JPH08201660A

JPH08201660A - 光結合モジュールとその製造方法

Info

Publication number: JPH08201660A
Application number: JP2588195A
Authority: JP
Inventors: Susumu Nakatani; 晋中谷
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1995-01-20
Filing date: 1995-01-20
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】光ファイバ等の光ガイドと発光素子等の光学
素子とを高精度で低コストで光結合させる。【構成】予めシリコン等の基板１の上面にＶ溝２を形
成し、光ファイバ３の端末を固定する一方、その光軸
上、即ちＺ軸上に比較的緩やかな精度で発光素子４を固
定してしまう。そして、そのＺ軸上にこれと交差するよ
うにＶ溝５を形成し、ここに球状レンズ６を収める。発
光素子４を動作させながら球状レンズ６をＶ溝５に沿っ
てスライドさせると、光ファイバ３との結合を実測しな
がら光ビームを最適な状態に調整できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光信号の送受信を行う
場合に、発光素子や受光素子と、光を伝送するための光
ガイドとの接続を行う光結合モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信システム等において、光信号の送
受信には発光素子や受光素子が使用される。また、光信
号の伝送には、光ファイバや基板上に形成された光導波
路等が使用される。例えば、発光素子と光ファイバを結
合させる場合には、予め光ファイバの端末を、基板上面
からの高さが発光素子の発光位置と一致するようにＶ溝
等に固定し、光ファイバ端面と向かい合うように発光素
子を基板上に載置する。そして、２次元方向に発光素子
の位置を調整し位置決めする。この場合に、正確な位置
決めが行われないと結合損失が大きくなり、十分な特性
の光結合モジュールが得られない。そこで、従来、この
ような位置決め処理には光学顕微鏡を用いたりあるいは
位置決め用のマークを付けておきこれをイメージデータ
として読み取り、パターン認識の技術を用いて位置合わ
せするといった方法が採用されていた。一方、光ファイ
バ端面における光結合特性を高めるため、光ファイバ端
面をレンズ状に加工して開口角を広げるといった方法も
採用されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来の光結合モジュールやその製造方法には次のよう
な解決すべき課題があった。光学顕微鏡によって発光素
子等の位置決めを行うのは、人の目と手に頼る手段であ
って、熟練度に応じたばらつきも生じるし、精度の向上
には限界がある。

【０００４】また、パターン認識を用いた場合には、微
小なマークを読み取りこれを認識するために、高価な高
性能なパターン認識装置が必要となる。しかも、イメー
ジ処理によってパターンを認識することから、精度を高
めるためにはイメージデータのデータ量も増大する。従
って、演算処理に時間がかかり、従来位置決め完了まで
に数十秒といった時間が必要であった。これは、この種
のモジュールの量産コストを高める原因となる。また、
発光素子の位置決め処理中は発光素子を動作させること
ができないため、実際に光学的結合が最適な状態にする
のは必ずしも容易でない。

【０００５】更に、光ファイバ端面をレンズ状に加工す
る処理も、ある程度のばらつきが生じ易く、また加工工
程が１工程加わるため、製造コストもアップする。更
に、光導波路についてはこのようなレンズ加工が難しく
開口角が小さいために、十分な結合効率が得られないと
いった問題があった。発光素子と光ファイバとの結合に
限らず、受光素子と光ファイバや光導波路との間の光結
合についても同様の問題がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は以上の点を解決
するため次の構成を採用する。本発明の光結合モジュー
ルは、基板上で、光ガイドと光学素子とを光学的に結合
させるものであって、光ガイドの光入出力端面近傍にお
ける光軸と一致する方向をＺ軸とし、このＺ軸に垂直で
基板上面に垂直な方向をＹ軸とし、Ｚ軸とＹ軸に垂直な
方向をＸ軸としたとき、基板上面に、Ｚ軸を基板上面に
平行に向けて固定した光ガイドと、基板上のＺ軸上で、
光ガイド端面に光路を向けるように配置した光学素子
と、光ガイド端面と光学素子の間のＺ軸上であって、基
板上面でＺ軸と交差するようにＸ軸方向に形成されたＶ
溝に支持された球状レンズとを備える。

【０００７】光ガイドは、例えば光ファイバから成り、
この光ファイバ端末は、基板上面でＺ軸方向に形成され
たＶ溝に支持固定され、基板上面を基準面として光ファ
イバのＹ軸方向の位置決めがされる。また、光ガイド
は、例えば光導波路から成り、基板上面を基準面として
導光部のＹ軸方向の位置決めがされる。基板はシリコン
基板から成り、この基板上面に形成されたＶ溝は異方性
エッチング加工されていることが好ましい。

【０００８】この他、光ガイドのＹ軸方向の位置と、球
状レンズの外径と、光学素子のＹ軸方向の位置決め精度
を、基板上面に形成する球状レンズ支持用のＶ溝の加工
精度とほぼ同レベル以上に選定するとよい。更に、球状
レンズを支持するＶ溝に交差するように、球状レンズ支
持面より浅い、Ｚ軸方向に向いた光ビーム通過用のＶ溝
が形成することもできる。

【０００９】光学素子は、Ｚ軸方向に交差する光ビーム
通過用のＶ溝の、端部に形成された光反射面に対向する
ように受光面を向けて、基板上面に搭載された受光素子
チップから成る。光反射面は、光ビーム通過用のＶ溝と
共にエッチング加工により形成される。また、光学素子
は、受光素子チップと、その受光面を光ガイド端面に向
けるように受光素子を支持したキャリアとから成り、そ
の受光素子の受光面での基板面上Ｙ軸方向の光軸位置
は、球状レンズを経由する受光素子と光ガイドとの光結
合に有効な光ビームが基板上面と交差しないように、光
ガイド端面におけるＹ軸方向の光軸位置より十分高く選
定される。

【００１０】また、基板上に発光素子と受光素子とを固
定し、外部回路から入力する光信号をガイドする光ガイ
ドと、発光素子の出力光を分岐したモニタ光をガイドす
る光ガイドの光出力端面の両方を、球状レンズを介して
受光素子と対向させることが好ましい。

【００１１】本発明の方法は、基板上で、光ガイドと光
学素子とを光学的に結合させる場合に、光ガイドの光入
出力端面近傍における光軸と一致する方向をＺ軸とし、
このＺ軸に垂直で基板上面に垂直な方向をＹ軸とし、Ｚ
軸とＹ軸に垂直な方向をＸ軸としたとき、基板上面に光
ガイドの光入出力端面を固定し、基板上のＺ軸上で、光
ガイド端面に光路を向けるように光学素子を配置し、光
ガイド端面と光学素子の間のＺ軸上であって、基板上面
でＺ軸と交差するようにＸ軸方向に形成されたＶ溝に球
状レンズを支持して、Ｖ溝上でＸ軸方向に球状レンズを
動かして、光ガイドと光学素子との光結合に有効な光ビ
ームの経路を最適に選定してから当該球状レンズを当該
Ｖ溝に固定する。

【００１２】

【作用】本発明においては、予めシリコン板等の基板の
上面にＶ溝を形成し、光ファイバの端末を固定する一
方、その光軸上、即ちＺ軸上に比較的緩やかな精度で発
光素子を固定してしまう。そして、そのＺ軸上でこれと
交差するようにＶ溝を形成し、ここに球状レンズを収め
る。発光素子を動作させながら球状レンズをＶ溝に沿っ
てスライドさせると、光ファイバとの結合を実測しなが
ら最適値に調整できる。

【００１３】基板上の光ファイバを支持するＶ溝や球状
レンズを支持するＶ溝は予め高い精度で加工できる。光
ファイバの外径や球状レンズの外径はいずれも十分高い
精度で加工できる。発光素子のＹ軸方向の精度は基板上
面と発光素子の組立て精度により十分なものが得られ
る。従って、もともとＹ軸方向の精度は十分高いものが
得られる。一方、Ｚ軸方向は比較的緩い精度で調整して
問題ない。ここでＸ軸方向の位置決めが重要となるが、
本発明では発光素子の位置決めは比較的緩い精度で行
い、球状レンズをＸ軸方向に動かして、光ビームを高精
度に調整する。球状レンズをスライドさせるのは比較的
容易で、パターン認識等も不要のため、調整時間が短縮
される。

【００１４】なお、本発明において、光ガイドとは、光
ファイバや光導波路等、発光素子や受光素子と結合され
る光を伝送するためのデバイスをいう。また、光学素子
とは、受光素子や発光素子を含む概念である。光ガイド
端面に光路を向けるように光学素子を配置するというの
は、実質的に光ガイド端面と光学素子の発光面や受光面
とが光学的に結合するよう向き合えばよく、途中に反射
板等を設けて光路を適当に折り返す場合も含む概念であ
る。

【００１５】本発明では、基板上面が基準面となり、こ
こに形成されたＶ溝は、主として光ファイバや球状レン
ズのＹ軸方向の位置決めを行うためのものである。従っ
て、光ファイバや球状レンズと接する部分がＶ字谷を形
成していれば、その他の部分がどのように加工されてい
てもよい。また、異方性エッチング加工とは、エッチン
グの進む速度が等方的でない基板の特性を利用して自動
的に化学的にＶ溝を形成することをいう。また、受光素
子チップとは、キャリア等に搭載されない裸の状態の素
子そのものをいう。この他、光ビーム通過用のＶ溝は光
ビーム通過を目的とするから実質的にＶ字状でよく、Ｕ
字状でも断面長方形でも差し支えない。

【００１６】［光ファイバと発光素子の結合］

【実施例】以下、本発明を図の実施例を用いて詳細に説
明する。図１は、本発明の光結合モジュールの実施例斜
視図である。図の基板１は半導体応用製品等の製造に使
用されるシリコン板から成る。この基板１にはエッチン
グ加工によりＶ溝２が形成されている。そして、ここに
光ファイバ３の端末が支持固定されている。なお、本発
明においてはこの光ファイバ３の端面３Ａにおいて、そ
の光軸と一致する方向をＺ軸と呼ぶことにする。光ファ
イバ３の内部で光信号はその長手方向に伝送される。従
って、このＺ軸は基板上面１Ａと平行でＶ溝２の方向と
同一の方向となる。なお、光ファイバ３の端面３Ａは、
基板１上に形成された溝７の淵にくるように位置決めさ
れている。

【００１７】一方、この基板１のＺ軸上には、光ファイ
バ３の端面３Ａと対向するように発光素子４が配置され
ている。即ち、この例では発光素子４の光出射方向が、
丁度光ファイバ３の端面３Ａに向くように発光素子４が
基板１上に固定されている。本発明においては、このＺ
軸に垂直で基板上面１Ａに垂直な方向をＹ軸とし、Ｚ軸
に垂直で基板上面１Ａと平行な方向、即ちＺ軸とＹ軸に
垂直な方向をＸ軸と呼ぶ。上記光ファイバ３の端面３Ａ
と発光素子４との間のＺ軸に交差するように、別のＶ溝
５が形成されている。このＶ溝５には球状レンズ６が、
当初、Ｘ軸方向に自由に転がるように支持されている。

【００１８】本発明の光結合モジュール製造の際には、
図に示すようなＬ字状の調整腕９を用いて球状レンズ６
を押える。即ち、初めに調整腕９は矢印１１方向に下降
して球状レンズ６を押え、矢印１２方向にスライドして
球状レンズ６をＸ軸方向に動かす。この球状レンズ６を
矢印１３に示すように転がし、光ファイバ３と発光素子
４との光結合に有効な光ビームの方向を最適状態に選定
する。その後は、球状レンズ６がＶ溝５上に固定され
る。

【００１９】上記のような構成の本発明の光結合モジュ
ールは、例えば図２に示すようなパッケージ１５に収容
される。図２は、本発明の光結合モジュール全体図で、
（ａ）は平面図、（ｂ）はその側断面図である。図に示
すように、金属等のケースから構成されたパッケージ１
５には、その左側壁から、スリーブ１６の内部で被覆を
終端させた光ファイバ３が挿入されている。この光ファ
イバ３の端末はパッケージ１５の中央に固定された基板
１上でＶ溝２に支持固定される。なお、光ファイバ３の
端末は、図に示すように押え板１７等によってＶ溝２の
上に押し付けられる。

【００２０】一方、光ファイバ３の端面３Ａと向かい合
うように発光素子４が固定され、その間にＶ溝５が形成
されている。そして、先に説明した球状レンズ６がこの
Ｖ溝５に支持されている。なお、パッケージ１５の右側
壁には配線板１８がこれを貫くようにして固定されてお
り、ここに配線パターン１９が形成されている。この配
線パターン１９と発光素子４との間は図示しないボンド
線等によって電気接続される。

【００２１】［位置決め精度］図３に、発光素子の位置
決め法説明図を示す。図は半導体発光素子の斜視図で、
製造時の状態を左上に示し、基板上に固定する場合の状
態を右下に示した。即ち、発光素子４の発光部４Ａはト
ランジスタや集積回路等の製造と同様に、半導体膜の積
層処理によって形成される。従って、図のＹ軸方向の厚
さが１００μｍ程度の本体に、例えばその表面から５μ
ｍ程度の深さに発光部４Ａが形成される。そして、図１
に示す基板１上では光ファイバ３とＹ軸方向に見て光軸
合わせをし易いように、これを丁度裏返して図３の右下
に示すように発光部４Ａを基板上面に近い位置に配置す
る。この発光部４ＡのＹ軸方向の位置は、半導体プロセ
スにより高い精度で制御が可能である。

【００２２】例えば、図１に示すような光結合モジュー
ルの場合、球状レンズ６がないものとすると、発光素子
４の位置合わせは、Ｙ軸方向にもＸ軸方向にも±０．５
μｍ程度の精度が要求される。なお、Ｚ軸方向について
は±５μｍ程度の精度で十分である。図３に示したよう
な発光素子４は半導体プロセスにより形成されることか
ら、０．５μｍ程度の精度で発光部４ＡのＹ軸方向の位
置を制御することが可能である。

【００２３】一方、図１に示す光ファイバ３の端末を基
板１上のＶ溝２に支持固定する場合にも同程度の精度が
比較的容易に達成できる。この場合、例えば基板１上に
フォトリソプロセスを用いて高精度なマスクを形成し、
アルカリ系のエッチング液によりエッチングする。この
とき、シリコンの結晶面方位依存性によって、エッチン
グ角が一定で高精度な幅のＶ溝を形成することができ
る。本発明においては、この方法を異方性エッチング加
工と呼んでいる。即ち、Ｖ溝の幅と長さに相当する窓を
開けたマスクを使用すれば、エッチングにより自動的に
一定の高い精度のＶ溝が形成される。

【００２４】図４に、Ｖ溝の断面説明図を示す。このＶ
溝は異方性エッチング加工により形成されたもので、図
に示すように、その谷の側面の挟む角度が７０．５２゜
になる。ここに、断面円形の光ファイバを収容すると、
例えばその半径をＲ、Ｖ溝の幅をＷとすると、光ファイ
バのコアＣの基板上面１Ａからの高さｈはこの図中の式
に示すとおりになる。光ファイバの外径精度は、通常±
１μｍ程度である。Ｖ溝の精度は更に高精度に設定でき
るから、実質的に基板上面１Ａからの光ファイバのコア
Ｃの位置精度は、発光素子のＹ軸方向の位置決めと同レ
ベルの精度で選定できる。光ファイバの代わりに球状レ
ンズをＶ溝に収容した場合も全く同様である。

【００２５】以上のことから、図１に示す光ファイバ１
や発光素子４のＹ軸方向の位置決め精度を要求される±
０．５μｍ程度に設定するために特に複雑な調整等を必
要としない。球状レンズ６についても同様である。一
方、図１に示すＸ軸方向の発光素子４の位置決めは、例
えば光学顕微鏡で比較的短時間でセットできる程度に設
定する。具体的には±５０μｍ程度のレベルでよい。そ
して、球状レンズ６を先に説明した調整腕９によってＸ
軸方向に動かすことにより光ビームの方向の最適化を行
う。また、これらの加工は基板上面１Ａを基準として行
うことから、この基板上面１Ａを基準面とすることが最
も好ましい。

【００２６】［Ｚ軸方向のＶ溝］図５に、発光素子と光
ファイバとの結合状態図を示す。（ａ）はその平面図、
（ｂ）はＺ軸とＹ軸とを通る面でモジュールを切断した
主要部側断面図である。図の（ａ）の実施例では光ファ
イバ３のコア３Ｃに対し発光素子４を結合させるように
両者を位置決めしている。なお、この実施例では、図１
の実施例に加えて、新たにＺ軸方向の光ビーム通過用の
Ｖ溝２２を設けている。図の（ｂ）に示すように、光フ
ァイバ３のコア３Ｃの位置は、基板上面１Ａに非常に接
近している。そこで、光学素子４から光ファイバ３に到
る光ビーム２３を妨げないように、Ｚ軸方向に浅いＶ溝
２２を形成している。なお、このＶ溝２２は球状レンズ
６を支持しているＶ溝５よりも浅く、このＶ溝５と交差
するように形成されている。従って、球状レンズ６がＸ
軸方向に移動する場合には球状レンズ６の外周面は常に
Ｖ溝５の壁面に接しており、Ｖ溝２２の影響は受けな
い。このような光ビーム通過用のＶ溝２２は、位置決め
の精度をさほど要求されないため、サンドブラスト等、
適当な加工方法が採用できる。

【００２７】本発明においては、この図５（ａ）に示す
ように、発光素子４の位置決め精度を比較的緩やかなも
のにし、その代わりにＶ溝５上で球状レンズ６を矢印１
２方向に動かすことによって、発光素子４から発射され
る光ビーム２３を正確に光ファイバ３のコア３Ｃに導
く。この場合の最適値は、実際に発光素子４を動作させ
た状態で光ファイバ３の出力光をモニタすることにより
選定する。これは、発光素子４を基板１上に位置決め固
定し、配線を終了してから最終調整することのできる本
発明特有の効果である。このとき、図に示すように、球
状レンズ６のＹ軸方向の高さとＺ軸方向の位置はＶ溝５
により正確に位置決めされており、Ｘ軸方向の位置だけ
を動かし、光ビーム２３の経路調整を行うため、従来の
欠点であった発光素子４のＸ軸方向の位置決め精度を十
分に緩く選定することを可能にする。

【００２８】［光導波路と発光素子］図６には、光導波
路を用いた光結合モジュール全体図を示す。（ａ）はそ
の平面図、（ｂ）はその側断面図である。図の実施例
は、パッケージ１５の左側部分で光ファイバ３の端面を
基板１上に支持固定し、中央部分に光導波路２１を、形
成している。即ち、基板１の上面に半導体プロセスによ
って形成した光導波路２１を光ファイバ３と発光素子４
との間に配置している。この部分を除けば、図２の実施
例と変わるところはない。従って、図２と同一部分には
同一符号を付し、重複する説明は省略する。

【００２９】この図に示すように、光導波路２１はその
端面２１Ａを発光素子４の側に向け、丁度光ファイバ３
の端末と結合するようにその導光部２１Ｂを配置してい
る。このように、基板１の上面に半導体プロセスによっ
て光導波路を形成した場合、その導光路２１Ｂの位置決
め精度は半導体の加工精度と同レベルに選定できる。こ
の場合に、基板１上に光ファイバのクラッドに相当する
部分と導光部２１Ｂと更にその上を覆うクラッドに相当
する部分を順に形成していった場合、導光部２１Ｂの位
置は基板上面を基準として、下側のクラッドの厚み分の
高さに配置される。クラッドの厚み精度は±１μｍ以内
であり、ファイバの精度と同レベルに導光部２１Ｂの形
成が可能である。これと先に説明した発光素子４との光
結合を行う場合には、例えば次のような条件設定をす
る。

【００３０】図７に、発光素子と光導波路との間の光路
説明図を示す。例えば、この図に示すように、光導波路
２１の導光部２１Ｂは丁度基板１の上面から下側クラッ
ドの厚さ分ｈの高さに位置決めされているものとする。
この場合に、発光素子４の発光部は基板１の上面に極め
て近い位置にある。従って、光ビームは図に示すように
発光素子４からやや傾斜して上向きに進む。このような
光ビームの向きを設定しようとすれば、球状レンズ６の
中心位置を図に示すような演算式により求める。即ち、
発光素子４から球状レンズ６の中心までの距離をＬ１、
球状レンズ６の中心から光導波路２１の端面２１Ａまで
の距離をＬ２とすると、球状レンズ６の基板１の上面か
らの高さｋは、ｈ×Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）というように
して求められる。球状レンズ６を支持固定するＶ溝５は
このような条件になるように成型される。従来の光導波
路と光素子を直接結合する方法と違い、このような段差
があっても、結合に問題は生じない。

【００３１】この場合にも球状レンズ６をＶ溝５上でス
ライドさせて光ビームの調整を行うことができるため、
発光素子４の位置決め精度はＸ軸方向に±５０μｍ程度
で選定すれば十分である。また、図１、図２、図５、図
６の実施例において、Ｖ溝５の長さは、Ｘ方向に１００
μｍ程度球状レンズ６を動かすことができるように選定
すれば十分である。図１に示した調整腕９を用いて最適
化調整が行われ、球状レンズ６の最適位置が決定された
後は、その状態で球状レンズ６はＶ溝５に接着剤等によ
って固定される。なお、光ファイバと球レンズ間のＺ軸
方向の精度は±５０μｍ程度で良いから、図１に示した
基板１上の溝７の壁面に光ファイバ３の端面３Ａを突き
当てることで、容易に所定の精度が達成できる。発光素
子４の位置決めには、マーカー等を用いた顕微鏡による
位置決めやごく簡単な精度の低いパターン認識装置等を
用いることができる。

【００３２】球状レンズ６の位置調整は１、２秒程度で
できることから、従来よりも十分短時間に最適条件の設
定が可能となる。もちろん、光ファイバ等の端面に球状
レンズ加工を行う必要もない。光ファイバのＹ軸方向の
位置決めはＶ溝の深さによって選定できる。従って、図
５（ｂ）に示したように、Ｙ軸方向に見た場合に、発光
素子と同程度の高さにそのコア位置を選定できる。しか
しながら、光導波路は基板面上にクラッド層や導光部等
を順に形成していく関係上、導光部の高さを発光素子の
発光部の高さと一致させることが難しい。従って、図７
に示したような高さ方向の光ビーム調整も必要となる。

【００３３】なお、球状レンズはＶ溝上でどのように転
がしても、またどの方角からでも常に一定の性質の光学
レンズとして作用し、方向性を持たない。しかも、一般
の円盤状のレンズよりも高い精度で加工ができる。その
加工精度は±１μｍ程度であって光ファイバの外径精度
と同程度の精度で製造が可能となる。従って、本発明の
ように最終的な光ビームの精密な光軸制御には最適とい
える。特に、基板上でＹ軸方向の位置が大きく異なる発
光素子と光導波路との光結合には、このような球状レン
ズを用いることにより図７に示すように容易に最適な結
合が可能となる。実際には数十μｍ程度の高さの違いが
あっても十分に吸収が可能となる。この場合の光ビーム
は２〜３゜程度傾きを生じるが特性にほとんど影響しな
い。このため、Ｙ軸方向の位置合わせ等に伴う煩雑な加
工も不要になるという効果がある。

【００３４】［受光素子との結合］上記の実施例では、
発光素子と光ファイバや光導波路との光結合に関する実
施例を説明したが、本発明は受光素子とこれらの光ガイ
ドとの結合にも適用が可能である。図８には、受光素子
と光ファイバとの結合状態図（その１）を示す。図に示
す光ファイバ３、Ｖ溝５、球状レンズ６、Ｖ溝２２等の
構成は、図５に示すものとほぼ変わるところはない。な
お、Ｚ軸方向に形成された浅いＶ溝２２の右端には、受
光面が丁度Ｖ溝２２の方向を向くように受光素子チップ
３１が搭載されている。なお、この受光素子チップ３１
は基板上に形成された配線パターン３３にその電極を直
接はんだ付けされ固定されている。このような光結合モ
ジュールも、Ｖ溝５上で球状レンズ６を矢印１２方向、
即ちＸ軸方向に動かすことによって結合状態を最適に選
定される。

【００３５】なお、（ｂ）に示すように、光ビーム２３
は丁度Ｚ軸方向のＶ溝２２に沿って光ファイバ３から球
状レンズ６を経てＶ溝２２の端部に形成された光反射面
２２Ａに達する。ここで、光ビーム２３は斜め左上方向
に反射されて受光素子チップ３１の受光面に達する。こ
のような構成にしたのは、丁度ハンダボール３２を付け
る電極が設けられた面に受光面が存在する受光素子チッ
プ３１の特徴を生かし、これを直接基板１上に固定する
構成としたためである。通常、受光素子チップ３１は機
械的な保護とリード線等の引出しのために適当な大きさ
のキャリアに搭載される。ところが、この例ではそのよ
うなキャリア無しに直接受光素子チップ３１を基板１上
にハンダボール３２を介して固定するため、受光部の十
分な小型化が可能であるとともにキャリアが不要とな
り、コストの大幅な低減ができる。また、配線パターン
３３に直接はんだ付けすることからボンド線等も不要に
なるという利点がある。なお、この反射面は光ビーム通
過用のＶ溝２２と共にエッチング処理により形成すれ
ば、一括して一工程での形成処理が可能である。

【００３６】一方、パッケージの大きさに十分な余裕が
あるような場合には、キャリアに搭載した受光素子を基
板上に固定する。図９は、このような受光素子と光ファ
イバとの結合状態図（その２）を示す。図に示す光ファ
イバ３、Ｖ溝５、Ｖ溝２２、球状レンズ６等の構成は図
８に示したものと全く同様である。これに対し受光素子
チップ３１は、図に示すようなシリコン製のキャリア３
４に搭載され、Ｖ溝２２の右端部分に位置決めされてい
る。キャリア３４には配線パターン３５が設けられ、受
光素子チップ３１はこの配線パターン３５の延長線上に
はんだ付け接続される。配線パターン３５はボンド線等
によって、図２に示した配線板１８と電気接続される。
この場合、キャリア３４によって受光素子チップ３１は
基板１上の十分な高い位置に位置決めされる。従って、
例えば光ファイバ３のコア３Ｃの位置を十分高い位置に
選定すれば、Ｚ軸方向に沿うＶ溝２２が不要となる。従
って、基板自体の構成が簡素化されるという効果があ
る。

【００３７】［応用製品］本発明の光結合モジュール
は、例えば次のような形で実用化される。図１０には、
光結合モジュール実施例平面図を示す。この実施例で
は、パッケージ４０に対し光ファイバ芯４４−１がつな
ぎ込まれている。光ファイバ芯４４−１はパッケージ４
０の内部で基板４１上に形成された導波路４３−１に接
続される。更に、導波路４３−１はカプラ４５で導波路
４３−２と４３−３とに２分配され、導波路４３−２は
発光素子５１と向かい合って先に説明した要領で光結合
される。即ち、発光素子５１と導波路４３−２の間には
Ｚ軸方向に光ビーム通過用のＶ溝４８が形成され、更に
Ｘ軸方向にＶ溝４６が形成されている。そして、そのＶ
溝４６に球状レンズ４７が支持され、先に説明した光ビ
ームの最適化が行われる。

【００３８】また、発光素子５１の出力光をモニタする
ために発光素子５１の背面から出力される光を受けるよ
うに受光素子５２が設けられている。これはキャリア５
３に搭載され、外部回路にその出力が引き出される。こ
の受光素子５２によって発光素子５１の出力をモニタ
し、発光素子５１の出力レベルの安定化制御等が行われ
る。また、導波路４３−３にガイドされる光信号を受信
するために基板４１の右端中央に受光素子５４が設けら
れている。この受光素子５４と導波路４３−３との光結
合はＸ軸方向に形成されたＶ溝４９上の球状レンズ５０
によって最適化される。受光素子５４はキャリア５５に
搭載され、その出力はプリアンプ５６に導かれ増幅され
た後、外部回路に取り出される。パッケージ４０の図の
右側に示す側壁を貫通するように、配線板５７が設けら
れ、そこに配線パターン５８が形成されている。このよ
うな構成は既に説明した実施例と同様である。

【００３９】以上のような構成にすることによって、発
光素子５１により導波路４３−２に対して一定の信号を
送信し、逆に導波路４３−３と受光素子５４によって光
信号を受信することができる。なお、図１１（ａ）は、
上記導波路４３−３と受光素子５４及び球状レンズ５０
との関係を示す縦断面図である。また、（ｂ）は導波路
４３−２と発光素子５１及び球状レンズ４７等の関係を
示す縦断面図である。また、（ｃ）は、光ファイバ４４
−１をパッケージ４０を貫通させて導く端末キャップ４
２や基板４１上で光ファイバの端末を固定する押え板６
０等の部分の断面図である。

【００４０】図１２には、光結合モジュール実施例平面
図（その２）を示す。この実施例で、図１０と同一部分
には同一符号を付した。この実施例と図１０の実施例と
の相違点は、発光素子５１の出力光を受光素子５４がモ
ニタする点である。即ち、この例では１個の受光素子５
４が信号受信と発光素子５１の出力光のモニタとを兼ね
るようにしている。このために、発光素子５１の出力光
はカプラ４５−３によって導波路４３−２とモニタ用の
導波路４３−５とに分岐される。導波路４３−５の出力
は球状レンズ５０の前方に導かれるようになっている。
この光が受光素子５４に入射する。

【００４１】光ファイバ等の光ガイドは、一般に光信号
を双方向に伝送する。従って、この図に示すように、光
ファイバ４４−１を伝送された光を導波路４３−３を用
いて受信し、その一方で導波路４３−２を介して逆方向
に光信号を送信する。このとき、いわゆるピンポン伝送
という方式を用いると送受信のタイミングが互いにずれ
て、発光素子５１が発光している間は導波路４３−３か
ら光信号の受信はされない。一方、導波路４３−３から
光信号が受信されている間は発光素子５１は動作を停止
する。このように、送信と受信とが、それぞれ時間的に
シフトして実行されることから、丁度導波路４３−３を
介して信号が受信される場合には受光素子５４は通信用
の光信号受信のために動作し、その信号が休止している
間は発光素子５１の出力する光信号を導波路４３−５を
介して受信し、そのモニタを行うことができる。このよ
うな関係上、受光素子５４を１個搭載すれば、送信信号
安定化用のモニタと受信動作の兼用が可能となり、基板
の小型化やコストダウンが可能となる。この実施例にお
いても、球状レンズ５０を用いて光ビームを適切に最適
な状態で受光素子５４に導くことができるため、導波路
４３−３が導波路４３−４の端面をそれぞれ独立に位置
決め固定する場合に比べて十分に調整の簡素化やコスト
ダウンを図ることができる。

【００４２】本発明は以上の実施例に限定されない。上
記実施例では基板をシリコン板とし、異方性エッチング
加工によりそのＶ溝を形成する説明をしたが、同様の精
度でＶ溝等の加工ができる基板であればどのようなもの
を用いてもよい。また、光ファイバの外径や球状レンズ
の外径、光学素子即ち発光素子や受光素子のＹ軸方向の
位置決め精度を、基板上面に形成する球状レンズ支持用
のＶ溝の加工精度とほぼ同レベルに選定すれば、上記の
ような構成は達成される。もちろん、いずれかがこれ以
上の精度で十分容易に加工可能であれば、それでも差し
支えない。従って、加工精度は少なくとも同レベル以上
であることが好ましい。この他、モジュール自体の構成
は光半導体モジュールその他の回路において広く採用さ
れている構成に置き換えて差し支えない。

【００４３】

【発明の効果】以上説明した本発明の光結合モジュール
は、基板上面に光入出力端面を固定した光ガイドと基板
上のＺ軸上で光ガイドの端面に光路を向けるように配置
した光学素子と、Ｚ軸と交差するようにＸ軸方向に形成
されたＶ溝に支持された球状レンズとを備えるようにし
たので、球状レンズをＸ軸に沿って動かすことによっ
て、光学素子のＸ軸方向の位置決め精度を十分に緩く設
定したとしても、最適の結合条件が得られる。しかも、
光学素子を動作させた状態で球状レンズを動かし、最適
条件を選定でき、従来の位置決め処理よりも十分に短時
間に調整できるから、量産工程での装置のコストダウン
と特性向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光結合モジュールの実施例斜視図であ
る。

【図２】本発明の光結合モジュール全体図である。

【図３】発光素子の位置決め法説明図である。

【図４】Ｖ溝の断面説明図である。

【図５】発光素子との結合状態図である。

【図６】光導波路を用いた光結合モジュール全体図であ
る。

【図７】発光素子と光導波路との間の光路説明図であ
る。

【図８】受光素子との結合状態図（その１）である。

【図９】受光素子との結合状態図（その２）である。

【図１０】光結合モジュール実施例平面図（その１）で
ある。

【図１１】光結合モジュール要部側断面図である。

【図１２】光結合モジュール実施例平面図（その２）で
ある。

【符号の説明】

１基板１Ａ基板上面２Ｖ溝３光ファイバ３Ａ光ファイバの端面４発光素子５Ｖ溝６球状レンズ９調整腕

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上で、光ガイドと光学素子とを光学
的に結合させるものであって、前記光ガイドの光入出力端面近傍における光軸と一致す
る方向をＺ軸とし、このＺ軸に垂直で前記基板上面に垂
直な方向をＹ軸とし、前記Ｚ軸とＹ軸に垂直な方向をＸ
軸としたとき、前記基板上面に、前記Ｚ軸を基板上面に平行に向けて固
定した光ガイドと、前記基板上の前記Ｚ軸上で、前記光ガイド端面に光路を
向けるように配置した光学素子と、前記光ガイド端面と前記光学素子の間のＺ軸上であっ
て、前記基板上面で前記Ｚ軸と交差するように前記Ｘ軸
方向に形成されたＶ溝に支持された球状レンズとを備え
たことを特徴とする光結合モジュール。
【請求項２】前記光ガイドは、光ファイバから成り、
この光ファイバ端末は、前記基板上面で前記Ｚ軸方向に
形成されたＶ溝に支持固定され、前記基板上面を基準面
として光ファイバのＹ軸方向の位置決めがされているこ
とを特徴とする請求項１記載の光結合モジュール。
【請求項３】前記光ガイドは、光導波路から成り、前
記基板上面を基準面として導光部の前記Ｙ軸方向の位置
決めがされていることを特徴とする請求項１記載の光結
合モジュール。
【請求項４】前記基板はシリコン基板から成り、この
基板上面に形成されたＶ溝は異方性エッチング加工によ
りＹ軸方向の位置決めがされていることを特徴とする請
求項１、２又は３に記載の光結合モジュール。
【請求項５】前記光ガイドのＹ軸方向の位置と、前記
球状レンズの外径と、前記光学素子のＹ軸方向の位置決
め精度を、前記基板上面に形成する球状レンズ支持用の
Ｖ溝の加工精度とほぼ同レベル以上に選定したことを特
徴とする請求項４記載の光結合モジュール。
【請求項６】前記球状レンズを支持するＶ溝に交差す
るように、球状レンズ支持面より浅い、Ｚ軸方向に向い
た光ビーム通過用のＶ溝が形成されていることを特徴と
する請求項１から５に記載の光結合モジュール。
【請求項７】前記光学素子は、前記Ｚ軸方向に交差す
る光ビーム通過用のＶ溝の、端部に形成された光反射面
に対向するように受光面を向けて、前記基板上面に搭載
された受光素子チップから成ることを特徴とする請求項
６記載の光結合モジュール。
【請求項８】前記光反射面は、前記光ビーム通過用の
Ｖ溝と共にエッチング加工により形成されていることを
特徴とする請求項７記載の光結合モジュール。
【請求項９】前記光学素子は、受光素子チップと、そ
の受光面を前記光ガイド端面に向けるように受光素子を
支持したキャリアとから成り、その受光素子の受光面での前記基板面上Ｙ軸方向の光軸
位置は、前記球状レンズを経由する受光素子と光ガイド
との光結合に有効な光ビームが前記基板上面と交差しな
いように、前記光ガイド端面におけるＹ軸方向の光軸位
置より十分高く選定されていることを特徴とする請求項
１記載の光結合モジュール。
【請求項１０】前記基板上に発光素子と受光素子とを
固定し、外部回路から入力する光信号をガイドする光ガ
イドと、前記発光素子の出力光を分岐したモニタ光をガ
イドする光ガイドの光出力端面の両方を、前記球状レン
ズを介して前記受光素子と対向させたことを特徴とする
請求項１記載の光結合モジュール。
【請求項１１】基板上で、光ガイドと光学素子とを光
学的に結合させる場合に、前記光ガイドの光入出力端面近傍における光軸と一致す
る方向をＺ軸とし、このＺ軸に垂直で前記基板上面に垂
直な方向をＹ軸とし、前記Ｚ軸とＹ軸に垂直な方向をＸ
軸としたとき、前記基板上面に光ガイドの光入出力端面を固定し、前記基板上の前記Ｚ軸上で、前記光ガイド端面に光路を
向けるように光学素子を配置し、前記光ガイド端面と前記光学素子の間のＺ軸上であっ
て、前記基板上面で前記Ｚ軸と交差するように前記Ｘ軸
方向に形成されたＶ溝に球状レンズを支持して、前記Ｖ溝上でＸ軸方向に球状レンズを動かして、前記光
ガイドと前記光学素子との光結合に有効な光ビームの経
路を最適に選定してから当該球状レンズを当該Ｖ溝に固
定することを特徴とする光結合モジュールの製造方法。