使用するシリコン単結晶ウェハの厚みによって決めることができるため、数十μm程度の十分な精度で制御することができる。そして、レンズ6の固定位置は、レンズ6が当接されるキャリア4のV型断面溝4eの幅によって制御される。エッチングによるV型断面溝4eの寸法精度は前述した通りに1μm以下の高精度なものであるため、レンズ6の固定位置はそれと同等の精度で制御することが可能である。従って、光素子5からレンズ6,そして光ファイバ2aの光接続手段となる側の端面2dまでの距離は、特別な位置合わせ操作を行なわなくとも十分に高精度に設定することができる。
At this time, the distance between the
このような本発明の光素子モジュールBによれば、光素子5と光接続手段としての光ファイバ2aの端面2dとの間にレンズ6が配置されていることから、光素子5が発光素子の場合にはその出射光は、レンズ6によって集光してから、その後に光ファイバ2aの端面2dに入射させることができ、一方、光素子5が受光素子の場合には光ファイバ2aの端面2dから光素子5への入射光をレンズ6によって集光してから光素子5の受光面に入射させることができるので、光素子5と光ファイバ2aとの結合効率をレンズ6を配置しない場合に比較して高めることが可能となるため、光信号レベルのより高い光素子モジュールを効率良く実現できるものとなる。
According to such an optical element module B of the present invention, since the
また、このような光素子モジュールBによれば、光ファイバ2aがV溝4gにより位置決めされてキャリア4と実装用基板1とによって挟持されていることから、実装用基板1に光ファイバ2aを固定するための光ファイバ押さえ3等の専用部品を用いなくともよく、光素子モジュールの構成部品を最少にでき、一層の小型化を図ることができる。併せて、レンズ6を配置したキャリア4を実装用基板1に実装する作業と光ファイバ2aを実装用基板1に位置決めして固定する作業とを同一工程で行なえるため、光素子モジュールの組立が簡便に、かつ精度良く行なえるものとなり、小型かつ高性能で、しかもより低コストな光素子モジュールを実現できるものとなる。
Further, according to such an optical element module B, the optical fiber 2a is positioned by the V-groove 4g and sandwiched between the
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことは何ら差し支えない。例えば、以上の実施の形態の例では光ファイバ2aと光素子5とは一対であったが、複数対としてもよく、その場合には光信号の並列伝送が可能な多チャンネルの光素子モジュールを実現することができるものとなる。さらに、フェルール2bは円筒形のものを示したが、多チャンネルを同時一括接続する方形のものを用いてもよい。
In addition, this invention is not limited to the example of the above embodiment, A various change may be performed in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, in the example of the embodiment described above, the optical fiber 2a and the
また、光素子モジュールBにおいてレンズ6としては球形のものを示したが、レンズ6は半球形状や円柱状等の種々の形状のものでもよく、いずれの形状であってもキャリア4のV型断面溝4eの斜面に当接させて位置決めを行なうことで、良好な位置精度で光素子5と光接続手段との間に配置して光素子5と光接続手段との結合効率を高めることができる。
In the optical element module B, the
A,B・・・光素子モジュール
1・・・実装用基板
1a,1b,1c・・・V溝
2・・・光ファイバ組立体
2a・・・光ファイバ
2b・・・フェルール
2c・・・光ファイバ2aのフェルール2b側の端面
2d・・・光ファイバ2aの光素子5と光接続する側の端面
3・・・光ファイバ押さえ
4・・・キャリア
4a・・・キャリア4の上面
4b・・・金属電極(電極)
4c・・・ハンダ
4d・・・キャリア4の下面
4e・・・V型断面溝
4f・・・貫通部分
4g・・・V溝
5・・・光素子(面型発光素子および面型受光素子の少なくとも一方)
6・・・レンズ
A, B ...
4c: Solder 4d: Lower surface of
6 ... Lens
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