JP2757351B2

JP2757351B2 - 光半導体モジュール

Info

Publication number: JP2757351B2
Application number: JP3246410A
Authority: JP
Inventors: 靖久谷澤
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-09-02
Filing date: 1991-09-02
Publication date: 1998-05-25
Anticipated expiration: 2013-05-25
Also published as: JPH0560938A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は双方向光通信用光半導体
モジュールに関し、特にこれを構成する光半導体、集光
用レンズ、光分岐・分波素子などの光学部品の配置、固
定構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＤモジュールや受光モジュールは光通
信システムを構成する基本光デバイスであり、これらは
発光素子であるレーザダイオード（ＬＤ）あるいは受光
素子であるフォトダイオード（ＰＤ）と光ファイバ、そ
してこれらを光学的に結合させるレンズとこれらを固
定、実装する筐体とから構成される。これまで光通信シ
ステムは幹線系を中心に高速化伝送距離の拡大が図られ
てきた。今後、光通信システムはこうした幹線系のみな
らず、その広帯域な信号伝送が可能な特質を活かしビル
内のローカルエリア・ネットワーク（ＬＡＮ）や一般家
庭を対象とした加入者系にまで適用の検討が開始されて
いる。

【０００３】こうした広いユーザを対象とした光通信シ
ステムでは、幹線系大容量システムのような機能、性能
だけでなくシステムの経済性が最も重要な導入の条件の
一つとなり、システムを構築するデバイスの低価格化が
強く望まれている。とりわけ、この光通信システム用デ
バイスのなかで大きなコストの割合を占めるのは光デバ
イスすなわちＬＤモジュールやＡＰＤ（アバランシェＰ
Ｄ）モジュールなどの光半導体モジュールであり、これ
らの光デバイスの低価格化は光加入者系システムの導
入、実用化には不可欠であると考えられている。また、
光加入者系システムでは上述の光デバイスの低価格化に
加え、装置が各加入者に設置されることから装置の小型
化も重要な課題となっている。

【０００４】一方、この光加入者系システムに要求され
る機能としては、光通信のもつ広帯域性を利用し、従来
の同軸ケーブルによる通信と差別化し付加価値を高める
ため、通信とＣＡＴＶなどの放送機能との統合化が検討
されている。先に述べた加入者系の厳しい経済化の要請
から、単一の光ファイバにおいて光カプラを用いて同一
波長で双方向伝送したり、異なった波長の光を上り、下
りに使い分けて波長多重伝送する方式が有力視されてい
る。

【０００５】図７は、従来の個別の光デバイスの組合せ
による光送受信モジュールの構成図であ。

【０００６】図７の構成は波長多重機能と分岐機能を有
した双方向光伝送が可能なものであり、１．３マイクロ
メータ波の発光ＬＤモジュール３０と同じく受光用のＡ
ＰＤ受光モジュール３１と１．５５マイクロメータ波用
のＡＰＤ受光モジュール３２や光合分波器３３、光分岐
３４、光コネクタ３５等の光デバイスをそれぞれ個々に
組合わせて光送受信モジュールとして使用するものであ
り、あらかじめ個々の光デバイスの特性を確認した上で
構成できる。

【０００７】また、光半導体モジュールと光合分波器や
光分岐全体をさらに小型化する構造として例えば、文献
電子情報通信学会技術研究報告ＶｏＬ．８６ＮＯ．３７
７ＰＰ．５５−６２，ＰＰ．６３−６８，ＰＰ．６９−
７６に示されている例があり、これは次のような光半導
体モジュールである。

【０００８】図８は、従来の２波光合分波器の構造図で
あり、これは、集光あるいはコリメート用レンズ付光フ
ァイバ（コリメータと称す）と干渉膜フィルタを貼付し
たガラスブロックより構成する２波（例えば１．３マイ
クロメータと１．５マイクロメータ）用の光合分波器で
ある。

【０００９】図９は、従来のＬＤコリメータの構造図で
あり、光半導体素子ＬＤと集光用レンズをあらかじめ出
射ビームが平行光となる様に調整固定されているもの
で、レンズ付きキャップとモニタ用ＰＤ付ＬＤステムで
構成されたコリメータでありＬＤコリメータと呼ぶ。

【００１０】図１０は、従来のＡＰＤパッケージの構造
図であり、レンズ付キャップとＡＰＤステムからなり両
者をＬＤと同じく光軸を合わせた後固定されるＡＰＤパ
ッケージである。

【００１１】図１１は、従来の光ファイバコリメータの
構造図であり、外径の等しいフェルールとレンズをスリ
ーブ内に挿入し無調整で固定される光ファイバコリメー
タである。

【００１２】このようなコリメータと呼ばれるユニット
を用意し、このコリメータとプリズムを光学的に結合す
る位置に配置、固定して光送受信モジュールを形成する
ものであり、これ等コリメータ間の結合配置の方法とし
て、図１２は、従来の光半導体モジュールの組立法の説
明図である。

【００１３】図に示すようにＬＤコリメータ、ＡＰＤパ
ッケージとプリズム（ガラスブロック）、光ファイバコ
リメータはあらかじめ光学的にこれらが結合する位置を
定めた精密ガイドの金型に載せ、この上からセラミック
基板をかぶせて各ユニットを固定したのち、精密ガイド
を取り外すという工法があり、これは一般に転写工法と
呼ばれている量産性を配慮した方法がある。

【００１４】

【本発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７
に示される従来の構成の場合は、デバイス同志を結合す
る際のコネクタ損失が生ずることや、全体の構成が大き
くなってしまうという課題があり、図８乃至図１２に示
したコリメータを用いる方法では、まず各光半導体コリ
メータを形成する時点で光軸調整が必要となる。また、
コリメータの大きさにもおのずと調整、固定上の制約か
ら大きさが決まり、従来の図７のようなディスクリート
な構成に比べると格段に小さくなるものの、近年のさら
なる小型化の要求を満たすことは困難である。さらに、
大きな問題として、転写を行う際、必ずしも精度よく位
置決めされるとは限らず、転写後に各部品が光学的に結
合しておらず所望の特性、性能を満たしていないという
ことがある。特にこれは近年加入者系にも適用が検討さ
れているシングルモード光ファイバを用いた場合に顕著
であり、実際のところ、完全無調整とはいかず、転写前
に結局はコリメータの徴調を要するようになり必ずしも
量産性がよいとはいえないなどの課題があった。

【００１５】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたものであり、同一基板上に光学部品を配置固定して
小型で調整箇所の少ない量産性に優れた光半導体モジュ
ールを得ることを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の光半導体モジュ
ールは、光を発生又は／及び受光する光半導体素子と、
前記光を分岐・結合する光学素子と、前記光半導体素子
の発生又は受光する方向に配置した集光用レンズとを平
面のシリコン基板上に配置・固定した光半導体モジュー
ルであって、前記シリコン基板に予め形成された金属薄
膜上に前記光半導体素子を配置して半田付けし、前記シ
リコン基板の円形の穴上に前記集光用レンズを配置して
低融点ガラスで固定し、前記シリコン基板上に前記光学
素子の底面と同一形状のくぼみを形成して固定して、前
記光半導体素子と前記集光用レンズと前記光学素子との
光軸を一致させ、前記金属薄膜は前記シリコン基板をフ
ォトリソグラフィにより、前記シリコン基板の円形の穴
及び前記同一形状のくぼみを異方性エッチングにより形
成したことを特徴としている。

【００１７】また、上記光半導体モジュールにおいて、
前記光半導体素子から発生した光は前記集光用レンズで
平行光となって前記光学素子を通り、前記光学素子を通
った光は別個の前記集光用レンズで集光されて光ファイ
バに導通されることを特徴としている。

【００１８】あるいは、前記集光用レンズは球レンズか
らなり、該集光用レンズを配置、固定するくぼみは円形
で、かつ該くぼみの内径が前記集光用レンズの外径より
もわずかに小さいことを特徴としている。

【００１９】また、当該光半導体モジュールにおいて、
光を発生した前記光半導体素子から発生した光は前記集
光用レンズで平行光となって前記光学素子を通り、前記
光学素子を通った光は別個の前記集光用レンズで集光さ
れて光ファイバに導通され、前記光学素子で反射した反
射光は更に別個の前記集光用レンズで集光されて前記受
光する光半導体素子に入力されることを特徴としてい
る。

【００２０】

【作用】以上の構成による、本発明の光半導体モジュー
ルは、光を分岐・結合する光学素子と少なくとも二つの
光半導体素子およびその前面に配置したレンズを同一基
板上に配置固定して、前記光半導体素子はおのおのが前
記光学素子とレンズを介して一本の光ファイバと光学的
に結合するように調整するので小型化され、量産性を向
上させることができる。

【００２１】

【実施例】次に図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。

【００２２】図１は本発明の一実施例である光半導体モ
ジュールの上面図である。

【００２３】図２は本発明の一実施例の光半導体モジュ
ールの断面図である。

【００２４】図３は、本発明の光半導体モジュールの斜
視図を示す。本実施例の光半導体モジュールは、波長
１．３１マイクロメータの光を用いて同一波長で光送受
信を行う機能を備えたモジュールである。光半導体素子
としてレーザダイオード１とＰＩＮフォトダイオード７
を備え、集光用レンズとして球レンズ２を、また光分岐
・結合する光学素子として、側面にハーフミラー２６が
蒸着された三角形プリズム１７を有する。レーザダイオ
ード１から出射された光は球レンズ２で集光され平行光
となり、三角形プリズム１７のハーフミラー２６を５０
％の光が透過し、さらに共通ポート光ファイバ２３側に
配置された球レンズ３により再び集光され、共通ポート
光ファイバ２３に結合する。一方、共通ポート光ファイ
バ２３から出射された光は、球レンズ３で集光され平行
光となり、三角形プリズム１７のハーフミラー２６で５
０％の光が反射し、球レンズ３で集光され、ＰＩＮフォ
トダイオード７に結合する。このようにして、本光半導
体モジュールにより光送受信伝送が可能となる。なお、
集光用レンズ２と３の大きさは、結合効率と光ビームの
伝搬距離を考慮して、レーザダイオードの前面に配置さ
れた球レンズはφ０．８ｍｍ、フォトダイオード７の前
面と共通ポート光ファイバ２３側はφ１．２ｍｍを用い
た。

【００２５】ここで、本発明の光半導体モジュールで
は、レーザダイオード１、フォトダイオード７は厚さ
１．６ｍｍのシリコン基板４にあらかじめ形成されたＣ
ｒ−Ａｎ金属薄膜５に半田１４を用いて固定され電極接
続されている。また、３個の球レンズ２と３もすべてシ
リコン基板４に設けられた円形の穴の上に配置され、低
融点ガラス１３により固定されている。さらに、三角形
プリズム１７もシリコン基板４に設けられたプリズムの
底面と同一形状のくぼみに配置され、樹脂２９により固
定されている。金属薄膜５はフォトリソグラフィによ
り、プリズム、レンズを配置するくぼみと穴はシリコン
基板の異方性エッチングを用いて形成した。また、上記
光学部品は固定の温度が高い方から、すなわち球レンズ
２と３、光半導体素子、プリズムの順でシリコンのウェ
ハー状態で一括して実装した後、ウェハーを切断して光
学部品が実装された個々のシリコン基板４を作製した。
また、レーザダイオード１は活性層をシリコン基板４側
にして実装し、発振部をシリコン基板４の表面すれすれ
にし、球レンズ２と３を配置する穴は、レーザダイオー
ド１側と共通ポート光ファイバ２３およびＰＩＮフォト
ダイオード７側でそれぞれφ０．７ｍｍ、φ１．５４ｍ
ｍとして光ビームの高さ方向の位置を合わせた。なお、
上記シリコン基板作製後、これをパッケージ９に実装
し、金属薄膜５のパッドと電極端子８をワイヤボンディ
ングにより接続後、レーザダイオード１を発振させた状
態で共通ポート光ファイバ２３を光軸調整して両者を結
合させた。このとき、レーザダイオード１とＰＩＮフォ
トダイオード７の相対的な位置関係はシリコン基板のパ
ターニング精度が高いため、精度よく決められており、
ＰＩＮフォトダイオード７の位置精度も厳しくないた
め、無調整で結合される。このようにして、本発明の光
半導体モジュールを用いることにより、シリコン基板の
プロセス技術を利用して、複数の光半導体素子と分岐・
結合する光学素子を有する光半導体モジュールも量産性
よく作製することが可能となる。

【００２６】次に、図４は本発明の他の実施例の光半導
体モジュールの光学部品配置図である。

【００２７】図５は、本発明の他の実施例の光半導体モ
ジュールの斜視図である。

【００２８】図６は、本発明の他の実施例の光半導体モ
ジュールの縦断図であり、波長１．３１マイクロメータ
／１．５５マイクロメータの光を用いた波長分割多重に
よる光送受信モジュールに適用した場合の実施例を示し
ている。図４に示すように、本光半導体モジュールは、
１．３１マイクロメータレーザダイオード１とこの出射
光を平行光にする球レンズ２、モニタ用フォトダイオー
ド２０、１．３１マイクロメータ受光用ＰＩＮフォトダ
イオード７、１．５５マイクロメータの光を外部に取り
出す（または入力する）１．５５マイクロメータポート
用光ファイバ２４、共通の入出力ポートとなる共通ポー
ト用光ファイバ２３と、入出力光を分岐・結合するプリ
ズムからなる。プリズムはさらに、全反射面２７を備え
た台形プリズム１５、両側面に１．３１／１．５５分離
フィルタ２５とハーフミラー２６が蒸着された平行四辺
形プリズム１６、三角形プリズム１７、ＰＩＮフォトダ
イオード７への入射光を集光するレンズプリズム１８の
組み合わせからなる。

【００２９】本実施例では、上述の光学部品でレーザダ
イオード１と球レンズ２、光分岐・結合用プリズムは厚
さ１．６ｍｍの同一のシリコン基板４上に実装されてい
る。レーザダイオード１はシリコン基板４の表面に形成
されたＣｒ−Ａｕからなる金属薄膜５の上に半田１４に
より固定されている。また、球レンズ２はφ０．８ｍｍ
のＢＫ−７ガラスからできており、シリコン基板４にあ
らかじめケミカルエッチングにより形成されたφ０．７
ｍｍの穴形状の球レンズ溝６の上に配置され、低融点ガ
ラス１３により固定されている。また、台形プリズム１
５、平行四辺形プリズム１６、三角形プリズム１７、レ
ンズプリズム１８はあらかじめ側面どうしが張り合わせ
られており、これらのプリズムも底面と同じ形状に形成
されたシリコン基板上のプリズム溝１９に配置、固定さ
れる。このシリコン基板４のレーザダイオード１の球レ
ンズ２とは反対側の端面近傍にはモニタ用のフォトダイ
オード２０が固着されている。このレーザダイオード
１、球レンズ２、プリズム、フォトダイオード７，２０
を実装したシリコン基板４はコバー材からなるパッケー
ジ９に実装され、電極端子８とシリコン基板４上の金属
薄膜５はワイヤボンディングにより接続される。この実
施例のように、光を分岐・結合する光学素子に波長フィ
ルタを用いて、波長多重光合分波機能をもった光送受信
モジュールを構成することも可能である。また、特に厳
しい位置精度を要求しない受光素子の全面に配置される
レンズには、本実施例のように側面を球面加工したプリ
ズム状のガラスブロックを用いることもできる。さらに
光ファイバ側のレンズは基板に実装してもよいし、本実
施例のロッドレンズように光ファイバ端末側に配置して
もよい。

【００３０】ところで、上述の構造において、シリコン
基板４はウェハーの状態でフォトリソグラフィによりパ
ターニングし、金属薄膜５を形成後、ケミカルエッチン
グにより球レンズ溝６、プリズム溝１９を形成した。こ
うした後、シリコン基板４へはウェハーのままで、まず
球レンズ２を低融点ガラス１３を用いて球レンズ溝６
に、次にレーザダイオード１を半田１４によりシリコン
基板４上の金属薄膜５に、そして最後にプリズムを樹脂
２９によりプリズム溝１９にそれぞれウェハー単位で一
括して実装、固定した。ここで、レーザダイオード１と
球レンズ２の光軸に対して垂直な方向で水平面上の位置
ずれは金属薄膜５へのレーザダイオード１の実装精度と
球レンズ溝６のエッチングおよび球レンズ２の外径精度
とその実装精度によって決まり、この実施例の場合、前
者は数十回の試作においても±５マイクロメータ以下、
後者も球レンズの外径精度が±１マイクロメータ、実装
精度が±３マイクロメータ以下と極めて高精度にこれを
行えることが確認された。同様に高さ方向の位置ずれは
レーザダイオード１の実装時の高さ方向のばらつきと球
レンズ溝６の径と球レンズ２の外径および実装時のばら
つきによって決まり、前者はレーザダイオードの活性層
のある面（Ｐ−サイド）をシリコン基板４側にして実装
するタイプを採用することにより、±５マイクロメータ
以下に抑えることが可能となり、球レンズ２の実装後の
中心軸の高さも±３マイクロメータ以下にすることがで
きた。このため、光ファイバ端末１１の光軸調整の際も
ほぼコバーガラス１０の窓の中心に光が出射され、結合
は極めて効率よく行える。同様に台形プリズム１５、平
行四辺形プリズム１６、三角形プリズム１７、レンズプ
リズム１８からなるプリズムも２０マイクロメータ程度
の位置精度でシリコン基板４に実装可能である。このプ
リズムの場合、集光用レンズ２により平行ビームとなっ
た光を透過、反射すればよく、この精度でも十分対応で
きる。

【００３１】一方、シリコン基板４への金属薄膜５およ
び球レンズ溝６、プリズム溝１９の形成は、本実施例に
おいては、５インチウェハーを使いフォトリソグラフィ
を用いて金属薄膜５および球レンズ溝６のパターニング
を行い、金属薄膜５の蒸着、球レンズ溝６のエッチング
をウェハー単位で行ったので、半導体デバイスと同様、
非常に量産性よく製造できた。１チップあたりの大きさ
は長さ１２ｍｍ、幅９ｍｍであるので、５インチウェハ
ーを用いると、一回のプロセスで１枚あたり１００個単
位でシリコン基板４を製造することができる。さらに、
レーザダイオード１、球レンズ２の実装はウェハー単位
で一括して行って実装後に個別のチップに切断すればよ
く、光学部品の実装面でも非常に量産性に優れている。

【００３２】上記の光学部品が実装されたシリコン基板
４はパッケージ９に収容される。この状態で、パッケー
ジ９の側面にあるコバーガラス１０の窓、１．３１マイ
クロメータ反射フィルター２２を通して共通ポート光フ
ァイバ２３、１．５５マイクロメータ用光ファイバ２４
に光学的に結合する。レーザダイオード１から出射され
た光は球レンズ２によりコリメート光となり、各プリズ
ムを透過するため、これをロッドレンズ２１により集光
し各光ファイバに結合させて光ファイバ端末１１をＹＡ
Ｇレーザ溶接１２で固定する。

【００３３】本実施例の光送受信モジュールの大きさは
全長２５ｍｍ、幅１２ｍｍ、高さ４ｍｍであり、光ファ
イバ端末以外は調整部が不要であるため、非常に小型化
できる。また、光半導体素子、レンズ、プリズムはすべ
てウェハー上で一括して画像処理を併用し、金属パタン
上に半田固定するか、溝にはめ込むことで位置決めし実
装でき、しかも例えば１枚の５インチウェハーで１００
チップ近く製造できるので、非常に量産性に優れてい
る。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のように光半
導体素子と集光用レンズを同一基板上に実装し、しかも
基板にはあらかじめ光半導体素子を実装する位置に金属
薄膜により電極を形成するとともに、この電極に光半導
体素子の位置決め機能ももたせ、またレンズを実装する
位置にはケミカルエッチング等により基板に溝を形成
し、ここにレンズを実装することにより両者の位置決め
が容易に、しかも再現性、量産性よく行える。

【００３５】また、平行光を光半導体素子と光ファイバ
の間に形成し、側面にフィルタを有するプリズムなどを
用いて光分岐、光合分波する機能もたせ、光送受信モジ
ュールを構築する場合にも、光半導体素子とレンズを実
装する基板上に、レンズと同様にプリズムを実装する溝
を形成することで容易にしかも精度よくこれを実現する
ことができる。

【００３６】上述のような実装技術を用いることによ
り、複数の光半導体素子と集光用レンズとこれらの光を
分岐・結合する光学素子を有する複雑な構成の光半導体
モジュールも、精度、再現性よくこれらの光学部品を配
置、固定することができ、冒頭に述べた光加入者系シス
テムに適した小型で量産性にすぐれた光半導体モジュー
ルを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の光半導体モジュールの上面
図である。

【図２】本発明の一実施例の光半導体モジュールの断面
図である。

【図３】本発明の一実施例の光半導体モジュールの斜視
図である。

【図４】本発明の他の実施例の光半導体モジュールの光
学部品配置図である。

【図５】本発明の他の実施例の光半導体モジュールの斜
視図である。

【図６】本発明の他の実施例の光半導体モジュールの縦
断面図である。

【図７】従来の個別光デバイスの組合わせによる光送受
信モジュールの構成図である。

【図８】従来の２波用光合分波器の構造図である。

【図９】従来のＬＤコリメータパッケージの構造図であ
る。

【図１０】従来のＡＰＤパッケージの構造図である。

【図１１】従来の光ファイバコリメータパッケージの構
造図である。

【図１２】従来の光半導体モジュールの組立法の説明図
である。

【符号の説明】

１レーザダイオード２球レンズ３球レンズ４シリコン基板５金属薄膜６球レンズ溝７ＰＩＮフォトダイオード８電極端子９パッケージ１０コバーガラス１１光ファイバ端末１２ＹＡＧレーザ溶接固定部１３低融点ガラス１４半田１５台形プリズム１６平行四辺形プリズム１７三角形プリズム１８レンズプリズム１９プリズム溝２０フォトダイオード２１ロッドレンズ２２１．３１マイクロメータ反射フィルタ２３共通ポート光ファイバ２４１．５５マイクロメータポート光ファイバ２５１．３１／１．５５マイクロメータ分離フィル
タ２６ハーフミラー２７全反射面２８ガラス管２９樹脂

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光を発生又は／及び受光する光半導体素
子と、前記光を分岐・結合する光学素子と、前記光半導
体素子を発生又は受光する方向に配置した集光用レンズ
とを平面のシリコン基板上に配置・固定した光半導体モ
ジュールであって、前記シリコン基板に予め形成された金属薄膜上に前記光
半導体素子を配置して半田付けし、前記シリコン基板の
円形の穴上に前記集光用レンズを配置して低融点ガラス
で固定し、前記シリコン基板上に前記光学素子の底面と
同一形状のくぼみを形成して固定して、前記光半導体素
子と前記集光用レンズと前記光学素子との光軸を一致さ
せ、前記金属薄膜は前記シリコン基板をフォトリソグラフィ
により、前記シリコン基板の円形の穴及び前記同一形状
のくぼみを異方性エッチングにより形成したことを特徴
とする光半導体モジュール。
【請求項２】請求項１に記載の光半導体モジュールに
おいて、前記光半導体素子から発生した光は前記集光用
レンズで平行光となって前記光学素子を通り、前記光学
素子を通った光は別個の前記集光用レンズで集光されて
光ファイバに導通されることを特徴とする光半導体モジ
ュール。
【請求項３】前記集光用レンズは球レンズからなり、
該集光用レンズを配置、固定するくぼみは円形で、かつ
該くぼみの内径が前記集光用レンズの外径よりもわずか
に小さいことを特徴とする請求項１に記載の光半導体モ
ジュール。
【請求項４】請求項１に記載の光半導体モジュールに
おいて、前記光半導体素子から発生した光は前記集光用
レンズで平行光となって前記光学素子を通り、前記光学
素子を通った光は別個の前記集光用レンズで集光されて
光ファイバに導通され、前記光学素子で反射した反射光
は更に別個の前記集光用レンズで集光されて前記受光す
る光半導体素子に入力されることを特徴とする光半導体
モジュール。