特許 6739154 光モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6739154

(24)【登録日】2020年7月27日

(45)【発行日】2020年8月12日

(54)【発明の名称】光モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/022 20060101AFI20200730BHJP

   H01S 5/026 20060101ALI20200730BHJP

   H01S 5/18 20060101ALI20200730BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20200730BHJP

   G02B 6/124 20060101ALI20200730BHJP

   G02B 6/34 20060101ALI20200730BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20200730BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/022

   H01S5/026 610

   H01S5/18

   G02B6/12 301

   G02B6/124

   G02B6/34

   G02B6/42

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-164254(P2015-164254)

(22)【出願日】2015年8月21日

(65)【公開番号】特開2017-41618(P2017-41618A)

(43)【公開日】2017年2月23日

【審査請求日】2018年7月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】301005371

【氏名又は名称】日本ルメンタム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000154

【氏名又は名称】特許業務法人はるか国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田村 公一

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 崇功

(72)【発明者】

【氏名】明石 光央

(72)【発明者】

【氏名】田中 滋久

(72)【発明者】

【氏名】井上 宏明

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 博康

【審査官】 大和田 有軌

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−００３２７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１１０２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０６９８８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２５７６６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０９２６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−００３２５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００６／０３０５７８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１４／０９５９６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０００６７８４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００ − ５／５０

Ｇ０２Ｂ ６／１２ − ６／１４

Ｇ０２Ｂ ６／２４ − ６／４３

Ｈ０１Ｌ ３１／００ − ３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

厚み方向の一方に偏って位置する活性層と、前記活性層と同じ側にある電極と、前記活性層より出射する光を前記電極とは反対側へ向けて反射させるミラーと、がモノリシックに集積され、前記電極とは反対側から前記光を出射するよう構成された半導体光素子と、
一方の面に第１配線パターンが形成され、前記半導体光素子が、前記第１配線パターンに前記電極が対向するように表面実装されるサブマウントと、
光導波路及び前記光導波路に前記光を導入するためのグレーティングカプラが表層に作り込まれた基板と、
前記グレーティングカプラを避けて前記基板に搭載され、前記基板とは反対側に上面を有し、前記上面に第２配線パターンが形成されたスペーサと、
ワイヤと、
を備え、
前記サブマウントは、前記スペーサに搭載され、前記第１配線パターンが形成された前記面のみに導電層を有し、
前記サブマウントの前記第１配線パターンは、前記スペーサの前記第２配線パターンの一部に対向して電気的に接続し、
前記スペーサの前記第２配線パターンは、前記サブマウントから露出して前記ワイヤがボンディングされたパッドを含むことを特徴とする光モジュール。

【請求項2】

請求項１に記載された光モジュールであって、
前記スペーサは、前記第２配線パターンが形成された前記上面のみに導電層を有することを特徴とする光モジュール。

【請求項3】

請求項１又は２に記載された光モジュールであって、
前記スペーサは、前記基板を向く下面と前記上面に貫通する穴を有し、
前記半導体光素子は、前記穴の内面に囲まれた空間に配置されることを特徴とする光モジュール。

【請求項4】

請求項３に記載された光モジュールであって、
前記スペーサは、前記半導体光素子の周囲を切れ目なく囲む形状であることを特徴とする光モジュール。

【請求項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、
前記サブマウントの、前記第１配線パターンが形成された前記面とは反対側の面に搭載された温度調節器をさらに備えることを特徴とする光モジュール。

【請求項6】

請求項５に記載された光モジュールであって、
前記温度調節器は、前記サブマウントの、前記スペーサと重なる領域に搭載されることを特徴とする光モジュール。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
前記半導体光素子は、前記光を集光するレンズがさらにモノリシック集積されていることを特徴とする光モジュール。

【請求項8】

請求項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、
前記半導体光素子と前記基板との間に、戻り光を防止するアイソレータをさらに備えることを特徴とする光モジュール。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか１項に記載された光モジュールであって、
前記基板と前記スペーサの間に、前記光を集光するレンズが形成されたレンズ基板をさらに備えることを特徴とする光モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光モジュールに関し、特に、レーザ部とミラーとがモノリシックに集積される半導体光素子を備える光モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

光モジュールの小型化、低コスト化、低電力化、および大容量化を実現するために、一個の素子に多数の光機能が集積化された光導波路技術の向上が望まれている。このため、最近シリコンフォトニックス（以下、ＳｉＰと記す）技術の様々な研究開発が行われている。ＳｉＰ技術は、電気集積回路用に開発されたＣＭＯＳプロセスを光導波路回路の形成に展開させたものである。ＳｉＰ技術により、多数の光機能を光インターコネクションに集積することが可能となる。しかしながら、さらなるＳｉＰ技術の向上として、シリコン基板上に光源（半導体レーザ）を集積して形成するのが望ましい。しかしながら、シリコン基板上に結晶成長可能であり、かつ、レーザ発振する材料は、実用レベルでは知られておらず、シリコン基板上に光源を集積するには至っていない。それゆえ、光源を別に設ける必要があり、例えば、ハイブリッド実装によってＩｎＧａＡｓ半導体レーザをＳｉＰ素子と結合する技術が利用されている。ここで、ＳｉＰ素子とは、Ｓｉ基板上に光導波路回路が形成される素子である。その際、半導体レーザとＳｉＰ素子との結合は、ＳｉＰ素子の表層に形成されるグレーティングカプラを用いることが知られている。ここで、グレーティングカプラとは、ブラッグ反射によって表面に照射された光の伝搬方向を面内に変換して集光させ、面内を伝搬する光導波路と効率に結合させる光部品である。グレーティングカプラを用いた場合、ウエハの状態でも光素子の評価ができるため、大量生産および低コスト化に適している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第８１６８９３９号明細書

【特許文献2】特開２０１４−１１０２５７号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】T. Suzuki, et al、“A Light Source Using 1.3-μm Lens-Integrated Surface-Emitting Laser for Silicon Platforms,”、IEEE Photonics Technology Letters、Ｖｏｌ．２６、Ｎｏ．１１、２０１４年６月１日，１０８９−１０９１頁

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に、ＣＭＯＳチップに光学的に直接接続が可能な光源が開示されている。特許文献１の図３Ａに示す光源は、レーザ、ボールレンズ、アイソレータ、及び反射鏡という、合計４個の光部品が、高い密閉性を保持されたパッケージに横に並んで集積されている。横に並べることにより、レーザより出射した光がＣＭＯＳチップへ入射するまでの光学距離を確保することが可能であるが、光源の寸法増大を招くこととなる。また、レーザやボールレンズなどの光部品の光軸合わせをするために、工程数の増大を招くことになる。例えば、特許文献１の図３Ｈに示す通り、光軸の高さ調整のために、光学ベンチ３０１の上に、精密メサ３０３が配置され、レーザ３０７は精密メサ３０３の上に配置される。また、光軸の高さ調整のために、光学ベンチ３０１には穴が形成され、その穴にボールレンズ３０９が配置される。光部品の光軸合わせのために必要な光部品や工程は、高コスト化を招くのは言うまでもない。

【0006】

グレーティングカプラによる結合のために提案された半導体レーザは様々あるが、最も構成がシンプルである半導体光素子として、面出射半導体レーザ（ＬＩＳＥＬ：Lens Integrated Surface Emitting Laser）が非特許文献１に開示されている。ここで、ＬＩＳＥＬは、半導体レーザとレンズとミラーとが基板上に集積された半導体光素子である。ＬＩＳＥＬに備えられる半導体レーザは、例えば、従来のＤＦＢレーザ（Distributed FeedBack Laser）と同じ構造をしている。例えば、非特許文献１に開示のＬＩＳＥＬの場合、半導体レーザの共振器長が１５０μｍであり（波長１．３μｍの場合）、半径１１０μｍのレンズが備えられることにより、２０μｍのスポット径が得られる。このスポット径がグレーティングカプラの最適な条件に近いため、低い結合損失（４．５ｄＢ）が実現されている。また、半導体光素子の素子長が４００μｍであり、特許文献１の図３Ａに記載の光源のように複数の光部品を組み合わせる場合と比べて、小型化できている。

【0007】

ＬＩＳＥＬとＳｉＰ素子とを備える光モジュールを作製する場合に、ＬＩＳＥＬをＳｉＰ素子の表面に直接固定する方法が考えられる。かかる光モジュールを比較例に係る光モジュールとする。

【0008】

図７は、本発明の比較例に係る光モジュールの断面図である。図７に示す半導体光素子はＬＩＳＥＬであり、Ｓｉ基板１１３（シリコン基板）の表面に直接固定されている。Ｓｉ基板１１３の表層に、グレーティングカプラ１３１と光導波路１３２とが形成されており、ＳｉＰ素子を構成している。半導体光素子１１０はＳｉ基板１１３の表面に固定されているので、半導体光素子１１０の下面に電極１２０が形成されており、電極１２０を介して半導体光素子はＳｉ基板１１３に固定されている。しかし、当該比較例に係る光モジュールでは、半導体光素子１１０より出射した光がＳｉ基板１１３へ入射するまでの光学距離を確保することが困難である。

【0009】

特許文献２の図６Ａ及び図６Ｂに、半導体レーザ素子１と、シリコン基板２１と、レーザサブマウント３１と、Ｕ字ガイド３３を備える光学装置が開示されている。シリコン基板２１上にＵ字ガイド３３が固定され、半導体レーザ素子１が実装されたレーザサブマウント３１がＵ字ガイド３３に固定されている。

【0010】

光モジュール（光学装置）が、かかる構造を有する場合、半導体光素子より出射した光がＳｉ基板へ入射するまでの光学距離を確保することが出来ている。しかしながら、半導体レーザ素子１はレーザサブマウント３１の下面（裏面）に設置されるので、外部からワイヤ等を接続することが困難である。通常の場合、半導体レーザ素子１の上面に設けられた電極（のパッド部）とワイヤとが接続される（ワイヤボンディング）。しかし、特許文献２には、どのようにして外部と電気的な接続を実現しているか記載がない。なお、ここでは、半導体光素子がＬＩＳＥＬである場合を例にしているが、かかる問題は、半導体光素子がＬＩＥＳＥＬである場合に限定されない。例えば、レンズが集積されない、すなわち、半導体レーザとミラーとが基板上に集積された半導体光素子などにおいても、かかる問題は発生する。

【0011】

本発明は、かかる課題を鑑みてなされたものであり、外部からの電気接続を容易に実現することが可能な光モジュールの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

（１）上記課題を解決するために、本発明に係る光モジュールは、厚み方向の一方に偏って位置する活性層と、前記活性層と同じ側にある電極と、前記活性層より出射する光を前記電極とは反対側へ向けて反射させるミラーと、がモノリシックに集積され、前記電極とは反対側から前記光を出射するよう構成された半導体光素子と、一方の面に第１配線パターンが形成され、前記半導体光素子が、前記第１配線パターンに前記電極が対向するように表面実装されるサブマウントと、光導波路及び前記光導波路に前記光を導入するためのグレーティングカプラが表層に作り込まれた基板と、前記グレーティングカプラを避けて前記基板に搭載され、前記基板とは反対側に上面を有し、前記上面に第２配線パターンが形成されたスペーサと、ワイヤと、を備え、前記サブマウントは、前記スペーサに搭載され、前記サブマウントの前記第１配線パターンは、前記スペーサの前記第２配線パターンの一部に対向して電気的に接続し、前記スペーサの前記第２配線パターンは、前記サブマウントから露出して前記ワイヤがボンディングされたパッドを含むことを特徴とする。

【0013】

（２）上記（１）に記載された光モジュールであって、前記サブマウントは、前記第１配線パターンが形成された前記面のみに導電層を有し、前記スペーサは、前記第２配線パターンが形成された前記上面のみに導電層を有してもよい。

【0014】

（３）上記（１）又は（２）に記載された光モジュールであって、前記スペーサは、前記基板を向く下面と前記上面に貫通する穴を有し、前記半導体光素子は、前記穴の内面に囲まれた空間に配置されてもよい。

【0015】

（４）上記（３）に記載された光モジュールであって、前記スペーサは、前記半導体光素子の周囲を切れ目なく囲む形状であってもよい。

【0016】

（５）上記（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、前記サブマウントの、前記第１配線パターンが形成された前記面とは反対側の面に搭載された温度調節器をさらに備えていてもよい。

【0017】

（６）上記（５）に記載された光モジュールであって、前記温度調節器は、前記サブマウントの、前記スペーサと重なる領域に搭載されてもよい。

【0018】

（７）上記（１）から（６）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記半導体光素子は、前記光を集光するレンズと、がさらにモノリシック集積されていてもよい。

【0019】

（８）上記（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、前記半導体光素子と前記基板との間に、戻り光を防止するアイソレータをさらに備えていてもよい。

【0020】

（９）上記（１）から（８）のいずれか１項に記載された光モジュールであって、前記基板と前記スペーサの間に、前記光を集光するレンズが形成されたレンズ基板をさらに備えていてもよい。

【発明の効果】

【0021】

本発明により、外部からの電気接続を容易に実現することが可能な光モジュールが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る光モジュールの断面図である。

【図2A】本発明の第１の実施形態に係るサブマウントの下面図である。

【図2B】本発明の第１の実施形態に係るスペーサの平面図である。

【図3】本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子の断面図である。

【図4】本発明の第２の実施形態に係る光モジュールの断面図である。

【図5】本発明の第３の実施形態に係る光モジュールの断面図である。

【図6】本発明の第４の実施形態に係る光モジュールの断面図である。

【図7】本発明の比較例に係る光モジュールの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

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。

【0024】

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光モジュール１の断面図である。当該実施形態に係る光モジュール１（光学装置）は、光通信用に用いる光モジュールであって、半導体光素子１０と、サブマウント１１と、スペーサ１２と、Ｓｉ基板１３と、１対のワイヤ１４と、を備えている。半導体光素子１０と、サブマウント１１と、スペーサ１２とで、光源を構成している。光源がＳｉ基板１３上に半田２５で固定される。

【0025】

光源を構成する、半導体光素子１０、サブマウント１１、及びスペーサ１２に、それぞれ１対の電極２０，２１，２２が形成されており、光モジュール１として組み立てられた状態では、１対の電極２０，２１，２２は、それぞれ電気的に接続されている。そして、スペーサ１２の上面に形成される１対の電極２２に、１対のワイヤ１４が接続（ワイヤボンディング）されている。当該実施形態に係る発明の主な特徴は、半導体光素子１０、サブマウント１１、及びスペーサ１２それぞれに形成される電極の構成にある。

【0026】

図２Ａは、当該実施形態に係るサブマウント１１の下面図である。サブマウント１１の下面に第１配線パターンが形成されている。ここで、第１配線パターンは、１対の電極２１であり、１対の電極２１は電極２１Ａ，２１Ｂによって構成されている。図２Ｂは、当該実施形態に係るスペーサ１２の平面図である。スペーサ１２の上面に第２配線パターンが形成されている。ここで、第２配線パターンは、１対の電極２２であり、１対の電極２２は電極２２Ａ，２２Ｂによって構成されている。そして、サブマウント１１がスペーサ１２に搭載されており、第１配線パターンは、第２配線パターンの一部に対向して電気的に接続している。すなわち、サブマウント１１の電極２１Ａがスペーサ１２の電極２２Ａと、サブマウント１１の電極２１Ｂがスペーサ１２の電極２２Ｂと、それぞれ対向し、半田（図示せず）により電気的に接続されている。ここで、第１の配線パターンと第２の配線パターンとが対向するとは、第１配線パターンの一部と第２配線パターンの一部とが、厚み方向に沿って重畳していることである。図２Ｂには、組み立てられた状態で、サブマウント１１が配置される領域が２点鎖線で示されている。図２Ｂに示す通り、スペーサ１２の上面はサブマウント１１の下面よりも広く、サブマウント１１が配置されない領域を含んでいる。かかる領域に、ワイヤがワイヤボンディングされている。すなわち、スペーサ１２の第２配線パターンは、サブマウント１１から露出してワイヤがボンディングされたパッドを含んでいる。ここで、パッドは第２配線パターンとワイヤの接続部分（及びその周辺部分）を指している。

【0027】

図３は、当該実施形態に係る半導体光素子１０の断面図である。当該実施形態に係る半導体光素子１０はＬＩＳＥＬであり、レーザ部と、ミラー２７と、レンズ２８とが、半導体基板（ここでは、ＩｎＰ基板）上にモノリシックに集積されている。レーザ部の構造はＤＦＢレーザであり、１．３μｍ帯の光を出射する。レーザ部は半導体基板上に積層された半導体多層２６と１対の電極２０を含んでいる。厚み方向（積層方向）に沿って、半導体基板の上に半導体多層２６が積層され、活性層２６Ａは半導体多層２６に含まれる。それゆえ、活性層２６Ａは、半導体光素子１０の厚み方向において、上側（一方）に偏って位置している。１対の電極２０は半導体基板の上面に形成されており、１対の電極２０は、厚み方向において、活性層２６Ａと同じ側にある。活性層２６Ａの出力端（図３の左側の端）より半導体光素子１０の内部へ（図３の左向きに）光が出射される。すなわち、活性層２６Ａから出射される光は、厚み方向に垂直な方向である。ミラー２７は、かかる光を半導体光素子１０の下面（電極２０とは反対側）へ向けて反射させる反射鏡であり、ミラー２７は半導体基板の上表面の下に位置する半導体を除去して、活性層から出射される光の光軸に対して約４５度で斜交する平面が形成されたものである。すなわち、ミラー２７は半導体光素子１０の上表面に形成されている。ミラー２７で反射された光が、半導体光素子１０の下面（電極と反対側）から出射するよう、半導体光素子１０は構成されている。ミラー２７の法線方向が活性層２６Ａから出射される光の光軸となす角が４５度である場合、光の出射方向は厚み方向に平行であるが、半導体光素子１０の下面より光が出射するのであれば、これに限定されることはない。

【0028】

活性層２６Ａから出射される光は発散しているので、ミラー２７で反射された光も発散している。それゆえ、ミラー２７で反射された光を集光して、Ｓｉ基板１３へ入射させるために、半導体光素子１０の下面には、レンズ２８が形成されている。レンズ２８は凸レンズであり、半導体光素子１０の下表面より上に位置する半導体を除去することにより、凸曲面が形成されたものである。

【0029】

図１及び図２Ａに示す通り、半導体光素子１０は半田（図示せず）によりサブマウント１１に表面実装されており、第１配線パターン（１対の電極２１）に１対の電極２０が対向している。図２Ａに示す通り、サブマウント１１の下面に形成される電極２１Ａ，２１Ｂは、半導体光素子１０の上面の一部とそれぞれ重畳するとともに、互いに離間して形成されている。

【0030】

図１に示す通り、グレーティングカプラ３１及び光導波路３２がＳｉ基板１３の表層（上層）に作り込まれているＳｉＰ素子であり、グレーティングカプラ３１は、半導体光素子１０が出射する光を光導波路３２へ導入するための光部品である。ＳｉＰ素子は、光導波路３２のさらに前方、すなわち、光の伝搬方向のさらに前方に、１又は複数の光部品を備えていてもよい。ここで、表層とは、Ｓｉ基板１３の上面及び上面の近傍を意味している。Ｓｉ基板の厚み方向における中間点（厚みの半分）より上面側の部分を表層と定義してもよい。半導体光素子１０が出射する光がグレーティングカプラ３１に照射されることによって、光導波路３２へ光が結合される。結合効率を向上する観点では、グレーティングカプラ３１はＳｉ基板１３の表面に形成されるのが望ましいが、グレーティングカプラ３１の上側になんらかの部材が形成されていてもよい。また、光導波路３２もＳｉ基板１３の表層に形成されるが、光導波路３２の上側に半導体層（クラッド層）が形成されている。

【0031】

スペーサ１２は、サブマウント１１を搭載するための支持部品であり、Ｓｉ基板１３上に半田２５で固定されている。図１に示す通り、スペーサ１２は、下面（Ｓｉ基板１３を向く面）と上面（下面とは反対側の面）に貫く穴３５を有している。平面視して、グレーティングカプラ３１が穴３５の内側に含まれている。すなわち、スペース１２は、グレーティングカプラ３１を避けてＳｉ基板１３上に搭載されている。また、組み立てられた状態において、半導体光素子１０は、穴３５の内面に囲まれた空間に配置される。半導体光素子１０を穴３５の内部に配置することにより、サブマウント１１とスペーサ１２との接続部分を確保することが出来ている。また、図２Ｂに示す通り、厚み方向に沿って平面視して、穴３５は矩形状をしており、スペーサ１２は、平面視して半導体光素子１０の周囲を切れ目なく囲む形状である。スペーサ１２がかかる形状をすることにより、サブマウント１１を支持する強度を確保するとともに、サブマウント１１とスペーサ１２との接続部分をより確保することが出来ている。また、スペーサ１２の形状は、図２Ｂに示す中空矩形状に限定されることはなく、サブマウント１１を支持する強度が得られる範囲において、他の形状であってもよい。例えば、穴が光導波路の延伸方向に開かれているＵ字形状をしていてもよい。

【0032】

光源（半導体光素子１０、サブマウント１１、及びスペーサ１２）がかかる構成をしていることにより、半導体光素子１０のレーザ部に電流を流すための１対の電極がそれぞれの部品に形成されており、組立てた状態で１対の電極がそれぞれ電気的に接続されている。当該実施形態に係る発明により、光源にワイヤボンディングをすることが出来ており、外部から半導体光素子１０のレーザ部に電流を容易に印加することが出来る。また、光源をＳｉ基板１３（ＳｉＰ素子）に固定する際に、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）に必要な電流をプローブにより外部より容易に印加することが出来る。また、光源の各光部品同士の間の十分な電気的接続を実現することが出来ている。それゆえ、サブマウント１１の下面以外の面に電気的接続のための配線パターン（導電層）を配置する必要がなく、サブマウント１１は、下面のみに導電層を有すればよく、工程数の低減をすることが出来る。同様に、スペーサ１２の上面以外の面に電気的接続のための配線パターン（導電層）を配置する必要がなく、スペーサ１２は、上面のみに導電層を有すればよく工程数のさらなる低減をすることが出来る。

【0033】

ここで、光源の組み立て工程について説明する。第一に、半導体光素子１０がサブマウント１１の上面に半田により固定される。第二に、半導体光素子１０が搭載されたサブマウント１１が、フリップチップ実装（裏返しした実装）によりスペーサ１２に半田により設置される。光源の各部品を接続する固定剤を、ここでは半田としたがそれに限定されることはなく、導電性を有する接着材であればよい。サブマウント１１を図２Ａの上下反転するよう裏返しにすることにより、サブマウント１１の電極２１がスペーサ１２の電極２２と対向し、半田により固定する。なお、図２Ｂに示す通り、厚み方向に沿って平面視して、サブマウント１１の寸法がスペーサ１２の寸法より小さく、スペーサ１２の上面はサブマウント１１より露出する領域を含み、パッドのための領域を確保することが出来る。例えば、半導体光素子１０の寸法を平面視して４００μｍ×４００μｍとすると、スペーサ１２の穴３５の最低寸法はこれよりも大きくする必要があり、なおかつ、スペーサ１２の厚み（厚み方向の幅）が半導体光素子１０の厚みより大きくする必要がある。ここでは、スペーサ１２の厚みは半導体光素子１０の厚みより約１５０μｍ大きくなっている。さらに、スペーサ１２はサブマウント１１の周囲を囲って、サブマウント１１を支える必要があるため、平面視して、サブマウント１１の寸法をスペーサ１２の穴３５より大きくする必要がある。

【0034】

次に、光源の光出力をＳｉＰ素子（Ｓｉ基板１３）に結合することについて考察する。半導体光素子１０の出力光がグレーティングカプラ３１に照射され光導波路３２へ光が結合される。よって、光源を半田２５によりＳｉＰ素子（Ｓｉ基板１３）に固定する際に、出力光の位置をグレーティングカプラ３１の位置に配置される必要がある。また、結合効率をより高くするために、グレーティングカプラ３１の表面に照射される光のモード径と入射角度をグレーティングカプラのモードに適合させるのが望ましい。半導体光素子１０のレンズ２８やミラー２７の設計及びグレーティングカプラ３１の設計をともに考慮して結合効率がより高くなる条件で部品を作製するのが望ましい。加工プロセスの精度を考慮した場合、ミラーの角度を通常４５度近辺に設計するのが望ましく、この場合、出力光は半導体光素子１０の下面に対して垂直方向近くに出力される。また、レンズの曲率半径(radius of curvature)を決める際、レーザ部の出力端からレンズ２８までの経路の光学距離を考慮することが重要である。かかる光学距離は、半導体光素子１０の厚みにも依存するが、かかる厚みはウエハの研磨で制御することが出来る。半導体光素子１０の想定される厚みを考慮すれば、レーザ部の出力端とレンズ２８までの経路の距離は、１００〜２００μｍとなる。半導体の屈折率（ＩｎＰの場合、１．３μｍ帯で約３．２）と、レーザ部から出射される光の発散を考慮した場合、グレーティングカプラ３１の表面で所望のスポット径を得るための想定されるレンズの半径は５０μｍ〜１５０μｍが望ましい。最適な値はグレーティングカプラ３１の設計に依存する。

【0035】

また、半導体光素子１０が発生する熱の放熱について考察する。駆動時において、半導体光素子１０のレーザ部分の活性層より主に熱が発生する。当該実施形態において、半導体光素子１０はフリップチップ実装がされており、活性層がよりサブマウント１１に近いほうにあり、活性層から遠い側の面で搭載するジャンクションアップ実装と比べると放熱性において優れている。しかしながら、半導体光素子１０で発生する熱がサブマウント１１、スペーサ１２を介して、Ｓｉ基板１３へ放熱することになり、当該実施形態に係る光モジュール１は、放熱経路が長い構造となっている。それゆえ、光モジュール１における熱抵抗が増加し、高い効率で放熱が実現されない可能性がある。高い効率で放熱が実現されないと、半導体光素子１０のレーザ部の温度が上昇し、光の出力が低下したり、半導体光素子１０の寿命が短くなることが生じ得る。それゆえ、サブマウント１１が熱伝導率の高い材料で形成されるのが望ましい。具体的には、サブマウント１１は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）またはＡｌＮ（窒化アルミニウム）のようなセラミック材料で形成されるのが望ましい。主な放熱経路をＳｉ基板１３への経路とする場合、スペーサ１２もサブマウント１１と同様に熱伝導率の高い材料で形成するのが望ましい。また、スペーサ１２をＳｉ基板１３に固定する固定剤は半田２５であるが、これに限定されることはないが、熱伝導率の高い接着剤が望ましい。

【0036】

本発明は、Ｓｉ基板１３上に多数の光機能が集積される素子（ＳｉＰ素子）に最適であるが、これに限定されることはなく、他の半導体基板に集積される素子であってもよい。Ｓｉの光屈折率ｎが３．６と、非常に高い値であるため、従来の光集積材料（石英、ニオブ酸リチウム、ＧａＡｓ、ＩｎＰなど）と比べて１０倍超える程度に小型な寸法で低損失の光導波路３２を形成することが出来る。そして、ＧｅをＳｉに成長させることによって光ファイバ伝送にとって最も重要な波長帯（１．３μｍ帯と１．５５μｍ帯）で光受光素子（Photo Detector）を実現することができる。さらに、ダイオードにて用いられるＰＮ接合の空乏領域を光の伝搬に適合するよう調整することによって、高速な光位相変調器を実現することができる。それゆえ、リング共振器またはマッハジェンダー型干渉系などに位相変調を組み込むことによって、高速な光強度変調器を実現することができる。光変調器、光受光器、および光導波路３２を組み合わせることによって、集積要素が従来の光集積材料より数桁多い光回路をＳｉＰ技術で示されていて、実用化が進んでいるからである。

【0037】

［第２の実施形態］
図４は本発明の第２の実施形態に係る光モジュール１の断面図である。当該実施形態に係る光モジュール１は、半導体光素子１０とＳｉ基板１３との間に、アイソレータ１４（光アイソレータ）をさらに備えているが、それ以外については、第１の実施形態に係る光モジュール１と同じ構造を有している。アイソレータ１４は、ＳｉＰ素子からの戻り光を防止するための光部品であり、かかる戻り光が半導体光素子１０へ到達するのを抑制している。当該実施形態に係る光モジュール１は、第１の実施形態に係る光モジュール１が奏する効果に加えて、戻り光（光フィードバック）に起因する半導体光素子１０の動作が不安定となることを抑制することが出来、長時間にわたって安定な発振を実現することができる。当該実施形態では、アイソレータ１４はサブマウント１１に固定されているが、これに限定されることはなく、スペーサ１２に固定されていても、Ｓｉ基板１３に固定されていてもよい。いずれの場合であっても、スペーサ１２が有する穴３５の内部にアイソレータ１４を配置することが出来る寸法に穴３５が形成される必要がある。一般に用いられるアイソレータの場合、アイソレータの寸法は１ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍ程度であり、スペーサ１２の厚みを１ｍｍ以上とするのが望ましく、さらに、スペーサ１２の穴３５の寸法を平面視して、半導体光素子１０のための領域に加えて、１ｍｍ×１ｍｍの領域を確保できるものとするのが望ましい。

【0038】

以上のように、当該実施形態によればスペーサ１２によりＳｉＰ素子と半導体光素子１０との間に空間を設けることができ、その空間内部に部品（ここではアイソレータ１４）を効率的に配置できる。このように、本願発明によれば小型で高性能な光モジュールを実現できる。単にＳｉＰ素子と半導体光素子との間に光学距離を確保するだけであれば、例えば図７の半導体光素子とＳｉＰ素子との間にサブマウントを挟み、半導体光素子の出力光が通過できるようにサブマウントに小さな穴を設けることが考えられる。しかしその場合は、半導体光素子はジャンクションアップ実装（活性層から遠い側の面で搭載）のために放熱性に優れず、また半導体光素子とＳｉＰ素子との間に別の部品を設けることが困難となる。

【0039】

［第３の実施形態］
図５は本発明の第３の実施形態に係る光モジュール１の断面図である。当該実施形態に係る光モジュール１は、スペーサ１２とＳｉ基板１３との間に、レンズ基板１５をさらに備えているが、それ以外については、第１又は第２の実施形態に係る光モジュール１と同じ構造を有している。ここで、レンズ基板１５はＳｉ基板によって形成される。半導体光素子１０に形成されるレンズ２８のみでは、半導体光素子１０の出力光をグレーティングカプラ３１のモードに適合させることが困難となる場合があり、その場合、結合効率を十分に高くすることが出来ない。第１又は第２の実施形態に係る光モジュール１が奏する効果に加えて、当該実施形態に係る光モジュール１は、レンズ基板１５がレンズ３３を有することにより、グレーティングカプラ３１の表面に照射される光のモード径と入射角度をグレーティングカプラのモードへ容易により適合させることが出来る。ここでは、半導体光素子１０のレンズ２８では、出力光を十分に集光出来ておらず、その場合、レンズ基板１５のレンズ３３は凸レンズであるのが望ましい。しかし、これに限定されることはなく、必要に応じて、レンズ基板１５のレンズ３３は凹レンズであってもよい。また、レンズ基板１５のレンズ３３の光軸の位置と、出力光の光軸の位置とを調整することにより、グレーティングカプラ３１への光の入射角度を所望な値に近づけることが出来る。

【0040】

ここで、レンズ３３の作製について考察する。ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）加工技術を用いて、Ｓｉ基板の表面をエッチング加工することにより、レンズが形成されるレンズ基板が一般に用いられている。グレーティングカプラ３１への光のスポット径はレンズ３３のレンズ半径およびレンズ基板１５の厚みにさらに依存する。それゆえ、作製されるレンズ３３の形状と寸法を精密に制御する加工技術が必要であるが、ＭＥＭＳ加工プロセスは半導体プロセスに似ており、寸法精度が高い加工が可能であるのでＭＥＭＳ加工技術が望ましい。レンズ３３を図５に示すレンズ基板１５に形成する場合、適切なレンズ３３の形状とレンズ基板１５の厚さは、レンズ基板１５に入射する光の条件およびグレーティングカプラ３１の設計に依存する。例えば、レンズ基板１５に入射する光がビーム径５０μｍのコリメート光（平行光線）であると仮定した場合、レンズ３３の半径を５００μｍにして、またレンズ基板１５の厚みを６５０μｍにすることにより、集光された光のスポットがレンズ基板１５の裏面近辺で得られる。レンズ基板１５より出射される光がグレーティングカプラのモードへより適合する場合、より高い結合効率を実現することが出来る。

【0041】

［第４の実施形態］
図６は本発明の第４の実施形態に係る光モジュール１の断面図である。当該実施形態に係る光モジュール１は、サブマウント１１の上面にペルチェ素子１６をさらに備えている。サブマウント１１の上面にペルチャ素子１６を備えることにより、サブマウント１１とスペース１２の形状が異なるが、それ以外については、第１乃至第３のいずれかの実施形態に係る光モジュール１と同じ構造を有している。ペルチェ素子１６は、サブマウント１１の上面（第１配線パターンが形成された面とは反対側の面）に搭載された温度調節器である。

【0042】

図６に示す通り、サブマウント１１の上面にペルチェ素子１６が設置されている。それに伴って、サブマウント１１の寸法やスペーサ１２の寸法がより大きくなっている。ペルチャ素子１６は、サブマウント１１の上面の領域のうち、平面視してスペーサ１２と重なる領域に搭載されている。ペルチャ素子１６をサブマウント１１が支持しているが、ペルチャ素子１６の重量により、サブマウント１１にさらに応力がかかる。サブマウント１１に生じる歪みにより、半導体光素子１０が影響を受ける。かかる影響を抑制するために、ペルチャ素子１６がサブマウント１１の、スペーサ１２と重なる領域に搭載されているのが望ましい。

【0043】

半導体光素子１０で発生する熱の主な放熱経路がＳｉ基板１３への経路とする場合、前述の通り、放熱経路が長く、放熱の効率が十分でない場合があり得る。かかる場合であっても、当該実施形態に係る光モジュール１はペルチェ素子１６を備えることにより、高い効率での放熱を実現することが出来る。

【0044】

また、ＳｉＰ素子が光変調器や光受光素子を含み、光変調器を駆動する電気回路や光受光素子の信号を増幅する電気回路を含む場合などがあり得る。かかる場合には、ＳｉＰ素子に熱が発生するので、スペーサ１２は熱伝導率が低い材料で形成するのが望ましい。また、スペーサ１２をＳｉ基板１３上に固定する固定剤は熱伝導率が低い接着剤が望ましい。ＳｉＰ素子で発生する熱が半導体光素子１０へ伝わるのを抑制するためである。しかしながら、かかる場合、半導体光素子１０で発生する熱の放熱経路をＳｉ基板１３への経路とすることが出来ないが、サブマウント１１を介してペルチェ素子１６へ熱を放熱することが出来るので、高い効率での放熱を実現することが出来る。これにより、当該実施形態に係る光モジュール１は、第１乃至第３のいずれかの実施形態に係る光モジュール１が奏する効果に加えて、半導体光素子１０の温度上昇をより抑制することができ、光の出力低下を抑制したり、半導体光素子１０の寿命を長くすることが出来る。

【0045】

以上、本発明の実施形態に係る光モジュールについて説明した。上記実施形態に係る半導体光素子のレーザ部はＤＦＢレーザの構造を有しており、半導体光素子に印加する電流（電圧）は一定である。それゆえ、第１配線パターン及び第２配線パターンは、図２Ａ及び図２Ｂに示す形状となっているが、これに限定されることはない。半導体光素子のレーザ部が直接変調レーザの構造を有する場合は、直接変調レーザに印加する信号に適した形状であってもよい。また、上記実施形態に係る半導体光素子において、レーザ部の１対の電極（ｐ側電極及びｎ側電極）がともに半導体光素子の上面に形成されている。それゆえ、第１配線パターン及び第２配線パターンはともに１対の電極を含んでいる。しかし、これに限定されることはなく、例えば、レーザ部の１対の電極のうち一方の電極のみが半導体光素子の上面に形成される場合であってもよい。その場合であっても、かかる電極（一方の電極）の接続に関しては、本発明を適用することが出来る。上記実施形態に係る半導体光素子はＬＩＳＥＬであり、レンズが集積されているが、これに限定されることはない。半導体光素子がレンズを有していなくても、レンズ基板１５など他の光部品によって、Ｓｉ基板との結合を実現してもよい。上記実施形態に係る半導体光素子はＬＩＳＥＬに集積されたミラーは４５度の場合としているが、これに限定されることはなく活性層から遠い側の面に出力光が進むような傾斜角度であれば本発明を適用することが出来る。上記実施形態に係る基板はＳｉ基板としているが、これに限定されることはなく、他の半導体基板であっても、本発明を適用することが出来る。上記実施形態に係る光モジュールは、１．３μｍ帯の光通信を行うための光モジュールであるが、これに限定されることなく、他の波長帯、例えば１．５５μｍ帯の光通信を行うための光モジュールであってもよく、また、光通信以外の目的の光モジュールであってもよい。

【符号の説明】

【0046】

１ 光モジュール、１０，１１０ 半導体光素子、１１ サブマウント、１２ スペーサ、１３、１１３ Ｓｉ基板、１４ アイソレータ、１５ レンズ基板、１６ ペルチェ素子、２０，２１，２１Ａ，２１Ｂ，２２，２２Ａ，２２Ｂ，１２０ 電極、２５ 半田、２６ 半導体多層、２６Ａ 活性層、２７ ミラー、２８，３３ レンズ、３１，１３１ グレーティングカプラ、３２，１３２ 光導波路、３５ 穴。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】