JP5277389B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光モジュールに関するものである。

光を用いたデータ伝送は幹線通信網からメトロ、アクセス更にはラック間へと距離の短いところへ適用が広がっており、今後、更に家庭内やボード間へと広がると考えられる。このような短距離光伝送では低コスト化、小型化、大容量化が強く求められ、光源として面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ)を用いたものが開発されている。

一方、光ファイバ等により伝送される光信号を受信または送信するため、光信号と電気信号とを相互に変換する光素子を備えた光モジュールが用いられている。電気信号から光信号への変換には、上記のＶＣＳＥＬに代表される面発光素子が用いられ、光信号から電気信号への変換には、ＰＩＮフォトダイオードに代表される面受光素子が用いられており、これらの光素子は基板に対して電気的に接続され、光ファイバ等は光素子に対して光学的に接続される。

このような光モジュールは、配線基板（プリント配線板あるいはボード）上において光ファイバ等の光配線をする際の作業性や、保守交換の容易性などの点から、光ファイバ等の光伝送体がコネクタを介して着脱可能であることが望ましい。

また、光素子に光ファイバ等を着脱する場合、配線基板に対して水平方向に着脱する構造にすると、光素子を搭載した部品の周辺に光ファイバ等を着脱する作業用のスペースを設けざるを得ないことから、そのスペースには他の部品を実装できず、実装密度を上げられないという問題がある。したがって、光ファイバ等の着脱は配線基板に対して垂直方向に行うことができることが望ましい。

従来、このような要求に対応するものとして、光素子をその受発光面が配線基板に対して水平になるように搭載すると共に、光ファイバ等の端面に反射ミラー等を設けて光軸を垂直に変換したコネクタを用いることで、光ファイバ等と光素子とを垂直方向へ着脱自在に光学的に接続する光モジュールが提案されている（特許文献１参照）。

また、本発明者等は、円弧状に曲げられた構造を有し外部側の光軸と光素子側の光軸とが互いに垂直である光伝送体および当該光伝送体を保持する保持部材を備えた上部構造体と、配線基板上に配置され、光素子および光素子駆動用のドライバ集積回路装置を含む複数の電子部品が搭載された光素子搭載基板と、配線基板上の光素子・電子部品搭載基板の上面に上部構造体を垂直方向に押圧して固定することにより、光素子搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路を光学的に接続する装着体とを備えた光モジュールを提案している（特許文献２参照）。
特開２００６−６５３５８号公報 特願２００７−２１７５７４

しかしながら、上記のような短距離光伝送においては、光ファイバや光導波路等の光伝送路について現状ではまだまだ低コスト化、小型化、大容量化の期待に十分応えきれているとはいえず、更なる検討が求められている。

また、上記の本発明者等が提案した光モジュールは、大幅な小型化と、光伝送体と光素子との垂直方向への着脱自在な光学的接続を達成しているが、より伝送密度（伝送スループット）を向上させること、近年の光通信分野における長距離から短距離までの光データ伝送が広がりに対応して１０Ｇｂｐｓ／チャンネル以下の駆動や、４０Ｇｂｐｓ／チャンネルや１００Ｇｂｐｓの高速駆動にも適合した多様な駆動を行う点については更なる改善の余地があった。

さらに、光モジュールの設計段階での直流光特性の取得やリフロー耐性などの製造性、光モジュールの信頼性、低コスト化などにおいても更なる改善の余地があった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、短距離光伝送に用いられる光伝送路において更なる低コスト化、小型化、大容量化が図れる光伝送技術を用い、より伝送密度（伝送スループット）を向上させ、近年の光通信分野における長距離から短距離までの光データ伝送が広がりに対応して１０Ｇｂｐｓ／チャンネル以下の駆動や、４０Ｇｂｐｓや１００Ｇｂｐｓ等の高速駆動にも適合した多様な駆動を行うことができる光モジュールを提供することを課題としている。

第1に、本発明の光モジュールは、
ａ）光信号を伝送する光伝送路と、光信号を電気信号に変換する機能と電気信号を光信号に変換する機能の少なくともいずれかを有する光素子とを光学的に接続する光モジュールであって、
ｂ）光伝送路を形成する光伝送体、および、当該光伝送体を上側部材のガイド溝と下側部材の保持面との間で挟んで、光伝送体の端面が下向きとなる様に円弧状に曲げられた状態で保持する保持部材を備えた上部構造体と、
ｃ）配線基板上に垂直方向に着脱自在に配置され、光素子および光素子駆動用のドライバ集積回路装置を含む電子部品が搭載された光素子・電子部品搭載基板と、
ｄ）配線基板上の固定端の中央に開口部をもち、該開口部に嵌め込まれた光素子・電子部品搭載基板と、該開口部に嵌め込まれた上部構造体とを、共に下方に押圧して、光素子・電子部品搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路を、光学的に接続する嵌合部材とを備えており、
ｅ）光素子およびドライバ集積回路装置は、電子部品搭載基板にフリップチップ接続により電気的に接続され、
ｆ）光伝送路が、マルチモードで光を伝送するポリマ光導波路であり、かつ、面発光素子の近接した２以上の発光点から異なる波長の光を入射する１つの光入射部と、入射した２以上の異なる波長の光を合波して伝送する光伝送路本体と、光伝送路本体の出射側に２以上に分岐して設けられた光出射部と、光出射部から出た光を受ける受光素子の受光部があり、光伝送路の分岐部から受光部の間に設けられたそれぞれ波長の異なる光に分波する波長選択フィルターを有し、光導波路の光入射部側のコアの幅が端部に向けて徐々に拡がったテーパ状に形成され、光導波路の光出射部側が分岐部分の手前でコアの幅が徐々に拡がったテーパ状に形成され、さらに光導波路の光入射部の端部の幅が面発光素子の一端側の発光点と他端側の発光点との間の距離より大きく設定されている波長多重光伝送路構造からなることを特徴とする。
第２に、上記第１の光モジュールにおいて、嵌合部材からなる装着体は、その上縁に一対の突条部を有しており、嵌合、装着される上部構造体の保持部材の上面における光伝送路と平行な両側周縁部に沿ってテーパ面をなす一対の肩部に当接するものであることを特徴とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の光モジュールは、光信号を伝送する光伝送路と、光信号を電気信号に変換する機能と電気信号を光信号に変換する機能の少なくともいずれかを有する光素子とを光学的に接続する光モジュールであって、光伝送路を形成する光伝送体および当該光伝送体を保持する保持部材を備えた上部構造体と、配線基板上に垂直方向に着脱自在に配置され、光素子および光素子駆動用のドライバ集積回路装置を含む電子部品が搭載された光素子・電子部品搭載基板と、光素子・電子部品搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路を光学的に接続する嵌合部材とを備えており、光素子およびドライバ集積回路装置は、電子部品搭載基板にフリップチップ接続により電気的に接続され、光伝送路が、マルチモードで光を伝送するポリマ光導波路であり、かつ、面発光素子の近接した２以上の発光点から異なる波長の光を入射する１つの光入射部と、入射した２以上の異なる波長の光を合波して伝送する光伝送路本体と、光伝送路本体の出射側に２以上に分岐して設けられた光出射部と、光出射部から出た光を受ける受光素子の受光部があり、光伝送路の分岐部から受光部の間に設けられたそれぞれ波長の異なる光に分波する波長選択フィルターを有し、光導波路の光入射部側のコアの幅が端部に向けて円弧をつなげた曲面状に徐々に拡がったテーパ状に形成され、光導波路の光出射部側が分岐部分の手前でコアの幅が円弧をつなげた曲面状に徐々に拡がったテーパ状に形成され、さらに光導波路の光入射部の端部の幅が面発光素子の一端側の発光点と他端側の発光点との間の距離より大きく設定されている波長多重光伝送路構造からなることを特徴とする。

第２に、上記第１の光モジュールにおいて、波長多重光伝送路構造の光入射部が、面発光素子から発光点の中心間距離が１０〜４０μｍである発光点からの光を入射するように構成されていることを特徴とする。

第３に、上記第１または第２の光モジュールにおいて、波長多重光伝送路構造の光導波路の光入射部のコアの幅が円弧をつなげた曲面状に拡がったテーパ状に形成されていることを特徴とする。

第４に、上記第１ないし第３のいずれかの光モジュールにおいて、波長多重光伝送路構造の光導波路の光出射部側の分岐部分の手前のコアの幅が円弧をつなげた曲面状に拡がったテーパ状に形成されていることを特徴とする。

第５に、上記第１ないし第４のいずれかの光モジュールにおいて、光素子は、その上面にレンズが一体に設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光モジュール。

第６に、上記第５の光モジュールにおいて、レンズは半導体レンズであることを特徴とする。

第７に、上記第１ないし第６のいずれかの光モジュールにおいて、光素子・電子部品搭載基板は、当該基板に立設された壁部に囲まれたキャビティ内に電子部品が搭載されており、当該キャビティはキャビティ内部の全面を含む一部が樹脂封止されていることを特徴とする。

第８に、上記第１ないし６のいずれかの光モジュールにおいて、光素子・電子部品搭載基板は、当該基板に立設された壁部に囲まれたキャビティ内に電子部品が搭載されており、当該キャビティは、透光性基板により封止されていることを特徴とする。

第９に、上記第１ないし第８のいずれかの光モジュールにおいて、光素子・電子部品搭載基板における光素子およびドライバ集積回路装置の下面部の位置に形成された電極パターンの少なくとも一部がヒートスプレッダに接続されていることを特徴とする。

上記第１、第３および第４の発明の光モジュールは、光素子およびドライバ集積回路装置を光素子・電子部品搭載基板にフリップチップ接続により電気接続するようにしたので、ワイヤボンディングなどによる電気接続の場合に比べて、光モジュールの設計段階での直流光特性の取得や利フロー耐性などの製造性に優れ、高い信頼性を有しており、低コストでの製造が可能である。また、今後の急速な展開が期待される短距離光伝送において更なる低コスト化、小型化、大容量化（伝送密度の向上）、構成簡易化、低消費電力化が図れるようになる。さらに、１０Ｇｂｐｓ／チャンネル以下の駆動や、４０Ｇｂｐｓや１００Ｇｂｐｓ等の高速駆動にも適合した多様な駆動を行うことができるようになる。
また、波長多重光伝送路構造の光導波路をポリマ光導波路としたので、上記の効果に加え、より容易にかつより安価に波長多重光伝送路構造を作製することができ、光モジュールのより低コスト化を図ることができる。
また、波長多重光伝送路構造の光入射部のコアの幅形状を端部に向かって徐々に拡がったテーパ状とし、また円弧をつなげた曲面状に拡がった形状としたので、上記効果に加え、面発光素子と光入射部の位置ずれトレランス（許容度）を大きくすることができる。さらに上記光入射部のコアを円弧をつなげた曲面状に拡がった形状として、コアのテーパ部及びその前後でコア幅の広がり方に傾きが不連続にならないようにすることで、光がコアの外に漏れずに損失を抑えることができる。
また、波長多重光伝送路構造の光出射部の分岐部分の手前のコアの幅形状が徐々に拡がったテーパ状とし、また円弧をつなげた曲面状に拡がった形状としたので、上記の効果に加え、分岐による挿入損失を最小化することができる。
さらに、光伝送路を伝搬する光がマルチモードとなる光伝送路とすることで、上記の効果に加え、光素子と光伝送路の位置ずれトレランスを大きくとることができる。

上記第２の発明の光モジュールによれば、波長多重光伝送路構造の面発光素子の発光点の中心間距離が非常に短い発光点からの光を入射できるため、上記効果に加え、面発光素子からの２以上の光をレンズやミラーを用いずに容易に直接、光入射部に入射させることができる。

上記第５の発明の光モジュールは、その上面にレンズが一体に設けられているので、上記効果に加え、光素子の樹脂封止が容易であり、高い信頼性を有する光モジュールを簡便に製造することができる。

上記第６の発明の光モジュールは、半導体レンズを使用しているので、上記効果に加え、樹脂封止やリフロー時の加熱によるレンズの変質や損傷を防止することができる。さらに、半導体レンズの屈折率が高いため、樹脂封止材で光素子が覆われた場合でも、光素子と光伝送体との間の高い光結合効率を確保できる。

上記第７の発明の光モジュールは、光素子・電子部品搭載基板をキャビティ形状としてその中に電子部品を搭載し、当該キャビティを樹脂封止するようにしたので、上記効果に加え、光素子の樹脂封止が容易であり、高い信頼性を有する光モジュールを簡便に製造することができる。

上記第８の発明の光モジュールは、電子部品搭載基板をキャビティ形状としてその中に電子部品を搭載し、当該キャビティを透光性樹脂により封止するようにしたので、光素子の封止が容易であり、高い信頼性を有する光モジュールを簡便に製造することができる。

上記第９の発明の光モジュールは、光素子・電子部品搭載基板における光素子およびドライバ集積回路装置の下面部の位置に形成された電極パターンの少なくとも一部をヒートスプレッダに接続するようにしたので、上記効果に加え、動作時の放熱に優れており高い信頼性を有している。

本明細書において、「光伝送体」には、ガラス製、樹脂製等の光ファイバ、樹脂製等の光導波路などが含まれる。以下の実施形態では光導波路を用いた例を説明するが、本発明において適用される光伝送体はこれに限定されるものではなく、光ファイバ等のように、光伝送路を構成する各種のものを適用することができる。

本明細書において、「光素子」には、単一の受発光面を有するものの他、複数の受発光面がアレイ状等に配置された一体のものが含まれる。光素子の具体例としては、ＶＣＳＥＬなどの面発光素子、ＰＩＮフォトダイオードなどの面受光素子が挙げられるが、これらの面発光素子および／または面受光素子の受発光面がアレイ状に配置された一体のものであってもよい。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１および図２は、本発明の一実施形態における光モジュールを示す斜視図であり、図１は光接続および電気接続を切り離した状態、図２は光接続および電気接続をした状態を示している。

図１に示すように、本実施形態の光モジュール１は、光導波路７が保持部材６により保持された上部構造体５と、光素子４０および電子部品４１を搭載した光素子・電子部品搭載基板３０と、異方導電性シート６０と、配線基板７０（プリント配線板あるいはボード）上に固定された嵌合部材５０とを備えている。

この光モジュール１は、配線基板７０上の嵌合部材５０内の開口部５１に異方導電性シート６０を配置し、その上に光素子・電子部品搭載基板３０を配置し、さらにその上から上部構造体５を垂直に嵌め込んで図２に示すように装着することにより、上部構造体５の光導波路７と光素子・電子部品搭載基板３０の光素子４０が光学的に接続し、光素子・電子部品搭載基板３０と配線基板７０が異方導電性シート６０を介して電気的に接続されるようになっている。図２に示す装着状態の光モジュール１は、全体として、たとえば幅１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ６．４ｍｍのコンパクトなサイズのモジュールを構成している。

上部構造体５は、図３（ａ）および図３（ｂ）にも示すように、樹脂製の保持部材６の背面から、複数本（本実施形態では１２本）の光導波路７が並列したテープ状導波路８が保持部材６内に水平に入り込み、保持部材６内で光導波路７が円弧状に曲げられて光導波路７の端面７ａが保持部材６の下面から垂直に露出した構造を有している。

保持部材６の上面における光導波路７と平行な両側周縁部には、当該周縁部に沿ってテーパ面を成す一対の肩部１２が設けられており、図１の嵌合部材５０内に嵌め込んで装着したときに嵌合部材５０の上部に設けられた一対の突条部５２が保持部材６の肩部１２に当接して下方に押圧するようになっている。

また、図１に示すように、保持部材６には２つの位置決め穴１１が設けられており、図１の嵌合部材５０内に嵌め込んで装着したときに、光素子・電子部品搭載基板３０に立設された位置決めピン４２が保持部材６の位置決め穴１１に挿入されて上部構造体５と光素子・電子部品搭載基板３０とが水平方向に位置決めされるようになっている。

保持部材６は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように上側部材１０と下側部材２０とから構成されており、上側部材１０と下側部材２０によって光導波路７を挟み込んで保持するようになっている。一方、下側部材２０の上面側には光導波路７の円弧形状に対応した曲面を成す光導波路保持面が設けられており、上側部材１０と下側部材２０によって光導波路７を挟み込むことにより、上側部材１０のガイド溝と下側部材２０の光導波路保持面との間で光導波路７を円弧状に曲げられた状態で保持するようになっている。

光導波路７の外部側光軸６５ａと光素子側光軸６５ｂとの間の円弧部分の曲率半径Ｒは、好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは１〜３ｍｍである。このように円弧部分の曲率半径は非常に小さく、上部構造体５の上下方向が低背化され、かつ、水平方向も小型化されている。

図４は、光素子・電子部品搭載基板３０の上面側斜視図、図５は部分断面図、図６は、上部構造体と光素子・電子部品搭載基板とが光接続された状態を示す断面図である。図４に示すように、光素子・電子部品搭載基板３０は、外周部に沿って壁部３２が立設された箱状のセラミック基板３１を備えており、セラミック基板３１上の前方側の位置には光導波路７と対応した数の受発光面が並んで配置された光素子４０が搭載されている。

光素子・電子部品搭載基板３０は、壁部３２に囲まれたキャビティ３４の底面に、光素子４０、光素子４０の駆動用のドライバ集積回路装置４１などの電子部品を搭載しており、キャビティ３４内は、図５に示すように封止樹脂３８によって封止されている。光素子４０は、例えば厚さ１００〜１５０μｍ程度の素子を用いることができる。

光素子４０は、面発光素子のＶＣＳＥＬと面受光素子のＰＩＮフォトダイオードから構成されている。壁部３２の上面３２ａは光学的基準面を構成しており、上部構造体５の下面に当接することにより、図６に示すように光導波路７の端面７ａと光素子４０とが垂直方向に位置決めされる。

なお、図４に示すように、セラミック基板３１上における光素子４０の両側の位置には突出高さ２ｍｍ、突出部分の直径０．７ｍｍの一対の位置決めピン４２が立設されており、これらの位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されることにより光素子・電子部品搭載基板３０と上部構造体５が水平方向に位置決めされるようになっている。

セラミック基板３１上における光素子４０の後方にはドライバ集積回路装置４１が搭載されており、光素子４０とドライバ集積回路装置４１は、図５に示すようにフリップチップ接続によりバンプ４０ａ、４１ａを介してセラミック基板３１上の電極パターン３６に接続されている。

光素子４０とドライバ集積回路装置４１のバンプ４０ａ、４１ａが接続された電極パターン３６の一部は、図４のプリント配線３３等を介して、セラミック基板３１を貫通する不図示のスルーホールを通じて、セラミック基板３１の裏面に設けられたパッドに電気的に接続されている。

また、電極パターン３６の他の一部は、図５に示すように、水平方向に広がるヒートスプレッダ３７と接続されており、光モジュール１の動作時において光素子４０とドライバ集積回路装置４１からの熱を電極パターン３６を通じてヒートスプレッダ３７に放散するようにしている。

ヒートスプレッダ３７は、たとえば図５のようにセラミック基板３１の内部に埋設してもよく、あるいはセラミック基板３１の表面に設けるようにしてもよい。また、電気的な影響を与えないのであれば、その他の外部の構造物、たとえば配線基板７０にヒートスプレッダ３７を設けるようにしてもよい。

ヒートスプレッダ３７の具体的な配置やその形態は、信号線、電源などに電気的な影響を与えないようなものであれば特に制限はなく、たとえば配線パターン状、あるいは板状とすることができる。

ヒートスプレッダ３７は、セラミック基板３１の配線を形成するのと同じ方法、たとえばスクリーン印刷等の方法により形成することで、熱伝導性を良好なものとすることができる。また、セラミック基板３１の配線を形成する工程と同時にヒートスプレッダ３７を形成することもできる。あるいは、セラミック基板３１の配線を形成した後にヒートスプレッダ３７を後からセラミック基板３１に貼り付けるなど、配線形成とは別の工程でヒートスプレッダ３７を形成してもよい。

光素子４０は、図５に示すようにその上面に半導体レンズ４０ｂが一体に設けられている。半導体レンズ４０ｂは、たとえばレンズの曲率半径８０〜２００μｍ、レンズ開口直
径７０μｍ程度のものを用いることができ、その材質としては、たとえばＩｎＰ、ＧａＡｓ等の化合物半導体を用いることができる。

半導体レンズ４０ｂは、たとえば次の方法で作製することができる。光素子４０の光入出射側の素子基板にレジストを塗布した後、レジストの加熱およびキュアを行うことによってレンズ状のレジストを形成し、次いでイオンミリングを用いてレジストを加工することで、レジストのレンズ形状を光素子４０の基板上に転写する。最後に、転写したレンズに無反射膜を形成する。

図示はしないが、半導体レンズ４０ｂは紙面に垂直な方向に配列された複数の受発光部のそれぞれの上に配置されており、嵌合部材５０によって図６に示すように光導波路７の端面７ａと光素子４０とが垂直方向に位置決めされたときに、半導体レンズ４０ｂによってこれらが光学的に位置合わせされるようになっている。

図１の異方導電性シート６０は、加圧によって垂直方向への導通が確保されるものであり、特に制限なく各種のものを用いることができるが、たとえばシリコーンゴムなどの弾性をもつ絶縁性基材に、金属等の導電性粒子を厚さ方向に並べたもの、あるいは導電性の線材を埋設したものなどを用いることができる。異方導電性シート６０の厚さは、たとえば０．１〜１ｍｍである。

次に、上記では光導波路７として説明した「光伝送体」について詳細に述べる。

本実施形態では、「光伝送路」として波長多重光伝送路構造を用いる。この波長多重光伝送路構造は次の３つの形態をとりうる。
（１）面発光素子の近接した２以上の発光点から異なる波長の光を入射する１つの光入射部と、入射した２以上の異なる波長の光を合波して伝送する光伝送路本体を有することを特徴とする波長多重光伝送路構造。
（２）面発光素子からの２以上の異なる波長の光の合波を伝送する光伝送路本体と、光伝送路本体の出射側に２以上に分岐して設けられた光出射部と、光出射部から出た光を受ける受光素子の受光部があり、光伝送路の分岐部から受光部の間に設けられたそれぞれ波長の異なる光に分波する波長選択フィルターを有することを特徴とする波長多重光伝送路構造。
（３）面発光素子の近接した２以上の発光点から異なる波長の光を入射する１つの光入射部と、入射した２以上の異なる波長の光を合波して伝送する光伝送路本体を有する波長多重光伝送路構造、並びに、面発光素子からの２以上の異なる波長の光の合波を伝送する光伝送路本体と、光伝送路本体の出射側に２以上に分岐して設けられた光出射部と、光出射部から出た光を受ける受光素子の受光部があり、光伝送路の分岐部から受光部の間に設けられたそれぞれ波長の異なる光に分波する波長選択フィルターを有する波長多重光伝送路構造を有することを特徴とする複合化された波長多重光伝送路構造。

本発明では、光伝送路を伝搬する光がマルチモードとなる光伝送路とすることができ、その場合、光素子と光伝送路の位置ズレトレランスを大きくとることができる。

上記において、各波長多重光導波路構造は単独で構成されていてもよいし、複数のものが複数複合されて構成されていてもよい。短距離間で光伝送を行う場合には、光入射部と光反射部が１つのモジュールに一緒に設けられていてもよいし、両者がある程度、あるいはかなり離間して設けられる場合には、別々のモジュールとして設けられていてもよい。

ここでは、波長多重光伝送構造が光導波路により構成される場合を例に述べるが、もちろん、本発明は光導波路に限らず光ファイバ等の各種光伝送路に適用される。

図７に、本実施形態に係る光導波路２１の構造例を模式的に平面図で示す。この例は、２波長の光伝送を行う場合であり、左側が入射側ステーション、右側が出射側ステーションである。両ステーションは別々のモジュールとして設けられる場合もあり、同一のモジュールとして設けられる場合もある。また、同じモジュールで、それぞれのステーションを任意の組合せで含む場合もある。図７において、２１は光導波路、２１ａは光導波路２１の入射側部分、２１ｂは光導波路２１の出射側部分、２２は面発光素子（ＶＣＳＥＬ）、２３は面発光素子（ＶＣＳＥＬ）駆動回路、２４−１、２４−２は波長選択フィルター、２５（２５−１、２５−２）は面受光素子（ＰＤ）、２６は増幅器である。

面発光素子（ＶＣＳＥＬ）２２は隣接して設けられた２つの発光点２２−１、２２−２を有し、たがいに異なる波長λ１、λ２の光を発光する。この波長λ１、λ２の光は光導波路２１の入射側部分２１ａに入射し、合波され、光導波路２１中を伝送する。

光導波路２１の出射側部分２１ｂは、２１ｂ−１と２１ｂ−２の２つの部分に分岐している。出射側部分２１ｂ−１に対して波長選択フィルター２４−１と面受光素子（ＰＤ）２５−１が設けられ、出射側部分２１ｂ−２に対して波長選択フィルター２４−２と面受光素子（ＰＤ）２５−２が設けられている。波長選択フィルター２４−１は波長λ１の光は透過し、それ以外の波長の光は遮断する。一方、波長選択フィルター２４−２は波長λ２の光は透過し、それ以外の波長の光は遮断する。

ここで、実際に作製したポリマ光導波路の形状を図８に示す。ポリマ光導波路はコアとそれを包囲するクラッドより構成される。図８の（ａ）は光入射側のコアの形状を平面図で示したもので、図８の（ｂ）は光出射側のコアの形状を平面図で示したものである。光導波路２１はコアとクラッドからなり、コアとクラッドはアクリル系樹脂あるいはエポキシ系樹脂等を用い、屈折率を異ならせて構成することができる。本実施形態の一例においては、光入射側のコアは端面に向けて幅（縦）が５０μｍから９０μｍに拡がったテーパ状をなしている。厚み（高さ）は５０μｍである。本実施形態においては光入射側のコアが端面に向けて幅が拡がったテーパ状をなしていることが主要な特徴の一つである。詳しくは、光導波路２１の光入射部分２１ａはその幅形状が円弧をつなげた曲面状に拡がったテーパ状に形成されている。このようにすると、面発光素子２２からの入射光と光導波路２１の入射側部分２１ａとの位置ずれトレランス（許容度）を大きくすることができる。図９に挿入損失の入射位置依存性を示す。この図から入射位置トレランスが４０μｍ広がっていることがわかる。光導波路２１の入射側部分２１ａの端面から波長λ１とλ２の２波長の光が入射する。

一方、光出射側のコアは一度テーパをつけて５０μｍ幅から１００μｍ幅に拡げた後、Ｙ分岐で２つに分かれている。より詳細には、光出射部分２１ｂの分岐部分の手前のコアの幅形状は徐々に拡がったテーパ状となり、また円弧をつなげた曲面状に拡がった形状となっている。この円弧状の曲率は１０ｍｍ以上とすると挿入損失を最小にすることができる。そして入射光を１：１に分岐できる。分岐部分の手前のコアの広がり部の長さは１０００μｍ超とした。このテーパ部分の長さは、波長やコア幅、光の広がり角などの条件を考慮して設定されるが、好ましくは５００μｍ以上、より好ましくは１０００μｍ以上である。このＹ分岐における挿入損失を図１０に示す。この図から、光パワーが分岐によって３ｄＢ減少するが、短距離の伝送のため十分なロスバジェットを確保することができる。

上記の例では、２つの異なる波長λ１、λ２の光を入射して合波し、光導波路２１よりなる光伝送路を伝送し、光出射側において、伝送してきた合波を２つに分岐させるようになっている。このようにすると、波長λ１による光データ送受信と波長λ２による光データ送受信を合わせて行うことができるため、伝送密度をより一層向上させることができる。

次に、本実施形態に用いる面発光素子（ＶＣＳＥＬ）の一例であるモノリシック２波長ＶＣＳＥＬ１００（２２）の構造を図１１に断面図で示す。ＶＣＳＥＬ１００は２つの隣接するメサ構造がｐ型ＧａＡｓ基板１０１上に形成されている。このメサ構造は、積層の下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層１０２、酸化狭窄層１０３、３層のＱＷ（量子井戸構造）を持つ活性層１０４、第１の上部ＤＢＲ層１０５より構成される。第１の上部ＤＢＲ層１０５の上には、位相制御層１０６、積層の第２の上部ＤＢＲ層１０７が設けられる。１０８は下部電極、１０９は上部電極である。位相制御層１０６の厚さを変えることで発振波長を変えることができる。

この例のモノリシック２波長ＶＣＳＥＬ１００では、発光点間距離を約３０μｍとし、発振波長は８５３ｎｍと８６７ｎｍであり、発振波長に１４ｎｍの違いがあった。図１２にＶＣＳＥＬ１００の発振した様子を示す。また、図１３にＶＣＳＥＬ１００がそれぞれ８、１０、１３Ｇｂｐｓで動作するときのアイ・ダイアグラムを示す。１３Ｇｂｐｓにおいても明瞭なアイ開口が得られていることがわかる。

上記のモノリシック２波長ＶＣＳＥＬ１００と合波用ポリマ光導波路２１とＧＩ５０マルチモード光ファイバ（光入射側と光出射側との間に配置）とを組み合わせたときの入射トレランスと伝送後の光波長スペクトルを調べた。入射トレランスはＶＣＳＥＬ１００を発光させながら光導波路２１をＸＹ平面上で移動させ、光導波路２１を通った後の光パワーのマップを作成して求めた。図１４（ａ）、（ｂ）に発光点の中心間距離が３０μｍ離れたＶＣＳＥＬ１００をそれぞれ発光させたときの光パワーマップを示す。発光位置の違いのため、光パワーの大きい濃い濃度で示された領域にシフトが見られる。図１４（ｃ）はＶＣＳＥＬ１００の両方の発光点からの発光によるマップである。図１４（ｄ）は最大強度から−１ｄＢ以内の光パワーの領域を示す。１４（ｄ）から、ＶＣＳＥＬチップと光導波路の１ｄＢダウンの位置トレランスは、発光点が３０μｍ離れているにも関わらず±１０μｍ以上が得られた。

図１５に波長の異なる近接する２つの発光点で発光させ、光導波路を伝搬した光のスペクトルを示す。波長８５３ｎｍと８６７ｎｍにピークが見られ、波長の異なる２つの発光点からの光が１本の光導波路のコアに入射し、伝送されていることが示され、合波が行われていることが確認された。

図１６は、３波長の光伝送を行う場合の光導波路２１の模式的平面図である。この光導波路２１の光入射側部分２１ａには波長λ１、λ２、λ３の３つの異なる波長の光が入射するようになっている。また、光出射側部分２１ｂは２１ｂ−１、２１ｂ−２、２１ｂ−３の３つの部分に分岐し、それぞれλ１の波長の光のみを透過させる波長選択フィルター２４−１、λ２の波長の光のみを透過させる波長選択フィルター２４−２、λ３の波長の光のみを透過させる波長選択フィルター２４−３が設けられている。この場合も、上記の２波長の場合と同様な原理でλ１、λ２、λ３の３つの波長を用いた光データ送受信を合わせて行うことができるため、伝送密度をさらに向上させることができる。

また、本発明によれば、４波長以上の多重波長による光データ送受信を行うことができる。

以上、波長多重光伝送路構造を、光導波路を例に説明してきたが、本発明は光導波路に限定されず、フォトカプラ等を利用することにより光ファイバにも適用することができる。

以上に、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変更が可能である。

たとえば、上記の実施形態では、装着体として嵌合部材５０を用いて上部構造体５を垂直方向へ着脱自在に装着し、光素子・電子部品搭載基板３０の光素子４０に対して上部構造体５の光伝送路を光学的に接続するようにしたが、このような機能を有する装着構造として、クランプスプリング、ネジ止め構造、板バネ構造、ラッチ構造、開閉式クランプスプリングなど、各種のものを用いることができる。

光素子４０として、レーザダイオードなどのＶＣＳＥＬ以外の面発光素子を用いてもよく、ＰＩＮフォトダイオード以外の面受光素子を用いるようにしてもよい。

上記の実施形態では、光素子・電子部品搭載基板３０と配線基板７０とを異方導電性シート６０を介して電気接続する例を示したが、その他、光素子・電子部品搭載基板３０と配線基板７０との電気接続構造として、光素子・電子部品搭載基板３０を配線基板７０にはんだ接続した構造など、各種の構造とすることができる。

図１は、本発明の一実施形態における光モジュールを示す斜視図であり、光接続および電気接続を切り離した状態を示す。 図２は、図１の光モジュールにおける光接続および電気接続をした状態を示す斜視図である。 図３は、上部構造体の上側部材、光ファイバ、および下側部材の配置状態を示した図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 図４は、光素子・電子部品搭載基板の斜視図である。 図５は、光素子・電子部品搭載基板の部分断面図である。 図６は、上部構造体と光素子・電子部品搭載基板とが光接続された状態を示す断面図である。 図７は、本実施形態に係る光導波路の構造例を模式的に示す平面図である。 図８は、実際に作製したポリマ導波路の形状を示す図で、（ａ）は光入射側のコアの形状を示す平面図、（ｂ）は光出射側のコアの形状を示す平面図である。 図９は、挿入損失の入射位置依存性を示す図である。 図１０は、Ｙ分岐における挿入損失を示す図である。 図１１は、モノリシック２波長ＶＣＳＥＬの構造を示す断面図である。 図１２は、モノリシック２波長ＶＣＳＥＬが発振した様子を示す図である。 図１３は、ＶＣＳＥＬが各伝送速度で動作するときのアイ・ダイアグラムである。 図１４は、ＶＣＳＥＬのパワーマップを示す図である。 図１５は、波長の異なる２つの発光点で発光させ、光導波路を伝搬した光のスペクトルを示す図である。 図１６は、３波長の光伝送を行う場合の光導波路の模式的平面図である。

符号の説明

１ 光モジュール
５ 上部構造体
６ 保持部材
６ａ 下面
７ 光導波路
７ａ 端面
８ テープ状光導波路
１０ 上側部材
１１ 位置決め穴
１２ 肩部
２０ 下側部材
２１ 光導波路
２１ａ 入射側部分
２１ｂ（２１ｂ−１、２１ｂ−２） 出射側部分
２２ 面発光素子（ＶＣＳＥＬ）
２２−１、２２−２ 発光点
２３ 面発光素子駆動回路
２４−１、２４−２ 波長選択フィルター
２５（２５−１、２５−２） 面受光素子（ＰＤ）
３０ 光素子・電子部品搭載基板
３３ プリント配線
３４ キャビティ
３６ 電極パターン
３７ ヒートスプレッダ
３８ 封止樹脂
４０ 光素子
４０ａ バンプ
４０ｂ 半導体レンズ
４１ ドライバ集積回路装置
４１ａ バンプ
４２ 位置決めピン
５０ 嵌合部材
６０ 異方導電性シート
７０ 配線基板

Claims (9)

1. ａ）光信号を伝送する光伝送路と、光信号を電気信号に変換する機能と電気信号を光信号に変換する機能の少なくともいずれかを有する光素子とを光学的に接続する光モジュールであって、
   ｂ）光伝送路を形成する光伝送体、および、当該光伝送体を上側部材のガイド溝と下側部材の保持面との間で挟んで、光伝送体の端面が下向きとなる様に円弧状に曲げられた状態で保持する保持部材を備えた上部構造体と、
   ｃ）配線基板上に垂直方向に着脱自在に配置され、光素子および光素子駆動用のドライバ集積回路装置を含む電子部品が搭載された光素子・電子部品搭載基板と、
   ｄ）配線基板上の固定端の中央に開口部をもち、該開口部に嵌め込まれた光素子・電子部品搭載基板と、該開口部に嵌め込まれた上部構造体とを、共に下方に押圧して、光素子・電子部品搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路を、光学的に接続する嵌合部材とを備えており、
   ｅ）光素子およびドライバ集積回路装置は、電子部品搭載基板にフリップチップ接続により電気的に接続され、
   ｆ）光伝送路が、マルチモードで光を伝送するポリマ光導波路であり、かつ、面発光素子の近接した２以上の発光点から異なる波長の光を入射する１つの光入射部と、入射した２以上の異なる波長の光を合波して伝送する光伝送路本体と、光伝送路本体の出射側に２以上に分岐して設けられた光出射部と、光出射部から出た光を受ける受光素子の受光部があり、光伝送路の分岐部から受光部の間に設けられたそれぞれ波長の異なる光に分波する波長選択フィルターを有し、光導波路の光入射部側のコアの幅が端部に向けて徐々に拡がったテーパ状に形成され、光導波路の光出射部側が分岐部分の手前でコアの幅が徐々に拡がったテーパ状に形成され、さらに光導波路の光入射部の端部の幅が面発光素子の一端側の発光点と他端側の発光点との間の距離より大きく設定されている波長多重光伝送路構造からなることを特徴とする光モジュール。
2. 波長多重光伝送路構造の光入射部が、面発光素子から発光点の中心間距離が１０〜４０μｍである発光点からの光を入射するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 波長多重光伝送路構造の光導波路の光入射部のコアの幅が円弧をつなげた曲面状に拡がったテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
4. 波長多重光伝送路構造の光導波路の光出射部側の分岐部分の手前のコアの幅が円弧をつなげた曲面状に拡がったテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光モジュール。
5. 光素子は、その上面にレンズが一体に設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光モジュール。
6. レンズは半導体レンズであることを特徴とする請求項５に記載の光モジュール。
7. 光素子・電子部品搭載基板は、当該基板に立設された壁部に囲まれたキャビティ内に電子部品が搭載されており、当該キャビティはキャビティ内部の全面を含む一部が樹脂封止されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の光モジュール。
8. 光素子・電子部品搭載基板は、当該基板に立設された壁部に囲まれたキャビティ内に電子部品が搭載されており、当該キャビティは、透光性基板により封止されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の光モジュール。
9. 光素子・電子部品搭載基板における光素子およびドライバ集積回路装置の下面部の位置に形成された電極パターンの少なくとも一部がヒートスプレッダに接続されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の光モジュール。