JP2010225824A - 光モジュール及び波長多重光モジュール - Google Patents

光モジュール及び波長多重光モジュール Download PDF

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Kazuhiko Hosomi
Yasunobu Matsuoka
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Takuma Saka
Toshiki Sugawara
卓磨 坂
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康信 松岡
和彦 細見
俊樹 菅原
光一朗 足立
雅博 青木
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Abstract

【課題】 封止機能と光ファイバのガイド機能を備えた封止基板(第1基板)で光素子搭載基板(第2基板)が覆われた光モジュールの信頼性の向上(封止基板凹部での封止に対する信頼性)と製造工程の簡略化(大型基板での量産性向上、封止後の耐久試験が容易に行える)を実現する。
【解決手段】 光素子を表面に搭載し、貫通ビアホールで電気信号を裏面に導く光素子搭載基板と、レンズを裏面側に備え、表面側にファイバ保持用の非貫通凹部を持つ封止基板を貼り合せて封止した構造とする。
【選択図】 図2

Description

本発明は、光モジュールに係り、特に、光ファイバで光を伝送する光通信用の光モジュールに関する。

近年情報通信分野において、光を用いて大容量のデータを高速でやりとりする通信トラフィックの整備が急速に行われつつある。そして、これまで基幹、メトロ、アクセス系といった数km以上の比較的長い距離について光ファイバ網が展開されてきた。今後はさらに、伝送装置間(数m〜数百m)あるいは装置内(数cm〜数十cm)といった極めて近距離についても、信号配線を光化することが有効であると考えられる。また、ビデオカメラなどの映像機器やPC、携帯電話などの民生機器においても、画像高精細化が求められ、モニタと端末間での映像信号伝送の高速・大容量化、信号伝送線路の光化などが必要になると考えられている。このように民生機器までも含めた情報大容量化に伴い、小型、低コストの光モジュールが有望されている。

このような光モジュールの一例が特許文献1に開示されている。特許文献1の図14には、光ファイバ1よりも若干広く、受光素子PD17よりも狭い外径の穴20を備えたを備えた第1導電型ガイド9と、第1導電型ガイド9とほぼ同等外形の第2導電型基板10とを固定し、光ファイバ1を第1導電型ガイド9に貫通穴である穴20に挿入し、光ファイバ1と第1導電型ガイド9とを半田で固定する構成が開示されている。

特開2005-338308号公報

まず、我々が以前試作した、レーザ素子を備えたCANパッケージに光ファイバが接続された構成の例を図1に示す。この構成では、光ファイバ100とフェルール106とレンズ115とパッケージ102とレーザ素子103とサブマウント104とステム101とピン108とボンディングワイヤ107から構成される。ピン108は、外部装置と接続され、電気信号をステム101内部に伝達する。ピン108とサブマウント104は、ボンディングワイヤ107によって電気的に接続される。サブマウント104は回路を形成した放熱性の良い基板で、レーザやフォトダイオードなどの光素子を基板に直接搭載せず、一旦、この基板に実装することで、光素子の特性を向上させる役割を果たす。レーザ素子103は、サブマウント104上に搭載され、ボンディングワイヤによる電気的な接続あるいはフリップチップボンディング、すなわち電極を下側に配置、実装し、光素子の電極とサブマウント側の電極を導通部材により電気的に接続される。電気信号によって、レーザ素子103から発せられた光信号は、レンズ115で集光され、フェルール106を介し、ファイバ100に導かれる。ここで、パッケージ102−1は、レンズ115の固定と、レーザ素子103を気密封止する役割を果たしている。気密封止することで、光素子の信頼性など特性向上が見込まれる。パッケージ102−2は、ファイバ100と光学的に接続されたフェルール106を固定する役割を果たしている。

光モジュールのパッケージには、1)外部からの電気信号を光素子に伝達、2)光素子の信頼性向上のための気密封止、3)光素子と光ファイバの光学的結合の3つの機能が重要である。ただし、この構成では、パッケージ全体の低コスト、低背小型化、高密度実装という点で課題がある。また、光素子の気密確保、光素子とレンズ、光ファイバを個別にアライメントする必要があり、部品点数、製造工数の点で課題がある。

特許文献1に開示された技術は、上記試作構成と比べて、パッケージ全体の低コスト、低背小型化で改善できる可能性を秘めている。しかし、特許文献1の技術は、第1導電型ガイド9の穴20が貫通穴であるため、光軸方向の位置あわせ自由度が高い反面、逆に、光ファイバ1とPD17とが接触させる以外には、光ファイバ1とPD17との間の距離をパッシブに、再現よく、所定範囲に収めることが困難である。また、第1導電型ガイド9を貫通したファイバ1を第1導電型ガイド9と第2導電型基板10との間の自由空間にガイドなしに突出させることも経年変化や外力への心配が残る。さらに、光ファイバ1と第1導電型ガイド9の固定と封止とを同じ部材で行っているが、光ファイバ1は第1導電型ガイド9との固定後にも伝送装置への組み込み等で外力が加わる。そのため、光ファイバ1と第1導電型ガイド9との固定部では固定が保たれても、封止が保たれなくなる可能性がある。さらに、大きな課題は、特許文献1の技術では、光ファイバ1の嵌合、固定を行わなければ、封止空間内に光素子を搭載した状態での光モジュールの耐久試験を行うことができない点である。

本発明の目的は、封止機能と光ファイバのガイド機能を備えた封止基板(第1基板)で光素子搭載基板(第2基板)が覆われた光モジュールの信頼性の向上と製造工程の簡略化を実現することにある。

上記目的を達成する手段を例示すると次の通りである。

光素子が対向面(第2面)に搭載された光素子搭載基板(第1基板)と、封止機能と光ファイバのガイド機能を備えた封止基板(第2基板)とが、光素子搭載基板の対向面(第2面)と封止基板の対向面(第1面)とで挟まれた空間を封止した構造を採用する。そして、この封止空間にある光素子搭載基板の封止基板側面の第2面に光素子を搭載しておく。さらに、貫通ビアホールを光素子搭載基板に設け、光素子搭載基板の裏面(第1面)まで配線を引き回すことで、簡単な構造で光素子を駆動できるようになっている。また、この封止基板には、貫通孔ではない凹部を光素子搭載基板とは反対側の第4面に備えさせ、その凹部に光ファイバを嵌合し、固定するようにして、光素子と光ファイバとの光結合を実現する。

この構成では、封止基板の外側面となる第4面にある凹部を非貫通孔としているので、光ファイバを凹部へ嵌合させて自重で深く挿入するようにすれば、凹部の底や光ファイバの先端を破損させることもないので、光素子と光ファイバとの接触を避けることができる。封止基板とファイバとの固定部材に問題が生じても封止には影響がない。また、光ファイバの固定をしなくても、封止空間内での素子耐久試験を行うことができるため、不良発生の把握を早期に行うことができ、歩留まりを向上させることができる。さらに、ファイバを嵌合させる凹部の深さにより、光素子と光ファイバとの光学距離を設定できるので、パッシブ調芯で簡単に光結合させることができる。また、光素子と光ファイバとの光学距離の精度の高い制御が必要な場合でも、ほとんど光学距離が調整されているので、微調整で済ませることができる。なお、ここでは光ファイバを直接挿入した例を記載したが、フェルールを光ファイバに嵌めたり、さらに封止基板の凹部にスリーブを嵌めこむ構成もある。

また、この構成にとって好ましい改善例は次の(1)〜(7)を適宜組合わせたものである。
(1)光素子と封止基板との間に光受動部品を配置し、封止基板と光素子搭載基板との対向面で保持するようにすれば、保持部材の点数を減らすことができる。ここでいう光受動部品は、電気的な制御を不要とするパッシブな部品であり、集光レンズ等がそれに当たる。この集光レンズのうち、封止基板と光素子搭載基板との保持構造を考えると、安価なボールレンズが好ましい。
(2)凹部に嵌合挿入された光ファイバとして、先端が曲面となっている先球レンズ付きファイバを用いると、よりファイバと光素子との光結合効率をさらに向上させることができる。結合特性によっては、レンズが不要になる可能性もある。
(3)凹部の底面の側壁が凹んだ曲面になっている場合には、(2)の先球レンズがフィットしやすくなる。
(4)凹部に嵌合挿入された光ファイバとして、光ファイバの先端がファイバのコアの中心軸とは異なる線が法線となる面を持った光ファイバ(端面が斜面の光ファイバ)を用い、第2基板の凹部に設けた斜面と嵌合させることで、光ファイバと凹部を嵌合させた後、軽く回転させるだけで、光ファイバを所定の位置に簡便に収めることができるようになる。
(5)封止基板と光素子搭載基板の固定には光素子を含む封止空間が必要になるが、封止基板の凹部の底の厚さを調整することでもそれは可能だが、光素子を囲むスペーサを設けておく方が封止基板と光素子搭載基板との位置あわせ精度に対して尤度が発生する。光受動部品を封止基板と光素子搭載基板との間に配置する場合には、光受動部品を配置する封止空間の高さを確保したり、光素子搭載基板上の位置決め、その搭載位置での光受動部品の保持にも効果的である。また、光受動部品の位置決めにとっては、スペーサの内壁は順テーパを備えている方が好ましい。また、このスペーサを別体部品で実現すると、光素子搭載基板上での位置ズレが生じる可能性があるため、光素子搭載基板の一部をエッチング等で除去して、光素子搭載基板の一部で構成されるようにすることが好ましい。
(6)封止基板の光素子搭載基板側の面に第1レンズを備えさせて、光素子と光ファイバとの光結合に用いると、より光結合効率が向上する。この第1レンズは封止基板自体を加工することで形成してもよいし、透光性樹脂で別体レンズを接着したり、透光性樹脂自体で形成してもよい。
(7)光素子は、素子搭載基板の封止基板側の面にフリップチップボンディング方式で実装すれば、モジュールの小型化と電気的接続箇所の低インダクタンス化による広帯域化の両立が可能となる。

また、本発明に含まれる他の発明として、これまで説明してきた光素子搭載基板と封止基板とで挟まれる光モジュールの光ファイバ嵌合前の構造を、多数個取りできる大型基板を用いて形成し、多数個取りできる大型封止基板と多数個取りできる大型光素子搭載基板とを貼り合わせた後、個片化処理することで形成する点がある。この結果、貼り合わせ工程の簡略化、大型基板状態での耐久試験や検査を複数個同時に行うこともできるようになるので、非常に量産性を向上できる。

本発明によれば、封止機能と光ファイバのガイド機能を備えた封止基板(第1基板)で光素子搭載基板(第2基板)が覆われた光モジュールの信頼性の向上と製造工程の簡略化を実現することができる。

従来例の水平共振器端面発光レーザ素子のCANパッケージを説明する図である。 (a)本発明の第一の実施例である光モジュールの断面図である。(b)本発明の第一の実施例である光モジュール構造の作製方法をウェハスケール、およびそれを拡大して表している図である。 本発明の第二の実施例である光モジュールの断面図である。 本発明の第三の実施例である光モジュールの断面図である。 本発明の第四の実施例である光モジュールの断面図である。 本発明の第五の実施例である光モジュールの断面図である。 本発明の第六の実施例である光モジュールの断面図である。 本発明の第七の実施例である光モジュールの光素子搭載基板の断面図である。 本発明の第八の実施例である光モジュールの光素子搭載基板の断面図である。 (a)本発明の第九の実施例である光モジュールの断面図である。(b)光本発明の第九の実施例である光モジュール構造の作製方法をウェハスケール、およびそれを拡大して表している図である。 本発明の第十の実施例である光モジュールの光素子搭載基板の断面図である。 本発明の第十一の実施例である光モジュールの光素子搭載基板の断面図である。 本発明の一実施の形態を説明するための図であって、本発明の光モジュールに適用する(a)レンズ集積水平共振器垂直出射型レーザの断面図および(b)上面図である。 本発明の一実施の形態を説明するための図であって、本発明の光モジュールに適用する(a)レンズ集積フォトダイオードの断面図および(b)上面図である。 本発明の第十二の実施例である光モジュールの断面図である。 本発明の第十三の実施例である光モジュールの断面図である。 本発明の第十四の実施例である光モジュールの断面図である。 本発明の第十五の実施例である光モジュールの断面図である。 本発明の第十六の実施例である光モジュールの断面図である。 本発明の第十七の実施例である光モジュールの断面図である。 図15〜20の構成の光モジュールの光学配置を、フォトダイオード(あるいはレーザ)が偶数個存在する場合を等価的に表した図である。 図15〜20の構成の光モジュールの光学配置を、フォトダイオード(あるいはレーザ)が奇数個存在する場合を等価的に表した図である。 本発明の第十七の実施例である光モジュールの断面図である。 本発明の第十八の実施例である光モジュールの断面図である。 本発明の一実施の形態を説明するための図であって、本発明の光モジュールに適用するレセプタクルを説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

図2(a)に、本発明の第一の実施例である光モジュールの断面図を示す。本構成では、光ファイバ100とフェルール106とファイバ嵌合用凹部112と封止基板110とレンズ115と光素子(本実施例では、レーザ素子LDだが、ホトダイオードPDでも構わない。)150と貫通ビアホール140(140−1,140−2)と光素子搭載基板120と電気配線130とステム101とピン108(108−1〜108−6)とから構成される。

ピン108は、一端が外部装置と電気的に接続され、電気信号をステム101内部に伝達する。ピン108の他端は電気配線130を介して貫通ビアホール140と電気的に接続される。この例では、光素子150は貫通ビアホール140によって電気的に接続された電極に対して、フリップチップボンディング方式により実装されている。フリップチップボンディング方式で実装すれば、モジュールの小型化と電気的接続箇所の低インダクタンス化による広帯域化の両立が可能となる。ただし、貫通ビアホール140と光素子150の接続には、ボンディングワイヤを使うなどの方法を用いても構わない。

この光素子をレーザ素子とすると、電気信号によって、光素子150から発せられた光信号は、レンズ115で集光され、封止基板110、ファイバ嵌合用凹部112にあるフェルール106を介してファイバ100に導かれる。

封止基板110は、使用波長での光吸収がほとんどなく光学的に透明に近いガラスを用いたが、シリコンなどの半導体材料でも使用可能である。あるいは金属などの非透明部材に穴を開け、光が透過しなければならない部分は光学的に透明に近いガラスやシリコンなどの半導体材料を貼りあわせるなどの方法で実現させることも可能である。

ガラスの場合を例に取ると、レンズ115は、金型によるプレス加工をガラスに対して行うことで、封止基板110に作り込むことが出来る。また、別体形成したレンズ115を透光性樹脂で接着するという方法や透光性樹脂でレンズ115自体をを形成する方法でも構わない。また、封止基板110が半導体材料の場合には、エッチングなどの方法で、同様にレンズ115を封止基板110に作り込むことが出来る。このように封止基板110によって、レンズ115の高精度位置固定と光素子150の気密封止することが可能となるので、光素子150と光ファイバ100との光結合効率が向上する。
また、封止基板110にファイバ嵌合用凹部112が設けられており、フェルール106の精密固定を容易にできる。封止基板110に設けたファイバ嵌合用凹部112は、レンズ115同様に、封止基板110自体がガラスである場合、金型によるプレス加工でも実現でき、封止基板110自体が半導体材料である場合には、エッチングでも形成できるが、ドリルなどの切削加工でも作製可能である。

図2(b)光本発明の第一の実施例である光モジュール構造の作製方法をウェハスケール、およびそれを拡大して示した。封止基板110の面内に、ファイバ嵌合用凹部112となる穴、レンズ115を前述の方法で作製しておく。また、AR(Anti-Reflection)膜や波長選択フィルタなどをコーティングする場合には、蒸着或いはスパッタリングによって加工する。なお、この時、封止基板110表面の外側にアライメントマーク180を金属或いは誘電体膜、もしくは基板の直接加工によって形成しておく。

次に、光素子搭載基板120の面内にウェットエッチング等や切削加工にて複数の溝部およびアライメントマーク180を作製し、各溝部上に光素子150をそれぞれ載置することにより、光素子搭載基板120をウェハレベルで作製した。

最後に、矢印で示したように、光素子搭載基板120上に封止基板110を、アライメントマーク180を使って位置決めを行いながら貼り合わせる。なお、貼り合わせの手法は特に限定しないが、通常の電気実装で実施される半田を用いた方法や、半田レスのウェハ接合技術などの手法によっても作製可能である。その後、貼りあわせた基板をダイシング等によりチップ化する。このように、光素子搭載基板120と封止基板110とで挟まれる光モジュールの光ファイバ嵌合前の構造を、多数個取りできる大型基板を用いて形成し、多数個取りできる大型封止基板と多数個取りできる大型光素子搭載基板とを貼り合わせた後、個片化処理することで形成するようにすることで、貼り合わせ工程の簡略化、大型基板状態での耐久試験や検査を複数個同時に行うこともできるようになるので、非常に量産性を向上できる。

図3に、本発明の第二の実施例である光モジュールの断面図を示した。これは、レセプタクル型と呼ばれる光モジュールに適用するための構造である。レセプタクル型の光モジュールとすることにより、コネクタ付の光ファイバを簡単に取り付け、取り外しができる構造となっている。この構成では、図2で説明した封止基板110のファイバ嵌合用凹部112に、レセプタクルと言われる部品300を取り付けたものである。図25に、レセプタクルの断面構造を示す。レセプタクルは、ホルダ部310とスリーブ320と光接続機構330から構成される。ホルダ部は金属などの材料によって作製され、スリーブ320、光接続機構330を保持する。光接続機構330はファイバスタブやガラスブロックで構成される。スリーブ320は、フェルール106と光接続機構330を精度良く合わせるものであり、この作用によって光モジュールとファイバとの光入出力を効率よく結合することが可能となる。

図4に、本発明の第三の実施例である光モジュールの断面図を示す。この構成では、レンズ115は外部レンズを用いている。また、光素子搭載基板120の溝部はエッチングでまた、順テーパの溝部を作製する構成としている。つまり、溝部以外にスペーサを形成する。このスペーサを別体部品で実現してもよい。ただし、光素子搭載基板上での位置ズレが生じる可能性があるため、光素子搭載基板の一部をエッチング等で除去して、光素子搭載基板の一部で構成されるようにすることが好ましい。この溝部にレンズ115を配置する。このレンズに代表される光受動部品の位置決めにとっては、スペーサ(溝部)の内壁は順テーパを備えている方が好ましい。そして、レンズ115としては、低コスト化の点から球状のボールレンズなどを適用することが有効である。レンズ115が球状で、スペーサが順テーパなので、光素子搭載基板120の溝部に、簡単に納めることが可能となる。次に、レンズ115を置いた光素子搭載基板120に、封止基板110を貼り合わせるが、その際に、保持部材の点数を減らすために、封止基板と光素子搭載基板との対向面でレンズ115が保持されるようにする。このように、本実施例では、封止とレンズの高精度固定が簡易に実現できている。

図5に、本発明の第四の実施例である光モジュールの断面図である。この構成では、光素子と光モジュール内部での反射対策を施したものである。光モジュール内部に反射する箇所があると、光素子が発した光が、直接光素子に戻り、動作を不安定にさせる可能性がある。例えば、フェルール106にARコートを施し反射を抑えることで反射光を弱める、あるいはフェルール106の光が入力する部分を斜め形状とすることにより、光素子からの反射光が斜めに反射され、直接には光素子に戻らないようにする方法が可能である。図5に示した構成では、さらに光素子への反射を抑える方法として、光素子の真上ではなく、レンズ115とフェルール106をずらした位置に置く構成とした。このように位置をずらすことにより、光素子150から発した光は、レンズ115、封止基板110、ファイバ嵌合用凹部112、フェルール106を通過する際に、全て斜めに入射されるので、その反射光のほとんどは斜めに反射され、ほとんど直接光素子に戻ることは無い。

図6は、本発明の第五の実施例である光モジュールの断面図である。ここで、ファイバが先球ファイバ113である場合の適用構成例を示したものである。先球ファイバとは、光ファイバ端面を球面のように曲面加工した光ファイバのことであり、発光素子との結合効率を高めることが可能となる。図6に示した例では、さらに先を狭めたテーパ先球ファイバの例を示してある。また、封止基板110に設けたファイバ嵌合用凹部112の底も先球ファイバの形状に対応して曲面にしておく。このようにすることで、光ファイバ100と球面レンズが一体となり、フェルール106も不要になるので、光モジュールをさらに小形化とすることも可能となる。

図7は、本発明の第六の実施例である光モジュールの断面図である。この図では、光素子搭載基板120の溝部を円柱状とすることで、光素子搭載基板120とレンズ115だけで封止性を実現する構成である。また、一つの作製例として、レンズ115の固定に紫外線硬化性を持つ樹脂117を用いるなどの方法もある。

図8は、本発明の第七の実施例である光モジュールの光素子搭載基板の断面図である。本構成では、光素子(フォトダイオード)160とトランスインピーダンスアンプ170とボンディングワイヤ107と貫通ビアホール140と光素子搭載基板120と電気配線130とから構成される。この例では、光素子160はトランスインピーダンスアンプ170とボンディングワイヤ107によって電気的に接続されており、さらに外部への電気信号を取り出すために貫通ビアホール140によって電気的に接続されている。尚、貫通ビアホール140とトランスインピーダンスアンプ170の接続には、ボンディングワイヤを使うなどの方法を用いても構わない。ファイバ100から、フェルール106、ファイバ嵌合用凹部112、封止基板110、レンズ115を透過した光は、光素子160で受光されて電気信号(電流変化)に変換される。この電気信号は、トランスインピーダンスアンプ170によって、増幅され、電流変化から電圧変化に変換される。この電気信号は、図2で説明したのと同様に、貫通ビアホール140、電気配線130、ピン108へと伝達され、外部装置に出力される。

図9は、本発明の第八の実施例である光モジュールの光素子搭載基板の断面図である。本構成では、図8の構成に比べ、光素子(フォトダイオード)160とトランスインピーダンスアンプ170をフリップチップで実装したものである。
図10(a)は、本発明の第九の実施例である光モジュールの断面図である。また、図10(b)は、光本発明の第九の実施例である光モジュール構造の作製方法をウェハスケール、およびそれを拡大して表した図である。図2で示した方法に比べ、この方法では、光素子搭載基板120を2枚、貼り合せて作製している。溝部の光素子搭載についてであるが、例えば真空ピンセットなどを用いる場合、光素子を吸着するピンセット部が入る程度に溝部を大きく作る必要がある。このように、搭載装置の制約によって、モジュールサイズが制限を受けてしまう可能性もある。そこで、図10の構成とすると、貼り合せの回数は増えるが、光素子搭載の際の装置による制約を受けずに済み、モジュールサイズを小さくすることも可能となる。

図11は、本発明の第十の実施例である光モジュールの光素子搭載基板の断面図である。本構成では、レンズ115と光素子(フォトダイオード)160とトランスインピーダンスアンプ170とボンディングワイヤ107とピン108と光素子搭載基板120と電気配線130とから構成される。これまでの例では、レンズ115を封止基板110に組み込んで作製する方法を説明してきたが、別の実現方法として、光素子160にレンズ115を集積することでも実現でき、この場合には封止基板110にレンズを設けても良いし、設けなくても構わない。この図の構成では、光素子160はトランスインピーダンスアンプ170とボンディングワイヤ107−1によって電気的に接続されており、さらに外部への電気信号を取り出すためにピン108によって電気的に接続されている。尚、ピン108とトランスインピーダンスアンプ170の接続には、ボンディングワイヤ107−2を使っている。ファイバ100から、フェルール106、ファイバ嵌合用凹部112、封止基板110、レンズ115を透過した光は、光素子160で受光されて電気信号に変換された後、トランスインピーダンスアンプ170によって増幅される。この電気信号は、ピン108から外部装置に伝達、出力される。

図12は、本発明の第八の実施例である光モジュールの光素子搭載基板の断面図である。本構成では、図8の構成に比べ、光素子(フォトダイオード)160とトランスインピーダンスアンプ170をフリップチップで実装したものである。

次に、本発明による光モジュールに好適な光素子の作製方法について説明する。図13に、本発明の光モジュールに適用する(a)レンズ集積水平共振器垂直出射型レーザの断面図および(b)上面図を示す。尚、図1(a)はレーザ素子の共振器に水平な面の断面図であり、図1(b)はレーザ素子の光出射面である。この水平共振器垂直出射型レーザはn型半導体基板1011上に活性層1012が積層成長され、更にその上に回折格子層1013が形成され更にp型クラッド層1014が形成されている。n型半導体基板にはnドープInPが、活性層1012には例えばInGaAlAsの歪み量子井戸構造、回折格子層としてはGaInAsPなどが、また、p型クラッド層にはpドープInPが用いられる。また、本レーザでは、半導体埋め込み層1017をエッチングした反射鏡1018を有する。この時、半導体埋め込み層1017には半絶縁性のFeドープInPやp型クラッド層と同じ半導体材料を用いてもよい。
集積レンズ1019は、n型半導体基板1011をエッチングして形成して作製する。さらに、レンズ1019の表面には例えばアルミナの薄膜からなる無反射コーティング1021が施されている。

図14は、本発明の光モジュールに適用する(a)レンズ集積フォトダイオードの断面図および(b)上面図である。このレンズ集積フォトダイオードはn型半導体基板1011上に吸収層1032が積層成長され、更にp型クラッド層1014が形成されている。n型半導体基板にはnドープInPが、吸収層1032には、例えばInGaAlAsなどが用いられる。集積レンズ1019は、n型半導体基板1011をエッチングして形成して作製する。さらに、レンズ1019の表面には例えばアルミナの薄膜からなる無反射コーティング1021が施されている。

次に、本発明である光素子が複数適用した場合の光モジュールの実施例について、説明する。図15に、本発明の第十二の実施例である光モジュールの断面図を示す。本発明による光モジュールは、光ファイバ100とフェルール106と2ペースで構成されたパッケージ200(200−1、200−2)と3つのミラー210(210−1〜210−3)と4つの波長選択フィルタ220(220−1〜220−4)と、これまで述べてきた光素子をパッケージした光モジュール(波長選択フィルタ220へ向かって開口部を有し、その開口部にレンズ115(115−1〜115−4)が嵌合されている封止基板110、光素子搭載基板120、光素子160を備えている。)とから構成される。ただし、封止基板にはファイバ100やフェルール106を嵌合させるファイバ嵌合用凹部112はない。

パッケージ200は、フェルール106、レンズ115、ミラー210とフィルタ220、光モジュールを固定し、パッケージングしている。光ファイバ100から導かれてきた光信号は複数の異なる波長を多重された信号である。この波長多重された光信号は、フェルール106から出射され、レンズ115によってコリメート光に近い状態で出力される。その光は、波長選択フィルタ220−4、ミラー210−3、波長選択フィルタ220−3、ミラー210−2、波長選択フィルタ220−2、ミラー210−1、波長選択フィルタ220−1の順に、伝播する。波長選択フィルタは、波長多重された信号の1つのみを透過させ、他の波長の光は全て反射するような特性になっている。フィルタ220−4、フィルタ220−3、フィルタ220−2、フィルタ220−1と、順々に異なる波長の光が分離され、光モジュールのレンズ115−1、レンズ115−2、レンズ115−3、レンズ115−4を介して集光され、光素子160に入射する。このように、本発明による小型光モジュールにより、小型の波長多重光モジュールを実現できる。

図16に、本発明の第十三の実施例である光モジュールの断面図を示す。この例では、レセプタクル型光モジュールを実現するために、レセプタクル300を加えた構成となっている。尚、レセプタクル型光モジュールでは、光信号の入力方向と、ピン108からの電気信号の出力方向が同じ方向になる方が、レセプタクル型光トランシーバなどの装置に適用される場合、光トランシーバを小型にする上で有効である。それは、レセプタクル部分を光トランシーバのものと共通にできるからである。
図17に、本発明の第十四の実施例である光モジュールの断面図を示す。本発明による光モジュールは、光ファイバ100とフェルール106とレンズ115とパッケージ200とミラー210とフィルタ220と、これまで述べてきた光素子をパッケージした光モジュール(封止基板110、光素子搭載基板120、光素子160などから構成される)とから構成される。この例で示した光モジュールは、図11で説明した構成のものを示してあり、レンズ115は光素子160に集積された構成としている。

図18に、本発明の第十五の実施例である光モジュールの断面図を示す。この例では、図17の構成に、レセプタクル型光モジュールを実現するために、レセプタクル300を加えた構成となっている。前述したように、レセプタクル型光モジュールでは、光信号の入力方向と、ピン108からの電気信号の出力方向が同じ方向になる方が、光トランシーバなどの装置に適用される場合、光トランシーバを小型にする上で有効である。

図19に、本発明の第十六の実施例である光モジュールの断面図を示す。この例では、図17の構成に、ミラー210を一つ追加して、光ファイバ100の出口をピン108からの電気信号の出力方向と同じ側にしたものである。レセプタクル型光トランシーバに適用される場合、このファイバ100の出力を直接に光トランシーバの出力とすることが出来ない。光トランシーバに別のレセプタクルを設け、それにファイバを接続して実現する。その場合、ファイバの余長処理を行う空間が必要である。この例では、ピン108の先には、論理処理回路などの電子部品が接続されるので、例えば、その電子部品の上側にファイバの余長処理を行う部分を設けるなどすれば、実装面積を増やさずに、光トランシーバに収容することが可能となる。
図20に、本発明の第十七の実施例である光モジュールの断面図を示す。この例では、図19の構成に、ミラー210を更に一つ追加して、ファイバ出口がパッケージにほぼ垂直、ピン108からの電気信号の出力方向とほぼ平行にしたものである。パッケージに対して、斜めにファイバを高精度に組み立てる際に、組立機からの制限により、製造しにくくなる場合があるので、その対処方法として本構造は有効である。

一般的に、受光素子では高速性を高めるためには受光面積を小さくする必要がある。このため、本発明の波長多重光モジュールでは、レンズ115によって、コリメータに近いビームを生成し、光素子に近い側の個別レンズで、コリメータ光を絞って光素子に受光させている。この方法は確実であるが、光素子に個別に外部レンズを設けると部品点数が多くなってしまう。そこで、もう一つの方法としては、レンズ115によって光を絞り一度集光させて、焦点近傍に光素子を配置する方法である。図21、22に、等価となる光学系を示した。この場合、全ての光素子160に対して、ΔDをなるべく小さく取ることで、受光径の制限によらない光学系を実現できる。このように、光素子が偶数個存在する場合には図21の光学系を、光素子が奇数個存在する場合には図22の光学系を組むことで、図15〜20の構成の光モジュールで部品点数を減らすことが可能となる。

図23に、本発明の第十七の実施例である光モジュールの断面図を示す。この例では、光素子160がアレイ化された構成になっている場合にパッケージングした場合を示している。レンズ115も、アレイレンズを用いた構成となっている。図24に、封止を行うための最小限の構成を示した。

このように、本発明により、光ファイバで信号を伝送するための光モジュールに関して、光部品数、実装工程数を大幅削減し、小型化且つ高い歩留まりを実現し、光ファイバへの接続を容易とする光モジュールおよびその製造方法を提供する。特に、1本の光ファイバで複数の波長の光を伝送する、波長多重光伝送や1芯双方向光伝送の端末機として用いられる光モジュールに関して、低損失な光学特性及び高信頼性を保ちつつ、小型化かつ信頼性に優れた光モジュールおよびその製造方法を提供できる。

100…光ファイバ
101…ステム
102、200…パッケージ
103…レーザ素子
104…サブマウント
106…フェルール
107…ボンディングワイヤ
108…ピン
110…封止基板
112…ファイバ嵌合用凹部
113…先球ファイバ
115…レンズ
117…樹脂
120…光素子搭載基板
130…電気配線
140…貫通ビアホール
150、160…光素子
170…トランスインピーダンスアンプ
180…アライメントマーク
210…ミラー
220…フィルタ
300…レセプタクル
310…ホルダ部
320…スリーブ
330…光接続機構
1011…n型半導体基板
1012…活性層
1013…回折格子
1014…p型クラッド層
1015…p電極
1016…n電極
1017…半導体埋め込み層
1018…反射鏡
1019…集積レンズ
1021…無反射コーティング
1032…吸収層

Claims (20)

  1. 第1基板と、光素子と、光透過性の第2基板と、光ファイバとが順に並んで配置された光モジュールであって、
    前記第1基板は、前記第2基板と対向する第2面と、前記第1面とは逆側の第1面とを備え、
    前記第2基板は、前記第1基板と対向する第3面と、前記第1面とは逆側の第4面とを備え、
    前記第2基板は、前記光素子に接続された配線と、前記第1面と前記第2面との間に設けられた貫通ビアホールとで前記光素子に給電する構成を備え、
    前記第4面は、前記光ファイバが嵌合された凹部を備え、
    前記第1基板と前記第2基板とが前記光ファイバと前記光素子とが光結合する位置で互いに固定され、前記第1基板と前記第2基板との間に封止空間が構成されていることを特徴とする光モジュール。
  2. 請求項1において、
    前記光素子と前記第2基板との間に光受動部品を備え、
    前記光受動部品は、前記第1基板の第2面と前記第2基板の第3面とで保持されていることを特徴とする光モジュール。
  3. 請求項2において、
    前記光受動部品は、ボールレンズであることを特徴とする光モジュール。
  4. 請求項1において、
    前記凹部に挿入された光ファイバは、先端が凸曲面となっている先球レンズであることを特徴とする光モジュール。
  5. 請求項4において、
    前記凹部の底面の側壁が凹んだ曲面になっていることを特徴とする光モジュール。
  6. 請求項1において、
    前記凹部に挿入された光ファイバは、先端が光軸を法線としない斜面となっていることを特徴とする光モジュール。
  7. 請求項6において、
    前記凹部の底面が斜面を備えていることを特徴とする光モジュール。
  8. 請求項1において、
    前記第1基板と前記第2基板との間に、前記光素子を囲むスペーサを備えることを特徴とする光モジュール。
  9. 請求項8において、
    前記スペーサの内壁は順テーパを備えていることを特徴とする光モジュール。
  10. 請求項8において、
    前記スペーサは、前記第1基板の一部で構成されていることを特徴とする光モジュール。
  11. 請求項10において、
    前記スペーサの内壁が順テーパを備えていることを特徴とする光モジュール。
  12. 請求項1において、
    前記第1基板の第2面に保持されず、前記第2基板の第3面に保持された第1レンズを備え、前記第1レンズが前記光結合する光の光軸が通過する位置にあることを特徴とする光モジュール。
  13. 請求項12において、
    前記レンズは、透光性樹脂で固定されているか、前記レンズ自体を透過性樹脂で前記第2基板に直接形成したものか、前記第2基板自体を成形することで形成されたものであることを特徴とする光モジュール。
  14. 請求項1において、
    前記光素子が受光素子であり、
    前記第1基板の第2面にトランスインピーダンスアンプを備え、
    前記トランスインピーダンスアンプは、前記貫通ビアホールと前記受光素子との間に配置されることを特徴とする光モジュール。
  15. 請求項1において、
    前記光素子は、前記第1基板の第2面にフリップチップボンディング方式で実装されていることを特徴とする、光モジュール。
  16. ファイバと、フェルールと、第1レンズと、第1波長選択フィルタと、第2波長選択フィルタと、第1基板と、第2レンズと、光素子が搭載された第2基板と、ピンとが固定されたパッケージを備えた光モジュールであって、
    第1光学系、第2光学系、第3光学系とを備え、
    前記第1光学系は、前記ファイバ、前記フェルール、前記第1レンズを備え、
    前記ファイバ、前記フェルール、前記第1レンズがこの順に、または逆順に、第2光学系の前記波長選択フィルタと光結合するようにパッケージに固定され、
    前記第2光学系は、第1波長選択フィルタと第2波長選択フィルタを備え、
    前記第1波長選択フィルタと前記第2波長選択フィルタは、第1波長選択フィルタで反射した光が第2波長選択フィルタと光結合するように、前記パッケージに固定され、
    前記第3光学系は、第1基板、第2レンズ、第2基板を備え、
    前記波長選択フィルタ、前記第1基板、前記第2レンズがこの順又は逆順に、前記第2基板に搭載された前記光素子と光結合するように、前記第1基板、前記第2レンズ及び前記第2基板は前記パッケージに固定され、
    前記第3光学系を複数備え、
    前記第1波長選択フィルタに対して、1の第3光学系が光結合されており、
    前記第2波長選択フィルタに対して、他の第3光学系が光結合されていることを特徴とする光モジュール。
  17. 請求項16において、
    前記第2光学系は、ミラーを有し、
    前記第1波長選択フィルタと前記第2波長選択フィルタとの間の光結合は、前記ミラーを介してなすことを特徴とする光モジュール。
  18. 請求項16において、
    1の前記第3光学系を構成する前記第1基板が他の前記第3光学系を構成する前記第1基板と同一基板であるか、
    1の前記第3光学系を構成する前記第2基板が他の前記第3光学系を構成する前記第2基板と同一基板であるか、
    1の前記第3光学系を構成する前記第1基板が他の前記第3光学系を構成する前記第1基板と同一基板であり、かつ、1の前記第3光学系を構成する第2基板が他の第3光学系を構成する第2基板と同一基板であることを特徴とする光モジュール。
  19. 請求項16において、
    前記ファイバとフェルールの代わりにレセプタクルを有することを特徴とする波長多重光モジュール。
  20. 請求項16において、
    前記第2光学系を構成する波長選択フィルタの数は、前記第2光学系を構成するミラーの数と同数か、1つ多いか、又は1つ少ないことを特徴とする波長多重光モジュール。
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