JP5212390B2

JP5212390B2 - 光電変換デバイス

Info

Publication number: JP5212390B2
Application number: JP2010014579A
Authority: JP
Inventors: 裕紀安田; 光樹平野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2030-01-26
Also published as: US20110182546A1; JP2011154114A; US9116314B2

Description

本発明は、光信号を電気信号に変換して出力する、あるいは電気信号を光信号に変換して出力する光電変換デバイスに関するものである。

従来の一般的な光電変換デバイスの構造を図４に示す。

図４に示すように、従来の光電変換デバイス４１では、基板４２上に光ファイバ４３が光学的に接続される光導波路４４を形成し、その光導波路４４上に、面発光素子あるいは面受光素子からなる光素子４５と、光素子４５を駆動する、あるいは光素子４５からの電気信号を増幅するＩＣ４６とを実装している。光素子４５とＩＣ４６とは、光導波路４４上に形成された図示しない電気配線を介して電気的に接続されている。

光電変換デバイス４１において、光ファイバ４３と光学的に接続された光導波路４４の光路は基板４２に対して平行であるが、光素子４５が入出射する光の光路は基板４２に対して垂直である。よって、光素子４５と光導波路４４とを光学的に接続するために、光導波路４４にコア４４ａに対して４５度傾斜したミラー４７を形成し、ミラー４７にて光路を９０度変換している。

しかしながら、このような従来の光電変換デバイス４１では、光ファイバ４３と光素子４５とを光導波路４４を介して光学的に接続しており、さらに光導波路４４にダイシングなどによりミラー４７を形成しなければならないため、製造に手間がかかり、製造コストが高くなるという問題があった。

また、光電変換デバイス４１では、光ファイバ４３と光導波路４４との接続部分、およびミラー４７の２箇所で光損失が発生するため、発生する光損失が大きくなってしまうという問題もある。

さらに、光電変換デバイス４１では、基板４２上に光導波路４４を形成した構造であるため、デバイス全体でのサイズが大きくなってしまい、さらなる小型化が望まれていた。

このような問題を解決した光電変換デバイスとして、特許文献１，２では、光導波路を省略し、光ファイバの先端に光素子を搭載するようにした光電変換デバイスが提案されている。

具体的には、特許文献１では、光ファイバの端部において、光ファイバの外周に光ファイバの端面と略面一な端面を有する支持部材を形成すると共に、該支持部材の端面に導電層を形成し、光素子を、光ファイバを跨ぐように導電層に実装することにより、光素子の発光部（あるいは受光部）と光ファイバのコアとを対向させて、光素子と光ファイバとを光学的に接続するようにした光電変換デバイスが提案されている。

また、特許文献２では、光ファイバの外周にフェルールを設けると共に、該フェルールの端面と光ファイバの端面とを一致させ、光素子を、光ファイバを跨ぐようにフェルールに実装することにより、光素子の発光部（あるいは受光部）と光ファイバのコアとを対向させて、光素子と光ファイバとを光学的に接続するようにした光電変換デバイスが提案されている。

特許第３７２９２４０号公報特開平４−３３３８０６号公報

しかしながら、上述の特許文献１，２では、光ファイバの端面を露出するため、光ファイバの端面を研磨処理する必要があり、光ファイバの端部をカットし、光ファイバの端部の被覆を除去して光ファイバ素線を露出させた上で、光ファイバの端面を研磨するといった工程が必要となる。そのため、製造に非常に手間がかかり、結果的に製造コストが高くなってしまうという問題がある。

また、特許文献１，２では、光ファイバの端面を跨ぐように光素子を配置する必要があるため、光素子としてサイズが大きいもの（少なくともそのパッド間隔が光ファイバ素線の外径よりも大きいもの）を用いなければならず、小型化と低コスト化を阻害する要因（チップサイズが大きいためにコストが高い）となっていた。よって、サイズの小さい光素子を用いることができ、さらなる小型化が可能で低コストな光電変換デバイスが望まれる。

さらに、特許文献１，２では、光ファイバの端部外周が支持部材やフェルールで覆われているため、光素子の搭載後に、光素子と光ファイバの位置ずれを、顕微鏡観察など目視で判定することはできない。したがって、位置ずれに伴う不具合を検査するために、特性評価を行うなど煩雑な検査工程が必要となり、結果的に製造コストが高くなってしまうという問題もある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、容易に製造可能であり、小型で低コストな光電変換デバイス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、光ファイバと、該光ファイバの端部及び端面を覆うように、前記光ファイバが入出射する光に対して透明な透明樹脂をモールドして形成され、前記光ファイバの光軸に対して垂直な入出射面を有するモールド部と、該モールド部の入出射面に、前記光ファイバが入出射する光が通る入出射部を挟むように対向して形成された電気配線と、前記入出射部を跨ぐように前記電気配線に実装され、前記モールド部を介して前記光ファイバと光学的に接続された面発光素子あるい面受光素子からなる光素子と、を備えた光電変換デバイスである。

前記対向して形成された電気配線の間隔は、前記光ファイバの外径よりも小さく、かつ、前記光ファイバのコア径よりも大きくされてもよい。

前記モールド部に、前記光ファイバの軸方向と平行に基板接続面を形成すると共に、該基板接続面に前記電気配線を延長して形成し、前記基板接続面を、前記光素子を駆動する、あるいは前記光素子からの電気信号を増幅するＩＣを搭載した回路基板に配置し、前記電気配線と前記回路基板に形成された基板側電気配線とを電気的に接続することで、前記光素子と前記ＩＣとを、前記電気配線と前記基板側電気配線とを介して電気的に接続するようにしてもよい。

前記モールド部に、前記光素子を駆動する、あるいは前記光素子からの電気信号を増幅するためのＩＣを搭載すると共に、前記光素子と前記ＩＣとを前記電気配線を介して電気的に接続するようにしてもよい。

前記電気配線は、前記モールド部に金属微粒子を含む導電性インクを印刷した後、その印刷した導電性インクを加熱することにより、前記金属微粒子を焼結させて形成されてもよい。

前記光素子を前記印刷した導電性インクに接触させた状態で、前記導電性インクを加熱することにより、前記電気配線の形成と前記光素子の実装を同時に行うようにしてもよい。

前記光ファイバは、コアの外周にクラッドを形成した光ファイバ素線と、該光ファイバ素線の外周に形成された樹脂からなる被覆層とからなり、前記モールド部は、前記被覆層を有する前記光ファイバの端部及び端面を覆うように形成されてもよい。

本発明によれば、容易に製造可能であり、小型で低コストな光電変換デバイスを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る光電変換デバイスの断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、図１の光電変換デバイスを製造する手順を説明する図である。本発明の一実施の形態に係る光電変換デバイスを示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は保護用樹脂モールドを省略したときの上面図である。従来の光電変換デバイスを示す断面図である。

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。

図１は、本実施の形態に係る光電変換デバイスの断面図である。

図１に示すように、光電変換デバイス１は、光ファイバ２と、光ファイバ２の端部及び端面を覆うように形成されたモールド部３と、モールド部３に実装された光素子４とを主に備えている。

光ファイバ２は、図示していないが、コアの外周にクラッドを形成した光ファイバ素線と、光ファイバ素線の外周に形成された樹脂からなる被覆層とからなる。

モールド部３は、光ファイバ２が入出射する光に対して透明な透明樹脂を、光ファイバ２の端部及び端面を覆うようにモールドして形成される。光ファイバ２の端部は、被覆を除去せずに、被覆層を有したままの状態でモールド部３に覆われる。なお、光ファイバ２の端面は、研磨処理を行わずに、そのままモールド部３に覆われる。

モールド部３に用いる透明樹脂としては、例えば、エポキシ系、アクリル系のＵＶ硬化樹脂あるいは熱硬化樹脂を用いるとよい。また、モールド部３に用いる透明樹脂としては、その屈折率が光ファイバ２のコアの屈折率と同程度であるものを用いることが望ましい。

本実施の形態では、モールド部３を略直方体形状に形成しており、モールド部３は、光ファイバ２の光軸に対して垂直な入出射面５と、光ファイバ２の軸方向と平行な基板接続面６とを有している。モールド部３の先端部分の厚さ、すなわち光ファイバ２の端面から入出射面５までの距離は、１０〜２００μｍとされる。これは、先端部分の厚さが１０μｍよりも薄いモールド部３を安定して形成することは技術的に困難であり、また、モールド部３の先端部分の厚さが２００μｍを超えると、光ファイバ２と光素子４との間隔が広くなりすぎ、光が拡がって損失が発生してしまうためである。

モールド部３の入出射面５には、電気配線８が形成される。電気配線８は、光ファイバ２が入出射する光が通る入出射部９を挟むように対向して形成されており、その対向する電気配線８の間隔は、光ファイバ２の外径よりも小さく（例えば、光ファイバ２のコア径程度に）される。電気配線８は、基板接続面６にも延長して形成される。

電気配線８は、詳細は後述するが、モールド部３に金属微粒子（例えば銀微粒子）を含む導電性インク（導電性ペースト）を印刷した後、その印刷した導電性インクを加熱することにより、金属微粒子を焼結させて形成されるものである。

光素子４は、面発光素子または面受光素子からなる。光素子４としては、発光部または受光部と、電気配線８に電気的に接続されるパッドとが同じ面に形成されているもの（所謂フリップチップ実装用の光素子）を用いる。

光素子４は、その発光部または受光部が光ファイバ２のコアと対向するように、入出射部９を跨ぐようにして電気配線８に実装される。電気配線８と光素子４のパッドとを電気的に接続する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、半田（半田ボール）などを用いて電気的に接続するか、あるいは超音波接続により電気的に接続するとよい。これにより、光素子４と光ファイバ２とが、モールド部３を介して光学的に接続される。

なお、図示していないが、光素子４とモールド部３の入出射面５との間には、光素子４と光ファイバ２との位置関係を強固に保持するためのアンダーフィルと呼ばれる樹脂が充填されている。

モールド部３は、その基板接続面６に形成された電気配線８を、回路基板７に形成された基板側電気配線１０に電気的に接続することで、回路基板７に実装される。基板接続面６に形成された電気配線８と、回路基板７に形成された基板側電気配線１０とは、例えば半田などを用いて電気的に接続される。

回路基板７には、光素子４を駆動する、あるいは光素子４からの電気信号を増幅するＩＣ１１が搭載されており、光素子４とＩＣ１１とは、電気配線８、基板側電気配線１０を介して電気的に接続される。また、図示していないが、回路基板７は、外部の通信機器と電気的に接続するためのコネクタ部（例えば、回路基板７の端部に接続端子を形成したカードエッジコネクタ部）を有している。

また、光電変換デバイス１では、モールド部３、光素子４、ＩＣ１１を覆うように、光素子４やＩＣ１１を保護するための保護用樹脂モールド１２が設けられる。

次に、光電変換デバイス１の製造方法を図２を用いて説明する。

光電変換デバイス１を製造する際は、まず、図２（ａ）に示すように、光ファイバ２の端部及び端面を覆うようにモールド部３を形成する。具体的には、金型内に光ファイバを差し込んで保持すると共に、金型内に透明樹脂を流し込み、透明樹脂を固化させて金型を離型することで、モールド部３を形成する。このとき、光ファイバ２の端部は被覆を有したままの状態であり、光ファイバ２の端面の研磨処理も行う必要はない。

光ファイバ２の端部及び端面にモールド部３を形成した後、図２（ｂ）に示すように、モールド部３の入出射面５と基板接続面６に電気配線８を形成する。具体的には、金属微粒子を含む導電性インク（導電性ペースト）を印刷して電気配線８のパターン形成を行い、その後、印刷した導電性インクを加熱処理することで、金属微粒子を焼結させて電気配線８を形成する。なお、本実施の形態では、入出射面５と基板接続面６の２面に導電性インクを印刷することになるが、入出射面５と基板接続面６に順次印刷を行うようにしてもよいし、入出射面５と基板接続面６に一度に印刷するようにしてもよい。入出射面５と基板接続面６に一度に印刷する場合、印刷装置の導電性インクを噴射するノズルと、入出射面５、基板接続面６の両者が対向するように、モールド部３を傾けて配置し、この状態で印刷を行うようにすればよい。

その後、図２（ｃ）に示すように、モールド部３の入出射面５に形成された電気配線８に、入出射部９を跨ぐように光素子４を実装して、光素子４と光ファイバ２とを光学的に接続すると共に、入出射面５と光素子４との間にアンダーフィルを充填して固化させる。

モールド部３に光素子４を実装した後、図２（ｄ）に示すように、モールド部３の基板接続面６に形成された電気配線８を、半田などで基板側電気配線１０に電気的に接続して、モールド部３を回路基板７に実装する。これにより、光素子４とＩＣ１１とが、電気配線８、基板側電気配線１０を介して電気的に接続される。

その後、モールド部３、光素子４、ＩＣ１１を覆うように保護用樹脂モールド１２を設けると、図１の光電変換デバイス１が得られる。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る光電変換デバイス１では、光ファイバ２の端部及び端面を覆うように、透明樹脂をモールドしてモールド部３を形成し、そのモールド部３の入出射面５に、光ファイバ２が入出射する光が通る入出射部９を挟むように対向して電気配線８を形成すると共に、入出射部９を跨ぐように光素子４を電気配線８に実装し、モールド部３を介して光素子４と光ファイバ２とを光学的に接続している。

従来の光電変換デバイスでは、光ファイバの端面を露出させるため、光ファイバの端部の被覆を剥き、光ファイバの端面を研磨する必要があり、製造に非常に手間がかかっていたが、本実施の形態に係る光電変換デバイス１では、光ファイバ２の端部及び端面を透明樹脂からなるモールド部３で覆っており、このモールド部３を構成する透明樹脂が光ファイバ２の端面における凹凸を補完することになるので、光ファイバ２の研磨処理を行う必要がなくなる。すなわち、光電変換デバイス１によれば、光ファイバ２の端部の被覆を剥いたり、光ファイバ２の端面を研磨する作業を省略することが可能となり、製造が容易となり、結果的に製造コストも低減できる。

さらに、光電変換デバイス１では、モールド部３の入出射面５に電気配線８を形成するため、光素子４を搭載する部分の電気配線８の間隔を光ファイバ２の外径よりも小さくすること、つまり、入出射面５を正面から見たときに、光ファイバ２にかかる位置（但し、光ファイバ２のコアにはかからない位置）まで電気配線８を形成することが可能となる。よって、光素子４として、パッドの間隔が小さい小型なものを用いることが可能となり、光電変換デバイス１全体を小型化でき、かつ、低コスト化できる。

また、従来の光電変換デバイスでは、光素子を搭載する部分の電気配線の間隔が広くなってしまうため、小型な光素子を用いようとすると、少し光素子の位置がずれただけで電気配線から外れてしまい、実装が非常に困難となっていたが、光電変換デバイス１によれば、電気配線８の間隔を小さくできるので、パッドの間隔が小さい小型な光素子４であっても、余裕をもって実装することが可能である。

さらに、光電変換デバイス１では、モールド部３を透明樹脂で形成しているため、光素子４と光ファイバ２の位置関係を顕微鏡観察など目視で判定することが可能になる。よって、特性評価などの煩雑な検査工程を省略することが可能となり、結果的に、製造コストを低減できる。

さらにまた、従来の光電変換デバイスでは、アンダーフィルとして、光素子、電気配線（金属）、光ファイバ素線（石英ガラス）に対する接着性が高い樹脂を用いる必要があったが、光電変換デバイス１によれば、アンダーフィルが光ファイバ素線を構成する石英ガラスに接触しないため、石英ガラスに対する接着性を考慮する必要がなくなり、光素子と金属に対する接着性を考慮すればよく、アンダーフィルに用いる樹脂の選択肢が増え、アンダーフィルに安価な樹脂を用いることが可能になる。

次に、本発明の他の実施の形態を説明する。

図３（ａ），（ｂ）に示す光電変換デバイス３１は、図１の光電変換デバイス１において、モールド部３に、さらにＩＣ１１を実装するようにしたものである。光素子４とＩＣ１１とは、電気配線８を介して電気的に接続される。

また、光電変換デバイス３１は、外部の通信機器と電気的に接続されるコネクタ部３２を有しており、このコネクタ部３２は、コネクタピン３３により電気配線８と電気的に接続される。モールド部３、光素子４、ＩＣ１１、およびコネクタ部３２の後端部は、これらを保護する保護用樹脂モールド３４に覆われる。なお、図３（ｂ）では、保護用樹脂モールド３４を省略したときの上面図を示している。

光電変換デバイス３１によれば、図１の光電変換デバイス１における基板７を省略できるので、より小型な光電変換デバイス３１を実現できる。

次に、上記実施の形態の変形例を説明する。

上記実施の形態では、電気配線８を形成した後に、電気配線８に光素子４を実装する場合を説明したが、光素子４を、印刷した導電性インクに接触させ、この状態で導電性インクを加熱することにより、電気配線８の形成と光素子４の実装を同時に行うようにしてもよい。これにより、電気配線８に光素子４を半田などで実装する工程を省略できるので、製造がより容易となり、さらなる低コスト化が可能である。

また、上記実施の形態では、導電性インクとして、金属微粒子を含むものを用いる場合を説明したが、これに限らず、カーボンのフィラーを含むものを用いてもよい。

さらに、上記実施の形態では、１本の光ファイバ２を用いた光電変換デバイス１，３１について説明したが、複数本の光ファイバを並列配置したファイバアレイ（テープ状光ファイバ）にも本発明は適用可能である。この場合、ファイバアレイの端部及び端面を一括して覆うようにモールド部を形成し、そのモールド部の入出射面に、アレイ状の光素子を搭載するようにすればよい。ファイバアレイでは、端部の被覆を除去すると、光ファイバを一括被覆する一括被覆層も除去してしまうこととなり、露出した光ファイバ素線の位置がばらばらな状態となってしまう。しかし、本発明では、一括被覆層を除去せずにモールド部を形成するため、光ファイバ素線の位置がばらばらになることはない。なお、ここではアレイ状の光素子を用いる場合を説明したが、アレイ状の光素子を用いず、各光ファイバに対応するように光素子をそれぞれ搭載することももちろん可能である。

このように、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１光電変換デバイス
２光ファイバ
３モールド部
４光素子
５入出射面
６基板接続面
７基板
８電気配線
９入出射部
１０基板側電気配線
１１ＩＣ

Claims

光ファイバと、
該光ファイバの端部及び端面を覆うように、前記光ファイバが入出射する光に対して透明な透明樹脂をモールドして形成され、前記光ファイバの光軸に対して垂直な入出射面を有するモールド部と、
該モールド部の入出射面に、前記光ファイバが入出射する光が通る入出射部を挟むように対向して形成された電気配線と、
前記入出射部を跨ぐように前記電気配線に実装され、前記モールド部を介して前記光ファイバと光学的に接続された面発光素子あるい面受光素子からなる光素子と、
を備えたことを特徴とする光電変換デバイス。
前記対向して形成された電気配線の間隔は、前記光ファイバの外径よりも小さく、かつ、前記光ファイバのコア径よりも大きくされる請求項１記載の光電変換デバイス。
前記モールド部に、前記光ファイバの軸方向と平行に基板接続面を形成すると共に、該基板接続面に前記電気配線を延長して形成し、
前記基板接続面を、前記光素子を駆動する、あるいは前記光素子からの電気信号を増幅するＩＣを搭載した回路基板に配置し、前記電気配線と前記回路基板に形成された基板側電気配線とを電気的に接続することで、
前記光素子と前記ＩＣとを、前記電気配線と前記基板側電気配線とを介して電気的に接続するようにした請求項１または２記載の光電変換デバイス。
前記モールド部に、前記光素子を駆動する、あるいは前記光素子からの電気信号を増幅するためのＩＣを搭載すると共に、前記光素子と前記ＩＣとを前記電気配線を介して電気的に接続するようにした請求項１または２記載の光電変換デバイス。
前記電気配線は、前記モールド部に金属微粒子を含む導電性インクを印刷した後、その印刷した導電性インクを加熱することにより、前記金属微粒子を焼結させて形成される請求項１〜４いずれかに記載の光電変換デバイス。
前記光素子を前記印刷した導電性インクに接触させた状態で、前記導電性インクを加熱することにより、前記電気配線の形成と前記光素子の実装を同時に行うようにした請求項５記載の光電変換デバイス。
前記光ファイバは、コアの外周にクラッドを形成した光ファイバ素線と、該光ファイバ素線の外周に形成された樹脂からなる被覆層とからなり、
前記モールド部は、前記被覆層を有する前記光ファイバの端部及び端面を覆うように形成される請求項１〜６いずれかに記載の光電変換デバイス。