JPH06120564A - 光ファイバ付き半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 端面発光型半導体素子と光ファイバとの位置
合わせを工夫することにより、小型で低コストな光伝送
モジュールを実現させることが可能な光ファイバ付き半
導体装置及びその製造方法を提供する。 【構成】 発光部３を複数個有する端面発光型半導体素
子１の発光部３の発光方向Ｘに光ファイバを結合させる
ことにより、発光部３により発光された光を光ファイバ
内に伝送する光ファイバ付き半導体発光装置において、
端面発光型半導体素子１をその発光部３の発光方向Ｘに
対して垂直方向に分断して切断面４を形成し、この切断
面４を結合すべき光ファイバとの組付けの際の位置合わ
せを行う光結合位置合わせ面４に設定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信や光ＬＡＮ、さ
らには光伝送モジュールとして利用される光ファイバ付
き半導体装置及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来における光通信用光モジュールとし
ては、長距離、中短距離用、さらには高信頼性な伝送を
可能とするために、半導体発光素子と光ファイバとを用
途に応じて種々組み合わせて用いている。半導体発光素
子としては一般的に半導体レーザと発光ダイオードとが
用いられている。また、光ファイバとしてはシングルモ
ード型や面発光型等が用いられている。

【０００３】長距離用の伝送を行う場合には、半導体レ
ーザとシングルモード型光ファイバとの組合せで用いら
れている。この場合、両方の素子の効率の良い光結合を
実現するために、光ファイバとしてレンズ機能を付加さ
せた先球ファイバを用い、その光ファイバの固定及び半
導体レーザとの高精度な位置合わせを行わせるためにＳ
ｉ−Ｖ溝（電子通信学会、Ｓ５６、Ｎｏ．１８１５等）
を採用しているのが一般的に行われている。また、半導
体レーザとシングルモード型光ファイバとを組付け時の
製造方法としては、ステレオ顕微鏡等を用いた精密合わ
せが必要となる（信学技報、Ｖｏｌ．９１、Ｎｏ．１９
７等）。

【０００４】また、中短距離用の伝送を行う場合には、
面発光型発光ダイオード（以下、面発光ＬＥＤと呼ぶ）
とマルチモードファイバとの組合せが用いられている。
この場合、マルチモードファイバのカップリングについ
ては、コア径が大きい（５０μｍ程）ことから、シング
ルモードの場合よりも精度はそれほど要求されないが、
従来使用されている面発光ＬＥＤの放射パターンが完全
拡散であることや、発光パワーが十分得られず受光側の
出力信号のＳ／Ｎが確保できないことから、発光面とフ
ァイバの入力面とを近接させる等の何らかの工夫が必要
となる。

【０００５】発光素子の発光部の発光面と光ファイバの
端面との位置合わせに関しては、ファイバをフェルール
等で一体化成形して構成し、ガイドピンで発光側のモジ
ュールと結合させ、これにより位置合わせを行っている
のが一般的である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】長距離用の半導体発光
素子としては、半導体レーザを一般的に用いているが、
高信頼性が要求されることから、温度変化による駆動電
流変動に対する制御（オートパワーコントロール）や熱
対策が必要となり、これにより構成が複雑化する。一
方、短距離用の半導体発光素子としては、発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）の面発光タイプが一般的に用いられている
が、光伝送システム上から必要とされる光出力の高出力
化や応答速度の高速化を図るような場合には、通常のプ
レーナ構造により製造されるＬＥＤは使用されず、例え
ば注入電流の狭窄構造を施して電流広がりや寄生容量を
なくしたメサ構造のＬＥＤなどの複雑な構造をもつＬＥ
Ｄを用いなければならない。また、光ファイバとのカッ
プリングに際しても面発光であるためモジュール構造上
何らかの工夫が必要となり、さらに、ガイドピン等によ
る位置合わせも、モジュールとしての機械的な寸法精度
が必要となり製作工程が複雑化する。

【０００７】また、従来から光結合損失を低減するため
に用いられている先球加工を施したシングルモードファ
イバは、多芯構造にした場合、その先球径を多芯に渡っ
て均一に製作したり、半導体レーザアレイの発光面に対
して光軸方向のファイバ先端の位置決めを精度良く均一
に制御することや生産技術に関する課題を解決すること
が難しく、その結果、光信号をパラレルに伝送する場
合、多芯の個々のカップリング効率が異なってしまい、
各チャンネルを伝送する光信号間に光パワーの差が生じ
て信号として検出できなかったり、検出レベルの補正を
行う必要があり面倒であった。

【０００８】さらに、半導体発光素子アレイとファイバ
アレイとを高精度に位置決めするために、従来の半導体
プロセスを使用できるＳｉ製Ｖ溝ガイドを用いている
が、その製造にはＫＯＨ溶液による長時間の異方性ウェ
ットエッチングを行わなければならず生産効率が悪く、
しかも、伝送モジュール製作時においても、各モジュー
ルについて少なくとも１個は必要となり、上述したファ
イバの装着工程の高精度さが要求されること等を考え合
わせると、モジュール全体のコストアップにつながる結
果となる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、発光部を複数個有する端面発光型半導体素子の前記
発光部の発光方向に光ファイバを結合させることによ
り、前記発光部により発光された光を前記光ファイバ内
に伝送する光ファイバ付き半導体発光装置において、前
記端面発光型半導体素子をその発光部の発光方向に対し
て垂直方向に分断して切断面を形成し、この切断面を前
記結合すべき光ファイバとの組付けの際の位置合わせを
行う光結合位置合わせ面に設定した。

【００１０】請求項２記載の発明では、発光部を複数個
有する端面発光型半導体素子と、前記発光部から発光し
た光が入射する光ファイバとを備え、前記端面発光型半
導体素子の発光部の発光面と前記光ファイバの端面とを
突き合わせて結合させ、これら結合された前記端面発光
型半導体素子と前記光ファイバとを基盤面上に一体的に
組付けた。

【００１１】請求項３記載の発明では、請求項１記載の
発明において、少なくとも、発光部を複数個有する端面
発光型半導体素子側に、この素子と結合すべき光ファイ
バとの位置合わせを行うための位置合わせマークを形成
したことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ付き半
導体装置。

【００１２】請求項４記載の発明では、請求項１又は３
記載の発明において、発光部を複数個有する端面発光型
半導体素子として発光ダイオードアレイを用いた。

【００１３】

【作用】請求項１記載の発明においては、端面発光型半
導体素子の切断面を光結合位置合わせ面とすることによ
り、結合すべき光ファイバとの位置合わせを簡単に行う
ことができ、しかも、これにより従来の量産性が今だ確
立されていない先球ファイバを用いる必要がなくなり、
生産性を改善させることができる。

【００１４】請求項２記載の発明においては、モジュー
ルに装着する前の段階で端面発光型半導体素子と光ファ
イバとの光軸合わせを確実に行うことが可能となり、し
かも、モジュールへの装着が簡単にできるような製造方
法をとるため、組付け時の部品点数を低減させ、組立て
時間を短縮させることが可能となる。

【００１５】請求項３記載の発明においては、位置合わ
せマークを設けたことにより、発光部の発光面と光ファ
イバの端面との位置合わせ精度を向上させ、確実なカッ
プリングを実現することが可能となる。

【００１６】請求項４記載の発明においては、発光パワ
ーを増大させ、光ファイバとの結合効率を高めることが
可能となる。

【００１７】

【実施例】請求項１，４記載の発明の一実施例を図１〜
図５に基づいて説明する。まず、端面発光型半導体素子
の構造を図１及び図２に基づいて述べる。ここでは、端
面発光型半導体素子として、端面発光型発光ダイオード
アレイ１（以下、端面型ＬＥＤＡと呼ぶ）を用いたもの
である。これは、従来の面発光型とは異なり、半導体エ
ピタキシャル成長膜の結晶成長方向に垂直な方向に発光
するタイプのものである。

【００１８】図１はその端面型ＬＥＤＡ１を示すもので
あり、ＧａＡｓ基板２上には、周知のプレーナ構造によ
り作成可能な発光部３が一定間隔をもって形成されてい
る。この発光部３の発光面３ａの発光方向Ｘには、Ｇａ
Ａｓ基板２をその発光方向Ｘに対して垂直に分断してな
る切断面４が形成されている。この切断面４は、結合す
べき光ファイバ（後述する光ファイバ５）との組付けの
際の位置合わせを行うための光結合位置合わせ面として
のテラス（以下、テラス４）とされている。このテラス
４からの光軸方向への距離Ｌ（以下、テラス長Ｌ）のと
ころに、発光部３が設けられている（このテラス長Ｌに
ついては、後述する中で詳細に述べる）。なお、発光部
３には、Ａｌ等からなる配線パターン１０が接続されて
いる。

【００１９】また、図２は発光部３の断面形状を示すも
のであり、ＧａＡｓ基板２上には、バッファ層６と、ク
ラッド層７ａと、活性層８と、クラッド層７ｂと、ギャ
ップ層９とが順次積層して形成されている。

【００２０】このような構成とすることにより、面発光
型にくらべて、発光部３の活性層８内で光を閉じ込める
効果を大きくすることが可能なため、その発光パワーを
大きくすることができる。また、活性層８の膜厚をコン
トロールすることによって、発光ビームの垂直方向の放
射確度を狭くすることが可能（横方向の長楕円な発光形
状になる）となり、その結果、光ファイバ５との垂直方
向の位置合わせ精度をあまり気にせずに、光ファイバ５
との結合効率（カップリング効率）を十分にとることが
できる。

【００２１】この場合、端面発光型半導体素子として
は、並列画像伝送用２次元面発光タイプ等の特別なもの
ではなく、中長距離用として、例えば光通信等に使用さ
れる通常タイプの半導体レーザを用いてもよい。ＡＰＣ
や熱対策手段が必要となることを念頭におかなければな
らないし、コア径の小さなシングルモードファイバを用
いるため、その位置合わせについては「ＬＥＤ＋マルチ
モードファイバ」のタイプよりは厳しいものとなる。

【００２２】次に、端面型ＬＥＤＡ１を光ファイバ５と
組付けした場合の構成を図３〜図５に基づいて説明す
る。図３では、端面型ＬＥＤＡ１と光ファイバ５とは、
段差を有するベース１１上に置かれ、端面型ＬＥＤＡ１
のテラス４と光ファイバ５の端面５ａとを接触結合させ
ることにより、発光面３ａと端面５ａとがテラス長Ｌを
もって向かい合うようになっている。また、図４では、
平坦なベース１１上で同様にして結合されているが、こ
の場合、端面型ＬＥＤＡ１はＡｕバンプ１２を介してベ
ース１１面上に固定されている。

【００２３】端面発光型の場合、テラス長Ｌは、使用す
るファイバ等によって異なってくるが、図５（ａ）
（ｂ）に示すようなカップリング効率をシミュレーショ
ンした結果からすれば、（ａ）のように断面カットした
ファイバを用いたｂｕｔｔカップリング（突き当て結
合）の場合は突き当てるのが一番よく（Ｌ＝０）、ま
た、（ｂ）のように先端に球径加工を施した先球ファイ
バを用いた場合には、先球径の大きさ（６０μｍの波形
ａ，７０μｍの波形ｂ）によって最適な値が存在するこ
とがわかる。従って、選択する光ファイバ５によってこ
のテラス長Ｌを設定して端面型ＬＥＤＡ１を製造するよ
うにする。突き当てた場合は、できるだけ短くした方が
よく、設計されたテラス長Ｌは、ＬＥＤＡ製造プロセス
上の素子の切断分離を行う時に形成される。この切断分
離の手段としては、半導体用の各種のウェハと同様にダ
イシング法とかへき開を利用するスクライブ法を用い
る。

【００２４】上述したように、端面型ＬＥＤＡ１の切断
面４を光結合位置合わせ面（テラス４）とすることによ
り、結合すべき光ファイバ５との位置合わせを簡単に行
うことができる。しかも、これにより従来の量産性が今
だ確立されていない先球ファイバを用いる必要がなくな
り、生産性を改善させることができる。

【００２５】次に、請求項２記載の発明の一実施例を図
６及び図７に基づいて説明する。ここでは、端面型ＬＥ
ＤＡ１と光ファイバ５とを結合して光ファイバ付き半導
体装置を製造する方法について述べる。ここでの製造方
法とは、端面型ＬＥＤＡ１の発光部３の発光面３ａと光
ファイバ５の端面５ａとを突き合わせて結合させ、これ
ら結合された端面型ＬＥＤＡ１と光ファイバ５とを基盤
としてのべース１１面上に一体的に組付けたものであ
る。以下、このような製造方法を用いた理由について述
べる。

【００２６】図７の従来の製造方法に示すように、放熱
対策や熱膨張係数等を考慮し熱設計された共通のベース
１１上に放熱用基板１３とＶ溝ガイド１４を配置させ、
放熱用基板１３には端面型ＬＥＤＡ１を、Ｖ溝ガイド１
４には光ファイバ５をそれぞれ別個に装着する方法があ
る。このような組付け方法では、端面型ＬＥＤＡ１の固
定された放熱用基板１３とベース１１との間の接着精度
と、Ｓｉ製のＶ溝ガイド１４とベース１１との間の接着
精度とをそれぞれ問題にしなければならず組付け性が悪
くなる。そこで、本実施例の図６に示すように、まず、
治具１５（最終的にはモジュールに組付けないもの）に
端面型ＬＥＤＡ１と光ファイバ５とをしっかり装着する
と同時に、発光部３の発光面３ａと光ファイバ５の端面
５ａとを突き合わせて結合させ、その後、このようなカ
ップリング状態でＡｕバンプ１２やＵＶ硬化樹脂１６を
用いてベース１１面上に接着固定する。そして、このよ
うにして装着された端面型ＬＥＤＡ１をベース１１上に
配線されたＡｌ等の電極１０にＡｕバンプ１２を介して
実装し、光ファイバ５はＵＶ硬化樹脂１６を用いてその
ままベース１１上に接着させる。この場合、実装及び接
着中は治具１５から外さないため、カップリング状態は
そのまま保持することができる。このようにして接着固
定が終了した後に、治具１５のみを脱着させ、これによ
り端面型ＬＥＤＡ１と光ファイバ５との組付けが完了す
る。

【００２７】なお、治具１５と端面型ＬＥＤＡ１とを密
着させる場合には、あとで脱着できるような方法、例え
ば、治具１５に中穴１５ａを開けておき、真空ポンプで
引き付けておくとか、端面型ＬＥＤＡ１と光ファイバ５
との側面から保持するなどの方法を用いる。また、治具
１５に関しては、端面型ＬＥＤＡ１の発光点が光ファイ
バ５の光軸上にくるように、特に端面型ＬＥＤＡ１の底
面部と光ファイバ５の下端部との間の距離や寸法等の注
意をする必要がある。また、治具１５にファイバアレイ
ピッチに適合したＶ溝構造を施しておくと、ファイバの
配列精度並びに端面型ＬＥＤＡ１との位置合わせの点
で、Ｓｉ製のＶ溝ガイド１４を各モジュールに付けなく
てよいという利点がある。これにより、治具１５だけ精
度よく作製すればよいため、コストダウンにつなげるこ
とができる。さらに、治具１５の材料としては、Ｓｉの
他に、Ｖ溝加工が可能である程度の剛性がとれるもので
あればよい。このような方法をとることにより、ベース
配線とＬＥＤＡ配線との位置合わせの高精度化や、フェ
ースダウンボンダ法のマウント時の荷重（衝撃力）制御
の高精度化、さらには、加圧時のベース１１との平行度
の維持等の問題も解決することができる。

【００２８】上述したように、モジュールに装着する前
の段階で端面型ＬＥＤＡ１と光ファイバ５との光軸合わ
せを行い、しかも、モジュールへの装着が簡単にできる
ような製造方法をとることにより、組付け時の部品点数
を低減させ、組立て時間を大幅に短縮させることができ
る。

【００２９】次に、請求項３記載の発明の一実施例を図
８に基づいて説明する。ここでは、少なくとも発光部３
を有する端面型ＬＥＤＡ１側に、その素子と結合すべき
光ファイバ５とのカップリング位置合わせを正確に行う
ための位置合わせマークを形成したものである。図８
（ａ）〜（ｃ）はその位置合わせマークの具体例を示す
ものである。（ａ）では、端面型ＬＥＤＡ１のテラス４
の断面部に位置して、位置合わせマークとしてのマーク
１７を形成したものである。（ｂ）では、そのようなマ
ーク１７を、光ファイバ５を保持するＶ溝基板１８側に
も形成したものである。さらに、（ｃ）では、位置合わ
せマークとして、マーク１７の代わりに、端面型ＬＥＤ
Ａ１の上面に沿って多芯ファイバフェルールのガイドピ
ン用の案内溝１９を形成したものである。なお、マーク
１７や案内溝１９を併用するようにしてもよい。

【００３０】また、マーク１７や案内溝１９は、半導体
プロセスのＲＩＥ等のドライエッチングにより作製する
ことができる。この場合、装置のオーバーホールを考慮
する必要はあるが、４０μｍ位まで掘ることは可能であ
る。

【００３１】このように位置合わせマークを設けたこと
により、端面型ＬＥＤＡ１と光ファイバ５の位置合わせ
精度を向上させ、確実なカップリングを実現することが
できる。

【００３２】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、発光部を複数個
有する端面発光型半導体素子の前記発光部の発光方向に
光ファイバを結合させることにより、前記発光部により
発光された光を前記光ファイバ内に伝送する光ファイバ
付き半導体発光装置において、前記端面発光型半導体素
子をその発光部の発光方向に対して垂直方向に分断して
切断面を形成し、この切断面を前記結合すべき光ファイ
バとの組付けの際の位置合わせを行う光結合位置合わせ
面に設定したので、結合すべき光ファイバとの位置合わ
せを簡単に行うことができ、しかも、これにより従来の
量産性が今だ確立されていない先球ファイバを用いる必
要がなくなり、生産性を改善させることができ、これに
より、小型で、低コストな光伝送モジュールを実現させ
ることができるものである。

【００３３】請求項２記載の発明は、発光部を複数個有
する端面発光型半導体素子と、前記発光部から発光した
光が入射する光ファイバとを備え、前記端面発光型半導
体素子の発光部の発光面と前記光ファイバの端面とを突
き合わせて結合させ、これら結合された前記端面発光型
半導体素子と前記光ファイバとを基盤面上に一体的に組
付けたので、モジュールに装着する前の段階で端面発光
型半導体素子と光ファイバとの光軸合わせを確実に行う
ことが可能となり、しかも、モジュールへの装着が簡単
にできるような製造方法をとるため、組付け時の部品点
数を低減させ、組立て時間を短縮させることができ、こ
れにより生産コストを低減させ、信頼性を向上させるこ
とができるものである。

【００３４】請求項３記載の発明は、請求項１記載の発
明において、少なくとも、発光部を複数個有する端面発
光型半導体素子側に、この素子と結合すべき光ファイバ
との位置合わせを行うための位置合わせマークを形成し
たので、発光部の発光面と光ファイバの端面との位置合
わせ精度を向上させ、確実なカップリングを実現するこ
とができ、これによりモジュール及び伝送システム上の
信頼性を向上させることができるものである。

【００３５】請求項４記載の発明は、請求項１又は３記
載の発明において、発光部を複数個有する端面発光型半
導体素子として発光ダイオードアレイを用いたので、発
光パワーを増大させ、光ファイバとの結合効率を高める
ことができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１，４記載の発明の一実施例である端面
発光型半導体素子の構成を示す斜視図である。

【図２】端面発光型半導体素子の発光部の形状を示す断
面図である。

【図３】端面発光型半導体素子と光ファイバとの組付け
状態を示す側面図である。

【図４】端面発光型半導体素子と光ファイバとの組付け
状態を示す側面図である。

【図５】（ａ）は端面結合の場合における光軸方向ずれ
量に対する結合効率を示す特性図、（ｂ）は先球ファイ
バの場合における光軸方向ずれ量に対する結合効率を示
す特性図である。

【図６】請求項２記載の発明の一実施例である端面発光
型半導体素子と光ファイバとの組付け方法を示す側面図
である。

【図７】（ａ）は従来の組付け方法により作製された光
ファイバ付き半導体装置を示す側面図、（ｂ）はその光
ファイバ端面側からみた正面図である。

【図８】請求項３記載の発明の一実施例である各種の位
置合わせマークの形状を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 端面発光型半導体素子 ３ 発光部 ３ａ 発光面 ４ 切断面（光結合位置合わせ面） ５ 光ファイバ １７，１９ 位置合わせマーク Ｘ 発光方向

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光部を複数個有する端面発光型半導体
   素子の前記発光部の発光方向に光ファイバを結合させる
   ことにより、前記発光部により発光された光を前記光フ
   ァイバ内に伝送する光ファイバ付き半導体発光装置にお
   いて、前記端面発光型半導体素子をその発光部の発光方
   向に対して垂直方向に分断して切断面を形成し、この切
   断面を前記結合すべき光ファイバとの組付けの際の位置
   合わせを行う光結合位置合わせ面に設定したことを特徴
   とする光ファイバ付き半導体装置。
2. 【請求項２】 発光部を複数個有する端面発光型半導体
   素子と、前記発光部から発光した光が入射する光ファイ
   バとを備え、前記端面発光型半導体素子の発光部の発光
   面と前記光ファイバの端面とを突き合わせて結合させ、
   これら結合された前記端面発光型半導体素子と前記光フ
   ァイバとを基盤面上に一体的に組付けたことを特徴とす
   る光ファイバ付き半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 少なくとも、発光部を複数個有する端面
   発光型半導体素子側に、この素子と結合すべき光ファイ
   バとの位置合わせを行うための位置合わせマークを形成
   したことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ付き半
   導体装置。
4. 【請求項４】 発光部を複数個有する端面発光型半導体
   素子として、発光ダイオードアレイを用いたことを特徴
   とする請求項１又は３記載の光ファイバ付き半導体装
   置。