JP2019015798A - 光通信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高い光結合効率を実現することができる光通信モジュールを提供する。【解決手段】光通信モジュールは、光結合部材３と光素子４とを備える。光結部材３は、第１の面３ａと、第１の面の逆側に位置する第２の面３ｂと、第１の面から第２の面に向かって延在する第１の非貫通穴３３と、第２の面から第１の面に向かって延在する第２の非貫通穴３４と、第１及び第２の非貫通穴の間に設けられるレンズ３５と、を有する。光素子４は、発光領域又は受光領域の少なくとも一方である光学領域４３を表面に有し、当該光学領域４３が第１の非貫通穴３３に対向するように光結合部材３の第１の面３３に実装される。光通信モジュールでは、レンズ３５は、第１の非貫通穴３３側に第１のレンズ面３５ａを含み、第１の非貫通穴３３の中心軸、第１のレンズ面３５ａの光軸、及び、第２の非貫通穴３４の中心軸が同一軸線上に位置している。【選択図】図４

Description

本発明は、光通信モジュールに関する。

特許文献１には、光半導体素子と光ファイバとが対向した構造を有する光モジュールが開示されている。この光モジュールでは、光半導体素子は、その受発光面が保持部材の保持穴の開口側に対向するように保持部材にマウントされており、保持穴に挿入された光ファイバと光結合するようになっている。

特開２００７−９４１５３号公報

上述した光モジュールでは、受発光素子と光ファイバとの結合がいわゆる直接光結合（バットジョイント結合）であり、発光素子の開口数（ＮＡ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）が光ファイバのＮＡよりも大きい場合には発光素子からの光のすべてを光ファイバ内に閉じ込めることができないため、光の結合ロスが生じてしまう。一方、受光素子の受光径が光ファイバからの出射光の径よりも小さい場合には、光ファイバからの光の一部を受光素子で受光できないため、光の結合ロスが生じてしまう。このような光モジュールでは、デバイスの特性から、応答速度が速い発光素子（例えばＶＣＳＥＬなど）ではＮＡが大きくなり、一方、応答速度が速い受光素子では受光径が小さくなる傾向にある。従って、要求される応答速度が速くなると、上述した光モジュール構成では高い光結合効率を実現することが困難になる。

本発明は、高い光結合効率を実現することができる光通信モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る光通信モジュールは、光結合部材と光素子とを備える。光結合部材は、第１の面と、第１の面の逆側に位置する第２の面と、第１の面から第２の面に向かって延在する第１の非貫通穴と、第２の面から第１の面に向かって延在する第２の非貫通穴と、第１及び第２の非貫通穴の間に設けられるレンズと、を有する。光素子は、発光領域又は受光領域の少なくとも一方である光学領域を表面に有し、当該光学領域が第１の非貫通穴に対向するように光結合部材の第１の面に実装される。レンズは、第１の非貫通穴側に第１のレンズ面を含み、第１の非貫通穴の中心軸、第１のレンズ面の光軸、及び、第２の非貫通穴の中心軸が同一軸線上に位置している。

本発明の一態様に係る光通信モジュールによれば、高い光結合効率を実現することができる。

図１は、本実施形態の一態様に係る光通信モジュールの斜視図である。 図２は、図１に示す光通信モジュールを構成する光結合部材の斜視図である。 図３は、図１に示す光通信モジュールを構成する光素子の斜視図である。 図４は、図１に示す光通信モジュールを構成する光結合部材と光素子との接続構造を示す断面図である。 図５は、図１に示す光通信モジュールを構成する光結合部材と光素子との接続構造の変形例を示す断面図である。 図６は、本実施形態の別態様に係る光通信モジュールの断面図である。 図７は、本実施形態の更に別態様に係る光通信モジュールの断面図である。 図８は、比較例における光結合効率を示す図である。 図９は、第１実施例における光結合効率を示す図である。 図１０は、第１実施例における光結合効率を示す図である。 図１１は、第２実施例における光結合効率を示す図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態を列記して説明する。本発明の一態様に係る光通信モジュールは、第１の面と、第１の面の逆側に位置する第２の面と、第１の面から第２の面に向かって延在する第１の非貫通穴と、第２の面から第１の面に向かって延在する第２の非貫通穴と、第１及び第２の非貫通穴の間に設けられるレンズとを有する光結合部材と、発光領域又は受光領域の少なくとも一方である光学領域を表面に有し、当該光学領域が第１の非貫通穴に対向するように光結合部材の第１の面に実装された光素子と、を備え、レンズは、第１の非貫通穴側に第１のレンズ面を含み、第１の非貫通穴の中心軸、第１のレンズ面の光軸、及び、第２の非貫通穴の中心軸が同一軸線上に位置している。

この光通信モジュールでは、光結合部材は、第１及び第２の非貫通穴の間にレンズを有し、このレンズが第１の非貫通穴側に第１のレンズ面を備えている。そして、第１の非貫通穴の中心軸、第１のレンズ面の光軸、及び、第２の非貫通穴の中心軸が同一軸線上に位置している。このため、第２の非貫通穴に光ファイバが挿入された場合に、第１のレンズ面は、光素子からの光または光ファイバからの光を好適に集光等することができる。すなわち、光素子（発光素子）のＮＡが光ファイバのＮＡより大きくても、光素子（発光素子）からの光を第１のレンズ面によって集光等の調整を行い、結合ロスが生じないように光ファイバに入射させ、光の結合ロスを低減することができる。また、光素子（受光素子）の受光径が光ファイバからの出射光の径より小さくても、光ファイバからの光を第１のレンズ面によって集光等の調整を行い、結合ロスが生じないように光素子に入射させ、光の結合ロスを低減することができる。よって、この光通信モジュールによれば、高い光結合効率を実現することが可能である。なお、この光通信モジュールの構成は、光素子（発光素子）のＮＡが光ファイバのＮＡより大きい場合や光素子（受光素子）の受光径が光ファイバからの出射光の径より小さい場合に適用されることが好ましいが、これに限定されるものではなく、光素子（発光素子）のＮＡが光ファイバのＮＡよりも小さい場合や光素子（受光素子）の受光径が光ファイバからの出射光の径よりも大きい場合に適用されてももちろんよい。この場合でも高い光結合効率を実現することができる。以下の態様でも同様である。

また、上記の構成によれば、第１及び第２の非貫通穴の間にレンズが設けられる構成であることから、光ファイバを第２の非貫通穴に固定する際に接着剤を用いた場合であっても、第１の非貫通穴側に設けられる光素子の光学面に接着剤が触れてしまうといったことを予防することができる。その結果、光素子の光学面等に設けられる金属（電極等）と接着剤とが反応してしまうことがなくなり、また接着剤に含まれる樹脂による応力が光素子にかかったりもしないため、光モジュールの信頼性を高めることができる。

本発明の一態様に係る光通信モジュールでは、第１の非貫通穴の第１の面から第１のレンズ面までの深さは、第１の非貫通穴の直径よりも短くてもよい。この場合、加熱手段によって光素子を光結合部材に接合する際に、第１の非貫通穴付近における光結合部材の熱変形を抑制することができる。よって、光通信モジュールの信頼性を向上できる。

本発明の一態様に係る光通信モジュールでは、第２の非貫通穴の直径は、第２の面からレンズまで一定であってもよい。この場合、例えば第２の非貫通穴に挿入される光ファイバを軸ずれすることなく精度よく保持できる。よって、光通信モジュールによる光結合効率を高くすることができる。

本発明の一態様に係る光通信モジュールでは、第１の非貫通穴の直径は、第１の面からレンズまで一定であり、且つ、第２の非貫通穴の直径と同等であってもよい。この場合、光結合部材の対称性が向上するため、加熱手段によって光素子を光結合部材に接続する場合において光結合部材全体における熱変形が均等になりやすく、不均等な熱変形が生じ難くなる。よって、この態様によれば、光通信モジュールの信頼性を向上できる。

本発明の一態様に係る光通信モジュールでは、光結合部材は、第１の面上に第１の電極を更に有し、光素子は、光学領域と同じ側に第２の電極を更に有し、第１の電極と第２の電極とが電気的に接続されていてもよい。この場合、簡単な構成で光素子を光結合部材を介して外部の基板などに電気的に接続できる。

本発明の一態様に係る光通信モジュールでは、光結合部材の第１の電極と光素子の第２の電極とがＡｕＳｎ半田を介して接合されていてもよい。この場合、ＡｕＳｎ半田を融解して光素子を光結合部材に接合することができるため、例えば、ＡｕやＣｕのバンプを形成しておいて熱や超音波により光素子を光結合部材に接合する場合に比べて、光素子と第１のレンズ面との距離の精度を高め、これにより光結合効率を向上することができる。また、ＡｕＳｎ半田を用いた接合、第１の電極と第２の電極との接合強度、すなわち光結合部材と光素子との接合強度を高めることも可能である。

本発明の一態様に係る光通信モジュールでは、レンズは、所定の波長の通信光が透過可能であってもよい。この場合、レンズによる通信光の吸収が抑制されるため、光結合効率を更に向上させることができる。なお、ここでいう「通信光が透過可能」とは、厚さ１ｍｍで所定の通信光（例えば波長８５０ｎｍの光）の全光線透過率が９０％以上であることを意味し、例えば、ＪＩＳ Ｋ ７３６１−１に準拠して測定することができる。

本発明の一態様に係る光通信モジュールでは、光結合部材は、第１及び第２の非貫通穴を内部に構成する本体部を有し、本体部は、可視光に対して透明な材料から形成されていてもよい。この場合、視認性が向上することから、例えば光結合部材に光素子を実装する場合に各部材の相互の位置関係が分かりやすいため、よりスムーズに各部材を実装することができる。なお、ここでいう「可視光に対して透明」とは、厚さ１ｍｍで可視光（例えば波長４８０ｎｍ〜６７０ｎｍの光）の全光線透過率が６０％以上であることを意味し、例えば、ＪＩＳ Ｋ ７３６１−１に準拠して測定することができる。

本発明の一態様に係る光通信モジュールでは、レンズは、本体部と一体に形成されていてもよい。この場合、第１の非貫通穴の中心軸、第１のレンズ面の光軸、及び、第２の非貫通穴の中心軸を同一軸線上に位置させることが容易に実現でき、光軸ずれや各部品間の距離の変動などを小さくすることができる。その結果、簡単な構成で光結合効率を高めることが可能となる。また、レンズと本体部とを一体に形成しているため、光通信モジュールの製作コストを低減することもできる。

本発明の一態様に係る光通信モジュールでは、レンズは、本体部と同じ材料から形成されていてもよい。この場合、環境温度が変化した場合であっても、光結合部材の本体部とレンズとの線膨張係数の違いによる応力変形が生じ難いため、レンズの光軸ずれや各部材間の距離の変動が小さくなる。よって、この態様によれば、光通信モジュールの動作温度範囲を広くとることができ、温度変動があった場合でも高い光結合効率を実現することができる。

本発明の一態様に係る光通信モジュールでは、本体部は、耐熱材料により形成されていてもよい。この場合、光結合部材の耐熱性（リフロー耐性）を向上させることができる。また、光結合部材の本体部が耐熱材料から形成されることにより、例えば、実装精度の高いＡｕＳｎ半田を高温（融点２８０℃前後）で融解して光素子を光結合部材に接合する場合であっても光結合部材側での熱変動が少ないため、実装の位置精度を高めることができる。なお、ここで用いられる「耐熱材料」としては、石英ガラスや各種の耐熱樹脂（例えば、ポリアリレート系樹脂のＵポリマー（登録商標）、環状オレフィン系樹脂のＡＲＴＯＮ（登録商標）、テラリンク（登録商標）などの熱可塑性樹脂、又は、エポキシやシリコーンなどの熱硬化性樹脂）を例示することができるが、これらに限定されるものではない。なお、上記の石英ガラスや耐熱樹脂は透明材料としても用いることができる場合がある。

本発明の一態様に係る光通信モジュールでは、光結合部材は、第２の非貫通穴内に設けられ、第２の非貫通穴に挿入される光ファイバの先端位置をレンズから離れた位置に規制する停止面を更に有していてもよい。この場合、光ファイバの位置精度を高めることにより、光結合効率をさらに高めることができる。しかも、光ファイバを第２の非貫通穴に挿入する際に、光ファイバが光素子と接触するのがより確実に防止されるため、光ファイバの挿入作業が容易になり、装置全体の生産性を向上することができる。

本発明の一態様に係る光通信モジュールでは、レンズは、第２の非貫通穴側に第２のレンズ面を含み、第２のレンズ面の光軸は第２の非貫通穴の中心軸と一致していてもよい。この場合、第１の非貫通穴側に設けられる第１のレンズ面に加え、第２の非貫通穴側に第２のレンズ面が設けられることになり、光結合効率をさらに高めることができる。

本発明の一態様に係る光通信モジュールは、第２の非貫通穴に挿入される光ファイバを更に備えてもよい。この場合、光ファイバを備えた光通信モジュールを構成でき、光素子と光ファイバとの光結合を予め調整しておくことが可能となる。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、本発明の実施形態に係る光通信モジュールについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。また、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態の一態様に係る光通信モジュールの斜視図である。図１に示すように、光通信モジュール１は、回路基板２、光結合部材３、光素子４、複数の光ファイバ５、及び、駆動回路６を備えている。回路基板２は、Ｘ−Ｙ面に沿って延びる主面２ａを有し、主面２ａ上に光結合部材３と駆動回路６とが実装されている。光素子４は、例えば面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）などの発光素子又はフォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）などの受光素子若しくは両者の混合であり、光結合部材３の一方の面３ａの略中央に実装されている。光素子４は、光結合部材３の面３ａ上に設けられた複数の電極３１と回路基板２の主面２ａ上に設けられた複数の電極６１とを介して、駆動回路６に電気的に接続される。詳細は後述するが、光結合部材３によりこの光素子４と光学的に結合される光ファイバ５は、光結合部材３の面３ａとは逆側の面３ｂに設けられた複数の非貫通穴３４（図４参照）それぞれに挿入され、一端が保持される。

図２は、図１に示す光通信モジュールを構成する光結合部材３の斜視図である。図２に示すように、光結合部材３は、その本体部３０の外形が直方体形状を呈している。本体部３０は、可視光に対して透明な材料から形成されており、例えば、石英ガラス、熱可塑性樹脂（ポリアリレート系樹脂（例えばＵポリマー（登録商標））、環状オレフィン系樹脂（例えばＡＲＴＯＮ（登録商標））又はテラリンク（登録商標）等）、又は、熱硬化性樹脂（エポキシ又はシリコーン等）から形成することができる。透明材料から形成される光結合部材３の本体部３０では、例えば、厚さ１ｍｍの場合において波長４８０〜６７０ｎｍの可視光に対しての全光線透過率を６０％以上とすることができ、これにより、光素子４を光結合部材３に実装する際に相互の位置関係を確認しながら行うことが可能となる。また、光結合部材３の本体部３０は耐熱材料から形成されていてもよく、例えば上述した透明且つ耐熱性の樹脂から本体部３０を形成することもできる。光結合部材３（本体部３０）が耐熱性を有することにより、光素子４を光結合部材３に実装する際や光結合部材３を回路基板２にリフロープロセスで実装する際の熱による影響（膨張、変形等）を低減することができる。

光結合部材３の第１の面３ａには、複数（本実施形態では８本）の第１の電極３１と、複数（本実施形態では８個）のメカニカルパッド３２とが設けられている。また、光結合部材３の第１の面３ａには、逆側に位置する第２の面３ｂに向かってその途中まで延在する複数（本実施形態では４個）の非貫通穴３３が設けられている。第１の電極３１、メカニカルパッド３２及び第１の非貫通穴３３の数は、光素子４に含まれる受光領域又は発光領域（以下「受発光領域」とも記す。）の数（本実施形態では４個の発光領域又は受光領域）に対応しており、１つの受発光領域に対して、一対の第１の電極３１と、１個あるいは２個（本実施形態では２個）のメカニカルパッド３２と、１個の第１の非貫通穴３３とが設けられている。なお、光結合部材３の本体部３０は、例えば第１及び第２の面３ａ，３ｂ間の距離（厚み）が１ｍｍ程度の微小な部材であってもよい。

図３は、図１に示す光通信モジュールを構成する光素子４の斜視図である。図３に示すように、光素子４は、例えばＶＣＳＥＬチップであり、基板４１と、複数（本実施形態では４個）のチャンネル４２とを有している。複数のチャンネル４２は、Ｙ軸方向に沿って基板４１の面４１ａ上に並んで配置されている。Ｙ軸方向におけるそれぞれのチャンネル４２間の中心間隔は、Ｙ軸方向におけるそれぞれの非貫通穴３３間の中心間隔に対応する。各チャンネル４２は、表面４２ａを有しており、表面４２ａ上に、発光領域４３と、発光領域４３と同じ側にアノード電極４４（第２の電極）と、発光領域４３と同じ側にカソード電極４５（第２の電極）と、電気的に他の部材から絶縁されているメカニカルパッド４６と、を有している。上記では光素子４が共通の基板４１上に複数の発光領域４３が形成されて一体化されている場合について説明したが、各発光領域４３あるいは受光領域４３が個別の基板に形成されていてもよい。また、上記では光素子４が発光素子の場合について説明したが、光素子４は、ＰＤなどの受光素子であってもよく、発光素子と受光素子とが混在するものであってもよく、更に、１つの発光又は受発領域のみを有する素子から構成されていてもよい。光素子４が、発光素子と受光素子とが混在する場合は、発光素子と受光素子とが、それぞれ別の共通の基板上に形成されていてもよい。なお、光素子４が１つの発光又は受発領域のみを有する素子から構成されている場合には、１つの第１の非貫通穴３３等が光結合部材３に設けられることになる。

次に、図４を参照して、光通信モジュール１における光結合部材３と光素子４との接続構造についてより詳細に説明する。図４は、図１に示す光通信モジュール１を構成する光結合部材３と光素子４との接続構造を示す断面図である。

図４に示すように、光結合部材３は、本体部３０の内部の略中央に、第１の非貫通穴３３と、第２の非貫通穴３４と、第１及び第２の非貫通穴３３，３４間に位置するレンズ３５と、第２の非貫通穴３４に挿入される光ファイバ５と、を備えている。また、光素子４は、表面４２ａ（受発光領域４３）が第１の非貫通穴３３に対向するように光結合部材３の面３ａ上に実装されている。光結合部材３の電極３１と光素子４の電極４４，４５、及び光結合部材３のメカニカルパッド３２と光素子４のメカニカルパッド４６とは、例えばＡｕＳｎ半田層４７を介して接合されているが、Ａｕ又はＣｕバンプによって接合されてもよい。なお、図４では、光素子４における１つの受発光領域（チャンネル４２）４３に対応する、第１及び第２の非貫通穴３３，３４とレンズ３５と光ファイバ５とについて説明するが、他の受発光領域４３に対応する非貫通穴等の構成も同様であり、ここでは、その説明は省略する。なお、本実施形態ではＡｕＳｎ半田層４７は予め光素子４の電極４４，４５、及びメカニカルパッド４６に形成され（図３参照）、光結合部材３の電極３１、及びメカニカルパッド３２と接合されているが、ＡｕＳｎ半田層４７が予め光結合部材３の電極３１、及びメカニカルパッド３２に形成され、光素子４の電極４４，４５、及びメカニカルパッド４６と接合されていてもよい。

光結合部材３の第１の非貫通穴３３は、第１の面３ａから第２の面３ｂに向かってその途中に配置されるレンズ３５まで延在する穴である。本体部３０の第１の面３ａには、例えば４つの第１の非貫通穴３３がＹ軸方向に沿って順に形成されている（図２参照）。第１の非貫通穴３３の直径は、第１の面３ａから後述するレンズ３５の第１のレンズ面３５ａまで一定であり、例えば１２８μｍ程度とすることができる。また、第１の非貫通穴３３の深さＴ２（第１の面３ａから第１のレンズ面３５ａまでの最短距離）は、例えば８０μｍ程度とすることができ、第１の非貫通穴３３の直径より短く、またレンズ３５のＸ方向に沿った長さより短くなるように構成されている。

光結合部材３の第２の面３ｂには、複数（本実施形態では４個）の第２の非貫通穴３４が形成されている。第２の非貫通穴３４は、第２の面３ｂから第１の面３ａに向かってその途中に配置されるレンズ３５まで延在する穴である。本体部３０の第２の面３ｂには、例えば４つの第２の非貫通穴３４がＹ軸方向に沿って順に形成されている。第２の非貫通穴３４の直径は、第２の面３ｂから後述するレンズ３５の第２のレンズ面３５ｂまで一定であり、例えば１２８μｍ程度とすることができる。なお、第２の非貫通穴３４の直径は、第１の非貫通穴３３の直径と同等であってもよいが、異なっていてもよい。また、第２の非貫通穴３４の深さ（第２の面３ｂから第２のレンズ面３５ｂまでの最短距離）は、例えば、第１の非貫通穴３３の深さより長くなるように構成されている。

第１の非貫通穴３３と第２の非貫通穴３４との間には、レンズ３５が設けられている。レンズ３５は、光結合部材３の本体部３０と一体的に形成されていてもよいし、本体部３０の第１及び第２の非貫通穴３３，３４に対応する穴を貫通する穴の途中にレンズ部材を挿入又は圧入して所定の位置に固定することで形成されてもよい。レンズ３５は、所定波長の通信光が透過可能である材料から形成されており、例えば、波長が８５０ｎｍ程度の光に対して厚さが１ｍｍの場合に全光線透過率が９０％以上であることが好ましい。また、レンズ３５は、本体部３０と同じ材料から形成されていてもよい。

レンズ３５には、第１の非貫通穴３３側に第１のレンズ面３５ａが設けられており、第２の非貫通穴３４側に第２のレンズ面３５ｂが設けられている。第１のレンズ面３５ａは、第１の面３ａ側に凸となっており、光素子４からの光を平行光にコリメートする機能を有し、第２のレンズ面３５ｂは、第２の面３ｂ側に凸となっており、第１のレンズ面３５ａから入射された平行光を集光して光ファイバ５のコア５ｂへ入射する機能を有している。このようなレンズ３５のＸ方向に沿った長さは例えば２００μｍ程度であり、その外径は例えば１２８μｍ程度とすることができる。光結合部材３では、光素子４からの光を高い光結合効率で光ファイバ５のコア５ｂへ入射させるために、第１の非貫通穴３３の中心軸、レンズ３５の第１及び第２のレンズ面３５ａ，３５ｂの光軸、及び、第２の非貫通穴３４の中心軸（光ファイバ５の光軸）が同一軸線Ｌ上に位置するように構成されている。

光結合部材３の第２の非貫通穴３４のレンズ３５側には、当該穴に挿入される光ファイバ５の先端５ａの位置をレンズ３５から離れた位置に規制する停止部材３６が更に設けられている。停止部材３６は、Ｘ軸に沿って延びる筒状を呈しており、その外径は例えば１２８μｍ程度とすることができ、その長さは例えば１３５μｍ程度とすることができる。停止部材３６は、第１の停止面３６ａと第２の停止面３６ｂとを有している。第１の停止面３６ａは、レンズ３５の第２のレンズ面３５ｂの外周に当接しており、停止部材３６がそれ以上、奥に入らないように構成されている。第２の停止面３６ｂは、第２の面３ｂ側に位置しており、光ファイバ５の先端５ａと当接し、光ファイバ５がそれ以上奥に入らないようにしている。停止部材３６は、光結合部材３の本体部３０と一体的に形成されていてもよい。

光結合部材３の第１の面３ａの第１の非貫通穴３３の下側には、Ｚ軸方向に沿って下面３ｃまで延在する第１の電極３１が設けられている。図２に示すように、複数の第１の電極３１は、Ｙ軸方向に沿って配列されている。一対の第１の電極３１が１つの第１の非貫通穴３３に対応する。また、光結合部材３の第１の面３ａの第１の非貫通穴３３の上側には、略円盤状のメカニカルパッド３２が設けられている。図２に示すように、複数のメカニカルパッド３２は、Ｙ軸方向に沿って配列されている。１つあるいは２つのメカニカルパッド３２が一対の第１の電極３１と１つの第１の非貫通穴３３に対応する。

また、図４に示されるように、光素子４は、光結合部材３に対向するように配置されている。具体的には、光素子４は、それぞれのチャンネル４２が第１の非貫通穴３３それぞれに対向するように、光結合部材３の第１の面３ａに実装されている。このような実装により、チャンネル４２の表面４２ａが第１の非貫通穴３３それぞれに対向する。また、光素子４のチャンネル４２は、発光領域４３を有しており、発光領域４３から発光される光の光軸が軸線Ｌ上に位置するように調整されている。また、光素子４の電極４４，４５は、ＡｕＳｎ半田層４７を介して光結合部材３の第１の電極３１にそれぞれ接合され、さらに図１に示した電極６１を介して駆動回路６に接続される。なお、光素子４のメカニカルパッド４６は、光結合部材３のメカニカルパッド３２にＡｕＳｎ半田層４７を介して接合され、光素子４が光結合部材３の第１の面３ａと平行となるように実装される。

光ファイバ５は、第２の非貫通穴３４に挿入されている。光ファイバ５は、その先端５ａが停止部材３６の第２の停止面３６ｂに当接するように、第２の非貫通穴３４に挿入されている。つまり、光ファイバ５の先端位置は停止部材３６の第２の停止面３６ｂにより規制されている。これにより、光結合部材３に対する光ファイバ５の位置が定められる。また、光ファイバ５の外径は、例えば１２５μｍ程度とすることができ、第２の非貫通穴の直径と略同等（やや小さい）外径であり、これにより、光ファイバ５の光軸が第１及び第２のレンズ面３５ａ，３５ｂの光軸に容易に一致される。なお、光ファイバ５は、フェルールを用いて第２の非貫通穴３４に挿入される構成であってもよい。

ここで、再び図１を参照する。上述した構成を備えた光通信モジュール１では、例えば集積回路（ＩＣ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）から構成される駆動回路６が、電極６１、電極３１及び電極４４，４５を介して光素子４に電気的に接続されており、駆動回路６からの電気信号により光素子４の受発光が制御される。光学素子が発光素子の場合、光通信モジュール１では、光素子４からの光が光結合部材３のレンズ３５を介して光ファイバ５に入射される。より具体的には、図４に示すように、まず、駆動回路により電極等を介して駆動信号が光素子４に入力されると、光素子４のチャンネル４２による発光が実行され、その光Ｃがレンズ３５の第１のレンズ面３５ａに入射される。レンズ３５に入射された光Ｃは、第１のレンズ面３５ａによりコリメート光にされてレンズ３５をＸ軸方向に沿って伝搬し、第２のレンズ面３５ｂにおいて集光する。そして、この集光した光Ｃが光ファイバ５のコア５ｂに入射される。一方、光素子４が受光素子である場合には、光ファイバ５を伝搬してきた光Ｃは、レンズ３５の第２のレンズ面３５ｂに入射される。レンズ３５に入射された光Ｃは、第２のレンズ面３５ｂによりコリメート光にされてレンズ３５をＸ軸方向に沿って伝搬し、第１のレンズ面３５ａにおいて集光される。そして、この集光された光Ｃが受光素子である光素子４に入射される。光素子４に入射された光は光素子４にて光電変換され、電気信号が駆動回路６に出力される。なお、この光通信モジュール１では、光素子４と駆動回路６とが回路基板２上の電極６１等を介して接続されており、光素子４と駆動回路６との間にボンディングワイヤを設ける構成ではないため、装置の低背化を図ることができている。

以上に説明した光通信モジュール１によって得られる作用効果について説明する。光通信モジュール１では、光結合部材３は、第１の非貫通穴３３及び第２の非貫通穴３４の間にレンズ３５を設けている。レンズ３５は、第１の非貫通穴３３側に第１のレンズ面３５ａを備えている。そして、第１の非貫通穴３３の中心軸、第１のレンズ面３５ａの光軸、及び、第２の非貫通穴３４の中心軸が同一の軸線Ｌ上に位置している。このため、第２の非貫通穴３４に光ファイバ５が挿入された場合に、第１のレンズ面３５ａ又は第２のレンズ面３５ｂは、光素子４からの光又は光ファイバ５からの光をコリメートしたり、集光したりすることができる。また、光素子４のＮＡが光ファイバ５のＮＡよりも大きくても、第１及び第２のレンズ面３５ａ，３５ｂが光素子４からの光のＮＡを調整して光ファイバ５に入射させるため、光の結合ロスを低減することができる。さらに、光素子４（受光素子）の受光径が光ファイバ５からの出射光の径より小さくても、第１及び第２のレンズ面３５ａ，３５ｂが光ファイバ５からの光を集光して光素子４に入射させるため、光の結合ロスを低減することができる。よって、この光通信モジュール１によれば、高い光結合効率を実現することができる。

また、第１及び第２の非貫通穴３３，３４間にレンズ３５を設けているため、第２の非貫通穴３４に光ファイバ５を固定するための接着剤が導入されたとしても、光素子４まで接着剤が浸入してしまうのを抑制することができる。これにより、光素子４と接着剤との反応が抑制され、装置の信頼性を向上することができる。

また、本実施形態では、第１の非貫通穴３３の第１の面３ａから第１のレンズ面３５ａまでの深さが第１の非貫通穴３３の直径よりも短くなっている。このため、加熱手段によって光素子４を光結合部材３に接続する場合においても、第１の非貫通穴３３付近における光結合部材３の熱変形が抑制される。よって、光通信モジュール１の信頼性を向上できる。

また、本実施形態では、第１の非貫通穴３３の第１の面３ａから第１のレンズ面３５ａまでの深さがレンズ３５の長さよりも短くなっている。このため、加熱手段によって光素子４を光結合部材３に接続する場合においても、第１の非貫通穴３３付近における光結合部材３の熱変形が抑制される。よって、光通信モジュール１の信頼性を向上できる。

また、本実施形態では、第２の非貫通穴３４の直径が第２の面３ｂからレンズ３５まで一定である。これにより、第２の非貫通穴３４に挿入される光ファイバ５を確実に光結合部材３により支持することができ、光ファイバ５と光素子４との光軸ずれを抑制することができる。

また、本実施形態では、第１の非貫通穴３３の直径は、第１の面３ａからレンズ３５まで一定であり、且つ、第２の非貫通穴３４の直径と同等である。この場合、光結合部材３の対称性が向上するため、加熱手段によって光素子４を光結合部材３に接続する場合においても、熱による変動が均一となり、第１の非貫通穴３３付近における光結合部材３の熱変形が抑制される。よって、光通信モジュール１の信頼性を向上できる。

また、本実施形態では、光結合部材３は、第１の面３ａ上に第１の電極３１を有し、光素子４は、第１の面３ａに対向する表面４２ａ上に第２の電極４４，４５を有し、第１の電極３１と第２の電極４４，４５とが電気的に接続されている。このため、簡単な構成で、光素子４を外部の駆動回路６に電気的に接続することができる。しかも、この構成であれば、光素子４と駆動回路６とをボンディングワイヤで連結する必要がなくなるため、光通信モジュール１の低背化を実現し易くなる。

また、本実施形態では、光結合部材３の第１の電極３１と光素子４の第２の電極４４，４５とがＡｕＳｎ半田層４７を介して接合されている。このようにＡｕＳｎ半田を融解して光素子４を光結合部材３に接合することができるため、例えば、ＡｕやＣｕのバンプを形成しておいて熱や超音波により光素子４を光結合部材３に接合する場合に比べて、光素子４と第１のレンズ面３５ａとの距離の精度を高め、光通信モジュール１の光結合効率を高めることができる。なお、ＡｕＳｎ半田を用いて接合する場合には、ＡｕやＣｕのバンプを用いて接合する場合に比べて、製造公差や実装公差を１０分の１程度に低減することも可能である。

また、本実施形態では、レンズ３５は、所定の波長の通信光Ｃを透過可能な材料から形成されている。この場合、レンズ３５による通信光Ｃの吸収が抑制されるため、光結合効率をさらに向上できる。

また、本実施形態では、光結合部材３の本体部３０は、可視光に対して透明な材料から形成されていてもよい。この場合、視認性が向上されるため、光結合部材３に対して光素子４を実装する際に相互の位置関係を何れの方向からでも確認し易くなるため、よりスムーズに各部材を実装することができる。なお、本体部３０は、可視光に対して透明でない材料から構成されていてもよい。

また、本実施形態では、レンズ３５は、光結合部材３の本体部３０と同じ材料から形成されていてもよい。この場合、環境温度が変化した際であっても、光結合部材３の本体部３０とレンズ３５との線膨張係数の違いによる応力変形が生じ難いため、レンズ３５の光軸ずれや各部材間の距離の変化を小さなものとすることができる。その結果、光通信モジュール１の動作温度範囲を広くとることができる。

また、本実施形態では、光結合部材３の本体部３０は、耐熱材料により形成されている。この場合、光結合部材３の耐熱性を向上することができる。これにより、例えば、ＡｕＳｎ半田を融解してＡｕＳｎ半田層４７により光素子４を光結合部材３に接合することができ、実装の位置精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、光結合部材３は、第２の非貫通穴３４内に設けられ、第２の非貫通穴３４に挿入される光ファイバ５の先端位置をレンズ３５から離れた位置に規制する停止面３６ｂを更に有している。この場合、光ファイバ５の位置精度を高めることによって、光結合効率をさらに高めることができる。しかも、光ファイバ５を第２の非貫通穴３４に挿入する際に、光ファイバ５が光素子４と接触するのがより一層抑制されるため、光ファイバ５の挿入作業をより容易に行うことができ、装置全体の生産性を向上できる。

また、本実施形態では、レンズ３５は、第２の非貫通穴３４側に第２のレンズ面３５ｂを更に備え、第２のレンズ面３５ｂの光軸が第１のレンズ面３５ａの光軸や第２の非貫通穴３４の中心軸と一致している。このため、この光通信モジュール１によれば、光素子４と光ファイバ５との光結合効率をさらに高めることができる。

また、本実施形態では、光通信モジュール１は、第２の非貫通穴３４に挿入される光ファイバ５を更に備えていてもよい。この場合、光ファイバ５を備えた光通信モジュール１を構成でき、光素子４と光ファイバ５との光結合を予め調整しておくことが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変形してもよい。例えば、第１の非貫通穴３３の直径は、第１の面３ａからレンズ３５の第１のレンズ面３５ａまで一定でなくてもよく、例えば、第１の面３ａからレンズ３５の第１のレンズ面３５ａに向けて減少する構造であってもよい。また、第２の非貫通穴３４の直径は、第２の面３ｂからレンズ３５の第２のレンズ面３５ｂまで一定でなくてもよく、第２の面３ｂからレンズ３５の第２のレンズ面３５ｂに向けて減少する構造であってもよい。更に、第１の非貫通穴３３の直径と第２の非貫通穴３４の直径とは同等でなくてもよい。

また、光通信モジュールを次のような構成とすることもできる。なお、以下の変形例では、上記の実施形態と相違する点を主に説明し、共通する点についてはその説明を省略する。

図５は、図１に示す光通信モジュールを構成する光結合部材と光素子との接続構造の変形例を示す断面図である。図５に示すように、変形例に係る光通信モジュールでは、光素子４が接合される光結合部材３Ａの内部構成が光結合部材３と相違している。光結合部材３Ａでは、光結合部材３と異なり、レンズ３５Ａが第１のレンズ面３５ａのみを備えており、他方の第２のレンズ面３５ｂを備えておらず、その代わりに平坦な面３５ｃを備えている。また、光結合部材３Ａは、停止部材３６を有しておらず、光ファイバ５がレンズ３５の平坦な面３５ｃに直接当接するようになっている。このような光結合部材３Ａを有する光通信モジュールでも、上記と同様に、光素子４からの光を第１のレンズ面３５ａにより集光して光ファイバ５のコア５ｂに入射させることができ、また、光ファイバ５からの光を第１のレンズ面３５ａにより集光して光素子４（受光素子）に入射させることができる。つまり、１つのレンズ面を有するレンズ３５Ａであっても、高い光結合効率を実現することが可能である。他の作用効果も同様に奏することができる。

また、上述した光通信モジュール１では、光素子４は回路基板２上に設けられた電極６１を介して駆動回路６に接続されていたが、図６に示すような光通信モジュール１Ａであってもよい。この光通信モジュール１Ａでは、光素子４は、電極６２、ワイヤ６３、第１の電極３１及び第２の電極４４，４５を介して、駆動回路６に電気的に接続されている。また、図７に示すように、光通信モジュール１Ｂでは、光素子４は、回路基板上の電極６２、ワイヤ６３、第１の電極３１及び第２の電極４４，４５を介して、駆動回路６に電気的に接続されていてもよい。このような構成であっても高い光結合効率を実現することが可能である。

以下、比較例及び実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

比較例及び実施例において、諸条件における光結合効率（フレネル損失考慮）を算出するシミュレーションを行った。まず、比較例及び実施例において共通する条件について説明する。実施例に係る光通信モジュールの構成は、図４及び図５に示す接続構造を有するものを用い、光素子４をＶＣＳＥＬ素子とした。また、光素子４のＮＡを０．２４とし、光ファイバ５のＮＡを０．２とした。光素子４の発光領域４３のサイズは７．５μｍとした。また、光結合部材３と光素子４との接合方法は、ＡｕＳｎ半田接合及びバンプ接合の２種類にした。

比較例については、レンズ結合部材がレンズ３５及び停止部材３６を有さず、第１の面３ａから第２の面３ｂまで形成された貫通穴に挿入された光ファイバ５が、光素子４といわゆるバットジョイント結合する、従来構造による接続構造を有する光通信モジュールを用いた。比較例では、光素子４の発光領域４３から光ファイバ５の先端５ａまでの距離をパラメータＴ１として、シミュレーションを行った。図８に示されるように、比較例では、距離Ｔ１が長くなるにつれて、光結合効率が大幅に低下した。なお、比較例の光通信モジュールでは、距離Ｔ１が０のときであっても、光結合効率が最大７０％程度であった。

また、実施例として、実施形態に係る光通信モジュール１（第１実施例、図４参照）、及び変形例に係る光通信モジュール（第２実施例、図５参照）の両方において、シミュレーションを行った。

第１実施例（図４参照）では、ＡｕＳｎ半田接合の接合公差、バンプ接合の接合公差、光素子４の発光領域４３から第１のレンズ面３５ａまでの距離Ｔ２、第２のレンズ面３５ｂから光ファイバ５の先端５ａまでの距離Ｔ３、をパラメータとして、シミュレーションを行った。表１に示されるように、第１実施例では、半田接合の接合公差に相当する±２μｍ（製造公差及び実装公差を含む）の公差を設定してシミュレーションを行ったところ、光結合効率が８５％程度に維持されることが確認できた。また、バンプ接合の接合交差に相当する±２０μｍ（製造交差及び実装交差を含む）の公差を設定してシミュレーションを行ったところ、公差が−２０μｍ〜０μｍまでの間では、光結合効率が８５％程度に維持されることが確認できたが、０μｍから２０μｍに向かって、その光結合効率がやや低下することが確認できた。

また、図９に示されるように、第１実施例において、距離Ｔ３を一定にして距離Ｔ２を変動させた場合であっても、Ｔ２が１００μｍまでは光結合効率を８５％程度に維持できることが確認できた。また、図１０に示されるように、第１実施例において、距離Ｔ２を一定にして距離Ｔ３を変動させた場合であっても、Ｔ３が２００μｍまでは光結合効率を８０％〜８５％程度に維持できることが確認できた。

また、第２実施例（図５参照）では、半田接合の接合公差、バンプ接合の接合公差、及び、光素子４の発光領域４３から第１のレンズ面３５ａまでの距離Ｔ２、をパラメータとして、シミュレーションを行った。表２に示されるように、第２実施例では、半田接合の接合公差に相当する±２μｍ（製造公差及び実装公差を含む）の公差を設定してシミュレーションを行ったところ、光結合効率が９４％程度に維持されることが確認できた。また、バンプ接合の接合交差に相当する±２０μｍ（製造交差及び実装交差を含む）の公差を設定してシミュレーションを行ったところ、公差が−２０μｍ〜０μｍまでの間では、光結合効率が９４％程度に維持できることが確認できたが、０μｍ〜２０μｍに向かって、その光結合効率がやや低下することが確認できた。

また、図１１に示されるように、第２実施例では、距離Ｔ２を変動させた場合であっても、Ｔ２が６０μｍ〜１１０μｍの間では、光結合効率を８０％以上とすることが出来ることが確認できた。つまり、高い光結合効率を維持できることが確認できた。

以上より、実施例に示すようなレンズ３５を内部に備えた光結合部材を用いて光素子４と光ファイバ５とを光学的に結合することにより、比較例のようなバットジョイント結合に比べて、高い結合効率を実現できることが確認できた。また、光素子４をＡｕＳｎ半田接合により光結合部材３に接合すると、バンプ接合の場合に比べて公差を小さくすることができることから、より高い光結合効率を実現できることも確認できた。

次に、上記第１実施例、及び比較例に対応する光通信モジュールを以下の内容にて作製して、光伝送特性を評価した。まず、第１及び第２の非貫通穴３３，３４、停止面３６ｂを含む停止部材３６、第１及び第２のレンズ面３５ａ，３５ｂを含むレンズ３５、第１の電極３１、及びＡｕＳｎ半田層４７を有する光結合部材３を、耐熱ガラスであるテンパックスを用いて作製した。次に、第２の電極４４，４５が第１の電極３１に設けられたＡｕＳｎ半田層４７に対向して接触するように配置した。次に、ＡｕＳｎ半田層４７の温度を２８０℃程度まで上昇させて、ＡｕＳｎ半田層４７を溶融させて、光素子４を光結合部材３に接合した。そして、これらの接合体をワイヤで駆動回路に電気的に接続し、回路基板に実装した。

また、比較例として、レンズ面を有していない光接続構造３００を上記と同様に製作して、回路基板に実装した。

次に、これらの実装基板を評価用の基板に乗せ、まずは室温において２５Ｇｂｐｓでの光伝送特性を評価した。その結果、レンズ面を有する第１実施例に係る光通信モジュール１を有する実装基板では、送信波形におけるマスクマージンが４０％程度であって、ＢＥＲ＝１Ｅ−１２における最小受信感度が−１０ｄＢｍであったのに対し、レンズ面を有していない比較例に係る光通信モジュールを有する実装基板では、送信波形におけるマスクマージンが１０％程度であって、ＢＥＲ＝１Ｅ−１２における最小受信感度が−５ｄＢｍであった。以上により、本発明の一実施形態に係る構造を用いることにより、光伝送特性を飛躍的に向上できることが確認できた。

次に、８５℃において２５Ｇｂｐｓでの光伝送特性を評価した。その結果、レンズ面を有する第１実施例に係る光通信モジュール１を有する実装基板では、送信波形においてアイ開口及びエラーフリー（ＢＥＲ＜１Ｅ−１２）を確認できたが、レンズ面を有していない比較例に係る光通信モジュールを有する実装基板では、送信波形のアイは閉じ気味でＢＥＲ＝１Ｅ−１２ではエラーフリーにならなかった。以上により、本発明の一実施形態に係る構造を用いることにより、動作温度範囲を飛躍的に広げられることが確認できた。

更に、レンズ面を有する第１実施例に係る光通信モジュールを有する実装基板では、通常のリフロー温度である２６５℃の熱履歴を印加した後に、室温及び８５℃における光伝送特性評価を行ったが、熱履歴前後で光伝送特性に変化はなく、リフロー耐性を有することも確認できた。

以上により、光結合効率が高く、かつ、広い温度範囲で動作する光通信モジュールの実現が可能となることが分かった。

１，１Ａ，１Ｂ…光通信モジュール、３，３Ａ…光結合部材、３ａ…第１の面、３ｂ…第２の面、３０…本体部、３１…第１の電極、３３…第１の非貫通穴、３４…第２の非貫通穴、３５…レンズ、３５ａ…第１のレンズ面、３５ｂ…第２のレンズ面、３６ｂ…停止面、４…光素子、４２…チャンネル、４２ａ…表面、４４，４５…第２の電極、４７…ＡｕＳｎ半田層、５…光ファイバ、Ｌ…軸線、Ｃ…通信光。

Claims (14)

1. 第１の面と、前記第１の面の逆側に位置する第２の面と、前記第１の面から前記第２の面に向かって延在する第１の非貫通穴と、前記第２の面から前記第１の面に向かって延在する第２の非貫通穴と、前記第１及び第２の非貫通穴の間に設けられるレンズとを有する光結合部材と、
   発光領域又は受光領域の少なくとも一方である光学領域を表面に有し、当該光学領域が前記第１の非貫通穴に対向するように前記光結合部材の前記第１の面に実装される光素子と、を備え、
   前記レンズは、前記第１の非貫通穴側に第１のレンズ面を含み、
   前記第１の非貫通穴の中心軸、前記第１のレンズ面の光軸、及び、前記第２の非貫通穴の中心軸が同一軸線上に位置している、
   光通信モジュール。
2. 前記第１の非貫通穴の前記第１の面から前記第１のレンズ面までの深さは、前記第１の非貫通穴の直径よりも短い、
   請求項１に記載の光通信モジュール。
3. 前記第２の非貫通穴の直径は、前記第２の面から前記レンズまで一定である、
   請求項１又は請求項２に記載の光通信モジュール。
4. 前記第１の非貫通穴の直径は、前記第１の面から前記レンズまで一定であり、且つ、前記第２の非貫通穴の直径と同等である、
   請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の光通信モジュール。
5. 前記光結合部材は、前記第１の面上に第１の電極を更に有し、
   前記光素子は、前記光学領域と同じ側に第２の電極を更に有し、
   前記第１の電極と前記第２の電極とが電気的に接続されている、
   請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の光通信モジュール。
6. 前記光結合部材の前記第１の電極と前記光素子の前記第２の電極とがＡｕＳｎ半田を介して接合されている、
   請求項５に記載の光通信モジュール。
7. 前記レンズは、所定の波長の通信光が透過可能である、
   請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の光通信モジュール。
8. 前記光結合部材は、前記第１及び第２の非貫通穴を内部に構成する本体部を有し、
   前記本体部は、可視光に対して透明な材料から形成されている、
   請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の光通信モジュール。
9. 前記レンズは、前記本体部と一体に形成されている、
   請求項８に記載の光通信モジュール。
10. 前記レンズは、前記本体部と同じ材料から形成されている、
    請求項８又は請求項９に記載の光通信モジュール。
11. 前記本体部は、耐熱材料により形成されている、
    請求項８〜請求項１０の何れか一項に記載の光通信モジュール。
12. 前記光結合部材は、前記第２の非貫通穴内に設けられ、前記第２の非貫通穴に挿入される光ファイバの先端位置を、前記レンズから離れた位置に規制する停止面を更に有する、
    請求項１〜請求項１１の何れか一項に記載の光通信モジュール。
13. 前記レンズは、前記第２の非貫通穴側に第２のレンズ面を含み、前記第２のレンズ面の光軸は前記第２の非貫通穴の中心軸と一致している、
    請求項１〜請求項１２の何れか一項に記載の光通信モジュール。
14. 前記第２の非貫通穴に挿入される光ファイバを更に備える、
    請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載の光通信モジュール。

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