JP4125180B2 - 光モジュール、光モジュールの製造方法、光送受信システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野にて光送受信器として利用される光モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信分野では、電気信号と光信号との変換手段として、光素子と光ファイバが備えられた光モジュールが用いられている。光モジュールは、光素子として発光素子又は受光素子が用いられ、電気信号に応じた光信号を発光素子から光ファイバに出射したり、又は光ファイバを伝搬した光信号を受光素子で受信し、電気信号に変換して外部に出力できるようになっている。
近年、光通信分野では、発光素子として、結晶の積層面と垂直な方向に光を出力する面発光素子が主に利用されるようになっている。面発光素子は、端面発光素子に比べて、低しきい値動作が可能であり、また低コストである等の利点がある。
【0003】
光モジュールとしては、サブキャリア(マウント部材)に実装された面発光素子と、光ファイバが収容、固定された基板とから構成され、光ファイバの先端が位置する基板の端面に傾斜面が設けられ、面発光素子がその発光部を上方に向けた状態で直方体のマウント部材に実装され、発光部が光ファイバの先端に対向するようにマウント部材が基板の傾斜面に実装された構成のものが提案されている(特許文献1参照。)。
面発光素子として、電極が発光部と同一面に設けられたものを用いる場合、面発光素子をマウント部材に実装する際、面発光素子の電極とマウント部材に設けられた電極とをワイヤボンディングにより接続する必要がある。このワイヤボンディングは、光モジュールの製造工程において作業中に切断される場合があり、歩留まりが悪くなる問題がある。
また、マウント部材が傾斜面に実装された構成であるため、例えばフリップチップボンディング技術等のパッシプアライメント法によりマウント部材を実装することが難しく、精度良くかつ高速でマウント部材を実装することが難しい。
【0004】
また、マウント部材が傾斜面に実装され装置構成が複雑となり、駆動素子等を傾斜面近傍に配置することが難しい。特許文献1に提案された光モジュールは、基板の傾斜面に設けられた電極が基板の表面に延びており、この基板の表面に位置する電極が外部接続用電極として機能するようになっている。
このため、駆動素子は、光モジュールの外部に配置され、前記外部接続用電極に接続されることとなる。これにより、光素子と駆動素子との配線距離が長くなり、配線経路のインピーダンスが高くなり、信号に遅延が生じたり、歪みやノイズが発生する原因となる。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−135833号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した事情に鑑みなされたものであり、光素子をマウント部材を用いることなく直接基板に実装でき、パッシブアライメント技術により簡便に光素子を実装できて容易に製造でき、また駆動素子を光モジュール内部に配置できて光素子と駆動素子間の配線経路を短くすることができる光モジュールと、その光モジュールを精度良くかつ簡便に製造できる光モジュールの製造方法と、前記光モジュールを用いた光送受信システムを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、半導体材料から構成された平板状の基板であり、かつその表面が(100)面である基板上に光素子と光ファイバを搭載し、光素子からの光を光ファイバに入力し、又は光ファイバからの光を光素子に入力するようにした光モジュールであって、基板表面には、光導波路となる針状突起が形成され、該針状突起の基端部側に光ファイバを収容、固定する固定溝が形成されており、前記針状突起は、基板の表面を異方性エッチングして、(100)面,(11−1)面,(1−11)面から構成された三角柱と、該三角柱の先端部に設けられ(100)面,(−101)面,(−110)面から構成された三角錐とを具備する片持ち梁構造をなし、光素子の受光部又は発光部が針状突起の先端部における(100)面上に位置するように光素子が実装され、光ファイバが固定溝に収容、固定され、光素子の発光部からの光が針状突起の先端部に入射されるか、又は針状突起を伝搬して光ファイバに入射されるようにし、かつ光ファイバから出力された光が針状突起に伝搬され、先端部から光素子の受光部に入射されるようにしたことを特徴とする光モジュールである。
請求項2に係る発明は、前記針状突起の先端部が三角錐状であることを特徴とする請求項1に記載の光モジュールである。
請求項3に係る発明は、前記基板表面に透光性の絶縁層が設けられ、該絶縁層の厚さが、光の波長λに対してλ/4の奇数倍であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光モジュールである。
請求項4に係る発明は、前記光素子が発光素子であり、前記針状突起の基端部が傾斜面に接続され、前記針状突起から漏れた状態で、前記針状突起の先端部から基端部に向かって伝搬する光が前記傾斜面により前記基板上方に反射されるようになっており、前記針状突起の基端部に受光部が位置するように受光素子が実装されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光モジュールである。
請求項5に係る発明は、半導体材料から構成された平板状の基板であり、かつその表面が(100)面である基板を用意し、基板の表面を異方性エッチングして、(100)面,(11−1)面,(1−11)面から構成された三角柱と、該三角柱の先端部に設けられ(100)面,(−101)面,(−110)面から構成された三角錐とを具備し、光導波路となる片持ち梁構造の針状突起と、該針状突起の基端部側に光ファイバを収容、固定する固定溝とを形成し、次いで、発光部又は受光部を有する光素子を、その発光部又は受光部が針状突起の先端部における(100)面上に位置するように実装し、前記固定溝に光ファイバを収容、固定し、光素子の発光部からの光が針状突起の先端部に入射され、針状突起を伝搬して光ファイバに入射されるか、又は光ファイバから出力された光が針状突起に伝搬され、先端部から光素子の受光部に入射されるようにすることを特徴とする光モジュールの製造方法である。
請求項6に係る発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の光モジュールが用いられたことを特徴とする光送受信システムである。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。図1は、本実施形態の光モジュール1の一例を示す斜視図である。
光モジュール1は、基板2と、基板2に搭載された光素子3と光ファイバ4から構成されている。
図2は、基板2の一例を示す概略図であり、(a)は斜視図であり、(b)は要部の拡大図である。前記基板2は、シリコンや、III−V族化合物等の化合物半導体等の半導体材料の結晶基板から構成されている。前記III−V族化合物としては、InP,GaAs等が挙げられる。図2に一例として示された基板2は、その表面21が半導体材料の(100)面となるように形成されたものである。
ここで、図中、(hkl)(h,k,lは整数)は、結晶面のミラー指数を示し、<hkl>は、結晶面(hkl)に垂直な方向を示す。
【0009】
前記基板2の表面21には、光導波路となる片持ち梁構造の針状突起5と、光ファイバ用の固定溝6とが形成されている。針状突起5は、断面が三角形や四角形等の矩形状や円状等であり、その先端部51に傾斜面52が設けられたものである。針状突起5は、その先端部51と対向する端部(以下、基端部とも言う。)53が基板2の条溝7の内面に固定された状態で、前記条溝7内に収容されている。
前記針状突起5の先端部51の傾斜面52は、図2(b)に示されたように、基板2の上方から傾斜面52に入射した光(以下、信号光とも言う。)8を針状突起5の長手方向に反射できるか、又は針状突起5の長手方向から傾斜面52に入射した光8を基板2の上方に反射できるように形成されている。
【0010】
図3は、図2(b)中A矢視図である。また、図4は、図2(b)中B矢視図である。図3及び図4に示された針状突起5は、半導体材料から構成された基板2を異方性エッチングして形成されたものである。異方性エッチングとは、結晶面の方向に対するエッチング速度の差を利用したエッチング法である。
前記針状突起5は、条溝7の内側面から<011>方向に伸びた三角柱54と、この三角柱54の先端に設けられた三角錐(以下、先端部と同じ符号51を付す。)とから構成されている。前記三角柱54は、その側面が基板2の半導体材料の(100)面,(11−1)面,(1−11)面から構成されている。三角柱54の長手方向に垂直な面における断面形状は、二等辺三角形であり、その頂点が下方に向き、かつ底辺が基板2の表面21と平行に位置し垂線に対して左右対称な形状である。
前記三角錐51は、針状突起5の先端部51となる部分であり、三角錐51の側面は半導体材料の(100)面,(−101)面,(−110)面から構成されている。(−101)面と(−110)面が先端部51に設けられた傾斜面52となる。
(−101)面と(−110)面の交線は、垂線に対して35°16’の傾きをもっている。このため、先端部51の傾斜面52は、先端部51に垂線方向から入射する光8を針状突起5の長手方向に反射するか、又は針状突起5の長手方向から先端部51に入射する光8を先端部51上方の垂線方向に反射するように機能する。
【0011】
前記条溝7は、針状突起5が収容できる大きさであれば、特に限定されないが、一例として図3及び図4に示された光モジュール1の条溝7は、その内側面が半導体材料の(1−11)面,(11−1)面,(−111)面,(111)面から構成された逆メサ形状の溝である。そして、前記条溝7の4つの内側面のうち、(111)面に針状突起5の基端部53が接続されている。
【0012】
前記針状突起5の基端部53側には、針状突起5の中心軸の延長線上に光ファイバ用の固定溝6が設けられており、固定溝6に光ファイバ4が収容、固定された際、光ファイバ4の中心軸が前記針状突起5の中心軸と一致するようになっている。
前記固定溝6には、光ファイバ4が収容されており、光ファイバ4と基板2とは接着剤や金錫共晶ハンダ等で固定されている。
【0013】
前記基板2の表面21には、透光性の絶縁膜22が設けられている。絶縁膜22としては、SiO2,SiO,Al2O3,SiN,La2O3,MgO,Sc2O3,Y2O3等の誘電体膜が適用できる。前記絶縁膜22の厚さは、光8の波長λに対してλ/4の奇数倍であり、これにより基板22の上方から針状突起5の先端部51に光8が入射する際、基板2の表面21での光8の反射を抑える反射防止膜として機能するようになっている。
絶縁膜22の屈折率は、(neff・n0)1/2付近の値であることが好ましく、これにより基板2の上方から針状突起5の先端部51に入射する光8の基板2の表面21での反射率を更に低減できる。ここで、neffは、針状突起5の先端部51の実効的な屈折率であり、n0は、入射媒質の屈折率をそれぞれ示す。前記入射媒質は、通常、空気であるため、n0は1である。
【0014】
前記した基板2の表面21には、図1に示されたように電極パターン9が形成されており、この電極パターン9上に光素子3と駆動素子10とが実装されている。
前記光素子3は、面発光素子31又は面受光素子32である。この面発光素子31又は面受光素子32は、直方体等の矩形状であり、その下面に発光部又は受光部が設けられたものである。光素子3は、その発光部又は受光部が前記針状突起5の先端部51の傾斜面52の上方に位置するように基板2の表面21に実装されている。
前記駆動素子10は、外部から入力された電気信号に応じて面発光素子31を発光させたり、又は面受光素子32から出力された電気信号の信号強度等を増幅し、外部へ出力するものである。前記光素子3と駆動素子10とは、電極パターン9を介して接続されている。
駆動素子10を光素子3の近傍に実装することによって、駆動素子10と光素子3間の配線経路を短くすることができる。
【0015】
例えば、光素子3として半導体レーザ等の面発光素子31を用いた送信用光モジュールの場合、駆動素子10として半導体レーザ駆動用集積回路(IC:integrated circuit)等が用いられる。
この場合、外部の電極から光モジュール1の駆動素子10へ電気信号が送信されると、駆動素子10にて電気信号は変調され、電圧変換等の処理が行われた後、レーザ駆動用信号として光素子3に出力される。そして電気信号に応じたレーザ駆動用信号によって、光素子3から光信号8が発信される。
前記光信号8は、基板2の針状突起5の先端部51に入射し、この先端部51の傾斜面52にて針状突起5の長手方向に反射される。そして信号光8は、針状突起5を伝搬し光ファイバ4の端面に入射する。
以上により電気信号を光信号8に変換し、この光信号8を光ファイバ4へ送信することができる。
【0016】
また、光素子3としてフォトダイオード等の面受光素子32が用いられた受信用光モジュールの場合、駆動素子10としてプリアンプ等の増幅器が用いられる。
この場合、光ファイバ4を伝搬した光信号8は、基板2の針状突起5の基端部53に入射し、針状突起5の先端部51の傾斜面52にて基板2の上方へ反射される。そして、光信号8は針状突起5の上方に設けられた光素子3の受光部にて受信される。
光素子3にて受信された光信号8は、光素子3にて電気信号に変換された後、駆動素子10に伝達される。電気信号は駆動素子10にて増幅されて信号強度が調整された後、高強度の電気信号として外部の電極等に出力される。
以上により光信号8を受信し、この光信号8を電気信号に変換して外部に発信することができる。
【0017】
次に、本実施形態の光モジュール1の製造方法について以下に説明する。
図5は、各製造工程において、光モジュール1の図2(a)におけるCC’断面,DD’断面,EE’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。ここで、図5では、一部省略して図示している。
基板2として、半導体材料から構成され、半導体材料の(100)面が表面21となる平板状のものを用意する。
図5(a)に示されたように、基板2の表面21に電極パターン9を形成した後、この電極パターン9と基板2の表面21に、エッチング用のレジスト膜11を形成する。このレジスト膜11は、針状突起5が設けられる条溝7と光ファイバ用の固定溝6とを形成する領域に整合する領域に開口部を有している。前記レジスト膜11は、例えばフォトリソグラフィー法等により形成することができる。
【0018】
次いで、図5(b)に示されたように、基板2の表面21を異方性エッチングして、片持ち梁構造の針状突起5と、この針状突起5が設けられた条溝7と、固定溝6とを形成する。異方性エッチングの方法としては、例えば、エッチング液に基板2を浸漬する方法等が適用できる。
前記エッチング液としては、硝酸,塩酸,硫酸,リン酸,臭化水素酸,過酸化水素水,酢酸等の酸性水溶液が挙げられ、一種の酸性水溶液又は複数種の混合水溶液として使用できる。エッチング液は、基板2を構成する半導体材料の結晶面の方向に対するエッチング速度の差を考慮し、所望の形状,大きさの針状突起5と条溝7が形成されるように酸の種類、混合比、濃度等が適宜調整されたものである。
【0019】
そして、前記異方性エッチングによって、半導体材料の(100)面,(11−1)面,(1−11)面から構成された三角柱74と、この三角柱74の先端に設けられ、半導体結晶の(100)面,(−101)面,(−110)面から構成された三角錐51とを具備する片持ち梁構造の針状突起5を形成する。また、針状突起5の基端部53側に光ファイバ用の固定溝6を形成する。
一例として図5に示された製造工程では、図5(b)に示されたように針状突起を形成する際に同時に、針状突起5が収容される条溝7として、その側内面が半導体材料の(1−11)面,(11−1)面,(−111)面,(111)面から構成された逆メサ形状の溝を形成する。
【0020】
次いで、図5(c)に示されたように、レジスト膜11を除去した後、光素子3を、その発光部又は受光部が、前記針状突起5の先端部51の傾斜面52の上方に位置するように基板2の表面21の電極パターン9に実装する。また、光素子3の近傍の電極パターン9に駆動素子10を実装し、光素子3と駆動素子10とが電極パターン9を介して接続された状態とする。
光素子3として、その発光部又は受光部が設けられた面と同一面に電極が設けられたものを用いた場合、前記光素子3を電極パターン9に実装する方法として、フリップチップボンディング技術等のパッシプアライメント法が適用できる。
例えば、光素子3の電極が設けられた面と、基板2の表面21とに、それぞれ位置合わせ用の目印を設けておき、この目印が重なった際、光素子3が所望の位置にくるようにする。次いで光素子3の電極に、金又は金錫共晶等のバンプを設け、前記目印が重なるように光素子3を位置決めした状態で、超音波又は熱を印加してバンプを溶融する。これにより、光素子3を高精度に位置決めでき、かつ容易に電極パターン9に実装できる。
そして、図5(d)に示されたように、固定溝6に光ファイバ4を収容し、基板2と光ファイバ4とを樹脂等により固定する。
【0021】
次に、本実施形態の光送受信システム12について以下に説明する。図6は、本実施形態の光送受信システム12の一例を示す概略斜視図である。
光送信システム12は、光素子3として面発光素子31が備えられた送信用光モジュール12aと、光素子3として面受光素子32が備えられた受信用光モジュール12bを具備し、前記送信用光モジュール12aと受信用光モジュール12bとが伝送用光ファイバ4によって接続されている。
前記光送受信システム12は、送信用光モジュール12aと受信用光モジュール12bのうち、少なくとも一方又は双方に本実施形態の光モジュール1が用いられている。
電気信号に応じた光信号8が、送信用光モジュール12aの光素子3から光ファイバ4へ発信される。そして光信号8は光ファイバ4を伝搬して受信用光モジュール12bの光素子3にて受信され、電気信号に変換されて外部に発信される。以上により送信用光モジュール12aと受信用光モジュール12bとの間で光信号8の送受信が行われる。
【0022】
本実施形態の光モジュール1は、光素子3として、面発光素子31又は面受光素子32が用いられ、前記光素子3は、その発光部又は受光部を基板2の表面21に向けた状態で基板2の表面21の電極パターン9に実装されている。
面発光素子31又は面受光素子32は、その製造工程において、ウエハの状態で発光特性の良否の判別が可能であり、かつダイシングによりチップ化でき、大量生産に適し、安価に製造できる。また、極低しきい値動作が可能である。
このため、本実施形態の光モジュール1は、光素子3として面発光素子31又は面受光素子32を用いることによって、安価で製造でき、かつ極低しきい値動作等の優れた光学特性が実現できる。
【0023】
また、光素子3として、その発光部又は受光部が設けられた面と同一面に電極が設けられたものを用いた場合、パッシプアライメント法によって光素子3を基板上の電極パターン9に実装できるため、光素子3を高精度に位置決めでき、かつ容易に実装できるため実装の係る工程や製造コストが低減できる。特に、光軸を検出しながら、光素子3の位置決めを行う必要がなく、位置決め精度に光軸の検出精度が影響されない。
更に、光素子3は、基板2の表面21の電極パターン9に直接実装でき、マウント部材を用いる必要がない。
【0024】
また、光モジュール1は、基板2上に光素子3と駆動素子10が実装されて構成され、光素子3と駆動素子10とを基板2上の同一の電極パターン9に実装することができ、これにより容易に光素子3と駆動素子10とを接続することができる。
更に、光モジュール1は、光素子3の近傍に駆動素子10が実装された構成とすることができる。このため、光素子3と駆動素子10間の配線経路を短くすることができ、配線経路のインピーダンスを低減でき、信号の遅延,歪み,ノイズ等の発生を低減できる。これにより、信号光8の高速伝送が可能な光モジュール1が実現できる。
【0025】
また、前記絶縁膜22の厚さを、光の波長λに対してλ/4の奇数倍とすることによって、基板2の上方に設けられた光素子3の発光部から針状突起5の先端部51に光8が入射する際、基板2の表面21での光8の反射を抑える反射防止膜とすることができる。これにより光8の先端部51への結合効率を向上でき、かつ発光部への戻り光により光素子3の発振が不安定になることを防止できる。
また、絶縁膜22を反射防止膜として併用できるため、新たに反射防止膜を設ける必要が無く、構造が簡略化でき、かつ製造コストを削減でき、安価に製造できる。
【0026】
本実施形態の光モジュール1の製造方法は、半導体材料から構成された基板2を異方性エッチングすることによって、精度良くかつ簡便に針状突起5を形成することができる。このため、光損失が低く光学特性に優れた光モジュール1が製造できる。
また、光ファイバ4を固定溝に収容する際、固定溝の内側面に光ファイバ4の先端が接触した状態とすることによって、光ファイバ4の先端の位置決めが容易に行える。
【0027】
本実施形態の光送受信システム12は、前記した本実施形態の光モジュ−ル1が用いられたことによって、安価で製造でき、かつ極低しきい値動作等の優れた光学特性が実現できる。また、光素子3と駆動素子10を近接して基板2の表面21に実装することによって、配線経路のインピーダンスを低減でき、信号の遅延,歪み,ノイズ等の発生を低減できる。これにより、信号光8の高速伝送が可能な光送受信システム12が実現できる。
【0028】
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
光素子3として半導体レーザ等の面発光素子31が備えられた送信用光モジュール12aの場合、モニタ用受光素子13が設けられ、このモニタ用受光素子13にて光素子3からの出射光8の出力光量が検出できる構成としても構わない。
図7は、モニタ用受光素子13の受光部が針状突起5の基端部53の上方に位置するようにモニタ用受光素子13が実装された光モジュール101の一例を示す斜視図である。針状突起5の基端部53が固定された条溝7の内側面は、垂線方向に対して35°16’の傾きをもっている。
光8は、その一部が針状突起5から漏れた状態で、針状突起5の先端部51から基端部53に向かって伝搬する。針状突起5から漏れた光は、針状突起5の基端部53の外部に位置する条溝7の内側面にて基板2の上方に反射される。
例えば、針状突起5の基端部53を、半導体基板の(111)面から構成された条溝7の内側面から<011>方向に向かって延びるように形成することによって、針状突起5は、(111)面と垂直に交わり、かつ(111)面は垂線に対して35°16’の傾きをもっており、針状突起5の先端部51より基端部53に向かって伝搬した光8の一部は、基端部53が接続された(111)面にて基板2の上方に反射されることとなる。
【0029】
モニタ用受光素子13は、(111)面にて基板2の上方に反射された光8の光量を検出し、この検出値を、電極パターン9を介して駆動素子10に出力する。このため、駆動素子10は、検出値をもとに光素子3の端面発光素子31に流す電流値を調整でき、例えば一定の出力光量で光8を光ファイバ4に出力できるようにすることができる。
【0030】
また、本実施形態の光モジュール1は、2以上の複数の光素子3が実装されたものであっても構わない。図8は、本実施形態の光モジュールの他の一例を示す概略斜視図である。この光モジュール201は、2以上の針状突起5が等間隔に並列に設けられた基板202と、この基板202に実装された光素子アレイ203と、駆動素子210と、2以上の光ファイバ4から構成されている。光素子アレイ203は、2以上の光素子3が搭載され、これら光素子3の発光部又は受光部が等間隔に横一列に並んだ構成をしている。前記光素子アレイ203は、その発光部又は受光部がそれぞれの針状突起5の先端部51の傾斜面52の上方に位置するように基板202上に実装されている。
駆動素子210は、基板202上の電極パターン9を介して、各光素子3の電極に接続されている。また基板202には、針状突起5の各基端部53側にそれぞれ固定溝6が設けられており、各固定溝6に光ファイバ4が収容、固定されている。
光素子3が面発光素子31の場合、2以上の複数の光ファイバ4に光信号をそれぞれ独立して発信することができる。また、光素子3が面受光素子32の場合、2以上の複数の光ファイバ4からの光信号をそれぞれ独立して受信することができる。
このように、複数の光素子3と光ファイバ4を1つの基板202に集約することができる。このため、例えば、複数の光ファイバ4を用いた光信号送受信システム12に適用した場合、必要となる光モジュール1の個数が少なくてよく、光信号送受信システム12の小型化が実現できる。
【0031】
図9は、本実施形態の光モジュールの更に他の一例を示す概略斜視図である。この光モジュール301は、光素子3として面発光素子31と面受光素子32とが、それぞれ1以上基板302上に実装されている。
一例として図9に示された光モジュール301は、2つの針状突起5が並列に設けられた基板302を有し、面発光素子31の発光部が一方の針状突起5の先端部51の傾斜面52の上方に位置するように基板302上に実装され、また、面受光素子32が、その受光部が他方の針状突起5の先端部51の傾斜面52の上方に位置するように基板302の表面21に実装されている。
面発光素子用の駆動素子10aは、電極パターン9を介して面発光素子31の電極に接続され、また面受光素子用の駆動素子10bは、電極パターン9を介して面受光素子32の電極に接続されている。
光素子3として面発光素子31と面受光素子32とが実装されたことによって、光信号の送信と受信が1つの光モジュール301で行うことができる。
【0032】
次に、本発明の具体例を以下に示す。
[具体例1]
前述した本実施形態の製造方法と同様にして光モジュール1を製造する。製造工程は、本実施形態と同一であるため、詳細の説明を省略する。
基板3として、InPから構成され、この(100)面が表面となる平板状の基板を用意する。図5(a)に示されたように、電極パターン9が形成された基板2の表面21にエッチング用のレジスト膜11を形成する。
そして、基板2をエッチング液に浸漬し、図5(b)に示されたように、基板2の表面21を異方性エッチングして、片持ち梁構造の針状突起5と、この針状突起5が設けられた条溝7と、固定溝6とを形成する。
InPから構成された基板2を用いる場合、前記エッチング液として、臭化水素酸と硝酸の混合水溶液であり、混合比(体積比)が、例えば臭化水素酸:硝酸:水=1:1:10のもの、又は臭化水素酸と過酸化水素酸との混合水溶液であり、混合比(体積比)が、例えば臭化水素酸:過酸化水素酸=10:1のものを用いる。ここで、エッチング液の混合比を調整することによって、エッチング速度を調整しても構わない。
【0033】
前記異方性エッチングによって、本実施形態と同一の針状突起5と条溝7を形成する。また、前記針状突起5と条溝7と共に、針状突起5の基端部53側に光ファイバ用の固定溝6を形成する。
ここで、前記固定溝6を、針状突起5と条溝7を形成するために用いるエッチング液とは異なる成分のエッチング液を用いて形成しても構わない。例えば、エッチング液として、塩酸,酢酸,過酸化水素水の混合水溶液を用いることによって、固定溝6を、その断面の側面が基板2の表面21に垂直に交わる矩形状となるように形成することができる。また、エッチング液として、塩酸とリン酸の混合水溶液を用いることによって、固定溝6を、V溝として形成することができる。
そして、レジスト膜11を除去した後、光素子3と駆動素子10を基板2の表面21の電極パターン9に実装する。また、固定溝6に光ファイバ4を収容し、基板2と光ファイバ4とを樹脂等により固定する。
【0034】
[具体例2]
具体例2が、具体例1と異なる点は、基板2としてGaAsから構成されたものを用いる点である。
この場合、前記異方性エッチングによって針状突起5と条溝7を形成する際、エッチング液として、硫酸と過酸化水素水との混合水溶液であり、混合比(体積比)が、例えば硫酸:過酸化水素水:水=1:1:1のものを用いる。これにより、本実施形態と同一の針状突起5と条溝7を形成する。
【0035】
[具体例3]
具体例3が、本実施形態の光モジュール1の製造方法と異なる点は、基板2の表面21に絶縁膜22を形成し、この絶縁膜22をエッチング用のレジスト膜として用いる点である。
図10及び図11は、具体例3の各製造工程において、光モジュール1の図2(a)におけるCC’断面,DD’断面,EE’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。ここで、図10及び図11では、一部省略して図示している。
基板2として、InPから構成され、InPの(100)面が表面22となる平板状の基板を用意する。図10(a)に示されたように、基板2の表面21に透光性の絶縁膜22を形成する。前記絶縁膜22は、SiO,Al2O3,SiN,La2O3,MgO,Sc2O3,Y2O3等の屈折率が約1.8のものが好ましい。InPの屈折率は約3.4であるため、絶縁膜22として屈折率が約1.8、すなわち約(3.4)1/2のものを用いることによって、基板2の上方から針状突起5の先端部51に入射する光8の基板2の表面21での反射率を効率良く低減できる。
絶縁膜22は、例えばスパッタ法,蒸着法,CVD法等の公知の方法によって基板2の表面21に形成される。
【0036】
そして図10(b)に示されたように、前記絶縁膜22上に絶縁膜22のエッチング用のレジスト膜11aを形成する。このレジスト膜11aは、針状突起5が設けられる条溝7と光ファイバ用の固定溝6とを形成する領域に整合する領域に開口部を有しており、例えばフォトリソグラフィー法等により形成することができる。
次いで、フッ酸系のエッチング液を用いて絶縁膜22を前記レジスト膜11aと同一パターンにエッチングした後、レジスト膜11aを除去する。これにより、図10(c)に示されたように、絶縁膜22のうち、針状突起5が設けられる条溝7と光ファイバ用の固定溝6とを形成する領域に整合する領域に開口部を形成する。
【0037】
そして、絶縁膜22を基板2のエッチング用のレジスト膜として用い、具体例1と同様のエッチング液に基板2を浸漬し、図10(d)に示されたように、基板2の表面21を異方性エッチングして、片持ち梁構造の針状突起5と、この針状突起5が設けられた条溝7と、固定溝6とを形成する。
次いで、図11(a)に示されたように、絶縁膜22が形成された基板2の表面21に電極パターン9を形成する。そして、図11(b)に示されたように光素子3と駆動素子10を基板2の表面21の電極パターン9に実装する。また、図11(c)と図11(d)に示されたように、固定溝6に光ファイバ4を収容し、基板2と光ファイバ4とを樹脂等により固定する。
【0038】
InPの屈折率は3.4であるため、絶縁膜22を形成していない場合、基板2の表面21における光8の反射率は約30%である。
これに対して、絶縁膜22としてSiO2(屈折率1.44)を用いた場合、反射率は6%となる。また絶縁膜22としてAl2O3(屈折率1.62)を用いた場合、反射率は2%となり、絶縁膜22としてSiO(屈折率1.8)を用いた場合、反射率は0.1%となる。
このように、基板2の表面21に絶縁膜22を形成することによって、反射率を大幅に低減できる。
【0039】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、光素子として、面発光素子又は面受光素子を用いることができ、これにより安価で製造でき、かつ優れた光学特性が実現できる。
また、パッシプアライメント法によって光素子を基板上の電極パターンに実装できるため、光素子を高精度に位置決めでき、かつ容易に実装できるため実装の係る工数や製造コストが低減できる。特に、光軸を検出しながら、光素子の位置決めを行う必要がなく、位置決め精度に光軸の検出精度が影響されない。
また、光素子は、基板上の電極パターンに直接実装でき、マウント部材を用いる必要がない。
【0040】
駆動素子は、光モジュールを構成する基板の表面に実装されており、光素子の近傍に駆動素子を実装することができる。このため、光素子と駆動素子間の配線経路を短くすることができ、配線経路のインピーダンスを低減でき、信号の遅延,歪み,ノイズ等の発生を低減できる。これにより、信号光の高速伝送が可能な光モジュールが実現できる。
【0041】
また、前記絶縁膜の厚さを、光の波長λに対してλ/4の奇数倍とすることによって、基板の上方から針状突起の先端部に光が入射する際、基板表面での光の反射を抑える反射防止膜とすることができる。これにより光の先端部への結合効率を向上でき、かつ発光部への戻り光により光素子の発振が不安定になることを防止できる。
また、絶縁膜を反射防止膜として併用できるため、新たに反射防止膜を設ける必要が無く、構造が簡略化でき、かつ製造コストを削減でき、安価に製造できる。
【0042】
本発明の光モジュールの製造方法は、半導体材料から構成された基板を異方性エッチングすることによって、精度良くかつ簡便に針状突起を形成することができる。このため、光損失が低く、光学特性に優れた光モジュールが製造できる。
【0043】
本発明の光送受信システムは、前記した本発明の光モジュ−ルが用いられたことによって、安価で製造でき、かつ極低しきい値動作等の優れた光学特性が実現できる。また、配線経路のインピーダンスを低減でき、信号の遅延,歪み,ノイズ等の発生を低減できる。これにより、信号光の高速伝送が可能な光モジュールが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施形態の光モジュール1の一例を示す斜視図である。
【図2】 基板の一例を示す概略図であり、(a)は斜視図であり、(b)は要部の拡大図である。
【図3】 図2(b)中、A矢視図である。
【図4】 図2(b)中、B矢視図である。
【図5】 各製造工程において、光モジュールの図2(a)におけるCC’断面,DD’断面,EE’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。
【図6】 本実施形態の光送受信システムの一例を示す概略斜視図である。
【図7】 モニタ用受光素子が実装された光モジュールの一例を示す斜視図である。
【図8】 本実施形態の光モジュールの他の一例を示す概略斜視図である。
【図9】 本実施形態の光モジュールの更に他の一例を示す概略斜視図である。
【図10】 具体例3の各製造工程において、光モジュールの図2(a)におけるCC’断面,DD’断面,EE’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。
【図11】 図10の工程以降の各製造工程において、光モジュールの図2(a)におけるCC’断面,DD’断面,EE’断面に相当する箇所の断面図をそれぞれ示す。
【符号の説明】
1,101,201,301‥‥光モジュール、2,202,302‥‥基板、3‥‥光素子、4‥‥光ファイバ、5‥‥針状突起、8‥‥光、10,10a,10b,210‥‥駆動素子、12‥‥光送受信システム、13‥‥受光素子(モニタ用受光素子)、22‥‥絶縁層、31‥‥面発光素子、51‥‥針状突起の先端部(三角錐)、52‥‥針状突起の傾斜面、53‥‥針状突起の基端部、54‥‥三角柱
Claims (6)
- 半導体材料から構成された平板状の基板であり、かつその表面が(100)面である基板上に光素子と光ファイバを搭載し、光素子からの光を光ファイバに入力し、又は光ファイバからの光を光素子に入力するようにした光モジュールであって、
基板表面には、光導波路となる針状突起が形成され、該針状突起の基端部側に光ファイバを収容、固定する固定溝が形成されており、
前記針状突起は、基板の表面を異方性エッチングして、(100)面,(11−1)面,(1−11)面から構成された三角柱と、該三角柱の先端部に設けられ(100)面,(−101)面,(−110)面から構成された三角錐とを具備する片持ち梁構造をなし、
光素子の受光部又は発光部が針状突起の先端部における(100)面上に位置するように光素子が実装され、光ファイバが固定溝に収容、固定され、
光素子の発光部からの光が針状突起の先端部に入射され、針状突起を伝搬して光ファイバに入射されるか、又は光ファイバから出力された光が針状突起に伝搬され、先端部から光素子の受光部に入射されるようにしたことを特徴とする光モジュール。 - 前記針状突起の先端部が三角錐状であることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
- 前記基板表面に透光性の絶縁層が設けられ、該絶縁層の厚さが、光の波長λに対してλ/4の奇数倍であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光モジュール。
- 前記光素子が発光素子であり、前記針状突起の基端部が傾斜面に接続され、前記針状突起から漏れた状態で、前記針状突起の先端部から基端部に向かって伝搬する光が前記傾斜面により前記基板上方に反射されるようになっており、
前記針状突起の基端部に受光部が位置するように受光素子が実装されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光モジュール。 - 半導体材料から構成された平板状の基板であり、かつその表面が(100)面である基板を用意し、
基板の表面を異方性エッチングして、(100)面,(11−1)面,(1−11)面から構成された三角柱と、該三角柱の先端部に設けられ(100)面,(−101)面,(−110)面から構成された三角錐とを具備し、光導波路となる片持ち梁構造の針状突起と、該針状突起の基端部側に光ファイバを収容、固定する固定溝とを形成し、
次いで、発光部又は受光部を有する光素子を、その発光部又は受光部が針状突起の先端部における(100)面上に位置するように実装し、
前記固定溝に光ファイバを収容、固定し、
光素子の発光部からの光が針状突起の先端部に入射され、針状突起を伝搬して光ファイバに入射されるか、又は光ファイバから出力された光が針状突起に伝搬され、先端部から光素子の受光部に入射されるようにすることを特徴とする光モジュールの製造方法。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の光モジュールが用いられたことを特徴とする光送受信システム。
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