JP2005191302A

JP2005191302A - 光モジュール

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Publication number: JP2005191302A
Application number: JP2003431243A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Yamamoto; 圭介山本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: JP4433791B2

Abstract

【課題】光軸方向の寸法調整機構を有するレンズホルダ等を設けることなく、光素子とレンズ等の光結合部材との間隔を高精度で調整することができると共に、複数の光軸を有する多数一括製造が可能であって低コストの一体型アレイレンズを得ることができる光モジュールを提供する。
【解決手段】光デバイスの発光面又は受光面上の光路を遮らない複数の位置に接合物質Ａを複数段積み重ねて設置し、光デバイス２１，２２をその発光面又は受光面を基板１の表面側に対向させてその光軸を基板を通して基板の裏面側に接着されたレンズ３１の光軸に合致させるように実装する。接合物質Ａ、接合物質Ｂ及び基板の光軸方向に関する各寸法の総和で表される光デバイスの発光面又は受光面とレンズとの間隔は、接合物質Ａを積み重ねる段数により最も光結合効率の得られる目標値に決定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光モジュールに関し、特に光通信用の発光デバイス又は受光デバイスを基板に実装した光モジュールに関する。

光インターコネクションを用いた低コスト及び小型の信号入出力装置として、信号処理はロジックＬＳＩにて行い、外部とのインターフェースは光電気モジュールを使用したものが提案されている。従来のこの種の光電気複合モジュールは、光素子とドライバＩＣとを搭載した基板と、レンズ等の光取出部を取り付けたケースとを組み合わせたものである。図５は、この従来の光電気複合モジュールを示す側面断面図である。層間配線９６及び上下面に配線パターンが形成された配線基板９８上に、光信号を送信し、また受信する光素子９１がハンダにより固定され、ワイヤ９７により配線基板９８に接続されている。光素子９１の電流振幅を調整するドライバＩＣ９２も同様にハンダにより配線基板９８上に固定され、また接続されている。一方、コバール等の金属製のケース９３上には、平板マイクロレンズ等の光結合部材９４が搭載されており、配線基板９８にケース９３を搭載することにより、光結合部材９４を介して光素子９１と外部との間の光結合が得られる。なお、複数の光デバイスを１つの基板上に搭載した光集積回路モジュールが特開２００１−１４１９５１に開示されている。また、基板上に光素子を搭載した光モジュールが特開２００２−１１１１１３に開示されている。

特開２００１−１４１９５１特開２００２−１１１１１３

しかしながら、この従来の光電気複合モジュールには、以下に示す問題点がある。先ず、光素子９１はハンダ及びワイヤボンディングで配線基板９８に固定及び接続され、ドライバＩＣ９２はハンダ付けで配線基板９８に固定及び接続されている。一方、レンズ（光結合部材９４）は接着剤等によりケース９３に固定されている。このように個別に実装された後、配線基板９８とケース９３とを組み立てるので、部品数と工程数が多くなり、実装コストが高いという問題点がある。

また、光素子のワイヤボンディングのために配線のマージンを広めにとる必要があり、搭載部品の高密度実装が困難であるという問題点がある。

更に、光の取出及び取り込みにおいて、レンズ等の光結合部材と光素子とが別々に実装されているために、レンズ−光素子間の距離のバラツキが大きくなり、光出力自体がばらついてしまうという問題点がある。

更にまた、ケースと配線基板とに分割されているために、この分割型パッケージの中空部分に封止材を流し込む必要があるという問題点があり、更に、レンズの固定が接着剤であるので、ハーメチック封止が困難であるという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、光軸方向の寸法調整機構を有するレンズホルダ等を設けることなく、光素子とレンズ等の光結合部材との間隔を高精度で調整することができると共に、複数の光軸を有する多数一括製造が可能であって低コストの一体型アレイレンズを得ることができる光モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る光モジュールは、基板と、この基板の裏面に設けられたレンズと、前記基板の表面上の前記レンズに整合する位置に配置された光デバイスと、この光デバイスと前記基板との間に介在して前記光デバイスを前記基板に搭載する接合物質と、を有し、前記接合物質は、単位量が複数段に積層されていて、この単位量の量及び段数は前記光デバイスと前記レンズとの間の所望の距離に応じて設定されることを特徴とする。

この光モジュールにおいて、前記所望の距離は、例えば、前記光デバイスの発光面又は受光面と、前記レンズとの間隔が、光結合効率から決まるものに一致するものである。

また、前記接合物質は前記光デバイス上に設けられ、前記基板上には前記接合物質に整合する位置に他の接合物質が設けられていて、前記接合物質と前記他の接合物質とを重ねることにより、前記光デバイスが前記基板上に接合されていることが好ましい。

本発明に係る他の光モジュールは、基板と、この基板の裏面に設けられ複数の単位レンズを有する一体型アレイレンズと、前記基板の表面上の前記アレイレンズの各単位レンズに整合する位置に配置された複数の光デバイスと、この光デバイスと前記基板との間に介在して前記光デバイスを前記基板に搭載する接合物質と、を有し、前記接合物質は、単位量が複数段に積層されていて、この単位量の量及び段数は前記光デバイスと前記アレイレンズの単位レンズとの間の所望の距離に応じて設定されることを特徴とする。

この光モジュールにおいて、前記所望の距離は、例えば、前記光デバイスの発光面又は受光面と、前記単位レンズとの間隔が、光結合効率から決まるものに一致するものである。

また、前記接合物質は前記各光デバイス上に設けられ、前記基板上には前記接合物質に整合する位置に他の接合物質が設けられていて、前記接合物質と前記他の接合物質とを重ねることにより、前記各光デバイスが前記基板上に接合されていることが好ましい。

本発明に係る更に他の光モジュールは、基板と、この基板上に配置された複数の光デバイスと、この光デバイスと前記基板との間に介在して前記光デバイスを前記基板に搭載する接合物質と、各単位レンズが前記各光デバイスの受光面又は発光面に整合する位置になるように前記各光デバイスの上方に配置され前記基板上に搭載された一体型アレイレンズと、を有し、前記接合物質は、単位量が複数段に積層されていて、この単位量の量及び段数は前記光デバイスと前記アレイレンズの単位レンズとの間の所望の距離に応じて設定されることを特徴とする。

上記各発明において、前記接合物質は、前記光デバイスの発光面又は受光面の光路を遮らない位置に設けられることが好ましい。

更にまた、前記接合物質は、例えば、バンプ形成技術により、その単位量が前記光デバイス上に積層されるものである。

上記の各発明においては、接合物質を積み重ねる段数により光デバイスの発光面又は受光面とレンズとの間隔を調節する。この光デバイスの発光面又は受光面とレンズとの間隔とは、それらの光軸に沿った距離である。この光軸に沿った距離が、光結合効率に基づいて決められる。例えば、光結合効率が最も高くなるように、決められる。基板上に複数の光デバイスが搭載される場合は、各光デバイスについて夫々最適な光結合効率が得られるように、各光デバイスについて適切な接合物質の段数が決められる。

本発明の光モジュールによれば、接合物質の段数により、光デバイスとレンズとの間の距離を調整できるので、高精度な光軸方向の寸法を有するように組み立てる必要がなく、また光軸方向の寸法調整機構を有するレンズホルダを設けることも不要である。これにより、レンズホルダの製作費用及びレンズとレンズホルダとの組立費用を削減できる。また、積み重ねられる接合物質の形成は、汎用バンプ形成技術を適用することにより、低コストで可能である。更に、本発明によれば、複数の光軸を有して多数一括製造が可能であるので、安価な一体型アレイレンズを適用できる。従って、光学的設計に基づいた発光面又は受光面とレンズとの所望の間隔が異なる複数の光デバイスの実装に対して、各光デバイスを実装する際の接合物質を積み重ねる段数を夫々変えることで、最も光結合効率の得られる目標値に各光デバイスとレンズとの間隔を決定することができる。

次に、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る光モジュールを示す断面図である。本実施形態の光モジュールは、基板１と、基板１の表面側に実装される光デバイス２と、基板１の裏面側に実装されるレンズ３と、光デバイス２におけるその発光面／受光面（以下、発光受光面という）６の光路を妨げない複数の位置に複数段に積層形成された接合物質Ａ４と、基板１の表面上の接合物質Ａ４の位置に相当する位置に形成された接合物質Ｂ５を具備する。基板１は、例えば、厚さ５０μｍのシート形状で光を透過するポリイミドである。光デバイス２は、例えば、ガリウム砒素等の半導体による光通信用の発光デバイス又は受光デバイスである。レンズ３は、例えば、石英ガラス等の透明材料による平面形状の光通信用レンズである。

接合物質Ａ４は光デバイス２及びレンズ３の光路を遮らない位置に形成され、高さ寸法は例えば３０〜４０μｍであり、この範囲内で種々設定しまた変更が可能である。この接合物質Ａ４の高さ寸法に関する精度は±２μｍであり、また直径は最大７０〜８０μｍである。また、複数位置に複数段に積層された各接合物質Ａ４は、互いに均一な形状である。更に、接合物質Ａ４同士は互いに接合可能な物質であり、例えば金を使用することができる。その場合の接合物質Ａ４の形成方法としては、先ず、光デバイス２の発光／受光面６上に、メッキ等により金の被覆を施し、その表面上に、汎用バンプボンダにより直径が２０〜２５μｍの金ワイヤを使用してスタッドバンプを形成する方法が好適である。接合物質Ｂ５は、基板１の表面に形成されたものであり、その厚さ寸法は例えば１８〜３３μｍである。また、接合物質Ｂの厚さ寸法に関する精度は例えば±２μｍであり、この接合物質Ｂは直径が６０〜７０μｍの円柱形状をなす。各接合物質Ｂ５は互いに均一な形状である。また、接合物質Ｂ５は、例えば、金からなる接合物質Ａ４と接合可能な材料であり、例えば、基板１の表面に銅をメッキにより前記形状に形成した後、その表面上に金をメッキ等により０．１〜０．２μｍの厚さに層状に形成したものとすることができる。

接合物質Ａ４を積み重ねる段数に関しては、例えば、光デバイス２の発光受光面６と接合物質Ｂ５との間の基板に垂直な方向の距離を８０μｍにしたい場合、高さ寸法４０μｍの接合物質Ａ４を２段積み重ねると、前記距離を８０±４μｍの寸法に設定することができる。また、例えば、光デバイス２の発光受光面６と接合物質Ｂ５との間の基板に垂直な方向の距離を９０μｍにしたい場合は、高さ寸法３０μｍの接合物質Ａ４を３段積み重ねると、前記距離を９０±６μｍの寸法に設定することができる。

上述の如く、本実施形態においては、１段あたりの高さ寸法が３０〜４０μｍである接合物質Ａ４を、光デバイスの発光受光面６と接合物質Ｂ５との間の基板垂直方向の距離に応じて、１段あたりの高さと段数とを選択することにより、所望の距離を確保することができ、この場合の寸法精度を、段数に応じて例えば±４μｍ又は±６μｍと極めて高いものにすることができる。

よって、本実施形態によれば、光軸方向の寸法調整機構を有するレンズホルダ等を設けることなく、光デバイス２とレンズ３との間隔を高精度で調整することができる
なお、図５に示す従来の光モジュールの欠点を解消するために、本願出願人は、特願２００２−１８３２１９（未公開）において、図４に示す光モジュールを提案した。

この図４に示す光モジュールは、プリント基板の表面側に発光デバイス又は受光デバイス（以下、光素子７１）をフリップチップ実装し、レンズ（以下、光結合部材７４）をプリント基板の裏面側に実装する構造である。基板は光を透過する材料からなる透明プレート７３であり、光素子７１とレンズ（光結合部材７４）はその光軸が基板に垂直であり、互いの光軸の位置が基板表面に平行な方向に関して一致（整合）する位置に実装されている。この構造により、初期の目的は達成されたものの、レンズと光素子との間の距離に関し、近時の光デバイスに対する要求という点からすると、未だ不十分であった。

即ち、実際には、光デバイスの発光面又は受光面とレンズとの間隔には光学的設計に基づいた目標値に対して±１０μｍ以下といった精度が要求されるが、基板における光軸方向の厚さ寸法は製造上からある一定の規定値であるため、このような要求精度を満足することができない。このため、図４に示す光モジュールにおいては、基板とレンズとの間に更にレンズホルダを介在させることで、前記間隔の調整を行い、目標精度の実現を図っている。そのレンズホルダの基板に対する接触面とレンズに対する接触面との間は、高精度な光軸方向の厚さ寸法を有するか、又は光軸方向の寸法調整機構を有するといった構造である必要があった。更に、種類が異なる複数の光デバイスの実装時、光学的設計に基づいた発光面又は受光面とレンズとの間隔の目標値が各光デバイスで異なる場合、基板における光軸方向の厚さ寸法とレンズホルダにおける基板に対する接触面とレンズに対する接触面との間の寸法との和が各光デバイスに求められる目標精度に入るように高精度な光軸方向の厚さ寸法を有するか、又は光軸方向の寸法調整機構を有する複数のレンズホルダを使用する必要があった。

その理由は、光軸方向の寸法は概して光デバイス及びレンズ等の光学的性能又は使用波長等の要求仕様に基づいた光学的設計により変化するが、一方基板及びレンズ等の光部品はある特定の外形で製造され、夫々の光学的設計に応じてそれらの寸法を変更して製造することは困難であるからである。

また、図４に示す光モジュールでは、複数の光軸を有して多数一括製造が難しく、安価な一体型アレイレンズを適用できない場合がある。その理由は、通常の一体型アレイレンズは光学的設計の同じレンズを平面に並べた構造であるが、種類の異なる複数の光デバイスの実装時、光学的設計に基づいた発光面又は受光面とレンズとの間隔の目標値が各光デバイスで異なる場合、一体型アレイレンズの各光軸のレンズ部毎に各光デバイスの発光又は受光面との間隔を同一にすべく光学的設計を変更するか、光学的設計は同一で間隔を変更する構造にする必要があるが、一体型アレイレンズの製作上極めて困難であるからである。

これに対し、図１に示す本発明の実施形態においては、上述の問題点を解消することができ、高精度且つ容易に光デバイスとレンズとの間の距離を調節することができる。

次に、図２を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。光モジュールの他の構造例は、基板１と、基板１の表面側に実装される発光デバイス２１及び受光デバイス２２と、基板１の裏面側に実装される一体型アレイレンズ３１と、発光デバイス２１及び受光デバイス２２の夫々の光路を妨げない複数の位置に複数段形成された接合物質Ａ４と、発光デバイス２１及び受光デバイス２２に形成された接合物質Ａ４の位置に相当する基板１の表面側に形成された接合物質Ｂ５からなる。一体型アレイレンズ３１は、例えば複数の光軸を有する石英ガラス等の透明材料による平面形状の光通信用レンズである。また、各光軸のレンズ部は互いに同一の焦点距離を有する。発光デバイス２１は、例えばガリウム砒素等の半導体による光通信用の発光デバイスであり、その発光面６１の光軸の中心を頂点として発光面６１から遠ざかる方向に広がる円錐面に囲まれた範囲内に光を照射する。受光デバイス２２は、例えばガリウム砒素等の半導体による光通信用の受光デバイスであり、その受光面６２の光軸の中心から例えば直径１５〜２０μｍの範囲に光を照射すると最大の受光効率となる性能を有する。例えば、受光デバイス２２を実装する際の接合物質Ａ４を積み重ねる段数を発光デバイス２１を実装する際に積み重ねる段数に比べて一段少なくした場合、受光デバイス２２の受光面６２と一体型アレイレンズ３１との距離は発光デバイス２１の発光面６１のそれに比べて３０〜４０μｍ短い距離になるが、そのとき受光デバイス２２の受光面６２に照射される光の領域は直径１５〜２０μｍの範囲以内であるように設計されている。

次に、図３を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。光モジュールの他の構造例は、直方体のある表面に凹みを有し、かつその凹みの底面が表面と平行であるケース８１と、ケース８１の表面に実装される一体型アレイレンズ３１と、ケース８１の凹みの底面に対して発光面６１又は受光面６２を一体型アレイレンズ３１の方向に向けて実装される発光デバイス２１及び受光デバイス２２と、発光デバイス２１及び受光デバイス２２の裏面の複数の位置に複数段形成された接合物質Ａ４と、発光デバイス２１及び受光デバイス２２に形成された接合物質Ａ４の位置に相当するケース８１の凹みの底面に形成された接合物質Ｂ５からなる。発光デバイス２１と受光デバイス２２の厚さは異なっており、発光デバイス２１の発光面６１と一体型アレイレンズ３１との距離を一体型アレイレンズ３１の焦点距離とし、また受光デバイス２２の受光面６２と一体型アレイレンズ３１との距離を受光面６２の光軸の中心から直径１５〜２０μｍの範囲に光が照射されて受光デバイス２２の最大の受光効率となる距離としたときに、ケース８１の凹みの底面から発光デバイス２１の裏面までの距離とケース８１の凹みの底面から受光デバイス２２の裏面までの距離に差が生じる場合がある。例えば、その差が３０μｍである場合、発光デバイス２１又は受光デバイス２２のその裏面がケース８１の凹みの底面から遠い方について高さ寸法３０μｍの接合物質Ａ４を１段余計に積み重ねて実装することによりその差を補って実装することができる。

なお、上記各実施形態において、光デバイス２，２１，２２と基板１（ケース８１）の電極とは、接合物質Ａ４及び接合物質Ｂを介して電気的に接続される。しかし、本発明はこれに限らず、ボンディングワイヤにより光デバイスと基板又は他の回路基板とを電気的に接続してもよい。

本発明の実施形態に係る光モジュールを示す断面図である。本発明を一体型アレイレンズアレイレンズと複数の光デバイスに適用した実施形態の断面図である。本発明を厚さが異なる複数の光デバイスに適用した実施形態の断面図である。プリント基板の表面に光モジュールを搭載し、裏面にレンズを実装した光モジュールを示す断面図である。従来の光電気複合モジュールを示す側面断面図である。

符号の説明

１：基板
２：光デバイス
３：レンズ
４：接合物質Ａ
５：接合物質Ｂ
６：発光／受光面
２１：発光デバイス
２２：受光デバイス
３１：一体型アレイレンズ
６１：発光面
６２：受光面
７１：光素子
７２：ドライバＩＣ
７３：透明プレート
７４：光結合部材
７５：メタルバンプ
７６：電極
８１：ケース

Claims

基板と、この基板の裏面に設けられたレンズと、前記基板の表面上の前記レンズに整合する位置に配置された光デバイスと、この光デバイスと前記基板との間に介在して前記光デバイスを前記基板に搭載する接合物質と、を有し、前記接合物質は、単位量が複数段に積層されていて、この単位量の量及び段数は前記光デバイスと前記レンズとの間の所望の距離に応じて設定されることを特徴とする光モジュール。
前記所望の距離は、前記光デバイスの発光面又は受光面と、前記レンズとの間隔が、光結合効率から決まるものに一致するものであることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記接合物質は前記光デバイス上に設けられ、前記基板上には前記接合物質に整合する位置に他の接合物質が設けられていて、前記接合物質と前記他の接合物質とを重ねることにより、前記光デバイスが前記基板上に接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
基板と、この基板の裏面に設けられ複数の単位レンズを有する一体型アレイレンズと、前記基板の表面上の前記アレイレンズの各単位レンズに整合する位置に配置された複数の光デバイスと、この光デバイスと前記基板との間に介在して前記光デバイスを前記基板に搭載する接合物質と、を有し、前記接合物質は、単位量が複数段に積層されていて、この単位量の量及び段数は前記光デバイスと前記アレイレンズの単位レンズとの間の所望の距離に応じて設定されることを特徴とする光モジュール。
前記所望の距離は、前記光デバイスの発光面又は受光面と、前記単位レンズとの間隔が、光結合効率から決まるものに一致するものであることを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
前記接合物質は前記各光デバイス上に設けられ、前記基板上には前記接合物質に整合する位置に他の接合物質が設けられていて、前記接合物質と前記他の接合物質とを重ねることにより、前記各光デバイスが前記基板上に接合されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の光モジュール。
基板と、この基板上に配置された複数の光デバイスと、この光デバイスと前記基板との間に介在して前記光デバイスを前記基板に搭載する接合物質と、各単位レンズが前記各光デバイスの受光面又は発光面に整合する位置になるように前記各光デバイスの上方に配置され前記基板上に搭載された一体型アレイレンズと、を有し、前記接合物質は、単位量が複数段に積層されていて、この単位量の量及び段数は前記光デバイスと前記アレイレンズの単位レンズとの間の所望の距離に応じて設定されることを特徴とする光モジュール。
前記所望の距離は、前記光デバイスの発光面又は受光面と、前記単位レンズとの間隔が、光結合効率から決まるものに一致するものであることを特徴とする請求項７に記載の光モジュール。
前記接合物質は前記各光デバイス上に設けられ、前記基板上には前記接合物質に整合する位置に他の接合物質が設けられていて、前記接合物質と前記他の接合物質とを重ねることにより、前記各光デバイスが前記基板上に接合されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の光モジュール。
前記接合物質は、前記光デバイスの発光面又は受光面の光路を遮らない位置に設けられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光モジュール。
前記接合物質は、バンプ形成技術により、その単位量が前記光デバイス上に積層されるものであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光モジュール。