JP4043477B2 - 光伝送モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、光配線に関し、特に電気信号を光信号に変換、または光信号を電気信号に変換するための光伝送モジュールとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来は、コンピュータ等による近距離でのデータ通信においては、電気信号が広く用いられてきた。近年はコンピュータの中央演算装置（ＣＰＵ）のクロック周波数の高周波数化に伴い、電気信号も高周波帯域が用いられるようになりつつある。
【０００３】
しかし、この様な高周波帯域での電気信号によるデータ通信においては、電気配線等による遅延やノイズが問題になりはじめている。そこで、電気信号に代わり光によるデータ通信が用いられ始めている。光によるデータ通信においては、伝送路に光ファイバを用い、マルチモードと呼ばれる数百メートル以内の近距離でのデータ通信から、シングルモードと呼ばれる数百キロメートル以上の遠距離でのデータ通信とに大別される。使用される光ファイバも、マルチモードとシングルモードとでは異なっており、マルチモードでは使用される高屈折率部（以下、コア）の径が50μmから60μm程度であるのに対し、シングルモードでは高屈折率部の径が7μｍ程度とマルチモードのコアより細い。シングルモードでコアが細いのは、コア内での伝播光路長が異なるモードの発生を抑え、長距離伝送しても光信号の波形を崩さないためである。これに対して、伝送距離が短いマルチモードでは伝播光路長が異なるモードが混在していても、それ程問題とはならない。
【０００４】
この様な光伝送においては、電気信号を光信号に変換、又は光信号を電気信号に変換する光伝送モジュールが用いられる。光伝送モジュールには、発光素子又は受光素子、もしくは双方が実装されている。上記したマルチモードの発光素子として、半導体レーザ素子、なかでも面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：VCSEL）素子が広く用いられている。
【０００５】
一般に市販されている光伝送モジュールは、面発光レーザ（VCSEL）素子の封止窓にレンズを一体に設けた構成で、レーザ光をレンズで集光し、外部に配置した光ファイバに光結合するタイプのVCSELモジュールである。
【０００６】
また、レーザ素子、駆動回路、受光素子、電流-電圧変換回路、封止用の一体成形レンズ等を光伝送モジュールとしてパッケージ内に一体化した例もあった（特許文献１）。
また、光ディスク記録再生用の半導体レーザモジュールであって、レーザ素子、出射窓、ケース、コリメータレンズ、出射窓近傍に配置した受光素子をモジュールとして一体化した例もあった（特許文献２）。
更に、伝送に用いる光ファイバ径より細いファイバを束にして、光の発散を抑制する構造（フェイスプレート構造）を光素子と伝送用光ファイバの間に配置した光素子モジュールの例もあった。この例においては、光素子とフェイスプレート、フェイスプレートと伝送用光ファイバの相互位置合わせは不要となる（特許文献３）。
【特許文献１】
特開平１０−１２６００２号公報
【特許文献２】
特開平１０−３０３５１３号公報
【特許文献３】
特開２０００−２３１０４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に市販されている光伝送モジュールでは、面発光レーザからの発光光をレンズで収束させているため、外部に設けられた光導波手段との光結合を取るための位置合わせが必要であり、購入した光モジュールに合致した構造体を別途設計・製造しなければならずコストが高くなってしまう。更に、市販されているモジュールは、発光するのみであり受光する手段を備えていない。
【０００７】
また、半導体レーザ素子、受光素子等をパッケージ内に実装し、レンズと一体に成形された光透過窓で封止する構造の光伝送モジュールにおいては、光透過窓の位置合わせができずレンズとレーザ素子との位置がずれた場合、修正する手段がない。
【０００８】
また、光ディスク記録再生用の半導体レーザにおいて、封止構造の光透過窓に光検出器や波面変換用素子を複合形成した構造が開示されている。また、レーザ光をコリメータレンズで平行光に変換するとともにコリメータレンズに反射面を設け反射光を受光する構造についても開示されているが、これらはいずれも光源自身の発光強度をモニタするのみである。
【０００９】
更に、光ファイバ径より細いファイバを束にした光の発散を抑制する構造（フェイスプレート）を光素子と光ファイバの間に配置した光素子モジュールは、フェイスプレートを光素子の封止窓と兼用させることが可能であるが、ファイバを束にした光パスは細いファイバ間のデッドスペースが存在するため、光のロスが大きいという問題がある。光配線においては、光源のパワーが減衰する程、S/N比が低下してしまうため、光素子と光ファイバの光結合効率は高い方がよい。また、フェイスプレート構造を用いても、光素子と伝送用光ファイバの相互位置合わせは必要である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、光素子と外部の光伝送手段との高効率な光結合が得られ、またその為の位置合わせが容易で、かつ外部の光伝送手段が容易に着脱できる光伝送モジュールとその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面は、外部の光伝送路と光信号によるデータ通信を行なう光伝送モジュールにおいて、外部の光伝送路との位置を決める構造を有する位置決め構造体と、光素子を搭載する基板と、位置決め構造体と外部の光伝送路との間にあり、光透過方向に光素子と外部の光伝送路とに対応した光導波構造を有する光透過窓とを有し、更に、位置決め構造体は基板を装着する装着部と光透過窓を装着する光透過窓装着部とを有するとともに、基板装着部に装着された基板と光透過窓装着部に装着された光透過窓とを各々微動させて外部の光伝送路との位置を調整できる構造を有し、前記光素子は、前記位置決め構造体に前記基板と前記光透過窓とを固定することで封止されることを特徴とする光伝送モジュールにある。
【００１２】
この様な構成としたことで、光素子を搭載した基板と、光透過窓とを容易に且つ正確に枠体に取り付けることができる光伝送モジュールが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施の形態例を示す光伝送モジュールの断面図である。
【００１４】
図２は、光伝送モジュールを電気配線基板に実装した例である。
【００１５】
図３は、基板に搭載される光素子部を示す概略図である。
【００１６】
図４は、光透過窓の構成例を示す概略図である。
【００１７】
図５は、本発明の第２の実施の形態例を示す光伝送モジュールの断面図である。
【００１８】
図６は、本発明の第３の実施の形態例を示す光伝送モジュールの断面図である。
【００１９】
図７は、発光素子と受光素子の双方を同一の基板に搭載させた光モジュールの断面をしめす図である。
【００２０】
図８は、枠体に光導波構造を有する光透過窓を位置合わせする方法を示す断面図である。
【００２１】
図９は、光透過窓を位置調整用する冶具の上面図である。
【００２２】
図１０は、枠体に光素子を搭載した基板を、外部の光伝送路に位置合わせを行なう様子を示した図である。
【００２３】
図１１は、実際の光伝送路を光伝送モジュールに接続する様子を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら、本発明の保護範囲は、以下の実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
(第１の実施の形態例)
図１は、本発明の第１の実施の形態例を示す光伝送モジュールの断面図である。光素子として、例えば面発光素子２が形成されたチップ１１を搭載した基板３と、光透過方向に光導波構造４として、例えば光ファイバが埋め込まれた光透過窓６とを、外部の光伝送路７との位置決め孔８を有する枠体９に、図示しない機密性の高い接着剤などで固定して、外気から封止することによって光伝送モジュール１００を形成する。
【００２５】
面発光素子２と、光透過窓６の光導波構造４との距離は数十ミクロンであり、面発光素子２から発した光は光導波構造４と高い効率で光結合し伝播する。
【００２６】
また、外部の光伝送路７は、位置決めピン８’等で枠体９と精度良く結合する構造を有し、更に光伝送構造、例えば光ファイバ７’を有している。光透過窓６は枠体に設けられた座繰り部に載置され、外部の光伝送路７の光伝送構造と高い効率で光結合するように、位置を微調整するため枠体とのスペース１３を有している。面発光素子２を搭載した基板３も枠体に設けられた座繰り部に装着され、位置を微調整する枠体とのスペース１４を有しており、外部の光伝送路７と高い効率で光結合するように位置を微調整した上で、接着・固定される。
【００２７】
更に、基板３は素子搭載面の裏面に、光源等を駆動する駆動回路と電気的接続を取るための配線ピン５が取り出されており、光伝送モジュールを配線基板に実装が可能な構造を有している。
【００２８】
図２は、光伝送モジュールを電気配線基板に実装した例である。図１に示した配線ピン５は、光素子を駆動するための配線ピンとグランド配線ピンの２本であるが、チップに形成された光素子の数や、光素子が形成されている半導体チップの数によって配線ピン５の数も増減する。光伝送モジュールは、電気配線基板２０上に実装される。電気配線基板には、光素子を駆動するためのドライバ回路２１やシリアル/パラレルを変換する変換回路２２等が実装されている。この様な電気配線基板２０に実装された光伝送モジュール１００は、外部の光伝送路７の着脱が可能である。
【００２９】
図３は、基板に搭載される光素子部を示す概略図である。図において、１０は、発光素子又は受光素子であり、半導体チップ１１に各光素子１０が所定のピッチで直線上に形成されている。このピッチは、上記した光透過窓の前記光導波構造と同一ピッチとなるように形成され、更に、外部の光伝送路とも同一ピッチとなるように形成される。また、光素子は半導体チップに少なくとも一つ、通常は複数形成されている。本例においては、素子数は４つである。半導体チップは、基板に公知のワイヤボンディング等によって実装されている。
【００３０】
図４は、光透過窓の構成例を示す概略図である。図において、高屈折率のコアとコアを被覆する低屈折率のクラッドからなる光ファイバ１２は、Ｖ溝の形成された石英基板ａに溝に沿って配置され、別の石英基板ｂによって挟み込まれ、隙間は低融点ガラスｃ等で埋め込まれる。
【００３１】
その後、光ファイバの長手方向に垂直な面で切り出され、両端面を光学研磨することにより、所定の厚みを有するように調整される。本例においては、石英基板と低融点ガラスとを材料としているが、ガラス基板なども使用することができる。しかし、この光透過窓は、光素子を搭載する基板を枠体とともに封止するので、光素子が外部の蒸気の影響を受けないように吸湿性の少ない材料を用いることが望ましい。
（第２の実施の形態例）
図５は、本発明の第２の実施の形態例を示す光伝送モジュールの断面図である。また、図において第１の実施の形態例と同一の部分は、同じ符号を用いる。光素子として、例えば面発光素子２が複数個形成されたチップ１１が搭載された基板３と、光透過方向に光導波構造４として、例えば光ファイバが埋め込まれた光透過窓６とを、外部の光伝送路７との位置決め孔８を有する枠体９に、図示しない機密性の高い接着剤などで固定して、外気から封止することによって光伝送モジュール２００を形成する。この構成は、チップ上に面発光素子２がアレイ状に形成され、面発光素子２が複数個形成されたチップ１１が基板に搭載されている他は、第１の実施の形態例とほぼ同様である。
【００３２】
外部の光伝送路７は、位置決めピン８’で枠体９と精度良く結合する構造を有する点、及び光透過窓６は、光伝送路７の有する光ファイバ７’と高い効率で光結合するように、位置を微調整するためのスペース１３を有する点、更に、面発光素子２を搭載した基板３も位置を微調整するスペース１４を有しており、外部の光伝送路７の光ファイバ７’と高い効率で光結合するように位置を微調整した上で、接着・固定される点についても、第１の実施の形態例と同様である。
【００３３】
仮に一つのチップに面発光素子が４×４のアレイ状に配置された場合は、光透過窓６の光導波構造４が例えば光ファイバであれば、面発光素子２に対応して、４×４のアレイ状に配置される。同様に、外部の光伝送路７の有する光ファイバ７’も４×４のアレイ状である。
【００３４】
また、本実施の形態例では、チップに搭載される面発光素子の数が４個であるので、少なくとも、面発光素子ごとの個別駆動配線ピン４本と、共通化したグランド配線ピン１本の合計５本の配線ピン５が必要となる。但し、グランド配線ピンの個別化や、光源の強度を測定する図示しない光検知器等の搭載によって、更に増える場合もある。
（第３の実施の形態例）
図６は、本発明の第３の実施の形態例を示す光伝送モジュールの断面図である。また、図において第１及び第２の実施の形態例と同一の部分は、同じ符号を用いる。光素子として、例えば光を検知する受光素子１が形成されたチップが搭載された基板３と、光透過方向に光導波構造４として、例えば光ファイバが埋め込まれた光透過窓６とを、外部の光伝送路７との位置決め孔８を有する枠体９に、図示しない機密性の高い接着剤などで固定して、外気から封止することによって光伝送モジュール３００を形成する。通常チップ上には、複数個の受光素子がアレイ状に形成されているが、一つの受光素子のみ形成されていてもよい。
【００３５】
外部の光伝送路７は、位置決めピン等で枠体９と精度良く結合する構造を有する点、及び光透過窓６は、光伝送路７と高い効率で光結合するように、位置を微調整するためのスペース１３を有する点、更に、光を検知する受光素子を搭載した基板３も位置を微調整するスペース１４を有しており、外部の光伝送路７と高い効率で光結合するように位置を微調整した上で、接着・固定される点については、第１及び第２の実施の形態例と同様である。
【００３６】
また、本実施の形態例では、基板３上に受光素子が形成されたチップを一つ搭載する例を示したが、第２の実施の形態例と同様に、基板３上に複数個の光素子が形成されたチップを搭載してもよい。
【００３７】
更に、光素子１として、面発光素子と受光素子とを混在させてもよい。図７は、発光素子１と受光素子２の双方を同一のチップに搭載させた光モジュールの断面をしめす図である。半導体レーザなどの発光素子２と、光を検知する半導体フォトダイオードなどの受光素子１とを搭載するチップが基板３上にマウントされ、枠体と光導波構造を有する光透過窓とで封止されている。通常は、チップ上に等ピッチで発光素子が形成され、受光素子も別のチップ上に等ピッチで形成される。このチップ上の発光素子のピッチと、別チップ上の受光素子のピッチが同じ場合は、チップの配列を調整することにより、各光素子はアレイ状に形成することができる。
【００３８】
図６及び図７において、受光素子と光結合する光透過窓の光導波構造に対して、封止体内にレンズ３０が形成されている。このレンズは、外部の光伝送路７から光伝送モジュールへと入射してくる光が、光透過窓の有する光導波構造４から封止体内部に発散して出射されるため、光導波構造４の封止体側に発散を防止するために形成される。マイクロレンズ３０を形成することで、光を収束することができるため、受光素子の面積を小さくできる他、ノイズを低減し、応答性を高速化することもできる。
【００３９】
このマイクロレンズ３０は、光導波構造を有する光透過窓を形成する際に、受光素子に対応する導波路、例えば長手方向に垂直に切断され、研磨によって平坦になった光ファイバの断面上に形成される。具体的なレンズの形成方法としては、液体状の紫外線硬化樹脂をインクジェット技術等によって、光ファイバ１本に対して１滴程度吹き付けて、その後紫外線を照射することで樹脂を硬化させる方法がある。
【００４０】
また、光透過窓が有する光導波構造がマルチモード導波路の場合では、レンズの径が小さいこともあり、レンズの形状を精密に制御する必要はなく、紫外線硬化樹脂やその他の樹脂の粘度を調整することで再現性よく形成することができる。
（第４の実施の形態例）
本発明の第１乃至第３の実施の形態例で述べた光伝送モジュールは、以下に説明する方法によって製造される。図８は、枠体に光導波構造を有する光透過窓を位置合わせする方法を示す断面図である。図において、複数の光導波構造４がアレイ状に形成されている光透過窓を位置合わせする場合を例にとって説明する。
【００４１】
まず、枠体９の、光素子を搭載する基板３を固定する側から、光透過窓６に接触する位置まで挿入できる、位置合わせ用光ファイバ冶具３１を用意する。この冶具は、例えばアレイ状に形成された光ファイバからなり、枠体と精密な位置合わせが可能な孔３２が形成されている。また、この冶具の光ファイバは、基板に搭載される光素子と同一の位置に正確に配置されている。
【００４２】
また、光透過窓を固定する側から枠体と精密な位置合わせが可能な孔３３を有し、外部の光伝送路と同様に配列された光ファイバアレイを有する光コネクタ冶具３４を用意する。
【００４３】
次に、枠体の位置合わせ用の孔に位置決めピン８’を通し、位置合わせ用光ファイバ冶具３１と、光コネクタ冶具３４とで枠体を挟み込む。これら２つの冶具は、位置決めピン８’によって枠体に設けられた位置決め孔を貫通するように装着した状態で、相互に各光ファイバのコア軸が合っている。この状態で、枠体に設けられた座繰り部の光透過窓を搭載する位置に光透過窓６を乗せる。そして、外部から光コネクタ冶具３４に結合させた光が、光透過窓６内の光導波構造４を経由して、位置合わせ用光ファイバ冶具３１の対応する光ファイバに効率よく結合するよう光透過窓６の位置を調整する。調整は、図８の破線で表された冶具を用いる。
【００４４】
図９は、光透過窓を位置調整用する冶具の上面図である。この位置調整用の冶具は、調整用のハンドル４０と、ハンドルから延びて光透過窓に当接するアーム４１からなる。本実施の形態では、アームは３本であるが、アームの本数は特に限定しない。回転を含む、平面的な位置合わせができるようにアームを設ければよい。この位置調整用の冶具のハンドルを操作して、光透過窓６の位置をスペース１３の許容範囲内で微動させ、位置合わせ用光ファイバ冶具３１から取り出される光の強度が最大となるように調整し、固定する。固定するには、光素子を封止可能な湿度や温度変化に対する耐環境性を有する接着剤を用いる。続いて、半導体チップを搭載する基板の位置合わせについて説明する。
【００４５】
図１０は、枠体９に光素子を搭載した基板を、外部の光伝送路に位置合わせを行なう様子を示すものである。外部の、配列された光ファイバアレイを有する光コネクタ冶具３４を、位置合わせピン８’を枠体の位置決め孔に通すことで枠体に装着する。光透過窓と光コネクタ冶具とは既に合わせが済んでいるので、素子が発光素子である場合は、一時的に発光させ光コネクタ冶具３４から検出される光強度が最大になるようにスペース１４の許容範囲内で微動させ、位置合わせを行なう。この時の冶具４２は、例えば真空吸着等で回転を含む平面的な位置合わせの可能な図示しないステージ等によって行なわれる。図中で点線は、光伝送モジュールの接続ピンを表している。そして、基板は光コネクタとの位置合わせが終了すると、光透過窓と同様に耐環境性を有する接着剤によって封止、固定される。
【００４６】
以上、光素子が発光素子である例を挙げて説明したが、受光素子の場合も発光素子とほぼ同様である。外部の、配列された光ファイバアレイを有する光コネクタ冶具を、位置合わせピンによって枠体に装着する。光透過窓と光コネクタ冶具とは既に合わせが済んでいるので、素子が受光素子である場合は、外部の、配列された光ファイバアレイから光を入射させ受光素子から検出される光強度が最大になるようにスペース１４の許容範囲内で微動させ、位置合わせを行なう。位置合わせの冶具は、発光素子の場合と同様でよい。
【００４７】
以上の工程で、形成された光伝送モジュールは本発明の第１の実施の形態例で説明したとおり、電気配線基板に実装される。実際に光伝送モジュールを使用するには、外部の光伝送路との接続をとる必要がある。図１１は実際の光伝送路を光伝送モジュールに接続する様子を示した図である。
【００４８】
図１１（ａ）では、外部の伝送路のコネクタ７に、固定用のコネクタケース５０をかぶせた様子を図示している。コネクタケース５０は、ロック機構５１とツメ部５２を有し、光伝送モジュールもコネクタケースに対応した溝部５３を有している。次に、図１１（ｂ）に示すとおりコネクタケース５０を上部から加圧するとロック機構５１がしなってツメ部５２が枠体の溝５２にはまって固定される。このとき外部の伝送路に設けられた位置合わせピンで枠体に高精度で固定されるため、光素子は外部の伝送路と高効率で光結合する。
【００４９】
この構造であれば、空気中の埃が溜まるなどして、光透過窓が汚れた場合、コネクタケースのロック機構をはずして、汚れた光透過窓をクリーニングすることが可能である。しかしながら、外部の光伝送路と光伝送モジュールの接続は、本実施の形態例に限らない。外部の光伝送路を接続ピンで位置決めした後、接着してもよいし、接着後埃等が進入しないように覆いを付けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上、本発明によれば、光素子と外部の光伝送手段との高効率な光結合が得られ、またその為の位置合わせが容易で、かつ外部の光伝送手段が容易に着脱できる光伝送モジュールとその製造方法を提供することができる。

Claims (10)

1. 外部の光伝送路と光信号によるデータ通信を行なう光伝送モジュールにおいて、
   前記外部の光伝送路との位置を決める構造を有する位置決め構造体と、
   光素子を搭載する基板と、
   前記位置決め構造体と前記外部の光伝送路との間にあり、光透過方向に前記光素子と該外部の光伝送路とに対応した光導波構造を有する光透過窓とを有し、
   更に、前記位置決め構造体は前記基板を装着する基板装着部と前記光透過窓を装着する光透過窓装着部とを有するとともに、当該基板装着部に装着された該基板と当該光透過窓装着部に装着された該光透過窓とを各々微動させて前記外部の光伝送路との位置を調整できる構造を有し、
   前記光素子は、前記位置決め構造体に前記基板と前記光透過窓とを固定することで封止されること
   を特徴とする光伝送モジュール。
2. 請求の範囲第１項において、
   前記位置決め構造体は、前記外部の光伝送路に設けられた位置決め孔又は位置決めピンに結合する位置決めピン又は位置決め孔を有することを特徴とする光伝送モジュール。
3. 請求の範囲第1項において、
   前記位置決め構造体は、前記外部の光伝送路に設けられた第１の位置決め孔とピンによって結合する第２の位置決め孔を有することを特徴とする光伝送モジュール。
4. 請求の範囲第1項において、
   前記位置合わせ構造体の前記基板装着部又は前記光透過窓装着部は座繰り部を有し、
   前記座繰り部に前記基板又は前記光透過窓が装着され、前記座繰り部の内壁と装着された前記基板又は前記光透過窓とが所定の距離離れて前記外部の光伝送路との位置を調整できる構造をなすことを特徴とする光伝送モジュール。
5. 請求の範囲第１項において、
   前記光素子が発光素子又は受光素子もしくは双方であることを特徴とする光伝送モジュール。
6. 請求の範囲第１項において、
   前記基板は前記光素子が複数形成されたチップを1個又は複数搭載していることを特徴とする光伝送モジュール。
7. 請求の範囲第１項において、
   前記光素子が受光素子を含み、該受光素子に対応する前記光導波構造の光素子側にレンズが形成されていることを特徴とする光伝送モジュール。
8. 請求の範囲第１項において、
   更に、外部の光伝送路を前記位置決め構造体に着脱できるように固定する固定構造体を有することを特徴とする光伝送モジュール。
9. 基板が搭載する光素子を位置決め構造体と当該基板と光導波構造を有する光透過窓とで封止する光伝送モジュールの製造方法であって、
   前記光透過窓の前記光導波構造が外部の光伝送路と光結合するように当該光透過窓を前記位置決め構造体に対して位置合わせをして固定する第１の工程と、
   前記光素子が前記光透過窓の前記光導波構造を通して前記外部の光伝送路と光結合するように前記光素子を搭載する基板を前記位置決め構造体に対して位置合わせをして固定する第２の工程とを含むことを特徴とする光伝送モジュールの製造方法。
10. 請求の範囲第９項において、
    前記光素子が発光素子であり、前記外部の光伝送路から取り出される光強度が最大となるように前記第２の工程を行なうことを特徴とする光伝送モジュールの製造方法。

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