JP2021071647A - 光導波路パッケージおよび発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 貫通孔内の発光素子の発光による内壁面の熱応力を低下させ、内壁面の変形およびクラック等による破損を低減する。【解決手段】 基板１と、基板１の上面２に位置するとともに、クラッド層３およびクラッド層３内に位置するコア層４を有する光導波層５と、を備える。クラッド層３は、上面６と、下面７と、基板１に向かって上面６から下面７に貫通する貫通孔８とを有する。貫通孔８を外囲するクラッド層３の内壁面１３は、下面７に位置する第１開口部１４と、上面６に位置する第２開口部１５とを結ぶ仮想筒状面Ｍよりも、仮想筒状面Ｍの軸線Ｌに垂直な第１方向Ａにおいて、外側に突出する屈曲面３１が形成され、屈曲面３１にコア層４の入射端面４ａが露出している構成とする。【選択図】 図４

Description

本開示は、光導波路パッケージおよび発光装置に関する。

従来技術の光導波路パッケージおよび発光装置は、例えば特許文献１に記載されている。この従来技術では、基板上に光導波路が形成されており、光導波路は、コアと、コアよりも屈折率が低くかつコアを囲むように埋め込んだクラッドとを有する。光導波路には、その一部を凹状にエッチングして除去することによって、平坦な底面、側面からなる溝部が形成されている。底面には、メタル配線が形成され、光素子が実装されている。溝部は、光素子が収容された状態で、下向きに凹状のキャップによって覆われ、光素子を外部から遮断して封止することが提案されている。

特許第４５７９８６８号公報

特許文献１に記載される従来技術では、溝部の側面が底面に対して垂直な平面であるので、溝部内に実装された光素子の発光時によって、溝部の側面には熱応力が生じ、側面の変形およびクラック等による破損を生じるおそれがある。

本開示の光導波路パッケージは、基板と、
前記基板上に位置するクラッド層および前記クラッド層内に位置するコア層を有する光導波層と、を備えており、
前記クラッド層は、上面と、下面と、前記基板に向かって前記上面から前記下面に貫通する貫通孔と、を有しており、
前記コア層の端面は、前記貫通孔の内壁面に露出しており、
前記貫通孔の前記内壁面は、前記下面と交差する第１開口部と前記上面と交差する第２開口部とを結ぶ仮想筒状面よりも、前記仮想筒状面の軸線に垂直な第１方向において、外側に突出している、ことを特徴とする。

本開示の発光素子は、前記光導波路パッケージと、前記光導波路パッケージの前記貫通孔に収容された発光素子と、を含んでいることを特徴とする。

本開示に光導波路パッケージおよび発光装置よれば、貫通孔内の発光素子の発光による内壁面の熱応力を低下させ、内壁面の変形およびクラック等による破損を低減することができる。

本開示の一実施形態の光導波路パッケージを具備した発光装置を示す分解斜視図である。 図１に示される発光装置の封止蓋体を省略した斜視図である。 図１の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た発光装置の断面図である。 発光装置の貫通孔付近の一部の拡大断面図である。 貫通孔の形成手順を説明するための図である。 本開示の第２実施形態の発光装置を示す貫通孔８付近の一部の拡大断面図である。 本開示の第３実施形態の発光装置を示す貫通孔８付近の一部の拡大断面図である。 本開示の第４実施形態の発光装置を示す貫通孔８付近の一部の拡大断面図である。 本開示の第５実施形態の発光装置を示す貫通孔８付近の一部の拡大断面図である。 本開示の第６実施形態の発光装置を示す貫通孔８付近の一部の拡大断面図である。

以下、添付図面を参照して、本開示の発光装置の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は本開示の第１実施形態の光導波路パッケージを具備した発光装置を示す分解斜視図であり、図２は図１に示される発光装置の封止蓋体を省略した斜視図である。図３は図１の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た発光装置の断面図である。

本実施形態の光導波路パッケージは、基板１と、基板１の上面２に位置するとともに、クラッド層３およびクラッド層３内に位置するコア層４を有する光導波層５と、を備える。クラッド層３は、上面６と、下面７と、基板１に向かって上面６から下面７に貫通する貫通孔８とを有する。貫通孔８および基板１の上面２によって、貫通孔８が規定され、貫通孔８を覆うように、クラッド層３の上面６に封止蓋体１１が積層される。封止蓋体１１の下面１１ａと基板１の上面２との間には、クラッド層３の貫通孔８の臨む内壁面１３によって、発光素子１０が収容される収容空間が規定される。

本実施形態に光導波路パッケージでは、発光素子１０をそれぞれ収容する複数（本実施形態では３）の貫通孔８を有し、各発光素子１０を含んで発光装置２０が構成される。発光素子１０としては、レーザーダイオードなどが適用される。光導波層５は、コア層４とクラッド層３とが一体に結合されて構成される。基板１は、複数の誘電体層が積層されて形成されていてもよい。発光素子１０は、基板１の上面２に表記されたマーカによって画像認識を用いたパッシブアライメントによって実装されてもよい。

基板１は、誘電体層がセラミック材料から成るセラミック配線基板であってもよい。セラミック配線基板で用いられるセラミック材料としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化ケイ素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ガラスセラミック焼結体等が挙げられる。基板１がセラミック配線基板である場合、誘電体層には、発光素子および受光素子と外部回路との電気的接続のための接続パッド、内部配線導体、外部接続端子等の各導体が配設される。

基板１の材料としては、例えば誘電体層が有機材料から成る有機配線基板であってもよい。有機配線基板は、例えば、プリント配線基板、ビルドアップ配線基板、フレキシブル配線基板等である。有機配線基板に用いられる有機材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂等が挙げられる。

光導波層５は、例えば、石英などのガラス、樹脂等であってもよい。封止蓋体１１の下面１１ａと基板１の上面２とは、金属またはガラス等の接合層３５によって接合され、貫通孔８を気密に封止する。これによって貫通孔８は、高いガスバリア性を有し、外部から屈折率の異なる空気などの気体および異物の侵入が遮断されている。封止蓋体１１は、例えば、クラッド層３と同一材料から成ってもよい。

光導波層５は、コア層４と、クラッド層３を構成する材料としては、いずれもガラスあるいは樹脂であってもよく、一方がガラスで一方が樹脂であってもよい。この場合には、コア層４とクラッド層３との屈折率が異なっており、コア層４はクラッド層３よりも屈折率が高い。この屈折率の違いを利用して、光の全反射をさせる。つまり、屈折率の高い材料で路を作り、周りを屈折率の低い材料で囲んでおくと、光は屈折率の高いコア層４内に閉じ込めることができる。

図４は発光装置の貫通孔付近の一部の拡大断面図である。前述本の図１〜図３をも参照して、実施形態の発光装置は、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）光の各色のレーザ光を出射する３つの発光素子のそれぞれが貫通孔８内に収容され、基板１の上面２に実装された共通の構成を具備するので、３つの発光素子１０のうちの１つに関連する構成について説明する。なお、前述と対応する部分の参照符については、特に識別する必要がないときは、添え字ａ，ｂ，ｃを省略する場合がある。貫通孔８を外囲するクラッド層３の内壁面１３は、下面７に位置する第１開口部１４と、上面６に位置する第２開口部１５とを結ぶ仮想筒状面Ｍよりも、仮想筒状面Ｍの軸線Ｌに垂直な第１方向Ａにおいて、外側に突出し、かつコア層４の入射端面４ａが露出している。なお、第１方向Ａにおける外側とは、上述したように、第１方向Ａの向きのうち、クラッド層３の内壁側からクラッド層３の外壁側に向かう方向のことをいう。

コア層４は、複数の入射端面４ａ，４ｂ，４ｃと１つの出射端面４２との間を、入射端面４ａ〜４ｃを一端とする複数の分割路４１ａ，４１ｂ，４１ｃと、複数の分割路４１ａ，４１ｂ，４１ｃが会合する合波部４３と、出射端面４２を一端とする統合路４４とを介して繋ぐ合波路を構成する。

集光レンズ４５は、複数の入射端面４ａ，４ｂ，４ｃに対応して複数設けられる。集光レンズ４５はコア層４の入射端面４ａ，４ｂ，４ｃに対向配置される。入射端面４ａ，４ｂ，４ｃの中心軸上に集光レンズ４５の光軸が配置される。

各発光素子１０から出射された赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）光の各光は、入射端面４ａ，４ｂ，４ｃから分割路４１ａ，４１ｂ，４１ｃに入射し、合波部４３および統合路４４を経て、集光レンズ４５によって集光し、出射する。

集光レンズ４５は、例えば、入射面が平面に形成され、出射面が凸面の平凸レンズである。各分割路４１ａ，４１ｂ，４１ｃの各光軸と、各発光素子１０の発光部の中心とが一致するように、光導波層５と発光素子１０と集光レンズ４５とが組み立てられる。

図５は貫通孔の形成手順を説明するための図である。図５において、上段は１つの貫通孔８が形成される部位の平面を示し、下段は上段に対応する貫通孔８の断面を示す。図５（１）に示すように、基板１の上面２に成膜して光導波層５を形成し、形成した光導波層５上に図５（２）に示すように、レジスト塗布し、図５（３）に示すように、塗布されたレジストに露光して現像する。そして、図５（４）に示すように、レジストによって覆われていないパターン開口から露出するクラッド層表面をエッチングする。そこで、発光素子１０を収容するための空間を形成した後、図５（５）に示すように、レジストを除去する。このことによって、軸線Ｌに沿う第２方向Ｂにおいて外方に屈曲点３０を有する屈曲面３１を有する内壁面１３によって囲まれた箱型の貫通孔８が形成される。

このようなエッチング処理時において、エッチングガスの流量およびエッチング時間を調整する。このことによって、クラッド層３の上面６からエッチング量を徐々に増加させ、屈曲点３０から下面７に向かって徐々にエッチング量を減少させることができる。このため、フォトマスクのパターンの形状に対応した内壁面１３の形状を、フォトリソグラフィの露光解像度およびエッチングによる浸食量を変化させて、屈曲面３１を有する壁面形状とすることができる。

屈曲面３１は、本実施形態では、レジストによるマスクのパターン形状が平面視において四角形であるので、そのパターン形状にほぼ相似した形状の屈曲面を内壁面１３として形成することができる。このような屈曲点３０を有する内壁面１３とすることによって、発光素子１０の発光時の熱によって内壁面１３が加熱されて熱膨張が生じても、屈曲点３０が仮想筒状面Ｍから第１方向Ａの外側へ変位する方向に屈曲面３１が熱膨張方向に誘導され、熱応力の増加を低減し、熱膨張による内壁面１３の変形量を少なくすることができる。したがって、屈曲面３１上に露出する各コア層４の入射端面４ａ〜４ｃの位置および向きのずれが格段に少なくなり、発光素子１０の光のコア層４への入射損失を低減することができる。

また、本実施形態では、内壁面１３の屈曲点３０がクラッド層３の厚みの約１／２の高さ位置に形成され、各コア層４の入射端面４ａ〜４ｃは基板１側の屈曲面３１に露出している。すなわち、コア層４の入射端面４ａ〜４ｃは、図４の断面図において、第１開口部１４と屈曲点３０との間の第２方向Ｂのほぼ中央部に位置し、発光素子１０の出射面に近接して臨んでいる。これによって、発光素子１０から出射された光のコア層４に対する入射損失を可及的に少なくすることができる。

（第２実施形態）
図６は本開示の第２実施形態の発光装置を示す貫通孔８付近の一部の拡大断面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。本実施形態の発光装置では、内壁面１３の屈曲点３０が、クラッド層３の厚みの約１／２の高さ位置よりも第２開口部１５寄りの位置に形成されている。このように、屈曲点３０の基板１の上面２に対する高さ位置を高くすること、すなわち第２開口部１５に近づけることによって、発光素子１０からの熱が屈曲点３０に届きにくくなり、屈曲点３０およびその付近の熱応力を低減させることができる。

（第３実施形態）
図７は本開示の第３実施形態の発光装置を示す貫通孔８付近の一部の拡大断面図である。なお、前述の各実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。本実施形態の発光装置では、内壁面１３の屈曲面３１は、複数の屈曲点３０ａ，３０ｂを有している。これによって、各屈曲点３０ａ，３０ｂのそれぞれの屈曲角が小さくなり、各屈曲点３０ａ，３０ｂにおける熱応力によるクラッド層３のクラック等による破損を、より確実に低減することができる。

（第４実施形態）
図８は本開示の第４実施形態の発光装置を示す貫通孔８付近の一部の拡大断面図である。なお、前述の各実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。本実施形態の発光装置では、内壁面１３は、第１方向Ａにおいて外側に凸の湾曲した曲面５０を含んでいる。このように、内壁面１３を外側に凸となるように曲面化することによって、発光素子１０の熱による熱応力を分散して、内壁面１３における応力集中をなくし、クラック等による破損を低減することができる。なお、第１方向Ａにおける外側とは、上述したように、第１方向Ａの向きのうち、クラッド層３の内壁側からクラッド層３の外壁側に向かう方向のことをいう。

（第５実施形態）
図９は本開示の第５実施形態の発光装置を示す貫通孔８付近の一部の拡大断面図である。なお、前述の各実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。本実施形態の発光装置では、内壁面１３は、第２方向Ｂにおいてコア層４よりも第２開口部１５側に位置し、第１方向Ａにおいて外側に凸の第１曲面５１と、第２方向Ｂにおいて第１曲面５１よりも第１開口部１４側に位置し、第１方向Ａにおいて内側に凸の第２曲面５２と、を含んでいる。なお、第１方向Ａにおける内側とは、第１方向Ａの向きのうち、クラッド層３の外壁側からクラッド層３の内壁側に向かう方向のことをいう。

このような構成によって、内壁面１３における基板１と光導波層５との界面側の部分が内に凸となるように曲面化され、これによって光導波層５の基板１との界面近傍の部分の堆積が増加し、熱応力に対する変形による剥離およびクラック等の破損を低減することができる。また、コア層４の各入射端面４ａ〜４ｃが曲面５２に沿って曲面化されるので、各入射端面４ａ〜４ｃのレンズ効果によって、発光素子１０からの光がコア層４に入射しやすくなり、発光素子１０から発せられた光の入射効率を向上することができる。

また、第５実施形態では、第２曲面５２の曲率半径Ｒ１は、第１曲面５１の曲率半径Ｒ２以下（Ｒ１≦Ｒ２）となるように構成される。これによって、各コア層４の各入射端面４ａ〜４ｃの曲率半径も第２曲面５２の曲率半径と同一となり、各入射端面４ａ〜４ｃの集光面積が拡大され、発光素子１０から発せられた光の入射効率をさらに向上することができる。

（第６実施形態）
図１０は本開示の第６実施形態の発光装置を示す貫通孔８付近の一部の拡大断面図である。なお、前述の各実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。本実施形態の発光装置では、内壁面１３は、前述の第１曲面５１および第２曲面５２に加えて、第２方向Ｂにおいて第１曲面５１と第２開口部１５との間に位置し、第１方向Ａにおいて内側に凸の第３曲面５３をさらに含んでいる。

このような構成によって、内壁面１３において、光導波層５の封止蓋体１１との界面付近に内側が凸となるように曲面化され、これによって光導波層５の封止蓋体１１の界面付近の部分の体積が増加するので、熱応力による剥離およびクラック等による破損を低減することができる。

また、第６実施形態では、第３曲面５３の曲率半径Ｒ３は、第１曲面５１の曲率半径Ｒ１以下（Ｒ３≦Ｒ１）となるように構成される。これによって、光導波層５の封止蓋体１１の界面付近の部分の体積がより増加し、熱応力による剥離およびクラック等による破損を、より確実に低減することができる。

前述の第１〜第６実施形態のように、各コア層４の各入射端面４ａ〜４ｃは屈曲面３１、曲面５０から発光素子１０に臨んで露出していることによって、発光素子からの光の入射効率に優れ、コア層４への光の入射損失が少ない光導波路パッケージおよび発光装置を提供することができる。

また、クラッド層３の上面６には、貫通孔８を覆うように位置する封止蓋体１１が気密に接合されているので、熱膨張による変形を光導波層５および封止蓋体１１の一体で許容することができ、これによって熱応力が全体に分散され、熱応力の上限のピーク値を低くして、変形による剥離およびクラック等による破損を低減することができる。

前述の各実施形態では、直方体状の貫通孔８を外囲する内壁面１３には、全周に屈曲面３１、曲面５０および第１〜第３曲面５１〜５３が形成された構成について述べたが、本開示のさらに他の実施形態では、発光素子１０の光出射面に臨む一部の内壁面だけに屈曲面３１、曲面５０および第１〜第３曲面５１〜５３が形成される構成であってもよい。これによっても、前述の各実施形態と同様な効果を奏することができる。また、貫通孔８は、前述の直方体状に限るものではなく、円柱状、楕円柱状、多角柱状等の形状を、貫通孔８に収容される発光素子などの実装部品および配線等に応じて適宜選択して採用することができる。

また、前述の各実施形態では、封止蓋体１１は平面形状が矩形の板状体であったが、本開示の他の実施形態では、貫通孔８を完全に覆う大きさを有し、発光素子１０等に接続されたボンディングワイヤとの接触を避けるため下向き開口した凹状部品であってもよい。

本開示のさらに他の実施形態では、発光素子１０は、発光ダイオード（Light Emitting Diode；ＬＥＤ）に限るものではなく、例えば、ＬＤ（Laser Diode）、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などであってもよい。

以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、また、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。

１ 基板
２ 基板１の上面
３ クラッド層
４ コア層
４ａ，４ｂ，４ｃ 入射端面
５ 光導波層
６ 上面
７ 下面
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ 壁面
８ 貫通孔
１０ 発光素子
１１ 封止蓋体
１３ 内壁面
２０ 発光装置
３０，３０ａ，３０ｂ 屈曲点
３１ 屈曲面
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ 分割路
４２ 出射端面
４３ 合波部
４４ 統合路
４５ 集光レンズ
５０ 曲面
５１ 第１曲面
５２ 第２曲面
５３ 第３曲面

Claims (12)

1. 基板と、
   前記基板上に位置するクラッド層および前記クラッド層内に位置するコア層を有する光導波層と、を備えており、
   前記クラッド層は、上面と、下面と、前記基板に向かって前記上面から前記下面に貫通する貫通孔と、を有しており、
   前記コア層の端面は、前記貫通孔の内壁面に露出しており、
   前記貫通孔の前記内壁面は、前記下面と交差する第１開口部と前記上面と交差する第２開口部とを結ぶ仮想筒状面よりも、前記仮想筒状面の軸線に垂直な第１方向において、外側に突出している、光導波路パッケージ。
2. 前記内壁面は、前記軸線に沿う第２方向において屈曲点を有する屈曲面を含んでいる、請求項１に記載の光導波路パッケージ。
3. 前記屈曲面は、複数の屈曲点を有している、請求項２に記載の光導波路パッケージ。
4. 前記内壁面は、前記第１方向において外側に凸の曲面を含んでいる、請求項１に記載の光導波路パッケージ。
5. 前記内壁面は、前記第２方向において前記コア層の前記端面よりも前記第２開口部側に位置し前記第１方向において外側に凸の第１曲面と、前記第２方向において前記第１曲面よりも前記第１開口部側に位置し前記第１方向において内側に凸の第２曲面と、を含んでいる、請求項１に記載の光導波路パッケージ。
6. 前記第２曲面の曲率半径は、前記第１曲面の曲率半径以下である、請求項５に記載の光導波体パッケージ。
7. 前記内壁面は、前記第２方向において前記第１曲面と前記第２開口部との間に位置し、前記第１方向において内側に凸の第３曲面を、さらに含んでいる請求項５または６に記載の光導波路パッケージ。
8. 前記第３曲面の曲率半径は、前記第１曲面の曲率半径以下である、請求項７に記載の光導波路パッケージ。
9. 前記コア層の前記端面は、前記第２曲面に露出している、請求項５〜８のいずれかに記載の光導波路パッケージ。
10. 前記貫通孔を覆うように前記クラッド層上に位置する封止蓋体を、さらに含んでいる請求項１〜９のいずれかに記載の光導波路パッケージ。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の光導波路パッケージと、
    前記光導波路パッケージの前記貫通孔に収容された発光素子と、を含んでいる発光装置。
12. 前記発光素子は、赤色光、緑色光および青色光を発光する３つの発光素子を含み、
    前記貫通孔は、前記３つの発光素子のそれぞれが収容されるように、３つ位置している、請求項１１に記載の発光装置。

Images