JP2007072307A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 光素子と光導波路基板とを別々に配線基板に実装したときの位置ずれによる光結合効率の低下を抑制することができる光モジュールを提供する。
【解決手段】 光モジュール１Ａは、光素子２と、コア３１およびクラッド３２を有する光導波路基板３と、光素子２および光導波路基板３が実装される配線基板４とを備えている。この光モジュール１Ａにおいて、光導波路基板３と配線基板４とに、光導波路基板３を配線基板４に実装するときの位置決め部３５，４５を設けるとともに、コア３１の少なくとも光素子側の端部３１ａを、光素子２に近づくに連れて幅寸法が大きくなるテーパー状にした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光モジュールに関するものである。

従来、光素子と、コアおよびクラッドを有し、前記光素子と光学的に結合する光導波路基板と、前記光素子および前記光導波路基板が実装される配線基板とを備えた光モジュールが知られている。

例えば、特許文献１には、光導波路基板の下面が配線基板に接合されるとともに、光導波路基板の上面に窪み部が形成され、その光導波路基板の窪み部に光素子が接合されることにより、光導波路基板を介して光素子が配線基板に実装された光モジュールが記載されている。なお、この特許文献１には、コアの光素子側の端部をテーパー状にした光モジュールも記載されている。
特開平７−３５９３３号公報

前記光モジュールでは、光素子が光導波路基板に接合されるようになっているので、光素子と光導波路基板とを直接的に位置合わせして、光素子と光導波路基板との光結合効率を高く保つことができるが、光素子を配設する位置には必ず光導波路基板が必要となるため、光導波路基板を自由に設計することができなかった。

そこで、光導波路基板の設計の自由度を向上させるために、光素子と光導波路基板とを別々に配線基板に実装したいという要望がある。しかし、この場合には、光素子と光導波路基板との位置ずれが生じて、これにより光結合効率が低下するおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑み、光素子と光導波路基板とを別々に配線基板に実装したときの位置ずれによる光結合効率の低下を抑制することができる光モジュールを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の光モジュールは、光素子と、コアおよびクラッドを有し、前記光素子と光学的に結合する光導波路基板と、前記光素子および前記光導波路基板が実装される配線基板とを備えた光モジュールであって、前記光導波路基板と前記配線基板とに、光導波路基板を配線基板に実装するときの位置決め部を設けるとともに、光導波路基板のコアの少なくとも光素子側の端部を、光素子に近づくに連れて前記配線基板に平行な方向の幅寸法が大きくなるテーパー状にしたことを特徴とするものである。

ミラー部を有する光導波路基板においても実装位置ずれによる光結合効率の変動を小さくするために、前記光導波路基板はミラー部を有しており、前記コアはこのミラー部につながっており、ミラー部におけるコアの形状を光素子側を幅広とする台形状とすることが好ましい。

光素子と光導波路基板との光結合効率を向上させるために、前記ミラー部から光素子の近傍まで延在する延在コアを設け、この延在コアを、前記コアの延在する方向から見たときに光素子側の幅寸法が大きくなるテーパー状にすることが好ましい。

実装コストを安く抑えて光結合効率を向上させるために、前記光素子と前記コアとの間に、光素子から発光される光を前記配線基板に垂直な方向で集光してコア内に導く集光部を設けることが好ましい。

本発明によれば、光導波路基板と配線基板とに、光導波路基板を配線基板に実装するときの位置決め部を設けたから、光素子と光導波路基板とを別々に配線基板に実装しても、光導波路基板と光素子とが大きく位置ずれすることがない。従って、位置ずれによる光結合効率の低下を抑制しながら、光導波路基板の設計の自由度を向上させることができる。しかも、コアの少なくとも光素子側の端部を、光素子に近づくに連れて幅寸法が大きくなるテーパー状にしたから、たとえ光素子と光導波路基板とが位置ずれしたとしても、そのテーパー部分によって光素子から発光される光の大部分がコア内に導かれることになるため、位置ずれによる光結合効率の変動が小さくなる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１（ａ）（ｂ）および図２に示すように、本発明の第１実施形態に係る光モジュール１Ａは、光素子２と、この光素子２と光学的に結合する光導波路基板３と、光素子２および光導波路基板３が実装されるプリント配線基板４とを備えている。

プリント配線基板４の上面には、所定の配線パターンで電気配線４１が形成されているとともに、光素子２が実装される位置に、電気配線４１に電気的に接続されるように一対のボンディングパット４６が形成されている。そして、このボンディングパット４６の上に光素子２が半田バンプ５によって接合されている。

光素子２は、例えばフォトダイオードであり、平面視で矩形の直方体状をなしている。そして、光素子２の下面が半田バンプ５およびボンディングパッド４６を介して電気配線４１に電気的に接続されている。また、光素子２は、端面に発光部を有していて、図１（ａ）中に矢印ｃで示すように、プリント配線基板４に平行な方向、すなわちプリント配線基板４の上面に沿う方向（図１（ａ）では右方向）に光を発光するようになっている。

光導波路基板３は、平面視で光素子２の発光方向（図１（ａ）では左右方向）に延びる直方体形状をなしており、左側の端面が光素子２と僅かな距離を隔てて対向するようにプリント配線基板４の上面に実装されている。この光導波路基板３は、光素子２から発光された光を導波するコア３１と、このコア３１を当該コア３１の延在する方向と直交する方向で囲繞するクラッド３２とを有している。コア３１の屈折率は、例えば１．５３、クラッド３２の屈折率は、例えば１．５１である。

光導波路基板３とプリント配線基板４とには、光導波路基板３をプリント配線基板４に実装するときの位置決め部が設けられている。具体的には、前記位置決め部として、プリント配線基板４の上面に、光素子２の発光方向と直交する方向に並ぶ一対のボンディングパッド４５が設けられている一方、光導波路基板３の下面に、ボンディングパッド４５と対応する一対のボンディングパッド３５が設けられている。なお、光導波路基板３は、透明な材料で構成されていて、ボンディングパッド３５は上面から見えるようになっている。

そして、光導波路基板３を実装するときには、図２に示す状態から光導波路基板３を上下逆にし、ボンディングパッド３５とボンディングパッド４５とが合致するように、光導波路基板３とプリント配線基板４とを位置合わせして、半田バンプ６によりボンディングパッド３５，４５同士を接合する。前記位置合わせは、ＣＣＤカメラなどを用いて画像処理を行いながら機械によって光導波路基板３の位置を調整することにより行う。また、半田バンプ６による接合後には、プリント配線基板４の上面に、光導波路基板３を縁取るように光学接着剤を塗布して、光導波路基板３とプリント配線基板４とを強固に接着する。

コア３１の光素子側の端部３１ａは、光素子２に近づくに連れてプリント配線基板４に平行な方向（図１（ａ）では上下方向）の幅寸法が大きくなるテーパー状になっている。

ＬＡＮ通信などに使用される光通信では、高速性や伝送距離などから判断して、光接続が容易なマルチモード光信号を用いることが多い。この場合、コア３１の断面形状は、３０〜１００μｍ□の範囲が一般的であり、発光素子の発光部のサイズと受光素子の受光部のサイズにより決定される。本実施形態では、コア３１の高さ寸法およびテーパー部分以外の部分の幅寸法は、約１００μｍに設定されており、テーパー部分の長さは約５ｍｍ、最大幅寸法は約２００μｍに設定されている。

本実施形態の光モジュール１Ａでは、光導波路基板３とプリント配線基板４とに、光導波路基板３をプリント配線基板４に実装するときの位置決め部であるボンディングパッド３５，４５を設けたから、光素子２と光導波路基板３とを別々にプリント配線基板４に実装しても、光導波路基板３と光素子２とが大きく位置ずれすることがない。従って、位置ずれによる光結合効率の低下を抑制しながら、光導波路基板３の設計の自由度を向上させることができる。

ここで、本実施形態では、コア３１の光素子側の端部３１ａをテーパー状にしているが、コア３１が全長に亘って直線状となっている場合には、図３中の曲線ａで示すように、光素子２と光導波路基板３とが位置ずれした場合、換言すれば、光素子２の発光部の光軸中心とコア３１の光軸中心とがずれた場合には、光結合効率が極端に減少し、さらにコア３１の幅寸法以上の位置ずれが生じると、光結合効率がほとんど０になる。光素子２の実装位置と光導波路基板３の実装位置は、プリント配線基板４に垂直な方向では半田バンプ５，６の高さ寸法によって決まるため、その方向での位置ずれ量は小さいが、プリント配線基板４に平行な方向での位置ずれ量は、ボンディングパッド３５，４５同士が完全に合致していなければ大きくなる。

そこで、本実施形態のように、コア３１の光素子側の端部３１ａを、光素子に近づくに連れて幅寸法が大きくなるテーパー状にすることにより、たとえ光素子２と光導波路基板３とが位置ずれしたとしても、そのテーパー部分によって光素子２から発光される光の大部分がコア３１内に導かれることになるため、図３中の曲線ｂで示すように、位置ずれによる光結合効率の変動が小さくなる。さらには、そのテーパー部分によって、図１（ａ）中に矢印ｄで示す拡散光までをもコア３１内に導くことができるため、光素子２と光導波路基板３とを離間させた場合でも、拡散光による光結合効率の低下を抑制することができる。

なお、前記実施形態では、コア３１の光素子側の端部３１ａをテーパー状にしているが、コア３１が全長に亘ってテーパー状になっていてもよく、少なくとも光素子側の端部３１ａがテーパー状になっていればよい。

また、位置決め部としては、ボンディングパッド３５，４５以外にも、種々のものを採用することができる。例えば、図４（ａ）（ｂ）に示す変形例の光モジュール１Ａ’のように、位置決め部を嵌合形状で構成することも可能である。

すなわち、プリント配線基板４の上面にサブマウント基板７が実装されたものを配線基板とし、このサブマウント基板７に、サブマウント基板７の上面から窪み、光素子２の発光部よりも下方部分が嵌合する平面視で矩形状の凹部７１と、サブマウント基板７の右側の端面から中央付近まで左右方向に延在し、光導波路基板３の下部が嵌合する溝部７２とを設け、この溝部７２と光導波路基板３の幅方向の端面とで位置決め部を構成してもよい。

サブマウント基板７は、樹脂成形により形成される三次元立体回路（ＭＩＤ；Molded Interconnect Device）である。ＭＩＤは、射出成形樹脂の上に回路が立体的に形成されたものであるので、立体形状を高精度に形成することが可能である。

なお、溝部７２および光導波路基板３の形状は適宜選定可能であり、例えば図５に示すように、溝部７２および光導波路基板３を平面視で略Ｔ字状にしてもよい。このようにすれば、光素子２の発光方向においても位置決めすることが可能となる。

前記実施形態では、光素子２として発光素子が採用されていて、コア３１の光素子側の端部３１ａが光素子２に近づくに連れて幅寸法が大きくなるテーパー状になっている形態を示したが、光素子２として受光素子を採用した場合には、前記実施形態とは逆に、コア３１の光素子側の端部３１ａを光素子２に近づくに連れて幅寸法が小さくなるテーパー状にすればよい。

次に、図６（ａ）（ｂ）を参照して、本発明の第２実施形態に係る光モジュール１Ｂを説明する。

この光モジュール１Ｂでは、光素子２として、上面からプリント配線基板４に垂直な方向（図６（ｂ）では上方向）に発光するＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が採用されている。このＶＣＳＥＬは、例えば、外径寸法が０．２７×０．２２ｍｍ、高さ０．１８５ｍｍ、発光エリアが１５μｍφで、発振波長が８５０ｎｍである。そして、光素子２のボンディングパッド２１は、プリント配線基板４上の電気配線４１にワイヤーボンディング４２で電気的に接続されている。

光導波路基板３は、平面視で長方形の形状を有しており、光素子２の上面の一部を覆った状態で下面３ｂがプリント配線基板４の上面に接合されている。このプリント配線基板４の上面と、光導波路基板３の下面３ｂとには、図示は省略するが、第１実施形態で示したボンディングパッド３５，４５などの位置決め部が設けられている。

また、光導波路基板３は、光素子２の発光部の真上にミラー部３ａを有しており、コア３１は、光導波路基板３のミラー部３ａと反対側の端面からミラー部３ａに至るまでプリント配線基板４に平行な方向（図６（ｂ）では左右方向）に延在している。さらに、光導波路基板３には、ミラー部３ａにおけるコア３１の到達位置から光素子２の近傍まで光素子２の発光方向に延在する延在コア３１’が設けられている。そして、光素子２の発光部から真上に発光された光は、延在コア３１’内を伝搬してミラー部３ａに至り、このミラー部３ａで９０度方向に反射されて、コア３１内をコア３１の延在方向の他端部（図６（ｂ）では右端部）の方向に伝搬されるようになる。

ミラー部３ａは、光導波路基板３における光素子２の発光部の真上に位置する部分が４５度でカットされて構成されており、このカット面に金属膜や誘電体膜をコートして、反射率を向上させている。

コア３１の光素子側の端部３１ａは、光素子２に近づくに連れてプリント配線基板４に平行な方向（図６（ａ）では上下方向）の幅寸法が大きくなるテーパー状になっている。コア３１の端部３１ａは、直線状に戻ることなくテーパー状のままミラー部３ａにつながっているので、図７（ａ）（ｂ）に示すように、ミラー部３ａにおけるコア３１の形状は、光素子側を幅広とする台形状となっている。

延在コア３１’は、図７（ｃ）に示すように、コア３１の延在する方向から見たときに光素子側の幅寸法が大きくなるテーパー状となっている。

このように、ミラー部３ａにおけるコア３１の形状を光素子側を幅広とする台形状とすることにより、ミラー部３ａを有する光導波路基板３においても、コア３１の少なくとも光素子側の端部３１ａをテーパー状にして、実装位置ずれによる光結合効率の変動を小さくすることができる。

なお、延在コア３１’を省略して延在コア３１’の存していた部分をクラッド３２で充填しても、光素子２から発光された光はクラッド３２を通過した後にミラー部３ａで反射されてコア３１内を伝搬するようになるが、この場合には光がコア３１の下部のクラッド３２を通過する際に広がって、光結合効率が低下する。これに対し、本実施形態のように延在コア３１’を設けることによって光が下部のクラッド３２中で広がらないので、光素子２と光導波路基板３との光結合効率が向上するようになる。さらに、延在コア３１’を光素子側が幅広となるテーパー状にしたから、さらに大きな位置ずれに対しても対応可能となる。

次に、図８（ａ）（ｂ）を参照して、本発明の第３実施形態に係る光モジュール１Ｃを説明する。この光モジュール１Ｃでは、光素子２と光導波路基板３との間に、シリンドリカルレンズ８が配置されている。なお、この光モジュール１Ｃでは、コア３１が端部３１ａだけでなく全長に亘ってテーパー状になっているとともに、図示は省略するが第１実施形態と同様に、プリント配線基板４の上面と光導波路基板３の下面に、ボンディングパッド３５，４５などの位置決め部が設けられている。

シリンドリカルレンズ８は、光素子２の発光方向と直交する方向（図８（ａ）では上下方向）に延在しており、側面視で光素子側および光導波路基板側に凸となっている。そして、光素子２から発光された光は、図８（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ８によってプリント配線基板４に垂直な方向（図８（ｂ）では上下方向）に集光されてコア３１内に導かれる。

三次元の自由曲面で構成されたレンズを用いて集光した場合には、レンズ中心と光素子２の位置合わせ精度がシビアになり、実装コストが高くなるが、プリント配線基板４に垂直な方向で集光するシリンドリカルレンズ８を用いることによって、その方向のみの位置合わせ精度を出せばよく、実装コストを安く抑えることができる。そして、このように集光することにより、光結合効率を向上させることができる。

なお、この効果は、光素子２と光導波路基板３との間にシリンドリカルレンズ８を配置する以外にも、光素子２とコア３１との間に、光素子２から発光される光をプリント配線基板４に垂直な方向で集光してコア３１内に導く集光部を設けることによって得ることができる。

例えば、図９（ａ）（ｂ）に示す変形例の光モジュール１Ｃ’のように、クラッド３２を、コア３１の光素子側の端面３１ｂを覆う形状に形成するとともに、光素子側の端面３２ａを側面視で光素子側に凸となる凸面としてもよい。あるいは、凸面を有する部分であるコア３１の端面３１ｂから光素子側の部分を別部材として成形し、この別部材を図８（ａ）（ｂ）で示した光導波路基板３の光素子側の端面に接合してもよい。

このようにしても、凸面で光素子２から発光される光を集光してコア３１内に導くことは可能である。

本発明の第１実施形態に係る光モジュールを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 第１実施形態の光モジュールの分解斜視図である。 位置ずれ量と光結合効率との関係を表すグラフである。 第１実施形態の変形例の光モジュールを示す図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は側面図である。 第１実施形態の変形例の光モジュールの分解斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る光モジュールを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 第２実施形態の光モジュールの要部を拡大した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第３実施形態に係る光モジュールを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 （ａ）は第３実施形態の変形例の光モジュールの側面図、（ｂ）は導波路基板の斜視図である。

符号の説明

１Ａ，１Ａ’，１Ａ”，１Ｂ，１Ｃ，１Ｃ’ 光モジュール
２ 光素子
３ 光導波路基板
３ａ ミラー部
３１ コア
３１ａ 端部
３１’ 延在コア
３２ クラッド
３２ａ 凸面（集光部）
３５ ボンディングパッド（位置決め部）
４ 配線基板
４５ ボンディングパッド（位置決め部）
４８ 窪み部
５，６ 半田バンプ
７ サブマウント基板
７２ 溝部（位置決め部）
８ シリンドリカルレンズ（集光部）

Claims (4)

1. 光素子と、コアおよびクラッドを有し、前記光素子と光学的に結合する光導波路基板と、前記光素子および前記光導波路基板が実装される配線基板とを備えた光モジュールであって、
   前記光導波路基板と前記配線基板とに、光導波路基板を配線基板に実装するときの位置決め部を設けるとともに、光導波路基板のコアの少なくとも光素子側の端部を、光素子に近づくに連れて前記配線基板に平行な方向の幅寸法が大きくなるテーパー状にしたことを特徴とする光モジュール。
2. 前記光導波路基板はミラー部を有しており、前記コアはこのミラー部につながっており、ミラー部におけるコアの形状を光素子側を幅広とする台形状としたことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記ミラー部から光素子の近傍まで延在する延在コアを設け、この延在コアを、前記コアの延在する方向から見たときに光素子側の幅寸法が大きくなるテーパー状にしたことを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
4. 前記光素子と前記コアとの間に、光素子から発光される光を前記配線基板に垂直な方向で集光してコア内に導く集光部を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュール。
   

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