JP6286989B2 - 光導波路型モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路型モジュールおよびその製造方法に関し、特に光通信用の半導体素子と光導波路基板とを用いて光電気信号変換を行う光導波路型モジュールおよびその製造方法に関する。

近年のＬＳＩ等のデバイスの高速化技術の発展にともなって、電気的な通信方法の速度限界が問題となっていた。そのため、電気的な通信方法の代替として、光通信・光情報処理等の開発・研究が進められている。光導波路型モジュールは、光通信の伝送路である光導波路を備えるモジュールである。光信号または電気信号の入力を受け付け、相互に変換し、出力を行う機能を持つ部品である。

特許文献１には、このような光導波路型モジュールの一例が示されている。
特許文献１に記載された光導波路型モジュールは、光導波路が形成された光導波路基板と受光素子とを有する光導波路型モジュールである。光導波路基板の一端部には、光導波路に交差する方向の面であり、光導波路のコアの端面が露出しているフィルタ接合面と、フィルタ接合面に対して平行な面であり、フィルタ接合面よりも外側に出っ張った位置にある配線基板接合面とが設けられている。フィルタ接合面にはフィルタが接合されており、配線基板接合面には配線基板の一部が接合されている。配線基板には受光素子が、受光素子の受光領域が形成されている面が配線基板のフィルタ接合面側の面に対向するように実装されている。配線基板は光導波路基板に対して、受光素子の受光領域が形成されている面と反対側の面が、光導波路のコアの端面と対向するように位置決めされて固定されている。

一方、光導波路型モジュールにおいては、通信の高速化のために、電気配線に存在する静電容量を低減することが好ましい。そのためには配線長はできる限り短い方が好ましい。また光素子の受発光領域の面積はできる限り小さい方が好ましい。

また、光導波路型モジュールに用いる光導波路基板の素材は、石英（ＳｉＯ_２）が主流であったが、近年はシリコン（Ｓｉ）による光導波路の開発が進んでいる。シリコン（Ｓｉ）は石英（ＳｉＯ_２）と比較して安価であるため光導波路の製作コストの低減に適している。また、シリコン（Ｓｉ）は石英（ＳｉＯ_２）と比較して屈折率が高いため光導波路の小型化に適している。しかし、シリコン（Ｓｉ）は石英（ＳｉＯ_２）と比較して屈折率が高いためシリコンによる光導波路の端面からの光の放射角度は、石英による光導波路に比べて２倍程度である（全角で８０度程度）。

特開２００８−１７０８６８号公報

上述の特許文献１に記載された光導波路型モジュールでは、光素子と信号増幅用素子との間を結ぶ電気配線が数ｍｍ程度の長さを必要としている。そのため、電気配線に存在する静電容量等により電気信号が劣化し、２５Ｇｂｐｓ以上の高速通信に対応できないという問題があった。

また、小型化、低コスト化のためにシリコン光導波路を採用すると、空気の屈折率との違いから、シリコン（Ｓｉ）による光導波路の端面からの光の放射角度は、石英（ＳｉＯ_２）による光導波路に比べて２倍程度（全角で８０度程度）に広がってしまう。そのため、光結合効率が低下し、受光素子の感度が劣化するという問題があった。

このように、関連する光導波路型モジュールでは、低コストな構造で、さらなる高速化に対応するのが困難である、という課題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、低コストな構造で、さらなる高速化に対応するのが困難である、という課題を解決する光導波路型モジュールを提供することにある。

本発明の光導波路型モジュールは、光導波路が形成された光導波路基板と、光導波路と光学的に接続し、光信号を送受信する光電素子と、インターポーザ基板と、信号増幅用素子とを有し、インターポーザ基板は、表面側電極と、側面側電極と、表面側電極と側面型電極を接続する接続配線とを備え、表面側電極は、光電素子と電気的に接続し、信号増幅用素子は、側面側電極と接合材を介して電気的に接続している。

本発明の光導波路型モジュールの製造方法は、光電素子をインターポーザ基板の表面に固定し、インターポーザ基板の側面側電極と裏面側電極を外部を通して接続する外部配線を形成し、外部配線を介して光電素子に給電し、光電素子の動作特性を計測し、光電素子の光導波路基板に対する位置を調整しながら、動作特性が最も良好となる最適位置を決定し、光電素子を最適位置に固定する。

本発明の光導波路型モジュールおよびその製造方法によれば、低コストな構造で、さらなる高速化に対応することができる。

本発明の第１の実施形態に係る光導波路型モジュールの構成を示す図であり、光導波路の中心を通る面で切断した断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る光導波路型モジュールの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る光導波路型モジュールの製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る光導波路型モジュールの構成を示す側面図であり、インターポーザ基板の裏面側から見た図である。 本発明の第２の実施形態に係る光導波路型モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る光導波路型モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る光導波路型モジュールの構成を示す断面図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。
[第１の実施形態]
本実施形態では、インターポーザ基板に表面側電極と側面側電極を電気的に接続する外部配線を設けてインターポーザ基板の表面側に裏面から光を入出力するタイプの光電素子を実装し、インターポーザ基板の側面側電極と信号増幅用素子を電気的に接続する構成とした。これにより、２５Ｇｂｐｓといった高速信号の通る光電素子と信号増幅用素子との間を結ぶ電気配線の長さを短縮している。

またインターポーザ基板の外部配線の一部に除去可能な導電線を設け、その導電線が接続している場合に光電素子に対して通電プローブ等を用いて外部から給電できる構造とした。これにより、
アクティブアライメントが可能になる。すなわち、光電素子を電気的に動作させつつ光導波路基板の光導波路に光を導入することによって、光モジュールとしての動作特性を計測しながら光導波路と光電素子との位置関係を最も動作特性の高い位置に調整を行うことができる。例えばφ２０μｍといった小さな受発光領域（機能部）を有する高速用の光電素子を光モジュール製品に適用することが容易となる。

さらに光導波路基板に対して光電素子を位置調整した上で固定した後、前述の外部から光電素子に対して給電するための導電線を除去する。これにより、実装した後は、高速信号の通る電気配線はインターポーザ基板の表面側と側面側を接続する接続配線となり、その長さを必要最小限に短縮でき、電気配線に存在する静電容量を低減できる。

また光電素子の光導波路基板と対向する面に凸となるレンズを有する光電素子を光導波路基板の側面に固定することにより、光導波路の端面から全角で８０度程度と広い角度で出射する光を効率的に集光することが可能である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る光導波路型モジュールの構成を示す図であり、光導波路の中心を通る面で切断した断面図である。

本発実施形態の光導波路型モジュールは、光導波路８が形成された光導波路基板１と、光導波路８と光学的に接続し、光信号を送受信する光電素子２と、インターポーザ基板４と、信号増幅用素子６とを有する。インターポーザ基板４は、表面側電極と、側面側電極と、表面側電極と側面側電極とを接続する接続配線とを備える。表面側電極は、光電素子２と電気的に接続している。信号増幅用素子６は、側面側電極と接合材７を介して電気的に接続している。

光導波路基板１は、シリコン（Ｓｉ）の基板の表面に半導体プロセスを施すことで光導波路８を形成した光導波路基板である。光導波路８は光通信で用いられる赤外波長のレーザ光を透過する光導波路とすることができる。光導波路８の素材としてはシリコン（Ｓｉ）の他にも例えば、石英（ＳｉＯ_２）や有機素材を用いることができる。

光電素子２は発光もしくは受光を行う光半導体素子である。光電素子２の素材としては例えばＩｎＰやＧａＡｓなどの化合物半導体がある。光電素子２の表面側には発光または受光を行う機能部を備える。また光電素子２の入出射側である裏面側には、光電素子２と光導波路８との結合効率を向上するためのレンズの役割を果たす曲面が形成されている。レンズは、光電素子２が受光素子の場合は光導波路８の端面から放射される光を機能部に集光し、光電素子２が発光素子の場合は光電素子から出力される光を光導波路８の端面に集光する。

光電素子２はその裏面側が接合材３を介して光導波路基板１の端面に固定されている。接合材３は例えばエポキシ樹脂等の接着剤である。また、光電素子２はインターポーザ基板４に実装する。

インターポーザ基板４は例えばセラミックや有機材料からなる配線基板である。インターポーザ基板４の内部には表面側電極と側面側電極を接続する接続配線が形成されている。

インターポーザ基板４の側面側電極と信号増幅用素子６とは接合材７を介して電気的に接続する。接合材７は例えば銀ペースト等の導電性接着剤である。また、インターポーザ基板４の外側の背面には、側面側電極と裏面側電極を電気的に接続する外部配線としての導電線５を設ける。導電線５は例えばワイヤボンディングで用いられる金からなる線材（金ワイヤ、金リボン）等や、レーザ加工等の後工程によって分断・除去可能な配線パターン等である。導電線５は、少なくとも側面側電極近傍で切断可能な部位を有する
光導波路基板１および信号増幅用素子６はそれぞれベース９の上に固定される。

次に、本実施形態の光導波路型モジュールの製造方法について説明する。

本実施形態の光導波路型モジュールの製造方法は、まず、光電素子２をインターポーザ基板４の表面に実装する。インターポーザ基板４に給電する導電線５を形成し、導電線５を介して光電素子２に給電しながら、光電素子２の動作特性を計測する。このとき、光電素子２の光導波路基板１に対する位置を調整しながら、最も動作特性が良好となる最適位置を決定し、光電素子２をその最適位置に固定する。

本実施形態による光導波路型モジュールの製造方法について、図３を用いてさらに詳細に説明する。

まず、光電素子２をインターポーザ基板４の表面に実装する（ステップＳ１）。実装材料としては例えば金錫はんだがある。実装材料は後工程の組立時の加熱で再溶融して電気的な接続が外れたり固定位置がずれたりするおそれのないように高融点とする。

次に、インターポーザ基板４に導電線５を形成する（ステップＳ２）。導電線５は、後工程において必要な光電素子２への給電を行うための外部配線である。

次に、インターポーザ基板４に実装された光電素子２を接合材３を介して光導波路基板１に仮止めする（ステップＳ３）。これは、例えば１０グラム重（ｇｆ）といった軽微な荷重で圧力をかけることにより行う。

次に、光導波路基板１と光電素子２との接着面の面内方向の位置調整を行う（ステップＳ４）。この位置調整にはアクティブアライメント方式を用いる。つまり、導電線５を介して光電素子２に給電し、光電素子２の動作特性を計測する。このとき、光電素子２の光導波路基板１に対する位置を調整しながら最も動作特性が良好となる最適位置を決定し、光電素子２をその最適位置に固定する。ここでの動作特性とは、光電素子２が発光素子である場合は裏面型光素子２から出射して光導波路８を通る光の強度であり、光電素子２が受光素子である場合は光導波路８を通って光電素子２に入射する光の強度である。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る製造方法を説明するための断面図である。光電素子２に給電するために、例えば通電プローブ１４のようなツールをインターポーザ基板４の表面側電極に接触させる。この通電プローブ１４と導電線５とを通じてインターポーザ基板４の接続配線に通電し、光電素子２に給電する。これにより、光電素子２が受光素子の場合は受光機能を、あるいは光電素子２が発光素子場合は発光機能を実現することができる。

次に、接合材３を硬化させて光導波路基板１と光電素子２とを固定する（ステップＳ５）。接合材の性質に応じて硬化の手段は適宜変更してよい。例えば、接合材３が加熱により硬化するタイプの接着剤である場合はヒータ等により加熱を行ってもよい。あるいは接合材３が光照射により硬化するタイプの接着剤である場合は光線を接合材３に照射することとしてもよい。

次に、インターポーザ基板４の裏面に設けた導電線５を分断・除去（切除）する（ステップＳ６）。この時、導電線５を少なくとも側面側電極近傍で切除する。例えば導電線５が電線の場合は、その両端を切断することで除去すればよい。あるいは導電線５が配線パターンの場合は、レーザ加工等で切除することができる。

導電線５を分断・除去することにより、外部配線に寄生する静電容量を除去できる。ここで、光電素子２と信号増幅用素子６との接続は、インターポーザ基板４の表面側電極から側面側電極に至る最短の接続配線となる。このため、光電素子２および信号増幅用素子６の動作特性の向上を図ることができる。

次に、ベース９に信号増幅用素子６を実装する（ステップＳ７）。実装材料は、例えば銀ペーストといった熱により硬化する導電性接着剤などであってよい。信号増幅用素子６はその接続端子が上になるようにする。

次に、ベース９に光導波路基板１を実装する（ステップＳ８）。その際にインターポーザ基板４の側面側電極が信号増幅用素子６の所定の電極と接合材７を介して電気的に接続するように位置調整する。

最後に、例えばヒータのような加熱器具等を用いて光導波路基板１および信号増幅用素子６を実装している実装材料と接合材７を同時に硬化して固定する（ステップＳ９）。

図４は、本実施形態に係る光導波路型モジュールの一例をインターポーザ基板の裏面側から見た図である。ここでは一例として、光電素子２に４つの機能部１５が１列に並んでいる場合を示す。

図４の例では、光導波路基板１と光電素子２との接着面の面内方向の位置調整を行う工程（ステップＳ４）を示す。ここで、インターポーザ基板４の表面側に露出する２箇所の通電プローブ用電極（Ｓｉｇｎａｌ用）１６および１箇所の通電プローブ用電極（ＧＮＤ用）１７に対して通電プローブを接触させて給電する。このような構成とすることにより、光電素子２の両端にある２箇所の発光または受光を行う機能部１５を動作させることができる。

図４に示す例では、光導波路基板１の４つの光導波路８と光電素子２の４箇所の機能部１５の間隔が、半導体プロセスによる製造精度である±０．１μｍ以下の高精度で形成されている。このような場合、４箇所のうち両端の２箇所について位置調整を行うことで、４箇所全ての光導波路および光電素子２の発光または受光を行う機能部１５の相対的な位置調整が可能である。また、図４に示す例では、側面側電極１８がインターポーザ基板４の裏面側に回りこんでいる。

以上のような構成とすることにより、本発明の第１の実施形態は以下の様な効果を奏する。

第１の効果は、光電素子と信号増幅用素子との間で２５Ｇｂｐｓ以上の高速信号を伝送させることができるという効果である。その第１の理由は、インターポーザ基板の表面側電極と側面側電極を接続する接続配線により光電素子と信号増幅用素子との間を０．５ｍｍ未満といった短距離の配線長さで接続できるからである。また第２の理由は、光導波路型モジュールの組立工程（ステップＳ４）において用いる導電線５を除去することにより、配線に存在する静電容量を低減することができるからである。

第２の効果は、受発光領域の面積の小さい受発光領域を有する高速用の光電素子を用いることができるという効果である。その理由は、光導波路基板１と光電素子２との接着面の面内方向の位置調整を行う工程（ステップＳ４）において、光電素子２に給電し、動作特性を計測しながら最も動作特性が良好となる最適位置を決定する、アクティブアライメント方式による高精度の位置調整を行うことができるからである。

第３の効果は、高屈折率であるシリコン（Ｓｉ）による光導波路を採用することにより小型かつ低コストの光導波路基板を用いることができるという効果である。その理由は、光電素子２に形成されたレンズによって、シリコン（Ｓｉ）による光導波路から広角度で出射する放射光を効率的に集光することができるからである。
［第２の実施形態］
図５は本発明の第２の実施形態に係る光導波路型モジュールの構成を示す断面図である。本発明の第２の実施形態においては、インターポーザ基板４と信号増幅用素子６とをＡｕワイヤまたはＡｕリボンにより接続している。ＡｕワイヤおよびＡｕリボンは接続特性に優れた高速信号配線であり、２５Ｇｂｐｓ以上の高速通信にも対応することが可能である。
［第３の実施形態］
図６は本発明の第３の実施形態に係る光導波路型モジュールの構成を示す断面図である。本発明の第３の実施形態においては、レンズ１１と光電素子２を別構成とした。光電素子は製造の難易度が高く、また製造メーカが限定的であるため高価である。本実施形態のような構成とすることにより、レンズ１１および光電素子２を別々に作製できるため、製造メーカや各部品の材質等の選択に多様性をもたせることができる。また、低価格化も期待できる。
［第４の実施形態］
図７は本発明の第４の実施形態に係る光導波路型モジュールの構成を示す断面図である。本発明の第４の実施形態においては、光導波路基板１とレンズ１１との間にスペーサ１３を挟んだ構成とした。このような構成とすることにより、凸部を備えたレンズ１１を強固に固定することができる。また、スペーサの透過率や厚さを適宜選択することによって、光導波路基板１とレンズ１１との光学的設計を調整することができる。

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。

１ 光導波路基板
２ 光電素子
３ 接合材
４ インターポーザ基板
５ 導電線
６ 信号増幅用素子
７ 接合材
８ 光導波路
９ ベース
１０ ＡｕワイヤおよびＡｕリボン
１１ レンズ
１３ スペーサ
１４ 通電プローブ
１５ 機能部
１６ 通電プローブ用電極（Ｓｉｇｎａｌ用）
１７ 通電プローブ用電極（ＧＮＤ用）

Claims (10)

1. 光導波路が形成された光導波路基板と、前記光導波路と光学的に接続し、光信号を送受信する光電素子と、インターポーザ基板と、信号増幅用素子とを有し、前記インターポーザ基板は、表面側電極と、側面側電極と、前記表面側電極と前記側面側電極を接続する接続配線とを備え、前記表面側電極は、前記光電素子と電気的に接続し、前記信号増幅用素子は、前記側面側電極と接合材を介して電気的に接続し、
   前記インターポーザ基板は、裏面側電極と前記側面側電極と前記裏面側電極を接続する外部配線とを有し、
   前記外部配線は、少なくとも前記側面側電極近傍で切断可能な部位を有する
   光導波路型モジュール。
2. 前記外部配線は、金ワイヤおよび金リボンのいずれか一方である請求項１に記載した光導波路型モジュール。
3. 光導波路が形成された光導波路基板と、前記光導波路と光学的に接続し、光信号を送受信する光電素子と、インターポーザ基板と、信号増幅用素子とを有し、前記インターポーザ基板は、表面側電極と、側面側電極と、前記表面側電極と前記側面側電極を接続する接続配線とを備え、前記表面側電極は、前記光電素子と電気的に接続し、前記信号増幅用素子は、前記側面側電極と接合材を介して電気的に接続し、
   前記側面側電極は、前記インターポーザ基板の裏面側に回り込んでおり、
   前記接合材は、金ワイヤおよび金リボンのいずれか一方であり、前記裏面側に回り込んだ前記側面側電極と前記信号増幅用素子を接続している、
   光導波路型モジュール。
4. 前記インターポーザ基板は、裏面側電極と前記側面側電極と前記裏面側電極を接続する外部配線とを有し、
   前記外部配線は、少なくとも前記側面側電極近傍で切断可能な部位を有する
   請求項３に記載した光導波路型モジュール。
5. 前記光電素子と光学的に接続する凸型の曲面形状を有するレンズをさらに備え、前記レンズの凸型の曲面形状が、前記光導波路と対向している請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載した光導波路型モジュール。
6. 前記接合材は、導電性接着剤である請求項１から５のいずれか１項に記載した光導波路型モジュール。
7. 表面側電極と、側面側電極と、前記表面側電極と前記側面側電極を接続する接続配線と、前記側面側電極と裏面側電極を外部を通して接続する外部配線を有するインターポーザ基板の表面側電極に光電素子を電気的接続し、
   給電端子を前記インターポーザ基板に形成された第四の電極を介して前記外部配線に電気的に接続することにより、前記外部配線を介して前記光電素子に給電し、前記光電素子の動作特性を計測し、前記光電素子の光導波路基板に対する、前記光導波路基板と前記光電素子との接着面の面内方向の位置を調整しながら、前記動作特性が最も良好となる最適位置を決定し、
   前記光電素子を前記最適位置に前記光導波路基板と共に固定する
   光導波路型モジュールの製造方法。
8. 前記光電素子を前記最適位置に固定した後に、前記外部配線を少なくとも側面側電極近傍で切除する請求項７に記載した光導波路型モジュールの製造方法。
9. 前記光電素子を前記最適位置に固定した後に、信号増幅用素子と前記側面側電極と接合材を介して電気的に接続する請求項７に記載した光導波路型モジュールの製造方法。
10. 前記光電素子にレンズを形成し、
    その後に前記レンズが形成された光電素子を前記インターポーザ基板の表面に固定する請求項７から９のいずれか１項に記載した光導波路型モジュールの製造方法。

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