JP2004361434A - 光モジュール、光モジュールの製造方法、光送受信システム - Google Patents
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Abstract
【課題】光素子を直接基板に実装でき、かつパッシブアライメント技術により簡便に光素子を実装できて容易に製造でき、また駆動素子を光モジュール内部に配置できて光素子と駆動素子間の配線経路を短くすることができる光モジュールとその製造方法、及びそれを用いた光送受信システムを提供する。
【解決手段】本発明は、基板２に光導波路となる針状突起５が形成され、針状突起５の基端部５３側に光ファイバ４を収容、固定する固定溝６が形成され、光素子３の受光部又は発光部が針状突起５の先端部５１に位置するように光素子３が実装され、光ファイバ４が固定溝に収容、固定され、光素子３の発光部からの光が針状突起５の先端部５１に入射され、針状突起５を伝搬して光ファイバ４に入射されるか、又は光ファイバ４からの光が針状突起５に伝搬され、先端部５１から光素子３の受光部に入射されるようにした構成とする。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明は、基板２に光導波路となる針状突起５が形成され、針状突起５の基端部５３側に光ファイバ４を収容、固定する固定溝６が形成され、光素子３の受光部又は発光部が針状突起５の先端部５１に位置するように光素子３が実装され、光ファイバ４が固定溝に収容、固定され、光素子３の発光部からの光が針状突起５の先端部５１に入射され、針状突起５を伝搬して光ファイバ４に入射されるか、又は光ファイバ４からの光が針状突起５に伝搬され、先端部５１から光素子３の受光部に入射されるようにした構成とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野にて光送受信器として利用される光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信分野では、電気信号と光信号との変換手段として、光素子と光ファイバが備えられた光モジュールが用いられている。光モジュールは、光素子として発光素子又は受光素子が用いられ、電気信号に応じた光信号を発光素子から光ファイバに出射したり、又は光ファイバを伝搬した光信号を受光素子で受信し、電気信号に変換して外部に出力できるようになっている。
近年、光通信分野では、発光素子として、結晶の積層面と垂直な方向に光を出力する面発光素子が主に利用されるようになっている。面発光素子は、端面発光素子に比べて、低しきい値動作が可能であり、また低コストである等の利点がある。
【０００３】
光モジュールとしては、サブキャリア（マウント部材）に実装された面発光素子と、光ファイバが収容、固定された基板とから構成され、光ファイバの先端が位置する基板の端面に傾斜面が設けられ、面発光素子がその発光部を上方に向けた状態で直方体のマウント部材に実装され、発光部が光ファイバの先端に対向するようにマウント部材が基板の傾斜面に実装された構成のものが提案されている（特許文献１参照。）。
面発光素子として、電極が発光部と同一面に設けられたものを用いる場合、面発光素子をマウント部材に実装する際、面発光素子の電極とマウント部材に設けられた電極とをワイヤボンディングにより接続する必要がある。このワイヤボンディングは、光モジュールの製造工程において作業中に切断される場合があり、歩留まりが悪くなる問題がある。
また、マウント部材が傾斜面に実装された構成であるため、例えばフリップチップボンディング技術等のパッシプアライメント法によりマウント部材を実装することが難しく、精度良くかつ高速でマウント部材を実装することが難しい。
【０００４】
また、マウント部材が傾斜面に実装され装置構成が複雑となり、駆動素子等を傾斜面近傍に配置することが難しい。特許文献１に提案された光モジュールは、基板の傾斜面に設けられた電極が基板の表面に延びており、この基板の表面に位置する電極が外部接続用電極として機能するようになっている。
このため、駆動素子は、光モジュールの外部に配置され、前記外部接続用電極に接続されることとなる。これにより、光素子と駆動素子との配線距離が長くなり、配線経路のインピーダンスが高くなり、信号に遅延が生じたり、歪みやノイズが発生する原因となる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１３５８３３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した事情に鑑みなされたものであり、光素子をマウント部材を用いることなく直接基板に実装でき、パッシブアライメント技術により簡便に光素子を実装できて容易に製造でき、また駆動素子を光モジュール内部に配置できて光素子と駆動素子間の配線経路を短くすることができる光モジュールと、その光モジュールを精度良くかつ簡便に製造できる光モジュールの製造方法と、前記光モジュールを用いた光送受信システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、基板上に光素子と光ファイバを搭載し、光素子からの光を光ファイバに入力し、又は光ファイバからの光を光素子に入力するようにした光モジュールであって、基板表面には、光導波路となる針状突起が形成され、該針状突起の基端部側に光ファイバを収容、固定する固定溝が形成されており、光素子の受光部又は発光部が針状突起の先端部に位置するように光素子が実装され、光ファイバが固定溝に収容、固定され、光素子の発光部からの光が針状突起の先端部に入射されるか、又は針状突起を伝搬して光ファイバに入射されるようにし、かつ光ファイバから出力された光が針状突起に伝搬され、先端部から光素子の受光部に入射されるようにしたことを特徴とする光モジュールである。
請求項２に係る発明は、前記針状突起の先端部が三角錐状であることを特徴とする請求項１に記載の光モジュールである。
請求項３に係る発明は、前記基板表面に透光性の絶縁層が設けられ、該絶縁層の厚さが、光の波長λに対してλ／４の奇数倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュールである。
請求項４に係る発明は、前記基板及び針状突起が半導体材料から構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光モジュールである。
請求項５に係る発明は、前記光素子が発光素子であり、前記針状突起の基端部が傾斜面に接続され、該基端部を伝搬した光の一部が基板上方に反射されるようになっており、前記針状突起の基端部に受光部が位置するように受光素子が実装されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光モジュールである。
請求項６に係る発明は、半導体材料から構成された平板状の基板であり、かつその表面が（１００）面である基板を用意し、基板の表面をエッチングして、（１００）面，（１１−１）面，（１−１１）面から構成された三角柱と、該三角柱の先端部に設けられ（１００）面，（−１０１）面，（−１１０）面から構成された三角錐とを具備する片持ち梁構造の針状突起と、該針状突起の基端部側に光ファイバを収容、固定する固定溝とを形成し、次いで、発光部又は受光部を有する光素子を、その発光部又は受光部が針状突起の先端部に位置するように実装し、前記固定溝に光ファイバを収容、固定することを特徴とする光モジュールの製造方法である。
請求項７に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光モジュールが用いられたことを特徴とする光送受信システムである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。図１は、本実施形態の光モジュール１の一例を示す斜視図である。
光モジュール１は、基板２と、基板２に搭載された光素子３と光ファイバ４から構成されている。
図２は、基板２の一例を示す概略図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は要部の拡大図である。前記基板２は、シリコンや、ＩＩＩ−Ｖ族化合物等の化合物半導体等の半導体材料の結晶基板から構成されている。前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物としては、ＩｎＰ，ＧａＡｓ等が挙げられる。図２に一例として示された基板２は、その表面２１が半導体材料の（１００）面となるように形成されたものである。
ここで、図中、（ｈｋｌ）（ｈ，ｋ，ｌは整数）は、結晶面のミラー指数を示し、＜ｈｋｌ＞は、結晶面（ｈｋｌ）に垂直な方向を示す。
【０００９】
前記基板２の表面２１には、光導波路となる片持ち梁構造の針状突起５と、光ファイバ用の固定溝６とが形成されている。針状突起５は、断面が三角形や四角形等の矩形状や円状等であり、その先端部５１に傾斜面５２が設けられたものである。針状突起５は、その先端部５１と対向する端部（以下、基端部とも言う。）５３が基板２の条溝７の内面に固定された状態で、前記条溝７内に収容されている。
前記針状突起５の先端部５１の傾斜面５２は、図２（ｂ）に示されたように、基板２の上方から傾斜面５２に入射した光（以下、信号光とも言う。）８を針状突起５の長手方向に反射できるか、又は針状突起５の長手方向から傾斜面５２に入射した光８を基板２の上方に反射できるように形成されている。
【００１０】
図３は、図２（ｂ）中Ａ矢視図である。また、図４は、図２（ｂ）中Ｂ矢視図である。図３及び図４に示された針状突起５は、半導体材料から構成された基板２を異方性エッチングして形成されたものである。異方性エッチングとは、結晶面の方向に対するエッチング速度の差を利用したエッチング法である。
前記針状突起５は、条溝７の内側面から＜０１１＞方向に伸びた三角柱５４と、この三角柱５４の先端に設けられた三角錐（以下、先端部と同じ符号５１を付す。）とから構成されている。前記三角柱５４は、その側面が基板２の半導体材料の（１００）面，（１１−１）面，（１−１１）面から構成されている。三角柱５４の長手方向に垂直な面における断面形状は、二等辺三角形であり、その頂点が下方に向き、かつ底辺が基板２の表面２１と平行に位置し垂線に対して左右対称な形状である。
前記三角錐５１は、針状突起５の先端部５１となる部分であり、三角錐５１の側面は半導体材料の（１００）面，（−１０１）面，（−１１０）面から構成されている。（−１０１）面と（−１１０）面が先端部５１に設けられた傾斜面５２となる。
（−１０１）面と（−１１０）面の交線は、垂線に対して３５°１６’の傾きをもっている。このため、先端部５１の傾斜面５２は、先端部５１に垂線方向から入射する光８を針状突起５の長手方向に反射するか、又は針状突起５の長手方向から先端部５１に入射する光８を先端部５１上方の垂線方向に反射するように機能する。
【００１１】
前記条溝７は、針状突起５が収容できる大きさであれば、特に限定されないが、一例として図３及び図４に示された光モジュール１の条溝７は、その内側面が半導体材料の（１−１１）面，（１１−１）面，（−１１１）面，（１１１）面から構成された逆メサ形状の溝である。そして、前記条溝７の４つの内側面のうち、（１１１）面に針状突起５の基端部５３が接続されている。
【００１２】
前記針状突起５の基端部５３側には、針状突起５の中心軸の延長線上に光ファイバ用の固定溝６が設けられており、固定溝６に光ファイバ４が収容、固定された際、光ファイバ４の中心軸が前記針状突起５の中心軸と一致するようになっている。
前記固定溝６には、光ファイバ４が収容されており、光ファイバ４と基板２とは接着剤や金錫共晶ハンダ等で固定されている。
【００１３】
前記基板２の表面２１には、透光性の絶縁膜２２が設けられている。絶縁膜２２としては、ＳｉＯ２，ＳｉＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＮ，Ｌａ２Ｏ３，ＭｇＯ，Ｓｃ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３等の誘電体膜が適用できる。前記絶縁膜２２の厚さは、光８の波長λに対してλ／４の奇数倍であり、これにより基板２２の上方から針状突起５の先端部５１に光８が入射する際、基板２の表面２１での光８の反射を抑える反射防止膜として機能するようになっている。
絶縁膜２２の屈折率は、（ｎｅｆｆ・ｎ０）１／２付近の値であることが好ましく、これにより基板２の上方から針状突起５の先端部５１に入射する光８の基板２の表面２１での反射率を更に低減できる。ここで、ｎｅｆｆは、針状突起５の先端部５１の実効的な屈折率であり、ｎ０は、入射媒質の屈折率をそれぞれ示す。前記入射媒質は、通常、空気であるため、ｎ０は１である。
【００１４】
前記した基板２の表面２１には、図１に示されたように電極パターン９が形成されており、この電極パターン９上に光素子３と駆動素子１０とが実装されている。
前記光素子３は、面発光素子３１又は面受光素子３２である。この面発光素子３１又は面受光素子３２は、直方体等の矩形状であり、その下面に発光部又は受光部が設けられたものである。光素子３は、その発光部又は受光部が前記針状突起５の先端部５１の傾斜面５２の上方に位置するように基板２の表面２１に実装されている。
前記駆動素子１０は、外部から入力された電気信号に応じて面発光素子３１を発光させたり、又は面受光素子３２から出力された電気信号の信号強度等を増幅し、外部へ出力するものである。前記光素子３と駆動素子１０とは、電極パターン９を介して接続されている。
駆動素子１０を光素子３の近傍に実装することによって、駆動素子１０と光素子３間の配線経路を短くすることができる。
【００１５】
例えば、光素子３として半導体レーザ等の面発光素子３１を用いた送信用光モジュールの場合、駆動素子１０として半導体レーザ駆動用集積回路（ＩＣ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）等が用いられる。
この場合、外部の電極から光モジュール１の駆動素子１０へ電気信号が送信されると、駆動素子１０にて電気信号は変調され、電圧変換等の処理が行われた後、レーザ駆動用信号として光素子３に出力される。そして電気信号に応じたレーザ駆動用信号によって、光素子３から光信号８が発信される。
前記光信号８は、基板２の針状突起５の先端部５１に入射し、この先端部５１の傾斜面５２にて針状突起５の長手方向に反射される。そして信号光８は、針状突起５を伝搬し光ファイバ４の端面に入射する。
以上により電気信号を光信号８に変換し、この光信号８を光ファイバ４へ送信することができる。
【００１６】
また、光素子３としてフォトダイオード等の面受光素子３２が用いられた受信用光モジュールの場合、駆動素子１０としてプリアンプ等の増幅器が用いられる。
この場合、光ファイバ４を伝搬した光信号８は、基板２の針状突起５の基端部５３に入射し、針状突起５の先端部５１の傾斜面５２にて基板２の上方へ反射される。そして、光信号８は針状突起５の上方に設けられた光素子３の受光部にて受信される。
光素子３にて受信された光信号８は、光素子３にて電気信号に変換された後、駆動素子１０に伝達される。電気信号は駆動素子１０にて増幅されて信号強度が調整された後、高強度の電気信号として外部の電極等に出力される。
以上により光信号８を受信し、この光信号８を電気信号に変換して外部に発信することができる。
【００１７】
次に、本実施形態の光モジュール１の製造方法について以下に説明する。
図５は、各製造工程において、光モジュール１の図２（ａ）におけるＣＣ’断面，ＤＤ’断面，ＥＥ’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。ここで、図５では、一部省略して図示している。
基板２として、半導体材料から構成され、半導体材料の（１００）面が表面２１となる平板状のものを用意する。
図５（ａ）に示されたように、基板２の表面２１に電極パターン９を形成した後、この電極パターン９と基板２の表面２１に、エッチング用のレジスト膜１１を形成する。このレジスト膜１１は、針状突起５が設けられる条溝７と光ファイバ用の固定溝６とを形成する領域に整合する領域に開口部を有している。前記レジスト膜１１は、例えばフォトリソグラフィー法等により形成することができる。
【００１８】
次いで、図５（ｂ）に示されたように、基板２の表面２１を異方性エッチングして、片持ち梁構造の針状突起５と、この針状突起５が設けられた条溝７と、固定溝６とを形成する。異方性エッチングの方法としては、例えば、エッチング液に基板２を浸漬する方法等が適用できる。
前記エッチング液としては、硝酸，塩酸，硫酸，リン酸，臭化水素酸，過酸化水素水，酢酸等の酸性水溶液が挙げられ、一種の酸性水溶液又は複数種の混合水溶液として使用できる。エッチング液は、基板２を構成する半導体材料の結晶面の方向に対するエッチング速度の差を考慮し、所望の形状，大きさの針状突起５と条溝７が形成されるように酸の種類、混合比、濃度等が適宜調整されたものである。
【００１９】
そして、前記異方性エッチングによって、半導体材料の（１００）面，（１１−１）面，（１−１１）面から構成された三角柱７４と、この三角柱７４の先端に設けられ、半導体結晶の（１００）面，（−１０１）面，（−１１０）面から構成された三角錐５１とを具備する片持ち梁構造の針状突起５を形成する。また、針状突起５の基端部５３側に光ファイバ用の固定溝６を形成する。
一例として図５に示された製造工程では、図５（ｂ）に示されたように針状突起を形成する際に同時に、針状突起５が収容される条溝７として、その側内面が半導体材料の（１−１１）面，（１１−１）面，（−１１１）面，（１１１）面から構成された逆メサ形状の溝を形成する。
【００２０】
次いで、図５（ｃ）に示されたように、レジスト膜１１を除去した後、光素子３を、その発光部又は受光部が、前記針状突起５の先端部５１の傾斜面５２の上方に位置するように基板２の表面２１の電極パターン９に実装する。また、光素子３の近傍の電極パターン９に駆動素子１０を実装し、光素子３と駆動素子１０とが電極パターン９を介して接続された状態とする。
光素子３として、その発光部又は受光部が設けられた面と同一面に電極が設けられたものを用いた場合、前記光素子３を電極パターン９に実装する方法として、フリップチップボンディング技術等のパッシプアライメント法が適用できる。
例えば、光素子３の電極が設けられた面と、基板２の表面２１とに、それぞれ位置合わせ用の目印を設けておき、この目印が重なった際、光素子３が所望の位置にくるようにする。次いで光素子３の電極に、金又は金錫共晶等のバンプを設け、前記目印が重なるように光素子３を位置決めした状態で、超音波又は熱を印加してバンプを溶融する。これにより、光素子３を高精度に位置決めでき、かつ容易に電極パターン９に実装できる。
そして、図５（ｄ）に示されたように、固定溝６に光ファイバ４を収容し、基板２と光ファイバ４とを樹脂等により固定する。
【００２１】
次に、本実施形態の光送受信システム１２について以下に説明する。図６は、本実施形態の光送受信システム１２の一例を示す概略斜視図である。
光送信システム１２は、光素子３として面発光素子３１が備えられた送信用光モジュール１２ａと、光素子３として面受光素子３２が備えられた受信用光モジュール１２ｂを具備し、前記送信用光モジュール１２ａと受信用光モジュール１２ｂとが伝送用光ファイバ４によって接続されている。
前記光送受信システム１２は、送信用光モジュール１２ａと受信用光モジュール１２ｂのうち、少なくとも一方又は双方に本実施形態の光モジュール１が用いられている。
電気信号に応じた光信号８が、送信用光モジュール１２ａの光素子３から光ファイバ４へ発信される。そして光信号８は光ファイバ４を伝搬して受信用光モジュール１２ｂの光素子３にて受信され、電気信号に変換されて外部に発信される。以上により送信用光モジュール１２ａと受信用光モジュール１２ｂとの間で光信号８の送受信が行われる。
【００２２】
本実施形態の光モジュール１は、光素子３として、面発光素子３１又は面受光素子３２が用いられ、前記光素子３は、その発光部又は受光部を基板２の表面２１に向けた状態で基板２の表面２１の電極パターン９に実装されている。
面発光素子３１又は面受光素子３２は、その製造工程において、ウエハの状態で発光特性の良否の判別が可能であり、かつダイシングによりチップ化でき、大量生産に適し、安価に製造できる。また、極低しきい値動作が可能である。
このため、本実施形態の光モジュール１は、光素子３として面発光素子３１又は面受光素子３２を用いることによって、安価で製造でき、かつ極低しきい値動作等の優れた光学特性が実現できる。
【００２３】
また、光素子３として、その発光部又は受光部が設けられた面と同一面に電極が設けられたものを用いた場合、パッシプアライメント法によって光素子３を基板上の電極パターン９に実装できるため、光素子３を高精度に位置決めでき、かつ容易に実装できるため実装の係る工程や製造コストが低減できる。特に、光軸を検出しながら、光素子３の位置決めを行う必要がなく、位置決め精度に光軸の検出精度が影響されない。
更に、光素子３は、基板２の表面２１の電極パターン９に直接実装でき、マウント部材を用いる必要がない。
【００２４】
また、光モジュール１は、基板２上に光素子３と駆動素子３が実装されて構成され、光素子３と駆動素子１０とを基板２上の同一の電極パターン９に実装することができ、これにより容易に光素子３と駆動素子１０とを接続することができる。
更に、光モジュール１は、光素子３の近傍に駆動素子１０が実装された構成とすることができる。このため、光素子３と駆動素子１０間の配線経路を短くすることができ、配線経路のインピーダンスを低減でき、信号の遅延，歪み，ノイズ等の発生を低減できる。これにより、信号光８の高速伝送が可能な光モジュール１が実現できる。
【００２５】
また、前記絶縁膜２２の厚さを、光の波長λに対してλ／４の奇数倍とすることによって、基板２の上方に設けられた光素子３の発光部から針状突起５の先端部５１に光８が入射する際、基板２の表面２１での光８の反射を抑える反射防止膜とすることができる。これにより光８の先端部５１への結合効率を向上でき、かつ発光部への戻り光により光素子３の発振が不安定になることを防止できる。
また、絶縁膜２２を反射防止膜として併用できるため、新たに反射防止膜を設ける必要が無く、構造が簡略化でき、かつ製造コストを削減でき、安価に製造できる。
【００２６】
本実施形態の光モジュール１の製造方法は、半導体材料から構成された基板２を異方性エッチングすることによって、精度良くかつ簡便に針状突起５を形成することができる。このため、光損失が低く光学特性に優れた光モジュール１が製造できる。
また、光ファイバ４を固定溝に収容する際、固定溝の内側面に光ファイバ４の先端が接触した状態とすることによって、光ファイバ４の先端の位置決めが容易に行える。
【００２７】
本実施形態の光送受信システム１２は、前記した本実施形態の光モジュ−ル１が用いられたことによって、安価で製造でき、かつ極低しきい値動作等の優れた光学特性が実現できる。また、光素子３と駆動素子１０を近接して基板２の表面２１に実装することによって、配線経路のインピーダンスを低減でき、信号の遅延，歪み，ノイズ等の発生を低減できる。これにより、信号光８の高速伝送が可能な光送受信システム１２が実現できる。
【００２８】
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
光素子３として半導体レーザ等の面発光素子３１が備えられた送信用光モジュール１２ａの場合、モニタ用受光素子１３が設けられ、このモニタ用受光素子１３にて光素子３からの出射光８の出力光量が検出できる構成としても構わない。
図７は、モニタ用受光素子１３の受光部が針状突起５の基端部５３の上方に位置するようにモニタ用受光素子１３が実装された光モジュール１０１の一例を示す斜視図である。針状突起５の基端部５３が固定された条溝７の内側面は、垂線方向に対して３５°１６’の傾きをもっている。
光８は、その一部が針状突起５から漏れた状態で、針状突起５の先端部５１から基端部５３に向かって伝搬する。針状突起５から漏れた光は、針状突起５の基端部５３の外部に位置する条溝７の内側面にて基板２の上方に反射される。
例えば、針状突起５の基端部５３を、半導体基板の（１１１）面から構成された条溝７の内側面から＜０１１＞方向に向かって延びるように形成することによって、針状突起５は、（１１１）面と垂直に交わり、かつ（１１１）面は垂線に対して３５°１６’の傾きをもっており、針状突起５の先端部５１より基端部５３に向かって伝搬した光８の一部は、基端部５３が接続された（１１１）面にて基板２の上方に反射されることとなる。
【００２９】
モニタ用受光素子１３は、（１１１）面にて基板２の上方に反射された光８の光量を検出し、この検出値を、電極パターン９を介して駆動素子１０に出力する。このため、駆動素子１０は、検出値をもとに光素子３の端面発光素子３１に流す電流値を調整でき、例えば一定の出力光量で光８を光ファイバ４に出力できるようにすることができる。
【００３０】
また、本実施形態の光モジュール１は、２以上の複数の光素子３が実装されたものであっても構わない。図８は、本実施形態の光モジュールの他の一例を示す概略斜視図である。この光モジュール２０１は、２以上の針状突起５が等間隔に並列に設けられた基板２０２と、この基板２０２に実装された光素子アレイ２０３と、駆動素子２１０と、２以上の光ファイバ４から構成されている。光素子アレイ２０３は、２以上の光素子３が搭載され、これら光素子３の発光部又は受光部が等間隔に横一列に並んだ構成をしている。前記光素子アレイ２０３は、その発光部又は受光部がそれぞれの針状突起５の先端部５１の傾斜面５２の上方に位置するように基板２０２上に実装されている。
駆動素子２１０は、基板２０２上の電極パターン９を介して、各光素子３の電極に接続されている。また基板２０２には、針状突起５の各基端部５３側にそれぞれ固定溝６が設けられており、各固定溝６に光ファイバ４が収容、固定されている。
光素子３が面発光素子３１の場合、２以上の複数の光ファイバ４に光信号をそれぞれ独立して発信することができる。また、光素子３が面受光素子３２の場合、２以上の複数の光ファイバ４からの光信号をそれぞれ独立して受信することができる。
このように、複数の光素子３と光ファイバ４を１つの基板２０２に集約することができる。このため、例えば、複数の光ファイバ４を用いた光信号送受信システム１２に適用した場合、必要となる光モジュール１の個数が少なくてよく、光信号送受信システム１２の小型化が実現できる。
【００３１】
図９は、本実施形態の光モジュールの更に他の一例を示す概略斜視図である。この光モジュール３０１は、光素子３として面発光素子３１と面受光素子３２とが、それぞれ１以上基板３０２上に実装されている。
一例として図９に示された光モジュール３０１は、２つの針状突起５が並列に設けられた基板３０２を有し、面発光素子３１の発光部が一方の針状突起５の先端部５１の傾斜面５２の上方に位置するように基板３０２上に実装され、また、面受光素子３２が、その受光部が他方の針状突起５の先端部５１の傾斜面５２の上方に位置するように基板３０２の表面２１に実装されている。
面発光素子用の駆動素子１０ａは、電極パターン９を介して面発光素子３１の電極に接続され、また面受光素子用の駆動素子１０ｂは、電極パターン９を介して面受光素子３２の電極に接続されている。
光素子３として面発光素子３１と面受光素子３２とが実装されたことによって、光信号の送信と受信が１つの光モジュール３０１で行うことができる。
【００３２】
次に、本発明の具体例を以下に示す。
［具体例１］
前述した本実施形態の製造方法と同様にして光モジュール１を製造する。製造工程は、本実施形態と同一であるため、詳細の説明を省略する。
基板３として、ＩｎＰから構成され、この（１００）面が表面となる平板状の基板を用意する。図５（ａ）に示されたように、電極パターン９が形成された基板２の表面２１にエッチング用のレジスト膜１１を形成する。
そして、基板２をエッチング液に浸漬し、図５（ｂ）に示されたように、基板２の表面２１を異方性エッチングして、片持ち梁構造の針状突起５と、この針状突起５が設けられた条溝７と、固定溝６とを形成する。
ＩｎＰから構成された基板２を用いる場合、前記エッチング液として、臭化水素酸と硝酸の混合水溶液であり、混合比（体積比）が、例えば臭化水素酸：硝酸：水＝１：１：１０のもの、又は臭化水素酸と過酸化水素酸との混合水溶液であり、混合比（体積比）が、例えば臭化水素酸：過酸化水素酸＝１０：１のものを用いる。ここで、エッチング液の混合比を調整することによって、エッチング速度を調整しても構わない。
【００３３】
前記異方性エッチングによって、本実施形態と同一の針状突起５と条溝７を形成する。また、前記針状突起５と条溝７と共に、針状突起５の基端部５３側に光ファイバ用の固定溝６を形成する。
ここで、前記固定溝６を、針状突起５と条溝７を形成するために用いるエッチング液とは異なる成分のエッチング液を用いて形成しても構わない。例えば、エッチング液として、塩酸，酢酸，過酸化水素水の混合水溶液を用いることによって、固定溝６を、その断面の側面が基板２の表面２１に垂直に交わる矩形状となるように形成することができる。また、エッチング液として、塩酸とリン酸の混合水溶液を用いることによって、固定溝６を、Ｖ溝として形成することができる。
そして、レジスト膜１１を除去した後、光素子３と駆動素子１０を基板２の表面２１の電極パターン９に実装する。また、固定溝６に光ファイバ４を収容し、基板２と光ファイバ４とを樹脂等により固定する。
【００３４】
［具体例２］
具体例２が、具体例１と異なる点は、基板２としてＧａＡｓから構成されたものを用いる点である。
この場合、前記異方性エッチングによって針状突起５と条溝７を形成する際、エッチング液として、硫酸と過酸化水素水との混合水溶液であり、混合比（体積比）が、例えば硫酸：過酸化水素水：水＝１：１：１のものを用いる。これにより、本実施形態と同一の針状突起５と条溝７を形成する。
【００３５】
［具体例３］
具体例３が、本実施形態の光モジュール１の製造方法と異なる点は、基板２の表面２１に絶縁膜２２を形成し、この絶縁膜２２をエッチング用のレジスト膜として用いる点である。
図１０及び図１１は、具体例３の各製造工程において、光モジュール１の図２（ａ）におけるＣＣ’断面，ＤＤ’断面，ＥＥ’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。ここで、図１０及び図１１では、一部省略して図示している。
基板２として、ＩｎＰから構成され、ＩｎＰの（１００）面が表面２２となる平板状の基板を用意する。図１０（ａ）に示されたように、基板２の表面２１に透光性の絶縁膜２２を形成する。前記絶縁膜２２は、ＳｉＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＮ，Ｌａ２Ｏ３，ＭｇＯ，Ｓｃ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３等の屈折率が約１．８のものが好ましい。ＩｎＰの屈折率は約３．４であるため、絶縁膜２２として屈折率が約１．８、すなわち約（３．４）１／２のものを用いることによって、基板２の上方から針状突起５の先端部５１に入射する光８の基板２の表面２１での反射率を効率良く低減できる。
絶縁膜２２は、例えばスパッタ法，蒸着法，ＣＶＤ法等の公知の方法によって基板２の表面２１に形成される。
【００３６】
そして図１０（ｂ）に示されたように、前記絶縁膜２２上に絶縁膜２２のエッチング用のレジスト膜１１ａを形成する。このレジスト膜１１ａは、針状突起５が設けられる条溝７と光ファイバ用の固定溝６とを形成する領域に整合する領域に開口部を有しており、例えばフォトリソグラフィー法等により形成することができる。
次いで、フッ酸系のエッチング液を用いて絶縁膜２２を前記レジスト膜１１ａと同一パターンにエッチングした後、レジスト膜１１ａを除去する。これにより、図１０（ｃ）に示されたように、絶縁膜２２のうち、針状突起５が設けられる条溝７と光ファイバ用の固定溝６とを形成する領域に整合する領域に開口部を形成する。
【００３７】
そして、絶縁膜２２を基板２のエッチング用のレジスト膜として用い、具体例１と同様のエッチング液に基板２を浸漬し、図１０（ｄ）に示されたように、基板２の表面２１を異方性エッチングして、片持ち梁構造の針状突起５と、この針状突起５が設けられた条溝７と、固定溝６とを形成する。
次いで、図１１（ａ）に示されたように、絶縁膜２２が形成された基板２の表面２１に電極パターン９を形成する。そして、図１１（ｂ）に示されたように光素子３と駆動素子１０を基板２の表面２１の電極パターン９に実装する。また、図１１（ｃ）と図１１（ｄ）に示されたように、固定溝６に光ファイバ４を収容し、基板２と光ファイバ４とを樹脂等により固定する。
【００３８】
ＩｎＰの屈折率は３．４であるため、絶縁膜２２を形成していない場合、基板２の表面２１における光８の反射率は約３０％である。
これに対して、絶縁膜２２としてＳｉＯ２（屈折率１．４４）を用いた場合、反射率は６％となる。また絶縁膜２２としてＡｌ２Ｏ３（屈折率１．６２）を用いた場合、反射率は２％となり、絶縁膜２２としてＳｉＯ（屈折率１．８）を用いた場合、反射率は０．１％となる。
このように、基板２の表面２１に絶縁膜２２を形成することによって、反射率を大幅に低減できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、光素子として、面発光素子又は面受光素子を用いることができ、これにより安価で製造でき、かつ優れた光学特性が実現できる。
また、パッシプアライメント法によって光素子を基板上の電極パターンに実装できるため、光素子を高精度に位置決めでき、かつ容易に実装できるため実装の係る工数や製造コストが低減できる。特に、光軸を検出しながら、光素子の位置決めを行う必要がなく、位置決め精度に光軸の検出精度が影響されない。
また、光素子は、基板上の電極パターンに直接実装でき、マウント部材を用いる必要がない。
【００４０】
駆動素子は、光モジュールを構成する基板の表面に実装されており、光素子の近傍に駆動素子を実装することができる。このため、光素子と駆動素子間の配線経路を短くすることができ、配線経路のインピーダンスを低減でき、信号の遅延，歪み，ノイズ等の発生を低減できる。これにより、信号光の高速伝送が可能な光モジュールが実現できる。
【００４１】
また、前記絶縁膜の厚さを、光の波長λに対してλ／４の奇数倍とすることによって、基板の上方から針状突起の先端部に光が入射する際、基板表面での光の反射を抑える反射防止膜とすることができる。これにより光の先端部への結合効率を向上でき、かつ発光部への戻り光により光素子の発振が不安定になることを防止できる。
また、絶縁膜を反射防止膜として併用できるため、新たに反射防止膜を設ける必要が無く、構造が簡略化でき、かつ製造コストを削減でき、安価に製造できる。
【００４２】
本発明の光モジュールの製造方法は、半導体材料から構成された基板を異方性エッチングすることによって、精度良くかつ簡便に針状突起を形成することができる。このため、光損失が低く、光学特性に優れた光モジュールが製造できる。
【００４３】
本発明の光送受信システムは、前記した本発明の光モジュ−ルが用いられたことによって、安価で製造でき、かつ極低しきい値動作等の優れた光学特性が実現できる。また、配線経路のインピーダンスを低減でき、信号の遅延，歪み，ノイズ等の発生を低減できる。これにより、信号光の高速伝送が可能な光モジュールが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の光モジュール１の一例を示す斜視図である。
【図２】基板の一例を示す概略図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は要部の拡大図である。
【図３】図２（ｂ）中、Ａ矢視図である。
【図４】図２（ｂ）中、Ｂ矢視図である。
【図５】各製造工程において、光モジュールの図２（ａ）におけるＣＣ’断面，ＤＤ’断面，ＥＥ’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。
【図６】本実施形態の光送受信システムの一例を示す概略斜視図である。
【図７】モニタ用受光素子が実装された光モジュールの一例を示す斜視図である。
【図８】本実施形態の光モジュールの他の一例を示す概略斜視図である。
【図９】本実施形態の光モジュールの更に他の一例を示す概略斜視図である。
【図１０】具体例３の各製造工程において、光モジュールの図２（ａ）におけるＣＣ’断面，ＤＤ’断面，ＥＥ’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。
【図１１】図１０の工程以降の各製造工程において、光モジュールの図２（ａ）におけるＣＣ’断面，ＤＤ’断面，ＥＥ’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。
【符号の説明】
１，１０１，２０１，３０１‥‥光モジュール、２，２０２，３０２‥‥基板、３‥‥光素子、４‥‥光ファイバ、５‥‥針状突起、８‥‥光、１０，１０ａ，１０ｂ，２１０‥‥駆動素子、１２‥‥光送受信システム、１３‥‥受光素子（モニタ用受光素子）、２２‥‥絶縁層、３１‥‥面発光素子、５１‥‥針状突起の先端部（三角錐）、５２‥‥針状突起の傾斜面、５３‥‥針状突起の基端部、５４‥‥三角柱
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野にて光送受信器として利用される光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信分野では、電気信号と光信号との変換手段として、光素子と光ファイバが備えられた光モジュールが用いられている。光モジュールは、光素子として発光素子又は受光素子が用いられ、電気信号に応じた光信号を発光素子から光ファイバに出射したり、又は光ファイバを伝搬した光信号を受光素子で受信し、電気信号に変換して外部に出力できるようになっている。
近年、光通信分野では、発光素子として、結晶の積層面と垂直な方向に光を出力する面発光素子が主に利用されるようになっている。面発光素子は、端面発光素子に比べて、低しきい値動作が可能であり、また低コストである等の利点がある。
【０００３】
光モジュールとしては、サブキャリア（マウント部材）に実装された面発光素子と、光ファイバが収容、固定された基板とから構成され、光ファイバの先端が位置する基板の端面に傾斜面が設けられ、面発光素子がその発光部を上方に向けた状態で直方体のマウント部材に実装され、発光部が光ファイバの先端に対向するようにマウント部材が基板の傾斜面に実装された構成のものが提案されている（特許文献１参照。）。
面発光素子として、電極が発光部と同一面に設けられたものを用いる場合、面発光素子をマウント部材に実装する際、面発光素子の電極とマウント部材に設けられた電極とをワイヤボンディングにより接続する必要がある。このワイヤボンディングは、光モジュールの製造工程において作業中に切断される場合があり、歩留まりが悪くなる問題がある。
また、マウント部材が傾斜面に実装された構成であるため、例えばフリップチップボンディング技術等のパッシプアライメント法によりマウント部材を実装することが難しく、精度良くかつ高速でマウント部材を実装することが難しい。
【０００４】
また、マウント部材が傾斜面に実装され装置構成が複雑となり、駆動素子等を傾斜面近傍に配置することが難しい。特許文献１に提案された光モジュールは、基板の傾斜面に設けられた電極が基板の表面に延びており、この基板の表面に位置する電極が外部接続用電極として機能するようになっている。
このため、駆動素子は、光モジュールの外部に配置され、前記外部接続用電極に接続されることとなる。これにより、光素子と駆動素子との配線距離が長くなり、配線経路のインピーダンスが高くなり、信号に遅延が生じたり、歪みやノイズが発生する原因となる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１３５８３３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した事情に鑑みなされたものであり、光素子をマウント部材を用いることなく直接基板に実装でき、パッシブアライメント技術により簡便に光素子を実装できて容易に製造でき、また駆動素子を光モジュール内部に配置できて光素子と駆動素子間の配線経路を短くすることができる光モジュールと、その光モジュールを精度良くかつ簡便に製造できる光モジュールの製造方法と、前記光モジュールを用いた光送受信システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、基板上に光素子と光ファイバを搭載し、光素子からの光を光ファイバに入力し、又は光ファイバからの光を光素子に入力するようにした光モジュールであって、基板表面には、光導波路となる針状突起が形成され、該針状突起の基端部側に光ファイバを収容、固定する固定溝が形成されており、光素子の受光部又は発光部が針状突起の先端部に位置するように光素子が実装され、光ファイバが固定溝に収容、固定され、光素子の発光部からの光が針状突起の先端部に入射されるか、又は針状突起を伝搬して光ファイバに入射されるようにし、かつ光ファイバから出力された光が針状突起に伝搬され、先端部から光素子の受光部に入射されるようにしたことを特徴とする光モジュールである。
請求項２に係る発明は、前記針状突起の先端部が三角錐状であることを特徴とする請求項１に記載の光モジュールである。
請求項３に係る発明は、前記基板表面に透光性の絶縁層が設けられ、該絶縁層の厚さが、光の波長λに対してλ／４の奇数倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュールである。
請求項４に係る発明は、前記基板及び針状突起が半導体材料から構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光モジュールである。
請求項５に係る発明は、前記光素子が発光素子であり、前記針状突起の基端部が傾斜面に接続され、該基端部を伝搬した光の一部が基板上方に反射されるようになっており、前記針状突起の基端部に受光部が位置するように受光素子が実装されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光モジュールである。
請求項６に係る発明は、半導体材料から構成された平板状の基板であり、かつその表面が（１００）面である基板を用意し、基板の表面をエッチングして、（１００）面，（１１−１）面，（１−１１）面から構成された三角柱と、該三角柱の先端部に設けられ（１００）面，（−１０１）面，（−１１０）面から構成された三角錐とを具備する片持ち梁構造の針状突起と、該針状突起の基端部側に光ファイバを収容、固定する固定溝とを形成し、次いで、発光部又は受光部を有する光素子を、その発光部又は受光部が針状突起の先端部に位置するように実装し、前記固定溝に光ファイバを収容、固定することを特徴とする光モジュールの製造方法である。
請求項７に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光モジュールが用いられたことを特徴とする光送受信システムである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。図１は、本実施形態の光モジュール１の一例を示す斜視図である。
光モジュール１は、基板２と、基板２に搭載された光素子３と光ファイバ４から構成されている。
図２は、基板２の一例を示す概略図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は要部の拡大図である。前記基板２は、シリコンや、ＩＩＩ−Ｖ族化合物等の化合物半導体等の半導体材料の結晶基板から構成されている。前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物としては、ＩｎＰ，ＧａＡｓ等が挙げられる。図２に一例として示された基板２は、その表面２１が半導体材料の（１００）面となるように形成されたものである。
ここで、図中、（ｈｋｌ）（ｈ，ｋ，ｌは整数）は、結晶面のミラー指数を示し、＜ｈｋｌ＞は、結晶面（ｈｋｌ）に垂直な方向を示す。
【０００９】
前記基板２の表面２１には、光導波路となる片持ち梁構造の針状突起５と、光ファイバ用の固定溝６とが形成されている。針状突起５は、断面が三角形や四角形等の矩形状や円状等であり、その先端部５１に傾斜面５２が設けられたものである。針状突起５は、その先端部５１と対向する端部（以下、基端部とも言う。）５３が基板２の条溝７の内面に固定された状態で、前記条溝７内に収容されている。
前記針状突起５の先端部５１の傾斜面５２は、図２（ｂ）に示されたように、基板２の上方から傾斜面５２に入射した光（以下、信号光とも言う。）８を針状突起５の長手方向に反射できるか、又は針状突起５の長手方向から傾斜面５２に入射した光８を基板２の上方に反射できるように形成されている。
【００１０】
図３は、図２（ｂ）中Ａ矢視図である。また、図４は、図２（ｂ）中Ｂ矢視図である。図３及び図４に示された針状突起５は、半導体材料から構成された基板２を異方性エッチングして形成されたものである。異方性エッチングとは、結晶面の方向に対するエッチング速度の差を利用したエッチング法である。
前記針状突起５は、条溝７の内側面から＜０１１＞方向に伸びた三角柱５４と、この三角柱５４の先端に設けられた三角錐（以下、先端部と同じ符号５１を付す。）とから構成されている。前記三角柱５４は、その側面が基板２の半導体材料の（１００）面，（１１−１）面，（１−１１）面から構成されている。三角柱５４の長手方向に垂直な面における断面形状は、二等辺三角形であり、その頂点が下方に向き、かつ底辺が基板２の表面２１と平行に位置し垂線に対して左右対称な形状である。
前記三角錐５１は、針状突起５の先端部５１となる部分であり、三角錐５１の側面は半導体材料の（１００）面，（−１０１）面，（−１１０）面から構成されている。（−１０１）面と（−１１０）面が先端部５１に設けられた傾斜面５２となる。
（−１０１）面と（−１１０）面の交線は、垂線に対して３５°１６’の傾きをもっている。このため、先端部５１の傾斜面５２は、先端部５１に垂線方向から入射する光８を針状突起５の長手方向に反射するか、又は針状突起５の長手方向から先端部５１に入射する光８を先端部５１上方の垂線方向に反射するように機能する。
【００１１】
前記条溝７は、針状突起５が収容できる大きさであれば、特に限定されないが、一例として図３及び図４に示された光モジュール１の条溝７は、その内側面が半導体材料の（１−１１）面，（１１−１）面，（−１１１）面，（１１１）面から構成された逆メサ形状の溝である。そして、前記条溝７の４つの内側面のうち、（１１１）面に針状突起５の基端部５３が接続されている。
【００１２】
前記針状突起５の基端部５３側には、針状突起５の中心軸の延長線上に光ファイバ用の固定溝６が設けられており、固定溝６に光ファイバ４が収容、固定された際、光ファイバ４の中心軸が前記針状突起５の中心軸と一致するようになっている。
前記固定溝６には、光ファイバ４が収容されており、光ファイバ４と基板２とは接着剤や金錫共晶ハンダ等で固定されている。
【００１３】
前記基板２の表面２１には、透光性の絶縁膜２２が設けられている。絶縁膜２２としては、ＳｉＯ２，ＳｉＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＮ，Ｌａ２Ｏ３，ＭｇＯ，Ｓｃ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３等の誘電体膜が適用できる。前記絶縁膜２２の厚さは、光８の波長λに対してλ／４の奇数倍であり、これにより基板２２の上方から針状突起５の先端部５１に光８が入射する際、基板２の表面２１での光８の反射を抑える反射防止膜として機能するようになっている。
絶縁膜２２の屈折率は、（ｎｅｆｆ・ｎ０）１／２付近の値であることが好ましく、これにより基板２の上方から針状突起５の先端部５１に入射する光８の基板２の表面２１での反射率を更に低減できる。ここで、ｎｅｆｆは、針状突起５の先端部５１の実効的な屈折率であり、ｎ０は、入射媒質の屈折率をそれぞれ示す。前記入射媒質は、通常、空気であるため、ｎ０は１である。
【００１４】
前記した基板２の表面２１には、図１に示されたように電極パターン９が形成されており、この電極パターン９上に光素子３と駆動素子１０とが実装されている。
前記光素子３は、面発光素子３１又は面受光素子３２である。この面発光素子３１又は面受光素子３２は、直方体等の矩形状であり、その下面に発光部又は受光部が設けられたものである。光素子３は、その発光部又は受光部が前記針状突起５の先端部５１の傾斜面５２の上方に位置するように基板２の表面２１に実装されている。
前記駆動素子１０は、外部から入力された電気信号に応じて面発光素子３１を発光させたり、又は面受光素子３２から出力された電気信号の信号強度等を増幅し、外部へ出力するものである。前記光素子３と駆動素子１０とは、電極パターン９を介して接続されている。
駆動素子１０を光素子３の近傍に実装することによって、駆動素子１０と光素子３間の配線経路を短くすることができる。
【００１５】
例えば、光素子３として半導体レーザ等の面発光素子３１を用いた送信用光モジュールの場合、駆動素子１０として半導体レーザ駆動用集積回路（ＩＣ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）等が用いられる。
この場合、外部の電極から光モジュール１の駆動素子１０へ電気信号が送信されると、駆動素子１０にて電気信号は変調され、電圧変換等の処理が行われた後、レーザ駆動用信号として光素子３に出力される。そして電気信号に応じたレーザ駆動用信号によって、光素子３から光信号８が発信される。
前記光信号８は、基板２の針状突起５の先端部５１に入射し、この先端部５１の傾斜面５２にて針状突起５の長手方向に反射される。そして信号光８は、針状突起５を伝搬し光ファイバ４の端面に入射する。
以上により電気信号を光信号８に変換し、この光信号８を光ファイバ４へ送信することができる。
【００１６】
また、光素子３としてフォトダイオード等の面受光素子３２が用いられた受信用光モジュールの場合、駆動素子１０としてプリアンプ等の増幅器が用いられる。
この場合、光ファイバ４を伝搬した光信号８は、基板２の針状突起５の基端部５３に入射し、針状突起５の先端部５１の傾斜面５２にて基板２の上方へ反射される。そして、光信号８は針状突起５の上方に設けられた光素子３の受光部にて受信される。
光素子３にて受信された光信号８は、光素子３にて電気信号に変換された後、駆動素子１０に伝達される。電気信号は駆動素子１０にて増幅されて信号強度が調整された後、高強度の電気信号として外部の電極等に出力される。
以上により光信号８を受信し、この光信号８を電気信号に変換して外部に発信することができる。
【００１７】
次に、本実施形態の光モジュール１の製造方法について以下に説明する。
図５は、各製造工程において、光モジュール１の図２（ａ）におけるＣＣ’断面，ＤＤ’断面，ＥＥ’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。ここで、図５では、一部省略して図示している。
基板２として、半導体材料から構成され、半導体材料の（１００）面が表面２１となる平板状のものを用意する。
図５（ａ）に示されたように、基板２の表面２１に電極パターン９を形成した後、この電極パターン９と基板２の表面２１に、エッチング用のレジスト膜１１を形成する。このレジスト膜１１は、針状突起５が設けられる条溝７と光ファイバ用の固定溝６とを形成する領域に整合する領域に開口部を有している。前記レジスト膜１１は、例えばフォトリソグラフィー法等により形成することができる。
【００１８】
次いで、図５（ｂ）に示されたように、基板２の表面２１を異方性エッチングして、片持ち梁構造の針状突起５と、この針状突起５が設けられた条溝７と、固定溝６とを形成する。異方性エッチングの方法としては、例えば、エッチング液に基板２を浸漬する方法等が適用できる。
前記エッチング液としては、硝酸，塩酸，硫酸，リン酸，臭化水素酸，過酸化水素水，酢酸等の酸性水溶液が挙げられ、一種の酸性水溶液又は複数種の混合水溶液として使用できる。エッチング液は、基板２を構成する半導体材料の結晶面の方向に対するエッチング速度の差を考慮し、所望の形状，大きさの針状突起５と条溝７が形成されるように酸の種類、混合比、濃度等が適宜調整されたものである。
【００１９】
そして、前記異方性エッチングによって、半導体材料の（１００）面，（１１−１）面，（１−１１）面から構成された三角柱７４と、この三角柱７４の先端に設けられ、半導体結晶の（１００）面，（−１０１）面，（−１１０）面から構成された三角錐５１とを具備する片持ち梁構造の針状突起５を形成する。また、針状突起５の基端部５３側に光ファイバ用の固定溝６を形成する。
一例として図５に示された製造工程では、図５（ｂ）に示されたように針状突起を形成する際に同時に、針状突起５が収容される条溝７として、その側内面が半導体材料の（１−１１）面，（１１−１）面，（−１１１）面，（１１１）面から構成された逆メサ形状の溝を形成する。
【００２０】
次いで、図５（ｃ）に示されたように、レジスト膜１１を除去した後、光素子３を、その発光部又は受光部が、前記針状突起５の先端部５１の傾斜面５２の上方に位置するように基板２の表面２１の電極パターン９に実装する。また、光素子３の近傍の電極パターン９に駆動素子１０を実装し、光素子３と駆動素子１０とが電極パターン９を介して接続された状態とする。
光素子３として、その発光部又は受光部が設けられた面と同一面に電極が設けられたものを用いた場合、前記光素子３を電極パターン９に実装する方法として、フリップチップボンディング技術等のパッシプアライメント法が適用できる。
例えば、光素子３の電極が設けられた面と、基板２の表面２１とに、それぞれ位置合わせ用の目印を設けておき、この目印が重なった際、光素子３が所望の位置にくるようにする。次いで光素子３の電極に、金又は金錫共晶等のバンプを設け、前記目印が重なるように光素子３を位置決めした状態で、超音波又は熱を印加してバンプを溶融する。これにより、光素子３を高精度に位置決めでき、かつ容易に電極パターン９に実装できる。
そして、図５（ｄ）に示されたように、固定溝６に光ファイバ４を収容し、基板２と光ファイバ４とを樹脂等により固定する。
【００２１】
次に、本実施形態の光送受信システム１２について以下に説明する。図６は、本実施形態の光送受信システム１２の一例を示す概略斜視図である。
光送信システム１２は、光素子３として面発光素子３１が備えられた送信用光モジュール１２ａと、光素子３として面受光素子３２が備えられた受信用光モジュール１２ｂを具備し、前記送信用光モジュール１２ａと受信用光モジュール１２ｂとが伝送用光ファイバ４によって接続されている。
前記光送受信システム１２は、送信用光モジュール１２ａと受信用光モジュール１２ｂのうち、少なくとも一方又は双方に本実施形態の光モジュール１が用いられている。
電気信号に応じた光信号８が、送信用光モジュール１２ａの光素子３から光ファイバ４へ発信される。そして光信号８は光ファイバ４を伝搬して受信用光モジュール１２ｂの光素子３にて受信され、電気信号に変換されて外部に発信される。以上により送信用光モジュール１２ａと受信用光モジュール１２ｂとの間で光信号８の送受信が行われる。
【００２２】
本実施形態の光モジュール１は、光素子３として、面発光素子３１又は面受光素子３２が用いられ、前記光素子３は、その発光部又は受光部を基板２の表面２１に向けた状態で基板２の表面２１の電極パターン９に実装されている。
面発光素子３１又は面受光素子３２は、その製造工程において、ウエハの状態で発光特性の良否の判別が可能であり、かつダイシングによりチップ化でき、大量生産に適し、安価に製造できる。また、極低しきい値動作が可能である。
このため、本実施形態の光モジュール１は、光素子３として面発光素子３１又は面受光素子３２を用いることによって、安価で製造でき、かつ極低しきい値動作等の優れた光学特性が実現できる。
【００２３】
また、光素子３として、その発光部又は受光部が設けられた面と同一面に電極が設けられたものを用いた場合、パッシプアライメント法によって光素子３を基板上の電極パターン９に実装できるため、光素子３を高精度に位置決めでき、かつ容易に実装できるため実装の係る工程や製造コストが低減できる。特に、光軸を検出しながら、光素子３の位置決めを行う必要がなく、位置決め精度に光軸の検出精度が影響されない。
更に、光素子３は、基板２の表面２１の電極パターン９に直接実装でき、マウント部材を用いる必要がない。
【００２４】
また、光モジュール１は、基板２上に光素子３と駆動素子３が実装されて構成され、光素子３と駆動素子１０とを基板２上の同一の電極パターン９に実装することができ、これにより容易に光素子３と駆動素子１０とを接続することができる。
更に、光モジュール１は、光素子３の近傍に駆動素子１０が実装された構成とすることができる。このため、光素子３と駆動素子１０間の配線経路を短くすることができ、配線経路のインピーダンスを低減でき、信号の遅延，歪み，ノイズ等の発生を低減できる。これにより、信号光８の高速伝送が可能な光モジュール１が実現できる。
【００２５】
また、前記絶縁膜２２の厚さを、光の波長λに対してλ／４の奇数倍とすることによって、基板２の上方に設けられた光素子３の発光部から針状突起５の先端部５１に光８が入射する際、基板２の表面２１での光８の反射を抑える反射防止膜とすることができる。これにより光８の先端部５１への結合効率を向上でき、かつ発光部への戻り光により光素子３の発振が不安定になることを防止できる。
また、絶縁膜２２を反射防止膜として併用できるため、新たに反射防止膜を設ける必要が無く、構造が簡略化でき、かつ製造コストを削減でき、安価に製造できる。
【００２６】
本実施形態の光モジュール１の製造方法は、半導体材料から構成された基板２を異方性エッチングすることによって、精度良くかつ簡便に針状突起５を形成することができる。このため、光損失が低く光学特性に優れた光モジュール１が製造できる。
また、光ファイバ４を固定溝に収容する際、固定溝の内側面に光ファイバ４の先端が接触した状態とすることによって、光ファイバ４の先端の位置決めが容易に行える。
【００２７】
本実施形態の光送受信システム１２は、前記した本実施形態の光モジュ−ル１が用いられたことによって、安価で製造でき、かつ極低しきい値動作等の優れた光学特性が実現できる。また、光素子３と駆動素子１０を近接して基板２の表面２１に実装することによって、配線経路のインピーダンスを低減でき、信号の遅延，歪み，ノイズ等の発生を低減できる。これにより、信号光８の高速伝送が可能な光送受信システム１２が実現できる。
【００２８】
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
光素子３として半導体レーザ等の面発光素子３１が備えられた送信用光モジュール１２ａの場合、モニタ用受光素子１３が設けられ、このモニタ用受光素子１３にて光素子３からの出射光８の出力光量が検出できる構成としても構わない。
図７は、モニタ用受光素子１３の受光部が針状突起５の基端部５３の上方に位置するようにモニタ用受光素子１３が実装された光モジュール１０１の一例を示す斜視図である。針状突起５の基端部５３が固定された条溝７の内側面は、垂線方向に対して３５°１６’の傾きをもっている。
光８は、その一部が針状突起５から漏れた状態で、針状突起５の先端部５１から基端部５３に向かって伝搬する。針状突起５から漏れた光は、針状突起５の基端部５３の外部に位置する条溝７の内側面にて基板２の上方に反射される。
例えば、針状突起５の基端部５３を、半導体基板の（１１１）面から構成された条溝７の内側面から＜０１１＞方向に向かって延びるように形成することによって、針状突起５は、（１１１）面と垂直に交わり、かつ（１１１）面は垂線に対して３５°１６’の傾きをもっており、針状突起５の先端部５１より基端部５３に向かって伝搬した光８の一部は、基端部５３が接続された（１１１）面にて基板２の上方に反射されることとなる。
【００２９】
モニタ用受光素子１３は、（１１１）面にて基板２の上方に反射された光８の光量を検出し、この検出値を、電極パターン９を介して駆動素子１０に出力する。このため、駆動素子１０は、検出値をもとに光素子３の端面発光素子３１に流す電流値を調整でき、例えば一定の出力光量で光８を光ファイバ４に出力できるようにすることができる。
【００３０】
また、本実施形態の光モジュール１は、２以上の複数の光素子３が実装されたものであっても構わない。図８は、本実施形態の光モジュールの他の一例を示す概略斜視図である。この光モジュール２０１は、２以上の針状突起５が等間隔に並列に設けられた基板２０２と、この基板２０２に実装された光素子アレイ２０３と、駆動素子２１０と、２以上の光ファイバ４から構成されている。光素子アレイ２０３は、２以上の光素子３が搭載され、これら光素子３の発光部又は受光部が等間隔に横一列に並んだ構成をしている。前記光素子アレイ２０３は、その発光部又は受光部がそれぞれの針状突起５の先端部５１の傾斜面５２の上方に位置するように基板２０２上に実装されている。
駆動素子２１０は、基板２０２上の電極パターン９を介して、各光素子３の電極に接続されている。また基板２０２には、針状突起５の各基端部５３側にそれぞれ固定溝６が設けられており、各固定溝６に光ファイバ４が収容、固定されている。
光素子３が面発光素子３１の場合、２以上の複数の光ファイバ４に光信号をそれぞれ独立して発信することができる。また、光素子３が面受光素子３２の場合、２以上の複数の光ファイバ４からの光信号をそれぞれ独立して受信することができる。
このように、複数の光素子３と光ファイバ４を１つの基板２０２に集約することができる。このため、例えば、複数の光ファイバ４を用いた光信号送受信システム１２に適用した場合、必要となる光モジュール１の個数が少なくてよく、光信号送受信システム１２の小型化が実現できる。
【００３１】
図９は、本実施形態の光モジュールの更に他の一例を示す概略斜視図である。この光モジュール３０１は、光素子３として面発光素子３１と面受光素子３２とが、それぞれ１以上基板３０２上に実装されている。
一例として図９に示された光モジュール３０１は、２つの針状突起５が並列に設けられた基板３０２を有し、面発光素子３１の発光部が一方の針状突起５の先端部５１の傾斜面５２の上方に位置するように基板３０２上に実装され、また、面受光素子３２が、その受光部が他方の針状突起５の先端部５１の傾斜面５２の上方に位置するように基板３０２の表面２１に実装されている。
面発光素子用の駆動素子１０ａは、電極パターン９を介して面発光素子３１の電極に接続され、また面受光素子用の駆動素子１０ｂは、電極パターン９を介して面受光素子３２の電極に接続されている。
光素子３として面発光素子３１と面受光素子３２とが実装されたことによって、光信号の送信と受信が１つの光モジュール３０１で行うことができる。
【００３２】
次に、本発明の具体例を以下に示す。
［具体例１］
前述した本実施形態の製造方法と同様にして光モジュール１を製造する。製造工程は、本実施形態と同一であるため、詳細の説明を省略する。
基板３として、ＩｎＰから構成され、この（１００）面が表面となる平板状の基板を用意する。図５（ａ）に示されたように、電極パターン９が形成された基板２の表面２１にエッチング用のレジスト膜１１を形成する。
そして、基板２をエッチング液に浸漬し、図５（ｂ）に示されたように、基板２の表面２１を異方性エッチングして、片持ち梁構造の針状突起５と、この針状突起５が設けられた条溝７と、固定溝６とを形成する。
ＩｎＰから構成された基板２を用いる場合、前記エッチング液として、臭化水素酸と硝酸の混合水溶液であり、混合比（体積比）が、例えば臭化水素酸：硝酸：水＝１：１：１０のもの、又は臭化水素酸と過酸化水素酸との混合水溶液であり、混合比（体積比）が、例えば臭化水素酸：過酸化水素酸＝１０：１のものを用いる。ここで、エッチング液の混合比を調整することによって、エッチング速度を調整しても構わない。
【００３３】
前記異方性エッチングによって、本実施形態と同一の針状突起５と条溝７を形成する。また、前記針状突起５と条溝７と共に、針状突起５の基端部５３側に光ファイバ用の固定溝６を形成する。
ここで、前記固定溝６を、針状突起５と条溝７を形成するために用いるエッチング液とは異なる成分のエッチング液を用いて形成しても構わない。例えば、エッチング液として、塩酸，酢酸，過酸化水素水の混合水溶液を用いることによって、固定溝６を、その断面の側面が基板２の表面２１に垂直に交わる矩形状となるように形成することができる。また、エッチング液として、塩酸とリン酸の混合水溶液を用いることによって、固定溝６を、Ｖ溝として形成することができる。
そして、レジスト膜１１を除去した後、光素子３と駆動素子１０を基板２の表面２１の電極パターン９に実装する。また、固定溝６に光ファイバ４を収容し、基板２と光ファイバ４とを樹脂等により固定する。
【００３４】
［具体例２］
具体例２が、具体例１と異なる点は、基板２としてＧａＡｓから構成されたものを用いる点である。
この場合、前記異方性エッチングによって針状突起５と条溝７を形成する際、エッチング液として、硫酸と過酸化水素水との混合水溶液であり、混合比（体積比）が、例えば硫酸：過酸化水素水：水＝１：１：１のものを用いる。これにより、本実施形態と同一の針状突起５と条溝７を形成する。
【００３５】
［具体例３］
具体例３が、本実施形態の光モジュール１の製造方法と異なる点は、基板２の表面２１に絶縁膜２２を形成し、この絶縁膜２２をエッチング用のレジスト膜として用いる点である。
図１０及び図１１は、具体例３の各製造工程において、光モジュール１の図２（ａ）におけるＣＣ’断面，ＤＤ’断面，ＥＥ’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。ここで、図１０及び図１１では、一部省略して図示している。
基板２として、ＩｎＰから構成され、ＩｎＰの（１００）面が表面２２となる平板状の基板を用意する。図１０（ａ）に示されたように、基板２の表面２１に透光性の絶縁膜２２を形成する。前記絶縁膜２２は、ＳｉＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＮ，Ｌａ２Ｏ３，ＭｇＯ，Ｓｃ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３等の屈折率が約１．８のものが好ましい。ＩｎＰの屈折率は約３．４であるため、絶縁膜２２として屈折率が約１．８、すなわち約（３．４）１／２のものを用いることによって、基板２の上方から針状突起５の先端部５１に入射する光８の基板２の表面２１での反射率を効率良く低減できる。
絶縁膜２２は、例えばスパッタ法，蒸着法，ＣＶＤ法等の公知の方法によって基板２の表面２１に形成される。
【００３６】
そして図１０（ｂ）に示されたように、前記絶縁膜２２上に絶縁膜２２のエッチング用のレジスト膜１１ａを形成する。このレジスト膜１１ａは、針状突起５が設けられる条溝７と光ファイバ用の固定溝６とを形成する領域に整合する領域に開口部を有しており、例えばフォトリソグラフィー法等により形成することができる。
次いで、フッ酸系のエッチング液を用いて絶縁膜２２を前記レジスト膜１１ａと同一パターンにエッチングした後、レジスト膜１１ａを除去する。これにより、図１０（ｃ）に示されたように、絶縁膜２２のうち、針状突起５が設けられる条溝７と光ファイバ用の固定溝６とを形成する領域に整合する領域に開口部を形成する。
【００３７】
そして、絶縁膜２２を基板２のエッチング用のレジスト膜として用い、具体例１と同様のエッチング液に基板２を浸漬し、図１０（ｄ）に示されたように、基板２の表面２１を異方性エッチングして、片持ち梁構造の針状突起５と、この針状突起５が設けられた条溝７と、固定溝６とを形成する。
次いで、図１１（ａ）に示されたように、絶縁膜２２が形成された基板２の表面２１に電極パターン９を形成する。そして、図１１（ｂ）に示されたように光素子３と駆動素子１０を基板２の表面２１の電極パターン９に実装する。また、図１１（ｃ）と図１１（ｄ）に示されたように、固定溝６に光ファイバ４を収容し、基板２と光ファイバ４とを樹脂等により固定する。
【００３８】
ＩｎＰの屈折率は３．４であるため、絶縁膜２２を形成していない場合、基板２の表面２１における光８の反射率は約３０％である。
これに対して、絶縁膜２２としてＳｉＯ２（屈折率１．４４）を用いた場合、反射率は６％となる。また絶縁膜２２としてＡｌ２Ｏ３（屈折率１．６２）を用いた場合、反射率は２％となり、絶縁膜２２としてＳｉＯ（屈折率１．８）を用いた場合、反射率は０．１％となる。
このように、基板２の表面２１に絶縁膜２２を形成することによって、反射率を大幅に低減できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、光素子として、面発光素子又は面受光素子を用いることができ、これにより安価で製造でき、かつ優れた光学特性が実現できる。
また、パッシプアライメント法によって光素子を基板上の電極パターンに実装できるため、光素子を高精度に位置決めでき、かつ容易に実装できるため実装の係る工数や製造コストが低減できる。特に、光軸を検出しながら、光素子の位置決めを行う必要がなく、位置決め精度に光軸の検出精度が影響されない。
また、光素子は、基板上の電極パターンに直接実装でき、マウント部材を用いる必要がない。
【００４０】
駆動素子は、光モジュールを構成する基板の表面に実装されており、光素子の近傍に駆動素子を実装することができる。このため、光素子と駆動素子間の配線経路を短くすることができ、配線経路のインピーダンスを低減でき、信号の遅延，歪み，ノイズ等の発生を低減できる。これにより、信号光の高速伝送が可能な光モジュールが実現できる。
【００４１】
また、前記絶縁膜の厚さを、光の波長λに対してλ／４の奇数倍とすることによって、基板の上方から針状突起の先端部に光が入射する際、基板表面での光の反射を抑える反射防止膜とすることができる。これにより光の先端部への結合効率を向上でき、かつ発光部への戻り光により光素子の発振が不安定になることを防止できる。
また、絶縁膜を反射防止膜として併用できるため、新たに反射防止膜を設ける必要が無く、構造が簡略化でき、かつ製造コストを削減でき、安価に製造できる。
【００４２】
本発明の光モジュールの製造方法は、半導体材料から構成された基板を異方性エッチングすることによって、精度良くかつ簡便に針状突起を形成することができる。このため、光損失が低く、光学特性に優れた光モジュールが製造できる。
【００４３】
本発明の光送受信システムは、前記した本発明の光モジュ−ルが用いられたことによって、安価で製造でき、かつ極低しきい値動作等の優れた光学特性が実現できる。また、配線経路のインピーダンスを低減でき、信号の遅延，歪み，ノイズ等の発生を低減できる。これにより、信号光の高速伝送が可能な光モジュールが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の光モジュール１の一例を示す斜視図である。
【図２】基板の一例を示す概略図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は要部の拡大図である。
【図３】図２（ｂ）中、Ａ矢視図である。
【図４】図２（ｂ）中、Ｂ矢視図である。
【図５】各製造工程において、光モジュールの図２（ａ）におけるＣＣ’断面，ＤＤ’断面，ＥＥ’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。
【図６】本実施形態の光送受信システムの一例を示す概略斜視図である。
【図７】モニタ用受光素子が実装された光モジュールの一例を示す斜視図である。
【図８】本実施形態の光モジュールの他の一例を示す概略斜視図である。
【図９】本実施形態の光モジュールの更に他の一例を示す概略斜視図である。
【図１０】具体例３の各製造工程において、光モジュールの図２（ａ）におけるＣＣ’断面，ＤＤ’断面，ＥＥ’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。
【図１１】図１０の工程以降の各製造工程において、光モジュールの図２（ａ）におけるＣＣ’断面，ＤＤ’断面，ＥＥ’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。
【符号の説明】
１，１０１，２０１，３０１‥‥光モジュール、２，２０２，３０２‥‥基板、３‥‥光素子、４‥‥光ファイバ、５‥‥針状突起、８‥‥光、１０，１０ａ，１０ｂ，２１０‥‥駆動素子、１２‥‥光送受信システム、１３‥‥受光素子（モニタ用受光素子）、２２‥‥絶縁層、３１‥‥面発光素子、５１‥‥針状突起の先端部（三角錐）、５２‥‥針状突起の傾斜面、５３‥‥針状突起の基端部、５４‥‥三角柱
Claims (7)
- 基板上に光素子と光ファイバを搭載し、光素子からの光を光ファイバに入力し、又は光ファイバからの光を光素子に入力するようにした光モジュールであって、
基板表面には、光導波路となる針状突起が形成され、該針状突起の基端部側に光ファイバを収容、固定する固定溝が形成されており、
光素子の受光部又は発光部が針状突起の先端部に位置するように光素子が実装され、光ファイバが固定溝に収容、固定され、
光素子の発光部からの光が針状突起の先端部に入射され、針状突起を伝搬して光ファイバに入射されるか、又は光ファイバから出力された光が針状突起に伝搬され、先端部から光素子の受光部に入射されるようにしたことを特徴とする光モジュール。 - 前記針状突起の先端部が三角錐状であることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
- 前記基板表面に透光性の絶縁層が設けられ、該絶縁層の厚さが、光の波長λに対してλ／４の奇数倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
- 前記基板及び針状突起が半導体材料から構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光モジュール。
- 前記光素子が発光素子であり、前記針状突起の基端部が傾斜面に接続され、該基端部を伝搬した光の一部が基板上方に反射されるようになっており、
前記針状突起の基端部に受光部が位置するように受光素子が実装されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光モジュール。 - 半導体材料から構成された平板状の基板であり、かつその表面が（１００）面である基板を用意し、
基板の表面をエッチングして、（１００）面，（１１−１）面，（１−１１）面から構成された三角柱と、該三角柱の先端部に設けられ（１００）面，（−１０１）面，（−１１０）面から構成された三角錐とを具備する片持ち梁構造の針状突起と、該針状突起の基端部側に光ファイバを収容、固定する固定溝とを形成し、
次いで、発光部又は受光部を有する光素子を、その発光部又は受光部が針状突起の先端部に位置するように実装し、
前記固定溝に光ファイバを収容、固定することを特徴とする光モジュールの製造方法。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載の光モジュールが用いられたことを特徴とする光送受信システム。
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