JP5641056B2 - 光モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光モジュール及びその製造方法に関し、特に、光通信に用いられる光モジュール及びその製造方法に関する。

光ネットワークシステムのキーデバイスの一つに、光信号の送受信に必要な主要部品を一体化した光モジュールがある。光通信の受信機に用いられる光モジュールでは、例えば光ファイバ、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：ＰＤ）、トランスインピーダンスアンプ（Ｔｒａｎｓ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＴＩＡ）がセラミックパッケージに搭載されている。ここで、フォトダイオードは伝送路としての光ファイバから送られてきた光信号を光電変換し、トランスインピーダンスアンプはフォトダイオードの出力である電流信号をインピーダンス変換および増幅して電圧信号として出力する。
一方、近年の通信トラフィックの急激な増加により、光ネットワークシステムにおける伝送容量の拡大が必要とされている。光ネットワークシステムの高速・大容量化に伴い、光通信に用いられる光モジュールにおいても小型化、高速化が求められている。高速化のためには、光モジュールの内部を多チャンネル化する技術が知られている。例えば、伝送速度が１０Ｇｂｓ（Ｇｉｇａ ｂｉｔｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）のチャンネルを４チャンネル用いて４０Ｇｂｓとし、また２５Ｇｂｓのチャンネルを４チャンネル用いて１００Ｇｂｓの伝送速度を実現する光モジュールの開発が行われている。
光モジュールの小型化、高速化を図るためには、光モジュール内の光素子同士の光結合を高効率で行う必要があり、そのため高精度な実装精度が要求されている。このような高精度で光接続を行う光モジュールの一例が特許文献１に記載されている。
特許文献１に記載された光モジュールは、基板上に光素子アレイが載置され、この光素子アレイとアレイ外端に位置する光導波路チャンネルに光路変換ミラー構造を具備した光導波路アレイとが基板上で光学接続された構成としている。この光モジュール製造にあたっては、光素子アレイをバイアスの印加により駆動した状態で光導波路アレイを光素子アレイに接近させる。そして光導波路アレイチャンネルのそれぞれ両端に位置する光導波路チャンネルから、光路変換ミラーを介して出力される光信号をモニタしながら光導波路アレイチャンネルと光素子アレイとの光軸調芯を行う。その後、光信号の出力が所望の値となる位置で光導波路アレイを基板上に固定することとしている。このような構成により、光導波路アレイと光素子アレイとの高効率且つ安定な光接続を得ることができるとしている。
また、特許文献２には、光半導体素子に実装の際の位置合わせに利用される少なくとも一つの素子マーカが形成されるとともに、実装基板に実装の際の位置合わせに利用される少なくとも一つの実装マーカが形成された光モジュールが記載されている。この関連する光モジュールでは、素子マーカは半導体導波路と平行に且つ少なくともその端部が実装基板へ突き当たる端面にまで至るように形成されている。また、実装マーカは光導波路と平行に且つ少なくともその端部が光半導体素子へ突き当たる端面にまで至るように、しかも素子マーカと端部位置が揃うように形成されている。このような構成により、光導波路端面と半導体導波路端面との隙間はゼロとなるため、劈開精度に関係なく、全製品において結合効率を安定させることができるとしている。
特開２００９−２８８６１４（段落「００１５」、「００２０」、図１） 特開２００２−０６２４４７号公報（段落「００１１」、「００２６」、図１）

上述した特許文献１に記載された光モジュールにおいては、光信号をモニタしながら光導波路アレイチャンネルと光素子アレイとの光軸調芯を行うアクティブ調芯を用いているので、高精度な実装精度が得られる。しかしながら、高速化を図るため光モジュールにおけるチャンネル数を増加すると、実装時間が増大するという問題があった。
一方、光モジュールの多チャンネル化などにより、位置精度のみならず角度方向についても高精度な実装精度が要求されるなど、光モジュールの実装における難易度が高まっている。しかしながら、特許文献２に記載された光モジュールは、光素子にあらかじめ実装用アライメントマーカーを設けたパッシブ実装法であるため、実装精度の高度化が困難であるという問題があった。さらに、光モジュールの小型化などのため、光モジュール内で光学部品を立体的に配置する必要が生じている。しかし、光学部品同士が垂直方向で重なり合うためアライメントマーカーの検出が困難になり、実装位置がずれてしまうという問題があった。
このように、関連する光モジュールにおいては、光モジュールの高速化、小型化に伴って、実装精度の高度化を図るのが困難であり、また実装時間が増大する、という問題があった。
本発明の目的は、上述した課題である、光モジュールの高速化、小型化に伴って、実装精度の高度化を図るのが困難であり、また実装時間が増大する、という課題を解決する光モジュール及びその製造方法を提供することにある。

本発明の光モジュールは、モジュール基板と、モジュール基板上に配置された第１の光学部品と、第１の光学部品に対してモジュール基板に垂直な方向に離間して配置された第２の光学部品とを有し、第１の光学部品は、第２の光学部品と対向し光学的に接続する第１の光学主要部と、第１の光学主要部の周辺に位置し第２の光学部品と対向しない第１の周辺部とを含み、第１の周辺部に、第１の光学部品の配置位置の基準となる第１の基準マークを備え、第２の光学部品は、第２の光学部品の配置位置の基準となる第２の基準マークを備え、第１の基準マークと第２の基準マークは、モジュール基板に平行な平面に投影したとき同一直線上に配置している。
本発明の光モジュールの製造方法は、第１の光学主要部と第１の光学主要部の周辺に配置された第１の周辺部を有する第１の光学部品を形成し、第１の周辺部に、第１の光学部品の配置位置の基準となる第１の基準マークを形成し、第１の光学主要部と光学的に接続する第２の光学部品を形成し、第２の光学部品に、第２の光学部品の配置位置の基準となる第２の基準マークを形成し、第１の光学部品と第２の光学部品をモジュール基板上に搭載し、第１の光学主要部と第２の光学部品が対向し、第１の周辺部と第２の光学部品が対向しないように、第１の光学部品と第２の光学部品をモジュール基板に垂直な方向に離間して配置し、第１の基準マークと第２の基準マークが、モジュール基板に平行な平面に投影したとき同一直線上に配置するように位置合わせして固定する。

本発明の光モジュール及びその製造方法によれば、光モジュールの高速化、小型化に伴って要求される実装精度の高度化を図ることが可能であり、また、実装時間の増大を抑制することができる。

図１Ａは本発明の第１の実施形態に係る光モジュールの構成を示す平面図である。
図１Ｂは本発明の第１の実施形態に係る光モジュールの構成を示す側面図である。
図２は本発明の第１の実施形態に係る光モジュールの別の構成を示す平面図である。
図３は本発明の第１の実施形態に係る光モジュールのさらに別の構成を示す平面図である。
図４Ａは本発明の第２の実施形態に係る受光モジュールの構成を示す平面図である。
図４Ｂは本発明の第２の実施形態に係る受光モジュールの構成を示す側面図である。
図５Ａは本発明の第２の実施形態に係る受光モジュールの構成の一部を示す平面図である。
図５Ｂは本発明の第２の実施形態に係る受光モジュールの構成の一部を示す側面図である。
図６Ａは本発明の第２の実施形態に係る受光モジュールの製造方法を説明するための平面図である。
図６Ｂは本発明の第２の実施形態に係る受光モジュールの製造方法を説明するための側面図である。
図７Ａは本発明の第２の実施形態に係る受光モジュールの製造方法を説明するための平面図である。
図７Ｂは本発明の第２の実施形態に係る受光モジュールの製造方法を説明するための側面図である。

以下に、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。
〔第１の実施形態〕
図１Ａ、１Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る光モジュールの構成を示す図であり、図１Ａは平面図、図１Ｂは側面図である。本発明の光モジュール１００は、モジュール基板１１０、モジュール基板１１０上に配置された第１の光学部品１２０、および第１の光学部品１２０に対してモジュール基板１１０に垂直な方向に離間して配置された第２の光学部品１３０とを有する。
第１の光学部品１２０は、第２の光学部品１３０と対向し光学的に接続する第１の光学主要部１２１と、第１の光学主要部１２１の周辺に位置し第２の光学部品１３０と対向しない第１の周辺部１２２を含んで構成される。また、第１の周辺部１２２には、第１の光学部品１２０の配置位置の基準となる第１の基準マーク１２３が配置されている。一方、第２の光学部品１３０には、第２の光学部品１３０の配置位置の基準となる第２の基準マーク１３３が配置されている。そして、第１の基準マーク１２３と第２の基準マーク１３３は、モジュール基板に平行な平面に投影したとき同一直線（Ａ−Ａ）上に配置している。
このように、本実施形態の光モジュール１００においては、第１の基準マーク１２３が第２の光学部品１３０と対向しない第１の周辺部１２２に配置された構成としている。そのため、第１の光学部品１２０と第２の光学部品１３０がモジュール基板に垂直な方向に配置され、モジュール基板に平行な平面に投影したとき重なり合う領域がある場合であっても、第１の基準マーク１２３と第２の基準マーク１３３が重なり合うことはない。したがって、第１の基準マーク１２３と第２の基準マーク１３３が同一直線上に配置するように、第１の光学部品１２０と第２の光学部品１３０の位置合わせを行うことが可能になる。以上より、本実施形態によれば、光モジュールの高速化、小型化に対応した実装精度の高度化を図ることが可能であり、また、アクティブ調芯が不要であるので実装時間の増大を抑制することができる。
第１の光学主要部１２１には例えば、受光素子を含む構成を用いることができる。このとき、多チャンネル化に対応した複数の受光素子からなる受光素子アレイとしてもよい。これに限らず、第１の光学主要部１２１は半導体レーザなどの発光素子を含むこととしてもよい。また、多チャンネル化に対応した複数の半導体レーザからなる半導体レーザ・アレイを用いることもできる。
第２の光学部品１３０は例えば、反射鏡を含む構成とすることができる。反射鏡は、曲面からなる反射面を備えた集光ミラーであっても、レンズと平面ミラーを組み合わせた構成であってもよい。また、図１Ｂに示すように、第２の光学部品１３０は反射鏡１３１が平面光導波路（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＰＬＣ）基板１３２に接続された構成としてもよい。
なお、図１Ａでは、第１の光学部品１２０を構成する第１の周辺部１２２が、第２の光学部品１３０が占める領域を越えて配置している場合を示した。しかし、これに限らず、図２に示すように、第２の光学部品１３０が第１の周辺部１２２と対向する領域において切り欠いた構成であってもよい。この場合には、第１の光学部品１２０と第２の光学部品１３０を同一の外形寸法とすることができるので、光モジュール１００のさらなる小型化を図ることができる。
また、図１Ａでは、第１の光学部品１２０が第１の周辺部１２２に１個ずつ第１の基準マーク１２３を備え、第１の基準マーク１２３と第２の基準マーク１３３が２箇所で同一の直線（Ａ−Ａ）上に配置する場合について示した。しかし、これに限らず、図３に示すように、第１の周辺部１２２に２個ずつ第１の基準マーク１２３を備え、第１の基準マーク１２３と第２の基準マーク１３３が直線（Ａ−Ａ）に加えて第１の直線（Ｂ−Ｂ））と第２の直線（Ｃ−Ｃ）上に配置する構成としてもよい。この場合は、モジュール基板１１０に平行な平面上の２方向においてそれぞれ２箇所、合計４箇所で位置合わせを行うので、さらに実装精度を高度化することが可能となる。
次に、本実施形態の光モジュール１００の製造方法について説明する。以下では、第１の光学部品１２０として受光素子アレイを、第２の光学部品１３０として図１Ｂに示した平面光導波路（ＰＬＣ）基板１３２に接続された反射鏡１３１を用いた場合を例として説明する。
まず、半導体基板上に第１の光学主要部を構成する複数の受光素子と、第１の周辺部を構成する受光素子の両端部である半導体基板領域を備えた受光素子アレイを形成する。この半導体基板領域に第１の基準マークとして、例えば十字形のアライメントマーカーをエッチング処理などにより作成する。また、複数の受光素子と光学的に接続する反射鏡を形成し、この反射鏡にも第２の基準マークとして例えば十字形のアライメントマーカーを作成する。
次に、受光素子アレイと反射鏡をモジュール基板としてのセラミックパッケージに搭載する。本実施形態では、反射鏡１３１は図１Ｂに示すように平面光導波路（ＰＬＣ）基板１３２を介してセラミックパッケージに搭載した。このとき、複数の受光素子と反射鏡が対向し、半導体基板領域と反射鏡が対向しないように、受光素子アレイと反射鏡をセラミックパッケージの底面に垂直な方向に離間して配置する。つまり、受光素子アレイと反射鏡をセラミックパッケージ内で立体的に配置することにより、光モジュールの小型化を図ることできる。そして、受光素子アレイと反射鏡のそれぞれのアライメントマーカーがセラミックパッケージの底面に平行な平面に投影したとき同一直線上に配置するように位置合わせを行い、固定する。以上の工程により、光モジュール１００が完成する。
このように、本実施形態の光モジュールの製造方法によれば、受光素子アレイのアライメントマーカーが形成された半導体基板領域に対向する位置には反射鏡は形成されない。そのため、受光素子アレイと反射鏡のそれぞれのアライメントマーカーが重なり合うことがないので、光モジュールの小型化を実現した構成においても実装精度の高度化を図ることができる。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４Ａ、４Ｂは、本実施形態による受光モジュール２００の構成を示す図であり、図４Ａは平面図、図４Ｂは側面図である。また、図５Ａ、５Ｂは、本実施形態による受光モジュール２００の一部の構成を示す拡大図であり、図５Ａは平面図、図５Ｂは側面図である。本実施形態では光モジュールとして、ＤＰ−ＱＰＳＫ方式に対応したデジタルコヒーレントレシーバに用いられる受光モジュール２００に適用した場合を例として説明する。ここで、ＤＰ−ＱＰＳＫ方式とは、偏波多重４相位相変調（Ｄｕａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：ＤＰ−ＱＰＳＫ）方式のことを言う。
受光モジュール２００は、平面光導波路（ＰＬＣ）基板２１０、フォトダイオード（ＰＤ）２２０、および平面光導波路（ＰＬＣ）基板２１０から出射された光の光路変更を行いフォトダイオード（ＰＤ）２２０に結合させる集光ミラー２３０を有する。平面光導波路（ＰＬＣ）基板２１０は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）とビームスプリッタ（ＢＳ）を備え、コヒーレントミキサーとしての機能を有する。平面光導波路（ＰＬＣ）基板２１０は、光ファイバからの光を平面光導波路（ＰＬＣ）基板２１０に結合させるレンズ２１１とともに素子キャリア２１２に実装される。またフォトダイオード（ＰＤ）２２０は、インピーダンス変換増幅器（Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＴＩＡ）２２１および配線基板２２２とともに基板キャリア２２３に実装される。これらの部材がセラミックパッケージ２４０に収納され、受光モジュール２００を構成している。
ＤＰ−ＱＰＳＫ方式に対応した受光モジュール２００においては、信号光をＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分に分岐し、局部発振光と遅延干渉させることによって、２対からなる４種の信号、すなわち合計８ポート分の出力信号が得られる。これらの信号を差動型のインピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ）２２１で受信することにより、光ファイバを伝送してきた変調信号光を復調する。受光モジュール２００ではこのように、平面光導波路（ＰＬＣ）基板２１０からの８ポート分の光出力を受信するため、フォトダイオード（ＰＤ）素子が８個、信号復調のための差動型のインピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ）２２１は４個必要である。そのため、フォトダイオード（ＰＤ）２２０には８個のフォトダイオード（ＰＤ）素子からなるフォトダイオード（ＰＤ）アレイが用いられる。
ここで、フォトダイオード（ＰＤ）２２０とインピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ）２２１との間の距離が長くなると高周波特性が悪化する。したがって、良好な電気特性を得るためには、フォトダイオード（ＰＤ）２２０とインピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ）２２１は可能な限り接近させて実装することが望ましい。そこで、フォトダイオード（ＰＤ）２２０とインピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ）２２１を隣接して配置し、平面光導波路（ＰＬＣ）基板２１０からの出射光を折り曲げてフォトダイオード（ＰＤ）２２０で受光する構成とした。これにより、受光モジュール２００の高速化、小型化を図ることができる。
実装時間の増大を抑制するためにはアクティブ調芯を用いないで、フォトダイオード（ＰＤ）２２０と集光ミラー２３０に設けたアライメント用マーカーの位置精度のみを基準として集光ミラー２３０の搭載を行う必要がある。
一方、関連するパッシブ実装法では、アライメント用マーカーをフォトダイオード（ＰＤ）およびミラーに設け、それぞれのマーカーが重なるように実装を行う。しかしながら、この場合、フォトダイオード（ＰＤ）上のマーカーがミラーの影に重なり、マーカーの重なりが確認できないという問題が生じる。また、マーカー確認用レーザ光の波長に対する透過率が大きい材料をミラーの材料に用いた場合であっても、屈折により光路が微妙にずれるため、高精度な実装を行うことが困難である。
そこで、本実施形態においては図５Ａに示すように、集光ミラー２３０と対向しないフォトダイオード（ＰＤ）２２０の周辺部に第１のアライメントマーカー２２４を設けることとした。これにより、第２のアライメントマーカー２３１を備えた集光ミラー２３０の実装時にアライメントマーカーが集光ミラー２３０の影に隠れ、アライメントマーカーの重なりが確認できないという問題を解決することができる。そして、第１のアライメントマーカー２２４と第２のアライメントマーカー２３１が一直線上に配置するように実装することにより、高精度な実装を行うことを可能とした。
次に、本実施形態の受光モジュール２００の製造方法について説明する。図６Ａ、６Ｂおよび図７Ａ、７Ｂは、本実施形態による受光モジュール２００の製造方法を説明するための図であり、それぞれ図６Ａ、図７Ａは平面図、図６Ｂ、図７Ｂは側面図である。
図６Ａ、６Ｂに示すように、まず、基板キャリア２２３上に高周波用電気配線を備えた配線基板２２２を搭載し、インピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ）２２１を配線基板２２２の配線パターンを基準として基板キャリア２２３上に実装する。続いて、８個のフォトダイオード素子を含むフォトダイオード（ＰＤ）２２０をインピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ）２２１に合わせて実装する。
次に、図７Ａ、７Ｂに示すように、素子キャリア２１２に搭載された平面光導波路（ＰＬＣ）基板２１０の出射端に集光ミラー２３０を実装する。続いて、フォトダイオード（ＰＤ）２２０などを搭載した基板キャリア２２３をセラミックパッケージ２４０内に実装する。最後に、集光ミラー２３０などを搭載した素子キャリア２１２をセラミックパッケージ２４０内に実装する。このとき、８個のフォトダイオード素子と集光ミラー２３０が対向し、フォトダイオード素子が形成されていないフォトダイオード（ＰＤ）２２０の周辺部と集光ミラー２３０が対向しないように、セラミックパッケージ２４０の底面に垂直な方向に離間して配置する。そして、フォトダイオード（ＰＤ）２２０のフォトダイオード素子が形成されていない周辺部に設けた第１のアライメントマーカー２２４と、集光ミラー２３０に設けた第２のアライメントマーカー２３１を用いて位置合わせを行う。すなわち、第１のアライメントマーカー２２４と第２のアライメントマーカー２３１が、セラミックパッケージ２４０の底面に平行な平面に投影したとき同一直線上に配置するように位置合わせして固定する。
このように、本実施形態の受光モジュールの製造方法によれば、フォトダイオード素子が形成されていないフォトダイオード（ＰＤ）２２０の周辺部には対向する集光ミラー２３０が配置されていない。そのため、フォトダイオード（ＰＤ）２２０と集光ミラー２３０のそれぞれのアライメントマーカーが重なり合うことがないので、受光モジュールの高速化、小型化を実現した構成においても実装精度の高度化を図ることができる。
本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
この出願は、２０１０年１２月２１日に出願された日本出願特願２０１０−２８４１４０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００ 光モジュール
１１０ モジュール基板
１２０ 第１の光学部品
１２１ 第１の光学主要部
１２２ 第１の周辺部
１２３ 第１の基準マーク
１３０ 第２の光学部品
１３１ 反射鏡
１３２ 平面光導波路（ＰＬＣ）基板
１３３ 第２の基準マーク
２００ 受光モジュール
２１０ 平面光導波路（ＰＬＣ）基板
２１１ レンズ
２１２ 素子キャリア
２２０ フォトダイオード（ＰＤ）
２２１ インピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ）
２２２ 配線基板
２２３ 基板キャリア
２２４ 第１のアライメントマーカー
２３０ 集光ミラー
２３１ 第２のアライメントマーカー
２４０ セラミックパッケージ

Claims (6)

1. モジュール基板と、
   前記モジュール基板上に配置された第１の光学部品と、
   前記第１の光学部品に対して前記モジュール基板に垂直な方向に離間して配置された第２の光学部品
   とを有し、
   前記第１の光学部品は、前記第２の光学部品と対向し光学的に接続する第１の光学主要部と、前記第１の光学主要部の周辺に位置し前記第２の光学部品と前記モジュール基板に垂直な方向に対向しない複数の第１の周辺部とを含み、
   前記第１の周辺部に、前記第１の光学部品の配置位置の基準となる第１の基準マークを備え、
   前記第２の光学部品は、前記第２の光学部品の配置位置の基準となる複数の第２の基準マークを備え、
   前記第１の基準マークと前記第２の基準マークの複数の組が、前記モジュール基板に平行な平面に投影したとき同一直線上に配置している
   光モジュール。
2. 請求項１に記載した光モジュールにおいて、
   前記第１の光学主要部は複数の光学素子を含む光モジュール。
3. 請求項１または２に記載した光モジュールにおいて、
   前記第１の周辺部に、複数の前記第１の基準マークを備え、
   前記第１の基準マークと前記第２の基準マークは、前記モジュール基板に平行な平面に投影したとき、複数の同一直線上にそれぞれ配置している光モジュール。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載した光モジュールにおいて、
   前記第１の光学部品は、受光素子を含み、前記第２の光学部品は反射鏡を含む光モジュール。
5. 請求項１から３のいずれか一項に記載した光モジュールにおいて、
   前記第１の光学部品は、発光素子を含み、前記第２の光学部品は反射鏡を含む光モジュール。
6. 第１の光学主要部と前記第１の光学主要部の周辺に配置された複数の第１の周辺部を有する第１の光学部品を形成し、
   前記第１の周辺部に、前記第１の光学部品の配置位置の基準となる第１の基準マークを形成し、
   前記第１の光学主要部と光学的に接続する第２の光学部品を形成し、
   前記第２の光学部品に、前記第２の光学部品の配置位置の基準となる複数の第２の基準マークを形成し、
   前記第１の光学部品と前記第２の光学部品をモジュール基板上に搭載し、
   前記第１の光学主要部と前記第２の光学部品が対向し、前記第１の周辺部と前記第２の光学部品が前記モジュール基板に垂直な方向に対向しないように、前記第１の光学部品と前記第２の光学部品を前記モジュール基板に垂直な方向に離間して配置し、
   前記第１の基準マークと前記第２の基準マークの複数の組が、前記モジュール基板に平行な平面に投影したとき同一直線上に配置するように位置合わせして固定する
   光モジュールの製造方法。