JP2006126754A - Light emitting module, its manufacturing method, optical transceiver module, and optical communication system - Google Patents

Light emitting module, its manufacturing method, optical transceiver module, and optical communication system Download PDF

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Morimasa Uenishi
盛聖 上西
Kazuhiko Adachi
一彦 安達
Masaki Hiroi
正樹 廣居
Koji Mori
孝二 森
Shunichi Sato
俊一 佐藤
Toshihiro Ishii
稔浩 石井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light emitting module which can connect a planar optical element with an optical fiber by bending it by 90°, without the need of increasing the number of components nor improving process controllability, and uses a surface emitting semiconductor laser capable of enhancing alignment accuracy and reducing cost, and also to provide the manufacturing method of this module and an optical communication system using this module. <P>SOLUTION: The light emitting module couples the light emitting element 1 of the surface emitting semiconductor laser having an oscillating wavelength of ≥1.1 μm and an optical fiber 2. This light emitting module is composed of a micro-lens 5 which is formed by machining an Si mono-crystal and collimates or condenses the vertically emitted light of the semiconductor laser element 1 to parallel light, a reflection prism 3 that uses as a reflection face the Si (111) face formed by machining the Si mono-crystal for the purpose of bending collimated or condensed light by nearly 90°, and an optical fiber guiding V-groove structure 4 formed on the Si (111) face, wherein the micro-lens 5, the reflection prism 3 and the guiding V-groove structure 4 are integrally formed. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、面発光型半導体レーザを用いた発光モジュール、この発光モジュールの製造方法及びこの発光モジュールを使用する光通信装置に関するものである。   The present invention relates to a light emitting module using a surface emitting semiconductor laser, a method for manufacturing the light emitting module, and an optical communication apparatus using the light emitting module.

従来、発光素子においては、基板面から垂直に光出射を行う垂直共振器型面発光レーザが、光伝送モジュールの低消費電力化、低コスト化の観点で改善できる可能性があり、盛んに研究されている(例えば特許文献1乃至5参照)。
ところで、近年、高速光接続のための光モジュールが開発されている。しかし、光素子と光ファイバなどの光伝送体との結合に関しては、とくに、低コスト化、高性能化などの観点から課題が多い。
面発光レーザでは、1mA以下の低いしきい値で駆動でき、ウエハレベルの検査が可能で、へき開精度を必要としないため、低コスト化が可能である。このような面発光レーザと光ファイバとの光結合においては、素子を動作させないでアライメントするパッシブアライメントが低コスト化のためには必須である。
そのための手法として、一般には固定部材を作製して組み立てるという方法が用いられている。しかし、固定部材の機械精度が要求され、その弾性係数や熱膨張係数などに制約があり、また部品点数も多くなるために、コスト低減が困難であった。とくに、コスト低減のためにプラスチックモールドなどを用いると、光結合の歩留まりや長期信頼性に欠けるという問題点がある。
そこで、光ファイバとの結合のためのガイド穴をフォトリソグラフィ技術の加工精度で作製する方法が提案されている。例えば、特許文献1及び2では、面型受光素子もしくは発光素子を作製した基板側に光ファイバを固定するための穴を、光感光性あるいは電子ビーム硬化性を有しかつフォトリソグラフィでパターニングすることによって選択的に硬化可能な厚膜材料により形成するものが開示されている。
また、特許文献3にも、面発光レーザが設置されている側の面上に、所定の膜厚を有する融着層が形成され、光装置は光ファイバの端面と融着層を介して接合される方法が開示されている。これらの場合、部品点数を減少させることができ、組み立ても非常に簡単なので、低コスト化が可能である。
特開2002−33546公報 特開2002−214485公報 特開2002−107581公報 特開2001−141965公報 特開平9−127375号公報
Conventionally, in light emitting devices, vertical cavity surface emitting lasers that emit light perpendicularly from the substrate surface can be improved in terms of reducing power consumption and cost of optical transmission modules. (For example, see Patent Documents 1 to 5).
Incidentally, in recent years, optical modules for high-speed optical connection have been developed. However, there are many problems regarding the coupling between the optical element and the optical transmission body such as an optical fiber, particularly from the viewpoint of cost reduction and high performance.
A surface emitting laser can be driven with a low threshold value of 1 mA or less, can perform wafer level inspection, and does not require cleavage accuracy, so that the cost can be reduced. In such optical coupling between a surface emitting laser and an optical fiber, passive alignment that performs alignment without operating an element is essential for cost reduction.
As a technique for that purpose, a method of producing and assembling a fixing member is generally used. However, the mechanical accuracy of the fixing member is required, the elastic coefficient and the thermal expansion coefficient are limited, and the number of parts is increased, so that cost reduction is difficult. In particular, when a plastic mold or the like is used for cost reduction, there is a problem that the yield of optical coupling and long-term reliability are lacking.
Therefore, a method has been proposed in which a guide hole for coupling with an optical fiber is produced with a processing accuracy of photolithography technology. For example, in Patent Documents 1 and 2, a hole for fixing an optical fiber on a substrate side on which a surface light receiving element or a light emitting element is manufactured has photosensitivity or electron beam curability and is patterned by photolithography. Is formed by a thick film material that can be selectively cured.
Also in Patent Document 3, a fusion layer having a predetermined film thickness is formed on the surface on which the surface emitting laser is installed, and the optical device is bonded to the end face of the optical fiber via the fusion layer. A method is disclosed. In these cases, the number of parts can be reduced and the assembly is very simple, so that the cost can be reduced.
JP 2002-33546 A JP 2002-214485 A JP 2002-107581 A JP 2001-141965 A JP-A-9-127375

しかしながら、厚膜材料によりガイド穴を作製する場合、厚膜材料が薄ければテーパ形状や穴径の制御性は良いが機械的強度が不足し、厚膜材料が厚ければ機械的強度は良いがテーパ形状や穴径の制御性不充分になるという問題点がある。
一方、融着層を用いる方法では、発光点または受光点と、光ファイバとの位置合わせが困難であるという不都合がある。
また、厚膜材料によりガイド穴を作製する場合、融着層を用いる方法双方ともに、光ファイバは面型光素子に直交して接続されることになる。光ファイバは急激に曲げることができないため、同一ボード内での接続に適用すると、ボード上に大きいループを形成することになり機器内で広い空間を占有することになり好ましくないという問題がある。
また、従来の一般的な方法として、完成した面型光素子、ミラー及びファイバ固定材をそれぞれ順次組み立てる方法が幾つか提案されている(特許文献4及び5)。
しかしながら、これらの方法では光ファイバの結合方向を基板と平行にすることは可能であるが、部品点数が多くなること、それぞれの部品同士の高精度の組み立てが必要とされる個所が増え、製造が困難であること、組み立てに長時間を要すること等の不具合がある。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、面型光素子の発光部または受光部上に、Si異方性エッチングによって形成されたSi(111)面よりなる45°傾いた反射プリズム構造と、この反射プリズム構造と同時にSi異方性エッチングで形成されたSi(111)面よりなる光ファイバガイド用V溝構造物、及びマイクロマシンニングにより形成した集光用のマイクロレンズを一体として設置し、部品点数の増加やプロセス制御性の向上を必要とせずに、面型光素子と光ファイバを90°曲げて接続することができ、さらに、アライメント精度を向上させ、低コスト化できる面発光型半導体レーザを用いた発光モジュール、この発光モジュールの製造方法及びこの発光モジュール用いる光通信装置を提供することにある。
However, when the guide hole is made of a thick film material, if the thick film material is thin, the controllability of the taper shape and the hole diameter is good, but the mechanical strength is insufficient. If the thick film material is thick, the mechanical strength is good. However, there is a problem that the controllability of the taper shape and the hole diameter is insufficient.
On the other hand, the method using the fusion layer has a disadvantage that it is difficult to align the light emitting point or the light receiving point with the optical fiber.
When the guide hole is made of a thick film material, the optical fiber is connected perpendicularly to the surface optical element in both methods using the fusion layer. Since an optical fiber cannot be bent rapidly, there is a problem that when it is applied to the connection within the same board, a large loop is formed on the board and a large space is occupied in the equipment.
Further, as a conventional general method, several methods for sequentially assembling a completed surface optical element, a mirror, and a fiber fixing material have been proposed (Patent Documents 4 and 5).
However, with these methods, it is possible to make the optical fiber coupling direction parallel to the substrate. However, the number of parts increases, the number of places where high-precision assembly of each part is required, and manufacturing is increased. Are difficult, and it takes a long time to assemble.
Therefore, in view of the above situation, an object of the present invention is a reflection inclined by 45 ° made of a Si (111) surface formed by Si anisotropic etching on a light emitting portion or a light receiving portion of a surface optical element. A prism structure, a V-groove structure for optical fiber guide made of Si (111) surface formed by Si anisotropic etching simultaneously with the reflecting prism structure, and a condensing microlens formed by micromachining are integrated. A surface optical element and optical fiber can be bent and connected by 90 ° without requiring an increase in the number of parts and process controllability, and the alignment accuracy can be improved and the cost can be reduced. An object of the present invention is to provide a light emitting module using a light emitting semiconductor laser, a method for manufacturing the light emitting module, and an optical communication device using the light emitting module.

上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、1.1μm以上の発振波長を有する面発光型半導体レーザの発光素子と光ファイバとを結合する発光モジュールにおいて、Si単結晶を加工して形成され、且つ前記面発光型半導体レーザ素子の垂直方向への射出光を並行光へとコリメートあるいは集光するマイクロレンズと、コリメートあるいは集光した光を略90°折り曲げるためにSi単結晶を加工して形成したSi(111)面を反射面とする反射プリズムと、Si(111)面で形成された光ファイバガイド用V溝構造物と、から構成され、前記マイクロレンズと前記反射プリズムと前記光ファイバガイド用V溝構造物とが一体に形成されていることを特徴とする。
なお、略90°とは、90°丁度を意味する訳ではなく、90に近い値を含むものである。
請求項2の発明は、1.1μm以上の発振波長を有する面発光型半導体レーザアレイの各発光素子と光ファイバとを結合する発光モジュールにおいて、Si単結晶を加工して形成され、且つ前記面発光型半導体レーザアレイの各発光素子の垂直方向への射出光を並行光へとコリメートあるいは集光するマイクロレンズアレイと、コリメートあるいは集光した光を略90°折り曲げるためにSi単結晶を加工して形成したSi(111)面を反射面とする反射プリズムと、Si(111)面で形成された光ファイバガイド用V溝構造物と、から構成され、前記マイクロレンズと反射プリズムとガイド用V溝構造物とが一体に形成されていることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1、又は2において、前記マイクロレンズ、前記反射プリズム、及び前記ガイド用V溝構造物が、<110>方向に(100)面から9.7°傾斜させた面を有する同一のSi単結晶基板に一体形成されていることを特徴とする。
請求項4の発明は、<110>方向に(100)面から9.7°傾斜させた面を有する第1のSi単結晶基板を用意する工程と、第2のSi単結晶基板を用意する工程と、第1及び第2のSi単結晶基板を接合する工程と、接合した第1のSi単結晶基板表面側に反射プリズムとガイド用V溝構造物を形成する工程と、接合した第2のSi単結晶基板表面側にマイクロレンズを形成する工程とを含むことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention described in claim 1 is a light emitting module for coupling a light emitting element of a surface emitting semiconductor laser having an oscillation wavelength of 1.1 μm or more and an optical fiber. A microlens that is formed by processing and collimates or condenses light emitted in the vertical direction of the surface-emitting type semiconductor laser element into parallel light, and a Si single unit for bending the collimated or condensed light by approximately 90 °. A reflection prism having a Si (111) surface formed by processing a crystal as a reflection surface, and an optical fiber guide V-groove structure formed by the Si (111) surface, the microlens and the reflection The prism and the V-groove structure for optical fiber guide are integrally formed.
Note that “approximately 90 °” does not mean exactly 90 °, but includes values close to 90 °.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a light emitting module for coupling each light emitting element of a surface emitting semiconductor laser array having an oscillation wavelength of 1.1 μm or more and an optical fiber, wherein the surface is formed by processing a Si single crystal. A microlens array that collimates or condenses light emitted vertically from each light emitting element of the light emitting semiconductor laser array into parallel light, and a Si single crystal is processed to bend the collimated or condensed light by approximately 90 °. And the optical lens guiding V-groove structure formed of the Si (111) surface and the microlens, the reflecting prism, and the guide V. The groove structure is integrally formed.
In a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the microlens, the reflecting prism, and the guide V-groove structure are inclined 9.7 ° from the (100) plane in the <110> direction. It is integrally formed on the same Si single crystal substrate having a surface.
The invention of claim 4 provides a step of preparing a first Si single crystal substrate having a surface inclined 9.7 ° from the (100) plane in the <110> direction, and a second Si single crystal substrate. A step of bonding the first and second Si single crystal substrates, a step of forming a reflecting prism and a guide V-groove structure on the surface side of the bonded first Si single crystal substrate, and a bonded second Forming a microlens on the surface of the Si single crystal substrate.

請求項5の発明は、請求項4記載の製造方法を用いて製造された発光モジュールにおいて、前記第2のSi単結晶基板が前記第1のSi単結晶基板と異なる結晶方位であることを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項1乃至3または請求項5記載において、前記面発光型半導体レーザの活性層がNとその他のV族を含むIII−V族混晶半導体であることを特徴とする。
請求項7の発明は、請求項1乃至3、または請求項5乃至6のいずれか一項において、前記マイクロレンズと前記面発光型半導体レーザ素子との間の距離を一定距離に保つための間隔維持構造を一体に有していることを特徴とする。
請求項8に記載の発明は、結合される光ファイバはシングルモードファイバである請求項1乃至3または請求項5乃至7のいずれか一項記載の発光モジュールを特徴とする。
請求項9に記載の発明は、請求項1乃至3または請求項5乃至7のいずれか一項記載の発光モジュールを用いた光送受信モジュールを特徴とする。
また、請求項10に記載の発明は、請求項9の光送受信モジュールを用いた光通信システムを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the light emitting module manufactured using the manufacturing method according to the fourth aspect, the second Si single crystal substrate has a crystal orientation different from that of the first Si single crystal substrate. And
A sixth aspect of the present invention is characterized in that, in the first to third or fifth aspect, the active layer of the surface emitting semiconductor laser is a III-V group mixed crystal semiconductor containing N and other V groups. To do.
According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects or the fifth to sixth aspects, the distance between the microlens and the surface emitting semiconductor laser element is kept constant. It is characterized by having a maintenance structure integrally.
The invention according to claim 8 is characterized in that the optical fiber to be coupled is a single mode fiber, and the light emitting module according to any one of claims 1 to 3 or claims 5 to 7.
The invention according to claim 9 is characterized by an optical transceiver module using the light emitting module according to any one of claims 1 to 3 or claims 5 to 7.
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided an optical communication system using the optical transceiver module according to the ninth aspect.

本発明によれば、面発光型半導体レーザの素子上に、Si異方性エッチングによって形成された略90°反射プリズム構造とSi異方性エッチングで形成された光ファイバガイド用V溝構造物と単結晶シリコンからなるマイクロレンズを設置し、部品点数の増加やプロセス制御性の向上を必要とせずに、面発光型半導体素子と光ファイバを90°曲げて接続でき、また、レーザ光がレンズによりコリメートされるため面発光型半導体レーザの素子と光ファイバまでの光路長を長く取ることができ設計の自由度が上がる。
さらに、各部が一体形成されることでアライメント精度を向上させ、このことから、光ファイバの固定作業も容易にして生産性を向上させ、低コストの構造を有する発光モジュールを提供することができる。
According to the present invention, a substantially 90 ° reflecting prism structure formed by Si anisotropic etching and a V-groove structure for an optical fiber guide formed by Si anisotropic etching on a surface emitting semiconductor laser element. A microlens made of single crystal silicon can be installed to connect a surface emitting semiconductor element and an optical fiber by bending 90 ° without increasing the number of parts and improving process controllability. Since it is collimated, the optical path length between the surface emitting semiconductor laser element and the optical fiber can be increased, and the degree of freedom in design increases.
Furthermore, the alignment accuracy is improved by forming the respective parts integrally. From this, it is possible to facilitate the fixing operation of the optical fiber, improve the productivity, and provide a light emitting module having a low cost structure.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は本発明による発光モジュールの実施の形態を示す上面図である。図2は図1の発光モジュールの側面図である。
本実施形態の特徴的な構成は、1.1μm以上の発振波長を有する面発光型半導体レーザの発光素子1(或いは、面発光型半導体レーザアレイの各発光素子)と光ファイバ2とを結合する発光モジュールにおいて、Si単結晶を加工して形成され、且つ面発光型半導体レーザ素子1(或いは、面発光型半導体レーザアレイの各発光素子)の垂直方向への射出光を並行光へとコリメートあるいは集光するマイクロレンズ5と、マイクロレンズ5によりコリメートあるいは集光した光を略90°折り曲げるためにSi単結晶を加工して形成したSi(111)面を反射面とする反射プリズム3と、Si(111)面で形成された光ファイバガイド用V溝構造物4と、から構成され、マイクロレンズ5と反射プリズム3と光ファイバガイド用V溝構造物4とが一体に形成されている点にある。
即ち、本実施の形態では、一次元の面発光型半導体レーザアレイを用いている。レーザアレイの各面発光型半導体レーザ素子1は、そのメサ径がおよそ20μm角であり、これがおよそ500μmピッチで並んで形成されている。
なお、略90°とは、厳密な意味での90°ジャストを意味する訳ではなく、90°に近い値(例えば、±数°の範囲)に折り曲げている場合を含む。要するに本発明の目的、効果を奏する範囲内での集光光の折り曲げ角度として適正な範囲を全て含むものである。
図面上では面発光型半導体レーザ素子1のメサ形状だけを簡便に表現しており、レーザ素子用電極は単に符号7で示され、説明は省略されている。しかし、それぞれ基板の裏面とメサ上部に電極が形成されており、該電極に電流を注入することによりメサ上端より所定の波長のレーザ光が射出する構造になっている。
半導体レーザ素子1は、1.3μm帯で発振するGaInNAsを活性層としている。GaInNAsは同じ1.3μm帯で発振するGaInAsPに比較して伝導帯バンドのバンドギャップ不連続量を大きく取れる構成である。
この構成は、量子井戸構造を形成可能なため高温動作時のキャリアオーバフローによる特性の低下が少ないことが知られている。そのため冷却機構を設置しなくても良好な特性の動作を行なうことができ、コストダウンを図ることができると考えられる。
Nとその他のV族を含むIII−V族混晶半導体は、N濃度が低い領域ではNの添加量1%あたり約150meVの割合で伝導帯準位が低くなることが知られている。例えばGaAsとの組み合わせで構成する量子井戸活性層においては、伝導帯のバンドギャップ不連続量が大きく、キャリアのオーバーフローが起きにくい構成を取り易い。
この場合の活性層は、GaInNAsに限らず、GaInNAsSbやGaInNAsPのようにNとその他のV族を含むIII−V族混晶半導体を用いた場合でも同等の効果が見こめる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a top view showing an embodiment of a light emitting module according to the present invention. FIG. 2 is a side view of the light emitting module of FIG.
A characteristic configuration of this embodiment is that a light emitting element 1 of a surface emitting semiconductor laser having an oscillation wavelength of 1.1 μm or more (or each light emitting element of a surface emitting semiconductor laser array) and an optical fiber 2 are coupled. In the light-emitting module, the light emitted in the vertical direction of the surface-emitting semiconductor laser device 1 (or each light-emitting device of the surface-emitting semiconductor laser array) formed by processing a Si single crystal is collimated into parallel light or A condensing microlens 5; a reflecting prism 3 having a reflecting surface of a Si (111) surface formed by processing a Si single crystal to bend the light collimated or condensed by the microlens 5 by approximately 90 °; A V-groove structure for an optical fiber guide formed on a (111) plane, and a microlens 5, a reflecting prism 3, and a V-groove structure for an optical fiber guide. This is in that the object 4 is integrally formed.
That is, in this embodiment, a one-dimensional surface emitting semiconductor laser array is used. Each surface emitting semiconductor laser element 1 of the laser array has a mesa diameter of approximately 20 μm square and is formed side by side at a pitch of approximately 500 μm.
Note that “approximately 90 °” does not mean 90 ° just in a strict sense, but includes a case where it is bent to a value close to 90 ° (for example, a range of ± several degrees). In short, all the ranges that are appropriate as the bending angle of the condensed light within the range where the object and effect of the present invention are exhibited are included.
In the drawing, only the mesa shape of the surface-emitting type semiconductor laser device 1 is simply expressed. The electrode for the laser device is simply denoted by reference numeral 7 and the description is omitted. However, electrodes are formed on the back surface of the substrate and the upper part of the mesa, respectively, and a laser beam having a predetermined wavelength is emitted from the upper end of the mesa by injecting current into the electrodes.
The semiconductor laser element 1 uses GaInNAs that oscillates in the 1.3 μm band as an active layer. GaInNAs has a structure in which the band gap discontinuity of the conduction band can be made larger than that of GaInAsP that oscillates in the same 1.3 μm band.
This configuration is known to be capable of forming a quantum well structure, so that there is little deterioration in characteristics due to carrier overflow during high temperature operation. Therefore, it is considered that the operation with good characteristics can be performed without installing a cooling mechanism, and the cost can be reduced.
It is known that III-V mixed crystal semiconductors including N and other V groups have a conduction band level that decreases at a rate of about 150 meV per 1% of N added in a region where the N concentration is low. For example, a quantum well active layer composed of a combination with GaAs has a large band gap discontinuity in the conduction band and can easily take a structure in which carrier overflow does not easily occur.
The active layer in this case is not limited to GaInNAs, but the same effect can be seen even when a III-V mixed crystal semiconductor containing N and other V groups such as GaInNAsSb and GaInNAsP is used.

面発光型半導体レーザ素子は、例えば有機金属化学気相成長法(MOCVD法)によるエピタキシャル成長で作製することができる。原料(III族有機金属材料、V族原料、ドーパント等)を所定の圧力(例えば100torr )に保った反応管内にH2キャリアガスによって導入し、基板上で、例えば、熱によって分解することによって、基板上に所定の半導体結晶をエピタキシャル成長することができる。
この面発光型半導体レーザ素子は、MOCVD法により結晶成長したが、MOCVD法以外の方法、例えば、MBE法などによってもその構造を作製することが可能である。
その後積層構造を、素子分離が必要な深さまで柱状にエッチングして、メサ構造が形成されている。メサは、例えば、ポリイミドなどで保護されており、メサ上部に開口部が設けられ、光射出部と電極が形成されており、面発光型半導体レーザ素子として構成されている。
各半導体レーザ素子1の直上位置にはレーザ光を概ね平行光へとコリメートするためのマイクロレンズ5を形成したSi(シリコン)単結晶基板9が配置される。
Si単結晶基板9上にマイクロレンズ5を高精度に形成する方法は多数提案されている。例えば、マイクロレンズ5は、Si基板にEBレジストを塗布後、EB露光機で露光量を制御しながら露光して現像し、EBレジストをレンズ形状に加工後、選択比がレジストとSiで1:1となるような条件で垂直方向にドライエッチングする方法などで加工が可能である。
Siは光通信に用いられる1.3〜1.55μm帯の光に対してほぼ透明であり、かつ屈折率も高い。さらには上記のようにマイクロレンズ形状を加工する技術も充実しているため、1.3μm帯のレーザ光をコリメートするレンズとしては好適であり、特許文献4のように楕円形状にミラーを形成して集光を図る方法に比べて加工の精度が高くできるためより好適である。
なお、本実施の形態ではマイクロレンズ5は平行光へのコリメートを行なうように設計してあるが、結合する光ファイバのコアでレーザ光が焦点を結ぶような長焦点の集光レンズにすることでシングルモードファイバなどのコア径の小さい光ファイバに対して結合を高めることも可能である。
マイクロレンズ5はエッチングでさまざまな形状を同じに形成することも難しくなく、例えば、位置決めのための凹凸を同時に形成しておけばアライメントを容易にすることも可能である。
The surface-emitting type semiconductor laser element can be manufactured by epitaxial growth using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). By introducing a raw material (Group III organometallic material, Group V raw material, dopant, etc.) with a H 2 carrier gas into a reaction tube maintained at a predetermined pressure (for example, 100 torr) and decomposing it on the substrate, for example, by heat, A predetermined semiconductor crystal can be epitaxially grown on the substrate.
This surface-emitting type semiconductor laser element is crystal-grown by the MOCVD method, but its structure can be produced by a method other than the MOCVD method, for example, the MBE method.
Thereafter, the laminated structure is etched into a columnar shape to a depth where element isolation is necessary, so that a mesa structure is formed. The mesa is protected by, for example, polyimide, an opening is provided in the upper part of the mesa, a light emitting part and an electrode are formed, and is configured as a surface emitting semiconductor laser element.
A Si (silicon) single crystal substrate 9 on which a microlens 5 for collimating laser light into substantially parallel light is formed at a position immediately above each semiconductor laser element 1.
Many methods for forming the microlens 5 on the Si single crystal substrate 9 with high accuracy have been proposed. For example, after the EB resist is applied to the Si substrate, the microlens 5 is exposed and developed while controlling the exposure amount with an EB exposure machine. After processing the EB resist into a lens shape, the selection ratio is 1: 1: Processing can be performed by a method such as dry etching in the vertical direction under the condition of 1.
Si is almost transparent to light in the 1.3 to 1.55 μm band used for optical communication and has a high refractive index. Furthermore, since the technology for processing the microlens shape is substantial as described above, it is suitable as a lens for collimating a 1.3 μm band laser beam, and an elliptical mirror is formed as in Patent Document 4. Therefore, it is more preferable because the processing accuracy can be higher than the method of condensing light.
In this embodiment, the microlens 5 is designed to collimate into parallel light. However, the microlens 5 should be a long-focusing condensing lens in which the laser beam is focused at the core of the optical fiber to be coupled. Therefore, it is possible to enhance the coupling with an optical fiber having a small core diameter such as a single mode fiber.
It is not difficult to form the microlenses 5 in the same shape by etching. For example, if the concave and convex portions for positioning are formed at the same time, the alignment can be facilitated.

本実施の形態ではマイクロレンズ5を設けたSi基板9の表面に凹み9aを設けて半導体レーザ素子1とコリメート用のレンズを組み合わせたときに距離が一定になるように作成してある。
さらにはその凹部に段差を設けており、その段差に面発光型半導体レーザ素子1のレーザ素子基板6が嵌め込まれる形で取り付けられるようになっている。このときに予め取り付いた面発光型半導体レーザ素子基板9上の発光部とマイクロレンズの位置が合うように設計しておくことでアライメントの容易さを向上させ、実装の精度を向上させることができる。
マイクロレンズ5でコリメートされたレーザ光はその一部を反射プリズム3によって直角方向へと向きを変えられている。この反射プリズム3は、Si単結晶基板9を異方性エッチングして作られている。反射プリズム部分3はSi単結晶基板9を異方性エッチングによりエッチングして現れる(111)面を利用している。
また、この反射プリズム3を形成したSi単結晶基板9上には、さらに、V字型の溝が異方性エッチングで形成してあり、垂直方向に射出してくるレーザ光と結合する光ファイバをアライメントするさいにガイドとして役立つようにしてある。
In the present embodiment, a recess 9a is provided on the surface of the Si substrate 9 provided with the microlens 5, and the distance is made constant when the semiconductor laser element 1 and the collimating lens are combined.
Further, a step is provided in the concave portion, and the laser element substrate 6 of the surface emitting semiconductor laser element 1 is fitted into the step. At this time, by designing so that the position of the light emitting portion on the surface emitting semiconductor laser element substrate 9 attached in advance and the position of the microlens can be matched, the ease of alignment can be improved and the mounting accuracy can be improved. .
A part of the laser light collimated by the microlens 5 is changed in a right angle direction by the reflecting prism 3. The reflecting prism 3 is made by anisotropically etching a Si single crystal substrate 9. The reflecting prism portion 3 utilizes the (111) plane that appears when the Si single crystal substrate 9 is etched by anisotropic etching.
Further, on the Si single crystal substrate 9 on which the reflecting prism 3 is formed, a V-shaped groove is further formed by anisotropic etching, and is an optical fiber that couples with laser light emitted in the vertical direction. It is intended to serve as a guide when aligning.

図3はSi単結晶基板を用いた反射プリズムの形成方法を示す上面図である。図4は図3の側面図である。このSi単結晶基板9を用いた反射プリズム3の形成方法を図3及び図4に基づいて説明する。
まず<110>方向に9.7°傾けたSi(100)単結晶基板9を準備し、各辺の方向を傾斜させた方向に垂直なストライプ形状でエッチングのマスク用のプリズム形成用ストライプパターン11を形成する。
本実施の形態では同時に光ファイバ用のガイド溝を形成するためにプリズム形成用ストライプパターン11に隣接してガイド溝を形成するためのマスクパターンであるV溝形成用パターン10も形成する(図3)。
V字型のガイド溝は、基板が(100)面に対して傾斜していることにより僅かにテーパを有することになる。このテーパによりガイド溝はプリズム側から離れるにつれて僅かずつ細くなることになる。そのためガイド溝のプリズム側から最も離れたところで光ファイバが溝に内接し、アライメントが規定されるため、ここの幅で光ファイバの径に合わせた溝が形成できるように設計する。
異方性エッチングのマスクとしてはTa25やSi34などの誘電体膜が好適である。また熱酸化等によって形成したSiO2でもマスクとして用いることができるので、熱酸化膜付のSiウエハであればとくに表面に別の膜を成膜せずに済むので工程を簡便にできる。
これらのエッチングマスクは、Si単結晶基板9上の膜上にフォトリソグラフィを用いてパターンニングしドライエッチング等で不要な部分を除去することで容易に作ることができる。このようにして形成したエッチングマスクを付けた状態でSiを異方性エッチングでエッチングする。
エッチャントは、本実施の形態の場合、約15wt%濃度のKOH水溶液を80°C程度に加熱したものを用いた。エッチャントはその他にTMAH(テトラメチルアンモニウムヒドロキシド)などを用いることも可能である。
図5は光ファイバのガイド用の溝の形成を示す上面図である。図6は図5の側面図である。このエッチャントを用いてエッチングを行なうとSi単結晶基板9は面方位により著しく異なるエッチング速度比を示し、とくにエッチング速度の遅い(111)面がエッチングマスクで形成したストライプパターン11を上辺とした斜面として現れる(図5及び図6)。
一般に異方性エッチングのさいに現れる(111)面はエッチング条件を調整することで比較的ミラーに近い表面性が得られやすく、反射面としての利用がしやすい。
FIG. 3 is a top view showing a method of forming a reflecting prism using a Si single crystal substrate. FIG. 4 is a side view of FIG. A method of forming the reflecting prism 3 using the Si single crystal substrate 9 will be described with reference to FIGS.
First, a Si (100) single crystal substrate 9 inclined by 9.7 ° in the <110> direction is prepared, and a prism forming stripe pattern 11 for an etching mask having a stripe shape perpendicular to the direction in which each side is inclined is prepared. Form.
In the present embodiment, a V-groove forming pattern 10 which is a mask pattern for forming a guide groove adjacent to the prism forming stripe pattern 11 is also formed at the same time to form a guide groove for an optical fiber (FIG. 3). ).
The V-shaped guide groove has a slight taper because the substrate is inclined with respect to the (100) plane. Due to this taper, the guide groove becomes thinner gradually as the distance from the prism side increases. For this reason, the optical fiber is inscribed in the groove at the furthest distance from the prism side of the guide groove, and the alignment is defined. Therefore, the groove is designed so that a groove corresponding to the diameter of the optical fiber can be formed with this width.
As a mask for anisotropic etching, a dielectric film such as Ta 2 O 5 or Si 3 N 4 is suitable. Further, since SiO 2 formed by thermal oxidation or the like can be used as a mask, it is not necessary to form another film on the surface of the Si wafer with a thermal oxide film, so that the process can be simplified.
These etching masks can be easily made by patterning the film on the Si single crystal substrate 9 using photolithography and removing unnecessary portions by dry etching or the like. With the etching mask formed in this way, Si is etched by anisotropic etching.
In the case of the present embodiment, the etchant used was an approximately 15 wt% KOH aqueous solution heated to about 80 ° C. In addition, TMAH (tetramethylammonium hydroxide) or the like can be used as the etchant.
FIG. 5 is a top view showing the formation of a groove for guiding an optical fiber. FIG. 6 is a side view of FIG. When etching is performed using this etchant, the Si single crystal substrate 9 exhibits an etching rate ratio that varies remarkably depending on the plane orientation. In particular, the (111) plane having a slow etching rate is a slope with the stripe pattern 11 formed by the etching mask as the upper side. Appears (FIGS. 5 and 6).
In general, the (111) plane appearing during anisotropic etching is easy to obtain a surface property relatively close to a mirror by adjusting the etching conditions, and can be easily used as a reflective surface.

図7は光ファイバのガイド用の溝の形成を示す上面図である。図8は図7の側面図である。そのとき同時に全体に誘電体膜を形成後、図3乃至図6のようにパターンニングして誘電体膜のマスクを形成し、さらに異方性エッチングを行なうことで最終的に図7及び図8のように光ファイバのガイド用の溝部分4を形成することができる。
形成されたガイド用の溝部分4は、Si単結晶基板9表面に平行な底面をSi(111)面が囲むような形で形成される。本実施の形態ではガイド用のV溝部分4が最も細くなる部分で光ファイバ2とV溝部分4の(111)面、底面が内接するように形成される。
このように形状が完成した後に(111)面を反射面としたプリズムを得るためにダイシングにより不要な(111)面側を切り、垂直な面を出す。このように反射プリズム3と光ファイバ用の位置合わせ構造を一体に形成したSi単結晶基板9が完成する。
このようにして作られた反射プリズム3を含むSi単結晶基板9はコリメート用のマイクロレンズ5と位置合わされて一体構造で作られるが、その手法は幾つか考えられる。
例えば、その1つとしては反射プリズム3とガイド用のV溝部分4を一体形成するSi単結晶基板9に対してマイクロレンズ5を形成するSi単結晶基板を別途用意してダイレクトボンディング等で接合して形成する方法がある。
この方法は比較的大きな深さのエッチングを行なった場合、通常のSi単結晶基板の厚さでは強度が不足する場合でも、Si単結晶基板9に対してマイクロレンズ用のSi単結晶基板を張り合わせ、合計2枚とすることで厚さを2倍にできるため強度の問題をクリアできる。
またそれぞれのSi単結晶基板の方位が違ってもいいので仮に基板の表裏に異方性エッチングを行なって構造を作ろうとした場合に自由度が上がるなどの利点がある。このときは基板接合用の装置が必要ではあるが、通常の厚さのSi単結晶基板を用いても厚さの問題をクリアできるため基板コストを低減できる。
FIG. 7 is a top view showing the formation of a guide groove for an optical fiber. FIG. 8 is a side view of FIG. At the same time, after forming a dielectric film on the entire surface, patterning is performed as shown in FIGS. 3 to 6 to form a mask for the dielectric film, and anisotropic etching is performed to finally form FIGS. 7 and 8. Thus, the groove portion 4 for guiding the optical fiber can be formed.
The formed guide groove portion 4 is formed such that the Si (111) surface surrounds the bottom surface parallel to the surface of the Si single crystal substrate 9. In the present embodiment, the optical fiber 2 is formed so that the (111) surface and the bottom surface of the V-groove portion 4 are inscribed at the narrowest portion of the guide V-groove portion 4.
After the shape is completed in this way, in order to obtain a prism having the (111) surface as a reflecting surface, unnecessary (111) surface side is cut by dicing to bring out a vertical surface. Thus, the Si single crystal substrate 9 in which the reflecting prism 3 and the optical fiber alignment structure are integrally formed is completed.
The Si single crystal substrate 9 including the reflecting prism 3 made in this way is aligned with the microlens 5 for collimation and is made as an integral structure, but there are several possible methods.
For example, as one of them, a Si single crystal substrate for forming the microlens 5 is separately prepared and bonded by direct bonding or the like to the Si single crystal substrate 9 for integrally forming the reflecting prism 3 and the guide V groove portion 4. There is a method of forming.
In this method, when etching is performed at a relatively large depth, even if the strength of the normal Si single crystal substrate is insufficient, the Si single crystal substrate for microlenses is bonded to the Si single crystal substrate 9. By making the total of two sheets, the thickness can be doubled, so the problem of strength can be cleared.
In addition, since the orientation of each Si single crystal substrate may be different, there is an advantage that the degree of freedom is increased if an attempt is made to make a structure by performing anisotropic etching on the front and back of the substrate. At this time, an apparatus for bonding the substrates is required, but the substrate cost can be reduced because the thickness problem can be cleared even if a Si single crystal substrate having a normal thickness is used.

図9はマイクロレンズ側のSi単結晶基板と反射プリズム側のSi単結晶基板9との位置合わせを説明する概略図である。当然表裏のパターン形成は、その前にボンディングを行なっておいてから裏面の位置合わせ用アライナ等を用いてなされるので、マイクロレンズ側と反射プリズム側との位置合わせはフォトリソグラフの精度でなされることになる。
図10は同一のSi単結晶基板裏面に形成されたマイクロレンズと反射プリズムとの位置合わせを説明する概略図である。また、このとき十分な厚さを有するSi単結晶基板であれば、反射プリズム、ガイド用のV溝部分構造と同一のSi単結晶基板裏面にマイクロレンズを形成することもできる。
これらの一体構造形成には、当然裏面の位置合わせ用アライナなどが必要ではあるが、半導体のフォトリソグラフ工程の精度で各部が一体に形成されるため高精度なモジュールを得ることが可能になる。
以上のように形成したマイクロレンズ、反射プリズム、光ファイバのガイド用のV溝部分を一体に形成し、面発光型半導体レーザを取り付けたモジュールには光ファイバが組み付けられる。
光ファイバ2(図1及び図2)は、ガイド用のV溝部分12(図11)によって落とし込みつつ、反射プリズム3の垂直な端面に先端面を突き当てで取り付けることで位置精度が高くアライメントすることが可能になる。
このさいに反射プリズム3と光ファイバ2との間に充填するようにレーザの光に対して透明な接着用樹脂などで固定すれば(図1及び図2参照)、容易に光ファイバの固定が可能である。本実施の形態では紫外線硬化樹脂を用いた。さらに接着用樹脂の屈折率がSiに近ければダイシングで切り出したプリズム面と光ファイバの端面の間での光損失を低減できるのでより好ましい。
本実施の形態のように異方性エッチングで現れる結晶面はその角度が材料の結晶によって一意に決まるので高精度に角度を規定してミラーを作るのに極めて好適な方法である。さらには複数の素子を並列に用いたアレイ状のモジュールにおいてもアライメントを容易にすることが可能になり低コスト化を達成できる。
さらには組み合わせる光ファイバがシングルモードファイバであっても十分な精度で比較的容易にアライメントできるため、シングルモードファイバを用いた発光モジュールの低コスト化にも極めて有用である。
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining alignment between the Si single crystal substrate on the microlens side and the Si single crystal substrate 9 on the reflecting prism side. Naturally, the pattern formation on the front and back sides is performed using the aligner for alignment on the back surface after bonding is performed before that, so the alignment between the microlens side and the reflecting prism side is performed with the accuracy of photolithography. It will be.
FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the alignment between the microlens and the reflecting prism formed on the back surface of the same Si single crystal substrate. At this time, if the Si single crystal substrate has a sufficient thickness, a microlens can be formed on the back surface of the same Si single crystal substrate as the reflecting groove and the guide V-groove partial structure.
In order to form these integrated structures, naturally, an alignment aligner for the back surface is required. However, since each part is integrally formed with the accuracy of the photolithographic process of the semiconductor, a highly accurate module can be obtained.
The microlens, the reflecting prism, and the V-groove portion for guiding the optical fiber formed as described above are integrally formed, and the optical fiber is assembled to the module to which the surface emitting semiconductor laser is attached.
The optical fiber 2 (FIGS. 1 and 2) is aligned with high positional accuracy by being dropped by the guide V-groove portion 12 (FIG. 11) and attaching the tip surface to the vertical end surface of the reflecting prism 3 by abutment. It becomes possible.
At this time, the optical fiber can be easily fixed by fixing it with an adhesive resin or the like that is transparent to the laser beam so as to be filled between the reflecting prism 3 and the optical fiber 2 (see FIGS. 1 and 2). Is possible. In this embodiment, an ultraviolet curable resin is used. Furthermore, if the refractive index of the adhesive resin is close to Si, it is more preferable because the optical loss between the prism surface cut out by dicing and the end surface of the optical fiber can be reduced.
The crystal plane appearing by anisotropic etching as in this embodiment is uniquely determined by the crystal of the material, and is therefore a very suitable method for making a mirror with a highly precise angle. Furthermore, alignment can be facilitated even in an array module using a plurality of elements in parallel, and cost reduction can be achieved.
Furthermore, even if the optical fiber to be combined is a single mode fiber, it can be aligned relatively easily with sufficient accuracy, so that it is extremely useful for reducing the cost of a light emitting module using the single mode fiber.

以上のような構成を用いると、図1及び図2に示したように、1.3μm以上で発振する面発光型半導体レーザアレイと、Si単結晶基板9において形成したマイクロレンズ5と、Si単結晶基板に形成した反射プリズム3とを組み合わせ、光ファイバ2との結合を容易かつ精度良くに行なうことが可能になり、低コストで小型の発光モジュールを達成することが可能となっている。
また、温度特性の優れたNとその他のV族を含むIII−V族混晶半導体であるGaInNAsを面発光型半導体レーザの活性層の材料として用いたことにより、特別な冷却装置を省くことが可能であるため、より低コストで、小型、高性能な発光モジュールを達成できる。
さらに、反射プリズム3に異方性エッチングを用いて一体形成して光ファイバ2との結合のためのガイド構造(V溝部分12)を設けているため、アライメントが容易になり、コストを低減できる。
そして、反射プリズム3はSiの異方性エッチングを用いることにより容易に高精度で表面性のよい反射プリズムを得ることが可能になり、安価で高性能な光モジュールを達成することが可能になっている。
When the configuration as described above is used, as shown in FIGS. 1 and 2, a surface emitting semiconductor laser array that oscillates at 1.3 μm or more, a microlens 5 formed on a Si single crystal substrate 9, and a Si single crystal. By combining with the reflecting prism 3 formed on the crystal substrate, the optical fiber 2 can be easily and accurately coupled, and a small light emitting module can be achieved at low cost.
In addition, the use of GaInNAs, which is a III-V mixed crystal semiconductor including N and other V group having excellent temperature characteristics, as the material of the active layer of the surface emitting semiconductor laser can eliminate a special cooling device. Therefore, it is possible to achieve a light emitting module with a small size and high performance at a lower cost.
Further, since the guide structure (V groove portion 12) for coupling with the optical fiber 2 is formed integrally with the reflecting prism 3 by using anisotropic etching, alignment becomes easy and the cost can be reduced. .
The reflecting prism 3 can easily obtain a highly accurate and highly reflective reflecting prism by using Si anisotropic etching, and an inexpensive and high-performance optical module can be achieved. ing.

上記から、1.1μm以上の発振波長を有する面発光型半導体レーザと前記面発光型半導体レーザの発光素子と光ファイバを結合する発光モジュールは、Si単結晶を加工して形成した、前記面発光型半導体レーザ素子の垂直方向への射出光を並行光へとコリメートあるいは集光するレンズと、コリメートあるいは集光した光を略90°折り曲げるためにSi単結晶を加工して形成したSi(111)面を反射面とする反射プリズムと、Si(111)面で形成された光ファイバガイド用V溝構造物とから構成される。
したがって、レンズ、反射プリズム、ガイド用V溝構造物は一体に形成されているので、高精度でかつ低コストの光ファイバと面発光型半導体レーザを結合する発光モジュールを得ることができる。
レンズ、反射プリズム、ガイド用V溝構造物は<110>方向に(100)面から9.7°傾斜させた面を有する同一のSi単結晶基板に一体に形成されているので、高精度でかつ低コストの光ファイバと面発光型半導体レーザまたはレーザアレイを結合する発光モジュールを得ることができる。
発光モジュールの製造方法は、<110>方向に(100)面から9.7°傾斜させた面を有する第1のSi単結晶基板を用意する工程と、第2のSi単結晶基板を用意する工程と、第1及び第2のSi単結晶基板を接合する工程と、接合した第1のSi単結晶基板表面側に反射プリズムとガイド用V溝構造物を形成する工程と、接合した第2のSi単結晶基板表面側にレンズを形成する工程とを含んでいる。
このため、通常の厚さのSi単結晶基板であっても十分な深さのエッチングを行ないつつ、十分な強度を有する光ファイバと面発光型半導体レーザまたはレーザアレイを結合する発光モジュールを製造できる。
上記の製造方法を用いて製造された発光モジュールにおいては、第2のSi単結晶基板は第1のSi単結晶基板と異なる結晶方位であるので、第2のSi単結晶基板を異方性エッチングで加工するさいの自由度が増し、より形状の制御性のよい光ファイバと面発光型半導体レーザまたはレーザアレイを結合する。
面発光型半導体レーザの活性層はNとその他のV族を含むIII−V族混晶半導体である。Nとその他のV族を含むIII−V族混晶半導体はN濃度が低い領域ではNの添加量1%あたり約150meVの割合で伝導帯準位が低くなる。
このため、例えば、GaAsとの組み合わせで構成する量子井戸活性層においては、伝導帯のバンドギャップ不連続量が大きく、キャリアのオーバーフローが起きにくい構成を取り易いため、Siを透過する1.1μm以上の波長で発光し、かつ温度特性に優れた面発光型半導体レーザを用いた発光モジュールを得ることができる。
コリメートあるいは集光用のレンズは取り付けたさいに面発光型半導体レーザ素子から一定距離に保たれるための構造を一体に有していることにより、より正確にアライメントを行なうことができ、安価で高性能の発光モジュールを得ることができる。
結合される光ファイバはシングルモードファイバである。シングルモードファイバを用いることで、高い周波数の光伝送でも光のモード分散がなく、損失が小さくできる。また、高精度で低コストな高性能の発光モジュールを得ることができる。
From the above, the surface emitting semiconductor laser having an oscillation wavelength of 1.1 μm or more, and the light emitting module that couples the light emitting element of the surface emitting semiconductor laser and the optical fiber are formed by processing a Si single crystal. Si (111) formed by processing a Si single crystal to bend the collimated or condensed light by approximately 90 °, a lens that collimates or condenses the light emitted vertically from the semiconductor laser element into parallel light It is comprised from the reflecting prism which makes a surface a reflective surface, and the V-groove structure for optical fiber guides formed with Si (111) surface.
Therefore, since the lens, the reflecting prism, and the guide V-groove structure are integrally formed, it is possible to obtain a light emitting module that combines a highly accurate and low cost optical fiber with a surface emitting semiconductor laser.
The lens, reflecting prism, and guide V-groove structure are integrally formed on the same Si single crystal substrate having a surface inclined 9.7 ° from the (100) plane in the <110> direction. In addition, it is possible to obtain a light emitting module that combines a low-cost optical fiber and a surface emitting semiconductor laser or a laser array.
The light emitting module manufacturing method includes a step of preparing a first Si single crystal substrate having a surface inclined 9.7 ° from the (100) plane in the <110> direction, and a second Si single crystal substrate. A step of bonding the first and second Si single crystal substrates, a step of forming a reflecting prism and a guide V-groove structure on the surface side of the bonded first Si single crystal substrate, and a bonded second Forming a lens on the Si single crystal substrate surface side.
Therefore, it is possible to manufacture a light emitting module that combines an optical fiber having a sufficient strength and a surface emitting semiconductor laser or a laser array while performing etching to a sufficient depth even with a Si single crystal substrate having a normal thickness. .
In the light emitting module manufactured using the above manufacturing method, since the second Si single crystal substrate has a crystal orientation different from that of the first Si single crystal substrate, the second Si single crystal substrate is anisotropically etched. The degree of freedom in processing is increased, and an optical fiber with better shape controllability and a surface emitting semiconductor laser or laser array are combined.
The active layer of the surface emitting semiconductor laser is a III-V mixed crystal semiconductor containing N and other V groups. In the III-V mixed crystal semiconductor containing N and other V groups, the conduction band level is lowered at a rate of about 150 meV per 1% of N added in the region where the N concentration is low.
For this reason, for example, in a quantum well active layer composed of a combination with GaAs, the band gap discontinuity in the conduction band is large, and it is easy to adopt a configuration in which carrier overflow does not easily occur. It is possible to obtain a light emitting module using a surface emitting semiconductor laser that emits light at a wavelength of 1 and excellent in temperature characteristics.
The collimating or condensing lens has a structure that can be kept at a fixed distance from the surface emitting semiconductor laser element when it is attached, so that it can be aligned more accurately and at a low cost. A high-performance light emitting module can be obtained.
The optical fiber to be coupled is a single mode fiber. By using a single mode fiber, there is no optical mode dispersion even in high frequency optical transmission, and loss can be reduced. In addition, a high-performance light-emitting module with high accuracy and low cost can be obtained.

図11は本発明による発光モジュールの実施の形態の変形例を示す上面図である。図12は図11の発光モジュールの変形例の側面図である。この変形例は基本的に上述した実施の形態と同じ構成である。
しかしながら、同時にマイクロレンズ側の基板面に凹部9aを形成して面発光型半導体レーザ素子1表面から一定距離で取り付けるようにして、かつ位置合わせ用の凹部13、凸部14をシリコン基板9側と面発光型半導体レーザ基板6側に設けるようしてあり、正確な位置合わせが可能なようにしてある(図12)。
マイクロレンズ5側の凹部9a、13は、Si異方性エッチングを用いて百μmオーダー程度の開口部を有するものを容易に形成できる。マイクロレンズ側の基板はSi(100)ウエハを反射プリズム3及びガイド用V溝部分を形成する傾斜基板にダイレクトボンディングしたものであるため形状の制御も比較的容易である。
また半導体レーザ素子基板6側の凸部14も或る程度異方性を有するエッチャント(例えば硫酸、過酸化水素水の混合液を希釈したもの)でメサ形状に形成することが可能である。
FIG. 11 is a top view showing a modification of the embodiment of the light emitting module according to the present invention. 12 is a side view of a modification of the light emitting module of FIG. This modification basically has the same configuration as the above-described embodiment.
However, at the same time, a concave portion 9a is formed on the substrate surface on the microlens side so as to be attached at a certain distance from the surface of the surface-emitting type semiconductor laser device 1, and the concave portion 13 and the convex portion 14 for alignment are connected to the silicon substrate 9 side. It is arranged on the surface emitting semiconductor laser substrate 6 side so that accurate alignment is possible (FIG. 12).
The concave portions 9a and 13 on the microlens 5 side can be easily formed having an opening of the order of about 100 μm using Si anisotropic etching. Since the substrate on the microlens side is obtained by directly bonding the Si (100) wafer to the inclined substrate that forms the reflecting prism 3 and the guide V-groove portion, the shape control is relatively easy.
The convex portion 14 on the semiconductor laser element substrate 6 side can also be formed in a mesa shape with an etchant having a certain degree of anisotropy (for example, a mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution diluted).

図13は凸部メサ形状のパターンニング工程を説明する概略図である。方法としてはまずレーザ構造を成長した基板上に保護膜としてSiO2等を成膜し、フォトリソグラフを用いて凸部メサ形状のパターンニングを行なう。
図14はメサ形状の形成工程を説明する概略図である。図15は図14のメサ形状の形成工程からメサ状への加工を説明する概略図である。その後エッチャントでエッチングを行なえば、凸部としてのメサ形状が形成される(図14)。
形成が終わった後に今度はレーザ素子部をエッチングでさらにメサ状に加工し(図15)、その後通常のプロセスで面発光型半導体レーザを作製できる。このような工程を用いれば半導体レーザの素子部の外側の離れた部分に或る程度大きなメサ状突起部を有する構造を形成できる。
マイクロレンズ側と半導体レーザ基板側のお互いの凸凹の寸法を合うように設計すればこの凹部13、凸部14をガイドとして半導体レーザ基板6とマイクロレンズ5とのアライメントを容易にすることが可能になる。よって本実施の形態の構成では製造のコストを低くでき、安価で高性能な光モジュールを達成することが可能になっている。
FIG. 13 is a schematic diagram for explaining a patterning process of a convex mesa shape. As a method, first, SiO 2 or the like is formed as a protective film on a substrate on which a laser structure has been grown, and patterning of a convex mesa shape is performed using a photolithograph.
FIG. 14 is a schematic view for explaining a mesa shape forming process. FIG. 15 is a schematic view for explaining processing from the mesa shape forming step of FIG. 14 to the mesa shape. If etching is then performed with an etchant, a mesa shape as a convex portion is formed (FIG. 14).
After the formation is completed, the laser element portion is further processed into a mesa shape by etching (FIG. 15), and then a surface emitting semiconductor laser can be manufactured by a normal process. By using such a process, it is possible to form a structure having a somewhat large mesa-like protrusion at a portion outside the element portion of the semiconductor laser.
By designing the microlens side and the semiconductor laser substrate side so as to match each other, the semiconductor laser substrate 6 and the microlens 5 can be easily aligned using the concave portion 13 and the convex portion 14 as a guide. Become. Therefore, with the configuration of this embodiment, the manufacturing cost can be reduced, and an inexpensive and high-performance optical module can be achieved.

図16は本発明による発光モジュールを使用する光通信モジュールを説明する概略図である。図16において、光通信モジュールは前述した本発明の実施の形態の発光モジュールAと受光素子15との組み合わせにより構成されている。
したがって、この光送受信モジュールは安価で小型、高性能の発光モジュールを用いて光通信モジュールを構成しているので、より安価で小型、高性能の光通信モジュールを得ることができる。
図17は光送受信モジュールを用いている光通信システムを示す概略図である。図17においては、図16の光通信モジュールを用いていることで、光通信システムを安価で小型、高性能の光通信モジュールを用いることでより好適に構成することができる。
図17には前述の光通信モジュールを用いた光通信システムが示されている。図16の光通信モジュールは高密度に実装された並列に伝送を行なえる光通信モジュールであるため、1対1の光通信の場合だけでなく、異なる複数の通信ポイントに対してそれぞれ信号を並列に送ることができる。このような光通信システムを安価で小型、高性能の光通信モジュールを用いることでより好適に構成することができる。
FIG. 16 is a schematic diagram illustrating an optical communication module using a light emitting module according to the present invention. In FIG. 16, the optical communication module is configured by a combination of the light emitting module A and the light receiving element 15 according to the embodiment of the present invention described above.
Therefore, since this optical transceiver module comprises an optical communication module using an inexpensive, small, and high-performance light emitting module, a cheaper, smaller, and higher-performance optical communication module can be obtained.
FIG. 17 is a schematic diagram showing an optical communication system using an optical transceiver module. In FIG. 17, by using the optical communication module of FIG. 16, the optical communication system can be more suitably configured by using an inexpensive, small, and high performance optical communication module.
FIG. 17 shows an optical communication system using the above-described optical communication module. The optical communication module of FIG. 16 is an optical communication module that is mounted at high density and can perform transmission in parallel. Therefore, in addition to the case of one-to-one optical communication, signals are paralleled to a plurality of different communication points. Can be sent to. Such an optical communication system can be more suitably configured by using an inexpensive, small, and high-performance optical communication module.

本発明による発光モジュールの実施の形態を示す上面図である。It is a top view which shows embodiment of the light emitting module by this invention. 図1の発光モジュールの側面図である。It is a side view of the light emitting module of FIG. Si単結晶基板を用いた反射プリズムの形成方法を示す上面図である。It is a top view which shows the formation method of the reflective prism using Si single crystal substrate. 図3の側面図である。FIG. 4 is a side view of FIG. 3. 光ファイバのガイド用の溝の形成を示す上面図である。It is a top view which shows formation of the groove | channel for a guide of an optical fiber. 図5の側面図である。FIG. 6 is a side view of FIG. 5. 光ファイバのガイド用の溝の形成を示す上面図である。It is a top view which shows formation of the groove | channel for a guide of an optical fiber. 図7の側面図である。FIG. 8 is a side view of FIG. 7. マイクロレンズ側と反射プリズム側との位置合わせを説明する概略図である。It is the schematic explaining the position alignment with the micro lens side and the reflective prism side. 同一のSi単結晶基板裏面に形成されたマイクロレンズと反射プリズムとの位置合わせを説明する概略図である。It is the schematic explaining alignment with the microlens formed in the back surface of the same Si single crystal substrate, and a reflective prism. 本発明による発光モジュールの実施の形態の変形例を示す上面図である。It is a top view which shows the modification of embodiment of the light emitting module by this invention. 図11の側面図である。It is a side view of FIG. 凸部メサ形状のパターンニング工程を説明する概略図である。It is the schematic explaining the patterning process of a convex part mesa shape. メサ形状の形成工程を説明する概略図である。It is the schematic explaining the formation process of a mesa shape. 図14のメサ形状の形成工程からメサ状への加工を説明する概略図である。It is the schematic explaining the process from the formation process of a mesa shape of FIG. 14 to a mesa shape. 本発明による発光モジュールを使用する光通信モジュールを説明する概略図である。It is the schematic explaining the optical communication module which uses the light emitting module by this invention. 光通信モジュールを用いている光通信システムを示す概略図である。It is the schematic which shows the optical communication system which uses an optical communication module.

符号の説明Explanation of symbols

A 発光モジュール
1 面発光型半導体レーザ(レーザ発光素子)
2 光ファイバ
3 反射プリズム
4 光ファイバガイド用V溝構造物(V溝部分)
5 マイクロレンズ(コリメートまたは集光レンズ)
6 レーザ発光素子基板
9 Si単結晶基板
15 受光素子
16 光通信モジュール
A Light emitting module 1 Surface emitting semiconductor laser (laser light emitting element)
2 Optical fiber 3 Reflecting prism 4 V-groove structure for optical fiber guide (V-groove part)
5 Micro lens (collimator or condenser lens)
6 Laser light emitting element substrate 9 Si single crystal substrate 15 Light receiving element 16 Optical communication module

Claims (10)

1.1μm以上の発振波長を有する面発光型半導体レーザの発光素子と光ファイバとを結合する発光モジュールにおいて、Si単結晶を加工して形成され、且つ前記面発光型半導体レーザ素子の垂直方向への射出光を並行光へとコリメートあるいは集光するマイクロレンズと、コリメートあるいは集光した光を略90°折り曲げるためにSi単結晶を加工して形成したSi(111)面を反射面とする反射プリズムと、Si(111)面で形成された光ファイバガイド用V溝構造物と、から構成され、前記マイクロレンズと前記反射プリズムと前記光ファイバガイド用V溝構造物とが一体に形成されていることを特徴とする発光モジュール。   In a light emitting module that couples a light emitting element of a surface emitting semiconductor laser having an oscillation wavelength of 1.1 μm or more and an optical fiber, the light emitting module is formed by processing a Si single crystal and is perpendicular to the surface emitting semiconductor laser element. A microlens that collimates or condenses the emitted light into parallel light, and a reflection that uses a Si (111) surface formed by processing a Si single crystal to bend the collimated or condensed light by approximately 90 °. A prism and a V-groove structure for an optical fiber guide formed with a Si (111) surface, and the microlens, the reflection prism, and the V-groove structure for an optical fiber guide are integrally formed. A light emitting module characterized by comprising: 1.1μm以上の発振波長を有する面発光型半導体レーザアレイの各発光素子と光ファイバとを結合する発光モジュールにおいて、Si単結晶を加工して形成され、且つ前記面発光型半導体レーザアレイの各発光素子の垂直方向への射出光を並行光へとコリメートあるいは集光するマイクロレンズアレイと、コリメートあるいは集光した光を略90°折り曲げるためにSi単結晶を加工して形成したSi(111)面を反射面とする反射プリズムと、Si(111)面で形成された光ファイバガイド用V溝構造物と、から構成され、前記マイクロレンズと反射プリズムとガイド用V溝構造物とが一体に形成されていることを特徴とする発光モジュール。   In a light emitting module for coupling each light emitting element of a surface emitting semiconductor laser array having an oscillation wavelength of 1.1 μm or more and an optical fiber, each of the surface emitting semiconductor laser arrays is formed by processing a Si single crystal. A microlens array that collimates or condenses light emitted in the vertical direction of the light emitting element into parallel light, and Si (111) formed by processing a Si single crystal to bend the collimated or condensed light by approximately 90 ° A reflecting prism having a reflecting surface and an optical fiber guide V-groove structure formed of a Si (111) surface, and the microlens, the reflecting prism, and the guide V-groove structure are integrally formed. A light emitting module characterized by being formed. 前記マイクロレンズ、前記反射プリズム、及び前記ガイド用V溝構造物が、<110>方向に(100)面から9.7°傾斜させた面を有する同一のSi単結晶基板に一体形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の発光モジュール。   The microlens, the reflecting prism, and the guide V-groove structure are integrally formed on the same Si single crystal substrate having a surface inclined 9.7 ° from the (100) plane in the <110> direction. The light-emitting module according to claim 1 or 2. <110>方向に(100)面から9.7°傾斜させた面を有する第1のSi単結晶基板を用意する工程と、第2のSi単結晶基板を用意する工程と、第1及び第2のSi単結晶基板を接合する工程と、接合した第1のSi単結晶基板表面側に反射プリズムとガイド用V溝構造物を形成する工程と、接合した第2のSi単結晶基板表面側にマイクロレンズを形成する工程とを含むことを特徴とする発光モジュールの製造方法。   A step of preparing a first Si single crystal substrate having a surface inclined 9.7 ° from the (100) plane in the <110> direction; a step of preparing a second Si single crystal substrate; A step of bonding the two Si single crystal substrates, a step of forming a reflecting prism and a guide V-groove structure on the bonded first Si single crystal substrate surface side, and a bonded second Si single crystal substrate surface side And a step of forming a microlens. 請求項4記載の製造方法を用いて製造された発光モジュールにおいて、前記第2のSi単結晶基板が前記第1のSi単結晶基板と異なる結晶方位であることを特徴とする発光モジュール。   5. The light emitting module manufactured using the manufacturing method according to claim 4, wherein the second Si single crystal substrate has a crystal orientation different from that of the first Si single crystal substrate. 前記面発光型半導体レーザの活性層がNとその他のV族を含むIII−V族混晶半導体であることを特徴とする請求項1乃至3または請求項5のいずれか一項記載の発光モジュール。   6. The light emitting module according to claim 1, wherein an active layer of the surface emitting semiconductor laser is a III-V mixed crystal semiconductor containing N and other V groups. . 請求項1乃至3、または請求項5乃至6において、前記マイクロレンズと前記面発光型半導体レーザ素子との間の距離を一定距離に保つための間隔維持構造を一体に有していることを特徴とする請求項1乃至3または請求項5乃至6のいずれか一項記載の発光モジュール。   5. The space maintaining structure for maintaining a distance between the microlens and the surface-emitting type semiconductor laser element as a single unit according to claim 1, wherein the distance maintaining structure is integrated. The light emitting module according to any one of claims 1 to 3 and claims 5 to 6. 結合される光ファイバは、シングルモードファイバであることを特徴とする請求項1乃至3または請求項5乃至7のいずれか一項記載の発光モジュール。   The light emitting module according to any one of claims 1 to 3, or 5 to 7, wherein the optical fiber to be coupled is a single mode fiber. 請求項1乃至3または請求項5乃至7のいずれか一項記載の発光モジュールを用いたことを特徴とする光送受信モジュール。   An optical transceiver module using the light emitting module according to any one of claims 1 to 3 or claims 5 to 7. 請求項9の光送受信モジュールを用いたことを特徴とする光通信システム。   An optical communication system using the optical transceiver module according to claim 9.
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