JP4886112B2

JP4886112B2 - Device having planar optical element and optical fiber

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Publication number: JP4886112B2
Application number: JP2001012593A
Authority: JP
Inventors: 肇坂田; 彩今田; 敏彦尾内
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2021-01-22
Also published as: JP2002214485A

Description

【ＯＯ０１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを効率良く光学的に結合できる面型光素子、面型光素子と光ファイバを低コストで光学的に結合した光実装体（これらの面型光素子、光実装体を本明細書では光インタコネクションモジュールなどとも言う）、その作製方法、およびそれを用いた光配線装置に関する。
【ＯＯ０２】
【従来の技術】
近年、高速光接続のための光モジュールが開発されている。しかし、光素子と光ファイバなどの光伝送体との結合に関しては、特に、低コスト化、高性能化などの観点から課題が多い。
【ＯＯ０３】
光素子として、受光素子では、作製の容易性や感度などの点で面型の素子が主に使用されているが、光ファイバと該面型素子の主面とで光結合させる場合に、受光素子を動作させないでアライメントするパッシブアライメントが低コスト化のためには必須である。そのための手法として、一般には固定部材を作製して組み立てるという方法が用いられている。しかし、固定部材の機械精度が要求され、その弾性係数や熱膨張係数などに制約があり、また部品点数も多くなるために、コスト低減が困難であった。特に、コスト低減のためにプラスチックモールドなどを用いると、光結合の歩留まりや長期信頼性に欠けるという問題点がある。
【０００４】
発光素子においても、基板面から垂直に光出射を行う垂直共振器型面発光レーザが、光伝送モジュールの低消費電力化、低コスト化の観点で改善できる可能性があり、盛んに研究されている。該面発光レーザでは、1mA以下の低しきい値で駆動でき、ウエハレベルの検査が可能で、へき開精度を必要としないため、低コスト化が可能である。このような面発光レーザと光ファイバとの光結合においても上記と同様な問題が生じている。
【０００５】
そこで、光ファイバとの結合のためのガイド穴をホトリソグラフィの精度で作製する方法が提案されている。例えば特開平8-111559号公報では、図12に示すように、面型受光素子もしくは発光素子を作製した基板1021側に光ファイバ1037を固定するための穴をエッチングにより形成するものが開示されている。尚、図12において、1022は光吸収層、1023と1027はDBRミラー、1024と1026はクラッド層、1025は活性層、1028はコンタクト層、1032はSiO₂層、1033と1035は電極、1036は反射防止膜である。
【Ｏ００６】
また、特開平6-237016号公報にも、図13に示すように、面発光レーザ1203の裏面側に、基板をエッチングしたガイド穴1209を形成して光ファイバ1210を固定する方法が開示されている。これらの場合、部品点数を減少させることができ、組み立ても非常に簡単なので、低コスト化が可能である。尚、図13において、1201は電子回路基板、1202は発光チップ、1204はトランジスタ、1205と1206と1207はトランジスタ電極、1208は絶縁層、1211は接着剤である。
【Ｏ００７】
しかしながら、基板に穴を開ける方法では、光ファイバと受光部あるいは発光部との距離の制御が難しく、ファイバを結晶に突き当てたときに結晶にダメージが入るために素子を劣化させてしまう恐れがあった。そこで、特開平6-237016号公報の発明では、ガイド穴1209に順テーパ形状をつけてファイバが結晶面と接触しない様にガイド穴先端の径を小さくしたり(図13参照)、完全にエピ層までエッチングせずに基板をわずかに残した状態でエッチングを止めるなどの方法が用いられていた。
【０００８】
一方、面型光素子が形成された表面側にファイバ固定用の部材を直接固定して、光ファイバを実装する方法も提案されている。例えば、特開平11-307869号公報においては、図14に示すように、面発光レーザ素子2018の表面にファイバ固定部材2014を嵌合させるための突起2022、2023を設け、面発光レーザ2018の発光部に対応する位置にガイド穴を構成したものが開示されている。尚、図14において、2012はモジュール基板、2016は光ファイバ、2024はファイバ挿入孔、2026と2027はガイド孔である。
【ＯＯ０９】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、エッチングでガイド穴を作製する場合、その深さは通常100μm以上になるため、テーパ形状や穴径の制御性には問題があり、歩留まりを向上させることは困難であった。また、基板を残す場合には基板での光の吸収の問題があって、使用できる波長帯には制限があった。
【００１０】
一方、光ファイバ固定用ブロックを用いる場合では、上記のような作製上の問題は生じないが、部品点数とその加工工程が増えてしまうために、必ずしも低コスト化ができなかった。
【ＯＯ１１】
さらには、光ファイバからの出射光は広がるため、できるだけ受光素子と近づけて実装することが肝要であったが、それでも、受光素子への入射効率を高くすることは困難であった。同様に、発光素子との接続についても、発光素子の発光径および放射角と光ファイバのコア径および受容角との不整合が大きければ，光ファイバへの光結合効率を高くすることは困難であった。
【００１２】
このような課題に鑑み、本発明の目的は、光ファイバを固定するガイド穴を形成して、部品点数の増加やプロセス制御性の向上を必要とせずに、光導波体と面型光素子のアライメント精度を向上させ、このことから、光ファイバの固定作業も容易にして生産性を向上させ、低コスト化を図り、更に、面型光素子と光ファイバの間の距離を自由に設定でき、実装の容易性、自由度を向上させる構造を提供することにある。さらに、このような実装するための構造体を量産できる作製方法、低コスト化が可能な光実装体、およびこれを用いた光配線装置を提供することにある。
【ＯＯ１３】
特に、本発明の目的は、光ファイバの先端をレンズ形状に加工することで、発光または受光素子との光結合効率を向上させ、このことから、光インタコネクションモジュールの挿入損失を低減し、素子駆動に関わる消費電力の低減化を図り、生産性を向上させ低コスト化を図る構造を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明の装置においては、面型光素子上に、膜材料（厚膜材料）により直接ホトリソグラフィによって、光ファイバを差し込むためのガイド穴となる構造体を作り込むことで、上記課題を解決するものである。すなわち、本発明の発光または受光が可能な面型光素子と、先端がレンズ形状のポリマーを含む光ファイバと、を有する装置は、前記面型発光素子上には、前記光ファイバを該面型光素子との光結合が可能なように差し込んで固定するためのガイド穴と、該ガイド穴と連結している溝と、が設けられている部材が配置されており、前記部材は、光感光性あるいは電子ビーム硬化性を持つ膜材料を含み、前記ガイド穴および前記溝は、前記膜材料(ポリマー化が可能な厚膜レジストなど) をホトリソグラフィでパターニングすることで形成されていることを特徴とする。
【００１５】
前記厚膜材料ないし厚膜レジストの厚さとしては、10μm(これは石英シングルモードファイバのコア程度である)〜1000μm(これはアクリル材料によるプラスチックファイバ(POF)のコア程度である)がよく、さらに好ましくは50μmから500μm程度のものが好適に用いられる。光ファイバのサイズとして、125μm程度から1mm程度までどのようなサイズでも適用可能である。光ファイバの芯線径で云えば、100μmから1mm程度まで、どのようなサイズでも適用可能である。厚膜材料ないし厚膜レジストは通常のホトリソグラフィ工程でプロセスを行うため、面型光素子とガイド穴中心位置を精度良く合わせることが簡単にできる。そのため、ガイド穴を形成した構造体をアライメントして接着する工程などを省くことができる。
【００１６】
穴径の制御性や形状制御も厚膜材料ないし厚膜レジストの特性から優れており、基板エッチングにより穴を開ける方法に比べて工程が簡単になる。
【００１７】
面型光素子については、面発光レーザや面型受光素子などが用いられ、実装基板に必要なチップサイズ、アレイ数の素子を実装してから成長基板を除去して薄膜型にすることで、実装基板をハンドリング基板として用いることもできる。これにより、面型光素子のエピウエハから取り得る収率が増大して低コスト化することができる。
【００１８】
また、前記面型光素子は複数アレイ化され、それに対応してガイド穴も共にアレイ化して形成されたり、前記複数の面型光素子は面型発光素子のみ、面型受光素子のみ、あるいは面型発光素子と面型受光素子の組み合わせであったり、前記面型光素子は垂直共振器型の面発光レーザ或いは発光ダイオードであったり、面発光レーザは、活性層、共振器層、およびブラッグ反射ミラー層のみの機能層が残されているものであったり、前記面型光素子は、成長基板を除去或いは薄膜化して薄膜型になっていたり、成長基板がそのまま残されているものであったりする。
【００１９】
光ファイバ端面と面型光素子の距離については、厚膜材料ないし厚膜レジストを2層にして、1層目の厚みで距離をコントロールするようにすれば、制御性、自由度を向上させることができる。すなわち、前記ガイド穴は、前記光ファイバのサイズより小さく光が透過できる穴を形成した第1層の当該穴と、該第1層上に形成され該光ファイバを固定するためのガイド用の穴を形成した第2層の当該穴から成り、第1層の厚さで前記面型光素子と該光ファイバの端面の距離を規定する様にできる。
【００２０】
光ファイバガイド穴の形状についてもホトマスクの設計次第で自由に設定することができ、固定用接着剤の逃げを作り込んだり、光ファイバとガイド穴が嵌合しやすいように設計すること(例えば、ガイド穴をテーパ状にする)も可能である。すなわち、前記厚膜材料あるいは厚膜レジストで形成したガイド穴は、該光ファイバの外形に合わせてある部分のみを形成して成ったり、該光ファイバの外形に合わせてある部分とともに、その外形とは異なる溝パターンをも形成して成ったり、この場合、前記ガイド穴の光ファイバの外形に合わせてある部分と溝パターンは連続して形成されたりする。
【ＯＯ２１】
前記光ファイバについては、その先端が凹レンズ状に加工されていて、この凹部に樹脂が充填されていたりする。この樹脂は、集光効果を良くする為に、典型的には、光ファイバより高い屈折率を有する樹脂である。また、前記光ファイバの先端と前記面型光素子との間隙に樹脂を充填して使用されたりする。
【Ｏ０２２】
更に、本発明の面型光素子実装体は、上記の面型光素子が、実装基板に、駆動が可能なように電気的接続を有して実装され、前記ガイド穴に光ファイバを固定して成ることを特徴とする。
【００２３】
前記実装基板は、他の光素子あるいは電子素子をハイブリッドに集積することができ、ヒートシンク機能を持つ実装基板であったりする。前記面型光素子は複数アレイ化され、光ファイバも同時にアレイ化し得る。前記光ファイバは、ポリマーを含む光ファイバすなわちプラスチック光ファイバ(POF)で構成される。
【Ｏ０２４】
また、素子との光結合効率をより向上させる為に、光ファイバの先端をレンズ形状に加工し、光ファイバの先端と面型光素子との間隙に樹脂、空気、或いは窒素ガスを充填させてもよい。この樹脂は、光学接着剤ないし透明樹脂などである硬化性樹脂であったりする。光ファイバの先端が凹レンズ状に加工されていて、前記樹脂が該光ファイバより高い屈折率を有したり、光ファイバの先端が凸レンズ状に加工されていて、前記樹脂が該光ファイバより低い屈折率を有したりする。光ファイバの先端と面型光素子との間隙に空気或いは窒素ガスが充填されている場合には、前記光ファイバの先端は典型的には凸レンズ状に加工される。
【ＯＯ２５】
本発明におけるプラスチック光ファイバとは、コアとクラッドからなる芯線部がポリマーである光ファイバ、ないしはクラッドもしくはコアのみがポリマーである光ファイバを指す。芯線周囲が、保護層やポリマージャケットで被覆されていてもよい。また、芯線部がステップインデックス型（屈折率段階型）光ファイバでもグレーデッドインデックス型（屈折率分布型）光ファイバでもよい。
【ＯＯ２６】
プラスチック光ファイバの先端の形状は、加熱した鋳型にプラスチック光ファイバの先端を押し付けることで自由に加工が可能である。あるいは、クラッドもしくはコアが溶融する適当な有機溶剤に浸漬して、浸漬時間、引き上げ方等を制御することで凸レンズ状もしくは凹レンズ状に整形する手法もある。その際、発光または受光素子と光ファイバ端面の間に空気あるいは窒素ガスなどが充填される場合は、凸面先端とする。これに対して、発光または受光素子と光ファイバ端面間に硬化性樹脂などが充填される場合は、光ファイバと該樹脂の屈折率の大小関係に鑑み、凸面あるいは凹面とする。いずれにせよ、別個のレンズを位置合わせのうえ実装することなく、光ファイバ自体が集光性を有する凸レンズ機能を発現できる。
【ＯＯ２７】
鋳型を用いる場合、剃刀などにより平面状に切断したプラスチック光ファイバ端面に、加熱した凸面状もしくは凹面状の鋳型を押し付けるなどの手法により、該プラスチック光ファイバ端面に凹面もしくは凸面レンズを作製する。球面ないし非球面の鋳型径は、プラスチック光ファイバのコア径と同程度かそれ以上が好ましい。凹面先端構造の場合には、プラスチック光ファイバよりも高い屈折率を有する硬化性樹脂などを充填する。凸面構造の場合は、間隙部に空気ないし窒素を充填するか、プラスチック光ファイバよりも低い屈折率を有する硬化性樹脂などを充填する。硬化性樹脂としては、透明性が優れ、硬化時の発泡や収縮膨張の少ない合成樹脂性接着剤あるいは透明樹脂などを用いることが好ましい。熱硬化性の合成樹脂性接着剤においては、プラスチック光ファイバの軟化が起こらない低温硬化性接着剤が好ましく、全フッ素化ポリマー系プラスチック光ファイバおよびポリスチレン系プラスチック光ファイバでは70℃以下、ポリメチルメタアクリレート系プラスチック光ファイバでは80℃以下、ポリカーボネート系プラスチック光ファイバでは125℃以下が好ましい。
【ＯＯ２８】
全フッ素化ポリマー系プラスチック光ファイバのように、屈折率が1.3〜1.4程度に低い光ファイバでは、硬化性樹脂で充填して凸レンズ効果を得ようとすると、さらに低屈折率の硬化性樹脂を選択する必要がある。しかしながら、そのような低い屈折率を有する硬化性樹脂は殆どなく、たとえ実現したとしても光ファイバとの屈折率差が小さいため、屈折パワーの極めて弱い凸レンズしか実現しない。そこで、本発明では、プラスチック光ファイバの端面を逆に凹面状として、その凹面構造に比較的高い屈折率の硬化性樹脂を充填させることで、硬化性樹脂側を凸レンズとして集光作用を発現させる。端面を凸状レンズとする手法に比べ、光ファイバ端面中央部がへこんでいるため、発光または受光素子と近接させても、接触することはなく、光ファイバの実装が容易になる。
【ＯＯ２９】
更に、本発明の上記の面型光素子実装体を作製する方法は、ウエハ状の実装基板に配線パターンを形成する工程、少なくとも1つの面型光素子を逐次、実装基板の複数箇所に、実装する工程、各面型光素子上に厚膜材料でガイド穴を形成する工程、必要な電子デバイス等を必要な位置に逐次フリップチップ実装した後に必要な大きさの実装体に複数切り出す工程、最後に光ファイバをガイド穴に差し込んで固定する工程を含むことを特徴とする。
【００３０】
更に、本発明の光配線装置は、電子機器内のボードに接続リードを介して実装して、ボード間の信号の授受を光で行う光配線装置であって、上記の面型光素子実装体に面型光素子駆動用電子回路も集積化しており、電気的接触を得るための接続リードを固定する台座に該光素子実装体を面実装して光接続モジュールを構成していることを特徴としたり、上記の面型光素子実装体を面型光素子駆動用電子回路上に実装して電気コネクタ内に収めて、該駆動用電子回路への電気接続を、脱着可能なコネクタ用の接続ピンで行い、電子機器同志の信号の授受を光で行うことを特徴とする。
【００３１】
このように、厚膜レジストないし厚膜材料を用いて面型光素子と光ファイバを結合させた光素子実装体を、電子回路と集積化させて、送受信を備えた光インターコネクション装置として用いることができる。その場合、電子回路ボード間の光配線、電子機器間の光接続などに利用でき、電磁放射ノイズを抑えながら1chあたり1Gbps以上で多チャンネルの大容量高速伝送を低コストで実現することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明の実施例で発明の実施の形態を説明する。
【００３３】
(第1の実施例)
本発明による第1の実施例を斜視図である図1に示す。750μmピッチで4つにアレイ化された面発光レーザ5が、実装基板1に、共通電極2を介してボンディングされている。各素子5の素子分離溝が8で示され、発光点に相当する部分が6で示されている。面発光レーザ5を駆動するための電気配線は、共通電極用の配線10と独立駆動用の配線9が実装基板1上に形成されている。面発光レーザ駆動用の独立電極25は配線9と接続されている。また、面発光レーザ駆動用のドライバIC12が同一実装基板1上にフリップチップ実装されている。ドライバIC12は配線13により他の電子デバイス等に接続される。
【００３４】
ガイド穴4に挿入する光ファイバとしては、補強層を含んだ全径500μmの全フッ素化ポリマー系プラスチック光ファイバ16が用いられている。POF16は、プラスチックモールドで形成されたV溝を持つ固定治具14と平坦治具15によりサンドイッチされて、接着剤17により固定されている。このV溝によって、POF16のピッチおよび中心位置の整列が行えるようになっている。POF16の先端は、固定治具14、15で形成される面よりも図1に示すように突き出た形になっており、本実施例では突き出し量を500μmとした。4本のプラスチック光ファイバ16は、固定治具14、15を用いて接着固定したあと剃刀などで平面状に一括切断して、加熱した凸面鋳型を押し付けて端面に球面状凹構造18を作製する。図２では、プラスチック光ファイバ径よりも小さな、しかしコア径よりは大きな径を有する球面状凹構造18を作製し、その周囲の端面に平面が残されている例を示している。
【ＯＯ３５】
この球面状凹構造18に、プラスチック光ファイバ16よりも高い屈折率を有する硬化性樹脂１９を充填する。硬化性樹脂は1.4〜1.7程度の屈折率を有し、全フッ素化ポリマー系光ファイバ（例：旭ガラス製、商品名ルキナ）は約1.35、ポリメチルメタアクリレート系光ファイバでは約1.49であり、集光効果を得るには充分な屈折率差（典型的には、0.2から0.3程度）である。硬化性樹脂19は、室温硬化タイプ、熱硬化タイプ、光硬化タイプとあるが、全フッ素化ポリマー系光ファイバでは、軟化する温度が比較的低いため、室温硬化タイプを使用した。無論、プラスチック光ファイバの軟化する温度より低い硬化温度を有する硬化性樹脂であれば、加熱硬化は可能である。また、光ファイバガイド穴4が紫外線透過性であれば、光硬化タイプを使用することもできる。屈折率差が適当であり、光学的に安定していれば、非硬化性の樹脂を用いることもできる。
【００３６】
本実施例で用いたPOF16は、0.8μm帯、1.3μm帯で伝送可能な全フッ素化ポリマーを用いた光ファイバ(旭ガラス製、商品名ルキナ)としたが、ポリメタルメタアクリレート、ポリカーボイネート、ポリスチレン、重水素化ポリマーを用いたものや、UV硬化樹脂を用いたものなど、材料には制限はない。また、ファイバ径に応じてガイド穴4の径や固定治具14のV溝の形状を設計すればよい。
【００３７】
一方、本発明の特徴となる光ファイバ用のガイド穴4は、面発光レーザ5の各発光点6の中心が光ファイバ16のコア中心と一致するように、厚膜レジスト3で形成されている。図1では分かりやすいように透視斜視図としている。この厚膜レジスト3は、実装基板1上に直接スピンコーターなどで塗布して、ホトリソグラフィを行うことでパターン形成している。パターン合わせは、面発光レーザ5の表面に形成した電極25と合わせるマークをホトマスク上に形成しておけば、発光点6の中心とガイド穴4の中心を数μm以下の位置精度で一致させることができる。
【００３８】
本実施例では、厚膜レジスト3としてMicroChem社のSU8-50を用いた。スピンコートにより200μmの厚さで塗布し、ホットプレート上において90℃でプリベークを行った。3mm×1mmの外枠サイズで、750μmピッチで520μmの円形パターンを持つように、ホトマスクを用いて上記のようなパターン合わせを行いながら、アライナで露光を行った。次に、再びホットプレート上で90℃で露光後べークを行なった後、現像液によってレジストの現像を行った。現像後のリンスはイソプロピルアルコールで行い、溶剤を完全に蒸発させるためにオーブンで90℃のべ一クを行った。以上のように厚膜レジスト3の工程は低温で行えるため、光素子5や電気コンタクトなどに損傷を与えることなく、ガイド穴4を形成できる、厚膜レジスト3としては、ここではSU8を用いたが、これに限定されるものではない。
【００３９】
次に、硬化性樹脂19を光ファイバガイド穴4に塗布した後、固定治具に固定されたプラスチック光ファイバ16を差し込むことで、光ファイバ16の端面の凸レンズ作用が発現し、容易に光結合が達成できる。
【ＯＯ４０】
次に、1つの素子の断面図である図2(図4のA-A'断面)を用いて、面発光レーザ5とPOF16との結合部について説明する。
【Ｏ０４１】
本実施例で用いた面発光レーザ5の詳細は後に説明するが、厚膜レジスト3の工程が行い易いように成長基板を除去して、機能層のみを転写して薄膜化した構造としている。機能層は、活性層を含む1波長共振器23をAlGaAs多層膜からなるp-DBRミラー22およびn-DBRミラー24で挟んだ構造となっており、厚さは約7μmである。p-DBRミラー22側に電流狭窄のためのエアポスト28を15μmφの円形に加工し、周りはポリイミド27で埋め込んで平坦化している。活性層近傍には、Alモル分率がO.95以上のAlGaAs層のみを横方向に選択的に水蒸気酸化してAl_x0_y層29を形成してあり、電流注入領域のアパーチャサイズを3μmφ程度にして、発振しきい値を1mA以下にしている。
【００４２】
p-DBRミラー22側に共通電極20を形成し、基板1表面の電極パッド2の上にAuSnはんだ等で接着している。接着はAu同志の圧着でもよい。n側の電極25は、各素子に独立に電流注入できるように、n-DBRミラー24表面のGaAs基板(不図示)を除去して現れた表面上に形成している。この表面に絶縁膜26を形成して、光取り出し部31およびコンタクトホール32を形成し、基板1の表面に形成する配線9とのコンタクトを取るようにしている。なお、配線9は面発光レーザ5の側壁も介して段差配線するため、レーザ5の側壁およびp側の共通電極パッド2の上が絶縁膜26で覆われている必要がある。このような絶縁膜形成には、例えば旭化成製PIMELのような感光性ポリイミドが好適に用いられ、厚さは1μmとした。
【００４３】
プラスチック光ファイバ16は図2のように凹面先端の周囲の平面領域が、素子表面に突き当たる位置（この例では配線9）で固定される。凹面構造18が光ファイバ16の中央部に形成されているため、光ファイバ端面が面発光レーザの結晶表面に直接当たることはなく、これにダメージ等を与えることはない。
【Ｏ０４４】
一方、面発光レーザから発生する熱は、電極パッド2を介して実装基板1に放熱するようにしている。そのため実装基板1の材質としては、AlN、または表面にAl₂O₃などの絶縁薄膜を形成したSiが好適に用いられる。
【００４５】
次に、図3を参照して本実施例に用いた薄膜型の面発光レーザの作製工程を説明する。ここでは簡単化のため2つの素子のアレイで説明する。
【Ｏ０４６】
(a)において、n-GaAs基板30上に、n-DBRミラー24、GaAs/AlGaAsの3量子井戸から成る活性層を含みAlGaAsから成る1波長共振器層23、P-DBRミラー22、p-GaAsコンタクト層(不図示)を有機金属気相成長法などにより結晶成長する。エアポスト28をCl₂を用いた反応性エッチングにより形成し、上述した選択酸化層29を水蒸気による酸化により形成する。その後、SiN_x膜21で絶縁膜を形成してポリイミド27で平坦化を行い、共通電極20を成膜する。共通電極20としては例えばTi/Auを用いることができる。
【００４７】
(b)において、(a)で作製したウエハ上の素子を基板30の研磨で100μm程度にしてから適当な大きさに切り出し、実装基板1上に形成した電極パッド2の上に、Au-Auの圧着(超音波でアシストしてもよい)で、あるいはAuSnはんだで、接着を行う。このとき電極パッド2はTi/Pt/Auから成り、最表面はAuとなっている。
【Ｏ０４８】
(c)において、GaAs基板30をH₂O₂とNH₃の混合液を用いてエッチングし、n-DBRミラー24の第1層であるAlAsでエッチングがストップされる。その後、HClによってAlAsを除去して現れたn-GaAs層上に、独立電極25を形成する。独立電極25には、例えばAuGe/Ni/Auを用いることができる。その後、コンタクトのために380℃程度でアニールを行う。
【Ｏ０４９】
(d)において、感光性ポリイミドで電極コンタクトのためのホール32および光取り出し窓31を形成しながら、全体をポリイミド26でコーティングするようにする。配線9をTi/Auなどでリフトオフ法等で形成すれば、図4の平面図のような実装基板1上に薄膜型面発光レーザ5が形成された状態となる。
【００５０】
上記では、1つのチップについての作製工程について述べたが、実際には生産性の向上のためにウエハレベルの工程が必要になる。その様子を説明するものが図5である。面発光レーザが作製されたGaAsウエハ50から、必要な大きさのレーザチップ51(上記の実施例では1×4アレイ)を切り出し、表面にAl₂0₃膜および電極パッド2を必要な領域54に複数形成したSiウエハ52に接着する。このとき、フリップチップボンダー装置でウエハ52上の必要な位置54にアライメントをしながら逐次ボンディングを行う。レーザの薄膜化プロセス、配線プロセスおよび厚膜レジスト3によるファイバガイド穴4の形成は、この状態で一括してホトリソグラフィおよびエッチング工程で行う。
【Ｏ０５１】
次に、レーザ駆動用のSi-IC53をフリップチップホンダーで逐次ボンディングする。最後に、破線55のように1つ1つのチップにダイシングすれば、一括して複数のチップが形成できる。
【Ｏ０５２】
なお、ここまでの例では、面発光レーザ5および光ファイバ16のアレイ数を4つとした例を示してきたが、もちろんこの数には限定はない。4つ以上でもよいし、1つの面発光レーザと1本の光ファイバのみとしたものでもよい。また、面型受光素子に適用することもできる。
【Ｏ０５３】
光実装体としては、送信側において面発光レーザだけが集積されたもの、受信側において面型受光素子のみが集積されたもの、あるいは送受信の両方を備えた光実装体とするもののいずれでもよい。送信デバイス、受信デバイスが分かれている場合には一方向伝送となり、他方、送・受信デバイスが1つのモジュール内に収められていれば、双方向伝送が可能となる。
【００５４】
(第2の実施例)
本発明の第2の実施例は、GaAs基板を除去した薄膜型の面発光レーザではなく、GaAs基板上に作製した通常の面発光レーザを用いた例に係わる。面発光レーザの断面構造は、プロセスを説明する図の図3(a)に示されるものとほぼ同じで、p側の電極の構造が光取り出し用の窓を設けたことと、素子間で電極分離するところが異なる。
【００５５】
図8に本実施例の斜視図を示す。面発光レーザ84の切り出しサイズが大きくなったこと、レーザ84とIC12の配線81をワイヤボンディングで行った以外は、図1の構成とほぼ同じであり、同一部分の説明は省略する。
【Ｏ０５６】
GaAs基板上に作製された面発光レーザ84の表面には、絶縁膜上にp電極兼電気配線および電極パッドとなるTi/Au82が形成されている。そのp電極の発光点83に相当するところには光取り出し窓が形成されている。IC12と電気的に接合している実装基板1上の電極パッド80とP電極82の間は、ワイヤボンディング81で配線されている。この配線はフレキシブル配線板などを用いてもよい。
【Ｏ０５７】
ファイバガイド穴4を構成する厚膜レジスト3は、GaAs基板上で面発光レーザおよびp電極を形成してから、チップに切り出す前に一括して表面上に形成している。従って、面発光レーザ84のチップを実装基板1上に実装したあとのホトリソグラフィ等のプロセスはなく、一括リフロー(はんだの加熱)による表面実装およびワイヤボンディングなどによる配線があるだけである。
【Ｏ０５８】
本実施例では、GaAsウエハからのチップ切り出しサイズが第1の実施例より大きいため、レーザウエハから得られるレーザの個数すなわち収率が低減して実装体のコストが上昇する。また、カソードコモンとして駆動するために第1の実施例のようなアノードコモンタイプに比べて駆動の高速性に劣る。
【Ｏ０５９】
しかし、本実施例における構造では、プロセス工程が少なくなって作製コストの低減および歩留まりの向上が可能となるので、アレイ数が少なく622Mbps程度の伝送の場合には適している。
【ＯＯ６０】
(第3の実施例)
本発明による第3の実施例を図６に示す。本発明の第3の実施例は、プラスチック光ファイバ端面を凸状に加工した例である。プラスチック光ファイバ64は、ポリメタルメタアクリレート系の光ファイバであり、その端面は、凹面状の型に加熱押し付けして、凸面先端65として整形されている。光ファイバガイド穴4に段差をつけることで、光ファイバ64の中央凸部が光素子に接触しないように工夫されている。また、硬化性樹脂として、紫外線硬化型接着剤を用いて、周囲を固めて、凸レンズ部は空気（或いは、非活性ガス、例えば窒素など）ないし接着剤で充填される構成を取っている。接着剤で充填される場合は、プラスチック光ファイバより低屈折率のものを使用する。
【ＯＯ６１】
また、発光素子として、GaAs基板30上に作製した発振波長650 nmの赤色発光ダイオードを用いる。構造が似ている図9（ただし、図9では面発光レーザ84を用いる）を参照しつつ、ここでの符号を借用して説明すると、GaAs基板上に作製された発光ダイオード84の表面には絶縁膜上にp電極兼電気配線および電極パッドとなるTi／Au82が形成されている。そのp電極の発光点に相当するところには光取り出し窓83が形成されている。ICと電気的に接合している実装基板1上の電極パッド80とp電極82の間はワイヤボンディング81で配線されている。この配線はフレキシブル配線板などを用いてもよい。
【ＯＯ６２】
光ファイバガイド穴4を構成する感光性樹脂3は、GaAs基板上で発光ダイオードおよびp電極を形成してから、チップに切り出す前に一括して表面上に形成している。従って、発光ダイオードのチップ84を実装基板１上に実装したあとのホトリソグラフィ等のプロセスはなく、一括リフローによる表面実装およびワイヤボンディングなどによる配線があるだけである。
【ＯＯ６３】
本実施例では、発光ダイオードを駆動するために面発光レーザに比べて高速性に劣る。しかし、本実施例における構造では、プロセス工程が少なくなって作製コストの低減および歩留まりの向上が可能となるので、アレイ数が少なく100から200Mbps程度の伝送の場合には適している。
【ＯＯ６４】
(第4の実施例)
本発明による第4の実施例では樹脂を2段構成にして、面発光レーザの出射面と光ファイバ端面との距離を規定するものである。図7を用いてこれを説明する。
【ＯＯ６５】
光ファイバ16の芯線径よりも細い150μmφの穴62を形成した感光性樹脂60を厚さ100μmで1層目とし、光ファイバ16のクラッド74まで含んだ芯線が挿入できる300μmφの光ファイバガイド穴63を厚さ200μmで2層目の感光性樹脂61で形成している。これは、第1実施例と同様の樹脂パターニング工程を2回繰り返すことで構成することができる。
【ＯＯ６６】
ここで、プラスチック光ファイバ16は、全フッ素化ポリマーからコア73およびクラッド74を構成したもので、アクリルからなる保護層（不図示）を削除した後、コア73およびクラッド74をまとめて、微小金属半球体からなる凸面に加熱押し付けして凹面先端部75としている。硬化性樹脂76は、全フッ素化ポリマーより屈折率の高い材料からなり、これをプラスチック光ファイバ16の凹面先端部75に滴下した後に光ファイバを光ファイバガイド穴63に挿入し、プラスチック光ファイバ16周辺の隙間をすべて硬化性樹脂76で埋め尽くす。
【ＯＯ６７】
上記2段構造の光ファイバガイド穴構造によって、光ファイバの凹面先端部75の周囲を感光性樹脂層60に突き当たるように実装する場合にも、発光または受光素子に衝突してダメージを与えることはない。また、光ファイバ先端の凹面部75に挿入された硬化性樹脂76が凸レンズとなり、直下の発光または受光素子と光結合が効率よく行われる。この方法では、凸レンズの焦点距離に応じて一層目の樹脂60の厚さを制御することができる。
【Ｏ０６８】
(第5の実施例)
図8に本発明の第5の実施例の厚膜レジスト70のパターンの平面図を示す。ファイバを実装するガイド穴72の他に溝71を形成している。
【００６９】
この溝71を形成することで、厚膜レジスト70の現像時間を早める効果、下地とのストレスの緩和の効果、および固定用の接着剤の逃げとしての作用などがある。さらに、ファイバをガイド穴72に入れるときに嵌合しやすいという利点もある。
【００７０】
厚膜レジストを用いてファイバガイド穴を形成する方法の場合、このようにホトマスクのパターンを変えることで自由にパターン形状を設計できる。たとえば、ファイバ径の異なるもの(1mmφ、500μmφ、250μmφなど)を集積化させたりすることもできる。
【ＯＯ７１】
(第6の実施例)
本発明による第6の実施例は、以上で述べてきた光実装体をモジュール化してできた高速光配線装置に関するものである。
【００７２】
図10は、上記の実施例のような厚膜レジストによるガイド穴によって、面発光レーザや面型受光素子とファイバが固定された実装体を用いた光インタコネクションモジュールを示している。図10(a)において、94は4本のファイバを束ねたリボンファイバで、95はPOF（ここでは端面を平坦に描いてあるが上記の実施例の如く凹面或いは凸面になっている）、96はPOF固定用治具、93は全体をカバーしてPOF95の固定強度を強めるものである。また、92は図1で示した実装基板1であるが、周辺回路も同時に形成してチップ抵抗やコンデンサも集積化している。更に、90は接続用リード91を固定する台座であり、実装基板92の裏面と接着して、実装基板92の電極パッドとリード91のトップとをワイヤボンディングで接続している。ファイバ95と実装基板92との間の固定はワイヤボンディングを行なってから最後に行う。接続用リード91と実装基板92の接続は、実装基板92にスルーホールを形成してフリップチップ実装で行ってもよい。
【Ｏ０７３】
一方、図10(b)、(c)には、このコネクタモジュールと回路基板97との実装形態を示す。(b)において、基板97上に、ソケット98をリード102とはんだ10で固定しており、コネクタモジュールの接続リード91とソケット98の板ばね99とで接触が得られるようになっており、脱着可能である。(c)においては、接続リード91を、直接、回路基板97にはんだ付け(103)するものである。
【Ｏ０７４】
このような構成にすることで、高速信号の伝送をボード間で行う場合の光配線装置を提供することができる。1chあたり1Gbpsを越えるような場合や、電磁放射ノイズが問題になるような場合に有効となる。
【Ｏ０７５】
図10(c)では回路基板97に固定することになるが、実装基板92とファイバ固定治具93との間を接着せず、厚膜レジスト100のガイド穴のところで脱着可能にしてもよい。その場合、ファイバ固定治具93の外枠にツメなどを設けて脱着可能な機械機構を形成すればよい。尚、101はカバーである。
【Ｏ０７６】
(第7の実施例)
本発明による第7の実施例は、第6の実施例のように光実装体の集積された光送受信モジュールを直接マザーボードに装着するのではなく、図11に示すように電気コネクタ110内に収めて、電気接続リード111を介してPCやモニタ、プリンタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどの電子機器のインターフェース部と脱着が可能なようにしている。この電気コネクタ110は必要な機器の規格に応じて作製することができる。例えば、PCと液晶モニタを接続するためのデジタルモニタインターフェースの規格に合わせて26ピンのMDRコネクタにしたり、IEEE1394やUSBなどの規格に合わせることも可能である。また、デジタル複写器のスキャナ部と感光部との内部接続などにも適用できる。これらの電子機器間の接続に本発明の光配線装置を用いることで、1チャンネルあたり1Gbpsから2．5Gbps程度で4〜5チャンネルの信号伝送が50m以上可能となる。こうして、電気ケーブルでは限界のある高速映像伝送に代わって使用することができる。また、光接続であるので伝送線路から発生する電磁放射ノイズがなく、特に高速デジタル伝送でのノイズ対策の軽減につなげられる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によって以下のような効果が期待される。
光ファイバと光素子のアライメント精度を向上させ、光ファイバの固定作業も容易にして、生産性を向上させることができる。また、面型光素子を薄膜化することで光ファイバとの光結合を別個のレンズ無しで行う際の実装の容易性、設計の自由度を向上させることができる。
【ＯＯ７８】
また、プラスチック光ファイバの光結合効率を高めるために先端レンズ加工を施した状態で、発光または受光素子との光実装を容易に行える。その際、光ファイバ素材と充填・接着用硬化性或いは非硬化性樹脂との屈折率の大小関係に応じて、先端を凹面もしくは凸面とすることで、結果として、凸レンズ作用をもたらすことができる。
【ＯＯ７９】
さらに、接続にともなう挿入損失を低減させ、その結果、低消費電力の光インタコネクションモジュールを提供できる。
【Ｏ０８０】
さらには、このような高効率な実装をするための構造体を量産できる作製方法を提供することで、低コスト化が可能な光実装体ないし光インタコネクションモジュールおよびこれを用いた光配線装置を実現できる。従って、高速デジタル信号を扱う電子機器内のボード間、あるいは電子機器同志の信号接続において、電気接続では限界のある領域、すなわち50m以上で2.5Gbps程度の信号伝送が可能となり、大容量の映像伝送などを容易に、特別な電磁ノイズ対策などもなしに行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第1実施例の面型光素子実装体を説明する斜視図である。
【図２】本発明による第1実施例における面型光素子実装体の断面図である。
【図３】本発明による面型光素子の作製方法を説明する断面図である。
【図４】本発明による面型光素子実装体の配線を説明する平面図である。
【図５】本発明による面型光素子実装体の作製方法を説明する斜視図である。
【図６】本発明による第3実施例の面型光素子実装体の断面図である。
【図７】本発明による第4実施例の面型光素子実装体の断面図である。
【図８】本発明による第4実施例のガイド穴形状の平面図である。
【図９】本発明による第2実施例の面型光素子実装体を説明する斜視図である。
【図１０】本発明による光接続モジュールを説明する図である。
【図１１】本発明による光配線装置を示す斜視図である。
【図１２】第1の従来の面型光素子と光ファイバの結合を説明する断面図である。
【図１３】第2の従来の面型光素子と光ファイバの結合を説明する断面図である。
【図１４】第3の従来の面型光素子と光ファイバの結合を説明する図である。
【符号の説明】
1…実装基板
2,80…電極パッド
3,60,61,70,100…厚膜レジスト
4,63,72,1209…ファイバガイド穴
5,84…面型光素子
6,31,62,83…光透過窓
8…素子分離溝
9,10,13…電気配線
12,53…Si-IC
14,15,2014…ファイバ固定治具
16,64,95,1037,1210,2016…光ファイバ
17,1211…接着剤
18,75…凹面先端部
19,76…硬化性樹脂
20,25,1033,1035…電極
21,26,1208…絶縁膜
22,24,1023,1027…DBRミラー
23…活性層および共振器層
27…埋め込み層
28…エアポスト
29…選択酸化Al₂O₃層
30,1021…基板
32…コンタクトホール
50…レーザウエハ
51…レーザチップ
52…実装用ウエハ
54…実装領域
55…ダイシングする切り取り線
65…凸面先端部
71…溝
73…コア
74…クラッド
90…接続リード固定用台座
91,111…接続リード
92…光実装体
93,96…ファイバ固定治具
94…ファイバアレイ
97…回路基板
98…ソケット
99…板ばね
101…カバー
102…接続ピン
103…はんだ
110…電気コネクタ
1022…光吸収層
1024,1026…クラッド層
1025…活性層
1028…コンタクト層
1032…Si0₂
1036…反射防止膜
1201…電子回路基板
1202…発光チップ
1203,2018…面発光レーザ
1204…トランジスタ
1205,1206,1207…トランジスタ電極
2012…モジュール基板
2022,2023…突起
2024…ファイバ挿入孔
2026,2027…ガイド孔[OO01]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface type optical element capable of efficiently optically coupling optical fibers, and an optical mounting body in which the surface type optical element and the optical fiber are optically coupled at low cost (these surface type optical element and optical mounting body are The present specification also relates to an optical interconnection module and the like, a manufacturing method thereof, and an optical wiring device using the manufacturing method.
[OO02]
[Prior art]
In recent years, optical modules for high-speed optical connection have been developed. However, there are many problems regarding the coupling between an optical element and an optical transmission body such as an optical fiber, particularly from the viewpoint of cost reduction and high performance.
[OO03]
As a light receiving element, a surface type element is mainly used in terms of ease of manufacture and sensitivity. However, when an optical fiber is optically coupled to the main surface of the surface type element, the light receiving element receives light. Passive alignment that aligns elements without operating them is essential for cost reduction. As a technique for that purpose, a method of producing and assembling a fixing member is generally used. However, the mechanical accuracy of the fixing member is required, the elastic coefficient and the thermal expansion coefficient are limited, and the number of parts is increased, so that cost reduction is difficult. In particular, when a plastic mold or the like is used for cost reduction, there is a problem that the yield of optical coupling and long-term reliability are lacking.
[0004]
Also in light emitting devices, vertical cavity surface emitting lasers that emit light perpendicularly from the substrate surface can be improved in terms of reducing power consumption and cost of optical transmission modules. Yes. The surface-emitting laser can be driven with a low threshold value of 1 mA or less, enables inspection at the wafer level, and does not require cleavage accuracy, so that the cost can be reduced. The same problem as described above also occurs in the optical coupling between the surface emitting laser and the optical fiber.
[0005]
Therefore, a method has been proposed in which a guide hole for coupling with an optical fiber is produced with photolithography accuracy. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-111559, as shown in FIG. 12, a hole for fixing an optical fiber 1037 is formed by etching on a substrate 1021 side on which a surface light receiving element or a light emitting element is manufactured. Yes. In FIG. 12, 1022 is a light absorption layer, 1023 and 1027 are DBR mirrors, 1024 and 1026 are cladding layers, 1025 is an active layer, 1028 is a contact layer, and 1032 is SiO.₂Layers, 1033 and 1035 are electrodes, and 1036 is an antireflection film.
[O006]
JP-A-6-337016 also discloses a method of fixing an optical fiber 1210 by forming a guide hole 1209 by etching a substrate on the back side of a surface emitting laser 1203 as shown in FIG. Yes. In these cases, the number of parts can be reduced and the assembly is very simple, so that the cost can be reduced. In FIG. 13, 1201 is an electronic circuit board, 1202 is a light emitting chip, 1204 is a transistor, 1205, 1206 and 1207 are transistor electrodes, 1208 is an insulating layer, and 1211 is an adhesive.
[O007]
However, in the method of making a hole in the substrate, it is difficult to control the distance between the optical fiber and the light receiving part or the light emitting part, and there is a possibility that the element is deteriorated because the crystal is damaged when the fiber is hit against the crystal. there were. Therefore, in the invention of Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6-2371616, the guide hole 1209 is formed with a forward taper shape so that the diameter of the guide hole tip is reduced so that the fiber does not contact the crystal surface (see FIG. 13). A method has been used in which etching is stopped with the substrate remaining slightly without etching to the layer.
[0008]
On the other hand, a method of mounting an optical fiber by directly fixing a fiber fixing member on the surface side on which the surface optical element is formed has been proposed. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-307869, as shown in FIG. 14, protrusions 2022 and 2023 for fitting the fiber fixing member 2014 are provided on the surface of the surface emitting laser element 2018, and the surface emitting laser 2018 emits light. A guide hole is disclosed at a position corresponding to the portion. In FIG. 14, 2012 is a module substrate, 2016 is an optical fiber, 2024 is a fiber insertion hole, and 2026 and 2027 are guide holes.
[OO09]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the guide hole is formed by etching, the depth is usually 100 μm or more, so there is a problem in the controllability of the taper shape and the hole diameter, and it is difficult to improve the yield. Further, when the substrate is left, there is a problem of light absorption by the substrate, and the usable wavelength band is limited.
[0010]
On the other hand, in the case of using the optical fiber fixing block, the above-described manufacturing problems do not occur, but the number of parts and the processing steps increase, and thus the cost cannot always be reduced.
[OO11]
Furthermore, since the light emitted from the optical fiber spreads, it is important to mount it as close to the light receiving element as possible, but it is still difficult to increase the incident efficiency to the light receiving element. Similarly, for the connection with the light emitting element, it is difficult to increase the optical coupling efficiency to the optical fiber if there is a large mismatch between the light emitting diameter and emission angle of the light emitting element and the core diameter and acceptance angle of the optical fiber. there were.
[0012]
In view of such a problem, an object of the present invention is to form a guide hole for fixing an optical fiber, without increasing the number of components and improving process controllability, and without requiring an optical waveguide and a surface optical element. Alignment accuracy is improved, which makes it easy to fix the optical fiber to improve productivity, reduce costs, and freely set the distance between the planar optical element and the optical fiber. The object is to provide a structure that improves the ease of mounting and the degree of freedom. It is another object of the present invention to provide a manufacturing method capable of mass-producing such a structure for mounting, an optical mounting body capable of reducing costs, and an optical wiring device using the same.
[OO13]
In particular, the object of the present invention is to process the tip of the optical fiber into a lens shape, thereby improving the optical coupling efficiency with the light emitting or receiving element, thereby reducing the insertion loss of the optical interconnection module. An object of the present invention is to provide a structure for reducing power consumption related to driving, improving productivity, and reducing cost.
[0014]
[Means and Actions for Solving the Problems]
Of the present inventionapparatusIn the planar optical elementabove,The above-described problem is solved by forming a structure serving as a guide hole for inserting an optical fiber directly by photolithography using a film material (thick film material). That is, the planar optical element capable of emitting or receiving light according to the present invention.And an optical fiber including a lens-shaped polymer at the tip.IsAboveSurface light emitting deviceUpIsAboveGuide hole for inserting and fixing an optical fiber so that optical coupling with the surface optical element is possibleAnd a groove connected to the guide hole,Is providedThe member is placedAndThe member includes a film material having photosensitivity or electron beam curability,Guide holeAnd said grooveIsAboveFilm materials (thick film resists that can be polymerized)ThePatterning by lithographyIn shapeIt is characterized by being made.
[0015]
The thickness of the thick film material or thick film resist is preferably 10 μm (this is about the core of a quartz single mode fiber) to 1000 μm (this is about the core of a plastic fiber (POF) made of acrylic material), More preferably, about 50 μm to 500 μm is preferably used. As the size of the optical fiber, any size from about 125 μm to about 1 mm is applicable. In terms of the core diameter of the optical fiber, any size from 100 μm to 1 mm is applicable. Since the thick film material or the thick film resist is processed in a normal photolithography process, it is easy to accurately align the surface optical element and the center position of the guide hole. Therefore, it is possible to omit the step of aligning and bonding the structure in which the guide hole is formed.
[0016]
The controllability and shape control of the hole diameter are also excellent from the characteristics of the thick film material or the thick film resist, and the process becomes simpler than the method of making a hole by substrate etching.
[0017]
For surface-type optical elements, surface-emitting lasers, surface-type light-receiving elements, etc. are used, and by mounting elements of the required chip size and number of arrays on the mounting substrate, removing the growth substrate to make it a thin film type, The mounting board can also be used as a handling board. Thereby, the yield which can be taken from the epi-wafer of a surface type optical element increases, and it can reduce cost.
[0018]
In addition, a plurality of the surface optical elements are arrayed and correspondingly formed with an array of guide holes, or the plurality of surface optical elements are only a surface light emitting element, only a surface light receiving element, or a surface. A combination of a light emitting element and a surface light receiving element, the surface optical element is a vertical cavity surface emitting laser or a light emitting diode, and a surface emitting laser includes an active layer, a resonator layer, and a Bragg reflection The functional layer of only the mirror layer is left, the surface optical element is a thin film type by removing or thinning the growth substrate, or the growth substrate is left as it is. To do.
[0019]
As for the distance between the end face of the optical fiber and the surface type optical element, if two layers of thick film material or thick film resist are used and the distance is controlled by the thickness of the first layer, the controllability and flexibility are improved. Can do. That is, the guide hole is a first layer in which a hole smaller than the size of the optical fiber and through which light can pass is formed.The holeAnd a second layer formed on the first layer and having a guide hole for fixing the optical fiberThe holeThe distance between the planar optical element and the end face of the optical fiber can be defined by the thickness of the first layer.
[0020]
The shape of the optical fiber guide hole can also be freely set depending on the design of the photomask, and it is designed to make the escape of the fixing adhesive easy to fit the optical fiber and the guide hole (for example, It is also possible to taper the guide hole. That is, the guide hole made of the thick film material or the thick film resist forms only a portion that matches the outer shape of the optical fiber, or a portion that matches the outer shape of the optical fiber, In this case, the groove pattern is formed continuously with the portion of the guide hole that matches the outer shape of the optical fiber.
[OO21]
About the said optical fiber, the front-end | tip is processed into the concave lens shape, and this recessed part is filled with resin. This resin is typically a resin having a higher refractive index than the optical fiber in order to improve the light collecting effect. In addition, a resin is filled in the gap between the tip of the optical fiber and the surface optical element.
[O022]
Furthermore, the surface optical element mounting body of the present invention is mounted on the mounting substrate with electrical connection so that the surface optical element can be driven, and an optical fiber is fixed to the guide hole. It is characterized by comprising.
[0023]
The mounting substrate may be a mounting substrate that can integrate other optical elements or electronic elements in a hybrid manner and has a heat sink function. A plurality of the planar optical elements can be arrayed, and optical fibers can be arrayed simultaneously. The optical fiber includes an optical fiber containing a polymer, that is, a plastic optical fiber (POF).
[O024]
In order to further improve the optical coupling efficiency with the element, the tip of the optical fiber is processed into a lens shape, and the gap between the tip of the optical fiber and the surface optical element is filled with resin, air, or nitrogen gas. Also good. This resin may be a curable resin such as an optical adhesive or a transparent resin. The tip of the optical fiber is processed into a concave lens shape, and the resin has a higher refractive index than the optical fiber, or the tip of the optical fiber is processed into a convex lens shape, and the resin has a lower refractive index than the optical fiber. Or have a rate. When the gap between the tip of the optical fiber and the surface optical element is filled with air or nitrogen gas, the tip of the optical fiber is typically processed into a convex lens shape.
[OO25]
The plastic optical fiber in the present invention refers to an optical fiber in which a core part composed of a core and a clad is a polymer, or an optical fiber in which only a clad or a core is a polymer. The periphery of the core wire may be covered with a protective layer or a polymer jacket. Further, the core portion may be a step index type (refractive index step type) optical fiber or a graded index type (refractive index distribution type) optical fiber.
[OO26]
The shape of the tip of the plastic optical fiber can be freely processed by pressing the tip of the plastic optical fiber against a heated mold. Alternatively, there is a method of shaping into a convex lens shape or a concave lens shape by immersing in an appropriate organic solvent in which the clad or core is melted and controlling the immersion time, the pulling method, and the like. At that time, when air or nitrogen gas is filled between the light emitting or receiving element and the end face of the optical fiber, the tip of the convex face is used. On the other hand, when a curable resin or the like is filled between the light emitting or receiving element and the end face of the optical fiber, the surface is convex or concave in view of the magnitude relationship between the refractive indexes of the optical fiber and the resin. In any case, the optical fiber itself can exhibit a convex lens function having a light collecting property without mounting a separate lens after alignment.
[OO27]
When a mold is used, a concave or convex lens is produced on the end face of the plastic optical fiber by a method such as pressing a heated convex or concave mold onto the end face of the plastic optical fiber cut into a flat shape with a razor or the like. The spherical or aspherical mold diameter is preferably equal to or larger than the core diameter of the plastic optical fiber. In the case of the concave tip structure, a curable resin having a refractive index higher than that of the plastic optical fiber is filled. In the case of a convex structure, the gap is filled with air or nitrogen, or a curable resin having a lower refractive index than that of a plastic optical fiber. As the curable resin, it is preferable to use a synthetic resin adhesive or a transparent resin having excellent transparency and less foaming or shrinkage expansion upon curing. For thermosetting synthetic resin adhesives, low temperature curable adhesives that do not cause softening of plastic optical fibers are preferable. For fully fluorinated polymer plastic optical fibers and polystyrene plastic optical fibers, the temperature is 70 ° C. or lower. 80 ° C. or less is preferable for acrylate plastic optical fibers, and 125 ° C. or less for polycarbonate plastic optical fibers.
[OO28]
For an optical fiber with a refractive index as low as 1.3 to 1.4, such as a fully fluorinated polymer plastic optical fiber, if you want to obtain a convex lens effect by filling with a curable resin, select a curable resin with a lower refractive index. There is a need to. However, there are few curable resins having such a low refractive index, and even if realized, the difference in refractive index from the optical fiber is small, so that only a convex lens having a very low refractive power can be realized. Therefore, in the present invention, the end face of the plastic optical fiber is made concave, and the concave structure is filled with a curable resin having a relatively high refractive index so that the light condensing function is exhibited by using the curable resin side as a convex lens. . Compared with the method in which the end face is a convex lens, the center part of the end face of the optical fiber is dented, so even if it is brought close to the light emitting or receiving element, it does not come into contact and the mounting of the optical fiber becomes easy.
[OO29]
Furthermore, the method for producing the above-described surface-type optical element mounting body according to the present invention includes a step of forming a wiring pattern on a wafer-like mounting substrate, and sequentially mounting at least one surface-type optical element at a plurality of locations on the mounting substrate. A step of forming a guide hole with a thick film material on each surface type optical element, a step of sequentially flip-chip mounting a required electronic device, etc. at a required position, and then cutting out a plurality of mounting bodies of a required size, and finally And a step of inserting and fixing the optical fiber into the guide hole.
[0030]
Furthermore, an optical wiring device according to the present invention is an optical wiring device that is mounted on a board in an electronic device via a connection lead, and transmits and receives signals between the boards by light, and the above-described planar optical element mounting body In addition, an electronic circuit for driving a surface type optical element is also integrated, and the optical element mounting body is surface-mounted on a pedestal for fixing a connection lead for obtaining electrical contact, thereby constituting an optical connection module. Or mounting the above-described surface-type optical element mounting body on the surface-type optical element driving electronic circuit and placing it in an electrical connector, and connecting the driving electronic circuit to the detachable connector. It is characterized in that it is performed with pins and signals between electronic devices are transmitted and received with light.
[0031]
In this way, an optical element mounting body in which a planar optical element and an optical fiber are combined using a thick film resist or a thick film material is integrated with an electronic circuit and used as an optical interconnection device equipped with transmission and reception. Can do. In that case, it can be used for optical wiring between electronic circuit boards, optical connection between electronic devices, etc., and high-capacity high-speed transmission of multiple channels at 1 Gbps or more can be realized at low cost while suppressing electromagnetic radiation noise.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0033]
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment according to the present invention. Four surface emitting lasers 5 arrayed at a pitch of 750 μm are bonded to the mounting substrate 1 via the common electrode 2. An element isolation groove of each element 5 is indicated by 8, and a portion corresponding to the light emitting point is indicated by 6. As the electrical wiring for driving the surface emitting laser 5, wiring 10 for common electrodes and wiring 9 for independent driving are formed on the mounting substrate 1. The independent electrode 25 for driving the surface emitting laser is connected to the wiring 9. A driver IC 12 for driving the surface emitting laser is flip-chip mounted on the same mounting substrate 1. The driver IC 12 is connected to another electronic device or the like by the wiring 13.
[0034]
As the optical fiber to be inserted into the guide hole 4, a perfluorinated polymer plastic optical fiber 16 having a total diameter of 500 μm including a reinforcing layer is used. The POF 16 is sandwiched between a fixing jig 14 having a V groove formed by a plastic mold and a flat jig 15 and fixed by an adhesive 17. This V-groove allows the POF 16 pitch and center position to be aligned. The tip of the POF 16 protrudes from the surface formed by the fixing jigs 14 and 15 as shown in FIG. 1, and in this embodiment, the protrusion amount is 500 μm. The four plastic optical fibers 16 are bonded and fixed using fixing jigs 14 and 15 and then cut into a flat shape with a razor or the like, and a heated convex mold is pressed to produce a spherical concave structure 18 on the end face. . FIG. 2 shows an example in which a spherical concave structure 18 having a diameter smaller than the plastic optical fiber diameter but larger than the core diameter is produced, and a plane is left on the peripheral end face.
[OO35]
The spherical concave structure 18 is filled with a curable resin 19 having a higher refractive index than the plastic optical fiber 16. The curable resin has a refractive index of about 1.4 to 1.7, the total fluorinated polymer optical fiber (eg, Asahi Glass, trade name Lucina) is about 1.35, and the polymethyl methacrylate optical fiber is about 1.49. The difference in refractive index is sufficient to obtain a light collecting effect (typically about 0.2 to 0.3). The curable resin 19 includes a room temperature curable type, a heat curable type, and a light curable type. However, since a softening temperature is relatively low in a perfluorinated polymer optical fiber, a room temperature curable type is used. Of course, heat curing is possible if it is a curable resin having a curing temperature lower than the softening temperature of the plastic optical fiber. Further, if the optical fiber guide hole 4 is UV transmissive, a photo-curing type can be used. If the refractive index difference is appropriate and optically stable, a non-curable resin can be used.
[0036]
The POF16 used in this example is an optical fiber using a perfluorinated polymer that can be transmitted in the 0.8 μm band and the 1.3 μm band (made by Asahi Glass Co., Ltd., trade name Lucina), but polymetal methacrylate, polycarbonate. There are no restrictions on materials such as those using polystyrene, deuterated polymers, and those using UV curable resins. Further, the diameter of the guide hole 4 and the shape of the V groove of the fixing jig 14 may be designed according to the fiber diameter.
[0037]
On the other hand, the guide hole 4 for the optical fiber, which is a feature of the present invention, is formed of the thick film resist 3 so that the center of each light emitting point 6 of the surface emitting laser 5 coincides with the core center of the optical fiber 16. . In FIG. 1, a perspective perspective view is shown for easy understanding. This thick film resist 3 is applied directly onto the mounting substrate 1 with a spin coater or the like, and a pattern is formed by performing photolithography. For pattern matching, if the mark to be aligned with the electrode 25 formed on the surface of the surface emitting laser 5 is formed on the photomask, the center of the light emitting point 6 and the center of the guide hole 4 should be matched with a positional accuracy of several μm or less. Can do.
[0038]
In this example, SU8-50 from MicroChem was used as the thick film resist 3. The film was applied by spin coating to a thickness of 200 μm, and prebaked at 90 ° C. on a hot plate. While aligning the pattern as described above using a photomask so as to have an outer frame size of 3 mm × 1 mm and a circular pattern of 520 μm at a pitch of 750 μm, exposure was performed with an aligner. Next, after baking at 90 ° C. again on a hot plate, the resist was developed with a developer. The development was rinsed with isopropyl alcohol and baked at 90 ° C. in an oven to completely evaporate the solvent. As described above, since the thick film resist 3 can be processed at a low temperature, the guide hole 4 can be formed without damaging the optical element 5 or the electrical contact. As the thick film resist 3, SU8 is used here. However, the present invention is not limited to this.
[0039]
Next, after applying the curable resin 19 to the optical fiber guide hole 4 and inserting the plastic optical fiber 16 fixed to the fixing jig, the convex lens action of the end face of the optical fiber 16 is developed, and the optical coupling is easily performed. Can be achieved.
[OO40]
Next, the coupling portion between the surface emitting laser 5 and the POF 16 will be described with reference to FIG. 2 (AA ′ section in FIG. 4) which is a sectional view of one element.
[O041]
Although details of the surface emitting laser 5 used in this embodiment will be described later, the growth substrate is removed so that the thick film resist 3 can be easily processed, and only the functional layer is transferred to form a thin film. The functional layer has a structure in which the one-wavelength resonator 23 including the active layer is sandwiched between the p-DBR mirror 22 and the n-DBR mirror 24 made of an AlGaAs multilayer film, and has a thickness of about 7 μm. On the p-DBR mirror 22 side, an air post 28 for current confinement is processed into a circular shape of 15 μmφ, and the periphery is embedded with polyimide 27 to be flattened. In the vicinity of the active layer, only an AlGaAs layer having an Al mole fraction of O.95 or higher is selectively steam-oxidized in the lateral direction to produce Al._x0_yThe layer 29 is formed, the aperture size of the current injection region is about 3 μmφ, and the oscillation threshold is 1 mA or less.
[0042]
A common electrode 20 is formed on the p-DBR mirror 22 side, and is adhered to the electrode pad 2 on the surface of the substrate 1 with AuSn solder or the like. Bonding may be performed by Au bonding. The n-side electrode 25 is formed on the surface that appears after removing the GaAs substrate (not shown) on the surface of the n-DBR mirror 24 so that current can be injected independently into each element. An insulating film 26 is formed on this surface, a light extraction portion 31 and a contact hole 32 are formed, and contact with the wiring 9 formed on the surface of the substrate 1 is made. Since the wiring 9 is stepped via the side wall of the surface emitting laser 5, the side wall of the laser 5 and the p-side common electrode pad 2 must be covered with the insulating film 26. For such an insulating film formation, for example, photosensitive polyimide such as PIMEL manufactured by Asahi Kasei is suitably used, and the thickness is set to 1 μm.
[0043]
As shown in FIG. 2, the plastic optical fiber 16 is fixed at a position (in this example, the wiring 9) where the planar area around the concave tip contacts the element surface. Since the concave structure 18 is formed at the center of the optical fiber 16, the end face of the optical fiber does not directly contact the crystal surface of the surface emitting laser, and this does not damage the surface.
[O044]
On the other hand, heat generated from the surface emitting laser is radiated to the mounting substrate 1 via the electrode pads 2. Therefore, the mounting substrate 1 is made of AlN or Al on the surface.₂O_ThreeSi having an insulating thin film formed thereon is preferably used.
[0045]
Next, a manufacturing process of the thin film type surface emitting laser used in this example will be described with reference to FIG. Here, for the sake of simplicity, an explanation will be given with an array of two elements.
[O046]
In (a), on an n-GaAs substrate 30, an n-DBR mirror 24, an active layer composed of three quantum wells of GaAs / AlGaAs, a one-wavelength resonator layer 23 composed of AlGaAs, a P-DBR mirror 22, p- A GaAs contact layer (not shown) is crystal-grown by metal organic chemical vapor deposition. Air Post 28 Cl₂The selective oxidation layer 29 described above is formed by oxidation with water vapor. Then SiN_xAn insulating film is formed with the film 21 and planarized with polyimide 27 to form the common electrode 20. As the common electrode 20, for example, Ti / Au can be used.
[0047]
In (b), the element on the wafer prepared in (a) is polished to about 100 μm by polishing the substrate 30 and then cut out to an appropriate size, and Au—Au is formed on the electrode pad 2 formed on the mounting substrate 1. Adhesion is performed by pressure bonding (which may be assisted by ultrasonic waves) or by AuSn solder. At this time, the electrode pad 2 is made of Ti / Pt / Au, and the outermost surface is Au.
[O48]
In (c), the GaAs substrate 30 is replaced with H.₂O₂And NH_ThreeEtching is performed using the mixed solution, and the etching is stopped by AlAs which is the first layer of the n-DBR mirror 24. Thereafter, an independent electrode 25 is formed on the n-GaAs layer that appears after removing AlAs with HCl. For the independent electrode 25, for example, AuGe / Ni / Au can be used. Thereafter, annealing is performed at about 380 ° C. for contact.
[O049]
In (d), the whole is coated with polyimide 26 while forming holes 32 and light extraction windows 31 for electrode contact with photosensitive polyimide. If the wiring 9 is formed of Ti / Au or the like by a lift-off method or the like, the thin film surface emitting laser 5 is formed on the mounting substrate 1 as shown in the plan view of FIG.
[0050]
In the above description, the manufacturing process for one chip has been described. However, a wafer level process is actually required to improve productivity. FIG. 5 illustrates the situation. From the GaAs wafer 50 on which the surface emitting laser was fabricated, a laser chip 51 (1 × 4 array in the above example) of the required size was cut out and Al was formed on the surface.₂0_ThreeA plurality of films and electrode pads 2 are bonded to a Si wafer 52 formed in a necessary region 54. At this time, sequential bonding is performed while aligning at a required position 54 on the wafer 52 by a flip chip bonder device. In this state, the laser thinning process, the wiring process, and the formation of the fiber guide hole 4 by the thick film resist 3 are performed by photolithography and etching processes.
[O051]
Next, the Si-IC 53 for driving the laser is sequentially bonded with a flip chip bonder. Finally, by dicing into individual chips as shown by the broken line 55, a plurality of chips can be formed at once.
[O052]
In the examples so far, the example in which the number of arrays of the surface emitting lasers 5 and the optical fibers 16 is four has been shown, but of course there is no limitation to this number. There may be four or more, or only one surface emitting laser and one optical fiber. It can also be applied to a surface light receiving element.
[O053]
The optical mounting body may be either one in which only a surface emitting laser is integrated on the transmission side, one in which only a surface light receiving element is integrated on the reception side, or an optical mounting body having both transmission and reception. When the transmitting device and the receiving device are separated, the transmission is performed in one direction. On the other hand, when the transmission / reception device is accommodated in one module, bidirectional transmission is possible.
[0054]
(Second embodiment)
The second embodiment of the present invention relates to an example in which a normal surface emitting laser fabricated on a GaAs substrate is used instead of a thin film type surface emitting laser from which the GaAs substrate is removed. The cross-sectional structure of the surface emitting laser is almost the same as that shown in FIG. 3 (a) for explaining the process, and the structure of the p-side electrode is provided with a light extraction window and the electrode between the elements. The place to separate is different.
[0055]
FIG. 8 shows a perspective view of the present embodiment. Except for the fact that the cut-out size of the surface emitting laser 84 is increased and the wiring 84 of the laser 84 and the IC 12 is performed by wire bonding, the configuration is substantially the same as in FIG.
[O056]
On the surface of the surface emitting laser 84 fabricated on the GaAs substrate, Ti / Au 82 serving as a p-electrode and electric wiring and an electrode pad is formed on an insulating film. A light extraction window is formed at a place corresponding to the light emission point 83 of the p electrode. A wire bonding 81 is used between the electrode pad 80 and the P electrode 82 on the mounting substrate 1 that is electrically bonded to the IC 12. A flexible wiring board or the like may be used for this wiring.
[O057]
The thick film resist 3 constituting the fiber guide hole 4 is formed on the surface in a lump after the surface emitting laser and the p-electrode are formed on the GaAs substrate and before being cut into chips. Therefore, there is no process such as photolithography after the surface emitting laser 84 chip is mounted on the mounting substrate 1, and there is only wiring by surface mounting by batch reflow (heating of solder) and wire bonding.
[O058]
In this embodiment, since the chip cut-out size from the GaAs wafer is larger than that in the first embodiment, the number of lasers obtained from the laser wafer, that is, the yield is reduced, and the cost of the mounting body is increased. Further, since it is driven as a cathode common, it is inferior in driving speed as compared with the anode common type as in the first embodiment.
[O059]
However, the structure in this embodiment is suitable for transmission with a small number of arrays and about 622 Mbps because the number of process steps is reduced and the manufacturing cost can be reduced and the yield can be improved.
[OO60]
(Third embodiment)
A third embodiment according to the present invention is shown in FIG. The third embodiment of the present invention is an example in which a plastic optical fiber end face is processed into a convex shape. The plastic optical fiber 64 is a polymetal methacrylate-based optical fiber, and its end surface is heated and pressed against a concave mold and shaped as a convex tip 65. By providing a step in the optical fiber guide hole 4, the center convex portion of the optical fiber 64 is designed not to contact the optical element. Further, as the curable resin, an ultraviolet curable adhesive is used to harden the periphery, and the convex lens portion is filled with air (or an inert gas such as nitrogen) or an adhesive. When filled with an adhesive, a plastic optical fiber having a lower refractive index is used.
[OO61]
Further, a red light emitting diode having an oscillation wavelength of 650 nm manufactured on the GaAs substrate 30 is used as the light emitting element. Referring to FIG. 9 having a similar structure (however, the surface emitting laser 84 is used in FIG. 9), the description here is borrowed, and the surface of the light emitting diode 84 fabricated on the GaAs substrate is Ti / Au 82 serving as a p-electrode and electric wiring and an electrode pad is formed on the insulating film. A light extraction window 83 is formed at a position corresponding to the light emitting point of the p electrode. A wire bonding 81 is used between the electrode pad 80 and the p electrode 82 on the mounting substrate 1 that is electrically bonded to the IC. A flexible wiring board or the like may be used for this wiring.
[OO62]
The photosensitive resin 3 constituting the optical fiber guide hole 4 is formed on the surface in a lump after the light emitting diode and the p electrode are formed on the GaAs substrate and before being cut into chips. Therefore, there is no process such as photolithography after the light emitting diode chip 84 is mounted on the mounting substrate 1, and there is only wiring by surface mounting by batch reflow and wire bonding.
[OO63]
In this embodiment, since the light emitting diode is driven, the speed is inferior to that of the surface emitting laser. However, the structure of this embodiment is suitable for transmission with a small number of arrays and about 100 to 200 Mbps because the number of process steps is reduced, and the manufacturing cost can be reduced and the yield can be improved.
[OO64]
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment according to the present invention, the distance between the emission surface of the surface emitting laser and the end face of the optical fiber is defined by using two stages of resin. This will be described with reference to FIG.
[OO65]
A 300 μmφ optical fiber guide hole 63 into which the core wire including the cladding 74 of the optical fiber 16 can be inserted as the first layer of the photosensitive resin 60 in which the hole 62 of 150 μmφ thinner than the core wire diameter of the optical fiber 16 is formed. Is formed with a second layer of photosensitive resin 61 having a thickness of 200 μm. This can be configured by repeating the same resin patterning process as in the first embodiment twice.
[OO66]
Here, the plastic optical fiber 16 is composed of a core 73 and a clad 74 made of a perfluorinated polymer. After removing a protective layer (not shown) made of acrylic, the core 73 and the clad 74 are put together to form a micro metal. A concave end 75 is formed by heating and pressing a convex surface made of a hemisphere. The curable resin 76 is made of a material having a higher refractive index than that of the fully fluorinated polymer, and after dropping this on the concave end portion 75 of the plastic optical fiber 16, the optical fiber is inserted into the optical fiber guide hole 63, and the plastic optical fiber 16 Fill all gaps with curable resin 76.
[OO67]
Even when mounting the optical fiber guide hole structure of the two-stage structure so that the periphery of the concave end portion 75 of the optical fiber hits the photosensitive resin layer 60, it does not collide with the light emitting or light receiving element and cause damage. Absent. Further, the curable resin 76 inserted into the concave surface portion 75 at the tip of the optical fiber becomes a convex lens, and the light coupling or the light receiving element directly below is efficiently coupled. In this method, the thickness of the first-layer resin 60 can be controlled according to the focal length of the convex lens.
[O068]
(Fifth embodiment)
FIG. 8 shows a plan view of the pattern of the thick film resist 70 of the fifth embodiment of the present invention. In addition to the guide hole 72 for mounting the fiber, a groove 71 is formed.
[0069]
By forming the groove 71, there are an effect of shortening the developing time of the thick film resist 70, an effect of relieving stress with the base, and an action of escape of the fixing adhesive. Further, there is an advantage that the fiber can be easily fitted when being inserted into the guide hole 72.
[0070]
In the case of the method of forming the fiber guide hole using the thick film resist, the pattern shape can be freely designed by changing the pattern of the photomask in this way. For example, ones having different fiber diameters (1 mmφ, 500 μmφ, 250 μmφ, etc.) can be integrated.
[OO71]
(Sixth embodiment)
The sixth embodiment according to the present invention relates to a high-speed optical wiring device obtained by modularizing the optical mounting body described above.
[0072]
FIG. 10 shows an optical interconnection module using a mounting body in which a surface emitting laser or a surface light receiving element and a fiber are fixed by a guide hole made of a thick film resist as in the above embodiment. In FIG. 10 (a), 94 is a ribbon fiber in which four fibers are bundled, 95 is POF (here, the end face is drawn flat, but is concave or convex as in the above embodiment), 96 Is a POF fixing jig, and 93 is a cover that increases the fixing strength of POF95. Reference numeral 92 denotes the mounting substrate 1 shown in FIG. 1, in which peripheral circuits are formed at the same time to integrate chip resistors and capacitors. Reference numeral 90 denotes a pedestal for fixing the connection lead 91, which is bonded to the back surface of the mounting substrate 92 and connects the electrode pad of the mounting substrate 92 and the top of the lead 91 by wire bonding. The fixing between the fiber 95 and the mounting substrate 92 is performed last after wire bonding. The connection between the connection lead 91 and the mounting substrate 92 may be performed by flip-chip mounting by forming a through hole in the mounting substrate 92.
[O073]
On the other hand, FIGS. 10 (b) and 10 (c) show how the connector module and the circuit board 97 are mounted. In (b), the socket 98 is fixed on the substrate 97 with the lead 102 and the solder 10, and contact can be obtained between the connector module connection lead 91 and the leaf spring 99 of the socket 98. Is possible. In (c), the connection lead 91 is soldered (103) directly to the circuit board 97.
[O074]
With such a configuration, it is possible to provide an optical wiring device when high-speed signal transmission is performed between boards. This is effective when exceeding 1Gbps per channel or when electromagnetic radiation noise is a problem.
[O075]
Although it is fixed to the circuit board 97 in FIG. 10 (c), the mounting board 92 and the fiber fixing jig 93 may not be bonded and may be detachable at the guide hole of the thick film resist 100. In that case, a removable mechanical mechanism may be formed by providing a claw or the like on the outer frame of the fiber fixing jig 93. Reference numeral 101 denotes a cover.
[O076]
(Seventh embodiment)
In the seventh embodiment according to the present invention, the optical transceiver module in which the optical mounting body is integrated is not directly mounted on the mother board as in the sixth embodiment, but is housed in the electrical connector 110 as shown in FIG. Thus, the interface part of an electronic device such as a PC, a monitor, a printer, a digital camera, or a digital video camera can be attached / detached via the electrical connection lead 111. The electrical connector 110 can be manufactured according to the required equipment standard. For example, it is possible to use a 26-pin MDR connector according to the standard of the digital monitor interface for connecting a PC and a liquid crystal monitor, or to conform to standards such as IEEE1394 and USB. The present invention can also be applied to an internal connection between a scanner unit and a photosensitive unit of a digital copying machine. By using the optical wiring device of the present invention for connection between these electronic devices, signal transmission of 4 to 5 channels at 1 Gbps to 2.5 Gbps per channel becomes possible at 50 m or more. Thus, electrical cables can be used in place of the limited high-speed video transmission. In addition, since it is an optical connection, there is no electromagnetic radiation noise generated from the transmission line, which can reduce noise countermeasures particularly in high-speed digital transmission.
[0077]
【The invention's effect】
The following effects are expected by the present invention.
The alignment accuracy of the optical fiber and the optical element can be improved, the optical fiber can be fixed easily, and the productivity can be improved. Further, by reducing the thickness of the surface optical element, it is possible to improve the ease of mounting and the degree of design when performing optical coupling with an optical fiber without a separate lens.
[OO78]
In addition, light mounting or light mounting with a light receiving element can be easily performed in a state in which a tip lens is processed in order to increase the optical coupling efficiency of the plastic optical fiber. At that time, depending on the magnitude relationship of the refractive index between the optical fiber material and the filling / adhesive curable or non-curable resin, the tip can be made concave or convex, resulting in a convex lens action.
[OO79]
Further, the insertion loss accompanying the connection can be reduced, and as a result, an optical interconnection module with low power consumption can be provided.
[O080]
Furthermore, by providing a manufacturing method capable of mass-producing such a structure for highly efficient mounting, an optical mounting body or an optical interconnection module capable of reducing the cost and an optical wiring device using the same are provided. realizable. Therefore, in the signal connection between boards in electronic devices that handle high-speed digital signals, or in the signal connection between electronic devices, it is possible to transmit a signal with a limit of electrical connection, that is, about 2.5 Gbps over 50 m, and large-capacity video transmission Etc. can be easily performed without special countermeasures against electromagnetic noise.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating a surface optical element mounting body according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a surface optical element mounting body according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a surface optical element according to the present invention.
FIG. 4 is a plan view for explaining wiring of a surface optical element mounting body according to the present invention.
FIG. 5 is a perspective view for explaining a method for producing a surface optical element mounting body according to the present invention.
FIG. 6 is a sectional view of a surface-type optical element mounting body according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a surface-type optical element mounting body according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view of a guide hole shape according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view illustrating a surface type optical element mounting body according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating an optical connection module according to the present invention.
FIG. 11 is a perspective view showing an optical wiring device according to the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating the coupling between a first conventional surface optical element and an optical fiber.
FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating the coupling between a second conventional surface optical element and an optical fiber.
FIG. 14 is a view for explaining the coupling between a third conventional surface optical element and an optical fiber.
[Explanation of symbols]
1 ... Mounting board
2,80… Electrode pad
3,60,61,70,100 ... Thick film resist
4,63,72,1209… Fiber guide hole
5,84 ... Surface type optical element
6,31,62,83… Light transmission window
8 ... Element isolation groove
9,10,13 ... Electrical wiring
12,53… Si-IC
14,15,2014 ... Fiber fixing jig
16,64,95,1037,1210,2016… Optical fiber
17,1211… Adhesive
18,75… Concave end
19,76… Curable resin
20,25,1033,1035… Electrodes
21,26,1208… Insulating film
22,24,1023,1027… DBR mirror
23 ... Active layer and resonator layer
27… Embedded layer
28… Air post
29… Selective oxidation Al₂O_Threelayer
30,1021 ... Board
32 ... Contact hole
50 ... Laser wafer
51 ... Laser chip
52 ... Mounting wafer
54… Mounting area
55 ... Cut line for dicing
65… Convex tip
71 ... Groove
73 ... Core
74 ... Clad
90… Connecting lead fixing base
91,111… Connection lead
92 ... Optical mounting body
93,96 ... Fiber fixing jig
94: Fiber array
97 ... Circuit board
98 ... Socket
99 ... leaf spring
101 ... Cover
102 ... Connection pin
103 ... Solder
110 ... Electric connector
1022 ... Light absorption layer
1024,1026 ... Clad layer
1025 ... Active layer
1028… Contact layer
1032 ... Si0₂
1036… Antireflection film
1201… Electronic circuit board
1202 ... Light emitting chip
1203,2018 ... Surface emitting laser
1204 ... Transistor
1205,1206,1207 ... transistor electrode
2012… Module board
2022,2023 ... Protrusions
2024 ... Fiber insertion hole
2026,2027 ... Guide hole

Claims

発光または受光が可能な面型光素子と、先端がレンズ形状のポリマーを含む光ファイバと、を有する装置であって、
前記面型発光素子上には、前記光ファイバを該面型光素子との光結合が可能なように差し込んで固定するためのガイド穴と、該ガイド穴と連結している溝と、が設けられている部材が配置されており、
前記部材は、光感光性あるいは電子ビーム硬化性を持つ膜材料を含み、
前記ガイド穴および前記溝は、前記膜材料をホトリソグラフィでパターニングすることで形成されていることを特徴とする装置。A device having a planar optical element capable of emitting or receiving light, and an optical fiber including a lens-shaped polymer at the tip ,
On the surface-emitting device, a guide hole for fixing is inserted the optical fiber to allow optical coupling with said surface-type optical element, a groove which connects with the guide hole, is provided The members are arranged ,
The member includes a film material having photosensitivity or electron beam curability,
The guide hole and the groove, and wherein the being made form by patterning the film material in mined lithography.

前記膜材料はポリマー化が可能なレジスト材料である請求項1記載の装置。2. The apparatus according to claim 1, wherein the film material is a resist material that can be polymerized.

レジスト材料からなる前記膜材料の厚さは10μmから1000μmである請求項1または2記載の装置。3. The apparatus according to claim 1, wherein the thickness of the film material made of a resist material is 10 μm to 1000 μm.

前記ガイド穴は、前記光ファイバのサイズより小さく光が透過できる穴を形成した第1層の当該穴と、該第1層上に形成され該光ファイバを固定するためのガイド用の穴を形成した第2層の当該穴から成り、第1層の厚さで前記面型光素子と該光ファイバの端面の距離を規定している請求項1、2または3記載の装置。The guide holes are formed with the holes of the first layer less light than the size of the optical fiber to form a hole that can penetrate the holes of the guide for securing the optical fiber is formed on the first layer was made the hole in the second layer, wherein the surface optical device and the device for defining the distance of the end face has claim 1, wherein the optical fiber in the thickness of the first layer.

前記面型光素子は複数アレイ化して配置され、それに対応して前記ガイド穴も共にアレイ化して形成されている請求項1乃至4の何れかに記載の装置。The surface-type optical device is disposed plurality arraying device according to any one of claims 1 to 4 wherein the guide holes are also both formed by arraying correspondingly.

前記複数の面型光素子は面型発光素子と面型受光素子の組み合わせである請求項5記載の装置。6. The apparatus according to claim 5, wherein the plurality of surface light elements are a combination of a surface light emitting element and a surface light receiving element.

前記面型光素子は垂直共振器型の面発光レーザないし発光ダイオードである請求項1乃至6の何れかに記載の装置。 Apparatus according to any one of claims 1 to 6 wherein the surface-type optical device is a surface emitting laser or the light emitting diode of the vertical cavity.