JP2005257879A - 光モジュール及びその製造方法並びに保護部材及び電気配線付き保護部材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 光素子1と、この光素子1と光結合する光伝送媒体3aを保護する保護部材3と、この保護部材3に形成され、光素子1に関する電気配線3bとをそなえるように構成する。
【選択図】 図1
Description
第1の従来例として、光通信用途で用いられてきたCANパッケージ型光モジュールを図22に示す。この図22に示すように、従来のCANパッケージ型光モジュールは、主な構成部品として、レーザダイオード(LD)やフォトダイオード(PD)等の光素子100、レンズ200(2枚)、光ファイバ300aを保護するフェルール300、光素子100を保護のために気密封止する窓付キャップ400、ステム500の6点をそなえて構成され、光軸調整箇所は、2次元調整が2ヶ所(2枚のレンズ200)、1次元調整が1ヶ所(フェルール300)である。
一方、第2の従来例は、端面受発光型の光素子の搭載を前提としており、今後、低コスト化が予想される面型発光素子(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)や面型受光素子として標準的かつ低コストなPIN-PD(PIN-Photodiode)の搭載には適さない。
また、本発明の保護部材(請求項2)は、光伝送媒体を保護する保護部材において、端部に凹部を形成したことを特徴としている。
この結果、本発明は、次世代サーバシステム等におけるデータ転送用途の光送信モジュールや光受信モジュールに要求される小型化及び低コスト化に大きく寄与する。
図1は本発明の第1実施形態としての光モジュールの構成を一部透明にして示す模式的側面図、図2は当該光モジュールの主要構成部品としての光素子の模式的斜視図、図3は当該光素子が搭載(実装)されるサブキャリア(光素子実装基板)の模式的斜視図、図4は当該光モジュールの主要構成部品としてのフェルールの模式的斜視図である。
また、前記凹部3cの周囲に配置された壁部3dの上面から側面(フェルール下面:図4の上方が下面)にかけて光素子1に関する(少なくとも光素子1駆動用信号の伝送に用いられる)電気配線(電極パターン)3b(網がけ部で示す電気配線31,32,33参照)がフェルール表面に形成されている。ここで、壁部3dの上面に孤立して形成されている電気配線31は、光素子1の信号電極1cと電気的に接続される信号側電極(配線)として機能し、同じ壁部3dの上面に形成された他の電気配線32及びフェルール下面に形成された電気配線33は、光素子1の電源/GND電極1dと電気的に接続される電源/GND側電極(配線)として機能する。
以下、本実施形態の光モジュールの組み立て方法について、より詳細に説明する。
本実施形態では、前者の(a)光素子1(サブキャリア8側配線8a)とフェルール3側配線3bとの間の接続に導電性接着剤14を用いる方法について説明する。
仮固定用の紫外線硬化性樹脂12としては、光信号に対して透明(光透過率が100%あるいは略100%)であるものを用い、フェルール3に内蔵された光ファイバ3aと光素子1との間に充填して封止する。このようにすれば、以下のような効果ないし利点が得られる。即ち、
第1に、光軸ずれを防ぎたい箇所を直接仮固定することで導電性接着剤14を硬化させるまでの光結合の安定性を向上できる。
第3に、導電性接着剤14の硬化後に光素子1を封止樹脂で被覆する際、通常、不透明な封止樹脂が光素子1と光ファイバ3aとの間に入り込んで光結合を阻害することを防ぐことができる。なお、光素子1と光ファイバ3aとの間に充填した紫外線硬化性樹脂12は光ファイバ3a経由で紫外線を照射すると硬化が確実になる。
(1)光素子1をサブキャリア8に搭載
まず、サブキャリア8をヒータ(図示省略)上に吸着する等して固定し、サブキャリア8上に形成した光素子搭載位置マーカ8eに合わせて光素子1を裏面電極1dがサブキャリア8上のハンダバンプ8cと接触するようサブキャリア8上に載置する。この状態で、ヒータを加熱(例えば、AuSnの場合、310℃で10秒程度加熱)してハンダバンプ8cを溶融させ、その後に室温まで冷却する。これにより、光素子1の裏面電極1dがサブキャリア8にハンダ層3cを介して固定される。そして、光素子1の上面電極1cとサブキャリア8側のワイアパッド8dとを例えばボンディングワイア11により接続する。
フェルール3への接着剤(紫外線硬化性樹脂12及び導電性接着剤14)の塗布にはディスペンサを使用する。例えば図5(図4に示すフェルール3のA矢視図に相当する)に示すように、紫外線硬化性樹脂12を光ファイバ3aの端部が露出した箇所に塗布するとともに、導電性接着剤14をフェルール3側配線3b(31,32)とフェルール3の壁部3d上面のサブキャリア8側配線8a(83,81)との接続箇所に塗布する。もちろん、これらの接着剤はサブキャリア8側の対応箇所に塗布してもよい。
次に、図6に示すように、上述のごとく接着剤12,14を塗布した側とは反対側のフェルール端面側に光ファイバ3aと接続する光ファイバコード30を接続し、光軸調整系の所定の光学ステージ20(フェルール保持ステージ21)にセットする。接続した光ファイバコード30のもう一方の端部は、光素子1がLD等の発光素子の場合は光パワーメータ22へ、光素子1がPD等の受光素子の場合は(感度がとれる波長の)光源23へ接続する。
次に、光軸調整用の光源23あるいは光パワーメータ22へ接続していた光ファイバコード30を紫外線光源27に接続する。これにより、光ファイバ3a経由で紫外線硬化性樹脂12に紫外線を照射して硬化させることができる。もっとも、かかる紫外線照射は、光ファイバ3aを経由せずに例えば横方向から行なってもよい。また、当該仮固定の強度をより高めるため、サブキャリア8の周辺部とフェルール3端面との間に紫外線硬化性樹脂12を塗布しておき硬化させてもよい。
上述のごとくサブキャリア8をフェルール3に仮固定したものを光軸調整系から取り外し、フェルール3に接続した光ファイバコード30を外した後、恒温槽内で導電性接着剤14を加熱して硬化させる。
(6)樹脂封止
最後に、例えば、COB(Chip On Board)実装用のチップコート樹脂(封止樹脂)9(図8,図9参照)を用いて樹脂封止を行なう。この際、硬化温度がフェルール3や他の樹脂材料の耐熱温度を超えないように樹脂を選択する。また、狭い隙間でも確実に樹脂9が充填されるように硬化前粘度が小さいものが好ましい。
ここで、光素子1の厚さは200μm程度であるため、フェルール凹部3cの深さは1mm以下となり、表面張力の効果により封止樹脂9の流出はフェルール3角部で抑えられる。必要量の封止樹脂9を塗布したら、サブキャリア8側を上にして恒温槽に入れ、加熱・硬化させる。
〔B〕第2実施形態の説明
図10は本発明の第2実施形態としての光モジュールの構成を示す模式的側断面図で、この図10に示す光モジュールは、前述したサブキャリア8を用いずに、光素子1を電気配線3b付きフェルール3に直接取り付ける構造のものである。なお、以下において、既述の符号と同一符号を付して説明するものは、特に断らない限り、既述のものと同一もしくは同様のものである。
一方、フェルール3は、本例でも、例えばセラミックを材料とし、図12に模式的に示すように、内部に光ファイバ3aのための貫通穴が設けられるとともに、第1実施形態と同様の嵌合ピン差込穴3fも設けられている。また、本例では、光ファイバ3aの両端が露出する2つの端面は共に平坦であり(第1実施形態のような光素子収納凹部3cは形成されていない)、その一方の端面からフェルール3の底面(図12の上方が底面)にかけて、光素子1の窓部1a及び電極1c,1dの位置に応じた電気配線3b(31,32,33)が形成されている。
このように、本例では、電気配線3b付きのフェルール3に、サブキャリア8を用いることなく、直接、光素子1を取り付ける構造とすることにより、光モジュールとしての主要な構成部品点数をさらに削減することができ、光モジュールのさらなる小型化を実現することができる。
この場合は、アクティブアライメントによる光軸調整時の光素子1への給電方法として、第1実施形態にて前述した、(b)光素子1側の電極1c,1dとフェルール3側配線3bとを接触させて導通させる方法を採る。
この方法は、第1実施形態にて前述したアクティブアライメントの3つの要件〔(i)光素子1とフェルール3の相対位置の微調整、(ii)光素子1側の電極1c,1dとフェルール3側配線3bとの導通、(iii)室温〕のうち、相対位置を微調整するステップと電極1c,1d−配線3b間を導通させるステップとを別々に行なう方法である。
(a)光素子1の駆動を停止した状態で、光素子1をフェルール3から離して、光素子1と光ファイバ3aの相対位置を変える。
(b)光素子1の電極1c,1dとフェルール3の電気配線3b(ハンダバンプ3e)とを接触させ、光素子1の駆動を開始する。
以下、図13〜図16を併用して実際の組み立て手順について説明する。
(1)光素子1と光ファイバ3aの光軸調整
図13に模式的に示すように、光ファイバ3aが露出した2つのフェルール端面のうち電気配線3bを形成しない側の端面に光ファイバ3aと接続する光ファイバコード30を接続し、光軸調整系の所定のヒータ付きステージ21′にフェルール3をセットする。接続した光ファイバコード30のもう一方の端部は、光素子1がLD等の発光素子の場合は光パワーメータ22へ、LD等の受光素子の場合は(感度がとれる波長の)光源23へ接続する。
かかる状態で、まず、光素子1の外形をフェルール端面の所定の位置に合わせ、光素子1と光ファイバ3aの面方向の粗い位置合わせを行なう。続いて、光素子1をフェルール3に接近させ、光素子1の電極1c,1dをフェルール側配線3b上に形成された各ハンダバンプ3eに接触させる。
(ii)光素子1の電極1c,1dとフェルール3のハンダバンプ3eとを接触させ、駆動電源24により光素子1の駆動を開始する〔光素子駆動ステップ:図14(B)参照〕。
(iii)光素子1(発光素子)から光ファイバ3aを経由して出力される光パワーの大きさを光パワーメータ22により検出、あるいは、光源22から光ファイバ3aを経由して入力される光に対する光素子1(受光素子)での受光電流の大きさを電流モニタ24aで検出する〔検出ステップ:図14(C)参照〕。
上述のごとく光素子1の光軸調整が完了したら、ヒータ付きステージ21′を加熱してハンダバンプ3eを一旦溶融させ、その後、室温付近に冷却することで光素子1をフェルール3に固定する。
(3)光素子1と光ファイバ3aとの間への透明樹脂12の充填
次に、光素子1と光ファイバ3aとの間に透明樹脂12を充填する。透明樹脂12を充填するのは、第1実施形態と同様に、光結合の安定性向上、光ファイバ3aの端面反射抑制、封止樹脂による光路阻害防止のためである。
(4)樹脂封止
最後に、例えば図16に模式的に示すように、COB(Chip On Board)実装用のチップコート樹脂を封止樹脂9に用いて、光素子1の樹脂封止を行なう。封止樹脂9には、硬化温度がフェルール3や他の樹脂材料の耐熱温度を超えないようにものを選択する。
〔C〕電気配線付きフェルールの製造方法の説明
次に、第1及び第2実施形態により上述した電気配線付きフェルールの製造方法について説明する。
第1実施形態の電気配線付フェルール3は、例えば、樹脂成形技術により作製する。安価であり、高い耐熱性(約300℃)を必要としない導電性接着剤14を使用する場合に適応する。電気配線3bには例えばリードフレームを用いる。
まず、図17に模式的に示すように、リードフレームA10の折り曲げ加工を行なって、前記の電気配線3b(31,32,33)(図4参照)となる電極成形を行なう。小さい曲げ半径を実現するため、リードフレームA10の材質は銅系の柔らかいものが好適であり、ワイアボンディング等の必要に応じてAuメッキ等を施してあってもよい。この時点では、信号側配線A11(31)はタイバー(tie bar)A13によって電源/GND側配線A12(33)に接続されており、成形加工後に切断される。
図19に模式的に示すように、成形したフェルール筐体A20の両端には、光ファイバ整列穴A21(光ファイバ3aの貫通穴)と嵌合ピンが挿入される嵌合ピン差込穴A22(図4の嵌合ピン差込穴3fに相当)とが開いており、光ファイバ整列穴A21を横切るように接着剤充填穴A23が開口している。なお、図19は図18のC矢視平面図に相当する。
そして、図20に模式的に示すように、光ファイバ整列穴A21に光ファイバ素線A31(前記光ファイバ3aに相当する)を差し込み、接着剤充填穴A23に接着剤を充填して硬化させる。この時、リードフレームA10が無い側の端面から光ファイバ素線A31を差し込み、リードフレームA10がある側の端面に光ファイバの先端を揃える。
(C2)第2実施形態の電気配線付きフェルールの製造方法
次に、第2実施形態の電気配線3b付きフェルール3は、ハンダ層3eによる光素子固定を行なえるような耐熱性を必要とするため、例えばセラミックを材料として作製する。
この後、リードフレームが無い側の端面を研磨し、リードフレーム上の光素子の電極に対応する位置にクリームハンダを印刷すると完成となる。
また、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができることはいうまでもない。
例えば、フェルール3に形成する電気配線3bやサブキャリア8上の電気配線8aの形状(パターン)は、第1及び第2実施形態により前述したパターンに限定されず、光素子1のもつ電極パターンや外部電気回路7のもつ電極パターンに応じて最良と考えられるパターンに適宜変更してよい。また、電気配線付きフェルール3に実装される対象は必ずしも光素子1でなくてもよい。
(付記1)
光素子と、
該光素子と光結合する光伝送媒体を保護する保護部材と、
該保護部材に形成され、該光素子に関する電気配線とをそなえたことを特徴とする、光モジュール。
前記電気配線は、前記光素子と電気的に接続されたことを特徴とする、付記1記載の光モジュール。
(付記3)
前記電気配線は、前記光素子の駆動用信号の伝送用として用いられることを特徴とする、付記1記載の光モジュール。
該保護部材の側面の一部に平らな部分が形成され、
前記電気配線の少なくとも一部が、該平らな部分に形成されたことを特徴とする、付記1記載の光モジュール。
(付記5)
前記平らな部分に形成された電気配線と、プリント基板に形成された電気配線とが電気的に接続されることを特徴とする、付記4記載の光モジュール。
該光素子を実装した電気配線付き光素子実装基板をさらにそなえ、
該光素子実装基板の電気配線と該保護部材の電気配線とが接続されていることを特徴とする、付記1記載の光モジュール。
(付記7)
該光伝送媒体の端面が露出した該保護部材の一方の端面に、該光素子が固定されていることを特徴とする、付記1記載の光モジュール。
該光伝送媒体の端面が露出した該保護部材の一方の端面に、該光素子実装基板が固定されていることを特徴とする、付記6記載の光モジュール。
(付記9)
該保護部材の該一方の端面に、凹部が形成されれるとともに、
該凹部に該光素子の少なくとも一部を収納した状態で該光素子実装基板が固定されていることを特徴とする、付記8記載の光モジュール。
該光素子の電気配線と該保護部材の電気配線とが導電性接着剤により接続されていることを特徴とする、付記1又は7に記載の光モジュール。
(付記11)
該光素子実装基板の電気配線と該保護部材とが導電性接着剤により接続されていることを特徴とする、付記6,8又は9に記載の光モジュール。
該光素子と該保護部材の該光伝送媒体との間に、紫外線硬化性樹脂が充填されていることを特徴とする、付記1〜11のいずれか1項に記載の光モジュール。
(付記13)
該紫外線硬化性樹脂が、該光素子と該光伝送媒体との間を伝送される光信号に対して透明であることを特徴とする、付記12記載の光モジュール。
該光素子が、基板上に発光部を有する面発光型あるいは基板上に受光部を有する面受光型の光素子として構成されるとともに、
該保護部材の一方の端面と該基板とが平行になるよう該光素子が設けられていることを特徴とする、付記1〜13のいずれか1項に記載の光モジュール。
光素子と、該光素子と光結合する光伝送媒体を保護する保護部材と、該光素子に関する電気配線とを有する光モジュールの製造方法であって、
該光素子と該光伝送媒体との光軸調整時に、
該光素子又は該光素子を実装した光素子実装基板の電気配線と該保護部材に形成された電気配線との間を未硬化の導電性接着剤で導通させて該光素子を駆動しつつ該光素子と光伝送媒体との相対位置を調整し、
調整完了後に該導電性接着剤を硬化させることを特徴とする、光モジュールの製造方法。
上記光軸調整完了後に、該光素子と該光伝送媒体との間に光信号に対して透明な樹脂剤を充填して硬化させることにより該光素子又は該光素子実装基板を仮固定してから、該導電性接着剤を硬化させることを特徴とする、付記15記載の光モジュールの製造方法。
(付記17)
該透明な樹脂剤として紫外線硬化性樹脂を該光素子と該光伝送媒体との間に充填した後、
該紫外線硬化性樹脂に紫外線を照射して硬化させて該仮固定を行なうことを特徴とする、付記16記載の光モジュールの製造方法。
該紫外線を該光伝送媒体経由で該紫外線硬化性樹脂に照射することを特徴とする、付記17記載の光モジュールの製造方法。
(付記19)
光素子と、該光素子と光結合する光伝送媒体を保護する保護部材と、該光素子に関する電気配線とを有する光モジュールの製造方法であって、
該光素子と該光伝送媒体の光軸調整時に、
該光素子の駆動を停止し、かつ、該光素子又は該光素子を実装した光素子実装基板を該保護部材から離した状態で、該光素子と該光伝送媒体との相対位置を変更する移動ステップと、
該光素子又は該光素子実装基板の電気配線と該保護部材に形成された電気配線とを接触させて該光素子を駆動する光素子駆動ステップと、
該光素子から該光伝送媒体を経由して出力される光パワーの大きさ又は該光伝送媒体を経由して入力される光の受光電気信号の大きさを検出する検出ステップとを繰り返すことにより、該光素子と該光伝送媒体との相対位置を調整し、
上記調整完了後に、該光素子又は該光素子実装基板と該保護部材とを固定することを特徴とする、光モジュールの製造方法。
該光素子又は該光素子実装基板の電気配線上の該保護部材に形成された電気配線との接続部分にハンダ層を形成しておき、
該光素子と該光伝送媒体との位置調整が完了した後に、該ハンダ層を加熱・溶融させて、該光素子又は該光素子実装基板を該保護部材に固定することを特徴とする、付記19記載の光モジュールの製造方法。
該光素子と該光伝送媒体との間に光信号に対して透明な樹脂剤を充填して硬化させることを特徴とする、付記19又は20に記載の光モジュールの製造方法。
(付記22)
該透明な樹脂剤として紫外線硬化性樹脂を該光素子と該光伝送媒体との間に充填した後、
該紫外線を該光伝送媒体経由で該紫外線硬化性樹脂に照射して硬化させることを特徴とする、付記21記載の光モジュールの製造方法。
光伝送媒体を保護する保護部材に、外部回路との電気接続を可能にする電気配線を形成したことを特徴とする、電気配線付き保護部材。
(付記24)
該光伝送媒体と光結合する光素子のための電気配線が該保護部材に形成されていることを特徴とする、付記23記載の電気配線付き保護部材。
該光素子と接続されるとともに該光素子を駆動する駆動回路と接続される電気配線が、該保護部材に形成されていることを特徴とする、付記24記載の電気配線付き保護部材。
(付記26)
該電気配線が、該保護部材の表面に形成されていることを特徴とする、付記23〜25のいずれか1項に記載の電気配線付き保護部材。
該保護部材の該光伝送媒体が延在する方向の一方の端面に、該光素子の少なくとも一部が収納されて固定される凹部が形成されていることを特徴とする、付記23〜26のいずれか1項に記載の電気配線付き保護部材。
(付記28)
光伝送媒体を保護する保護部材において、
端部に凹部を形成したことを特徴とする、保護部材。
前記凹部には、前記光伝送媒体と光結合する光素子の少なくとも一部が納まることを特徴とする、付記28記載の保護部材。
1a 窓部(発光部/受光部)
1b 基板
1c 電極(信号側電極)
1d 電極(電源/GND側電極)
3 フェルール(保護部材)
3a 光ファイバ(光伝送媒体)
3b 電気配線(電極パターン)
3c 光素子収納凹部
3d 壁部
3e ハンダバンプ(ハンダ層)
3f 差込穴
3g 寸断部
31 信号側電極
32,33 電源/GND側電極
7 Pt板(外部電気回路)
8 サブキャリア(光素子実装基板)
8a,81,82,83 電気配線(Auパターン)
8b セラミック基板
8c ハンダバンプ(ハンダ層)
8d ワイアパッド
8e 光素子搭載位置マーカ
8g 接続部
9 封止樹脂
10 ハンダ層(フェルール側配線−Pt板間)
11 ボンディングワイア
12 透明樹脂(紫外線硬化性樹脂)
13 ハンダ層(光素子側電極−サブキャリア側配線間)
14 導電性接着剤
20 光学ステージ
21 フェルール保持ステージ
21′ ヒータ付きステージ
22 光パワーメータ
23 光源
24 光素子の駆動電源
24a 電流モニタ
25 ポンプ
26 サブキャリア吸着ツール
26′ 光素子吸着ツール
27 紫外線光源
30 光ファイバコード
40 ディスペンサ
A10 リードフレーム
A11 信号側配線
A12 電源/GND側配線
A13 タイバー(tie bar)
A20,A40 フェルール筐体(本体)
A21,A41 光ファイバ整列穴
A22,A42 嵌合ピン差込穴
A23 接着剤充填穴
A31 光ファイバ素線
A43 窪み領域
Claims (5)
- 光素子と、
該光素子と光結合する光伝送媒体を保護する保護部材と、
該保護部材に形成され、該光素子に関する電気配線とをそなえたことを特徴とする、光モジュール。 - 光伝送媒体を保護する保護部材において、
端部に凹部を形成したことを特徴とする、保護部材。 - 光素子と、該光素子と光結合する光伝送媒体を保護する保護部材と、該光素子に関する電気配線とを有する光モジュールの製造方法であって、
該光素子と該光伝送媒体との光軸調整時に、
該光素子又は該光素子を実装した光素子実装基板の電気配線と該保護部材に形成された電気配線との間を未硬化の導電性接着剤で導通させて該光素子を駆動しつつ該光素子と光伝送媒体との相対位置を調整し、
調整完了後に該導電性接着剤を硬化させることを特徴とする、光モジュールの製造方法。 - 光素子と、該光素子と光結合する光伝送媒体を保護する保護部材と、該光素子に関する電気配線とを有する光モジュールの製造方法であって、
該光素子と該光伝送媒体の光軸調整時に、
該光素子の駆動を停止し、かつ、該光素子又は該光素子を実装した光素子実装基板を該保護部材から離した状態で、該光素子と該光伝送媒体との相対位置を変更する移動ステップと、
該光素子又は該光素子実装基板の電気配線と該保護部材に形成された電気配線とを接触させて該光素子を駆動する光素子駆動ステップと、
該光素子から該光伝送媒体を経由して出力される光パワーの大きさ又は該光伝送媒体を経由して入力される光の受光電気信号の大きさを検出する検出ステップとを繰り返すことにより、該光素子と該光伝送媒体との相対位置を調整し、
上記調整完了後に、該光素子又は該光素子実装基板と該保護部材とを固定することを特徴とする、光モジュールの製造方法。 - 光伝送媒体を保護する保護部材と、
該保護部材に形成され、外部回路との電気接続を可能にする電気配線とをそなえたことを特徴とする、電気配線付き保護部材。
Priority Applications (6)
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