WO2015146377A1 - 光ファイバの実装部品、光モジュールおよび製造方法 - Google Patents
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- WO2015146377A1 WO2015146377A1 PCT/JP2015/054312 JP2015054312W WO2015146377A1 WO 2015146377 A1 WO2015146377 A1 WO 2015146377A1 JP 2015054312 W JP2015054312 W JP 2015054312W WO 2015146377 A1 WO2015146377 A1 WO 2015146377A1
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- G02B6/3652—Supporting carriers of a microbench type, i.e. with micromachined additional mechanical structures the additional structures being prepositioning mounting areas, allowing only movement in one dimension, e.g. grooves, trenches or vias in the microbench surface, i.e. self aligning supporting carriers
Definitions
- the present invention relates to an optical fiber mounting component, an optical module, and a manufacturing method.
- an optical module in which light from a laser element is directly incident on an optical fiber (that is, optically coupled), it is necessary to align the laser element and the optical fiber in order to increase the efficiency of optical coupling.
- passive alignment that adjusts the relative position of the laser element and the optical fiber with reference to the alignment mark provided in advance and the optical output that emits the laser element and is coupled to the optical fiber are monitored.
- active alignment that adjusts the relative position. In general, the alignment accuracy in the active alignment is higher than that in the passive alignment, but the manufacturing cost is increased because the alignment process takes time.
- an optical module that can realize high optical coupling efficiency equivalent to that of the conventional active alignment with a simple structure.
- an LD mounting in which an LD (laser diode) is attached to the surface on a guide substrate provided with a guide groove for holding an optical fiber inside and a concave groove connected to a terminal end portion of the guide groove.
- a substrate is attached to accommodate the LD in the groove.
- the vertical positioning of the optical fiber and the LD is performed by passive alignment, and the lateral positioning is performed by active alignment.
- an optical module using an optical element such as an LD
- an optical element such as an LD
- a laser element that emits light of a relatively short wavelength such as blue
- the element needs to be sealed in order to prevent the accumulation of impurities at the light emitting point.
- an airtight sealing (hermetic seal) structure of an optical module in which a substrate on which an optical element and an optical fiber are mounted is sealed with solder, adhesive or the like has been proposed.
- Patent Document 2 describes an airtight sealing structure in a waveguide type optical device in which an optical waveguide is formed in a first substrate and an optical fiber is optically coupled to the optical waveguide.
- the second substrate in which the first groove is formed at least in a region opposite to the optical waveguide pattern in which the optical waveguide is formed so that the optical waveguide pattern of the first substrate matches the pattern of the groove. It is joined to.
- JP-A-10-311936 Japanese Patent No. 2684984
- An object of the present invention is to provide an optical fiber mounting component capable of aligning the laser element and the optical fiber with higher accuracy while protecting the laser element mounted on the substrate. It is another object of the present invention to provide an optical module that is smaller and thinner than the case without this configuration and can be manufactured at a lower cost.
- a silicon mounting component that is bonded to a mounting substrate on which a laser element is mounted and optically couples the laser element to the optical fiber, the optical fiber having a predetermined depth with respect to the bonding surface with the mounting substrate
- an optical fiber mounting component which is set to a thickness capable of detecting the position of a laser element by an infrared transmission image when the bonding surface is brought into contact with the mounting substrate so as to be accommodated in the recess.
- the mounting component described above includes a stopper layer made of silicon on an insulator inside, the silicon from the bonding surface to the stopper layer is removed in the groove, and the silicon from the bonding surface to the depth exceeding the stopper layer is removed in the recess. It is preferable.
- the thickness in the direction perpendicular to the bonding surface is 200 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less.
- the bonding surface has a metal film for surface activation bonding with metal micro bumps provided on the mounting substrate.
- a groove portion for fixing the optical fiber so that the core of the optical fiber is located at a predetermined depth with respect to the bonding surface of the mounting substrate, the laser element mounted on the mounting substrate, and the mounting substrate.
- a silicon mounting component bonded to the mounting substrate so as to accommodate the laser element in the recess, and an optical fiber fixed to the groove of the mounting component and optically coupled to the laser element.
- the thickness of the mounting component in the direction perpendicular to the joint surface is set to a thickness that allows the position of the laser element to be detected by an infrared transmission image.
- the laser element is mounted on the mounting substrate by junction-up, and the mounting substrate is a flat substrate in which no groove for accommodating the optical fiber is formed.
- an integrated circuit for driving the laser element is built in the mounting substrate.
- each of the mounting substrate and the mounting component is formed with a bonding portion for surface activation bonding and a sealing metal pattern surrounding the laser element and bonded to each other by surface activation bonding. It is preferable to further include a sealing member that seals the laser element by closing a gap formed between the sealing metal patterns of the mounted component.
- the metal pattern for sealing the mounting substrate and the mounting component is formed at positions facing each other along the joint surface, and at least one of the mounting substrate and the mounting component is formed at a position surrounding the laser element. It is preferable that a sealing groove portion is provided, and the sealing metal pattern of at least one of the mounting substrate and the mounting component is formed on the bottom surface of the sealing groove portion.
- At least a part of the metal pattern for sealing the mounting substrate is formed at a position not covered by the mounting component, and at least a part of the metal pattern for sealing the mounting component is not covered by the mounting board. It is preferable to be formed.
- one end of the optical fiber is covered with the mounting substrate and the mounting component and is optically coupled to the laser element, and the other end is drawn out of the mounting substrate and the mounting component.
- a sealing metal pattern is formed on at least a part of the surface, and the sealing member is joined to the sealing metal pattern of the optical fiber to form a gap formed between the optical fiber and the mounting substrate and mounting component. It is preferable to block.
- first and second sealing metal patterns are formed, each of which is formed with a joint for surface activation bonding, and is arranged so as to surround the laser element when the laser element is covered and bonded to each other.
- a step of mounting the laser element on the mounting substrate, a groove portion for fixing the optical fiber so that the core of the optical fiber is located at a predetermined depth with respect to the joint surface with the mounting substrate, and the groove portion A step of fixing an optical fiber in a groove portion of a silicon mounting component having a recess connected to the substrate, a step of bringing a bonding surface of the mounting component into contact with the mounting substrate so that the laser element is accommodated in the recess, and an infrared transmission image. While detecting the position of the laser element, the step of positioning the mounting board and the mounting part so that the light output coupled from the laser element to the optical fiber is maximized, and the positioned mounting part and the mounting board are joined. And a method of manufacturing an optical module.
- the positioning step of the manufacturing method described above is performed by adjusting the horizontal position of the optical fiber with respect to the laser element based on the alignment mark provided on the mounting substrate while detecting the position of the laser element from the infrared transmission image.
- the method includes determining a horizontal position and a vertical position of the optical fiber relative to the laser element so that the output of the photodetector is maximized while detecting light coupled from the element to the optical fiber with the photodetector. .
- the mounting substrate and the mounting component are bonded to each other by surface activation bonding, and a bonding portion for surface activation bonding is formed on each of the mounting substrate and the mounting component.
- a step of forming a sealing metal pattern that surrounds the laser element on each of the mounting substrate and the mounting component when the mounting component and the mounting component are bonded to each other It is preferable that the method further includes a step of sealing the laser element by closing the gap formed in.
- the above manufacturing method further includes a step of applying solder to the outer peripheral portion of the mounting substrate or the mounting component bonded to each other, and in the sealing step, the soldering metal patterns are fused between the mounting substrate and the mounting component by melting the solder. It is preferable to close the gap formed between the two.
- the above manufacturing method further includes a step of forming preliminary solder on the metal pattern for sealing for at least one of the mounting substrate and the mounting component before bonding.
- a step of sealing the laser element by closing a gap formed between the sealing metal patterns of the first and second substrates joined together.
- the above optical fiber mounting component it is possible to align the laser element and the optical fiber with higher accuracy while protecting the laser element mounted on the substrate.
- the above optical module can be made smaller and thinner than the case without this configuration, and can be manufactured at a lower cost.
- FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an optical module 1.
- FIG. 4 is a perspective view of a sub-board 50.
- FIG. 4 is a perspective view of a sub-board 50.
- FIG. 4 is a top view of a sub-board 50.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of a sub-board 50.
- FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a part of the optical module 1.
- FIG. 3 is a partially enlarged view of a joining portion 15.
- FIG. It is a perspective view of sub board
- substrate 50 '. 6 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of a sub-board 50.
- FIG. 6 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of a sub-board 50.
- FIG. 6 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of a sub-board 50.
- FIG. 6 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of a sub-board 50.
- FIG. 6 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of a sub-board 50.
- FIG. 6 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of a sub-board 50.
- FIG. 6 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of a sub-board 50.
- FIG. 6 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of a sub-board 50.
- FIG. 6 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of a sub-board 50.
- FIG. 6 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of a sub-board 50.
- FIG. 3 is a flowchart showing an example of a manufacturing process of the optical module 1.
- 1 is a schematic configuration diagram of an alignment device 200.
- FIG. 3 is a flowchart showing an example of a manufacturing process of the optical module 1.
- 1 is a schematic configuration diagram of an alignment device 200.
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an alignment device 200.
- FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an alignment mounting device 300.
- FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of an optical module 2.
- FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of an optical module 3.
- FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of an optical module 4.
- FIG. 3 is an exploded perspective view of the optical module 4.
- FIG. It is sectional drawing for comparing the optical modules 4 and 1.
- FIG. It is sectional drawing for comparing the optical modules 4 and 1.
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an optical module 5.
- FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an optical module 101.
- FIG. 2 is an exploded perspective view of the optical module 101.
- FIG. 1 is a perspective view of a Si platform 110.
- FIG. 1 is a perspective view of a Si platform 110.
- FIG. It is a figure which shows the example of another fixing method of the optical fiber 160.
- FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an optical module 3.
- FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of an optical module 4.
- FIG. 3 is
- FIG. 4 is a perspective view of a sub-board 130.
- FIG. 4 is a perspective view of a sub-board 130.
- FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a part of the optical module 101.
- FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of a manufacturing process of the optical module 101. 2 is a cross-sectional view of the optical module 101 in a state where the Si platform 110 and the sub-substrate 130 are surface-activated bonded to each other.
- FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of an optical module 102.
- FIG. 2 is an exploded perspective view of an optical module 102.
- FIG. 4 is a top view of the optical module 102 in a state where the Si platform 120 and the sub-substrate 140 are bonded to each other.
- FIG. 3 is a perspective view of the optical module 102 in a state where a Si platform 120 and a sub-substrate 140 are bonded to each other.
- FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating hermetic sealing of the LD element 150 in the optical module 102.
- FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating hermetic sealing of the LD element 150 in the optical module 102.
- FIG. It is sectional drawing for comparing the optical modules 101 and 103.
- FIG. 2 is sectional drawing for comparing the optical modules 101 and 103.
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an optical module 106.
- FIG. 2 is a top view illustrating a schematic configuration of an optical module 106.
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an optical module 107.
- This mounting component functions as, for example, a silicon (Si) fiber submount substrate (hereinafter simply referred to as “sub-substrate”) and a protective component (cover) for the laser element on the mounting substrate. Since silicon transmits near-infrared rays, the position of the internal laser element can be observed with an infrared camera in a state in which the mounting surface is in contact with the mounting substrate so that the mounting component covers the laser element. Therefore, alignment of the laser element and the optical fiber can be performed through the cover by the transmitted image of near infrared light.
- This mounting component allows the laser element to be packaged with a higher degree of completeness while the laser element is mounted on the substrate.
- FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of the optical module 1.
- the optical module 1 includes a Si platform 10, an LD element 20, a PD element 25, a driver IC 30, an optical fiber 40, a sub board 50, and the like as main components.
- the optical module 1 is an integrated laser module in which an LD element 20, a driver IC 30, an optical fiber 40, a sub substrate 50, and the like are mounted on an upper surface of a Si platform 10 that is a silicon substrate.
- the Si platform 10 is an example of a mounting substrate, and has a size of about a dozen mm square, for example.
- the Si platform 10 is provided with a through-silicon via (TSV) penetrating from the top surface to the bottom surface. With this TSV, the wiring of the LD element 20, the PD element 25, and the like is routed to the wiring layer inside the Si platform 10 or the back surface.
- the Si platform 10 is mounted on a circuit board (not shown) for supplying electric signals to the LD element 20, the driver IC 30 and the like. An electric signal is supplied from the circuit board to each element such as the LD element 20 and the driver IC 30 through the through electrode.
- the LD element (laser element) 20 is a laser diode that emits red, green, or blue laser light.
- a laser diode that emits near-infrared laser light of, for example, 780 nm to 1300 nm is used as the LD element 20.
- the LD element 20 is mounted on the upper surface of the Si platform 10 by surface activated bonding after the driver IC 30 is mounted by solder mounting or the like.
- the LD element 20 is mounted with a junction-down (face-down) so that the active layer is positioned on the Si platform 10 side in order to improve the heat dissipation characteristics and position the surface of the Si platform 10 with high accuracy. Is done.
- the p electrode and the n electrode of the LD element 20 are arranged on the mounting surface side and the surface side opposite to the Si platform 10 respectively.
- the PD element 25 is a photodiode for receiving the back light of the LD element 20 and monitoring the amount of light.
- the PD element 25 is provided on the back side of the LD element 20 with respect to the laser beam emission direction of the LD element 20.
- the PD element 25 is mounted on the Si platform 10 with solder.
- the driver IC 30 is a mechanism that drives the LD element 20, and has at least a mechanism that controls current supply to the LD element 20.
- the driver IC 30 is preferably mounted with a digital interface, and more preferably includes a core part such as a CPU and a memory as a control unit.
- the driver IC 30 has a size of, for example, about several mm square, and is mounted on the Si platform 10 with solder.
- the optical fiber 40 is, for example, a single mode fiber (SMF) that guides the laser light emitted from the LD element 20.
- the optical fiber 40 is fixed to the sub-substrate 50 and is fixed to the Si platform 10 via the sub-substrate 50.
- a GI (Graded Index) lens may be integrally provided as a coupling member at the end of the optical fiber 40 facing the LD element 20.
- a flat optical waveguide may be mounted on the Si platform 10, and the laser light from the LD element 20 may be guided in the optical waveguide.
- FIG. 3A is a top view of the sub-board 50
- FIG. 3B is a cross-sectional view of the sub-board 50 taken along the line IIIB-IIIB. 2A and 3A, the sub-board 50 is shown with the joint surface with the Si platform 10 facing upward.
- the sub-board 50 is an example of a silicon mounting component that is bonded to the Si platform 10 on which the LD element 20 is mounted and optically couples the LD element 20 to the optical fiber 40.
- the sub-board 50 is a component that fixes the optical fiber 40 and also functions as a cover for packaging optical components such as the LD element 20 and the PD element 25.
- the sub-substrate 50 is provided with a groove 51, a recess 52, and a metal film 53.
- the groove portion 51 is a groove for fixing the optical fiber 40 so that the core of the optical fiber 40 is positioned at a predetermined depth with respect to the joint surface with the Si platform 10, and the joint surface with the Si platform 10.
- the recess 52 is a recess for accommodating the LD element 20 and the PD element 25 therein, and is formed so as to be connected to the groove 51.
- the shape of the recess 52 is not limited to the illustrated square box shape.
- the metal film 53 is a film made of, for example, Au (gold) for surface activation bonding of the sub-substrate 50 on the Si platform 10, and is formed on the bonding surface with the Si platform 10.
- the sub-board 50 when the sub-board 50 is mounted on the Si platform 10, the sub-board 50 is arranged with the bonding surface provided with the metal film 53 facing downward.
- FIG. 2B also shows part of electrode pads for connecting the electrodes of the LD element 20, the PD element 25, and the driver IC 30 to each other.
- the n electrode of the LD element 20 is connected to the LD electrode pad 11A through the wire bond 61, and the p electrode is connected to the LD electrode pad 11B.
- the n electrode of the PD element 25 is connected to the PD electrode pad 12A through the wire bond 62, and the p electrode is connected to the PD electrode pad 12B.
- These electrode pads are connected to the connection pad 13 via a through electrode of the Si platform 10 (not shown) and an electrode pad provided on the back surface of the Si platform 10.
- the connection pad 13 is further connected to the driver IC 30 via the wire bond 63 and the driver electrode pad 14.
- Reference numeral 15 on the upper surface of the Si platform 10 in FIG. 2B is a joint with the sub-substrate 50. Further, on the upper surface of the Si platform 10, a groove portion 17 (fiber escape groove) for accommodating the optical fiber 40 is formed at a position overlapping the groove portion 51 of the sub substrate 50 when the sub substrate 50 is bonded. .
- the recess 52 has a greater depth from the joint surface with the Si platform 10 than the groove 51, and the sub-substrate 50 has a two-stage recess.
- the distance from the bonding surface between the Si platform 10 and the sub-substrate 50 to the center of the core of the optical fiber 40 becomes a predetermined size. So that the depth is strictly controlled. As will be described later, this depth control is realized by using silicon on insulator (SOI) as a stopper layer when the groove 51 is formed in the sub-substrate 50. Accordingly, a mechanism for aligning the optical fiber 40 in the vertical direction (z direction) is provided on the sub-board 50 itself.
- SOI silicon on insulator
- the recess 52 is merely a recess for accommodating the LD element 20 and the PD element 25, the depth thereof does not necessarily need to be strictly controlled.
- the thickness of the sub-substrate 50 is large enough to protect the LD element 20 when the bonding surface of the sub-substrate 50 is brought into contact with the Si platform 10 so that the LD element 20 is accommodated in the recess 52. It is necessary not to be too large so that the position of the LD element 20 can be detected by an infrared transmission image.
- the thickness of the optical fiber 40 is about 125 ⁇ m, it is difficult to make the sub-board 50 thinner. Therefore, the thickness of the sub-board 50 is required to be 200 ⁇ m or more at least, and is preferably 300 ⁇ m or more considering the strength against the load applied during mounting.
- the sub-substrate 50 since silicon has high infrared transparency, it is possible to observe the inside by a transmission image even if the sub-substrate 50 is about 1 mm thick. However, if the thickness is 1 mm or more, the number of wafers obtained from the ingot when the sub-board 50 is manufactured is reduced, and the manufacturing cost is increased. Further, in an infrared camera composed of a CMOS or a CCD sensor using a general silicon as a detector, the sensitivity rapidly decreases in a wavelength region longer than 850 nm. The thickness of the sub-substrate 50 capable of observing a transmission image using illumination light of 850 nm or less is up to about 850 ⁇ m.
- the thickness of the sub-substrate 50 may be about 200 to 1000 ⁇ m, but is preferably about 300 to 800 ⁇ m in view of strength and manufacturing cost.
- FIG. 4A is a longitudinal sectional view showing a part of the optical module 1.
- a junction 15 with the sub-substrate 50 and a junction 16 with the LD element 20 are formed on the surface of the Si platform 10.
- a metal film 21 made of, for example, Au (gold) is formed on the lower surface of the LD element 20 in the same manner as the metal film 53 on the lower surface of the sub-substrate 50.
- FIG. 4B is a partially enlarged view of the joint 15.
- the joints 15 and 16 are provided with micro bumps (hereinafter simply referred to as “bumps”) made of a metal material such as gold (Au), which are small protrusions having a size of about several ⁇ m, at a predetermined pitch. It has been.
- these bumps (bumps 15A) are exaggerated and enlarged.
- the bumps of the joint portions 15 and 16 and the surfaces of the metal films 53 and 21 are activated by cleaning with Ar plasma before joining.
- the sub-substrate 50 and the LD element 20 are placed on the bonding portions 15 and 16 of the Si platform 10, respectively, and a load is applied at room temperature. Then, the upper surfaces of the bumps of the joint portions 15 and 16 and the metal films 53 and 21 come into contact with each other, and the bumps are crushed, so that the metal atoms of the bumps and the metal atoms of the metal films 53 and 21 diffuse to each other.
- the sub-substrate 50 and the LD element 20 are surface-activated bonded on the bonding portions 15 and 16 of the Si platform 10 by utilizing the adhesion force between atoms.
- the positional displacement of each element due to residual stress due to the difference in thermal expansion coefficient is unlikely to occur, and it is possible to position and mount a bonded object such as the sub-board 50 with high accuracy. it can.
- the depth of the groove 51 of the sub-board 50 is controlled as described above, and the magnitude of the load applied when the sub-board 50 is bonded is further controlled. It is possible to align the position of the lens more precisely.
- the horizontal direction with respect to the bonding surface between the Si platform 10 and the sub-substrate 50 is defined as the x and y directions
- the vertical direction with respect to the bonding surface between both substrates is defined as the z direction
- the direction in which the optical fiber 40 fixed to the Si platform 10 extends is defined as the y direction.
- FIG. 5 is a perspective view of the sub-board 50 '.
- the PD element 25 is mounted on the Si platform 10.
- the PD element 25 may be mounted on the surface of the recess 52 of the sub-board 50 '.
- the surface activated bonding metal film 53 is also used as a conduction pattern of the PD element 25.
- FIGS. 6A to 7D are diagrams for explaining an example of the manufacturing process of the sub-substrate 50.
- FIG. In each of these drawings, similarly to FIGS. 3A and 3B, a top view and a longitudinal sectional view of the sub-board 50 at each stage of the manufacturing process are shown.
- a silicon substrate 70 including an SOI stopper layer 54 made of silicon-on-insulator (SOI) is prepared, and the metal film 53 is patterned on the surface thereof. .
- the silicon substrate 70 is heated in an oxidizing atmosphere, and an SiO 2 (silicon dioxide) film 71 is formed on the upper surface of the silicon substrate 70 as shown in FIG. 6B.
- a resist 72 is formed on the upper surface of the silicon substrate 70 other than the portion that becomes the groove 51.
- the SiO 2 film 71 in the groove 51 where the resist 72 is not formed is removed by wet etching or dry etching.
- a resist 73 is formed on the upper surface of the silicon substrate 70 other than the portion that becomes the recess 52.
- the SiO 2 film 71 in the recess 52 is removed by wet etching or dry etching, and the silicon in the recess 52 is removed by D-RIE processing beyond the SOI stopper layer 54 as shown in FIG. 7B.
- the resist 73 is removed, the SiO 2 film 71 is exposed at portions other than the recess 52 and the groove 51.
- D-RIE processing as shown in FIG. 7C, the groove 51 is scraped to the SOI stopper layer 54. At this time, the unmasked recess 52 is also shaved by D-RIE processing.
- the SOI stopper layer 54 in the groove 51 and the SiO 2 film 71 in the other part are removed by wet etching or dry etching.
- the sub-board 50 is obtained.
- silicon from the bonding surface with the Si platform 10 to the SOI stopper layer 54 is removed.
- FIG. 8 is a flowchart showing an example of the manufacturing process of the optical module 1.
- the driver IC 30 and the PD element 25 are mounted on the Si platform 10 with solder (S1). Thereafter, the LD element 20 is surface-activated bonded to the upper surface of the Si platform 10 face-down by passive alignment (S2). At this time, for example, the position of the alignment mark (not shown) provided on the Si platform 10 and the LD element 20 is aligned to determine the position of the LD element 20 with respect to the Si platform 10. In this manner, the LD element 20 is mounted so as not to affect the LD element 20 by soldering first and then performing surface activation bonding.
- a single mode fiber (SMF) having a GI lens that increases coupling efficiency at the end is fixed to the groove 51 of the sub-substrate 50 as the optical fiber 40 (S3). Then, the bonding surface is brought into contact with the Si platform 10 so that the LD element 20 on the Si platform 10 is accommodated in the recess 52, and the sub-substrate 50 is disposed on the Si platform 10 (S4).
- SMF single mode fiber
- FIG. 9 is a schematic configuration diagram of the alignment device 200.
- the alignment apparatus 200 includes a control unit 201, an infrared camera 202, and a moving mechanism 203.
- the control unit 201 is configured by a PC including a CPU, a memory, and the like, for example.
- the infrared camera 202 images the sub-board 50 in which the LD element 20 is accommodated in the recess 52, and outputs the obtained infrared image data to the control unit 201.
- the moving mechanism 203 moves the sub-substrate 50 disposed on the Si platform 10 in the horizontal plane and in the vertical direction under the control of the control unit 201.
- the control unit 201 acquires an infrared image of the sub-board 50 by the infrared camera 202 without causing the LD element 20 to emit light. Then, the control unit 201 detects the position of the LD element 20 and the positions of the alignment marks provided in advance on the Si platform 10 and the sub-substrate 50 from the infrared transmission image, and determines the necessary amount of movement of the sub-substrate 50. To do. The control unit 201 controls the movement mechanism 203 according to the determined movement amount, thereby aligning the alignment marks provided in advance on the Si platform 10 and the sub-substrate 50.
- FIG. 10A is a diagram illustrating an example of alignment marks of the Si platform 10.
- FIG. 10B is a diagram illustrating an example of alignment marks on the sub-board 50.
- FIG. 10C is a diagram showing a state where the sub-substrate 50 of FIG. 10B is placed on the Si platform 10 of FIG. 10A.
- 10A and 10B are top views of the Si platform 10 and the sub-substrate 50, respectively.
- FIG. 10B shows the sub-board 50 viewed from the side opposite to the bonding surface with the Si platform 10 (from above).
- Alignment marks are provided, for example, two at the opposite corners of the Si platform 10 and the sub-substrate 50. As shown in FIGS. 10A and 10B, two Si platform side marks 81 are provided on the upper surface of the Si platform 10, and two sub substrate side marks 82 are provided on the lower surface of the sub substrate 50. The sub-substrate side mark 82 is provided on the joint surface with the Si platform 10. Note that the shape of the alignment mark is not limited to the illustrated round shape, and may be, for example, a square shape.
- the Si alignment side 200 and Si substrate side mark 82 overlap each other so that the Si substrate side mark 81 and the sub board side mark 82 overlap each other.
- the relative positions of the platform 10 and the sub board 50 are determined.
- FIG. 11A is a diagram showing an example of alignment marks of the LD element 20.
- FIG. 11B is a diagram illustrating an example of alignment marks on the sub-board 50.
- FIG. 11C is a diagram showing a state where the sub-board 50 of FIG. 11B is placed on the Si platform 10 of FIG. 11A.
- These drawings are top views corresponding to FIGS. 10A to 10C, respectively.
- alignment marks used for passive alignment may be provided on the LD element 20 and the sub-substrate 50 instead of the Si platform 10 and the sub-substrate 50.
- two alignment marks are provided, for example, on the diagonal of the LD element 20 and the sub-substrate 50.
- two LD side marks 83 are provided on the upper surface of the LD element 20
- two sub substrate side marks 84 are provided on the bottom surface of the recess 52 of the sub substrate 50.
- the aligning device 200 makes the Si platform so that the two LD side marks 83 and the sub substrate side mark 84 overlap each other. 10 and the relative position of the sub-board 50 are determined.
- the rough relative position between the Si platform 10 and the sub-substrate 50 in the horizontal direction (x, y direction) on the bonding surface is roughly adjusted on the order of microns.
- the relative position between the optical fiber 40 fixed to the groove 51 of the sub-substrate 50 and the LD element 20 on the Si platform 10 is adjusted with an accuracy of several ⁇ m.
- active alignment between the LD element 20 and the optical fiber 40 is performed in the horizontal direction (x, y direction) using the alignment mounting device 300 shown in FIG. 12 (S6).
- FIG. 12 is a schematic configuration diagram of the alignment mounting device 300.
- the alignment mounting apparatus 300 includes a control unit 301, a photodetector 302, and an alignment mounter 303.
- the control unit 301 is configured by a PC including a CPU, a memory, and the like, for example.
- the photodetector 302 detects the intensity of the laser beam coupled to the optical fiber 40 and outputs a voltage corresponding to the detected intensity to the control unit 301.
- the alignment mounter 303 joins the mounted component on the Si platform 10 by applying a load to the mounted component under the control of the control unit 301.
- the driver IC 30 drives the LD element 20 to emit laser light.
- the controller 301 uses the photodetector 302 to monitor the output voltage corresponding to the intensity of the laser light coupled from the LD element 20 to the optical fiber 40.
- the control unit 301 finely adjusts the position of the sub-board 50 in the horizontal direction by a sub-micron order using a moving mechanism (not shown), and the position of the sub-board 50 when the output voltage of the photodetector 302 becomes maximum. To decide.
- the control unit 301 detects the intensity of the laser beam coupled from the LD element 20 to the optical fiber 40 with the photodetector 302 and controls the alignment mounter 303 while monitoring the output voltage, The load applied to the substrate 50 is controlled.
- the bump provided in the joint portion 15 is deformed (collapsed) and contracted when a load is applied, but has a characteristic that when the load is released, the deformation is restored by an elastic return amount by an elastic rebound.
- the control unit 301 increases the load applied to the sub-substrate 50 and further increases it by a certain amount after the output voltage from the photodetector 302 reaches the maximum value.
- the aligning mounter 303 is controlled so as to release the load from the center. Due to the load applied by the aligning mounter 303, the sub-board 50 is surface-activated and fixed on the Si platform 10.
- the end position of the optical fiber 40 becomes a position where it is pushed deeper in the vertical direction by a certain amount than the light emission center of the LD element 20 when a load is applied, and the LD element when the load is released. It returns to the position where it is most efficiently optically coupled with the 20 emission centers.
- the amount of increase in load described above is experimentally calculated depending on the alignment mounter 303, the shape of the sub-board 50 to which the load is applied, the material and shape of the bumps of the joint portion 15, and the like.
- the optical module 1 uses the silicon sub-substrate 50 having the groove 51 for fixing the optical fiber 40 and the recess 52 for accommodating the LD element 20 therein. Is protected and the optical fiber 40 is fixed. Since the thickness of the sub-board 50 is such that the position of the LD element 20 accommodated in the recess 52 can be detected by a transmitted image of near-infrared light, in the optical module 1, the LD element is passed through the cover of the sub-board 50. 20 and the optical fiber 40 can be aligned. Therefore, in the optical module 1, the LD element 20 and the optical fiber 40 can be aligned with higher accuracy while protecting the LD element 20 mounted on the substrate.
- the sub-board 50 may be used for heat dissipation of the LD element 20, or a hole may be formed in the sub-board 50, and the PD element 25 may be bonded thereon.
- a structure in which the PD element 25 is integrated on the Si platform 10 and the light is confined in the space of the sub-substrate 50 to monitor the light can be considered.
- FIG. 13 is a perspective view showing a schematic configuration of the optical module 2.
- the optical module 2 includes, as main components, an Si platform 10 ′ (an example of a mounting board), LD elements 20R, 20G, and 20B, PD elements 25R, 25G, and 25B, a driver IC 30, optical fibers 40R, 40G, and 40B, and sub Substrate 50R, 50G, 50B etc. are provided.
- the optical module 1 is a laser light source that emits monochromatic laser light
- the optical module 2 is a laser light source that emits red (R), green (G), and blue (B) laser light.
- LD elements 20R, 20G, and 20B are laser diodes that emit red, green, and blue laser beams, respectively.
- the PD elements 25R, 25G, and 25B are photodiodes for receiving the backward light of the corresponding LD elements 20R, 20G, and 20B and monitoring the light quantity.
- the optical fibers 40R, 40G, and 40B are, for example, single-mode fibers (SMF) that guide laser beams emitted from the corresponding LD elements 20R, 20G, and 20B.
- SMF single-mode fibers
- Each of the sub-boards 50R, 50G, and 50B is a fiber sub-mount board similar to that described with reference to FIGS. 2A to 3B, and is an example of a mounting component.
- the sub-substrates 50R, 50G, and 50B fix the corresponding optical fibers 40R, 40G, and 40B, and the LD element 20R and the PD element 25R, the LD element 20G and the PD element 25G, and the LD element 20B and the PD element 25B in the recesses, respectively.
- the configuration of the optical module 2 is the same as that of the optical module 1.
- a plurality of LD elements corresponding to RGB colors are provided on one mounting substrate, and a plurality of optical fibers that respectively guide laser beams from the respective elements are provided with a plurality of sub-modules similar to the optical module 1. It may be fixed by a substrate and at the same time, each LD element may be protected.
- a set of LD elements, PD elements and optical fibers corresponding to RGB are provided on the Si platform, but a plurality of sets of RGB elements and PD elements corresponding to RGB are provided on one Si platform. And an optical fiber may be provided. Also in this case, similarly to the optical module 2, each set of the LD element, the PD element, and the optical fiber may be fixed or protected by the same sub board as that of the optical module 1.
- FIG. 14 is a perspective view showing a schematic configuration of the optical module 3.
- the optical module 3 includes a Si platform 10A (an example of a mounting board), an LD array 20A, a PD element 25, a driver IC 30, an optical fiber array 40A, a sub board 50A, and the like as main components.
- the optical module 1 optically couples laser light from one LD element to one optical fiber, while the optical module 3 optically couples laser light from the LD array to a plurality of optical fibers.
- the sub-board 50A is a fiber sub-mount board similar to that described with reference to FIGS. 2A to 3B, and is an example of a mounted component. However, unlike the sub-board 50 of the optical module 1, the sub-board 50A has a plurality of grooves corresponding to the number of optical fibers included in the optical fiber array 40A.
- the sub-substrate 50A is arranged on the Si platform 10A so as to fix each optical fiber of the optical fiber array 40A and accommodate the LD array 20A and the PD element 25 in the recess.
- the configuration of the optical module 3 is the same as the configuration of the optical module 1.
- a plurality of LD elements LD arrays
- a plurality of optical fibers that respectively guide laser beams from the respective LD elements are fixed by one sub-substrate.
- Each LD element may be protected.
- FIG. 15A is a perspective view showing a schematic configuration of the optical module 4, and FIG. 15B is an exploded perspective view of the optical module 4.
- 16A and 16B are cross-sectional views for comparing the optical modules 4 and 1.
- FIG. 16A shows a cross section of the optical module 4 along the XVIA-XVIA line shown in FIG. 15A
- FIG. 16B shows a cross section of the optical module 1 corresponding to FIG. 16A.
- the optical module 4 includes a Si platform 10D, an LD element 20 ', a driver IC 30', an optical fiber 40, a sub board 50D, and the like as main components.
- the optical module 4 is different from the optical modules 1 to 3 in that the LD element 20 'is junction-up mounted and the driver IC 30' is built in the Si platform 10D.
- the Si platform 10D is an example of a mounting substrate. Similar to the Si platform 10 of the optical module 1, the joint portions 15 ′ and 16 ′ and the LD device 20 for surface activation joining the LD element 20 ′ and the sub-substrate 50D. An electrode structure (not shown) for connecting “and the driver IC 30” is provided. However, the Si platform 10D is a flat substrate, and as shown by the reference numeral 18 in FIGS. 15A and 15B, the one corresponding to the groove portion 17 (fiber escape groove) in the Si platform 10 of the optical module 1 is not formed.
- the LD element 20 ′ is a laser diode similar to the LD element 20 of the optical module 1. However, as shown in FIGS. 16A and 16B, in the optical module 1, the LD element 20 is mounted in a junction-down manner with the active layer 22 facing the Si platform 10, whereas in the optical module 4, the LD element 20 'Is mounted by junction-up with the active layer 22 facing away from the Si platform 10D. An arrow L in FIGS. 16A and 16B indicates laser light emitted from the LD elements 20 and 20 ′.
- the driver IC 30 ′ is an integrated circuit similar to the driver IC 30 of the optical module 1 for driving the LD element 20 ′.
- the driver IC 30 ' is built in the Si platform 10D.
- the sub-board 50D is an example of a mounting component, and has a groove 51 ', a recess 52', and a metal film 53 'similar to those of the sub-board 50 of the optical module 1 as shown in FIG. 15B.
- the thickness of the sub-substrate 50D is set such that the position of the LD element 20 'can be detected by an infrared transmission image in a state where the LD element 20' is accommodated in the recess 52 '.
- the groove 51 ′ is a groove for fixing the optical fiber 40, and the sub optical fiber 40 is completely embedded in the sub substrate 50D in response to the LD element 20 ′ being junction-down mounted. It is formed deeper than the groove 51 of the substrate 50.
- the recess 52 ' is a recess for accommodating the LD element 20' therein.
- the metal film 53 ′ is a joint for surface activation joining with the Si platform 10D, and is substantially around the groove 51 ′ and the recess 52 ′ at a position corresponding to the joint 15 ′ of the Si platform 10D. It is formed in a letter shape. Thus, the joint for surface activated joining does not need to be formed on the entire surface of the sub-substrate.
- the LD element is mounted with a junction down with the active layer serving as a light emitting point being the mounting surface side (lower side).
- Junction down mounting also has an advantage that alignment with respect to the reference surface is easy because the light emitting point of the LD element is close to the mounting surface of the mounting substrate serving as the reference surface.
- the active layer of the LD element mounted with junction down is approximately the same height as the mounting surface, in order to align the optical fiber with respect to the LD element, the optical fiber should not be in contact with the mounting surface. It is necessary to provide an optical fiber relief groove on the mounting substrate. For example, in the optical module 1, as shown in FIG.
- the Si platform 10 has a groove 17 serving as an escape groove for the optical fiber 40.
- the LD light source may have a low power of several hundreds nW to several mW, so that junction down mounting considering heat dissipation is not necessary. For this reason, it becomes possible to join the LD element to the mounting substrate by junction-up mounting with the light emitting point directed to the side opposite to the mounting surface. Therefore, in the optical module 4, the LD element 20 'is mounted on the Si platform 10D in a junction-up manner.
- the thickness of the LD element 20 ′ is about 100 ⁇ m, whereas the diameter of the optical fiber 40 is about 80 to 125 ⁇ m and the radius is about 40 to 62.5 ⁇ m.
- the position of the active layer 22 is higher than the upper surface of the Si platform 10D by the thickness of the LD element 20 ′.
- the height is embedded in the sub-board 50D. Therefore, in the optical module 4, since the lower end of the optical fiber 40 arranged in accordance with the height of the light emitting point of the LD element 20 ′ does not contact the upper surface of the Si platform 10D, the escape groove of the optical fiber 40 is formed in the Si platform 10D. There is no need to form.
- the Si platform 10D can be a flat substrate without a groove, and the manufacturing process for machining the Si platform 10D is simplified.
- the Si platform 10D incorporates a driver IC 30 ′ (integrated circuit), and the sub-board 50D allows the height of the optical fiber 40 to be adjusted, so that the functions are separated by the two boards.
- the Si platform 10 since the Si platform 10 also has the groove portion 17, the effective area for incorporating the integrated circuit is narrowed.
- the integrated circuit and the wiring are densely arranged in the flat Si platform 10D. It is possible to form. Further, the optical module 4 has an advantage that the sealing performance of the LD element 20 ′ is improved because the Si platform 10 D has no groove.
- the LD element Since the LD element is mechanically polished on the opposite side of the active layer at the time of manufacture, there is an error in the overall thickness, and in the case of junction-up mounting, the error can greatly affect. Therefore, when the optical module 4 is manufactured, the thickness of the LD element 20 ′ to be used is measured, and the sub-board 50D having the groove 51 ′ having a depth capable of aligning the optical fiber 40 with the light emitting point of the LD element 20 ′. Manufactured and its sub-boards are used. As a result, it is possible to eliminate the influence of the error in the thickness of the LD element and perform junction-up mounting.
- FIG. 17 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the optical module 5.
- the optical module 5 includes a Si platform 10E, an LD element 20 ', a driver IC 30', an optical fiber 40, a sub board 50E, and the like as main components.
- the optical module 5 is different from the optical modules 1 to 4 in that the LD element 20 'is mounted on a flat sub-board 50E and the driver IC 30' is built in the sub-board 50E.
- the Si platform 10E is an example of a mounted component, and includes a recess 19A that accommodates the LD element 20 'and a groove 19B that accommodates the optical fiber 40.
- the groove 19B is formed to a depth at which the optical fiber 40 is completely embedded in the Si platform 10E.
- the thickness of the Si platform 10E is set such that the position of the LD element 20 'can be detected by an infrared transmission image in a state where the LD element 20' is accommodated in the recess 19A.
- the LD element 20 ' is the same laser diode as that of the optical module 4, and is mounted on the sub-board 50E with the active layer 22 facing away from the sub-board 50E.
- An arrow L in FIG. 17 indicates a laser beam emitted from the LD element 20 '.
- the sub board 50E is an example of a mounting board, and is a flat board that is not provided with a recess or the like unlike the sub board described so far.
- a driver IC 30 ' which is an integrated circuit for driving the LD element 20', is built in the sub-board 50E.
- the Si platform 10E and the sub-substrate 50E have bonding portions (bumps) (not shown) for surface activated bonding and a metal film.
- the concave portion 19A for accommodating the LD element 20 ′ is provided in the Si platform 10E, and the sub-board 50E is made flat, so that integrated circuits and wirings can be formed on the sub-board 50E at a high density. It becomes possible. For this reason, in the optical module 5, it becomes easy to incorporate the driver IC 30 'in the sub-board 50E, and it is possible to make a pass / fail judgment of the LD element 20' by the sub-board alone. For example, by forming an integrated circuit at the wafer-like stage and mounting a large number of LD elements, it is possible to perform aging (energization test) of those elements at once and to select non-defective and defective elements. It is.
- the optical module can be manufactured in a state where only non-defective products are selected from the beginning, and the number of man-hours can be greatly reduced. Further, since only the Si platform 10E is formed with the recesses and the grooves, it is only necessary to machine one substrate, and this also simplifies the manufacturing process.
- the p electrode and the n electrode of the LD element 20 are respectively disposed on the mounting surface side with respect to the Si platform 10 and the opposite side thereof. Both may be provided on the mounting surface side.
- a wire bond (wire bond 61 in FIG. 2B) is not required to connect the LD elements 20 and 20 ', and accordingly, the depth of the concave portion that accommodates the LD elements 20 and 20' can be reduced. Therefore, it is possible to further reduce the thickness of the sub-board and further the entire optical module.
- an LD module in the form of a CAN type package using a stem substrate can be hermetically sealed by metal welding such as seam welding.
- metal welding such as seam welding.
- a hermetic sealing structure such as a CAN type package in a flat integrated module in which a laser element, an optical fiber, a driver IC and the like are integrally mounted on a substrate.
- alignment of the optical fiber and the laser element and bonding of the substrates must be performed simultaneously. It is difficult to perform joining that sometimes requires heating.
- the light that can hermetically seal the laser element after bonding the mounting board of the laser element and the protection substrate of the laser element in a state where the laser element and the optical fiber are aligned The module and its manufacturing method will be described.
- FIG. 18A is a perspective view showing a schematic configuration of the optical module 101
- FIG. 18B is an exploded perspective view of the optical module 101.
- the optical module 101 includes a Si platform 110, a sub substrate 130, an LD element 150, an optical fiber 160, and the like.
- the optical module 101 is a flat integrated module in which the LD element 150 and the optical fiber 160 are integrally mounted between the Si platform 110 and the sub-substrate 130.
- the LD element 150 is mounted on the sub-substrate 130 and is protected by covering the sub-substrate 130 with the Si platform 110.
- the Si platform 110 and the sub-substrate 130 include an alignment joint for bonding both substrates to each other in a state where the LD element 150 and the optical fiber 160 are aligned, And a sealing joint provided outside the alignment joint along the circumference.
- the LD element 150 is hermetically sealed by the sealing joint.
- the optical module 101 further includes a driver IC (driver IC 180 shown in FIG. 30A described later) for driving the LD element 150.
- the driver IC is built in the sub-board 130, but may be mounted on the Si platform 110 or the sub-board 130, for example.
- FIG. 19A and 19B are perspective views of the Si platform 110.
- the Si platform 110 is an example of a mounting component and a first substrate, and is, for example, a silicon substrate having an upper surface with a size of 3 mm ⁇ 5 mm and a thickness of about 0.3 to 0.5 mm.
- the Si platform 110 is mounted on a circuit board for supplying an electric signal to the LD element 150.
- the alignment joint and the sealing joint of the optical module 101 also have a function of electrical connection.
- the Si platform 110 is connected from the circuit board by using the alignment junction as a power line and the sealing junction as a GND line. An electric signal is supplied to the LD element 150 on the sub-substrate 130 through the via.
- a recess 111 As shown in FIG. 19A, on the upper surface of the Si platform 110, a recess 111, a groove 112, a joint 113, a sealing groove 114, and a sealing metal pattern 115 are provided.
- the recess 111 is a recess for accommodating the LD element 150 when the Si platform 110 and the sub-substrate 130 are bonded to each other.
- the recess 111 has a bottom surface of 0.5 mm ⁇ 0.5 mm and 0.2 mm. Has a depth of.
- the concave portion 111 is shown as a square shape.
- the concave portion 111 may be, for example, a cylindrical shape, and the shape is not particularly limited.
- the thickness of the Si platform 110 is set such that the position of the LD element 150 can be detected by an infrared transmission image in a state where the LD element 150 is accommodated in the recess 111.
- the groove 112 is a groove for fixing the optical fiber 160 so that the core of the optical fiber 160 is positioned at a predetermined depth with respect to the joint surface with the sub-substrate 130, and is formed so as to be connected to the recess 111.
- the diameter of the optical fiber 160 is, for example, 0.125 mm, and the groove 112 has a width and a depth that can accommodate the optical fiber 160 with a margin of, for example, a tolerance of about several ⁇ m.
- the joint 113 corresponds to a centering joint for surface activation joining the Si platform 110 and the sub-substrate 130 to each other in a state where the LD element 150 and the optical fiber 160 are aligned.
- the joint portion 113 is formed in a substantially U shape so as to surround the concave portion 111 except for a portion where the groove portion 112 is provided on the upper surface of the Si platform 110.
- the joining portion 113 is provided with a number of micro bumps (bumps), which are small protrusions having a size of about several ⁇ m, which are made of a metal material such as gold (Au). Note that the area and shape of the joint 113 may be different from those shown in FIG. 19A and the like.
- the sealing groove 114 is a square-shaped groove formed in advance by D-RIE processing, and is provided outside the joint 113 along the inner periphery of the region covered by the sub-substrate 130.
- the sealing groove 114 is formed at a position surrounding the LD element 150 when the Si platform 110 and the sub-substrate 130 are bonded to each other.
- the depth of the sealing groove 114 is shallower than that of the groove 112 and is, for example, about 50 to 100 ⁇ m.
- the sealing metal pattern 115 is, for example, a plated wiring formed by performing copper plating or nickel plating as a base and then gold plating.
- the sealing metal pattern 115 is formed on the bottom surface of the sealing groove 114 along the bonding surface with the sub-substrate 130. Is formed.
- the sealing metal pattern 115 corresponds to a sealing joint provided outside the joint 113 (alignment joint).
- the sealing metal pattern 115 is formed on the sub-substrate 130 so that the LD element 150 and the optical fiber 160 are not aligned and contact the sub-substrate 130 when the Si platform 110 and the sub-substrate 130 are surface-activated bonded. It is provided at a position one step lower than the joint surface.
- the optical fiber 160 is a single mode fiber (SMF) that guides the laser light emitted from the LD element 150.
- SMF single mode fiber
- One end of the optical fiber 160 is covered with the Si platform 110 and the sub-substrate 130 and is optically coupled to the LD element 150, and the other end is drawn to the outside of both substrates.
- the optical fiber 160 is attached in the groove 112 before the sub-board 130 is placed on the Si platform 110, and is fixed with solder.
- a GI (Graded Index) lens may be integrally provided as a coupling member at the end of the optical fiber 160 facing the LD element 150.
- FIG. 19B shows a state where the optical fiber 160 is fixed to the Si platform 110.
- a portion of the optical fiber 160 that overlaps with the sealing groove 114 when mounted in the groove 112 is subjected to a base treatment such as an ITO vapor deposition film or electroless nickel plating, on which a sealing metal is applied.
- a fiber metal 161 made of the same gold plating as the pattern 115 is provided.
- the fiber metal 161 is an example of an optical fiber sealing metal pattern, and forms a sealing joint together with the sealing metal pattern 115 of the Si platform 110.
- the fiber metal 161 is formed only in the upper half of the optical fiber 160, for example, as shown in FIG. 19A.
- the optical fiber 160 is fixed to the groove 112 by soldering at the fiber metal 161 portion, for example.
- the gap between the sealing metal pattern 115 and the optical fiber 160 that is interrupted by the groove 112, and the gap between the side surface and the bottom surface of the groove 112 and the optical fiber 160. Is filled with solder.
- This solder functions as a sealing member that seals the laser element.
- a sealing pattern that functions as a sealing joint is formed in a square shape by the sealing metal pattern 115 and the fiber metal 161.
- FIG. 20A and 20B are diagrams showing examples of another fixing method of the optical fiber 160.
- Reference numeral 162 denotes a tip portion of the optical fiber 160 facing the LD element 150.
- the fiber metal is not limited to the upper half of the optical fiber 160, and may be formed on the entire circumference of the optical fiber 160.
- the bottom surface 112A of the groove 112 has a position 1 corresponding to the fiber metal 161 ′ so that the height of the optical fiber 160 in the groove 112 does not change depending on the thickness of the fiber metal 161 ′.
- a stepped portion 112B is provided.
- the optical fiber 160 is disposed in the groove 112 so that the position of the fiber metal 161 ′ matches the portion 112 ⁇ / b> B, and is fixed by solder as in the case of FIG. 19A.
- the optical fiber 160 may be fixed to the groove 112 by surface activated bonding.
- the gold pattern 112C is formed in the lower part of the bottom surface 112A of the groove 112, and the gold pattern 112C and the fiber metal 161 ′ (gold plating) are brought into contact with each other.
- Surface activated bonding Even in this case, in order to ensure hermetic sealing, the gap formed around the fixed fiber metal 161 'is filled with solder, as in the case of FIG. 19A.
- FIGS. 21A and 21B are perspective views of the sub-board 130.
- the sub-substrate 130 is an example of a mounting substrate and a second substrate.
- a flat silicon substrate having a top surface of 2.5 mm ⁇ 2.5 mm and a thickness of about 0.1 to 0.3 mm. It is.
- the LD element 150 is mounted on the sub-substrate 130, and the sub-substrate 130 itself is mounted on the Si platform 110, whereby the LD element 150 and the optical fiber 160 are optically coupled.
- the sub-board 130 is turned over, and the upper surface shown in FIGS. 21A and 21B becomes the bonding surface with the Si platform 110.
- the sub-substrate 130 functions as a cover for packaging the LD element 150 with the Si platform 110.
- the thickness of the sub-board 130 is large enough to protect the LD element 150 when the mounted LD element 150 is turned over so as to be accommodated in the recess 111 and disposed on the Si platform 110. Sometimes it is necessary not to be too large so that the position of the LD element 150 can be detected by an infrared transmission image.
- a mounting portion 131, a metal film 133, a sealing metal pattern 135, and a preliminary solder 136 are provided on the upper surface of the sub-board 130.
- the sub-substrate 130 incorporates an integrated circuit (driver IC 180 shown in FIG. 30A described later) for driving the LD element 150.
- the mounting part 131 is an area for mounting the LD element 150 provided in the center of the sub-board 130. Similar to the bonding portion 113 of the Si platform 110, the mounting portion 131 is provided with a number of micro bumps for surface activation bonding of the LD element 150.
- the LD element (laser element) 150 is a laser diode that has a size of, for example, 0.3 mm ⁇ 0.3 mm ⁇ 0.1 mm and emits red, green, or blue laser light.
- a laser diode that emits near-infrared laser light of, for example, 780 nm to 1300 nm is used as the LD element 150.
- the LD element 150 is mounted on the mounting portion 131 of the sub-board 130 by surface activation bonding.
- the LD element 150 is mounted in a junction-up manner so that the active layer is located on the side opposite to the mounting surface.
- both the p-electrode and the n-electrode of the LD element 150 may be provided on the mounting surface side, or may be provided on the mounting surface side with respect to the sub-substrate 130 and the surface side facing it. In the latter case, the electrode on the surface facing the sub-board 130 is connected to the sub-board 130 by a wire bond (not shown).
- the metal film 133 is a film made of, for example, gold (Au), and is used for alignment for surface activation bonding of the Si platform 110 and the sub-substrate 130 to each other in cooperation with the bonding portion 113 of the Si platform 110. Corresponds to the joint.
- the metal film 133 is formed in a substantially U shape so as to surround the mounting portion 131 at a position facing the joint portion 113 of the Si platform 110 when the sub-substrate 130 is mounted on the Si platform 110.
- the sealing metal pattern 135 is, for example, a plated wiring by gold plating similar to the sealing metal pattern 115 of the Si platform 110, and corresponds to a sealing joint provided outside the metal film 133 (alignment joint). To do.
- the sealing metal pattern 135 is a position facing the sealing metal pattern 115 of the Si platform 110 when the Si platform 110 and the sub-substrate 130 are bonded to each other so as to cover the LD element 150 on the bonding surface with the Si platform 110.
- it is formed in a substantially square shape so as to surround the metal film 133 (that is, the LD element 150).
- the upper surface of the sub-substrate 130 is a flat surface. However, if the Si platform 110 and the sub-substrate 130 are not in contact with the Si platform 110 when surface-activated bonding is performed, sealing is performed.
- the metal pattern 135 may be formed at a height different from that of the metal film 133.
- the preliminary solder 136 is solder pre-printed on the sealing metal pattern 135 as shown in FIG. 21B, and constitutes a sealing joint together with the sealing metal pattern 135. Note that the preliminary solder 136 is not necessarily formed uniformly, and the shape and amount thereof can be appropriately adjusted within a range in which the hermetic sealing function can be realized.
- FIG. 22 is a longitudinal sectional view showing a part of the optical module 101.
- FIG. 22 is a diagram for explaining the joint 113 of the Si platform 110 and the metal film 133 of the sub-substrate 130.
- the joint 113 and the metal film 133 such as the sealing metal patterns 115 and 135 are illustrated. Parts not required for the above are not shown.
- the Si platform 110 and the sub-substrate 130 are bonded to each other via the bonding portion 113 (bump) of the Si platform 110 and the metal film 133 of the sub-substrate 130.
- the structure of the joint 113 is the same as the structure of the joint 15 of the Si platform 10 in the optical module 1 shown in FIG. 4B.
- the bumps of the joint 113 and the surface of the metal film 133 are activated by being cleaned with Ar plasma before joining.
- the sub-substrate 130 is placed on the Si platform 110 with the positions of the bonding portion 113 and the metal film 133 aligned, and a load is applied at room temperature.
- the Si platform 110 and the sub-substrate 130 are surface-activated bonded to each other by utilizing the adhesion force between atoms.
- the LD element 150 and the optical fiber 160 can be precisely aligned in the vertical direction by controlling the magnitude of the load applied when the sub-board 130 is joined.
- FIG. 23 is a flowchart showing an example of the manufacturing process of the optical module 101.
- the recess 111, the groove 112, and the sealing groove 114 are formed on the substrate for the Si platform 110 by etching and D-RIE processing. Then, on the obtained Si platform 110 and the sub-substrate 130 in which the driver IC is built, the bonding portion 113 for surface activation bonding and the metal film 133 (alignment bonding portion) are formed (S101). Further, opposed metal patterns 115 and 135 are formed on the Si platform 110 and the sub-substrate 130 so as to surround the laser element when the substrates are bonded to each other (S102). Further, preliminary solder 136 is formed on the sealing metal pattern 135 of the sub-board 130 (S103). Note that the preliminary solder may be formed not on the sealing metal pattern 135 of the sub-substrate 130 but on the sealing metal pattern 115 of the Si platform 110, and may be formed on both of the sealing metal patterns 115 and 135. Also good.
- the LD element 150 is mounted on the mounting portion 131 of the sub-board 130 by surface activated bonding (S104). Further, the optical fiber 160 is fixed to the groove 112 of the Si platform 110 with solder (S105). Thereafter, the sub-substrate 130 is disposed on the Si platform 110 so that the LD element 150 is accommodated in the recess 111 and covers the recess 111.
- the LD element 150 and the optical fiber 160 are aligned in the horizontal direction (x, y direction) (S106).
- This horizontal alignment is performed in two stages, passive alignment and active alignment.
- an alignment device 200 shown in FIG. 9 is used for passive alignment.
- the rough relative position of the Si platform 110 and the sub-substrate 130 in the horizontal direction on the bonding surface is roughly adjusted on the micron order by passive alignment similar to that described with reference to FIGS. 9 to 11C.
- the relative position between the LD element 150 mounted on the sub-substrate 130 and the optical fiber 160 fixed to the Si platform 110 is adjusted with an accuracy of several ⁇ m.
- active alignment between the LD element 150 and the optical fiber 160 is performed in the horizontal direction using the alignment mounting device 300 shown in FIG. This active alignment is the same as that described with reference to FIG.
- alignment in the vertical direction (z direction) and surface activation bonding between the Si platform 110 and the sub-substrate 130 are performed (S107).
- the alignment in the vertical direction is active alignment, and is performed simultaneously with the surface activation bonding of both substrates in the same manner as described with reference to FIG.
- FIG. 24 is a cross-sectional view of the optical module 101 in a state where the Si platform 110 and the sub-substrate 130 are surface-activated bonded to each other.
- illustration of the joint 113 and the metal film 133, which are alignment joints, is omitted.
- the Si platform 110 and the sub-substrate 130 are bonded only by the bonding portion 113 and the metal film 133 which are alignment bonding portions, and a sealing metal pattern which is a sealing bonding portion. As shown in FIG. 24, a slight gap is formed between 115 and the spare solder 136. If the sealing metal pattern 115 and the preliminary solder 136 come into contact with each other when the surface activation bonding is performed, the portion becomes an obstacle and the LD element 150 and the optical fiber 160 are accurately aligned. The position of the sub-board 130 cannot be adjusted.
- the sealing metal pattern 115 of the Si platform 110 is provided on the bottom surface of the sealing groove 114 that is one step lower than the mounting surface, the surface activated bonding is not affected by the sealing bonding portion. It becomes possible to do.
- solder is applied to the outer peripheral portion of the sub-board 130 bonded to the Si platform 110 (S108).
- cream solder may be applied to the vicinity of the boundary between the groove portion 112 of the Si platform 110 to which the optical fiber 160 is fixed and the sub-substrate 130, that is, the upper portion of the fiber metal 161 (see FIG. 19B).
- FIG. 25A and FIG. 25B are diagrams illustrating a process of applying the solder 170 to the outer peripheral portion of the sub-board 130. As shown in an enlarged view in FIG. 25A, for example, solder 170 (cream solder) is applied in the groove 112 near the boundary with the sub-substrate 130. FIG. 25B is a cross-sectional view showing a state in which the solder 170 is applied near the upper portion of the fiber metal 161.
- the LD element 150 is sealed by melting the applied solder 170 (S109).
- the solder 170 is melted by reflow heating the entire optical module at 200 to 300 ° C., for example.
- the molten solder 170 flows into a narrow gap between the sealing metal pattern 115 and the preliminary solder 136 in the sealing groove 114 covered with the sub-substrate 130, and is caused by a capillary phenomenon. As it penetrates, it joins with the preliminary solder 136.
- the solder 170 functions as a sealing member that seals the laser element by closing the space between the sealing metal patterns of the first substrate and the second substrate bonded to each other by surface activation bonding. In this way, a package in which the LD element 150 is hermetically sealed is formed by sealing the outer peripheral portion of the LD element 150 with the solder 170 after alignment. Thus, the manufacturing process of the optical module 101 is completed.
- FIG. 26 is a cross-sectional view of the optical module 101 with the LD element 150 sealed.
- FIG. 26 shows the completed optical module 101, and corresponds to a cross-sectional view taken along line XXVI-XXVI shown in FIG. 18A.
- the solder 170 is melted and spreads in the sealing groove 114 and joined to the preliminary solder 136, thereby filling the gap between the sealing metal patterns 115 and 135 as shown in FIG.
- the solder 170 spreads between the sealing metal patterns 115 and 135 in the sealing groove 114, so that the alignment connecting portion between the sealing groove 114 and the LD element 150 is joined.
- the portion 113 and the metal film 133 do not spread.
- the Si platform 110 and the sub-substrate 130 to be surface-activated bonded are the bonding portion 113 and the metal film 133 (micro bumps and metal films made of a metal material) that are alignment bonding portions. , And sealing metal patterns 115 and 135 which are sealing joints, preliminary solder 136 and fiber metal 161.
- the metal film 133 of the sub-substrate 130 and the sealing metal pattern 135 are formed on the same surface, but the sealing metal pattern 115 of the Si platform 110 is formed on a surface that is one step lower than the bonding portion 113.
- Surface activated bonding can be performed.
- solder 170 cream solder
- the sealing metal patterns 115 and 135 of the sealing bonding portion and the preliminary solder 136 are melt bonded.
- a slight gap between the Si platform 110 and the sub-substrate 130 is melt-bonded with the solder 170, and the LD element 150 is hermetically sealed. It becomes possible to do.
- the solder for fixing the optical fiber 160 melts during reflow heating, the alignment between the LD and the fiber will be out of alignment. Therefore, the solder for fixing the optical fiber 160 has a temperature higher than the reflow heating temperature (that is, It is necessary to use one having a higher melting point than the preliminary solder 136 and the solder 170 for hermetic sealing.
- the tip portion 162 see FIG. 20A
- the tip portion 162 is bonded with an adhesive. You may fix to the groove part 112.
- FIG. 20A the tip portion 162 (see FIG. 20A) of the optical fiber 160 is bonded with an adhesive. You may fix to the groove part 112.
- the LD element 150 is to be sealed using an adhesive, the organic matter contained in the adhesive may adhere to the light emitting point of the LD element 150, leading to a decrease in the reliability of the element. For this reason, it is preferable to hermetically seal the LD element 150 with only an inorganic material like the optical module 101. By doing so, the reliability of the LD element 150 is improved.
- FIG. 27A is a perspective view showing a schematic configuration of the optical module 102
- FIG. 27B is an exploded perspective view of the optical module 102.
- FIG. The optical module 102 is a flat integrated module similar to the optical module 101, and includes a Si platform 120, a sub-substrate 140, an LD element 150, an optical fiber 160, and the like.
- a recess 121, a groove 122, a joint 123, a sealing groove 124 and a sealing metal pattern 125 are provided on the upper surface of the Si platform 120, and a metal film 143 and a sealing metal are formed on the upper surface of the sub-substrate 140.
- a pattern 145 is provided. As shown in FIG.
- the LD element 150 is mounted on the sub-substrate 140 and is protected by covering the sub-substrate 140 with the Si platform 120.
- the configuration of the optical module 102 is the same as the configuration of the optical module 101 except that the area of the sealing metal pattern 125 of the Si platform 120 and the sealing metal pattern 145 of the sub-substrate 140 are not provided with pre-solder. is there. Therefore, in the following, the optical module 102 will be described with a focus on differences from the optical module 101, and redundant descriptions will be omitted.
- 28A and 28B are a top view and a perspective view of the optical module 102 in a state where the Si platform 120 and the sub-substrate 140 are bonded to each other.
- the outer shape of the sealing metal pattern 125 of the Si platform 120 is larger than that of the sub-substrate 140. Therefore, when the sub-substrate 140 is bonded onto the Si platform 120, the sealing metal pattern 125 is exposed around the sub-substrate 140. Therefore, when the optical module 102 is manufactured, as shown in FIG.
- solder 170 cream solder
- the solder 170 does not necessarily need to be applied without interruption throughout the entire circumference of the sub-board 140, and the amount can be adjusted as appropriate.
- FIG. 29A and 29B are cross-sectional views illustrating the hermetic sealing of the LD element 150 in the optical module 102.
- FIG. FIG. 29A shows a state where surface activation bonding is performed and solder 170 is applied, and corresponds to a cross-sectional view taken along line XXIXA-XXIXA shown in FIG. 28B.
- FIG. 29B shows a state where the LD element 150 is sealed by melting the solder 170, and corresponds to a cross-sectional view taken along the line XXIXB-XXIXB shown in FIG. 27A.
- the solder 170 melts and spreads in the sealing groove 124 on each side of the sub-substrate 140, and the sealing metal patterns 125 and 145 are formed. The gap between them is filled.
- the preliminary solder 136 is formed on the sealing metal pattern 135, so that the rectangular shape surrounding the LD element 150 can be obtained simply by applying the solder 170 to one place on the outer peripheral portion of the sub-board 130. The entire circumference of the sealing joint is sealed.
- the optical module 102 by applying the solder 170 to the outer peripheral portion of each side of the sub-board 140, a slight gap between the two boards can be formed without forming preliminary solder on the sealing metal pattern 145.
- the LD element 150 can be hermetically sealed by fusion bonding with the solder 170 over the entire circumference.
- the sealing joints of the optical modules 101 and 102 have a beneficial structure for miniaturizing the optical module in order to realize hermetic sealing without particularly changing the module size.
- the optical modules 101 and 102 can be hermetically sealed by the sealing joint, and two electrical connections can be made by the alignment joint and the sealing joint.
- the joint 113 and the metal film 133 that are alignment joints, or the joint 123 and the metal film 143 are used as power lines, and the sealing metal pattern 115 that is a joint joined by solder 170 is used.
- 135 or the sealing metal pattern 125, 145 can be used as the GND line.
- the recesses 111 and 121 for accommodating the LD element 150 are provided in the Si platforms 110 and 120, and the sub substrates 130 and 140 are made flat, so that Integrated circuits and wiring can be formed with high density. Therefore, in the optical modules 101 and 102, it is easy to incorporate LSIs such as driver ICs in the sub-boards 130 and 140, and it is possible to perform pass / fail judgment of the LD element 150 by the sub-board alone. For example, by forming an integrated circuit at the wafer-like stage and mounting a large number of LD elements, it is possible to perform aging (energization test) of those elements at once and to select non-defective and defective elements. It is.
- the optical module can be manufactured in a state where only non-defective products are selected from the beginning, and the man-hour can be greatly reduced. Further, since only the Si platforms 110 and 120 are formed with the recesses and the grooves, it is only necessary to machine only one of the substrates, which also simplifies the manufacturing process.
- FIG. 30A and 30B are cross-sectional views for comparing the optical modules 101 and 103.
- FIG. 30A shows the optical module 101 in which the LD element 150 is mounted on the sub-board 130
- FIG. 30B shows the optical module 103 in which the LD element 150 is mounted on the Si platform 110A.
- the LD element 150 may be mounted on a Si platform which is a lower substrate.
- the optical fiber 160 is fixed to the sub-board 130A mounted on the Si platform 110A.
- the Si platform 110A (an example of a mounting substrate and a first substrate) is a flat substrate in which an integrated circuit (driver IC 180) for driving the LD element 150 is built.
- the sub-board 130A (an example of a mounted component and a second board) is a board having a recess 137 for accommodating the LD element 150 therein.
- the LD element 150 is hermetically sealed by providing a sealing joint similar to the optical modules 101 and 102 and applying solder to the outer peripheral portion of the sub-board 130A that is a mounting component.
- the Si platform 110A is a flat type having no recess for the LD element 150 as in the optical module 103, integrated circuits and wirings can be formed on the Si platform 110A at a high density. Also, if the Si platform is made flat, it is easier to cause the LD element to emit light during active alignment than when the LD element is mounted on the sub-substrate.
- the recess for the LD element 150, the groove for the optical fiber 160, and the sealing groove may be provided on both the Si platform and the sub-substrate. However, it is preferable to provide the concave portions and the groove portions only on one of the substrates because the area to be sealed for hermetic sealing becomes wide when provided on both substrates.
- the solder 170 does not necessarily have to be applied to the outer peripheral portion of the sub-board in contact with the Si platform.
- solder may be applied to the joint surfaces of both substrates in advance, a through hole may be formed in the sub-substrate, and the solder may be melted by laser heating through the through hole.
- an optical module having a plurality of LD elements that respectively emit RGB laser beams is also provided between the Si platform and a plurality of sub-substrates covering the LD elements.
- an alignment joint and a sealing joint similar to the optical modules 101 to 103 can be provided. That is, the LD elements 20R, 20G, and 20B in the optical module 2 are individually hermetically sealed between the Si platform 10 ′ and the sub-substrates 50R, 50G, and 50B by the sealing joints similar to the optical modules 101 to 103. Is possible.
- elements other than the LD element may be fixed on one Si platform and hermetically sealed together by a corresponding sub-substrate.
- the driver IC may be mounted on the Si platform or the sub-substrate without being built in the substrate.
- an optical module that optically couples laser light from an LD array to an optical fiber array composed of a plurality of optical fibers is also included in the Si platform and the optical fiber array.
- An alignment joint and a sealing joint similar to those of the optical modules 101 to 103 can be provided between the sub-substrate having a plurality of grooves corresponding to the number of optical fibers included.
- the LD array 20A in the optical module 3 can be hermetically sealed in a lump between the Si platform 10A and the sub-substrate 50A by the sealing joints similar to the optical modules 101 to 103.
- the optical module 106 includes a Si platform 110D and a sub-substrate 130D similar to the two substrates of the optical module 101.
- a sealing metal pattern 118 is formed on the upper surface of the Si platform 110D, and a sealing metal pattern 138 is formed on the side surface of the sub-substrate 130D.
- the sealing metal patterns 118 and 138 are formed, for example, by applying gold plating after copper plating or nickel plating as a base.
- the sealing metal patterns 118 and 138 correspond to sealing joints of the optical module 106 and are joined to each other by solder 170. Except for the sealing joint, the configuration of the optical module 106 is the same as the configuration of the optical module 101.
- the optical module 106 is not provided with a groove corresponding to the sealing groove 114 of the optical module 101, and the sealing metal patterns 118 and 138 of the Si platform 110D and the sub-substrate 130D are not covered by the other substrate. Are different from the optical module 101.
- the sealing metal pattern 118 is formed on the outer periphery of the position where the sub-board 130D is disposed on the upper surface of the Si platform 110D, and the sealing metal pattern 138 is formed on the side surface of the sub-board 130D.
- the LD element 150 may be hermetically sealed by bonding the sealing metal patterns of the substrate with the solder 170.
- sealing metal pattern may be formed at a position that is not covered by the other substrate, and a part of the sealing metal pattern 118, 138 may be covered by the other substrate. . In these cases, it is not necessary to form a sealing metal pattern on the bonding surface of the sub-board, so that the sub-board can be reduced in size.
- FIG. 32 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the optical module 107.
- the optical module 107 includes a Si platform 110E similar to the Si platform 110 of the optical module 101, and a sub-substrate 130E in which cuts are formed obliquely on the outer peripheral portion by wet etching or the like.
- a sealing metal pattern 119 is formed on the upper surface of the Si platform 110E, and a sealing metal pattern 139 is formed on an oblique surface of the cut portion of the sub-substrate 130E.
- the sealing metal patterns 119 and 139 correspond to the sealing joint portion of the optical module 107 and are joined to each other by the solder 170. Except for the sealing joint, the configuration of the optical module 107 is the same as the configuration of the optical module 101.
- the optical module 107 is not provided with a groove corresponding to the sealing groove 114 of the optical module 101, and both the sealing metal patterns 119 and 139 of the Si platform 110E and the sub-substrate 130E are the other. It is formed at a position that is not covered by the substrate.
- the portion where the solder 170 protrudes on the upper surface of the Si platform 110E is compared with the optical module 106 by providing the sealing metal pattern 139 on the obliquely cut surface in the outer peripheral portion of the sub-board 130E. Become smaller.
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Abstract
基板に実装されるレーザ素子を保護しつつ、レーザ素子と光ファイバとの調芯をより高精度に行うことが可能な光ファイバの実装部品を提供する。光ファイバの実装部品は、レーザ素子が実装された実装基板と接合されてレーザ素子を光ファイバに光結合させるためのシリコン製の実装部品であって、実装基板との接合面に対して予め定められた深さに光ファイバのコアが位置するように光ファイバを固定するための溝部と、溝部に連接しレーザ素子を内部に収容するための凹部とを有し、接合面に垂直な方向の厚さが、レーザ素子を凹部に収容するように接合面を実装基板に接触させたときに赤外線の透過像によりレーザ素子の位置を検知可能な厚さに設定されている。
Description
本発明は、光ファイバの実装部品、光モジュールおよび製造方法に関する。
レーザ素子からの光を直接光ファイバに入射させる(すなわち、光結合させる)光モジュールでは、光結合の効率を上げるために、レーザ素子と光ファイバとを調芯する必要がある。この調芯工程には、予め設けられた位置合わせ用のマークを基準としてレーザ素子と光ファイバの相対位置を調整するパッシブアライメントと、レーザ素子を発光させ光ファイバに結合される光出力をモニタしながら相対位置を調整するアクティブアライメントがある。一般に、アクティブアライメントでは、パッシブアライメントと比べて調芯の精度は高くなるが、調芯工程に時間を要するため製造コストが高くなる。
そこで、簡易な構造で従来のアクティブアライメントと同等の高い光結合効率を実現できるようにした光モジュールが提案されている。例えば、特許文献1の光モジュールでは、光ファイバを内部に保持するガイド溝とガイド溝の終端部分につながる凹溝とを設けたガイド基板上に、表面にLD(レーザダイオード)を取り付けたLD実装基板が、LDを凹溝内に収容するように取り付けられる。この光モジュールでは、光ファイバとLDとの垂直方向の位置決めはパッシブアライメントにより行われ、横方向の位置決めはアクティブアライメントにより行われる。
また、LDなどの光素子を用いた光モジュールでは、素子の特性を安定化させ、信頼性を向上させるために、素子を密封して外部からの水分などの浸入を遮断する必要がある。特に、青色などの比較的短波長の光を出射するレーザ素子は、光のエネルギーによる吸着作用があることから、発光点への不純物の堆積を防ぐためにも、素子の密封が必要である。このため、光素子と光ファイバが実装された基板を半田、接着剤などにより密封した光モジュールの気密封止(ハーメチックシール)構造が提案されている。
例えば、特許文献2には、第1の基板中に光導波路が形成され、光導波路に光ファイバが光学的に結合した導波路型光デバイスにおける気密封止構造が記載されている。この光デバイスでは、少なくとも光導波路が形成された光導波路パタンに相対する領域に第1の溝が形成された第2の基板が、第1の基板の光導波路パタンと溝のパタンを一致させるように接合されている。
しかしながら、特許文献1の光モジュールでは、x,y,zの3方向にサブミクロンのオーダでLDと光ファイバとを調芯することは難しい。調芯の精度を上げるためには、パッシブアライメントによりなるべく正確にミクロンオーダの位置決めをした上で、アクティブアライメントにより効率よくサブミクロンオーダの微調整をすることが望ましい。また、レーザ素子を含む光モジュールでは、レーザ素子にカバーを設けて素子の保護や防塵などの対策をとることが、実用上重要である。
そこで、本発明は、基板に実装されるレーザ素子を保護しつつ、レーザ素子と光ファイバとの調芯をより高精度に行うことが可能な光ファイバの実装部品を提供することを目的とする。また、本発明は、本構成を有しない場合と比べてより小型化かつ薄型化し、より低コストで製造可能な光モジュールを提供することを目的とする。
レーザ素子が実装された実装基板と接合されてレーザ素子を光ファイバに光結合させるためのシリコン製の実装部品であって、実装基板との接合面に対して予め定められた深さに光ファイバのコアが位置するように光ファイバを固定するための溝部と、溝部に連接しレーザ素子を内部に収容するための凹部とを有し、接合面に垂直な方向の厚さが、レーザ素子を凹部に収容するように接合面を実装基板に接触させたときに赤外線の透過像によりレーザ素子の位置を検知可能な厚さに設定されていることを特徴とする光ファイバの実装部品が提供される。
上記の実装部品は、絶縁体上シリコンによるストッパ層を内部に含み、溝部では、接合面からストッパ層までのシリコンが除去され、凹部では、接合面からストッパ層を越える深さまでのシリコンが除去されていることが好ましい。
上記の実装部品では、接合面に垂直な方向の厚さが200μm以上1000μm以下であることが好ましい。
上記の実装部品では、接合面は、実装基板上に設けられた金属製のマイクロバンプとの間で表面活性化接合されるための金属膜を有することが好ましい。
また、実装基板と、実装基板上に実装されたレーザ素子と、実装基板との接合面に対して予め定められた深さに光ファイバのコアが位置するように光ファイバを固定するための溝部、および溝部に連接した凹部を有し、レーザ素子を凹部に収容するように実装基板に接合されたシリコン製の実装部品と、実装部品の溝部に固定され、レーザ素子に光結合された光ファイバとを有し、接合面に垂直な方向の実装部品の厚さが赤外線の透過像によりレーザ素子の位置を検知可能な厚さに設定されていることを特徴とする光モジュールが提供される。
上記の光モジュールでは、レーザ素子はジャンクションアップで実装基板上に実装され、実装基板は光ファイバを収容するための溝部が形成されていない平坦な基板であることが好ましい。
上記の光モジュールでは、実装基板にはレーザ素子を駆動するための集積回路が内蔵されていることが好ましい。
上記の光モジュールでは、実装基板および実装部品のそれぞれには、表面活性化接合用の接合部と、レーザ素子を取り囲む密封用金属パターンとが形成され、表面活性化接合により互いに接合された実装基板および実装部品の密封用金属パターン同士の間に形成された隙間を塞ぐことによりレーザ素子を密封する密封部材をさらに有することが好ましい。
上記の光モジュールでは、実装基板および実装部品の密封用金属パターンは、接合面に沿って互いに対向する位置に形成され、実装基板および実装部品の少なくとも一方は、レーザ素子を取り囲む位置に形成された密封用溝部を有し、実装基板および実装部品の少なくとも一方の密封用金属パターンは密封用溝部の底面に形成されていることが好ましい。
上記の光モジュールでは、実装基板の密封用金属パターンの少なくとも一部は、実装部品により覆い隠されない位置に形成され、実装部品の密封用金属パターンの少なくとも一部も、実装基板により覆い隠されない位置に形成されていることが好ましい。
上記の光モジュールでは、光ファイバは、一方の端部が実装基板および実装部品により覆われてレーザ素子に光結合されるとともに、他方の端部が実装基板および実装部品の外側に引き出され、かつ表面の少なくとも一部に形成された密封用金属パターンを有し、密封部材は、光ファイバの密封用金属パターンと接合することにより、光ファイバと実装基板および実装部品との間に形成された隙間を塞ぐことが好ましい。
また、表面活性化接合用の接合部がそれぞれに形成され、レーザ素子を覆って互いに接合されたときにレーザ素子を取り囲む配置となる密封用金属パターンがそれぞれに形成された第1および第2の基板と、第1および第2の基板の一方に実装されたレーザ素子と、第1および第2の基板の他方に固定され、レーザ素子に対して調芯された光ファイバと、表面活性化接合により互いに接合された第1および第2の基板の密封用金属パターン同士の間に形成された隙間を塞ぐことによりレーザ素子を密封する密封部材とを有することを特徴とする光モジュールが提供される。
また、レーザ素子を実装基板上に実装する工程と、実装基板との接合面に対して予め定められた深さに光ファイバのコアが位置するように光ファイバを固定するための溝部、および溝部に連接した凹部を有するシリコン製の実装部品の溝部に光ファイバを固定する工程と、レーザ素子を凹部に収容するように実装部品の接合面を実装基板に接触させる工程と、赤外線の透過像によりレーザ素子の位置を検知しながら、レーザ素子から光ファイバに結合される光出力が最大となるように実装基板と実装部品とを位置決めする工程と、位置決めされた実装部品と実装基板とを接合する工程とを有することを特徴とする光モジュールの製造方法が提供される。
上記の製造方法の位置決めする工程は、赤外線の透過像によりレーザ素子の位置を検知しながら、実装基板上に設けられたアライメントマークを基準に、レーザ素子に対する光ファイバの水平位置を調整し、レーザ素子から光ファイバに結合される光を光検出器で検出しながら、光検出器の出力が最大となるように、レーザ素子に対する光ファイバの水平位置および垂直位置を決定することを含むことが好ましい。
上記の製造方法の接合する工程では、表面活性化接合により実装基板と実装部品とを互いに接合し、実装基板および実装部品のそれぞれに表面活性化接合用の接合部を形成する工程と、実装基板と実装部品とが互いに接合されたときにレーザ素子を取り囲む密封用金属パターンを実装基板および実装部品のそれぞれに形成する工程と、互いに接合された実装基板および実装部品の密封用金属パターン同士の間に形成された隙間を塞ぐことによりレーザ素子を密封する工程とをさらに有することが好ましい。
上記の製造方法は、互いに接合された実装基板または実装部品の外周部に半田を塗布する工程をさらに有し、密封する工程では、半田を溶融させて実装基板および実装部品の密封用金属パターン同士の間に形成された隙間を塞ぐことが好ましい。
上記の製造方法は、接合前の実装基板および実装部品の少なくとも一方について、密封用金属パターンの上に予備半田を形成する工程をさらに有することが好ましい。
上記の製造方法の塗布する工程では、実装基板または実装部品の各辺の外周部に半田を塗布することが好ましい。
また、レーザ素子を覆って互いに接合される第1および第2の基板のそれぞれに表面活性化接合用の接合部を形成する工程と、基板同士が接合されたときにレーザ素子を取り囲む配置となる密封用金属パターンを第1および第2の基板のそれぞれに形成する工程と、第1および第2の基板の一方にレーザ素子を実装する工程と、第1および第2の基板の他方に光ファイバを固定する工程と、第1の基板の上に第2の基板を配置してレーザ素子と光ファイバとを調芯する工程と、表面活性化接合により第1および第2の基板を互いに接合する工程と、接合された第1および第2の基板の密封用金属パターン同士の間に形成された隙間を塞ぐことによりレーザ素子を密封する工程とを有することを特徴とする光モジュールの製造方法が提供される。
上記の光ファイバの実装部品によれば、基板に実装されるレーザ素子を保護しつつ、レーザ素子と光ファイバとの調芯をより高精度に行うことが可能である。また、上記の光モジュールは、本構成を有しない場合と比べてより小型化かつ薄型化し、より低コストで製造可能である。
以下、図面を参照しつつ、光ファイバの実装部品、光モジュールおよび製造方法について説明する。ただし、本発明は図面または以下に記載される実施形態には限定されないことを理解されたい。
この実装部品は、例えば、シリコン(Si)製のファイバサブマウント基板(以下、単に「サブ基板」という)かつ実装基板上のレーザ素子の保護部品(カバー)として機能する。シリコンは近赤外線を透過するため、この実装部品がレーザ素子を覆うように接合面を実装基板に接触させた状態で、内部のレーザ素子の位置を赤外線カメラで観察することができる。したがって、近赤外光の透過像により、カバー越しにレーザ素子と光ファイバとの調芯を行うことができる。この実装部品は、レーザ素子が基板上に実装された状態で、レーザ素子をより高い完成度でパッケージ化できるようにする。
図1は、光モジュール1の概略構成を示す斜視図である。光モジュール1は、主要な構成要素として、Siプラットフォーム10、LD素子20、PD素子25、ドライバIC30、光ファイバ40、サブ基板50などを有する。光モジュール1は、シリコン製の基板であるSiプラットフォーム10の上面にLD素子20、ドライバIC30、光ファイバ40、サブ基板50などが実装された集積化レーザモジュールである。
Siプラットフォーム10は、実装基板の一例であり、例えば十数mm角程度の大きさを有する。また、Siプラットフォーム10には、上面から底面に貫通するシリコン貫通電極(through-silicon via:TSV)が設けられている。このTSVにより、LD素子20、PD素子25などの配線は、Siプラットフォーム10の内部の配線層または裏面に引き回されている。Siプラットフォーム10は、LD素子20、ドライバIC30などに電気信号を供給するための回路基板(図示せず)の上に搭載される。その回路基板から、貫通電極を通してLD素子20、ドライバIC30などの各素子に電気信号が供給される。
LD素子(レーザ素子)20は、赤色、緑色または青色のレーザ光を出射するレーザダイオードである。あるいは、光モジュール1を例えばアイトラッキングやデプスセンシングに応用する場合には、LD素子20としては、例えば780nm~1300nmの近赤外のレーザ光を出射するレーザダイオードが用いられる。LD素子20は、半田実装などでドライバIC30が実装された後に、表面活性化接合でSiプラットフォーム10の上面に実装される。また、LD素子20は、放熱特性を改善しSiプラットフォーム10の表面を基準面として高精度に位置決めするために、活性層がSiプラットフォーム10側に位置するように、ジャンクションダウン(フェイスダウン)で実装される。これにより、Siプラットフォーム10に対する実装面側とそれと対向する面側には、それぞれLD素子20のp電極とn電極が配置される。
PD素子25は、LD素子20の後方光を受光し、その光量をモニタするためのフォトダイオードである。PD素子25は、LD素子20によるレーザ光の出射方向に対してLD素子20の背面側に設けられる。PD素子25はSiプラットフォーム10上に半田で実装される。
ドライバIC30は、LD素子20を駆動する機構であり、少なくとも、LD素子20への電流供給を制御する機構を有する。ドライバIC30は、デジタルインタフェースを実装していることが好ましく、また制御部としてCPUやメモリなどのコア部分を含んでいればなおよい。ドライバIC30は、例えば数mm角程度の大きさを有し、Siプラットフォーム10上に半田で実装される。
光ファイバ40は、LD素子20から出射されたレーザ光を導波する、例えばシングルモードのファイバ(SMF)である。光ファイバ40は、サブ基板50に固定され、サブ基板50を介してSiプラットフォーム10に固定される。LD素子20に面した光ファイバ40の端部には、結合部材としてGI(Graded Index)レンズを一体的に設けてもよい。また、光ファイバ40を設ける代わりに、例えばSiプラットフォーム10上に平板状の光導波路を実装して、その光導波路内でLD素子20からのレーザ光を導波させてもよい。
図2Aおよび図2Bは、サブ基板50の斜視図である。また、図3Aはサブ基板50の上面図であり、図3Bはサブ基板50のIIIB-IIIB線断面図である。図2Aと図3Aでは、Siプラットフォーム10との接合面を上に向けてサブ基板50を示している。
サブ基板50は、LD素子20が実装されたSiプラットフォーム10と接合されてLD素子20を光ファイバ40に光結合させるためのシリコン製の実装部品の一例である。サブ基板50は、光ファイバ40を固定する部品であると同時に、LD素子20およびPD素子25といった光学部品をパッケージするカバーとして機能する。
図2Aに示すように、サブ基板50には、溝部51と、凹部52と、金属膜53が設けられている。溝部51は、Siプラットフォーム10との接合面に対して予め定められた深さに光ファイバ40のコアが位置するように光ファイバ40を固定するための溝であり、Siプラットフォーム10との接合面上に形成されている。凹部52は、LD素子20とPD素子25を内部に収容するための凹みであり、溝部51に連接して形成されている。なお、凹部52の形状は、図示した四角い箱型には限定されない。金属膜53は、Siプラットフォーム10上にサブ基板50を表面活性化接合させるための、例えばAu(金)で構成された膜であり、Siプラットフォーム10との接合面上に形成されている。
図2Bに示すように、サブ基板50は、Siプラットフォーム10に実装されるときには、金属膜53が設けられている接合面を下側に向けて配置される。
なお、図2Bには、LD素子20、PD素子25およびドライバIC30の各電極を互いに接続するための電極パッドの一部も示している。LD素子20のn電極は、ワイヤボンド61を介してLD電極パッド11Aに接続され、p電極はLD電極パッド11Bに接続される。また、PD素子25のn電極は、ワイヤボンド62を介してPD電極パッド12Aに接続され、p電極はPD電極パッド12Bに接続される。これらの電極パッドは、図示しないSiプラットフォーム10の貫通電極およびSiプラットフォーム10の裏面に設けられた電極パッドを介して、接続パッド13に接続される。そして、接続パッド13は、さらにワイヤボンド63およびドライバ電極パッド14を介して、ドライバIC30に接続される。
図2BのSiプラットフォーム10の上面における符号15は、サブ基板50との接合部である。また、Siプラットフォーム10の上面には、サブ基板50が接合されたときにサブ基板50の溝部51と重なる位置に、光ファイバ40を収容するための溝部17(ファイバ逃がし溝)が形成されている。
図3Aおよび図3Bに示すように、溝部51より凹部52の方がSiプラットフォーム10との接合面からの深さは大きく、サブ基板50では2段構造の凹みが形成されている。
溝部51については、サブ基板50がSiプラットフォーム10に接合されたときに、Siプラットフォーム10とサブ基板50との接合面から光ファイバ40のコアの中心までの距離が予め定められた大きさになるように、深さが厳密に制御されている。この深さの制御は、後述するように、サブ基板50に溝部51を形成するときに絶縁体上シリコン(SOI:Silicon on Insulator)をストッパ層として使用することにより実現される。これにより、サブ基板50自体に、光ファイバ40の垂直方向(z方向)の調芯を行うための機構が設けられている。
一方、凹部52については、単にLD素子20とPD素子25を収容するための凹みであるため、その深さは必ずしも厳密に制御する必要はない。
サブ基板50の厚さは、LD素子20を凹部52に収容するようにサブ基板50の接合面をSiプラットフォーム10に接触させたときに、LD素子20を保護できる程度の大きさであり、かつ赤外線の透過像によりLD素子20の位置を検知可能なように大き過ぎないことが必要である。一般に、光ファイバ40の太さが125μm程度あるため、サブ基板50をそれより薄くすることは難しい。したがって、サブ基板50の厚さは、最低でも200μm以上は必要であり、実装時に加えられる荷重に対する強度も考慮すると、300μm以上であることが好ましい。
また、シリコンは赤外線の透過性が高いため、サブ基板50が1mm程度の厚さであっても、透過像により内部を観察することは可能である。しかしながら、1mm以上とすると、サブ基板50の製造時にインゴットから得られるウェハの枚数が少なくなり、製造コストが高くなる。また、一般的なシリコンを検出器に用いたCMOSやCCDセンサからなる赤外線カメラでは、850nmより長い波長域では感度が急激に低下する。850nm以下の照明光を用いて透過像を観察することができるサブ基板50の厚さは、850μm程度までである。それ以上の厚さでは、より長波長側に感度のあるInGaAsセンサなどを用いた高価な赤外線カメラを長波長の近赤外照明と組み合わせて使用する必要がある。したがって、サブ基板50の厚さは、200~1000μm程度であればよいが、強度や製造コストなどを考えると、300~800μm程度であることが好ましい。
図4Aは、光モジュール1の一部を示す縦断面図である。
図4Aに示すように、Siプラットフォーム10の表面には、サブ基板50との接合部15、およびLD素子20との接合部16が形成されている。また、LD素子20の下面には、サブ基板50の下面の金属膜53と同様に、例えばAu(金)で構成された金属膜21が形成されている。
図4Aに示すように、Siプラットフォーム10の表面には、サブ基板50との接合部15、およびLD素子20との接合部16が形成されている。また、LD素子20の下面には、サブ基板50の下面の金属膜53と同様に、例えばAu(金)で構成された金属膜21が形成されている。
図4Bは、接合部15の部分拡大図である。接合部15,16には、例えば金(Au)などの金属材料で構成された、数μm程度の大きさの小突起であるマイクロバンプ(以下、単に「バンプ」という)が所定のピッチで設けられている。図4Aと図4Bでは、これらのバンプ(バンプ15A)を誇張して大きく示している。
接合部15,16のバンプと金属膜53,21の表面は、接合前にArプラズマによって洗浄されることにより活性化させられる。そして接合時に、サブ基板50とLD素子20は、それぞれSiプラットフォーム10の接合部15,16の上に載せられ、常温で荷重が加えられる。すると、接合部15,16のバンプの上面と金属膜53,21がそれぞれ接触し、各バンプが潰れることにより、バンプの金属原子と金属膜53,21の金属原子が相互に相手方に拡散する。こうして、原子間の凝着力を利用することで、サブ基板50とLD素子20は、それぞれSiプラットフォーム10の接合部15,16の上に表面活性化接合される。
表面活性化接合は特別な加熱を要しないことから、熱膨張係数差の残留応力による各素子の位置ずれが発生しにくく、サブ基板50などの接合物を高精度に位置決めして実装することができる。光モジュール1では、上記のようにサブ基板50の溝部51の形成時にその深さを制御し、さらにサブ基板50の接合時に加えられる荷重の大きさを制御することで、光ファイバ40の垂直方向の位置をより厳密に調芯することが可能になる。
なお、以下では、説明のため、Siプラットフォーム10とサブ基板50との接合面に対する水平方向をx,y方向とし、両基板の接合面に対する垂直方向をz方向とする。特に、Siプラットフォーム10に固定されている光ファイバ40が延びる方向をy方向とする。
図5は、サブ基板50’の斜視図である。光モジュール1ではPD素子25はSiプラットフォーム10上に実装されているが、図5に示すように、PD素子25をサブ基板50’の凹部52の表面上に実装してもよい。この場合には、表面活性化接合用の金属膜53は、PD素子25の導通パターンとしても使用される。
図6A~図7Dは、サブ基板50の製造工程の例を説明するための図である。これらの各図では、図3Aおよび図3Bと同様に、製造工程の各段階におけるサブ基板50の上面図と縦断面図を示している。
図6Aに示すように、まず、絶縁体上シリコン(SOI:silicon-on-insulator)によるSOIストッパ層54を内部に含むシリコン基板70が用意され、その表面上に金属膜53のパターニングが行われる。そして、シリコン基板70が酸化性雰囲気中で加熱され、図6Bに示すように、シリコン基板70の上面にSiO2(二酸化ケイ素)膜71が形成される。また、図6Cに示すように、シリコン基板70の上面のうち、溝部51となる部分以外にレジスト72が形成される。次に、ウエットエッチングまたはドライエッチングにより、図6Dに示すように、レジスト72が形成されていない溝部51のSiO2膜71が除去される。
続いて、図7Aに示すように、シリコン基板70の上面のうち、凹部52となる部分以外にレジスト73が形成される。次に、ウエットエッチングまたはドライエッチングにより凹部52のSiO2膜71が除去され、さらにD-RIE加工により、図7Bに示すように、SOIストッパ層54を越えて凹部52のシリコンが削り取られる。レジスト73が除去されると、凹部52と溝部51以外の部分では、SiO2膜71が露出する。さらに、D-RIE加工により、図7Cに示すように、溝部51がSOIストッパ層54まで削り取られる。なお、このとき、マスクされていない凹部52もD-RIE加工により削られる。最後に、ウエットエッチングまたはドライエッチングにより、図7Dに示すように、溝部51のSOIストッパ層54および他の部分のSiO2膜71が除去される。
以上の工程により、サブ基板50が得られる。完成したサブ基板50の溝部51では、Siプラットフォーム10との接合面からSOIストッパ層54までのシリコンが除去されている。また、凹部52では、その接合面からSOIストッパ層54を越える深さまでのシリコンが除去されている。
図8は、光モジュール1の製造工程の例を示すフローチャートである。
まず、Siプラットフォーム10上に、ドライバIC30とPD素子25が半田で実装される(S1)。その後で、パッシブアライメントにより、LD素子20がフェイスダウンでSiプラットフォーム10の上面に表面活性化接合される(S2)。その際、例えば、Siプラットフォーム10とLD素子20に設けられた図示しないアライメントマークの位置を合わせることにより、Siプラットフォーム10に対するLD素子20の位置が決定される。このように、先に半田接合し、その後で表面活性化接合することにより、LD素子20に熱影響を及ぼさないようにLD素子20が実装される。
次に、例えば端部に結合効率を上げるGIレンズが取り付けられたシングルモードファイバ(SMF)が、光ファイバ40としてサブ基板50の溝部51に固定される(S3)。そして、Siプラットフォーム10上のLD素子20が凹部52に収容されるように接合面をSiプラットフォーム10に接触させて、サブ基板50がSiプラットフォーム10上に配置される(S4)。
次に、図9に示す調芯装置200を用いて、LD素子20と光ファイバ40とのパッシブアライメントが行われる(S5)。
図9は、調芯装置200の概略構成図である。調芯装置200は、制御部201と、赤外線カメラ202と、移動機構203とを有する。制御部201は、例えばCPU、メモリなどを含むPCで構成される。赤外線カメラ202は、LD素子20を凹部52に収容したサブ基板50を撮像し、得られた赤外線画像のデータを制御部201に出力する。移動機構203は、制御部201による制御の下で、Siプラットフォーム10上に配置されたサブ基板50を、水平面内および垂直方向に移動させる。
パッシブアライメントの際には、制御部201は、LD素子20を発光させずに、赤外線カメラ202によりサブ基板50の赤外線画像を取得する。そして、制御部201は、赤外線の透過像からLD素子20の位置、およびSiプラットフォーム10とサブ基板50に予め設けられたアライメントマークの位置などを検知し、必要なサブ基板50の移動量を決定する。制御部201は、決定された移動量に応じて移動機構203を制御することで、Siプラットフォーム10とサブ基板50に予め設けられたアライメントマークの位置を合わせる。
図10Aは、Siプラットフォーム10のアライメントマークの例を示す図である。図10Bは、サブ基板50のアライメントマークの例を示す図である。また、図10Cは、図10AのSiプラットフォーム10の上に図10Bのサブ基板50を載せた状態を示す図である。図10Aおよび図10Bは、それぞれ、Siプラットフォーム10とサブ基板50の上面図である。図10Bでは、Siプラットフォーム10との接合面の反対側から(上から)見たサブ基板50を示している。
アライメントマークは、例えば、Siプラットフォーム10とサブ基板50の対角に、それぞれ2つずつ設けられる。図10Aおよび図10Bに示すように、Siプラットフォーム10の上面に2つのSiプラットフォーム側マーク81が設けられ、サブ基板50の下面に2つのサブ基板側マーク82が設けられる。サブ基板側マーク82は、Siプラットフォーム10との接合面上に設けられる。なお、アライメントマークの形状は、図示した丸形状に限らず、例えば四角形状でもよい。パッシブアライメントの際には、赤外線カメラ202による赤外透過画像に基づいて、図10Cに示すように2つのSiプラットフォーム側マーク81とサブ基板側マーク82がそれぞれ重なるように、調芯装置200よりSiプラットフォーム10とサブ基板50の相対位置が決定される。
図11Aは、LD素子20のアライメントマークの例を示す図である。図11Bは、サブ基板50のアライメントマークの例を示す図である。また、図11Cは、図11AのSiプラットフォーム10の上に図11Bのサブ基板50を載せた状態を示す図である。これらの図は、図10A~図10Cにそれぞれ対応する上面図である。図11Aおよび図11Bに示すように、パッシブアライメントに用いられるアライメントマークは、Siプラットフォーム10とサブ基板50ではなく、LD素子20とサブ基板50に設けてもよい。
この場合も、アライメントマークは、例えば、LD素子20とサブ基板50の対角に、それぞれ2つずつ設けられる。図11Aおよび図11Bに示すように、LD素子20の上面に2つのLD側マーク83が設けられ、サブ基板50の凹部52の底面に2つのサブ基板側マーク84が設けられる。パッシブアライメントの際には、赤外線カメラ202による赤外透過画像に基づいて、図11Cに示すように2つのLD側マーク83とサブ基板側マーク84がそれぞれ重なるように、調芯装置200よりSiプラットフォーム10とサブ基板50の相対位置が決定される。
以上のようなパッシブアライメントにより、接合面上の水平方向(x,y方向)におけるSiプラットフォーム10とサブ基板50の大まかな相対位置は、ミクロンオーダで粗調整される。このとき、サブ基板50の溝部51に固定された光ファイバ40とSiプラットフォーム10上のLD素子20との相対位置は、数μmの精度で調整される。
次に、図12に示す調芯実装装置300を用いて、水平方向(x,y方向)について、LD素子20と光ファイバ40とのアクティブアライメントが行われる(S6)。
図12は、調芯実装装置300の概略構成図である。調芯実装装置300は、制御部301と、光検出器302と、調芯実装器303とを有する。制御部301は、例えばCPU、メモリなどを含むPCで構成される。光検出器302は、光ファイバ40に結合されるレーザ光の強度を検出し、検出された強度に応じた電圧を制御部301に出力する。調芯実装器303は、制御部301による制御の下で、実装部品に荷重を加えることにより、その実装部品をSiプラットフォーム10上に接合する。
アクティブアライメントの際には、まず、ドライバIC30がLD素子20を駆動して、レーザ光を出射させる。同時に、制御部301は、光検出器302を用いて、LD素子20から光ファイバ40に結合されるレーザ光の強度に応じた出力電圧をモニタする。そして、制御部301は、図示しない移動機構を用いてサブ基板50の位置を水平方向にサブミクロンオーダで微調整しながら、光検出器302の出力電圧が最大となるときのサブ基板50の位置を決定する。
次に、調芯実装装置300を用いて、垂直方向(z方向)について、LD素子20と光ファイバ40とのアクティブアライメントが行われる(S7)。その際、制御部301は、LD素子20から光ファイバ40に結合されるレーザ光の強度を光検出器302で検出し、その出力電圧をモニタしながら調芯実装器303を制御して、サブ基板50に印加する荷重を制御する。接合部15に設けられたバンプは、荷重がかかると変形して(潰れて)縮むが、荷重が開放されると弾性反発によって弾性戻り量分だけ変形が元に戻るという特性を有する。そこで、垂直方向のアクティブアライメントでは、制御部301は、サブ基板50に印加する荷重を増加させていき、光検出器302からの出力電圧が最大値となった後、さらに一定量だけ増加させてから荷重を開放するように、調芯実装器303を制御する。調芯実装器303が印加する荷重により、サブ基板50は、Siプラットフォーム10上に表面活性化接合されて固定される。
これにより、光ファイバ40の端部位置は、荷重が印加されているときはLD素子20の発光中心よりも一定量だけ垂直方向にさらに深く押し込まれた位置となり、荷重が開放されるとLD素子20の発光中心と最も効率よく光結合する位置に戻る。なお、上述した荷重の増加量は、調芯実装器303、荷重が印加されるサブ基板50の形状、接合部15のバンプの材質および形状などに依存し、実験的に算出される。
そして最後に、Siプラットフォーム10の全体が、樹脂またはガラスなどにより封止される(S8)。以上の工程により、光モジュール1が得られる。
以上説明したように、光モジュール1では、光ファイバ40を固定するための溝部51、およびLD素子20を内部に収容するための凹部52を有するシリコン製のサブ基板50を用いて、LD素子20が保護されるとともに光ファイバ40が固定される。サブ基板50の厚さは凹部52に収容されたLD素子20の位置を近赤外光の透過像により検知可能な厚さであるため、光モジュール1では、サブ基板50のカバー越しにLD素子20と光ファイバ40との調芯を行うことができる。したがって、光モジュール1では、基板に実装されるLD素子20を保護しつつ、LD素子20と光ファイバ40との調芯をより高精度に行うことが可能になる。
なお、サブ基板50をLD素子20の放熱に使用してもよく、サブ基板50に穴を形成してその上にPD素子25を接合してもよい。また、Siプラットフォーム10上にPD素子25を集積化し、サブ基板50の空間内に光を閉じ込めて光モニタする構造も応用として考えられる。
図13は、光モジュール2の概略構成を示す斜視図である。光モジュール2は、主要な構成要素として、Siプラットフォーム10’(実装基板の一例)、LD素子20R,20G,20B、PD素子25R,25G,25B、ドライバIC30、光ファイバ40R,40G,40B、サブ基板50R,50G,50Bなどを有する。光モジュール1は単色のレーザ光を出射するレーザ光源であるのに対し、光モジュール2は、赤色(R)、緑色(G)および青色(B)のレーザ光を出射するレーザ光源である。
LD素子20R,20G,20Bは、それぞれ、赤色、緑色および青色のレーザ光を出射するレーザダイオードである。PD素子25R,25G,25Bは、対応するLD素子20R,20G,20Bの後方光を受光し、その光量をモニタするためのフォトダイオードである。光ファイバ40R,40G,40Bは、対応するLD素子20R,20G,20Bから出射されたレーザ光を導波する、例えばシングルモードのファイバ(SMF)である。
また、サブ基板50R,50G,50Bのそれぞれは、図2A~図3Bを用いて説明したものと同様のファイバサブマウント基板であり、実装部品の一例である。サブ基板50R,50G,50Bは、それぞれ、対応する光ファイバ40R,40G,40Bを固定し、LD素子20RおよびPD素子25R、LD素子20GおよびPD素子25G、LD素子20BおよびPD素子25Bを凹部に収容するように、Siプラットフォーム10’上に配置される。
上記以外の点では、光モジュール2の構成は、光モジュール1の構成と同様である。このように、RGB各色に対応する複数のLD素子を1つの実装基板上に設けて、それらの各素子からのレーザ光をそれぞれ導波する複数の光ファイバを光モジュール1と同様の複数のサブ基板により固定し、同時に各LD素子を保護してもよい。
なお、光モジュール2ではSiプラットフォーム上に1組のRGBに対応するLD素子、PD素子および光ファイバが設けられているが、1つのSiプラットフォーム上に複数組のRGBに対応するLD素子、PD素子および光ファイバを設けてもよい。この場合も、光モジュール2と同様に、LD素子、PD素子および光ファイバの各組を、光モジュール1と同様のサブ基板により固定または保護すればよい。
図14は、光モジュール3の概略構成を示す斜視図である。光モジュール3は、主要な構成要素として、Siプラットフォーム10A(実装基板の一例)、LDアレイ20A、PD素子25、ドライバIC30、光ファイバアレイ40A、サブ基板50Aなどを有する。光モジュール1は1個のLD素子からのレーザ光を1本の光ファイバに光結合しているが、光モジュール3は、LDアレイからのレーザ光を複数本の光ファイバに光結合する。
サブ基板50Aは、図2A~図3Bを用いて説明したものと同様のファイバサブマウント基板であり、実装部品の一例である。ただし、サブ基板50Aは、光モジュール1のサブ基板50とは異なり、光ファイバアレイ40Aに含まれる光ファイバの本数に対応する複数の溝部を有する。サブ基板50Aは、光ファイバアレイ40Aの各光ファイバを固定し、LDアレイ20AおよびPD素子25を凹部に収容するように、Siプラットフォーム10A上に配置される。
上記以外の点では、光モジュール3の構成は、光モジュール1の構成と同様である。このように、複数のLD素子(LDアレイ)を1つの実装基板上に設けて、それらの各LD素子からのレーザ光をそれぞれ導波する複数の光ファイバを1つのサブ基板により固定し、同時に各LD素子を保護してもよい。
図15Aは光モジュール4の概略構成を示す斜視図であり、図15Bは光モジュール4の分解斜視図である。また、図16Aおよび図16Bは、光モジュール4,1を比較するための断面図である。図16Aは、図15Aに示すXVIA-XVIA線に沿った光モジュール4の断面を示し、図16Bは、図16Aに対応する光モジュール1の断面を示す。
光モジュール4は、主要な構成要素として、Siプラットフォーム10D、LD素子20’、ドライバIC30’、光ファイバ40、サブ基板50Dなどを有する。光モジュール4は、LD素子20’がジャンクションアップ実装され、ドライバIC30’がSiプラットフォーム10Dに内蔵されている点が光モジュール1~3と異なる。
Siプラットフォーム10Dは、実装基板の一例であり、光モジュール1のSiプラットフォーム10と同様に、LD素子20’およびサブ基板50Dを表面活性化接合するための接合部15’,16’、LD素子20’とドライバIC30’とを接続するための図示しない電極構造などを有する。ただし、Siプラットフォーム10Dは平坦な基板であり、図15Aおよび図15Bに符号18で示すように、光モジュール1のSiプラットフォーム10における溝部17(ファイバ逃がし溝)に対応するものは形成されていない。
LD素子20’は、光モジュール1のLD素子20と同様のレーザダイオードである。ただし、図16Aおよび図16Bに示すように、光モジュール1ではLD素子20が活性層22をSiプラットフォーム10側に向けてジャンクションダウンで実装されていたのに対し、光モジュール4では、LD素子20’は、活性層22をSiプラットフォーム10Dとは反対側に向けてジャンクションアップで実装されている。図16Aおよび図16Bにおける矢印Lは、LD素子20,20’から出射されるレーザ光を示す。
ドライバIC30’は、LD素子20’を駆動するための、光モジュール1のドライバIC30と同様の集積回路である。光モジュール4では、図16Aに示すように、ドライバIC30’はSiプラットフォーム10Dに内蔵されている。
サブ基板50Dは、実装部品の一例であり、図15Bに示すように、光モジュール1のサブ基板50のものと同様の溝部51’、凹部52’および金属膜53’を有する。サブ基板50Dの厚さは、LD素子20’を凹部52’に収容した状態で赤外線の透過像によりLD素子20’の位置を検知可能な厚さに設定されている。溝部51’は、光ファイバ40を固定するための溝であり、LD素子20’がジャンクションダウン実装されることに対応して、光ファイバ40がサブ基板50D内に完全に埋め込まれるように、サブ基板50の溝部51より深く形成されている。凹部52’は、LD素子20’を内部に収容するための凹みである。金属膜53’は、Siプラットフォーム10Dとの表面活性化接合用の接合部であり、溝部51’と凹部52’の周囲において、Siプラットフォーム10Dの接合部15’に対応する位置に、略コの字型に形成されている。このように、表面活性化接合用の接合部は、サブ基板の全面に形成されていなくてもよい。
通常、LD素子は、放熱性をよくするため、発光点となる活性層を実装面側(下側)とするジャンクションダウンにて実装される。ジャンクションダウン実装には、基準面となる実装基板の実装面にLD素子の発光点が近いので、その基準面に対するアライメントを行い易いという利点もある。しかしながら、ジャンクションダウン実装されたLD素子の活性層は実装面とほぼ同じ高さになるため、そのLD素子に対して光ファイバを調芯するためには、光ファイバが実装面に接触しないように、実装基板に光ファイバの逃がし溝を設ける必要がある。例えば、光モジュール1では、図16Bに示すように、サブ基板50に光ファイバ40の固定用の溝部51が設けられるだけでなく、Siプラットフォーム10にも光ファイバ40の逃がし溝となる溝部17が設けられる。したがって、LD素子の実装基板とそれに対して接合される実装部品の両方に、機械加工により溝部を設ける必要があり、その分、製造工程が増えるとともに、2つの溝部があることによりLD素子の密閉性が低下することになる。
一方、例えば網膜走査型スキャンなどに光モジュールを使用する場合には、LD光源は数百nW~数mW程度のローパワーのものでよいため、放熱性を考慮したジャンクションダウン実装は不要である。このため、発光点を実装面に対する反対側に向けたジャンクションアップ実装でLD素子を実装基板に接合することが可能になる。そこで、光モジュール4では、Siプラットフォーム10Dに対して、LD素子20’がジャンクションアップ実装される。
例えば、LD素子20’の厚さは100μm程度であるのに対し、光ファイバ40の直径は80~125μm程度、半径は40~62.5μm程度である。このため、光モジュール4では、図16Aに示すように、活性層22の位置は、LD素子20’の厚み分だけSiプラットフォーム10Dの上面より高くなり、これに対応して、光ファイバ40の位置も、サブ基板50Dの内部に埋め込まれる高さとなる。したがって、光モジュール4では、LD素子20’の発光点の高さに合わせて配置された光ファイバ40の下端がSiプラットフォーム10Dの上面に接触しないため、Siプラットフォーム10Dに光ファイバ40の逃がし溝を形成する必要がない。
これにより、光モジュール4では、Siプラットフォーム10Dを溝のない平坦な基板とすることが可能であり、Siプラットフォーム10Dを機械加工する分の製造工程が簡略化される。また、光モジュール4では、Siプラットフォーム10DはドライバIC30’(集積回路)を内蔵し、サブ基板50Dは光ファイバ40の高さ調節を可能にするというように、2枚の基板で機能が分離される。光モジュール1では、Siプラットフォーム10にも溝部17があることから集積回路を内蔵させるための有効エリアが狭くなるが、光モジュール4では、平坦なSiプラットフォーム10D内に集積回路や配線を高密度で形成することが可能である。また、光モジュール4には、Siプラットフォーム10Dに溝部がない分、LD素子20’の密閉性も向上するという利点もある。
LD素子は製造時に活性層の反対側が機械研磨されるため、全体の厚みには誤差があり、ジャンクションアップ実装の場合にはその誤差が大きく影響し得る。そこで、光モジュール4の製造時には、使用されるLD素子20’の厚みが測定され、LD素子20’の発光点に光ファイバ40の位置を合わせられる深さの溝部51’を有するサブ基板50Dが製造され、そのサブ基板が使用される。これにより、LD素子の厚みの誤差の影響を排除してジャンクションアップ実装することが可能になる。
図17は、光モジュール5の概略構成を示す断面図である。光モジュール5は、主要な構成要素として、Siプラットフォーム10E、LD素子20’、ドライバIC30’、光ファイバ40、サブ基板50Eなどを有する。光モジュール5は、平坦なサブ基板50EにLD素子20’が実装され、ドライバIC30’がサブ基板50Eに内蔵されている点が光モジュール1~4と異なる。
Siプラットフォーム10Eは、実装部品の一例であり、LD素子20’を収容する凹部19Aと、光ファイバ40を収容する溝部19Bとを有する。溝部19Bは、光ファイバ40がSiプラットフォーム10E内に完全に埋め込まれる深さに形成されている。Siプラットフォーム10Eの厚さは、LD素子20’を凹部19Aに収容した状態で赤外線の透過像によりLD素子20’の位置を検知可能な厚さに設定されている。
LD素子20’は、光モジュール4のものと同じレーザダイオードであり、活性層22をサブ基板50Eとは反対側に向けて、サブ基板50Eに対しジャンクションアップで実装されている。図17における矢印Lは、LD素子20’から出射されるレーザ光を示す。
サブ基板50Eは、実装基板の一例であり、今まで説明してきたサブ基板とは異なり凹部などが設けられていない平坦な基板である。光モジュール5では、図17に示すように、LD素子20’を駆動する集積回路であるドライバIC30’は、サブ基板50Eに内蔵されている。なお、Siプラットフォーム10Eとサブ基板50Eは、表面活性化接合用の図示しない接合部(バンプ)と金属膜を有する。
光モジュール5では、LD素子20’を収容するための凹部19AをSiプラットフォーム10Eに設けてサブ基板50Eをフラット型にすることにより、サブ基板50Eに集積回路や配線を高密度で形成することが可能になる。このため、光モジュール5では、ドライバIC30’をサブ基板50Eに内蔵することが容易になり、サブ基板単体でLD素子20’の合否判定を行うことが可能になる。例えば、ウェハ状の段階で集積回路を形成して多数のLD素子を実装することにより、それらの素子のエージング(通電試験)を一括で実施し、素子の良品と不良品を選別することが可能である。このため、そのウェハを分断してサブ基板50Eとして使用すれば、初めから良品のみが選別された状態で光モジュールを製造することができ、大幅に工数を削減することが可能になる。また、凹部や溝部が形成されるのはSiプラットフォーム10Eだけであるため、一方の基板のみを機械加工すればよく、この点でも、製造工程が簡略化される。
なお、上記では、LD素子20のp電極とn電極はSiプラットフォーム10に対する実装面側とその反対側にそれぞれ配置されると説明したが、LD素子20,20’として、p電極とn電極が両方とも実装面側に設けられたものを使用してもよい。この場合、LD素子20,20’の接続にワイヤボンド(図2Bのワイヤボンド61)が必要なくなるため、その分、LD素子20,20’を収容する凹部の深さを小さくすることができる。したがって、サブ基板と、さらには光モジュール全体をさらに薄くすることが可能になる。
以下では、実装されたレーザ素子を気密封止するための構造を有する光モジュールについて説明する。
例えばステム基板を用いたCANタイプパッケージの形態のLDモジュールは、シーム溶接のような金属溶接により気密封止を行うことができる。しかしながら、レーザ素子や、光ファイバ、ドライバICなどが基板上に一体的に実装されたフラット型の集積化モジュールでは、CANタイプパッケージのような気密封止構造を採用することは困難である。さらに、光ファイバに光結合されるレーザ素子が2つの基板の間に実装される光モジュールでは、光ファイバとレーザ素子との調芯と、基板同士の接合とを同時に行う必要があり、調芯時に加熱を要するような接合を行うことは困難である。
そこで、以下では、レーザ素子と光ファイバとが調芯された状態でレーザ素子の実装基板とそのレーザ素子の保護用の基板とを接合した上でレーザ素子を気密封止することが可能な光モジュールおよびその製造方法について説明する。
図18Aは光モジュール101の概略構成を示す斜視図であり、図18Bは光モジュール101の分解斜視図である。光モジュール101は、Siプラットフォーム110、サブ基板130、LD素子150、光ファイバ160などを有する。光モジュール101は、Siプラットフォーム110とサブ基板130の間にLD素子150と光ファイバ160が一体的に実装されたフラット型の集積化モジュールである。図18Bに示すように、LD素子150は、サブ基板130の上に実装され、サブ基板130がSiプラットフォーム110に被せられることにより保護される。後述するように、Siプラットフォーム110とサブ基板130は、LD素子150と光ファイバ160とが調芯された状態で両方の基板を互いに接合するための調芯用接合部と、サブ基板130の内周に沿って調芯用接合部の外側に設けられた密封用接合部とを有する。光モジュール101では、この密封用接合部によりLD素子150が気密封止される。
なお、光モジュール101は、LD素子150を駆動するためのドライバIC(後述する図30Aに示すドライバIC180)をさらに有する。このドライバICは、サブ基板130に内蔵されているが、例えばSiプラットフォーム110またはサブ基板130の上に実装されていてもよい。
図19Aおよび図19Bは、Siプラットフォーム110の斜視図である。Siプラットフォーム110は、実装部品および第1の基板の一例であり、例えば3mm×5mmの大きさの上面と0.3~0.5mm程度の厚さを有するシリコン製の基板である。図示しないが、Siプラットフォーム110は、LD素子150に電気信号を供給するための回路基板の上に搭載される。光モジュール101の調芯用接合部および密封用接合部は電気的接続の機能も有し、例えば調芯用接合部を電源ライン、密封用接合部をGNDラインとして、回路基板からSiプラットフォーム110を介してサブ基板130上のLD素子150に電気信号が供給される。
図19Aに示すように、Siプラットフォーム110の上面には、凹部111、溝部112、接合部113、密封用溝部114および密封用金属パターン115が設けられている。
凹部111は、Siプラットフォーム110とサブ基板130とが互いに接合されたときにLD素子150を内部に収容するための凹みであり、例えば0.5mm×0.5mmの大きさの底面と0.2mmの深さを有する。図19Aなどでは凹部111を四角い形状として示しているが、凹部111はLD素子150を内部に収納できるものであればよいため、例えば円柱状などでもよく、その形状は特に限定されない。なお、Siプラットフォーム110の厚さは、LD素子150を凹部111に収容した状態で赤外線の透過像によりLD素子150の位置を検知可能な厚さに設定されている。
溝部112は、サブ基板130との接合面に対して予め定められた深さに光ファイバ160のコアが位置するように光ファイバ160を固定するための溝であり、凹部111に連接して形成されている。光ファイバ160の直径は例えば0.125mmであり、溝部112は、例えば数μm程度の公差の分だけ余裕をもって光ファイバ160を丁度収容できる大きさの幅と深さを有する。
接合部113は、LD素子150と光ファイバ160とが調芯された状態でSiプラットフォーム110とサブ基板130とを互いに表面活性化接合するための調芯用接合部に相当する。接合部113は、Siプラットフォーム110の上面において、溝部112が設けられている箇所を除いて凹部111を取り囲むように、略コの字型に形成されている。接合部113には、例えば金(Au)などの金属材料で構成された、数μm程度の大きさの小突起である多数のマイクロバンプ(バンプ)が設けられている。なお、接合部113の面積と形状は、図19Aなどに示すものとは異なっていてもよい。
密封用溝部114は、予めD-RIE加工にて形成されたロの字型の溝部であり、サブ基板130により覆われる領域の内周に沿って、接合部113の外側に設けられている。密封用溝部114は、Siプラットフォーム110とサブ基板130とが互いに接合されたときにLD素子150を取り囲む位置に形成されている。密封用溝部114の深さは、溝部112よりも浅く、例えば50~100μm程度である。
密封用金属パターン115は、例えば下地として銅メッキまたはニッケルメッキを施した後に金メッキを施すことによって形成されたメッキ配線であり、サブ基板130との接合面に沿って、密封用溝部114の底面に形成されている。密封用金属パターン115は、接合部113(調芯用接合部)の外側に設けられた密封用接合部に相当する。密封用金属パターン115は、LD素子150と光ファイバ160とが調芯されてSiプラットフォーム110とサブ基板130とが表面活性化接合されるときにサブ基板130に接触しないように、サブ基板130との接合面よりも一段低い位置に設けられている。
光ファイバ160は、LD素子150から出射されたレーザ光を導波するシングルモードファイバ(SMF)である。光ファイバ160は、一方の端部がSiプラットフォーム110とサブ基板130により覆われてLD素子150に光結合されるとともに、他方の端部が両基板の外側に引き出されている。光ファイバ160は、サブ基板130がSiプラットフォーム110に被せられる前に溝部112内に取り付けられ、半田で固定される。LD素子150に面した光ファイバ160の端部には、結合部材としてGI(Graded Index)レンズを一体的に設けてもよい。
図19Bは、光ファイバ160がSiプラットフォーム110に固定された状態を示す。光ファイバ160のうち、溝部112内に取り付けられたときに密封用溝部114と重なる部分には、例えば、ITO蒸着膜や無電解ニッケルメッキなどの下地処理が施され、その上に、密封用金属パターン115と同じ金メッキによるファイバメタル161が設けられている。ファイバメタル161は、光ファイバの密封用金属パターンの一例であり、Siプラットフォーム110の密封用金属パターン115とともに密封用接合部を構成する。ファイバメタル161は、Siプラットフォーム110に対して光ファイバ160を高精度に固定するために、例えば図19Aに示すように光ファイバ160の上半分のみに形成される。
光ファイバ160は、例えばファイバメタル161の部分において、溝部112内に半田で固定される。その際、気密封止を確実にするために、溝部112により途切れている密封用金属パターン115と光ファイバ160との間の隙間、ならびに溝部112の側面および底面と光ファイバ160との間の隙間が、半田により埋められる。この半田は、レーザ素子を密封する密封部材として機能する。Siプラットフォーム110には、密封用金属パターン115とファイバメタル161により、密封用接合部として機能する封止用パターンがロの字型に形成される。
図20Aおよび図20Bは、光ファイバ160の別の固定方法の例を示す図である。これらの図では、光ファイバ160とSiプラットフォーム110の溝部112の底面112Aのみを示している。符号162は、LD素子150に対向する光ファイバ160の先端部分である。
図20Aに符号161’で示すように、ファイバメタルは、光ファイバ160の上半分に限らず、光ファイバ160の全周に形成してもよい。この場合には、ファイバメタル161’の厚さによって溝部112内における光ファイバ160の高さ方向の位置が変わらないように、溝部112の底面112Aには、ファイバメタル161’に対応する位置に1段低い部分112Bが設けられる。光ファイバ160は、ファイバメタル161’の位置が符号112Bの部分に合うように溝部112内に配置され、図19Aの場合と同様に半田で固定される。
あるいは、光ファイバ160は、表面活性化接合により溝部112に固定してもよい。この場合には、図20Bに示すように、溝部112の底面112Aにおける1段低い部分に金パターン112Cが形成され、金パターン112Cとファイバメタル161’(金メッキ)とを接触させることにより、両者が表面活性化接合される。なお、この場合でも、気密封止を確実にするために、図19Aの場合と同様に、固定されたファイバメタル161’の周囲にできる隙間は半田により埋められる。
図21Aおよび図21Bは、サブ基板130の斜視図である。サブ基板130は、実装基板および第2の基板の一例であり、例えば2.5mm×2.5mmの大きさの上面と0.1~0.3mm程度の厚さを有する平坦なシリコン製の基板である。サブ基板130の上にはLD素子150が実装され、さらにサブ基板130自体がSiプラットフォーム110上に実装されることにより、LD素子150と光ファイバ160とは光結合する。なお、Siプラットフォーム110に実装されるときには、サブ基板130は裏返されて、図21Aおよび図21Bに示す上面がSiプラットフォーム110との接合面になる。さらに、サブ基板130は、Siプラットフォーム110との間でLD素子150をパッケージするカバーとして機能する。サブ基板130の厚さは、実装されたLD素子150を凹部111に収容するように裏返してSiプラットフォーム110上に配置されたときにLD素子150を保護できる程度の大きさであり、かつ調芯時に赤外線の透過像によりLD素子150の位置を検知可能なように大き過ぎないことが必要である。
図21Aおよび図21Bに示すように、サブ基板130の上面には、実装部131、金属膜133、密封用金属パターン135および予備半田136が設けられている。また、サブ基板130には、LD素子150を駆動するための集積回路(後述する図30Aに示すドライバIC180)が内蔵されている。
実装部131は、サブ基板130の中央に設けられた、LD素子150を実装するための領域である。実装部131には、Siプラットフォーム110の接合部113と同様に、LD素子150を表面活性化接合するための多数のマイクロバンプが設けられている。
LD素子(レーザ素子)150は、例えば0.3mm×0.3mm×0.1mmの大きさを有し、赤色、緑色または青色のレーザ光を出射するレーザダイオードである。あるいは、光モジュール101を例えばアイトラッキングやデプスセンシングに応用する場合には、LD素子150としては、例えば780nm~1300nmの近赤外のレーザ光を出射するレーザダイオードが用いられる。LD素子150は、表面活性化接合によりサブ基板130の実装部131に実装される。また、LD素子150は、その活性層が実装面とは反対側に位置するようにジャンクションアップ実装される。これにより、サブ基板130がSiプラットフォーム110に実装されたときに、LD素子150の活性層はSiプラットフォーム110に近い側に位置する。また、LD素子150のp電極とn電極は、両方とも実装面側に設けられていてもよいし、サブ基板130に対する実装面側とそれに対向する面側にそれぞれ設けられていてもよい。後者の場合には、サブ基板130に対向する面側の電極は、図示しないワイヤボンドによりサブ基板130に接続される。
金属膜133は、例えば金(Au)で構成された膜であり、Siプラットフォーム110の接合部113と協働してSiプラットフォーム110とサブ基板130とを互いに表面活性化接合するための調芯用接合部に相当する。金属膜133は、サブ基板130がSiプラットフォーム110に実装されたときにSiプラットフォーム110の接合部113に対向する位置に、実装部131を取り囲むように略コの字型に形成されている。
密封用金属パターン135は、Siプラットフォーム110の密封用金属パターン115と同様の、例えば金メッキによるメッキ配線であり、金属膜133(調芯用接合部)の外側に設けられた密封用接合部に相当する。密封用金属パターン135は、Siプラットフォーム110との接合面において、LD素子150を覆ってSiプラットフォーム110とサブ基板130とが互いに接合されたときにSiプラットフォーム110の密封用金属パターン115に対向する位置に、金属膜133を(すなわちLD素子150を)取り囲むように略ロの字型に形成されている。なお、図21Aに示す例ではサブ基板130の上面は平坦な面であるが、Siプラットフォーム110とサブ基板130とが表面活性化接合されるときにSiプラットフォーム110に接触しない位置であれば、密封用金属パターン135は、金属膜133とは異なる高さに形成されていてもよい。
予備半田136は、図21Bに示すように密封用金属パターン135の上に予め印刷形成された半田であり、密封用金属パターン135とともに密封用接合部を構成する。なお、予備半田136は、必ずしも一様に形成されていなくてもよく、その形状および分量は気密封止の機能を実現できる範囲内で適宜調整可能である。
図22は、光モジュール101の一部を示す縦断面図である。図22は、Siプラットフォーム110の接合部113とサブ基板130の金属膜133について説明するための図であり、図22では、密封用金属パターン115,135など、接合部113と金属膜133の説明に必要ない部分は図示を省略している。
図22に示すように、Siプラットフォーム110とサブ基板130は、Siプラットフォーム110の接合部113(バンプ)とサブ基板130の金属膜133とを介して互いに接合される。接合部113の構造は、図4Bに示した光モジュール1におけるSiプラットフォーム10の接合部15の構造と同様である。接合部113のバンプと金属膜133の表面は、接合前にArプラズマによって洗浄されることにより活性化させられる。そして接合時に、接合部113と金属膜133の位置を合わせてサブ基板130がSiプラットフォーム110の上に載せられ、常温で荷重が加えられる。すると、接合部113のバンプの上面と金属膜133がそれぞれ接触し、各バンプが潰れることにより、バンプと金属膜の金属原子が相互に相手方に拡散する。こうして、原子間の凝着力を利用することで、Siプラットフォーム110とサブ基板130は、互いに表面活性化接合される。
光モジュール101では、サブ基板130の接合時に加えられる荷重の大きさを制御することで、LD素子150と光ファイバ160とを垂直方向により厳密に調芯することが可能になる。
なお、図22に示すように、サブ基板130とLD素子150の間も、実装部131のバンプとLD素子150に設けられた金属膜との間で同様に表面活性化接合がなされる。
図23は、光モジュール101の製造工程の例を示すフローチャートである。
まず、Siプラットフォーム110用の基板に、エッチングおよびD-RIE加工により、凹部111、溝部112および密封用溝部114が形成される。そして、得られたSiプラットフォーム110と、ドライバICが内蔵されたサブ基板130に、表面活性化接合用の接合部113および金属膜133(調芯用接合部)がそれぞれ形成される(S101)。また、Siプラットフォーム110とサブ基板130に、基板同士が接合されたときにレーザ素子を取り囲む対向する密封用金属パターン115,135がそれぞれ形成される(S102)。さらに、サブ基板130の密封用金属パターン135の上に予備半田136が形成される(S103)。なお、予備半田は、サブ基板130の密封用金属パターン135の上ではなくSiプラットフォーム110の密封用金属パターン115の上に形成してもよく、密封用金属パターン115,135の両方に形成してもよい。
続いて、サブ基板130の実装部131に、表面活性化接合でLD素子150が実装される(S104)。また、Siプラットフォーム110の溝部112に、半田で光ファイバ160が固定される(S105)。この後、サブ基板130は、凹部111内にLD素子150が収まり凹部111を覆うように、裏返しでSiプラットフォーム110の上に配置される。
そして、水平方向(x,y方向)に関してLD素子150と光ファイバ160とが調芯される(S106)。この水平方向の調芯は、パッシブアライメントとアクティブアライメントの2段階で行われる。まず、パッシブアライメントには、例えば図9に示した調芯装置200が用いられる。
図9~図11Cを用いて説明したものと同様のパッシブアライメントにより、接合面上の水平方向におけるSiプラットフォーム110とサブ基板130の大まかな相対位置は、ミクロンオーダで粗調整される。このとき、サブ基板130に実装されたLD素子150とSiプラットフォーム110に固定された光ファイバ160との相対位置は、数μmの精度で調整される。
次に、図12に示した調芯実装装置300を用いて、水平方向について、LD素子150と光ファイバ160とのアクティブアライメントが行われる。このアクティブアライメントは、図12を用いて説明したものと同様である。
次に、垂直方向(z方向)の調芯、およびSiプラットフォーム110とサブ基板130との表面活性化接合が行われる(S107)。垂直方向の調芯はアクティブアライメントであり、図12を用いて説明したものと同様の方法で、両基板の表面活性化接合と同時に行われる。
図24は、Siプラットフォーム110とサブ基板130とが互いに表面活性化接合された状態の光モジュール101の断面図である。図24以降に示す断面図では、主に密封用接合部について説明するため、調芯用接合部である接合部113および金属膜133については図示を省略する。
表面活性化接合がなされた段階では、Siプラットフォーム110とサブ基板130は、調芯用接合部である接合部113と金属膜133のみで接合しており、密封用接合部である密封用金属パターン115と予備半田136の間には、図24に示すように、若干の隙間が形成されている。表面活性化接合がなされるときに密封用金属パターン115と予備半田136が接触してしまうと、その部分が邪魔になって、LD素子150と光ファイバ160とが精度よく調芯されるようにサブ基板130の位置を調整することができなくなる。しかしながら、光モジュール101では、Siプラットフォーム110の密封用金属パターン115が実装面より一段低い密封用溝部114の底面に設けられているため、密封用接合部の影響を受けることなく、表面活性化接合を行うことが可能になる。
表面活性化接合の後で、Siプラットフォーム110に接合されたサブ基板130の外周部に半田が塗布される(S108)。このとき、例えば、光ファイバ160が固定されているSiプラットフォーム110の溝部112とサブ基板130との境界付近、すなわち、ファイバメタル161の上部付近(図19Bを参照)にクリーム半田を塗布するとよい。
図25Aおよび図25Bは、サブ基板130の外周部への半田170の塗布工程について説明する図である。図25Aに拡大して示すように、例えばサブ基板130との境界付近の溝部112内に、半田170(クリーム半田)が塗布される。図25Bは、半田170がファイバメタル161の上部付近に塗布された状態を示す断面図である。
続いて、塗布された半田170を溶融させることにより、LD素子150が密封される(S109)。その際、光モジュール全体を例えば200~300℃でリフロー加熱することにより、半田170を溶融させる。すると、溶融した半田170は、図25Bに矢印で示すように、サブ基板130で覆われた密封用溝部114内の密封用金属パターン115と予備半田136の間の細い隙間に流れ込み、毛細管現象により浸透していくとともに、予備半田136と接合する。これにより、Siプラットフォーム110の密封用金属パターン115とサブ基板130の予備半田136の間に形成されていた隙間が、LD素子150を取り囲むロの字型の密封用接合部の全周にわたって塞がれる。すなわち、半田170は、表面活性化接合により互いに接合された第1の基板と第2の基板の密封用金属パターン同士の間を塞ぐことによりレーザ素子を密封する密封部材として機能する。こうして、調芯後にLD素子150の外周部分を半田170で密封することにより、LD素子150が気密封止されたパッケージが構成される。以上で、光モジュール101の製造工程は終了する。
図26は、LD素子150が密封された状態の光モジュール101の断面図である。図26は、完成した光モジュール101を示しており、図18Aに示すXXVI-XXVI線に沿った断面図に相当する。リフロー加熱により半田170が溶融して密封用溝部114内に広がり、予備半田136と接合することで、図26に示すように、密封用金属パターン115,135の間の隙間が埋められる。なお、このとき、半田170は、密封用溝部114内の密封用金属パターン115,135の間を通って広がるため、密封用溝部114とLD素子150との間にある調芯用接合部の接合部113および金属膜133までは広がらない。
以上説明したように、光モジュール101では、表面活性化接合されるSiプラットフォーム110とサブ基板130は、調芯用接合部である接合部113および金属膜133(金属材料によるマイクロバンプおよび金属膜)、ならびに密封用接合部である密封用金属パターン115,135、予備半田136およびファイバメタル161を有する。サブ基板130の金属膜133と密封用金属パターン135は同一面に形成されているが、Siプラットフォーム110の密封用金属パターン115は接合部113よりも一段低い面に形成されている。これにより、密封用接合部の密封用金属パターン115,135と予備半田136が他方の基板に接触することなく、LD素子150と光ファイバ160との調芯およびSiプラットフォーム110とサブ基板130との表面活性化接合を行うことが可能になる。そして、両基板の接合後に、半田170(クリーム半田)を塗布することにより、それが呼び水となって、密封用接合部の密封用金属パターン115,135と予備半田136とが溶融接合する。こうして、LD-ファイバ間の調芯実装と表面活性化接合を行った後に、Siプラットフォーム110とサブ基板130の間にある若干の隙間を半田170で溶融接合して、LD素子150を気密封止することが可能になる。
なお、リフロー加熱時に光ファイバ160の固定用の半田が溶けてしまうとLD-ファイバ間の調芯が狂ってしまうため、光ファイバ160の固定用の半田には、リフロー加熱の温度よりも(すなわち、気密封止用の予備半田136および半田170よりも)高融点のものを用いる必要がある。光ファイバ160の固定用の半田と気密封止用の予備半田136および半田170として同じ融点のものを使用したい場合には、例えば光ファイバ160の先端部分162(図20Aを参照)を接着剤で溝部112に固定してもよい。ただし、接着剤を用いてLD素子150を密封しようとすると、接着剤に含まれる有機物がLD素子150の発光点に付着し、素子の信頼性の低下を招くおそれがある。このため、光モジュール101のように無機材料だけでLD素子150を気密封止することが好ましい。そうすることで、LD素子150の信頼性が向上する。
図27Aは光モジュール102の概略構成を示す斜視図であり、図27Bは光モジュール102の分解斜視図である。光モジュール102は、光モジュール101と同様のフラット型の集積化モジュールであり、Siプラットフォーム120、サブ基板140、LD素子150、光ファイバ160などを有する。光モジュール102では、Siプラットフォーム120の上面には凹部121、溝部122、接合部123、密封用溝部124および密封用金属パターン125が設けられ、サブ基板140の上面には金属膜143および密封用金属パターン145が設けられている。図27Bに示すように、LD素子150は、サブ基板140の上に実装され、サブ基板140がSiプラットフォーム120に被せられることにより保護される。光モジュール102の構成は、Siプラットフォーム120の密封用金属パターン125の面積と、サブ基板140の密封用金属パターン145に予備半田が設けられていないことを除いて、光モジュール101の構成と同一である。このため、以下では、光モジュール102について、光モジュール101と異なる点を中心に説明し、重複する記載を省略する。
図28Aおよび図28Bは、Siプラットフォーム120とサブ基板140とが互いに接合された状態の光モジュール102の上面図および斜視図である。図27Aと図28Aに示すように、光モジュール102では、Siプラットフォーム120の密封用金属パターン125の外形が、サブ基板140よりも大きい。このため、Siプラットフォーム120の上にサブ基板140が接合されると、サブ基板140の周囲において、密封用金属パターン125が露出する。そこで、光モジュール102の製造時には、図28Bに示すように、表面活性化接合の後で、サブ基板140の各辺の外周部において露出した密封用金属パターン125の上に、半田170(クリーム半田)が塗布される。なお、半田170は必ずしもサブ基板140の全周にわたって途切れずに塗布しなくてもよく、その分量は適宜調整可能である。
図29Aおよび図29Bは、光モジュール102におけるLD素子150の気密封止について説明する断面図である。図29Aは、表面活性化接合がなされ、半田170が塗布された状態を示し、図28Bに示すXXIXA-XXIXA線に沿った断面図に相当する。一方、図29Bは、半田170を溶融させてLD素子150が密封された状態を示し、図27Aに示すXXIXB-XXIXB線に沿った断面図に相当する。
表面活性化接合がなされた段階では、図29Aに示すように、光モジュール102でも、光モジュール101と同様に、密封用接合部である密封用金属パターン125,145の間には、若干の隙間が形成されている。光モジュール102でも、Siプラットフォーム120の密封用金属パターン125が実装面より一段低い密封用溝部124の底面に設けられているため、密封用接合部の影響を受けることなく、表面活性化接合を行うことが可能である。
半田170が塗布された光モジュール全体をリフロー加熱すると、図29Bに示すように、サブ基板140の各辺において半田170が溶融して密封用溝部124内に広がり、密封用金属パターン125,145の間の隙間が埋められる。光モジュール101では、密封用金属パターン135に予備半田136を形成しておくことにより、サブ基板130の外周部の1か所に半田170を塗布しただけで、LD素子150を取り囲むロの字型の密封用接合部の全周が密封される。これに対し、光モジュール102では、サブ基板140の各辺の外周部に半田170を塗布することにより、密封用金属パターン145に予備半田を形成しなくても、両基板間の若干の隙間を全周にわたって半田170で溶融接合して、LD素子150を気密封止することが可能になる。
光モジュール101,102の密封用接合部は、モジュールサイズを特に変更することなく気密封止を実現するため、光モジュールを小型化するために有益な構造である。また、光モジュール101,102では、密封用接合部により気密封止するとともに、調芯用接合部と密封用接合部により2系統の電気的接続を取ることもできる。例えば、調芯用接合部である接合部113および金属膜133、または接合部123および金属膜143を電源ラインとして使用し、半田170で接合された密封用接合部である密封用金属パターン115,135または密封用金属パターン125,145をGNDラインとして使用することが可能である。
また、光モジュール101,102では、LD素子150を収容するための凹部111,121をSiプラットフォーム110,120に設けて、サブ基板130,140をフラット型にすることにより、サブ基板130,140に集積回路や配線を高密度で形成することが可能になる。このため、光モジュール101,102では、ドライバICなどのLSIをサブ基板130,140に内蔵することが容易になり、サブ基板単体でLD素子150の合否判定を行うことが可能になる。例えば、ウェハ状の段階で集積回路を形成して多数のLD素子を実装することにより、それらの素子のエージング(通電試験)を一括で実施し、素子の良品と不良品を選別することが可能である。このため、そのウェハを分断してサブ基板130,140として使用すれば、初めから良品のみが選別された状態で光モジュールを製造することができ、大幅に工数を削減することが可能になる。また、凹部や溝部が形成されるのはSiプラットフォーム110,120だけであるため、一方の基板のみを機械加工すればよく、この点でも、製造工程が簡略化される。
図30Aおよび図30Bは、光モジュール101,103を比較するための断面図である。図30Aは、LD素子150がサブ基板130に実装された光モジュール101を示し、図30Bは、LD素子150がSiプラットフォーム110Aに実装された光モジュール103を示す。
図30Bに示すように、LD素子150は、下側の基板であるSiプラットフォームに実装してもよい。この場合、光ファイバ160は、Siプラットフォーム110Aの上に実装されるサブ基板130Aに固定される。光モジュール103では、Siプラットフォーム110A(実装基板および第1の基板の一例)は、LD素子150を駆動するための集積回路(ドライバIC180)が内蔵された平坦な基板である。一方、サブ基板130A(実装部品および第2の基板の一例)は、LD素子150を内部に収容するための凹部137を有する基板である。光モジュール103でも、光モジュール101,102と同様の密封用接合部を設けて、実装部品であるサブ基板130Aの外周部に半田を塗布することにより、LD素子150が気密封止される。光モジュール103のように、Siプラットフォーム110AをLD素子150用の凹部がないフラット型にすれば、Siプラットフォーム110Aに集積回路や配線を高密度で形成することが可能になる。また、Siプラットフォームをフラット型にすれば、サブ基板にLD素子を実装した場合に比べて、アクティブアライメント時にLD素子を発光させることが容易である。
なお、光モジュール101~103のいずれにおいても、LD素子150用の凹部、光ファイバ160用の溝部および密封用溝部は、Siプラットフォームとサブ基板の両方に設けてもよい。ただし、それらの凹部および溝部は、両基板に設けると気密封止のために塞ぐべき面積が広くなるため、いずれか一方の基板にのみ設ける方が好ましい。
また、気密封止のためには、必ずしもSiプラットフォームに接しているサブ基板の外周部に半田170を塗布しなくてもよい。例えば、両基板の接合面に予め半田を塗布しておき、サブ基板に貫通孔を開け、その貫通孔を通してレーザ加熱してその半田を溶融させることにより基板間を密封してもよい。
また、図13に示した光モジュール2のように、RGBの各色レーザ光をそれぞれ出射する複数のLD素子を有する光モジュールについても、Siプラットフォームと、各LD素子を覆う複数のサブ基板との間に、光モジュール101~103と同様の調芯用接合部および密封用接合部を設けることができる。すなわち、光モジュール2におけるLD素子20R,20G,20Bを、Siプラットフォーム10’とサブ基板50R,50G,50Bとの間で、光モジュール101~103と同様の密封用接合部により個別に気密封止することが可能である。
また、光モジュール2のPD素子25R,25G,25Bのように、LD素子以外の素子も1つのSiプラットフォーム上に固定するとともに、対応するサブ基板により併せて気密封止してもよい。また、光モジュール2のように、ドライバICは基板に内蔵させず、Siプラットフォームまたはサブ基板の上に実装してもよい。
また、図14に示した光モジュール3のように、LDアレイからのレーザ光を複数本の光ファイバで構成される光ファイバアレイに光結合する光モジュールについても、Siプラットフォームと、光ファイバアレイに含まれる光ファイバの本数に対応する複数の溝部を有するサブ基板との間に、光モジュール101~103と同様の調芯用接合部および密封用接合部を設けることができる。すなわち、光モジュール3におけるLDアレイ20Aを、Siプラットフォーム10Aとサブ基板50Aとの間で、光モジュール101~103と同様の密封用接合部により一括で気密封止することが可能である。
図31Aおよび図31Bは、それぞれ、光モジュール106の概略構成を示す断面図および上面図である。光モジュール106は、光モジュール101の2つの基板と同様のSiプラットフォーム110Dおよびサブ基板130Dを有する。Siプラットフォーム110Dの上面には密封用金属パターン118が形成され、サブ基板130Dの側面には密封用金属パターン138が形成されている。密封用金属パターン118,138は、それぞれ、例えば下地として銅メッキまたはニッケルメッキを施した後に金メッキを施すことによって形成される。密封用金属パターン118,138は、光モジュール106の密封用接合部に相当し、半田170により互いに接合される。密封用接合部以外については、光モジュール106の構成は、光モジュール101の構成と同一である。
光モジュール106は、光モジュール101の密封用溝部114に相当する溝部が設けられておらず、Siプラットフォーム110Dとサブ基板130Dの密封用金属パターン118,138がいずれも他方の基板により覆い隠されない位置に形成されている点が光モジュール101と異なる。光モジュール106のように、Siプラットフォーム110Dの上面におけるサブ基板130Dの配置位置の外周に密封用金属パターン118を形成し、サブ基板130Dの側面にも密封用金属パターン138を形成しておき、両基板の密封用金属パターン同士を半田170で接合することで、LD素子150を気密封止してもよい。なお、密封用金属パターンの少なくとも一部が他方の基板により覆い隠されない位置に形成されていればよく、密封用金属パターン118,138の一部は、他方の基板により覆い隠されていてもよい。これらの場合には、サブ基板の接合面に密封用金属パターンを形成する必要がなくなるため、サブ基板を小型化することが可能になる。
図32は、光モジュール107の概略構成を示す断面図である。光モジュール107は、光モジュール101のSiプラットフォーム110と同様のSiプラットフォーム110E、およびウエットエッチングなどにより外周部に斜めに切込みが形成されたサブ基板130Eとを有する。Siプラットフォーム110Eの上面には密封用金属パターン119が形成され、サブ基板130Eの切込み部分の斜めの面には密封用金属パターン139が形成されている。密封用金属パターン119,139は、光モジュール107の密封用接合部に相当し、半田170により互いに接合される。密封用接合部以外については、光モジュール107の構成は、光モジュール101の構成と同一である。
光モジュール107でも、光モジュール106と同様に、光モジュール101の密封用溝部114に相当する溝部は設けられておらず、Siプラットフォーム110Eとサブ基板130Eの密封用金属パターン119,139はいずれも他方の基板により覆い隠されない位置に形成されている。ただし、光モジュール107では、サブ基板130Eの外周部において斜めに切り込まれた面に密封用金属パターン139を設けることにより、半田170がSiプラットフォーム110Eの上面において突出する部分が光モジュール106と比べて小さくなる。
1,2,3,4,5,101,102,103,106,107 光モジュール
10,10’,10A,10D,10E,110,110A,110D,110E,120 Siプラットフォーム
15,15’,16,16’,113,123 接合部
17,112,122,51,51’ 溝部
20,20’,20R,20G,20B,20A,150 LD素子
22 活性層
30,30’,180 ドライバIC
40,40R,40G,40B,160 光ファイバ
50,50’,50R,50G,50B,50A,50D,50E,130,130A,130D,130E,140 サブ基板
52,52’,111,121,137 凹部
53,53’,133,143 金属膜
114,124 密封用溝部
115,118,119,125,135,138,139,145 密封用金属パターン
136 予備半田
161,161’ ファイバメタル
170 半田
10,10’,10A,10D,10E,110,110A,110D,110E,120 Siプラットフォーム
15,15’,16,16’,113,123 接合部
17,112,122,51,51’ 溝部
20,20’,20R,20G,20B,20A,150 LD素子
22 活性層
30,30’,180 ドライバIC
40,40R,40G,40B,160 光ファイバ
50,50’,50R,50G,50B,50A,50D,50E,130,130A,130D,130E,140 サブ基板
52,52’,111,121,137 凹部
53,53’,133,143 金属膜
114,124 密封用溝部
115,118,119,125,135,138,139,145 密封用金属パターン
136 予備半田
161,161’ ファイバメタル
170 半田
Claims (17)
- レーザ素子が実装された実装基板と接合されて当該レーザ素子を光ファイバに光結合させるためのシリコン製の実装部品であって、
前記実装基板との接合面に対して予め定められた深さに光ファイバのコアが位置するように当該光ファイバを固定するための溝部と、
前記溝部に連接し前記レーザ素子を内部に収容するための凹部と、を有し、
前記接合面に垂直な方向の厚さが、前記レーザ素子を前記凹部に収容するように前記接合面を前記実装基板に接触させたときに赤外線の透過像により当該レーザ素子の位置を検知可能な厚さに設定されている、
ことを特徴とする光ファイバの実装部品。 - 絶縁体上シリコンによるストッパ層を内部に含み、
前記溝部では、前記接合面から前記ストッパ層までのシリコンが除去され、
前記凹部では、前記接合面から前記ストッパ層を越える深さまでのシリコンが除去されている、請求項1に記載の実装部品。 - 前記接合面に垂直な方向の厚さが200μm以上1000μm以下である、請求項1または2に記載の実装部品。
- 前記接合面は、実装基板上に設けられた金属製のマイクロバンプとの間で表面活性化接合されるための金属膜を有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の実装部品。
- 実装基板と、
前記実装基板上に実装されたレーザ素子と、
前記実装基板との接合面に対して予め定められた深さに光ファイバのコアが位置するように当該光ファイバを固定するための溝部、および当該溝部に連接した凹部を有し、前記レーザ素子を前記凹部に収容するように前記実装基板に接合されたシリコン製の実装部品と、
前記実装部品の前記溝部に固定され、前記レーザ素子に光結合された光ファイバと、を有し、
前記接合面に垂直な方向の前記実装部品の厚さが赤外線の透過像により前記レーザ素子の位置を検知可能な厚さに設定されている、
ことを特徴とする光モジュール。 - 前記レーザ素子はジャンクションアップで前記実装基板上に実装され、
前記実装基板は前記光ファイバを収容するための溝部が形成されていない平坦な基板である、請求項5に記載の光モジュール。 - 前記実装基板には前記レーザ素子を駆動するための集積回路が内蔵されている、請求項6に記載の光モジュール。
- 前記実装基板および前記実装部品のそれぞれには、表面活性化接合用の接合部と、前記レーザ素子を取り囲む密封用金属パターンとが形成され、
表面活性化接合により互いに接合された前記実装基板および前記実装部品の前記密封用金属パターン同士の間に形成された隙間を塞ぐことにより前記レーザ素子を密封する密封部材をさらに有する、請求項5~7のいずれか一項に記載の光モジュール。 - 前記実装基板および前記実装部品の前記密封用金属パターンは、前記接合面に沿って互いに対向する位置に形成され、
前記実装基板および前記実装部品の少なくとも一方は、前記レーザ素子を取り囲む位置に形成された密封用溝部を有し、
前記実装基板および前記実装部品の少なくとも一方の前記密封用金属パターンは前記密封用溝部の底面に形成されている、請求項8に記載の光モジュール。 - 前記実装基板の前記密封用金属パターンの少なくとも一部は、前記実装部品により覆い隠されない位置に形成され、
前記実装部品の前記密封用金属パターンの少なくとも一部も、前記実装基板により覆い隠されない位置に形成されている、請求項8に記載の光モジュール。 - 前記光ファイバは、一方の端部が前記実装基板および前記実装部品により覆われて前記レーザ素子に光結合されるとともに、他方の端部が前記実装基板および前記実装部品の外側に引き出され、かつ表面の少なくとも一部に形成された密封用金属パターンを有し、
前記密封部材は、前記光ファイバの前記密封用金属パターンと接合することにより、前記光ファイバと前記実装基板および前記実装部品との間に形成された隙間を塞ぐ、請求項8~10のいずれか一項に記載の光モジュール。 - レーザ素子を実装基板上に実装する工程と、
前記実装基板との接合面に対して予め定められた深さに光ファイバのコアが位置するように当該光ファイバを固定するための溝部、および当該溝部に連接した凹部を有するシリコン製の実装部品の当該溝部に光ファイバを固定する工程と、
前記レーザ素子を前記凹部に収容するように前記実装部品の前記接合面を前記実装基板に接触させる工程と、
赤外線の透過像により前記レーザ素子の位置を検知しながら、当該レーザ素子から前記光ファイバに結合される光出力が最大となるように前記実装基板と前記実装部品とを位置決めする工程と、
位置決めされた前記実装部品と前記実装基板とを接合する工程と、
を有することを特徴とする光モジュールの製造方法。 - 前記位置決めする工程は、
赤外線の透過像により前記レーザ素子の位置を検知しながら、前記実装基板上に設けられたアライメントマークを基準に、当該レーザ素子に対する前記光ファイバの水平位置を調整し、
前記レーザ素子から前記光ファイバに結合される光を光検出器で検出しながら、当該光検出器の出力が最大となるように、当該レーザ素子に対する当該光ファイバの水平位置および垂直位置を決定する、
ことを含む、請求項12に記載の製造方法。 - 前記接合する工程では、表面活性化接合により前記実装基板と前記実装部品とを互いに接合し、
前記実装基板および前記実装部品のそれぞれに表面活性化接合用の接合部を形成する工程と、
前記実装基板と前記実装部品とが互いに接合されたときに前記レーザ素子を取り囲む密封用金属パターンを前記実装基板および前記実装部品のそれぞれに形成する工程と、
互いに接合された前記実装基板および前記実装部品の前記密封用金属パターン同士の間に形成された隙間を塞ぐことにより前記レーザ素子を密封する工程と、
をさらに有する、請求項12または13に記載の製造方法。 - 互いに接合された前記実装基板または前記実装部品の外周部に半田を塗布する工程をさらに有し、
前記密封する工程では、前記半田を溶融させて前記実装基板および前記実装部品の前記密封用金属パターン同士の間に形成された隙間を塞ぐ、請求項14に記載の製造方法。 - 接合前の前記実装基板および前記実装部品の少なくとも一方について、前記密封用金属パターンの上に予備半田を形成する工程をさらに有する、請求項14または15に記載の製造方法。
- 前記塗布する工程では、前記実装基板または前記実装部品の各辺の外周部に半田を塗布する、請求項15に記載の製造方法。
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