JPH04157405A - 光素子モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、端面受発光型光素子を基板上に搭載した光素
子モジュールに関するものである。

（従来の技術） 第２図は、従来の端面受発光型光素子（以下、単に端面
型光素子という）を基板上に搭載した光素子モジュール
の構造を示した図で、同図の（ａ）は分解斜視図、同図
の（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線矢視方向の断面図で
ある。

第２図において、１は基板、２は端面型光素子、２ａは
端面型光素子２の導波路部、２ｂは端面型光素子２の電
極、３は接続用はんだ、４は基板１上のほぼ中央部に形
成された端面型光素子２の接続用金属パターン、５は光
ファイバ、５ａは光ファイバ５のコア、６は例えばエポ
キシ接着剤からなる接合剤、７は基板１上の一端側に形
成されたＶ溝である。

端面型光素子２は、その電極２ｂが基板１上の接続用金
属パターン４に接続用はんだ３で接続され、光ファイバ
５は、基板１上のＶ溝７内に収められ、接合剤６で固定
される。

この種の光素子モジュールでは、端面型光素子２の導波
路部２ａと光ファイバ５のコア５ａの光結合効率向上が
重要な課題であり、少なくとも、両者の光軸を高精度に
位置合わせすることが必要となる。

次に、従来の光素子モジュールでは、両者の光軸が良好
に位置合わせされることを、第２図に設定した直交座標
系におけるＹ−Ｚ平面内とＸ方向とに分けて説明する。

まず、ｒｙ−ｚ平面内」における位置合わせについて説
明する。

基板１上に接続用金属パターン４とＶ溝７のパターンを
形成する際に、両パターンの相互位置をＹ−Ｚ平面内で
ミクロンオーダで位置合わせする。

例えば、シリコン単結晶の（１００）スライスウェハを
基板１に用いると、異方性エツチングにより（１１１）
を内壁としたＶ溝が形成できるため、接続用金属パター
ン４とＶ溝７のミクロンオーダの位置合わせは、従来の
りソグラフィ技術の適用により、容易に実現する。

次に、基板１上に端面型光素子２と光ファイバ５を組み
込む。端面型光素子２は、溶融はんだのセルフアライメ
ント作用（自己整合作用）により、基板１上の接続用金
属パターン４にＹ−Ｚ平面内で厳密に位置合わせ接続さ
れる（参考文献：林・大輪、「はんだバンプによる高精
度端子接続法の検討」、昭和６２年度電子情報通信学会
　情報・システム、半導体・材料部門全国大会Ｓ９−６
）。

一方、光ファイバ５は、基板１上のＶ溝７の内壁との突
き合わせにより、基板１上のＶ溝７のパターンにＹ−２
平面内で高精度に位置合わせ接続される（なお、光ファ
イバ５の２軸方向の位置に関しては、後述するように、
自由度として残される）。

この結果、端面型光素子２の導波路部２ａと光ファイバ
５のコア５ａとは、Ｙ−Ｚ平面内で高精度に位置合わせ
される。

次に、「Ｘ方向」の位置合わせについて説明する。

端面型光素子２は、接続用はんだ３の量を制御すること
（はんだメツキ、はんだ蒸着時のプロセスコントロール
）により、図中のＸ方向の位置が高精度に制御される（
参考文献：　Ｒ，Ａ、Ｃ，Ｂａｃｈｅ　ｅｔａｌ、、”
ＢＯＮＤ　ＤＥＳＩＧＮ　ＡＮＤ　ＡＬＩＧＮＭＥＮＴ
　ＩＮ　ＦＬＩＰ　ＣＨＩＰ　５ＯＬＤＥＲＢＯＮＤＩ
ＮＧ”、　Ｐｒｏｃ、　８ｔｈ　ＩＥＰＳ　Ｃｏｎｆ、
、　Ｄａｌｌａｓ、υ、Ｓ、Ａ、、　Ｎｏｖ、　１９８
８）。

一方、光ファイバ５は、基板１上のＶ溝７の深さを制御
すること（Ｖ溝形成時のプロセスコントロール）により
、図中のＸ方向の位置が高精度に制御される。この結果
、端面型光素子２の導波路部２ａと光ファイバ５のコア
５ａは、Ｘ方向で高精度に位置合わせされる。

上述したように、端面型光素子２を基板１上に搭載する
従来の光素子モジュールでは、端面型光素子２の導波路
部２ａと光ファイバのコア５ａの高精度な位置合わせが
可能である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、一般に端面型光素子２の導波路部２ａや
光ファイバ５のコア５ａの端面から出射した光のフィー
ルドパターンは大きく広がり、単純に両者の位置を合わ
せても、フィールドパターンの整合を図らない限り、光
結合効率は劣化することが知られている。

このため、従来は、光ファイバ５のＺ軸方向の位置に関
する自由度を活用し、光ファイバ５をＶ溝７内で移動さ
せ、光ファイバ５の端面と端面型光素子２の端面を突き
当て、あるいは、可能な限り近づけるように調整を行い
、光結合効率を向上させていた。

ところが、端面型光素子２は非常にもろい結晶材料であ
るため、この調整を行う際には、光ファイバ５が端面型
光素子２に突き当たり、素子破損をきたす可能性が高い
という欠点があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、端面型光素子と光ファイバとの高効率な光結
合が可能で、また、モジュール作製時の素子破損を回避
できる光素子モジュールを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）では、基板上に
形成された金属パターンに端面受発光型光素子がはんだ
接続されると共に、同じく基板上に形成されたＶ溝に光
ファイバが配設され、端面受発光型光素子と光ファイバ
間で光の授受を行う光素子モジュールにおいて、前記基
板の金属パターンとＶ溝間に穴を形成し、当該穴に、前
記端面受発光型光素子及び光ファイバの出射光のフィー
ルドパターンを整合するレンズを配設した。

また、請求項（２）では、前記基板を結晶性材料から構
成し、前記穴及びＶ溝の側壁を異方性エツチングで加工
された所定の結晶面とした。

また、請求項（３）では、前記穴に複数個のレンズを配
設した。

また、請求項（４）では、前記穴を複数形成し、各人に
レンズをそれぞれ配設した。

また、請求項（５）では、前記レンズをロッド形状とし
た。

また、請求項（６）では、前記端面受発光型光素子、レ
ンズ、光ファイバにより構成される光学的なアセンブリ
を、前記基板上に複数個配列した。

（作　用） 請求項（１）によれば、端面受発光型光素子から出射し
た光のフィールドパターンは、レンズにより平行光への
変換や集光等の整合作用を受けて、出射光は光ファイバ
の端面に結像される。また、光ファイバの端面から出射
した光も、レンズにおいて整合作用を受けて端面受発光
型光素子で受光される。

また、請求項（２）によれば、結晶性材料からなる基板
に対して異方性エツチング加工が施され、穴及びＶ溝が
形成される。これら穴及びＶ溝の側壁は異方性エツチン
グで加工された所定の結晶面である。

また、請求項（３）によれば、一つの穴に複数個のレン
ズが、収容固定される。端面受発光型光素子あるいは光
ファイバ端面から出射した光は、これら複数のレンズに
より整合作用を受けて、光ファイバ端面あるいは端面受
発光型光素子に入射される。

また、請求項（４）によれば、各人の各々に対して各レ
ンズが収容され、確実強固に固定される。

また、請求項（５）によれば、上記整合作用が、ロッド
形状のレンズで行われる。

また、請求項（６）によれば、上記各作用が、各光学的
アセンブリにおいて、それぞれ個別に行われる。

（実施例） 第１図は、本発明に係る光素子モジュールの第１の実施
例を示す構造図で、同図の（ａ）は分解斜視図、同図の
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視方向の断面図であり、従
来例を示す第２図と同一構成部分は同一符号をもって表
す。

即ち、１は基板、２は端面型光素子（端面受発光型光素
子）、２ａは端面型光素子２の導波路部、２ｂは端面型
光素子２の電極、３は接続用はんだ、４は接続用金属パ
ターン、５は光ファイバ、５ａは光ファイバ５のコア、
６は接合剤、７は基板１上に形成されたＶ溝、１０は穴
、１１はレンズ、１１ａはレンズ１１の光軸である。

穴１０は、開口部が底面積より大きな方形状をなし、各
内壁は底面に向かって徐々に傾斜するように、基板１上
の金属パターン４とＶ溝７の端面との間に形成されてい
る。

レンズ１１は、球状をなし、その先軸１１ａが端面型光
素子２の導波路部２ａ及び光ファイバ５の光軸と一致す
るように、穴１０に接合剤６により固定されている。

この光素子モジュールにおいて、端面型光素子２は、そ
の電極２ｂが基板１上の接続用金属パターン４に接続用
はんだ３で接続され、光ファイバ５は基板１上のＶ溝７
内に収められると共に、レンズ１１は穴１０内に収めら
れて、それぞれ基板１に接合剤６で固定される。

この場合、端面型光素子２の導波路部２ａと光ファイバ
５のコア５ａの相互位置は、前述した従来技術と同様の
原理により高精度に位置合わせされる。

レンズ１１は、基板１上の穴１０の内壁との突き合わせ
により、基板１上に第１図中に設定した直交座標系にお
けるＹ−Ｚ平面内で高精度に位置合わせされ、穴１０の
深さの制御（穴エツチング時のプロセスコントロール）
により、図中のＸ方向の位置が高精度に制御される。

この結果、光ファイバのコア５ａと同様に、端面型光素
子２の導波路部２ａとレンズ１１の光軸１１ａは、高精
度に位置合わせされる。

なお、穴１０の形成方法については特に間わないが、例
えば、基板１がシリコン単結晶の（１００）スライスウ
ェハであれば、異方性エツチングにより（１１１）を内
壁とした穴を、■溝と同時にリソグラフィ技術で形成す
ることができる。

本実施例では、端面型光素子２や光ファイバ５から出射
した光のフィールドパターンは大きく広がるが、レンズ
１１により再度スポット状に集光されるため、端面型光
素子２、レンズ１１、光ファイバ５の相互位置を、レン
ズ１１の諸元により幾何学的に決定される集光位置に配
置するように設計することで、無調整組み立てが可能と
なる。

また、何らかの問題により、集光位置がずれていたとし
ても、光ファイバ５のＺ軸方向の位置に関しては、自由
度として残されているため、光ファイバ５をＶ溝７内で
移動させ、光ファイバ５の端面をフィールドパターンの
集光スポット部に合わせることで、フィールドパターン
の整合を図ることができ、高効率な光結合が可能となる
。

この場合、集光スポット位置は、レンズ１１の端面から
ある程度離れた位置に存在するため、調整を行う際に、
光ファイバ５がレンズ１１に突き当たるおそれは少ない
。また、万一レンズ１１に光ファイバ５が突き当たった
としても、レンズ１１には例えば硬質なガラス材等が用
いられるため、破損の心配は少ない。

第３図は、本発明に係る光素子モジュールの第２の実施
例を示す断面図である。

本第２の実施例が前記第１の実施例と異なる点は、一つ
の穴１０ａに二つのレンズ１１−１．１１−２を光軸を
一致させて縦列に収容固定し、いわゆる共焦点光学系を
構成したことにある。

この場合、二つのレンズ１１−１．１１−２は、基板１
上のＸ方向の側壁２面、及び基板１上の２方向の側壁１
面の、合計３面により位置が決定される。

従って、例えば、１つ１つ別々に接合剤６を用いて接合
しても良く、何らかの固定治具を用いて二つのレンズ１
１−１．１１−２を同時に接合剤６を用いて接合しても
良い。

本第２の実施例によれば、複数個のレンズを用いるので
、レンズの曲率を小さくできる。

その他の構成、作用効果は、前記第１の実施例と同様で
ある。

第４図は、本発明に係る光素子モジュールの第３の実施
例を示す断面図である。

本第３の実施例が前記第２の実施例と異なる点は、基板
ｌ上の金属パターン４とＶ溝７の端面との間に二つの穴
１０−１．１０−２を縦列して形成し、各人１０−１．
１０−２の各々にレンズ１１−１．１１−２を収容固定
し、共焦点光学系を構成したことにある。

本第３の実施例によれば、前記第２の実施例に比べてレ
ンズの固定を確実強固に行うことができる。

その他の構成、作用効果は、前記第２の実施例と同様で
ある。

なお、これら第２及び３の実施例では、二つのレンズに
よる共焦点系を例示したが、複数のレンズを一つの穴、
もしくは各々個別の穴内に収容した、種々の光学系を用
いた場合も同様であることは言うまでもない。

第５図は、本発明に係る光素子モジュールの第４の実施
例を示す分解斜視図である。

本第４の実施例が前記第１の実施例と異なる点は、第１
の実施例ではレンズ１１の形状として球状のものを用い
たが、これに代えてロッド形状のレンズ１２を用いたこ
とにある。

この場合、レンズ１２は、ロッド軸が端面型光素子２及
び光ファイバ５の光軸と直交するように、穴１０内に収
容固定されている。

本第４の実施例のように、レンズをロッド形状とするこ
とにより、アレイ化をする場合等に組み立てが容易とな
る。

その他の構成、作用効果は、前記第１の実施例と同様で
ある。

第６図は、本発明に係る光素子モジュールの第５の実施
例を示す分解斜視図である。

本第５の実施例が前記第４の実施例と異なる点は、第４
の実施例ではレンズをロッド軸が端面型光素子２及び光
ファイバ５の光軸と直交するように穴１０内に収容固定
したのに対して、軸が端面型光素子２及び光ファイバ５
の光軸と一致するようにして、穴１０内に収容固定した
ことにある。

その他の構成及び得られる効果は、前記第４の実施例と
同様である。

さらに、上述した光学的なアセンブリを一枚の基板１上
に複数個配列すれば、いわゆるアレイ状光素子モジュー
ルが構成できることは言うまでもない。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）または（２）によれ
ば、端面受発光型光素子と光ファイバとの間にレンズを
挿入しているため、フィールドパターンの整合が容易に
図れ、高効率な光結合が可能となる。

また、端面受発光型光素子、レンズ、光ファイバの相互
位置を、レンズの諸元により幾何学的に決定される集光
位置に配置するように設計することで、無調整組み立て
が可能となる。

さらに、光ファイバの光軸方向の位置に関する自由度を
活用し、光ファイバをＶ溝内で移動させて、ファイバ端
面と集光スポット部の位置合わせを行う場合でも、集光
スポット位置は、レンズの端面からある程度能れた位置
に存在するため、ファイバがレンズに突き当たる心配は
少なく、万一レンズに突き当たったとしても、レンズに
は例えば硬質なガラス材等が用いられるため、破損の心
配は少ない。

また、請求項（３）によれば、上記効果に加えて、レン
ズの曲率を小さくできる。

また、請求項（４）によれば、請求項（３）の効果に加
えて、各レンズを確実強固に固定できる。

また、請求項（５）によれば、上記各効果に加えて、例
えばアレイ化する場合にモジュールの組み立てが容易と
なる。

また、請求項（６）によれば、複数の光学的アセンブリ
を持つアレイ状光素子モジュールを、容易に製造できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光素子モジュールの第１の実施例
を示す構造図、第２図は従来の光素子モジュールを示す
構造図、第３図は本発明に係る光素子モジュールの第２
の実施例を示す断面図、第４図は本発明に係る光素子モ
ジュールの第３の実施例を示す断面図、第５図は本発明
に係る光素子モジュールの第４の実施例を示す分解斜視
図、第６図は本発明に係る光素子モジュールの第５の実
施例を示す分解斜視図である。 図中、１・・・基板、２・・・端面型光素子（端面受発
光型光素子）、２ａ・・・端面型光素子の導波路部、３
・・・接続用はんだ、４・・・接続用金属パターン、５
・・・光ファイバ、５ａ・・・コア、６・・・接合剤、
７・・・Ｖ溝、１０．１０−１．１０−２・・・穴、１
１．１１−１．１１−２．１２・・・レンズ。 特許出願人　　日本電信電話株式会社 代理人　弁理士　　吉　　１）　精　　孝第５図 本発明の第５の実施例２示す分解斜視図第６図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に形成された金属パターンに端面受発光型
   光素子がはんだ接続されると共に、同じく基板上に形成
   されたＶ溝に光ファイバが配設され、端面受発光型光素
   子と光ファイバ間で光の授受を行う光素子モジュールに
   おいて、 前記基板の金属パターンとＶ溝間に穴を形成し、当該穴
   に、前記端面受発光型光素子及び光ファイバの出射光の
   フィールドパターンを整合するレンズを配設した ことを特徴とする光素子モジュール。
2. （２）前記基板は結晶性材料からなり、前記穴及びＶ溝
   の側壁が異方性エッチングで加工された所定の結晶面で
   ある 請求項（１）記載の光素子モジュール。
3. （３）前記穴に複数個のレンズを配設した 請求項（１）または（２）記載の光素子モジュール。
4. （４）前記穴を複数形成し、各穴にレンズを配設した 請求項（１）または（２）記載の光素子モジュール。
5. （５）前記レンズをロッド形状とした 請求項（１）、（２）、（３）または（４）記載の光素
   子モジュール。
6. （６）前記端面受発光型光素子、レンズ、光ファイバに
   より構成される光学的なアセンブリを、前記基板上に複
   数個配列した 請求項（１）、（２）、（３）、（４）または（５）記
   載の光素子モジュール。