JP2011258741A - 光伝送装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光信号を送信または受信する発光素子や受光素子を静電放電による破壊から保護する光伝送装置を提供する。
【解決手段】光伝送モジュール10は、光信号を送信する柱状の半導体層を含む素子部20Aおよび柱状の導電性の半導体層を含む支持部20Bが形成されたVCSEL20と、素子部および支持部と対向するように配され、素子部と光学的に結合するスラブ導波路30と、支持部上に設けられ、スラブ導波路に接触される導電性接着剤40とを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、光伝送装置に関する。
通信装置や情報端末などの電子機器間や電子機器内において、光信号を用いた通信が行われている。電子機器内の比較的短い距離の光通信では、光信号を送信する発光素子が搭載された送信側回路基板と、光信号を受信する受光素子が搭載された受信側回路基板と、発光素子からの光を受光素子に伝送するフレキシブルなフィルム光伝送路とを含む光伝送モジュールが実用化されている。フィルム光導波路(例えば、スラブ導波路)を用いることで、光伝送モジュールの実装の自由度が向上し、かつ省スペース化を図ることができる。また、発光素子には、例えば、消費電力が小さい面発光型半導体レーザ(VCSEL:Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode)が用いられる。
発光素子や受光素子とフィルム光導波路との間の光結合を容易にするため、素子を搭載した基板とフィルム光導波路との間の距離を一定に保つ高さ補償部材を設けたり(特許文献1)、接着剤を用いてフィルム光導波路を基板に固定する方法が開示されている(特許文献2)。
特開2007−148107号 特開2007−286289号 特開2007−298580号
本発明は、光信号を送信する発光素子および光信号を受信する受光素子を静電破壊から保護する光伝送装置を提供することを目的とする。
請求項1に記載の光伝送装置は、光信号を送信または受信する柱状の半導体層を含む素子部および柱状の導電性の半導体層を含む支持部が形成された基板と、前記素子部および支持部と対向するように配され、前記素子部と光学的に結合するように配された光伝送部材と、前記支持部上に設けられ、前記光伝送部材に電気的に接触される導電性部材と、
を有する光伝送装置である。
請求項2に記載の光伝送装置は、前記素子部は、第1導電型の第1の半導体層と前記第1導電型と異なる導電型である第2導電型の第2の半導体層を含みかつ前記基板の法線方向に発光または受光面を有し、前記支持部は、前記素子部と同一の材料の半導体層を含む、請求項1に記載の光伝送装置である。
請求項3に記載の光伝送装置は、前記支持部は、前記導電性の半導体層に電気的に接続される金属電極の前記光伝送部材と対向する面に含み、当該金属電極には、前記導電性部材を収容する窪み部が形成される、請求項1または2に記載の光伝送装置である。
請求項4に記載の光伝送装置は、前記導電性部材は、前記光伝送部材と接着性を持って接着される、請求項1ないし3いずれか1つに記載の光伝送装置である。
請求項5に記載の光伝送装置は、前記支持部の前記光伝送部材と対向する面に形成される金属電極の膜厚は、前記素子部の頂部に形成される金属電極の膜厚よりも大きい、請求項1ないし4いずれか1つに記載の光伝送装置である。
請求項6に記載の光伝送装置は、前記支持部の前記光伝送部材と対向する面の面積は、前記素子部の頂部の面積よりも大きい、請求項1ないし5いずれか1つに記載の光伝送装置である。
請求項7に記載の光伝送装置は、前記基板上には複数の支持部が形成され、前記光伝送部材は、複数の支持部の前記光伝送部材と対向する面にそれぞれ設けられた導電性部材を介して支持される、請求項1ないし6いずれか1つに記載の光伝送装置である。
請求項8に記載の光伝送装置は、前記光伝送部材は、可撓性を有する樹脂から構成される、請求項1ないし7いずれか1つに記載の光伝送装置である。
請求項9に記載の光伝送装置は、光信号を送信する柱状の半導体層を含む第1の素子部および柱状の導電性の半導体層を含む第1の支持部が形成された送信側基板と、光信号を受信する第2の素子部が形成された受信側基板と、光信号を入射する第1の端部、第1の端部から入射された光信号を伝送する光伝送路、伝送された光信号を出射する第2の端部を有する光伝送部材と、前記送信側基板の前記第1の支持部上に設けられた第1の導電性部材とを備え、前記第1の端部が前記第1の素子部に光学的に結合されるように、前記光伝送部材が第1の導電性部材を介して第1の支持部によって支持され、前記第2の端部が第2の素子部に光学的に結合される、光伝送装置である。
請求項10に記載の光伝送装置は、前記受信側基板には、柱状の導電性の半導体層を含む第2の支持部が形成され、当該第2の支持部上に第2の導電性部材が設けられ、前記第2の端部が前記第2の素子部に光学的に結合されるように、前記光伝送部材が第2の導電性部材を介して第2の支持部によって支持される、請求項9に記載の光伝送装置。
請求項1、9、10によれば、本構成の導電性部材を持たない光伝送装置と比較して、素子部を静電破壊から保護することができる。
請求項2によれば、支持部が素子部と異なる材料の半導体層を有する場合に比べて、支持部を容易に構成することができる。
請求項3によれば、窪み部を有さない金属電極と比較して、金属電極上に導電性部材を容易に位置決めすることができる。
請求項4によれば、接着性を持たない導電性部材と比較して、光伝送部材を強固に支持することができる。
請求項5によれば、膜厚がより小さい金属電極と比較して、素子部と光伝送部材との間隔または距離を補償することができる。
請求項6によれば、支持部が1つのみである場合と比較して、素子部への静電放電を抑制することができる。
請求項7によれば、本構成を持たない支持部と比較して、素子部への静電放電を抑制することができる。
請求項8によれば、樹脂に帯電された静電気を放電させることができる。
図1(A)は、本発明の第1の実施例に係る光伝送モジュールの概略上面図、図1(B)は、そのA−A線断面図である。 図2(A)は、面発光型半導体レーザの素子部の拡大図、図2(B)は、そのB−B線断面図である。 図3(A)は、面発光型半導体レーザの支持部の断面図、図3(B)は、その上面図である。 図4(A)は、本発明の第2の実施例に係る光伝送モジュールの上面図、図4(B)は、そのC−C線断面図である。 本発明の第3の実施例に係る光伝送モジュールの概略断面図である。 本発明の第4の実施例に係る光伝送モジュールの構成を示す平面図である。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明では、光信号を送信する半導体素子として面発光型半導体レーザを例示し、面発光型半導体レーザをVCSELと称する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。
図1(A)は、本発明の第1の実施例に係る光伝送モジュールの上面図、図1(B)はそのA−A線断面図である。本実施例の光伝送モジュール10は、VCSEL20と、VCSEL20と光学的に結合しVCSEL20からのレーザ光Lを伝送する光伝送部材としてのスラブ導波路30と、VCSEL20とスラブ導波路30間の電気的な接続および機械的な支持を提供する導電性接着剤40とを含んで構成される。
VCSEL20は、その基板100上に、円筒状のポストまたはメサを有する素子部20Aと、素子部20Aから離間した位置に形成された矩形状のポストまたはメサを有する支持部20Bとを有する。素子部20Aおよび保持部20Bは、基板100にモノリシックに一体に形成され、両者は、同一の半導体層を含んで構成される。また、基板100上には、円形状のp側の電極パッド118とn側の電極パッド126が形成され、p側の電極パッド118は、素子部20Aのp型の半導体層に電気的に接続され、n型の電極パッドp126は、n型の半導体層に電気的に接続される。素子部20Aは、基板上にn型の半導体層およびp型の半導体層を積層した垂直共振器構造を含み、p側の電極パッド118およびn側の電極パッド126に印加された駆動信号に応答して、基板100の主面とほぼ直交する方向にレーザ光Lを出射する。
支持部20Bは、素子部20Aと同一の高さを有し、その頂部に金属電極130を介して導電性接着剤40を搭載する。導電性接着剤40は、支持部20Bに電気的に接続されるとともに、導波路スラブ30の裏面に接着性を持って接触される。導電性接着剤40は、スラブ導波路30を支持部20Bに電気的に接続されるとともに、スラブ導波路30を機械的に支持することで、スラブ導波路30の入射部32と素子部20Aとの間隔Sを一定に保たせる。
スラブ導波路30は、例えば、可撓性を有するフィルム状の高分子樹脂から構成される。スラブ導波路30は、屈折率が高いコア部30Aとそれよりも屈折率が低いクラッド部30Bを含み、コア部30Aとクラッド部30B間の全反射を利用して光を伝送する。素子部20Aから出射されたレーザ光は、スラブ導波路30の入射部32に入射され、その光は他方の出射側の端部に向けて伝送される。
図2(A)は、図1に示す素子部20Aの拡大図であり、図2(B)は、そのB−B線断面図である。なお、図2(A)では、分かり易くするためにp型電極およびn側電極をハッチングで表示している。典型的なVCSEL20は、n型のGaAs基板100上に、n型のGaAsからなるバッファ層102、Al組成の異なるAlGaAs層を交互に重ねたn型の分布ブラック型反射鏡(Distributed Bragg Reflector:以下、DBRという)104、下部スペーサ層106Aおよび上部スペーサ層106Bに挟まれた量子井戸層を含む活性領域106、活性領域106上に形成されたAl組成の異なるAlGaAs層を交互に重ねたp型の上部DBR108が積層されている。好ましくは、上部DBR108の最上層には、p型GaAsからなるコンタクト層108Aが形成され、上部DBR108の最下層もしくはその内部にp型AlAsから形成された電流狭窄層110が形成される。
上部DBR108から下部DBR104に至る半導体層をエッチングすることにより、基板100上に円筒状の素子部20Aが形成される。また、素子部20Aを形成するとき、矩形状の支持部20Bが同時に形成される。電流狭窄層110は、素子部20Aの側面で露出され、当該側面から選択的に酸化された酸化領域と酸化領域によって囲まれた円形状の導電領域(酸化アパーチャ)を有する。AlAsは、AlGaAsよりも酸化速度が速いため、素子部20Aの側面から内部に向けて選択的に酸化される領域を形成することができる。導電領域の径の大きさは、例えば基本横モードを得るには約5ミクロン以下、それ以上では高次横モードを含むマルチモード発振となる。また、導電領域の中心は、VCSEL10の光軸となる。
素子部20Aを含む基板全体に層間絶縁膜112が形成され、素子部20Aの頂部において層間絶縁膜112にはコンタクトホールが形成される。層間絶縁膜112上には、AuまたはAu/Ti等のp側電極114が形成され、p側電極114は、コンタクトホールを介してコンタクト層108Aにオーミック接続される。また、p側電極114の中央には、円形状の開口114Aが形成され、開口114Aの中心は、ほぼ光軸上にある。この開口114Aは、基板100の主面と垂直方向にレーザ光が出射される出射口となる。
p側電極114は、図1に示すように金属配線116に接続される。金属配線116は、素子部20Aの側壁を通り基板100の表面に形成された円形状の電極パッド118に接続される。電極パッド118は、ボンディングワイヤ等によって基板100を搭載する回路基板(図示省略)上の配線パターンなどに電気的に接続される。
素子部20Aに近接した位置に、半導体層をエッチングしてバッファ層102に到達する楕円状または矩形状のビアホール120が形成される。ビアホール120を覆う層間絶縁膜112には、バッファ層102を露出するためのコンタクトホールが形成される。ビアホール120を含む領域の層間絶縁膜112上にn側電極122が形成され、n側電極122は、コンタクトホールを介してバッファ層102に電気的に接続される。n側電極122は、図1に示すように素子部20Aを半周を取り囲むように半円弧状のパターンを有する。n側電極122はさらに基板100上を延在する金属配線124に接続され、金属配線124は、円形状の電極パッド126に接続される。電極パッド126は、ボンディングワイヤ等によって基板100を搭載する回路基板(図示省略)上の配線などに電気的に接続される。
図3(A)は、VCSELに形成された支持部20Bの断面図、図3(B)は、その上面図を示している。支持部20Bは、上部DBRから下部DBRに至る半導体層をエッチングすることにより矩形状のポストまたはメサ構造を有する。支持部20Bは、素子部20Aと同一の半導体層を含み、最上層であるコンタクト層108A上に金属電極130が形成される。金属電極130の中央部には、導電性接着剤40を位置決めしかつ収容するための円形状の窪み部132が形成される。窪み部132の大きさは、搭載される導電性接着剤40の形状、材質、粘度などによって決定される。金属電極130は、好ましくはp側電極114と同一の材料から構成され、p側電極114のパターン形成と同時に形成される。こうして、金属電極130からn側電極122に至る電流経路が形成される。
また、支持部20Bは、図3(b)に示すように、短手方向Dx、長手方向Dyの幅を有し、好ましくは幅Dyは、素子部20Aの頂部の径よりも大きく、またスラブ導波路30の短手方向の幅Dに対して一定の割合(Dy/D)となるように設定される。導電性接着剤40による接触面積を大きくすることで、スラブ導波路30の支持を安定化させることができる。
導電性接着剤40は、金属電極130の窪み部132内に設けられる。導電性接着剤40は、例えば、導電性カーボン材料を含む導電性樹脂、銀ペースト、ドータイト(商品名)などを用いることができる。また、導電性接着剤40は、硬化型の樹脂であることができ、ゲル状の状態にて金属電極130の窪み部132内にポッティングされ、それから一定時間後に導硬化するもの、あるいは、紫外線硬化型、可視光硬化型、熱硬化型の接着性を有する導電材料であることができる。
導電性接着剤40は、上記したように支持部20B上に設けられ、スラブ導波路30を機械的に支持するとともにスラブ導波路30に放電経路を提供する。さらに、導電性接着剤40は、スラブ導波路30の先端部(入射部)32が素子部20Aから一定の距離Sだけ離間されるような高さを補償する。
VCSEL20とスラブ導波路30との間に間隙を備えた光伝送モジュール10においては、実装工程、あるいは動作中に高分子樹脂製のスラブ導波路30が静電気を帯電し易く、さらにスラブ導波路30が撓むなどして導電性の材料に触れた瞬間、放電が生じて光素子が静電破壊されることがあった。これは、VCSEL20とスラブ導波路30との結合効率を上げるため、両者を百ミクロン前後にまで近接させる必要があることに加え、高分子樹脂からなる光導波路は撓み易い性質を有するので接触事故が起き易いという事情もある。使用環境、あるいは季節により静電気が発生し易い時期もあり、光伝送モジュールの静電対策が必要である。
本実施例に光伝送モジュール10では、スラブ導波路30の表面に発生した静電気は、導電性接着剤40を介してVCSEL20の支持部20Bに逃がされ、この静電気は、金属電極130から支持部20Bのp型半導体層108、n型半導体層104を通り、n側電極122に放電される。従って、スラブ導波路30は、事実上、静電気が逃げて帯電しないため、仮に、スラブ導波路30の先端である入射部32が撓んでVCSEL20に接触したとしても、素子部20Aには静電気が放電されず、素子部20Aを静電破壊から保護することができる。また、支持部20Bは、素子部20Aと同じ積層構造を備え、かつこれよりも大きな面積を持つことから、素子部20Aに比べ抵抗値が小さく、素子部20Aへサージ電流が流れ難くなる。さらに支持部20Bは、スラブ導波路30を素子部20Aへアライメントする際の目印になると共に、金属電極130に形成された窪み部132によって導電性接着剤40が流れ出さない構造となっている。
次に、本発明の第2の実施例について説明する。図4(A)は、本発明の第2の実施例に係る光伝送モジュールの上面図、図4(B)はそのC−C線断面図である。第2の実施例では、VCSEL20の素子部20Aにおいて、複数のビアホール120Aが形成され、n側電極122がこれらの複数のビアホール120Aを介してバッファ層102に電気的に接続される。さらに、VCSEL20の基板100上には、3つの円形状のポストまたはメサ構造をもつ支持部200、210、220が形成される。3つの支持部200、210、220は、第1の実施例のときと同様に素子部20Aと同一の半導体層を有し、その頂部には、金属電極130を介して導電性接着剤40を搭載する。3つの導電性接着剤40は、スラブ導波路30の裏面に接着され、スラブ導波路30を機械的に支持する。3つの導電性接着剤を用いることで、幅広のスラブ導波路30の支持を安定化させることができ、また支持部200、210、220による接触面積が大きくなるため抵抗を小さくすることができ、素子部20Aにサージ電流が流れ難くなる。
3つの支持部200、210、220は、好ましくは支持部200を通過する線に関し対称となるように配置される。また、3つの支持部200、210、220は、それぞれ等しい間隔で配置され、スラブ導波路30を均等な力で支持するようにすることができる。また、支持部200、210、220の径は、素子部20Aの径よりも大きいことが望ましい。但し、これ以外にも、基板上に4つ以上の支持部を形成したり、それぞれの支持部の形状や大きさを異ならせるものであってもよい。
次に、本発明の第3の実施例について説明する。図5は、第3の実施例に係る光伝送モジュールのVCSELの概略断面図である。第3の実施例では、支持部20Bの頂部に形成されるの金属電極300の膜厚が素子部20Aのp側電極114の膜厚よりも大きい。図5に示すように、支持部20Bの金属電極300の膜厚t1は、p側電極114の膜厚t2よりも大きく形成される(t2>t2)。導電性接着剤40がスラブ導波路30と接触されたとき、導電性接着剤40の高さ方向の厚さが一定以上減少すると、スラブ導波路30の先端の入射部32と素子部20Aの間隔Sを補償することができなくなる。金属電極300の膜厚をt1とすることで、導電性接着剤40が変形しても、スラブ導波路30の入射部32と素子部20Aとの間隔Sを補償することができる。
第3の実施例において、金属電極300の表面には、導電性接着剤40を収容しこれを位置決めするための凹部310が形成される。支持部20Bは、光を出射しないので、凹部310は、必ずしもコンタクト層108Aを露出させる必要はない。なお、第3の実施例は、第2の実施例のように複数の支持部を備えたVCSELにも適用することができる。
図6は、第4の実施例に係る光伝送モジュール10Aを示し、第4の実施例は、半導体発光素子から送信された光信号を受信する半導体受光素子を備えた光伝送モジュール10Aの構成を示している。送信側の回路基板400上には、VCSEL20が搭載され、VCSEL20によってスラブ導波路30の一方の端部34が支持される。図1に示したVCSEL20のp側の電極パッド118およびn側の電極パッド126は、ボンディングワイヤによって回路基板400上の所定の配線パターンに電気的に接続される。また、受信側の回路基板410上には、受光素子420が搭載され、受光素子420上にスラブ導波路30の他方の端部36が支持される。端部36は、受光素子420に光結合され、スラブ導波路30から送信された光信号が受光素子420によって電気信号に変換され、変換された電気信号は、回路基板410上の所定の配線パターンに供給される。
フレキシブルなスラブ導波路30は、導電性接着剤40を介してVCSEL20の支持部20Bに接続されているため、スラブ導波路30の表面で発生した静電気は、支持部20Bによって放電される。これにより、スラブ導波路30の端部36が受光素子420の受光素子に接触しても受光素子420を静電破壊から保護することができる。
さらに、本発明は、受光素子側にも適用することができる。すなわち、図1に示す受光素子420上に当該受光素子と同一構成の支持部を形成し、当該支持部上に導電性接着剤を設け、当該導電性接着剤によりスラブ導波路30の受光素子側の端部36を支持するようにすることができる。これにより、スラブ導波路に帯電された静電気を受光素子側の受光素子420に放電させることができる。受光素子は、例えば、基板上に、n型半導体層とp型半導体層を積層した円筒状もしくは矩形状の面型受光素子であることができ、基板の主面とほぼ垂直方向から入射された光を光電変換する。支持部は、そのような受光素子と同一の半導体層からなる電流経路を形成し、スラブ導波路からの静電気を放電する。さらに受光素子は、p型またはn型のシリコン基板上にn型またはp型の半導体層を積層する構成であってもよく、その場合にも、支持部は、シリコン基板上にn型またはp型の半導体層を積層し、その上に導電性接着剤を塗付することができる。
第1の実施例において、VCSELのn側電極を基板の表面に形成する例を示したが、これに限らず、基板の裏面にn側電極を形成するようにしてもよい。この場合、基板は、n型のGaAsが用いられる。さらに上記実施例では、光導波路としてスラブ導波路を例示したが、本発明は、円形状の断面を有する光導波路や光ファイバにも適用することができる。さらに上記実施例では、発光素子として選択酸化型の電流狭窄層をもつVCSELを例示したが、これに限らず、単純(エア)ポスト型のVCSELやプロトン注入型のVCSEL、さらに共振器構造を持たない発光ダイオードであってもよい。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10:光伝送モジュール 20:VCSEL
20A:素子部 20B:支持部
30:スラブ導波路 32:入射部
34、36:端部 40:導電性接着剤
100:基板 102:バッファ層
104:下部DBR 106:活性領域
108:上部DBR 108A:コンタクト層
110:電流狭窄層 112:層間絶縁膜
114:p側電極 114A:開口
116:金属配線 118:電極パッド
120:ビアホール 122:n側電極
124:金属配線 126:電極パッド
130:金属電極 132:窪み部
200、210、220:支持部 300:金属電極
300A:窪み部 400:送信側の回路基板
410:受信側の回路基板 420:受光素子

Claims (10)

  1. 光信号を送信または受信する柱状の半導体層を含む素子部および柱状の導電性の半導体層を含む支持部が形成された基板と、
    前記素子部および支持部と対向するように配され、前記素子部と光学的に結合するように配された光伝送部材と、
    前記支持部上に設けられ、前記光伝送部材に電気的に接触される導電性部材と、
    を有する光伝送装置。
  2. 前記素子部は、第1導電型の第1の半導体層と前記第1導電型と異なる導電型である第2導電型の第2の半導体層を含みかつ前記基板の法線方向に発光または受光面を有し、前記支持部は、前記素子部と同一の材料の半導体層を含む、請求項1に記載の光伝送装置。
  3. 前記支持部は、前記導電性の半導体層に電気的に接続される金属電極の前記光伝送部材と対向する面に含み、当該金属電極には、前記導電性部材を収容する窪み部が形成される、請求項1または2に記載の光伝送装置。
  4. 前記導電性部材は、前記光伝送部材と接着性を持って接着される、請求項1ないし3いずれか1つに記載の光伝送装置。
  5. 前記支持部の前記光伝送部材と対向する面に形成される金属電極の膜厚は、前記素子部の頂部に形成される金属電極の膜厚よりも大きい、請求項1ないし4いずれか1つに記載の光伝送装置。
  6. 前記支持部の前記光伝送部材と対向する面の面積は、前記素子部の頂部の面積よりも大きい、請求項1ないし5いずれか1つに記載の光伝送装置。
  7. 前記基板上には複数の支持部が形成され、前記光伝送部材は、複数の支持部の前記光伝送部材と対向する面にそれぞれ設けられた導電性部材を介して支持される、請求項1ないし6いずれか1つに記載の光伝送装置。
  8. 前記光伝送部材は、可撓性を有する樹脂から構成される、請求項1ないし7いずれか1つに記載の光伝送装置。
  9. 光信号を送信する柱状の半導体層を含む第1の素子部および柱状の導電性の半導体層を含む第1の支持部が形成された送信側基板と、
    光信号を受信する第2の素子部が形成された受信側基板と、
    光信号を入射する第1の端部、第1の端部から入射された光信号を伝送する光伝送路、伝送された光信号を出射する第2の端部を有する光伝送部材と、
    前記送信側基板の前記第1の支持部上に設けられた第1の導電性部材とを備え、
    前記第1の端部が前記第1の素子部に光学的に結合されるように、前記光伝送部材が第1の導電性部材を介して第1の支持部によって支持され、
    前記第2の端部が第2の素子部に光学的に結合される、光伝送装置。
  10. 前記受信側基板には、柱状の導電性の半導体層を含む第2の支持部が形成され、当該第2の支持部上に第2の導電性部材が設けられ、前記第2の端部が前記第2の素子部に光学的に結合されるように、前記光伝送部材が第2の導電性部材を介して第2の支持部によって支持される、請求項9に記載の光伝送装置。
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