JP5849220B2

JP5849220B2 - 光モジュール

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Publication number: JP5849220B2
Application number: JP2011194764A
Authority: JP
Inventors: 豊衣笠; 朝日　信行; 信行朝日; 忠寛山路; 松本　卓也; 卓也松本; 西村　真; 真西村
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2031-09-07
Also published as: JP2013057718A

Description

本発明は、光信号を送信あるいは受信する光モジュールに関する。

従来の光モジュールとしては、特許文献１に記載されている光モジュールが知られている。この光モジュールでは、基板の表面に形成した溝（第１溝）に内部導波路を設けられている。この内部導波路は、光が伝播する屈折率の高い断面略正方形状のコア部と、それよりも屈折率の低いクラッド部とから構成されている。コア部１７の左右の両面（両側面）は、クラッド部で覆われ、コア部の上面も、クラッド部で薄く覆われている。

そして、基板の溝内にフォトマスクを用いてパターニングを行うことでコア部を形成し、ついで、フォトマスクの開口幅を拡げてパターニングを行うことでクラッド部を形成している。

特開２０１０−２４３９２０号

しかしながら、前記光モジュールでは、内部導波路のコア部を形成する工程とクラッド部を形成する工程とを別々の工程で行わなければならないので、工程が増加するという問題があった。

本発明は、前記問題を解消するためになされたもので、内部導波路のクラッド部を形成する工程を合理的に省略できるようにした光モジュールを提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するために、本発明は、表面において、少なくとも１本の第１溝と、前記第１溝よりも深く光ファイバーを載置するための第２溝とが連続して形成された基板と、前記基板の第１溝内に設けられた内部導波路のコア部と、前記第１溝の先端部に設けられた光路変換用のミラー部と、前記ミラー部と対向するように前記基板の表面に実装され、前記ミラー部を介して前記内部導波路のコア部に光信号を出射し、若しくは前記ミラー部を介して前記内部導波路のコア部からの光信号を受光する光素子と、前記光素子の発光面若しくは受光面と前記基板との間に充填されて、光素子を保護するためのアンダーフィル材と、前記第２溝内に光学接着剤により位置決め固定され、ファイバーコア部が前記内部導波のコア部と光学的に結合する光ファイバーとを備えたことを特徴とする光モジュールにおいて、前記内部導波路のクラッド部は、前記光ファイバーを固定するための前記光学接着剤、または前記光素子を保護するための前記アンダーフィル材の少なくとも一方を用いて形成され、前記光学接着剤またはアンダーフィル材は、前記内部導波路のコア部よりも屈折率が低いことを特徴とする光モジュールを提供するものである。

前記内部導波路のクラッド部は、前記光学接着剤と前記アンダーフィル材との組み合わせで構成することもできる。

前記内部導波路のクラッド部として用いる第１溝内の光学接着剤と、前記アンダーフィル材とが混合しないように、第１溝内に、前記クラッド部と略同じ屈折率の光透過性仕切り部を形成している構成とすることもできる。

前記内部導波路のクラッド部として用いる第１溝内の光学接着剤と、前記アンダーフィル材とが混合しないように、第１溝内に、前記コア部と同一材料で仕切り部を形成している構成とすることもできる。

本発明によれば、基板に内部導波路を形成する工程では、第１溝にコア部を形成するだけでよく、クラッド部は、光ファイバーを固定するための光学接着剤、または光素子を保護するためのアンダーフィル材の少なくとも一方を、第１溝に充填することで形成することができる。したがって、光学接着剤の充填工程と同時にクラッド部を形成でき、またはアンダーフィル材の充填工程と同時にクラッド部を形成できるから、内部導波路のクラッド部を形成する工程を省略できるようになる。

本発明の実施形態に係る光モジュールの概略側面図である。図１の発光側の光モジュールの第１実施形態の第１基板であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。第１実施形態の第１基板の平面図である。第２実施形態の第１基板であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。第２実施形態の第１基板の平面図である。第３実施形態の第１基板であり、（ａ）は図７（ｂ）のＩＩ−ＩＩ線断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。第３実施形態の第１基板であり、（ａ）は図７（ｂ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、（ｂ）は平面図である。第４実施形態の第１基板であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。第４実施形態の第１基板の平面図である。（ａ）（ｂ）は第１溝に仕切り部を嵌め込む手順の斜視図である。（ａ）（ｂ）は第１溝に仕切り部を滴下・硬化させる手順の斜視図である。（ａ）は第１溝内にコア部と仕切り部を同時形成した斜視図、（ｂ）は発光素子と第１基板との間の空間にアンダーフィル材を充填した透視的斜視図、（ｃ）（ｄ）は押えブロックと第２溝との間の空間に光学接着剤を充填した透視的斜視図である。（ａ）は仕切り部と流出防止部を同時形成した斜視図、（ｂ）は流出防止部を内部導波路のコア部と同時形成した斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明に係る光モジュールの概略側面図である。図２（ａ）は図１の発光側の光モジュールの第１実施形態の第１基板１の側面断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。図３は第１実施形態の第１基板１の平面図である。

図１において、光モジュールは、発光側の基板である第１基板（マウント基板）１と、受光側の基板である第１基板（マウント基板）３と、この第１基板１，３を光学的に結合する光ファイバー２とを備えている。なお、以下の説明においては、図１の上下方向（矢印Ｙの方向）を上下方向（高さ方向）、紙面と直交する方向を左右方向（幅方向）、図１の左側を前方、右側を後方という。

実装時の熱の影響や使用環境による応力の影響を避けるために、第１基板１，３には、剛性が必要である。また、光伝送の場合には、発光素子から受光素子までの光伝送のために所定割合以上の効率が必要になるので、光素子を高精度に実装することや使用中の位置変動を極力抑制する必要がある。このため、第１基板１，３として、本実施形態ではシリコン（Ｓｉ）基板が採用されている。

第１基板１，３がシリコン基板であれば、第１基板１，３は、シリコンの結晶方位を利用して表面に高精度のエッチング溝加工が可能である。この溝を利用して高精度なミラー部１５（後述）を形成することが可能である。この溝の内部に内部導波路１６（後述）を形成することが可能になる。また、シリコン基板の平坦性は良好である。

第１基板１，３は、それよりもサイズが大きい第２基板（別基板、例えば、インタポーザ基板）６の表面（上面）にそれぞれ設置されている。各第２基板６の裏面（下面）には、他の回路装置に電気的に接続するためのコネクタ７がそれぞれ取付けられている。

第１基板１の表面（上面）には、電気信号を光信号に変換する発光素子１２ａが発光面を下向きとしてバンプ１２ｃ（図２参照）で実装されている。また、第２基板６の表面には、この発光素子１２ａに電気信号を送信するためのＩＣ回路が形成されたＩＣ基板（信号処理部）４ａが実装されている。

発光素子１２ａとして、本実施形態では、半導体レーザである面発光レーザ〔ＶＣＳＥＬ（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ）〕が採用されている。この発光素子１２ａはＬＥＤ等でもよい。

ＩＣ基板４ａは、前記ＶＣＳＥＬを駆動するドライバＩＣであり、発光素子１２ａの近傍に配設されている。そして、発光素子１２ａおよびＩＣ基板４ａは、第１基板１の表面と第２基板６の表面に形成された配線パターンに接続されている。

第１基板１の表面には、図２および図３に示すように、断面形状が略台形状の第１溝（導波路形成用溝）１ａと、断面形状が略矩形状で、第１溝１ａよりも深く、かつ幅が広い第２溝１ｂが前後方向に連続して形成されている。

第１溝１ａの先端部には、発光素子１２ａの真下となる位置に、光路を９０度屈曲させるための光路変換用のミラー部１５が形成されている。

第１基板１の第１溝１ａ内には、第１基板１の発光素子１２ａと光学的に結合する内部導波路１６が設けられている。この内部導波路１６は、ミラー部１５から第２溝１ｂの方向に延在している。

内部導波路１６は、光が伝播する屈折率の高い断面略正方形状のコア部１７と、それよりも屈折率の低いクラッド部１８とから構成されている。

コア部１７の左右の両面（両側面）は、クラッド部１８で覆われている。また、コア部１７の上面も、クラッド部１８で薄く覆われている。

内部導波路１６が設けられた第１基板１の表面の所定位置には、発光素子１２ａが実装されている。この発光素子１２ａと第１基板１との間の空間には、アンダーフィル材（接着性の光学透明樹脂）１３が充填されている。アンダーフィル材１３は、発光素子１２ａを保護するためのものである。

アンダーフィル材１３としては、光素子（１２ａ，１２ｂ）とミラー部１５の間で光を伝播させるための透明性と、光素子（１２ａ，１２ｂ）の受・発光面を保護する目的から軟質の熱硬化樹脂が望ましい。例えばシリコーンゴムやシリコンゲル等のＪＣＲ（ジャンクションコーティングレジン）が好適である。

図１に戻って、受光側の第１基板３について説明する。この受光側の第１基板３の基本的な構成は、発光側の第１基板１と同様に構成されている。ただし、受光側の第１基板３の表面（上面）に、光信号を電気信号に変換する受光素子１２ｂが受光面を下向きとしてバンプで実装されている。また、第２基板６の表面に、この受光素子１２ｂが光−電流変換した信号を送信するＩＣ回路が形成されたＩＣ基板（信号処理部）４ｂが実装されている点で、発光側の第１基板１と異なる。この受光素子１２ｂとしては、ＰＤが採用されており、ＩＣ基板４ｂは、電流・電圧の変換を行うＴＩＡ（Ｔｒａｎｓ−ｉｍｐｅｄａｎｃｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）などの素子である。

発光側の第１基板１と受光側の第１基板３およびＩＣ基板４ａ，４ｂは、第２基板６の表面に取付けられたシールドケース８によってそれぞれシールドされている。光ファイバー２は、シールドケース８の貫通孔８ａを貫通している。

次に、光ファイバー２を説明する。光ファイバー２は、発光側の第１基板１の内部導波路１６のコア部１７と受光側の第１基板３の内部導波路１６のコア部１７とを光学的に結合可能なファイバーコア部２１を内部に有している。光ファイバー２は、ファイバーコア部２１と、このファイバーコア部２１の外周を包囲するファイバークラッド部２２と、このファイバークラッド部２２の外周を被覆するＵＶ硬化性樹脂で形成されたＵＶ被覆部２３とで構成されるＵＶ素線である。このファイバーコア部２１とファイバークラッド部２２と被覆部２３は、同心状に配置され、これらで構成される光ファイバー２は、円形断面を有する。

光ファイバー２は、図１に示されるように、シールドケース８の貫通孔８ａを貫通しており、第１基板１の第２溝１ｂの手前付近で被覆部２３が剥がされている。したがって、この剥がされた部分において、ファイバークラッド部２２が露出されている。

第１基板１の第２溝１ｂの底部には、光ファイバー２のファイバークラッド部２２が設置されている。

第１基板１の上側には、光ファイバー２のファイバークラッド部２２の上部には押えブロック２４が配置されている。この押えブロック２４と第２溝１ｂとの間の空間には、光学接着剤（透明樹脂）１４が充填されている。

光学接着剤１４としては、エポキシ系またはシリコン系の紫外線硬化接着剤を使い、押さえブロック（紫外線を透過させるガラス基板等）２４で光ファイバー２を第２溝１ｂに押さえ付けた状態で、押さえブロック２４の上部から紫外線を照射させて硬化させる。光ファイバー２を確実に固定させるために、押さえブロック・光ファイバー間の隙間への充填性に優れた低粘度で、かつ硬質の接着剤が望ましく、硬化前粘度５〜２０ｃＰ、硬化後の硬さ６０〜８０（ショアＤ）程度のものを使用することが望ましい。

このように、光ファイバー２のファイバークラッド部２２の先端側の部位は、押えブロック２４によって第２溝１ｂに押え付けられた状態となっている。この先端側の部位は、押えブロック２４とともに第１基板１の第２溝１ｂ内に、位置決めされた状態で、光学接着剤１４によって接着固定される。

一方、図２および図３に示したように、第１実施形態の第１基板１では、内部導波路１６のクラッド部１８は、光ファイバー２を固定するための光学接着剤１４を用いて形成されている。なお、光学接着剤１４は、内部導波路１６のコア部１７よりも屈折率が低く設定されている。

そして、第１溝１ａにコア部１７を形成した状態で、光ファイバー２のファイバークラッド部２２の上部に押えブロック２４を配置し、押えブロック２４と第２溝１ｂとの間の空間に、光学接着剤１４を充填する。

この光学接着剤１４の充填工程において、第１溝１ａに光学接着剤１４を同時に充填することで、クラッド部１８を形成する。

また、図４および図５に示したように、第２実施形態の第１基板１では、内部導波路１６のクラッド部１８は、発光素子１２ａを保護するためのアンダーフィル材１３を用いて形成されている。なお、アンダーフィル材１３は、内部導波路１６のコア部１７よりも屈折率が低く設定されている。

そして、第１溝１ａにコア部１７を形成した状態で、第１基板１の表面（上面）に、発光素子１２ａをバンプ１２ｃで実装し、発光素子１２ａと第１基板１との間の空間に、アンダーフィル材１３を充填する。

このアンダーフィル材１３の充填工程において、第１溝１ａにアンダーフィル材１３を同時に充填することで、クラッド部１８を形成する。

第１実施形態の第１基板１においては、光学接着剤１４の充填工程と同時にクラッド部１８を形成できる。また、第２実施形態の第１基板１においては、アンダーフィル材１３の充填工程と同時にクラッド部１８を形成できる。

したがって、光学接着剤１４またはアンダーフィル材１３の充填工程と同時にクラッド部１８を形成できるから、内部導波路１６のクラッド部１８を形成する工程を省略できるようになる。

図６および図７は、第３実施形態の第１基板１であり、内部導波路１６のクラッド部１８は、光学接着剤１４と前記アンダーフィル材１３との組み合わせで構成されている。

具体的には、図７（ｂ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である図６（ａ）のように、押えブロック２４と第２溝１ｂとの間の空間には、光学接着剤１４が充填され、発光素子１２ａと第１基板１との間の空間にはアンダーフィル材１３が充填されている。なお、光学接着剤１４とアンダーフィル材１３の屈折率は同等であることが望ましい。

そして、図７（ｂ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である図７（ａ）のように、アンダーフィル材１３の充填工程において、第１溝１ａの発光素子１２ａ側寄りにアンダーフィル材１３を同時に充填する。その後、光学接着剤１４の充填工程において、第１溝１ａの押さえブロック２４寄りに光学接着剤１４を同時に充填する。

第３実施形態の第１基板１においては、内部導波路１６のクラッド部１８は、光学接着剤１４とアンダーフィル材１３との組み合わせで構成されることになる。

すなわち、光ファイバー２側が光学接着剤１４のクラッド部１８となり、発光素子１２ａ側がアンダーフィル材１３のクラッド部１８となる。したがって、光ファイバー２側は、硬質の光学接着剤１４で光ファイバー２を確実に固定でき、発光素子１２ａ側は、軟質のアンダーフィル材１３で発光素子１２ａを保護できるようになり、適材適所で使い分けることができる。

ここで、アンダーフィル材１３の第１溝１ａ内での充填部位は発光素子１２ａの実装エリアの下部付近のみで、残りの部位は、光学接着剤１４が充填されるのが望ましいが、それぞれの粘度によって充填部位をコントロールできずに、樹脂同士が混ざってしまう可能性がある。そこで、下記の対策が有効になる。

図８および図９は、第４実施形態の第１基板１である。第３実施形態に関連して、内部導波路１６のクラッド部１８として用いる第１溝１ａ内の光学接着剤１４と、アンダーフィル材１３とが混合しないように、第１溝１ａ内のコア部１７の両側に、クラッド部１８と略同じ屈折率の光透過性仕切り部１ｆを形成している。

第４実施形態の第１基板１においては、内部導波路１６のクラッド部１８として用いる第１溝１ａ内の光学接着剤１４とアンダーフィル材１３とが、仕切り部１ｆで分離される。これにより、特性の異なる樹脂（光学接着剤１４とアンダーフィル材１３）同士が混ざり合わなくなる。したがって、光学的な信頼性に影響しなくなるとともに、混ざり合った部分で剥離を生じるおそれもなくなる。

第４実施形態における仕切り部１ｆを第１溝１ａ内に形成する方法を説明する。

図１０（ａ）のように、第１溝１ａ内のコア部１７の両側に合致する形状の２個のチップ状仕切り部１ｆを用意して、それを、図１０（ｂ）のように、第１溝１ａ内のコア部１７の両側に嵌め込んで固定する。

あるいは、図１１（ａ）のように、第１溝１ａ内のコア部１７の両側に、ディスペンサノズル３０で仕切り部１ｆ用の樹脂（クラッド用の高粘度の接着剤）を滴下（符号ｐ参照）して、それを、図１１（ｂ）のように、硬化させる。

さらに、図１２（ａ）のように、第１溝１ａ内にコア部１７を形成すると同時に、同一材料で仕切り部１ｆを形成することも可能である。

このように、仕切り部１ｆを内部導波路１６のコア部１７と同時に形成すれば、仕切り部１ｆを形成する工程を省略できるとともに、材料コストが安価になる。

第４実施形態の第１基板１において、第１溝１ａ内のコア部１７の両側に仕切り部１ｆが形成された状態で、図１２（ｂ）のように、第１基板１の表面（上面）に、発光素子１２ａをバンプで実装する。その後、発光素子１２ａと第１基板１との間の空間に、アンダーフィル材１３を充填する。この時、アンダーフィル材１３は、第１溝１ａ内において、発光素子１２ａ側の仕切り部１ｆまで充填する。

次に、図１２（ｃ）（ｄ）のように、光ファイバー２のファイバークラッド部２２の上部に押えブロック２４を配置し、押えブロック２４と第２溝１ｂとの間の空間に、光学接着剤１４を充填する。この時、光学接着剤１４は、第１溝１ａ内において、押さえブロック２４側の仕切り部１ｆまで充填する。

このようにして、第１溝１ａ内に、アンダーフィル材１３と光学接着剤１４とを順次に充填することができる。

図１３（ａ）のように、第１基板１の第１溝１ａ内に仕切り部１ｆを形成すると同時に、第１基板１ａの表面に、アンダーフィル材１３が光ファイバー２側に流れ出すのを防止するための流出防止部（堰き止め）１ｇを形成することができる。

また、図１０のような仕切り部１ｆの嵌め込み、図１１のような仕切り部１ｆの滴下・硬化では、図１３（ｂ）のように、仕切り部１ｆの両側に連続するように、第１基板１ａの表面に、流出防止部１ｇを内部導波路１６のコア部１７と同時に形成することができる。なお、図１３（ｂ）では仕切り部１ｆの図示は省略している。

以上のように、本実施形態の光モジュールは、表面において、少なくとも１本の第１溝と、前記第１溝よりも深く光ファイバーを載置するための第２溝とが連続して形成された基板と、前記基板の第１溝内に設けられた内部導波路のコア部と、前記第１溝の先端部に設けられた光路変換用のミラー部と、前記ミラー部と対向するように前記基板の表面に実装され、前記ミラー部を介して前記内部導波路のコア部に光信号を出射し、若しくは前記ミラー部を介して前記内部導波路のコア部からの光信号を受光する光素子と、前記光素子の発光面若しくは受光面と前記基板との間に充填されて、光素子を保護するためのアンダーフィル材と、前記第２溝内に光学接着剤により位置決め固定され、ファイバーコア部が前記内部導波のコア部と光学的に結合する光ファイバーとを備えたことを特徴とする光モジュールにおいて、前記内部導波路のクラッド部は、前記光ファイバーを固定するための前記光学接着剤、または前記光素子を保護するための前記アンダーフィル材の少なくとも一方を用いて形成され、前記光学接着剤またはアンダーフィル材は、前記内部導波路のコア部よりも屈折率が低いことを特徴とするものである。

これによれば、基板に内部導波路を形成する工程では、第１溝にコア部を形成するだけでよく、クラッド部は、光ファイバーを固定するための光学接着剤、または光素子を保護するためのアンダーフィル材の少なくとも一方を、第１溝に充填することで形成することができる。したがって、光学接着剤の充填工程と同時にクラッド部を形成でき、またはアンダーフィル材の充填工程と同時にクラッド部を形成できるから、内部導波路のクラッド部を形成する工程を省略できるようになる。

これによれば、光ファイバー側が光学接着剤のクラッド部となり、光素子側がアンダーフィル材のクラッド部となる。したがって、光ファイバー側は、硬質の光学接着剤で光ファイバーを確実に固定でき、光素子側は、軟質のアンダーフィル材で光素子を保護できるようになり、適材適所で使い分けることができる。

これによれば、内部導波路のクラッド部として用いる第１溝内の光学接着剤とアンダーフィル材とが、仕切り部で分離されることで、特性の異なる樹脂同士が混ざり合わなくなる。したがって、光学的な信頼性に影響しなくなるとともに、混ざり合った部分で剥離を生じるおそれもなくなる。

これによれば、材料コストが安価になる。

１第１基板
１ａ第１溝
１ｂ第２溝
１ｃ第３溝
１ｆ仕切り部
１ｇ流出防止部
２光ファイバー
１２ａ発光素子（光素子）
１２ｂ受光素子（光素子）
１３アンダーフィル材
１４光学接着剤
１５ミラー部
１６内部導波路
１７コア部
１８クラッド部
２１ファイバーコア部
２２ファイバークラッド部

Claims

表面において、少なくとも１本の第１溝と、前記第１溝よりも深く光ファイバーを載置するための第２溝とが連続して形成された基板と、
前記基板の第１溝内に設けられた内部導波路のコア部と、
前記第１溝の先端部に設けられた光路変換用のミラー部と、
前記ミラー部と対向するように前記基板の表面に実装され、前記ミラー部を介して前記内部導波路のコア部に光信号を出射し、若しくは前記ミラー部を介して前記内部導波路のコア部からの光信号を受光する光素子と、
前記光素子の発光面若しくは受光面と前記基板との間に充填されて、光素子を保護するためのアンダーフィル材と、
前記第２溝内に光学接着剤により位置決め固定され、ファイバーコア部が前記内部導波のコア部と光学的に結合する光ファイバーとを備えたことを特徴とする光モジュールにおいて、
前記内部導波路のクラッド部は、前記光ファイバーを固定するための前記光学接着剤及び前記光素子を保護するための前記アンダーフィル材の組み合わせを用いて形成され、前記光学接着剤及び前記アンダーフィル材は、前記内部導波路のコア部よりも屈折率が低いことを特徴とする光モジュール。
前記内部導波路のクラッド部として用いる第１溝内の光学接着剤と、前記アンダーフィル材とが混合しないように、第１溝内に、前記コア部と同一材料で仕切り部を形成していることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記内部導波路のクラッド部として用いる第１溝内の光学接着剤と、前記アンダーフィル材とが混合しないように、第１溝内に、前記クラッド部と略同じ屈折率の光透過性仕切り部を形成していることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。