JP2009237196A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子、受光素子と光導波路の間、あるいは光導波路同士の間に配置された樹脂材料の特性の変化を抑制することによって、光結合効率を安定して維持することができる光モジュールを提供する。
【解決手段】光モジュール１の発光素子１０と光導波路３０が、第一の樹脂４０を介して光結合され、第一の樹脂４０の外側には、第二の樹脂５０が配置されており、第一の樹脂４０と第二の樹脂５０との間には、第二の樹脂５０から第一の樹脂４０への移行成分を抑止するためのバリア層６０が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子または受光素子の少なくとも一方と光導波路、あるいは光導波路同士を樹脂を介して光結合する光モジュールに関する。

発光素子の出射光と光導波路の光入射部とが光結合された光モジュールが、例えば光通信伝送用途として開発されている。この形態の光モジュールは、発光素子と光導波路の間に、例えば発光素子の光射出端部と光導波路の光入射部の間の保護のため、あるいは光結合効率を向上させるなどの目的のために、樹脂材料が配置されることがある。
例えば、特許文献１では、半導体レーザと光ファイバの間に、フッ素添加シリコーン媒質を挿入した構造をとっている。

前述のような発光素子と光導波路の間に使用される樹脂材料としては、その樹脂が硬化、収縮した際の応力が発光素子に伝わり発光素子が破損することを防ぐため、一般的にゲル状の材料を使用する。その場合、外部応力からの保護や、汚染からの保護を目的に、機械的強度の高い別種の封止樹脂材料によりゲル状の樹脂の周囲を覆う構造にする場合が多い。
特許第３１０４６６３号公報

しかしながら、前出のように光モジュールの周囲をさらに別種の封止樹脂材料で覆う構造の場合、その封止樹脂材料に含まれる成分の一部の種類、もしくは全部の種類が、封止樹脂の塗布、あるいは硬化工程において、発光素子または受光素子と光導波路の間に配置されている樹脂材料内へ移行する現象が生じる。

この現象は、発光素子と光導波路の間の樹脂材料の特性に変化を生じさせ、結果として、例えば光散乱や光吸収の増加による光透過率の低下、また長期使用環境下における樹脂劣化の促進等が引き起こされ、発光素子、または受光素子と光導波路の間の光結合効率を安定して維持することが出来ない恐れがある。

例えば、第一の樹脂としてゲル状シリコーン樹脂、第二の樹脂としてエポキシ系樹脂を使用した場合、エポキシ系樹脂に含まれる何らかの移行成分がシリコーン樹脂内に移行し、シリコーン樹脂には着色が生じる。この移行成分によりシリコーン樹脂の光透過率が低下し、光モジュールの光出力が低下する。
また、有機物は、短波長領域の光を吸収することから、シリコーン樹脂の劣化のきっかけとなり、その結果、光モジュールの光出力特性の低下を引き起こす場合がある。

そこで、本発明は上記課題を解消するために、発光素子、受光素子の少なくとも一方と光導波路の間、あるいは光導波路同士の間に配置された樹脂材料の特性の変化を抑制することによって、光結合効率を安定して維持することができる光モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解消するために、本発明の光モジュールは、発光素子または受光素子あるいは前記発光素子と前記受光素子の両方と、光導波路とが、その間に配置された第一の樹脂を介して光結合されている光モジュールであって、
前記第一の樹脂の周囲には第二の樹脂が配置されており、かつ前記第一の樹脂と前記第二の樹脂の間の一部もしくは前記第一の樹脂と前記第二の樹脂の間の全部には、バリア層が配置されていることを特徴とする。

本発明の光モジュールは、好ましくは前記バリア層は、前記第二の樹脂に含有される成分が、前記第一の樹脂の内部に移行することを阻止し、あるいは抑制する機能を持つことを特徴とする。

本発明の光モジュールは、好ましくは前記第一の樹脂が、シリコーン樹脂であることを特徴とする。
本発明の光モジュールは、好ましくは前記発光素子は、半導体レーザであることを特徴とする。

本発明によれば、発光素子、受光素子の少なくとも一方と光導波路の間に配置された樹脂材料の特性の変化を抑制することによって、光結合効率を安定して維持することができる。
また、本発明によれば、光導波路同士の間に配置された樹脂材料の特性の変化を抑制することによって、光結合効率を安定して維持することができる。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の光モジュールの好ましい実施形態を示す断面図である。図２は、図１に示す光モジュールを拡大して示している図である。
図１と図２に示すように、光モジュール１は、発光素子１０と、基板１１と、光導波路３０を有しており、基板１１は、パッケージケース１７の搭載部１２に搭載されている。

発光素子１０としては、例えばＦＰＬＤ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などのレーザダイオード（ＬＤ）チップや、発光ダイオードを用いることができる。図２に示すように、発光素子１０はレーザ光Ｌを発生して、光導波路３０を通じて出射光（上り信号）Ｌ１を出力する。

図２に示すように、光導波路３０は、例えば光ファイバであり、コア３２と、このコア３２の周囲を覆っているクラッド３３を有している。光導波路３０の周囲は、例えば樹脂製のフェルール３４により覆われている。

図１に示すパッケージケース１７は、搭載部１２と、プリント基板１３，１４と、集積回路（ＩＣ）１５と、ヒートスプレッダ（放熱手段の一例）１６を備えている。
プリント基板１３，１４と、集積回路１５と、基板１１は、パッケージケース１７内に配置されており、基板１１とプリント基板１４は、例えばワイヤ１８により電気的に接続され、プリント基板１３，１４と集積回路１５は、ワイヤ１９によりそれぞれ電気的に接続されている。

集積回路１５で発生した熱は、ヒートスプレッダ１６により、光モジュール１の外部に放熱されるようになっている。ヒートスプレッダ１６は、放熱性の優れた材料、例えば銅タングステン合金（ＣｕＷ）により作られている。基板１１上には、電気回路パターンが作成されており、この回路パターンと発光素子１０とは、ワイヤ２１により電気的に接続されている。ワイヤ１８，１９，２１は、例えばＡｕワイヤである。

図２に示すように、発光素子１０と光導波路３０とは、第一の樹脂４０を介して光結合されていて、発光素子１０と光導波路３０の間が第一の樹脂４０により封止してあるか、あるいは埋めてある。図２に示すように、第一の樹脂４０は、発光素子１０の発生部１００から発生する出射光Ｌ１を光導波路３０の入射部３１に伝送するための光伝送路としての役目を果たすために、透明性の樹脂を使用する。

また、第一の樹脂４０は、光導波路３０の入射部３１との光の屈折率の整合性を高めており、この屈折率は、例えば１．４かそれ以上であるが、特に限定されない。また、発光素子１０の発生部（出射端ともいう）１００が空気に接していると、発光素子１０の耐久性が低下するが、第一の樹脂４０が発光素子１０を覆うことで発光素子１０の耐久性を保持している。

さらに、比較的軟らかい特性の第一の樹脂４０を用いていることで、発光素子１０に対して応力を与えないようにして、発光素子１０の信頼性を向上している。
第一の樹脂４０としては、例えばゲル状のシリコーン樹脂が用いられる。このシリコーン樹脂は、シロキサン結合を骨格とした高分子有機化合物（ポリマー）の総称であり、無色・無臭で撥水性がある。

図２に示すように、発光素子１０の発生部１００は、第一の樹脂４０により覆われており、光導波路３０の入射部３１も第一の樹脂４０により覆われている。すなわち、発光素子１０の発生部１００と発生部１００からの出射光Ｌ１が入射される光導波路３０の入射部３１との間には、第一の樹脂４０が配置されている。
図１と図２に示すように、第一の樹脂４０は基板１１に搭載された発光素子１０とワイヤ２１を覆っており、第一の樹脂４０の一部は、図２に示す光導波路３０の入射部３１とフェルール３４の端面３８の一部分に接している。

さらに、図１と図２に示すように、第二の樹脂５０が、フェルール３４の端面３８とパッケージケース１７の３方の隔壁部２０の間において、第一の樹脂４０の上に封止樹脂（ポッティング樹脂ともいう）として配置されている。この第二の樹脂５０の材質としては、フェルール３４との熱膨張係数差や、硬化後の外部応力に対する機械的耐性、また水分の透過性等を考慮して決まられるが、第二の樹脂５０は例えばフィラー入りのエポキシ系樹脂を使用することが一般に行われている。

さらに、図１と図２に示すように、第二の樹脂５０と第一の樹脂４０との間には、バリア層６０が配置されている。図示例では、バリア層６０は、第二の樹脂５０の界面と第一の樹脂４０の界面との間に配置されている。
バリア層６０の材質としては、第二の樹脂５０の成分であり、かつ第一の樹脂４０に移行すると光モジュール１の光学的な特性を劣化させるような成分の移行を妨げることを考慮して選定される。例えば、第一の樹脂４０としてゲル状のシリコーン樹脂、第二の樹脂５０としてエポキシ系樹脂を使用する場合には、バリア層６０としては、例えばレジン状のシリコーン樹脂やフッ素系樹脂を使用すると、第二の樹脂５０から第一の樹脂４０へのエポキシ系樹脂の成分の移行を抑制することが可能である。
従って、第一の樹脂材料の特性の変化を抑制することによって、光モジュール１は、光結合効率を安定して維持することができる。

次に、図３と図４を参照して、上述した光モジュール１の製造工程の一例を説明する。
図３は、発光素子１０と基板１１の組立体６５と、光導波路３０とを組み立てて、第一の樹脂４０とバリア層６０と封止樹脂としての第二の樹脂５０を形成する製造工程を示している。
図４は、図３に示した組立体７０を、パッケージケース１７側に組み立てることで、光モジュール１の組立体９０を製造する製造工程を示している。

まず、図３を参照すると、図３（Ａ）に示すのは、発光素子１０と基板１１の組立体６５であるが、この組立体６５の発光素子１０は基板１１の上面１１Ｃに搭載され、発光素子１０は基板１１上の回路パターンに対し、ワイヤ２１により電気的接続がなされている。

次に、図３（Ｂ）に示すように、フェルール３４の端面３８と光ファイバ３０の入射部３１が、基板１１の端面１１Ｂに対して突き当てることで位置決めされる。この状態では、発光素子１０の発生部１００が、光導波路３０の入射部３１に対面している。基板１１の上面１１Ｃとの間には、隔壁部２０が配置されており、隔壁部２０の下端部２０Ｃと基板１１の上面１１Ｃと隔壁部２０との間には隙間４１が形成されている。隔壁部２０は、例えばＦ方向から見てＵ字型である。

次に、図３（Ｃ）に示すように、発光素子１０とワイヤ２１は、第一の樹脂４０を供給した後、硬化処理することで第一の樹脂４０により封止される。
その後、図３（Ｄ）に示すように、第一の樹脂４０の上には、バリア層６０と第二の樹脂５０が順次形成されることにより、組立体７０が得られる。これにより、バリア層６０は、第一の樹脂４０と第二の樹脂５０の間であって、第一の樹脂４０の界面と第二の樹脂５０の界面との間に配置される。バリア層６０は、第一の樹脂４０と第二の樹脂５０との間において、第二の樹脂５０から第一の樹脂４０への移行成分を抑止することができる。

このように、第二の樹脂５０の成分が、第一の樹脂４０内に移行してしまうのを防ぐので、移行成分自身、あるいは移行成分が作った生成物に、図２に示すレーザ光Ｌが照射されることがない。このため、レーザ光Ｌが光導波路３０の入射部３１に対して確実に入射でき、発光素子１０と光導波路３０のコア３２との光結合効率を安定して維持することができる。

次に、図４（Ａ）と図４（Ｂ）に示すように、パッケージケース１７には、すでにプリント基板１３，１４と、集積回路１５と、ヒートスプレッダ１６が搭載されている。このパッケージケース１７に対して、組立体７０が搭載される。

そして、図４（Ｃ）に示すように、基板１１とプリント基板１４はワイヤ１８により電気的に接続され、プリント基板１３，１４と集積回路１５は、ワイヤ１９により電気的に接続される。パッケージケース１７の３方の側壁部１７Ｒと、隔壁部２０の間には、例えば第二の樹脂５０と同じ封止樹脂５０Ｂを充填することにより、プリント基板１３，１４と集積回路１５とワイヤ１８，１９を封止することができる。しかし、この場合、封止樹脂５０Ｂの材質としては、電気配線との関係上、非導電性樹脂を選択する必要がある。
このようにして、光モジュール１の組立体９０を製造することができる。封止樹脂５０Ｂとしては、例えばウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの材料を採用してもよい。

ところで、本発明は、上記実施形態に限定されず種々の変形例を採用できる。
例えば、本発明の実施形態の光モジュールは、例えば光信号の送信と受信が可能な光送受信モジュールに適用できるが、これに代えて光信号を送信するだけの光送信モジュールであっても、受信だけを行う受信モジュールでもよい。さらに、発光素子および受光素子を含まない、例えば光ファイバコリメータ、インライン型アイソレータ等の光部品にも適用できるものである。

図５は、本発明の光モジュールの別の実施形態である受光モジュールの場合を示している。
受光モジュール７１は、受光素子１１０が受光素子マウント１１１の上に実装され、受光素子マウント１１１は、基板１１２の突起部１１２Ｂ上に実装されている。ここで、受光素子１１０と基板１１２との電気的接続は、ワイヤ１１３を介して行われる。受光素子１１０に対向して、フェルール１１５により固定された光導波路としての光ファイバ１１４が配置されている。

図５に示すフェルール１１５は一体の隔壁部１１５Ｂをもち、基板１１２の突起部１１２Ｂを取り囲む形状となっている。受光素子１１０と光ファイバ１１４の間には、第一の樹脂４０が充填されており、その周囲にバリア層６０が配置され、さらにその周りに、第二の樹脂５０が配置されている。光ファイバ１１４を通して、受光素子１１０に向かって入射される入射光は、第一の樹脂４０を介して受光素子１１０に到達する。

図５に示す第一の樹脂４０としては、実装後の受光素子１１０への応力を小さくするため、例えばゲル状のシリコーン樹脂を使用する。
また第二の樹脂５０としては、受光モジュール７１の機械的強度や、外界からの水分の浸入抑制の観点から、例えば、フィラー入りエポキシ樹脂による封止剤を使用する。受光モジュール７１の場合、第一の樹脂４０と第二の樹脂５０の間にバリア層６０が配置されているので、第二の樹脂５０の成分が、第一の樹脂４０の内部に移行することを阻止し、あるいは抑制することが出来るため、第一の樹脂４０の品質が保たれる。
従って、光ファイバ１１４を通して受光素子１１０に入射される入射光の光強度の劣化が生じないので、第一の樹脂材料の特性の変化を抑制することによって、受光モジュール７１は、光結合効率を安定して維持することができる。

図６は、本発明の光モジュールのさらに別の実施形態である光導路同士が光結合した光モジュールの例を示す。
図６に示す光モジュール７２は、平面型光導波路１２０と光導波路としての光ファイバ１２１の両者が、基板１２２上に光結合されて実装されている。
平面型光導波路１２０は、その光導波路部１２０Ｂを下面とし、基板１２２の上表面１２２Ｂに実装されているため、基板１２２の上表面１２２Ｂから光導波路部１２０Ｂまでの距離が正確に決まる。
また、光ファイバ１２１は、光ファイバ１２１のコア端面部１２１Ｃと、平面型光導波路１２０の光導波路端面１２０Ｃの光軸が一致する様に、基板１２２上に作成されたＶ溝へ落とし込むことで位置決めされる。

また、光ファイバ１２１のコア端面部１２１Ｃと、平面型光導波路１２０の光導波路端面１２０Ｃの距離は、光ファイバのコア端面部１２１Ｃを基板の垂直面１２２Ｃに突き当てることにより決まる。このように突き当てた後、光ファイバ１２１と基板１２２を接着剤等の手段により固定する。
さらに、光ファイバ１２１のコア端面部１２１Ｃと、平面型光導波路１２０の光導波路端面１２０Ｃを含む領域には、光軸上に透明性の第一の樹脂４０を配置し、その後バリア層６０、さらに第二の樹脂５０を配置している。
この構造を採用することにより、光ファイバ１２１と平面型光導波路１２０は、樹脂４０を介して光結合されている。

この場合も、第二の樹脂５０の成分が、第一の樹脂４０の中に移行することを、バリア層６０が阻止、もしくは抑制しているために、光軸上の第一の樹脂４０の品質が変化せず、安定した光結合を得ることが出来る。
従って、平面型光導波路１２０と光導波路としての光ファイバ１２１との間の光強度に劣化が生じないので、第一の樹脂材料の特性の変化を抑制することによって、光モジュール７２は、光結合効率を安定して維持することができる。
バリア層は、分子量の低い相溶性の良い（例えば、ＳＰ値が近い値）移行成分が、第１の樹脂に移行するのを防ぐことができる。

上述した実施形態では、第一の樹脂４０、第二の樹脂５０、およびバリア層６０として、それぞれゲル型シリコーン樹脂、ガラスフィラー入りのエポキシ樹脂、およびレジン型シリコーン樹脂をそれぞれ用いている。

しかし、この組み合わせに限定するものではなく、様々な樹脂の組み合わせは、本発明の特許請求の範囲を逸脱しない範囲で変更することができる。
本発明の実施形態では、発光素子と光導波路の間が樹脂を介して光結合されたり、受光素子と光導波路の間が樹脂を介して光結合されたり、発光素子と受光素子の少なくとも一方と光導波路の間が樹脂を介して光結合されたり、光導波路同士の間が樹脂を介して光結合される。

本発明の各実施形態では、第一の樹脂にはバリア層を挿入して、封止剤としての第二の樹脂からの移行成分を阻止することで、光軸上の第一の樹脂の品質を安定して保ち、光出力変化を生じない光モジュールの提供が可能である。

また、本発明の各実施形態では、第一の樹脂の周囲には第二の樹脂が配置されており、かつ第一の樹脂と第二の樹脂の間の一部もしくは第一の樹脂と第二の樹脂の間の全部に、バリア層が配置されていても良い。

本発明の光モジュールの好ましい実施形態を示す図である。 図１の光モジュールの構造例を拡大して示す図である。 発光素子と基板の組立体と、光導波路とを組み立てて、第一の樹脂と、第三の樹脂と、封止樹脂としての第二の樹脂を形成する製造工程を示す図である。 図３のようにして組み立てられた発光素子と基板の組立体と、光導波路と、第一の樹脂と、第三の樹脂と、第二の樹脂の組立体を、パッケージケース側に組み立てることで、光モジュールを製造する製造工程を示す図である。 本発明の光モジュールの別の実施形態である受光モジュールを示す図である。 本発明の光モジュールのさらに別の実施形態である光導波路同士を結合した光モジュールを示す図である。

符号の説明

１ 光モジュール
１０ 発光素子
１１ 基板
１１Ｂ 基板１１の端面
１１Ｃ 基板１１の上面
１２ パッケージケース１７の搭載部
１３，１４ プリント基板
１５ 集積回路（ＩＣ）
１６ ヒートスプレッダ
１７ パッケージケース
１７Ｒ パッケージケース１７の後端側壁
１８，１９ ワイヤ
２０ 隔壁部
３０ 光導波路
３１ 光導波路の入射部
３２ コア
３３ クラッド
３４ フェルール
３８ フェルール３４の端面
４０ 第一の樹脂
４１ 隙間
５０ 第二の樹脂（ポッティング樹脂、封止樹脂）
５０Ｂ 封止樹脂
６０ バリア層
６５ 発光素子１０と基板１１の組立体
７０ 組立体６５とフェルール３４の組立体
７１ 受光モジュールの組立体
１００ 発光素子の射出光の発生部
１１０ 受光素子
１１１ 受光素子マウント
１１２ 基板
１１２Ｂ 基板の突起部
１１３ ワイヤ
１１４ 光ファイバ
１２０ 平面型光導波路
１２０Ｂ 平面型光導波路の光導波路部
１２０Ｃ 平面型光導波路の光導波路部端面部
１２１ 光ファイバ
１２１Ｃ 光ファイバ１２１のファイバ端面部
１２２ 基板
１２２Ｂ 基板上表面
１２２Ｃ 基板の端面
Ｌ 発光素子からの出力光

Claims (4)

1. 発光素子または受光素子あるいは前記発光素子と前記受光素子の両方と、光導波路とが、その間に配置された第一の樹脂を介して光結合されている光モジュールであって、
   前記第一の樹脂の周囲には第二の樹脂が配置されており、かつ前記第一の樹脂と前記第二の樹脂の間の一部もしくは前記第一の樹脂と前記第二の樹脂の間の全部には、バリア層が配置されていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記バリア層は、前記第二の樹脂に含有される成分が、前記第一の樹脂の内部に移行することを阻止し、あるいは抑制する機能を持つことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記第一の樹脂が、シリコーン樹脂であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光モジュール。
4. 前記発光素子は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の光モジュール。

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