JP7300794B2 - 光導波路パッケージおよび発光装置 - Google Patents

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Description

本開示は、光導波路パッケージおよび発光装置に関する。
従来技術の一例は、特許文献1に記載されている。
特開昭61-46911号公報
本開示の光導波路パッケージは、発光素子を搭載する素子搭載部を有する光導波路パッケージであって、
第1面を有する基板と、
前記第1面上に位置し、前記第1面に対向する第2面と、該第2面の反対に位置する第3面と、を有するクラッドと、
該クラッド内に位置し、第1方向に延びているコアと、を備え、
前記クラッドは、前記第3面に開口しているとともに、前記第1面に向かう平面視で前記素子搭載部が位置する凹部を有し、
前記コアは、前記凹部に繋がっており、
前記凹部は、前記第3面と交わる壁面と、前記発光素子の角を支持する角部支持面と、を有し、
前記壁面は、第1壁面および第2壁面を有し、
前記角部支持面は、前記第1壁面および前記第2壁面と連続する第1角部支持面を有し、
前記第1壁面と同一平面に位置する面を第1仮想面とし、前記第2壁面と同一平面に位置する面を第2仮想面とし、前記平面視で前記第1仮想面と前記第2仮想面との交点を第1交点としたとき、
前記平面視において、前記第1角部支持面は、前記第1交点よりも前記凹部の中央側に位置している。
また本開示の発光装置は、前記光導波路パッケージと、
前記素子搭載部に位置する発光素子と、
前記コアから出射される光の光路上に位置するレンズと、を含んでいる。
本開示の一実施形態の光導波路パッケージを具備した発光装置を示す分解斜視図である。 図1に示される発光装置の蓋体を省略した斜視図である。 図2の切断面線III-IIIから見た発光装置の断面図である。 発光装置の平面図である。 素子周辺の拡大平面図である。 凹部の形成手順を説明するための図である。 凹部の形成手順を説明するための図である。 凹部の形成手順を説明するための図である。 凹部の形成手順を説明するための図である。 凹部の形成手順を説明するための図である。 素子周辺の拡大平面図である。 本開示の他の実施形態の発光装置を示す平面図である。 本開示のさらに他の実施形態の発光装置を示す平面図である。 本開示のさらに他の実施形態の発光装置を示す平面図である。 本開示のさらに他の実施形態の発光装置を示す平面図である。 本開示のさらに他の実施形態の発光装置を示す平面図である。 本開示のさらに他の実施形態の発光装置を示す平面図である。 本開示のさらに他の実施形態の発光装置を示す分解斜視図である。 図14に示される発光装置の蓋体を省略した斜視図である。 図14の切断面線XVI-XVIから見た発光装置の断面図である。
まず、本開示の光導波路パッケージは、シリコン基板上に形成された石英ガラス光導波路と、光導波路の互いに異なる端面に光結合されて、それぞれがシリコン基板上にボンディングされた受発光素子と、光導波路の別の端面に接続された光ファイバとを備える。本開示の発光装置は、上記構成を基礎とする光導波路パッケージを備える。
光導波路、受発光素子および光ファイバは、光導波路の端面に受発光素子および光ファイバをそれぞれ接触させることによって光軸が一致するように位置決めされる。また、シリコン基板に対しては、受発光素子および光ファイバの寸法を光導波路の厚みに対応させることによって、上下方向の位置決めが行われる。光導波路パッケージおよび発光装置には、部品の小形化および位置合わせの容易化を図ることが求められている。
また、光導波路パッケージおよび発光装置では、使用時における受発光素子の熱膨張により、光導波路、受発光素子および光ファイバの間の光軸のずれ、あるいは、受発光素子および受発光素子が接触している周囲の部材が変形、損傷が生じるおそれがある。そのため、光導波路パッケージおよび発光装置には、受発光素子の熱膨張を許容する構成が求められている。
以下、添付図面を参照して、本開示の光導波路パッケージおよび発光装置の実施形態について説明する。
図1から図5に係る本実施形態の光導波路パッケージ100は、第1面2を有する基板1と、基板1の第1面(上面)2に位置するとともに、クラッド3およびクラッド3内に位置するコア4を有する光導波層5と、を備える。クラッド3は、基板1の第1面2上に位置し、第1面2に対向する第2面3aと、第2面3aの反対に位置する第3面3bと、を有する。クラッド3は、第3面3bに開口しているとともに、第1面2に向かう平面視で素子搭載部6が位置する凹部8を有している。凹部8は、素子搭載部6を囲むように位置する内壁面7を有する。コア4は、クラッド3内に位置し、凹部8に繋がっており、第1方向に延びている。複数の凹部8のそれぞれによって、素子搭載部6が囲まれている。これらの凹部8を覆うように、蓋体11がクラッド3に積層されていてもよい。
本実施形態の光導波路パッケージ100では、発光素子10をそれぞれ収容する複数(本実施形態では3)の凹部8を有し、各発光素子10とレンズ45とを含んで発光装置200が構成される。発光素子10としては、赤色(R)光、緑色(G)光、青色(B)光を発光するレーザーダイオードなどが適用される。光導波層5は、コア4とクラッド3とが一体に結合されて構成される。基板1は、複数の誘電体層が積層されて形成されていてもよい。
基板1は、誘電体層がセラミック材料から成るセラミック配線基板であってもよい。セラミック配線基板で用いられるセラミック材料としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化ケイ素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ガラスセラミック焼結体等が挙げられる。基板1がセラミック配線基板である場合、誘電体層には、発光素子10および受光素子と外部回路との電気的接続のための接続パッド、内部配線導体、外部接続端子等の各導体が配設される。
基板1の材料としては、例えば誘電体層が有機材料から成る有機配線基板であってもよい。有機配線基板は、例えば、プリント配線基板、ビルドアップ配線基板、フレキシブル配線基板等である。有機配線基板に用いられる有機材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂等が挙げられる。
光導波層5は、例えば、石英などのガラス、樹脂等であってもよい。光導波層5は、コア4と、クラッド3を構成する材料としては、いずれもガラスあるいは樹脂であってもよい。この場合には、コア4とクラッド3との屈折率が異なっており、コア4はクラッド3よりも屈折率が高い。この屈折率の違いを利用して、光の全反射をさせる。つまり、屈折率の高い材料で路を作り、周りを屈折率の低い材料で囲むことで、光を屈折率の高いコア4内に閉じ込めることができる。
コア4は、複数の入射端面4a,4b,4cと1つの出射端面42との間に、入射端面4a~4cを一端とする複数の分割路41a,41b,41cと、複数の分割路41a,41b,41cが会合する合波部43と、出射端面42を一端とする統合路44とを有する。
各発光素子10から出射された赤色(R)光、緑色(G)光、青色(B)光の各光は、入射端面4a,4b,4cから分割路41a,41b,41cに入射し、合波部43および統合路44を経て、出射される。レンズ45は、コア4から出射される光の光路上に位置し、コア4から出射される光を平行化してもよいし、集光してもよい。
レンズ45は、例えば、入射面が平面に形成され、出射面が凸面の平凸レンズである。各分割路41a,41b,41cの各光軸と、各発光素子10の発光部の中心とが一致するように、光導波層5と発光素子10とレンズ45とが組み立てられる。
各凹部8の内壁面7のそれぞれは、第3面と交わる複数の壁面7a,7b,7c,7dと、複数の壁面7a~7dのうち互いに隣接する第1壁面7a~7dおよび第2壁面7a~7dの間にそれぞれ位置する角部支持面9ab,9bc,9cd,9adと、を含む。これらの角部支持面9ab,9bc,9cd,9adは、曲面から成る。これらの凹部8において、第1壁面7a~7dおよび第2壁面7a~7dの間にそれぞれ位置する角部支持面9ab,9bc,9cd,9adが設けられるので、角部支持面9ab,9bc,9cd,9adによって発光素子10の下方の4つ角部を当接させて発光素子10を支持できる。このような光導波路パッケージ100は、発光素子10の位置ずれが少ない。また、発光素子10との接触面積が小さいため、熱膨張によるクラッド3の損傷を低減できるので、光導波路パッケージ100は、コア4と発光素子10から発光する光との結合効率に優れる。
図6A~図6Eは凹部8の形成手順を説明するための図である。図6A~図6Eの上段は、1つの凹部8が形成される部位の平面図を示す。また、図6A~図6Eの下段は、上段に対応する断面図を示す。図6Aに示すように、基板1の上面2に成膜して光導波層5を形成し、形成した光導波層5の成膜上に図6Bに示すように、レジスト塗布し、図6Cに示すように、塗布されたレジストに露光して現像する。そして、図6Dに示すように、光導波層5をエッチングして発光素子10を収容するための空間を形成した後、図6Eに示すように、レジストを除去することによって、凹部8が形成される。なお、本開示においては、凹部8が、第3面3bから第2面3aに貫通しているが、必ずしもこれに限定されるものではない。
このようにエッチングによって凹部8を形成することで、フォトマスクのパターンが直角で覆われた矩形であっても、フォトリソグラフィの露光解像度およびエッチングによる浸食により、曲面状の角部支持面9ab,9bc,9cd,9adを形成できる。
図7は素子周辺の拡大平面図である。発光素子10に外接円の円弧、すなわち発光素子10の対角長2Rを直径とする円を想定すると、角部支持面9ab,9bc,9cd,9adの曲率半径rをRよりも小さくすることで、発光素子10は凹部8内で回転することなく正確に位置決めして支持できる。曲率半径rが小さいほど、光導波層5と発光素子10の距離が短くなるので、そのような構成を有する光導波路パッケージ100は、光結合の結合効率に優れると共に凹部8が小形となる。
蓋体11を有するとき、蓋体11は、凹部8を覆っており、クラッド3の第3面3bに位置していてもよい。このとき、蓋体11とクラッド3との間にはシールリング17(第2金属体)が介在している。シールリング17は、金属材料を含むと共に、凹部8を囲んでおり、例えば、途切れの無い環状に設けられている。シールリング17を有することで、発光素子10が収容される空間(基板1の上面2と凹部8と蓋体11とで囲まれる空間)内の気密性が向上する。蓋体11のクラッド3への接合には、加熱による接合の場合があり、加熱接合時の応力によってクラッド3およびコア4が歪むことで、発光素子10とコア4との間で光軸ずれが生じるおそれがある。シールリング17で凹部8を囲むことで凹部8周りの機械的強度を向上させ、クラッド3およびコア4の歪みを低減できる。その結果、光導波路パッケージ100は、発光素子10とコア4との間の光軸ずれが少ない。
蓋体11は、例えば、石英、ホウ珪酸、あるいはサファイア等のガラス材料で構成されている。シールリング17は、例えば、Ti、Ni、Au、PtまたはCrなどの金属、あるいはこれらの内から選ばれる二種以上の金属で構成されており、蒸着、スパッタ、イオンプレーティングあるいはめっきなどによって、クラッド3の第3面3b上に固定される。蓋体11は、シールリング17と、例えばAu-Sn系、Sn-Ag-Cu系の半田、AgまたはCuなどの金属系ナノ粒子ペースト、あるいはガラスペーストなどの接合材を用い、熱硬化接合またはレーザ溶接などで接合されていてもよい。
また、シールリング17は、クラッド3ではなく、蓋体11のクラッド3と対向する部分に設けられてもよい。この場合、シールリング17は、例えば、Ti、Ni、Au、PtまたはCrなどの金属、あるいはこれらの内から選ばれる二種以上の金属で構成されており、蒸着、スパッタ、イオンプレーティングあるいはめっきなどによって、蓋体11に固定されていてもよい。クラッド3は、シールリング17と、例えばAu-Sn系、Sn-Ag-Cu系の半田、AgまたはCuなどの金属系ナノ粒子ペースト、あるいはガラスペーストなどの接合材を用い、熱硬化接合またはレーザ溶接などで接合されていてもよい。
またシールリング17は、クラッド3と蓋体11の両方に設けられていてもよい。この場合、クラッド3と蓋体11のそれぞれに設けられたシールリング17同士は、例えばAu-Sn系、Sn-Ag-Cu系の半田、AgまたはCuなどの金属系ナノ粒子ペースト、あるいはガラスペーストなどの接合材を用いて接合していてもよい。接合は、熱硬化接合またはレーザ溶接などで行われていてもよい。
図8は本開示の他の実施形態の発光装置を示す平面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。本実施形態の発光装置では、各角部支持面9ab,9bc,9cd,9adは、平面から成る。各角部支持面9ab,9bc,9cd,9adを平面状とすることによって、発光素子10を線接触で支持することができると共に、より発光素子10の回転を低減することができる。
また、各角部支持面9ab,9bc,9cd,9adと壁面7a,7b,7c,7dとが交差する部分、その境界が曲面状であってもよい。曲面状であることによって、熱応力に対して壁面7a,7b,7c,7dのクラック等による破損を低減することができる。曲面状とは、平面視において角部付近の内縁が曲線状であり、曲線状である部分が凹部8の深さ方向に延びた面形状であるのことである。なお、各角部支持面9ab,9bc,9cd,9adの幅が小さくなるほど光導波層5と発光素子10との距離が短くなるので、そのような構成を有する光導波路パッケージ100は、光結合の結合効率に優れると共に各凹部8が小型となる。
図9は本開示のさらに他の実施形態の発光装置を示す平面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。本実施形態の発光装置では、各壁面7a~7dは、凹部8の中央に向かって、つまり凹部8に収容された発光素子10の側面に向かって突出した中間支持面12a,12b,12c,12dを有している。
各壁面7a~7dの各角部支持面9ab,9bc,9cd,9ad以外の辺部から発光素子10に接触するように、突出した中間支持面12a,12b,12c,12dを設けることによって、発光素子10に線接触する部分が増加し、支持性が向上する。その結果、光導波路パッケージ100は、発光素子10の実装時における発光素子10の位置ずれが少ない。また、コア4と発光素子10の出射部とが対向する位置では、コア4を発光素子10の出射面により近づける、あるいは触れる程度まで突出させてもよい。これによって、光導波路パッケージ100は光結合の結合効率に優れる。
図10は本開示のさらに他の実施形態の発光装置を示す平面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。本実施形態の発光装置では、各凹部8は、発光素子10が嵌合する第1空間13と、第1空間13に連なる第2空間14とを有する。第2空間14は、各角部支持面9ab,9bc,9cd,9ad以外の壁面7a,7b,7c,7dに連結されるように、第1空間13から突出した追加空間である。このような第2空間14を有することによって、発光素子10の支持機能を保持したまま、電源供給を行なうための電極15(第1金属体)を設けることができる。電極15は、素子搭載部6から基板1の第1面2とクラッド3の第2面3aとの間にかけて延びている。電極15の一端が、第1空間13、第2空間14に位置し、他端が、外部空間に位置することで、第1空間13、第2空間14の密閉性を維持したまま、外部の電源供給回路などと電気的な接続を可能としている。このような電極15は、例えば、二本の平行な帯状配線で構成されていてもよい。一方の帯状配線は、発光素子10の上面電極からその一端へ、例えばワイヤボンディング等の金属配線16を設けることによって、電気的接続が可能である。他方の帯状配線は、一端が素子搭載部6に接続され、素子搭載部6を介して発光素子10の下面電極と電気的接続が可能である。
図11は、本開示のさらに他の実施形態の発光装置を示す平面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。本実施形態の発光装置では、凹部8の縁は、平面視でシールリング17と離れている。蓋体11の加熱接合時には、シールリング17は熱が加わる部分である。凹部8とシールリング17とが離れているので、クラッド3において加熱される部分と凹部8との間も大きくなり、熱応力によるクラッド3およびコア4の歪みが低減される。その結果、光導波路パッケージ100は、発光素子10とコア4との間の光軸ずれが少ない。
図12は、本開示のさらに他の実施形態の発光装置を示す平面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。凹部8は、概略矩形状の開口を有しており、平面視で、コア4に最も近い第1辺8aおよび第1辺8aと反対に位置する第2辺8bを有している。本実施形態の発光装置では、凹部8の第1辺8aとシールリング17との距離d1は、第2辺8bとシールリング17との距離d2よりも大きい。クラッド3において、コア4が位置する側で、加熱されるシールリング17部分と凹部8との間を大きくすることで、発光素子10とコア4との間の光軸ずれをさらに低減できる。そのような構成を有する光導波路パッケージ100は、発光素子10とコア4との間の光軸ずれが少ない。
図13は、本開示のさらに他の実施形態の発光装置を示す平面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。本実施形態では、平面視で素子搭載部6が複数位置しており、複数の素子搭載部6を仕切っている仕切り18を有している。例えば、1つの凹部8に素子搭載部6が複数位置する場合に、搭載された複数の発光素子10が互いに与える影響を低減するために、本実施形態のように、クラッド3による仕切り18を有していればよい。仕切り18によって素子搭載部6は互いに独立し、例えば、凹部8内での迷光などによる影響を低減できる。仕切り18によって、複数の素子搭載部6それぞれが、角部支持面9ab,9bc,9cd,9adを有する個別の凹部8内に位置しているともいえる。仕切り18があることで、熱応力が分散される。本実施形態では、さらに、複数の素子搭載部6が、平面視で、コア4が延びる第1方向に交わる第2方向に並んで位置し、隣接する素子搭載部6は、平面視で段違いに位置する。第1方向に沿って段違いに位置することで、熱応力がさらに分散されて、クラッド3およびコア4の歪みを低減できるので、光導波路パッケージ100は、発光素子10とコア4との間の光軸ずれが少ない。
図14は本開示のさらに他の実施形態の発光装置200Aを示す展開図である。図15は図14に示される発光装置200Aの蓋体を省略した斜視図である。図16は図14の切断面線XVI-XVIから見た発光装置200Aの断面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。前述の実施形態では、各凹部8から発光素子10の上部が突出し、これが覆われるように箱状の蓋体11を用いる構成について述べた。それ以外にも、本実施形態の光導波路パッケージ100Aおよびこれを備える発光装置200Aで開示するように、発光素子10の全体が凹部8に収容される構成とし、この凹部8を板状の蓋体11Aによって覆い、封止する構成であってもよい。このような構成を採用することによって、蓋体11Aの構成が簡素化することができる。なお、本実施形態のような構成では、発光素子10と電極15とを金属配線16によって接続するための空間を確保できない場合がある。例えばフリップチップ接続の発光素子10を用いることで、下面のみで電極15と接続し、電極15を介して外部の電源供給回路と接続することができる。
本開示のさらに他の実施形態では、発光素子10は、発光ダイオード(Light EmittingDiode;LED)に限るものではなく、例えば、LD(Laser Diode)、あるいは、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)などであってもよい。
以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、また、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。
1 基板
2 第1面(上面)
3 クラッド
3a 第2面
3b 第3面
4 コア
4a,4b,4c 入射端面
5 光導波層
6 素子搭載部
7 内壁面
7a,7b,7c,7d 壁面
8 凹部
8a 第1辺
8b 第2辺
9ab,9bc,9cd,9ad 角部支持面
10 発光素子
11,11A 蓋体
15 電極(第1金属体)
17 シールリング(第2金属体)
18 仕切り
20 発光装置
41a,41b,41c 分割路
42 出射端面
43 合波部
44 統合路
45 レンズ
100,100A 光導波路パッケージ
200,200A 発光装置

Claims (13)

  1. 発光素子を搭載する素子搭載部を有する光導波路パッケージであって、
    第1面を有する基板と、
    前記第1面上に位置し、前記第1面に対向する第2面と、該第2面の反対に位置する第3面と、を有するクラッドと、
    該クラッド内に位置し、第1方向に延びているコアと、を備え、
    前記クラッドは、前記第3面に開口しているとともに、前記第1面に向かう平面視で前記素子搭載部が位置する凹部を有し、
    前記コアは、前記凹部に繋がっており、
    前記凹部は、前記第3面と交わる壁面と、前記発光素子の角を支持する角部支持面と、を有し、
    前記壁面は、第1壁面および第2壁面を有し、
    前記角部支持面は、前記第1壁面および前記第2壁面と連続する第1角部支持面を有し、
    前記第1壁面と同一平面に位置する面を第1仮想面とし、前記第2壁面と同一平面に位置する面を第2仮想面とし、前記平面視で前記第1仮想面と前記第2仮想面との交点を第1交点としたとき、
    前記平面視において、前記第1角部支持面は、前記第1交点よりも前記凹部の中央側に位置している、光導波路パッケージ。
  2. 前記壁面は、前記第3面と交わるとともに前記第1壁面と対向する第3壁面と、前記第3面と交わるとともに前記第2壁面と対向する第4壁面と、を有し、
    前記角部支持面は、前記第3壁面と前記第4壁面と連続する第2角部支持面と、を有し、
    前記第3壁面と同一平面に位置する面を第3仮想面とし、前記第4壁面と同一平面に位置する面を第4仮想面とし、前記平面視で前記第3仮想面と前記第4仮想面との交点を第2交点としたとき、
    前記平面視において、前記第2角部支持面は、前記第1角部支持面と対向するとともに、前記第2交点よりも前記中央側に位置している、請求項1に記載の光導波路パッケージ。
  3. 前記角部支持面は、曲面である、請求項1または2に記載の光導波路パッケージ。
  4. 前記第1角部支持面の曲率半径は、前記発光素子に外接する円の直径の半分よりも小さい、請求項3に記載の光導波路パッケージ。
  5. 前記角部支持面は、平面である、請求項1または2に記載の光導波路パッケージ。
  6. 前記壁面は、前記中央に向かって突出している中間支持面を有する、請求項1~のいずれか一つに記載の光導波路パッケージ。
  7. 前記凹部は、前記平面視で前記素子搭載部が位置する第1空間と、該第1空間に連なっている第2空間と、を有する、請求項1~のいずれか一つに記載の光導波路パッケージ。
  8. 前記素子搭載部から前記第1面と前記第2面との間にかけて延びている第1金属体を有する、請求項1~のいずれか一つに記載の光導波路パッケージ。
  9. 前記第3面に位置するとともに、前記凹部を囲んでいる第2金属体を有する、請求項1~のいずれか一つに記載の光導波路パッケージ。
  10. 前記凹部の縁は、前記平面視で前記第2金属体と離れている、請求項に記載の光導波路パッケージ。
  11. 前記凹部は、前記平面視で、前記コアに最も近い第1辺および該第1辺と反対に位置する第2辺を有し、
    前記第1辺と前記第2金属体との距離は、前記第2辺と前記第2金属体との距離よりも大きい、請求項または請求項10に記載の光導波路パッケージ。
  12. 前記凹部は、前記平面視で前記素子搭載部が複数位置するとともに、複数の前記素子搭載部を仕切っている仕切りを有し、
    複数の前記素子搭載部は、前記平面視で前記第1方向に交わる第2方向に並んで位置し、隣接する素子搭載部は、前記平面視で段違いに位置する、請求項1~11のいずれか一つに記載の光導波路パッケージ。
  13. 請求項1~12のいずれか一つに記載の光導波路パッケージと、
    前記素子搭載部に位置する前記発光素子と、
    前記コアから出射される光の光路上に位置するレンズと、を含む発光装置。
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