(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、基板上に設けられる光ファイバ又は光導波路である第１光学部品と、第１光学部品に対向して基板上に設けられる光素子よりなる第２光学部品と、第１光学部品と第２光学部品の中間部を含んで基板に穿たれた凹部と、第１光学部品と近似した屈折率を有しゲル状もしくは流動性を有する状態で凹部に充填され第１光学部品と第２光学部品の間の光路を満たす透光性の内部樹脂と、内部樹脂と第２光学部品、第１光学部品の一部、基板の一部を覆い硬化後も柔軟性を残す中間樹脂と、中間樹脂と基板の全体とリードフレームの一部を覆い外形を与える外殻樹脂とよりなり、第１光学部品である光ファイバ或いは光導波路の屈折率と内部樹脂の屈折率が等しくなる温度が−４０℃〜＋８５℃の温度範囲において少なくとも一つ存在する事を特徴とする光学装置。
【請求項２】
第２光学部品が発光素子（ＬＤ、ＬＥＤ）若しくは受光素子（ＰＤ、ＡＰＤ、ＰＩＮ−ＡＭＰ），或いはその双方よりなる事を特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
内部樹脂がＵＶ硬化シリコーン系樹脂喪若しくはシリコーン系マッチングオイルであり、中間樹脂が熱硬化シリコーン系樹脂或いはＵＶ硬化アクリレート系樹脂であり、外殻樹脂がエポキシ系の樹脂である事を特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
【請求項４】
Ｓｉ又はセラミック若しくは樹脂よりなり凹部を有する基板上に、光ファイバ或いは光導波路よりなる第１光学部品を設け、第１光学部品の軸線上に凹部が存在し、第１光学部品の軸線上に発光素子、受光素子或いはモニタ素子よりなる第２光学部品が実装され、凹部に透光性でかつ第１光学部品と屈折率の近似した硬化後もゲル状のＵＶ硬化シリコーン系、或いは流動性のあるシリコーン系マッチングオイルの内部樹脂を充填し、その上から熱硬化シリコーン系あるいはＵＶ硬化アクリレート系の中間樹脂をポッティングして第１光学部品の一部、第２光学部品を覆うようにし、さらにエポキシ系の外殻樹脂で中間樹脂と基板の全体とリードフレームの一部を覆い、外殻樹脂によって或いは外殻樹脂とプラスチックパッケージとによって全体の構造を与えるようにした光受信器、光送信器或いは光送受信器である事を特徴とする光学装置。
【請求項５】
発光素子がＧａＡｓ系もしくはＩｎＧａＡｓＰ系のＬＤであり光送信器或いは光送受信器である事を特徴とする特徴とする請求項４に記載の光学装置。
【請求項６】
受光素子がＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ或いはＩｎＧａＡｓ系であり光受信器或いは光送受信器であることを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
【請求項７】
基板と、基板上に設けられる光ファイバ又は光導波路である第１光学部品と、第１光学部品に対向して基板上に設けられる光素子よりなる第２光学部品と、第１光学部品と近似した屈折率を有し第１光学部品と第２光学部品の間の光路を満たす透光性のゲル状の内部樹脂と、内部樹脂と第２光学部品、第１光学部品の一部、基板の一部を覆い硬化後も柔軟性をも残す中間樹脂と、中間樹脂と基板の全体とリードフレームの一部を覆い外形を与える外殻樹脂とよりなり、第１光学部品である光ファイバあるいは光導波路の屈折率と内部樹脂の屈折率が等しくなる温度が−４０℃〜＋８５℃の温度範囲において少なくとも一つ存在することを特徴とする光学装置。
【請求項８】
第２光学部品が発光素子（ＬＤ、ＬＥＤ）若しくは受光素子（ＰＤ、ＡＰＤ、ＰＩＮ−ＡＭＰ）、或いはその双方よりなる事を特徴とする請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
内部樹脂がＵＶ硬化シリコーン系樹脂であり、中間樹脂が熱硬化シリコーン系樹脂或いはＵＶ硬化アクリレート系樹脂であり、外殻樹脂がエポキシ系の樹脂である事を特徴とする請求項７または８に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いる送信器、受信器、送受信器、及びこれらを構成するための光学部品、あるいはこれらを組み合わせた装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信において、金属パッケージにＰＤチップ、ＬＤチップ、レンズを内蔵しパッケージの中心軸線上に光ファイバを設けた三次元構造の送受信用素子が用いられている。現状の素子において、光は空気中を長く伝搬するのでレンズが必要である。現在、利用されている素子は気密性に優れ、対ノイズ性能も良く信頼性に富み実績がある。しかし三次元金属容器収容の素子は調芯が必要で容積が大きく高価でありプリント基板上で広い面積を占有するなどの欠点がある。
【０００３】
光通信の実用化が進むにつれて、光送信器、光受信器などの小型化低コスト化が進みつつある。最近では、表面実装型（ＰＬＣ：Planar Lightguide Circuit）という非常に小型化された光学系が検討されている。光の向きは基板表面に平行で二次元構成であり、調芯不要、レンズ不要という利点がある。
【０００４】
図１（平面図）、図２（縦断面図）に表面実装型受光モジュールの一例を示す。縦型金属パッケージではなくて、全体が平坦なＳｉベンチ１の上に構成されている。平面状の縦長Ｓｉベンチ１に中心縦方向に大Ｖ溝２、小Ｖ溝３を穿つ。大Ｖ溝２にフェルール４を挿入し、小Ｖ溝３には光ファイバ５を挿入する。フェルール４、光ファイバ５は接着剤によってＶ溝２、３に固定される。小Ｖ溝３の終端が側方に露呈するようにＳｉベンチ１の前方を低く削り、段部６としてある。段部６には光素子、ここではＰＤ７をマウントしてある。側方から光が入るから、このＰＤは導波路型ＰＤである。水平に広がった受光層８を持ち、その上に導波路が形成されている。受信光は横から受光層８に入って感受される。
【０００５】
構成が単純になるから導波路型ＰＤの場合を例示したが、裏面入射型ＰＤ、上面入射型ＰＤをも表面実装することができる。裏面入射型、上面入射型とすると光ファイバ光軸とこれら素子の関係が少し異なる。また発光素子（ＬＤ、ＬＥＤ）を光ファイバの延長上に固定し送信器としたものも提案されている。受光素子でも発光素子でもよく似た平面的な構成になる。さらに、光ファイバを素子の直近まで引っ張ってくるかわりにＳｉベンチ１の上に光導波路を設けて光導波路の始端に外部の光ファイバを接着するという場合もある。
【０００６】
何れの場合でも平面の基板の上に光ファイバ、光導波路を設け、その延長上の基板面に光学部品（ＰＤ、ＬＤ、ＬＥＤ、ＡＰＤ）を配置する。レンズを使わずに、直接光ファイバや導波路と光素子（ＰＤ、ＬＤ等）を突き合わせて、部品点数を減らし小型化している。
【０００７】
この例ではＳｉベンチ上に、エッチングによってＶ溝を形成し、また、マスク合わせでＰＤチップを固定する位置合わせマークを形成することにより、光ファイバもＰＤも位置精度よく固定される。積極的に調芯する必要はなく、Ｖ溝にフェルール、光ファイバを挿入し、マークに合わせてＰＤ、ＬＤ、ＬＥＤなどを取り付けるだけでよいので、これをパッシブアライメントと言う。現在広く用いられている金属容器の三次元的な素子のような調芯が不要である。
【０００８】
平面実装型はパッシブアライメントが可能になり実装コスト自体も下がる。材料コスト、部品コストが削減でき低コストモジュールとなる。それに小型になってプリント基板への取り付けも容易である。平面実装型光装置は低コスト、小型という優れた特徴が期待される。希望に満ちた実装方式だと言える。しかし実用化のためには克服すべき様々の問題がある。同じ図１、図２の受光モジュールについて問題点を説明するが、発光モジュール（送信器）や送受信器でも同様の問題が潜んでいる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図１、図２の受信器の構成では、光ファイバ端面の反射が問題になる。光ファイバの端面は光軸と直角の方向に切断されるので反射戻り光が発生する。光ファイバ端面反射光は光ファイバ５を伝搬して送信側のレ−ザに戻り、レ−ザ発振を不安定にするからである。反射戻り光の量は内外の屈折率差による。ＰＤ７の受光面は反射防止膜があり反射はないので問題にしない。
【００１０】
光ファイバ端面で反射されて戻る光を反射戻り光と言う。反射戻り光と入射光の比の対数を反射減衰量（ＯＲＬ）と呼ぶ。これは
【００１１】
ＯＲＬ＝１０ｌｏｇ（Ｐｒ／Ｐｉｎ）（ｄＢ）          （１）
【００１２】
によって定義される。Ｐｉｎは光ファイバを通して出射端面に向かってくる光強度である。Ｐｒは端面で反射されて戻ってきた光強度である。常にＰｒ＜Ｐｉｎであるから、ＯＲＬは必ず負の値である。マイナス無限大であるのが理想であるが実際にはなかなかそうはゆかない。
【００１３】
端面を垂直に切断した光ファイバの場合でも、内外媒質の屈折率差によってＯＲＬは異なる。具体的な例として、屈折率ｎ１＝１．４６のＳｉＯ２系光ファイバの場合、空気（ｎ０＝１）に出射される場合は、屈折率の違いに比例する反射が界面でおこる。界面での反射率Ｒｅｆは
【００１４】
Ｒｅｆ＝｛（ｎ１−ｎ０）／（ｎ１＋ｎ０）｝２＝０．０３５  （２）
となる。その場合、ＯＲＬ＝−１４．６ｄＢとなる。これは大きすぎる値である。実際には使えない。
【００１５】
ＯＲＬにどのような値が要求されるか？ということは、システムによって異なる。光受信器の場合は、ＯＲＬは−２７ｄＢ以下でなければならない。製造のマージンを−３ｄＢとすると−３０ｄＢ以下というような小さい値が要求される。しかもそれは使用温度範囲の全体で要求される。たとえば−４０℃〜＋８５℃といった広い温度範囲でＯＲＬが−３０ｄＢ以下というような厳しいものである。
【００１６】
図１の構成では初めからこのような厳しい要求を満たす事ができない。図１のモジュールは用途が極狭く限定されることになる。図１のようなモジュールに実効性を持たせるためにはさらなる工夫が必要である。
【００１７】
式（２）から光ファイバ端面での反射損失を減らす為には屈折率の差を減らせばよいという事が分かる。図３、図４のように光ファイバとＰＤの間を光ファイバの屈折率ｎ１に近い屈折率ｎ２の透光性の樹脂で満たす（ポッティング）ということが可能である。屈折率の近似した透明媒質を外部に満たせば反射が減少する。その場合の反射率は式（２）のｎ０をｎ２によって置き換える事により計算できる。
【００１８】
一般に電子部品のポッティング用樹脂としてシリコーン系やアクリレート系の樹脂がよく用いられる。これらの樹脂は、光通信で用いられる波長である１．３μｍ光や１．５５μｍ光に対して透明である。
【００１９】
この中には屈折率ｎが光ファイバのそれ（ｎ１＝１．４６）に近いものもある。例えば熱硬化シリコーン系樹脂では室温で屈折率がｎ＝１．４程度であり、石英光ファイバの屈折率に近い。ＵＶ（紫外線；ultraviolet rays）硬化アクリレート系では室温で屈折率がｎ＝１．５付近である。現在知られている樹脂で光ファイバに最も接近した屈折率を持つものはこの二つしかない。
【００２０】
室温の場合だけを考えると、どちらもＯＲＬが−３０ｄＢ以下という条件を満足することができよう。しかし屈折率は温度によって変化する。先述のようにモジュールが動作しなければならない温度は−４０℃〜＋８５℃という広い範囲である。温度が変化すると屈折率が変わりＯＲＬが増加する。このような広い温度範囲で常にＯＲＬが−３０ｄＢ以下でなければならないということになると、それは極めて難しい条件である。そのような好都合の樹脂がなかなかないからである。
【００２１】
図５はＵＶ硬化アクリレート系樹脂（◇）と、熱硬化シリコーン系樹脂（○）とで光ファイバ端をポッティングした時の式（１）で決まるＯＲＬを測定しグラフに表したものである。
【００２２】
熱硬化シリコーン系樹脂は最低温度域（−４０℃）で最小のＯＲＬ−３９ｄＢをとる。温度が上がるとともにＯＲＬが上がり２５℃で−３４ｄＢになる。最高温度域＋８５℃では−３０ｄＢに上がってしまう。そのような温度変化は、−４０℃で屈折率が光ファイバ屈折率（常温：１．４６）に最も近く、温度上昇とともに遠ざかってゆくからである。実際には製造のばらつきなどがあり余裕（マージン）をみる必要がある。だから、これは高温の８５℃付近で条件を満足できない。
【００２３】
ＵＶ硬化アクリレート系樹脂は反対に最高温度域（＋８５℃）で最小のＯＲＬ−３７ｄＢを与える。温度下降とともにＯＲＬが上がり、常温（２５℃）では−３４ｄＢに上がる。最低温度−４０℃では−３０ｄＢに増えてしまう。これは＋８５℃で最も光ファイバ屈折率に近くて、温度下降とともに屈折率が光ファイバから離れてゆくからである。これは低温の−４０℃でＯＲＬの条件を満たすことができない。
【００２４】
ＵＶ硬化アクリレート系樹脂、熱硬化シリコーン系樹脂のいずれも温度によってＯＲＬが変化して、製造マージンなどを考慮すると常に−３０ｄＢ以下であるという条件を満たすことは難しい。
【００２５】
このようなＯＲＬの温度変動は、屈折率の温度変化に起因する。熱硬化シリコーン系樹脂のある種類は−４０℃〜＋８５℃という範囲で屈折率が１．４８から１．３７まで変化する。ＵＶ硬化アクリレート系樹脂のあるものは、この温度範囲で屈折率が１．５６から１．４９まで変化する。いずれの樹脂も温度によって屈折率が変わるので、−４０℃〜＋８５℃という広範囲でＯＲＬを満足できるレベルに押さえる事が難しい。ある温度で光ファイバ屈折率に近くて温度係数（δｎ／δＴ）（Ｔは温度）が小さければ良いのであるが、なかなかそのようなものは見出せないのが現状である。
【００２６】
屈折率温度特性だけから言えばより好適な樹脂がある。それはＵＶ硬化シリコーン系樹脂である。石英（ＳｉＯ２）光ファイバの屈折率により近くて温度変動も石英により近い。それにある温度で光ファイバの屈折率を横切る。これがこの樹脂の好都合なところである。屈折率が横切る温度の近傍でＯＲＬが著しく下がる。その温度の前後ではＯＲＬが下がるので全温度範囲（−４０℃〜＋８５℃）でＯＲＬが小さくなる。ＯＲＬを温度ごとに測定したものを図５に△で示す。
【００２７】
ＯＲＬは０℃付近で−６６ｄＢに下がる。つまり０℃の近傍で光ファイバ屈折率とＵＶ硬化シリコーン系樹脂屈折率が交差するのである。厳密に一致すると式（２）からはマイナス無限大になるが、図５では測定点（温度）が−４０℃、０℃、＋２５℃、＋７０℃、＋８５℃に限定されているから無限大の点（０℃より少し下にある）が現れていない。極小点より温度が上がっても下がっても屈折率差が増えるからＯＲＬは増える。温度範囲（−４０℃〜＋８５℃）内に屈折率交差点（ｎ１＝ｎ２）を持つというのは有利な事で、この極小がＯＲＬ曲線を引き下げるので全温度範囲で−３０ｄＢをゆうに下回る。げんに最大の＋８５℃でも−３９ｄＢであり所望の条件を満たす。
【００２８】
この事情は少しわかりにくいが、シリコーン系樹脂といってもいくつもの種類がある。紫外線で硬化するものをＵＶ硬化と言い、熱を掛けて硬化するものを熱硬化と言う。ＵＶ硬化、熱硬化シリコーン系といってもさらに幾つかの種類がある。それに原料の混合比を変えると屈折率もある程度変えることができる。つまり屈折率に関してある程度の自由度がある。
【００２９】
しかし、屈折率だけで樹脂を選択するというわけにゆかない。例えば光ファイバの屈折率により近い例としてＵＶ硬化シリコーン系樹脂がある。しかしＵＶ硬化シリコーン系樹脂には物理的な難点がある。ＵＶ硬化シリコーン系樹脂はＵＶ硬化後でもゲル状であり不定形である。だから外部の圧力によって形状がなお自由に変化する。であるから、エポキシ樹脂で成形した場合、図３、図４の樹脂のように立体的な形状を維持できない。だから、屈折率の点からは申し分のない樹脂であるが、不定形のために成形時に自らの形状を保持できないのである。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学装置は、内部樹脂、中間樹脂、外殻樹脂の３層樹脂構造となっている。内部樹脂が光ファイバ・光導波路と屈折率がほぼ同一であるが流動性を有するために基板に凹部を設けて内部樹脂が流出しないようにし、その外部を中間樹脂で覆い、さらに硬度のある外殻樹脂で包囲し形状を与えるようにする。
【００３１】
Ｓｉベンチなどの基板の光ファイバ、光導波路と光素子の結合部近傍に凹部を形成し、凹部に光導波路、光ファイバと屈折率がほぼ同一で流動性のある内部樹脂（ゲル状のＵＶ硬化シリコーン系樹脂、流動性のシリコーン系マッチングオイルなど）を充填し凹部によって変形や流動を防ぐ。内部樹脂の貯留池として凹部を利用するだけでなく、この凹部を光ファイバ・光導波路と光素子との光路とすることもできる。Ｓｉ基板に光ファイバ固定のために設けるＶ溝を樹脂貯留凹部としてもよい。その場合は既存の構造を利用して内部樹脂（ゲル状樹脂、流動状樹脂）を貯留する。Ｖ溝を設けない場合は新たに凹部を基板上に設ける。凹部によってゲル状或いは流動性のある内部樹脂（ＵＶ硬化シリコーン系樹脂、シリコーン系マッチングオイルなど）の変形や流出流動を防止するのである。ＵＶ硬化シリコーン系樹脂は硬化後もゲル状であるが、凹部によってせき止められるから変形しない。
【００３２】
しかし、これは自分の形状を保持できないから、別のより強固な中間樹脂によって、内部樹脂（ＵＶ硬化シリコーン系樹脂、シリコーン系マッチングオイルなど）と発光素子（ＬＤ、ＬＥＤ）、受光素子（ＰＤ）、その他の光学部品を覆う。中間樹脂は、弾性体であって発光素子、受光素子、光学部品に強い応力がかからないようなものを選ぶ。それに電気的に絶縁性があるということが必要である。たとえば熱硬化シリコーン系樹脂、ＵＶ硬化アクリレート系樹脂などである。この中間樹脂は柔軟であって外形を長く保持できない。
【００３３】
そこで最外殻を硬いエポキシ系樹脂によって被覆して外殻構造を与える。外殻の樹脂は硬度が高く、水分などを通さず、絶縁性を持つことが必要である。プラスチックパッケージの原料となるエポキシ系樹脂などを使う事ができる。外殻形成は全体をケースに入れて樹脂を充填してモールドすることもできるし、ケースなしで金型に全体を入れ樹脂を充填してモールドすることもできる。
【００３４】
つまり本発明は、基板凹部にゲル状もしくは流動性の樹脂を溜めることと樹脂三層構造ということの二つの特徴がある。光ファイバと極めて近似した屈折率を持つ樹脂は硬化不完全であるが、その上を二層の樹脂で囲むようにしたので全温度範囲においてＯＲＬが所望の値以下であり表面実装型で小型安価の送信器、受信器、送受信器を提供することができる。
【００３５】
本発明が今までなぜなされなかったか？それは誰しもがこのようなゲル状や流動状の液体では、光学系の光路を安定して満たすことはできないと思われたからであろう。自分の形状を保持できる樹脂で全使用温度範囲で光ファイバと屈折率が充分に近似したものは存在しなかった。硬化後も流動性を残したゲル状の樹脂で光ファイバに近似したものがあるということすら気付かれていないというのが現状である。しかし、たとえ光ファイバに近似した屈折率の樹脂を製造できたとしても、それがゲル状であれば光ファイバ、光素子の封止に用いようとする着想は浮かばなかったことであろう。基板上を流動する樹脂、或いは容易に形状が変わってしまう樹脂では封止ができないからである。
【００３６】
本発明者はこのような既成概念を打破し、むしろ、ゲル状や流動性を積極的に生かすことを考えた。流れるものや形の変わり易いものは器に入れれば良いのである。器が作りにくい時は基板に穴を彫れば良いのである。そして器、凹部、穴に流動性の樹脂を注入し、上から別のより硬化性のある樹脂などで蓋をすればよいのである。樹脂がゲル状或いは流動性を維持し（流動状）ていても、それを隙間無く別異の樹脂によって囲めば変形や流出の恐れはない。固体で封じ込めれば良いのである。するとゲル状或いは流動状であっても隙間に存在し続けることができる。光ファイバとほぼ同一の屈折率を持つ樹脂がたとえゲル状や流動性の樹脂であっても充分に利用できる。
【００３７】
ただし、蓋をするための樹脂（中間樹脂）はＬＤやＰＤなどの光素子を同時に覆うから電気的、熱的に安定でなければならない。被蓋用樹脂としては、半導体ＩＣの固定に用いられる熱硬化シリコーン系などが適する。流動性はなく、熱的安定性、電気的安定性に富む樹脂だからである。しかし、この樹脂はなおまだ柔らかくて機械的強度に難がある。最外表面を覆う樹脂としては、なお硬度に欠ける。
【００３８】
そこで最外殻部を形成するにはもっと硬度の高い樹脂を用いる。そのためには丈夫なエポキシ系樹脂を用いると良い。エポキシ系樹脂は不透明であり硬化した後の硬度は高い。堅牢であって自分の形状を頑固に維持する。堅固でありすぎるためにエポキシ系樹脂は熱による変形によって内部の部品などにストレスを与え、劣化、損傷を引き起こすという欠点がある。しかし本発明のように、エポキシ系樹脂の内部に柔らかい熱硬化シリコーン系樹脂があってＬＤやＰＤなどの光学部品を包んでいるから、光学部品に直接にストレスが掛からない。光学部品や光路はストレスから保護される。巧みな樹脂三重構造よりなるモジュールである。
【００３９】
【発明の実施の形態】
本発明は、光送信器（ＬＤ）、光受信器（ＰＤ）、光送受信器（ＬＤ＋ＰＤ）に応用することができる。光ファイバ、光導波路の終端にある光素子が、それぞれ括弧書きした素子に代わるだけの事である。
【００４０】
内部樹脂を溜めるための凹部については次のようである。光ファイバを信号導入のために用いる場合はそれをパッシブアライメントするためにＶ溝を設けるが、そのＶ溝を内部樹脂の溜のために用いることができる。光導波路を信号の導入のために用いる場合は、光導波路の終端部に内部樹脂を溜める凹部を穿ち凹部の反対側に光素子を取り付けるようにする。その他に光を反射してＰＤ裏面に導く凹部などがある。
【００４１】
基板がＳｉ基板の場合はエッチングなどで凹部を形成できる。基板をセラミック、プラスチックにした場合は金型によって凹部も一挙に造形できる。内部、中間、外殻樹脂の性質は次のようである。
【００４２】
１． 内部樹脂…光ファイバや光導波路の端部と光素子の間の空間を満たす。所定の全温度範囲において光ファイバと屈折率が殆ど同じ。透光性である。硬化後もゲル状であるか流動性である。例えばＵＶ硬化シリコーン系樹脂、シリコーン系マッチングオイル。
【００４３】
２．中間樹脂…内部樹脂、光ファイバ・光導波路端、光素子を覆う。硬化後も柔軟性がある。柔軟性があって光素子にストレスを与えない。例えば熱硬化シリコーン系樹脂、ＵＶ硬化アクリレート系樹脂。
【００４４】
３．外殻樹脂…基板、リードフレーム、中間樹脂、光ファイバ・光導波路の全体を覆い、外殻の形状を与える。パッケージの主要部をなす。形状を維持でき、硬くて気密性に富む。水分の侵入をも防ぐことができる。例えばエポキシ系樹脂。
【００４５】
【実施例】
［実施例１（光受信器）］
図６の基板の斜視図によって本発明を光受信器に応用した例を説明する。基板構造と光ファイバや光素子の取付の構造は本発明者の先願において提案したものである。樹脂封止構造が新規なのであるが、取付構造についても述べる。平坦なＳｉ基板１１の上面に前端から下段部１２、上段部１３、横溝１４、後面部１５などが設けてある。下段部１２には中心軸線上に大Ｖ溝１６を縦に穿つ。中段部１３には小Ｖ溝１７を穿つ。さらにその延長に小さい小溝１８を穿つ。これらの溝１６、１７、１８はＳｉ基板の場合異方性エッチングによって一挙に形成することができる。段差はフェルールの外径と内径の差によって決まる。
【００４６】
後面部１５には配線のためのメタライズパターン１９、２０、２１、２２が形成される。これはリードフレームとワイヤによって接続される配線パターンである。光素子や増幅器などのチップを載せるパターンもある。大Ｖ溝１６にはフェルール２５を挿入し、小Ｖ溝１７には光ファイバ２６を挿入して固定する。光ファイバ２６の先端部に予めフェルール２５を差し込んでおいたものをＶ溝１６、１７において固定するのである。
【００４７】
光ファイバ２６の延長上のメタライズパターン１９にはＰＤ２７が固定される。これは裏面入射型のＰＤである。その後ろのパターン２１上には前置増幅ＩＣチップ２８があり、電源インピーダンスを下げるためのキャパシタ２９、３０がメタライズパターンにボンドしてある。これらのＰＤ、ＩＣ、キャパシタなどはワイヤ（金ワイヤ）によってメタライズと接続される。これらのメタライズは後にワイヤによってリードフレームと接続される。
【００４８】
図６は樹脂の図示を省いているが、図７に樹脂封止の構造を断面図によって示す。Ｖ溝１７、横溝１４、小溝１８などの凹部に、屈折率が光ファイバとほぼ同一の透明で柔軟な内部樹脂３１を注ぐ。内部樹脂３１は例えばＵＶ硬化シリコーン系樹脂である。これはゲル状である。斜め方向より紫外線（ＵＶ）を当てて硬化させる。硬化してもゲル状であるがＶ溝１７、小溝１８、横溝１４などのように周りより低くなった凹部にあるから位置ずれしたり流出したりする心配はない。これが本発明の重要な工夫である。
【００４９】
内部樹脂３１は透明であり要求される全温度範囲（−４０℃〜＋８５℃）において屈折率が光ファイバに極近い。透明であるのは光を通す必要があるから当然である。それに加え屈折率が光ファイバ屈折率に極めて近いので光ファイバと内部樹脂の界面での反射が０に近い。つまりＯＲＬが極めて小さくて−３０ｄＢ以下だという要求を軽々と満たすことができる。その点でＵＶ硬化シリコーン系樹脂のような内部樹脂は好都合なのであるが硬化後もゲル状であるという欠点がある。これが基板面を広く浸すとその上部の樹脂が基板に接着しなくなる。ところが本発明はＶ溝、小溝などの凹部だけに内部樹脂を注いでいるから基板面が内部樹脂によって汚されない。
【００５０】
その次に内部樹脂３１、ＰＤ２７、光ファイバ２６などをより硬い中間樹脂３２によって覆う。中間樹脂は透明である必要はない。屈折率も光ファイバと近似する必要はない。しかしＰＤやＡＭＰ-ＩＣ、光ファイバに強いストレスを与えてはいけないので硬化した後もある程度柔軟であることが望まれる。中間樹脂３２は例えば熱硬化シリコーン系樹脂、ＵＶ硬化アクリレート系樹脂などが適する。これは透明であって屈折率が光ファイバに近似する樹脂であるが、そのような属性は本発明では必須でない。
【００５１】
さらに金型に入れて外殻樹脂３３を注ぎ熱などをかけて硬化する。この樹脂は外殻形状を決めるものであるから硬化した後の硬度は充分に高いものであることが必要である。先述のように外殻樹脂３３にはエポキシ系樹脂などを用いる。任意の色の顔料を付けて着色することができる。通常は黒の顔料を入れて外部の光を遮断しＰＤに入るのを防ぐようにする。
【００５２】
プラスチックパッケージの受光モジュールができる。樹脂は３重構造であって隙間がない。いたるところの空間が樹脂によって満たされる。樹脂の作用はそれぞれ特異なものである。内部樹脂の屈折率は光ファイバ屈折率と同じでＯＲＬを減少させるという重要な役目がある。中間樹脂は、内部樹脂を封じ込めるという役割があるし、外殻樹脂の歪によって光素子（ＰＤなど）、ＡＭＰなどにストレスがかからないように保護するという役目を持つ。外殻樹脂は、構造物を保持し硬度を与え、形状を保ち外気湿気を遮断するという機能を持つ。外観は図８に示すようであり、断面図は図９に示す。外殻樹脂３３が外部から見える。これは基板に対してリードフレーム３５やフェルール２５など構造物を固定する作用をも持つし、形状を保持する作用もある。さらには水分や外気の内部への侵入を防ぐというような保護作用もある。
【００５３】
ＯＲＬ、感度など特性を測った。ＯＲＬは全温度範囲（−４０℃〜＋８５℃）で、−３５ｄＢ以下であった。−３０ｄＢ以下という目標を軽々と越えている。所期の目的通りである。
【００５４】
感度は１．３μｍ光に対して、０．９Ａ／Ｗで充分に高い。−４０℃〜＋８５℃のヒートサイクルにも耐え、半田耐熱試験にも耐えた。プリント基板に半田リフローで実装した後も感度低下や、クラックの発生も無かった。優れたパッケージ構造であることがわかる。それでいて樹脂封止であるから安価である。表面実装なので小型軽量低コストである。
【００５５】
［実施例２（光送信器）］
図１０、図１１によって本発明を送信装置に適用した場合を説明する。基板４０の上に縦にＶ溝４１を設ける。Ｖ溝４１の延長上に反射溝４２を穿つ。基板４０はその他にメタライズパターンを有する。これは実施例１と同様である。
【００５６】
ＬＤ光を反射してＰＤ４５へ導く反射溝４２と、光ファイバ４３を固定するＶ溝４１が内部樹脂５１を溜めるための凹部となる。光ファイバ４３の先端部をＶ溝４１に挿入する。その延長上の基板面にＩｎＧａＡｓＰ系ＬＤ４４をエピダウンの状態でボンドする。これが送信光を発生するＬＤである。反射溝４２の上方には裏面入射型のＰＤ４５が取り付けてある。このＰＤ４５はＬＤ４４のパワーを監視するためのモニタ用ＰＤである。
【００５７】
光ファイバ・ＬＤ間、ＬＤ・モニタＰＤ間に内部樹脂５１（例えばＵＶ硬化シリコーン系樹脂）を充填した。これは屈折率が光ファイバと同じであり透明だという条件を満たす樹脂である。内部樹脂５１はＶ溝４１や反射溝４２に注入し基板面ぎりぎりまで満たすように分量を調節する。だから基板面上へ流出しない。これを紫外線によって硬化した。硬化したといってもゲル状で柔らかい。
【００５８】
その後中間樹脂５２（例えば熱硬化シリコーン系樹脂、あるいはＵＶ硬化アクリレート系樹脂）で光学系を覆った。中間樹脂５２はＬＤ４４全体、ＰＤ４５全体、光ファイバ４３の一部、基板面の一部を覆う。リードフレームに載せてメタライズパターンとリードフレームのピンを接続する。
【００５９】
さらに図１１に示すように、プラスチックのパッケージ５６に収納してから、空間を外殻樹脂（例えばエポキシ系樹脂）５３で充填した。これは外殻がプラスチックパッケージ５６であり、その内部がエポキシ系樹脂５３ということになる。エポキシ系樹脂５３は基板とリードフレーム５５とフェルール５０を固定する。ＬＤ４４に駆動電流を与えると、ＬＤはパルス信号光を発生する。信号光の一部は前へ進行して光ファイバ４３に入る。信号光の一部は後ろへ抜けて溝４２の反射面４６にあたりモニタＰＤ４５に裏面から入射し検知される。モニタＰＤ４５はＬＤの出力を一定に保つためのものである。
【００６０】
ＰＤの実施例１と同じように、初期特性、ヒートサイクル後、半田リフロー後も良好な特性を示した。
【００６１】
特にＬＤの場合は、自分の発光光がファイバの端面で反射して戻ってきて動作が不安定になる心配があったが、本発明の実施例では、２．５ＧＨｚ、１ｍＷ出力で何ら問題を生じなかった。
【００６２】
［実施例３（光受信器）］
平面基板状の凹部というのは積極的に造形したものだけでなく、素子の配列によって実質的に凹部になっているというような場合であっても良い。素子配列によって実質的凹部が形成されていれば、これを内部樹脂の溜めとして巧みに有効利用することができる。図１、図２に簡単な表面実装の従来例（光受信器）を示したが、これに対して本発明の３層樹脂構造を適用した実施例を次に述べる。共通する部品については図１、図２と同じ記号を用いた。図１２は一部横断平面図、図１３は長手方向中央縦断面図、図１４は横方向縦断面図である。ただしリードフレームの図示は略している。
【００６３】
縦型金属パッケージではなくて、全体が平坦なＳｉベンチ１の上に構成されている。平面状の縦長Ｓｉベンチ１に中心縦方向に大Ｖ溝２、小Ｖ溝３を穿つ。大Ｖ溝２にフェルール４を挿入し、小Ｖ溝３には光ファイバ５を挿入する。フェルール４、光ファイバ５は接着剤によってＶ溝２、３に固定される。小Ｖ溝３の終端が側方に露呈するようにＳｉベンチ１の前方を低く削り、段部６としてある。段部６には光素子、ここではＰＤ７をマウントしてある。側方から光が入るから、このＰＤは導波路型ＰＤである。水平に広がった受光層８を持ち、その上に導波路が形成されている。受信光は横から受光層８に入って感受される。
【００６４】
リードフレーム（図示しない）を付けてパターンとリードフレームのピンをワイヤボンディング（図示しない）する。ここまでは図１、図２のものと同様である。Ｖ溝３と段部６とＰＤ７によって光ファイバ端とＰＤ７の間に狭い空間が区切られる。
【００６５】
内部樹脂として使われる樹脂は表面張力があるから実質的な凹部によって閉じ込められる。ＵＶ硬化シリコーン系樹脂などの内部樹脂６１によって光ファイバ端とＰＤ間をうずめる。ＵＶによってこれを硬化させる。まだ内部樹脂がゲル状であるが、さらに熱硬化シリコーン系樹脂や、ＵＶ硬化アクリレート系樹脂よりなる中間樹脂６２によって覆う。中間樹脂６２はフェルール４の半ばまで、ＰＤ７の全体と基板１の半ばを被覆する。さらに外殻樹脂６３で基板やリードフレームを覆うようにし素子の全体を角型に造形する。この実施例では光ファイバを位置決めするＶ溝と、ＰＤと光ファイバの高さを合わせるために付けた段部６が実質的に作る凹部を、硬化前の流動性のある内部樹脂の実質的容器として利用している。
【００６６】
もちろん本発明は、送信部と受信部が一体化された光送受信モジュールにも同様に適用することができる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明は、光ファイバ・光導波路と光素子の間の基板面に凹部を設け、光ファイバ・光導波路と全温度範囲で屈折率の近似した流動性のある透光性の内部樹脂を凹部にこぼれないように入れて硬化し、その上を柔軟性のある中間樹脂によって覆い、更に硬度のある外殻樹脂によって基板と中間樹脂、光ファイバ・光導波路を覆い外形を与えるようにした樹脂三重構造の光学装置を提案する。
本発明によれば、光ファイバと樹脂間での反射戻り光の少ない、温度変動があっても安定に動作する表面実装モジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバ・光素子間が空気である従来例にかかる表面実装型受信モジュールの平面図。
【図２】光ファイバ・光素子間が空気である従来例にかかる表面実装型受信モジュールの縦断面図。
【図３】光ファイバ・光素子間が樹脂によって満たされている従来例にかかる表面実装型受信モジュールの平面図。
【図４】光ファイバ・光素子間が樹脂によって満たされている従来例にかかる表面実装型受信モジュールの縦断面図。
【図５】光ファイバ端に３種類の透明樹脂（ＵＶ硬化アクリレート系樹脂、熱硬化シリコーン系樹脂、ＵＶ硬化シリコーン系樹脂）を接触させた場合のＯＲＬの温度変化を示すグラフ。
【図６】光受信器に本発明を適用した実施例１の樹脂塗布前の基板状態の斜視図。
【図７】光受信器に本発明を適用した実施例１の樹脂塗布後のモジュールのＰＤ付近の縦断面図。
【図８】光受信器に本発明を適用した実施例１の全体の斜視図。
【図９】光受信器に本発明を適用した実施例１の断面図。
【図１０】光送信器に本発明を適用した実施例２の断面図。
【図１１】光送信器に本発明を適用した実施例２の平面図。
【図１２】光受信器に本発明を適用した実施例３の一部横断平面図。
【図１３】光受信器に本発明を適用した実施例３の長手方向縦断面図。
【図１４】光受信器に本発明を適用した実施例３の横方向縦断面図。
【符号の説明】
１Ｓｉベンチ
２大Ｖ溝
３小Ｖ溝
４フェルール
５光ファイバ
６段部
７ＰＤ
８受光層
９透光性樹脂
１１基板
１２下段部
１３上段部
１４横溝
１５後面部
１６大Ｖ溝
１７小Ｖ溝
１８小溝
１９メタライズパターン
２０メタライズパターン
２１メタライズパターン
２２メタライズパターン
２５フェルール
２６光ファイバ
２７ＰＤ
２８前置増幅ＩＣ
２９キャパシタ
３０キャパシタ
３１内部樹脂
３２中間樹脂
３３外殻樹脂
３５リードフレーム
４０基板
４１Ｖ溝
４２反射溝
４３光ファイバ
４４ＬＤ
４５ＰＤ
４６反射面
５０フェルール
５１内部樹脂
５２中間樹脂
５３外殻樹脂
５５リードフレーム
５６パッケージ
６１内部樹脂
６２中間樹脂
６３外殻樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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