JP2007127831A - レンズ付き光素子の製造方法、レンズ付き光素子、光伝送モジュール、光インターコネクション回路及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】安価なボールレンズを用いながら所望のビーム整形を行なうことができるレンズ付き光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のレンズ付き光素子の製造方法は、発光機能又は受光機能を有する光素子２０と、前記光素子２０に対向するボールレンズ３０とを有するレンズ付き光素子の製造方法であって、前記光素子２０上に樹脂４０を塗布する工程と、前記樹脂４０上に前記ボールレンズ３０を配置する工程と、前記ボールレンズ３０の焦点Ｆに前記光素子２０が配置されるように前記ボールレンズ３０の位置を調節した後、前記樹脂４０を硬化する工程とを有することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、レンズ付き光素子の製造方法、レンズ付き光素子、光伝送モジュール、光インターコネクション回路及び電子機器に関するものである。

近年、データ伝送ボトルネックを解消する一つの方法として、電気配線よりも高速且つ低電力で信号を送ることのできる光配線を用いてモジュール間を接続する技術が開発されている。このような技術は光インターコネクションと呼ばれており、ボード間接続又はチップ間接続におけるデータ伝送効率を飛躍的に高める技術として注目されている。

光信号を用いてデータ伝送するには、光信号の出力及び入力が可能な発光素子及び受光素子と、これら発光素子及び受光素子を接続する光配線とが必要となる。光配線は、発光素子及び受光素子を備えたモジュール（光伝送モジュール）に接続され、該モジュールとの間で光信号のやり取りを行なう。ここで、光配線としては、光ファイバーを利用したものや、電子基板上に形成した光導波路を利用したもの等が知られている。

このような光伝送モジュールにおいては、光信号の伝送効率を高めるために、光配線と発光素子又は受光素子との間にビーム整形用のレンズとして、ボールレンズと呼ばれる球状のレンズを設置したものが知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。
特開平７−１２０６４３号公報 特開２００２−２６１３７５号公報 特開平６−２９５７７号公報

ボールレンズを用いた光伝送モジュールでは、光素子とボールレンズとの相対的な位置関係、すなわち光素子とボールレンズの焦点との位置ずれにより、光信号の伝送効率が著しく低下する場合がある。このため、特許文献１では、ボールレンズを円筒状のホルダに固定し、これを光素子に対して正確に位置決めした状態でパッケージ上に固定している。しかしながら、この方法では、ボールレンズの平面方向（パッケージの面内方向）の位置は調節できるものの、高さ方向の位置は調節できないため、焦点距離公差の大きなボールレンズを用いると、所望のビーム整形が行なえない場合がある。

一方、特許文献２では、光素子を固定するシリコン製の基台に貫通孔を形成し、その貫通孔にボールレンズを嵌め込むことでボールレンズの位置を固定している。しかしながら、この方法では、ボールレンズの高さ方向の位置が貫通孔のサイズ等によって一義的に決まってしまうため、焦点距離公差の大きなボールレンズを用いると、所望のビーム整形が行なえない場合がある。また、シリコン製の基台を用いるので、コストが高くなるという問題もある。

また、特許文献３では、光素子の表面に接着剤を塗布し、発光素子の中心にボールレンズを配置した後、接着剤を硬化させてボールレンズの位置を固定している。しかし、この方法では、ボールレンズを光素子の面上に直接固定するため、やはり焦点距離公差の大きなボールレンズを用いると、所望のビーム整形が行なえなくなる場合がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、安価なボールレンズを用いながら所望のビーム整形を行なうことができるレンズ付き光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。また、このようなレンズ付き光素子を備えることによりデータ伝送効率を向上した光インターコネクション回路及び電子機器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明のレンズ付き光素子の製造方法は、発光機能又は受光機能を有する光素子と、前記光素子に対向するボールレンズとを有するレンズ付き光素子の製造方法であって、前記光素子上に樹脂を塗布する工程と、前記樹脂上に前記ボールレンズを配置する工程と、前記ボールレンズの焦点に前記光素子が配置されるように前記ボールレンズの位置を調節した後、前記樹脂を硬化する工程とを有することを特徴とする。
この方法によれば、ボールレンズの位置を３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方法）で調節してから樹脂で固定するので、ボールレンズに大きな焦点距離公差があっても、確実に光素子をボールレンズの焦点に配置することができる。

本発明においては、前記ボールレンズを保持する手段として、前記ボールレンズを吸引する吸引孔と、前記吸引孔内に設けられた撮像素子とを有するコレットを用い、前記撮像素子によって前記ボールレンズ側から前記光素子を観察し、前記撮像素子上に前記光素子が結像されるように前記ボールレンズの位置を調節するものとすることができる。
この方法によれば、確実に光素子をボールレンズの焦点に配置することができる。

本発明においては、前記ボールレンズの位置を調節した後、前記ボールレンズの焦点方向の位置を、前記樹脂を硬化した際の体積収縮又は屈折率変化によって生じる焦点位置の変化分だけずらしてから、前記樹脂を硬化するものとすることができる。
この方法によれば、より確実に光素子をボールレンズの焦点に配置することができる。

本発明においては、前記光素子の周囲に筒状のキャップを設け、前記キャップ内に前記樹脂を塗布するものとすることができる。
この方法によれば、樹脂がキャップの外側に流れ出さないので、少ない量の樹脂で確実に光素子とボールレンズとの間隔を保持することができる。

本発明のレンズ付き光素子は、前述した本発明のレンズ付き光素子の製造方法により製造されたことを特徴とする。
この構成によれば、安価なボールレンズを用いながら所望のビーム整形を行なうことのできるレンズ付き光素子を提供することができる。

本発明の光伝送モジュール、光インターコネクション回路及び電子機器は、前述した本発明のレンズ付き光素子を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、データ伝送効率の高いデータ伝送モジュール、光インターコネクション回路及び電子機器を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
なお、以下の各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせている。

［第１の実施の形態］
［レンズ付き光素子］
図１は、本発明の第１実施形態に係るレンズ付き光素子を示す概略構成図である。
このレンズ付き光素子１は、光伝送モジュールの発光素子又は受光素子として好適に利用可能なものである。なお、図１（ａ）はレンズ付き光素子１の要部を示す部分斜視図であり、図１（ｂ）はその要部を示す部分断面図である。

図１に示すように、レンズ付き光素子１は、パッケージ１０上に固定された光素子２０と、該光素子２０上に設けられたボールレンズ３０とを備えている。
光素子２０は、発光機能又は受光機能を有する素子である。本実施形態の場合、光素子２０は、光信号Ｌを送信可能な光素子（発光素子）であるが、光信号Ｌを受信可能な光素子（受光素子）であってもよい。発光素子としては面発光レーザ、受光素子としてはフォトダイオード等が好適に用いられる。パッケージ１０には、該パッケージ１０を貫通する図示略のリード線が設けられており、このリード線に光素子２０が電気的に接続されている。

ボールレンズ３０は、光素子２０から射出された光を所望のビームに整形するための球状のレンズである。本実施形態の場合、ボールレンズ３０は、光素子２０から射出された光Ｌを平行光（コリメート光）に変換するコリメートレンズであるが、所定の焦点位置に光を集光する集光レンズとしてもよい。ボールレンズ３０と光素子２０との間には樹脂４０が介在されており、この樹脂４０によってボールレンズ３０が光素子２０の光軸Ｃ上に固定されている。光素子２０の動作部分２１（発光部）は、このボールレンズ３０の焦点Ｆに配置されており、光素子２０から射出された光Ｌは全てボールレンズ３０によってコリメート光に変換されるようになっている。なお、本明細書においては、パッケージ１０の面内方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、パッケージ１０の面に垂直な方向をＺ軸方向とする。

このレンズ付き光素子１には、光配線である光ファイバ５０が光学的に接続されている。光ファイバ５０は、光素子２０及びボールレンズ３０の光軸Ｃ上に配置されている。図示を省略するが、光ファイバ５０の先端部には、ボールレンズ３０から入射された光Ｌを光ファイバ５０のコア部に集光するためのコリメートレンズが設けられている。この構成のもと、光素子２０から射出された光Ｌはボールレンズ３０によってコリメート光に変換された後、光ファイバ先端に取り付けられたコリメートレンズによって光ファイバ５０のコア部に集光されるようになっている。

［レンズ付き光素子の製造方法］
次に、図２を用いて、本発明のレンズ付き光素子の製造方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、光素子２０をパッケージ１０上に固定し、ディスペンサ６０を用いて、光素子２０の表面に樹脂４０を塗布する。なお、樹脂４０の塗布方法としては、インクジェット法、ディスペンサ法、スクリーン印刷法、マスク印刷法等の種々の方法を用いることができる。また、樹脂４０としてはＵＶ硬化樹脂を用いるが、熱硬化性樹脂を用いてもよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、ボールレンズ３０をコレット７０によって吸着、保持し、光素子２０の光軸Ｃ上に配置する。そして、ボールレンズ３０の焦点に光素子２０の動作部分２１が配置されるようにボールレンズ３０の位置を調節した後、図２（ｃ）に示すように、樹脂４０に紫外線ＵＶを照射して樹脂４０を硬化させる。

ここで、コレット７０としては、図３に示すものを用いる。
このコレット７０は、中心部に吸引孔７０Ｈを有する筒状の本体部７０ａと、該本体部７０ａの吸引孔７０Ｈ内に設けられたレンズ７１と、吸引孔７０Ｈ内においてレンズ７１の焦点位置に設けられた撮像素子７２とを有している。レンズ７１と撮像素子７２は、本体部７０ａ（すなわち吸引孔７０Ｈ）の中心軸上に配置されており、レンズ７１及びボールレンズ３０を介して光素子２０を撮像できるようになっている。

撮像素子７２は、制御装置８０に接続されている。制御装置８０は、例えば、撮像素子７２で撮像された情報を映し出すモニタ８１と、該情報を解析するコンピュータ８２とを含むものである。コンピュータ８２は、コレット７０を駆動する駆動装置７３に接続されており、撮像素子７２で撮像された画像情報に基づいてコレット７０のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の位置を調節できるようになっている。

制御装置８０は、図２（ｂ）においてまず、コレット７０を移動させてボールレンズ３０を樹脂４０に接触させる。そして、光素子２０の像が撮像素子７２に結像するようにコレット７０のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の位置を調節した後、コレット７０の位置を固定して樹脂４０を硬化させる。この際、光素子２０を発光させて、発光部２１の像が撮像素子７２に結像されるようにしてもよい。

この方法によれば、光素子２０の発光部２１は確実にボールレンズ３０の焦点位置に配置されるので、光素子２０から射出された光を、ボールレンズ３０を透過後、全てコリメート光にビーム整形し、光ファイバに設けられたコリメートレンズによって光ファイバのコア部に確実に集光させることが可能になる。

なお、樹脂４０は硬化すると体積収縮や屈折率変化を生じるため、樹脂４０の硬化前後でボールレンズ３０の焦点位置がずれてしまう場合がある。そこで、以下のような対策が有効である。
（１）ボールレンズ３０の位置を調節した後、コレット７０のＺ軸方向の位置を硬化後の変化分だけずらして樹脂４０を硬化する。
（２）撮像素子７２とレンズ７１の焦点を予め適正量だけずらしておく。
これらの対策をとることで、より確実にボールレンズ３０の焦点位置に光素子２０の発光部２１を配置させることができる。

なお、本実施形態では光素子２０を発光素子としたが、図１の構成において光素子２０を受光素子に置き換えることも可能である。この場合、光素子２０をボールレンズの焦点位置に配置することで、光ファイバ５０からボールレンズ３０に入射されたコリメート光を、受光素子である光素子２０の動作部分（受光部）に集光させることができる。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２実施形態に係るレンズ付き光素子を示す概略構成図である。図４（ａ）はレンズ付き光素子２の要部を示す部分斜視図であり、図４（ｂ）はその要部を示す部分断面図である。

このレンズ付き光素子２の基本的な構成は、第１実施形態のレンズ付き光素子１と同じである。異なるのは、光素子２０の周囲に円筒状のキャップ９０を設け、このキャップ９０の内側に樹脂４０を塗布した点のみである。この構成によれば、キャップ９０の外側に樹脂４０が流れ出さないので、少ない量の樹脂４０で確実に光素子２０とボールレンズ３０とのギャップ（間隔）を保持することができる。

［光インターコネクション回路］
次に、上述のレンズ付き光素子を有する光伝送モジュールを用いた光インターコネクション回路について説明する。
図５は、一般的な短距離の通信に上記の光伝送モジュールを用いた例を示す模式概念図である。パーソナルコンピュータ１００１から出力された電気信号は、電気ケーブル１００２を通って上記実施形態の光伝送モジュール２０００に伝送される。この電気信号は、光伝送モジュール２０００において光信号に変換されて光ファイバー５０へ出力される。この光信号は、光ファイバー５０を通って通信相手の光伝送モジュール２０００に伝送される。この光信号は、光伝送モジュール２０００において電気信号に変換されて、インターネット、ＬＡＮ、プロジェクター又は外部モニタなどの周辺機器などへ出力される。なお、これらの信号の流れと逆方向へも上記と同様にして信号を伝送することができる。

前述したように、光伝送モジュール２０００に備えられた光素子と光ファイバ５０との間の光路上には、ビーム整形用のレンズとして、安価なボールレンズが設けられているため、パーソナルコンピュータとインターネット、ＬＡＮ又は周辺機器と間における通信を、従来よりも低コストで高速化することができる。特に、光素子の動作部分（発光部又は受光部）はボールレンズの焦点に確実に配置されているため、データ伝送効率の高い光インターコネクション回路が実現される。

［電子機器］
次に、上記光伝送モジュールを備えた電子機器について説明する。
図６は、ノート型パーソナルコンピュータの構成要素として上記実施形態の光伝送モジュールを用いた例を示す模式概念図である。ノート型パーソナルコンピュータ１００１は、ＣＰＵ１０１１とビデオコントローラ１０１２と一対の光伝送モジュール２０００と光ファイバ５０とディスプレイ１０１３とを有して構成されている。ＣＰＵ１０１１から出力された画像を示す信号は、ビデオコントローラ１０１２に入力されて所望の画像信号に変換される。この画像信号は、ノート型パーソナルコンピュータ１００１の本体側（キーボード側）に配置されている光伝送モジュール２０００に入力されて光信号に変換され、光ファイバ１５０へ出力される。この光信号は、光ファイバ５０を通って、ノート型パーソナルコンピュータ１００１の蓋側（ディスプレイ側）に配置されている光伝送モジュール２０００に入力されて電気信号に変換され、ディスプレイ１０１３へ出力される。これらにより、ＣＰＵから出力された画像を示す信号に対応する画像がディスプレイ１０１３に表示される。

ここで、ノート型パーソナルコンピュータ１００１の本体と蓋とを接続するヒンジ部１０１４における信号線の取り回しには、寸法的制約及び電磁波障害（ＥＭＩ）の発生防止のための制約がある。しかし、本電子機器によれば、ヒンジ部１０１４における信号線の取り回しに光ファイバ５０を用いているので、１本の通信路の伝送レートが高くなり、１本から数本の光ファイバをヒンジ部１０１４に通すだけでよくなる。また、光は電磁波放射しないため、電磁波障害（ＥＭＩ）の発生を抑制することができる。また、光伝送モジュール２０００に備えられた光素子と光ファイバ１５０との間の光路上には、ビーム整形用のレンズとして安価なボールレンズが設けられているため、データ伝送効率が向上し、高速なデータ処理が可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

第１実施形態に係るレンズ付き光素子の概略構成図である。 同レンズ付き光素子の製造方法を示す工程図である。 コレットの構成を示す模式図である。 第２実施形態に係るレンズ付き光素子の概略構成図である。 本発明の光伝送モジュールを用いた短距離通信の例を示す模式概念図である。 本発明の光伝送モジュールを備えた電子機器の一例を示す模式概念図である。

符号の説明

１，２…レンズ付き光素子、２０…光素子、３０…ボールレンズ、４０…樹脂、５０…光ファイバ（光配線）、７０…コレット、７０Ｈ…吸引孔、７１…撮像素子、９０…キャップ、２０００…光伝送モジュール、Ｆ…焦点

Claims (8)

1. 発光機能又は受光機能を有する光素子と、前記光素子に対向するボールレンズとを有するレンズ付き光素子の製造方法であって、
   前記光素子上に樹脂を塗布する工程と、
   前記樹脂上に前記ボールレンズを配置する工程と、
   前記ボールレンズの焦点に前記光素子が配置されるように前記ボールレンズの位置を調節した後、前記樹脂を硬化する工程とを有することを特徴とするレンズ付き光素子の製造方法。
2. 前記ボールレンズを保持する手段として、前記ボールレンズを吸引する吸引孔と、前記吸引孔内に設けられた撮像素子とを有するコレットを用い、
   前記撮像素子によって前記ボールレンズ側から前記光素子を観察し、前記撮像素子上に前記光素子が結像されるように前記ボールレンズの位置を調節することを特徴とする請求項１記載のレンズ付き光素子の製造方法。
3. 前記ボールレンズの位置を調節した後、前記ボールレンズの焦点方向の位置を、前記樹脂を硬化した際の体積収縮又は屈折率変化によって生じる焦点位置の変化分だけずらしてから、前記樹脂を硬化することを特徴とする請求項１又は２記載のレンズ付き光素子の製造方法。
4. 前記光素子の周囲に筒状のキャップを設け、前記キャップ内に前記樹脂を塗布することを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載のレンズ付き光素子の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれかの項に記載のレンズ付き光素子の製造方法により製造されたことを特徴とするレンズ付き光素子。
6. 請求項５記載のレンズ付き光素子を備えたことを特徴とする光伝送モジュール。
7. 請求項６記載の光伝送モジュールを備えたことを特徴とする光インターコネクション回路。
8. 請求項６記載の光伝送モジュールを備えたことを特徴とする電子機器。
   
   

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