(57)【要約】【課題】発光素子の発振波長の制御性に優れる光送信装置を実現できる構造およびその製造方法を提供する。【解決手段】光送信装置１００は、基板(シリコンオプティカルベンチ１１)、発光素子１２、および測温素子１３を備え、シリコンオプティカルベンチ１１の表面に凹部２２および凹部２３が形成されており、凹部２２の内部に発光素子１２が設けられ、凹部２３の内部に測温素子１３が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた発光素子と、
前記基板上に設けられた、前記発光素子の温度を測定する測温素子と、を備える光送信装置であって、
前記基板の上面に凹部が設けられており、
前記発光素子および前記測温素子は、前記凹部の内部に設けられている、光送信装置。
【請求項２】
前記基板の前記上面に、複数の前記凹部が設けられている、請求項１に記載の光送信装置。
【請求項３】
前記発光素子と前記測温素子とが、同じ前記凹部の内部に設けられている、請求項１または２に記載の光送信装置。
【請求項４】
前記発光素子と前記測温素子とが、異なる前記凹部の内部に設けられている、請求項２に記載の光送信装置。
【請求項５】
前記凹部の底面が平坦面から構成され、前記凹部の側面が前記平坦面に対して所定角度傾斜している複数の傾斜面から構成される、請求項１から４のいずれかに記載の光送信装置。
【請求項６】
前記凹部と隣接して前記基板上面に設けられた溝部と、
前記溝部に設けられ、前記発光素子から出力された光を光ファイバに導く光学結合用レンズと、をさらに備える、請求項１から５のいずれかに記載の光送信装置。
【請求項７】
前記光学結合用レンズは、筒状部分を備え、
前記溝部の底面が平坦面から構成されるとともに、前記溝部の側面が前記平坦面に対して所定角度傾斜している複数の傾斜面から構成され、
前記筒状部分が、前記溝部の前記傾斜面の間に固定されている、請求項６に記載の光送信装置。
【請求項８】
前記発光素子の配置位置の前記基板の厚みと、前記測温素子の配置位置の前記基板の厚みとが、同一である、請求項１から７のいずれかに記載の光送信装置。
【請求項９】
前記光の光軸方向に直交する方向から見たとき、前記発光素子と前記測温素子とが重なるように配置されている、請求項１から８のいずれかに記載の光送信装置。
【請求項１０】
前記発光素子が配置されている前記凹部の内部に、モニタ用フォトダイオードがさらに設けられている、請求項１から９のいずれかに記載の光送信装置。
【請求項１１】
前記基板の下面に設けられた、前記発光素子の温度を制御する電子冷却器をさらに備える、請求項１から１０のいずれかに記載の光送信装置。
【請求項１２】
前記凹部の上面開口が、部材で覆われている、請求項１から１１のいずれかに記載の光送信装置。
【請求項１３】
前記部材が、前記基板と同じ材料である、請求項１２に記載の光送信装置。
【請求項１４】
前記発光素子が配置されている前記凹部の内部に、エタロンがさらに設けられている、請求項１から１３のいずれかに記載の光送信装置。
【請求項１５】
前記基板は、シリコンで構成されている、請求項１から１４のいずれかに記載の光送信装置。
【請求項１６】
前記基板の前記上面の面方位が(０００)である、請求項１から１５のいずれかに記載の光送信装置。
【請求項１７】
基板上面にレジスト膜を形成し、前記レジスト膜に前記基板上面の一部が露出した開口部を形成する工程と、
前記レジスト膜をマスクとして、前記開口部から前記基板を所定深さだけ除去して、凹部を形成する工程と、
前記凹部の内部に、発光素子および測温素子を設ける工程と、を含む、光送信装置の製造方法。
【請求項１８】
前記開口部を形成する工程において、第１の開口部および第２の開口部を隣接して前記レジスト膜に形成し、
前記凹部を形成する工程において、前記第１の開口部から前記基板を所定深さＤ１だけ異方性エッチングして前記凹部を形成するとともに、前記第２の開口部から前記基板を所定深さＤ２だけ異方性エッチングして溝部を形成し、
前記溝部の内部に、光学結合用レンズを設ける工程と、をさらに含む、請求項１７に記載の光送信装置の製造方法。
【請求項１９】
前記開口部を形成する工程において複数の前記第１の開口部を形成することにより、複数の前記凹部を形成する、請求項１７または１８のいずれかに記載の光送信装置の製造方法。
【請求項２０】
前記第２の開口部の寸法を前記第１の開口部の寸法より大きくすることにより、前記所定深さＤ２を前記所定深さＤ１より深くする、請求項１８または１９のいずれかに記載の光送信装置の製造方法。
【請求項２１】
前記開口部を形成する工程において、面方位が（０００）である前記基板上面に前記レジスト膜を形成し、このレジスト膜に前記基板上面の一部が露出した前記第１の開口部および前記第２の開口部を隣接して形成し、
前記凹部を形成する工程において、前記第１の開口部から前記基板を前記所定深さＤ１だけ異方性エッチングして、壁面の面方位が(１１１)であり、底面の面方位が(０００)である、前記凹部を形成するとともに、前記第２の開口部から前記基板を所定深さＤ２だけ異方性エッチングして、壁面の面方位が(１１１)であり、底面の面方位が(０００)である、前記溝部を形成する、請求項１８から２０のいずれかに記載の光送信装置の製造方法。
【請求項２２】
前記発光素子が配置されている前記凹部の内部に、さらにエタロンを設ける、請求項１７から２１のいずれかに記載の光送信装置の製造方法。
【請求項２３】
前記発光素子が配置されている前記凹部の内部に、さらにモニタ用フォトダイオードを設ける、請求項１７から２２のいずれかに記載の光送信装置の製造方法。
【請求項２４】
前記凹部の上面開口を、部材で覆う、請求項１７から２３のいずれかに記載の光送信装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送信装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信技術分野において、たとえば光源として光送信装置が用いられている。光通信容量の増大により、波長多重通信が実用化されている。特に、高密度波長多重システム(Ｄｅｎｓｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＤＷＤＭ)においては、この光送信装置に対して、送信する光源の発振波長の精密制御およびその安定性が求められている。
【０００３】
発光素子の発振波長を精密に制御するためには、発光素子の温度を精密に制御する必要があり、測温素子が、基板を介して、発光素子の温度を正確に検出することが極めて重要となる。
【０００４】
例えば、特許文献１および２には、パッケージ内部とパッケージ外部との熱遮断を改善した光送信装置が記載されている。同文献によれば、この光送信装置においては、接続端子部からのワイヤボンディングを測温素子に直接接続しないで、電子冷却器上の基板を一旦介して電気的接続をすることで、測温素子への熱流入を抑制でき、波長を精密に制御することができるとされている。
【０００５】
このとき、パッケージの壁面の温度は、光送信装置の使用環境温度に応じて変化している。この壁面から伝わる熱はパッケージ内部の発光素子や測温素子に影響を及ぼす。このため、上記光送信装置においては、発光素子の温度制御が正確にできなくなり、発光素子の発振波長は、光送信装置の環境温度により変動してしまうという課題がある。
【０００６】
特許文献３および４には、発光素子の発振波長の変動を抑制する光送信装置が記載されている。この光送信装置においては、遮蔽部材で発光素子および測温素子が覆われている。また、非特許文献１には、測温素子をパッケージ壁面から極力離し、発光素子に近づけるとともに、パッケージ壁面と測温素子との間に別の遮蔽部材を配置し、パッケージ壁面からの伝わる熱を遮蔽する構造を備える、光送信装置が記載されている。
【０００７】
光送信装置の小型化により、発光素子および測温素子はパッケージの壁面からより近い位置に配置されてしまう。このため、上述の遮蔽部材を備える構造においては、未だに、パッケージ壁面から伝わる熱の影響を回避することが困難である。
【０００８】
ここで、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送信装置が開発されている。このような光送信装置は、たとえば、シリコンをベースとしたシリコンオプティカルベンチへの実装方式等により作製される。特許文献５および６には、パッシブアライメント技術を用いた光送信装置が記載されている。この光送信装置においては、発光素子および測温素子はシリコンオプティカルベンチの平坦面に配置されるのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４-７９９８９号公報
【特許文献２】特開２００７-３６０４６号公報
【特許文献３】特開２００３-１４２７６７号公報
【特許文献４】特開２００３-１６３４０８号公報
【特許文献５】特開平１１-２９５５６１号公報
【特許文献６】特開２００１-２４２３５７号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】那須秀行著「光ファイバ無線システム用小型ＤＦＢレーザモジュール」電子情報通信学会論文誌Ｃ、Ｖｏｌ．Ｊ９１-Ｃ  Ｎｏ．１  ｐｐ１２８−１３５，２００８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上のように、上記文献記載の従来技術は、発光素子の波長を精密に制御することが困難である点において改善の余地を有していた。
特に、特許文献５および６に記載のシリコンオプティカルベンチ技術を採用している光送信装置においては、発光素子および測温素子がシリコンオプティカルベンチ上の開放された平坦面に配置されている。このため、発光素子および測温素子がパッケージ壁面から伝わる熱の影響を直接受けてしまうことがある。つまり、パッケージ壁面から伝わる熱により、発光素子の内部で熱勾配が生じてしまう。さらには、測温素子においても同様に測温素子内部で熱勾配が生じてしまう。この結果、発光素子の波長の精密な制御が困難であった。
以上、波長多重通信について説明したが、これに限定されず、一般的な光通信技術においても同様の課題を有するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、
基板と、
前記基板上に設けられた発光素子と、
前記基板上に設けられた、前記発光素子の温度を測定する測温素子と、を備える光送信装置であって、
前記基板の上面に凹部が設けられており、
前記発光素子および前記測温素子は、前記凹部の内部に設けられている、光送信装置が提供される。
【００１３】
本発明によれば、
基板上面にレジスト膜を形成し、前記レジスト膜に前記基板上面の一部が露出した開口部を形成する工程と、
前記レジスト膜をマスクとして、前記開口部から前記基板を所定深さだけ除去して、凹部を形成する工程と、
前記凹部の内部に、発光素子および測温素子を設ける工程と、を含む光送信装置の製造方法が提供される。
【００１４】
発光素子および測温素子を基板の凹部の内部に配置することで、凹部の側壁により、外部環境から伝わる熱を遮蔽することができる。これにより、発光素子および測温素子の内部の熱勾配が抑制される。そのため、測温素子が、発光素子の温度を正確にモニタすることができ、発光素子の温度制御を正確に実施することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発光素子の発振波長の制御性に優れる光送信装置を実現できる構造およびその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第一の実施の形態における光送信装置を模式的に示す模式図である。
【図２】本発明の第一の実施の形態における光送信装置を模式的に示す断面模式図である。
【図３】本発明の第一の実施の形態における光送信装置を模式的に示す断面模式図である。
【図４】本発明の第二の実施の形態における光送信装置を模式的に示す断面模式図である。
【図５】本発明の第三の実施の形態における光送信装置を模式的に示す断面模式図である。
【図６】本発明の第四の実施の形態における光送信装置を模式的に示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
(第一の実施の形態)
第一の実施の形態の光送信装置を、図１から図３を参照して説明する。
図１は、第一の実施の形態の光送信装置１００のシリコンオプティカルベンチ１１の斜視図を示す。図２、図３は、図１のＡ−Ａ'線、Ｂ−Ｂ'線にそれぞれ沿った断面図を示す。なお、各図においては、煩雑を避けるために一部のメタライズ配線、ワイヤボンディング、メタルパターンおよびパッケージ等の図示を適宜省略している。
【００１８】
第一の実施の形態の光送信装置１００は、基板(シリコンオプティカルベンチ１１)、発光素子１２、および測温素子１３を備えるものである。シリコンオプティカルベンチ１１の表面に凹部２２および凹部２３が形成されている。また、凹部２２の内部に発光素子１２が設けられ、凹部２３の内部に測温素子１３が設けられている。
図１に示すように、各凹部２２、２３の底面部に、発光素子１２および測温素子１３が配置されている。このため、各凹部２２、２３の側面部が、壁部として、発光素子１２および測温素子１３の周りを囲む構造となっている。
【００１９】
また、送信装置１００は、図１または図２に示すパッケージ１、モニタ用フォトダイオード１４、光学結合用レンズ１５および電子冷却器１０を、さらに備えるものである。また、本実施の形態においては、基板として、シリコン基板を用い、発光素子１２として、半導体レーザを用い、測温素子１３として、温度モニタ用サーミスタを用いる。
【００２０】
光学結合用レンズ１５は、発光素子１２から出力された光（レーザ光）を光ファイバ(図示せず)に導くものである。この光学結合用レンズ１５は、図１に示すように、レーザ光の光軸方向と一致する方向についてシリコンオプティカルベンチ１１表面に形成された、溝部(凹部２１)の内部に配置されている。この光ファイバは、光学結合用レンズ１５を介して発光素子１２と光結合し、発光素子１２から出力されたレーザ光を内部伝送する。
【００２１】
また、電子冷却器１０は、発光素子１２および測温素子１３を冷却して温度の調節を実行する。この電子冷却器１０は、シリコンオプティカルベンチ１１の下方に搭載されている。
【００２２】
本実施の形態の光送信装置１００においては、測温素子１３が、シリコンオプティカルベンチ１１の温度を検出する。また、検出された温度に基づいて、光送信装置１００の制御部(図示せず)が電子冷却器１０の温度制御を実行することで、シリコンオプティカルベンチ１１の温度が調整される。これにより、光送信装置１００が、発光素子１２の温度制御を実行し、発光素子１２の発振波長を制御する。
【００２３】
本実施の形態に係る光送信装置１００の各構成の構造および位置関係について、以下詳述する。
【００２４】
凹部２１、２２、２３においては、図１に示すように、凹部の底面部が平坦面から構成され、凹部の側面部が平坦面に対して所定角度傾斜している複数の傾斜面から構成される。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、凹部２１、２２、２３の傾斜面の面方位は(１１１)となり、平坦な底面部に対する傾斜面の角度θは、５４.７４度に一意に決まる。この角度は、異方性エッチングにより形成されるので、高精度かつ再現性よく形成される。また、本実施の形態においては、異方性エッチングを所定時間実施することにより、凹部２１、２２、２３の底面部には、面方位(１００)の平坦面が形成されている。このとき、凹部２１、２２、２３の、底面部の面積および各凹部の深さは、異方性エッチングする際のマスクの開口面積およびエッチング時間により一意に決めることができる。凹部の深さは、シリコンオプティカルベンチ１１の表面を基準面としたとき、この基準面から凹部の底面部までの基板垂線方向の距離を表す。
【００２５】
凹部２１および凹部２２は、図１に示すように、光軸方向に隣接して形成されている。このとき、凹部２２の内部空間と凹部２１の内部空間とが、光軸方向に隣接して形成されている。つまり、発光素子１２から光学結合用レンズ１５までの間に、レーザ光の直進を妨げる障害物、たとえば、凹部２２の内部の側壁等は形成されていない。また、凹部２１および凹部２２の底面部が、光軸方向に対してシームレスに形成されている。この凹部２２の底面部には発光素子１２が搭載されている。発光素子１２から出力されたレーザ光の進行位置と、光学結合用レンズ１５の中心の位置とが一致するように、光学結合用レンズ１５の配置位置が調節されている。また、凹部２１の上面開口の面積は、凹部２２の上面開口の面積より大きい。さらに、凹部２１の深さは、凹部２２の深さより、深い。
【００２６】
一方、凹部２２および凹部２３は、図１に示すように、光軸方向に対して直交する方向に、離間して形成されている。このとき、各凹部２２、２３の底面部に設けられている発光素子１２および測温素子１３は、上記直交する方向から見たときに、重なるように配置されている。凹部２２の深さは、凹部２３の深さと同一である。
【００２７】
また、図２に示すように、発光素子１２と測温素子１３とが配置されている部分のシリコンオプティカルベンチ１１の各厚み３１は同一である。この厚み３１は、凹部２２、２３の底面部からシリコンオプティカルベンチ１１の裏面までの、基板垂線方向の距離を表す。
【００２８】
一方、図３に示すように、発光素子１２の配置位置のシリコンオプティカルベンチ１１の厚み３１は、光学結合用レンズ１５の配置位置のシリコンオプティカルベンチ１１の厚みより、厚くなるように形成されている。これにより、光学結合用レンズ１５の中心と光軸方向とが一致するように配置高さが調節されている。
【００２９】
また、光学結合用レンズ１５は、筒状部分を有し、この筒状部分が凹部２１(溝部)の傾斜面および底面部と面接触するように凹部２１内部に直接固定されている。このようにして、光学結合用レンズ１５は、シリコンオプティカルベンチ１１上部にパッシブ実装されている。
【００３０】
また、図１に示すメタライズ配線は、凹部２２および凹部２３のそれぞれの底面部および傾斜面から、シリコンオプティカルベンチ１１上面部にわたって施されている。これにより、シリコンオプティカルベンチ１１上面部と各凹部２２、２３の底面部とが電気的接続が取れる構造となっている。そして、発光素子１２および測温素子１３は、各凹部２２、２３の底面部のメタライズ配線３５上に配置される。
【００３１】
次に、第一の実施の形態の光送信装置１００の製造方法を、図１〜図３を参照して説明する。
本実施の形態に係る光送信装置１００の製造方法は、以下の工程を含むものである。
光送信装置１００の製造方法は、基板（シリコン基板）上面にレジスト膜を形成し、このレジスト膜にシリコン基板上面の一部が露出した開口部(第１の開口部)を形成する工程と、上記レジスト膜をマスクとして、開口部からシリコンを所定深さだけ除去して（異方性エッチングして）、凹部２２および凹部２３を形成する工程と、凹部２２および凹部２３の内部に、発光素子および測温素子を設ける工程と、を含むものである。本工程においては、複数の第１の開口部を形成する。
【００３２】
光送信装置１００の製造方法を工程順に、以下説明する。
まず、平坦な上面の結晶方位が(１００)面である、シリコン基板を用意する。次いで、この上面に、たとえばＣＶＤ(Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)法により、マスクとしてシリコン酸化膜（レジスト膜）を形成する。続いて、フォトリソグラフィ工程とドライエッチング工程とにより、このシリコン酸化膜にシリコン基板上面の一部が露出した複数の開口部(２つの第１の開口部および第２の開口部、(図示せず))を隣接して形成する。このシリコン基板をＫＯＨ(水酸化カリウム)に所定時間浸漬することにより、各開口部のシリコンが、結晶依存性によって異方性ウェットエッチングされる。その結果、一度の工程により複数の凹部が形成される。つまり、第１の開口部からシリコン基板を所定深さＤ１だけ異方性エッチングして、壁面の面方位が(１１１)であり、底面の面方位が(１００)である、凹部（凹部２２、凹部２３）が形成されるとともに、第２の開口部からシリコン基板を所定深さＤ２だけ異方性エッチングして、壁面の面方位が(１１１)であり、底面の面方位が(１００)である、溝部（凹部２１）が形成される。
このようにして、面方位が(１００)の底面部に対して、面方位が(１１１)の傾斜面の角度θが５４.７４度に一意に決まる、凹部２１、２２、２３が同時に形成される。
【００３３】
本工程においては、凹部２１、２２、２３の底面部の面積および凹部の深さは、異方性エッチングする際のマスクの開口面積およびエッチング時間により一意に決めることができる。
【００３４】
たとえば、エッチングを同時のタイミングで終了するためには、異方性エッチングする際の各マスクの開口部の面積を調節することにより、凹部２１、２２、２３の底面部の面積および凹部の深さを制御している。
【００３５】
具体的には、図２、図３に示すように、たとえば、底面部の寸法が１.０ｍｍ×１.０ｍｍであり、深さが１.０ｍｍである、凹部２２および凹部２３を形成する場合には、凹部２２および凹部２３に対応するマスクの開口部の寸法は、２.４１４ｍｍ×２.４１４ｍｍとする。開口部の寸法を同じにすることにより、発光素子１２の配置位置のシリコンオプティカルベンチの厚み３１と、測温素子１３の配置位置の当該厚み３１とを同じ厚さに設計できる。
【００３６】
また、底面部の寸法が１．０ｍｍ×０．４３ｍｍであり、深さが１．７ｍｍである、凹部２１を形成する場合には、この凹部２１に対応する開口部の寸法は、２．２０２ｍｍ×２．８３４ｍｍとする。このように、凹部２１および凹部２２に相当する各開口部の寸法を調整することにより、発光素子１２および光学結合用レンズ１５の搭載部分のシリコン基板の高さを制御して、発光素子１２の高さと光学結合用レンズ１５の高さとを調整する。本工程では、凹部２１に対応する開口部の寸法は、凹部２２に対応する開口部の寸法より大きい。
【００３７】
また、凹部２１および凹部２２に相当するマスクの第１の開口部および第２の開口部は、光軸方向に対して隣接して形成されている。つまり、第１の開口部および第２の開口部はシームレスな１つの開口部として形成されている。一方、凹部２２および凹部２３に相当するマスクの各開口部(２つの第１の開口部)は、光軸方向に対して直交する方向から見たときに、重なるように形成される。つまり、基板垂線方向から見たとき、各第１の開口部は、上記直交方向に離間して形成されている。
【００３８】
ここまでの工程により、シリコン基板に複数の凹部２１、２２、２３が形成されている、シリコンオプティカルベンチ１１が作製される(図１)。
【００３９】
続いて、シリコンオプティカルベンチ１１上に、電極パターンを形成するとともに、素子実装用のハンダ材として、たとえばＡｕＳｎを形成する。さらに、電極パターンと同時にアライメントパターンを形成する。このとき、凹部２２および凹部２３の各傾斜面および各底面部表面には、電極パターンとＡｕＳｎとが形成されている。次いで、発光素子１２を凹部２２の底面部のＡｕＳｎ上にパッシブ実装するとともに、測温素子１３を凹部２３の底面部のＡｕＳｎ上にパッシブ実装する。
【００４０】
次いで、光学結合用レンズ１５の実装位置に相当する凹部２１の底面部に樹脂を塗布する。樹脂としては、たとえばＵＶ硬化樹脂を用いる。また、樹脂の量は、ディスペンサにより一定量になるように調整する。続いて、光学結合用レンズ１５を傾斜部すべてに接触するように塗布した樹脂の上部に設置する。この後、ＵＶ光を照射して樹脂を硬化させて、光学結合用レンズ１５の位置を固定する。次にポストベークを行い、樹脂を完全に固化させ、密着強度をさらに向上させる。このようにして、光学結合用レンズ１５の筒状部分が凹部２１の傾斜部に面接触する。このとき、光学結合用レンズ１５の中心と、発光素子１２からのレーザ光の光軸方向とが一致するように、光学結合用レンズ１５が配置される。
【００４１】
また、インダクタ(図示せず)や抵抗素子(図示せず)等も同様にシリコンオプティカルベンチ上に設置する。さらに、各素子を設置したシリコンオプティカルベンチ１１を電子冷却器１０の上に実装する。この電子冷却器１０はパッケージ１内に実装されている。
【００４２】
この後、パッケージ１内を窒素封入する。このとき、光送信装置１００がピグテールモジュールの場合は、ファイバアッセンブリし、オプティカルサブアッセンブリ(ＯＳＡ)モジュールの場合は、レセプタクルをアッセンブリする。
以上により、第一の実施の形態の光送信装置１００が得られる。
【００４３】
本実施の形態の作用効果について説明する。
【００４４】
本実施の形態の光送信装置１００においては、発光素子１２および測温素子１３をシリコンオプティカルベンチ１１の凹部２２および凹部２３の内部に配置することで、パッケージ１の壁面から伝わる熱を遮蔽することができる。つまり、発光素子１２および測温素子１３の周りに、凹部２２および凹部２３の各傾斜面からなる壁を設けることにより、外部環境、たとえば、光送信装置１００があるデバイス図に組み込まれた場合、他の装置が熱を発生するような外部環境、から伝わる熱を遮断できる。
【００４５】
これにより、発光素子１２および測温素子１３の内部の熱勾配が抑制される。そのため、測温素子１３は、発光素子１２の温度を正確にモニタすることが出来る。よって、電子冷却器１０が発光素子１２の温度制御を正確に実施することができ、発光素子１２の発振波長を精密に制御することが可能となる。
【００４６】
また、発光素子１２および測温素子１３の電子冷却器１０からの各厚み３１を、同一とすることで、当該部分のシリコンオプティカルベンチ１１の熱抵抗を等しくすることができる。これにより、測温素子１３は発光素子１２の温度をより正確に測温することができ、より精密に、発光素子１２の発振波長を制御することが可能となる。
【００４７】
このように、本実施の形態の光送信装置１００においては、使用温度環境範囲が広く、広い温度環境下においても、発光素子の発振波長を環境温度の影響を受けずに精密制御し安定に保つことができる。
【００４８】
また、第一の実施の形態においては、新たな部材を用いること無く、パッケージ１の壁面から伝わる熱を遮蔽するために、生産性が向上するとともに、安価に構成することが可能となる。
【００４９】
また、図２、図３に示すように、シリコン基板上面の結晶面を(１００)とした場合、凹部２１、２２、２３の傾斜面の面方位は(１１１)となり、平坦な底面部に対する傾斜面の角度θは、５４.７４度に一意に決まる。この角度は、異方性エッチング方法を採用しているので、高精度かつ再現性よく形成される。また、本実施の形態においては、異方性エッチングを所定時間実施することにより、凹部２１、２２、２３の底面部には、面方位(１００)の平坦面が形成されている。このとき、凹部２１、２２、２３の底面部の面積および、これらの凹部の深さは、異方性エッチングする際のマスクの開口面積およびエッチング時間により一意に決めることができる。このため、本実施の形態に係る凹部を、高精度かつ制御性良く作製することが可能である。
【００５０】
また、第２の開口部(凹部２１に相当)の寸法を、第１の開口部(凹部２２に相当)の寸法より大きくすることにより、上記所定深さＤ２を上記所定深さＤ１より深くすることができる。発光素子１２の高さと光学結合用レンズ１５の高さとを調整することができる。また、凹部２１の傾斜面は、光学結合用レンズ１５の位置決め面として作用する。つまり、光学結合用レンズ１５の筒状部分が、溝部(凹部２１)の傾斜面の間に樹脂等により固定されると、光学結合用レンズ１５は不動となる。これにより、光学結合用レンズ１５と、発光素子１２および光ファイバとの位置合わせを精度よくすることができる。
【００５１】
また、本実施の形態に係る凹部においては、凹部の断面形状をテーパ状、つまり、面方位が(１００)の底面部に対しする、面方位が(１１１)の傾斜面の角度θが５４.７４度である形状とすることにより、シリコンオプティカルベンチ１１の上面から凹部の側面および底面に形成される、メタライズ配線３５の断線を抑制し、導通性に優れた光送信装置１００を作製することができる。
【００５２】
本実施の形態に係るウェットエッチング工程においては、開口部の寸法および形成位置を調節することにより、光学結合用レンズ１５および発光素子１２の高さを制御できるとともに、光学結合用レンズ１５および発光素子１２の光軸方向の位置を制御することができる。これにより、シリコンオプティカルベンチ１１においては、光学結合用レンズの実装形態およびその実装方法が、良好な特性、特に発光素子の出力光と光ファイバへの入力光の割合、すなわち、光結合効率を良好に調節することができる。
【００５３】
また、少なくとも光軸方向に対してパッケージ１側面からの測温素子１３および発光素子１２の距離を、同一とする構造により、パッケージ１側面から伝わる熱の影響の受け方がより同じになる。これにより、測温素子１３が発光素子１２の温度を正確に測温することができるようになる。
【００５４】
また、モニタ用フォトダイオード１４を凹部２２の傾斜面に実装することで、発光素子１２からのモニタ光がフォトダイオード１４からの反射光が再び発光素子１２に戻り、発光素子１２の特性に悪影響を及ぼすことが抑制できる。これにより、発光素子１２として、モニタ用フォトダイオード１４からの反射光の影響は無視できない、端面の反射率が低い端面発光型の半導体レーザを用いることができる。
【００５５】
次に、従来技術と対比しつつ本実施の形態の効果についてさらに説明する。
特許文献３、４に記載の光送信装置においては、遮蔽部材を使いパッケージ壁面との熱遮蔽を行っている。しかしながら、新たな遮蔽部材が加わることで、組立てが困難になるとともにコストアップになり、さらには、電子冷却器が制御する部材の熱容量が増えるため、電子冷却器の消費電力が高くなってしまうことが課題であった。
【００５６】
これに対して、本実施の形態の光送信装置１００においては、新たな遮蔽部材を用いずに、発光素子１２および測温素子１３を凹部２２および凹部２３の内部に設ける構造により、上述のように熱遮蔽を実行できる。そのため、光送信装置１００の構成が簡単になり、組立てが容易になるとともにコスト削減を図ることができる。これにより、光送信装置１００の生産性が向上する。また、電子冷却器１０が温度制御している部材に、新たに遮蔽部材を加えない構成であるため、電子冷却器１０が制御する部材の熱容量の増加を抑制して、電子冷却器１０の消費電力を低く抑えることができる。
【００５７】
(第二の実施の形態)
第二の実施の形態の光送信装置を、図４を用いて以下説明する。
図４は、第二の実施の形態の光送信装置１００の模式断面図を示す。
第二の実施の形態は、発光素子１２および測温素子１３が、同じ凹部３３の内部に搭載される点が、第一の実施の形態と異なる。
凹部３３は、凹部２１と同時に形成される。このとき、凹部３３の深さおよび凹部２１の深さは、発光素子１２および光学結合用レンズ１５の高さが最適となるように設けられている。
【００５８】
また、凹部３３の底面部には、発光素子１２および測温素子１３が実装できる面積を備える。このような凹部３３の深さおよび底面部の面積は、上述のとおり、ウェットエッチング工程におけるマスクの開口部の面積により決定する。
【００５９】
第二の実施の形態においては、発光素子１２および測温素子１３が凹部３３の同一の底面部に設けられているため、発光素子１２と測温素子１３の距離を近づけることができる。そのため、光軸方向に対して垂直方向における、パッケージ１側面からの距離の差を縮めることができる。この構造により、測温素子１３および発光素子１２のパッケージ１側面から伝わる熱の影響の受け方がより同じになる。したがって、測温素子１３は発光素子１２の温度をより正確に測温できるという効果が得られる。
また、本実施の形態においては、第一の実施の形態の効果も得ることができる。
【００６０】
ここで、第二の実施の形態においては、凹部３３の平坦な底面部の面積が広いと、パッケージ１の壁面から伝わる熱の遮蔽効果が小さくなることが考えられる。このため、凹部３３の深さは、第一の実施の形態に係る凹部２２および凹部２３より深くすることが好ましい。凹部３３の深さを深くすることにより、遮蔽効果を確保することができる。
【００６１】
(第三の実施の形態)
第三の実施の形態の光送信装置を、図５を用いて以下説明する。
図５は、第二の実施の形態の光送信装置１００の模式断面図を示す。
第三の実施の形態は、凹部３３の開口部を覆うカバー基板４０が設けられている点が、第二の実施の形態と異なる。カバー基板４０としては、例えばシリコン基板を使用する。カバー基板４０とシリコンオプティカルベンチ１１とは、たとえば樹脂等で固定する。
【００６２】
第三の実施の形態においては、カバー基板４０により、パッケージ１の壁面から伝わる熱の遮蔽効果がさらに増すため、測温素子１３が発光素子１２の温度をより正確に測温できるという効果が得られる。また、本実施の形態は、第一、第二の実施の形態の効果も得られる。
【００６３】
第三の実施の形態においては、凹部３３内に発光素子１２および測温素子１３が設けられているが、これに限定されず、たとえば、第一の実施の形態と同様に、各素子が異なる凹部に設けられていてもよい。この場合、各凹部の開口部を１つのカバー基板が覆ってもよいし、複数のカバー基板が覆ってもよい。
【００６４】
(第四の実施の形態)
第四の実施の形態の光送信装置を、図６を用いて以下説明する。
図６は、第四の実施の形態の光送信装置１００の模式断面図を示す。
第四の実施の形態の光送信装置１００は、波長を固定して使用する光送信装置の一例である。第四の実施の形態においては、第一の実施の形態の構成に加え、エタロン１６が凹部２２の内部に設けられている。エタロン１６は、発光素子１２が出力された光の光軸方向と反対方向に実装されている。
【００６５】
第一の実施例と同様、発光素子１２、測温素子１３、モニタ用フォトダイオート１４、光学結合用レンズ１５を配置した後、モニタ用フォトダイオード１４のモニタ電流を検出しながらエタロン１６を実装する。エタロン１６の実装には、樹脂を用いる。
【００６６】
ここで、エタロン１６とは、高い透過特性を持った狭帯域波長フィルターを意味する。このエタロン１６には、波面歪や挿入損失が小さく、波長可変性が簡単に得られるなどの優れた特徴がある。このため、波長を固定する光送信装置１００に用いられる。エタロン１６の透過光をモニタ用フォトダイオード１４で検出し、そのモニタ電流値を設定することで、発光素子１２の波長を固定させる。
【００６７】
ところで、エタロン１６には、一般的に水晶が使用されており、本実施の形態に係るエタロン１６自身も温度特性を持っている。このため、第四の実施の形態のように、エタロン１６においても、パッケージ１の壁面から伝わる熱を遮蔽させることで、波長固定の精度が格段によくなるという効果が得られる。
【００６８】
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。
【００６９】
本実施の形態に係る凹部の形成においては、（０００）表面のシリコン基板についてウェットエッチングにより凹部を形成したが、これに限定されず、たとえば（１１０）表面のシリコン基板についてウェットエッチングにより凹部を形成してもよい。これにより、（１１１）側面を持つ深い凹部を形成することができる。このとき、基板に実質的に垂直な側壁および基板に実質的に平行な底面部を有する凹部が形成される。
【００７０】
凹部の基板垂線方向の断面形状は、特に限定されず、テーパ状、正方形、長方形等各種の形状とすることができる。また、基板垂線方向から見た凹部の断面形状は、正方形、長方形等各種の形状とすることができる。このとき、基板垂線方向から見たマスク開口部の断面形状も、正方形、長方形等各種の形状とすることができる。
【００７１】
また、複数のマスク開口部を形成する場合には、各開口部の寸法は、同一でもよいし異なっていてもよい。また、各開口部は光軸方向に対して、連続して形成されてもよいし、所定間隔離間して形成されてもよい。たとえば、２つ連続して各開口部が形成される場合には、開口部の共通辺においては、凹部の側面が形成されない。つまり、凹部（凹部２２）の内部空間と溝部（凹部２１）の内部空間とが、光の光軸方向に連続して設けられていることになる。
【００７２】
エッチング溶液としては、例えば、上述のＫＯＨ(水酸化カリウム)の他に、ＴＭＡＨ(ハイドロオキサイド)等を使用することもできる。
【００７３】
本実施の形態に係る凹部の形成方法においては、上述のウェットエッチングに限定されず、たとえば、ドライエッチング（イオンビームエッチング）などの各種の方法を採用することができる。つまり、シリコン基板に穴を掘って、発光素子１２および測温素子１３の周りに、壁を設けることができる限りにおいては、凹部形成方法に各種の方法を採用することができる。
【００７４】
本実施の形態に係る凹部は、凹部２２および凹部２３に限定されず、さらに複数形成されてもよい。また、本実施の形態の光送信装置１００は、さらに薄膜抵抗(図示せず)およびインダクタ(図示せず)を備えてもよい。
【００７５】
光学結合用レンズ１５の筒状部分は、凹部２１(溝部)の傾斜面および底面部と面接触することを上述したが、これに限定されず、各種の固定態様を採用することができる。たとえば、筒状部分が、少なくとも２箇所で線接触するように凹部２１に直接固定されてもよい。これにより、光学結合用レンズ１５は、シリコンオプティカルベンチ１１上部にパッシブ実装される。
【００７６】
なお、本実施の形態の光送信装置１００としては、たとえば高密度波長多重システム用の光源として使用される光送信装置等に利用することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１    パッケージ
１０  電子冷却器
１１  シリコンオプティカルベンチ
１２  発光素子
１３  測温素子
１４  モニタ用フォトダイオード
１５  光学結合用レンズ
１６  エタロン
２１  凹部
２２  凹部
２３  凹部
３１  厚み
３３  凹部
３５  メタライズ配線
４０  カバー基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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