JP3090335B2

JP3090335B2 - 光半導体モジュール

Info

Publication number: JP3090335B2
Application number: JP40023290A
Authority: JP
Inventors: 文彦黒田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-12-03
Filing date: 1990-12-03
Publication date: 2000-09-18
Anticipated expiration: 2015-09-18
Also published as: JPH04208905A

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光半導体モジュールに
関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータ関連技術の進展によって機
器間の通信でさえもますます高度化し、従来の電気通信
技術で間に合わない分野での、光への置き換えが始まっ
ている。従って、その重要な要素である光半導体モジュ
ールに対する要求も、次第に強くなっている。

【０００３】光半導体モジュールの構成の一例を図５に
示す。レーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）などの発光素子、またはｐｉｎフォトダイオード
（ＰＤ）などの受光素子といった光半導体素子（１）、
光ファイバまたは薄膜導波路などの光導波素子（２）、
そして、これらの間の光結合効率を高めるためのレンズ
（３）を主な構成要素としている。

【０００４】ここで、現在普通に用いられているＬＤは
端面出力型であり、光導波素子も端面入出力型であるた
め、ＬＤや光導波素子は基板（４）に対して平行に搭載
でき、モジュールの製造も比較的容易である。しかし現
在のＰＤ、ＬＥＤ、そして将来用いられるであろうＬＤ
は面入出力型であるため、光半導体素子または光導波素
子のいずれかを基板に対して垂直に搭載せねばならず、
ここに製造上の困難が伴う。簡便に製造してコストを低
下させるためには、途中の反射器を設けて光路を曲げ、
全ての構成要素を平行に搭載できることが望ましい。

【０００５】反射器を用いて光路を曲げる方法として、
例えば図６（ａ），（ｂ）に示すような方法が提案され
ている。いずれも１１が半導体基板、１２が光導波路、
１３が光半導体素子、１４が反射器である。４１はＰＤ
の受光面、１５は反射面の反射面をそれぞれ表してい
る。しかしこれらの方法にも幾つかの困難がある。先
ず、この様に微小な反射器を形成すること自体が困難で
ある。反射面（１５）を形成する方法は研磨や劈開が考
えられるが、元が小さいだけにそれぞれ困難を伴う。ま
た、この様に微小な反射器を、半導体基板（１１）上の
所定の位置に精度良く搭載することも困難である。

【０００６】更に図６（ａ）の様な搭載方法では、光半
導体素子（１３）が片持ち型となるため、配線方法や強
度上の問題がある。反射器（１４）に支持腕を設けるこ
とは研磨や劈開では不可能であるし、別の支持体を搭載
することは工程数の増加をもたらす。図６（ｂ）の様な
搭載方法では、反射器（１４）の下面が上面より小さい
だけに、位置合わせが一層困難になるという問題があ
る。

【０００７】一方、光源にＬＤを用いるときには、ＬＤ
から発した光の一部が光路内のどこかで反射してＬＤへ
戻る、いわゆる戻り光も少なくなるよう考慮されねばな
らない。反射面の角度を４５°とし、光導波路から出射
した光の光路を９０°曲げて受光素子に入射させるとす
ると、受光素子表面で反射した光の一部は必ず光導波路
へ再度入斜して、ＬＤへの戻り光となる。従って、反射
面の角度は４５°でない方が良い。

【０００８】この戻り光に関する問題は、反射面を用い
ない場合も同様で、そのため通常の光半導体モジュール
では、光アイソレータが用いられたり、ファイバ端面を
斜めに研磨するなどして、戻り光を極力低下させるよう
努力されている。しかしこれらの方法を用いることに
は、部品点数や工程数の増加によるコストの増大という
問題がある。できればレンズさえも省略できることが、
コストダウンのためには望ましい。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、少ない部
品点数と簡便な工程とで光半導体素子と光導波素子とを
効率よく光結合できる光半導体モジュールを提供するこ
とを目的とするものである。［発明の構成］

【００１０】

【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、半導
体基板に設けられた凹部の正側面と両横側面に露呈した
結晶面を反射面として、光半導体素子と光導波素子とを
光結合させたことを特徴とする光半導体モジュールであ
る。本願第２の発明は、前記両横側面の端部が同一であ
ることを特徴とする本願第１の発明に記載の光半導体モ
ジュールである。本願第３の発明は、前記基板主面に対
して前記結晶面の角度が４５°ではないことを特徴とす
る本願第１の発明に記載の光半導体モジュールである。

【００１１】

【作用】半導体結晶の結晶面は、原子が規則正しく並ん
だ面であるため、光学的に優れた反射器となる。半導体
基板に精度良く凹部を設けることは、通常のマスク合わ
せ工程、エッチング工程を用いることによって容易であ
る。このとき異方性の強いエッチングを行えば、ある特
定の結晶面だけが露呈されるため、光学的に優れた反射
器が容易に形成できる。しかもこの結晶面が凹部内に適
当に配されていれば、これらに集光作用を持たせること
ができる。さらに、その結晶面は、角度が４５°となら
ない面を選ぶことも可能であるため、凹部の大きさを適
当に選べば、戻り光を少なくすることも容易である。そ
して、凹部が設けられた半導体基板の表面側に面入出力
型の素子、端面側に端面入出力型の素子を実装すること
により、これらの光結合が容易に行われる。

【００１２】

【実施例】この発明により、ファイバとＰＤを結合させ
た例を図１に示す。ここで、図１（ａ）は反射器の拡大
図、図１（ｂ）は反射器とファイバ、ＰＤとの実装方法
を示す。２１は｛１００｝面を表面とし、＜１１０＞方
向に切り出されたＳｉ基板である。表面に装着した酸化
膜（２２）に適当なマスク合わせ工程を経て溝に形成
し、ヒドラジンや水酸化カリウム等を用いて異方性エッ
チングを行うと、反射面となる側面（２３）（２４）に
｛１１１｝面が露呈した凹部（２５）が形成される。エ
ッチングは｛１１１｝面が露呈した時点で終了するの
で、凹部の大きさ、深さはマスク合わせ工程によって高
精度に決定される。このとき、露呈｛１１１｝面の｛１
００｝面に対する角度は、５４．７°となる。場合によ
っては、側面（２３）（２４）に金属や誘電体の一層ま
たは多層の薄膜を装着して、反射率を高めてもよい。

【００１３】この様にして形成された反射器（２９）の
表面に合わせマーカ（２７）を形成しておき、ＰＤ（２
８）の受光面を下にしてフリップチップ接続する。反射
器表面の酸化膜（２２）上に必要な電極配線（２６）を
施しておけば、ＰＤ自身の固定と同時に配線までが、一
つの工程で終了する。もちろん受光面を上に接続して、
ワイヤボンディングを行っても構わない。また、Ｓｉ基
板（２１）内に電子素子を作り付けてＩＣ化することも
可能である。このときはＰＤ（２８）への電気配線が最
短距離で済むので、高速に変調された光を受光するのに
適している。

【００１４】反射器（２９）とファイバの接続は、市販
のファイバコネクタ（３０）が利用できる。このコネク
タは本来、２本のピン（３１）を介してコネクタ同志を
突き合わせることにより、２本のファイバを簡便に接続
するためのものであるが、そのためピンとファイバ端面
（３２）との位置関係が精密に作製されている。従って
このピン（３１）でＳｉ基板（２１）を挟み込み、適当
な方法で固定すれば、ファイバ端面（３２）と凹部（２
５）との位置関係も精密に決まる。

【００１５】Ｓｉ基板（２１）の厚さを３５０μｍ、Ｓ
ｉ基板（２１）の端から正側面（２３）上端までの距離
を２２５μｍとしたとき、ファイバ端面（３２）から出
射した光が、側面（２３）（２４）で反射された後、Ｐ
Ｄ（２８）の上面に投射される点を図２（ａ）（ｂ）に
示す。どちらもＰＤ上面から見た図であり、４１はＰＤ
受光部を示す直径７０μｍの円、その周辺の小さな円
が、ＰＤ上面に投射される点を示している。ファイバ端
面（３２）の左半面から、一定の角度間隔で出射される
光について計算した。

【００１６】図２（ａ）は、横側面（２４）同士の間隔
を５００μｍと広くとった場合である。ファイバ端面
（３２）から放射された光は、正側面（２３）のみで反
射されるので、ＰＤ上面に均等に投射され、ＰＤ受光部
（４１）内に投射される光の割合は全体の約３３％であ
った。一方（ｂ）は、横側面間隔を２２０μｍと狭くと
った場合である。このときは、ファイバ端面（３２）か
ら外側へ大きな角度で出射した光は、横側面（２４）→
正側面（２３）と反射されてＰＤ受光部（４１）近傍に
投射されるので、結合効率も５０％近くに増加すること
が確かめられた。即ち、反射面を１面ではなく３面用い
ることによって、反射器（２９）に集光作用も持たせる
ことが可能となる。

【００１７】このときのＰＤ下面からの再反射光を追跡
すると、一部はファイバ端面（３２）に投射されるもの
の、その大部分はファイバの中心軸からの角度が３０°
以上であった。従って、再びファイバに入射してＬＤへ
の戻り光となる成分はほとんど無視し得ることが確認で
きた。即ちこの発明によれば、レンズ等を使わなくとも
高効率の光結合ができ、かつアイソレータ等がなくとも
戻り光は少ないということが判る。

【００１８】ＰＤの位置合わせを更に精度良くするため
には、図３の方法がある。即ち、ＰＤ下面にメサ状の突
起（４２）を形成し、その突起を凹部（２５）に嵌め込
んで実装する。これにより、簡単な工程で高精度の実装
が可能となる。以上挙げた例は、ＰＤのような受光素子
ばかりでなく、ＬＥＤや面発光レーザのような発光素子
にも応用できる。

【００１９】またこの発明は、ファイバばかりでなく薄
膜導波路と光半導体素子との光結合にも適用できる。そ
の様子を図４（ａ）に示す。図６と同様に光半導体素子
（１３）と薄膜導波路（１２）とが形成された半導体基
板（１１）上に、先に説明した反射器（２９）を、凹部
（２５）を下にして装着する。この反射器（２９）は従
来の反射器（１４）に比較して形も大きく、上面と下面
の大きさも等しいため、従来例で説明した困難はない。
また、反射器（２９）に集光作用もあるので、従来例よ
りも高効率の光結合ができる。更に高精度に位置合わせ
をしたいときは、半導体基板（１１）の受光素子周辺部
にも位置合わせ用の凹部を設け、ここに反射器（２９）
を嵌め込むとよい。

【００２０】この発明を利用すれば、複数の光半導体素
子、光導波素子をまとめたアレイ化モジュールも、容易
に製造できる。例えば図１のファイバコネクタ（３０）
にリボンファイバ用を用い、反射器（２９）の凹部（２
５）は、それに合わせた個数形成すればよい。

【００２１】以上、結晶面反射器を用いた光半導体モジ
ュールについて詳しく説明してきたが、この発明の適用
範囲は以上の例に限られるものではない。例えば、反射
器として用いる結晶はＳｉに限られるものではなく、ま
たＩｎＰやＧａＡｓのような正方晶系の結晶ばかりでも
なく、六方晶系や斜方晶系といった複雑な構造の結晶で
も可能であろう。また反射面となる結晶面も｛１１１｝
面に限られるものではなく、｛１００｝、｛２１１｝
等、結晶の構造と異方性エッチングの種類に応じて、様
々な結晶面とその組み合わせを選ぶことができる。その
他、この発明の精神を逸脱することなく、種々の変形、
応用が可能である。

【００２２】

【発明の効果】この発明により、光半導体素子と光導波
素子との高効率の光結合が、簡単な工程で実現できる光
半導体モジュールが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す斜視図。

【図２】第１の実施例の光が投射される点を示す平面
図。

【図３】本発明の他の実施例を示す断面図。

【図４】本発明のその他の実施例を示す斜視図。

【図５】従来の技術を示す斜視図。

【図６】従来の技術を示す斜視図。

【符号の説明】１，１３…光半導体素子２…光導波
素子１２…光導波路１４，２９…反射器１５…反射面２１…Ｓｉ基板
２３，２４…凹部の側面２５…凹部３３…光ファイバ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板に設けられた凹部の正側面と
両横側面に露呈した結晶面を反射面として、光半導体素
子と光導波素子とを光結合させたことを特徴とする光半
導体モジュール。
【請求項２】前記両横側面の端部が同一であることを
特徴とする請求項１記載の光半導体モジュール。
【請求項３】前記基板主面に対して前記結晶面の角度
が４５°ではないことを特徴とする請求項１記載の光半
導体モジュール。