JP4041226B2

JP4041226B2 - Optical semiconductor device

Info

Publication number: JP4041226B2
Application number: JP27843798A
Authority: JP
Inventors: 裕司岸田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: JP2000114641A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば２．５ＧＨｚ以上の広帯域の光ファイバー通信システムに用いられる光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＡＴＶや公衆通信の分野において、光ファイバー通信の実用化が始まっている。従来より、高速で高信頼性の光半導体モジュールが同軸型あるいはDual-inline 型と呼ばれるモジュール構造で実現されており、これらは主に幹線系と呼ばれる領域で既に実用化されている。
【０００３】
これに対し最近では、Ｓｉ（シリコン）サブ基板（パッケージ内に載置されるサブマウント、Ｓｉプラットホームともいう）上で、光素子とファイバとを機械的精度のみで高精度に位置決め実装する技術を用いた光モジュールが盛んに開発されている。これらは主に加入者系と呼ばれる領域での実用化が目標とされており、小型，低背化、低コスト化等が要求されている。またその一方で、広帯域化が重要な課題となっている。
【０００４】
〔従来例１〕
従来の光半導体装置Ｊ１の構成は図５（ａ）〜（ｃ）に示す通りである。図５（ａ）に示すように、半導体レーザ素子２の活性層がＳｉサブ基板１側に位置し、半導体レーザ素子２はその活性層側の入力電極４１における所定位置にアライメントされ、例えばＡｕＳｎ合金等の半田で接合されている。また、半導体レーザ素子２の活性層に対して反対側に位置する面の電極と終端電極４２とはワイヤ６を介して電気的に接続される。また、不図示の光ファイバはＶ溝１０上に実装されることにより、先に実装された半導体レーザ素子２との間で機械的に光学的なアライメントが行われる。
【０００５】
また、図５（ｃ）に示すように、Ｓｉサブ基板１は光モジュールＪ２を構成する多層アルミナベース基板８の凹部８ａに載置され、多層アルミナベース基板８上の入力電極８１，終端電極８２のそれぞれに、Ｓｉサブ基板１の入力電極４１，終端電極４２のそれぞれが接続される。なお、図中１１は光ファイバのストッパ溝であり、８３は接地電極である。
【０００６】
〔従来例２〕
また、上記したようなＳｉサブ基板の下面に接地電極、上面にストリップ線路が形成されて成る、いわゆるマイクロスリトップ線路を構成し、このマイクロストリップ線路の一部に薄膜抵抗が用いられることにより、負荷とのインピーダンス整合が行われる方法が提案されている（例えば、米国特許番号4,937,660 号を参照）。
【０００７】
この方法によれば、インピーダンス整合が負荷の直近のＳｉサブ基板上でなされており、従来例１に比べて、高周波での損失が小さく、装置が小型化できるという利点を有する。
【０００８】
なお、一般に半導体レーザ素子等の光半導体素子のインピーダンスは典型的には５オーム前後と、信号源及び負荷までの伝送線で用いられる５０オームあるいは２５オームに比べて低い。そのため、信号源と負荷との間で、マイクロストリップラインやリアクタンス素子等の回路部品の適当な組み合わせにより、インピーダンス整合が行われるのは一般的な技術であって、上述の従来例の他にも例えば特開平10-75003号公報等にも記載がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例１では、Ｓｉサブ基板上の配線に接地電極がないため、一般的に全く信号源側のインピーダンスに整合しない。そのため、高周波における反射波による信号波形の劣化が増大するという問題や、Ｓｉが有する大きな誘電正接のため、高周波で誘電体損失が増大するという問題がある。ここで、上記従来例１における電磁界の強い領域Ｌ２について図示すると、図５（ｂ）に示すごとくとなり、入力電極の周囲の広い範囲に渡って電磁界の影響を大きく受けることになる。
【００１０】
また、従来例２では従来例１と同様に、Ｓｉの大きな誘電正接のため、高周波で誘電体損失が増大するという問題がある。すなわち、Ｓｉサブ基板上面のストリップ線路とＳｉサブ基板下面の接地電極との間に、ほとんどの電磁界が閉じこめられてマイクロ波が伝搬するため、Ｓｉの誘電正接の影響を強く受けやすく、誘電体損失によりマイクロ波が光半導体素子に入射する前に減衰し、十分に光半導体素子に信号を伝えることができなくなる。
【００１１】
また、Ｓｉ基板の下面から上面にスルーホールを形成する必要があるが、スルーホールにより基板の機械的な強度が弱くなり、特に、Ｓｉ基板の場合にはスルーホールを起点にクラックが入りやすく壊れやすくなる。また、上面及び下面の２面にパターン形成プロセスを行う必要があり、プロセスが複雑化するといった問題もある。
【００１２】
そこで本発明は、上記従来の問題に鑑み提案されたものであり、２．５ＧＨｚ以上の広帯域においても特性の良好な光半導体装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光半導体素子配設用基板は、基板と、前記基板上に設けられ、前記基板より誘電正接の小さな誘電体層と、前記誘電体層上に設けられ、光半導体素子にマイクロ波信号を伝搬させる線状電極と、前記線状電極に対し、該線状電極の一方の側縁側に近接して前記基板に設けられる空隙部と、前記線状電極に対し、該線状電極の他方の側縁側に前記線状電極と間隔を空けて並設される接地電極と、を具備する。
また、本発明の光半導体素子配設用基板は、一端部が前記空隙部に連通するようにして前記基板に設けられ、前記線状電極に実装される光半導体素子と光学的に結合するように光導波体を収容するための溝部をさらに具備することが好ましい。
【００１４】
また、基板の誘電正接は0.015 以下であることを特徴とする。本発明の光半導体装置は、記載の光半導体素子配設用基板と、前記線状電極上に実装された光半導体素子と、を具備する。また、本発明の光半導体装置は、前記溝部に実装され、前記光半導体素子と光学的に結合する光導波体をさらに具備することが好ましい。
【００１５】
さらに、基板はこの基板として好適に使用されるシリコンよりも良熱伝導性の基体上に載置させると放熱性が良好となるので好適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光半導体装置Ｈ１，Ｈ２及びそれを収容した光モジュールＭ１，Ｍ２の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１（ａ）〜（ｃ）において、１はＳｉ等の異方性エッチングが可能で、後記する良熱伝導性の第１のサブ基板上に載置される第２のサブ基板、２は光ファイバや光導波路体のような光導波体に光を入射させる発光素子である半導体レーザ、１０は例えば光ファイバ等の光導波体を載置するためのＶ溝、４１，４２はそれぞれマイクロ波信号を伝搬させる線状電極である入力電極，終端電極（なお、４１，４２の一方を入力電極とすると、他方が終端電極となる）、４３は上記線状電極と同様な材質から成る接地電極、５は誘電体層、６はワイヤ（リード線）、７は金等の導電性リボン、８はベース基板である多層アルミナベース基板、８１は入力側電極、８２は出力側電極、８３は接地電極、９は良熱伝導性で少なくとも表面が導電性である金めっきアルミナ精密加工基板等の第１のサブ基板、１１は光導波体のストッパー用のダイシング溝である。
【００１８】
半導体レーザ２はその活性層側電極を第２のサブ基板１側に配置し、入力電極４１上の所定の位置にアライメントされ、ＡｕＳｎ等の半田で接合される。また、活性層の背面側の電極と終端電極４２とはワイヤ６で電気的に接続される。また、光導波体はＶ溝１０上に実装されることにより、先に、実装された半導体レーザ２との間で機械的に光学的なアライメントが高精度に行われる。
【００１９】
入力電極４１，終端電極４２，接地電極４３，及び誘電体層５は非対称コプレーナウェーブライン４を構成する。非対称コプレーナウェーブライン４は外部電気系インピーダンスの５０オームに整合するように、電極４１，４２の幅，入力電極４１，終端電極４２と接地電極４３との間隔、及び誘電体層５の厚みが制御される。
【００２０】
また、非対称コプレーナウェーブライン４の一部には、負荷とのインピーダンス整合を行うために、小型のチップ抵抗等の回路部品が用いられる。この回路部品の配置等は簡単のため図から省略した。
【００２１】
なお、第２のサブ基板１は窒化珪素等でもよく、第１のサブ基板９はステンレスやコバール等でもよく、またベース基板８は低誘電率の合成樹脂等でもよい。
【００２２】
図１（ｂ）に示すように、Ｓｉサブ基板１に誘電体層５を介して非対称コプレーナウェーブライン４を構成することにより、マイクロ波信号は入力電極４１，終端電極４２と接地電極４３との間にほとんどの電磁界が閉じこめられ、誘電体層５及び空気中に分布させることができる。これにより、Ｓｉ等の基板の高い誘電正接の影響を受けなくなり、従来構成よりも大幅に誘電損失を減らす効果がある。
【００２３】
また、入力電極４１，終端電極４２をダイシング溝１１に近接して配設することにより、誘電率がより低い空気層を伝搬する電磁界分布の面積が増加し、マイクロ波の等価的な誘電率を下げることができる。これにより、マイクロ波をより高速で伝搬させることができ、光半導体装置の広帯域化に寄与する。また、線状電極面すなわち信号電極面と接地電極面とが同一面で並設しているため、ベース基板の電極との接続の整合性が良好であるという効果もある。
【００２４】
次に、各部の特徴的な形状、材質、寸法等の詳細について述べる。入力電極４１，終端電極４２の幅（光軸に直交する方向の長さ）は１００〜４００ミクロン前後が好適であり、材質はＡｕ単体もしくはＡｕ等を上部層とし、下部層としてＣｒ，Ｔｉ，Ｐｔ等とするとよく、上部層の厚みを２〜３μｍ程度とし、下部層を２００Å以上とする。上記幅はワイヤボンドに最低必要な電極面積と形成可能な誘電体層５の厚さ限界から決まる。
【００２５】
誘電体層５には例えばシリカやポリイミド樹脂等を用いることができる。これらの材質が選択される理由としては、誘電正接が小さく、マイクロ波の誘電体損失を抑制できることによる。非対称コプレーナウェーブラインが下地のＳｉ等の基板の誘電正接の影響を十分に受けなくするには、誘電正接の小さいＳｉを選択し、誘電体層５をなるべく厚くする必要がある。
【００２６】
しかしながら、誘電体層５を厚くしすぎると、下地のＳｉ等の基板と誘電体層の熱膨張係数差により、第２のサブ基板１及び誘電体層５に大きな応力がかかり、基板が変形したり誘電体層５にクラックが入る等の不具合が生じてしまう。そのため、Ｓｉ材料の選択及び誘電体層厚みの設計を適切に行う必要がある。表１は３０ｍｍ幅のＳｉ基板にシリカを形成したときのＳｉ基板の変形、すなわちそり量を測定した一例である。ここで、そり量とは台に水平に基板を置いたときに台の水平面から基板の凸部の頂上までの距離をそり量としている。
【００２７】
【表１】

【００２８】
基板のそり量としては５０μｍ以下が望まれ、誘電体層がシリカ膜の場合、膜厚６０μｍ以下が望まれる。一例として誘電体層５の厚みを１０μｍにしたとき、非対称コプレーナラインの特性インピーダンスが５０Ωに整合にする条件を図３に示す。また、誘電正接が異なる各種Ｓｉ基板を使用し、非対称コプレーナラインに周波数１０ＧＨｚのマイクロ波を伝送したときの伝送損失を図４に示す。
【００２９】
図３，４から明らかなように、例えば、電極層４１，４２の幅がｗ＝１６０μｍのときには、入力電極４１，終端電極４２と接地電極４３との間隔をｓとすると、ｓ／ｗが０．０３１〜０．１２５の範囲の場合、電極８１と電極４１の接続点、電極８２と電極４２の接続点でのマイクロ波の反射量を許容範囲に抑制できるため好適で、特に０．０６３のときがマイクロ波の反射量をほとんど無くすことができ最も良好である。また、Ｓｉの誘電正接が０．０１５以下（抵抗率で１０００Ω・ｃｍ以上）のとき、マイクロ波の損失が１ｄＢ／cm以下となり好適である。
【００３０】
また、接地電極４３とベース基板８との接続部はインダクタンスやキャパシタンス等の回路定数成分を極力抑制する必要があるため、図１に示すように、表面に金めっきが施されたセラミック精密加工基板である第１のサブ基板９と金のリボン７を介して接続するか、または図２のごとく接地電極層４３のエッジと接地電極８３のエッジとの間に溝を形成し、半田１２をその溝に溶かし込んで接続を行う方法をとる。
【００３１】
また、第１のサブ基板９は、例えばＣＩＭ（セラミックインジェクションモールド）等の高精度な加工方法により、第２のサブ基板１の配設用の溝と光ファイバ３の気密封止用の貫通孔とが形成され、表面はメタライズされる。
【００３２】
その後、第１のサブ基板９はベース基板８上に実装され、最後に第１のサブ基板９上に、第２のサブ基板１が実装される形態をとる。これにより、一般的に多層セラミック基板は高周波特性に優れる反面、孔加工等において機械的な精度が低いと言われる問題点を解決し、光接続及び高周波特性の両方に優れる光モジュールを構成できる。
【００３３】
図１の例では第２のサブ基板１上の接地電極４３はベース基板８上の接地電極８３に確実に接地するために、第１のサブ基板９を介し、金のリボン７で電気的接続をとる。これにより、接地線の接続点において、不要なインダクタンスや容量成分が入るのを極力抑制することができ、確実な接地をとることができる。接地が不確実な場合、すなわち、接地線の途中に不要なインダクタンスや容量成分が入ると、それらによる共振周波数で、マイクロ波が半導体レーザに伝送されなくなる不具合が生じてしまう。
【００３４】
また、図２に示すように第１のサブ基板９の両端の高さを第２のサブ基板１の上面よりも低くし、接地電極８３と接地電極層４３を近接させて接地する方法もある。これにより、接続点を減らし、高周波特性、接続の作業性ともに改善できる方法もある。この場合、接地電極層４３と接地電極８３とが近接する領域の第２のサブ基板１の辺において、接地電極４３が形成される幅だけＶ溝形成による片側斜面を形成し、前記接地電極層４３と接地電極８３とが近接する領域に半田載置用の溝を形成し、該溝に例えばＳｎＰｂ合金等から成る半田ボールを載せて溶かす方法により、簡便な方法で、より確実な接地がとれる。
【００３５】
次に、さらに詳細な実施例について説明する。
【００３６】
まず、Ｓｉサブ基板１には、厚さ０．５２５ｍｍ、抵抗率１０００Ω・cmの基板を用いた。Ｓｉサブ基板１の外形は１．６×４．０ｍｍにし、ファイバ３が実装されるＶ溝１０の長さは３ｍｍにした。非対称コプレーナライン４はＳｉサブ基板１上で半導体レーザ２の実装部から基板の外周に向かって０．６５ｍｍ配線した。これはＳｉサブ基板１の外形に依存しており、Ｓｉサブ基板１のパッケージへの実装上、最低必要な長さである。非対称コプレーナライン４はＳｉサブ基板１上に厚さ１０μｍのシリカ誘電体層５と、さらにその上に厚さ４μｍ、幅１６０μｍの下地層がＣｒで上部層がＡｕである、入力電極４１，終端電極４２，接地電極４３とで構成した。入力電極４１，終端電極４２と接地電極４３との間隔は３０μｍにした。
【００３７】
これにより、非対称コプレーナウェーブライン４を伝搬するマイクロ波信号は誘電体層５及び空気層に電磁界が閉じこめられることから、Ｓｉの高い誘電正接の影響を受けなくなる効果があり、非対称コプレーナライン４の伝搬損失を例えば１０ＧＨｚで０．１ｄＢ未満に抑制できた。
【００３８】
従来の電極構成ではＳｉ基板への電磁界のしみだしがあるため、Ｓｉによる大きな誘電体損失を受けることになる。Ｓｉの誘電正接はその抵抗率によって異なり、例えば本実施例で用いた１０００Ω・cmでは誘電正接は約０．０１５であるが、これを１０Ω・cm、誘電正接３．３の基板を用いると１０ＧＨｚのマイクロ波信号では単位長あたりの損失は１０ｄＢ／cm以上となり、配線長０．６５ｍｍの損失は６．５ｄＢ以上となる。
【００３９】
次に、Ｓｉサブ基板１側面の接地電極４３に沿って形成された深さ２００μｍのＶ溝の片側斜面とベース基板の接地電極形成面のエッジとの隙間に半田を溶かし込んだ。
【００４０】
これにより、接地線の寄生インダクタンス及び寄生容量を極力抑えることができ、半導体レーザ２の帯域幅１５ＧＨｚ以内では共振によるディップが発生しなかった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の光半導体装置及び光モジュールによれば、以下に示す顕著な効果を奏することができる。
【００４２】
・基板上でマイクロ波を伝送する際、基板による誘電体損失を極力抑制することができ高周波での伝送損失を飛躍的に抑制でき、これにより基板上の配線長を長くとることができる。
【００４３】
・複数の素子に配線を行う場合、配線間の容量を小さくでき、また、ベースへの接地も容易に行える。
【００４４】
・線状電極、接地電極、及び誘電体層で構成される（非対称）コプレーナウェーブライン近傍に、例えば光導波体のストッパー用溝を形成することにより、コプレーナウェーブラインの等価的な誘電率を下げる効果があり、光半導体装置の広帯域化をはかることができる。
【００４５】
・本発明の光半導体装置とこれを載置する良熱伝導性の基体とから少なくとも構成される光モジュールによれば、光半導体装置上の伝送線と基体の伝送線との電磁界フィールドの整合性が良好となる。
【００４６】
・また、上記光モジュールによれば、基体を例えば精密加工を施した多層セラミック基板とすることにより、精密な光学的接続と多層セラミック基板による良好な電気的接続とを組み合わせたことにより、光接続及び高周波特性に優れた光モジュールを提供できる。
【００４７】
・さらに、上記光モジュールによれば、光半導体装置の接地電極と基体上の接地電極とを簡便な方法で確実に接続できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光半導体装置を説明する図であり、（ａ）は光半導体装置の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は光モジュールの一部省略斜視図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る光半導体装置を説明する図であり、（ａ）は光モジュールの一部省略斜視図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る光半導体装置に用いられるＳｉサブ基板のインピーダンス特性を示す線図である。
【図４】本発明の実施形態に係る光半導体装置に用いられる誘電体層のマイクロ波の伝送損失を説明するグラフである。
【図５】従来例の光半導体装置を説明する図であり、（ａ）は光半導体装置の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は光モジュールの一部省略斜視図である。
【符号の説明】
１：Ｓｉサブ基板（第２のサブ基板：基板）
２：半導体レーザ（光半導体素子）
３：光ファイバ（光導波体）
４：非対称コプレーナウェーブライン
５：誘電体層
６：ワイヤ
７：金リボン
８：多層セラミックベース基板（ベース基板）
９：精密セラミックサブ基板（第１のサブ基板）
１０：Ｖ溝
１１：ダイシング溝
４１：入力電極（線状電極）
４２：終端電極（線状電極）
４３：接地電極
８１：入力電極
８２：出力電極
８３：接地電極
Ｈ１，Ｈ２：光半導体装置
Ｍ１，Ｍ２：光モジュール[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical semiconductor device used in, for example, a broadband optical fiber communication system of 2.5 GHz or more.
[0002]
[Prior art]
In recent years, practical use of optical fiber communication has begun in the fields of CATV and public communication. Hitherto, high-speed and high-reliability optical semiconductor modules have been realized with a module structure called a coaxial type or a dual-inline type, and these have already been put into practical use mainly in an area called a trunk line system.
[0003]
On the other hand, recently, a technology for positioning and mounting optical elements and fibers on a Si (silicon) sub-substrate (submount mounted in a package, also called Si platform) with high mechanical precision alone is provided. The optical modules used have been actively developed. These are mainly targeted for practical use in an area called a subscriber system, and are required to be compact, low profile, low cost, and the like. On the other hand, widening the bandwidth is an important issue.
[0004]
[Conventional example 1]
The configuration of the conventional optical semiconductor device J1 is as shown in FIGS. As shown in FIG. 5A, the active layer of the semiconductor laser element 2 is positioned on the Si sub-substrate 1 side, and the semiconductor laser element 2 is aligned at a predetermined position on the input electrode 41 on the active layer side, for example, an AuSn alloy It is joined with solder such as. In addition, the electrode on the surface opposite to the active layer of the semiconductor laser element 2 and the termination electrode 42 are electrically connected via the wire 6. In addition, an optical fiber (not shown) is mounted on the V-groove 10 so that mechanical optical alignment is performed with the semiconductor laser element 2 mounted in advance.
[0005]
As shown in FIG. 5C, the Si sub-substrate 1 is placed in the recess 8a of the multilayer alumina base substrate 8 constituting the optical module J2, and the input electrode 81 and the termination electrode 82 on the multilayer alumina base substrate 8 are placed. The input electrode 41 and the termination electrode 42 of the Si sub-substrate 1 are connected to each of these. In the figure, 11 is an optical fiber stopper groove, and 83 is a ground electrode.
[0006]
[Conventional example 2]
In addition, a ground electrode is formed on the lower surface of the Si sub-substrate as described above, and a strip line is formed on the upper surface, which constitutes a so-called micro-strip line, and a thin film resistor is used for a part of the micro strip line. Methods have been proposed in which impedance matching with the load is performed (see, for example, US Pat. No. 4,937,660).
[0007]
According to this method, impedance matching is performed on the Si sub-substrate close to the load, and there is an advantage that the loss at high frequency is small and the apparatus can be miniaturized as compared with Conventional Example 1.
[0008]
In general, the impedance of an optical semiconductor element such as a semiconductor laser element is typically around 5 ohms, which is lower than 50 ohms or 25 ohms used in transmission lines to signal sources and loads. Therefore, it is a general technique that impedance matching is performed between a signal source and a load by an appropriate combination of circuit components such as a microstrip line and a reactance element. For example, it is also described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-75003.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above conventional example 1, since there is no ground electrode in the wiring on the Si sub-substrate, it generally does not match the impedance on the signal source side at all. For this reason, there is a problem that signal waveform deterioration due to reflected waves at high frequencies increases, and because of the large dielectric loss tangent of Si, there is a problem that dielectric loss increases at high frequencies. Here, the region L2 having a strong electromagnetic field in Conventional Example 1 is illustrated as shown in FIG. 5B, and is greatly affected by the electromagnetic field over a wide range around the input electrode.
[0010]
Further, in the conventional example 2, like the conventional example 1, there is a problem that the dielectric loss increases at a high frequency due to the large dielectric tangent of Si. That is, most of the electromagnetic field is confined between the strip line on the upper surface of the Si sub-substrate and the ground electrode on the lower surface of the Si sub-substrate, so that the microwave propagates. Due to the loss, the microwave is attenuated before entering the optical semiconductor element, and the signal cannot be sufficiently transmitted to the optical semiconductor element.
[0011]
In addition, it is necessary to form a through hole from the lower surface to the upper surface of the Si substrate, but the mechanical strength of the substrate is weakened by the through hole. In particular, in the case of the Si substrate, cracks are easily generated from the through hole. It becomes easy. Further, it is necessary to perform a pattern forming process on the upper surface and the lower surface, which causes a problem that the process becomes complicated.
[0012]
Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide an optical semiconductor device having excellent characteristics even in a wide band of 2.5 GHz or more.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, an optical semiconductor element array設用substrate of the present invention comprises a substrate, provided on the substrate, a lower dielectric layer of dielectric loss tangent than the substrate, is provided on the dielectric layer A linear electrode for propagating a microwave signal to the optical semiconductor element; a gap provided in the substrate adjacent to one side edge of the linear electrode; and the linear electrode On the other hand, the other side edge side of the linear electrode is provided with a ground electrode arranged in parallel with the linear electrode at a distance.
The optical semiconductor element disposition substrate of the present invention is provided on the substrate so that one end portion thereof communicates with the gap, and is optically coupled to the optical semiconductor element mounted on the linear electrode. It is preferable to further comprise a groove for accommodating the optical waveguide.
[0014]
Further, the dielectric loss tangent of the substrate is 0.015 or less. An optical semiconductor device of the present invention comprises the optical semiconductor element disposition substrate described above and an optical semiconductor element mounted on the linear electrode. The optical semiconductor device of the present invention preferably further includes an optical waveguide mounted in the groove and optically coupled to the optical semiconductor element.
[0015]
Further, it is preferable that the substrate is placed on a base having better heat conductivity than silicon that is preferably used as the substrate, because the heat dissipation becomes better.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the optical semiconductor devices H1 and H2 and the optical modules M1 and M2 housing them will be described in detail below with reference to the drawings.
[0017]
1A to 1C, reference numeral 1 denotes an anisotropic etching of Si or the like, and a second sub-substrate placed on a first sub-substrate having good thermal conductivity, which will be described later, A semiconductor laser, which is a light emitting element that makes light incident on an optical waveguide such as an optical fiber or an optical waveguide, 10 is a V-groove for mounting an optical waveguide such as an optical fiber, and 41 and 42 are microwaves, respectively. An input electrode that is a linear electrode for propagating a signal, a termination electrode (where 41 and 42 are input electrodes, the other is a termination electrode), and 43 is a ground electrode made of the same material as the linear electrode. 5 is a dielectric layer, 6 is a wire (lead wire), 7 is a conductive ribbon such as gold, 8 is a multi-layer alumina base substrate as a base substrate, 81 is an input side electrode, 82 is an output side electrode, and 83 is grounded Electrode 9 has good thermal conductivity and at least the surface is conductive The first sub-board such as gold-plated alumina precision processing substrate, 11 is a dicing groove for stopper light waveguide.
[0018]
The semiconductor laser 2 has its active layer side electrode disposed on the second sub-substrate 1 side, aligned at a predetermined position on the input electrode 41, and joined by solder such as AuSn. The electrode on the back side of the active layer and the termination electrode 42 are electrically connected by a wire 6. Further, by mounting the optical waveguide on the V-groove 10, mechanically optical alignment with the semiconductor laser 2 previously mounted is performed with high accuracy.
[0019]
The input electrode 41, the termination electrode 42, the ground electrode 43, and the dielectric layer 5 constitute an asymmetric coplanar wave line 4. The width of the

electrodes

41, 42, the distance between the input electrode 41, the termination electrode 42 and the ground electrode 43, and the thickness of the dielectric layer 5 are controlled so that the asymmetric coplanar wave line 4 is matched to 50 ohms of the external electrical system impedance. Is done.
[0020]
In addition, a circuit component such as a small chip resistor is used for a part of the asymmetric coplanar wave line 4 in order to perform impedance matching with a load. The arrangement of the circuit components is omitted from the drawing for simplicity.
[0021]
Note that the second sub-substrate 1 may be silicon nitride or the like, the first sub-substrate 9 may be stainless steel, Kovar, or the like, and the base substrate 8 may be a low dielectric constant synthetic resin or the like.
[0022]
As shown in FIG. 1B, the asymmetrical coplanar wave line 4 is formed on the Si sub-substrate 1 via the dielectric layer 5 so that the microwave signal is transmitted between the input electrode 41, the termination electrode 42, and the ground electrode 43. Most of the electromagnetic field is confined between them and can be distributed in the dielectric layer 5 and in the air. This eliminates the influence of the high dielectric loss tangent of the substrate such as Si, and has the effect of greatly reducing the dielectric loss compared to the conventional configuration.
[0023]
Further, by disposing the input electrode 41 and the termination electrode 42 in the vicinity of the dicing groove 11, the area of the electromagnetic field distribution propagating through the air layer having a lower dielectric constant is increased, and the equivalent dielectric constant of microwaves is increased. Can be lowered. Thereby, the microwave can be propagated at a higher speed, which contributes to the broadening of the bandwidth of the optical semiconductor device. In addition, since the linear electrode surface, that is, the signal electrode surface and the ground electrode surface are arranged in parallel, there is an effect that the matching of the connection with the electrode of the base substrate is good.
[0024]
Next, details of the characteristic shape, material, dimensions, etc. of each part will be described. The width of the input electrode 41 and the termination electrode 42 (length in the direction perpendicular to the optical axis) is preferably about 100 to 400 microns, and the material is Au alone or Au or the like as an upper layer, and Cr, Ti, Pt or the like is preferable. The thickness of the upper layer is about 2 to 3 μm, and the lower layer is 200 mm or more. The width is determined by the minimum electrode area required for wire bonding and the thickness limit of the dielectric layer 5 that can be formed.
[0025]
For example, silica or polyimide resin can be used for the dielectric layer 5. The reason why these materials are selected is that the dielectric loss tangent is small and the dielectric loss of microwaves can be suppressed. In order for the asymmetric coplanar wave line to be sufficiently unaffected by the dielectric tangent of the underlying substrate such as Si, it is necessary to select Si having a small dielectric tangent and make the dielectric layer 5 as thick as possible.
[0026]
However, if the dielectric layer 5 is too thick, a large stress is applied to the second sub-substrate 1 and the dielectric layer 5 due to the difference in thermal expansion coefficient between the underlying Si substrate and the dielectric layer, and the substrate is deformed. Or a defect such as a crack in the dielectric layer 5 occurs. Therefore, it is necessary to appropriately select the Si material and design the dielectric layer thickness. Table 1 shows an example in which the deformation of the Si substrate when the silica was formed on the 30 mm width Si substrate, that is, the amount of warpage was measured. Here, the amount of warpage is the distance from the horizontal surface of the base to the top of the convex portion of the base when the substrate is placed horizontally on the base.
[0027]
[Table 1]

[0028]
The amount of warpage of the substrate is preferably 50 μm or less, and when the dielectric layer is a silica film, the film thickness is preferably 60 μm or less. As an example, FIG. 3 shows conditions for matching the characteristic impedance of the asymmetric coplanar line to 50Ω when the thickness of the dielectric layer 5 is 10 μm. Further, FIG. 4 shows transmission loss when various Si substrates having different dielectric loss tangents are used and a microwave having a frequency of 10 GHz is transmitted to the asymmetric coplanar line.
[0029]
As is apparent from FIGS. 3 and 4, for example, when the width of the electrode layers 41 and 42 is w = 160 μm, s / w is 0 when the distance between the input electrode 41 and the termination electrode 42 and the ground electrode 43 is s. .031 to 0.125 is preferable because the amount of microwave reflection at the connection point between the electrode 81 and the electrode 41 and the connection point between the electrode 82 and the electrode 42 can be suppressed to an allowable range. Sometimes, the amount of reflected microwaves can be almost eliminated, which is the best. Further, when the dielectric loss tangent of Si is 0.015 or less (resistivity is 1000 Ω · cm or more), the loss of microwave is preferably 1 dB / cm or less.
[0030]
Further, since it is necessary to suppress circuit constant components such as inductance and capacitance as much as possible at the connection portion between the ground electrode 43 and the base substrate 8, as shown in FIG. 1, a ceramic precision machined substrate whose surface is plated with gold. Are connected to the first sub-substrate 9 via the gold ribbon 7, or a groove is formed between the edge of the ground electrode layer 43 and the edge of the ground electrode 83 as shown in FIG. A method of making a connection by melting in a groove is taken.
[0031]
Further, the first sub-substrate 9 is provided with a groove for arranging the second sub-substrate 1 and a through-hole for hermetic sealing of the optical fiber 3 by a high-precision processing method such as CIM (ceramic injection mold). And the surface is metallized.
[0032]
Thereafter, the first sub-board 9 is mounted on the base board 8 and finally the second sub-board 1 is mounted on the first sub-board 9. Thereby, while the multilayer ceramic substrate is generally excellent in high frequency characteristics, it solves the problem that mechanical accuracy is low in drilling and the like, and an optical module excellent in both optical connection and high frequency characteristics can be configured.
[0033]
In the example of FIG. 1, the ground electrode 43 on the second sub-substrate 1 is electrically connected to the ground electrode 83 on the base substrate 8 through the first sub-substrate 9 with the gold ribbon 7 in order to be surely grounded. Take. As a result, unnecessary inductance and capacitance components can be suppressed as much as possible at the connection point of the ground wire, and reliable grounding can be achieved. If grounding is uncertain, that is, if unnecessary inductance or capacitance components are inserted in the middle of the grounding wire, there is a problem that microwaves are not transmitted to the semiconductor laser at the resonance frequency.
[0034]
In addition, as shown in FIG. 2, there is a method in which the height of both ends of the first sub-substrate 9 is made lower than the upper surface of the second sub-substrate 1, and the ground electrode 83 and the ground electrode layer 43 are placed close to each other for grounding. . As a result, there is a method that can reduce the number of connection points and improve both the high frequency characteristics and the connection workability. In this case, on one side of the second sub-substrate 1 in a region where the ground electrode layer 43 and the ground electrode 83 are close to each other, a slope on one side is formed by forming a V-groove by a width where the ground electrode 43 is formed. By forming a solder mounting groove in a region where 43 and the ground electrode 83 are close to each other, and placing and melting a solder ball made of, for example, SnPb alloy or the like in the groove, a more reliable grounding can be obtained by a simple method. .
[0035]
Next, more detailed examples will be described.
[0036]
First, a substrate having a thickness of 0.525 mm and a resistivity of 1000 Ω · cm was used as the Si sub-substrate 1. The outer shape of the Si sub-substrate 1 was 1.6 × 4.0 mm, and the length of the V-groove 10 on which the fiber 3 was mounted was 3 mm. The asymmetric coplanar line 4 was wired on the Si sub-substrate 1 by 0.65 mm from the mounting portion of the semiconductor laser 2 toward the outer periphery of the substrate. This depends on the outer shape of the Si sub-substrate 1 and is the minimum length required for mounting the Si sub-substrate 1 on the package. The asymmetric coplanar line 4 has a 10 μm thick silica dielectric layer 5 on the Si sub-substrate 1, a 4 μm thick and 160 μm wide underlying layer of Cr and an upper layer of Au, an input electrode 41, a termination The electrode 42 and the ground electrode 43 are used. The intervals between the input electrode 41, the termination electrode 42, and the ground electrode 43 were 30 μm.
[0037]
As a result, the microwave signal propagating through the asymmetric coplanar waveline 4 is confined to the dielectric layer 5 and the air layer, so that the microwave signal is not affected by the high dielectric loss tangent of Si. Propagation loss could be suppressed to less than 0.1 dB at 10 GHz, for example.
[0038]
In the conventional electrode configuration, since there is a oozing of an electromagnetic field to the Si substrate, a large dielectric loss due to Si is received. The dielectric loss tangent of Si differs depending on the resistivity. For example, the dielectric loss tangent is about 0.015 at 1000 Ω · cm used in this embodiment, but this is 10 GHz when a substrate of 10 Ω · cm and dielectric loss tangent 3.3 is used. In the microwave signal, the loss per unit length is 10 dB / cm or more, and the loss when the wiring length is 0.65 mm is 6.5 dB or more.
[0039]
Next, solder was melted into the gap between the one side slope of the V groove having a depth of 200 μm formed along the ground electrode 43 on the side surface of the Si sub-substrate 1 and the edge of the ground electrode forming surface of the base substrate.
[0040]
As a result, parasitic inductance and parasitic capacitance of the ground line can be suppressed as much as possible, and no dip due to resonance occurs within the bandwidth of 15 GHz of the semiconductor laser 2.
[0041]
【The invention's effect】
According to the optical semiconductor device and the optical module of the present invention, the following remarkable effects can be obtained.
[0042]
When transmitting microwaves on a substrate, dielectric loss due to the substrate can be suppressed as much as possible, and transmission loss at high frequencies can be remarkably suppressed, thereby increasing the wiring length on the substrate.
[0043]
-When wiring to multiple elements, the capacitance between the wirings can be reduced, and grounding to the base can be performed easily.
[0044]
-Lower the equivalent dielectric constant of a coplanar wave line by, for example, forming a groove for a stopper of an optical waveguide near the (asymmetric) coplanar wave line composed of a linear electrode, a ground electrode, and a dielectric layer. There is an effect, and it is possible to increase the bandwidth of the optical semiconductor device.
[0045]
-According to the optical module comprising at least the optical semiconductor device of the present invention and a substrate with good heat conductivity on which the optical semiconductor device is mounted, matching of the electromagnetic field between the transmission line on the optical semiconductor device and the transmission line of the substrate Property is improved.
[0046]
In addition, according to the above optical module, the optical connection is achieved by combining a precise optical connection and a good electrical connection with the multilayer ceramic substrate by using, for example, a multilayer ceramic substrate with precision processing as the base. In addition, an optical module having excellent high frequency characteristics can be provided.
[0047]
Furthermore, according to the optical module, the ground electrode of the optical semiconductor device and the ground electrode on the substrate can be reliably connected by a simple method.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams illustrating an optical semiconductor device according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a perspective view of the optical semiconductor device, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 3 is a partially omitted perspective view of the optical module.
2A and 2B are views for explaining an optical semiconductor device according to another embodiment of the present invention, in which FIG. 2A is a partially omitted perspective view of an optical module, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. It is.
FIG. 3 is a diagram showing impedance characteristics of a Si sub-substrate used in the optical semiconductor device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph illustrating microwave transmission loss of a dielectric layer used in the optical semiconductor device according to the embodiment of the present invention.
5A and 5B are diagrams illustrating a conventional optical semiconductor device, where FIG. 5A is a perspective view of the optical semiconductor device, FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 5A, and FIG. FIG.
[Explanation of symbols]
1: Si sub-substrate (second sub-substrate: substrate)
2: Semiconductor laser (optical semiconductor device)
3: Optical fiber (optical waveguide)
4: Asymmetric coplanar wave line 5: Dielectric layer 6: Wire 7: Gold ribbon 8: Multilayer ceramic base substrate (base substrate)
9: Precision ceramic sub-board (first sub-board)
10: V groove 11: Dicing groove 41: Input electrode (linear electrode)
42: Termination electrode (linear electrode)
43: ground electrode 81: input electrode 82: output electrode 83: ground electrodes H1, H2: optical semiconductor devices M1, M2: optical module

Claims

A substrate ,
Provided on the substrate, and a small dielectric layers of dielectric loss tangent than the substrate,
A linear electrode that is provided on the dielectric layer and propagates a microwave signal to the optical semiconductor element ;
For the linear electrode, a gap provided in the substrate in the vicinity of one side edge of the linear electrode; and
A grounding electrode arranged in parallel with the linear electrode on the other side edge side of the linear electrode with a spacing from the linear electrode,
An optical semiconductor element mounting substrate comprising:

One end portion is provided on the substrate so as to communicate with the gap portion, and further includes a groove portion for accommodating the optical waveguide so as to be optically coupled to the optical semiconductor element mounted on the linear electrode. The substrate for optical semiconductor element arrangement according to claim 1.

The substrate for arranging an optical semiconductor element according to claim 1 or 2, wherein a dielectric loss tangent of the substrate is 0.015 or less.

The substrate for optical semiconductor element disposition according to any one of claims 1 to 3,
An optical semiconductor element mounted on the linear electrode;
An optical semiconductor device comprising:

The optical semiconductor device according to claim 2, further comprising an optical waveguide mounted in the groove and optically coupled to the optical semiconductor element .