JP5908698B2 - レーザ光源およびレーザ光源の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板上にレーザ素子と、光導波路と、波長変換素子が搭載されたレーザ光源およびレーザ光源の製造方法に関する。

半導体基板等の基板に光導波路を形成し、また、基板上にレーザ素子と光学素子を配置して所定波長のレーザ光を出力するレーザ光源がある（下記特許文献１参照。）。光学素子としては、光導波路に分極反転により波長変換する波長変換素子が用いられ、基板上に全ての素子が配置され、光導波路に対して直接、光学素子を光結合させることにより、全体の小型化が図られている。

特開２００８−２６１９４２号公報

しかしながら、上述したレーザ光源では、光導波路と光学素子とを精度よく位置決めすることができず、結合損失が生じ、結果としてレーザ光源ごとに光出力にばらつきが生じた。すなわち、光導波路は、フォトリソグラフィおよびエッチング等により、基板上に精度よく形成することができる。この一方、レーザ素子、および波長変換素子は、外径加工精度、特に光軸方向の長さは、光導波路の精度に比べて低い。

このため、上記特許文献１に記載の構成のように、波長変換素子の端部の位置が異なると、正確な位置に形成されている光導波路の端部と精度よく光結合させることができない。具体的に説明すると、特許文献１に記載の技術によれば、基板上で光導波路の両端部の位置は正確に位置決めして形成できる。また、基板の端部に配置されるレーザ素子については、光軸方向の長さにばらつきがあっても、光導波路の一端部とだけ光結合させるため、光導波路と、レーザ素子との間の光結合を良好におこなえる。

しかしながら、波長変換素子の光軸方向の長さにばらつきがあると、光導波路端部側の波長変換素子の位置が精度よく位置決めできないことになり、波長変換素子と、光導波路間の光結合を良好におこなうことができない。特許文献１に記載の構成では、波長変換素子を１個だけ配置する構成例であるが、たとえばＲＧＢ光のそれぞれに波長変換素子を設け、計３個配置する構成も考えられ、この場合には、各波長変換素子と光導波路との光結合を良好におこなうことができない。このように、予め基板上に精度よく光導波路の端部を位置決めして形成できたとしても、基板に搭載する光学素子の光軸方向の長さの精度が出ていないときには、結果として、光結合に損失が生じる問題を生じた。

本発明は、上述の従来技術による問題点を解消するため、光学部品の外径精度に誤差があっても、基板上に形成された光導波路との間の光結合を低光損失で簡単に結合できるレーザ光源およびレーザ光源の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるレーザ光源は、複数のレーザ素子と、各前記レーザ素子のレーザ光を合波する結合器を有する導波路部と、少なくとも一つの前記レーザ素子のレーザ光を波長変換して出射する波長変換素子と、前記導波路部で合波後の前記レーザ光の光レベルを検出する光検出器と、が同一の基板上に配置されたレーザ光源において、複数の前記レーザ素子は、異なる波長のＩＲ光または可視光からなり、複数の前記レーザ素子の異なる波長のレーザ光は、前記導波路部を導波した後、合波されて前記波長変換素子に入射し、前記波長変換素子は、複数の前記レーザ素子の異なる波長のＩＲ光または可視光からなる合波されたレーザ光を波長変換して可視光として出射し、前記レーザ素子と、前記波長変換素子と、前記光検出器は、前記導波路部の端部位置を基準として位置決めされ、前記基板上に配置されることを特徴とする。

また、前記レーザ素子と、前記波長変換素子と、前記光検出器は、前記導波路部の端部に直接光結合されることを特徴とする。

上記の構成により、導波路部にレーザ素子および波長変換素子を低損失で効率よく光結合させることができるとともに、光軸方向の寸法サイズを小型化でき、レンズ等が不要で部品点数を削減できコストを安価にできる。

また、前記レーザ素子と、前記波長変換素子と、前記光検出器は、表面活性化接合により前記基板に固定されることを特徴とする。

上記の構成により、基板上へのレーザ素子および波長変換素子の配置を容易かつ、正確に位置決めできる。

本発明によれば、光学部品の外径精度に誤差があっても、基板上に形成された光導波路との間の光結合を低光損失で簡単に結合できるという効果を奏する。

実施の形態１にかかるレーザ光源の構成を示す平面図である。 図１に示したレーザ光源のａ−ａ線断面図である。 レーザ光源の製造工程を示す図である（その１）。 レーザ光源の製造工程を示す図である（その２）。 レーザ光源の製造工程を示す図である（その３）。 レーザ光源の製造工程を示す図である（その４）。 レーザ光源の製造工程を示す図である（その５）。 レーザ光源の製造工程を示す図である（その６）。 レーザ光源の製造工程を示す図である（その７）。 レーザ光源の製造工程を示す図である（その８）。 レーザ光源の製造工程を示す図である（その９）。 レーザ光源の製造工程を示す図である（その１０）。 レーザ光源の製造工程を示す図である（その１１）。 レーザ光源の製造工程を示す図である（その１２）。 レーザ光源の製造工程を示す図である（その１３）。 実施の形態２にかかるレーザ光源の構成を示す平面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかるレーザ光源の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
（レーザ光源の構成）
図１は、実施の形態１にかかるレーザ光源の構成を示す平面図である。このレーザ光源１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成する導波路部（光導波路）１０３と、基板１０１上に配置（搭載）される光学素子とを有する。光学素子は、レーザ素子１０２と、光波長の変換をおこなう波長変換素子１０４と、を有する。波長変換素子１０４は、基板に対して水平方向に分極反転が形成されたｘ−Ｃｕｔあるいはｙ−Ｃｕｔの周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）基板からなる。

図１では説明を簡単にするために、光導波路１０３を直線状に１本だけ設けて記載してあるが、後述する実施の形態２で説明するように、並列して複数の光導波路１０３を設け、さらには、直線状以外の曲げ部を有する構成としてもよい。

基板１０１は、たとえばシリコン（Ｓｉ）等の半導体材質や金属、樹脂等よりなり、表面には、たとえば窒化シリコン（ＳｉＮ）等の材質からなる光導波路１０３が設けられる。この光導波路１０３は、後述する製法により形成され、両端部１０３ａ，１０３ｂの位置は、精度よく位置決めして設けることができる。

基板１０１上において、光導波路１０３の一端部（光入射側）１０３ａには、レーザ素子１０２の光出射端が位置決めして実装される。これにより、レーザ素子１０２から出射される光は、直接結合により効率よく光導波路１０３に光結合され、光導波路１０３に入射させることができる。

また、基板１０１上において、光導波路の他端部（光出射側）１０３ｂには、波長変換素子１０４の光入射端が位置決めして実装される。これにより、光導波路１０３の他端部１０３ｂから出射される光は、直接結合により効率よく波長変換素子１０４に光結合され、波長変換素子１０４に入射させることができる。この波長変換素子１０４は、外径寸法（光軸方向の長さ、幅、高さ）にばらつきがあり、光導波路１０３の位置決め精度に比して大きな誤差を有している。

図２は、図１に示したレーザ光源のａ−ａ線断面図である。基板１０１の表面（上面）には、ＳｉＯ₂膜（シリコン酸化膜）１０１ａが形成される。このＳｉＯ₂膜１０１ａ上には、光導波路１０３を形成する位置以外の位置、すなわち、光導波路１０３の両端部には、微細な突起（マイクロバンプ）１１１ａを有する電極１１１がそれぞれ形成される。電極１１１上には、それぞれレーザ素子１０２の電極１０２ａ、および波長変換素子１０４の電極１０４ａが常温活性化接合により実装される。

上記の波長変換素子１０４としては、ＱＰＭ（Ｑｕａｓｉ Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）素子、ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子等があり、ＳＨＧである場合、ＳＨＧレーザ光源を構成できる。そして、レーザ素子１０２と波長変換素子１０４とを光導波路１０３を介して、いずれも直接結合により、近接させて結合できるようになるため、低コスト化と、光軸方向の大きさの小型化が達成できるようになる。

（レーザ光源の製造工程）
つぎに、上記レーザ光源１００の製造工程について説明する。図３−１〜図３−１３は、それぞれレーザ光源の製造工程を示す図である。はじめに、図３−１に示すように、光軸方向に所定の長さを有するＳｉ等の基板１０１を形成する。この基板１０１の表面（上面）にＳｉＯ₂膜（酸化膜）１０１ａを形成する。ＳｉＯ₂膜１０１ａは、熱酸化膜あるいはプラズマＣＶＤ膜とすることができ、１〜２μｍ程度の膜厚とする。

つぎに、図３−２に示すように、基板１０１上に光導波路１０３を形成するための形成材料、たとえば窒化シリコン膜（ＳｉＮ）をプラズマＣＶＤ等によって形成する。ＳｉＮ膜の膜厚は、たとえば、３μｍ程度とする。この後、図３−３に示すように、光導波路１０３の形成材料上にレジスト１２０の塗布によりレジストパターンを形成する。

そして、図３−４に示すように、光導波路１０３の光軸の長さ、すなわち、両端部１０３ａ，１０３ｂの位置に合わせてレジスト１２０を取り除き、残ったレジストパターンをマスクとしてＳｉＮ膜をエッチング（ドライまたはウェット）する。これによって、基板１０１上に両端部１０３ａ，１０３ｂが高精度に位置決めされた状態で光軸方向に所定の長さの光導波路１０３が形成される。この後、図３−５に示すように、光導波路１０３上のレジスト１２０を除去する。この光導波路１０３は、リッジ型光導波路を例に説明したが、これに限らず、プロトン交換法により、光導波路１０３を形成する構成とすることもできる。

つぎに、図３−６に示すように、基板１０１上に電極１１１の形成材料、たとえばＡｕを積層形成する。そして、図３−７に示すように、基板１０１上で電極１１１を形成する位置（図２に示したレーザ素子１０２、および波長変換素子１０４の搭載位置）にレジスト１２０を塗布する。この後、図３−８に示すように、レジスト１２０をマスクとしたエッチングをおこなうことにより、基板１０１上のレーザ素子１０２、および波長変換素子１０４の搭載位置に電極１１１が形成される。

この後、電極１１１上に微細な突起（マイクロバンプ）１１１ａを形成するため、レジスト１２０上にマイクロバンプ形成用のマスク（不図示）を載せる。このマスクは、マイクロバンプを形成するための微細な円形状の開口（たとえばφ５μｍ）が形成されてなる。そして、紫外線照射することにより、図３−９に示すように、レジスト１２０にマイクロバンプに対応して開口されたレジストパターンが形成される。

この後、マスクを取り外し、図３−１０に示すように、レジスト１２０の上部からハーフエッチングする。これにより、レーザ素子１０２、波長変換素子１０４の電極１１１の表面には、Ａｕ膜の厚さ方向に所定深さを有する段差部１１１ｂが形成される。そして、図３−１１に示すように、レジスト１２０を除去することにより、除去した部分には、多数のマイクロバンプ１１１ａが形成される。

マイクロバンプ１１１ａは、たとえば、高さ２μｍで直径５μｍの円柱状の突起が１０〜２５μｍピッチで左右均等に複数配置されたものである。なお、突起の形状、高さ、幅、ピッチ等は一例であって、上記に限定されるものではない。マイクロバンプ１１１ａは、スパッタリングあるいは蒸着またはメッキ等の手法によって形成された電極１１１上にハーフエッチングによって成形されているため、マイクロバンプ１１１ａに含まれる全ての突起の高さを高精度に均一化することができる。

以下、光学素子（レーザ素子１０２と、波長変換素子１０４）の実装にあたり、マイクロバンプ１１１ａの表面を覆っている酸化膜またはコンタミ等の不活性層を、プラズマ洗浄処理することによって表面活性化をおこなう。表面活性化によって、表面エネルギーの高い原子同士を接触させることができるので、原子間の凝着力を利用して常温で強固に接合することが可能となる。本接合方法は、特別な加熱を要しないことから、熱膨張係数差の残留応力による各部品の位置ずれが発生しにくく、高精度の位置決め実装をすることができる。また、熱膨張係数差の残留応力による部品破壊が発生しにくい、部品に対するストレスがなく機能劣化が少ない、等の利点も備えている。

そして、図３−１２に示すように、レーザ素子１０２を光導波路１０３の一端側において、電極１１１上の表面活性化されたマイクロバンプ１１１ａ上に実装する。レーザ素子１０２の接合面（下面）にも、Ａｕ膜からなる電極１０２ａが形成され、その表面は活性化処理が施されている。したがって、マイクロバンプ１１１ａの上部に所定の荷重を加えてレーザ素子１０２を実装するだけで、レーザ素子１０２はマイクロバンプ１１１ａ上に表面活性化接合して固定される。

この際、レーザ素子１０２下面には図示しないアライメントマークを形成し、基板１０１側のアライメントマークを基準にレーザ素子１０２のＸ軸，Ｙ軸方向の位置決めをおこなう。また、レーザ素子１０２は、マイクロバンプ１１１ａを介して駆動電流の供給を受けるように構成することができる。その際には、マイクロバンプ１１１ａを形成するための電極１１１に駆動電流の供給用の所定のパターンニングが施されるようにすればよい。

つぎに、図３−１３に示すように、波長変換素子１０４を光導波路１０３の他端側において、電極１１１上の表面活性化されたマイクロバンプ１１１ａ上に調芯実装する。波長変換素子１０４の接合面にも、Ａｕ膜からなる電極１０４ａが形成され、その表面は活性化処理が施されている。したがって、マイクロバンプ１１１ａの上部に所定の荷重を加えて波長変換素子１０４を実装するだけで、波長変換素子１０４はマイクロバンプ１１１ａを潰し、電極１１１に対して表面活性化接合して固定される。

波長変換素子１０４の調芯時においても、波長変換素子１０４の下面には、図示しないアライメントマークが形成されており、基板１０１側のアライメントマークを基準に波長変換素子１０４のＸ軸，Ｙ軸方向の位置決めをおこなう。上述したレーザ素子１０２、および波長変換素子１０４の実装は、不図示の電子部品を回路基板上に装着する調芯実装装置によりおこなう。

この際、レーザ素子１０２から出射されたレーザ光の出力レベル、光導波路１０３の出射端での光レベル、波長変換素子１０４の出射端での光レベルをそれぞれ検出して、結合状態が最適となるように平面のＸ軸，Ｙ軸および高さのＺ軸等の調整をし、マイクロバンプ１１１ａを潰す圧力を調整して接合させる。

以上説明した実施の形態１によれば、光導波路１０３の両端部１０３ａ，１０３ｂの位置を基準として、レーザ素子１０２（光出射端）、および波長変換素子１０４（光入射端）を位置決めして搭載することにより、レーザ素子１０２と光導波路１０３との間の光結合、および光導波路１０３と波長変換素子１０４との間の光結合について、いずれも高精度に結合させることができる。

そして、光導波路１０３の両端部１０３ａ，１０３ｂの位置が正確であるため、レーザ素子１０２、および波長変換素子１０４の光軸方向の長さにばらつきがあっても、ばらつきがある光学素子の影響が積算されることが無く、この光軸方向に沿って光導波路１０３を中心として配置された複数の光学素子（レーザ素子１０２〜光導波路１０３〜波長変換素子１０４）間の光結合を精度よくおこなえるようになる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２にかかるレーザ光源の構成を示す平面図である。実施の形態２では、光学素子として、Ｒ，Ｇ，Ｂ用のＩＲ光を出射する複数のレーザ素子１０２と、少なくとも一つのレーザ素子１０２のレーザ光を波長変換して出射する一つ以上の波長変換素子１０４と、光検出器（ＰＤ）１０５とからなる。

基板１０１は、これらの光学素子を搭載するため、所定幅および長さを有し、実施の形態１に比して幅広に形成されている。この基板１０１上には実施の形態１と同様の製法にて光導波路１０３が形成されている。この光導波路１０３は、一端部１０３ａ（１０３ａａ〜１０３ａｃ）が各レーザ素子１０２（１０２ａ〜１０２ｃ）の光出射端（位置Ｌ１）に位置するよう精密に形成される。他端部１０３ｂａについては、位置Ｌ２（光検出器１０５ａの光入射端）に位置するよう精密に形成され、他端部１０３ｂｂ，１０３ｂｃについては、位置Ｌ３（光検出器１０５ｂおよび波長変換素子１０４の光入射端）に位置するよう精密に形成される。

この光導波路１０３は、途中位置に所定の結合長を有する結合器１０３ｃａ，１０３ｃｂが設けられている。結合器１０３ｃａでは、Ｒ，Ｇ用のレーザ素子１０２ａ，１０２ｂの波長の光を合波出力し、結合器１０３ｃｂでは、結合器１０３ｃａで結合後のＲＧ用のレーザ素子１０２ａ，１０２ｂの波長の光と、Ｂ用のレーザ素子１０２ｃの波長の光とを合波出力する。

これにより、光検出器１０５ａは、ＲＧのレーザ素子１０２ａ，１０２ｂの波長の光レベルを検出する。また、光検出器１０５ｂは、ＲＧＢのレーザ素子１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの波長の光レベルを検出する。この実施の形態２では、波長変換素子１０４は、合波されたレーザ素子１０２ａ〜１０２ｃのＲＧＢ用のＩＲレーザ光に対する波長変換をおこなう。上記構成に限らず、たとえば、Ｇ用のレーザ素子１０２ｂだけがＩＲレーザ素子であり、他のＲＢ用のレーザ素子１０２ａ，１０２ｃは、直接発光のレーザ素子を用いる構成としてもよい。

このように、複数の光学素子が搭載される実施の形態２の構成においても、光導波路１０３の一端部１０３ａ、および他端部１０３ｂは精密に位置決めして形成できる。そして、光導波路１０３の一端部１０３ａに複数のレーザ素子１０２ａ〜１０２ｃを直接結合させるよう精密に搭載でき、他端部１０３ｂに光検出器１０５ａ、および光検出器１０５ｂと波長変換素子１０４を直接結合させるよう精密に搭載することができる。

したがって、実施の形態２によれば、光導波路１０３の両端部１０３ａ，１０３ｂの位置を基準として、レーザ素子１０２（光出射端）、および波長変換素子１０４（光入射端）を位置決めして搭載することにより、レーザ素子１０２と光導波路１０３との間の光結合、および光導波路１０３と波長変換素子１０４との間の光結合について、いずれも高精度に結合させることができる。

そして、光導波路１０３の両端部１０３ａ，１０３ｂの位置が正確であるため、レーザ素子１０２、波長変換素子１０４、光検出器１０５の光軸方向の長さにばらつきがあっても、ばらつきがある光学素子の影響が積算されることが無く、この光軸方向に沿って光導波路１０３を中心として配置された複数の光学素子（レーザ素子１０２〜光導波路１０３〜波長変換素子１０４、およびレーザ素子１０２〜光導波路１０３〜光検出器１０５）間の光結合を精度よくおこなえるようになる。

以上のように、本発明にかかるレーザ光源は、レーザ素子と、導波路部と、波長変換素子等の光学素子を介して光を出射するレーザ光源に有用であり、特に、光通信システムにおける光源に適している。

１００ レーザ光源
１０１ 基板
１０２（１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ） レーザ素子
１０３ 光導波路
１０３ａ 一端部
１０３ｂ 他端部
１０３ｃａ，１０３ｃｂ 結合器
１０４ 波長変換素子
１０５（１０５ａ，１０５ｂ） 光検出器
１１１ 電極
１１１ａ マイクロバンプ
１２０ レジスト

Claims (4)

1. 複数のレーザ素子と、各前記レーザ素子のレーザ光を合波する結合器を有する導波路部と、少なくとも一つの前記レーザ素子のレーザ光を波長変換して出射する波長変換素子と、前記導波路部で合波後の前記レーザ光の光レベルを検出する光検出器と、が同一の基板上に配置されたレーザ光源において、
   複数の前記レーザ素子は、異なる波長のＩＲ光または可視光からなり、
   複数の前記レーザ素子の異なる波長のレーザ光は、前記導波路部を導波した後、合波されて前記波長変換素子に入射し、
   前記波長変換素子は、複数の前記レーザ素子の異なる波長のＩＲ光または可視光からなる合波されたレーザ光を波長変換して可視光として出射し、
   前記レーザ素子と、前記波長変換素子と、前記光検出器は、前記導波路部の端部位置を基準として位置決めされ、前記基板上に配置される
   ことを特徴とするレーザ光源。
2. 前記レーザ素子と、前記波長変換素子と、前記光検出器は、前記導波路部の端部に直接光結合される
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
3. 異なる波長のＩＲ光または可視光を出射する複数のレーザ素子と、各前記レーザ素子のレーザ光を合波する結合器を有する導波路部と、少なくとも一つの前記レーザ素子のレーザ光を波長変換して可視光として出射する波長変換素子と、前記導波路部で合波後の前記レーザ光の光レベルを検出する光検出器と、が同一の基板上に配置されたレーザ光源の製造方法において、
   前記レーザ素子と、前記波長変換素子と、前記光検出器とを、前記導波路部の端部位置を基準として位置決めして前記基板上に配置した、
   ことを特徴とするレーザ光源の製造方法。
4. 前記レーザ素子と、前記波長変換素子と、前記光検出器とを、表面活性化接合により前記基板に固定した、
   ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ光源の製造方法。

Images