JP2012068539A - 光モジュールおよび製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】光モジュールを簡単かつ精度よく製造できること。
【解決手段】光モジュールは、伝送した信号光を入出力する光導波路と、レンズシート120と、フレキシブル電気回路基板103と、フレキシブル電気回路基板103に搭載される受光素子あるいは発光素子からなる光素子とを備えている。レンズシート120は、透明な材料からなり、フレキシブル電気回路基板103の下面に貼り付けられる。このレンズシート120には、光素子の光が通過する部分にレンズ120aが形成される。また、このレンズシート120には、光素子との位置決め用の指標としてのエッジ構造体120bが形成される。
【選択図】図3−2

Description

本発明は、光モジュールおよび製造方法に関する。
近年、サーバや高性能コンピュータの分野では、性能の向上によりCPUと外部インターフェースとを通信するI/O機能の伝送容量が増大している。一方で、従来の電気を使った高速伝送では、クロストークや配線密度の観点から、光電変換素子を配置し、光信号によって大容量伝送を可能とする光インターコネクト技術が検討されている。
光インターコネクト技術では、従来の基幹系の光通信と比較して小型であり、低コストに製造可能な小型の光モジュールが必要となる。このような光モジュールは、透明な材質を含む回路基板上に発光素子や受光素子のような光素子がフェイスダウン実装され、光素子を実装した面とは反対側の面に光導波路が配置されたものが知られている。
こういった光モジュールとしては、より低コストに製造可能な構成とするため、ポリイミド等の薄膜からなる透明なFPC基板に光伝送素子を実装したものが知られている。そのような光モジュールを、たとえばサーバ内のプリント板に電気コネクタを介して設置することで、高速伝送な光通信が低コストに可能となる。
また、光インターコネクト技術分野では、20[GBps]超の高速光伝送の要望が強まっている。そのため、高速で動作できる発光素子や受光素子が実装された光モジュールが用いられている。しかし、上述した光モジュールにおいては、受光素子や発光素子と、光導波路と、の間の信号光の結合損失が大きかった。
具体的には、光素子における発光部や受光部の口径と、光導波路における入射口や出射口の口径は必ずしも一致するものではなく、口径差が大きいほど外部に信号光が放射されるため、結合損失が大きい。特に、高速で動作させる受光素子ほど受光面の口径(受光面積)が小さい。受光素子の高速化のためには、受光素子の浮遊容量を低減する必要があり、このために受光面の口径を小さくする必要があり、たとえば、20[GBps]以上で動作させるためには、受光面の口径は50[μm]より小さくするのが望ましい。
一方、光導波路は、安価なマルチモード導波路を使用した場合、一般的には出射口の口径が50[μm]程度であるため、このマルチモード導波路からの出射ビームの拡がりを考えると2〜3[dB]程度光損失が劣化することになる。また、光素子が発光素子である場合においても、高周波対応にするため基板を厚くする必要があることから、出射ビームの一部が光導波路に結合しなくなり、0.5〜1[dB]程度光損失が劣化する。
このような光損失の劣化を改善するため、受光素子の受光面にディスペンサによりマイクロレンズを形成することで受光素子とレンズを一体とした構成(たとえば、下記特許文献1参照。)、導波路の45度ミラー部分に凹面鏡を一体形成する方法(たとえば、特許文献2参照。)、プリント基板に穴をあけてレンズを挿入する方法(たとえば、特許文献3参照。)等が開示されている。
特開2004−241630号公報 特開2001−141965号公報 特開2006−284781号公報
しかしながら、上述した従来技術では、いずれも製造が複雑であり、光モジュールの製造を簡単におこなえないという問題がある。たとえば、特許文献1では、光素子の製造時にレンズを集積する必要があるが、製造装置が特殊となり、また、レンズの製造精度が悪く歩留まりが低下する。また、高速の受光素子は、容量を低減するために、メサ構造が形成されているので、受光部より極端に大きなレンズを形成することは難しく、レンズに入射しない光が発生する。また、特許文献2では、導波路の45度ミラーの形成時にレンズを集積する必要があるが、一般的に45度ミラーを形成するダイシングの工程では凹面鏡は作成できず、また、エッチングによる方法では特殊な導波路用材料が必要になるので製造上現実的ではない。さらに、特許文献3の方法では、プリント板の穴の寸法精度を向上できないため、レンズと発光素子、受光素子との位置合わせを10[μm]以下の精度でおこなうことが困難であり、製造歩留まりが低下する。
このように、従来は、高速なフェイスダウン実装の光モジュールを製造しようとしても、光素子とレンズを精密に位置決めおよび軸合わせできず、また、製法を簡単にできなかった。また、量産に適したレンズを用いておらず、精度向上と製造の容易化を達成することができなかった。
開示の技術は、上述した問題点を解消するものであり、光モジュールを簡単かつ精度よく製造できることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、開示技術は、基板上に受光素子および発光素子の少なくともいずれか一つの光素子が搭載された電気回路基板と、前記電気回路基板の下面に設けられ、透明な材料からなるレンズシートと、前記レンズシートの前記光素子の光が通過する部分に形成されたレンズと、前記レンズシート上に形成され、前記光素子との位置決め用の指標としてのエッジ構造体と、前記レンズシートの下面に設けられ、前記レンズを介して前記光素子に対する光を入出力する光導波路と、を備える。
開示の技術によれば、光モジュールを簡単かつ精度よく製造できるという効果を奏する。
実施の形態1にかかる光モジュールの全体構成を示す上面図である。 図1−1にかかる光モジュールの側面図である。 実施の形態1にかかる光モジュールの部分拡大断面図である。 実施の形態1にかかる光モジュールの製造工程を示す説明図である(その1)。 実施の形態1にかかる光モジュールの製造工程を示す説明図である(その2)。 実施の形態1にかかる光モジュールの製造工程を示す説明図である(その3)。 実施の形態1にかかる光モジュールの製造工程を示す説明図である(その4)。 レンズシートの上面図と側面図である。 レンズシート上に回路基板を貼り付けた状態を示す上面図と側面図である。 光素子の搭載状態を示す図である。 フリップチップ実装の一例を示す説明図である。 フリップチップ実装の他の例を示す説明図である。 実施の形態2にかかる光モジュールの部分拡大断面図である。 実施の形態2にかかる光モジュールに用いるレンズシートを示す上面図である。 実施の形態2にかかる光モジュールの全体構成を示す上面図である。 図6−1にかかる光モジュールの側面図である。 実施の形態3にかかる光モジュールの部分拡大断面図である。 実施の形態4にかかるレンズシートを示す上面図である。 フリップチップ実装の他の例を示す説明図である。 光素子を上面から透過し下面を示した図である。 実施の形態4にかかるレンズシートの他の構成例を示す上面図である。 実施の形態5にかかるフリップ実装例を示す説明図である。 光モジュールの部分拡大断面図である。 実施の形態6にかかるフレネルレンズを示す説明図である。 実施の形態7にかかる不透明の回路基板を用いた構成を示す部分拡大断面図である。 実施の形態8にかかるレンズシートを用いた光モジュールの部分拡大断面図である。 実施の形態9にかかる光モジュールの部分拡大図である。 実施の形態10にかかる光モジュールの部分拡大図である。 実施の形態10にかかる光モジュールの他の構成の部分拡大図である。 実施の形態の光モジュールにおける光信号の光線モデルのシミュレーション結果を示す図である。 光軸の位置ずれに対する結合効率の変化を示すグラフである。
以下に添付図面を参照して、開示技術の好適な実施の形態を詳細に説明する。
(実施の形態1)
(光モジュールの基本構成)
図1−1は、実施の形態1にかかる光モジュールの全体構成を示す上面図である。また、図1−2は、図1−1にかかる光モジュールの側面図である。この光モジュール100は、電気信号を伝送するプリント基板101上に、電気コネクタ102を介して、回路基板103が接続されている。回路基板103は、可撓性を有するフレキシブル電気回路基板(FPC)であり、少なくとも上面に配線用の導体がパターニングされてなる。この回路基板103は、ポリイミド等の薄くて高周波で電気信号の損失が少なく、かつ透明な材料が用いられる。
回路基板103の上面には、受光素子111と発光素子112がフェイスダウン実装されている。受光素子111と発光素子112のうち少なくともどちらか一つが搭載されて光モジュール100が構成できる。受光素子111、発光素子112のフェイスダウン実装は、フリップチップボンダーなどの一般的な素子の実装方法で実現可能である。また、発光素子112としてVCSEL(Vertical Cavity Semicondμctor Emission Laser)アレイ、受光素子111としてPD(Photo Diode)アレイが利用できる。
回路基板103上において、受光素子111の近傍には、受光素子111からの電流を電圧に変換するためのTIA(Trans Impedance Amplifier)113が配置されている。発光素子112の近傍には、発光素子112を駆動させる駆動IC114が接続されている。これらTIA113と駆動IC114は、フレキシブル電気回路基板103から電気コネクタ102を介してプリント基板101に電気的に接続されている。
回路基板103の裏面には、透明材料で構成され、一部に集光用のレンズが形成されたレンズシート120が貼り付けられている。
レンズシート120の下面には、信号光を伝送する光導波路130が接続されている。光導波路130は、受光素子111へ入射させる光、または発光素子112から出力する光を導波させる。この光導波路130には、光路を90[°]曲げて受光素子111および発光素子112と光結合させるためのミラー133が形成されている。
図2は、実施の形態1にかかる光モジュールの部分拡大断面図である。図2には、受光素子部分を図示してある。光導波路130は、ポリマー導波路であり、信号光を伝送するとともに、回路基板103に対して信号光を出射する。光導波路130は、中心部のコア130aと、コア130aよりも屈折率が低く、コア130aの周囲に配置されるクラッド130bと、によって構成されている。これにより、コア130a内の信号光は、コア130aとクラッド130bとの界面にて全反射しながら伝送される。
レンズシート120には、集光のためのレンズ120aが形成されている。図2に示すレンズは所定高さを有する凸レンズである。このため、回路基板103とレンズシート120との間には、このレンズ120aの高さに対応した高さの接着シート125を設けて互いを接着させる。この接着シートには、信号光が透過する光路Aの箇所に開口部125aを形成しておく。接着シート125を用いるに代えて、所定高さのスペーサと接着剤を用いてもよい。このレンズシート120は、透明であり、シクロオレフィンポリマー(COP)、ポリカーボネート(PC)等の熱可塑性樹脂で形成される。
光導波路130は、たとえば、エポキシ樹脂や、アクリレート樹脂を含むポリマー導波路が利用できる。光導波路130は、マルチモードを伝搬する導波路が安価であり一般的に使用できるが、この限りではない。光導波路130は、透明な接着層127を介してレンズシート120の下面に接着される。接着層127についても接着シート125同様に透明な接着シートを用いることもできる。
光導波路130には、受光素子111の配置に対応し、その下部の位置にミラー133が形成される。ミラー133は、ダイシングまたは、レーザ加工により光導波路130を削って形成される。ミラー133の傾斜角度は、たとえば、45[°]である。これにより、ミラー133は、光導波路130内を伝送された信号光を回路基板103側に反射させる。
受光素子111は、回路基板103を透過した信号光を受光する受光面111aを回路基板103側に向けて備えている。受光素子111は、受光した信号光を信号電流に変換する。受光素子111は、たとえば、PD(Photo Diode)である。受光面111aは、たとえば、円形である。受光素子111は、接続された電極(信号電極103aおよび接地電極)から信号電流を伝送する機能を有する。これらの電極は、透明ではないため、信号光が透過する光路Aの箇所を避けて配線する。また、上記の説明では、接地電極は、不図示としたが、信号電極103aと平行して、あるいは回路基板103の受光素子111とは反対側の面の全面に設けられる。接地電極を回路基板103の受光素子111とは反対側の面の全面に設けた場合、接地電極には、信号光が透過する光路Aの箇所に開口部を形成しておく。
各部の寸法例について説明する。各部の厚さ(図の高さ方向)については、受光素子111は200[μm]である。回路基板103の厚さは、たとえば、一般的なFPC基板の厚さである25[μm]以下である。信号電極103aおよび接地電極は20[μm]以下である。レンズシート120は、全体の厚みが300[μm]以下とされ、レンズ120aが形成された箇所以外の平坦な部分の厚さが、たとえば50[μm]であり、レンズ120aの部分が50[μm]以下である。接着シート125は、レンズ120aの高さに対応して、たとえば、50[μm]とする。接着層127は、たとえば厚さが10[μm]以下である。光導波路130は、たとえば、総厚が100[μm]以下である。また、受光部111aの受光径は、たとえば、30[μm]程度である。
上記構成により、光導波路130内を伝送されて出射された信号光は、図中の光路(光軸)Aに示すように、ミラー133により、45[°]反射され、受光素子111に対して出射されるように構成されている。ミラー133によって屈折され、拡がり角αをもった光をレンズ120aにより受光素子111の受光面111aに集光させることができる。これにより、光導波路130から出射された信号光の拡散を抑制し、受光面111aに集光させることができる。
(実施の形態1にかかる光モジュールの製造工程について)
図3−1〜図3−4は、それぞれ実施の形態1にかかる光モジュールの製造工程を示す説明図である。光モジュールの製造上、受光素子111と、レンズシート120のレンズ120aとの精密な位置合わせが最も重要である。これら受光素子111と、レンズシート120のレンズ120aとが互いに±10μm程度の精度で合っていないと良好な光結合がとれない。
このため、図3−1に示すように、レンズシート120上には、レンズ120aとともに、レンズ120aの位置に対して、精度よく位置出しされたエッジ構造体120bを形成しておく。このエッジ構造体120bは、レンズシート120の面に対して凸部あるいは凹部として形成してなる。上面からみてエッジ構造体120bは、略カギ括弧(『、』)の形状を有している。これらレンズ120aおよびエッジ構造体120bをレンズシート120上に形成するためには、レンズ120aおよびエッジ構造体120bの形状を掘り込んだ金型を加熱・圧縮させるインプリント方法を用いることができる。
このほか、ロール上の金属にレンズ120aやエッジ構造体120bを掘り込み、高温で熱可塑性樹脂をロールに挟みこんでいくエンボスロール法、さらには、透明なフィルム上にUV硬化性樹脂を塗布し、金型を圧縮後UV硬化をおこなうインプリント方法などで形成できる。
エッジ構造体120bは、たとえば、回路基板103上に搭載される光素子の筐体の外径位置を示すマーカである。エッジ構造体120bは、矩形状の光素子の筐体の外径の4辺に設けてもよいが、最小個数では、図示のように2辺に設けることにより、光素子の筐体の位置決めをおこなうことができる。この光素子とは、上記の受光素子111だけで構成できる他、受光素子111と発光素子112としたり、受光素子111と発光素子112とを一体化したものでもよい。エッジ構造体120bは、この光素子の搭載個数に合わせて光素子の筐体が1個であれば2箇所に設け、光素子の筐体が2個であれば2箇所×2=4箇所に設ければよい。なお、図示の例では、1個の光素子の筐体(たとえば受光素子111のみ)の例とした。
また、レンズシート120は、図示のように、複数のレンズ120aを有するよう一体形成することができ、対応して光素子は、複数のチャネル(ch)を有する構成にできる。たとえば、受光素子111と発光素子112がそれぞれ2個(2ch)ずつ設けられたとき、図示のように4個形成されたレンズ120aは、うち2個が受光素子111用とされ、残りの2個が発光素子112用として用いられる。
また、レンズシート120には、回路基板103の位置を合わせるための貼り付け用マーカ120cも形成しておく。貼り付け用マーカ120cは、エッジ構造体120b同様に凹凸で形成する他、印刷で形成してもよい。
つぎに、図3−2に示すように、レンズシート120上に接着シート125を設け、レンズシート120上に回路基板103を貼り付ける。貼り付け時には、貼り付け装置を用いてマーカ120cを用いて互いの位置を位置決めしておこなう。
つぎに、図3−3に示すように、レンズシート120に形成されたエッジ構造体120bと、光素子(たとえば受光素子111の筐体)の外径が合うように、フリップチップ実装をおこなう。
そして、図3−4に示すように、レンズシート120の下面に光導波路130を接着により貼り付ける。この際、図2に示したように、ミラー133の位置がレンズ120aの位置に一致するように位置決めして貼り付ける。光導波路130には、便宜上、信号光が導光されるコア130a部分を記載してある。このコア130aの個数はレンズ120aの個数に一致している。
(実施の形態1における製造時の位置合わせについて)
上述した製造工程のうち各部の位置合わせについて説明する。図4−1〜図4−5は、それぞれ位置合わせの構造を説明するための図である。これらの図では、4chの発光素子112(VCSELアレイ)と、受光素子111(PDアレイ)を実装する場合を例に説明する。
図4−1は、レンズシートの上面図と側面図である。レンズシート120をインプリント形成するときに、エッジ構造体120bとして、図示のようなL字形状の凸部を形成しておく。図中鎖線で示したのが、それぞれ受光素子111と発光素子112の筐体が搭載された場合の外径位置であり、これら搭載予定の受光素子111と発光素子112の筐体外径に合わせて、それぞれ少なくとも2箇所にエッジ構造体120bを形成する。エッジ構造体120bは、レンズ120aと同時に形成され、インプリント用の金型は位置精度±10μm以下の高精度でできるため、レンズ120aと、エッジ構造体120bは互いに高い位置精度を有して形成できる。
つぎに、図4−2は、レンズシート上に回路基板を貼り付けた状態を示す上面図と側面図である。図示の例の回路基板103は、上面に、信号電極(アノード電極)103aと、接地電極(カソード電極)103bとが形成されている。また、受光素子111、および発光素子112のそれぞれの電極パッド103dが形成されている。これらの電極パッド103dは、信号電極103aと接地電極103bにそれぞれ接続されている。
そして、レンズシート120上に透明なFPCからなる回路基板103を接着シート125を介して貼り付ける。
つぎに、図4−3は、光素子の搭載状態を示す図である。光素子である受光素子111、発光素子112を、それぞれの筐体の外径が、レンズシート120上に形成されたエッジ構造体120bの位置に合うように(図中一点鎖線の位置)、画像認識しながらフリップチップボンダーで実装する。この際、回路基板103は透明であり、回路基板103の上面からみて回路基板103の下面に位置するエッジ構造体120bの位置を認識することができる。
図4−4は、フリップチップ実装の一例を示す説明図である。フリップチップボンダーには、図中水平方向(x、y)に進退自在なマイクロスコープ401およびハーフミラー402が設けられている。(a)に示すように、ハーフミラー402を回路基板103と、光素子(受光素子111、発光素子112)との間に位置させることにより、回路基板103と、光素子のそれぞれの位置をマイクロスコープ401を用いて画像認識することができる。得られた画像には、回路基板103上に形成されたエッジ構造体120bの位置に対する光素子(受光素子111、発光素子112)の水平方向(x、y)のずれが示される。したがって、回路基板103上に形成されたエッジ構造体120bの位置を基準として、光素子(受光素子111、発光素子112)を水平方向(x、y)にずれた分だけ移動させることにより、正確な搭載位置に位置決めすることができる。
この後、(b)に示すように、ハーフミラー402部分を退避させてから、光素子(受光素子111、発光素子112)を回路基板103上の実装位置に高さ方向(z)に移動させて実装する。
図4−5は、フリップチップ実装の他の例を示す説明図である。この例では、(a)の上面図に示すように、上述同様、レンズシート120上にエッジ構造体120bを形成しておく。(b)は、光素子である受光素子111、発光素子112を上面から透過し下面を示した図である。そして、(b)に示すように、光素子の下面(電極面)にはエッジ構造体120bと同様なマーカとして機能するマーカ電極410cを形成しておく。マーカ電極410cは、光素子の信号電極410a、410d、および接地電極410bの各電極をパターン形成する際に同時に形成する。
このマーカ電極410cは、エッジ構造体120bと同じ外径を有して形成しておく。そして、このマーカ電極410cは、受光素子111、発光素子112の中央位置(図中p)、すなわち、受光素子111の受光チップの受光面、および発光素子112の発光チップの発光面の中央位置に対して位置出しして設けられる。
そして(c)に示すように、上記同様に、マイクロスコープ401およびハーフミラー402が設けられたフリップチップボンダーを用いて位置決めする。この位置決めの際には、回路基板103上に形成されたエッジ構造体120bの位置に対する光素子(受光素子111、発光素子112)に形成されたマーカ電極410cの水平方向(x、y)のずれが判る。したがって、回路基板103上に形成されたエッジ構造体120bの位置を基準として、光素子(受光素子111、発光素子112)を水平方向(x、y)にずれ分だけ移動させる。そして、エッジ構造体120bとマーカ電極410cの位置が一致すれば、正確な搭載位置として位置決めでき、光素子(受光素子111、発光素子112)を回路基板103上に精度よく実装できる。この方法によれば、半導体である受光素子111、発光素子112に形成する電極の位置精度は1μm以下であるため、マーカ電極410cについても同様の精度で形成できるため、搭載時の位置決め精度をさらに向上できる。
(実施の形態2)
図5−1は、実施の形態2にかかる光モジュールの部分拡大断面図、図5−2は、実施の形態2にかかる光モジュールに用いるレンズシートを示す上面図である。図2と同一の構成部には同一の符号を付してある。実施の形態2では、レンズシート120上のレンズとしてフレネルレンズ121を用いている。フレネルレンズ121は、複数のフレネルゾーンに分離されたレンズである。図示のように、中央の第1ゾーン121a〜最も外部の第4ゾーン121dまで四つのゾーンを有する。各ゾーン121a〜121dには段差状の境界面がそれぞれ設けられている。
このフレネルレンズ121を用いることにより、レンズ部分の厚さを薄くしつつ焦点距離を短くすることができる。また、集光効果が上がり、光結合特性を改善できる。同時に、レンズの厚さが薄いため、接着シート125の厚さを薄くできる。ところで、シングルモードビームは、解析限界付近まで集光できるのでフレネルレンズ121を用いるとバックカットゾーンに入射するビームの影響により、上述したような通常のレンズ120aと比較して集光スポットが大きくなるが、マルチモードビームは集光スポットが大きいため、フレネルレンズ121を使用してもほとんど影響は生じない。
(実施の形態2における光モジュールの全体構成)
図6−1は、実施の形態2にかかる光モジュールの全体構成を示す上面図である。また、図6−2は、図6−1にかかる光モジュールの側面図である。これらの図を用いて実施の形態2の厚みを説明する。実施の形態2の構成によれば、光モジュール100の厚さを薄くすることができる。
光モジュール100は、図示しないサーバボード内に収容される。このサーバ内で使用される光モジュール100は、サーバ内の収容スペースが小さいため、モジュール全体の厚さをできるだけ薄くする必要がある。光モジュール100のプリント基板101上には、図示のように、CPΜ等の電気信号を処理するLSI601が搭載され、高速伝送を達成するためにプリント基板101上での電気信号の配線を短くする必要があることから、LSI601の直近に光素子(受光素子111,発光素子112)を配置する必要がある。また、LSI601上には、LSI601の熱を放熱するためのヒートシンク602を設ける必要がある。
光モジュール100は、ヒートシンク602を設けた構成としても全体の高さが3[mm]以下となることが望ましい。このため、光モジュール100の総厚(光素子の上面〜光導波路130の下面までの間の厚さ)hは、1.0[mm]以下が望ましい。この薄さで20G以上の高速伝送できる光モジュール100を達成するためには、レンズシート120の厚さが300[μm]以下になるよう薄くする必要がある。この点、上記のフレネルレンズ121を設けたレンズシート120であれば、レンズシート120の厚さを薄くできるようになる。また、安価なエンボスロール法で製造できる。
また、図6−2に示す構成によれば、光モジュール100の厚さを薄くできるため、ヒートシンク602はLSI601の直上だけではなく、光素子(受光素子111および発光素子112)、TIA113、駆動IC114の部分にまで延ばすことができ、これら光素子(受光素子111および発光素子112)、TIA113、駆動IC114の熱を放熱することもできるようになる。
(実施の形態3)
図7は、実施の形態3にかかる光モジュールの部分拡大断面図である。図2に記載の構成とは、光導波路130として光ファイバを用いた点が異なる。そして、光ファイバ130の端部は、光素子(受光素子111、発光素子112)、およびフレネルレンズ121が位置する箇所に、たとえば45[°]の傾斜角度を有する斜めカット部133を形成する。これにより、上記のミラー133と同じく光の進行方向を90[°]変更することができる。この斜めカット部133は、光ファイバ130をダイシングすることにより形成できる。光ファイバ130は、125[μm]以下の厚さのものを用いる。
また、複数の光ファイバ130を図の奥方向に配置した光ファイバアレイとし、複数のchに対応させることができる。この場合には、Siなどの基板にch間隔に対応して複数のV形状の溝を形成し、このV溝にそれぞれ光ファイバ130を嵌め込んで光ファイバアレイを構成できる。
(実施の形態4)
実施の形態4は、上述したエッジ構造体120bを別の箇所に設けることなく、フレネルレンズ121の一部を利用して位置決めをおこなう構成である。図8は、実施の形態4にかかるレンズシートを示す上面図である。実施の形態4では、フレネルレンズ121に設けられた第1ゾーン121a〜第4ゾーン121dの各境界部分に位置する段差である境界面121e〜121hのいずれかを位置決め用のエッジ構造体として用いる。第1ゾーン121a〜第3ゾーン121cは上面からみていずれも円形のレンズであるが、第4ゾーン121dは外側を矩形状に形成しておく。矩形状とすることにより円形状のものに比して、角と辺があるため位置決めを容易におこなえる。したがって、矩形状に形成された段差である最も外側の境界面121hを位置決め用の指標として用いる。
図8に示す例を用いて、さらに詳細に説明すると、複数のフレネルレンズ121のうち、最も外側に位置している2つのフレネルレンズ121に設けられた最も外側(エッジ部分)の境界面121hを用いる。また、位置決め用として境界面121hのすべての辺を用いる必要はなく、図中801aで示された上下2箇所の略カギ括弧(『、』)の形状の一部分だけを利用すればよい。この位置決め部801aの形状は、上面からみて上述したエッジ構造体120bと同様の形状である。図面上では便宜上、太線で記載してあるが、実際には太くする必要はない。
上記構造によれば、以下の利点を有している。
1.エッジ構造体120b相当の構成をフレネルレンズ121を用いて形成できるので、レンズ形成のための金型製造が容易になる。
2.上記1.によりフレネルレンズ121の頂点と、エッジ部分(境界面121h)との間の距離を短くできるため(50μm〜250μm)、フレネルレンズ121の頂点とエッジの位置精度を数μm程度まで高精度化できる。これにより、光素子(受光素子111および発光素子112)搭載時における位置決め精度を向上できるようになる。
なお、上記構成では、位置決めに用いる第4ゾーン121dの境界面121hを四角(矩形状)としたが、四角形に限らず多角形であっても同様に用いることができる。
(実施の形態4における製造時の位置合わせについて)
つぎに、図8に示したレンズシート120を用いた光素子の実装時の位置合わせについて説明する。図9−1は、フリップチップ実装の他の例を示す説明図である。この例では、(a)の上面図に示すように、レンズシート120のフレネルレンズ121の第4ゾーンの境界面121hの位置決め部801aを位置決め用の指標として用いる。(b)は、レンズシート120を説明するための側面図である。
そして、図9−2は、光素子を上面から透過し下面を示した図である。この図に示すように、光素子の下面(電極面)には光素子の接地電極410bの辺の一部を位置決め部410baとして位置決めに用いる。接地電極410bの外径は、位置決め部801aと同じ外径を有して形成しておく。この接地電極410bは、受光素子111、発光素子112の中央位置(図中p)、すなわち、受光素子111の受光チップの受光面、および発光素子112の発光チップの発光面の中央位置に対して位置出ししてその周囲に矩形状に形成される。
レンズシート120に設けられた位置決め部801aと、光素子の下面に設けられた位置決め部410baは、同じ大きさおよび間隔を有しており、図に示した上下2箇所の位置を相互に一致させれば位置決めすることができる。この位置決めは、上述したように、マイクロスコープ401およびハーフミラー402が設けられたフリップチップボンダーを用いて上記同様におこなえる。
この方法によれば、半導体である受光素子111、発光素子112に形成する電極の位置精度は1[μm]以下であるため、位置決め部410baについても同様の精度で形成できる。加えて、上述したようにレンズシート120のフレネルレンズ121を構成する第4ゾーンの境界面121hについても、レンズシート120の形成時に高精度に形成できる。したがって、位置決め部410baと、位置決め部801aを用いて光素子の搭載時の位置決めを精度よくおこなえる。
つぎに、図9−3は、実施の形態4にかかるレンズシートの他の構成例を示す上面図である。このレンズシート120は、図8に示したレンズシートと比べて、位置決め用の境界面として他の境界面を用いている。図9−3では、位置決め用として第2ゾーン121bと第3ゾーン121cの境界面121fを用いている。この境界面121fだけは他の境界面と異なり四角(矩形状)に形成しておく。そして、境界面121fのうち一部の略カギ括弧(『、』)の形状の部分を位置決め部801aとして用いている。
このように、フレネルレンズ121側の位置決め部801aとしては、どの境界面を用いてもよい。この場合、フレネルレンズ121側の位置決め部801aは、光素子(受光素子111、発光素子112)の下面に設けられた位置決め部410baとは、同じ大きさおよび間隔を有するように形成しておけばよい。また、互いの配置位置が異なっていても、互いの重心位置を求め、この重心位置と角度が互いに一致すれば正確に位置決めすることができる。
(実施の形態5)
実施の形態5は、回路基板103の接地電極を変形させた構成である。FPCからなる回路基板103上において高周波の電気信号を低損失で通すためには、電極構造をマイクロストリップライン構造にすることが望ましい。この場合、回路基板103の下面にはベタ(全面)に接地電極(グランド)103bを形成する。
図10は、実施の形態5にかかるフリップ実装例を示す説明図である。(a)は上面からみた図、(b)は側面図である。図示のように、回路基板103の下面には、接地電極103bを設ける。良好な高周波特性を満足させるために、回路基板103の下面に形成する接地電極103bは、なるべく広く、少なくとも表面の信号電極103aが形成された裏面部分に形成する。ただし、この接地電極103bは、光を通さないため、光素子(受光素子111、発光素子112)の光が通過する部分には開口穴103bbを形成する。図示の例の開口穴103bbは、円形状としたものであり、少なくともフレネルレンズ121の外形より大きく形成する。回路基板103は透明であるため、(a)に示すように接地電極103bが見えている。
レンズシート120に設けられたフレネルレンズ121には、実施の形態4で説明した境界面121hを位置決め部801aとして用いフレネルレンズ121と光素子との光軸の位置合わせを上述同様に正確におこなえる。
また、上述した接地電極103bの開口穴103bbは、回路基板103と光素子との位置決めに用いることができる。図11は、光モジュールの部分拡大断面図である。図示のように、接地電極103bの開口穴103bbを光素子(受光素子111、発光素子112)の外形に合わせて矩形状に形成する。これにより、図示のように、回路基板103に設けた接地電極103bの開口穴103bbの位置に受光素子111の位置を合わせることができる。
(実施の形態6)
実施の形態6は、光導波路の形状とフレネルレンズの形状とを関係づけた構成例である。図12は、実施の形態6にかかるフレネルレンズを示す説明図である。(a)は上面図、(b)は(a)のA−A線断面図である。(b)に示すように、導波路130のコア130aの断面形状が四角形である場合、フレネルレンズ121の最も外側の境界面121hの形状を導波路130のコア130aと同様の四角形とすることで光結合効率を向上させることができる。
また、図12の(b)に示すように、導波路130の断面形状が縦長の長方形(幅W1、高さH)であるとき、(a)に示すように、上面からみたフレネルレンズ121は、導波路の幅と高さにそれぞれ幅と長さを対応させる。フレネルレンズ121は、幅W1、長さL1を有する長方形とすればよい。長方形状の導波路130から出射される光信号のビームは、長方形状に拡がるため、フレネルレンズ121についてもこの長方形に合わせることにより集光効率を向上させることができる。
(実施の形態7)
実施の形態7は、上述した回路基板の材質を変更させ高周波化に対応させる構成について説明する。図13は、実施の形態7にかかる不透明の回路基板を用いた構成を示す部分拡大断面図である。光モジュールをたとえば、40G以上の高周波化に対応させるためには回路基板103の材料としてポリイミドではなくLCP(Liquid Crystal Polymer)を用いるのが望ましい。このLCPは不透明であり、光を透過しない。そのため、図示のように回路基板103には、信号光が通過する部分に通過穴103eを開口しておけばよい。
(実施の形態8)
図14は、実施の形態8にかかるレンズシートを用いた光モジュールの部分拡大断面図である。レンズシート120は、透明で薄いため、フレネルレンズ121等の凸面は、上に向けるに限らず、図示のように下に向けた構成としてもよい。フレネルレンズ121の凸面は回路基板103と反対に向ける。この場合、凸面側に設ける接着層127は、この凸面の高さに対応した、所定高さのスペーサを用い接着剤で接着する。フレネルレンズ121は、厚さが薄いため、接着層127部分の厚さを薄くできる。接着層127に限らず、所定高さの接着シートを用いてもよい。また、レンズシート120と回路基板103との間の接着は、透明な接着シート125を用いてもよいし、接着剤を用いてもよい。
(実施の形態9)
図15は、実施の形態9にかかる光モジュールの部分拡大図である。図示の回路基板103は透明部材であり、この回路基板103の一部にフレネルレンズ121を形成したものを用いている。回路基板103の表面には信号電極103aが形成され、裏面には接地電極103bが形成される。これにより、レンズシート120を別途用いる必要がない。あるいは、レンズシート120に電極を形成する構成とすれば、回路基板103を省くことができる。これらにより、部品点数を削減できる。
フレネルレンズ121を形成する回路基板103、あるいはレンズシート120としては、電気的な高周波特性に優れている必要があり、たとえばCOP、ポリイミドが考えられる。COPの場合はレンズは容易に形成できるが、150[℃]以下での低温電極形成プロセスが必要である。ポリイミドの場合は、電極を容易に形成できる反面、レンズ形成に350[℃]以上の高温が必要である。
(実施の形態10)
図16は、実施の形態10にかかる光モジュールの部分拡大図である。図示のレンズシート120は、フレネルレンズ121の周辺にフレネルレンズ121の凸部の高さよりも高い外縁部120eを形成したものである。これにより、フレネルレンズ121の凸部の高さに対応する高さを有し、フレネルレンズ121の凸面を保護するスペーサを設ける必要がない。接着層127は、一定な厚さの透明な接着シート、または両面テープである。
図17は、実施の形態10にかかる光モジュールの他の構成の部分拡大図である。図16に示した外縁部120eを有するレンズシート120の凸面側に、平面状の保護用のレンズシート120fを貼り付けた構成である。レンズシート120fは、レンズシート120と同じ材質を用いる。たとえば、COPを用いた場合、2枚のレンズシート120、120fを酸素プラズマで洗浄後に75℃程度で直接接合することが可能である。そして、レンズシート120fは、レンズシート120の凸部分を蓋の如く覆い、全体を平坦にするため、取り扱い易くなるとともに、貼り付けに用いる接着層127の種類としてゲル状のものを使用できるようになる。これにより、ゲル状の接着層127であってもフレネルレンズ121の凸部分に流れ込むことはない。
上記の実施の形態で説明した光モジュールによれば、低コストな製造方法で20[GBps]以上の高速な光モジュールを提供できるようになる。図18は、実施の形態の光モジュールにおける光信号の光線モデルのシミュレーション結果を示す図である。図11に示した光モジュールの構成例を用いたものであり、入射する光信号は、マルチモードビーム(ビーム径=50[μm]、NA=0.2)であり、レンズシート120は、厚さが50[μm]、フレネルレンズ121の高さが5[μm]であり、回路基板103は、厚さが65[μm]で両面に電極が形成されたものを用い、受光素子111のスタッドバンプの厚さが20[μm]、受光素子111の受光面111aの受光径が50[μm]である。そして、図18に示すように、光信号の光軸位置を変化させた光線追跡法をシミュレーションして受光素子111での改善効果を検証した。
図19は、光軸の位置ずれに対する結合効率の変化を示すグラフである。上記の実施形態で説明したレンズシート120を用いた場合には、位置ずれがあってもすべての領域でレンズシートを設けない場合に比して結合効率が向上しており、光軸の位置ずれがない状態では、2[dB]程度結合損失を改善できた。
このように、回路パターンを作成した回路基板に受光素子および光導波路を設置する従来の受光モジュールを作成する従来の製造方法に、上述したレンズシートを加える簡単な製造方法で受光モジュールを作成することができる。また、特殊な加工技術を用いずともレンズシートを貼り付けるだけで製造が可能であり、製造コストを抑えることができる。そして、レンズシートおよび光素子には、それぞれ位置合わせ用のエッジ構造体を設け、互いの位置を精度よく合わせることができる。これにより、低損失な光結合を、製造が簡単な受光モジュール100において実現することができる。
ところで、上記の実施の形態では、光素子としていずれも受光素子を例に説明した。これに限らず、上記同様の構成のままで光素子として発光素子を用いることもできる。そしてこの発光素子を備えた光モジュールにおいても、上記のレンズシートを用いることにより、発光素子から出射された光信号を光導波路に対して効率よく結合させることができる。
以上説明したように、光モジュールおよび製造方法によれば、伝送効率性能の向上を、簡単な構成と製造方法によって実現することができる。
上述した実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)基板上に受光素子および発光素子の少なくともいずれか一つの光素子が搭載された電気回路基板と、
前記電気回路基板の下面に設けられ、透明な材料からなるレンズシートと、
前記レンズシートの前記光素子の光が通過する部分に形成されたレンズと、
前記レンズシート上に形成され、前記光素子との位置決め用の指標としてのエッジ構造体と、
前記レンズシートの下面に設けられ、前記レンズを介して前記光素子に対する光を入出力する光導波路と、
を備えることを特徴とする光モジュール。
(付記2)前記電気回路基板は、FPC(Flexible Printed Circuits)基板であることを特徴とする付記1に記載の光モジュール。
(付記3)前記レンズシートに形成される前記レンズはフレネルレンズであることを特徴とする付記1または2に記載の光モジュール。
(付記4)前記レンズシートに形成される前記エッジ構造体は、前記フレネルレンズを構成する複数のゾーンの境界面のうち少なくとも一つを用いてなり、前記境界面は平面が四角形状とされ、前記光学素子に設けられた四角形状の指標との間で相互に位置決めすることを特徴とする付記1〜3のいずれか一つに記載の光モジュール。
(付記5)前記光導波路を構成するコアの断面形状が四角形とされ、
前記コアの形状に対応して、前記エッジ構造体が四角形であることを特徴とする付記4に記載の光モジュール。
(付記6)前記フレネルレンズを構成する複数のゾーンのうち少なくとも最も外側のゾーンが前記光導波路の前記コアと同様の四角形であることを特徴とする付記5に記載の光モジュール。
(付記7)前記光導波路がポリマー導波路であり、光をマルチモード伝搬することを特徴とする付記1〜6のいずれか一つに記載の光モジュール。
(付記8)前記電気回路基板の両面に導体パターンが形成されていることを特徴とする付記1〜7のいずれか一つに記載の光モジュール。
(付記9)前記電気回路基板には、前記光が通過する部分に開口穴が形成されていることを特徴とする付記1〜8のいずれか一つに記載の光モジュール。
(付記10)前記電気回路基板が不透明な材料で構成され、当該電気回路基板の前記開口穴の開口部分に前記エッジ構造体を形成したことを特徴とする付記9に記載の光モジュール。
(付記11)前記レンズシートは、前記フレネルレンズの周辺に当該フレネルレンズの高さの頂点よりも高い外縁部を形成したことを特徴とする付記1〜10のいずれか一つに記載の光モジュール。
(付記12)前記レンズシートの凸面側には、前記フレネルレンズを覆う平面状のレンズシートが貼り付けられていることを特徴とする付記11に記載の光モジュール。
(付記13)前記レンズシートの厚みが300μm以下であることを特徴とする付記1〜12のいずれか一つに記載の光モジュール。
(付記14)前記光素子の上面から前記光導波路の下面までの全体の厚みが1.0mm以下であることを特徴とする付記1〜13のいずれか一つに記載の光モジュール。
(付記15)伝送した光を入出力する光導波路と、前記光導波路から入射または出射される光を集光させるレンズシートと、前記レンズシートに貼り付けられ前記レンズシートを通過した光を受光する受光素子または、光を発光する発光素子のいずれか一つの光素子を搭載した電気回路基板を備えた光モジュールの製造方法であって、
前記電気回路基板に回路パターンを作成する回路作成工程と、
前記レンズシートの前記光の通過位置にレンズを形成するとともに、当該レンズシートと前記光素子との位置決め用の指標であるエッジ構造体を形成するレンズシート形成工程と、
前記電気回路基板に前記レンズシートを貼り付ける貼り付け工程と、
前記電気回路基板に前記エッジ構造体を用いた位置決めにより前記光素子を実装する実装工程と、
を含むことを特徴とする製造方法。
(付記16)前記レンズシート形成工程は、前記レンズとしてフレネルレンズを形成することを特徴とする付記15に記載の製造方法。
100 光モジュール
103 回路基板
103a 信号電極
103b 接地電極
111 受光素子
111a 受光面
112 発光素子
120 レンズシート
120a レンズ
121 フレネルレンズ
130 光導波路
133 ミラー

Claims (13)

  1. 基板上に受光素子および発光素子の少なくともいずれか一つの光素子が搭載された電気回路基板と、
    前記電気回路基板の下面に設けられ、透明な材料からなるレンズシートと、
    前記レンズシートの前記光素子の光が通過する部分に形成されたレンズと、
    前記レンズシート上に形成され、前記光素子との位置決め用の指標としてのエッジ構造体と、
    前記レンズシートの下面に設けられ、前記レンズを介して前記光素子に対する光を入出力する光導波路と、
    を備えることを特徴とする光モジュール。
  2. 前記電気回路基板は、FPC(Flexible Printed Circuits)基板であることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
  3. 前記レンズシートに形成される前記レンズはフレネルレンズであることを特徴とする請求項1または2に記載の光モジュール。
  4. 前記レンズシートに形成される前記エッジ構造体は、前記フレネルレンズを構成する複数のゾーンの境界面のうち少なくとも一つを用いてなり、前記境界面は平面が四角形状とされ、前記光学素子に設けられた四角形状の指標との間で相互に位置決めすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の光モジュール。
  5. 前記光導波路を構成するコアの断面形状が四角形とされ、
    前記コアの形状に対応して、前記エッジ構造体が四角形であることを特徴とする請求項4に記載の光モジュール。
  6. 前記フレネルレンズを構成する複数のゾーンのうち少なくとも最も外側のゾーンが前記光導波路の前記コアと同様の四角形であることを特徴とする請求項5に記載の光モジュール。
  7. 前記光導波路がポリマー導波路であり、光をマルチモード伝搬することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の光モジュール。
  8. 前記電気回路基板の両面に導体パターンが形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の光モジュール。
  9. 前記電気回路基板には、前記光が通過する部分に開口穴が形成されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一つに記載の光モジュール。
  10. 前記電気回路基板が不透明な材料で構成され、当該電気回路基板の前記開口穴の開口部分に前記エッジ構造体を形成したことを特徴とする請求項9に記載の光モジュール。
  11. 前記レンズシートは、前記フレネルレンズの周辺に当該フレネルレンズの高さの頂点よりも高い外縁部を形成したことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一つに記載の光モジュール。
  12. 前記レンズシートの凸面側には、前記フレネルレンズを覆う平面状のレンズシートが貼り付けられていることを特徴とする請求項11に記載の光モジュール。
  13. 伝送した光を入出力する光導波路と、前記光導波路から入射または出射される光を集光させるレンズシートと、前記レンズシートに貼り付けられ前記レンズシートを通過した光を受光する受光素子または、光を発光する発光素子のいずれか一つの光素子を搭載した電気回路基板を備えた光モジュールの製造方法であって、
    前記電気回路基板に回路パターンを作成する回路作成工程と、
    前記レンズシートの前記光の通過位置にレンズを形成するとともに、当該レンズシートと前記光素子との位置決め用の指標であるエッジ構造体を形成するレンズシート形成工程と、
    前記電気回路基板に前記レンズシートを貼り付ける貼り付け工程と、
    前記電気回路基板に前記エッジ構造体を用いた位置決めにより前記光素子を実装する実装工程と、
    を含むことを特徴とする製造方法。
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