(57)【要約】  【課題】  アンテナ集積素子をシリコン半球レンズの平面上に実装するボンデイング工程を容易にする、アンテナ集積素子の位置決め精度を向上させる、実装時の応力の影響を回避する。  【解決手段】  シリコン半球レンズ２の平面上にサブマウント４を配置し、そのサブマウント４の上にアンテナ集積素子３を搭載する。サブマウント４は、シリコン半球レンズ２と同一材質のシリコン平板からなり、頂点がシリコン半球レンズ２の平面部外周縁に重なり、上面にアンテナ集積素子３の搭載位置を示すマーク９が形成されている。シリコン半球レンズ２は筺体１の装着穴１ａ内に接着剤１０で接合する。【選択図】  図１
2005064986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体に装着された誘電体半球レンズと、該誘電体半球レンズの平面上に配置されたサブマウントと、該サブマウント上に搭載されたアンテナ集積素子とを少なくとも含み、入力又は出力する電磁波が前記アンテナ集積素子のアンテナに対し前記誘電体半球レンズを介して準光学的に結合される準光学結合型モジュールであって、
前記サブマウントは、前記誘電体半球レンズと同一材質の平板からなり、頂点もしくは外周縁が前記誘電体半球レンズの平面部外周縁に重なる寸法の前記頂点もしくは前記外周縁を含み、且つ一方の面に前記アンテナ集積素子の搭載位置を示すマークが形成されていることを特徴とする準光学結合型モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の準光学結合型モジュールにおいて、
前記誘電体半球レンズの平面部から半球部に向かう方向の力を前記筺体が支えるように、前記誘電体半球レンズを前記筐体に支持する接合手段を有することを特徴とする準光学結合型モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波やサブミリ波とアンテナ集積素子とを準光学的に結合させる構造のモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ミリ波やサブミリ波などの超高周波信号は、通信や計測などの様々な分野で利用されている。高周波信号を放射ないしは検出するためには、一般にアンテナが用いられる。アンテナの寸法は扱う信号の波長に比例しており、ミリ波では１０ｍｍ以下、サブミリ波では１ｍｍ以下と非常に小さくなる。このような周波数領域では、導波管技術と並んで、いわゆる準光学結合系が用いられている。準光学結合系では、電波の伝搬を可視光などと同様の幾何光学で取り扱うため、誘電体レンズが多用される。
【０００３】
図９は誘電体レンズとしてのシリコン半球レンズ５１，５１Ａとアンテナを集積した微少寸法のアンテナ集積素子（アンテナをもつ発振器や検波器）５２との関係を示す従来例の図である。図９(a)ではシリコン半球レンズ５１によりアンテナ集積素子５２に対して平面波を入出力させることが可能となる。また図９(b)ではシリコン半球レンズ５１Ａによりアンテナ集積素子５２に対して一定の広がり角をもつ電波を入出力させることが可能となる。具体的には、例えば、非特許文献１に記載されている素子では、図１０(a)に示すように、アンテナ集積素子５２としてアンテナとフォトダイオードを集積した素子を使用し、これをシリコン半球レンズ５１上に実装し、ミリ波を出力させるようにしている。
【非特許文献１】Aヒラタ他著、「集積化フォトニックトランスミッタ用の１２０ＧＨｚミリ波アンテナの設計と特性評価」、マイクロ波の理論と技術のＩＥＥＥ会報、第４９巻、１１号、２１５７−２１６２頁、２００１年１１月（A．Hirata,et al "Design and Characterization of a 120-GHz Millimeter-Wave Antenna for Integrated Photonic Transmitters",IEEET Trans. Microwave Theory and Techniques,pp.2157-2162,VOL.49,NO.11,NOVEMBER 2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、以上のような構成の準光学結合型モジュールを作製する上では、これまでいくつかの問題点があった。まず、加工技術上の問題から、シリコン半球レンズ５１の平面上に直接的にアンテナ集積素子５２の位置を決めるためのマークを形成することが困難であるため、そのアンテナ集積素子５２をシリコン半球レンズ５１の平面の中心に正確に配置することが困難であった。
【０００５】
また、このような寸法の小さいアンテナ集積素子５２に対し、図１０(b)に示すように、配線５３を接続する際には、いわゆるワイヤボンデイングという手法が用いられるが、シリコン半球レンズ５１の厚さが厚いため、このようなモジュールを通常のワイヤボンデイング装置へ装着することが困難であった。
【０００６】
さらに、シリコン半球レンズ５１は、図１０(b)に示すように、通常、接着剤５４で筐体５５の装着穴５５ａの下部に固定されるが、実装時に加わる応力により接着部分の剥離が生じてしまうという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上述の従来技術における問題点を解消するものであって、アンテナ集積素子を誘電体半球レンズの平面上に実装する際のボンデイング工程が容易になり、かつアンテナ集積素子の位置決め精度を向上させることができ、さらに実装時の応力の影響を回避できるようにした準光学結合型モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１にかかる発明は、筐体に装着された誘電体半球レンズと、該誘電体半球レンズの平面上に配置されたサブマウントと、該サブマウント上に搭載されたアンテナ集積素子とを少なくとも含み、入力又は出力する電磁波が前記アンテナ集積素子のアンテナに対し前記誘電体半球レンズを介して準光学的に結合される準光学結合型モジュールであって、前記サブマウントは、前記誘電体半球レンズと同一材質の平板からなり、頂点もしくは外周縁が前記誘電体半球レンズの平面部外周縁に重なる寸法の前記頂点もしくは前記外周縁を含み、且つ一方の面に前記アンテナ集積素子の搭載位置を示すマークが形成されていることを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の準光学結合型モジュールにおいて、前記誘電体半球レンズの平面部から半球部に向かう方向の力を前記筺体が支えるように、前記誘電体半球レンズを前記筐体に支持する接合手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１にかかる発明によれば、サブマウントを使用するので、アンテナ集積素子の誘電体半球レンズの平面上への位置決め精度を向上させることでき、またそのアンテナ集積素子を実装する際のボンデイング工程も容易になり、請求項２にかかる発明によれば、実装時の応力の影響を回避することができ、いずれも準光学結合型モジュールの作製技術を向上させることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明では、アンテナ集積素子をシリコン半球レンズの平面上に直接搭載するのではなく、そのシリコン半球レンズの平面部に平面状のシリコンのサブマウントをその頂点もしくは外周縁がシリコン半球レンズの平面部外周縁に重なるように搭載し、そのサブマウントに形成したマークの位置にアンテナ集積素子を搭載することで、アンテナ集積素子の搭載位置精度の向上を図ると共に、アンテナ集積素子の配線のボンディング工程を容易にする。また、シリコン半球レンズの平面部から半球部に向かう方向の力を筺体が支えるように、シリコン半球レンズを筐体に支持する接合手段を具備させることにより、実装時の応力の影響を回避する。以下、本発明の実施例を詳しく説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は超高周波光信号をミリ波無線信号に変換する実施例１の準光学結合型モジュールの構造を示す断面図である。図１において、１は筺体、２は筺体１の装着穴１ａに装着されたシリコン半球レンズ、３はアンテナやフォトダイオード等を集積したアンテナ集積受光素子、４はシリコン平板からなる長方形のサブマウントである。５〜７はアンテナ集積受光素子３に光信号を入射させるためのレンズシステムであり、５はレンズ、６はレンズ保持部品、７は光ファイバである。８は筺体１の上部を閉じる筺体蓋、９はワイヤボンディングされる配線、１０は装着穴１ａとシリコン半球レンズ２を接合する接着剤である。光ファイバ７から導入された超高周波光信号は、レンズ５によってアンテナ集積受光素子３のフォトダイオードに照射されてそこで光電変換され、アンテナからミリ波無線信号として放射され、シリコン半球レンズ２により出射される。
【００１２】
ここで、レンズ保持部品６は同軸状のスリーブを用いてレンズ５を３軸方向に位置調整可能な構成としているが、同様に３軸方向の位置調整を実現できれば、他の構成であっても構わない。なお、アンテナ集積受光素子３からの配線９を筐体１の外部へ取り出すためのコネクタ部分は記載を省略している。
【００１３】
図２はシリコン半球レンズ２の部分の上面を示す図であり、長方形のサブマウント４の各頂点はシリコン半球レンズ２の平面部の外周縁と一致する寸法に形成されている。また、サブマウント４の中心付近にアンテナ集積受光素子３を実装するための位置合わせマーク１１が形成されている。マーク１１の形成はサブマウント４に対し通常の半導体プロセスを用いることでサブミクロンの精度で実行することが可能である。また電波の入出力に影響を与えないためには、このマーク１１は金属膜ではなく誘電体膜やシリコン基板そのものをエッチングで加工して溝などを形成することにより実現するのが好適である。このようなマーク１１を予めシリコン基板上に多数一括して形成した後に、そのシリコン基板を通常のダイシング工程により各々のサブマウント４に切断分離する。
【００１４】
次に、図２に示すように、サブマウント４上に実体顕微鏡下でアンテナ集積受光素子３を実装し、この状態で予め設けておいた接続用端子部１２に配線９のワイヤボンデイングを行う。この工程は、通常のシリコン基板上に形成された素子に対するワイヤボンデイングと同様であり、装置の改造や特別の治具を用意することなく実行できる。
【００１５】
そしてこのサブマウント４をシリコン半球レンズ２の平面部に接着剤等で固定する。その際、サブマウント４の各頂点がシリコン半球レンズ２の平面部の外周縁と一致する寸法に形成されているので、サブマウント４の各頂点がシリコン半球レンズ２の平面部の外周縁にくるように位置調整するだけで、アンテナ集積受光素子３をシリコン半球レンズ２の平面の中心部に配置させることができ、位置合わせ精度が著しく向上する。ここで、サブマウント４はシリコン半球レンズ２と同一のシリコン材料であるため、両者の接合界面における誘電率差による電波の反射等の問題は生じない。なお、シリコン半球レンズ２の焦点位置は、サブマウント４の厚さ分だけ補正しておけば良い。このように、実施例１によればアンテナ集積受光素子３に対するボンデイング工程を通常の装置で容易に実行でき、かつアンテナ集積受光素子３の位置合わせ精度を向上させることができ、また実装時の応力の影響を回避することもできる。
【００１６】
なお、サブマウント４の形状は、図３(a)に示す六角形等の多角形、図３(b)に示す円形、図３(c)に示す一部がシリコン半球レンズ２と同じ円弧、もしくはこれらの組合せであっても良い。それらの中で、正方形および長方形は、ダイシングソーで容易にかつ無駄なく切断加工できるので好適である。
【００１７】
以上の後、サブマウント４の接続端子部１２から筐体１上の電極端子（図示ぜす）に配線を行うが、接続端子部１２上の出力側電極を大きくしておけば、ワイヤボンデイングを用いずに通常のハンダ付けなどの工程で配線ができる。最後にレンズ５等の光学系を溶接して準光学結合型モジュールが完成する。
【実施例２】
【００１８】
図４はミリ波無線信号を電気信号に変換する実施例２の準光学結合型モジュールの構造を示す断面図である。図４において、２１は筺体、２２はシリコン半球レンズ、２３はアンテナやショットキーダイオード等を集積したアンテナ集積検波素子、２４はシリコン平板からなるサブマウント、２８は筺体２１の上部を閉じる筐体蓋、２９はワイヤボンディングされる配線、３０は筺体２１の装着穴２１ａの上縁にシリコン半球レンズ２２を接合する接着剤である。シリコン半球レンズ２２に入射したミリ波無線信号は、アンテナ集積検波素子２３のアンテナで受信で受信されショットキーダイオードで検波されされる。
【００１９】
ここでは、シリコン半球レンズ２２の形状が前記実施例１のシリコン半球レンズ２とは異なっている。また、ミリ波やサブミリ波を検波するためのアンテナ集積検波素子２３としてショットキーダイオードを用いているため、実施例１で示されている光入射の光学系は無い。
【００２０】
シリコン半球レンズ２２には、図５に示すように、その平面部方向から半球部（レンズ）を押すような力に対して、筐体２１が支えとなるようなフランジ２２ａが形成されており、このフランジ２２ａが筐体２１の装着穴２１ａの上縁と接合することで、実装時の応力の影響を緩和することができる。専用の治具を用いれば、予めアンテナ集積検波素子２３を搭載したサブマウント２４をシリコン半球レンズ２２の平面部にマウントした後での配線２９のワイヤボンデイングを実現することも可能となる。また同時に、サブマウント２４に接続用端子部を設けることなく、直接筐体２１に設置された電極端子（図示せず）に配線２９をワイヤボンデイングすることもできる。
【００２１】
また、本実施例では、サブマウント２４上の位置合わせマークとして、図６に示すように、ダイシングソーでけがいた４本のけがき線３１を用いている。このけがき線３１は、ダイシングソーの歯がほんのわずかにサブマウント２４となるシリコン基板の表面に接するようにすることで形成することができる。このようにすることで、シリコン基板上への特別なマーク形成工程を省略することができる。サブマウント２４上に形成したけがき線３１の中心の四角部にアンテナ集積検波素子２３を搭載し、続いてシリコン半球レンズ２２上にそのサブマウント２４を固定する。そして最後に配線２９のワイヤボンデイングを行う。ここで、サブマウント２４の単独状態でワイヤボンデイングを行っておいても良いことはもちろんである。以上のように、実施例２を用いることで、実施例１と同様に、アンテナ集積検波素子２３に対するボンデイング工程を通常の装置で容易に実行でき、かつアンテナ集積検波素子２３の位置合わせ精度を向上させることができ、また実装時の応力の影響を回避することができる。
【００２２】
なお、この実施例２でも、配線２９を筐体外部へ取り出すためのコネクタ部分は記載を省略している。また、シリコン半球レンズ２２を、図７に示すように、レンズ外周面に複数の係合凹部２２ｂを設けたシリコン半球レンズ２２Ａに置き換え、その係合凹部２２ｂを筺体２１の装着穴２１ａに設けた係合凸部２１ｂに係合させることで、そのシリコン半球レンズ２２Ａが筺体２１に支えられるようにしてもよい。このようにシリコン半球レンズ２２，２２Ａと筺体２１の接合手段としては様々な形態を用いることができる。
【実施例３】
【００２３】
なお、シリコン半球レンズ２，２２，２２Ａに搭載するアンテナ集積素子としては、アンテナとフォトダイオードやショットキーダイオード等を集積したアンテナ集積受光素子３やアンテナ集積検波素子２３の他に、アンテナと他の素子、例えば逓倍器、発振器などの電子回路、ミキサーなどを集積した集積素子であっても良い。
【００２４】
また、シリコン半球レンズ２，２２，２２Ａの平面位置の設計としては、図９(a)で説明したように、入出力する電波が平面波になるように焦点位置を決めたり、図９(b)で説明したように、ある１点に集光されるように焦点位置を決めたりすることで所望の機能を実現することが可能である。さらに、球の中心を通る平面のみならず、半球を越えた位置を通る平面を持つ、いわゆる超半球レンズであっても良い。
【００２５】
また、サブマウント４，２４の平面上のマーク位置については、中心位置を決めるための例を示したが、図８に示すように、目的に応じては、中心位置から所望の寸法だけずれた位置を決めるために用いることもできる。
【００２６】
さらに、シリコン半球レンズ２，２２，２２Ａおよびサブマウント４，２４の材質としては、シリコン以外にも、テフロンやポリエチレンなど他の誘電体材料を用いることができる。また、シリコン半球レンズ２，２２，２２Ａの表面には、無反射コートを施すのも好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施例１の準光学結合型モジュールの断面図である。
【図２】実施例１の準光学結合型モジュールのシリコン半球レンズの上面図である。
【図３】(a)〜(c)は実施例１の準光学結合型モジュールのサブマウントの変形例の説明図である。
【図４】実施例２の準光学結合型モジュールの断面図である。
【図５】実施例２の準光学結合型モジュールのシリコン半球レンズの斜視図である。
【図６】実施例２の準光学結合型モジュールのサブマウントの斜視図である。
【図７】実施例２の準光学結合型モジュールのシリコン半球レンズと箱体との係合関係の別の例の説明図である。
【図８】実施例３の準光学結合型モジュールのシリコン半球レンズの説明図である。
【図９】(a)、(b)は従来の準光学結合型モジュールに使用するシリコン半球レンズとそこに搭載するアンテナ集積素子の説明図である。
【図１０】(a)は従来の準光学結合型モジュールに使用するシリコン半球レンズとそこに搭載するアンテナ集積素子の説明図、(b)はそのシリコン半球レンズを筺体に装着した断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１：筺体、１ａ：装着穴
２：シリコン半球レンズ
３：アンテナ集積受光素子
４：サブマウント
５：レンズ
６：レンズ保持部品
７：光ファイバ
８：筺体蓋
９：配線
１０：接着剤
１１：マーク
１２：接続端子部品
２１：筺体、２１ａ：装着穴、２１ｂ：係合凸部
２２，２２Ａ：シリコン半球レンズ、２２ａ：フランジ、２２ｂ：係合凹部
２３：アンテナ集積検波素子
２４：サブマウント
２８：筺体蓋
２９：配線
３０：接着剤
３１：けがき線
【図１】
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【図２】
2005064986.tif 000004
【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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