JP2010230737A - 光モジュール及び光の進行方向の変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易であり、低コストで製造が可能な光モジュールの提供。
【解決手段】光伝送路と、前記光伝送路の光軸に対して垂直の方向に設置された光半導体素子と、前記光伝送路と前記光半導体素子とを光学的に接続する光結合路と、少なくとも前記光結合導波路の表面の一部に形成している金属コートとを有し、前記光結合導波路は、単一の透明樹脂のみからなり、前記透明樹脂の端面が前記光伝送路のコア端面全体および前記光半導体素子の受発光面全体を覆っており、前記透明樹脂の側面形状が樹脂の表面張力により形成されており、前記光伝送路端面と前記光半導体素子の受発光面の中心を通り、両面に対し垂直な断面において前記透明樹脂の外側の外周形状が略円弧形状であり、前記金属コートは略円弧状の前記光結合導波路の表面の少なくとも略円弧状の外側に形成されていることを特徴とする光モジュール。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信や光伝送技術及び光情報記録技術に用いられる光モジュールに係わり、特に光半導体素子と光伝送路との光結合部に関するもので、光モジュールを低コスト化せしめるものである。

光モジュールでは、基板に搭載された光半導体素子と、光軸が基板と平行になるように設置された光伝送路とを、光路変換用ミラーと集光レンズを介して光結合させる構造が一般に用いられている。しかし、この構造の光結合部は部品点数が多く、高い実装精度を要求される場合が多いため、光モジュールのコストアップの大きな要因となっていた。

この問題を解決するために、新しい光結合部の開発が試みられており、例えば、特許文献１には、図１に示すような屈折率の異なる構造により、光結合部の部材数を減らすことで光モジュールの低コスト化を行う方法が開示されている。図１中、符号１１は基板、１２はアレイ状面型光素子、１３はアレイ状光ファイバ、１３Ａは光ファイバのコア、１３Ｂは光ファイバのクラッド、１５は光導波路構造体、１６は第１のクラッド、１７はコア、１８は第２のクラッド、そして１９は第３のクラッドである。

この従来の光モジュールでは、一方の面から入射された複数の入射光を、進行方向を変えて他方の面から出射させる光路変換用光導波路１５を用い、アレイ状面型光素子１２とアレイ状光ファイバ１３とを光結合させている。前記光路変換用光導波路１５は、光の進行方向に沿って表裏両面に溝が設けられた第１のクラッド１６と前記コア１７の表出面を含む面を覆い、前記第１のクラッドと一体化された状態で前記第１のクラッドの表裏面上にそれぞれ設けられた第２のクラッド１８および第３のクラッド１９とを有している。

特開２００６−９１６８４号公報

前述した従来の光モジュールでは、光路変換用光導波路１５を通る光を正確にアレイ状面型光素子１２の受発光面に集光するためには、光路変換用光導波路１５をＸＹＺ軸を中心とする回転方向（以下θφψ方向と呼ぶ）についても高い精度で実装する必要がある。そのためには、光路変換用光導波路の位置を決めるために、光路変換用光導波路１５から光を常に出射させてアレイ状面型光素子１２の受光信号をモニタし、光のパワーが最大となるように、光路変換用光導波路１５をＸＹＺおよびθφψ方向について調芯しなければならないため、組立作業に時間がかかり、光モジュールの製造コストが高くなるという問題点があった。

また、従来の光モジュールに用いる光路変換用光導波路１５は、コア１７を形成するためにクラッド１６が必要なので、光路変換用光導波路１５の部材コストが高くなるという問題があった。また、前記クラッド１６の成型には金型が必要なため、光路変換用光導波路１５の製造コストが高くなるという問題があった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、製造が容易であり、低コストで製造が可能な光路変換用光導波路付きの光モジュールの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、光伝送路と、前記光伝送路の光軸に対して垂直の方向に設置された光半導体素子と、前記光伝送路と前記光半導体素子とを光学的に接続する光結合路と、少なくとも前記光結合導波路の表面の一部に形成している金属コートとを有する光モジュールであって、
前記光結合導波路は、単一の透明樹脂のみからなり、前記透明樹脂の端面が前記光伝送路のコア端面全体および前記光半導体素子の受発光面全体を覆っており、前記透明樹脂の側面形状が樹脂の表面張力により形成されており、前記光伝送路端面と前記光半導体素子の受発光面の中心を通り、両面に対し垂直な断面において前記透明樹脂の外側の外周形状が略円弧形状であり、前記金属コートは略円弧状の前記光結合導波路の表面の少なくとも略円弧状の外側に形成されていることを特徴とする光モジュールを提供する。

本発明の光モジュールにおいて、前記金属コートが略円弧状の前記光結合導波路の表面全体に形成されていることが好ましい。

本発明の光モジュールにおいて、前記金属コートが、電気的に接続されている、前記光半導体素子の電極、基板上に形成された電極回路及びワイヤ配線に接することなく、なおかつ電気的に接続されている範囲全体を、前記基板と前記金属コートとで覆っていることが好ましい。

本発明の光モジュールにおいて、電気的に接続されている、前記光半導体素子の電極、基板上に形成された電極回路及びワイヤ配線と、これらの範囲全体を覆っている前記金属コートとの間に樹脂層があることが好ましい。

本発明の光モジュールにおいて、前記金属コートが前記基板上のアース配線と接続されていることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明の光モジュールを用い、光結合導波路の表面に形成された金属コートにより、光の進行方向を前記光伝送路の出射方向から前記光半導体素子である受光素子への入射方向へ、または前記光半導体素子である発光素子への出射方向から前記光伝送路への入射方向へ変化させることを特徴とする光の進行方向の変換方法を提供する。

本発明によれば、従来の光モジュールに比べて、次のような格別な効果を得ることができる。
（１）受光信号をモニタすることなくパッシブで調芯することが可能であるため、組立時間を短くすることができ、光モジュールの製造コストを低減することができる。
（２）クラッド部材、或いは、封止樹脂９の内部に空間を設けるための部材などが不要であるため、光路変換用光導波路のコストを安くすることができる。
（３）光路変換用光導波路の作製に金型が必要ないので、光路変換用光導波路のコストを安くすることができる。
（４）金属コートは、周囲からの光を遮断する効果もあるため、迷光による信号の誤り率を低減することができる。
（５）金属コートの一部を基板上のアース配線に接続することにより、磁場のシールド効果をより高めることができる。

従来の光モジュールを例示する側面図である。 本発明の光モジュールの第１実施形態を示す断面図である。 本発明の光モジュールの製造工程中、光結合部の作製工程を示す要部断面図である。 本発明の光モジュールの製造工程中、図３の次の工程を示す要部断面図である。 本発明の光モジュールの第２実施形態を示す断面図である。 本発明の光モジュールの第３実施形態を示す断面図である。 本発明の光モジュールの第４実施形態を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図２は、本発明の光モジュールの第１実施形態を示す断面図であり、この図中、符号１は光半導体素子、１ａはその受発光面、２は光伝送路、３は光半導体素子１と光伝導路２とを光学的につなぐ光結合路、４は光半導体素子に電力を供給するためのワイヤ配線、５は光半導体素子を形成するための基板、６は基板上に形成された電極回路である。８は光結合導波路と接する金属コートであり、９は全体を封止する樹脂である。

光半導体素子１は、基板５上に形成された電極回路と接合剤により電気的に接続され、光半導体素子１の表面電極は、ワイヤ配線４により基板５上に形成された電極回路６と電気的に接続されている。光結合導波路３は後述するように円弧状に形成され、円弧状の表面全体、或いは表面の少なくとも円弧状の外側、すなわち図２では上側、には光結合導波路３に接して金属コート３が形成されている。

光結合導波路３は、次のように作製する。まず、光半導体素子１の受発光面１ａ上に精密ディスペンサ１０を用いて透明樹脂３ａを塗布する。次に、光伝送路２を透明樹脂３ａ中に挿し込んだあと（図３）、透明樹脂表面７の形状が緩やかな弧を描くように、光伝送路２をゆっくりと斜め上方向に引き上げる（図４）。さらに、透明樹脂を硬化させて光結合導波路３を得る。

また、光結合導波路３を得る手段として、透明樹脂３ａを塗布する工程と、光伝送路２を受発光面１ａ上に移動する工程の順序を変えて、次のように形成してもよい。まず、光伝送路２を光半導体素子の受発光面１ａ上の適当な位置に移動する。次に、精密ディスペンサ１０を用いて、光半導体素子の受発光面１ａ上に光伝送路２にかかるように、透明樹脂３ａを塗布する（図３）。次に、透明樹脂表面７の形状が緩やかな弧を描くように、光伝送路２をゆっくりと斜め上方向に引き上げる（図４）。さらに、透明樹脂を硬化させて光結合導波路３を得る。

光伝送路２の引き上げ量、引き上げる経路、或いは方向は、用いる光伝送路２や光半導体素子の材料や構造、実装環境により異なるが、光半導体素子１と光伝送路２の位置関係のトレランスが大きいため、あらかじめ最適条件を求めておくことにより、上記の作製工程を全て自動化することができる。この方法により、エアクラッドとなる光路変換用光導波路が得られる。

上記の方法で得られた光路変換用光導波路は非常に有用であるが、パッケージ化を考慮した場合、パッケージ内にエアクラッド部、すなわち、空間を設ける必要があるため、空間を作る部材を設けるなどの対策が必要である。そこで本発明では、光結合導波路３の表面に金属コート８を形成している。金属コート８を形成することにより、光結合導波路３の外側にエアクラッド部を設ける必要がなくなり、封止樹脂９の内部に空間を設ける必要がなくなる。さらに、金属コート８は周囲からの光を遮断する効果もあり、迷光による信号の誤り率を低減する効果もある。特に金属コート８の一部を基板上のアース配線に接続すれば、磁場のシールド効果をより高めることができる。

金属コート８は、如何なる方法で形成しても良いが、本実施例では、銀ペーストを光結合導波路３表面全体に塗布し、その後１５０℃で９０分間保持することで、金属コート８を形成することで、封止樹脂９で全体を封止しても、金属コート８を形成せずにエアクラッド部を設けた場合と同じ伝送特性が得られることを確認した。

本発明において、光半導体素子１としては、ＶＣＳＥＬやＬＥＤなどの発光素子や、ＰＤなどの受光素子を使用することができる。光伝送路２には、石英光伝送路、高分子光導波路などを使用することができる。光結合導波路３には、ＵＶ硬化性樹脂や熱硬化性樹脂を用いることができる。ワイヤ配線４は、金ワイヤやアルミワイヤ、銅ワイヤのいずれを用いても良い。基板５は、ガラスエポキシ基板やセラミック基板など一般的な絶縁基板を使用することができる。金属コート８は、銀ペーストや塗料など、伝送する波長の光を反射しなおかつ光結合導波路３と密着するものであれば何でも良い。封止樹脂９として使用する樹脂は、電子部品の封止材料として使用されている樹脂がよいが、特に制約はない。

本実施形態では、発光素子側の例として、光半導体素子１にＶＣＳＥＬを、光伝送路には光ファイバを、透明樹脂３にはＵＶ硬化樹脂を、ワイヤ配線４には金ワイヤを、基板５にはガラスエポキシ基板を用いた。金属８には銀ペースト、封止樹脂９には黒色エポキシ樹脂を使用した。また、受光素子側の例として、光半導体素子１にＰＤを、光伝送路には光ファイバを、透明樹脂３にはＵＶ硬化樹脂を、ワイヤ配線４には金ワイヤを、基板５にはガラスエポキシ基板を用いた。金属コート８には銀ペースト、封止樹脂９には黒色エポキシ樹脂を使用した。

本発明によれば、光ファイバ２と、光半導体素子１（ＶＣＳＥＬ或いはＰＤ）とが同じ透明樹脂３により光学的に直接結合されており、光ファイバ２から出た光は光結合導波路３により光半導体素子まで導かれる。光半導体素子１と光伝送路２の位置関係のトレランスが大きいため、あらかじめ最適条件を求めておけば、受光信号をモニタすることなくパッシブで調芯することが可能である。従来の光路変換用光導波路では、光路変換用光導波路の位置を決めるために、光路変換用光導波路から光を常に出射させて受信信号をモニタして光のパワーが最大となるように、光路変換用光導波路をＸＹＺおよびθφψ方向について調芯しなければならないため、組立作業に非常に時間がかかり、モジュールの製造コストが高くなるという問題があったので、本発明には大きな利点がある。

また、金属コート８を設けることにより、クラッド部材或いは封止樹脂９の内部に空間を設けるための部材なども不要となる。金属コート８は、周囲からの光を遮断する効果もあるため、迷光による信号の誤り率を低減する効果もある。さらに、金属コート８の一部を基板上のアース配線に接続すれば、磁場のシールド効果をより高めることができる。
また、前記光結合導波路を用いた光路変換用光導波路の作製には、金型が必要ないので、部材の製造コストを安くできるという、大きな効果がある。

（第２実施形態）
図５は、本発明の光モジュールの第２実施形態を示す断面図である。本実施形態の光モジュールは、図２に示す第１実施形態の光モジュールとほぼ同様の構成要素を備えて構成され、同じ構成要素には同一符号を付してある。本実施形態の光モジュールは、第１実施形態における金属コート８を、円弧状の光結合導波路３の表面のうち、円弧状の外側、即ち図５では上側のみに形成した構成になっている。金属コート８は、円弧状の光結合導波路３の表面のうち、外側、即ち図５では上側のみにしか形成していないため、光結合導波路３の円弧状の内側は屈折率が殆ど変わらないクラッドが存在することになるが、光結合導波路３を通る光の大部分が円弧状の外側を通るため、影響が小さい。実際に、図５のように、金属コート８を、円弧状の光結合導波路３の表面のうち、円弧状の外側のみに形成し、光結合導波路３の表面全体に形成した場合と同じ伝送特性が得られることを確認した。

（第３実施形態）
図６は、本発明の光モジュールの第３実施形態を示す断面図である。本実施形態の光モジュールは、図３に示す第２実施形態の光モジュールとほぼ同様の構成要素を備えて構成され、同じ構成要素には同一符号を付してある。本実施形態の光モジュールは、第２実施形態の光モジュールと比べると、電気的に接続されている光半導体素子１から、基板５に形成された電極回路６及びワイヤ配線４にわたる範囲に樹脂１０を設けている点と、金属コート８が覆っている範囲とが異なる。

電気的に接続されている範囲を樹脂１０で覆った後に、その上に金属コート８を形成することで、外部の磁場からのシールド、或いは接続部から外への磁場をシールドする効果がある。樹脂１０は金属コート８が電気回路及び配線をショートさせないために形成している。さらに、金属コート８の一部を基板５上のアース配線に接続することで、磁場のシールド効果をより高めることができる。

また、樹脂１０は、ワイヤ配線４，光路変換用光導波路３，光半導体素子１，および光ファイバ２の外周を覆っているため、外力によりワイヤ配線が断線するのを防ぐことができると同時に光結合部全体の機械的強度を高くできるという利点もある。

（第４実施形態）
図７は、本発明の光モジュールの第４実施形態を示す断面図である。本実施形態の光モジュールは、第１実施形態〜第３実施形態の光モジュールとほぼ同様の構成要素を備えて構成され、本実施形態の光モジュールは、光半導体素子に発光素子と受光素子の２種を用いて光送受信モジュールを形成した点が異なる。１ｂ，１ｃは光半導体素子、２は光伝送路、３は光半導体素子１と光伝送路２とを光学的に接続する光結合導波路、４は光半導体素子に電力を供給するためのワイヤ配線、５は光半導体素子を搭載するための基板、６は基板上に形成された電極回路である。

光半導体素子１ｂ，１ｃは、基板５上に形成された電極回路６と接合材により電気的に接続されている。光半導体素子１ｂ，１ｃの表面電極は、ワイヤ配線４により基板５上に形成された電極回路６と電気的に接続されている。

また、電気的に接続されている、光半導体素子１ｂ，１ｃから、基板５上に形成された電極回線６及びワイヤ配線４にわたる範囲に樹脂１０を設けている。電気的に接続されている範囲を樹脂１０で覆った後に、金属コート８を形成することで、外部の磁場からのシールド、或いは接続部から外への磁場をシールドする効果がある。

樹脂１０は金属コート８が電気回路及び配線をショートさせないために形成している。さらに、金属コート８の一部を基板５上のアース配線に接続することで、磁場のシールド効果をより高めることができる。

また、樹脂１０は、ワイヤ配線４，光路変換用光導波路３，光半導体素子１ｂ，１ｃ，および光ファイバ２の外周を覆っているため、外力によりワイヤ配線が断線するのを防ぐことができると同時に光結合部全体の機械的強度を高くできるという利点もある。

本実施形態では、発光側の光半導体素子１ｂにＶＣＳＥＬを、受光側の光半導体素子１ｃにＰＤを、透明樹脂３とクラッド樹脂９にはＵＶ硬化樹脂を、ワイヤ配線４には金ワイヤを、基板５にはガラスエポキシ基板を用いた。

ＶＣＳＥＬ（１ｂ）から光結合導波路３に入射した光は、光結合導波路３と金属コート８により、透明樹脂表面形状７に沿って緩やかに光路を９０度変換し、光導波路２へと入射する。光導波路２から透明樹脂３に入射した光は、透明樹脂３と外周を覆うクラッド樹脂との屈折率差により透明樹脂３中に閉じ込められながら透明樹脂表面形状７に沿って緩やかに光路を９０度変換し、ＰＤ（１ｃ）へと入射する。ワイヤ配線４は、外周をクラッド樹脂に覆われ、保護されている。また、光導波路２は、クラッド樹脂９により基板５に直接固定されている。

本実施形態では、光導波路２と光半導体素子１ｂ，１ｃとが光結合導波路３により光学的に直接結合されており、上述したように、光導波路２から出た光は光結合導波路３により自動的に光半導体素子１ｂ，１ｃまで導かれるので、位置のトレランスが大きく、アクティブ調芯の必要がないという利点がある。また、光路変換用光導波路３の作製には金型が必要ないので、部材のコストを安くできるという効果がある。また、樹脂１０は、ワイヤ配線４，光路変換用光導波路３，光半導体素子１ｂ，１ｃ，および光ファイバ２の外周を覆っているため、外力によりワイヤ配線が断線するのを防ぐことができると同時に、光結合部全体の機械的強度を高くできるという利点もある。

本発明は、光通信や光伝送技術及び光情報記録技術に用いられる光モジュールに係わり、特に光半導体素子と光伝送路との光結合部に関するもので、光モジュールを低コスト化せしめるものである。

１，１ｂ，１ｃ…光半導体素子、１ａ…受発光面、２…光伝送路、３…光結合路、４…ワイヤ配線、５…基板、６…電極回路、７…透明樹脂表面、８…金属コート、９，１０…樹脂。

Claims (6)

1. 光伝送路と、前記光伝送路の光軸に対して垂直の方向に設置された光半導体素子と、前記光伝送路と前記光半導体素子とを光学的に接続する光結合路と、少なくとも前記光結合導波路の表面の一部に形成している金属コートとを有する光モジュールであって、
   前記光結合導波路は、単一の透明樹脂のみからなり、前記透明樹脂の端面が前記光伝送路のコア端面全体および前記光半導体素子の受発光面全体を覆っており、前記透明樹脂の側面形状が樹脂の表面張力により形成されており、前記光伝送路端面と前記光半導体素子の受発光面の中心を通り、両面に対し垂直な断面において前記透明樹脂の外側の外周形状が略円弧形状であり、前記金属コートは略円弧状の前記光結合導波路の表面の少なくとも略円弧状の外側に形成されていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記金属コートが略円弧状の前記光結合導波路の表面全体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記金属コートが、電気的に接続されている、前記光半導体素子の電極、基板上に形成された電極回路及びワイヤ配線に接することなく、なおかつ電気的に接続されている範囲全体を前記基板と前記金属コートとで覆っていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
4. 電気的に接続されている、前記光半導体素子の電極、基板上に形成された電極回路及びワイヤ配線と、これらの範囲全体を覆っている前記金属コートとの間に樹脂層があることを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。
5. 前記金属コートが前記基板上のアース配線と接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光モジュール。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の光モジュールを用い、光結合導波路の表面に形成された金属コートにより、光の進行方向を前記光伝送路の出射方向から前記光半導体素子である受光素子への入射方向へ、または前記光半導体素子である発光素子への出射方向から前記光伝送路への入射方向へ変化させることを特徴とする光の進行方向の変換方法。

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