JP2001154048A - 双方向光モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化が可能で、生産性、検査性に優れ、さ
らに将来の高周波化に対応可能な双方向光モジュールを
提供すること。 【解決手段】 送信用面発光素子５と受信用受光素子６
及び、分岐素子等の受動光回路からなる双方向光モジュ
ールＭにおいて、送信用面発光素子５と、受信用受光素
子６とを高精度加工された同一チップキャリア基体７上
に搭載し、チップキャリア基体７を受動光回路が形成さ
れた基板の凹部及び／または凸部に搭載、固定すること
により、光半導体素子と受動光回路とを無調芯で結合で
きる構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光加入者系システ
ム等に用いられ、外部伝送路に対して光信号の送受信を
行うための受動光回路、発光素子、発光素子のモニター
用受光素子、及び受信用受光素子を有する双方向光モジ
ュールに関し、特に小型化が可能で、生産性、検査性に
優れ、さらに将来の高周波化に対応可能な双方向光モジ
ュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気信号と光信号の変換や、端末
装置とのインタフェースとして知られる光回線終端装置
（ＯＮＵ：Optical Network Unit）には、図４に示すよ
うなＷＤＭ（Wavelength-Division Multiplexing）双方
向光モジュールＪが用いられている。

【０００３】この双方向光モジュールＪは、光送信用の
半導体レーザ（以下、ＬＤと略す）、及びその出力をモ
ニターするためのモニター用フォトダイオード（以下、
Ｍ−ＰＤと略す）からなる光送信部５１、フォトダイオ
ード（以下、ＰＤと略す）からなる光受信部５２、及び
受動光回路５３から構成される。受動光回路５３は、例
えば波長が１．３μｍの光信号（音声信号）を分岐、合
流させる光分岐器５４や、１．３μｍの光信号（音声信
号）及び１．５５μｍの光信号（画像信号）を合分波す
る光合分波器５５等から構成される。

【０００４】具体的には、例えば図５に示すように、シ
リコン単結晶等から成る基板６０に分岐部を有した石英
系の光導波路６１、及びこの光導波路６１の途中に形成
された溝６５に配設された反射型合分波器６６により受
動光回路５３が構成され、さらに、基板６０上に上記光
導波路６１に光結合させるＬＤ６２、Ｍ−ＰＤ６３、及
びＰＤ６４が配設され、ＬＤ６２とＭ−ＰＤ６３とで光
送信部５１が、ＰＤ６４で光受信部５２がそれぞれ構成
されている（例えば、山田他、“ＰＬＣプラットフォー
ムを用いたフィルタ反射型ＷＤＭ送受信光回路”、１９
９６年電子情報通信学会春季大会予稿集、ＳＣ−２−
５、Ｐ．４３９−４４０を参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記双
方向光モジュールの構成では、以下のような問題点が生
ずる。先ず、モニターＰＤや受信用ＰＤとして端面受光
型ＰＤを用いる場合、複数の光半導体素子を同一基板上
に近接して、しかもこれら光半導体素子を高精度に実装
する必要がある。このため、光半導体素子の固定材料
（順次固定するために、融点の異なるハンダ材料を用い
るなど）、固定方法が限定されたり、その実装方法や実
装装置等が非常に複雑化する。

【０００６】また、モニターＰＤや受信用ＰＤに面受光
型を用いる場合、基板の表面に異方性エッチングや金属
の蒸着等を施すことによりミラー部を形成し、このミラ
ー部から反射した光をＰＤで受けるように構成したり、
基板とは別に設けたチップキャリア上にＰＤを実装して
正確にアライメントしなければならない。これにより、
部品点数が増大しモジュール全体が大型化する上に、そ
の全体構造及び作製工程等が一層煩雑となる。

【０００７】さらに、今後このような双方向光モジュー
ルの高速化（高周波化）が要求される場合、シリコン単
結晶基板上に直接に光半導体素子を単純に実装する構成
では寄生容量が大きすぎるので、特にＰＤの良好な受光
特性を発揮することができない。

【０００８】これら問題点を解決するために、本発明者
らは、受信用受光素子と発光素子のモニター用受光素子
を同一チップキャリア上に実装し、基板上に無調芯で前
記チップキャリアを配設する双方向光モジュールを考案
した（特願平１１−２１１，１６９号参照）。

【０００９】しかしながら、こうした構成では上記問題
点は解決できるものの、送信用発光素子を基板上に高精
度に位置決めするためには、導波路コアと高精度に位置
決めされた電極（またはマーカー）を形成し、なおか
つ、この電極（またはマーカー）を観察しながら高精度
に発光素子を位置決め固定しなければならないという問
題点があった。

【００１０】そこで、本発明は、光半導体素子の実装が
簡便に行うことができ、しかも小型化に適しさらに高周
波化に好適な優れた双方向光モジュールを提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の双方向モジュールは、送信用面発光素子か
らの光信号を外部伝送路へ送信し且つ外部伝送路からの
光信号を受信する受動光回路を有する基板と、受動光回
路上に配設され送信用面発光素子の発光強度を制御する
モニター用受光素子と、側面に送信用面発光素子と外部
伝送路からの光信号を受動光回路を介して受信する受信
用受光素子とを配設したチップキャリア基体とを備え、
基板に設けた係止用の凹部及び／または凸部にチップキ
ャリア基体を配設したことを特徴とする。

【００１２】また、係止用の凹部及び／または凸部は、
基板の異方性エッチングにより形成されていることを特
徴とする。

【００１３】さらに、チップキャリア基体の側面に、送
信用面発光素子と受信用受光素子とで受光する光信号の
干渉を防止する段差部が形成されていることを特徴とす
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る一実施形態を
図面を用いて詳細に説明する。

【００１５】図１に模式的に示す双方向光モジュールＭ
は、ＯＮＵ用光モジュールとして適用可能なものであ
り、ガラス材料やシリコン単結晶等からなる基板１の上
層部に、光信号を入出力させる光導波路２１，２３と、
特定の波長を透過させ、特定の波長を反射させるための
フッ素化ポリイミド等の有機系誘電膜や、酸化チタン，
酸化シリコン等の無機系誘電体の多層膜からなる干渉膜
フィルタ２２からなる受動光回路２が形成されている。

【００１６】この受動光回路２は、光導波路２１及び干
渉膜フィルタ２２から光合分波器が、分岐部を有する光
導波路２３で光分岐器がそれぞれ構成されている。ま
た、後述の送信用面発光素子５の発光強度を検出するモ
ニター用受光素子４が、受動光回路の光導波路２３ａ上
に形成された電極４１上に、受光面を下にして実装固定
されている。光導波路２３ａからのモニター光の分離に
ついては、導波路間に設けたスリットや、導波路上に設
けた回折格子等で行われる。

【００１７】ここで、上記光導波路は火炎堆積（ＦＨ
Ｄ：Frame Hydrolysis Deposition ）法やＣＶＤ（Chem
ical Vapor Deposition ）法による堆積法等により公知
のＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）プラットフォー
ムの形成技術を用いて作製したものである。

【００１８】一方、基板１よりも誘電損失の小さい材料
で構成されたチップキャリア基体７の側面には、光分岐
器の一方の導波路２３ａの端部に高効率で光結合させる
ように、例えば半導体レーザである送信用面発光素子５
と、外部伝送路（不図示）からの光信号を受動光回路２
を介して受信する面受光型のフォトダイオードである受
信用受光素子６とが配設されている。これら、面受発光
素子のチップキャリア７上への固定については、チップ
キャリアの外形に対し高精度に形成された電極（または
マーカー）を用いて、Ａｕ−Ｓｎ半田等を介して高精度
に実装されている。また、基板１にはチップキャリア基
体７を係止するための凹部８及び／または凸部（不図
示）が形成されている。

【００１９】チップキャリア基体７が基板１に形成され
たチップキャリア基体配設部（凹部８）に配設されてい
る様子の一例を図２（ａ）〜（ｃ）に詳細に示す。

【００２０】同図に示すように、基板１は異方性エッチ
ングが可能な材料で構成されていれば、チップキャリア
であるチップキャリア基体７を係止するための斜面が形
成された凹部８を、所望のエッチング溶液（基板１がシ
リコン単結晶であれば、水酸化カリウムやＴＭＡＨ等の
アルカリ溶液）を用いた異方性エッチングにより高精度
に形成することができる。

【００２１】このようにして、斜面８ａ及び底面８ｂが
高精度に形成された凹部８内において、アルミナ等のセ
ラミックの粉体成形により、外形が高精度に形成された
チップキャリア基体７の側面下部７ｃと凹部８の斜面８
ａとで係止され、両者間でエポキシ系接着剤等の接着剤
（不図示）を介して固着される。

【００２２】ここで、チップキャリア基体７の素子配設
面７ａ及び７ｂは平面であって、これら両面には、素子
配設面７に実装される送信用面発光素子５の裏面側電極
に接続される導体パターン９、面発光素子５の発光面側
電極にボンディングワイヤ１１を介して接続される導体
パターン１０が形成されており、同様にして、受信用受
光素子６の裏面電極に接続される導体パターン１５、受
信用受光素子６の受光面側電極にボンディングワイヤ１
４を介して接続される導体パターン１３が形成されてい
る。

【００２３】図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、モニタ
ー用受光素子４はその基板表面方向については、電極に
形成されたマーカー等を用いて位置決め（公知のビジュ
アル・アライメント法）される。同じくチップキャリア
基体７上に形成された導体パターン９上に、Ａｕ−Ｓｎ
半田等を用いて面発光型レーザダイオード等の面発光素
子５が実装されている。この実装方法については、公知
のビジュアル・アライメント法を用いることができる。

【００２４】また、これら両者（チップキャリア基体７
と基板１）の位置決めについては、水平方向は凹部８と
基板１上の電極（またはマーカー）や光導波路のコア軸
Ｌ２との相対位置で、また、高さ方向は基板１の表面を
基準として、チップキャリア基体７の外形寸法と電極
（またはマーカー）と凹部８の形状から容易に設計が可
能である。

【００２５】なお、図２において、下部（下面側）に凸
形状を有するチップキャリア基体７を凹部８の壁面に係
止する例を示したが、下部に凹形状または凹凸形状を有
するチップキャリア基体７を、この下部形状に整合し合
致する形状を有するチップキャリア基体配設部に係止す
るようにしてもよい。

【００２６】このようにして、送信用面発光素子５の出
射光軸と、光分岐器の導波路端部２３ａのコア軸Ｌ１、
また、光導波路端部２３ｂのコア軸Ｌ２と受信用受光素
子６の受光面とが一致するように、チップキャリア基体
７は凹部８に対し簡便かつ正確に固定される。

【００２７】上記構成でも双方向光モジュールＭによれ
ば、基板１の導波路２１の一方（外部伝送路（不図
示））から伝送されてきた波長の異なる光信号（例え
ば、音声信号：波長１．３μｍ、画像信号：波長１．５
５μｍ）は、干渉膜フィルタ２２により、透過光（波長
１．３μｍ）、反射光（波長１．５５μｍ）に分波し、
光分岐器２３を経て受信用受光素子６により検出され
る。また、送信用面発光素子５から出射された音声信号
（波長１．３μｍ）は、光分岐器２３を経て合流され、
干渉膜フィルタ２２を通過して外部伝送路（不図示）へ
送信される。

【００２８】また、双方向光モジュールＭは、光導波路
を好適に配設できるシリコン単結晶等から成る基板１上
に、基板１よりも誘電正接（ｔａｎδ）の小さなアルミ
ナ等のセラミックなどで構成されたチップキャリア基体
７を介し、受信用受光素子６を間接的に実装することに
より、寄生容量の影響を極力避けることができ、高速化
（高周波化）に適した優れた構成にすることができる。

【００２９】また、基板１に形成するチップキャリア基
体７の係止用の凹部及び／または凸部を、例えば基板１
の異方性エッチング等により精度良く作製することによ
り、チップキャリア基体７に搭載した光半導体素子を基
板１に形成した受動光回路２に対し無調芯で精度良く光
結合させることが可能となる。

【００３０】また、基板１上においては近接する複数の
光半導体素子を高精度に位置決め固定する必要がないた
め、量産性に優れている上に、光半導体素子の複数をチ
ップキャリア基体に集約的に配設させることで小型化が
可能となる。

【００３１】さらに、検査工程において、基板１側及び
チップキャリア基体７側で別々に検査を行うことによ
り、基板１側やキャリア基体７側で不良が発生しても、
すべての光半導体素子や基板１全体を無駄にすることは
ない。

【００３２】上記チップキャリア基体７は、その外形や
形成させる導体パターンを簡素化して示しているが、送
信用面発光素子と受信用受光素子を同一のチップキャリ
ア基体上に実装すると、光や電気のクロストークの問題
が生ずることがあるので、これを極力防止するために、
チップキャリア基体の側面に段差部を形成し、さらにこ
の段差部においてシールド用の導体を形成してもよい。

【００３３】例えば図３に示すチップキャリア基体１７
のように、基板に形成された一方の導波路からの漏洩光
が、他方の受光素子に影響を与えること（光のクロスト
ーク）を極力防止するために、送信用発光素子５と、受
信用受光素子６を実装する面に段差部Ｄを設ける。

【００３４】そして、送信用面発光素子５の電極に接続
される導体パターン３１，３２と受信用受光素子６の電
極に接続される導体パターン３３，３４との干渉（電気
のクロストーク）を極力避けるために、少なくともこれ
ら受光素子間にシールド用の導体パターン３５を形成し
ている。すなわち、チップキャリア基体１７の上面１７
ｃと側面１７ｄに渡って導体パターン（接地用）３５が
形成されている。さらに、導体パターン３１〜３４をチ
ップキャリア基体１７の側面に互いにできるだけ干渉し
ないような方向へ形成させている。これにより、電磁界
を確実にシールドすることができ、モニター用受光素子
で検出した信号の影響を、受信用受光素子に与えること
のない優れた構成とすることができる。

【００３５】

【実施例】本発明の一実施例について図１、図２、図６
を用いて説明する。先ず、基板としてシリコン基板を用
い光受動回路を石英系の光導波路で形成した一例につい
て説明する。

【００３６】図６（ａ）に示すように、主面が（１０
０）であるシリコン単結晶から成る基板１０１を準備
し、そして、図６（ｂ）に示すように、公知の火炎堆積
（ＦＨＤ）法を用い、基板１０１上に順次、クラッド層
１０２を１０〜３０μｍ、Ｔｉ等のドーパントを用いて
クラッド層より屈折率の高くしたコア層１０３を８〜１
０μｍ積層した。

【００３７】次に、図６（ｃ）に示すように、光導波路
コアの位置と、受発光素子を搭載するチップキャリアを
高精度に位置決めするために、同一マスク上に形成した
導波路コアパターン１０４及びＶ溝形成用開口パターン
１０５を、ＳｉＷを用いて前記基板上に転写した。そし
て、これをマスクにし、導波路コア１０３′をＲＩＥ等
で形成した。

【００３８】さらに、図６（ｄ）に示すように、上部ク
ラッド層１０６を、前記コア部１０３′を覆うように、
同様の火炎堆積（ＦＨＤ）法を用いて形成した。

【００３９】次に、図６（ｅ）に示すように、Ｖ溝形成
用開口パターンをマスクとして、下部クラッド層１０２
をＲＩＥ等でエッチングする。さらに、この開口部を用
いて、ＫＯＨやＴＭＡＨ等のエッチング液を用いて基板
を異方性エッチングを行い、チップキャリア位置決め用
のＶ溝１０７を形成した。

【００４０】さらに、図６（ｆ）に示すように、端面研
磨を兼ねて、ダイシング装置等を用いて接続用溝１０８
及び、波長フィルタ挿入用溝１０９を形成した。

【００４１】最後に、図６（ｇ）に示すように、モニタ
ー用受光素子の電極１１０を形成して基板を完成させ
た。

【００４２】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明によれ
ば、例えばセラミックの粉体成形により容易にかつ精度
良く所望の形状に作製することが可能であり、上記チッ
プキャリア基体を基板に実装することにより、従来のよ
うに基板に直接、受信用受光素子を実装する構成より
も、非常に高速化（高周波化）に適した双方向光モジュ
ールを提供できる。

【００４３】また、基板に形成するチップキャリア基体
の係止用の凹部及び／または凸部を、例えば基板の異方
性エッチング等により精度良く作製することにより、チ
ップキャリア基体に搭載した光半導体素子を基板に形成
した受動光回路に対し無調芯で精度良く光結合させるこ
とが可能な双方向光モジュールを提供できる。特に本発
明においては、送信用発光素子として面発光素子を用い
ているため、導波路とのモードフィールド形状が同じ円
形であるため、高い結合効率が得られる。

【００４４】また、基板上において近接する複数の光半
導体素子を高精度に位置決め固定する必要もないため、
生産性に優れた双方向光モジュールを提供できる。

【００４５】さらに、従来のようにミラー部や導波路コ
アに対して高精度に位置決めされた電極（またはマーカ
ー）等の構成を付与する必要もなく、しかも光半導体素
子の複数をチップキャリア基体に集約的に配設させるこ
とで小型化が可能な双方向光モジュールを提供できる。

【００４６】そして、従来では光半導体素子等の検査工
程において、一般にステムや基板（シリコンプラットフ
ォーム）上で行うため、送信用発光素子、モニター用受
光素子、及び受信用受光素子のうち、いずれか一つの光
半導体素子が不良であれば、基板全体すなわち光半導体
素子の全てが無駄になってしまうが、本発明の双方向光
モジュールでは、面発光及び面受光素子を用いているの
で、ウエハ単位やチップキャリア単位で性能試験（バー
ンイン）が可能であり、これにより、全ての光半導体素
子や基板全体が無駄になることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の双方向光モジュールの一実施形態を模
式的に示す平面図である。

【図２】（ａ）本発明の双方向光モジュールを構成する
チップキャリア基体を模式的に説明する斜視図、（ｂ）
は図１のＡ−Ａ断面図であり、チップキャリア上の送信
用面発光素子と、受動光回路上のモニター用受光素子の
結合状態を模式的に説明するための断面図、（ｃ）は図
１のＢ−Ｂ断面図であり、受動光回路の導波路とチップ
キャリア基体の受信用受光素子の結合状態を模式的に説
明するための断面図である。

【図３】チップキャリア基体の他の実施形態を模式的に
説明する斜視図である。

【図４】ＷＤＭ双方向光モジュールの構成を説明するた
めの構成図である。

【図５】従来の双方向光モジュールの一例を示す平面図
である。

【図６】（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ本発明の一実施例
に用いる基板の作製方法を模式的に説明するための平面
図及び側面図である。

【符号の説明】

１：基板 ２：受動光回路 ２１，２３：導波路 ２２：（反射型）干渉膜フィルタ ３：溝 ４：モニター用受光素子 ５：送信用面発光素子 ６：受信用受光素子 ７：チップキャリア基体 ８：凹部（チップキャリア基体配設部） Ｍ：双方向光モジュール

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 送信用面発光素子からの光信号を外部伝
   送路へ送信し且つ外部伝送路からの光信号を受信する受
   動光回路を有する基板と、前記受動光回路上に配設され
   前記送信用面発光素子の発光強度を制御するモニター用
   受光素子と、側面に前記送信用面発光素子と外部伝送路
   からの光信号を前記受動光回路を介して受信する受信用
   受光素子を配設したチップキャリア基体とを備え、前記
   基板に設けた係止用の凹部及び／または凸部に前記チッ
   プキャリア基体を配設したことを特徴とする双方向光モ
   ジュール。
2. 【請求項２】 前記係止用の凹部及び／または凸部は、
   前記基板の異方性エッチングにより形成されていること
   を特徴とする請求項１に記載の双方向光モジュール。
3. 【請求項３】 前記チップキャリア基体の側面に、前記
   送信用面発光素子から送信する光信号と前記受信用受光
   素子で受光する光信号との干渉を防止する段差部が形成
   されていることを特徴とする請求項１に記載の双方向光
   モジュール。