JP4475841B2

JP4475841B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP4475841B2
Application number: JP2001097719A
Authority: JP
Inventors: 孝宏松原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: JP2002296457A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバ通信の送信部光源や受信受光部等に使用される光モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信で使用する光モジュールは、伝送媒体である光ファイバと、電気信号と光信号を光電変換する光半導体素子とを高精度に位置決めした光伝送コンポーネントである。
【０００３】
光半導体素子のうち、光信号を電気信号に変換する受光面を持つ面型フォトダイオードと、電気信号を光信号に変換する発光素子のうち面発光レーザについては（以下、総称して面型光半導体素子と呼ぶ）、その実装面と光出射方向が直交するため、光ファイバとの結合構造に多くの工夫がなされてきた。
【０００４】
図３はその一例として面型光半導体素子である面発光レーザ１０１と光ファイバ１１１の光結合構造を示したものである（例えば、特開２０００−５６１８１号公報を参照）。図３に示すように、面発光レーザ１０１は基板１０４上に発光部１０２を上方に向けて実装され、給電（通電）のための金属ワイヤ１０８（以下、ワイヤ）がループを形成して給電（通電）パッド１０３と基板１０４に形成された電極１１２とを接続している。面発光レーザ１０１の実装固定には、基板１０４上に高精度で形成したマーカーと面発光レーザ１０１の位置を画像処理装置などで観察しながら位置決めするパッシブアライメント工法が用いられる。
【０００５】
面発光レーザ１０１からの出射光１０９は、上部に配された透明なクラッド１１１ｂを透過してコア１１１ａに入射するが、光ファイバ１１１の端面１１０はその光軸に対して４５度の角度で加工されており、その加工面で入射光を反射し光ファイバ１１１に導かれる。その時、加工面には反射効率を高くするために反射膜（図不示）が形成されることがある。
【０００６】
光ファイバ１１１はファイバ保持基板１０５に保持固定されるが、固定を高精度かつ容易にするために光ファイバ１１１をＶ溝（不図示）に沿わせて載置し、所定の位置に来るよう位置決めして固定される。この時、４５度の斜面に加工された光ファイバ端面１１０と発光部１０２に対して正確に対向させることが必要なため、光ファイバ１１１の回転方向の調整も行われる。この調整は端面１１０の角度を上部などから観察しながら光ファイバ１１１全体を回転させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記結合構造は以下に示す問題がある。
【０００８】
第一に、面型光半導体素子に接続するワイヤ配線が発光部あるいは受光部と同じ方向に形成されることから、両者の接触が懸念される。一般に、発光部および受光部と光ファイバの間隔が短いほど両者の結合効率は高くなる。それにより光信号を高効率に長距離伝送ができるが、図３に示す構造においては、両者の接触を避けるために自ずとその最短間隔に制限が生じる。
【０００９】
また、ワイヤと光ファイバの位置関係を調整することにより、この問題はある程度回避できるが、面型光半導体素子の実装構造や配線構造、および光ファイバの載置構造の自由度が下がる。ひいては所望の動作特性を容易に得ることが困難になる。
【００１０】
第二に、ワイヤには一定長さの余長によるループを持たせるが、それによってワイヤが長くなり、電気的特性にも悪影響を及ぼす。具体的にはワイヤの持つインダクタンス成分によって電気信号が減衰し、高速の駆動ができないと。
【００１１】
第三に、光ファイバの位置決め固定に時間を要すことが挙げられる。すなわち、上記の実装組立においては、光ファイバと面型光半導体素子の相対位置を正確に保つために、基板に対する面型光半導体素子の実装精度、基板に対するファイバ保持基板の固定精度、およびファイバ保持基板に対する光ファイバの固定精度、それぞれにμｍオーダーの高精度実装が要求される。
【００１２】
一般に、面型光半導体素子と光ファイバとの相対位置を高精度に保つことが光伝送モジュールにおいては肝要である。例えば、面発光レーザの場合、その精度は多モード光ファイバで約１５μｍ、単一モード光ファイバで約２μｍが要求される。上記の三箇所の実装精度を合計した値をこれらの高精度に収めることは非常に困難であるので、パッシブアライメントと呼ばれる機械的位置決めによる簡易な実装方法が成立しない。従って、面型光半導体素子に対し光ファイバの位置を決める高精度なアライメント操作によって、両者の位置関係を高精度に保たなければならない。これにより、光モジュールの実装組立コストが高くなる。
【００１３】
特に、４５度の斜面に加工した光ファイバの端面を位置合わせする操作は、透明なガラス繊維を上方から観察しながら位置決めすることであり、一般的に視認性が低く、その組立に多くの時間を費やすこととなる。特に、画像認識装置などを用いた自動組立を用いることが難しく、人手に頼った組立を強いられる。４５度に加工した端面に反射膜が形成されていても、上方から観察すると楕円に見える面の角度を位置合わせすることは容易ではない。これらの理由によって自ずと光モジュールの実装組立コストを高くする。
【００１４】
そこで本発明は、前述の諸問題を解消し、高性能な光モジュールを低コストで実現可能な優れた光モジュールを提供することを目的としている。
【問題点を解決するための手段】
以上述べた問題点を解決するため本発明による光モジュールは、光半導体素子と、該光半導体素子の発光部または受光部に光結合させる光ファイバとを備えるとともに、前記光ファイバの一端部を前記光半導体素子の発光部または受光部の上方に配置し、かつ前記光ファイバの外周部に前記光半導体素子に通電するための導体膜を形成したことを特徴とする。
【００１５】
また、上記の光モジュールにおいて、前記光半導体素子と、前記光ファイバの外周部に形成した導体膜に接続する給電（通電）用の配線パターンを形成した絶縁性の支持体とを並設したことを特徴としている。ここで並設とは光半導体素子と支持体が接触して、または一定間隔にて配列されていることである。
【００１６】
また、前記導体膜は、前記光ファイバを前記光半導体素子に対し位置合わせするパターン形状に形成されていることを特徴としている。
【００１７】
さらに、前記導体膜の中央部は、前記光ファイバの上面側半外周部にのみに形成されていることを特徴としている。これは光ファイバ上面側の半周以下に導体膜が形成されており、下面側の半周以上は導体膜が無いことを指す。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の光モジュールを示す斜視図である。（ａ）は光ファイバが載置固定された状態、（ｂ）は光ファイバを載置固定する前の状態を示す。図２は側面図を示す。
【００２０】
光半導体素子１０は、表面１１に発光部あるいは受光部（活性領域）１２が、その周囲に給電（通電）用の導体膜である円形電極１３とが形成されている。円形電極１３はその横に形成された給電（通電）パッド１４に接続されており、ここから表面側への給電（通電）が可能となる。光半導体素子は発光素子として面発光レーザ、受光素子としてフォトダイオードがある。
【００２１】
この光半導体素子１０が基板２０に実装されている。基板２０上には導体膜による電極２１が予め形成されており、通常はハンダを用いて光半導体素子１０を固定することによってその裏面側に給電（通電）を行う。ハンダは融点が２８０℃の金−錫ハンダが一般的に用いられ、予め電極２１上に形成しておくか、プリフォームとして供給する。あるいはハンダの代わりに導電性接着剤を用いても良い。導電性接着剤としては微小な金属粒（金属フィラー）を含んだ樹脂がある。
【００２２】
光半導体素子１０に並設して支持体３０が配置されている。支持体３０はセラミックスやガラスなどの絶縁体で形成されており、その表面に給電（通電）用の導体膜である電極３１が形成されている。図１および図２における支持体３０はＬ字型であり、光半導体素子１０のコーナー１５に当接させて固定されている。これによって基板２０に対する光半導体素子１０の実装精度が不十分であっても支持体３０との位置関係は高精度になる。支持体３０の厚みは光半導体素子１０の厚みとほぼ同じに設定されている。
【００２３】
光ファイバ４０は、その端面４１が光軸に対して略４５度の傾斜面に加工されている。ガラス製光ファイバの加工方法は研磨、あるいは劈開であり、光学面が形成されている。加工面には反射率の仕様に合わせて反射膜を施しておいても良い。（不図示）
光ファイバ４０の所定の位置には通電用の導体膜４２が施されている。導体膜４２の材質はニッケルを下地とした金が用いられる。金は接合性が高い金属であるが、光ファイバを構成する石英ガラスに直接金を固着させることができないため、中間にニッケルを介在させることでガラスの表面に薄膜状に固着できる。
【００２４】
導体膜４２は、両端部４２ａ、４２ｂにおいて光ファイバ４０の全周に渡って形成されており、その中央部４２ｃは後述する理由によって上面側半外周に形成されている。そして、両端部４２ａ，４２ｂと中央部４２ｃの寸法形状は、光半導体素子１０の給電（通電）パッド１４と支持体の上面電極３１ａのパターン、および両者の間隔に合わせてある。
【００２５】
この光ファイバ４０を光半導体素子１０と支持体３０に対して位置を決めて固定する。
【００２６】
光ファイバ４０上に形成した薄膜金属からなる導体膜４２はガラスと比較して視認性が高いため、位置決め工程が効率的に行える。例えば、上部からの画像認識装置を用いた位置決め機構を用いることも容易にできる。
【００２７】
支持体３０の厚さを光半導体素子１０とほぼ同じに設定しているのは、この際に光ファイバを基板２０に対して水平に保つためであり、機械的に安定した固定を実現する。
【００２８】
位置決め後の固定にはハンダなどの接合材を用いる。ハンダは予め給電（通電）パッド上と電極上に形成しておいても良いし、プリフォームを供給しても良い。光半導体素子１０を固定するハンダに金−錫ハンダを用いるのであれば、それよりも融点の低いハンダ、例えば融点１８３℃の錫−鉛ハンダを用いれば、光半導体素子１０の固定に用いた金−錫ハンダを再溶融させて位置ずれさせることが無い。
【００２９】
中央部の導体膜４２ｃを上面半外周部にのみ形成する第一の理由としては、下面側に形成した導体膜によって光半導体素子表面の意図せぬ部位間をショート（短絡）させてしまうことを防ぐためである。
【００３０】
第二の理由は、導体膜４２の中央部は、従来用いているワイヤと比較して幅と厚みの設計に余裕があるため、所望の電気的特性を得ることが容易である。
【００３１】
さらに第三の理由は、中央部の上面半外周の導体膜を光ファイバ端面形状に対して高精度に形成ておけば、光ファイバの回転角によって導体膜表面とガラス表面の位置関係を上部から観察しながら光ファイバの回転方向を容易に位置決めできる。特に、前述の画像認識装置を用いた位置決め機構を用いる際には、この特徴的なパターンが認識速度と精度を向上させるため、光ファイバの位置決め固定を容易にする一助となる。
【００３２】
なお、光ファイバの位置決め固定においては、ハンダの溶融硬化によるセルフアライメント効果も働く。導体膜４２と給電（通電）パッド１４と電極３１の相対位置関係が自動的にアライメントされた状態が得られるため、固定前の位置決め精度が不十分であってもそれを補うことができる。従って、一般的に時間を要するアライメント時間が短縮でき実装組立時間が低減できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の光モジュールによれば、光ファイバの外周に施された導体膜を介して光半導体素子へ給電（通電）されるため、従来の金属ワイヤによる給電（通電）方法に比べて光ファイバと光半導体素子の位置関係を近付けることができる。よって高い光結合効率が得られる。ひいては光信号を高効率に長距離伝送する光モジュールが構成できる。しかも両者の位置関係が任意に且つ正確に設定できるため、実装構造や配線構造に自由度が増し、所望の動作特性を容易に得ることができる。
【００３４】
また、導体膜の幅と厚みを制御することで電気的特性が向上し、所望の動作特性を容易に得られる。一般的には高速に光半導体素子を駆動できる。
【００３５】
さらに、実装組立工程において、光ファイバに形成した導体膜によって光半導体素子と光ファイバの位置関係を高精度に位置決めすることができる。とりわけ光ファイバの回転方向の位置決めが容易になる。導体膜の視認性は高く、画像認識を用いた自動組立が容易に適用できる。ひいては光モジュールを高性能かつ低コストに実装組立できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光モジュールの一実施形態を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明に係る光モジュールの一実施形態を模式的に示す側面図である。
【図３】従来の光モジュールを示す断面図である。
【符号の説明】
１０：光半導体素子
１１：表面
１２：発光部あるいは受光部
１３：円形電極
１４：給電（通電）パッド
２０：基板
２１：電極
２２：電極
３０：支持体
３１、３１ａ：電極
４０：光ファイバ
４１：４５度加工面
４２（４２ａ、４２ｂ、４２ｃ）：導体膜
１０１：面発光レーザ
１０２：発光部
１０３：給電（通電）パッド
１０４：基板
１０５：ファイバ保持基板
１１１：光ファイバ
１１２：４５度加工面

Claims

面型光半導体素子と、該面型光半導体素子の発光部または受光部に光結合させる光ファイバとを備えるとともに、
前記光ファイバはその一端部に、前記面型光半導体素子の発光部または受光部の上方に配置され、前記光ファイバの光軸に対して略４５度に傾斜し、前記面型光半導体素子の発光部からの光を反射させて光ファイバに導く又は前記光ファイバからの光を反射させて前記面型光半導体素子の受光部に導く傾斜面を有し、
前記光ファイバは、該光ファイバを前記面型光半導体素子に対し位置合わせするパターン形状に前記光ファイバの外周部に形成され、一部が前記光ファイバの上面半外周部にのみ形成されている、前記面型光半導体素子に通電するための導体膜を有する光モジュール。
前記面型光半導体素子と、前記光ファイバの外周部に形成した導体膜に接続する通電用の配線パターンを形成した絶縁性の支持体とを並設したことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。