JP2007017809A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 光伝送路からの光信号を光素子により電気信号に変換する、または電気信号を光素子により光信号に変換して光伝送路へ送る光モジュールにおいて、光素子と光伝送路間の光軸および距離のアライメントを同時に且つ高精度で実現することのできる光モジュールおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 上記の光モジュール１において、光素子２および光伝送路固定部材３に第一および第二のアライメント用穴２１、３１を設け、これら第一および第二のアライメント用穴２１、３１の開口部２１１、３１１に嵌まるようにして光素子２および光伝送路固定部材３間にアライメント用ボール４を設ける。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、光通信に有用な、光伝送路からの光信号を光素子により電気信号に変換する、または電気信号を光素子により光信号に変換して光伝送路へ送る光／電気変換デバイスとも呼べる光モジュールに関するものである。

上記の光モジュールについては、光信号を誤りなく伝搬させるために、モジュール組み立て時に、レーザダイオード（ＬＤ）、垂直共振器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、フォトダイオード（ＰＤ）などの光素子と光ファイバや光導波路などの光伝送路との位置を設計値にしたがって適切に固定し、両者を光学的に高効率に結合させる必要がある。

一般に、光素子と光伝送路路との位置合わせ方法として、アクティブアライメントおよびパッシプアライメントの２つの方法が知られているが、費用を考慮すると、光素子を駆動させることなく位置合わせを実現するパッシプアライメントを採用することが望ましい。光モジュールは、近年の光通信技術の発達に伴い需要が高まりつつあり、より安価なモジュール提供が求められているため、モジュール作製費用の低減は必須なのである。

このパッシブアライメントによる位置合わせ方法に関しては、半田の溶融時の表面張力によるセルフアライメントを利用した技術が盛んに研究開発されている（たとえば特許文献１〜４参照）。
特開２００３−１１０２４５号公報 特開２００３−１１０１２１号公報 特開２００４−４１９５号公報 特開２０００−５６１８９号公報 特開２００４−１２８０３号公報

ところで、光路における光結合効率は、光結合する２者間の光軸のずれ量だけでなく、２者間の距離にも大きく依存する。このため、効率的な光結合を実現するには、光軸のみならず、光伝播方向の距離も適切に制御されなければならない。

しかしながら、上記特許文献１〜４では、半田のセルフアライメントを利用した光軸方向の位置合わせのみが行われるだけであって、光伝播方向の位置合わせに関しては全く開示されていない。これらに基づいた場合、光伝播方向の距離を規定値に設定するには、半田の塗布量や塗布位置を検討しなければならず、モジュール設計および製造工程の両方が煩雑になる。

しかも、上記特許文献１、２では、セルフアライメントによって位置合わせが実現するのは、半田によって直接固定されるプリント配線板間であって、光素子−光伝送路間ではない。

上記特許文献３も、光素子の電極パッドを基板の電極パッド上に接合する際に両電極パッドの位置合わせを行うだけである。

上記特許文献４では、半田バンプの大きさに起因して光部品の光軸と光ファイバのコアとの間で生じる高さ方向の差Δｈを問題視し、基板に設けた溝に半田バンプを形成させ、その上に搭載した光部品を半田バンプを押し潰すように垂直に押し下げることで、Δｈをなくすことが開示されているが、このΔｈは光の伝播方向の距離ではなく、溝内の半田バンプの押し潰しでは距離制御はできない。

一方、上記特許文献５では、受発光素子を光導波路基板に実装する際の素子と基板との間隙距離について考慮しており、受発光素子を搭載したサブマウントチップと光導波路基板との間を位置決め用の半田バンプを介して接合するとともに、受発光素子と光導波路基板との間に間隙規制用の剛性ポストを設けて、半田バンプのセルフアライメント機能と剛性ポストのスタンドオフ機能により、位置制御と高さ制御を同時に実現することが開示されている。しかし、半田バンプと剛性ポストという２種類の部材を、素子と基板との間に別々に配設しなければならない。

以上のとおりの事情に鑑み、本願発明は、これら従来のパッシブアライメントとは全く技術思想を異にした、光素子と光伝送路間の光軸および距離のアライメントを同時に且つ高精度で実現することのできる光モジュールおよびその製造方法を提供することを課題としている。

本願発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、光伝送路からの光信号を光素子により電気信号に変換する、または電気信号を光素子により光信号に変換して光伝送路へ送る光モジュールであって、第一のアライメント用穴を有する光素子と、第二のアライメント用穴を有する光伝送路固定部材と、第一および第二のアライメント用穴の開口部に嵌まるようにして光素子および光伝送路固定部材間に設けられたアライメント用ボールとを備えていることを特徴とする。

また、第２には、光伝送路からの光信号を光素子により電気信号に変換する、または電気信号を光素子により光信号に変換して光伝送路へ送る光モジュールの製造方法であって、第一のアライメント用穴を有する光素子および第二のアライメント用穴を有する光伝送路固定部材間に、アライメント用ボールを、第一および第二のアライメント用穴の開口部に嵌まるように設けることを特徴とする。

第３には、前記光モジュールの製造方法であって、光素子が実装されている電気配線基板および光伝送路固定部材間に接着剤を注入することを特徴とする。

第４には、前記光モジュールの製造方法であって、光素子が実装されている電気配線基板および光伝送路固定部材間を半田リフローすることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、光素子および光伝送路固定部材に設けられた第一および第二のアライメント用穴とこれらに嵌まるように設けられたアライメント用ボールの存在によって、光素子と光伝送路間の光軸および距離が同時に高精度でパッシブアライメントされた光モジュールが提供される。

しかも、モジュール構成要素としては、通常必要な光素子および光伝送路固定部材以外に、アライメント用ボールのみが新たに必要となるものであり、第一および第二のアライメント用穴を予め形成した光素子および光伝送路固定部材間にアライメント用ボールを介在させるだけの簡単な製造工程によって上記光モジュールが実現されることとなる。

また、このときの光軸精度および距離精度は、第一および第二のアライメント用穴の位置と大きさ、ならびにアライメント用ボールの大きさによって規定されるが、製造工程つまりモジュール構成要素のアセンブリ工程中に半田塗布量や塗布位置を微調整するよりも、予め設計値に従って穴形成およびボール形成しておき、それらをアセンブリする方が遥かに簡単である。

したがって、光素子と光伝送路との実装精度は、上記第一および第二のアライメント用穴ならびにアライメント用ボールの作製精度に規定されるため、光素子や光伝送路固定部材の実装位置精度を向上させる必要がなく、この結果、従来の汎用実装機によるモジュール製造工程を構築でき、全体の費用を低減できる。

このように、汎用の部品実装機を使用して、光軸方向および光伝播方向の２方向に関して、光素子を駆動させることなく固定できる、つまりパッシブアライメントできるので、光モジュールの製造工程が簡易且つ安価になる。

上記第２の発明によれば、上記第１の発明と同様に、光素子および光伝送路固定部材に第一および第二のアライメント用穴を設けておき、これらの間にアライメント用ボールを設けるだけで、光素子と光伝送路間の光軸および距離のパッシブアライメントを同時に且つ高精度で実現した光モジュールを製造することができる。

上記第３および第４の発明によれば、上記第２の発明と同様な効果が得られ、さらには、光素子が実装されている電気配線基板および光伝送路固定部材間での接着剤注入や半田リフローによって、前記光軸および距離がアライメントされた状態のまま、アライメント用ボール、光素子、光伝送路固定部材および電気配線基板を固定し一体化することができる。

［第一の実施形態］
図１は、上記のとおりの特徴を有する本願発明の一実施形態を示したものである。

本実施形態の光モジュール１は、光伝送路固定部材３に固定される光伝送路（図示なし）からの光信号を光素子２により電気信号に変換して電気配線基板５に送る、または電気配線基板５からの電気信号を光素子２により光信号に変換して光伝送路へ送るものであり、これにおいて、光素子２および光伝送路固定部材３は、第一のアライメント用穴２１および第二のアライメント用穴３１を有しており、これらの間にアライメント用ボール４が設けられている。

第一および第二のアライメント用穴２１、３１は、光素子２の受発光点２２との相対的位置関係および光伝送路固定部材３の光出入射口３２との相対的位置関係を同じにした条件で形成され、アライメント用ボール４を介在させた際に互いに対向して中心位置がパッシブアライメントにより揃うようになっている。

たとえば、第一のアライメント用穴２１は、横一列に並んだ複数個の受発光点２２からなる受発光点アレイ２２０から見て右上、右下、左上、左下の４箇所に設けられ、上下位置は、受発光点アレイ２２０の中心を通る横方向直線ｃ１と直交する縦方向直線ｃ２上にて直交点から等分距離に合わされ、左右位置は、上下位置から延びる横方向直線ｃ３上にて同一間隔に合わされる。第二のアライメント用穴３１は、第一のアライメント用穴２１と同様にしてつまり同じ相対的位置関係を持つように、横一列に並んだ複数個の光出入射口３２からなる光出入射口アレイ３２０から見て右上、右下、左上、左下の４箇所に設けられ、上下位置は、光出入射口アレイ３２０の中心を通る横方向直線ｃ１と直交する縦方向直線ｃ２上にて直交点から等分距離に合わされ、左右位置は、上下位置から延びる横方向直線ｃ３上にて同一間隔に合わされる。もちろん、受発光点アレイ２２０における各受発光点２２の間隔および光出入射口アレイ３２０における各光出入射口３２の間隔は、予め同じ寸法となっている。

これにより、アライメント用ボール４の上部および下部が第一および第二のアライメント用穴２１、３１の開口部２１１、３１１に嵌まることで、アライメント用ボール４ならびに第一および第二のアライメント用穴２１、３１が同一中心線上に並び、よって光素子２の各受発光点２２および光伝送路固定部材３の各光出入射光３２の中心位置つまり光軸が揃うようになる。図１中の拡大図では、先にアライメント用ボール４が光素子２上に搭載されてその下部が第一のアライメント用穴２１の開口部２１１に嵌まっており、その上に光伝送路固定部材３が実装される際に上部が第二のアライメント用穴３１に嵌まるように光伝送路固定部材３が移動して、三者の中心位置がパッシブアライメントされている。

そして同時に、第一および第二のアライメント用穴２１、３１の開口部２１１、３１１間の距離、つまり光素子２と光伝送路固定部材３間の距離が、第一および第二のアライメント用穴２１、３１の大きさならびにアライメント用ボール４の大きさの相互関係によって規定される距離に固定される。

たとえば、図２（ａ）に例示したように、第一および第二のアライメント用穴２１、３１の直径をある寸法に固定したまま、アライメント用ボール４の直径を増減させることで、距離を増減でき、またその逆に、図２（ｂ）に例示したように、アライメント用ボール４の直径をある寸法に固定したまま、第一および第二のアライメント用穴２１、３１の直径を増減させることで、距離を調整できる。もちろん両者の寸法を増減させて調整してもよい。このことは、アライメント用ボール４が第一および第二のアライメント用穴２１、３１にどの程度嵌まり込むかによって距離が規定されるとも言える。

これにより、予め設計した穴径およびボール径に第一および第二のアライメント用穴２１、３１ならびにアライメント用ボール４を形成させておくだけで、製造工程中での位置調整などを行うことなく、光素子２と光伝送路固定部材３間の光の伝播方向の距離を規定値に正確に且つ簡単に設定できるようになる。

したがって、以上のとおりの第一および第二のアライメント用穴２１、３１ならびにアライメント用ボール４の存在により、光軸制御および距離制御の両方をパッシブアライメントにより同時に、高精度で、且つ安価に実現することができる。

なお、第一および第二のアライメント用穴２１、３１の形状は、少なくともアライメント用ボール４の上部および下部が嵌まる深さを持つ開口であればよいので、光素子２および光伝送路固定部材３を上下に貫通した形状でも貫通していない形状でもよい。前者の場合は貫通スルーホール、後者の場合は非貫通スルーホールとすることができる。その個数についても、４つ設けた本実施形態に限定されるものではなく、位置制御および距離制御を実現できる個数であればよい。

また、アライメント用ボール４については、ある程度の剛性、つまり少なくとも第一および第二のアライメント用穴２１、３１間に嵌まる際に破損せず且つ押し潰されない程度の剛性を持つことのできるＳｉＯ_２などの物質を用いて、球状に作製したものであればよい。

光素子２そのものについては、発光素子または受光素子として機能するレーザダイオード（ＬＤ）や垂直共振器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、フォトダイオード（ＰＤ）などの従来公知のものを用いることができる。

この光素子２が実装される電気配線基板５についても、従来公知のものを用いることができ、光素子２に設けられた電極２３を介して光素子２との間で電気信号を送受可能となっている。

光伝送路固定部材３そのものについては、Ｓｉ等の半導体物質によりなる基板状のものなどを用いることができる。

この光伝送路固定部材３に固定される光伝送路（光伝送媒体とも呼べる）については、従来公知の光ファイバや光導波路などを用いることができる。上記図１および図２の実施形態における光伝送路固定部材３は、多芯の光ファイバを用いる場合のものであり、光ファイバが挿入される光ファイバ用穴３３を有し、その光素子２側の開口端が光出入射口３２となっている。

［第二の実施形態］
ここで、上記光モジュール１の製造工程について、図３（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。

＜ステップ１−図３（ａ）＞
まず、電気配線基板５に光素子２を実装する。光素子２には、上述したとおりの予め規定された受発光点２２（図１参照）との相対的位置関係および穴径を持つ第一のアライメント用穴２１が形成されている。この実装にはフリップチップ実装などの従来公知の手法を用いることができる。

＜ステップ２−図３（ｂ）＞
続いて、光素子２の第一のアライメント用穴２１上にアライメント用ボール４を搭載する。このとき、アライメント用ボール４の下部が第一のアライメント用穴２１の開口部２１１に嵌まる（図１中の拡大図参照）。

＜ステップ３−図３（ｃ）＞
次に、アライメント用ボール４上に光伝送路固定部材３を実装する。光伝送路固定部材３には、上述したとおりの予め規定された光出入射口３２との相対的位置関係および穴径を持つ第二のアライメント用穴３１が形成されおり、この第二のアライメント用穴３１の開口部３１１にアライメント用ボール４の上部が嵌まる（図１中の拡大図参照）。

このとき、第一および第二のアライメント用穴２１、３１の中心位置と間隔がアライメント用ボール４の存在により同時にアライメントされて、光素子２の受発光点２２（図１参照）と光伝送路固定部材３の光出入射口３２との光軸が揃うとともに距離が規定値に固定されることとなる。

＜ステップ４−図３（ｄ）＞
そして、電気配線基板５および光伝送路固定部材３間に形成されている空間に接着剤６を注入し、硬化させて、光軸および距離のアライメント状態を保ったまま、アライメント用ボール４、光素子２、光伝送路固定部材３および電気配線基板５を互いに固定し一体化させる。

＜ステップ５−図３（ｅ）＞
後は、光伝送路７としての光ファイバ７０を光伝送路固定部材３の光ファイバ用穴３３に挿入して固定すればよい。

ここで、光ファイバ７０を挿入する前の状態を一つの光モジュール１として提供することも、光ファイバ７０を挿入した後の状態を一つの光モジュール１として提供することも可能であることは言うまでもない。後者の場合では、上記接着剤処理は光ファイバ７０を挿入させた状態のものに施してもよい。

［第三の実施形態］
次に、別の製造工程について、図４（ａ）〜（ｆ）を参照しながら説明する。上記図３の製造工程では接着剤を用いた固定手法を採用しているが、ここでは半田ボール（半田バンプとも呼べる）およびそのリフローを用いた固定手法を採用している。

＜ステップ１−図４（ａ）＞
まず、電気配線基板５に半田ボール８を形成する。半田ボール８は、半田印刷などの従来公知の手法を用いて形成できる。

＜ステップ２、３、４−図４（ｂ）（ｃ）（ｄ）＞
続いて、前述の製造工程と同様に電気配線基板５に光素子２を実装し、光素子２の第一のアライメント用穴２１上にアライメント用ボール４を搭載し、さらにアライメント用ボール４上に光伝送路固定部材３を実装した後、半田ボール８を加熱して溶かし、光伝送路固定部材３と光素子２とを接合する。

この半田ボール８のリフローによって、前述と同様に光軸制御および距離制御が達成された状態で、アライメント用ボール４、光素子２、光伝送路固定部材３および電気配線基板５が一体化される。

＜ステップ５、６−図４（ｅ）（ｆ）＞
後は、光ファイバ７０を光伝送路固定部材３の光ファイバ用穴３３に挿入すればよいのであるが、ここではさらに、光伝送路固定部材３を一層安定させ、また埃等の侵入を防ぐために、電気配線基板５および光伝送路固定部材３間の空間に封止樹脂９を注入することが好ましい。もちろん、この封止樹脂処理は光ファイバ７０を挿入させる前に施してもよい。

［第四の実施形態］
以上の実施形態では、光モジュール１に対する光ファイバ７０の接続は、光ファイバ７０の端部を光伝送路固定部材３の光ファイバ用穴３３に挿入させることにより行われるが、この他にも、たとえば図５（ａ）〜（ｅ）に例示したように、光モジュール１をソケット型モジュールとし、これに光ファイバ７０端部に設けたコネクタ７１を接続するソケット／コネクタ形態を採用することもできる。

＜ステップ１〜４−図５（ａ）〜（ｄ）＞
まず、前述の製造工程と同様に、電気配線基板５に光素子２を実装し、光素子２の第一のアライメント用穴２１上にアライメント用ボール４を搭載し、アライメント用ボール４上に光伝送路固定部材３を実装して、電気配線基板５と光伝送路固定部材３間の空間に接着剤６を注入し硬化する。半田ボール８のリフローでも良いことは言うまでもない。

このときに用いる光伝送路固定部材３が、アライメント用穴３１および光ファイバ用穴３３とともにソケット穴３４を備えたソケット形態を有しており、これにより光モジュール１全体がソケット型モジュールとなる。光ファイバ用穴３３には、予め光伝送路固定部材３の厚さ寸法に合わせてカットされた光ファイバ７０が挿入されている。

＜ステップ５−図５（ｅ）＞
そして、このソケット型の光モジュール１に、それとは別体として用意されたコネクタ７１を接続することで、光モジュール１と光ファイバ７０とのソケット／コネクタ接続が実現される。コネクタ７１については、光伝送路固定部材３のソケット穴３４に嵌入されるコネクタピン７１１を備え、多芯の光ファイバ７０の接続端が固定されたＭＴ(Mechanically Transferable）光コネクタとなっている。

［第五の実施形態］
ところで、上記光モジュール１における光素子２とそれが実装される電気配線基板５は、光素子２の電極２３を介して互いに電気信号を送受可能に接続されるが、その電極２３については、たとえば、図６（ａ）および図６（ｂ）に例示したような裏面電極２３１やワイヤボンディング２３２の形態の他に、図６（ｃ）に例示したようにアライメント用ボール４そのものを電極とする形態も考慮できる。

より具体的には、たとえば、アライメント用ボール４を導電性物質で形成し、あるいは表面を導電性物質で被覆してボール電極４０とし、さらにそれが設置される第一のアライメント用穴２１を貫通電極２３３とする。当然、ボール電極４０と貫通電極２３３とは電気的に接続されている。

これにより、裏面電極２３１やワイヤボンディング２３３といった別途の電極２３を設けることなく、アライメント用ボール４および第一のアライメント用穴２１そのものを電極２３として用いることができ、光モジュール１のさらなる小型化が可能になる。

［第六の実施形態］
以上のとおりの光モジュール１については、たとえば図７（ａ）〜（ｃ）に例示したように、光素子２の駆動ＩＣチップ１０をも一緒に実装させてモジュール化した実施形態も可能である。

図７（ａ）では、駆動ＩＣチップ１０を光素子２とともに電気配線基板５上に実装させている。図７（ｂ）では、光伝送路固定用部材３上に実装させており、図７（ａ）よりも、駆動ＩＣチップ１０が発する熱をより効果的に放熱できる。図７（ｃ）では、電気配線基板５における光素子２とは反対側の面に実装させており、光素子２と駆動ＩＣチップ１０とを電気配線基板５を間にして熱的に分離でき、且つ、図７（ｂ）よりも、駆動ＩＣチップ１０と電気配線基板５との配線を短くすることができる。

また、これらの実施形態では、たとえば図７（ｃ）に例示したように、さらに必要に応じてインターフェイスボード１１などを電気配線基板５に接合させたモジュール化も可能である。

［他の実施形態］
図３〜図５に示した実施形態では、アライメント用ボール４を光素子２上に搭載させた後に、光伝送路固定用部材３を実装させているが、この他にも、たとえば、アライメント用ボール４を接着剤等の何等かの手段で光伝送路固定用部材３側に固定させておき、これを光素子２のアライメント用穴２１に載置する実施形態も可能である。

本願発明の一実施形態について説明するための図。 （ａ）（ｂ）は本願発明の一実施形態について説明するための図。 （ａ）〜（ｅ）は本願発明の一実施形態について説明するための工程図。 （ａ）〜（ｆ）は本願発明の一実施形態について説明するための工程図。 （ａ）〜（ｅ）は本願発明の一実施形態について説明するための工程図。 （ａ）〜（ｃ）は光素子の電極構成の一実施形態を示した断面図。 （ａ）〜（ｃ）は駆動ＩＣチップを実装した光モジュールの一実施形態を示した断面図。

符号の説明

１ 光モジュール
２ 光素子
２１ 第一のアライメント用穴
２１１ 開口部
２２ 受発光点
２２０ 受発光点アレイ
２３ 電極
２３１ 裏面電極
２３２ ワイヤボンディング
２３３ 貫通電極
３ 光伝送路固定部材
３１ 第二のアライメント用穴
３１１ 開口部
３２ 光出入射口
３２０ 光出入射口アレイ
３３ 光ファイバ用穴
３４ ソケット穴
４ アライメント用ボール
４０ ボール電極
５ 電気配線基板
６ 接着剤
７ 光伝送路
７０ 光ファイバ
７１ コネクタ体
７１１ コネクタピン
８ 半田ボール

９ 封止樹脂
１０ 駆動ＩＣチップ
１１ インターフェイスボード

Claims (4)

1. 光伝送路からの光信号を光素子により電気信号に変換する、または電気信号を光素子により光信号に変換して光伝送路へ送る光モジュールであって、
   第一のアライメント用穴を有する光素子と、
   第二のアライメント用穴を有する光伝送路固定部材と、
   第一および第二のアライメント用穴の開口部に嵌まるようにして光素子および光伝送路固定部材間に設けられたアライメント用ボールとを備えていることを特徴とする光モジュール。
2. 光伝送路からの光信号を光素子により電気信号に変換する、または電気信号を光素子により光信号に変換して光伝送路へ送る光モジュールの製造方法であって、
   第一のアライメント用穴を有する光素子および第二のアライメント用穴を有する光伝送路固定部材間に、アライメント用ボールを、第一および第二のアライメント用穴の開口部に嵌まるように設けることを特徴とする光モジュールの製造方法。
3. 光素子が実装されている電気配線基板および光伝送路固定部材間に接着剤を注入することを特徴とする請求項２記載の光モジュールの製造方法。
4. 光素子が実装されている電気配線基板および光伝送路固定部材間を半田リフローすることを特徴とする請求項２記載の光モジュールの製造方法。