JP5861482B2 - 光モジュール製造装置および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信、特に波長多重伝送に用いられる光導波路型モジュールの製造装置および製造方法に関する。

近年、高速化・省電力化を目的として、光モジュールの小型化が求められている。それに伴い光モジュールの製造においては光導波路とレーザダイオード（ＬＤ）などの光素子の光軸が１μｍ以下になるような精度が求められている。

しかし、ＬＤの厚さは光軸合わせ精度（１μｍ）と比較して２０μｍ程度のバラツキがある。このため、ＬＤの活性層側の面を上に向けた状態で光導波路基板に実装する形態の光モジュールを製造する場合には、光導波路とＬＤの光軸を合わせるためにＬＤの実装高さを調整する工程が必要であった。この工程は、ＬＤに通電し発光させた状態で光導波路に入光した光量を測定して光導波路とＬＤの光軸合わせをしているので、手間がかかり極めて生産性が悪い。

この光軸を合わせの工程の回避策として、光導波路基板の光導波路の光軸とＬＤの活性層の光軸が一致するように設定された支持台に、ＬＤの活性層側の面を下に向けた状態で高さ方向の光軸を合わせる方法がある（特許文献1図１参照）。この方法は、ＬＤの活性層側の基準面と活性層の光軸高さは誤差なく正確に製造できることを利用して、高さ設定された支持台にＬＤの高さ基準面を接触させることで高さ方向の位置を合わせている。

しかし、この特許文献1の方法ではＬＤの活性層電極部を半田接合する構成であり、製品歩留まりが悪くなる可能性がある。活性層の上部に回折格子を設けた分布帰還型半導体レーザなどの応力に敏感なＬＤを使用した場合は半田接合部に残留応力が集中し波長特性が劣化してしまう問題があるからである。しかも、特許文献1の方法では別途水平方向の光軸合わせをしなれればならない。そのため、ＬＤは赤外透過認識用のマークを成膜した特殊な仕様を必要とする。（特許文献２の図１）。

その他の従来技術として、セラミック基板から遠い側の面を基準とするためのトレイを使用して一括実装する製造方法が開示されているが、ＬＤの外形精度は許容される光軸ずれ量より遙かに大きく、この方式では光導波路とＬＤの光軸を１μｍ以下の精度で合わせる製造は困難を極める。（特許文献３の図６参照。）

特許第２９７６６４２号公報 特開２０００−２３１０４１号公報 特開２００１−１４１９５１号公報

本発明の目的は、かかる欠点を解決するためになされたものであり、今度、ますます高精度化される光モジュールにおいて、ＬＤの特性劣化を生じさせることのなく生産性が高い製造装置および製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の光モジュール製造装置は、光素子を基板に実装する光モジュールの製造装置であって、基板の光導波路が形成された面を鉛直上方向に向けた状態で保持する搭載ステージと、光素子の活性層側の面を鉛直上方向に向けた状態で保持する搭載アームと、搭載アームを水平方向の任意の位置に移送するXY軸ステージと、搭載アームを鉛直方向の任意の位置に移送するZ軸ステージと、基板上における前記光素子の実装領域を撮影し、その実装領域を計測する画像計測処理装置と、を備え、搭載アームは突起付きのガラスアームを有し、突起を介して光素子をガラスアームに保持し、基板に形成された光導波路の端面と前記光素子の活性層とを近接させて光軸合わせを行い、基板の光導波路の上面と前記ガラスアームの下面が接触する位置で前記光素子を前記基板に実装する。

上記の光モジュール製造装置において、ガラスアームの突起の高さは、活性層との高さ方向の間隔を正確に成膜できる面である光素子の高さ基準面と前記基板の光導波路の上面との間の段差と等しい高さであり、光導波路上面と前記ガラスアームの下面が接触したときに、光導波路の光軸高さと光素子活性層の光軸高さが一致するよう設定されている。

上記の光モジュール製造装置において、前記ガラスアームの突起の高さは、活性層との高さ方向の間隔を正確に成膜できる面である光素子の高さ基準面と前記基板の光導波路の上面との間の段差よりも大きい高さであり、に対してガラスアームを傾けた状態で光導波路の光軸高さと光素子活性層の光軸高さが一致するよう設定されている。

上記の光モジュール製造装置において、ガラスアームの突起は、光素子の活性層に形成された電極および配線の外側に位置し、かつ前記ＬＤ高さ基準面に該当する面に対向する場所に配置されている。

上記課題を解決するために、本発明の光モジュール製造そうち方法は、光素子を基板に実装する光モジュールの製造方法であって、基板の光導波路が形成された面を鉛直上方向に向けた状態で基板を搭載ステージに保持するステップと、光素子の活性層側の面を鉛直上方向に向けた状態で突起付きのガラスアームを介して光素子を搭載アームに保持するステップと、搭載アームを水平方向および鉛直方向に移送させて光素子を基板に近接させるステップと、基板の光導波路の端面と光素子とを近接させて光軸合わせを行うステップと、基板の光導波路の上面とガラスアーム下面が接触する位置で光素子を実装するステップを有する。

本発明では光導波路の光軸高さとＬＤ活性層の光軸高さを特別な調整をすることなく合わせることができる生産性が高い光モジュール製造装置および製造方法を実現する。

本発明の第一の実施例に係る光モジュール製造装置の側面図である。 ＬＤを光導波路基板に実装している時の光モジュールの断面図である。 光モジュールの構成部品であるＬＤの活性層側の平面図と側面図である。 第１の実施の形態の光モジュール製造方法を示す図である。 第１の実施の形態の光モジュール製造方法を示す図である。 第１の実施の形態の光モジュール製造方法を示す図である。 第１の実施の形態の光モジュール製造方法を示す図である。 第１の実施の形態の光モジュール製造方法を示す図である。 第１の実施の形態の光モジュール製造方法を示す図である。 製造手順を示すフロー図である。 第２の実施の形態の光モジュール製造方法を示す図である。 第３の実施の形態の光モジュール製造方法を示す図である。 第４の実施の形態の光モジュール製造方法を示す図である。

〔第１の実施の形態〕
以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１に、本発明の第一の実施例としての光モジュール製造装置を示す。
図１に示す光モジュール製造装置１は、ＬＤ実装領域に端面発光型のＬＤを実装するに際して使用される。

この光モジュール製造装置１は、光導波路基板２１を搭載する加熱搭載ステージ３と、ＬＤを搭載する搭載アーム４と、搭載アーム４を移動させるXY軸ステージ５およびZ軸ステージ６と、画像認識光学系７と、各動作を駆動制御する主制御手段（図示しない）を備えている。

加熱搭載ステージ３は光導波路基板２１を吸着保持した状態で、光導波路基板２１を加熱する機能を有する。θz軸ステージ８は加熱搭載ステージ３を搭載している。θz軸ステージ８は水平方向の位置調整のため鉛直z方向を中心軸とした状態で加熱搭載ステージ３を回転移動させる。

画像認識光学系７は光導波路基板２１上のＬＤ実装領域を撮影する。画像計測処理装置２は、撮像された画像から実装領域を計測し、光導波路とＬＤの活性層電極との水平方向位置を計測する。

搭載アーム４は、ＬＤの活性層側の面を鉛直方向に上向きにした状態でＬＤを吸着保持する。

搭載アーム４には先端部に突起を配したガラスアーム１７が保持固定されている。搭載アーム４は平行板バネ９で構成されるZ軸微動ユニット１０を介してZ軸ステージ６に固定されている。

搭載アーム４のZ軸上下動作範囲は上ストッパ１１および下ストッパ１２で拘束され、ＬＤの実装荷重を調整するためのボイスコイルモータ１３のコイルが搭載アーム４に固定されている。この搭載アーム４のZ軸方向の変位は変位センサ１４で測定される。

XY軸ステージ５は、搭載アーム４をＸＹ平面の任意の位置に移送する。Z軸ステージ６は、搭載アーム４を鉛直方向の任意の位置に移送する。Z軸ステージ６はθy軸ステージ１５を介してXY軸ステージ５に搭載されている。θy軸ステージ１５は高さ傾き調整のためy方向を中心軸とした状態で搭載アーム４を回転移動させる。θx軸ステージ１６は高さ傾き調整のためx方向を中心軸とした状態で搭載アーム４を回転移動させる。

図２は、ＬＤ１９を光導波路基板２１に実装している時の光モジュールおよびガラスアーム先端部１７を示す断面図である。

光モジュール２０は、光導波路基板２１と、この光導波路基板上の一部に設けられた光導波路２２と、光導波路２２に対応して光導波路基板上の別の一部に設けられたＬＤ実装領域２３とを備えている。

ＬＤ１９の活性層側の面上の一部に設けられ、活性層との高さ方向の間隔（厚さ）を正確に成膜できる面をＬＤ高さ基準面２４と定義する。一般的に、光導波路の光軸２５から光導波路上面２６までの高さは、ＬＤ活性層の光軸２５からＬＤ高さ基準面２４の高さより大きい。そのため、光軸を合わせてＬＤ１９を光導波路基板２１のＬＤ実装領域２３に実装するとき、光導波路上面２５よりもＬＤ高さ基準面２４のほうが低い配置になる。

主制御手段は光モジュール製造装置１の各動作を制御し、光導波路２２とＬＤ２４の活性層電極との位置合わせを行ってから、ＬＤ１９をＬＤ実装領域２３に実装する。

搭載アーム４にはガラスアーム１７が保持固定されている。ガラスアーム１７は、ＬＤを吸着するためのφ０．１ｍｍ程度の吸着孔１８があけられた先端部を有する。ガラスアーム先端部１７は、吸着用の流路を形成した複数枚の石英ガラス板を静電接合（陽極接合）で接合して形成されている。搭載アーム４はＬＤ１９を真空吸着するための流路を有し、流路は真空源まで配管で結ばれている。なお、ＬＤ１９および光導波路基板２１は、ガラスアーム１７越しにＣＣＤカメラ(画像認識光学系７)で観察されるため、ガラスアーム１７の材質は石英ガラス等の透明部材が好ましい。

そこで、本実施形態では、光導波路上面２５とＬＤ高さ基準面２４との間隔と等しい厚さの突起２７をガラスアーム１７の先端部に設置する。この突起２７を介してガラスアーム１７にＬＤ１９を吸着させた場合、突起の形成されていないガラスアーム１７の下面(ガラスアーム基準面２８)と光導波路上面２６の高さをほぼ平行で一致させると、光導波路の光軸高さとＬＤ活性層の光軸高さが合致する。

図３は光モジュールの構成部品であるＬＤの活性層側の平面図と側面図を示す。

ＬＤ１９の活性層３２の光軸高さはＬＤ高さ基準面から２〜４μｍ程度であり、そのバラツキは許容される光軸ずれ量０．３〜１μｍよりも十分に小さい。一方、ＬＤの活性層電極３０および配線電極３１の厚さのバラツキは、２〜５μｍ程度であり、許容される光軸ずれ量よりも大きい。そのため、電極面を避けた状態でＬＤ高さ基準面２４にガラスアーム１７の突起が接触するように突起の形状が設定されている。本実施形態では、配線電極および活性層電極の外側で、かつＬＤ高さ基準面に該当する面に対向する場所にガラスアームの突起が形成されている。（図５参照）
図４に示すように、ガラスアーム１７の突起２７はＬＤ高さ基準面２４に対応する位置かつＬＤの配線電極３０に接しないような形状になっている。突起２７は、配線電極３０の外側でＬＤ高さ基準面２４に該当する面に対応する場所に配置される。なお、突起の高さは１０μｍ程度で、ガラスアーム１７と同様、材質は石英ガラス等の透明部材が好ましい。突起を形成する方法としては、ガラスのウェットエッチング処理等で形成される。

以上のように、光導波路上面とＬＤ高さ基準面との間隔と等しい厚さの突起が形成されたガラスアームを使用し、ガラスアーム基準面と光導波路上面の高さが一致する状態でＬＤを光導波路基板２１に実装することにより、調整することなく光軸の高さを合致させることが可能になる。

なお、ＬＤ１９は活性層面が上向きになる状態で光導波路基板２１上に接合材料２９で固定される。接合材料はＡｕＳｎ半田を使用しているが、これ限定するものではなく、ＡｕＳｉ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕなどの半田および、Ａｇペーストなどの導電性接着剤やＡｇナノ粒子ペースト、Ａｕサブミクロン粒子ペーストでもよい。ＬＤの厚さばらつきをこの接着層で吸収するため、接合材料は接合層に厚さを持たせられる粘度を有することが好ましい。

次に、図１および図５〜９を参照して第１の実施の形態の光モジュール製造方法を説明する。

始めに、図１に示すとおり光導波路を形成した光導波路基板２１を加熱搭載ステージ３上に供給する。光導波路基板２１を加熱搭載ステージ３上に減圧吸着し、接合材料に適した温度に予備加熱する。接合材料としてＡｕＳｎ半田を使用する場合、予備加熱の温度は融点より若干低い温度の２５０℃程度が好ましい。

次に、図５に示すように、光導波路基板２１のＬＤ実装位置２３にＡｕＳｎ半田などの接合材料２９を供給する。ＬＤ高さ基準面にガラスアーム１７の突起下面とＬＤの活性層側の面が接するように、ＬＤをガラスアーム１７に減圧吸着する。

図６に示すように、ガラスアーム１７越しにCCDカメラで光導波路基板２１上の光導波路とＬＤの活性層電極を画像計測し、XY軸ステージ５とθz軸ステージ８でＬＤ実装位置補正を行う。

XY軸ステージ５、θz軸ステージ８で水平方向の位置合わせが完了したら、Z軸ステージ６を駆動して搭載アーム４を下降し、ＬＤ下面をＡｕＳｎ半田に接触させる。

図７はＬＤがＡｕＳｎ半田に接触した状態を示す。このとき、搭載アーム４は下ストッパにも上ストッパにも接触していない状態とする。ＬＤには搭載アーム４及びガラスアーム１７の重量からボイスコイルモータ１３の推力を加算した荷重が作用している。ボイスコイルモータの推力を上方向に作用させれば、ＬＤに加わる荷重を小さくできる。

この状態で、加熱搭載ステージ３の温度をＡｕＳｎ半田の融点より高い温度（例えば３５０℃）に加熱し、ＡｕＳｎ半田が溶融させる。

図８は、ＡｕＳｎ半田が溶融してＬＤを吸着したガラスアーム１７が下降した状態を示す。このとき、ガラスアーム基準面と光導波路基板２１上面が接触するので、光導波路の光軸高さとＬＤ活性層の光軸高さは調整することなく一致する。ＬＤ下面と光導波路基板２１の間隔のバラツキは、ＡｕＳｎ半田などの接合材料が吸収する。この状態になったら加熱搭載ステージ３の加熱を中止し、温度を下降させ半田が固化させる。

図９は、半田が固化し、減圧吸着を解放してガラスアーム１７を待避させた状態を示す。半田が固化した後、ガラスアーム１７の減圧吸着を解放し、ＬＤからガラスアーム１７を待避させて光導波路基板２１へのＬＤ実装が完了する。

このようにして、ガラスアーム基準面と光導波路上面が接触する高さにおいてＬＤ下面を接合材料で光導波路基板２１に実装する。以上のように、ガラスアームにＬＤ高さ基準面とガラスアーム基準面の間隔と等しい高さの突起面を設けることで、水平方向の位置補正を実施した後、ガラスアーム基準面と光導波路上面が接触するようにＬＤを実装すると光導波路の光軸高さとＬＤ活性層の光軸高さが一致させることが可能になる。そのため、光導波路の光軸高さとＬＤ活性層の光軸高さを、高さ調整することなく合致させることができるため生産性が高い。また、ＬＤは活性層とは反対の面で接合されるため、活性層には半田接合などによる残留応力はかからないため、ＬＤの特性劣化は生じない。
図１０は、上記の製造手順を示すフロー図である。

〔第２の実施の形態〕
本発明を好適に実施した第２の実施の形態について説明する。

第２の実施の形態では、光導波路上面２６とガラスアーム基準面２８の一方の端部を接触させ、反対側のガラスアーム基準面の端部を浮かし、光導波路基板に対してガラスアームを所定量傾けた状態で実装する。なお、第２の実施の形態では、光導波路側のＬＤ活性層が高く上がるようガラスアームを傾けて光軸合わせの調整を行うため、ガラスアーム１７の突起２７の高さは、光導波路上面とＬＤ高さ基準面との段差よりも大きく形成されている。

図１１は、第２の実施の形態における光モジュールをＬＤ側から光軸方向にみた側面図を示す。

ＬＤの光軸高さはガラスアームの傾き量に応じて変化するので、ガラスアームの傾き量を適切に調整すると、光導波路基板の光導波路の光軸高さとＬＤの光軸高さは一致する。

図１１では、光導波路基板に対してガラスアームをθy軸方向に傾けた状態で光導波路上面とガラスアーム基準面の端部が接触するように設定する。
ガラスアーム基準面からＬＤの活性層光軸までの高さをｂ、ガラスアーム先端部の端部（図１１では左端部）からＬＤの活性層光軸までの距離をＬ１、ガラスアーム基準面と光導波路上面との角度をｄθｙとすると、ガラスアームをｄθｙ傾けることにより
Δｈ＝Ｌ１ x ｓｉｎ ｄθｙ ＋ ｂ ｘ （１−ｃｏｓ ｄθｙ）
だけ、光軸高さを上方に移動することが出来、光軸高さの調整が可能になる。

本発明の手法を用いると、高さ誤差に相当する分だけガラスアームを傾ければＬＤの光軸高さを所定の位置に設定することが可能であるので、ガラスアームの突起の製造で生じる１μｍ以下の精度バラツキに抑えることができる。さらに、光導波路上面とＬＤの光軸の高さに誤差が生じてしまった場合や、異なる品種で光軸高さが違う場合でも、θy軸ステージの傾き量を調整するだけで対応することが可能になる。なお、その他の構成については第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

〔第３の実施の形態〕
本発明を好適に実施した第３の実施の形態について説明する。
図１２に示す第３の実施の形態は、光導波路基板に対してガラスアームをθx軸方向に傾けてＬＤの光軸高さを調整する。

この実施例においては、ガラスアーム基準面からＬＤの活性層光軸までの高さをｂ、ガラスアーム先端部の端部（図１２では左端部）からＬＤの発光側の端面までの距離をＬ2、ガラスアーム基準面と光導波路上面との角度をｄθxとすると、ガラスアームをｄθx傾けることによりΔｈ＝Ｌ2 x ｓｉｎ ｄθx ＋ ｂ ｘ （１−ｃｏｓ ｄθx）
だけ、光軸高さを上方に移動することが出来る。その他の構成については第１、２の実施形態と同様であるため説明を省略する。
〔第４の実施の形態〕
本発明を好適に実施した第４の実施の形態について説明する。

図１３に示す第４の実施の形態は、ガラスアームの突起をＬＤ高さ基準面ではなくＬＤ電極面に接触する突起形状に変更して、突起の高さを光導波路上面とＬＤ電極面との段差よりも大きくして、光導波路基板に対してガラスアームをθy軸方向に傾けた状態で光導波路上面とガラスアーム基準面の端部が接触するようにしてＬＤの光軸高さを調整している。

本実施の形態では、ＬＤ電極の厚さをあらかじめ測定しておくことにより、ＬＤ電極の厚さに相当する分だけガラスアームの傾き量を補正すれば、ＬＤの光軸高さを所定の位置に設定することができる。そのため、ＬＤ電極形状が異なるＬＤを採用したとしても、同じガラスアームで実装することが可能になる。また、光導波路上面とＬＤの光軸の高さに誤差が生じてしまった場合や、異なる品種で光軸高さが違う場合でも、θy軸ステージの傾き量を調整するだけで対応することが可能になる。なお、ガラスアームを傾ける方向は光軸方向（θy軸）に傾けても良いし、光軸と直角方向（θx軸）に傾けても良い。その他の構成については第１〜３の実施形態と同様であるため説明を省略する。

なお、上記各実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれらに限定されることはない。

本発明の活用例として、ＬＤの活性層に残留応力が発生すると特性が劣化してしまうＤＦＢ−ＬＤやＥＭＬを用いる光モジュールが挙げられる。その他、端面入射型ＰＤ（フォトダイオード）を利用しても、同様の実施形態と効果が得られる。

１ 光モジュール製造装置
２ 画像計測処理装置
３ 加熱搭載ステージ
４ 搭載アーム
５ XY軸ステージ
６ Z軸ステージ
７ 画像認識光学系
８ θz軸ステージ
９ 平行板バネ
１０ Z軸微動ユニット
１１ 上ストッパ
１２ 下ストッパ
１３ ボイスコイルモータ
１４ 変位センサ
１５ θy軸ステージ
１６ θx軸ステージ
１７ ガラスアーム
１８ 吸着孔
１９ ＬＤ
２０ 光モジュール
２１ 光導波路基板
２２ 光導波路
２３ ＬＤ実装領域
２４ ＬＤ高さ基準面
２５ 光軸
２６ 光導波路上面
２７ 突起
２８ ガラスアーム基準面
２９ 接合材料
３０ 活性層電極
３１ 配線電極
３２ 活性層

Claims (4)

1. 光素子を基板に実装する光モジュールの製造装置であって、
   前記基板の光導波路が形成された面を鉛直上方向に向けた状態で保持する搭載ステージと、
   前記光素子の活性層側の面を鉛直上方向に向けた状態で保持する搭載アームと、
   前記搭載アームを水平方向の任意の位置に移送するXY軸ステージと、
   前記搭載アームを鉛直方向の任意の位置に移送するZ軸ステージと、
   前記基板上における前記光素子の実装領域を撮影し、その実装領域を計測する画像計測処理装置と、を備え、
   前記搭載アームは突起付きのガラスアームを有し、突起を介して光素子をガラスアームに保持し、前記突起の高さは、前記活性層との高さ方向の間隔を正確に成膜できる面である光素子の高さ基準面と前記基板の光導波路の上面との間の段差と等しい第1の高さであるか、または、前記高さ基準面もしくは前記光素子の電極面と前記基板の光導波路の上面との間の段差よりも大きい第2の高さであり、
   前記基板に形成された光導波路の端面と前記光素子の活性層とを近接させて水平方向の光軸合わせを行い、
   前記突起が前記第1の高さのときは、前記基板の光導波路の上面と前記ガラスアームの下面が接触する位置で前記光素子を前記基板に実装することで前記光導波路と前記活性層の光軸高さが一致し、
   前記突起が前記第２の高さのときは、前記基板に対して前記ガラスアームを傾けた状態で前記光素子を前記基板に実装することで前記光導波路と前記活性層の光軸高さが一致する、
   ことを特徴とする光モジュール製造装置。
2. 前記ガラスアームの突起は、光素子の活性層に形成された電極および配線の外側に位置し、かつ前記光素子の高さ基準面に該当する面に対向する場所に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製造装置。
3. 光素子を基板に実装する光モジュールの製造方法であって、
   基板の光導波路が形成された面を鉛直上方向に向けた状態で基板を搭載ステージに保持し、
   光素子の活性層側の面を鉛直上方向に向けた状態で突起付きのガラスアームを介して光素子を搭載アームに保持し、
   前記突起の高さは、前記活性層との高さ方向の間隔を正確に成膜できる面である光素子の高さ基準面と前記基板の光導波路の上面との間の段差と等しい第1の高さであるか、または、前記高さ基準面もしくは前記光素子の電極面と前記基板の光導波路の上面との間の段差よりも大きい第2の高さであり、
   搭載アームを水平方向および鉛直方向に移送させて光素子を基板に近接させ、
   基板の光導波路の端面と光素子とを近接させて水平方向の光軸合わせを行い、
   前記突起が前記第1の高さのときは、前記基板の光導波路の上面と前記ガラスアームの下面が接触する位置で前記光素子を前記基板に実装することで前記光導波路と前記活性層の光軸高さを一致させ、
   前記突起が前記第２の高さのときは、前記基板に対して前記ガラスアームを傾けた状態で前記光素子を前記基板に実装することで前記光導波路と前記活性層の光軸高さを一致させる、
   ことを特徴とする光モジュールの製造方法。
4. 前記ガラスアームは、光素子上に形成された電極および配線に前記突起が接触するように吸着保持することを特徴とする請求項３記載の光モジュール製造方法。

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