JP4930408B2 - 光デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は発光素子に結合した光導波路コアを有する光デバイスに関する。本発明は以下に示す光硬化性樹脂を用いた自己形成光導波路により製造されるべきものである。

本願出願人らは、自己形成光導波路を多数開発し、出願している。下記特許文献１乃至４はその一部である。ここで自己形成光導波路とは、液状の光硬化性樹脂に、光ファイバ等から当該樹脂の硬化光を照射すると、硬化樹脂による集光が生じることで、長尺の軸状のコアを形成することができるとの事実に基づく導波路である。
特許第４０１１２８３号 特開２００２−３６５４５９ 特開２００４−１４９５７９ 特開２００５−３４７４４１

上記特許文献によれば、例えば誘電体多層膜から成るフィルタを用いて軸状のコアの分岐を形成すれば、例えば光ファイバと、発光素子と受光素子とを結合した光モジュールを形成できる。或いは、発光波長の異なる複数の発光素子と、当該発光を外部へ導出する光合波デバイス、反応波長の異なる複数の受光素子と、それに外部から信号光を導入する光分波デバイスが容易に構成できるようになった。

現在、発光素子、例えば発光ダイオードの市販品の形状は、いわゆる砲弾型や、平面発光型が主流である。これらは、発光ダイオードのチップを、適当な形状の筐体で覆ったものである。しかし、このような形状の市販品の発光素子は、必ずしも上記の光デバイスに用いるのに適した構成ではない。
実際、砲弾型の発光ダイオードは、光軸方向以外の方向からも視認可能なように設計されており、例えば光ファイバに光を導入するために指向性を高くしたものではない。レーザダイオードを用いればそのような指向性は容易に得られるが、コストが高くなる。
また、駆動用集積回路と一体となったものは一般的には市販されていない。このため、例えば出力の自動制御や、他の制御回路からの信号に応じて発光ダイオード等を駆動させるために、駆動用集積回路との接続、例えばハンダ付け作業が必要であった。また、このため、小型化が容易でなかった。

そこで本願発明者らは、特に光モジュールを含む光デバイスの、発光素子と駆動用集積回路の一体化を検討し、本願発明を完成させた。

請求項１に係る発明は、発光素子と光硬化性樹脂の硬化物である自己形成光導波路の軸状のコアとを有する光デバイスであって、発光素子が、当該発光素子を駆動するための駆動用集積回路と共に回路配線基板に搭載されており、回路配線基板上に立設され、発光素子の発する光を回路配線基板に対して垂直方向に近づけるための傘状の反射器を有し、発光素子は反射器と共に樹脂により封止されており、コアの直径は反射器の直径よりも大きく、コア内部に反射器を内包するようにコアが形成され、コアが当該封止樹脂に達し、その封止樹脂表面に沿って接触して接合するように形成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、誘電体多層膜から成るフィルタを有し、コアはフィルタとの交点で分岐を有していることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、コアは、発光波長の異なる２つの発光素子に接続されていることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、コアは、発光素子に接続されているほかに、分岐の先に設けられた受光素子に接続されていることを特徴とする

請求項５に係る発明は、回路配線基板上に立設された傘状の反射器と、反射器と共に樹脂により封止された発光素子と、発光素子を駆動するための駆動用集積回路とが搭載された回路配線基板を用い、所望の筐体内に、回路配線基板を固定して、光硬化性樹脂を充填し、光硬化性樹脂にそれを硬化しうる波長の光を光ファイバその他の外部光導波路から導入して、硬化物による集光を利用して光硬化性樹脂を軸状に硬化させて、回路配線基板に搭載された発光素子を封止する樹脂に達し、その封止樹脂表面に沿って接触して接合するまで当該硬化物からなる自己形成光導波路の軸状のコアを形成し、そのコアの直径を反射器の直径よりも大きくしてコアの内部に反射器を内包するようにすることを特徴とする光デバイスの製造方法である。

本願発明によれば、光デバイスに特化した、回路配線基板上の発光素子（チップオンボード）を用いるので、発光の指向性が向上し、小型化が可能である。駆動部とのハンダ付けが不要であるので作製時間が短縮でき、低コスト化ができる。

本願発明は、上述の自己形成光導波路の技術により容易に形成できる。回路配線基板上の発光素子（チップオンボード）の大きさについては、例えば発光ダイオードを３００μｍ角のチップとし、回路配線基板を３ｍｍ角程度まで小さくすることが可能である。
光デバイス（光モジュールを含む）の、光硬化性樹脂を硬化させた光導波路のコアについては、伝送損失を低減する点から例えば伝送長を１ｃｍ程度以下にすると良い。この点で、光デバイス（光モジュールを含む）の製造に当たり、液状の光硬化性樹脂を充填する筐体内部は、例えば直方体の形状であれば１ｃｍ³以下とすると作業面及びコスト面で良い。

本願発明に用いる光硬化性樹脂及び自己形成光導波路の形成方法は、上記特許文献１乃至４の他、本願発明者らが提案済みの任意の技術を採用しうる。その他、他の開発者により公知となった、任意の技術を採用しうる。
尚、コアのみを形成して、クラッドを形成しない、即ちコア周囲の空気をクラッドとした光デバイスとしても良い。
自己形成光導波路を形成するための光硬化性樹脂液は、入手可能な任意のものを適用できる。硬化機構も、ラジカル重合、カチオン重合其の他任意である。硬化光は一般的にはレーザ光が好ましい。レーザの波長と強度で、光硬化性樹脂液の硬化速度を調整すると良い。尚、光硬化開始剤（光重合開始剤）は光硬化性樹脂液とレーザの波長に応じ、入手可能な任意のものを適用できる。これらについては、本願出願人が共願人である例えば特特許文献３に次のものが列挙されている。

構造単位中にフェニル基等の芳香族環を一つ以上含んだものが高屈折率、脂肪族系のみからなる場合は低屈折率となる。屈折率を下げるために構造単位中の水素の一部をフッ素に置換したものであっても良い。
脂肪族系としてはエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,3-プロパンジオール、1,4-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール等の多価アルコール。
芳香族系としてはビスフェノールＡ、ビスフェノールＳ、ビスフェノールＺ、ビスフェノールＦ、ノボラック、o-クレゾールノボラック、p-クレゾールノボラック、p-アルキルフェノールノボラック等の各種フェノール化合物等。
これら、あるいはこれらから任意に１種乃至複数種選択された多価アルコールのオリゴマー（ポリエーテル）の構造を有する比較的低分子（分子量３０００程度以下）骨格に、反応基として次の官能基等を導入したもの。
〔ラジカル重合性材料〕
ラジカル重合可能なアクリロイル基等のエチレン性不飽和反応性基を構造単位中に１個以上、好ましくは２個以上有する光重合性モノマー及び／又はオリゴマー。エチレン性不飽和反応性基を有するものの例としては、（メタ）アクリル酸エステル、イタコン酸エステル、マレイン酸エステル等の共役酸エステルを挙げることができる。
〔カチオン重合性材料〕
カチオン重合可能なオキシラン環（エポキシド）、オキセタン環等の反応性エーテル構造を構造単位中に１個以上、好ましくは２個以上有する、光重合性のモノマー及び／又はオリゴマー。オキシラン環（エポキシド）としては、オキシラニル基の他、3,4-エポキシシクロヘキシル基なども含まれる。またオキセタン環とは、４員環構造のエーテルである。

〔ラジカル重合開始剤〕
ラジカル重合性モノマー及び／又はオリゴマーから成るラジカル重合性材料の重合反応を光によって活性化する化合物である。具体例としては、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル及びベンゾインプロピルエーテル等のベンゾイン類、アセトフェノン、2,2-ジメトキシ-2-フェニルアセトフェノン、2,2-ジエトキシ-2-フェニルアセトフェノン、1,1-ジクロロアセトフェノン、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2-メチル-1-(4-(メチルチオ)フェニル)-2-モルホリノプロパン-1-オン及びN,N-ジメチルアミノアセトフェノン等のアセトフェノン類、2-メチルアントラキノン、1-クロロアントラキノン及び2-アミルアントラキノン等のアントラキノン類、2,4-ジメチルチオキサントン、2,4-ジエチルチオキサントン、2-クロロチオキサントン及び2,4-ジイソプロピルチオキサントン等のチオキサントン類、アセトフェノンジメチルケタール及びベンジルジメチルケタール等のケタール類、ベンゾフェノン、メチルベンゾフェノン、4,4'-ジクロロベンゾフェノン、4,4'-ビスジエチルアミノベンゾフェノン、ミヒラーズケトン及び4-ベンゾイル-4'-メチルジフェニルサルファイド等のベンゾフェノン類、並びに2,4,6-トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド等が挙げられる。尚、ラジカル重合開始剤は単独で使用しても、２種以上を併用しても良く、また、これらに限定されることはない。
〔カチオン重合開始剤〕
カチオン重合性モノマー及び／又はオリゴマーから成るカチオン重合性材料の重合反応を光によって活性化する化合物である。具体例としては、ジアゾニウム塩、ヨードニウム塩、スルホニウム塩、セレニウム塩、ピリジニウム塩、フェロセニウム塩、ホスホニウム塩、チオピリニウム塩が挙げられるが、熱的に比較的安定であるジフェニルヨードニウム、ジトリルヨードニウム、フェニル(p-アニシル)ヨードニウム、ビス(p-t-ブチルフェニル)ヨードニウム、ビス(p-クロロフェニル)ヨードニウムなどの芳香族ヨードニウム塩、ジフェニルスルホニウム、ジトリルスルホニウム、フェニル(p-アニシル)スルホニウム、ビス(p-t-ブチルフェニル)スルホニウム、ビス(p-クロロフェニル)スルホニウムなどの芳香族スルホニウム塩等のオニウム塩光重合開始剤が好ましい。芳香族ヨードニウム塩および芳香族スルホニウム塩等のオニウム塩光重合開始剤を使用する場合、アニオンとしてはBF₄ ^-、AsF₆ ^-、SbF₆ ^-、PF₆ ^-、B(C₆F₅)₄ ^-などが挙げられる。尚、カチオン重合開始剤は単独で使用しても、２種以上を併用しても良く、また、これらに限定されることはない。

図１は本発明の具体的な一実施例に係る光デバイス１００の構成を示す模式的断面図である。
直方体状の筐体１０内部に、誘電体多層膜から成るフィルタ２０が固定されている。直方体状の筐体１０の１つの面に垂直に、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）３０のコア３１が挿入されている。プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）３０の外形形状（クラッドの外形形状）は、図示しない固定具に固定するために適した形状となっている。プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）３０のコア３１が挿入された、直方体状の筐体１０の面と向かい合う面に、受光素子６１と制御回路６２が搭載された回路配線基板６０が設けられている。また、直方体状の筐体１０の他の面に、発光素子７０と駆動用集積回路８０が搭載された回路配線基板５０が設けられている。

光デバイス１００は、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）３０のコア３１の端面３１ｅから、誘電体多層膜から成るフィルタ２０まで軸状のコア４０が形成されている。そこから、回路配線基板５０に搭載された発光素子７０まで軸状のコア４２が形成されている。また、誘電体多層膜から成るフィルタ２０の裏面から、回路配線基板６０に搭載された受光素子６１まで軸状のコア４１が形成されている。
ここにおいて、軸状のコア４０と４１はその中心軸が同一直線上にあり、それと直交するように軸状のコア４２の中心軸が配置されている。尚、誘電体多層膜から成るフィルタ２０は、軸状のコア４１及び４２と４５度の角度を成す。

誘電体多層膜から成るフィルタ２０のフィルタ設計は任意であるが、例えば図１の光デバイス１００においては、回路配線基板６０に搭載された受光素子６１が受光すべき光の波長又は波長帯域においては高透過性であることが好ましい。同様に、回路配線基板５０に搭載された発光素子７０が発する光の波長又は波長帯域においては高反射性であることが好ましい。

図２は図１の光デバイス１００の、発光素子７０と駆動用集積回路８０が搭載された回路配線基板５０の構成を示す模式的断面図（拡大図）である。
図２に示す通り、回路配線基板５０は、樹脂、ガラス、セラミクスその他の絶縁体から成る絶縁体基板５１、銅その他の金属あるいは他の導体から成る配線層５２、樹脂その他の絶縁体から成る絶縁体被膜５３の３層から成る。
回路配線基板５０には、駆動用集積回路８０が搭載されており、露出した配線層５２とバンプ８１、８２及び８３により接続されている。図２では、例示的に駆動用集積回路８０の３つの端子が配線層５２に接続されている様子を示した。このような駆動用集積回路８０は封止樹脂８５で封止されている。

回路配線基板５０には、発光素子として、例えばＧａＮ系発光ダイオード７０が搭載されている。図２では、例示的にフリップチップタイプのＧａＮ系発光ダイオード７０を示した。ＧａＮ系発光ダイオード７０の構成としては、例えば、サファイア基板７１に単層乃至複数層から成るｎ型層７２ｎと、単層乃至複数層から成るｐ型層７３ｐを形成し、ｎ型層７２ｎにｎ電極７４ｎ、ｐ型層７３ｐに高反射性ｐ電極７５ｐを形成する。図２では、あたかもｐｎ接合において発光する発光ダイオードの如く構成を示しているが、例えば単一又は多重量子井戸層を発光層とする発光素子を用いても良い。図２では単に一本の太線で、発光領域Ａを示したが、これはｐｎ接合において発光する発光ダイオードの当該ｐｎ接合面をも意味し、或いは単一又は多重量子井戸層を発光層とする発光素子においては当該発光層を意味するものである。ｎ型層７２ｎと示した部分にアンドープ層やｐ型層が積層されていても良く、ｐ型層７３ｐと示した部分にアンドープ層やｐ型層が積層されていても良い。こうして、図２のように、サファイア基板７１を上側にして、バンプ７６ｎ及び７７ｐにより、ｎ電極７４ｎと高反射性ｐ電極７５ｐを回路配線基板５０の配線層５２と接続する。

回路配線基板５０のＧａＮ系発光ダイオード７０は、その周囲を傘状の反射器５４で囲まれている。傘状の反射器５４の少なくとも内側の反射面５４ｍには、少なくともＧａＮ系発光ダイオード７０の発する波長の光に対して高反射性の材料が形成されている。勿論、傘状の反射器５４を例えばアルミニウムのような、可視光の波長帯域全体で高反射性である金属で形成しても良い。尚、傘状の反射器５４は、内側の反射面５４ｍが理想的には放物面が好ましいが、生産性の面から、適宜簡略化した構成として良い。例えばアルミニウム板を円錐台側面状に曲げて形成するものでも良く、円錐台側面状に成形したプラスチック内面にアルミニウム蒸着するようなものでも良い。
こうして、傘状の反射器５４の内側の反射面５４ｍにより、ＧａＮ系発光ダイオード７０から例えば水平方向に発せられた光は上方向に反射される。こうして、ＧａＮ系発光ダイオード７０から発せられた光は、回路配線基板５０の略垂直上方向にその向きが揃えられるので、発光の指向性が高くなる。
ＧａＮ系発光ダイオード７０は封止樹脂５５で封止される。この際、傘状の反射器５４の大部分、好ましくはその全部も、封止樹脂５５で封止される。

既に述べた通り、誘電体多層膜から成るフィルタ２０から、回路配線基板５０に搭載された発光素子まで軸状のコア４２が形成されている。この場合、軸状のコア４２の径が、傘状の反射器５４の径よりも大きいことが好ましい。こうして、ＧａＮ系発光ダイオード７０から発せられた光は、回路配線基板５０の略垂直上方向にその向きが揃えられ、ほとんどが、軸状のコア４２に導入され、誘電体多層膜から成るフィルタ２０で反射されて軸状のコア４０を介してプラスチック光ファイバ３０のコア３１に導入される。

図１及び図２に構造の示された光デバイス（光モジュール）１００の製造が容易であることを、図３に５枚の写真図で示す。尚、図３に示す各写真図は、駆動用集積回路を搭載していない状態での実験結果を示すものである。

図３．Ａは発光ダイオードが搭載された回路配線基板の写真図である。下部の２つの丸が電極である。図３．Ｂは、図３．Ａの発光ダイオード付近の拡大写真図である。
図３．Ｃは、光硬化性樹脂の硬化物から成るコアが、回路配線基板に搭載された発光ダイオードに達した様子を示す写真図である。図３．Ｄはその拡大図である。図３．Ｅは、波長選択フィルタを介して分岐した２つのコアが、それぞれ２つの回路配線基板に搭載された発光ダイオードに達した様子を示す写真図である。

本発明は、光ＬＡＮその他の光通信技術に有用な発明である。

本発明の具体的な一実施例に係る光デバイス１００の構成を示す模式的断面図。 発光ダイオードと駆動用集積回路を搭載した回路配線基板の構成を示す断面図。 発光ダイオードを搭載した回路配線基板に光硬化性樹脂硬化物のコアを接続した実験を示す、５枚の写真図。

１００：光デバイス（光モジュール）
１０：筐体
２０：誘電体多層膜から成るフィルタ
３０：プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）
３１：ＰＯＦ３０のコア
３１ｅ：コア３１の端面
４０、４１、４２：光硬化性樹脂の硬化物から成るコア
５０：発光素子と駆動用集積回路が搭載された回路配線基板
５１：回路配線基板５０を構成する絶縁体基板
５２：回路配線基板５０を構成する配線層
５３：回路配線基板５０を構成する絶縁被膜
５４：傘状の反射器
５４ｍ：反射器５４の反射面
５５、８５：封止樹脂
６０：受光素子と制御回路が搭載された回路配線基板
６１：受光素子
６２：制御回路
７０：ＧａＮ系発光ダイオード
７１：サファイア基板
７２ｎ：ｎ型層
７３ｐ：ｐ型層
７４ｎ：ｎ電極
７５ｐ：高反射性ｐ電極
７６ｎ、７７ｐ、８１、８２、８３：バンプ
８０：駆動用集積回路

Claims (5)

1. 発光素子と光硬化性樹脂の硬化物である自己形成光導波路の軸状のコアとを有する光デバイスであって、
   前記発光素子が、当該発光素子を駆動するための駆動用集積回路と共に回路配線基板に搭載されており、
   前記回路配線基板上に立設され、前記発光素子の発する光を前記回路配線基板に対して垂直方向に近づけるための傘状の反射器を有し、
   前記発光素子は前記反射器と共に樹脂により封止されており、
   前記コアの直径は前記反射器の直径よりも大きく、前記コア内部に前記反射器を内包するように前記コアが形成され、
   前記コアが当該封止樹脂に達し、その封止樹脂表面に沿って接触して接合するように形成されていることを特徴とする光デバイス。
2. 誘電体多層膜から成るフィルタを有し、前記コアは前記フィルタとの交点で分岐を有していることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記コアは、発光波長の異なる２つの前記発光素子に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
4. 前記コアは、前記発光素子に接続されているほかに、前記分岐の先に設けられた受光素子に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
5. 回路配線基板上に立設された傘状の反射器と、前記反射器と共に樹脂により封止された発光素子と、前記発光素子を駆動するための駆動用集積回路とが搭載された回路配線基板を用い、
   所望の筐体内に、前記回路配線基板を固定して、光硬化性樹脂を充填し、
   前記光硬化性樹脂にそれを硬化しうる波長の光を光ファイバその他の外部光導波路から導入して、硬化物による集光を利用して前記光硬化性樹脂を軸状に硬化させて、前記回路配線基板に搭載された前記発光素子を封止する前記樹脂に達し、その封止樹脂表面に沿って接触して接合するまで当該硬化物からなる自己形成光導波路の軸状のコアを形成し、そのコアの直径を前記反射器の直径よりも大きくして前記コアの内部に前記反射器を内包するようにすることを特徴とする光デバイスの製造方法。