JP7279338B2 - 光モジュールおよび光モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光モジュールおよび光モジュールの製造方法に関する。

近年、基地局やデータセンター等で使用される基幹系機器のみならず、４Ｋ、８Ｋテレビやデジタルサイネージ等の民生機器においても、高速大容量データ伝送の要求が高まっている。これを実現する一つの技術として光通信技術がある。光通信技術では、小型化、且つ低コストでの製造が可能な光モジュールが求められている。このような光モジュールとして、発光素子や受光素子を基板上にフェイスダウン実装したものが知られている。

例えば、特許文献１では、基板上に発光素子や受光素子がフェイスダウン実装されており、基板の下側には接着層を介しレンズシートと光導波路が配置された構造が開示されている。このような構造を採ることにより、発光素子や受光素子と光導波路との光学的な接続を、小さな空間の中で行うことを可能にしている。

ところが、特許文献１の技術では、レンズ上の基板に、光を透過させるための窓が開いており、レンズ部周辺のレンズプレートと基板と間に比較的大きい空洞が生じる。このため、強度不足による信頼性の低下が懸念されていた。

この問題を解決するための技術が、例えば、特許文献２に開示されている。特許文献２では、レンズシートに設けられたレンズ部の端から所定距離離れた位置に、接合層の厚さに近い、複数の凸部を設けている。そして、基板とレンズシートを近付ける圧力を加えて、基板とレンズシートとの間隔が一定になるようにしている。

特開２０１５－１４１３００号公報 特開２０１４－１０２３９９号公報

上述したように、特許文献２の技術は、特許文献１の問題を改善することができる。しかしながら、この改善は十分ではなかった。これは、突起とレンズ部とが所定距離だけ離れており、突起と突起との間に配置されたレンズが動く余地があったためである。レンズが動くことで、レンズと光学素子との位置関係を安定に保てなくなっていた。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、光学素子とレンズとの位置関係を安定に保つ光モジュールを提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、光モジュールは、光学素子が実装された基板と、レンズプレートと、両者を接着する接着層とを有する。レンズプレートには、レンズ部と、レンズ部の周囲を囲う突起部とが設けられている。突起部は、レンズ部の外周から連続して形成されている。突起部の頂部は、レンズ部表面よりも突出している。また、突起部は、頂部から外側に向かって高さが漸減する外側傾斜面を有している。突起部の頂部は、基板に当接し、外側傾斜面と基板の間には、接着層が充填されている。

本発明の効果は、光学素子とレンズとの位置関係を安定に保つ光モジュールを提供できることである。

第１の実施形態の光モジュールを示す平面図である。 第１の実施形態の光モジュールを示す断面図である。 第１の実施形態の光モジュールの別の例を示す断面図である。 第２の実施形態の光モジュールを示す断面図である。 第２の実施形態のレンズプレートの一例を示す平面図と断面図である。 第２の実施形態のレンズプレートの別の一例を示す平面図と断面図である。 第３の実施形態の光モジュールを示す断面図である。 第３の実施形態の光モジュールの製造方法を示す断面図である。 第４の実施形態の光モジュールを示す断面図である。 第５の実施形態の光モジュールを示す断面図である。 第６の実施形態の光モジュールを示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお各図面の同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の光モジュールを示す平面図である。また図２は、図１のＡ－Ａ´における光モジュールの断面図である。図２に示すように、光モジュールでは、光学素子１をフェイスダウン実装した基板２が、接着層３によって、レンズプレート４に接着されている。レンズプレート４は、例えば、光導波路５から入射する光を屈折させて光学素子１に入射させたり、光学素子１から出射された光を光導波路５に入射させたりする機能を有する。

レンズプレート４には、レンズ部４１と、レンズ部４１の周囲を囲う突起部４２とが設けられている。図１の例では、レンズ部４１は、レンズプレート４の外側に向かって凸のレンズになっているが、凹レンズや他の形状のレンズであっても良い。突起部４２は、レンズ部４１の裾から連続して形成されている。突起部４２の頂部４２ａは、レンズ部４１の表面より高い位置、すなわちレンズ部４１よりも突出している。また、突起部４２は、頂部４２ａからレンズ部４１の外側に向かって高さが漸減する外側傾斜面４２ｂを有している。

基板２とレンズプレート４とは接着層３で接着されている。この時、レンズ部４１と光学素子１の間には接着剤が存在しないようにしている。そして、頂部４２ａは基板２に当接し、外側傾斜面４２ｂと基板２の間には、接着層３が充填されている。なお図２の例では、基板２が光学素子１の扱う光を透過する構成を示しているが、基板２が、光学素子１の受光部や発光部に対応する位置に開口部を有していても良い。

以上の構成とすると、レンズ部４１周囲に対応する位置で、突起部４２が基板２をサポートし、基板２とレンズプレート４とのギャップを所定値に保った状態で、両者を接着することができる。このため、光学素子１とレンズ部４１との位置関係を安定に保つことができる。また、レンズプレート４と接着層３との接触面積が増えるため、さらに接着を強固にすることができる。

上記では、頂部４２ａの外側に外側傾斜面４２ｂを有するレンズプレート４を用いる例を示したが、傾斜面は内側に設けても良い。図３は、頂部４２ａの内側にレンズ中央に向かって高さが漸減する内側傾斜面４２ｃを設けたレンズプレート４を用いた光モジュールを示す断面図である。この構造では、基板２が頂部４２ａに支持され、頂部４２ａの内側にも接着面が形成されるため、光学素子１とレンズ部４１の位置関係を安定に保つことができる。なお、接着層３を形成する接着剤は、内側傾斜面４２ｃの内縁まで充填されていなくても良い。内側傾斜面４２ｃを設けると、接着力が増す効果の他に、余分な接着剤のバッファとなる効果が得られる。すなわち、頂部４２ａの上からはみ出した接着剤が、レンズ部４１に向かって流れ落ちるのを防ぐことができる。なお内側傾斜面４２ｃは、頂部４２ａの内側全部に設けられずに、一部に設けられていても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、光学素子とレンズとの位置関係を安定に保つ光モジュールを提供することができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態の光モジュール１００を示す断面図である。光モジュール１００は、第1の実施形態と、ほぼ同じであるが、頂部４２ａからレンズ部４１の内側に向かって高さが漸減する内側傾斜面４２ｃを有している点が異なる。

光モジュール１００では、第１の実施形態と同様に、レンズ部４１の周囲で、突起部４２の頂部４２ａが基板２をサポートした状態で、接着層３が両者を接着している。この時、接着層３が、内側傾斜面４２ｃと基板２との間にも充填されている。このため、レンズ部４１と光学素子１との位置関係を、より安定に維持することができる。なお、第１の実施形態と同様な構成については説明を省略した。

図５は、レンズプレート４の一例を示す平面図および断面図である。レンズ部４１は、外周が円形の凸レンズとなっている。突起部４２は、レンズ部４１の外周に連続して形成され、内側は切り立っており、頂部４２ａの内側に内側傾斜面４２ｃが形成され、頂部４２ａの外側には外側傾斜面４２ｂが形成されている。レンズ部４１ａの外周、内側傾斜面４２ｃの内周、頂部４２ａ、外側傾斜面４２ｂの外周は、同心円となるように配置されている。外側傾斜面４２ｃの外側では、レンズプレート４の平坦部４２ｄにつながっている。

図６は、レンズプレートの別の一例を示す平面図と断面図である。この例のレンズプレート４４では、突起部４６の外周が矩形になっている。そして、レンズ部４５の外周、頂部４６ａ、内側傾斜面４６ｃの内周、外側傾斜部４６ｂの外周も矩形となっている。

図４、５に例示したレンズプレートは、例えば、ガラスやポリマー系の透明部材などの材料を用い、成型法などにより形成することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、光学素子とレンズの位置関係を安定に保つことができる。

（第３の実施形態）
図７は、本実施形態の光モジュール１０００を示す断面図である。大きく分けると、光モジュール１０００は、第１、第２の実施形態と同様の、光学素子とレンズプレートとを接着した構造体と、レンズプレートに固定された光導波路とを有している。

基板２００の一方の面に光学素子１００の電極１１０が、バンプ２１０を介して基板上の配線２２０に接続され、光学素子１００がフェイスダウンで実装されている。

基板２００は、ベース材にガラスやＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）などを適用することができ、光学素子１００に対応する波長を透過するものであればよい。

光学素子１００は光学機能部１２０を有する。光学機能部は、例えば発光素子や受光素子である。光学機能部１２０には、例えば、面発光素子であるＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）や、受光素子であるＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）などが適用できる。光学素子１００が発光素子の場合は、光学機能部１２０に発光部が形成されており、光学機能部１００が受光素子の場合は光学機能部１２０に受光部が形成されている。

バンプ２１０は、ＡｕやＣｕ、及びＳｎを主成分とするはんだ材料などが適用できる。バンプ２１０で接続された基板２００と光学素子１００との間には、封止樹脂層２３０が形成されており、バンプ２１０による接続部を保護している。ここで封止樹脂層２３０は、光学素子１００に対応する波長を透過する材料であればよく、熱硬化性樹脂や紫外線等の光硬化型樹脂などを適用することができる。

基板２００の他方の面には、レンズプレート４００が、第一の接着層３００を介して固定されている。ここで、レンズプレート４００にはガラスやポリマー系の透明部材などの材料を用い、成型法などにより形成されたものであってもよい。また、レンズプレート４００の基板２００と固定された面には、光学素子１００の光学機能部１２０と相対する位置に、レンズ部４１０が配置されている。

レンズ部４１０は、例えば、伝送時において発散した光を集光させるものである。また、基板２００に複数個の光学素子１００が実装されていた場合、レンズプレート４００は各々の光学素子１００と相対する位置にレンズ部４１０を有した構造となる。図７に示すように、レンズ部４１０は、突起部４２０によって周囲を囲われている。この突起部４２０は、頂部４２１の外側全面に外側傾斜面４２２を有し、頂部４２１の内側の一部には内側傾斜面４２３を有している。それぞれの傾斜面の角度は任意の角度を選択できる。

ここで、第１の接着層３００は、突起部４２０の外側傾斜面４２２から内側傾斜面４２３の内縁の間の任意の位置まで充填された状態となっている。すなわち、内側傾斜面４２３の内縁より内側には第１の接着層３００を設けず、レンズ部４１０と基板２００との間は空洞が確保されている。

レンズプレート４００の、レンズ部４１０が配置された面と他方の面には、第２の接着層３１０を介して、光導波路５００が固定されている。光導波路５００は、Ｃｏｒｅ層５１０と、その周囲を囲うＣｌａｄ層５２０から構成されている。また、光導波路５００にはレンズ部４１０と相対する位置には、光導波路５００の延伸方向とレンズ４１０の光軸補それぞれに対し４５°の壁面を持つ凹部５３０が形成されている。そして凹部５３０の壁面の、少なくともＣｏｒｅ層５１０をカバーする領域には、ミラー部５４０が配置されている。このミラー部５４０は、光学機能部１２０が受光部であれば、Ｃｏｒｅ層５１０より伝送された光を９０°曲げて、レンズ部４１０介して光学素子１００の光学機能部１２０へ導く機能を有する。図７に一点鎖線で光軸ｋを示した。光学機能部１２０が発光部であれば、発光部から出射され、レンズ部４１０を透過した光を９０°曲げて、光導波路５００のＣｏｒｅ層５１０へ伝送させる。なお、第２の接着層３１０は、光学素子１００に対応する波長を透過する材料であればよく、例えば、熱硬化性樹脂や紫外線等の光硬化型樹脂などを適用することができる。

次に光モジュール１０００の製造方法について説明する。図８は、製造方法の一例を示す断面図である。まず、第２の接着層３１０が表面に供給された光導波路５００のミラー部５４０と、レンズプレート４００のレンズ部７の光軸が合うように位置合わせを行う［図８（ａ）］。ここで、第２の接着層３１０は、液状の樹脂を印刷法や塗布法によって供給してもよい。またシート状の樹脂をラミネートする方法を採ってもよい。

その後、光導波路５００とレンズプレート４００を第２の接着層３１０によって接着する［図８（ｂ）］。第２の接着層３１０に熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を適用した場合、光導波路５００とレンズプレート４００を所定の温度に加熱し硬化を行う。また、紫外線など光硬化型の樹脂を適用した場合は、レンズプレート４００側より光を照射し硬化させることができる。

次に、レンズプレート４００上に第１の接着層３００となる樹脂を供給する［図８（ｃ）］。このとき、樹脂の供給範囲は、突起部４２０における外側傾斜部４２２に到達しないか、外側傾斜部４２２の途中まで供給する。また、樹脂の高さは突起部４２０よりも高く供給する。ここで、第１の接着層３００となる樹脂には、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を適用することができる。供給方法としては、液状の樹脂を印刷法や塗布法によって供給してもよい。また、シート状の樹脂をラミネート法にて供給してもよい。

その後、光学素子１００がバンプ２１０を介しフェイスダウンで実装された基板２００と、レンズプレート４００の位置合わせを行う［図８（ｄ）］。このとき、光学素子１００の光学機能部１２０とレンズプレート４００のレンズ部４１０の光軸が合うように位置を合わせる。

次に、基板２００の裏面を、レンズプレート４００の突起部４２０頂部４２１に突き当てるとともに、第１の接着層３００となる樹脂を押し広げる。このとき、押し広げられた樹脂がレンズ部４１０側に広がる範囲が、外側傾斜面４２２から内側傾斜面４２３の内縁の間になるように、樹脂の量を調整しておく［図２（ｅ）］。図８（ｅ）の例では、第１の接着層３００の内側の端が、内側傾斜面４２３の中央付近に来るように調整している。このように、頂部４２２の外側が傾斜面であることより、突起部４２０との境界で空気の巻き込みが抑制されている。更に、突起部４２０の内壁の上部の一部が傾斜面であることにより、樹脂が突起部４２０の内側に飛び出してもレンズ部４１０上まで到達することはない。最後に、第一の接着層１１となる樹脂を硬化させることで製造を完了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、レンズ部に接着層の樹脂を付着させることなく、レンズ部近傍まで接着層を形成することができる。その結果、接着が強化され、光学素子とレンズと光導波路との位置関係を所望の関係に保つことができる。

（第４の実施形態）
図９は、第４の実施形態の光モジュール１０１０を示す断面図である。本実施形態の光モジュール１０１０は、第３の実施形態の光モジュール１０００とレンズシートの光導波路側の形状が異なっている。

光モジュール１０１０のレンズプレート４００ａは、レンズ部４１０ａが形成された面と反対側の面に、凹部４３０ａと、凹部の壁面に形成されたミラー部４４０ａとを有する。また、光導波路５００を位置決めするための溝部４５０ａとを有している。位置決めは、ミラー部４４０ａに光導波路５００の断面を向けて、光導波路５００を第２の接着層３１０ａで接着することで行われる。位置決めにより、Ｃｏｒｅ層５１０から、ミラー部４４０ａ、レンズ部４１０ａ、光機能部１２０に至る光軸が形成される。ミラー部４４０ａで、光軸ｋは９０°曲げられる。

上記の構造とすることで、レンズプレートに配置されたレンズ部と、光導波路の光軸とを比較的容易に位置合わせすることができる。従って、十分な光の集光特性が得られ、性能の確保が可能となる。

（第５の実施形態）
図１０は、第５の実施形態の光モジュール１０２０を示す断面図である。第４の実施形態のレンズシート４００ａでは、光軸ｋをミラー部４４０ａで９０°曲げる構成としていたが、本実施形態の光モジュール１０２０は、ミラーを用いず、光軸を曲げない構造となっている。

具体的には、図１０に示すように、レンズプレート４００ｂのレンズ部４１０ｂの反対側の面に、光導波路５００を位置決めする溝部４３０ｂを設ける。そして、光導波路５００の断面が、レンズ部４１０の方向を向くように、第２の接着層３１０ｂを介して接着する。この位置決めで、Ｃｏｒｅ層５１０の光軸ｋが、レンズ部４１０の光軸ｋに一致するようにする。本構造とすることで、レンズプレート４００ｂに配置されたレンズ部４１０ｂと光導波路５００との光軸を比較的容易に位置合わせすることができる。また、４５°のミラー部が不要となり、構造を簡素化できる。従って、本構造においても十分な光の集光特性が得られ、性能の確保が可能となる。

（第６の実施形態）
第３から第５の実施形態では、一組の基板、光学素子、レンズプレート、光導波路を用いて説明してきたが、この組が複数あっても良い。図１１は、複数のＣｏｒｅ層５１０を有する導波路５００に、複数のレンズプレート４００と、光学素子１００とを実装した光モジュール１１００を示す平面図である。それぞれのＣｏｒｅ層５１０に対して、第３乃至第５のいずれかの構成となるように、レンズプレート４００と基板２００に実装された光学素子とを配置している。以上説明したように、本実施形態によれば、光学素子と光導波路を一体化した光モジュールを構成することができる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

１、１００ 光学素子
２、２００ 基板
３ 接着層
４、４００ レンズプレート
５、５００ 光導波路
４１、４１０ レンズ部
４２、４２０ 突起部
４２ａ、４２１ 頂部
４２ｂ、４２２ 外側傾斜面
４２ｃ、４２３ 内側傾斜面
４２ｄ 平坦部
１１０ 電極
１２０ 光学機能部
２１０ バンプ
２２０ 配線
２３０ 封止樹脂層
３００ 第１の接着層
３１０ 第２の接着層
５１０ Ｃｏｒｅ層
５２０ Ｃｌａｄ層
５３０ 凹部
５４０ ミラー部

Claims (7)

1. 光学素子と、
   前記光学素子をフェイスダウン実装した基板と、
   前記光学素子と光学的に結合するレンズ部を有するレンズプレートと、
   前記基板と前記レンズプレートとを接着する接着層と
   を有し
   前記レンズプレートは、
   前記レンズ部の周囲を囲う突起部を有し、
   前記突起部は
   その頂部の高さが前記レンズ部の表面より高く、
   前記頂部から前記レンズ部の外側に向かって高さが漸減する外側傾斜面と、
   前記頂部から前記レンズ部の内側に向かって高さが漸減する内側傾斜面と、
   を有し、
   前記接着層は、
   前記外側傾斜面と前記基板との間、および、前記頂部から前記内側傾斜面の内縁の間の任意の位置までの前記内側傾斜面と前記基板との間に充填された、
   ことを特徴とする光モジュール。
2. 前記突起部が
   円形の外形を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記突起部が
   矩形の外形を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
4. 前記レンズプレートの前記レンズ部が設けられた面と反対の面に接着された光導波路を有し、
   前記レンズプレートが、
   前記光導波路から前記レンズ部を通り前記光学素子に至る光軸が形成される位置に前記光導波路を位置決めする溝部を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光モジュール。
5. 前記レンズプレートが、
   前記レンズプレートの前記レンズ部と反対側の面に設けられた凹部と、
   前記凹部の壁面に設けられたミラー部とを有し、
   前記ミラー部は前記光導波路の光軸を９０°に曲げる
   ことを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
6. 前記レンズプレートの前記レンズ部が設けられた面と反対の面に接着された光導波路を有し、
   前記光導波路が、
   前記光導波路の光軸に対し４５°傾いた壁面を有する凹部と、
   前記凹部の壁面に設けられたミラー部とを有し、
   前記ミラー部は前記光導波路の光軸を９０°に曲げて、
   前記光導波路から前記光学素子に至る光軸を形成する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光モジュール。
7. レンズ部と、前記レンズ部の周囲を囲う突起部とを有し、
   前記突起部は
   その頂部の高さが前記レンズ部の表面より高く、
   前記頂部から前記レンズ部の外側に向かって高さが漸減する外側傾斜面と、
   前記頂部から前記レンズ部の内側に向かって高さが漸減する内側傾斜面と、
   を有するレンズプレートと、
   光学素子がフェイスダウン実装された基板と
   を用いた光モジュールの製造方法であって、
   前記突起部より上面が高くなるように前記外側傾斜面の中腹より外側に接着剤を塗布し、
   前記基板が前記頂部と当接するように、前記基板を前記レンズプレートに重畳し、
   前記接着剤の塗布では、
   前記基板が前記レンズプレートに重畳された時に、前記接着剤の内側の端が、前記内側傾斜面の中に位置するような量と範囲に前記接着剤を塗布する
   ことを特徴とする光モジュールの製造方法。

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