(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体が絶縁物であるか或いは表面が絶縁被膜によって覆われた基板と、基板の上に形成され光ファイバを固定するための第１Ｖ溝と、基板に形成され第１Ｖ溝に直交しより深い間隙溝と、間隙溝を介して第１Ｖ溝と対向し同一軸線上になるよう基板に形成され第１Ｖ溝より浅い第２Ｖ溝と、第２Ｖ溝の終端部に生成される傾斜反射面と、間隙溝にかからず第２Ｖ溝と傾斜反射面の上方において基板に固定される受光素子チップと、先端が間隙溝に接触するよう第１Ｖ溝に挿入固定された円筒状の光ファイバと、光ファイバ先端、間隙溝、受光素子チップの部分に塗布される透光性樹脂接着剤と、光ファイバの残りの部分に塗布され光ファイバを基板に接着する固定樹脂接着剤とを含み、光ファイバから出た光は第２Ｖ溝を通り傾斜反射面で反射され受光素子チップに入射するようにしたことを特徴とする光受信モジュール。
【請求項２】
基板が（１００）面Ｓｉ基板であり、｛１００｝面より｛１１１｝面のエッチング速度が遅くなる異方性エッチングによって第１Ｖ溝、第２Ｖ溝、傾斜反射面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光受信モジュール。
【請求項３】
間隙溝が基板をダイシングなどの機械加工することによって形成される事を特徴とする請求項１または２に記載の光受信モジュール。
【請求項４】
間隙溝がＳｉ基板をエッチングすることにより形成される事を特徴とする請求項２に記載の光受信モジュール。
【請求項５】
受光素子チップが裏面入射型受光素子である事を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光受信モジュール。
【請求項６】
傾斜反射面には金属膜もしくは誘電体膜をコ−ティングしてあることを特徴とする請求項５に記載の光受信モジュール。
【請求項７】
受光素子よりの電気信号を処理するための電子回路部品を同一の基板上に集積したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光受信モジュール。
【請求項８】
光ファイバから受光素子にいたる間隙溝、第２Ｖ溝、傾斜反射面の空間が透光性の樹脂によって充填されている事を特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光受信モジュール。
【請求項９】
モジュールの全体が樹脂によってモールドされていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光受信モジュール。
【請求項１０】
光ファイバが石英系のシングルモードファイバであり、受光素子がＩｎＧａＡｓ若しくはＩｎＧａＡｓＰ受光層を有する裏面入射型受光素子である事を特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光受信モジュール。
【請求項１１】
光ファイバが一定間隔を置いて並列に配置された複数本の集合体であり、光ファイバに対応して第１Ｖ溝が複数本同じ一定間隔で平行に基板上に設けられ、間隙溝は全ての第１Ｖ溝に直角に１本設けられ、第２Ｖ溝は第１Ｖ溝と同じ間隔で平行に複数本設けられ、第１Ｖ溝終端にはそれぞれ傾斜反射面があり、傾斜反射面の上方にはこれと等しい間隔に複数の受光素子が設けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の光受信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いる平面実装型受信モジュールに関する。平面実装という言葉について述べる。従来例の光受信モジュールは、ステムにＰＤを固定し、光ファイバをＰＤの上方にステム面に直角になるように支持し中間にレンズを設けていた。光ファイバからの光を集光レンズで絞って垂直にＰＤの上面に入射させる。光線はステムやＰＤ面に直角である。ファイバとＰＤにはかなりの空間距離があり光が広がるのでこれを防ぐためにレンズが必要である。縦長円筒形で光ファイバが円筒の頂点から出ているという扱いにくい形状をしている。プリント基板に実装する場合は、ピンでモジュールを固定した後これを横に寝かせる必要がある。プリント基板を何枚も重ねる場合、そのピッチは９ミリであるが、基板厚みと、素子の厚みが９ミリ以下としなければいけない。従来の円筒形縦長の光受信モジュールではそのような要求に応えることができない。
【０００２】
平面実装型モジュールというのはそのような嵩高い縦長モジュールの反対概念である。光ファイバの入射方向が基板面に平行でレンズがないものを平面実装型と呼ぶ。光ファイバが平面を這うので平面実装なのである。光ファイバが基板面に平行だから円筒形のパッケージが最早不要である。平坦な基板に光ファイバやＰＤを固定して平坦な形状のパッケージとすることができる。また光ファイバとＰＤを接近させ自由空間で伝搬しないようにするからレンズは要らない。レンズが不要だと材料コストが下がるだけでなく、調芯作業を省き組立コストを下げることができる。平坦な形状なのでプリント基板に実装したとき高さを取らないので好都合である。そのようなわけで光モジュールのコストをさらに抑制するためには平面実装型のものが強く望まれる。
【０００３】
表面実装モジュールでは、光結合のため集光レンズを使わない。光ファイバと発光素子（ＬＤ、ＬＥＤ）若しくは受光素子（ＰＤ）を対向接近させて直接光結合させる。このため実装の寸法精度がよりいっそう厳しくなる。光ファイバと発光素子や受光素子を精度良く固定するためのいくつかの工夫が提案されている。しかし何れの提案も広く実施されるには至っていない。
【０００４】
【従来の技術】
平面実装型光受信モジュールとしてしばしば提案されているものは、Ｓｉ基板に構造物を作り光ファイバとＰＤを固定するものである。Ｓｉ単結晶の異方性エッチングを利用しＳｉ基板にＶ溝を形成し、ここに光ファイバを固定し、光ファイバ端面より出射した光を略直角に曲げ、Ｓｉ表面に実装した受光素子に入射させる。ここでエッチングの異方性というのは｛１００｝面と｛１１１｝面のエッチング速度が相違し、前者が後者より著しく速いという性質をいう。そのような異方性を示すエッチャントが知られている。
【０００５】
（１００）面Ｓｉ単結晶にレジストを塗布し［０１１］方向のストライプ状の窓を開け、適当なエッチャントによって異方性エッチングすると、［０１１］方向に伸びる（１−１１）面と（１１−１）面よりなるＶ溝ができる。異方性エッチャントによるエッチング速度が｛１００｝面では速く、｛１１１｝面で遅いからそのようなＶ溝ができる。さらに好都合な事はＶ溝の終点に（１１１）面が露出するという事である。表面（１００）とＶ溝の面（１−１１）、（１１−１）のなす角度は１２６゜である。Ｖ溝の底角は７２゜である。終端面（１１１）とＶ溝両面（１−１１）、（１１−１）との角度は、１０８゜である。終端面（１１１）と表面のなす角度は１２６゜である。１３５゜ではない。
【０００６】
ここで［…］は個別方向を、＜…＞は包括方向を示す。（…）は個別面を、｛…｝は包括面を表す。上の説明は［０１１］ストライプについてのものであるが、［０±１±１］の方位のストライプについても同様なＶ溝を作製できる。Ｓｉ基板というがＳｉ基板はそのままでは導電性なので表面を１μｍ〜数μｍ程度の厚みで酸化させてＳｉＯ2 にする。あるいはスパッタリングによってＳｉＯ2 膜を堆積させる。大部分はＳｉ単結晶であるが、表面は絶縁性のＳｉＯ2 である。だからＳｉ基板というのは、詳しくはＳｉＯ2 ／Ｓｉ基板のことである。簡単のため、以後単にＳｉ基板と表現する。
【０００７】
表面実装型のモジュールを作製する場合、このＶ溝に光ファイバをはめ込んで固定する。溝終端の（１１１）面で光を反射させてその上方に固定したＰＤに光を入射させる。そうするとレンズが不要で光ファイバが表面に平行な平面実装型モジュールが得られる。
【０００８】
平面実装型モジュールの基本的な構造は以上に述べた通りである。さらに進んで平面実装型に関して幾つもの提案がなされている。しかしいずれも何らかの難点があり未だ広く実施されていない。平面実装ＰＤモジュールに関する主な公知技術について３つの構造を説明する。
［従来構造１：ＰＤ直下ファイバ挿入構造（図１〜図４）］
▲１▼ドイツ特許公報ＤＥ  ３５  ４３  ５５８  Ｃ２（１９８５年１２月１０日出願）発明者ヒラーリッヒベルント、ローデマンフレッド
▲２▼ B.HILLERICH & A.GEYER, "SELF-ALIGNED FLAT-PACK FIBRE-PHOTODIODE COUPLING", Electronics Lett. vol.24, No.15, 1988, p918-919 、
【０００９】
異方性エッチングによってＳｉ基板にＶ溝を堀る。Ｖ溝の終端の上に受光素子（ＰＤ）を取り付ける。Ｖ溝のＰＤの直下まで光ファイバを差し込んで光ファイバとほぼ同じ屈折率の接着剤によって光ファイバを固定する。受光素子の直下まで光ファイバの先端が入り込むところに特徴がある。図１〜４によってこの構造を述べる。図１は完成した状態の断面図、図２はＶ溝の部分の平面図、図３はＶ溝に光ファイバを取り付けた状態の平面図、図４はＰＤチップ、光ファイバを固定した状態の平面図である。
【００１０】
（１００）面Ｓｉ基板１にレジストを塗布しマスクを使った露光と現像により［０１１］方向のストライプ窓をあけ、異方性エッチャントをつかってエッチングする。（１−１１），（１１−１）面よりなるＶ溝２ができる。（１１１）面である傾斜反射面４がＶ溝２の終端に生成される。傾斜反射面４の直上にＰＤチップ５を位置決めし固定する。ワイヤ配線する。光ファイバ３の先端をＰＤチップ５の下に差し込み、先端を傾斜反射面４に当てる。光ファイバ３をＶ溝に入れる。光ファイバ３、Ｖ溝２に接着剤７を塗布する。接着剤が乾燥すればできあがりである。
【００１１】
Ｖ溝はかなり深く掘る必要がある。光ファイバがすっぽりと埋まるからである。Ｖ溝の深さをＷ、底角の半分をφ、光ファイバの直径をＤとすると、
Ｗ＞Ｄ（１＋cosec φ）／２        （１）
である必要がある。Ｖ溝の底角が７２゜であるから、Ｗ＞Ｄ（１＋cosec ３６゜）／２＝１．３５Ｄでなければならない。たとえばＤ＝１２５μｍとすると、Ｗは１６９μｍより深い。Ｖ溝が完全な｛１１１｝面であれば、深さＷと、幅Ｂは単純な関係
【００１２】
Ｂ＝２Ｗtan φ＝２Ｗtan ３６゜＝１．４５Ｗ      （２）
によって与えられる。だからこのＶ溝の幅Ｂは、２４５μｍ以上である。
光ファイバの横方向の位置決めはＶ溝によって自然になされる。光ファイバの軸方向の位置決めは傾斜反射面によって正確になされる。つまり光ファイバは調芯の必要がない。これは利点である。光ファイバ先端からＰＤチップまでの距離は極めて短いからビームが広がらない。ＰＤチップ５がＶ溝の上面のコの字型の部分に安定に固定される。構造が単純である。これも利点である。ＰＤを正確に位置決めしておけば良い。
【００１３】
ところがこの構造には二つの欠点がある。ひとつは光ファイバ３の先端をＰＤ５の下へ潜り込ませるので先端が見えないということである。だから先端が傾斜反射面４に接触しているのかどうか分からない。接着剤の回り込み状態を観察できない。
【００１４】
もう一つは接着剤７がＰＤの下のＶ溝部分まで回り込まないということである。ＰＤとＶ溝によって作られる狭い穴に光ファイバを差し込んでそのあとで接着剤を塗布するが、粘度が大きいから穴に入りにくい。例えばＷ＝１．３５ＤとするとＶ溝とＰＤで囲まれる穴の断面積は光ファイバ断面積の約１．７倍である。しかし光ファイバが差し込まれているから、実効面積は光ファイバ断面積の０．７倍しかない。このように狭いから接着剤が入りにくい。接着剤が光ファイバの先端を覆わないと図１のように穴のなかに空隙部８が生ずる。接着剤は光ファイバと同じ屈折率を持ち光ファイバの光が端面で反射しないようにする作用もある。もしも空隙部８が発生すると、端面反射による損失がある。空気中であるとビームの広がりが大きくなる。チップ裏面での反射損失も増加する。図１のように空隙部８がなくても接着剤の中に気泡ができると気泡での散乱や反射損失がある。接着剤が穴を完全に満たしていないとそのような損失がある。ＰＤのためファイバ先端が見えないから果たして接着剤が穴を充填しているかどうかという事も分からない。
［従来構造２：二基板張り合わせ構造（図５、図６）］
【００１５】
特公昭６３−２２５６５号に提案されている構造である。１枚の基板に平面実装できず、２枚の基板に光ファイバ、ＰＤを取り付け、互いに張り合わせるようになっている。図５、図６によって説明する。図５は第１のＳｉ基板の斜視図である。（１００）Ｓｉ基板１１の上に異方性エッチングによって［０１１］方向に延びる平行な第１Ｖ溝１２、１３を設ける。同時にこれと直交する［０−１１］方向に横溝１４を穿つ。平行な二つのＶ溝１２、１３の底より、横溝１４の底が深い。同時に異方性エッチングするが、深いので時間が足らず横溝１４の底面は（１００）面が残っているようである。横溝１４の対向面は（１１１）面になっている。これが反射面１５となる。Ｖ溝１２、１３に光ファイバ１６、１７を差し込み先端を傾斜反射面１５に当てる。その状態で光ファイバを接着剤で固定する。光ファイバから出た光は傾斜反射面１５によって反射されて上向きの光線２３、２４になる。
【００１６】
横溝１４が横にのびているからＰＤを固定できない。そこで第２のＳｉ基板１８を使う。Ｌ型断面の複雑なＳｉ基板１８である。二つの穴を穿ち、二つのＰＤ１９、２０を穴に埋め込む。このＰＤはｐ電極、ｎ電極ともに上面にあり、ワイヤボンデイングによってメタライズパターン（図示しない）と接続する。第２Ｓｉ基板１８を反対に向けて、第１Ｓｉ基板１１の背面２１が、第２Ｓｉ基板１８の横片２２内面に当たるように、基板１１、１８を重ね合わせ、接着する。光線２３、２４がＰＤ１９、２０に入射するようになる。
【００１７】
この構造の場合、光ファイバが基板面より下に沈んでいるから溝の深さＷは
Ｗ＞（Ｄ／２）（cosec φ＋１）      （３）
でなければならない。横溝１４はこれ以上に深い溝である。
【００１８】
これはＰＤの下に光ファイバを差し込まない。光ファイバの先端がよく見える状態で作業する。軸方向の位置合わせ（傾斜反射面１５に当てる）と接着が容易である。また横溝１４に接着剤を満たす事ができ光ファイバの先端も接着剤で完全に覆う事ができる。接着剤の付着のムラ、空隙での乱反射などの問題がない。さらに複数のＰＤ、光ファイバを取り付けるのに便利である。それらは利点である。
【００１９】
しかし横溝１４が広がっておりＰＤを三方で支える事ができない。ＰＤを片持ち支持するというような不安定なことはもちろんできないことである。つまり光ファイバと同じ基板によってＰＤを支持できない。ＰＤを支持するために第２の基板１８が不可欠である。すると二つの基板間の位置合わせをしなければならない。基板の一方を裏返して貼り合わせるのであるから極めて難しい位置合わせになる。第２Ｓｉ基板１８でのＰＤ位置、第１基板での横溝の位置なども誤差の要因になる。これらが狂っていると２枚基板間の時後的な調芯だけでは最適位置を見いだすことができない。
【００２０】
それになにより構造が複雑である。２枚のＳｉ基板にそれぞれＰＤと、光ファイバを取り付けてこれを合体させるのであるから表面実装とはもはや呼べない。製作コストが嵩むので実用的でない。
［従来構造３：二段階Ｖ溝構造（図７〜図９）］
【００２１】
二段Ｖ溝構造受光モジュールが特開平９−５４２２８号によって提案されている。図７〜図９によって二段Ｖ溝構造の受光モジュールを説明する。図７は縦断面図、図８は平面図、図９はＶ溝を横切る線で切った断面図である。
【００２２】
（１００）Ｓｉ基板２５に大きい第１Ｖ溝２６とそれに続くより小さい第２Ｖ溝２７を異方性エッチングによって同時に形成する。いずれも［０１１］方向に伸びるＶ溝で中心線は共通である。Ｖ溝の面は（１−１１）、（１１−１）面である。深さが違うので中間に傾斜面２８ができる。第２Ｖ溝２７の終端に小さい傾斜反射面２９ができる。これも（１１１）面である。光ファイバ３０は第１Ｖ溝２６にはめ込む。先端が傾斜面２８に当たる位置で固定される。第２Ｖ溝２７の上に当たる部分にＰＤチップ３２を固定する。光ファイバ３０から出た光は第２Ｖ溝２７を通過し傾斜反射面２９で上方へ反射される。そしてＰＤチップ３２に下面から入射する。
【００２３】
光ファイバ３０は第１Ｖ溝２６の上に一部が露呈する。第１Ｖ溝の深さＷは、
Ｗ＜Ｄ（１＋cosec φ）／２＝Ｄ（１＋cosec ３６゜）／２＝１．３５Ｄ（４）
でなければならない。たとえばＤ＝１２５μｍとすると、Ｗは１６９μｍより浅い。しかしビームは第２Ｖ溝２７を進行しなければならないから、
【００２４】
Ｗ＞（Ｄ／２）cosec φ＝（Ｄ／２）cosec ３６゜＝０．８５Ｄ    （５）
である。つまり  第１Ｖ溝の深さＷは、
（Ｄ／２）cosec φ  ＜Ｗ＜  （Ｄ／２）（cosec φ＋１）  （６）
であるが、φ＝３６゜の場合、Ｗは０．８５Ｄ〜１．３５Ｄの間にある。光ファイバの先端が傾斜面２８に当たることから、第２Ｖ溝の深さＵは、
【００２５】
Ｕ＜Ｗ−（Ｄ／２）（cosec ３６゜−１）＝Ｗ−０．３５Ｄ    （７）
でなければならない。光ファイバから出たビームが第２Ｖ溝を通るためには、
【００２６】
Ｕ＞Ｗ−（Ｄ／２）cosec ３６゜＝Ｗ−０．８５Ｄ    （８）
である。つまり第２Ｖ溝深さＵは、
Ｗ−（Ｄ／２）cosec φ＜Ｕ＜Ｗ−（Ｄ／２）（cosec φ−１）  （９）
であるが、この場合ＵはＷ−０．８５Ｄ〜Ｗ−０．３５Ｄの間にあることが必要である。
【００２７】
この構造の利点を述べる。まず光ファイバ３０の先端がＰＤ３２の下に潜り込まない。先端が見えるので光ファイバの固定状態を観察できる。光ファイバ固定が容易である。光ファイバ先端とＰＤ下部の空間を樹脂によって埋め尽くすことができる。樹脂のない部分ができて光が反射されたり散乱されたりすることがない。二段階の溝は一度の異方性エッチングによって彫りつけることができる。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来技術として紹介した３つの構造にはいずれも欠点がある。
［従来構造１（ＰＤ直下ファイバ挿入構造）］では、受光素子の下まで、光ファイバが挿入されている。狭い穴に樹脂が受光素子の下まで十分に回り込まないと言う欠点がある。接着剤が光ファイバ先端を完全に覆わないと空気と光ファイバ、接着剤の境界で反射する。光路中に気泡があれば乱反射がおこり光量損失の原因になる。また特開平９ー５４２２８号にも欠点として指摘されているように、光ファイバの先端が見えないという問題もある。
［従来構造２（二基板貼り合わせ構造）］の場合は、横溝が横に伸びているので、ＰＤを同じ基板に付けることができず、基板が２枚になってしまう。光ファイバ側基板と、ＰＤ側基板の位置合わせが難しい。平面型でなくて厚みのある構造物になる。構造が複雑であって製作が困難である。コスト高になる。
［従来構造３（二段階Ｖ溝構造）］は接着剤の種類に対する配慮が足りない。接着剤は第１には光ファイバを基板に固定するためのものである。しかしそれだけでない。接着剤は光ファイバとＰＤの間を埋め尽くすのであるから光を通すものでなければならない。透光性であるということである。それに、光ファイバの屈折率（１．４６）に近似する屈折率をもつものであることが望ましい。そうでないと、光ファイバ・接着剤界面で反射が起こるからである。それゆえ二段階Ｖ溝構造は、透光性の接着剤を光ファイバ全面に塗布して光ファイバの固定、光路充填に用いている。ところが透光性の樹脂は接着力が弱い。乾燥した後であってもブヨブヨと柔らかく部材が微かに動き得る。光ファイバと基板を永久的に固定するにはより強力な接着剤を用いることが望ましい。しかし強力な接着性を持つ接着剤は不透明であり、光ファイバ・ＰＤ間には使えない。だからこの提案は接着剤に難点があり永年の使用に耐えない。
【００２９】
以上のように従来例では、２種の目的の違う樹脂を適切に使用する事が難しい。
【００３０】
性質の異なる二通りの樹脂を用いて、光を通しながら光ファイバを確実に固定できるようにした表面実装型受光モジュールを提供することが本発明の第１の目的である。性質の異なる二通りの樹脂が混在しないように空間的に分離できるようにした表面実装型光受信モジュールを提供することが本発明の第２の目的である。安価な樹脂モールド型の光受信モジュールを提供することが第３の目的である。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光受信モジュールは、基板と、基板の上に穿たれたより深い第１Ｖ溝と、第１Ｖ溝に直交して基板上に設けられそれより深い間隙溝と、第１Ｖ溝に軸線を共通にし間隙溝を介して対向するよう基板上に穿たれ第１Ｖ溝よりも浅い第２Ｖ溝と、第２Ｖ溝の終端に形成される上向きの傾斜反射面と、第２Ｖ溝の終端の上部に固定されるＰＤチップと、第１Ｖ溝に挿入され端面が間隙溝の前面に接触する光ファイバと、光ファイバの先端部、間隙溝、第２Ｖ溝とＰＤチップの下面に充填される透光性樹脂と、光ファイバの大部分を基板に固定する固定樹脂と、全体を覆って硬化した樹脂モールドのパッケージよりなる。
【００３２】
本発明では光ファイバ固定Ｖ溝（第１Ｖ溝）と、反射ミラー部分（光路変換部：第２Ｖ溝）と、これらを仕切るトレンチ（間隙溝）を設ける。間隙溝を間に介するのは、一つは光ファイバの位置決めの為である。もう一つの役割は２種類の接着剤（透光性樹脂、固定樹脂）を混ざらないように切り分けるためである。間隙溝を使って透光性樹脂を光路に充填させる。さらにはその上から光ファイバの固定も兼ねて固定樹脂を充填する。これらの３要素（第１Ｖ溝、第２Ｖ溝、間隙溝）を一つのＳｉ基板の上に形成することにより高度の位置精度を確保する。
【００３３】
樹脂について述べる。透光性の樹脂としては、シリコン系の柔らかい透明の樹脂が適する。柔らかいので受光素子や光ファイバの端面ヘのストレスが少ない。特に温度変化による伸び縮みで受光素子や光ファイバの位置関係を大きく狂わせる事もない。この樹脂は、紫外線、若しくは温度加熱によって硬化させるが、完全に固化せず、ゼラチン状の状態を保ち、周りの部品にストレスを掛けない。シリコン系の透光性樹脂は屈折率も光ファイバに近く、マッチングオイル的な役割もするし、通信用波長帯の１３００ｎｍ〜１６００ｎｍでの吸収も殆どない。従来技術としてこれまで紹介したものは透光性を重視しているから全面に透光性ある樹脂を使っていた。
【００３４】
しかしＶ溝へ光ファイバを固定するには透光性樹脂では不十分である。硬化が完全でなく光ファイバがずれるおそれがある。透光性樹脂の長所が、光ファイバ固定という目的に対しては短所になる。そこで本発明は光ファイバの固定のためには透光性樹脂でない硬化の完全な樹脂を用いる。固定樹脂をここでは表現する。固定樹脂は光ファイバを強固に支持できればよいので、透明性、屈折率同一性などの光学的性質は要求されない。しっかりと確実に固定することが主眼であるので固定樹脂としては例えばエポキシ系の樹脂を用いる。
【００３５】
このように二種類の樹脂を用いることが本発明の新規な特徴の一つである。しかし単に２種類の樹脂を流すだけだと境界が決まらず相互に混合してしまい、固定樹脂が光ファイバとＰＤを結ぶ光路を塞ぐ可能性もある。本発明はそのような問題に対する備えをもちろん持っている。間隙溝を２種類のＶ溝の間に直交して設けるという点がそれである。
【００３６】
間隙溝は光ファイバの先端を止め、位置決めするという機能もある。それに加えて透光性接着剤をポッティングする為の明確な空間を提供するという機能がある。本発明の間隙溝は、図５の横溝とは違う。横溝で終わってしまうと、そこにＰＤチップを固定できない。本発明はさらに細い第２のＶ溝を切り込んでいるから、ＰＤチップを支持する３面（コの字型面）を確保できる。ＰＤを同じ基板に固定でき図５、図６のような２枚基板を必要としない。図７〜図９の従来技術は、２段Ｖ溝であるが間隙溝がない。２種類の樹脂を空間的に切り分けることができない。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図１０〜図１５によって本発明の光受信モジュールを説明する。図１０は光ファイバ固定部のみの一部斜視図である。図１１は溝の横断面図である。図１２は溝の縦断面図である。
【００３８】
方位（１００）のＳｉ基板３３を基材として用いる。Ｓｉそのままであると導電性があるからＳｉＯ2 膜を表面に形成する。スパッタリングによってＳｉＯ2 膜を付けるか、酸化によって膜を作る。膜厚は１μｍ〜数μｍで充分である。Ｓｉ基板３３にフォトレジストを塗布しマスクを通して露光し［０１１］方向のストライプ窓を形成する。レジストを現像し異方性あるエッチングによって、２段のＶ溝３４、３５を［０１１］方向に形成する。第１Ｖ溝３４はより広く深く、第２Ｖ溝はより狭く浅い。第２Ｖ溝の終端に傾斜反射面３７ができる。第２Ｖ溝３５と傾斜反射面３７を併せて光路変換部という。傾斜反射面３７（ミラー面）は例えば（１１１）の傾斜面である。Ｓｉの屈折率が高いのでＳｉのままでもある程度の反射率はある。しかし金属膜を蒸着して反射率を１００％近くに上げるとさらによい。第１Ｖ溝３４、第２Ｖ溝３５、傾斜反射面３７は一回の異方性エッチングによって形成できる。
【００３９】
次にＶ溝３４、３５に対して直角に間隙溝３６を形成する。間隙溝３６は面に対して垂直の壁をもつとすれば、同じ異方性エッチングでは形成できない。高アスペクト比が取れるＲＩＥ（反応性イオンエッチング）エッチングによって間隙溝を形成できる。またダイシングソーによって機械的に箱型底の溝を切り抜く事もできる。間隙溝の深さは、第１Ｖ溝３４や光路変換部の溝（第２Ｖ溝３５）よりも深くする。
【００４０】
間隙溝は垂直壁を持つのが光ファイバの位置決めという点で良いのであるが、斜め壁であっても光ファイバの位置決めは可能である。斜め壁の間隙溝でよいなら、Ｖ溝と同じ異方性エッチングによって同時に間隙溝をも形成することができる。間隙溝は透光性樹脂を収容するという機能と、光ファイバ位置決めという機能がある。前者は垂直壁を持つ間隙溝の方がよいが、後者は斜壁のものでも差し支えない。但し間隙溝の深さＱは、第１Ｖ溝３４の深さＷ、第２Ｖ溝３５の深さＵよりも深いことが望ましいので（Ｑ＞Ｗ＞Ｕ）間隙溝を傾斜溝にすると幅が広がってしまう。図１１に示すように、光ファイバ（コア＋クラッド；被覆は剥してある）４０が第１Ｖ溝３４に固定されるが、一部は第１Ｖ溝の上に露呈する。光ファイバ中心は基板表面より下にある。Ｖ溝の底角の半分をφとし、光ファイバの直径をＤとすると、第１Ｖ溝の深さＷは
【００４１】
（Ｄ／２）cosec φ＜Ｗ＜（Ｄ／２）（１＋cosec φ）  （１０）
でなければならない。従来構造１、２よりは浅い溝になる。間隙溝３６はこれよりも深い溝である。間隙溝はダイシング加工する場合、広さと深さは無関係であるから深い溝であっても幅はそれほど広がらない。
【００４２】
第２Ｖ溝の深さＵは、光ファイバコア（中心）より下にあるという条件と、第１Ｖ溝より浅いという条件から、
Ｗ−（Ｄ／２）cosec φ＜Ｕ＜Ｗ      （１１）
を得る。これが第２Ｖ溝の深さＵの範囲に課される。
【００４３】
Ｓｉ基板の異方性エッチングを利用する場合はφ＝３６゜である。光路変換部の（１１１）面３７の傾斜角は５４゜である。Ｖ溝の斜面は（１−１１）、（１１−１）面である。図１２のように深さはＱ＞Ｗ＞Ｕである。間隙溝３６の前面３８は光ファイバの先端が当たる部位である。後面３９と前面３８の間は透光性の接着剤を充填できる。図１３、図１４は平面図であるが、第１Ｖ溝３４に光ファイバを乗せて先端が前面３８に接触するように位置決めする。順序は図１４に示すとおりでなく先にＰＤを付ける。その後に光ファイバを取り付けるのであるが、光ファイバの先端が間隙溝の面３８で止まることを示すために図１０、１４などを示している。傾斜反射面３７とその近傍の第２Ｖ溝３５には金属膜を蒸着し反射率を高揚させる。ＰＤチップ４２は光路変換部のすぐ上に固定する。そのためメタライズ面を基板上に作っておく。ＰＤチップは背面入射型が適する。背面入射型の場合ｎ電極がリング電極になりここから光が入る。ｎ電極をメタライズ面にボンドする。
【００４４】
ＰＤチップは例えば、４５０μｍ角厚み２００μｍのＩｎＧａＡｓのＰＤチップを用いる。これを所定位置に半田づけする。図１５に示すように、光ファイバ４０を第１Ｖ溝３４に差し入れ押さえ治具によって仮固定する。先端が間隙溝面３８に当たるので正確な位置決めができる。光ファイバ先端と間隙溝３６、ＰＤチップ４２の辺りに透光性樹脂４３をポッティングする。透明であって光を通し、光ファイバと屈折率が近似する接着剤である。接着力は劣るが光学的な性質を優先してシリコン樹脂の接着剤などを使う。間隙溝３６があるので流動性ある透光性樹脂４３が間隙溝に滞留できる。光ファイバ先端とＰＤチップの間の光路に空隙を作らないようにするため透光性樹脂が必要である。
【００４５】
しかし透光性樹脂だけでは強固な接着性が実現できない。さらに光ファイバと第１Ｖ溝３４の近傍により接着性に優れた固定樹脂４４を塗布して光ファイバをＳｉ基板に固定する。固定樹脂は光学的性質はどうでもよくて不透明であっても差し支えない。たとえばエポキシ系の接着剤とする。固定樹脂４４は光ファイバを固着するだけでなく透光性樹脂を保護する作用もある。二つの種類の接着剤を有効に使って接着強度、光学的機能の要求を満足している。そのような工夫を加えたものは従来技術にはなかった。
【００４６】
図１５をみるとＰＤ４２は不安定に見えるが実際には図１３、１４、１０、１１にみるようにＰＤは底面をコの字型の部分で支えられているから安定である。
【００４７】
図１６はＳｉ基板の全体平面図である。縦中央に光ファイバを収容するＶ溝が形成される。先述の第１Ｖ溝３４の先に大Ｖ溝４７がある。これは光ファイバにフェルールを付け、フェルールを収容する溝である。光ファイバはクラッド径が１２５μｍであるがフェルールはこれよりずっと太いので大Ｖ溝４７が必要である。その部分は前低面４６となっている。傾斜面４５ができるのは、異方性エッチングによってＶ溝４７、３４、３５、傾斜面４５を一挙に形成したからである。中間部面４８には縦方向に第１Ｖ溝３４があるだけである。
【００４８】
後面４９には光路変換部（第２Ｖ溝３５、傾斜反射面３７）の他にメタライズ５０〜５３が印刷あるいは蒸着によって形成される。後面には、ＰＤの他に、増幅器やコンデンサ、その他の電子回路素子を取り付けることができるように電極引き出し用のメタライズ面が設けられるのである。Ｓｉ基板の表面は酸化膜ＳｉＯ2 で覆われメタライズはＳｉＯ2 の上にあるから相互に絶縁されている。溝を切った部分はＳｉが露呈している訳である。しかし溝に接触するのは光ファイバだけであるから差し支えない事である。
【００４９】
図１７は図１５の光路変換部の拡大断面図である。光ファイバ４０はコア５７とクラッド５６とからなる。光路変換部の第２Ｖ溝３５の側面と傾斜反射面３７には金属膜が被覆される。反射率を高めるためである。この図では光ファイバの先端は第２Ｖ溝３５の底より上にあるが、そうであっても間隙溝の前面３８によって位置決めされるのである。Ｖ溝であって底角が７２゜であるから溝の側方に光ファイバ先端が当たる。コア５７の中心Ｐから出た光は、開口角に応じて広がる。広がり角ΘはｃｏｓΘ＝ｎ1 ／ｎ0 によって与えられる。ｎ1 はクラッド屈折率、ｎ0 はコア屈折率である。広がりビームをＰＱ1 、ＰＱ2 、ＰＱ3 とする。傾斜反射面３７でビームが反射されて裏面入射型のＰＤ４２に入る。
【００５０】
傾斜反射面３７の傾斜角は４５゜でなくて５４゜であるから、ビームＱ1 Ｒ1 、Ｑ2 Ｒ2 、Ｑ3 Ｒ3 は表面に垂直でない。多少後ろ向きのビームとなる。これらが屈折率の大きいＰＤ４２に入射し、上方の受光部５８まで伝搬しここで感受される。垂直上向きでないから、ＰＤ面で反射されたビームは同じ道筋を戻らない。もしも戻ると光ファイバを逆進し光源であるレ−ザ（図示しない）に戻りレ−ザ発振に悪影響を及ぼすところである。本発明では５４゜の傾斜反射面を使うからそのような事はない。従来の円筒形の光受信モジュールでは光ファイバの先端を８゜の傾斜に研磨して反射光がレ−ザに戻るのを防いだものである。本発明ではそれが不要である。現にここで光ファイバ４０の先端は（傾き０゜に）正しく切ってある。
【００５１】
近赤外光（１．５５μｍや１．３μｍ）を通信光に用いる場合、ＰＤはＩｎＰ基板の上に、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓの受光層をエピタキシャル成長させ、Ｚｎ拡散でｐｎ接合を作成したものを使う。もちろん通信光の波長によって、ＳｉーＰＤＳｉ−ＡＰＤを使う事もできる。
【００５２】
図１８はＳｉ基板３３のＶ溝など構造物に、チップや光ファイバを取り付けた状態を示す斜視図である。光路変換部の上、メタライズ５０の終端にＰＤ４２が半田付けしてある。そのすぐ前にはメタライズ５２に増幅器ＩＣ５９が半田付けしてある。同じメタライズ５２に平板コンデンサ６１、６２が取り付けられる。これはダイキャップともいう。電源のインピーダンスを下げてノイズを遮断するために入れている。ＰＤ４２はｎ電極（カソード）が下になっておりこれがメタライズ５０に接続されている。上のｐ電極はワイヤによって増幅器５９の入力端子に接続される。増幅器の出力端子と電源端子がワイヤによって別のメタライズ５３、５１とつながれている。グランドはメタライズ５２から取っている。ＰＤの光電流を同じパッケージ内で増幅するから外部ノイズの影響を受け難い。
【００５３】
このように電子部品をリフロー炉によって半田付けしてから、フェルール６０を付けた短い光ファイバ４０をＳｉ基板に取り付ける。第１Ｖ溝３４に光ファイバのクラッドをいれ、フェルール６０を大Ｖ溝４７に入れて支持する。その後接着剤を使って光ファイバを固定するのであるが、初めに透光性樹脂を光ファイバ先端、間隙溝、第２Ｖ溝の辺りに滴下（ポッテイング）する。次いでフェルール６０、光ファイバ４０の部分に固定樹脂を塗布する。
【００５４】
図１９は図１８の部分図である。図１９（１）はＰＤを取り付ける部分の平面図である。基板の側部から伸びるメタライズ５０が光路変換部の近傍では、第２Ｖ溝３５を囲むようにコの字型になっている。メタライズ５０の上に電極用のパターン６６が蒸着、メッキ（例えばＡｕ−Ｓｎ）などによって作成してある。その外側でメタライズ５０の上に４つの位置合わせマーク６７、６８、６９、７０が付されている。ＰＤ４２の四隅の点をこれらのマークに合うようにして取り付ける。図１９（２）は光ファイバの突き合わせ部である。光ファイバから出た光は平面方向にも広がるが傾斜反射面３７で反射されＰＤにはいる。図１９（３）は光ファイバの光が面３７で上向きに反射されＰＤに入射するところを示す。図１９（４）は光ファイバを横切る部分の横断面図、（５）は第２Ｖ溝の部分の横断面図である。光ファイバの大部分は第１Ｖ溝に沈んでいるが、上部の幾分かが露出している。
【００５５】
図１８のようなものができると、これを金属板を打ち抜いたリードフレームに乗せて、パターンとリードとをワイヤによって接続する。さらに型にいれて流動性ある樹脂をそそぎ込み固化する。リードの外側に出ている部分を切断する。つまり樹脂モールドによってパッケージを作るのである。従来の円筒形光受信モジュールは金属性のパッケージにハーメチックシールしていたがそれはコスト高になる。本発明は安価なモールド型のパッケージに収容する。これによってもコストを削減できる。モールドであるというのも本発明の特徴の一つである。
【００５６】
図２０は樹脂モールド後の本発明の素子の斜視図である。図２１は光路変換部の辺りの横断面図、図２２は縦断面図、図２３はフェルール部分の辺りの横断面図である。光路変換部の辺りでは透光性樹脂接着剤４３が光路部分を覆っている。さらに光ファイバ、フェルールの部分は固定樹脂４４によって覆われる。さらにその外側において、安価な樹脂７２が全体を覆っている。両側にはリード７３、７４、…、８３…、８５などが出ている。通常のモールドタイプＩＣと外観は殆ど同じである。ただし、光ファイバを繋ぐためのフェルール６０が外部に突き出ている。これが電気的なＩＣとすこし違うところである。
【００５７】
以上に述べたものは光ファイバが一本のものであった。本発明は複数の光ファイバと複数のＰＤを設けた複数連の光受信モジュールにも適用できる。
図２４は、３連の光受信モジュールに適用したもののＳｉ基板の平面図を示す。Ｓｉ基板８６に１本の共通の間隙溝８７が彫られている。これと直角に３本の第１Ｖ溝８８、８９、９０が基板端面から半ばにかけて形成される。間隙溝８７の先にはよりせまい第２Ｖ溝９４、９５、９６が形成される。その終端は傾斜反射面になっている。それが光路変換部となっている。前例と同じように、Ｖ溝は異方性エッチングによって作製できる。間隙溝だけダイシングソーで切り欠いてもよい。間隙溝も方向性あるＲＩＥなどのエッチングで形成できる。もちろんＶ溝も機械的手段によって切り込むこともできる。
【００５８】
光路変換部の上にはＰＤ９７、９８、１００を固定してある。ＰＤのさらに前方には電子回路素子１０１、１０２、…、１０９などが実装してある。これらは増幅器、コンデンサ、波形整形器など任意である。第１Ｖ溝には、光ファイバ９１、９２、９３を埋め込んである。光路変換部は透光性樹脂によって、光ファイバの全体は固定樹脂によって固定する。３連に限らず、４連、…など任意の多連のモジュールとすることができる。この例ではフェルールが外部に突出していない。それはテープ光ファイバなどと突き合わせ結合させるためである。もちろん３本のフェルールを図２０のように突き出すような構造にしてもよい。結合の相手になる光ファイバ群の形状によってフェルールの組み合わせも自在に変えることができる。これは基板部分だけをしめしているが、実際には図２０のように全体を樹脂モールドして完成品とする。パッケージが樹脂モールドであるから金属カンパッケージやセラミックパッケージよりずっと安価になる。
【００５９】
図２５は、５連の実施例を示す。Ｓｉ基板１２０に、横方向に間隙溝１２１を彫りつけ、これに垂直に第１Ｖ溝１２２〜１２６を形成する。それの続きとしてより狭い幅の第２Ｖ溝１２７〜１３１を間隙溝１２１の先に設ける。第２Ｖ溝の終端は（１１１）面の傾斜反射面となっている。その上にＰＤアレイ１３７が固定してある。個々に分離したＰＤでなくてここではアレイを使っている。ＰＤアレイなら位置合わせが一回で済む。ＰＤ群の後方には電子回路部品１３８、１３９、１４０が取り付けてある。これもＳｉ基板の部分だけしかしめしていないが、実際には樹脂によって全体をモールドする。光ファイバの開口端には、やはり５連のテープ光ファイバ１４２のコネクタが何らかの手段によって着脱自在に取り付けられる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明は、第１Ｖ溝（固定用Ｖ溝）、間隙溝、第２Ｖ溝（光路変換部）をＳｉ基板上に独立させて形成している。間隙溝が２段Ｖ溝の間にあるので透光性樹脂接着剤を光路になる部分にのみ満たし、光ファイバは固定樹脂接着剤によって強固堅固に固定することができる。間隙溝によって二つの接着剤の空間的な切り分けが可能になる。透光性樹脂と固定用樹脂の組み合わせで良好な性能の受信モジュールができる。そのようなものは従来の光受信モジュールにはなかった事である。
【００６１】
平面実装型であって円筒形のパッケージでないからプリント基板に実装したとき９ｍｍ以下にできる。平面実装型であってしかも樹脂によってモールドしたものであるからさらに安価になる。
【００６２】
１本の光ファイバ１個のＰＤだけでなく、複数の光ファイバ、ＰＤを接続する光パラレルリンクのような複数本の光ファイバ伝送にも応用できる。光ファイバやＰＤの数が増えるとＶ溝による調芯作用、樹脂による固定などが一層その効果を発揮する。製作コスト、部品コストともに低減できる表面実装型の光受信モジュールを与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ドイツ特許ＤＥ３５４３５５８Ｃ２およびB.Hillerich & A.Geyer,"Self-aligned flat-pack fibre-photodiode coupling", ELECTRONICS LETTERS VOL.24, NO.15, P918(1988) によって提案された光受信モジュールの中央縦断面図。
【図２】同じ光受信モジュールのＶ溝を含む一部の平面図。
【図３】同じ光受信モジュールにおいてＶ溝に光ファイバを挿入した状態の一部平面図。
【図４】同じ光受信モジュールにおいてＰＤを取り付けて光ファイバをＶ溝に挿入した状態の一部平面図。
【図５】特公昭６３ー２２５６５号において提案された光受信モジュールの第１の基板の斜視図。
【図６】同じ特公昭６３ー２２５６５号において提案された光受信モジュールの第２の基板の斜視図。
【図７】特開平９ー５４２２８号において提案された光受信モジュールの中央縦断面図。
【図８】同じ特開平９ー５４２２８号において提案された光受信モジュールの一部平面図。
【図９】同じもののＶ溝部分の横断面図。
【図１０】本発明の光受信モジュールのＶ溝を含む部分の斜視図。
【図１１】本発明の光受信モジュールのＶ溝を含む部分の横断面図。
【図１２】本発明の光受信モジュールの基板部分のＶ溝、間隙溝の断面図。
【図１３】同じものの一部平面図。
【図１４】同じものにおいて、光ファイバをＶ溝に挿入したものの平面図。
【図１５】同じ光受信モジュールにおいて光ファイバを取り付けて透光性樹脂で光路変換部、光ファイバ先端、ＰＤの部分を接着し、その上に固定樹脂の接着剤を塗布して固めた状態の断面図。
【図１６】本発明の光受信モジュールのＳｉ基板の平面図。
【図１７】本発明の光受信モジュールの光路変換部の拡大縦断面図。
【図１８】本発明の光受信モジュールにＰＤチップ、光ファイバを固定した状態の斜視図。
【図１９】同じモジュールの各部分の詳細図。（１）は光路変換部の平面図。（２）は光路変換部に光ファイバを固定した状態の平面図。（３）は同じものの縦断面図。（４）は光ファイバの部分の横断面図。（５）第２Ｖ溝の部分の横断面図。
【図２０】Ｓｉ基板に電子部品や光ファイバを実装して全体をモールドしたものの斜視図。
【図２１】同じ光受信モジュールのＰＤチップを含む部分の横断面図。
【図２２】同じ光受信モジュールの中央縦断面図。
【図２３】同じ光受信モジュールの光ファイバを含む部分の横断面図。
【図２４】光ファイバ３連の場合に適用した本発明の光受信モジュールのＳｉ基板部分の平面図。
【図２５】光ファイバ５連の場合に適用した本発明の光受信モジュールのＳｉ基板部分の平面図。
【符号の説明】
１Ｓｉ基板
２Ｖ溝
３光ファイバ
４傾斜反射面
５ＰＤチップ
６光線
７接着剤
８空隙部
１１Ｓｉ基板
１２、１３Ｖ溝
１４横溝
１５傾斜反射面
１６光ファイバ
１７光ファイバ
１８蓋板
１９ＰＤチップ
２０ＰＤチップ
２１Ｓｉ基板背面
２２横片
２３反射光線
２４反射光線
２５Ｓｉ基板
２６第１Ｖ溝
２７第２Ｖ溝
２８  傾斜面
２９傾斜反射面
３０光ファイバ
３２ＰＤチップ
３３Ｓｉ基板
３４第１Ｖ溝
３５第２Ｖ溝
３６間隙溝
３７傾斜反射面
３８溝前面
３９溝後面
４０光ファイバ
４２ＰＤチップ
４３透光性樹脂
４４固定樹脂
４５傾斜面
４６前低面
４７大Ｖ溝
４８中間部面
４９後面
５０〜５３メタライズ
５４反射被膜
５５反射被膜
５６クラッド
５７コア
５８受光部
５９増幅器
６０光ファイバ
６１平板コンデンサ
６２平板コンデンサ
６３段
６４ワイヤ
６５ワイヤ
６６ＡｕＳｎメッキパターン
６７〜７０位置合わせマーク
７２モールド
７３〜７７リードピン
８３〜８５リードピン
７８底板
７９〜８０ワイヤ
８６Ｓｉ基板
８７間隙溝
８８〜９０第１Ｖ溝
９１〜９３光ファイバ
９４〜９６第２Ｖ溝
９７〜９８ＰＤチップ
１００ＰＤチップ
１０１〜１０９電子回路部品
１２０Ｓｉ基板
１２１間隙溝
１２２〜１２６第１Ｖ溝
１２７〜１３１第２Ｖ溝
１３２〜１３６光ファイバ
１３７ＰＤアレイ
１３８〜１４０電子回路部品
１４２テープファイバ
【図１】
0003775069.tif 000002
【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】
0003775069.tif 000009
【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】
0003775069.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0003775069.tif 000017
【図１７】
0003775069.tif 000018
【図１８】
0003775069.tif 000019
【図１９】
0003775069.tif 000020
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
0003775069.tif 000025
【図２５】
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