JPWO2002089274A1

JPWO2002089274A1 - 光通信装置

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Publication number: JPWO2002089274A1
Application number: JP2002586459A
Authority: JP
Inventors: 中西　裕美; 裕美中西; 工原　美樹; 美樹工原; 岡田　毅; 毅岡田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2004-08-19
Also published as: US6837627B2; WO2002089274A1; US20030169981A1

Abstract

光通信に用いる半導体レーザ（ＬＤ）、モニタフォトダイオード（ＭＰＤ）を内蔵する光送信器、及び受光素子（ＰＤ）を含む光送受信器等の光通信装置を効率良く安価に提供する。その手段として、２つの基板を使用し、高価で高精度の第１基板と安価で比較的精度を必要としない第２基板に設けた凹部に収容している。光送信系は第１基板に搭載し、ＭＰＤは凹部の光送信方向と逆の側に設けた傾斜面を有する第２基板に搭載することで、作業が容易になり、かつ高価な基板の使用を減らすことができる。

Description

技術分野
この発明は、光通信に用いる半導体レーザとモニタフォトダイオードを内蔵した光通信装置に関する。特に、モニタフォトダイオードを簡便に配置することにより、小型低コスト化された光送信器、若しくはこれを用いた光通信装置に関する。光送信器というのは送信信号を発生する半導体レーザ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ；ＬＤ）とその出力をモニタするモニタフォトダイオード（ＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＰｈｏｔｏｄｉｏｄｅ；ＭＰＤ）を組み合わせた装置のことである。半導体レーザは経年変化によって電流・光出力特性が変動するからＭＰＤによって光量を監視し光出力を一定に保持する必要がある。そのためＬＤを用いた装置にはＭＰＤが付随することが多い。
光送受信器（ＬＤ／ＰＤＭｏｄｕｌｅ）というのは、そのような光送信器（ＬＤＭｏｄｕｌｅ）と、相手側からの信号を受信するための受光素子（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ；ＰＤ）からなる光受信器（ＰＤＭｏｄｕｌｅ）とを組み合わせたものである。つまり光送受信器はＬＤ、ＭＰＤ、ＰＤを含み、それらの信号を増幅する増幅器や駆動ＩＣを含むものもある。光送信器と光送受信器を含む包括概念として光通信装置という言葉を用いる。
背景技術
ＬＤ＋ＭＰＤよりなる光送信モジュールとして現在実用化されているものを図１に示す。円筒形の金属ケース（省略）の内部に、レンズ１２、レンズホルダー１３、ＬＤ４、ＭＰＤ５などを内蔵した円筒金属パッケージタイプのＬＤモジュールである。直下にピン７，８，９を突出させ上向きにポール２を有する円盤状で金属製のステム１に搭載したポール２の中間部に半導体レーザ（ＬＤ）４を取り付け、その直下のステム面にサブマウント６を介してモニタ用フォトダイオード（ＭＰＤ）５を取り付ける。ＭＰＤ５とＬＤ４のサブマウント３，６とリードピン８，９をボンディングワイヤ１０，１１によって接続する。ＬＤ４の直上にレンズ１２を配置する。
レンズ１２は円筒形のレンズホルダー１３に取り付けてある。レンズ１２とＬＤ４を調芯してレンズホルダー１３をステム１に溶接する。ファイバの先端１４を円筒形フェルール（省略）で保持し先細り円筒形のフェルールホルダーに差し込む。フェルールホルダーを調芯してレンズホルダー１３の上に溶接する。さらにベンドリミッタ（省略）をレンズホルダー１３に差し込んでファイバの過度の曲がりを禁止するようにする。
このような金属パッケージに収納した光送信器はさまざまな利点がある。金属によってシールされており不活性ガスを封入しているから水分や酸素が入らずＬＤやＭＰＤが劣化しにくい。金属ケースでシールドするのでノイズが入りにくいしノイズを発生しにくい。信号光１５は一旦空間に出るがレンズで集光するから光ファイバに効率よく入射する。高い周波数の信号まで扱うことができる。そのような優れた性質をもつので金属パッケージタイプのＬＤ＋ＭＰＤは、現在も光通信の送信器モジュールとして主流をなしている。
図１に示す金属パッケージタイプの光送信モジュールは既に実績があり、よく知られている。しかしこの光送信モジュールは、パッケージやレンズなど部品コストが高いし調芯する手間がかかり組立コストも高い。コスト高でだけでなく容積が大きくてプリント基板に取り付ける場合に広い場所を要する、という欠点もある。
そのような理由でコストを削減するために表面実装型のＬＤモジュールが提案されている。多様な形式のものがあるが、例えば従来例として吉田幸司、加藤猛、平高敏則、結城文夫、立野公男、三浦敏雅「樹脂封止型ＬＤモジュールの光結合特性」１９９７年電子情報通信学会総合大会、Ｃ−３−６８、ｐ２５３はＳｉ基板の上へ平面的に光ファイバ、ＬＤ、ＭＰＤを並べた表面実装型ＬＤを提案している。図２に該従来例の概略の構成を示す。これは現在開発されているモジュールであって未だ実用化されていない。平面状のＳｉ基板１７の途中まで、中央軸線にそってＶ溝１８が穿ってある。Ｖ溝１８にはシングルモードの光ファイバ１９が半ばまで埋め込んである。光ファイバ１９の軸延長線上の位置において、Ｓｉ基板１７の上にＬＤ２０と端面入射型のＭＰＤ２１が実装される。
この端面入射型のＭＰＤ２１は受光部２４が導波路に沿って設けられるので導波路型ＰＤとも呼ぶ。特殊なＭＰＤであるが水平入射を許す構造になっているから光ファイバのコア２２、ＬＤの発光部２３、ＭＰＤ２１の受光部２４が直線上に並ぶ。ＬＤ２０、ＭＰＤ２１の電極とＳｉ基板上のメタライズとはワイヤボンディングによって接続する。
さらに透明樹脂２５によって光ファイバ１９の端、ＬＤ２０、ＭＰＤ２１を覆う。ＬＤの前方光は光ファイバ１９に入って伝搬してゆく。ＬＤの後方光は水平に進み直接にＭＰＤ２１に入りＭＰＤ２１によって検知される。このモジュールは同じＳｉ基板上に半導体レーザもモニタフォトダイオードも実装することによって、実装工程を削減できるし、同時に小型化も可能である。
機能としては、半導体レーザの後方光をモニタフォトダイオードによって受光し、その光出力Ｗが一定になるよう、半導体レーザの駆動回路（別異の装置に含まれる）を制御し、半導体レーザの送信光（前方光）の平均値＜Ｗ＞を一定に保つようにする。極めてスッキリした構造ではあるが、端面入射型ＭＰＤは特殊な素子であり一般性に欠ける。それにＬＤ後方光の入射効率が低いという難点もある。
従来の光送信器（ＬＤ＋ＭＰＤ）にはいまだ難点がある。従来の表面実装型光モジュールの例（図２）は光ファイバ、ＬＤ、ＭＰＤが一直線上に並んだ単純な配置を持つ。同じＳｉ基板上にＬＤ、ＭＰＤを実装して、実装工程を簡略化できるように見えるが、受光部（ＭＰＤ）が導波路型であり光が入射できる部分の面積が狭い。だからモニタ光の結合効率が低い。位置合わせ精度も半導体レーザの実装と同程度の厳しさが要求される。端面から光が入射するが導波路の厚みが小さくビームが上下に少しでもずれるとＭＰＤへ入らないので殆どの後方光がＭＰＤへ入らないという事になる。モニタ光が弱いのでＬＤのフィードバック制御の信頼性が低い。
従って表面実装技術の特徴をさらに生かすためには、よりシンプルなモニタフォトダイオードの配置が望ましい。ＬＤとＭＰＤの関係をより単純化して実装を簡便にしＭＰＤに入る光量を増やせるような構造が切実に希求される。より多くのＬＤ後方光を感受でき、より的確なＬＤ電流制御を可能とするＬＤモジュールを搭載する光通信装置を提案することが本発明の第１の目的である。さらに小型で低コストのＬＤモジュールを搭載する光通信装置を提案することが本発明の第２の目的である。
発明の開示
本発明は、一つの基板ではなくて二つの基板を用い、高い精度が必要な部分には第１基板を、そうでない部分には第２基板を用いるというところに重要な要点がある。
高い精度が必要な部分というのは、光伝送媒体とＬＤの結合を含む部分である。ＬＤからの光は直径が細く広がり角が大きいので光伝送媒体に入射するのが難しい。そのような部分は高精度を必要とする第１の基板の上に設ける。ＬＤの軸線と光伝送媒体の軸線を精度良く調和させる。高精度を要しない部分というのは、ＭＰＤとＬＤの結合、或いはＬＤと駆動用ＩＣの結合、電極パターン部分などである。これらは第２基板の上に設ける。第１の基板は当然に第２の基板のどこかに固定される。
本発明の光通信装置は、具体的には、第１基板と該第１基板を収納する凹部が設けられ、それに続く凹部の壁面が傾斜面をなす第２基板とから構成されており、前記第１基板の上には前方光と後方光を生成する半導体レーザ（ＬＤ）と該前方光を外部へ伝送するための伝送媒体とが配置され、前記第２基板には、半導体レーザの後方光を受光するため該傾斜面に固定されたモニタフォトダイオード（ＭＰＤ）が配置され、前記第１基板と第２基板には、前記半導体レーザ（ＬＤ）とモニタフォトダイオード（ＭＰＤ）の電極と外部回路とを電気的に接続するための電気的接続手段が設けられていることを特徴とする。
２つの基板にはそれぞれの要求特性があるが、同一の材料であっても作業性面で有利である。すなわち、第１の基板上に実装精度のきびしいＬＤを搭載し、第２の基板に実装精度のゆるい面入射型のＭＰＤを斜め実装することで実装できる。これらの作業を別々に行い、後で２つの基板を合体させることで作業性が容易になる。
高実装精度が要求される第１の基板にはＳｉ単結晶基板、ＧａＡｓ単結晶基板、Ｇｅ単結晶基板等が使用できるが、高価であることと同時に精度の良い加工ができる。ほかに金属に絶縁膜を付けたものでも使用できる。好ましくは前記単結晶を用いたものがよく、例えば異方性エッチング等で正確なＶ溝の形成が可能である。また、その表面に光導波路の形成をする場合もあり、Ｓｉ単結晶基板がより好ましい。Ｓｉ単結晶基板は高価であるが、高実装精度を要求される部分には最適である。本発明では第１基板は小さいので、高価であっても差し支えない。
実装精度をそれほど要求されない第２の基板には、もちろん第１基板と同じものが使える。この場合は２つの基板を別の場所で加工することができ、特にＭＰＤを搭載する部分は、傾斜面への接続を必要とするので、第１基板とは別に作業するのが加工性を容易にする。しかし、実装精度をそれほど要求されない基板であるから、高価な基板を用いる必要性はない。
第２基板にはセラミック基板を用いるとよい。セラミック基板は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、ボロンナイトライド等を用いれば、ＬＤを大電流で駆動するときに発生する熱が第１の基板及びこれに続く第２の基板を通じて外部に流れやすくなる利点がある。
第２基板が高分子基板であることも有効である。高分子基板の特徴は、金型等で容易にかつ安価に基板を作成できる。エポキシ樹脂は半導体素子の封止やパッケージングにも良く用いられる取り扱いが容易な樹脂であり、金型成形も可能である。その他に液晶ポリマーも有用である。金型によって大量に生産でき，表面にメタライズすることが可能で、原料が安く加工性も良く精度も満足できる。特に金型で成形できる優位性は、第１基板を搭載する凹部、ＭＰＤを搭載する傾斜面、フェルールを載せる大きなＶ溝等を金型で成形できる。
基板の組み合わせとしては、第１基板がＳｉ単結晶基板であり、第２基板が液晶ポリマー基板であると特に好ましい組み合わせとなる。Ｓｉ単結晶基板は高価であるが、基板全体の重要な精度を必要とする部分に限り使用することで、コスト低減が可能である。液晶ポリマー基板は、Ｓｉ単結晶基板に比べ安価であるだけでなく、傾斜の構造部分を含む凹凸の部分を金型で成形でき、作業性が良く、寸法精度も使用可能な範囲にすることができる。
以上のような２つの基板を組み合わせた光通信装置の搭載部分において、ＬＤからの光を外部に伝送する光伝送媒体として、第３図のように光ファイバーを用いることができる。ＬＤとの位置あわせは第１基板に形成されたＶ溝によって精度良くかつ容易にできる。光ファイバーは、石英系でも有機高分子系でもかまわない。
また、光伝送媒体として直接光ファイバーを用いず、光導波路を介在することができる（図９、図１３など）。光導波路は膜のコアとクラッドからなり、第１の基板上に形成する。第１の基板が、第２の基板端部に至らない場合（図９）には、第２の基板上に置かれた光ファイバーとクラッド位置が合わされる。第１の基板が第２の基板端部に至る場合（図１３）には、光ファイバーを装置外部から導波路端面に密着させて用いる。
前記導波路は、コアとクラッドからなるが、材料にはＳｉＯ_２系導波路若しくは有機高分子系導波路を用いる。ＳｉＯ_２系導波路はすでに公知の技術であり、火炎堆積法やスパッタリングで形成できる。第１の基板にＳｉを用いた場合は、安定してロスの少ない導波路ができる。有機高分子系では、ポリイミド樹脂やフッ素化ポリイミド樹脂などが用いられるが、スピンコート法等で容易に実施できる。また前記ＳｉＯ_２系に比べて安価である。
第２基板に搭載するＭＰＤは、傾斜面を利用する。傾斜面は第２基板に形成される。単一基板に比べ、第２基板では傾斜面を自由に形成できる利点があり、従ってＭＰＤの位置決め用にＭＰＤより広い固定溝を形成できる。この固定溝により、ＭＰＤの位置決め自由度が大きく取れ、かつこの固定溝にＭＰＤ接着時の半田等が収まるので、第１基板搭載部分に悪影響しない。
第２基板に高分子基板を選択すると、基板作成時にリードフレームをインサート成形できる。図６〜９にその例を示すが、外部電極が一体成形されるので、製造工程が短縮され安価になる。
特に図６〜９に示す例のようにＭＰＤ搭載部分にリードフレームをインサート成形しておくと、ＭＰＤの電極が取り出しやすく、製造工程がより簡略化されるので好ましい。
第２の基板に設けられる傾斜部はＭＰＤ搭載用であるが、ＭＰＤの受光面の中心がＬＤの光軸のほぼ延長線上にくるように配置される。この傾斜角は３０°〜６０°になるように形成される。角度が６０°を超えるとＭＰＤ搭載作業がしにくくなり、角度が３０°未満の場合はモニタ光が受光しにくい。
光伝送装置として光の通路となる光伝送媒体とＬＤ、ＭＰＤの間には空隙がある。ここは外部からの影響を受けないほうが良く、透光性樹脂によって覆われているのが好ましい。空隙のままであると、外部からの埃の進入、結露等の環境上の問題、部品同士の端面での反射による特性悪化、表面の保護等に有用である。材料としてはシリコーン樹脂等が適当である。
さらにＭＰＤの受光面に反射防止膜を形成するとＭＰＤに入射する光量が増大し，より大きなモニター電流が得られ好ましい。反射防止膜にはＳｉＯＮ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｚｒ_２Ｏ_３等を用いる。
本装置に用いるＬＤ，ＭＰＤは特に長波長光通信用として好ましく、ＬＤにはＩｎＧａＡｓＰ系の結晶を、ＭＰＤにはＩｎＧａＡｓ系若しくはＩｎＧａＡｓＰ系の結晶を用いるのが好ましい。
本装置の第２基板上にＬＤ駆動素子を搭載することが可能である。
これはＭＰＤを傾斜面に搭載するため、ＬＤからＭＰＤの後方までの距離が近くなり、ＬＤ駆動用素子をＬＤ近くに搭載が可能となるためである。ＬＤ駆動素子をＬＤ近くに搭載すると、短距離の結線となるので、信号歪が小となる。浮遊容量や寄生インダクタンスもきわめて小さくなる。このため高速通信や高周波通信にも有利となる。搭載部分は、第２基板を用いるため、大きくしてもコスト高にならない点で有利である。
発明を実施するための最良の形態
［実施例１（基本形：光ファイバ：図３）］
図３によって本発明の実施例１を説明する。第１基板３１は略矩形の板（サブマウント）である。これはＳｉ単結晶基板、ＧａＡｓ単結晶基板、Ｇｅ単結晶基板などからＳｉ単結晶基板を選んだ。第２基板３２は上面中央部に凹部３３を有し凹部３３の上に第１基板３１を保持するようになっている。第１基板３１の上後半部に半導体レーザチップ（ＬＤ）３４がエピダウンで固定される。第２基板３２の凹部３３の背後に傾斜面３５があり、傾斜面３５に上面入射型ＭＰＤ３６が上面を上にして固定されている。
第２基板３２の前方には第２のＶ溝３７が穿たれる。第１基板３１の前方にも第１のＶ溝３８が穿たれる。第１のＶ溝３８、第２のＶ溝３７は連続しており深さもほぼ同じである。光ファイバ３９が第１のＶ溝３８、第２のＶ溝３７に挿入固定される。深さが同一だといっても公差は違う。第２基板３２の第２のＶ溝３７は公差が大きく、第１基板３１の第１のＶ溝３８は公差が小さい。第１基板はＳｉ単結晶なので精密にＶ溝をきることができ光ファイバ３９の位置を正確に決めることができる。だからＬＤ３４と光ファイバ３９の結合効率を高くすることができる。そのためにこの部分だけはＳｉ単結晶基板などの単結晶の基板を使うのである。
光ファイバ３９のコア４０、ＬＤ３４の発光部４１は一直線上に並ぶ。発光部４１の延長線上に上面入射型ＭＰＤ３６の受光部４２の中間部が存在する。さらに透光性樹脂４３がＬＤ３４、ＭＰＤ３６、光ファイバ３９を囲んでいる。これらの空間はＬＤの光を通す部分であり、空気とすると屈折率の違いが大きすぎて反射戻り光が大きいから屈折率が光ファイバに近似した例えばシリコーン樹脂等の透明の樹脂によって被覆する。
ＬＤ３４から出た前方光は光ファイバ３９のコア４０に入り信号光として伝送される。ＬＤ３４から出た後方光は透光性樹脂４３を通りモニタ用フォトダイオード（ＭＰＤ）３６の受光部４２に入る。
製造方法を述べる。第１基板３１は、幅１．５ｍｍ×長さ４ｍｍ×厚み２ｍｍの（１００）面のＳｉ単結晶基板（サブマウント）である。単結晶Ｓｉウエハの段階でチップ分毎に、光ファイバを固定するための第１のＶ溝３８と、半導体レーザを固定するＡｕメタライズパターンをフォトエッチング技術によって形成する。ウエハプロセスによって複数個のチップを一挙に作製するからコスト低減できる。しかも単結晶を異方性エッチングによってＶ溝形成するから精密である。このサブマウント（第１基板）３１に半導体レーザダイオード（ＬＤ）３４（発光層：ＩｎＧａＡｓＰ、発光波長：１．３μｍ、幅３００μｍ×長さ３００μｍ×厚み１２０μｍ）をＡｕ−Ｓｎで半田固定する。
一方、液晶ポリマーを材料とし、金型を使って、サブマウント３１を埋め込む凹部３３と傾斜面３５、Ｖ溝３７を有する第２基板（幅４ｍｍ×長さ８ｍｍ×最大厚み３ｍｍ）３２を作製する。第２基板３２は凹部や溝などの凹凸があるから流動材料を金型によって成形できる高分子、セラミックなどは好適である。液晶ポリマーは３００℃の熱に耐えるからデバイス実装後の加熱処理などにおいても変質劣化しない。
第２基板の上面にメタライズパターンを印刷、蒸着などによって形成する。これらのパターンは、ＭＰＤやＬＤに電流、電圧を印加するための電極と配線を与える。
次に、ＩｎＧａＡｓを受光層とするＭＰＤ（受光部直径２００μｍ、チップ幅４００μｍ×長さ４００μｍ×厚み０．２μｍ）３６を、Ａｕメタライズ膜の上に半田付けするか、樹脂で接着するかして、第２基板３２の傾斜面３５に固定する。
このときＭＰＤ３６の受光部４２の中心が、半導体レーザ（ＬＤ）３４の後方光の中心軸（光軸）の延長上にあるようにすることによって、もっとも効率良い受光が可能となる。
もちろんＭＰＤ３６の受光面にＳｉＯＮ（或いはＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｚｒ_２Ｏ_３など）のような誘電体膜の反射防止膜を形成することによってさらに効率を向上させることができる。
またこの斜面の角度は直角に近いほど受光効率は高くなるが、あまりに直角に近いと、モニタフォトダイオードの実装が難しくなる。逆に、あまり水平に近いと、モニタ光に対する実効的な受光面積が狭くなりモニタ電流が減り、ＡＰＣ制御が不安定になる。
両方の条件に合致する範囲として、受光面の傾斜角を３０度から６０度にすることが望ましい。表１と図１４に傾斜角αを０度〜９０度にして、反射あり、反射防止膜ありの２つの場合について、水平偏光（Ｓ波）を生ずるＬＤとＭＰＤの結合効率を計算した結果を示す。ＬＤの波長は１．３μｍ、ＭＰＤ受光径は２００μｍ、ＬＤ後端とＭＰＤ表面中心点までの距離は４００μｍである。ＭＰＤの屈折率は３．５、透光性樹脂の屈折率は１．４６、反射防止膜の屈折率は１．８である。表１には傾斜角αと、その時の反射防止膜なし、反射防止膜ありのときの結合効率を示す。表１には使用した反射防止膜の厚みを追記した。図１４はそれをグラフにしたものである。
この計算結果から、結合効率が２０％以上あるとＡＰＣ制御に好都合であり、反射防止膜なしの場合で傾斜角３０°以上が望ましい。この角度で反射防止膜処理をすると、結合効率が１／３以上になりより好ましい領域となる。角度の上限は作業性によるもので、第２の基板にＭＰＤを搭載する際に傾斜角が大きすぎると、ＭＰＤ搭載作業が難しくなる。好ましくは６０°以下がよい。

前記第１基板３１を液晶ポリマー（全芳香族型ポリエステル樹脂）の第２基板３２に固定した後、光ファイバ３９をＶ溝３７、３８にエポキシ樹脂で樹脂固定した。この時、光ファイバ３９とＬＤ３４との位置合わせは、既に形成されたＳｉベンチのＶ溝３８によって精度良く行われる。第２の基板の光ファイバ固定用Ｖ溝３７はやや広めの溝で良い。
こののち、ＬＤ３４やＭＰＤ３６と周囲の電極（図示しない）をＡｕ線で結ぶ。最後に透光性樹脂４３例えばシリコーン系樹脂で光ファイバ、半導体レーザ、モニタフォトダイオードの間の光路を覆う（ポッティングする）。これによって光学特性が安定する。
［実施例２（フェルール付き光ファイバ：図４、５）］
図４は実施例２の装置の斜視図を示す。実施例１は光ファイバがそのまま第２基板、第１基板に取り付けられていた。実施例２は光ファイバにフェルールを付けて（フェルール付き光ファイバ）取り扱い易くしたものである。フェルールを付加したことに応じて第２基板３２の形状が少し違ってくる。光ファイバ３９とＬＤ３４を結合するための第１基板３１の構造は前例と同様である。ＬＤのリードとＭＰＤのリードをも記載している。
第１基板３１はＳｉ単結晶基板であって後方のメタライズパターンの上にＬＤ３４が固定される。第１基板３１の前方に光ファイバのためのＶ溝３８が穿たれる。この第１基板３１が、第２基板の凹部３３に嵌合固定されている。光ファイバ３９の先端には円筒形のフェルール４４が固定される。第２基板３２には先述の凹部３３の他に、光ファイバ３９を固定するためのＶ溝３７と、フェルール４４を固定するための大きなＶ溝４５が穿たれている。第２基板３２は液晶ポリマー（全芳香族型ポリエステル樹脂）を採用したので、金型によって作製でき、このような凹凸を容易に作製できる。
第２基板３２にはメタライズパターンが形成してあり一部のメタライズパターンにはリードが鑞付けしてある。向こう側に見えるリード４６、４７は第２基板３２の段下がり部分のメタライズパターンに鑞付けされたものである。これらはワイヤ４８、４９によってＭＰＤ３６の上部電極（ｐ電極）と、底部電極（ｎ電極）に接続されている。手前に見えるリード５０、５１は、ワイヤ５２、５３によってＬＤの底面電極（エピダウンなので上を向いている）と、ストライプ電極（エピダウンなのでＳｉ基板メタライズに接着されている）に接続されている。第１基板３１を凹部３３に挿入するのを容易にするために凹部５４が第２基板３２に形成されている。
図４はＬＤ、ＰＤの電極がリードに接続された状態を示している。このあと図３の場合と同様に透光性樹脂によってＬＤ、ＰＤ、光ファイバの部分を被覆する。
さらにこれの全体を金属製パッケージ、セラミック製パッケージに収容してデバイスとすることができる。より安価なパッケージングとしてエポキシ系の樹脂によって基板や透明樹脂の全体を覆う事により外形を形成することにしてもよい。どのようなパッケージ構造をとっても、フェルール４４の先端部と、４本のリード４６、４７、５０、５１の先端部が外部とのインターフェイスになる。図５はプラスチックモールド５５による廉価なパッケージ構造のものの斜視図である。
ＭＰＤを光軸に対して４５度傾斜させて製作した実施例１、実施例２の光通信装置で、図２の従来例を上まわるモニタ電流を得た。斜め入射であるが、受光径が広く、かつ、ＬＤの光軸と受光面の中心を合わせているので高い結合効率を得ている。
以上の実施例１、２はＭＰＤを実装する部分は、樹脂表面にメタライズして形成されており、リードもメタライズの上にろう付けする例になっている。更に工程を短縮し作りやすくするためには、リードフレームを第２基板に埋め込み一体化することが望ましい。そのような例を次の実施例３、４によって説明する。
［実施例３（フェルール付き光ファイバ：リードフレーム埋め込み：図６、７）］
図６は実施例３の装置の平面図を示し、図７は縦断面図を示す。実施例２と同様に光ファイバにフェルールを付けて（フェルール付き光ファイバ）取り扱いやすくしたものである。光ファイバとＬＤを結合するための第１基板３１の構造はこれまで述べた実施例と同様である。この実施例３では更に工程を短縮するためにリードフレームを第２基板に埋め込んで一体化している。
第１基板３１はＳｉ単結晶基板であって後方のメタライズ８５の上にＬＤ３４が固定される。第１基板３１の前方に光ファイバのためのＶ溝３８が穿たれる。この第１基板３１が、第２基板３２の凹部３３に嵌合固定されている。光ファイバ３９の先端には円筒形のフェルール４４が固定される。第２基板３２には先述の凹部３３の他に、光ファイバ３９を固定するためのＶ溝３７と、フェルール４４を固定するための大きなＶ溝４５が穿たれている。第２基板３２は金型によって作製するからこのような凹凸を容易に作製できる。ＭＰＤ３６はこれまでの実施例と同様、光軸に対して４５度傾斜させＬＤ後方の傾斜面３５上のリードフレーム８８に固定される。
今までの実施例では第２基板３２にメタライズパターンが形成してあり、メタライズパターンにリードフレームが鑞付けしてあった。しかし、この実施例３では第２基板３２を金型によって成型すると同時に、リードフレーム８６、８７、８８、８９を埋め込んでしまう。このようにリードフレームを挿入したような成型方法をインサート成型と言う。
このようにして埋め込まれたリードフレーム８９にＭＰＤ３６の上部電極がワイヤ８２によって接続される。また、同時に埋め込まれたリードフレーム８７はワイヤ８４によってＬＤ３４の底面電極（エピダウンなので上を向いている）と接続されている。第１基板３１にはＬＤ用のメタライズパターン８５が蒸着してあり、そのメタライズパターン８５にリードフレーム８６がワイヤ８３によって接続される。このあと図７に示すような透光性樹脂４３によってＬＤ、ＭＰＤ、光ファイバの部分を被覆する。
これまでの実施例のように第２基板表面にメタライズパターンを形成してリードフレームをその後で鑞付けする工程が省かれる。インサート成型によって工程が短縮され更にモジュールを作製しやすくなり、廉価な装置が実現できる。
［実施例４（フェルール付き光ファイバ：光導波路：リードフレーム埋め込み：図８、９）］
図８、９によって本発明の実施例４を説明する。これは光ファイバを直接にＬＤに結合するのではなく、光ファイバとＬＤの間に光導波路を介装させた実施例である。その他の点では実施例３と同様である。
第１基板３１はＳｉ単結晶基板であって前半部には軸線方向に延びる光導波路５７が形成されている。第１基板３１の後方のメタライズ８５の上にＬＤ３４が固定される。この第１基板３１が、第２基板３２の凹部３３に嵌合固定されている。光ファイバ３９の先端には円筒形のフェルール４４が固定される。光ファイバ３９のもう一方の先端には光導波路５７が形成される。第２基板３２には先述の凹部３３の他に、光ファイバ３９を固定するためのＶ溝３７と、フェルール４４を固定するための大きなＶ溝４５が穿たれている。第２基板３２は金型によって作製するからこのような凹凸を容易に作製できる。ＭＰＤ３６はこれまでの実施例と同様、光軸に対して４５度傾斜させＬＤ後方の傾斜面３５上のリードフレーム８８に固定される。
光導波路５７は、コア５８と上クラッド５９、下クラッド６０よりなり光を導く光路を形成する。第１基板３１はＳｉ単結晶基板であるから、その上にＳｉＯ_２膜をスパッタリングなどによって堆積することによって作る。コア５８は屈折率がクラッド５９、６０より高い部分である。ＳｉＯ_２にＧｅＯ_２をドープすることによって屈折率を上げることができるので、これによってコアを作る。ＳｉＯ_２下クラッド層６０を形成しその上へ一様にＳｉＯ_２−ＧｅＯ_２膜を作りフォトリソグラフィによってストライプ状にＳｉＯ_２−ＧｅＯ_２を僅かに残し、さらにその上に一様にＳｉＯ_２の上クラッド層５９をスパッタリングによって形成する。これによって直線の導波路や曲線の導波路を形成することができる。
この実施例４も実施例３と同様に、第２基板表面にメタライズパターンを形成してリードフレームをその後で鑞付けする工程が省かれる。このようなインサート成型によって工程が短縮され更に装置を作製しやすくなり、廉価なモジュールが実現できる。
［実施例５（光ファイバ：ＭＰＤ固定溝：図１０）］
実施例１、２では第２基板３２の斜面にマーク（標識）を付けておきＭＰＤ３６を傾斜面に取り付けるようにしている。マークの代わりにＭＰＤ固定溝を設けた実施例５を図１０によって説明する。図１０において、プラスチック（例えば液晶ポリマー）或いはセラミック製の、凹部や傾斜面を有する第２基板３２の凹部３３に第１基板３１が固定されている。第２基板３２のＭＰＤ３６を実装する斜面３５に、ＭＰＤ３６よりやや広い凹部（固定溝）５６を設けている。固定溝５６は、ＭＰＤ３６実装時の位置合わせマークとなるし、半田がＳｉ基板固定のための水平面に流れ込むことを防止することができる。
その他の特徴は実施例１と同様である。第１基板３１の上にエピダウンでＬＤ３４が固定され、Ｖ溝３７、３８に光ファイバ３９が挿入固定されている。Ｖ溝３８によってＬＤ３４と光ファイバ３９の結合が最適化されている。光ファイバ３９のコア４０、ＬＤ３４の発光部（ストライプ；活性層）４１、ＭＰＤ３６の受光部４２が直線上に並ぶ。ＭＰＤの表面は反射防止膜によって覆われる。ＬＤ３４の前方光は光ファイバ３９に入り、後方光はＭＰＤ３６に入る。これも上面入射型ＰＤをモニタに利用している。もちろん裏面入射型で置き換えることも可能である。ＭＰＤへ直接にモニタ光が入射しモニタ光量が多いからＬＤの駆動電流制御が精密的確になる。
［実施例６（光導波路：ＭＰＤ固定溝：図１１）］
図１１は本発明の実施例６を示す。これは光ファイバを直接にＬＤに結合するのではなく、光ファイバとＬＤの間に光導波路を介装させた実施例である。その他の点では実施例１、５などと同様である。
第２基板３２の凹部３３に第１基板３１を固定する。第２基板３２の後方の傾斜面３５には固定溝５６があり、ここへＭＰＤ３６を実装する。第１基板３１の後半部にＬＤ３４を取り付けるのはこれまでの実施例と同様であるが、第１基板の前半部には光導波路５７が形成されている。光導波路５７の前端に光ファイバ３９が接合されている。第２基板３２にはＶ溝３７があって光ファイバ３９を保持しているが、第１基板３１には光導波路が続いているから光ファイバ保持のためのＶ溝がない。ＬＤ３４、ＭＰＤ３６、光ファイバ３９、光導波路５７などは透光性樹脂４３によって覆われている。
光導波路５７は、コア５８と上クラッド５９、下クラッド６０よりなり光を導く光路を形成する。第１基板３１はＳｉ単結晶基板であるから、その上にＳｉＯ_２膜をスパッタリングなどによって堆積することによって作る。コア５８は屈折率がクラッド５９、６０より高い部分である。ＳｉＯ_２にＧｅＯ_２をドープすることによって屈折率を上げることができるので、これによってコアを作る。ＳｉＯ_２下クラッド層６０を形成しその上へ一様にＳｉＯ_２−ＧｅＯ_２膜を作りフォトリソグラフィによってストライプ状にＳｉＯ_２−ＧｅＯ_２を僅かに残し、さらにその上に一様に上クラッド層６９をスパッタリングによって形成する。ここではＳｉＯ_２系の例を示したが、有機高分子系でもよい。これによって直線の導波路や曲線の導波路を形成することができる。
また単純な光ガイド機構をもつだけでなくて、ここに屈折率が周期的に変動する格子（グレーティング）を形成することができる。これは二光束干渉露光法によってフォトレジストを固め選択的にＧｅＯ_２ドーピングすることによって例えば作製することができる。さらには光導波路にＹ分岐を作ることもできる。Ｙ分岐の分岐部にＷＤＭ（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）を設けることによって波長選択性を付与することもできる。光導波路はこのような特別の機能を付加するのに向いている。
光導波路（Ｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を用いると、ここにグレーティング（ｇｒａｔｉｎｇ）を形成して、波長選択機能をもたせたり、Ｙ分岐や、ＷＤＭ機能を付加することができる。このような機能を付加することによって二方向の光を扱いその間のクロストークを抑制できるようになる。ために送信機能に加え、受信機能をも一体化できる。そのため本発明は光送信器だけでなく受信器を一体化した送受信器にも応用できる。従って、本発明の名称を、光送信器、光受信器、光送受信器を包含する概念である光通信装置としている。
［実施例７（ＬＤ駆動用ＩＣ：図１２）］
図１２にＬＤ駆動用ＩＣを設けた本発明の実施例７を示す。より長い第２基板３２を採用してモニタフォトダイオードの後方に、半導体レーザのドライブＩＣを配置している。その他の点はこれまで述べた実施例と同じである。
第２基板３２の中央部に凹部３３とそれに続く傾斜面３５が形成されている。後背部がもっとも高くなっている。前方の平坦面にはＶ溝３７が造形されている。凹部３３には第１基板３１が挿入固定される。第１基板３１には信号光を発生するためのＬＤ３４がエピダウンで固定される。光ファイバ３９が、第１基板３１のＶ溝３８と第２基板３２のＶ溝３７にわたって挿入固定されている。第２基板３２の後半の傾斜面３５には固定溝５６があり、そこへ上面入射型ＭＰＤ３６が挿入固定される。
傾斜面３５の背後の高い平坦部にメタライズ（図示しない）がありＬＤ駆動用ＩＣ６１が固定される。ＬＤ駆動用ＩＣ６１の上部の電極と、ＬＤ３４の上部の電極はワイヤ６２によって直接に接続される。ＬＤ３４、光ファイバ３９、ＭＰＤ３６、ＬＤ駆動用ＩＣ６１は透光性樹脂４３によって覆われる。透光性樹脂４３によって被覆するのが必要なのはＬＤ、ＭＰＤ、光ファイバだけであるが、ここではＬＤ駆動用ＩＣ６１をもまとめて被覆している。透光性樹脂４３は硬化後も柔軟性があり、プラスチックモールド樹脂にかかる外部の衝撃、応力を緩和し、内部の素子を保護する作用もある。ＬＤ駆動用ＩＣ６１については緩衝作用が期待される。
ＬＤ駆動用ＩＣというのは、ＬＤにパルス光信号を発生させるためのパルス電流をＬＤに与えるものである。通常は光送信モジュールの外側にあるプリント基板に実装されプリント基板のワイヤパターンと、リードとワイヤによって、ＬＤ駆動用ＩＣとＬＤが接続される。信号線が長いしリードを通るから信号が歪み高速信号列を伝送するには難がある。同じデバイス内にＬＤ駆動用ＩＣも実装できればよいのであるが、ＭＰＤは通常ＬＤのすぐ背後にあって、その後ろへＬＤ駆動用ＩＣを配分するということになりそれは難しいので実際には行われない。
ところが実施例７のように、同じデバイス内にＬＤ駆動用ＩＣをも実装すると、ワイヤ６２によって、ＬＤ駆動用ＩＣとＬＤを短いワイヤで接続できるから信号歪は小さくなる。高速信号伝送に好適な構造となる。
通常のデバイスでＬＤ駆動用ＩＣを同じデバイスに組み込むことはできないと述べた。本発明では、第２基板の凹部に第１基板を置き、その上にＬＤを配し、背後の傾斜面に斜めにＭＰＤを配置している。上が空くのでＬＤ駆動用ＩＣとＬＤのサブマウントをワイヤ６２によって容易に接続することができる。つまりＭＰＤ３６を少し下がった斜面３５に埋め込む形になっているので、このような至近距離での配線が可能となる。
こうすることによって、わずか１ｍｍ程度の至近距離で、ＩＣのドライブ出力端子と半導体レーザの電極を１本のＡｕワイヤで直結できることになる。浮遊容量や寄生インダクタンスの極めて低いドライブ回路となる。５Ｇｂｐｓから１０Ｇｂｐｓといった高周波の送信器に適した構造となる。これも通常の構造では得難い本発明の利点である。
［実施例８（前端まで伸びた光導波路：ＭＰＤ固定溝：図１３）］
図１３は実施例８を示す。これも実施例６と同様に光ファイバを直接にＬＤに結合するのではなく、光ファイバとＬＤの間に光導波路を介装させた実施例である。実施例６と違って、第１基板を第２基板の前端まで延長し、第１基板３１の前端まで光導波路を形成している。
第２基板３２の前端にいたるまで凹部３３を形成する。これに続いて第２基板３２に傾斜面３５を形成する。長い凹部３３にこれまでの実施例より長い第１基板３１を固定する。第１基板３１の前半部には実施例６より長い光導波路５７が形成されている。光導波路５７の前端に光ファイバ３９が接合されている。つまり光ファイバ３９、第１基板３１、第２基板３２の端面は同一平面上にある。第２基板３２には光ファイバを保持するべきＶ溝がない。第１基板３１にも光導波路５７が続いているから光ファイバ保持のためのＶ溝がない。
第２基板３２の後方の傾斜面３５には固定溝５６がありここへＭＰＤ３６を実装する。第１基板３１の後半部に光導波路と連続するようにＬＤ３４を取り付ける。光ファイバ３９のコア４０、光導波路５７のコア５８、ＬＤ３４の発光部４１、ＭＰＤ３６の受光部４２が一直線上に並ぶ。ＬＤ３４、ＭＰＤ３６、光ファイバ３９、光導波路５７などは透光性樹脂４３によって覆う。
光導波路５７は、コア５８と上クラッド５９、下クラッド６０よりなり光を導く光路を形成する。実施例６と同様の方法によって光導波路を作製できる。
実施例６で述べたように、光導波路５７は単純な光ガイド機構をもつだけでなくて、ここに屈折率が周期的に変動する格子（グレーティング）やＹ分岐を形成することができる。Ｙ分岐の分岐部にＷＤＭ（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）を設けることによって波長選択性を付与することもできる。実施例８は光導波路の部分が長いから実施例６よりもなおこのような特別の機能を付加するのに向いている。
【図面の簡単な説明】
図１は従来技術になる光送信モジュールの一例である。
図２は吉田幸司、加藤猛、平高敏則、結城文夫、立野公男、三浦敏雅「樹脂封止型ＬＤモジュールの光結合特性」１９９７年電子情報通信学会総合大会、Ｃ−３−６８、ｐ２５３に記載されているＬＤモジュールの縦断面図である。
図３は光伝送媒体として光ファイバを用いる本発明の実施例１にかかる光通信装置の縦断面図である。
図４は光伝送媒体として光ファイバを用い光ファイバにはフェルールが装着されている本発明の実施例２にかかる光通信装置の斜視図である。
図５は本発明の実施例２にかかる光通信装置のプラスチックモールドした状態の斜視図である。
図６は光伝送媒体として光ファイバを用い、インサート成型によって作製する本発明の実施例３にかかる光通信装置の平面図である。
図７は光伝送媒体として光ファイバを用い、インサート成型によって作製する本発明の実施例３にかかる光通信装置の縦断面図である。
図８は光伝送媒体として光ファイバ・光導波路を用い、インサート成型によって作製する本発明の実施例４にかかる光通信装置の平面図である。
図９は光伝送媒体として光ファイバ・光導波路を用い、インサート成型によって作製する本発明の実施例４にかかる光通信装置の縦断面図である。
図１０は光伝送媒体として光ファイバを用いＭＰＤ固定溝を第２基板に形成した本発明の実施例５にかかる光通信装置の縦断面図である。
図１１は光伝送媒体として光導波路を用いる本発明の実施例６にかかる光通信装置の縦断面図である。
図１２は光伝送媒体として光ファイバを用いＬＤ駆動用ＩＣを素子内に実装した本発明の実施例７にかかる光通信装置の縦断面図である。
図１３は光伝送媒体として光導波路を用いる本発明の実施例８にかかる光通信装置の縦断面図である。
図１４はＬＤの波長１．３μｍ、ＭＰＤ受光径２００μｍ、ＬＤ後端とＰＤ表面中心点までの距離４００μｍ、ＭＰＤの屈折率３．５、透光性樹脂の屈折率は１．４６、反射防止膜屈折率１．８という条件で、傾斜角αを０度〜９０度にして、反射防止膜なし、反射防止膜ありの２つの場合について、水平偏光（Ｓ波）を生ずるＬＤとＭＰＤの結合効率を計算した結果を示すグラフである。

Claims

第１基板と該第１基板を収納する凹部が設けられ、それに続く凹部の壁面が傾斜面をなす第２基板とから構成されており、前記第１基板の上には前方光と後方光を生成する半導体レーザ（ＬＤ）と該前方光を外部へ伝送するための伝送媒体とが配置され、前記第２基板には、半導体レーザの後方光を受光するため該傾斜面に固定されたモニタフォトダイオード（ＭＰＤ）が配置され、前記第１基板と第２基板には、前記半導体レーザ（ＬＤ）とモニタフォトダイオード（ＭＰＤ）の電極と外部回路とを電気的に接続するための電気的接続手段が設けられていることを特徴とする光通信装置。
第１基板がＳｉ単結晶基板であることを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
第２基板がセラミック基板であることを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
第２基板が高分子基板であることを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
第１基板がＳｉ単結晶基板であって、第２基板が液晶ポリマーであることを特徴とする請求項１、２及び４の何れかに記載の光通信装置。
光伝送媒体が光ファイバであることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の光通信装置。
光伝送媒体が第１基板上に形成された光導波路を経由することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の光通信装置。
光導波路がＳｉＯ_２系導波路か、有機高分子系導波路であることを特徴とする請求項７に記載の光通信装置。
第２基板のモニタフォトダイオード（ＭＰＤ）を固定する傾斜面にモニタフォトダイオード（ＭＰＤ）より広い固定溝を設けたことを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記裁の光通信装置。
第２基板がリードフレームをインサート成型してなることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の光通信装置。
モニタフォトダイオード（ＭＰＤ）が、リードフレームの有する斜面に搭載されていることを特徴とする請求項１０に記載の光通信装置。
モニタフォトダイオード（ＭＰＤ）はその受光面の中心が半導体レーザ（ＬＤ）後方光の光軸のほぼ延長線上にくるように配置され、レーザ後方光の光軸に対する受光面の傾斜角が３０度から６０度になるよう配置されたことを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の光通信装置。
光伝送媒体と半導体レーザ（ＬＤ）の間、および半導体レーザ（ＬＤ）とモニタフォトダイオード（ＭＰＤ）間の空間が、透光性樹脂によって覆われていることを特徴とする請求項１乃至１２の何れかに記載の光通信装置。
モニタフォトダイオード（ＭＰＤ）の受光面に反射防止膜を形成したことを特徴とする請求項１乃至１３の何れかに記載の光通信装置。
半導体レーザ（ＬＤ）がＩｎＧａＡｓＰ系の結晶からなり、モニタフォトダイオード（ＭＰＤ）がＩｎＧａＡｓ若しくはＩｎＧａＡｓＰ系の結晶よりなることを特徴とする請求項１乃至１４の何れかに記載の光通信装置。
モニタフォトダイオード（ＭＰＤ）の後方の第２基板の上に半導体レーザ（ＬＤ）の駆動素子（ＬＤ駆動用ＩＣ）を配置したことを特徴とする請求項１乃至１５の何れかに記載の光通信装置。