JPH11231174A - 光半導体結合装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光半導体結合装置における半導体レーザ素子
や光ファイバなどのより高精度な実装を可能にする、光
半導体結合装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 光信号を光ファイバで伝送する光伝送シ
ステムにて使用される、信号光源である半導体レーザ素
子の光を伝送路である単一モード光ファイバに光結合さ
せる光半導体結合装置において、該単一モード光ファイ
バのモードフィールド径が、該半導体レーザ素子のスポ
ット径の±３０％以内に設定されている。或いは、光半
導体結合装置が、基板の表面に同一のエッチング工程に
よって形成された、単一モード光ファイバが実装される
溝と半導体レーザ素子の位置決めのために使用される複
数のピットと、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバを用い
て光信号を伝送するいわゆる光ファイバ通信において、
伝送路である光ファイバと光源である半導体レーザ素子
とを光学的に高い結合効率で結合する光半導体結合装
置、並びにその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、データや多チャンネルの映像情報
をセンター局から一般家庭まで光ファイバを用いて伝送
する光加入者系システムが提案され、検討されている。
このような光加入者系システムでは、一般家庭の加入者
端末において、波長多重されている送信されてくる異種
の（複数の）光信号を同時に受信するためのより安価で
且つより高性能な複数の受光装置と、家庭からセンター
に向けてリクエストやデータを送るためのより安価で且
つより高性能な発光型光半導体結合装置と、を備える必
要がある。

【０００３】上記のような目的に使用される光半導体結
合装置の製造にあたっては、低価格化を実現するため
に、光源として機能する半導体レーザ素子を駆動させず
に半導体レーザ素子と単一モード光ファイバを結合させ
る、パッシブアライメント方式の実装技術を必要とす
る。ここで、光ファイバの実装にあたっては、Ｓｉ基板
をエッチングして形成されるＶ溝を使用することで、非
常に正確な実装が実現され得ることが既に確認されてい
る。しかし、その一方で、半導体レーザ素子の実装に関
しては、半導体レーザ素子が電極を有することやそのサ
イズが小さいことなどの理由により、光ファイバと同等
の精度で実装することが困難である。そこで、半導体レ
ーザ素子をパッシブアライメント方式で、より高精度に
実装する技術が必要となる。

【０００４】上記の目的のために使用される光半導体結
合装置の実装方法の一例として、T.Hashimoto.、ＭＯ
Ｃ'95、Ｄ５(1995)に提案されている構成を図１３に示
す。

【０００５】図１３の光半導体結合装置では、エッチン
グにより形成されたＶ溝１００３を有するＳｉ基板１０
０１の表面上の半導体レーザ素子実装部に、Ａｕ電極配
線パターン１００４及び位置決め用のＡｕマーカ１００
５が形成されている。一方、実装される半導体レーザ素
子１００２にも、Ａｕ表面電極（不図示）及び位置決め
用Ａｕマーカ１００６が形成されている。ここで、Ｓｉ
基板１００１及び半導体レーザ素子１００２の位置決め
用Ａｕマーカ１００５及び１００６は、何れもＡｕ電極
配線パターン１００４或いはＡｕ表面電極と同時に形成
できる。従って、図１３の構成では、パッシブアライメ
ントのための特別な加工工程を要しない。

【０００６】以上のような図１３の構成において、Ｓｉ
基板１００１の側の位置決め用マーカ１００５と半導体
レーザ素子１００２の側の位置決め用マーカ１００６と
を、Ｓｉ基板１００１を透過する赤外光源１００８を用
いてＣＣＤカメラ１００９により画像認識することによ
り、Ｓｉ基板１００１と半導体レーザ素子１００２との
位置合わせが行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来技術
による光半導体結合装置における半導体レーザ素子１０
０２の実装方法では、Ｓｉ基板１００１の側の位置決め
用Ａｕマーカ１００５の形成時に、エッチングマスクを
Ｖ溝１００３に対して光軸が一致するように位置合わせ
する必要がある。しかし、このエッチングマスクの位置
合わせの際には、ずれの発生が必至であり、このために
位置決め用Ａｕマーカ１００５が位置ずれした状態で形
成されることになる。さらに、このように位置ずれの生
じている位置決め用Ａｕマーカ１００５を使用して半導
体レーザ素子１００２の位置合わせを行うと、結果的に
二重の位置ずれが生じる。

【０００８】さらに、上記の従来の方法では、赤外光源
１００８及び１つのＣＣＤカメラ１００９を使用して、
必要な画像認識処理を行う。しかし、この方法では、Ｃ
ＣＤカメラ１００９から異なる距離に位置する２つのマ
ーカ１００５及び１００６を同時に観察する必要がある
ので、何れか一方のマーカがデフォーカスされて、ぼけ
た状態で画像認識されるという問題がある。

【０００９】また、サブミクロンオーダで位置合わせを
行なう場合には、位置決め用Ａｕマーカ１００５及び１
００６が微細なほど、正確な位置合わせができる。しか
し、従来技術では、Ａｕマーカ１００５及び１００６は
一般に蒸着により形成されており、そのような蒸着によ
るパターン１００５及び１００６のエッジは、ミクロン
オーダで揺らぐ。その結果、正確な画像認識が行なえな
い可能性がある。

【００１０】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであり、その目的は、（１）光半導体結合装
置における半導体レーザ素子や光ファイバなどのより高
精度な実装を可能にする光半導体結合装置の製造方法を
提供すること、並びに、（２）そのような製造方法を利
用して構成された低価格で且つ高性能の光半導体結合装
置を提供すること、である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によって提供され
る光半導体結合装置は、光信号を光ファイバで伝送する
光伝送システムにおいて、信号光源である半導体レーザ
素子の光を伝送路である単一モード光ファイバに光結合
させる光半導体結合装置である。そして、該単一モード
光ファイバのモードフィールド径が、該半導体レーザ素
子のスポット径の±３０％以内に設定されていて、その
ことによって、上記の目的が達成される。

【００１２】好ましくは、前記単一モード光ファイバの
モードフィールド径が、前記半導体レーザ素子のスポッ
ト径と同程度に設定されている。

【００１３】ある実施形態では、前記単一モード光ファ
イバとして、お互いに異なる大きさのモードフィールド
径をそれぞれ有する複数の単一モード光ファイバが、該
モードフィールド径が次第に変化するように多段に接続
されている。

【００１４】本発明の他の局面によれば、光信号を光フ
ァイバで伝送する光伝送システムにおいて信号光源であ
る半導体レーザ素子の光を伝送路である単一モード光フ
ァイバに光結合させる光半導体結合装置が、基板と、該
基板の表面に形成された、該単一モード光ファイバが実
装される溝と、該半導体レーザ素子の該基板への実装位
置の近傍に形成された該半導体レーザ素子の位置決めの
ために使用される複数のピットと、を備えており、その
ことによって、前述の目的が達成される。

【００１５】好ましくは、前記溝と前記複数のピットと
は、前記基板に対する同一のエッチング工程によって形
成されている。

【００１６】ある実施形態では、前記複数のピットの間
の間隙に相当する非エッチング領域が、前記半導体レー
ザ素子の前記基板への位置決めに使用される。

【００１７】前記ピットは、形成時にオーバーエッチン
グ効果を利用することにより、エッチングマスクの対応
する開口部のサイズよりも大きいサイズを有するように
形成され得る。

【００１８】好ましくは、光ファイバ固定用のキャップ
をさらに備える。

【００１９】また、前記基板に実装された単一モード光
ファイバと半導体レーザ素子とをさらに含み得る。

【００２０】好ましくは、前記半導体レーザ素子は、画
像認識処理を用いて前記基板に実装されている。

【００２１】ある実施形態では、前記半導体レーザ素子
はダブルチャンネル型構造を有しており、該半導体レー
ザ素子は、該ダブルチャンネル構造におけるメサストラ
イプと、前記複数のピットの間の間隙に相当する非エッ
チング領域と、が相対するように、前記基板に対して位
置決めされて実装されている。

【００２２】他の実施形態では、前記光ファイバの上に
載置されたフォトダイオードと、該光ファイバの中を伝
達する所定の波長の光信号を該フォトダイオードに向け
て選択的に反射する部材と、をさらに備える。

【００２３】前記単一モード光ファイバのモードフィー
ルド径は、前記半導体レーザ素子のスポット径の±３０
％以内に設定され得る。好ましくは、前記単一モード光
ファイバのモードフィールド径が、前記半導体レーザ素
子のスポット径と同程度に設定されている。

【００２４】本発明の更に他の局面によれば、光信号を
光ファイバで伝送する光伝送システムにおいて、信号光
源である半導体レーザ素子の光を伝送路である単一モー
ド光ファイバに光結合させる光半導体結合装置の製造方
法が提供される。該製造方法は、基板の表面に、該単一
モード光ファイバが実装される溝と、該半導体レーザ素
子の該基板への位置決めに使用される複数のピットと
を、同時に形成するエッチング工程を包含しており、そ
のことによって、前述の目的が達成される。

【００２５】前記エッチング工程においては、オーバー
エッチング効果を利用して、前記ピットを、エッチング
マスクの対応する開口部のサイズよりも大きいサイズを
有するように形成し得る。

【００２６】また、前記基板に単一モード光ファイバを
実装する工程と、該基板に半導体レーザ素子を実装する
工程と、をさらに包含し得る。

【００２７】好ましくは、前記半導体レーザ素子の実装
工程において、画像認識処理を用いて該半導体レーザ素
子を前記基板に対して位置決めする。

【００２８】ある実施形態では、前記半導体レーザ素子
はダブルチャンネル型構造を有しており、該ダブルチャ
ンネル構造におけるメサストライプと前記複数のピット
の間の間隙に相当する非エッチング領域とが相対するよ
うに、該半導体レーザ素子を前記基板に対して位置決め
して実装する。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明の具体的な実施形態の説明
に先立って、まず、本発明に至る過程で本願発明者によ
って行われた検討の結果やそれらに基づいて達成された
本発明の概要を、説明する。

【００３０】本発明では、光半導体結合装置において、
シリコン（Ｓｉ）基板にエッチングにより形成したＶ溝
及び逆四角錘型ピット或いは溝を位置決め用マーカとし
て使用して、光ファイバ及び半導体レーザ素子を実装す
る。光ファイバ（例えば、単一モード型光ファイバ）が
実装されるべきＶ溝を有するシリコン基板（本願明細書
では「Ｓｉ−Ｖ溝基板」とも称する）に半導体レーザ素
子を高精度で位置合わせするためには、Ｓｉ基板に、半
導体レーザ素子のための位置決め用マーカを、Ｖ溝を基
準にして形成する必要がある。このためには、半導体レ
ーザ素子のための位置決め用マーカとファイバ位置決め
用（実装用）Ｖ溝とを、同じエッチングマスクを使用し
てＳｉ基板に形成することが望ましい。

【００３１】本発明によれば、光ファイバ実装用のＶ溝
と、半導体レーザ素子の位置合わせ用の凹部、例えば逆
四角錘型ピットとを、同じエッチングマスクを使用して
Ｓｉ基板に形成するので、Ｖ溝に対する逆四角錘型ピッ
トの位置ずれが生じず、理想的な相互位置関係を有する
位置決め用マーカが形成され得る。また、蒸着（例えば
Ａｕの真空蒸着）によって形成される従来技術の位置決
め用マーカパターンに比べて、本発明のようにエッチン
グで形成されるマーカパターンは、よりシャープなエッ
ジ形状を有しており、画像認識用のパターンとしてはよ
り優れている。さらに、マーカ形成時に特別な製造工程
を必要としないので、製造コストの低減の面でも有効で
ある。

【００３２】但し、本願発明者の検討によれば、Ｓｉ基
板上に、半導体レーザ素子の位置決め用として約１μｍ
〜約２μｍ或いはサブミクロンオーダの幅を持つマーカ
を形成するためには、エッチングマスクの開口部の幅を
単純に約１μｍ〜約２μｍ或いはサブミクロンオーダに
するだけでは、所望のマーカ形状を実現できないことが
ある。具体的には、Ｓｉ基板に、光ファイバ実装用のＶ
溝と上記のように約１μｍ〜約２μｍ或いはサブミクロ
ンオーダの幅を有する半導体レーザ素子位置決め用マー
カとを同時に形成しようとすると、Ｖ溝の幅が一般には
約１００μｍ〜約２００μｍのオーダであるために、半
導体レーザ素子位置決め用マーカがオーバーエッチング
される。この結果、図８に模式的に示すように、参照番
号５０３で示す所期のマーカ形状を形成しようとして
も、実際に得られるマーカは、参照番号５０１で示すよ
うに、その幅がエッチングマスク（例えばＳｉＯ₂マス
ク）５０２の幅よりも数μｍ大きくなってしまう。

【００３３】さらに、開口部の幅が約５μｍ以下である
マスクを使用してエッチングを行う場合には、エッチン
グ時に発生する気泡によってマスクパターンがふさがれ
て、本来はエッチングで除去されるべき領域がエッチン
グされずに、形成されるエッチングパターンが変形する
可能性がある。このため、約５μｍ以下の幅を有するパ
ターンをエッチングにより作製することは、一般に非常
に困難である。

【００３４】そこで本発明では、エッチングを用いてよ
り微細なパターンを形成するために、複数のエッチング
Ｖ溝或いは逆四角錘型ピットを用いて、非エッチング領
域を利用してマーカとする。具体的には、図９に示すよ
うに、意図的にオーバーエッチングを利用することによ
り、マスク５０３のパターンサイズに対応する形状５０
２よりもさらにエッチングが進行した形状５０１を複数
個形成して、これらのパターン５０１に挟まれた領域５
０４（「非エッチング領域５０４」と称する）に、幅が
約１μｍ〜約２μｍであるパターンを容易に形成する。
さらに、エッチング条件の適切な選択を通じてオーバー
エッチング量を適正化することにより、サブミクロンオ
ーダの幅を有するマーカの形成も可能になる。

【００３５】このような特徴を有する本発明のマーカ
は、２つのＣＣＤカメラを用いてＳｉ−Ｖ溝基板と半導
体レーザ素子用マーカとをそれぞれが完全にフォーカス
された鮮明なお互いに異なる画像として画像認識する本
発明の実装方法（図２を参照して後述する）において、
非常に優位性のあるマーカとなる。

【００３６】以上のような特徴によって、本発明では、
半導体レーザ素子をＳｉ−Ｖ溝基板に対して、光軸ずれ
をサブミクロンオーダに抑制した状態で実装することが
可能になる。

【００３７】但し、高精度な実装が実現されても、半導
体レーザ素子と単一モード光ファイバとの間の結合効率
が低ければ、高性能な光半導体結合装置は実現できな
い。そこで、本発明ではさらに、半導体レーザ素子のス
ポット径の±３０％以内、より好ましくは同程度の大き
さのモードフィールド径を有する単一モード光ファイバ
を選択し、これを半導体レーザ素子に直接的に結合させ
ることによって、より高い結合効率を呈する光半導体結
合装置を実現する。

【００３８】図１０は、単一モード光ファイバのモード
フィールド径φをパラメータとして、半導体レーザ素子
（ＬＤ）の出射角（横軸）と、半導体レーザ素子と単一
モード光ファイバとの間の結合効率（縦軸）との関係
を、シミュレーション結果（実線、破線、及び点線）及
び実測データ（各プロット）によって示すグラフであ
る。なお、シミュレーションに際しては、半導体レーザ
素子と単一モード光ファイバ間の距離を０μｍとしてい
る。

【００３９】図１０に示されるシミュレーション結果よ
り、単一モード光ファイバのモードフィールド径φ＝
３．０μｍ、６．０μｍ、及び１０μｍの何れの場合に
も、半導体レーザ素子の出射角が０°〜３０°の範囲で
ある場合に、結合効率が理論的に１００％になる点があ
ることがわかる。このことは、レンズ系を使用しなくて
も、半導体レーザ素子の出射角と光ファイバのモードフ
ィールド径を最適化することによって、１００％に近い
高い結合効率を得られることを意味している。さらに、
実験データの実測プロットは、半導体レーザ素子と単一
モード光ファイバの組み合わせの最適化によって、実際
に７０％を超える高い結合効率が得られることを示して
いる。

【００４０】次に、図１１は、出射角が１５°である半
導体レーザの使用時における、お互いに異なるモードフ
ィールド径φを有する３種類の単一モード光ファイバの
先端と半導体レーザ素子との間の距離（横軸）に対す
る、過剰損失（縦軸）の計算結果を示す。ここで、過剰
損失とは、光軸方向に全く位置ずれが存在せず且つレー
ザ・ファイバ間の距離が零であるときの結合効率に対す
る、結合効率の損失のことである。過剰損失の値が小さ
ければ、光ファイバと半導体レーザ素子との間の結合効
率が高いことを意味する。

【００４１】図１１から、光ファイバのモードフィール
ド径φが小さいほど、レーザ・ファイバ間の距離の変化
に対する過剰損失（従って結合効率）の変化の割合が大
きいことが分かる。しかし、レーザ・ファイバ間の距離
がほぼ０である場合には、何れのモードフィールド径φ
を有する光ファイバにおいても、過剰損失（結合効率）
の値が非常に小さくなる。従って、半導体レーザ素子と
光ファイバとの間の距離を小さく設定するほど、より高
い結合効率を得ることできる。

【００４２】さらに、図１２は、図１１と同じく出射角
が１５°である半導体レーザの使用時における、お互い
に異なるモードフィールド径φを有する３種類の単一モ
ード光ファイバの光軸と半導体レーザ素子の光軸との間
の位置ずれの大きさ（横軸）に対する、過剰損失（縦
軸）の計算結果を示す。これより、光軸の位置ずれを約
１μｍ以下に抑制できれば、過剰損失がほとんど発生せ
ず、高い結合効率が得られることがわかる。

【００４３】以上に説明したように、高結合効率の光半
導体結合装置を実現するためには、半導体レーザ素子及
び単一モード光ファイバを、Ｓｉ−Ｖ溝基板の上に上述
した位置関係が満たされる状態で非常に正確に実装する
ことが、不可欠である。そのためには、先に説明した特
徴を有する本発明の位置決め用マーカの使用が、非常に
有用である。

【００４４】以下には、以上のような考察に基づいて達
成された本発明の実施形態の幾つかを、添付の図面を参
照して説明する。

【００４５】（第１の実施の形態）図１（ａ）は、本発
明の第１の実施形態における光半導体結合装置の上面図
であり、図１（ｂ）は、その後面図である。また、図２
は、本実施形態における光半導体結合装置の実装方法を
説明する概略図である。さらに、図３（ａ）は、本実施
形態におけるＳｉ基板上のマーカの上面図であり、図３
（ｂ）は、マーカの断面図（図３（ａ）の線Ａ−Ａ’に
相当）であり、図３（ｃ）は、本実施形態における半導
体レーザ素子の上面図である。なお、各図面で、同じ構
成要素には同じ参照番号を付している。

【００４６】具体的には、本実施形態の光半導体結合装
置では、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の上に、半導体レーザ素
子１０２、単一モード光ファイバ１０３、光出力モニタ
ー用フォトダイオード１０４、及び光ファイバ固定用の
Ｓｉファイバキャップ１０６が、図１（ａ）に示すよう
な位置関係で配置されている。半導体レーザ素子１０２
は、典型的には発振波長が約１．３μｍ帯にある。ま
た、単一モード光ファイバ１０３は、例えば、半導体レ
ーザ素子１０２に対向する端面が無処理のものである。
光出力モニタ用フォトダイオード１０４は、端面入射型
であって、且つ半導体レーザ素子１０２の発振波長帯で
線形性に優れた十分に高い感度を有するものを使用す
る。さらに、Ｓｉファイバキャップ１０６は、典型的に
はＳｉのエッチングにより形成される。

【００４７】Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の表面上には、ファ
イバ位置決め（実装）用のＶ溝１０５、半導体レーザ素
子位置決め用のマーカ１１０、及びフォトダイオード位
置決め用のマーカ１１１が、同一マスクを使用したエッ
チング工程により形成される。さらに、半導体レーザ素
子１０２及び光出力モニター用フォトダイオード１０４
の実装位置の近傍には、それらのための電極配線１０９
が、真空蒸着により形成されている。

【００４８】単一モード光ファイバ１０３は、図１
（ｂ）に示すように、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１のファイバ
位置決め用Ｖ溝１０５と、その上に載置されたＳｉファ
イバキャップ１０６の台形溝１０７とにより挟み込まれ
て、Ｖ溝１０５に密着して固定されている。これによ
り、パッシブアライメント方式により、サブミクロンオ
ーダでの光軸調整が可能である。また、半導体レーザ素
子１０２と単一モード光ファイバ１０３との間の距離
は、単一モード光ファイバ１０３をダイシング溝１０８
に押し当てることにより、決定される。さらに、Ｓｉフ
ァイバキャップ１０６が単一モード光ファイバ１０３を
押し付ける力は、Ｓｉファイバキャップ１０６をＳｉ−
Ｖ溝基板１０１に実装する際の接着剤として、収縮力の
ある光硬化性樹脂を使用することにより、得ることがで
きる。

【００４９】なお、Ｖ溝１０５としては、図に示される
ような台形状のものに代えて、文字通りに「Ｖ字状」の
断面形状を有するものであっても良い。

【００５０】本発明では、半導体レーザ素子位置決め用
マーカ１１０及びフォトダイオード位置決め用マーカ１
１１は、光ファイバ位置決め（実装）用のＶ溝１０５
と、同一のエッチング工程で形成される。このため、こ
れらのマーカ１１０及び１１１を使用して実装される半
導体レーザ素子１０２及び光出力モニタ用フォトダイオ
ード１０４は、Ｖ溝１０５に対して、サブミクロンオー
ダの僅かな光軸ずれで実装される。

【００５１】ここで、各マーカ１１０及び１１１やＶ溝
１０５は、Ｓｉ基板１０１の表面に所望のパターンのエ
ッチングマスク（例えば、ＳｉＯ₂マスク）を形成し、
典型的にはＫＯＨ系のエッチャントを使用してＳｉ基板
１０１に対する異方性ウェットエッチングを行うことに
よって、簡単且つ高精度で形成される。但し、このとき
に、正確なエッチングを行って所望の形状を高精度で得
るためには、エッチングマスクの向きとＳｉ基板１０１
の面方位とを、正確に合わせる必要がある。

【００５２】例えば、Ｓｉ基板１０１の（１００）面の
上に、＜１１０＞方向に水平或いは垂直な向きに沿って
マスク開口部が配置されるようにＳｉＯ₂マスクを形成
して、上述のようにウェットエッチングを行えば、壁面
が（１１１）面コンパチブルであるＶ溝１０５が形成さ
れる。さらに、マスク幅のサイズ及びエッチングの処理
時間を正確に制御することによって、非常に正確なパタ
ーンがエッチングで形成される。

【００５３】半導体レーザ素子１０２の側の位置決め用
十字マーカ１１７は、図３（ｃ）に示すように、半導体
レーザ素子１０２の例えば前端面１２１の近傍におい
て、活性層の中心位置１２０に対して対称な配置で、電
極１１６と同じ工程で形成される。一方、半導体レーザ
素子１０２の後端面１２２の近傍には、マーカは特に形
成されなくて良い。

【００５４】以上のような構成を有する本実施形態の光
半導体結合装置において、半導体レーザ素子１０２をＳ
ｉ−Ｖ溝基板１０１に実装する際には、図２に示すよう
に、２つのＣＣＤカメラ１１２及び１１３を使用して画
像認識処理を行うことによって、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１
に対する半導体レーザ素子１０２の位置決めを行う。こ
こで、２つのＣＣＤカメラ１１２及び１１３は、それぞ
れ完全に固定されている。

【００５５】具体的には、第１のＣＣＤカメラ１１２
は、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の上の半導体レーザ素子位置
決め用マーカ１１０を認識し、第１のモニタ１１４に表
示する。そして、画像認識されたマーカ１１０が、第１
のモニタ１１４の表示画像の中の所定の位置に位置する
ように、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１が移動される。同様に、
第２のＣＣＤカメラ１１３は、半導体レーザ素子１０２
の上の十字マーカ１１７を認識し、第２のモニタ１１５
に表示する。そして、画像認識された十字マーカ１１７
が、第２のモニタ１１５の表示画像の中の所定の位置に
位置するように、半導体レーザ素子１０２が移動され
る。そして、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１と半導体レーザ素子
１０２とは、２つのＣＣＤカメラ１１２及び１１３で認
識されたマーカ１１０及び１１７がお互いに重なるよう
に移動された後に、実装される。

【００５６】第１のＣＣＤカメラ１１２により取り込ま
れた画像の所定の位置と、第２のＣＣＤカメラ１１３に
より取り込まれた画像の所定の位置とは、あらかじめ完
全に一致するように位置合わせされている。従って、以
上の位置合わせプロセスによって、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０
１と半導体レーザ素子１０２との間の非常に正確な実装
が実現される。

【００５７】本実施形態においては、Ｓｉ−Ｖ溝基板１
０１の上の半導体レーザ素子位置決め用マーカ１１０
は、具体的には図３（ａ）に示すように、各々が逆四角
錐状である４つのエッチングピット１１８の組合せとし
て形成されている。そして、これら４つのエッチングピ
ット１１８に挟まれた十字状の領域（非エッチング領
域）１１９（図３（ｂ）の断面図を参照）を、位置合わ
せ時に十字マーカ１１９として使用する。

【００５８】これらのエッチングピット１１８は、光フ
ァイバ実装用のＶ溝１０５と同じエッチング工程で形成
される。この際、先に図８及び図９を参照して説明した
ように、エッチングピット１１８はオーバーエッチング
され得て、エッチングマスクの対応する開口部の形状に
比べて、エッチングピット１１８のサイズが大きくなる
可能性がある。しかし、そのような場合でも、実際に位
置決め用のマーカとして機能するのはエッチングピット
１１８に挟まれた十字状領域（非エッチング領域）１１
９であり、むしろ、上記のようなオーバーエッチングの
積極的な利用によって、微細なマーカが形成され得る。
高精度実装を実現するためには、例えば十字状領域（非
エッチング領域）１１９の幅は、細ければ細いほど良
い。具体的には、サブミクロンオーダから数μｍ（例え
ば５μｍ）程度の幅に設定することが望ましい。

【００５９】以上では、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１に対する
マーカ１１０を利用した半導体レーザ素子１０２の実装
方法を説明したが、光出力モニタ用フォトダイオード１
０４も、マーカ１１１を利用することによって、上記と
同様の方法でＳｉ−Ｖ溝基板１０１に実装される。ま
た、マーカ１１１は、その形状や製造方法などに関し
て、マーカ１１０について上述したものと同様の特徴を
有している。

【００６０】さらに本実施形態では、単一モード光ファ
イバ１０３と半導体レーザ素子１０２とをより高い結合
効率で結合するために、単一モード光ファイバ１０３の
モードフィールド径を、半導体レーザ素子１０２のスポ
ット径と同程度の大きさになるように選定している。具
体的には、実現可能な範囲は、典型的には約１．５μｍ
〜約４．５μｍである。

【００６１】図７（ａ）〜図７（ｃ）には、本発明で使
用され得る単一モード光ファイバを、長距離伝送用とし
て一般に使用されるモードフィールド径が１０μｍであ
る単一モード光ファイバに対してより少ない接続損失で
接続するための、バッファ用ファイバの幾つかの接続方
法を模式的に示している。

【００６２】具体的には、図７（ａ）の構成では、半導
体レーザに直接結合される第１段の単一モード光ファイ
バ４０１、第２段の単一モード光ファイバ４０２、第３
段の単一モード光ファイバ４０３、及び長距離伝送用と
して一般的に使用される最終段の単一モード光ファイバ
４０４が、各々の光軸がお互いに一致するように順に配
置されている。また、各光ファイバ４０１〜４０４のモ
ードフィールド径は、第１段から最終段まで、段階的に
大きくなっている。このような図７（ａ）の構成に各光
ファイバ４０１〜４０４を配置するときに、先に述べた
Ｓｉ−Ｖ溝基板及びＳｉファイバキャップを使用すれ
ば、各光ファイバ４０１〜４０４の光軸を簡単に一致さ
せることができる。

【００６３】図７（ｂ）に示す構成では、図７（ａ）と
同様に配置された各光ファイバ４０１〜４０４の接続部
分４０５で、光ファイバ間を融着により接続している。
このような接続部分４０５における融着領域４０５の形
成によって、各光ファイバ４０１〜４０４の間の接続損
失が大幅に低減される。

【００６４】さらに図７（ｃ）に示す構成では、第１段
の光ファイバ４０１の接続端の近傍４０６を、熱拡散法
によって最終段の光ファイバ４０４の大きさ程度まで拡
大し、その後で光ファイバ間を融着により接続してい
る。このようなコア拡大領域４０６の形成によって、光
ファイバ間の接続損失が、さらに大きく低減される。

【００６５】単一モード光ファイバ１０３と半導体レー
ザ素子１０２とをより高結合効率で結合するためには、
先に説明したように、単一モード光ファイバ１０３と半
導体レーザ素子１０２との間の距離を、できる限り小さ
く設定することが望ましい。このために本実施形態で
は、半導体レーザ素子１０２を、その端面がダイシング
溝１０８と一致するように位置決めしている。さらに、
単一モード光ファイバ１０３と半導体レーザ素子１０２
の間の光学的距離を短くするために、単一モード光ファ
イバ１０３と半導体レーザ素子１０２の間に、屈折率整
合された樹脂やオイルを充填しても良い。

【００６６】以上の説明では、半導体レーザ素子１０２
の発振波長帯は１.３μｍ帯であるが、１.５５μｍm帯
など、それ以外の発振波長帯を有する半導体レーザ素子
１０２の使用も可能である。また、半導体レーザ素子１
０２として、狭出射角化された構造、或いはスポットサ
イズ変換のための構造を有するものを使用しても良い。
一方、単一モード光ファイバ１０３として、半導体レー
ザ素子１０２と光結合する側の端面に無反射コーティン
グ処理が施されているものを使用しても良い。

【００６７】Ｓｉファイバキャップ１０６は、エッチン
グにより形成する代わりに、ダイシングソーなどを用い
た機械加工によって形成することもできる。さらに、Ｓ
ｉファイバキャップ１０６をＳｉ−Ｖ溝基板１０１の上
に実装する際に、マイクロバンプボンディング法を使用
してもよい。

【００６８】（第２の実施の形態）図４（ａ）は、本発
明の第２の実施形態における光半導体結合装置の上面図
であり、図４（ｂ）は、その側面図である。図４（ａ）
及び（ｂ）において、先に説明した第１の実施形態の構
成と同じ構成要素には同じ参照番号を付しており、それ
らの説明は省略する。

【００６９】本実施形態では、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１と
して、その表面にＳｉテラス１２５が形成されているも
のを使用している。Ｓｉテラス１２５には、Ｖ溝１０５
に固定された単一モード光ファイバ１０３に光軸が合う
ような形状で、ファイバ埋め込み溝１２６が形成されて
いる。さらに、その上には、単一モード光ファイバ１０
３を通して送信されてきた光信号を受信（受光）するた
めのフォトダイオード１２３が、載置されている。この
フォトダイオード１２３は、例えばマイクロバンプボン
ディング法によって、単一モード光ファイバ１０３に対
して光学的に高精度で位置合わせされて、実装される。
また、Ｓｉテラス１２３の上には、さらにフォトダイオ
ード１２３のための電極配線１２７が設けられている。

【００７０】或いは、フォトダイオード１２３の実装方
法として、半導体レーザ素子１０２の実装時と同様に、
Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１（Ｓｉテラス１２５）及びフォト
ダイオード１２３の各々に画像認識用マーカを形成し、
それらを使用して、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１とフォトダイ
オード１２３との位置合わせを行っても良い。

【００７１】以上の構成を有する本実施形態の光半導体
結合装置において、単一モード光ファイバ１０３を送信
されてくる光信号は、光ファイバ１０３に対して斜めに
挿入された波長選択フィルタ１２４によって、フォトダ
イオード１２３に向けて反射されて受光される。波長選
択フィルタ１２４は、例えば、１．３μｍ帯の波長の光
を透過する一方で１．５５μｍ帯の波長の光を反射す
る。これによって、１．５５μｍ帯の波長の光が効率よ
くフォトダイオード１２３に入射し、非常に簡単な構成
で送受信可能な光半導体結合装置が実現される。

【００７２】なお、波長選択フィルタ１２４としては、
上記に代えて、例えば１．５５μｍ帯の波長の光を透過
する一方で１．３μｍ帯の波長の光を反射するものを使
用することも可能である。これによって、１．３μｍ帯
の波長の光がフォトダイオード１２３に入射される構成
とすることができる。さらに、他の波長帯の光を反射或
いは透過させる構成とすることもできることは、言うま
でもない。

【００７３】なお、半導体レーザ素子１０２の送信信号
の波長とフォトダイオード１２３の受信信号の波長とが
同じである場合には、波長選択フィルタ１２４の代わり
に、波長選択性を有さないフィルタ（例えばハーフミラ
ー）を使用することが望ましい。

【００７４】また、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１におけるＳｉ
テラス１２５の加工方法としては、同一基板上に半導体
レーザ素子１０２などが配置される部分とＳｉテラス１
２５とを加工しても良く、或いはその代わりに、半導体
レーザ素子１０２などが配置される部分とは別の基板に
Ｓｉテラス１２５の部分を加工し、その後に両基板を、
張り合わせなどによって一体化することも可能である。

【００７５】さらに、半導体レーザ素子１０２の発振波
長帯は１.３μｍ帯であるが、１.５５μｍ帯など、それ
以外の発振波長帯を有する半導体レーザ素子１０２の使
用も可能である。また、半導体レーザ素子１０２とし
て、狭出射角化された構造、或いはスポットサイズ変換
のための構造を有するものを使用しても良い。一方、単
一モード光ファイバ１０３としては、半導体レーザ素子
１０２と光結合する側の端面に無反射コーティング処理
が施されたのを使用しても良い。

【００７６】（第３の実施の形態）図５（ａ）は、本発
明の第３の実施形態における光半導体結合装置の上面図
であり、図５（ｂ）は、その後面図である。また、図５
（ｃ）は、本実施形態におけるＳｉファイバキャップ２
０１の斜視図である。なお、これらの図面において、先
に説明した第１の実施形態の構成と同じ構成要素には同
じ参照番号を付しており、それらの説明は省略する。

【００７７】本実施形態の光半導体結合装置において
は、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の上に、単一モード光ファイ
バ１０３及びＳｉファイバキャップ２０１が、図５
（ａ）に示すような配置で構成されている。なお、図５
（ａ）では、ＳＩ−Ｖ溝基板１０１の上に半導体レーザ
素子やフォトダイオードが搭載されている様子を描いて
いないが、図１（ａ）に示すような位置にこれらを搭載
することが、もちろん可能である。

【００７８】本実施形態におけるＳｉファイバキャップ
２０１は、その台形溝に傾斜領域２０２が設けられてい
る。単一モード光ファイバ１０３の実装時には、あらか
じめＳｉ−Ｖ溝基板１０１の上に実装されたＳｉファイ
バキャップ２０１に対して、その台形溝の傾斜領域２０
２の側から、単一モード光ファイバ１０３を挿入する。
挿入された単一モード光ファイバ１０３は、長さＬの平
坦なファイバ固定領域２０３によって、Ｓｉ−Ｖ溝基板
１０１の上のＶ溝１０５に押し付けられる。これによっ
て、単一モード光ファイバ１０３と半導体レーザ素子１
０２との間の光軸調整を、パッシブアライメント方式に
よりサブミクロンオーダで行うことが可能である。ま
た、単一モード光ファイバ１０３をダイシング溝１０８
の側面に突き当たるまで挿入することにより、完全な位
置合わせが行われる。

【００７９】Ｓｉファイバキャップ２０１の傾斜領域２
０２の最深部の深さは、単一モード光ファイバ１０３が
挿入しやすいように、単一モード光ファイバ１０３の外
形よりも大きく設定することが好ましい。一方、ファイ
バ固定領域２０３の長さＬは、単一モード光ファイバ１
０３がＶ溝１０５に十分な大きさの力で押し付けられる
ように、例えば約２００μｍ〜約５００μｍに設定され
る。さらに、Ｓｉファイバキャップ２０１をＳｉ−Ｖ溝
基板１０１に実装する際に、接着剤として収縮力のある
光硬化性樹脂を使用すれば、単一モード光ファイバ１０
３を押し付ける力がさらに得られることになる。

【００８０】Ｓｉファイバキャップ２０１は、エッチン
グ、或いはダイシングソーなどを用いた機械加工によっ
て、形成できる。また、Ｓｉファイバキャップ２０１を
Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の上に実装する際に、マイクロバ
ンプボンディング法を使用してもよい。

【００８１】（第４の実施の形態）図６（ａ）は、本発
明の第４の実施形態における光半導体結合装置の実装方
法を説明する図であり、図６（ｂ）は、実装後の光半導
体結合装置の斜視図である。

【００８２】本実施形態では、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の
上に半導体レーザ素子１０２を実装する際の位置決め用
マーカとして、半導体レーザ素子１０２の側では、半導
体レーザ素子１０２を素子分離するために用いられるダ
ブルチャンネル構造３０２を使用し、一方、Ｓｉ−Ｖ溝
基板１０１の側では、２本のエッチングＶ溝３０３の間
に形成される非エッチング領域３０４を使用する。具体
的には、ダブルチャネル構造３０２の中心線に非エッチ
ング領域３０４が位置するように位置合わせを行って、
Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１に半導体レーザ素子１０２を実装
する。さらに、実装時に、実体顕微鏡などを使用して接
合箇所の近傍を拡大しながら必要な処理を行うことで、
半導体レーザ素子１０２のダブルチャネル構造３０２と
Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の非エッチング領域３０４との間
の位置関係を、容易に確認することができる。

【００８３】半導体レーザ素子１０２の側のマーカであ
るダブルチャンネル構造３０２は、メサストライプ３０
５、より具体的にはメサストライプ３０５に含まれる活
性層３０１の中心位置に対して、線対称な位置関係でエ
ッチングにより形成される。一方、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０
１の側のマーカである非エッチング領域３０４は、ファ
イバ位置決め用のＶ溝１０５と同じ工程で形成されるの
で、Ｖ溝１０５に対する非エッチング領域３０４の位置
ずれは全くない。さらに、非エッチング領域３０４は、
図５及び図６を参照して先に説明したように、オーバー
エッチングを利用することにより、サブミクロンオーダ
の微細ストライプ状に形成することが可能である。

【００８４】なお、半導体レーザ１０２の上面には電極
３０６が形成され得て、一方、Ｓｉ基板１０１の上面に
は半田パターン３０７が形成され得る。

【００８５】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、光半導体結合装置における半導体レーザ素子や光フ
ァイバの実装を、より高精度に行うことが可能となり、
安価で高性能な光半導体結合装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態における光
半導体結合装置の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示
す光半導体結合装置の後面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態における光半導体結合
装置の実装方法を説明する概略図である。

【図３】（ａ）は、本発明の第１の実施形態におけるＳ
ｉ基板上のマーカの上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に
示すマーカの断面図あり、（ｃ）は、本発明の第１の実
施形態における半導体レーザ素子の上面図である。

【図４】（ａ）は、本発明の第２の実施形態における光
半導体結合装置の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示
す光半導体結合装置の側面図である。

【図５】（ａ）は、本発明の第３の実施形態における光
半導体結合装置の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示
す光半導体結合装置の後面図であり、（ｃ）は、本発明
の第３の実施形態におけるＳｉファイバキャップの斜視
図である。

【図６】（ａ）は、本発明の第４の実施形態における光
半導体結合装置の実装方法を説明する概略図であり、
（ｂ）は、本発明の第４の実施形態における光半導体結
合装置の実装後の構成を示す斜視図である。

【図７】（ａ）〜（ｃ）は、バッファ用光ファイバの接
続方法を模式的に示す図である。

【図８】マーカ形成時のオーバーエッチング状態を模式
的に示す図である。

【図９】オーバーエッチングを利用して形成される微細
パターンを模式的に示す図である。

【図１０】半導体レーザ素子と単一モード光ファイバと
の間の結合効率の、半導体レーザ素子の出射角に対する
依存性を示す図である。

【図１１】半導体レーザ素子と単一モード光ファイバと
の間の過剰損失の、半導体レーザ素子と単一モード光フ
ァイバとの間の距離に対する依存性を示す図である。

【図１２】半導体レーザ素子と単一モード光ファイバと
の間の過剰損失の、半導体レーザ素子と単一モード光フ
ァイバとの間の光軸の位置ずれの大きさに対する依存性
を示す図である。

【図１３】従来技術による光半導体結合装置の実装方法
の一例を説明する概略図である。

【符号の説明】

１０１ Ｓｉ−Ｖ溝基板 １０２ 半導体レーザ素子 １０３ 単一モード光ファイバ １０４ 光出力モニタ用のフォトダイオード １０５ Ｖ溝 １０６ Ｓｉファイバキャップ １０７ 台形溝 １０８ ダイシング溝 １０９ 電極配線 １１０ 半導体レーザ素子位置決め用のマーカ １１１ フォトダイオード位置決め用のマーカ １１２ 第１のＣＣＤカメラ １１３ 第２のＣＣＤカメラ １１４ 第１のモニタ １１５ 第２のモニタ １１６ 電極 １１７ 半導体レーザ素子側の十字マーカ １１８ エッチングピット １１９ 非エッチング領域（十字状領域） １２０ 活性層の中心位置 １２１ 半導体レーザ素子の前端面 １２２ 半導体レーザ素子の後端面 １２３ フォトダイオード １２４ 波長選択フィルタ １２５ Ｓｉテラス １２６ 光ファイバ埋め込み溝 １２７ フォトダイオード用電極配線 ２０１ Ｓｉファイバキャップ ２０２ 傾斜領域 ２０３ ファイバ押さえ領域 ３０１ 活性層 ３０２ ダブルチャネル領域 ３０３ Ｖ溝 ３０４ 非エッチング領域（マーカ） ３０５ メサストライプ ３０６ 電極 ３０７ 半田パターン ４０１、４０２、４０３、４０４ 単一モード光ファイ
バ ４０５ 融着領域 ４０６ コア拡大領域 ５０１ マーカ ５０２ エッチングマスク ５０３ 所期のマーカ形状 １００１ Ｓｉ−Ｖ溝基板 １００２ 半導体レーザ素子 １００３ Ｖ溝 １００４ 電極配線 １００５ Ｓｉ−Ｖ溝基板側のマーカ １００６ 半導体レーザ素子側のマーカ １００８ 赤外光源 １００９ ＣＣＤカメラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 光田 昌弘 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光信号を光ファイバで伝送する光伝送シ
   ステムにおいて、信号光源である半導体レーザ素子の光
   を伝送路である単一モード光ファイバに光結合させる光
   半導体結合装置であって、 該単一モード光ファイバのモードフィールド径が、該半
   導体レーザ素子のスポット径の±３０％以内に設定され
   ている、光半導体結合装置。
2. 【請求項２】 前記単一モード光ファイバのモードフィ
   ールド径が、前記半導体レーザ素子のスポット径と同程
   度に設定されている、請求項１に記載の光半導体結合装
   置。
3. 【請求項３】 前記単一モード光ファイバとして、お互
   いに異なる大きさのモードフィールド径をそれぞれ有す
   る複数の単一モード光ファイバが、該モードフィールド
   径が次第に変化するように多段に接続されている、請求
   項１に記載の光半導体結合装置。
4. 【請求項４】 光信号を光ファイバで伝送する光伝送シ
   ステムにおいて、信号光源である半導体レーザ素子の光
   を伝送路である単一モード光ファイバに光結合させる光
   半導体結合装置であって、 基板と、 該基板の表面に形成された、該単一モード光ファイバが
   実装される溝と、 該半導体レーザ素子の該基板への実装位置の近傍に形成
   された、該半導体レーザ素子の位置決めのために使用さ
   れる複数のピットと、を備える、光半導体結合装置。
5. 【請求項５】 前記溝と前記複数のピットとは、前記基
   板に対する同一のエッチング工程によって形成されてい
   る、請求項４に記載の光半導体装置。
6. 【請求項６】 前記複数のピットの間の間隙に相当する
   非エッチング領域が、前記半導体レーザ素子の前記基板
   への位置決めに使用される、請求項４に記載の光半導体
   結合装置。
7. 【請求項７】 前記ピットは、形成時にオーバーエッチ
   ング効果を利用することにより、エッチングマスクの対
   応する開口部のサイズよりも大きいサイズを有するよう
   に形成されている、請求項４に記載の光半導体結合装
   置。
8. 【請求項８】 光ファイバ固定用のキャップをさらに備
   える、請求項４に記載の光半導体装置。
9. 【請求項９】 前記基板に実装された単一モード光ファ
   イバと半導体レーザ素子とをさらに含む、請求項４に記
   載の光半導体結合装置。
10. 【請求項１０】 前記半導体レーザ素子は、画像認識処
    理を用いて前記基板に実装されている、請求項９に記載
    の光半導体結合装置。
11. 【請求項１１】 前記半導体レーザ素子はダブルチャン
    ネル型構造を有しており、 該半導体レーザ素子は、該ダブルチャンネル構造におけ
    るメサストライプと、前記複数のピットの間の間隙に相
    当する非エッチング領域と、が相対するように、前記基
    板に対して位置決めされて実装されている、請求項９に
    記載の光半導体結合装置。
12. 【請求項１２】 前記光ファイバの上に載置されたフォ
    トダイオードと、 該光ファイバの中を伝達する所定の波長の光信号を該フ
    ォトダイオードに向けて選択的に反射する部材と、をさ
    らに備える、請求項９に記載の光半導体結合装置。
13. 【請求項１３】 前記単一モード光ファイバのモードフ
    ィールド径が、前記半導体レーザ素子のスポット径の±
    ３０％以内に設定されている、請求項９に記載の光半導
    体結合装置。
14. 【請求項１４】 前記単一モード光ファイバのモードフ
    ィールド径が、前記半導体レーザ素子のスポット径と同
    程度に設定されている、請求項９に記載の光半導体結合
    装置。
15. 【請求項１５】 光信号を光ファイバで伝送する光伝送
    システムにおいて、信号光源である半導体レーザ素子の
    光を伝送路である単一モード光ファイバに光結合させる
    光半導体結合装置の製造方法であって、 基板の表面に、該単一モード光ファイバが実装される溝
    と、該半導体レーザ素子の該基板への位置決めに使用さ
    れる複数のピットとを、同時に形成するエッチング工程
    を包含する、光半導体結合装置の製造方法。
16. 【請求項１６】 前記エッチング工程において、オーバ
    ーエッチング効果を利用して、前記ピットを、エッチン
    グマスクの対応する開口部のサイズよりも大きいサイズ
    を有するように形成する、請求項１５に記載の光半導体
    結合装置の製造方法。
17. 【請求項１７】 前記基板に単一モード光ファイバを実
    装する工程と、 該基板に半導体レーザ素子を実装する工程と、をさらに
    包含する、請求項１５に記載の光半導体結合装置の製造
    方法。
18. 【請求項１８】 前記半導体レーザ素子の実装工程にお
    いて、画像認識処理を用いて該半導体レーザ素子を前記
    基板に対して位置決めする、請求項１７に記載の光半導
    体結合装置の製造方法。
19. 【請求項１９】 前記半導体レーザ素子はダブルチャン
    ネル型構造を有しており、 該ダブルチャンネル構造におけるメサストライプと前記
    複数のピットの間の間隙に相当する非エッチング領域と
    が相対するように、該半導体レーザ素子を前記基板に対
    して位置決めして実装する、請求項１７に記載の光半導
    体結合装置の製造方法。