JPH10282364A - 光学デバイスの組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザがキャビティのエッジにオーバハング
する必要がなく、信頼性を維持できるようなＳｉＯＢ結
合装置を提供すること。 【解決手段】 第１光学デバイス１７と第２光学デバイ
ス１９を光学的に結合する組立体において、キャビティ
１３を有する基板１０と、前記キャビティ内に配置され
るレンズ１５とからなり、前記第１光学デバイス１７
は、前記基板上に配置された光ビーム放射器を有し、前
記光ビーム放射器の出力ビームを前記レンズが受光し、
前記第２光学デバイス１９は、前記レンズにより集光さ
れた前記光ビームを受光するよう配置され、前記キャビ
ティ１３は非対称の形状である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システムに
関し、特にレンズを介して光ファイバに半導体レーザを
結合する光学デバイスを結合する組立体とその方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムの分野においては、レー
ザのような光信号のソースは、例えば光導波路（光ファ
イバ）と光検出器，変調器，光ファイバ増幅器，光アイ
ソレータあるいはそれらの組み合わせのような利用装置
にレンズ装置により結合される。このレンズ装置は、１
個または複数個のレンズを有し、そしてレンズは例えば
球状，非球状，シリンダ状，傾斜インデックス（graded
index（ＧＲＩＮ））のような様々な形状をとる。一般
的には、球状レンズをレーザの出力面と光ファイバの入
力面との間に配置し、これらの面を光をレンズと効率よ
く結合するように配置している。

【０００３】これらの構成要素の互いの位置が必須要件
となるため、その寸法関係はμｍの長さ以下となり、必
要な整合許容度に適合するため、従来技術では、単結晶
シリコン製基板に結晶面により形成されたエッチングさ
れた正確な特徴物（例、溝，キャビティ）内に光学デバ
イスを配置していた。この従来技術は、シリコン光学ベ
ンチ（silicon optical bench （ＳｉＯＢ））技術とし
て公知のものである。逆ピラミッド形のキャビティ内に
球状レンズを配置する方法は、例えば米国特許４，９７
８，１８９（発明者、G.E. Blonder et al. １９９０
年）を参照のこと。

【０００４】このような従来技術にかかるＳｉＯＢの共
焦点結合装置を図３，４に示す。この構成においては対
称形の逆ピラミッド状キャビティ３が＜１００＞方位の
基板１の上部表面にエッチングで形成されている。この
キャビティ３の側壁は＜１１１＞方位の結晶面で形成さ
れ、この結晶面は（１００）面と５４．７゜の角度をな
している。球状サファイアレンズ５がこのキャビティ３
内に配置され、半導体レーザ７が基板１の上部表面上
に、半導体レーザ７の出力面が光をレンズに効率よく結
合するよう配置されている。

【０００５】このようなレーザ７の出力ビームは、広い
分散角を有するために結合を効率よくするためには、レ
ーザ７はレンズ５の近傍に配置する、即ちレンズの焦点
長さ以下の場所に配置する必要がある。焦点がキャビテ
ィのエッジとレンズの表面との間にあるため、レーザは
通常焦点長さの要件を満足するためにキャビティのエッ
ジの上に覆いかぶさって（突出していて即ちオーバハン
グして）いる。

【０００６】この種類の多くの設計例においては、レー
ザの長さの１／４あるいは１／３がエッジ上にオーバハ
ングしている。このオーバハングは、基板が機械的な支
持部材としてだけではなくヒートシンクでもあるために
問題である。したがって、レーザのオーバハング部分
は、基板に十分に熱的結合されておらず、その結果オー
バヒートしてレーザの性能あるいは寿命に悪影響を及ぼ
す。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、レーザがキャビティのエッジにオーバハングせず
に、信頼性を維持できるようなＳｉＯＢ結合装置を提供
することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、光学デバイス
を互いに結合する、例えば半導体レーザを利用装置に結
合する組立体である。レンズが基板内の非対称形状のキ
ャビティ内に配置され、このキャビティの非対称性は、
レーザがキャビティのエッジにオーバハングすることな
くレンズに効率よく結合するように企図したものであ
る、即ちレーザは、エッジとほぼ同一面あるいはエッジ
から若干ずれた場所に配置されている。

【０００９】本発明の他の特徴によれば、キャビティの
非対称性は、単結晶半導体基板の表面上にキャビティを
エッチングすることにより実現され、その結果表面は、
主結晶面から若干方向がずれている（misoriented）。
好ましくは、基板はＳｉで、表面は＜１００＞方向から
わずかな角度だけずれた方向にある。この角度は、レン
ズの屈折率と大きさおよび他の設計的事項を考慮して決
められる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１，２において、半導体レーザ
１７を利用装置に結合する組立体は、レンズ１５を収納
する非対称形状キャビティ１３を有する基板１０を有す
る。レンズ１５、２１からなる共焦点レンズ装置は、説
明のためだけのもので、例えば１個のレンズを含むよう
な他の設計も用いることができる。キャビティ１３の非
対称形状は、レーザ１７がキャビティ１３のエッジ１４
にオーバハングすることなくレンズ１５に効率的に結合
できるよう企図されたものである、即ち、同図に示すよ
うにレンズ１５の焦点は非対称形状キャビティ１３のエ
ッジ１４の上にあり、半導体レーザ１７の出力面はエッ
ジ１４とほぼ同一面である。しかし、ある種のアプリケ
ーションにおいては、レーザをエッジ１４から若干ずら
した場所に配置することも可能であるが、ただし、基板
１０による光ビームの透過と吸収が結合効率を大幅に低
減させないことが条件である。

【００１１】これに対し図３，４の従来構成において
は、レンズの焦点はキャビティのエッジとレンズの表面
との間にある。このため所望の結合効率を得るために、
従来技術はレーザがキャビティの端部にオーバハングす
るような位置に配置している。この種の問題は、本発明
の非対称キャビティ設計を用いることにより解決でき
る。

【００１２】本発明の非対称形状キャビティ１３の非対
称特性は、様々な観点からみることができるが、図３，
４に示された従来技術の逆ピラミッド状キャビティ３の
対称特性をまず検討する。従来技術にかかるキャビティ
３は、対称軸４を有し、この対称軸４は半導体レーザ７
と球状サファイアレンズ５の間の光軸６に直交してい
る。これに対し本発明の非対称形状キャビティ１３は、
図２の光軸１６に直交する対称軸を有さない。その結果
本発明の非対称形状キャビティ１３は、大きな角度傾斜
する上流側の第１側壁２２と、それよりも緩やかな角度
で傾斜する下流側の第２側壁２４を有する。

【００１３】この２つの側壁２２，２４の傾斜角度の
差、即ち非対称性によりレンズの焦点は、キャビティの
エッジとレンズとの間（ギャップと称する）ではなく、
キャビティのエッジにあることになる。従来技術にかか
るこのギャップは、図５に示すような基板とのずれ角θ
を適宜選択することによりなくすことができる。この後
者の特徴によりレーザの出力面は、エッジ１４にオーバ
ハングすることなくレンズ１５に近接した任意の場所に
配置でき、即ちその焦点距離の場所（あるいはその範囲
内）内に配置することができる。

【００１４】結合効率に影響を及ぼす別のパラメータ
は、レーザの活性領域に対するレンズの中心の相対的位
置である。図１に示すように、中心１５．１と活性領域
１７．１とは、光軸１６に沿って整合している。図１
は、活性領域１７．１を基板１０に近い場所（レーザの
厚さの中間点に比較して）に配置している。この構成は
レーザのヒートシンクを容易にするためのレーザの活性
側を下にした搭載（active-down mounting）として公知
である。しかし、レーザは活性側を上にして搭載しても
よいが、これにより活性側は基板から離れた側にあり、
そのためにヒートシンクの効率が幾分落ちることにな
る。

【００１５】基板は、単一材料あるいは単一層から構成
してもよく、あるいは複数の材料あるいは複数の層から
構成してもよいが、但し、キャビティは所望の寸法の仕
様と許容差にあるように形成しなければならない。基板
は、プラスチック材料あるいは単結晶半導体材料製であ
る。プラスチック材料は費用の観点から好ましいもので
あるが、単結晶半導体材料は寸法制御の観点から好まし
いものである。本発明においては単結晶シリコンを用い
ている、しかしこの材料の従来の使用例とは異なり上部
表面を（１００）面から意図的にずらす、 即ち図１に
示すように、上部表面２０は＜１００＞方向に対し小さ
な角度θだけずれている。

【００１６】この角度はＳｉ製基板の場合、形成される
非対称の逆ピラミッド形状を制御し、第１側壁２２は、
（５４．７゜＋θ）の角度だけ傾斜しており、一方第２
側壁２４は（５４．７゜−θ）の角度だけ傾斜してお
り、底部表面２３は（１００）面である。キャビティの
形状を制御することにより、キャビティが異なる直径
（Ｄ）と異なる屈折率の球状レンズを収納できるよう企
図する自由度を与えることができる。当然のことながら
他のレンズの形状を用いる、例えばシリンダ形状および
疑似球状は、異なる形状のものを収納するようキャビテ
ィを形成することができる。

【００１７】前述したようにレーザビームは、レンズ１
５，２１を介して利用装置、例えば光学導波路（集積光
学機器あるいは光ファイバ），光検出器，変調器，光学
増幅器，光学アイソレータ等に結合される。図１，２の
実施例においては、この利用装置は光ファイバ１９（コ
アのみを示す）として示されており、そして入力面がレ
ンズ２１の焦点に合うように配置されている。光ファイ
バは、利用装置に接続された公知のピグテールで、別の
基板（図示せず）に搭載されている。

【００１８】例えば光ファイバは、レンズとレーザとの
整合性を容易にするために、別のシリコン製基板上にエ
ッチングで形成されたＶ形溝に搭載される。（同様にレ
ンズ２１は別の基板上にあるいは基板１０の別のキャビ
ティ内に搭載してもよい。）光ファイバの入力面は光軸
１６に直交するよう示されているが、実際にはレンズか
ら出た光ビームのウェーブフロントが、光ファイバ内に
適合するようにある角度で傾斜している。ファイバの端
面は、反射防止コートが塗布され、反射量を低減してい
る。

【００１９】光学組立体を設計する際に、レーザ放射へ
の基板材料の屈折性および透明性に考慮を払わなければ
ならない。例えば、基板の部分１０．１がレンズ１５と
光ファイバ１９との間にある場合を考える。レーザ放射
の吸収量と屈折量を低減するために少なくとも部分１
０．１は透明な材料（例、１．０−１．６μｍで動作す
るレーザの場合にはＳｉ）、あるいは吸収／屈折性材料
が存在しないような形状としなければならない（例、レ
ンズと光ファイバの間の溝をエッチングする）。

【００２０】実施例 この実施例は、半導体レーザを球状レンズに結合する組
立体の製造を説明するためのものである。特定のパラメ
ータ，材料，寸法，動作特性は、単なる説明のためで本
発明の範囲を制限するよう解釈べきではない。

【００２１】単結晶の方向がずれたＳｉ製基板を、バー
ジニア州ブラックスバーグにあるVirginia Semiconduct
or社から入手した。この購入した基板を＜１００＞方向
から約１７゜の角度だけずらした。後述するようにこの
角度は、８００μｍ直径の鉛ガラス製の球状レンズ（ド
イツの Schott Glass 社から市販されている）を収納す
るのに適した非対称の逆ピラミッドキャビティを与え
る。パターン化マスク（例、ＳｉＯ₂ またはＳｉＮ_x ）
をこの基板上に形成してマスクの開口が非対称逆ピラミ
ッドキャビティの所望の位置の上に配置された。

【００２２】その後基板を標準のウェット化学エッチン
グ剤（例、Ehteylenediamine Pyrocatechol）に適宜の
時間（ＥＤＰに対しては約１０時間）曝すことにより次
の寸法のキャビティが形成された。即ち、エッジ１４が
８２３μｍ長、エッジ１８が１０５７μｍ長、エッジ１
４，１８は光軸に沿って互いに１０２１μｍだけ離れ、
第１側壁２２は７１．７゜傾斜し、第２側壁２４は３
７．７゜傾斜している。エッジ１８の深さは基板の表面
上の高さｈ＝８μｍにレンズ１５の中心を配置するよう
なもので、かくしてキャビティは３９２μｍの深さの場
所にある。

【００２３】ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ製の１．５μｍの
レーザをＡｕ−Ｓｎハンダを用いて基板の上部表面上に
活性領域側が下になるように結合した。レーザの出力面
は、エッジ１４とほぼ平面上に配置された。他のレー
ザ、例えばＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ１．３μｍのレーザ
またはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ０．９８μｍのレーザを
用いることもできる。レンズ１５が非対称形状キャビテ
ィ１３内に配置された。このキャビティの寸法と形状
は、レンズの焦点がキャビティの端部に位置し、その結
果レーザの出力面にあるように形成された。さらにレー
ザの活性領域とレンズの中心とは、組立体の光軸上に配
置された。

【００２４】本発明は、公知のバックフェースモニタ
（図示せず）、例えばレーザの裏面から放射される光を
受光するために、光軸１６に沿って基板１０上に配置さ
れた光ダイオードとともに用いられる。この種のモニタ
を用いてレーザの出力パワーを公知のフィードバック系
を用いて検出して、レーザの動作ポイントを制御してそ
の出力パワーを一定に維持する。さらに本発明はシリコ
ン基板を用いた例で説明したが、他の元素の半導体
（例、Ｇｅ）あるいは化合物半導体（例、ＧａＡｓ，Ｉ
ｎＰ）を用いることもできる。しかし、化合物半導体例
えばＩＩＩ／Ｖ族材料では、基板を主結晶面からずらす
ことなく非対称形状のキャビティを形成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による半導体レーザを光ファ
イバに結合する組立体の側面図

【図２】図１の上面図

【図３】従来技術にかかる共焦点結合装置の側面図

【図４】図３の上面図

【図５】本発明の一実施例により基板のずれ角（θ）と
ギャップ深さ（ｄ）の関係を表すグラフであり、このグ
ラフは球状レンズの直径がＤ＝８００μｍで非対称キャ
ビティ内に配置され、このレンズの中心が基板表面（即
ち、光軸）の上の高さｈ＝５μｍのところに配置した場
合の測定結果である。

【図６】従来技術にかかる対称形状のキャビティのオー
バーハング（ｗ）と球状のレンズの直径（Ｄ）との関係
を表すグラフであり、レンズの屈折率がｎ＝１．８７５
で、レンズの中心が基板の表面よりもｈ＝５μｍの高さ
に配置され、球状レンズが従来技術の対称キャビティ内
に配置された場合の測定結果である。

【符号の説明】

１ 基板 ３ 逆ピラミッド状キャビティ ４ 対称軸 ５ 球状サファイアレンズ ６，１６ 光軸 ７ 半導体レーザ ８ ギャップ １０ 基板 １３ 非対称形状キャビティ １４ エッジ １５，２１ レンズ １５．１ 中心 １７ 半導体レーザ １７．１ 活性領域 １９ 光ファイバ ２０ 上部表面 ２２ 第１側壁 ２３ 底部表面 ２４ 第２側壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 イウ−ヒュエン ウォン アメリカ合衆国，07901 ニュージャージ ー，サミット，ウッドランド アヴェニュ ー 160

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１光学デバイス（１７）と第２光学デ
   バイス（１９）を光学的に結合する組立体において、 （Ａ）キャビティ（１３）を有する基板（１０）と、 （Ｂ）前記キャビティ（１３）内に配置されるレンズ
   （１５）と、からなり、前記第１光学デバイス（１７）
   は、前記基板（１０）上に配置された光ビーム放射器を
   有し、 前記光ビーム放射器の出力ビームを前記レンズ（１５）
   が受光し、 前記第２光学デバイス（１９）は、前記レンズ（１５）
   により集光された前記光ビームを受光するよう配置さ
   れ、 前記キャビティ（１３）が非対称の形状をしていること
   を特徴とする光学デバイスの組立体。
2. 【請求項２】 前記キャビティ（１３）は、前記レンズ
   （１５）に接触する第１と第２の傾斜表面（２２，２
   ４）を有し、 前記第１傾斜表面（２２）と基板（１０）の上部表面
   （２０）とのなす角度は、第２傾斜表面（２４）がなす
   角度よりも大きく、 前記第１傾斜表面（２２）は、第２傾斜表面より、前記
   光ビーム放射器に近いほうにあることを特徴とする請求
   項１記載の組立体。
3. 【請求項３】 前記光ビーム放射器は、半導体レーザ
   （１７）を含み、 前記第２光学デバイスは、光ファイバ（１９）であり、 前記レンズ（１５）は、球状レンズであることを特徴と
   する請求項１記載の組立体。
4. 【請求項４】 前記レーザは、前記レンズの中心（１
   ５．１）と整合した活性領域（１７．１）を有すること
   を特徴とする請求項３記載の組立体。
5. 【請求項５】 前記基板（１０）は、前記キャビティ
   （１３）が形成される上部表面（２０）を有する単結晶
   半導体を有し、 前記上部表面（２０）は、結晶面と角度θだけずれてい
   ることを特徴とする請求項１記載の組立体。
6. 【請求項６】 前記基板（１０）は、単結晶シリコンを
   含み、 前記上部表面（２０）は、＜１００＞方向に対し角度θ
   だけずれていることを特徴とする請求項５記載の組立
   体。
7. 【請求項７】 前記キャビティ（１３）の第１傾斜表面
   （２２）は、前記上部表面に対しエッジを形成し、 前記レンズに最も近い前記光ビーム放射器の出力面は、
   前記エッジとほぼ同じ面にあることを特徴とする請求項
   ２記載の組立体。
8. 【請求項８】 前記光ビーム放射器の出力面は、前記レ
   ンズ表面とその焦点との間にあることを特徴とする請求
   項７記載の組立体。
9. 【請求項９】 前記キャビティの第１傾斜表面（２２）
   は、前記上部表面（２０）に対しエッジを形成し、 前記レンズに最も近い前記光ビーム放射器の出力面は、
   前記エッジからずれた位置にあることを特徴とする請求
   項２記載の組立体。
10. 【請求項１０】 （Ａ）＜１００＞方向から角度θだけ
    ずれた上部表面を有する単結晶シリコン製基板（１０）
    と、 前記基板（１０）は、前記上部表面（２０）に非対称の
    ピラミッド型のキャビティ（１３）を有し、 前記キャビティ（１３）は、第１傾斜表面（２２）と第
    ２傾斜表面（２４）とを有し、 前記第１傾斜表面（２２）は、前記表面（２０）に対し
    第２傾斜表面（２２）よりも鋭い傾斜であり、 前記第１傾斜表面は、前記上部表面（２０）と交差して
    エッジを形成し、 （Ｂ）前記キャビティ（１３）内に前記第１と第２の傾
    斜表面（２２，２４）と接触して配置される第１球状レ
    ンズ（１５）と、 前記第１球状レンズ（１５）の焦点は前記エッジとほぼ
    同一面にあり、 （Ｃ）前記上部表面（２０）上に配置された半導体レー
    ザ（１７）と、 前記半導体レーザ（１７）の出力面は前記エッジとほぼ
    同一面にあり、 前記半導体レーザ（１７）は、前記第１レンズ（１５）
    の中心と整合した活性領域（１７．１）を有し、 （Ｄ）前記第１レンズ（１５）と利用装置（１９）の入
    力面との間に配置された第２球状レンズ（２１）と、 からなり、前記入力面は、前記第２レンズ（２１）の焦
    点の位置におかれることを特徴とする光学組立体。
11. 【請求項１１】 光学組立体の形成方法において、 （Ａ） ＜１００＞方向から角度θだけずれた上部表面
    （２０）を有する単結晶半導体基板（１０）を提供する
    ステップと、 （Ｂ） 前記上部表面（２０）に、前記キャビティ（１
    ３）と前記上部表面（２０）がエッジを形成するよう
    に、非対称のピラミッド状のキャビティ（１３）を形成
    するステップと、 （Ｃ） 前記キャビティ（１３）内に、レンズ（１５）
    の焦点が前記エッジに沿った場所にあるように、レンズ
    （１５）を配置するステップと、 （Ｄ） 前記上部表面（２０）上に、前記半導体レーザ
    の出力面が前記エッジとほぼ同一面にあるように、半導
    体レーザ（１７）を配置するステップとからなることを
    特徴とする光学組立体の組立方法。
12. 【請求項１２】 （Ｅ） 前記レンズ（２１）が光ファ
    イバ（１９）の入力点にレーザの出力ビームを集光させ
    るよう光ファイバ（１９）を配置するステップをさらに
    有することを特徴とする請求項１１記載の方法。