JP4906545B2 - 発光装置および光伝送モジュール - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス光通信に用いられる発光装置、および光伝送モジュールに関する。

ワイヤレス光通信には、その光源として赤外線を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられているが、近年通信データの大容量化が進み、通信速度のますますの高速化が要望されるようになった。このため、ＬＥＤよりも高速通信が可能な半導体レーザ素子を光通信の光源として用いる試みがなされているが、半導体レーザ光源は、空間に放出される光のスポット径が微小であり且つ高コヒーレンシーを有しているので、そのまま使用すると眼に対する危険性が大きい。このため、光を拡散させてコヒーレンシーを低くし、且つスポット径を広げる必要がある。このような光源装置に関する技術として、特許文献１が提案されている。

特開２００５−２０９７９７号公報

このような発光装置を図５に示す。基板５０１に、円形のザグリ穴５０２が形成され、ザグリ穴５０２の底部５０３に半導体レーザ素子５０４が設けられている。ザグリ穴５０２の傾斜面５０５は、底部５０３と約４５°の角度をなしている。また、ザグリ穴５０２および半導体レーザ素子５０４は、拡散材５０９を含む樹脂５０６で被覆されている。また樹脂５０６の上方にはレンズ５０７が配置されて、発光装置５００が形成されている。

半導体レーザ素子５０４から放出された光５０８は、拡散材５０９により樹脂５０６の内部を拡散されながら進みつつ、ザグリ穴５０２の傾斜面５０５で反射され、上方のレンズ５０７に向かう。光５０８は、レンズ５０７によって広げられ、眼に対して安全な光となって空間に放出される。レンズ５０７は、空間への光の取り出し効率が最も高まるよう設計されており、レンズ中心は、光軸の中心に合わせるよう設計・実装されている。

ところが、ザグリ穴底部への半導体レーザ素子の実装時に、レーザ光の出射方向に平行な方向および垂直な方向への「ずれ」や、半導体レーザ素子がザグリ穴の底面と平行な面内で回転する「ずれ」が発生することがあった（図５点線参照）。このような「ずれ」が発生すると、側面で反射された光の中心軸が、レンズ５０７の中心を通らなくなり、結果として、空間への光の取り出し効率が低下してしまう。この効率の低下により、発光装置を組み込んだ光伝送モジュールとしての通信可能距離を確保するための光出力が得られなくなることがあり、光伝送モジュールとしての歩留を悪化させ、製造コストの増加を招いていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、歩留を向上させて、製造コストを低減することができる発光装置および光伝送モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、半導体レーザ素子が、ザグリ穴の形成された基板の当該ザグリ穴の底部に設けられた発光装置において、前記底部の形状が矩形であり、前記半導体レーザ素子の共振器方向長と、前記底部の長さとが等しく、前記ザグリ穴は、前記底部の長さ方向に連続した、相対向する一対の傾斜面をさらに備え、前記半導体レーザ素子は、前記共振器方向と前記底部の長さ方向とが一致するように配置されていることを特徴とする。

この構成であると、半導体レーザ素子の共振器方向長と、ザグリ穴の底部の長さＬ１とが等しく、且つザグリ穴の底面形状が矩形であるため、半導体レーザ素子を実装する際、半導体レーザ素子の位置が、半導体レーザ素子の共振器方向長と長さの等しいザグリ穴の底部の長さに合うように規制されるので、実装ずれが生じなくなる。よって、歩留を高めることができる。
また、半導体レーザ素子の回転ずれを防止できる。

上記構成において、前記ザグリ穴の底部の幅Ｌ２が、前記半導体レーザ素子幅以上且つ共振器方向長以下であるとすることができる。

ザグリ穴の底部の幅Ｌ２が半導体レーザ素子幅未満であると、半導体レーザ素子をザグリ穴底部に実装できなくなってしまう。他方、ザグリ穴の底部の幅Ｌ２が共振器長以上であると、半導体レーザ素子が横向き（光取り出し方向と垂直）に実装されてしまうおそれがある。よって、上記のように規制することが好ましい。ここで、ザグリ穴の底部の幅Ｌ２が変化する場合、すべての位置においてこの関係を満たす必要がある。

上記構成において、前記半導体レーザ素子の光出射面に面している当該ザグリ穴の傾斜面と基板とのなす角が４５°であるとすることができる。

傾斜角度４５°の傾斜面を採用すると、優れた光の取り出し効率が得られる。

上記構成において、前記半導体レーザ素子および前記ザグリ穴が、拡散材を含む樹脂で被覆されているとすることができる。

この構成であると、レーザ光が拡散材により散乱されるので、コヒーレンシーが低く、スポット径が広いアイセーフティーな発光装置を実現できる。

上記いずれかに記載の発光装置を用いて光伝送モジュールを作製すると、半導体の位置ずれがなく光取り出し効率の高い光伝送モジュールを実現できる。

本発明の発光装置は、基板上のザグリ穴へ実装される半導体レーザ素子の位置ずれが、ザグリ穴の底部の形状によって誘導され修正されるため、実装時の位置ずれが生じない。よって、本発明によると、ザグリ穴の傾斜面で反射された後、基板に対して垂直な方向に出射するレーザ光を再現性よく取り出すことができるので、指向性と安全性に優れた発光装置を歩留よく提供することができる。また、これを用いることにより、低コストで信頼性の高い光伝送モジュールを実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態の発光装置の概略斜視図を示し、図２に概略側面図を示す。

この発光装置１００は、回路基板１０１に底部が矩形状のザグリ穴１０２が形成され、ザグリ穴１０２の底部１０３に、光源としての半導体レーザ素子１０４が実装されている。また、拡散材（図示せず）を含有するシリコン樹脂１０５によって、ザグリ穴１０２および半導体レーザ素子１０４が被覆されており、シリコン樹脂１０５の上方にはレンズ１０６が備えられている。

なお、回路基板１０１は基板の一例であり、シリコン樹脂１０５が樹脂の一例であって、これら以外を用いてもよい。

以下、発光装置１００の作製方法を説明する。
まず、回路基板１０１上に、底部１０３の形状が矩形であり、底部と傾斜面１０７とが４５°をなすザグリ穴１０２を形成する。次に、前記底部１０３上に銀ペースト（図示せず）を少量塗布し、その上に半導体レーザ素子１０４をマウントし、オーブンを用いてベークして、半導体レーザ素子をザグリ穴の底部に固定する。

このザグリ穴１０２は、半導体レーザ素子１０４によるレーザ光の放射を妨げない程度の深さとなっている。また、ザグリ穴１０２の表面は、前記レーザ光の放射角に悪影響を与えないように粗さが調整されている。なお、本実施形態の発光装置においては、ザグリ穴１０２の深さは例えば３００μｍ程度に設定されており、また底部１０３の長さ（図１，２内のＬ１）は、半導体レーザ素子１０４の共振器方向長と等しい長さに設定されている（例えば、５００μｍ程度）。また、底部１０３の幅Ｌ２は、共振器方向長よりも短く、且つ半導体レーザ素子幅以上に設定されている。

また、上記半導体レーザ素子１０４の共振器ミラー（レーザ光１１０が半導体レーザ素子１０４から出射する方向に対して垂直な面）には、端面保護膜（図示せず）が施されている。主としてレーザ光１１０を取り出す面には低反射率な端面保護膜が、またその反対側の面には高反射率な端面保護膜が施されており、効率よく片側の面からレーザ光１１０を取り出せるように作製されている。

続いて、半導体レーザ素子１０４に電流を注入するためのワイヤ１０８をボンディングし、光を拡散する拡散材１０９の混入した液状のシリコン樹脂１０５を、半導体レーザ素子１０４を含んだザグリ穴１０２全体を埋めるように適量滴下する。この結果、シリコン樹脂１０５は表面張力のためにザグリ穴１０２内に留まり、半導体レーザ素子１０４とザグリ穴１０２とを被覆する。

この後、８０℃で約５分間加熱して、シリコン樹脂１０５がゼリー状になるまで硬化させる。この後、シリコン樹脂１０５を、レーザ光の放射角制御のためのレンズ１０６を含む透明なエポキシ樹脂モールドにより被覆する。レンズ１０６は、半導体レーザ素子１０４の上方に、エポキシモールドと一体形成する。

なお、半導体レーザ素子１０４は、回路基板１０１上のレーザ駆動用負電極部（図示せず）に固定されている。また、半導体レーザ素子１０４にボンディングされているワイヤ１０８の他端は、回路基板１０１上のレーザ駆動用正電極部（図示せず）に接続されている。この電気配線により、半導体レーザ素子１０４に電流が注入され、レーザ光１１０を放出できる発光装置１００が完成する。

上記構成の発光装置によれば、半導体レーザ素子１０４がザグリ穴１０２の底部に実装される際、傾斜面１０７により、半導体レーザ素子１０４はその傾斜面１０７に誘導されるようにザグリ穴の底部１０３に近づく。さらに底部１０３の長さＬ１は、半導体レーザ素子１０４の共振器長と同じであり、この長さによって半導体レーザ素子の１０４位置が規制されるので、半導体レーザ素子１０４の共振器方向が光取り出し方向とずれて実装されることがない。

また、ザグリ穴１０２の底部の形状が矩形となっているため、ザグリ穴内において半導体レーザ素子が回転する余地がない。このため、半導体レーザ素子１０４を固定するためのベークの際にも、半導体レーザ素子１０４の回転ずれが生じない。よって、この構造の発光装置によると、半導体レーザ素子１０４から出射され、傾斜面１０７で反射された後、回路基板１０１に対して垂直な方向に出射するレーザ光を、再現性よく取り出すことができる。したがって、歩留を向上させて製造コストを低減できる発光装置が得られる。

また、上記第１実施形態の発光装置によれば、半導体レーザ素子から出射された前記レーザ光１１０が拡散材１０９で拡散されるので、眼に入っても安全な光となる。よって、位置ずれを勘案したレンズ１０６のマージン設計が不要になり、レーザ光１１０の出力をより有効利用できる。その結果、所望の光伝送を行うために必要な発光装置の光出力量、すなわち半導体レーザ素子の光出力量を下げられるので、消費電力を低減でき、また信頼性も改善することができる。

上記第１実施形態の発光装置では、レンズ１０６が円形となっているが、半導体レーザ素子１０４の共振器長の方向に垂直な方向への実装ずれを考慮し、その実装ずれの起こりうる方向を長軸にもつ楕円形のレンズを用いていもよい。それにより、さらに実装ずれによる光の取り出し効率の低下を防ぐことができるので、さらに歩留を向上させて製造コストを低減できる発光装置が得られる。

また、ザグリ穴１０２の底部の形状を、半導体レーザ素子１０４の平面形状と同一とすることにより、共振器長の方向に垂直な方向への実装ずれを防止する構成としてもよい。

また、上記第１実施形態の発光装置では、ザグリ穴１０２の傾斜面１０７が、すべての方向において回路基板１０１と４５°をなしていたが、半導体レーザ素子１０４の光出射面に面している傾斜面が、前記回路基板１０１と４５°をなしていればよく、反対側の傾斜面は回路基板１０１となす角度が９０°未満であれば同様の効果が得られる。特にその角度が９０°に近ければ、ザグリ穴の上方から見たときの面積がより小さくできるため、回路基板１０１の面積を有効に活用（例えば他の回路や電極の設計に自由度が増えるなど）できる発光装置が得られる。

ここで、従来の発光装置のようにザグリ穴が円形であると、少なくとも基板は、半導体レーザ素子の平面形状の対角線の長さ以上の直径を有するザグリ穴の底部が必要となる。さらに、基板と４５°の角度をなす傾斜面も有する必要があるので、ザグリ穴全体としては傾斜面も含めた大きさが必要となる。すなわち、ザグリ穴に無駄な空間が多くなる。しかし、上記第１実施形態の発光装置では、ザグリ穴の平面形状が矩形であるので、必要なザグリ穴の大きさは従来の発光装置に比べ小さくすることができる。このことは、同じ大きさの半導体レーザ素子を用いても、より小さい基板で発光装置を作製することができることを意味する。したがって、より製造コストを低減できる発光装置が得られるとともに、この発光装置を用いることにより、よりダウンサイジングした光伝送システムへ組み込める光伝送モジュールを提供することができる。

次に、第１実施形態の変形例の発光装置を、図３（ａ）および（ｂ）に示す。図３（ａ）は発光装置の平面図を示し、図３（ｂ）は発光装置の側面図を示す。

本変形例の発光装置３００の特徴は、導波路３０１が２本あり、２つの共振器ミラーから光が取り出せるように作製されている半導体レーザ素子３０４を用いていることにある。また１本の導波路から出射される２つのレーザ光３０５のそれぞれの出力特性が同じになるよう、２つの共振器ミラーに施されている端面保護膜（図示せず）の反射率は等しくなるように設計されている。すなわち、本半導体レーザ素子３０４から出射される４つのレーザ光３０５は、全て等しい出力特性を有している。その他、ザグリ穴３０２の傾斜面３０７が底面３０３となす角度や、半導体レーザ素子３０４の上方に配される樹脂・拡散材は、第１実施形態の発光装置と同様であり、レンズは光源の位置・数に応じて最適設計されている。

さらに詳しくは、ザグリ穴の底部３０３の長さ（Ｌ３）と、２つの導波路の間隔（Ｄ）と、ザグリ穴の底部３０３からレーザ光出射部までの高さ（Ｈ）との間に、
Ｌ３ ＋ Ｈ×２ ＝ Ｄ
の関係式が成り立つように、半導体レーザ素子３０４およびザグリ穴３０２が設計されている。

上記関係を満たすとき、傾斜面３０７で反射されて基板上方に進む４つのレーザ光３０５は、上方から見て、一辺の長さがＤである正方形の頂点に位置するように配置され、またそれらはすべて同一の光出力を有している。

本変形例の発光装置の構成によれば、１つの半導体レーザ素子に対し、４つの発光点を設けることができ、拡散材により光を拡散させることに加えてさらに光源径を大きくすることができる。よって、さらに長距離の光伝送に適した発光装置を作製することができる。

また、上記構成によれば、出力の揃った４つのレーザ光は、常に正方形の頂点に位置しながら上方に取り出されるため、対称性に優れていることとなる。よって、レンズ設計が簡便となり効率よく光を取り出すことができるようになるため、低コストの発光装置を作製することができるようになる。

なお、上記第１実施形態では、半導体レーザ素子の波長は８９０ｎｍとしたが、他の波長帯、例えば７８０ｎｍ帯・６５０ｎｍ帯・４００ｎｍ帯や、１．３μｍ帯・１．５５μｍ帯などでもよい。

（第２実施形態）
図４に、本発明の第２実施形態における光伝送システムの光伝送モジュール２００の概略断面図を示す。詳しくは後述するが、通信を行う双方の側（例えば、端末とサーバ）にそれぞれ同じ光伝送モジュール２００を備えることにより、双方の光伝送モジュール２００間で光信号を送受信する光伝送システムが構成される。

前記光伝送モジュール２００は、図４に示すように、第１実施形態で説明した発振波長８９０ｎｍのＩｎＧａＡｓ系半導体レーザ素子２０１を発光装置２０２内の光源の一例として備えていると共に、Ｓｉ（シリコン）のｐｉｎフォトダイオードである受光素子２０３を有する受光装置２０４とを備えており、発光装置２０２と受光装置２０４が一つの基板に作り込まれている。

半導体レーザ素子２０１は回路基板２０６に実装されている。回路基板２０６の表面には、半導体レーザ素子駆動用の正負両電極のパターン（図示せず）と、半導体レーザ素子２０１を搭載するためのザグリ穴２０５とが形成されている。また受光素子２０３も、回路基板２０６に実装され、ワイヤ２０７により電気信号が取り出される。さらに、回路基板２０６にはレーザ駆動用／受信信号処理用ＩＣ（集積回路）２０８が実装されている。

発光装置２０２の部分は、上記第１実施の形態と同様に作製されている。拡散材２０９を含むシリコン樹脂２１０は、透明なエポキシ樹脂モールド２１１により被覆されている。エポキシ樹脂モールド２１１には、レーザ光の放射角制御のためのレンズ部２１２と、信号光を集光するためのレンズ部２１３とがそれぞれ一体的にモールドレンズとして形成される。レンズ部２１２は半導体レーザ素子２０１の上方に位置する一方、レンズ部２１３は受光素子２０３の上方に位置している。

上述したように、この光伝送システムでは、相手側が同じ光伝送モジュールをもう１台保持して、光信号の送受信を行うことを前提としている。したがって、半導体レーザ素子２０１からから情報を持って出た光信号は、相手側の光伝送モジュールの受光素子２０３によって受信される。また、相手側の光伝送モジュールの半導体レーザ素子２０１から情報を持って出た光信号は受光素子２０３によって受信される。

半導体レーザ素子２０１の負極部（図示せず）は、回路基板２０６上のレーザ駆動用負電極部（図示せず）に銀ペースト固定されている。また、半導体レーザ素子２０１の正極部（図示せず）は、回路基板２０６上のレーザ駆動用正電極部（図示せず）にワイヤ２１４を介して電気的に接続されている。この配線の形成により、レーザ光２１５を発振により得ることができる光伝送モジュール２００が完成する。

上記光伝送モジュール２００は、前述の歩留がよく低コストで製造でき、信頼性も向上させた発光装置２０２を使用しているため、モジュール単価を従来に比べて大幅に低く抑え、モジュールでの信頼性も向上させることができる。

なお、本発明の発光装置は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、例えば発光装置内の半導体レーザ素子の発振波長や電極の極性など、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができることは勿論である。

以上説明したように、本発明によると、光取り出し効率の高い発光装置を高い歩留で得ることができる。この発光装置は、例えば光伝送モジュールとして有用であり、産業上の意義は大きい。

図１は本発明の第１実施形態の発光装置の概略斜視図である。 図２は上記第１実施形態の発光装置の概略側面図である。 図３は上記第１実施形態の発光装置の変形例を示す概略図である。 図４は、本発明の第２実施形態における光伝送システムの光伝送モジュールの概略断面図である。 図５は従来の発光装置の概略斜視図である。

符号の説明

１００ 発光装置
１０１ 回路基板
１０２ ザグリ穴
１０３ 底部
１０４ 半導体レーザ素子
１０５ シリコン樹脂
１０６ レンズ
１０７ 傾斜面
１０８ ワイヤ
１０９ 拡散材
１１０ レーザ光
２００ 光伝送モジュール
２０１ 半導体レーザ素子
２０２ 発光装置
２０３ 受光素子
２０４ 受光装置
２０５ ザグリ穴
２０６ 回路基板
２０７ ワイヤ
２０８ レーザ駆動用／受信信号処理用ＩＣ（集積回路）
２０９ 拡散材
２１０ シリコン樹脂
２１１ エポキシ樹脂モールド
２１２ レンズ部
２１３ レンズ部
２１４ ワイヤ
２１５ レーザ光
３００ 発光装置
３０１ 導波路
３０２ ザグリ穴
３０３ 底部
３０４ 半導体レーザ素子
３０５ レーザ光
３０７ 傾斜面
５００ 発光装置
５０１ 基板
５０２ ザグリ穴
５０３ 底部
５０４ 半導体レーザ素子
５０５ 傾斜面
５０６ 樹脂
５０７ レンズ
５０８ 光
５０９ 拡散材

Claims (5)

1. 半導体レーザ素子が、ザグリ穴の形成された基板の当該ザグリ穴の底部に設けられた発光装置において、
   前記底部の形状が矩形であり、
   前記半導体レーザ素子の共振器方向長と、前記底部の長さとが等しく、
   前記ザグリ穴は、前記底部の長さ方向に連続した、相対向する一対の傾斜面をさらに備え、
   前記半導体レーザ素子は、前記共振器方向と前記底部の長さ方向とが一致するように配置されている、
   ことを特徴とする発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置において、
   前記底部の幅が、前記半導体レーザ素子幅以上で且つ共振器方向長以下である、
   ことを特徴とする発光装置。
3. 請求項１又は２に記載の発光装置において、
   前記半導体レーザ素子の光出射面に面している当該ザグリ穴の傾斜面と基板とのなす角が４５°である、
   ことを特徴とする発光装置。
4. 請求項１ないし３いずれかに記載の発光装置において、
   前記半導体レーザ素子および前記ザグリ穴が、拡散材を含む樹脂で被覆されている、
   ことを特徴とする発光装置。
5. 請求項１ないし４いずれかに記載の発光装置を用いた光伝送モジュール。