JP2010217322A - 光結合構造および光送受信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで作製でき、かつより高い効率で光信号を伝送することが可能な光結合部を備えた光モジュールの提供。
【解決手段】上面１ｃに受発光部１ａを有し、かつ下面１ｄ側で基板４に実装された光半導体素子１と、その光軸１ｂに対して所定の角度θで交差する光軸２ｂを有し、かつ基板の実装面４ａから離間して配置された光伝送路２と、光半導体素子１と光伝送路２との間を光学的に結合する光結合部３とを備え、光結合部３は伝送される光に対して透明な樹脂からなり、前記樹脂は光半導体素子の受発光部１ａの少なくとも一部及び光伝送路の端部２ａの少なくとも一部にそれぞれ密着し、光伝送路の端部２ａのうち、前記樹脂との密着面２ｃは傾斜面であり、光伝送路の光軸２ｂおよび光半導体素子の光軸１ｂの両方に略平行な光伝送路の断面２０において、密着面２ｃは光伝送路の光軸２ｂと直交する方向に対して２０°以上の角度をなしている光モジュール５。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信技術、光伝送技術、光情報記録技術に用いられる光モジュールに係わり、特に光モジュールにおける光半導体素子と光伝送路との光結合構造に関する。

光モジュールは、基板に搭載された光半導体素子と、光軸が基板に対して平行となるように配置された光伝送路を備えている。
従来、この種の光モジュールにおいて、光半導体素子の受発光部と光伝送路の端部とを光学的に結合させるために、図９に示すように、光半導体素子１０１の上に設置された集光レンズ１０２と、光路変換用ミラー１０３とを組み合わせることで、光伝送路１０４（特にそのコア１０５）と光半導体素子１０１とを光学的に接続（光結合）させる構造が一般に用いられている。

しかしながら、こうした集光レンズ１０２や光路変換用ミラー１０３は、レンズの屈折率やミラーの反射率等が所望の値に調整されている必要がある。また、光結合のために必要な部品点数も多く、光半導体素子１０１、集光レンズ１０２、光路変換用ミラー１０３、光伝送路１０４の各々の位置関係を精密に合わせる必要がある。このため、部品のコストや作業のコストが高く、コストアップの主たる要因となっていた。

こうした光モジュールの製造コストを低減し、より低コストに光モジュールを提供するため、
例えば、特許文献１には、光実装基板の表面のガイド溝と、このガイド溝に実装される光ファイバの光軸上に位置するテーパ面とを備え、テーパ面にミラーが形成された光デバイスが提案されている。
また、特許文献２には、光導波路の端部に対向する位置に斜めに形成された反射面を有するＶ溝が形成され、光導波路の端部と反射面の間には光導波路のコアとほぼ同じ屈折率を有する屈折率整合剤が充填され、反射面で反射した出射光を受光する受光素子を備えた光導波路と受光素子の結合構造が提案されている。

また、特許文献３には、光送受信モジュールにおいて光部品間の接続を高精度で、しかも簡略にできる光部品接合方法として、光軸を概略一致するように配置した光ファイバと光受発光素子とを、未硬化状態の透明樹脂組成物を介して圧着し、引き戻して未硬化状態の透明樹脂組成物（光硬化性、熱硬化性、または熱可塑性）を延伸した後、延伸された透明樹脂組成物を硬化させる光部品接合方法が記載されている。
また、特許文献４には、半導体レーザ素子、モニタフォトダイオード、及び光ファイバが透明樹脂に封入され、半導体レーザ素子の後方出力光が透明樹脂と空気との界面において反射してモニタフォトダイオードに入射するようにした半導体レーザ装置が提案されている。

特開２００３−１６７１７５号公報 特許第２９８５７９１号公報 特開平９−１９７１９６号公報 特開２０００−２６９５８４号公報

しかしながら、特許文献１の光デバイスでは、ガイド溝とテーパ面を成形するための金型の用意と、テーパ面のミラーを形成する工程が必要になり、高コストになってしまうという問題があった。さらに、ガイド溝を有する光実装基板において光半導体素子を下向きにしてフリップチップボンディングする必要があるために、例えば受光素子とアンプ用ＩＣとの間のような、光半導体素子からワイヤボンドが必要なＩＣまでの線路長が長くなり、ノイズが乗りやすくなってしまうという問題や、フリップチップボンディングした光半導体素子は、実装後の外観検査がしにくいため、接続不良を発見しにくいという問題などがあった。

また、特許文献２の光結合構造では、非常に細い光ファイバに対向する位置にテーパ面を有するＶ溝を形成し、そのテーパ面に全反射ミラーを形成し、さらに光導波路の端部と反射面の間に屈折率整合剤を充填する必要があるため、工数が多くなり、高コストになってしまうという問題があった。

また、特許文献３の光部品接合方法では、光ファイバと光受発光素子の光軸を概略一致するように配置する必要があるため、両者の光軸が同軸である場合にしか適用できず、例えば両者の光軸が互いに垂直である場合には適用できないという問題があった。

また、特許文献４の半導体レーザ装置は、開口角の大きい半導体レーザ素子の後方出力光をモニタする目的であるので、光結合の効率が低くても利用可能である。しかしながら、光信号を開口角の小さい光ファイバから受光素子に入射させたり、あるいは、発光素子から光ファイバに入射させたりする場合には、結合効率が低いと光信号の伝送の信頼性を確保するのが難しいという問題があった。また、反射面となる樹脂界面の位置・形状は、透明樹脂の塗布量や基板の段差形状によっていると考えられるが、基板に段差を形成すると高コストになってしまう。また、半導体レーザ素子に垂直な光軸とモニタＰＤ素子に垂直な光軸とが交差する交点に反射面が存在する必要があるが、ちょうどその交点の位置に樹脂の界面が位置するように樹脂を形成するのは容易ではない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低コストで作製でき、かつより高い効率で光信号を伝送することが可能な光結合部を備えた光モジュールにおける光半導体素子と光伝送路との光結合構造を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、上面に受発光部を有し、かつ下面の側で基板に実装された光半導体素子と、前記光半導体素子の光軸に対して所定の角度で交差する光軸を有し、かつ前記基板の実装面から離間して配置された光伝送路と、前記光半導体素子と前記光伝送路との間を光学的に結合する光結合部とを備え、前記光結合部は、伝送される光に対して透明な樹脂からなり、前記樹脂は、前記光半導体素子の受発光部の少なくとも一部および前記光伝送路の端部の少なくとも一部にそれぞれ密着し、前記光伝送路の端部のうち、前記樹脂との密着面は傾斜面であり、前記光伝送路の光軸および前記光半導体素子の光軸の両方に略平行な前記光伝送路の断面において、前記密着面は、前記光伝送路の光軸と直交する方向に対して２０°以上の角度をなしていることを特徴とする光結合構造を提供する。

本発明の光結合構造において、前記光結合部を構成する前記樹脂は、前記光半導体素子の上面より上方に位置する範囲内に収まっていることが好ましい。
前記光結合部を構成する前記樹脂は、前記光伝送路の端面の上端の高さより下側の範囲内に収まっていることが好ましい。
前記光結合部を構成する前記樹脂の外面が、前記光半導体素子の受発光部および前記光伝送路の端部の側に凹んだ形状となっていることが好ましい。
前記密着面が、上向きの傾斜面であることが好ましい。
前記光結合部の周囲が気体で覆われていることが好ましい。
前記光結合部の周囲が光結合部を構成する樹脂より屈折率が低いクラッド樹脂層で覆われていることが好ましい。
前記光半導体素子の給電用配線が前記クラッド樹脂層によって覆われていることが好ましい。

また、本発明は、同一の基板の実装面に実装された受光素子および発光素子と、前記基板の前記実装面から離間して配置された第１の光伝送路および第２の光伝送路と、前記受光素子と第１の光伝送路との間を光学的に結合する第１の光結合部と、前記発光素子と第２の光伝送路との間を光学的に結合する第２の光結合部とを備え、前記受光素子、第１の光伝送路および第１の光結合部が第１の光結合構造を構成するとともに、前記発光素子、第２の光伝送路および第２の光結合部が第２の光結合構造を構成した光送受信モジュールであって、第１の光結合構造および第２の光結合構造の一方または両方が、上記の本発明に係る光結合構造を構成していることを特徴とする光送受信モジュールを提供する。

本発明によれば、光結合部を多数の部品を用いることなく低コストで作製でき、しかもより高い効率で光信号を伝送することが可能になる。
光半導体素子の受発光部が基板の実装面とは反対側に向けて実装することができるので、ダイボンディングやワイヤボンディングによる実装が可能になる。これにより、伝送特性に重要な配線を最短の線路長でつなぐことができ、ノイズが乗りにくく、良好な伝送特性が得られる。また、ボンディングの外観検査が容易であり、接続不良を発見するのが容易になる。

本発明の第１形態例に係る光結合構造を備えた光モジュールの一例を示す断面図である。 光結合部の製造工程を説明する断面図である。 光結合部の製造工程を説明する断面図である。 本発明の第２形態例に係る光結合構造を備えた光モジュールの一例を示す断面図である。 光結合部の形状を説明する断面図である。 本発明の光送受信モジュールの一例を示す斜視図である。 試験例１〜２０における光結合構造の角度φと、光路変換に伴う光の結合損失との関係を示すグラフである。 光結合部が大きな４５°ミラーである場合を説明する断面図である。 従来の光モジュールにおける光結合の方法を説明する概略図である。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に、第１形態例に係る光結合構造を備えた光モジュールの一例を示す。
図１に示す光モジュール５は、基板４の上面である実装面４ａに実装された光半導体素子１と、基板４の実装面４ａに沿い、かつ基板４の実装面４ａから離間して配置された光伝送路２と、光伝送路２と光半導体素子１との間を光学的に結合する光結合部３とを備えている。

光半導体素子１は、光信号を出射または入射させる部分として受発光部１ａを有する。光半導体素子１が受光素子である場合は、受発光部１ａは受光部である。光半導体素子１が発光素子である場合は、受発光部１ａは発光部である。
発光素子としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等が挙げられる。
受光素子としては、フォトダイオード（ＰＤ）等が挙げられる。
受発光部１ａは、光半導体素子１の上面１ｃに設けられている。本発明における上下方向は、光半導体素子１が基板４に実装される実装面４ａを基準とし、基板４から遠ざかる方向を上方（図１の上方）、基板４に近づく方向を下方（図１の下方）とする。また、前記の定義による上下方向に垂直な方向（図１の左右方向）を水平方向とする。本発明における上下方向および水平方向は、図２および図３に示すように透明樹脂３１が未硬化で流動性を有する場合を除き、重力の方向に依存しない。

光半導体素子１は、基板４の実装面４ａに形成された回路配線６に対して、接合材により電気的に接続されている。例えば、本形態例の場合は、光半導体素子１の上部（表面）に形成された電極（図示せず）とワイヤ配線７などからなる給電用配線により、回路配線６と電気的に接続されている。また、光半導体素子１の下面（裏面）１ｄと回路配線６とが、導電性接着剤（図示せず）により、電気的に接続されている。
基板４には、例えは、ガラスエポキシ基板、セラミック基板など、一般的な各種絶縁基板を使用することができる。ワイヤ配線７としては、例えば、金（Ａｕ）ワイヤ、アルミ（Ａｌ）ワイヤ、銅（Ｃｕ）ワイヤなどが挙げられる。

光伝送路２としては、例えば石英系光ファイバ、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）などの光ファイバや、石英光導波路、高分子光導波路などの基板型光導波路などが挙げられる。
光伝送路２は、光結合部３に対する光の出入射の方向が一定となるように、少なくとも端部２ａ付近では、光軸２ｂが直線状であることが好ましい。

光半導体素子１は、その光軸１ｂが光伝送路２の光軸２ｂ（特に端部２ａ付近における光軸２ｂ）に所定の角度θで交差するように配置されている。光半導体素子１および光伝送路２の光軸１ｂ，２ｂが互いに垂直（または略垂直）に配置されることが好ましい。

光結合部３は、伝送される光に対して透明な樹脂からなる。光結合部３を構成する樹脂は、光半導体素子１の受発光部１ａの少なくとも一部および光伝送路２の端部２ａの少なくとも一部にそれぞれ密着している。
ここでいう透明樹脂とは、光半導体素子１と光伝送路２との間を伝送する光を透過させることが可能なものを指している。従って、必ずしも可視光下で無色透明な色調のものに限定されるものではない。また、光が伝送する樹脂内の光路長が短いため、ある程度透明性があれば良い。
透明樹脂としては、例えば、ＵＶ硬化性樹脂や熱硬化性樹脂などを用いることができる。
透明樹脂の具体例としては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、ビニル系樹脂、シアノアクリレート系樹脂等が挙げられる。

光結合部３の形状は、図１では光結合部３が光伝送路２の端部２ａの全面を覆い、光結合部３の上端が光伝送路２の上部まで付着しているが、図５に示す光モジュール５Ａのように、光伝送路２の端部２ａの一部が光結合部３Ａの外側に露出されてもよい。この場合、光結合部３Ａを構成する樹脂は、光半導体素子１の光軸１ｂと光伝送路２の光軸２ｂとを含む面内（図５の紙面上の面内）およびその面外（図５の紙面の手前側および奥側）において、光伝送路２の端面２ａの上端２ｄの高さ２ｅより下側の範囲内に収まり、光半導体素子１の受発光部１ａから光結合部３の外面３ａまでの距離や、光伝送路２の端面２ａから光結合部３の外面３ａまでの距離がより短くなる。光伝送路２のコア（図示せず）の全断面積が光結合部３Ａに覆われることが好ましい。
なお、上端２ｄの高さ２ｅは、基板４の実装面４ａを基準とした高さ（実装面４ａに垂直な方向の距離）である。

ここで光結合部３は、光半導体素子１が受光素子の場合には、光伝送路２から光結合部３に入射した光は、光結合部３を構成する透明樹脂とその外部の気体（例えば空気や乾燥窒素ガスなど）との界面３ａとの屈折率差により反射されて光半導体素子１に入射する。
また、光半導体素子１が発光素子の場合には、光半導体素子１から光結合部３に入射した光は、光結合部３を構成する透明樹脂と外部の気体との界面３ａとの屈折率差により反射されて光伝送路２に入射する。

光伝送路２の端部２ａのうち、光結合部３を構成する透明樹脂との密着面２ｃは、透明樹脂の外面における凹面部１２及び１３向き（上向き）の傾斜面となっている。密着面２ｃは平坦であることが好ましい。そして、光伝送路２の光軸２ｂおよび光半導体素子１の光軸１ｂの両方に略平行な光伝送路２の断面２０において、密着面２ｃは、光伝送路２の光軸２ｂと直交する方向に対して、所定の角度φをなしている。

光結合部３の外面３ａは、外部の気体との界面を形成している。そしてそのうち、特に光を反射して光路を変換する（光路変換）部位とその近傍においては、後述するように、角度φに依存して接線の角度が変化し、形状が変化する。その結果、密着面２ｃが傾斜面の場合には、光路変換部位が光半導体素子１および光伝送路２に近付き、光結合部３内の光路長が短くなる。一方、光は、光伝送路２（あるいは受発光部１ａ）から出射する際には、ある程度の広がり角をもっており、光結合部３内を広がりながら進行するため、光結合部３内の光路長が長くなるほど光が拡散し、接続損失が増大することになる。これに対して本発明によれば、光結合部３内の光路長が短くなるので、光の結合損失を効果的に抑制できる。
本発明において、角度φは２０°以上であり、２０〜５０°であることが好ましい。このような範囲とすることで、光の結合損失を抑制する一層高い効果が得られる。

なお、本発明において、密着面２ｃは必ずしも上向きである必要性はないが、光路変換部位を目的の形状とする効果に優れることから、凹面部１１，１２および１３のいずれか一以上の方向に向いていることが好ましい。

例えば、図８に示すように、４５°ミラーとなる樹脂３１０が大きく、光伝送路２の端面２ａの上端２ｄの高さ２ｅを超える程度となると、端面２ａから反射面３１１までの距離および光１０の光路がさらに長くなる。
このため、光結合部３が上下方向に存在する範囲としては、光伝送路２の端面２ａの上端２ｄの高さ２ｅより下側の範囲内に収まっていることが好ましい。
また、光結合部３が水平方向に存在する範囲としては、全体が光半導体素子１上（上面１ｃより上方）に収まることが好ましい。

本形態例の光結合部３は、光半導体素子１と光伝送路２との間の光結合を容易に実現するため、以下のような構成となっていることが好ましい。
すなわち、光結合部３を構成する透明樹脂は、光伝送路２の光軸２ｂと光半導体素子１の光軸１ｂとが交差する交点Ｐの位置には存在せず、光結合部３の外面３ａ（光結合部３と外部の気体との界面）が、光半導体素子１の受発光部１ａおよび光伝送路２の端部２ａの側に凹んだ形状となっている。

ここで、光結合部３の外面３ａが凹んだ形状となるためには、少なくとも、
（１）受発光部１ａに対向する位置Ａが受発光部１ａ側に凹んだ形状の凹面部１１、
（２）光伝送路２の端部２ａに対向する位置Ｂが光伝送路２の端部２ａ側に凹んだ形状の凹面部１２、
（３）受発光部１ａに対向する位置Ａと光伝送路２の端部２ａに対向する位置Ｂとの間が凹んだ形状の凹面部１３、
を有することを必要とする。
光の伝送に関与しない部分、例えば、図１における光伝送路２の上側にかかっている部分３ｂや、光伝送路２の下側と光半導体素子１の上面１ｃとの間に挟まれた部分３ｃが凸形状になっているのは差し支えない。

ここで、（１）の受発光部１ａ側の凹面部１１は、例えば、光半導体素子１の光軸１ｂが樹脂の外面３ａと交差する位置Ａの近傍において、樹脂の外面３ａが樹脂側に凹となる凹面を形成していれば良い。
また、（２）の光伝送路２側の凹面部１２は、例えば、光伝送路２の光軸２ｂが樹脂の外面３ａと交差する位置Ｂの近傍において、樹脂の外面３ａが樹脂側に凹となる凹面を形成していれば良い。
また、（３）の中間部の凹面部１３は、例えば、光半導体素子１の光軸１ｂが樹脂の外面３ａと交差する位置Ａと、光伝送路２の光軸２ｂが樹脂の外面３ａと交差する位置Ｂとの間を結ぶ線分ＡＢがＡ−Ｂ間で樹脂の外側（外部の気体側）を通り、樹脂の外面３ａが凹となる凹面を形成していれば良い。

すなわち、本形態例の光結合部３は、これらの凹面部１１，１２，１３を有することにより、透明樹脂の界面の形状について、反射面としての位置および角度を精密に制御しなくても、より低い作製精度で確実な光結合を実現することができる。また、光伝送路２の端部２ａと光半導体素子１の受発光部１ａとの間が単一の透明樹脂で構成された光結合部３で光結合され、極めて低コストに、かつ簡易な工程で作製可能である。
ここでいう単一の透明樹脂とは、成分（組成）が均一（単一）、特定の波長の光に対する透過率が均一、物理的に２層以上ではない（界面がない）など、いずれの意味も包含するものである。

これらの凹面部１１〜１３は、それぞれ光半導体素子１の受発光部１ａおよび光伝送路２の端部２ａの位置に近い方が、透明樹脂の界面３ａにおける反射によって光半導体素子１と光伝送路２との間を光結合する際に、光が拡散する範囲が狭くなり、損失を低減する効果が高い。このため、光結合部３は、光半導体素子１の光軸１ｂと光伝送路２の光軸２ｂとが交差する交点Ｐの位置には前記樹脂が存在せず、樹脂の外面３ａが受発光部１ａに対向する位置Ａが交点Ｐと受発光部１ａとの間にあり、かつ、樹脂の外面３ａが光伝送路２の端部２ａに対向する位置Ｂが交点Ｐと光伝送路２の端部２ａとの間にあることが好ましい。

さらに本形態例の光結合部３は、透明樹脂の周囲が気体で覆われているため、透明樹脂との屈折率差が大きくなり、界面における光の反射率を高めることができる。これにより、光の結合効率をより向上することができる。

基板４の実装面４ａにおいて、光半導体素子１を受発光部１ａが基板４の実装面４ａの反対側（図１では上側）となるように実装することができるので、ダイボンディングやワイヤボンディングによる実装が可能になる。これにより、伝送特性に重要な配線を最短の線路長でつなぐことができ、ノイズが乗りにくく、良好な伝送特性が得られる。また、ボンディングの外観検査が容易であり、接続不良を発見するのが容易になる。

ここでは主に、樹脂の外面３ａが凹面の場合について説明したが、光結合部３内の光路長を短くするためには、角度φを所定の角度とすれば良いのであって、外面３ａは凸面等、凹面以外の形状でも良い。

次に、本発明の光モジュールの製造方法の説明にあたって、前述した図１に示す構成の光モジュール５の製造方法を例示する。
図２に示すように、予め実装面４ａに回路配線６が形成され、光半導体素子１が実装された基板４を用意し、光半導体素子１の受発光部１ａに対して、精密ディスペンサ等の樹脂ディップ装置２９を用いて、未硬化の透明樹脂３１を塗布する。
透明樹脂３１は、光半導体素子１の上面１ｃに収まる範囲内で塗布することが望ましい。

続いて、図３に示すように、光半導体素子１に対して光伝送路２の端部２ａを、光半導体素子１上に盛り付けた透明樹脂３１に向けて（矢印Ｌの方向に）差し込む。
そして、透明樹脂３１に差し込んだ光伝送路２を光半導体素子１から遠ざけるように移動する。このとき、光伝送路２は、光半導体素子１からゆっくりと斜め上方向（矢印Ｒの方向）に引き上げる。
なお、ここでは、未硬化の透明樹脂３１を塗布してから、光伝送路２の端部２ａを透明樹脂３１に向けて差し込んでいるが、この順序は逆でも良く、すなわち、光伝送路２の端部２ａを光半導体素子１上の所定箇所に配置してから、光半導体素子１の受発光部１ａと、光伝送路２の端部２ａを覆うように、未硬化の透明樹脂３１を塗布しても良い。

この後、透明樹脂３１の種類に応じて、必要に応じて例えばＵＶ（紫外線）の照射や加熱を行い、透明樹脂３１を硬化させる。これにより、光半導体素子１と光伝送路２とを光学的に接続する（光結合する）光結合部３が形成され、光モジュール５が完成する。

図３において光伝送路２を斜め方向に引き上げた後の透明樹脂３１の形状は、（１）透明樹脂３１と光半導体素子１との間の界面張力、（２）透明樹脂３１と光伝送路２との間の界面張力、および（３）透明樹脂３１と外部の気体との間の表面張力で決定される。つまり、（Ａ）光半導体素子１、光伝送路２、透明樹脂３１の部材と、（Ｂ）光半導体素子１および光伝送路２の表面状態や透明樹脂３１の粘度などの部材の状態と、（Ｃ）図２における透明樹脂３１の塗布量や図３における光伝送路２の差込量および引き上げ量などの実装条件などに依存する。これら（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の条件が同じであれば、自ずと透明樹脂３１の形状は同じになる。

さらに本発明においては、光伝送路２における密着面２ｃの角度φを調整することにより、透明樹脂３１の外面３ａの接線の角度を調整して、透明樹脂３１の形状を調整できる。これにより、透明樹脂３１の光路変換部位の形状が最終的に決定される。
また、透明樹脂３１の光路変換部位の形状は、（１）〜（３）の中でも、特に（３）に大きく依存する。そして（３）は、硬化前の透明樹脂３１の粘度に大きく依存する。そこで、本発明においては、光の結合損失を一層抑制できるように、光路変換部位を目的の形状とするために、透明樹脂３１の硬化前の粘度は、１〜３０Ｐａ・ｓであることが好ましく、１．５〜２６Ｐａ・ｓであることがより好ましい。

光伝送路２のＲ方向への引き上げ量は、用いる光伝送路２や光半導体素子１の構造、透明樹脂３１の塗布量などに応じて最適値が存在する。こうした最適値を予め調べておけば、上述した作製工程を全て自動化することが可能になり、より一層の省力化を実現できる。また、光結合部３を作製する際に光半導体素子１と光伝送路２との間に光を伝送させる必要はなく、パッシブ調心が可能である。樹脂の塗布量の変化などによってパッシブ調心の位置が最適位置から多少ずれても、光半導体素子１と光伝送路２との間が透明樹脂３１でつながれているので、透明樹脂３１の表面が光伝送路２と一緒に変形するため、光結合部３の結合効率が低下しにくく、位置合わせのトレランスが大きい。光を伝送しながら行うアクティブ調心では、光硬化性樹脂を用いると光ファイバの位置合わせ中に樹脂が硬化するおそれがあるが、パッシブ調心によれば、途中で樹脂が硬化するおそれがない。

このように、本形態例の光モジュールの製造方法によれば、光半導体素子１に透明樹脂３１を盛り付けて、この透明樹脂３１に光伝送路２を差し込んで斜め方向に引き上げた後、透明樹脂３１を硬化させるだけで、光半導体素子１と光伝送路２とを光学的に接続する（光結合する）光結合部３を形成することが可能になる。このため、光結合部３の形成に際して、樹脂を象る金型等も必要なく、少ない工程かつ少ない構成部品で極めて低コストに光モジュールを製造することが可能になる。

従来、ＬＥＤなどの封止用途などにおいて、表面張力および界面張力という物性によって自ずと決まる形状を、凸レンズや凹レンズとして利用することは公知である。また、特許文献４には、半導体レーザ素子の後方出力光をモニタフォトダイオードに入射させるため、基板の段差に沿って透明樹脂を被覆した半導体レーザ装置が記載されている。
本形態例の光モジュールの製造方法は、透明樹脂を基板に付着させる必要がないので、光結合部３の形成に際して、基板４の加工工程（Ｖ溝や段差など）を追加する必要がないので、シリコン基板のように面異方性エッチングが利用可能な基板に限らず、ガラスエポキシ基板等のように加工性の低い基板であっても、低コストに基板作製が可能である。

図４に、第２形態例に係る光結合構造を備えた光モジュールの一例を示す。
図４に示す光モジュール９は、基板４の実装面４ａに実装された光半導体素子１と、基板４の実装面４ａに沿い、かつ基板４の実装面４ａから離間して配置された光伝送路２と、光伝送路２と光半導体素子１との間を光学的に結合する光結合部３と、光結合部３の周囲を覆うクラッド樹脂層８を備えている。

本形態例の光モジュール９は、光結合部３の周囲が、光結合部３を構成する透明樹脂（第１の樹脂）より屈折率が低い第２の樹脂からなるクラッド樹脂層８で覆われている点が第１形態例に係る光モジュール５と異なる。光半導体素子１、光伝送路２、基板４、回路配線６、ワイヤ配線７等は、第１形態例に係る光モジュール５と同様に構成することができる。
クラッド樹脂層８は、光結合部３を構成する透明樹脂よりも屈折率の低い樹脂で形成されているので、光結合部３の中を伝送する光がクラッド樹脂層８の方に入射し散乱してしまうことを抑制することができる。さらに、クラッド樹脂層８の周囲を、光結合部３よりも高い屈折率を有する樹脂（図示せず）で封止することも可能になる。

ここでいう屈折率とは、光半導体素子１と光伝送路２との間を伝送する光の波長における屈折率を指している。第２の樹脂としては、例えば、ＵＶ硬化性樹脂や熱硬化性樹脂などを用いることができる。第２の樹脂の具体例としては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂等が挙げられる。
クラッド樹脂層８は、図２および図３に示すようにして光結合部３を形成した後に、第２の樹脂を塗布して硬化することにより形成することができる。

光結合部３を構成する第１の樹脂は、光伝送路２の光軸２ｂと光半導体素子１の光軸１ｂとが交差する交点Ｐの位置には存在せず、光結合部３とクラッド樹脂層８との界面３ａが、交点Ｐの位置とは反対側に凹んだ形状となっている。
本形態例の光モジュール９におけるクラッド樹脂層８は、光結合部３のクラッド樹脂として機能する。また、光結合部３は、光半導体素子１が受光素子の場合には、光伝送路２から光結合部３に入射した光は、光結合部３とクラッド樹脂層８との界面３ａとの屈折率差により反射されて光半導体素子１に入射する。また、光半導体素子１が発光素子の場合には、光半導体素子１から光結合部３に入射した光は、光結合部３とクラッド樹脂層８との界面３ａとの屈折率差により反射されて光伝送路２に入射する。

さらに図４に示す例では、光伝送路２がクラッド樹脂層８によって基板４の実装面４ａに固定されている。これにより、光伝送路２の端部２ａ付近の光軸２ｂの方向が動きにくく、光伝送路２に外力が作用しても光結合の悪化を抑制することができる。
また、ワイヤ配線７はクラッド樹脂層８に覆われ、保護されているので、外部の応力によって破損しやすいワイヤ配線７（給電用配線）の断線を防止することができる。
また、光伝送路２の端部２ａ、光結合部３、および光半導体素子１がクラッド樹脂層８により覆われているので、外部の応力から保護することができる。光半導体素子１と光伝送路２との光結合構造全体の機械的強度を高くすることができる。
このように、クラッド樹脂層８がワイヤ配線７の保護層、あるいは光結合構造の保護層として機能するように設けられた場合、簡便に保護層を形成することができる。

図６は、本発明の光送受信モジュールの一例を示す斜視図である。本形態例の光送受信モジュール５０は、同一の基板５４の実装面５４ａに実装された受光素子である第１の光半導体素子５１ａおよび発光素子である第２の光半導体素子５１ｂと、基板５４の実装面５４ａから離間して配置された第１の光伝送路５２ａおよび第２の光伝送路５２ｂと、第１の光半導体素子５１ａと第１の光伝送路５２ａとの間を光学的に結合する第１の光結合部５３ａと、第２の光半導体素子５１ｂと第２の光伝送路５２ｂとの間を光学的に結合する第２の光結合部５３ｂとを備えている。
第１の光半導体素子５１ａ、第１の光伝送路５２ａおよび第１の光結合部５３ａが第１の光結合構造を構成し、第２の光半導体素子５１ｂ、第２の光伝送路５２ｂおよび第２の光結合部５３ｂが第２の光結合構造を構成している。

本形態例の光送受信モジュール５０の場合、第１の光結合構造および第２の光結合構造は、いずれも図４に記載の光モジュール９と同様の光結合構造を構成している。
具体的には、光結合部５３ａ，５３ｂは、伝送される光に対して透明な樹脂からなり、第１の樹脂は、光半導体素子５１ａ，５１ｂの受発光部の少なくとも一部および光伝送路５２ａ，５２ｂの端部の少なくとも一部にそれぞれ密着し、光結合部５３ａ，５３ｂを構成する透明樹脂は、光伝送路５２ａ，５２ｂの光軸と光半導体素子５１ａ，５１ｂの光軸とが交差する交点の位置には存在せず、光結合部５３ａ，５３ｂの界面が、前記の交点の位置とは反対側に凹んだ形状となっている。

また、第１の光伝送路５２ａと第２の光伝送路５２ｂは、これらの光軸が略同方向となるように、互いに平行に配され、共通する被覆材５８によって一体に覆われている。そして、被覆材５８の端部５８ａは、第１の光伝送路５２ａの光結合部５３ａとの密着面、並びに第２の光伝送路５２ｂの光結合部５３ｂとの密着面と一体に、上向きの傾斜面となっており、それぞれの密着面は角度φをなしている。

以上により、第１の光伝送路５２ａから受光素子である第１の光半導体素子５１ａへの光結合においても、発光素子である第２の光半導体素子５１ｂから第２の光伝送路５２ｂへの光結合においても、低コストに、かつ簡易な工程で光結合構造を作製することが可能である。

本形態例の光送受信モジュール５０の場合、２つの光半導体素子５１ａ，５１ｂが共通する基板５４上に並べて実装されている。これらの光半導体素子５１ａ，５１ｂは、基板５４上に形成された回路配線５６に対してそれぞれ接合材により電気的に接続されている。例えば、本形態例の場合は、光半導体素子５１ａ，５１ｂの上部（表面）に形成された電極（図示せず）とワイヤ配線５７ａ，５７ｂなどからなる給電用配線により、回路配線５６と電気的に接続されている。また、光半導体素子５１ａ，５１ｂの裏面と回路配線５６とが、導電性接着剤（図示せず）により、電気的に接続されている。回路配線５６およびワイヤ配線５７ａ，５７ｂは、発光素子に接続された配線と、受光素子に接続された配線とが、それぞれ独立に設けられる。

本形態例の光送受信モジュール５０の場合、第１の光伝送路５２ａと第２の光伝送路５２ｂは、共通する被覆材５８によって一体に覆われている。このため、光結合部５３ａ，５３ｂを作製する際、図３と同様にして光伝送路５２ａ，５２ｂを透明樹脂中に差し入れ（Ｌ方向）、次いで斜め方向（Ｒ方向）へ引き上げるときには、両方の光伝送路５２ａ，５２ｂを一度に操作して、作業を簡略化することができる。
共通する被覆材５８で一体化された複数の光伝送路５２ａ，５２ｂは、光ファイバテープ心線や基板型光導波路などを用いることができる。被覆材５８は、光伝送路５２ａ，５２ｂを伝送される光に対して不透明であっても良い。

また、光半導体素子５１ａ，５１ｂ、光伝送路５２ａ，５２ｂ、および光結合部５３ａ，５３ｂは、単一のクラッド樹脂層５９によって覆われていても良い。
クラッド樹脂層５９は、光結合部５３ａ，５３ｂを構成する透明樹脂よりも屈折率の低い樹脂で形成されているので、光結合部５３ａ，５３ｂの中を伝送する光がクラッド樹脂層５９の方に入射し散乱してしまうことを抑制することができる。さらに、クラッド樹脂層５９の周囲を、光結合部５３ａ，５３ｂよりも高い屈折率を有する樹脂（図示せず）で封止することも可能になる。

また、本形態例の光送受信モジュール５０の場合、共通する被覆材５８によって一体化された光伝送路５２ａ，５２ｂがクラッド樹脂層５９によって基板５４の実装面５４ａに固定されている。これにより、光伝送路５２ａ，５２ｂの端部付近の光軸の方向が動きにくく、光伝送路５２ａ，５２ｂに外力が作用しても光結合の悪化を抑制することができる。
また、ワイヤ配線５７ａ，５７ｂはクラッド樹脂層５９に覆われ、保護されているので、外部の応力によって破損しやすいワイヤ配線５７ａ，５７ｂ（給電用配線）の断線を防止することができる。
また、光伝送路５２ａ，５２ｂの端部、光結合部５３ａ，５３ｂ、および光半導体素子５１ａ，５１ｂがクラッド樹脂層５９により覆われているので、外部の応力から保護することができる。光結合構造全体の機械的強度を高くすることができる。

なお、図６の光送受信モジュール５０と同様の構造で、第１の光伝送路５２ａと第２の光伝送路５２ｂは、例えば、これらの光軸が略同方向とはならないようにして、それぞれの角度φを独立に設定することも可能である。また、第１の光伝送路５２ａの光結合部５３ａとの密着面、並びに第２の光伝送路５２ｂの光結合部５３ｂとの密着面は、いずれも被覆材５８の端部５８ａと一体にではなく、独立して上向きの傾斜面とすることも可能である。
また、光半導体素子５１ａ，５１ｂが両方とも発光素子である光送信モジュールを構成したり、光半導体素子５１ａ，５１ｂが両方とも受光素子である光受信モジュールを構成したりすることも可能である。
クラッド樹脂層５９は、複数ある光結合部５３ａ，５３ｂのうち、一部の光結合部の周囲のみを覆うようにすることも可能である。

光モジュールに搭載される光半導体素子の個数は、１個や２個に限定されるものではなく、３個以上であってもよい。光半導体素子と光伝送路との光結合構造は、光半導体素子の個数に応じて必要な数を設けることができる。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。

（試験例１〜８）
図１〜３に示すように、光伝送路２としてクラッド径が１２５μｍ、コア径が５０μｍの石英系マルチモード光ファイバを用意し、光半導体素子１にはＰＤ（受光部の開口径は１００μｍ）を、透明樹脂３１にはＵＶ硬化性樹脂（粘度が１．５Ｐａ・ｓであるアクリル系樹脂：「樹脂α」）を、基板４にはガラスエポキシ基板を、ワイヤ配線７には金ワイヤを用い、ＰＤの受光部上に透明樹脂３１を２ｎｌ（ナノリットル）塗布した後、この透明樹脂に光ファイバの先端を約１００μｍ差し込んで、斜め３０°上方に４０μｍ引き上げた後、ＵＶを照射して透明樹脂３１を硬化させることにより、図１に示す光結合構造５を作製した。この時、光伝送路２としては、角度φが−１３°（試験例１）、０°（試験例２）、１０°（試験例３）、２０°（試験例４）、３０°（試験例５）、４０°（試験例６）、５０°（試験例７）、６０°（試験例８）である８種類のものをそれぞれ用いた。また、光結合部３を構成する硬化後の樹脂の屈折率は、伝送する光の波長に対して１．５８であった。
この光結合構造５について、光ファイバから光を出射して、光の結合損失を測定し、角度φとの関係を調べた。結果を図７に示す。なお、図７中、角度φがマイナスであるものは、傾斜面が下向きであることを示す。
図７に示すように、角度φが特に２０〜５０°の場合に、光の結合損失がより抑制されることが確認された。

（試験例９〜１６）
樹脂αの代わりに、ＵＶ硬化性樹脂（粘度が２１Ｐａ・ｓであるアクリル系樹脂：「樹脂β」）を用いたこと以外は、試験例１〜８と同様に光結合構造５を作製した。角度φも、−１３°（試験例９）、０°（試験例１０）、１０°（試験例１１）、２０°（試験例１２）、３０°（試験例１３）、４０°（試験例１４）、５０°（試験例１５）、６０°（試験例１６）である８種類のものをそれぞれ用いた。
そして、試験例１〜８と同様に、角度φと光路変換に伴う光の結合損失との関係を調べた。結果を試験例１〜８と共に図７に示す。
図７に示すように、試験例１〜８と同様の傾向が確認された。

（試験例１７〜２０）
樹脂αの代わりに、ＵＶ硬化性樹脂（粘度が５０Ｐａ・ｓであるアクリル系樹脂：「樹脂γ」）を用いたこと以外は、試験例１〜８と同様に光結合構造５を作製した。角度φは、１０°（試験例１７）、２０°（試験例１８）、３０°（試験例１９）、４０°（試験例２０）である４種類のものをそれぞれ用いた。
そして、試験例１〜８と同様に、角度φと光路変換に伴う光の結合損失との関係を調べた。結果を試験例１〜８と共に図７に示す。

φ…光伝送路断面における密着面の角度、θ…光軸同士の成す角度、Ｐ…光軸同士の交点、１，５１ａ，５１ｂ…光半導体素子、１ａ…受発光部、１ｂ…光半導体素子の光軸、１ｃ…上面（表面）、１ｄ…下面（裏面）、２，５２ａ，５２ｂ…光伝送路、２ａ…光伝送路の端部（端面）、２ｂ…光伝送路の光軸、２ｃ…光伝送路端部の光結合部との密着面、３，５３ａ，５３ｂ…光結合部、３ａ…光結合部の外面（界面）、４，５４…基板、４ａ，５４ａ…基板の実装面、５，５Ａ…光モジュール、７，５７ａ，５７ｂ…ワイヤ配線（給電用配線）、８，５９…クラッド樹脂層、９…光モジュール、１１，１２，１３…凹面部、２０…光伝送路の断面、５０…光送受信モジュール。

Claims (9)

1. 上面に受発光部を有し、かつ下面の側で基板に実装された光半導体素子と、
   前記光半導体素子の光軸に対して所定の角度で交差する光軸を有し、かつ前記基板の実装面から離間して配置された光伝送路と、
   前記光半導体素子と前記光伝送路との間を光学的に結合する光結合部とを備え、
   前記光結合部は、伝送される光に対して透明な樹脂からなり、前記樹脂は、前記光半導体素子の受発光部の少なくとも一部および前記光伝送路の端部の少なくとも一部にそれぞれ密着し、
   前記光伝送路の端部のうち、前記樹脂との密着面は傾斜面であり、前記光伝送路の光軸および前記光半導体素子の光軸の両方に略平行な前記光伝送路の断面において、前記密着面は、前記光伝送路の光軸と直交する方向に対して２０°以上の角度をなしていることを特徴とする光結合構造。
2. 前記光結合部を構成する前記樹脂は、前記光半導体素子の上面より上方に位置する範囲内に収まっていることを特徴とする請求項１に記載の光結合構造。
3. 前記光結合部を構成する前記樹脂は、前記光伝送路の端面の上端の高さより下側の範囲内に収まっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光結合構造。
4. 前記光結合部を構成する前記樹脂の外面が、前記光半導体素子の受発光部および前記光伝送路の端部の側に凹んだ形状となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光結合構造。
5. 前記密着面が、上向きの傾斜面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光結合構造。
6. 前記光結合部の周囲が気体で覆われていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光結合構造。
7. 前記光結合部の周囲が光結合部を構成する樹脂より屈折率が低いクラッド樹脂層で覆われていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光結合構造。
8. 前記光半導体素子の給電用配線が前記クラッド樹脂層によって覆われていることを特徴とする請求項７に記載の光結合構造。
9. 同一の基板の実装面に実装された受光素子および発光素子と、前記基板の前記実装面から離間して配置された第１の光伝送路および第２の光伝送路と、前記受光素子と第１の光伝送路との間を光学的に結合する第１の光結合部と、前記発光素子と第２の光伝送路との間を光学的に結合する第２の光結合部とを備え、前記受光素子、第１の光伝送路および第１の光結合部が第１の光結合構造を構成するとともに、前記発光素子、第２の光伝送路および第２の光結合部が第２の光結合構造を構成した光送受信モジュールであって、
   第１の光結合構造および第２の光結合構造の一方または両方が、請求項１〜８のいずれかに記載の光結合構造を構成していることを特徴とする光送受信モジュール。

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