JP4134942B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は光モジュールに関し、特に透明プレートの一面に実装される面型光素子および反対面に配置される光結合手段を備え、この光結合手段を介して面型光素子から又は面型光素子へ光を入出力する光モジュールに関する。

光ファイバ通信等で使用する発光、受光および増幅等を行うユニット又は装置は、半導体レーザ（発光素子）又は受光素子およびレンズ等の光学系を光モジュールとして一体化するのが一般的である。

また、光通信や光インターコネクション等の分野において、光モジュール内部における発光素子や受光素子等の光素子と、レンズ等の光結合系、更には光ファイバ又は光コネクタとを高精度でアライメントし、光信号を有効に取り出すことが必要である。また、上述した部品又はデバイス間の位置が環境温度変動により変化すると、通信における誤りの原因となるため、それら部品間の位置精度は温度変動に対して一定であることが必須である。

斯かる光モジュールの従来例は、種々の文献に開示されている。光機能素子をその素子の基板以外の別基板を使用して実装する場合に、電極パッドを使用して歩留まりおよび生産性を上げる光機能素子装置等を開示している（例えば、特許文献１参照）。また、耐熱性を有する光透過性基板の凹部にチップ（光素子）を配置すると共に、この光透過性基板にレンズを一体的に形成することにより耐熱サイクル性を向上させる光デバイスおよびその製造方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

図３は、上述した特許文献１に開示される従来の光機能素子装置（又は光モジュール）の実装構造を示す。図３に示す光モジュール３０は、下面に電極３４を有する光素子３２、それぞれ上下面に電極３６およびレンズ３８が形成されたサブマウント３９および電極３４および電極３６間を相互接続するバンプ（接合用金属）３３により構成される。

即ち、図３に示す光モジュール３０では、面発光レーザ（Vertical
Cavity Surface Emitting Laser : ＶＣＳＥＬ）である光素子３２が、その発光領域に対応する電極パッド３４に合うようにサブマウント３９の上に形成された電極３６に接合用金属３３により実装されている。ここで、サブマウント３９は、ガラス基板により屈折率分布を形成したマイクロレンズ３８がアレイ化されている。電極３４、３６の接合により形成された空隙３５には、そのまま又はレーザ光に対して吸収、散乱の少ない樹脂等を充填する。ＶＣＳＥＬ３２およびサブマウント３９を、ＶＣＳＥＬ３２を光らせながらマイクロレンズ３８を通して出力光をモニタすることで相互のアライメントを精度良く行うことを可能にしている。

また、図４は、上述した特許文献２に開示される従来の光モジュールの実装構造を示す。この光モジュール４０は、上面に凹部４７および下面にレンズ４８が形成された光透過性基材４１、その凹部４７に沿って形成された電極４６、凹部４７内に配置されるチップ（光素子）４２を有するモールド部４９により構成される。

即ち、図４に示す光モジュール４０は、受光部を備えるチップ４２が、レンズ部４８を備える基材４１の凹部４７にバンプ４３により実装されている。レンズ部４８を有する基材４１の下面の反対側に凹部４７を設け、この凹部４７にチップ４２を搭載したモールド部４９を挿入した構成となっている。モールド部４９は、フィラー抜きのエポキシ樹脂でモールドされている。基材４１の材料は、フィラー抜きのエポキシ樹脂よりも熱膨張率が小さい材料であり、そのため熱応力が発生しにくくなり、温度変化に対する基材４１の変形量を小さくしてチップ４２が基材４１から剥離するのを防止している。

更に、関連する従来技術として、透明シート上の電極にバンプを介して接続された光素子からの光を、透明シートを介して取り出すレンズによる光取り出し部を設ける光電気複合モジュールが開示されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０００−４９４１４号公報（第９−１０頁、第１１図） 特開２００２−１１８２７０号公報（第３頁、第３図） 特開２００４−３１５０８号公報（第５頁、第１図）

上述の如き従来技術には、次の如き課題を有する。即ち、特許文献１に開示される如くサブマウント内にレンズが埋め込まれた構造では、温度変動によりレンズを搭載したサブマウントおよび光素子を搭載した基板の膨張に差が生じてレンズの光軸と光素子の光軸のずれが避けられない。また、特許文献２に開示される如くレンズ部を有する基材のレンズ部を設けた面の反対側に凹部を設け、この凹部にチップを搭載したモールド部を挿入した構成とすると、チップへの配線は、このモールド部と凹部の隙間に位置する。このため、この配線を通すための隙間が必要なため、モールド部の熱膨張により、レンズ部の光軸とチップ内の光素子の光軸のずれを防止できない。また、特許文献３に開示される如く透明プレートの光素子実装面との反対面に、光素子実装領域より小さい面積の光結合系を配置する構成では、光素子および光結合系のアライメントが困難であると共に光結合系と透明プレートの十分な固着強度を得るのが困難である。特に、複数の光素子が並列に配置されているアレイ状の光素子を含む場合には、製造作業が困難である。以上のように、従来技術では、熱膨張に起因する、光素子の光軸とレンズの光軸との変位を防止することができず、高精度の光モジュールを得るのが困難であるのみならず、製造作業性に劣る等の課題を有する。

本発明は従来技術の、上術した課題に鑑みなされたものであり、温度変化に対して安定し且つ製造が容易である光モジュールを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため本発明による光モジュールは次のような特徴的な構成を採用している。

（１）透明プレートの一面に面型光素子を実装し、前記透明プレートの前記面型光素子の実装面と反対面に前記面型光素子に対して光軸結合をとることができる光結合手段を固着し、該光結合手段を介して前記面型光素子から又は該面型光素子へ光を入出力する光モジュールにおいて、
前記光結合手段は、前記透明プレートよりも熱膨張係数の小さい材料とし、前記光結合手段の前記透明プレートとの接触面積を前記面型光素子の実装領域より大きくする光モジュール。

（２）前記光結合手段は、レーザ光を透過する接着剤により前記透明プレートに固着される上記（１）の光モジュール。

（３）前記透明プレートへの前記光結合手段の固着は、塗布型ガラス、ＵＶ硬化樹脂、エポキシ系樹脂により行う上記（２）の光モジュール。

（４）前記面型光素子は、アレイ状の複数の面型光素子であり、前記光結合手段は、前記複数の面型光素子に対応する複数のレンズが形成された一体構造であり、該複数のレンズを前記複数の面型光素子に光軸結合して前記透明プレートに固着される上記（１）乃至（３）のいずれかの光モジュール。

本発明の光モジュールによると、次の如き実用上の顕著な効果が得られる。即ち、透明プレートの一面に面型光素子を接続し、反対面にレンズ等の光結合系を配置して面型光素子からの又は面型光素子への光の入出力を行う光モジュールにおいて、光結合系の面積を面型光素子の実装領域の面積と同等以上の面積にすると共に光結合系として熱膨張係数の小さい材料を選定するので、面型光素子および光結合系の光軸を温度変化に対して安定化した高精度の光モジュールが得られる。また、本発明によると、アレイ状の複数の面型光素子を含む光モジュールであっても、光結合系を一体的構成として、優れた作業性で製造可能である。

以下、本発明による光モジュールの好適実施例の構成および動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。

先ず、図１は、本発明による光モジュールの好適実施例の側断面図である。この光モジュール１０は、電極１４が形成された光素子１２、この光素子１２の電極１４に対応する電極１６を有する透明プレート１７、電極１４および１６間に配置され、これら電極１４、１６間を相互接続するバンプ（接合用金属）１３およびレンズ１８が形成された光結合系１１により構成される。尚、面型光素子１２および透明プレート１７間には、バンプ１３により両者が相互接続された状態で、間隙１５が生じる。

透明プレート１７の片側（図１中の下側）に、面型の発光素子又は受光素子（以下、面型光素子という）１２を、光信号が透明プレート１７を透過する向きに実装する。そして、透明プレート１７の反対側（図１中の上面）に、熱膨張係数の小さなレンズ１８等の光信号を入出力する光結合系１１の片面を面型光素子が実装された領域と同等以上の面積で一様に固着する。

ここで、透明プレート１７には、光通信又は光インターコネクションにおいて一般に使用される波長帯である８５０ｎｍ〜１５５０ｎｍの光に対して吸収の少ない、例えばポリイミド系材料を使用する。レンズ１８を形成する光結合系１１の材料としては、熱膨張率の小さな材料、例えば石英系材料を使用する。また、光結合系１１の透明プレート１７への固着用の接着剤には、透明プレート１７の材料に対して十分に熱膨張率の小さく、レーザ光に対して吸収、散乱の少ない、例えば塗布型ガラス、ＵＶ（紫外線）硬化樹脂又はエポキシ系樹脂を使用する。

また、光素子１２の電極１４、透明プレート１７の電極１６、透明プレート１７およびそれに固着されている面型光素子１２は、熱膨張の小さな光結合系１１が透明プレート１７に面型光素子１２が実装された領域と同等以上の面積で一様に固着されていることにより、膨張量が制限される。そのため、温度変化に対しても面型光素子１２、透明プレート１７および光結合系１１の相互の位置関係が崩れることがなく、温度変化に対して安定した光結合が実現される。

次に、図２は、本発明の第２の実施例を示す図である。図２（Ａ）は光モジュール２０の上面図（又は平面図）であり、（Ｂ）は光モジュール２０の側断面図である。尚、この第２実施例の光モジュール２０は、上述した第１実施例の光モジュール１０と類似するので、対応する構成要素には、類似の参照符号を使用する。

この光モジュール２０も、電極２４が形成された面型光素子２２、この電極２４に対応する電極２６を有する透明プレート２７、これら電極２４、２６間を相互接続するバンプ２３および面型光素子２２の発光又は受光部に対応する位置にレンズ２８が形成された光結合系２１により構成される。しかし、この光モジュール２０は、複数（図示の特定例では４個）の面型光素子２２が透明プレート２７に並列に配置され、それぞれの電極に接続される。そして、光結合系２１は、これら複数の面型光素子２２に対応する個数および位置関係で複数のレンズが形成された共通（即ち、１個）の光結合系である。

即ち、透明プレート２７の片側（下面）には、複数の面型光素子２２をアレイ化した面型光素子アレイを光信号が透明プレート２７を透過する向きに実装している。そして、透明プレート２７の反対側（上面）には、熱膨張係数の小さなレンズアレイ２８を有する光結合系２１の片面（下面）を、アレイ状の面型光素子２２が実装された領域と同等以上の面積で一様に固着する。

透明プレート２７には、光通信において一般に使用される波長帯である８５０ｎｍ〜１５５０ｎｍの光に対して吸収の少ない透明材料、例えばポリイミド系材料を使用する。レンズアレイ２８が形成された光結合系２１の材料としては、熱膨張率の小さな材料、例えば石英系材料を使用する。また、光結合系２１を透明プレート２７に固着する接着剤には、透明プレート２７の材料に対して十分に熱膨張率が小さく且つレーザ光に対して吸収、散乱の少ない、例えば塗布型ガラス、ＵＶ硬化樹脂又はエポキシ系樹脂を使用する。

透明プレート２７およびそれに固着されているアレイ状の面型光素子２２は、熱膨張の小さな光結合系２１が透明プレート２７に面型光素子２２が実装された領域と同等以上の面積で一様に固着されていることにより膨張量が制限される。そのために、温度変化に対しても面型光素子２２、透明プレート２７および光結合系２１の相互の位置関係が崩れることがなく、温度変化に対して光結合が安定した光モジュールが得られる。

以上、本発明による光モジュールの好適実施例の構成および動作を詳述した。しかし、斯かる実施例は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。例えば、面型光素子の個数は、１個以上の任意個数であってもよく、また必ずしも１列に配置する必要もなく、例えば２列に配置してもよいこと勿論である。更に、各構成素子の材料は、実施例に基づき例示した材料に限定されるものではない。

本発明による光モジュールの第１実施例の構成を示す側断面図である。 本発明による光モジュールの第２実施例の構成を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側断面図である。 光モジュールの第１従来例の側断面図である。 光モジュールの第２従来例の側断面図である。

符号の説明

１０、２０ 光モジュール
１１、２１ 光結合系
１２、２２ 面型光素子
１３、２３ バンプ（又は接合用金属）
１４、１６、２４、２６ 電極
１７、２７ 透明プレート
１８、２８ レンズ（又はマイクロレンズ）

Claims (3)

1. 透明プレートの一面にひとつまたはアレイ状に配置された複数の面型光素子を実装し、前記透明プレートの前記面型光素子の実装面と反対面に前記面型光素子のひとつひとつに対して光軸結合をとることができる光結合手段を固着し、該光結合手段を介して前記面型光素子から又は該面型光素子へ光を入出力する光モジュールにおいて、
   前記光結合手段は、ひとつまたは複数のレンズを備えたプレート状の部品であって、前記透明プレートとの接触面積が、少なくとも前記面型光素子の実装領域より大きくなるような大きさを有することを特徴とする光モジュール。
2. 前記光結合手段は、レーザ光を透過する接着剤により前記透明プレートに固着されることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記透明プレートへの前記光結合手段の固着は、塗布型ガラス、ＵＶ硬化樹脂、エポキシ系樹脂により行うことを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
   

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