JP5265025B2 - 光結合構造および光送受信モジュール - Google Patents
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Description
本願は、2010年01月06日に、日本国に出願された特願2010−001100号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来、この種の光モジュールにおいて、光半導体素子の受発光部と光伝送路の端部とを光学的に結合させるために、図16に示すような構造が一般に用いられている。この構造では、光半導体素子101の上に設置された集光レンズ102と、光路変換用ミラー103とを組み合わせることで、光伝送路104(特にそのコア105)と光半導体素子101とを光学的に接続(光結合)させる。
特許文献2には、光導波路の端部に対向する位置に斜めに形成された反射面を有するV溝が形成された基板と、光導波路の端部と反射面との間に充填され、光導波路のコアとほぼ同じ屈折率を有する屈折率整合剤と、反射面で反射した出射光を受光する受光素子とを備えた、光導波路と受光素子との結合構造が提案されている。
特許文献4には、半導体レーザ素子、モニタフォトダイオード、及び光ファイバが透明樹脂に封入され、半導体レーザ素子の後方出力光が透明樹脂と空気との界面において反射してモニタフォトダイオードに入射するようにした半導体レーザ装置が提案されている。
(1)本発明の一態様に係る光結合構造は、上面に受光部または発光部を有し、かつ下面の側で基板に実装された光半導体素子と、前記光半導体素子の光軸に対して所定の角度で交差する光軸を有し、かつ前記基板の実装面から離間して配置された光伝送路と、前記光半導体素子と前記光伝送路との間の光路を変換し、かつ前記光半導体素子と前記光伝送路との間を光学的に結合する光結合部とを備え、前記光結合部は、伝送される光に対して透明な樹脂からなり、前記樹脂は、前記光半導体素子の受光部または発光部の少なくとも一部および前記光伝送路の端部の少なくとも一部にそれぞれ密着し、前記光半導体素子と前記光伝送路とが、前記光結合部を構成する前記樹脂自身によって、接着され、前記樹脂は、前記光半導体素子の前記上面にワイヤボンディングしている給電用配線から離間して配置されている。
(2)また、本発明の一態様に係る光結合構造は、上面に受光部または発光部を有し、かつ下面の側で基板に実装された光半導体素子と、前記光半導体素子の光軸に対して所定の角度で交差する光軸を有し、かつ前記基板の実装面から離間して配置された光伝送路と、前記光半導体素子と前記光伝送路との間の光路を変換し、かつ前記光半導体素子と前記光伝送路との間を光学的に結合する光結合部とを備え、前記光結合部は、伝送される光に対して透明な樹脂からなり、前記樹脂は、前記光半導体素子の受光部または発光部の少なくとも一部および前記光伝送路の端部の少なくとも一部にそれぞれ密着し、前記光半導体素子と前記光伝送路とが、前記光結合部を構成する前記樹脂自身によって、接着され、前記光結合部の形状が、前記光結合部を上方向から見たときに、円形状、楕円形状、または扇形状のいずれかである。
(5)上記(1)または(2)に記載の光結合構造において、前記光結合部を構成する前記樹脂の外面が、前記光半導体素子の受光部または発光部および前記光伝送路の端部の側に凹んだ形状となっていてもよい。
(6)上記(1)または(2)に記載の光結合構造において、前記光結合部を構成する前記樹脂の外面が凸形状となっていてもよい。
(7)上記(1)から(6)に記載の光結合構造において、前記光結合部をなす前記樹脂は、前記光半導体素子の光軸と前記光伝送路の光軸とが交差する交点の位置に存在せず、
前記樹脂の外面が前記受光部または発光部に対向する位置が、前記交点と前記受光部または発光部との間にあり、かつ、前記樹脂の外面が前記光伝送路の端部に対向する位置が、前記交点と前記光伝送路の端部との間にあってもよい。
(8)上記(1)から(7)に記載の光結合構造において、前記光結合部を構成する前記樹脂は、前記光伝送路の端面の上端の高さより下側に配置されていてもよい。
(9)上記(1)から(8)に記載の光結合構造において、前記光結合部の周囲が気体で覆われていてもよい。
(10)上記(1)から(8)に記載の光結合構造において、前記光結合部の周囲が光結合部を構成する樹脂より屈折率が低いクラッド樹脂層で覆われていてもよい。
(11)上記(10)に記載の光結合構造は、前記光半導体素子の給電用配線が前記クラッド樹脂層によって覆われていてもよい。
(13)本発明の一態様に係る光結構造の製造方法は、上記(1)から(11)のいずれかに記載の光結合構造の製造方法であって、基板に設けられた光半導体素子の受光部または発光部に樹脂を塗布する工程と、前記基板に対して平行に、光伝送路を前記樹脂に差し込む工程と、前記光伝送路を前記半導体素子から遠ざける方向で、かつ斜め上方に移動させる工程と、前記樹脂を硬化させて光結合部とする工程と、を備える。予め求めておいた前記樹脂の塗布量、前記樹脂の粘度、前記光伝送路の差し込み量、前記光伝送路の斜め上方への移動量、及び前記樹脂を硬化させるまでの時間の相関関係に基づいて、前記光結合部の形状を凸形状にするのか又は凹み形状にするのかを制御する。
(14)上記(13)に記載の光結構造の製造方法において、前記樹脂は、前記光半導体素子の上面にワイヤボンディングしている給電用配線から離間して前記受光部または発光部に塗布してもよい。
光半導体素子をその光軸が基板に対して垂直な方向(本発明の上下方向)になるように実装することができるので、光半導体素子の受発光部を実装面とは反対側に向けて実装することができる。これにより、ダイボンディングやワイヤボンディングによる実装が容易になる。さらに、伝送特性に重要な配線を最短の線路長でつなぐことができ、ノイズが乗りにくく、良好な伝送特性が得られる。また、ボンディングの外観検査が容易であり、接続不良を発見するのが容易になる。
なお、以下の説明において、上下方向に関し、光半導体素子の受発光部が存在する面を基準として、受発光部から遠ざかる方向を上方(例えば図1A〜2Cの上方)、受発光部に近づく方向を下方(例えば図1A〜2Cの下方)とする。また、前記の定義による上下方向に垂直な方向(例えば図1A〜2Cの左右方向)を水平方向とする。本発明における上下方向および水平方向は、図3および図4に示すように透明樹脂31が未硬化で流動性を有する場合を除き、重力の方向に依存しない。
図1Aに、第1形態例に係る光結合構造を備えた光モジュールの一例を示す。
図1Aに示す光モジュール5は、基板4の上面である実装面4aに実装された光半導体素子1と、基板4の実装面4aに沿い、かつ基板4の実装面4aから離間して配置された光伝送路2と、光半導体素子1と光伝送路2との間の光路を変換し、かつ光半導体素子1と光伝送路2との間を光学的に結合する光結合部3とを備えている。光半導体素子1の光軸1bと光伝送路2の光軸2bとは、所定の角度θで互いに交差している。ここで、所定の角度θとは、0°<θ<180°である。
光半導体素子1が発光素子である場合には、「光半導体素子と光伝送路との間の光路を変換する」とは、光半導体素子1から出射した光が光伝送路2に入射するように、該光の光路(すなわち光の進行方向)を変えることを意味する。一方、光半導体素子1が受光素子である場合には、「光半導体素子と光伝送路との間の光路を変換する」とは、光伝送路2から出射した光が光半導体素子1に入射するように、該光の光路(すなわち光の進行方向)を変えることを意味する。なお、上述した特許文献3の光部品接合方法では、両者の光軸が同軸であり、光路の変換を要しない点で、本発明とは前提から相違している。
本形態例では、光半導体素子1の光軸1bの延長線上に光伝送路2の端部2aは位置しない。すなわち、光半導体素子1が発光素子である場合において、光半導体素子1から出射した光が光軸1bに沿って伝送されたときには、当該光が光伝送路2の端部2aに入射しない。光半導体素子1と光伝送路2との位置関係は、光半導体素子1から出射した光が光伝送路2の端部2aに到達するために、所定の光結合部3の存在を必要とする。
かつ、光伝送路2の光軸2bの延長線上に光半導体素子1の受発光部1aは位置しない。すなわち、光半導体素子1が受光素子である場合において、光伝送路2から出射した光が光軸2bに沿って伝送されたときには、当該光が光半導体素子1の受発光部1aに入射しない。光半導体素子1と光伝送路2との位置関係は、光伝送路2から出射した光が光半導体素子1の受発光部1aに到達するために、所定の光結合部3の存在を必要とする。
光半導体素子1が受光素子である場合は、受発光部1aは受光部である。光半導体素子1が発光素子である場合は、受発光部1aは発光部である。
発光素子としては、発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)、面発光レーザ(VCSEL)等が挙げられる。
受光素子としては、フォトダイオード(PD)等が挙げられる。
受発光部1aは、光半導体素子1の上面1cに設けられている。本発明における上下方向は、光半導体素子1が基板4に実装される実装面4aを基準とし、基板4から遠ざかる方向を上方(図1A〜1Cの上方)、基板4に近づく方向を下方(図1A〜1Cの下方)とする。また、前記の定義による上下方向に垂直な方向(図1A〜1Cの左右方向)を水平方向とする。本発明における上下方向および水平方向は、図3および図4に示すように透明樹脂31が未硬化で流動性を有する場合を除き、重力の方向に依存しない。
基板4には、例えは、ガラスエポキシ基板、セラミック基板など、一般的な各種絶縁基板を使用することができる。ワイヤ配線7としては、例えば、金(Au)ワイヤ、アルミ(Al)ワイヤ、銅(Cu)ワイヤなどが挙げられる。
光伝送路2は、光結合部3に対する光の出入射の方向が一定となるように、少なくとも端部2a付近では、光軸2bが直線状であることが好ましい。
ここでいう透明樹脂とは、光半導体素子1と光伝送路2との間を伝送する光を透過させることが可能なものを指している。従って、必ずしも可視光下で無色透明な色調のものに限定されるものではない。また、光が伝送する樹脂内の光路長が短いため、ある程度透明性があればよい。
透明樹脂としては、例えば、UV硬化性樹脂や熱硬化性樹脂などを用いることができる。透明樹脂の具体例としては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂等が挙げられる。
なお、上端2cの高さ2dは、基板4の実装面4aを基準とした高さ(実装面4aに垂直な方向の距離)である。
また、光伝送路2の端面2aから光半導体素子1の光軸1bまでの距離xが_30<x<60μmを満たし、かつ光伝送路2の光軸2bから光半導体素子1までの距離yが0<y<20μmを満たすのが好ましい。距離xが60μm以上、距離yが20μm以上となると、特に広がり角の大きい光の場合、光の拡散によって受光部1aで受光されない光の割合が増大する虞がある。距離xが30<x<60μmを満たし、かつ距離yが0<y<20μmを満たすことによって、光の拡散による接続損失の増大を抑制することができる。
一方、光半導体素子1が発光素子の場合には、光半導体素子1から光結合部3に入射した光は、光結合部3を構成する透明樹脂と外部の気体との界面3aとの屈折率差により反射されて光伝送路2に入射する(図1C参照)。この際、光半導体素子1の光軸1bと外面3aとが交差する位置Aにおける外面3aの接線T2に関し、この接線T2と光半導体素子1の上面1cとのなす角φ2が30°<φ2<60°であるのが好ましい。これにより、光半導体素子1から出射する光が一定の広がり角を有する場合であっても、効果的に光を光伝送路2に入射させることができる。その結果、接続損失が増大するのを抑制できる。
また、上記と同様に、距離xが30<x<60μmを満たし、かつ距離yが0<y<20μmを満たすことによって光結合部3内の光路長が短くなるので、光の拡散による接続損失の増大を抑制できる。
光半導体素子1と光結合部3との間、および光伝送路2と光結合部3との間には、屈折率整合剤や間隙による空気などが存在せず、光半導体素子1と光伝送路2との間は、光結合部3を構成する樹脂のみで接続されている。
光結合部3の外面3aが外部の気体との界面を形成しており、光半導体素子1と光伝送路2とが、光結合部3を構成する樹脂自身によって、接着されている。光半導体素子1と光伝送路2とが、光結合部3を構成する樹脂自身によって、繋がることにより、光半導体素子1、光伝送路2、光結合部3以外の部品や接着剤を使用することなく、光半導体素子1、光伝送路2以外の部品との位置関係を調整することなく、光半導体素子1と光伝送路2との位置関係を調整するだけで、低コストで、簡単に、光半導体素子1と光伝送路2との間の光路を変換し、かつ光半導体素子1と光伝送路2とを高効率で光学的に結合することができる。
なお、本明細書において「樹脂自身によって接着されている」とは、光半導体素子と光結合部を構成する樹脂とが、および、光伝送路と光結合部を構成する樹脂とが直接繋がり、光半導体素子と光結合部との間、および光伝送路と光結合部との間に、樹脂等の別の材料(屈折率整合剤や間隙による空気など)が存在しないことを指している。引っ張り力が加わっていない状態(静止状態)で前記の定義による状態をとっていればよく、引っ張りに対する接着力は問わない。
さらに、本発明では、光伝送路2に対し、その先端を曲げるなどの特別な加工を施す必要がなく、低コストで光結合構造を作製することができる。
ここでいう単一の透明樹脂とは、成分(組成)が均一(単一)、特定の波長の光に対する透過率が均一、物理的に2層以上ではない(界面がない)など、いずれの意味も包含する。
この凸形状の外面3aにおいて、(a)受発光部1aに対向する位置Aが受発光部1aとは反対側に凸の形状となっていてもよく、(b)光伝送路2の端部2aに対向する位置Bが光伝送路2の端部2aとは反対側に凸の形状となっていてもよく、(c)受発光部1aに対向する位置Aと光伝送路2の端部2aに対向する位置Bとの間が凸の形状となっていてもよく、あるいは(a)〜(c)のうち2つ以上の観点で凸の形状となっていてもよい。
また、図1Aに示す形態例では、光半導体素子1の光軸1bと光伝送路2の光軸2bとが交差する交点Pの位置に光結合部3を構成する樹脂が存在している。なお、光結合部3の外面3aは凸形状である場合であっても、光軸1b,2bの交点Pの位置には前記樹脂が存在せず、樹脂の外面3aが受発光部1aに対向する位置が、交点Pと受発光部1aとの間にあり、かつ、樹脂の外面3aが光伝送路2の端部2aに対向する位置が、交点Pと光伝送路2の端部2aとの間にある形状とすることも可能である。この場合、光結合部3内の光路がより短縮するので好ましい。
本形態例の光結合部3において、光の伝送に関与しない部分、例えば、図1Aにおける光伝送路2の上側にかかっている部分3bや、光伝送路2の下側と光半導体素子1の上面1cとの間に挟まれた部分3cが凸形状になっているのは差し支えない。しかしながら、光結合部3の作製時に、光結合部3を構成する樹脂が、光伝送路2の下側の部分3cから光半導体素子1の端面1sに垂れ落ちることは望ましくない。
なお、この場合において樹脂の接触を避けるべきワイヤ配線7とは、光半導体素子1の上面1cより上方に突出したものである。光半導体素子1の外部配線が光半導体素子1の上面1cおよび側面に沿って平面的に形成されている場合は、必ずしも接触を避ける必要はない。また、ワイヤ配線7に限らず、光半導体素子1の上面1cから大きく突出した構造物が存在する場合は、光結合部を構成する樹脂がこれら構造物と接触するのを避けることが好ましい。
また、図12Aに示すように、光結合部3の形状は、その上方向から見たときに、円形状あるいは楕円形状となっているのが好ましい。さらに、図12B及び12Cに示すように、光結合部3の形状が、その上方向から見たときに、扇形状であるのがより好ましい。
従来のように上方向から見たときに方形状であるミラー(図16に示されている光路変換用ミラー103を上方向から見たときの形状)を用いる場合、光伝送路2から一定の広がり角をもって出射した光を光半導体素子1の受発光部1aに集めることができず、その結果、接続損失が増加してしまう。一方、本形態例では、光結合部3が上方向から見たときに円形状あるいは楕円形状を有するため、光の出射部(光伝送路2の端面2a)から光結合部3の外面3aまでの距離及び外面3aから受発光部1aまでの距離(すなわち、光結合部3内の光路長)がより短くなり、かつ出射した光が受発光部1aに集まるように外面3aにて反射される。したがって光半導体素子1と光伝送路2との間の接続損失をより抑えることができる。
さらに、上方向から見たとき光結合部3の形状を扇形状とした場合では、円形状や楕円形状の場合に比べて、光路長をより短くすることができるため、さらなる接続損失の低下が図れる。
さらに、光結合部14を構成する透明樹脂は、光伝送路2の光軸2bと光半導体素子1の光軸1bとが交差する交点Pの位置には存在せず、かつ光結合部14の外面14a(光結合部14と外部の気体との界面)が、光半導体素子1の受発光部1aおよび光伝送路2の端部2aの側に凹んだ形状となっていることが好ましい。
(1)受発光部1aに対向する位置Aが受発光部1a側に凹んだ形状の凹面部11、
(2)光伝送路2の端部2aに対向する位置Bが光伝送路2の端部2a側に凹んだ形状の凹面部12、
(3)受発光部1aに対向する位置Aと光伝送路2の端部2aに対向する位置Bとの間が凹んだ形状の凹面部13、
を有することを必要とする。
さらに、光半導体素子1が受光素子の場合には、光伝送路2の光軸2bと外面14aとが交差する位置Bにおける外面14aの接線T3に関し、この接線T3と光半導体素子1の上面1cとのなす角φ3が30°<φ3<60°であるのが好ましい(図2B参照)。これにより、効果的に光を受光素子に集光でき、接続損失が増大するのを抑制できる。
また、光伝送路2の端面2aから光半導体素子1の光軸1bまでの距離xが30<x<60μmを満たし、かつ光伝送路2の光軸2bから光半導体素子1までの距離yが0<y<20μmを満たすのが好ましい。距離xが60μm以上、距離yが20μm以上となると、特に広がり角の大きい光の場合、光の拡散によって受光部1aで受光されない光の割合が増大する虞がある。距離xが30<x<60μmを満たし、かつ距離yが0<y<20μmを満たすことによって、光の拡散による接続損失の増大を抑制することができる。
一方、光半導体素子1が発光素子の場合には、発光素子の光軸1bと外面14aとが交差する位置Aにおける外面14aの接線T4に関し、この接線T4と光半導体素子1の上面1cとのなす角φ4が30°<φ4<60°であるのが好ましい(図2C参照)。これにより、光半導体素子1からの出射光を効果的に光伝送路2(光伝送路2が光ファイバである場合には、例えばそのコア)に集光でき、接続損失が増大するのを抑制できる。また、上記と同様に、光伝送路2の端面2aから光半導体素子1の光軸1bまでの距離xが30<x<60μmを満たし、かつ光伝送路2の光軸2bから光半導体素子1までの距離yが0<y<20μmを満たすのが好ましい。上記と同様な効果が得られる。
光の伝送に関与しない部分、例えば、図2Aにおける光伝送路2の上側にかかっている部分14bや、光伝送路2の下側と光半導体素子1の上面1cとの間に挟まれた部分14cが凸形状になっているのは差し支えない。また、図6に示す光モジュール15Aのように、光伝送路2の上側にかかっている部分14bがなく、光伝送路2の端部2aの一部が光結合部14Aの外側に露出されてもよい。
また、(2)の光伝送路2側の凹面部12は、例えば、光伝送路2の光軸2bが樹脂の外面14aと交差する位置Bの近傍において、樹脂の外面14aが樹脂側に凹となる凹面を形成していればよい。
また、(3)の中間部の凹面部13は、例えば、光半導体素子1の光軸1bが樹脂の外面14aと交差する位置Aと、光伝送路2の光軸2bが樹脂の外面14aと交差する位置Bとの間を結ぶ線分ABがA−B間で樹脂の外側(外部の気体側)を通り、樹脂の外面14aが凹となる凹面を形成していればよい。
また、光結合部14を構成する樹脂が、光半導体素子1の上面1cの上方向から見たときに、上面1c内に配置されていることにより、型などを使用することなく、樹脂の広がりなどを制御しやすく、該樹脂からなる光結合部14の形状を安定して作製することができる。
また、光結合部14を構成する樹脂が、光半導体素子1の上面にワイヤボンディングしている給電用配線7と接触しないことにより、光結合部14の樹脂形状にばらつきが生じにくく、本形態例の光接続構造を製造することができる。
また、光伝送路2の端面2aが、光半導体素子1を側面方向および上方向から見たときに、光半導体素子1の端面1sより光半導体素子1の内側に存在することにより、光結合部14内の光路長を短くすることができる。さらに、光結合部14をその上方向から見たときに、この光結合部14が円形状、楕円形状、あるいは扇形状のいずれかであるのが好ましい。凸形状について述べたのと同様の効果が得られる。
また、光結合部14の外面14aが凹んだ形状となっていることにより、図7に示すように、光伝送路2から出射し、光結合部14の外面14aで反射した光10を、光半導体素子1の受発光部1aに受光させる際、光結合部14の外面14aにおける反射位置を光半導体素子1および光伝送路2に近づけ、光結合部14内の光路長を短くすることができる。その結果、接続損失が増大することなく、安定した光接続を構築できる。
光半導体素子1が発光素子であって、光半導体素子1の受発光部1aから出射した光10を光結合部14の外面14aで反射させ、光伝送路2に入射させる場合も同様である。
図8に示すように、光結合部3の外面3aが凸形状となっていると、光10が光結合部3の外面3aで反射する位置が遠くなり、光結合部3内の光路長が長くなることによって、特に広がり角の大きい光が出射される場合では、光が拡散し、接続損失が増大することがある。
図9に示すように、45°ミラーとして機能するように樹脂300を形成した場合、その反射面301の位置が遠く、光路が長いため、光10が広がってしまい、接続損失が大きくなってしまう。
図10に示すように、45°ミラーとなる樹脂310が大きく、光伝送路2の端面2aの上端2cの高さ2dを超える程度となると、端面2aから反射面311までの距離および光10の光路がさらに長くなる。
これら図2Aに示す凹面部11〜13のうち、それぞれ光半導体素子1の受発光部1aおよび光伝送路2の端部2aの位置に近い部位が、透明樹脂の界面14aにおける反射によって光半導体素子1と光伝送路2との間を光結合するので、光が拡散する範囲が狭くなり、損失を低減することができる。このため、光結合部14は、光半導体素子1の光軸1bと光伝送路2の光軸2bとが交差する交点Pの位置には前記樹脂が存在せず、樹脂の外面14aが受発光部1aに対向する位置Aが交点Pと受発光部1aとの間にあり、かつ、樹脂の外面14aが光伝送路2の端部2aに対向する位置Bが交点Pと光伝送路2の端部2aとの間にあることが好ましい。
同様に、光結合部が、上方向から見て光半導体素子1の上面1c内に配置されていないと、光結合部を作製する際に光結合部をなす樹脂が拡がりやすく、光が光結合部の外面で反射する位置が遠くなりやすい。この結果、光結合部内の光路長が長くなることによって、光が拡散し、接続損失が増大しやすい。さらに樹脂の拡がり方が安定しづらいため、製造上大きなばらつきが生じる。
すなわち、本形態例の光結合部3,14は、光半導体素子1と光伝送路2とが光結合部3,14を構成する樹脂自身によって繋がる(一体となる)ことに加え、光結合部3,14が光半導体素子1の上面1c内に配置されていること、光結合部3,14が光半導体素子1の上面にワイヤボンディングしている給電用配線7と接触しないこと、および光結合部3,14の周囲が気体で覆われること、およびさらに好ましくは光結合部14の外面14aが凹んだ形状になっていることにより、透明樹脂の界面の形状について、反射面としての位置および角度を精密に制御しなくても、より低い作製精度で高効率な光結合を安定して実現することができる。
図3に示すように、予め実装面4aに回路配線6が形成され、光半導体素子1が実装された基板4を用意する。そして、光半導体素子1の受発光部1aに対して、精密ディスペンサ等の樹脂ディップ装置29を用いて、未硬化の透明樹脂31を塗布する。
透明樹脂31は、光半導体素子1の上面1cに収まる範囲内で塗布することが望ましい。この時、透明樹脂31が給電配線7と接触しないように、給電配線から離間して透明樹脂31を塗布する。
そして、透明樹脂31に差し込んだ光伝送路2を光半導体素子1から遠ざけるように移動する。このとき、光伝送路2は、光半導体素子1からゆっくりと斜め上方向(矢印Rの方向)に引き上げる。
なお、光結合部3,14の形成方法は、上記方法に限定されるものではない。例えば、光半導体素子1の上方に光伝送路2の先端を配置し、さらに光伝送路2の先端および光半導体素子1の受発光部1aを覆うように透明樹脂31を盛り付け、透明樹脂31中の光伝送路2の先端を斜め方向に引き上げた後、透明樹脂31を硬化させるという手順でもよい。つまり、透明樹脂31中の光伝送路2の先端を斜め方向に引き上げて光結合部3,14を形成するためには、光半導体素子1の上に光伝送路2の先端を配置する工程と、透明樹脂31を配置する工程の順序が上述の方法と逆でも構わない。
この場合、上記(C)の条件の代わりに、(C′)の条件:「透明樹脂31の塗布量や、引き上げ前の光伝送路2の位置および引き上げ量などの実装条件」が採用され、(A)、(B)、(C′)の条件が同じであれば、自ずと透明樹脂31の形状は同じになる。また、手順が相違すると、光伝送路2のR方向への引き上げ量の最適値も変わる可能性があるため、当該最適値は、実際と同じ手順で実験をして調べることが望ましい。
本形態例の光モジュールの製造方法は、透明樹脂を基板に付着させる必要がないので、光結合部3,14の形成に際して、基板4の加工工程(V溝や段差など)を追加する必要がない。このため、シリコン基板のように面異方性エッチングが利用可能な基板に限らず、ガラスエポキシ基板等のように加工性の低い基板であっても、低コストに基板作製が可能である。
クラッド樹脂層8は、光結合部3,14を構成する透明樹脂よりも屈折率の低い樹脂で形成されているので、光結合部3,14の中を伝送する光がクラッド樹脂層8の方に入射し散乱してしまうことを抑制することができる。さらに、クラッド樹脂層8の周囲を、光結合部3,14よりも高い屈折率を有する樹脂(図示せず)で封止することも可能になる。
クラッド樹脂層8は、図3および図4に示すようにして光結合部3,14を形成した後に、第2の樹脂を塗布して硬化することにより形成する。
光結合部3,14を構成する第1の樹脂は、光半導体素子1と光伝送路2とが、光結合部3,14を構成する第1の樹脂自身によって繋がる(一体となる)ことにより、低コストで、簡単に、光半導体素子1と光伝送路2との間の光路を変換し、かつ光半導体素子1と光伝送路2とを高効率で光学的に結合することができる。
また、光結合部3,14を構成する第1の樹脂が、上方向から見て光半導体素子1の上面1c内に配置されていることにより、型などを使用することなく、第1の樹脂の広がりなどを制御しやすく、第1の樹脂からなる光結合部3,14の形状を安定して作製することができる。
また、光結合部3,14を構成する樹脂が、光半導体素子1の上面にワイヤボンディングしている給電用配線7と接触しないことにより、光結合部3,14の樹脂形状にばらつきが生じにくく、製造することができる。
また、光伝送路2の端面2aが光半導体素子1の内側に配置されることにより、光結合部3,14内の光路長を短くすることができる。
また、上述した第1形態例の光結合部14と同様に、光結合部14とクラッド樹脂層8との界面14aが凹んだ形状となっていることが好ましい。なお、光伝送路2と光半導体素子1とを一定距離以上離して配置する必要がある場合や、出射光の広がり角が比較的小さいような場合等には、上述した第1形態例の光結合部3と同様に、光結合部とクラッド樹脂層8との界面を凸形状とすれば、第1形態例の光結合部3で得られるのと同様の効果が得られる。
ワイヤ配線7はクラッド樹脂層8に覆われ、保護されているので、外部の応力によって破損しやすいワイヤ配線7(給電用配線)の断線を防止することができる。
光伝送路2の端部2a、光結合部3,14、および光半導体素子1がクラッド樹脂層8により覆われているので、外部の応力からこれらを保護することができる。すなわち、光半導体素子1と光伝送路2との光結合構造全体の機械的強度を高くすることができる。
このように、クラッド樹脂層8がワイヤ配線7の保護層、あるいは光結合構造の保護層として機能するように設けられた場合、簡便にこれら保護層としてのクラッド樹脂層8を形成することができる。
第1の光半導体素子51a、第1の光伝送路52aおよび第1の光結合部53aが第1の光結合構造を構成し、第2の光半導体素子51b、第2の光伝送路52bおよび第2の光結合部53bが第2の光結合構造を構成している。
具体的には、光結合部53a,53bは、伝送される光に対して透明な樹脂からなり、第1の樹脂は、光半導体素子51a,51bの受発光部の少なくとも一部および光伝送路52a,52bの端部の少なくとも一部にそれぞれ密着し、光半導体素子51aと光伝送路52a、および光半導体素子51bと光伝送路52bとが、光結合部53a,53bを構成する第1の樹脂自身によって直接繋がっている。
さらに、光結合部53a,53bを構成する第1の樹脂が、上方向から見たときに光半導体素子51a,51bの上面内に配置されていること、光結合部53a,53bを構成する樹脂が、光半導体素子51a,51bの上面にワイヤボンディングしている給電用配線57a,57bと接触しないこと、および光伝送路52a,52bの端面が光半導体素子51a,51b上に存在することが好ましい。また、光結合部53a,53bの外面(またはクラッド樹脂層59との界面)が凸形状でもよいし、凹んだ形状であってもよい。なお、図示例では光結合部53a,53bの外面が凹んだ形状である。または、クラッド樹脂層59を省略して、光結合部53a,53bの周囲が気体で覆われる構成としてもよい。
これにより、第1の光伝送路52aから受光素子である第1の光半導体素子51aへの光結合においても、発光素子である第2の光半導体素子51bから第2の光伝送路52bへの光結合においても、低コストに、かつ簡易な工程で光結合構造を作製することが可能である。
共通する被覆材58で一体化された複数の光伝送路52a,52bとしては、光ファイバテープ心線や基板型光導波路などを用いることができる。被覆材58は、光伝送路52a,52bを伝送される光に対して不透明であってもよい。
クラッド樹脂層59は、光結合部53a,53bを構成する透明樹脂よりも屈折率の低い樹脂で形成されているので、光結合部53a,53bの中を伝送する光がクラッド樹脂層59の方に入射し散乱してしまうことを抑制することができる。さらに、クラッド樹脂層59の周囲を、光結合部53a,53bよりも高い屈折率を有する樹脂(図示せず)で封止することも可能になる。
また、ワイヤ配線57a,57bはクラッド樹脂層59に覆われ、保護されているので、外部の応力によって破損しやすいワイヤ配線57a,57b(給電用配線)の断線を防止することができる。
また、光伝送路52a,52bの端部、光結合部53a,53b、および光半導体素子51a,51bがクラッド樹脂層59により覆われているので、外部の応力から保護することができる。したがって、光結合構造全体の機械的強度を高くすることができる。
クラッド樹脂層59は、複数ある光結合部53a,53bのうち、一部の光結合部の周囲のみを覆うようにすることも可能である。
図1A〜4に示すように、光伝送路2としてクラッド径が125μm、コア径が50μmの石英系マルチモード光ファイバを用意した。光半導体素子1には、受光素子としてPD(受光部の開口径は80μm)を、発光素子としてVCSEL(発光部の開口径は12μm)を、透明樹脂31にはUV硬化樹脂(アクリル系樹脂)を、基板4にはガラスエポキシ基板を、ワイヤ配線7には金ワイヤを用いた。光半導体素子1の受発光部1a(PDの受光部またはVCSELの発光部)の上に透明樹脂31を2nl(ナノリットル)塗布した後、この透明樹脂に光ファイバの先端を差し込んで、斜め30°上方に引上げ距離が40μmになるように光ファイバを引き上げた。この後、UVを透明樹脂に照射してこの透明樹脂31を硬化させることにより、図1A〜2Cに示す光結合構造5,15を作製した。光結合部3,14を構成する硬化後の樹脂の屈折率は1.58である。
光ファイバを引き上げてからUVを照射するまでの時間は、各透明樹脂を使用した場合に接続損失が良好となる時間とした。従って、その時間は、使用した透明樹脂により異なる。その結果を表1に示す。
また、各モジュールの光結合部を上方向からみた場合の形状は、サンプルDを用いたものでは図12Cに示したような扇形状、サンプルHを用いたものでは図12Cに示したような扇形状、サンプルKを用いたものでは楕円形状であった。
光ファイバを引き上げてからUVを照射するまでの時間を統一して光結合部を作製し、得られた光結合部の形状を観測した。光ファイバを引き上げてからUVを照射するまでの時間を3秒に統一した場合を表3に、光ファイバを引き上げてからUVを照射するまでの時間を2分に統一した場合を表4に示す。
また、各モジュールの光結合部を上方向からみた場合の形状は、サンプルDを用いたものでは図12Cに示したような扇形状、サンプルHを用いたものでは図12Cに示したような扇形状、サンプルKを用いたものでは楕円形状であった。
光ファイバを引き上げてからUVを照射するまでの時間を3秒に統一した場合を表5に、光ファイバを引き上げてからUVを照射するまでの時間を2分に統一した場合を表6に示す。
また、光結合部がワイヤに接触しない場合、接続損失が非常に小さいものとなった。
また、光結合部の形状が凹形状の場合、凸形状の場合に比べて接続損失が非常に小さいものとなった。
φ1〜4 接線T1〜4と光半導体素子の上面とが成す角度
x 光伝送路の端面から光半導体素子の光軸までの距離
y 光伝送路の光軸から光半導体素子までの距離
θ 光軸同士の成す角度
P 光軸同士の交点
1,51a,51b 光半導体素子
1a 受発光部
1b 光半導体素子の光軸
1c 上面(表面)
1d 下面(裏面)
1s 光半導体素子の端面
2,52a,52b 光伝送路
2a 光伝送路の端部(端面)
2b 光伝送路の光軸
3,3A,14,14A,16,53a,53b 光結合部
3a,14a,16a 光結合部の外面(界面)
4,54 基板
4a,54a 基板の実装面
5,5A,15,15A 光モジュール
7,57a,57b ワイヤ配線(給電用配線)
8,59 クラッド樹脂層
9,19 光モジュール
50 光送受信モジュール
Claims (14)
- 上面に受光部または発光部を有し、かつ下面の側で基板に実装された光半導体素子と、
前記光半導体素子の光軸に対して所定の角度で交差する光軸を有し、かつ前記基板の実装面から離間して配置された光伝送路と、
前記光半導体素子と前記光伝送路との間の光路を変換し、かつ前記光半導体素子と前記光伝送路との間を光学的に結合する光結合部とを備え、
前記光結合部は、伝送される光に対して透明な樹脂からなり、前記樹脂は、前記光半導体素子の受光部または発光部の少なくとも一部および前記光伝送路の端部の少なくとも一部にそれぞれ密着し、
前記光半導体素子と前記光伝送路とが、前記光結合部を構成する前記樹脂自身によって、接着され、
前記樹脂は、前記光半導体素子の前記上面にワイヤボンディングしている給電用配線から離間して配置されていることを特徴とする光結合構造。 - 上面に受光部または発光部を有し、かつ下面の側で基板に実装された光半導体素子と、
前記光半導体素子の光軸に対して所定の角度で交差する光軸を有し、かつ前記基板の実装面から離間して配置された光伝送路と、
前記光半導体素子と前記光伝送路との間の光路を変換し、かつ前記光半導体素子と前記光伝送路との間を光学的に結合する光結合部とを備え、
前記光結合部は、伝送される光に対して透明な樹脂からなり、前記樹脂は、前記光半導体素子の受光部または発光部の少なくとも一部および前記光伝送路の端部の少なくとも一部にそれぞれ密着し、
前記光半導体素子と前記光伝送路とが、前記光結合部を構成する前記樹脂自身によって、接着され、
前記光結合部の形状が、前記光結合部を上方向から見たときに、円形状、楕円形状、または扇形状のいずれかであることを特徴とする光結合構造。 - 前記光結合部を構成する前記樹脂は、前記光半導体素子の前記上面内に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光結合構造。
- 前記光伝送路の端面は、前記光半導体素子を側面方向および上方向から見たときに、前記光半導体素子の端面より前記光半導体素子の内側に存在することを特徴とする請求項1または2に記載の光結合構造。
- 前記光結合部を構成する前記樹脂の外面が、前記光半導体素子の受光部または発光部および前記光伝送路の端部の側に凹んだ形状となっていることを特徴とする請求項1または2に記載の光結合構造。
- 前記光結合部を構成する前記樹脂の外面が凸形状となっていることを特徴とする請求項1または2に記載の光結合構造。
- 前記光結合部をなす前記樹脂は、前記光半導体素子の光軸と前記光伝送路の光軸とが交差する交点の位置に存在せず、
前記樹脂の外面が前記受光部または発光部に対向する位置が、前記交点と前記受光部または発光部との間にあり、かつ、前記樹脂の外面が前記光伝送路の端部に対向する位置が、前記交点と前記光伝送路の端部との間にあることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の光結合構造。 - 前記光結合部を構成する前記樹脂は、前記光伝送路の端面の上端の高さより下側に配置されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の光結合構造。
- 前記光結合部の周囲が気体で覆われていることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の光結合構造。
- 前記光結合部の周囲が、光結合部を構成する樹脂より屈折率が低いクラッド樹脂層で覆われていることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の光結合構造。
- 前記光半導体素子の給電用配線が前記クラッド樹脂層によって覆われていることを特徴とする請求項10に記載の光結合構造。
- 同一の基板の実装面に実装された受光素子および発光素子と、前記基板の前記実装面から離間して配置された第1の光伝送路および第2の光伝送路と、前記受光素子と第1の光伝送路との間を光学的に結合する第1の光結合部と、前記発光素子と第2の光伝送路との間を光学的に結合する第2の光結合部とを備え、前記受光素子、第1の光伝送路および第1の光結合部が第1の光結合構造を構成するとともに、前記発光素子、第2の光伝送路および第2の光結合部が第2の光結合構造を構成した光送受信モジュールであって、第1の光結合構造および第2の光結合構造の一方または両方が、請求項1〜11のいずれかに記載の光結合構造を構成していることを特徴とする光送受信モジュール。
- 請求項1〜11のいずれかに記載の光結合構造の製造方法であって、
基板に設けられた光半導体素子の受光部または発光部に樹脂を塗布する工程と、
前記基板に対して平行に、光伝送路を前記樹脂に差し込む工程と、
前記光伝送路を前記半導体素子から遠ざける方向で、かつ斜め上方に移動させる工程と、
前記樹脂を硬化させて光結合部とする工程と、
を備え、
予め求めておいた前記樹脂の塗布量、前記樹脂の粘度、前記光伝送路の差し込み量、前記光伝送路の斜め上方への移動量、及び前記樹脂を硬化させるまでの時間の相関関係に基づいて、前記光結合部の形状を凸形状にするのか又は凹み形状にするのかを制御することを特徴とする光結合構造の製造方法。 - 前記光半導体素子の上面にワイヤボンディングしている給電用配線から離間して、前記樹脂を前記受光部または発光部に塗布することを特徴とする請求項13に記載の光結合構造の製造方法。
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