光モジュールおよびその製造方法

【課題】気密性を損なわない構造を有し、外部の光回路との光学的な結合効率を向上させる。
【解決手段】１または複数の光素子３５の受発光面が第１の面に固定され、光素子３５と結合する光を第１の面と対向する第２の面に透過する蓋３３と、筐体３２とにより光素子３５を封止した光モジュール３１において、蓋３３の内部に蓋の屈折率より高い屈折率を有するコアが形成され、光素子３５の受発光面と光学的に結合し、光素子３５と結合する光を第２の面に透過する１または複数の光導波路４０を備えた。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光モジュールおよびその製造方法に関し、より詳細には、機能素子が形成されたＰＬＣとともに実装ボードに実装され、光送受信器を構成する光モジュールおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光素子を高密度に集積する技術が求められており、その一つとして、平面光波回路（以下、ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuitという）が知られている。ＰＬＣは、シリコン基板または石英基板上に、光導波路からなる光素子を集積した光回路であり、生産性、信頼性が高く、集積化、高機能化の点で優れている。
【０００３】
伝送端局における光送受信器には、ＬＤなどの発光素子、ＰＤなどの受光素子と、合分波器、分岐・結合器、光変調器などの機能素子が形成されたＰＬＣとが実装されている。このようなＰＬＣと受発光素子との間には、ＰＬＣの一領域から光波の一部または全部を取り出して、ＰＤによって受光したり、またはＬＤからの出力光をＰＬＣに入力させるための結合が必要になる。このような光素子とＰＬＣとの光結合構造として、ＰＬＣの導波路端部の微小部位に、光路を変換するための光路変換ミラーを設け、回路面と垂直方向に光を入出力する垂直入出力構造が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００４】
また、その他の光結合構造として、発光素子モジュールおよび／または受光素子モジュール（以下、光モジュールという）とＰＬＣとを、光ディスクリート部品によって光学的に結合させたり、直接接合することが行われている。図１に、従来の光モジュールとＰＬＣとを直接接合する方法を示す。光モジュール１１は、一例として、発光面または受光面（以下、受発光面）を有する発光素子または受光素子（以下、光素子という）１５を備えている。光素子１５は、箱型の筐体１２と、受発光面１４への光信号の入出力を可能にするサファイアガラスからなる蓋１３とにより封止されている。筐体１２と蓋１３とは、金属半田により接合され、高い気密性を有していることから、外部環境から保護され、光素子１５の信頼性を確保している。光素子１５は、受発光面を蓋１３に対向させ、蓋１３に金属半田等により固定されている。光素子１５は、蓋１３の金属パターン１７に接続され、外部の回路と電気的に接続される。
【０００５】
一方、ＰＬＣ２１は、シリコン基板２２上に形成された光導波路２４を有している。ＰＬＣ２１に形成されている光導波路２４と、光素子１５の受発光面とが光学的に結合するように配置される。補強板としてのやとい２３がＰＬＣ２１上に接合され、ＰＬＣ２１の光導波路２４の端面を含む面において、光モジュール１１の蓋１３に接合される。光モジュール１１とＰＬＣ２１との接合には、ＵＶ硬化性接着剤等が用いられる。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−３１８８５０号公報
【特許文献２】特開平１１−８４１８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光モジュールは、気密封止構造となっていることから、光素子１５の受発光面と光導波路２４の端面との間には、蓋１３の厚さに相当する距離が生じる。従って、図１に示したように、光導波路２４の端面から出射された光信号は、蓋１３の内部で拡散し、受光素子として光素子１５で受光する場合、受光面では一部の光信号しか受光できない。発光素子として光素子１５の発光面から出射された光信号は、蓋１３の内部で拡散し、光導波路２４では一部の光信号しか受光できない。従って、受光素子の場合は受光感度が劣化し、発光素子の場合は結合効率が劣化するという問題があった。
【０００８】
また、光素子１５で受光されなかった光信号成分、または光導波路２４で結合されなかった光信号成分は、他の光素子、ＰＬＣへの迷光となって伝搬し、クロストークの劣化などを引き起こすという問題もあった。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、気密性を損なわない構造を有し、外部の光回路との光学的な結合効率を向上させた光モジュールおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、１または複数の光素子の受発光面が第１の面に固定され、前記光素子と結合する光を前記第１の面と対向する第２の面に透過する蓋と、筐体とにより前記光素子を封止した光モジュールにおいて、前記蓋の内部に前記蓋の屈折率より高い屈折率を有するコアが形成され、前記光素子の受発光面と光学的に結合し、前記光素子と結合する光を前記第２の面に透過する１または複数の光導波路を備えたことを特徴とする。
【００１１】
一実施態様において、前記光導波路は、前記第１の面におけるコア径と前記第２の面におけるコア径とが異なり、または、前記第１の面における屈折率と前記第２の面における屈折率とが異なり、前記光素子と結合する光の伝搬方向に沿って変化させることもできる。また、前記光導波路は、前記第１の面において隣接する導波路の間隔と前記第２の面において隣接する導波路の間隔とが異なるようにしてもよい。さらに、前記光導波路のコアの領域は、前記第１の面および前記第２の面から１μｍ以上離れていることが好ましい。
【００１２】
さらにまた、前記蓋の前記第１の面に、前記光素子と電気的に結合する金属パターンと、前記光導波路の前記第１の面における中心を規定するマーカとなる金属パターンとが形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、１または複数の光素子の受発光面が第１の面に固定され、前記光素子と結合する光を前記第１の面と対向する第２の面に透過する蓋と、筐体とにより前記光素子を封止した光モジュールの製造方法において、前記第１の面に、前記光素子と電気的に結合する金属パターンを形成する第１工程と、前記蓋の内部に前記蓋の屈折率より高い屈折率を有するコアを形成する第２工程と、前記蓋を温度１５０℃以上で熱処理を行う第３工程と、前記１または複数の光素子の受発光面を前記第１の面に固定し、前記金属パターンと電気的に接続する第４工程と、前記蓋に前記筐体を接合して前記光素子を封止する第５工程とを備えたことを特徴とする光モジュールの製造方法。
【００１４】
前記第１工程は、前記光導波路の前記第１の面における中心を規定するマーカとなる金属パターンを形成することもできる。
【００１５】
一実施態様において、前記第２工程は、パルス幅１００ｆｓ〜１０ｐｓのレーザ光を集光して前記蓋の屈折率を変化させ、前記レーザ光の集光点を移動して前記光導波路を形成する。このとき、前記レーザ光のパルスエネルギーを変えて、前記光導波路の屈折率を変化させることができる。また、前記レーザ光の集光点の移動速度を変えて、前記光導波路の伝搬モードのフィールド径を変化させることもできる。
【００１６】
一実施態様において、前記第２工程は、前記レーザ光の入射面と対向する面から前記コアを形成する。前記コアは、前記レーザ光の入射面および前記対向する面から１μｍ以上離れていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、蓋の内部に、蓋の屈折率より高い屈折率を有するコアが形成され、光素子の受発光面と光学的に結合し、光素子と結合する光を第２の面に透過する１または複数の光導波路を備えたので、気密性を損なわない構造を有し、外部の光回路との光学的な結合効率を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図２および図３に、本発明の第１の実施形態にかかる光モジュールを示す。図２は斜視図であり、図３は断面図である。光モジュール３１は、一例として、発光面または受光面（以下、受発光面）を有する発光素子または受光素子（以下、光素子という）３５を備えている。光素子３５は、箱型の筐体３２と、受発光面３４への光信号の入出力を可能にするパイレックス（登録商標）からなる蓋３３とにより封止されている。筐体３２の金属パターン３８と蓋３３の金属パターン３９とは、金属半田により接合される。光素子３５は、受発光面３４を蓋３３の金属パターンが形成された面（第１の面）に固定され、蓋３３に金属半田等により固定されている。光素子３５は、金属パターン３７ａに直接接続され、ボンディングワイヤ３６により蓋３３の金属パターン３７ｂに接続され、それぞれ外部の回路と電気的に接続される。さらに、蓋３３には、光素子３５の受発光面３４と光学的に結合するように光導波路４０が形成され、光素子３５と結合する光を、第１の面と対向する第２の面に透過する。
【００１９】
図４に、本発明の第２の実施形態にかかる光モジュールを示す。光モジュール５１は、一例として、４つの発光素子または受光素子（以下、光素子という）５５ａ〜５５ｄを含み、箱型の筐体５２パイレックス（登録商標）からなる蓋５３とにより封止されている。蓋５３には、光素子５５ａ〜５５ｄの受発光面のそれぞれと光学的に結合するように、光導波路６０ａ〜６０ｄが形成されている。
【００２０】
次に、光導波路４０，６０について詳しく説明する。光導波路４０，６０は、パイレックス（登録商標）からなる蓋３３，５３の内部に、屈折率の異なる領域を、５μｍ角の四角柱の形状となるように形成したコアからなる。クラッドとなるパイレックス（登録商標）の屈折率は１．４７２（波長６００ｎｍ）であり、コアとなる領域の屈折率は１．４８０（波長６００ｎｍ）であり、光閉じ込め型の光導波路を構成する。このようにして、光モジュール３１，５１と結合されるＰＬＣ、光ファイバブロックなどの外部の光回路から出射された光信号を拡散することなく、光素子３５，５５で受光することができ、または光素子３５，５５から出射された光信号を拡散することなく、光回路に結合することができる。
【００２１】
図５に、本発明の第３の実施形態にかかる光モジュールを示す。光モジュール７１は、一例として、受発光面を有する光素子７５を備え、箱型の筐体７２と、受発光面への光信号の入出力を可能にする蓋７３とにより封止されている。蓋７３には、光素子７５の受発光面と光学的に結合するように、光導波路８０が形成されている。
【００２２】
光導波路８０は、光素子７５の受発光面と結合する端面（第１の面）のコア径（１０μｍ角）と、外部の光回路と結合する端面（第２の面）のコア径（４μｍ角）とが異なり、光信号の伝搬方向に沿ってテーパ状の形状を有している。第３の実施形態によれば、光素子７５の受発光面のフィールド径と、外部の光回路の端面におけるフィールド径とに、それぞれ適合せることにより、結合面における損失を低減できるとともに、結合面における放射光を抑制することができる。
【００２３】
図６に、本発明の第４の実施形態にかかる光モジュールを示す。光モジュール９１は、一例として、受発光面を有する光素子９５を備え、箱型の筐体９２と、受発光面への光信号の入出力を可能にする蓋９３とにより封止されている。蓋９３には、光素子９５の受発光面と光学的に結合するように、光導波路１００が形成されている。
【００２４】
光導波路１００は、光素子９５の受発光面と結合する端面の屈折率（１．４７２）と、外部の光回路と結合する端面の屈折率（１．４８０）とが異なり、光信号の伝搬方向に沿って段階的に変化している。第４の実施形態によっても、光素子９５の受発光面の伝搬モードのフィールド径と、外部の光回路の端面における伝搬モードのフィールド径とに、それぞれ適合せることにより、結合面における損失を低減できるとともに、結合面における放射光を抑制することができる。
【００２５】
図７に、本発明の第５の実施形態にかかる光モジュールを示す。光モジュール１１１は、一例として、受発光面１１４を有する３つの光素子１１５ａ〜１１５ｃを備え、箱型の筐体１１２と、受発光面１１４への光信号の入出力を可能にする蓋１１３とにより封止されている。蓋１１３には、光素子１１５ａ〜１１５ｃの受発光面１１４と光学的に結合するように、光導波路１２０ａ〜１２０ｃが形成されている。
【００２６】
光導波路１２０ａ〜１２０ｃは、光素子１１５ａ〜１１５ｃの受発光面１１４と結合する端面の間隔（２５０μｍピッチ）と、外部の光回路１２１と結合する光導波路１２４ａ〜１２４ｃの間隔（１２５μｍピッチ）とが異なり、光信号の伝搬方向に沿って屈曲している。第５の実施形態によれば、光素子１１５の受発光面１１４のピッチと、外部の光回路１２１の光導波路１２４のピッチとに、それぞれ適合せることにより、ピッチ変換用の光回路を付加することなく結合させることができる。
【００２７】
図８に、本発明の第６の実施形態にかかる光モジュールを示す。光モジュール１３１は、一例として、受発光面１３４を有する５つの光素子１３５を備え、箱型の筐体１３２と、受発光面１３４への光信号の入出力を可能にする蓋１３３とにより封止されている。蓋１３３には、光素子１３５の受発光面１３４と光学的に結合するように、光導波路１４０が形成されている。第４の実施形態と同様に、光素子１３５の受発光面１３４の配列と、外部の光回路１４１の光導波路１４４の配列とに、それぞれ適合せることにより、２次元のピッチ変換を行う光回路を付加することなく結合させることができる。
【実施例】
【００２８】
上述した光モジュールの作製方法について説明する。光モジュールは、図４の第２の実施形態と同様に、複数（８個）の受光素子を内蔵し、箱型の筐体と光を透過する蓋とにより封止する。蓋の材質として、パイレックス（登録商標）を用いるが、光導波路を形成することができる石英系ガラス等を使用することもできる。筐体の材質として、例えば、アルミナ系セラミックスが使用される。
【００２９】
図９に、パイレックス（登録商標）基板に形成されたパターンを示し、図１０に、受光素子を接合する部分の拡大図を示す。最初に、蓋となるパイレックス（登録商標）基板２０１に、受光素子用の金属パターン２１１ａ，２１１ｂを形成する。パイレックス（登録商標）基板２０１に、金属パターン２１１ａ，２１１ｂに応じたマスクを形成し、Ａｕを蒸着した後、マスクをリフトオフする。このとき、同時に位置合わせマーカ２１２ａ〜２１２ｄも形成しておく。マーカ２１２ａ〜２１２ｄは、受光素子の受光面の中心と、パイレックス（登録商標）基板２０１に形成される光導波路の中心とを示すものであれば、どのような形状であってもよい。
【００３０】
次に、筐体を接合するための金属パターン２１４を、筐体の周縁の形状に応じて、金属蒸着によって形成する。なお、金属パターン２１４と金属パターン２１１ａ，２１１ｂとが重なる部分は、ＳｉＮ等の絶縁層でコーティングしておく。筐体と蓋とを接合するための接合剤は、金属半田が用いられる。さらに、受光素子を固定するための半田を、受光素子を接合する部分の金属パターン２１３に形成する。ここでは、ＡｕおよびＳｎを蒸着する。
【００３１】
図１１に、パイレックス（登録商標）基板に形成されたパターンの別の例を示す。図９，１０で示した金属パターンのうち、受光素子を外部の回路と電気的に接続するための金属パターン２１１ａ、受光素子を接合する部分の金属パターン２１３、およびマーカ２１２を、一つの金属パターン２１５として形成する。金属パターン２１５は、受光素子のアース端子としての役割のほか、遮光膜として役割を果たす。
【００３２】
例えば、図５の第３の実施形態を参照すると、蓋７３と外部の光回路の結合面における放射光は、蓋７３の端面から光導波路８０が形成されていないクラッド部分を通過して、蓋７３と光素子７５の受発光面との結合面に達する。このような光信号成分は、同じ光モジュール内の他の光素子への迷光となって伝搬し、クロストークを劣化させる。そこで、金属パターン２１５により、光導波路８０を通過しないで伝搬する迷光を遮断することにより、クロストークの劣化を防ぐことができる。
【００３３】
図１２に、パイレックス（登録商標）基板に光導波路を形成するための装置を示す。波長８００ｎｍ、パルス幅２００ｆｓ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、パルスエネルギー２００ｎＪのフェムト秒パルスレーザ２２１から出射されたレーザ光を、ミラー２２２と２０倍のレンズ２２３とを介して、パイレックス（登録商標）基板２０１に集光する。
【００３４】
図１３（ａ）を参照して、光導波路を形成する方法を説明する。レーザ光を集光する点は、レーザ光の入射面２３３（第１の面）とは反対側のパイレックス（登録商標）基板２０１の底面２３２（第２の面）から、光導波路２３１の光信号の伝搬方向に沿って、移動する。このとき、集光点のＸ，Ｙ軸方向の開始位置は、マーカ２１２ａ〜２１２ｄで規定される中心位置に、ＣＣＤカメラ２２４を用いて位置合わせを行う。レーザ光の集光点は、１００μｍ／ｓの速度で、所望の導波路の形状に移動させる。
【００３５】
集光点のＺ軸方向の開始位置は、底面２３２から５μｍの間隔を空けた位置とする（図１３（ｂ）参照）。これは、レーザ光の照射によって基板端面に光学的損傷が生じるためであり、レーザ光のパワーに応じて間隔を空けることにより、基板端面の品質劣化を防ぐ。同様に、集光点のＺ軸方向の終了位置は、入射面２３３から５μｍの間隔を空けた位置とする。なお、この間隔は、レーザ光のパワーにより異なり、１μｍ以上空けることが望ましい。
【００３６】
導波路を描画する際に、レーザ光のバワーを変化させることにより、屈折率を変化させることができる。例えば、パルス幅を１００ｆｓ〜１０ｐｓ、パルスエネルギーを１００〜２００ｎＪの間で変化させると、屈折率を１．４７２〜１．４７６の間で変化させることができる。また、移動速度を変化させることにより、伝搬モードのフィールド径を変化させることができる。例えば、移動速度を１０〜１００μｍ／ｓの間で変化させると、フィールド径を１０〜３０μｍの間で変化させることができる。導波路を描画した後、１５０℃で１時間程度熱処理を行う。熱処理により光導波路の屈折率が安定し、信頼性が向上するからである。
【００３７】
図１４に、光モジュールを切り出す方法を示す。パイレックス（登録商標）基板２０１の金属パターン２１３に受光素子を接合し、受光素子と金属パターン２１１ａとを、ワイヤーボンディングにより配線する。次に、蓋となるパイレックス（登録商標）基板２０１に、筐体２４１を金属半田により接合する。なお、接合剤は、金属半田のみならず、樹脂、低温ガラス等を使用してもよい。最後に、ダイシングソーにより個々の光モジュールを切り出すことにより、光モジュールが完成する。
【００３８】
光モジュールは、筐体と蓋とにより高い気密性を有していることから、外部環境から保護され、受光素子の信頼性を確保することができる。また、蓋の内部に光素子の受発光面と外部の光回路とを光学的に結合する光閉じ込め型の光導波路を形成したので、光学的な結合効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来の光モジュールとＰＬＣとを直接接合する方法を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる光モジュールを示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる光モジュールを示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかる光モジュールを示す斜視図である。
【図５】本発明の第３の実施形態にかかる光モジュールを示す断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態にかかる光モジュールを示す断面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態にかかる光モジュールを示す断面図である。
【図８】本発明の第６の実施形態にかかる光モジュールを示す断面図である。
【図９】パイレックス（登録商標）基板に形成されたパターンを示す斜視図である。
【図１０】パイレックス（登録商標）基板に形成されたパターンの受光素子を接合する部分の拡大図である。
【図１１】パイレックス（登録商標）基板に形成されたパターンの別の例を示す図である。
【図１２】パイレックス（登録商標）基板に光導波路を形成するための装置を示す図である。
【図１３】光導波路を形成する方法を示す図である。
【図１４】光モジュールを切り出す方法を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１，３１，５１，７１，９１，１１１，１３１光モジュール
１２，３２，５２，７２，９２，１１２，１３２，２４１筐体
１３，３３，５３，７３，９４，１１３，１３３蓋
１５，３５，５５，７５，９５，１１５，１３５光素子
２１，１２１，１４１ＰＬＣ
２２シリコン基板
２３やとい
２４，４０，６０，８０，１００，１２０，１２４，１４０，１４４光導波路
３４，１１４，１３４受発光面
３６ボンディングワイヤ
１７，３７，３８，３９，７７，９７，２１１，２１３〜２１５金属パターン
２０１パイレックス（登録商標）基板
２１２マーカ
２２１フェムト秒パルスレーザ
２２２ミラー
２２３レンズ
２２４ＣＣＤカメラ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
１または複数の光素子の受発光面が第１の面に固定され、前記光素子と結合する光を前記第１の面と対向する第２の面に透過する蓋と、筐体とにより前記光素子を封止した光モジュールにおいて、
前記蓋の内部に前記蓋の屈折率より高い屈折率を有するコアが形成され、前記光素子の受発光面と光学的に結合し、前記光素子と結合する光を前記第２の面に透過する１または複数の光導波路を備えたことを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記光導波路は、前記第１の面におけるコア径と前記第２の面におけるコア径とが異なり、前記光素子と結合する光の伝搬方向に沿って変化していることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記光導波路は、前記第１の面における屈折率と前記第２の面における屈折率とが異なり、前記光素子と結合する光の伝搬方向に沿って変化していることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記光導波路は、前記第１の面において隣接する導波路の間隔と前記第２の面において隣接する導波路の間隔とが異なることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光モジュール。
【請求項５】
前記光導波路のコアの領域は、前記第１の面および前記第２の面から１μｍ以上離れていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光モジュール。
【請求項６】
前記第１の面に、前記光素子と電気的に結合する金属パターンと、前記光導波路の前記第１の面における中心を規定するマーカとなる金属パターンとが形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光モジュール。
【請求項７】
１または複数の光素子の受発光面が第１の面に固定され、前記光素子と結合する光を前記第１の面と対向する第２の面に透過する蓋と、筐体とにより前記光素子を封止した光モジュールの製造方法において、
前記第１の面に、前記光素子と電気的に結合する金属パターンを形成する第１工程と、
前記蓋の内部に前記蓋の屈折率より高い屈折率を有するコアを形成する第２工程と、
前記蓋を温度１５０℃以上で熱処理を行う第３工程と、
前記１または複数の光素子の受発光面を前記第１の面に固定し、前記金属パターンと電気的に接続する第４工程と、
前記蓋に前記筐体を接合して前記光素子を封止する第５工程と
を備えたことを特徴とする光モジュールの製造方法。
【請求項８】
前記第１工程は、前記光導波路の前記第１の面における中心を規定するマーカとなる金属パターンを形成することを特徴とする請求項７に記載の光モジュールの製造方法。
【請求項９】
前記第２工程は、パルス幅１００ｆｓ〜１０ｐｓのレーザ光を集光して前記蓋の屈折率を変化させ、前記レーザ光の集光点を移動して前記光導波路を形成することを特徴とする請求項７または８に記載の光モジュールの製造方法。
【請求項１０】
前記第２工程は、前記レーザ光のパルスエネルギーを変えて、前記光導波路の屈折率を変化させることを特徴とする請求項９に記載の光モジュールの製造方法。
【請求項１１】
前記第２工程は、前記レーザ光の集光点の移動速度を変えて、前記光導波路の伝搬モードのフィールド径を変化させることを特徴とする請求項９に記載の光モジュールの製造方法。
【請求項１２】
前記第２工程は、前記レーザ光の入射面と対向する面から前記コアを形成することを特徴とする請求項９、１０または１１に記載の光モジュールの製造方法。
【請求項１３】
前記第２工程は、前記コアは、前記レーザ光の入射面および前記対向する面から１μｍ以上離れていることを特徴とする請求項１２に記載の光モジュールの製造方法。

【図１】