JP3819143B2 - 光結合系、光モジュール、および光伝送システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光結合系および光モジュールに関するものである。わけても、本発明は表面実装型光モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバ伝送システムの加入者ネットワークへの本格的導入に向けて、光モジュールの低コスト化が強く求められている。このため、光モジュールにおける光素子と光ファイバのアライメント工程の簡略化やパッケージ構成部材の削減を目指して盛んに検討が行われている。
【０００３】
従来の技術は，例えば，公開特許では特開平５−２４１０４７号（従来例１）、特開平７−１９９００６号（従来例２）、学会報告等では回路実装学会誌Ｖｏｌ．１０ Ｎｏ．５ ｐｐ３０２−３０５（１９９５），同じく回路実装学会誌Ｖｏｌ．１０ Ｎｏ．５ ｐｐ３２５−３２９（１９９５），電子情報通信学会秋期大会ｃ−１９４（１９９３）（従来例３）に記載の技術が知られている。
【０００４】
光送信モジュールは，光通信システムを構成する基本デバイスである。これらは，発光素子であるレーザーダイオード，受光素子であるフォトダイオードなどの光半導体素子，光ファイバあるいは光導波路，これらを光学的に結合させるレンズ，及びこれらを固定する基板，電気信号を入出力するリード，パッケージなどから構成される。
【０００５】
前述の光結合方式に関しては，球レンズや非球面レンズを光半導体素子と光ファイバあるいは光導波路の間に置く方式から， 光半導体素子と光ファイバおよび光導波路を直接結合させる方式に代わりつつある。その意図は、部品点数低減のためレンズを取り除こうとする為である。この場合，光半導体素子と光ファイバ及び光導波路のスポットサイズの違いから，光結合損失は約10％となる。この対策の為，光結合損失を小さくことを狙って，（１）光半導体素子にスポットサイズ変換機能をもたせる手法や（２）光ファイバのコア先端部をレンズ状に成形した先球ファイバが用いるなどされている。
【０００６】
部品の組立方法，特に低損失で光結合させなければならないレーザーダイオードと光ファイバの組立に関しては，アクティブアライメント法からパッシブアライメント法へ変わりつつある。アクティブアライメント法とはレーザダイオードを発光させ，光ファイバからの出力光強度をモニタして位置合わせを行う方法である。一方、パッシブアライメント法とはレーザダイオードを発光させずに位置合わせを行う方法である。
【０００７】
パッシブアライメント法を実現する手法として，例えばひとつの実装基板に光部品を搭載する表面実装法が用いられている。精密位置合わせの方法としては、合わせマークを光半導体素子とマウント基板に形成し，近赤外光を透過させ，同時に合わせマークを観察し位置合わせを行う方法や，固定のための金属合金の表面張力を利用したセルフアライメントなどの手法などが行われている。
【０００８】
パッケージングに関しては、これまで光素子分野で主流であったメタル／セラミックパッケージ（気密封止）に代わり、大量廉価生産に適したプラスチックパッケージ（樹脂封止）が有力視されている。しかし，プラスチックパッケージはメタル／セラミックパッケージに比べて光モジュールの低コスト化に有力であるが、一般的に透湿性が高いという難点がある。そのため，簡易封止法として，光部品を透明有機材料により埋め込む方法や，ガラスなどの蓋で光半導体素子を覆う方法が提案されている。
【０００９】
従来例１では，マイクロレンズをＳｉ基板に形成した凹溝に，光ファイバをＳｉ基板に形成したV溝に固定し効率の高い結合をとろうというものである。従来例２では，球レンズと光ファイバを，どちらもＳｉ基板に形成したV溝に固定し効率の高い結合をとろうというものである。いずれも，気密パッケージ内でのアセンブリ構造であり，樹脂で簡易封止することは想定されていない。従来例３では，先球ファイバを使い，屈折率約１．３の不活性液体を半導体素子と先球ファイバの空間に満たした光結合系である。位置ずれ裕度を広くするために，光結合効率を低下させた系である。この光結合系は，位置ずれ裕度を広げるために屈折率調整をしたものであり，信頼性を確保するためのものではない。また，液体を用いているため取り扱いに難がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第一の目的は，スポットサイズ変換機能を有しない光半導体素子を用いることを前提として、光結合損失の低い光結合系、および光モジュールを提供することである。これによって、例えば、低コストにて、高出力光送信モジュールを提供することが出来る。合わせて、本願発明は、低コストの光伝送システムを提供する。
【００１１】
本発明の第二の目的は，スポットサイズ変換機能を有しない光半導体素子を用いることを前提として、光結合損失の低く、合わせて光学部品の搭載位置精度に関して広い裕度且つ精密な位置搭載を可能とする光結合系、および光モジュールを提供することである。例えば、これらの製造の容易性ならびに低コスト化を促進する。合わせて、本願発明は、より低コストの光伝送システムを提供する。
【００１２】
本発明の第三の目的は，スポットサイズ変換機能を有しない光半導体素子を用いることを前提として、光結合損失の低く、合わせて基本構成の光学部品以外にも各種光学部品の搭載を容易に可能とする光結合系、および光モジュールを提供することである。基本構成の光学部品以外にも各種光学部品の代表例は、光アイソレータである。この光学部品は光半導体素子と光導波路、例えば光ファイバの間に挿入されるが、各種光学特性の整合を容易ならしめるものである。
【００１３】
光結合損失低減を目的とし，スポットサイズ変換機能有する光半導体装置をモノリシックに集積化することは、部品点数削減の観点から低コスト化に有力な方法である。しかし，光アイソレータは、本願発明が対象としている光学部材に、集積することは難しく、また，先球ファイバを用いた場合も同様に集積化することは難しい。従って、こうした各種光学部品を有する光学部材を構成するに、単にスポットサイズ変換機能有する光半導体装置を用いることによっては解決されない。
【００１４】
且つ、光アイソレータや先球ファイバを集積化する場合，これらの搭載位置に関して要求される精度は，前述のスポットサイズ変換機能を有するレーザダイオードを用いた場合より２〜３倍狭い。且つ，光軸に対して垂直な方向のみならず，光軸方向についても精密な位置合わせが必要となる。このように、各種光学部品の搭載には、極めて高度な光学的な設計が必要である。
【００１５】
次に，前述したように，プラスチックパッケージはメタル／セラミックパッケージに比べて光モジュールの低コスト化に有力であるが、一般的に透湿性が高いという難点がある。
【００１６】
したがって、プラスチックモジュールの実用化を進めるためには、低コストという利点を活かしながら、いかにして信頼性を確保するかが重要な課題になる。前述したように，透明有機材料で光半導体素子を覆う手法が用いられているが，一般に透明有機材料の屈折率は光ファイバの材料の屈折率と近いため，先球ファイバや石英などのガラス材料を用いたレンズでは，レンズとしての効果が得られないという難点がある。
【００１７】
本願発明はこれらの難点を解決せんとするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本願明細書に開示される発明のうち、主なものの概要を列挙すれば、以下の通りである。尚、本願明細書では、基本となる光学系を光結合系、光学部品の搭載を含めた構成を光アセンブリ、またパッケージングによる光学部品の封止をも含めた形態を光モジュールと称する。
【００１９】
（１）第1の本発明の光結合系および光アセンブリは、固体の透光性の有機材料の屈折率より高い屈折率をもつレンズを用い，レンズの機能を保持しつつ光結合系を構成したものである。この手段によって、上記第１の目的を達成することが出きる。
【００２０】
本願発明の第1の光結合系、および光アセンブリの形態をより具体的に述べれば、光半導体素子とレンズと光ファイバとを少なくとも有し，それらの光部品間が固形の透光性有機材料で満たされている光結合構造であって，前記レンズの屈折率ｎ１と前記透光性有機材料の屈折率ｎ２の関係がｎ１＞ｎ２であることを特徴とする光結合系である。
【００２１】
レンズの機能をより有効に機能せしめる為に望ましいのは、上記屈折率の関係が実質的にｎ１≧１．２×ｎ２の関係である。
【００２２】
尚、本願発明に係わるこれらの固形の透光性の有機材料として、ゲル状となした材料も使用可能である。従って、当然、ゲル状の透光性の有機材料を適用した形態も、本願発明の範疇である。但し、ゲル状の場合、これを所定の形状にする為、例えば、枠体などを配するのが好ましい。固形の透光性の有機材料がゲル状の透光性の有機材料を含んでなることは、以下に述べる発明の各形態においても同様に適用できるものである。
【００２３】
（２）本願発明の第２の形態は、レンズ材料の屈折率が２．２以上の半導体材料を使用していることを特徴とする上記１項の光結合系である。
【００２４】
（３）本願発明の第３の形態は、光半導体素子、レンズ、および光導波路の各光部品を少なくとも有し，それら光部品間の空間が固形の透光性有機材料で満たされ，前記レンズの屈折率ｎ１と前記固形の透光性有機材料の屈折率ｎ２の関係がｎ１＞ｎ２であり、前記レンズおよび前記光導波路が所定基板に設けられたＶ形状の溝によって位置が決定されており、且つ前記各光部品の間が固体の透光性有機材料によって満たされていることを特徴とする光モジュールである。
【００２５】
図３はシリコン基板上のＶ溝による球形レンズの固定状態のモデルを示す図である。光半導体素子１０はシリコン基板４０に固定されている。球レンズ２０がこの光半導体素子１０に光学的に結合されて配置されている。この場合、リコン基板４０にＶ溝が設けられ、ここに球レンズ２０が保持されている。このＶ溝４２自体は通例の異方性エッチングによるＶ溝である。また、図４は同様にシリコン基板上のＶ溝による光ファイバの固定のモデルを示す図である。図４では光ファイバ３０がシリコン基板４０に設けられたＶ溝４２に保持されている。
【００２６】
尚、本願発明の光モジュールの形態としては、例えば樹脂ケース型を用いる形態、あるいは一括成形法、例えばトランスファ・モールドをも用いることが出来る。以下に説明する光モジュールのおいても、これらの形態を用いることが出来ることは言うまでもない。
【００２７】
（４）本願発明の第４の形態は、光半導体素子、レンズ、および光導波路の各光部品を少なくとも有し，それら光部品間の空間が固形の透光性有機材料で満たされ，前記レンズの屈折率ｎ１と前記固形の透光性有機材料の屈折率ｎ２の関係がｎ１＞１．２×ｎ２であり、前記レンズおよび前記光導波路が所定基板に設けられたＶ形状の溝によって位置が決定されており、且つ前記各光部品の間が固体の透光性有機材料によって満たされていることを特徴とする光モジュールである。
【００２８】
本形態は、レンズの機能をより有効に機能せしめる為に望ましい。
【００２９】
（５）本願発明の第５の形態は、前記光モジュールが有機樹脂モールド封止されてなることを特徴とする前記３項または４項に記載の光モジュールである。
【００３０】
尚、光導波路に入射する光のビームウエストをファイバのスポットサイズの０.５〜２倍になるように適切な球レンズの焦点距離，およびレーザダイオードとレンズ，レンズと光ファイバ端の距離を選択し光学系を組み，かつ，径の小さいレンズを用い，レンズの搭載位置に形成するＶ溝の深さ（Ｖ溝幅）を狭くし，Ｖ溝作製公差の範囲を小さくすることが、実用的に極めて有効である。
【００３１】
（６）本願発明の第６の形態は、前記レンズが、前記固体の透光性有機材料中で１ｍｍ以下の焦点距離を有することを特徴とする請求項第1項より第2項に記載の光結合系である。
【００３２】
（７）本願発明の第７の形態として、より実施的な形態を例示する。即ち、それは、レンズが，透明有機材料中で１ｍｍ以下の焦点距離を有し，レンズと光半導体素子間，およびレンズと光ファイバの距離の比が６倍以下，すなわち像倍率が６倍以下であり、且つレンズと透光性有機材料の屈折率の関係が上記１項と同様となされた光結合系である。
【００３３】
上記（４）−（７）に概要を述べた光モジュールによって、わけても前記本発明の第２の目的を達成することが出来る。
【００３４】
（８）本願発明の第８の形態は、前記光半導体素子よりの出射光の拡がり角が、光導波路の前面近傍で±１０度以内で当該光導波路に入射せしむる構成とし、且つ且つレンズと透光性有機材料の屈折率の関係が上記１項と同様となされた光結合系である。
【００３５】
以上、６項より８項の形態は、本願発明の第３の目的を達成し得るものである。更に、以下、より実際的な形態の例を列挙する。
【００３６】
（９）本願発明の第１０の形態は、レンズが，透明有機材料中で５００μｍ以下の焦点距離を有し，光半導体素子１の出射光の拡がり角が光ファイバ前面近傍で±１０度以内で，光ファイバにほぼ平行に入射し、且つレンズと透光性有機材料の屈折率の関係が上記１項と同様となされた光結合系である。
【００３７】
上記第３の目的を達成するための手段として述べた形態の実用形態を纏めると，特に焦点距離の短いレンズを用い，ファイバに入射する光のスポットサイズをファイバのスポットサイズの０.５〜２倍になるよう，かつ平行光になるよう適切なレンズの焦点距離，およびレーザダイオードとレンズの距離を選択し光学系を組んだものということが出来る。
【００３８】
尚、本願発明において、レンズ形状の球形であることは、レンズ特性の確保ならびに組み立、製造上の観点から好ましい。
【００３９】
以下、本願発明の主な光アセンブリの各種形態を更に列挙する。
【００４０】
（１０）本願発明の第１０の形態は、表面に光ファイバを固定するためのＶ溝１とレンズを固定するためのＶ溝２と電極パターンが形成されたマウント基板と，前記Ｖ溝１に固定される光ファイバと，前記Ｖ溝２に固定されるレンズと，このマウント基板に搭載される少なくとも１つの光半導体素子と他の光半導体素子と、これら光部品が透明有機樹脂で封止されている光半導体装置において，上記請求項１を満たしていることを特徴とする光アセンブリである。
【００４１】
（１１）本願発明の第１１の形態は、表面に光ファイバを固定するためのＶ溝が形成されたマウント基板１と，前記Ｖ溝１に固定される光ファイバと，表面にレンズを固定するためのＶ溝２と電極パターンが形成されたマウント基板２と，このマウント基板２に搭載される少なくとも１つの光半導体素子と他の光半導体素子と、前記Ｖ溝２に固定されるレンズと，前記２つのマウント基板を固定するための平面基板を有し，これら光部品が透明有機樹脂で封止されている光半導体装置において，上記請求項１を満たしていることを特徴とする光アセンブリである。
【００４２】
（１２）本願発明の第１２の形態は、光半導体素子１が光導波路構造よりなり，また，発光作用を有し，その光軸高さが，±３μｍ以内で球レンズの中心と光ファイバの光軸高さと一致している事を特徴とする上記１０〜１１項の光アセンブリである。
【００４３】
（１３）本願発明の第１３の形態は、光半導体素子２が光導波路構造よりなり，また，受光作用を有し，その光軸高さが，±３μｍ以内で光半導体素子１の光軸高さと一致している事を特徴とする上記１０〜１１項の光アセンブリである。
【００４４】
（１４）本願発明の第１４の形態は、上記の２つのマウント基板の間に，アイソレータを挿入し，上記の平面基板に固定されていることを特徴とする上記１０〜１２項の光アセンブリである。
【００４５】
（１５）本願発明の第１５の形態は、上記のレンズを搭載するＶ溝において，光軸に対して垂直な方向に，少なくとも１本のレンズ搭載用Ｖ溝より浅いＶ溝が形成されていることを特徴とする上記１０〜１４項の光アセンブリである。
【００４６】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる光アセンブリあるいは光モジュールを説明する前に、先ず、基本となる光結合系の実施形態を説明する。
【００４７】
図１は，光結合系の基本構造を概念的に説明する図である。
【００４８】
本願の光結合構造は、少なくとも、光半導体素子１とレンズ２と光ファイバ３なる光部品とを有して構成されている。そして、少なくともそれらの光部品間の空間が固形の透光性有機材料４で満たされている。
【００４９】
光半導体素子１としては、発光半導体素子、受光半導体素子の場合があり、本願発明はこれらに適用出来るものである。
【００５０】
前記固形の透光性の有機材料としては、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、ウレア系樹脂などを挙げることが出来る。また、耐湿性の観点からは、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂が好ましい。
【００５１】
レンズは，一例として球レンズを記載している。勿論、その特性の要請によって他の形のレンズをも用いることが出きる。
【００５２】
本願発明において最も重要な点は、前述した通りレンズの屈折率ｎ１と透明有機材料の屈折率ｎ２との関係を，ｎ１＞ｎ２となすことである。更に、前述した通り、レンズの機能を十分となすのにはｎ１＞１．２×ｎ２が好ましい。
【００５３】
尚、レンズ材料の屈折率を例示すれば、例えばシリコンは３．４５程度、ダイアモンドは２．４２程度、更に閃亜鉛鉱（ＺｎＳ）では２．３７程度である。尚、これに対して透光性の有機材料の屈折率の例は次の通りである。シリコーン系樹脂は１．４０程度、エポキシ系樹脂では１．５３程度である。
【００５４】
（実施の形態１）
図２は本発明による光アセンブリの第１の例を説明する図である。図２の（Ａ）は上面から見た部分断面構造図、図２の（Ｂ）は光軸に平行な側面から見た部分断面構造図である。
【００５５】
図２の例では、光アセンブリは、光半導体素子１０、１１、球レンズ２０、光ファイバ３０および、これらの光部品を支持する為の基板４０，４１と、本願発明のに係わる透光性の有機樹脂６０から構成されている。前記の光部品を支持する為の基板は、製造上の理由から、この例の様に、２つの基板（４０、４１）に分けられている。更に、複数に分けられたこれらの基板は、平板な基板５０に搭載され、一体化されている。また、光部品を支持する為の基板４０，あるいは基板４１には、各々Ｖ溝が設けられている。これらのＶ溝はこの基板に搭載される光部品を固定する為のものである。通例、これらの基板はシリコン基板を採用することが有用である。これらのＶ溝はシリコンの異方性エッチングによって高精度の位置、形状に形成される。従って、高精度の光軸合わせを要求される本願発明のごとき、光結合構造や光アセンブリの光部品の固定に有用である。
【００５６】
光素子１０、１１は基板４０にダイボンディングされている。球レンズ２０は基板４０に設けられたＶ溝４２に固着されている。また、ファイバ素線３０は基板４１に設けられたＶ溝４３に固着されている。こうして、光半導体素子１０と球レンズ２０及び光ファイバ３０，また光半導体素子１０と光素子１１が互いに光結合されている。
【００５７】
また、この例では、前記Ｖ溝４２には，その周辺部に更に、Ｖ溝４２より小さなＶ溝４７を形成してある。この為、余分な接着剤をこのＶ溝４７が吸収し、接着剤のレンズ表面へのまわりこみを防ぐことができる。
【００５８】
光半導体素子１０、１１と球レンズ２０とファイバ３０の先端は透光性樹脂６０、例えばシリコーン系樹脂によって被覆されている。
【００５９】
光半導体素子については、この例で、光半導体素子１０はＩｎＰ系半導体から成る端面発光型レーザダイオードである。 発振波長は１．３μｍ、前方出力は１０ｍＷ、ファーフィールドパターンの半値全角は２５×３０度（スポットサイズに換算して約１．１×０．９μｍ）である。また、光半導体素子１１はＩｎＰ系半導体から成る端面受光型（導波路型）フォトダイオードである。この光半導体素子１１は、光半導体素子１０の後方出力をモニターするためにある。
【００６０】
光半導体素子１０、１１は、基板４０の所定の位置にジャンクションダウンでＡｕ−Ｓｎ半田によりダイボンディングされている。光素子１０、１１のジャンクション側の表面には、基板４０に対してアライメントを行うためのマーカーが形成されている。Ａｕ−Ｓｎ半田層の厚さは３〜５μｍであり、基板４０の表面からの光素子１０、１１の活性層の高さが８〜１０μｍになるように設定されている。
【００６１】
球レンズ２０は，屈折率２.０，半径６０μｍ，屈折率が１.４の樹脂中では焦点距離はおよそ１００μｍである。尚、本例では、レンズの屈折率２．０に対して透光性の有機材料の屈折率は約１．４（波長１．３μｍの光に対しての値である）である。
【００６２】
光ファイバ３０はシングルモード石英ファイバである。外径は１２５μｍ、スポットサイズは５μｍである。
【００６３】
光素子１０と球レンズ２０の距離を１３０μｍ，球レンズ２０と光ファイバ３０の距離を３９０μｍとした場合，スポットサイズの拡大率は３倍となりおよそー４ｄＢの効率で光結合する。光軸方向に対して垂直な方向の位置ずれに対する許容範囲は約１.５μｍである。光素子１０の出射光はファイバ３０に結合され、光軸方向３３に沿ってファイバ３０の中を伝播して出力される。
【００６４】
前述した通り、基板４０，４１は結晶面方位（１００）のシリコン基板から成る。基板４０，４１は、球レンズ２０，光ファイバ３０を高精度に位置決めするためのＶ溝４２，４３と、光素子１０、１１を駆動するための配線４５を備えている。
【００６５】
また、光素子１０、１１を固定する位置にはアライメント用マーカー（図示せず）が形成されている。Ｖ溝４２とマーカーは（１１１）結晶面から成り、ＫＯＨ水溶液による異方性エッチングにより同時に形成されている。Ｖ溝４３の幅は１３８〜１４３μｍであり、基板４０の表面から見てファイバ３０の先端の光軸の高さが光素子１０、１１の活性層，および吸収層の高さに一致するように加工されている。
【００６６】
配線４５はＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ膜またはＡｕ／Ｎｉ／Ｃｒ膜等から成り、基板４０の表面の絶縁膜の上に蒸着されている。図２（Ａ）の配線パターンは模式的に描かれているが、配線４５の幅や厚さ、絶縁膜の厚さは、当然、光素子１０、１１の負荷容量や熱抵抗を考慮して決められている。
【００６７】
透光性樹脂６０はシリコーン樹脂から成る。この透光性樹脂６０の波長１．３μｍにおける屈折率は１．４であり、ファイバ３０の屈折率と概ね整合している。透明樹脂６０は光素子１０、１１と球レンズ２０，ファイバ素線３０の先端（信頼性仕様に応じて素線３０の表面全体）に塗布され、これらに密着している。また、ファイバ３０の端面から光素子１０への反射戻り光を無くしている。
【００６８】
第１の例の光アセンブリ１の組立工程の概略は以下の通りである。
【００６９】
（１）光素子１０、１１と基板４０のマーカーを赤外線画像により認識し、これら相互のアライメントを行う。
【００７０】
（２）光素子１０、１１に荷重をかけ、予備加熱した基板４０に仮圧着する。
【００７１】
（３）Ａｕ−Ｓｎ半田をリフローし、光素子１０、１１を基板４０にダイボンディングする。
【００７２】
（４）基板４０を平行平面基板５０に導電性（高熱伝導性）のエポキシ樹脂によって固着する。
【００７３】
（５）光素子１０、１１と基板４０の配線４５の間をワイヤ４７によってボンディングする。
【００７４】
（６）球レンズ２０をＶ溝４２に紫外線硬化樹脂によって固着する。
【００７５】
（７）ファイバ３０をＶ溝４３に紫外線硬化樹脂によって固着する。
【００７６】
（８）球レンズ２０と光ファイバ３０の端面の間隔が所定の距離になるよう，また光出力が最大になるよう面内方向（ｘ方向）の位置を調整し，基板４１を平行平面基板５０に導電性（高熱伝導性）のエポキシ樹脂によって固着する。基板４０の球レンズ側の端と球レンズ２０，基板４１のファイバ端側とファイバ３０先端の位置が３μｍ以下で搭載されている場合，基板４０，４１を突き合わせることにより，光軸方向の位置合わせができる。
【００７７】
（９）透明樹脂６０を光素子１０、１１と球レンズ２０と光ファイバ３０に滴下し、熱硬化させる。
【００７８】
球レンズ２０の焦点距離，半径，屈折率，球レンズ２０と光素子１０の距離，球レンズ２０と光ファイバ３０の距離は，光結合損失，位置ずれ許容範囲，像倍率，Ｖ溝深さ（作製精度などで決まる。光結合損失を４ｄＢ以上にする場合，スポットサイズ５μｍのシングルモードファイバに対して，２〜１２μｍのビームウエストで結合すればよい。
【００７９】
光素子のスポットサイズはおよそ１μｍであり，ビームウエストの径は像倍率を大きくすることによって達成される。位置ずれ許容範囲については，ビームウエストの径が大きくなるにつれて広がる。
【００８０】
（実施の形態２）
図５は本発明による第２の例の光アセンブリを説明する図である。図５（Ａ）は上面から見た部分断面構造図、図５（Ｂ）は光軸に平行な側面から見た部分断面構造図である。第２の例は光部品を搭載する基板が共通基板によって構成されている。
【００８１】
図５（Ａ），図５（Ｂ）の例は、光アセンブリは、光半導体素子１１０、１１１と、球レンズ１２０と、光ファイバ１３０と、Ｖ溝付基板１４０と、透明樹脂１６０から構成されている。個々の光部品についてはこれまで説明してきた例と同じであるので、説明は省略する。
【００８２】
球レンズ１２０は，屈折率３.０，半径５０μｍ，屈折率が１.４の樹脂中では焦点距離はおよそ５０μｍである。光素子１１０と球レンズ１２０の距離を〜５０μｍとすると光素子１１０の出射光はほぼ平行光になり，ビーム径は約１２μｍとなる。
【００８３】
（実施の形態３）
図６は本発明による第３の例の光アセンブリを説明する図である。図６（Ａ）は上面から見た部分断面構造図、図６（Ｂ）光軸に平行は側面から見た部分断面構造図である。第３の例は光アイソレータを有する例である。この光アイソレータは、光ファイバ端面よりの反射光の、光半導体素子、とりわけ半導体レーザ素子への戻りを防止するものである。こうした反射光は半導体レーサ素子の特性の不安定性を引き起こす。従って、実用上、こうした反射光の低減が強く求められている。
【００８４】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）の例では、光アセンブリ２００は、光半導体素子２１０、２１１と、球レンズ２２０と、光ファイバ２３０と、Ｖ溝付基板２４０，２４１と、平行平面基板２５０と、透明樹脂２６０と光アイソレータ２７０とから構成されている。光アイソレータ自体は通例のもので良い。その他の個々の光部品については実施の形態１と同じであるので、説明は省略する。
【００８５】
球レンズ１２０は，屈折率３.０，半径５０μｍ，屈折率が１.４の樹脂中では焦点距離はおよそ５０μｍである。光素子１１０と球レンズ１２０の距離を〜５０μｍとすると光素子１１０の出射光はほぼ平行光になり，光アイソレータ２７０に入射する。
【００８６】
本例の通り、光素子１１０の光がほぼ平行になるので、光アイソレータを容易に挿入することが出来る。また、同様に、必要に応じて他の光学部品も挿入することが可能である。こうして、更に装置の多機能化も可能とする。
【００８７】
（実施の形態４）
本例は透光性有機材料として、ゲル状のものを用いた例である。
【００８８】
図７は本発明による光アセンブリの第４の例を説明する図である。図７の（Ａ）は上面から見た部分断面構造図、図７の（Ｂ）は光軸に平行な側面から見た部分断面構造図である。
【００８９】
図７の例では、光アセンブリ５０は、光半導体素子１０、１１、球レンズ２０、光ファイバ３０および、これらの光部品を支持する為の基板４０，４１と、本願発明のに係わる透光性でゲルの有機樹脂６０から構成されている。前記の光部品を支持する為の基板は、製造上の理由から、この例の様に、２つの基板（４０、４１）に分けられている。更に、複数に分けられたこれらの基板は、平板な基板５０に搭載され、一体化されている。また、光部品を支持する為の基板４０，あるいは基板４１には、各々Ｖ溝が設けられている。これらのＶ溝はこの基板に搭載される光部品を固定する為のものである。通例、これらの基板はシリコン基板を採用することが有用である。これらのＶ溝はシリコンの異方性エッチングによって高精度の位置、形状に形成される。従って、高精度の光軸合わせを要求される本願発明のごとき、光結合構造や光アセンブリの光部品の固定に有用である。
【００９０】
光素子１０、１１は基板４０にダイボンディングされている。球レンズ２０は基板４０に設けられたＶ溝４２に固着されている。また、ファイバ素線３０は基板４１に設けられたＶ溝４３に固着されている。こうして、光半導体素子１０と球レンズ２０及び光ファイバ３０，また光半導体素子１０と光素子１１が互いに光結合されている。
【００９１】
また、この例では、前記Ｖ溝４２には，その周辺部に更に、Ｖ溝４２より小さなＶ溝４７を形成してある。この為、余分な接着剤をこのＶ溝４７が吸収し、接着剤のレンズ表面へのまわりこみを防ぐことができる。
【００９２】
光半導体素子１０、１１と球レンズ２０とファイバ３０の先端は透光性樹脂６０、例えば、ゲル状シリコーン系樹脂によって被覆されている。本例では透光性樹脂６０がゲルの為、枠体７０および蓋７１が設けられている。枠体にはＶ溝７２が形成されている。
【００９３】
尚、Ｖ溝７２はファイバの隙間を小さくすること、およびファイバの押えの役割をも果たしている。
【００９４】
光半導体素子については、この例で、光半導体素子１０はＩｎＰ系半導体から成る端面発光型レーザダイオードである。 発振波長は１．３μｍ、前方出力は１０ｍＷ、ファーフィールドパターンの半値全角は２５×３０度（スポットサイズに換算して約１．１×０．９μｍ）である。また、光半導体素子１１はＩｎＰ系半導体から成る端面受光型（導波路型）フォトダイオードである。この光半導体素子１１は、光半導体素子１０の後方出力をモニターするためにある。
【００９５】
光半導体素子１０、１１は、基板４０の所定の位置にジャンクションダウンでＡｕ−Ｓｎ半田によりダイボンディングされている。光素子１０、１１のジャンクション側の表面には、基板４０に対してアライメントを行うためのマーカーが形成されている。 Ａｕ−Ｓｎ半田層の厚さは３〜５μｍであり、基板４０の表面からの光素子１０、１１の活性層の高さが８〜１０μｍになるように設定されている。
【００９６】
球レンズ２０は，屈折率２.０，半径６０μｍ，屈折率が１.４の樹脂中では焦点距離はおよそ１００μｍである。尚、本例では、レンズの屈折率１．４に対して透光性の有機材料の屈折率は約１．４（波長１．３μｍの光に対しての値である）である。
【００９７】
光ファイバ３０はシングルモード石英ファイバである。外径は１２５μｍ、スポットサイズは５μｍである。
【００９８】
光素子１０と球レンズ２０の距離を１３０μｍ，球レンズ２０と光ファイバ３０の距離を３９０μｍとした場合，スポットサイズの拡大率は３倍となりおよそー４dBの効率で光結合する。光軸方向に対して垂直な方向の位置ずれに対する許容範囲は約１.５μｍである。光素子１０の出射光はファイバ３０に結合され、光軸方向３３に沿ってファイバ３０の中を伝播して出力される。
【００９９】
透光性樹脂６０はゲル状のシリコーン樹脂から成る。この透光性樹脂６０の波長１．３μｍにおける屈折率は１．４であり、ファイバ３０の屈折率と概ね整合している。
【０１００】
尚、この例の場合、各光部品をＳｉ基板（４０，４１）上に搭載、電気的接合を行った後、接着剤で枠付（７０）をし、ゲル状の有機材料６０を枠体内に注入する。そして、蓋７１ を付す。
【０１０１】
図８は、第１の実施の形態に示した例示した光アセンブリを用いた光モジュールを説明する図である。図８（Ａ）は上面から見た部分断面構造図、図８（Ｂ）は光軸に平行な側面から見た部分断面構造図である。この例は、有機材料３６０がパッケージ内全体に設けた例である。
【０１０２】
図８（Ａ）、図８（Ｂ）の例では、光アセンブリは、光半導体素子３１０、３１１と、球レンズ３２０と、光ファイバ３３０と、Ｖ溝付基板３４０，３４１と、平行平面基板３５０と、透明樹脂３６０と，リードフレーム３７０とパッケージ３８０，キャップ３９０から構成されている。
【０１０３】
光半導体素子３１０，３１１は基板３４０にダイボンデイングされている。光ファイバ素線３３１とこれを被覆するジャケット３３０はの先端は、基板３４１に設けられたＶ溝３４３に固定されている。同時に、ジャケット３３０は基板３４１に設けられた凹部に固着されている。光素子３１１と光素子３１０および光素子３１０とレンズ３２０、およびレンズと光ファイバ３３０は互いに光結合されている。
【０１０４】
光素子３１１、３１０、およびレンズ３３０が搭載された基板３４０はリードフレームリードフレーム５０より延在するダイパッド３５０の上に固着されている。ファイバホルダ部にはジャケット３３０がインサートされている。光素子３１１、３１０およびレンズ３３０は透光性の有機材料３６０により被覆されている。
【０１０５】
個々の部品の内容については実施例１と同じである。尚、光素子３１１は半導体受光素子、光素子３１０は半導体発光素子である。
【０１０６】
基板３１０には前述の通り光ファイバ用のＶ溝３４３と球形レンズ用のＶ溝３４２、ならびに配線３４４が形成されている。
【０１０７】
リードフレーム３７０はパッケージ３８０と一体化されている。パッケージ３８０は８ピンのデュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）から成る。パッケージ３８０の外形は長さ１４．６ｍｍ（ファイバホルダ部の長さ５ｍｍを含む）、幅６．３ｍｍ、高さ３ｍｍである。
【０１０８】
インナーリード３７２−１より３７２−４および３７３−５より３７３−８はパッケージ５００に埋め込まれており、アウターリード３７３−１より３７３−４および３７３−５より３７３−８がパッケージ３８０の外部に取り出されている。アウターリード３７３−４より３７３−５は配線とワイヤ３４５，３４６を介して光素子３１１に電気接続されている。また、アウターリード３７３−６，３７３−７は同様に光素子３１０に電気接続されている。
【０１０９】
（実施の形態５）
図９は、第１の実施の形態に示した例示した光アセンブリを用いた光モジュールを説明する図である。図９（Ａ）は上面から見た部分断面構造図、図９（Ｂ）は光軸に平行な側面から見た部分断面構造図、図９（Ｃ）は光軸に交差する方向の断面図である。
【０１１０】
図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）の例では、光アセンブリは、光半導体素子３１０、３１１と、球レンズ３２０と、光ファイバ３３０と、Ｖ溝付基板３４０，３４１と、平行平面基板３５０と、透明樹脂３６０と，リードフレーム３７０とパッケージ３８０，キャップ３９０から構成されている。
【０１１１】
光半導体素子３１０，３１１は基板３４０にダイボンデイングされている。光ファイバ素線３３１とこれを被覆するジャケット３３０はの先端は、基板３４１に設けられたＶ溝３４３に固定されている。同時に、ジャケット３３０は基板３４１に設けられた凹部に固着されている。光素子３１１と光素子３１０および光素子３１０とレンズ３２０、およびレンズと光ファイバ３３０は互いに光結合されている。
【０１１２】
光素子３１１、３１０、およびレンズ３３０が搭載された基板３４０はリードフレーム３７３より延在するダイパッド３５０の上に固着されている。ファイバホルダ部にはジャケット３３０がインサートされている。光素子３１１、３１０およびレンズ３３０は透光性の有機材料３６０により被覆されている。
【０１１３】
個々の部品の内容については実施例１と同じである。尚、光素子３１１は半導体受光素子、光素子３１０は半導体発光素子である。
【０１１４】
基板３１０には前述の通り光ファイバ用のＶ溝３４３と球形レンズ用のＶ溝３４２、ならびに配線３４４が形成されている。
【０１１５】
リードフレーム３７０はパッケージ３８０と一体化されている。パッケージ３８０は８ピンのデュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）から成る。パッケージ３８０の外形は長さ１４．６ｍｍ（ファイバホルダ部の長さ５ｍｍを含む）、幅６．３ｍｍ、高さ３ｍｍである。
【０１１６】
インナーリード３７２−１より３７２−４および３７３−５より３７３−８はパッケージ３８０に埋め込まれており、アウターリード３７３−１より３７３−４および３７３−５より３７３−８がパッケージ３８０の外部に取り出されている。アウターリード３７３−４より３７３−５は配線とワイヤ３４５，３４６を介して光素子３１１に電気接続されている。また、アウターリード３７３−６，３７３−７は同様に光素子３１０に電気接続されている。
【０１１７】
図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）の例は、トランスファアモールドによる樹脂パッケージされた光モジュールの例である。トランスファアモールドされている以外は各部の部品はこれまでの例と同様なので、詳細は省略する。
【０１１８】
（実施の形態６）
本例では光伝送システムの典型的な例を説明する。図１１は光伝送システムの典型的な例を示す図である。光伝送システム５００において、５０１はサーバ、５１０は送信装置、５０２は光ファイバ、５０３は光分配器、５２０−５２３は各々受信装置、５５０−５５３は各々端末への伝送を示している、サーバ５０１からの情報は、光分配器５０３により複数の各端末に伝送される。尚、送信装置５１０は主として送信ＬＳＩ（集積回路装置）部５１１と、これからの電気信号を光に変換し、送信する為の光送信モジュール５１２により構成される。一方、受信装置５２０−５２３の各々は、主として、光受信モジュール５３０−５３３、およびこれからの光を光電変換する為の受信ＬＳＩ部５４０−５４３により構成される。本願発明は、こうした送信装置あるいは受信装置の構成に係わるものである。
【０１１９】
各送信モジュールあるいは光受信モジュールとして実施の形態２−４に例示した光モジュールを用いることが出来る。
【０１２０】
こうして、本願発明によれば、高信頼性にして且つ安価な光伝送システムを提供できる。
【０１２１】
以上、本発明の光結合系の基本構造および実施の形態１例から実施の形態４の光モジュールおよび光伝送システムの基本構成を説明した。
【０１２２】
本発明の最も重要なポイントは、低コスト化に有利なプラスチックパッケージ，および透明有機材料による簡易封止の手法を用いつつ，スポットサイズ変換機能を有しない，従来のレーザダイオードを用い，光結合損失の低い光学系，および高出力光送信モジュールを提供することである。これによって、低コスト化と高信頼化を実現することが可能になる。
【０１２３】
【発明の効果】
本発明の第１の手段によれば、スポットサイズ変換機能を有しない光半導体素子を用いることを前提として、光結合損失の低い光結合系、および光モジュールを提供することである。
【０１２４】
即ち、透光性有機材料による簡易封止の手法を用いた形態においても，レンズの効果を持たせる事ができる。したがって、レーザダイオードと光ファイバとを低い光結合損失で光結合させることができる。従来のスポット拡大部を有しないレーザダイオードを用いることができ，プラスチックケースを用い，かつ，信頼性も確保することができる。この為，送信モジュールの低コストに効果がある。
【０１２５】
本発明の第２の手段によれば、部品搭載時の位置ずれに対する許容範囲が広くなり，歩留り向上に効果がある。
【０１２６】
更にまた，環境温度の変化による熱膨張で，光部品の相対位置変動が生じた場合でも，光結合損失の変動が小さくなる。この為、装置の信頼性を向上することができる。
【０１２７】
本発明の第３の手段によれば、スポットサイズ変換機能を有しない光半導体素子を用いることを前提として、光結合損失の低く、合わせて基本構成の光学部品以外にも各種光学部品の搭載を容易に可能とする光結合系、および光モジュールを提供することができる。装置の多機能化に極めて有用である。
【０１２８】
例えばレーザダイオードと光ファイバの間に，他の光部品を挿入すること（アイソレータ内蔵など）が可能となり，光送信モジュールに別の機能を持たせる事ができる。この様に、装置の多機能化の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光結合系の基本構造を説明する図である。
【図２】実施の形態１の光アセンブリを説明する上面および側面から見た部分断面構造図である。
【図３】図３はＶ溝による球形レンズの固定状態のモデルを示す図である。
【図４】図4は同様にＶ溝による光ファイバの固定のモデルを示す図である。
【図５】実施の形態２の光アセンブリを説明する上面および側面から見た部分断面構造図である。
【図６】光アイソレータを有する実施の形態３の光アセンブリを説明する上面および側面から見た部分断面構造図である。
【図７】ゲル状有機材料を用いた実施の形態４の光アセンブリを説明する上面および側面から見た部分断面構造図である。
【図８（Ａ）】実施の形態４の光アセンブリを用いた光モジュールの下面から見た部分断面構造図である。
【図８（Ｂ）】実施の形態４の光アセンブリを用いた光モジュールの光軸に平行な方向から見た部分断面構造図である。
【図９（Ａ）】実施の形態５の光アセンブリを用いた光モジュールの下面から見た部分断面構造図である。
【図９（Ｂ）】実施の形態５の光アセンブリを用いた光モジュールの光軸に平行な方向から見た部分断面構造図である。
【図９（Ｃ）】実施の形態５の光アセンブリを用いた光モジュールの光軸と交差する方向から見た部分断面構造図である。
【図１０（Ａ）】トランスファーモールドになる実施の形態の例を示す光モジュールの下面から見た部分断面構造図である。
【図１０（Ｂ）】トランスファーモールドになる実施の形態の例を示す光モジュールの光軸に平行な方向から見た部分断面構造図である。
【図１１】本発明に係わる光伝送システムを説明する図である。
【符号の説明】
１０、１１０、２１０，３１０…光素子（レーザダイオード）、１１、１１１、２１１、３１１…光素子（フォトダイオード）、２０、１２０、２２０、３２０…球レンズ、 ３０、１３０、２３０、３３０…光ファイバ（芯線）、３３１…ジャケット 、４０、１４０、２４０、３４０…基板（球レンズ搭載部）、４１、２４１、３４１…基板（光ファイバ搭載部）、４２、１４２、２４２、３４２…Ｖ溝（球レンズ搭載部）、４３，１４３、２４３、３４３…Ｖ溝（光ファイバ搭載部）、３４４…配線（部）、３４５，３４６…ワイヤ 、４７、１４７、２４７…Ｖ溝（球レンズ搭載部，接着剤流れ止め）、５０、２５０、３５０…平行平面基板 、６０，１６０，２６０，３６０…有機透明樹脂 、３７０…リードフレーム 、３７１…ダイパッド（部）、３７２−１〜８…インナーリード（部）、３７３−１〜８…アウターリード（部）、３８０…パッケージ（ベース）、３９０…パッケージ（蓋）、５００…光伝送システム、５０１…サーバ、５１０…送信装置、５０２…光ファイバ、５０３…光分配器、５２０−５２３…受信装置、５３０−５３３…光受信モジュール５４０−５４３…受信ＬＳＩ、５５０−５５３…端末へので伝送。

Claims (3)

1. 光モジュール用の第１の基板、光ファイバー保持用の第１のV溝を少なくとも有する第２の基板、及び、球レンズ保持用の第２のV溝と、当該第２のＶ溝の周辺部に前記第２のV溝より大きさの小さい第３のV溝とを少なくとも有する第３の基板を準備する工程、
   光素子を前記第３の基板の所定箇所に搭載する工程、
   球レンズを前記第３の基板に設けられた前記第２のV溝に固着する工程、
   光ファイバーを前記第２の基板に設けられた前記第１のV溝に固着する工程、
   前記第１の基板の所定箇所に、前記第２の基板を固着する工程、
   前記第１の基板の所定箇所に、前記第３の基板を固着する工程、
   少なくとも前記光素子、前記球レンズ、及び前記光ファイバーを覆う透光性有機樹脂層を形成する工程、を有し、
   前記透光性有機樹脂層がゲル状のシリコーン性樹脂であり、
   前記第２の基板のV溝に固着された光ファイバーと、前記第２の基板のV溝に固着された球レンズと、前記第２の基板に搭載された光素子とが順次光結合され、前記球レンズの屈折率ｎ１と前記透光性有機材料の屈折率ｎ２の関係がｎ１＞１．２×ｎ２であり、且つ
   前記球レンズを前記第３の基板に設けられた前記第２のV溝に固着するに接着剤を用い、且つ前記第３のＶ溝は、前記接着剤の内の余分なものを吸収する機能を有すること、を特徴とする光モジュールの製造方法。
2. 光モジュール用の第１の基板、前記第１の基板に搭載された第２の基板及び第３の基板、並びに光半導体素子、レンズおよび光導波路の順次光結合された各光部品を少なくとも有し、
   それら光部品間の少なくとも光路を構成する空間が固形の透光性有機材料で満たされ、前記透光性有機材料がゲル状のシリコーン性樹脂であり、前記レンズの屈折率ｎ１と前記固形の透光性有機材料の屈折率ｎ２の関係がｎ１＞１．２×ｎ２であり、且つ
   前記第２の基板は少なくとも光導波路保持用の第１のＶ形状の溝を有し、前記第３の基板は少なくともレンズ保持用の第２のＶ形状の溝と、当該第２のＶ溝の周辺部に前記第２のＶ溝より大きさの小さい第３のＶ溝とを有し、
   前記レンズが前記第２のＶ形状の溝に固着され、前記光導波路が前記第１のＶ形状の溝に固着されて、それらの位置が決定されており、且つ
   前記球レンズを前記第３の基板に設けられた前記第２のV溝に固着するに接着剤が用いられ、且つ前記第３のＶ溝は、前記接着剤の内の余分なものを吸収する機能を有することを特徴とする光モジュール。
3. 光モジュール用の第１の基板、前記第１の基板に搭載された第２の基板及び第３の基板、並びに光半導体素子、レンズおよび光導波路の順次光結合された各光部品を少なくとも有し、
   それら光部品間の少なくとも光路を構成する空間が固形の透光性有機材料で満たされ、
   前記透光性有機樹脂層がゲル状のシリコーン性樹脂であり、前記レンズの屈折率ｎ１と前記固形の透光性有機材料の屈折率ｎ２の関係がｎ１＞１．２×ｎ２であり、且つ
   前記第２の基板は少なくとも光導波路保持用の第１のＶ形状の溝を有し、前記第３の基板は少なくともレンズ保持用の第２のＶ形状の溝と、当該第２のＶ溝の周辺部に前記第２のＶ溝より大きさの小さい第３のＶ溝とを有し、
   前記レンズが前記第２のＶ形状の溝に固着され、前記光導波路が前記第１のＶ形状の溝に固着されて、それらの位置が決定されており、且つ
   前記球レンズを前記第３の基板に設けられた前記第２のV溝に固着するに接着剤が用いられ、且つ前記第３のＶ溝は、前記接着剤の内の余分なものを吸収する機能を有することを特徴とする光モジュール。

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