JP5654316B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光信号を送信あるいは受信する光モジュールに関する。

データ通信の高速大容量化に伴い、従来のメタルケーブルを用いた電気信号通信に代わって、光ファイバー（光導波路を含む。）用いた光信号化が普及している。

光信号化は、電磁ノイズレス、高速、広帯域での絶縁信号伝送、省配線等のメリットもあり、近年では機器内通信への展開がめざましい。

機器内への組み込みには、光モジュールの小型、低背化は必須であり、これを実現する手段として、光素子（発光素子若しくは受光素子）を基板に実装し、その真下に光路変換するためのミラー部と、光信号伝送用の光ファイバー若しくは光導波路とを集積するモジュール形態がある。

例えば、図１２に示す光モジュールでは、基板５１の上に、受光素子５２を支持した受光素子基板５３を取付け、多チャンネル化のために、複数本の光ファイバー５４を受光素子基板５３の各Ｖ溝５５でそれぞれ位置決めして、光ファイバー保持基板５６で各光ファイバー５４を保持する。また、光ファイバー保持基板５６の凹溝５６ａに反射壁面（ミラー部）５６ｂを形成する。そして、各光ファイバー５４からの出射光を反射壁面５６ｂで反射して受光素子５２に投射するようになっている（特許文献１参照）。

ここで、各光ファイバー５４の中を伝搬する光信号は、外部に漏れ出すことはほとんどない。

特開昭６０−１７２００４号公報

しかしながら、凹溝５６ａによって、各光ファイバー（チャンネル）５４が光学的に繋がっているため、反射壁面（ミラー部）５６ｂの反射光の散乱成分が、隣接する光ファイバー５４に漏洩（クロストーク）しやすくなる。したがって、データ通信の高速大容量化や双方向通信に対応するための多チャンネル化に対応できないという問題があった。

本発明は、前記問題を解消するためになされたもので、ミラー部の反射光の散乱成分が隣接するチャンネルに漏洩（クロストーク）し難くできる光モジュールを提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するために、本発明は、基板の表面に形成された溝内に設けられた内部導波路と、この溝の先端部に形成された光路変換用のミラー部と、このミラー部と対向するように基板の表面に実装され、ミラー部を介して内部導波路のコア部に光信号を発光し、若しくはミラー部を介して内部導波路のコア部からの光信号を受光する光素子と、内部導波路のコア部と光学的に結合されるファイバーコア部を有する光ファイバーを備えた光モジュールにおいて、前記コア部は、前記溝内に複数本が平行に配置され、前記溝は、複数本のコア部を一定のピッチで配置できる横幅に形成され、前記ミラー部は、各コア部に対応して形成され、前記光素子は、各ミラー部に対応して実装され、前記溝内には、内部導波路のクラッドが充填されていて、前記ミラー部の近傍の溝内に、ミラー部の反射光の散乱成分が、対応しないコア部に漏洩しないように遮蔽する遮蔽部が設けられ、前記遮蔽部は、前記隣り合うコア部の溝内に残された基板の一部で形成され、前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする光モジュールを提供するものである。

前記遮蔽部は、前記ミラー部の近傍から内部導波路に沿って、さらに光ファイバーの方向に延伸されている構成とすることができる。

前記遮蔽部の表面には、前記溝の表面も含めて酸化膜層が形成されている構成とすることができる。

前記遮蔽部の表面に、酸化膜層の除去部分が形成されている構成とすることができる。

前記遮蔽部の表面に、この遮蔽部に沿った光吸収体が配置されている構成とすることができる。

本発明によれば、複数本のコア部を１本の溝内に配置した、多チャンネルの光モジュールにおいて、ミラー部の近傍の溝内に、ミラー部の反射光の散乱成分が、対応しないコア部に漏洩しないように遮蔽する遮蔽部を設けたものである。したがって、遮蔽部によって、ミラー部の反射光の散乱成分が、対応しないコア部、つまり隣接するチャンネルに漏洩（クロストーク）し難くなる。これにより、データ通信の高速大容量化や双方向通信に対応するための多チャンネル化に対応できるようになる。また、複数本のコア部を１本の溝内に配置することで、コア部を狭ピッチ化できるので、光モジュールの小型化に寄与できるようになる。
また、遮蔽部は、隣り合うコア部の溝内に残された基板の一部で形成され、基板がシリコン基板であるから、エッチング加工によって、平滑で高精度なミラー部と、隆起状の遮蔽部を有する溝とが同時にかつ容易に形成できるようになる。

本発明に係る光モジュールの概略側面図である。 図１の発光側の光モジュールの第１基板であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図２の第１基板であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は内部導波路を形成した斜視図である。 第１基板であり、（ａ）は発光素子を実装した斜視図、（ｂ）は光ファイバーを挿入した斜視図である。 （ａ）は第１基板に押さえブロックを固定した斜視図、（ｂ）は光ファイバーの斜視図である。 遮蔽部を設けた第１基板の斜視図である。 （ａ）は、（ｂ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、（ｂ）は図６のコア部とクラッド部の平面図である。 （ａ）は遮蔽部に酸化膜層を形成した第１基板の断面図、（ｂ）は遮蔽部の酸化膜層の除去部分を形成した第１基板の断面図である。 遮蔽部に光吸収体を配置した第１基板の断面図である。 比較例の第１基板の斜視図である。 （ａ）は、（ｂ）のＩＶ−ＩＶ線断面図、（ｂ）は図１０のコア部とクラッド部の平面図である。 従来の光モジュールであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明に係る光モジュールの概略側面図である。図２は図１の発光側の光モジュールの第１基板１であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３は第１基板１であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は内部導波路１６を形成した斜視図である。図４は第１基板１であり、（ａ）は発光素子１２ａを実装した斜視図、（ｂ）は光ファイバー２を挿入した斜視図である。図５（ａ）は押さえブロック２４を固定した斜視図、図５（ｂ）は光ファイバー２の斜視図である。

ここで、図１〜図５は、１本のコア部１７を第１基板１，３の１本の第１溝１ａ内に配置した、単チャンネルの光モジュールであるが、この図１〜図５によって、先ず、光モジュールの概要を説明する。その後、本発明に係る複数本のコア部１７（Ａ，Ｂ）を第１基板１，３の１本の第１溝１ａ内に配置した、多チャンネルの光モジュールについて、図６〜図１１で詳細に説明する。

図１において、光モジュールは、発光側の第１基板（マウント基板）１と、受光側の第１（マウント）基板３と、この第１基板１，３を光学的に結合する光ファイバー２とを備えている。

第１基板１，３は、実装時の熱の影響や使用環境による応力の影響を避けるために、剛性が必要である。また、光伝送の場合は、発光素子から受光素子までの光結合効率が必要になるので、光素子を高精度に実装することや使用中の位置変動を極力抑制する必要がある。このため、第１基板１，３として、本実施形態ではシリコン（Ｓｉ）基板が採用されている。

特にシリコン基板であれば、シリコンの結晶方位を利用して表面に高精度のエッチング溝加工が可能〔この溝を利用して高精度なミラー部１５（後述）、溝内に内部導波路１６（後述）を形成する。〕となる。また、シリコン基板は、平坦性も良好である。

第１基板１，３は、それよりもサイズが大きい第２基板（インタポーザ基板）６の表面（上面）にそれぞれ設置されている。各第２基板６の裏面（下面）には、他の回路装置に電気的に接続するためのコネクタ７がそれぞれ取付けられている。

第１基板１の表面（上面）には、電気信号を光信号に変換する発光素子１２ａが発光面を下向きとしてバンプ１２ｃ（図２参照）でフリップチップ実装されている。また、第２基板６の表面には、この発光素子１２ａに電気信号を送信するためのＩＣ回路が形成されたＩＣ基板（信号処理部）４ａが実装されている。

発光素子１２ａとして、本実施形態では、半導体レーザである面発光レーザ〔ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）〕が採用されている。この発光素子１２ａはＬＥＤ等でもよい。

ＩＣ基板４ａは、前記ＶＣＳＥＬを駆動させるドライバＩＣであり、発光素子１２ａの近傍に配設されている。そして、発光素子１２ａおよびＩＣ基板４ａは、第１基板１の表面と第２基板６の表面に形成されたメタル回路（銅や金スパッタによるパターニング回路）に接続されている。

第１基板１の表面には、図３（ａ）に示すように、略台形状の第１溝（導波路形成用溝）１ａと、第１溝１ａよりも深い略Ｖ字形状の第２溝１ｂが前後方向に連なって形成されている。

第１溝１ａの先端部には、発光素子１２ａの真下となる位置に、光路を９０度屈曲させるための光路変換用のミラー部１５が形成されている。

第１基板１の第１溝１ａ内には、図３（ｂ）に示すように、第１基板１の発光素子１２ａと光学的に結合する内部導波路１６が設けられている。この内部導波路１６は、ミラー部１５から第２溝１ｂの方向に延在していて、第１溝１ａの後端部１ｄと面一となっている。

内部導波路１６は、光が伝播する屈折率の高い断面略正方形状のコア部１７と、それよりも屈折率の低いクラッド部１８とから構成されている。図２（ｃ）のように、コア部１７の左右の両面は、クラッド部１８で覆われている。

図４（ａ）のように、内部導波路１６が設けられた第１基板１の表面の所定位置には、発光素子１２ａが実装され、この発光素子１２ａとコア部１７との間の空間には、図２（ａ）のように、光学透明樹脂１３が充填されている。

図１に戻って、受光側の第１基板３について説明する。この受光側の第１基板３の基本的な構成は、発光側の第１基板１と同様に構成されている。ただし、受光側の第１基板３の表面（上面）に、光信号を電気信号に変換する受光素子１２ｂが受光面を下向きとしてバンプでフリップチップ実装されている。また、第２基板６の表面に、この受光素子１２ｂに電気信号を送信するためのＩＣ回路が形成されたＩＣ基板（信号処理部）４ｂが実装されている点で、発光側の第１基板１と異なる。この受光素子１２ｂとしては、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）が採用されており、ＩＣ基板４ｂは、電流・電圧の変換を行うＴＩＡ（Ｔｒａｎｓ−ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）などの素子である。

発光側の第１基板１と受光側の第１基板３およびＩＣ基板４ａ，４ｂは、第２基板６の表面に取付けたシールドケース８でそれぞれシールドされていて、光ファイバー２は、シールドケース８の貫通孔８ａを貫通させている。

次に、光ファイバー２を説明する。光ファイバー２は、図１および図５に示すように、発光側の第１基板１の内部導波路１６のコア部１７と、受光側の第１基板３の内部導波路１６のコア部１７とを光学的に結合可能なファイバーコア部２１を内部に有している。そして、このファイバーコア部２１の外周を包囲するファイバークラッド部２２と、このファイバークラッド部２２の外周を被覆する被覆部２３とで構成されるコードタイプである。このファイバーコア部２１とファイバークラッド部２２と被覆部２３は円形状である。

光ファイバー２は、図１のように、シールドケース８の貫通孔８ａを貫通して第１基板１の第２溝１ｂの手前付近で被覆部２３が剥がされて、ファイバークラッド部２２が露出されている。

そして、図２（ａ）（ｃ）および図４（ｂ）のように、第１基板１の第２溝１ｂに光ファイバー２のファイバークラッド部２２を設置して、第１溝１ａとの境部分の立ち上がり傾斜部でファイバークラッド部２２の位置決めをする。このときに、第１基板１の内部導波路１６のコア部１７と光ファイバー２のファイバーコア部２１の光軸が一致した位置決め状態で光学的に結合されるようになる。

第１基板１の内部導波路１６のコア部１７の端面と光ファイバー２のファイバーコア部２１の端面との間の隙間は、２００μｍ以下となる。一般的には、光結合効率が１００％となる、隙間０が好ましいが、本構成においては、第１基板１５の溝幅と光ファイバークラッド部２６の外径サイズの制約上、隙間は６０μｍから１００μｍとなる。

第１基板１の表面の位置において、図２（ａ）および図５のように、光ファイバー２のファイバークラッド部２２の上部には押えブロック２４が配置され、この押えブロック２４と第２溝１ｂとの間の空間には、接着剤１４が充填されている。

このように、光ファイバー２のファイバークラッド部２２の先端側は、押えブロック２４で第２溝１ｂに押え付けられた状態で、押えブロック２４とともに第１基板１に接着剤１４で接着固定されるようになる。

一方、図６および図７は、本発明に係る複数本のコア部１７（Ａ，Ｂ）を１本の第１溝１ａ内に配置した、多チャンネルの光モジュールである。なお、図７（ｂ）はコア部１７（Ａ，Ｂ）とクラッド部１８の平面図であるが、クラッド部１８の範囲をわかりやすくするために、クラッド部１８にハッチングを施している。後述する図１１（ｂ）も同様である。

複数本（本例では２本）のコア部１７（Ａ，Ｂ）は、第１基板１の表面の略台形状の第１溝１ａ内に平行に配置されている。第１溝１ａは、複数本のコア部１７（Ａ，Ｂ）を一定のピッチＰで配置できる横幅Ｗに形成されている。

また、ミラー部１５は、各コア部１７（Ａ，Ｂ）に対応して形成されている。同様に、発光素子１２ａは、各ミラー部１５に対応して実装されている。具体的には、各ミラー部１５に対応する２個の発光素子１２ａを保持するホルダー１１が設けられ、このホルダー１１の各発光素子１２ａの回路がバンプ１２ｃでメタル回路（銅や金スパッタによるパターニング回路）１０にフリップチップ実装されている。

そして、隣り合うミラー部１５の近傍の第１溝１ａ内には、ミラー部１５の反射光の散乱成分〔図７（ａ）の矢印ａを参照〕が、対応しないコア部１７（Ａ）または１７（Ｂ）に漏洩しないように遮蔽する遮蔽部３０が形成されている。

この遮蔽部３０は、隣り合うミラー部１５の近傍の間に、第１溝１ａを形成しないで、第１基板１を残した、つまり、第１基板１の一部を利用して、第１溝１ａの底から上向き隆起状の遮蔽部３０としたものである。

そして、第１溝１ａ内に内部導波路１６のクラッドを充填して、クラッド部１８を形成している。

前記のような光モジュールは、複数本のコア部１７（Ａ，Ｂ）を１本の第１溝１ａ内に配置した、多チャンネルの光モジュールである。そして、ミラー部１５の近傍の第１溝１ａ内に、ミラー部１５の反射光の散乱成分ａが、対応しないコア部１７（Ａ）または１７（Ｂ）に漏洩しないように遮蔽する遮蔽部３０を形成したものである。

したがって、遮蔽部３０によって、ミラー部１５の反射光の散乱成分ａが遮蔽されるようになる。すなわち、図７（ａ）（ｂ）の例では、コア部１７（Ｂ）のミラー部１５の反射光の散乱成分ａが、隣接するチャンネルであるコア部１７（Ａ）に漏洩（クロストーク）し難くなる。

これにより、データ通信の高速大容量化や双方向通信に対応するための多チャンネル化に対応できるようになる。また、複数本のコア部１７（Ａ，Ｂ）を１本の第１溝１ａ内に配置することで、コア部１７（Ａ，Ｂ）を狭ピッチ化できるので、光モジュールの小型化に寄与できるようになる。なお、図６および図７（以下の図も同様。）では、遮蔽部３０の横幅をコア部１７（Ａ，Ｂ）の横幅よりも広く描いているが、実際には、コア部１７（Ａ，Ｂ）の横幅よりも狭くできるものである。

この遮蔽部３０は、ミラー部１５の近傍から内部導波路１６に沿って、さらに光ファイバー２の方向に適当な長さで延伸させれば〔図７（ｂ）の矢印ｃを参照〕、コア部１７（Ａ，Ｂ）の直線部分からの漏洩も抑制できるようになる。

さらに、遮蔽部３０は、隣り合うコア部１７（Ａ，Ｂ）の第１溝１ａ内に残された第１基板１の一部で形成したものである。そして、第１基板１がシリコン基板であれば、エッチング加工によって、平滑で高精度なミラー部１５と、隆起状の遮蔽部３０を有する第１溝１ａとが同時にかつ容易に形成できるようになる。

因みに、図６に対応する図１０と、図７に対応する図１１に示す光モジュールは、比較のために示した、遮蔽部３０の無いタイプをある。このタイプによれば、ミラー部１５の反射光の散乱成分ａが遮蔽されないので、図１１（ａ）（ｂ）の例では、コア部１７（Ｂ）のミラー部１５の反射光の散乱成分ａが、隣接するチャンネルであるコア部１７（Ａ）に漏洩（クロストーク）することが分かる。

図８（ａ）は、第１基板１の隆起状の遮蔽部３０の表面に、第１溝１ａの表面も含めて酸化膜層３４を形成したものである。なお、酸化膜層３４は、ミラー部１５の近傍の遮蔽部３０の表面だけに限られず、第１基板１の表面全体に形成してもよい。

これによれば、酸化膜層３４が反射層となるので、散乱成分ａの漏洩をより抑制できるようになる。また、コア部１７（Ａ，Ｂ）の屈折率を遮蔽部３０である酸化膜層の屈折率よりも高くすることで、酸化膜層３４を下部クラッドとすることができる。

図８（ｂ）は、図８（ａ）の隆起状の遮蔽部３０の表面に、酸化膜層３４の除去部分３２を形成したものである。

これによれば、ホルダー１１（発光素子１２ａ）とクラッド部１８を多重反射する漏洩光ｄが発生した場合、この漏洩光ｄを酸化膜層３４の除去部分３２から第１基板１に吸収させることができる。

図９は、第１基板１の隆起状の遮蔽部３０の表面に、この遮蔽部３０に沿った光吸収体３５を配置したものである。光吸収体３５としては、例えば不透光性のアクリル若しくはエポキシ樹脂がある。

これによれば、発光素子１２ａとクラッド部１８を多重反射する漏洩光ｄが発生した場合、この漏洩光ｄを光吸収体３５で吸収させることができる。

前記実施形態では、第１基板１の一部を利用して、第１溝１ａの底から上向き隆起状の遮蔽部３０としたものであったが、これに限らない。例えば、隣り合うコア部１７（Ａ，Ｂ）の間に、別の遮蔽シート等を介在させた遮蔽部であってもよい。

以上のように、本発明に係る光モジュールは、基板の表面に形成された溝内に設けられた内部導波路と、この溝の先端部に形成された光路変換用のミラー部と、このミラー部と対向するように基板の表面に実装され、ミラー部を介して内部導波路のコア部に光信号を発光し、若しくはミラー部を介して内部導波路のコア部からの光信号を受光する光素子と、内部導波路のコア部と光学的に結合されるファイバーコア部を有する光ファイバーを備えた光モジュールにおいて、前記コア部は、前記溝内に複数本が平行に配置され、前記溝は、複数本のコア部を一定のピッチで配置できる横幅に形成され、前記ミラー部は、各コア部に対応して形成され、前記光素子は、各ミラー部に対応して実装され、前記溝内には、内部導波路のクラッドが充填されていて、前記ミラー部の近傍の溝内に、ミラー部の反射光の散乱成分が、対応しないコア部に漏洩しないように遮蔽する遮蔽部が形成され、前記遮蔽部は、前記隣り合うコア部の溝内に残された基板の一部で形成され、前記基板は、シリコン基板であることを特徴とするものである。

これによれば、複数本のコア部を１本の溝内に配置した、多チャンネルの光モジュールにおいて、ミラー部の近傍の溝内に、ミラー部の反射光の散乱成分が、対応しないコア部に漏洩しないように遮蔽する遮蔽部を形成したものである。したがって、遮蔽部によって、ミラー部の反射光の散乱成分が、対応しないコア部、つまり隣接するチャンネルに漏洩（クロストーク）し難くなる。これにより、データ通信の高速大容量化や双方向通信に対応するための多チャンネル化に対応できるようになる。また、複数本のコア部を１本の溝内に配置することで、コア部を狭ピッチ化できるので、光モジュールの小型化に寄与できるようになる。
また、遮蔽部は、隣り合うコア部の溝内に残された基板の一部で形成され、基板がシリコン基板であるから、エッチング加工によって、平滑で高精度なミラー部と、隆起状の遮蔽部を有する溝とが同時にかつ容易に形成できるようになる。

また、前記遮蔽部は、前記ミラー部の近傍から内部導波路に沿って、さらに光ファイバーの方向に延伸されている構成とすることができる。

これによれば、コア部の直線部分からの漏洩も抑制できるようになる。

また、前記遮蔽部の表面には、前記溝の表面も含めて酸化膜層が形成されている構成とすることができる。

これによれば、酸化膜層が反射層となるので、散乱成分の漏洩をより抑制できるようになる。また、コア部の屈折率を酸化膜層の屈折率よりも高くすることで、酸化膜層を下部クラッドとすることができる。

また、前記遮蔽部の表面に、酸化膜層の除去部分が形成されている構成とすることができる。

これによれば、光素子とクラッド部を多重反射する漏洩光が発生した場合、この漏洩光を酸化膜層の除去部分から基板に吸収させることができる。

また、前記遮蔽部の表面に、この遮蔽部に沿った光吸収体が配置されている構成とすることができる。

これによれば、光素子とクラッドを多重反射する漏洩光が発生した場合、この漏洩光を光吸収体で吸収させることができる。

１ 第１基板
１ａ 第１溝
２ 光ファイバー
１２ａ 発光素子（光素子）
１５ ミラー部
１６ 内部導波路
１７（Ａ，Ｂ） コア部
１８ クラッド部
２１ ファイバーコア部
３０ 遮蔽部
３２ 除去部分
３４ 酸化膜層
３５ 光吸収体
ａ，ｄ 散乱成分
Ｐ ピッチ
Ｗ 横幅

Claims (5)

1. 基板の表面に形成された溝内に設けられた内部導波路と、この溝の先端部に形成された光路変換用のミラー部と、このミラー部と対向するように基板の表面に実装され、ミラー部を介して内部導波路のコア部に光信号を発光し、若しくはミラー部を介して内部導波路のコア部からの光信号を受光する光素子と、内部導波路のコア部と光学的に結合されるファイバーコア部を有する光ファイバーを備えた光モジュールにおいて、
   前記コア部は、前記溝内に複数本が平行に配置され、前記溝は、複数本のコア部を一定のピッチで配置できる横幅に形成され、前記ミラー部は、各コア部に対応して形成され、前記光素子は、各ミラー部に対応して実装され、前記溝内には、内部導波路のクラッドが充填されていて、
   前記ミラー部の近傍の溝内に、ミラー部の反射光の散乱成分が、対応しないコア部に漏洩しないように遮蔽する遮蔽部が設けられ、
   前記遮蔽部は、前記隣り合うコア部の溝内に残された基板の一部で形成され、前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする光モジュール。
2. 前記遮蔽部は、前記ミラー部の近傍から内部導波路に沿って、さらに光ファイバーの方向に延伸され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。
3. 前記遮蔽部の表面には、前記溝の表面も含めて酸化膜層が形成され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。
4. 前記遮蔽部の表面に、酸化膜層の除去部分が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。
5. 前記遮蔽部の表面に、この遮蔽部に沿った光吸収体が配置され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。

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