JP2007080933A - 半導体光学装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体光学装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 光学部品同士の位置決め精度を従来技術よりも向上させる。
【解決手段】 レーザダイオードチップ5の右側面5aおよび前面5bを、位置決め用構造部3の第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bにそれぞれ接触させることにより、レーザダイオードチップ5の第1の方向F1、第2の方向F2および第3の方向F3に対する位置決めを高精度に行うことができる。そのように位置決めした状態でレーザダイオードチップ5を半導体基板2に搭載すれば、レーザダイオードチップ5が上記3方向に対して高精度に位置決めされて搭載された半導体光学装置を実現することができる。したがって、マイクロレンズ4とレーザダイオードチップ5との光結合効率を従来よりも向上させることができる。
【選択図】 図1

Description

この発明は、半導体光学装置およびその製造方法に関する。
従来、半導体光学装置として、例えば、半導体レーザと、半導体基板と一体的に形成されたマイクロレンズとを備え、その半導体基板上に形成された半導体レーザ用ガイド溝に、半導体レーザが配置されているものがある(例えば、特許文献1参照)。
図9は、特許文献1に記載された半導体光学装置を示す説明図である。シリコン基板70を横断するようにエッチング加工された平坦部71にはマイクロレンズ80が形成されており、そのマイクロレンズ80の光軸および焦点距離に合わせたレーザ用ガイド溝90と、光ファイバ用ガイド溝73とが、マイクロレンズ80を挟んで同一基板上に形成されている。レーザ用ガイド溝90には、半導体レーザを有したレーザ用ガイド50が配置されており、光ファイバ用ガイド溝73には、光ファイバ60が配置されている。レーザ用ガイド50は、光軸方向に形成された両側面51,52をレーザ用ガイド溝90の内部に形成された両壁面91,92と一致させた状態で配置される。また、裏面ガイド54は、シリコン基板70の表面93と一致させた状態で配置される。
この構成により、レーザ用ガイド50と光ファイバ60の位置はそれぞれのガイド溝90,73により確定されるため、半導体レーザの活性層53と光ファイバ60のコアとの光軸および焦点距離合わせを行うことができる。
特開平5−241047号公報
ところで、上記従来の半導体光学装置は、レーザ用ガイド50の両側面51,52間の幅およびレーザ用ガイド溝90の両壁面91,92間の幅にそれぞれ発生する製造上の誤差を考慮し、レーザ用ガイド50の幅がレーザ用ガイド溝90の幅よりも大きいことに起因して取付け不可能となる事態が生じないように、レーザ用ガイド50の側面とレーザ用ガイド溝90の壁面との間に隙間が形成されるように余裕を持って製造される。このため、レーザ用ガイド50は、両側面51,52のいずれか一方がレーザ用ガイド溝90の両壁面91,92のいずれか一方に接触した状態でレーザ用ガイド溝90に収容される。
しかし、レーザ用ガイド50の活性層53が基板面に対して垂直に形成されている場合は、レーザ用ガイド50の光軸と基板面の面方向で直交する方向、つまりレーザ用ガイド溝90の内部における幅方向での位置決めが高精度に行われることが重要であるが、レーザ用ガイド50の側面のいずれか一方をレーザ用ガイド溝90のいずれか一方の壁面に接触させる構造では、高精度の位置決めを行うことができない。
したがって、レーザ用ガイド50とマイクロレンズ80との光結合効率が低下してしまう。なお、このような問題は、マイクロレンズと半導体レーザとの位置決めのみに限らず、他の光学部品同士の位置決めにおいても同様に発生する。
この発明は、上記点に鑑み、光学部品同士の位置決め精度を従来技術よりも向上させることを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、半導体基板(2)に形成された第1の光学部品(4)と、この第1の光学部品(4)と光学的に結合された第2の光学部品(5)とを備えた半導体光学装置(1)において、前記第1および第2の光学部品(4,5)間の光軸方向を第1の方向(F1)とし、この第1の方向(F1)に対して前記半導体基板(2)の基板面(2a)の面方向で直交する方向を第2の方向(F2)とした場合に、前記第2の光学部品(5)の前記第2の方向(F2)に対する位置決め位置が設定された第1の位置決め部(3a)を有する位置決め用構造部(3)が前記半導体基板(2)と一体形成されており、前記第2の光学部品(5)は、自身の一の部位(5a)を前記第1の位置決め部(3a)に接触させることにより、前記第2の方向(F2)に対する位置決めがされた状態で前記半導体基板(2)に搭載されていることを特徴としている。
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の半導体光学装置(1)において、前記位置決め用構造部(3)は、前記第2の光学部品(5)の前記第1の方向(F1)に対する位置決め位置が設定された第2の位置決め部(3b)を備えており、前記第2の光学部品(5)は、前記自身の一の部位(5a)を前記第1の位置決め部(3a)に接触させ、かつ、自身の他の部位(5b)を前記第2の位置決め部(3b)に接触させることにより、前記第1および第2の方向(F1,F2)に対する位置決めがされた状態で前記半導体基板(2)に搭載されていることを特徴としている。
請求項3に記載の発明では、請求項2に記載の半導体光学装置(1)において、前記基板面(2a)と垂直な方向を第3の方向(F3)とした場合に、前記第2の光学部品(5)の前記自身の一の部位(5a)を前記第1の位置決め部(3a)に接触させ、かつ、自身の他の部位(5b)を前記第2の位置決め部(3b)に接触させることにより、前記第1、第2および第3の方向(F1,F2,F3)に対する前記第2の光学部品(5)の位置決めがされるように構成されていることを特徴としている。
請求項4に記載の発明では、請求項2または請求項3に記載の半導体光学装置(1)において、前記位置決め用構造部(3)は、前記第1および第2の位置決め部(3a,3b)の境界部(3e)を備えており、かつ、前記第2の光学部品(5)の前記一の部位(5a)および他の部位(5b)を前記境界部(3e)に接触させることにより、前記各方向に対する前記第2の光学部品(5)の位置決めがされるように構成されていることを特徴としている。
請求項5に記載の発明では、請求項4に記載の半導体光学装置(1)において、前記境界部(3e)には、前記第1および第2の位置決め部が交わる交線(3i)が形成されており、前記第2の光学部品(5)の前記一の部位(5a)および他の部位(5b)を前記交線(3i)の両側にそれぞれ接触させることにより、前記各方向に対する前記第2の光学部品(5)の位置決めがされるように構成されていることを特徴とている。
請求項6に記載の発明では、請求項4に記載の半導体光学装置(1)において、前記境界部(3e)は、前記第1および第2の位置決め部(3a,3b)によって画定された領域に備えられた位置決め用の角部であり、前記第2の光学部品(5)の前記一の部位(5a)および他の部位(5b)によって形成された角部(5e)を前記位置決め用の角部(3e)に合致させることにより、前記各方向に対する前記第2の光学部品(5)の位置決めがされるように構成されていることを特徴としている。
請求項7に記載の発明では、請求項4ないし請求項6のいずれか1つに記載の半導体光学装置(1)において、前記境界部(3e)には、前記第2の光学部品(5)の前記一の部位(5a)および他の部位(5b)の少なくとも一方と非接触となる空間(3g)が形成されていることを特徴としている。
請求項8に記載の発明では、請求項7に記載の半導体光学装置(1)において、前記空間(3g)は、前記第1および第2の位置決め部(3a,3b)の少なくとも一方に配置された別部材(5h)によって形成されていることを特徴としている。
請求項9に記載の発明では、請求項1ないし請求項8のいずれか1つに記載の半導体光学装置(1)において、前記第1の光学部品(4)は、これと同一形状で前記基板面(2a)に形成された台座部(4c)の上に形成されていることを特徴としている。
請求項10に記載の発明では、請求項1ないし請求項9のいずれか1つに記載の半導体光学装置(1)において、前記第2の光学部品(5)から出射された光のビーム径を制限する第1の制限手段(3c,6a)が前記基板面(2a)と一体形成されていることを特徴としている。
請求項11に記載の発明では、請求項10に記載の半導体光学装置(1)において、前記第1の制限手段(3c,6a)の一部は、前記位置決め用構造部(3)の一部(3c)であることを特徴としている。
請求項12に記載の発明では、請求項1ないし請求項11のいずれか1つに記載の半導体光学装置(1)において、前記第1の光学部品(4)から出射された光のビーム径を制限する第2の制限手段(8)が前記基板面(2a)と一体形成されていることを特徴としている。
請求項13に記載の発明では、請求項1ないし請求項12のいずれか1つに記載の半導体光学装置(1)において、前記第2の光学部品(5)は、蒸着あるいはスパッタリング手段により前記位置決め用構造部(3)に形成された接合層を介して前記位置決め用構造部(3)に接合されており、前記蒸着あるいはスパッタリング手段に用いる蒸着あるいはスパッタリング物質に対して前記第1の光学部品(4)を遮蔽するための遮蔽部材(7)が、前記基板面(2a)と一体形成されていることを特徴としている。
請求項14に記載の発明では、請求項10または請求項11に記載の半導体光学装置(1)において、前記第2の光学部品(5)は、蒸着あるいはスパッタリング手段により前記位置決め用構造部(3)に形成された接合層を介して前記位置決め用構造部(3)に接合されており、前記蒸着あるいはスパッタリング手段に用いる蒸着あるいはスパッタリング物質に対して前記第2の光学部品(5)を遮蔽するための遮蔽部材(7)と、前記第1の光学部品(4)から出射された光のビーム径を制限する第2の制限手段(8a,8c)とが前記基板面(2a)と一体形成されており、前記第1および第2の制限手段(3c,6a,8)の一方と、前記遮蔽部材(7)とが一体形成されていることを特徴としている。
請求項15に記載の発明では、請求項1ないし請求項14のいずれか1つに記載の半導体光学装置(1)において、前記第2の光学部品(5)は、積層方向が前記基板面(2a)に対して垂直な発光層(5d)を備えていることを特徴としている。
請求項16に記載の発明では、請求項1ないし請求項15のいずれか1つに記載の半導体光学装置(1)において、前記第1の光学部品(4)はマイクロレンズまたは光導波路であることを特徴としている。
請求項17に記載の発明では、請求項1ないし請求項16のいずれか1つに記載の半導体光学装置(1)において、前記第2の光学部品(5)はレーザダイオード、発光ダイオードまたは光ファイバであることを特徴としている。
請求項18に記載の発明では、請求項1ないし請求項17のいずれか1つに記載の半導体光学装置(1)において、前記第1の光学部品(4)はマイクロレンズであり、前記第2の光学部品はレーザダイオードであることを特徴としている。
請求項19に記載の発明では、半導体基板(2)に形成された第1の光学部品(4)と、この第1の光学部品(4)と光学的に結合された第2の光学部品(5)とを備えた半導体光学装置(1)の製造方法において、前記半導体基板(2)を加工することにより、前記第1の光学部品(4)と、前記第2の光学部品(5)を位置決めするための位置決め用構造部(3)とを前記半導体基板(2)の基板面(2a)上に形成する工程を有し、前記第1および第2の光学部品(4,5)間の光軸(X1)方向を第1の方向(F1)とし、この第1の方向(F1)に対して前記半導体基板(2)の基板面(2a)の面方向で直交する方向を第2の方向(F2)とした場合に、前記工程では、前記第2の光学部品(5)の前記第2の方向(F2)に対する位置決め位置が設定された第1の位置決め部(3a)を前記位置決め用構造部(3)に形成することを特徴としている。
請求項20に記載の発明では、請求項19に記載の半導体光学装置の製造方法において、前記工程では、前記第2の光学部品(5)の前記第1の方向(F1)に対する位置決め位置が設定された第2の位置決め部(3b)を前記位置決め用構造部(3)に形成することを特徴としている。
請求項21に記載の発明では、請求項20に記載の半導体光学装置の製造方法において、前記基板面(2a)と垂直な方向を第3の方向(F3)とした場合に、前記工程では、前記第2の光学部品(5)を前記第1および第2の位置決め部(3a,3b)に接触させることにより、前記第2の光学部品(5)が前記第1、第2および第3の方向(F1,F2,F3)に対して位置決めされるように前記第1および第2の位置決め部(3a,3b)を形成することを特徴としている。
請求項22に記載の発明では、請求項19ないし請求項21のいずれか1つに記載の半導体光学装置の製造方法において、半導体基板(2)を加工することにより、前記半導体基板(2)の同一基板面(2a)に前記第1の光学部品(4)および位置決め用構造部(3)を形成することを特徴としている。
請求項23に記載の発明では、請求項19ないし請求項22のいずれか1つに記載の半導体光学装置の製造方法において、前記第2の光学部品(5)を前記各位置決め部(3a,3b)に接合する工程を有することを特徴としている。
なお、上記括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
(請求項1に係る発明の効果)
請求項1に係る半導体光学装置は、第2の光学部品の第2の方向(第1および第2の光学部品間の光軸方向に対して基板面の面方向で直交する方向)に対する位置決め位置が設定された第1の位置決め部を有する位置決め用構造部が半導体基板と一体形成されており、第2の光学部品は、自身の一の部位を第1の位置決め部に接触させることにより、第2の方向に対する位置決めがされた状態で半導体基板に搭載されている。
つまり、第2の光学部品の一の部位を第1の位置決め部の位置決め位置に接触させることにより、第2の光学部品の第2の方向に対する位置決めを高精度に行うことができ、そのように位置決めした状態で第2の光学部品を半導体基板に搭載すれば、第2の光学部品が第2の方向に対して高精度に位置決めされて搭載された半導体光学装置を実現することができる。
したがって、第1の光学部品と第2の光学部品との光結合効率を従来よりも向上させることができる。
しかも、第2の光学部品の一の部位を第1の位置決め部に接触させるだけで、第2の光学部品の第2の方向に対する位置決めが完了するため、第2の光学部品の第2の方向に対する位置決めを行うための作業時間を短縮することができる。
また、位置決め用構造部は、第1の光学部品が形成された同じ半導体基板と一体形成されているため、その半導体基板に形成された第1の光学部品と位置決め用構造部との位置合わせ精度は、第1の光学部品および位置決め用構造部の形成精度によって決まる。
したがって、第2の光学部品が位置決め用構造部に接触して半導体基板に搭載されていることから、第1の光学部品と第2の光学部品との位置決め精度も、第1の光学部品および位置決め用構造部の形成精度によって決まる。
(請求項2に係る発明の効果)
特に、請求項2に係る半導体光学装置の位置決め用構造部は、第2の光学部品の第1の方向に対する位置決め位置が設定された第2の位置決め部を備えており、第2の光学部品は、自身の一の部位を第1の位置決め部に接触させ、かつ、自身の他の部位を第2の位置決め部に接触させることにより、第1および第2の方向に対する位置決めがされた状態で半導体基板に搭載されている。
つまり、第2の光学部品の一の部位および他の部位をそれぞれ第1および第2の位置決め部の位置決め位置に接触させることにより、第2の光学部品の第1の方向(第1および第2の光学部品間の光軸方向)および第2の方向に対する位置決めを高精度に行うことができ、そのように位置決めした状態で第2の光学部品を半導体基板に搭載すれば、第2の光学部品が第1および第2の方向に対して高精度に位置決めされて搭載された半導体光学装置を実現することができる。
しかも、第2の光学部品の一の部位および他の部位をそれぞれ第1および第2の位置決め部に接触させるだけで、第2の光学部品の第1および第2の方向に対する位置決めが完了するため、第2の光学部品の第1および第2の方向に対する位置決めを行うための作業時間を短縮することができる。
(請求項3に係る発明の効果)
特に、請求項3に係る半導体光学装置によれば、位置決め用構造部は、基板面と垂直な方向を第3の方向とした場合に、第2の光学部品の自身の一の部位を第1の位置決め部に接触させ、かつ、自身の他の部位を第2の位置決め部に接触させることにより、第1、第2および第3の方向に対する第2の光学部品の位置決め位置が一義的に特定されるので、3方向に対する高精度の位置決めを容易に行うことができる。
(請求項4に係る発明の効果)
請求項4に係る半導体光学装置によれば、第2の光学部品の前記一の部位および他の部位を、第1および第2の位置決め部の境界部に接触させることにより、各方向に対する第2の光学部品の位置決め位置が一義的に特定されるので、各方向に対する高精度の位置決めを容易に行うことができる。
(請求項5に係る発明の効果)
請求項5に係る半導体光学装置によれば、第2の光学部品の前記一の部位および他の部位を、第1および第2の位置決め部が交わる交線の両側にそれぞれ接触させることにより、前記各方向に対する前記第2の光学部品の位置決め位置が一義的に特定されるので、各方向に対する高精度の位置決めを容易に行うことができる。
(請求項6に係る発明の効果)
特に、請求項6に係る半導体光学装置の位置決め用構造部は、第1および第2の位置決め部によって画定された領域に位置決め用の角部を備えており、かつ、第2の光学部品の一の部位および他の部位によって形成された角部を位置決め用の角部に合致させることにより、第1および第2の方向に対する第2の光学部品の位置決めがされるように構成されている。
つまり、第2の光学部品の角部を位置決め用構造部の角部に合致させるだけで、第2の光学部品の第1および第2の方向に対する位置決めを高精度に行うことができる。また、角部同士を合致させて位置決めする構成であるため、第1および第2の方向の2方向に対する位置決め位置が一義的(ピンポイント)に特定されるので、高精度の位置決めを容易に行うことができる。
(請求項7に係る発明の効果)
請求項7に係る半導体光学装置の位置決め用構造部の境界部には、第2の光学部品の一の部位および他の部位の少なくとも一方と非接触となる空間が形成されているため、例えば、位置決め用構造部の第1の位置決め部と第2の光学部品とを接合材によって接合したときに、溶融した接合材を上記空間に溜めることが可能となるため、その接合材が第2の位置決め部に付着するなどの、位置決め精度の悪化を回避することができる。
(請求項8に係る発明の効果)
請求項7に係る半導体光学装置によれば、上記空間を、第1および第2の位置決め部の少なくとも一方に配置された別部材によって形成することができる。
また、第2の光学部品の焦点距離が短いような場合は、位置決め用構造部の厚さを薄くする必要があるが、強度の面で境界部に空間を形成できない場合がある。
しかし、上記の別部材を配置することにより、上記空間を形成すれば、強度が低下することなく、上記溶融した接合材を上記空間に溜めることができる。
(請求項9に係る発明の効果)
上記した特許文献1に示されるように、台座部がなく、半導体基板上に直にマイクロレンズ等の光学部品が形成されている場合であって、光学部品が半導体基板と異なる材質の場合では、半導体基板と光学部品との熱膨張係数差により、半導体基板と光学部品との界面、特にそのうちの角部において応力が集中してしまう。
しかし、請求項9に係る半導体光学装置の第1の光学部品は、これと同一形状で基板面に形成された台座部の上に形成されているため、上記応力を台座部で吸収することができるので、第1および第2の光学部品の位置関係がずれるおそれがない。また、応力集中により、マイクロレンズ等の光学部品が破損することもない。
また、台座部の形状を第1の光学部品と同一形状とすることで、台座部の形成位置を制御することにより、第1の光学部品と第2の光学部品の発光面との距離を任意に設定することができる。つまり、第1の光学部品と第2の光学部品の性能、例えば、第1の光学部品の焦点距離が短い場合、第1の光学部品と第2の光学部品の発光面との距離を小さく設定することが容易となる。
(請求項10に係る発明の効果)
請求項10に係る半導体光学装置では、第2の光学部品から出射された光のビーム径を制限する第1の制限手段が基板面と一体形成されているため、第2の光学部品から第1の光学部品に入射する光のビーム径を制限することができる。
また、第1の制限手段は基板面と一体形成されているため、基板面に対する第1の制限手段の形成位置の精度を高めることができる。
さらに、半導体基板と個別に製造して基板面に取付ける構成のものよりも製造工程が少ないので、製造コストを低減することができる。
(請求項11に係る発明の効果)
請求項11に係る半導体光学装置では、第1の制限手段の一部は、位置決め用構造部の一部であるため、第1の制限手段と位置決め用構造部との位置関係の精度を高めることができる。
また、位置決め用構造部と個別に製造する場合よりも製造材料および製造工程が少ないので、製造コストを低減することができる。
(請求項12に係る発明の効果)
請求項12に係る半導体光学装置では、第1の光学部品から出射された光のビーム径を制限する第2の制限手段が基板面と一体形成されているため、第2の光学部品から出射する光のビーム径を制限することができる。たとえば、第1の光学部品の内部に間隙が存在するために回折光が発生する場合であっても、その回折光を第2の制限手段によって遮光することができる。
また、第2の制限手段は基板面と一体形成されているため、基板面に対する第2の制限手段の形成位置の精度を高めることができる。
さらに、半導体基板と個別に製造して基板面に取付ける構成のものよりも製造工程が少ないので、製造コストを低減することができる。
(請求項13に係る発明の効果)
第2の光学部品は、請求項13に記載するように、蒸着あるいはスパッタリング手段により位置決め用構造部に形成された接合層を介して位置決め用構造部に接合することができる。この場合、請求項13に記載するように、蒸着あるいはスパッタリング手段に用いる蒸着あるいはスパッタリング物質に対して第1の光学部品を遮蔽するための遮蔽部材を基板面と一体形成することにより、第1の光学部品に蒸着あるいはスパッタリング物質が付着するおそれがなくなる。
(請求項14に係る発明の効果)
請求項14に係る半導体光学装置では、第1および第2の制限手段の一方と、遮蔽部材とが一体形成されているため、第1および第2の制限手段の一方と、遮蔽部材との位置関係の精度を高めることができる。
また、第1および第2の制限手段の一方と、遮蔽部材とを個別に製造して基板面に取付ける構成のものよりも製造工程が少ないので、製造コストを低減することができる。
(請求項15に係る発明の効果)
請求項15に記載するように、第2の光学部品に備えられた発光層の向きが、半導体基板表面に対し垂直である場合は、第2の光学部品の第2の方向(F2)に対する位置決めの誤差が光軸のずれとなって表れてしまうが、請求項1ないし請求項14のいずれかに記載の発明によれば、第2の光学部品を第2の方向(F2)に対して高精度で位置決めすることができるため、そのような光軸のずれが発生するおそれがない。
(請求項16ないし請求項18に係る発明の効果)
請求項16に記載するように、第1の光学部品がマイクロレンズまたは光導波路である場合、あるいは、請求項17に記載するように、第2の光学部品がレーザダイオード、発光ダイオードまたは光ファイバである場合、さらには、請求項18に記載するように、第1の光学部品はマイクロレンズであり、第2の光学部品がレーザダイオードである場合は、第2の光学部品の取付け位置に対して特に高い位置決め精度が要求されるが、請求項1ないし請求項15のいずれかに記載の発明によれば、その要求に応えることができる。
(請求項19に係る発明の効果)
請求項1に係る半導体光学装置は、請求項19に係る製造方法によって製造することができる。つまり、半導体基板を加工することにより、第1の光学部品と、第2の光学部品を位置決めするための位置決め用構造部とを半導体基板の基板面上に形成する工程において、第2の光学部品の第2の方向に対する位置決め位置が設定された第1の位置決め部を位置決め用構造部に形成する。
(請求項20に係る発明の効果)
請求項2に係る半導体光学装置は、請求項20に係る製造方法によって製造することができる。つまり、第2の光学部品の第1の方向に対する位置決め位置が設定された第2の位置決め部を位置決め用構造部に形成する。
(請求項21に係る発明の効果)
請求項3に係る半導体光学装置は、請求項21に係る製造方法によって製造することができる。つまり、第2の光学部品を第1および第2の位置決め部に接触させることにより、第2の光学部品が第1、第2および第3の方向に対して位置決めされるように第1および第2の位置決め部を形成する。
(請求項22に係る発明の効果)
請求項22に係る発明によれば、半導体基板を加工することにより、半導体基板の同一基板面に第1の光学部品および位置決め用構造部を形成するため、第1の光学部品および位置決め用構造部の位置決め精度を高めることができ、第1および第2の光学部品の位置決め精度も高めることができる。
(請求項23に係る発明の効果)
請求項23に係る発明によれば、第2の光学部品を各位置決め部に接合する工程を有するため、第1および第2の光学部品が高精度に位置決めされた半導体光学装置を製造することができる。
この発明の実施形態に係る半導体光学装置について図を参照して説明する。図1は、この実施形態に係る半導体光学装置の主要構成を示す斜視説明図であり、(a)は半導体光学装置の斜視説明図、(b)は(a)に示す半導体光学装置に備えられたレーザダイオードチップの斜視説明図である。なお、図1ではヒートシンクを省略している。
(半導体光学装置の主要構成)
この実施形態の半導体光学装置1は、第1の光学部品としてのマイクロレンズ4と、第2の光学部品としてのレーザダイオードチップ5と、レーザダイオードチップ5の位置決めを行うための位置決め用構造部3と、レーザダイオードチップ5からマイクロレンズ4に入射される光のビーム径を制限するスリット(3c,6a)と、マイクロレンズ4に対する蒸着マスク7とを備える。図示しないが、用途に応じてマイクロレンズ4の出射方向には、光導波路、マイクロレンズ、ポリゴンミラーなどが配置される。
以下の説明では、マイクロレンズ4およびレーザダイオードチップ5間の光軸X1の方向を第1の方向F1とし、この第1の方向F1に対して半導体基板2の基板面2aの面方向で直交する方向を第2の方向F2とし、基板面2aと垂直な方向を第3の方向F3とする。また、図1に示す状態で前後左右を定義するものとし、光の進行方向を前方、その逆方向を後方とする。さらに、「一体」とは、別々の部材が接合等されているのではなく、同一材料が連続している状態を意味する。
半導体光学装置1は、半導体基板2を備えており、この半導体基板2の基板面2aには、マイクロレンズ4が形成されている。マイクロレンズ4は、基板面2aと一体形成された台座部4cの上に配置されている。台座部4cは、マイクロレンズ4と同一の輪郭に形成されており、台座部4cを基板面2aに平行に切断した場合の断面形状は、同じようにマイクロレンズ4を切断した場合の断面形状と同一形状になっている。マイクロレンズ4は、平凸型のシリンドリカルレンズであり、平坦な入射面4aと、凸面よりなる出射面4bとを有する。
なお、この実施形態では、半導体基板2は、例えばシリコンにより構成されており、マイクロレンズ4は、例えばシリコン酸化膜により構成されている。また、マイクロレンズ4の第3の方向F3の厚さ(高さ)は10μm以上、具体的には100μm程度であり、第2の方向の幅は500μm程度である。
マイクロレンズ4の後方(入射側)の基板面2aには、位置決め用構造部3が基板面2aと一体形成されている。位置決め用構造部3は、レーザダイオードチップ5の第2の方向F2に対する位置決め位置が設定された第1の位置決め部としての第1の位置決め面3aと、レーザダイオードチップ5の第1の方向F1に対する位置決め位置が設定された第2の位置決め部としての第2の位置決め面3bとを形成している。第1の位置決め面3aは、基板面2aに垂直であって第1の方向F1に平行に形成されており、マイクロレンズ4の入射面4aに垂直に形成されている。第2の位置決め面3bは、第1の位置決め面3aと直交するとともに、第2の方向F2に平行に形成されており、マイクロレンズ4の入射面4aに平行に形成されている。
第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bによって画定された領域には、レーザダイオードチップ5が配置されている。レーザダイオードチップ5は、自身の一の部位としての右側面5aを位置決め用構造部3の第1の位置決め面3aに接触させ、かつ、自身の他の部位としての前面5bを位置決め用構造部3の第2の位置決め面3bに接触させている。
この実施形態では、位置決め用構造部3は、例えば直方体に形成されており、マイクロレンズ4の光軸X1から見て右側に配置されている。また、位置決め用構造部3は、例えばその左側面の一部が直方体形状に切欠かれた形状に形成されており、その切欠きにより形成された領域に第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bが表出している。さらに、この実施形態では、レーザダイオードチップ5は、例えば直方体に形成されている。発光する活性層は、基板の厚さ方向に積層化して形成される。
レーザダイオードチップ5は、第1の位置決め面3aに対して接合されるため、発光層の向きは基板面2aに対して垂直となる。位置決め用構造部3の第1の位置決め面3aは、レーザダイオードチップ5の右側面5aを接触させた場合に、レーザダイオードチップ5の第2の方向F2に対する位置決めが高精度になされるように形成されている。つまり、第1の光学部品を形作るトレンチ4f(図2(b))と位置決め面3aは同時にホトエッチングで形成されるため、レーザダイオードチップ5を位置決め面3aと接合させるだけで、第2の光学部品の光軸を高精度に一致させることができる。従って、レーザダイオードチップ5を第2の方向F2に沿って移動させて位置決めする必要がないようになっている。具体的には、図2(f)に示すように基板全体を立てて、上方(F2方向)からコレットにより吸着されたレーザダイオードチップ5を基板表面2a近くまで搬送する。その後、F1方向にチップ5を移動し、第2の位置決め面3bと接触させ、チップの向き(回転ずれ含む)を矯正した後、F2方向にチップを移動し、接合層が形成された基板表面3aと接合する。
また、第2の位置決め面3bは、レーザダイオードチップ5の前面5bを接触させた場合に、レーザダイオードチップ5の第1の方向F1に対する位置決めが高精度になされるように形成されている。つまり、レーザダイオードチップ5を第1の方向F1に沿って移動させて位置決めする必要がないようになっている。
また、レーザダイオードチップ5の右側面5aを位置決め面3aに接触させ、かつ、前面5bを位置決め面3bに接触させることにより、第1の方向F1、第2の方向F2および第3の方向F3に対するレーザダイオードチップ5の位置決め位置が一義的に特定されるので、3方向に対する高精度の位置決めを容易に行うことができる。
また、レーザダイオードチップ5の右側面5aおよび前面5bを、第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bの境界部3eに接触させることにより、各方向に対するレーザダイオードチップの位置決め位置が一義的に特定されるので、各方向に対する高精度の位置決めを容易に行うことができる。
さらに、レーザダイオードチップ5の右側面5aおよび前面5bを、第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bが交わる交線3i(図2)の両側にそれぞれ接触させることにより、各方向に対するレーザダイオードチップ5の位置決め位置が一義的に特定されるので、各方向に対する高精度の位置決めを容易に行うことができる。
さらに、上記境界部3eを、第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bによって画定された領域に形成された位置決め用の角部に設定することもできる。この場合は、レーザダイオードチップ5の右側面5aおよび前面5bによって形成された角部5e(図1(b))を角部としての境界部3eに合致させることにより、各方向に対するレーザダイオードチップ5の位置決め位置が一義的に特定されるので、各方向に対する高精度の位置決めを容易に行うことができる。
レーザダイオードチップ5の第2の方向F2に対する位置決め精度は、第1の位置決め面3aの形成位置精度の影響を受けるが、レーザダイオードチップ5の右側面5aおよび左側面5c間の幅の形成精度の影響も受ける。このため、レーザダイオードチップ5の第2の方向F2に対する位置決め精度は、レーザダイオードチップ5の右側面5aおよび左側面5c間の幅の形成精度が高いほど、高精度にすることができる。
また、レーザダイオードチップ5の第3の方向F3に対する位置決め精度は、角部3eの位置、つまり位置決め用構造部3の基板面2aからの厚さの影響を受けるが、レーザダイオードチップ5の厚さの影響も受ける。このため、レーザダイオードチップ5の第3の方向F3に対する位置決め精度は、レーザダイオードチップ5の厚さの精度が高いほど、高精度にすることができる。
さらに、図1に示す例では、レーザダイオードチップ5の幅(F2方向)は、位置決め用構造部3の深さ(F2方向)よりも薄く形成されており、角部5eの真下の角部5fが基板面2aから浮いた状態になっているが、角部5fを位置決め用構造部3の角部3eの真下の角部3fに合致させることにより、第1、第2および第3の方向に対する位置決めを行うようにしてもよい。
また、レーザダイオードチップ5の幅(F2方向)を位置決め用構造部3の深さ(F2方向)と同一に形成し、レーザダイオードチップ5の上下の角部5e,5fを位置決め用構造部3の上下の角部3e,3fにそれぞれ合致させることにより、第1、第2および第3の方向に対する位置決めを行うようにしてもよい。
レーザダイオードチップ5の右側面5aは、蒸着法などにより第1の位置決め面3aに形成された接合層上に接合されている。この接合層は、導電性材料により形成されており、レーザダイオードチップ5の右側面5aに形成された導電部と電気的に接続されている。第1の位置決め面3aのうち、後部には、レーザダイオードチップ5が接合されていない部分が表出しており、その部分に配線ワイヤ11が電気的に接続されている。また、レーザダイオードチップ5の左側面5cには導電部が形成されており、その導電部には配線ワイヤ12が電気的に接続されている。各導電部は、レーザダイオードチップ5の内部の電極に電気的に接続されている。
配線ワイヤ11,12は、それぞれ電位取り出しパッド(図示せず)と電気的に接続されている。レーザダイオードチップ5および電位取り出しパッドは、レーザダイオードチップ5の発光時の発熱を放出するためのヒートシンク(図示せず)に搭載されている。
この実施形態では、配線ワイヤ11,12には、例えば、幅広のAuリボンを用いることができる。幅広のAuリボンを使用する目的は、レーザダイオードチップ5の発光時に放熱するためである。また、ヒートシンクは、レーザダイオードチップ5の発光時の発熱を放出させるため、例えば、Cu、CuW、CuMo、Mo、WC等の熱伝導率が大きな材料により構成されている。
位置決め用構造部3の一部3cは、光軸X1と平行で、かつ、レーザダイオードチップ5の前面5bに垂直な左側面3dを備える。その左側面3dと光軸X1を挟んで対向する位置であり、かつ、第2の方向F2に平行な位置には、スリット構成部材6aが基板面2aと一体形成されている。スリット構成部材6aの右側面6dと、位置決め用構造部3の左側面3dとの間には間隙6bが形成されている。
つまり、位置決め用構造部3の一部3cおよびスリット構成部材6aによって第1のスリットが構成されている。この第1のスリットは、レーザダイオードチップ5からマイクロレンズ4の入射面4aに出射された光のビーム径を制限する。このため、間隙6bは、スリット構成部材6aの右側面6dおよび位置決め用構造部3の左側面3dの少なくとも一方の第2の方向F2に対する位置を変更することにより、所望の距離に設定することができる。また、スリット構成部材6aおよび位置決め用構造部3の一部3cは、共に基板面2aと一体形成されているため、その位置決め精度は、形成位置によって決まるので、スリットを別部材として基板面2aに取付ける構造のものよりも、位置決めを高精度に行うことができる。
この実施形態では、スリット構成部材6aは、基板面2aから鉛直に立設され、第1の方向F1に対する厚さの薄い板状に形成されているが、間隙6bを調整できれば、形状は問わない。
マイクロレンズ4の左方には、蒸着法により第1の位置決め面3aに接合層を形成する際に、蒸着およびスパッタリング物質に対してマイクロレンズ4を遮蔽するための遮蔽部材としての蒸着マスク7が基板面2aと一体形成されている。この蒸着は、第1の位置決め面3aに接合層を形成する際に、第1の位置決め面3aを上に向けた姿勢で行うため、その姿勢におけるマイクロレンズ4の上方を遮蔽する必要があるので、図面上ではマイクロレンズ4の左方に蒸着マスク7が配置されている。蒸着マスク7の第1の方向F1に対する幅は、十分な遮蔽効果を出すために、マイクロレンズ4の同方向に対する幅以上に形成されている。また、蒸着マスク7は、基板面2aと一体形成されているため、その位置決め精度は、形成位置によって決まるので、蒸着マスクを別部材として基板面2aに取付ける構造のものよりも、位置決めを高精度に行うことができる。
この実施形態では、蒸着マスク7は、基板面2aから鉛直に立設され、第2の方向F2に対する厚さの薄い板状に形成されているが、マイクロレンズ4の左方を遮蔽することができれば、形状は問わない。
レーザダイオードチップ5から出射されたレーザ光は、マイクロレンズ4によって、遅軸方向の拡がり光がコリメートされ、マイクロレンズ4から出射される。なお、図示していないが、コリメートされた光はポリゴンミラー等に入射させ、レーザ光をスキャニングして対象物までの距離を計測する装置としての応用が可能である。
(半導体光学装置の製造方法)
次に、上記構成の半導体光学装置1の主な製造方法について図2を参照して説明する。図2は、半導体光学装置1の製造工程を示す説明図であり、(a)はパターニングの説明図、(b)はエッチングの説明図、(c)は熱酸化の説明図、(d)はレジスト塗布の説明図、(e)はダイシングカットおよびレジスト除去の説明図、(f)はレーザダイオードチップの位置決め接合の説明図である。図8は、製造された半導体光学装置の斜視図である。
なお、実際の製造工程では、1枚のシリコンウエハから複数の半導体光学装置1を得るが、以下では説明をし易くするため1つの半導体装置1の部分を例にして説明する。
(1)パターニング
図示しないが、半導体基板2となるシリコンウェハを用意し、その上に酸化膜(SiO2)を形成する。その後、この酸化膜を図2(a)に示すように、半導体光学装置1の各構成部材の横断面形状に対応するマスクをパターニングする。具体的には、マイクロレンズ4のマスク4dと、位置決め用構造部3のマスク3hと、スリット構成部材6aのマスク6eと、蒸着マスク7のマスク7aとを形成する。マイクロレンズ4のマスク4dは、後述するトレンチエッチングにより、光軸X1と平行に延びるトレンチ(縦溝)が交互に多数形成されるように形成する。なお、マスク4dにおいて光軸X1と平行に延びる黒色の線は、空隙を表す。
(2)エッチング
そして、半導体基板2をエッチングする。これにより、図2(b)に示すように、マイクロレンズ4の形成予定領域をマイクロレンズ4の輪郭と同様の形状に加工すると同時に、位置決め用構造部3、スリット構成部材6aおよび蒸着マスク7を加工する。マイクロレンズ4の形成予定領域には、エッチングにより残った部分のシリコン層4eおよびエッチングされたトレンチ4fが交互に形成される。各トレンチ4fの開口部の第2の方向F2に対する幅(以下、抜き幅という)は、それぞれ一定に形成されており、かつ、光軸X1に対して平行な状態で延びている。
具体的には、第2の方向F2に対する抜き幅と、シリコン4eの幅(以下、残し幅という)の比率は、0.55:0.45となるようにマスク4dの開口部の幅および開口部の間隔を調整する。例えば、抜き幅が1.1μmなら、残し幅は0.9μm、抜き幅が2.2μmなら、残し幅は1.8μmとする。なお、各トレンチ4fの下側で、エッチングされずに残された部分が台座部4cとなる。
なお、半導体基板2の基板面2a上でのマイクロレンズ4の光軸X1の高さは、台座部4cの高さによって決まる。また、台座部4cの高さは、トレンチ4fの深さにより決まることから、トレンチ4fの深さにより、マイクロレンズ4の光軸X1の高さが決まる。このため、トレンチ4fを形成するとき、マイクロレンズ4の光軸X1とレーザダイオードチップ5の光軸とを一致させるように、トレンチ4fの深さ(第3の方向F3に対する高さ)を設定する。
また、位置決め用構造部3は、第1の位置決め面3aに接合されるレーザダイオードチップ5の光軸の第2の方向F2に対する位置がマイクロレンズ4の光軸X1の第2の方向F2に対する位置と一致するように形成する。また、第1の位置決め面3aは、レーザダイオードチップ5の発光層5dの第2の方向F2に対する位置を考慮して形成する。これは、発光層5dの第2の方向F2に対する位置(または、レーザダイオードチップ5の第2の方向F2に対する幅)がレーザダイオードチップ間の個体差に起因して異なる場合があることを考慮するためである。
また、位置決め用構造部3は、第2の位置決め面3bが基板面3aに対して垂直で、かつ、第1の方向(マイクロレンズ4の光軸X1方向)F1に対して基板面2aの面方向で直交するように形成する。
さらに、第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bの境界部3eの形状、あるいは、基板面2aからの高さは、その境界部3eにレーザダイオードチップ5の右側面5aおよび前面5bを接触させたときに、第3の方向F3に対するマイクロレンズ4の光軸およびレーザダイオードチップ5の光軸が一致するように設定する。
つまり、第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bは、それら両面に取付けられたレーザダイオードチップ5から出射され、マイクロレンズ4から出射されたレーザ光をコリメートできるように、マイクロレンズ4の焦点距離を考慮した位置となるように設定する。例えば、半導体レーザのコリメート用に用いる場合を想定すると、レーザの広がり角を90°とした場合、レーザダイオードチップ5の発光端とマイクロレンズ4の入射面4aとの距離を例えば1000μm程度とする。つまり、レーザダイオードチップ5の発光端にマイクロレンズ4の入射面4aを1000μm程度まで近づけたとき、位置決め用構造部3の境界部3eに対してレーザダイオードチップ5の右側面5aおよび前面5bが接触するように位置決め用構造部3を形成する。
なお、図示したレーザダイオードチップ5の角部5eは直角に形成されているが、その他の形状でもよく、この場合、その形状と合致するように第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bを形成することもできる。
エッチング後のトレンチ4fの側壁表面、特にマイクロレンズ4の最外周部を規定する側壁表面の平坦性は、この面が入射面4aあるいは出射面4bとなるため重要である。このため、シリコン基板をエッチングした後、図示しないが、シリコン基板の全体を水素雰囲気中でアニール処理してトレンチ側壁での表面粗さを小さくする。この後、いわゆる犠牲酸化を行うことで平滑な表面を持つレンズ面を得ることができる。なお、この技術に関しては特開2002−231945号公報に開示されている。さらに、エッチングの際に用いた酸化膜マスクをフッ酸溶液への浸漬等により除去する。
位置決め用構造部3およびスリット構成部材6aは、第1のスリットを構成する位置決め用構造部3の一部3cの左側面3dと、スリット構成部材6aの右側面6dとの間隙6bが、一定の間隔となるように形成する。その一定の間隔は、レーザダイオードチップ5の発光層5eから発光され、マイクロレンズ4の入射面4aに入射する光のビーム径が所望する径となるように決定される。この実施形態では、位置決め用構造部3の一部3cの左側面3dおよびスリット構成部材6aの右側面6dとが平行で、かつ、基板面2aに対して垂直となるように形成する。
蒸着マスク7は、位置決め用構造部3の第1の位置決め面3aを真上に向けた状態で、第1の位置決め面3aに接合層を蒸着するときに、蒸着物質がマイクロレンズ4に付着しない大きさに形成する。例えば、蒸着マスク7は、その第1の方向F1に対する幅が、同方向に対するマイクロレンズ4の幅以上となり、かつ、基板面2aからの高さがマイクロレンズ4の高さ以上となるように形成する。
(3)熱酸化
熱酸化により、各トレンチ4f内をシリコン酸化物で充填するとともに、トレンチ4fの側壁部をシリコン酸化物で置き換える。このようにして、シリコン基板の基板面2aと一体的なマイクロレンズ4を形成する(図2(c))。このとき形成される酸化膜の厚さは、抜き幅と残し幅との合計と同じか、それ以上に設定する。通常、熱酸化膜はシリコン表面の内側と外側に0.45:0.55の割合で進行する。この実施形態では、この比率に合わせて抜き幅と残し幅を設定しており、つまり、熱酸化においてトレンチ4f内がシリコン酸化物で充填されると同時にトレンチ4f間のシリコン層4eがシリコン酸化物になる寸法となっている。
したがって、各トレンチ4fの内部が全て熱酸化膜で埋まった時点でトレンチ4f間のシリコン層4eも全て酸化される。つまり、図2(c)に示すように、この時点でマイクロレンズ4の形成予定領域全体が一塊りのシリコン酸化物(SiO2)となり、マイクロレンズ4ができる。このとき、位置決め用構造部3、スリット構成部材6aおよび蒸着マスク7の各表面にも酸化膜が形成される。つまり、マイクロレンズ4の形成と同時に位置決め用構造部3、スリット構成部材6aおよび蒸着マスク7も形成される。
さらに、シリコン酸化物層に不純物を注入することで、第1のシリコン酸化膜、第2のシリコン酸化膜および第3のシリコン酸化膜から構成されたマイクロレンズ4を形成する。
なお、この熱酸化工程の後に、マイクロレンズ4の光透過率向上のために、必要に応じてシリコン基板の全体に反射防止膜をコーティングすることができる。
(5)レジスト塗布
次の工程のダイシングカットのときに切削屑が付着しないようにするため、図2(d)に示すように、半導体基板2の表面にレジスト16を塗布および硬化する。
(6)ダイシングカットおよびレジスト除去
マイクロレンズ4などが形成された半導体基板2をダイシングカットする。ダイシングカットは、図示していない領域に対して行う。これにより、半導体基板2を半導体光学装置1単位の所望のチップ状とする(図2(e))。また、半導体基板2の裏面からハーフカットして半導体基板2の外周を外方へ引っ張ることによりカットしてもよい。この手法によれば、マイクロレンズ4などを汚損することなくチップ状にすることができる。
(7)レーザダイオードチップ5の位置決め接合
位置決め用構造部3の第1の位置決め面3aに、レーザダイオードチップ5を電気的に接合するための接合層を形成する。具体的には、半導体基板2を第1の位置決め面3aが真上になった姿勢にし、例えば蒸着法により第1の位置決め面3aに接合層を成膜する。このとき、マイクロレンズ4の真上には蒸着マスク7が配置された姿勢となり、マイクロレンズ4を蒸着物質から遮蔽するため、蒸着物質がマイクロレンズ4に付着するおそれがない。この実施形態では、例えば第1の位置決め面3aにAu/Ti膜を成膜する。
ここで、Au/Ti膜におけるTiは、第1の位置決め面3a表面の酸化膜とAuとの密着性を良好にするためのものであり、Au/Ti膜におけるAuは、レーザダイオードチップ5の右側面5aにAuにより形成された導電部(図示せず)および配線ワイヤ11と電気的に接続させるためのものである。
次に、レーザダイオードチップ5の右側面5aおよび前面5bを、それぞれ位置決め用構造部3の第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bに接触させるようにして、レーザダイオードチップ5の右側面5aを第1の位置決め面3aに接合する。これにより、レーザダイオードチップ5が、第1の方向F1、第2の方向F2および第3の方向F3に対して高精度で位置決めされる。その後、加熱加圧してレーザダイオードチップ5を第1の位置決め面3aに接合する。
次に、レーザダイオードチップ5発光時の熱を放熱するためのヒートシンク材5h(図8)を接合材(例えばIn、Au−Si共晶合金、AuとSnからなる共晶合金、AuとGeからなる合金層あるいはSnPbはんだ等)を介してレーザダイオードチップ5に熱圧着する。接合材は、レーザダイオードチップ5におけるヒートシンク材の接合領域のみに予めマスク蒸着等により成膜しておく。
なお、ヒートシンク材5hの表面に、配線ワイヤ11,12と電気的に接続される1組の電位取り出しパッドを取付ける場合は、ヒートシンク材5hの表面に電位取り出しパッドとして、ポリイミド等の絶縁膜、Au膜を順に接合前に予め成膜しておく。
続いて、ワイヤボンディングを行い、第1の位置決め面3aの後部で表出している導電部と一方の電位取り出しパッドとを配線ワイヤ11により電気的に接続する。また、レーザダイオードチップ5の左側面5cにAuにより形成された導電部と他方の電位取り出しパッドとを配線ワイヤ12により電気的に接続する。配線ワイヤ11,12としては、例えば、幅広のAuリボンを用いることができる。幅広のAuリボンを使用する目的は、レーザダイオードチップ5の発光時に放熱するためである。なお、Auリボンをボンディングする位置や、Auリボンの本数はデバイスの特性に応じて変更可能である。
(実施形態の効果)
(1)上記実施形態の半導体光学装置1を使用すれば、レーザダイオードチップ5の右側面5aを第1の位置決め面3aに接触させることにより、レーザダイオードチップ5の第2の方向F2に対する位置決めを高精度に行うことができ、そのように位置決めした状態でレーザダイオードチップ5を半導体基板2に搭載すれば、レーザダイオードチップ5が第2の方向F2に対して高精度に位置決めされて搭載された半導体光学装置を実現することができる。
したがって、マイクロレンズ4とレーザダイオードチップ5との光結合効率を従来よりも向上させることができる。
(2)特に、レーザダイオードチップ5のように発光層5dの積層方向が基板面2aに対して垂直な場合は、レーザダイオードチップ5の第2の方向F2に対する位置決めの誤差が光軸のずれとなって表れてしまうが、レーザダイオードチップ5を第1の位置決め面3aに接触させるだけで第2の方向F2に対して高精度で位置決めすることができるため、そのような光軸のずれが発生するおそれがない。
(3)しかも、レーザダイオードチップ5の右側面5aを第1の位置決め面3aに接触させるだけで、レーザダイオードチップ5の第2の方向F2に対する位置決めが完了するため、レーザダイオードチップ5の第2の方向F2に対する位置決めを行うための作業時間を短縮することができる。
(4)また、位置決め用構造部3は、マイクロレンズ4が形成された同じ半導体基板2と一体形成されているため、その半導体基板2に形成されたマイクロレンズ4と位置決め用構造部3との位置合わせ精度は、マイクロレンズ4および位置決め用構造部3の形成精度によって決まる。
したがって、レーザダイオードチップ5が位置決め用構造部3に接触して半導体基板2に搭載されていることから、マイクロレンズ4とレーザダイオードチップ5との位置決め精度も、マイクロレンズ4および位置決め用構造部3の形成精度によって決まる。
(5)さらに、レーザダイオードチップ5の右側面5aおよび前面5bをそれぞれ第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bに接触させることにより、レーザダイオードチップ5の第1の方向F1および第2の方向F2に対する位置決めを高精度に行うことができ、そのように位置決めした状態でレーザダイオードチップ5を半導体基板2に搭載すれば、レーザダイオードチップ5が第1の方向F1および第2の方向F2に対して高精度に位置決めされて搭載された半導体光学装置を実現することができる。
(6)レーザダイオードチップ5の右側面5aおよび前面5bをそれぞれ第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bに接触させるだけで、レーザダイオードチップ5の第1の方向F1および第2の方向F2に対する位置決めが完了するため、レーザダイオードチップ5の第1の方向F1および第2の方向F2に対する位置決めを行うための作業時間を短縮することができる。
(7)レーザダイオードチップ5の右側面5aを位置決め面3aに接触させ、かつ、前面5bを位置決め面3bに接触させることにより、第1の方向F1、第2の方向F2および第3の方向F3に対するレーザダイオードチップ5の位置決め位置が一義的に特定されるので、3方向に対する高精度の位置決めを容易に行うことができる。
(8)レーザダイオードチップ5の右側面5aおよび前面5bを、第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bの境界部3eに接触させることにより、各方向に対するレーザダイオードチップの位置決め位置が一義的に特定されるので、各方向に対する高精度の位置決めを容易に行うことができる。
(9)レーザダイオードチップ5の右側面5aおよび前面5bを、第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bが交わる交線3i(図2)の両側にそれぞれ接触させることにより、各方向に対するレーザダイオードチップ5の位置決め位置が一義的に特定されるので、各方向に対する高精度の位置決めを容易に行うことができる。
(10)境界部3eを、第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bによって画定された領域に形成された位置決め用の角部に設定することもでき、レーザダイオードチップ5の右側面5aおよび前面5bによって形成された角部5e境界部3eに合致させることにより、各方向に対するレーザダイオードチップ5の位置決め位置が一義的に特定されるので、各方向に対する高精度の位置決めを容易に行うことができる。
(11)マイクロレンズ4は、これと同一形状で基板面2aに形成された台座部4cの上に形成されているため、半導体基板2とマイクロレンズ4との熱膨張係数差により、半導体基板2およびマイクロレンズ4間に応力が発生した場合であっても、その応力を台座部4cで吸収することができるので、マイクロレンズ4およびレーザダイオードチップ5の位置関係がずれるおそれがない。また、応力集中により、マイクロレンズ等の光学部品が破損することもない。
また、台座部4cの形状をマイクロレンズ4と同一形状とすることで、台座部4cの形成位置を制御することにより、マイクロレンズ4とレーザダイオードチップ5の発光面との距離を任意に設定することができる。つまり、マイクロレンズ4およびレーザダイオードチップ5の性能、例えば、マイクロレンズ4の焦点距離が短い場合、マイクロレンズ4とレーザダイオードチップ5の発光面との距離を小さく設定することが容易となる。
(12)レーザダイオードチップ5から出射された光のビーム径を制限する第1のスリットが基板面2aと一体形成されているため、レーザダイオードチップ5からマイクロレンズ4に入射する光のビーム径を制限することができる。
また、第1のスリットは基板面2aと一体形成されているため、基板面2aに対する第1のスリットの形成位置の精度を高めることができる。
さらに、半導体基板2と個別に製造して基板面2aに取付ける構成のものよりも製造工程が少ないので、製造コストを低減することができる。
(13)第1のスリットの一部は、位置決め用構造部3の一部3cであるため、第1のスリットと位置決め用構造部3との位置関係の精度を高めることができる。
また、位置決め用構造部3と個別に製造する場合よりも製造材料および製造工程が少ないので、製造コストを低減することができる。
(14)レーザダイオードチップ5を接合するための接合層を蒸着法により位置決め面3aに形成するときの蒸着物質に対してマイクロレンズ4を遮蔽する蒸着マスク7が基板面2aと一体形成されているため、蒸着物質がマイクロレンズ4に付着してマイクロレンズ4の機能が損なわれるおそれがない。
<応用例>
(1)図3は、上記実施形態の半導体光学装置1を使用した応用例を基板面2aの上方から見た説明図である。位置決め用構造部3には、上記実施形態と同じ手法によって位置決めされたレーザダイオードチップ5が接合されている。マイクロレンズ4の入射側には、スリット構成部材6a,6cにより構成された第1のスリットが配置されている。スリット構成部材6cは、スリット構成部材6aと同じように基板面2aに立設された板状に形成されており、基板面2aと一体形成されている。マイクロレンズ4の出射側には、マイクロレンズ4から出射された光の出射方向を制限するスリット8が配置されている。スリット8は、間隙8bを挟んで配置されたスリット構成部材8a,8cから構成される。スリット構成部材8aの左端と、第1のスリットを構成するスリット構成部材6aの左端との間には蒸着マスク7が配置されている。つまり、スリット構成部材6a,8aおよび蒸着マスク7は、それぞれ基板面2aと一体形成されており、かつ、相互に一体形成されている。
このように、第2のスリット8が基板面2aと一体形成されているため、基板面2aに対する第2のスリット8の形成位置の精度を高めることができる。
また、第2のスリット8を半導体基板2と個別に製造して基板面2aに取付ける構成のものよりも製造工程が少ないので、製造コストを低減することができる。さらに、この応用例の半導体光学装置は、前述の実施形態の各効果と同じ効果を奏することができる。
(2)図4は、前述の実施形態の半導体光学装置1を使用した応用例を基板面2aの上方から見た説明図である。位置決め用構造部3には、前述の実施形態と同じ手法によって位置決めされたレーザダイオードチップ5が接合されている。マイクロレンズ4の出射側には、マイクロレンズ9が配置されている。マイクロレンズ9は、平凸型のシリンドリカルレンズであり、その凸部をマイクロレンズ4の凸部と対向させて配置されている。マイクロレンズ9は、前述したマイクロレンズ4の製造方法と同じ方法により形成することができる。
マイクロレンズ9の出射側には第2のスリット(8a,8c)が配置されている。第2のスリットの出射方向には、MEMS(Micro Electrical Mechanical System)技術を用いて小型に形成されたマイクロミラーチップ10が配置されている。マイクロレンズ4,9の左方(図4では上方)には、マイクロレンズ4,9の左側面を蒸着工程時の蒸着物質から遮蔽するための蒸着マスク7が配置されている。
レーザダイオードチップ5から出射されたレーザ光は、第1のスリット(6a,6c)を介してマイクロレンズ4に入射され、コリメート光となってマイクロレンズ9に入射され、マイクロレンズ9によって集光された光は、第2のスリット(8a,8c)を介してマイクロミラーチップ10で反射され、シート状のレーザ光14となる。
この応用例の半導体光学装置は、シート状のレーザ光14を得ることができる他、前述の実施形態の各効果と同じ効果を奏することができる。
(3)図5は、前述の実施形態の半導体光学装置1を使用した応用例を基板面2aの上方から見た説明図である。第2のスリット(8a,8c)の出射側には、出射光をコリメートするレンズ13(例えばシリンドリカルレンズ)が配置されている。レンズ13が配置されている以外は、図4に示した半導体光学装置と同じ構成である。
第2のスリット(8a,8c)から出射されたレーザ光は、レンズ13によってコリメートされ、図4に示したシート状のレーザ光よりも薄いシート状のレーザ光15となる。
この応用例の半導体光学装置は、図4に示したシート状のレーザ光14よりも薄いシート状のレーザ光15を得ることができる他、前述の実施形態の各効果と同じ効果を奏することができる。
(4)図6および図7は、応用例を示す斜視図である。図6に示すように、位置決め用構造部3には、レーザダイオードチップ5の右側面5aおよび前面5bの少なくとも一方と非接触となる空間3gが形成されている。空間3gは、図1に示した境界部3eをトレンチ状に切欠いた形状に形成されている。そして、図7に示すように、レーザダイオードチップ5は、その右側面5aおよび前面5bをそれぞれ第1の位置決め面3aおよび第2の位置決め面3bに接触させた状態で、右側面5aを第1の位置決め面3aに接合している。
この構造を用いれば、溶融した接合材を上記空間3gに溜めることが可能となるため、その接合材が第2の位置決め面3bに付着するなどの、位置決め精度の悪化を回避することができる。
(5)また、レーザダイオードチップ5の焦点距離が短いような場合は、位置決め用構造部3の厚さを薄くする必要があるが、強度の面で境界部3eに空間3gを形成できない場合がある。しかし、図8に示したように、ヒートシンク材5hを配置することにより、上記空間3gを形成すれば、強度が低下することなく、上記溶融した接合材を上記空間3gに溜めることができる。なお、ヒートシンク材5hに代えて、上記空間3gを形成する役割のみを有する別部材を配置してもよい。
(6)レーザダイオードチップ5の角部5eの真下に位置する角部5fを、位置決め用構造部3の角部3eの真下に位置する角部3f(図2(c))に合致させることにより位置決めすることもできる。この場合、レーザダイオードチップ5の角部5fを位置決め用構造部3の角部3fに合致させたときにレーザダイオードチップ5の第1の方向F1、第2の方向F2および第3の方向F3に対する位置決めがされるようにレーザダイオードチップ5の厚さ、または発光層5dの位置を設定しておく。この構成を用いた場合も前述の実施形態の各効果と同じ効果を奏することができる。
(7)レーザダイオードチップ5の厚さを第1の位置決め面3aの高さと同一に形成し、レーザダイオードチップ5の角部5e,5fを位置決め用構造部3の角部3e,3fにそれぞれ合致させることにより位置決めすることもできる。この場合、レーザダイオードチップ5の角部5e,5fを位置決め用構造部3の角部3e,3fに合致させたときにレーザダイオードチップ5の第1の方向F1、第2の方向F2および第3の方向F3に対する位置決めがされるように、レーザダイオードチップ5の厚さ、または第1の位置決め面3aの高さ、あるいは発光層5dの位置を設定しておく。この構成を用いた場合も前述の実施形態の各効果と同じ効果を奏することができる。
(8)第1の位置決め面3aが右方を向くように位置決め用構造部3を基板面2a上に形成し、レーザダイオードチップ5の左側面5cをその第1の位置決め面3aに接触させることにより第2の方向F2に対する位置決めを行うこともできる。また、この場合、レーザダイオードチップ5の角部を利用して位置決めする場合は、角部5eと第2の方向F2に沿って対向する反対側の角部を用いる。これらの構成を用いた場合も前述の実施形態の各効果と同じ効果を奏することができる。
(9)レーザダイオードチップ5に位置決め用の凸部を設け、その凸部を嵌合する凹部を位置決め用構造部3に設け、レーザダイオードチップ5の凸部を位置決め用構造部3の凹部に嵌合することによりレーザダイオードチップ5の位置決めを行うこともできる。なお、レーザダイオードチップ5に凹部を設け、位置決め用構造部3に凸部を設けてもよい。この構成を用いた場合も前述の実施形態の各効果と同じ効果を奏することができる。
(10)マイクロレンズ4の形成予定領域にトレンチ4fを形成せず、形成予定領域をマイクロレンズ4の形状に加工し、SOG(Spin-On Glass)により、形成予定領域上にガラス膜を塗布することで、マイクロレンズ4を形成することもできる。この構成を用いた場合も前述の実施形態の各効果と同じ効果を奏することができる。
(11)レーザダイオードの代わりに発光ダイオードまたは光ファイバを用いることもできる。この構成を用いた場合も前述の実施形態の各効果と同じ効果を奏することができる。
(12)マイクロレンズ4に代えて光導波路を用いることもできる。また、プリズム、ミラーとしての機能を持つ光学素子や、格子などの偏光素子を用いることもできる。この構成を用いた場合も前述の実施形態の各効果と同じ効果を奏することができる。
この発明の実施形態に係る半導体光学装置の主要構成を示す斜視説明図であり、(a)は半導体光学装置の斜視説明図、(b)は(a)に示す半導体光学装置に備えられたレーザダイオードチップの斜視説明図である。 半導体光学装置1の製造工程を示す説明図であり、(a)はパターニングの説明図、(b)はエッチングの説明図、(c)は熱酸化の説明図、(d)はレジスト塗布の説明図、(e)はダイシングカットおよびレジスト除去の説明図、(f)はレーザダイオードチップの位置決め接合の説明図である。 実施形態の半導体光学装置1を使用した応用例を基板面2aの上方から見た説明図である。 実施形態の半導体光学装置1を使用した応用例を基板面2aの上方から見た説明図である。 実施形態の半導体光学装置1を使用した応用例を基板面2aの上方から見た説明図である。 応用例を示す斜視図である。 応用例を示す斜視図である。 製造された半導体光学装置を示す斜視図である。 特許文献1に記載された半導体光学装置を示す説明図である。
符号の説明
1・・半導体光学装置、2・・半導体基板、2a・・基板面、
3・・位置決め用構造部、3a・・第1の位置決め面(第1の位置決め部)、
3b・・第2の位置決め面(第2の位置決め部)、3c・・位置決め用構造部の一部、
3e・位置決め用の角部、4・・マイクロレンズ(第1の光学部品)、
4b・・台座部、5・・レーザダイオードチップ(第2の光学部品)、
5a・・右側面(一の部位)、5b・・前面(他の部位)、5d・・発光層、
5e・・角部、6a・・スリット構成部材(第1の制限手段)、
7・・蒸着マスク(遮蔽部材)、8・・第2のスリット(第2の制限手段)、
F1・・第1の方向、F2・・第2の方向、F3・・第3の方向。

Claims (23)

  1. 半導体基板に形成された第1の光学部品と、この第1の光学部品と光学的に結合された第2の光学部品とを備えた半導体光学装置において、
    前記第1および第2の光学部品間の光軸方向を第1の方向とし、この第1の方向に対して前記半導体基板の基板面の面方向で直交する方向を第2の方向とした場合に、
    前記第2の光学部品の前記第2の方向に対する位置決め位置が設定された第1の位置決め部を有する位置決め用構造部が前記半導体基板と一体形成されており、
    前記第2の光学部品は、自身の一の部位を前記第1の位置決め部に接触させることにより、前記第2の方向に対する位置決めがされた状態で前記半導体基板に搭載されていることを特徴とする半導体光学装置。
  2. 前記位置決め用構造部は、前記第2の光学部品の前記第1の方向に対する位置決め位置が設定された第2の位置決め部を備えており、
    前記第2の光学部品は、前記自身の一の部位を前記第1の位置決め部に接触させ、かつ、自身の他の部位を前記第2の位置決め部に接触させることにより、前記第1および第2の方向に対する位置決めがされた状態で前記半導体基板に搭載されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体光学装置。
  3. 前記基板面と垂直な方向を第3の方向とした場合に、前記第2の光学部品の前記自身の一の部位を前記第1の位置決め部に接触させ、かつ、自身の他の部位を前記第2の位置決め部に接触させることにより、前記第1、第2および第3の方向に対する前記第2の光学部品の位置決めがされるように構成されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体光学装置。
  4. 前記位置決め用構造部は、前記第1および第2の位置決め部の境界部を備えており、かつ、前記第2の光学部品の前記一の部位および他の部位を前記境界部に接触させることにより、前記各方向に対する前記第2の光学部品の位置決めがされるように構成されていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の半導体光学装置。
  5. 前記境界部には、前記第1および第2の位置決め部が交わる交線が形成されており、
    前記第2の光学部品の前記一の部位および他の部位を前記交線の両側にそれぞれ接触させることにより、前記各方向に対する前記第2の光学部品の位置決めがされるように構成されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体光学装置。
  6. 前記境界部は、前記第1および第2の位置決め部によって画定された領域に備えられた位置決め用の角部であり、
    前記第2の光学部品の前記一の部位および他の部位によって形成された角部を前記位置決め用の角部に合致させることにより、前記各方向に対する前記第2の光学部品の位置決めがされるように構成されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体光学装置。
  7. 前記境界部には、前記第2の光学部品の前記一の部位および他の部位の少なくとも一方と非接触となる空間が形成されていることを特徴とする請求項4ないし請求項6のいずれか1つに記載の半導体光学装置。
  8. 前記空間は、前記第1および第2の位置決め部の少なくとも一方に配置された別部材によって形成されていることを特徴とする請求項7に記載の半導体光学装置。
  9. 前記第1の光学部品は、これと同一形状で前記基板面に形成された台座部の上に形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1つに記載の半導体光学装置。
  10. 前記第2の光学部品から出射された光のビーム径を制限する第1の制限手段が前記基板面と一体形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1つに記載の半導体光学装置。
  11. 前記第1の制限手段の一部は、前記位置決め用構造部の一部であることを特徴とする請求項10に記載の半導体光学装置。
  12. 前記第1の光学部品から出射された光のビーム径を制限する第2の制限手段が前記基板面と一体形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか1つに記載の半導体光学装置。
  13. 前記第2の光学部品は、蒸着あるいはスパッタリング手段により前記位置決め用構造部に形成された接合層を介して前記位置決め用構造部に接合されており、
    前記蒸着あるいはスパッタリング手段に用いる蒸着あるいはスパッタリング物質に対して前記第1の光学部品を遮蔽するための遮蔽部材が、前記基板面と一体形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項12のいずれか1つに記載の半導体光学装置。
  14. 前記第2の光学部品は、蒸着あるいはスパッタリング手段により前記位置決め用構造部に形成された接合層を介して前記位置決め用構造部に接合されており、
    前記蒸着あるいはスパッタリング手段に用いる蒸着あるいはスパッタリング物質に対して前記第2の光学部品を遮蔽するための遮蔽部材と、前記第1の光学部品から出射された光のビーム径を制限する第2の制限手段とが前記基板面と一体形成されており、
    前記第1および第2の制限手段の一方と、前記遮蔽部材とが一体形成されていることを特徴とする請求項10または請求項11に記載の半導体光学装置。
  15. 前記第2の光学部品は、積層方向が前記基板面に対して垂直な発光層を備えていることを特徴とする請求項1ないし請求項14のいずれか1つに記載の半導体光学装置。
  16. 前記第1の光学部品はマイクロレンズまたは光導波路であることを特徴とする請求項1ないし請求項15のいずれか1つに記載の半導体光学装置。
  17. 前記第2の光学部品はレーザダイオード、発光ダイオードまたは光ファイバであることを特徴とする請求項1ないし請求項16のいずれか1つに記載の半導体光学装置。
  18. 前記第1の光学部品はマイクロレンズであり、前記第2の光学部品はレーザダイオードであることを特徴とする請求項1ないし請求項17のいずれか1つに記載の半導体光学装置。
  19. 半導体基板に形成された第1の光学部品と、この第1の光学部品と光学的に結合された第2の光学部品とを備えた半導体光学装置の製造方法において、
    前記半導体基板を加工することにより、前記第1の光学部品と、前記第2の光学部品を位置決めするための位置決め用構造部とを前記半導体基板の基板面上に形成する工程を有し、
    前記第1および第2の光学部品間の光軸方向を第1の方向とし、この第1の方向に対して前記半導体基板の基板面の面方向で直交する方向を第2の方向とした場合に、前記工程では、前記第2の光学部品の前記第2の方向に対する位置決め位置が設定された第1の位置決め部を前記位置決め用構造部に形成することを特徴とする半導体光学装置の製造方法。
  20. 前記工程では、前記第2の光学部品の前記第1の方向に対する位置決め位置が設定された第2の位置決め部を前記位置決め用構造部に形成することを特徴とする請求項19に記載の半導体光学装置の製造方法。
  21. 前記基板面と垂直な方向を第3の方向とした場合に、前記工程では、前記第2の光学部品を前記第1および第2の位置決め部に接触させることにより、前記第2の光学部品が前記第1、第2および第3の方向に対して位置決めされるように前記第1および第2の位置決め部を形成することを特徴とする請求項20に記載の半導体光学装置の製造方法。
  22. 半導体基板を加工することにより、前記半導体基板の同一基板面に前記第1の光学部品および位置決め用構造部を形成することを特徴とする請求項19ないし請求項21のいずれか1つに記載の半導体光学装置の製造方法。
  23. 前記第2の光学部品を前記各位置決め部に接合する工程を有することを特徴とする請求項19ないし請求項22のいずれか1つに記載の半導体光学装置の製造方法。
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