JP4503064B2 - 光導波路デバイスの製法およびそれによって得られる光導波路デバイス、並びにそれに用いられる光導波路接続構造 - Google Patents
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Description
本発明は、光通信、光情報処理、その他一般光学で広く用いられる光導波路デバイスの製法およびそれによって得られる光導波路デバイス、並びにそれに用いられる光導波路接続構造に関するものである。
一般に、光導波路デバイスは、発光素子から発光される光を、光導波路によって伝播させたり、逆に、光導波路によって伝播された光を、受光素子に受光させることにより、光結合を行うものであるが、その結合に際しては、互いの光軸を同一上に設定することが重要であり、高い位置決め精度が要求される。最近、このような位置決めを簡単に行うことのできるレセプタクル構造を備えた光導波路デバイス（光モジュールを含む）が提案され、光通信等に汎用されている（特許文献１等を参照）。
例えば、上記特許文献１に記載された光モジュールは、図５に示すように、面型発光素子等の光素子１が搭載された基板２と、可とう性光導波路３を、上記光素子１に対し、同一光軸となるような配置で位置決めすることのできるレセプタクル４とを備えている。
なお、上記レセプタクル４は、可とう性光導波路３を位置決めするための案内路となる下側溝５が設けられた第１のレセプタクル６と、同じく案内路となる上側溝７が設けられた第２のレセプタクル８とで構成されており、基板２の上面から立設するガイドピン９、１０と、上記第１のレセプタクル６、第２のレセプタクル８のそれぞれの下面に設けられたガイド穴１１、１２とを嵌合させることにより、一体的に組み立てることができるようになっている。
特開２００６−１５４５５３公報
しかしながら、このものは、レセプタクル構造を形成するために、第１のレセプタクル６と第２のレセプタクル８という２つの部品を作製する工程と、これらの部品を基板２上に組み立てる工程とが必要であり、煩雑な手間を要するという問題がある。また、光素子１と可とう性光導波路３との位置決めを、上記組み立てられたレセプタクル構造によって行うため、各部材の加工精度および組立精度の積み重ねが、全体の精度を左右することになり、その調整が容易でないという問題もある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、一工程で簡単に、優れた精度でレセプタクル構造を形成することのできる、優れた光導波路デバイスの製法と、それによって得られる光導波路デバイスと、それに用いられる光導波路接続構造の提供を、その目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明は、基板上面に受発光素子を実装する工程と、上記実装された受発光素子の周囲に金型を配置し、この金型内にコア形成材料を充填し硬化させることによりコア層を形成し、それによって上記受発光素子を封止するとともに、上記受発光素子の受発光面に相対するコア層の部位に、光導波路差し込み用凹部と光結合用レンズとを一体的に形成する工程と、脱型後、上記コア層の光導波路差し込み用凹部内に光導波路の一端を差し込み、樹脂で封止固定する工程とを備えた光導波路デバイスの製法であって、上記金型として、石英ガラスおよびシリコンの少なくとも一方を用いてなる透明金型を用い、上記金型配置時に、金型内を透かして見ることにより、金型によって形成される光結合用レンズと受発光素子の受発光点の調芯を行うようにした光導波路デバイスの製法を第１の要旨とする。
また、本発明は、そのなかでも、特に、上記光導波路が、長手方向に延びる可とう性のコア層を、クラッド層である帯状フィルムで両面から挟んで積層一体化したものである光導波路デバイスの製法を第２の要旨とする。
さらに、本発明は、上記第１の要旨である製法によって得られる光導波路デバイスであって、基板上面に実装された受発光素子と、この受発光素子を封止するコア層とを備え、上記コア層の、受発光素子の受発光面に相対する部位に、光導波路差し込み用凹部と光結合用レンズとが一体的に形成されており、上記コア層の凹部内に光導波路の一端が差し込まれ樹脂で封止固定されて、光導波路とコア層内の受発光素子の受発光点とが光結合されている光導波路デバイスを第３の要旨とする。
また、本発明は、上記第３の要旨である光導波路接続構造であって、基板上面に実装された受発光素子を封止するコア層の、受発光素子の受発光面に相対する部位に、光導波路差し込み用凹部と光結合用レンズとが一体的に形成されており、上記コア層の凹部内に光導波路の一端を差し込み樹脂で封止固定することにより、光導波路とコア層内の受発光素子とが光結合されるようになっている光導波路接続構造を第４の要旨とする。
すなわち、本発明者は、受発光素子と光導波路とを、簡単に，しかも高い精度で位置決めした状態で光結合することのできるレセプタクル構造を得る方法について、鋭意検討を重ねた。その結果、受発光素子を外力から保護するために樹脂封止を行う際、その樹脂封止と同時に、レセプタクル構造に必要なレンズと、光導波路差し込み用凹部とを、同時に作製するようにすると、所期の目的を達することを見いだし、本発明に到達した。
本発明の光導波路デバイスの製法によれば、上記のように、受発光素子を外力から保護するために金型を用いて樹脂封止を行う際、その樹脂封止と同時に、レセプタクル構造に必要なレンズと光導波路差し込み用凹部とを同時に作製するため、一工程で簡単に、優れた精度でレセプタクル構造を形成することができる。したがって、従来のような、煩雑な手間が不要となり、製造コストと作業時間を大幅に低減することができるという利点を有する。
しかも、本発明では、特に、上記金型として、石英ガラスおよびシリコンの少なくとも一方を用いてなる透明金型を用い、上記金型配置時に、金型内を透かして見ることにより、金型によって形成される光結合用レンズと受発光素子の受発光点の調芯を行うようにしたため、金型配置時の調芯作業を簡単に行うことができるという利点を有する。
また、上記製法のなかでも、特に、上記光導波路が、長手方向に延びる可とう性のコア層を、クラッド層である帯状フィルムで両面から挟んで積層一体化したものである場合には、基板取付面から自由な方向に、これを延ばすことができるという利点を有する。
さらに、本発明の光導波路デバイスは、受発光素子と光導波路とが、コア層によって封止された簡単な構造でありながら、両者の光軸が正確に位置決めされた状態で光結合がなされており、高強度の光量を伝送することができる。
そして、上記光導波路デバイスに用いられる光導波路接続構造によれば、光の結合損失の少ない、高効率の光伝送を、簡単かつ低コストで実施することができるという利点を有する。
つぎに、本発明を実施するための最良の形態を、発光素子と光導波路とを光結合してなる光導波路デバイスを製造する例を用いて、詳細に説明する。
この例によれば、まず、図１（ａ）に示すように、平板状の基板２０を準備し、その上面の所定位置に、発光素子２１を実装する。
上記基板２０の形成材料としては、例えば、ガラス，石英ガラス，シリコン，樹脂，金属等があげられる。また、基板２０の厚みは、その材質や要求される特性によって適宜に設定されるが、例えば、ポリエステル樹脂（ＰＥＴ）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ポリエチレンナフタレート樹脂（ＰＥＮ）等をベースとするフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）の場合は、通常、厚み３０〜３００μｍのものが好適であり、ガラス板や石英板をベースとするリジット基板の場合は、通常、１〜５ｍｍのものが好適である。
また、上記発光素子２１としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等があげられ、上記基板２０への実装は、ワイヤーボンディング等によって行われる。
つぎに、上記実装された発光素子２１の周囲に、コア層形成用の金型（平面視が四角状）２２を配置する。この金型２２は、天井面２３と側面２４とを有し、上記天井面２３の、発光素子２１の発光面に対峙する部位に、図１（ｂ）に示す光導波路差し込み用凹部２５を賦形するための凸部２６が形成され、さらにその凸部２６の先端面２６ａに、同じく図１（ｂ）に示す光結合用レンズ２７を賦形するための半球状凹部２８とが形成されている。
上記金型２２の材質としては、石英ガラスやシリコン等、透明金型であることが必要である。すなわち、上記金型２２の、レンズ賦形用の半球状凹部２８の光軸と、発光素子２１の光軸とを正確に位置合わせするためのアライメントを行う場合、金型２２が透明であれば、金型２２を透かしてその上方からアクティブアライメントを行うことができるからである。
なお、上記金型２２として、不透明な金属金型を用いる場合は、例えば、上記金型２２と基板２０のそれぞれにアライメントマークを設けておき、両アライメントマークを、基板２０の裏側から撮像する等して、アクティブアライメントを行うようにする。その場合、金型２２には、直接アライメントマークを刻設し、基板２０には、印刷ないしはＣｕメッキによりアライメントマークを形成することが望ましい。
さらに、上記金型２２の、光導波路差し込み用凹部２５を賦形するための凸部２６は、賦形する凹部２５が、テーパー状のスリットとなるよう設計されており、図２に示すように、フィルム状の光導波路３０を差し込む際、尤度を持って差し込むことができるとともに、光導波路３０の厚みに多少変動があっても、後述するレンズ２７の集光作用でカバーできるようになっている。
なお、上記凸部２６の先端面２６ａの高さＨは、発光素子２１のボンディングワイヤ２１ａが接触しないような高さに設定することが必要である。凸部２６の先端面２６ａがボンディングワイヤ２１ａを押圧して断線等をさせるおそれがあるからである。
ちなみに、発光素子２１の本体の大きさが、高さ約２００μｍ×幅約３００μｍ×奥行約３００μｍの場合、金型２２の高さ（内寸）は１０ｍｍ以下、幅および奥行はそれぞれは約２０ｍｍ以下に設定することが好ましい。そして、上記凸部２６の先端面２６ａの高さ（Ｈ）は、４００μｍ以上であることが、ボンディングワイヤ２１ａとの接触を回避する上で好ましい。
つぎに、上記金型２２内にコア形成材料を充填し硬化させることにより、コア層２９を形成し、脱型する。このようにして、図１（ｂ）に示すように、発光素子２１がコア層２９によって封止され、かつその上面に、テーパー状のスリットからなる光導波路差し込み凹部２５と、集光作用を有する光結合用レンズ２７とが形成された成形品を得ることができる。
上記コア形成材料としては、通常、光導波路のコア層形成材料として汎用されているものが用いられ、例えば、感光性エポキシ樹脂、感光性ポリイミド樹脂、感光性ポリアミド樹脂、感光性シリコーン樹脂等の感光性樹脂や、感光性ではないエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂を、溶媒に溶解してなるワニスが用いられ、なかでも、感光性エポキシ樹脂を用いたものが好適である。
そして、上記コア形成材料の硬化は、感光性樹脂を用いる場合は、通常、スポット紫外線照射によって行う。紫外線の照射量は、通常、１００〜５０００ｍＪ／ｃｍ2 、好ましくは、２０００〜３０００ｍＪ／ｃｍ2 である。そして、照射時間は、１〜３秒である。また、ポリイミド樹脂等の熱硬化樹脂を用いる場合は、通常、３００〜４００℃×６０〜１８０分間の加熱処理により硬化させる。
つぎに、上記光導波路差し込み凹部２５内に封止用樹脂材料を注入し、光導波路３０を差し込みながら、上記封止用樹脂材料を硬化させて、光導波路３０を固定する。この状態を、図２に示す。図において、３１は硬化した封止樹脂である。
上記封止用樹脂材料としては、従来から光導波路のクラッド層形成材料として汎用されているものが用いられ、例えば、感光性エポキシ樹脂、感光性ポリイミド樹脂、感光性ポリアミド樹脂、感光性シリコーン樹脂等の感光性樹脂や、感光性ではないエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂を、溶媒に溶解してなるワニスが用いられ、なかでも、感光性エポキシ樹脂を用いたものが好適である。ただし、コア層２９から出射される光の損失を抑制するために、封止樹脂３１の屈折率は、前記コア層２９の屈折率より小さくなるよう設定することが好ましい。
そして、上記封止用樹脂材料の硬化は、感光性樹脂を用いる場合は、通常、スポット紫外線照射によって行う。紫外線の照射量は、通常、１００〜５０００ｍＪ／ｃｍ2 、好ましくは、２０００〜３０００ｍＪ／ｃｍ2 である。そして、照射時間は、１〜５秒である。また、ポリイミド樹脂等の熱硬化樹脂を用いる場合は、通常、３００〜４００℃×６０〜１８０分間の加熱処理により硬化させる。
また、上記光導波路差し込み凹部２５内に差し込まれる光導波路３０は、長手方向に延びる可とう性のコア層３２を、クラッド層である帯状フィルム３３，３４で両面から挟んで積層一体化したもので、通常、互いの屈折率を調整したポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂，エポキシ樹脂等からなる積層フィルムが用いられる。そして、その全体厚みが０．１〜２ｍｍ程度のものが、好適に用いられる。
このようにして得られた光導波路デバイスは、発光素子２１と光導波路３０とが、互いの光軸を高い精度で位置合わせされた状態で光結合がなされており、高強度の光量を伝送することができる。
そして、上記光導波路デバイスの製法によれば、上記高品質の光導波路デバイスを、簡単かつ短時間に製造することができ、実用的効果が大きい。
なお、上記の例は、柔軟なフィルム状の光導波路３０を用いているため、図３（ａ）に示すように、基板２０に接続されたフィルム状の光導波路３０を、基板２０取付面から自由な方向に、これを延ばすことができるようになっているが、光導波路３０として、可とう性のないものを用いた場合であっても、柔軟なＦＰＣを基板２０として用いることにより、図３（ｂ）に示すように、自由な方向にこれを取り付けることができる（図では垂直方向）。このように、基板２０と光導波路３０の少なくとも一方を、柔軟な材料で構成することにより、アプリケーションが要求する形態に応じて、適宜の取付形態をとることができる。
また、上記の例は、単一の発光素子２１に、単一の光導波路３０を接続するものであるが、例えば、図４に示すように、複数の発光素子２１が所定ピッチで並ぶ基板２０に対し、上記発光素子２１と同数の光導波路３０が並列に束ねられた光導波路群４０を接続するのに用いることができる。なお、この図は、図２の断面方向とは９０度角度の異なる方向の断面図である。そして、光導波路差し込み用凹部２５内の封止樹脂３１（図２参照）の図示は省略している。
さらに、上記の例は、発光素子２１からの発光をフィルム状の光導波路３０のコア層３２に入射する光結合がなされる光導波路デバイスに適用した例であるが、本発明は、光導波路のコア層から出射する光を受光素子に入射する光結合がなされる光導波路デバイスに適用することができる。
つぎに、実施例について説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるわけではない。
〔金型の準備〕
金型として、光導波路差し込み用凹部の開口幅が１ｍｍ、凹部の底部幅が０．１５ｍｍ、光結合用レンズサイズが直径０．１ｍｍとなるような形状を賦形しうる金型を、ガラスを用いて作製した。なお、金型には、アライメントマークを刻設した。
金型として、光導波路差し込み用凹部の開口幅が１ｍｍ、凹部の底部幅が０．１５ｍｍ、光結合用レンズサイズが直径０．１ｍｍとなるような形状を賦形しうる金型を、ガラスを用いて作製した。なお、金型には、アライメントマークを刻設した。
〔コア形成材料の調製〕
ビスフェノキシエタノールフルオレンジクリシジルエーテル（成分Ａ）：７０重量部、１，３，３−トリス｛４−〔２−（３−オキセタニル）〕ブトキシフェニル｝ブタン：３０重量部、４，４−ビス〔ジ（β−ヒドロキシエトキシ）フェニルスルフィニオ〕フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネートの５０％プロピオンカーボネート溶液（光酸発生剤：成分Ｂ）：０．５重量部を乳酸エチル２８重量部に溶解することにより、コア形成材料を調製した。
ビスフェノキシエタノールフルオレンジクリシジルエーテル（成分Ａ）：７０重量部、１，３，３−トリス｛４−〔２−（３−オキセタニル）〕ブトキシフェニル｝ブタン：３０重量部、４，４−ビス〔ジ（β−ヒドロキシエトキシ）フェニルスルフィニオ〕フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネートの５０％プロピオンカーボネート溶液（光酸発生剤：成分Ｂ）：０．５重量部を乳酸エチル２８重量部に溶解することにより、コア形成材料を調製した。
〔光導波路差し込み用凹部に用いる封止樹脂材料の調製〕
上記成分Ａ：３５重量部、（３’，４’−エポキシシクロヘキサン）メチル−３’，４’−エポキシシクロヘキシル−カルボキシレート：４０重量部、脂環式エポキシ樹脂（ダイセル化学社製、セロキサイド２０２１Ｐ）：２５重量部、成分Ｂ：１重量部を混合することにより、封止樹脂材料を調製した。
上記成分Ａ：３５重量部、（３’，４’−エポキシシクロヘキサン）メチル−３’，４’−エポキシシクロヘキシル−カルボキシレート：４０重量部、脂環式エポキシ樹脂（ダイセル化学社製、セロキサイド２０２１Ｐ）：２５重量部、成分Ｂ：１重量部を混合することにより、封止樹脂材料を調製した。
〔光導波路デバイスの作製〕
まず、発光素子である面発光レーザ（Ｏｐｔｏｗｅｌｌ社製、ＳＭ８５−２Ｎ００１）を、基材厚み３８μｍのＦＰＣに搭載し、素子裏側の端子に銀ペーストを用い、素子表側の端子に、直径２５μｍのＡｕ（金）線を用いて、１１０℃にてワイヤーボンディングを行い、ＦＰＣへの実装を行った。
まず、発光素子である面発光レーザ（Ｏｐｔｏｗｅｌｌ社製、ＳＭ８５−２Ｎ００１）を、基材厚み３８μｍのＦＰＣに搭載し、素子裏側の端子に銀ペーストを用い、素子表側の端子に、直径２５μｍのＡｕ（金）線を用いて、１１０℃にてワイヤーボンディングを行い、ＦＰＣへの実装を行った。
つぎに、上記ＦＰＣに実装された発光素子の周囲に、前記金型を配置し、金型内に、前記コア形成材料を充填した。そして、３０００ｍＪ／ｃｍ2 のスポット紫外線照射を行い、硬化させることにより、発光素子を封止しながらレセプタクル構造のコア層を作製した。
そして、脱型後、上記コア層の光導波路差し込み用凹部内に、前記封止用樹脂材料を注入した後、フィルム状光導波路（全体厚み０．２ｍｍ、コア層厚み５０μｍ、コア層幅４００μｍ）の一端を差し込みながら、３０００ｍＪ／ｃｍ2 のスポット紫外線照射を行い、上記封止用樹脂材料を硬化させて、フィルム状光導波路を固定した。
このようにして、レセプタクル構造によって光導波路と発光素子とが光結合された光導波路デバイスを製造することができた。
このものは、光導波路を経由した後の光量が、アクティブアライメントによって完全調芯した場合の９０％であり、光の結合損失が少なく高品質であることがわかった。
２０ 基板
２１ 発光素子
２５ 光導波路差し込み用凹部
２７ 光結合用レンズ
２９ コア層
３０ 光導波路
３１ 封止樹脂
２１ 発光素子
２５ 光導波路差し込み用凹部
２７ 光結合用レンズ
２９ コア層
３０ 光導波路
３１ 封止樹脂
Claims (4)
- 基板上面に受発光素子を実装する工程と、上記実装された受発光素子の周囲に金型を配置し、この金型内にコア形成材料を充填し硬化させることによりコア層を形成し、それによって上記受発光素子を封止するとともに、上記受発光素子の受発光面に相対するコア層の部位に、光導波路差し込み用凹部と光結合用レンズとを一体的に形成する工程と、脱型後、上記コア層の光導波路差し込み用凹部内に光導波路の一端を差し込み、樹脂で封止固定する工程とを備えた光導波路デバイスの製法であって、上記金型として、石英ガラスおよびシリコンの少なくとも一方を用いてなる透明金型を用い、上記金型配置時に、金型内を透かして見ることにより、金型によって形成される光結合用レンズと受発光素子の受発光点の調芯を行うようにしたことを特徴とする光導波路デバイスの製法。
- 上記光導波路が、長手方向に延びる可とう性のコア層を、クラッド層である帯状フィルムで両面から挟んで積層一体化したものである請求項１記載の光導波路デバイスの製法。
- 請求項１記載の製法によって得られる光導波路デバイスであって、基板上面に実装された受発光素子と、この受発光素子を封止するコア層とを備え、上記コア層の、受発光素子の受発光面に相対する部位に、光導波路差し込み用凹部と光結合用レンズとが一体的に形成されており、上記コア層の凹部内に光導波路の一端が差し込まれ樹脂で封止固定されて、光導波路とコア層内の受発光素子の受発光点とが光結合されていることを特徴とする光導波路デバイス。
- 請求項３記載の光導波路デバイスに用いられる光導波路接続構造であって、基板上面に実装された受発光素子を封止するコア層の、受発光素子の受発光面に相対する部位に、光導波路差し込み用凹部と光結合用レンズとが一体的に形成されており、上記コア層の凹部内に光導波路の一端を差し込み樹脂で封止固定することにより、光導波路とコア層内の受発光素子とが光結合されるようになっていることを特徴とする光導波路接続構造。
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