WO1997013170A1 - Module optoelectronique, procede de montage d'un dispositif optoelectronique et systeme optique comprenant ledit module optoelectronique - Google Patents

Module optoelectronique, procede de montage d'un dispositif optoelectronique et systeme optique comprenant ledit module optoelectronique Download PDF

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WO1997013170A1
WO1997013170A1 PCT/JP1996/002865 JP9602865W WO9713170A1 WO 1997013170 A1 WO1997013170 A1 WO 1997013170A1 JP 9602865 W JP9602865 W JP 9602865W WO 9713170 A1 WO9713170 A1 WO 9713170A1
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WO
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optical element
substrate
optical
outer diameter
module
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Application number
PCT/JP1996/002865
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Inventor
Yoshitada Oshida
Hideo Sotokawa
Masahito Ijuin
Original Assignee
Hitachi, Ltd.
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/4228—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements
    • G02B6/4232—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements using the surface tension of fluid solder to align the elements, e.g. solder bump techniques

Definitions

  • Optical element mounting module Optical element mounting method, and optical system comprising optical element mounting module
  • the present invention relates to an optical element mounting module in which optical elements such as a semiconductor laser, a light receiving element, and an optical waveguide are mounted on a substrate, and in particular, controls the height of the optical axis of the mounting module to a desired value, thereby achieving high efficiency.
  • the present invention relates to an optical element mounting module having optical signal transmission performance.
  • optical communication In recent years, the application of optical communication to homes and offices has been rapidly advanced. Such broad application and development of optical communication will be the key to the realization of an information society. For the widespread use of optical communication, it is indispensable how high-precision, high-yield, and low-cost production of optical device-mounted modules, one of the core technologies of optical communication, is possible.
  • the method shown in FIG. 10 has been employed to produce an optical element mounted module. That is, while aligning the light emitting area 21 of the optical element 2 such as a semiconductor laser with the optical waveguide 40 formed on the substrate 1, the optical element 2 is mounted on the substrate 1, The light emitted from 21 can be introduced into the optical waveguide 40.
  • the optical element 2 such as a semiconductor laser
  • an alignment mark having a fixed positional relationship with respect to the light emitting unit 21 is formed on the semiconductor laser at the stage of producing the semiconductor laser, and when the optical waveguide 40 is formed on the substrate 1, Also, an alignment mark having a fixed positional relationship with the optical waveguide is formed on the substrate.
  • These semiconductor lasers The two marks formed on the substrate 2 and the substrate 1, respectively, are provided on the left and right sides, for example, in the shape of a "mouth" having different dimensions from each other, and the intervals between the two marks are made equal. If the substrate 1 is a material that transmits infrared light, such as Si, the semiconductor laser 2 is mounted on the Si substrate 1 and two pairs of marks can be detected from behind using an infrared microscope.
  • the semiconductor laser 2 is repositioned by rotation and translation so that the left and right marks coincide with each other.
  • the solder deposition film formed in advance on the substrate 1 surface and the bottom surface of the semiconductor laser 2 is melted in a heating furnace to obtain the conductive connection of the semiconductor laser 2 and the heat conduction. The two are joined and bonded.
  • the relative alignment between the semiconductor laser 2 and the optical waveguide 40 is performed using two pairs of alignment marks. Positioning is accurate in two directions in the plane of the plane. However, the positioning in the direction perpendicular to the plane of the substrate 1 had to be performed by controlling the thickness of the deposited solder.
  • the accuracy of alignment detection and alignment adjustment in the above two directions within the substrate surface can achieve the target of approximately ⁇ 0.1 to 0.2 ⁇ m, but for the height direction of the optical element perpendicular to the substrate surface, Depending on the thickness of the solder, the holding force, and the heating conditions, the positioning accuracy may be about ⁇ 0.5 ⁇ m, making it difficult to achieve the target accuracy. This is a source of optical coupling and cannot be put to practical use.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-94554 discloses that when an electronic device is mounted on a printed circuit board or a ceramic substrate and soldered, the soldered portion of the mounted electronic device is more than necessary. Focusing on the fact that the reliability of board mounting cannot be obtained, in order to solve this problem, the conductive resin paste, which is the solder material, contains spherical particles and solder By attaching A technology for realizing highly reliable thin mounting has been disclosed. In this known technology, the spherical particles only need to have a substantially constant outer diameter from the mounting relationship between the device and the substrate only, and the value is determined according to the other object to be mounted. Such consideration was not particularly required.
  • the present invention controls the height of the optical axis of a pair of optical elements that transmit and receive optical signals, such as a semiconductor laser, an optical receiving element, and an optical waveguide, to a desired value, and achieves highly efficient optical signal transmission performance to both optical elements. It is an object of the present invention to provide an optical element mounting module having: Disclosure of the invention
  • the optical axes of a pair of optical elements for example, a semiconductor laser and an optical waveguide, arranged two-dimensionally on a substrate are aligned with high precision using fine particles. That is, in order to make the height of the optical axis of one optical element coincide with the height of the optical axis of the other optical element, they must be matched with an accuracy of ⁇ 0.1 to 0.2 ⁇ m. Therefore, a value of this height known from the design value in advance, or a plurality of fine particles having an outer diameter determined from the value of the height measured in advance is selected and adopted, and one of the optical element and the substrate is used. It is interposed between them.
  • the distance between the bottom surface on which the optical element is mounted and the surface of the substrate is substantially equal to the outer diameter of the fine particles.
  • the material for interposing and fixing the fine particles is made of a conductive or thermally conductive material.
  • This conductive or thermally conductive material may be a solder material or a polymer adhesive.
  • An optical waveguide or an optical fiber is formed as one optical element on the substrate, and the other optical element is a semiconductor laser or a semiconductor light receiving element. Further, it is desirable that the optical axis of the optical element is parallel to the substrate surface.
  • the optical element from the substrate surface with the optical element mounted With respect to the desired optical axis height and the distance between the mounting bottom of the optical element and the optical axis of the optical element, the above constant outer diameter is determined, and fine particles having the outer diameter are selected and adopted.
  • the spacing between the bottom surface of the optical element and the surface of the substrate is made constant so as to be substantially equal to the outer diameter of the fine particles.
  • This means is a means for fixing the gap while applying pressure to relatively press the optical element and the substrate.
  • a material that is inserted between the bottom surface of the optical element and the surface of the substrate together with the fine particles and adheres and condenses by application of light or heat is used.
  • the height of the optical axis of the optical element on the substrate becomes a desired value from the substrate surface, and the optical element or the optical waveguide formed on the substrate and the optical axis High-precision optical coupling with extremely high accuracy, and high-yield production of high-performance optical devices with high SZN and high SZN. Become. As a result, it is possible to supply a high-performance and inexpensive optical element mounting module and an optical system using the same.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of an optical mounting module of the present invention in which a semiconductor laser is mounted as an optical element.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a main part of FIG.
  • Fig. 4 is an embodiment diagram in which a micro cylinder is used as the micro particle.
  • Fig. 4 is an embodiment diagram in which a micro plate is used as the micro particle.
  • Fig. 5 is a diagram showing the second embodiment of the optical mounting module of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a third embodiment of the optical mounting module of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the fourth embodiment of the optical mounting module of the present invention.
  • FIG. 8 is a sectional view of FIG. FIG.
  • FIG. 9 is an embodiment diagram of an optical communication subscriber transmission module including the optical mounted module of the present invention.
  • FIG. 9 is an embodiment diagram of an optical system including the optical mounted module of the present invention.
  • FIG. 9 is a sectional view of a conventional optical element mounting module. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of the optical element mounting module of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a part of FIG.
  • the substrate 1 is a substrate
  • 2 is an optical element such as a semiconductor laser.
  • a laser beam 200 is emitted from the light emitting section 21 of the semiconductor laser 2.
  • it is necessary to precisely position the vertical height of the optical element 2 with respect to the substrate 1 in particular, as described above. There is. That is, the height ho of the optical axis from the substrate surface 11 of the semiconductor laser 2 and the height he of the optical axis of the optical waveguide 40 from the substrate surface 11 are expressed by an accuracy of about .05 m (
  • the distance d from the bottom surface of the optical element to the optical axis of the semiconductor laser is known from the designed or measured values.
  • the junction between the optical element 2 and the substrate 1 needs to satisfy both electrical conduction and thermal conduction at the same time, so that the solder is well attached to the bottom surface of the optical element 2 and the surface of the substrate 1.
  • Cr and Ni thin films 22 and 12 are formed by means such as vapor deposition.
  • the thickness t ′ of each of the films 12 and 22 is about 1 ⁇ m, and the thickness is known in advance with an accuracy of about 0.1 ⁇ m by the above-described conditions such as the vapor deposition.
  • Au and Sn as solder materials 32 are formed on the Cr and Ni films in a number of thicknesses, for example, by vapor deposition.
  • the diameter (h0-d-2t ') of the film formed in this way was accurately measured in advance, and a plurality of screens were selected so that the variation was within ⁇ 0.05 ⁇ m.
  • the microspheres 31 are placed on the optical element 2 or the substrate 1 and heated while being pressurized, so that the optical axis of the optical element 2 and the optical axis of the optical waveguide 40 as shown in FIGS. A joint structure having the same height can be obtained.
  • the diameter of these microspheres 31 may be a value determined from design values or the height d from the bottom surface of the optical element 2 to the light-emitting optical axis and the optical waveguide 40 from the surface 11 of the substrate 1 in advance. It is determined from the value obtained by measuring the height hc to the optical axis.
  • the microspheres 31 selected in this manner are heated with a plurality of microspheres 31 inserted between the optical element 2 and the substrate 1 and pressurized as shown in FIG. It is possible to perform solder connection while maintaining a desired distance, that is, a value substantially equal to the diameter of the microsphere 31, and the substrate 200 can emit the light 200 from the semiconductor laser 2 with almost the highest light use efficiency. It has become possible to introduce into the optical waveguide 40 formed on 1.
  • the optical element 2 When the optical element 2 is mounted on the substrate 1, it is necessary to perform the alignment in the Xz direction in FIG.
  • This alignment is performed by using the alignment mark 25 preliminarily patterned on the bottom surface of the semiconductor laser 2 and the alignment mark 35 preliminarily patterned on the front surface 11 of the substrate 1.
  • the substrate 1 or the semiconductor laser 2 transmits infrared light, both patterns are observed from under the substrate 1 using an infrared microscope (not shown), and alignment is performed. In this positioning, the position of the pattern is detected, and it is possible to perform the positioning automatically by relatively moving and controlling the position.
  • FIG. 3 shows an embodiment in which micro-columns 31 ′ are used as micro-particles in place of the micro-spheres 31 in FIG. 1 and FIG. 2 in FIG. 3 (a) is an optical element, and is a plan view of the side view of FIGS. 1 and 2 viewed from the y direction.
  • Fig. 3 (b) Is an enlarged view of the small cylinder 3 1 ′.
  • the diameter is almost ho ⁇ d ⁇ 2 t ′ with respect to the thickness t ′ of Cr and Ni. It is desirable that the length of the micro cylinder is several times the diameter or more.
  • FIG. 4 shows an embodiment using a microplate 31 '' 'as the microparticle.
  • the thickness of the platelet 31 '" is ho-d-2. It is desirable that the width of the microplate 3 1 ′′ be at least several times the diagonal of the thickness.
  • FIG. 5 shows a method for setting the optical axis of the semiconductor laser 2 to a desired height h0 from the surface 11 of the substrate 1.
  • the substrate 1 and the optical element 2 as a semiconductor laser are joined by the polymer adhesive 33 in which the microspheres 31 having the selected diameters are mixed.
  • solder 32 is inserted, and heating is performed while pressing both of them, so that the gap between the substrate 1 and the optical device 2 is as desired. It is possible to solder while keeping the value.
  • the infrared rays are applied from the back side of the substrate 1 to the solder portion 3 while maintaining the entire surface of the Si substrate 1 at a constant high temperature.
  • the adhesive can be cured simultaneously with soldering beyond the melting point of the solder 32, which is higher than the curing temperature of the adhesive 33.
  • the microspheres 31 of course, those having the diameter h o — d are selected.
  • FIG. 5 shows an embodiment in which the semiconductor laser 2 and the optical waveguide 40 on the substrate 1 are coupled by a gradient index lens 5.
  • the refractive index distribution type lens 5 passes light through a portion 51 having a refractive index distribution about the optical axis 52 as a center of rotation, so that almost one point of light from the semiconductor laser 2 which is almost a point light source is emitted. If the optical axis and the end face of the optical waveguide 40 are brought to this light condensing position, high light conduction is realized.
  • the optical axis of the optical waveguide 40 is at a constant height hc from the substrate 1 as described above. Since the distance between the optical axis and the bottom surface of the refractive index distribution type lens 5 is a determined design value or measured value, the gap between the substrate surface 11 and the bottom surface of the refractive index distribution type lens 5 is determined.
  • the alignment of the refractive index distribution type lens 5 in the in-plane direction of the substrate 1 is performed by a method such as using an alignment mark provided in advance on the substrate 1 and the refractive index distribution type lens 5 as described above. Is what is done.
  • FIG. 7 shows another embodiment of the present invention.
  • the shape of the c V groove in which the optical fiber 40 ′ having a constant outer diameter is mounted in the V groove processed on the substrate 1 is known from measurement or design values. Since the outer diameter of the optical fiber 40 'is also known, the height from the surface I1 of the substrate 1 to the optical axis of the fiber is known. Therefore, since the light emitted from the fiber is focused on the semiconductor light receiving element 6 via the refractive index distribution type lens 5 *, the bottom surface ⁇ 2 of the refractive index distribution type lens 5 ′ and the bottom surface ⁇ 1 of the semiconductor light receiving element 6 The gap on the substrate surface 11 is determined.
  • the minute It is possible to accurately collect the light emitted from the fiber into the light receiving opening 61 and detect the light.
  • the optical waveguide or the optical fiber having one optical path has been described.
  • a plurality of micro-columns having a constant diameter are inserted into the solder layer.
  • This cylinder is made of glass, a polymer material with high heat resistance, or metal, and the accuracy of the diameter is ⁇ 0.05 ⁇ m compared to the value obtained from the design value or the measured value of the above fixed positional relationship. It is about. Further, the object of the present invention can be achieved by using microspheres having a constant diameter or using microplates having a constant thickness instead of the microcolumns.
  • FIG. 8 is an embodiment diagram of an optical communication subscriber transmission module 8 showing an example of an optical system including an optical element mounting module 1 manufactured by applying the optical element mounting method of the present invention to a substrate. is there. Although the inside of the optical element mounting module 1 is omitted, it has the above-mentioned structure, and at least one of the optical elements on the substrate is fixed on the substrate with certain fine particles interposed.
  • 71 is a logic LSI
  • 72 is a semiconductor laser drive circuit
  • 73 is an analog control circuit such as a low-voltage drive analog IC, receiver circuit, and automatic transmission power control circuit.
  • 4 1 ′ 4 2 ′ is an optical fiber for transmission and reception.
  • the terminal 81 of the optical communication subscriber transmission module 8 is connected to the terminal 8 1 ′ of the optical fiber 82 for communication, and various signals are input / output.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram of an optical communication system using such an optical element mounting module 8 of the present invention.
  • Each home 90 has an optical communication subscriber transmission module 8, which is a module equipped with an optical element, to which a telephone 92 and a television monitor 91 are connected.
  • the optical fiber 82 is connected to the wavelength multiplexing module 8 ′ of the telephone station 93, and the wavelength multiplexing module 8 ′ is connected to the exchange 94 and the CATV center 95.
  • the wavelength multiplexing module 8 ' is connected to a plurality of home optical communication subscriber transmission modules via optical fins 82i, ..., 82z.
  • the application of the optical element mounted module of the present invention is not limited to the above-described optical communication system, and can be used to transfer a large amount of information such as image information that could not be conventionally achieved by using optical information, such as a measurement system incorporating an optical module. This makes it easy to apply the method to fields that require it, and makes it possible to easily manufacture these measurement systems and the like at a high yield and at a low cost.
  • an optical element such as a semiconductor laser, a semiconductor light receiving element, an optical fiber, and an optical switch is mounted on a substrate, and the mounted element is used when manufacturing an optical module. It has become possible to accurately and stably position and fix the optical axis between the elements or between these mounted elements and optical elements such as optical waveguides manufactured on a substrate. As a result, it can be used for the production of optical modules, optical devices or optical systems at high yield and at low cost, contributing to the development of optical communication technology.

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Description

明 細 書 光素子搭載モジュール及び光素子搭載方法並びに光素子搭載モジュール からなる光システム 技術分野
この発明は、 半導体レーザ， 光受光素子， 光導波路等の光素子を基板 上に搭載した光素子搭載モジュールに係リ、 特に搭載モジュールの光軸 高さを所望の値に制御し、 高効率の光信号伝達性能を有する光素子搭載 モジュールに関する。 背景技術
近年、 光通信を各家庭やオフイスにまで適用することが急速に進めら れている。 このような光通信の広範な適用発展は、 情報化社会実現の鍵 を握ることになる。 そして光通信の広範な普及には、 光通信の中心技術 の 1つである光素子搭載モジュールを、 如何に高精度に、 歩留ま り高く . 安価に生産できるかが不可欠となる。
従来、 光素子搭載モジュールを生産するのに、 第 1 0図に示す方法が 採用されていた。 即ち、 半導体レーザ等の光素子 2の発光都 2 1 を、 基 板 1上に形成された光導波路 4 0に対して位置合わせを行ないながら、 光素子 2を基板 1上に搭載し、 発光部 2 1からの出射光を光導波路 4 0 に導入可能にするものである。
位置合わせ作業は、 半導体レーザを生産する段階で発光部 2 1 に対し て一定の位置関係にある合わせマークを半導体レーザに形成しておき、 また光導波路 4 0を基板 1上に形成する際にも光導波路に対し一定の位 置関係にある合わせマークを基板に形成しておく。 これら半導体レーザ 2及び基板 1上にそれぞれ形成されるマークをそれぞれ左右に 2つ設け 互いに寸法の異なる例えば 「口」 の字状にしておき、 それぞれの 2つの マークの間隔は等しく しておく。 基板 1が S i のように赤外光を通過す る材料の場合、 半導体レーザ 2を S i 基板 1 に搭載し、 裏から赤外線顕 微鏡で 2対のマークを検出することができるので、 この左右のマークを ともに一致するように、 例えば半導体レーザ 2を回転と平行移動によリ 位置合わせし、 一致した段階で搭載する。 一旦搭載した後、 半導体レー ザ 2の導電接続と、 熱伝導を得るために、 基板 1面と半導体レーザ 2の 底面に予め形成されている半田蒸着膜を加熱炉に入れて溶かすことによ リ、 両者を接合、 接着する。
上記した従来の光素子搭載モジュールの製造方法では、 半導体レーザ 2と光導波路 4 0の相対的な位置合わせを 2対のァライメン 卜マークを 用いて行っているため、 マークの形成されている基板 1の平面内の 2方 向に対しては正確に位置決めがなされる。 しかし、 この基板 1の平面に 垂直な方向の位置決めに対しては、 蒸着した半田の厚さをコ ン トロール することによリ実行せざるを得なかった。 上記基板面内 2方向のァライ メン ト検出並びに合わせ調整の精度は、 ほぼ目標の ± 0 . 1 〜 0 . 2 μ mを達成できるが、 基板面に垂直な光素子の高さ方向については、 半田 の厚さや押さえる力、 加熱条件などにより、 位置合わせ精度は ± 0 . 5 μ m程度になることがあり、 目標の精度が得にくい。 これは光結合の口 スとなり、 実用に供し得ないものである。
—方、 特開平 7 - 9 4 5 5 4号公報には、 電子デバイスをプリン 卜基 板やセラミ ック基板上に搭載し半田付けする際に、 搭載する電子デバィ スの半田部が必要以上に厚くなつたり、 傾いていたリすると.基板実装の 信頼性が得られないことに着目し、 これを解消するために、 半田材とな る導電性樹脂ペース トに球状体粒子を含ませ半田付けすることにより、 信頼性の高い薄型実装を実現する技術が開示されている。 なお、 この公 知技術においては、 デバイスと基板のみの実装関係から、 球状粒子はそ の外径がほぼ一定のものであれば良く、 その値が搭載される他の対象物 に応じて決定されるという配慮は、 特に必要とされていなかった。 本発明は、 半導体レーザ， 光受光素子， 光導波路等の光信号を授受す る一対の光素子の光軸高さを所望の値に制御し、 両光素子に対し高効率 の光信号伝達性能を有する光素子搭載モジュールを提供することを目的 とする。 発明の開示
本発明は、 基板上に平面的に配置された 1対の光素子、 例えば半導体 レーザと光導波路との光軸を、 微小粒子を用いて高精度に位置合わせし たものである。 即ち、 一方の光素子の光軸高さを、 他方の光素子の光軸 高さと一致させるには、 ± 0 . 1 〜 0 . 2 μ mの精度で合わさなければ ならない。 そこで予め設計値から分かっているこの高さの値、 あるいは 予め計測された高さの値から決められた外径を有する複数個の微小粒子 を選択して採用し、 一方の光素子と基板の間に介在させるものである。 上記光素子の搭載底面と上記基板の表面の間隔は上記微小粒子の外径 にほぼ等しくなる。 上記微小粒子は球、 円柱、 微小板等が適用できる。 また上記微小粒子を介在させ固定する材料は導電性あるいは熱伝導性の 材料で成される。 この導電性あるいは熱伝導性の材料は半田材であるこ ともあり、 高分子接着剤となされることもある。
上記基板上には、 一方の光素子として光導波路または光ファィバが形 成され、 他方の光素子は半導体レーザであることもあり、 半導体受光素 子であることもある。 また上記光素子の光軸は上記基板面に平行である ことが望ま しい。 光素子と基板の間に、 一定外径を有する複数個の微小粒子を介在せし めた状態で、 光素子を基板に搭載し固定するに際し、 光素子搭載状態で の基板面からの光素子の所望の光軸高さ、 並びに光素子の搭載底面と光 素子の光軸の距離に対し、 上記一定外径を決定し、 当該外径の微小粒子 を選択し、 採用する。 光素子の搭載底面と上記基板の表面の間隔は上記 微小粒子の外径にほぼ等しくなるごとく間隔一定化手段を施す。 この手 段は光素子と基板を相対的に押しつける圧力を付加しつつ、 固定する間 隔一定化手段である。 あるいは微小粒子と共に光素子の搭載底面と上記 基板の表面の間に挿入され光または熱の印加によ り接着凝縮する材料を 用いる。
上記手段を施すことによ り、 基板上の光素子の光軸の高さは基板面か ら所望の値になり、 光素子同志、 あるいは基板上に形成された光導波路 と光素子の光学的な結合を非常に高い精度で確実に行うことが可能にな リ、 光利用効率の高い、 従って S Z Nの高い、 高性能の光素子搭載デバ イスを高い歩留ま りで生産することが可能になる。 この結果、 高性能で 安価な光素子搭載モジュールならびにこれを用いた光システムを供給す ることが可能になる。 図面の簡単な説明
第 1図は、 光素子として半導体レーザを搭載した本発明の光搭載モジ ユールの第 1の実施例の断面図であり、 第 2図は、 第 1図の要部拡大図 であり、 第 3図は、 微小粒子として微小円柱を用いた実施例図であり、 第 4図は、 微小粒子として微小板を用いた実施例図であり、 第 5図は、 本発明の光搭載モジュールの第 2の実施例の断面図であり、 -第 6図は、 本発明の光搭載モジュールの第 3の実施例の断面図であり、 第 7図は、 本発明の光搭載モジュールの第 4の実施例の断面図であり、 第 8図は、 本発明の光搭載モジュールを含む光通信加入者伝送モジュールの実施例 図であり、 第 9図は、 本発明の光搭載モジュールを含む光システムの実 施例図であり、 第 1 0図は、 従来の光素子搭載モジュールの断面図であ る。 発明を実施するための最良の形態
本発明をよリ詳細に説述するために、 添付の図面に従ってこれを説明 する。
第 1図は本発明の光素子搭載モジュールの第 1の実施例の断面図であ る。 第 2図は第 1図の一部分の拡大図である。
1は基板、 2は半導体レーザ等の光素子である。 半導体レーザ 2の発 光部 2 1からはレーザ光 2 0 0が出射する。 この出射光 2 0 0を基板 1 上に形成された光導波路 40に高い効率で導入するために、 前述したよ うに特に基板 1に対する光素子 2の上下方向の高さを正確に位置合わせ する必要がある。 即ち半導体レーザ 2の基板面 1 1からの光軸高さ h o、 並びに光導波路 40の基板面 1 1からの光軸高さ h eを◦ . 0 5 mほ どの精度 （ | h o— h c l ≤ 0. 0 5 m ) で合わせる必要がある。 光 素子の底面から半導体レーザの光軸までの距離 dは、 設計値もしくは実 測値から分かっている。 光素子 2と基板 1の接合は、 半導体レーザの場 合には電気的な導通と熱的な伝導を同時に満たす必要が有り、 光素子 2 の底面と基板 1の表面に半田が良く付く ように、 C rと N iの薄い膜 2 2、 1 2を蒸着等の手段で形成しておく。 この膜 1 2、 2 2の厚さ t ' は◦ . 1 μ m程度であり、 予め上記の蒸着等の条件により、 ◦ . 0 1 μ m程度の精度でその厚さが分かっている。 この C r、 N i膜の上に半田 材 3 2となる Au、 S nが数 の厚さで例えば蒸着に依り形成してお このように膜が形成されたものに、 予め直径 （ h 0— d— 2 t ' ) が 正確に計測され、 そのバラツキが ± 0 . 0 5 μ m程度に収まるように選 別された複数の微小球 3 1 を、 光素子 2もしくは基板 1 に乗せ、 加圧し ながら加熱することにより、 第 1 図及び第 2図に示すような、 光素子 2 の光軸と光導波路 4 0の光軸の高さが合致した接合構造が得られる。 こ れらの微小球 3 1 の直径は、 設計値から求めた値あるいは予め上記の光 素子 2の底面から発光光軸までの高さ d、 及び基板 1の表面 1 1から光 導波路 4 0の光軸までの高さ h cを計測することにより求めておいた値 から決定される。 このように選別された微小球 3 1 を、 光素子 2と基板 1の間に複数個挿入した状態で加熱し、 第 2図に示すように加圧するこ とにより、 光素子 2と基板 1 を所望の間隔、 即ちほぼ微小球 3 1の直径 に等しい値に保った状態で半田接続することが可能になリ、 半導体レー ザ 2からの出射光 2 0 0をほぼ最高の光利用効率で基板 1上に形成され た光導波路 4 0中に導入することが可能になった。
なお光素子 2を基板 1 に搭載する際に、 第 1 図の X z方向の位置合わ せを行う必要がある。 この位置合わせは前述した半導体レーザ 2の底面 に予めパターンニングされているァライメン 卜マーク 2 5と、 基板 1の 表面 1 1 に予めパターンニングされているァライメントマーク 3 5を用 いて行う。 この具体的方法は、 基板 1 もしくは半導体レーザ 2は赤外光 を透過するため、 基板 1の下から赤外線顕微鏡 （図示せず） を用いて両 パターンを観察し、 位置合わせを行う。 この位置合わせは、 パターンの 位置を検出し、 位置合わせのために相対的に移動し制御することにより , 自動的に位置合わせすることも可能となる。
第 3図は第 1図及び第 2図の微小球 3 1の代わりに、 微小粒子と して 微小円柱 3 1 ' を用いた実施例である。 第 3図 （ a ) の 2は光素子で、 第 1図、 第 2図の側面図を y方向から見た平面図である。 第 3図 （ b ) は微小円柱 3 1 ' の拡大図であり、 C r ， N i の膜厚 t ' に対し、 ほぼ 直径が h o— d— 2 t ' である。 微小円柱の長さは直径の数倍以上が望 ま しい。
同様に第 4図は微小粒子として微小板 3 1 ' 'を用いた実施例である。 第 4図 （ b ) に示すように、 微小板 3 1 ' 'の厚さは h o— d— 2 で ある。 微小板 3 1 ' 'の広さは、 その対角が前記厚さの数倍以上が望ま し レ
第 5図は、 半導体レーザ 2の光軸が基板 1の表面 1 1から所望の高さ h 0になるようにする方法を示したものである。 本実施例では、 直径が 選択された微小球 3 1 を混在せしめた高分子接着剤 3 3によって、 基板 1 と半導体レーザである光素子 2とを接合したものである。 またこの時、 光素子 2と基板 1 との熱伝導及び導電を取るために、 半田 3 2を挿入し ておき、 両者を押さえつけながら加熱することにより、 基板 1 と光素子 2の間隙を所望の値に保ちながら、 半田付けすることが可能になる。 こ のように基板 1上に半田 3 2と高分子接着剤 3 3が共存するときには、 S i基板 1の全面を一定の高温度に保ちながら、 基板 1の裏面から赤外 線を半田部 3 2に選択的に集中し照射することによリ、 接着剤 3 3の硬 化温度より高い半田 3 2の融点を超えて半田付けと同時に接着剤の硬化 を行うことが可能になる。 なおこのとき、 微小球 3 1 としては、 直径 h o — dのものが選別されるのは勿論である。
第 5図の実施例で、 加熱をすることにより硬化する高分子接着剤 3 3 として、 更に加熱又は光を照射するにより収縮し、 その後硬化する接着 剤を用い、 硬化前の微小粒子 3 1 を挿入した状態でほぼ接着層の厚さが 所望の間隙に等しい状態になっているように接着剤を挿入し、 その後熱 又は光で収縮硬化させれば、 微小球 3 1の径に等しい間隙で接着固定す ることが可能になる。 第 6図は、 半導体レーザ 2と基板 1上の光導波路 4 0を、 屈折率分布 型のレンズ 5で結合する実施例である。 屈折率分布型のレンズ 5は、 光 軸 5 2を回転中心とする屈折率の分布を有する部分 5 1 を光が通過する ことにより、 ほぼ点光源に近い半導体レーザ 2からの光をほぼ 1点に集 光するので、 この集光位置に光導波路 4 0の光軸と端面を持って来れば, 高い光伝導が実現する。 光導波路 4 0の光軸は、 前述したように基板 1 から一定の高さ h cになっている。 屈折率分布型のレンズ 5はその光軸 と底面の距離は決められた設計値あるいは計測された値になっているた め、 基板の面 1 1 と屈折率分布型のレンズ 5の底面の間隙の最適値が決 まるため、 この値にほぼ等しい径あるいは厚さを持つ微小粒子 3 1 ' ' ' を選択し、 この微小粒子 3 1 ' ' ' を挟んで接着し、 接着層 3 3 ' の厚さ がこの最適値になるようにする。 この屈折率分布型のレンズ 5の基板 1 の面内方向の位置合わせは、 前述したように基板 1及び屈折率分布型の レンズ 5に予め設けられているァライメン トマークを用いる等の方法で 位置合わせされるものである。
第 7図は本発明の他の実施例である。 第 7図の左上側には、 基板 1上 に加工された V溝に、 外径が一定の光ファイバ 4 0 ' が搭載されている c V溝の形状は計測あるいは設計値から分かっており、 光ファイバ 4 0 ' の外径も分かっているため、 基板 1の面 I 1からファイバの光軸までの 高さは分かっている。 従って、 ファイバ出射光を屈折率分布型のレンズ 5 * を介して半導体受光素子 6に集光させるため、 屈折率分布型のレン ズ 5 ' の底面∑ 2及び半導体受光素子 6の底面∑ 1 と基板面 1 1のギヤ ップが求まる。 そこで直径あるいは高さの分かった微小粒子を用いて、 前述した実施例で示したいずれかの方法を用いて屈折率分布-型のレンズ 5 ' 及び半導体受光素子 6 を固定することにより、 微小な受光開口 6 1 に正確にファイバ出射光を集め光検出することが可能になる。 上記実施例は、 光導波路或いは光フアイバとして 1光路のものについ て説明したが、 半導体レーザアレイと光ファイバアレイの接続や、 さら にこれに屈折率分布型レンズアレイを介在したようなものにも適用でき る。 この場合、 例えば光ファイバアレイと屈折率分布型レンズアレイを 基板に対して一定の位置関係になるように保持し、 半導体レーザアレイ を基板上にはんだにより取り付ける。 この時はんだ層には直径が一定の 複数の微小円柱が挿入される。 この円柱はガラスあるいは耐熱性の高い 高分子材料、 あるいは金属からできており、 その直径の精度は上記一定 の位置関係の設計値もしくは計測値から求めた値に対し、 ± 0 . 0 5 μ m程度である。 またこの微小円柱の代わりに、 一定の直径から成る微小 球を用いても、 あるいは一定の厚さの微小板を用いても本発明の目的を 達成することが可能である。
第 8図は、 本発明の光素子の基板への実装方法を適用して作られた光 素子搭載モジュール 1からなる光システムの一例を示す光通信加入者伝 送モジュール 8の一実施例図である。 光素子搭載モジュール 1の内部は 省略されているが、 前述した構造から成っており、 基板上の光素子の少 なくとも 1つは一定の微小粒子を介在させて基板上に固定されている。 7 1は論理 L S I 、 7 2は半導体レーザ駆動回路、 7 3は低電圧駆動ァ ナログ I C， 受信回路， 自動送信パワー制御回路等のアナログ制御回路 である。 4 1 ' 4 2 ' は送受信用の光ファイバである。 光通信加入者伝 送モジュール 8の端子 8 1は通信用の光ファイバ 8 2の端子 8 1 ' と繋 がり、 各種の信号が入出力される。
第 9図は本発明のこのような光素子搭載モジュール 8を用いた光通信 システムの概念図である。 各家庭 9 0には光素子搭載モジュ -ールである 光通信加入者伝送モジュール 8が有り、 これには電話器 9 2及びテレビ モニタ 9 1が繋がっている。 光通信加入者伝送モジュール 8につながつ た光ファイバ 8 2は電話局 9 3の波長多重モジュール 8 ' に繋がり、 波 長多重モジュール 8 ' は交換器 9 4及び C A T Vセンタ 9 5につながつ ている。 また波長多重モジュール 8 ' は複数の家庭の光通信加入者伝送 モジュールに光ファイ ノく 8 2 i , ……， 8 2 zで繋がっている。
本発明の光素子搭載モジュールの適用は、 上記の光通信システムに限 られず光モジュールを組み込んだ計測システム等、 光情報とすることに より従来できなかった画像情報等の大量の情報の転送処理が必要な分野 に容易に適用できるようになり、 しかもこれら計測システム等を容易に、 歩留ま り高く 、 安価に製作可能となる。 産業上の利用可能性
以上説明したように、 本発明によれば、 基板上に半導体レーザ、 半導 体受光素子、 光ファイバ、 光スィッチ等の光素子を搭載し、 光モジュ一 ルを製作する際に、 搭載した素子間、 或いはこれら搭載した素子と基板 上に製作された光導波路等の光素子間の光軸を正確にかつ安定に位置合 わせし、 固定することが可能になった。 その結果、 歩留ま り高く安価に 光モジュール、 光デバイス或いは光システムの製作に利用され、 光通信 技術等の発展に寄与するものである。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 少なくとも 1個の光素子を基板上に搭載してなる光素子搭載モジュ ールにおいて、 上記光素子と基板との間に一定外径を有する複数個の 微小粒子を介在せしめたことを特徴とする光素子搭載モジュール。
2. 基板に、 基板の表面からの光軸高さ h c を有する光導波路と、 基板 の表面からの光軸高さ h 0の位置に発光部を有する光素子とを搭載し てなる光素子搭載モジュールであって、 上記光素子はその光素子の基 板側の底面から距離 dの位置に上記発光部をもち、 上記光素子と基板 との間に h 0— dなる外径を有する複数個の微小粒子を介在せしめた ことを特徴とする光素子搭載モジュール。
3. 上記光素子と基板との間に、 h 0— dなる外径を有する複数個の微 小粒子を介在せしめることにより、 | h o— h c | ≤ 0. と なしたことを特徴とする請求の範囲 2項記載の光素子搭載モジュール
4. 基板に、 基板の表面からの光軸高さ h cを有する光導波路と、 基板 の表面からの光軸高さ h oの位置に発光部を有する光素子とを搭載し てなる光素子搭載モジュールであって、 上記光素子はその光素子の基 板側 底面から距離 dの位置に上記発光部をもち、 上記光素子と基板 との対向面にはそれぞれ厚さ t ' の導電膜が形成され、 上記光素子と 基板との間に h 0— d— 2 t ' なる外径を有する複数個の微小粒子を 介在せしめたことを特徴とする光素子搭載モジュール。
5. 上記光素子と基板との間に、 h o— d— 2 t ' なる外径を有する複 数個の微小粒子を介在せしめることにより、 | h o— h c | ≤ 0. 0 5 μ mとなしたことを特徴とする請求の範囲 4項記載の光素子搭載モ ジュ一ル。
6 . 上記光素子の搭载底面と上記基板の表面の間隔は上記微小粒子の外 径にほぼ等しいことを特徴とする請求の範囲 4項記載の光素子搭載モ シュール。
7 . 上記微小粒子は球であることを特徴とする請求の範囲 4項記載の光 素子搭載モジユーノレ。
8 . 上記微小粒子は円柱であることを特徴とする請求の範囲 4項記載の 光素子搭載モジュール。
9 . 上記微小粒子は微小板であることを特徴とする請求の範囲 4項記載 の光素子搭載モジュール。
1 0 . 上記光素子と基板とを、 h 0— d— 2 t ' なる外径を有する複数 個の微小粒子を含む導電性材料で接続したことを特徴とする請求の範 囲 4項記載の光素子搭載モジュール。
1 1 . 上記導電性材料は半田材であることを特徴とする請求の範囲 1 0 項記載の光素子搭載モジュール。
1 2 . 上記光素子と基板とを、 h o— dなる外径を有する複数個の微小 粒子を含む高分子接着剤で接合したことを特徴とする請求の範囲 2項 記載の光素子搭載モジュール。
1 3 . 上記光素子は半導体レーザであることを特徴とする請求の範囲 2 項又は 4項記載の光素子搭載モジュール
1 4 . 上記光素子はフォ トダイオードであることを特徴とする請求の範 囲 2項又は 4項記載の光素子搭載モジュール。
1 5 . 上記光素子の光軸は上記基板面に平行であることを特徴とする請 求の範囲 2項又は 4項記載の光素子搭載モジュール。
1 6 . 基板上に少なくとも 1個の光素子を搭載、 固定する光素子搭載方 法において、 基板と光素子とを両者に設けたァライメン トマークによ り基板面に平行な 2方向の光素子の位置調整を行い、 上記光素子と基 板の間に一定外径を有する複数個の微小粒子を介在せしめることによ リ基板に対する光素子の高さ出しを行って光素子と基板とを接合する ことを特徴とする光素子搭載方法。
7 . 光素子搭載状態での基板面からの光素子の所望の光軸高さ並びに 光素子の搭載底面と光素子の光軸の距離に対し、 上記微小粒子の一定 外径を決定し、 当該外径の微小粒子を上記光素子と基板の間に介在せ しめることを特徴とする請求の範囲 1 6項記載の光素子搭載方法。 8 . 少なく とも 1つ以上の光素子を基板上に搭載した光素子搭載モジ ユールと、 当該光素子搭載モジュールを少なくとも 1つ以上接続した 一本以上の光ファイバよ り構成された光システムであって、 上記光素 子と基板の間に一定外径を有する複数個の微小粒子を介在せしめた光 素子搭載モジュールからなる光システム。
9 . 上記光システムは光通信システムであることを特徴とする請求の 範囲 1 8項記載の光素子搭載モジュールからなる光システム。
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