JP2000098192A - 光受信モジュール - Google Patents

光受信モジュール

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の平面実装型光受信モジュ−ルにはPD
直下ファイバ挿入構造や二基板張り合わせ構造,二段階
V溝構造などがあった。しかしPD直下ファイバ挿入構
造では、光ファイバの先端が見えず傾斜反斜面に接触し
ているのか分からなかった。また、樹脂が狭い穴に十分
に回り込まないという欠点があった。二基板貼り合わせ
構造は,PDの位置合わせが難しくコスト高になり、ま
た、二段階V溝構造では、接着剤の種類に対する配慮が
足りなかった。そこで本発明は透光性樹脂と固定樹脂を
混在しないように空間的に分離し、接着性を高め安価な
樹脂モ−ルド型の光受信モジュ−ルを提供することを目
的とする。 【解決手段】 基板上に第1V溝と第1V溝に直交する
それより深い間隙溝と、第1V溝に軸線を共通にし間隙
溝を介して対向する第1V溝より浅い第2V溝と、第2
V溝の終端に形成される上向きの傾斜反射面を設けるこ
とにより、透光性樹脂と固定樹脂とを空間的に分離し,
接着性を確実にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信に用いる平
面実装型受信モジュールに関する。平面実装という言葉
について述べる。従来例の光受信モジュールは、ステム
にPDを固定し、光ファイバをPDの上方にステム面に
直角になるように支持し中間にレンズを設けていた。光
ファイバからの光を集光レンズで絞って垂直にPDの上
面に入射させる。光線はステムやPD面に直角である。
ファイバとPDにはかなりの空間距離があり光が広がる
のでこれを防ぐためにレンズが必要である。縦長円筒形
で光ファイバが円筒の頂点から出ているという扱いにく
い形状をしている。プリント基板に実装する場合は、ピ
ンでモジュールを固定した後これを横に寝かせる必要が
ある。プリント基板を何枚も重ねる場合、そのピッチは
9ミリであるが、基板厚みと、素子の厚みが9ミリ以下
としなければいけない。従来の円筒形縦長の光受信モジ
ュールではそのような要求に応えることができない。
【0002】平面実装型モジュールというのはそのよう
な嵩高い縦長モジュールの反対概念である。光ファイバ
の入射方向が基板面に平行でレンズがないものを平面実
装型と呼ぶ。光ファイバが平面を這うので平面実装なの
である。光ファイバが基板面に平行だから円筒形のパッ
ケージが最早不要である。平坦な基板に光ファイバやP
Dを固定して平坦な形状のパッケージとすることができ
る。また光ファイバとPDを接近させ自由空間で伝搬し
ないようにするからレンズは要らない。レンズが不要だ
と材料コストが下がるだけでなく、調芯作業を省き組立
コストを下げることができる。平坦な形状なのでプリン
ト基板に実装したとき高さを取らないので好都合であ
る。そのようなわけで光モジュールのコストをさらに抑
制するためには平面実装型のものが強く望まれる。
【0003】表面実装モジュールでは、光結合のため集
光レンズを使わない。光ファイバと発光素子(LD、L
ED)若しくは受光素子(PD)を対向接近させて直接
光結合させる。このため実装の寸法精度がよりいっそう
厳しくなる。光ファイバと発光素子や受光素子を精度良
く固定するためのいくつかの工夫が提案されている。し
かし何れの提案も広く実施されるには至っていない。
【0004】
【従来の技術】平面実装型光受信モジュールとしてしば
しば提案されているものは、Si基板に構造物を作り光
ファイバとPDを固定するものである。Si単結晶の異
方性エッチングを利用しSi基板にV溝を形成し、ここ
に光ファイバを固定し、光ファイバ端面より出射した光
を略直角に曲げ、Si表面に実装した受光素子に入射さ
せる。ここでエッチングの異方性というのは{100}
面と{111}面のエッチング速度が相違し、前者が後
者より著しく速いという性質をいう。そのような異方性
を示すエッチャントが知られている。
【0005】(100)面Si単結晶にレジストを塗布
し[011]方向のストライプ状の窓を開け、適当なエ
ッチャントによって異方性エッチングすると、[01
1]方向に伸びる(1−11)面と(11−1)面より
なるV溝ができる。異方性エッチャントによるエッチン
グ速度が{100}面では速く、{111}面で遅いか
らそのようなV溝ができる。さらに好都合な事はV溝の
終点に(111)面が露出するという事である。表面
(100)とV溝の面(1−11)、(11−1)のな
す角度は126゜である。V溝の底角は72゜である。
終端面(111)とV溝両面(1−11)、(11−
1)との角度は、108゜である。終端面(111)と
表面のなす角度は126゜である。135゜ではない。
【0006】ここで[…]は個別方向を、<…>は包括
方向を示す。(…)は個別面を、{…}は包括面を表
す。上の説明は[011]ストライプについてのもので
あるが、[0±1±1]の方位のストライプについても
同様なV溝を作製できる。Si基板というがSi基板は
そのままでは導電性なので表面を1μm〜数μm程度の
厚みで酸化させてSiO2 にする。あるいはスパッタリ
ングによってSiO2 膜を堆積させる。大部分はSi単
結晶であるが、表面は絶縁性のSiO2 である。だから
Si基板というのは、詳しくはSiO2 /Si基板のこ
とである。簡単のため、以後単にSi基板と表現する。
【0007】表面実装型のモジュールを作製する場合、
このV溝に光ファイバをはめ込んで固定する。溝終端の
(111)面で光を反射させてその上方に固定したPD
に光を入射させる。そうするとレンズが不要で光ファイ
バが表面に平行な平面実装型モジュールが得られる。
【0008】平面実装型モジュールの基本的な構造は以
上に述べた通りである。さらに進んで平面実装型に関し
て幾つもの提案がなされている。しかしいずれも何らか
の難点があり未だ広く実施されていない。平面実装PD
モジュールに関する主な公知技術について3つの構造を
説明する。 [従来構造1:PD直下ファイバ挿入構造(図1〜図
4)] ドイツ特許公報DE 35 43 558 C2(1
985年12月10日出願)発明者ヒラーリッヒベルン
ト、ローデマンフレッド B.HILLERICH & A.GEYER, "SELF-ALIGNED FLAT-PACK
FIBRE-PHOTODIODE COUPLING", Electronics Lett. vol.
24, No.15, 1988, p918-919 、
【0009】異方性エッチングによってSi基板にV溝
を堀る。V溝の終端の上に受光素子(PD)を取り付け
る。V溝のPDの直下まで光ファイバを差し込んで光フ
ァイバとほぼ同じ屈折率の接着剤によって光ファイバを
固定する。受光素子の直下まで光ファイバの先端が入り
込むところに特徴がある。図1〜4によってこの構造を
述べる。図1は完成した状態の断面図、図2はV溝の部
分の平面図、図3はV溝に光ファイバを取り付けた状態
の平面図、図4はPDチップ、光ファイバを固定した状
態の平面図である。
【0010】(100)面Si基板1にレジストを塗布
しマスクを使った露光と現像により[011]方向のス
トライプ窓をあけ、異方性エッチャントをつかってエッ
チングする。(1−11),(11−1)面よりなるV
溝2ができる。(111)面である傾斜反射面4がV溝
2の終端に生成される。傾斜反射面4の直上にPDチッ
プ5を位置決めし固定する。ワイヤ配線する。光ファイ
バ3の先端をPDチップ5の下に差し込み、先端を傾斜
反射面4に当てる。光ファイバ3をV溝に入れる。光フ
ァイバ3、V溝2に接着剤7を塗布する。接着剤が乾燥
すればできあがりである。
【0011】V溝はかなり深く掘る必要がある。光ファ
イバがすっぽりと埋まるからである。V溝の深さをW、
底角の半分をφ、光ファイバの直径をDとすると、 W>D(1+cosec φ)/2 (1) である必要がある。V溝の底角が72゜であるから、W
>D(1+cosec 36゜)/2=1.35Dでなければ
ならない。たとえばD=125μmとすると、Wは16
9μmより深い。V溝が完全な{111}面であれば、
深さWと、幅Bは単純な関係
【0012】 B=2Wtan φ=2Wtan 36゜=1.45W (2) によって与えられる。だからこのV溝の幅Bは、245
μm以上である。光ファイバの横方向の位置決めはV溝
によって自然になされる。光ファイバの軸方向の位置決
めは傾斜反射面によって正確になされる。つまり光ファ
イバは調芯の必要がない。これは利点である。光ファイ
バ先端からPDチップまでの距離は極めて短いからビー
ムが広がらない。PDチップ5がV溝の上面のコの字型
の部分に安定に固定される。構造が単純である。これも
利点である。PDを正確に位置決めしておけば良い。
【0013】ところがこの構造には二つの欠点がある。
ひとつは光ファイバ3の先端をPD5の下へ潜り込ませ
るので先端が見えないということである。だから先端が
傾斜反射面4に接触しているのかどうか分からない。接
着剤の回り込み状態を観察できない。
【0014】もう一つは接着剤7がPDの下のV溝部分
まで回り込まないということである。PDとV溝によっ
て作られる狭い穴に光ファイバを差し込んでそのあとで
接着剤を塗布するが、粘度が大きいから穴に入りにく
い。例えばW=1.35DとするとV溝とPDで囲まれ
る穴の断面積は光ファイバ断面積の約1.7倍である。
しかし光ファイバが差し込まれているから、実効面積は
光ファイバ断面積の0.7倍しかない。このように狭い
から接着剤が入りにくい。接着剤が光ファイバの先端を
覆わないと図1のように穴のなかに空隙部8が生ずる。
接着剤は光ファイバと同じ屈折率を持ち光ファイバの光
が端面で反射しないようにする作用もある。もしも空隙
部8が発生すると、端面反射による損失がある。空気中
であるとビームの広がりが大きくなる。チップ裏面での
反射損失も増加する。図1のように空隙部8がなくても
接着剤の中に気泡ができると気泡での散乱や反射損失が
ある。接着剤が穴を完全に満たしていないとそのような
損失がある。PDのためファイバ先端が見えないから果
たして接着剤が穴を充填しているかどうかという事も分
からない。 [従来構造2:二基板張り合わせ構造(図5、図6)]
【0015】特公昭63−22565号に提案されてい
る構造である。1枚の基板に平面実装できず、2枚の基
板に光ファイバ、PDを取り付け、互いに張り合わせる
ようになっている。図5、図6によって説明する。図5
は第1のSi基板の斜視図である。(100)Si基板
11の上に異方性エッチングによって[011]方向に
延びる平行な第1V溝12、13を設ける。同時にこれ
と直交する[0−11]方向に横溝14を穿つ。平行な
二つのV溝12、13の底より、横溝14の底が深い。
同時に異方性エッチングするが、深いので時間が足らず
横溝14の底面は(100)面が残っているようであ
る。横溝14の対向面は(111)面になっている。こ
れが反射面15となる。V溝12、13に光ファイバ1
6、17を差し込み先端を傾斜反射面15に当てる。そ
の状態で光ファイバを接着剤で固定する。光ファイバか
ら出た光は傾斜反射面15によって反射されて上向きの
光線23、24になる。
【0016】横溝14が横にのびているからPDを固定
できない。そこで第2のSi基板18を使う。L型断面
の複雑なSi基板18である。二つの穴を穿ち、二つの
PD19、20を穴に埋め込む。このPDはp電極、n
電極ともに上面にあり、ワイヤボンデイングによってメ
タライズパターン(図示しない)と接続する。第2Si
基板18を反対に向けて、第1Si基板11の背面21
が、第2Si基板18の横片22内面に当たるように、
基板11、18を重ね合わせ、接着する。光線23、2
4がPD19、20に入射するようになる。
【0017】この構造の場合、光ファイバが基板面より
下に沈んでいるから溝の深さWは W>(D/2)(cosec φ+1) (3) でなければならない。横溝14はこれ以上に深い溝であ
る。
【0018】これはPDの下に光ファイバを差し込まな
い。光ファイバの先端がよく見える状態で作業する。軸
方向の位置合わせ(傾斜反射面15に当てる)と接着が
容易である。また横溝14に接着剤を満たす事ができ光
ファイバの先端も接着剤で完全に覆う事ができる。接着
剤の付着のムラ、空隙での乱反射などの問題がない。さ
らに複数のPD、光ファイバを取り付けるのに便利であ
る。それらは利点である。
【0019】しかし横溝14が広がっておりPDを三方
で支える事ができない。PDを片持ち支持するというよ
うな不安定なことはもちろんできないことである。つま
り光ファイバと同じ基板によってPDを支持できない。
PDを支持するために第2の基板18が不可欠である。
すると二つの基板間の位置合わせをしなければならな
い。基板の一方を裏返して貼り合わせるのであるから極
めて難しい位置合わせになる。第2Si基板18でのP
D位置、第1基板での横溝の位置なども誤差の要因にな
る。これらが狂っていると2枚基板間の時後的な調芯だ
けでは最適位置を見いだすことができない。
【0020】それになにより構造が複雑である。2枚の
Si基板にそれぞれPDと、光ファイバを取り付けてこ
れを合体させるのであるから表面実装とはもはや呼べな
い。製作コストが嵩むので実用的でない。 [従来構造3:二段階V溝構造(図7〜図9)]
【0021】二段V溝構造受光モジュールが特開平9−
54228号によって提案されている。図7〜図9によ
って二段V溝構造の受光モジュールを説明する。図7は
縦断面図、図8は平面図、図9はV溝を横切る線で切っ
た断面図である。
【0022】(100)Si基板25に大きい第1V溝
26とそれに続くより小さい第2V溝27を異方性エッ
チングによって同時に形成する。いずれも[011]方
向に伸びるV溝で中心線は共通である。V溝の面は(1
−11)、(11−1)面である。深さが違うので中間
に傾斜面28ができる。第2V溝27の終端に小さい傾
斜反射面29ができる。これも(111)面である。光
ファイバ30は第1V溝26にはめ込む。先端が傾斜面
28に当たる位置で固定される。第2V溝27の上に当
たる部分にPDチップ32を固定する。光ファイバ30
から出た光は第2V溝27を通過し傾斜反射面29で上
方へ反射される。そしてPDチップ32に下面から入射
する。
【0023】光ファイバ30は第1V溝26の上に一部
が露呈する。第1V溝の深さWは、W<D(1+cosec
φ)/2=D(1+cosec 36゜)/2=1.35D
(4)でなければならない。たとえばD=125μmと
すると、Wは169μmより浅い。しかしビームは第2
V溝27を進行しなければならないから、
【0024】 W>(D/2)cosec φ=(D/2)cosec 36゜=0.85D (5) である。つまり 第1V溝の深さWは、 (D/2)cosec φ <W< (D/2)(cosec φ+1) (6) であるが、φ=36゜の場合、Wは0.85D〜1.3
5Dの間にある。光ファイバの先端が傾斜面28に当た
ることから、第2V溝の深さUは、
【0025】 U<W−(D/2)(cosec 36゜−1)=W−0.35D (7) でなければならない。光ファイバから出たビームが第2
V溝を通るためには、
【0026】 U>W−(D/2)cosec 36゜=W−0.85D (8) である。つまり第2V溝深さUは、 W−(D/2)cosec φ<U<W−(D/2)(cosec φ−1) (9) であるが、この場合UはW−0.85D〜W−0.35
Dの間にあることが必要である。
【0027】この構造の利点を述べる。まず光ファイバ
30の先端がPD32の下に潜り込まない。先端が見え
るので光ファイバの固定状態を観察できる。光ファイバ
固定が容易である。光ファイバ先端とPD下部の空間を
樹脂によって埋め尽くすことができる。樹脂のない部分
ができて光が反射されたり散乱されたりすることがな
い。二段階の溝は一度の異方性エッチングによって彫り
つけることができる。
【0028】
【発明が解決しようとする課題】ところが従来技術とし
て紹介した3つの構造にはいずれも欠点がある。[従来
構造1(PD直下ファイバ挿入構造)]では、受光素子
の下まで、光ファイバが挿入されている。狭い穴に樹脂
が受光素子の下まで十分に回り込まないと言う欠点があ
る。接着剤が光ファイバ先端を完全に覆わないと空気と
光ファイバ、接着剤の境界で反射する。光路中に気泡が
あれば乱反射がおこり光量損失の原因になる。また特開
平9ー54228号にも欠点として指摘されているよう
に、光ファイバの先端が見えないという問題もある。
[従来構造2(二基板貼り合わせ構造)]の場合は、横
溝が横に伸びているので、PDを同じ基板に付けること
ができず、基板が2枚になってしまう。光ファイバ側基
板と、PD側基板の位置合わせが難しい。平面型でなく
て厚みのある構造物になる。構造が複雑であって製作が
困難である。コスト高になる。[従来構造3(二段階V
溝構造)]は接着剤の種類に対する配慮が足りない。接
着剤は第1には光ファイバを基板に固定するためのもの
である。しかしそれだけでない。接着剤は光ファイバと
PDの間を埋め尽くすのであるから光を通すものでなけ
ればならない。透光性であるということである。それ
に、光ファイバの屈折率(1.46)に近似する屈折率
をもつものであることが望ましい。そうでないと、光フ
ァイバ・接着剤界面で反射が起こるからである。それゆ
え二段階V溝構造は、透光性の接着剤を光ファイバ全面
に塗布して光ファイバの固定、光路充填に用いている。
ところが透光性の樹脂は接着力が弱い。乾燥した後であ
ってもブヨブヨと柔らかく部材が微かに動き得る。光フ
ァイバと基板を永久的に固定するにはより強力な接着剤
を用いることが望ましい。しかし強力な接着性を持つ接
着剤は不透明であり、光ファイバ・PD間には使えな
い。だからこの提案は接着剤に難点があり永年の使用に
耐えない。
【0029】以上のように従来例では、2種の目的の違
う樹脂を適切に使用する事が難しい。
【0030】性質の異なる二通りの樹脂を用いて、光を
通しながら光ファイバを確実に固定できるようにした表
面実装型受光モジュールを提供することが本発明の第1
の目的である。性質の異なる二通りの樹脂が混在しない
ように空間的に分離できるようにした表面実装型光受信
モジュールを提供することが本発明の第2の目的であ
る。安価な樹脂モールド型の光受信モジュールを提供す
ることが第3の目的である。
【0031】
【課題を解決するための手段】本発明の光受信モジュー
ルは、基板と、基板の上に穿たれたより深い第1V溝
と、第1V溝に直交して基板上に設けられそれより深い
間隙溝と、第1V溝に軸線を共通にし間隙溝を介して対
向するよう基板上に穿たれ第1V溝よりも浅い第2V溝
と、第2V溝の終端に形成される上向きの傾斜反射面
と、第2V溝の終端の上部に固定されるPDチップと、
第1V溝に挿入され端面が間隙溝の前面に接触する光フ
ァイバと、光ファイバの先端部、間隙溝、第2V溝とP
Dチップの下面に充填される透光性樹脂と、光ファイバ
の大部分を基板に固定する固定樹脂と、全体を覆って硬
化した樹脂モールドのパッケージよりなる。
【0032】本発明では光ファイバ固定V溝(第1V
溝)と、反射ミラー部分(光路変換部:第2V溝)と、
これらを仕切るトレンチ(間隙溝)を設ける。間隙溝を
間に介するのは、一つは光ファイバの位置決めの為であ
る。もう一つの役割は2種類の接着剤(透光性樹脂、固
定樹脂)を混ざらないように切り分けるためである。間
隙溝を使って透光性樹脂を光路に充填させる。さらには
その上から光ファイバの固定も兼ねて固定樹脂を充填す
る。これらの3要素(第1V溝、第2V溝、間隙溝)を
一つのSi基板の上に形成することにより高度の位置精
度を確保する。
【0033】樹脂について述べる。透光性の樹脂として
は、シリコン系の柔らかい透明の樹脂が適する。柔らか
いので受光素子や光ファイバの端面ヘのストレスが少な
い。特に温度変化による伸び縮みで受光素子や光ファイ
バの位置関係を大きく狂わせる事もない。この樹脂は、
紫外線、若しくは温度加熱によって硬化させるが、完全
に固化せず、ゼラチン状の状態を保ち、周りの部品にス
トレスを掛けない。シリコン系の透光性樹脂は屈折率も
光ファイバに近く、マッチングオイル的な役割もする
し、通信用波長帯の1300nm〜1600nmでの吸
収も殆どない。従来技術としてこれまで紹介したものは
透光性を重視しているから全面に透光性ある樹脂を使っ
ていた。
【0034】しかしV溝へ光ファイバを固定するには透
光性樹脂では不十分である。硬化が完全でなく光ファイ
バがずれるおそれがある。透光性樹脂の長所が、光ファ
イバ固定という目的に対しては短所になる。そこで本発
明は光ファイバの固定のためには透光性樹脂でない硬化
の完全な樹脂を用いる。固定樹脂をここでは表現する。
固定樹脂は光ファイバを強固に支持できればよいので、
透明性、屈折率同一性などの光学的性質は要求されな
い。しっかりと確実に固定することが主眼であるので固
定樹脂としては例えばエポキシ系の樹脂を用いる。
【0035】このように二種類の樹脂を用いることが本
発明の新規な特徴の一つである。しかし単に2種類の樹
脂を流すだけだと境界が決まらず相互に混合してしま
い、固定樹脂が光ファイバとPDを結ぶ光路を塞ぐ可能
性もある。本発明はそのような問題に対する備えをもち
ろん持っている。間隙溝を2種類のV溝の間に直交して
設けるという点がそれである。
【0036】間隙溝は光ファイバの先端を止め、位置決
めするという機能もある。それに加えて透光性接着剤を
ポッティングする為の明確な空間を提供するという機能
がある。本発明の間隙溝は、図5の横溝とは違う。横溝
で終わってしまうと、そこにPDチップを固定できな
い。本発明はさらに細い第2のV溝を切り込んでいるか
ら、PDチップを支持する3面(コの字型面)を確保で
きる。PDを同じ基板に固定でき図5、図6のような2
枚基板を必要としない。図7〜図9の従来技術は、2段
V溝であるが間隙溝がない。2種類の樹脂を空間的に切
り分けることができない。
【0037】
【発明の実施の形態】図10〜図15によって本発明の
光受信モジュールを説明する。図10は光ファイバ固定
部のみの一部斜視図である。図11は溝の横断面図であ
る。図12は溝の縦断面図である。
【0038】方位(100)のSi基板33を基材とし
て用いる。Siそのままであると導電性があるからSi
2 膜を表面に形成する。スパッタリングによってSi
2膜を付けるか、酸化によって膜を作る。膜厚は1μ
m〜数μmで充分である。Si基板33にフォトレジス
トを塗布しマスクを通して露光し[011]方向のスト
ライプ窓を形成する。レジストを現像し異方性あるエッ
チングによって、2段のV溝34、35を[011]方
向に形成する。第1V溝34はより広く深く、第2V溝
はより狭く浅い。第2V溝の終端に傾斜反射面37がで
きる。第2V溝35と傾斜反射面37を併せて光路変換
部という。傾斜反射面37(ミラー面)は例えば(11
1)の傾斜面である。Siの屈折率が高いのでSiのま
までもある程度の反射率はある。しかし金属膜を蒸着し
て反射率を100%近くに上げるとさらによい。第1V
溝34、第2V溝35、傾斜反射面37は一回の異方性
エッチングによって形成できる。
【0039】次にV溝34、35に対して直角に間隙溝
36を形成する。間隙溝36は面に対して垂直の壁をも
つとすれば、同じ異方性エッチングでは形成できない。
高アスペクト比が取れるRIE(反応性イオンエッチン
グ)エッチングによって間隙溝を形成できる。またダイ
シングソーによって機械的に箱型底の溝を切り抜く事も
できる。間隙溝の深さは、第1V溝34や光路変換部の
溝(第2V溝35)よりも深くする。
【0040】間隙溝は垂直壁を持つのが光ファイバの位
置決めという点で良いのであるが、斜め壁であっても光
ファイバの位置決めは可能である。斜め壁の間隙溝でよ
いなら、V溝と同じ異方性エッチングによって同時に間
隙溝をも形成することができる。間隙溝は透光性樹脂を
収容するという機能と、光ファイバ位置決めという機能
がある。前者は垂直壁を持つ間隙溝の方がよいが、後者
は斜壁のものでも差し支えない。但し間隙溝の深さQ
は、第1V溝34の深さW、第2V溝35の深さUより
も深いことが望ましいので(Q>W>U)間隙溝を傾斜
溝にすると幅が広がってしまう。図11に示すように、
光ファイバ(コア+クラッド;被覆は剥してある)40
が第1V溝34に固定されるが、一部は第1V溝の上に
露呈する。光ファイバ中心は基板表面より下にある。V
溝の底角の半分をφとし、光ファイバの直径をDとする
と、第1V溝の深さWは
【0041】 (D/2)cosec φ<W<(D/2)(1+cosec φ) (10 ) でなければならない。従来構造1、2よりは浅い溝にな
る。間隙溝36はこれよりも深い溝である。間隙溝はダ
イシング加工する場合、広さと深さは無関係であるから
深い溝であっても幅はそれほど広がらない。
【0042】第2V溝の深さUは、光ファイバコア(中
心)より下にあるという条件と、第1V溝より浅いとい
う条件から、 W−(D/2)cosec φ<U<W (11) を得る。これが第2V溝の深さUの範囲に課される。
【0043】Si基板の異方性エッチングを利用する場
合はφ=36゜である。光路変換部の(111)面37
の傾斜角は54゜である。V溝の斜面は(1−11)、
(11−1)面である。図12のように深さはQ>W>
Uである。間隙溝36の前面38は光ファイバの先端が
当たる部位である。後面39と前面38の間は透光性の
接着剤を充填できる。図13、図14は平面図である
が、第1V溝34に光ファイバを乗せて先端が前面38
に接触するように位置決めする。順序は図14に示すと
おりでなく先にPDを付ける。その後に光ファイバを取
り付けるのであるが、光ファイバの先端が間隙溝の面3
8で止まることを示すために図10、14などを示して
いる。傾斜反射面37とその近傍の第2V溝35には金
属膜を蒸着し反射率を高揚させる。PDチップ42は光
路変換部のすぐ上に固定する。そのためメタライズ面を
基板上に作っておく。PDチップは背面入射型が適す
る。背面入射型の場合n電極がリング電極になりここか
ら光が入る。n電極をメタライズ面にボンドする。
【0044】PDチップは例えば、450μm角厚み2
00μmのInGaAsのPDチップを用いる。これを
所定位置に半田づけする。図15に示すように、光ファ
イバ40を第1V溝34に差し入れ押さえ治具によって
仮固定する。先端が間隙溝面38に当たるので正確な位
置決めができる。光ファイバ先端と間隙溝36、PDチ
ップ42の辺りに透光性樹脂43をポッティングする。
透明であって光を通し、光ファイバと屈折率が近似する
接着剤である。接着力は劣るが光学的な性質を優先して
シリコン樹脂の接着剤などを使う。間隙溝36があるの
で流動性ある透光性樹脂43が間隙溝に滞留できる。光
ファイバ先端とPDチップの間の光路に空隙を作らない
ようにするため透光性樹脂が必要である。
【0045】しかし透光性樹脂だけでは強固な接着性が
実現できない。さらに光ファイバと第1V溝34の近傍
により接着性に優れた固定樹脂44を塗布して光ファイ
バをSi基板に固定する。固定樹脂は光学的性質はどう
でもよくて不透明であっても差し支えない。たとえばエ
ポキシ系の接着剤とする。固定樹脂44は光ファイバを
固着するだけでなく透光性樹脂を保護する作用もある。
二つの種類の接着剤を有効に使って接着強度、光学的機
能の要求を満足している。そのような工夫を加えたもの
は従来技術にはなかった。
【0046】図15をみるとPD42は不安定に見える
が実際には図13、14、10、11にみるようにPD
は底面をコの字型の部分で支えられているから安定であ
る。
【0047】図16はSi基板の全体平面図である。縦
中央に光ファイバを収容するV溝が形成される。先述の
第1V溝34の先に大V溝47がある。これは光ファイ
バにフェルールを付け、フェルールを収容する溝であ
る。光ファイバはクラッド径が125μmであるがフェ
ルールはこれよりずっと太いので大V溝47が必要であ
る。その部分は前低面46となっている。傾斜面45が
できるのは、異方性エッチングによってV溝47、3
4、35、傾斜面45を一挙に形成したからである。中
間部面48には縦方向に第1V溝34があるだけであ
る。
【0048】後面49には光路変換部(第2V溝35、
傾斜反射面37)の他にメタライズ50〜53が印刷あ
るいは蒸着によって形成される。後面には、PDの他
に、増幅器やコンデンサ、その他の電子回路素子を取り
付けることができるように電極引き出し用のメタライズ
面が設けられるのである。Si基板の表面は酸化膜Si
2 で覆われメタライズはSiO2 の上にあるから相互
に絶縁されている。溝を切った部分はSiが露呈してい
る訳である。しかし溝に接触するのは光ファイバだけで
あるから差し支えない事である。
【0049】図17は図15の光路変換部の拡大断面図
である。光ファイバ40はコア57とクラッド56とか
らなる。光路変換部の第2V溝35の側面と傾斜反射面
37には金属膜が被覆される。反射率を高めるためであ
る。この図では光ファイバの先端は第2V溝35の底よ
り上にあるが、そうであっても間隙溝の前面38によっ
て位置決めされるのである。V溝であって底角が72゜
であるから溝の側方に光ファイバ先端が当たる。コア5
7の中心Pから出た光は、開口角に応じて広がる。広が
り角ΘはcosΘ=n1 /n0 によって与えられる。n
1 はクラッド屈折率、n0 はコア屈折率である。広がり
ビームをPQ1 、PQ2 、PQ3 とする。傾斜反射面3
7でビームが反射されて裏面入射型のPD42に入る。
【0050】傾斜反射面37の傾斜角は45゜でなくて
54゜であるから、ビームQ11、Q22 、Q33
は表面に垂直でない。多少後ろ向きのビームとなる。
これらが屈折率の大きいPD42に入射し、上方の受光
部58まで伝搬しここで感受される。垂直上向きでない
から、PD面で反射されたビームは同じ道筋を戻らな
い。もしも戻ると光ファイバを逆進し光源であるレ−ザ
(図示しない)に戻りレ−ザ発振に悪影響を及ぼすとこ
ろである。本発明では54゜の傾斜反射面を使うからそ
のような事はない。従来の円筒形の光受信モジュールで
は光ファイバの先端を8゜の傾斜に研磨して反射光がレ
−ザに戻るのを防いだものである。本発明ではそれが不
要である。現にここで光ファイバ40の先端は(傾き0
゜に)正しく切ってある。
【0051】近赤外光(1.55μmや1.3μm)を
通信光に用いる場合、PDはInP基板の上に、InG
aAsPやInGaAsの受光層をエピタキシャル成長
させ、Zn拡散でpn接合を作成したものを使う。もち
ろん通信光の波長によって、SiーPDSi−APDを
使う事もできる。
【0052】図18はSi基板33のV溝など構造物
に、チップや光ファイバを取り付けた状態を示す斜視図
である。光路変換部の上、メタライズ50の終端にPD
42が半田付けしてある。そのすぐ前にはメタライズ5
2に増幅器IC59が半田付けしてある。同じメタライ
ズ52に平板コンデンサ61、62が取り付けられる。
これはダイキャップともいう。電源のインピーダンスを
下げてノイズを遮断するために入れている。PD42は
n電極(カソード)が下になっておりこれがメタライズ
50に接続されている。上のp電極はワイヤによって増
幅器59の入力端子に接続される。増幅器の出力端子と
電源端子がワイヤによって別のメタライズ53、51と
つながれている。グランドはメタライズ52から取って
いる。PDの光電流を同じパッケージ内で増幅するから
外部ノイズの影響を受け難い。
【0053】このように電子部品をリフロー炉によって
半田付けしてから、フェルール60を付けた短い光ファ
イバ40をSi基板に取り付ける。第1V溝34に光フ
ァイバのクラッドをいれ、フェルール60を大V溝47
に入れて支持する。その後接着剤を使って光ファイバを
固定するのであるが、初めに透光性樹脂を光ファイバ先
端、間隙溝、第2V溝の辺りに滴下(ポッテイング)す
る。次いでフェルール60、光ファイバ40の部分に固
定樹脂を塗布する。
【0054】図19は図18の部分図である。図19
(1)はPDを取り付ける部分の平面図である。基板の
側部から伸びるメタライズ50が光路変換部の近傍で
は、第2V溝35を囲むようにコの字型になっている。
メタライズ50の上に電極用のパターン66が蒸着、メ
ッキ(例えばAu−Sn)などによって作成してある。
その外側でメタライズ50の上に4つの位置合わせマー
ク67、68、69、70が付されている。PD42の
四隅の点をこれらのマークに合うようにして取り付け
る。図19(2)は光ファイバの突き合わせ部である。
光ファイバから出た光は平面方向にも広がるが傾斜反射
面37で反射されPDにはいる。図19(3)は光ファ
イバの光が面37で上向きに反射されPDに入射すると
ころを示す。図19(4)は光ファイバを横切る部分の
横断面図、(5)は第2V溝の部分の横断面図である。
光ファイバの大部分は第1V溝に沈んでいるが、上部の
幾分かが露出している。
【0055】図18のようなものができると、これを金
属板を打ち抜いたリードフレームに乗せて、パターンと
リードとをワイヤによって接続する。さらに型にいれて
流動性ある樹脂をそそぎ込み固化する。リードの外側に
出ている部分を切断する。つまり樹脂モールドによって
パッケージを作るのである。従来の円筒形光受信モジュ
ールは金属性のパッケージにハーメチックシールしてい
たがそれはコスト高になる。本発明は安価なモールド型
のパッケージに収容する。これによってもコストを削減
できる。モールドであるというのも本発明の特徴の一つ
である。
【0056】図20は樹脂モールド後の本発明の素子の
斜視図である。図21は光路変換部の辺りの横断面図、
図22は縦断面図、図23はフェルール部分の辺りの横
断面図である。光路変換部の辺りでは透光性樹脂接着剤
43が光路部分を覆っている。さらに光ファイバ、フェ
ルールの部分は固定樹脂44によって覆われる。さらに
その外側において、安価な樹脂72が全体を覆ってい
る。両側にはリード73、74、…、83…、85など
が出ている。通常のモールドタイプICと外観は殆ど同
じである。ただし、光ファイバを繋ぐためのフェルール
60が外部に突き出ている。これが電気的なICとすこ
し違うところである。
【0057】以上に述べたものは光ファイバが一本のも
のであった。本発明は複数の光ファイバと複数のPDを
設けた複数連の光受信モジュールにも適用できる。図2
4は、3連の光受信モジュールに適用したもののSi基
板の平面図を示す。Si基板86に1本の共通の間隙溝
87が彫られている。これと直角に3本の第1V溝8
8、89、90が基板端面から半ばにかけて形成され
る。間隙溝87の先にはよりせまい第2V溝94、9
5、96が形成される。その終端は傾斜反射面になって
いる。それが光路変換部となっている。前例と同じよう
に、V溝は異方性エッチングによって作製できる。間隙
溝だけダイシングソーで切り欠いてもよい。間隙溝も方
向性あるRIEなどのエッチングで形成できる。もちろ
んV溝も機械的手段によって切り込むこともできる。
【0058】光路変換部の上にはPD97、98、10
0を固定してある。PDのさらに前方には電子回路素子
101、102、…、109などが実装してある。これ
らは増幅器、コンデンサ、波形整形器など任意である。
第1V溝には、光ファイバ91、92、93を埋め込ん
である。光路変換部は透光性樹脂によって、光ファイバ
の全体は固定樹脂によって固定する。3連に限らず、4
連、…など任意の多連のモジュールとすることができ
る。この例ではフェルールが外部に突出していない。そ
れはテープ光ファイバなどと突き合わせ結合させるため
である。もちろん3本のフェルールを図20のように突
き出すような構造にしてもよい。結合の相手になる光フ
ァイバ群の形状によってフェルールの組み合わせも自在
に変えることができる。これは基板部分だけをしめして
いるが、実際には図20のように全体を樹脂モールドし
て完成品とする。パッケージが樹脂モールドであるから
金属カンパッケージやセラミックパッケージよりずっと
安価になる。
【0059】図25は、5連の実施例を示す。Si基板
120に、横方向に間隙溝121を彫りつけ、これに垂
直に第1V溝122〜126を形成する。それの続きと
してより狭い幅の第2V溝127〜131を間隙溝12
1の先に設ける。第2V溝の終端は(111)面の傾斜
反射面となっている。その上にPDアレイ137が固定
してある。個々に分離したPDでなくてここではアレイ
を使っている。PDアレイなら位置合わせが一回で済
む。PD群の後方には電子回路部品138、139、1
40が取り付けてある。これもSi基板の部分だけしか
しめしていないが、実際には樹脂によって全体をモール
ドする。光ファイバの開口端には、やはり5連のテープ
光ファイバ142のコネクタが何らかの手段によって着
脱自在に取り付けられる。
【0060】
【発明の効果】本発明は、第1V溝(固定用V溝)、間
隙溝、第2V溝(光路変換部)をSi基板上に独立させ
て形成している。間隙溝が2段V溝の間にあるので透光
性樹脂接着剤を光路になる部分にのみ満たし、光ファイ
バは固定樹脂接着剤によって強固堅固に固定することが
できる。間隙溝によって二つの接着剤の空間的な切り分
けが可能になる。透光性樹脂と固定用樹脂の組み合わせ
で良好な性能の受信モジュールができる。そのようなも
のは従来の光受信モジュールにはなかった事である。
【0061】平面実装型であって円筒形のパッケージで
ないからプリント基板に実装したとき9mm以下にでき
る。平面実装型であってしかも樹脂によってモールドし
たものであるからさらに安価になる。
【0062】1本の光ファイバ1個のPDだけでなく、
複数の光ファイバ、PDを接続する光パラレルリンクの
ような複数本の光ファイバ伝送にも応用できる。光ファ
イバやPDの数が増えるとV溝による調芯作用、樹脂に
よる固定などが一層その効果を発揮する。製作コスト、
部品コストともに低減できる表面実装型の光受信モジュ
ールを与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ドイツ特許DE3543558C2およびB.Hi
llerich & A.Geyer,"Self-aligned flat-pack fibre-ph
otodiode coupling", ELECTRONICS LETTERS VOL.24, N
O.15, P918(1988) によって提案された光受信モジュー
ルの中央縦断面図。
【図2】同じ光受信モジュールのV溝を含む一部の平面
図。
【図3】同じ光受信モジュールにおいてV溝に光ファイ
バを挿入した状態の一部平面図。
【図4】同じ光受信モジュールにおいてPDを取り付け
て光ファイバをV溝に挿入した状態の一部平面図。
【図5】特公昭63ー22565号において提案された
光受信モジュールの第1の基板の斜視図。
【図6】同じ特公昭63ー22565号において提案さ
れた光受信モジュールの第2の基板の斜視図。
【図7】特開平9ー54228号において提案された光
受信モジュールの中央縦断面図。
【図8】同じ特開平9ー54228号において提案され
た光受信モジュールの一部平面図。
【図9】同じもののV溝部分の横断面図。
【図10】本発明の光受信モジュールのV溝を含む部分
の斜視図。
【図11】本発明の光受信モジュールのV溝を含む部分
の横断面図。
【図12】本発明の光受信モジュールの基板部分のV
溝、間隙溝の断面図。
【図13】同じものの一部平面図。
【図14】同じものにおいて、光ファイバをV溝に挿入
したものの平面図。
【図15】同じ光受信モジュールにおいて光ファイバを
取り付けて透光性樹脂で光路変換部、光ファイバ先端、
PDの部分を接着し、その上に固定樹脂の接着剤を塗布
して固めた状態の断面図。
【図16】本発明の光受信モジュールのSi基板の平面
図。
【図17】本発明の光受信モジュールの光路変換部の拡
大縦断面図。
【図18】本発明の光受信モジュールにPDチップ、光
ファイバを固定した状態の斜視図。
【図19】同じモジュールの各部分の詳細図。(1)は
光路変換部の平面図。(2)は光路変換部に光ファイバ
を固定した状態の平面図。(3)は同じものの縦断面
図。(4)は光ファイバの部分の横断面図。(5)第2
V溝の部分の横断面図。
【図20】Si基板に電子部品や光ファイバを実装して
全体をモールドしたものの斜視図。
【図21】同じ光受信モジュールのPDチップを含む部
分の横断面図。
【図22】同じ光受信モジュールの中央縦断面図。
【図23】同じ光受信モジュールの光ファイバを含む部
分の横断面図。
【図24】光ファイバ3連の場合に適用した本発明の光
受信モジュールのSi基板部分の平面図。
【図25】光ファイバ5連の場合に適用した本発明の光
受信モジュールのSi基板部分の平面図。
【符号の説明】
1Si基板 2V溝 3光ファイバ 4傾斜反射面 5PDチップ 6光線 7接着剤 8空隙部 11Si基板 12、13V溝 14横溝 15傾斜反射面 16光ファイバ 17光ファイバ 18蓋板 19PDチップ 20PDチップ 21Si基板背面 22横片 23反射光線 24反射光線 25Si基板 26第1V溝 27第2V溝 28 傾斜面 29傾斜反射面 30光ファイバ 32PDチップ 33Si基板 34第1V溝 35第2V溝 36間隙溝 37傾斜反射面 38溝前面 39溝後面 40光ファイバ 42PDチップ 43透光性樹脂 44固定樹脂 45傾斜面 46前低面 47大V溝 48中間部面 49後面 50〜53メタライズ 54反射被膜 55反射被膜 56クラッド 57コア 58受光部 59増幅器 60光ファイバ 61平板コンデンサ 62平板コンデンサ 63段 64ワイヤ 65ワイヤ 66AuSnメッキパターン 67〜70位置合わせマーク 72モールド 73〜77リードピン 83〜85リードピン 78底板 79〜80ワイヤ 86Si基板 87間隙溝 88〜90第1V溝 91〜93光ファイバ 94〜96第2V溝 97〜98PDチップ 100PDチップ 101〜109電子回路部品 120Si基板 121間隙溝 122〜126第1V溝 127〜131第2V溝 132〜136光ファイバ 137PDアレイ 138〜140電子回路部品 142テープファイバ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 全体が絶縁物であるか或いは表面が絶縁
    被膜によって覆われた基板と、基板の上に形成され光フ
    ァイバを固定するための第1V溝と、基板に形成され第
    1V溝に直交しより深い間隙溝と、間隙溝を介して第1
    V溝と対向し同一軸線上になるよう基板に形成され第1
    V溝より浅い第2V溝と、第2V溝の終端部に生成され
    る傾斜反射面と、間隙溝にかからず第2V溝と傾斜反射
    面の上方において基板に固定される受光素子チップと、
    先端が間隙溝に接触するよう第1V溝に挿入固定された
    光ファイバと、光ファイバ先端、間隙溝、受光素子チッ
    プの部分に塗布される透光性樹脂接着剤と、光ファイバ
    の残りの部分に塗布され光ファイバを基板に接着する固
    定樹脂接着剤とを含み、光ファイバから出た光は第2V
    溝を通り傾斜反射面で反射され受光素子チップに入射す
    るようにしたことを特徴とする光受信モジュール。
  2. 【請求項2】 基板が(100)面Si基板であり、
    {100}面より{111}面のエッチング速度が遅く
    なる異方性エッチングによって第1V溝、第2V溝、傾
    斜反射面が形成されていることを特徴とする請求項1に
    記載の光受信モジュール。
  3. 【請求項3】 間隙溝が基板をダイシングなどの機械加
    工することによって形成される事を特徴とする請求項1
    または2に記載の光受信モジュール。
  4. 【請求項4】 間隙溝がSi基板をエッチングすること
    により形成される事を特徴とする請求項2に記載の光受
    信モジュール。
  5. 【請求項5】 受光素子チップが裏面入射型受光素子で
    ある事を特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の光
    受信モジュール。
  6. 【請求項6】 傾斜反射面には金属膜もしくは誘電体膜
    をコ−ティングしてあることを特徴とする請求項5に記
    載の光受信モジュール。
  7. 【請求項7】 受光素子よりの電気信号を処理するため
    の電子回路部品を同一の基板上に集積したことを特徴と
    する請求項1〜6のいずれかに記載の光受信モジュー
    ル。
  8. 【請求項8】 光ファイバから受光素子に至る間隙溝、
    第2V溝、傾斜反射面の空間が透光性の樹脂によって充
    填されている事を特徴とする請求項1〜7のいずれかに
    記載の光受信モジュール。
  9. 【請求項9】 モジュールの全体が樹脂によってモール
    ドされていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか
    に記載の光受信モジュール。
  10. 【請求項10】 光ファイバが石英系のシングルモード
    ファイバであり、受光素子がInGaAs若しくはIn
    GaAsP受光層を有する裏面入射型受光素子である事
    を特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の光受信モ
    ジュール。
  11. 【請求項11】 光ファイバが一定間隔を置いて並列に
    配置された複数本の集合体であり、光ファイバに対応し
    て第1V溝が複数本同じ一定間隔で平行に基板上に設け
    られ、間隙溝は全ての第1V溝に直角に1本設けられ、
    第2V溝は第1V溝と同じ間隔で平行に複数本設けら
    れ、第1V溝終端にはそれぞれ傾斜反射面があり、傾斜
    反射面の上方にはこれと等しい間隔に複数の受光素子が
    設けられていることを特徴とする請求項1〜10に記載
    の光受信モジュール。
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