JP2004354674A - 光モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】シリコン基板表面に形成されたＶ溝に接着剤を用いてレンズを固定する光モジュールにおいて、温度サイクル試験等によるレンズ位置ずれに起因する光出力の低下の起こらない、高信頼度を有する光モジュールを提供する。
【解決手段】シリコン基板の表面に異方性エッチングにより第一の斜面とそれに対向する第二の斜面を有するＶ形状または台形状の溝を形成し、溝内の第一の斜面を除いた領域のうち、少なくとも第二の斜面に接着剤を備え、溝内にレンズを配置して固定する。
【選択図】 図１
【解決手段】シリコン基板の表面に異方性エッチングにより第一の斜面とそれに対向する第二の斜面を有するＶ形状または台形状の溝を形成し、溝内の第一の斜面を除いた領域のうち、少なくとも第二の斜面に接着剤を備え、溝内にレンズを配置して固定する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光モジュールおよびその製造方法に関わり、特に接着剤を用いてレンズ等の光学部品をシリコン等の基板に固定する光モジュール及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高度情報化に伴い、光通信分野に関連する製品の市場規模が拡大している。このような状況においては、光モジュールの徹底的な低価格化が要求されている。光モジュールの低コスト化を実現する手段としては、例えば特開２０００−１２１８８３号公報に示されるように、シリコンからなる基板を用いその表面に異方性エッチングによる高精度Ｖ溝を設け、その中にレンズをパッシブアライメント搭載するという方法が挙げられる。これにより、半導体レーザを発光させ、最も光出力が大きくなるようレンズ位置を調整し、その後レンズを固定する、いわゆるアクティブアライメント搭載を実施する必要がなくなるため、レンズ搭載時間を大幅に短縮することができ、光モジュールの価格を低減することができる。
【０００３】
他方、特開２００１−９４１９１号公報には、球レンズの光学部品をシリコン基板に異方性エッチングによって形成されたＶ溝に光半導体素子の動作温度範囲の最低温度よりもガラス転移温度が低い樹脂を用いて接着固定することが記載されている。また、特開２００１−９４１９１号公報の従来の技術には、光学部品をエポキシ樹脂等の紫外線硬化型樹脂を用いて基板上に瞬間固定することも記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１２１８８３号公報
【特許文献２】
特開２００１−９４１９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、温度が変化しても光学部品の離脱及び位置ずれが生じにくく信頼性の高い光モジュールを実現するために、上記特許文献２では、光モジュールの動作温度よりも低いガラス転移温度を有する接着剤を用いている。
【０００６】
しかしながら、このような接着剤は接着強度が充分でなく、レンズが離脱する恐れがある。
【０００７】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、シリコン等の基板に形成された溝に対する光学部品の接着強度が充分で、しかも温度サイクル試験等による光学部品の位置ずれに起因する光出力の低下の起こらない、高信頼度を有する光モジュール及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、基板と、該基板の表面に設けられ前記基板の表面と鈍角で交わる第一の斜面とそれに対向する前記基板の表面と鈍角で交わる第二の斜面を有する溝と、前記基板の表面に搭載された光素子と、前記溝内に配置された光学部品を具備する光モジュールであって、前記第一の斜面と前記第二の斜面に前記光学部品が接触または近接する構造において、前記溝の前記第一の斜面を除いた面のうち、少なくとも前記第二の斜面に接着剤を設けて前記光学部品を固定することを特徴とする光モジュールである。
【０００９】
また、本発明は、シリコン基板と、前記シリコン基板の表面に異方性エッチングにより形成された、第一の斜面とそれに対向する第二の斜面を有するＶ形状または台形状の溝と、前記シリコン基板の表面に搭載された光素子と前記溝内に配置された光学部品を具備する光モジュールであって、前記第一の斜面と前記第二の斜面に前記光学部品が接触または近接する構造において、前記溝の前記第一の斜面を除いた面のうち、少なくとも前記第二の斜面に接着剤を設けて前期光学部品を固定することを特徴とする光モジュールである。
【００１０】
また、本発明は、前記光モジュールにおいて、前記接着剤が紫外線硬化型エポキシ樹脂であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、基板の表面に該基板の表面と鈍角で交わる第一の斜面とそれに対向する前記基板の表面と鈍角で交わる第二の斜面を有する溝を形成する溝形成工程と、前記基板の表面に光素子を搭載する光素子搭載工程と、前記溝形成工程で形成された溝の前記第一の斜面を除いた面のうち、少なくとも前記第二の斜面に接着剤を設けてレンズ等の光学部品を前記溝内に前記第一の斜面と前記第二の斜面に接触または近接するように配置する光学部品配置工程と、該光学部品配置工程で設けた接着剤を硬化する接着剤硬化工程とを含むことを特徴とする光モジュールの製造方法である。
【００１２】
また本発明は、シリコン基板の表面に異方性エッチングにより第一の斜面とそれに対向する第二の斜面を有するＶ形状または台形状の溝を形成する溝形成工程と、前記シリコン基板の表面に光素子を搭載する光素子搭載工程と、前記溝形成工程で形成された溝の前記第一の斜面を除いた面のうち、少なくとも前記第二の斜面に接着剤を設けてレンズ等の光学部品を前記溝内に前記第一の斜面と前記第二の斜面に接触または近接するように配置する光学部品配置工程と、該光学部品配置工程で設けた接着剤を硬化する接着剤硬化工程とを含むことを特徴とする光モジュールの製造方法である。
【００１３】
以上説明した本発明による構造を採れば、図５の模式図に示すように、モジュール内の温度が室温よりも低くなるとき、図７で現れたシリコン基板１とレンズ２との熱膨張係数の差によって出現する応力１２２は、接着剤３がない第一の斜面４１とレンズ２との間隙１０１がわずかに広がることで回避できる。よって、温度サイクル試験等を実施しても、レンズ２の位置ずれや離脱等は発生せず、よって光出力の劣化が起こらない高信頼度を有する光モジュールを実現することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る高信頼度を有する光モジュールの実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る光モジュールの一実施の形態を示したものである。（ａ）はレンズ搭載前、（ｂ）はレンズ搭載後の完成した状態を表す。レンズ２および光素子５が搭載される基板１にはシリコンを用いており、その表面には異方性エッチングにより高い寸法精度で形成された台形状の溝４が配置されている。溝４の形状に関しては、台形の底面を全てエッチングしＶ形状にしたものでも構わない。上記溝４は、上記基板１の表面と鈍角で交わる第一の斜面４１とそれに対向する上記基板１の表面と鈍角で交わる第二の斜面４２を有することになる。また、図示されていないが基板１の表面には配線やはんだ接続電極が形成され、しかるべき位置に半導体レーザ５がＡｕ−Ｓｎ等のはんだ接合により固定される。
【００１６】
Ｖ溝４内には、レンズ２が配置される。本実施の形態では鏡筒一体型の円筒レンズを用いた。レンズの種類に関しては、上記以外の光学部品を用いても構わない。具体的にはガラスのみで構成された円筒レンズ、あるいは球レンズを用いることは可能である。
【００１７】
シリコン基板１の溝４とレンズ２との接続にはＵＶ硬化型エポキシ系接着剤を適用した。本実施の形態では、協立化学産業株式会社製の８７７４を用いた。接着剤は上記以外のものでも構わないが、求められる条件としては、接着強度が強いこと（せん断強度が１Ｎ以上あることが望ましい）やレンズ搭載後の製造プロセス温度に耐性があること等が挙げられる。円筒レンズ２を図のように溝４内に挿入すると、溝４の第一の斜面４１と、それに対向する第二の斜面４２とにレンズ２が接触または近接して配置される形態になる。接着剤３を配置する箇所は、第二の斜面４２のみとした。接着剤３の塗布箇所は、溝４内のレンズと接触または近接する第一の斜面４１の除いた面の中の、少なくとも第一の斜面４２とすることが条件である。したがって、例えば塗布領域が第二の斜面４２のみでなく台形溝４の底面に及んでも構わない。
【００１８】
図２は、図１の本発明による光モジュールをパッケージに組み込んだ状態を表す一実施の形態で、（ａ）は上面図、（ｂ）は光軸垂直方向の断面図を示している。半導体レーザ５およびレンズ２が搭載されたシリコン基板１は、ペルチェクーラーやステムを介して、あるいは直接モジュールパッケージに搭載される。本実施例では、半導体レーザ５およびレンズ２が搭載されたシリコン基板１は、ペルチェクーラー６を介してモジュールパッケージ７にはんだ等にて固定される構造とした。半導体レーザに入力する電気信号やペルチェクーラーの電源等は、リード線８から入力され、フィードスルー９に形成された配線を介してモジュールパッケージ７内部に導入され、図示はしていないが、配線基板やボンディングワイヤを用いて各部品に伝送される。半導体レーザ５から発した光信号は、レンズ２により集光されて光ファイバ１０に結合し、モジュール外部へ出力される。
【００１９】
次に、本発明に係る光モジュールの製造方法の一実施の形態について図３を用いて説明する。
【００２０】
まず、図３（ａ）に示すように、表面に異方性エッチングにより形成された溝４を有するシリコン基板１を用意する。基板表面が［１００］面のシリコン基板を用いれば、図に示すように基板表面に対して鈍角（１２５°）で交わる第一の斜面４１と、第一の斜面４１に対向する、同じく基板表面に対して鈍角（１２５°）で交わる第二の斜面４２を有する溝が形成できる。この溝は、図に示すような底面が平坦な台形状の溝にすることも可能であるし、あるいは底面の平坦な部分を完全にエッチングしてＶ形状にすることも可能である。なお、レンズ２の外形を１．５ｍｍφ程度にした場合で、台形状の溝の場合には、溝の深さは０．８ｍｍ程度となり、溝の入り口の幅は１．８ｍｍ程度となる。
【００２１】
次に、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板１の表面上に形成された電極（図示していない）上に半導体レーザ５をＡｕ−Ｓｎはんだを用いて搭載する。半導体レーザ５は、出射光が溝４が形成されている方向へ、第一の斜面４１および第二の斜面４２に対して平行になるような向きに搭載する。
【００２２】
しかる後、次に説明するように、レンズ２の搭載工程を行う。レンズ２は半導体レーザ５からの出射光を集光するような位置に配置する。すなわち、レンズ２の光軸が第一の斜面４１および第二の斜面４２に平行になる、すなわち半導体レーザ５からの出射光と平行になるように配置する。このような向きで溝４内にレンズ２を配置すると、レンズ２が円筒、球など一般的な形状をなしている場合、第一の斜面４１および第二の斜面４２とレンズ２とが接触または近接することになる。
【００２３】
そこで、まず、図３（ｃ）に示すように、溝４の第二の斜面４２のみに接着剤３を塗布する。接着剤３には協立化学産業製のＵＶ硬化型エポキシ接着剤８７７４を使用した。接着剤３の塗布には、武蔵エンジニアリング製のディスペンサＭＬ−８０８ＥＸを用いて、微量の接着剤３を第二の斜面４２のみに供給できるように構成した。その結果、接着剤３の塗布箇所は、第二の斜面４２のみとした。接着剤３の塗布箇所は、溝４内のレンズと接触または近接する第一の斜面４１の除いた面の中の、少なくとも第二の斜面４２とすることが条件である。要するに、塗布領域が第二の斜面４２のみでなく台形溝４の底面に及んでも構わないけれども、図５（ａ）に示すように、レンズ２を図３（ｄ）に示すように降下したときレンズ２の外周下端部おいて鎖線で示すようにレンズの重心Ｇからの垂直線２１０を越えないように接着剤３を塗布する必要がある。それは、接着剤３を硬化させた後、温度サイクルにおいて、図７（ｃ）に示すようなレンズ２と接着剤との間でできるだけ張力が加わらないようにするためである。このように、溝４が台形状であれ、Ｖ形状であれ、第二の斜面４２のみに微量の接着剤３が位置するように供給して塗布すれば、レンズの外周に対してレンズの重心Ｇからの垂直線２１０を越えないように接着剤３を塗布することが可能となる。
【００２４】
次に、図３（ｄ）に示すように、溝４内にレンズ２を配置する。レンズ２の配置方向は上で述べた通りである。半導体レーザ５の光軸に垂直かつ基板表面と平行な方向をＸ軸、光軸に垂直かつ基板表面に垂直な方向をＹ軸、光軸方向をＺ軸とすると、レンズ２を溝４に配置した場合レンズ２のＸＹ座標は自ずから決定される。溝４は数μｍの寸法精度があり、レンズ２の外形も１０μｍ程度の寸法誤差であるため、簡単な実装で半導体レーザ５とレンズ２の相対位置精度は数十μｍ程度が確保できる。
【００２５】
しかる後に、図３（ｅ）に示すように、接着剤の硬化工程を実施する。まず、紫外線照射による硬化を行う。光源には超高圧水銀灯を用いた。紫外線光１１１の照射条件は４００ｍＷで５３秒とした。照射時は、レンズ２の頂点にシリコン基板１表面に対して法線方向に１００ｇｆの荷重１１２をかけた。紫外線照射終了後、加熱により本硬化する。その条件は温度１６０℃、保持時間２分、荷重は１００ｇを保持した状態とした。
【００２６】
以上の工程を経ることで、図３（ｆ）に示すように、本発明による光モジュールは完成する。このようにして得られた光モジュールは、温度サイクル試験等により光出力が劣化することがなく、信頼性の高い光モジュールおよびその製造方法を提供することができる。
【００２７】
次に、本発明に係る光モジュールについての温度サイクルによる信頼性試験結果について説明する。比較データとして、後述する図６に示される比較例により作製した試料についても同様の評価を行った。温度サイクル条件としては、−４０℃程度の冷却を３０分程度の間保持し、８５℃程度の加熱を３０分程度の間保持する工程を１サイクルとした。光モジュールの信頼性を評価する場合、通常は光出力の変動を測定するが、この評価法の場合出力変動の要因を切り分けることができない。そこで、本実施例ではシリコン基板１に対するレンズ２の高さ変動を直接測定することで、レンズ２の位置ずれ信頼性を評価した。その結果を図４および図８に示す。図４は本発明による光モジュールの評価結果、図８は後述する比較例における光モジュールの結果である。これらの図を比較すると明らかなように、後述する比較例による試料は温度サイクルとともにレンズ高さが上昇するサンプルが現れたが、本発明による試料は、２０００サイクルを超えても温度サイクル数の増加に伴うレンズ高さ変動は全く見られなかった。また、温度サイクル試験後のサンプルについて、走査型電子顕微鏡を用いて接続部の観察を行った結果、比較例による光モジュールには接続部にクラックが発生しているサンプルが見られたのに対し、本発明に係る光モジュールは、クラック等の異常は一切確認されなかった。
【００２８】
これらの光モジュールは、光学系の構成は同一で、例えばレンズが０．２μｍ動いたとき光出力の変動は最大で０．５ｄＢとなる。すなわち、比較例による光モジュールは、光出力変動が０．５ｄＢを超えるサンプルが存在しており、信頼性が低いことを意味している。一方、本発明による光モジュールは、図５の模式図で示した通り部材間の熱膨張係数差による応力の出現を回避することにより、レンズ２の位置ずれや離脱が防止でき、光出力劣化の起こらない信頼性の高い光モジュールが提供できることを示している。
【００２９】
次に、比較例について説明する。
【００３０】
図６は、シリコン基板１の表面に形成されたＶ溝４内に多量の接着剤３にてレンズ２を固定した比較例の構造を示したものである。（ａ）はレンズ２の搭載前、（ｂ）はレンズ２の搭載後の完成した姿を表す。このような多量の接着剤３によるレンズ固定構造を採ると、光モジュールに温度サイクル試験を実施することにより光出力が低下してしまうことがある。そのメカニズムを図７の模式図を用いて説明する。本現象は、レンズ２とシリコン基板１の熱膨張係数の差に起因する。光通信に用いられるレンズの熱膨張係数は８〜１１ｐｐｍ／Ｋ程度で、シリコン基板のそれは３ｐｐｍ／Ｋである。従って、図７（ａ）に示す常温から温度が低下した場合、図７（ｂ）に示すようにレンズ２はシリコン基板１よりも小さくなろうとするため、シリコン基板１のＶ溝斜面４３とレンズ２の接続部１２１にはＶ溝斜面４３に対して法線方向に応力１２２が働く。この応力１２２が接着剤３や接着剤３と各部品との界面に作用することにより接着剤破断もしくは界面剥離１２３が発生し、これによりレンズの位置ずれや離脱１２４が起こることで、光モジュールの光出力が低下することが予想される。
【００３１】
さらに、図２に示すように、シリコン基板１は、光モジュールのパッケージ内でペルチェクーラーやステム等に固定される。例えば、ペルチェクーラー６上に搭載される場合、シリコン基板１の下層はペルチェクーラー６の上板であるアルミナに拘束されることになる。アルミナの熱膨張係数は７ｐｐｍ／Ｋで、やはりシリコンよりも大きい。よって、温度が低下するとアルミナはシリコンよりも小さくなろうとするため、シリコンは上に反る、すなわちＶ溝が開く方向に力が働き、レンズ／シリコン接続部の応力をさらに増すことになる。
【００３２】
しかしながら、上述した本発明に係る実施の形態によれば、ＵＶ硬化型エポキシ接着剤からなる接着剤３を第二の斜面４２のみに塗布するようにしたことにより、温度サイクルにおいて、シリコン基板１の下層がペルチェクーラ６の上板であるアルミナに拘束されてシリコン基板が上に反ってＶ溝が開く方向に力が作用したとしても、レンズ２の位置ずれや離脱が防止でき、光出力劣化の起こらない信頼性の高い光モジュールが実現することが可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、接着強度が充分な接着剤を用いても、温度変化時に部材間の熱膨張係数差を起因とする応力がレンズとシリコンの接続部に出現することを回避できるため、温度サイクル試験等によりレンズの位置ずれや離脱が発生せず、よって光出力の劣化が起こらない高信頼度を有する光モジュールを実現することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光モジュールの一実施の形態を示す俯瞰図である。
【図２】本発明に係る光モジュールの一実施の形態を示す上面図及び断面図である。
【図３】本発明に係る光モジュールの製造方法の一実施の形態を示す俯瞰図である。
【図４】本発明に係る光モジュールの温度サイクル試験によるレンズの位置変動を測定したグラフである。
【図５】本発明の応力回避メカニズムを示す模式図である。
【図６】比較例による光モジュールを示す俯瞰図である。
【図７】比較例における応力発生メカニズムを示すグラフである。
【図８】比較例による光モジュールの温度サイクル試験によるレンズの位置変動を測定したグラフである。
【符号の説明】
１…基板（シリコン基板）、２…光学部品（レンズ）、３…接着剤、４…溝（Ｖ形状または台形状溝）、４１…第一の溝斜面、４２…第二の溝斜面、５…光素子（半導体レーザ）、６…ペルチェクーラー、７…モジュールパッケージ、８…リード線、９…フィードスルー、１０…光ファイバ、１０１…第一の斜面とレンズとの間隙、１１１…紫外線光（の方向）、１１２…荷重（の方向）、１２１…溝斜面とレンズの接続部、１２２…温度変化により発生する応力（ベクトル）、１２３…レンズと接着剤の剥離、１２４…レンズの位置ずれ、離脱（の方向）。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光モジュールおよびその製造方法に関わり、特に接着剤を用いてレンズ等の光学部品をシリコン等の基板に固定する光モジュール及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高度情報化に伴い、光通信分野に関連する製品の市場規模が拡大している。このような状況においては、光モジュールの徹底的な低価格化が要求されている。光モジュールの低コスト化を実現する手段としては、例えば特開２０００−１２１８８３号公報に示されるように、シリコンからなる基板を用いその表面に異方性エッチングによる高精度Ｖ溝を設け、その中にレンズをパッシブアライメント搭載するという方法が挙げられる。これにより、半導体レーザを発光させ、最も光出力が大きくなるようレンズ位置を調整し、その後レンズを固定する、いわゆるアクティブアライメント搭載を実施する必要がなくなるため、レンズ搭載時間を大幅に短縮することができ、光モジュールの価格を低減することができる。
【０００３】
他方、特開２００１−９４１９１号公報には、球レンズの光学部品をシリコン基板に異方性エッチングによって形成されたＶ溝に光半導体素子の動作温度範囲の最低温度よりもガラス転移温度が低い樹脂を用いて接着固定することが記載されている。また、特開２００１−９４１９１号公報の従来の技術には、光学部品をエポキシ樹脂等の紫外線硬化型樹脂を用いて基板上に瞬間固定することも記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１２１８８３号公報
【特許文献２】
特開２００１−９４１９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、温度が変化しても光学部品の離脱及び位置ずれが生じにくく信頼性の高い光モジュールを実現するために、上記特許文献２では、光モジュールの動作温度よりも低いガラス転移温度を有する接着剤を用いている。
【０００６】
しかしながら、このような接着剤は接着強度が充分でなく、レンズが離脱する恐れがある。
【０００７】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、シリコン等の基板に形成された溝に対する光学部品の接着強度が充分で、しかも温度サイクル試験等による光学部品の位置ずれに起因する光出力の低下の起こらない、高信頼度を有する光モジュール及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、基板と、該基板の表面に設けられ前記基板の表面と鈍角で交わる第一の斜面とそれに対向する前記基板の表面と鈍角で交わる第二の斜面を有する溝と、前記基板の表面に搭載された光素子と、前記溝内に配置された光学部品を具備する光モジュールであって、前記第一の斜面と前記第二の斜面に前記光学部品が接触または近接する構造において、前記溝の前記第一の斜面を除いた面のうち、少なくとも前記第二の斜面に接着剤を設けて前記光学部品を固定することを特徴とする光モジュールである。
【０００９】
また、本発明は、シリコン基板と、前記シリコン基板の表面に異方性エッチングにより形成された、第一の斜面とそれに対向する第二の斜面を有するＶ形状または台形状の溝と、前記シリコン基板の表面に搭載された光素子と前記溝内に配置された光学部品を具備する光モジュールであって、前記第一の斜面と前記第二の斜面に前記光学部品が接触または近接する構造において、前記溝の前記第一の斜面を除いた面のうち、少なくとも前記第二の斜面に接着剤を設けて前期光学部品を固定することを特徴とする光モジュールである。
【００１０】
また、本発明は、前記光モジュールにおいて、前記接着剤が紫外線硬化型エポキシ樹脂であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、基板の表面に該基板の表面と鈍角で交わる第一の斜面とそれに対向する前記基板の表面と鈍角で交わる第二の斜面を有する溝を形成する溝形成工程と、前記基板の表面に光素子を搭載する光素子搭載工程と、前記溝形成工程で形成された溝の前記第一の斜面を除いた面のうち、少なくとも前記第二の斜面に接着剤を設けてレンズ等の光学部品を前記溝内に前記第一の斜面と前記第二の斜面に接触または近接するように配置する光学部品配置工程と、該光学部品配置工程で設けた接着剤を硬化する接着剤硬化工程とを含むことを特徴とする光モジュールの製造方法である。
【００１２】
また本発明は、シリコン基板の表面に異方性エッチングにより第一の斜面とそれに対向する第二の斜面を有するＶ形状または台形状の溝を形成する溝形成工程と、前記シリコン基板の表面に光素子を搭載する光素子搭載工程と、前記溝形成工程で形成された溝の前記第一の斜面を除いた面のうち、少なくとも前記第二の斜面に接着剤を設けてレンズ等の光学部品を前記溝内に前記第一の斜面と前記第二の斜面に接触または近接するように配置する光学部品配置工程と、該光学部品配置工程で設けた接着剤を硬化する接着剤硬化工程とを含むことを特徴とする光モジュールの製造方法である。
【００１３】
以上説明した本発明による構造を採れば、図５の模式図に示すように、モジュール内の温度が室温よりも低くなるとき、図７で現れたシリコン基板１とレンズ２との熱膨張係数の差によって出現する応力１２２は、接着剤３がない第一の斜面４１とレンズ２との間隙１０１がわずかに広がることで回避できる。よって、温度サイクル試験等を実施しても、レンズ２の位置ずれや離脱等は発生せず、よって光出力の劣化が起こらない高信頼度を有する光モジュールを実現することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る高信頼度を有する光モジュールの実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る光モジュールの一実施の形態を示したものである。（ａ）はレンズ搭載前、（ｂ）はレンズ搭載後の完成した状態を表す。レンズ２および光素子５が搭載される基板１にはシリコンを用いており、その表面には異方性エッチングにより高い寸法精度で形成された台形状の溝４が配置されている。溝４の形状に関しては、台形の底面を全てエッチングしＶ形状にしたものでも構わない。上記溝４は、上記基板１の表面と鈍角で交わる第一の斜面４１とそれに対向する上記基板１の表面と鈍角で交わる第二の斜面４２を有することになる。また、図示されていないが基板１の表面には配線やはんだ接続電極が形成され、しかるべき位置に半導体レーザ５がＡｕ−Ｓｎ等のはんだ接合により固定される。
【００１６】
Ｖ溝４内には、レンズ２が配置される。本実施の形態では鏡筒一体型の円筒レンズを用いた。レンズの種類に関しては、上記以外の光学部品を用いても構わない。具体的にはガラスのみで構成された円筒レンズ、あるいは球レンズを用いることは可能である。
【００１７】
シリコン基板１の溝４とレンズ２との接続にはＵＶ硬化型エポキシ系接着剤を適用した。本実施の形態では、協立化学産業株式会社製の８７７４を用いた。接着剤は上記以外のものでも構わないが、求められる条件としては、接着強度が強いこと（せん断強度が１Ｎ以上あることが望ましい）やレンズ搭載後の製造プロセス温度に耐性があること等が挙げられる。円筒レンズ２を図のように溝４内に挿入すると、溝４の第一の斜面４１と、それに対向する第二の斜面４２とにレンズ２が接触または近接して配置される形態になる。接着剤３を配置する箇所は、第二の斜面４２のみとした。接着剤３の塗布箇所は、溝４内のレンズと接触または近接する第一の斜面４１の除いた面の中の、少なくとも第一の斜面４２とすることが条件である。したがって、例えば塗布領域が第二の斜面４２のみでなく台形溝４の底面に及んでも構わない。
【００１８】
図２は、図１の本発明による光モジュールをパッケージに組み込んだ状態を表す一実施の形態で、（ａ）は上面図、（ｂ）は光軸垂直方向の断面図を示している。半導体レーザ５およびレンズ２が搭載されたシリコン基板１は、ペルチェクーラーやステムを介して、あるいは直接モジュールパッケージに搭載される。本実施例では、半導体レーザ５およびレンズ２が搭載されたシリコン基板１は、ペルチェクーラー６を介してモジュールパッケージ７にはんだ等にて固定される構造とした。半導体レーザに入力する電気信号やペルチェクーラーの電源等は、リード線８から入力され、フィードスルー９に形成された配線を介してモジュールパッケージ７内部に導入され、図示はしていないが、配線基板やボンディングワイヤを用いて各部品に伝送される。半導体レーザ５から発した光信号は、レンズ２により集光されて光ファイバ１０に結合し、モジュール外部へ出力される。
【００１９】
次に、本発明に係る光モジュールの製造方法の一実施の形態について図３を用いて説明する。
【００２０】
まず、図３（ａ）に示すように、表面に異方性エッチングにより形成された溝４を有するシリコン基板１を用意する。基板表面が［１００］面のシリコン基板を用いれば、図に示すように基板表面に対して鈍角（１２５°）で交わる第一の斜面４１と、第一の斜面４１に対向する、同じく基板表面に対して鈍角（１２５°）で交わる第二の斜面４２を有する溝が形成できる。この溝は、図に示すような底面が平坦な台形状の溝にすることも可能であるし、あるいは底面の平坦な部分を完全にエッチングしてＶ形状にすることも可能である。なお、レンズ２の外形を１．５ｍｍφ程度にした場合で、台形状の溝の場合には、溝の深さは０．８ｍｍ程度となり、溝の入り口の幅は１．８ｍｍ程度となる。
【００２１】
次に、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板１の表面上に形成された電極（図示していない）上に半導体レーザ５をＡｕ−Ｓｎはんだを用いて搭載する。半導体レーザ５は、出射光が溝４が形成されている方向へ、第一の斜面４１および第二の斜面４２に対して平行になるような向きに搭載する。
【００２２】
しかる後、次に説明するように、レンズ２の搭載工程を行う。レンズ２は半導体レーザ５からの出射光を集光するような位置に配置する。すなわち、レンズ２の光軸が第一の斜面４１および第二の斜面４２に平行になる、すなわち半導体レーザ５からの出射光と平行になるように配置する。このような向きで溝４内にレンズ２を配置すると、レンズ２が円筒、球など一般的な形状をなしている場合、第一の斜面４１および第二の斜面４２とレンズ２とが接触または近接することになる。
【００２３】
そこで、まず、図３（ｃ）に示すように、溝４の第二の斜面４２のみに接着剤３を塗布する。接着剤３には協立化学産業製のＵＶ硬化型エポキシ接着剤８７７４を使用した。接着剤３の塗布には、武蔵エンジニアリング製のディスペンサＭＬ−８０８ＥＸを用いて、微量の接着剤３を第二の斜面４２のみに供給できるように構成した。その結果、接着剤３の塗布箇所は、第二の斜面４２のみとした。接着剤３の塗布箇所は、溝４内のレンズと接触または近接する第一の斜面４１の除いた面の中の、少なくとも第二の斜面４２とすることが条件である。要するに、塗布領域が第二の斜面４２のみでなく台形溝４の底面に及んでも構わないけれども、図５（ａ）に示すように、レンズ２を図３（ｄ）に示すように降下したときレンズ２の外周下端部おいて鎖線で示すようにレンズの重心Ｇからの垂直線２１０を越えないように接着剤３を塗布する必要がある。それは、接着剤３を硬化させた後、温度サイクルにおいて、図７（ｃ）に示すようなレンズ２と接着剤との間でできるだけ張力が加わらないようにするためである。このように、溝４が台形状であれ、Ｖ形状であれ、第二の斜面４２のみに微量の接着剤３が位置するように供給して塗布すれば、レンズの外周に対してレンズの重心Ｇからの垂直線２１０を越えないように接着剤３を塗布することが可能となる。
【００２４】
次に、図３（ｄ）に示すように、溝４内にレンズ２を配置する。レンズ２の配置方向は上で述べた通りである。半導体レーザ５の光軸に垂直かつ基板表面と平行な方向をＸ軸、光軸に垂直かつ基板表面に垂直な方向をＹ軸、光軸方向をＺ軸とすると、レンズ２を溝４に配置した場合レンズ２のＸＹ座標は自ずから決定される。溝４は数μｍの寸法精度があり、レンズ２の外形も１０μｍ程度の寸法誤差であるため、簡単な実装で半導体レーザ５とレンズ２の相対位置精度は数十μｍ程度が確保できる。
【００２５】
しかる後に、図３（ｅ）に示すように、接着剤の硬化工程を実施する。まず、紫外線照射による硬化を行う。光源には超高圧水銀灯を用いた。紫外線光１１１の照射条件は４００ｍＷで５３秒とした。照射時は、レンズ２の頂点にシリコン基板１表面に対して法線方向に１００ｇｆの荷重１１２をかけた。紫外線照射終了後、加熱により本硬化する。その条件は温度１６０℃、保持時間２分、荷重は１００ｇを保持した状態とした。
【００２６】
以上の工程を経ることで、図３（ｆ）に示すように、本発明による光モジュールは完成する。このようにして得られた光モジュールは、温度サイクル試験等により光出力が劣化することがなく、信頼性の高い光モジュールおよびその製造方法を提供することができる。
【００２７】
次に、本発明に係る光モジュールについての温度サイクルによる信頼性試験結果について説明する。比較データとして、後述する図６に示される比較例により作製した試料についても同様の評価を行った。温度サイクル条件としては、−４０℃程度の冷却を３０分程度の間保持し、８５℃程度の加熱を３０分程度の間保持する工程を１サイクルとした。光モジュールの信頼性を評価する場合、通常は光出力の変動を測定するが、この評価法の場合出力変動の要因を切り分けることができない。そこで、本実施例ではシリコン基板１に対するレンズ２の高さ変動を直接測定することで、レンズ２の位置ずれ信頼性を評価した。その結果を図４および図８に示す。図４は本発明による光モジュールの評価結果、図８は後述する比較例における光モジュールの結果である。これらの図を比較すると明らかなように、後述する比較例による試料は温度サイクルとともにレンズ高さが上昇するサンプルが現れたが、本発明による試料は、２０００サイクルを超えても温度サイクル数の増加に伴うレンズ高さ変動は全く見られなかった。また、温度サイクル試験後のサンプルについて、走査型電子顕微鏡を用いて接続部の観察を行った結果、比較例による光モジュールには接続部にクラックが発生しているサンプルが見られたのに対し、本発明に係る光モジュールは、クラック等の異常は一切確認されなかった。
【００２８】
これらの光モジュールは、光学系の構成は同一で、例えばレンズが０．２μｍ動いたとき光出力の変動は最大で０．５ｄＢとなる。すなわち、比較例による光モジュールは、光出力変動が０．５ｄＢを超えるサンプルが存在しており、信頼性が低いことを意味している。一方、本発明による光モジュールは、図５の模式図で示した通り部材間の熱膨張係数差による応力の出現を回避することにより、レンズ２の位置ずれや離脱が防止でき、光出力劣化の起こらない信頼性の高い光モジュールが提供できることを示している。
【００２９】
次に、比較例について説明する。
【００３０】
図６は、シリコン基板１の表面に形成されたＶ溝４内に多量の接着剤３にてレンズ２を固定した比較例の構造を示したものである。（ａ）はレンズ２の搭載前、（ｂ）はレンズ２の搭載後の完成した姿を表す。このような多量の接着剤３によるレンズ固定構造を採ると、光モジュールに温度サイクル試験を実施することにより光出力が低下してしまうことがある。そのメカニズムを図７の模式図を用いて説明する。本現象は、レンズ２とシリコン基板１の熱膨張係数の差に起因する。光通信に用いられるレンズの熱膨張係数は８〜１１ｐｐｍ／Ｋ程度で、シリコン基板のそれは３ｐｐｍ／Ｋである。従って、図７（ａ）に示す常温から温度が低下した場合、図７（ｂ）に示すようにレンズ２はシリコン基板１よりも小さくなろうとするため、シリコン基板１のＶ溝斜面４３とレンズ２の接続部１２１にはＶ溝斜面４３に対して法線方向に応力１２２が働く。この応力１２２が接着剤３や接着剤３と各部品との界面に作用することにより接着剤破断もしくは界面剥離１２３が発生し、これによりレンズの位置ずれや離脱１２４が起こることで、光モジュールの光出力が低下することが予想される。
【００３１】
さらに、図２に示すように、シリコン基板１は、光モジュールのパッケージ内でペルチェクーラーやステム等に固定される。例えば、ペルチェクーラー６上に搭載される場合、シリコン基板１の下層はペルチェクーラー６の上板であるアルミナに拘束されることになる。アルミナの熱膨張係数は７ｐｐｍ／Ｋで、やはりシリコンよりも大きい。よって、温度が低下するとアルミナはシリコンよりも小さくなろうとするため、シリコンは上に反る、すなわちＶ溝が開く方向に力が働き、レンズ／シリコン接続部の応力をさらに増すことになる。
【００３２】
しかしながら、上述した本発明に係る実施の形態によれば、ＵＶ硬化型エポキシ接着剤からなる接着剤３を第二の斜面４２のみに塗布するようにしたことにより、温度サイクルにおいて、シリコン基板１の下層がペルチェクーラ６の上板であるアルミナに拘束されてシリコン基板が上に反ってＶ溝が開く方向に力が作用したとしても、レンズ２の位置ずれや離脱が防止でき、光出力劣化の起こらない信頼性の高い光モジュールが実現することが可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、接着強度が充分な接着剤を用いても、温度変化時に部材間の熱膨張係数差を起因とする応力がレンズとシリコンの接続部に出現することを回避できるため、温度サイクル試験等によりレンズの位置ずれや離脱が発生せず、よって光出力の劣化が起こらない高信頼度を有する光モジュールを実現することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光モジュールの一実施の形態を示す俯瞰図である。
【図２】本発明に係る光モジュールの一実施の形態を示す上面図及び断面図である。
【図３】本発明に係る光モジュールの製造方法の一実施の形態を示す俯瞰図である。
【図４】本発明に係る光モジュールの温度サイクル試験によるレンズの位置変動を測定したグラフである。
【図５】本発明の応力回避メカニズムを示す模式図である。
【図６】比較例による光モジュールを示す俯瞰図である。
【図７】比較例における応力発生メカニズムを示すグラフである。
【図８】比較例による光モジュールの温度サイクル試験によるレンズの位置変動を測定したグラフである。
【符号の説明】
１…基板（シリコン基板）、２…光学部品（レンズ）、３…接着剤、４…溝（Ｖ形状または台形状溝）、４１…第一の溝斜面、４２…第二の溝斜面、５…光素子（半導体レーザ）、６…ペルチェクーラー、７…モジュールパッケージ、８…リード線、９…フィードスルー、１０…光ファイバ、１０１…第一の斜面とレンズとの間隙、１１１…紫外線光（の方向）、１１２…荷重（の方向）、１２１…溝斜面とレンズの接続部、１２２…温度変化により発生する応力（ベクトル）、１２３…レンズと接着剤の剥離、１２４…レンズの位置ずれ、離脱（の方向）。
Claims (5)
- 基板と、
該基板の表面に設けられ、前記基板の表面と鈍角で交わる第一の斜面とそれに対向する前記基板の表面と鈍角で交わる第二の斜面を有する溝と、
前記基板の表面に搭載された光素子と、
前記溝内に配置された光学部品を具備する光モジュールであって、
前記第一の斜面と前記第二の斜面に前記光学部品が接触または近接する構造において、前記溝の前記第一の斜面を除いた面のうち、少なくとも前記第二の斜面に接着剤を設けて前記光学部品を固定することを特徴とする光モジュール。 - シリコン基板と、
該シリコン基板の表面に異方性エッチングにより形成された、第一の斜面とそれに対向する前記基板の表面と鈍角で交わる第二の斜面を有するＶ形状または台形状の溝と、
前記シリコン基板の表面に搭載された光素子と
前記溝内に配置された光学部品を具備する光モジュールであって、
前記第一の斜面と前記第二の斜面に前記光学部品が接触または近接する構造において、前記溝の前記第一の斜面を除いた面のうち、少なくとも前記第二の斜面に接着剤を設けて前記光学部品を固定することを特徴とする光モジュール。 - 請求項１または２記載の接着剤が紫外線硬化型エポキシ樹脂であることを特徴とする光モジュール。
- 基板の表面に該基板の表面と鈍角で交わる第一の斜面とそれに対向する前記基板の表面と鈍角で交わる第二の斜面を有する溝を形成する溝形成工程と、
該溝形成工程で溝を形成した基板の表面に光素子を搭載する光素子搭載工程と、
前記溝形成工程で形成した溝の前記第一の斜面を除いた面のうち、少なくとも前記第二の斜面に接着剤を設けて光学部品を前記溝内に前記第一の斜面と前記第二の斜面に接触または近接するように配置する光学部品配置工程と、
該光学部品配置工程で設けた接着剤を硬化する接着剤硬化工程とを含むことを特徴とする光モジュールの製造方法。 - シリコン基板の表面に異方性エッチングにより第一の斜面とそれに対向する第二の斜面を有するＶ形状または台形状の溝を形成する溝形成工程と、
該溝形成工程で溝が形成されたシリコン基板の表面に光素子を搭載する光素子搭載工程と、
前記溝形成工程で形成された溝の前記第一の斜面を除いた面のうち、少なくとも前記第二の斜面に接着剤を設けて光学部品を前記溝内に前記第一の斜面と前記第二の斜面に接触または近接するように配置する光学部品配置工程と、
該光学部品配置工程で設けた接着剤を硬化する接着剤硬化工程とを含むことを特徴とする光モジュールの製造方法。
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