JP2004264362A - 光モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】量産化および低コスト化が可能な、パッシブアライメント方式による光モジュールを提供する。
【解決手段】光モジュールは、４個のフォトダイオード１２及び２本のガイド溝１０を光素子設置面１６上に有するサブマウント１と、４本のＶ溝２１、４個の凹面鏡、及び２本のガイドレール２０を光ファイバ固定面２６上に有するファイバ固定部材２と、ファイバ固定部材２に固定された４本の光ファイバ３と、を備え、サブマウント１とファイバ固定部材２とは、ガイド溝１０とガイドレール２０とが嵌合することによって、位置合わせされて固定されることを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバと光半導体素子とが光学的に接続された光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信市場においては、基幹回線のインフラ整備の拡充に伴い、ユーザ側回線の設備、及びユーザ側回線と基幹回線とを接続する設備の整備に目が向けられている。具体的には、メトロエリアネットワーク、アクセス系、及び学校や会社内のＬＡＮの充実、また、プロバイダ内のサーバやルータの高速化・大容量化などが望まれている。
【０００３】
特に、学校や会社内のＬＡＮ、あるいはプロバイダ内のサーバ、ルータなどでの光接続は、ＶＳＲ（Ｖｅｒｙ Ｓｈｏｒｔ Ｒｅａｃｈ）やインターコネクションと呼ばれている。このような光接続は、短距離だが、高速大容量での信号伝送が望まれている。一方、低コストであることが望まれるため、高速といっても、例えば１０Ｇｂｐｓの伝送速度をもつ光接続のように必要な設備が高価なものは適さない。
【０００４】
このような要望から、最大２．５Ｇｂｐｓ程度の速度で光信号を並列に伝送する光モジュールが注目されている。この光モジュールでは、光ファイバアレイであるテープファイバと光半導体素子アレイとが位置合わせされて接続されることによって、複数の光信号が並列に伝送される。ところが、その位置合わせを調芯で行うのでは、低コストな光モジュールを実現することができない。そこで、パッシブアライメント方式で位置合わせされた光モジュールが提案されている（特許文献１，２）。
【０００５】
図７は、従来のパッシブアライメント方式による光モジュールの構成例を示した断面図である（非特許文献１参照）。光ファイバ９２と光半導体素子９４との位置合わせは、ファイバフェルール９１の有するガイドピン９５が基板９３の有するガイドピン挿入孔９６に挿入接着されることによって行われている。ここで、光ファイバ９２はガイドピン９５に対して位置合わせされたファイバ挿通部に挿通されており、光半導体素子９４はガイドピン挿入孔９６と同じマスクプロセスで形成された位置決めマークをガイドとして基板９３上に位置決めされて固定されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−７７６３４号公報
【特許文献２】
特開平７−１５１９４０号公報
【非特許文献１】
「電子情報通信学会技術研究報告」、ＬＱＥ９９−１３０、ｐ．１−６
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパッシブアライメント方式の光モジュールにおいては、いずれも光ファイバの取り付けは、光モジュール全体の組立工程のうち早い段階で行われる。例えば、図７に示した光モジュールにおいては、基板９３をサブマウントとして回路基板に取り付ける場合、モジュール高さを低く抑えるために、基板９３を回路基板に対して垂直に立てて固定する。このとき、基板９３を回路基板に固定した後では、ファイバフェルール９１を基板９３に対して取り付けにくい。そこで、光ファイバ９２を有するファイバフェルール９１と、光半導体素子９４を有する基板９３との取り付けは、基板９３を回路基板に対して固定する工程よりも前に行われる。
【０００８】
このように、光ファイバを取り付ける工程が光モジュール全体の組立ての早い段階で行われる場合、その後の工程におけるハンドリングや自動化に支障を来たすという問題がある。例えば、光半導体素子、あるいは光半導体素子が設けられた基板を回路基板に対してダイボンディング、ワイヤボンディング等する工程においては、光ファイバが取り付けられていることを考慮した専用の装置が必要である。そして、このような問題は、光モジュールの量産化・低コスト化を妨げてきた要因である。
【０００９】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、量産化および低コスト化に適した光モジュールを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による光モジュールは、（１）所定の第１面上に設けられた光半導体素子と、第１面上に形成された第１位置合わせ部とを有するサブマウントと、（２）所定の第２面上に形成され、光ファイバを位置決めして固定するための固定溝と、固定溝に対して設けられ、固定溝に固定される光ファイバ及び対応する光半導体素子のいずれか一方から出射した光を他方へと導く凹面鏡と、第２面上に形成された第２位置合わせ部とを有するファイバ固定部材と、（３）固定溝に固定された光ファイバと、を備え、（４）第１位置合わせ部及び第２位置合わせ部は、その一方はガイドレールから、他方はガイドレールと嵌合するガイド溝からなり、サブマウントとファイバ固定部材とは、第１位置合わせ部と第２位置合わせ部とが嵌合することによって、位置合わせされて固定されることを特徴とする。
【００１１】
上記した光モジュールにおいては、サブマウントの第１位置合わせ部とファイバ固定部材の第２位置合わせ部とが嵌合することによって、光半導体素子と光ファイバとが位置合わせされる。このため、本光モジュールにおいては、パッシブアライメント方式による位置合わせが可能となっている。
【００１２】
また、位置合わせ部としてガイドレールとガイド溝とを用いているので、光半導体素子と光ファイバとを高精度で位置合わせすることができる。
【００１３】
また、光半導体素子が設けられるサブマウントの第１面に対して、光ファイバが固定されるファイバ固定部材の第２面が対向して配置される。これにより、光ファイバが固定されたファイバ固定部材をサブマウントに対して位置合わせして固定する工程を、サブマウントを回路基板にダイボンディング、ワイヤボンディング等する工程よりも後に行うことが可能となる。このため、サブマウントを回路基板にダイボンディング、ワイヤボンディング等する工程におけるハンドリングや自動化に支障が生じることがなく、量産化、低コスト化が可能な光モジュールが実現される。また、光ファイバがサブマウントの第１面に対して平行に配置されるので、モジュール高さが低く抑えられている。
【００１４】
さらに、光ファイバと光半導体素子との間の導光光学系として、凹面鏡が設けられている。これにより、光ファイバ及び光半導体素子のいずれか一方から出射した光は、集光されて他方へと導かれるので、高い光結合率を実現することができる。
【００１５】
本発明による光モジュールは、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の光半導体素子を有するサブマウントと、互いに平行なＮ本の固定溝と、Ｎ本の固定溝それぞれに対して設けられるＮ個の凹面鏡とを有するファイバ固定部材と、Ｎ本の固定溝それぞれに固定されたＮ本の光ファイバと、を備えることを特徴としてもよい。この場合、複数の光信号を並列に伝送することができるため、より高速大容量での伝送を可能にする光モジュールが提供される。
【００１６】
また、光半導体素子は、サブマウントと同一の材料から同一の半導体プロセスで作られることにより、第１位置合わせ部とモノリシックに形成されることを特徴としてもよい。あるいは、サブマウントは、第１位置合わせ部と同一のマスクプロセスで形成された位置決めマークを有し、光半導体素子は、位置決めマークを基準として、サブマウントに対して位置決めされて設けられることを特徴としてもよい。これらの場合、光半導体素子と第１位置合わせ部とが互いに高精度で位置合わせされたサブマウントを得ることができる。
【００１７】
また、ファイバ固定部材は、樹脂から一体成型されることを特徴としてもよい。この場合、固定溝、凹面鏡、及び第２位置合わせ部が互いに高精度に位置合わせされたファイバ固定部材を得ることができる。
【００１８】
また、第２位置合わせ部は、固定溝と略平行に形成されることを特徴としてもよい。この場合、第２位置合わせ部と固定溝とを互いに位置合わせして形成することが容易になる。
【００１９】
また、ガイドレールは、その長手方向に垂直な平面での断面形状がテーパ状であることを特徴としてもよい。この場合、ガイドレールとガイド溝との嵌合がし易くなる。
【００２０】
また、光モジュールは、光半導体素子と凹面鏡との間に設けられ、光ファイバ及び対応する光半導体素子のいずれか一方から出射した光を他方へと集光するレンズを備えることを特徴としてもよい。この場合、凹面鏡による集光と併せて、光結合率をより向上させることができる。
【００２１】
また、サブマウントに設けられる光半導体素子としては、光検出素子を用いることができる。この場合、本光モジュールは、光受信モジュールとなる。あるいは、光半導体素子として、発光素子を用いることができる。この場合、本光モジュールは、光送信モジュールとなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による光モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２３】
図１は、本発明による光モジュールの一実施形態の構成を示す側面断面図である。この図１を用いて、本実施形態による光モジュールの構成の概略を説明する。本光モジュールは、Ｎ（Ｎは自然数）本の光ファイバとＮ個の光半導体素子とが光学的に接続され、光信号を並列に伝送する光送信用または光受信用の光モジュールである。以下に説明する実施形態では、Ｎ＝４である。また、図１には、４組のうちの１組の光ファイバと光半導体素子について、それらの光軸を含む平面による断面図が示されている。図１においては、その左右方向が光ファイバの光軸に沿った光伝送方向となっている。
【００２４】
本光モジュールは、回路基板４１、サブマウント１、ファイバ固定部材２、及び被覆光ファイバアレイ３１を備える。回路基板４１は、サブマウント１を実装するマウント基板である。また、回路基板４１上には、信号処理に必要な配線や電子回路等が実装される。図１においては、回路基板４１上には、電気信号を増幅して出力するプリアンプ４３が実装されている。
【００２５】
サブマウント１は、光半導体素子を設置するための基板である。このサブマウント１は、回路基板４１上に載置されている。また、サブマウント１の回路基板４１とは反対側の面は、光半導体素子が設けられる光素子設置面（第１面）１６となっている。サブマウント１の基板としては、例えばシリコン基板を用いることができる。
【００２６】
光素子設置面１６上には、フォトダイオードアレイ１１が設けられている。このフォトダイオードアレイ１１は、光半導体素子として４個のフォトダイオード（光検出素子）１２が一定のピッチで配列された光半導体素子アレイである。これらのフォトダイオード１２は、後述する光ファイバ３の光軸に対して垂直な方向（図１では紙面に垂直な方向）を配列方向として設けられている。また、回路基板４１上のプリアンプ４３、サブマウント１上のフォトダイオードアレイ１１、及び回路基板４１、サブマウント１上に設けられた電極、配線等は、それぞれダイボンディングまたはワイヤボンディング等によって電気的に接続されている。
【００２７】
ファイバ固定部材２は、光ファイバを固定する部材である。このファイバ固定部材２は、サブマウント１に対して回路基板４１とは反対側に設置されている。また、ファイバ固定部材２のサブマウント１の光素子設置面１６に対向する面は、光ファイバが固定される光ファイバ固定面（第２面）２６となっている。ファイバ固定部材２は、例えば樹脂から一体成型することができる。
【００２８】
光ファイバ固定面２６上には、光ファイバを位置決めして固定するための固定溝として、４本のＶ溝２１が、互いに平行に形成されている。また、これらのＶ溝２１に対して、一定のピッチで配列された４本の光ファイバを有する被覆光ファイバアレイ３１が設置されている。この被覆光ファイバアレイ３１は、その先端部分が所定の長さにわたって被覆が除去されて、４本の光ファイバ３が露出されている。そして、これらの露出された光ファイバ３が、それぞれ対応するＶ溝２１に位置決めして固定されている。
【００２９】
これらのＶ溝２１及びＶ溝２１に固定される光ファイバ３は、光ファイバ３の光軸に対して垂直な方向を配列方向とし、フォトダイオード１２に対応するように同一のピッチで配置されている。また、ファイバ固定部材２には、サブマウント１の上方に位置してＶ溝２１が設けられた光ファイバ固定部２ａとともに、サブマウント１及び光ファイバ固定部２ａからみて被覆光ファイバアレイ３１が伸びる向きへと突出するアレイ収容部２ｂが設けられている。
【００３０】
また、光ファイバ固定面２６上には、光ファイバ３のそれぞれの光軸上で、その端面に対向する位置に、凹面鏡２２が設けられている。この凹面鏡２２は、４本のＶ溝２１及び光ファイバ３のそれぞれに対して設けられている。また、凹面鏡２２は、サブマウント１からみて、対応するフォトダイオード１２の上方へと向かう光軸上に配置されている。凹面鏡２２は、光ファイバ３の端面から出射した光の光路を鉛直下方へと略９０°変換するとともに平行光として、その光をフォトダイオード１２へと集光しつつ導く。
【００３１】
凹面鏡２２とフォトダイオード１２との間には、ボールレンズ１４が、その光軸がフォトダイオード１２の光軸に一致するように位置決めされて設けられている。このボールレンズ１４は、光ファイバ３から出射されて凹面鏡２２によって光路が変換された光を対応するフォトダイオード１２へと集光する。本実施形態においては、これらの凹面鏡２２及びボールレンズ１４により、光ファイバ３とフォトダイオード１２との間の導光光学系が構成されている。ボールレンズ１４の位置決めは、例えば、フォトダイオードアレイ１１と同じ半導体プロセスにおいてレジスト等を用いて形成されたレンズ取り付け用の台座に固定することによって行うことができる。
【００３２】
上述した回路基板４１、サブマウント１、ファイバ固定部材２等は、筐体本体部４４ａと筐体本体部４４ａの上部に位置する筐体蓋部４４ｂとから構成される筐体４５に収められている。筐体本体部４４ａの底部４５ａ上に、回路基板４１が、サブマウント１が実装されている面と反対側の面が底部４５ａと対面して設けられている。
【００３３】
筐体４５の側部のうち、光ファイバ固定部２ａからみてアレイ収容部２ｂの向きにある側部４５ｂには、光ファイバ３の光軸上に開口４７が設けられている。この開口４７には、被覆光ファイバアレイ３１が通されている。
【００３４】
被覆光ファイバアレイ３１が通された開口４７には、半田４８が充填されている。この半田４８は、被覆光ファイバアレイ３１を筐体４５に対して固定するとともに、開口４７を塞いで筐体４５を気密に保っている。このように、被覆光ファイバアレイ３１を半田４８によって固定する場合、被覆光ファイバアレイ３１の被覆としては、例えばメタライズファイバのように金属製のものを用いることが好ましい。あるいは、被覆光ファイバアレイ３１の筐体４５への固定は、樹脂等によって行ってもよい。
【００３５】
筐体４５の側部４５ｂと対向する側部４５ｃには、出力端子４２が挿通されている。この出力端子４２は、プリアンプ４３で増幅されたフォトダイオード１２からの電気信号を筐体外部に導くものである。
【００３６】
図２は、ファイバ固定部材２の側から見たサブマウント１の斜視図である。この図２を用いて、サブマウント１の構成を詳細に説明する。
【００３７】
サブマウント１の光素子設置面１６上には、第１位置合わせ部として、互いに平行に延びる２本のガイド溝１０が形成されている。ガイド溝１０は、光ファイバ３とフォトダイオード１２とをパッシブアライメント方式で位置合わせするためのものである。このガイド溝１０の形成方向は、フォトダイオード１２の配列方向と垂直な方向である。また、ガイド溝１０は、ファイバ固定部材２が有する第２位置合わせ部に対応する所定の位置に設けられている。また、ガイド溝１０の長手方向に垂直な平面での断面形状は、光素子設置面１６からサブマウント１の内側に向かって次第に幅が狭くなるテーパ状である。
【００３８】
また、光素子設置面１６上には、位置決めマーク１３が形成されている。この位置決めマーク１３は、フォトダイオードアレイ１１をサブマウント１に対して位置決めして固定する際に基準となるものである。位置決めマーク１３は、２本のガイド溝１０に対して位置合わせされており、好ましくはガイド溝１０と同一のマスクプロセスで形成される。
【００３９】
位置決めマーク１３に対して光ファイバ３の光伝送方向の上流側となる位置に、フォトダイオードアレイ１１が設置されている。フォトダイオードアレイ１１のサブマウント１に対する固定は、例えばフリップチップボンディングによって行うことができる。また、第１位置合わせ部であるガイド溝１０は、フォトダイオードアレイ１１に対して位置合わせされている。
【００４０】
図３は、サブマウント１側から見たファイバ固定部材２の斜視図である。この図３を用いて、ファイバ固定部材２の構成を詳細に説明する。
【００４１】
ファイバ固定部材２の光ファイバ固定面２６上には、第２位置合わせ部として、互いに平行に延びる２本のガイドレール２０が形成されている。ガイドレール２０は、ガイド溝１０と嵌合することによって、光ファイバ３とフォトダイオード１２とをパッシブアライメント方式で位置合わせするためのものである。このガイドレール２０は、その長手方向に垂直な平面での断面形状がガイド溝１０と同様に、光ファイバ固定面２６からサブマウント１側に向かって次第に幅が狭くなるテーパ状をしている。このガイドレール２０の形成方向は、Ｖ溝２１の形成方向と平行である。
【００４２】
光ファイバ固定面２６は、光伝送方向に垂直な方向である光ファイバ３の配列方向からみて、その中央部分が光伝送方向に沿って凹状に低く形成されている。この凹状部分が光ファイバ３を固定するためのＶ溝２１が形成されるＶ溝形成部２６ａとなっている。このような構成により、光ファイバ固定面２６上に設置される光ファイバ３及び凹面鏡２２と、サブマウント１の光素子設置面１６上に設置されるフォトダイオード１２との間の距離が好適に設定される。
【００４３】
本実施形態においては、このＶ溝形成部２６ａのうちで光伝送方向の上流側部分がアレイ収容部２ｂ、下流側部分が光ファイバ固定部２ａとなっている。光ファイバ固定部２ａには、図１に関して上述したように、光伝送方向に沿った４本のＶ溝２１が形成され、さらにその下流側に４個の凹面鏡２２が設けられている。
【００４４】
光ファイバ３の配列方向からみて、Ｖ溝形成部２６ａの両側は、それぞれガイドレール形成部２６ｂとなっている。上記した２本のガイドレール２０は、両側のガイドレール形成部２６ｂにそれぞれ１本ずつ、Ｖ溝形成部２６ａに形成された４本のＶ溝２１を挟むように設けられている。これらの第２位置合わせ部であるガイドレール２０は、Ｖ溝２１及びＶ溝２１に固定される光ファイバ３に対して位置合わせされている。また、Ｖ溝形成部２６ａとガイドレール形成部２６ｂとを合わせた光ファイバ固定面２６の、光ファイバ３の配列方向についての幅は、サブマウント１の幅と略一致している。
【００４５】
光ファイバ３の配列方向からみてガイドレール形成部２６ｂの外側となる光ファイバ固定面２６の両側には、それぞれガイド部２７が設けられている。このガイド部２７は、光ファイバ固定面２６から見てサブマウント１が配置される側へと突出しており、ファイバ固定部材２をサブマウント１に対して位置合わせして固定する際に、ガイドレール２０とガイド溝１０との嵌合をガイドする部分となっている。また、このガイド部２７の突出高さは、サブマウント１の高さよりも小さく設定されている。
【００４６】
図４は、図３に示したファイバ固定部材２に被覆光ファイバアレイ３１及び光ファイバ３が固定された状態を示した斜視図である。図４に示すように、４本のＶ溝２１それぞれに対して、光ファイバ３が固定される。この固定は、光ファイバ３をＶ溝２１内に入れた後、接着剤で接着固定することによって行われる。なお、固定に際しては、ガラス板等を光ファイバ押さえとして用いてもよい。
【００４７】
図５は、図１に示した光モジュールのＩ−Ｉ線に沿った正面断面図である。ファイバ固定部材２は、そのガイド部２７がサブマウント１を両側から挟み込むとともに、ファイバ固定部材２の光ファイバ固定面２６のうちのガイドレール形成部２６ｂと、サブマウント１の光素子設置面１６とが接するように設置される。このとき、図５に示すように、サブマウント１に形成されたガイド溝１０とファイバ固定部材２に形成されたガイドレール２０とが嵌合する。これにより、ガイド溝１０に対して位置合わせされたフォトダイオード１２と、ガイドレール２０に対して位置合わせされた光ファイバ３とが、パッシブアライメント方式により位置合わせされる。
【００４８】
また、ファイバ固定部材２と、サブマウント１の下方にある回路基板４１とは、接着剤により固定される。図５においては、ファイバ固定部材２に設けられたガイド部２７の下面、及び回路基板４１の上面の間に充填された接着剤４６が示されている。
【００４９】
次に、図１を用いて、本光モジュールの組立て工程を説明する。まず、筐体本体部４４ａに対して回路基板４１を取り付ける。さらに、この回路基板４１に対してサブマウント１及びプリアンプ４３を取り付ける。これらの取り付けは、樹脂によるダイボンディング、金線又はアルミ線によるワイヤボンディング等によってすることができる。
【００５０】
一方、サブマウント１の取り付け工程とは別工程で、ファイバ固定部材２に対して光ファイバ３を固定する。そして、ガイドレール２０をガイド溝１０に嵌合させることによって、光ファイバ３が固定されたファイバ固定部材２をサブマウント１に対して位置合わせして固定する。この状態で、接着剤４６を所定の空間に充填し、ファイバ固定部材２を回路基板４１に対して接着固定する。
【００５１】
最後に、開口４７に被覆光ファイバアレイ３１を通してから、筐体蓋部４４ｂを筐体本体部４４ａに対して封じ固定することで光モジュールが完成する。この封じ固定は、樹脂を用いた接着固定によって行うことができる。
【００５２】
本実施形態の光モジュールの効果について説明する。本光モジュールにおいては、サブマウント１のガイド溝１０とファイバ固定部材２のガイドレール２０とが嵌合することによって、光ファイバ３とフォトダイオード１２とが位置合わせされている。このため、本光モジュールにおいては、パッシブアライメント方式による位置合わせが実現されている。
【００５３】
また、第１位置合わせ部としてガイド溝１０を、第２位置合わせ部としてガイドレール２０を用いている。このため、光ファイバ３とフォトダイオード１２とが高精度に位置合わせされている。なお、サブマウント１に形成される第１位置合わせ部をガイドレール、ファイバ固定部材２に形成される第２位置合わせ部をガイド溝としてもよい。
【００５４】
また、光素子設置面１６に対して光ファイバ固定面２６が対向して配置されるので、光ファイバ３が固定されたファイバ固定部材２をサブマウント１に対して位置合わせして固定する工程を、サブマウント１を回路基板４１にダイボンディング、ワイヤボンディング等する工程よりも後に行うことができる。このため、サブマウント１を回路基板４１にダイボンディング、ワイヤボンディング等する工程におけるハンドリングや自動化に支障が生じることがない。したがって、本光モジュールは、量産化、低コスト化が可能である。また、本光モジュールにおいては、光ファイバ３がサブマウント１の光素子設置面１６に対して平行に配置されているので、モジュール高さが低く抑えられている。
【００５５】
さらに、光ファイバ３とフォトダイオード１２との間の導光光学系として凹面鏡２２が設けられている。これにより、光ファイバ３から出射した光は集光されてフォトダイオード１２へと導かれるので、高い光結合率が実現されている。
【００５６】
また、本実施形態においては、凹面鏡２２は、光ファイバ３からの光を平行光にする。したがって、光ファイバ３からの光は凹面鏡２２からボールレンズ１４までの光路を平行光として進むこととなるため、光モジュールのトレランスが緩やかになる。例えば、光学シュミレータを用いた計算によると、凹面鏡２２とフォトダイオード１２との位置関係が、±４０μｍ程度動いても光結合が可能であるという結果が得られている。なお、凹面鏡２２は、必ずしも反射光を平行光束にするものに限られない。
【００５７】
また、本光モジュールによれば、光ファイバ３及びフォトダイオード１２がそれぞれ複数設けられているため、複数の光信号を並列に伝送することができる。このため、高速大容量での伝送が可能な光モジュールが実現されている。
【００５８】
また、フォトダイオード１２と凹面鏡２２との間に、集光のためのボールレンズ１４が設けられている。このため、高い光結合率が実現されている。ただし、凹面鏡２２による集光のみで充分な光結合率を得られる場合には、ボールレンズ１４を設けなくてもよい。例えば、光ファイバ３としてコア径１０μｍのシングルモードファイバを用いる場合、あるいは使用するフォトダイオード１２の光検出径が充分大きい場合などである。
【００５９】
また、ボールレンズ１４の位置決めは、フォトダイオードアレイ１１と同じ半導体プロセスにおいてレジスト等を用いて形成されたレンズ取り付け用の台座に固定することによって行うことができる。このようにすれば、ボールレンズ１４を±１〜２μｍ以下の精度で位置決めすることができる。
【００６０】
また、位置決めマーク１３とガイド溝１０とを同一のマスクプロセスで形成した場合、位置決めマーク１３をガイド溝１０に対して±１〜２μｍ以下の精度で位置合わせすることができる。したがって、この場合、フォトダイオードアレイ１１とガイド溝１０とを互いに高精度に位置合わせすることができる。
【００６１】
なお、フォトダイオードアレイ１１をサブマウント１と同一の材料から同一の半導体プロセスで作ることにより、ガイド溝１０とモノリシックに形成してもよい。このように形成した場合も、フォトダイオードアレイ１１とガイド溝１０とは互いに高精度に位置合わせされる。このとき、位置決めマーク１３は不要であるため形成しなくてもよい。
【００６２】
また、フォトダイオードアレイ１１をサブマウント１に対してフリップチップボンディングによって実装する場合、±５μｍ以下の精度で位置決めすることができる。
【００６３】
また、ファイバ固定部材２を樹脂から一体成型した場合、Ｖ溝２１及び凹面鏡２２それぞれのピッチ、Ｖ溝２１と凹面鏡２２との相対的な位置関係、並びにガイドレール２０とＶ溝２１との相対的な位置関係を、±１０μｍ以下の精度で高精度に作ることができる。なお、ファイバ固定部材２は、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄ）によって一体成型することもできる。このように成型した場合、樹脂から一体成型する場合と同様の高精度で作ることができる。
【００６４】
また、ファイバ固定部材２において、光ファイバ３と凹面鏡２２との間に、屈折率整合特性を有した接着剤を充填してもよい。このようにすれば、光ファイバ３の先端からの戻り光を抑えることができる。
【００６５】
また、ガイドレール２０は、Ｖ溝２１と略平行に形成されている。このため、ガイドレール２０とＶ溝２１とを容易に位置合わせして形成することができる。さらに、ガイドレール２０がＶ溝２１の両側に位置するガイドレール形成部２６ｂ上に１本ずつ形成されているため、サブマウント１とファイバ固定部材２とが高精度に位置合わせされている。
【００６６】
また、ガイド溝１０及びガイドレール２０は、その長手方向に垂直な平面での断面形状がテーパ状をしている。このため、ガイド溝１０とガイドレール２０との嵌合が容易である。また、ファイバ固定部材２にガイド部２７を設けているため、ガイド溝１０とガイドレール２０との嵌合をワンタッチで容易に行うことができる。
【００６７】
ところで、ガイドレールとガイド溝とが嵌合することによって、光ファイバと光半導体素子とが位置合わせされた光モジュールについては、特許文献１，２にも記載がある。
【００６８】
特許文献１には、光ファイバが固定される基板上に形成されたガイドレールと光半導体素子に直接形成されたガイド溝とを嵌合させることによって、光ファイバと光半導体素子とがパッシブアライメント方式で位置合わせされた光モジュールが記載されている。
【００６９】
しかし、この光モジュールにおいては、光ファイバと光半導体素子とが同一の光軸に沿って配置される構成となっている。そのため、基板には、光軸に沿って、光ファイバの固定部分に加えて光半導体素子の設置部分を設ける必要がある。したがって、この光モジュールは小型化することができないという問題がある。
【００７０】
これに対し、本発明による光モジュールにおいては、光ファイバ３から出射した光の光路を変換する凹面鏡２２が設けられ、光ファイバ３からの光は光ファイバ固定面２６に対向する位置にあるフォトダイオード１２に入射する構成をとっている。このため、ファイバ固定部材２にフォトダイオード１２の設置部分を設ける必要がない。したがって、本光モジュールは小型化することができる。
【００７１】
また、特許文献２には、ファイバ固定部材およびサブマウントの他に位置合わせ用の基板が設けられた光モジュールが記載されている。
【００７２】
しかし、この光モジュールにおいては、位置合わせ部を、ファイバ固定部材２とサブマウントだけでなく、基板に対しても形成する必要がある。そのため、位置合わせ部の形成工程、ひいては光モジュール全体の製造工程が複雑になる。また、位置合わせ部どうしの嵌合箇所が独立して２箇所（ファイバ固定部材−基板間、及びサブマウント−基板間の２箇所）あるため、位置合わせの誤差が増幅されてしまうという問題がある。
【００７３】
これに対し、本発明による光モジュールにおいては、サブマウント１とファイバ固定部材２にのみ位置合わせ部１０，２０を設けて、これらを直接嵌合して位置合わせしている。このため、本光モジュールは、製造工程が簡素化されているとともに、高精度で位置合わせされている。
【００７４】
また、パッシブアライメント方式による光モジュールとしては、例えば、図６に示す構成も考えられる。図６の光モジュールにおいては、光ファイバ８２と光半導体素子８４との位置合わせは、基板８１上に同一のマスクプロセスで形成されたＶ溝と位置合わせ用マークとによって行われている。基板８１上には、光ファイバ８２と光半導体素子８４との間で光を導く平面鏡８５が設けられている。
【００７５】
しかし、この光モジュールにおいては、光ファイバ８２が光半導体素子８４の下に入り込むため、光ファイバ８２をＶ溝に接着固定した後で、光半導体素子８４が位置合わせ用マークをガイドとしてフリップチップ実装される。このため、光半導体素子８４をフリップチップ実装する工程におけるハンドリングや自動化に支障を来たす。したがって、この光モジュールは、量産化、低コスト化することができないという問題がある。
【００７６】
これに対し、図１の光モジュールにおいては、サブマウント１を回路基板４１にダイボンディング、ワイヤボンディング等した後で、光ファイバ３が固定されたファイバ固定部材２をサブマウント１に対して位置合わせして固定することができる。このため、本光モジュールは、量産化、低コスト化することができる。
【００７７】
さらに、図６の光モジュールにおいては、光半導体素子８４の裏面（光検出面と反対側の面）がフローティングとなっている。このため、光半導体素子８４からの放熱を効率良く行うことができないという問題がある。このことは、特にＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）等の発熱量の多い素子を用いる場合、光モジュールの動作を不安定にする要因となる。
【００７８】
これに対し、図１の光モジュールにおいては、フォトダイオード１２がサブマウント１上に設けられているため、その裏面はフローティングとならない。このため、本光モジュールは、フォトダイオード１２からの放熱を効率良く行うことができる。
【００７９】
また、図６及び図７に示すような光モジュールにおいては、凹面鏡等の集光光学系を使っていないため光結合率が低いという問題がある。すなわち、２．５Ｇｂｐｓ程度の高速動作を考えた場合、光半導体素子８４，９４としては、通常光検出径が４０〜８０μｍものが使われる。一方、光ファイバ８２，９２から光半導体素子８４，９４までの光軸に沿った距離は、図６ではファイバのクラッド径（１２５μｍ）以上、図７ではボンディングに使われているワイヤのループ高さ（約１００μｍ）以上にする必要がある。その結果、光半導体素子８４，９４上でのスポット径は、コア径６２．５μｍ、開口数０．２７５の場合で１１７．５μｍ、コア径５０μｍの場合で９２μｍとなるため、光半導体素子８４，９４において全光量を検出することができない。特にコア径及び開口数が大きいマルチモードファイバを用いる場合には、さらに光結合率が低下してしまう。
【００８０】
これに対し、図１の光モジュールにおいては、光ファイバ３からの光は凹面鏡２２によってフォトダイオード１２へと導かれるとともに集光されるため、高い光結合率が実現されている。
【００８１】
本発明による光モジュールの光学設計の一例を説明する。ここでは、光ファイバ３としてコア径６２．５μｍ、開口数０．２７５のマルチモードファイバを、フォトダイオード１２として２．５Ｇｂｐｓまでの高速動作が可能な光検出径８０μｍのものを用いた場合を想定している。また、フォトダイオードアレイ１１におけるフォトダイオード１２の配列ピッチは、２５０μｍである。
【００８２】
この場合、１本の光ファイバ３からの光が２つ以上のフォトダイオード１２の光検出部に入射するクロストークを防ぐためには、マージンを考えて、光束の広がりを２００μｍ以下に抑えることが必要である。このため、光ファイバ３と凹面鏡２２との間隔は、２５０μｍが上限である。
【００８３】
一方、凹面鏡２２とフォトダイオード１２との間隔は、ボールレンズ１４を設けない場合であっても、ボンディングワイヤのスペースを考慮して２５０μｍ以上にする必要がある。これに加えて、凹面鏡２２の反射中心から光ファイバ３までの距離も考慮しなければならないので、凹面鏡２２とフォトダイオード１２との間隔は、３１２．５μｍ以上にする必要がある。なお、光ファイバ押さえとしてガラス板等を設けた場合には、その厚みも考慮しなければならないため、その間隔の下限値は３１２．５μｍよりも大きくなる。
【００８４】
以上より、本発明による光モジュールにおいては、光ファイバ３と凹面鏡２２との間隔よりも凹面鏡２２とフォトダイオード１２との間隔の方が大きくなり、拡大系の光学系となってしまう。前者の間隔を上限値の２５０μｍ、後者の間隔を下限値の３１２．５μｍとして構成した場合であっても、拡大倍率は１．２５となり、径６２．５μｍのコアの像がフォトダイオード１２上で径７８μｍの像となる。このとき、フォトダイオード１２の光検出径は８０μｍであるが、各部材１，２の製造及びそれらの組立てにおける公差を考慮すると１００％の光結合率を実現することは困難である。
【００８５】
そこで、本光モジュールにおいては、凹面鏡２２等の集光光学系を設けることによって、光ファイバ３からの光を集光した上でフォトダイオード１２へと導く構成としている。このため、本光モジュールにおいては、１００％の光結合率を実現することが可能となっている。
【００８６】
なお、図１〜図５に示した光モジュールにおいては、光ファイバ３の本数およびフォトダイオード１２の個数等を表すＮを４としたが、この個数Ｎについては、適宜設定してよい。Ｎを２以上に設定した場合、上述のように、複数の光信号を並列に伝送することができるため、より高速大容量での伝送が可能になる。また、Ｎを１に設定した場合も、光ファイバ３とフォトダイオード１２との位置合わせ等について、図１〜図５に示した光モジュールと同様の効果が奏される。
【００８７】
また、光半導体素子としては、フォトダイオード１２以外の光検出素子を用いてもよいし、あるいは、ＶＣＳＥＬ等の発光素子を用いてもよい。発光素子を用いる場合、凹面鏡２２は発光素子から出射した光を光ファイバ３へと導き、またボールレンズ１４は発光素子から出射した光を集光する。
【００８８】
【発明の効果】
本発明による光モジュールにおいては、第１位置合わせ部と第２位置合わせ部とが嵌合することによって、光ファイバと光半導体素子とが位置合わせされる。このため、パッシブアライメント方式による光ファイバと光半導体素子との位置合わせが実現されている。
【００８９】
また、位置合わせ部としてガイドレールとガイド溝とを用いているので、光ファイバと光半導体素子とが高精度で位置合わせされている。
【００９０】
また、光ファイバが固定されたファイバ固定部材をサブマウントに対して位置合わせして固定する工程を、サブマウントを回路基板にダイボンディング、ワイヤボンディング等する工程よりも後に行うことができる。このため、量産化、低コスト化が可能な光モジュールが実現されている。また、光ファイバがサブマウントの第１面に対して平行に配置されるので、モジュール高さが低く抑えられている。
【００９１】
さらに、光ファイバと光半導体素子との間の導光光学系として、凹面鏡が設けられている。これにより、光ファイバ及び光半導体素子のいずれか一方から出射した光は、集光されて他方へと導かれるので、高い光結合率が実現されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光モジュールの一実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図２】図１に示した光モジュールに備えられたサブマウントの斜視図である。
【図３】図１に示した光モジュールに備えられたファイバ固定部材の斜視図である。
【図４】図３に示したファイバ固定部材に光ファイバが固定された状態を示す斜視図である。
【図５】図１に示した光モジュールのＩ−Ｉ線に沿った正面断面図である。
【図６】パッシブアライメント方式による光モジュールの構成例を示した側面断面図である。
【図７】従来のパッシブアライメント方式による光モジュールの構成例を示した断面図である。
【符号の説明】
１・・・サブマウント、２・・・ファイバ固定部材、２ａ・・・光ファイバ固定部、２ｂ・・・アレイ収容部、３・・・光ファイバ、１０・・・ガイド溝、１１・・・フォトダイオードアレイ、１２・・・フォトダイオード、１３・・・位置決めマーク、１４・・・ボールレンズ、１６・・・光素子設置面、２０・・・ガイドレール、２１・・・Ｖ溝、２２・・・凹面鏡、２６・・・光ファイバ固定面、２６ａ・・・Ｖ溝形成部、２６ｂ・・・ガイドレール形成部、２７・・・ガイド部、３１・・・被覆光ファイバアレイ、４１・・・回路基板、４３・・・プリアンプ、４５・・・筐体

Claims (10)

  1. 所定の第１面上に設けられた光半導体素子と、前記第１面上に形成された第１位置合わせ部とを有するサブマウントと、
    所定の第２面上に形成され、光ファイバを位置決めして固定するための固定溝と、前記固定溝に対して設けられ、前記固定溝に固定される光ファイバ及び対応する前記光半導体素子のいずれか一方から出射した光を他方へと導く凹面鏡と、前記第２面上に形成された第２位置合わせ部とを有するファイバ固定部材と、
    前記固定溝に固定された光ファイバと、を備え、
    前記第１位置合わせ部及び前記第２位置合わせ部は、その一方はガイドレールから、他方は前記ガイドレールと嵌合するガイド溝からなり、
    前記サブマウントと前記ファイバ固定部材とは、前記第１位置合わせ部と前記第２位置合わせ部とが嵌合することによって、位置合わせされて固定されることを特徴とする光モジュール。
  2. Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の前記光半導体素子を有する前記サブマウントと、
    互いに平行なＮ本の前記固定溝と、Ｎ本の前記固定溝それぞれに対して設けられるＮ個の前記凹面鏡とを有する前記ファイバ固定部材と、
    Ｎ本の前記固定溝それぞれに固定されたＮ本の前記光ファイバと、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
  3. 前記光半導体素子は、前記サブマウントと同一の材料から同一の半導体プロセスで作られることにより、前記第１位置合わせ部とモノリシックに形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
  4. 前記サブマウントは、前記第１位置合わせ部と同一のマスクプロセスで形成された位置決めマークを有し、前記光半導体素子は、前記位置決めマークを基準として、前記サブマウントに対して位置決めされて設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
  5. 前記ファイバ固定部材は、樹脂から一体成型されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光モジュール。
  6. 前記第２位置合わせ部は、前記固定溝と略平行に形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光モジュール。
  7. 前記ガイドレールは、その長手方向に垂直な平面での断面形状がテーパ状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光モジュール。
  8. 前記光半導体素子と前記凹面鏡との間に設けられ、前記光ファイバ及び対応する前記光半導体素子のいずれか一方から出射した光を他方へと集光するレンズを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光モジュール。
  9. 前記光半導体素子は、光検出素子であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光モジュール。
  10. 前記光半導体素子は、発光素子であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光モジュール。
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