光モジュール
【課題】簡便な構造かつ低コストで面受発光素子と光伝送路間の光結合効率の向上を実現する手段を提供することにある。
【解決手段】光導波路層３及び電気配線１１を有する基板１と、光素子２を、フレネルレンズ形状を有するレンズ４を介して接続する。レンズ４には貫通ビア４１が施され、この貫通ビア４１を介して基板１の電気配線１１と光素子２を電気的に接続する。レンズ４に代えて、光素子搭載基板内にレンズを積載したものであっても良い。
【解決手段】光導波路層３及び電気配線１１を有する基板１と、光素子２を、フレネルレンズ形状を有するレンズ４を介して接続する。レンズ４には貫通ビア４１が施され、この貫通ビア４１を介して基板１の電気配線１１と光素子２を電気的に接続する。レンズ４に代えて、光素子搭載基板内にレンズを積載したものであっても良い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光伝送路を用いて基板内、基板間、装置間等の信号伝送を行う光配線装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の高速伝送線路は、１）広帯域である、２）電磁波ノイズ耐性に優れる、３）配線の容積が小さくかつ軽量になる、などの理由から、電気配線に代わり光配線装置を適用する動きが広まりつつある。光配線装置において、最も重要な因子の一つとして、半導体レーザやフォトダイオードなどの光素子と、光ファイバや光導波路などの光伝送路との光結合構造が挙げられる。
【０００３】
高い光結合効率を得るために、光素子と光伝送路の位置合わせには、マルチモード伝送の場合でも数十μｍ、シングルモード伝送の場合には数μｍの搭載精度が要求される。また、温度サイクルや高温高湿などの信頼性試験を施した後も、位置ずれや剥離を起こしてはならない。一方で、光配線は電気配線代替という観点から低価格で行えることが大前提で、そのためには材料原価や組み立て工数をできる限り低く抑えなければならない。
【０００４】
このような高い光結合効率を実現する光結合構造として、レンズの集光効率を利用して光結合効率を高める光素子接合構造が挙げられる。
【０００５】
この光素子接合構造の例として、特開２００８−４１７７０号公報（特許文献１）記載の技術が挙げられる。この技術では、面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）や面入射型フォトダイオードなどの面発光素子を透明基板にフリップボンディングにより実装し、透明基板下部にレンズを配置することで、面受発光素子と基板の下方にある光伝送路間を、レンズを介して光結合する構造が記載されている。
【０００６】
特開２００１−１６６１６７号公報（特許文献２）には、コア層とクラッド層からなるレンズを形成しておき、このレンズを介して光伝送を担うコア層とを光結合できる位置に面受発光素子を搭載した構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−４１７７０号公報
【特許文献２】特開２００１−１６６１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の技術では、集光効果の高効率化、またはコストの点で問題が生じていた。例えば、特許文献１の構造では、面受発光素子として面発光レーザを考えた場合、面発光レーザから出射した光は広がりを持って伝播していく。この広がった光をレンズで集光して光伝送路に入射させることにより結合効率の向上を図っているため、面発光レーザとレンズ間の距離は近いことが望ましい。なぜならば、面発光レーザとレンズの距離は近いほど面発光レーザから出射した光の広がりは小さいため、レンズに要求される集光効果は小さくて済むためである。
【０００９】
しかしながら、特許文献１の構造は透明基板の表面に面受発光素子を搭載し、裏面にレンズを搭載した構造となっている。このため、面受発光素子とレンズ間の距離は透明基板の厚さ分だけ長くなることになる。これにより、特許文献１の構造では高い集光効果を持つレンズが必要となる。
【００１０】
一般に、高い集光効果を持つレンズはその厚さが大きくなる。一方で、光配線装置には小型かつ可撓性が求められているため、レンズの厚さの増加は望ましくなく、実用上の上限が存在する。そのため、集光効果にも上限が存在することとなり結果として光結合効率の低下を招く虞がある。
【００１１】
また、特許文献２の構造では、光伝送基板を作製するフォト工程においてレンズを同時に作製する。このため、光配線の低コストが困難である虞がある。また、このレンズを介して光伝送を担うコア層とを光結合できる位置に面受発光素子が搭載される構造のため、レンズ厚さは面受発光素子のバンプ高さ以上にすることが不可能である。そのため、レンズ集光効果を向上させることが困難な構造である。
【００１２】
本発明は、上記欠点を鑑みてなされたものであり、簡便な構造かつ低コストで面受発光素子と光伝送路間の光結合効率の向上を実現する手段を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。
【００１５】
本発明の代表的な実施の形態に関わる光モジュールは、光を発光または受光する光素子と、光伝送路を備えた基板と、を含む光モジュールであって、光素子は、レンズを介して基板に接合され、光素子からの出射光または光素子への入射光がレンズを介して光伝送路と光学的に結合され、光素子は、レンズ表面に形成された電気配線を介して電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の代表的な実施の形態に関わる別の光モジュールは、光を発光または受光する光素子と、光伝送路を備えた基板と、を含み、光素子はレンズを介して基板に接合され、この光素子からの出射光または光素子への入射光がレンズを介して光伝送路と光学的に結合され、光素子と基板は、レンズに形成された貫通ビアを通して電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１７】
これらの光モジュールにおいて、レンズがフレネルレンズであることを特徴としても良い。
【００１８】
本発明の代表的な実施の形態に関わる別の光モジュールは、光を発光または受光する光素子と、光素子を搭載する光素子搭載基板と、光伝送路を備えた基板と、を含む光モジュールであって、光素子は光素子搭載基板を介して基板に接合され、光素子搭載基板には、光素子からの出射光または光素子への入射光の光路に該当する箇所に空孔を有し、空孔には通信波長において透明な樹脂からなる樹脂レンズが形成され、光素子からの出射光または光素子への入射光は、樹脂レンズを介して、光伝送路と光学的に結合され、光素子は、光素子搭載基板表面に形成された電気配線を介して電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１９】
この光モジュールにおいて、樹脂レンズが、フレネルレンズ形状をしていることを特徴とする。
【００２０】
本発明の代表的な実施の形態に関わる別の光モジュールは、光を発光または受光する光素子と、光素子と光学的に結合される光伝送路を備えた基板とを含み、基板上の光素子からの出射光または光素子への入射光の光路に該当する箇所に通信波長において透明な樹脂からなる樹脂レンズが形成され、光素子からの出射光または光素子への入射光は、樹脂レンズを介して光伝送路と光学的に結合されていることを特徴とする。
【００２１】
この光モジュールにおいて、樹脂レンズが、フレネルレンズ形状をしていることを特徴としても良い。
【００２２】
本発明の代表的な実施の形態に関わる別の光モジュールは、光を発光または受光する光素子と、光伝送路を備えた基板と、を含み、光素子からの出射光または光素子への入射光の光路に該当する基板上の箇所が、フレネルレンズ形状を有し、光素子からの出射光または光素子への入射光は、樹脂レンズを介して、光伝送路と光学的に結合されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。
【００２４】
本発明の代表的な実施の形態に関わる光モジュールによって、低コストかつ簡便なプロセスによって、高い光結合効率を実現する光配線装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に関する光素子と基板の接合構造の図面である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に関する接合プロセスを説明する図面である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に関する別の光素子と基板の接合構造の図面である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の別の実施態様に関わる光素子と基板の接合構造を表す断面図である。
【図５】図４の実施態様に関わる光素子と基板の接合プロセスを説明する図面である。
【図６】図４の実施態様に関わる光素子と基板の接合構造の構成例を説明する図面である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における光素子と基板の接合構造を表す断面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に関わる光素子と基板の接合プロセスを説明する図面である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に関わる光素子と基板の接合構造の構成例を説明する図面である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に関する光素子接合構造を用いた光配線装置を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の第１の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に関する光素子と基板の接合構造の図面である。図２は本発明の第１の実施の形態に関する接合プロセスを説明する図面である。図３は本発明の第１の実施の形態に関する別の光素子と基板の接合構造の図面である。
【００２８】
なお、図１から図３において、基板の上面と下面は同一断面でなく展開段面図であることは、いうまでもない。これは以下の実施の形態でも同様である。
【００２９】
まず、図１を用いて第１の実施の形態における光素子の接合構造の説明を行う。
図１において、基板１の表面には電気配線１１が形成されている。本実施の形態では、基板１はポリイミド膜からなるフレキシブル基板を用いている。電気配線１１の部材は、ここでは圧延Ｃｕ１２μｍを主体とし、その表面にＮｉ２〜５μｍとＡｕ０．０５μｍをめっきした構造となっている。
【００３０】
電気配線材料に関しては、他の材料でもかまわないが、条件として求められるものは、電気抵抗が小さいこと、安価であること、加工し易いこと、などの電気配線として一般的に要求される事項を満たしていることが望ましい。
【００３１】
なお、電気配線１１の表面Ａｕめっき厚は接合方法に依存する。本実施の形態では、レンズ４を介して、光素子２と基板１を接合した構造としている。このとき、光素子２とレンズ４、及び基板１とレンズ４は、レンズ４上に形成された接合材５により接合している。
【００３２】
本実施の形態では、接合材５としてレンズ４上にあらかじめ形成された蒸着はんだを用いている。はんだにより接合を行った場合、接合後にはんだ材とＡｕの界面に金属間化合物が形成される。この金属間化合物は硬く、応力緩衝効果が弱いため、衝撃等に対する接合の信頼性を低下させる。また、Ａｕが残存するとその後の高温放置により金属間化合物がさらに成長し、レンズ４の位置ずれが発生することが懸念される。そのため、Ａｕめっき厚は０．０５μｍと薄くなっている。
【００３３】
さらに、接合材５は蒸着はんだに限らず、導電性接着剤やはんだペーストなどの導電性を有する接合材であれば構わないことは言うまでも無い。
【００３４】
レンズ４は蒸着はんだ３６（接合材５とは別のもの。素材を変えるかは設計事項）で基板１の電気配線１１に物理的及び電気的に接合されている。なお、本実施の形態では、レンズ４に予め蒸着はんだ３６を形成することを想定しているが、これに拘らず、電気配線１１上に蒸着はんだ３６を形成していてもかまわない。このレンズ４と基板１との接合方法も蒸着はんだ接合に限らず、また接合方法に応じて電気配線１１の厚さなどを変えてもよい。例えば超音波接合を用いる場合には、表面Ａｕめっき厚を０．３μｍとすることが望ましい。
【００３５】
本実施の形態では、レンズ４としてフレネルレンズを用いている。フレネルレンズを用いることで、同じ集光効果であれば通常の凸レンズに比べ、レンズ厚さを薄くすることができるためである。従って、レンズ厚の薄型化に伴い、光素子２と光導波路コア３１の距離を短くすることが可能となる。これにより、光結合効率の向上につながる。
【００３６】
図１におけるレンズ４は樹脂などで形成された一体のレンズモジュールを想定する。このレンズ４には光学的に屈折させる屈折部とそれ以外の物理接続部を有する。
【００３７】
レンズ４には基板１と光素子２を電気的に接続するために、Ｃｕからなる貫通ビア４１が設けられている。この貫通ビア４１はレンズ４の物理接続部に設けられ、レンズ４の光素子２と対向する面及び基板と対応する面に設けられた電極パッド（図示せず）を電気配線により電気的に接続しており、光学的に影響を与えないように設けられている。基板１上の電気配線１１からの電気信号は、この貫通ビア４１を介して光素子２に伝えられる。光素子２が発光素子の場合、光素子２は、光素子２に伝えられた電気信号に対応した光を出射することにより、電気振動を光信号に変換することになる。
【００３８】
光素子２が受光素子の場合を考える。光素子２で受光された光信号は、光素子２により、その光信号に対応した電気信号に変換される。変換された電気信号は、貫通ビア４１を介して、基板１上の電気配線１１に伝えられることとなる。
【００３９】
なお、貫通ビア４１の材質は、Ｃｕに拘らない。導電性を有していれば、貫通ビア４１の材質は不問であることはいうまでも無い。
【００４０】
基板１の裏面には、樹脂を用いた光導波路コア３１及び光導波路クラッド３２からなる光導波路層３が形成されている。光導波路層３の光路部分（光素子２の発光点または受光点直下部分）には、光導波路層３をハーフダイシングすることにより形成された４５°ミラー３３が形成されている。
【００４１】
光素子２が発光素子の場合を考える。光導波路コア３１内を図の右から左に伝播してきた光は、４５°ミラー３３により図面上方向に反射される。この反射された光がレンズ４により光素子２に集光されることとなる。
【００４２】
以下、本実施の形態では、光素子２として面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を例にとり、本接合構造の接合プロセスについて、図２を用いて説明する。
【００４３】
まず、図２（ａ）で光素子２とレンズ４の位置を、光素子２の発光点とレンズ４の中心の水平方向位置が一致するように合わせる。光素子２をレンズ４上へフリップチップボンディングにより接合する。なお、本実施の形態では、個片化されたレンズ４上に光素子２を接合している。しかし、アレイ化したレンズ４上に、同様に光素子２を複数個接合させた後にアレイ化したレンズ４をダイシングにより個片化するという手順でもかまわない。
【００４４】
次に、図２（ｂ）で、レンズ４と基板１の位置を、レンズ４の中心と光導波路コア３１端部の水平位置が一致するように合わせる。位置合わせ後、フリップチップボンディングにより、レンズ４と基板１を接合する。このような光素子２、レンズ４、光導波路コア３１の位置関係により、光素子２から出射した光は、レンズ４により集光され光導波路コア３１に入射されることとなる。本実施の形態では、光素子２としてＩｎＰ系のＶＣＳＥＬ（熱膨張係数４．５ｐｐｍ／Ｋ）を用いている。また基板１のポリイミド膜としてカプトン（熱膨張係数：２０ｐｐｍ／Ｋ）を用いている。両者の熱膨張差による応力を緩和するために、レンズ４は熱膨張係数４．５〜２０ｐｐｍ／Ｋの範囲の材質から形成されていることが望ましい。この際に、蒸着はんだ３６を形成しても良い。
【００４５】
次に、図２（ｃ）で、アンダーフィル樹脂７を光素子２とレンズ４及びレンズ４と基板１の間隙に充填した後、アンダーフィル樹脂を熱硬化させる。アンダーフィル樹脂７を充填することにより、光素子２とレンズ４、及びレンズ４と基板１の接合強度の増加、並びに外部からの衝撃による応力を緩和することができる。アンダーフィル樹脂７の熱膨張係数は、レンズ４と同様に光素子２と基板１との熱膨張差による応力緩和のために基板１と光素子２の熱膨張係数の間であることが望ましい。また、アンダーフィル樹脂７の屈折率をｎａ、レンズ４の屈折率をｎｂとしたとき、ｎａ＜ｎｂと成るようなアンダーフィル樹脂を用いることが望ましい。
【００４６】
なお、基板１の材質は通信波長で透明なものであれば、ポリイミドに限らない。リジッドな基板であっても問題は無い。
【００４７】
また、本実施の形態では、光素子２の接合方法としてはんだ接合を用いた。この場合、接合材５としてＳｎ−１Ａｇ−５７Ｂｉ、Ｉｎ−３．５Ａｇなどの光導波路層３を形成する材料の耐熱温度よりも低い融点のはんだをもちいることが望ましい。また、接合材導電性接着剤を接合材５として利用することも可能である。この場合も同様に、その熱硬化温度は光導波路層３を構成する材料の耐熱温度よりも低いことが望ましい。
【００４８】
さらには、本実施の形態におけるレンズ４の構成はフレネルレンズに限定するものではない。図３のように各種の方法が存在する。図３（ａ）は、レンズ４としてＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｅｄ Ｉｎｄｅｘ）レンズを用いた例である。また、図３（ｂ）は、レンズ４として凸レンズを用いた例である。図３（ｃ）は、レンズ４として凹レンズを用いた例である。図３（ｄ）はレンズ４として回折レンズを用いた例である。
【００４９】
このように、レンズ４の構成については各種の実現手段がある。本発明の効果を奏することができれば本発明の射程に含まれる。
【００５０】
つぎに、この実施の形態の別の実施態様について説明する。
【００５１】
図４は、本発明の第１の実施の形態の別の実施態様に関わる光素子と基板の接合構造を表す断面図である。図５は、この実施態様に関わる光素子と基板の接合プロセスを説明する図面である。図６は、この実施態様に関わる光素子と基板の接合構造の構成例を説明する図面である。
【００５２】
まず、図４を用いてこの実施態様に関わる光素子の接合構造について説明する。
【００５３】
本実施態様では、光素子２が光素子搭載基板６を介して基板１に搭載されている点が図１と大きく異なる。
【００５４】
光素子搭載基板６の表裏面には、光素子搭載基板６と光素子２、及び光素子搭載基板６と基板１が接合される箇所に予め蒸着はんだ３６が形成されている。この蒸着はんだ３６により光素子搭載基板６と基板１が物理的に接合される形になっている。
【００５５】
光素子搭載基板６には光素子２からの出射光の光路に対応する位置に開口部が設けられている。この開口部には、樹脂レンズ４５としてフレネルレンズ形状をした樹脂が形成されている。フレネルレンズ形状をした樹脂を用いることで、樹脂レンズ４５の厚さを光素子搭載基板６とほぼ同じ厚さとすることができる。これにより、光素子２と光導波路コア３１の距離を短くすることができる。結果として、光結合効率の向上が望める。
【００５６】
また、光素子搭載基板６には、基板１と光素子２を電気的に接続するために、Ｃｕからなる貫通ビア６１が設けられている。基板１上の電気配線１１上からの電気信号は、この貫通ビア６１を介して、光素子２に伝えられる。光素子２は、光素子２に伝えられた電気信号に対応した光を出射することで、電気信号を光信号に変換する。
【００５７】
図４における基板１もポリイミド膜を用いたカプトンである。また、光素子２も図１同様ＶＣＳＥＬを用いる。
【００５８】
基板１の裏面には、樹脂を用いた光導波路コア３１及び光導波路クラッド３２からなる光導波路層３が形成されている。光導波路層３の光路部分には４５°ミラー３３が形成されている。光素子２から出射した光ビームは樹脂レンズ４５により集光されて４５°ミラー３３に入射する。４５°ミラー３３に入射された光ビームは４５°ミラー３３によって反射され光導波路コア３１を伝播する。
【００５９】
次に本接合構造の接合プロセスについて、図５を用いて説明する。
【００６０】
まず、光素子搭載基板６の開口部に樹脂を充填させた後、該樹脂を熱硬化させる（図５（ａ））。この樹脂は、通信波長において透明な樹脂であることを要する。また、この樹脂は、通信波長の光の透過率が高い樹脂であることが望ましい。樹脂を熱硬化後、先端がフレネルレンズ形状となっているスタンピングツール８で樹脂を押し付ける。このようにしてフレネルレンズ形状の樹脂レンズ４５が形成される。
【００６１】
この樹脂レンズ４５の形成工程の後、光素子２と樹脂レンズ４５の位置関係を、光素子２の発光点と樹脂レンズ４５の中心の水平方向位置とを一致させる（図５（ｂ））。その後、光素子２と光素子搭載基板６とをフリップチップボンディングにより接合させる。なお、図２同様に個片化された光素子搭載基板６に光素子２を接合しているが、アレイ化した光素子搭載基板６上に同様に光素子２を複数個接合させ、その後アレイ化した光素子搭載基板６をダイシングにより個片化する手順でもかまわない。また、この際に、蒸着はんだ３６を形成しても良い。
【００６２】
その後、光素子搭載基板６と基板１の位置関係を、樹脂レンズ４５の中心と光導波路コア３１端部の水平位置が一致するように位置合わせを行う（図５（ｃ））。この位置合わせ後、フリップチップボンディングによって光素子搭載基板６と基板１を接合する。このような光素子２、樹脂レンズ４５、光導波路コア３１の位置関係により、光素子２から出射した光は、樹脂レンズ４５により集光され光導波路コア３１に入射されることとなる。本実施態様では、光素子２としてＩｎＰ系のＶＣＳＥＬ（熱膨張係数：４．５ｐｐｍ／Ｋ）、基板１のポリイミド膜としてカプトン（熱膨張係数：２０ｐｐｍ／Ｋ）を用いている。両者の熱膨張差による応力を緩和するために、光素子搭載基板６は、熱膨張係数４．５〜２０［ｐｐｍ／Ｋ］の範囲の材質から形成されていることが望ましい。
【００６３】
光素子搭載基板６と基板１との接合後、アンダーフィル樹脂７−２を光素子２、光素子搭載基板６及び基板１の間に充填する。また、光素子２周辺にアンダーフィル樹脂７を盛る（図５（ｄ））。
【００６４】
充填後、アンダーフィル樹脂７を熱硬化させる。アンダーフィル樹脂７を充填することにより、光素子２と光素子搭載基板６との間、及び基板１と光素子搭載基板６との間の接合強度の増加、並びに外部からの衝撃による応力を緩和することが可能となるのは先に挙げた図１等の実施態様と同じである。このとき、光素子搭載基板６同様に、光素子２と基板１の熱膨張差による応力を緩和するために、アンダーフィル樹脂７の熱膨張係数は基板１と光素子２の熱膨張係数の間であることが望ましい。また、アンダーフィル樹脂７−２の屈折率ｎａ、樹脂レンズ４５の屈折率ｎｂとしたとき、ｎａ＜ｎｂとなるようなアンダーフィル樹脂を用いることが望ましい。
【００６５】
この際、アンダーフィル樹脂７、７−２の素材を違うものにすることも可能である。この際、７−２は光学特性を、７は物理特性を重視したものにすればよい。
【００６６】
この実施態様でも図３同様、樹脂レンズ４５の形態として各種レンズを採用することが考えられる。図６（ａ）は、樹脂レンズ４５として凸レンズを用いたものであり、図６（ｂ）は、樹脂レンズ４５として回折レンズを用いたものである。
【００６７】
このように光素子搭載基板６上にレンズ機能を有することでも、高い光結合効率を実現することが可能となる。
【００６８】
また、図５（ｃ）でも分かるとおり、光素子搭載基板６中に貫通ビアを通して、基板１上に設けられた電気配線１１の設けられた面より上方に、樹脂レンズ４５を設けることができる。これにより、配置の自由度が増すという効果も奏する。さらに加えて光素子搭載基板６をモジュール化することで、量産性・レンズの変更による改善の自由度を向上させることが可能となる。
【００６９】
（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について、図７ないし図９を用いて説明する。
【００７０】
図７は本発明の第２の実施の形態における光素子と基板の接合構造を表す断面図である。図８は、本発明の第２の実施の形態に関わる光素子と基板の接合プロセスを説明する図面である。図９は、本発明の第２の実施の形態に関わる光素子と基板の接合構造の構成例を説明する図面である。
【００７１】
なお、本実施の形態でも、基板１はポリイミド膜を用いたカプトン、光素子２はＶＣＳＥＬを用いて説明を行うこととする。
【００７２】
本実施の形態では、光素子２が直接基板１に接合されている。そして基板１と光素子２との間にフレネルレンズ形状の樹脂レンズ４５が配置されている。
【００７３】
基板１上には、光素子２からの出射光の光路に対応する位置に、樹脂レンズ４５としてフレネルレンズ形状をした樹脂が形成されている。一般に、光素子２と基板１の間隙の距離は数十μｍと非常に短い。そのため、通常の凸レンズ形状をしたレンズではこの隙間内に納めることが困難である。また、仮に収めることができたとしても、そのレンズは十分な集光効果を有さない。
【００７４】
しかしながらフレネルレンズ形状の樹脂レンズ４５であれば、光素子２と基板１との間に収納できる。また、フレネルレンズ形状とすることで、樹脂レンズ４５は数十μｍの厚さでも十分な集光効果が得られる。結果、光結合効率の向上を図ることが可能となる。
【００７５】
このように、本実施の形態では、基板１上の電気配線１１からの電気信号は、光素子２に直接伝えられる。伝えられた電気信号に対応した光を出射することで、光素子２は電気信号を光信号に変換する。
【００７６】
基板１の裏面には光導波路層３が形成されている。この光導波路層３は、樹脂を用いた光導波路コア３１及び光導波路クラッド３２から構成される。
【００７７】
この光導波路層３の光路部分には、４５°ミラー３３が形成されている。光素子２から出射した光ビームは樹脂レンズ４５により集光され４５°ミラー３３に入射する。４５°ミラー３３に入射した光ビームは４５°ミラー３３によって反射され光導波路コア３１に導かれる。
【００７８】
次に本実施の形態の接合構造の接合プロセスについて、図８を用いて説明する。
【００７９】
まず、図８（ａ）及び（ｂ）で、光素子２から出射する光の光路に該当する基板１上に樹脂をポッティングした後、熱硬化させる。この樹脂は、通信波長において透明な樹脂であることが必須である。また、この樹脂は通信波長の光の透過率が高い樹脂であることが望ましい。
【００８０】
樹脂を熱硬化後、先端がフレネルレンズ形状となっているスタンピングツール８で樹脂を押し付ける。これにより、樹脂をフレネルレンズ形状とし、樹脂レンズ４５を形成する。
【００８１】
次に、図８（ｃ）で、光素子２と基板１の位置関係を、光素子２の発光点と光導波路コア３１端部の水平位置が一致するように位置を合わせる。位置合わせ後、フリップチップボンディングにより光素子２と基板１を接合する。
【００８２】
このような光素子２、樹脂レンズ４５、光導波路コア３１の位置関係により、光素子２から出射した光は、樹脂レンズ４５により集光され光導波路コア３１に入射されることとなる。
【００８３】
次に、図８（ｄ）で、アンダーフィル樹脂７−２を光素子２と基板１との間隙に充填し（図８（ｄ））、また、光素子２周辺にアンダーフィル樹脂７を盛る（図８（ｄ））。その後アンダーフィル樹脂７、７−２を熱硬化させる。アンダーフィル樹脂７、７−２を充填することにより、光素子２と基板１の接合強度の増加、並びに、外部からの衝撃による応力を緩和することができる。
【００８４】
アンダーフィル樹脂７の熱膨張係数は光素子搭載基板６と同様に光素子２と基板１の熱膨張係数の差による応力を緩和するために、基板１と光素子２の熱膨張係数の間であることが望ましい。
【００８５】
また、アンダーフィル樹脂７−２の屈折率をｎａ、樹脂レンズ４５ の屈折率をｎｂとしたとき、ｎａ＜ｎｂと成るようなアンダーフィル樹脂を用いることが望ましい。
【００８６】
この際、アンダーフィル樹脂７、７−２の素材を違うものにすることも可能である。この際、７−２は光学特性を、７は物理特性を重視したものにすればよい。
【００８７】
なお、本実施の形態における樹脂レンズ４５の構成は、図７のフレネルレンズには限らない。図９に示すように、光素子２からの出射光の光路に対応する位置に当たる基板１を削る（変形する）ようにして、フレネルレンズ状にして設けてもかまわない。
【００８８】
（第３の実施の形態）
次に、本実施の形態に関わる光素子の接合構造を用いた光配線装置の例について図１０を用いて説明する。図１０は本発明の第３の実施の形態に関する光素子接合構造を用いた光配線装置を説明するための概念図である。
【００８９】
この図では、基板１の上面の電気配線１１にＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）８０とＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）８０を駆動するドライバＩＣ９０、フォトダイオード（ＰＤ）８５とＰＤ８５からの微少信号を低ノイズで増幅するプリアンプＩＣ９５がフリップチップ搭載されている。
【００９０】
ＶＣＳＥＬ８０、ＰＤ８５と基板１との間隙の光路に当たる部分には、フィラー非含有アンダーフィル樹脂７１が充填されている。ドライバＩＣ９０及びプリアンプＩＣ９５も同様にアンダーフィル樹脂７２が充填されている。
【００９１】
基板１の下面には、光導波路層３を設けている。ＶＣＳＥＬ８０の発光点直下及びＰＤ８５の受光面直下には光導波路層３をダイシングにより４５度にカットした４５°ミラー３３が形成されている。これにより、電気信号が入力されたドライバＩＣ９０はＶＣＳＥＬ８０のレーザ光を変調し光信号を発生する。ＶＣＳＥＬ８０からの光信号は、ＶＣＳＥＬ８０下部の４５°ミラー３３により光導波路コア３１に結合され、光導波路コア３１中を伝播する。さらに、伝播した光信号はＰＤ８５に対応した４５°ミラー３３で反射され、ＰＤ８５で受光される。ＰＤ８５は受光した光信号を電気信号に変換し、プリアンプＩＣ９５で増幅される。
【００９２】
このように各部品を配置すること、および、基板１と光導波路層３が可撓性を有することで、二つ折型の携帯電話などの屈曲性を要求される箇所の信号配線として利用することが可能となる。
【００９３】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、例えば、可動部を通して光通信を行う折りたたみ型携帯電話機のように、機器内の近接通信でマルチモード伝送によって通信を行う携帯情報端末を想定する。しかしこれには限定されず、可動部分を持たない携帯情報端末、携帯性の無い機器などに適用することも本発明の射程に含まれる。
【００９５】
具体的には、光通信モジュール、光記録モジュール、高速スイッチング装置（ルータ、サーバなど）、ストレージ装置、自動車等が考えられる。
【符号の説明】
【００９６】
１…基板、１１…電気配線、
２…光素子、２１…光素子電極、２２…導体バンプ、３…光導波路層、
３１…光導波路コア、３２…光導波路クラッド、
３３…４５°ミラー、３６…蒸着はんだ、４…レンズ、４５…樹脂レンズ、
４１、６１…貫通ビア、
５…接合材、６…光素子搭載基板、７、７１、７２…アンダーフィル樹脂、
８…スタンピングツール、８０…面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、
８５…フォトダイオード（ＰＤ）、９０…ドライバＩＣ、９５…プリアンプＩＣ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は光伝送路を用いて基板内、基板間、装置間等の信号伝送を行う光配線装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の高速伝送線路は、１）広帯域である、２）電磁波ノイズ耐性に優れる、３）配線の容積が小さくかつ軽量になる、などの理由から、電気配線に代わり光配線装置を適用する動きが広まりつつある。光配線装置において、最も重要な因子の一つとして、半導体レーザやフォトダイオードなどの光素子と、光ファイバや光導波路などの光伝送路との光結合構造が挙げられる。
【０００３】
高い光結合効率を得るために、光素子と光伝送路の位置合わせには、マルチモード伝送の場合でも数十μｍ、シングルモード伝送の場合には数μｍの搭載精度が要求される。また、温度サイクルや高温高湿などの信頼性試験を施した後も、位置ずれや剥離を起こしてはならない。一方で、光配線は電気配線代替という観点から低価格で行えることが大前提で、そのためには材料原価や組み立て工数をできる限り低く抑えなければならない。
【０００４】
このような高い光結合効率を実現する光結合構造として、レンズの集光効率を利用して光結合効率を高める光素子接合構造が挙げられる。
【０００５】
この光素子接合構造の例として、特開２００８−４１７７０号公報（特許文献１）記載の技術が挙げられる。この技術では、面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）や面入射型フォトダイオードなどの面発光素子を透明基板にフリップボンディングにより実装し、透明基板下部にレンズを配置することで、面受発光素子と基板の下方にある光伝送路間を、レンズを介して光結合する構造が記載されている。
【０００６】
特開２００１−１６６１６７号公報（特許文献２）には、コア層とクラッド層からなるレンズを形成しておき、このレンズを介して光伝送を担うコア層とを光結合できる位置に面受発光素子を搭載した構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−４１７７０号公報
【特許文献２】特開２００１−１６６１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の技術では、集光効果の高効率化、またはコストの点で問題が生じていた。例えば、特許文献１の構造では、面受発光素子として面発光レーザを考えた場合、面発光レーザから出射した光は広がりを持って伝播していく。この広がった光をレンズで集光して光伝送路に入射させることにより結合効率の向上を図っているため、面発光レーザとレンズ間の距離は近いことが望ましい。なぜならば、面発光レーザとレンズの距離は近いほど面発光レーザから出射した光の広がりは小さいため、レンズに要求される集光効果は小さくて済むためである。
【０００９】
しかしながら、特許文献１の構造は透明基板の表面に面受発光素子を搭載し、裏面にレンズを搭載した構造となっている。このため、面受発光素子とレンズ間の距離は透明基板の厚さ分だけ長くなることになる。これにより、特許文献１の構造では高い集光効果を持つレンズが必要となる。
【００１０】
一般に、高い集光効果を持つレンズはその厚さが大きくなる。一方で、光配線装置には小型かつ可撓性が求められているため、レンズの厚さの増加は望ましくなく、実用上の上限が存在する。そのため、集光効果にも上限が存在することとなり結果として光結合効率の低下を招く虞がある。
【００１１】
また、特許文献２の構造では、光伝送基板を作製するフォト工程においてレンズを同時に作製する。このため、光配線の低コストが困難である虞がある。また、このレンズを介して光伝送を担うコア層とを光結合できる位置に面受発光素子が搭載される構造のため、レンズ厚さは面受発光素子のバンプ高さ以上にすることが不可能である。そのため、レンズ集光効果を向上させることが困難な構造である。
【００１２】
本発明は、上記欠点を鑑みてなされたものであり、簡便な構造かつ低コストで面受発光素子と光伝送路間の光結合効率の向上を実現する手段を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。
【００１５】
本発明の代表的な実施の形態に関わる光モジュールは、光を発光または受光する光素子と、光伝送路を備えた基板と、を含む光モジュールであって、光素子は、レンズを介して基板に接合され、光素子からの出射光または光素子への入射光がレンズを介して光伝送路と光学的に結合され、光素子は、レンズ表面に形成された電気配線を介して電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の代表的な実施の形態に関わる別の光モジュールは、光を発光または受光する光素子と、光伝送路を備えた基板と、を含み、光素子はレンズを介して基板に接合され、この光素子からの出射光または光素子への入射光がレンズを介して光伝送路と光学的に結合され、光素子と基板は、レンズに形成された貫通ビアを通して電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１７】
これらの光モジュールにおいて、レンズがフレネルレンズであることを特徴としても良い。
【００１８】
本発明の代表的な実施の形態に関わる別の光モジュールは、光を発光または受光する光素子と、光素子を搭載する光素子搭載基板と、光伝送路を備えた基板と、を含む光モジュールであって、光素子は光素子搭載基板を介して基板に接合され、光素子搭載基板には、光素子からの出射光または光素子への入射光の光路に該当する箇所に空孔を有し、空孔には通信波長において透明な樹脂からなる樹脂レンズが形成され、光素子からの出射光または光素子への入射光は、樹脂レンズを介して、光伝送路と光学的に結合され、光素子は、光素子搭載基板表面に形成された電気配線を介して電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１９】
この光モジュールにおいて、樹脂レンズが、フレネルレンズ形状をしていることを特徴とする。
【００２０】
本発明の代表的な実施の形態に関わる別の光モジュールは、光を発光または受光する光素子と、光素子と光学的に結合される光伝送路を備えた基板とを含み、基板上の光素子からの出射光または光素子への入射光の光路に該当する箇所に通信波長において透明な樹脂からなる樹脂レンズが形成され、光素子からの出射光または光素子への入射光は、樹脂レンズを介して光伝送路と光学的に結合されていることを特徴とする。
【００２１】
この光モジュールにおいて、樹脂レンズが、フレネルレンズ形状をしていることを特徴としても良い。
【００２２】
本発明の代表的な実施の形態に関わる別の光モジュールは、光を発光または受光する光素子と、光伝送路を備えた基板と、を含み、光素子からの出射光または光素子への入射光の光路に該当する基板上の箇所が、フレネルレンズ形状を有し、光素子からの出射光または光素子への入射光は、樹脂レンズを介して、光伝送路と光学的に結合されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。
【００２４】
本発明の代表的な実施の形態に関わる光モジュールによって、低コストかつ簡便なプロセスによって、高い光結合効率を実現する光配線装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に関する光素子と基板の接合構造の図面である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に関する接合プロセスを説明する図面である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に関する別の光素子と基板の接合構造の図面である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の別の実施態様に関わる光素子と基板の接合構造を表す断面図である。
【図５】図４の実施態様に関わる光素子と基板の接合プロセスを説明する図面である。
【図６】図４の実施態様に関わる光素子と基板の接合構造の構成例を説明する図面である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における光素子と基板の接合構造を表す断面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に関わる光素子と基板の接合プロセスを説明する図面である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に関わる光素子と基板の接合構造の構成例を説明する図面である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に関する光素子接合構造を用いた光配線装置を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の第１の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に関する光素子と基板の接合構造の図面である。図２は本発明の第１の実施の形態に関する接合プロセスを説明する図面である。図３は本発明の第１の実施の形態に関する別の光素子と基板の接合構造の図面である。
【００２８】
なお、図１から図３において、基板の上面と下面は同一断面でなく展開段面図であることは、いうまでもない。これは以下の実施の形態でも同様である。
【００２９】
まず、図１を用いて第１の実施の形態における光素子の接合構造の説明を行う。
図１において、基板１の表面には電気配線１１が形成されている。本実施の形態では、基板１はポリイミド膜からなるフレキシブル基板を用いている。電気配線１１の部材は、ここでは圧延Ｃｕ１２μｍを主体とし、その表面にＮｉ２〜５μｍとＡｕ０．０５μｍをめっきした構造となっている。
【００３０】
電気配線材料に関しては、他の材料でもかまわないが、条件として求められるものは、電気抵抗が小さいこと、安価であること、加工し易いこと、などの電気配線として一般的に要求される事項を満たしていることが望ましい。
【００３１】
なお、電気配線１１の表面Ａｕめっき厚は接合方法に依存する。本実施の形態では、レンズ４を介して、光素子２と基板１を接合した構造としている。このとき、光素子２とレンズ４、及び基板１とレンズ４は、レンズ４上に形成された接合材５により接合している。
【００３２】
本実施の形態では、接合材５としてレンズ４上にあらかじめ形成された蒸着はんだを用いている。はんだにより接合を行った場合、接合後にはんだ材とＡｕの界面に金属間化合物が形成される。この金属間化合物は硬く、応力緩衝効果が弱いため、衝撃等に対する接合の信頼性を低下させる。また、Ａｕが残存するとその後の高温放置により金属間化合物がさらに成長し、レンズ４の位置ずれが発生することが懸念される。そのため、Ａｕめっき厚は０．０５μｍと薄くなっている。
【００３３】
さらに、接合材５は蒸着はんだに限らず、導電性接着剤やはんだペーストなどの導電性を有する接合材であれば構わないことは言うまでも無い。
【００３４】
レンズ４は蒸着はんだ３６（接合材５とは別のもの。素材を変えるかは設計事項）で基板１の電気配線１１に物理的及び電気的に接合されている。なお、本実施の形態では、レンズ４に予め蒸着はんだ３６を形成することを想定しているが、これに拘らず、電気配線１１上に蒸着はんだ３６を形成していてもかまわない。このレンズ４と基板１との接合方法も蒸着はんだ接合に限らず、また接合方法に応じて電気配線１１の厚さなどを変えてもよい。例えば超音波接合を用いる場合には、表面Ａｕめっき厚を０．３μｍとすることが望ましい。
【００３５】
本実施の形態では、レンズ４としてフレネルレンズを用いている。フレネルレンズを用いることで、同じ集光効果であれば通常の凸レンズに比べ、レンズ厚さを薄くすることができるためである。従って、レンズ厚の薄型化に伴い、光素子２と光導波路コア３１の距離を短くすることが可能となる。これにより、光結合効率の向上につながる。
【００３６】
図１におけるレンズ４は樹脂などで形成された一体のレンズモジュールを想定する。このレンズ４には光学的に屈折させる屈折部とそれ以外の物理接続部を有する。
【００３７】
レンズ４には基板１と光素子２を電気的に接続するために、Ｃｕからなる貫通ビア４１が設けられている。この貫通ビア４１はレンズ４の物理接続部に設けられ、レンズ４の光素子２と対向する面及び基板と対応する面に設けられた電極パッド（図示せず）を電気配線により電気的に接続しており、光学的に影響を与えないように設けられている。基板１上の電気配線１１からの電気信号は、この貫通ビア４１を介して光素子２に伝えられる。光素子２が発光素子の場合、光素子２は、光素子２に伝えられた電気信号に対応した光を出射することにより、電気振動を光信号に変換することになる。
【００３８】
光素子２が受光素子の場合を考える。光素子２で受光された光信号は、光素子２により、その光信号に対応した電気信号に変換される。変換された電気信号は、貫通ビア４１を介して、基板１上の電気配線１１に伝えられることとなる。
【００３９】
なお、貫通ビア４１の材質は、Ｃｕに拘らない。導電性を有していれば、貫通ビア４１の材質は不問であることはいうまでも無い。
【００４０】
基板１の裏面には、樹脂を用いた光導波路コア３１及び光導波路クラッド３２からなる光導波路層３が形成されている。光導波路層３の光路部分（光素子２の発光点または受光点直下部分）には、光導波路層３をハーフダイシングすることにより形成された４５°ミラー３３が形成されている。
【００４１】
光素子２が発光素子の場合を考える。光導波路コア３１内を図の右から左に伝播してきた光は、４５°ミラー３３により図面上方向に反射される。この反射された光がレンズ４により光素子２に集光されることとなる。
【００４２】
以下、本実施の形態では、光素子２として面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を例にとり、本接合構造の接合プロセスについて、図２を用いて説明する。
【００４３】
まず、図２（ａ）で光素子２とレンズ４の位置を、光素子２の発光点とレンズ４の中心の水平方向位置が一致するように合わせる。光素子２をレンズ４上へフリップチップボンディングにより接合する。なお、本実施の形態では、個片化されたレンズ４上に光素子２を接合している。しかし、アレイ化したレンズ４上に、同様に光素子２を複数個接合させた後にアレイ化したレンズ４をダイシングにより個片化するという手順でもかまわない。
【００４４】
次に、図２（ｂ）で、レンズ４と基板１の位置を、レンズ４の中心と光導波路コア３１端部の水平位置が一致するように合わせる。位置合わせ後、フリップチップボンディングにより、レンズ４と基板１を接合する。このような光素子２、レンズ４、光導波路コア３１の位置関係により、光素子２から出射した光は、レンズ４により集光され光導波路コア３１に入射されることとなる。本実施の形態では、光素子２としてＩｎＰ系のＶＣＳＥＬ（熱膨張係数４．５ｐｐｍ／Ｋ）を用いている。また基板１のポリイミド膜としてカプトン（熱膨張係数：２０ｐｐｍ／Ｋ）を用いている。両者の熱膨張差による応力を緩和するために、レンズ４は熱膨張係数４．５〜２０ｐｐｍ／Ｋの範囲の材質から形成されていることが望ましい。この際に、蒸着はんだ３６を形成しても良い。
【００４５】
次に、図２（ｃ）で、アンダーフィル樹脂７を光素子２とレンズ４及びレンズ４と基板１の間隙に充填した後、アンダーフィル樹脂を熱硬化させる。アンダーフィル樹脂７を充填することにより、光素子２とレンズ４、及びレンズ４と基板１の接合強度の増加、並びに外部からの衝撃による応力を緩和することができる。アンダーフィル樹脂７の熱膨張係数は、レンズ４と同様に光素子２と基板１との熱膨張差による応力緩和のために基板１と光素子２の熱膨張係数の間であることが望ましい。また、アンダーフィル樹脂７の屈折率をｎａ、レンズ４の屈折率をｎｂとしたとき、ｎａ＜ｎｂと成るようなアンダーフィル樹脂を用いることが望ましい。
【００４６】
なお、基板１の材質は通信波長で透明なものであれば、ポリイミドに限らない。リジッドな基板であっても問題は無い。
【００４７】
また、本実施の形態では、光素子２の接合方法としてはんだ接合を用いた。この場合、接合材５としてＳｎ−１Ａｇ−５７Ｂｉ、Ｉｎ−３．５Ａｇなどの光導波路層３を形成する材料の耐熱温度よりも低い融点のはんだをもちいることが望ましい。また、接合材導電性接着剤を接合材５として利用することも可能である。この場合も同様に、その熱硬化温度は光導波路層３を構成する材料の耐熱温度よりも低いことが望ましい。
【００４８】
さらには、本実施の形態におけるレンズ４の構成はフレネルレンズに限定するものではない。図３のように各種の方法が存在する。図３（ａ）は、レンズ４としてＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｅｄ Ｉｎｄｅｘ）レンズを用いた例である。また、図３（ｂ）は、レンズ４として凸レンズを用いた例である。図３（ｃ）は、レンズ４として凹レンズを用いた例である。図３（ｄ）はレンズ４として回折レンズを用いた例である。
【００４９】
このように、レンズ４の構成については各種の実現手段がある。本発明の効果を奏することができれば本発明の射程に含まれる。
【００５０】
つぎに、この実施の形態の別の実施態様について説明する。
【００５１】
図４は、本発明の第１の実施の形態の別の実施態様に関わる光素子と基板の接合構造を表す断面図である。図５は、この実施態様に関わる光素子と基板の接合プロセスを説明する図面である。図６は、この実施態様に関わる光素子と基板の接合構造の構成例を説明する図面である。
【００５２】
まず、図４を用いてこの実施態様に関わる光素子の接合構造について説明する。
【００５３】
本実施態様では、光素子２が光素子搭載基板６を介して基板１に搭載されている点が図１と大きく異なる。
【００５４】
光素子搭載基板６の表裏面には、光素子搭載基板６と光素子２、及び光素子搭載基板６と基板１が接合される箇所に予め蒸着はんだ３６が形成されている。この蒸着はんだ３６により光素子搭載基板６と基板１が物理的に接合される形になっている。
【００５５】
光素子搭載基板６には光素子２からの出射光の光路に対応する位置に開口部が設けられている。この開口部には、樹脂レンズ４５としてフレネルレンズ形状をした樹脂が形成されている。フレネルレンズ形状をした樹脂を用いることで、樹脂レンズ４５の厚さを光素子搭載基板６とほぼ同じ厚さとすることができる。これにより、光素子２と光導波路コア３１の距離を短くすることができる。結果として、光結合効率の向上が望める。
【００５６】
また、光素子搭載基板６には、基板１と光素子２を電気的に接続するために、Ｃｕからなる貫通ビア６１が設けられている。基板１上の電気配線１１上からの電気信号は、この貫通ビア６１を介して、光素子２に伝えられる。光素子２は、光素子２に伝えられた電気信号に対応した光を出射することで、電気信号を光信号に変換する。
【００５７】
図４における基板１もポリイミド膜を用いたカプトンである。また、光素子２も図１同様ＶＣＳＥＬを用いる。
【００５８】
基板１の裏面には、樹脂を用いた光導波路コア３１及び光導波路クラッド３２からなる光導波路層３が形成されている。光導波路層３の光路部分には４５°ミラー３３が形成されている。光素子２から出射した光ビームは樹脂レンズ４５により集光されて４５°ミラー３３に入射する。４５°ミラー３３に入射された光ビームは４５°ミラー３３によって反射され光導波路コア３１を伝播する。
【００５９】
次に本接合構造の接合プロセスについて、図５を用いて説明する。
【００６０】
まず、光素子搭載基板６の開口部に樹脂を充填させた後、該樹脂を熱硬化させる（図５（ａ））。この樹脂は、通信波長において透明な樹脂であることを要する。また、この樹脂は、通信波長の光の透過率が高い樹脂であることが望ましい。樹脂を熱硬化後、先端がフレネルレンズ形状となっているスタンピングツール８で樹脂を押し付ける。このようにしてフレネルレンズ形状の樹脂レンズ４５が形成される。
【００６１】
この樹脂レンズ４５の形成工程の後、光素子２と樹脂レンズ４５の位置関係を、光素子２の発光点と樹脂レンズ４５の中心の水平方向位置とを一致させる（図５（ｂ））。その後、光素子２と光素子搭載基板６とをフリップチップボンディングにより接合させる。なお、図２同様に個片化された光素子搭載基板６に光素子２を接合しているが、アレイ化した光素子搭載基板６上に同様に光素子２を複数個接合させ、その後アレイ化した光素子搭載基板６をダイシングにより個片化する手順でもかまわない。また、この際に、蒸着はんだ３６を形成しても良い。
【００６２】
その後、光素子搭載基板６と基板１の位置関係を、樹脂レンズ４５の中心と光導波路コア３１端部の水平位置が一致するように位置合わせを行う（図５（ｃ））。この位置合わせ後、フリップチップボンディングによって光素子搭載基板６と基板１を接合する。このような光素子２、樹脂レンズ４５、光導波路コア３１の位置関係により、光素子２から出射した光は、樹脂レンズ４５により集光され光導波路コア３１に入射されることとなる。本実施態様では、光素子２としてＩｎＰ系のＶＣＳＥＬ（熱膨張係数：４．５ｐｐｍ／Ｋ）、基板１のポリイミド膜としてカプトン（熱膨張係数：２０ｐｐｍ／Ｋ）を用いている。両者の熱膨張差による応力を緩和するために、光素子搭載基板６は、熱膨張係数４．５〜２０［ｐｐｍ／Ｋ］の範囲の材質から形成されていることが望ましい。
【００６３】
光素子搭載基板６と基板１との接合後、アンダーフィル樹脂７−２を光素子２、光素子搭載基板６及び基板１の間に充填する。また、光素子２周辺にアンダーフィル樹脂７を盛る（図５（ｄ））。
【００６４】
充填後、アンダーフィル樹脂７を熱硬化させる。アンダーフィル樹脂７を充填することにより、光素子２と光素子搭載基板６との間、及び基板１と光素子搭載基板６との間の接合強度の増加、並びに外部からの衝撃による応力を緩和することが可能となるのは先に挙げた図１等の実施態様と同じである。このとき、光素子搭載基板６同様に、光素子２と基板１の熱膨張差による応力を緩和するために、アンダーフィル樹脂７の熱膨張係数は基板１と光素子２の熱膨張係数の間であることが望ましい。また、アンダーフィル樹脂７−２の屈折率ｎａ、樹脂レンズ４５の屈折率ｎｂとしたとき、ｎａ＜ｎｂとなるようなアンダーフィル樹脂を用いることが望ましい。
【００６５】
この際、アンダーフィル樹脂７、７−２の素材を違うものにすることも可能である。この際、７−２は光学特性を、７は物理特性を重視したものにすればよい。
【００６６】
この実施態様でも図３同様、樹脂レンズ４５の形態として各種レンズを採用することが考えられる。図６（ａ）は、樹脂レンズ４５として凸レンズを用いたものであり、図６（ｂ）は、樹脂レンズ４５として回折レンズを用いたものである。
【００６７】
このように光素子搭載基板６上にレンズ機能を有することでも、高い光結合効率を実現することが可能となる。
【００６８】
また、図５（ｃ）でも分かるとおり、光素子搭載基板６中に貫通ビアを通して、基板１上に設けられた電気配線１１の設けられた面より上方に、樹脂レンズ４５を設けることができる。これにより、配置の自由度が増すという効果も奏する。さらに加えて光素子搭載基板６をモジュール化することで、量産性・レンズの変更による改善の自由度を向上させることが可能となる。
【００６９】
（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について、図７ないし図９を用いて説明する。
【００７０】
図７は本発明の第２の実施の形態における光素子と基板の接合構造を表す断面図である。図８は、本発明の第２の実施の形態に関わる光素子と基板の接合プロセスを説明する図面である。図９は、本発明の第２の実施の形態に関わる光素子と基板の接合構造の構成例を説明する図面である。
【００７１】
なお、本実施の形態でも、基板１はポリイミド膜を用いたカプトン、光素子２はＶＣＳＥＬを用いて説明を行うこととする。
【００７２】
本実施の形態では、光素子２が直接基板１に接合されている。そして基板１と光素子２との間にフレネルレンズ形状の樹脂レンズ４５が配置されている。
【００７３】
基板１上には、光素子２からの出射光の光路に対応する位置に、樹脂レンズ４５としてフレネルレンズ形状をした樹脂が形成されている。一般に、光素子２と基板１の間隙の距離は数十μｍと非常に短い。そのため、通常の凸レンズ形状をしたレンズではこの隙間内に納めることが困難である。また、仮に収めることができたとしても、そのレンズは十分な集光効果を有さない。
【００７４】
しかしながらフレネルレンズ形状の樹脂レンズ４５であれば、光素子２と基板１との間に収納できる。また、フレネルレンズ形状とすることで、樹脂レンズ４５は数十μｍの厚さでも十分な集光効果が得られる。結果、光結合効率の向上を図ることが可能となる。
【００７５】
このように、本実施の形態では、基板１上の電気配線１１からの電気信号は、光素子２に直接伝えられる。伝えられた電気信号に対応した光を出射することで、光素子２は電気信号を光信号に変換する。
【００７６】
基板１の裏面には光導波路層３が形成されている。この光導波路層３は、樹脂を用いた光導波路コア３１及び光導波路クラッド３２から構成される。
【００７７】
この光導波路層３の光路部分には、４５°ミラー３３が形成されている。光素子２から出射した光ビームは樹脂レンズ４５により集光され４５°ミラー３３に入射する。４５°ミラー３３に入射した光ビームは４５°ミラー３３によって反射され光導波路コア３１に導かれる。
【００７８】
次に本実施の形態の接合構造の接合プロセスについて、図８を用いて説明する。
【００７９】
まず、図８（ａ）及び（ｂ）で、光素子２から出射する光の光路に該当する基板１上に樹脂をポッティングした後、熱硬化させる。この樹脂は、通信波長において透明な樹脂であることが必須である。また、この樹脂は通信波長の光の透過率が高い樹脂であることが望ましい。
【００８０】
樹脂を熱硬化後、先端がフレネルレンズ形状となっているスタンピングツール８で樹脂を押し付ける。これにより、樹脂をフレネルレンズ形状とし、樹脂レンズ４５を形成する。
【００８１】
次に、図８（ｃ）で、光素子２と基板１の位置関係を、光素子２の発光点と光導波路コア３１端部の水平位置が一致するように位置を合わせる。位置合わせ後、フリップチップボンディングにより光素子２と基板１を接合する。
【００８２】
このような光素子２、樹脂レンズ４５、光導波路コア３１の位置関係により、光素子２から出射した光は、樹脂レンズ４５により集光され光導波路コア３１に入射されることとなる。
【００８３】
次に、図８（ｄ）で、アンダーフィル樹脂７−２を光素子２と基板１との間隙に充填し（図８（ｄ））、また、光素子２周辺にアンダーフィル樹脂７を盛る（図８（ｄ））。その後アンダーフィル樹脂７、７−２を熱硬化させる。アンダーフィル樹脂７、７−２を充填することにより、光素子２と基板１の接合強度の増加、並びに、外部からの衝撃による応力を緩和することができる。
【００８４】
アンダーフィル樹脂７の熱膨張係数は光素子搭載基板６と同様に光素子２と基板１の熱膨張係数の差による応力を緩和するために、基板１と光素子２の熱膨張係数の間であることが望ましい。
【００８５】
また、アンダーフィル樹脂７−２の屈折率をｎａ、樹脂レンズ４５ の屈折率をｎｂとしたとき、ｎａ＜ｎｂと成るようなアンダーフィル樹脂を用いることが望ましい。
【００８６】
この際、アンダーフィル樹脂７、７−２の素材を違うものにすることも可能である。この際、７−２は光学特性を、７は物理特性を重視したものにすればよい。
【００８７】
なお、本実施の形態における樹脂レンズ４５の構成は、図７のフレネルレンズには限らない。図９に示すように、光素子２からの出射光の光路に対応する位置に当たる基板１を削る（変形する）ようにして、フレネルレンズ状にして設けてもかまわない。
【００８８】
（第３の実施の形態）
次に、本実施の形態に関わる光素子の接合構造を用いた光配線装置の例について図１０を用いて説明する。図１０は本発明の第３の実施の形態に関する光素子接合構造を用いた光配線装置を説明するための概念図である。
【００８９】
この図では、基板１の上面の電気配線１１にＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）８０とＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）８０を駆動するドライバＩＣ９０、フォトダイオード（ＰＤ）８５とＰＤ８５からの微少信号を低ノイズで増幅するプリアンプＩＣ９５がフリップチップ搭載されている。
【００９０】
ＶＣＳＥＬ８０、ＰＤ８５と基板１との間隙の光路に当たる部分には、フィラー非含有アンダーフィル樹脂７１が充填されている。ドライバＩＣ９０及びプリアンプＩＣ９５も同様にアンダーフィル樹脂７２が充填されている。
【００９１】
基板１の下面には、光導波路層３を設けている。ＶＣＳＥＬ８０の発光点直下及びＰＤ８５の受光面直下には光導波路層３をダイシングにより４５度にカットした４５°ミラー３３が形成されている。これにより、電気信号が入力されたドライバＩＣ９０はＶＣＳＥＬ８０のレーザ光を変調し光信号を発生する。ＶＣＳＥＬ８０からの光信号は、ＶＣＳＥＬ８０下部の４５°ミラー３３により光導波路コア３１に結合され、光導波路コア３１中を伝播する。さらに、伝播した光信号はＰＤ８５に対応した４５°ミラー３３で反射され、ＰＤ８５で受光される。ＰＤ８５は受光した光信号を電気信号に変換し、プリアンプＩＣ９５で増幅される。
【００９２】
このように各部品を配置すること、および、基板１と光導波路層３が可撓性を有することで、二つ折型の携帯電話などの屈曲性を要求される箇所の信号配線として利用することが可能となる。
【００９３】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、例えば、可動部を通して光通信を行う折りたたみ型携帯電話機のように、機器内の近接通信でマルチモード伝送によって通信を行う携帯情報端末を想定する。しかしこれには限定されず、可動部分を持たない携帯情報端末、携帯性の無い機器などに適用することも本発明の射程に含まれる。
【００９５】
具体的には、光通信モジュール、光記録モジュール、高速スイッチング装置（ルータ、サーバなど）、ストレージ装置、自動車等が考えられる。
【符号の説明】
【００９６】
１…基板、１１…電気配線、
２…光素子、２１…光素子電極、２２…導体バンプ、３…光導波路層、
３１…光導波路コア、３２…光導波路クラッド、
３３…４５°ミラー、３６…蒸着はんだ、４…レンズ、４５…樹脂レンズ、
４１、６１…貫通ビア、
５…接合材、６…光素子搭載基板、７、７１、７２…アンダーフィル樹脂、
８…スタンピングツール、８０…面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、
８５…フォトダイオード（ＰＤ）、９０…ドライバＩＣ、９５…プリアンプＩＣ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発光または受光する光素子と、
光伝送路と電気配線を備えた基板と、
を含む光モジュールであって、
前記光素子は、レンズを介して前記基板に接合され、
前記光素子は前記レンズを介して前記光伝送路と光学的に結合され、
前記光素子と前記基板の電気配線とは、前記レンズを介して電気的に接続されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光モジュールにおいて、
前記光素子と前記基板は、前記レンズに形成された貫通ビアを通して電気的に接続されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光モジュールにおいて、
前記レンズは、前記光素子と対向する面と、前記基板と対応する面とに、それぞれ電極パッドを備えており、
前記光素子側の面の電極パッドは前記光素子に接続され、前記基板側の面の電極パッドは前記基板の電気配線に接続されることを特徴とする光モジュール。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光モジュールにおいて、前記レンズがフレネルレンズであることを特徴とする光モジュール。
【請求項５】
光を発光または受光する光素子と、
前記光素子を搭載する第１の基板と、
光伝送路を備えた第２の基板と、
を含む光モジュールであって、
前記光素子は前記第１の基板を介して前記第２の基板に接合され、
前記第１の基板には、前記光素子からの出射光または前記光素子への入射光の光路に該当する箇所に空孔を有し、
前記空孔には通信波長において透明な樹脂からなる樹脂レンズが形成され、
前記光素子は、前記樹脂レンズを介して、前記光伝送路と光学的に結合され、
前記光素子と前記第２の基板の電気配線とは、前記第１の基板表面を介して電気的に接続されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項６】
請求項５に記載の光モジュールにおいて、
前記樹脂レンズが、フレネルレンズ形状をしていることを特徴とする光モジュール。
【請求項７】
光を発光または受光する光素子と、
前記光素子を搭載し、前記光素子と光学的に結合される光伝送路を備えた基板とを含む光モジュールであって、
前記基板上の前記光素子からの出射光または前記光素子への入射光の光路に該当する箇所に通信波長において透明な樹脂からなる樹脂レンズが形成され、
前記光素子は、前記樹脂レンズを介して光伝送路と光学的に結合されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項８】
請求項７に記載の光モジュールにおいて、
前記樹脂レンズが、フレネルレンズ形状をしていることを特徴とする光モジュール。
【請求項９】
光を発光または受光する光素子と、光伝送路を備えた基板と、を含む光モジュールであって、
前記光素子からの出射光または前記光素子への入射光の光路に該当する前記基板上の箇所が、フレネルレンズ形状を有し、
前記光素子からの出射光または前記光素子への入射光は、前記フレネルレンズ形状の箇所を介して、光伝送路へ入射または出射することを特徴とする光モジュール。
【請求項１】
光を発光または受光する光素子と、
光伝送路と電気配線を備えた基板と、
を含む光モジュールであって、
前記光素子は、レンズを介して前記基板に接合され、
前記光素子は前記レンズを介して前記光伝送路と光学的に結合され、
前記光素子と前記基板の電気配線とは、前記レンズを介して電気的に接続されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光モジュールにおいて、
前記光素子と前記基板は、前記レンズに形成された貫通ビアを通して電気的に接続されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光モジュールにおいて、
前記レンズは、前記光素子と対向する面と、前記基板と対応する面とに、それぞれ電極パッドを備えており、
前記光素子側の面の電極パッドは前記光素子に接続され、前記基板側の面の電極パッドは前記基板の電気配線に接続されることを特徴とする光モジュール。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光モジュールにおいて、前記レンズがフレネルレンズであることを特徴とする光モジュール。
【請求項５】
光を発光または受光する光素子と、
前記光素子を搭載する第１の基板と、
光伝送路を備えた第２の基板と、
を含む光モジュールであって、
前記光素子は前記第１の基板を介して前記第２の基板に接合され、
前記第１の基板には、前記光素子からの出射光または前記光素子への入射光の光路に該当する箇所に空孔を有し、
前記空孔には通信波長において透明な樹脂からなる樹脂レンズが形成され、
前記光素子は、前記樹脂レンズを介して、前記光伝送路と光学的に結合され、
前記光素子と前記第２の基板の電気配線とは、前記第１の基板表面を介して電気的に接続されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項６】
請求項５に記載の光モジュールにおいて、
前記樹脂レンズが、フレネルレンズ形状をしていることを特徴とする光モジュール。
【請求項７】
光を発光または受光する光素子と、
前記光素子を搭載し、前記光素子と光学的に結合される光伝送路を備えた基板とを含む光モジュールであって、
前記基板上の前記光素子からの出射光または前記光素子への入射光の光路に該当する箇所に通信波長において透明な樹脂からなる樹脂レンズが形成され、
前記光素子は、前記樹脂レンズを介して光伝送路と光学的に結合されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項８】
請求項７に記載の光モジュールにおいて、
前記樹脂レンズが、フレネルレンズ形状をしていることを特徴とする光モジュール。
【請求項９】
光を発光または受光する光素子と、光伝送路を備えた基板と、を含む光モジュールであって、
前記光素子からの出射光または前記光素子への入射光の光路に該当する前記基板上の箇所が、フレネルレンズ形状を有し、
前記光素子からの出射光または前記光素子への入射光は、前記フレネルレンズ形状の箇所を介して、光伝送路へ入射または出射することを特徴とする光モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−８１０７１（Ｐ２０１１−８１０７１Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３１３８５（Ｐ２００９−２３１３８５）
【出願日】平成２１年１０月５日（２００９．１０．５）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月５日（２００９．１０．５）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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