JP2008233202A - 光送受信モジュールとその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】接続損失が低く、低コストで製造することができる光送受信モジュールとその製造方法の提供。
【解決手段】剛性基板上に受光素子又は発光素子を実装したサブマウント基板を実装し、両素子間を光導波路で繋いだ構造の光送受信モジュールの製造方法であり、剛性基板上面から発光素子の発光点までの高さを測定する工程と、当該高さよりも薄くなるようにかつ第一のサブマウント及び第二のサブマウントに接するように下クラッド材料の樹脂を塗布して下クラッド層を形成する工程とを含むことを特徴とする製造方法。
【選択図】図3

Description

本発明は、発光素子、受光素子と光導波路を結合してなる光送受信モジュールと、その製造方法に関し、特に、発光素子と光導波路との調心を容易にできるようにしたものである。本発明の光送受信モジュールは、サーバなどの高速通信機器、自動車内光配線、携帯電話などの小型電子機器に用いられる。
光送受信モジュールは、小型で低価格であることが望まれている。光送受信モジュールに用いる発光素子としては、発光ダイオード(LED)や、面発光レーザ(VCSEL)が用いられている。また、受光素子としては、フォトダイオード(PD)が用いられている。光導波路には、ファイバ型やシート型の導波路が用いられ、材質は石英ガラス、ポリマなどがある。
この種のモジュールに関して、従来、例えば特許文献1〜4に開示された技術が提案されている。
特許文献1には、図1に示すように、剛性基板5上にIC2と、該剛性基板5に対し垂直方向に光を出射する向きにVCSEL4を実装し、その光出射部3に近接して、光路を直角に変換する45度ミラー6を設けたポリマー光導波路1を有する構造が開示されている。このモジュールを製造するには、VCSEL4の出射光軸に対してポリマー光導波路1の光軸を合わせながら固定する。
特許文献2には、発光デバイスから出射した光を導波路に入射し、導波路出射端で出力を受光デバイスでモニタし、その出力が最大になるように発光デバイス、受光デバイス、導波路を相対的に移動し、固定するアクティブアライメント方式により製造方法が開示されている。
特許文献3には、ディスペンサを用いて紫外線硬化性樹脂を押出すことにより、高分子光導波路のコアとクラッドを形成する方法が開示されている。
特許文献4には、発光素子と光ファイバとのアライメントが重要かつ困難であるため、サブマウントとメイン基板をFPC接続する方法が開示されている。
特開2006−11179号公報 特開2005−202025号公報 米国特許5534101号明細書 特開2005−94016号公報
しかしながら、前述した従来技術には、次のような問題がある。
特許文献1に開示されたように、45度ミラーを用いる場合、45度ミラーの形成に多くの時間とコストがかかる問題がある。また、45度ミラー面での拡散や、光路長の延長によりVCSELと光導波路の結合効率が劣化する問題がある。
特許文献2に開示された方法は、調整に大変時間がかかり、コストが上昇してしまう問題がある。
特許文献3については、伝送路の部分だけは記載してあるが、発光素子との接続については言及されていない。この接続を実施するためには、特許文献1に記載された45度ミラーが必要になり、それによって同様の問題が生じる。
特許文献4では、内部に反射部分を持つキャビティを備えたパッケージを作製しているが、パッケージの作製にコストがかかってしまう問題がある。
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、接続損失が低く、低コストで製造することができる光送受信モジュールとその製造方法の提供を目的とする。
前記目的を達成するため、本発明は、剛性電気回路基板と、該基板に垂直に設置され電気的に接続された第一のサブマウント電気回路基板と、該第一のサブマウントに設置され該第一のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向に発光する垂直発光半導体発光素子と、該剛性電気回路基板に垂直に設置され電気的に接続された第二のサブマウント電気回路基板と、該第二のサブマウントに設置され該第二のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向から入射する光信号を受光して電気信号に変換する受光素子と、該剛性電気回路基板上に該剛性電気回路基板と水平な方向に形成され該発光素子からの発光を該受光素子に導光する光導波路とからなる光送受信モジュールであって、
該光導波路は屈折率の低い樹脂からなる下クラッド領域及び上クラッド領域と、屈折率が高い樹脂からなり下クラッド領域及び上クラッド領域に包囲されたコア領域とからなり、該発光素子及び該受光素子のサブマウントと接していない面を被覆しており、剛性電気回路基板、第一のサブマウント及び第二のサブマウントのすべてと接しており、該下クラッド領域はその厚さが該剛性電気回路基板から該発光素子の下端の高さよりも低く、コア領域の径は発光素子の発光領域及び受光素子の受光領域よりも大きいことを特徴とする光送受信モジュールを提供する。
また本発明は、剛性電気回路基板と、該基板に垂直に設置され電気的に接続された第一のサブマウント電気回路基板と、該第一のサブマウントに設置され該第一のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向に発光する垂直発光半導体発光素子と、第二の剛性電気回路基板と、該第二の剛性電気回路基板に垂直に設置され該第二のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向から入射する光信号を受光して電気信号に変換する受光素子と、該剛性電気回路基板上に該剛性電気回路基板と水平な方向に形成され該発光素子からの発光を該受光素子に導光する光導波路と、発光素子と該光導波路とを光学的に接続する第一の光接続部と、該光導波路と受光素子とを結ぶ第二の光接続部とからなる光送受信モジュールであって、
該第一及び該第二の光接続部は屈折率の低い樹脂からなる下クラッド領域及び上クラッド領域と、屈折率が高い樹脂からなり下クラッド領域及び上クラッド領域に包囲されたコア領域とからなり、該発光素子及び該受光素子のサブマウントと接していない面を被覆しており、剛性電気回路基板、第一のサブマウント及び第二のサブマウントのすべてと接しており、該下クラッド領域はその厚さが該剛性電気回路基板から該発光素子の下端の高さよりも低く、コア領域の径は発光素子の発光領域及び受光素子の受光領域よりも大きいことを特徴とする光送受信モジュールを提供する。
本発明の光送受信モジュールにおいて、コア領域の材料が該発光素子及び該受光素子のサブマウントと接していない面を被覆してなることが好ましい。
本発明の光送受信モジュールにおいて、発光素子が面発光レーザ(VCSEL)であることが好ましい。
また本発明は、剛性電気回路基板と、該基板に垂直に設置され電気的に接続された第一のサブマウント電気回路基板と、該第一のサブマウントに設置され該第一のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向に発光する垂直発光半導体発光素子と、該剛性電気回路基板に垂直に設置され電気的に接続された第二のサブマウント電気回路基板と、該第二のサブマウントに設置され該第二のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向から入射する光信号を受光して電気信号に変換する受光素子と、該剛性電気回路基板上に該剛性電気回路基板と水平な方向に形成され、該発光素子からの発光を該受光素子に導光する光導波路とからなる光送受信モジュールの製造方法であって、
剛性電気基板上面から発光素子の発光点までの高さを測定する工程と、当該高さよりも薄くなるようにかつ第一のサブマウント及び第二のサブマウントに接するように下クラッド材料の樹脂を塗布して下クラッド層を形成する工程とを含むことを特徴とする光送受信モジュールの製造方法を提供する。
また本発明は、第一の剛性電気回路基板と、該基板に垂直に設置され電気的に接続された第一のサブマウント電気回路基板と、該第一のサブマウントに設置され該第一のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向に発光する垂直発光半導体発光素子と、第二のサブマウント電気回路基板と、該第二のサブマウントに設置され該第二のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向から入射光信号を受光して電気信号に変換する受光素子と、該剛性電気回路基板上に該剛性電気回路基板と水平な方向に形成され該発光素子からの発光を該受光素子に導光する光導波路と、発光素子と該光導波路とを光学的に接続する第一の光接続部と、該光導波路と受光素子とを結ぶ第二の光接続部とからなる光送受信モジュールであって、
剛性電気基板上面から発光素子の発光点までの高さを測定する工程と、当該高さよりも薄くなるようにかつ第一のサブマウント及び第二のサブマウントに接するように下クラッド材料の樹脂を塗布して下クラッド層を形成する工程と、を含むことを特徴とする光送受信モジュールの製造方法を提供する。
本発明の光送受信モジュールの製造方法において、下クラッド領域の形成後に発光素子の発光面及び受光素子の受光面を被覆するようにコア材料の樹脂を塗布してコア領域を形成する工程、及び該コア領域の形成後に上クラッド材料を塗布して上クラッド領域を形成する工程を有することが好ましい。
本発明の光送受信モジュールの製造方法において、下クラッドの塗布はディスペンサを用いて行うことが好ましい。
本発明の光送受信モジュールの製造方法において、ディスペンサを用いて下クラッドを多層に積層することによって、下クラッドの厚さを制御することが好ましい。
本発明によれば、接続損失が低く、低コストで製造することができる光送受信モジュールとその製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図2は、本発明に係る光送受信モジュールの製造方法における前提となる技術を説明するための参考図である。
図2に示すように、剛性電気回路基板(以下、剛性基板と記す。)5上からVCSEL4の発光点6までの高さ方向の実装精度は、(1)VCSEL4をサブマウント基板7に実装するときの位置ずれと、(2)VCSEL4を実装したサブマウント基板7を剛性基板5に実装するときの位置ずれとが合計される。したがって、剛性基板5からVCSEL4の発光点6の高さのバラツキが大きくなってしまう。このため、発光部、受光部での結合損失がばらつきやすいという問題がある。
本発明では、図2に示すように、VCSEL4等の発光素子及びPD等の受光素子とをそれぞれサブマウント基板7に実装し、これらのサブマウント基板7を剛性基板5上に実装し、受光素子と発光素子とをつなぐ光導波路を形成して光送受信モジュールを製造する場合に、サブマウント基板7に発光素子(又は受光素子)を実装するときの位置ずれや、サブマウント基板7を剛性基板5に実装するときの位置ずれがあったとしても、光導波路のコアの高さを発光点(又は受光点)に合わせることが容易となり、その結果、発光素子(又は受光素子)と光導波路との結合損失が小さくでき、アライメントコストも安価で済む光送受信モジュールとその製造方法を提供する。
図3は、本発明の光送受信モジュールの第1実施形態を示す要部側面図、図4〜図9は、本実施形態の光送受信モジュールの製造方法を工程順に示す側面図である。これらの図中、符号4は発光素子であるVCSEL、5は剛性基板、6は発光点、7はサブマウント基板、8はボンディングワイヤ、9はCCDカメラ、10はディスペンサ、11は下部クラッド、12はコア、13は上部クラッド、14はUV光照射手段、15は受光素子であるPD、16は受光エリアである。
本実施形態の光送受信モジュールは、図3に示すように、剛性基板5上に、VCSEL4を実装したサブマウント基板7を実装し、下クラッド11、コア12及び上クラッド14とからなる光導波路のコア12をVCSEL4の発光点6と結合させた構造になっている。下クラッド11、コア12及び上クラッド14とからなる光導波路は、紫外線硬化型樹脂などの合成樹脂からなっている。
本実施形態の光送受信モジュールを製造するには、次の工程1〜工程6に記したようなの手順で行う。
(工程1)予めサブマウント基板7にVCSEL4を実装する。同様に、PD15を実装したサブマウント基板7を作製する。
(工程2)次に、図4に示すように、このサブマウント基板7を剛性基板5上に実装する。この段階でCCDカメラ6を用いて、剛性基板5上面からVCSEL4の発光点6(及びPD15の受光エリア16)までの高さを測定する。
(工程3)次に、図5に示すように、工程2で測定した高さをもとに、ディスペンサ10を用いて下部クラッド材料の厚さを調整して塗布する。
(工程4)次に、図6に示すように、UV光照射手段14による紫外線照射により、下部クラッド11を硬化させる。
(工程5)次に、図7に示すように、ディスペンサ10を用いてコア材料を塗布し、UV照射手段14を追走させ、コア材料を硬化させてコア12を形成する。
(工程5)次に、図8に示すように、ディスペンサ10を用いて上クラッド材料を塗布し、UV照射手段14を追走させ、上クラッド材料を硬化させて上クラッド13を形成する。
前記工程1〜工程6を経て、図9に示すように、VCSEL4及びPD15をそれぞれ実装したサブマウント基板7を剛性基板5上に実装し、これらのVCSEL4及びPD15とを、下クラッド11、コア12及び上クラッド14とからなる光導波路で結合してなる光送受信モジュールを得ることができる。
図10は、本発明の光送受信モジュールの第2実施形態を示す側面図である。本実施形態の光送受信モジュールは、前記第1実施形態の光送受信モジュールにおける中央部分を、プラスチック光ファイバ等の別な光導波路17で置き換え、この部分には剛性基板5を設けていない構造になっている。本構造であれば、発光素子−受光素子間が長距離になっても対応できる。
図11は、本発明の光送受信モジュールの第3実施形態を示す側面図である。本実施形態の光送受信モジュールは、コア領域の材料がVCSEL4(又はPD15)のサブマウント基板7と接していない面を被覆している。
[実施例]
図12に示すサブマウント基板21を作製した。サブマウント基板21の材質は窒化アルミニウムとした。サブマウント基板21上の電極材24,25は、受発光素子22を実装する際の金ワイヤ23との接続強度を考慮して、金スズ合金とした。図12に示すように受発光素子22をサブマウント基板21に実装した。実装は、導電性銀ペーストと金ワイヤ23で行った。発光素子には発光中心波長850nmのVCSELを用い、受光素子にはPDを用いた。
次に、側面に受発光素子を実装したサブマウント基板を剛性基板に実装した。サブマウント基板の搬送は、真空ピンセットで行い、導電性銀ペーストを用いて、剛性基板の電極パッドに接合した。
このようにして数十個作製したものについて、CCDカメラを用いて、剛性基板上面から発光素子の発光点までの高さ、あるいは、剛性基板上面から受光素子の受光エリアの中心までの高さを測定して記録した。高さのバラツキを統計的に評価したところ、発光側、受光側ともに、最大で50μm程度の高さのばらつきがあった。
次に、ディスペンサを用いて下クラッドの作製を行った。下クラッド材料は、紫外線硬化性のエポキシ樹脂を用いた。このエポキシ樹脂の粘度は1000cPであり、硬化後の屈折率は1.52である。このとき用いたディスペンサのノズルの口径は、内径0.2mmのものを用いた。CCDカメラで発光素子の位置を確認しながら、ディスペンサの吐出圧力、掃引速度、および紫外線硬化させるまでの時間を調整することによって、下クラッドはその厚さが剛性基板から発光素子の下端の高さよりも低くなるようにした。
その後、ディスペンサを用いてコアの作製を行った。コアの材料は、紫外線硬化性のエポキシ樹脂を用いた。このエポキシ樹脂の粘度は5000cPであり、硬化後の屈折率は1.57である。このとき用いたディスペンサのノズルの口径は、内径0.05mmのものを用いた。CCDカメラで発光素子の位置を確認しながら、ディスペンサの吐出圧力、掃引速度、および紫外線硬化させるまでの時間を調整することによって、コア領域の径が発光素子の発光領域よりも大きくなるようにした。
その後、ディスペンサを用いて上クラッドの作製を行った。コアの材料は、紫外線硬化性のエポキシ樹脂を用いた。このエポキシ樹脂の粘度は1000cPであり、硬化後の屈折率は1.52である。このとき用いたディスペンサのノズルの口径は、内径0.2mmのものを用いた。CCDカメラで発光素子の位置を確認しながら、ディスペンサの吐出圧力、掃引速度、および紫外線硬化させるまでの時間を調整することによって、コアを十分に被覆し、光導波路として適する厚さとした。
以上により、ディスペンサにより作製した光導波路が、発光素子のサブマウント基板と接していない面を全て被覆するようにした。
受光素子側についても、発光素子側と同様の構造となるようにした。発光素子と受光素子の距離は10cmとした。
このようにして作製した光送受信モジュールは、発光素子からの光を光導波路に入射する部分、導波路からの光を受光素子に入射する部分のいずれにおいても接続損失が低く、受光素子に十分な光強度を到達させることができた。実際に伝送実験を行い、駆動速度1.0GHzにおいて4時間駆動しても、エラーフリーであった。
[比較例]
実施例1と異なるのは、剛性基板上面から発光素子の発光点までの高さを測定せず、下クラッドの厚さを調整することなく一定の厚さになるように塗布したことである。その他は、実施例1と同じように、コア、上クラッドを作製した。受光素子側も同じように作製した。
このようにして作製した光送受信モジュールは、発光素子からの光を光導波路に入射する部分、導波路からの光を受光素子に入射する部分のいずれにおいても接続損失が高く、受光素子に十分な光強度を到達させることができなかった。実際に伝送実験を行い、駆動速度1.0GHzにおいて4時間駆動したところ、ヒットエラーレートが10−5となり、伝送特性が悪かった。
従来技術のモジュールを例示する概略側面図である。 本発明の参考例の基板実装構造を示す要部側面図である。 本発明の光送受信モジュールの第1実施形態を示す要部側面図である。 本発明の光送受信モジュールの製造方法の工程2を示す要部側面図である。 本発明の光送受信モジュールの製造方法の工程3を示す要部側面図である。 本発明の光送受信モジュールの製造方法の工程4を示す要部側面図である。 本発明の光送受信モジュールの製造方法の工程5を示す要部側面図である。 本発明の光送受信モジュールの製造方法の工程6を示す要部側面図である。 本発明の光送受信モジュールの第1実施形態を示す側面図である。 本発明の光送受信モジュールの第2実施形態を示す側面図である。 本発明の光送受信モジュールの第3実施形態を示す要部側面図である。 実施例でのモジュール製造に用いたサブマウント基板を示す図である。
符号の説明
4…VCSEL(発光素子)、5…剛性基板、6…発光点、7…サブマウント基板、8…ボンディングワイヤ、9…CCDカメラ、10…ディスペンサ、11…下部クラッド、12…コア、13…上部クラッド、14…UV光照射手段、15…PD(受光素子)、16…受光エリア、17…光導波路、21…サブマウント基板、22…受発光素子、23…金ワイヤ、24…電極材。

Claims (9)

  1. 剛性電気回路基板と、該基板に垂直に設置され電気的に接続された第一のサブマウント電気回路基板と、該第一のサブマウントに設置され該第一のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向に発光する垂直発光半導体発光素子と、該剛性電気回路基板に垂直に設置され電気的に接続された第二のサブマウント電気回路基板と、該第二のサブマウントに設置され該第二のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向から入射する光信号を受光して電気信号に変換する受光素子と、該剛性電気回路基板上に該剛性電気回路基板と水平な方向に形成され該発光素子からの発光を該受光素子に導光する光導波路とからなる光送受信モジュールであって、
    該光導波路は屈折率の低い樹脂からなる下クラッド領域及び上クラッド領域と、屈折率が高い樹脂からなり下クラッド領域及び上クラッド領域に包囲されたコア領域とからなり、該発光素子及び該受光素子のサブマウントと接していない面を被覆しており、剛性電気回路基板、第一のサブマウント及び第二のサブマウントのすべてと接しており、該下クラッド領域はその厚さが該剛性電気回路基板から該発光素子の下端の高さよりも低く、コア領域の径は発光素子の発光領域及び受光素子の受光領域よりも大きいことを特徴とする光送受信モジュール。
  2. 剛性電気回路基板と、該基板に垂直に設置され電気的に接続された第一のサブマウント電気回路基板と、該第一のサブマウントに設置され該第一のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向に発光する垂直発光半導体発光素子と、第二の剛性電気回路基板と、該第二の剛性電気回路基板に垂直に設置され該第二のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向から入射する光信号を受光して電気信号に変換する受光素子と、該剛性電気回路基板上に該剛性電気回路基板と水平な方向に形成され該発光素子からの発光を該受光素子に導光する光導波路と、発光素子と該光導波路とを光学的に接続する第一の光接続部と、該光導波路と受光素子とを結ぶ第二の光接続部とからなる光送受信モジュールであって、
    該第一及び該第二の光接続部は屈折率の低い樹脂からなる下クラッド領域及び上クラッド領域と、屈折率が高い樹脂からなり下クラッド領域及び上クラッド領域に包囲されたコア領域とからなり、該発光素子及び該受光素子のサブマウントと接していない面を被覆しており、剛性電気回路基板、第一のサブマウント及び第二のサブマウントのすべてと接しており、該下クラッド領域はその厚さが該剛性電気回路基板から該発光素子の下端の高さよりも低く、コア領域の径は発光素子の発光領域及び受光素子の受光領域よりも大きいことを特徴とする光送受信モジュール。
  3. コア領域の材料が該発光素子及び該受光素子のサブマウントと接していない面を被覆してなることを特徴とする請求項1又は2に記載の光送受信モジュール。
  4. 発光素子がVCSELであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光送受信モジュール。
  5. 剛性電気回路基板と、該基板に垂直に設置され電気的に接続された第一のサブマウント電気回路基板と、該第一のサブマウントに設置され該第一のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向に発光する垂直発光半導体発光素子と、該剛性電気回路基板に垂直に設置され電気的に接続された第二のサブマウント電気回路基板と、該第二のサブマウントに設置され該第二のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向から入射する光信号を受光して電気信号に変換する受光素子と、該剛性電気回路基板上に該剛性電気回路基板と水平な方向に形成され、該発光素子からの発光を該受光素子に導光する光導波路とからなる光送受信モジュールの製造方法であって、
    剛性電気基板上面から発光素子の発光点までの高さを測定する工程と、当該高さよりも薄くなるようにかつ第一のサブマウント及び第二のサブマウントに接するように下クラッド材料の樹脂を塗布して下クラッド層を形成する工程とを含むことを特徴とする光送受信モジュールの製造方法。
  6. 第一の剛性電気回路基板と、該基板に垂直に設置され電気的に接続された第一のサブマウント電気回路基板と、該第一のサブマウントに設置され該第一のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向に発光する垂直発光半導体発光素子と、第二のサブマウント電気回路基板と、該第二のサブマウントに設置され該第二のサブマウント基板と電気的に接続されてなり剛性電気回路基板に対して水平な方向から入射光信号を受光して電気信号に変換する受光素子と、該剛性電気回路基板上に該剛性電気回路基板と水平な方向に形成され該発光素子からの発光を該受光素子に導光する光導波路と、発光素子と該光導波路とを光学的に接続する第一の光接続部と、該光導波路と受光素子とを結ぶ第二の光接続部とからなる光送受信モジュールであって、
    剛性電気基板上面から発光素子の発光点までの高さを測定する工程と、当該高さよりも薄くなるようにかつ第一のサブマウント及び第二のサブマウントに接するように下クラッド材料の樹脂を塗布して下クラッド層を形成する工程と、を含むことを特徴とする光送受信モジュールの製造方法。
  7. 下クラッド領域の形成後に発光素子の発光面及び受光素子の受光面を被覆するようにコア材料の樹脂を塗布してコア領域を形成する工程、及び該コア領域の形成後に上クラッド材料を塗布して上クラッド領域を形成する工程を有することを特徴とする請求項5又は6に記載の光送受信モジュールの製造方法。
  8. 下クラッドの塗布はディスペンサを用いて行うことを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載の光送受信モジュールの製造方法。
  9. ディスペンサを用いて下クラッドを多層に積層することによって、下クラッドの厚さを制御することを特徴とする請求項8に記載の光送受信モジュールの製造方法。
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