JP2000323791A - 垂直共振器型面発光レーザと光検出用モニターとのアセンブリー及びそのアセンブリング方法 - Google Patents

垂直共振器型面発光レーザと光検出用モニターとのアセンブリー及びそのアセンブリング方法

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ミカエル・ヴィックストレム
Jan Joensson
ヤン・イェンソン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)と
モニターとからなり、広帯域幅用に利用可能で、寄生容
量が少なく、低コストのデバイスを提供すること。 【解決手段】 寄生容量が低減されたVCSELとモニ
ター用ダイオードとの組合わせからなり、広帯域幅の通
信システムに利用可能である。VCSELは、同一面に
p型とn型のコンタクトを有する。これにより、金属コ
ンタクト層を用いることなく、VCSELをモニター用
のチップ又はダイオードの上に実装できる。VCSEL
に比べ小さい金属パッドを用いて、VCSELをモニタ
ーチップにハンダ付けした実施例では、十分な強度でV
CSELを接合できた。金属部分を減らすことにより、
寄生容量が低減され、ポテンシャル動作速度が向上し
た。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、出力モニター用デ
バイスと組合わせた垂直共振器型面発光レーザ(VCS
EL)に係り、さらに詳しくは、広帯域幅用のVCSE
Lと出力モニター用デバイスとの組合わせに関する。
【0002】
【従来の技術】レーザ、特に、III−V族化合物等を
用いた半導体レーザは、デジタル通信システムの送信機
として広く使用されている。このタイプのレーザは、デ
バイスへの電気入力に応じてレーザの光出力が調節され
るような光ファイバーシステムに好適である。調節され
た光信号は、既設の光ファイバーを用いた送信システム
を利用して長距離を伝送させることが可能である
【0003】上記の分野には、当初、デバイスの壁開し
た端部がファブリ・ぺローキャビティの反射面となる端
発光レーザが用いられていた。しかし、端発光レーザ
は、小さな直径の光ファイバーに正確にカップリングす
るためのアセンブリー前の試験と実装技術が十分と言え
るものではなかった。
【0004】面発光レーザと、特に、垂直共振器型面発
光レーザ(VCSELs)とが近年開発され、光ファイ
バー通信の分野に用いられる端発光デバイスに進歩をも
たらしている。VCSELは、ブラッグミラーのような
2つの反射層の間に挟まれた活性領域を有し、レーザデ
バイスの2つの主面の一方に対して垂直方向に発光す
る。そのようなデバイスは、ブラッグミラーの一方には
第1導電型、例えばn型の材料を、そして、ブラッグミ
ラーの他方には第2導電型、例えばp型の材料を有して
いる。中間の活性領域又は中間層は、各ブラッグミラー
に隣接するクラッド層を含んでも良い。ブラッグミラー
は、III−V族の半導体材料層が交互に積層され、各
層は異なる反射特性を有している。各層は、活性材料の
発光波長の1/4の波長に対応する厚みを有している。
【0005】この構造、特に上面発光VCSELsで
は、デバイスの裏面又は底面が実装する基材に取付けら
れ、レーザ光はデバイスの上面又は前面から出力され
る。発光用開口部は、デバイスコンタクトの一つにより
決められ、光ファイバーに配向可能に形状が決められ
る。そのようなデバイスは既に確立されたプロセス技術
により作製可能で、そして、容易に光送信器ユニットへ
組込むことができる信頼性の高いレーザを提供できる。
【0006】VCSELsのみならず半導体レーザの特
性として、一般的に、各デバイス間の電気特性と光学特
性が僅かに変化する。光出力をレーザ発振中の注入電流
の関数として表すと、注入電流の増加とともに、急勾配
を示して光出力が増加し、動作環境におけるわずかな変
化が大きな出力の変化をもたらす。この理由により、通
常、VCSELsにはモニター用ダイオードやモニター
チップが設けられ、モニターチップは光出力の大部分を
受光できるように配置されている。このモニター用出力
により、各レーザデバイスの較正が可能となり、又は、
そのモニター用出力をレーザの光出力を制御するための
フィードバックモードに用いることができる。スタンダ
ードエイジェンシーにより決められている「目の保護」
の規則により予め定められた範囲内にレーザの光出力が
入っていることの保証が、制御には要求される。通常、
モニター用ダイオードには、レーザの出力波長に概ね合
った感度曲線を持つPINデバイスのようなフォトトラ
ンジスタを用いることができる。
【0007】レーザとモニターとの組合わせは、絶縁さ
れたコネクターリードを備えた実装用基材とシールされ
た蓋とを有するTO−46缶のような特別にデザインさ
れたパッケージの中によく実装される。その蓋は、ガラ
ス又は他の適当な透明材料からなる窓を上面の中央に有
し、その窓はレーザデバイスの発光用開口部に位置合わ
せされている。そのような組合わせの一例は、1998
年9月22日にGillilandらに特許されている米国特許
第5,812,582号の公報に開示されている。第5,
812,582号公報には、TO−46缶又はそれに類
似したものの中に配置された絶縁された基材の上にフォ
トダイオードが実装されていることが開示されている。
フォトダイオードの上面の大部分は金属層又はメタルマ
スクにより覆われている。VCSELはそのメタルマス
クにハンダ又は導電性エポキシ樹脂により電気的に接合
されている。そして、VCSELへのコンタクトの内の
一つ、即ち、裏面のコンタクトはマスクとの接触により
確保されている。上面又は発光面のコンタクトは、TO
−46缶の中の分離されたコネクターの一つにワイヤボ
ンディングすることにより確保されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】現在の光ファイバーの
帯域幅は、現在の通信システムに使用されている帯域幅
を大きくオーバーしている。したがって、光ファイバー
の能力をより有効に使うためには、通信システムのデー
タ速度を大きくする絶えざる努力が必要である。レーザ
送信機は、完全な通信システムの重要な一面を示してお
り、レーザのスイッチング速度をできるだけ大きくする
ことが重要となっている。高速デバイスのスイッチング
速度に影響を与える要因の一つは、VCSEL、モニタ
ーチップそして実装時の配置による寄生容量である。
【0009】さらに検討すべき重要な問題としては、も
ちろん、光送信機又はレーザ/モニターのアセンブリー
のコストの問題がある。このコストには、デバイスをア
センブリングし、光ファイバーに対してデバイスを正確
に配置するコストだけでなく、材料プロセスのコストが
含まれる。
【0010】したがって、本発明の目的は、高帯域幅用
に利用可能な、寄生容量が少なく、低コストのVCSE
L/モニターデバイスを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の一つの好適な実
施態様において、VCSELが上面又は発光面上にp型
及びn型コンタクトを有し、VCSELがモニター用ダ
イオードの上に実装に金属をほとんど、あるいは全く使
用しないで実装されているVCSELとモニターとのア
センブリーが提供される。
【0012】したがって、本発明の第1の態様によれ
ば、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)と光検出
用モニターとのアセンブリーが提供され、該アセンブリ
ーは、光検出用の第1の面とそれに平行な第2の面とを
備えた光検出用モニターチップと、モニターチップの上
記第1の面に実装され、その上面上にp型とn型のコン
タクトを有する上面発光VCSELと、VCSELの発
光部分をモニターチップの上記第1の面の方向に向ける
ようにアセンブリーを組合わせる組合わせ手段とからな
る。
【0013】本発明の第2の態様によれば、上面発光垂
直共振器型面発光レーザ(VCSEL)と光検出光出力
モニターチップ対とのアセンブリング方法が提供され、
該方法は、光検出面を有するモニターチップを準備する
工程と、その上面上にp型とn型のコンタクトを有する
上面発光VCSELを上記光検出面に接合する工程と、
モニターチップとVCSELとを接触させる手段を準備
する工程とを含む。
【0014】
【発明の実施の形態】図1に、本発明に用いるモニター
チップ10の一例を示す。モニターには、フォトダイオ
ード、PIN、アバランシェダイオード等が挙げられ
る。動作時には、面12に適度な波長の光エネルギーが
当り、これによりデバイスのコンタクトを横切って電流
が発生する。その電流は、光検出又はモニターチップに
より受光される光エネルギー(この場合、レーザから
の)の強度に依存する。一つの電気的コンタクトは、裏
面(図示せず)に形成され、リードワイヤで接続する
か、公知の手段で基材上に直接実装するかによりコンタ
クトが形成される。同様に、上面又は前面へのコンタク
トは、コンタクトバッド14の両方又は一方にワイヤボ
ンディングすることにより行う。あるいは、モニター用
ダイオードは同じ側にコンタクトと、電気的接続を有し
ていても良い。電気的接続は、上面上でのコンタクトの
ため、ピンへボンディングする方法でも、又は底面上で
のコンタクトのため、フォトダイオード上へ電極をパタ
ーニングする方法でも良い。
【0015】図1に示すように、モニターチップの上面
の中心に配置されているのは位置合わせマーク16であ
る。これは、矩形又は実質矩形であれば良く、後で述べ
るVCSELの形又は輪郭に対応するものである。ある
いは、位置合わせマーク16は、VCSELの輪郭の一
部を示すものでも良い。位置合わせマークは、VCSE
Lをフォトダイオードに対して正確に位置合わせした状
態でハンダ付けできるように、適切な金属を用いて形成
されることが望ましい。位置合わせは、後で述べるよう
に、システムのパッケージングに関係して重要である。
【0016】あるいは、位置合わせマークは、適当な位
置合わせマークを提供でき、かつ、長く安定な面を提供
できるのであれば、非金属層であっても良い。もちろ
ん、特定のアセンブリー技術によれば、特別の位置合わ
せマークを設けることなく、VCSELを正確にモニタ
ーチップの上に実装することが可能である。たとえば、
コンタクトパターン又はチップ端部を位置合わせに用い
ることが可能である。
【0017】図2に示すように、本発明によれば、VC
SEL20は、その上面にp型とn型のコンタクトを有
している。発光用開口部22は、VCSEL構造のp型
ブラッグミラーに接続されるコンタクト24の一つ(例
えば、p型)により、明確に規定されている。第2のコ
ンタクト26、この例ではn型であり、従来知られてい
るように、n型ブラッグミラーに接続される。本発明の
開口部は、構造の所望の領域に注入電流を閉じ込めるた
めに、活性領域(図示せず)内に設けられている。コン
タクトパッド24と26は、適当な入力源に接続するた
め、ワイヤボンディング等が可能となるように、適切な
材料で形成されている。
【0018】図2に示したVCSELは、実質的に矩形
であるが、本発明はこの形に限定されるものではなく、
デバイスが他の形をしていたり、大きさが異なっていて
も良い。もちろん、モニターチップ上の位置合わせマー
ク16も、用いるVCSELの形状や大きさが変化すれ
ば、それに合わせて変化させる必要がある。
【0019】底面上にp型とn型のコンタクトを有する
底面発光VCSELを用いることも、もちろん、本発明
の範囲内に含まれる。
【0020】図3は、モニターチップ10上に積層又は
取り付けられたVCSEL20の断面図である。もし、
位置合わせマークが金属で形成されていると、VCSE
Lチップの裏面はVCSELをハンダ付けによりモニタ
ーチップに接合するために適切に金属で形成されている
必要がある。この場合、VCSELはハンダ付けのプロ
セスにより位置合わせマークに自動的に位置合わせされ
る。位置合わせマークは、VCSELの大きさに比べ小
さくても良く、その場合でも良好な機械的接続を与え、
かつ、正確な位置合わせが可能である。
【0021】また、多くのものがその目的のために入手
可能であるエポキシ樹脂を用いて、VCSELをモニタ
ーチップに接合することもできる。この場合、位置合わ
せマークは金属ではなく、作業者がモニターチップに対
しVCSELを正確に配置できるよう手助けとなるよう
にデザインされたパターンを有する誘電体のような他の
材料を用いることが好ましい。前述のアセンブリー技術
を用いれば、作業者は何ら特別の位置合わせマークを用
いることなく、モニターチップの上にVCSELを配置
できる。
【0022】図4は、通常のTO−46缶のようなパッ
ケージに実装された図3のアセンブリーの断面図であ
る。その缶は複数のポスト又はコネクター32を有して
おり、それらは、通常分離して設けられているが、VC
SELに電流を流す目的とモニターチップを横切って発
生する電気信号によりVCSELの光出力をモニターす
る目的とに用いられるものは、分離されていない。蓋4
2は、窓又はレンズである反射面44を有している。反
射面の材料には、ガラス、エポキシ樹脂、又はVCSE
Lの波長に対して、少なくとも部分的に透明である他の
材料を用いることができる。出力されたレーザの一部
は、窓44に反射して蓋の内側に戻り、モニターチップ
の表面12に当り、VCSELの出力に比例した信号を
与える。
【0023】その装置につなぐ光ファイバーに関して、
VCSELの発光用開口部の配置が非常に重要であると
いうことは明らかである。TO−46缶やTO−56
缶、MTコネクター等の組立部品をファイバーに対して
配置するに際し、差込やスリーブを用いて固定すること
ができる。したがって、VCSEL、よって発光用開口
部をTO−46缶の基底部に対して正確に配置すること
は重要なことである。モニターチップの位置合わせマー
クは、モニターチップに対してVCSELを配置する際
の助けとなる一方、パッケージに対してモニターチップ
を配置するには他の手段を用いて行なうことができる。
図4に示すように、発光用開口部の中心軸は窓44の中
心と光ファイバー(図示せず)の長さ方向軸とに対して
位置合わせされている。
【0024】本発明のVCSELとモニターとのアセン
ブリーにおいて、金属の量を減らすことにより、それに
対応して寄生容量が減少する。米国特許5,812,58
2号公報に開示されている従来のデバイスは、モニター
チップの上面にメタルマスク又は金属層を設けている。
チップを実装する基材とメタルマスクとの組合わせは、
板状のキャパシタとして働き、そのキャパシタによる寄
生容量が高速動作に影響を与える遅延をもたらす。同様
に、VCSELコンタクトは対向する他方の面にも形成
されているため、上記組合わせの寄生容量に加えて、も
う一つの板状キャパシタができることになる。本発明に
おいては、両方のVCSELコンタクトが上面又は発光
面に設けられているため、寄生容量を減らすことができ
る。さらに、本発明においては裏面で電気的接続を行な
わないため、従来のデバイスのようなモニターチップ上
のメタルマスクは不要である。
【0025】図5は、本発明のデバイスの周波数応答
(曲線A)と従来技術のデバイスの周波数応答(曲線B
とC)とを比較したものである。本発明のデバイスの出
力は、高周波に対して最適化されていないTO−46缶
をパッケージに用いた場合においても、1.7GHzま
で実質的に一定であった。本発明のデバイスの応用とし
ては、低速と高速のデータ通信、例えば、100Mbp
s、イーサーネット(Ethernet)、ギガビットイーサー
ネット、ファイバーチャンネル、そしてATM又はSD
HそしてIEEEが挙げられる。また、本発明のデバイ
スの応用には、ファイバーを用いない応用、例えば、医
学や化学分野において、発光波長でフォトンとの相互作
用を利用して物質の濃度を測定するような応用も含まれ
る。本発明は、光パワーのフィードバックのためにモニ
ター用ダイオードが必要なあらゆる分野に応用できる。
【0026】
【発明の効果】本発明を特定の実施例を用いて説明した
が、本発明は、その基本的な概念から逸脱することな
く、いろいろな形で実施することができる。例えば、V
CSELとモニター用ダイオードの形と大きさは、その
応用とする対象に応じて選択することができる。VCS
ELとモニター用ダイオードの導電型は、実装方法によ
り影響されない。例えば、n型の基材を有するVCSE
Lはp型、n型又はモニターチップの分離部分の上に実
装できる。p型基材の上に成長させたVCSELに対し
ても同様である。しかし、そのような変形は添付された
特許請求の範囲で規程される本発明の範囲内のものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に用いるモニターチップの構造を示す
上面図である。
【図2】 本発明に用いるVCSELの構造を示す図で
あって、発光面に両方のコンタクトを有する上面発光V
CSELの構造を示す上面図である。
【図3】 本発明に用いるVCSELの構造を示す図で
あって、モニタチップ上に実装されたVCSELの構造
を示す断面図である。
【図4】 本発明のアセンブリーの構造を示す図であっ
て、光ファイバーとの接続用に差込口又はスリーブを有
する実装ケース中に配置されたアセンブリーの構造を示
す断面図である。
【図5】 本発明と従来のデバイスについて、周波数と
変調応答との関係を示す帯域幅曲線である。
【符号の説明】
10 モニターチップ、12 モニターチップ上面、1
4 コンタクトパッド、16 位置合わせマーク、20
VCSEL、22 発光用開口部、24,26コンタ
クト、32 コネクター、42 蓋、44 反射面、4
6 缶。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヤン・イェンソン スウェーデン177 32ヤルファラ、ヴァサ ヴェーゲン89番 Fターム(参考) 5F073 AB15 AB17 BA02 EA14 FA04 FA21 FA23

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 垂直共振器型面発光レーザVCSELと
    光検出用モニターとのアセンブリーであって、 上記アセンブリーが、光検出用の第1の面と該第1の面
    に平行な第2の面とを有する光検出用のモニターチップ
    と、 上記モニターチップの上記第1の面に実装され、その上
    面にp型とn型の両方のコンタクトを有する上面発光の
    上記VCSELと、上記モニターチップの上記第1の面
    に上記VCSELの発光領域を向けるように上記アセン
    ブリーを組合わせる組合わせ手段とを有する垂直共振器
    型面発光レーザVCSELと光検出用モニターとのアセ
    ンブリー。
  2. 【請求項2】 上記VCSELが、底面発光であり、上
    記p型とn型コンタクトが底面側にある請求項1記載の
    アセンブリー。
  3. 【請求項3】 上記光検出用モニターチップの応答波長
    範囲に、上記VCSELの発光波長が含まれる請求項1
    又は2に記載のアセンブリー。
  4. 【請求項4】 上記モニターチップと上記VCSELを
    外部接続するための受入部を有するパッケージに、上記
    アセンブリーを配置した請求項3記載のアセンブリー。
  5. 【請求項5】 上記パッケージが蓋を有し、該蓋が、少
    なくとも一部が透明で、かつ、上記VCSELの発光領
    域と実質的に一直線となった窓を含む請求項4記載のア
    センブリー。
  6. 【請求項6】 上記パッケージが蓋を有し、該蓋が、少
    なくとも一部が透明で、かつ、上記VCSELの発光領
    域と実質的に一直線となったレンズを含む請求項4記載
    のアセンブリー。
  7. 【請求項7】 上記窓又はレンズが、上記VCSELか
    らの発光の一部を上記モニターチップに向ける反射部を
    有する請求項5又は6に記載のアセンブリー。
  8. 【請求項8】 上記モニターチップが、上記第1の面上
    に、上記VCSELを上記モニターチップに位置合わせ
    するのに用いる位置合わせマークを有する請求項7記載
    のアセンブリー。
  9. 【請求項9】 上記位置合わせマークが、上記VCSE
    Lと実質的に同じ形である請求項8記載のアセンブリ
    ー。
  10. 【請求項10】 上記位置合わせマークが、上記VCS
    ELを上記モニターチップにハンダ付け可能なように金
    属で形成されている請求項8記載のアセンブリー。
  11. 【請求項11】 上記位置合わせマークが、上記VCS
    ELの形状部分を表し、上記VCSELを上記モニター
    チップにハンダ付け可能なように金属で形成されている
    請求項9記載のアセンブリー。
  12. 【請求項12】 上記アセンブリーが、上記パッケージ
    を受け入れ、かつ、上記VCSELの上記発光領域と光
    ファイバーとを位置合わせする差込手段をさらに含む請
    求項8記載のアセンブリー。
  13. 【請求項13】 上面発光垂直共振器型面発光レーザV
    CSELと光検出用光出力モニターチップ対とを組立て
    るアセンブリング方法であって、 上記アセンブリング方法が、フォトン検出面を有するモ
    ニターチップを準備する工程と、 その上面にp型とn型コンタクトとを有する上面発光の
    上記VCSELを上記フォトン検出面に接合する工程
    と、上記モニターチップと上記VCSELとを接触させ
    る手段を準備する工程とを含むアセンブリング方法。
  14. 【請求項14】 上記モニターチップの上記フォトン検
    出面に、上記VCSELを上記モニターチップに位置合
    わせするのに用いる位置合わせマークを設ける請求項1
    3記載の方法。
  15. 【請求項15】 上記VCSELをハンダ付けにより上
    記モニターチップに接合可能なように、上記位置合わせ
    マークを金属で形成する請求項14記載の方法。
  16. 【請求項16】 上記VCSELからの発光がその窓を
    通ってパッケージの外へ出るように設けられた窓を有す
    るパッケージの中に、上記モニターチップとVCSEL
    の組合わせを実装する請求項13又は14に記載の方
    法。
  17. 【請求項17】 上記発光の一部が上記窓に反射され、
    上記モニターチップに当る請求項16記載の方法。
  18. 【請求項18】 上記VCSELからの発光がそのレン
    ズを通ってパッケージの外へ出るように設けられたレン
    ズを有するパッケージの中に、上記モニターチップとV
    CSELの組合わせを実装する請求項13又は14に記
    載の方法。
  19. 【請求項19】 上記発光の一部が上記レンズに反射さ
    れ、上記モニターチップに当る請求項18記載の方法。
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