JP2006330475A - Optical semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Tetsuya Hosoda
哲也 細田
Junichi Shimizu
淳一 清水
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical semiconductor device which has high optical coupling efficiency and has reliability secured and has productivity improved because of easy assembling, and manufacturing method thereof. <P>SOLUTION: An optical semiconductor device 10 includes a silicon substrate 11, a semiconductor laser diode 12 mounted on the silicon substrate 11, a groove part 14 formed on the silicon substrate 11 so as to be aligned with an optical axis direction of laser light outputted from the semiconductor laser diode 12, and an approximately cylindrical lens 13 for optical coupling which is provided within the groove part 14 and guides the laser light to an optical fiber. The lens 13 for optical coupling is positioned in the optical axis direction by a pair of support parts (slopes 19 and 20) facing each other in the groove part 14. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、シリコンオプティカルベンチを使用した光半導体装置およびその製造方法に関し、特に、円筒形状の光学結合用レンズを用いた光半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an optical semiconductor device using a silicon optical bench and a manufacturing method thereof, and more particularly to an optical semiconductor device using a cylindrical optical coupling lens and a manufacturing method thereof.

メトロ・アクセス領域の光通信用装置においては、求められる性能および信頼性を、小型化しつつ実現し、さらに低コストで実現するかが重要な課題である。光半導体装置においても、一般的な半導体パッケージと同レベルの小型化、低コスト化が望まれている。しかしながら、光半導体装置は、光および電気接続の両方を行う必要があるため、そのサイズが大きくなる。さらに、金属部品を多用するために、コストが高くなる難点がある。   In an optical communication device in the metro access area, it is an important issue to realize the required performance and reliability while reducing the size and at a lower cost. In an optical semiconductor device, miniaturization and cost reduction at the same level as a general semiconductor package are desired. However, the size of the optical semiconductor device increases because it is necessary to perform both optical and electrical connections. Furthermore, since many metal parts are used, there is a problem that the cost becomes high.

近年、光導波路技術や、基板上で光結合系を形成するパッシブアライメント技術の実用化により、光および電気機能を集積した光半導体装置が開発されている。その手法の一つとして、シリコンをベースとした基板（シリコンオプティカルベンチ）への実装方式がある。シリコンオプティカルベンチへは光学部品や電気部品をパッシブにアライメントでき、安価な光半導体装置を提供できることから、共通プラットフォームとして有望である。シリコンオプティカルベンチにおいては、レンズの実装形態およびその実装方法が重要である。すなわち、これらは、半導体レーザダイオードの出力光とファイバへの入力光との割合である光結合効率を向上させるために特に重要である。このため、シリコンオプティカルベンチへの光学結合用レンズの実装に際しては、位置精度、組立の容易性、さらには信頼性について十分に考慮する必要がある。   In recent years, optical semiconductor devices integrated with light and electric functions have been developed by practical application of optical waveguide technology and passive alignment technology for forming an optical coupling system on a substrate. One of the techniques is a mounting method on a silicon-based substrate (silicon optical bench). Optical components and electrical components can be passively aligned with the silicon optical bench, and an inexpensive optical semiconductor device can be provided, which is promising as a common platform. In the silicon optical bench, the lens mounting form and the mounting method are important. That is, they are particularly important for improving the optical coupling efficiency, which is the ratio between the output light of the semiconductor laser diode and the input light to the fiber. For this reason, when mounting an optical coupling lens on a silicon optical bench, it is necessary to sufficiently consider positional accuracy, ease of assembly, and reliability.

従来のシリコンオプティカルベンチ上への光学結合用レンズの実装形態としては、シリコンベンチ上にエッチングにより溝部を形成し、溝部に光学結合用レンズを埋め込む実装方法が一般的に行われている。特許文献１には、シリコンオプティカルベンチの端に異方性エッチングにより、底面が四角形および三角形の角錐状の溝を形成し、この溝内に球状の光学結合用レンズを上方から押し付けながら設置する方法が記載されている。この方法によれば、球状の光学結合用レンズ（以下、球状レンズともいう）が複数点でシリコンオプティカルベンチと接するため、球状レンズを位置決めすることができる。また、特許文献２には、球状レンズをシリコンオプティカルベンチ上に樹脂を用いて直接接着する方法が記載されている。この樹脂は、光半導体装置の動作温度範囲の最低温度よりも低いガラス転移温度を有する。これは、光半導体装置はガラス転移温度以上の環境温度で使用するので、樹脂は常にゲル状態で柔軟性を保つことによって、温度変化による応力の影響が緩和され、光学的安定性が保持される。この方法は、柔軟性を有する樹脂を用いることにより、機械的衝撃を緩和するものである。   As a conventional mounting form of an optical coupling lens on a silicon optical bench, a mounting method in which a groove is formed on a silicon bench by etching and the optical coupling lens is embedded in the groove is generally performed. Patent Document 1 discloses a method of forming a pyramid-shaped groove having a bottom surface of a square shape and a triangle shape by anisotropic etching at the end of a silicon optical bench, and placing a spherical optical coupling lens in the groove while pressing it from above. Is described. According to this method, since the spherical optical coupling lens (hereinafter also referred to as a spherical lens) contacts the silicon optical bench at a plurality of points, the spherical lens can be positioned. Patent Document 2 describes a method of directly bonding a spherical lens on a silicon optical bench using a resin. This resin has a glass transition temperature lower than the lowest temperature in the operating temperature range of the optical semiconductor device. This is because the optical semiconductor device is used at an environmental temperature equal to or higher than the glass transition temperature, so that the resin always maintains flexibility in a gel state, thereby mitigating the influence of stress due to temperature change and maintaining optical stability. . This method relieves mechanical impact by using a resin having flexibility.

このような球状レンズは、非球面を有する光学結合用レンズ（以下、非球面レンズともいう）よりも光結合における損失が大きい。そのため、近年では光結合効率の高い非球面レンズが用いられてきている。非球面レンズの場合、その形状は一般的には円筒形状となる。特許文献３には、図９に示すような光半導体装置１００が記載されている。図９に、光半導体装置１００の光軸に沿った縦断面図を示す。シリコンオプティカルベンチ１１１上に、光軸方向に直交する方向において対向するように一対の傾斜面（不図示）を有する溝部１１４を形成し、この溝部１１４内に円筒形状の光学結合用レンズ１１３が搭載された光半導体装置１００が記載されている。この光半導体装置１００においては、円筒形状の光学結合用レンズ１１３を、溝部１１４内の半導体レーザダイオード１１２側の傾斜面１２０と、一対の傾斜面（不図示）との３面に接触させることにより、光学結合用レンズ１１３の位置決めを行っている。また、特許文献４には、平板状のマイクロレンズを、シリコンオプティカルベンチ上に形成されたガイド溝に搭載する方法が記載されている。ガイド溝は、光学結合用レンズの形状と略同一形状に形成されており、平板状の光学結合用レンズをガイド溝に嵌合させることにより、光学結合用レンズの位置決めしている。
特開２００２−１４１５９７号公報 特開２００１−９４１９１号公報 特開２００１−２４２３５７号公報 特開２００３−１６７１７４号公報 Such a spherical lens has a greater loss in optical coupling than an optical coupling lens having an aspheric surface (hereinafter also referred to as an aspheric lens). Therefore, in recent years, aspherical lenses with high optical coupling efficiency have been used. In the case of an aspheric lens, the shape thereof is generally a cylindrical shape. Patent Document 3 describes an optical semiconductor device 100 as shown in FIG. FIG. 9 shows a longitudinal sectional view along the optical axis of the optical semiconductor device 100. A groove 114 having a pair of inclined surfaces (not shown) is formed on the silicon optical bench 111 so as to face each other in a direction orthogonal to the optical axis direction, and a cylindrical optical coupling lens 113 is mounted in the groove 114. An optical semiconductor device 100 is described. In this optical semiconductor device 100, the cylindrical optical coupling lens 113 is brought into contact with the three surfaces of the inclined surface 120 on the semiconductor laser diode 112 side in the groove 114 and a pair of inclined surfaces (not shown). The optical coupling lens 113 is positioned. Patent Document 4 describes a method of mounting a flat microlens in a guide groove formed on a silicon optical bench. The guide groove is formed in substantially the same shape as the optical coupling lens, and the optical coupling lens is positioned by fitting a flat optical coupling lens into the guide groove.
JP 2002-141597 A JP 2001-94191 A JP 2001-242357 A JP 2003-167174 A

特許文献３の光半導体装置１００において、光学結合用レンズ１１３は、半導体レーザダイオード１１２側の傾斜面１２０、および光軸方向と直交する方向に対向する一対の傾斜面（不図示）により、溝部１１４内に固定されている。近年、光通信の高速化、大容量化が要求されており、レンズ実装位置を精度良く位置決めし、光結合効率を向上させる必要が生じてきた。図９に示すように、円筒形状の光学結合用レンズ１１３を用いた場合、その形状の影響で光軸方向に位置決めされず、またレンズ実装時にレンズの傾き（煽り角）が発生する。そのため、レーザ光線が傾いてしまい、光ファイバとの光結合効率が劣化する問題が顕在化してきた。   In the optical semiconductor device 100 of Patent Document 3, the optical coupling lens 113 includes a groove 114 by an inclined surface 120 on the semiconductor laser diode 112 side and a pair of inclined surfaces (not shown) facing in a direction orthogonal to the optical axis direction. It is fixed inside. In recent years, there has been a demand for higher speed and larger capacity of optical communication, and it has become necessary to accurately position a lens mounting position and improve optical coupling efficiency. As shown in FIG. 9, when a cylindrical optical coupling lens 113 is used, it is not positioned in the direction of the optical axis due to the shape, and a tilt (bending angle) of the lens occurs when the lens is mounted. Therefore, the problem that the laser beam is tilted and the optical coupling efficiency with the optical fiber deteriorates has become apparent.

本発明に係る光半導体装置は、
シリコン基板と、
前記シリコン基板上に搭載された半導体レーザダイオードと、
前記半導体レーザダイオードから出力されたレーザ光の光軸方向と一致する方向となるように前記シリコン基板に形成された溝部と、
前記溝部内に備えられ、前記レーザ光を光ファイバに導くための略円筒状の光学結合用レンズと、を備え、
前記光学結合用レンズは、前記溝部において対向する一対の支持部により光軸方向に位置決めされていることを特徴とする。 An optical semiconductor device according to the present invention includes:
A silicon substrate;
A semiconductor laser diode mounted on the silicon substrate;
A groove formed in the silicon substrate so as to coincide with the optical axis direction of the laser beam output from the semiconductor laser diode;
A substantially cylindrical optical coupling lens provided in the groove and for guiding the laser light to an optical fiber;
The optical coupling lens is positioned in the optical axis direction by a pair of support portions opposed to each other in the groove portion.

このような光半導体装置によれば、光学結合用レンズその形状が円筒形状であっても光軸方向に位置決めされる。そのため、光学結合用レンズを実装する際にレンズの傾き（煽り角）が発生することがなく、光ファイバとの光結合効率が向上する。   According to such an optical semiconductor device, the optical coupling lens is positioned in the optical axis direction even if its shape is a cylindrical shape. For this reason, when mounting the optical coupling lens, there is no tilting (bending angle) of the lens, and the optical coupling efficiency with the optical fiber is improved.

本発明の光半導体装置によれば、略円筒形状の光学結合用レンズを実装する際にレンズの傾き（煽り角）が発生することがなく、光ファイバとの光結合効率が向上する。   According to the optical semiconductor device of the present invention, when mounting an optical coupling lens having a substantially cylindrical shape, there is no tilting (bending angle) of the lens, and the optical coupling efficiency with the optical fiber is improved.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

図１は、光半導体装置の第１実施形態を示す概略斜視図である。図２および図３は、各々図１のａ−ａ'線 断面図、ｂ−ｂ'線断面図である。   FIG. 1 is a schematic perspective view showing a first embodiment of an optical semiconductor device. 2 and 3 are a cross-sectional view taken along line aa ′ and a cross-sectional view taken along line bb ′ in FIG. 1, respectively.

図１に示すように、光半導体装置１０は、シリコン基板（シリコンオプティカルベンチ１１）と、前記シリコン基板上に搭載された半導体レーザダイオード１２と、半導体レーザダイオード１２から出力されたレーザ光の光軸方向と一致する方向となるようにシリコン基板に形成された溝部１４と、溝部１４内に備えられ、前記レーザ光を光ファイバに導くための略円筒状の光学結合用レンズ１３と、を備える。なお、モニタ用フォトダイオード、温度モニタ用サーミスタ、薄膜抵抗体素子、インピーダ、光ファイバ等の図示を省略する。   As shown in FIG. 1, an optical semiconductor device 10 includes a silicon substrate (silicon optical bench 11), a semiconductor laser diode 12 mounted on the silicon substrate, and an optical axis of laser light output from the semiconductor laser diode 12. A groove portion 14 formed in the silicon substrate so as to coincide with the direction, and a substantially cylindrical optical coupling lens 13 provided in the groove portion 14 for guiding the laser light to an optical fiber. Note that illustration of a monitoring photodiode, a temperature monitoring thermistor, a thin film resistor element, an impedancer, an optical fiber, and the like is omitted.

シリコンオプティカルベンチ１１単体の概略斜視図を図４に示す。シリコンオプティカルベンチ１１には、溝部１４が形成されている。溝部１４は、深さの浅い第１溝部１４ａと、半導体レーザダイオード１２側に形成された深さの深い第２溝部１４ｂとからなる。第１溝部１４ａと第２溝部１４ｂとの間には、傾斜面１９が形成されている。第２溝部１４ｂは、光学結合用レンズ１３の光軸方向において対向する一対の傾斜面１９，２０と、光軸方向と直交する方向において対向する一対の傾斜面２１，２２とを有する。本実施形態においては、第１溝部１４ａおよび第２溝部１４ｂは底面を有する例によって示すが、特に限定されず、傾斜面のみで形成されていてもよい。傾斜面１９，２０は、下方向に向かってすぼむように傾斜しており、一方、傾斜面２１，２２も下方向に向かってすぼむように傾斜している。   FIG. 4 shows a schematic perspective view of the silicon optical bench 11 alone. A groove portion 14 is formed in the silicon optical bench 11. The groove portion 14 includes a first groove portion 14a having a shallow depth and a second groove portion 14b having a deep depth formed on the semiconductor laser diode 12 side. An inclined surface 19 is formed between the first groove portion 14a and the second groove portion 14b. The second groove portion 14b includes a pair of inclined surfaces 19 and 20 that face each other in the optical axis direction of the optical coupling lens 13, and a pair of inclined surfaces 21 and 22 that face each other in a direction orthogonal to the optical axis direction. In this embodiment, although the 1st groove part 14a and the 2nd groove part 14b are shown by the example which has a bottom face, it is not specifically limited, You may be formed only by the inclined surface. The inclined surfaces 19 and 20 are inclined so as to be recessed downward, while the inclined surfaces 21 and 22 are also inclined so as to be recessed downward.

半導体レーザダイオード１２は、シリコンオプティカルベンチ１１上にハンダ１７を介して固着されている。ハンダ１７としては、ＡｓＳｎなどを用いることができる。   The semiconductor laser diode 12 is fixed on the silicon optical bench 11 via solder 17. As the solder 17, AsSn or the like can be used.

光学結合用レンズ１３は、略円筒形状を有しており、かつ凸状の非球面を有する非球面レンズを用いることができる。光学結合用レンズ１３は、溝部１４において対向する一対の支持部（傾斜面１９，２０）により光軸方向に位置決めされている。具体的には、図２乃至図３に示すように、光学結合用レンズ１３は、第２溝部１４ｂ内に載置され、シリコンオプティカルベンチ１１に搭載されている。光学結合用レンズ１３は溝部１４内にＵＶ硬化樹脂などの接着剤により接着されている。光学結合用レンズ１３は、第２溝部１４ｂ内において傾斜面１９，２０に当接することにより光軸方向に位置決めされ、傾斜面２１，２２に当接することにより光軸方向に直交する方向に位置決めされている。   As the optical coupling lens 13, an aspherical lens having a substantially cylindrical shape and having a convex aspherical surface can be used. The optical coupling lens 13 is positioned in the optical axis direction by a pair of support portions (inclined surfaces 19 and 20) facing each other in the groove portion 14. Specifically, as shown in FIGS. 2 to 3, the optical coupling lens 13 is placed in the second groove portion 14 b and mounted on the silicon optical bench 11. The optical coupling lens 13 is adhered in the groove 14 with an adhesive such as a UV curable resin. The optical coupling lens 13 is positioned in the optical axis direction by contacting the inclined surfaces 19 and 20 in the second groove portion 14b, and is positioned in the direction orthogonal to the optical axis direction by contacting the inclined surfaces 21 and 22. ing.

以下に、第１実施形態の光半導体装置１０の効果を説明する。   The effects of the optical semiconductor device 10 of the first embodiment will be described below.

略円筒状の光学結合用レンズ１３は、溝部１４において対向する一対の支持部（傾斜面１９，２０）により光軸方向に位置決めされている。これにより、光学結合用レンズ１３は、その形状が円筒形状であっても光軸方向に位置決めされる。そのため、光学結合用レンズ１３を実装する時にレンズの傾き（煽り角）が発生することがなく、光ファイバとの光結合効率が向上する。   The substantially cylindrical optical coupling lens 13 is positioned in the optical axis direction by a pair of support portions (inclined surfaces 19 and 20) facing each other in the groove portion 14. Thereby, the optical coupling lens 13 is positioned in the optical axis direction even if the shape thereof is a cylindrical shape. For this reason, when the optical coupling lens 13 is mounted, there is no tilting (bending angle) of the lens, and the optical coupling efficiency with the optical fiber is improved.

また、溝部１４に形成された一対の傾斜面１９，２０は、下方向に向かってすぼむように傾斜するとともに、光軸方向において対向するように構成されている。光学結合用レンズ１３は、この傾斜面１９，２０に当接することができ、光軸方向により確実に位置決めされ、光ファイバとの光結合効率がさらに向上する。   In addition, the pair of inclined surfaces 19 and 20 formed in the groove portion 14 are configured to be inclined so as to be recessed downward and to face each other in the optical axis direction. The optical coupling lens 13 can abut against the inclined surfaces 19 and 20, and is positioned reliably in the optical axis direction, further improving the optical coupling efficiency with the optical fiber.

さらに、溝部１４は、下方向に向かってすぼむように傾斜するとともに、光軸方向と直交する方向において対向する一対の傾斜面２１，２２を有している。そのため、光学結合用レンズ１３は、一対の傾斜面２１，２２に当接することにより光軸方向と直交する方向に位置決めされるとともに、上述したように傾斜面１９，２０にも当接しているため光軸方向により確実に位置決めされることになる。   Further, the groove portion 14 has a pair of inclined surfaces 21 and 22 that are inclined so as to be depressed downward and are opposed in a direction orthogonal to the optical axis direction. Therefore, the optical coupling lens 13 is positioned in a direction orthogonal to the optical axis direction by contacting the pair of inclined surfaces 21 and 22, and also as described above, also contacting the inclined surfaces 19 and 20. Positioning is ensured in the optical axis direction.

これにより、円筒形状の光学結合用レンズは、溝部１４内の４つの傾斜面に、線接触することになり、光学結合用レンズ１３の位置は光軸方向、および光軸方向に直交する方向に対しても一意に決まる。そのため、光学結合用レンズの実装が容易になり、光半導体装置の生産性が著しく向上する。さらに、光結合用レンズ１３を固定するために用いられる接着剤は、４つの傾斜面に阻まれ、第２溝部１４ｂ外に漏出することがない。このため、光結合用レンズ１３とシリコンオプティカルベンチ１１は、接着剤により確実に接着されるため、光学結合用レンズ１３の固定強度が増し、高信頼性が得られる。   As a result, the cylindrical optical coupling lens comes into line contact with the four inclined surfaces in the groove portion 14, and the position of the optical coupling lens 13 is in the optical axis direction and in the direction perpendicular to the optical axis direction. It is also uniquely determined. Therefore, mounting of the optical coupling lens is facilitated, and the productivity of the optical semiconductor device is remarkably improved. Furthermore, the adhesive used for fixing the optical coupling lens 13 is blocked by the four inclined surfaces and does not leak out of the second groove portion 14b. For this reason, since the optical coupling lens 13 and the silicon optical bench 11 are securely bonded by the adhesive, the fixing strength of the optical coupling lens 13 is increased and high reliability is obtained.

また、半導体レーザダイオード１２側に位置する傾斜面２０に対向する傾斜面１９の上端部１９ａが、傾斜面２０の上端部２０ａよりも距離２３分低くなるように構成することができる。このような構成とすることにより、光学結合用レンズ１３を透過したレーザ光線にケラレが発生するのを防止することができる。この距離２３は、２０μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましい。   Further, the upper end portion 19a of the inclined surface 19 facing the inclined surface 20 located on the semiconductor laser diode 12 side can be configured to be lower than the upper end portion 20a of the inclined surface 20 by a distance of 23 minutes. With such a configuration, it is possible to prevent vignetting from occurring in the laser beam transmitted through the optical coupling lens 13. This distance 23 is preferably 20 μm or more and 100 μm or less.

このような第１の実施形態における光半導体装置１０の製造方法を説明する。なお、図５において、シリコンオプティカルベンチ１１に溝部１４を形成する工程のみを工程上面図を示す。   A method for manufacturing the optical semiconductor device 10 according to the first embodiment will be described. In FIG. 5, only the process of forming the groove 14 in the silicon optical bench 11 is shown as a process top view.

光半導体装置１０の製造方法は、シリコンオプティカルベンチ１１に形成された溝部１４内に、光学結合用レンズ１３の光軸方向において対向するように一対の傾斜面１９，２０を形成する工程（図５（ａ）乃至図５（ｃ））と、
一対の傾斜面１９，２０に当接するように、溝部１４内に略円筒状の光学結合用レンズ１３を搭載する工程と、を含む。
以下、工程順に説明する。 In the method of manufacturing the optical semiconductor device 10, a pair of inclined surfaces 19 and 20 are formed in the groove portion 14 formed in the silicon optical bench 11 so as to face each other in the optical axis direction of the optical coupling lens 13 (FIG. 5). (A) to FIG. 5 (c)),
And mounting a substantially cylindrical optical coupling lens 13 in the groove 14 so as to abut against the pair of inclined surfaces 19 and 20.
Hereinafter, it demonstrates in order of a process.

シリコンオプティカルベンチ１１に形成された溝部１４内に、光学結合用レンズ１３の光軸方向において対向するように一対の傾斜面１９，２０を形成する（図５（ａ）乃至図５（ｃ））。   A pair of inclined surfaces 19 and 20 are formed in the groove portion 14 formed in the silicon optical bench 11 so as to face each other in the optical axis direction of the optical coupling lens 13 (FIGS. 5A to 5C). .

具体的には、まず、シリコンオプティカルベンチ１１にパターニングされた第１レジスト膜（不図示）を形成し、この第１レジスト膜をマスクとして異方性エッチングを施す。これにより、第１溝部１４ａが形成される（図５（ａ））。   Specifically, first, a patterned first resist film (not shown) is formed on the silicon optical bench 11, and anisotropic etching is performed using the first resist film as a mask. Thereby, the first groove portion 14a is formed (FIG. 5A).

次いで、第１レジスト膜を除去するとともに、シリコンオプティカルベンチ１１表面および第１溝部１４ａ内の一部を覆うように、所定の開口部を有するようにパターニングされた第２レジスト膜２４を形成する（図５（ｂ））。   Next, the first resist film is removed, and a second resist film 24 patterned so as to have a predetermined opening is formed so as to cover the surface of the silicon optical bench 11 and a part of the first groove 14a (see FIG. FIG. 5B).

そして、第２レジスト膜２４をマスクとしてシリコンオプティカルベンチ１１を選択的にエッチングし、第１溝部１４ａ内に、光学結合用レンズ１３の光軸方向において対向する一対の傾斜面１９，２０と、光軸方向に直交する方向において対向する一対の傾斜面２１，２２とを有する第２溝部１４ｂを形成する（図５（ｃ））。   Then, the silicon optical bench 11 is selectively etched using the second resist film 24 as a mask, and a pair of inclined surfaces 19 and 20 facing in the optical axis direction of the optical coupling lens 13 are formed in the first groove portion 14a. A second groove portion 14b having a pair of inclined surfaces 21 and 22 facing each other in a direction orthogonal to the axial direction is formed (FIG. 5C).

シリコンオプティカルベンチ１１の上面の結晶面を（１００）とした場合、第２溝部１４ｂの傾斜面１９，２０，２１，２２の面方位はいずれも（１１１）となる。そのため、図２，３に示すように、傾斜面１９，２０，２１，２２の角度１５は５４．７度に一意に決まる。これらの角度はシリコンの異方性エッチングにより結晶面で決められた角度であるため、第２溝部１４ｂを高精度に形成することができ、かつ再現性よく形成することができる。   When the crystal plane on the upper surface of the silicon optical bench 11 is (100), the plane orientations of the inclined surfaces 19, 20, 21, and 22 of the second groove portion 14b are all (111). Therefore, as shown in FIGS. 2 and 3, the angle 15 of the inclined surfaces 19, 20, 21, and 22 is uniquely determined to be 54.7 degrees. Since these angles are angles determined on the crystal plane by anisotropic etching of silicon, the second groove portion 14b can be formed with high accuracy and can be formed with good reproducibility.

このような方法によれば、溝部１４をシリコンオプティカルベンチ１１に高精度で形成できる。そのため、光学結合用レンズ１３を、半導体レーザダイオード１２の発光点と光学結合用レンズ１３との間の距離が最適値になるように実装可能となり、光結合効率が向上する。   According to such a method, the groove 14 can be formed in the silicon optical bench 11 with high accuracy. Therefore, the optical coupling lens 13 can be mounted so that the distance between the light emitting point of the semiconductor laser diode 12 and the optical coupling lens 13 becomes an optimum value, and the optical coupling efficiency is improved.

その後、シリコンオプティカルベンチ１１上にはアライメント用マーカ（不図示）を配置し、半導体レーザダイオードマウント部にハンダ１７を配置する。そして、半導体レーザダイオード１２を、アライメント用マーカを基準にして、シリコンオプティカルベンチ１１上のマウント部にハンダ１７によりパッシブ実装する。またフォトダイオード（不図示）も同様にアライメント用マーカを基準にしてＡｕＳｎハンダ等を用いてパッシブ実装する。さらに、光学結合用レンズ１３以外の電気部品(不図示)を、アライメント用マーカを基準にシリコンオプティカルベンチ上にＡｇペーストによりパッシブ実装する。これらの配置は光学的、電気的特性を考慮して設計されている。   Thereafter, an alignment marker (not shown) is disposed on the silicon optical bench 11, and the solder 17 is disposed on the semiconductor laser diode mount. Then, the semiconductor laser diode 12 is passively mounted by solder 17 on the mount portion on the silicon optical bench 11 with reference to the alignment marker. Similarly, a photodiode (not shown) is also passively mounted using AuSn solder or the like with reference to the alignment marker. Furthermore, electrical components (not shown) other than the optical coupling lens 13 are passively mounted with Ag paste on the silicon optical bench with the alignment marker as a reference. These arrangements are designed in consideration of optical and electrical characteristics.

次に、シリコンオプティカルベンチ１１の第２溝部１４ｂの底部に接着剤を塗布する。接着剤の量はディスペンサーによって一定量になるように調整する。次に光学結合用レンズ１３を、傾斜面すべてに接触するように載置する。第２溝部１４ｂの底部には、前記接着剤が塗布されており、光学結合用レンズ１３はこの接着剤により第２溝部１４ｂ内に確実に固定される。第２溝部１４ｂの底部は傾斜面１９，２０，２１，２２に囲まれており、底部に塗布された接着剤が第２溝部１４ｂ外に漏出することがない。そのため、光学結合用レンズ１３は第２溝部１４ｂ内に確実に固着される。   Next, an adhesive is applied to the bottom of the second groove portion 14 b of the silicon optical bench 11. The amount of adhesive is adjusted by the dispenser so as to be a constant amount. Next, the optical coupling lens 13 is placed in contact with all the inclined surfaces. The adhesive is applied to the bottom of the second groove 14b, and the optical coupling lens 13 is securely fixed in the second groove 14b by this adhesive. The bottom portion of the second groove portion 14b is surrounded by the inclined surfaces 19, 20, 21, and 22, and the adhesive applied to the bottom portion does not leak out of the second groove portion 14b. Therefore, the optical coupling lens 13 is securely fixed in the second groove portion 14b.

次に、ＵＶ光を照射し接着剤を硬化させる。さらに、ポストベークを行い、密着強度をさらに向上させ、光半導体装置１０を製造することができる。   Next, UV light is irradiated to cure the adhesive. Furthermore, post-baking can be performed to further improve the adhesion strength, and the optical semiconductor device 10 can be manufactured.

また、第２の実施形態の光半導体装置１０として、以下のものを挙げることができる。   Moreover, the following can be mentioned as the optical semiconductor device 10 of 2nd Embodiment.

第２の実施形態の光半導体装置１０は、第１の実施形態とシリコンオプティカルベンチ１１の構造が異なるため、シリコンオプティカルベンチ１１の構造について述べる。図６にシリコンオプティカルベンチ１１の斜視図を示し、図７に図６のｃ−ｃ'線断面図を示す。   Since the optical semiconductor device 10 of the second embodiment is different from the first embodiment in the structure of the silicon optical bench 11, the structure of the silicon optical bench 11 will be described. 6 is a perspective view of the silicon optical bench 11, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line cc ′ of FIG.

図６乃至図７に示すように、シリコンオプティカルベンチ１１は、その一部を切り欠くことにより形成された段差部２５を有している。この段差部２５により第２溝部１４ｂには傾斜面１９が形成される。第２溝部１４ｂは、光学結合用レンズ１３の光軸方向において対向する一対の傾斜面１９，２０と、光軸方向と直交する方向において対向する一対の傾斜面２１，２２とを有する。本実施形態においては、第１溝部１４ａおよび第２溝部１４ｂは底面を有する例によって示すが、特に限定されず、傾斜面のみで形成されていてもよい。傾斜面１９，２０は、下方向に向かってすぼむように傾斜しており、一方、傾斜面２１，２２も下方向に向かってすぼむように傾斜している。   As shown in FIGS. 6 to 7, the silicon optical bench 11 has a step portion 25 formed by cutting out a part thereof. The stepped portion 25 forms an inclined surface 19 in the second groove portion 14b. The second groove portion 14b includes a pair of inclined surfaces 19 and 20 that face each other in the optical axis direction of the optical coupling lens 13, and a pair of inclined surfaces 21 and 22 that face each other in a direction orthogonal to the optical axis direction. In this embodiment, although the 1st groove part 14a and the 2nd groove part 14b are shown by the example which has a bottom face, it is not specifically limited, You may be formed only by the inclined surface. The inclined surfaces 19 and 20 are inclined so as to be recessed downward, while the inclined surfaces 21 and 22 are also inclined so as to be recessed downward.

第２溝部１４ｂ内に光学結合用レンズ１３を搭載した例を図８に示す。図８に示すように、光学結合用レンズ１３は第２溝部１４ｂにＵＶ硬化樹脂などの接着剤により接着されている。光学結合用レンズ１３は、第２溝部１４ｂ内において傾斜面１９，２０に当接することにより光軸方向に位置決めされ、傾斜面２１，２２に当接することにより光軸方向に直交する方向に位置決めされている。このような第２の実施態様の光半導体装置１０においても、上述した第１の実施態様と同様の効果が得られる。   An example in which the optical coupling lens 13 is mounted in the second groove portion 14b is shown in FIG. As shown in FIG. 8, the optical coupling lens 13 is bonded to the second groove portion 14b with an adhesive such as a UV curable resin. The optical coupling lens 13 is positioned in the optical axis direction by contacting the inclined surfaces 19 and 20 in the second groove portion 14b, and is positioned in the direction orthogonal to the optical axis direction by contacting the inclined surfaces 21 and 22. ing. In the optical semiconductor device 10 of the second embodiment as described above, the same effect as that of the first embodiment described above can be obtained.

第２実施形態における光半導体装置１０の製造方法を説明する。なお、第２実施形態の光半導体装置１０と第２実施形態の光半導体装置１０とは、シリコンオプティカルベンチ１１の構造のみが異なるため、シリコンオプティカルベンチ１１の製造方法のみを説明する。   A method for manufacturing the optical semiconductor device 10 according to the second embodiment will be described. Note that the optical semiconductor device 10 of the second embodiment and the optical semiconductor device 10 of the second embodiment differ only in the structure of the silicon optical bench 11, and therefore, only the method for manufacturing the silicon optical bench 11 will be described.

まず、シリコンオプティカルベンチ１１にパターニングされたレジスト膜を形成し、この第１レジスト膜をマスクとして異方性エッチングを施す。これにより、略角錐状の第２溝部１４ｂを形成する。   First, a patterned resist film is formed on the silicon optical bench 11, and anisotropic etching is performed using the first resist film as a mask. Thereby, a substantially pyramid-shaped second groove portion 14b is formed.

次いで、レジスト膜を除去し、シリコンオプティカルベンチ１１に段差部２５を形成する。段差部２５は、ダイシングでシリコンオプティカルベンチ１１の所定の位置を切削加工することにより形成することができる。ダイシングは、傾斜面が一部残留するように行われ、傾斜面１９が形成される。傾斜面１９の上端部１９ａは、傾斜面２０の上端部２０ａよりも距離２３分低い位置に形成される。このような傾斜面１９を形成することにより、光学結合用レンズ１３を透過したレーザ光線にケラレが発生するのを防止することができる。この距離２３は、２０μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましい。   Next, the resist film is removed, and a step portion 25 is formed on the silicon optical bench 11. The step portion 25 can be formed by cutting a predetermined position of the silicon optical bench 11 by dicing. Dicing is performed so that a part of the inclined surface remains, and the inclined surface 19 is formed. The upper end portion 19a of the inclined surface 19 is formed at a position lower than the upper end portion 20a of the inclined surface 20 by a distance of 23 minutes. By forming such an inclined surface 19, it is possible to prevent vignetting from occurring in the laser beam transmitted through the optical coupling lens 13. This distance 23 is preferably 20 μm or more and 100 μm or less.

その後、第１の実施形態と同様にして、第２溝部１４ｂ内に半導体レーザダイオード１２等を搭載することにより光半導体装置１０を製造することができる。   Thereafter, in the same manner as in the first embodiment, the optical semiconductor device 10 can be manufactured by mounting the semiconductor laser diode 12 or the like in the second groove portion 14b.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.

例えば、上述の実施形態において、溝部１４において対向する一対の支持部として、傾斜面１９，２０を用いた例によって示したが、光学結合用レンズ１３を光軸方向に位置決めすることができれば特に限定されない。例えば、一対の支持部を、溝部１４内に形成された突起部などで構成することもできる。   For example, in the above-described embodiment, the example in which the inclined surfaces 19 and 20 are used as the pair of support portions opposed to each other in the groove portion 14 is shown. Not. For example, the pair of support portions can be configured by protrusions formed in the groove portion 14.

また、半導体レーザダイオード１２を半導体受光素子として構成することもできる。この場合においても、光学結合用レンズの実装を精度よく行うことができるため、光ファイバから出射された光線を半導体受光素子に効率良く結合することができる。   The semiconductor laser diode 12 can also be configured as a semiconductor light receiving element. Even in this case, since the optical coupling lens can be mounted with high accuracy, the light beam emitted from the optical fiber can be efficiently coupled to the semiconductor light receiving element.

第１の実施形態における光半導体装置の概略斜視図を示す。1 is a schematic perspective view of an optical semiconductor device according to a first embodiment. 図１のａ−ａ'線断面図を示す。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line aa ′ in FIG. 1. 図１のｂ−ｂ'線断面図を示す。The bb 'line sectional drawing of FIG. 1 is shown. 第１の実施形態におけるシリコンオプティカルベンチの概略斜視図を示す。1 is a schematic perspective view of a silicon optical bench according to a first embodiment. シリコンオプティカルベンチに溝部を形成する工程を示す上面図である。It is a top view which shows the process of forming a groove part in a silicon optical bench. 第２の実施形態におけるシリコンオプティカルベンチの概略斜視図を示す。The schematic perspective view of the silicon optical bench in 2nd Embodiment is shown. 図６のｃ−ｃ'線断面図を示す。FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line cc ′ of FIG. 6. 第２の実施形態における光半導体装置の縦断面図を示す。The longitudinal cross-sectional view of the optical semiconductor device in 2nd Embodiment is shown. 従来の光半導体装置の縦断面図を示す。The longitudinal cross-sectional view of the conventional optical semiconductor device is shown.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 光半導体装置
１１ シリコンオプティカルベンチ
１２ 半導体レーザダイオード
１３ 光学結合用レンズ
１４ 溝部
１４ａ 第１溝部
１４ｂ 第２溝部
１５ 角度
１７ ハンダ
１９，２０，２１，２２ 傾斜面
１９ａ，２０ａ 上端部
２３ 距離
２４ レジスト膜
２５ 段差部
１００ 光半導体装置
１１１ シリコンオプティカルベンチ
１１２ 半導体レーザダイオード
１１３ 光学結合用レンズ
１１４ 溝部
１２０ 傾斜面 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optical semiconductor device 11 Silicon optical bench 12 Semiconductor laser diode 13 Optical coupling lens 14 Groove part 14a First groove part 14b Second groove part 15 Angle 17 Solder 19, 20, 21, 22 Inclined surface 19a, 20a Upper end part 23 Distance 24 Resist film 25 Stepped portion 100 Optical semiconductor device 111 Silicon optical bench 112 Semiconductor laser diode 113 Optical coupling lens 114 Groove portion 120 Inclined surface

Claims (11)

シリコン基板と、
前記シリコン基板上に搭載された半導体レーザダイオードと、
前記半導体レーザダイオードから出力されたレーザ光の光軸方向と一致する方向となるように前記シリコン基板に形成された溝部と、
前記溝部内に備えられ、前記レーザ光を光ファイバに導くための略円筒状の光学結合用レンズと、
を備え、
前記光学結合用レンズは、前記溝部において対向する一対の支持部により光軸方向に位置決めされていることを特徴とする光半導体装置。 A silicon substrate;
A semiconductor laser diode mounted on the silicon substrate;
A groove formed in the silicon substrate so as to coincide with the optical axis direction of the laser beam output from the semiconductor laser diode;
A substantially cylindrical optical coupling lens provided in the groove for guiding the laser light to an optical fiber;
With
The optical semiconductor device is characterized in that the optical coupling lens is positioned in the optical axis direction by a pair of support portions opposed to each other in the groove portion. 請求項１に記載の光半導体装置であって、
一対の前記支持部は、下方向に向かってすぼむように傾斜するとともに、光軸方向において対向する一対の傾斜面であって、
前記光学結合用レンズは、前記傾斜面に当接することにより光軸方向に位置決めされていることを特徴とする光半導体装置。 The optical semiconductor device according to claim 1,
The pair of support portions are a pair of inclined surfaces that incline so as to sag downward and are opposed in the optical axis direction,
The optical semiconductor device, wherein the optical coupling lens is positioned in the optical axis direction by contacting the inclined surface. 請求項１または２に記載の光半導体装置であって、
前記溝部は、下方向に向かってすぼむように傾斜するとともに、光軸方向と直交する方向において対向する一対の傾斜面を有し、
前記光学結合用レンズは、前記傾斜面に当接することにより光軸方向と直交する方向に位置決めされていることを特徴とする光半導体装置。 The optical semiconductor device according to claim 1, wherein:
The groove portion has a pair of inclined surfaces that incline so as to sag downward and are opposed in a direction orthogonal to the optical axis direction,
The optical semiconductor device, wherein the optical coupling lens is positioned in a direction perpendicular to the optical axis direction by contacting the inclined surface. 請求項２または３に記載の光半導体装置であって、
前記半導体レーザダイオード側に位置する前記傾斜面に対向する前記傾斜面の上端部が、前記半導体レーザダイオード側に位置する前記傾斜面の上端部よりも低いことを特徴とする光半導体装置。 An optical semiconductor device according to claim 2 or 3,
An optical semiconductor device, wherein an upper end portion of the inclined surface facing the inclined surface located on the semiconductor laser diode side is lower than an upper end portion of the inclined surface located on the semiconductor laser diode side. 請求項４に記載の光半導体装置であって、
２つの前記上端部との高低差が、２０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする光半導体装置。 The optical semiconductor device according to claim 4,
An optical semiconductor device, wherein a height difference between the two upper end portions is 20 μm or more and 100 μm or less. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光半導体装置であって、
前記光学結合用レンズは、凸状の非球面を有することを特徴とする光半導体装置。 An optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
2. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the optical coupling lens has a convex aspherical surface. シリコン基板に形成された溝部内に搭載された略円筒状の光学結合用レンズを備える光半導体装置の製造方法であって、
前記シリコン基板に形成された溝部内に、前記光学結合用レンズの光軸方向において対向するように一対の傾斜面を形成する工程と、
一対の前記傾斜面に当接するように、前記溝部内に略円筒状の前記光学結合用レンズを搭載する工程と、
を含むことを特徴とする光半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing an optical semiconductor device comprising a substantially cylindrical optical coupling lens mounted in a groove formed in a silicon substrate,
Forming a pair of inclined surfaces in the groove formed in the silicon substrate so as to face each other in the optical axis direction of the optical coupling lens;
Mounting the substantially cylindrical optical coupling lens in the groove so as to contact the pair of inclined surfaces;
A method of manufacturing an optical semiconductor device comprising: 請求項７に記載の光半導体装置の製造方法であって、
一対の前記傾斜面を形成する前記工程は、
前記シリコン基板上に形成された第１レジスト膜をマスクとして前記シリコン基板を選択的にエッチングし、前記溝部を形成する工程と、
前記第１レジスト膜を除去するとともに、前記シリコン基板表面および前記溝部の一部を覆うように第２レジスト膜を形成する工程と、
前記第２レジスト膜をマスクとして前記シリコン基板を選択的にエッチングし、前記溝部内に前記光学結合用レンズの光軸方向において対向する一対の前記傾斜面を形成する工程と、
を含むことを特徴とする光半導体装置の製造方法。 It is a manufacturing method of the optical semiconductor device according to claim 7,
The step of forming a pair of the inclined surfaces includes:
Selectively etching the silicon substrate using the first resist film formed on the silicon substrate as a mask to form the groove;
Removing the first resist film and forming a second resist film so as to cover a part of the silicon substrate surface and the groove;
Selectively etching the silicon substrate using the second resist film as a mask to form a pair of inclined surfaces facing each other in the optical axis direction of the optical coupling lens in the groove portion;
A method of manufacturing an optical semiconductor device comprising: 請求項７に記載の光半導体装置の製造方法であって、
一対の前記傾斜面を形成する前記工程は、
前記シリコン基板上に形成されたレジスト膜をマスクとして前記シリコン基板を選択的にエッチングし、前記光学結合用レンズの光軸方向において対向する一対の前記傾斜面を有する前記溝部を形成する工程と、
前記シリコン基板の一部を削除することにより、前記半導体レーザダイオード側に位置する前記傾斜面に対向する前記傾斜面の上端部を、前記半導体レーザダイオード側に位置する前記傾斜面の上端部よりも低くする工程と、
を含むことを特徴とする光半導体装置の製造方法。 It is a manufacturing method of the optical semiconductor device according to claim 7,
The step of forming a pair of the inclined surfaces includes:
Selectively etching the silicon substrate using a resist film formed on the silicon substrate as a mask to form the groove having the pair of inclined surfaces facing each other in the optical axis direction of the optical coupling lens;
By removing a part of the silicon substrate, the upper end portion of the inclined surface facing the inclined surface located on the semiconductor laser diode side is set to be higher than the upper end portion of the inclined surface located on the semiconductor laser diode side. Lowering process,
A method of manufacturing an optical semiconductor device comprising: 請求項７乃至９のいずれかに記載の光半導体装置の製造方法であって、
一対の前記傾斜面を形成する前記工程は、
前記光軸方向に直交する方向おいて対向する一対の傾斜面をさらに形成する工程であることを特徴とする光半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing an optical semiconductor device according to any one of claims 7 to 9,
The step of forming a pair of the inclined surfaces includes:
A method of manufacturing an optical semiconductor device, comprising a step of further forming a pair of inclined surfaces facing each other in a direction orthogonal to the optical axis direction. 請求項７乃至１０のいずれかに記載の光半導体装置の製造方法であって、
前記光軸方向において対向する一対の前記傾斜面と、前記光軸方向と直交する方向において対向する一対の前記傾斜面とが、いずれも下方向に向かってすぼむように傾斜しており、
前記光学結合用レンズを搭載する前記工程が、
４つの前記傾斜面に当接するように前記光学結合用レンズを搭載する工程であることを特徴とする光半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing an optical semiconductor device according to any one of claims 7 to 10,
A pair of the inclined surfaces opposed in the optical axis direction and a pair of the inclined surfaces opposed in the direction orthogonal to the optical axis direction are both inclined so as to dent downward.
The step of mounting the optical coupling lens comprises:
A method of manufacturing an optical semiconductor device, comprising a step of mounting the optical coupling lens so as to abut against the four inclined surfaces.
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