(57)【要約】      （修正有）【課題】光ファイバと光素子間の光結合を簡略化でき、小型化および低コスト化が可能な光デバイスおよび光結合モジュールを提供する。【解決手段】光結合モジュールは、半導体基板１０の第１主面１０Ｃから厚さ方向の途中まで空けられたビア１０Ａと、ビア１０Ａ内に固定された光ファイバ１１と、半導体基板１０の第１主面１０Ｃと対向する第２主面１０Ｄ上に配置された光素子２０とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の第１主面と対向する第２主面上に直接設けられた光素子と、
前記光素子に位置合わせされ、前記半導体基板の前記第１主面から厚さ方向の途中まで空けられたビアと、
を具備することを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記光素子が化合物半導体材料からなり、該化合物半導体材料が前記半導体基板とは別の化合物半導体基板上の結晶成長層を含み、前記化合物半導体材料が前記半導体基板に張り合わされて光素子能動部を形成してなることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
半導体基板の第１主面から厚さ方向の途中まで空けられたビアと、
前記ビア内に固定された光ファイバと、
前記半導体基板の前記第１主面と対向する第２主面上に配置された光素子と、
を具備することを特徴とする光結合モジュール。
【請求項４】
前記光素子は、前記半導体基板の前記第２主面上に直接設けられた化合物半導体を含むことを特徴とする請求項３に記載の光結合モジュール。
【請求項５】
前記光素子は、前記半導体基板の前記第２主面に設けられた結晶成長層を含むことを特徴とする請求項３に記載の光結合モジュール。
【請求項６】
前記光素子は、前記光ファイバの光軸上に配置されていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の光結合モジュール。
【請求項７】
前記光素子として回折格子が設けられ、前記回折格子は前記光ファイバの光軸上に配置されており、
前記回折格子によって曲げられた光を前記光素子に導く光導波路をさらに具備することを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の光結合モジュール。
【請求項８】
前記光ファイバの端部と前記ビアの底面との間に配置されたボールレンズをさらに備えることを特徴とする請求項３乃至７のいずれかに記載の光結合モジュール。
【請求項９】
前記ビアの底面は凸面形状を有することを特徴とする請求項３乃至８のいずれかに記載の光結合モジュール。
【請求項１０】
前記ビアの底面は円錐形状を有することを特徴とする請求項３乃至８のいずれかに記載の光結合モジュール。
【請求項１１】
前記ビア間に配置され、前記光ファイバからの光を遮断する溝をさらに備えることを特徴とする請求項３乃至１０のいずれかに記載の光結合モジュール。
【請求項１２】
前記光ファイバを除く前記第１主面上の少なくとも一部を覆い、前記光ファイバもしくは前記光素子から散逸する光を吸収する樹脂をさらに備えることを特徴とする請求項３乃至１１のいずれかに記載の光結合モジュール。
【請求項１３】
ビアの孔径は、前記半導体基板の前記第１主面から深さ方向に向かって徐々に細くなるテーパ形状を少なくとも一部に有することを特徴とする請求項３乃至１２のいずれかに記載の光結合モジュール。
【請求項１４】
前記ビアの開口部の形状は、前記光ファイバの側面に接しない領域を有することを特徴とする請求項３乃至１３のいずれかに記載の光結合モジュール。
【請求項１５】
半導体基板の第１主面と対向する第２主面上に直接設けられた光素子と、
前記光素子に位置合わせされ、前記半導体基板の前記第１主面から厚さ方向の途中まで空けられたビアと、
前記ビア内に設けられたレンズと、
前記半導体基板の前記第１主面上に設けられ、前記光素子の光軸上に光ファイバを配置するホルダーと、
を具備することを特徴とする光結合モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、発光または受光機能を有する光デバイスおよびその光ファイバとの光結合を行う光結合モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを用いた光通信においては、光ファイバと光素子（発光素子または受光素子）を光結合した光送受信モジュール（以下、光結合モジュール）が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３７２３１７７号公報
【特許文献２】特許第３８８４１５５号公報
【特許文献３】特開２０１５−２２２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光ファイバと光素子間の光結合を簡略化でき、小型化および低コスト化が可能な光デバイスおよび光結合モジュールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の光デバイスは、半導体基板の第１主面と対向する第２主面上に直接設けられた光素子（発光素子または受光素子）と、前記光素子の発光または受光の光軸に位置合わせされ、前記半導体基板の第１主面から厚さ方向の途中まで空けられたビア（以下、ブラインドビア、または単にビア）を具備する。また、実施形態の光結合モジュールは、前記光デバイスの前記ビア内に固定された光ファイバを更に具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、第１実施形態に係る光デバイスおよび光結合モジュールの構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る光デバイスおよび光結合モジュールの構成例（１）を示す断面図である。
【図３】図３は、第１実施形態に係る光結合モジュールの構成例（１）の他例を示す断面図である。
【図４】図４は、第１実施形態に係る光結合モジュールの構成例（２）を示す断面図である。
【図５】図５は、第１実施形態に係る光結合モジュールの構成例（３）を示す断面図である。
【図６】図６は、第１実施形態に係る光結合モジュールの構成例（４）を示す断面図である。
【図７】図７は、第１実施形態に係る光結合モジュールの構成例（５）を示す断面図である。
【図８】図８は、第１実施形態に係る光結合モジュールの構成例（６）を示す断面図である。
【図９】図９は、第１実施形態に係る光結合モジュールの構成例（７）を示す断面図である。
【図１０】図１０は、第１実施形態に係る光結合モジュールの構成例（８）を示す断面図である。
【図１１】図１１は、第１実施形態に係る光結合モジュールの構成例（９）を示す断面図である。
【図１２】図１２は、第１実施形態に係る光結合モジュールの構成例（１０）を示す断面図である。
【図１３】図１３は、第１実施形態に係る光結合モジュールの構成例（１１）を示す断面図である。
【図１４】図１４は、第１実施形態に係る光結合モジュールにおけるブラインドビアの断面図である。
【図１５】図１５は、第１実施形態に係る光結合モジュールにおけるブラインドビアの断面図である。
【図１６】図１６は、第１実施形態に係る光結合モジュールにおけるブラインドビアの断面図である。
【図１７】図１７は、第１実施形態に係る光結合モジュールにおけるブラインドビアの孔形状を示す平面図である。
【図１８】図１８は、第２実施形態に係る光結合モジュール装置（１）を示す図である。
【図１９】図１９は、第２実施形態に係る光結合モジュール装置（２）を示す図である。
【図２０】図２０は、第２実施形態に係る光結合モジュール装置（３）を示す図である。
【図２１】図２１は、第２実施形態に係る光結合モジュール装置（４）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、共通する参照符号を付す。
【０００８】
［１］第１実施形態
第１実施形態の光デバイスおよび光結合モジュールの構成について説明する。
【０００９】
［１−１］光デバイスおよび光結合モジュールの構成
図１（ａ）は、第１実施形態の光デバイスの構成を示す斜視図である。また、図１（ｂ）は図１（ａ）の光デバイスに光ファイバが装着された光結合モジュールを示す斜視図である。
【００１０】
図１（ａ）に示すように、光デバイスは、半導体基板、例えばシリコン基板１０に、単一または複数の光素子（発光素子または受光素子または回折格子等、不図示）が形成され、光素子の形成された面の反対側の面にはブラインドビア（またはファイバソケット）１０Ａが光素子の光の通る場所（例えば、光素子が発光素子または受光素子の場合は発光部または受光部）に位置合わせされて形成されている。さらに、シリコン基板１０の縁部分の４つの角付近には、貫通ビア１０Ｂが設けられている。これら貫通ビア１０Ｂは、例えば光デバイスの固定に使用することができる。ここで、光素子とは、発光素子や受光素子など電気信号を光信号に変換する素子または光信号を電気信号に変換する素子に限定されず、光の進行方向を変える素子または光を反射する素子を含む。
【００１１】
また、本実施形態においては、説明の便宜上、ＸＹＺ直交座標系を導入する。この座標系においては、シリコン基板１０の主面に対して平行な方向であって相互に直交する２方向をＸ方向及びＹ方向とし、これらＸ方向及びＹ方向の双方に対して直交する方向をＺ方向とする。
【００１２】
光デバイスの外形寸法は、例えば、ブラインドビア１０Ａの配列方向（Ｘ方向）が３．５ｍｍ、ブラインドビア１０Ａの配列方向と直交する方向（Ｙ方向）が１ｍｍ、ブラインドビア１０Ａの深さ方向（Ｚ方向）が０．７３ｍｍである。
【００１３】
また、図１（ｂ）に示すように、光結合モジュールは、上記光デバイスのブラインドビア１０Ａ内に光ファイバ１１が挿入され、光ファイバ１１がシリコン基板１０に透明樹脂１２等により固定されている。光ファイバ１１には、光ファイバ１１を覆う被覆部１３が設けられている。ブラインドビア１０Ａ、光ファイバ１１、及び光素子の詳細は後述する。
【００１４】
なお、本実施形態では、半導体基板としてシリコンを用いたが、シリコン以外の半導体基板を用いてもよい。
【００１５】
［１−１−１］光デバイスおよび光結合モジュールの構成例（１）
次に、光デバイスおよび光結合モジュールにおけるブラインドビア１０Ａ、光ファイバ１１、及び光素子を含む光結合構造の詳細について説明する。
【００１６】
図２（ａ）は、図１（ａ）に示した光デバイスにおけるブラインドビアを横断する部分の断面図である。この図２（ａ）を含む以降のブラインドビア１０Ａの断面図では、ブラインドビアが２つの場合を説明するが、ブラインドビア１０Ａは単一または３つ以上であっても構わない。
【００１７】
図２（ａ）に示すように、シリコン基板１０には、ブラインドビア１０Ａが空けられている。このブラインドビア１０Ａは、シリコン基板１０の厚さ方向（Ｚ方向）の途中まで空けられたものであり、シリコン基板１０を貫通していない。すなわち、シリコン基板１０が第１主面１０Ｃと、この第１主面の反対側の第２主面１０Ｄとを有するものとすると、ブラインドビア１０Ａはシリコン基板１０の第１主面１０Ｃから厚さ方向の途中まで空けられ、第２主面１０Ｄまでは達していない。ブラインドビア１０Ａの底面と第２主面１０Ｄとの距離は、例えば２０μｍ〜４０μｍである。
【００１８】
シリコン基板１０の第２主面１０Ｄには、光素子（発光素子または受光素子）２０が形成されており、ブラインドビア１０Ａは、光素子２０の発光部または受光部に位置合わせされて形成される。即ち、ブラインドビア１０Ａは、光素子２０と後述する光ファイバ１１が光結合可能となるように、光ファイバ１１の光軸上に光素子２０の発光部または受光部が位置するように配置される。
【００１９】
光素子２０には、半導体基板が透明となる波長で動作する材料および構造を用いる。例えば、半導体基板がシリコン基板１０の場合、発光素子の発光波長が例えば１．３μｍより長い波長とし、例えばＩｎＰ基板に格子整合するＧａＩｎＡｓＰ系やＡｌＩｎＧａＡｓ系材料を用いて発光素子を構成する。受光素子は、発光素子の発光波長が受光可能な材料で構成し、例えばＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓを光吸収層として構成する。
【００２０】
光素子２０は、例えば特許文献１で示された方法により製造することが可能であり、シリコン基板１０の平坦性が保たれている状態で形成することが望ましく、ブラインドビア１０Ａより先に形成されていることが望ましい。但し、光素子２０はブラインドビア１０Ａより後に形成されても構わず、光素子２０の発光部または受光部が光ファイバ１１に光結合されるように位置合わせされれば、いずれでも構わない。
【００２１】
光素子２０は、化合物半導体（例えば、III−Ｖ族半導体）材料からなり、化合物半導体材料がシリコン基板（半導体基板）１０とは別の化合物半導体基板上で結晶成長された結晶成長層を含み、この化合物半導体材料がシリコン基板１０の第２主面に貼り合されて光素子能動部を形成してもよい。
【００２２】
光素子２０は、シリコン基板１０の第２主面１０Ｄ上に直接設けられていてもよい。ここで、直接設けられたとは、バンプなどで実装されることなく、例えば、シリコン基板１０の第２主面に別の化合物半導体材料が貼り合されるなどして直接設けられた場合、あるいはシリコン基板１０の第２主面に結晶成長により（一体化して）設けられた場合を含む。
【００２３】
更に、光素子２０がシリコン基板１０の第２主面１０Ｄ上に直接設けられる形態として、シリコン基板１０に光素子２０の機能構成の一部が設けられていることでもよい。例えば、光素子２０が面発光型半導体レーザであり、レーザ共振器を構成する反射鏡対が発光層を挟んで上下に設けられる場合に、その一方の反射鏡がシリコン基板１０の表面または内部に埋め込み形成されており、シリコン基板１０の第２主面に発光層および反対側の反射鏡を含む別の化合物半導体材料が貼り合されて一体化されたような場合が含まれてよい。
【００２４】
また、光素子２０として設けられた発光部または受光部が上記光ファイバ１１の光軸上に直接配置されるのではなく、シリコン基板１０の第２主面１０Ｄ上における光ファイバ１１の光軸延長上に光素子として例えば回折格子等の光結合構造を配置し、シリコン基板１０の第２主面１０Ｄ上で別の位置に配置された発光素子の発光部または受光素子の受光部まで光導波路等で光を導く構成としてもよい。あるいは発光素子または受光素子が光結合モジュールの外部に別体として設けられていてもよい。
【００２５】
尚、ブラインドビア１０Ａの内壁は、第１主面１０Ｃに対して垂直に形成された垂直形状となっていてもよいが、図２（ａ）に示すように、第１主面１０Ｃからブラインドビアの深さ方向に向かって徐々に孔径が小さくなるテーパ形状になっていてもよく、さらに、垂直形状とテーパ形状の複合形状となっていてもよい。また、光素子２０が発光素子または受光素子の場合は電極を有するが、光素子上に樹脂層１４を形成し、樹脂層１４上の金属配線を用いて光素子２０の電極を第２主面上で別の位置に電気接続することも可能である。
【００２６】
図２（ｂ）は、図１（ｂ）に示した光結合モジュールにおけるブラインドビアを横断する部分の断面図である。図示するように、光結合モジュールは、図２（ａ）に示した光デバイスのブラインドビア１０Ａ内に光ファイバ１１が挿入されている。光ファイバ１１は、ブラインドビア１０Ａに挿入された状態でシリコン基板１０に透明樹脂１２等により固定される。これにより、光ファイバ１１は第２主面１０Ｄの光素子２０に光結合される。
【００２７】
図２（ｂ）に示した構成を有する光結合モジュールは以下のような動作を行う。  
光素子２０から出射された光は、光素子２０とブラインドビア１０Ａの底面との間のシリコン基板を透過し、光ファイバ１１の端部に入射する。光ファイバ１１の端部に入射した光は、光ファイバ１１を伝播し、光ファイバ１１の他の端部に配置された受光素子（不図示）に入射する。
【００２８】
また、光ファイバ１１から出射された光は、ブラインドビア１０Ａの底面と光素子２０との間のシリコン基板を透過し、光素子２０に入射する。光素子２０に入射した光は、光素子２０により光電変換され、電気信号となる。
【００２９】
図３は、図２（ａ）および（ｂ）に示した光素子２０を発光素子２０Ａおよび受光素子２０Ｂのペアとし、光送信部と光受信部を１つのモジュールに集積した光結合モジュールの例である。発光素子２０Ａとしては、例えば面発光型半導体レーザが適用できる。受光素子２０Ｂとしては、例えばｐｉｎ型フォトダイオードやＭＳＭ（金属／半導体／金属）型フォトダイオード等が適用できる。また以降、２つの光ファイバを１１_１，１１_２と記すが、光ファイバ１１と記した場合、光ファイバ１１_１，１１_２の各々をさすものとする。
【００３０】
図３に示すように、シリコン基板１０の第２主面１０Ｄには、発光素子２０Ａまたは受光素子２０Ｂがそれぞれ設けられている。発光素子２０Ａは、光ファイバ１１_１の光軸上に配置され、発光素子２０Ｂは、光ファイバ１１_２の光軸上に配置されている。さらに、発光素子２０Ａ、受光素子２１Ｂ、及び第２主面上には、樹脂層１４が設けられている。
【００３１】
［１−１−２］光結合モジュールの構成例（２）
以降では、前述の図３に示した構成と異なる部分を主に説明する。この構成例（２）は、発光素子２０Ａまたは受光素子２０Ｂが光ファイバ１１の光軸上に直接配置されない構成とした例を示す。
【００３２】
図４は、図１（ｂ）に示した光結合モジュールの構成例（２）におけるブラインドビアの断面図である。図示するように、シリコン基板１０の第２主面１０Ｄ上に光導波路１５が配置され、光導波路１５上には、光ファイバ１１の光軸上に光素子として回折格子（あるいは反射鏡）２２_１，２２_２がそれぞれ配置されている。さらに、光ファイバ１１_１，１１_２の光軸上から外れた光導波路１５上に、発光素子２０Ａまたは受光素子２０Ｂがそれぞれ配置されている。
【００３３】
回折格子２２_１は、発光素子２０Ａから出射された光を回折して、光ファイバ１１_１へ曲げる。回折格子２２_２は、光ファイバ１１_２から出射された光を回折して、受光素子へ曲げる。光導波路１５は、発光素子２０Ａから出射された光を回折格子２２_１に伝送する。また、光導波路１５は、回折格子２２_２によって回折された光を受光素子２０Ｂに伝送する。さらに、発光素子２０Ａ、受光素子２０Ｂ、及び光導波路１５上には樹脂層１４が設けられている。
【００３４】
図４に示した構成を有する光結合モジュールは以下のような動作を行う。
【００３５】
発光素子２０Ａから出射された光は、光導波路１５を介して回折格子２２_１に入射する。回折格子２２_１に入射した光は、回折格子２２_１により回折されて、第２主面１０Ｄとブラインドビア１０Ａの底面間のシリコン基板を透過し、光ファイバ１１_１の端部に入射する。光ファイバ１１_１の端部に入射した光は、光ファイバ１１_１を伝播し、光ファイバ１１_１の他の端部に配置された受光素子（不図示）に入射する。
【００３６】
また、光ファイバ１１_２から出射された光は、ブラインドビア１０Ａの底面と光導波路１５間のシリコン基板を透過し、回折格子２２_２に入射する。回折格子２２_２に入射した光は、回折格子２２_２により回折されて、光導波路１５を介して受光素子２０Ｂに入射する。受光素子２０Ｂに入射した光は、受光素子２０Ｂにより光電変換され、電気信号となる。
【００３７】
［１−１−３］光結合モジュールの構成例（３）
この構成例（３）は、図３に示した構成において、発光素子２０Ａと回折格子２２_１との間に光変調器を配置した例である。
【００３８】
図５は、図１（ｂ）に示した光結合モジュールの構成例（３）におけるブラインドビアの断面図である。図示するように、発光素子２０Ａと回折格子（あるいは反射鏡）２２_１との間に光変調器１６が配置されている。光変調器１６は、発光素子２０Ａから出射された光の波長を変調し、変調した光を光導波路１５に出射する。
【００３９】
図５に示した構成を有する光結合モジュールは以下のような動作を行う。
【００４０】
発光素子２０Ａから出射された光は、光導波路１５を通り、光変調器１６に入射する。光変調器１６に入射された光は、光変調器１６によりその波長が変調され、光導波路１５を介して回折格子２２_１に入射する。回折格子２２_１に入射した光は、回折格子２２_１により回折されて、シリコン基板を透過し、光ファイバ１１_１の端部に入射する。
【００４１】
［１−１−４］光結合モジュールの構成例（４）
この構成例（４）は、図３に示した構成において、光ファイバの端部とブラインドビアの底面との間に、ボールレンズを配置した例である。
【００４２】
図６は、図１（ｂ）に示した光結合モジュールの構成例（４）におけるブラインドビアの断面図である。図示するように、光ファイバ１１_１，１１_２の端部とブラインドビア１０Ａの底面との間に、ボールレンズ３０がそれぞれ配置されている。ボールレンズ３０とブラインドビア１０Ａの底面間の空間には、樹脂１２が充填されていてもよいし、空気が存在していてもよい。ボールレンズ３０は、例えばシリコンあるいはガラス等で構成される。
【００４３】
図６に示した構成を有する光結合モジュールは以下のような動作を行う。
【００４４】
発光素子２０Ａから出射された光は、第２主面１０Ｄとブラインドビア１０Ａの底面間のシリコン基板を透過し、さらにボールレンズ３０を通り、光ファイバ１１_１の端部に入射する。
【００４５】
また、光ファイバ１１_２から出射された光は、ボールレンズ３０を通り、ブラインドビア１０Ａの底面と第２主面１０Ｄ間のシリコン基板を透過し、受光素子２０Ｂに入射する。
【００４６】
［１−１−５］光結合モジュールの構成例（５）
この構成例（５）は、図３に示した構成において、光ファイバの端部とブラインドビアの底面との間に、同軸レンズを配置した例である。
【００４７】
図７は、図１（ｂ）に示した光結合モジュールの構成例（５）におけるブラインドビアの断面図である。図示するように、光ファイバ１１_１，１１_２の端部とブラインドビア１０Ａの底面との間に、同軸レンズ（例えば、同軸屈折率変調ロッドレンズ等）３１が配置されている。同軸レンズ３１は、例えばシリコンあるいはガラス等で構成できる。
【００４８】
図７に示した構成を有する光結合モジュールは以下のような動作を行う。
【００４９】
発光素子２０Ａから出射された光は、第２主面１０Ｄとブラインドビア１０Ａの底面間のシリコン基板を透過し、さらに同軸レンズ３１を通り、光ファイバ１１_１の端部に入射する。
【００５０】
また、光ファイバ１１_２から出射された光は、同軸レンズ３１を通り、ブラインドビア１０Ａの底面と第２主面１０Ｄ間のシリコン基板を透過し、受光素子２０Ｂに入射する。
【００５１】
［１−１−６］光結合モジュールの構成例（６）
この構成例（６）は、図３に示した構成において、ブラインドビア１０Ａの底面に回折光学素子（回折レンズ、フレネルレンズ等）を形成配置した例である。
【００５２】
図８は、図１（ｂ）に示した光結合モジュールの構成例（６）におけるブラインドビアの断面図である。図示するように、ブラインドビア１０Ａの底面に回折格子２２_１，２２_２がそれぞれ配置されている。さらに、光ファイバ１１_１，１１_２の端部とブラインドビア１０Ａの底面との間には、レンズの働きを持つ空気が存在している。
【００５３】
図８に示した構成を有する光結合モジュールは以下のような動作を行う。
【００５４】
発光素子２０Ａから出射された光は、第２主面１０Ｄとブラインドビア１０Ａの底面間のシリコン基板を透過し、回折格子２２_１により回折されて、光ファイバ１１_１の端部に入射する。
【００５５】
また、光ファイバ１１_２から出射された光は、回折格子２２_２により回折されて、ブラインドビア１０Ａの底面と第２主面１０Ｄ間のシリコン基板を透過し、受光素子２０Ｂに入射する。
【００５６】
［１−１−７］光結合モジュールの構成例（７）
この構成例（７）は、図３に示した構成において、ブラインドビア１０Ａの底面が凸面形状を有する例である。
【００５７】
図９は、図１（ｂ）に示した光結合モジュールの構成例（７）におけるブラインドビアの断面図である。図示するように、ブラインドビア１１の底面は凸面形状１０Ｅを有している。
【００５８】
図９に示した構成を有する光結合モジュールは以下のような動作を行う。
【００５９】
発光素子２０Ａから出射された光は、第２主面１０Ｄとブラインドビア１０Ａの底面間のシリコン基板を透過し、さらに底面の凸面形状１０Ｅを通り、光ファイバ１１_１の端部に入射する。
【００６０】
また、光ファイバ１１_２から出射された光は、ブラインドビア１０Ａ底面の凸面形状１０Ｅを通り、ブラインドビア１０Ａの底面と第２主面１０Ｄ間のシリコン基板を透過し、受光素子２０Ｂに入射する。
【００６１】
［１−１−８］光結合モジュールの構成例（８）
この構成例（８）は、図３に示した構成において、ブラインドビア１０Ａの底面がピン形状を有する例である。
【００６２】
図１０は、図１（ｂ）に示した光結合モジュールの構成例（８）におけるブラインドビアの断面図である。図示するように、ブラインドビア１０Ａの底面がピン形状、例えば円錐形状１０Ｆを有している。
【００６３】
図１０に示した構成を有する光結合モジュールは以下のような動作を行う。
【００６４】
発光素子２０Ａから出射された光は、第２主面１０Ｄとブラインドビア１０Ａの底面間のシリコン基板を透過し、さらに底面の円錐形状１０Ｆを通り、光ファイバ１１_１の端部に入射する。
【００６５】
また、光ファイバ１１_２から出射された光は、ブラインドビア１０Ａ底面の円錐形状１０Ｆを通り、ブラインドビア１０Ａの底面と第２主面１０Ｄ間のシリコン基板を透過し、受光素子２０Ｂに入射する。
【００６６】
［１−１−９］光結合モジュールの構成例（９）
この構成例（９）は、図３に示した構成において、隣接するブラインドビア１０Ａ間に溝を有する例である。
【００６７】
図１１（ａ）、（ｂ）は、図１（ｂ）に示した光結合モジュールの構成例（９）におけるブラインドビアの断面図である。
【００６８】
図１１（ａ）に示すように、ブラインドビア１０Ａ間、言い換えると、光ファイバ１１_１，１１_２間には、シリコン基板１０の第２主面１０Ｄ側から空けられた溝１０Ｇが形成されている。すなわち、シリコン基板１０は、光ファイバ１１_１，１１_２間の第２主面１０Ｄに溝１０Ｇを有している。
【００６９】
また、図１１（ｂ）に示すように、ブラインドビア１０Ａ間、言い換えると、光ファイバ１１_１，１１_２間には、シリコン基板１０の第１主面１０Ｃ側から空けられた溝１０Ｈが形成されている。すなわち、シリコン基板１０は、光ファイバ１１_１，１１_２間の第１主面１０Ｃに溝１０Ｈを有している。
【００７０】
これら溝１０Ｇ，１０Ｈは、各々の光ファイバの端部やブラインドビアの底面で発生する散乱光を遮る働きをもつ。
【００７１】
これらの例でも、図３に示した構成と同様に、光ファイバ１１_１と発光素子２０Ａ間、および光ファイバ１１_１と受光素子２０Ｂ間で光を送受信することができ、さらに、各々の光ファイバの端部やブラインドビアの底面で発生する散乱光を低減することができる。
【００７２】
［１−１−１０］光結合モジュールの構成例（１０）
この構成例（１０）は、図３に示した構成において、光ファイバを固定した透明樹脂上に、さらに光を吸収する樹脂を形成した例である。
【００７３】
図１２（ａ）、（ｂ）は、図１（ｂ）に示した光結合モジュールの構成例（１０）におけるブラインドビアの断面図である。
【００７４】
図１２（ａ）に示すように、光ファイバ１１_１，１１_２が固定されたブラインドビア１０Ａの周囲の第１主面１０Ｃ上のみに光吸収樹脂１６Ａを配置する。また、図１２（ｂ）に示すように、ブラインドビア１０Ａの周囲の第１主面１０Ｃ上および側面１０Ｊ上に光吸収樹脂１６Ｂを配置する。
【００７５】
これら光吸収樹脂１６Ａ，１６Ｂは、発光素子２０Ａの発光波長に対して不透明であり、各々のブラインドビアの底面等で発生する散乱光をその表面または側面で吸収する。これにより、他のブラインドビア内の光ファイバまたは光素子へのクロストーク（迷光等）を抑制する。すなわち、ブラインドビアの底面等で発生する散乱光をカットする。
【００７６】
［１−１−１１］光結合モジュールの構成例（１１）
図１３は、変形例の光結合モジュールにおけるブラインドビアの断面図である。この変形例では、ブラインドビア１０Ａ内に樹脂レンズ３２を配置する。さらに、ブラインドビア１０Ａの上方に、光ファイバ１１が固定されたレンズ成形部品（またはホルダー）３３を配置する。レンズ成形部品３３はレンズ３４を有しており、レンズ３４は樹脂レンズ３２（及び発光素子２０Ａまたは受光素子２０Ｂ）の光軸上に配置されている。さらに、発光素子２０Ａ及び受光素子２０Ｂは、シリコン基板１０の第２主面上で樹脂レンズ３２の光軸上にそれぞれ配置されている。発光素子２０Ａまたは受光素子２０Ｂと光ファイバ１１との間の光の送受信は、樹脂レンズ３２とレンズ成形部品のレンズ３４を介して行われる。
【００７７】
さらに以下に、光結合モジュールの他の様々な構成例を説明する。
【００７８】
図１４，図１５及び図１６は、図１（ｂ）に示した光結合モジュールにおけるブラインドビアの断面図である。
【００７９】
図１４に示すように、光ファイバ１１_１，１１_２の先端が球状に加工されている。すなわち、ブラインドビア１０Ａ内に挿入された光ファイバ１１_１，１１_２の先端は球面形状を有している。これにより、光ファイバと発光素子２０Ａまたは受光素子２０Ｂ間の光結合を向上でき、例えば発光素子２０Ａから光を受けた場合の発光素子への反射戻り光を低減することができる。
【００８０】
また、図１５に示すように、光ファイバ１１_１，１１_２の先端が斜めに加工されている。すなわち、ブラインドビア１０Ａに挿入された光ファイバ１１_１，１１_２の先端は、第１主面１０Ｃあるいは第２主面１０Ｄに対して斜めな形状を有している。これにより、発光素子２０Ａから光を受けた場合の発光素子への反射戻り光を抑制することができる。例えば、発光素子２０Ａが半導体レーザの場合に問題となる、反射戻り光による外部誘起雑音を抑制できる。
【００８１】
また、図１６に示すように、光ファイバ１１_１，１１_２の先端が第１主面１０Ｃ（あるいは第２主面１０Ｄ）に対して平行な面を有し、ブラインドビア１０Ａが第１主面１０Ｃに対して傾斜している。すなわち、ブラインドビア１０Ａの深さ方向（光ファイバ１１_１，１１_２の挿入方向）が第１主面１０Ｃに対して垂直ではなく、斜めになっている。ここで、斜めとは、第１主面１０Ｃ（あるいは第２主面１０Ｄ）と、ブラインドビア１０Ａの深さ方向（または光ファイバ）とがなす角が９０度より小さい角度を有することをいう。
【００８２】
これにより、発光素子２０Ａから光を受けた場合の発光素子への反射戻り光を抑制でき、例えば、発光素子２０Ａが半導体レーザの場合に問題となる、反射戻り光による外部誘起雑音を抑制できる。なお、光ファイバの先端は平行な面であることに限定されず、球状加工、斜め加工等、垂直以外に加工されていてもよい。
【００８３】
［１−１−１２］ブラインドビアの開口部の構成例
また、図１７（ａ）〜（ｄ）は、ブラインドビア１０Ａの上面から見た開口形状を示す図である。
【００８４】
ブラインドビア１０Ａの開口形状は、光ファイバ１１の円形断面に必ずしも合わせる必要はなく、光ファイバ１１の側面に接しない領域を有する形状、例えば、図１７（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ示す正方形、菱形、楕円、三角形等の形状でもよい。
【００８５】
このように、ブラインドビア１０Ａの開口形状を、光ファイバ１１の側面に接しない領域を有する形状にすれば、光ファイバ１１の挿入時の余剰な透明樹脂１２や泡を抜くための隙間が形成されるため、光ファイバの挿入及び組立が容易になる。
【００８６】
［１−２］実施形態の効果
本実施形態によれば、光ファイバと光素子間の光結合を簡略化でき、小型化および低コスト化が可能な光デバイスおよび光結合モジュールを提供できる。
【００８７】
以下に、本実施形態の効果について詳述する。
【００８８】
本実施形態では、シリコン基板１０の第１主面１０Ｃに対向する第２主面１０Ｄ上に光素子２０を配置し、シリコン基板１０の第1主面１０Ｃにブラインドビア１０Ａを空け、ブラインドビア内に光ファイバ１１を挿入し固定する。光ファイバ１１と光素子２０の光軸が一致するように、光ファイバ１１（またはブラインドビア１０Ａ）と光素子２０とが位置合わせされている。これにより、光ファイバ１１をホールドするホルダーが別途に必要なく、光ファイバ１１と光素子２０との位置合わせを高精度で行うことができ、光ファイバ１１と光素子２０間の光結合を簡素で小型化が可能な構成で実現することができる。
【００８９】
光ファイバ１１が挿入されるブラインドビア１０Ａはシリコン基板１０を貫通していないため、ブラインドビア１０Ａの裏面（第２主面）に光素子２０を形成することが可能である。これにより、シリコン基板１０は、光ファイバ１１を固定すると共に、光素子２０を光ファイバ１１の光軸上に固定する機能を有する。
【００９０】
さらに、シリコン基板１０の第２主面上に化合物半導体から構成された光素子２０を形成すること、あるいはシリコン基板１０の第２主面に光素子２０を直接形成することにより、ウェハにて多量に製造可能となり、品質管理も容易となるため、低コスト化が可能である。
【００９１】
［２］第２実施形態
第２実施形態では、第１実施形態で示した光結合モジュールのシリコン基板１０に集積回路を一体に形成した装置（１）、シリコン基板１０と集積回路チップとを接合した装置（２）、シリコン基板１０と再配線層とを接合した装置（３）、（４）について説明する。
【００９２】
［２−１］光結合モジュール装置（１）
図１８（ａ）は、第２実施形態の光結合モジュール装置（１）の構成を示す平面図であり、図１８（ｂ）は前記光結合モジュール装置（１）の断面図である。なお、図１８（ｂ）に示した断面図は２つの光ファイバ１１を示し、その他の光ファイバ及び光素子等は省略している。
【００９３】
シリコン基板１０の第１主面に空けられたブラインドビア１０Ａ内には光ファイバ１１が挿入され、透明樹脂１２により固定されている。シリコン基板１０の第２主面には、集積回路が形成された層４０が配置されている。層４０には配線４１が形成されている。層４０上には、発光素子２０Ａ及び受光素子２０Ｂが配置されている。発光素子２０Ａまたは受光素子２０Ｂは、光ファイバ１１の光軸上にそれぞれ配置されている。
【００９４】
発光素子２０Ａ上、受光素子２０Ｂ上、及び層４０上には樹脂層４２が形成され、樹脂層４２には配線４３が形成されている。樹脂層４２上には電極４４が形成されている。電極４４は、配線４３，４１を介して、集積回路、発光素子２０Ａまたは受光素子２０Ｂに電気的に接続されている。
【００９５】
また、電極４４には、配線基板（不図示）からの配線４５が接続されている。Ｓ＋とＳ−は差動信号電圧を示し、Ｖは電源電圧を、Ｇは接地電圧をそれぞれ示す。その他の構成は、前述した第１実施形態と同様である。
【００９６】
［２−２］光結合モジュール装置（２）
図１９は、第２実施形態の光結合モジュール装置（２）の構成を示す断面図である。配線基板５０上には半導体基板、例えばシリコン基板６０が配置されている。シリコン基板６０上には、光結合モジュールが例えばハンダボール４６により接合されている。
【００９７】
シリコン基板６０は、集積回路が形成された層６１を有している。集積回路は、ボンディングワイヤ６２により配線基板５０上の配線（不図示）と電気的に接続されている。
【００９８】
光結合モジュールでは、シリコン基板１０のブラインドビア１０Ａ内に光ファイバ１１が透明樹脂１２により固定されている。シリコン基板１０の第２主面上には、発光素子２０Ａ及び受光素子２０Ｂが配置されている。発光素子２０Ａまたは受光素子２０Ｂは、光ファイバ１１の光軸上にそれぞれ配置されている。
【００９９】
発光素子２０Ａ上、受光素子２０Ｂ上、及び第２主面上には樹脂層４２が形成され、樹脂層４２には配線４３が形成されている。樹脂層４２上には電極４４が形成され、電極４４はハンダボール４６に電気的に接続されている。これにより、シリコン基板６０上に形成された集積回路は、ハンダボール４６、電極４４、及び配線４３等を介して発光素子２０Ａまたは受光素子２０Ｂに電気的に接続されている。その他の構成は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１００】
［２−３］光結合モジュール装置（３）
図２０は、第２実施形態の光結合モジュール装置（３）の構成を示す図である。光デバイス（シリコン基板１０）の第２主面側に再配線層（redistribution layer）７０が接合されている。再配線層７０には配線７１が形成されている。再配線層７０は、光デバイスの第２主面より外側の領域にまで拡張して形成されている。拡張された再配線層７０上には、集積回路チップ、例えばドライバ及びレシーバ（Ｄ／Ｒ）６３、ＳｏＣ（System-on-a-Chip）６４が配置されている。光デバイスの側面は樹脂８０により被覆されている。さらに、再配線層７０にはハンダボール７２が形成されている。
【０１０１】
光デバイスでは、シリコン基板１０のブラインドビア１０Ａ内に光ファイバ１１が透明樹脂１２により固定されている。シリコン基板１０の第２主面上には、光素子２０が配置されている。光素子２０は、光ファイバ１１の光軸上に配置されている。
【０１０２】
光素子２０、ドライバ及びレシーバ６３、ＳｏＣ６４は、再配線層７０に設けられた配線７１によりハンダボール７２に電気的に接続されている。その他の構成は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１０３】
［２−４］光結合モジュール装置（４）
図２１は、第２実施形態の光結合モジュール装置（４）の構成を示す図である。光デバイス（シリコン基板１０）の第２主面側に再配線層７０が接合されている。再配線層７０には、配線７１及び配線７１に接続された電極７３が形成されている。再配線層７０は、光デバイスの第２主面より外側の領域にまで拡張して形成されている。再配線層７０の光デバイスが配置された面と反対側の面には、集積回路チップ９０が接合されている。集積回路チップ９０は、光デバイスと対向する位置に配置されている。光デバイスの側面は樹脂８０により被覆されている。さらに、再配線層７０にはハンダボール７２が形成されている。
【０１０４】
光デバイスでは、シリコン基板１０のブラインドビア１０Ａ内に光ファイバ１１が透明樹脂１２により固定されている。シリコン基板１０の第２主面上には、光素子２０が配置されている。光素子２０は、光ファイバ１１の光軸上に配置されている。
【０１０５】
光素子２０及び集積回路チップ９０は、再配線層７０に設けられた配線７１及び電極７３によりハンダボール７２に電気的に接続されている。その他の構成は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１０６】
［２−４］実施形態の効果
本実施形態によれば、光結合モジュールのシリコン基板１０に集積回路を一体に形成すること、またシリコン基板１０と集積回路チップとを接合すること、シリコン基板１０と再配線層とを接合することにより、小型化、低コスト化、及び高機能化が可能な光結合モジュール装置を提供できる。その他の効果は、第１実施形態と同様である。
【０１０７】
［３］その他変形例等
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１０８】
１０…シリコン基板、１０Ａ…ブラインドビア、１０Ｂ…貫通ビア、１０Ｃ…第１主面、１０Ｄ…第２主面、１０Ｅ…凸面形状、１０Ｆ…円錐形状、１０Ｇ，１０Ｈ…溝、１１，１１_１，１１_２…光ファイバ、１２…透明樹脂、１３…被覆部、１４…樹脂層、１５…光導波路、１６Ａ，１６Ｂ…光吸収樹脂、２２_１，２２_２…回折格子（あるいは反射鏡）、１６…光変調器、２０…光素子、２０Ａ…発光素子、２０Ｂ…受光素子、３０…ボールレンズ、３１…同軸レンズ、３２…樹脂レンズ、３３…レンズ成形部品、３４…レンズ、４０…集積回路層、４１…配線、４２…樹脂層、４３…配線、４４…電極、４５…配線、４６…ハンダボール、５０…配線基板、６０…シリコン基板、６１…集積回路層、６２…ボンディングワイヤ、７０…再配線層、７１…配線、７２…ハンダボール、７３…電極、８０…樹脂、９０…集積回路チップ。
【図１】
2017102208.tif 000003
【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】
2017102208.tif 000009
【図８】
2017102208.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2017102208.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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