(57)【要約】【課題】モード分散による波形劣化が抑制可能な面発光装置及びその製造方法、並びに光伝送モジュールを提供する。【解決手段】基板と、前記基板の上に設けられ、発光層を有する積層体と、前記積層体の主面の外周部と前記発光層の側面とを少なくとも覆うように設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜に隣接する前記積層体の主面の一部と前記絶縁膜の表面の一部とを覆うように設けられ、発光窓部となる開口部を有する電極と、前記開口部に設けられ、大きさが前記発光窓部の大きさよりも小さく且つ前記発光層からの放出光を集光可能なレンズ部を有する光学部材と、を備えたことを特徴とする面発光装置及びその製造方法、並びに光伝送モジュールが提供される。【選択図】図１
2010062267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に設けられ、発光層を有する積層体と、
前記積層体の主面の外周部と前記発光層の側面とを少なくとも覆うように設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜に隣接する前記積層体の主面の一部と前記絶縁膜の表面の一部とを覆うように設けられ、発光窓部となる開口部を有する電極と、
前記開口部に設けられ、大きさが前記発光窓部の大きさよりも小さく且つ前記発光層からの放出光を集光可能なレンズ部を有する光学部材と、
を備えたことを特徴とする面発光装置。
【請求項２】
前記積層体は、前記基板と前記発光層との間に設けられた第１の反射層と、前記発光層の上に設けられた第２の反射層と、をさらに有し、
前記放出光は、前記第１の反射層と前記第２の反射層との間で共振しレーザ光となることを特徴とする請求項１記載の面発光装置。
【請求項３】
前記光学部材の材料は、二酸化珪素、ポリイミド樹脂、ポリメタクリル酸メチル、エポキシ樹脂、及びシリコーン樹脂よりなる群から選択されたいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光装置。  
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の面発光装置と、
前記レンズ部を介して放出された前記放出光をマルチモードファイバのコア部へ入射可能とする光結合手段を有するパッケージと、
を備えたことを特徴とする光伝送モジュール。
【請求項５】
請求項３記載の面発光装置の製造方法であって、
前記積層体の上に前記光学部材となる前記材料を塗布し硬化する工程と、
前記発光窓部の上方において、硬化した前記材料の上に大きさが前記発光窓部よりも小さいフォトレジストパターンを形成する工程と、
前記フォトレジストパターンをマスクとして前記材料のエッチングを行い、前記発光窓部の上方に前記レンズ部を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする面発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光装置及びその製造方法、並びに光伝送モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用機器において制御信号の送受信に光を用いると、ノイズの影響を低減することが容易であり、またケーブルからの電磁輻射を抑制することも容易である。送受信すべきデータの情報量の増大に対処するためにその伝送速度を高める場合、ノイズの影響を一層低減することが必要となり、光伝送方式がより広く用いられる。
【０００３】
例えば数値制御工作機械、プロセスコントローラなどには、マルチモードファイバを用いた双方向光伝送モジュールが用いられる。
【０００４】
また、光源としてＬＥＤの代わりに面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Vertical  Cavity  Surface  Emitting  Laser）を用いると、高速化がより容易となる。
【０００５】
ところが、マルチモードファイバを用いると複数の伝搬モードを生じ、それぞれの伝搬モードの伝搬速度差（モード分散）により伝送波形が劣化しやすく伝送品質が低下する。
【０００６】
モード分散の影響を低減する光伝送モジュールに関する技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、導波路構造を有する光源からの出射光を光学レンズにより平行光とすることにより、モード分散の影響を低減している。
しかしながら、ＶＣＳＥＬを光源に用いる場合、光源とマルチモードファイバとの間に集光レンズを設けて平行光としても、開口角の大きな入射光により生じるモード分散を十分には抑制できず、伝送品質が不十分である。
【特許文献１】特開平１１−１４８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
モード分散による波形劣化が抑制可能な面発光装置及びその製造方法、並びに光伝送モジュールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、基板と、前記基板の上に設けられ、発光層を有する積層体と、前記積層体の主面の外周部と前記発光層の側面とを少なくとも覆うように設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜に隣接する前記積層体の主面の一部と前記絶縁膜の表面の一部とを覆うように設けられ、発光窓部となる開口部を有する電極と、前記開口部に設けられ、大きさが前記発光窓部の大きさよりも小さく且つ前記発光層からの放出光を集光可能なレンズ部を有する光学部材と、を備えたことを特徴とする面発光装置が提供される。
【０００９】
また、本発明の他の一態様によれば、上記の面発光装置と、前記レンズ部を介して放出された前記放出光をマルチモードファイバのコア部へ入射可能とする光結合手段を有するパッケージと、を備えたことを特徴とする光伝送モジュールが提供される。
【００１０】
また、本発明のさらに他の一態様によれば、上記の面発光装置の製造方法であって、前記積層体の上に前記光学部材となる前記材料を塗布し硬化する工程と、前記発光窓部の上方において、硬化した前記材料の上に大きさが前記発光窓部よりも小さいフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンをマスクとして前記材料のエッチングを行い、前記発光窓部の上方に前記レンズ部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする面発光装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
モード分散による波形劣化が抑制可能な面発光装置及びその製造方法、並びに光伝送モジュールが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、第１の実施形態にかかる面発光装置の模式斜視図である。
ＧａＡｓなどからなる基板２０の上に、第１の反射層３１、化合物半導体からなる発光層、及び第２の反射層、を含む積層体が形成されているが、図１では積層体の上部は絶縁膜４０に囲まれており見えない。
【００１３】
積層体の上部及び絶縁膜４０の上部には、ポリイミド樹脂などの光学部材４４が形成されている。発光層の上部の光学部材４４は、大きさが発光窓部よりも小さいレンズ部４４ａを有している。本図では、レンズ部４４ａは、５つの小レンズで構成されている。光学部材４４の表面には上側電極４２が露出しておりボンディングワイヤによりパッケージの一方の端子と接続される。基板２０の裏面には、下側電極４８が形成されており、パッケージの他方の端子と接続される。
【００１４】
発光層からのレーザ光は、例えば中心発光波長が略６５０ｎｍとされ、レンズ部４４ａにより集光され、発散が抑制されつつ空気層へ出射可能とされる。
【００１５】
図２は、レンズ部４４ａの作用を説明する模式図である。すなわち、図２（ａ）は本実施形態にかかる面発光レーザ装置からの放出光、図２（ｂ）は比較例にかかる面発光レーザ装置からの放出光、をそれぞれ表す。
【００１６】
図２（ａ）において、第１の反射層３１と第２の反射層３５とにより構成された光共振器により発光層３３からの放出光はレーザ光となる。このレーザ光は、発光窓部４６の上に設けられ光学部材４４の一部をなすレンズ部４４ａにより集光されつつ放出される。積層体３０内でのレーザ光の波面は略平面であり、空気層に出射されることなくレンズ部４４ａにより集光されるので、レーザ光の広がりが抑制され光軸近傍と光軸から離間した領域との間での伝搬速度差を小さく保つことが容易である。
【００１７】
他方、図２（ｂ）に表す比較例では、面発光レーザ装置１１０のチップはレンズ部を有していない。このために、発光窓部から放出されるレーザ光は、空気層に放出され発散し伝搬する。この場合、面発光レーザ装置１１０とコア部との間にレンズ１２０を配置すると、マルチモードファイバのコア部への入射光を略平行にできる。しかしながら、レンズ１２０に到達するまでに波面は曲面状に広がるので光軸近傍とレーザ光外周部との伝搬速度差が大きくなり、信号の立ち上がり及び立ち下がりが遅延し波形劣化を生じやすくなる（モード分散）。このために、ＢＥＲ（Bit  Error  Rate：ビット誤り率)などの伝送特性が低下する。
【００１８】
この場合、レンズ１２０の位置調整工程を必要とし、光伝送モジュールの製造方法の生産性が低下する。また光伝送モジュールは、レンズを内蔵するために衝撃に弱いなど耐久性が低下する。
【００１９】
これに対して、本実施形態では、発光窓部４６の上方にレンズ部４４ａを設け、レーザ光の発散を抑制可能である。このために、モード分散の抑制が可能であり、波形劣化の低減及びＢＥＲ劣化の抑制が可能である。
【００２０】
レンズ部４４ａは１つであっても空気層を介さないでレーザ光を放出できるのでモード分散を抑制することが容易である。しかし、図１のように、小レンズを複数形成すると、例えば面発光装置のＮＦＰ（Near  Field  Pattern:近視野像）が平坦でない場合、ビーム内の光強度分布を調整し、モード分散を抑制することが一層容易となる。
【００２１】
本実施形態において、面発光装置を面発光レーザ装置として説明したが本発明はこれに限定されない。例えば、ＬＥＤ（Light  Emitting  Diode)であってもよい。すなわち、発光窓部４６の上方に形成されたレンズ部４４ａにより、ＬＥＤからの放出光の発散を抑制しモード分散を低減することが容易となる。伝送距離が短い場合または低速信号の場合にはＬＥＤを用いることができ、光伝送モジュールの価格低減が容易となる。
【００２２】
図３は、本実施形態にかかる面発光装置の製造方法を説明する図である。すなわち、図３（ａ）〜図３（ｄ）は発光窓部を形成するまでの工程断面図、図３（ｅ）は発光窓部の模式平面図、をそれぞれ表す。
【００２３】
図３（ａ）に表すように、ｎ型ＧａＡｓからなる基板２０の上に、ＤＢＲ（Disributed  Bragg  Reflector)からなる第１の反射層３１、ｎ型クラッド層３２、ＡｌＧａＡｓ系多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum  Well）からなる発光層３３、ｐ型クラッド層３４、及びＤＢＲからなる第２の反射層３５、を有する積層体３０が、例えばＭＯＣＶＤ（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition：有機金属化学的気相成長)法またはＭＢＥ（Molecular  Beam  Epitaxy：分子線エピタキシャル）法などを用いて形成される。
【００２４】
続いて、図３（ｂ）のように、発光層３３が所望の大きさとなるように、第１の反射層３１を除いた積層体３０をパターニングする。エッチングには、ＲＩＥ（Reactive  Ion  Etching：反応性イオンエッチング）及びイオンミーリングのようなドライエッチング法または選択性の高いウェットエッチング法を用いることができる。
【００２５】
続いて、図３（ｃ）のように、パターニングされた積層体３０の外周部３０ａの表面及び発光層３３を含む積層体３０（第１の反射層３１を除いても良い）の側面を絶縁膜４０で覆う。絶縁膜４０を酸化シリコン（ＳｉＯｘ）とする場合、スパッタ法または熱ＣＶＤ法などを用いればよい。また、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）とする場合、プラズマＣＶＤ法などを用いることができる。
【００２６】
続いて、図３（ｄ）のように、発光窓部４６とする開口部を有し、絶縁膜４０の表面の一部と、積層体３０の表面の一部と、を覆うように上側（ｐ）電極４２を形成する。上側電極４２は、図３（ｅ）のように、積層体３０の表面のコンタクト層３６とオーミックコンタクトを形成する円環状の細線電極部４２ａと、ワイヤボンディング部４２ｂと、を有する。ワイヤボンディング部４２ｂを発光層３３から離間した絶縁膜４０上に設けるとボンディング工程での発光層３３の劣化を抑制できる。また、発光窓部４６を略円形状とする場合、その直径は、例えば数〜数十μｍの範囲とすれば、所望の光出力を得ることができる。
【００２７】
図４は、レンズ部を形成する工程を含む製造方法を説明する図である。すなわち、図４（ａ）〜図４（ｅ）は工程断面図であり、図４（ｆ）及び図４（ｇ）は模式平面図である。
図４（ａ）のように、光学部材４４の液状材料を、スピンコート法などを用いて表面が平坦になるように塗布し硬化する。液状材料としては、ＳｉＯ２を含むＳＯＧ（Spin−On−Glass)材料、ＰＩ（ポリイミド樹脂）、ＰＭＭＡ（Polymethyl  Methacrylate：ポリメタクリル酸メチル)、エポキシ樹脂、及びシリコーン樹脂などから選択する。
【００２８】
屈折率は、ＰＩが略１．７、ＰＭＭＡが略１．４９、エポキシ樹脂及びシリコーン樹脂が略１．４〜１．５である。なお、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、及びＡｌ２Ｏ３などをプラズマＣＶＤ法やスパッタ法などを用いて形成しても良い。
【００２９】
続いて、図４（ｂ）のように、フォトレジスト５０をスピンコート法を用いて均一に塗布し、所定の温度で硬化し、フォトマスクを用いて露光する。図４（ｆ）は露光後の模式平面図である。レジスト剥離により、発光窓部４６の上方に小さな円形状のレジストパターン５２が形成され、所定の温度の熱処理により、レジストパターン５２が軟化し、図４（ｃ）のように表面張力に応じた曲率を有する断面となる。
【００３０】
続いて、上側電極４２が露出するまで、ＣＤＥ（Chemical  Dry  Etching)法やＲＩＥ法を用いて光学部材４４を表面側からエッチングすると、図４（ｄ）のように、レジストパターン５２が転写され、例えば小円錐形状を有するレンズ部４４ａが発光窓部４６の上方に形成される。図４（ｇ）は、その模式平面図である。図４（ｇ）では、発光窓部４６の上方に、１２個の小レンズ４４ａが形成されている。
【００３１】
続いて、面発光装置チップのマウント側を研磨し、所望の厚さを有する基板２０ａとしたのち、スパッタ法または蒸着法などを用いて下側電極４８を形成し、図４（ｅ）のような面発光装置のチップが完成する。ＶＣＳＥＬの場合、光共振器を構成するミラーはへきかい面ではなく、ウェーハの縦方向に設けた反射層を用いて構成されている。このために、ウェーハ状態でチップの特性を測定可能であり、且つ素子分離工程が容易となり、量産性に富む製造方法とすることができる。
【００３２】
図５は、面発光装置の製造方法の変形例を表す図である。すなわち、図５（ａ）、図５（ｃ）、及び図５（ｅ）は工程断面図、図５（ｂ）、図５（ｄ）、及び図５（ｆ）は模式平面図をそれぞれ表す。
発光窓部４６が形成されたのち、フォトレジスト５０を塗布し、発光窓部４６が露出するようにフォトレジスト５０に開口部を設ける。スピンコート法などを用いて表面が平坦になるようにポリイミド４４を塗布し、所定の温度で硬化する。
【００３３】
フォトレジスト５０の上に、ブロックコポリマーなどの相分離構造を形成するブレンドポリマー材６０をスピンコート法を用いて均一に塗布し、熱処理を行う。このようにすると、図５（ａ）及び図５（ｂ）のようなラメラまたは海島構造を形成することができる。
【００３４】
続いて、ＲＩＥ法などを用いて上側電極４２の表面が露出するまでエッチングを行うと、図５（ｃ）及び図５（ｄ）のように、発光窓部４６の上方にレンズ部４４ａが形成された面発光装置のチップを得ることができる。
【００３５】
続いて、フォトレジスト剥離を行い、図５（ｅ）及び図５（ｆ）のように、所望の厚さを有する基板２０ａの裏面に下側電極４８を形成すると工程が完了する。
【００３６】
図６は、本実施形態にかかる面発光装置を用いた光伝送モジュールを説明する模式図である。すなわち、図６（ａ）は面発光装置の模式断面図、図６（ｂ）は光伝送モジュールの模式図、図６（ｃ）は光結合状態を説明する模式図である。
【００３７】
面発光装置１０は、第１の電極８０の上にＡｇペーストなどの接着剤８２を用いて接着され、パッケージ８６内に組み込まれている。また上側電極４２のボンディング部４２ｂと第２の電極８４とは、ボンディングワイヤ８５により接続されている。図６（ｂ）に表す光伝送モジュール８８は、このように面発光装置１０と、マルチモードファイバ７０の先端の凸部と嵌合可能な凹部（レセプタクル）を光結合手段９０として有するパッケージ８６と、を備えている。
【００３８】
パッケージ８６の材質としては、Ａｌ２Ｏ３やＡｌＮなどのセラミック、または熱可塑性や熱硬化性などの樹脂を用いることができる。また、パッケージ８６内において、光コネクタを介すことなくマルチモードファイバ７０の先端部と、面発光装置１０が接着されたパッケージ８６と、を接着法やレーザ溶接法などを用いて位置合わせ及びファイバ固定を行う光結合手段９０としてもよい。なお、パッケージ８６内に送信ＩＣなどを組み込むと、光伝送モジュールの小型化が容易となる。
【００３９】
マルチモードファイバ７０は、直径が例えば２００μｍのコア７０ａと、これを覆うクラッド７０ｂと、を有している。図６（ｃ）において、 面発光装置１０の表面とマルチモードファイバ７０の端面との距離をＺとし、コア７０ａの断面をＸＹ座標で表すとする。発光窓部４６は、例えば直径が数〜数十μｍである。図２（ｂ）のようにレンズ部を備えていない面発光レーザ装置の半値全角（ＦＷＨＭ：Full  Width  Half  Maximum）φ１は、例えば略２０度であり、本実施形態の面発光レーザ装置のＦＷＨＭよりも大きい。
【００４０】
一般に、距離Ｚが大きくなると共に高次モードが発生しやすくなる。また、ＸＹ座標が大きくなると共に高次モードが発生しやすくなる。これらにより、モード分散を生じやすくなる。
【００４１】
本実施形態では、レンズ部４４ａを有する光学部材４４がチップの表面に設けられており、ＦＷＨＭ（φ２）を２０度よりも狭く、例えば１０〜２０度の間の範囲とすることは容易である。すなわち、面発光装置１０から放出されるレーザ光を、モード分散を抑制しつつマルチモードファイバ７０のコア７０ａへ入射できる。このために、波形劣化を抑制できる。また、外付けレンズが不要なのでモジュールの小型化が容易である。さらに、光軸合わせ工程が容易となり、光伝送モジュールの製造工程の生産性を高めることが容易となる。
【００４２】
このように、モード分散が抑制され、波形劣化が低減された本実施形態の光伝送モジュールは、ノイズの影響を低減でき、数値制御工作機械やプロセスコントローラなどの産業機器を安定に制御可能である。なお、面発光レーザ装置を用いると、ＬＥＤを用いるよりも伝送速度を高め、且つパルス幅歪を抑制することが容易となる。  
【００４３】
なお、マルチモードファイバ７０は、コアが石英ガラス且つクラッドがプラスチックであるプラスチッククラッド石英ファイバ（ＰＣＦ）またはコア及びクラッドを共にプラスチックとするプラスチックファイバ（ＰＯＦ：Plastic  Optical  Fiber)とできる。
【００４４】
また、マルチモードファイバ７０は、ステップインデックス（ＳＩ）型でもグレーデットインデックス（ＧＩ）型であってもよい。
【００４５】
以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明を構成する発光層、積層体、反射層、光学部材、レンズ部、マルチモードファイバ、及びパッケージの材質、サイズ、形状、配置などに関して、同業者が各種の設計変更を行ったものであっても本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１の実施形態にかかる面発光装置の模式斜視図
【図２】レンズ部の作用を説明する模式図
【図３】面発光装置の製造方法を説明する図
【図４】レンズ部を形成する工程を含む製造方法を説明する図
【図５】面発光装置の製造方法の変形例を表す図
【図６】光伝送モジュールを説明する模式図
【符号の説明】
【００４７】
１０  面発光装置、２０  基板、３０  積層体、３３  発光層、３１  第１の反射層、３５  第２の反射層、４２  上側電極、４４  光学部材、４４ａ  レンズ部、４６  発光窓部、５０  フォトレジスト、５２  レジストパターン、７０  マルチモードファイバ、８６  パッケージ、８８  光伝送モジュール、９０  光結合手段
【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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