JP2005010334A - 複合光学素子および複合光学部品および複合光学素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】面発光レーザやフォトダイオードなどの第１の光学素子とミラーなどの第２の光学素子とを低コストで高精度に実装する。
【解決手段】光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子であって、前記第１の光学素子基板と前記第２の光学素子基板とを基板面同士を貼り合わせ、そのとき、前記第１の光学素子基板の側面と前記第２の光学素子基板の側面とが略同一平面上にあることを特徴としている。
【選択図】 図１
【解決手段】光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子であって、前記第１の光学素子基板と前記第２の光学素子基板とを基板面同士を貼り合わせ、そのとき、前記第１の光学素子基板の側面と前記第２の光学素子基板の側面とが略同一平面上にあることを特徴としている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合光学素子および複合光学部品および複合光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光レーザーやフォトダイオードは、並列光インターコネクションのキーデバイスとして、その有用性が高まっている。その実用化においては、光を制御する実装が必要となり、従来の電気部品の実装に比べて、高い実装精度が要求されている。このような高い精度での実装はその製造コストが膨大になり、市場への波及を阻むことになっている。
【０００３】
そこで、半導体プロセスなどを駆使し、非常に高精度に加工された部材を利用し、その部材の面を基準面にそれぞれ光学素子を実装する技術が検討されている。この高精度に加工された部材をオプティカルベンチと呼び、オプティカルベンチによる実装技術として、様々な要求を満足する上で、非常に重要な技術である。この技術によれば、低いコストで高い精度の部品が作ることができ、その部品を用いた実装は、精度良く、低コスト化が可能であって、現在では、光ファイバーの実装において、大きな役割を担っている。
【０００４】
しかし、このような実装技術においても、単に光ファイバーと端面レーザーとを光結合するものにとどまり、その汎用性や、その製造コストの面で、未だ、課題を残している。特に、面発光レーザーと光ファイバーや導波路との光結合などはその最も大きな課題の一つである。面発光レーザーやフォトダイオードは、その発光面，受光面が基板に対して垂直であり、従来の端面レーザーとは配置が大きく異なる。この面発光レーザーの課題に対し、４５°に傾いたミラーを介することで、同様なオプティカルベンチを提供するものがある。これにより、面発光レーザーなどに対する高精度の実装が可能になるが、製造コストの面では未だ課題を抱えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、面発光レーザやフォトダイオードなどの第１の光学素子とミラーなどの第２の光学素子とを低コストで高精度に実装可能な複合光学素子および複合光学部品および複合光学素子の製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、前記第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子であって、前記第１の光学素子基板と前記第２の光学素子基板とを基板面同士を貼り合わせ、そのとき、前記第１の光学素子基板の側面と前記第２の光学素子基板の側面とが略同一平面上にあることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の複合光学素子において、前記第１の光学素子は、面発光レーザーまたはフォトダイオードであることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の複合光学素子において、前記第２の光学素子基板の表面に、第３の光学素子を固定するガイドが設けられていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の複合光学素子において、前記第２の光学素子は、ミラーであることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の複合光学素子において、前記ミラーは、非球面であることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の複合光学素子において、前記第２の光学素子基板の上面には、第３の光学素子が固定され、第２の光学素子基板の下面には、第１の光学素子基板が固定されることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項７記載の発明は、請求項５乃至請求項６のいずれか一項に記載の複合光学素子において、前記ミラーの焦点に第１の光学素子と第３の光学素子が配置されていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の複合光学素子において、前記第２の光学素子基板にスルーホールが設けられていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の複合光学素子において、第１の光学素子と第３の光学素子との間に存在する光路部分に樹脂が封入されていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の複合光学素子において、第１の光学素子基板および／または第２の光学素子基板には、これらが貼り合わされる基板面に接着剤を注入するための溝が設けられていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の複合光学素子における第１の光学素子基板が平板状に配列された第１の光学素子部品と、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の複合光学素子における第２の光学素子基板が平板状に配列された第２の光学素子部品とが貼り合わされていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項１２記載の発明は、第１の光学素子基板が平板状に配列された状態の第１の光学素子部品を作製する工程と、第２の光学素子基板が平板状に配列された状態の第２の光学素子部品を作製する工程と、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせて、複合光学素子が平板状に配列された状態の複合光学部品とする工程と、複合光学部品において平板状に配列している個々の複合光学素子を分離する工程とを有していることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項１３記載の発明は、光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、前記第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子を基体に実装する工程と、基体に実装した複合光学素子に第３の光学素子を実装する工程とを有していることを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１乃至図３は本発明に係る複合光学素子の基本的な構成例を示す図である。図１乃至図３を参照して、本発明の各実施形態を説明する。なお、図１は斜視図、図２は正面図、図３は背面図である。
【００２０】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、図１乃至図３に示すように、光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子であって、前記第１の光学素子基板と前記第２の光学素子基板とを基板面同士を貼り合わせ、そのとき、前記第１の光学素子基板の側面と前記第２の光学素子基板の側面とが略同一平面上にあることを特徴としている。
【００２１】
このような構成では、第１の光学素子と第２の光学素子との間で確実な貼り合わせ（接着）に必要な面積を確保し、かつ最小限無駄のない形状となる。これにより、不要な材料を使うことなく、最も少量の基板の大きさとなる。
【００２２】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、上述した第１の実施形態の複合光学素子において、前記第１の光学素子は、面発光レーザーまたはフォトダイオードであることを特徴としている。
【００２３】
面発光レーザーやフォトダイオードは、端面レーザーと異なり、その光軸が基板に対し垂直となる。また、第２の光学素子と接合し固定する面も光軸に垂直となる。これにより、この固定面を十分にとるように設計することが可能になる。端面レーザーでは、その固定面に当る発光面部分は非常に狭く、十分な固定は不可能である。
【００２４】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態は、第１または第２の実施形態の複合光学素子において、第２の光学素子基板の表面に、第３の光学素子を固定するガイドが設けられていることを特徴としている。
【００２５】
このように、第２の光学素子基板の表面に、第３の光学素子を固定するガイドを設けることで、第３の光学素子を低コストで（簡単な形で）高い位置精度に実装することが可能になる。
【００２６】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態は、第１乃至第３のいずれかの実施形態の複合光学素子において、前記第２の光学素子は、ミラーであることを特徴としている。
【００２７】
このように、第２の光学素子をミラーにすることで、第１の光学素子の光軸と異なる角度に第３の光学素子を実装することが可能になる。これにより、設計の自由度が増し、第３の光学素子を固定する面を大きく取ることが可能になる。
【００２８】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態は、第４の実施形態の複合光学素子において、前記ミラーは、非球面であることを特徴としている。
【００２９】
このように、第２の光学素子であるミラーを非球面にすることで、実装誤差に対する光結合効率への影響が小さい形状を設計できる。
【００３０】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの実施形態の複合光学素子において、前記第２の光学素子基板の上面には、第３の光学素子が固定され、第２の光学素子基板の下面には、第１の光学素子基板が固定されることを特徴としている。
【００３１】
このような構成では、第１の光学素子の実装固定面と第３の光学素子の実装固定面がバッティングすることがなく、第２の光学素子は小型化が可能になり（第２の光学素子の面積をできるだけ小さくすることが可能となり）、部品コストを低減することができる。
【００３２】
（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態は、第５乃至第６のいずれかの実施形態の複合光学素子において、前記ミラーの焦点に第１の光学素子と第３の光学素子が配置されていることを特徴としている。
【００３３】
第５の実施形態のようにミラーは非球面であり、その焦点を最適に設計している。このミラーの焦点に第１の光学素子，第３の光学素子を設置することで、最適な光結合を実現できる（光結合器として、高い光結合効率を得ることができる）。
【００３４】
（第８の実施形態）
本発明の第８の実施形態は、図４に示すように、第１乃至第７のいずれかの実施形態の複合光学素子において、前記第２の光学素子基板にスルーホールが設けられていることを特徴としている。
【００３５】
この第８の実施形態では、第２の光学素子基板にスルーホールが設けられていることで、第１の光学素子である面発光レーザーやフォトダイオードなどの光学素子の電気接続が容易になる。これにより、第１の光学素子に裏面から電極をとるような無駄な加工をすることなく、複合光学素子を安価に製造することが可能になる。
【００３６】
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態は、図５に示すように、第１乃至第８のいずれかの実施形態の複合光学素子において、第１の光学素子と第３の光学素子との間に存在する光路部分に樹脂が封入されていることを特徴としている。
【００３７】
このように、屈折率をコントロールした樹脂を封入することで、第３の光学素子表面での反射などを低減することができる。これにより、別途、第３の光学素子表面に反射防止膜などを加工することが不要になり、製造コストを低減できる。
【００３８】
（第１０の実施形態）
本発明の第１０の実施形態は、図６に示すように、第１乃至第９のいずれかの実施形態の複合光学素子において、第１の光学素子基板および／または第２の光学素子基板には、これらが貼り合わされる基板面に接着剤を注入するための溝（注入溝）が設けられていることを特徴としている。
【００３９】
接着溝以外の領域で、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板とは当接しており、この領域において実装精度が決められている。このように、第１０の実施形態では、接着剤を注入する溝を設けることで、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板とが貼り合わされる基板面に接着剤が挟まれることがなくなり（接着剤の厚さによって実装誤差が生じるのを防止でき（実装精度の低下を防止でき））、かつ、固定する機能を得ることができる。
【００４０】
（第１１の実施形態）
本発明の第１１の実施形態は、第１乃至第１０のいずれかの実施形態の複合光学素子における第１の光学素子基板が平板状に配列された第１の光学素子部品と、第１乃至第１０のいずれかの実施形態の複合光学素子における第２の光学素子基板が平板状に配列された第２の光学素子部品とが貼り合わされていることを特徴とする複合光学部品である。すなわち、第１の光学素子が面発光レーザーやフォトダイオードである場合には、複数の第１の光学素子（基板）を平板状に配列することが可能である。
【００４１】
具体的には、第１０の実施形態に示すように第１乃至第９のいずれかの実施形態の複合光学素子において、第１の光学素子基板および／または第２の光学素子基板には、これらが貼り合わされる基板面に接着剤を注入するための溝（注入溝）が設けられている場合に、注入溝に接着剤を注入する。この工程を、ウェハー毎に行なう。接着剤の注入は毛細管現象を利用する事により、大きなウェハーの状態で可能である。接着剤の注入をウェハーごとに行なう事で、接着剤の注入を１つの素子毎に行なう場合に比べて、遥かに多くの素子を一度に作製することができる。この後に、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板とを同時にダイシングし、それぞれの複合光学素子に切り分けることができる。これにより、製造コストを遥かに小さくすることができる。
【００４２】
（第１２の実施形態）
本発明の第１２の実施形態は、図７（ａ）乃至（ｃ）に概略を示すように、第１の光学素子基板が平板状に配列された状態の第１の光学素子部品を作製する工程と、第２の光学素子基板が平板状に配列された状態の第２の光学素子部品を作製する工程と、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせて、複合光学素子が平板状に配列された状態の複合光学部品とする工程と、複合光学部品において平板状に配列している個々の複合光学素子を分離する工程とを有していることを特徴としている。
【００４３】
図７（ａ）乃至（ｃ）に示すように、複数の素子を一括して同時に加工することにより、１つ１つの実装コストを大幅に低減できる。通常、半導体プロセスを用いる第１の光学素子や第２の光学素子は、ウェハー状に加工される。そのため、一般的に作製される第１，第２の光学素子は平板状に作成される。このため、平板状に配列して、加工することでのコスト高にはならない。
【００４４】
（第１３の実施形態）
本発明の第１３の実施形態は、光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、前記第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子を基体に実装する工程と、基体に実装した複合光学素子に第３の光学素子を実装する工程とを有していることを特徴としている。
【００４５】
ここで、基体とは、サブマウントやステム，プリント基板といったものである。この第１３の実施形態では、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板とを接合した複合光学素子をサブマウントなどの基体に実装する。この複合光学素子は、サブｍｍのオーダーと小型であるため、微調整が効き、高精度の実装が可能である。この状態であれば、ＬＳＩの接合，ワイヤーボンディングなどの電気接合などを行なうことも可能である。光ファイバーなどの大きな光学素子を一体化している場合には、このようなことは不可能である。全ての実装を終えた最後に、第３の光学素子を実装する。これは、第６の実施形態に示したように、第２の光学素子基板の下面に第１の光学素子基板を接合し、上面に第３の光学素子を実装するレイアウトで実現できる。
【００４６】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
【００４７】
（実施例１）
実施例１のデバイスは、図８に示すように、面発光レーザーが形成された第１の光学素子基板と第２の光学素子として曲面ミラーが形成された第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）と第３の光学素子としての光ファイバーからなる光学系とを備えた複合光学素子と、ＬＳＩと前記複合光学素子とが実装されているサブマウントと、サブマウントを固定しているプリント基板とからなっている。
【００４８】
ここで、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、曲面ミラーの光軸上に光ファイバー固定ガイド（Ｖ溝）が設けられている。また、第２の光学素子基板と第１の光学素子基板とは、それぞれの側面（４つの側面）が同一平面上にあるように構成されている。また、曲面ミラーは、その表面が非球面の形状となっており、曲面ミラーの焦点は、第１の光学素子（面発光レーザー）と光ファイバーの端面とに合わされている。そして、曲面ミラーの非球面形状は、それぞれの焦点が合い、かつ、実装精度がある程度低下した場合にも、その結合効率がそれほど低下しないように設計されている。
【００４９】
この実施例１のデバイスは、次のように作製される。なお、第１の光学素子である面発光レーザーは、ＧａＩｎＮＡｓ系の材料で、その波長は１．３μｍ帯となっている。第１の光学素子である面発光レーザーは、４インチの大きさ（例えば直径）のウェハー上に配列された状態で作製される。その配列位置は、第２の光学素子と合わせて設計されている。
【００５０】
また、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、４インチの大きさ（例えば直径）、厚さ０．５ｍｍのＳｉウェハーを用いた。そして、第２の光学素子基板に、フォトリソプロセスとエッチングプロセスを併用して、任意立体形状を作りこむ。初めに、第２の光学素子基板の一方の面（表面）に光ファイバー用のガイド機構を加工する。ガイド機構は光ファイバーを精度良く固定する機構であれば良く、その形状は、Ｖ型，Ｕ型など、どのような形状でも良い。いまの例では、フォトリソプロセスによってマスクを加工し、異方性エッチングを利用したＶ溝をガイド機構として形成した。次に、第２の光学素子基板の他方の面（裏面）にミラー面を作りこむ。このミラー面を、先ほどのＶ溝と同様に、フォトリソによるレジストマスク加工と異方性エッチングによって作る。異方性エッチングではその角度が制限されるために、４５°に加工することは難しい。一度異方性エッチングで作製されたミラーを再度、フォトリソプロセスによって、４５°でかつ非球面に仕上げる。この時には、一般的なマスクではなく、グレースケールマスクを用いた。
【００５１】
グレースケールマスク方法では、フォトリソグラフィーに用いるマスクを、透過率が１と０の細かいドットによって階調表現したものや中間調によって表現されたものがある。階調表現によって、明るい部分，暗い部分ができ、これをフォトレジストに露光する事で、暗い所は高く、明るい所は低く（ポジレジストの場合）、中間高さを含む、高さ表現されたレジスト形状を得ることができる。このようにマスク形状を工夫する事で、レジストを３次元的かつ任意形状に加工する事ができる（グレースケールマスクの作製方法の詳細は特開平１１−１７７１２３，特開２０００−２８０３６６などに示されている）。
【００５２】
このグレースケールマスクを利用することで、４５°のミラー表面を非球面形状に加工することができる。異方性エッチングによって傾斜面を作製し、その表面にスプレーコーターによって、レジストを塗布する。レジストは表面に凹凸があろうとも、ほぼ均一に膜厚が制御されている。この膜に先ほどのグレースケールマスクを用いて、傾斜面に塗布されたレジストに露光する。これを現像することで、設計された非球面の形状を作りこむ。このレジストをドライエッチングによって、基板に転写する。非球面形状は実装した時の誤差による結合効率の低下を緩和するように設計されている。特に、非球面にすることで、そのビームウエストが光ファイバーの直径に小さくなる領域をできるだけ大きくなるように設計されている。これにより、光軸に水平方向の誤差には、影響が小さい光学系となっている。
【００５３】
この曲面ミラーを加工したＳｉウェハー（第２の光学素子部品）と面発光レーザーを作りこんだウェハー（第１の光学素子部品）とを貼り合わせる（図７（ｂ）を参照）。貼り合わせには、図７（ａ）に示されているように、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品の一部に作られているアライメントマークを合わせるように位置合わせをする。位置合わせには顕微鏡観察し、微動ができる装置を利用する。アライメントマークは、それぞれのフォトリソプロセスにおいて同時に作られているため、その位置精度は高い。また、接着剤は、貼り合わせる前に、第２の光学素子部品の表面に塗布されている。この第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせたウェハーをダイシング装置で個別の複合光学素子に分離する（図７（ｃ）を参照）。ダイシングは２枚同時に行なう。複合光学素子単体はそれぞれ、接着剤によって貼り合わされている。これにより、図１乃至図３に示すような側面（４つの側面）が略同一平面上にある複合光学素子を得ることができる。
【００５４】
そして、この複合光学素子を、図８に示すように、サブマウントに実装する。サブマウントには、複合光学素子以外にも、面発光レーザーを駆動するＬＳＩやその配線などが作りこまれている。この複合光学素子とサブマウントの実装は、電気的な接合ができれば良く、その精度は高いものを要求されない。
【００５５】
実施例１では、面発光レーザーやＬＳＩは一般的なバンプによる実装とした。実施例１で用いた面発光レーザーは、両極の電極を裏面から取れるように、基板にスルーホールを作りこんである。
【００５６】
複合光学素子やＬＳＩが実装されたサブマウントは、プリント基板に実装される。実装は一般的な半田で良い。この場合には、複合光学素子部にはポリイミドなどの樹脂による保護膜を付けておく。これにより、半田による汚染を防止できる。また、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板との貼り合わせ（接合）に用いた接着剤は、半田による高温プロセスに耐えうるものを採用している。
【００５７】
そして、複合光学素子のサブマウントが実装されたプリント基板には、光ファイバー用のスペーサーを作りこむ。これは、光ファイバーを単に固定する機能を有しているだけであり、実装精度を上げる機能はない。このスペーサーに光ファイバーの一部を固定すると同時に、複合光学素子に設けられているＶ溝に光ファイバーの端部を設置する。Ｖ溝は光ファイバーの形状に合わせて設計されており、正確に実装されることで、光損失はほとんどない。Ｖ溝は、上から光ファイバーをあてがうだけで、正確な位置に誘導する機能を持つ。光ファイバーにおける光軸方向の実装精度は、光ファイバーを複合光学素子に当接することで、高い精度を有している。
【００５８】
（実施例２）
実施例２のデバイスは、図５，図８に示すように、面発光レーザーが形成された第１の光学素子基板と第２の光学素子としての曲面ミラーが形成された第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）と第３の光学素子としての光ファイバーからなる光学系とを備えた複合光学素子と、ＬＳＩと第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）とが実装されているサブマウントと、サブマウントを固定しているプリント基板とからなっている。
【００５９】
ここで、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、曲面ミラーの光軸上に光ファイバー固定ガイド（Ｖ溝）が設けられている。また、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、図５に示すように、電極配線用のスルーホールが設けられている。このスルーホールの上方からワイヤーボンディングで電気的に面発光レーザーは接続されている。また、第２の光学素子基板と第１の光学素子基板とは、それぞれの側面（４つの側面）が同一平面上にあるように構成されている。また、曲面ミラーは、その表面が非球面の形状となっており、曲面ミラーの焦点は、第１の光学素子（面発光レーザー）と光ファイバーの端面とに合わされている。そして、曲面ミラーの非球面形状は、それぞれの焦点が合い、かつ、実装精度がある程度低下した場合にもその結合効率がそれほど低下しないように設計されている。また、この実施例２では、図５に示されているように、面発光レーザーから光ファイバーまでの光路部分に透明な樹脂が封入されている。これにより、不要な反射光も抑えることができ、ノイズを低減できる。
【００６０】
この実施例２のデバイスは、次のように作製される。なお、第１の光学素子である面発光レーザーは、ＧａＩｎＮＡｓ系の材料で、その波長は１．３μｍ帯となっている。第１の光学素子である面発光レーザーは、４インチの大きさ（例えば直径）のウェハー上に配列された状態で作製される。その配列位置は、第２の光学素子と合わせて設計されている。
【００６１】
また、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、４インチの大きさ（例えば直径）、厚さ０．５ｍｍのＳｉウェハーを用いた。そして、第２の光学素子基板に、フォトリソプロセスとエッチングプロセスを併用して、任意立体形状を作りこむ。初めに、第２の光学素子基板の一方の面（表面）に光ファイバー用のガイド機構を加工する。ガイド機構は光ファイバーを精度良く固定する機構であれば良く、その形状は、Ｖ型，Ｕ型など、どのような形状でも良い。いまの例では、フォトリソプロセスによってマスクを加工し、異方性エッチングを利用したＶ溝をガイド機構として形成した。次に、第２の光学素子基板の他方の面（裏面）にミラー面を作りこむ。このミラー面を、先ほどのＶ溝と同様に、フォトリソによるレジストマスク加工と異方性エッチングによって作る。異方性エッチングではその角度が制限されるために、４５°に加工することは難しい。一度異方性エッチングで作製されたミラーを再度、フォトリソプロセスによって、４５°でかつ非球面に仕上げる。この時には、一般的なマスクではなく、グレースケールマスクを用いた。
【００６２】
このグレースケールマスクを利用することで、４５°のミラー表面を非球面形状に加工することができる。異方性エッチングによって傾斜面を作製し、その表面にスプレーコーターによって、レジストを塗布する。レジストは表面に凹凸があろうとも、ほぼ均一に膜厚が制御されている。この膜に先ほどのグレースケールマスクを用いて、傾斜面に塗布されたレジストに露光する。これを現像することで、設計された非球面の形状を作りこむ。このレジストをドライエッチングによって、基板に転写する。非球面形状は実装した時の誤差による結合効率の低下を緩和するように設計されている。特に、非球面にすることで、そのビームウエストが光ファイバーの直径に小さくなる領域をできるだけ大きくなるように設計されている。これにより、光軸に水平方向の誤差には、影響が小さい光学系となっている。
【００６３】
この曲面ミラーを加工したＳｉウェハー（第２の光学素子部品）と面発光レーザーを作りこんだウェハー（第１の光学素子部品）とを貼り合わせる（図７（ｂ）を参照）。貼り合わせには、図７（ａ）に示されているように、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品の一部に作られているアライメントマークを合わせるように位置合わせをする。位置合わせには顕微鏡観察し、微動ができる装置を利用する。アライメントマークは、それぞれのフォトリソプロセスにおいて同時に作られているため、その位置精度は高い。また、接着剤は、貼り合わせる前に、第２の光学素子部品の表面に塗布されている。この第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせたウェハーをダイシング装置で個別の複合光学素子に分離する（図７（ｃ）を参照）。ダイシングは２枚同時に行なう。複合光学素子単体はそれぞれ、接着剤によって貼り合わされている。これにより、図１乃至図３に示すような側面（４つの側面）が略同一平面上にある複合光学素子を得ることができる。
【００６４】
そして、この複合光学素子を、図８に示すように、サブマウントに実装する。サブマウントには、複合光学素子以外にも、面発光レーザーを駆動するＬＳＩやその配線などが作りこまれている。この複合光学素子とサブマウントの実装は、電気的な接合ができれば良く、その精度は高いものを要求されない。
【００６５】
実施例２では、面発光レーザーやＬＳＩは一般的なワイヤーボンディングとした。面発光レーザーは、裏面をグラウンド（接地レベル）として、表面に信号（シグナル）をとる電極を備えている。グラウンド（接地）はサブマウントにバンプやハンダによって直接接合されている。また、面発光レーザーの表面の電極は、第２の光学素子基板に設けたスルーホールを利用して接続される。なお、スルーホールは、単なる穴で良く、表面に光ファイバー用のＶ溝を作る時と、ミラーを作る裏面への加工の時に、スルーホール用にマスクを設計しておく。これにより、第２の光学素子の基板には電極用のスルーホールが設けられ、電極を取ることができる。
【００６６】
複合光学素子やＬＳＩが実装されたサブマウントは、プリント基板に実装される。実装は一般的な半田で良い。この場合には、複合光学素子部にはポリイミドなどの樹脂による保護膜を付けておく。これにより、半田による汚染を防止できる。また、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板との貼り合わせ（接合）に用いた接着剤は、半田による高温プロセスに耐えうるものを採用している。
【００６７】
そして、図５に示すように、第１の光学素子と第３の光学素子との間に存在する光路部分に透明な樹脂を封入する。樹脂には、熱硬化型のものを利用し、屈折率がコントロールされている。この樹脂の硬化は、光ファイバ−を設置した後に熱を加える事で行なう。
【００６８】
そして、複合光学素子のサブマウントが実装されたプリント基板には、光ファイバー用のスペーサーを作りこむ。これは、光ファイバーを単に固定する機能を有しているだけであり、実装精度を上げる機能はない。このスペーサーに光ファイバーの一部を固定すると同時に、複合光学素子に設けられているＶ溝に光ファイバーの端部を設置する。Ｖ溝は光ファイバーの形状に合わせて設計されており、正確に実装されることで、光損失はほとんどない。Ｖ溝は、上からファイバーをあてがうだけで，正確な位置に誘導する機能を持つ。光ファイバーにおける光軸方向の実装精度は、光ファイバーを複合光学素子に当接することで、高い精度を有している。
【００６９】
（実施例３）
実施例３のデバイスは、図６，図８に示すように、フォトダイオードが形成された第１の光学素子基板と第２の光学素子としての曲面ミラーが形成された第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）と第３の光学素子としての光ファイバーからなる光学系とを備えた複合光学素子と、ＬＳＩと第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）とが実装されているサブマウントと、サブマウントを固定しているプリント基板とからなっている。
【００７０】
ここで、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、曲面ミラーの光軸上に光ファイバー固定ガイド（Ｖ溝）が設けられている。また、第２の光学素子基板と第１の光学素子基板とは、それぞれの側面（４つの側面）が同一平面上にあるように構成されている。曲面ミラーは、その表面が非球面の形状となっており、曲面ミラーの焦点は、第１の光学素子（フォトダイオード）と光ファイバーの端面とに合わされている。そして、曲面ミラーの非球面形状は、それぞれの焦点が合い、かつ、実装精度がある程度低下した場合にも、その結合効率がそれほど低下しないように設計されている。また、この実施例３では、第２の光学素子基板に接着剤の注入溝が設けられている。この注入溝の部分に接着剤が注入されることで、第２の光学素子基板は第１の光学素子基板と接合固定されるようになっている。
【００７１】
この実施例３のデバイスは、次のように作製される。第１の光学素子であるフォトダイオードは、Ｓｉによって作製され、４インチの大きさ（例えば直径）のウェハー上に配列された状態で作製される。その配列位置は、第２の光学素子と合わせて設計されている。
【００７２】
また、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、４インチの大きさ（例えば直径）、厚さ０．５ｍｍのＳｉウェハーを用いた。そして、第２の光学素子基板に、フォトリソプロセスとエッチングプロセスを併用して、任意立体形状を作りこむ。初めに、第２の光学素子基板の一方の面（表面）に光ファイバー用のガイド機構を加工する。ガイド機構は光ファイバーを精度良く固定する機構であれば良く、その形状は、Ｖ型，Ｕ型など、どのような形状でも良い。いまの例では、フォトリソプロセスによってマスクを加工し、異方性エッチングを利用したＶ溝をガイド機構として形成した。次に、第２の光学素子基板の他方の面（裏面）にミラー面を作りこむ。このミラー面を、先ほどのＶ溝と同様に、フォトリソによるレジストマスク加工と異方性エッチングによって作る。異方性エッチングではその角度が制限されるために、４５°に加工することは難しい。一度異方性エッチングで作製されたミラーを再度、フォトリソプロセスによって、４５°でかつ非球面に仕上げる。この時には、一般的なマスクではなく、グレースケールマスクを用いた。
【００７３】
このグレースケールマスクを利用することで、４５°のミラー表面を非球面形状に加工することができる。異方性エッチングによって傾斜面を作製し、その表面にスプレーコーターによって、レジストを塗布する。レジストは表面に凹凸があろうとも、ほぼ均一に膜厚が制御されている。この膜に先ほどのグレースケールマスクを用いて、傾斜面に塗布されたレジストに露光する。これを現像することで、設計された非球面の形状を作りこむ。このレジストをドライエッチングによって、基板に転写する。非球面形状は実装した時の誤差による結合効率の低下を緩和するように設計されている。特に、非球面にすることで、そのビームウエストが光ファイバーの直径に小さくなる領域をできるだけ大きくなるように設計されている。これにより、光軸に水平方向の誤差には、影響が小さい光学系となっている。
【００７４】
この曲面ミラーを加工したＳｉウェハー（第２の光学素子部品）とフォトダイオードを作りこんだウェハー（第１の光学素子部品）とを貼り合わせる（図７（ｂ）を参照）。貼り合わせには、図７（ａ）に示されているように、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品の一部に作られているアライメントマークを合わせるように位置合わせをする。位置合わせには顕微鏡観察し、微動ができる装置を利用する。アライメントマークは、それぞれのフォトリソプロセスにおいて同時に作られているため、その位置精度は高い。また、第２の光学素子部品である曲面ミラーが作りこまれたＳｉウェハーには接着剤が流し込まれる溝（注入溝）が作られている。この溝は、流路のように作られ、接着剤を一方向から流しこむことで、全体に広がるように作られている。
【００７５】
この第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせたウェハーをダイシング装置で個別の複合光学素子に分離する（図７（ｃ）を参照）。ダイシングは２枚同時に行なう。先の接着剤により、複合光学素子単体はそれぞれ、接着剤によって貼り合わされている。これにより、図１乃至図３に示すような側面（４つの側面）が略同一平面上にある複合光学素子を得ることができる。
【００７６】
そして、この複合光学素子を、図８に示すように、サブマウントに実装する。サブマウントには、複合光学素子以外にも、フォトダイオードを駆動するＬＳＩやその配線などが作りこまれている。この複合光学素子とサブマウントの実装は、電気的な接合ができれば良く、その精度は高いものを要求されない。実施例３では、フォトダイオードやＬＳＩは一般的なバンプによる実装とした。実施例３で用いたフォトダイオードは、両極の電極を裏面から取れるように、基板にスルーホールを作りこんである。
【００７７】
複合光学素子やＬＳＩが実装されたサブマウントは、プリント基板に実装される。実装は一般的な半田で良い。この場合には、複合光学素子部にはポリイミドなどの樹脂による保護膜を付けておく。これにより、半田による汚染を防止できる。また、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板との貼り合わせ（接合）に用いた接着剤は、半田による高温プロセスに耐えうるものを採用している。
【００７８】
そして、複合光学素子のサブマウントが実装されたプリント基板には、光ファイバー用のスペーサーを作りこむ。これは、光ファイバーを単に固定する機能を有しているだけであり、実装精度を上げる機能はない。このスペーサーに光ファイバーの一部を固定すると同時に、複合光学素子に設けられているＶ溝に光ファイバーの端部を設置する。Ｖ溝は光ファイバーの形状に合わせて設計されており、正確に実装されることで、光損失はほとんどない。Ｖ溝は、上から光ファイバーをあてがうだけで，正確な位置に誘導する機能を持つ。光ファイバーにおける光軸方向の実装精度は、光ファイバーを複合光学素子に当接することで、高い精度を有している。
【００７９】
（実施例４）
実施例４のデバイスは、図９，図１０に示すように、面発光レーザーが形成された第１の光学素子基板と第２の光学素子としてのマイクロレンズが形成された第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）と第３の光学素子としての光ファイバーからなる光学系とを備えた複合光学素子と、ＬＳＩと第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）とが実装されているサブマウントと、サブマウントを固定しているプリント基板とからなっている。
【００８０】
ここで、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、マイクロレンズの光軸上に光ファイバー固定ガイドが設けられている。また、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）と第１の光学素子基板とは、それぞれの側面（４つの側面）が同一平面上にあるように構成されている。マイクロレンズは、その表面が非球面の形状となっており、マイクロレンズの焦点は、第１の光学素子（面発光レーザー）と光ファイバーの端面とに合わされている。そして、マイクロレンズの非球面形状は、それぞれの焦点が合い、かつ、実装精度がある程度低下した場合にもその結合効率がそれほど低下しないように設計されている。また、この実施例４では、第２の光学素子基板に接着剤の注入溝が設けられている。この注入溝の部分に接着剤が注入されることで、第２の光学素子基板は第１の光学素子基板と接合固定されるようになっている。
【００８１】
この実施例４のデバイスは、次のように作製される。なお、第１の光学素子である面発光レーザーは、ＧａＩｎＮＡｓ系の材料で、その波長は１．３μｍ帯となっている。第１の光学素子である面発光レーザーは、４インチの大きさ（例えば直径）のウェハー上に配列された状態で作製される。その配列位置は、第２の光学素子と合わせて設計されている。
【００８２】
また、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、４インチの大きさ（例えば直径）、厚さ０．５ｍｍの石英ウェハーを用いた。そして、第２の光学素子基板に、フォトリソプロセスとエッチングプロセスを併用して、任意立体形状を作りこむ。初めに、第２の光学素子基板の一方の面（表面）に光ファイバー用のガイド機構を加工する。ガイド機構は光ファイバーを精度良く固定する機構であれば良く、その形状は、Ｖ型，Ｕ型など、どのような形状でも良い。いまの例では、フォトリソプロセスによってマスクを加工し、ドライエッチングを利用してガイド機構を形成した。次に、第２の光学素子基板の他方の面（裏面）にマイクロレンズ面を作りこむ。このマイクロレンズ面を、先ほどのガイド機構と同様に、フォトリソによるレジストマスク加工とドライエッチングによって作る。この時には、一般的なマスクではなく、グレースケールマスクを用いた。マイクロレンズは非球面形状であり、これは実装した時の誤差による結合効率の低下を緩和するように設計されている。特に、非球面にすることで、そのビームウエストが光ファイバーの直径に小さくなる領域をできるだけ大きくなるように設計してある。これにより、光軸に水平方向の誤差には、影響が小さい光学系となっている。
【００８３】
そして、このマイクロレンズを加工した石英ウェハー（第２の光学素子部品）と面発光レーザーを作りこんだウェハー（第１の光学素子部品）とを貼り合わせる（図７（ｂ）を参照）。貼り合わせには、図７（ａ）に示されているように、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品の一部に作られているアライメントマークを合わせるように位置合わせをする。位置合わせには顕微鏡観察し、微動ができる装置を利用する。アライメントマークは、それぞれのフォトリソプロセスにおいて同時に作られているため、その位置精度は高い。また、マイクロレンズが作りこまれた第２の光学素子部品である石英ウェハーには、接着剤が流し込まれる溝（注入溝）が作られている。この溝は、流路のように作られ、接着剤を一方向から流しこむことで、全体に広がるように作られている。
【００８４】
この第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせたウェハーをダイシング装置で個別の複合光学素子に分離する（図７（ｃ）を参照）。ダイシングは２枚同時に行なう。先の接着剤により、複合光学素子単体はそれぞれ、接着剤によって貼り合わされている。これにより、図１乃至図３に示すような側面（４つの側面）が略同一平面上にある複合光学素子を得ることができる。
【００８５】
そして、この複合光学素子を、図１０に示すように、サブマウントに実装する。サブマウントには、複合光学素子以外にも、面発光レーザーを駆動するＬＳＩやその配線などが作りこまれている。この複合光学素子とサブマウントの実装は、電気的な接合ができれば良く、その精度は高いものを要求されない。実施例４では、面発光レーザーやＬＳＩは一般的なワイヤーボンディングとした。面発光レーザーは裏面をグラウンドとして、表面に信号（シグナル）をとる電極を備えている。グラウンドはサブマウントにバンプやハンダによって直接接合されている。また、面発光レーザーの表面の電極は、第２の光学素子基板に設けたスルーホールを利用して接続される。なお、スルーホールは、単なる穴で良く、表面に光ファイバー用のＶ溝を作る時と、ミラーを作る裏面への加工の時に、スルーホール用にマスクを設計しておく。これにより、第２の光学素子基板には電極用のスルーホールが設けられ、電極を取ることができる。
【００８６】
複合光学素子やＬＳＩが実装されたサブマウントは、プリント基板に実装される。実装は一般的な半田で良い。この場合には、複合光学素子部にはポリイミドなどの樹脂による保護膜を付けておく。これにより、半田による汚染を防止できる。また、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板との貼り合わせ（接合）に用いた接着剤は、半田による高温プロセスに耐えうるものを採用している。
【００８７】
そして、複合光学素子のサブマウントが実装されたプリント基板には、光ファイバー用のスペーサーを作りこむ。これは、光ファイバーを単に固定する機能を有しているだけであり、実装精度を上げる機能はない。このスペーサーに光ファイバーの一部を固定すると同時に、複合光学素子に設けられているＶ溝に光ファイバーの端部を設置する。Ｖ溝は光ファイバーの形状に合わせて設計されており、正確に実装されることで、光損失はほとんどない。Ｖ溝は上からファイバーをあてがうだけで，正確な位置に誘導する機能を持つ。光ファイバーにおける光軸方向の実装精度は、光ファイバーを複合光学素子に当接することで、高い精度を有している。
【００８８】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項１０記載の発明によれば、光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、前記第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子であって、前記第１の光学素子基板と前記第２の光学素子基板とを基板面同士を貼り合わせ、そのとき、前記第１の光学素子基板の側面と前記第２の光学素子基板の側面とが略同一平面上にあるので、無駄な材料を使うことなく、面発光レーザやフォトダイオードなどの第１の光学素子とミラーなどの第２の光学素子とを低コストで高精度に実装することが可能になる。
【００８９】
特に、請求項２記載の発明では、第１の光学素子として、面発光レーザーやフォトダイオードような光軸と垂直に平面状の素子を用いることで、固定する面が大きくとれ、十分な固定強度を得ることができる。これにより、一般的な接着剤による固定が可能になり、低コストの製造が可能になる。
【００９０】
また、請求項３記載の発明では、第２の光学素子基板に第３の光学素子を固定するガイドを設けたことにより、第３の光学素子を簡便に高い位置精度に誘導でき、これにより、低コストの実装が可能になる。
【００９１】
また、請求項４記載の発明では、第２の光学素子をミラーとすることで、第３の光学素子を安定して固定できるようにレイアウトを作ることができる。これにより、第３の光学素子を特殊な固定方法を採用する必要がなく製造工程がシンプルになり、低コストで実装が可能になる。
【００９２】
また、請求項５記載の発明では、第２の光学素子のミラー面を非球面にすることで、より高い光結合効率を得ることができる。また、形状を最適化することで、実装誤差に大きな影響を受けない光結合効率を実現できる複合光学素子を提供できる。
【００９３】
また、請求項６記載の発明では、第２の光学素子基板において、第１の光学素子基板を固定する面を下面にし、第３の光学素子を固定する面を上面とすることで、第１の光学素子基板と第３の光学素子とを狭い領域に配置することができ、第２の光学素子基板を小型化でき、製造コストを低減できる。
【００９４】
また、請求項７記載の発明では、第２の光学素子の焦点位置に第１の光学素子と第３の光学素子を配置することで、それぞれ高い光結合効率を得る事ができる。
【００９５】
また、請求項８記載の発明では、第２の光学素子基板にスルーホールを設けることで、簡便に電気接続が可能になり、低コストでの実装が可能になる。
【００９６】
また、請求項９記載の発明では、第１の光学素子と第３の光学素子の間における光路部分に樹脂が封入されているので、第３の光学素子の表面に反射防止膜などを加工することが不要になり、製造コストを低減できる。
【００９７】
また、請求項１０記載の発明では、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板とが貼り合わされる基板面に接着剤を注入するための溝を設けているので、接着剤が第１の光学素子基板と第２の光学素子基板との当接部分に挟まれることなく、実装精度の低下を防止できる。
【００９８】
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の複合光学素子における第１の光学素子基板が平板状に配列された第１の光学素子部品と、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の複合光学素子における第２の光学素子基板が平板状に配列された第２の光学素子部品とが貼り合わされており、第１の光学素子と第２の光学素子との実装をウェハーごと行なう事で、複合光学素子を１つ１つ実装する場合に比べ、遥かに製造コストが小さくなる。
【００９９】
また、請求項１２記載の発明によれば、第１の光学素子基板が平板状に配列された状態の第１の光学素子部品を作製する工程と、第２の光学素子基板が平板状に配列された状態の第２の光学素子部品を作製する工程と、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせて複合光学部品とする工程と、複合光学部品において平板状に配列している個々の複合光学素子を分離する工程とを有しているので、一度に多数の複合光学素子を作製することができる。
【０１００】
また、請求項１３記載の発明によれば、光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、前記第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子を基体に実装する工程と、基体に実装した複合光学素子に第３の光学素子を実装する工程とを有しており、第３の光学素子を最後に実装することで、ハンドリングが容易になり、実装精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る複合光学素子の基本的な構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る複合光学素子の基本的な構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る複合光学素子の基本的な構成例を示す図である。
【図４】第２の光学素子基板にスルーホールが設けられている複合光学素子を示す図である。
【図５】第１の光学素子と第３の光学素子との間に存在する光路部分に樹脂が封入されている複合光学素子を示す図である。
【図６】第１の光学素子基板および／または第２の光学素子基板には、これらが貼り合わされる基板面に接着剤を注入するための溝（注入溝）が設けられている複合光学素子を示す図である。
【図７】本発明に係る複合光学素子の製造工程例を示す図である。
【図８】本発明の実施例を説明するための図である。
【図９】本発明の実施例を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施例を説明するための図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合光学素子および複合光学部品および複合光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光レーザーやフォトダイオードは、並列光インターコネクションのキーデバイスとして、その有用性が高まっている。その実用化においては、光を制御する実装が必要となり、従来の電気部品の実装に比べて、高い実装精度が要求されている。このような高い精度での実装はその製造コストが膨大になり、市場への波及を阻むことになっている。
【０００３】
そこで、半導体プロセスなどを駆使し、非常に高精度に加工された部材を利用し、その部材の面を基準面にそれぞれ光学素子を実装する技術が検討されている。この高精度に加工された部材をオプティカルベンチと呼び、オプティカルベンチによる実装技術として、様々な要求を満足する上で、非常に重要な技術である。この技術によれば、低いコストで高い精度の部品が作ることができ、その部品を用いた実装は、精度良く、低コスト化が可能であって、現在では、光ファイバーの実装において、大きな役割を担っている。
【０００４】
しかし、このような実装技術においても、単に光ファイバーと端面レーザーとを光結合するものにとどまり、その汎用性や、その製造コストの面で、未だ、課題を残している。特に、面発光レーザーと光ファイバーや導波路との光結合などはその最も大きな課題の一つである。面発光レーザーやフォトダイオードは、その発光面，受光面が基板に対して垂直であり、従来の端面レーザーとは配置が大きく異なる。この面発光レーザーの課題に対し、４５°に傾いたミラーを介することで、同様なオプティカルベンチを提供するものがある。これにより、面発光レーザーなどに対する高精度の実装が可能になるが、製造コストの面では未だ課題を抱えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、面発光レーザやフォトダイオードなどの第１の光学素子とミラーなどの第２の光学素子とを低コストで高精度に実装可能な複合光学素子および複合光学部品および複合光学素子の製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、前記第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子であって、前記第１の光学素子基板と前記第２の光学素子基板とを基板面同士を貼り合わせ、そのとき、前記第１の光学素子基板の側面と前記第２の光学素子基板の側面とが略同一平面上にあることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の複合光学素子において、前記第１の光学素子は、面発光レーザーまたはフォトダイオードであることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の複合光学素子において、前記第２の光学素子基板の表面に、第３の光学素子を固定するガイドが設けられていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の複合光学素子において、前記第２の光学素子は、ミラーであることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の複合光学素子において、前記ミラーは、非球面であることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の複合光学素子において、前記第２の光学素子基板の上面には、第３の光学素子が固定され、第２の光学素子基板の下面には、第１の光学素子基板が固定されることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項７記載の発明は、請求項５乃至請求項６のいずれか一項に記載の複合光学素子において、前記ミラーの焦点に第１の光学素子と第３の光学素子が配置されていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の複合光学素子において、前記第２の光学素子基板にスルーホールが設けられていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の複合光学素子において、第１の光学素子と第３の光学素子との間に存在する光路部分に樹脂が封入されていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の複合光学素子において、第１の光学素子基板および／または第２の光学素子基板には、これらが貼り合わされる基板面に接着剤を注入するための溝が設けられていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の複合光学素子における第１の光学素子基板が平板状に配列された第１の光学素子部品と、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の複合光学素子における第２の光学素子基板が平板状に配列された第２の光学素子部品とが貼り合わされていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項１２記載の発明は、第１の光学素子基板が平板状に配列された状態の第１の光学素子部品を作製する工程と、第２の光学素子基板が平板状に配列された状態の第２の光学素子部品を作製する工程と、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせて、複合光学素子が平板状に配列された状態の複合光学部品とする工程と、複合光学部品において平板状に配列している個々の複合光学素子を分離する工程とを有していることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項１３記載の発明は、光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、前記第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子を基体に実装する工程と、基体に実装した複合光学素子に第３の光学素子を実装する工程とを有していることを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１乃至図３は本発明に係る複合光学素子の基本的な構成例を示す図である。図１乃至図３を参照して、本発明の各実施形態を説明する。なお、図１は斜視図、図２は正面図、図３は背面図である。
【００２０】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、図１乃至図３に示すように、光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子であって、前記第１の光学素子基板と前記第２の光学素子基板とを基板面同士を貼り合わせ、そのとき、前記第１の光学素子基板の側面と前記第２の光学素子基板の側面とが略同一平面上にあることを特徴としている。
【００２１】
このような構成では、第１の光学素子と第２の光学素子との間で確実な貼り合わせ（接着）に必要な面積を確保し、かつ最小限無駄のない形状となる。これにより、不要な材料を使うことなく、最も少量の基板の大きさとなる。
【００２２】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、上述した第１の実施形態の複合光学素子において、前記第１の光学素子は、面発光レーザーまたはフォトダイオードであることを特徴としている。
【００２３】
面発光レーザーやフォトダイオードは、端面レーザーと異なり、その光軸が基板に対し垂直となる。また、第２の光学素子と接合し固定する面も光軸に垂直となる。これにより、この固定面を十分にとるように設計することが可能になる。端面レーザーでは、その固定面に当る発光面部分は非常に狭く、十分な固定は不可能である。
【００２４】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態は、第１または第２の実施形態の複合光学素子において、第２の光学素子基板の表面に、第３の光学素子を固定するガイドが設けられていることを特徴としている。
【００２５】
このように、第２の光学素子基板の表面に、第３の光学素子を固定するガイドを設けることで、第３の光学素子を低コストで（簡単な形で）高い位置精度に実装することが可能になる。
【００２６】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態は、第１乃至第３のいずれかの実施形態の複合光学素子において、前記第２の光学素子は、ミラーであることを特徴としている。
【００２７】
このように、第２の光学素子をミラーにすることで、第１の光学素子の光軸と異なる角度に第３の光学素子を実装することが可能になる。これにより、設計の自由度が増し、第３の光学素子を固定する面を大きく取ることが可能になる。
【００２８】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態は、第４の実施形態の複合光学素子において、前記ミラーは、非球面であることを特徴としている。
【００２９】
このように、第２の光学素子であるミラーを非球面にすることで、実装誤差に対する光結合効率への影響が小さい形状を設計できる。
【００３０】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの実施形態の複合光学素子において、前記第２の光学素子基板の上面には、第３の光学素子が固定され、第２の光学素子基板の下面には、第１の光学素子基板が固定されることを特徴としている。
【００３１】
このような構成では、第１の光学素子の実装固定面と第３の光学素子の実装固定面がバッティングすることがなく、第２の光学素子は小型化が可能になり（第２の光学素子の面積をできるだけ小さくすることが可能となり）、部品コストを低減することができる。
【００３２】
（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態は、第５乃至第６のいずれかの実施形態の複合光学素子において、前記ミラーの焦点に第１の光学素子と第３の光学素子が配置されていることを特徴としている。
【００３３】
第５の実施形態のようにミラーは非球面であり、その焦点を最適に設計している。このミラーの焦点に第１の光学素子，第３の光学素子を設置することで、最適な光結合を実現できる（光結合器として、高い光結合効率を得ることができる）。
【００３４】
（第８の実施形態）
本発明の第８の実施形態は、図４に示すように、第１乃至第７のいずれかの実施形態の複合光学素子において、前記第２の光学素子基板にスルーホールが設けられていることを特徴としている。
【００３５】
この第８の実施形態では、第２の光学素子基板にスルーホールが設けられていることで、第１の光学素子である面発光レーザーやフォトダイオードなどの光学素子の電気接続が容易になる。これにより、第１の光学素子に裏面から電極をとるような無駄な加工をすることなく、複合光学素子を安価に製造することが可能になる。
【００３６】
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態は、図５に示すように、第１乃至第８のいずれかの実施形態の複合光学素子において、第１の光学素子と第３の光学素子との間に存在する光路部分に樹脂が封入されていることを特徴としている。
【００３７】
このように、屈折率をコントロールした樹脂を封入することで、第３の光学素子表面での反射などを低減することができる。これにより、別途、第３の光学素子表面に反射防止膜などを加工することが不要になり、製造コストを低減できる。
【００３８】
（第１０の実施形態）
本発明の第１０の実施形態は、図６に示すように、第１乃至第９のいずれかの実施形態の複合光学素子において、第１の光学素子基板および／または第２の光学素子基板には、これらが貼り合わされる基板面に接着剤を注入するための溝（注入溝）が設けられていることを特徴としている。
【００３９】
接着溝以外の領域で、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板とは当接しており、この領域において実装精度が決められている。このように、第１０の実施形態では、接着剤を注入する溝を設けることで、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板とが貼り合わされる基板面に接着剤が挟まれることがなくなり（接着剤の厚さによって実装誤差が生じるのを防止でき（実装精度の低下を防止でき））、かつ、固定する機能を得ることができる。
【００４０】
（第１１の実施形態）
本発明の第１１の実施形態は、第１乃至第１０のいずれかの実施形態の複合光学素子における第１の光学素子基板が平板状に配列された第１の光学素子部品と、第１乃至第１０のいずれかの実施形態の複合光学素子における第２の光学素子基板が平板状に配列された第２の光学素子部品とが貼り合わされていることを特徴とする複合光学部品である。すなわち、第１の光学素子が面発光レーザーやフォトダイオードである場合には、複数の第１の光学素子（基板）を平板状に配列することが可能である。
【００４１】
具体的には、第１０の実施形態に示すように第１乃至第９のいずれかの実施形態の複合光学素子において、第１の光学素子基板および／または第２の光学素子基板には、これらが貼り合わされる基板面に接着剤を注入するための溝（注入溝）が設けられている場合に、注入溝に接着剤を注入する。この工程を、ウェハー毎に行なう。接着剤の注入は毛細管現象を利用する事により、大きなウェハーの状態で可能である。接着剤の注入をウェハーごとに行なう事で、接着剤の注入を１つの素子毎に行なう場合に比べて、遥かに多くの素子を一度に作製することができる。この後に、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板とを同時にダイシングし、それぞれの複合光学素子に切り分けることができる。これにより、製造コストを遥かに小さくすることができる。
【００４２】
（第１２の実施形態）
本発明の第１２の実施形態は、図７（ａ）乃至（ｃ）に概略を示すように、第１の光学素子基板が平板状に配列された状態の第１の光学素子部品を作製する工程と、第２の光学素子基板が平板状に配列された状態の第２の光学素子部品を作製する工程と、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせて、複合光学素子が平板状に配列された状態の複合光学部品とする工程と、複合光学部品において平板状に配列している個々の複合光学素子を分離する工程とを有していることを特徴としている。
【００４３】
図７（ａ）乃至（ｃ）に示すように、複数の素子を一括して同時に加工することにより、１つ１つの実装コストを大幅に低減できる。通常、半導体プロセスを用いる第１の光学素子や第２の光学素子は、ウェハー状に加工される。そのため、一般的に作製される第１，第２の光学素子は平板状に作成される。このため、平板状に配列して、加工することでのコスト高にはならない。
【００４４】
（第１３の実施形態）
本発明の第１３の実施形態は、光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、前記第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子を基体に実装する工程と、基体に実装した複合光学素子に第３の光学素子を実装する工程とを有していることを特徴としている。
【００４５】
ここで、基体とは、サブマウントやステム，プリント基板といったものである。この第１３の実施形態では、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板とを接合した複合光学素子をサブマウントなどの基体に実装する。この複合光学素子は、サブｍｍのオーダーと小型であるため、微調整が効き、高精度の実装が可能である。この状態であれば、ＬＳＩの接合，ワイヤーボンディングなどの電気接合などを行なうことも可能である。光ファイバーなどの大きな光学素子を一体化している場合には、このようなことは不可能である。全ての実装を終えた最後に、第３の光学素子を実装する。これは、第６の実施形態に示したように、第２の光学素子基板の下面に第１の光学素子基板を接合し、上面に第３の光学素子を実装するレイアウトで実現できる。
【００４６】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
【００４７】
（実施例１）
実施例１のデバイスは、図８に示すように、面発光レーザーが形成された第１の光学素子基板と第２の光学素子として曲面ミラーが形成された第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）と第３の光学素子としての光ファイバーからなる光学系とを備えた複合光学素子と、ＬＳＩと前記複合光学素子とが実装されているサブマウントと、サブマウントを固定しているプリント基板とからなっている。
【００４８】
ここで、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、曲面ミラーの光軸上に光ファイバー固定ガイド（Ｖ溝）が設けられている。また、第２の光学素子基板と第１の光学素子基板とは、それぞれの側面（４つの側面）が同一平面上にあるように構成されている。また、曲面ミラーは、その表面が非球面の形状となっており、曲面ミラーの焦点は、第１の光学素子（面発光レーザー）と光ファイバーの端面とに合わされている。そして、曲面ミラーの非球面形状は、それぞれの焦点が合い、かつ、実装精度がある程度低下した場合にも、その結合効率がそれほど低下しないように設計されている。
【００４９】
この実施例１のデバイスは、次のように作製される。なお、第１の光学素子である面発光レーザーは、ＧａＩｎＮＡｓ系の材料で、その波長は１．３μｍ帯となっている。第１の光学素子である面発光レーザーは、４インチの大きさ（例えば直径）のウェハー上に配列された状態で作製される。その配列位置は、第２の光学素子と合わせて設計されている。
【００５０】
また、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、４インチの大きさ（例えば直径）、厚さ０．５ｍｍのＳｉウェハーを用いた。そして、第２の光学素子基板に、フォトリソプロセスとエッチングプロセスを併用して、任意立体形状を作りこむ。初めに、第２の光学素子基板の一方の面（表面）に光ファイバー用のガイド機構を加工する。ガイド機構は光ファイバーを精度良く固定する機構であれば良く、その形状は、Ｖ型，Ｕ型など、どのような形状でも良い。いまの例では、フォトリソプロセスによってマスクを加工し、異方性エッチングを利用したＶ溝をガイド機構として形成した。次に、第２の光学素子基板の他方の面（裏面）にミラー面を作りこむ。このミラー面を、先ほどのＶ溝と同様に、フォトリソによるレジストマスク加工と異方性エッチングによって作る。異方性エッチングではその角度が制限されるために、４５°に加工することは難しい。一度異方性エッチングで作製されたミラーを再度、フォトリソプロセスによって、４５°でかつ非球面に仕上げる。この時には、一般的なマスクではなく、グレースケールマスクを用いた。
【００５１】
グレースケールマスク方法では、フォトリソグラフィーに用いるマスクを、透過率が１と０の細かいドットによって階調表現したものや中間調によって表現されたものがある。階調表現によって、明るい部分，暗い部分ができ、これをフォトレジストに露光する事で、暗い所は高く、明るい所は低く（ポジレジストの場合）、中間高さを含む、高さ表現されたレジスト形状を得ることができる。このようにマスク形状を工夫する事で、レジストを３次元的かつ任意形状に加工する事ができる（グレースケールマスクの作製方法の詳細は特開平１１−１７７１２３，特開２０００−２８０３６６などに示されている）。
【００５２】
このグレースケールマスクを利用することで、４５°のミラー表面を非球面形状に加工することができる。異方性エッチングによって傾斜面を作製し、その表面にスプレーコーターによって、レジストを塗布する。レジストは表面に凹凸があろうとも、ほぼ均一に膜厚が制御されている。この膜に先ほどのグレースケールマスクを用いて、傾斜面に塗布されたレジストに露光する。これを現像することで、設計された非球面の形状を作りこむ。このレジストをドライエッチングによって、基板に転写する。非球面形状は実装した時の誤差による結合効率の低下を緩和するように設計されている。特に、非球面にすることで、そのビームウエストが光ファイバーの直径に小さくなる領域をできるだけ大きくなるように設計されている。これにより、光軸に水平方向の誤差には、影響が小さい光学系となっている。
【００５３】
この曲面ミラーを加工したＳｉウェハー（第２の光学素子部品）と面発光レーザーを作りこんだウェハー（第１の光学素子部品）とを貼り合わせる（図７（ｂ）を参照）。貼り合わせには、図７（ａ）に示されているように、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品の一部に作られているアライメントマークを合わせるように位置合わせをする。位置合わせには顕微鏡観察し、微動ができる装置を利用する。アライメントマークは、それぞれのフォトリソプロセスにおいて同時に作られているため、その位置精度は高い。また、接着剤は、貼り合わせる前に、第２の光学素子部品の表面に塗布されている。この第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせたウェハーをダイシング装置で個別の複合光学素子に分離する（図７（ｃ）を参照）。ダイシングは２枚同時に行なう。複合光学素子単体はそれぞれ、接着剤によって貼り合わされている。これにより、図１乃至図３に示すような側面（４つの側面）が略同一平面上にある複合光学素子を得ることができる。
【００５４】
そして、この複合光学素子を、図８に示すように、サブマウントに実装する。サブマウントには、複合光学素子以外にも、面発光レーザーを駆動するＬＳＩやその配線などが作りこまれている。この複合光学素子とサブマウントの実装は、電気的な接合ができれば良く、その精度は高いものを要求されない。
【００５５】
実施例１では、面発光レーザーやＬＳＩは一般的なバンプによる実装とした。実施例１で用いた面発光レーザーは、両極の電極を裏面から取れるように、基板にスルーホールを作りこんである。
【００５６】
複合光学素子やＬＳＩが実装されたサブマウントは、プリント基板に実装される。実装は一般的な半田で良い。この場合には、複合光学素子部にはポリイミドなどの樹脂による保護膜を付けておく。これにより、半田による汚染を防止できる。また、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板との貼り合わせ（接合）に用いた接着剤は、半田による高温プロセスに耐えうるものを採用している。
【００５７】
そして、複合光学素子のサブマウントが実装されたプリント基板には、光ファイバー用のスペーサーを作りこむ。これは、光ファイバーを単に固定する機能を有しているだけであり、実装精度を上げる機能はない。このスペーサーに光ファイバーの一部を固定すると同時に、複合光学素子に設けられているＶ溝に光ファイバーの端部を設置する。Ｖ溝は光ファイバーの形状に合わせて設計されており、正確に実装されることで、光損失はほとんどない。Ｖ溝は、上から光ファイバーをあてがうだけで、正確な位置に誘導する機能を持つ。光ファイバーにおける光軸方向の実装精度は、光ファイバーを複合光学素子に当接することで、高い精度を有している。
【００５８】
（実施例２）
実施例２のデバイスは、図５，図８に示すように、面発光レーザーが形成された第１の光学素子基板と第２の光学素子としての曲面ミラーが形成された第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）と第３の光学素子としての光ファイバーからなる光学系とを備えた複合光学素子と、ＬＳＩと第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）とが実装されているサブマウントと、サブマウントを固定しているプリント基板とからなっている。
【００５９】
ここで、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、曲面ミラーの光軸上に光ファイバー固定ガイド（Ｖ溝）が設けられている。また、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、図５に示すように、電極配線用のスルーホールが設けられている。このスルーホールの上方からワイヤーボンディングで電気的に面発光レーザーは接続されている。また、第２の光学素子基板と第１の光学素子基板とは、それぞれの側面（４つの側面）が同一平面上にあるように構成されている。また、曲面ミラーは、その表面が非球面の形状となっており、曲面ミラーの焦点は、第１の光学素子（面発光レーザー）と光ファイバーの端面とに合わされている。そして、曲面ミラーの非球面形状は、それぞれの焦点が合い、かつ、実装精度がある程度低下した場合にもその結合効率がそれほど低下しないように設計されている。また、この実施例２では、図５に示されているように、面発光レーザーから光ファイバーまでの光路部分に透明な樹脂が封入されている。これにより、不要な反射光も抑えることができ、ノイズを低減できる。
【００６０】
この実施例２のデバイスは、次のように作製される。なお、第１の光学素子である面発光レーザーは、ＧａＩｎＮＡｓ系の材料で、その波長は１．３μｍ帯となっている。第１の光学素子である面発光レーザーは、４インチの大きさ（例えば直径）のウェハー上に配列された状態で作製される。その配列位置は、第２の光学素子と合わせて設計されている。
【００６１】
また、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、４インチの大きさ（例えば直径）、厚さ０．５ｍｍのＳｉウェハーを用いた。そして、第２の光学素子基板に、フォトリソプロセスとエッチングプロセスを併用して、任意立体形状を作りこむ。初めに、第２の光学素子基板の一方の面（表面）に光ファイバー用のガイド機構を加工する。ガイド機構は光ファイバーを精度良く固定する機構であれば良く、その形状は、Ｖ型，Ｕ型など、どのような形状でも良い。いまの例では、フォトリソプロセスによってマスクを加工し、異方性エッチングを利用したＶ溝をガイド機構として形成した。次に、第２の光学素子基板の他方の面（裏面）にミラー面を作りこむ。このミラー面を、先ほどのＶ溝と同様に、フォトリソによるレジストマスク加工と異方性エッチングによって作る。異方性エッチングではその角度が制限されるために、４５°に加工することは難しい。一度異方性エッチングで作製されたミラーを再度、フォトリソプロセスによって、４５°でかつ非球面に仕上げる。この時には、一般的なマスクではなく、グレースケールマスクを用いた。
【００６２】
このグレースケールマスクを利用することで、４５°のミラー表面を非球面形状に加工することができる。異方性エッチングによって傾斜面を作製し、その表面にスプレーコーターによって、レジストを塗布する。レジストは表面に凹凸があろうとも、ほぼ均一に膜厚が制御されている。この膜に先ほどのグレースケールマスクを用いて、傾斜面に塗布されたレジストに露光する。これを現像することで、設計された非球面の形状を作りこむ。このレジストをドライエッチングによって、基板に転写する。非球面形状は実装した時の誤差による結合効率の低下を緩和するように設計されている。特に、非球面にすることで、そのビームウエストが光ファイバーの直径に小さくなる領域をできるだけ大きくなるように設計されている。これにより、光軸に水平方向の誤差には、影響が小さい光学系となっている。
【００６３】
この曲面ミラーを加工したＳｉウェハー（第２の光学素子部品）と面発光レーザーを作りこんだウェハー（第１の光学素子部品）とを貼り合わせる（図７（ｂ）を参照）。貼り合わせには、図７（ａ）に示されているように、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品の一部に作られているアライメントマークを合わせるように位置合わせをする。位置合わせには顕微鏡観察し、微動ができる装置を利用する。アライメントマークは、それぞれのフォトリソプロセスにおいて同時に作られているため、その位置精度は高い。また、接着剤は、貼り合わせる前に、第２の光学素子部品の表面に塗布されている。この第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせたウェハーをダイシング装置で個別の複合光学素子に分離する（図７（ｃ）を参照）。ダイシングは２枚同時に行なう。複合光学素子単体はそれぞれ、接着剤によって貼り合わされている。これにより、図１乃至図３に示すような側面（４つの側面）が略同一平面上にある複合光学素子を得ることができる。
【００６４】
そして、この複合光学素子を、図８に示すように、サブマウントに実装する。サブマウントには、複合光学素子以外にも、面発光レーザーを駆動するＬＳＩやその配線などが作りこまれている。この複合光学素子とサブマウントの実装は、電気的な接合ができれば良く、その精度は高いものを要求されない。
【００６５】
実施例２では、面発光レーザーやＬＳＩは一般的なワイヤーボンディングとした。面発光レーザーは、裏面をグラウンド（接地レベル）として、表面に信号（シグナル）をとる電極を備えている。グラウンド（接地）はサブマウントにバンプやハンダによって直接接合されている。また、面発光レーザーの表面の電極は、第２の光学素子基板に設けたスルーホールを利用して接続される。なお、スルーホールは、単なる穴で良く、表面に光ファイバー用のＶ溝を作る時と、ミラーを作る裏面への加工の時に、スルーホール用にマスクを設計しておく。これにより、第２の光学素子の基板には電極用のスルーホールが設けられ、電極を取ることができる。
【００６６】
複合光学素子やＬＳＩが実装されたサブマウントは、プリント基板に実装される。実装は一般的な半田で良い。この場合には、複合光学素子部にはポリイミドなどの樹脂による保護膜を付けておく。これにより、半田による汚染を防止できる。また、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板との貼り合わせ（接合）に用いた接着剤は、半田による高温プロセスに耐えうるものを採用している。
【００６７】
そして、図５に示すように、第１の光学素子と第３の光学素子との間に存在する光路部分に透明な樹脂を封入する。樹脂には、熱硬化型のものを利用し、屈折率がコントロールされている。この樹脂の硬化は、光ファイバ−を設置した後に熱を加える事で行なう。
【００６８】
そして、複合光学素子のサブマウントが実装されたプリント基板には、光ファイバー用のスペーサーを作りこむ。これは、光ファイバーを単に固定する機能を有しているだけであり、実装精度を上げる機能はない。このスペーサーに光ファイバーの一部を固定すると同時に、複合光学素子に設けられているＶ溝に光ファイバーの端部を設置する。Ｖ溝は光ファイバーの形状に合わせて設計されており、正確に実装されることで、光損失はほとんどない。Ｖ溝は、上からファイバーをあてがうだけで，正確な位置に誘導する機能を持つ。光ファイバーにおける光軸方向の実装精度は、光ファイバーを複合光学素子に当接することで、高い精度を有している。
【００６９】
（実施例３）
実施例３のデバイスは、図６，図８に示すように、フォトダイオードが形成された第１の光学素子基板と第２の光学素子としての曲面ミラーが形成された第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）と第３の光学素子としての光ファイバーからなる光学系とを備えた複合光学素子と、ＬＳＩと第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）とが実装されているサブマウントと、サブマウントを固定しているプリント基板とからなっている。
【００７０】
ここで、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、曲面ミラーの光軸上に光ファイバー固定ガイド（Ｖ溝）が設けられている。また、第２の光学素子基板と第１の光学素子基板とは、それぞれの側面（４つの側面）が同一平面上にあるように構成されている。曲面ミラーは、その表面が非球面の形状となっており、曲面ミラーの焦点は、第１の光学素子（フォトダイオード）と光ファイバーの端面とに合わされている。そして、曲面ミラーの非球面形状は、それぞれの焦点が合い、かつ、実装精度がある程度低下した場合にも、その結合効率がそれほど低下しないように設計されている。また、この実施例３では、第２の光学素子基板に接着剤の注入溝が設けられている。この注入溝の部分に接着剤が注入されることで、第２の光学素子基板は第１の光学素子基板と接合固定されるようになっている。
【００７１】
この実施例３のデバイスは、次のように作製される。第１の光学素子であるフォトダイオードは、Ｓｉによって作製され、４インチの大きさ（例えば直径）のウェハー上に配列された状態で作製される。その配列位置は、第２の光学素子と合わせて設計されている。
【００７２】
また、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、４インチの大きさ（例えば直径）、厚さ０．５ｍｍのＳｉウェハーを用いた。そして、第２の光学素子基板に、フォトリソプロセスとエッチングプロセスを併用して、任意立体形状を作りこむ。初めに、第２の光学素子基板の一方の面（表面）に光ファイバー用のガイド機構を加工する。ガイド機構は光ファイバーを精度良く固定する機構であれば良く、その形状は、Ｖ型，Ｕ型など、どのような形状でも良い。いまの例では、フォトリソプロセスによってマスクを加工し、異方性エッチングを利用したＶ溝をガイド機構として形成した。次に、第２の光学素子基板の他方の面（裏面）にミラー面を作りこむ。このミラー面を、先ほどのＶ溝と同様に、フォトリソによるレジストマスク加工と異方性エッチングによって作る。異方性エッチングではその角度が制限されるために、４５°に加工することは難しい。一度異方性エッチングで作製されたミラーを再度、フォトリソプロセスによって、４５°でかつ非球面に仕上げる。この時には、一般的なマスクではなく、グレースケールマスクを用いた。
【００７３】
このグレースケールマスクを利用することで、４５°のミラー表面を非球面形状に加工することができる。異方性エッチングによって傾斜面を作製し、その表面にスプレーコーターによって、レジストを塗布する。レジストは表面に凹凸があろうとも、ほぼ均一に膜厚が制御されている。この膜に先ほどのグレースケールマスクを用いて、傾斜面に塗布されたレジストに露光する。これを現像することで、設計された非球面の形状を作りこむ。このレジストをドライエッチングによって、基板に転写する。非球面形状は実装した時の誤差による結合効率の低下を緩和するように設計されている。特に、非球面にすることで、そのビームウエストが光ファイバーの直径に小さくなる領域をできるだけ大きくなるように設計されている。これにより、光軸に水平方向の誤差には、影響が小さい光学系となっている。
【００７４】
この曲面ミラーを加工したＳｉウェハー（第２の光学素子部品）とフォトダイオードを作りこんだウェハー（第１の光学素子部品）とを貼り合わせる（図７（ｂ）を参照）。貼り合わせには、図７（ａ）に示されているように、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品の一部に作られているアライメントマークを合わせるように位置合わせをする。位置合わせには顕微鏡観察し、微動ができる装置を利用する。アライメントマークは、それぞれのフォトリソプロセスにおいて同時に作られているため、その位置精度は高い。また、第２の光学素子部品である曲面ミラーが作りこまれたＳｉウェハーには接着剤が流し込まれる溝（注入溝）が作られている。この溝は、流路のように作られ、接着剤を一方向から流しこむことで、全体に広がるように作られている。
【００７５】
この第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせたウェハーをダイシング装置で個別の複合光学素子に分離する（図７（ｃ）を参照）。ダイシングは２枚同時に行なう。先の接着剤により、複合光学素子単体はそれぞれ、接着剤によって貼り合わされている。これにより、図１乃至図３に示すような側面（４つの側面）が略同一平面上にある複合光学素子を得ることができる。
【００７６】
そして、この複合光学素子を、図８に示すように、サブマウントに実装する。サブマウントには、複合光学素子以外にも、フォトダイオードを駆動するＬＳＩやその配線などが作りこまれている。この複合光学素子とサブマウントの実装は、電気的な接合ができれば良く、その精度は高いものを要求されない。実施例３では、フォトダイオードやＬＳＩは一般的なバンプによる実装とした。実施例３で用いたフォトダイオードは、両極の電極を裏面から取れるように、基板にスルーホールを作りこんである。
【００７７】
複合光学素子やＬＳＩが実装されたサブマウントは、プリント基板に実装される。実装は一般的な半田で良い。この場合には、複合光学素子部にはポリイミドなどの樹脂による保護膜を付けておく。これにより、半田による汚染を防止できる。また、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板との貼り合わせ（接合）に用いた接着剤は、半田による高温プロセスに耐えうるものを採用している。
【００７８】
そして、複合光学素子のサブマウントが実装されたプリント基板には、光ファイバー用のスペーサーを作りこむ。これは、光ファイバーを単に固定する機能を有しているだけであり、実装精度を上げる機能はない。このスペーサーに光ファイバーの一部を固定すると同時に、複合光学素子に設けられているＶ溝に光ファイバーの端部を設置する。Ｖ溝は光ファイバーの形状に合わせて設計されており、正確に実装されることで、光損失はほとんどない。Ｖ溝は、上から光ファイバーをあてがうだけで，正確な位置に誘導する機能を持つ。光ファイバーにおける光軸方向の実装精度は、光ファイバーを複合光学素子に当接することで、高い精度を有している。
【００７９】
（実施例４）
実施例４のデバイスは、図９，図１０に示すように、面発光レーザーが形成された第１の光学素子基板と第２の光学素子としてのマイクロレンズが形成された第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）と第３の光学素子としての光ファイバーからなる光学系とを備えた複合光学素子と、ＬＳＩと第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）とが実装されているサブマウントと、サブマウントを固定しているプリント基板とからなっている。
【００８０】
ここで、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、マイクロレンズの光軸上に光ファイバー固定ガイドが設けられている。また、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）と第１の光学素子基板とは、それぞれの側面（４つの側面）が同一平面上にあるように構成されている。マイクロレンズは、その表面が非球面の形状となっており、マイクロレンズの焦点は、第１の光学素子（面発光レーザー）と光ファイバーの端面とに合わされている。そして、マイクロレンズの非球面形状は、それぞれの焦点が合い、かつ、実装精度がある程度低下した場合にもその結合効率がそれほど低下しないように設計されている。また、この実施例４では、第２の光学素子基板に接着剤の注入溝が設けられている。この注入溝の部分に接着剤が注入されることで、第２の光学素子基板は第１の光学素子基板と接合固定されるようになっている。
【００８１】
この実施例４のデバイスは、次のように作製される。なお、第１の光学素子である面発光レーザーは、ＧａＩｎＮＡｓ系の材料で、その波長は１．３μｍ帯となっている。第１の光学素子である面発光レーザーは、４インチの大きさ（例えば直径）のウェハー上に配列された状態で作製される。その配列位置は、第２の光学素子と合わせて設計されている。
【００８２】
また、第２の光学素子基板（オプティカルベンチ）には、４インチの大きさ（例えば直径）、厚さ０．５ｍｍの石英ウェハーを用いた。そして、第２の光学素子基板に、フォトリソプロセスとエッチングプロセスを併用して、任意立体形状を作りこむ。初めに、第２の光学素子基板の一方の面（表面）に光ファイバー用のガイド機構を加工する。ガイド機構は光ファイバーを精度良く固定する機構であれば良く、その形状は、Ｖ型，Ｕ型など、どのような形状でも良い。いまの例では、フォトリソプロセスによってマスクを加工し、ドライエッチングを利用してガイド機構を形成した。次に、第２の光学素子基板の他方の面（裏面）にマイクロレンズ面を作りこむ。このマイクロレンズ面を、先ほどのガイド機構と同様に、フォトリソによるレジストマスク加工とドライエッチングによって作る。この時には、一般的なマスクではなく、グレースケールマスクを用いた。マイクロレンズは非球面形状であり、これは実装した時の誤差による結合効率の低下を緩和するように設計されている。特に、非球面にすることで、そのビームウエストが光ファイバーの直径に小さくなる領域をできるだけ大きくなるように設計してある。これにより、光軸に水平方向の誤差には、影響が小さい光学系となっている。
【００８３】
そして、このマイクロレンズを加工した石英ウェハー（第２の光学素子部品）と面発光レーザーを作りこんだウェハー（第１の光学素子部品）とを貼り合わせる（図７（ｂ）を参照）。貼り合わせには、図７（ａ）に示されているように、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品の一部に作られているアライメントマークを合わせるように位置合わせをする。位置合わせには顕微鏡観察し、微動ができる装置を利用する。アライメントマークは、それぞれのフォトリソプロセスにおいて同時に作られているため、その位置精度は高い。また、マイクロレンズが作りこまれた第２の光学素子部品である石英ウェハーには、接着剤が流し込まれる溝（注入溝）が作られている。この溝は、流路のように作られ、接着剤を一方向から流しこむことで、全体に広がるように作られている。
【００８４】
この第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせたウェハーをダイシング装置で個別の複合光学素子に分離する（図７（ｃ）を参照）。ダイシングは２枚同時に行なう。先の接着剤により、複合光学素子単体はそれぞれ、接着剤によって貼り合わされている。これにより、図１乃至図３に示すような側面（４つの側面）が略同一平面上にある複合光学素子を得ることができる。
【００８５】
そして、この複合光学素子を、図１０に示すように、サブマウントに実装する。サブマウントには、複合光学素子以外にも、面発光レーザーを駆動するＬＳＩやその配線などが作りこまれている。この複合光学素子とサブマウントの実装は、電気的な接合ができれば良く、その精度は高いものを要求されない。実施例４では、面発光レーザーやＬＳＩは一般的なワイヤーボンディングとした。面発光レーザーは裏面をグラウンドとして、表面に信号（シグナル）をとる電極を備えている。グラウンドはサブマウントにバンプやハンダによって直接接合されている。また、面発光レーザーの表面の電極は、第２の光学素子基板に設けたスルーホールを利用して接続される。なお、スルーホールは、単なる穴で良く、表面に光ファイバー用のＶ溝を作る時と、ミラーを作る裏面への加工の時に、スルーホール用にマスクを設計しておく。これにより、第２の光学素子基板には電極用のスルーホールが設けられ、電極を取ることができる。
【００８６】
複合光学素子やＬＳＩが実装されたサブマウントは、プリント基板に実装される。実装は一般的な半田で良い。この場合には、複合光学素子部にはポリイミドなどの樹脂による保護膜を付けておく。これにより、半田による汚染を防止できる。また、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板との貼り合わせ（接合）に用いた接着剤は、半田による高温プロセスに耐えうるものを採用している。
【００８７】
そして、複合光学素子のサブマウントが実装されたプリント基板には、光ファイバー用のスペーサーを作りこむ。これは、光ファイバーを単に固定する機能を有しているだけであり、実装精度を上げる機能はない。このスペーサーに光ファイバーの一部を固定すると同時に、複合光学素子に設けられているＶ溝に光ファイバーの端部を設置する。Ｖ溝は光ファイバーの形状に合わせて設計されており、正確に実装されることで、光損失はほとんどない。Ｖ溝は上からファイバーをあてがうだけで，正確な位置に誘導する機能を持つ。光ファイバーにおける光軸方向の実装精度は、光ファイバーを複合光学素子に当接することで、高い精度を有している。
【００８８】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項１０記載の発明によれば、光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、前記第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子であって、前記第１の光学素子基板と前記第２の光学素子基板とを基板面同士を貼り合わせ、そのとき、前記第１の光学素子基板の側面と前記第２の光学素子基板の側面とが略同一平面上にあるので、無駄な材料を使うことなく、面発光レーザやフォトダイオードなどの第１の光学素子とミラーなどの第２の光学素子とを低コストで高精度に実装することが可能になる。
【００８９】
特に、請求項２記載の発明では、第１の光学素子として、面発光レーザーやフォトダイオードような光軸と垂直に平面状の素子を用いることで、固定する面が大きくとれ、十分な固定強度を得ることができる。これにより、一般的な接着剤による固定が可能になり、低コストの製造が可能になる。
【００９０】
また、請求項３記載の発明では、第２の光学素子基板に第３の光学素子を固定するガイドを設けたことにより、第３の光学素子を簡便に高い位置精度に誘導でき、これにより、低コストの実装が可能になる。
【００９１】
また、請求項４記載の発明では、第２の光学素子をミラーとすることで、第３の光学素子を安定して固定できるようにレイアウトを作ることができる。これにより、第３の光学素子を特殊な固定方法を採用する必要がなく製造工程がシンプルになり、低コストで実装が可能になる。
【００９２】
また、請求項５記載の発明では、第２の光学素子のミラー面を非球面にすることで、より高い光結合効率を得ることができる。また、形状を最適化することで、実装誤差に大きな影響を受けない光結合効率を実現できる複合光学素子を提供できる。
【００９３】
また、請求項６記載の発明では、第２の光学素子基板において、第１の光学素子基板を固定する面を下面にし、第３の光学素子を固定する面を上面とすることで、第１の光学素子基板と第３の光学素子とを狭い領域に配置することができ、第２の光学素子基板を小型化でき、製造コストを低減できる。
【００９４】
また、請求項７記載の発明では、第２の光学素子の焦点位置に第１の光学素子と第３の光学素子を配置することで、それぞれ高い光結合効率を得る事ができる。
【００９５】
また、請求項８記載の発明では、第２の光学素子基板にスルーホールを設けることで、簡便に電気接続が可能になり、低コストでの実装が可能になる。
【００９６】
また、請求項９記載の発明では、第１の光学素子と第３の光学素子の間における光路部分に樹脂が封入されているので、第３の光学素子の表面に反射防止膜などを加工することが不要になり、製造コストを低減できる。
【００９７】
また、請求項１０記載の発明では、第１の光学素子基板と第２の光学素子基板とが貼り合わされる基板面に接着剤を注入するための溝を設けているので、接着剤が第１の光学素子基板と第２の光学素子基板との当接部分に挟まれることなく、実装精度の低下を防止できる。
【００９８】
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の複合光学素子における第１の光学素子基板が平板状に配列された第１の光学素子部品と、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の複合光学素子における第２の光学素子基板が平板状に配列された第２の光学素子部品とが貼り合わされており、第１の光学素子と第２の光学素子との実装をウェハーごと行なう事で、複合光学素子を１つ１つ実装する場合に比べ、遥かに製造コストが小さくなる。
【００９９】
また、請求項１２記載の発明によれば、第１の光学素子基板が平板状に配列された状態の第１の光学素子部品を作製する工程と、第２の光学素子基板が平板状に配列された状態の第２の光学素子部品を作製する工程と、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせて複合光学部品とする工程と、複合光学部品において平板状に配列している個々の複合光学素子を分離する工程とを有しているので、一度に多数の複合光学素子を作製することができる。
【０１００】
また、請求項１３記載の発明によれば、光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、前記第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子を基体に実装する工程と、基体に実装した複合光学素子に第３の光学素子を実装する工程とを有しており、第３の光学素子を最後に実装することで、ハンドリングが容易になり、実装精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る複合光学素子の基本的な構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る複合光学素子の基本的な構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る複合光学素子の基本的な構成例を示す図である。
【図４】第２の光学素子基板にスルーホールが設けられている複合光学素子を示す図である。
【図５】第１の光学素子と第３の光学素子との間に存在する光路部分に樹脂が封入されている複合光学素子を示す図である。
【図６】第１の光学素子基板および／または第２の光学素子基板には、これらが貼り合わされる基板面に接着剤を注入するための溝（注入溝）が設けられている複合光学素子を示す図である。
【図７】本発明に係る複合光学素子の製造工程例を示す図である。
【図８】本発明の実施例を説明するための図である。
【図９】本発明の実施例を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施例を説明するための図である。
Claims (13)
- 光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、前記第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子であって、前記第１の光学素子基板と前記第２の光学素子基板とを基板面同士を貼り合わせ、そのとき、前記第１の光学素子基板の側面と前記第２の光学素子基板の側面とが略同一平面上にあることを特徴とする複合光学素子。
- 請求項１記載の複合光学素子において、前記第１の光学素子は、面発光レーザーまたはフォトダイオードであることを特徴とする複合光学素子。
- 請求項１または請求項２記載の複合光学素子において、前記第２の光学素子基板の表面に、第３の光学素子を固定するガイドが設けられていることを特徴とする複合光学素子。
- 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の複合光学素子において、前記第２の光学素子は、ミラーであることを特徴とする複合光学素子。
- 請求項４記載の複合光学素子において、前記ミラーは、非球面であることを特徴とする複合光学素子。
- 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の複合光学素子において、前記第２の光学素子基板の上面には、第３の光学素子が固定され、第２の光学素子基板の下面には、第１の光学素子基板が固定されることを特徴とする複合光学素子。
- 請求項５乃至請求項６のいずれか一項に記載の複合光学素子において、前記ミラーの焦点に第１の光学素子と第３の光学素子が配置されていることを特徴とする複合光学素子。
- 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の複合光学素子において、前記第２の光学素子基板にスルーホールが設けられていることを特徴とする複合光学素子。
- 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の複合光学素子において、第１の光学素子と第３の光学素子との間に存在する光路部分に樹脂が封入されていることを特徴とする複合光学素子。
- 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の複合光学素子において、第１の光学素子基板および／または第２の光学素子基板には、これらが貼り合わされる基板面に接着剤を注入するための溝が設けられていることを特徴とする複合光学素子。
- 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の複合光学素子における第１の光学素子基板が平板状に配列された第１の光学素子部品と、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の複合光学素子における第２の光学素子基板が平板状に配列された第２の光学素子部品とが貼り合わされていることを特徴とする複合光学部品。
- 第１の光学素子基板が平板状に配列された状態の第１の光学素子部品を作製する工程と、第２の光学素子基板が平板状に配列された状態の第２の光学素子部品を作製する工程と、第１の光学素子部品と第２の光学素子部品とを貼り合わせて、複合光学素子が平板状に配列された状態の複合光学部品とする工程と、複合光学部品において平板状に配列している個々の複合光学素子を分離する工程とを有していることを特徴とする複合光学素子の製造方法。
- 光と電気とを変換する第１の光学素子が形成された第１の光学素子基板と、前記第１の光学素子から出射する光、または、前記第１の光学素子に入射する光を整形する第２の光学素子が形成された第２の光学素子基板とを有する複合光学素子を基体に実装する工程と、基体に実装した複合光学素子に第３の光学素子を実装する工程とを有していることを特徴とする複合光学素子の製造方法。
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