JPH10170772A - 光モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】シリコン等の基板１上に形成したＶ溝１ａに光
ファイバ２の端部を配置し、該光ファイバ２を通じて光
信号を送受信するための光電変換素子を上記基板１上に
配置してなる光モジュールにおいて、光電変換素子と光
ファイバ２との間の損失を減らし、結合効率を高くする
とともに、光ファイバ２端面２ａでの反射光が光電変換
素子に戻ることを防止する。 【解決手段】上記光ファイバ２の端面２ａと光電気変換
素子との間に集光レンズ４を配置するとともに、光電気
変換素子の光軸２１を光ファイバ２の中心軸２０から傾
けて配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、光信号を送受信す
るための光モジュール及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光信号を用いた情報伝達が広く使
用されており、光信号の送受信に光モジュールが用いら
れている。

【０００３】このような光モジュールとしては、金属又
は樹脂製のボディの一方端にレーザーダイオード等の光
電変換素子を接合し、ボディ内部にレンズやダミーフェ
ルール等の各種素子を配置し、他方端に光ファイバの接
合部を備えた構造のものが使用されている。このような
構造の光モジュールでは、組立時に各部材の光軸が一致
するように位置合わせをする必要があり、レーザーダイ
オードを発光させてモニターしながら組立作業を行って
いる。

【０００４】これに対し、組立作業を容易にするため
に、図５に示すようなシリコンの基板１を用いてパッシ
ブアライメント技術を利用した光モジュールが提案され
ている。この光モジュールは、シリコン製の基板１上に
Ｖ溝１ａとレーザーダイオード３等の素子を取り付ける
電極１ｂを予め高い精度で形成しておき、Ｖ溝１ａに光
ファイバ２の端部を配置して接着し、一方電極１ｂ上に
光電変換素子としてレーザーダイオード３を接合し、一
方の電極１ｂとの間はワイヤ３ｂで接続して、光ファイ
バ２とレーザーダイオード３の互いの光軸が一致するよ
うに構成する。

【０００５】このとき、予め基板１を高精度に形成して
おけば、光ファイバ２やレーザーダイオード３を所定の
位置に接合するだけで正確に位置決めすることができ
（パッシブアライメント）、組立時にレーザーダイオー
ド３を発光させてモニターする必要がない。そのため、
光モジュールの製造工程を簡略化でき、容易に大量生産
が可能となるのである。

【０００６】なお、図５では省略したが、この構成の周
囲をパッケージで覆ったり、樹脂等でモールドしてあ
り、上記電極１ｂに接続する外部リードを備えてある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図５に示す
光モジュールにおいて、レーザーダイオード３からの出
射光１０は一定角度（ＮＡ）で広がるが、レーザーダイ
オード３と光ファイバ２のＮＡが一致していないと、出
射光１０の大部分が端面２ａにより反射して損失とな
り、結合効率が低くなるという問題があった。

【０００８】この損失を少なくするために、スポットサ
イズ変換レーザーダイオードを用いることも考えられる
が、コストが高くなるだけでなく、これを用いても完全
にＮＡを一致させることはできなかった。

【０００９】そこで、特開平４−１５７４０５号公報に
示すように、光ファイバ２とレーザーダイオード３の間
に集光レンズを備えて、両者間の結合効率を高めること
が提案されている。

【００１０】しかし、集光レンズを備えた場合は、出射
光１０が光ファイバ２の端面２ａで反射すると、そのま
まレーザーダイオード３に戻ってしまい、レーザーダイ
オード３の特性を低下させてしまうという不都合があっ
た。

【００１１】また、パッシブアライメントを利用した光
モジュールにおける一般的な課題として、予め光ファイ
バ２とレーザーダイオード３は高精度となるように設定
してあるが、万一ずれが生じた場合に、調整する手段が
ないという問題もあった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、シリコ
ン等の基板上に形成した溝に光ファイバの端部を配置
し、該光ファイバを通じて光信号を送受信するための光
電変換素子を上記基板上に配置してなる光モジュールに
おいて、上記光ファイバの端面と光電変換素子との間に
集光レンズを配置するとともに、光電変換素子を、その
光軸が光ファイバの中心軸に対してある角度αで傾けて
配置したことを特徴とする。

【００１３】また本発明は、上記光ファイバの端面を中
心軸に垂直な面から傾けて形成したことを特徴とする。

【００１４】さらに、本発明は、シリコン等の基板上
に、光ファイバの端部を配置するための溝と、集光レン
ズを配置するための凹部を形成する工程と、上記光ファ
イバの中心軸に対して、ある角度αで傾く光軸上に光電
変換素子を配置するための電極を形成する工程と、上記
電極上に光電変換素子を配置し、上記凹部に集光レンズ
を固定する工程と、上記光電変換素子を受発光させなが
ら、上記溝に光ファイバの端部を載置し、溝方向に沿っ
て光ファイバを移動させながら、結合効率がほぼ最大と
なった所で、光ファイバ端部を固定する工程からなる光
モジュールの製造方法を特徴とする。

【００１５】

【作用】本発明によれば、シリコン等の基板を用いたパ
ッシブアライメント型の光モジュールにおいて、光ファ
イバと光電変換素子との間に集光レンズを備えたため、
光電変換素子の入出射光を集光して光ファイバに伝える
ことにより、損失を極めて少なくすることができる。

【００１６】なお、このように集光レンズを備えること
により、光ファイバ端面での反射光がそのまま光電変換
素子に戻ってしまい、光電変換素子の特性を劣化させて
しまうという問題があるが、本発明では、光電変換素子
の光軸を光ファイバの中心軸に対してある角度αで傾け
たことによって、反射光が光電変換素子に戻ることを防
止できる。

【００１７】また、本発明では、光ファイバの端面も所
定の角度で傾けたことによって、光電変換素子からの出
射光が、屈折作用でちょうど光ファイバの中心軸方向と
一致するように入射させることができ、さらに結合効率
を向上できる。

【００１８】さらに本発明では、光モジュールの組立時
に光ファイバを基板の溝方向に沿って移動させることに
よって、微小な位置ずれを調整することができる。即
ち、光電変換素子の光軸が光ファイバの中心軸から傾け
て配置してあることから、光電変換素子と光ファイバ端
面との位置ずれがあった場合でも、光ファイバ端面をそ
の中心軸方向に移動させることで調整することができる
のである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図によ
って説明する。

【００２０】図１に示す光モジュールは、シリコン等の
基板１上に光ファイバ２、光電変換素子の一例としてレ
ーザーダイオード３、集光レンズ４を配置し、レーザー
ダイオード３からの出射光１０を光ファイバ２で外部に
導出するようにしたものである。

【００２１】基板１には予めＶ溝１ａと、レーザーダイ
オード３を取りつけるための電極１ｂと、集光レンズ４
を固定する凹部１ｃを互いに高精度となるように形成し
てある。そして、上記Ｖ溝１ａ上に光ファイバ２の端部
を載置して接着剤等で接合し、電極１ｂ上にレーザーダ
イオード３を半田バンプ等で接合し、凹部１ｃに集光レ
ンズ４を載置して接着剤等で接合してある。

【００２２】また、図２（ａ）に示すように、レーザー
ダイオード３からの出射光１０は、発光点３ａから楕円
状に広がりながら出射されるが、この出射光１０が集光
レンズ４で集光され、ちょうど光ファイバ２の端面２ａ
に収束するように、各部材を配置してある。そのため、
損失を少なくし、結合効率を高くすることができるので
ある。

【００２３】ところで、このような集光光学系の場合、
光ファイバ２の端面２ａでの反射光１１が問題となる。
即ち、図５に示す従来の光モジュールでは出射光１０が
拡散する方向であるため、反射光１１がレーザーダイオ
ード３に戻ることはないが、図１、２に示すような集光
光学系の場合では、光ファイバ２の端面２ａでの反射光
１１がそのままの経路を通るとレーザーダイオード３に
戻ってしまい、発光特性を悪化させてしまうという問題
がある。

【００２４】そこで、図１の光モジュールでは、レーザ
ーダイオード３の光軸２１を光ファイバ２の中心軸２０
から角度αで傾けて配置してあることにより、図２
（ａ）に示すように光ファイバ２の端面２ａで出射光１
０が反射しても、反射光１１は元の経路に戻ることはな
く、レーザーダイオード３の発光特性を悪化させること
を防止できる。

【００２５】なお、レーザーダイオード３の光軸２１と
は、発光点３ａから放射状に広がる出射光１０の中心線
のことであり、光ファイバ２の中心軸２０とは、Ｖ溝１
ａに配置した光ファイバ２の中心軸およびその延長線の
ことである。

【００２６】しかも、本発明では、光ファイバ２の端面
２ａは、その中心軸に垂直な面に対して角度βで傾けて
形成してある。

【００２７】そのため、図２（ｂ）に示すように、レー
ザーダイオード３からの出射光１０が光ファイバ２に導
出される際に、端面２ａで屈折して、ちょうど光ファイ
バ１０の中心軸２０にそった方向て導出されることとな
り、高い結合効率を得ることができる。また、光ファイ
バ２の端面２ａで出射光１０が反射したとしても、反射
光１１は異なる方向に反射され、レーザーダイオード３
に戻ることを防止できる。

【００２８】なお、上記光ファイバ２の中心軸２０とレ
ーザーダイオード３の光軸２１との成す角度αは、１．
９４〜７．１°の範囲とすることが好ましく、さらに
３．９〜５．２°の範囲が好適である。これは、１．９
４°未満であると上記のような反射戻り光の防止効果に
乏しく、一方７．１°を越えると結合効率が低下するた
めである。

【００２９】また、光ファイバ２の端面２ａの傾き角度
βは３〜１１°の範囲が好ましく、さらに６〜８°の範
囲が好適である。これは、３°未満であると上記のよう
な反射戻り光の防止効果に乏しく、一方１１°を越える
と結合効率が低下するためである。

【００３０】ここで、上記基板１はシリコンから形成さ
れ、マスキングを施しておいて異方性エッチングを行う
こと等により、Ｖ溝１ａ、凹部１ｃを形成し、同時に電
極１ｂも高精度に形成することができる。この時、Ｖ溝
１ａ、凹部１ｃはシリコンの結晶に沿った方向に形成さ
れ、異方性エッチングによって側面を斜面状に形成する
ことができる。

【００３１】あるいは、基板１をガラスやセラミックス
等で形成し、機械的加工等の手段で上記Ｖ溝１ａ、凹部
１ｃを形成し、電極１ｂを備えることもできるが、いず
れの場合も、予め基板１上に、上述した各部材を正確に
位置決めできるように、高精度にＶ溝１ａ、電極１ｂ、
凹部１ｃを形成しておくことが重要である。

【００３２】なお、Ｖ溝１ａ、凹部１ｃは側面が斜面と
なった凹部であり、この斜面に当接させることによっ
て、光ファイバ２やレンズ４を正確に位置決めして接合
することができる。また、電極１ｂ上にレーザーダイオ
ード３を接合する際は、半田バンプを用いれば電気的、
機械的に接続し、高精度に位置合わせができる。あるい
は、予め素子取付部としてマーキングを施しておき、こ
のマーキングと一致するようにレーザーダイオード３を
接合することもできる。

【００３３】次に、本発明の光モジュールの製造方法を
説明する。

【００３４】まず図３（ａ）に示すように、シリコン等
の基板１上に上述した方法によりＶ溝１ａ、凹部１ｃ、
電極１ｂを互いに高精度となるように形成する。次に、
図３（ｂ）に示すように、電極１ｂ上にレーザーダイオ
ード３を接合し、凹部１ｃに集光レンズ４を接合する。

【００３５】その後、Ｖ溝１ａに光ファイバ２を接合す
るが、この時、図３（ｃ）に示すように、レーザーダイ
オード３を発光させながら光ファイバ２をＶ溝１ａ上
で、中心軸２０方向に移動させ、結合効率が最大となる
所で接合することができる。

【００３６】即ち、予め光ファイバ２、集光レンズ４、
レーザーダイオード３が高精度に位置合わせできるよう
に設定してあるが、万一これらの間に微小な位置ずれが
あった場合でも、光ファイバ２をＶ溝１ａ上で中心軸２
０方向に移動させるだけで位置ずれを調整できるのであ
る。

【００３７】これは、レーザーダイオード３の光軸２１
を傾けて配置してあることによって生じる効果である。
詳細を図４に示すように、例えば、予めレーザーダイオ
ード３からの出射光１０が光ファイバ２の端面２ａに収
束するように配置されている場合に、万一位置ずれが生
じて破線で示す出射光１０ａ’となった場合でも、光フ
ァイバ２を前後に移動させて、この出射光１０ａ’に合
った位置に端面２ａ’がくるようにすれば、高い結合効
率を維持することができるのである。

【００３８】なお、上述した光モジュールにおいて、光
ファイバ２の基板１と反対側の端部については、長く伸
ばしてピグテイル型の光モジュールとしたり、あるいは
上記光ファイバ２の基板１と反対側の端部をフェルール
等に固定してレセプタクル型の光モジュールとすること
ができる。

【００３９】さらに、上記の実施形態では光電変換素子
としてレーザーダイオード３を用いたが、この他の各種
発光素子を用いることもできる。あるいは、光電変換素
子としてフォトダイオード等の受光素子を用いて、受光
用の光モジュールとすることもできる。この場合は、光
の向きが逆になるが、基本的に上記実施形態と同様であ
る。

【００４０】また、上記集光レンズ４は、球状のものを
示したが、これに限らずさまざまな形状とすることがで
きる。あるいは、集光レンズ４の表面に反射防止膜等を
形成することもできる。

【００４１】なお、図示していないが、基板１上には、
レーザーダイオード３の電極取出部やリード線を備えた
り、あるいはその他の各種素子を配置することができ
る。さらに、図１に示す光モジュールを保護するため
に、パッケージに収納して気密封止したり、あるいは樹
脂等でモールドすることもできる。

【００４２】

【実施例】以下本発明の実施例として、図１に示す光モ
ジュールを作製した。

【００４３】基板１はシリコンで形成し、レーザーダイ
オード３の光軸２１と光ファイバ２の中心軸２０との角
度αは４．５°、光ファイバ２の端面２ａの傾き角度β
は８°とした。一方、比較例として同様の寸法、材質で
図２に示す従来の光モジュールを作製し、両者の結合効
率を測定した。

【００４４】その結果、比較例の結合効率は−８〜−１
０ｄＢであったのに対し、本発明実施例では−３ｄＢと
なり、結合効率が約４倍程度向上することが確認され
た。

【００４５】次に、本発明実施例の光モジュールにおい
て、レーザーダイオード３の光軸２１と光ファイバ２の
中心軸２０との角度αを変化させて、結合効率と反射防
止効果を調べたところ、図６に示すように、角度αを
１．９４〜７．１°の範囲、好ましくは３．９〜５．２
°の範囲としておけば、高い結合効率と反射防止効果が
得られることがわかった。

【００４６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、シリコン
等の基板上に形成した溝に光ファイバの端部を配置し、
該光ファイバを通じて光信号を送受信するための光電変
換素子を上記基板上に配置してなる光モジュールにおい
て、上記光ファイバの端面と光電気変換素子との間に集
光レンズを配置するとともに、光電気変換素子を、その
光軸が光ファイバの中心軸からある角度αで傾けて配置
したことによって、光電変換素子と光ファイバとの間の
損失を減らして結合効率を高くするとともに、光ファイ
バ端面での反射光が光電変換素子に戻ることを防止して
光電変換素子の特性悪化を防止できる。

【００４７】また、本発明によれば、光ファイバの端面
も所定の角度で傾けたことによって、光電変換素子から
の出射光が、屈折作用でちょうど光ファイバの中心軸方
向と一致するように入射させることができ、さらに結合
効率を向上できる。

【００４８】さらに本発明によれば、光モジュールの組
立時に光ファイバを基板の溝方向に沿って移動させるこ
とによって、微小な位置ずれを調整することができる。
即ち、光電変換素子の光軸が光ファイバの中心軸から傾
けて配置してあることから、光電変換素子と光ファイバ
端面との位置ずれがあった場合でも、光ファイバ端面を
その中心軸方向に移動させることで調整することができ
るのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光モジュールを示しており、（ａ）は
平面図、（ｂ）は（ａ）中のＸ−Ｘ線断面図である。

【図２】（ａ）（ｂ）は本発明の光モジュールにおける
光の伝達状態を示す概略図である。

【図３】（ａ）〜（ｃ）は本発明の光モジュールの製造
工程を示す平面図である。

【図４】本発明の光モジュールにおける、位置ずれの調
整方法を説明するための図である。

【図５】従来の光モジュールを示しており、（ａ）は平
面図、（ｂ）は（ａ）中のＹ−Ｙ線断面図である。

【図６】光モジュールの傾き角度αと、結合効率及び反
射防止効果との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ ：基板 １ａ：Ｖ溝 １ｂ：電極 １ｃ：凹部 ２ ：光ファイバ ２ａ：端面 ３ ：レーザーダイオード ３ａ：発光点 ３ｂ：ワイヤ ４ ：集光レンズ １０ ：出射光 １１ ：反射光 ２０ ：光ファイバの中心軸 ２１ ：レーザーダイオードの光軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 真一 京都府相楽郡精華町光台３丁目５番地 京 セラ株式会社中央研究所内 (72)発明者 作島 史朗 京都府相楽郡精華町光台３丁目５番地 京 セラ株式会社中央研究所内 (72)発明者 竹村 浩二 京都府相楽郡精華町光台３丁目５番地 京 セラ株式会社中央研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン等の基板上に形成した溝に光ファ
   イバの端部を配置し、該光ファイバを通じて光信号を送
   受信するための光電変換素子を上記基板上に配置してな
   る光モジュールにおいて、上記光ファイバの端面と光電
   変換素子との間に集光レンズを配置するとともに、上記
   光電変換素子を、その光軸が上記光ファイバの中心軸に
   対して傾けて配置したことを特徴とする光モジュール。
2. 【請求項２】上記光ファイバの端面を中心軸に垂直な面
   から傾けて形成したことを特徴とする請求項１記載の光
   モジュール。
3. 【請求項３】シリコン等の基板上に、光ファイバの端部
   を配置するための溝と、集光レンズを配置するための凹
   部を形成する工程と、上記光ファイバの中心軸に対して
   傾いた光軸上に光電変換素子を配置するための電極を形
   成する工程と、上記電極上に光電変換素子を配置し、上
   記凹部に集光レンズを固定する工程と、上記光電変換素
   子を受発光させながら、上記溝に光ファイバの端部を載
   置し、溝方向に沿って光ファイバを移動させながら、結
   合効率がほぼ最大となった所で、光ファイバ端部を固定
   する工程からなる光モジュールの製造方法。