JP6226782B2 - 光伝送モジュールおよび光伝送モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光素子と、前記光素子の発光部が出力する光信号の光を伝送する光ファイバと、を具備する光伝送モジュール、および前記光伝送モジュールの製造方法に関する。

光素子と光素子の発光部が出力する光信号の光を伝送する光ファイバとを具備する光伝送モジュールにおいては、発光部と光ファイバとの正確な位置決めが重要である。
例えば、特開２０１３−０２５０９２号公報には、光素子と、光素子が実装される基板と、光素子から出力される光信号を伝送する光ファイバ挿入用の貫通孔を有する光ファイバ保持部材（フェルール）と、を備える光伝送モジュールが開示されている。光ファイバ保持部材の貫通孔に光ファイバを挿入することで光素子の発光部と光ファイバとの位置決めが行われる。

しかし、比較的大きな光ファイバ保持部材を、その貫通孔が正確に発光部の直上になるように配置することは容易ではない。また、貫通孔の内径は光ファイバの外径と同じであることが好ましいが、貫通孔を精度良く形成することは容易ではない。また、光素子が発生する熱を効率的に放熱することは容易ではない。

特開２０１３−０２５０９２号公報

本発明の実施形態は、光素子の発光部と光ファイバとの位置決め精度が高い光伝送モジュール、および光素子の発光部と光ファイバとの位置決めが容易な光伝送モジュールの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の光伝送モジュールは、光信号の光を出力する発光部を有する光素子と、
前記光素子の光出力面に垂直に接合された中空円筒体と、第１の主面と第２の主面とを貫通する孔を有し、前記第１の主面に前記光素子が実装され、前記孔を前記中空円筒体が挿通している配線板と、前記中空円筒体に先端部が挿入されている、外径が前記中空円筒体の内径と同じ前記光信号を伝送する光ファイバと、を具備する。

また別の実施形態の光伝送モジュールの製造方法は、光素子の光信号の光を出力する光出力面に垂直に中空円筒体を接合する中空円筒体接合工程と、第１の主面と第２の主面とを貫通する孔を有する配線板の前記孔に前記中空円筒体を挿通し、前記第１の主面に前記光素子を実装する実装工程と、前記中空円筒体に、前記光信号を伝送する、外径が前記中空円筒体の内径と同じ光ファイバの先端部を挿入する光ファイバ挿入工程と、を具備する。

本発明の実施形態によれば、光素子の発光部と光ファイバとの位置決め精度が高い光伝送モジュール、および光素子の発光部と光ファイバとの位置決めが容易な光伝送モジュールの製造方法を提供できる。

第１実施形態の光伝送モジュールの断面図である。 第１実施形態の光伝送モジュールの分解図である。 第１実施形態の光伝送モジュールの製造方法のフローチャートである。 第２実施形態の光伝送モジュールの断面図である。 第２実施形態の光伝送モジュールの製造方法のフローチャートである。 第２実施形態の光伝送モジュールの製造方法を説明するための断面図である。 第２実施形態の光伝送モジュールの製造方法を説明するための断面図である。 第２実施形態の光伝送モジュールの製造方法を説明するための断面図である。 第２実施形態の光伝送モジュールの製造方法を説明するための断面図である。 第３実施形態の光伝送モジュールの断面図である。 第３実施形態の光伝送モジュールの製造方法のフローチャートである。

＜第１実施形態＞
図１および図２を用いて、第１実施形態の光伝送モジュール１について説明する。本実施形態の光伝送モジュール１は、電気信号を光信号に変換し光信号を伝送する、いわゆるＥ／Ｏモジュールである。

光伝送モジュール１は、光素子１０と、配線板２０と、中空円筒体３０と、光ファイバ５０と、を具備する。光素子１０は光信号の光を出力する発光部１１を有する発光素子である。中空円筒体３０は光素子１０の光出力面１０ＳＡに垂直に接合されている。配線板２０は、第１の主面２０ＳＡと第２の主面２０ＳＢとを貫通する孔２０Ｈを有し、第１の主面２０ＳＡに光素子１０が実装され、中空円筒体３０が孔２０Ｈを挿通している。光信号を伝送する光ファイバ５０は、中空円筒体３０に先端部が挿入されており、その外径Ｄ５０が中空円筒体３０の内径Ｄ３０と同じである。

光素子１０は、例えば、光出力面１０ＳＡの寸法が２５０μｍ×３００μｍの直方体の面発光レーザチップであり、光出力面１０ＳＡに直径が２０μｍの発光部１１と、発光部１１に駆動信号を供給する電極１２とを有する。また、発光部１１の周囲には中空円筒体３０を半田接合するためのドーナツ状の金属膜１３が配設されている。電極１２を形成するときに同時に形成される金属膜１３は、例えば、Ｔｉ／Ｎｉ／Ｃｕからなる多層膜である。

そして、光素子１０の光出力面１０ＳＡの上に垂直に接合され直立している、本実施形態の重要構成要素である中空円筒体３０には、光ファイバ５０の先端部が挿入されている。中空円筒体３０は光素子１０の金属膜１３に半田３５を介して接合されている。中空円筒体３０の接合位置は金属膜１３の位置により一義的に決まる。そして、金属膜１３は、例えばフォトリソグラフィプロセスにより、発光部１１との相対位置が正確に配設されている。発光部１１との相対位置が正確な中空円筒体３０に挿入された光ファイバ５０は、発光部１１との相対位置が正確に配置されている。

なお、中空円筒体３０の内径Ｄ３０が、光ファイバ５０の外径Ｄ５０以上（Ｄ３０≧Ｄ５０）であれば、中空円筒体３０に光ファイバ５０を挿入できる。しかし、中空円筒体３０の内径Ｄ３０が、光ファイバ５０の外径Ｄ５０よりも大幅に大きい（Ｄ３０＞＞Ｄ５０）場合には、光ファイバ５０の位置決め精度が低下する。このため、中空円筒体３０の内径Ｄ３０は、光ファイバ５０の外径Ｄ５０と略同等、例えば、（Ｄ５０＋１０μｍ）≧Ｄ３０≧Ｄ５０であることが好ましく、（Ｄ５０＋２μｍ）≧Ｄ３０≧Ｄ５０であることが特に好ましい。

なお、中空円筒体３０は、例えば、外径が内径Ｄ３０より１μｍ以上２０μｍ以下で、長さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下で、光ファイバ５０が挿入された中空円筒体３０が光素子１０の光出力面１０ＳＡに対して直立状態を維持できればよい。

そして、配線板２０は光素子１０の電極１２と接合された接続電極２１等を第１の主面２０ＳＡに有する。配線板２０は孔２０Ｈに中空円筒体３０が挿通した状態で、光素子１０がフリップチップ実装されている。孔２０Ｈは中空円筒体３０が挿通可能であれば、その大きさ、および形状は特に限定されない。

光伝送モジュール１は、光素子１０の所定位置に正確に接合された中空円筒体３０に光ファイバ５０の先端部が挿入されているため、光素子１０の発光部１１と光ファイバ５０との位置決め精度が高い。なお、寸法精度の高い所定の内径Ｄ３０の中空円筒体３０は、容易に入手可能である。

また、比較的大きな光ファイバ保持部材を有していないため、光伝送モジュール１は、小型である。

さらに、光伝送モジュール１は、熱伝導率の高い金属からなる中空円筒体３０が、光素子１０の金属膜１３に半田３５により接合されている。光伝送モジュール１は、光素子１０が発生する熱が中空円筒体３０を介して効率的に伝熱されるため、動作が安定しており信頼性が高い。

＜光伝送モジュール１の製造方法＞
次に、図３のフローチャートに沿って、光伝送モジュール１の製造方法について説明する。

＜ステップＳ１０＞光素子作製工程
半導体ウエハ上に各層が積層された後に多数のチップに分離することで、１枚のウエハから多数の光素子１０が作製される。光素子作製工程では、例えば、ｐ型ＧａＡｓからなる半導体ウエハに、各種のＡｌＧａＡｓ系半導体層等が積層される。

このとき、ウエハ状態で、それぞれの光素子１０の光出力面１０ＳＡには、金バンプ等からなる電極１２と、発光部１１を取り囲むドーナツ状の金属膜１３が配設される。なお、金属膜１３のパターン形状は、中空円筒体３０を所定位置に直立状態に接合可能であれば、ドーナツ状に限られるものではない。

＜ステップＳ２０＞中空円筒体接合工程
所定の仕様の中空円筒体３０が準備される。中空円筒体３０は、例えば、ニッケルまたは銅等の半田付けが容易な金属、特に熱伝導率が、５０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上の金属からなることが好ましい。中空円筒体３０の内径Ｄ３０、外径、および長さは光伝送モジュール１の仕様に応じて決定されるが、寸法精度の高い中空円筒体３０は容易に入手できる。

そして、光素子１０の光出力面１０ＳＡの金属膜１３に、半田３５により中空円筒体３０の一端部が接合される。接合された中空円筒体３０は、光出力面１０ＳＡに垂直に直立した状態である。

＜ステップＳ３０＞実装工程
第１の主面２０ＳＡと第２の主面２０ＳＢとを貫通する孔２０Ｈをする配線板２０が準備される。配線板２０の第１の主面２０ＳＡには光素子１０の電極１２と対応する位置に接続電極２１が配設されている。図示しないが、接続電極２１は配線を介して外部接続電極と接続されている。配線板２０の基体には、ＦＰＣ基板、セラミック基板、ガラスエポキシ基板、ガラス基板、シリコン基板等が使用される。配線板２０に、例えば電気信号を光素子１０の駆動信号に変換するための処理回路が含まれていても良い。

配線板２０の孔２０Ｈに中空円筒体３０を挿通し、第１の主面２０ＳＡに光素子１０がフリップチップ実装される。光素子１０の電極１２であるＡｕバンプが、配線板２０の接続電極２１と例えば、超音波接合される。接合部には、図示しないが、アンダーフィル材やサイドフィル材等の接着剤が注入される。配線板２０に半田ペースト等を印刷し、光素子１０を配置した後、リフロー等で半田を溶融して実装してもよい。外部接続電極に駆動信号が印加されると、光素子１０の発光部１１が発光する。

なお、光素子１０に中空円筒体３０を半田接合するときに、同時に光素子１０を配線板２０に半田バンプ（電極１２）を介して実装してもよい。すなわち、中空円筒体接合工程と実装工程とが同時に行われてもよい。

＜ステップＳ４０＞光ファイバ挿入工程
中空円筒体３０に、光ファイバ５０の先端部が挿入される。例えば、外径Ｄ５０が８０μｍの光ファイバ５０は、光を伝送する外径が５０μｍのコアと、コアの外周を覆うクラッドとからなる。挿入後に、光ファイバ５０を樹脂等で中空円筒体３０に固定してもよい。また、光ファイバ５０の先端と光素子１０の光出力面１０ＳＡとの間に透明樹脂が挿入されてもよい。

すでに説明したように、光伝送モジュール１の製造方法は、光素子１０の発光部１１と光ファイバ５０との位置決めが容易である。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の光伝送モジュール１Ａおよび光伝送モジュール１Ａの製造方法は、光伝送モジュール１等と類似しているので、異なる構成等についてのみ説明する。

図４に示すように、光伝送モジュール１Ａでは、光素子１０が発光部１１の上に配設された光を集光するレンズ４０を有する。凸形状のレンズ４０は、底辺が円形で、その外径Ｄ４０が中空円筒体３０の内径Ｄ３０と略同じで、中空円筒体３０の内部に収容されている。

レンズ４０は、屈折率の高い透明材料、例えば、ガラスまたは樹脂からなる。レンズ４０は透明接着剤（不図示）により接着されている。なお、光素子作製のウエハプロセスにおいて、公知のマイクロレンズ製造プロセスを用いて、レンズ４０を複数の光素子に同時に配設してもよい。マイクロレンズ製造プロセスでは、例えば、透明樹脂をウエハに塗布し、パターニングした後、所定の熱処理を行うことにより複数の所望の形状の凸レンズを同時に形成することができる。

光素子１０の発光部１１の中心と、レンズ４０の中心、すなわち、光ファイバ５０の中心とが、多少ずれて配置された場合においても、発光部１１が発生した光は、レンズ４０の中央部に集光され、光ファイバ５０に導光される。

光伝送モジュール１Ａは、光伝送モジュール１の効果を有し、さらにレンズ４０を有するため、発光部１１が発生した光を、光ファイバ５０に導光しやすい。

図５のフローチャートに示すように、光伝送モジュール１Ａの製造方法においては、中空円筒体接合工程（ステップＳ２０）の前に、光素子１０の発光部１１の上に光を集光するレンズ４０を配設するレンズ配設工程（Ｓ１５）を具備する（図６Ａ）。そして、中空円筒体接合工程において、内径Ｄ３０がレンズ４０の外径と同じ中空円筒体３０が、レンズ４０を収容するように光素子１０に接合される（図６Ｂ）。図６Ｃに示す実装工程および図６Ｄに示す光ファイバ挿入工程は、光伝送モジュール１の製造方法と同じである。

すでに説明したように中空円筒体３０の内径Ｄ３０は光ファイバ５０の外径Ｄ５０と略同じである。そして、レンズ４０の外径Ｄ４０は光ファイバ５０の外径Ｄ５０と同じように、（Ｄ５０＋１０μｍ）≧Ｄ４０≧Ｄ５０であることが好ましく、（Ｄ５０＋２μｍ）≧Ｄ４０≧Ｄ５０であることが特に好ましい。

なお、光伝送モジュール１Ａではレンズ４０が中空円筒体３０の配設位置決め部材の機能を有しているので、発光部１１を取り囲むドーナツ状の金属膜１３は必須の構成要素ではない。例えば、中空円筒体接合工程（ステップＳ２０）において、樹脂からなる中空円筒体が、樹脂接着剤により光素子１０に接合されてもよい。

光伝送モジュール１Ａの製造方法は、光伝送モジュール１の製造方法の効果を有し、さらにレンズ４０により中空円筒体３０の位置決めが行われるため製造が容易である。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の光伝送モジュール１Ｂおよび光伝送モジュール１Ｂの製造方法は、光伝送モジュール１、１Ａ等と類似しているので、異なる構成等についてのみ説明する。

図７に示すように、光伝送モジュール１Ｂは、保持部材６０を具備する。保持部材６０は、貫通孔６０Ｈを有し、貫通孔６０Ｈに中空円筒体３０に挿入された光ファイバ５０が挿通している。保持部材６０は、配線板２０の第２の主面２０ＳＢと接着層（不図示）を介して接合されている。

貫通孔６０Ｈの内径Ｄ６０は、中空円筒体３０が挿通可能であれば、特に限定されるものではなく、貫通孔６０Ｈは、円柱状のほか、角柱状であってもよい。保持部材６０の材質はセラミック、Ｓｉ、ガラス、またはＳＵＳ等の金属部材等である。なお、保持部材６０は略直方体ではなく、略円柱状または略円錐状であってもよい。

そして、図８のフローチャートに示すように、光伝送モジュール１Ｂの製造方法においては、貫通孔６０Ｈを有する保持部材６０の貫通孔６０Ｈに中空円筒体３０を挿入し、保持部材６０を配線板２０の第２の主面２０ＳＢに接合する保持部材接合工程を具備する。

光伝送モジュール１Ｂ等は、光伝送モジュール１等の効果を有し、さらに、光ファイバ５０の接合信頼性が高い。

なお、実施形態の光伝送モジュール１、１Ａは、小型、特に細径である。このため、内視鏡の先端部に特に好ましく用いることができる。光伝送モジュール１、１Ａを有する内視鏡は先端部が細径で低侵襲である。

本発明は、上述した各実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、組み合わせ、および応用が可能である。

１、１Ａ、１Ｂ・・・光伝送モジュール
１０・・・光素子
１１・・・発光部
１２・・・電極
１３・・・金属膜
２０・・・配線板
２０Ｈ・・・孔
２１・・・接続電極
３０・・・中空円筒体
３５・・・半田
４０・・・レンズ
５０・・・光ファイバ
６０・・・保持部材
６０Ｈ・・・貫通孔

Claims (8)

1. 光信号の光を出力する発光部を有する光素子と、
   前記光素子の光出力面に垂直に接合された中空円筒体と、
   第１の主面と第２の主面とを貫通する孔を有し、前記第１の主面に前記光素子が実装され、前記孔を前記中空円筒体が挿通している配線板と、
   前記中空円筒体に先端部が挿入されている、外径が前記中空円筒体の内径と同じ前記光信号を伝送する光ファイバと、を具備することを特徴とする光伝送モジュール。
2. 前記光素子が発光部の上に配設された前記光を集光するレンズを有し、
   外径が前記中空円筒体の内径と同じ前記レンズが、前記中空円筒体の内部に収容されていることを特徴とする請求項１に記載の光伝送モジュール。
3. 金属からなる前記中空円筒体が、前記発光部の周囲に配設された金属膜に半田接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光伝送モジュール。
4. 前記中空円筒体に挿入された前記光ファイバが挿通している貫通孔を有し、前記配線板の前記第２の主面と接合された保持部材を具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光伝送モジュール。
5. 光素子の光信号の光を出力する光出力面に垂直に中空円筒体を接合する中空円筒体接合工程と、
   第１の主面と第２の主面とを貫通する孔を有する配線板の前記孔に前記中空円筒体を挿通し、前記第１の主面に前記光素子を実装する実装工程と、
   前記中空円筒体に、前記光信号を伝送する、外径が前記中空円筒体の内径と同じ光ファイバの先端部を挿入する光ファイバ挿入工程と、を具備することを特徴とする光伝送モジュールの製造方法。
6. 前記中空円筒体接合工程の前に、前記光素子の発光部の上に前記光を集光する、外径が前記中空円筒体の内径と同じレンズを配設するレンズ配設工程を具備し、
   前記中空円筒体接合工程において、前記レンズを収容するように接合することを特徴とする請求項５に記載の光伝送モジュールの製造方法。
7. 前記中空円筒体接合工程において、金属からなる前記中空円筒体が、前記発光部の周囲に配設された金属膜に半田接合されることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光伝送モジュールの製造方法。
8. 貫通孔を有する保持部材の前記貫通孔に前記中空円筒体を挿入し、前記保持部材を前記配線板の前記第２の主面に接合する保持部材接合工程を具備することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の光伝送モジュールの製造方法。

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