JP4280290B2 - 光モジュール及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、シリコン基板を用いた表面実装型のレンズ及び光変調素子等を搭載（マウント）した光モジュールとその製造方法に関するものである。
従来、発光素子やレーザ素子等をシリコン基板上に搭載した光モジュールに関しては、例えば、下記の文献等に記載されているように種々のものが提案されている。
特開平８−２０１６６０号公報 特開平９−２１１２７４号公報 特開２００４−９３６６０号公報
前記特許文献１の図１とその説明文には、シリコン基板に第１Ｖ字溝を形成し、この第１Ｖ字溝に、光ファイバの端末を固定すると共に、その光軸上に比較的緩やかな精度で発光素子を固定する。そして、前記光軸上にこれと交差するように第２Ｖ字溝を形成し、ここに球状レンズを収める。発光素子を動作させながら球状レンズを第２Ｖ字溝に沿ってスライドさせると、発光素子から出射された光ビームが球レンズで収束されて光ファイバへ入射し、発光素子と、球レンズと、光ファイバとの結合を実測しながら光ビームを最適な状態に調整できる技術が記載されている。
一方、長距離光通信では、伝送媒体である光ファイバ固有の波長分散特性により、通信波長の僅かな揺らぎが伝送波形に大きな歪みを与え、通信品質の低下を招いてしまうため、使用される送信機には波長チャープ量（波長変動）の少ない光源が求められる。但し、単波長発振に用いられる分布帰還型（Distributed Feed-Back、以下「ＤＦＢ」という。）のレーザ素子（このＤＦＢレーザ素子を以下単に「レーザ素子」という。）を光源とした場合でも、注入電流を直接変化させる直接変調方式では、レーザ素子の発振波長が変動しやすいことから、一般的には、ＥＡ（Electro-Absorption、以下「ＥＡ」という。）の半導体変調器、あるいはリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３、以下「ＬＮ」という。）やインジウムリン化合物半導体（ＩｎＰ）を用いたマッハツェンダー型変調器による外部変調方式が多く採用されている。
外部変調方式では、外部素子により光の入出力を変調制御するため、レーザ素子の注入電流を変化させることなく一定光出力として用いることができることから、波長チャープ量の少ない単一波長発振の実現が可能となる。近年では、レーザ素子とＥＡ変調素子とをモノリシック集積した装置（デバイス）構造も多用されるようになり、実装コストや実装面積の低減に貢献している。
他方、通信容量の拡張性に優れた高密度波長分割多重（Dense Wavelength Division Multiplexing、以下「ＤＷＤＭ」という。）伝送システムに関しても又、帯域波長の細分化による多波長化に伴い、極めて狭い波長間隔で隣接する光信号間のクロストークを抑える必要があるため、各信号波長の安定化が最重要課題となっている。但し、光波長の細分化により通信波長数が増加すると、前述したＥＡ変調素子を採用した変調器の場合、ＥＡ変調素子の吸収層のバンドギャップ波長を各通信波長に合わせて設計し揃えることが前提となるため、システムで扱う波長数と同数程度のデバイス群を用意する必要が生じてしまう。その結果、開発・製造・在庫運用コスト等の増加が避けられず、ＤＷＤＭ伝送システムにおいてはＥＡ変調素子の適応に限界があると考えられる。更に、レーザ素子の発振波長が温度に対して１Å／℃の割合で変化するのに比べて、ＥＡ変調素子のバンドギャップ波長は４〜５Å／℃の割合で大きく変化するため、波長ディチューニング（ＥＡ変調素子の吸収層のバンドギャップ波長とレーザ素子の発振波長を揃える）がずれてしまわないように、レーザ素子と変調素子それぞれの温度を厳密に制御することも必須となる。そこで、これら問題を解決するデバイスとして、マッハツェンダー型変調素子を用いた変調器が注目されている。
マッハツェンダー型変調素子は波長チャープが小さく、１つのデバイスで幅広い波長領域をカバーすることが可能となるので、長距離、且つ波長多重伝送システムに適した変調素子といえる。レーザ素子とこのマッハツェンダー型変調素子をモノリシック集積あるいはハイブリッド集積とすることにより、システムで扱う波長数に対して用意するデバイス群を大幅に削減できるため、開発・製造・在庫運用コスト等を抑えることが可能となる。
以下、長距離向け波長多重伝送システムに使用されている典型例として、レーザ素子とマッハツェンダー型変調素子のハイブリッド集積構造について説明する。
図６は、前記特許文献２等に記載された従来の光モジュールの構成例を示す模式的な側面図である。
この光モジュールは、レーザ素子１とマッハツェンダー型変調素子２をハイブリッド集積したデバイスであり、第１キャリア３に実装したレーザ素子１と第２キャリア４に実装したマッハツェンダー変調素子２とは、ホルダ付き第１レンズ５とホルダ付き第２レンズ６によって光結合している。ホルダ付き第１レンズ５とホルダ付き第２レンズ６は、それぞれ第１レンズ調芯治具７と第２レンズ調芯治具８上で３軸方向の調芯をした後、ステンレス（以下「ＳＵＳ」という。）ベースキャリア９に、固体レーザであるＹＡＧレーザを用いた溶け込みの深いＹＡＧレーザ溶接（以下単に「ＹＡＧ溶接」という。）で固定されている。
又、各レンズ５，６間には。一方向のみ光を通す鏡筒型アイソレータ１０が、アイソレータ支持台１１にＹＡＧ固定されている他、ホルダ付き第１レンズ５とホルダ付き第２レンズ６の僅かな調芯ずれを光学的に補正することを目的としたホルダ付き補償レンズ１２が配置されている。このホルダ付き補償レンズ１２は、補正調芯後補償レンズ調芯治具１３を用いてＳＵＳベースキャリア９上にＹＡＧ溶接固定される。ホルダ付き補償レンズ１２は、前記特許文献２に記載されているように、大きな曲率半径を具えることにより、粗い調芯で集光ビームの角度を微少調整することが可能であるため、僅かな軸ずれを容易に補正することができる。
ホルダ付き第３レンズ１４は、パッケージ１５の外壁に配置されるレンズ内蔵光ファイバ１６にマッハツェンダー変調素子２からの変調出力信号光を結合させるため、３軸調芯を行った後、第３レンズ調芯治具１７を用いてＳＵＳベースキャリア９上にＹＡＧ溶接固定される。ＳＵＳベースキャリア９は、パッケージ１５に搭載した熱電冷却素子（Thermo Electric Cooler、以下「ＴＥＣ」という。）１８の上面に半田実装（半田にて固定）される。
レーザ素子１は一定光出力とし、常に単一波長で発振するようにＴＥＣ１８で温度制御される。又、マッハツェンダー型変調素子２は駆動用集積回路（以下「ドライバＩＣ」という。）から高速変調信号で電気的に制御され、レーザ素子出力光を通過したり、遮断したりするシャッタとして機能する。
ところが、図６に示す光モジュールでは、以下の（ａ）、（ｂ）のような問題がある。
（ａ） レーザ素子１及びマッハツェンダー型変調素子２の光スポット径は１μｍ前後と非常に小さく、両光素子間の軸ずれトレランス（tolerance、許容誤差）が非常に厳しいため、本来、レンズ調芯に要求される精度はサブミクロンオーダとなる。但し、前述したホルダ付き補償レンズ１２の効果によってレンズ５，６の調芯ずれを最終的に補正することが可能であることから、実際にはレンズ調芯に要求される精度をミクロンオーダにまで緩和することができる。しかし、ホルダ付き補償レンズ１２で補正できる許容調芯ずれ量は僅かなので、良好な光結合効率を達成するためには、レーザ素子１、ホルダ付き第１レンズ５、ホルダ付き第２レンズ６、並びにマッハツェンダー型変調素子２の全ての相対位置関係がミクロンオーダの精度で配列されていることが条件となる。
図６に示す光モジュールのように、多数の部材を集積したハイブリッド構造で、ミクロンオーダの搭載位置精度を実現することは容易でなく、画像やマーカ認識による実装手法に加え、各部材の加工寸法や搭載精度等についても厳しい管理が要求されるため、部材の加工費や検査費用、又、実装コストにかかる負担が大きいといった問題が生じる。
（ｂ） レンズ固定方法の問題について指摘する。
ホルダ付き第１レンズ５とホルダ付き第２レンズ６は３軸調芯後に、ＹＡＧ溶接により固定される。但し、ＹＡＧ溶接では自然冷却時に溶融金属の凝縮が生じるため、ミクロンオーダの位置決めは非常に困難であり、このＹＡＧ溶接時の位置ずれもホルダ付き補償レンズ１２で補うこととなる。しかし、ホルダ付き補償レンズ１２は大きな曲率半径を特徴としたレンズ形状をしているため、ビーム角度の微少調整についてはその機能を十分発揮できるものの、集光能力は非常に乏しく、光軸方向の位置ずれに対しては補償能力がないに等しい。このことから、光軸方向のレンズ搭載に限ってはサブミクロンオーダの精度が要求され、極めて実現困難と考えられる。
このような（ａ）、（ｂ）の問題を解決するための光モジュールとして、例えば、前記特許文献３の技術が知られている。
前記特許文献３の図８とその説明文には、シリコン基板の表面にＶ字溝が設けられ、このＶ字溝に沿ってスポット変換素子と、第１、第２レンズ素子と、ＥＡ変調器と、レーザダイオードと、光ファイバとがマウントされている。レーザダイオードとＥＡ変調器は第１レンズ素子により光学的に結合され、ＥＡ変調器と光ファイバはスポット変換素子及び第２レンズ素子により光学的に結合されている。ＥＡ変調器は導波路構造を有する素子であり、断面形状が長方形状のコアを有する。このコアから出射した光のスポット形状は楕円形状となる。
そのため、レーザダイオードから出射したスポット形状が楕円形状の発散光は、第１レンズ素子により集光されて楕円形状のスポット形状のままＥＡ変調器のコアに入射する。このコアから出射したスポット形状が楕円形状の発散光は、スポット変換素子により円形状のスポット形状を有するよう変換されて平行光になった後、第２レンズ素子により収束光となり、光ファイバに入射する。
このような光モジュールによれば、ＥＡ変調器と光ファイバの間にスポット変換素子及びレンズ素子を配置して、ＥＡ変調器から出射した光の楕円形状のスポット形状を円形状に変換して光ファイバに入射させることにより、大幅に結合効率を向上させることができる。又、スポット変換素子はシリコン基板に適合する形状の適合部を有するため、従来のレンズでは必要であったレンズフォルダ等の部品が不要となり、シリコン基板のＶ字溝上に短時間で容易に実装できるため、コストを抑えることができる。更に、従来のレンズを用いた場合にはＥＡ変調器にバイアス電圧を印加するための配線距離を長くとる必要があったが、この配線距離はスポット変換素子及びレンズ素子を導入しない場合とほぼ同じ長さにでき、変調特性の劣化を防ぐことができる。従って、光学部材同士を高効率に結合し、且つ、優れた実装性を有する光モジュールを実現できる。
しかしながら、前記特許文献３に記載された従来の光モジュールでは、次のような課題があった。
レーザダイオードと変調器をシリコン基板にマウントした後に、通常、バーンイン試験が行われる。この試験は、レーザダイオードや変調器の初期不良を事前に検出するための試験である。ところが、レーザダイオードと変調器を１つのシリコン基板に搭載してしまうと、レーザダイオードと配線とのバーンイン試験、変調器と配線とのバーンイン試験をクリアしたデバイスのみしか良品とならないため、デバイスの歩留まりが低下するという課題があった。
本発明の光モジュールでは、第１配線及び第１溝部が形成された第１シリコン基板と、第２配線及び第２溝部が形成された第２シリコン基板と、前記第１シリコン基板上に設けられ、前記第１配線と接続されたレーザ素子と、前記第２シリコン基板上に設けられ、前記第２配線と接続され、前記第２配線から与えられる信号に応答して前記レーザ素子の出射光を変調する光変調素子と、前記レーザ素子と前記光変調素子との光軸が一致するように前記第１シリコン基板、及び前記第２シリコン基板が搭載された基板と、前記第１溝部に設けられ、前記レーザ素子の出射光を平行光に変換する第１レンズと、第２溝部に設けられ、前記平行光を前記光変調素子へ集光する第２レンズとを有している。
本発明における光モジュールの製造方法では、第１シリコン基板にレーザ素子を搭載する第１工程と、前記第１シリコン基板の第１配線と前記レーザ素子とを接続する第２工程と、前記第１配線と前記レーザ素子とのバーンイン試験を行う第３工程と、第２シリコン基板に光変調素子を搭載する第４工程と、前記第２シリコン基板の第２配線と前記光変調素子とを接続する第５工程と、前記第２配線と前記光変調素子とのバーンイン試験を行う第６工程と、前記第３工程、及び前記第６工程の後に、前記第１シリコン基板、及び前記第２シリコン基板を基板に搭載する第７工程と、前記第７工程の後に、前記第１シリコン基板に形成された第１溝部に第１レンズを設ける第８工程と、前記第７工程の後に、前記第２シリコン基板に形成された第２溝部に第２レンズを設ける第９工程とを有している。
本発明の光モジュール及びその製造方法によれば、次の（１）、（２）のような効果がある。
（１） レーザ素子を第１シリコン基板にマウントすると共に、光変調素子を別の第２シリコン基板にマウントし、これらの第１及び第２シリコン基板を、レーザ素子と光変調素子との光軸が合うように、基板にそれぞれマウントしている。このように、レーザ素子と光変調素子を別々に第１、第２シリコン基板にマウントしているので、マウントに行うバーンイン試験で良品になったもののみを基板にマウントすることができるため、前記特許文献３のように１つの基板にマウントするよりもデバイスの歩留まりを向上させることができる。従って、信頼性が高く、製造が容易で、小型で、安価な光モジュールを提供することが可能になる。
（２） 一般的に、レーザ素子は、屈折率分散（波長分散）が大きいため、例えば、１．５μｍ帯において全ての波長の出力が要求される場合、レーザ特性によっては複数のレーザ（例えば、１．５５μｍ帯の短波長側用、１．５５μｍ帯の長波長側用のレーザ素子）を準備する必要がある。これに対し、光変調素子に例えばマッハツェンダー型光変調素子を用いた場合には、屈折率分散（波長分散）があまり大きくないため、波長の異なるレーザ素子（例えば、１．５５μｍ帯の短波長側用、１．５５μｍ帯の長波長側用のレーザ素子）を組合せることが可能である。つまり、光変調素子にマッハツェンダー型光変調素子を用いた場合には、マッハツェンダー光変調素子とレーザ素子では汎用性が異なることも、別々の第１、第２シリコン基板にマウントする特徴の１つである。
光モジュールは、第１配線及び第１溝部が形成された第１シリコン基板と、第２配線及び第２溝部が形成された第２シリコン基板と、前記第１シリコン基板上に設けられ、前記第１配線と接続されたレーザ素子と、前記第２シリコン基板上に設けられ、前記第２配線と接続され、前記第２配線から与えられる信号に応答して前記レーザ素子の出射光を変調する光変調素子と、光軸が一致するように前記第１シリコン基板、及び前記第２シリコン基板が搭載された基板と、前記第１溝部に設けられ、前記レーザ素子の出射光を平行光に変換する第１レンズと、第２溝部に設けられ、前記平行光を前記光変調素子へ集光する第２レンズとを有している。
例えば、前記１溝部、及び前記第２溝部は、前記第１シリコン基板と前記第２シリコン基板との光軸合わせ用の断面形状がほぼＶ字溝である。
（実施例１の構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例１を示す光モジュールの概略の構成図であり、同図（ａ）は平面図、及び同図（ｂ）はその中央縦断面図である。
光モジュールは、光半導体デバイスマウント用の第１シリコン基板２０と、この第１シリコン基板２０に対向して配置される光半導体デバイスマウント用の第２シリコン基板３０と、前記第１及び第２シリコン基板２０，３０を後述する同一光軸上に所定距離隔てて固定するための基板（例えば、ＳＵＳ等のベースキャリア）４０とを備えている。
第１シリコン基板２０の表面の一端側には、導電パターン等からなる第１配線２１が形成され、その表面の他端側には、第２シリコン基板３０に対して光軸を合わせるための第１溝部（例えば、断面がほぼＶ字形の第１Ｖ字溝）２２が形成されている。第１シリコン基板２０上には、光半導体デバイス（例えば、半導体レーザやレーザダイオード等のレーザ素子）２３が設けられ、このレーザ素子２３が第１配線２１と電気的に接続されている。第１Ｖ字溝２２内には、レーザ素子２３の出射光を平行光に変換するための第１レンズ２４が設けられている。第１レンズ２４は、小型コリメートレンズやボールレンズ等で構成されている。
レーザ素子２３は、第１シリコン基板２０の所定位置に画像認識又は機械的位置決め等により高精度に実装される。そして、レーザ素子２３の発光端面と第１レンズ２４の先端面との間の距離が適切な光学結合長となるように、第１Ｖ字溝２２に第１レンズ２４を画像認識又は機械的に配置させて実装することにより、表面実装型前駆レンズ結合器が形成されている。又、第１Ｖ字溝２２は、第１シリコン基板２０の表面にウェットエッチング（例えば、アルカリエッチング）等によって極めて高精度な加工で形成されるため、第１Ｖ字溝２２上に第１レンズ２４を配設することにより、高精度実装されたレーザ素子２３と機械的な位置合わせが可能となる。
第２シリコン基板３０の表面の一端側には、導電パターン等からなる第２配線３１が形成され、その表面の他端側には、第１シリコン基板２０に対して光軸を合わせるための第２溝部（例えば、断面がほぼＶ字形の第２Ｖ字溝）３２が形成されている。第２シリコン基板３０上には、光半導体デバイス（例えば、外部からの信号に基づき、レーザ素子２３からの光を変調する光変調素子）３３が設けられ、この光変調素子３３が第２配線３１と電気的に接続されている。第２Ｖ字溝３２内には、第１レンズ２４からの平行光を光変調素子３３へ集光するための第２レンズ３４が設けられている。第２レンズ３４は、小型集光レンズやボールレンズ等で構成されている。
光変調素子３３は、例えば、マッハツェンダー型光変調素子で構成されている。マッハツェンダー型光変調素子は、レーザ素子と比べて、屈折率分散（波長分散）が大きくない。この光変調素子３３は、第２シリコン基板３０の所定位置に画像認識又は機械的位置決め等により高精度に実装される。そして、光変調素子３３の光入力端面と第２レンズ３４の先端面との間の距離が適切な光学結合長となるように、第２Ｖ字溝３２上に沿って第２レンズ３４をスライドさせて光学調芯が行われる。光軸に対して垂直な面方向については、第２レンズ３４を第２Ｖ字溝３２に機械的に配設させて位置決めし、これらの実装により表面実装型後駆レンズ結合器が形成されている。
ベースキャリア４０の表面の一端側には、第１シリコン基板マウント領域４１が形成され、これに対向してベースキャリア４０の表面の他端側にも、第２シリコン基板マウント領域４２が生成され、更に、これらの第１、第２シリコン基板マウント領域４１，４２間に、所定距離の凹部４３が形成されている。第１シリコン基板マウント領域４１上には、接着剤や半田等の接合材４４により、第１シリコン基板２０が固定されている。第２シリコン基板マウント領域４２上にも、接着剤や半田等の接合材４５により、第２シリコン基板３０が固定されている。凹部４３の底面において、第２シリコン基板マウント領域４２側には、第１及び第２レンズ２４，３４の調芯ずれを光学的に補正するための補償レンズ５０が樹脂接着剤等により固定されている。更に、凹部４３の底面において、第１シリコン基板マウント領域４１と補償レンズ５０との間には、第１レンズ２４の出射光を一方向のみ通して補償レンズ５０へ与えるアイソレータ（例えば、小型アイソレータ）５１が、樹脂接着剤等により固定されている。
第１シリコン基板２０及び第２シリコン基板３０の厚さばらつきは、シリコンウェハの厚さばらつきと等価で約１０〜２５ミクロンと小さいため、小型アイソレータ５１の光学有効範囲に対して相対的な高さずれが小さく、機械的位置合わせが容易になっている。又、第２レンズ３４は、光軸方向の調芯を行った後、第２Ｖ字溝３２に樹脂等で固定されるため、ＹＡＧ溶接等に比べてレンズ固定時の位置ずれが起こり難く、光軸方向の補正なしに所望位置にレンズを固定することが可能となる。これに対して補償レンズ５０は、光軸方向に対して垂直面方向にのみ光学調芯を実施すればよいため、レンズホルダ等の調芯部材点数を削減し、ガラスレンズをそのまま小型アイソレータ５１の端面に樹脂等で固定することにより、コスト削減並びに省スペース化が実現である。
（実施例１の製造方法）
本実施例１における光モジュールの製造方法は、例えば、次の（ａ）〜（ｊ）の工程により製造される。
（ａ） 第１工程
予め、第１シリコン基板２０の表面に、ウェットエッチング（例えば、アルカリエッチング）等によって第１Ｖ字溝２２を形成すると共に、ホトリソグラフィ技術等により、銅箔等の配線パターン等により第１配線２１を形成しておく。レーザ素子２３を位置決めして、第１シリコン基板２０上にマウントする。このレーザ素子２３は、第１シリコン基板２０の所定位置に画像認識又は機械的位置決め等により高精度に実装される。
（ｂ） 第２工程
第１シリコン基板２０の第１配線２１とレーザ素子２３とを半田等で接続する。
（ｃ） 第３工程
テスタ等を用いて、第１配線２１とレーザ素子２３とのバーンイン試験を行う。又、必要に応じて、レーザ素子２３に所定電圧を印加してこのレーザ素子２３の動作チェックを行う。
（ｄ） 第４工程
予め、第２シリコン基板３０の表面に、ウェットエッチング（例えば、アルカリエッチング）等によって第２Ｖ字溝３２を形成すると共に、ホトリソグラフィ技術等により、銅箔等の配線パターン等により第２配線３１を形成しておく。光変調素子３３を位置決めして、第２シリコン基板３０上にマウントする。この光変調素子３３は、第２シリコン基板３０の所定位置に画像認識又は機械的位置決め等により高精度に実装される。
（ｅ） 第５工程
第２シリコン基板３０の第２配線３１と光変調素子３３とを半田等で接続する。
（ｆ） 第６工程
テスタ等を用いて、第２配線３１と光変調素子３３とのバーンイン試験を行う。又、必要に応じて、光変調素子３３に所定の信号や光を入力してこの光変調素子３３の動作チェックを行う。
（ｇ） 第７工程
図２は、図１の第１シリコン基板２０と第２シリコン基板３０とのそれぞれＶ字溝中心を合わせるための整列方法の説明図である。
前記第３工程、及び前記第６工程の後に、第１シリコン基板２０上のレーザ素子２３と第２シリコン基板３０上の光変調素子３３との光軸を合わせて、第１シリコン基板２０及び第２シリコン基板３０をベースキャリア４０にマウントする。このマウントは、例えば、次のようにして行われる。
先ず、レーザ素子２３が配設された第１シリコン基板２０と、光変調素子３３が配設された第２シリコン基板３０とを、ベースキャリア４０における第１シリコン基板マウント領域４１と第２シリコン基板マウント領域４２とのおおよその所定実装位置にマウントする。次に、図２に示すような円柱等の直線形状をしたガイド治具６０を用いて、第１Ｖ字溝２２と第２Ｖ字溝３２に対して上部から同時に押圧する。これによって各Ｖ字溝２２，３２の中心がガイド治具６０の中心にならって同一直線状に整列されるため、結果的に高精度実装したレーザ素子２３と光変調素子３３の相対位置関係も精度良く合わせることが可能となる。
このように、第１シリコン基板２０の第１Ｖ字溝２２と第２シリコン基板３０の第２Ｖ字溝３２を用いて光軸を機械的に位置合わせすることで、従来困難であった光学結合調芯を簡単に行うことが可能である。第１シリコン基板２０と第２シリコン基板３０をガイド治具６０で押圧し整列させた状態で、第１、第２シリコン基板マウント領域４１，４２に半田、樹脂等の接合材４４，４５で固定することにより、レンズ調芯に十分な各部材の相対位置合わせが簡単に実現できる。
（ｈ） 第８工程
前記第７工程の後に、第１シリコン基板２０に形成された第１Ｖ字溝２２に第１レンズ２４を設ける。この際、例えば、レーザ素子２３の発光端面と第１レンズ２４の先端面との間の距離が適切な光学結合長となるように、第１Ｖ字溝２２に第１レンズ２４を画像認識又は機械的に配置させ、樹脂等により固定する。第１Ｖ字溝２２は、第１シリコン基板２０の表面にウェットエッチング等によって極めて高精度な加工で形成されるため、第１Ｖ字溝２２上に第１レンズ２４を配設することにより、高精度実装されたレーザ素子２３と機械的な位置合わせが可能となる。
（ｉ） 第９工程
前記第７工程の後に、第２シリコン基板３０に形成された第２Ｖ字溝３２に第２レンズを設ける。この際、例えば、光変調素子３３の光入力端面と第２レンズ３４の先端面との間の距離が適切な光学結合長となるように、第２Ｖ字溝３２上に沿って第２レンズ３４をスライドさせて光学調芯を行う。光軸に対して垂直な面方向については、第２レンズ３４を第２Ｖ字溝３２に機械的に配設させて位置決めし、樹脂等により固定する。
（ｊ） 第１０工程
前記第９工程の後に、ベースキャリア４０における凹部４３の底面において、第１レンズ２４と第２レンズ３４との間に、これらの第１レンズ２４及び第２レンズ３４の調芯ずれを光学的に補正するための補償レンズ５０を配置し、樹脂等で固定しても良い。更に、ベースキャリア４０における凹部４３の底面において、第１レンズ２４と補償レンズ５０との間に、第１レンズ２４の出射光を一方向のみ通して補償レンズ５０へ与える小型アイソレータ５１を配置し、樹脂等で固定しても良い。
ここで、第１シリコン基板２０及び第２シリコン基板３０の厚さばらつきは、シリコンウェハの厚さばらつきと等価で約１０〜２５ミクロンと小さいため、小型アイソレータ５１の光学有効範囲に対して相対的な高さずれが小さく、機械的位置合わせが容易である。これに対して補償レンズ５０は、光軸方向に対して垂直面方向にのみ光学調芯を実施すれば良い。
（実施例１の効果）
本実施例１によれば、次の（１）〜（３）のような効果がある。
（１） レーザ素子２３を第１シリコン基板２０にマウントすると共に、光変調素子３３を別の第２シリコン基板３０にマウントし、これらのシリコン基板２０及び３０を、レーザ素子２３と光変調素子３３との光軸が合うように、ベースキャリア４０における第１、第２シリコン基板マウント領域４１，４２にそれぞれマウントしている。このように、レーザ素子２３と光変調素子３３を別々にシリコン基板２０，３０にマウントしているので、マウントに行う動作チェックで良品になったもののみをベースキャリア４０にマウントすることができるため、前記特許文献３のように１つの基板にマウントするよりもデバイスの歩留まりを向上させることができる。
（２） 一般的に、レーザ素子２３は、屈折率分散（波長分散）が大きいため、１．３μｍ帯用、１．５５μｍ帯用等、出力する波長に応じて種々のレーザ素子２３を準備する必要がある。これに対し、光変調素子３３は、屈折率分散（波長分散）があまり大きくないため、波長の異なるレーザ素子（例えば、１．３μｍ帯用、１．５５μｍ帯用のレーザ素子）２３を組合せることが可能である。つまり、光変調素子３３とレーザ素子２３では汎用性が異なることも、別々のシリコン基板２０，３０にマウントする特徴の１つである。
（３） シリコン基板を用いた表面実装型レンズ結合器構造を採用することにより、光学調芯を伴う実装工程を大幅に削減し、作業効率を改善することができる。更に、部材点数の削減による低コスト化、並びに省スペース実装による小型化の実現が可能となる。従って、信頼性が高く、製造が容易で、小型で、安価な光モジュールを提供することが可能になる。
図３は、本発明の実施例２を示す光モジュールの概略の平面図であり、実施例１を示す図１（ａ）中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
本実施例２の光モジュールでは、第２シリコン基板３０の表面において、光変調素子３３の近傍に、第２Ｖ字溝３２とは反対方向に第３溝部（例えば、第３Ｖ字溝）３５を設け、この第３Ｖ字溝３５上に第３レンズ３６を配設している。第２Ｖ字溝３２上の第２レンズ３４、光変調素子３３、及び第３レンズ３６は、同一の光軸上に配置されている。第３レンズ３６は、小型コリメートレンズやボールレンズ等で構成されている。その他の構成は、実施例１と同様である。
本実施例２における光モジュールの製造方法では、例えば、第３Ｖ字溝３５が第２Ｖ字溝３２と同時に形成され、その後、実施例１とほぼ同様に、第３Ｖ字溝３５上に第３レンズ３６が樹脂等で固定される。その他の製造方法は、実施例１とほぼ同様である。
本実施例２によれば、光変調素子３３の光出力端面と第３レンズ３６の先端面との間の距離が適切な光学結合長となるように、第３Ｖ字溝３５に第３レンズ３６を画像認識又は機械的に配設することで、光変調素子３３に対して第３レンズ３６を光学調芯することなく高精度実装できるため、作業効率の向上が可能となる。
図４は、本発明の実施例３を示す光モジュールの概略の平面図であり、実施例１を示す図１（ａ）中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
本実施例３の光モジュールでは、実施例１の第１配線２１及びレーザ素子２３に代えて、第３溝部（例えば、第１狭幅Ｖ字溝）２７及びこの中に装着される第１光ベアファイバ２８が設けられ、更に、実施例１の第２配線３１に代えて、第４溝部（例えば、第２狭幅Ｖ字溝）３７及びこの中に装着される第２光ベアファイバ３８が設けられている。その他の構成や製造方法は、実施例１とほぼ同様である。
即ち、本実施例３の構成の特徴は、第１シリコン基板２０と、この第１シリコン基板２０に設けられた第１Ｖ字溝２２と、この第１Ｖ字溝２２と同一中心線上にウェットエッチング（例えば、アルカリエッチング）等で形成された第１狭幅Ｖ字溝２７とを有し、第１Ｖ字溝２２上に配設された第１レンズ２４と、第１狭幅Ｖ字溝２７上に配設された第１光ベアファイバ２８とから構成されている。第１光ベアファイバ２８の光出力端面と第１レンズ２４の先端面との間の距離が適切な光学結合長となるように、第１Ｖ字溝２２に第１レンズ２４を、又、第１狭幅Ｖ字溝２７に第１光ベアファイバ２８を画像認識又は機械的に配設させて実装することにより、表面実装型前駆レンズ結合器を形成している。
同様に、第２シリコン基板３０に設けられた第２Ｖ字溝３２と、この第２Ｖ字溝３２と同一中心線上にウェットエッチング（例えば、アルカリエッチング）等で形成された第２狭幅Ｖ字溝３７とを有し、第２Ｖ字溝３２に配設された第２レンズ３４と第２狭幅Ｖ字溝３７上に配設された第２光ベアファイバ３８とから構成されている。第２光ベアファイバ３８の光出力端面と第２レンズ３４の先端面との間の距離が適切な光学結合長となるように、第２Ｖ字溝３２上に沿って第２レンズ３４を、あるいは第２狭幅Ｖ字溝３７上に沿って第２光ベアファイバ３８をスライドさせて光学調芯を行い、表面実装型後駆レンズ結合器を形成している。
なお、第１レンズ２４と第２レンズ３４との間には、小型アイソレータ５１の他に、方向性結合器であるビームスプリッタ５２等の光機能部品の配置も想定され、モニタ光の取り出しや、光の合分波にも応用が可能である。補償レンズ５０は、実施例１とほぼ同様に、第１光ベアファイバ２８と第２光ベアファイバ３８との光軸ずれの補正に用いられ、ビームスプリッタ５２の端面に接着固定されている。
又、表面実装型前駆レンズ結合器については、本実施例３の形態に何等限定されるものではなく、レーザ素子２３を含む光半導体デバイスを実装した組み合わせでも適応可能である。
以上のように、本実施例３によれば、実施例１とほぼ同様の作用効果を奏する。
図５は、本発明の実施例４を示す光モジュールにおける図１中のレンズ固定方法を示す概略の断面図であり、実施例１を示す図１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
本実施例４では、例えば、図１の第１レンズ２４を、カバー用のシリコン基板７０により覆う構成になっている。カバー用のシリコン基板７０には、第１シリコン基板２０側の第１Ｖ字溝２２に対向して、第３溝部（例えば、第３Ｖ字溝）７２が形成され、この第３Ｖ字溝７２を第１レンズ２４の上から被せて、第１レンズ２４の固定強度を向上させている。
即ち、本実施例４の構成の特徴を説明すると、第１レンズ２４は下側の第１Ｖ字溝２２のエッチング斜面の少なくとも片側、あるいは両側に樹脂接着等で固定される。ところが、ガラス製レンズの熱膨張率は約１０ｐｐｍ／℃で、第１シリコン基板２０の熱膨張率３ｐｐｍ／℃よりも大きいため、温度変化に応じてレンズ体積が大きく膨張・収縮することによって第１レンズ２４と第１シリコン基板２０の間に応力が発生し、樹脂等の剥離の原因となってしまう。そこで本実施例４では、カバー用のシリコン基板７０に設けられた上側の第３Ｖ字溝７２を第１レンズ２４の上部に配置し、下側の第１Ｖ字溝２２のエッチング斜面と上側の第３Ｖ字溝７２のエッチング斜面とから得られる４接点で第１レンズ２４を保持している。
上側のシリコン基板７０と下側の第１シリコン基板２０は、接触面７３で半田や樹脂等により接合される。下側の第１Ｖ字溝２２と上側の第３Ｖ字溝７２の各溝幅は、想定される温度範囲において常に第１レンズ２４がＶ字溝２２，７２と４接点を持つよう、接触面７３を所望の間隙に設計する。例えば、接合用の樹脂の熱膨張は数十ｐｐｍ／℃と非常に大きいため、接触面７３の間隙が伸び縮みすることで緩衝（バッファ）となり、第１レンズ２４とシリコン基板界面で生じる樹脂等の剥離方向の応力を吸収し、樹脂等の剥離による結合効率の劣化を防ぐことが可能となる。
このようなカバー用のシリコン基板７０を用いて、図１の第２レンズ３４を覆ったり、あるいは、図３や図４のレンズ２４，３４，３６を覆うことにより、上記と同様の作用効果が得られる。
（変形例）
本発明は、上記実施例に限定されず、図１〜図４のレーザ素子２３や光変調素子３３を他の光半導体デバイスに置き換えたり、第１及び第２レンズ２４，３４間に設けられる小型アイソレータ５０や補償レンズ５１等を省略したり、あるいは、それらの小型アイソレータ５０や補償レンズ５１等を他の光機能部品に置き換えたりしても良い。又、光モジュールの全体の構造や形状を図示以外のものに変えたり、他の使用材料や処理等を用いた製造方法に変える等、種々の利用形態や変形が可能である。
本発明の実施例１を示す光モジュールの概略の構成図である。 図１の第１シリコン基板２０と第２シリコン基板３０とのそれぞれＶ字溝中心を合わせるための整列方法の説明図である。 本発明の実施例２を示す光モジュールの概略の平面図である。 本発明の実施例３を示す光モジュールの概略の平面図である。 本発明の実施例４を示す光モジュールにおける図１中のレンズ固定方法を示す概略の断面図である。 従来の光モジュールの構成例を示す模式的な側面図である。
符号の説明
２０，３０ 第１、第２シリコン基板
２１，３１ 第１、第２配線
２２，３２，３５ 第１、第２、第３Ｖ字溝
２３ レーザ素子
２４，３４，３６ 第１、第２、第３レンズ
２７，３７ 第１、第２狭幅Ｖ字溝
２８，３８ 第１、第２ベア光ファイバ
３３ 光変調素子
４０ 基板
５０ 補償レンズ
５１ 小型アイソレータ
５２ ビームスプリッタ
６０ ガイド治具

Claims (19)

  1. 第１配線及び第１溝部が形成された第１シリコン基板と、
    第２配線及び第２溝部が形成された第２シリコン基板と、
    前記第１シリコン基板上に設けられ、前記第１配線と接続されたレーザ素子と、
    前記第２シリコン基板上に設けられ、前記第２配線と接続され、前記第２配線から与えられる信号に応答して前記レーザ素子の出射光を変調する光変調素子と、
    前記レーザ素子と前記光変調素子との光軸が一致するように前記第１シリコン基板、及び前記第２シリコン基板が搭載された基板と、
    前記第１溝部に設けられ、前記レーザ素子の出射光を平行光に変換する第１レンズと、
    第２溝部に設けられ、前記平行光を前記光変調素子へ集光する第２レンズと、
    を有することを特徴とする光モジュール。
  2. 前記１溝部及び前記第２溝部は、これらの中心を合わせることにより、前記レーザ素子と前記光変調素子との光軸を合わせるための溝であることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
  3. 前記第１溝部、及び前記第２溝部は、断面形状がほぼＶ字溝であることを特徴とする請求項２記載の光モジュール。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュールは、更に、
    前記第１シリコン基板と前記第２シリコン基板との間における前記基板上に配置され、前記第１レンズ及び前記第２レンズの調芯ずれを光学的に補正するための補償レンズと、
    を有することを特徴とする光モジュール。
  5. 請求項４記載の光モジュールは、更に、
    前記第１シリコン基板と前記補償レンズとの間における前記基板上に配置され、前記第１レンズの出射光を一方向のみ通して前記補償レンズへ与えるアイソレータと、
    を有することを特徴とする光モジュール。
  6. 請求項４記載の光モジュールは、更に、
    前記第１シリコン基板と前記補償レンズとの間における前記基板上に配置され、前記第１レンズの出射光の方向を変更して前記補償レンズへ与えるビームスプリッタと、
    を有することを特徴とする光モジュール。
  7. 請求項５又は６記載の光モジュールは、更に、
    前記第２シリコン基板上に設けられ、前記光変調素子の出射光を収束する第３レンズを、有することを特徴とする光モジュール。
  8. 請求項５又は６記載の光モジュールは、更に、
    前記第２シリコン基板上に設けられた狭幅Ｖ字溝と、
    前記狭幅Ｖ字溝内に装着され、前記光変調素子の出射光を伝搬する光ベアファイバと、
    を有することを特徴とする光モジュール。
  9. 前記第１レンズ及び前記第２レンズは、他のシリコン基板に形成された溝部により覆われていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光モジュール。
  10. 前記光変調素子は、マッハツェンダー型光変調素子であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光モジュール。
  11. 第１シリコン基板にレーザ素子を搭載する第１工程と、
    前記第１シリコン基板の第１配線と前記レーザ素子とを接続する第２工程と、
    前記第１配線と前記レーザ素子とのバーンイン試験を行う第３工程と、
    第２シリコン基板に光変調素子を搭載する第４工程と、
    前記第２シリコン基板の第２配線と前記光変調素子とを接続する第５工程と、
    前記第２配線と前記光変調素子とのバーンイン試験を行う第６工程と、
    前記第３工程、及び前記第６工程の後に、前記第１シリコン基板、及び前記第２シリコン基板を基板に搭載する第７工程と、
    前記第７工程の後に、前記第１シリコン基板に形成された第１溝部に第１レンズを設ける第８工程と、
    前記第７工程の後に、前記第２シリコン基板に形成された第２溝部に第２レンズを設ける第９工程と、
    を有することを特徴とする光モジュールの製造方法。
  12. 前記第７工程は、
    前記第１シリコン基板に形成された前記第１溝部と前記第２シリコン基板に形成された前記第２溝部との中心を合わせることにより、前記レーザ素子と前記光変調素子との光軸を合わせて前記第１シリコン基板及び前記第２シリコン基板を前記基板に搭載することを特徴とする請求項１１記載の光モジュールの製造方法。
  13. ガイド治具を用いて、前記第１溝部と前記第２溝部との中心を合わせることを特徴とする請求項１２記載の光モジュールの製造方法。
  14. 前記第１工程及び前記第２工程は、画像認識により行うことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の光モジュールの製造方法。
  15. 請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の光モジュールの製造方法において、更に、
    前記第９工程の後に、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に、前記第１レンズ及び前記第２レンズの調芯ずれを光学的に補正するための補償レンズを前記基板上に配設することを特徴とする光モジュールの製造方法。
  16. 請求項１５記載の光モジュールの製造方法において、更に、
    前記第１レンズと前記補償レンズとの間に、前記第１レンズの出射光を一方向のみ通して前記補償レンズへ与えるアイソレータを前記基板上に配設することを特徴とする光モジュールの製造方法。
  17. 前記１溝部及び前記第２溝部は、これらの中心を合わせることにより、前記レーザ素子と前記光変調素子との光軸を合わせるための溝であることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の光モジュールの製造方法。
  18. 前記第１溝部、及び前記第２溝部は、Ｖ字溝であることを特徴とする請求項１７記載の光モジュールの製造方法。
  19. 前記光変調素子は、マッハツェンダー型光変調素子であることを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の光モジュールの製造方法。
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