JP2012145795A - 光電変換モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバを挿入孔へ挿入する際に削りカスを発生させることがなく、かつ、光ファイバの光素子に対する位置決め精度を高精度に安定して維持することのできる光モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】電気配線１２が設けられた素子搭載面１１に開口した挿入孔１５を有する光フェルール１０を用意し、電気配線１２に電気的に接続されるように素子搭載面１１に光電変換素子２１を搭載し、先端面３３の外縁部３４が面取りされたガラスファイバ３１を挿入孔に挿入し、ガラスファイバ３１の先端面３３を光電変換素子２１に対して位置決めすることにより上記目的が達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光フェルールを用いた光電変換モジュール、及びその製造方法に関する。

光ファイバと面発光レーザー等の光素子を直接光結合させた光モジュール（光電変換モジュール）が提案されている（例えば特許文献１参照）。この種の光モジュールは、図９に示すデバイスアレイ（光電変換デバイス）１０１と、光フェルール１０３とを備えてなる。デバイスアレイ１０１は、結合面１０５が光フェルール１０３の結合面（素子搭載面）１０７に結合される。デバイスアレイ１０１の結合面１０５の中央部近傍には複数の光素子（光電変換素子）１０９が配置され、光素子１０９は複数のバンプ１１１を接続端子としている。

光モジュールは、デバイスアレイ１０１の結合面１０５と光フェルール１０３の結合面１０７とを対向させ、挿入孔１１５に光素子１０９を位置合わせするとともに、電気配線にバンプ１１１を位置合わせし、バンプ１１１を介して電気配線に固定し、光フェルール１０３とデバイスアレイ１０１とを予め結合している。その後、光ファイバ１１３が挿入孔１１５に挿入され、デバイスアレイ１０１に対し光ファイバ１１３が直接光結合される。

特開２００９−１２８６５７号公報

ところで、このような光モジュールに用いる光ファイバ１１３はファイバカッター等の刃物で切断することが一般的である。このため、光ファイバ１１３を挿入孔１１５へ挿入する際に、切断された端面である光ファイバ１１３の被覆が除去されたガラスファイバの先端面が挿入孔１１５の内周面を削り、削りカスがガラスファイバの先端面と光素子１０９との間に発生することがあった。このような削りカスが発生すると、光結合効率が低下するため望ましくない。

このため、特許文献１の光モジュールでは、ガラスファイバ１２１の先端面が挿入孔１１５の内周面を削ることによる発塵を防止するために、図９に示すように、挿入孔１１５にガラスファイバ１２１よりも軟らかい被覆付光ファイバを挿入することを提案している。しかしながら、ガラスファイバ１２１よりも軟らかい被覆はガラスファイバ１２１よりも弾性変形の度合いが大きいため、被覆付光ファイバを挿入孔１１５へ挿入前或いは挿入後に何らかの外力が被覆付光ファイバに作用すると、ガラスファイバ１２１の先端面が被覆付光ファイバの光軸方向に移動してしまう。したがって、光素子１０９との距離が移動してしまってガラスファイバ１２１の先端面の光素子１０９に対する位置決め精度を高精度に安定して維持することが難しい。

そこで本発明の目的は、光ファイバを挿入孔へ挿入する際に削りカスを発生させることがなく、かつ、光ファイバの光素子に対する位置決め精度を高精度に安定して維持することのできる光電変換モジュール、及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば以下が提供される。
（１） 電気配線が設けられた素子搭載面に開口した挿入孔を有する光フェルールを用意し、
前記電気配線に電気的に接続されるように前記素子搭載面に光電変換素子を搭載し、
先端面の外縁部が面取りされたガラスファイバを前記挿入孔に挿入し、
前記ガラスファイバの前記先端面を前記光電変換素子に対して位置決めすることを特徴とする光電変換モジュールの製造方法。
（２） 前記ガラスファイバの前記外縁部は曲面に形成されていることを特徴とする（１）に記載の光電変換モジュールの製造方法。
（３） 前記ガラスファイバの前記先端面全体が曲面とされていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の光電変換モジュールの製造方法。
（４） 前記ガラスファイバの前記先端面は、前記ガラスファイバの光軸と垂直な方向に対して傾いていることを特徴とする（１）から（３）の何れか一項に記載の光電変換モジュールの製造方法。
（５） 前記ガラスファイバを前記挿入孔に挿入する前に、前記挿入孔にアンダーフィルを充填し、
前記ガラスファイバの前記挿入孔への挿入時に、前記ガラスファイバの前記先端面で前記アンダーフィルを移動させて、前記ガラスファイバの前記先端面、前記光電変換素子及び前記光フェルールの前記素子搭載面との間に画成される空間に前記アンダーフィルを充填することを特徴とする（１）から（４）の何れか一項に記載の光電変換モジュールの製造方法。
（６） 前記ガラスファイバの先端をレーザーを用いて切断し、前記ガラスファイバの前記先端面の前記外縁部を曲面に形成することを特徴とする（１）から（５）の何れか一項に記載の光電変換モジュールの製造方法。
（７） 前記アンダーフィルを充填し、前記アンダーフィルを硬化させた後、
前記光電変換モジュールの前記素子搭載面とは反対側の側面を研磨することを特徴とする（５）に記載の光電変換モジュールの製造方法。
（８） 電気配線が設けられた素子搭載面に開口した挿入孔を有する光フェルールと、
前記電気配線に電気的に接続されるように前記素子搭載面に搭載された光電変換素子と、
光軸が前記光電変換素子の光軸と一致した状態で前記挿入孔に挿入されたガラスファイバとを有し、
前記ガラスファイバの先端面は外縁部が面取りされており、
前記ガラスファイバの前記先端面は、前記ガラスファイバの光軸と垂直な方向に対して傾斜されていることを特徴とする光電変換モジュール。

本発明に係る光電変換モジュールの製造方法によれば、光フェルールの挿入孔に挿入するガラスファイバの先端面の外縁部が面取りされているので、挿入孔へ挿入する際にガラスファイバの先端面の外縁部が挿入孔の内周面を削ることがない。したがって、挿入時に削りカスが発生することがないので、高い光結合効率を有する光電変換モジュールの製造方法を提供することができる。また、ガラスファイバと挿入孔が直接接触していることにより、ガラスファイバの先端面の光電変換素子に対する位置決め精度を安定的に維持することができる。

本発明の実施形態に係る光電変換モジュールの断面図である。 図１に示す光電変換モジュールのガラスファイバ先端面の拡大図である。 本発明の実施形態に係る光電変換モジュールの製造工程を示す図である。 本発明の実施形態に係る光電変換モジュールの製造工程を示す図である。 本発明の実施形態に係る光電変換モジュールの製造工程を示す図である。 本発明の実施形態に係る光電変換モジュールの製造工程を示す図である。 本発明の変形例に係る光電変換モジュールのガラスファイバ先端面の拡大図である。 本発明の実施形態に係る光電変換モジュールが光コネクタと接続される様子を示す図である。 従来の光電変換モジュールの断面図である。

以下、本発明に係る光電変換モジュールの製造方法の実施形態の例を、図面を参照しつつ説明する。

本実施形態に係る光電変換モジュール１は、光フェルール１０と、光フェルール１０に取り付けられる光デバイス２０と、光フェルール１０に取り付けられて光デバイス２０へ光信号を送受信するガラスファイバ３０と、を備える。図１は光電変換素子２１及びガラスファイバ３１を含む断面を示す図であり、本実施形態に係る光電変換モジュール１は、図１の紙面垂直方向にこれらの光電変換素子２１及びガラスファイバ３１が並列に配列されて複数の信号を光電変換できるようにされている。

図１に示すように、光フェルール１０は、一側面が素子搭載面１１とされた略直方体状の樹脂成形体である。光フェルール１０に用いることのできる樹脂は、ポリエステル樹脂、ＰＰＳ樹脂あるいはエポキシ樹脂等を例示することができる。

光フェルール１０の素子搭載面１１にはリードフレーム（電気配線）１２が設けられており、リードフレーム１２の端子部１３は素子搭載面１１に隣接する光フェルール１０の一側面（図示の例では上面）１４に回り込んで設けられている。或いは、リードフレーム１２の切断面を端子部１３として用いても良い。このように端子部１３が光フェルール１０の上面１４に形成されていることにより、光フェルール１０が搭載される共通の回路基板に設けられ光デバイス２０を駆動するＩＣチップと、光デバイス２０とを、ワイヤボンディング等によって容易に電気的に接続できるようにされている。

また、光フェルール１０には、素子搭載面１１に開口するように挿入孔１５が貫通して設けられている。この挿入孔１５の内径は、ガラスファイバ３１の外径よりも僅かに大きく形成されている。また、光フェルール１０の上面１４から挿入孔１５に連続するようにアンダーフィル４０を導入するための導入孔１６が設けられている。

光デバイス２０は光電変換素子２１を有し、光フェルール１０の素子搭載面１１に取り付けられている。光デバイス２０は、光電変換素子２１の受発光面２２が光フェルール１０の挿入孔１５の開口に対向した状態で、バンプ２３を介して素子搭載面１１のリードフレーム１２に固定されている。なお、バンプ２３による接続以外にもはんだ付けや導電性接着剤による接着等、機械的な接続と同時に電気的な接続を達成できれば、その接続手段を問わない。なお、光電変換素子２１としては、フォトダイオード（ＰＤ）や面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を例示できる。この光電変換素子２１は図１の紙面と垂直方向にアレイ状に光デバイス２０に配列されていても良く、アレイ状の場合は、複数のガラスファイバ３１からそれぞれ送受信される光信号を光電変換する。

ガラスファイバ３１はコアとクラッドからなり、被覆が除去されたファイバである。このガラスファイバ３１は光フェルール１０の光デバイス２０とは反対側から挿入孔１５に挿入されている。ここで、光電変換素子２１が発光素子であった場合、発光素子２１からの光が光ファイバ３１の先端面３３で反射して再び発光素子２１に入射する反射戻り光防止の観点から、光電変換素子２１の光軸（受発光面の法線）と光ファイバ３１の先端面３３は直交していないことが好ましい。また、光ファイバ３１の先端面３３が光ファイバ３１の光軸方向に移動しても安定的に光電変換素子２１との光結合を維持できるように、図示の如く光電変換素子２１の光軸と光ファイバ３１の光軸とが一致していればさらに好ましい。

このガラスファイバ３１の先端面３３の外縁部３４には、図２に拡大して示すように、面取りが施されている。このように、ガラスファイバ３１の先端面３３の外縁部３４が面取りされているので、ガラスファイバ３１の挿入孔１５への挿入時に、ガラスファイバ３１の先端面３３の外縁部３４が挿入孔１５の内周面を削ることがないので、削りカスが発生しない。

また、ガラスファイバ３１の先端面３３、光デバイス２０及び光フェルール１０の素子搭載面１１との間に画成される空間Ａには熱硬化性樹脂からなるアンダーフィル４０が充填されている。このアンダーフィル４０は、光フェルール１０の素子搭載面１１と光デバイス２０との接続強度を向上させ、また、ガラスファイバ３１の先端面３３と光電変換素子２１の受発光面２２との間に外部からゴミ等が侵入することを防止する。また、このアンダーフィル４０は挿入孔１５の内周面とガラスファイバ３１の外周面との間にも介在して、ガラスファイバ３１の先端面３３の光電変換素子２１に対する位置を安定的に維持している。

次に、上述の光電変換モジュール１の製造方法について説明する。
まず、図３に示す光フェルール１０を用意する。この光フェルール１０の素子搭載面１１にはリードフレーム１２を設け、挿入孔１５が素子搭載面１１に開口するように貫通して形成し、また、光フェルール１０の上面１４から挿入孔１５まで貫通するようにアンダーフィル導入孔１６を光フェルール１０に形成しておく。

次に、図４に示すように、光フェルール１０の素子搭載面１１に光デバイス２０を取り付ける。具体的には、光電変換素子２１の受発光面２２が挿入孔１５の開口に対向するように配置して、予めバンプ２３の形成された光デバイス２０をリードフレーム１２に接触させ、振動溶着等によりリードフレーム１２にバンプ２３を介して光デバイス２０を取り付ける。なお、振動溶着を用いたバンプ２３による取付の外に、はんだ付けや導電性接着剤による接着によってリードフレーム１２に光デバイス２０を取り付けても良い。

次に、図５に示すように、光フェルール１０のアンダーフィル導入孔１６から挿入孔１５へ液状のアンダーフィル４０を導入する。なお、ガラスファイバ３１の先端面３３とアンダーフィル４０との間に空気が入り込むことを防止するために、ガラスファイバ３１が挿入される挿入孔１５の開口（図５の光フェルールの右側端）までアンダーフィル４０を充填することが好ましい。

次に、図６に示すように光フェルール１０の光デバイス２０とは反対側から挿入孔１５へ、先端面３３の外縁部３４が面取りされたガラスファイバ３１を挿入する。このとき、ガラスファイバ３１の先端面３３の外縁部３４が面取りされているので、ガラスファイバ３１の先端面３３の外縁部３４が挿入孔１５の内周面を削ることがないので、削りカスが発生しない。

なお、ガラスファイバ３１の挿入孔１５への挿入前にガラスファイバ３１をレーザー溶断により切断することで、先端面３３の外縁部３４に曲面を形成し、外縁部３４が面取りされた形状を容易に形成することができる。また、ファイバーカッター等の刃物でガラスファイバ３１を切断し、その切断面を研磨して外縁部３４を面取りしてもよい。

また、ガラスファイバ３１の挿入孔１５への挿入に伴って、挿入孔１５に導入されたアンダーフィル４０がガラスファイバ３１の先端面３３に押されながら光デバイス２０側に移動する。この時に、アンダーフィル４０の一部が挿入孔１５の内周面と光ファイバ３０の外周との間に入り込むことにより、ガラスファイバ３１を光フェルール１０に対して固定することができる。

ガラスファイバ３１の先端面３３を光デバイス２０近傍の所定位置まで挿入したらガラスファイバ３１の挿入を停止する。このとき、アンダーフィル４０はガラスファイバ３１の先端面３３に押されて、ガラスファイバ３１の先端面３３、光フェルール１０の素子搭載面１１及び光デバイス２０で画成される隙間Ａに押し出される。このとき、アンダーフィル４０の導入量を、押し出されたアンダーフィル４０がバンプ２３を覆うように管理することが好ましい。

このように隙間Ａにアンダーフィル４０が充填された状態で、アンダーフィル４０を加熱して硬化させると、アンダーフィル４０が光ファイバ３０、光フェルール１０及び光デバイス２０のそれぞれを固着させて光電変換モジュール１が完成する。このように硬質のガラスファイバ３１が挿入孔１５に対して直接固定されているので、ガラスファイバ３１の先端面３３の光電変換素子２２に対する位置決め精度を高精度に安定して維持することができる。

なお、図２に示すようにガラスファイバ３１の先端面３３の全体が曲面に形成されていると、アンダーフィル４０の導入時あるいはガラスファイバ３１の挿入孔１５への挿入時に混入してしまう虞のある微少な気泡を、ガラスファイバ３１の挿入によりアンダーフィル４０が移動する際に、ガラスファイバ３１の曲面に形成された先端面３３に沿ってガラスファイバ３１の外周側に移動させることができる。その結果、ガラスファイバ３１を光デバイス２０近傍の所定位置まで挿入した際に、ガラスファイバ３１の先端面３３と光デバイス２０の受発光面２２との間に気泡を介在させないことができるので、より高い光結合効率を有する光電変換モジュール１を提供することができる。

また、気泡がガラスファイバ３１の先端面３３と光デバイス２０の受発光面２２との間に介在してしまうことを一層抑制するために、図７の変形例に示すようにガラスファイバ５０の先端面５１をガラスファイバ５０の光軸Ａｘと垂直な方向に対して傾斜させてもよい。

このように、ガラスファイバ５０の先端面５１が光軸Ａｘに対して直交するのではなく、ガラスファイバ５０の光軸Ａｘと垂直な方向に対して傾斜して形成されていれば、ガラスファイバ５０を挿入孔１５へ挿入する際に、ガラスファイバ５０の中心付近に存在する気泡もガラスファイバ５０の先端面５１に案内されてガラスファイバ５０の外周面に回り込みやすくなる。

なお、この場合でも、ガラスファイバ５０の外縁部５２は面取りが施されており、ガラスファイバ５０を挿入孔１５に挿入するときに、ガラスファイバ５０の先端面５１が挿入孔１５の内周面を削ることがないようにされている。

また、図７に示す本発明の変形例に係る光電変換モジュールによれば、光電変換素子２１が、ＶＣＳＥＬ等を用いた発光素子であった場合、発光素子２１から発せられた光がガラスファイバ５０の先端面５１で反射されて発光素子２１の発光面２２に入射することがない。このため、発光素子２１を安定的に駆動することができるので、ノイズ混入の少ない光信号を送信することができる。

また、上述の説明では、アンダーフィル４０が光電変換素子２１及びガラスファイバ３１をそれぞれ素子搭載面１１及び挿入孔１５に固定する例を挙げて説明したが、両者をそれぞれ別々の樹脂により固定しても良い。この場合には、ガラスファイバ３１を挿入孔１５に固定する樹脂は透明である必要がない。さらに、ガラスファイバ３１の外周面と挿入孔１５の内周面との間で十分な摩擦抵抗が得られてガラスファイバ３１の先端面３３の光電変換素子２１に対する位置がずれず、安定的に高い位置決め精度を維持することができれば、アンダーフィル４０を省略してもよいことは勿論である。

図８は、上述の実施形態に係る光電変換モジュール１が光コネクタ６０と接続される様子を示す図である。なお、本例に用いる光電変換モジュール１では、ガラスファイバ３１は後方で切断されて、ガラスファイバ３１の後端面３５が光フェルール１０の素子搭載面１１と反対側の側面（後端面）１８と面一となるように、ガラスファイバ３１の後端面３５と光フェルール１０の後端面１８は一緒に研磨されている。このガラスファイバ３１の切断、及び研磨は上記アンダーフィルの硬化後に行うことができる。

また、光コネクタ６０には並列に配置された複数本の光ファイバ７０が束ねられた光ファイバテープ７１が接続されており、複数本の光ファイバ７０がそれぞれ光電変換モジュール１のガラスファイバ３１と光学的に接続される。

光コネクタ６０の光ファイバ７０の配列方向両端には、光コネクタ６０から光電変換モジュール１に向かってガイド軸６１が突出するように設けられ、光フェルール１０のガイド軸６１と対応する位置にガイド軸６１が挿入可能なガイド孔１７が設けられている。光電変換モジュール１と光コネクタ６０とを接続する際に、光コネクタ６０のガイド軸６１を光フェルール１０のガイド孔１７に挿入することにより、光電変換モジュール１中のガラスファイバ３１と光コネクタ６０中の光ファイバ７０を高精度に位置合わせできる。

また、ガイド軸６１をガイド孔１７に挿入した状態で光フェルール１０の反光コネクタ６０側の側面（素子搭載面１１）及び光コネクタ６０の反光フェルール１０側の側面６２とに弾性部材からなるクランプ８０が掛け渡されて装着されている。クランプ８０を装着することで、容易にガラスファイバ３１と光ファイバ７０の光接続状態を維持することができる。

１０：光フェルール、１１：素子搭載面、１２：リードフレーム、１３：端子部、１４：上面、１５：挿入孔、１６：導入孔、２０：光電変換デバイス、２１：光電変換素子、２２：受発光面、２３：バンプ、３０：光ファイバ、３１，５０：ガラスファイバ、３３，５１：先端面、３４，５２：外縁部、４０：アンダーフィル、６０：光コネクタ、７０：ファイバテープ、８０：クランプ

Claims (8)

1. 電気配線が設けられた素子搭載面に開口した挿入孔を有する光フェルールを用意し、
   前記電気配線に電気的に接続されるように前記素子搭載面に光電変換素子を搭載し、
   先端面の外縁部が面取りされたガラスファイバを前記挿入孔に挿入し、
   前記ガラスファイバの前記先端面を前記光電変換素子に対して位置決めすることを特徴とする光電変換モジュールの製造方法。
2. 前記ガラスファイバの前記外縁部は曲面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換モジュールの製造方法。
3. 前記ガラスファイバの前記先端面全体が曲面とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換モジュールの製造方法。
4. 前記ガラスファイバの前記先端面は、前記ガラスファイバの光軸と垂直な方向に対して傾いていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の光電変換モジュールの製造方法。
5. 前記ガラスファイバを前記挿入孔に挿入する前に、前記挿入孔にアンダーフィルを充填し、
   前記ガラスファイバの前記挿入孔への挿入時に、前記ガラスファイバの前記先端面で前記アンダーフィルを移動させて、前記ガラスファイバの前記先端面、前記光電変換素子及び前記光フェルールの前記素子搭載面との間に画成される空間に前記アンダーフィルを充填することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の光電変換モジュールの製造方法。
6. 前記ガラスファイバの先端をレーザーを用いて切断し、前記ガラスファイバの前記先端面の前記外縁部を曲面に形成することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の光電変換モジュールの製造方法。
7. 前記アンダーフィルを充填し、前記アンダーフィルを硬化させた後、
   前記光電変換モジュールの前記素子搭載面とは反対側の側面を研磨することを特徴とする請求項５に記載の光電変換モジュールの製造方法。
8. 電気配線が設けられた素子搭載面に開口した挿入孔を有する光フェルールと、
   前記電気配線に電気的に接続されるように前記素子搭載面に搭載された光電変換素子と、
   光軸が前記光電変換素子の光軸と一致した状態で前記挿入孔に挿入されたガラスファイバとを有し、
   前記ガラスファイバの先端面は外縁部が面取りされており、
   前記ガラスファイバの前記先端面は、前記ガラスファイバの光軸と垂直な方向に対して傾斜されていることを特徴とする光電変換モジュール。

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