JP2012118380A - Optical coupling structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は発光素子等の光部品と光導波路の結合構造に関する。 The present invention relates to a coupling structure of an optical component such as a light emitting element and an optical waveguide.
近年、技術の発展に伴い光通信システムは飛躍的な伸びを見せている。特にファイバは、利用効率を高めるため、光信号の高速化・多波長化といった技術が進展している。しかし、このような技術進展に伴い、ファイバを使用する部品への要求は増々厳しくなっている。 In recent years, with the development of technology, optical communication systems have grown dramatically. In particular, in order to increase the utilization efficiency of the fiber, technologies such as speeding up of the optical signal and increase in wavelength are progressing. However, with such technological progress, the demand for components using fibers has become increasingly severe.
一方、特にFTTH(Fiber To The Home)の進展に伴い、ファイバは低コスト化が重要な問題となっている。またファイバの高速化の要求は増えており、当初100Mbps程度の伝送速度だったものが、近年では2.4Gbpsが出回り始めており、今後10Gbpsも検討され始めている。更に伝送距離についても20km以上の長距離の通信が求められている。 On the other hand, especially with the progress of FTTH (Fiber To The Home), cost reduction of the fiber has become an important issue. In addition, there is an increasing demand for high-speed fibers, and 2.4 Gbps has started to be available in recent years, although transmission speeds of about 100 Mbps have been on the market. Further, regarding the transmission distance, communication over a long distance of 20 km or more is required.
このような状況下において発光素子は、マルチモードで発振するファブリペローレーザーからシングルモードで発振するDFB−LD(Distributed Feedback Laser Diode)素子の使用が必須となっている。 Under such circumstances, it is essential to use a DFB-LD (Distributed Feedback Laser Diode) element that oscillates in a single mode from a Fabry-Perot laser that oscillates in a multimode.
光部品の実装は、高い結合効率を維持するために、サブミクロンレベルの位置調整が必要であり、調芯に掛かるコストが低コスト化を阻害していた。 In order to maintain high coupling efficiency, the mounting of optical components requires sub-micron level position adjustment, and the cost for alignment has hindered cost reduction.
これを解決するために、基板上に形成された光導波路と光部品とを高精度に結合する技術など、光導波路を用いて光部品の機械的な位置決めを行う研究が進められてきた。例えば特許文献1には、サブミクロンレベルでの発光素子と光導波路の位置合わせを簡単に実現する方法が記載されている。
In order to solve this problem, researches for mechanically positioning an optical component using an optical waveguide have been advanced, such as a technique for coupling an optical waveguide formed on a substrate and an optical component with high accuracy. For example,
特許文献1に記載されている発明は、発光素子と光導波路とが搭載される基板表面と発光素子の活性層部分との距離を、基板表面と光導波路の中心間の距離と一致させる構造にすることによって高い結合効率を簡単に得る構造である。
The invention described in
発光素子は、活性層部分と光導波路とを高い結合効率を維持する構造とする必要がある。特許文献1では、発光素子と基板とが高融点の半田材料を介して固着して、光導波路と結合した構造が記載されている。しかし、特許文献1に記載された上記構造では、発光素子と基板との間に設けられた半田材料の応力が発光素子の活性層に影響を与えることで発振特性が変化してしまい、マルチモードで発振してしまうという問題点があった。
The light emitting element needs to have a structure that maintains high coupling efficiency between the active layer portion and the optical waveguide.
本発明の目的は、上記課題を解決する光結合構造を提供することにある。 The objective of this invention is providing the optical coupling structure which solves the said subject.
本発明における光結合構造は、基板と、基板上に設けられた台座と光導波路と、台座上に搭載された発光素子と、発光素子の前記基板と対向する面とは反対側の面と接続する保持部材とを備え、保持部材は基板と接合していることを特徴とする。 The optical coupling structure according to the present invention includes a substrate, a pedestal and an optical waveguide provided on the substrate, a light emitting element mounted on the pedestal, and a surface of the light emitting element opposite to the surface facing the substrate. And a holding member that is bonded to the substrate.
本発明の効果は、発光素子と光導波路との高い結合効率を実現することができる。 The effect of the present invention can realize high coupling efficiency between the light emitting element and the optical waveguide.
〔第1の実施形態〕以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。 [First Embodiment] A preferred embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the preferred embodiments described below are technically preferable for carrying out the present invention, but the scope of the invention is not limited to the following.
〔構造の説明〕図1は本実施形態の光結合構造10の側面図であり、図2は図1におけるA−A´の断面図である。図1、および図2に示すように、本実施形態における光結合構造10は、発光素子1と、基板2と、光導波路3と、台座4とを少なくとも備えている。
[Description of Structure] FIG. 1 is a side view of the
発光素子1は、平板形状であり、少なくとも2つの対向する主面をもつ。発光素子1の一方の主面には、表面電極1−1が形成されている。また反対側の主面には、裏面電極1−2が形成されている。なお発光素子1は、表面電極1−1近傍に発光中心である活性層1−3を形成している。言い換えると活性層1−3は、発光素子1の内部に形成されており、表面電極1−1と活性層1−3との距離は数ミクロンと近いのに対し、裏面電極1−2と活性層1−3との距離は数百ミクロンと離れている。
The
基板2は、発光素子1を搭載している同じ面に光導波路3を設けている。光導波路3は、基板2上にクラッド層を形成した後に、クラッド層の屈折率よりも高い屈折率を有するコア層31を形成する。そして光導波路3は、上記コア層31を所望のパタンになるようにエッチングし、その上に再度クラッド層を形成している。
The
基板2は、発光素子1を配置している面に、台座4を設けている。そして、発光素子1は、台座4上に搭載されており、発光素子1と基板2とは直接に接していない。なお図1において、台座4は発光素子1の延伸方向(活性層1−3と光導波路3のコア層31とが結合する方向)における両端部に対応する位置に2つ設けられているが、台座4の個数はこれに限定されない。例えば、発光素子1の四隅に対応する位置に4つ設けてもよい。
The
台座4の高さは、台座4上に発光素子1を搭載した際に、活性層1−3と光導波路3との高さ方向を一致するように形成している。つまり台座4は、基板2上における活性素子1−3と光導波路3のコア層31との高さが一致するように形成している。
The height of the
発光素子1は、表面電極1−1が形成された面とは反対側に形成された裏面電極1−2において、第2接続部6を介して保持部材7と接合している。なお、発光素子1と保持部材7とを接続する第2接続部6の材質は、発光素子1の裏面側電極1−2との電気的に接続する必要があるため、例えばAuSnの半田を用いることができるが、これに限定されない。
The
保持部材7は、図1に示すようにコの字型の形状であり、凹部である中央部付近において発光素子1の裏面側電極1−2と接続している。そして保持部材7は、両端部において光導波路3が形成された基板2と接続している。基板2と保持部材7とは、第1接続部5を介して接続している。第1接続部5は、例えばSnSbの半田などを用いることができるが、これに限定されない。
As shown in FIG. 1, the
保持部材7は、基板2と接続することで発光素子1を固定するとともに、発光素子1と基板2とを電気的に接続することで、基板2から発光素子1に対して電力供給を行う。そのため保持部材7は、発光素子1の裏面電極1−2との電気的接続をする必要があり、導電性の材料を用いるか、もしくは表面を導電性の金属などでコーティングする。
The
また保持部材7は、金属、半導体、セラミック等の材料で構成されており高い剛性を有する。そのため保持部材7に外力などが加わったとしても、保持部材7のたわみや位置ずれの発生を防止することができる。その結果、保持部材7と接続する発光素子1の位置ずれについても防止することができるため、発光素子1と光導波路3との高い結合効率を維持することができる。
The
〔作用の説明〕次に、本実施形態における作用について説明を行う。 [Explanation of Action] Next, the action in this embodiment will be described.
図4は特許文献1の光結合構造10の側面図、図5は図4のB−B´の断面図である。図4のように発光素子1の基板2と対向した面に形成されている表面電極1−1と基板2とが半田接合する特許文献1に記載の構造の場合、半田(図5の第1接続部5)の応力が表面電極1−1の近傍(数ミクロン程度)に形成されている活性層1−3に影響を与えてしまう。そのため、発光素子1の発振特性が変化してしまうという問題があった。
4 is a side view of the
そこで本実施形態では、図1および図2に示すように、発光素子1と基板2との間に半田を設けずに、裏面電極1−2と保持部材7との間に第2接続部6を設けて、発光素子1と保持部材7とを接続している。また保持部材7の両端部は、第1接続部5を介して基板2と接続している。上記構造により、発光素子1は、直接に基板2とは接続せずに、保持部材7を介して固定接続している。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the
〔効果の説明〕次に、本実施形態における効果について説明を行う。 [Explanation of Effects] Next, effects of the present embodiment will be described.
本実施形態における発光素子1は、基板2上に設けられた台座4に搭載されている。なお発光素子1は、表面電極1−1が形成された面で台座4と接続している。また発光素子1は、表面電極1−1が形成された面とは反対側に形成された裏面電極1−2において、保持部材7と固定して接続している。そして、台座4の高さは、台座4上に発光素子1を搭載した際に、活性層1−3と光導波路3の高さ方向を一致するように形成されている。詳細には、台座4は基板2上における活性素子1−3と光導波路3のコア層31との高さが一致するように形成している。
The
上記の構成により、発光素子1の表面電極1−1側には基板2と接続する半田を設けていないため、表面電極1−1から数ミクロンと近くに設けられた活性層1−3に掛かる応力を抑制することができ、発光素子1の発振特性の低下を抑えることができる。
With the above configuration, since the solder for connecting to the
つまり、発光素子1は裏面電極1−2において第2接続部6を介して保持部材7と固定接続することで、裏面電極1−2と活性層1−3は数百ミクロンと離れているため、第2接続部6が活性層1−3に与える応力を抑えることができる。その結果、本実施形態の構造は、発振特性を低下しないため、活性層1−3と光導波路3との高い結合効率と良好な接合状態を維持することができる。
That is, since the
〔第2の実施形態〕次に第2の実施形態について説明をする。図3は本実施形態における光結合構造10を示す断面図である。
[Second Embodiment] Next, a second embodiment will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the
〔構造の説明〕本実施形態の光結合構造10は、図3に示すように、第1の実施形態と異なる点は、保持部材7の形状がコの字型でなく、L字型である点である。それ以外の構成・接続関係は、第1の実施形態と同様である。つまり、第2の実施形態の光結合構造10は、発光素子1と、基板2と、光導波路3と、台座4とを少なくとも備えている。
[Description of Structure] As shown in FIG. 3, the
本実施形態における保持部材7は、L字型の形状である。そのため、保持部材7の一方の端部は、第2接続部6を介して発光素子1の裏面電極1−2と接続している。また保持部材7の他方の端部が、第1接続部5を介して基板2と接続している。
The holding
第1の実施形態と同様に、発光素子1の裏面電極1−2と保持部材7とを接合する第2接続部6の材質は、AuSnの半田を用いる。保持部材7と基板2とを接続する第1接続部5の材質は、例えばSnSbの半田などを用いる。
As in the first embodiment, AuSn solder is used as the material of the
保持部材7は、基板2と接続することで発光素子1を固定するとともに、発光素子1と基板2とを電気的に接続することで、基板2から発光素子1に対して電力供給を行う。そのため保持部材7は、発光素子1の裏面電極1−2との電気的接続をする必要があり、導電性の材料を用いるか、もしくは表面が導電性の金属などでコーティングする。
The holding
保持部材7は、金属、半導体、セラミック等の材料で構成されており高い剛性を有する。そのため保持部材7に外力などが加わったとしても、保持部材7のたわみや位置ずれが発生を防止することができる。その結果、保持部材7と接続する発光素子1の位置ずれについても防止することができるため、発光素子1と光導波路3との高い結合効率を維持することができる。
The holding
〔作用・効果の説明〕本実施形態における発光素子1は、基板2上に設けられた台座4に搭載されている。なお発光素子1は表面電極1−1が形成された面で、台座4と接続している。また保持部材7の一方の端部は裏面電極1−2と第2接続部6を介して固定して接続しており、保持部材7の他方の端部は、第1接続部5を介して基板2と固定して接続している。そして、台座4の高さは、台座4上に発光素子1を搭載した際に、活性層1−3と光導波路3の高さ方向を一致するように形成されている。詳細には、台座4は基板2上における活性素子1−3と光導波路3のコア層31との高さが一致するように形成している。
[Explanation of Functions and Effects] The
上記の構成により、発光素子1の表面電極1−1側には半田が接触していないため、活性層1−3に掛かる応力を抑圧できると共に、発光素子1の発振特性の低下を抑えることができる。その結果、発振特性を低下させる応力が発生しないため、活性層1−3と光導波路3との高い結合効率と良好な接合状態を維持することができる。
With the above configuration, since the solder is not in contact with the surface electrode 1-1 side of the
本実施形態では、必ずしも保持部材7はコの字型形状で基板2と2箇所で接続していなくてもよいことを示している。つまり保持部材7は、高い剛性を有する材料である場合、本実施形態のようにL字型の形状で、基板2と1箇所で接続していてもよい。上記構成により、本実施形態におけるL字型の保持部材7は、コの字型形状に比べて、さらなる小型化・低コスト化を実現することができる。
In the present embodiment, it is indicated that the holding
〔第3の実施形態〕次に第3の実施形態について説明をする。 [Third Embodiment] Next, a third embodiment will be described.
〔構造の説明〕本実施形態の光結合構造10は、第1の実施形態と異なる点は、第2接続部6は第1接続部5より高い融点を有する材料である点である。それ以外の構成・接続関係は、第1の実施形態と同様である。つまり、第2の実施形態の光結合構造10は、発光素子1と、基板2と、光導波路3と、台座4と、接続部5を少なくとも備えている。
[Description of Structure] The
本実施形態における、発光素子1と保持部材7とを固定して接続する第2接続部6は、保持部材7と基板2とを固定して接続する第1接続部5より融点が高い。
In the present embodiment, the
〔作用・効果の説明〕本実施形態における光結合構造10は、第2接続部6を第1接続部5より融点の高い材料を用いている。例えば、第2接続部6の材料としてはAuSnを用いることができ、第1接続5としては、SnSbを用いることができる。なお、第2接続部6の融点が、第1接続部5の融点より高い材料であれば、これに限定されない。
[Description of Functions and Effects] In the
本実施形態では発光素子1の裏面電極1−2と保持部材7とを第2接続部6で接合した後に、保持部材7と基板2とを第1接続部5で接合する。そのため、もし保持部材7と基板2とを接続する工程で用いる第1接続部5の融点が第2接続部6より高いと、上記工程において第2接続部6が再溶融してしまい、保持部材7と発光素子1とが位置ずれを生じてしまう可能性があった。
In the present embodiment, after the back electrode 1-2 of the
本実施形態の第2接続部6は、融点が第1接続部5より高いため、保持部材7と基板2とを接続する上記の工程において、発光素子1と保持部材7とを接続する第2接続部6が再度溶融し、位置ズレが発生することを抑えることができる。
Since the
1 発光素子
1−1 表面電極
1−2 裏面電極
1−3 活性層
2 基板
3 光導波路
31 コア層
4 台座
5 第1接続部
6 第2接続部
7 保持部材
10 光結合構造
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記基板上に設けられた台座と光導波路と、
前記台座上に搭載された発光素子と、
前記発光素子の前記基板と対向する面とは反対側の面と接続する保持部材とを備え、
前記保持部材は、基板と接合していることを特徴とする光結合構造。 A substrate, a pedestal and an optical waveguide provided on the substrate,
A light emitting device mounted on the pedestal;
A holding member connected to the surface of the light emitting element opposite to the surface facing the substrate;
The optical coupling structure, wherein the holding member is bonded to a substrate.
前記基板に対する高さとが同じあることを特徴とする請求項1に記載の光結合構造。 The optical coupling structure according to claim 1, wherein the height of the active layer formed in the light emitting element with respect to the substrate is the same as the height of the optical waveguide with respect to the substrate.
前記発光素子の前記基板と対向する面の近傍に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の光結合構造。 The active layer is
The optical coupling structure according to claim 2, wherein the optical coupling structure is provided in the vicinity of a surface of the light emitting element facing the substrate.
前記保持部材は、中央部で前記発光素子と接合し、両端部において前記基板と接合していることを特徴とする請求項3に記載の光結合構造。 The holding member is U-shaped,
The optical coupling structure according to claim 3, wherein the holding member is bonded to the light emitting element at a central portion and bonded to the substrate at both end portions.
前記保持部材は、一方の端部において前記発光素子と接合し、他方の端部において前記基板と接合していることを特徴とする請求項3に記載の光結合構造。 The holding member is L-shaped,
The optical coupling structure according to claim 3, wherein the holding member is bonded to the light emitting element at one end and is bonded to the substrate at the other end.
前記保持部材と前記基板とを接続する第1接続部の融点より高いことを特徴とする請求項4乃至5に記載の光結合構造。 The melting point of the second connection part connecting the holding member and the light emitting element is:
The optical coupling structure according to claim 4, wherein the optical coupling structure has a melting point higher than a melting point of a first connection portion that connects the holding member and the substrate.
前記保持部材と前記基板とを接続する第1接続部は、SnSb半田であることを特徴とする請求項5乃至9に記載の光結合構造。 The second connection part connecting the holding member and the light emitting element is AuSn solder,
10. The optical coupling structure according to claim 5, wherein the first connection portion that connects the holding member and the substrate is SnSb solder. 11.
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