JP6929103B2 - 光モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、光モジュールに関する。
半導体レーザの発振光の伝達に、光ファイバに直接光結合するのではなく、グレーティングカプラを介してシリコン導波路にて伝達する技術が使われ始めている。特許文献１には、水平方向に発振した光を裏面側に向けるための反射鏡と、その反射光を集光するためのレンズが半導体基板に一体成形されている半導体レーザが開示されている。この半導体レーザは、レンズ面とは反対側の面でサブマウントに搭載されている。
グレーティングカプラと良好な光結合を得るためには、レンズにより絞られた光が所望のビームウェストとなっている必要がある。高効率な光結合（すなわち、グレーティングカプラ面で所望のビームウェスト）を得るためには、レンズ形状やレンズと反射鏡の相対的な位置関係を高精度に実現することが重要となる。レンズおよび反射鏡が同一の半導体基板に一体成形されている場合は、レンズと反射鏡の位置は製造精度で決まる。またレンズの形状も半導体基板を加工して作成するため、その加工精度で決まる。
特開２０１４−１１０２５７号公報 米国特許出願公開第２０１０／０００６７８４号明細書 特開２０１７−０４１６１８号公報
特許文献１に開示される半導体レーザは、反射鏡とレンズの位置が所望の位置関係とならずに製造された場合には、半導体レーザからの出射光の出射角度が所望の角度と異なるため、良好な光結合が得られない。更に製造後に反射鏡とレンズの位置を変更できないために、最悪その半導体レーザは使用できず、半導体レーザの製造歩留りに影響する恐れがある。
特許文献２には、半導体レーザとレンズ、そして反射鏡はそれぞれ別体となっている例が開示されている。この例では、各部品を後から位置決めしながら配置できるために、光軸調整の位置合わせが可能だが、逆に３つの部品それぞれを精度よく配置する必要があると共に、部品点数が多くなり、製造工程が増加する、ひいてはコストアップというデメリットがある。
本発明は、部品点数が少なく、また光軸調整が容易な光モジュールを提供することを目的とする。
（１）本発明に係る光モジュールは、厚み方向の一方の面である第１面に偏って位置する活性層と、前記活性層から前記第１面に沿って出射する光を前記第１面に沿った向きとは異なる方向へ向けて反射させる反射鏡と、がモノリシック集積されて、前記第１面又は前記第１面とは反対の第２面から前記光を出射するよう構成された半導体レーザと、厚み方向の一方の面である第３面に前記光が入射するように前記半導体レーザが搭載され、前記光を透過する材料から構成されて、前記第３面とは反対の第４面にレンズを一体的に有するキャリアと、光導波路及び前記光導波路に前記光を導入するための光結合器が作り込まれた基板と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、反射鏡が半導体レーザにモノリシック集積されているので、部品点数を減らすことができる。また、レンズが半導体レーザとは別部材になっているので、例えば光の送受信を実際に行いながら位置決めをする方法などで、容易に光軸調整をすることができる。
（２）（１）に記載された光モジュールであって、前記反射鏡は、前記第１面に沿って出射される光を、前記第２面へ向けて出射させることを特徴としてもよい。
（３）（１）又は（２）に記載された光モジュールであって、前記半導体レーザは、インジウムリン系化合物半導体を母材とし、前記キャリアは、シリコンを母材とすることを特徴としてもよい。
（４）（１）から（３）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記半導体レーザは、前記光を集光させる機能を有しないことを特徴としてもよい。
（５）（１）から（４）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記光結合器は、グレーティングカプラであることを特徴としてもよい。
（６）（１）から（５）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記キャリアは、前記第３面及び前記第４面を有する本体部と、前記本体部に一体的したスペーサ部と、を含むことを特徴としてもよい。
（７）（１）から（５）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記キャリアと前記基板との間に介在するスペーサをさらに有することを特徴としてもよい。
（８）（１）から（７）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記半導体レーザと前記キャリアは、はんだ、ろう材及び接着剤のいずれか１つによって接合されていることを特徴としてもよい。
本発明の実施形態に係る光モジュールの縦断面図である。 本発明の実施形態に係る光モジュールの半導体レーザの詳細を示す縦断面図である。 本発明の実施形態の変形例に係る光モジュールの縦断面図である。 本発明の実施形態の他の変形例に係る光モジュールの半導体レーザの詳細を示す縦断面図である。
以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
図１は、本発明の実施形態に係る光モジュールの縦断面図である。光モジュールは、半導体レーザ１０を有する。半導体レーザ１０は、分布帰還型（Distributed Feedback: DFB）レーザであり、単一波長（例えば１．３μｍ）の光を出射する。ＤＦＢレーザは、単一モードで発振するため長距離及び大容量の光通信の信号源に適している。なお、半導体レーザ１０はＤＦＢレーザに限らず、ＤＢＲレーザなどであっても構わないし、レーザ部の出射光を変調する変調器が集積された変調器集積型半導体レーザであっても構わない。
図２は、本発明の実施形態に係る光モジュールの半導体レーザ１０の詳細を示す縦断面図である。半導体レーザ１０は、厚み方向の両側に第１面１２及び第２面１４を有する。第１面１２には電極１６が設けられている。半導体レーザ１０は、第１面１２に偏った位置に活性層１８を有する。活性層１８は、第１面１２に沿った方向に延び、この方向にレーザ発振が起きる。また、第１面１２の側において、活性層１８とクラッド層２０の間に回折格子２１が形成されて、特定の波長の光が強められる。
半導体レーザ１０は、反射鏡２２を有する。第１面１２に凹部２４があり、凹部２４の内面（界面）が反射鏡２２である。反射鏡２２は、例えば、活性層１８から出射される光の光軸に対して４５度で傾斜する平面を有する。反射鏡２２は、活性層１８から第１面１２に沿って出射する光を第２面１４へ向けて反射させる。光は第２面１４から光を出射するようになっている。つまり、半導体レーザ１０は、水平共振器面出射型レーザである。
活性層１８及び反射鏡２２は、半導体レーザ１０にモノリシック集積されている。半導体レーザ１０は、インジウムリン系化合物半導体を母材としている。反射鏡２２の形成には、ウェットエッチングを適用する。半導体レーザ１０は、レンズなどの光を集光させる機能を有しない。
図１に示すように、光モジュールは、キャリア２６を有する。キャリア２６は光を透過する材料から構成されている。キャリア２６は、厚み方向の両側に第３面２８及び第４面３０を有する。第３面２８には、配線パターン３２が形成されている。キャリア２６の第３面２８に、光が入射するように半導体レーザ１０が搭載されている。つまり、半導体レーザ１０の第２面１４が、キャリア２６の第３面２８に対向する。
半導体レーザ１０の電極１６とキャリア２６の配線パターン３２は、ワイヤ３４によって接続されている。半導体レーザ１０とキャリア２６は、はんだ３６、ろう材及び接着剤のいずれか１つによって接合されている。半導体レーザ１０（詳しくはその第２面１４）は、キャリア２６の配線パターン３２（ワイヤ３４に接続する部分とは異なる部分）に載っている。はんだ３６などの導電材料で接合されていれば、半導体レーザ１０と配線パターン３２の電気的接続を図ることができる。
キャリア２６は、第４面３０にレンズ３８（例えば凸レンズ）を一体的に有する。キャリア２６は、単結晶シリコンを母材としている。単結晶シリコンは、ドライエッチングや面方位による異方性エッチング（ウェットエッチング）を適用することができるので、インジウムリン系化合物半導体よりも精密な加工が可能である。つまり、レンズ３８は、半導体レーザ１０に作り込むよりも高い精度で形成されている。なお、基板の母材は単結晶シリコンに限らず、主となる母材がシリコンであり、一部の層がＳｉＮＯやＳｉＮで形成されている場合であってもよい。
キャリア２６は、第３面２８及び第４面３０を有する本体部４０と、本体部４０に一体的に形成したスペーサ部４２と、を含む。スペーサ部４２は、レンズ３８の周囲にあって、レンズ３８が下方の部材に当たらないようにしている。なお、半導体レーザ１０を覆うように、キャリア２６には蓋４４が取り付けられている。
光モジュールは、シリコンなどからなる基板４６を有する。基板４６の表層には光導波路４８が作りこまれている。また、基板４６の表層には光導波路４８に光を導入するための光結合器５０が作り込まれている。光結合器５０は、グレーティングカプラである。半導体レーザ１０から出射される光が、レンズ３８を通って、光結合器５０に照射されることによって、光導波路４８に結合される。結合効率を向上する観点では、光結合器５０は基板４６の表面に形成されるのが望ましいが、光結合器５０の上に他の部材があってもよい。例えば、光導波路４８及び光結合器５０の上には、シリコン酸化膜などからクラッド層５２が形成されている。
本実施形態によれば、反射鏡２２が半導体レーザ１０にモノリシック集積されているので、部品点数を減らすことができる。また、レンズ３８が半導体レーザ１０とは別部材になっているので、光の送受信を実際に行いながら位置決めをすれば、容易に光軸調整をすることができる。例えば、アクティブ調芯（レーザ部を発振させながら結合を最適化する方法）を適用する。光軸調整は、半導体レーザ１０とキャリア２６との位置合わせに適用することができ、さらに、半導体レーザ１０が固定されたキャリア２６を基板４６に固定するときにも適用することができる。なお、各部品の配置はアクティブアライメントに限らずパッシブアライメントでも可能である。例えば、各部品に設けた合わせマークをもとに高精度ダイボンディングにより位置合わせを行い配置しても良い。
図３は、本発明の実施形態の変形例に係る光モジュールの縦断面図である。この例では、キャリア１２６はスペーサ部を有していない。その代わりに、キャリア１２６と基板１４６との間にスペーサ１５４が介在している。スペーサ１５４は、キャリア１２６を搭載するための支持部品であり、基板１４６に固定される。搭載及び固定には、図示しないはんだ、ろう材及び接着剤のいずれか１つを適用する。スペーサ１５４は、光結合器１５０との重複を避けて基板１４６に搭載される。キャリア１２６は、第３面１２８にある第１配線パターン１５６と第４面１３０にある第２配線パターン１５８を有し、第３面１２８から第４面１３０に貫通する導電部１６０によって、第１配線パターン１５６と第２配線パターン１５８が導通する。第２配線パターン１５８は、スペーサ１５４の配線パターン１６２に電気的に接続されている。その他の構造及び作用効果は、上記実施形態で説明した内容が該当する。
図４は、本発明を適用した実施形態の他の変形例に係る光モジュールの半導体レーザ２１０の詳細を示す縦断面図である。半導体レーザ２１０の反射鏡２２２は、活性層２１８から第１面２１２に沿って出射する光を同じ面である第１面２１２へ向けて反射させる。キャリア１２６への搭載は第１面側２１２を向けて搭載される（ジャンクションダウン搭載）。その他の内容は実施形態で説明した内容が該当する。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、実施形態で説明した構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えることができる。
１０、２１０ 半導体レーザ、１２、２１２ 第１面、１４ 第２面、１６ 電極、１８、２１８ 活性層、２０ クラッド層、２１、回折格子、２２、２２２ 反射鏡、２４ 凹部、２６ キャリア、２８ 第３面、３０ 第４面、３２ 配線パターン、３４ ワイヤ、３６ はんだ、３８ レンズ、４０ 本体部、４２ スペーサ部、４４ 蓋、４６ 基板、４８ 光導波路、５０ 光結合器、５２ クラッド層、１２６ キャリア、１２８ 第３面、１３０ 第４面、１４６ 基板、１５０ 光結合器、１５４ スペーサ、１５６ 第１配線パターン、１５８ 第２配線パターン、１６０ 導電部、１６２ 配線パターン。

Claims (5)

  1. 厚み方向の一方の面である第１面に偏って位置する活性層と、前記活性層から前記第１面に沿って出射する光を前記第１面とは反対の第２面へ向けて反射させる反射鏡と、がモノリシック集積されて、前記第２面から前記光を出射するよう構成された半導体レーザと、
    厚み方向の一方の面である第３面に前記光が入射するように前記半導体レーザが搭載され、前記光を透過する材料から構成されて、前記第３面とは反対の第４面にレンズを一体的に有し、前記第３面及び前記第４面を有する本体部を含み、前記本体部にスペーサ部を一体的に有し、配線パターンを前記第３面に有するキャリアと、
    前記第１面及び前記配線パターンを接続するワイヤと、
    光導波路及び前記光導波路に前記光を導入するための光結合器が作り込まれた基板と、
    を有することを特徴とする光モジュール。
  2. 請求項１に記載された光モジュールであって、
    前記半導体レーザは、インジウムリン系化合物半導体を母材とし、
    前記キャリアは、シリコンを母材とすることを特徴とする光モジュール。
  3. 請求項１又は２に記載された光モジュールであって、
    前記半導体レーザは、前記光を集光させる機能を有しないことを特徴とする光モジュール。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
    前記光結合器は、グレーティングカプラであることを特徴とする光モジュール。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
    前記半導体レーザと前記キャリアは、はんだ、ろう材及び接着剤のいずれか１つによって接合されていることを特徴とする光モジュール。
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