JP2007309987A - 光モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光結合素子端面と光導波路結合端面の間隔の精度を向上させ、光素子と光導波路とを高効率で結合した光モジュール及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板１上に形成された下部クラッド層２、コア層３及び上部クラッド層４の光導波路形成層からなる光導波路５と、光導波路形成層の一部分を除去して形成した光素子搭載部とを有し、露出した光導波路５の端面と光素子搭載部に搭載された光素子８とを光学的に結合させた光モジュールであって、光導波路５の端面には、光導波路５から離れた位置に上部クラッド層４の最上部以上の高さで形成した少なくとも一つの突き当て用突起部１８を有し、突き当て用突起部１８と光素子８の光導波路５側の端面とを接触させた状態から、光素子８をその光軸方向に所定距離移動させて光素子８を光素子搭載部に固定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、光モジュール及びその製造方法に関し、特に、光素子と光導波路とを高効率で結合させた光モジュール及びその製造方法に関する。

近年、光通信システムが適用される範囲が拡大されていることに伴い、光モジュールの小型化と低価格化とが望まれている。これを実現するために、半導体レーザなどの光素子と光導波路とを直接光学的に結合させた構造が提案され、実用化されている。

例えば、特許文献１に開示されている従来の光モジュールでは、光半導体素子と実装基板とに位置合わせ用のマーカを設け、光半導体素子と光導波路の光学結合端面を計測することで、光半導体素子を発光させることなく光結合の効率向上を実現している。

図１４は、特許文献１に開示された従来の光モジュールの平面図である。半導体レーザ１００の光結合端面１０１は、半導体レーザ１００の出射面である。素子マーカ１０２、１０３は、半導体レーザ１００と実装基板３００との位置合わせをするために半導体レーザ１００に設けられたマーカである。光導波路３０１は、実装基板３００に設けられている。基板マーカ３０３、３０４は、半導体レーザ１００と実装基板３００との位置合わせをするために実装基板に３００に設けられたマーカである。

素子マーカ１０２、１０３と半導体レーザ１００の光結合端面１０１との距離は、光結合端面１０１を劈開で形成するため数十μｍの誤差があり、基板マーカ３０３、３０４と光導波路３０１の光結合端面３０７の距離精度も１０μｍ程度の誤差がある。

図１４において、Ｘ方向の位置合わせは、素子マーカ１０２、１０３と基板マーカ３０３、３０４を合わせることで行われる。Ｚ方向については、光結合端面１０１、３０７の誤差が大きいため、半導体レーザ１００の素子マーカ１０２、１０３と半導体レーザ１００の光結合面１０１との距離を計測し、実装基板３００の基板マーカ３０３、３０４と光導波路３０１の光結合端面３０７との距離を計測し、各々の基準距離からの誤差を算出し、補正量ΔＬｄだけ半導体レーザ１００をオフセットさせて実装することで、ＷＤが設計距離となるように位置決めすることができる。

また、光素子と光導波路のコアの光入力部との位置決めを正確かつ容易に行うことを目的とした従来技術として、特許文献２に開示される「光導波路モジュール」がある。
特許文献２に開示される発明は、誘電体層からなる光導波路に二つの突起部を設け、光素子を位置決めする際、光素子と二つの突起部を押し当てて位置決めし、位置決め後、光軸方向に光素子を後退させ、光入力部と光素子とを任意の間隔で固定するものである。

さらに、光素子を突き当て面に突き当てて位置決めすることに関する従来技術として、特許文献３に開示される「光結合装置及びその製造方法」がある。特許文献３に開示される発明は、突き当て面を有する支持体に光導波路を接着固定しておき、光モジュールの組み立て時には光素子を支持体の突き当て面に突き当てて位置決めするものである。
特開平９−１５９８７６号公報 特開平１０−１３３０６５号公報 特開２００６−０３９２５５号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される光モジュール及びその製造方法には以下の問題がある。
補正量ΔＬｄを算出するためには、光結合端面１０１、３０７を高精度に計測する必要がある。画像認識で計測する場合、素子マーカ１０２、１０３、基板マーカ３０３、３０４などの位置決め用のマークは、０．１μｍ程度の精度で計測できるが、光結合端面１０１、３０７などエッジの計測は、照明光量の増減やフォーカス度合いによる画像のボケ具合で２μｍ以上の誤差を生じる。

さらに、認識光学系の歪みのために画像認識範囲内の場所によっては誤差を生じる。素子マーカ１０２、１０３、基板マーカ３０３、３０４と光結合端面１０１、３０７との基準距離を１００μｍとした場合、光学系の歪みによる絶対距離の誤差を２％とすると、２μｍの誤差を生じ、合計して４μｍ程度の認識誤差となってしまう。

別の手段として、光結合端面をレーザ測長器で計測する場合でも、素子マーカ１０２、１０３、基板マーカ３０３、３０４を認識する画像認識光学系との相対位置関係を常に０に保つことは不可能であるため、最高精度の実装機でも５μｍ程度が限界である。

さらに、補正量ΔＬｄを算出するには、半導体レーザ１００と光導波路３０１との各々の光結合端面１０１、３０７を計測する必要があるため、誤差は２倍となってしまう。従って、１０μｍ程度の位置精度を確保することはできても、それ以下の間隔やそれ以上の精度で半導体レーザ１００を位置決めすることは不可能である。

また、特許文献２に開示される発明は、シリコン基板と同一平面内での光導波路と光素子との位置合わせは容易であるものの、高さ方向の位置合わせについては何ら考慮されていない。

光導波路結合端面と光素子結合端面とを接触させる際には、上部クラッド層との重なりが小さすぎると光素子や光導波路が破損したり、光結合効率が悪くなってしまう可能性があるが、重なりを大きくしすぎると、光素子がシリコン基板に干渉して破損してしまう恐れがある。このため、光素子の高さ調整を頻繁に行わなければならず、生産性を向上させることが難しい。

特許文献３にかかる発明は、光導波路と支持体との接着固定時に光導波路と支持体との位置がずれる恐れがあり、位置決め精度を高くすることが難しい。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、生産性が高く、光素子と光導波路とを高精度に結合した光モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、第１の態様として、基板上に形成された下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層の光導波路形成層からなる光導波路と、光導波路形成層の一部分を除去して形成した光素子搭載部とを有し、露出した光導波路の端面と光素子搭載部に搭載された光素子とを光学的に結合させた光モジュールであって、光導波路の端面には、光導波路から離れた位置に上部クラッド層の最上部以上の高さで形成した少なくとも一つの突き当て用突起部を有し、突き当て用突起部と光素子の光導波路側の端面とを接触させた状態から、光素子をその光軸方向に所定距離移動させて光素子を光素子搭載部に固定したことを特徴とする光モジュールを提供するものである。
このようにすれば、光素子の活性層と光導波路結合端面とが接することが無くなり、かつ、光導波路のコア層が光素子結合端面とが接することも無くなる。従って、光導波路のコア層及び光素子の破損による光結合効率の悪化を回避できる。また、光素子と基板の接合面との間隔を広げることが可能となり、光素子の位置補正時の高さ方向の許容範囲が広がるため、製造効率が向上する。

本発明の第１の態様においては、光導波路の端面には、コア層の両脇が光素子側に突出して、光導波路の光軸と垂直な端面を備えた突出部が形成されており、突き当て用突起部は、突出部に形成されていることが好ましい。
このようにすれば、光素子結合端面の活性層と光導波路結合端面とが接触しなくなるため、光素子の破損や光結合効率の悪化を回避できる。

本発明の第１の態様の上記のいずれの構成においても、突き当て用突起部は、下部クラッド層と上部クラッド層との間に突き当て高さ追加層を積層することによって形成されていることが好ましい。又は、突き当て用突起部は、上部クラッド層の上に突き当て高さ追加層を積層することによって形成されていることが好ましい。

また、上記目的を達成するため、本発明は、第２の態様として、基板上に形成された下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層の光導波路形成層からなる光導波路と、光導波路形成層の一部分を除去して形成した光素子搭載部とを有し、露出した光導波路の端面と光素子搭載部に搭載された光素子とを光学的に結合させた光モジュールの製造方法であって、光導波路の端面の光導波路から離れた位置に上部クラッド層の最上部以上の高さで少なくとも一つの突き当て用突起部を形成し、突き当て用突起部と光素子の光導波路側の端面とを接触させた状態から、光素子をその光軸方向に所定距離移動させて光素子を光素子搭載部に固定することを特徴とする光モジュールの製造方法を提供するものである。

本発明の第２の態様においては、光導波路の端面には、コア層の両脇が光素子側に突出して、光導波路の光軸と垂直な端面を備えた突出部が形成し、突き当て用突起部を、突出部に形成することが好ましい。

本発明の第２の態様の上記のいずれの構成においても、突き当て用突起部は、下部クラッド層と上部クラッド層との間に突き当て高さ追加層を積層することによって形成されることが好ましい。又は、突き当て用突起部は、上部クラッド層の上に突き当て高さ追加層を積層することによって形成されることが好ましい。

本発明によれば、生産性が高く、光素子と光導波路とを高精度に結合した光モジュール及びその製造方法を提供できる。

〔第１の実施形態〕
本発明を好適に実施した第１の実施形態について説明する。図１に、本実施形態にかかる光モジュールの光素子と光導波路との光結合構造を示す。図１は、光軸を通る垂直面で切断した断面図である。また、図２は光素子８側からの側面図である。
基板１の上には、下部クラッド層２、コア層３、上部クラッド層４からなる光導波路５が形成されている。コア層３の両側には、下部クラッド層２と上部クラッド層４の間に突き当て高さ追加層１７を積層させることで、突き当て用突起部１８が形成されている。光導波路結合端面７（光導波路５の光素子８側の端面）は、基板上の各層を一括して除去（エッチングなどで）することによって形成されており、突き当て用突起部１８の部分とこれ以外の部分とで端面の位置ズレは生じない。
また、基板１の上には、光導波路５の光軸６と光素子８の光軸１０との高さが一致するように高さが調整された台座１２が形成されている。台座１２の上には光素子８がはんだバンプ１３によって接合されている。光素子８は、光導波路結合端面７と光素子結合端面１１との間隔が、光結合効率が最適となる間隔となるように、基板１上の台座１２に密着した状態ではんだバンプ１３によって接合されている。

図３〜図９に、本実施形態にかかる光モジュールの製造方法を示す。図３に示すように、光軸高さ方向に関しては光導波路５の光軸６と光素子８の光軸１０との高さが一致するように台座１２の高さが調整されているため、光導波路５の光軸６と光素子８の光軸１０とを合わせるためには、水平方向の調整を行うだけでよい。

光素子８は、光素子吸着ハンド１４によって真空吸着され、はんだバンプ１３の上面と光素子８の下面とが接触しないように間隔を空けて保持されている。

図４に示すように、光素子８には光素子位置決めマーク１６が、基板１には基板位置決めマーク１５が設けられている。光素子８及び基板１は、赤外光線を透過する材料（例えば、基板１はＳｉ、光素子８はＩｎＰ）を用いて形成することにより、赤外線透過による画像認識処理で光素子８と基板１とを重ね合わせた状態で光素子位置決めマーク１６と基板位置決めマーク１５とを同時に認識することが可能となる。この場合には、０．１μｍ程度の認識誤差で光素子８の水平方向の光軸と光導波路５の水平方向の光軸とを合わせられる。

次に、図５に示すように、光導波路結合端面７と光素子結合端面１１とが接触するまで光素子８をその光軸方向に移動させる。光導波路結合端面７と光素子結合端面１１とが接触したことは、図６に示すように光素子位置決めマーク１６と基板位置決めマーク１５との相対距離の変化が無くなったことで、０．１μｍ程度の認識精度で判定できる。

この状態から、図７に示すように、光導波路結合端面７と光素子結合端面１１との間隔が、光結合効率が最適な間隔となるように、光素子８をその光軸方向へ移動させる。光素子８を吸着した光素子吸着ハンド１４の移動手段（例えば、精密ＸＹステージ）として位置決め精度が０．１μｍ程度のものを採用すれば、光導波路結合端面７と光素子結合端面１１との間隔は０．２μｍ以下とすることが可能となる。

その後、図８に示すように、光素子８を下降させて光素子８の下面とはんだバンプ１３の上面とを接触させる。基板１あるいは光素子８の加熱によりはんだバンプ１３が溶融すると、図９に示すように、光素子８の下面と台座１２の上面とが密着して高さ方向で光軸が一致する。なお、光素子８の下面とはんだバンプ１３の上面とを接触させる時は、基板１の加熱によってはんだバンプ１３が溶融している状態でも構わない。

光素子８の下面とその光軸１０の高さ方向の精度は、製造ロットによる誤差で０．５μｍ程度となってしまうが、同一ロットでの誤差は０．２μｍ程度であり、台座１２の上面と光導波路５の光軸６との高さ方向の精度は０．２μｍ程度であるため、光素子８の光軸１０と光導波路５の光軸６との高さ方向の精度は、誤差を０．４μｍ以下に抑えられる。

光素子８を下降させてその下面とはんだバンプ１３の上面とを接触させる時と、はんだを溶融させるための加熱時とにおいては、光素子８と基板１との水平方向の位置関係は０．２μｍ程度変動することがあるが、これを加味しても、光素子８の光軸１０と光導波路５の光軸６との水平方向の精度は誤差を０．４μｍ以下に抑えられる。

図１０及び図１１に示すように、突き当て高さ追加層１７や突き当て用突起部１８を備えない構成の光モジュールでは、コア層３の高さを１．４μｍ、上部クラッド層４の厚さを８μｍとすると、光導波路５の光軸６から上部クラッド層４上面までの高さは、コア層３の部分で８．７μｍ、コア層３以外の場所では７．３μｍとなる。
光導波路結合端面７と光素子結合端面とを接触させる際には、コア層３の上部の上部クラッド層４の凸部のみに光素子８を接触させると、上部クラッド層４が破損してしまうため、コア層３の両側の部分で光素子８と接触させる必要がある。この接触部分の重なりを３μｍ、光素子８の光軸１０から光素子８の下面の高さを４μｍとすると、台座１２と光素子８の下面との間隔は８．３μｍとなる。

接合用のはんだバンプ１３は光素子８の下面と接触してはんだ接合させるため、台座１２よりも高い必要があり、台座１２の上面からはんだバンプ１３の上面の高さを５μｍとすると、はんだバンプ１３の上面と光素子８の下面との間隔は３．３μｍとなる。

よって、実際の製品においては、光素子８の下面の高さは、光導波路５の光軸６の高さを基準として＋３〜−３．３μｍの僅かな間隔に保つ必要があり、高さ調整を頻繁に行わなければならず、生産性を向上させることが難しい。また、光素子８の光素子結合端面１１の活性層９が光導波路結合端面７と接触するため、破損したり光結合効率が悪化する可能性がある。

本実施形態の構成では、突き当て高さ追加層１７の厚さを１０μｍとすると、接触部の高さ方向の重なりを４μｍとしても、光素子８の下面の活性層９の下部とコア層３の上部の上部クラッド層４の凸部とは接触することなく、光導波路結合端面７の突き当て用突起１８と光素子８の光素子結合端面１１とが接触するため、光素子８の破損や光結合効率の悪化を回避できる。また、はんだバンプ１３の上面と光素子８の下面との間隔は、接触部の高さ方向の重なりを４μｍとしても、１２．３μｍと大きくなり、光導波路結合端面７と光素子８の光素子結合端面１１とが接触しても良い場合は、光素子８の下面の高さを光導波路５の光軸６を基準として＋４〜−１２．３μｍの間隔に保てば良くなるため、生産性を大きく向上する。

これにより、光素子結合端面と光導波路結合端面との間隔を１０μｍ以下とし、誤差も０．５μｍ以下とすることが可能となる。

このように、光素子結合端面と光導波路結合端面とを接触させた後、光結合効率が最適となる間隔となるように光素子をその光軸方向に移動さえてから基板に実装することにより、０．１μｍ程度の微小な間隔に至るまで、０．５μｍ以下の実装精度を実現でき、光素子と光導波路とを高効率で結合できる。
すなわち、本実施形態にかかる光モジュールは、光素子と光導波路との光軸の位置決めが容易であり、その精度も高い。

しかも、組み立て時に光導波路と光素子との光軸の高さを厳密に合わせなくてもよいため、生産性が高い。

〔第２の実施形態〕
本発明を好適に実施した第２の実施形態について説明する。図１２に、本発明を好適に実施した第２の実施形態にかかる光モジュールの光導波路と光素子との光結合構造を示す。また、図１３は、光軸を通る垂直面で切断した断面図である。図１２に示すように、光導波路５の光軸６の両側に光導波路結合端面７よりも光素子８側に配置された突き当て端面１９と、下部クラッド層２と上部クラッド層４との間に突き当て高さ追加層１７を積層させることで、突き当て用突起部１８を基板１上に形成している。また、光導波路５の光軸６の両側で光導波路結合端面７よりも光素子８側に配置された突き当て端面１９を基板１上に形成している。

光導波路結合端面７と光素子結合端面とを接触させる際には、光素子結合端面１１は光導波路５の光軸６の両側にある突き当て端面１９と接触するため、光素子８の光素子結合端面１１の活性層９が光導波路結合端面７と接触することは無く、光素子８の破損や光結合効率の悪化を回避できる。また、光素子８の下面の間隔は接触部の高さ方向の重なりを８μｍとしても８．３μｍとなり、光素子８の下面の高さを＋８〜−８．３μｍの間隔に保てばよいため、生産性が大きく向上する。
なお、光素子８をその光軸方向に移動させて光導波路結合端面７と光素子結合端面とを離間させる際には、光素子８の下降時に光素子結合端面１１と突き当て端面１９とが擦れないように、最小限の間隔（例えば、０．１μｍ）だけ光素子８をその光軸方向へ移動させれば良く、光導波路結合端面７と突き当て端面１９との間隔は光結合効率が最適となる間隔からこのときの移動量を差し引いた値とすればよい。

このように、本実施形態にかかる光モジュールは、光導波路結合端面と光素子結合端面とを接触させる際には、光素子結合端面は光導波路の光軸の両側にある突き当て端面と接触するため、光素子の光素子結合端面の活性層が光導波路結合端面と接触することは無く、光素子の破損や光結合効率の悪化を回避できる。
また、第１の実施形態と同様に、光素子と光導波路との光軸の位置決めが容易であり、その精度も高い。しかも、光素子の位置補正時の高さ方向の許容範囲が広いため、組み立て時に光導波路と光素子との光軸の高さを厳密に合わせなくてもよく、生産性が高い。

なお、上記各実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれらに限定されることはない。
例えば、突き当て高さ追加層１７は、上記実施形態で図示したように上部クラッド層４と下部クラッド層２との間に積層する構成に限定されることはなく、上部クラッド層４の上に積層しても構わない。
このように、本発明は、様々な変形が可能である。

本発明を好適に実施した第１の実施形態にかかる光モジュールの構成を示す断面図である。 第１の実施形態にかかる光モジュールの側面図である。 第１の実施形態にかかる光モジュールの製造方法を示す図である。 第１の実施形態にかかる光モジュールの製造方法を示す図である。 第１の実施形態にかかる光モジュールの製造方法を示す図である。 第１の実施形態にかかる光モジュールの製造方法を示す図である。 第１の実施形態にかかる光モジュールの製造方法を示す図である。 第１の実施形態にかかる光モジュールの製造方法を示す図である。 第１の実施形態にかかる光モジュールの製造方法を示す図である。 突き当て用突起部を備えない光モジュールの構成を示す図である。 突き当て用突起部を備えない光モジュールの構成を示す図である。 本発明を好適に実施した第２の実施形態にかかる光モジュールの構成を示す図である。 第２の実施形態にかかる光モジュールの側面図である。 従来の光モジュールの構成を示す平面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 下部クラッド層
３ コア層
４ 上部クラッド層
５ 光導波路
６ 光導波路の光軸
７ 光導波路結合端面
８ 光素子
９ 活性層
１０ 光素子の光軸
１１ 光素子結合端面
１２ 台座
１３ はんだバンプ
１４ 光素子吸着ハンド
１５ 基板位置決めマーク
１６ 光素子位置決めマーク
１７ 突き当て高さ追加層
１８ 突き当て用突起部
１００ 半導体レーザ
１０１ 半導体レーザの光結合端面
１０２、１０３ 素子マーカ
３００ 実装基板
３０１ 光導波路
３０３、３０４ 基板マーカ
３０７ 光導波路の光結合端面

Claims (8)

1. 基板上に形成された下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層の光導波路形成層からなる光導波路と、前記光導波路形成層の一部分を除去して形成した光素子搭載部とを有し、露出した前記光導波路の端面と前記光素子搭載部に搭載された光素子とを光学的に結合させた光モジュールであって、
   前記光導波路の端面には、前記光導波路から離れた位置に前記上部クラッド層の最上部以上の高さで形成した少なくとも一つの突き当て用突起部を有し、
   前記突き当て用突起部と前記光素子の前記光導波路側の端面とを接触させた状態から、前記光素子をその光軸方向に所定距離移動させて前記光素子を前記光素子搭載部に固定したことを特徴とする光モジュール。
2. 前記光導波路の端面には、前記コア層の両脇が前記光素子側に突出して、前記光導波路の光軸と垂直な端面を備えた突出部が形成されており、
   前記突き当て用突起部は、前記突出部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
3. 前記突き当て用突起部は、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に突き当て高さ追加層を積層することによって形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光モジュール。
4. 前記突き当て用突起部は、前記上部クラッド層の上に突き当て高さ追加層を積層することによって形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光モジュール。
5. 基板上に形成された下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層の光導波路形成層からなる光導波路と、前記光導波路形成層の一部分を除去して形成した光素子搭載部とを有し、露出した前記光導波路の端面と前記光素子搭載部に搭載された光素子とを光学的に結合させた光モジュールの製造方法であって、
   前記光導波路の端面の前記光導波路から離れた位置に前記上部クラッド層の最上部以上の高さで少なくとも一つの突き当て用突起部を形成し、
   前記突き当て用突起部と前記光素子の前記光導波路側の端面とを接触させた状態から、前記光素子をその光軸方向に所定距離移動させて前記光素子を前記光素子搭載部に固定することを特徴とする光モジュールの製造方法。
6. 前記光導波路の端面には、前記コア層の両脇が前記光素子側に突出して、前記光導波路の光軸と垂直な端面を備えた突出部が形成し、
   前記突き当て用突起部を、前記突出部に形成することを特徴とする請求項５記載の光モジュールの製造方法。
7. 前記突き当て用突起部は、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に突き当て高さ追加層を積層することによって形成されることを特徴とする請求項５又は６記載の光モジュールの製造方法。
8. 前記突き当て用突起部は、前記上部クラッド層の上に突き当て高さ追加層を積層することによって形成されることを特徴とする請求項５又は６記載の光モジュールの製造方法。

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