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JP3955065B2 - 光結合器 - Google Patents

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JP3955065B2
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Description

この発明は、光学素子を有する光結合器に関し、詳しくは、光ファイバを伝送媒体とした家庭内通信や自動車内通信やＬＡＮ(Local Area Network)等に使用可能な光結合器に関する。
従来より、発光ダイオード(ＬＥＤ：Light Emitting Diode)やフォトダイオード(ＰＤ：Photo Diode)等の光学素子と光ファイバとを光学的に結合させる光結合器が知られており、機器間や家庭内や自動車内等での光通信に利用されている。一般に、光結合器は、光学素子を透明モールド樹脂により封止(トランスファーモールド)したものと、金属性のケースの中に気密封止(ハーメチックシール)したものが知られている。
図９は、第１の従来技術としての光結合器１の縦断面を示す。この光結合器１は、リードフレーム２に光学素子３が搭載され、その光学素子３は透明モールド樹脂４によってトランスファーモールドされている。尚、透明モールド樹脂４における光学素子３の光学面(光が入出射する面)５と対向する位置には、レンズ部６が形成されている。また、光学素子３とリードフレーム２とは、ボンディングワイヤ８によって電気的に接続されている。
上記構成の光結合器１においては、上記光学素子３が発光素子である場合には、光学面５から出射された光は、透明モールド樹脂４内を透過し、レンズ部６によって集光されて光ファイバ７の端面７aに向かって出射される。そして、こうして出射されたレンズ部６からの光は光ファイバ７に入射する。
また、上記光学素子３が受光素子である場合には、光ファイバ７の端面７aから出射された光は、透明モールド樹脂４のレンズ部６によって集光されて透明モールド樹脂４内を透過し、光学面５に入射する。こうにして、光ファイバ７と光学素子３とが光伝達可能な状態に、所謂光学的に結合されるのである。
図１０は、第２の従来技術としての光結合器１１の縦断面を示す(特許文献１(特開昭６０‐１２７８２号公報(図３)))。この光結合器１１は、リードフレーム１３の光ファイバ１４側とは反対側の面(以下、裏面という)１３aにおける貫通穴１５の位置に光学素子１２が配置され、透明モールド樹脂１６によってトランスファーモールドされている。
上記構成の光結合器１１においては、上記光学素子１２の光学面１７に対して入出射する光は、貫通穴１５を通過すると共に、透明モールド樹脂１６を透過して、光ファイバ１４の端面１４aに対して入出射する。
このような光結合器１１においては、上記光学素子１２とリードフレーム１３とを電気的に接続するボンディングワイヤ１８を、リードフレーム１３の裏面１３a側に配置することができる。したがって、上記光結合器１の場合に比して、光学素子１２と光ファイバ１４との間隔を狭く(つまり、光ファイバ１４側の透明モールド樹脂１６の厚みを薄く)することができ、ＬＥＤのように放射角度の大きい発光素子を光学素子１２として使用する場合には、光の利用効率を改善できる効果がある。
図１１は、第３の従来技術としての光結合器２１の縦断面図を示す(特許文献２(特開昭５９‐１８０５１５号公報(図２)))。この光結合器２１は、光学素子２２が金属ステム２３の凹部２３aの底部に配置され、レンズ２４が設けられたレンズキャップ２５によってハーメチックシールされている。尚、光学素子２２とリード端子２６とは、ボンディングワイヤ２７によって電気的に接続されている。
上記構成の光結合器２１においては、上記光学素子２２に対して入出射する光は、レンズキャップ２５のレンズ２４によって集光されて、光ファイバ２８の端面２８aに対して入出射する。
しかしながら、上記各従来の光結合器においては以下のような問題がある。すなわち、上記第１および第２の従来技術では、光学素子３,１２をリードフレーム２,１３に配置し透明モールド樹脂４,１６によって封止する構成をとっている。この場合には、透明モールド樹脂４,１６とリードフレーム２,１３との線膨張係数差が大きいために、光結合器１,１１を使用することが可能な環境温度が限定されるという問題がある。
すなわち、上記第１の従来技術においては、一般に、上記透明モールド樹脂４として使用されるエポキシ系の樹脂の線膨張係数は６０ppm/Ｋ〜７０ppm/Ｋである。それに対し、リードフレーム２に使用される銅等の線膨張係数は２０ppm/Ｋ程度であり、線膨張係数の差が大きいことから、環境温度が変化した場合には透明モールド樹脂４とリードフレーム２との界面に大きな熱応力が発生する。そのために、透明モールド樹脂４が破損(ひび割れ)すること、透明モールド樹脂４がリードフレーム２から剥離すること、レンズ部６が変形して光学特性が変化する等の問題がある。
また、上記第２の従来技術においては、上記リードフレーム１３の貫通穴１５に入った透明モールド樹脂１６が、熱応力によって光学素子１２の表面から剥離し、光学素子１２の特性が変化する(例えば、光学素子１２がＬＥＤの場合には、透明モールド樹脂１６の剥離によって光学面１７が光学素子１２と接する面の屈折率が変化して光取り出し効率が変化する)という問題がある。一方において、モールド樹脂にフィラーを添加することによって線膨張係数を低減できることが知られているが、この場合は、透明モールド樹脂１６が白濁してしまい、光学特性が劣化(透過率が低下)するため、光結合器１１に利用することが困難である。以上のことから、光結合器１１の使用環境温度は−２０℃から８０℃程度に限定されている。
また、上記第３の従来技術においては、上述したようにハーメチックシールを用いている。その場合には、上記第２の従来技術で述べたような熱応力の影響は小さいが、金属ステム２３を使用するため光結合器２１の価格が高くなると共に、小型化が困難であるという問題がある。また、光学素子２２とレンズキャップ２５との間に空気層ができるため、光の反射損失が大きいという問題もある。
特開昭６０‐１２７８２号公報(図３) 特開昭５９‐１８０５１５号公報(図２)
そこで、この発明の課題は、使用可能な環境温度範囲が広く、安定した光学特性を得ることができ、小型で低コストな光結合器を提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の光結合器は、
光学素子と、
上記光学素子が搭載されると共に、上記光学素子と電気的に接続されたリードフレームと、
上記光学素子に対して入射あるいは出射する光を集光するレンズを含むレンズ部材と
を備え、
上記レンズ部材は、上記レンズが、上記光学素子における光が入射あるいは出射する面である光学面に対向するように配置されており、
上記レンズ部材と上記光学素子の光学面との間には透明樹脂が介在しており、
上記リードフレームには貫通穴が形成されており、
上記光学素子は、上記光学面を上記リードフレームに形成された上記貫通穴内に位置させると共に、上記貫通穴における一方の開口を塞ぐように配置されており、
上記レンズ部材は、上記レンズの光軸が上記リードフレームに形成された上記貫通穴内を貫通すると共に、上記貫通穴における他方の開口を塞ぐように配置されており、
上記貫通穴内には上記透明樹脂が充填されている
ことを特徴とする光結合器において、
上記レンズ部材における上記リードフレームに対向する面には突起部が一体に設けられており、上記レンズ部材が上記リードフレームの貫通穴における上記他方の開口を塞ぐように配置されて上記透明樹脂を介して当該リードフレームに接着された際に、当該リードフレームの貫通穴に上記突起部が挿入されるようになっている
ことを特徴としている。
上記構成によれば、上記第１の従来技術における光結合器１のごとく素子の封止を兼ねたトランスファーモールドで形成されたレンズに比して、小型のレンズを使用することができ、上記レンズ部材に掛かる熱応力を低減することができる。したがって、上記レンズ部材の変形や破損や上記リードフレームからの剥離を生じ難くできる。さらに、上記透明樹脂を、上記リードフレームと上記レンズ部材との線膨張係数差によって上記リードフレームと上記レンズ部材との間に生じる熱応力の緩衝部材として用いることができる。したがって、広い温度範囲で使用することが可能になる。さらに、上記レンズ部材と上記光学素子の光学面との間には透明樹脂が介在しているので、上記光学素子の光学面を保護することができる。
さらに、上記リードフレームを上記レンズの鏡筒として用いることができ、当該光結合器の小型化を図ると共に、部品点数を低減させてコストを低減することが可能になる。さらに、上記リードフレームの貫通穴には上記透明樹脂が充填されているので、上記貫通穴の直下に位置する上記光学素子の光学面を保護することができる。
さらに、上記レンズ部材が上記リードフレームの貫通穴における上記他方の開口を塞ぐように配置されて上記透明樹脂を介して当該リードフレームに接着された際に、上記レンズ部材に一体に設けられた突起部が上記貫通穴に挿入されるため、上記貫通穴に充填されている硬化前で液状の上記透明樹脂が、気泡と共に上記貫通穴の外に押し出される。したがって、上記貫通穴内における硬化後の上記透明樹脂に気泡が混入することを防止することができ、光学特性の製造ばらつきを少なくすることができる。
また、１実施の形態の光結合器では、
上記レンズ部材の突起部は、上記光軸に直交する方向への寸法が先端に向かうに連れて減少するテーパ形状になっている。
この実施の形態によれば、上記レンズ部材の突起部がテーパ形状に形成されているために、上記リードフレームの貫通穴内における液状の上記透明樹脂が上記テーパ形状の突起部によって連続して押し出されて流出する。したがって、上記貫通穴内における硬化後の上記透明樹脂に気泡が入ることをより確実に防止することができ、光学特性の製造ばらつきをより少なくすることができる。
また、１実施の形態の光結合器では、
上記透明樹脂は、シリコン系化合物である。
この実施の形態によれば、上記透明樹脂としてシリコン系化合物を用いるので、上述した熱応力の緩衝効果と上記光学素子の封止効果との両方を得ることができる。
また、１実施の形態の光結合器では、
上記フィラー入り樹脂に、上記レンズ部材と上記光学素子の光学面との間に充填された上記透明樹脂が上記レンズ部材の領域を超えて広がることを防止する樹脂溜まり部を設けている。
この実施の形態によれば、上記レンズ部材と上記光学素子の光学面との間に充填された硬化前の液状の上記透明樹脂が、上記レンズ部材の領域を超えて外部に流出することを防止することができる。したがって、製造が容易となると共に、上記レンズ部材を上記樹脂溜まり部内に溜まった透明樹脂によって上記リードフレームから離した状態で上記リードフレームに接着することが可能になる。さらに、上記樹脂溜まり部を上記フィラー入り樹脂によって形成することによって部品点数の低減を行うことができる。
また、１実施の形態の光結合器では、
上記樹脂溜まり部は、上記レンズ部材の平面形状と略同一の平面形状を有すると共に、上記レンズ部材が収納される凹部でなり、
上記樹脂溜まり部における開口部の周囲には、上記光学素子に対して入出射する光を伝播する光ファイバの先端部が嵌合されると共に、上記嵌合された光ファイバの先端部と上記レンズ部材との位置合わせを行うコネクタ部が設けられている。
この実施の形態によれば、上記樹脂溜まり部と上記コネクタ部とを上記フィラー入り樹脂によって一体に形成するので小型化が可能になる。さらに、上記レンズ部材を収納する凹部でなる上記樹脂溜まり部における開口部の周囲に、光ファイバの先端部が嵌合される上記コネクタ部を設けている。したがって、上記コネクタ部に上記光ファイバの先端部を装着するだけで、上記レンズ部材と上記光ファイバの先端部との位置合わせが簡単に且つ高精度で行うことができる。
また、１実施の形態の光結合器では、
上記レンズ部材における上記リードフレームに対向する面には、上記リードフレームの貫通穴と外部とに連通する溝部が設けられている。
この実施の形態によれば、上記レンズ部材には上記リードフレームの貫通穴と外部とに連通する溝部が形成されているために、上記レンズ部材が上記リードフレームの貫通穴における上記他方の開口を塞ぐように配置された際に、上記貫通穴に充填されている硬化前で液状の上記透明樹脂が、気泡と共に上記溝部を介して外部に流出する。したがって、上記貫通穴内における硬化後の上記透明樹脂に気泡が混入することを防止でき、光学特性の製造ばらつきを少なくすることができる。
また、１実施の形態の光結合器では、
上記リードフレームの貫通穴における内周面は、上記光学素子に対して入射あるいは出射する光を反射する反射面となっている。
この実施の形態によれば、上記リードフレームの貫通穴における内周面を反射面とすることによって、上記リードフレームの貫通穴を光路変更部材として利用することができ、簡易な構成によって光結合効率の改善等の光学機能の追加を行うことができる。
以上より明らかなように、この発明の光結合器は、レンズ部材を、レンズが光学素子における光学面に対向するように配置し、上記レンズ部材と上記光学素子の光学面との間には透明樹脂を介在させたので、素子を封止するトランスファーモールドで形成されたレンズに比して小型のレンズを使用することができ、上記レンズ部材に掛かる熱応力を低減することができる。したがって、上記レンズ部材の変形や破損や上記リードフレームからの剥離を生じ難くできる。
さらに、上記透明樹脂を、上記リードフレームと上記レンズ部材との線膨張係数差によって上記リードフレームと上記レンズ部材との間に生じる熱応力の緩衝部材として用いることができる。したがって、広い温度範囲で使用することが可能になる。また、上記レンズ部材と上記光学素子の光学面との間には透明樹脂が介在しているので、上記光学面を保護することができる。
さらに、上記リードフレームに貫通穴を形成し、レンズ部材を、レンズの光軸がリードフレームに形成された貫通穴内を貫通すると共に、上記貫通穴の開口を塞ぐように配置し、上記貫通穴内には透明樹脂を充填したので、上記リードフレームをレンズの鏡筒として用いることができ、当該光結合器の小型化を図り、部品点数を低減させてコストを低減することができる。さらに、上記リードフレームの貫通穴には上記透明樹脂が充填されるので、上記貫通穴の直下に位置する上記光学素子の光学面を保護することができる。
さらに、上記レンズ部材に、上記リードフレームの貫通穴に挿入される突起部を一体に設けたので、上記レンズ部材の突起部が上記貫通穴に挿入されて上記透明樹脂を介して当該リードフレームに接着される際に、上記貫通穴に充填されている硬化前で液状の上記透明樹脂を、気泡と共に上記貫通穴の外に押し出すことができる。したがって、上記貫通穴内における硬化後の上記透明樹脂に気泡が混入することを防止して、光学特性の製造ばらつきを少なくすることができる。
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
・第１実施の形態
図１は、本実施の形態の光結合器における縦断面図である。光結合器３０は、光通信を行うために、光学素子３２を、光ファイバ３３と光伝達可能な状態に接続(所謂、光学的に結合)するための装置である。光学素子３２は、光学機能を有する半導体であって、例えば、発光ダイオードや面発光レーザ(ＶＣＳＥＬ)等の発光素子、および、フォトダイオード等の受光素子である。
上記光ファイバ３３は、可撓性を有して長尺状に形成されたケーブルであり、一端部から他端部に向けて光を伝達する光伝達媒体となる。すなわち、光ファイバ３３の一端部から入射した光は、光ファイバ３３内を通過し、光ファイバ３３の他端部から出射するのである。光ファイバ３３における上記一端部の外周部分は、光結合器３０に結合するための結合部であるプラグ３４によって覆われている。
上記光結合器３０には、光ファイバ３３のプラグ３４が着脱自在に嵌合するコネクタ部３５が設けられている。そして、プラグ３４がコネクタ部３５に嵌合した状態において、光ファイバ３３の一端面３３aが光学素子３２に対向する位置に配置されるようになっている。すなわち、コネクタ部３５にプラグ３４が接続されると、光ファイバ３３は、光学素子３２に対して自動的に位置が合せられるのである。
図１に示すように、上記光結合器３０は、光学素子３２と、リードフレーム３６と、封止体３７と、レンズ部材５５と、ドライブ回路３９と、ボンディングワイヤ４０と、透明接着樹脂４１とを含んで構成される。さらに、リードフレーム３６は、厚さ１００μm〜５００μm程度の導電性を有する板状の部材で成り、光学素子搭載部４２と内部接続部４３と外部接続部４４とを含んで構成されている。
上記光学素子３２は、上記リードフレーム３６における光ファイバ３３側の面(以下、「表面」と言う)に、光学面４６が光ファイバ３３の中央に位置するように配置される。以下、上記リードフレーム３６における光ファイバ３３が配置されない側の面を「裏面」と言う。光学素子搭載部４２は、ボンディングワイヤ４０bによって、内部接続部４３のドライブ回路３９に電気的に接続されている。また、光学素子３２は、ボンディングワイヤ４０aによって、外部接続部４４に電気的に接続されている。実際には他にも多数のボンディングワイヤによって接続が行われているが、図１では省略して記載している。尚、ボンディングワイヤ４０aは透明接着樹脂４１が充填された部分におけるボンディングワイヤを、ボンディングワイヤ４０bは封止体３７によって封止された部分におけるボンディングワイヤを、代表して表している。
上記リードフレーム３６の光学素子搭載部４２における表面側には、光学素子３２に対向するようにレンズ部材５５が配置されている。このレンズ部材５５は、光学素子３２の光学面４６に対して入出射する光を集光するレンズ部５６と、リードフレーム３６の表面に対向する接着部５７とで構成されている。そして、レンズ部材５５とリードフレーム３６との間には、透明接着樹脂４１が充填されている。こうして、透明接着樹脂４１は、リードフレーム３６の表面および光学素子３２の光学面４６と接しており、さらに、レンズ部材５５の接着部５７とも接している。すなわち、光学素子３２の光学面４６とレンズ部材５５とは、透明接着樹脂４１を介して接着されているのである。
上記リードフレーム３６は、その表面における光学素子３２の周囲を除き、封止体３７によって周囲が封止(トランスファーモールド)されている。こうして、封止体３７は、ドライブ回路３９およびボンディングワイヤ４０b等を封止して保護している。また、本実施の形態においては、封止体３７によって、上述したコネクタ部３５を形成しているのである。
さらに、上記封止体３７におけるコネクタ部３５の下部には、樹脂溜まり部５８を形成しておく。この樹脂溜まり部５８は、レンズ部材５５の平面形状と略同一の平面形状を有して、レンズ部材５５が収納される穴部で構成されている。さらに、樹脂溜まり部５８の下部には、レンズ部材５５の平面形状を縮小した平面形状を有する凹部で構成された上記接着樹脂充填部５９が、段部を介して形成されている。そして、樹脂溜まり部５８は、ディスペンサ等によって接着樹脂充填部５９内に充填された液状の透明接着樹脂４１が接着樹脂充填部５９から溢れ、レンズ部材５５の領域を超えて外部に流出しないようにする役割を有している。また、接着樹脂充填部５９は、透明接着樹脂４１が充填される他に、上記段部によってレンズ部材５５をリードフレーム３６の上記表面から離し、レンズ部材５５を光学素子３２およびボンディングワイヤ４０aに邪魔されずに配置できるようにする役割を有している。
また、上記樹脂溜まり部５８は、レンズ部材５５と光学素子搭載部４２との位置合わせに利用することができる。すなわち、樹脂溜まり部５８を、レンズ部材５５の平面形状と略同一の平面形状を有すると共に、樹脂溜まり部５８の内径とレンズ部材５５における接着部５７の外径とを略同等にしておくことによって、位置合わせを行うことができるのである。また、本構成においては、樹脂溜まり部５８における開口部の周囲には、光ファイバ３３のプラグ３４が嵌合される段部でなると共に、上記嵌合された光ファイバ３３の一端面３３aとレンズ部５６との位置合わせを行うコネクタ部３５を形成しているために、光ファイバ３３の位置合わせとレンズ部材５５の位置合わせとを同じ部材によって行うことができ、高精度で且つ簡易な組み立てを行うことができるのである。
本光結合器３０は、外部装置である制御装置(図示せず)と電気的に接続されており、上記制御装置と互いに電気信号を送受信するようになっている。そして、光学素子３２が発光素子である場合には、上記制御装置は、上記電気信号としての発光指令を、ドライブ回路３９に供給する。そうすると、ドライブ回路３９は、供給された発光指令(電気信号)に従って、発光素子(光学素子)３２の光学面４６を発光させる。そして、光学面４６から放射された光は、レンズ部材５５に入射され、レンズ部５６で集光されて光ファイバ３３の一端面３３aに入射されるのである。
一方、上記光学素子３２が受光素子である場合には、光ファイバ３３の一端面３３aから出射された光は、レンズ部材５５に入射され、レンズ部５６によって集光されて、受光素子(光学素子)３２の光学面４６に入射する。そして、受光素子３２は、光学面４６に入射した光(例えば、光量)に応じた電気信号(例えば、電圧信号)を生成し、この生成した電気信号をドライブ回路３９または制御装置に出力するのである。
このようにして、本光結合器３０は、光学素子３２と光ファイバ３３とを光伝達可能に結合して、上記制御装置から供給される電気信号を光信号に変換して光学素子３２から放射することができる。あるいは、光学素子３２に入射される光信号を電気信号に変換して上記制御装置に出力することができるのである。
次に、本実施の形態において、環境温度の変化による熱応力の影響を低減できる理由について、上記第１の従来技術(図９参照)および第２の従来技術(図１０参照)と比較して説明する。本実施の形態における光結合器３０と上記第１,第２の従来技術における光結合器１,１１との相違は、主に以下の３点にある。(Ａ)レンズ部材５５をトランスファーモールドで封止体３７と一体に形成していないため、小型のレンズ部材５５を使用することができる。(Ｂ)レンズ部材５５が透明接着樹脂４１を介してリードフレーム３６に接着されている。(Ｃ)光学素子３２の光学面４６の表面が透明接着樹脂４１で封止されている。この相違点によって、以下のような効果を奏することができるのである。
すなわち、上記従来の光結合器１(図９参照)においては、レンズ部６が透明モールド樹脂４で形成されており、透明モールド樹脂４はリードフレーム２を含めた封止体となっている。このような構成の場合には、リードフレーム２と透明モールド樹脂４との線膨張係数差が大きく、両者の界面での熱応力が高くなる。したがって、透明モールド樹脂４の損傷(クラック)が生じたり、リードフレーム２から透明モールド樹脂４が剥離したり、レンズ部６が変形したりする。
これに対して、本光結合器３０においては、上記レンズ部材５５(光結合器１の透明モールド樹脂４とレンズ部６とに相当する部分)は必ずしもトランスファーモールドで形成する必要が無く、トランスファーモールドで形成する場合であっても小型にすることが容易になる。このことによって、封止体３７とリードフレーム３６との接触面積を小さくでき、更には、レンズ部材５５は、透明接着樹脂４１を介してリードフレーム３６に接着されているため、透明接着樹脂４１をリードフレーム３６とレンズ部材５５との線膨張係数差による熱応力の緩衝部材として利用することができる。したがって、レンズ部材５５に働く熱応力を大幅に低減することができ、レンズ部材５５に損傷や変形が生ずるのを防止することができる。特に、透明接着樹脂４１として、シリコン系の樹脂等のヤング率が低い樹脂を使用することは、透明接着樹脂４１の緩衝効果がより高くなるため、より好ましい。さらに、透明接着樹脂４１により、光学素子３２やボンディングワイヤ４０aに働く応力の低減も可能になるのである。
また、副次的な効果として、本実施の形態においては、上記第１,第２の従来例の場合とは異なり、封止体３７(光結合器１,１１の透明モールド樹脂４,１６に相当)に光学的特性は要求されないことから、例えばシリカ等のフィラーを添加した乳白色の樹脂や、ＩＣ(集積回路)の封止に使用される黒色の樹脂を使用することができる。したがって、これらの乳白色や黒色の樹脂は、フィラーの添加によってその線膨張係数をリードフレーム３６と同等にすることができることから、熱応力の影響を低減することができる。つまり、光結合器３０全体に掛る熱応力も低減することが可能となり、封止体３７,ボンディングワイヤ４０bおよびドライブ回路３９に働く応力の低減も可能になるのである。
これに対して、上記従来の光結合器１１(図１０参照)においては、貫通穴１５に充填された透明モールド樹脂１６が、熱応力によって光学素子１２の表面から剥離して、光学素子１２の特性が変化するという問題がある。これも、透明モールド樹脂１６とリードフレーム１３との接触面積が大きく、貫通穴１５において透明モールド樹脂１６と光学面１７との間の熱応力が高くなることが原因である。
本光結合器３０では、透明接着樹脂４１として、上述したようにヤング率の低い樹脂を使用することによって応力の緩和効果があること、透明接着樹脂４１は接着相手によって任意の材料を選択することができること、一般にトランスファ成型で用いられる透明モールド樹脂１６よりも、リードフレーム３６や光学面４６との接着力がより強い樹脂を選定することができることから、光学面４６からの透明接着樹脂４１やレンズ部材５５の剥離を防止することができ、信頼性の高い光結合器３０を得ることができるのである。
以下、上記各部の材料について詳細に説明する。
先ず、上記レンズ部材５５は、その材料として、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ：Poly methyl Methacrylate),ポリカーボネートおよびシクロオレフィン等の樹脂や低融点ガラス等を用い、射出成型等によって任意の形状に加工したものを使用することが可能である。
上記透明接着樹脂４１としては光透過性に優れた材料を使用し、反射損失を低減させるために、その屈折率がレンズ部材５５に近いものを使用することが好ましい。また、上述したように、熱応力を緩和させるために、ヤング率が１ＧＰa以下のものを用いることが好ましい。具体的には、例えば、エポキシ系の樹脂やシリコン系の樹脂等を用いることができる。特に、シリコン系の樹脂は、ヤング率が低く、上述したように熱応力の緩和効果が高く、さらに、光学素子３２の封止効果も高いために、より好ましい。
上記封止体３７は、一般には、半導体素子の封止に使用されているエポキシ系の樹脂等にフィラーを添加した材料が用いられ、ボンディングワイヤ(ＡuやＡl)４０bと線膨張係数が近く、熱伝導性の高い材料が使用される。例えば、ボンディングワイヤ４０bが線膨張係数が１４.２ppm/ＫであるＡuの場合には、封止体３７の線膨張係数は２０ppm/Ｋ以下に設定することが好ましい(通常、フィラーを添加していないエポキシ系の樹脂の線膨張係数は６０ppm/Ｋ程度)。また、封止体３７の熱伝導率は０.６Ｗ/ｍ・Ｋ以上に設定することが好ましい(通常、フィラーを添加していないエポキシ系の樹脂の熱伝導率は０.２Ｗ/ｍ・Ｋ程度)。
上記光学素子３２としては、ＬＥＤおよびＰＤの他に、ＣＣＤ(Charge Coupled Device：電化結合素子）や上記ＶＣＳＥＬ、および、これらの光学素子３２と集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit)とを集積化してなる光電子集積回路（ＯＥＩＣ：Opto‐Electronic Integrated Circuit)等を用いることができる。尚、光学素子３２の光波長としては、本光結合器３０に結合される光ファイバ３３による伝送損失が少ない波長であることが好ましい。
また、上記光ファイバ３３としては、例えばプラスチック光ファイバ(ＰＯＦ：Polymer Optical Fiber)や石英ガラス光ファイバ(ＧＯＦ：Glass Optical Fiber)等のマルチモード光ファイバを用いることが好ましい。上記ＰＯＦは、コアが上記ＰＭＭＡやポリカーボネート等の光透過性に優れたプラスチックから成り、クラッドが上記コアよりも屈折率が低いプラスチックで構成されている。また、上記ＰＯＦは、上記ＧＯＦに比してそのコアの径を２００μm以上と大きくすることが容易である。したがって、上記ＰＯＦを用いることによって、光結合器３０との結合調整が容易となると共に、安価に製造することができるのである。
また、上記光ファイバ３３として、コアが石英ガラスから成り、クラッドがポリマーで構成されたＰＣＦ(Polymer Ｃlad Fiber)を用いても差し支えない。このＰＣＦは、上記ＰＯＦに比して価格は高いが伝送損失が小さく、伝送帯域が広いという特徴がある。したがって、上記ＰＣＦを伝送媒体とすることによって、長距離の通信およびより高速の通信が可能な光通信網を構成することが可能になる。
上記リードフレーム３６の厚さは、１００μmから５００μm程度である。そして、リードフレーム３６としては、導電性を有し且つ熱伝導性の高い金属から成る薄板状の金属板が用いられ、例えば、銅やその合金、鉄にニッケルが約４２パーセント含まれた４２アロイ等の鉄の合金が用いられる。また、リードフレーム３６の表面は、耐腐食性を向上させるために、銀,金またはパラジウム等によってメッキ処理を施してもよい。
上記構成を有する光結合器３０は、次のようにして作製される。先ず、ドライブ回路３９をリードフレーム３６に接着すると共に電気的に接続し、トランスファーモールドを行うことよって封止体３７を形成する。この時、リードフレーム３６の表面側を金型によって押さえて、リードフレーム３６の光学素子搭載部４２および外部接続部４４における表面側の接着樹脂充填部５９が形成される部分に、封止体３７の樹脂が回り込むことを防止する。その後、光学素子３２を光学素子搭載部４２に接着し、ボンディングワイヤ４０aによって電気的に接続し、透明接着樹脂４１をディスペンサ等によって接着樹脂充填部５９内に充填する。次に、レンズ部材５５を樹脂溜まり部５８内に挿入して、リードフレーム３６の光学素子搭載部４２に接着させる。その際に、レンズ部材５５の平面形状と略同一の平面形状を有する樹脂溜まり部５８によって、レンズ部材５５と光学素子搭載部４２との位置合わせが行われる。また、本構成においては、樹脂溜まり部５８における開口部の周囲には、光ファイバ３３のプラグ３４が嵌合される段部でなると共に、上記嵌合された光ファイバ３３の一端面３３aとレンズ部５６との位置合わせを行うコネクタ部３５を形成しているために、光ファイバ３３の位置合わせとレンズ部材５５の位置合わせとを同じ部材によって行うことができ、高精度で且つ簡易な組み立てを行うことができるのである。そして、透明接着樹脂４１を硬化させることによって、本光結合器３０が完成する。尚、透明接着樹脂４１の硬化は、使用する接着剤により異なるが、加熱や紫外線照射等によって行われるのである。
・第２実施の形態
本実施の形態における光結合器３１は、リードフレームに貫通穴を設け、上記リードフレームの裏面における上記貫通穴の位置に光学素子を配置するものである。
図２は、本実施の形態の光結合器３１における縦断面図である。但し、図１に示す光結合器３０における構成と同じ構成を有する部材には、図１と同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。
図２において、リードフレーム３６の光学素子搭載部４２には貫通穴４５が形成されており、光学素子３２は、リードフレーム３６における裏面に、光学面４６が貫通穴４５の中央に位置するように配置されている。そして、光学素子３２は、ボンディングワイヤ４０によって、外部接続部４４に電気的に接続されている。
上記リードフレーム３６の光学素子搭載部４２の表面側には、貫通穴４５に対向するようにレンズ部材３８が配置されている。このレンズ部材３８は、光学素子３２の光学面４６に対して入出射する光を集光するレンズ部４７と、貫通穴４５に挿入される突起部４８と、リードフレーム３６の表面に対向する接着部４９とで構成されている。そして、貫通穴４５内におけるレンズ部材３８の突起部４８と光学素子３２の光学面４６との間には、透明接着樹脂４１が充填されている。こうして、透明接着樹脂４１は、リードフレーム３６の表面および光学面４６と接しており、さらに、レンズ部材３８の接着部４９および突起部４８とも接している。すなわち、光学素子３２の光学面４６とレンズ部材３８とは、透明接着樹脂４１を介して接着されているのである。
上記リードフレーム３６の貫通穴４５は、レンズ部材３８を固定する鏡筒の役割も有している。このように、リードフレーム３６の貫通穴４５を、レンズ部材３８を固定する鏡筒として用いることによって、部品点数の低減および小型化が可能になる。また、ボンディングワイヤ４０を介さずに、光学素子３２とレンズ部材３８とを配置できるために両者の距離を近接させて配置することができる。したがって、光学素子３２として、ＬＥＤのように比較的放射角度が広い発光素子を使用した場合であっても、高い光利用効率を実現することができるのである。
上記光学素子３２は、その光学面４６を除き、封止体３７によって周囲が封止(トランスファーモールド)されている。こうして、封止体３７は、光学素子３２,ドライブ回路３９およびボンディングワイヤ４０等を封止して保護している。また、本実施の形態においては、封止体３７によって、上述したコネクタ部３５を形成しているのである。
上記光学素子３２が発光素子である場合には、発光素子(光学素子)３２の光学面４６から放射された光は、貫通穴４５を通過してレンズ部材３８に入射される。一方、光学素子３２が受光素子である場合には、光ファイバ３３の一端面３３aから出射された光は、レンズ部材３８に入射され、レンズ部４７によって集光されて貫通穴４５を通過し、受光素子(光学素子)３２の光学面４６に入射されるのである。
本実施の形態の場合にも、上記レンズ部材３８は、透明接着樹脂４１を介してリードフレーム３６に接着されているため、透明接着樹脂４１をリードフレーム３６とレンズ部材３８との線膨張係数差による熱応力の緩衝部材として利用することができる。
上記透明接着樹脂４１は、貫通穴４５に充填せずに、レンズ部材３８の接着部４９とリードフレーム３６の表面側との間のみに充填しても熱応力の緩和効果が期待できる。しかしながら、透明接着樹脂４１が光路の一部に漏れ出た場合には本光結合器３１の光学特性が変化するために、光結合器３１の製作が困難になってしまう。特に、レンズ部材３８を小型にした場合に製作が困難になる。更に、光学面４６を覆うことによる光学特性の改善効果(外部取出し効率の向上や反射率の低減)や、光学素子３２の外気からの封止効果が得られ難くなる。これに対して、本実施の形態のごとく、貫通穴４５内に透明接着樹脂４１を充填した場合には、水分や不純物が光学面４６に付着することを防止でき、光結合器３１の耐湿性を向上させることができる。したがって、光学素子３２の保護と光学特性の安定化という観点からも、透明接着樹脂４１を貫通穴４５に充填することが好ましいのである。
また、上記第３の従来技術における光結合器２１(図１１参照)と比較した場合には、本光結合器３１においては、薄板状のリードフレーム３６を鏡筒として利用できるため、低コストであり、部品点数の低減や、小型化が容易となる。さらに、リードフレーム３６の貫通穴４５の形成は、プレス加工やエッチング加工によるリードフレーム３６の他のパターン形成と同時に行うことができ、低コスト化できるという利点がある。
次に、本光結合器３１の作製方法を、図３に従って説明する。まず、図３(a)に示すように、光学素子３２とドライブ回路３９とをリードフレーム３６に位置合わせを行って接着し、ワイヤーボンディングによって光学素子３２の裏面電極(図示せず)やドライブ回路３９とリードフレーム３６とを、ボンディングワイヤ４０によって電気的に接続する。
その場合、接着としてＡgペーストや半田や金共晶接合等の導電性材料を使用し、光学素子３２の光学面４６側の面に形成されている電極とリードフレーム３６とが電気的に接続されるように接着する。あるいは、電気的な接続を必要としない場合には、導電性を有しない透明な接着剤を使用してもよい。この透明な接着剤を使用した場合には、光学面４６に接着剤が付着して光学特性が悪化することを防止でき、ＬＥＤやＰＤのように小型の光学素子３２を使用する場合には特に好ましい。ここで、通常は透明な接着剤であったとしても、光学面４６に接着剤が付着した場合には、光学面４６表面の屈折率が変化するために光学特性が変化してしまう。しかしながら、本実施の形態においては、後に、貫通穴４５内を透明接着樹脂４１によって封止するために、透明接着樹脂４１の屈折率と光学素子３２接着用の接着剤の屈折率とを同等に設定しておけば、光学特性の変化は生じないという利点がある。
次に、図３(b)に示すように、トランスファーモールドを行うことよって封止体３７を形成する。この時、リードフレーム３６の表面側を金型によって押さえて、リードフレーム３６の光学素子搭載部４２における表面側のレンズ部材３８を接着する部分に、封止体３７の樹脂が回り込むことを防止する。
次に、図３(c)に示すように、上記透明接着樹脂４１を、ディスペンサ等によって光学素子搭載部４２の貫通穴４５内に充填する。封止体３７におけるコネクタ部３５の下部には、樹脂溜まり部５０を形成しておくことが好ましい。この樹脂溜まり部５０は、レンズ部材３８の平面形状と略同一の平面形状を有して、レンズ部材３８が収納される凹部で構成されている。そして、樹脂溜まり部５０は、リードフレーム３６の貫通穴４５に充填された液状の透明接着樹脂４１が貫通穴４５から溢れ、レンズ部材３８の領域を超えて外部に流出しないようにすると共に、レンズ部材３８を透明接着樹脂４１によってリードフレーム３６の上記表面から浮かし、レンズ部材３８をリードフレーム３６と接触させない役割を有している。尚、透明接着樹脂４１の量を少なくして貫通穴４５から溢れないように調整してもよいが、透明接着樹脂４１が少ないと、レンズ部材３８を設置した際に、毛細管現象によってレンズ部材３８とリードフレーム３６の隙間から透明接着樹脂４１が抜け出て、貫通穴４５内に透明接着樹脂４１を完全に充填できない(気泡が入る)等の問題がある。
次に、図３(d)に示すように、上記レンズ部材３８の突起部４８を貫通穴４５に挿入して、レンズ部材３８をリードフレーム３６の光学素子搭載部４２に接着させる。レンズ部材３８と光学素子搭載部４２との位置合わせには、樹脂溜まり部５０を利用することができる。すなわち、レンズ部材３８の平面形状と略同一の平面形状を有すると共に、樹脂溜まり部５０の内径とレンズ部材３８における接着部４９の外径とを略同等としておくことによって、位置合わせを行うことができるのである。
上記レンズ部材３８の突起部４８を貫通穴４５に挿入することによって、貫通穴４５内に充填された透明接着樹脂４１の一部は、レンズ部材３８の突起部４８によって押し出されて貫通穴４５から光学素子搭載部４２の表面側に溢れ出し、封止体３７の樹脂溜まり部５０に溜まる。その結果、レンズ部材３８を光学素子搭載部４２の箇所に配置した状態において、図３(d)に示すように、レンズ部材３８(接着部４９)と光学素子搭載部４２の表面との間に透明接着樹脂４１が充填された状態となる。また、突起部４８の周囲にも透明接着樹脂４１が充填された状態となる。そして、透明接着樹脂４１を硬化させることによって本光結合器３１が完成する。尚、透明接着樹脂４１の硬化は、使用する接着剤により異なるが、加熱や紫外線照射等によって行われる。
図２に示すように、上記レンズ部材３８の突起部４８は、レンズ部４７の光軸に直交する方向への寸法(図２中左右方向の寸法)が先端に向かうに連れて減少する所謂テーパ形状を有している。こうすることによって、透明接着樹脂４１を貫通穴４５から連続して溢れ出させて、レンズ部材３８を透明接着樹脂４１で均一に接着することができる。また、貫通穴４５に気泡が混入することを防止する効果もある。すなわち、レンズ部材３８を設置する際に貫通穴４５内に気泡を巻き込んだとしても、溢れ出る透明接着樹脂４１と一緒に気泡を外部に排出することができるのである。この突起部４８のテーパ形状は、溢れ出させる透明接着樹脂４１の量に合せて任意の形状や大きさに最適化される。
更に、上記突起部４８は、貫通穴４５に充填される透明接着樹脂４１の量(体積)を低減させる働きもある。透明接着樹脂４１の体積が少なくなることによって、熱収縮による体積変動量が低減されるため、より熱応力の影響を受け難くすることができる。更にまた、突起部４８の形成によってレンズ部材３８と透明接着樹脂４１との接着面積が大きくなるため、レンズ部材３８のリードフレーム３６への接着力が向上するという効果もある。
上述したように、本光結合器３１のような透明接着樹脂４１を貫通穴４５に充填する構成の場合には、その作製時(レンズ部材３８の接着時)に透明接着樹脂４１に気泡が混入しないように、レンズ部材３８の形状を工夫することが重要となる。ここで、レンズ部材３８の望ましい形状について、図４に従って説明する。
図４は、上記レンズ部材３８における形状の一例を示している。図４(a)はレンズ部材３８をレンズ部４７側から見た平面図であり、図４(b)は縦断面図であり、図４(c)は光学素子３２側から見た底面図である。接着部４９は、リードフレーム３６に対向する面が平坦となっており、突起部４８が貫通穴４５に挿入された際のストッパー(光学素子搭載部４２の表面との距離を一定に保つ)の働きを有している。また、レンズ部材３８は、安価な方法である射出成型によって形成することが望ましく、接着部４９は、射出成型時のゲート部やエジェクターピン押し当て部としての働きも有している。更に、接着部４９におけるリードフレーム３６に対向する面には、突起部４８から半径方向に延在する樹脂流出部(溝部)５１を形成することが好ましい。この樹脂流出部５１は、突起部４８を貫通穴４５に挿入したときに流出する透明接着樹脂４１を樹脂溜まり５０に向って排出する役割を有しており、この樹脂流出部５１を形成することによって、透明接着樹脂４１がより均一に形成されると共に、気泡の混入をより確実に防止することができるのである。尚、樹脂流出部５１は、突起部４８と連続して形成することで、突起部４８によって貫通穴４５内から押し出された気泡を含む透明接着樹脂４１を効率良く排出させることができるので、より好ましい。
また、上記レンズ部材３８における接着部４９の外周縁上部には、庇状の樹脂押さえ部５２を形成することが好ましい。この樹脂押さえ部５２は、液状の透明接着樹脂４１がレンズ部材３８の表面側(レンズ部４７側)に回り込むことを防止する働きがあり、レンズ部４７に透明接着樹脂４１が付着して特性が変化することを防止するのである。
上記透明接着樹脂４１の粘度は、貫通穴４５への注入時に気泡が混入しないように、１０Ｐa・ｓ以下に設定することが好ましい。また、封止体３７は、光学素子(ＳiやＧaＡs)３２やボンディングワイヤ(ＡuやＡl)４０と線膨張係数が近く、熱伝導性の高い材料が使用される。例えば、光学素子３２とボンディングワイヤ４０とが、Ｓiの線膨張係数が２.８ppm/Ｋであり、Ａuの線膨張係数が１４.２ppm/Ｋである場合には、封止体３７の線膨張係数は２０ppm/Ｋ以下に設定することが好ましい(通常、フィラーを添加していないエポキシ系の樹脂の線膨張係数は６０ppm/Ｋ程度)。
次に、本光結合器３１を用いて温度サイクル試験を行った結果について説明する。比較のために、上記第１,第２の従来技術(図９および図１０を参照)の光結合器１,１１によっても比較試験を行った。
以下に示す４種類のサンプルを用意した。そして、温度サイクルの条件を、低温側−４０℃、高温側１１５℃とし、各温度での放置時間を１５分とした。サイクル数は３０００サイクルとし、１００サイクルごとに状態を確認した。
サンプルＡ：図２に示す本光結合器３１：透明接着樹脂４１としてシリコン系の樹脂を使用
サンプルＢ：図２に示す本光結合器３１：透明接着樹脂４１としてエポキシ系の樹脂を使用
サンプルＣ：図９に示す第１の従来技術の光結合器１
サンプルＤ：図１０に示す第２の従来技術の光結合器１１
共通の部材は、上記発光素子３２,３,１２として波長６５０nmのＬＥＤ(発光部径φ１５０μm)を用い、リードフレーム３６,２,１３として厚み２５０μmの銅合金(線膨張係数１７.ppm/Ｋ)を用い、ボンディングワイヤ４０,８,１８としてワイヤ径２５μmの金を用いた。また、各サンプル固有の部材として、レンズ部材３８はポリカーボネート製とし、封止体３７はフィラー入りエポキシ系の樹脂(線膨張係数１８ppm/Ｋ)を用い、透明モールド樹脂４,１６はフィラー無添加のエポキシ系の樹脂(線膨張係数６５ppm/Ｋ)を用いた。また、透明接着樹脂４１として、サンプルＡではシリコン系の樹脂(ヤング率１ＭＰa)を用い、サンプルＢではエポキシ系の樹脂(ヤング率３ＧＰa)を用いた。
上記条件において、温度サイクル試験を行ったところ、上記サンプルＣおよびサンプルＤにおいては、３００サイクル以内で不良が発生した。すなわち、上記サンプルＣにおいては、透明モールド樹脂４にクラックが発生し、ボンディングワイヤ８が断線するという不良が発生した。また、上記サンプルＤにおいては、同様の不良に加え、光ファイバ１４への入射光量(送信光量)が約５０％低下するサンプルも見られた。これは、熱応力によって光学面１７から透明モールド樹脂１６が剥離し、ＬＥＤ(光学素子)１２の光取り出し効率が半減したことが原因と考えられる。
一方、上記サンプルＡにおいては、３０００サイクル終了後も、送信光量の変動は±１０％以内であり、レンズ部材３８の変形や破損も生じていなかった。また、上記サンプルＢにおいては、送信光量が約２０％低下するサンプルがあったが、その他の問題は生じなかった。尚、このサンプルＢにおいては、透明接着樹脂４１としてヤング率の高いエポキシ系の樹脂を使用したために、熱応力によって光学面４６から透明接着樹脂４１が一部剥離したことが原因と考えられる。
このように、上記第１,第２の従来技術の光結合器１,１１においては、熱応力の影響によって温度サイクル試験で透明モールド樹脂４,１６のクラック発生や送信光量の半減が発生したのに対し、本実施の形態の光結合器３１においては、上述のような不良は発生しなかった。特に、透明接着樹脂４１としてヤング率の低いシリコン系の樹脂を用いた場合に、その効果が顕著に現れることが実証された。
ここで、上記光学素子３２(表面がＳiＯ2)と透明接着樹脂４１との接着面に働く剪断応力(−４０℃の場合)を有限要素法によるシミュレーションで求めたところ、上記サンプルＢで用いたエポキシ系の樹脂(ヤング率３ＧＰa、線膨張係数７０ppm/Ｋ)では６６ＭＰaであった。一方、光学素子３２と透明接着樹脂４１との接着強度(剪断接着強度)を測定したところ、上記サンプルＢで用いたエポキシ系の樹脂で４０ＭＰaであり、接着強度よりも熱による剪断応力の方が大きくなっている。一方、よりヤング率の低いエポキシ系の樹脂(ヤング率１ＧＰa、線膨張係数７０ppm/Ｋ)で計算を行ったところ、剪断応力が２２ＭＰaで、接着強度の方が高くなった。この後者の樹脂を使用して、上述した温度サイクル試験を行ったところ、送信光量の変動がシリコン系の樹脂の場合と同等の±１０％以内となった。以上のことより、透明接着樹脂４１としては、応力の緩和効果が高いヤング率が１ＧＰa以下の樹脂を用いることが好ましい。特に、シリコン系の樹脂は、ヤング率が低く、光学素子３２の封止効果もあるため、より好ましい。
勿論、上記第１,第２の従来技術における光結合器１,１１においても、温度範囲を狭く(例えば−２０℃〜８０℃程度)すれば、上述したような問題は発生しない。すなわち、本実施の形態における光結合器３１を使用することによって、より広い温度範囲での使用が可能となるのである。
以下、上述した本実施の形態による光結合器の変形例を、図５から図８に基づいて説明する。但し、図２に示す光結合器３１における構成と同じ構成を有する部材には、図２と同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。尚、図５から図８は、図２に示す光結合器３１の構成とは異なる構成の要点を説明するための概略図であり、光学素子３２,レンズ部材３８,リードフレーム３６の光学素子搭載部４２,透明接着樹脂４１,封止体３７およびそれらに相当する部材以外の部材は省略している。
図５に示す光結合器６１は、リードフレーム３６の光学素子搭載部４２における貫通穴６２を、光学素子３２が配置される側が小径(直径は光学面４６のサイズに略等しい)となるテーパ形状としたものである。上記構成において、貫通穴６２の内周面６３を反射ミラーとして利用するのである。ここで、光学素子３２としてＬＥＤ等の発光素子を用いる場合には、発光素子３２から放射される光のうち、放射角の狭い光はそのまま貫通孔６２を通過してレンズ部４７に入射され、屈折されて光ファイバ３３に入射される。一方、光学素子３２から放射される光のうち、放射角の広い光は貫通穴６２のテーパ部(内周面６３)で反射された後に、レンズ部４７に入射され、屈折されて上記光ファイバ３３に入射される。したがって、上記光学素子３２として放射角度の広いＬＥＤ等を使用した場合であっても、光学素子３２から出射される光を高効率で光ファイバ３３に入射させることができるのである。
また、上記光学素子３２としてＰＤ等の受光素子を用いる場合にも、入射光を貫通穴６２のテーパ部(内周面６３)によって反射することにより、高い集光効果を得ることができる。尚、貫通孔６２は、エッチングやプレス加工等によってリードフレーム３６のパターニング加工の際に同時に形成することができるため、価格を増大させることなく低価格の光結合器６１を得ることができる。
図６に示す光結合器７１は、リードフレーム３６の光学素子搭載部４２における貫通穴７２と光学素子３２との間にサブマウント７３を介在させたものである。上記構成において、サブマウント７３には、厚さ方向に貫通した穴でなる光通過部７４、あるいは、上記穴が光学的に透明な材料で埋められてなる光通過部７４が、形成されている。また、光学素子３２はサブマウント７３に接着されている。そして、サブマウント７３には光学素子３２の電極(図示せず)と電気的に接続される電極(図示せず)を形成し、ボンディングワイヤ(図示せず)によってリードフレーム３６やドライバ回路３９と電気的に結合させることも可能である。尚、リードフレーム３６の貫通穴７２は、サブマウント７３の光通過部７４の大径部よりも大径に形成される。また、リードフレーム３６とサブマウント７３とは必ずしも電気的に結合させる必要はないため、任意の接着剤によって接着することができる。
上記サブマウント７３としては、Ｓi基板やガラス基板等を用いることができる。例えば、Ｓi基板を用いる場合には、光通過部７４としては、単結晶Ｓi基板を異方性エッチングにより加工した貫通穴を使用することが好ましい。例えば、ＫＯＨ(水酸化カリウム)で単結晶Ｓiの(１００)面をエッチングすることによって、５４.７４°の角度を有する(１１１)面が、正確な角度を有する平滑面として得ることができる。この場合には、図５に示す光結合器６１の場合のように、リードフレーム３６の貫通穴６２をテーパ状に加工する場合に比べて、加工精度や面精度が良く、反射ミラーとして高い性能を得ることができる。更には、Ｓiは熱伝導性が高く、光学素子３２としてＳiを用いる場合にはサブマウント(Ｓi基板)７３と光学素子３２とに線膨張係数の差がなく、光学素子３２への応力や熱抵抗を低減することが可能になる。
また、上記サブマウント７３として、ガラス基板を用いても良い。ガラス基板は光学的に透明であるため、光通過部７４としての貫通穴を形成する必要がない。更に、パイレックスガラス等はＳi(光学素子３２)と線膨張係数が近く、ガラスの種類を選別することによって、光学素子３２への応力を低減することができる。更にまた、光通過部７４に凸レンズやフレネルレンズを形成して、入出射する光を集光することも可能である。
図７に示す光結合器８１は、図２に示す光結合器３１のレンズ部材３８に形成されている突起部４８に相当する突起部が形成されないレンズ部材８２を用いるものである。上記構成において、例えば、低粘度(０.１Ｐa・ｓ以下)の透明接着樹脂４１を使用する場合等には、透明接着樹脂４１の流動性が高く、気泡が排出され易い。そのために、レンズ部材８２に上記突起部を形成せずに、樹脂流出部(溝部)５１を形成するだけで十分接着時の気泡の発生を抑制することができ、レンズ部材８２の形成が容易になる。
図８に示す光結合器９１は、樹脂溜まり部９３を、封止体９４にではなく、リードフレーム９２に形成したものである。上記構成において、リードフレーム９２における貫通穴９５の外周部の表面に、レンズ部材３８の平面形状と略同一の平面形状を有する凹部を形成することによって、樹脂溜まり部９３とするのである。例えば、封止体９４によりコネクタ部３５(図２参照)を形成しない場合等には、リードフレーム９２の表面側に封止体９４を形成しないことによって、光結合器９１の薄型化を図ることができる。そのような場合には、リードフレーム９２に樹脂溜まり部９３を形成することによって、光結合器３１,６１,７１,８１における樹脂溜まり部５０と同様の機能を得ることができるのである。
以上のごとく、本実施の形態における光結合器３０,３１,６１,７１,８１,９１によれば、上記レンズ部材５５,３８,８２に生じる熱応力を低減することができ、また、フィラーを添加した封止体３７,９４によって封止することができるため、例えば−４０℃から１１５℃のように、広い温度範囲の環境下で使用することが可能になる。更には、リードフレーム３６,９２を、レンズ部材３８,８２を固定する鏡筒として利用することができ、部品点数を低減して、小型で安価な光結合器３１,６１,７１,８１,９１を得ることができる。更にまた、レンズ部材３８,８２の形状を工夫することによって、気泡の混入がなく安定した性能が得られる３１,６１,７１,８１,９１を得ることができる。
この発明の光結合器の第１実施の形態における縦断面図である。 第２実施の形態における縦断面図である。 図２に示す光結合器の作製手順を示す縦断面図である。 図２におけるレンズ部材の形状の説明図である。 図２に示す光結合器の変形例を示す図である。 図５とは異なる変形例を示す図である。 図５および図６とは異なる変形例を示す図である。 図５〜図７とは異なる変形例を示す図である。 従来の光結合器における縦断面図である。 図９とは異なる従来の光結合器における縦断面図である。 図９および図１０とは異なる従来の光結合器における縦断面図である。
符号の説明
３０,３１,６１,７１,８１,９１…光結合器、
３２…光学素子、
３３…光ファイバ、
３４…プラグ、
３５…コネクタ部、
３６,９２…リードフレーム、
３７,９４…封止体、
３８,５５,８２…レンズ部材、
３９…ドライブ回路、
４０,４０a,４０b…ボンディングワイヤ、
４１…透明接着樹脂、
４５,６２,７２,９５…貫通穴、
４６…光学面、
４７,５６…レンズ部、
４８…突起部、
４９,５７…接着部、
５０,５８,９３…樹脂溜まり部、
５１…樹脂流出部(溝部)、
５２…樹脂押さえ部、
５９…接着樹脂充填部、
６３…貫通穴の内周面、
７３…サブマウント、
７４…光通過部。

Claims (7)

  1. 光学素子と、
    上記光学素子が搭載されると共に、上記光学素子と電気的に接続されたリードフレームと、
    上記光学素子に対して入射あるいは出射する光を集光するレンズを含むレンズ部材と
    を備え、
    上記レンズ部材は、上記レンズが、上記光学素子における光が入射あるいは出射する面である光学面に対向するように配置されており、
    上記レンズ部材と上記光学素子の光学面との間には透明樹脂が介在しており、
    上記リードフレームには貫通穴が形成されており、
    上記光学素子は、上記光学面を上記リードフレームに形成された上記貫通穴内に位置させると共に、上記貫通穴における一方の開口を塞ぐように配置されており、
    上記レンズ部材は、上記レンズの光軸が上記リードフレームに形成された上記貫通穴内を貫通すると共に、上記貫通穴における他方の開口を塞ぐように配置されており、
    上記貫通穴内には上記透明樹脂が充填されている
    ことを特徴とする光結合器において、
    上記レンズ部材における上記リードフレームに対向する面には突起部が一体に設けられており、上記レンズ部材が上記リードフレームの貫通穴における上記他方の開口を塞ぐように配置されて上記透明樹脂を介して当該リードフレームに接着された際に、当該リードフレームの貫通穴に上記突起部が挿入されるようになっている
    ことを特徴とする光結合器。
  2. 請求項１に記載の光結合器において、
    上記レンズ部材の突起部は、上記光軸に直交する方向への寸法が先端に向かうに連れて減少するテーパ形状になっている
    ことを特徴とする光結合器。
  3. 請求項１に記載の光結合器において、
    上記透明樹脂は、シリコン系化合物である
    ことを特徴とする光結合器。
  4. 請求項１に記載の光結合器において、
    上記フィラー入り樹脂に、上記レンズ部材と上記光学素子の光学面との間に充填された上記透明樹脂が上記レンズ部材の領域を超えて広がることを防止する樹脂溜まり部を設けた
    ことを特徴とする光結合器。
  5. 請求項４に記載の光結合器において、
    上記樹脂溜まり部は、上記レンズ部材の平面形状と略同一の平面形状を有すると共に、上記レンズ部材が収納される凹部でなり、
    上記樹脂溜まり部における開口部の周囲には、上記光学素子に対して入出射する光を伝播する光ファイバの先端部が嵌合されると共に、上記嵌合された光ファイバの先端部と上記レンズ部材との位置合わせを行うコネクタ部が設けられている
    ことを特徴とする光結合器。
  6. 請求項１に記載の光結合器において、
    上記レンズ部材における上記リードフレームに対向する面には、上記リードフレームの貫通穴と外部とに連通する溝部が設けられている
    ことを特徴とする光結合器。
  7. 請求項６に記載の光結合器において、
    上記リードフレームの貫通穴における内周面は、上記光学素子に対して入射あるいは出射する光を反射する反射面となっている
    ことを特徴とする光結合器。
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