JP5093121B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光素子を基板にフリップチップ実装し、基板に光素子からの光を通過させるための導光孔を形成した光モジュールに関するものである。

ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）などの光素子を基板に実装する方法として、従来、ワイヤボンディングが用いられている。

ワイヤボンディングでは、図６に示すように、光素子６１と基板６２の配線パターン６３（あるいは他の素子）とをワイヤ６４を介して電気的に接続している。

しかし、このワイヤボンディングでは、ワイヤ６４がある程度の長さを有するため、ワイヤ６４に起因するインダクタンス成分が発生してしまい、特性インピーダンスの調整が困難となり、その結果、高周波特性が劣化してしまう問題がある。

そこで、光素子と基板とをＡｕバンプ、半田バンプなどのバンプを介して電気的に接続するフリップチップ実装が注目されている。フリップチップ実装では、実装面積を小さくでき、また、インピーダンス整合などの電気特性に優れるという特徴がある。

ＶＣＳＥＬなどの面発光素子（あるいは面受光素子）では、一般に、発光部（あるいは受光部）と電極は同じ面に形成されている。したがって、例えば、ＶＣＳＥＬをフリップチップ実装する場合、ＶＣＳＥＬはバンプ（電極）が形成された面から光を出射するため、ＶＣＳＥＬが出射した光は基板の方へ向かうことになる。

光素子が出射する光（あるいは受光する光）が基板によって遮られないようにする方法として、基板に透明基板を用いる方法がある。しかし、透明基板として一般的に用いられるガラス基板や透明樹脂からなる基板は、熱伝導性が悪いという問題がある。そのため、光素子の冷却が不十分となり、誤動作の原因となるおそれがある。

そこで、ガラス基板や透明樹脂からなる基板と比較して熱伝導性のよいセラミック基板を用い、セラミック基板に光が通過するための導光孔を形成した光モジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１３４４９２号公報 特開２００６−２３７７７号公報

しかしながら、上述のセラミック基板を用いた光モジュールでは、以下のような問題がある。

図７に示すように、光素子７２から出射された光が導光孔７３を通過する際に、光の発散角度により、光がセラミック基板７４に遮られてしまう問題がある。

この問題を解決するために、セラミック基板７４を薄くすることが考えられるが、強度の点からある程度以上には薄くできない。

また、図７の光モジュール７１では、セラミック基板７４の光素子７２を実装した面と反対の面側にレンズを配置するが、光素子７２とレンズ間の距離は、光結合の点から、近いことが好ましい。

特に、光素子７２として、複数の光素子をアレイ状に配置したアレイ光素子を用いる場合は、各々の光素子に対応したレンズのサイズが小さくなってしまうため、光素子７２とレンズ間の距離が短いことが要求される。

図８は、アレイ状のＶＣＳＥＬの一例を示す平面図である。図８に示すように、ＶＣＳＥＬ８１では、１列に配列された発光部８２と、各発光部８２に対応した電極（カソード電極８３、アノード電極８４、ダミーパッド８５，８５）とを備えており、各発光部８２の間隔（ピッチ）は、例えば、約２５０μｍである。よって、図８のＶＣＳＥＬ８１を光素子７２として用いる場合、各発光部８２に対応するレンズは、その径が最大で２５０μｍとなる。したがって、発光部８２から出射する光を全て光結合させるためには、光素子７２とレンズ間の距離が短いことが要求される。

しかしながら、上述のようにセラミック基板７４を薄くすることは強度の点から困難であるため、光素子７２とレンズ間の距離を短くすることができない問題がある。

導光孔７３の径を途中から大きくし、レンズの一部を導光孔７３に入れて、レンズと光素子７２間の距離を短くする構成が考えられるが、セラミック基板７４の導光孔７３は、キリやドリルなどで切削加工して形成するため、途中で径が変わる断面視で略凸字状やＶ字状の孔を形成することは容易ではない。また、導光孔７３を形成するための工程が増えることとなり、手間がかかるという問題もある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光素子とレンズ間の距離を短くでき、かつ、容易に製造可能な光モジュールを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、光素子と、
該光素子をフリップチップ実装し、前記光素子からの光を通過させるための導光孔を形成した積層セラミック基板とを備え、
前記積層セラミック基板を、２層以上のセラミック基板で形成し、それらセラミック基板に、前記導光孔となる径の異なる貫通孔を形成し、該貫通孔の径が、一方の面に前記光素子をフリップチップ実装する第１層目のセラミック基板で最も小さく、前記光素子から離れるにしたがって大きくなるよう、前記セラミック基板を前記第１層目のセラミック基板の他方の面側に積層して形成した光モジュールである。

前記積層セラミック基板の前記光素子を実装した面と反対の面側に、前記光素子と光学的に結合するレンズ素子を配置し、該レンズ素子の一部または全体を前記導光孔内に配置するとよい。

前記レンズ素子がブロック状のレンズブロックであり、該レンズブロックを前記導光孔に嵌合させて、前記レンズブロックの一部または全体を前記導光孔内に配置してもよい。

前記レンズ素子がブロック状のレンズブロックであり、該レンズブロックを前記導光孔に挿入すると共に、前記レンズブロックと前記積層セラミック基板との間に接着剤を充填し、前記レンズブロックの位置決めを行った後に前記接着剤を硬化させて、前記レンズブロックの一部または全体を前記導光孔内に配置してもよい。

前記積層セラミック基板の前記レンズ素子を配置する側の面に、前記レンズ素子を位置決めするための嵌合孔を形成すると共に、前記レンズ素子に位置決め用ピンを形成し、該位置決め用ピンを前記嵌合孔に嵌合させることで、前記レンズ素子を位置決めしてもよい。

前記第１層目のセラミック基板の前記光素子を実装した面と反対の面に、グランド電極を形成するとよい。

本発明によれば、光素子とレンズ間の距離を短くでき、かつ、容易に製造可能な光モジュールを提供できる。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る光モジュールの概略断面図であり、図１（ｂ）はその要部拡大図である。 レンズ素子を導光孔内に配置することを説明する図である。 本発明の一実施形態に係る光モジュールの概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る光モジュールの概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る光モジュールの概略断面図である。 従来のワイヤボンディングを用いた光モジュールの概略断面図である。 従来のセラミック基板を用いた光モジュールの概略断面図である。 アレイ状のＶＣＳＥＬの平面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

本発明の光モジュールは、例えば、光トランシーバとして用いられるものである。

図１（ａ）は、本実施形態に係る光モジュールの概略断面図であり、図１（ｂ）はその要部拡大図である。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、光モジュール１は、光素子２を積層セラミック基板３にフリップチップ実装し、積層セラミック基板３に光素子２からの光Ｌを通過させるための導光孔４を形成したものである。

光素子２は、複数の光素子をアレイ状に配置したアレイ光素子である。本実施形態では、光素子２として、アレイ状のＶＣＳＥＬを用いる場合を説明する。光素子２をアレイ状とするのは、伝送容量を増大させるためである。光素子２はこれに限定されず、アレイ状でない光素子を用いてもよいし、また、ＶＣＳＥＬ以外の他の発光素子でもよく、フォトダイオードなどの受光素子であってもよい。

光素子２は、積層セラミック基板３の先端部（図示右側）にフリップチップ実装され、光素子２からの光Ｌが通過する位置の積層セラミック基板３には、導光孔４が形成される。

光素子２の後端部側（図示左側）の積層セラミック基板３には、光素子２を駆動するためのＩＣ５がフリップチップ実装され、光素子２とＩＣ５とは、積層セラミック基板３に形成された配線パターン（電極および導体パターン）６を介して電気的に接続される。

積層セラミック基板３の光素子２を実装した面と反対の面側には、光素子２と光学的に結合するレンズ素子としてのレンズブロック７が配置され、そのレンズブロック７と対向するように光ファイバ８が配置される。これにより、光素子２と光ファイバ８とは、レンズブロック７を介して光結合される。本実施形態では、レンズブロック７として、光素子２からの光を９０度方向変換して光ファイバ８と光結合させるものを用いたが、これに限定されない。

積層セラミック基板３の後端部には、ＰＣＢ（Printed-Circuit Board）９が接続される。積層セラミック基板３の配線パターン６とＰＣＢ９の配線パターンとは、ワイヤ１０を介して電気的に接続される。積層セラミック基板３とＰＣＢ９の接続はこれに限定されず、例えば、ＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）を用いて接続するようにしてもよい。

ＰＣＢ９の後端部には、外部電気機器１１に接続されるコネクタ１２が設けられる。また、光素子２、ＩＣ５、積層セラミック基板３、ＰＣＢ９等を保護するため、これらを覆うようにケース１３が設けられる。レンズブロック７および光ファイバ８は、ケース１３や図示しない支持部材により支持される。

さて、本実施形態に係る光モジュール１では、積層セラミック基板３として、２層のセラミック基板３ａ，３ｂからなる多層基板を用いる。本実施形態では、積層セラミック基板３として、２層のセラミック基板３ａ，３ｂからなるものを用いる場合を説明するが、これに限定されず、積層セラミック基板３として、３層、４層など３層以上のセラミック基板からなるものを用いてもよい。

積層セラミック基板３は、セラミック基板３ａ，３ｂに、導光孔４となる径の異なる貫通孔４ａ，４ｂを形成すると共に、貫通孔４ａ，４ｂの径が、光素子２を実装する第１層目のセラミック基板３ａで最も小さく、光素子２から離れるにしたがって徐々に大きくなるよう、セラミック基板３ａ，３ｂを積層して形成される。すなわち、光素子２を実装する第１層目のセラミック基板３ａに形成された貫通孔４ａの径よりも、第２層目のセラミック基板３ｂに形成された貫通孔４ｂの径が大きく形成される。

第１層目のセラミック基板３ａに形成される貫通孔４ａの径は、例えば、１００μｍ程度である。第２層目のセラミック基板３ｂに形成される貫通孔４ｂの径は、レンズブロック７の一部が挿入できる程度の大きさであるとよく、光素子２をフリップチップ実装できない大きさであっても問題ない。

第１層目のセラミック基板３ａの裏面（光素子２を実装した面と反対の面）には、光素子２とＩＣ５間のインピーダンスを調整するためのグランド電極１４が形成される。また、セラミック基板３ａ，３ｂには、スルーホール１５が適宜設けられる。

ここで、積層セラミック基板３の製造方法を簡単に説明する。

一般的に、積層基板を形成する際は、シート状の部材にスルーホールを打ち抜いて、導体ペーストにてスルーホールを埋めた後、電極や導体パターンの形成を行って薄型基板を形成し、これを積層して積層基板を形成する。

本実施形態では、シート状の部材としてセラミックシートを用い、スルーホール１５を形成する際に、スルーホール１５と同様に貫通孔４ａを打ち抜いておき、スルーホール１５のみを導体ペーストで埋めて、貫通孔４ａには何も埋めずに空洞の状態にしておく。その後、電極、導体パターン等の配線パターン６を形成して第１層目のセラミック基板３ａを形成する。

同様にして、第１層目のセラミック基板３ａの貫通孔４ａよりも径が大きい貫通孔４ｂを形成した第２層目のセラミック基板３ｂを形成し、これらセラミック基板３ａ，３ｂを積み重ねた後、圧着して積層体を形成して焼成すると、途中で径が変わる導光孔４が形成された積層セラミック基板３が得られる。

このように、従来のスルーホールを形成する手法を用いて導光孔４を形成することができるため、導光孔４を容易に形成することが可能である。また、径の異なる貫通孔４ａ，４ｂを形成したセラミック基板３ａ，３ｂを積層することで、途中で径が変わる導光孔４を容易に形成することができる。

以上により製造された積層セラミック基板３を用いることで、第２層目のセラミック基板３ｂに形成された貫通孔４ｂの径を大きく形成できるため、レンズ素子であるレンズブロック７の一部を導光孔４内に配置することが可能となり、これにより、光素子２とレンズブロック７間の距離を短くすることが可能となる。

図２に示すように、レンズ素子（図２では丸型レンズ２１）を少なくとも第２層目のセラミック基板３ｂの表面よりも内側（光素子２側）に配置することで、光素子２とレンズブロック７間の距離を短くすることができる。図２では、レンズ素子として丸型レンズ２１を用いた場合を示しているが、レンズブロック７を用いた場合も同様である。

本実施形態では、レンズ素子の一部を導光孔４内に配置したが、レンズ素子全体を導光孔４内に配置するようにしてもよい。

本実施形態の作用を説明する。

本実施形態に係る光モジュール１では、積層セラミック基板３を、２層以上（本実施形態では２層）のセラミック基板３ａ，３ｂで形成し、それらセラミック基板３ａ，３ｂに、導光孔４となる径の異なる貫通孔４ａ，４ｂを形成すると共に、貫通孔４ａ，４ｂの径が、光素子２を実装する第１層目のセラミック基板３ａで最も小さく、光素子２から離れるにしたがって徐々に大きくなるよう、セラミック基板３ａ，３ｂを積層して形成している。

従来、光素子２から離れるにしたがって径の大きくなる導光孔４を形成するためには、別のドリルを用いて小さい孔と大きい孔を順次形成する必要があったが、この方法では、小さい孔と大きい孔の中心軸がずれる場合がある。

本実施形態では、スルーホールを形成するのと同様の方法でセラミック基板３ａ，３ｂにそれぞれ径の異なる貫通孔４ａ，４ｂを形成し、これを積層して積層セラミック基板３を形成しているため、貫通孔４ａ，４ｂの中心軸がずれることなく、光素子２から離れるにしたがって径の大きくなる導光孔４を容易に形成できる。これにより、光の発散角度により、光素子２からの光が積層セラミック基板３に遮られてしまうことがなくなる。

また、第２層目のセラミック基板３ｂの貫通孔４ｂの径を大きくできるので、レンズ素子の一部（または全体）を導光孔４内に配置することが可能となり、光素子２とレンズ素子間の距離を短くすることができる。したがって、光素子２としてアレイ状のものを用いる場合であっても、光素子２からの光Ｌをレンズ素子に全て光結合させることが可能となり、光損失を少なくすることができる。

さらに、光モジュール１では、ガラスや透明樹脂からなる基板と比較して放熱性の高い積層セラミック基板３を用いているため、放熱性に優れた光モジュール１を実現できる。

また、第１層目のセラミック基板３ａの裏面に、グランド電極１４を形成することで、光素子２とＩＣ５間の配線パターン６と、グランド電極１４とを接近させることが可能となり、光素子２とＩＣ５間のインピーダンスを調整することが可能となる。さらに、光素子２とＩＣ５間では高周波の信号を伝送するので、伝送する信号にノイズがのらないような工夫が必要となるが、グランド電極１４を形成することで、電気的な反射を抑制してノイズを低減することが可能となる。したがって、光素子２とＩＣ５間のインピーダンス整合などの電気的特性が良好な光モジュール１を実現できる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

図３に示す光モジュール３１は、図１の光モジュール１と基本的に同じ構成であり、レンズ素子であるレンズブロック３２を導光孔４に嵌合させて、レンズブロック３２を積層セラミック基板３に固定するようにしたものである。

レンズブロック３２は、丸型レンズ２１の周囲に断面視で略矩形状の支持部３３を形成したものである。レンズブロック３２の形状はこれに限定されず、図１の光モジュール１で用いたレンズブロック７と同様に、光素子２からの光を９０度方向変換して光ファイバ８と光結合させるように構成してもよい。

光モジュール３１では、第２層目のセラミック基板３ｂの貫通孔４ｂを、レンズブロック３２の形状と略同一に形成し、第２層目のセラミック基板３ｂの貫通孔４ｂにレンズブロック３２を嵌合させて、レンズブロック３２の一部を導光孔４内に配置するようにしている。

これにより、第２層目のセラミック基板３ｂに形成した貫通孔４ｂがレンズブロック３２の位置決め用の孔の役割を兼ねることとなり、レンズブロック３２の位置決めが容易となる。

図４に示す光モジュール４１は、図３の光モジュール３１において、レンズブロック３２と積層セラミック基板３との間に接着剤４２を充填し、レンズブロック３２の位置決めを行った後に接着剤４２を硬化させるものである。

光モジュール４１では、セラミック基板３ｂの貫通孔４ｂは、レンズブロック３２の形状よりも若干大きく形成され、レンズブロック３２と積層セラミック基板３との間に接着剤４２を充填した後、レンズブロック３２の位置の微調整を行い、位置決め後に接着剤４２を硬化させる。

一般的に、セラミック基板３ａ，３ｂを貼り合わせる際の位置合わせの精度（例えば、±１０μｍ程度）は、レンズ素子の位置決めに要求される精度（例えば、±２μｍ程度）よりも低い場合が多い。

光モジュール４１では、レンズブロック３２の位置の微調整を行うことができるため、セラミック基板３ａ，３ｂを積層する際に位置ずれが生じた場合でも、レンズブロック３２の位置を正確に位置決めすることが可能となる。

図５に示す光モジュール５１は、図３の光モジュール３１において、レンズブロック３２に位置決め用ピン５２を形成し、この位置決め用ピン５２を、積層セラミック基板３に形成された嵌合孔５３に嵌合させることで、レンズブロック３２の位置決めを行うものである。

光モジュール５１では、レンズブロック３２の側面から積層セラミック基板３と平行に延びる平行部５２ａと、平行部５２ａから積層セラミック基板３に垂直に延びる垂直部５２ｂとからなる位置決め用ピン５２を２本形成したが、位置決め用ピン５２の形状や本数はこれに限定されない。

嵌合孔５３は、積層セラミック基板３のレンズブロック３２を配置する側の面に形成される。本実施形態では、第２層目のセラミック基板３ｂにスルーホールを形成することで、嵌合孔５３を形成した。

第２層目のセラミック基板３ｂの貫通孔４ｂは、レンズブロック３２の形状よりも若干大きく形成され、嵌合孔５３は、位置決め用ピン５２の先端部（垂直部５２ｂの先端部）と略同一の形状に形成される。

光モジュール５１では、導光孔４とは別に嵌合孔５３を形成し、その嵌合孔５３に位置決め用ピン５２を嵌合させることにより、レンズブロック３２の位置決めを行っている。これにより、導光孔４にレンズブロック３２の位置決め用の孔の役割をさせずとも、レンズブロック３２の位置決めを容易に行うことが可能となる。嵌合孔５３は、スルーホール１５や導光孔４を形成するのと同様に形成することができるので、容易に形成できる。

図５では、位置決め用ピン５２を嵌合孔５３に嵌合させる場合を説明したが、嵌合孔５３を位置決め用ピン５２の先端部の形状よりも若干大きく形成し、位置決め用ピン５２と嵌合孔５３の間との間に接着剤を充填し、レンズブロック３２の位置の微調整を行った後に、接着剤を硬化させるようにしてもよい。これにより、図４の光モジュール４１と同様に、セラミック基板３ａ，３ｂを積層する際に位置ずれが生じた場合でも、レンズブロック３２の位置を正確に位置決めすることが可能となる。

本発明は、上記実施形態には限定されず、当業者にとって想到し得る本明細書に説明された基本的教示の範囲に含まれる全ての変更、および代替的構成を具体化するものとして解釈されるべきである。

１ 光モジュール
２ 光素子
３ 積層セラミック基板
３ａ，３ｂ セラミック基板
４ 導光孔
４ａ，４ｂ 貫通孔
５ ＩＣ
６ 配線パターン
７ レンズブロック（レンズ素子）
８ 光ファイバ
９ ＰＣＢ
１０ ワイヤ
１１ 外部電気機器
１２ コネクタ
１３ ケース
１４ グランド電極
１５ スルーホール
Ｌ 光

Claims (6)

1. 光素子と、
   該光素子をフリップチップ実装し、前記光素子からの光を通過させるための導光孔を形成した積層セラミック基板とを備え、
   前記積層セラミック基板を、２層以上のセラミック基板で形成し、それらセラミック基板に、前記導光孔となる径の異なる貫通孔を形成し、該貫通孔の径が、一方の面に前記光素子をフリップチップ実装する第１層目のセラミック基板で最も小さく、前記光素子から離れるにしたがって大きくなるよう、前記セラミック基板を前記第１層目のセラミック基板の他方の面側に積層して形成した
   ことを特徴とする光モジュール。
2. 前記積層セラミック基板の前記光素子を実装した面と反対の面側に、前記光素子と光学的に結合するレンズ素子を配置し、該レンズ素子の一部または全体を前記導光孔内に配置する請求項１記載の光モジュール。
3. 前記レンズ素子がブロック状のレンズブロックであり、該レンズブロックを前記導光孔に嵌合させて、前記レンズブロックの一部または全体を前記導光孔内に配置する請求項２記載の光モジュール。
4. 前記レンズ素子がブロック状のレンズブロックであり、該レンズブロックを前記導光孔に挿入すると共に、前記レンズブロックと前記積層セラミック基板との間に接着剤を充填し、前記レンズブロックの位置決めを行った後に前記接着剤を硬化させて、前記レンズブロックの一部または全体を前記導光孔内に配置する請求項２記載の光モジュール。
5. 前記積層セラミック基板の前記レンズ素子を配置する側の面に、前記レンズ素子を位置決めするための嵌合孔を形成すると共に、前記レンズ素子に位置決め用ピンを形成し、該位置決め用ピンを前記嵌合孔に嵌合させることで、前記レンズ素子を位置決めする請求項２記載の光モジュール。
6. 前記第１層目のセラミック基板の前記光素子を実装した面と反対の面に、グランド電極を形成する請求項１〜５いずれかに記載の光モジュール。

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