JP2008122527A - 光トランシーバモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの低減および信号品質の向上に適した光トランシーバモジュールおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】光トランシーバモジュール１は、光を発光するＶＣＳＥＬ１３と、ＶＣＳＥＬ１３上に設けられ、上記光を透過させる熱可塑性樹脂層２２と、熱可塑性樹脂層２２中に設けられ、上記光を通過させる開口部２１ａを有する銅箔２１と、熱可塑性樹脂層２２の、ＶＣＳＥＬ１３と反対側の面に存在する窪み部２２ａと、窪み部２２ａ内に設けられたレンズ１１と、を備えている。窪み部２２ａは、開口部２１ａの上部に位置している。
【選択図】図２

Description

本発明は、光トランシーバモジュールおよびその製造方法に関する。

光トランシーバは従来、通信機器に搭載され、数Gbpsから数１０Gbpsの信号を光ファイバを経由して数１０キロメートル程度の伝送を行なっていた、基幹伝送用途向けの高価なモジュールであった。半導体技術の進展によって、10Gbps程度の高速動作が可能なLSIが一般的になってきたため、数１０メートル程度の装置間や、数メートル以内の装置内においても、電気伝送路の特性劣化が無視できない状況となっている。そのため、装置に使用するプリント基板や、コネクタ、ケーブルにもGHz帯域の高周波特性が要求されるとともに、高価な部品を使用せざるを得なくなっている。

10GHzの信号帯域を確保する伝送路をプリント基板上に形成するためには、表皮効果による損失や、誘電体損失による伝送損失の抑制や、広帯域にわたるインピーダンス整合が必要になるため、FR4のガラスエポキシ基板ではなく高価なポリイミド基板も使用される状況となっている。さらに、インピーダンス整合にはマイクロストリップラインを形成する必要があり、信号層とグランド層をペアで構成しなければならないが、これら高速の信号線はクロストークの発生を防止するため、信号線の間隔を広くする必要がある。しかも、複数の信号の伝達時間を揃えるために、等長配線を用いる配線部の面積の増加、多層化によって、プリント基板のコスト増加を招いていた。

さらに、これら高速の伝送路の設計は、伝送シミュレーションによってパターン設計を行った上、試作した基板の伝送特性を評価して、設計確認を行う必要があるため、開発期間や、設計評価の人件費等によって開発コストの増加を招いてきた。GHz以上の信号は近距離の装置間や装置内であっても、広帯域で低損失の特徴を持つ光ファイバを用いる考え方が近年盛んになってきている。この実現のため、LSIパッケージと同様の小型のパッケージに搭載して、安価に大量に生産して、電気コネクタと同様に小型で挿抜できる光トランシーバモジュールが求められるようになった。

従来の光学素子（レーザー、フォトダイオード等）とこれを駆動するドライバICと光電流-電圧変換ICの実装には、高周波特性の悪い従来のワイヤボンディングではなく、ベアチップ実装を用いて、伝送路のインピーダンス整合を図る必要がある。また、光ファイバと光学素子を低損失で結合させるため、レンズによって光束を絞る必要がある。そのため、光ファイバ、レンズ、光学素子のアライメント精度を数ミクロン程度の高精度で、しかも低コストで、短時間にアライメントさせる必要が高まってきた。

図７は、特許文献１に開示された光トランシーバモジュールを示す断面図である。発光素子１０３の発光面２０５の真上に放射線感応性樹脂によりレンズ１０１が形成され、発光素子１０３と光ファイバ１０４との間で光軸が調整されている。発光素子１０３の上面および下面には、それぞれ上部電極５０３および下部電極５０４が形成されている。上部電極５０３および下部電極５０４の各々に、リード線５０５が接続されている。

レンズ１０１は、次のようにして形成される。まず、発光素子１０３上に放射性感応樹脂からなるレジスト層を形成した後、発光面２０５の真上部分をマスクで覆う。続いて、他の部分のレジスト層を除去する。その後、残されたレジスト層を半球状に成形することにより、レンズ１０１が得られる。

なお、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献１の他に、特許文献２，３が挙げられる。
特開平９−３０７１４４号公報 特開２００６−１４０３８２号公報 特開昭５８−１８６９７７号公報

特許文献１では、光学素子が受信または発信する電気信号を伝送する伝送路に関して論議されておらず、通常は、半導体製造プロセスで一般的に使用される、ボンディングワイヤを用いて組み立てられている場合が多い。

しかしながら、数GHz以上の電気信号を伝送させる場合には、ボンディングワイヤの配線部分のインダクタンスとしての振舞いが無視できず、伝送路のインピーダンス不整合による反射によって信号品位が低下してしまうことがある。

そこで、マイクロストリップラインやストリップラインを信号伝送路に使用して、光学素子、さらにこれの駆動用IC、光電流-電圧変換用ICをフリップチップで実装することによって、数10Gbps以上の高速信号においても、品質の高い信号を実現できる実装が必要となっている。

しかしながら、光学素子の受光面または発光面は一般的に、半導体製造プロセスによってウエハ上に一括で形成されるため、信号パッドと同一面になってしまう。したがって、上述のマイクロストリップラインやストリップラインの信号層を接続すると、光学素子の受光面または発光面を信号層に押し当てることによって、光学素子がウエハ表面から突出するため、信号層に接触してしまうことになる。そこで、レンズを従来のように光学素子上に形成できなくなり、別々の構成要素として、光学素子、レンズ、光ファイバのアライメントを２回実施しなければならない状況になっていた。

本発明による光トランシーバモジュールは、光を発光または受光する光学素子と、上記光学素子上に設けられ、上記光を透過させる樹脂層と、上記樹脂層中に設けられ、上記光を通過させる開口部を有する銅箔と、上記樹脂層の、上記光学素子と反対側の面に存在する窪み部と、上記窪み部内に設けられたレンズと、を備え、上記窪み部は、上記開口部の上部に位置していることを特徴とする。

この光トランシーバモジュールにおいては、樹脂層中に銅箔が設けられているため、この銅箔をストリップラインまたはマイクロストリップライン等の伝送路として用いることが可能である。これにより、信号品質の高い伝送路が実現される。さらに、銅箔の開口部の上部に位置する、樹脂層の窪み部内に、レンズが設けられている。かかる構造であれば、レンズをセルフアライメントで形成することが可能なため、高精度なアライメント工程が不要となる。このことは、当該光トランシーバモジュールの製造コストの低減に資する。

また、本発明による光トランシーバモジュールの製造方法は、上記光トランシーバモジュールを製造する方法であって、上記銅箔を含む上記樹脂層を準備する工程と、上記樹脂層の上記窪み部内に、液状の樹脂を滴下することにより上記レンズを形成する工程と、を含むことを特徴とする。

この製造方法においては、上記窪み部内に樹脂を滴下することでレンズを形成している。これにより、レンズがセルフアライメントで形成されるため、高精度なアライメント工程が不要となる。

本発明によれば、製造コストの低減および信号品質の向上に適した光トランシーバモジュールおよびその製造方法が実現される。

以下、図面を参照しつつ、本発明による光トランシーバモジュールおよびその製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明による光トランシーバモジュールの一実施形態を示す断面図である。光トランシーバモジュール１は、光学素子として、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）１３を備えている。このＶＣＳＥＬ１３は、金属支持体１５と共に、ＦＦＣＳＰ（Flexible Carrier Folded CSP）１２中に設けられている。ＶＣＳＥＬ１３から出射した光束は、ＦＦＣＳＰ１２上に形成されたレンズ１１を通過して光ファイバ１４に入射される。このレンズ１１によれば、点線のように広がった光束を実線のように集光することによって、結合損失を低減して光ファイバ１４に効率良く結合させることが可能である。

また、ＶＣＳＥＬ１３には、ＦＦＣＳＰ１２の裏面の端子１６から電源および信号が供給される。ＶＣＳＥＬ１３を駆動する電気信号は、ＦＦＣＳＰ１２上に搭載された駆動ＩＣ（図示せず）からＶＣＳＥＬ１３まで、後述する銅箔２１によって伝送される。

図２は、光トランシーバモジュール１の一部（図１の線Ｌ１で囲まれた部分）を示す断面図である。ＶＣＳＥＬ１３上には、ＶＣＳＥＬ１３からの光を透過させる熱可塑性樹脂層２２が設けられている。熱可塑性樹脂層２２中には、銅箔２１が設けられている。銅箔２１は、複数の層（本実施形態においては２層）に分かれている。銅箔２１は、ＶＣＳＥＬ１３が受信する電気信号の伝送路としての機能を有する。この銅箔２１は、ストリップラインまたはマイクロストリップラインを構成していることが好ましい。銅箔２１のうち、ＶＣＳＥＬ１３の発光部１３ａの上部に位置する部分（線Ｌ２で囲まれた部分）には、ＶＣＳＥＬ１３からの光を通過させる開口部２１ａが形成されている。これらの銅箔２１および熱可塑性樹脂層２２によって、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）２７が構成されている。すなわち、このＦＰＣ２７は、銅箔２１と熱可塑性樹脂層２２とが積み重ねられた構造をしている。

熱可塑性樹脂層２２の上面（ＶＣＳＥＬ１３と反対側の面）には、窪み部２２ａが存在する。窪み部２２ａは、銅箔２１の開口部２１ａの上部に位置している。窪み部２２ａの底面は、曲面状をしている。窪み部２２ａの最大深さは、開口部２１ａの深さに略等しい。ここで、開口部２１ａの深さは、銅箔２１の厚みに等しく、銅箔２１が複数の層に分かれている場合、それらの銅箔２１の厚みの総和に等しい。したがって、本実施形態の場合、窪み部２２ａの最大深さは、２枚の銅箔２１分の厚みに略等しい。

窪み部２２ａ内には、レンズ１１が形成されている。レンズ１１は、ポリイミド樹脂よりも高い屈折率を有する高屈折率樹脂によって構成されている。窪み部２２ａの底面が曲面状であることに伴い、レンズ１１の下面（窪み部２２ａ側の面）は凸面である。本実施形態においてはレンズ１１の上面（窪み部２２ａと反対側の面）も凸面である。すなわち、レンズ１１は、両凸レンズである。

図３は、ＦＰＣ２７を上から見たときの様子を示す平面図である。ただし、レンズ１１が形成される前の様子を示している。同図に示すように、銅箔２１に形成された開口部２１ａを通して、発光部１３ａが見える。

図４〜図６を参照しつつ、本発明による光トランシーバモジュールの製造方法の一実施形態として、光トランシーバモジュール１の製造方法の一例を説明する。この製造方法は、銅箔２１を含む熱可塑性樹脂層２２を準備する工程と、熱可塑性樹脂層２２の窪み部２２ａ内に、液状の樹脂を滴下することによりレンズ１１を形成する工程と、を含んでいる。

熱可塑性樹脂層２２を準備する工程においては、熱可塑性樹脂層２２と銅箔２１とを交互に積層していく。このとき、各層の銅箔２１を積層した直後に、当該銅箔２１をパターニングすることにより開口部２１ａを形成する。これにより、開口部２１ａの上部に窪み部２２ａが自然に形成される（図４）。

レンズ１１を形成する工程においては、窪み部２２ａ内に、ディスペンサ針５１から液状の紫外線硬化樹脂５２を滴下させる（図５）。この紫外線硬化樹脂５２は、ポリイミド樹脂よりも高い屈折率を有する高屈折率樹脂である。その後、窪み部２２ａ内の紫外線硬化樹脂５２に対して、ＵＶ光源６１を用いて紫外線を照射する。これにより、レンズ１１が形成される（図６）。

本実施形態の効果を説明する。光トランシーバモジュール１においては、熱可塑性樹脂層２２中に銅箔２１が設けられているため、この銅箔２１をストリップラインまたはマイクロストリップライン等の伝送路として用いることが可能である。これにより、信号品質の高い伝送路が実現される。このため、数10Gbpsの高速動作が可能な光モジュールを実現することが可能となる。さらに、銅箔２１の開口部２１ａの上部に位置する、熱可塑性樹脂層２２の窪み部２２ａ内に、レンズ１１が設けられている。かかる構造であれば、レンズ１１をセルフアライメントで形成することが可能である。実際、上述の製造方法においては、窪み部２２ａ内に紫外線硬化樹脂５２を滴下することで、セルフアライメントでレンズ１１が形成されている。このことは、当該光トランシーバモジュール１の製造コストの低減に資する。

光学結合の設計においては、レンズの設計と組立時のアライメント精度が重要になる。この点、本実施形態では、ＶＣＳＥＬ１３が実装されるＦＦＣＳＰ１２に窪み部２２ａを設けることにより、高い位置精度で必要な数だけ一括でレンズ１１を形成することができる。さらに、レンズ１１が熱可塑性樹脂層２２の窪み部２２ａを利用して形成されるので、高価な金型が不要となる。そのうえ、レンズ１１がセルフアライメントでＶＣＳＥＬ１３に精度良く位置合わせされるため、高価な位置合わせ工程が不要となる。

電気的な結合をとるためにＶＣＳＥＬ１３とＦＰＣ２７の位置合わせは必要であるが、ステージを加熱して熱可塑性樹脂層２２を軟化させた状態で圧力を加えた後、常温に冷却するだけの工程で済む。そのため、従来のように接着剤の塗布や、接着剤が硬化する時間が不要であるため、固定治具も不要となる利点があり、大量生産に有利である。

レンズ１１が両凸レンズであるため、片面のみに凸面を有するレンズより焦点距離を短くすることが可能となる。それにより、光ファイバ１４との距離を短縮することが可能で、小型化へ寄与することが出来る。

以上のように、本実施形態によれば、高周波特性の優れた電気伝送路を接続しながら、セルフアライメントでレンズを構成できるため、大量生産に適し、安価で小型の光トランシーバを構成することが可能となる。

本発明による光トランシーバモジュールおよびその製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。上記実施形態においては発光側の光トランシーバモジュールを例示したが、本発明による光トランシーバモジュールは受光側であってもよい。その場合、ＶＣＳＥＬ１３の代わりにフォトダイオード等の受光素子を用いればよい。

また、上記実施形態においては紫外線硬化樹脂５２（図５参照）を例示したが、紫外線硬化樹脂５２の代わりに熱硬化樹脂を用いてもよい。その場合、窪み部２２ａ内の熱硬化樹脂を加熱して硬化させることで、レンズ１１を形成することができる。

本発明による光トランシーバモジュールの一実施形態を示す断面図である。 図１の光トランシーバモジュールの一部を示す断面図である。 ＦＰＣを上から見たときの様子を示す平面図である。 本発明による光トランシーバモジュールの製造方法の一実施形態を説明するための断面図である。 本発明による光トランシーバモジュールの製造方法の一実施形態を説明するための断面図である。 本発明による光トランシーバモジュールの製造方法の一実施形態を説明するための断面図である。 従来の光トランシーバモジュールを示す断面図である。

符号の説明

１ 光トランシーバモジュール
１１ レンズ
１２ ＦＦＣＳＰ
１３ ＶＣＳＥＬ
１３ａ 発光部
１４ 光ファイバ
１５ 金属支持体
１６ 端子
２１ 銅箔
２１ａ 開口部
２２ 熱可塑性樹脂層
２２ａ 窪み部
２７ ＦＰＣ
５１ ディスペンサ針
５２ 紫外線硬化樹脂
６１ ＵＶ光源

Claims (9)

1. 光を発光または受光する光学素子と、
   前記光学素子上に設けられ、前記光を透過させる樹脂層と、
   前記樹脂層中に設けられ、前記光を通過させる開口部を有する銅箔と、
   前記樹脂層の、前記光学素子と反対側の面に存在する窪み部と、
   前記窪み部内に設けられたレンズと、を備え、
   前記窪み部は、前記開口部の上部に位置していることを特徴とする光トランシーバモジュール。
2. 請求項１に記載の光トランシーバモジュールにおいて、
   前記窪み部の底面は、曲面状をしており、
   前記レンズの前記窪み部側の面は、凸面である光トランシーバモジュール。
3. 請求項１または２に記載の光トランシーバモジュールにおいて、
   前記レンズの前記窪み部と反対側の面は、凸面である光トランシーバモジュール。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の光トランシーバモジュールにおいて、
   前記レンズは、ポリイミド樹脂よりも高い屈折率を有する高屈折率樹脂によって構成されている光トランシーバモジュール。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の光トランシーバモジュールにおいて、
   前記窪み部の最大深さは、前記開口部の深さに略等しい光トランシーバモジュール。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の光トランシーバモジュールにおいて、
   前記銅箔は、前記光学素子が受信または発信する電気信号の伝送路としての機能を有する光トランシーバモジュール。
7. 請求項６に記載の光トランシーバモジュールにおいて、
   前記銅箔は、ストリップラインまたはマイクロストリップラインを構成している光トランシーバモジュール。
8. 請求項１乃至７いずれかに記載の光トランシーバモジュールを製造する方法であって、
   前記銅箔を含む前記樹脂層を準備する工程と、
   前記樹脂層の前記窪み部内に、液状の樹脂を滴下することにより前記レンズを形成する工程と、
   を含むことを特徴とする光トランシーバモジュールの製造方法。
9. 請求項８に記載の光トランシーバモジュールの製造方法において、
   前記液状の樹脂は、ポリイミド樹脂よりも高い屈折率を有する高屈折率樹脂である光トランシーバモジュールの製造方法。

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