JP3087676B2

JP3087676B2 - ゲル状樹脂を用いた光結合系及び実装構造

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Publication number: JP3087676B2
Application number: JP09044717A
Authority: JP
Inventors: 明生後藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 2000-09-11
Anticipated expiration: 2017-02-13
Also published as: EP0859255A2; EP0859255A3; JPH10227953A; CA2229570A1; US6075911A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信装置に用い
る光モジュールの光結合構造、及び該光結合構造を備え
た光モジュールの気密封止構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光モジュールに適用されるＬＤ
（半導体レーザ）素子と光ファイバの光結合系の主な例
を、図５に示す。

【０００３】第１の方法は、図５（ａ）に示すように、
ＬＤ素子１と光ファイバ２とを光学的に直接結合する方
式であり、第２の方法は、図５（ｂ）に示すように、Ｌ
Ｄ素子１と光ファイバ２の間にレンズ３を挿入し、ＬＤ
素子１から出射される光ビームを集光して光ファイバ２
に結合するものである。

【０００４】また別の方法として、図５（ｃ）に示すよ
うに、結合トレランスを緩和するために、屈折率調整材
として適当な屈折率の液体４を注入するものである。こ
の方法では、光モジュール内に液体４を注入する工法及
び気密封止工程が複雑となるため、生産性の点で問題が
あった。

【０００５】また光モジュールの気密封止構造として、
従来、金属またはセラミック製のパッケージ（ＰＫＧ）
内に光結合系を実装したのち、金属またはセラミックの
キャップをシーム溶接、ガラス封止、ハンダ封止等によ
り、気密封止を行っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のＬＤ素子と光ファイバの結合系は、下記記載の
問題点を有している。

【０００７】まず、図５（ａ）に示した直接結合系は、
構造が簡易であり、安価に作製することが可能である。
しかしながら、ＬＤ素子１と光ファイバ２のスポットサ
イズが異なるため、ＬＤ素子１と光ファイバ２の結合効
率が低く、光モジュールの光出力を大きくできない、と
いう問題点を有している。

【０００８】次に、図５（ｂ）に示した、レンズ３を用
いた光結合系では、ＬＤ素子１の出射ビームを集光して
結合させるため、結合効率を高くすることが可能である
が、光モジュール組立時の部品の固定部分がＬＤ素子
１、レンズ３、光ファイバ２の計３カ所となって複雑と
なり、さらに、高精度な光軸調整が必要とされている。
このため、作業効率が悪化し、光モジュールの生産性の
低下を招いている。

【０００９】また、上記したように、図５（ｃ）に示し
た、屈折率調整材として適当な屈折率の液体４を注入す
る方法では、光モジュール内に液体を注入する工法及び
気密封止工程が複雑となるため、生産性の点で問題があ
った。

【００１０】さらに、上記従来の気密封止工法において
は、光モジュールの形態がそれぞれの封止工法に制限さ
れ、また気密封止工程において高温加熱するため、モジ
ュール内部に耐熱性の高い部材を使用する必要がある。

【００１１】したがって、本発明は、上記問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的は、高効率な光結合
系を容易に無調整で作製可能とする光結合構造、及び、
光モジュールの生産性を向上し製造コストを低減する実
装構造を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明は、基板上に実装されるＬＤ素子と光ファイバとの光
結合系に、屈折率が空気よりも高く且つ前記光ファイバ
よりも低く、光学的に透明なゲル状の樹脂が充填される
とともに前記光結合系の周囲前記ゲル状樹脂で充填され
ており、且つ前記ゲル状樹脂の周囲が湿度を通さない樹
脂で覆われている。

【００１３】本発明においては、前記湿度を通さない樹
脂として導電性の樹脂を用い、前記基板上に搭載される
電気回路のＩＣと前記光結合系の電気的シールドを確保
する、ようにしている。

【００１４】そして、本願発明の実装構造は、ＬＤ素子
と光ファイバとの光結合系を実装する基板が、前記ＬＤ
素子を駆動制御する電気回路を含む配線基板上に実装さ
れ、前記ＬＤ素子と光ファイバとの光結合部及びその周
囲を覆うように、光学的に透明な第１の樹脂が充填され
ゲル状に固化されてなり、前記第１の樹脂の屈折率は空
気よりも大きく且つ前記光ファイバよりも小さいものと
され、前記光結合部及びその周囲に充填された前記第１
の樹脂及び前記配線基板上の所定の電子部品配線もしく
は集積回路を覆うように、湿度を通さない第２の樹脂を
備え、前記第２の樹脂として導電性の樹脂を用いてい
る。

【００１５】このように本発明によれば、前記湿度を通
さない第２の樹脂として導電性の樹脂を用い、前記ＩＣ
及び光学系の電気的シールドを確保する、ようにしてい
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態につ
いて以下に説明する。本発明は、その好ましい実施の形
態において、予め、光ファイバ（図１の２）を実装する
ための例えばＶ溝（図１の５）と、ＬＤ素子（図１の
１）の実装用のマーカ等を設けたＳｉ基板（図１の６）
上において、ＬＤ素子と光ファイバとを無調整で実装す
る。その後、ＬＤ素子と光ファイバとの間隙に液状の樹
脂（図１のＳｉ樹脂７）を充填し、この液状の樹脂７を
所定の方法でゲル状に固化させて、光結合系を構成す
る。

【００１７】また、本発明は、その好ましい実施の形態
において、このゲル状の樹脂（図２の７）により光学系
を充填したのち、さらにその周囲を湿度を通さない樹脂
（図２の８）を充填することにより、光学系が気密封止
され、従来、必要とされていた光モジュールの気密封止
工程が不要となり、キャップを必要としない光モジュー
ル構成とすることができる。

【００１８】このように、本発明の好ましい実施の形態
においては、屈折率が空気と光ファイバの中間の値のゲ
ル状の樹脂（図１の７）をＬＤ素子と光ファイバとの結
合系に充填する光結合構造としたことにより、高効率な
光結合系を容易に無調整で作製することが可能となる。

【００１９】また、従来、光結合系を高精度に光軸調整
等を行って作製していたため、モジュールの生産性を低
下させていたが、本発明の実施の形態によれば、光モジ
ュールの生産性を向上し、安価に作製することを可能と
する実装構造を提供する。

【００２０】さらに、本発明の実施の形態においては、
樹脂を使用した気密封止構造とすることにより、従来必
要とされていたパッケージとキャップを用いた気密封止
工程が不要となり、生産性の向上と併せて、光モジュー
ルの低価格化を達成している。

【００２１】

【実施例】上記した本発明の実施の形態について更に詳
細に説明すべく、本発明の実施例について図面を参照し
て以下に説明する。

【００２２】図１は、本発明の一実施例の構成を説明す
るための図であり、樹脂を充填したＬＤ素子−光ファイ
バの結合系を示している。なお、図１（ａ）は斜視図、
図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ′線に沿う光結合系の
部分断面図である。

【００２３】図１を参照すると、本実施例においては、
光ファイバ２をＳｉ基板６のＶ溝５に実装し、この光フ
ァイバ２とＬＤ素子１とを無調整で実装した後、ＬＤ素
子１と光ファイバ２との間隙に、液状のＳｉ（シリコ
ン）樹脂７を充填し、光結合系を構成する。このよう
に、屈折率が空気（ｎ＝１）と光ファイバ（ｎ＝１．４
５）の中間の値の部材を結合系に充填した場合、ＬＤ素
子１から出射される光ビームのスポットサイズは見かけ
上大きくなり、光ファイバ２との結合効率が高くなる。

【００２４】さらに光ファイバコアの先端部にレンズが
形成された先球加工ファイバ１０（図１（ｂ）参照）を
使用した場合、結合トレランスが緩和されるため容易に
高効率な光結合系が達成される。

【００２５】図２は、本発明の実装構造の一実施例を説
明するための図であり、図２（ａ）は斜視図、図２
（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ′線に沿う光結合系の部分
断面図である。

【００２６】図２を参照すると、樹脂７が充填された光
結合系の周囲に、湿度を通さない樹脂８を充填すること
により、光結合系の気密封止効果を得ることができるた
め、従来必要とされたパッケージとキャップを用いた気
密封止が不要となる。

【００２７】次に、本発明の実施例をより詳細な具体例
に即して説明する。上記したように図１は、ゲル状Ｓｉ
樹脂７を適用した高効率な光結合系を示している。ＬＤ
素子１と光ファイバ２を無調整実装した際に最適結合と
なるよう、Ｓｉ基板６にＬＤ素子１実装用のマーカをパ
ターニングにより、ファイバガイド用のＶ溝をＳｉ異方
性エッチングにより作製する。

【００２８】このＳｉ基板６上に、通常の光ファイバ２
や、またはエッチング等によりファイバ先端部を半球状
にレンズ加工した先球加工ファイバ１０（図１（ｂ）参
照）と、ＬＤ素子１とを無調整で実装し、その後、液状
のＳｉ樹脂７をＬＤ素子１と光ファイバ２の間隙に充填
する。

【００２９】Ｓｉ樹脂７を充填後、紫外線照射や加熱す
ることにより、ゲル状に固化させて光結合系を作製す
る。

【００３０】通常、レンズ３や先球加工ファイバ１０を
使用した際、ＬＤ素子１と光ファイバ２との最適結合に
おける許容トレランスは１μｍ以下となり、ＬＤ素子
１、光ファイバ２共に高精度な実装が要求される。ゲル
状のＳｉ樹脂７を使用した光結合系の場合、ゲル状Ｓｉ
樹脂の屈折率が空気と光ファイバの間の値であるため、
ＬＤ素子からの出射ビームのスポットサイズが拡大さ
れ、光ファイバとの許容結合トレランスが広がる。この
ため、本実施例のように、樹脂を適用した簡易な光結合
系においても、無調整実装によるＬＤ素子１と光ファイ
バ２との間の高効率結合が可能となる。

【００３１】図２は、ゲル状Ｓｉ樹脂７と湿度を通さな
い樹脂８を光学系の気密封止に適用した構成の一例を示
している。ＬＤ素子１と光ファイバ２との結合は、上記
のしたように、ゲル状Ｓｉ樹脂７を用いてＳｉ基板６上
で簡易に無調整で作製する。その後、ゲル状Ｓｉ樹脂７
で覆われた光学系の周囲に、さらに湿度を通さない樹脂
８を充填する。

【００３２】本実施例においては、この二種類の樹脂を
充填する構造により、従来光モジュールに必要とされた
気密封止構造が不要となる。

【００３３】ＬＤ素子と球加工光ファイバとの結合系に
屈折率が空気より高く光ファイバより低い値のゲル状の
樹脂を使用することにより、図４（ａ）に示すように、
２ｄＢダウンの結合トレランスが光軸方向では２０μｍ
以上、また図４（ｂ）に示すように、光軸に垂直方向で
は１．５μｍ以上緩和されるため、Ｓｉ基板６を用いた
簡易な光結合系において、無調整実装による高効率光結
合系が達成される。なお、図４（ａ）は、ＬＤ素子−光
ファイバの距離（μｍ）と結合損失（デシベル表示）の
関係、及び図４（ｂ）は光軸に垂直方向のずれ量（μ
ｍ）と結合損失（デシベル表示）の関係を示したもので
ある。

【００３４】また本実施例においては、ゲル状の樹脂を
使用しているため、光学系に充填する際も工程が容易に
なり、上記従来技術のように、液体等を充填するより
も、作業性が向上する。さらに、ゲル状樹脂は、弾性率
が高いため、光ファイバや電気ＩＣの配線等にストレス
を与えずに充填する、ことが可能である。

【００３５】さらに本発明の別の実施例として、本発明
のゲル状樹脂を適用した光学系のインターフェース基板
１１への実装の一例を、図３に示す。図３（ａ）は斜視
図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ−Ｘ′線に沿う光結合
系の部分断面図である。

【００３６】図３を参照すると、ＬＤ素子駆動用のＬＳ
Ｉ（半導体集積回路）９等が実装されたインターフェー
ス基板１１に、上記実施例で説明したゲル状Ｓｉ樹脂７
を使用した光結合系を直接実装する。その後、湿度を通
さない樹脂８を、ＬＳＩ９と同時に、光結合系の周囲に
充填する。

【００３７】このような構造とすることにより、従来パ
ッケージ内に光結合系を実装後に、気密封止を行い、そ
の後インターフェース基板１１に実装していたものが、
本実施例では、この実装及び封止工程が不要となり、簡
易に光インターフェース基板１１を作製することが可能
となる。

【００３８】また、湿度を通さない樹脂８として導電性
の樹脂を使用した場合、ＬＳＩ９のシールド効果も併わ
せて得ることが可能となる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は下記記載
の効果を奏する。

【００４０】（１）本発明の第１の効果は、ＬＤ素子と
光ファイバとの結合系に屈折率が空気より高く光ファイ
バより低い値のゲル状の樹脂を用いたことにより、結合
トレランスを、結合方向及び光軸方向に垂直方向ともに
緩和し、基板を用いた簡易な光結合系において、無調整
実装による高効率光結合系を実現することができる、と
いうことである。

【００４１】（２）また本発明の第２の効果は、ゲル状
の樹脂を使用するため、光学系に充填する際の工程が容
易となり、液体等を充填するよりも作業性が向上する、
ということである。

【００４２】（３）さらに本発明の第３の効果は、ゲル
状樹脂は弾性率が高いため、光ファイバや電気回路のＩ
Ｃの配線等に、ストレスを与えずに充填することが可能
であり、高品質化を達成する、ということである。

【００４３】（４）本発明の第４の効果は、光結合系に
ゲル状樹脂と湿度を通さない樹脂を充填することによ
り、従来モジュールに必要とされていた気密封止工程が
不要となり、光結合系の生産性向上と併せ、光モジュー
ルの低価格化を実現する、ということである。

【００４４】（５）さらに本発明の第５の効果として、
従来、光結合系はパッケージ内に実装後インターフェー
ス基板に実装していたが、本発明においては、光結合系
を直接基板に実装後、樹脂を用いてＬＳＩと同時にポッ
ティングすることにより光インターフェース基板が作製
されるため、従来使用していたパッケージが不要とな
り、より安価に、且つ簡易にインターフェース基板を作
製することができる、ということである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を説明するための図で
あり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ′線に
沿う光結合系の部分断面図である。

【図２】本発明の実装構造の一実施例を説明するための
図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ′
線に沿う光結合系の部分断面図である。

【図３】本発明の実装構造の別の実施例を説明するため
の図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−
Ｘ′線に沿う光結合系の部分断面図である。

【図４】本発明の一実施例の作用効果を説明するための
図であり、（ａ）は、ＬＤ素子−光ファイバの距離（μ
ｍ）と結合損失（デシベル表示）の関係、（ｂ）は光軸
に垂直方向のずれ量（μｍ）と結合損失（デシベル表
示）の関係を示したものである。

【図５】従来のＬＤ素子と光ファイバの光結合系の例を
模式的に示す図である。

【符号の説明】

１ＬＤ素子２光ファイバ５Ｖ溝６Ｓｉ基板７Ｓｉ樹脂８樹脂９ＬＳＩ１０先球加工ファイバ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に実装されるＬＤ素子と光ファイバ
との光結合系に、屈折率が空気よりも高く且つ前記光フ
ァイバよりも低く、光学的に透明なゲル状の樹脂が充填
されるとともに前記光結合系の周囲前記ゲル状樹脂で充
填されており、且つ前記ゲル状樹脂の周囲が湿度を通さ
ない樹脂で覆われている実装構造において、前記湿度を通さない樹脂として導電性の樹脂を用い、前
記基板上に搭載される電気回路のＩＣと前記光結合系の
電気的シールドを確保する、ようにしたことを特徴とす
る実装構造。
【請求項２】ＬＤ素子と光ファイバとの光結合系を実装
する基板が、前記ＬＤ素子を駆動制御する電気回路を含
む配線基板上に実装され、前記ＬＤ素子と光ファイバとの光結合部及びその周囲を
覆うように、光学的に透明な第１の樹脂が充填されゲル
状に固化されてなり、前記第１の樹脂の屈折率は空気よ
りも大きく且つ前記光ファイバよりも小さいものとさ
れ、前記光結合部及びその周囲に充填された前記第１の樹脂
及び前記配線基板上の所定の電子部品配線もしくは集積
回路を覆うように、湿度を通さない第２の樹脂を備えて
いる光結合系の実装構造において、前記第２の樹脂として導電性の樹脂を用い、前記集積回
路及び前記光結合系の電気的シールドを確保する、よう
にしたことを特徴とする光結合系の実装構造。