JP4803387B2

JP4803387B2 - 光導波路型モジュール

Info

Publication number: JP4803387B2
Application number: JP2007005897A
Authority: JP
Inventors: 圭介山本; 直樹木村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2027-01-15
Also published as: JP2008170868A

Description

本発明は、光モジュールに関し、特に波長多重伝送に用いられる光導波路型モジュールに関する。

従来、波長多重伝送に用いられる光導波路型モジュールは、特許文献１に示されているように、外部から受光領域に入射する光を検出する受光素子（表面受光型素子）が配線基板に実装されている。そして、配線基板の、受光素子が実装されている面と反対側の面が、波長フィルタを介して光導波路基板に接合されている。この時、受光素子は光導波路基板に対して、受光領域の中心が光導波路基板の光導波路のコアの光軸と、配線基板を介して光学的に結合するように位置決めされている。

国際公開２００５／１２１８５５号パンフレット

前記した従来の光導波路型モジュールの第１の問題点は、受光領域の反対面側から受光素子自体の内部を通過してくる光を検出する受光素子（裏面受光型素子）を適用できないことである。一般に、受光素子には、受光領域と、駆動に必要な電力を供給する電極パッドとが同一面に形成されている。表面受光型素子は、受光領域および電極パッドの形成面側から受光領域に入射する光を検出するのに対し、裏面受光型素子は、受光領域および電極パッドの形成面の反対側から受光素子自体の内部を通過してくる光を検出する。すなわち、両受光素子が検出できる光の入射方向は、１８０°異なっている。従って、従来の構造において、表面受光型素子を裏面受光型素子に単純に入れ替えた構成では、光導波路基板から出射される光を裏面受光型素子により受光することはできない。

従来の光導波路型モジュールの第２の問題点は、配線基板の基材や、光導波路基板と波長フィルタと配線基板とを接合している接合用樹脂による光透過ロスが大きいことである。これは、受光素子により検出される光は配線基板の基材や接合用樹脂を通過するため、基材や樹脂による光の吸収および散乱と、光導波路基板と樹脂と基材の各接合界面における反射とによって、光導波路から出射して受光素子の受光領域に到達するまでの間に光の強度が低下するからである。

本発明の目的は、裏面受光型素子を適用可能であり、かつ光透過ロスを抑制できる光導波路型モジュールを提供することにある。

本発明の光導波路型モジュールは、フィルタ接合面及び配線基板接合面を有するとともに光導波路が形成された光導波路基板と、光導波路のコアの端面が露出しているフィルタ接合面に接合されたフィルタと、光導波路からの光を自身の内部を介して受光領域により検出する受光素子と、受光素子が実装されるとともに、配線基板接合面に自身の一部が接合された配線基板とを有し、光導波路のコアの光軸の延長線上には、フィルタ、受光素子、及び、配線基板が、受光領域と配線基板とが向き合うように、フィルタ接合面から離れる方向に向かってこの順に配され、配線基板接合面は、フィルタ接合面よりも、光導波路基板から配線基板に向かう方向に突出している面であることを特徴とする。

この構成によると、配線基板上に実装された裏面受光型の受光素子の光入射面（受光領域が形成されている面の反対側の面）を光導波路のコアに対向させることが可能であるため、裏面受光型の受光素子を適用可能である。

また、光導波路から出射された光が受光素子の受光領域に到達するまでの間に、配線基板の基材を透過することがない。そして、光導波路基板と配線基板とは、光導波路のコアの端面が露出している面（フィルタ接合面）とは異なる面、すなわちフィルタ接合面よりも出っ張った位置にある配線基板接合面において接合されている。従って、光導波路から出射された光は、光導波路基板と配線基板との接合部の接合用樹脂を通ることなく、受光素子の受光領域に導かれる。その結果、光が接合用樹脂を配線基板の基材や接合用樹脂を通ることによる光透過ロスを抑制できる。

フィルタが、光導波路基板のフィルタ接合面に直接形成されたフィルタ膜であると、フィルタを固定するための樹脂が用いられていないので、光導波路から出射された光が樹脂を透過することがなく、光透過ロスをさらに抑制することができる。

受光素子の、受光領域が形成された面に電極パッドが形成されており、配線基板の、少なくともフィルタ接合面側の面に電気配線が形成されており、受光素子は、受光領域が配線基板の電気配線が形成されている面と対向し、かつ電極パッドが電気配線に接続されていてもよい。この構成によると、受光素子は、配線基板の電気配線から電極パッドを介して駆動電力を得ることができる。

配線基板の、受光素子が実装されている面と反対側の面に裏面配線パターンが形成され、裏面配線パターンが金属メッキ層により構成されている構成であってもよい。その場合、金属メッキ層が補強部材として機能するため、配線基板の基材がフレキシブルなものであっても、補強部材を別途設ける必要がない。

本発明の光導波路型モジュールによれば、裏面受光型の受光素子の光入射面を光導波路のコアに対向させることが可能な実装構造であるため、裏面受光型の受光素子を適用可能である。また、光導波路から出射された光が受光素子の受光領域に到達するまでの間に生じる光透過ロスを抑制できる。その理由は、光導波路基板と受光素子の受光領域との間には、配線基板の基材や、光導波路基板と配線基板の接合用の樹脂が存在しないからである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態の光導波路型モジュールの、光導波路２と受光素子１０との光結合構造を示す図であり、光導波路２のコア３の光軸を通る面で切断した断面図である。本実施形態では、配線基板７が、基材５と表面電気配線４と絶縁膜６から構成されている。基材５は、例えば厚さ２５μｍのポリイミドシートであってよい。表面電気配線４は、例えば厚さ８μｍの銅の薄膜をエッチングして得られた銅パターンにニッケルおよび金をメッキした配線パターンであってよい。絶縁膜６は、例えばソルダレジストとして汎用配線基板に用いられる厚さ２５μｍの絶縁シートであってよい。ただし、光導波路基板１の材質によっては、光導波路基板１と表面電気配線４との電気的短絡が生じる可能性が無く、絶縁膜６が不要な場合もある。

配線基板７の表面電気配線４上に、バンプ１３を用いて受光素子１０がフリップチップ実装されており、この受光素子１０の受光領域１１および配線パターン１２は配線基板７に対向している。受光素子１０は、受光領域１１および配線パターン１２の形成面の反対側の面から受光素子１０自体の内部を通過してくる光を検出する、いわゆる裏面受光型の受光素子１０である。バンプ１３は、例えば高さ２０μｍ程度の金スタッドバンプであってよい。受光素子１０の配線パターン１２は、バンプ１３に接続される電極パッドを含んでいる。

配線基板７の、受光素子１０が実装された面と反対側の面には、配線基板７のたわみ等の変形を抑制する目的で、例えば厚さ０．３ｍｍのステンレス板による補強部材１５が接合されている。

光導波路基板１の一端部には段差が設けられており、この段差が設けられることによって、２つの面、すなわちフィルタ接合面２２と配線基板接合面２３が生じている。フィルタ接合面２２は、光導波路基板１を光導波路２に交差する方向にカットして形成された面であり、光導波路２の光導波路コア３が露出している面である。配線基板接合面２３はフィルタ接合面２２と平行な面であり、フィルタ接合面２２よりも外側に出っ張った位置にある。

フィルタ接合面２２には、フィルタ８が樹脂９によって固定されている。配線基板７は配線基板接合面２３に樹脂１４によって固定されている。そして、光導波路基板１と配線基板７は、光導波路コア３の光軸と受光素子１０の受光領域１１の中心とが誤差５〜１０μｍの範囲内で実質的に一致するように相対位置合わせされている。

さらに本実施形態では、配線基板７の基材５が例えばポリイミドなどのフレキシブルな材料からなり、図１に示すように、前記の通り、配線基板７の、受光素子１０が実装された部分が光導波路基板１の端面に樹脂１４によって固定された状態で、配線基板７の曲げ部１６がほぼ直角に屈曲させられている。そして、配線基板７の基板領域１７の表面電気配線４上に、受光素子１０の受光信号を増幅する信号増幅ＩＣ（集積回路チップ）１８が、バンプ１９を用いて実装されている。信号増幅ＩＣ１８の接合面と反対側の面が基板２０に対向しており、樹脂２１によって基板２０上に固定されている。また、光導波路基板１も、樹脂２１によって基板２０上に固定されている。

この構成によると、受光素子１０と光導波路２のコア３の端面との間に、配線基板７の基材５が介在していない。また、配線基板７と光導波路基板１との接合は、光導波路２のコア３の端面が露出している面（フィルタ接合面２２）とは異なる部分、すなわち、フィルタ接合面２２よりも出っ張った位置にある配線基板接合面２３において行われている。そのため、配線基板７と光導波路基板１の接合用の樹脂１４は、受光素子１０と光導波路２のコア３の端面との間に介在しない。従って、コア３の端面から出射した光が受光素子１０に到達するまでの間に、基材５や樹脂１４によって光強度が低下するのが防止される。

図２は、前記した本発明の第１の実施形態の光導波路型モジュールの光導波路２と受光素子１０との光結合構造を、波長多重伝送に用いられる光導波路型送受信モジュールに適用した例の平面図である。本例では、光導波路基板１に送信ポート２５用と共通ポート２６用の２つの光導波路２が形成されている。両光導波路２は、受光素子１０側の端部で互いに１０°〜３０°の角度をなすように交差している。光導波路基板１の、受光素子１０側と反対側の端部には、発光素子２４と光ファイバ２７が実装されている。送信ポート２５用の光導波路２の光導波路コア３の光軸と発光素子２４の光軸は誤差±１μｍ程度の精度で一致し、共通ポート２６用の光導波路２の光導波路コア３の光軸と光ファイバ２７の光軸は誤差±２μｍ程度の精度で一致している。発光素子２４から出射される波長λ１（例えば１．３μｍ）の光は、送信ポート２５用の光導波路２を伝搬してフィルタ８で反射され、さらに共通ポート２６用の光導波路２を伝搬して光ファイバ２７に導かれ光導波路型モジュールの外部へ伝送される。一方、光ファイバ２７により外部から伝送される波長λ２（例えば１．４９μｍ）の光は、共通ポート２６用の光導波路２を伝搬してフィルタ８を透過し、受光素子１０の内部を通って受光領域１１へ導かれる。

次に、本発明の他の実施の形態について図面を参照して説明する。

図３は、本発明の第２の実施形態の光導波路型モジュールの、光導波路２と受光素子１０との光結合構造を示す図であり、光導波路２のコア３の光軸を通る面で切断した断面図である。本実施形態では、光導波路基板１の光導波路コア３が露出しているフィルタ接合面２２に、例えば蒸着などの方法によりフィルタ膜２８が形成されている。前記した本発明の第１の実施形態に比較して、フィルタの接合のために樹脂９が用いられていないため、フィルタ８とフィルタ接合面２２との間に存在する樹脂９による光の透過損失や散乱によるロスといった特性劣化要因を抑えることができる。その結果、本実施形態によると光モジュール特性をさらに向上させることができる。なお、その他の構成については第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

図４は、本発明の第３の実施形態の光導波路型モジュールの、光導波路２と受光素子１０との光結合構造を示す図であり、光導波路２のコア３の光軸を通る面で切断した断面図である。受光素子１０の受光領域１１および配線パターン１２の形成面の裏面側に、光導波路２の光導波路コア３よりも十分に大きい直径１００μｍ程度の開口３０を有する遮光膜２９が形成されている。遮光膜２９は、例えば金属の蒸着などの方法によって、開口３０の部分を除いて受光素子１０の裏面側全体に形成されている。この遮光膜２９により、開口３０を通過する光以外の、光導波路型モジュール内を乱反射している不要光を遮断でき、結果として光モジュール特性をさらに向上させることができる。なお、その他の構成については第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

図５は、本発明の第４の実施形態の光導波路型モジュールの、光導波路２と受光素子１０との光結合構造を示す図であり、光導波路２のコア３の光軸を通る面で切断した断面図である。本実施形態では、配線基板７が、基材５と表面電気配線４と絶縁膜６と裏面配線パターン３１から構成されている。配線基板７には、例えば表裏両面に電気配線を形成できる汎用の両面フレキシブル基板を適用できる。また、強度確保のために、裏面配線パターン３１に例えばニッケルメッキを施し、そのメッキ厚さを例えば０．３ｍｍにしている。このメッキ層が補強部材としても機能するため、第１の実施形態のようにステンレス板からなる補強部材１５を用いた場合と同等の、十分な強度確保が可能である。さらに、この裏面配線パターン３１の形成は配線基板７の量産工程の中で形成可能なため、第１の実施形態のように補強部材１５を用いた場合に比較して、補強部材１５の製作と接合に要する費用を削減でき、結果として光導波路型モジュールの製造コスト低減が見込める。なお、その他の構成については第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

図６は、本発明の第５の実施形態の光導波路型モジュールの、光導波路２と受光素子１０との光結合構造を示す図であり、光導波路２のコア３の光軸を通る面で切断した断面図である。本実施形態では、配線基板７に貫通穴３２（もしくは切欠き部）が設けられ、補強部材１５は、貫通穴３２（もしくは切欠き部）を介して光導波路基板１の端面に樹脂１４によって接合可能な突起部３３を有する形状になっている。

前述した各実施形態における絶縁膜６は、例えばソルダレジストとして汎用配線基板に用いられる絶縁シートであるが、配線基板７の加工時に加わった残留応力や受光素子１０を接合する際に加わった熱によって膨張や反りといった変形が生じる場合がある。その変形によって光導波路基板１の端面と表面電気配線４との距離が変動して設計値よりも大きくなると、受光素子１０とフィルタ８との距離も連動して大きくなるため、光導波路コア３から樹脂９およびフィルタ８を透過して出射される拡散光３４を受光素子１０が設計上の受光効率で受光できなくなる可能性がある。これに対し、本実施形態の光結合構造によれば絶縁膜６が存在しないため、絶縁膜６に起因する受光素子１０とフィルタ８との距離の変動の問題は無く、受光素子１０が拡散光３４を設計上の受光効率で受光可能となる。なお、その他の構成については第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

本発明の第１の実施形態の光導波路型モジュールの構成を示す断面図である。図１に示す光導波路型モジュールを送受信モジュールに適用した例の平面図である。本発明の第２の実施形態の光導波路型モジュールの構成を示す断面図である。本発明の第３の実施形態の光導波路型モジュールの構成を示す断面図である。本発明の第４の実施形態の光導波路型モジュールの構成を示す断面図である。本発明の第５の実施形態の光導波路型モジュールの構成を示す断面図である。

符号の説明

１光導波路基板
２光導波路
３光導波路のコア
４表面電気配線
５基材
６絶縁膜
７配線基板
８フィルタ
９樹脂
１０受光素子
１１受光領域
１２配線パターン
１３バンプ
１４樹脂
１５補強部材
１６曲げ部
１７基板領域
１８信号増幅ＩＣ
１９バンプ
２０基板
２１樹脂
２２フィルタ接合面
２３配線基板接合面
２４発光素子
２５送信ポート
２６共通ポート
２７光ファイバ
２８フィルタ膜
２９遮光膜
３０開口
３１裏面配線パターン

Claims

フィルタ接合面及び配線基板接合面を有するとともに光導波路が形成された光導波路基板と、
前記光導波路のコアの端面が露出している前記フィルタ接合面に接合されたフィルタと、
前記光導波路からの光を自身の内部を介して受光領域により検出する受光素子と、
前記受光素子が実装されるとともに、前記配線基板接合面に自身の一部が接合された配線基板とを有し、
前記光導波路の前記コアの光軸の延長線上には、前記フィルタ、前記受光素子、及び、前記配線基板が、前記受光領域と前記配線基板とが向き合うように、前記フィルタ接合面から離れる方向に向かってこの順に配され、
前記配線基板接合面は、前記フィルタ接合面よりも、前記光導波路基板から前記配線基板に向かう方向に突出している面であることを特徴とする光導波路型モジュール。
前記配線基板は前記光導波路基板に対して、前記受光領域の中心と前記コアの光軸とが所定の誤差の範囲内で実質的に一致するように位置決めされて固定されている、請求項１に記載の光導波路型モジュール。
前記フィルタは、前記光導波路基板の前記フィルタ接合面に直接形成されたフィルタ膜である、請求項１または２に記載の光導波路型モジュール。
前記受光素子の、前記受光領域が形成された面に電極パッドが形成されており、
前記配線基板の、少なくとも前記フィルタ接合面側の面に電気配線が形成されており、
前記受光素子は、前記受光領域が前記配線基板の前記電気配線が形成されている面と対向し、かつ前記電極パッドが前記電気配線に接続されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路型モジュール。
前記配線基板の、前記受光素子が実装されている面と反対側の面に裏面配線パターンが形成され、前記裏面配線パターンが金属メッキ層により構成されている、請求項４に記載の光導波路型モジュール。