JP2010245186A - 半導体光通信モジュール及び、その製造方法 - Google Patents

半導体光通信モジュール及び、その製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、半導体光通信モジュールの小型化に寄与する構造及び製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明に係る半導体光通信モジュールは、光信号を出力する発光素子と、屈曲した光導波路とを搭載したチップと；前記チップを搭載したキャリアと；前記キャリアに対向して配置され、前記チップから出力される変調光信号が入射するレンズモジュールとを備える。そして、前記レンズモジュールの入射側端面と前記キャリアの端面とが平行になりかつ前記レンズモジュールの入射側端面と前記光導波路からの出射光とが垂直になるように前記レンズモジュールと前記キャリアと前記チップとを配置したことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体光通信モジュール及び、その製造方法に関するものである。
光通信システムは、近年、大容量化及び高速化が進み、10Gbpsの基本伝送速度でのシステムはすでに商用化されている。更に、次世代のビットレートである40Gbpsの基本伝送速度を有するシステムも商用化の一歩手前まできている。
そのような背景の中、高速・大容量の光通信システムの光源部品として、ＥＭＬ(Electro absorption Modulated Laser:ＥＡ変調器集積型半導体レーザ)が使用される。ＥＭＬによれば、ＤＦＢ−ＬＤ等と比較して、波長チャーピングが小さく、10Gbpsや40Gbps等の高ビットレートにおいて、長距離伝送が可能なメリットがある。
しかしながら、昨今、光通信システムの規模拡大やコスト面を考慮して、より長距離伝送可能なデバイスが求められ、(例えば、1.55um帯10Gbpsのシステムだと、伝送距離が40kmから80km)、更なる低波長チャープ化が必須となってきている。
低波長チャープを得るためには、ＥＡ（電界吸収）部やＬＤ（レーザダイオード）部の構造最適化はもちろんのこと、ＥＡ端面での戻り光抑制することも必須である。ＥＡ端面での戻り光(反射)があると、変調光がＬＤ部に入射する。すると、ＬＤ部活性層のキャリア密度がゆらぎ、実効屈折率が変化してしまう。これにより、ＬＤ部の波長チャープが発生し、ＥＡ部の波長チャープに重畳され、信号波形の劣化を引き起こし、結果的に伝送距離が短くなってしまう。
ＥＡ端面での戻り光(反射)を抑制するために、曲がり導波路構造を採用する方法が提案されている。しかしながら、この場合、ＬＤから出力された光が入射するレンズモジュールをスネルの法則によりチップキャリアに対して斜めに配置する必要がある。その結果、装置（光通信モジュール）全体が大型化してしまう問題が生じる。
なお、特開２００４−１８４９４３号公報には、導波路の光軸に沿ってレンズ等を設ける構造が開示されている。
特開２００４−１８４９４３号公報
本発明は上記のような状況に鑑みてなされたものであり、半導体光通信モジュールの小型化に寄与する構造及び製造方法を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、高周波特性の劣化を抑制可能な半導体光通信モジュール及び製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体光通信モジュールは、光信号を出力する発光素子と、屈曲した光導波路とを搭載したチップと；前記チップを搭載したキャリアと；前記キャリアに対向して配置され、前記チップから出力される変調光信号が入射するレンズモジュールとを備える。そして、前記レンズモジュールの入射側端面と前記キャリアの端面とが平行になるように配置したことを特徴とする。
また、本発明に係る半導体光通信モジュールの実装方法は、前記キャリア及びレンズモジュールを実装し、その後、前記レンズモジュールの少なくとも一部を動かすことによって互いの光軸調整を行うことを特徴とする。
本発明によれば、半導体光通信モジュールの更なる小型化を図ることが可能となる。
また、半導体光通信モジュールにおける高周波特性の向上を図ることが可能となる。
図１は、本発明に係る半導体光通信モジュールの概略構成を示す平面図である。 図２は、本発明の第１実施例に係る半導体光通信モジュールの要部の構造を示す平面図である。 図３は、図２の部分拡大図である。 図４は、本発明の第２実施例に係る半導体光通信モジュールの要部の構造を示す平面図である。 図５は、図４の部分拡大図である。 図６は、本発明の効果を示すグラフである。 図７は、本発明の効果を示すグラフである。
図１は、本発明に係る半導体光通信モジュール１０の概略構成を示す平面図である。半導体光通信モジュール１０は、ＴＥＣ（Temperature Controller）１４に搭載されたＥＭＬ−ＣＯＣ（チップ・オン・キャリア）１２と；レンズ固定台１８に搭載されたレンズ１６及びアイソレータ２２と；アイソレータ２２に結合され、変調された光信号を伝送する光ファイバ２４とを備えている。ＥＭＬ−ＣＯＣ１２は、温度制御が必要なため、TEC１４の上に搭載される。ＥＭＬ−ＣＯＣ１２から出力された変調光は、レンズ１６でコリメートされ、アイソレータ２２を通して光ファイバ２４内を伝送する。
ここで、レンズ１６と、アイソレータ２２と、光ファイバ２４とによってレンズモジュール（４２）が構成される。
図２及び図３は、本発明の第１実施例に係るＥＭＬ−ＣＯＣ１２の構造を示す平面図である。図２及び図３に示すように、ＥＭＬ−ＣＯＣ１２は、ＥＭＬチップ１５と；変調用の電気信号を供給する高周波信号ライン３０と；ＬＤ部３６へ電流を流すためのパッド３２と；インピーダンス整合をするため終端抵抗３４とを備えている。
ＥＭＬチップ１５は、半導体基板上に光信号を出力するＬＤ（レーザダイオード）部３６と；光信号を変調するするＥＡ部（電界吸収部）３８と；これらＬＤ部３６とＥＡ部３８に渡る曲がり導波路４０とが集積化されている。ＬＤ部３６とＥＡ部３８の表面にはパッシベーション膜（ＳｉＯ２、図示せず）が形成されている。また、ＬＤ部３６の表面には電極パッド３６ａが形成され、ＥＡ部３８の表面には電極パッド３８ａが形成されている。
ここで、ＥＭＬチップ１５に形成された曲がり導波路４０は、ＥＭＬチップ１５の劈開面（出射端面）に対して斜め（垂直でない）方向に傾いて配置される。すなわち、曲がり導波路４０は、出射端面に対して鋭角の角度をもって配置されている。後述するように、本実施例においては、レンズモジュールの入射側端面４２ａとキャリアの端面１２ａとが平行になる。そこで、レンズモジュールの入射側端面４２ａとキャリアの端面１２ａとが平行になるように、ＥＭＬチップ１５の角度を調整する。また、レンズモジュールの入射側端面４２ａとＥＭＬチップ１５の曲がり導波路４０からの出射光が垂直になるように、レンズモジュールの入射側端面４２ａとＥＭＬチップ１５の角度を調整する。この時、スネルの法則に基づき、レンズモジュールの入射側端面４２ａとＥＭＬチップ１５の出射端面との角度を設定する。
ワイヤＷ１を介して電流注入されたＥＭＬ素子１２のＬＤ３６は、ＣＷ(Continuous Wavelength)光を発振する。ＥＡ部３８へは、高周波ライン３０より、例えば40GHzの変調信号が供給され、ワイヤＷ３を介して、ＥＭＬ素子１２のＥＡ部３８へ供給される。ＬＤ部３６のＣＷ光がＥＡ部３８に入力されると、40GHz電気信号がＥＡ効果(電解吸収効果)により、40Gbpsの光信号として生成される。
本実施例においては、高周波信号ライン３０とＥＭＬチップ１５の主たる光の出射する面(フロント面)の距離(Ａ)と、高周波信号ライン３０とＥＭＬチップ１５の主たる光の出射する面と反対側の面(リア面)の距離(Ｂ)の大小関係が、Ａ＜ＢとなるようにＥＭＬチップ１５を実装する。高周波ライン３０から電気信号をＥＡ部３８に供給するためのワイヤＷ３の長さＬ１は、例えば、３００ｕｍとする。
本実施例においては、レンズモジュールの入射側端面４２ａとキャリアの端面１２ａとが平行になるように配置している。このような配置により、曲がり導波路構造を使用した場合にも、装置（光通信モジュール）の大型化を最小限に抑えることができる。すなわち、ＥＭＬチップ１５の劈開面（出射端面）での戻り光(反射)を抑制するために、曲がり導波路構造を採用した場合、通常は、レンズモジュールの入射端面がチップキャリアの端面１２ａに対して斜めに配置される。その結果、レイアウト面積が大きくなり、装置自体が大型化することになる。しかしながら、本発明においては、ＥＭＬチップ１５の出射端面の角度を調整することによって、レンズモジュールの入射側端面４２ａとキャリアの端面１２ａとを平行にしているため、曲がり導波路構造を使用した場合にも、レイアウト面積の拡大による装置（光通信モジュール）の大型化を抑制することが可能となる。
ＬＤ３６はワイヤＷ１によってＬＤパッド３２に接続され、ＥＡ部３８はワイヤＷ２及びＷ３によって終端抵抗３４及び高周波信号ライン３０に各々接続されている。
ＥＭＬチップ１５をＥＭＬ−ＣＯＣ１２に実装した後には、ＥＭＬ−ＣＯＣ１２とレンズモジュール４２との光軸調整を行う。まず、ＥＭＬ−ＣＯＣ１２を搭載後、光ファイバ２４とＥＭＬ−ＣＯＣ１２のカップリング効率が最大になるように光ファイバ２４を動かして、調芯を実施する。その後、レンズ１６が搭載されたレンズ台１８を挿入し、ＥＭＬ−ＣＯＣ１２、レンズ１６及び光ファイバ２４のカップリング効率が最大になるようにレンズ台１８を動かして調芯する。
以上説明したように、本実施例においては、変調光の進行方向（矢印）は、キャリアフロント面の側壁に対して、垂直になるため、レンズモジュール４２との結合（光軸調整）が容易となる。ここで、光軸をＺ方向、光軸Ｚと垂直なレンズ面方向をＸ、Ｙ方向とする。本実施例によれば、光軸調整に際して、レンズモジュール４２をレンズ面方向（Ｘ、Ｙ方向）に動かした場合にも、当該モジュール４２がキャリア（ＥＭＬ−ＣＯＣ）１２に接触することがない。
図４及び図５は、本発明の第２実施例に係るＥＭＬ−ＣＯＣ１２の構造を示す平面図である。なお、上述した第１実施例と同一又は対応する構成要素のついては同一の符号を付し、重複した説明は省略する。本実施例においても、レンズモジュールの入射側端面４２ａとキャリアの端面１２ａとが平行になるように配置している。
本実施例においては、高周波信号ライン３０とＥＭＬチップ１５の主たる光の出射する面(フロント面)の距離(Ａ)と、高周波信号ライン３０とＥＭＬチップ１５の主たる光の出射する面と反対側の面(リア面)の距離(Ｂ)の大小関係が、Ｂ＜ＡとなるようにＥＭＬチップ１５を実装する。従って、高周波ライン３０から電気信号をＥＡ部３８に供給するためのワイヤＷ３の長さ（Ｌ１＝６００ｕｍ）が、第１実施例（Ｌ１＝３００ｕｍ）より長くなる。ワイヤＷ３の長さは、ＥＭＬ素子やその他(終端抵抗３４等)を含むキャリア全体のインピーダンスに影響を及ぼし、高周波特性が善し悪しを左右する。本実施例においては、上述した第１実施例とは逆に、ＬＤ部３６の電極パッド３６ａが導波路４０と高周波信号ライン３０との間に位置することになる。
図６及び図７は、本発明の作用効果（周波数特性Ｓ２１，Ｓ１１の計算結果）を示すグラフである。計算例として、第１実施例の場合のワイヤＷ３の長さＬ１を３００ｕｍ、インダクタ容量を０．３ｎＨとする。一方、第２実施例の場合のワイヤＷ３の長さＬ１を６００ｕｍ、インダクタ容量を０．６ｎＨとする。図６及び図７においては、第１実施例の結果を実線、第２実施例の結果を破線で示す。
図６において、周波数特性を示す指標である３ｄＢ帯域(Ｓ２１が０ＧＨｚより、高周波ロスが３ｄＢとなる周波数)で比較すると、第１実施例では、約４０ＧＨｚであるに対して、第２実施例の場合には、約３０ＧＨｚとなり、第１実施例の方がより良好な周波数特性を示す。
更に、Ｓ１１（図７）においても、第１実施例の場合の方が小さい値をとり、ワイヤＷ３の長さＬ１が短くなることで、広周波数帯域で周波数特性が良くなっていることが分かる。
図６に示す周波数特性Ｓ２１は、より長距離伝送させるために変調ロスが高周波まで小さいことが要求される。また、図７に示す電気特性Ｓ１１は、インピーダンスを50Ωにするため、高周波まで小さいことが要求される。
なお、ワイヤＷ３の長さＬ１を短くする手法として、半導体光機能素子の電極パッド部は、高周波信号ライン側へ配置することがある。以上のように、第１実施例と第２実施例とを比較した場合、第１実施例のように、高周波信号ライン３０と曲がり導波路ＥＭＬチップの主たる光の出射する面(フロント面)の距離Ａが高周波ラインと曲がり導波路ＥＭＬチップの主たる光の出射する面と反対側の面(リア面)の距離Ｂより小さくすることで、ワイヤＷ３の長さＬ１が短くなり、周波数特性の改善効果が得られる。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。
上述した実施例では、ＥＭＬを例として採用しているが、ＥＭＬに限らず、曲がり導波路を有するすべての半導体光機能素子(DFB-LD、SOA、MZ、PD等)にも適用可能である。また、湾曲している光導波路を例に挙げているが、湾曲以外に半導体素子劈開端面に対して、光導波路の軸が傾きをもった導波路でも適用可能である。更に、電気信号の供給を高周波信号”ライン”としたが、”ライン”以外のどのような形状にでも適用可能である。
１０：半導体光通信モジュール
１２：ＥＭＬ−ＣＯＣ（チップ・オン・キャリア）
１４：ＴＥＣ（Temperature Controller）
１６：レンズ
１８：レンズ固定台
２２：アイソレータ
２４：光ファイバ
３０：高周波信号ライン
３６：ＬＤ部（レーザ部）
３８：ＥＡ部（電界吸収部）
４０：曲がり導波路
４２：レンズモジュール

Claims (5)

  1. 光信号を出力する発光素子と、屈曲した光導波路とを搭載したチップと；
    前記チップを搭載したキャリアと；
    前記キャリアに対向して配置され、前記チップから出力される変調光信号が入射するレンズモジュールとを備え、
    前記レンズモジュールの入射側端面と前記キャリアの端面とが平行になりかつ前記レンズモジュールの入射側端面と前記光導波路からの出射光とが垂直になるように前記レンズモジュールと前記キャリアと前記チップとを配置したことを特徴とする半導体光通信モジュール。
  2. 前記キャリアには前記変調素子と連結された高周波信号ラインが設けられ、
    前記チップの前記レンズモジュール側の第１の端面と前記高周波信号ラインとの距離が、前記チップの前記第１の端面と反対側の第２の端面と前記高周波信号ラインとの距離よりも小さくなるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の半導体光通信モジュール。
  3. 前記チップは、光信号を変調させる変調素子を含むＥＭＬ(Electro absorption Modulated Laser:ＥＡ変調器集積型半導体レーザ)であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光通信モジュール。
  4. 前記チップは、光信号を変調させる変調素子を含むＥＭＬ(Electro absorption
    Modulated Laser:ＥＡ変調器集積型半導体レーザ)であり、
    前記変調素子は、変調信号が供給される電極パッドを有し、
    前記電極パッドは、前記導波路と前記高周波信号ラインとの間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体光通信モジュール。
  5. 前記請求項１に記載の半導体光通信モジュールの実装方法において、
    前記キャリア及びレンズモジュールを実装し、
    その後、前記レンズモジュールの少なくとも一部を動かすことによって互いの光軸調整を行うことを特徴とする半導体光通信モジュールの実装方法。
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