JP4161899B2 - 光導波路モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光通信等に用いられる光導波路モジュールに関する。

従来から、光導波路モジュールにおいて、発光素子の突起部と光導波路を有する基板上に形成した案内溝とをかみ合わせることにより、位置合わせすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、Ｖ溝構造を有する基板上に光ファイバを配置する構造と、光学素子実装ブロックで光学位置が決定される構造が知られている（例えば、特許文献２参照）。

また、半導体レーザ素子と光導波路素子の結合にテーパ形状を用いることが知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開昭６３−２８０２０６号公報 特開平１０−８２９３０号公報 特許３１１７１０７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された光導波路モジュールの位置決め精度では、矩形形状での位置決めであるので、溝に嵌合する時にはめ合い精度の分、誤差が生じる。このため、光学素子の中心位置と光導波路位置は完全には一致し難い。

また、特許文献２に示される光モジュールにおける光学素子の実装位置は、実装精度に依存される。また、光学素子ブロックは、直方体形状であり、光学素子ブロックの基板に対する高さ方向の位置は決まるが、水平方向の位置に関しては、実装誤差が生じ易い。

また、特許文献３に示される構成においては、製法上形状の制約がり、テーパによる面の位置合わせが成される嵌合面全体の面平行度が要求され、異物付着などにより精度誤差が生じ易い。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、光導波路ブロックと光電変換ブロックとを、容易かつ高精度に位置決めすることができる光導波路モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、光を伝搬する光導波路が形成された光導波路ブロックと、前記光導波路ブロックに光を送入する発光素子または光導波路ブロックより送出された光を受光する受光素子の光電変換素子を組込んだ光電変換ブロックとを備え、一方のブロックの一つの面に開口方向に広がる斜面を有する溝部が形成され、他方のブロックの一つの面に突出部が形成されており、上記溝部に上記突出部を嵌合させることにより、上記光電変換ブロックの光電変換素子の発光部位または受光部位と上記光導波路とが位置決めされ、上記光導波路ブロックと光電変換ブロックとが一体化され、上記光導波路ブロックまたは上記光電変換ブロックの突出部は、上記溝部の斜面と断面視において２点で接触し、上記突出部の上記接触部位近傍の形状は一つの中心からの円弧を形成し、上記中心に光導波路のコア部または光電変換素子の発光部位若しくは受光部位が配置されていることを特徴とする光導波路モジュールである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の光導波路モジュールにおいて、光導波路ブロックと光電変換ブロックの双方が光軸方向の位置決めをするための対向する平面を備えていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載の光導波路モジュールにおいて、溝部は直線状の略Ｖ溝形状であり、上記突出部が略半円形状断面であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１に記載の光導波路モジュールにおいて、光導波路ブロックと光電変換ブロックとの間には、５〜２００μｍの間隙を備えていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１に記載の光導波路モジュールにおいて、溝部の斜面の傾きが光導波路の主面に対して３０〜７０度であることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１に記載の光導波路モジュールにおいて、溝部の斜面の傾き角度が線対称であることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１に記載の光導波路モジュールにおいて、溝部の光軸方向長さが、幅の１．５〜５倍であることを特徴とする。

請求項１，２の発明によれば、光導波路ブロックと光電変換ブロックとを、溝部と突出部との嵌合により位置決めするので、容易に高精度な位置決めが可能となる。

また、請求項１の発明によれば、円弧の中心にコア部または光電変換素子の発光部位、受光部位が配置されているので、光導波路ブロックのコア部と光電変換素子の発光部位または受光部位との回転方向の位置ズレを防止することが可能となり、高精度な位置決めが可能となる。

請求項３の発明によれば、高精度な位置決めと共に、小型化・回路形成・実装のコストダウンを行うことができる。

請求項４の発明によれば、光導波路ブロックと光電変換ブロックとの位置決めをＶ溝の斜面で確実に行うことができるようになり、高精度な位置決めができる。

請求項５の発明によれば、光電変換ブロックまたは光導波路ブロックの垂直方向の外形寸法が変化しても、光軸からのズレを小さくすることができる。

請求項６の発明によれば、回転中心に光軸が合うように設定され、ズレが生じた時に相殺されるので、高精度に位置決めすることが可能である。

請求項７の発明によれば、光導波ブロックと光電変換ブロックの回転方向位置決めが高精度に行える。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本実施形態による光導波路モジュールの分解斜視図、図２（ａ）（ｂ）はその側面図及びＩ−Ｉ線断面図である。光導波路モジュールは、光を伝搬する光導波路が形成された光導波路ブロック１と、この光導波路ブロック１に光を送入する発光素子５を組込んだ発光素子ブロック２、または光導波路ブロック１より送出された光を受光する受光素子６を組込んだ受光素子ブロック３とを備えている。発光素子５及び受光素子６の両者を総称して光電変換素子（５，６）と記し、発光素子ブロック２及び受光素子ブロック３の両者を総称して光電変換ブロック又は受発光素子ブロック（２，３）と記す。光導波路ブロック１には光導波路が形成されている。光導波路としては導波路ブロックに直接、導波路を形成したものや、光ファイバ等の既に形成された導波路を配置したものを用いる場合がある。

ここに、光導波路と光電変換素子（５，６）の位置合わせにおいて、その光軸精度が問題となる。そこで、光導波路ブロック１の光導波路部材（基板）に、光電変換ブロック（２，３）を実装するための溝部１４を形成し、光導波路と受発光素子（５，６）との位置合わせ精度を向上させる。この溝部１４は、開口方向に広がる斜面を有する直線状のＶ溝形状とされている。光電変換ブロック（２，３）には、光導波路ブロック１の溝部１４の形状に合った形状の突出部２４，３４を形成する。溝部１４と突出部２４，３４は、高精度に位置決めされるように、高精度に形状が形成されている。突出部２４，３４は光軸方向に軸心を持つ円筒形状の一部周面とされている。Ｖ溝形状の溝部１４（以下、Ｖ溝と記す）に、円筒形状の突出部２４，３４を嵌合させることで、円筒形状の突出部２４，３４の位置は高精度に決定される。また、この円筒形状端面の円形状中心に光電変換素子を配置する。このように、円筒形状の突出部２４，３４がＶ溝１４で位置決めされると、光電変換素子（５，６）は回転中心にあることになるので、位置決め誤差は小さいものとなる。

また、光電変換ブロック（２，３）を立体的に形成すると、光電変換素子（５，６）の実装位置をブロック側面に形成することも可能となり、その場合、光導波路ブロック１の光導波路に対向して光電変換ブロック（２，３）を位置合わせすることが可能となる。光電変換素子（５，６）の中には、素子を高速に制御するために素子とそれを制御するＩＣ素子の距離を離せないものもあり、側面配置にすることにより、光電変換ブロック（２，３）の小型化、高精度化が可能となる。

より詳細には、光導波路ブロック１は、側面視略Ｌ字状で上面から段階状に連なる垂直側面１１、上平面１２（主面）、及び垂直側面１３を有し、垂直側面１１には光導波路を成す光ファイバ４の端部が臨み、上平面１２にはＶ溝１４が形成されている。Ｖ溝１４は垂直面上で光導波路の光軸と一致し、Ｖ溝１４の開き角度θは、上平面１２に対して３０〜７０°としている。

光電変換ブロック２，３は、それぞれ、成形樹脂で形成され、側面視クランク状で垂直側面２１，３１、下平面２２，３２、及び垂直側面２３，３３を有し、下平面２２，３２には円筒形状に下方に突出した突出部２４，３４が樹脂で一体成形されている。この突出部２４，３４の円筒形状は、光導波路ブロック１に形成したＶ溝１４に対して、両者の嵌合状態時に、線（断面上では２点）で接触する。なお、突出部２４，３４のＶ溝１４と接触する円筒形状は、少なくとも接触部位近傍が一つの中心からの円弧形状とされればよく、その中心に光導波路のコア部または光電変換素子（５，６）の発光部位若しくは受光部位が配置される。このように、円筒形状の中心に光電変換素子（５，６）が実装されているので、円筒形状部が回転しても光電変換素子（５，６）の位置ズレは少ない。

上記光導波路ブロック１の垂直側面１３と、光電変換ブロック（２，３）の垂直側面２３，３３とは、両ブロックの光軸方向位置決めのための対向平面となる。両ブロックが一体化されたとき、光電変換素子５，６と光導波路または光ファイバ４の端面とが互いに近接して対面し、光軸が一致するように、両ブロックは作製されている。図３（ａ）（ｂ）に、発光素子ブロック２の構成の具体例を示している。同ブロック２の垂直側面２１の高さ寸法は、１．６ｍｍ、突出部２４を含めた垂直側面２１の寸法は、２．１ｍｍ、上面から突出部２４の円筒形状の中心までの距離は、１．２ｍｍ、円筒形状の半径Ｒは１．０ｍｍ、下平面２２の長さは、１．８ｍｍとしている。

本発明の光導波路モジュールの実施例として、２Ｇｂｐｓレベルの通信と１０Ｍｂｐｓの通信の２つの速度で使用した半導体受発光素子のサイズを以下に記載する。
＜高速通信用（２Ｇｂｐｓ）の場合＞
発光素子のチップ（ＶＣＳＥＬ）サイズ：３００μｍ□、発光部：１０μｍΦ
受光素子のチップサイズ：７００μｍ□、受光部：２００μｍΦ
＜１０Ｍｂｐｓ通信の場合＞
発光素子のチップ（ＬＥＤ）サイズ：３００μｍ□、発光部：５０μｍΦ
受光素子のチップサイズ：１０００μｍ□、受光部：８００μｍΦ

発光素子５には、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）またはＬＥＤを使用し、受光素子６にはフォトダイオード（ＰＤ）を使用した。受発光素子ブロックは、半導体チップサイズと実装誤差及び回路パターンを考慮して、サイズを決定する。実際に、作製した受発光素子ブロックは、直径２（ｍｍ）の半円筒状のブロックの側面に発光素子を実装し、上部の面には、素子のドライバーＩＣを実装し、受光素子も同様に側面に実装し、上面に信号処理用のアンプやＩＣを実装した。発光素子と受光素子では、素子のサイズが異なるが、共通化で同じ素子ブロックを使用したが、異なっても構わない。

光学受発光素子を実装する光電変換ブロック２，３は、ＭＩＤ（Molded Interconnection Device）と言われる立体回路基板で形成すればよい。この形成方法の一例は、合成樹脂を射出成形により形状を形成した後に、全体を銅スパッタリング法により銅薄膜を蒸着させ、レーザを利用して回路として必要な部分と不必要な部分とを分離し、電気めっきにより回路として必要な部分にのみめっきを施し、回路パターンを作製する等がある。ＭＩＤは、射出成形品であるために、形状設計の自由度が大きく、また高精度に形状を形成することが可能である。また、ユニット化できるため、信号処理部分が小型化され、配線長も短くなるため、耐ノイズ性も向上する。

上記合成樹脂として液晶ポリマを使用した。液晶ポリマは、耐熱性、誘電特性に優れているため、要求される品質を満たす。液晶ポリマ以外にもエポキシ樹脂を用いると、耐熱特性が向上し、また線膨張係数が小さいため、熱変動による影響も小さい。さらに、高耐熱性、低熱膨張性が要求される場合は、アルミナによる粉末射出成形法を利用し、セラミックスによるＭＩＤブロックを形成してもよい。この場合、耐熱変動特性は格段に向上される。

ＭＩＤにより形成された光電変換ブロック２，３上に受発受素子を構成する半導体チップ（ＶＣＳＥＬ、ＰＤ等）を実装するに際して、半導体素子はダイボントにより形成された回路上に配置する。このとき、ＭＩＤブロックの基準に対して、実装精度が確保されるようにアライメントマークを形成しておき、半導体チップが円筒中心に実装されるようにする。このときの実装精度は、±１μｍであった。

半導体チップは、湿度等の耐環境性に配慮し、封止を行う。封止は、エポキシ系樹脂を用いて行う。ＶＣＳＥＬやＬＥＤなどの発光素子は、半導体チップから光が出射すると拡散する。ＶＣＳＥＬでは、光の拡がりは小さいが、ある拡がり角度を持つ。従って、光効率を向上させるためには、レンズを用いて集光し、光導波路や光ファイバに光を導波させる必要がある。このレンズを半導体チップ封止材料で形成する場合もあり、封止とレンズ形成を同時に行うとより効率的である。封止によりレンズを形成する場合は、アクリルまたはエポキシ樹脂を用いて、トランスファー成形を行えばよい。成形時あるいは使用時に、半導体素子に応力が負荷され破壊される問題もあるため、半導体チップにゲル状の応力緩衝剤を充填してから、封止樹脂により成形すると、信頼性が向上する。

図４（ａ）（ｂ）、図５は、光電変換ブロックのうち、発光素子ブロック２の発光素子５を封止した具体例を示している。発光素子ブロック２は、ＭＩＤで作製され、ブロック上面には、ドライバーＩＣ７が形成され、発光素子５が垂直側面２１に延びるドライバーＩＣ７の回路パターンにワイヤボンディング等により接続され実装されている。発光素子５は、樹脂等の封止材９により封止し、発光素子５の前面には封止レンズ８を形成している。発光素子ブロック２の突出部２４の円筒部は、直径２ｍｍで形成され、その長さは、３〜１０ｍｍとすればよい。Ｖ溝の溝方向（光伝搬方向）に対する回転を抑制するために、円筒形状にある程度の長さが必要である。短すぎると発光素子５の位置が安定せず、長すぎると、Ｖ溝の形成精度、封止レンズ８の形状精度が共に要求され、加工が困難になる。従って、円筒部の直径２ｍｍのとき、長さを３〜１０ｍｍとした。

次に、光導波路ブロック１に形成されるＶ溝１４の詳細について再び図１、図２を参照して説明する。Ｖ溝１４は、光導波路の端部に、光電変換ブロック２，３の受発光素子を配置するために形成される。Ｖ溝１４の開き角度は、９０°（上平面１２に対する角度は４５°）とした。光電変換ブロック（２，３）における突出部２４，３４の円筒形状の形状誤差が生じると、この開き角度が大きい程、Ｖ溝１４の開きに対する上下方向の誤差は、小さくなる。位置決めの安定から開き角度は３０〜７０°が好ましい。Ｖ溝１４が対称形であると、左右の誤差が相殺され、水平方向の誤差を発生させない。実施例では、開き角度を４５°で作製した。このとき、Ｖ溝１４の開口幅は、２．８ｍｍとした。また、光導波路ブロック１と受発光素子（５，６）との間隙が、２００μｍになるように各部の寸法を設定している。

図６（ａ）（ｂ）は、光軸方向の位置決めの実施例構成を示す。ここでは、発光素子ブロック２を示すが、受光素子ブロック３においても同様である。光導波路ブロック１のＶ溝１４の長さは、光導波路と受発光素子との間に或る一定の間隙を設けるように規定する。発光素子５にレンズ（図示は略）を形成する場合は、レンズと光導波路の距離が重要であり、その距離が一定になるように、光導波路ブロック１に光軸方向の位置決め突起１５を形成した。この突起１５に発光素子ブロック２の垂直側面２１を当接させることで、光軸方向の位置決めを行う。このときは、光導波路ブロック１の垂直側面１３と発光素子ブロック２の垂直側面２３とは、離れている。他の光軸方向位置決め方法として、光電変換ブロック２の垂直側面２３が光導波路ブロック１の垂直側面１３に突き当たる形状とすることが挙げられる。

光導波路ブロック１と光電変換ブロック２との固定には、エポキシ系樹脂接着剤を使用すればよい。接着層は、極力薄い方が好ましく、Ｖ溝形状と円筒形状以外の部分で、光導波路ブロック１と光電変換ブロック（２，３）を接着する。図７（ａ）には両ブロック間に接着剤を充填して接着層９１が形成されている様子を示している。また、光導波路ブロック１と受発光素子（５，６）との間には、実装時に予め５〜２００μｍの間隙を形成するようにしていることで、この間隙に接着剤を充填し、接着を行ってもよい。接着剤は、熱硬化性のものを使用すればよい。光導波路ブロック１に透明体を使用する場合は、光導波路ブロック１の裏面から紫外線照射することにより、ＵＶ硬化性接着剤を使用することも可能である。

また、Ｖ溝１４と突出部２４の円筒形状との間に接着剤が流入すると、光学的位置決めが変動する虞があるので、図７（ｂ）に示すように、Ｖ溝１４に接着剤が流入しないように、Ｖ溝周辺に５０μｍの壁９２を形成することもよい。このときの光導波路ブロック１と光学受発光素子との間隙は、２００μｍであった。接着剤の硬化時に、光学受発光素子ブロックが位置変動しないように、光電変換ブロック（２，３）の上面を押さえ付けながら硬化を行えばよい。

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、例えば、上記では光導波路ブロック１にＶ溝１４を形成し、光電変換ブロック２，３に突出部２４，３４を形成した実施例を示したが、互いに逆の関係の組み合わせも可能である。

本発明の実施形態に係る光導波路モジュールの分解斜視図。 （ａ）は上記光導波路モジュールの側面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図。 （ａ）は光電変換ブロックのうち発光素子ブロックの具体構成を示す側面図、（ｂ）はその正面図。 （ａ）は発光素子を封止した発光素子ブロックの具体構成を示す斜視図、（ｂ）はその正面図。 上記発光素子ブロックの側面図。 （ａ）は光導波路ブロックの光軸方向位置決めの実施例構成を示す斜視図、（ｂ）は光導波路ブロックに発光素子ブロックを取り付けた状態の側面図。 （ａ）（ｂ）は光導波路ブロックと発光素子ブロックとの間に接着剤を充填した様子を示すＶ溝近傍の断面図。

符号の説明

１ 光導波路ブロック
１３ 垂直側面（対向する平面）
１４ Ｖ溝（溝部）
２ 発光素子ブロック（光電変換ブロック）
３ 受光素子ブロック（光電変換ブロック）
２３，３３ 垂直側面（対向する平面）
２４，３４ 円筒形状の突出部
４ 光ファイバ（光導波路）
５ 発光素子（光電変換素子）
６ 受光素子（光電変換素子）

Claims (7)

1. 光を伝搬する光導波路が形成された光導波路ブロックと、
   前記光導波路ブロックに光を送入する発光素子または光導波路ブロックより送出された光を受光する受光素子の光電変換素子を組込んだ光電変換ブロックとを備え、
   一方のブロックの一つの面に開口方向に広がる斜面を有する溝部が形成され、
   他方のブロックの一つの面に突出部が形成されており、
   上記溝部に上記突出部を嵌合させることにより、上記光電変換ブロックの光電変換素子の発光部位または受光部位と上記光導波路とが位置決めされ、上記光導波路ブロックと光電変換ブロックとが一体化され、
   上記光導波路ブロックまたは上記光電変換ブロックの突出部は、上記溝部の斜面と断面視において２点で接触し、
   上記突出部の上記接触部位近傍の形状は一つの中心からの円弧を形成し、
   上記中心に光導波路のコア部または光電変換素子の発光部位若しくは受光部位が配置されていることを特徴とする光導波路モジュール。
2. 上記光導波路ブロックと光電変換ブロックの双方が光軸方向の位置決めをするための対向する平面を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路モジュール。
3. 上記溝部は直線状の略Ｖ溝形状であり、
   上記突出部が略半円形状断面であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路モジュール。
4. 上記光導波路ブロックと光電変換ブロックとの間には、５〜２００μｍの間隙を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路モジュール。
5. 上記溝部の斜面の傾きが光導波路の主面に対して３０〜７０度であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路モジュール。
6. 上記溝部の斜面の傾き角度が線対称であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路モジュール。
7. 上記溝部の光軸方向長さが、幅の１．５〜５倍であるあることを特徴とする請求項１に記載の光導波路モジュール。

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