JP4515654B2

JP4515654B2 - 光通信用モジュール

Info

Publication number: JP4515654B2
Application number: JP2001089557A
Authority: JP
Inventors: 大大西
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: JP2002286977A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信モジュール、特に、発光素子及び光伝送線を備える光通信モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信モジュールは、電気信号を光信号に変換して送信し、受信した光信号を電気信号に変換する装置であり、光信号を伝送する光伝送線と、送信光信号を光伝送線に出射する発光素子と、光伝送線により伝送された受信光信号を受光する受光素子とを備えている。発光素子は、例えば半導体レーザであり、電極に所定の電気信号が入力されると所定周波数のレーザ光を出射する。光伝送線は、例えば光ファイバであり、送受信光信号が伝送される線状の光伝送部（コア）と、光伝送部を覆うように同心円筒状に形成される光閉込部（クラッド）とから構成されている。受光素子は、例えばフォトダイオードであり、光伝送線により伝送された受信光信号を電気信号に変換する。このような光通信モジュールでは、送信電気信号が半導体レーザの電極に入力されると、半導体レーザが送信電気信号を送信光信号に変換して光ファイバに出力し、光ファイバにより伝送された受信光信号をフォトダイオードにおいて受信電気信号に変換する。
【０００３】
従来、光ファイバの光入出力端面と半導体レーザとの間にレンズ等を配置し、半導体レーザから出射されるレーザ光をレンズ等により集光して光ファイバに入力している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の構成では、光ファイバー、半導体レーザ及びレンズ等を用意し、半導体レーザからの光がレンズを介して光ファイバのコアに導かれるようにアライメントし、その後にこれらを固定する必要がある。アライメント工程では、光ファイバ、半導体レーザ及びレンズ等を正確に位置あわせする必要があり、労力と時間を要し、コストの低減を妨げている。また、アライメント工程後に半導体レーザ及びレンズ等を光ファイバに対して固定する工程においてアライメントがずれてしまうことがあり、アライメント工程後の固定工程が不良品発生の原因になっている。
【０００５】
本発明の目的は、光通信モジュールにおいて、製造工程を簡素化して生産性を向上させ、コストの低減を図ることである。
また本発明の別の目的は、光通信モジュールにおいて、製造工程を簡素化して不良品の発生率を低減することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１発明に係る光通信モジュールは、線状の光伝送部と、前記光伝送部を覆うように形成される同心円筒状の光閉込部と、一方の端面において前記光伝送部が露出されるように当該端面に形成された電極とを有する光伝送線と、前記電極と融着されており、前記電極を第１電極として用いる面発光レーザと、を備え、前記面発光レーザは、前記光伝送線と対向する面とは反対外の面に形成されている第２電極と、前記第２電極上に形成されている第１導電型の半導体層からなる基板と、前記基板上に形成され、表面上に凹部が所定の間隔で配置された２次元回折格子を有し、前記凹部よりも屈折率が高い第１閉込層と、前記第１閉込層上に形成され、前記第１導電型の半導体層からなる第２閉込層と、前記第２閉込層上に形成され、単一又は多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層上に形成され、第２導電型の半導体層からなり、レーザ光の光放出面となる表面に前記光伝送線の前記電極が融着される第３閉込層と、を有する。このような面発光レーザを用いると、電極を光放出面のどの位置に設けても、電極の下方の部分から同じようにレーザ出力を得られる。
【０００７】
第１発明に係る光通信モジュールでは、光伝送線の一方の端面に形成された電極が、２次元回折格子を有する面発光レーザの光放出面に融着されており、この電極が面発光レーザの一方の電極として機能する。この場合、電極から光放出面の下方にキャリアが注入され、電極の下方からレーザ光が出射される。このとき、この端面では光伝送部が露出されているため、出射されるレーザ光は光伝送部に導かれる。
【０００８】
第１発明に係る光通信モジュールによれば、光伝送線を発光素子に直接固定するので、レーザ光を光伝送線に集光するためのレンズ等の光学部品が不要になり、発光素子、光伝送線及び光学部品のアライメントが不要になる。これにより、製造工程が大幅に簡素化されて生産性が向上する。生産性の向上及び高価な光学部品の削減により、光通信モジュールのコストを低減することができる。また、光伝送線の電極を、２次元回折格子を有する面発光レーザに融着して光伝送線と面発光レーザとを固定するので、両者の固定が安定し、不良品の発生率を低減できる。
【０００９】
第２発明に係る光通信モジュールは、線状の光伝送部と、前記光伝送部を覆うように形成される同心円筒状の光閉込部と、一方の端面において前記光伝送部が露出されるように当該端面に形成された電極とを有する第１光伝送線と、前記電極と融着されており、前記電極を第１電極として用いる面発光レーザと、光信号を伝送する第２光伝送線と、前記第２光伝送線により伝送された光信号を受光する受光素子と、前記面発光レーザと前記受光素子とを固定するための固定部と、を備え、前記面発光レーザは、前記光伝送線と対向する面とは反対外の面に形成されている第２電極と、前記第２電極上に形成されている第１導電型の半導体層からなる基板と、前記基板上に形成され、表面上に凹部が所定の間隔で配置された２次元回折格子を有し、前記凹部よりも屈折率が高い第１閉込層と、前記第１閉込層上に形成され、前記第１導電型の半導体層からなる第２閉込層と、前記第２閉込層上に形成され、単一又は多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層上に形成され、第２導電型の半導体層からなり、レーザ光の光放出面となる表面に前記光伝送線の前記電極が融着される第３閉込層と、を有する。この光通信モジュールは、面発光レーザ及び受光素子は固定部に固定されて、双方向通信を行うための装置として機能する。
【００１０】
第２発明に係る光通信モジュールは、送信側の構成が第１発明に係る光通信モジュールと同様であり、さらに受信側の構成を備えている。このような双方向光通信モジュールに第１発明を適用した場合も、第１発明において述べたと同様の作用効果を奏する。
【００１１】
光伝送線は、光信号を伝送するための光伝送線であって、光伝送部と光閉込部と電極とを備えている。光伝送部は、線状の部材であり、光の導波路として機能する。光閉込部は、光伝送部を覆うように形成される同心円筒状の部材である。電極は、一方の端面において光伝送部が露出されるように当該端面に形成されている。
【００１２】
前記光伝送線を用いると、電極が形成された端面を面発光レーザの光放出面に接触させ、この電極を光放出面に融着させて、第１発明に係る光通信モジュールを形成することができる。
【００１３】
第３発明に係る光通信用モジュールの製造は、面発光レーザと、線状の光伝送部と光伝送部を覆うように形成される同心円筒状の光閉込部とを有する光伝送線とを備える光通信用モジュールを製造する方法であって、前記光伝送線の第１端面において前記光伝送部を露出するように、当該端面に前記面発光レーザの電極を形成する第１段階と、前記面発光レーザの光放出面に電極を融着する第２段階と、を含み、前記面発光レーザは、前記電極を第１電極として用いており、前記光伝送線と対向する面とは反対外の面に形成されている第２電極と、前記第２電極上に形成されている第１導電型の半導体層からなる基板と、前記基板上に形成され、表面上に凹部が所定の間隔で配置された２次元回折格子を有し、前記凹部よりも屈折率が高い第１閉込層と、前記第１閉込層上に形成され、前記第１導電型の半導体層からなる第２閉込層と、前記第２閉込層上に形成され、単一又は多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層上に形成され、第２導電型の半導体層からなり、レーザ光の光放出面となる表面に前記光伝送線の前記電極が融着される第３閉込層と、を有する。
【００１４】
第３発明に係る光通信モジュールの製造方法では、光伝送線の第１端面に電極を形成し、この電極を面発光レーザの光放出面に融着させて一方の電極として機能させる。また、光伝送線の電極が形成される端面では光伝送部が露出させるので、光放出面から出射される光は光伝送部に導かれる。第３発明に係る光通信モジュールの製造方法によれば、第１発明において述べたと同様に、生産性の向上及び高価な光学部品の削減により、光通信モジュールのコストを低減することができる。また、光伝送線の電極を面発光レーザに融着して光伝送線と面発光レーザとを固定するので、両者の固定が安定し、不良品の発生率を低減できる。
【００１５】
第４発明に係る光通信モジュールの製造方法は、第３発明に係る製造方法において、第１段階は第３から第７段階より構成されている。即ち、第３段階では、第１端面にレジスト膜を塗布する。第４段階では、光伝送線の第２端面側から光伝送部に紫外光線を入射してレジスト膜を感光させる。第５段階では、レジスト膜を現像して第１端面に露出する光伝送部上にレジスト膜を残す。第６段階では、第１端面に電極材料を積層する。第７段階では、現像後に残ったレジスト膜をレジスト膜表面の電極材料とともに除去し、光伝送路を露出する。
【００１６】
第４発明に係る光通信モジュールの製造方法では、光伝送部を介してレジスト膜を感光することにより、光伝送部を覆うレジスト膜のみを容易に感光させることができる。
【００１７】
また、第３発明又は第４発明に係る製造方法の第２段階では、一方の電極が形成されていない複数の面発光レーザが形成された半導体ウエハをダイジング又は劈開して、一方の電極が形成されていない複数の面発光レーザを形成し、その後、光伝送線の第１端面に形成された電極と面発光レーザの光放出面とを接触させ、光伝送線及び面発光レーザを加熱して、電極と面発光レーザの光放出面とを融着させるようにしても良い。この場合は、ダイジング又は劈開した面発光レーザの光放出面に光伝送線を融着させれば良く、面発光レーザに光伝送線を効率良く接合することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
〔全体構成〕
図１は、本発明の一実施形態が採用される光通信モジュールの概略構成図である。本実施形態の光通信モジュールは、送信光信号を出射する面発光レーザ１と、受信光信号を受光する受光素子２と、送受信光信号をそれぞれ伝送する送信用光ファイバ３及び受信用光ファイバ４と、光ファイバ４と受光素子２の間に配置され光ファイバ４から出力される受信光信号を受光素子２に集光するためのレンズ５と、面発光レーザ１及び受光素子２が固定されるヘッド６とを備えている。
【００１９】
本実施形態の光通信モジュールでは、送信電気信号が面発光レーザ１の電極に印加されると、面発光レーザ１が送信電気信号を送信光信号に変換して光ファイバ３に出力する。また、受信光信号が光ファイバ４から出力されると、受信光信号はレンズ５を介して受光素子２に集光され、受光素子が受信光信号を受信電気信号に変換する。
【００２０】
〔光ファイバの構成〕
図２は、面発光レーザ１との接続部付近における、光ファイバ３を軸方向に沿って切った断面図（ａ）及び光ファイバ３の面発光レーザ１との接合面（ｂ）である。光ファイバ３は、図２に示すように、光を伝送するための光伝送部としてのコア３１と、コア３１に光を閉じ込める光閉込部としてのクラッド３２とからなっている。また、光ファイバ３には、面発光レーザ１と接合される端面及びこの端面付近の外周面に電極３３が形成されている。この電極３３は、面発光レーザ１のアノード電極として形成される。なお、光ファイバ３の面発光レーザ１との端面ではコア３１が露出されるように、電極３３はドーナツ状に形成され開口部を有している。この開口部を形成することによりコア３１を露出し、面発光レーザ１から出射される光を効率良くコア３１に導入する。
【００２１】
本実施形態の光通信モジュールでは、光ファイバ３に形成された電極３３を面発光レーザ１の光放出面２６（後述）に融着し、この電極３３を面発光レーザ１のアノード電極として用いる。この場合、面発光レーザ１からのレーザ光を光ファイバ３に集光させるためのレンズ等の光学部品が必要なくなり、面発光レーザ１、光ファイバ３及び光学部品のアライメントが不要になる。
【００２２】
〔面発光レーザの構成〕
本実施形態の面発光レーザ１は、図３（ａ）に示すように、基板１０と、第１閉込層１２と、第２閉込層１４と、活性層１６と、第３閉込層１８と、カソード電極２２とを備えている。第３の閉込層１８の表面には、図２に示した電極３３が接合される。また、図３（ｂ）に示すように、第１閉込層１２には、高屈折率の領域の中に低屈折率の凹部２４ａが平面上に一定の間隔をもって形成された２次元回折格子２４が形成されている。
【００２３】
基板１０としては、例えば面方位が（００１）のｎ型ＩｎＰの半導体基板を用いる。第２閉込層１４にはｎ型ＩｎＰの半導体層を用い、第３閉込層１８にはｐ型ＩｎＰの半導体層を用いる。第３閉込層１８の表面は、レーザ光が出力される光放出面２６として機能する。活性層１６は、単一又は多重量子井戸構造とすることができ、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系無歪多重量子井戸構造を用いて、発光波長が１．３μｍ帯の面発光レーザ１を実現することができる。
【００２４】
第１閉込層１２は、高屈折率のIII−V族化合物半導体、例えば、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等を用いることができる。２次元回折格子２４は、図３に示すように、第１閉込層１２の一表面に形成される複数の凹部２４ａにより構成されている。各凹部２４ａの間隔は、活性層１６のエネルギーバンドギャップで規定される光の波長の整数倍になるように形成する。ここで各凹部２４ａは、柱状（例えば、円柱状）の空間部として設ける。各凹部２４ａの屈折率は、第１閉込層１２の屈折率よりも小さくなるように形成する。例えば、凹部２４ａは何も埋め込まず（空気が存在する状態にして）、凹部２４ａの屈折率を第１閉込層１２の屈折率よりも小さくし、両者の屈折率差を大きくする。また、凹部２４ａに低屈折率の誘電体材料（ＳｉＮ膜等）を埋め込んでも良い。このように屈折率差を大きくすると、屈折率の大きい媒質内に光を閉じ込めることができる。
【００２５】
この面発光レーザ１は、電極３３及びカソード電極２２に送信電気信号が印加されて活性層１６にキャリアが注入されると、活性層１６のエネルギーバンドギャップに相当する波長の光が発生する。活性層１６で発生した光は、２次元回折格子２４において位相の揃った光に増幅され、再び活性層１６に入射して誘導放出を引き起こす。この誘導放出光は、再び、２次元回折格子２４において位相の揃った光が増幅され、活性層１６に戻る。このように活性層１６における誘導放出及び２次元回折格子２４における増幅が繰り返され、光放出面２６からレーザ光が出射される。このレーザ光が電極３３の開口部からコア３１に入射し、伝送される。
【００２６】
このように形成された面発光レーザ１では、電極３３の下方の活性層１６の領域にのみキャリアが注入されるが、活性層１６及び２次元回折格子２４が全面に形成されているので、電極３３を光放出面２６のどの部分に融着したとしても、電極３３の下部において同じように発光し、レーザ光が光ファイバ３３のコア３１に導かれる。このため、この面発光レーザ１を用いれば、光ファイバ３を面発光レーザ１に容易に固定することができる。
【００２７】
〔光通信モジュールの製造プロセス〕
以下、図４から図９を参照して、光ファイバ３を面発光レーザ１に接合する方法について説明する。
【００２８】
まず、図４に示すように、光ファイバ３の接合すべき第１端面及び第１端面付近の外周面にレジスト３４（例えば、ＡＺ５２１４Ｅ）を塗布する。本実施形態では、第１端面から軸方向に約５０〜１０００μｍの長さの外周面にレジスト３４を塗布する。次に、図５に示すように、第１端面とは反対の側の第２端面からコア３１に紫外光（波長０．３〜０．４μｍ）を入射し、第１端面のコア３１の表面に塗布されたレジスト３４を感光させる。感光後のレジスト３４を現像液（例えば、ＡＺ３００）により現像し、図６に示すように、レジスト感光部３４ａを残してレジスト３４を剥離させる。その後、図７に示すように、ＩｎＺｎ・ＡｕＺｎ・ＩｎＡｕ等の電極材料を蒸着して電極３３を形成し、残っているレジスト感光部３４ａをその部分の電極材料と共にリフトオフして、図２に示すようにコア３１を露出させる。
【００２９】
図８は、アノード電極以外の各層２２・１０・１２・１４・１６・１８（図３）がこの順番に積層された半導体ウエハ１０である。この半導体ウエハ１０を複数の領域に劈開（又はダイジング）して、アノード電極が形成されていない面発光レーザ１を作成する。
【００３０】
図９（ａ）は、半導体ウエハ１０から劈開された面発光レーザ１と光ファイバ３の断面図であり、図９（ｂ）は、その斜視図である。上述したような工程で電極３３が作成された光ファイバ３を、図９に示すように、面発光レーザ１の光放出面２６に接触させ、その状態でこれらをオーブン等により加熱する。加熱する温度は、約１５０〜６００℃とする。加熱されることにより、電極３３の材料が溶けて光放出面２６に融着される。この電極３３が面発光レーザ１のアノード電極として機能する。さらに、面発光レーザ１と電極３４との固定を高めるために、接続部を樹脂３４により固定する。
【００３１】
〔まとめ〕
この製造方法によれば、光ファイバ３を面発光レーザ１に直接固定するので、レーザ光を集光するためのレンズ等の光学部品が必要なくなり、面発光レーザ１、光ファイバ３及び光学部品のアライメントが不要になり、製造工程が簡素化されて生産性が向上する。
【００３２】
製造工程が大幅に簡素化されて生産性が向上することに加え、レンズ等の高価な光学部品を削減できるので、製造コストを大幅に低減することができる。
さらに、光ファイバ３に形成した電極３３を光放出面２６に融着させるので、面発光レーザ１と光ファイバ３との固定が安定したものとなり、不良品の発生率を大幅に低減することができる。面発光レーザ１及び光ファイバ３を融着した後、接合部をさらに樹脂３４で固定すれば、さらに両者の固定が安定する。
【００３３】
なお、本実施形態の面発光レーザ１では、光放出面２６のどの部分に光ファイバ３を融着させたとしても、光ファイバ３に形成された電極３３の下方において面発光レーザ１が発光し、レーザ光が光ファイバ３のコア３１に導かれる。このため、光ファイバ３を面発光レーザ１に容易に固定できる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、光通信モジュールにおいて、発光素子を光伝送線に直接固定するので、発光素子からの光を光伝送線に集光するための光学部品が不要になり、発光素子、光伝送線及び光学部品のアライメントが必要なくなる。これにより、製造工程が簡素化されて生産性が向上する。また、生産性の向上及び高価な光学部品の削減により、コストの低減を図ることができる。
【００３５】
また本発明によれば、光通信モジュールにおいて、発光素子と光伝送線との固定が安定するので、不良品の発生率を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光通信モジュールの概略構成図。
【図２】送信用光ファイバの断面図（ａ）、第１端面の平面図（ｂ）。
【図３】面発光レーザの斜視図（ａ）、そのI−I’における断面図（ｂ）。
【図４】送信用光ファイバの製造プロセスの説明図（その１）。
【図５】送信用光ファイバのプロセスの説明図（その２）。
【図６】送信用光ファイバのプロセスの説明図（その３）。
【図７】送信用光ファイバのプロセスの説明図（その４）。
【図８】面発光レーザが形成された半導体ウエハ。
【図９】送信用光ファイバと面発光レーザとの融着を説明する断面図（ａ）、その斜視図（ｂ）。
【符号の説明】
１面発光レーザ（発光素子）
２受光素子
３送信用光ファイバ（第１光伝送線）
４受信用光ファイバ（第２光伝送線）
１０半導体ウエハ
２６光放出面
３１コア（光伝送部）
３２クラッド（光閉込部）
３３アノード電極

Claims

線状の光伝送部と、前記光伝送部を覆うように形成される同心円筒状の光閉込部と、一方の端面において前記光伝送部が露出されるように当該端面に形成された電極とを有する光伝送線と、
前記電極と融着されており、前記電極を第１電極として用いる面発光レーザと、
を備え、
前記面発光レーザは、
前記光伝送線と対向する面とは反対外の面に形成されている第２電極と、
前記第２電極上に形成されている第１導電型の半導体層からなる基板と、
前記基板上に形成され、表面上に凹部が所定の間隔で配置された２次元回折格子を有し、前記凹部よりも屈折率が高い第１閉込層と、
前記第１閉込層上に形成され、前記第１導電型の半導体層からなる第２閉込層と、
前記第２閉込層上に形成され、単一又は多重量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層上に形成され、第２導電型の半導体層からなり、レーザ光の光放出面となる表面に前記光伝送線の前記電極が融着される第３閉込層と、
を有する光通信モジュール。
線状の光伝送部と、前記光伝送部を覆うように形成される同心円筒状の光閉込部と、一方の端面において前記光伝送部が露出されるように当該端面に形成された電極とを有する第１光伝送線と、
前記電極と融着されており、前記電極を第１電極として用いる面発光レーザと、
光信号を伝送する第２光伝送線と、
前記第２光伝送線により伝送された光信号を受光する受光素子と、
前記面発光レーザと前記受光素子とを固定するための固定部と、
を備え、
前記面発光レーザは、
前記光伝送線と対向する面とは反対外の面に形成されている第２電極と、
前記第２電極上に形成されている第１導電型の半導体層からなる基板と、
前記基板上に形成され、表面上に凹部が所定の間隔で配置された２次元回折格子を有し、前記凹部よりも屈折率が高い第１閉込層と、
前記第１閉込層上に形成され、前記第１導電型の半導体層からなる第２閉込層と、
前記第２閉込層上に形成され、単一又は多重量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層上に形成され、第２導電型の半導体層からなり、レーザ光の光放出面となる表面に前記光伝送線の前記電極が融着される第３閉込層と、
を有する光通信モジュール。
面発光レーザと、線状の光伝送部と光伝送部を覆うように形成される同心円筒状の光閉込部とを有する光伝送線とを備える光通信用モジュールを製造する方法であって、
前記光伝送線の第１端面において前記光伝送部を露出するように、当該端面に前記面発光レーザの電極を形成する第１段階と、
前記面発光レーザの光放出面に電極を融着する第２段階と、
を含み、
前記面発光レーザは、
前記電極を第１電極として用いており、
前記光伝送線と対向する面とは反対外の面に形成されている第２電極と、
前記第２電極上に形成されている第１導電型の半導体層からなる基板と、
前記基板上に形成され、表面上に凹部が所定の間隔で配置された２次元回折格子を有し、前記凹部よりも屈折率が高い第１閉込層と、
前記第１閉込層上に形成され、前記第１導電型の半導体層からなる第２閉込層と、
前記第２閉込層上に形成され、単一又は多重量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層上に形成され、第２導電型の半導体層からなり、レーザ光の光放出面となる表面に前記光伝送線の前記電極が融着される第３閉込層と、を有する光通信用モジュールの製造方法。
前記第１段階は、
前記第１端面にレジスト膜を塗布する第３段階と、
前記光伝送線の第２端面側から前記光伝送部に紫外光線を入射して前記レジスト膜を感光させる第４段階と、
前記レジスト膜を現像して前記第１端面に露出する光伝送部上にレジスト膜を残す第５段階と、
前記第１端面に電極材料を積層する第６段階と、
前記現像後に残ったレジスト膜をレジスト膜表面の電極材料とともに除去し、前記光伝送路を露出する第７段階と、
を含む請求項３に記載の光通信モジュールの製造方法。