JPH0588051A

JPH0588051A - 光モジユール

Info

Publication number: JPH0588051A
Application number: JP25224191A
Authority: JP
Inventors: Fumihiko Kuroda; 文彦黒田; Masaru Nakamura; 優中村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1991-09-30
Publication date: 1993-04-09

Abstract

(57)【要約】【目的】組立てが容易で光素子と光ファイバの位置合わ
せが自動的に精密に行われる光モジュールを提供するこ
とを目的とする。【構成】光半導体素子保持部材１２は、半導体ウエハ２
１，２２の平滑な表面同志が接合され、そのウエハの表
面から接合面に達する凹部２５が素子搭載部として形成
されて、ここに光半導体素子３３が搭載されている。こ
の光半導体素子保持部材１２と、光ファイバ１０を保持
した光ファイバ保持部材１１とは、これらを貫通する位
置合わせ部材１４により自動的に位置合わせされて結合
されている。電極端子６１を保持した電極端子保持部材
１３も、位置合わせ部材１４によって光半導体素子保持
部材１２と位置合わせされて結合され、電極端子６１が
光半導体素子３３の電極に電気的に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光素子とこれに光結合
する光ファイバと一体化した光モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光モジュールの一例として、半導
体レーザモジュールの例を、図１１に分解斜視図で示
す。半導体レーザチップ１１１はＳｉサブマウント１１
２を介して銅製ステム１１３に接続される。ステム１１
３にはレンズ付きキャップ１１４、スリーブ１１５を介
して、光ファイバ１１６が接続されている。

【０００３】レーザから発する光の広がり角およびファ
イバのコア径は小さいので、これらの間の光結合を良好
なものとするには、それらの間の位置関係を正確に設定
しなければならない。しかし、図１１に示す従来技術で
は、これらの位置関係を制御する機構は存在しない。従
って最後の光ファイバの接続時に、光ファイバからの光
出力をモニタする等して位置合わせをしているのが現状
である。従来の光モジュールではこの位置合わせが最も
手間を要する工程となっている。レーザ及びファイバが
アレイ化されてくると、最後の調整は一層困難となる。

【０００４】この問題を解決するために、例えば図１２
に示す様な構成の光半導体モジュールが提案されている
（特開昭５５−１００５１４号公報参照）。基板１にチ
ップ用合わせマーカ２、ガイドピン用穴３が形成されて
おり、マーカ２に合わせて、発光ダイオードやフォトダ
イオード等の光半導体チップ６がマウントされる。ファ
イバ支持部材７には結合ピン８および光ファイバ１０が
取付けられている。そして、この結合ピン８を基板１の
ガイドピン用穴３に挿入して結合することにより、光半
導体チップ６と、光ファイバ１０の端面９との精密な位
置合わせを容易に行おうとするものである。

【０００５】しかしこの方法にも、改善されるべきいく
つかの問題がある。第１に、マーカ２に合わせて光半導
体チップ６をマウントするのには、熟練が必要である。
熟練したとしても、極めて高精度の位置合わせが要求さ
れるため、正確にマウントするのは困難である。第２
に、基板１のチップ搭載面とファイバとが直交する形で
は、チップ６から外部への電極取出しが容易ではない。
光半導体チップ２には通常２本以上の配線電極が必要で
あり、１本は基板１をグランドとして利用しても、もう
１本は、基板１上に印刷した配線にワイヤボンディング
し、更に外部へのリードを取り出すといった複雑な工程
が必要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この様に光モジュール
では、半導体レーザばかりでなく発光素子一般、受光素
子、光増幅器などの光機能素子、レンズ等といった光素
子と、光ファイバとの精密な位置合わせが重要である
が、従来の光モジュールではそれが困難であった。これ
を容易にしようとした光モジュールでも、まだ精密な位
置合わせは容易ではなく、また電極の取り出しが困難で
あった。この発明は、光素子と光ファイバとの精密な位
置合わせに熟練を必要とせず、かつ電極の取り出しも容
易な光モジュール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】本発明による光モジュー
ルは、光ファイバ保持部材、光素子保持部材、および、
これらの各部材を所定の位置関係で結合するための位置
合わせ部材からなる。光素子保持部材は、光素子搭載部
に凹部が形成されていて、この凹部に光素子が搭載され
る構成とする。光素子保持部材は好ましくは、二枚の半
導体ウェハを接合して、その一方のウェハ表面から接合
部に達する凹部を形成して、これを光素子搭載部とす
る。

【０００８】また光素子からの電極取り出しについて
は、電極端子を保持する電極保持部材が位置合わせ部材
によって光素子保持部材と結合され、電極端子が光素子
の電極に当接して電気的に接続される構成とする。

【０００９】

【作用】光素子保持部材の搭載部である凹部は、通常の
フォトリソグラフィ技術により、正確な位置に容易に形
成できる。とくにこの光素子保持部材に複数の半導体ウ
エハの接合ウェハを用いれば、その接合面でエッチング
を自動的に停止させることも可能であり、凹部の深さも
正確に設定できる。従って、この凹部に光素子を搭載
し、位置合わせ部材を利用して光ファイバ保持部材と結
合することにより、光素子と光ファイバとの位置関係は
自動的に正確に設定される。

【００１０】また光素子の高さが正確に搭載されるの
で、電極保持部材に保持された電極端子を光素子の電極
に当接させるのが容易であり、光素子のモジュール外部
への電極の取り出しに複雑な工程を要しない。これらに
より、簡単な工程で精密に位置合わせされた光モジュー
ルの組み立てが可能となる。

【００１１】

【実施例】図１は、４チャンネルのアレイ化された光フ
ァイバ及び光半導体素子をモジュール化した実施例例で
ある。（ａ）は全体の分解斜視図であり、（ｂ）は断面
図である。全体は、光ファイバ保持部材１１、光半導体
素子保持部材１２、電極保持部材１３、およびこれらを
位置合わせして結合するための位置合わせ部材１４によ
り構成されている。位置合わせ部材１４は、光ファイバ
保持部材１１、光半導体素子保持部材１２および電極保
持部材１３にそれぞれあらかじめあけられた貫通孔に挿
入されてこれらの部材を結合位置関係を規定するピンで
ある。

【００１２】光ファイバ１０、光半導体素子３３、電極
端子６１がそれぞれの光ファイバ保持部材１１，光半導
体素子保持部材１２，電極保持部材１３の正確な位置に
保持されている。とくに光半導体素子保持部材１２は、
後に詳細に説明するように、その搭載部に凹部が形成さ
れていて、ここに光半導体素子３３が素子が搭載されて
いる。したがってこれらの部材を組み合わせるだけで、
光ファイバ１０と光半導体素子３３との光結合、及び光
半導体素子３３と電極端子６１との電気的接続が行われ
る様になっている。

【００１３】光半導体素子保持部材１２、及び位置合わ
せ部材１４には導電性のものが用いられている。光半導
体素子３３に必要な電極の一つを、これらの部材に兼ね
させることができる。従って、外部への電極の取り出し
も容易となる。以下に、各部材の詳細を説明する。

【００１４】図２は、光半導体素子保持部材１２の展開
図である。（１１０）面を主面とするＳｉウエハ２１と
（１００）面を主面とするＳｉウエハ２２との平滑表面
同志が、ＳｉＯ₂膜２３を介して接合されている。この
接合方法については、例えば特開昭６１−５５４４号公
報等に詳しく述べられている。この接合されたウエハ
の、（１１０）面側には同図（ａ）、（１００）面側に
は同図（ｃ）の点線で示すようなマスクパターンを施
し、水酸化カリウムやヒドラジン等を用いて異方性エッ
チングを行う。（１１１）面のエッチング速度は（１０
０）面や（１１０）面に比べて極めて遅く、また深さ方
向のエッチングは間に挟まれたＳｉＯ₂膜２３で自動的
に停止する。従って、それぞれの図の実線で示す様なエ
ッチング形状が得られ、結合部材貫通孔２４および素子
搭載部である凹部２５が形成される。形成される凹部
は、水平方向、深さ方向共に、自動的に正確な形とな
る。

【００１５】図３は、この光半導体素子保持部材１２の
素子搭載部を拡大して示している。（ａ）は素子搭載用
凹部２５の拡大平面図、（ｂ）は断面図である。位置合
わせ部材貫通孔２４、及び素子搭載用の凹部２５の底部
に露出したＳｉＯ₂膜はフッ酸等で取り除かれ、凹部２
５の底には、図３に示すように、ＩｎやＡｕＳｎなどの
ハンダ材３１が、光透過窓３２を残した形で装着され
る。この凹部２５に、面入出力型の光半導体素子３３、
例えばｐｉｎフォトダイオード、発光ダイオード、面発
光レーザ等が搭載される。凹部２５の形状が正確に形成
されているので、光半導体素子３３の位置も自動的に正
確に決定される。

【００１６】光半導体素子３３の発受光面側にはほぼ全
面に渡って電極３４が装着されているが、ハンダ材３１
の光透過窓３２に対応した部分には光透過窓３６が開い
ている。もう一方の面には、アレイ化された４つの素子
に対応した４つの電極３５が装着されている。アレイ化
されていない単素子であれば、電極３５は素子の裏面全
面に装着されていて構わない。また、光透過窓３２，３
６、及び電極３５はここでは円形としているが、多角形
でもよい。

【００１７】Ｓｉは１．１μm 以上の波長光に対しては
透明なので、光通信によく用いられる波長１．３〜１．
５μm の光は、Ｓｉウエハ２１を透過させてファイバと
光結合させることができる。場合によっては、図４(a)
(b) に示す様にウエハ２１側にも光透過窓４１を設けて
もよい。（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。この
場合、光は透過窓４１の壁面で全反射されながら光半導
体素子３３に入出力されるので、素子間のクロストーク
が抑えられ、効率のよい光結合ができる。

【００１８】光半導体素子保持部材１２を構成する半導
体材料は、必ずしもＳｉ同志である必要はない。ＧａＡ
ｓやＩｎＰ等の様々な材料を組み合わせて使用すること
も可能である。あるエッチャントに対してエッチングレ
ートが著しく異なる材料を組み合わせたときには、間に
挟んだＳｉＯ₂膜は必ずしも必要ではない。

【００１９】図１に示した光ファイバ保持部材１１、及
び電極保持部材１３も、上に説明した素子保持部材１２
の貫通孔２４を形成したのと同様の方法で、（１１０）
面を主面とするＳｉウエハを異方性エッチングして製作
することができる。また図５のように、二枚のＳｉ基板
を組み合わせて電極端子保持部材１３および光ファイバ
保持部材１１を構成することができる。（１００）面を
主面とする二枚のＳｉ基板５０に、異方性エッチングで
Ｖ溝を形成して、これを組み合わせることによって、位
置合わせ部材１４の貫通孔、電極端子６１や光ファイバ
１０の保持部が形成される。

【００２０】光ファイバ保持部材１には実際には、リボ
ンファイバ接続用として市販されている、いわゆるＭＴ
コメクタをそのまま利用するのが最も簡便である。図１
３に示す様に、ＭＴコネクタ１３０は、ファイバ挿入孔
１３１および接続ピン挿入孔１３２がそれぞれ必要な大
きさ及び位置関係をもって精密に作られている。このフ
ァイバ挿入孔１３１にファイバを挿入し接着剤を充填す
れば、接着剤の表面張力による調心効果によって、ファ
イバは自動的に挿入孔１３１の中心に固定される。従っ
て、先に述べた素子保持部材１２の、素子搭載用凹部２
５及び位置合わせ部材貫通孔２４の位置を、ファイバ挿
入孔１３１及び接続ピン挿入孔１３２の位置に合わせて
制作しておけば、接続ピンと同じ径に制作された位置合
わせ部材１４と嵌合されるだけで、光半導体素子と光フ
ァイバとの間の正確な光学的結合ができる。

【００２１】電極保持部材１３にも同様に、ＭＴコネク
タを利用できる。この様子を図６に示す。コネクタ１３
０のファイバ挿入孔１３１に、ファイバの外径と同じ径
（１２５μm ）に制作した電極端子６１を挿入し、接着
剤で調心固定する。図に示す様に、電極端子６１の先端
部６２は平坦に加工し、ここにもＩｎやＡｕＳｎなどの
ハンダ材（または導電性樹脂）６３を被着させておく。
既に述べた様に、光半導体素子３３の位置は水平方向、
深さ方向共に正確に定められているので、位置合わせ部
材１４を介して素子保持部材１２と接続するだけで、電
極端子６１の先端部６２を光半導体素子３３の電極３５
に正確に当接させることができる。

【００２２】これらの各部材１１，１２，１３，１４
を、図１（ｂ）の様に組み合わせ、図の上下方向に圧力
を加え、電極端子６１と光半導体素子３３の電極３５と
を接続する。このとき、素子保持部材１２の位置合わせ
部材貫通孔２４内部にも導電性樹脂を充填しておいた方
がよい。ここに金属膜を被着させておくことを可能であ
る。電極保持部材１３にＭＴコネクタ自身ではなく、半
導体ウエハ、または金属、セラミックス等を加工したも
のを用いれば、ハンダ材６３の融点まで昇温できるの
で、電気的接続が確実となる。

【００２３】全体の接続の保持は、適当な治具を用いた
機械的な保持でよいが、部材ごとに接着、または溶接を
行ってもよい。特に素子保持部材と電極保持部材を接着
または溶接したときは、素子の気密封止が可能となる。
もちろん、全体を樹脂モールドする、または金属パッケ
ージに納めるなどしてもよい。

【００２４】この発明の応用として、レンズ等の他の光
学素子もこのモジュールに組み込むこともできる。その
例を図７に示す。素子保持部材１２は、図２に示したＳ
ｉウエハ２１，２２の他に、更に（１００）面を主面と
するＳｉウエハ７１が、ＳｉＯ₂膜７３を介して接合さ
れている。またレンズ保持部材７６として、（１１０）
面を主面とするＳｉウエハ７２と（１００）面を主面と
するＳｉウエハ７４とが、ＳｉＯ₂膜７５を介して接合
されている。これらに所定のパタンニングを施して異方
性エッチングを行うと、図の様なレンズ保持用凹部７７
が得られる。

【００２５】凹部７７の斜面の角度は決まっているの
で、パタンニングの大きさおよびＳｉウエハ７１，７４
の厚さを選ぶことにより、球レンズ７８の、光半導体素
子３３および光ファイバ１０からの距離を、それぞれ正
確に設定することができる。もちろん、レンズは球レン
ズではなくロッドレンズやアレイ化レンズでも構わない
し、Ｓｉウエハ２１に図４と同様の光透過窓を設けても
よいのは言うまでもない。Ｓｉウエハ７１は必ずしもＳ
ｉウエハ２１に接着されていなくともよく、別のウエハ
に接着されていてレンズ保持部材として独立していても
よい。

【００２６】また、光半導体素子の一種として、光増幅
素子、光スイッチング素子、光変調素子といった光機能
素子もこのモジュールに組み込むことができる。この様
子を図８（ａ）に示す。光機能素子８１は、素子保持部
材１２と同様にして形成された光機能素子保持部材８３
に保持されている。そしてこの光機能素子保持部材８３
を、光ファイバ保持部材１１と素子保持部材１２との間
に挿入して用いる。同図（ｂ）の様に、二つの光ファイ
バ保持部材１１同志を突き合わせた間に挿入して用いて
もよい。また同図（ｃ）の様に、１つの素子保持部材１
２の中に、光半導体素子と光機能素子とを組み合わせて
用いることも可能である。

【００２７】いずれの場合でも、増幅や変調、スイッチ
ングといった機能を持ったモジュールが、小型に形成で
きる。ただし、光半導体素子３３へ接続される電極端子
６１とは別に、光機能素子８１へ信号を供給する電極端
子８２を引き出す必要がある。この電極端子８２は、他
の部材表面にはわせるか、または組み込んでもよい。

【００２８】図１では、光半導体素子３３は素子保持部
材１２のファイバ保持部材１１の反対側に搭載している
が、図９の様に、同じ側に搭載することも可能である。
その場合は電極の引き出しがやや困難となり、ファイバ
保持部材１１に電極端子を組み込む等の工夫が必要とな
る。また図２では、位置合わせ部材貫通孔２４は素子保
持部材１２の両面からパタンニングしているが、（１０
０）Ｓｉウエハ２２側からエッチングを行い、底面に露
出したＳｉＯ₂膜を除去した後、続けてエッチングを行
うことも可能である。この場合、位置合わせ部材とのは
めあいをよくするために、Ｓｉ基板２１と２２との結晶
方位をよく合わせる必要がある。

【００２９】素子保持部材１２とファイバ保持部材１１
の間に適当なスペーサを挟んでおくと、素子保持部材と
の摩擦によってファイバ端面に傷がつくことを防ぐこと
ができる。図１０にスペーサの一例を示す。スペーサ１
０１には図示のように各素子に対応する光透過孔および
位置合わせ部材貫通孔１０３が形成されている。スペー
サ１０１の材料がステンレスやセラミックス等のとき、
このように各素子ごとに光透過窓１０２を設けておけ
ば、光のクロストークを防ぐことができる。またスペー
サ１０１の材料として透明樹脂や半導体を用いたとき、
機械加工または不純物の拡散等により、光透過窓の位置
にレンズやグレーディングを形成することもできる。

【００３０】以上は４チャンネル光半導体素子アレイモ
ジュールについて詳しく説明してきたが、アレイ数は４
チャンネルに限られるものではない。必ずしも光ファイ
バ保持部材や電極保持部材にＭＴコネクタを用いる必要
はないのは前にも説明した通りである。各部材の材料も
Ｓｉに限られるものではない。以上の例の他にも、この
発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の応用、変形が可
能である。

【００３１】

【発明の効果】この発明により、組み立てが容易で、光
素子と光ファイバの位置合わせが自動的に精密に行われ
る光モジュールが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例の光モジュールを示す斜視図
と断面図。

【図２】同実施例の光半導体素子保持部材の構成を示す
図。

【図３】同光半導体素子保持部材の素子搭載部の構成を
拡大して示す図。

【図４】光半導体素子保持部材の他の構成例を示す図。

【図５】光ファイバ保持部材および電極保持部材の構成
例を示す図。

【図６】ＭＴコネクタを用いた電極保持部材の構成例を
示す図。

【図７】この発明の別の実施例の光モジュールの要部構
成示す図

【図８】この発明のさらに別の実施例の光モジュールの
構成を示す図。

【図９】この発明のさらに別の実施例の光モジュールの
要部構成を示す図。

【図１０】部材間に挿入するスペーサの構成例を示す
図。

【図１１】従来の光モジュールの分解斜視図。

【図１２】従来の光モジュールの他の構成例を示す図。

【図１３】市販のＭＴコネクタを示す斜視図。

【符号の説明】

１０…光ファイバ、１１…光ファイバ保持部材、１２…
光半導体素子保持部材、１３…電極保持部材、１４…位
置合わせ部材、２１，２２，…Ｓｉウエハ、２５…素子
搭載用凹部、３３…光半導体素子、３５…電極、６１…
電極端子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバを保持する光ファイバ保持部材
と、光素子を凹部をなす搭載部に保持する光素子保持部材
と、これらの光ファイバ保持部材と光素子保持部材を、前記
光ファイバと光素子とが光結合するように位置合わせす
る位置合わせ部材と、を備えたことを特徴とする光モジ
ュール。
【請求項２】電極端子を保持する電極保持部材が前記位
置合わせ部材によって前記光素子保持部材と位置合わせ
されて結合され、前記電極端子が前記光素子の電極に当
接して電気的に接続されていることを特徴とする請求項
１記載の光モジュール。