JP2008015434A - Optical module and its manufacturing method - Google Patents

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悠介 那須
Hiroshi Watanabe
啓 渡辺
Takaharu Ooyama
貴晴 大山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical module that has a structure not impairing airtightness and that improves optical coupling efficiency with an external optical circuit. <P>SOLUTION: In the optical module 31, the light receiving/emitting face of one or more optical elements 35 are fixed on a first face, and the optical element 35 is sealed by a lid 33 and a housing 32, wherein the lid transmits light coupling with the optical elements 35 onto a second face opposing the first face. In this optical module 31, a core having a higher refractive index than the lid is formed inside the lid 33, optically coupling with the light receiving/emitting face of the optical element 35, while one or more optical waveguides 40 are provided transmitting, to the second face, the light coupling with the optical element 35. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、光モジュールおよびその製造方法に関し、より詳細には、機能素子が形成されたＰＬＣとともに実装ボードに実装され、光送受信器を構成する光モジュールおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to an optical module and a method for manufacturing the same, and more particularly to an optical module that is mounted on a mounting board together with a PLC on which functional elements are formed, and constitutes an optical transceiver and a method for manufacturing the same.

近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光素子を高密度に集積する技術が求められており、その一つとして、平面光波回路（以下、ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuitという）が知られている。ＰＬＣは、シリコン基板または石英基板上に、光導波路からなる光素子を集積した光回路であり、生産性、信頼性が高く、集積化、高機能化の点で優れている。   In recent years, with the spread of optical fiber transmission, a technique for integrating a large number of optical elements with high density has been demanded. As one of them, a planar lightwave circuit (hereinafter referred to as “PLC: Planar Lightwave Circuit”) is known. . The PLC is an optical circuit in which an optical element made of an optical waveguide is integrated on a silicon substrate or a quartz substrate, has high productivity and reliability, and is excellent in terms of integration and high functionality.

伝送端局における光送受信器には、ＬＤなどの発光素子、ＰＤなどの受光素子と、合分波器、分岐・結合器、光変調器などの機能素子が形成されたＰＬＣとが実装されている。このようなＰＬＣと受発光素子との間には、ＰＬＣの一領域から光波の一部または全部を取り出して、ＰＤによって受光したり、またはＬＤからの出力光をＰＬＣに入力させるための結合が必要になる。このような光素子とＰＬＣとの光結合構造として、ＰＬＣの導波路端部の微小部位に、光路を変換するための光路変換ミラーを設け、回路面と垂直方向に光を入出力する垂直入出力構造が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。   The optical transceiver at the transmission terminal station is mounted with a light emitting element such as an LD, a light receiving element such as a PD, and a PLC on which functional elements such as a multiplexer / demultiplexer, a branch / coupler, and an optical modulator are formed Yes. Between such a PLC and the light emitting / receiving element, there is a coupling for taking out part or all of the light wave from one area of the PLC and receiving it by the PD or inputting the output light from the LD to the PLC. I need it. As such an optical coupling structure between the optical element and the PLC, an optical path conversion mirror for converting the optical path is provided at a minute part at the end of the waveguide of the PLC, and vertical input / output for inputting / outputting light in a direction perpendicular to the circuit surface An output structure is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

また、その他の光結合構造として、発光素子モジュールおよび／または受光素子モジュール（以下、光モジュールという）とＰＬＣとを、光ディスクリート部品によって光学的に結合させたり、直接接合することが行われている。図１に、従来の光モジュールとＰＬＣとを直接接合する方法を示す。光モジュール１１は、一例として、発光面または受光面（以下、受発光面）を有する発光素子または受光素子（以下、光素子という）１５を備えている。光素子１５は、箱型の筐体１２と、受発光面１４への光信号の入出力を可能にするサファイアガラスからなる蓋１３とにより封止されている。筐体１２と蓋１３とは、金属半田により接合され、高い気密性を有していることから、外部環境から保護され、光素子１５の信頼性を確保している。光素子１５は、受発光面を蓋１３に対向させ、蓋１３に金属半田等により固定されている。光素子１５は、蓋１３の金属パターン１７に接続され、外部の回路と電気的に接続される。   As another optical coupling structure, a light emitting element module and / or a light receiving element module (hereinafter referred to as an optical module) and a PLC are optically coupled or directly joined by an optical disc component. . FIG. 1 shows a method of directly joining a conventional optical module and a PLC. As an example, the optical module 11 includes a light emitting element or a light receiving element (hereinafter referred to as an optical element) 15 having a light emitting surface or a light receiving surface (hereinafter referred to as a light receiving / emitting surface). The optical element 15 is sealed by a box-shaped housing 12 and a lid 13 made of sapphire glass that enables input and output of optical signals to and from the light receiving and emitting surface 14. Since the casing 12 and the lid 13 are joined by metal solder and have high airtightness, the casing 12 and the lid 13 are protected from the external environment and ensure the reliability of the optical element 15. The optical element 15 has a light emitting / receiving surface opposed to the lid 13 and is fixed to the lid 13 with metal solder or the like. The optical element 15 is connected to the metal pattern 17 of the lid 13 and is electrically connected to an external circuit.

一方、ＰＬＣ２１は、シリコン基板２２上に形成された光導波路２４を有している。ＰＬＣ２１に形成されている光導波路２４と、光素子１５の受発光面とが光学的に結合するように配置される。補強板としてのやとい２３がＰＬＣ２１上に接合され、ＰＬＣ２１の光導波路２４の端面を含む面において、光モジュール１１の蓋１３に接合される。光モジュール１１とＰＬＣ２１との接合には、ＵＶ硬化性接着剤等が用いられる。   On the other hand, the PLC 21 has an optical waveguide 24 formed on the silicon substrate 22. The optical waveguide 24 formed in the PLC 21 and the light emitting / receiving surface of the optical element 15 are arranged so as to be optically coupled. A short plate 23 as a reinforcing plate is bonded onto the PLC 21, and is bonded to the lid 13 of the optical module 11 on the surface including the end surface of the optical waveguide 24 of the PLC 21. A UV curable adhesive or the like is used for joining the optical module 11 and the PLC 21.

特開平９−３１８８５０号公報JP 9-318850 A 特開平１１−８４１８３号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-84183

光モジュールは、気密封止構造となっていることから、光素子１５の受発光面と光導波路２４の端面との間には、蓋１３の厚さに相当する距離が生じる。従って、図１に示したように、光導波路２４の端面から出射された光信号は、蓋１３の内部で拡散し、受光素子として光素子１５で受光する場合、受光面では一部の光信号しか受光できない。発光素子として光素子１５の発光面から出射された光信号は、蓋１３の内部で拡散し、光導波路２４では一部の光信号しか受光できない。従って、受光素子の場合は受光感度が劣化し、発光素子の場合は結合効率が劣化するという問題があった。   Since the optical module has an airtight sealing structure, a distance corresponding to the thickness of the lid 13 is generated between the light receiving / emitting surface of the optical element 15 and the end surface of the optical waveguide 24. Therefore, as shown in FIG. 1, when the optical signal emitted from the end face of the optical waveguide 24 is diffused inside the lid 13 and received by the optical element 15 as the light receiving element, a part of the optical signal is received on the light receiving surface. Only light can be received. An optical signal emitted from the light emitting surface of the optical element 15 as a light emitting element diffuses inside the lid 13, and only a part of the optical signal can be received by the optical waveguide 24. Therefore, in the case of the light receiving element, there is a problem that the light receiving sensitivity is deteriorated, and in the case of the light emitting element, the coupling efficiency is deteriorated.

また、光素子１５で受光されなかった光信号成分、または光導波路２４で結合されなかった光信号成分は、他の光素子、ＰＬＣへの迷光となって伝搬し、クロストークの劣化などを引き起こすという問題もあった。   In addition, the optical signal component not received by the optical element 15 or the optical signal component not coupled by the optical waveguide 24 propagates as stray light to other optical elements and PLC, causing deterioration of crosstalk and the like. There was also a problem.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、気密性を損なわない構造を有し、外部の光回路との光学的な結合効率を向上させた光モジュールおよびその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an optical module having a structure that does not impair hermeticity and improving optical coupling efficiency with an external optical circuit. And providing a manufacturing method thereof.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、１または複数の光素子の受発光面が第１の面に固定され、前記光素子と結合する光を前記第１の面と対向する第２の面に透過する蓋と、筐体とにより前記光素子を封止した光モジュールにおいて、前記蓋の内部に前記蓋の屈折率より高い屈折率を有するコアが形成され、前記光素子の受発光面と光学的に結合し、前記光素子と結合する光を前記第２の面に透過する１または複数の光導波路を備えたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, according to the present invention, the light-emitting / receiving surface of one or a plurality of optical elements is fixed to the first surface, and the light coupled to the optical element is emitted. A core having a refractive index higher than a refractive index of the lid inside the lid in an optical module in which the optical element is sealed by a lid that is transmitted through a second surface facing the first surface and a housing And is provided with one or a plurality of optical waveguides that are optically coupled to the light receiving / emitting surface of the optical element and transmit light coupled to the optical element to the second surface.

一実施態様において、前記光導波路は、前記第１の面におけるコア径と前記第２の面におけるコア径とが異なり、または、前記第１の面における屈折率と前記第２の面における屈折率とが異なり、前記光素子と結合する光の伝搬方向に沿って変化させることもできる。また、前記光導波路は、前記第１の面において隣接する導波路の間隔と前記第２の面において隣接する導波路の間隔とが異なるようにしてもよい。さらに、前記光導波路のコアの領域は、前記第１の面および前記第２の面から１μｍ以上離れていることが好ましい。   In one embodiment, the optical waveguide has a different core diameter on the first surface and a core diameter on the second surface, or a refractive index on the first surface and a refractive index on the second surface. Unlike the above, it can be changed along the propagation direction of light coupled to the optical element. The optical waveguide may be configured such that an interval between adjacent waveguides on the first surface is different from an interval between adjacent waveguides on the second surface. Further, it is preferable that the core region of the optical waveguide is separated from the first surface and the second surface by 1 μm or more.

さらにまた、前記蓋の前記第１の面に、前記光素子と電気的に結合する金属パターンと、前記光導波路の前記第１の面における中心を規定するマーカとなる金属パターンとが形成されていることを特徴とする。   Furthermore, a metal pattern that is electrically coupled to the optical element and a metal pattern that serves as a marker that defines the center of the first surface of the optical waveguide are formed on the first surface of the lid. It is characterized by being.

請求項７に記載の発明は、１または複数の光素子の受発光面が第１の面に固定され、前記光素子と結合する光を前記第１の面と対向する第２の面に透過する蓋と、筐体とにより前記光素子を封止した光モジュールの製造方法において、前記第１の面に、前記光素子と電気的に結合する金属パターンを形成する第１工程と、前記蓋の内部に前記蓋の屈折率より高い屈折率を有するコアを形成する第２工程と、前記蓋を温度１５０℃以上で熱処理を行う第３工程と、前記１または複数の光素子の受発光面を前記第１の面に固定し、前記金属パターンと電気的に接続する第４工程と、前記蓋に前記筐体を接合して前記光素子を封止する第５工程とを備えたことを特徴とする光モジュールの製造方法。   According to the seventh aspect of the present invention, the light receiving and emitting surfaces of one or more optical elements are fixed to the first surface, and light coupled to the optical elements is transmitted to the second surface facing the first surface. In the method of manufacturing an optical module in which the optical element is sealed with a lid that covers the casing, a first step of forming a metal pattern electrically coupled to the optical element on the first surface, and the lid A second step of forming a core having a refractive index higher than the refractive index of the lid, a third step of heat-treating the lid at a temperature of 150 ° C. or higher, and a light receiving / emitting surface of the one or more optical elements And a fourth step of electrically connecting to the metal pattern, and a fifth step of sealing the optical element by joining the casing to the lid. A method for manufacturing an optical module.

前記第１工程は、前記光導波路の前記第１の面における中心を規定するマーカとなる金属パターンを形成することもできる。   The first step may form a metal pattern that serves as a marker that defines the center of the first surface of the optical waveguide.

一実施態様において、前記第２工程は、パルス幅１００ｆｓ〜１０ｐｓのレーザ光を集光して前記蓋の屈折率を変化させ、前記レーザ光の集光点を移動して前記光導波路を形成する。このとき、前記レーザ光のパルスエネルギーを変えて、前記光導波路の屈折率を変化させることができる。また、前記レーザ光の集光点の移動速度を変えて、前記光導波路の伝搬モードのフィールド径を変化させることもできる。   In one embodiment, the second step condenses laser light having a pulse width of 100 fs to 10 ps to change the refractive index of the lid, and moves the condensing point of the laser light to form the optical waveguide. . At this time, the refractive index of the optical waveguide can be changed by changing the pulse energy of the laser light. Further, the field diameter of the propagation mode of the optical waveguide can be changed by changing the moving speed of the condensing point of the laser beam.

一実施態様において、前記第２工程は、前記レーザ光の入射面と対向する面から前記コアを形成する。前記コアは、前記レーザ光の入射面および前記対向する面から１μｍ以上離れていることが好ましい。   In one embodiment, in the second step, the core is formed from a surface facing the laser light incident surface. The core is preferably separated from the laser light incident surface and the opposing surface by 1 μm or more.

以上説明したように、本発明によれば、蓋の内部に、蓋の屈折率より高い屈折率を有するコアが形成され、光素子の受発光面と光学的に結合し、光素子と結合する光を第２の面に透過する１または複数の光導波路を備えたので、気密性を損なわない構造を有し、外部の光回路との光学的な結合効率を向上させることが可能となる。   As described above, according to the present invention, a core having a refractive index higher than the refractive index of the lid is formed inside the lid, optically coupled to the light receiving and emitting surface of the optical element, and coupled to the optical element. Since one or more optical waveguides that transmit light to the second surface are provided, it has a structure that does not impair hermeticity, and it is possible to improve the optical coupling efficiency with an external optical circuit.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図２および図３に、本発明の第１の実施形態にかかる光モジュールを示す。図２は斜視図であり、図３は断面図である。光モジュール３１は、一例として、発光面または受光面（以下、受発光面）を有する発光素子または受光素子（以下、光素子という）３５を備えている。光素子３５は、箱型の筐体３２と、受発光面３４への光信号の入出力を可能にするパイレックス（登録商標）からなる蓋３３とにより封止されている。筐体３２の金属パターン３８と蓋３３の金属パターン３９とは、金属半田により接合される。光素子３５は、受発光面３４を蓋３３の金属パターンが形成された面（第１の面）に固定され、蓋３３に金属半田等により固定されている。光素子３５は、金属パターン３７ａに直接接続され、ボンディングワイヤ３６により蓋３３の金属パターン３７ｂに接続され、それぞれ外部の回路と電気的に接続される。さらに、蓋３３には、光素子３５の受発光面３４と光学的に結合するように光導波路４０が形成され、光素子３５と結合する光を、第１の面と対向する第２の面に透過する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
2 and 3 show an optical module according to the first embodiment of the present invention. 2 is a perspective view, and FIG. 3 is a cross-sectional view. As an example, the optical module 31 includes a light emitting element or a light receiving element (hereinafter referred to as an optical element) 35 having a light emitting surface or a light receiving surface (hereinafter referred to as a light receiving / emitting surface). The optical element 35 is sealed by a box-shaped casing 32 and a lid 33 made of Pyrex (registered trademark) that enables input and output of optical signals to and from the light receiving and emitting surface 34. The metal pattern 38 of the housing 32 and the metal pattern 39 of the lid 33 are joined by metal solder. In the optical element 35, the light emitting / receiving surface 34 is fixed to the surface (first surface) of the lid 33 on which the metal pattern is formed, and is fixed to the lid 33 with metal solder or the like. The optical element 35 is directly connected to the metal pattern 37a, is connected to the metal pattern 37b of the lid 33 by a bonding wire 36, and is electrically connected to an external circuit. Further, the lid 33 is formed with an optical waveguide 40 so as to be optically coupled to the light emitting / receiving surface 34 of the optical element 35, and the light coupled to the optical element 35 is transmitted to the second surface opposite to the first surface. To penetrate.

図４に、本発明の第２の実施形態にかかる光モジュールを示す。光モジュール５１は、一例として、４つの発光素子または受光素子（以下、光素子という）５５ａ〜５５ｄを含み、箱型の筐体５２パイレックス（登録商標）からなる蓋５３とにより封止されている。蓋５３には、光素子５５ａ〜５５ｄの受発光面のそれぞれと光学的に結合するように、光導波路６０ａ〜６０ｄが形成されている。   FIG. 4 shows an optical module according to the second embodiment of the present invention. As an example, the optical module 51 includes four light emitting elements or light receiving elements (hereinafter referred to as optical elements) 55a to 55d, and is sealed with a lid 53 made of a box-shaped casing 52 Pyrex (registered trademark). . The lid 53 is formed with optical waveguides 60a to 60d so as to be optically coupled to the light receiving and emitting surfaces of the optical elements 55a to 55d.

次に、光導波路４０，６０について詳しく説明する。光導波路４０，６０は、パイレックス（登録商標）からなる蓋３３，５３の内部に、屈折率の異なる領域を、５μｍ角の四角柱の形状となるように形成したコアからなる。クラッドとなるパイレックス（登録商標）の屈折率は１．４７２（波長６００ｎｍ）であり、コアとなる領域の屈折率は１．４８０（波長６００ｎｍ）であり、光閉じ込め型の光導波路を構成する。このようにして、光モジュール３１，５１と結合されるＰＬＣ、光ファイバブロックなどの外部の光回路から出射された光信号を拡散することなく、光素子３５，５５で受光することができ、または光素子３５，５５から出射された光信号を拡散することなく、光回路に結合することができる。   Next, the optical waveguides 40 and 60 will be described in detail. The optical waveguides 40 and 60 are each formed of a core in which regions having different refractive indexes are formed in a rectangular column shape of 5 μm square inside lids 33 and 53 made of Pyrex (registered trademark). The refractive index of Pyrex (registered trademark) serving as a clad is 1.472 (wavelength 600 nm), and the refractive index of a region serving as a core is 1.480 (wavelength 600 nm), which constitutes an optical confinement type optical waveguide. In this way, the optical elements 35 and 55 can receive light without diffusing an optical signal emitted from an external optical circuit such as a PLC or optical fiber block coupled to the optical modules 31 and 51, or The optical signals emitted from the optical elements 35 and 55 can be coupled to the optical circuit without being diffused.

図５に、本発明の第３の実施形態にかかる光モジュールを示す。光モジュール７１は、一例として、受発光面を有する光素子７５を備え、箱型の筐体７２と、受発光面への光信号の入出力を可能にする蓋７３とにより封止されている。蓋７３には、光素子７５の受発光面と光学的に結合するように、光導波路８０が形成されている。   FIG. 5 shows an optical module according to the third embodiment of the present invention. For example, the optical module 71 includes an optical element 75 having a light receiving / emitting surface, and is sealed by a box-shaped casing 72 and a lid 73 that enables input / output of an optical signal to the light receiving / emitting surface. . An optical waveguide 80 is formed on the lid 73 so as to be optically coupled to the light receiving / emitting surface of the optical element 75.

光導波路８０は、光素子７５の受発光面と結合する端面（第１の面）のコア径（１０μｍ角）と、外部の光回路と結合する端面（第２の面）のコア径（４μｍ角）とが異なり、光信号の伝搬方向に沿ってテーパ状の形状を有している。第３の実施形態によれば、光素子７５の受発光面のフィールド径と、外部の光回路の端面におけるフィールド径とに、それぞれ適合せることにより、結合面における損失を低減できるとともに、結合面における放射光を抑制することができる。   The optical waveguide 80 has a core diameter (10 μm square) of an end surface (first surface) coupled to the light receiving / emitting surface of the optical element 75 and a core diameter (4 μm) of an end surface (second surface) coupled to an external optical circuit. Unlike the corners, it has a tapered shape along the propagation direction of the optical signal. According to the third embodiment, by matching the field diameter of the light receiving / emitting surface of the optical element 75 with the field diameter of the end surface of the external optical circuit, the loss on the coupling surface can be reduced, and the coupling surface can be reduced. Can be suppressed.

図６に、本発明の第４の実施形態にかかる光モジュールを示す。光モジュール９１は、一例として、受発光面を有する光素子９５を備え、箱型の筐体９２と、受発光面への光信号の入出力を可能にする蓋９３とにより封止されている。蓋９３には、光素子９５の受発光面と光学的に結合するように、光導波路１００が形成されている。   FIG. 6 shows an optical module according to the fourth embodiment of the present invention. As an example, the optical module 91 includes an optical element 95 having a light receiving / emitting surface, and is sealed by a box-shaped housing 92 and a lid 93 that enables input / output of an optical signal to the light receiving / emitting surface. . An optical waveguide 100 is formed on the lid 93 so as to be optically coupled to the light receiving / emitting surface of the optical element 95.

光導波路１００は、光素子９５の受発光面と結合する端面の屈折率（１．４７２）と、外部の光回路と結合する端面の屈折率（１．４８０）とが異なり、光信号の伝搬方向に沿って段階的に変化している。第４の実施形態によっても、光素子９５の受発光面の伝搬モードのフィールド径と、外部の光回路の端面における伝搬モードのフィールド径とに、それぞれ適合せることにより、結合面における損失を低減できるとともに、結合面における放射光を抑制することができる。   In the optical waveguide 100, the refractive index (1.472) of the end face coupled to the light receiving / emitting surface of the optical element 95 is different from the refractive index (1.480) of the end face coupled to the external optical circuit, and the propagation of the optical signal is different. It changes step by step along the direction. Also according to the fourth embodiment, the loss at the coupling surface is reduced by adapting the field diameter of the propagation mode of the light receiving / emitting surface of the optical element 95 to the field diameter of the propagation mode at the end face of the external optical circuit. In addition, it is possible to suppress the emitted light on the coupling surface.

図７に、本発明の第５の実施形態にかかる光モジュールを示す。光モジュール１１１は、一例として、受発光面１１４を有する３つの光素子１１５ａ〜１１５ｃを備え、箱型の筐体１１２と、受発光面１１４への光信号の入出力を可能にする蓋１１３とにより封止されている。蓋１１３には、光素子１１５ａ〜１１５ｃの受発光面１１４と光学的に結合するように、光導波路１２０ａ〜１２０ｃが形成されている。   FIG. 7 shows an optical module according to the fifth embodiment of the present invention. As an example, the optical module 111 includes three optical elements 115 a to 115 c each having a light receiving / emitting surface 114, a box-shaped housing 112, and a lid 113 that enables input / output of an optical signal to the light receiving / emitting surface 114. It is sealed by. Optical waveguides 120a to 120c are formed on the lid 113 so as to be optically coupled to the light receiving and emitting surfaces 114 of the optical elements 115a to 115c.

光導波路１２０ａ〜１２０ｃは、光素子１１５ａ〜１１５ｃの受発光面１１４と結合する端面の間隔（２５０μｍピッチ）と、外部の光回路１２１と結合する光導波路１２４ａ〜１２４ｃの間隔（１２５μｍピッチ）とが異なり、光信号の伝搬方向に沿って屈曲している。第５の実施形態によれば、光素子１１５の受発光面１１４のピッチと、外部の光回路１２１の光導波路１２４のピッチとに、それぞれ適合せることにより、ピッチ変換用の光回路を付加することなく結合させることができる。   The optical waveguides 120a to 120c have an end face interval (250 μm pitch) coupled to the light receiving and emitting surfaces 114 of the optical elements 115a to 115c and an interval between the optical waveguides 124a to 124c coupled to the external optical circuit 121 (125 μm pitch). Differently, it is bent along the propagation direction of the optical signal. According to the fifth embodiment, an optical circuit for pitch conversion is added by adapting to the pitch of the light receiving / emitting surface 114 of the optical element 115 and the pitch of the optical waveguide 124 of the external optical circuit 121, respectively. Can be combined without any problems.

図８に、本発明の第６の実施形態にかかる光モジュールを示す。光モジュール１３１は、一例として、受発光面１３４を有する５つの光素子１３５を備え、箱型の筐体１３２と、受発光面１３４への光信号の入出力を可能にする蓋１３３とにより封止されている。蓋１３３には、光素子１３５の受発光面１３４と光学的に結合するように、光導波路１４０が形成されている。第４の実施形態と同様に、光素子１３５の受発光面１３４の配列と、外部の光回路１４１の光導波路１４４の配列とに、それぞれ適合せることにより、２次元のピッチ変換を行う光回路を付加することなく結合させることができる。   FIG. 8 shows an optical module according to the sixth embodiment of the present invention. The optical module 131 includes, for example, five optical elements 135 having a light receiving / emitting surface 134 and is sealed by a box-shaped housing 132 and a lid 133 that enables input / output of optical signals to / from the light receiving / emitting surface 134. It has been stopped. An optical waveguide 140 is formed on the lid 133 so as to be optically coupled to the light receiving / emitting surface 134 of the optical element 135. Similar to the fourth embodiment, an optical circuit that performs two-dimensional pitch conversion by adapting to the arrangement of the light receiving and emitting surfaces 134 of the optical element 135 and the arrangement of the optical waveguide 144 of the external optical circuit 141, respectively. Can be combined without adding.

上述した光モジュールの作製方法について説明する。光モジュールは、図４の第２の実施形態と同様に、複数（８個）の受光素子を内蔵し、箱型の筐体と光を透過する蓋とにより封止する。蓋の材質として、パイレックス（登録商標）を用いるが、光導波路を形成することができる石英系ガラス等を使用することもできる。筐体の材質として、例えば、アルミナ系セラミックスが使用される。   A method for manufacturing the above-described optical module will be described. As in the second embodiment of FIG. 4, the optical module incorporates a plurality (eight) light receiving elements and is sealed by a box-shaped housing and a light-transmitting lid. Pyrex (registered trademark) is used as the material of the lid, but quartz glass or the like capable of forming an optical waveguide can also be used. For example, alumina ceramics is used as the material of the housing.

図９に、パイレックス（登録商標）基板に形成されたパターンを示し、図１０に、受光素子を接合する部分の拡大図を示す。最初に、蓋となるパイレックス（登録商標）基板２０１に、受光素子用の金属パターン２１１ａ，２１１ｂを形成する。パイレックス（登録商標）基板２０１に、金属パターン２１１ａ，２１１ｂに応じたマスクを形成し、Ａｕを蒸着した後、マスクをリフトオフする。このとき、同時に位置合わせマーカ２１２ａ〜２１２ｄも形成しておく。マーカ２１２ａ〜２１２ｄは、受光素子の受光面の中心と、パイレックス（登録商標）基板２０１に形成される光導波路の中心とを示すものであれば、どのような形状であってもよい。   FIG. 9 shows a pattern formed on a Pyrex (registered trademark) substrate, and FIG. 10 shows an enlarged view of a portion where a light receiving element is joined. First, metal patterns 211a and 211b for light receiving elements are formed on a Pyrex (registered trademark) substrate 201 serving as a lid. A mask corresponding to the metal patterns 211a and 211b is formed on the Pyrex (registered trademark) substrate 201, and after depositing Au, the mask is lifted off. At this time, alignment markers 212a to 212d are also formed at the same time. The markers 212 a to 212 d may have any shape as long as they indicate the center of the light receiving surface of the light receiving element and the center of the optical waveguide formed on the Pyrex (registered trademark) substrate 201.

次に、筐体を接合するための金属パターン２１４を、筐体の周縁の形状に応じて、金属蒸着によって形成する。なお、金属パターン２１４と金属パターン２１１ａ，２１１ｂとが重なる部分は、ＳｉＮ等の絶縁層でコーティングしておく。筐体と蓋とを接合するための接合剤は、金属半田が用いられる。さらに、受光素子を固定するための半田を、受光素子を接合する部分の金属パターン２１３に形成する。ここでは、ＡｕおよびＳｎを蒸着する。   Next, a metal pattern 214 for joining the casings is formed by metal vapor deposition according to the shape of the peripheral edge of the casing. A portion where the metal pattern 214 and the metal patterns 211a and 211b overlap is coated with an insulating layer such as SiN. Metal solder is used as a bonding agent for bonding the housing and the lid. Furthermore, a solder for fixing the light receiving element is formed on the metal pattern 213 at a portion where the light receiving element is joined. Here, Au and Sn are vapor-deposited.

図１１に、パイレックス（登録商標）基板に形成されたパターンの別の例を示す。図９，１０で示した金属パターンのうち、受光素子を外部の回路と電気的に接続するための金属パターン２１１ａ、受光素子を接合する部分の金属パターン２１３、およびマーカ２１２を、一つの金属パターン２１５として形成する。金属パターン２１５は、受光素子のアース端子としての役割のほか、遮光膜として役割を果たす。   FIG. 11 shows another example of a pattern formed on a Pyrex (registered trademark) substrate. Of the metal patterns shown in FIGS. 9 and 10, the metal pattern 211a for electrically connecting the light receiving element to an external circuit, the metal pattern 213 for joining the light receiving element, and the marker 212 are combined into one metal pattern. 215 is formed. The metal pattern 215 serves not only as a ground terminal of the light receiving element but also as a light shielding film.

例えば、図５の第３の実施形態を参照すると、蓋７３と外部の光回路の結合面における放射光は、蓋７３の端面から光導波路８０が形成されていないクラッド部分を通過して、蓋７３と光素子７５の受発光面との結合面に達する。このような光信号成分は、同じ光モジュール内の他の光素子への迷光となって伝搬し、クロストークを劣化させる。そこで、金属パターン２１５により、光導波路８０を通過しないで伝搬する迷光を遮断することにより、クロストークの劣化を防ぐことができる。   For example, referring to the third embodiment of FIG. 5, the radiated light at the coupling surface of the lid 73 and the external optical circuit passes through the cladding portion where the optical waveguide 80 is not formed from the end surface of the lid 73, and the lid 73 and the coupling surface between the light receiving and emitting surfaces of the optical element 75. Such an optical signal component propagates as stray light to other optical elements in the same optical module and degrades crosstalk. Therefore, the crosstalk can be prevented from deteriorating by blocking stray light propagating without passing through the optical waveguide 80 by the metal pattern 215.

図１２に、パイレックス（登録商標）基板に光導波路を形成するための装置を示す。波長８００ｎｍ、パルス幅２００ｆｓ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、パルスエネルギー２００ｎＪのフェムト秒パルスレーザ２２１から出射されたレーザ光を、ミラー２２２と２０倍のレンズ２２３とを介して、パイレックス（登録商標）基板２０１に集光する。   FIG. 12 shows an apparatus for forming an optical waveguide on a Pyrex (registered trademark) substrate. A laser beam emitted from a femtosecond pulse laser 221 having a wavelength of 800 nm, a pulse width of 200 fs, a repetition frequency of 100 kHz, and a pulse energy of 200 nJ is collected on a Pyrex (registered trademark) substrate 201 through a mirror 222 and a 20 times lens 223. Shine.

図１３（ａ）を参照して、光導波路を形成する方法を説明する。レーザ光を集光する点は、レーザ光の入射面２３３（第１の面）とは反対側のパイレックス（登録商標）基板２０１の底面２３２（第２の面）から、光導波路２３１の光信号の伝搬方向に沿って、移動する。このとき、集光点のＸ，Ｙ軸方向の開始位置は、マーカ２１２ａ〜２１２ｄで規定される中心位置に、ＣＣＤカメラ２２４を用いて位置合わせを行う。レーザ光の集光点は、１００μｍ／ｓの速度で、所望の導波路の形状に移動させる。   A method for forming an optical waveguide will be described with reference to FIG. The laser beam is focused on the optical signal of the optical waveguide 231 from the bottom surface 232 (second surface) of the Pyrex (registered trademark) substrate 201 opposite to the laser light incident surface 233 (first surface). Move along the propagation direction. At this time, the start position of the condensing point in the X and Y axis directions is aligned using the CCD camera 224 at the center position defined by the markers 212a to 212d. The condensing point of the laser beam is moved to a desired waveguide shape at a speed of 100 μm / s.

集光点のＺ軸方向の開始位置は、底面２３２から５μｍの間隔を空けた位置とする（図１３（ｂ）参照）。これは、レーザ光の照射によって基板端面に光学的損傷が生じるためであり、レーザ光のパワーに応じて間隔を空けることにより、基板端面の品質劣化を防ぐ。同様に、集光点のＺ軸方向の終了位置は、入射面２３３から５μｍの間隔を空けた位置とする。なお、この間隔は、レーザ光のパワーにより異なり、１μｍ以上空けることが望ましい。   The start position of the condensing point in the Z-axis direction is a position spaced by 5 μm from the bottom surface 232 (see FIG. 13B). This is because optical damage occurs on the end face of the substrate due to the irradiation of the laser light, and the quality of the end face of the substrate is prevented by providing an interval according to the power of the laser light. Similarly, the end position of the condensing point in the Z-axis direction is a position spaced by 5 μm from the incident surface 233. This interval differs depending on the power of the laser beam, and is preferably 1 μm or more.

導波路を描画する際に、レーザ光のバワーを変化させることにより、屈折率を変化させることができる。例えば、パルス幅を１００ｆｓ〜１０ｐｓ、パルスエネルギーを１００〜２００ｎＪの間で変化させると、屈折率を１．４７２〜１．４７６の間で変化させることができる。また、移動速度を変化させることにより、伝搬モードのフィールド径を変化させることができる。例えば、移動速度を１０〜１００μｍ／ｓの間で変化させると、フィールド径を１０〜３０μｍの間で変化させることができる。導波路を描画した後、１５０℃で１時間程度熱処理を行う。熱処理により光導波路の屈折率が安定し、信頼性が向上するからである。   When drawing the waveguide, the refractive index can be changed by changing the power of the laser beam. For example, when the pulse width is changed between 100 fs and 10 ps and the pulse energy is changed between 100 and 200 nJ, the refractive index can be changed between 1.472 and 1.476. Further, the field diameter of the propagation mode can be changed by changing the moving speed. For example, when the moving speed is changed between 10 and 100 μm / s, the field diameter can be changed between 10 and 30 μm. After drawing the waveguide, heat treatment is performed at 150 ° C. for about 1 hour. This is because heat treatment stabilizes the refractive index of the optical waveguide and improves reliability.

図１４に、光モジュールを切り出す方法を示す。パイレックス（登録商標）基板２０１の金属パターン２１３に受光素子を接合し、受光素子と金属パターン２１１ａとを、ワイヤーボンディングにより配線する。次に、蓋となるパイレックス（登録商標）基板２０１に、筐体２４１を金属半田により接合する。なお、接合剤は、金属半田のみならず、樹脂、低温ガラス等を使用してもよい。最後に、ダイシングソーにより個々の光モジュールを切り出すことにより、光モジュールが完成する。   FIG. 14 shows a method of cutting out the optical module. A light receiving element is bonded to the metal pattern 213 of the Pyrex (registered trademark) substrate 201, and the light receiving element and the metal pattern 211a are wired by wire bonding. Next, the housing 241 is joined to the Pyrex (registered trademark) substrate 201 serving as a lid by metal solder. Note that the bonding agent may be not only metal solder but also resin, low-temperature glass, or the like. Finally, each optical module is cut out by a dicing saw to complete the optical module.

光モジュールは、筐体と蓋とにより高い気密性を有していることから、外部環境から保護され、受光素子の信頼性を確保することができる。また、蓋の内部に光素子の受発光面と外部の光回路とを光学的に結合する光閉じ込め型の光導波路を形成したので、光学的な結合効率を向上させることができる。   Since the optical module has high airtightness due to the housing and the lid, the optical module is protected from the external environment, and the reliability of the light receiving element can be ensured. Further, since the optical confinement type optical waveguide for optically coupling the light receiving / emitting surface of the optical element and the external optical circuit is formed inside the lid, the optical coupling efficiency can be improved.

従来の光モジュールとＰＬＣとを直接接合する方法を示す図である。It is a figure which shows the method to join the conventional optical module and PLC directly. 本発明の第１の実施形態にかかる光モジュールを示す斜視図である。1 is a perspective view showing an optical module according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施形態にかかる光モジュールを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the optical module concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態にかかる光モジュールを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the optical module concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態にかかる光モジュールを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the optical module concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施形態にかかる光モジュールを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the optical module concerning the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第５の実施形態にかかる光モジュールを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the optical module concerning the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第６の実施形態にかかる光モジュールを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the optical module concerning the 6th Embodiment of this invention. パイレックス（登録商標）基板に形成されたパターンを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the pattern formed in the Pyrex (trademark) board | substrate. パイレックス（登録商標）基板に形成されたパターンの受光素子を接合する部分の拡大図である。It is an enlarged view of the part which joins the light receiving element of the pattern formed in the Pyrex (trademark) board | substrate. パイレックス（登録商標）基板に形成されたパターンの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the pattern formed in the Pyrex (trademark) board | substrate. パイレックス（登録商標）基板に光導波路を形成するための装置を示す図である。It is a figure which shows the apparatus for forming an optical waveguide in a Pyrex (trademark) board | substrate. 光導波路を形成する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of forming an optical waveguide. 光モジュールを切り出す方法を示す図である。It is a figure which shows the method of cutting out an optical module.

符号の説明Explanation of symbols

１１，３１，５１，７１，９１，１１１，１３１ 光モジュール
１２，３２，５２，７２，９２，１１２，１３２，２４１ 筐体
１３，３３，５３，７３，９４，１１３，１３３ 蓋
１５，３５，５５，７５，９５，１１５，１３５ 光素子
２１，１２１，１４１ ＰＬＣ
２２ シリコン基板
２３ やとい
２４，４０，６０，８０，１００，１２０，１２４，１４０，１４４ 光導波路
３４，１１４，１３４ 受発光面
３６ ボンディングワイヤ
１７，３７，３８，３９，７７，９７，２１１，２１３〜２１５ 金属パターン
２０１ パイレックス（登録商標）基板
２１２ マーカ
２２１ フェムト秒パルスレーザ
２２２ ミラー
２２３ レンズ
２２４ ＣＣＤカメラ
11, 31, 51, 71, 91, 111, 131 Optical module 12, 32, 52, 72, 92, 112, 132, 241 Case 13, 33, 53, 73, 94, 113, 133 Lid 15, 35, 55, 75, 95, 115, 135 Optical element 21, 121, 141 PLC
22 Silicon substrate 23 Yato 24, 40, 60, 80, 100, 120, 124, 140, 144 Optical waveguide 34, 114, 134 Light emitting / receiving surface 36 Bonding wire 17, 37, 38, 39, 77, 97, 211, 213 to 215 Metal pattern 201 Pyrex (registered trademark) substrate 212 Marker 221 Femtosecond pulse laser 222 Mirror 223 Lens 224 CCD camera

Claims (13)

１または複数の光素子の受発光面が第１の面に固定され、前記光素子と結合する光を前記第１の面と対向する第２の面に透過する蓋と、筐体とにより前記光素子を封止した光モジュールにおいて、
前記蓋の内部に前記蓋の屈折率より高い屈折率を有するコアが形成され、前記光素子の受発光面と光学的に結合し、前記光素子と結合する光を前記第２の面に透過する１または複数の光導波路を備えたことを特徴とする光モジュール。 The light receiving / emitting surface of the one or more optical elements is fixed to the first surface, and the housing transmits the light coupled to the optical element to the second surface facing the first surface, and the housing. In the optical module in which the optical element is sealed,
A core having a refractive index higher than the refractive index of the lid is formed inside the lid, optically coupled to the light receiving and emitting surface of the optical element, and transmitting the light coupled to the optical element to the second surface An optical module comprising one or more optical waveguides. 前記光導波路は、前記第１の面におけるコア径と前記第２の面におけるコア径とが異なり、前記光素子と結合する光の伝搬方向に沿って変化していることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。   2. The optical waveguide according to claim 1, wherein a core diameter on the first surface is different from a core diameter on the second surface, and changes along a propagation direction of light coupled to the optical element. The optical module according to 1. 前記光導波路は、前記第１の面における屈折率と前記第２の面における屈折率とが異なり、前記光素子と結合する光の伝搬方向に沿って変化していることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。   2. The optical waveguide according to claim 1, wherein a refractive index of the first surface and a refractive index of the second surface are different and change along a propagation direction of light coupled to the optical element. The optical module according to 1. 前記光導波路は、前記第１の面において隣接する導波路の間隔と前記第２の面において隣接する導波路の間隔とが異なることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光モジュール。   4. The optical module according to claim 1, wherein the optical waveguide has an interval between adjacent waveguides on the first surface different from an interval between adjacent waveguides on the second surface. 5. . 前記光導波路のコアの領域は、前記第１の面および前記第２の面から１μｍ以上離れていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光モジュール。   5. The optical module according to claim 1, wherein the core region of the optical waveguide is separated from the first surface and the second surface by 1 μm or more. 6. 前記第１の面に、前記光素子と電気的に結合する金属パターンと、前記光導波路の前記第１の面における中心を規定するマーカとなる金属パターンとが形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光モジュール。   A metal pattern that is electrically coupled to the optical element and a metal pattern that serves as a marker that defines the center of the first surface of the optical waveguide are formed on the first surface. The optical module according to claim 1. １または複数の光素子の受発光面が第１の面に固定され、前記光素子と結合する光を前記第１の面と対向する第２の面に透過する蓋と、筐体とにより前記光素子を封止した光モジュールの製造方法において、
前記第１の面に、前記光素子と電気的に結合する金属パターンを形成する第１工程と、
前記蓋の内部に前記蓋の屈折率より高い屈折率を有するコアを形成する第２工程と、
前記蓋を温度１５０℃以上で熱処理を行う第３工程と、
前記１または複数の光素子の受発光面を前記第１の面に固定し、前記金属パターンと電気的に接続する第４工程と、
前記蓋に前記筐体を接合して前記光素子を封止する第５工程と
を備えたことを特徴とする光モジュールの製造方法。 The light receiving / emitting surface of the one or more optical elements is fixed to the first surface, and the housing transmits the light coupled to the optical element to the second surface facing the first surface, and the housing. In the manufacturing method of the optical module in which the optical element is sealed,
Forming a metal pattern electrically coupled to the optical element on the first surface;
A second step of forming a core having a refractive index higher than the refractive index of the lid inside the lid;
A third step of heat-treating the lid at a temperature of 150 ° C. or higher;
A fourth step of fixing the light receiving and emitting surfaces of the one or more optical elements to the first surface and electrically connecting to the metal pattern;
And a fifth step of sealing the optical element by bonding the casing to the lid. 前記第１工程は、前記光導波路の前記第１の面における中心を規定するマーカとなる金属パターンを形成することを特徴とする請求項７に記載の光モジュールの製造方法。   8. The method of manufacturing an optical module according to claim 7, wherein the first step forms a metal pattern that serves as a marker that defines the center of the first surface of the optical waveguide. 前記第２工程は、パルス幅１００ｆｓ〜１０ｐｓのレーザ光を集光して前記蓋の屈折率を変化させ、前記レーザ光の集光点を移動して前記光導波路を形成することを特徴とする請求項７または８に記載の光モジュールの製造方法。   In the second step, laser light having a pulse width of 100 fs to 10 ps is condensed to change the refractive index of the lid, and the condensing point of the laser light is moved to form the optical waveguide. The manufacturing method of the optical module of Claim 7 or 8. 前記第２工程は、前記レーザ光のパルスエネルギーを変えて、前記光導波路の屈折率を変化させることを特徴とする請求項９に記載の光モジュールの製造方法。   The method of manufacturing an optical module according to claim 9, wherein the second step changes a refractive index of the optical waveguide by changing a pulse energy of the laser light. 前記第２工程は、前記レーザ光の集光点の移動速度を変えて、前記光導波路の伝搬モードのフィールド径を変化させることを特徴とする請求項９に記載の光モジュールの製造方法。   The method of manufacturing an optical module according to claim 9, wherein the second step changes a field diameter of a propagation mode of the optical waveguide by changing a moving speed of a condensing point of the laser light. 前記第２工程は、前記レーザ光の入射面と対向する面から前記コアを形成することを特徴とする請求項９、１０または１１に記載の光モジュールの製造方法。   12. The method of manufacturing an optical module according to claim 9, wherein in the second step, the core is formed from a surface facing an incident surface of the laser light. 前記第２工程は、前記コアは、前記レーザ光の入射面および前記対向する面から１μｍ以上離れていることを特徴とする請求項１２に記載の光モジュールの製造方法。
13. The method of manufacturing an optical module according to claim 12, wherein in the second step, the core is separated from the laser light incident surface and the facing surface by 1 [mu] m or more.
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