(57)【要約】【課題】光結合効率のばらつきの少ない光電変換モジュールを提供する。【解決手段】電気配線１２が設けられた素子搭載面１１に開口した挿入孔１５を有する光フェルール１０と、電気配線１２に電気的に接続されるように素子搭載面１１に搭載され電気信号に応じて発光する発光素子２１と、挿入孔１５に挿入された光ファイバ３１とを有し、光ファイバ３１の先端面３３が発光素子２１の光軸Ａｙに直交する方向に対して傾斜しており、光ファイバ３１の光軸Ａｘと発光素子２１の光軸Ａｙが一致している光電変換モジュール１により上記課題が解決される。【選択図】図１
2012145796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気配線が設けられた素子搭載面に開口した挿入孔を有する光フェルールと、
前記電気配線に電気的に接続されるように前記素子搭載面に搭載され電気信号に応じて発光する発光素子と、
前記挿入孔に挿入された光ファイバとを有し、
前記光ファイバの先端面が前記発光素子の光軸に直交する方向に対して傾斜しており、
前記光ファイバの前記光軸と前記発光素子の光軸が一致していることを特徴とする光電変換モジュール。
【請求項２】
前記発光素子と前記光ファイバの前記先端面との間にはアンダーフィルが充填されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換モジュール。
【請求項３】
前記光電変換素子は金属バンプを介して前記電気配線に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信ネットワークの大容量化・高速化やスーパーコンピュータの処理能力の向上に伴い、機器間の電気的接続の伝送速度の限界が懸念されている。この問題を解決するために光インターコネクション技術が注目されている。この技術は、特許文献１等に記載のように、ＬＳＩ等の信号処理装置との接続、あるいは信号処理装置とルータ等の外部インターフェイスとの接続に光電変換モジュールを用いて、機器間の信号を光信号で伝送し、伝送速度を向上させようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−５９８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで特許文献１に記載の光電変換モジュール１００では、図５に示すように、発光素子２１が取り付けられる光フェルール１０の素子搭載面１１１が光ファイバ３１の光軸Ａｘ方向に対して垂直な面から傾斜して形成されており、光ファイバ３１の先端面１３３が光ファイバ３１の光軸Ａｘと直交し、光ファイバ３１の光軸Ａｘと発光素子２１の光軸Ａｙとが傾いていた。このような構成によって、発光素子２１から発光された光が光ファイバ３１の先端面１３３で反射し再び発光素子２１内に入射することを防止し、所謂戻り光雑音の発生を抑制していた。
【０００５】
ところが、このような構成では光ファイバ３１の先端面１３３が所定位置から光ファイバ３１の光軸Ａｘ方向にずれると、発光素子２１から出射される光の一部が光ファイバ３１のコア領域に入射されず、光結合効率が低下する虞があった。したがって、複数の光電変換モジュール１００を作製した場合に、光ファイバ３１の先端面１３３の発光素子２１からの離間距離がばらつくと、光結合効率が大きくばらつき、歩留まりが低下するという問題があった。
【０００６】
また、光ファイバ３１の光軸Ａｘと発光素子２１の光軸Ａｙとが傾いていると、光ファイバ３１の先端面１３３の発光素子２１からの離間距離がばらついたとき、信号品質が劣化しやすいという問題があった。即ち、光ファイバ３１の光軸Ａｘと発光素子２１の光軸Ａｙとが傾いていると、発光素子２１からの光が光ファイバ３１のコア領域のクラッド側に入射されやすくなり、高次モード光に励起されて光ファイバ３１中を伝送され易くなる。このような高次モード光の増大により信号光のモード間での干渉が増大する。その結果、信号光はコア領域において斑点状の強度バラツキを生じ、これがノイズとなって伝送品質を劣化させ（モードスペックルノイズ）、製造時の歩留まりが低下する原因となっていた。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、製造時の歩留まりが高い光電変換モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明によれば以下が提供される。
（１）  電気配線が設けられた素子搭載面に開口した挿入孔を有する光フェルールと、
前記電気配線に電気的に接続されるように前記素子搭載面に搭載され電気信号に応じて発光する発光素子と、
前記挿入孔に挿入された光ファイバとを有し、
前記光ファイバの先端面が前記発光素子の光軸に直交する方向に対して傾斜しており、
前記光ファイバの前記光軸と前記発光素子の光軸が一致していることを特徴とする光電変換モジュール。
（２）  前記発光素子と前記光ファイバの前記先端面との間にはアンダーフィルが充填されていることを特徴とする（１）に記載の光電変換モジュール。
（３）  前記光電変換素子は金属バンプを介して前記電気配線に接続されていることを特徴とする（１）または（２）に記載の光電変換素子モジュール。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、製造時の歩留まりが高い光電変換モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る光電変換モジュールを示す断面図である。
【図２】光ファイバ離間距離と光強度の相関図である。
【図３】光強度のばらつきを示す分布図である。
【図４】マスクマージンのばらつきを示す分布図である。
【図５】従来の光電変換モジュールを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態に係る光電変換モジュールを、図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
＜光電変換モジュール＞
本実施形態に係る光電変換モジュール１は、光フェルール１０と、光フェルール１０に取り付けられる発光デバイス２０と、光フェルール１０に取り付けられて発光デバイス２０からの光信号を伝送する光ファイバ３１とを備える。図１は発光素子２１及び光ファイバ３１を含む断面を示す図であり、本実施形態に係る光電変換モジュール１は、図１の紙面垂直方向にこれらの発光素子２１及び光ファイバ３１が並列に配列されており、電気信号をそれぞれ光信号に変換できるようにされている。
【００１３】
図１に示すように、光フェルール１０は、一側面が素子搭載面１１とされた略直方体状の樹脂成形体である。光フェルール１０に用いることのできる樹脂は、ポリエステル樹脂、ＰＰＳ樹脂あるいはエポキシ樹脂等を例示することができる。
【００１４】
光フェルール１０の素子搭載面１１にはリードフレーム（電気配線）１２が設けられており、リードフレーム１２の端子部１３は素子搭載面１１に隣接する光フェルール１０の一側面（図示の例では上面）１４に回り込んで設けられている。或いは、リードフレーム１２の切断面を端子部１３として用いても良い。このように端子部１３が光フェルール１０の上面１４に形成されていることにより、光フェルール１０が搭載される共通の回路基板に設けられ発光デバイス２０を駆動するＩＣチップと、発光デバイス２０とを、ワイヤボンディング等によって容易に電気的に接続できるようにされている。
【００１５】
また、光フェルール１０には、素子搭載面１１に開口するように挿入孔１５が貫通して設けられている。この挿入孔１５は長手方向が素子搭載面１１と直交するように形成され、光ファイバ３１の光軸Ａｘが素子搭載面１１と直交した状態で挿入孔１５に光ファイバ３１が挿入される。この挿入孔１５の内径は、光ファイバ３１の外径よりも僅かに大きく形成されている。また、光フェルール１０の上面１４から挿入孔１５に連続するようにアンダーフィル４０を導入するための導入孔１６が設けられている。
【００１６】
発光デバイス２０は面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の発光素子２１を有し、その光軸Ａｙが素子搭載面１１に直交するように、即ち光ファイバ３１の光軸Ａｘと発光素子２１の光軸Ａｙが一致するように、素子搭載面１１に取り付けられている。発光デバイス２０は、発光素子２１の発光面２２が光フェルール１０の挿入孔１５の開口に対向した状態で、バンプ２３を介して素子搭載面１１のリードフレーム１２に固定されている。この発光素子２１は図１の紙面と垂直方向にアレイ状に発光デバイス２０に配列されていても良く、アレイ状の場合は、複数の光ファイバ３１へ光信号を送信する。
【００１７】
なお、発光素子２１をリードフレーム１２に搭載する際は、バンプ２３を用いて両者を接続することが好ましい。はんだ付けや導電性接着剤を用いて発光素子２１とリードフレーム１２を電気的に接続することができるが、はんだや導電性接着剤は硬化が完了するまでに変形する虞があり、発光素子２１の光軸Ａｙを光ファイバ３１の光軸Ａｘと一致させた状態で精度良く発光素子２１をリードフレーム１２上に搭載することができないからである。
【００１８】
このように発光素子２１の光軸Ａｙと光ファイバ３１の光軸Ａｘが一致しているため、光ファイバ３１を挿入孔１５内部に挿入する際、先端面３３が所定位置からその光軸Ａｘ方向にずれても発光素子２１からの光がコア領域から外れて放射されることを防止できる。したがって、製造時の光ファイバ３１の先端面３３の発光素子２１に対する離間距離のばらつきがあっても、この離間距離のばらつきが光結合効率に大きく影響しないので、製造時の歩留まりが高い光電変換モジュール１を提供することができる。
【００１９】
また、光ファイバ３１にマルチモードファイバを用いた場合では、光ファイバ３１の先端面３３が所定位置からその光軸Ａｘ方向にずれても、発光素子２１からの光が光ファイバ３１のコア領域のクラッド側に入射されにくくなる。したがって、製造時の光ファイバ３１の先端面３３の発光素子２１に対する離間距離のばらつきがあっても、信号光が高次モードに励起されることを防止でき、モードスペックルノイズによる伝送品質の劣化を防止できる。即ち、製造時の歩留まりが高い光電変換モジュール１を提供することができる。
【００２０】
また、光ファイバ３１の先端面３３は、光ファイバ３１の光軸Ａｘと垂直な方向に対して傾斜されるように形成されている。したがって、光ファイバ３１の先端面３３は、光ファイバ３１の光軸Ａｘに一致した発光素子２１の光軸Ａｙに対して傾斜されていることになる。このように、光ファイバ３１の先端面３３が発光素子２１の光軸Ａｙに対して傾斜しているので、発光素子２１から発光した光が光ファイバ３１の先端面３３で反射されて再び発光素子２１に入射することを防止でき、戻り光雑音が発生しない。
【００２１】
＜離間距離と光強度の相関＞
以上のような図１に示す構造を有する実施例の光電変換モジュール１と、図５に示す構造を有する従来例の光電変換モジュール１００について、光ファイバ３１の先端面３３，１３３と発光素子２１との離間距離Ｌを変化させた時の出力信号の光強度を測定した。その結果を図２に示す。図２では、（数１）に基づいて、光ファイバ３１の先端面３３，１３３と発光素子２１とを密着させた状態（離間距離Ｌ＝０）の時のそれぞれの光強度Ｐ０に対し、離間距離Ｌを広げた時の光強度ＰＮを、光強度比の対数Ｐ［ｄＢ］としてプロットしている。図中の実線が実施例の光電変換モジュール１の光強度を示し、図中の点線が従来例の光電変換モジュール１００の光強度を示している。
【００２２】
（数１）  Ｐ＝１０×Ｌｏｇ１０（ＰＮ／Ｐ０）  ［ｄＢ］
【００２３】
なお、図１に示す実施例の光電変換モジュール１では、光ファイバ３１の光軸Ａｘと発光素子２１の光軸Ａｙを一致させ、かつ、光ファイバ３１の先端面３３が発光素子２１の光軸Ａｙに直交する方向に対して８度傾斜させている。一方、従来例の光電変換モジュール１００では、光ファイバ３１の光軸Ａｘを発光素子２１の光軸Ａｙに対して８度傾斜させ、かつ、光ファイバ３１の先端面１３３を発光素子２１の光軸Ａｙに対して直交させている。
【００２４】
図２より、光ファイバ３１の先端面３３，１３３と発光素子２１との離間距離Ｌが大きくなるにつれて低下する光強度の低下度合いが、実施例の光電変換モジュール１の方が従来例の光電変換モジュール１００よりも小さいことが確認できた。具体的には、光強度が３ｄＢ低下する離間距離Ｌは、実施例の光電変換モジュール１と従来例の光電変換モジュール１００とで５０μｍの差が認められた。
【００２５】
このことは、実施例の光電変換モジュール１では、離間距離Ｌが変動しても光強度の変動幅が小さく、光強度のばらつきが離間距離Ｌのばらつきに影響されにくいことを示している。したがって、光電変換モジュール１の製造時に、光ファイバ３１の先端面３３の位置決めに高い精度が要求されないことを意味する。よって、本実施形態に係る光電変換モジュール１は、従来例に係る光電変換モジュール１００よりも光強度のばらつきを少なく製造することができる。
【００２６】
＜光強度のばらつき＞
図３は、発光素子２１と光ファイバ３１と先端面３３，１３３との離間距離Ｌを４０μｍに設定し、上述の図１の構造の実施例及び図５に示す構造の従来例について複数のサンプルを作製し、その光強度のばらつきを示したものである。図３の横軸は、（数２）に基づいて、１ｍＷを基準としたときの光強度ＱＮ［ｍＷ］を、光強度比の対数Ｑ［ｄＢｍ］としてプロットしている。縦軸はサンプル数を示す。図中の白抜きの棒グラフは実施例のサンプル数を、ハッチングされた棒グラフは従来例のサンプル数を示している。
【００２７】
（数２）  Ｑ＝１０×Ｌｏｇ１０（ＱＮ／１）  ［ｄＢｍ］
【００２８】
図３に示すように、実施例のサンプルの光強度は５．０〜５．５［ｄＢｍ］の範囲に集中的に分布しており、０．０〜０．５［ｄＢｍ］と０．５〜１．０［ｄＢｍ］の範囲に同数程度分布している従来例のサンプルの光強度と比較して、光強度のばらつきが小さいことが確認できた。また、従来例のサンプルの光強度は−０．５〜１．０［ｄＢｍ］の間に分布し、実施例のサンプルの光強度は４．０〜６．０［ｄＢｍ］の間に分布する。したがって、全体的に実施例のサンプルの方が従来例のサンプルよりも光強度が大きいことが確認できた。
【００２９】
＜アンダーフィルの影響＞
ところで、以上のような光電変換モジュール１において、外部からの異物の侵入を防止し、かつ、光ファイバ３１を光フェルール１０に安定的に固定するため、光ファイバ３１の先端面３３と発光素子２１との間にアンダーフィル４０が充填されることがある。このアンダーフィル４０は熱硬化性の樹脂接着剤である。
【００３０】
このアンダーフィル４０は、硬化前の液状の樹脂接着材を導入孔１６から導入し、光ファイバ３１の挿入孔１５への挿入に伴って光ファイバ３１の先端面３３により素子搭載面１１、発光デバイス２０及び光ファイバ３１の先端面３３に囲まれる空間Ａに押し出し、光ファイバ３１を所定位置まで挿入したら光電変換モジュール１全体を加熱して樹脂接着剤を硬化させることにより形成される。
【００３１】
樹脂接着剤を硬化させるために加熱する時、光ファイバ３１の線膨張係数は樹脂製の光フェルール１０の線膨張係数よりも低いため、光ファイバ３１が光フェルール１０に対して相対移動し、光ファイバ３１の先端面３３と発光素子２１との離間距離Ｌが変動してしまうことがある。この影響は光ファイバ３１が、コア及びクラッドともにガラスからなるガラスファイバであるときに顕著に表れる。
【００３２】
このため、図５に示す従来例に係る光電変換モジュール１００においては、発光素子２１からの光が光ファイバ３１のコア領域から外れて放射されてしまい、更に光結合効率が低下してしまう虞があった。しかし、図１に示す本実施形態に係る光電変換モジュール１によれば、上述の如く離間距離Ｌが変動しても光結合効率が低下しにくい。また、発光素子２１からの光が光ファイバ３１のコア領域のクラッド側に入射されにくくなるから、モードスペックルノイズによる伝送品質の劣化を防止できる。
【００３３】
上記図２，３の時と同様に、図１の構造を有する実施例の光電変換モジュール１と、図５の構造を有する従来例の光電変換モジュール１００についてそれぞれ複数のサンプルを作製し、アンダーフィル４０の充填後硬化前と硬化後のマスクマージンを測定した。その結果を表１に示す。
【００３４】
なお、マスクマージンとは光ファイバ中を伝搬される光信号の複数の波形が互いにどれほどの明瞭さで識別可能かを表す伝送品質の指標であり、光結合効率とも関連する指標である。光結合効率が低下し光ファイバ３１の先端面３３のうちコア領域の外側のクラッド領域側に発光素子２１からの光が入射し易くなると、高次モード光が励起され易くなり、光ファイバ３１中にモードスペックルノイズが生じ、このマスクマージンが低下する。
【００３５】
表１中では、ＩＴＵ―Ｔが定める１０ＧＢＡＳＥ−ＳＥマスク規格のマスクマージンを満たす波形をマスクマージン０％とした。マスクマージンが大きいほど伝送品質のよい波形を出力することを意味する。なお、表１中の合格率とは、マスクマージンが０％以上の合格品質の波形を出力するサンプル数を、実施例及び従来例それぞれの全サンプル数で除した数値である。
【００３６】
【表１】
2012145796.tif 000003
【００３７】
まず、アンダーフィル４０の充填後硬化前において、実施例に係るサンプルと従来例に係るサンプルとで合格率に差が生じている理由は、上述の説明の如く、実施例に係るサンプルのマスクマージンは、従来例に係るサンプルのマスクマージンよりも、離間距離Ｌのばらつきによって影響されにくいため、実施例に係るサンプルの方がマスクマージンの低下の度合いが小さいと考えられる。
【００３８】
また、アンダーフィル４０の硬化前と硬化後を比較すると、上述の考察の如く、従来例に係るサンプルではマスクマージンが劇的に低下してしまい、一方、実施例に係るサンプルではマスクマージンの低下の度合いが小さいことが確認できた。特に、実施例に係るサンプルではアンダーフィル硬化後も合格率１００％を維持できることから、本実施形態の構造を有する光電変換モジュールは製造時の歩留まりが極めて高いことが確認された。
【００３９】
＜マスクマージンのばらつき＞
次に、上記のように作製した複数のサンプルを用いて、各々の光電変換モジュール１，１００の出力波形のマスクマージンのばらつきを測定した。その結果を図４に示す。図中の横軸はマスクマージンを表し、縦軸はサンプル数である。
【００４０】
図４に示すように、実施例の光電変換モジュール１のマスクマージンは５〜４５％の範囲に収まっており、特に２５〜３０％に集中的に分布しているので、−３５〜２５％の範囲に分布する従来例に係る光電変換モジュール１００のマスクマージンよりも、ばらつきが小さいことが確認できた。また、実施例の光電変換モジュール１のマスクマージンは全体的に従来例に係る光電変換モジュール１００のマスクマージンよりも大きい。したがって、マスクマージンの大きい光電変換モジュールを安定的に提供することができることが確認できた。
【符号の説明】
【００４１】
１０：光フェルール、１１：素子搭載面、１２：リードフレーム（電気配線）、１５：挿入孔、２０：光電変換デバイス、２１：光電変換素子、２３：バンプ、３１：光ファイバ、３３：先端面、４０：アンダーフィル
【図１】
2012145796.tif 000004
【図２】
2012145796.tif 000005
【図３】
2012145796.tif 000006
【図４】
2012145796.tif 000007
【図５】
2012145796.tif 000008