JP4876411B2

JP4876411B2 - 光モジュールの実装方法

Info

Publication number: JP4876411B2
Application number: JP2005072487A
Authority: JP
Inventors: 智樹梅澤
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: US20060210217A1; US7325981B2; JP2006258863A

Description

本発明は発光素子を搭載した光モジュールの実装方法に係り、特に発光素子として面発光素子を用いた光モジュールの実装方法に関するものである。

発光素子を搭載した光モジュールを導波路基板に実装する場合、光モジュールと導波路基板との位置合わせは精度よく行わなければならない。例えば、導波路の作製された基板に発光素子を搭載した光マルチチップモジュール（光ＭＣＭ）を実装する場合、導波路コアと発光素子の発光点との間の位置合わせは非常に高精度、例えば±５μｍ以下で行う必要がある。この発光素子は一般的にはＶＣＳＥＬなどの面発光素子が用いられる。この種の位置合わせ（アライメント）方法としては、アクティブアライメントとパッシブアライメントがある。次にこれらを説明する。

図１はアクティブアライメントによる位置合わせの一例を示す図で、（ａ）は導波路基板の上面図、（ｂ）は導波路基板に光モジュール（光ＭＣＭ）を実装する方法を示す側面図である。図１（ａ）に示すように、導波路基板１上には、導波路２と、その周りに複数の電気接続用パッド３が設けられている。導波路２は、例えば□５０μｍの導波路コア４とそれを取り巻く導波路クラッド５とを備える。図１（ｂ）に示すように、導波路２は、導波路基板１の上面から内部に縦方向に伸び、途中で反射面を形成して横方向に向きを変え、導波路基板１の側面に通ずる。導波路基板１の側面には、受光素子６が設けられている。光ＭＣＭ７は、発光素子８（例えばＶＣＳＥＬなどの面発光素子）、素子駆動回路９、電気接続用のバンプ１０を備え、位置調整用のハンド１１により保持される。アクティブアライメントは次のようにして行われる。まず、導波路基板１に光ＭＣＭ７を実装する場合、実装工程中に光ＭＣＭ７に給電して、発光素子８を光らせる。そして、ハンド１１で光ＭＣＭ７の位置調整を行いながら、導波路基板１の側面に設置した受光素子６により発光素子８からの光をモニタリングし、結合効率のよい位置を探す。結合効率のよい位置が見つかったら、そこで光ＭＣＭ７をバンプ１０で固定する。これで、アクティブアライメントによる位置合わせが終了する。

図２はパッシブアライメントによる位置合わせの一例を示す図で、（ａ）は導波路基板の上面図、（ｂ）は導波路基板に光モジュール（光ＭＣＭ）を実装する方法を示す側面図、（ｃ）は位置合わせの方法を説明するための図である。図２において、図１と同符号のものは同じものを示す。このパッシブアライメントにおいては、図２（ｂ）のように上下認識カメラ２１を用いる。パッシブアライメントは次のようにして行われる。まず、発光素子８の発光点と導波路コアを上下認識カメラ２１を介して搭載装置の画像認識装置で認識し、図２（ｃ）に示すように、発光素子８の発光点の中心位置１２と導波路コアの中心位置１３が一致するように、位置調整用のハンド１１で光ＭＣＭ７を動かして、精密に位置を調整する（±５μｍ）。精密に位置合わせができたら、光ＭＣＭ７をバンプ１０で固定する。これで、パッシブアライメントによる位置合わせが終了する。

また、次のような技術が知られている。特許文献１には、面発光レーザ素子と光ファイバとの位置合わせが容易な構成を有する面発光レーザモジュールが提案されている。この技術は、平面状に複数発光素子が配置されている面発光レーザ素子の基板に同じ配列でそれらの電極パッドを配置する。光ファイバを挿入するコネクタ側にも電極パッドを有し、両電極パッドを電気接続することで選択的に面発光レーザ素子を駆動できるというものである。特許文献２には、生産性に優れ、安価で信頼性に優れたシステムの構築を可能とする光通信モジュールが提案されている。この技術は、レーザ素子を発光部が光導波部材の光導波部の断面積よりも小さくなるように製作し、かつ光ファイバのコアの断面積の範囲内に複数存在可能な密度で配列するものである。特許文献３には、簡易な構成で高精度な位置合わせが可能な光素子の搭載方法が提案されている。この技術は、励起光により発光した搭載素子からの光を光導波路を介して検出する。このため高精度な位置合わせが可能となるというものである。
特開平１１−３０７８６８号公報特開２００２−２６０４０１公報特開２００４−１１７５８２公報

しかしながら、従来の実装方法では、例えば、表面実装技術（ＳＭＴ）による部品搭載工程で使用されているチップマウンタの搭載精度は、±２０μｍ程度であるため、高精度に搭載することができない。また、高精度で実装するためには、高価な設備を用いて行う必要があった。また高精度に位置合わせをするために長い時間がかかるため、量産性にも問題があった。

従って本発明の目的は、高精度な位置合わせを必要としない量産性にすぐれた光モジュールの実装方法を提供することにある。

上記目的は、光導波路を備えた基板に複数の発光点を持つ面発光素子を備えた光モジュールを実装する光モジュールの実装方法であって、前記光導波路の一端に前記面発光素子の発光面が対向するように前記光モジュールを前記基板上に搭載し、前記面発光素子の各発光点と前記光導波路の光結合効率をそれぞれ測定し、前記測定結果に基づいて使用する発光点を選択する光モジュールの実装方法により、達成される。ここで光導波路は広義の意味であり、いわゆる導波路のほか光ファイバも含むものである。

前記光結合効率は、前記光導波路の他端に設けられた受光素子を用いて測定することができる。前記発光点の選択は、前記光結合効率の高い順番に行うことが好ましい。前記発光点の選択は、複数の発光点について行うことができる。前記選択した発光点は、別の発光点に切り替え可能とすることができる。また、前記選択した発光点に、別の発光点を追加可能とすることができる。

本発明に係る光モジュールは、複数の発光点を持つ面発光素子を備え、前記面発光素子の隣接する発光点間の距離が、接続対象の光導波路のコアサイズの１／２以下とされる。例えば、前記光導波路が光ファイバの場合、前記コアサイズは光ファイバコアの直径であり、前記光導波路が断面四辺形の導波路コアを有する場合は、前記コアサイズは前記導波路コア断面の四辺形の対角線の長さである。前記面発光素子が、接続対象の複数の光導波路コアに対応する複数の発光点群を有するようにすることができる。

本発明に係る光モジュール搭載基板は、光導波路を備えた基板に複数の発光点を持つ面発光素子を備えた光モジュールを実装したものであって、前記面発光素子の複数の発光点のうちで使用される発光点が、前記光導波路との光結合効率を考慮して選択されたものである。前記選択された発光点は別の発光点に切り替え可能とし、および／または前記選択した発光点に別の発光点を追加可能とすることができる。

本発明によれば、高精度な位置合わせを必要としない量産性にすぐれた光モジュールの実装方法を得ることができる。

以下、本発明に係る実施例を説明するが、その前に本発明の概要について説明する。すなわち、本発明は、光導波路と接続する発光源として、使用する信号線（光導波路）数よりも多い複数の発光点を持つ面発光素子をもちい、発光素子を基板に搭載後に各発光点ごとの光導波路との光結合効率を測定して、その結果にもとづき面発光素子の使用する発光点を選択するものである。ここで、光導波路は広義の意味であり、いわゆる導波路のほか光ファイバも含む。また、光結合効率は、例えば光導波路を介して配置された受光部品（受光素子）をもちいて、発光素子の各発光点ごとに測定することで得られる。この場合、光結合効率が高い順番に発光点を選択することが好ましい。一つの光導波路に対して同時に複数の発光点を選択して使用することもできる。また、光モジュールの使用期間中に、発光点を切り替えて使用することができ、または、発光点を追加して使用することができる。さらに、光モジュールは、隣接する発光点間の距離（ピッチ）が接続対象の光導波路コア（光ファイバの場合はコア直径、導波路の場合はコア外形）サイズの１／２以下である発光素子をもちいることが好ましい。以下、本発明に係る実施例を説明する。

（実施例１）
図３は本発明に係る光モジュールの実装方法の一実施例を示す図で、（ａ）は面発光素子（ＶＣＳＥＬ）の発光面を示す図、（ｂ）は導波路基板の上面図、（ｃ）は導波路基板に光モジュール（光ＭＣＭ）を実装する方法を示す側面図、（ｄ）は面発光素子の発光点と導波路コアの位置関係を示す図、（ｅ）は導波路基板上に光ＭＣＭを実装（位置合わせ）した光モジュール搭載基板を示す図である。

図３（ａ）に示すように、面発光素子３１の発光面３２には、複数の発光点３３がアレイ状に配置されている。隣接する発光点３３間の間隔は例えば３０μｍである。図３（ｂ）に示すように、導波路基板１上には、導波路２と、その周りに複数の電気接続用パッド３が設けられている。導波路２は、例えば□５０μｍの導波路コア４とそれを取り巻く導波路クラッド５とを備える。図３（ｃ）に示すように、導波路２は、その一端が導波路基板１上面に配置され、そこから内部に縦方向に伸び、途中で反射面を形成して横方向に向きを変え、導波路基板１の側面に他端がくるように配置される。一方、光ＭＣＭ３０は、面発光素子３１、素子駆動回路３４、電気接続用のバンプ３５を備え、位置調整用のハンド３６により保持される。

導波路基板１と光ＭＣＭ３０の位置合わせは、上下認識カメラ２１を用いて行う。すなわち、面発光素子３１の複数の発光点３３と導波路コア４を上下認識カメラ２１を介して搭載装置の画像認識装置で認識する。この認識結果に基づいてハンド３６を用いて光ＭＣＭ３０の位置調整を行う。この場合、高精度に位置合わせをする必要はなく（±２０μ程度）、通常のマウンタで高速に搭載が可能である。この搭載時の面発光素子の発光点と導波路コアの位置関係は、例えば図３（ｄ）に示すようになり、導波路コア４の中心位置３７と面発光素子３１の発光面３２の中心位置３８は互いにずれる。しかし、面発光素子３１は複数の発光点３３を有しており、その中のどれかが導波路コア４の中心位置３７に重なり、または接近して配置される。そこで、図３（ｅ）に示すように、導波路基板１の側面に設置した受光素子３９で各発光点３３の光をモニタリングし、光結合効率のもっとも高い発光点３３を探す。光結合効率のもっとも高い発光点３３が、すなわち導波路コア４の中心位置にもっとも近い発光点であり、この発光点３３を使用することで、高効率の光結合が可能となる。この発光点３３の駆動は素子駆動回路３４により行われる。なお、隣接する発光点間の距離（ピッチ）は、導波路コア外形（導波路コア断面が四辺形の場合、その対角線の長さ）サイズの１／２以下とすることが好ましい。

このように、本発明では、導波路２の他端に設けた受光素子で各発光点の光結合効率を測定して、使用する発光点を選択する。この場合、結合効率が高い順に発光点を選択することが好ましい。結合効率の測定結果は記録されており、毎回測定する必要はない。導波路コア４に対応する発光点が複数存在する場合は、光モジュール使用期間中に、使用する発光点を当初選択したものから切り替えて使用することで長寿命な光モジュールを得ることができる。また、複数の発光点を同時に発光させることで光出力を向上させることができる。さらに、光モジュール使用期間中に、使用する発光点数を増やすことで光量を一定レベル以上に保つことが可能である。上記発光点の切り替え、複数の発光点の同時発光、あるいは使用する発光点数の追加は、素子駆動回路３４を制御することにより行うことができる。

（実施例２）
図４は本発明に係る光モジュールの実装方法の他の実施例を示す図で、（ａ）は複数のコアを持つ導波路基板の上面図、（ｂ）は面発光素子（ＶＣＳＥＬ）の発光面を示す図、（ｃ）は面発光素子の発光点と導波路コアの位置関係を示す図である。本実施例は、基本的には実施例１と同様の実装方法であるが、導波路基板が複数のコアを有し、それに対応して面発光素子も複数の発光点群を有する点で異なる。
本実施例では、図４（ａ）に示すように、導波路基板４０は、複数の導波路コア４２ａ，４２ｂ，４２ｃと、その周りを囲む導波路クラッド４３とを有する光導波路４１、および、さらにその周りを取り囲む電気接続用パッド４４を有する。この場合、導波路クラッド４３は複数の導波路コア４２ａ，４２ｂ，４２ｃに共通に設けられているが、各導波路コアに個別に設けてもよい。面発光素子４５は、図４（ｂ）に示すように、それぞれ複数の発光点からなる複数の発光点群４６ａ，４６ｂ，４６ｃを有し、これらは導波路コア４２ａ，４２ｂ，４２ｃにそれぞれ対応するように設けられている。各発光点群内の隣接する発光点間の距離（ピッチ）は、導波路コア外形（導波路コア断面が四辺形の場合、その対角線の長さ）サイズの１／２以下とすることが好ましい。この場合、複数の発光点が導波路コアに対応するように配置されるので、導波路コア中心位置に近い（光結合効率が高い）発光点を１つ又は複数選択することができる。

本実施例では、複数のコア（チャンネル）をもつ導波路基板に対する発光素子の傾き誤差に対しても精度を緩和することが可能である。これを次に説明する。いま、図４（ｃ）に示すように、導波路基板４０（導波路クラッド４３）の中心線５１に対して面発光素子４５の中心線５２が角度θだけ傾いているとする。この場合でも、導波路コア４２ａ，４２ｂ，４２ｃにそれぞれ対応する発光点群４６ａ，４６ｂ，４６ｃの内の１つ又は複数の発光点が、導波路コア４２ａ，４２ｂ，４２ｃとの対応位置に存在する。そこで、実施例１と同様な方法で、導波路コア中心位置に近い発光点を各発光点群４６ａ，４６ｂ，４６ｃの中から選択し、この発光点を使用することにより、光結合効率の高い光モジュール搭載基板を得ることができる。

以上の実施例では、面発光素子に対する位置合わせの対象を、基板に埋め込まれた導波路として説明したが、位置合わせの対象が光ファイバの場合も同様に行うことができる。この場合、隣接する発光点間の距離（ピッチ）は、光ファイバコアの直径サイズの１／２以下であることが好ましい。

このように、本発明では、発光素子を導波路基板に搭載する際に高精度な位置合わせが必要でなくなるため、高価な設備が必要とされない。また、位置合わせ時間を短縮できるため、量産性にすぐれている。さらに、発光素子コストは主に素子の外形サイズできまるため、発光点をアレイ状に配置しても追加コストはわずかであり、総合的にみて低コストの光モジュール搭載基板を得ることができる。また、本発明では、上記のように、当初の発光点から別の発光点に切り替えて使用することができ、それにより長寿命な光モジュールの提供が可能である。さらに、複数の発光点を同時に発光させることで光出力を向上させることができる。

本発明は、発光素子を搭載した光モジュールの実装方法に係り、特に発光素子として面発光素子を用いた光モジュールの実装方法に関するものであり、産業上の利用可能性がある。

アクティブアライメントによる位置合わせの一例を示す図で、（ａ）は導波路基板の上面図、（ｂ）は導波路基板に光モジュール（光ＭＣＭ）を実装する方法を示す側面図である。パッシブアライメントによる位置合わせの一例を示す図で、（ａ）は導波路基板の上面図、（ｂ）は導波路基板に光モジュール（光ＭＣＭ）を実装する方法を示す側面図、（ｃ）は位置合わせの方法を説明するための図である。本発明に係る光モジュールの実装方法の一実施例を示す図で、（ａ）は面発光素子（ＶＣＳＥＬ）の発光面を示す図、（ｂ）は導波路基板の上面図、（ｃ）は導波路基板に光モジュール（光ＭＣＭ）を実装する方法を示す側面図、（ｄ）は面発光素子の発光点と導波路コアの位置関係を示す図、（ｅ）は導波路基板上に光ＭＣＭを実装（位置合わせ）した光モジュール搭載基板を示す図である。本発明に係る光モジュールの実装方法の他の実施例を示す図で、（ａ）は複数のコアを持つ導波路基板の上面図、（ｂ）は面発光素子（ＶＣＳＥＬ）の発光面を示す図、（ｃ）は面発光素子の発光点と導波路コアの位置関係を示す図である。

符号の説明

１導波路基板
２導波路
３電気接続用パッド
４導波路コア
５導波路クラッド
３０光ＭＣＭ（光モジュール）
３１面発光素子
３２発光面
３３発光点
３４素子駆動回路
３５電気接続用のバンプ
３６位置調整用のハンド
３７導波路コアの中心位置
３８発光面の中心位置
３９受光素子

Claims

光導波路を備えた基板に複数の発光点を持つ面発光素子と前記発光点を駆動する素子駆動回路とを備えた光モジュールを実装する光モジュールの実装方法であって、前記光導波路の一端に前記面発光素子の発光面が対向するように前記光モジュールを前記基板上に搭載し、前記面発光素子の各発光点と前記光導波路の光結合効率をそれぞれ測定し、前記測定結果に基づいて使用する発光点を選択すること、および、記録した前記光結合効率の測定結果を用いて、前記素子駆動回路を制御することにより前記発光点の切り替えまたは使用する発光点数の追加を行うことができるようにしたことを特徴とする光モジュールの実装方法。
前記光結合効率は、前記光導波路の他端に設けられた受光素子を用いて測定することを特徴とする請求項１記載の光モジュールの実装方法。
前記発光点の選択は、前記光結合効率の高い順番に行うことを特徴とする請求項１または２記載の光モジュールの実装方法。
前記発光点の選択は、複数の発光点について行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光モジュールの実装方法。
複数の発光点を持つ面発光素子と前記発光点を駆動する素子駆動回路とを備えた光モジュールであって、前記面発光素子の隣接する発光点間の距離が、接続対象の光導波路のコアサイズの１／２以下であること、および、前記面発光素子の各発光点と前記光導波路の光結合効率をそれぞれ測定し記録した前記光結合効率の測定結果を用いて、前記素子駆動回路を制御することにより前記発光点の切り替えまたは使用する発光点数の追加を行うことができるようにしたことを特徴とする光モジュール。
前記光導波路が光ファイバの場合、前記コアサイズは光ファイバコアの直径であることを特徴とする請求項５記載の光モジュール。
前記光導波路が断面四辺形の導波路コアを有する場合、前記コアサイズは前記導波路コア断面の四辺形の対角線の長さであることを特徴とする請求項５記載の光モジュール。
前記面発光素子が、接続対象の複数の光導波路コアに対応する複数の発光点群を有することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の光モジュール。
光導波路を備えた基板に複数の発光点を持つ面発光素子と前記発光点を駆動する素子駆動回路とを備えた光モジュールを実装した光モジュール搭載基板であって、前記面発光素子の複数の発光点のうちで使用される発光点が、前記光導波路との光結合効率を考慮して選択されたものであること、および、前記面発光素子の各発光点と前記光導波路の光結合効率をそれぞれ測定し記録した前記光結合効率の測定結果を用いて、前記素子駆動回路を制御することにより前記発光点の切り替えまたは使用する発光点数の追加を行うことができるようにしたことを特徴とする光モジュール搭載基板。