JP5847473B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、実装基板上に光学素子を搭載し、光学素子と光ファイバとを光結合させる光モジュールに関する。

発光素子や受光素子等の光学素子と、光ファイバとを光結合させる光モジュールは、これら光学素子と光ファイバとを低損失で高い光結合効率にすることが求められる。このためには、高精度に光軸の位置合わせをおこない実装する必要がある。

このような光結合の構造としては、たとえば、基板上にＶ溝を形成し、このＶ溝に光ファイバを沿わせ、補助ガイド基板を介して光ファイバをＶ溝に固定する。そして、補助ガイド基板の側部であり、光ファイバの端面に位置するように、端面発光型の発光素子アレイを配置することにより、Ｖ溝の長さ方向であるＸ軸方向上で光ファイバと発光素子との光結合をおこなうようにした構成が開示されている（たとえば、下記特許文献１参照。）。

特開平８−２０１６６４号公報

しかしながら、上記の技術では、基板のＶ溝上に発光素子アレイおよび光ファイバをいずれも実装する構造であるため、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の３方向全てに対して光軸の位置合わせが必要となった。Ｖ溝内に光ファイバは収容され、Ｖ溝上に発光素子アレイが搭載されるが、Ｘ軸に対し光ファイバの中心（コア）の光軸が沿っていたとしても、Ｖ溝上に配置される発光素子アレイは、Ｖ溝を用いて位置決めされていないため、光ファイバと発光素子アレイとの間では、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸で光軸の位置合わせが必要となる。

また、上記のようなＶ溝は、Ｘ軸に沿って光ファイバを収容するため、光ファイバ単体でみれば、Ｙ軸およびＺ軸に対しては逆に自由度がなく、光ファイバ側を移動させて光軸の位置合わせをおこなうことが困難になる。Ｖ溝は、並列に複数設けて複数の光ファイバを収容し、Ｖ溝のピッチで配置された発光素子アレイとの間における複数の光軸の光結合には適しているが、単一の光軸上での光ファイバと光学素子との間における位置合わせについては、自由度が制約されるため、高精度な光結合には向いていない。

加えて、光モジュールに搭載される光学素子として、発光素子だけではなく波長変換素子等が搭載される構造となると、光の結合箇所が増え、その数分だけ光軸合わせが必要となる。

上述の説明では、光ファイバと光学素子との光結合について説明したが、基板上に光導波路が形成され、この光導波路と、光ファイバとの光結合をおこなう場合においても、両者の光軸合わせを容易かつ高精度におこなえることが望まれている。また、光モジュールが組み込まれる装置の小型化により、部品点数が少なく全体サイズが小さいことも望まれている。

本発明は、上述の従来技術による問題点を解消するため、簡単な構造で高精度に組み立てでき小型化できる光モジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる光モジュールは、実装基板と、前記実装基板に搭載された光学素子と、光ファイバと、前記光ファイバを支持する支持部材と、を備え、前記実装基板に対し、前記支持部材の前記光ファイバが支持された面が対向して実装され、前記光学素子と前記光ファイバとが光学的に結合する光モジュールにおいて、前記支持部材は、前記光ファイバの端部を固定する所定長さのファイバ固定溝を有し、前記ファイバ固定溝は、前記実装基板に対する前記光ファイバの接触を避けるための深さを有する第１の溝と、前記第１の溝の中に形成され、前記第１の溝よりも幅が狭く、前記光ファイバを固定するための第２の溝とを有し、前記実装基板に対する前記支持部材の実装によって前記光学素子の出射端と前記光ファイバの入射端とが光学的に結合する結合箇所は、前記実装基板の端部から所定距離内部の位置に設けられ、前記実装基板と前記支持部材とが面接合され、前記第１の溝は、前記光ファイバのクラッド径以上の幅であり、前記第２の溝は、前記第１の溝の中にクラッド径の半分程度の深さを有することを特徴とする。

上記の構成により、支持部材には光ファイバの端部が所定長さ固定されて、この支持部材が実装基板に実装され、光学素子と光ファイバとが光学的に結合する箇所は、実装基板上であり、端部ではなく内部位置にでき、両者を結合できるようになる。これにより、実装基板に光ファイバを安定して保持でき小型化できる。また、実装基板上での光学素子の配置位置を端部ではなく内部位置にでき、光学素子に対する温度制御を効率的におこなえるようになる。また、実装基板の端部に固定具等の突出する部分が形成されることがなく、引っかかり等が生じにくく取り扱いを容易におこなえ、小型化できるようになる。また、実装基板に光ファイバを支持する支持部材を接合する際に、実装基板の光ファイバの位置に設けた逃がし溝（第１の溝）により、光ファイバが実装基板に接触することがなく、調芯のための移動を容易におこなえるようになる。

また、前記支持部材および前記光学素子は、表面活性化接合により前記実装基板に接合されることを特徴とする。

上記の構成により、実装基板上に、光学素子と、支持部材に支持された光ファイバとを面接合で簡単に接合させることができ、調芯が容易におこなえ、高精度に光結合できるとともに、加温等が不要で常温接合できるため、光学素子の損傷等を防止できるようになる。

また、前記光学素子は、所定波長の光を出射するレーザ・ダイオードと、前記レーザ・ダイオードから出射される波長の光を波長変換して出射する波長変換素子と、を含むことを特徴とする。

上記の構成により、異なる光学素子を実装基板上に実装することができるようになり、波長変換した光を出射できるようになる。

また、前記光学素子として、さらに、前記実装基板上に形成され、前記波長変換素子の出射光を前記光ファイバの入射端まで導波する光導波路を含むことを特徴とする。

上記の構成により、光導波路を含む各種の光学素子を実装基板上に実装することができるようになる。この光導波路の形状を曲げたり、長さを設定する等により、実装基板上での光の出射端の位置を任意の位置に設定でき、実装基板上の各光学素子のレイアウトを自由に設定でき、実装基板の全体サイズを小型化できるようになる。

本発明にかかる光モジュールによれば、簡単な構造で高精度に組み立てでき小型化できる光学素子と光ファイバとを、実装基板上の同一平面上で光学的に結合させて実装することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかる光モジュールの斜視図である。 図２は、実施の形態１にかかる光モジュールの実装基板を示す斜視図である。 図３−１は、実施の形態１にかかる光モジュールのサブ基板を示す斜視図である。 図３−２は、サブ基板に対する光ファイバの固定状態を示す斜視図である。 図４−１は、実装基板の平面図である。 図４−２は、実装基板の形成過程を示す側断面図である（その１）。 図４−３は、実装基板の形成過程を示す側断面図である（その２）。 図４−４は、実装基板の形成過程を示す側断面図である（その３）。 図４−５は、実装基板の形成過程を示す側断面図である（その４）。 図４−６は、実装基板の形成過程を示す側断面図である（その５）。 図５−１は、実装基板に対するＬＤ素子の実装状態を示す側断面図である。 図５−２は、実装基板に対する波長変換素子の実装状態を示す側断面図である。 図６は、調芯実装装置の構成を示す図である。 図７は、ＬＤ素子と波長変換素子との位置関係を示す図である。 図８は、検出器の出力電圧と調芯実装機によって印加される荷重との関係を示したグラフである。 図９−１は、実装基板および光ファイバの端部を固定保持するサブ基板を示す斜視図である。 図９−２は、サブ基板の調芯状態を示す図である（その１）。 図９−３は、サブ基板の調芯状態を示す図である（その２）。 図１０−１は、実施の形態１にかかる光モジュールのサブ基板の他の構成例を示す正断面図である。 図１０−２は、サブ基板を実装基板に接合した状態を示す正断面図である。 図１１は、実施の形態２にかかる光モジュールの斜視図である。 図１２は、サブ基板の取り付け状態を示す斜視図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる光モジュールの好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
（光モジュールの構成）
図１は、実施の形態１にかかる光モジュールの斜視図である。光モジュール１００は、平板状の実装基板１０１と、実装基板１０１上に搭載される光学素子１０２，１０３と、ブロック状のサブ基板（支持部材）１０４と、シングルモード（ＳＭ）の光ファイバ１０５とを含み構成される。実装基板１０１は、筐体１１０上に設けられる。

実装基板１０１としては、シリコン基板が用いられる。サブ基板１０４としては、シリコン基板あるいはガラス基板が用いられる。実装基板１０１上には、光学素子として、ＬＤ（レーザ・ダイオード）素子１０２と、ＬＤ素子１０２から出射された光の波長変換をおこなうための波長変換素子（一例としてＰＰＬＮ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）１０３とが実装される。

上記構成の光モジュール１００では、たとえば、ＬＤ素子１０２から出射される波長１０６４ｎｍの近赤外光を、波長変換素子１０３において５３２ｎｍの緑色レーザに波長変換して出射する。

サブ基板１０４は、光ファイバ１０５の端部を保持し、実装基板１０１に接合される。サブ基板１０４が実装基板１０１に接合された状態で光ファイバ１０５の端部は、波長変換素子１０３に直接、光結合される。この光ファイバ１０５の端部には、結合部材としてのＧＩレンズを一体的に設ける構成としてもよい。

図２は、実施の形態１にかかる光モジュールの実装基板を示す斜視図である。実装基板１０１の上面には、ＬＤ実装パターン２０１と、波長変換素子実装パターン２０２と、光ファイバ実装パターン２０３とが設けられる。これらＬＤ実装パターン２０１〜光ファイバ実装パターン２０３は、それぞれ金（Ａｕ）等の金属からなる導電性のパターンであり、後述する製造方法により、表面上には多数の微細な凸部（マイクロバンプ）が形成される。

ＬＤ実装パターン２０１は、ＬＤ素子１０２の大きさ程度を有し、ＬＤ素子１０２底面に接合してＬＤ素子１０２を固定する。波長変換素子実装パターン２０２は、波長変換素子１０３の長さ方向に平行な２本のライン状に設けられ、波長変換素子１０３の電極にそれぞれ接合し、電気的に接続するとともに、波長変換素子１０３を固定する。光ファイバ実装パターン２０３は、実装基板１０１上にサブ基板１０４を固定するためのパターンであり、図示のように、実装基板１０１の端部に所定間隔を有して２箇所に設けられる。

実装基板１０１の端部において、光ファイバ実装パターン２０３の間には、ファイバ逃がし溝２０４が形成されている。ファイバ逃がし溝２０４は、光ファイバ１０５の外径より大きな径を有する。図示のファイバ逃がし溝２０４は、光ファイバ１０５の径（皮膜の外径）より大きな径（幅および深さ）を有する第１の溝２０４ａと、光ファイバ１０５の芯線（クラッド）の径より大きな径（幅および深さ）を有する第２の溝２０４ｂと、を有する。たとえば、この第１の溝２０４ａの深さは２００μｍ程度である。第１の溝２０４ａは、実装基板１０１の端部から光軸（Ｘ軸）方向に沿って形成され、第２の溝２０４ｂは、第１の溝２０４ａに連続して波長変換素子実装パターン２０２の端部位置まで形成されている。このファイバ逃がし溝２０４は、実装基板１０１に対するエッチング等の処理により形成される。

また、光ファイバ実装パターン２０３の近傍には、サブ基板１０４の位置決め用のアライメントマーク２１０が所定ピッチで複数形成されている。

（サブ基板の構成）
図３−１は、実施の形態１にかかる光モジュールのサブ基板を示す斜視図である。サブ基板１０４は、実装基板１０１に接合する一方の面である接合面１０４ａに、Ｘ軸方向に沿ってファイバ固定溝３０１が形成されている。ファイバ固定溝３０１は、光ファイバ１０５の径（皮膜の外径）程度の径（幅および深さ）を有する第１の溝３０１ａと、光ファイバ１０５のクラッド径程度の径（幅および深さ）を有する第２の溝３０１ｂと、を有する。このファイバ固定溝３０１は、サブ基板１０４に対するエッチング等の処理により形成される。第２の溝３０１ｂは、光ファイバ１０５を固定保持するものであるため、溝形状は、図示のように断面を凹形状とするに限らず、Ｖ溝の形状としてもよい。

サブ基板１０４には、ファイバ固定溝３０１の両側部に接合用パターン３０２が形成されている。この接合用パターン３０２は、Ａｕ等の金属からなる導電性のパターンであり、実装基板１０１上に設けられている光ファイバ実装パターン２０３の配置位置に対応して設けられる。また、接合用パターン３０２の近傍には、所定ピッチで複数形成のアライメントマーク３１０が形成されている。このアライメントマーク３１０は、実装基板１０１のアライメントマーク２１０と同じピッチで形成され、実装基板１０１に対するサブ基板１０４の位置決め用に用いられる。

図３−２は、サブ基板に対する光ファイバの固定状態を示す斜視図である。サブ基板１０４のファイバ固定溝３０１には、第１の溝３０１ａ部分に光ファイバ１０５の皮膜１０５ａが固定され、第２の溝３０１ｂ部分に光ファイバ１０５のクラッド１０５ｂが固定される。この固定は、樹脂等の接着剤が用いられる。この固定の際、光ファイバ１０５の端部、すなわち、クラッド１０５ｂの端部１０５ｂｂは、図示のように、サブ基板１０４の端面から少なくとも突出させて固定することが望ましい。

（実装基板の実装用パターン形成方法について）
つぎに、実装基板１０１の実装用パターンの製造方法について説明する。図４−１は、実装基板の平面図、図４−２〜図４−６は、それぞれ実装基板の形成過程を示す側断面図である。これら図４−２〜図４−６は、図４−１のＡ−Ａ線断面図である。上述したＬＤ実装パターン２０１と、波長変換素子実装パターン２０２と、光ファイバ実装パターン２０３の形成方法について順に説明する。

はじめに、図４−２に示すように、シリコン基板を用いて実装基板１０１を形成する。つぎに、図４−３に示すように、実装基板１０１の表面全面にシリコン酸化膜（Ｓｉｏ２）４０１を形成した後、バッファとしてのチタン（Ｔｉ）膜４０２を全面に形成する。その上に、Ａｕ膜４０３を全面に形成する。たとえば、Ｔｉ膜４０２は、０．１μｍ、Ａｕ膜４０３は、３μｍ程度の厚さを有し、スパッタリングあるいは蒸着またはメッキ等の手法により形成する。この後、Ａｕ膜４０３の上部にレジスト４０５を塗布し、図４−１に示したように各実装パターン（ＬＤ実装パターン２０１、波長変換素子実装パターン２０２、光ファイバ実装パターン２０３）のパターンの位置以外の部分に開口部を有するマスク４０４を載せ、露光現像することにより、レジスト４０５に開口部に対応したレジストパターンを形成する（ポジレジスト）。

つぎに、図４−４に示すように、マスク４０４を取り外し、エッチング（ドライまたはウェット）することにより、Ａｕ膜４０３およびＴｉ膜４０２がパターン形成され、各実装パターン（ＬＤ実装パターン２０１、波長変換素子実装パターン２０２、光ファイバ実装パターン２０３）が形成される。この後レジスト４０５を除去する。なお、実装基板１０１上に実装される光学素子の位置決め用のアライメントマーク２１０も同時に形成される。

つぎに、図４−５に示すように、Ａｕ膜４０３の上部にレジスト４０６を塗布し、その上にマイクロバンプ形成用のマスク４０７を載せる。このマスク４０７は、マイクロバンプを形成するための微細な円形状の開口（たとえばφ５μｍ）が形成されてなる。そして、紫外線照射により、レジスト４０６にマイクロバンプに対応して開口されたレジストパターンを形成する。

この後、図４−６に示すように、マスク４０７を取り外し、レジスト４０６の上部からハーフエッチングする。これにより、各実装パターン（ＬＤ実装パターン２０１、波長変換素子実装パターン２０２、光ファイバ実装パターン２０３）のＡｕ膜４０３の表面には、Ａｕ膜４０３の厚さ方向に所定深さを有する微細な円形状のマイクロバンプ４０３ａが多数形成される。この後レジスト４０６を除去して製造が終了する。

マイクロバンプ４０３ａは、複数の高さ２μｍで直径５μｍの円柱状の突起が１０〜２５μｍピッチで左右均等に配置されたものである。なお、突起の形状、高さ、幅、ピッチ等は一例であって、上記に限定されるものではない。マイクロバンプ４０３ａは、スパッタリングあるいは蒸着またはメッキ等の手法によって形成されたＡｕ膜４０３上にハーフエッチングによって成形されているため、マイクロバンプ４０３ａに含まれる全ての突起の高さは高精度に均一化されている。

（実装基板に対する光学素子の実装）
光学素子の実装にあたり、マイクロバンプ４０３ａの表面を覆っている酸化膜またはコンタミ等の不活性層を、プラズマ洗浄処理することによって表面活性化をおこなう。表面活性化によって、表面エネルギーの高い原子同士を接触させることができるので、原子間の凝着力を利用して常温で強固に接合することが可能となる。本接合方法は、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部品の位置ずれが発生しにくく、高精度の位置決め実装をすることができる。また、熱膨張係数差の残留応力による部品破壊が発生しにくい、部品に対するストレスがなく機能劣化が少ない、等の利点も備えている。

図５−１は、実装基板に対するＬＤ素子の実装状態を示す側断面図である。図示のように、ＬＤ素子１０２をＬＤ実装パターン２０１上の表面活性化されたマイクロバンプ４０３ａ上に実装する。ＬＤ素子１０２の接合面にも、Ａｕ層が形成され、その表面は活性化処理が施されている。したがって、マイクロバンプ４０３ａの上部に所定の荷重を加えてＬＤ素子１０２を実装するだけで、ＬＤ素子１０２はマイクロバンプ４０３ａ上に表面活性化接合して固定される。この際、ＬＤ素子１０２下面には図示しないアライメントマークを形成し、実装基板１０１側のアライメントマーク２１０を基準にＬＤ素子１０２のＸ軸、Ｙ軸方向の位置決めをおこなう。また、ＬＤ素子１０２は、マイクロバンプ４０３ａを介して駆動電流の供給を受けるように構成することができる。その際には、マイクロバンプ４０３ａを形成するためのＡｕ膜４０３に駆動電流の供給用の所定のパターンニングが施されるようにすればよい。

ＬＤ素子１０２の実装は、不図示の電子部品を回路基板上に装着する実装機によりおこなう。なお、ＬＤ素子１０２の実装は、調芯実装装置を用いておこなう。

図５−２は、実装基板に対する波長変換素子の実装状態を示す側断面図である。つぎに、波長変換素子１０３を波長変換素子実装パターン２０２の表面活性化されたマイクロバンプ４０３ａ上に調芯実装して、一連の処理を終了する。波長変換素子１０３の接合面にも、Ａｕ膜が形成され、その表面は活性化処理が施されている。したがって、マイクロバンプ４０３ａの上部に所定の荷重を加えて波長変換素子１０３を実装するだけで、波長変換素子１０３はマイクロバンプ４０３ａを潰し、波長変換素子実装パターン２０２に対して表面活性化接合して固定される。波長変換素子１０３の調芯時においても、波長変換素子１０３の下面には、アライメントマークが形成されており（不図示）、実装基板１０１側のアライメントマーク２１０を基準に波長変換素子１０３のＸ軸、Ｙ軸方向の位置決めをおこなう。

図６は、調芯実装装置の構成を示す図である。図５−２の部分拡大図を用いて説明する。上記の調芯実装は、調芯実装装置６００を用いておこなうことができる。調芯実装装置６００は、ＣＰＵおよび所定のメモリ等を含むＰＣ等から構成される制御部６０１と、波長変換素子１０３から出力される波長変換されたレーザ光の強度を検出し、強度に応じた検出出力電圧Ｖ（ｍＶ）を出力する検出部６０２と、光学素子を実装基板１０１上の所定の位置に実装し、かつ実装時に制御量に応じた荷重（Ｎ）を加えることが可能な調芯実装機６０３と、ＬＤ素子１０２を駆動させてレーザ光を出射させるための駆動部６０４等を含んで構成されている。

制御部６０１は、駆動部６０４を制御してＬＤ素子１０２を駆動させてレーザ光を波長変換素子１０３に入射させ、波長変換素子１０３から出射される波長変換されたレーザ光の強度を検出部６０２で検出する。さらに、制御部６０１は、検出部６０２で検出された検出出力電圧Ｖをモニタしながら、調芯実装機６０３を制御して波長変換素子１０３に印加する荷重を制御する。

図７は、ＬＤ素子と波長変換素子との位置関係を示す図である。ＬＤ素子１０２の発光中心１０２Ａから出射された波長λ１のレーザ光が、波長変換素子１０３の入射位置１０３Ａから入射され、波長変換素子１０３の出射中心１０３Ｂから波長λ２のレーザ光となって出射する。図６に示すように、ＬＤ素子１０２および波長変換素子１０３は、調芯実装機６０３によって実装基板１０１上に実装されるので、ＬＤ素子１０２の発光中心１０２Ａと波長変換素子１０３の入射位置１０３Ａとの平面上の位置関係（Ｘ−Ｙ軸方向の位置関係）は精度よく位置決めされている。しかしながら、実装基板１０１の高さ方向（Ｚ軸方向）の位置関係を精度よく定める必要がある。なお、図７において、矢印Ａは、調芯実装機６０３によって波長変換素子１０３に荷重が印加される方向を示している。

図８は、検出器の出力電圧と調芯実装機によって印加される荷重との関係を示したグラフである。図８において、曲線Ｂは、荷重を印加している状態における、検出部６０２の出力電圧（ｍＶ）と調芯実装機６０３によって印加される荷重（Ｎ）との関係を示している。また、曲線Ｃは、荷重を開放した後における、検出部６０２の出力電圧（ｍＶ）と調芯実装機６０３による最終荷重（Ｎ）との関係を示している。図８の例では、荷重を印加している状態では、荷重が４００（Ｎ）の場合に、検出部６０２の出力電圧（ｍＶ）が最大値となる（点Ｄ参照）。しかしながら、荷重を開放した後では、最終荷重が４００（Ｎ）の場合には、検出部６０２の出力電圧（ｍＶ）が最大値とはならない（点Ｅ参照）。

点Ｄは、たとえば、波長変換素子１０３に荷重を印加することによって、マイクロバンプ４０３ａを変形させ、波長変換素子１０３の入射位置１０３Ａを、ＬＤ素子１０２の発光中心１０２Ａと最も効率良く光結合するような位置（図７の位置Ｐ２参照）とした状態で、荷重を開放した場合に対応する。マイクロバンプ４０３ａは、荷重がかかると変形して（潰れて）縮むが、弾性反発によって、荷重が開放されると、元の状態の戻ろうとする力が働き、弾性戻り量分だけ戻るという特性を有している。すなわち、点Ｅは、点Ｄの状態において荷重を開放すると、弾性戻りによって、波長変換素子１０３の入射位置１０３Ａが、他の位置（たとえば、図７の位置Ｐ１参照）に移動してしまった場合に対応する。

荷重を開放した状態（実際に光モジュール１００が利用される状態）において、波長変換素子１０３の入射位置１０３Ａを、ＬＤ素子１０２の発光中心１０２Ａと最も効率良く光結合する位置（図７のＰ２参照）とする必要がある。そこで、上記の調芯実装において、制御部６０１は、波長変換素子１０３をマイクロバンプ４０３ａの所定位置に配置した後に、印加する過重を増加させながら、検出部６０２からの出力電圧Ｖが最大値となった後、マイクロバンプ４０３ａをさらに変形させるように所定の荷重量を印加してから、荷重を開放するように調芯実装機６０３を制御している。

すなわち、制御部６０１は、検出部６０２からの出力電圧Ｖが最大値となった後（点Ｄ参照）、さらに所定の荷重量（Ｆ：２００（Ｎ））を印加し、その後荷重を開放している。波長変換素子１０３の入射位置１０３Ａが、ＬＤ素子１０２の発光中心１０２Ａよりも、図７に示す距離Ｗ１分だけ、高さ方向（Ｚ軸）にさらに深く押し込まれた位置（図７の位置Ｐ３参照）となるように、所定の荷重Ｆをさらに印加している。すなわち、荷重が開放されることによって、波長変換素子１０３の入射位置１０３Ａが、ＬＤ素子１０２の発光中心１０２Ａと最も効率良く光結合する位置（図７のＰ２参照）にマイクロバンプ４０３ａの弾性戻りによって戻ることを考慮している。

上述した所定の荷重量（Ｆ：２００（Ｎ））は、調芯実装機６０３、荷重を印加する波長変換素子１０３の形状、マイクロバンプ４０３ａの材質および形状等によって異なるので、図８に示す曲線ＢおよびＣを求める実験をおこなうことによって、算出することが可能である。また、調芯実装においては、制御部６０１が、検出部６０２からの出力電圧Ｖが最大値となった後に、所定の荷重を印加するように調芯実装機６０３を制御した。しかしながら、ユーザが、検出部６０２からの出力電圧Ｖをモニタで観測しながら、調芯実装機６０３の制御をおこなうようにしてもよい。

（実装基板に対する光ファイバ付きサブ基板の調芯と接合）
つぎに、実装基板に対する光ファイバの調芯および接合固定について説明する。図９−１は、実装基板および光ファイバの端部を固定保持するサブ基板を示す斜視図である。図２に示した実装基板１０１および図３−２に示したサブ基板１０４が示されている。実装基板１０１上には、ＬＤ素子１０２および波長変換素子１０３が実装されている。サブ基板１０４には、接合面１０４ａ側に光ファイバ１０５が固定されている。そして、図示のように、サブ基板１０４は、光ファイバ１０５が設けられた接合面１０４ａ側を実装基板１０１に向くようにして実装基板１０１の端部、すなわち、波長変換素子１０３の光の出射位置に取り付けられる。

図９−２、および図９−３は、サブ基板の調芯状態を示す図である。これらの図において、（ａ）は正断面図、（ｂ）は一部裁断側面図である。図９−２の（ａ）にのみ、便宜上、光ファイバ実装パターン２０３および接合用パターン３０２を図示してある。上述した実装基板１０１に対する波長変換素子１０３の実装と同様に、サブ基板１０４の実装についても、表面活性化接合により固定される。はじめに、サブ基板１０４の平面方向（Ｘ軸，Ｙ軸）の位置決めは、実装基板１０１上のアライメントマーク２１０（図２参照）に対するサブ基板１０４のアライメントマーク３１０の位置を画像認識により検出して、波長変換素子１０３の出射光に対する光ファイバ１０５の光結合後の出力をモニタリングしながらおこなう（アクティブアライメント）。具体的には、図６を用いて説明した調芯実装装置６００を用い、制御部６０１は、駆動部６０４を制御してＬＤ素子１０２を駆動させてレーザ光を波長変換素子１０３に入射させ、光ファイバ１０５のレーザ光の強度を検出部６０２で検出することによりおこなう。

平面方向の位置調整終了後、サブ基板１０４に荷重を印加する。矢印Ａは、調芯実装装置６００によってサブ基板１０４に荷重が印加される方向を示している。図９−３の接合状態では、光ファイバ実装パターン２０３および接合用パターン３０２は図示を省略しているが、サブ基板１０４に対する荷重印加により、光ファイバ実装パターン２０３にサブ基板１０４の接合用パターン３０２が接する。そして、光ファイバ実装パターン２０３上のマイクロバンプ４０３ａ（図５−２参照）が荷重に対応して徐々に潰れ、光ファイバ１０５の高さが徐々に下がる。これにより、波長変換素子１０３から出射される波長変換後のレーザ光に対する光ファイバ１０５の光結合状態が変化し、対応して調芯実装装置６００で検出する光の強度が変化し、光ファイバ１０５のコア中心が高さ方向（Ｚ軸）に調芯される。

そして、実装基板１０１に対するサブ基板１０４の表面活性化接合時においても、マイクロバンプ４０３ａの弾性戻りを考慮した位置まで荷重を印加する。また、所定の荷重量は、調芯実装装置６００、荷重を印加するサブ基板１０４の形状、マイクロバンプ４０３ａの材質および形状等によって異なるので、図８に示す波長変換素子１０３に類似するサブ基板１０４用の実験をおこなうことにより、算出することが可能である。これにより、荷重を開放した状態（実際に光モジュール１００が利用される状態）において、光ファイバ１０５のコア位置を、波長変換素子１０３の光出射位置と最も効率良く光結合する位置にできる。

また、図９−３に示すように、サブ基板１０４に固定されている光ファイバ１０５は、皮膜１０５ａおよびクラッド１０５ｂの下半部が実装基板１０１側に突出する。しかし、実装基板１０１には、図２に示したように、光ファイバ１０５の外径より大きな径のファイバ逃がし溝２０４が形成されている。ファイバ逃がし溝２０４の第１の溝２０４ａは、光ファイバ１０５の径（皮膜１０５ａの外径）より大きな径を有し、第２の溝２０４ｂは、光ファイバ１０５のクラッド１０５ｂの径より大きな径を有している。このファイバ逃がし溝２０４により、上述した平面方向（Ｘ軸，Ｙ軸）の位置調整時における光ファイバ１０５の移動を妨げず、位置調整を容易におこなうことができる。

（サブ基板の他の構成例）
図１０−１、図１０−２は、実施の形態１にかかる光モジュールのサブ基板の他の構成例を示す正断面図である。この図に示すサブ基板１０４は、ファイバ固定溝１００１の構成が異なる。このファイバ固定溝１００１は、実装基板１０１に接合する一方の面である接合面１０４ａに、Ｘ軸方向に沿って形成される点は、上記と同様である。そして、図１０−１では、サブ基板１０４のファイバ固定溝１００１に、固定する光ファイバ１０５の径（高さ分）以上の深さを有する逃がし溝を形成する。

具体的には、ファイバ固定溝１００１は、少なくとも光ファイバ１０５のクラッド１０５ｂの径以上の径を有する第１の溝１００１ａと、光ファイバ１０５のクラッド１０５ｂの径の半分程度の径（幅および深さ）を有する第２の溝１００１ｂと、を有する。このファイバ固定溝１００１は、サブ基板１０４に対するエッチング等の処理により形成される。第２の溝１００１ｂは、光ファイバ１０５のクラッド１０５ｂを固定保持する。この固定は、樹脂等の接着剤が用いられる。このため、第２の溝１００１ｂの溝形状は、図示のように断面を凹形状とするに限らず、Ｖ溝の形状としてもよい。

サブ基板１０４には、ファイバ固定溝１００１の両側部に接合用パターン３０２が形成されている。この接合用パターン３０２は、Ａｕ等の金属からなる導電性のパターンであり、実装基板１０１上に設けられている光ファイバ実装パターン２０３の配置位置に対応して設けられる。

図１０−２は、サブ基板を実装基板に接合した状態を示す正断面図である。そして、図示のように、光ファイバ１０５は、第２の溝１００１ｂから下方に突出する高さを有するが、第１の溝１００１ａがこの光ファイバ１０５の径に対して余裕を持った高さを有するため、光ファイバ１０５が実装基板１０１に接触しない。

これにより、上述した平面方向（Ｘ軸，Ｙ軸）の位置調整時における光ファイバ１０５の移動を妨げず、位置調整を容易におこなうことができる。また、サブ基板１０４にこのファイバ固定溝１００１を設けた構成によれば、このサブ基板１０４側にだけファイバ固定溝１００１を形成すればよく、実装基板１０１側には上述したようなファイバ逃がし溝２０４を形成する必要がない。

以上説明した実施の形態１の構成によれば、一つの実装基板１０１上にＬＤ素子１０２と、波長変換素子１０３と、光ファイバ１０５という３つの異種の部品（光学素子）が直接接合されている。このように、一つの実装基板１０１に複数の部品の実装をおこなうことにより、光モジュール全体の部品点数を削減でき、単価を下げることもできるようになる。

また、全ての部品（光学素子）を光の直接結合で形成可能なため、たとえば、波長変換素子１０３と光ファイバ１０５との間に、別途独立したレンズを設ける必要がなく、光モジュール全体の部品点数を削減でき、全体のサイズを小型化できるようになる。また、光学部品同士が直接結合できるため、余分な治具等を使用する必要がなく、光学部品間のアライメント精度を向上でき、光の結合効率を向上できるようになる。さらに、表面活性化接合により、各光学部品を常温で実装できるため、熱影響を受けずに実装でき、部品間のアライメント精度を向上できる。

また、ＬＤ素子１０２と、波長変換素子１０３と、光ファイバ１０５の固定が全てマイクロバンプ４０３ａを用いた表面活性化接合により実装されるため、実装工程数を削減でき、複数の実装設備を用いずとも同じ実装装置（調芯実装装置６００）で実装できるようになる。これら異なる光学素子（ＬＤ素子１０２と、波長変換素子１０３と、光ファイバ１０５（サブ基板１０４））毎の吸着治具を用いて接合条件を変えるだけで、単一の実装装置を用いて、複数の異なる光学素子を実装できるようになる。

さらに、従来の部品組み立てでは、各部品によって実装装置が異なるので、いずれかの実装装置が止まると、製造全体の工程が停止する問題が生じたが、上記の構成によれば、ある部品の実装で停止しても、吸着治具を変えて他の部品の実装を継続できる等、製造を継続できるようになる。

また、光学素子である波長変換素子１０３と、光ファイバ１０５とが光学的に結合する結合箇所は、実装基板１０１の端部から所定距離内部の位置に設けられることになる。たとえば、図９−３に示すように、光ファイバ１０５は、サブ基板１０４の（光軸方向の）長さ分だけサブ基板１０４の接合面１０４ａに接合され、この長さ分だけ実装基板１０１の内部位置まで入り込んでいる。これにより、光を外部導出する光ファイバ１０５は、実装基板１０１の端部位置が光結合箇所とならないため、実装基板１０１の端部で光ファイバ１０５の調芯をおこなう必要がなく、安定した調芯をおこなうことができる。

すなわち、実装基板１０１の端部での調芯では、光ファイバ１０５を保持する部分が実装基板１０１と接合する面積が取れず不安定となるのに対し、上記実施の形態１によれば、実装基板１０１上まで光ファイバ１０５が入り込んでいるため、実装基板１０１上に所定面積を有してサブ基板１０４を安定して接合でき、光ファイバ１０５に対する調芯、および組み立て後の位置を安定して保持できるようになる。また、光学素子と光ファイバとの結合箇所にレンズ等が不要で直接結合でき、小型化できる。ここで、実装基板１０１の端部で光ファイバ１０５が固定される構成であると、実装基板１０１の端部に光ファイバ１０５固定用の部材が必要となり、端部における固定具等の突出量が増えるが、上記構成によれば、実装基板１０１の端部に固定具等の突出する部分が形成されることがなく、引っかかり等が生じにくく取り扱いを容易におこなえ、小型化できるようになる。

さらに、実装基板１０１上まで光ファイバ１０５が入り込んでいる構成により、波長変換素子１０３等の光学素子が、実装基板１０１の端部ではなく、内部位置に位置するため、これら光学素子に対する温度調整を効率良く安定しておこなえるようになる。実装基板１０１の下部等には、不図示の温度調整素子が設けられ、実装基板１０１を温度制御する構成となっているが、実装基板１０１の端部に至るほど温度調整しにくいのに対し、実装基板１０１の内部に至るほど温度調整しやすいという熱伝導特性を効率的に利用できるようになる。

（実施の形態２）
（他の光モジュールの構成）
図１１は、実施の形態２にかかる光モジュールの斜視図である。実施の形態２の光モジュール１１００は、ＲＧＢ光を出力するＲＧＢモジュールの構成例である。このため、実装基板１０１上には、３色のＲＧＢ光を生成するための３個のＬＤ素子１０２ａ〜１０２ｃと、ＬＤ素子１０２ａ〜１０２ｃの出射光をそれぞれＲ，Ｇ，Ｂの波長光に波長変換する波長変換素子１０３ａ〜１０３ｃが設けられている。また、これらＬＤ素子１０２ａ〜１０２ｃと、波長変換素子１０３ａ〜１０３ｃは、ドライバＩＣ１１０１によって制御され、このドライバＩＣ１１０１も実装基板１０１上に実装されている。

実装基板１０１上には、各波長変換素子１０３ａ〜１０３ｃの出射光を導波する光導波路１１０２が形成されている。この光導波路１１０２は、各波長変換素子１０３ａ〜１０３ｃの出射光を内部に閉じこめて導波し、曲がり部１１０２ａにより曲げられた後、結合部１１０２ｂによりＲＧＢの各波長光が結合され、出射端１１０２ｃからは、結合されたＲＧＢ光が出射される。

実装基板１０１の出射端１１０２ｃの部分には、サブ基板１０４が取り付けられる。このサブ基板１０４が取り付けられる実装基板１０１部分には、ファイバ逃がし溝２０４が形成されている。図示のファイバ逃がし溝２０４は、実施の形態１同様に、光ファイバ１０５の径（皮膜の外径）より大きな径（幅および深さ）を有する第１の溝２０４ａと、光ファイバ１０５のクラッド径より大きな径（幅および深さ）を有する第２の溝２０４ｂと、を有する。また、ファイバ逃がし溝２０４の両端には、光ファイバ実装パターン２０３が設けられる。一方、サブ基板１０４には、接合面１０４ａ側に光ファイバ１０５が固定される。このサブ基板１０４には、ファイバ固定溝３０１の両側部に接合用パターン３０２が形成されている。

図１２は、サブ基板の取り付け状態を示す斜視図である。図示のように、サブ基板１０４は、光ファイバ１０５が設けられた接合面１０４ａ側を実装基板１０１に向くようにして実装基板１０１の端部、すなわち、光導波路１１０２の出射端１１０２ｃの位置に取り付けられる。実装は、上述した調芯実装装置６００でおこなうことができる。サブ基板１０４の取り付け状態は、実施例１（図９−３と同様）であり、ファイバ逃がし溝２０４により、面方向（Ｘ軸，Ｙ軸）の位置調整時における光ファイバ１０５の移動を妨げず、位置調整を容易におこなうことができる。

また、サブ基板１０４の構成は、上述した図１０−１に示したように、サブ基板１０４側にだけ逃がし溝を設けた構成とすることもできる。

以上説明したように、光ファイバ１０５の取り付けは、ＲＧＢモジュール等にも適用することができ、各種の実装基板１０１に対し、サブ基板１０４を用いてモジュールから出射される光を光ファイバ１０５に効率良く入射させ、外部に導出できるようになる。

以上説明した実施の形態２によれば、一つの実装基板１０１上に複数のＬＤ素子１０２ａ〜１０２ｃと、複数の波長変換素子１０３ａ〜１０３ｃと、光導波路１１０２と、光ファイバ１０５という４つの異種の部品（光学素子）を直接接合できる。このように、実施の形態２においても、一つの実装基板１０１に対する実装をおこなうことにより、光モジュール全体の部品点数を削減でき、単価を下げることもできるようになる。

また、全ての部品を光の直接結合で形成可能なため、レンズのような光結合用の光学素子を省くことができるようになり、光モジュール全体の部品点数を削減でき、全体のサイズを小型化できるようになる。また、光学部品同士が直接結合できるため、余分な治具等を使用する必要がなく、光学部品間のアライメント精度を向上でき、光の結合効率を向上できるようになる。さらに、表面活性化接合により、各光学部品を常温で実装できるため、熱影響を受けずに実装でき、部品間のアライメント精度を向上できる。

また、ＬＤ素子１０２ａ〜１０２ｃと、波長変換素子１０３ａ〜１０３ｃと、光ファイバ１０５の固定が全てマイクロバンプ４０３ａを用いた表面活性化接合により実装されるため、実装工程数を削減でき、複数の実装設備を用いずとも同じ実装装置（調芯実装装置６００）で実装できるようになる。これら異なる光学素子（ＬＤ素子１０２ａ〜１０２ｃと、波長変換素子１０３ａ〜１０３ｃと、光ファイバ１０５（サブ基板１０４））毎の吸着治具を用いて接合条件を変えるだけで、単一の実装装置を用いて、複数の異なる光学素子を実装できるようになる。さらには、実装基板１０１上に光導波路１１０２を形成した構成であるため、光導波路１１０２の形状を曲げたり、長さを設定する等により、実装基板１０１上での光の出射端の位置を任意の位置に設定でき、実装基板１０１上の各光学素子のレイアウトを自由に設定でき、また、実装基板１０１の全体サイズを小型化することもできるようになる。

また、この実施の形態２においても、実装基板１０１上まで光ファイバ１０５が入り込んでいるため、実装基板１０１上に所定面積を有してサブ基板１０４が安定して接合でき、光ファイバ１０５に対する調芯、および組み立て後の位置を安定して保持できるようになる。さらに、実装基板１０１上まで光ファイバ１０５が入り込んでいる構成により、光導波路１１０２等の光学素子が、実装基板１０１の端部ではなく、内部位置に位置するため、これら光学素子に対する温度調整を効率良く安定しておこなえるようになる。

以上のように、本発明にかかる光モジュールは、レーザ素子と、このレーザ素子の後段に設けられる光学素子を介して光を出射する光モジュールに有用であり、特に、光通信システムやレーザプロジェクタなどディスプレイシステムに用いられる光源に適している。光学素子としては、ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子等の波長変換素子や、変調素子等が適用できる。

１００，１１００ 光モジュール
１０１ 実装基板
１０２（１０２ａ〜１０２ｃ） レーザ・ダイオード素子
１０３ 波長変換素子
１０４ サブ基板
１０４ａ 接合面
１０５ 光ファイバ
１０５ａ 皮膜
１０５ｂ クラッド
２０１ ＬＤ実装パターン
２０２ 波長変換素子実装パターン
２０３ 光ファイバ実装パターン
２０４ ファイバ逃がし溝
３０１，１００１ ファイバ固定溝
３０２ 接合用パターン
４０３ａ マイクロバンプ
６００ 調芯実装装置
１１０２ 光導波路

Claims (4)

1. 実装基板と、前記実装基板に搭載された光学素子と、光ファイバと、前記光ファイバを支持する支持部材と、を備え、前記実装基板に対し、前記支持部材の前記光ファイバが支持された面が対向して実装され、前記光学素子と前記光ファイバとが光学的に結合する光モジュールにおいて、
   前記支持部材は、前記光ファイバの端部を固定する所定長さのファイバ固定溝を有し、
   前記ファイバ固定溝は、前記実装基板に対する前記光ファイバの接触を避けるための深さを有する第１の溝と、前記第１の溝の中に形成され、前記第１の溝よりも幅が狭く、前記光ファイバを固定するための第２の溝とを有し、
   前記実装基板に対する前記支持部材の実装によって前記光学素子の出射端と前記光ファイバの入射端とが光学的に結合する結合箇所は、前記実装基板の端部から所定距離内部の位置に設けられ、
   前記実装基板と前記支持部材とが面接合され、
   前記第１の溝は、前記光ファイバのクラッド径以上の幅であり、前記第２の溝は、前記第１の溝の中にクラッド径の半分程度の深さを有する
   ことを特徴とする光モジュール。
2. 前記支持部材および前記光学素子は、表面活性化接合により前記実装基板に接合される ことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記光学素子は、
   所定波長の光を出射するレーザ・ダイオードと、
   前記レーザ・ダイオードから出射される波長の光を波長変換して出射する波長変換素子と、を含む
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
4. 前記光学素子として、さらに、
   前記実装基板上に形成され、前記波長変換素子の出射光を前記光ファイバの入射端まで導波する光導波路を含む
   ことを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。

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