JP3844326B2 - Mounting method of integrated optical module - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレーナ型光導波路が形成されている光導波路デバイス(プレーナ型光導波路デバイス)に関し、特に、位置合わせ用のマークであるアライメントキーが高い位置精度で形成されているプレーナ型光半導体デバイスに関する。更に本発明は、上記のようなプレーナ型光導波路デバイスと半導体レーザとをサブマウントの上に実装して構成される集積化光モジュールの構成及び実装方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信分野において、石英系光波回路プラットフォームの上に半導体レーザ、電子素子、光ファイバなどをハイブリッド集積した小型且つ低コストの集積化光モジュールの開発が、重要視されている。
【0003】
このような集積化光モジュールの形成にあたって重要なことは、高い位置精度で各素子を固定して、伝達損失をできる限り小さくすることである。この目的のために、Si−V溝基板を用いて半導体レーザと単一モードファイバとを直接結合する表面実装型光モジュールが、実現されている(例えば、1997年電子情報通信学会総合大会、C−3−63)。
【0004】
図9は、上記の技術によって得られる光モジュールの構成を模式的に示す斜視図である。
【0005】
この構成では、Siサブマウント26のチップ搭載領域125に所定の形状(パターン)のアライメントキー(位置合わせ用マーカ)126を形成すると共に、このチップ搭載領域125に搭載されるべき半導体レーザ27にも、所定の形状(パターン)のアライメントキー(位置合わせ用マーカ)127を形成する。そして、これらのアライメントキー126及び127を画像認識し、その位置情報を画像処理プロセスで演算することによって、Siの異方性エッチングによりSiサブマウント26に高精度に形成されたV溝28の中心軸に、半導体レーザ27の活性層を高精度に位置合わせ調整する。一方、V溝28には光ファイバ29を実装するが、この実装はV溝28及び光ファイバ29の形状を利用して高精度に行われて、光ファイバ29の光軸が、V溝28の中心軸に高精度に位置合わせ調整される。
【0006】
このようにして、図9の構成では、光ファイバ29の光軸と半導体レーザ27の発光点(活性層)とが高精度に位置合わせ調整され、実装ばらつきをx方向で約±0.61μm、z方向で約±1μmに抑制することを実現している。
【0007】
一方、光情報処理分野において、光ディスクの高密度化及びディスプレイの高繊細化を実現するため、小型の短波長光源が必要とされている。短波長化を実現するための技術としては、半導体レーザと、プレーナ型光導波路を用いた擬似位相整合(以下、「QPM」と記す)方式の波長変換デバイスとを用いた第2高調波発生(以下、「SHG」と記す)技術を利用した方法がある(例えば、山本、他:Optics Letters、Vol.16、No.15、p.1156(1991)を参照)。
【0008】
図10には、プレーナ型光導波路を有する波長変換デバイスを含むブルー光源の概略構成図を示す。
【0009】
図10の構成では、半導体レーザ30として、分布ブラッグ反射(以下、「DBR」と記す)領域32を有する波長可変半導体レーザ30が用いられている。なお、以下では、DBR領域を有する波長可変半導体レーザを、「DBR半導体レーザ」或いは「DBRレーザ」と記す。DBR半導体レーザ30は、例えば0.85μm帯の100mW級AlGaAs系DBR半導体レーザ30であって、活性層領域31とDBR領域32とから構成されている。配線39及びボンディングワイヤ40を介してDBR領域32へ注入される注入電流の量を可変することにより、DBR半導体レーザ30の発振波長を可変することができる。一方、波長変換素子であるプレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイス33は、X板MgOドープLiNbO3基板36に形成されたプレーナ型光導波路34と周期的な分極反転領域35とから、構成されている。DBR半導体レーザ30及び波長変換デバイス33は、それぞれサブマウント37及び38の上にジャンクションアップで固定されている。サブマウント37及び38は、同一の支持部材41の上に固定されている。
【0010】
DBR半導体レーザ30の光出射端面より得られたレーザ光は、レンズなどの結合光学系を使用することなく、直接、波長変換デバイス33のプレーナ型光導波路34に結合される。具体的には、サブマウント37及び38の上におけるDBR半導体レーザ30及び波長変換デバイス33の位置関係を調整することにより、半導体レーザ30からの約100mWのレーザ出力に対して、約60mWのレーザ光が波長変換デバイス33のプレーナ型光導波路34に結合する。更に、DBR半導体レーザ30のDBR領域32への注入電流量を制御することによって、その発振波長を、波長変換デバイス33の位相整合波長許容度内に固定する。このような構成によって、現在では、波長425nmのブルー光が約10mWの出力で得られる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
図9に示す半導体レーザ27と光ファイバ29とを集積した光モジュールでは、光ファイバ29がSiサブマウント26の上に形成されたV溝28に実装され、そのV溝28を基準位置として、半導体レーザ27を実装する。光ファイバ29は円筒状であり、そのコア部(光伝搬領域)は、光ファイバ29の中心に形成されている。また、光ファイバ29の直径も、高精度に制御されて形成される。更に、Siサブマウント26の上に形成されるV溝28も、Siの異方性エッチングを利用して高い精度で形成される。この結果、光ファイバ29の中心であるコア部は、Siサブマウント26に対して高い位置合わせ精度で実装される。また、半導体レーザ27も、その位置合わせのために形成されているアライメントキー126及び127がV溝28を基準にして形成されているので、高い位置合わせ精度でSiサブマウント26の上に実装できる。
【0012】
一方、図10の構成におけるプレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイス33では、LiNbO3基板36の上に、プロトン交換などの方法によって平面的(2次元的)なプレーナ型光導波路34が形成されている。なお、本願明細書では、光ファイバのように同軸中心に光導波層がある光導波路デバイス以外の、薄膜などを利用して平面的(2次元的)なプレーナ型光導波路(いわゆる「プレーナ型光導波路」)が形成されている光導波路デバイスを、「プレーナ型光導波路デバイス」とも称する。
【0013】
このプレーナ型光導波路デバイスでは、基板表面からの高さ方向におけるプレーナ型光導波路の位置の制御は、その形成時に高い精度で行える。しかし、デバイスの横方向におけるプレーナ型光導波路の位置は、個々のデバイスを作成する際の切断や研磨などのプロセスによって大きく影響され、その位置を高精度に制御することは困難である。これに対して、半導体レーザの実装と同様の方法により、アライメントキーなどを形成してプレーナ型光導波路の位置を検出することによってプレーナ型光導波路デバイスを実装することも可能であるが、この方法では、半導体レーザ及びプレーナ型光導波路デバイスの各々をアライメントキーに対して実装するために、実装誤差が大きくなる。
【0014】
特に、プレーナ型光導波路を用いて且つ第2高調波発生(SHG)を利用した波長変換デバイスでは、その波長変換効率が波長変換デバイスのプレーナ型光導波路への基本波の入射パワーに比例し、且つ、得られる高調波光パワーが、基本波の入射パワーの2乗に比例する。このため、優れた動作特性を呈する波長変換デバイスを得るためには、デバイスのプレーナ型光導波路への結合効率の向上、及びサンプル間におけるバラツキの低減が、必要不可欠である。
【0015】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、(1)実装のためのアライメントキーが高精度に形成されたプレーナ型光導波路を有する光導波路デバイスを提供すること、(2)半導体レーザと上記のようなプレーナ型光導波路とを組み合わせて構成された集積化光モジュールを提供すること、並びに(3)半導体レーザと上記のようなプレーナ型光導波路を有する光導波路デバイスとの実装時の位置を高精度に位置合わせ調整して集積化光モジュールを構成する、集積化光モジュールの実装方法を提供すること、である。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明の集積化光モジュールの実装方法は、少なくとも半導体レーザとプレーナ型光導波路が形成された光導波路デバイスとをサブマウント上に実装して構成される集積化光モジュールの実装方法であって、該半導体レーザの光出射端面のエッジ部と該光導波路デバイスの光入射端面のエッジ部とを該サブマウントの裏面より赤外光を照射して同一視野内で認識される画像に基づいて検出するステップと、該各々のエッジ部の検出結果を利用して、該サブマウントの表面内で、該半導体レーザ及び該光導波路デバイスの位置を、該半導体レーザの該光出射端面の法線方向にほぼ沿った方向において、位置合わせ調整するステップと、を包含しており、そのことにより上記目的が達成される。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明の集積化光モジュールの実装方法は、第1のアライメントキーが形成された半導体レーザと、強誘電体基板上にプレーナ型光導波路が形成され且つ該プレーナ型光導波路を形成する際に使用されるフォトマスクを使用して該強誘電体基板上に第2のアライメントキーが形成された光導波路デバイスと、をサブマウント上に少なくとも実装して構成される集積化光モジュールの実装方法であって、前記プレーナ型光導波路を形成するための開口部に対して前記第2のアライメントキーが所定位置に予め形成された前記フォトマスクを、前記開口部を通してのプロトン交換処理によって前記プレーナ型光導波路を形成した後にエッチングすることにより前記第2のアライメントキーを形成するステップと、前記半導体レーザ及び前記光導波路デバイスの何れか一方を前記サブマウントの表面に固定するステップと、前記半導体レーザの前記第1のアライメントキーと前記光導波路デバイスの前記第2のアライメントキーとを前記サブマウントの裏面より赤外光を照射して同一視野内で認識される画像に基づいて検出するステップと、前記サブマウントの表面内で、前記検出された第1及び第2のアライメントキーの何れか一方の位置を基準位置として、前記検出された他方のアライメントキーの位置を、前記光導波路デバイスの光入射端面にほぼ平行な方向において、位置合わせ調整するステップと、を包含しており、そのことにより上記目的が達成される。
【0024】
例えば、前記第1のアライメントキーの位置を基準位置として、前記第2のアライメントキーの位置を、前記光導波路デバイスの光入射端面にほぼ平行な方向において、位置合わせ調整しても良い。或いは、前記第2のアライメントキーの位置を基準位置として、前記第1のアライメントキーの位置を、前記光導波路デバイスの光入射端面にほぼ平行な方向において、位置合わせ調整しても良い。
【0025】
また、本発明の集積化光モジュールの実装方法は、第1のアライメントキーが形成された半導体レーザをサブマウントの上に実装する第1実装ステップと、強誘電体基板上にプレーナ型光導波路が形成され且つ該プレーナ型光導波路を形成する際に使用されるフォトマスクを使用して該強誘電体基板上に第2のアライメントキーが形成された光導波路デバイスを該サブマウントの上に実装する第2実装ステップと、を包含し、該第2実装ステップは、前記プレーナ型光導波路を形成するための開口部に対して前記第2のアライメントキーが所定位置に予め形成された前記フォトマスクを、前記開口部を通してのプロトン交換処理によって前記プレーナ型光導波路を形成した後にエッチングすることにより前記第2のアライメントキーを形成するステップと、前記半導体レーザの上の前記第1のアライメントキーと前記光導波路デバイスの上の前記第2のアライメントキーとを前記サブマウントの裏面より赤外光を照射して同一視野内で認識される画像に基づいて検出し、前記サブマウントの表面内で、前記検出された第1のアライメントキーの位置を基準位置として、前記検出された第2のアライメントキーの位置を、前記光導波路デバイスの光入射端面にほぼ平行な方向において、位置合わせ調整するステップと、前記半導体レーザの上の光出射端面のエッジ部と前記光導波路デバイスの該光入射端面のエッジ部とを前記サブマウントの裏面より赤外光を照射して同一視野内で認識される画像に基づいて検出し、前記各々のエッジ部の検出結果を利用して、前記サブマウントの表面内で、前記半導体レーザ及び前記光導波路デバイスの位置を、前記半導体レーザの前記光出射端面の法線方向にほぼ沿った方向において、位置合わせ調整するステップと、を含んでおり、そのことにより上記目的が達成される。
【0026】
上記のような本発明による集積化光モジュールの実装方法において、前記プレーナ型光導波路と前記第2のアライメントキーとが、同じフォトマスクを利用して形成され得る。
【0027】
また、好ましくは、前記第2のアライメントキーが前記プレーナ型光導波路から10μm以上離れた場所に位置する。
【0028】
更に、例えば、前記プレーナ型光導波路が、プロトン交換法により形成されたプロトン交換プレーナ型光導波路であっても良い。
【0029】
【発明の実施の形態】
先に述べたように、半導体レーザと、プレーナ型光導波路を有する光導波路デバイス(プレーナ型光導波路デバイス)とを集積した集積化光モジュールにおいては、半導体レーザからの出射光のプレーナ型光導波路への結合効率の向上、並びにサンプル間での結合効率のバラツキ低減が、重要となる。特に、半導体レーザと、プレーナ型光導波路デバイスとしてのプレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイスとから構成される第2高調波発生(SHG)を利用した短波長光源の集積化光モジュールでは、得られる高調波光パワーが、プレーナ型光導波路に結合する基本波の入射パワーの2乗に比例するため、結合効率の向上及びサンプル間におけるバラツキの低減が、特に重要な要素になる。
【0030】
以下では、高精度にアライメントキーを形成したプレーナ型光導波路デバイス、及びそれと半導体レーザとから構成される集積化光モジュールにおいて、高精度な光結合を実現するための位置合わせ調整を可能にする光導波路デバイスの構成やそれを利用した光モジュールの実装方法について、本発明の幾つかの具体的な実施形態を説明する。
【0031】
(第1の実施形態)
従来、アライメントキーを形成するためには、プレーナ型光導波路の導波損失などを避けるため、バッファ層をプレーナ型光導波路上に形成し、その上にアライメントキーを形成していた。しかし、この方法では、アライメントキーを形成するときのフォトマスクの位置合わせ誤差が生じるため、高精度にアライメントキーを形成することが困難であった。
【0032】
そこで、本実施形態では、上記の課題を解決するために、強誘電体基板上にプレーナ型光導波路と位置合わせ用のアライメントキーとを同じフォトマスクを使用して形成したプレーナ型光導波路デバイス100について、説明する。
【0033】
図1は、本実施形態におけるプレーナ型光導波路デバイス100の構成を示す斜視図である。
【0034】
この構成では、強誘電体材料からなる基板、例えばMgドープLiNbO3基板1の中心線M2に沿って、プレーナ型光導波路3が形成されている。プレーナ型光導波路3に対して線対称的な位置に、例えばTa膜からなる一対のアライメントキー4、及び一対の付加的なパターン4Aが形成されている。更に、例えばSiO2からなる保護膜5が、プレーナ型光導波路3、アライメントキー4、及び付加的なパターン4Aを覆うように、基板1の表面に形成されている。但し、アライメントキー4、及び付加的なパターン4Aの数は、それぞれ一対に限られるものではなく、任意の数(ペア数)だけ形成することが可能である。また、アライメントキー4及び付加的なパターン4Aの各々の形状も、図示されているものに限られることはなく、適切な任意の形状とすることができる。
【0035】
このような構成を有するプレーナ型光導波路デバイス100の形成にあたっては、まず図2に示すように、MgドープLiNbO3基板1の上にTa膜を蒸着し、このTa膜に対する一般的なフォトリソグラフ工程及びドライエッチング工程により、プレーナ型光導波路3を形成するための開口部2A(例えば、幅約5μm)を有するストライプマスク2を形成する。このマスク形成工程(フォトリソグラフ工程及びドライエッチング工程)では、同時に、開口部2Aの中心線M2に対して対称な位置に、一対のアライメントキー4を同時に形成する。
【0036】
次に、ピロリン酸(温度約200℃)の中で約7分間に渡って、マスク2の開口部2Aを通したプロトン交換処理を行い、更にその後にアニール処理(温度約330℃で約200分間)を行うことにより、プレーナ型光導波路3を形成する。その後、形成されているアライメントキー4、及び図1に示した一対の付加的なパターン4Aの形成位置に相当する箇所をレジストでマスキングした上で、ウエットエッチングによりTa膜を除去する。このウエットエッチングによって、付加的なパターン4Aが形成されることになる。更にその後に、プレーナ型光導波路3、アライメントキー4、及び付加的なパターン4Aを覆うように、基板1の表面にSiO2保護膜5を形成する。
【0037】
以上のようにして、図1に示す構成を有するプレーナ型光導波路デバイス100が作製される。
【0038】
SiO2保護膜5は、集積化光モジュールを形成するためにプレーナ型光導波路デバイス100をサブマウント上にジャンクションダウンで(すなわち光導波路形成面がサブマウントに向くような方向で)実装する際の、プレーナ型光導波路3のサブマウントからの高さ調整にも利用される。すなわち、この保護膜5の膜厚(SiO2の膜厚)は、集積化光モジュールを構成するために、同様にサブマウント上にジャンクションダウンで実装されてプレーナ型光導波路デバイス100に結合される半導体レーザの、サブマウント表面から活性層までの距離に基づいて、制御されている。具体的には、例えば本実施形態では、厚さ約1000nmの保護膜5が形成されている。
【0039】
一方、マスク2、アライメントキー4、及び付加的なパターン4Aを構成するために形成されるTa膜(金属膜)の膜厚は、例えば約100nmである。ここで、付加的なパターン4Aは、プレーナ型光導波路デバイス100をサブマウント上にジャンクションダウンで実装する際に、プレーナ型光導波路3のサブマウントからの高さを均一に保持するために形成されるものである。もし、この付加的なパターン4Aを形成せずに、アライメントキー4だけを形成すると、アライメントキー4を構成する金属膜(Ta膜)の厚さによって、プレーナ型光導波路3がサブマウントに対してその長手方向に斜めに位置されることになり、好ましくない。これに対して、アライメントキー4と同じ厚さの膜からなる付加的なパターン4Aを形成することで、上記の問題は発生しない。
【0040】
従来技術におけるように、フォトマスクの位置合わせによりアライメントキーを形成すると、その精度は、通常は±0.3μm程度となる。これに対して、本実施形態のように、プロトン交換プレーナ型光導波路3に対しては、プロトン交換処理のためのTaマスク2の形成時に、同じフォトマスクを利用してアライメントキー4を形成できる。このため、フォトマスクの作製精度でアライメントキー4の位置を制御できるため、アライメントキー4に対して高い位置精度が得られることになり、具体的には、例えば約±0.1μmの精度でアライメントキー4が形成できる。
【0041】
また、保護膜5と基板1との間にアライメントキー4を形成することにより、集積化光モジュールの構成時にプレーナ型光導波路デバイス100をジャンクションダウンでサブマウント上に実装しても、アライメントキー4がサブマウントと接触することがない。この結果、アライメントキー4に傷がつくこともなく、そのエッジ部の明確な形状が保持されて確実に画像認識されるので、その実用的効果は大きい。
【0042】
ところで、以上のようにプロトン交換プレーナ型光導波路3では、プレーナ型光導波路3の形成のためのプロトン交換時のTaマスク2の形成時に、同じフォトマスクでアライメントキー4を形成することができる。これに対して、Ti拡散プレーナ型光導波路においては、プレーナ型光導波路の形成にあたって、Tiを拡散するために1000℃以上で6時間の熱処理を行う必要がある。このため、上記のようにプレーナ型光導波路形成時の同じフォトマスクでアライメントキーを形成すると、Tiを拡散するための熱処理によって、形成したTiのアライメントキーが変形及び劣化する。従って、Ti拡散プレーナ型光導波路に対しては、本実施形態のように、プレーナ型光導波路形成時のフォトマスクによりアライメントキーを形成することは困難である。
【0043】
このように、本実施形態のようなアライメントキーの形成は、プロトン交換により作製されたプレーナ型光導波路デバイスに対して特に有効であり、高精度なアライメントキーを容易に形成することができる。
【0044】
また、本実施形態の構成では、典型的には、アライメントキー4をプレーナ型光導波路3から離れた位置に、例えば少なくとも約10μm離れた位置に、形成する。これは、以下の理由による。
【0045】
もし、アライメントキー4がプレーナ型光導波路3の上、或いはその近傍に形成されていると、プレーナ型光導波路3の実効屈折率、すなわち位相状態が変化する。また、アライメントキー4は金属膜(例えばTa膜)から形成されているため、プレーナ型光導波路3に接近し過ぎていると、その導波損失を増加させる。これらの点は、周期的分極反転構造が形成されたプレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイスでは、大きな問題となる。従って、このような問題を避けるためには、アライメントキー4をプレーナ型光導波路3から離れた位置に、本願発明者らによる検討結果に基づけば少なくとも約10μm以上離して形成することが、好ましい。
【0046】
上記の点は、アライメントキー4と同じ金属膜(例えばTa膜)から形成される付加的なパターン4Aについても同様であって、上記と同じ理由により、付加的なパターン4Aは、プレーナ型光導波路3から少なくとも約10μm以上離して形成することが好ましい。
【0047】
更に以下では、上記で説明した特徴を有するプレーナ型光導波路デバイスのより具体的な構成例として、プレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイス200を説明する。
【0048】
図3は、本実施形態に従って形成される波長変換デバイス200の構成を示す斜視図である。
【0049】
この構成では、X板MgドープLiNbO3基板1の中心線M2に沿って、プロトン交換プレーナ型光導波路3が形成されている。また、基板1の表面には、プロトン交換プレーナ型光導波路3に直交する方向に、周期3.2μmで周期的な分極反転領域7が形成されている。プレーナ型光導波路3に対して線対称的な位置には、Ta膜からなる一対のアライメントキー4、及び一対の付加的なパターン4Aが形成されている。更に、SiO2からなる保護膜5が、プレーナ型光導波路3、アライメントキー4、及び付加的なパターン4Aを覆うように、基板1の表面に形成されている。
【0050】
上記のアライメントキー4及び付加的なパターン4Aの形成方法は、先に説明した通りである。また、アライメントキー4、及び付加的なパターン4Aの数は、それぞれ一対に限られるものではなく、任意の数(ペア数)だけ形成することが可能である。更に、それらの形状も、図示されているものに限らず、適切に設定することができる。保護膜5及び付加的なパターン4Aの各々の機能も、先に説明した通りである。
【0051】
この波長変換デバイス200では、周期的分極反転領域7により、プレーナ型光導波路3に入射した基本波とそれが変換されて発生する第2高調波との間で発生する伝搬速度の差が補償される。そのため、プレーナ型光導波路3に位相変化が与えられると、波長変換効率の低下、波長に対する第2高調波発生カーブの変化など、波長変換特性の劣化を招く。ここで、アライメントキーがプレーナ型光導波路の上、或いはその近傍に形成されていると、プレーナ型光導波路の実効屈折率、すなわち位相状態が変化することは、先に説明した通りである。
【0052】
そこで、図3の構成において、プロトン交換プレーナ型光導波路3に近接して3対のアライメントキー4を形成したときの波長変換デバイスの導波損失特性について、検討した。その結果、アライメントキー4が形成されていない場合には、プレーナ型光導波路の導波損失が0.5dB/cmであったのに対して、アライメントキー4がプレーナ型光導波路3に近接して形成されているとき(具体的には約5μmの距離に形成されているとき)には、導波損失が0.8dB/cmであり、アライメントキー4の形成により導波損失の増大が観測された。
【0053】
本実施形態の波長変換デバイス200の構成では、上記のような導波損失の増大を避けるために、アライメントキー4をプレーナ型光導波路3から約10μm以上離して形成する。なお、この点は、アライメントキー4と同じ金属膜(Ta膜)から形成される付加的なパターン4Aについても同様であって、上記と同じ理由により、付加的なパターン4Aは、プレーナ型光導波路3から約10μm以上離して形成することが好ましい。
【0054】
一方、図4は、プレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイスに含まれる周期的分極反転領域に、更に位相変化部を設けることによって、波長に対する第2高調波発生カーブの頂上近傍部をフラットにして、波長変換のための波長許容幅が拡大された特性を示している(例えば、オプティカル・レター、Vol.23、No.24、pp.1880−1882、1998年を参照)。このように、位相変化部の設置によって第2高調波発生カーブの特性を調整している場合には、位相変化や導波損失の変化が与えられると、第2高調波発生カーブに与える影響は大きくなる。例えば、図5は、図4の特性を示すプレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイスの構成(周期的分極反転領域に更に位相変化部が設けられている構成)において、プレーナ型光導波路から5μm離れた位置に更にアライメントキーを形成したときに得られる第2高調波発生カーブを示している。この場合には、図4の特性に比べて、カーブの頂上近傍のフラット部に傾きが生じて、特性が劣化している。これに対して、アライメントキーをプレーナ型光導波路から少なくとも10μm離れた位置に形成すれば、図4と同様の第2高調波発生カーブが観測されて、特性劣化は観測されない。
【0055】
本実施形態のように、プレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイスにおいて、プレーナ型光導波路3の上或いはその近接部を避けてアライメントキー4を形成することにより、アライメントキー4の設置に伴うプレーナ型光導波路3の導波損失及び位相状態に与える影響を低減することができる。特に、擬似位相整合方式の第2高調波発生を利用した波長変換デバイスにおいては、上記によって波長変換効率の低下や第2高調波発生カーブの劣化を低減できて、その実用的効果は大きい。
【0056】
更に、本実施形態では、アライメントキー4と同じ厚さの膜からなる付加的なパターン4Aがプレーナ型光導波路3の両側に形成されているため、プレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイスをジャンクションダウンでサブマウント上に実装しても、プレーナ型光導波路3のサブマウントからの高さが均一に保持されて、安定した光結合特性が実現化される。
【0057】
(第2の実施形態)
本実施形態では、半導体レーザとプレーナ型光導波路デバイスとをサブマウント上に集積した集積化光モジュール300において、半導体レーザ及びプレーナ型光導波路デバイスの各々の上に形成されたアライメントキーを認識し、各アライメントキーの位置関係を調整することにより、半導体レーザとプレーナ型光導波路デバイスとの間の高効率な光結合を実現する実装方法について説明する。
【0058】
図6(a)及び(b)は、本実施形態に従って構成される集積化光モジュール300の構成を示す側面図及び平面図である。
【0059】
本実施形態の光モジュール300では、Siサブマウント13の上に、半導体レーザ11とプレーナ型光導波路デバイスとが搭載されている。プレーナ型光導波路デバイスとしては、第1の実施形態で説明した、MgドープLiNbO3基板1の上に周期的分極反転領域(図6には不図示)とプロトン交換プレーナ型光導波路3とが形成された波長変換デバイス200を用いている。波長変換デバイス200の基板1の上には、第1の実施形態に示された方法によって、プレーナ型光導波路3から10μm離れた位置にアライメントキー4が形成されている。プレーナ型光導波路3の両側には更に、アライメントキー4と同じ材料及び厚さの膜(例えばTa膜)によって、付加的なパターン4Aが形成されている。また、アライメントキー4及び付加的なパターン4Aの形成後には、プレーナ型光導波路3と半導体レーザ11のレーザ発光部19とのジャンクションダウン実装時の位置を高さ方向で位置合わせ調整するために、SiO2保護膜5が、第1の実施形態と同様に形成されている。更に保護膜5の上には、例えばTaからなる金属膜21が蒸着されている。そして、Siサブマウント13の上に電極として機能する金属膜14を介して蒸着されたはんだ層15にTa金属膜21を固定することで、波長変換デバイス200がSiサブマウント13に固定される。
【0060】
一方、半導体レーザ11の表面にも、電極23及びアライメントキー17が形成されている。Siサブマウント13の上に金属膜14を介して蒸着されたはんだ層15に電極23を固定することで、半導体レーザ11がSiサブマウント13に固定される。
【0061】
半導体レーザ11がDBR半導体レーザである場合には、半導体レーザ11の電極23、並びに半導体レーザ11に対応してSiサブマウント13の上に形成されている金属膜14及びはんだ層15は、半導体レーザ11の活性層領域及びDBR領域の各々(不図示)に対応して、図示されているように分割して設けられる。或いは、半導体レーザ11がDBR型ではない一般的な半導体レーザである場合には、その構造を考慮して、電極23、金属膜14、及びはんだ層15を図示されるように分割して設ける必要はない。
【0062】
なお、図6(b)では、便宜上、半導体レーザ11のサブマウント側の表面に形成されているアライメントキー17、並びに、波長変換デバイス200のサブマウント側の表面に形成されているアライメントキー4、付加的なパターン4A、及びプレーナ型光導波路3の位置を、図中に描いている。
【0063】
半導体レーザ11及び波長変換デバイス200は、何れも、活性層(ジャンクション)面或いはプレーナ型光導波路形成面がSiサブマウント13に接するように、ジャンクションダウンでSiサブマウント13に実装される。実装にあたっては、半導体レーザ11と波長変換デバイス200とは、それぞれ別々のチップハンド161及び162で、Siサブマウント13に対して平行になるように保持される。なお、半導体レーザ11のレーザ発光部19の位置、及びプレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイス200のプレーナ型光導波路3の位置は、それぞれ実装後にSiサブマウント13の表面から10μmの高さになるように、調整されている。
【0064】
実装時にアライメントキー4及び17の画像認識のために使用される検出装置136は、赤外光を発するハロゲンランプ、赤外光を検出するための赤外光カメラ、及び検出した画像を処理するためのコンピュータを含む。具体的には、Siサブマウント13の裏面からハロゲンランプの赤外光を照射し、赤外光カメラにて、半導体レーザ11に形成されたアライメントキー17、及び波長変換デバイス200に形成されたアライメントキー4を、それぞれ検出する。半導体レーザ11及び波長変換デバイス200の上のアライメントキー17及び4は、それぞれ光が導波する部分(レーザ発光部19及びプレーナ型光導波路3)に対して中心対称位置に形成されている。そのため、検出装置136の赤外光カメラにて検出されたアライメントキー17及び4の像をコンピュータにて画像処理して、それぞれのアライメントキー17及び4の中心線M1及びM2を求める。
【0065】
図11(a)及び(b)を参照して、アライメントキー17及び4の中心線M1及びM2の算出プロセスを詳細に説明する。図11(a)及び(b)は、それぞれ、検出装置136によって得られる半導体レーザ11及び波長変換デバイス200の上のアライメントキー17及び4の認識画像を模式的に示す図である。なお、アライメントキー17及び4は、それぞれ実際には、対をなす2つのキーから構成されており、ここではそれらを17−1及び17−2、並びに4−1及び4−2として参照する。
【0066】
まず、図11(a)に示される半導体レーザ11の上の各アライメントキー17−1及び17−2の重心A1及びA2を、認識された画像に基づくコンピュータでの画像処理によって求める。次に、計算された重心A1及びA2の中心線M1を求める。同様に、図11(b)に示される波長変換デバイス200の上の各アライメントキー4−1及び4−2の重心B1及びB2を、認識された画像に基づくコンピュータでの画像処理によって求める。次に、計算された重心B1及びB2の中心線M2を求める。実際の処理の際には、一画面に4つのアライメントキー17−1及び17−2並びに4−1及び4−2が認識されるが、はじめに画面の片側のみを画像処理し、次に画面のもう一方の側のみを画像処理することにより、それぞれの中心線M1及びM2が認識される。
【0067】
本実施形態における光モジュール300の実装後の構成では、半導体レーザ11のレーザ発光部19及びプレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイス200のプレーナ型光導波路3を、それぞれSiサブマウント13から10μmの高さに位置するように調整している。これに対して、半導体レーザ11における中心線M1の算出時には、波長変換デバイス200を意図的に半導体レーザ11とは異なる高さ、例えばSiサブマウント13から50μmの高さに保持することによって、半導体レーザ11の上のアライメントキー17−1及び17−2のみが検出されることになる。
【0068】
上記のようにそれぞれの中心線M1及びM2が求められたら、次に、波長変換デバイス200の中心線M2を基準として、それに半導体レーザの中心線M1が一致するように、波長変換デバイス200の光入射端面に平行な方向(この場合には、光伝搬方向に垂直な方向)において、半導体レーザ11の位置を調整する。なお、半導体レーザの中心線M1を基準とし、それに対して波長変換デバイス200の中心線M2を位置合わせするように調整してもよいが、半導体レーザ11の方が波長変換デバイス200よりも小さく且つ軽いので、半導体レーザ11を移動させて位置合わせ調整する方が、望ましい。
【0069】
次に、半導体レーザ11の光出射端面のエッジ部、及び波長変換デバイス200の光入射端面のエッジ部の検出結果に基づいて、これらの端面間の距離が3μmになるように、半導体レーザ11の光出射端面の法線方向に沿った方向(この場合には、光伝搬方向)の位置を調整する。半導体レーザ11と波長変換デバイス200との間の距離が10μmである場合、この距離が0μmの場合(すなわち半導体レーザ11と波長変換デバイス200とが直接的に接触している場合)と比較すると、両者の間の結合効率が半分に低下する。しかし、その一方で、半導体レーザ11と波長変換デバイス200とが近接し過ぎると、半導体レーザ11の端面を破壊する危険性がある。そのため、本実施形態では、半導体レーザ11と波長変換デバイス200との間(光出射端面と光入射端面との間)の距離を、3μmに設定している。
【0070】
上記のようにして位置合わせが完了すると、半導体レーザ11と波長変換デバイス200とをそれぞれSiサブマウント13の上に載置して、Siサブマウント13を300℃まで加熱し、はんだ層15を溶融する。続いて、はんだの酸化を避けるためにN2ガスを流しながら冷却して、はんだを再び固化する。これによって、半導体レーザ11及び波長変換デバイス200を、Siサブマウント13の上に固定する。
【0071】
本実施形態の集積化光モジュール300の構成では、半導体レーザ11の光出射端面より得られたレーザ光は、波長変換デバイス200のプレーナ型光導波路3に結合される。具体的には、半導体レーザ11からの100mWのレーザ出力に対して、50mWのレーザ光が、波長変換デバイス200のプレーナ型光導波路3に結合した(結合効率50%)。半導体レーザ11の発振波長を波長変換デバイス200の位相整合波長許容度内に固定することにより、波長425nmの高調波光が5mW程度得られ、高効率光結合及び波長変換が実現された。
【0072】
本発明では、Siサブマウント13の上には、位置合わせ用のアライメントキーが形成されていない。これは、従来技術におけるようにSiサブマウント13の上のアライメントキーに対して位置合わせ調整を行うと、それぞれの実装時に誤差が生じて、結果として実装誤差が大きくなるためである。例えば、従来技術に従ってSiサブマウント13の上にアライメントキーを設けて、これに対して位置合わせ調整を行うと、実装時の位置精度は約±0.6μm程度である。これに対して、本実施形態のように、波長変換デバイス200の上のアライメントキー4に対して、半導体レーザ11のアライメントキー17を位置合わせ調整すれば、それぞれの相対位置関係を直接的に調整できるので高精度の位置合わせ調整が可能となり、典型的には約±0.3μm以下の位置合わせ調整精度で実装することができた。半導体レーザと波長変換デバイスとの間の光結合特性において、その光結合効率が半分になる位置合わせ調整精度は一般的に約±0.5μmであるので、上記のように約±0.3μm以下の位置合わせ調整精度の実現により、90%以上のサンプルにおいて、45%以上の結合効率が得られる。また、1回の位置合わせ調整により実装が可能なので、実装に要する時間も短い。そのため、本実施形態の位置合わせ調整及び実装方法は、量産性に適した実用的な方法であり、その効果も大きい。
【0073】
本実施形態では、半導体レーザ11と波長変換デバイス200との位置関係を直接的に調整できるので、位置合わせ調整及び実装の精度は、アライメントキー17及び4の作製時の誤差に依存する。第1の実施形態に関連して説明したように、プロトン交換プレーナ型光導波路3では、プレーナ型光導波路形成のためのプロトン交換時のTaマスクの形成時に、同じフォトマスクでアライメントキー4を形成することができる。これに対して、Ti拡散プレーナ型光導波路においては、プレーナ型光導波路の形成にあたって、Tiを拡散するために1000℃以上で6時間の熱処理を行う必要がある。このため、上記のようにプレーナ型光導波路形成時の同じフォトマスクでアライメントキーを形成すると、Tiを拡散するための熱処理によって、形成したTiのアライメントキーが変形及び劣化する。従って、Ti拡散プレーナ型光導波路に対しては、本実施形態のように、プレーナ型光導波路形成時のフォトマスクによりアライメントキーを形成することは困難である。これより、本実施形態の集積化光モジュールの位置合わせ調整方法においても、プロトン交換により作製されたプレーナ型光導波路デバイスの場合の方が高精度なアライメントキーの形成が容易であり、高精度な位置合わせ調整及び実装が可能となって、より有効である。
【0074】
以上の本実施形態の説明では、波長変換デバイスとして、第1の実施形態で説明したプレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイス200を用いる構成を例として、説明している。本実施形態によれば、半導体レーザ11とプレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイス200との位置関係を直接に調整することにより、高精度の位置合わせ調整が可能であり、両者の間で高効率な光結合が実現できる。特に、半導体レーザと、プレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイスとから構成される第2高調波発生(SHG)を利用した短波長光源の集積化光モジュールでは、得られる高調波光パワーが、プレーナ型光導波路に結合する基本波の入射パワーの2乗に比例するため、結合効率の向上が特に重要な要素になる。従って、本実施形態による集積化光モジュールの位置合わせ調整方法は、第2高調波発生デバイスであるプレーナ型光導波路デバイスには、特に有効である。
【0075】
なお、本実施形態では、Siサブマウント13への実装固定時に、はんだ層15を溶融するための加熱処理が行われるが、この際に波長変換デバイス200が300℃まで加熱され、プロトン交換プレーナ型光導波路3がアニールされる。従って、あらかじめプロトン交換プレーナ型光導波路3に対するアニール効果を考慮して、波長変換デバイス200を設計し形成している。これにより、はんだ層15の加熱溶融により半導体レーザ11及び波長変換デバイス200をSiサブマウント13に実装固定しても、高効率な波長変換特性を得ることができる。
【0076】
(第3の実施形態)
本実施形態では、半導体レーザとプレーナ型光導波路デバイスとを集積した光モジュール400において、半導体レーザ及びプレーナ型光導波路デバイスの各々の上に形成されたアライメントキーをデバイス側から認識し、各アライメントキーの位置関係を調整することにより、Siよりも熱伝導性の高いAlNサブマウントの上に半導体レーザとプレーナ型光導波路デバイスとを高精度で実装して、両者の間の高効率な光結合を実現する、光モジュールの実装方法について説明する。本実施形態では、熱伝導の高い材料(AlN)から構成されるサブマウントを用いることにより、半導体レーザの寿命を長くし、また、熱分布から生じるサブマウントの歪みを低減することができる。
【0077】
図7(a)及び(b)は、本実施形態に従って構成される集積化光モジュール400の構成を示す側面図及び平面図である。
【0078】
本実施形態の光モジュール300では、AlNサブマウント24の上に、半導体レーザ11とプレーナ型光導波路デバイスとが搭載されている。プレーナ型光導波路デバイスとしては、第1の実施形態で説明した、MgドープLiNbO3基板1の上に周期的分極反転領域(図7には不図示)とプロトン交換プレーナ型光導波路3とが形成された波長変換デバイス200を用いている。波長変換デバイス200の基板1の上には、第1の実施形態に示された方法によって、プレーナ型光導波路3から10μm離れた位置にアライメントキー4が形成されている。プレーナ型光導波路3の両側には更に、アライメントキー4と同じ材料及び厚さの膜(例えばTa膜)によって、付加的なパターン4Aが形成されている。また、アライメントキー4及び付加的なパターン4Aの形成後には、プレーナ型光導波路3と半導体レーザ11のレーザ発光部19とを高さ方向で位置合わせ調整するために、SiO2保護膜5が、第1の実施形態と同様に形成されている。更に保護膜5の上には、例えばTaからなる金属膜21が蒸着されている。そして、AlNサブマウント24の上に電極として機能する金属膜14を介して蒸着されたはんだ層15にTa金属膜21を固定することで、波長変換デバイス200がAlNサブマウント24に固定される。
【0079】
一方、半導体レーザ11の表面にも、電極23及びアライメントキー17が形成されている。AlNサブマウント24の上に金属膜14を介して蒸着されたはんだ層15に電極23を固定することで、半導体レーザ11がAlNサブマウント24に固定される。
【0080】
半導体レーザ11がDBR半導体レーザである場合には、半導体レーザ11の電極23、並びに半導体レーザ11に対応してAlNサブマウント24の上に形成されている金属膜14及びはんだ層15は、半導体レーザ11の活性層領域及びDBR領域の各々(不図示)に対応して、図示されているように分割して設けられる。或いは、半導体レーザ11がDBR型ではない一般的な半導体レーザである場合には、その構造を考慮して、電極23、金属膜14、及びはんだ層15を図示されるように分割して設ける必要はない。
【0081】
なお、図7(b)では、便宜上、半導体レーザ11のサブマウント側の表面に形成されているアライメントキー17、並びに、波長変換デバイス200のサブマウント側の表面に形成されているアライメントキー4、付加的なパターン4A、及びプレーナ型光導波路3の位置を、図中に描いている。
【0082】
半導体レーザ11及び波長変換デバイス200は、何れも、活性層(ジャンクション)面或いはプレーナ型光導波路形成面がAlNサブマウント24に接するように、ジャンクションダウンでAlNサブマウント24に実装される。実装にあたっては、半導体レーザ11と波長変換デバイス200とは、それぞれ別々のチップハンド161及び162でAlNサブマウント24に対して平行になるように保持される。なお、半導体レーザ11のレーザ発光部19の位置、及びプレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイス200のプレーナ型光導波路3の位置は、実装後にそれぞれSiサブマウント13の表面から10μmの高さになるように、調整されている。
【0083】
実装時にアライメントキー4及び17の画像認識のために使用される検出装置136は、赤外光を発するハロゲンランプ、赤外光を検出するための赤外光カメラ、及び検出した画像を処理するためのコンピュータを含む。具体的には、本実施形態の光モジュールの構成では、AlNサブマウント24が赤外光を透過しないので、サブマウント24のデバイス実装面の側からハロゲンランプの赤外光を照射し、赤外光カメラにて、半導体レーザ11に形成されたアライメントキー17、及び波長変換デバイス200に形成されたアライメントキー4を、それぞれ検出する。半導体レーザ11及び波長変換デバイス200の上のアライメントキー17及び4は、それぞれ光が導波する部分(レーザ発光部19及びプレーナ型光導波路3)に対して中心対称位置に形成されている。そのため、第2の実施形態に関連して図11(a)及び(b)を参照しながら説明した方法により、検出装置136の赤外光カメラにて検出されたアライメントキー17及び4の像をコンピュータにて画像処理して、それぞれのアライメントキー17及び4の中心線M1及びM2を求める。
【0084】
それぞれの中心線M1及びM2が求められたら、次に、波長変換デバイス200の中心線M2を基準として、それに半導体レーザの中心線M1が一致するように、波長変換デバイス200の光入射端面に平行な方向(この場合には、光伝搬方向に垂直な方向)において、半導体レーザ11の位置を調整する。なお、半導体レーザの中心線M1を基準とし、それに対して波長変換デバイス200の中心線M2を位置合わせするように調整してもよいが、半導体レーザ11の方が波長変換デバイス200よりも小さく且つ軽いので、半導体レーザ11を移動させて位置合わせ調整する方が、望ましい。
【0085】
次に、第2の実施形態においてと同様に、半導体レーザ11の光出射端面のエッジ部と波長変換デバイス200の光入射端面のエッジ部との間の距離が3μmになるように、両者の位置を半導体レーザ11の光出射端面の法線方向に沿った方向(この場合には、光伝搬方向)に調整する。位置合わせが完了すると、半導体レーザ11と波長変換デバイス200とをそれぞれAlNサブマウント24の上に載置して、AlNサブマウント24を300℃まで加熱し、はんだ層15を溶融する。続いて、はんだの酸化を避けるためにN2ガスを流しながら冷却して、はんだを再び固化させる。これによって、半導体レーザ11及び波長変換デバイス200をAlNサブマウント24の上に固定する。
【0086】
本実施形態の集積化光モジュール400の構成では、半導体レーザ11の光出射端面より得られたレーザ光は、波長変換デバイス200のプレーナ型光導波路3に結合される。具体的には、半導体レーザ11からの100mWのレーザ出力に対して、50mWのレーザ光が、波長変換デバイス200のプレーナ型光導波路3に結合した(結合効率50%)。半導体レーザ11の発振波長を波長変換デバイス200の位相整合波長許容度内に固定することにより、波長425nmの高調波光が5mW程度得られ、高効率光結合及び波長変換が実現された。また、AlNサブマウント24は熱伝導率が高く、その熱膨張係数が、半導体レーザの基板の構成材料として典型的に使用されるGaAsの熱膨張係数に近いこともあり、光モジュールの温度変化に対して、Siサブマウントよりも安定した光結合が得られる。具体的には、約±20℃の温度変化に対して、結合効率の変動は約±5%以下であった。
【0087】
本実施形態においても、第2の実施形態と同様に、AlNサブマウント24の上には位置合わせ用のアライメントキーが形成されていない。これは、第2の実施形態に関連して説明したように、サブマウントの上のアライメントキーに対して位置合わせ調整を行うと、それぞれの実装時に誤差が生じて、結果として実装誤差が大きくなるためである。本実施形態によれば、半導体レーザ11と波長変換デバイス200との位置関係を直接に調整することにより、高精度の位置合わせ調整が可能となる。また、1回の位置合わせ調整により実装が可能なので、実装に要する時間も短い。そのため、本実施形態の位置合わせ調整及び実装方法は、量産性に適した実用的な方法であり、その効果も大きい。
【0088】
本実施形態でも、第2の実施形態と同様に、半導体レーザ11と波長変換デバイス200との位置関係を直接的に調整できるので、位置合わせ調整及び実装の精度は、アライメントキー17及び4の作製時の誤差に依存する。既に説明したように、プロトン交換プレーナ型光導波路3では、プレーナ型光導波路形成のためのプロトン交換時のTaマスクの形成時に、同じフォトマスクでアライメントキー4を高精度に形成することができる。これより、本実施形態の集積化光モジュールの位置合わせ調整方法においても、プロトン交換により作製されたプレーナ型光導波路デバイスの方が高精度なアライメントキーの形成が容易であり、高精度な位置合わせ調整及び実装が可能となって、より有効である。
【0089】
以上の本実施形態の説明では、波長変換デバイスとして、第1の実施形態で説明したプレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイス200を用いる構成を例として、説明している。本実施形態によれば、半導体レーザ11と波長変換デバイス200との位置関係を直接に調整することにより、高精度の位置合わせ調整が可能であり、両者の間で高効率な光結合が実現できる。特に、半導体レーザと、プレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイスとから構成される第2高調波発生(SHG)を利用した短波長光源の集積化光モジュールでは、得られる高調波光パワーが、プレーナ型光導波路に結合する基本波の入射パワーの2乗に比例するため、結合効率の向上が特に重要な要素になる。従って、本実施形態による集積化光モジュールの位置合わせ調整方法は、第2高調波発生デバイスであるプレーナ型光導波路デバイスには、特に有効である。
【0090】
なお、本実施形態では、AlNサブマウント24への実装固定時に、はんだ層15を溶融するための加熱処理が行われるが、この際に波長変換デバイス200が300℃まで加熱されて、プロトン交換プレーナ型光導波路3がアニールされる。従って、あらかじめプロトン交換プレーナ型光導波路3に対するアニール効果を考慮して、波長変換デバイス200を設計し形成している。これにより、はんだ層15の加熱溶融により半導体レーザ11及び波長変換デバイス200をAlNサブマウント24に実装固定しても、高効率な波長変換特性を得ることができる。
【0091】
(第4の実施形態)
本実施形態では、半導体レーザとプレーナ型光導波路デバイスとを集積した光モジュール500において、半導体レーザ及びプレーナ型光導波路デバイスの各々の上に形成されたアライメントキーを認識し、各アライメントキーの位置関係を調整することにより、半導体レーザとプレーナ型光導波路デバイスとの間の高効率な光結合を実現する実装方法について説明する。
【0092】
図8(a)〜(e)は、本実施形態における集積化光モジュール500の実装方法の各ステップを説明する図である。
【0093】
本実施形態の光モジュール500では、Siサブマウント13の上に、半導体レーザ11とプレーナ型光導波路デバイスとが搭載されている。プレーナ型光導波路デバイスとしては、第1の実施形態で説明した、MgドープLiNbO3基板1の上に周期的分極反転領域(図8には不図示)とプロトン交換プレーナ型光導波路3とが形成された波長変換デバイス200を用いている。波長変換デバイス200の基板1の上には、第1の実施形態に示された方法によって、プレーナ型光導波路3から10μm離れた位置にアライメントキー4が形成されている。プレーナ型光導波路3の両側には更に、アライメントキー4と同じ材料及び厚さの膜(例えばTa膜)によって、付加的なパターン4Aが形成されている。また、アライメントキー4及び付加的なパターン4Aの形成後には、プレーナ型光導波路3と半導体レーザ11のレーザ発光部19とを高さ方向で位置合わせ調整するために、SiO2保護膜5が、第1の実施形態と同様に形成されている。このような構成を有する波長変換デバイス200は、本実施形態では、Siサブマウント13の上に形成された電極として機能する金属膜14に対して、紫外線硬化樹脂(UV硬化樹脂)によって固定される。
【0094】
一方、半導体レーザ11の表面には、例えばAu膜によって、電極23及びアライメントキー17が形成されている。Siサブマウント13の上の半導体レーザ11の搭載位置に相当する箇所には、電極として機能する金属膜14の上にはんだ層15が形成されており、このはんだ層15に電極23を固定することで、半導体レーザ11がSiサブマウント13に固定される。
【0095】
半導体レーザ11がDBR半導体レーザである場合には、半導体レーザ11の電極23、並びに半導体レーザ11に対応してSiサブマウント13の上に形成されている金属膜14及びはんだ層15は、半導体レーザ11の活性層領域及びDBR領域の各々(不図示)に対応して、図示されているように分割して設けられる。或いは、半導体レーザ11がDBR型ではない一般的な半導体レーザである場合には、その構造を考慮して、電極23、金属膜14、及びはんだ層15を図示されるように分割して設ける必要はない。
【0096】
続いて、図8(a)〜(e)を参照して、本実施形態における光モジュール500の実装方法を、あらためて説明する。
【0097】
本実施形態においても、半導体レーザ11及び波長変換デバイス200は、ともに活性層(ジャンクション)面或いはプレーナ型光導波路形成面がSiサブマウント13に接するように、ジャンクションダウンでSiサブマウント13に実装される。実装にあたっては、まず図8(a)に示すように、半導体レーザ11及び波長変換デバイス200を、それぞれ別々のチップハンド161及び162でSiサブマウント13に対して平行になるように保持し、Siサブマウント13の上の各々の実装箇所の上方に位置させる。次に、半導体レーザ11をSiサブマウント13のはんだ層15の上に載置した上でSiサブマウント13を300℃まで加熱し、はんだ層15を溶融する。続いて、はんだの酸化を避けるためにN2ガスを流しながら冷却してはんだを再び固化して、図8(b)に示すように、半導体レーザ11をSiサブマウント13の上に固定する。
【0098】
次に、半導体レーザ11の上に形成されたアライメントキー17を利用して、波長変換デバイス200の位置合わせ調整を行って、Siサブマウント13の上に、プレーナ型光導波路面がSiサブマウント13に接するように実装する。
【0099】
具体的には、まず図8(c)に示すように、波長変換デバイス200をチップハンド162で保持し、Siサブマウント13に対して平行になるように位置を調整する。
【0100】
次に、Siサブマウント13の裏面から赤外光を発するハロゲンランプ(不図示)を照射して、赤外光カメラ(不図示)にて、半導体レーザ11及び波長変換デバイス200にそれぞれ形成されたアライメントキー17及び4を検出する。そして、検出された画像に基づくコンピュータでの画像処理によって、まずアライメントキー17の重心を求め、それに基づいて、アライメントキー17の中心線M1を求める。次に、同様に、波長変換デバイス200の上の各アライメントキー4の重心を求めて、更にその中心線M2を求める。実際の処理の際には、一画面に両アライメントキー17及び4が認識されるが、はじめに画面の片側のみを画像処理し、次に画面のもう一方の片側のみを画像処理することにより、それぞれの中心線M1及びM2が認識される。
【0101】
半導体レーザ11及び波長変換デバイス200の上のアライメントキー17及び4は、それぞれ光が導波する部分(レーザ発光部19及びプレーナ型光導波路3)に対して中心対称位置に形成されている。上記のようにしてそれぞれの中心線M1及びM2が求められたら、次に、半導体レーザ11の中心線M1を基準として、それに波長変換デバイス200の中心線M2が一致するように、波長変換デバイス200の位置を、光伝搬方向に垂直な方向、すなわち、波長変換デバイス200の光入射端面に平行な方向(図8(d)の矢印62の方向)で調整する。
【0102】
次に、第2の実施形態においてと同様に、半導体レーザ11の光出射端面と波長変換デバイス200の光入射端面との間の距離が3μmになるように、それぞれのエッジ部の検出結果に基づく光伝搬方向、すなわち、半導体レーザ11の光出射端面の法線方向に沿った方向(図8(d)の矢印64の方向)での位置調整を行う。位置合わせが完了すると、ディスペンサー(不図示)によって、波長変換デバイス200とSiサブマウント13との間にUV硬化樹脂を塗布し、更にUV光の照射を行って、塗布された樹脂を硬化させる。これによって、図8(e)に示すように、波長変換デバイス200がSiサブマウント13の上に固定し、光モジュール500が構成される。
【0103】
本実施形態の集積化光モジュール500の構成では、半導体レーザ11の光出射端面より得られたレーザ光は、波長変換デバイス200のプレーナ型光導波路3に結合される。具体的には、半導体レーザ11からの100mWのレーザ出力に対して、50mWのレーザ光が、波長変換デバイス200のプレーナ型光導波路3に結合した(結合効率50%)。また、第2の実施形態と同様に、約±0.3μm以下の位置合わせ調整精度が実現され、この結果として、90%以上のサンプルにおいて45%以上の結合効率が得られる。半導体レーザ11の発振波長を波長変換デバイス200の位相整合波長許容度内に固定することにより、波長425nmの高調波光が5mW程度得られ、高効率光結合及び波長変換が実現された。また、本実施形態では、波長変換デバイス200が熱処理されずに実装されるので、より高効率な波長変換特性が実現される。
【0104】
本実施形態においても、第2の実施形態と同様に、Siサブマウント13の上には位置合わせ用のアライメントキーが形成されていない。第2の実施形態に関連して説明したように、サブマウントの上のアライメントキーに対して位置合わせ調整を行うと、それぞれの実装時に誤差が生じて、結果として実装誤差が大きくなるためである。本実施形態によれば、半導体レーザ11と波長変換デバイス200との位置関係を直接に調整することにより、高精度の位置合わせ調整が可能となる。また、1回の位置合わせ調整により実装が可能なので、実装に要する時間も短い。そのため、本実施形態の位置合わせ調整及び実装方法は、量産性に適した実用的な方法であり、その効果も大きい。
【0105】
本実施形態でも、第2の実施形態と同様に、半導体レーザ11と波長変換デバイス200との位置関係を直接的に調整できるので、位置合わせ調整及び実装の精度は、アライメントキー17及び4の作製時の誤差に依存する。既に説明したように、プロトン交換プレーナ型光導波路3では、プレーナ型光導波路形成のためのプロトン交換時のTaマスクの形成時に、同じフォトマスクでアライメントキー4を高精度に形成することができる。これより、本実施形態の集積化光モジュールの位置合わせ調整方法においても、プロトン交換により作製されたプレーナ型光導波路デバイスの方が高精度なアライメントキーの形成が容易であり、高精度な位置合わせ調整及び実装が可能となって、より有効である。
【0106】
以上の本実施形態の説明では、波長変換デバイスとして、第1の実施形態で説明したプレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイス200を用いる構成を例として説明している。本実施形態によれば、半導体レーザ11と波長変換デバイス200との位置関係を直接に調整することにより、高精度の位置合わせ調整が可能であり、両者の間で高効率な光結合が実現できる。特に、半導体レーザと波長変換デバイスとから構成される第2高調波発生(SHG)を利用した短波長光源の集積化光モジュールでは、得られる高調波光パワーが、プレーナ型光導波路に結合する基本波の入射パワーの2乗に比例するため、結合効率の向上が特に重要な要素になる。従って、本実施形態による集積化光モジュールの位置合わせ調整方法は、第2高調波発生デバイスであるプレーナ型光導波路デバイスには、特に有効である。
【0107】
本実施形態では、波長変換デバイス200をUV硬化樹脂により固定するため、加熱処理を行うことなく実装できる。これにより、動作特性の変化を考慮せずに実装できるので、その効果は大きい。
【0108】
なお、光ディスク装置における光源などとして本発明の集積化光モジュールを使用する際には、半導体レーザにおける発光点などを、100μm程度の位置精度で位置合わせすることが要求される。その場合には、本発明に従ったアライメントキーとは別に、従来の一般的なアライメントキーを半導体レーザ及びサブマウントの上に形成しておいて、これらを利用して半導体レーザをサブマウントに実装し、その後に本実施形態の方法に従って、中心線M1とM2とが一致するように波長変換デバイス200を実装された半導体レーザ11に対して位置合わせ調整して実装しても、同様の効果が得られる。
【0109】
上記の各実施形態の説明では、集積化光モジュールに含まれるプレーナ型光導波路デバイスの光入射端面が、プレーナ型光導波路に対して垂直に形成されている。しかし、本発明の適用はこのような場合に限られるわけではなく、プレーナ型光導波路に対して端面が斜めに形成されているプレーナ型光導波路デバイスを用いた集積化光モジュールの実装においても、本発明は同様の効果を奏することができる。
【0110】
図12には、斜め端面を有するプレーナ型光導波路デバイスを用いた集積化光モジュールの構成の一例を、模式的に示す。
【0111】
この集積化光モジュールでは、サブマウント53の上に、半導体レーザ50とプレーナ型光導波路52を有する光導波路デバイス51とが、半導体レーザ50の光出射端面と光導波路デバイス51の光入射端面とが相対するように実装されている。ここで、光導波路デバイス51の端面は、光導波路52に対して直交する方向から約4度傾いて形成されている。この場合、光導波路デバイス51がLiNbO3基板(屈折率=約2.1)を使用して形成されていれば、スネルの法則に従って、光導波路52への光の入射角度は約8.4度になる(すなわち、光導波路52の光軸は、半導体レーザ50の出射光の光軸に対して約8.4度だけ傾いている)。このために、半導体レーザ50の光軸と光導波路デバイス51の光導波路52における光伝搬方向とは、お互いに平行ではなくなる。
【0112】
このような場合でも、半導体レーザ50の光出射端面と光導波路デバイス51の光入射端面との間の距離を一定に保持しながら光結合調整を行うためには、これまでの実施形態で説明した本発明による方法に従って、図12に矢印72で示す方向、すなわち光導波路デバイス51の光入射端面に平行な方向に光導波路デバイス51を移動させて、位置合わせ調整を行う。
【0113】
なお、図12に矢印74で示す方向、すなわち半導体レーザ50の光出射端面の法線方向に沿った方向での位置合わせ調整は、これまでの実施形態で説明したように、半導体レーザ50の光出射端面のエッジ部及び光導波路デバイス51の光入射端面のエッジ部の検出結果に基づいて、行うことができる。
【0114】
以上の各実施形態の説明では、プレーナ型光導波路を有する光導波路デバイスとして、波長変換デバイスを用いる構成を特に説明しているが、本発明の適用はこれに限られるものではなく、例えば、3dBカップラやマッハチェンダー干渉計などを利用したプレーナ型光導波路を有する変調デバイスにおいても、同様の効果が得られる。これらを用いる構成においても、半導体レーザ及びプレーナ型光導波路デバイスのサブマウント上での位置を、半導体レーザの上のアライメントキーの中心線とプレーナ型光導波路デバイスの上のアライメントキーの中心線とが一致するように、且つ両者の対向する端面間の距離が所望の値になるように調整し、それぞれを実装することにより、高効率の光結合が実現できて、光の利用効率も向上する。これによって、半導体レーザの出力が低減されて、その実用的効果は大きい。
【0115】
プレーナ型光導波路3を有する光導波路デバイスにおいて、プレーナ型光導波路3を形成する基板1としては、上記の各実施形態で説明しているようなMgドープLiNbO3基板に限られるものではなく、当該技術分野で使用される他の適切な強誘電体基板であってもよい。具体的には、LiTaO3結晶、KTiOPO4結晶、或いはKNbO3結晶など、大きな非線形光学定数を有する結晶からなる基板の使用が、可能である。
【0116】
また、上記の各実施形態では、プレーナ型光導波路3を形成するためのストライプマスクと同じ材料から形成されるアライメントキー4及び付加的なパターン4Aの構成材料を、Ta膜としている。しかし、これに限られるものではなく、当該技術分野で使用される他の適切な材料の膜であってもよい。具体的には、Al、Cr、或いはTi/Auなどの金属膜、特に、アライメントキー4の検出のために使用される光に対して十分に大きな反射率を有する金属膜から、アライメントキー4及び付加的なパターン4Aを構成することができる。或いは、アライメントキー4の検出のために使用される光に対する反射率を大きく設計した誘電体膜によって、アライメントキー4及び付加的なパターン4Aを構成してもよい。
【0117】
更に、プレーナ型光導波路3を有する光導波路デバイスにおいて、アライメントキー4の保護及びプレーナ型光導波路3の高さ方向での位置の調整のために基板1の表面に設けられる保護膜5の構成材料も、上記の説明におけるSiO2に限られるわけではなく、当該技術分野で使用される他の適切な材料の膜であってもよい。例えば、Al2O5やTa2O5など、基板よりも低い屈折率を有し、且つ基本波及び高調波に対して透明である材料の膜を使用することができる。
【0118】
また、上記の説明における半導体レーザの光出射端面の法線方向に沿った方向での位置合わせ調整、並びに光導波路デバイスの光入射端面に平行な方向での位置合わせ調整とは、それぞれ、厳密にその方向に沿っている必要はない。それらの方向からある程度の角度を有して調整される場合、すなわち、半導体レーザの光出射端面の法線方向にほぼ沿った方向、及び光導波路デバイスの光入射端面にほぼ平行な方向で、それぞれ位置合わせ調整が行われるような場合に対しても、本発明は適用可能であって、同様の効果を得ることが可能である。
【0119】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、プレーナ型光導波路を有する光導波路デバイスにおいて、プレーナ型光導波路に対して小さな導波損失しか与えない小さなアライメントキーを、高い位置精度で形成できる。
【0120】
また、本発明によれば、半導体レーザと、プレーナ型光導波路を有する光導波路デバイスとを、1回の位置合わせ調整によって実装することが可能となり、且つ高精度な位置合わせ調整を行うことができるので、量産性に優れた集積化光モジュールが提供される。
【0121】
更に本発明によれば、集積化光モジュールのサンプル間での結合効率のばらつきが低減される。また、半導体レーザに対する位置合わせ調整を省略することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態における、プレーナ型光導波路を有する光導波路デバイスの構成を示す斜視図である。
【図2】図1の光導波路デバイスの形成プロセスを説明するための斜視図である。
【図3】本発明の第1の実施形態における、プレーナ型光導波路を有する光導波路デバイスの具体的な一例として、プレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイスの構成を示す斜視図である。
【図4】波長許容幅が拡大された第2高調波発生デバイスの第2高調波発生カーブの一例を模式的に示す図である。
【図5】図4の特性を有する第2高調波発生デバイスにおいて、プレーナ型光導波路の近接部にアライメントキーが形成された場合の、第2高調波発生カーブの一例を模式的に示す図である。
【図6】(a)及び(b)は、本発明の第2の実施形態に従って構成される集積化光モジュールの構成を示す側面図及び平面図である。
【図7】(a)及び(b)は、本発明の第3の実施形態に従って構成される集積化光モジュールの構成を示す側面図及び平面図である。
【図8】(a)〜(e)は、本発明の第4の実施形態における集積化光モジュールの実装方法の各ステップを説明する図である。
【図9】従来技術による光モジュールの構成を模式的に示す斜視図である。
【図10】他の従来技術による光モジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【図11】(a)及び(b)は、それぞれ、本発明による集積化光モジュールに関して、検出装置によって得られる半導体レーザ及び波長変換デバイスの上のアライメントキーの認識画像を模式的に示す図である。
【図12】本発明が適用され得る、斜め端面を有するプレーナ型光導波路デバイスを用いた集積化光モジュールの構成例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
1 MgドープLiNbO3基板
2 ストライプマスク
2A 開口部
3 プレーナ型光導波路
4 アライメントキー
4−1 アライメントキー
4−2 アライメントキー
4A 付加的なパターン
5 保護膜
7 分極反転領域
11 半導体レーザ
13 Siサブマウント
14 金属膜
15 はんだ層
17 アライメントキー
17−1 アライメントキー
17−2 アライメントキー
19 レーザ発光部
21 金属膜
23 電極
24 AlNサブマウント
136 検出装置
161 チップハンド
162 チップハンド
26 Siサブマウント
27 半導体レーザ
28 V溝
29 光ファイバ
125 チップ搭載領域
126 アライメントキー
127 アライメントキー
30 DBR半導体レーザ
31 活性層領域
32 DBR領域
33 プレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイス
34 プレーナ型光導波路
35 分極反転領域
36 MgドープLiNbO3基板
37 サブマウント
38 サブマウント
39 配線
40 ボンディングワイヤ
41 支持部材
50 半導体レーザ
51 プレーナ型光導波路デバイス
52 プレーナ型光導波路
53 サブマウント
100 プレーナ型光導波路を有する光導波路デバイス(プレーナ型光導波路デバイス)
200 プレーナ型光導波路を用いた波長変換デバイス
300 集積化光モジュール
400 集積化光モジュール
500 集積化光モジュール
A1 重心
A2 重心
B1 重心
B2 重心
M1 中心線
M2 中心線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveguide device in which a planar optical waveguide is formed (planar optical waveguide device), and in particular, a planar optical semiconductor device in which an alignment key that is a mark for alignment is formed with high positional accuracy. About. Furthermore, the present invention relates to a configuration and a mounting method of an integrated optical module configured by mounting the above planar optical waveguide device and a semiconductor laser on a submount.
[0002]
[Prior art]
In the optical communication field, development of a compact and low-cost integrated optical module in which a semiconductor laser, an electronic device, an optical fiber, and the like are hybrid-integrated on a silica-based lightwave circuit platform is regarded as important.
[0003]
What is important in the formation of such an integrated optical module is to fix each element with high positional accuracy and minimize transmission loss. For this purpose, a surface-mount type optical module that directly couples a semiconductor laser and a single mode fiber using a Si-V groove substrate has been realized (for example, 1997 IEICE General Conference, C -3-63).
[0004]
FIG. 9 is a perspective view schematically showing a configuration of an optical module obtained by the above technique.
[0005]
In this configuration, an alignment key (positioning marker) 126 having a predetermined shape (pattern) is formed in the
[0006]
In this way, in the configuration of FIG. 9, the optical axis of the
[0007]
On the other hand, in the field of optical information processing, a small short-wavelength light source is required in order to realize high density optical discs and high-definition displays. As a technique for realizing a shorter wavelength, second harmonic generation using a semiconductor laser and a quasi phase matching (hereinafter referred to as “QPM”) type wavelength conversion device using a planar optical waveguide ( Hereinafter, there is a method using a technique (referred to as “SHG”) (see, for example, Yamamoto et al .: Optics Letters, Vol. 16, No. 15, p. 1156 (1991)).
[0008]
FIG. 10 shows a schematic configuration diagram of a blue light source including a wavelength conversion device having a planar optical waveguide.
[0009]
In the configuration of FIG. 10, a
[0010]
Laser light obtained from the light emitting end face of the
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In the optical module in which the
[0012]
On the other hand, in the wavelength conversion device 33 using the planar optical waveguide in the configuration of FIG.ThreeA planar (two-dimensional) planar
[0013]
In this planar optical waveguide device, the position of the planar optical waveguide in the height direction from the substrate surface can be controlled with high accuracy during its formation. However, the position of the planar optical waveguide in the lateral direction of the device is greatly affected by processes such as cutting and polishing when manufacturing individual devices, and it is difficult to control the position with high accuracy. On the other hand, it is possible to mount a planar optical waveguide device by forming an alignment key or the like and detecting the position of the planar optical waveguide by a method similar to that for mounting a semiconductor laser. Then, since each of the semiconductor laser and the planar optical waveguide device is mounted on the alignment key, a mounting error becomes large.
[0014]
In particular, in a wavelength conversion device using a planar optical waveguide and utilizing second harmonic generation (SHG), the wavelength conversion efficiency is proportional to the incident power of the fundamental wave into the planar optical waveguide of the wavelength conversion device, The obtained harmonic optical power is proportional to the square of the incident power of the fundamental wave. For this reason, in order to obtain a wavelength conversion device exhibiting excellent operating characteristics, it is essential to improve the coupling efficiency of the device to the planar optical waveguide and to reduce the variation between samples.
[0015]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and an object thereof is to provide (1) an optical waveguide device having a planar optical waveguide in which an alignment key for mounting is formed with high accuracy. (2) Providing an integrated optical module configured by combining a semiconductor laser and the planar optical waveguide as described above, and (3) Optical light having the semiconductor laser and the planar optical waveguide as described above. It is to provide an integrated optical module mounting method in which an integrated optical module is configured by highly accurately aligning and adjusting the mounting position with a waveguide device.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
Of the present inventionHow to mount an integrated optical moduleAnd mounting method of integrated optical module configured by mounting at least a semiconductor laser and an optical waveguide device on which a planar optical waveguide is formed on a submountBecauseAn edge portion of the light emitting end face of the semiconductor laser and an edge portion of the light incident end face of the optical waveguide deviceBased on images recognized in the same field of view by irradiating infrared light from the back surface of the submountAnd detecting the positions of the semiconductor laser and the optical waveguide device within the surface of the submount using the detection results of the respective edge portions, and the normal direction of the light emitting end face of the semiconductor laser. Adjusting the alignment in a direction substantially along the axis, thereby achieving the above object.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
The integrated optical module mounting method according to the present invention is used when a semiconductor laser having a first alignment key and a planar optical waveguide are formed on a ferroelectric substrate and the planar optical waveguide is formed. A method of mounting an integrated optical module comprising: an optical waveguide device in which a second alignment key is formed on a ferroelectric substrate using a photomask to be mounted; and at least a submount. AndThe planar optical waveguide is formed by proton exchange processing through the opening, using the photomask in which the second alignment key is previously formed at a predetermined position with respect to the opening for forming the planar optical waveguide. Forming the second alignment key by etching, andSemiconductor laser andSaidEither one of the optical waveguide devicesSaidSubmountSurface ofA step to fix to,SaidSemiconductor laserSaidWith the first alignment keySaidOptical waveguide deviceSaidWith the second alignment keySaidIrradiating infrared light from the back surface of the submount and detecting based on an image recognized in the same field of view;SaidWithin the surface of the submount,SaidUsing either one of the detected first and second alignment keys as a reference position,SaidThe detected position of the other alignment keySaidAdjusting the alignment in a direction substantially parallel to the light incident end face of the optical waveguide device, thereby achieving the above object.
[0024]
For example, the position of the first alignment key may be used as a reference position, and the position of the second alignment key may be adjusted in a direction substantially parallel to the light incident end face of the optical waveguide device. Alternatively, the position of the first alignment key may be adjusted in a direction substantially parallel to the light incident end face of the optical waveguide device, with the position of the second alignment key as a reference position.
[0025]
The integrated optical module mounting method of the present invention includes a first mounting step of mounting the semiconductor laser on which the first alignment key is formed on the submount, and a planar optical waveguide on the ferroelectric substrate. An optical waveguide device having a second alignment key formed on the ferroelectric substrate is mounted on the submount using a photomask formed and used in forming the planar optical waveguide. A second implementation step, the second implementation step comprising:The planar optical waveguide is formed by proton exchange processing through the opening, using the photomask in which the second alignment key is previously formed at a predetermined position with respect to the opening for forming the planar optical waveguide. Forming the second alignment key by etching, andOn the semiconductor laserSaidWith the first alignment keySaidAbove the optical waveguide deviceSaidWith the second alignment keySaidIrradiate infrared light from the back of the submount and detect it based on the image recognized in the same field of view.SaidWithin the surface of the submount,SaidUsing the detected position of the first alignment key as a reference position,SaidThe position of the detected second alignment key isSaidAdjusting the alignment in a direction substantially parallel to the light incident end face of the optical waveguide device;SaidThe edge of the light emitting end face above the semiconductor laser;SaidAn edge portion of the light incident end face of the optical waveguide device;SaidIrradiate infrared light from the back of the submount and detect it based on the image recognized in the same field of view.SaidUsing the detection results of each edge,SaidWithin the surface of the submount,SaidSemiconductor laser andSaidThe position of the optical waveguide deviceSaidSemiconductor laserSaidAdjusting the alignment in a direction substantially along the normal direction of the light emitting end face, thereby achieving the above object.
[0026]
In the integrated optical module mounting method according to the present invention as described above, the planar optical waveguide and the second alignment key may be formed using the same photomask.
[0027]
Preferably, the second alignment key is located at a position away from the planar optical waveguide by 10 μm or more.
[0028]
Further, for example, the planar optical waveguide may be a proton exchange planar optical waveguide formed by a proton exchange method.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As described above, in an integrated optical module in which a semiconductor laser and an optical waveguide device having a planar optical waveguide (planar optical waveguide device) are integrated, the emitted light from the semiconductor laser is transferred to the planar optical waveguide. It is important to improve the coupling efficiency of the sample and to reduce the variation in the coupling efficiency between samples. In particular, an integrated optical module of a short wavelength light source using second harmonic generation (SHG) composed of a semiconductor laser and a wavelength conversion device using a planar optical waveguide as a planar optical waveguide device is obtained. Since the generated harmonic optical power is proportional to the square of the incident power of the fundamental wave coupled to the planar optical waveguide, the improvement of the coupling efficiency and the reduction of the variation between samples are particularly important factors.
[0030]
In the following, in a planar optical waveguide device having an alignment key formed with high accuracy, and an integrated optical module composed of the same and a semiconductor laser, an optical device that enables alignment adjustment for realizing high-precision optical coupling. Several specific embodiments of the present invention will be described regarding the configuration of the waveguide device and the method of mounting the optical module using the waveguide device.
[0031]
(First embodiment)
Conventionally, in order to form an alignment key, a buffer layer is formed on the planar optical waveguide and an alignment key is formed thereon in order to avoid waveguide loss of the planar optical waveguide. However, in this method, since an alignment error of the photomask occurs when forming the alignment key, it is difficult to form the alignment key with high accuracy.
[0032]
Therefore, in this embodiment, in order to solve the above-described problem, a planar optical waveguide device 100 in which a planar optical waveguide and an alignment key for alignment are formed on a ferroelectric substrate using the same photomask. Will be described.
[0033]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a planar optical waveguide device 100 in the present embodiment.
[0034]
In this configuration, a substrate made of a ferroelectric material, for example, Mg-doped LiNbOThreeA planar
[0035]
In forming the planar optical waveguide device 100 having such a configuration, first, as shown in FIG. 2, Mg-doped LiNbOThreeA stripe having an
[0036]
Next, proton exchange treatment through the
[0037]
As described above, the planar optical waveguide device 100 having the configuration shown in FIG. 1 is manufactured.
[0038]
SiO2The
[0039]
On the other hand, the film thickness of the Ta film (metal film) formed to constitute the
[0040]
As in the prior art, when an alignment key is formed by alignment of a photomask, the accuracy is usually about ± 0.3 μm. On the other hand, as in this embodiment, for the proton exchange planar
[0041]
Further, by forming the
[0042]
By the way, in the proton exchange planar
[0043]
As described above, the formation of the alignment key as in this embodiment is particularly effective for a planar optical waveguide device manufactured by proton exchange, and a high-precision alignment key can be easily formed.
[0044]
In the configuration of the present embodiment, the
[0045]
If the
[0046]
The above point is the same for the
[0047]
Further, hereinafter, a
[0048]
FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the
[0049]
In this configuration, the X plate Mg-doped LiNbOThreeA proton exchange planar
[0050]
The method of forming the
[0051]
In this
[0052]
Therefore, the waveguide loss characteristics of the wavelength conversion device when the three pairs of
[0053]
In the configuration of the
[0054]
On the other hand, FIG. 4 shows that a portion near the top of the second harmonic generation curve with respect to the wavelength is flattened by further providing a phase change portion in the periodic polarization inversion region included in the wavelength conversion device using the planar optical waveguide. Thus, the wavelength tolerance for wavelength conversion is increased (see, for example, Optical Letter, Vol. 23, No. 24, pp. 1880-1882, 1998). As described above, when the characteristics of the second harmonic generation curve are adjusted by the installation of the phase change unit, if a phase change or a change in waveguide loss is given, the influence on the second harmonic generation curve is as follows. growing. For example, FIG. 5 shows a structure of a wavelength conversion device using a planar optical waveguide having the characteristics shown in FIG. 4 (a configuration in which a phase change portion is further provided in a periodic polarization inversion region). A second harmonic generation curve obtained when an alignment key is further formed at a distant position is shown. In this case, as compared with the characteristics shown in FIG. 4, the flat portion near the top of the curve is inclined and the characteristics are deteriorated. On the other hand, if the alignment key is formed at a position at least 10 μm away from the planar optical waveguide, a second harmonic generation curve similar to that in FIG. 4 is observed, and no characteristic deterioration is observed.
[0055]
As in this embodiment, in a wavelength conversion device using a planar optical waveguide, the
[0056]
Furthermore, in this embodiment, since the
[0057]
(Second Embodiment)
In the present embodiment, in the integrated
[0058]
FIGS. 6A and 6B are a side view and a plan view showing the configuration of the integrated
[0059]
In the
[0060]
On the other hand, an
[0061]
When the
[0062]
In FIG. 6B, for convenience, the
[0063]
Both the
[0064]
The
[0065]
With reference to FIGS. 11A and 11B, the calculation process of the center lines M1 and M2 of the
[0066]
First, the centroids A1 and A2 of the alignment keys 17-1 and 17-2 on the
[0067]
In the configuration after mounting the
[0068]
When the respective center lines M1 and M2 are obtained as described above, the light of the
[0069]
Next, based on the detection results of the edge part of the light emitting end face of the
[0070]
When the alignment is completed as described above, the
[0071]
In the configuration of the integrated
[0072]
In the present invention, an alignment key for alignment is not formed on the
[0073]
In the present embodiment, since the positional relationship between the
[0074]
In the above description of the present embodiment, the configuration using the
[0075]
In this embodiment, a heat treatment for melting the
[0076]
(Third embodiment)
In this embodiment, in an
[0077]
FIGS. 7A and 7B are a side view and a plan view showing the configuration of the integrated
[0078]
In the
[0079]
On the other hand, an
[0080]
When the
[0081]
7B, for convenience, the
[0082]
Both the
[0083]
The
[0084]
When the respective center lines M1 and M2 are obtained, next, the center line M2 of the
[0085]
Next, in the same manner as in the second embodiment, the positions of the two are set so that the distance between the edge portion of the light emitting end face of the
[0086]
In the configuration of the integrated
[0087]
Also in this embodiment, as in the second embodiment, an alignment key for alignment is not formed on the
[0088]
Also in this embodiment, since the positional relationship between the
[0089]
In the above description of the present embodiment, the configuration using the
[0090]
In this embodiment, a heat treatment for melting the
[0091]
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, in an
[0092]
FIGS. 8A to 8E are diagrams for explaining each step of the mounting method of the integrated
[0093]
In the
[0094]
On the other hand, an
[0095]
When the
[0096]
Next, with reference to FIGS. 8A to 8E, a method of mounting the
[0097]
Also in this embodiment, the
[0098]
Next, alignment adjustment of the
[0099]
Specifically, as shown in FIG. 8C, first, the
[0100]
Next, the rear surface of the Si submount 13 was irradiated with a halogen lamp (not shown) that emits infrared light, and formed on the
[0101]
The
[0102]
Next, as in the second embodiment, based on the detection results of the respective edge portions so that the distance between the light emitting end surface of the
[0103]
In the configuration of the integrated
[0104]
Also in this embodiment, as in the second embodiment, an alignment key for alignment is not formed on the
[0105]
Also in this embodiment, since the positional relationship between the
[0106]
In the above description of the present embodiment, the configuration using the
[0107]
In this embodiment, since the
[0108]
When the integrated optical module of the present invention is used as a light source or the like in an optical disc apparatus, it is required to align the light emitting point in the semiconductor laser with a positional accuracy of about 100 μm. In that case, apart from the alignment key according to the present invention, a conventional general alignment key is formed on the semiconductor laser and the submount, and the semiconductor laser is mounted on the submount using these. Then, according to the method of the present embodiment, the same effect can be obtained even if the
[0109]
In the description of each of the above embodiments, the light incident end face of the planar optical waveguide device included in the integrated optical module is formed perpendicular to the planar optical waveguide. However, the application of the present invention is not limited to such a case, and even in the mounting of an integrated optical module using a planar optical waveguide device whose end face is formed obliquely with respect to the planar optical waveguide. The present invention can achieve the same effect.
[0110]
FIG. 12 schematically shows an example of the configuration of an integrated optical module using a planar optical waveguide device having an oblique end surface.
[0111]
In this integrated optical module, a
[0112]
Even in such a case, in order to perform the optical coupling adjustment while keeping the distance between the light emitting end face of the
[0113]
Note that the alignment adjustment in the direction indicated by the
[0114]
In the description of each of the above embodiments, a configuration using a wavelength conversion device as an optical waveguide device having a planar optical waveguide is specifically described. However, the application of the present invention is not limited to this, and for example, 3 dB The same effect can be obtained in a modulation device having a planar optical waveguide using a coupler, a Mach-Cender interferometer, or the like. Even in the configuration using these, the position of the alignment key on the semiconductor laser and the alignment key on the planar optical waveguide device are positioned on the submount of the semiconductor laser and the planar optical waveguide device. By adjusting the distance between the two end faces so as to coincide with each other to a desired value and mounting each of them, high-efficiency optical coupling can be realized, and light utilization efficiency can be improved. As a result, the output of the semiconductor laser is reduced, and its practical effect is great.
[0115]
In the optical waveguide device having the planar
[0116]
Further, in each of the above embodiments, the Ta film is used as the constituent material of the
[0117]
Further, in the optical waveguide device having the planar
[0118]
In the above description, the alignment adjustment in the direction along the normal direction of the light emitting end face of the semiconductor laser and the alignment adjustment in the direction parallel to the light incident end face of the optical waveguide device are strictly It does not have to be along that direction. When adjusted at a certain angle from those directions, that is, in a direction substantially along the normal direction of the light emitting end face of the semiconductor laser, and in a direction substantially parallel to the light incident end face of the optical waveguide device, respectively. The present invention can also be applied to the case where alignment adjustment is performed, and the same effect can be obtained.
[0119]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in an optical waveguide device having a planar optical waveguide, a small alignment key that gives only a small waveguide loss to the planar optical waveguide can be formed with high positional accuracy.
[0120]
Further, according to the present invention, it is possible to mount a semiconductor laser and an optical waveguide device having a planar optical waveguide by a single alignment adjustment, and a highly accurate alignment adjustment can be performed. Therefore, an integrated optical module excellent in mass productivity is provided.
[0121]
Furthermore, according to the present invention, variations in coupling efficiency between samples of the integrated optical module are reduced. It is also possible to omit alignment adjustment for the semiconductor laser.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an optical waveguide device having a planar optical waveguide in a first embodiment of the present invention.
2 is a perspective view for explaining a process for forming the optical waveguide device of FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of a wavelength conversion device using a planar optical waveguide as a specific example of an optical waveguide device having a planar optical waveguide in the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating an example of a second harmonic generation curve of a second harmonic generation device in which the allowable wavelength width is expanded.
5 is a diagram schematically showing an example of a second harmonic generation curve when an alignment key is formed in the vicinity of a planar optical waveguide in the second harmonic generation device having the characteristics of FIG. is there.
FIGS. 6A and 6B are a side view and a plan view showing a configuration of an integrated optical module configured according to the second embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 7A and 7B are a side view and a plan view showing a configuration of an integrated optical module configured according to the third embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 8A to 8E are diagrams illustrating each step of a method of mounting an integrated optical module according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view schematically showing a configuration of an optical module according to a conventional technique.
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of another conventional optical module.
FIGS. 11A and 11B are diagrams schematically showing recognition images of an alignment key on a semiconductor laser and a wavelength conversion device obtained by a detection apparatus in the integrated optical module according to the present invention, respectively. is there.
FIG. 12 is a diagram schematically illustrating a configuration example of an integrated optical module using a planar optical waveguide device having an oblique end surface to which the present invention can be applied.
[Explanation of symbols]
1 Mg-doped LiNbOThreesubstrate
2 Stripe mask
2A opening
3 Planar type optical waveguide
4 Alignment key
4-1 Alignment key
4-2 Alignment key
4A additional patterns
5 Protective film
7 Polarization inversion region
11 Semiconductor laser
13 Si submount
14 Metal film
15 Solder layer
17 Alignment key
17-1 Alignment key
17-2 Alignment key
19 Laser emission part
21 Metal film
23 electrodes
24 AlN submount
136 Detector
161 chip hand
162 chip hand
26 Si submount
27 Semiconductor laser
28 V groove
29 Optical fiber
125 chip mounting area
126 Alignment key
127 Alignment key
30 DBR semiconductor laser
31 Active layer region
32 DBR area
33 Wavelength conversion device using planar optical waveguide
34 Planar type optical waveguide
35 Polarization inversion region
36 Mg-doped LiNbOThreesubstrate
37 Submount
38 Submount
39 Wiring
40 Bonding wire
41 Support member
50 Semiconductor laser
51 Planar type optical waveguide device
52 Planar type optical waveguide
53 Submount
100 Optical waveguide device having a planar optical waveguide (planar optical waveguide device)
200 Wavelength Conversion Device Using Planar Type Optical Waveguide
300 Integrated optical module
400 Integrated optical module
500 Integrated optical module
A1 center of gravity
A2 center of gravity
B1 center of gravity
B2 center of gravity
M1 center line
M2 center line
Claims (6)
前記プレーナ型光導波路を形成するための開口部に対して前記第2のアライメントキーが所定位置に予め形成された前記フォトマスクを、前記開口部を通してのプロトン交換処理によって前記プレーナ型光導波路を形成した後にエッチングすることにより前記第2のアライメントキーを形成するステップと、
前記半導体レーザ及び前記光導波路デバイスの何れか一方を前記サブマウントの表面に固定するステップと、
前記半導体レーザの前記第1のアライメントキーと前記光導波路デバイスの前記第2のアライメントキーとを前記サブマウントの裏面より赤外光を照射して同一視野内で認識される画像に基づいて検出するステップと、
前記サブマウントの表面内で、前記検出された第1及び第2のアライメントキーの何れか一方の位置を基準位置として、前記検出された他方のアライメントキーの位置を、前記光導波路デバイスの光入射端面にほぼ平行な方向において、位置合わせ調整するステップと、
を包含する、集積化光モジュールの実装方法。A semiconductor laser having a first alignment key, and a ferroelectric optical film using a photomask used for forming a planar optical waveguide on a ferroelectric substrate and forming the planar optical waveguide. A method of mounting an integrated optical module comprising an optical waveguide device having a second alignment key formed on a substrate and at least a submount mounted thereon,
The planar optical waveguide is formed by proton exchange processing through the opening, using the photomask in which the second alignment key is previously formed at a predetermined position with respect to the opening for forming the planar optical waveguide. And forming the second alignment key by etching,
A step of fixing one of the semiconductor laser and the optical waveguide device on a surface of the submount,
Detected based on the images that are recognized in the same field of view and the second alignment key of the first alignment key and the optical waveguide device of the semiconductor laser is irradiated with infrared light from the back surface of the submount Steps,
In the surface of the submount as a reference position one of the positions of the first and second alignment keys the detected, the position of the detected other alignment key, the light incident of the optical waveguide device Adjusting the alignment in a direction substantially parallel to the end face;
A method for mounting an integrated optical module, comprising:
強誘電体基板上にプレーナ型光導波路が形成され且つ該プレーナ型光導波路を形成する際に使用されるフォトマスクを使用して該強誘電体基板上に第2のアライメントキーが形成された光導波路デバイスを該サブマウントの上に実装する第2実装ステップと、
を包含し、
該第2実装ステップは、
前記プレーナ型光導波路を形成するための開口部に対して前記第2のアライメントキーが所定位置に予め形成された前記フォトマスクを、前記開口部を通してのプロトン交換処理によって前記プレーナ型光導波路を形成した後にエッチングすることにより前記第2のアライメントキーを形成するステップと、
前記半導体レーザの上の前記第1のアライメントキーと前記光導波路デバイスの上の前記第2のアライメントキーとを前記サブマウントの裏面より赤外光を照射して同一視野内で認識される画像に基づいて検出し、前記サブマウントの表面内で、前記検出された第1のアライメントキーの位置を基準位置として、前記検出された第2のアライメントキーの位置を、前記光導波路デバイスの光入射端面にほぼ平行な方向において、位置合わせ調整するステップと、
前記半導体レーザの上の光出射端面のエッジ部と前記光導波路デバイスの該光入射端面のエッジ部とを前記サブマウントの裏面より赤外光を照射して同一視野内で認識される画像に基づいて検出し、前記各々のエッジ部の検出結果を利用して、前記サブマウントの表面内で、前記半導体レーザ及び前記光導波路デバイスの位置を、前記半導体レーザの前記光出射端面の法線方向にほぼ沿った方向において、位置合わせ調整するステップと、
を含む、集積化光モジュールの実装方法。A first mounting step of mounting the semiconductor laser on which the first alignment key is formed on the submount;
An optical device in which a planar optical waveguide is formed on a ferroelectric substrate and a second alignment key is formed on the ferroelectric substrate using a photomask used when forming the planar optical waveguide. A second mounting step of mounting a waveguide device on the submount;
Including
The second implementation step includes
The planar optical waveguide is formed by proton exchange processing through the opening, using the photomask in which the second alignment key is previously formed at a predetermined position with respect to the opening for forming the planar optical waveguide. And forming the second alignment key by etching,
The image to be recognized in the same field of view and said second alignment keys on the said first alignment key optical waveguide device on said semiconductor laser is irradiated with infrared light from the back surface of the submount based detected, in the submount in the surface, as the position reference position of the first alignment key the detected, the position of the second alignment key the detected light entrance end face of the optical waveguide device Adjusting the alignment in a direction substantially parallel to
Based on the image to be recognized in the same field of view and an edge portion of the light incident end face of the optical waveguide device and the edge portion of the light-emitting end face on said semiconductor laser is irradiated with infrared light from the back surface of the submount detected Te, by using the detection results of each of the edge portions, in a surface of the submount, the position of the semiconductor laser and the optical waveguide device, in the normal direction of the light emitting end face of said semiconductor laser A step of adjusting the alignment in a substantially along direction;
A method for mounting an integrated optical module.
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