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発明の名称 光素子モジュール
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−174671(P2001−174671A)
公開日 平成13年6月29日(2001.6.29)
出願番号 特願平11−357478
出願日 平成11年12月16日(1999.12.16)
代理人 【識別番号】100066153
【弁理士】
【氏名又は名称】草野 卓 (外1名)
【テーマコード(参考)】
2H037
5F073
5F088
【Fターム(参考)】
2H037 AA01 BA02 BA03 BA11 BA12 CA38 DA36 
5F073 AB16 AB28 AB29 EA29 FA06 FA23 FA27 FA30
5F088 AA01 BA16 JA03 JA06 JA14 JA20
発明者 藍原 周一
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 素子面から直角方向に光を放射する半導体発光素子又は素子面と直角方向から光を受光する半導体受光素子(以下両素子を代表して光半導体素子と記す)と、光導波路体の光路とを光結合させる光素子モジュールであって、上記光半導体素子と上記光導波路体との間に透明構造体を備え、上記透明構造体の上記光導波路体側の面に突部が一体に形成され、上記突部は上記光導波路体の端面と衝合して光導波路体を位置決めする位置決め面と、その位置決め面に衝合した上記光導波路体と、上記光半導体素子との間に、折曲げられた光の通路を構成する反射面とが形成されてあり、上記透明構造体の上記光半導体素子側の面には支持壁部が一体に突出形成され、その支持壁部の突出面に配線基板が対接固定され、その配線基板の上記透明構造体との対向面上に光半導体素子がその素子面を上記透明構造体を介して上記反射面と対向させて取付けられていることを特徴とする光素子モジュール。
【請求項2】 上記支持壁部の突出面と、上記配線基板の上記光半導体素子が取付けられた面とにそれぞれの互いに合わされる位置に、位置決め用マークが形成されていることを特徴とする請求項1記載の光素子モジュール。
【請求項3】 上記支持壁部は枠状に構成され、支持壁部と上記配線基板との接合部は封止され、その内部に上記光半導体素子が密封されていることを特徴とする請求項1又は2記載の光素子モジュール。
【請求項4】 素子面から直角方向に光を放射する半導体発光素子又は素子面と直角方向から光を受光する半導体受光素子(以下両素子を代表して光半導体素子と記す)と、光導波路体とを光結合させる光素子モジュールであって、上記光半導体素子と上記光導波路体との間に透明構造体を備え、上記透明構造体の上記光導波路体側の面に突部が一体に形成され、上記突部は上記光導波路体の端面と衝合して光導波路体を位置決めする位置決め面と、その位置決め面に衝合した上記光導波路体と、上記光半導体素子との間に、光を折曲げて光の通路を構成する反射面とが形成されてあり、上記透明構造体の光半導体素子側の面に導体パターンが形成され、上記光半導体素子の素子面側が上記透明構造体を介して上記反射面と対向して上記導体パターンにフェイスダウンボンディングされていることを特徴とする光素子モジュール。
【請求項5】 上記透明構造体の上記導体パターン形成面に、上記光半導体素子が備える電極、構造物、またはマークと合わされる位置に、位置決め用マークが形成されてあることを特徴とする請求項4記載の光素子モジュール。
【請求項6】 上記光導波路体は光ファイバであり、上記透明構造体の上記突部が形成された面には上記光ファイバを位置決めするためのV溝が、上記位置決め面とほぼ直角な方向に延長形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の光素子モジュール。
【請求項7】 上記光ファイバに光コネクタが装備されており、上記透明構造体に、上記光コネクタが脱着されるレセプタクルが装備されていることを特徴とする請求項6記載の光素子モジュール。
【請求項8】 上記光導波路体は少くとも1本の光導波路を有する光導波路基板であり、上記透明構造体の上記突部が形成された面には上記光導波路基板側面を位置決めするための基準面を備えた案内部が突出形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の光素子モジュール。
【請求項9】 上記透明構造体の上記突部の上記光路を折曲げる反射面が、集光能のある曲面であることを特徴とする請求項1乃至請求項8の何れかに記載の光素子モジュール。
【請求項10】 上記透明構造体の上記光半導体素子の素子面と対向する表面部分が凸レンズ状に形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項9の何れかに記載の光素子モジュール。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は素子面からこれとほぼ直角に光を放射するレーザダイオードなどの発光素子又は素子面とほぼ直角に光を受光するフォトダイオードなどの受光素子(以下、両素子を代表して光半導体素子と記す)と、光ファイバや光導波路基板などの光導波路体の光路、つまり光ファイバのコアや光導波路基板の光導波路とを、ほぼ直角に折曲げられた光の通路により結合させる光素子モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】この種の従来技術が、特開平8−21930号公報で提案されている。この技術は図8に示すように、ケーシング11内にフォトディテクタ12が収容され、ケーシング11の上板に窓13が開けられ、窓13に集光レンズ14が嵌め込まれ、ケーシング11の上面に光ファイバ15が配され、光ファイバ15の先端面が約45度に切断されて反射面16とされ、光ファイバ15により伝搬された光は破線で示すように反射面16で直角に折曲げられ集光レンズ14で集光されてフォトディテクタ12に入射される。またこの公報の図3には図9に示すように光ファイバ15の端面は軸心に対し直角な面とされ、その端面がプリズム17に突き当てられ、光ファイバ15よりの光が破線で示すようにプリズム17により直角に折曲げられるようにする構成も示されている。
【0003】またこの種の従来技術が特開平10−160959号公報で提案されている。この技術は図10及び図11に示すように、枠状のガイドブロック21にガイドプリズム22が一体に形成され、ガイドブロック21の凹部23に光ファイバ15が配され、その光ファイバ15の端面がガイドプリズム22に突き当てられ、またガイドブロック21の枠内に受光素子24が嵌合され、光ファイバ15からの光はガイドプリズム22で折曲げられて、受光素子24に入射されるようにされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】図8に示した従来の技術においては、光ファイバ15の反射面16の光入射点と、レンズ13の軸心と、フォトディテクタ12の受光中心とを1直線上に一致させるための位置合せが大変であり、光ファイバ15からの光をフォトディテクタ12に効率良く入射させるようにするのは容易ではない。図9に示した従来技術においても、そのプリズム17の反射点とレンズの軸心とフォトディテクタの受光中心との位置合せが大変である。
【0005】図10及び図11に示した従来の技術においては受光素子24をガイドブロック21の枠に嵌合させる必要があり、対象素子ごとにその素子が嵌合するように設計しなければならず汎用性に欠ける。
【0006】
【課題を解決するための手段】この第1発明によれば、光半導体素子と光導波路体との間に透明構造体が設けられその透明構造体の光導波路体側の面に突部が一体に形成され、その突部の、光導波路体が配される側の透明構造体の面とほぼ垂直な位置決め面に光導波路体の端面が突き当てられて、光導波路体が位置決めされ、また突部の透明構造体の前記面に対し、斜めの反射面により、光導波路体と光半導体素子との間に折曲げられた光の通路が構成され、また透明構造体の光半導体素子側の面には支持壁部が一体に突出形成され、その支持壁部の突出面に配線基板が対接固定され、その配線基板上に光半導体素子が、その素子面を透明構造体を介して反射面と対向させて取付けられる。
【0007】この第2発明によれば、透明構造体の一面に突部が一体に形成され、その突部の透明構造体の前記面とほぼ垂直な位置決め面に、光導波路体の端面に突き当てられて、光導波路体が位置決めされ、透明構造体の前記面と反対の面に、導体パターンが形成され、その導体パターンに光半導体素子がその素子面を透明構造体を介して突部と対向させてフェイスボンディングされ、突部の透明構造体の前記面と斜めの反射面により、光半導体素子の素子面と光導波路体端面との間に折曲げられた光の通路が構成されている。
【0008】
【発明の実施の形態】図1に光導波路体として光ファイバ15を用いた場合の第1発明の実施例を示す。透明ガラス又は透明合成樹脂の成形品よりなる透明構造体31が設けられ、透明構造体31の面、この例では上面32上に突部32aが一体に突出形成され、突部32aには上面32とほぼ垂直な位置決め面33が形成され、また突部32aには位置決め面33とほぼ45度をなす、つまり上面32に対し斜めの反射面34が形成されている。透明構造体31の上面32上に配された光ファイバ15の端面が突部31aの位置決め面33に突き当てられて光ファイバ15の図において左右方向における位置決めがなされる。光ファイバ15は位置決め面33に対してほぼ直角に配される。
【0009】透明構造体31の突部31aの形成面32と反対の面に支持壁部31bが一体に突出形成され、支持壁部31bの突出面に配線基板35が対接して取付けられる。配線基板35はガラスエポキシ又はセラミックスのプリント配線基板であって、透明構造体31側の面に電極、端子、及びこれら間を接続する配線の導体パターン36が形成されている。導体パターン36の電極部上に光半導体素子37が例えば半田付けられる。また光半導体素子37上の電極と導体パターン36の電極とがボンディングワイヤ38により接続される。光半導体素子37の素子面、この例では発光素子37の発光面39は透明構造体31を介して反射面34と対向されている。
【0010】この例では支持壁部31bは枠状、図では方形枠状に形成され、支持壁部31bと配線基板35とが例えば紫外線硬化型接着層41で接着され、透明構造体31と配線基板35で構成される内部空間が外部に対して密封され、この内部に光半導体素子37が位置されている。このように光半導体素子37が封止されることで光半導体素子37が保護され、しかもその保護のための封止ケースが透明構造体31と配線基板35で構成され、それだけ全体としての構成が小形化される。
【0011】この構成において光半導体素子、例えば発光素子37から出射された光42は、ある広がりをもって透明構造体31に入射し、その突部31の発光素子37からの出射光軸と45度をなす、突部31aの反射面34により光の通路が90度曲げられて光ファイバ15と接する面33より光ファイバ15のコア15a(光路)に発光素子37からの光が入射される。この場合透明構造体31の反射面34での反射は透明構造体31の比屈折率により決定される全反射角度が45度より小さいものであれば透明構造体31の45度面で光の全反射が起こり発光素子37の出射光量のほぼ100%が光ファイバ15のコア15aへ到達し光ファイバ15に入射されることになる。また、全反射が起こりにくい条件では透明構造体31の反射面34に金属を蒸着するなどにより鏡43を形成し反射効率を高めることも可能である。発光素子37の全出射光量と光ファイバ15に入射する光量の比を光結合効率とすればこの場合の光結合効率は全反射面での散乱損失と光ファイバ15の端面での出射光広がり、それと発光素子37の出射光軸、反射光軸と光ファイバ15の光軸のずれにより決まる。最大結合効率は反射損失を0、発光素子37を点光源、出射光広がり角を10度とすれば発光素子37から光路0.6mmでの出射光は直径が0.105mmの広がりを持つ光束となる。光ファイバ15のコアの直径を0.105mmとれば、それぞれの光軸が一致している場合100%の光結合効率を得ることができる。
【0012】透明構造体31(突部31a、支持壁部31bを含む)は例えばガラス等を材料としてモールド成形により製造することが可能である。これは一般に光ファイバ等を斜め切断し同様の反射面構成とする場合に比べ容易にしかも安価で高結合効率を得ることが可能であるといえる。発光素子37の出射光を効率よく光ファイバ15に入射させるための、発光素子37と反射面34との位置合せを正確かつ容易にするため、透明構造体31と配線基板35との互いに合わされるべき位置に、位置合せ用マーク44を少なくとも3箇所形成しておき、配線基板35上に透明構造体31を配し、その上から目視により位置合せ用マーク44を配線基板35上のものと、透明構造体31に形成されたものとを一致させ、この状態で互いに接着すればよい。配線基板35上の位置合せ用マーク44は、導体パターン36の形成と同時に行うことができる。位置合せ用マーク44としてはいわゆるフィディシャルマークを用いることができる。ガラスエポキシプリント基板の場合は50μmの精度で形成でき、セラミックプリント基板の場合は10μmの精度で形成できる。透明構造体31に対する位置合せ用マークは例えばマスクを通しての金属の蒸着により行うことができ、サブミクロンのオーダの精度で形成することができる。
【0013】従って、例えばGI−50MMF(グレーデットインデックス形の50μmのマルチモード光ファイバ)で通常要求される5μm以下の相対精度を容易に達成できる。なお支持壁部31bの突出長H1はボンディングワイヤ38が邪魔にならない範囲でなるべく小とすることが、光結合効率の点から好ましい。図1に示した例では光軸、および出射光広がり径と光ファイバのコア断面寸法の一致により100%の結合効率が得られることを示したが、高光結合効率を得る方法として出射光広がりを光ファイバ15のコア(光導波基板の場合は光導波路)より小さく絞り込むことで光軸が多少ずれた場合でも発光素子37の出射光をほぼ100%、光ファイバ15に入射させることができる。これは図2乃至図3に示すように光ファイバ15の端面での出射光パターン径が光ファイバ15のコア15aの断面より小さくなれば、その差異を光軸ずれのマージンとすることができ各素子、部品の搭載精度要求を緩和することが可能となる。図2では透明構造体31の反射面34を例えばパラボラ(回転放物線)とすることで集光機能を実現したものである。この曲面を放物面とし、その焦点に発光素子37の光放射面の中心におけば反射後の光束広がりが押さえられ光ファイバ15の端面での光束パターンをコア15aより小さくすることが可能となる。図3Aは透明構造体31の発光素子37との対向面に凸曲面45を形成し、この部分にレンズ機能を持たせたものであり、その機能は上記と同様である。ここでレンズ機能は物理的構造としての凸レンズを図示しているが、フレネルレンズ、または透明構造体31の屈折率を部分的に変えることで凸レンズと同様の機能をえるマイクロプレーナーレンズを用いることも可能である。この場合は曲面45は形成されず平面となる。図3Bに示すように反射面34に集光機能をもたせると共に、透明構造体31の発光素子37との対向面にも集光機能をもたせてもよい。
【0014】上記の例では光束を絞り込むことで搭載、実装精度の緩和を図ったが、光軸をなるべく一致させるには基板35への発光素子搭載精度、基板35上への透明構造体31の実装精度、透明構造体31と光ファイバ15の接続精度をあげることが必要である。これらそれぞれの相対精度を向上させることはもちろんであるが、光ファイバ15、透明構造体31、発光素子37をある基準点(部品)の上に構成することで光軸一致のための精度を向上させることができる。
【0015】このような点を考慮したのが第2発明であり、その実施例を、光導波路体として光ファイバを、光半導体素子として発光素子を用いる場合について図4に示す。図4では透明構造体31を基準部品としこれに光ファイバ15と発光素子37を搭載、実装できる構造とした例である。この場合も、先の例の実施例と同様に、透明構造体31の一面、図では上面に突部31aが一体に形成され、突部31aにより位置決め面33と反射面34が構成され、位置決め面33に光ファイバ15の端面が突き当てられて光ファイバ15は左、右方向において位置決められている。
【0016】透明構造体31の他面、図では底面に電極を含む導体パターン51を形成し、この電極に発光素子37をフリップチップ実装技術等、例えばフェースダウンボンディングを用い、反射面34及び光ファイバ15等の光軸と一致した位置に発光素子37を透明構造体31に直接実装する。またこの実施例では透明構造体31に、光ファイバ15を発光素子37の反射光軸と一致して置くことができるようなガイド構造としてV溝52を設けこのガイド(V溝52)に沿って光ファイバ15を実装することで光ファイバ15と発光素子37の反射光軸とを容易に一致させることができる。この例では光ファイバを用いた場合を示し、光ファイバはV溝構造による位置合せを行っている。従ってV溝52の延長方向は位置決め面33とほぼ直角となる。
【0017】なお従来のフェイスダウンボンディング(フリップチップボンディングともいう)においては、接合される素子面と基板面との間隙に撮像手段を具備したプローブを挿入し、プローブからその両者の面を交互に撮像し、画像処理して位置を判断し、位置合わせ後にプローブを抜き出して接着する画像認識方式が一般的であった。しかるにこの実施例においては回路基板側が透明構造体31であるので、このようなプローブを用いることなく透明構造体31の上面側からの観察または画像取得で位置合わせすることが可能となる。位置合わせの基準には、互いに接続する透明構造体31上の電極と発光素子37の電極とを用いてもよいが、やはり透明構造体31にフィディシャルマークを印しておき、これと、発光素子37の接続に用いない不用な電極や発光素子37上の例えば光出射面、またはメサ構造を有する場合の突出部その他の発光素子37上の構造物とをあわせてもよい。さらに発光素子37上にもフィディシャルマークを備えておき、フィディシャルマークどうしが重なるように透明構造体31の上面側から見透して位置合わせしてもよい。
【0018】上述においては光導波路体に1本の光路を有する1本の光伝送路と光半導体素子との結合について示したが、図5に示すように透明構造体31の1面、図では上面に断面直角三角形状の長さをもつ突部31aが一体に設けられその突部31aが延長されている位置決め面33に、複数のコア15aが平行に配列形成されているテープファイバ15′の端面が突き当てられる。各光路であるコア15aの光の通路の延長上で突部31aの反射面34により折曲げられ、透明構造体31を通り、配線基板35上にそれぞれ配された個々の発光素子37の発光面に達するようにされる。図5において光半導体素子37を図4に示したように透明構造体31に取付けてもよい。またテープファイバ15′の代りに複数の光導波路が平行に形成された光導波路基板を用いてもよい。
【0019】上述では光ファイバ15のコア15aの延長方向における位置が透明構造体31の位置決め面33により決められるようにしたが、例えば図6に示すように、透明構造体31の突部31aが形成された面32上において、位置決め面33を直角かつ面32と直角な基準面54を有する案内部55が突出形成され、光導波路体56の端面が位置決め面33に突き当てられ、光導波路体56の1側面が基準面54に対接されて、光導波路体56が透明構造体31上で二次元平面内で位置決めされる。なお図6では光導波路体56として、複数の光導波路57、つまり光路が並設された光導波路基板が用いられた場合である。図に示していないが、複数の光導波路57と対応して図1に示したように各光半導体素子37がそれぞれ設けられるか、透明構造体31の突部形成面と反対の面に複数の光導波路57と対応して、光半導体素子37がフェースボンディングされる。図6では複数の光導波路57を有する光導波路体56を示したが、光導波路57は1本の場合にも適用できる。光導波路体56としては図5に示した光ファイバテープ15′でもよい。
【0020】図7は光ファイバ15にコネクタ61が装備され、透明構造体31にレセプタクル62が装備され、光ファイバ15を透明構造体31に着脱自在に取付けるようにした場合を示す。コネクタ61は例えば厚板棒状連結部63の中央部に孔64が貫通され、孔64に光ファイバ15が挿通固定され、連結部63の両端より、光ファイバ15と平行に係合片65,65が同一方向に延長され、その係合片65,65の先端の互いの内側、つまり光ファイバ15と対向する面に爪66,66が形成され、またこの光ファイバ15と対向する面にその延長方向と同一方向に延長されたキー67,67が形成されている。これら連結部63、係合片65、爪66、キー67は合成樹脂材のモールド品として一体に構成され、かつ係合片65,65の先端間を弾性的に押し拡げることができる。
【0021】このコネクタ61と結合されるレセプタクル62は、光ケーブル15の案内かつ位置決め用のV溝52が一体に形成された透明構造体31に一体に形成した場合である。V溝52を構成している部分の両側面にそれぞれ、係合部68,68が一体に突出され、その係合部68,68の突出面にそれぞれ位置決め面とほぼ直角に延長されたキー溝69,69が形成されている。係合部68,68の突部31aと反対側はそれぞれ徐々に突出し、つまり、係合部68,68の両突出面はその間隔が徐々に大になるようなテーパ面とされている。
【0022】コネクタ61の係合片65,65を位置決め面33に向けて透明構造体31に押し付けると、係合部68,68のテーパ面により係合片65,65の間隔が押し拡げられ、爪66,66が係合部68,68を通過すると弾性力により係合片65,65の間隔が狭まり、爪66,66が係合部68,68の位置決め面33側の面と係合して、コネクタ61とレセプタクル62が結合する。この際にコネクタ61の連結部63が透明構造体31の端面と衝合し、光ファイバ15の端面が位置決め面33と突き当るか近接し、位置決め面33と直角な方向における光ファイバ15の位置決めがなされる。またキー65,65がキー溝69,69にそれぞれ挿入案内されかつ光ファイバ15がV溝52内にかたよらず挿入されて、透明構造体31と平行な面内、及び垂直な面内における光ファイバ15の位置決めがなされる。
【0023】図7に示していないが、透明構造体31に対し、光半導体素子37が図1又は図4に示したように設けられる。また図7は光ファイバ15と光半導体素子37との光結合の例を示したが、光フラットファイバ15′と複数の光半導体素子37との光結合にも適用でき、同様に、1乃至複数の光導波路を有する光導波路基板の各光導波路と光半導体素子37との光結合にも、コネクタとレセプタクルによる着脱結合の構成を適用することもできる。
【0024】更に図1乃至図4において、光ファイバ15の代りに光導波路基板を用いてもよい。また光半導体素子37として発光素子を例として説明したが、受光素子を用いてもよい。図4乃至図7の構成において、図2及び図3を参照して説明したように、反射面34を集光曲面としてもよく、また透明構造体31の光半導体素子37と対向する部分に集光レンズ機能をもたせてもよい。
【0025】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば透明構造体に一体に突部を形成し、この突部に位置決め面と反射面を設け、光導波路体を位置決めして配置するようにしたから、その透明構造体はモールド品として高い寸法精度のものを容易かつ安価に入手できしかも、例えばフィディシャルマークを利用して、光半導体素子と高い位置精度で互に固定することができ、高い光結合効率を得ることができる。




 

 


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