JP4793099B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光インターコネクションに用いられる光モジュールに関する。

近年、システム装置内および装置間の信号を高速に伝送する技術である光インターコネクションが広がっている。すなわち、光インターコネクションとは、光部品をあたかも電気部品のように扱って、パソコン、車両、光トランシーバなどのマザーボードや回路基板に表面実装する技術をいう。

光インターコネクションに用いられる従来の光モジュールとして、図２８に示すような光モジュール２８１がある。

この光モジュール２８１は、上部が開口したキャビティを有するセラミックパッケージ２８２内に回路パターンを形成し、その回路パターンに光電変換素子（半導体レーザ（ＬＤ）やフォトダイオード（ＰＤ）２８３を複数個搭載し、セラミックパッケージ２８２の上部を、光通路となるガラス窓２８４を低融点ガラスで接合した金属製の蓋２８５で覆うと共に気密封止したものである。光モジュール２８１では、光電変換素子２８３からの光信号はガラス窓２８４を通して出力され、レンズ２８６で集光されて外部へ伝送される。

光電変換素子２８３は、回路パターンにワイヤボンディングによってワイヤｗで電気的に接続される。蓋２８５はセラミックパッケージ２８２に抵抗溶接や半田で接合される。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開２００５−２９２７３９号公報

しかしながら、従来の光モジュール２８１は、セラミックパッケージ２８２内に光電変換素子２８３を収納して気密封止するために、ガラス窓２８４と蓋２８５の２部品を用いる必要があり、部品点数が多いという問題がある。これに伴い、セラミックパッケージ２８２や光モジュール２８１自体の構造が複雑になるという問題もある。

また、従来の光モジュール２８１は、抵抗溶接用の金属枠２８７をセラミックパッケージ２８２の上縁面に取り付けなくてはならない。金属枠２８７の厚みの精度、金属枠２８７とセラミックパッケージ２８２を固着するロウ材ｂの厚み精度、さらに、金属枠２８７上面の突起部の溶け量のバラツキまで考慮して、予めガラス窓２８４の裏面と光電変換素子２８３との距離Ｌ１は、余裕を持って離しておく必要がある。

より詳細には、ワイヤｗの高さＬ２（約０．５ｍｍ）、ガラス窓２８４の厚さｔ（約０．３ｍｍ）、セラミックパッケージ２８２に蓋２８５を抵抗溶接で溶接するときの高さ方向の変動ΔＬ（約０．１ｍｍ）とすると、光電変換素子２８３とレンズ２８６の距離Ｌは、
Ｌ＞Ｌ２＋ｔ＋ΔＬ
を満たすことが必要であり、その他の部材の寸法精度なども考慮すると１．０ｍｍ以上必要となる。

一般的に、光電変換素子２８３はＬＤやＰＤが狭ピッチ（例えば、２５０μｍ）でアレイ状に配置されて構成されるため、距離Ｌが長くなるほど、隣のチャネルに光が漏れ込み、光モジュール２８１が正常に動作しないという問題がある。

そこで、本発明の目的は、部品点数が少なく、構造が簡単で、隣のチャネルへの光の漏れ込みがない光モジュールを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、その要旨は、上部が開口したパッケージ内に回路パターンを形成し、上記パッケージの上部に光透過部材を設け、上記パッケージ内に複数個の光電変換素子を収納して気密封止した光モジュールにおいて、上記光透過部材となる透明な無機材料基板の裏面に回路パターンを形成すると共に、その回路パターンに複数個の光電変換素子を実装し、上記パッケージの上縁面にパッケージ側電極を形成すると共に、そのパッケージ側電極に対応して上記無機材料基板の裏面に基板側電極を形成し、上記パッケージの上記パッケージ側電極の周囲にパッケージ側接合枠を形成し、上記無機材料基板の上記基板側電極及び上記基板側電極の周囲に、あるいは上記パッケージの上記パッケージ側電極及び上記パッケージ側接合枠に、半田ボールを複数個並べて取り付け、上記パッケージ側電極と上記基板側電極を半田接合すると共に、上記パッケージに上記無機材料基板を接合し、上記パッケージの上縁面に側壁を形成し、その側壁と上記無機材料基板の上縁面に半田を塗布し、塗布した半田を覆うようにリング状の金属板を設けて半田接合した光モジュールである。

本発明によれば、従来の光透過部材と気密封止用キャップを１枚の無機材料基板で一体構造にすることで、部品点数を削減でき、構造を簡単にできる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な第１の実施形態を示す光モジュールの斜視図、図２はその２Ａ−２Ａ線断面図、図３はその分解斜視図、図４は図３を上方から見た分解斜視図と無機材料基板の斜視図である。

図１〜図４に示すように、第１の実施形態に係る光モジュール（気密封止型パラレル光モジュール）１は、パソコン、車両、光トランシーバなどの機器のマザーボードや回路基板に表面実装するものであり、面積が１ｃｍ×１ｃｍ程度の大きさを有する。

この光モジュール１は、上部が開口したキャビティ（空洞、凹み、部屋）を有し、縦断面が凹状のセラミックパッケージ２と、そのセラミックパッケージ２の上部を覆う光透過部材となる光通信波長帯域の光に対して透明な無機材料基板３とで主に構成される。

パッケージとしてセラミックパッケージ２を用いたのは、後述するようにパッケージ内を気密封止した際、気密封止のレベルを、Ｈｅリーク試験おいて１０^-9Ｐａ・ｍ³ ／ｓ［Ｈｅ］以下に保つ必要があるからである。

セラミックパッケージ２内には、パッケージ側回路パターン４が形成される。回路パターン４の一部は、セラミックパッケージ２の上縁面と底面を結んで形成される。セラミックパッケージ２の底面には、機器のマザーボードや回路基板に光モジュール１を実装するためのパッケージ側半田ボール５が複数個格子状に並べて取り付けられる。つまり、セラミックパッケージ２はＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）はんだを構成する。

セラミックパッケージ２の上縁面に、回路パターン４と導通するパッケージ側電極６が複数個並べて形成される。セラミックパッケージ２のパッケージ側電極６の周囲には、パッケージ側接合枠７がＡｕ／Ｎｉなどの金属で形成される。これらパッケージ側電極６とパッケージ側接合枠７は、例えば、Ａｕ／Ｎｉ箔をフォトエッチングして一括形成される。

無機材料基板３としては、石英系ガラスやアルミナ単結晶Ａｌ₂ Ｏ₃ （いわゆるサファイアガラス）からなる基板を用いる。本実施形態では、無機材料基板３としてサファイアガラス基板を用いた。

石英系ガラスは熱伝導率が１〜２Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低いため、無機材料基板３に光電変換素子や半導体チップを実装する際、光電変換素子や半導体チップが１００℃以上上昇してしまい、製品化後、誤作動することがある。無機材料基板３を厚くしてその熱抵抗を下げる方法もあるが、光電変換素子と外部光学系（レンズなど）間の距離が長くなるので、無機材料基板３の厚さは、強度が許される限り、極力薄くしたい。これに対し、サファイアガラスは熱伝導率が３３．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）と極めて高いため、光電変換素子や半導体チップの温度上昇を１０℃以下に抑えることができる。また、サファイアガラスは広い波長帯域の光に対して透明性が優れている。

さらに使用するサファイアガラスとしては、光透過率及び熱伝導性などが重要であり、半導体薄膜用基板として用いる場合に重要である結晶性（結晶方位の揃った単結晶）は重要とはならない。従って、無機材料基板３として結晶性の低いサファイア基板を用いることで、光モジュール１を低コストで作製することができる。

無機材料基板３の裏面には、基板側回路パターン８が形成される。無機材料基板３の基板側回路パターン８には、送信用（発光用）の光電変換素子として、ＬＤを狭ピッチ（例えば、２５０μｍ）でアレイ状に４個並べた面発光レーザアレイ（ＶＣＳＥＬアレイ）９と、受信用（受光用）の光電変換素子として、フォトダイオード（ＰＤ）を狭ピッチ（例えば、２５０μｍ）でアレイ状に４個並べたＰＤアレイ１０と、ＶＣＳＥＬアレイ９とＰＤアレイ１０を制御する制御用半導体チップとして制御用ＩＣ１１と、抵抗やコンデンサなどの電気部品１６とが実装される。

ＶＣＳＥＬアレイ９は、無機材料基板２の裏面にフリップチップ実装される。すなわち、ＶＣＳＥＬアレイ９は、各ＬＤの発光領域が無機材料基板３と対向するように実装される。同様に、ＰＤアレイ１０も、無機材料基板２の裏面にフリップチップ実装される。すなわち、ＰＤアレイ１０は、各ＰＤの受光領域が無機材料基板３と対向するように実装される。

制御用ＩＣ１１は、ＶＣＳＥＬアレイ９の各ＬＤを駆動する駆動回路としてのドライバ（ＬＤ駆動回路ＩＣ）、ＰＤアレイ１０の各ＰＤからの電気信号を増幅する増幅回路としてのプリアンプ（ＰＤ駆動回路ＩＣ）などを備える。

無機材料基板３のＶＣＳＥＬアレイ９、ＰＤアレイ１０、制御用ＩＣ１１の周囲には、基板側電極１２が複数個形成される。これら基板側電極１２は、ＶＣＳＥＬアレイ９、ＰＤアレイ１０、制御用ＩＣ１１と導通される。

無機材料基板３の基板側電極１２の周囲には、パッケージ側接合枠７に対応して同じ形状の基板側接合枠１３がＡｕ／Ｎｉなどの金属で形成される。この基板側接合枠１３と基板側電極１２は、例えば、Ａｕ／Ｎｉ箔をフォトエッチングして一括形成される。

無機材料基板３とＶＣＳＥＬアレイ９の隙間には、無機材料基板３とほぼ同じ屈折率１．５を有する光通信波長帯域の光に対して透明なアンダーフィルｒが充填される。アンダーフィルｒとしてはエポキシ樹脂を用いる。アンダーフィルｒは、充填された後、熱処理によって硬化される。同様に、無機材料基板３とＰＤアレイ１０の隙間にも、透明なアンダーフィルが充填される。

無機材料基板３の光通路Ｒ以外となる表面には、金属膜１４がＮｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｒなどの金属で形成される。金属膜１４は、例えばメッキで形成される。無機材料基板３の表面のうち、金属膜１４が形成されていない部分（図１および図４の長円形部分）が光通路Ｒとなる。

無機材料基板３にはスルーホール１５を形成しており、金属膜１４は、このスルーホール１５を介して、セラミックパッケージ２内の回路パターンの一部を構成するベタＧＮＤ層（全面ＧＮＤ層）、あるいはマザーボードや回路基板のＧＮＤと導通している。

光モジュール１の組み立ては、まず、無機材料基板３に各光部品、各電気部品をフリップチップ実装した後、予めパッケージ側電極６あるいは基板側電極１２のどちらか一方に半田を溶融塗布すると共に、パッケージ側接合枠７あるいは基板側接合枠１３のどちらか一方に半田を溶融塗布しておく。

そして、Ｈｅや窒素などの不活性ガスの雰囲気下において、パッケージ側電極６と基板側電極１２を半田接合すると同時に、パッケージ側接合枠７に基板側接合枠１２を半田接合することで、両電極６，１２を接合した状態で、セラミックパッケージ２に無機材料基板３を接合すると共に気密封止する。

パッケージ側接合枠７と基板側接合枠１３の接合に半田を用いたのは、気密封止のレベルを、Ｈｅリーク試験において１０^-9Ｐａ・ｍ³ ／ｓ［Ｈｅ］以下に保つためである。半田としては、例えばＡｕ−Ｓｎ半田、Ｓｎ−Ａｇ半田を用いる。

ここで、接着剤や合成樹脂はノンハーメティックシールなので使用できない。特に、合成樹脂は膨潤するため、ＶＣＳＥＬアレイ９やＰＤアレイ１０を外気や水分に晒すことになり、適さない。また、低融点ガラスは、融点が高く、無機材料基板３に実装したＶＣＳＥＬアレイ９、ＰＤアレイ１０、制御用ＩＣ１１を壊すおそれがあるため、適していない。

最後に、セラミックパッケージ２の裏面に、パッケージ側半田ボール５を複数個格子状に並べて取り付けてＢＧＡを構成すると、光モジュール１が組み立てられる。

以上説明した組み立て工程は、図５に示すように、複数の光モジュールに一括で作業を行い、最後にダイシングして切り分けるとよい。

第１の実施形態の作用を説明する。

光モジュール１では、マザーボードや回路基板からの４つの電気信号は、セラミックパッケージ２の回路パターン４、制御用ＩＣ１１、ＶＣＳＥＬアレイ９の順で伝送され、ＶＣＳＥＬアレイ９で光信号にそれぞれ変換され、ＶＣＳＥＬアレイ９から４つの光信号として無機材料基板３、光通路Ｒを通して上方に出力される。

一方、光モジュール１では、無機材料基板３の上方から光通路Ｒ、無機材料基板３を通して入力された４つの光信号は、ＰＤアレイ１０で電気信号にそれぞれ変換され、ＰＤアレイ１０から４つの電気信号として制御用ＩＣ１１、セラミックパッケージ２の回路パターン４、マザーボードや回路基板の順で伝送される。

光モジュール１は、パッケージ側電極６と基板側電極１２を接合した状態で、セラミックパッケージ２に無機材料基板３を接合すると共に気密封止するため、セラミックパッケージ２と無機材料基板３を電気的に接続すると同時に、セラミックパッケージ２内を気密封止できる。

また、光モジュール１は、セラミックパッケージ２にパッケージ側接合枠７を形成し、無機材料基板３にパッケージ接合枠７に対応した基板側接合枠１３を形成し、これらパッケージ接合枠７と基板側接合枠１３を半田接合することで、セラミックパッケージ２に無機材料基板３を接合すると共に気密封止している。

つまり、無機材料基板３は、図２８で説明した従来の光モジュール２８１における光透過部材としてのガラス窓２８４、気密封止用キャップとしての蓋２８５、さらに回路基板の３部品を一体構造にした多機能の無機材料基板である。

これにより、光モジュール１の部品点数を削減できる。また、セラミックパッケージ２や光モジュール１自体の構造も簡単（シンプル）にできる。

さらに、光モジュール１は、ＶＣＳＥＬアレイ９やＰＤアレイ１０と、ＶＣＳＥＬアレイ９の出射光あるいはＰＤアレイ１０の入射光を集光するレンズとの距離を極力短くできるため、狭ピッチでＬＤやＰＤをアレイ状に配置しても、隣のチャネルに光が漏れ込むことはなく、常に正常に動作する。

本実施形態では、レンズ焦点距離を０．４ｍｍ、無機材料基板３の厚さを０．３ｍｍ、レンズとＶＣＳＥＬアレイ９やＰＤアレイ１０間の距離を０．５ｍｍにすることができた。

また、光モジュール１は、無機材料基板３の光通路Ｒ以外となる表面に金属膜１４が形成されており、その金属膜１４がマザーボードや回路基板のＧＮＤやセラミックパッケージ２のＧＮＤ層と導通している。このため、電磁波の出入射を防止でき、ＥＭＩ（電磁波障害）に対して強い。

さらに、光モジュール１は、無機材料基板３とＶＣＳＥＬアレイ９の隙間に透明なアンダーフィルｒが充填され、無機材料基板３とＰＤアレイ１０の隙間にも透明なアンダーフィルが充填される。このため、無機材料基板３の裏面の光の反射を抑えることができ、同時に無機材料基板３とＶＣＳＥＬアレイ９の接合部、無機材料基板３とＰＤアレイ１０の接合部も補強できる。

ここで、無機材料基板３として石英系ガラス基板を用いる場合を説明する。

サファイアガラスは石英系ガラスに比べて１０倍近く高価であり、ダイヤモンドの次に硬いので、ダイシングによる切り分けが石英系ガラスに比べると困難である。そこで、通常の石英系ガラスを用いた場合の、熱伝導をよくする形態を説明する。

図６（ｂ）の光モジュール６１Ｂは、無機材料基板３の表面に形成する金属膜６３を図２の金属膜１４よりも厚くしたものである。しかし、金属膜６３を成膜できる材料は限られており（Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕなど）、以下のデメリットがある。

１）金属膜６３と無機材料基板３の熱膨張率差により、無機材料基板３がバイメタルのように反ってしまうので、反りを矯正してセラミックパッケージ２に無機材料基板３を接合しなくてはいけない。仮に反りを矯正したとしても、残留応力として残る。

２）また、どの成膜材料もガラスやセラミックスよりも線膨張係数が大きく、膜を厚くすると無機材料基板３とセラミックパッケージ２の接合界面が熱膨張差によってせん断剥離することがある。

３）さらに、メッキなどによる成膜時間が増えてコストがアップする。

このデメリットを解決するため、図６（ａ）の光モジュール６１Ａは、無機材料基板３の光通路Ｒ以外となる表面に、無機材料基板３、すなわち石英系ガラスと熱膨張率が等しいセラミック板６３、あるいはＣｕ、Ｗなどの金属板６３を貼り付けたものである。

光モジュール６１Ａでは、上述した１）〜３）のデメリットを全て解決できる。また、金属板６３を用いる場合には、プレスで成型すればさらにコストを安くできる、金属板６３を厚くして熱伝導をさらによくできる（厚くしても材料代だけで大きなコスト増にはならない）というメリットがある。

第２の実施形態を説明する。

図７および図８に示すように、光モジュール７１は、セラミックパッケージ２のパッケージ側電極６の周囲に、小円を隙間なく数珠つなぎして枠状にしたパッケージ側接合枠７２を形成し、無機材料基板３の基板側電極１２と、基板側電極１２の周囲とに、パッケージ側電極６及びパッケージ側接合枠７２に対応して複数個の基板側半田ボール７３を並べて取り付けたものである。

基板側電極１２の周囲に、パッケージ側接合枠７２に対応して半田ボール７３を取り付けるには、該当する位置に予め半田ボール７３を取り付けるためのパッドを形成しておく。このパッドは、詳細は図示していないが、はんだ溶融後、はんだ接合部にすき間が生じないようにするため、すき間なく連続して（例えば、パッケージ側接合枠７２と同様に、小円を隙間なく数珠つなぎして枠状にして）形成することが望ましい。

光モジュール７１の組み立ては、まず、無機材料基板３に各光部品、各電気部品を搭載した後、パッケージ側電極６に複数個の基板側半田ボール７３を接合すると同時に、パッケージ側接合枠７に複数個の基板側半田ボール７３を接合することで、セラミックパッケージ２に無機材料基板３を接合すると共に気密封止して光モジュール６１を組み立てる。

光モジュール６１では、セラミックパッケージ２と無機材料基板３の接合に基板側半田ボール６３を用いるため、接合する際、基板側半田ボール６３がつぶれて無機材料基板３の反りを吸収することができる。

例えば、図９（ｃ）に示すように、パッケージ側電極６（長さ０．２ｍｍ）に半田ペーストｐを施した場合、その厚さは０．０５ｍｍ程度である。これに対し、図９（ａ）に示すように、パッケージ側電極６に半田ボール７３を接合する場合、ボール径φは０．２ｍｍ程度あり、図９（ｂ）に示すように、半田溶融しても厚さは０．１ｍｍ以上ある。したがって、無機材料基板３の反りεを
ε＜０．１ｍｍ／Ｘ
Ｘ：無機材料基板の長さ（図１参照）
まで許容できる。

これにより、光モジュール６１では、より精度が高い気密封止を行うことができると共に、平坦度の低い低コストな無機材料基板３が使用可能となる。光モジュール６１のその他の構成、作用効果は図１の光モジュール１と同じである。

図７および図８の光モジュール６１の変形例として、逆にセラミックパッケージ２のパッケージ側電極６と、パッケージ側接合枠７２とに、基板側電極１２及び基板側電極１２の周囲（予めパッケージ側接合枠７２と同様に、小円を隙間なく数珠つなぎして枠状にしたパッドを形成しておくとよい）に対応して半田ボール７３を複数個並べて取り付けてもよい。

次に、図２の基板側接合枠１３とスルーホール１５を形成しない形態を図１０および図１１で説明する。

図１０に示すように、第３の実施形態に係る光モジュール１０１は、セラミックパッケージ２の上縁面に、セラミックパッケージ２の上面を囲む側壁１０２を形成し、その側壁１０２と無機材料基板３を、金属以外の物質を接合する特殊金属半田としてセラソルザｓ１（黒田テクノ社製）で接合したものである。

光モジュール１０１では、回路パターン４の一部は、側壁１０２の上面からセラミックパッケージ２の底面を結んで形成される。また、セラソルザｓ１は、セラミックパッケージ２の側壁１０２と無機材料基板３間の隙間をうめるように、かつ側壁１０２内の回路パターン４と金属膜１４に接触するように設けられる。

セラソルザｓ１は、セラミックスとガラスを接合する特殊金属半田であり、接着力が大きく、気密性、導電性にも優れた材料である。セラソルザｓ１に超音波と熱（１５０℃程度）を加えると、セラソルザｓ１は金属以外の物質を接合する。

この光モジュール１０１では、図２の基板側接合枠１３を形成しなくてもセラミックパッケージ２内を気密封止でき、スルーホール１５を形成しなくても電磁波の出入射を防止でき、ＥＭＩに対して強い。

また、図１１に示すように、第４の実施形態に係る光モジュール１１１は、図１０のセラソルザｓ１に代えて、予め側壁１０２と無機材料基板３の上縁面に半田ｓ２を厚めに塗布しておき、塗布した半田ｓ２を覆うようにリング状の金属板（金属箔）１１３を設けて半田接合したものである。

側壁１０２上にはパッド１１２を形成しておき、このパッド１１２と金属膜１４上に半田ｓ２を厚く塗布する。パッド１１２と金属膜１４に半田を単に塗布しただけでは、側壁１０２と無機材料基板３間の隙間により、半田が溶融した際に分離し、気密を確保できない場合がある。

そこで、光モジュール１１１では、通常よりも半田ｓ２を厚く塗布し、その上にリング状の金属板１１３を設けた。この金属板１１３により、半田ｓ２を溶融した際、半田ｓ２がぬれて広がり、セラミックパッケージ２内の気密性を確実に高めることができる。

次に、図２のスルーホール１５を形成しない形態を図１２および図１３で説明する。

図１２に示すように、第５の実施形態に係る光モジュール１２１は、金属膜１４が、セラミックパッケージ２の回路パターン４に、ワイヤボンディングにより導電部材としてのワイヤｗを介して導通しているものである。セラミックパッケージ２の上縁面には、ワイヤボンディングのためのパッド１２２を形成しておく。

また、図１３に示すように、第６の実施形態に係る光モジュール１３１は、金属膜１４が、セラミックパッケージ２の回路パターン４に、別部品である導電部材１３２を介して導通しているものである。セラミックパッケージ２の上縁面にはパッド１２２を形成しておき、このパッド１２２と金属膜１４に導電部材１３２を半田接合する。

これら光モジュール１２１，１３１では、スルーホール１５を形成しなくても電磁波の出入射を防止でき、ＥＭＩに対して強い。

第７の実施形態を説明する。

図１４〜図１６に示すように、光モジュール１４１は、図１の光モジュール１において、無機材料基板３の光通路Ｒ上となる表面に、ＶＣＳＥＬアレイ９の各ＬＤの出射光あるいはＰＤアレイ１０の各ＰＤの入射光を集光する一体型のレンズブロック１４２を接着剤ａで接着して実装したものである。接着剤ａとしては、ＵＶ（紫外線）硬化型接着剤を用いる。

レンズブロック１４２は、透明な合成樹脂で一括形成される。レンズブロック１４２は、光部品あるいは電気部品を実装する実装装置（例えば、汎用のチップマウンタ）の逆漏斗状のコレットチャック（図２０参照）でつかむためのチャック部（レンズブロック１４２の上面と側面とで形成される角部）が設けられており、全体が略直方体に形成される。チャック部としては、レンズブロック１４２の上面と側面とで形成される角部（上縁面）を、コレットチャックの傾斜面に合わせて面取りしたものを用いてもよい。

レンズブロック１４２の中央部には、ＶＣＳＥＬアレイ９の各ＬＤの出射光を上方に直進させて出力させる４個のレンズ（非球面レンズアレイ）１４３と、他方、ＰＤアレイの各ＰＤの入射光を下方に直進させて入力させる４個のレンズ１４４（非球面レンズアレイ）とが形成される。このレンズブロック１４２は、直進型のレンズブロックである。

レンズブロック１４２の上面には、ＭＴ光コネクタに設けられたガイド穴と嵌合する２つのガイドピン１４５が設けられる。このガイドピン１４５は、レンズブロック１４２と一体形成されてもよいし、別部品であってもよい。また、レンズブロックの上面に、ＭＴ光コネクタに設けられたガイドピンと嵌合するガイド穴を形成してもよい。

次に、光モジュール１４１の実装方法を以下の（１）〜（３）で説明する。

（１）画像処理アライメント（画像処理調心）１
まず、上述と同じ手順により、セラミックパッケージ２に無機材料基板３を接合すると共に気密封止する。

モジュール本体１４１ｂの上面にモジュール側基準マーカを設け、レンズブロック１４２の上面あるいは底面にレンズ側基準マーカを設ける。モジュール本体１４１ｂの上面あるいはレンズブロック８２の底面に接着剤ａを塗布する。（手順１）
この状態で、図２０に示すように、エアーバキュームにより、実装装置のコレットチャック２０１でレンズブロック１４２をつかみ（把持し）、レンズ側基準マーカとモジュール側基準マーカが一致するように、カメラなどの視認装置（ＴＶ、モニタなどでもよい）で確認しながら調心してモジュール本体１４１ｂにレンズブロック１４２を載置する。カメラによる確認は、画像処理によって自動で行ってもよいし、目視で行ってもよい。（手順２）
そして、レンズブロック１４２の上方からＵＶを照射し、接着剤ｂを硬化させてモジュール本体１４１ｂにレンズブロック１４２を実装する。（手順３）
（２）画像処理アライメント２
手順１の後、チャックでレンズブロック１４２をつかみ、ＶＣＳＥＬアレイの各ＬＤの発光領域（目視でも確認できる）あるいはＰＤアレイの各ＰＤの受光領域を、カメラなどの視認装置で確認しながら調心してモジュール本体８１ｂにレンズブロック８２を載置する。

ここで用いるレンズブロック１４２をつかむためのチャックは、図２０で説明したコレットチャック２０１のようにレンズブロック１４２の上部をつかむものではなく。レンズブロック１４２の両側面を把持するものである。以下、手順３を行う。

（３）アクティブアライメント
手順１の後（ただし、レンズ側およびモジュール側基準マーカは不要）、レンズブロック１４２に調心用光ファイバを接続し、ＶＣＳＥＬアレイの各ＬＤを発光させ、その発光パワーがＭＡＸになる位置をモニタしながら調心してモジュール本体１４１ｂにレンズブロック１４２を載置する。

また、手順１の後、レンズブロック１４２に調心用光ファイバを接続し、その調心用光ファイバに試験用の光信号を伝送し、ＰＤアレイの各ＰＤの受光パワーがＭＡＸになる位置をモニタしながら調心してモジュール本体１４１ｂにレンズブロック１４２を載置してもよい。

この光モジュール１４１は、無機材料基板３の表面にレンズブロック１４２を接着剤ａで接着して実装しているため、簡易な方法でレンズブロック１４２とモジュール本体１４１ｂを一体構造にできる。

また、光モジュール１４１では、レンズブロック１４２にチャック部を設けている（従来のレンズブロックはチャック部がなく、直方体でもない）。このため、実装装置のコレットチャック２０１でレンズブロック１４２を吸着でき、エアバキュームの際に、空気の漏れをなくすことができる。

これにより、（１）画像処理アライメント１で説明したように、レンズブロック１４２をコレットチャック２０１で把持できるため、他の光部品や電気部品と同様、実装装置を用いてレンズブロック１４２を実装できる。

第８の実施形態を説明する。

図１７〜図１９に示すように、光モジュール１７１は、図１の光モジュール１において、無機材料基板３の光通路上となる表面に、ＶＣＳＥＬアレイ９の各ＬＤの出射光あるいはＰＤアレイ１０の各ＰＤの入射光を集光する一体型のレンズブロック１７２を接着剤で接着して実装したものである。接着剤としては、ＵＶ硬化型接着剤を用いる。

レンズブロック１７２は、透明な合成樹脂で一括形成される。レンズブロック１７２は、実装装置のコレットチャック２０１（図２０参照）でつかむためのチャック部（レンズブロック１７２の上面と側面とで形成される角部）が設けられており、全体が略直方体に形成される。

レンズブロック１７２の底面には、ＶＣＳＥＬアレイ９の各ＬＤの出射光を上方に直進させる４個のレンズ１７３が形成され、レンズブロック１７２の前面には、ＶＣＳＥＬアレイ９の各ＬＤの出射光を前方に直進させて出力させる４個のレンズ１７４が形成される。

他方、レンズブロック１７２の前面には、ＰＤアレイの各ＰＤの入射光を後方に直進させる４個のレンズ１７５が形成され、レンズブロック１７２の底面には、ＰＤアレイの各ＰＤの入射光を下方に直進させる４個のレンズが形成される。

レンズブロック１７２の中央部には、ＶＣＳＥＬアレイ９の各ＬＤの出射光を上方から前方へ反射させ、ＰＤアレイの各ＰＤの入射光を前方から下方へ反射させるミラー１７６が形成される。このレンズブロック１７２は、反射型のレンズブロックである。

レンズブロック１７２の上面には、ＭＴ光コネクタに設けられたガイド穴と嵌合する２つのガイドピン１７７が設けられる。このガイドピン１７７は、レンズブロック１７２と一体形成されてもよいし、別部品であってもよい。また、レンズブロックの前面に、ＭＴ光コネクタに設けられたガイドピンと嵌合するガイド穴を形成してもよい。

光モジュール１７１の実装方法も、図１４の光モジュール１４１と同じである。この光モジュール１７１によっても、光モジュール１４１と同じ作用効果が得られる。

次に、図１の金属膜１４を形成しない第９の実施形態を説明する。

図２１に示すように、光モジュール２１１は、図１４の光モジュール１４１の金属膜１４に代えて、無機材料基板３の上部に、レンズブロック１４２を介して無機材料基板３の上部を覆うようにシールド板としてインナーシールド２１２を設けると共に、そのインナーシールド２１２を無機材料基板３の周縁から張り出すように形成したものである。

インナーシールド２１２の周縁には、無機材料基板３側に折り曲げられた突起（ヒレ）２１３が複数個形成される。インナーシールド２１２には、各ガイドピン１４５が挿通するガイド穴２１４が２個形成され、これらガイド穴２１４の間に光通路となる穴２１５が形成される。このインナーシールド２１２は、プレス成型で形成できる。

光モジュール２１１は、図２２に示すように、光トランシーバなどの機器が備えるフレキ基板などの回路基板２２２に実装され、光トランシーバなどの機器のケース２２１に収納される。このとき、ケース２２１の内面にインナーシールド２１１の突起２１３が接触するようにする。

この光モジュール２２１では、金属膜１４を形成しなくても電磁波の出入射を防止でき、ＥＭＩに対して強い。

また、シールド板としては、インナーシールド２１２に代えて、無機材料基板３の上面に、無機材料基板３の上面を覆うようにインナーシールドを設けると共に、そのインナーシールドを無機材料基板３の周縁から張り出すように形成してもよい。この場合のシンナーシールドには、レンズブロック１４２全体が挿通する穴が形成される。

第１０の実施形態を説明する。

図２３および図２４に示すように、光モジュール２３１は、無機材料基板３の裏面にＶＣＳＥＬアレイ９を搭載し、そのＶＣＳＥＬアレイ９を駆動するドライバ２３２をセラミックパッケージ２の内底面２ｂに搭載し、無機材料基板３の裏面にＰＤアレイ１０を搭載すると共に、ＰＤアレイ１０の出力を増幅するプリアンプ２３３を搭載して３次元実装、配線したものである。

光モジュール２３１では、セラミックパッケージ２の内底面２ｂにドライバ２３２を搭載することで、セラミックパッケージ２の大型化を防ぐと共に、ドライバ２３２で発生した熱を、セラミックパッケージ２を通して逃げやすくしている。

また、ＰＤアレイ１０の各ＰＤに入力される光信号は強度が小さく、各ＰＤから出力される電流は微弱であるため、ノイズに弱い。そこで、光モジュール２３１では、ＰＤアレイ１０にプリアンプ２３３を近接させるため、無機材料基板３にプリアンプ２３３を配置した。

光モジュール２３１は、３次元実装、配線を行っているため、セラミックパッケージ２や無機材料基板３を小さくでき、光モジュール２３１の小型化が図れ、非常に有用である。

第１１の実施形態を説明する。

図２５に示すように、光モジュール２５１は、図１の光モジュール１において、無機材料基板３の光通路Ｒ上となる表面に、フォトリソグラフィーとエッチングにより、ＶＣＳＥＬアレイ９の各ＬＤの出射光あるいはＰＤアレイの各ＰＤの入射光を集光する平面レンズとして回折レンズ（回折光学素子：ＤＯＥ）２５２を形成したものである。

回折レンズ２５２は、バイナリオプティクスを用いた微細加工によって作製した図２６（ａ）に示す形状のレンズであり、図２６（ｂ）の一般の非球面レンズ２６１と同じ働きをする。

ここで、バイナリオプティクスとは、平面基板に対して複数枚のマスクを使用し、フォトエッチング処理を実行することにより、所望精度のバイナリレベルでレンズを生成することをいう。つまり、バイナリオプティクスは、マルチバイナリマスクという複数枚で１セットとなっているマスクを用いて、マスクごとにエッチング量の相対を１、２、４…と変化させ、ｎ枚のマスクで２ｎ通りの高さの選択性を得る手法である。

具体的には、図２７（ａ）に示すようにマスクが１枚の場合、２段の位相レベルが生成され、図２７（ｂ）に示すようにマスクが２枚の場合、４段の位相レベルが生成され、図２７（ｃ）に示すようにマスクが３枚の場合、８段の位相レベルが生成される。したがって、使用したマスク数をｎとした場合、２ⁿの階段形状が生成されるため、これをバイナリオプティクスと呼ぶ。

光モジュール２５１では、無機材料基板３に回折レンズ２５２を形成しているため、レンズ機能を無機材料基板３に一体で盛り込むことができ、外付けのレンズが不要になる。

また、無機材料基板３の光通路Ｒ下となる裏面に、フォトリソグラフィーとエッチングにより、図２６（ａ）の回折レンズ２５２と同様の回折レンズを形成してもよい。

本発明の好適な第１の実施形態を示す光モジュールの斜視図である。 図１に示した光モジュールの２Ａ−２Ａ線断面図である。 図１に示した光モジュールの分解斜視図である。 図３の光モジュールを上方から見た分解斜視図と無機材料基板の透視図である。 図１に示した光モジュールの製造工程を示す概略図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、無機材料基板として石英系ガラス基板を用いた場合を示す一例を示す光モジュールの断面図である。 第２の実施形態を示す光モジュールの分解斜視図である。 図７の光モジュールを上方から見た分解斜視図である。 図９（ａ）は接合直前の半田ボールを示す断面図、図９（ａ）は接合後の半田ボールを示す断面図、図９（ｃ）は半田ペーストを用いた場合の断面図である。 第３の実施形態を示す光モジュールの分解斜視図である。 第４の実施形態を示す光モジュールの分解斜視図である。 第５の実施形態を示す光モジュールの分解斜視図である。 第６の実施形態を示す光モジュールの分解斜視図である。 第７の実施形態を示す光モジュールの分解斜視図である。 図１４に示したレンズブロックの斜視図である。 図１４に示したレンズブロックの縦断面図である。 第８の実施形態を示す光モジュールの斜視図である。 図１７の光モジュールを前方から見た斜視図である。 図１７に示した光モジュールの縦断面図である。 光モジュールの実装方法を説明する概略図である。 第９の実施形態を示す光モジュールの斜視図である。 図２１に示した光モジュールを機器に実装した状態を示す断面図である。 第１０の実施形態を示す光モジュールの斜視図である。 図２３に示した光モジュールを上方から見た透視図である。 第１１の実施形態を示す光モジュールの斜視図である。 図２６（ａ）は図２５に示した回折レンズの断面図、図２６（ｂ）は従来のレンズの断面図である。 図２７（ａ）〜図２７（ｃ）は回折レンズの製造方法を説明する概略図である。 従来の光モジュールの縦断面図である。

符号の説明

１ 光モジュール
２ セラミックパッケージ
４ パッケージ側回路パターン
３ 透明な無機材料基板（光透過部材）
６ パッケージ側電極
７ パッケージ側接合枠
８ 基板側回路パターン（光電変換素子）
９ ＶＣＳＥＬアレイ（光電変換素子）
１０ ＰＤアレイ
１２ 基板側電極
１３ 基板側接合枠
７２ パッケージ側接合枠
７３ 半田ボール

Claims (17)

1. 上部が開口したパッケージ内に回路パターンを形成し、上記パッケージの上部に光透過部材を設け、上記パッケージ内に複数個の光電変換素子を収納して気密封止した光モジュールにおいて、上記光透過部材となる透明な無機材料基板の裏面に回路パターンを形成すると共に、その回路パターンに複数個の光電変換素子を実装し、上記パッケージの上縁面にパッケージ側電極を形成すると共に、そのパッケージ側電極に対応して上記無機材料基板の裏面に基板側電極を形成し、上記パッケージの上記パッケージ側電極の周囲にパッケージ側接合枠を形成し、上記無機材料基板の上記基板側電極及び上記基板側電極の周囲に、あるいは上記パッケージの上記パッケージ側電極及び上記パッケージ側接合枠に、半田ボールを複数個並べて取り付け、上記パッケージ側電極と上記基板側電極を半田接合すると共に、上記パッケージに上記無機材料基板を接合し、
   上記パッケージの上縁面に側壁を形成し、その側壁と上記無機材料基板の上縁面に半田を塗布し、塗布した半田を覆うようにリング状の金属板を設けて半田接合したことを特徴とする光モジュール。
2. 上記無機材料基板の光通路以外となる表面に金属膜を形成し、その金属膜は、上記無機材料基板に形成したスルーホールを介して、上記パッケージの回路パターンと導通している請求項１記載の光モジュール。
3. 上記無機材料基板の光通路以外となる表面に金属膜を形成し、その金属膜は、上記パッケージの回路パターンにワイヤなどの導電部材を介して導通している請求項１記載の光モジュール。
4. 上記無機材料基板の光通路以外となる表面に、上記無機材料基板と熱膨張率が等しいセラミック板あるいは金属板を設けた請求項１に記載の光モジュール。
5. 上記無機材料基板の上面あるいは上部に、上記無機材料基板の上面あるいは上部を覆うようにシールド板を設けると共に、そのシールド板を上記無機材料基板の周縁から張り出すように形成した請求項１に記載の光モジュール。
6. 上記無機材料基板と各光電変換素子の隙間に透明なアンダーフィルを充填した請求項１〜５いずれかに記載の光モジュール。
7. 上記無機材料基板の裏面に各光電変換素子を制御する制御用半導体チップを搭載した請求項１〜６いずれかに記載の光モジュール。
8. 上記無機材料基板の裏面に発光用の光電変換素子を搭載し、その発光用の光電変換素子を駆動する駆動回路を上記パッケージの内底面に搭載した請求項１〜６いずれかに記載の光モジュール。
9. 上記無機材料基板の裏面に受光用の光電変換素子を搭載すると共に、その受光用の光電変換素子の出力を増幅する増幅回路を搭載した請求項１〜６、８いずれかに記載の光モジュール。
10. 上記無機材料基板として、半導体薄膜用基板として用いるサファイア基板よりも結晶性が低いサファイア基板を用いる請求項１〜９いずれかに記載の光モジュール。
11. 上記無機材料基板の表面に、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する一体型のレンズブロックを接着剤で実装した請求項１〜１０いずれかに記載の光モジュール。
12. 上記レンズブロックに、光部品あるいは電気部品を実装する実装装置のチャックでつかむためのチャック部を設けた請求項１１記載の光モジュール。
13. 上記レンズブロックは、上記光電変換素子の出射光あるいは入射光を直進させて出入力させる直進型、あるいは上記光電変換素子の出射光あるいは入射光を反射させて出入力させる反射型である請求項１１または１２記載の光モジュール。
14. 上記レンズブロックには、光コネクタと嵌合するガイドピンあるいはガイド穴が設けられる請求項１１〜１３いずれかに記載の光モジュール。
15. 上記ガイドピンは、上記レンズブロックと別部品あるいは上記レンズブロックと一体である請求項１４記載の光モジュール。
16. 上記無機材料基板の光通路の表面に、フォトリソグラフィーとエッチングにより、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する回折レンズを形成した請求項１〜１０いずれかに記載の光モジュール。
17. 上記無機材料基板の光通路の裏面に、フォトリソグラフィーとエッチングにより、上記複数個の光電変換素子の出射光あるいは入射光を集光する回折レンズを形成した請求項１〜１０いずれかに記載の光モジュール。

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