(57)【要約】【課題】ＶＣＳＥＬの主発光面からの光を光ファイバに向けて送出し、主発光面の裏面からの光を光出力モニタ用のＰＤで受光するものであって、ＶＣＳＥＬとＰＤを同時に実装可能であり、ＶＣＳＥＬの放熱効率が良い光送信モジュールを提供する。【解決手段】光送信モジュールは、ＶＣＳＥＬ４の主発光面４ｂからの光を光ファイバＦに向けて送出し、主発光面４ｂの裏面４ｃからの光を光出力モニタ用のＰＤ５で検出するものである。ＶＣＳＥＬ４及びＰＤ５は、透明な実装基板６上の互いに異なる位置に実装される。その透明な実装基板６は、ＶＣＳＥＬ４の裏面４ｃから出射して当該透明な実装基板６に入射した光を反射しＰＤ５に受光させる反射面となる斜面６ｃ，６ｄを具備する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面発光型の半導体レーザの主発光面からの光を光ファイバに向けて送出し、前記主発光面の裏面からの光を光出力モニタ用の受光素子で検出する光送信モジュールであって、
前記半導体レーザ及び前記受光素子は、透明基板上の互いに異なる位置に実装され、
該透明基板は、前記半導体レーザの裏面から出射して当該透明基板に入射した光を反射し前記受光素子に受光させる反射面を具備することを特徴とする光送信モジュール。
【請求項２】
前記反射面は、前記透明基板における前記半導体レーザの実装面に対し鋭角な斜面で形成された側面部により構成されることを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュール。
【請求項３】
前記透明基板は、前記半導体レーザの発光波長より短い吸収端を有する材料から成ることを特徴とする請求項１または２に記載の光送信モジュール。
【請求項４】
前記透明基板は、シリコン基板から成ることを特徴とする請求項３に記載の光送信モジュール。
【請求項５】
前記半導体レーザは、フリップチップ実装により前記透明基板に実装されるものであり、該透明基板側に活性層を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光送信モジュール。
【請求項６】
前記半導体レーザは、フリップチップ実装により前記透明基板に実装されるものであり、該透明基板側とは反対側に光学レンズを一体的に有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光送信モジュール。
【請求項７】
前記半導体レーザは、前記透明基板側に光学レンズを一体的に有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光送信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信に用いられる、面発光型半導体レーザを有する光送信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光送信モジュールに用いられる半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）は、環境温度変化などにより光出力が変化する。そのため、光出力強度をモニタ用フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）によってモニタし、モニタ結果をＬＤの駆動電流にフィードバックして光出力を一定に保つ制御すなわちＡＰＣ（Auto Power Control）制御が行われている。
【０００３】
そして、ＬＤのうち端面発光型のものは、光ファイバ方向への光（前方光）と後方光とを出射するため、そのうちの後方光をモニタ光として用いる場合が一般的である。
それに対し、ＬＤのうち面発光型のもの（垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）とも呼ばれる）は、従来、端面発光型のものとは異なり、光ファイバ方向へのみ光を出射するものであった。そのため、面発光型ＬＤ（以下、ＶＣＳＥＬという）の出射側にガラスを配置しておき、ＶＣＳＥＬから光ファイバへの出射光の一部を上記ガラスで反射させたものをモニタ用ＰＤ素子で受光する方法が一般的であった。なお、図６に示すように、ＶＣＳＥＬ１０１の出射光の一部を反射するガラス１０２は、例えば、ＶＣＳＥＬ１０１及びモニタ用受光素子１０２の気密封止用のパッケージに取り付けられる（特許文献１参照）。また、上記ガラスとしては、図の平板ガラスの他、反射光の集光に適した曲面を備えるガラス等が考えられる。
【０００４】
しかし、上述のＶＣＳＥＬから光ファイバへの送信光の一部をガラスによって反射させる方法では、光ファイバへの結合効率が低下する等の問題がある。
また、ＶＣＳＥＬから出射した送信光を光ファイバへ結合させるためには集光レンズを用いる必要があり、ＶＣＳＥＬ等を気密封止する図６の構造では、集光レンズは、パッケージの外側に別途設けられる。しかし、この場合、ＶＣＳＥＬ１０１と集光レンズとの間に、出射光の一部を反射するガラス１０２を配置する必要があるので、例えば、ＶＣＳＥＬ１０１と集光用レンズを至近に配置することができず高い光結合効率を得ることができない、といった光学設計上の制約による問題もある。
【０００５】
近年では、ＶＣＳＥＬであっても、基板材料の変更等により、前方光及び後方光を出射するものが開発されており、そのため、上記の問題の解決手段として、ＶＣＳＥＬのレーザ活性層より後方（後方光側）に受光部を一体的に作製したりすることが提案されている（特許文献２参照）。
また、特許文献３には、その他の上記問題の解決手段として、ＰＤをその受光部が上に来るように素子実装用基板上に実装し、当該ＰＤ上に固定用の透明樹脂を介してＶＣＳＥＬを実装し、ＶＣＳＥＬの後方光を受光する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１９８７０７号公報
【特許文献２】特開平７−３３５９７６号公報
【特許文献３】特開平９−１９９７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に開示の技術では、ＶＣＳＥＬのレーザ活性層と受光部とを同一の基板上に作成する必要がある点で製造が困難であり、また、たとえ作製できたとしてもレーザ活性層と受光部の不良率が加算されて歩留まりの点で不利が生じる。また、出力波長によっては適当な材料がないので、出力波長を自由に選択できない不利もある。
また、特許文献３に開示の技術では、発熱量が大きいＬＤ（すなわちＶＣＳＥＬ）の熱を、ＰＤを介して素子実装用基板から放出することになるので、放熱効率の点で好ましくない。具体的にはＩｎＰを基板材料として用いた場合、その熱伝導率はおよそ７０Ｗ／ｍ・Ｋであり、十分な放熱性を期待するのは難しい。さらに、この方法では、上記基板上にＰＤを一旦固定してから、ＶＣＳＥＬを実装固定するが、ＰＤとＶＣＳＥＬを同時に固定できる方が好ましい。
【０００８】
本発明は、上述のような実情に鑑み、ＶＣＳＥＬの主発光面からの光を光ファイバに向けて送出し、主発光面の裏面からの光を光出力モニタ用の受光素子で受光するものであって、ＶＣＳＥＬと受光素子を同時に実装可能であり、ＶＣＳＥＬの放熱効率が良い光送信モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の光送信モジュールは、面発光型の半導体レーザの主発光面からの光を光ファイバに向けて送出し、主発光面の裏面からの光を光出力モニタ用の受光素子で検出するものであって、半導体レーザ及び受光素子は、透明基板上の互いに異なる位置に実装され、その透明基板は、半導体レーザの裏面から出射して当該透明基板に入射した光を反射し受光素子に受光させる反射面を具備することを特徴とする。
【００１０】
上記反射面は、透明基板における半導体レーザの実装面に対し鋭角な斜面で形成された側面部により構成されることできる。また、透明基板が、半導体レーザの発光波長より短い吸収端を有する材料から成ることが好ましい。その材料としては、シリコン基板が考えられる。なお、半導体レーザは、フリップチップ実装により透明基板に実装されると共に、透明基板側に活性層を有したり、透明基板側とは反対側に光学レンズを一体的に有したりするものが好ましい。また、半導体レーザは、透明基板側に光学レンズを一体的に有することも好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光送信モジュールによれば、ＶＣＳＥＬ及びモニタ用の受光素子（ＰＤ）を直接透明な実装基板上に同時に実装できると共に、ＶＣＳＥＬからの熱を効率よく放出できる。また、透明な実装基板に、ＶＣＳＥＬの主発光面の裏面から出射し実装基板（透明基板）に入射した光を反射させてモニタ用ＰＤに受光させる反射面を設けているため、主発光面からの光を利用せずにＶＣＳＥＬの光出力をモニタできるので、主発光面からの光の光ファイバへの結合効率が高い。また、出射光の一部を反射するガラスを配置する必要がないので、例えば、ＶＣＳＥＬと集光用レンズを至近に配置することができ、光学設計上の自由度が高い効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の光送信モジュールの一例の外観図である。
【図２】本発明の光送信モジュールにおけるＶＣＳＥＬとモニタ用のＰＤの実装形態の一例を説明する図である。
【図３】本発明の他の実施形態を説明する図である。
【図４】本発明のその他の実施形態の例を説明する図である。
【図５】本発明のその他の実施形態の例を説明する図である。
【図６】従来の光送信モジュールの一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の光送信モジュールは、主光出力面及びその裏面から光出力するＶＣＳＥＬとモニタ用の受光素子（例えばＰＤ）とを有し、これら素子の実装構造、特に実装基板の構造に特徴があるものであるが、この特徴的な構造等の説明は、図２以降で説明する。まず、図１を用いて、本発明が対象とする光送信モジュール自体の概略を説明する。
【００１４】
光送信モジュール１は、例えば、ＶＣＳＥＬ及びモニタ用のＰＤが実装基板を介して実装されたステム２と、上記実装基板を覆うキャップ３とを有し、これらステム２及びキャップ３とから成るＣＡＮパッケージ内に、ＶＣＳＥＬ及びＰＤを気密封止する。この光送信モジュール１では、ＶＣＳＥＬの主発光面から出射された信号光は、キャップ３に搭載されたレンズ３ａを介して集光され、外部の光コネクタの光ファイバに送信される。なお、図示は省略するが、光コネクタは、例えば、ＶＣＳＥＬに対して位置合わせされてキャップに取り付けられるスリーブに受納される。また、光送信モジュール１内のＶＣＳＥＬへの駆動電流の供給や、モニタ用のＰＤからの電流の取り出しは、リード２ａを介して行われる。
なお、以下の説明では、レンズ３ａが設けられた側を上側とし、その反対側を下側とする。
【００１５】
図２は、本発明の光送信モジュールの特徴部である、ＶＣＳＥＬとモニタ用のＰＤの実装形態の一例を説明する図である。本発明の光送信モジュールでは、例えば、図示のように、主光出力面及びその裏面から光出力するＶＣＳＥＬ４及びモニタ用のＰＤ５がそれぞれ、レーザの活性層４ａ及び受光部５ａを上にした状態で、実装基板６の上面６ａ上の互いに異なる位置に実装される。
【００１６】
この光送信モジュールでは、ＶＣＳＥＬ４の主光出力面４ｂからの光をレンズ３ａで集光し光コネクタＣの光ファイバＦに結合させる。また、後述するように、ＶＣＳＥＬ４の主光出力面４ｂの裏面４ｃからの光を、透明基板である実装基板６に一旦入射させ、その光を斜面６ｃ等で反射させてＰＤ５に受光させる。これを可能とするために、ＶＣＳＥＬ４及びＰＤ５は、例えば、出力波長に対して透明な接着樹脂を用いて実装基板６に固定される。なお、実装基板６は、ＡｎＳｎ等の共晶半田やＡｇペースト等のボンディング用樹脂を用いてステム２（図１参照）上に固定される。
【００１７】
本発明の特徴部に関わる実装基板６は、上述のように透明基板（ＶＣＳＥＬ４の出射光に対して透明な材料を用いた基板）から成る。さらに、実装基板６は、ＶＣＳＥＬ４が実装される部分（ＶＣＳＥＬ実装面６ｂ）と光軸Ｏに関して反対側に、法線がＶＣＳＥＬ４の光軸Ｏに対して角度α１（＝４５°）を持ちレーザ光を反射できる斜面６ｃを有する。言い換えれば、ＶＣＳＥＬ実装面６ｂに対する角度α２が鋭角（図の例では４５°）である斜面６ｃで形成される側面部が、レーザ光の反射面となっている。なお、光軸Ｏが実装基板６の実装面６ｂに対して垂直であるため、実装基板６の実装面６ｂに対する斜面６ｃの角度α２は、上記角度α１と等しくなっている。
【００１８】
また、実装基板６は、光軸Ｏと垂直の方向（横方向）に関して、上記斜面６ｃと反対側に、実装基板６の実装面６ｂ（上面６ａ）に対して角度α３（＝４５°）を持ちレーザ光を反射できる別の斜面６ｄを有する。言い換えれば、斜面６ｃで形成される側面部の他に、当該側面部と横方向に関して反対側（光軸Ｏと垂直方向に関して反対側）に、ＶＣＳＥＬ実装面６ｂに対する角度α３が鋭角（図の例では４５°）である斜面６ｄで形成される側面部が、レーザ光の反射面となっている。
【００１９】
本光送信モジュールでは、実装基板６が透明基板であり上述のような斜面６ｃ、斜面６ｄを有するので、ＶＣＳＥＬ４の裏面４ｃから下方への出射光を、実装基板６に入射させ、斜面６ｃで横方向に反射させ、その反射光を別の斜面６ｄで上方向に反射させ、モニタ用のＰＤ５で受光することができる。このように、光送信モジュールは、透明基板６が、ＶＣＳＥＬ４の裏面４ｃから出射して当該透明基板に入射した光を反射してＰＤ５に受光させる反射面（斜面６ｃ、斜面６ｄ）を備えていることに特徴がある。
なお、斜面６ｃ及び斜面６ｄの角度α１（＝α２），α３は、ＶＣＳＥＬ４の裏面４ｃから下方への出射光をＰＤ５で受光できればよく、上述の４５°に限られない。
【００２０】
図３は、本発明の他の実施形態を説明する図である。図２の実施形態と同等な部分については同じ参照符号を用いることにより、その説明を省略する。
図３に示す光送信モジュールでは、実装基板７のＶＣＳＥＬ実装面６ｂと光軸Ｏに関して反対側に、図２の例と同様に、レーザ光反射用の斜面７ａを設けているが、図２の例とは異なり、この斜面７ａの光軸Ｏに対する法線の角度α１を、４５°より小さくしている（図の例では３５°）。これにより、ＶＣＳＥＬ４の裏面４ｃからの出射光を、実装基板７の一つの斜面７ａによる１回の反射でＰＤ５に結合させている。
【００２１】
このように本発明の光送信モジュールでは、ＶＣＳＥＬの裏面からの出射光をＰＤに結合させる際に、実装基板に形成された反射面（斜面）に複数回反射させるようにしてもよいし、１回だけ反射させるようにしてもよい。
【００２２】
なお、実装基板すなわち透明基板の材料には、ＶＣＳＥＬの発光波長（例えば、光通信で一般に用いられる１.３１や１.５５μｍ）より短い吸収端を有する材料が用いられる。例えば、石英等のガラス体や、透明樹脂材を用いることができる。これらの材料を用いる場合、本発明の実装基板は、例えば、モールド成型（ガラスであればＧＭＰ（Glass Mold Press））により成型体を造り、その後に、反射面となる斜面をポリッシング等により研磨し、斜面が反射面として機能するようＡｕ等の金属膜を蒸着することで作製できる。また、蒸着により金属膜を形成すれば、必要に応じて、ＶＣＳＥＬ及びモニタ用のＰＤのための実装パターンや配線パターンも上記金属膜と同時に実装基板上に形成することができる。
【００２３】
反射膜は、金属膜に限られず、高反射率が得られれば誘電多層膜でもよい。
さらに、斜面の角度α２（＝α１）が、透明基板の屈折率ｎから決定される臨界角ψｃ（＝ｓｉｎ−１（１／ｎ））よりも大きくなるように透明基板の材料を選択することによって、斜面上へ金属膜等の反射膜を施さずに全反射を得てもよい。具体例を挙げると、一般的なガラス（ｎ＝１.５）の場合の臨界角はψｃ＝４１.８°。Ｓｉ基板（ｎ＝３.４）の場合では臨界角ψｃ＝１７.１°となる。これを、例えば図３、図４の構造に適用すると、金属膜等の反射膜がなくても斜面で全反射条件が得られる。ただし、この場合には、透明基板（７，８）のＰＤと接する面においても全反射されるため、ＰＤと接する面の光透過部にはＡＲコートを設けるなどの処理が必要となる。
【００２４】
また、反射面となる斜面を２つ設けてＶＣＳＥＬの裏面からの出射光を２回反射させＰＤに受光させる実装基板であれば、フォトリソグラフィ技術を用いてシリコン基板から作製することもできる。図４は、本発明の光送信モジュールであってシリコン基板から作製された実装基板を有する形態の例を説明する図である。図２のものと同等な部分については同じ参照符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００２５】
図４に示す光送信モジュールでは、図２の実施形態と同様に、実装基板８のＶＣＳＥＬ実装面６ｂと反対側の面にレーザ光反射用の斜面８ａを設け、さらに、光軸Ｏと垂直方向（横方向）に関して、上記斜面７ａと反対側の面に別のレーザ光反射用の斜面８ｂを有する。ただし、実装基板８の斜面８ａ，８ｂの成形は、フォトリソグラフィ技術を用いて行われる（具体的にはアルカリ溶液を用いたウェットエッチングで行われる）ので、図２の例とは異なり、この斜面８ａ，８ｂのＶＣＳＥＬ実装面６ｂに対する角度α２，α３が約５４.７°（＝ｓｉｎ−１（√２／√３））となっている。
【００２６】
そのため、ＶＣＳＥＬ４の裏面４ｃから下方へ出射され実装基板８に入射した光は、斜面８ａで反射され、光軸Ｏに垂直な方向に対して角度α４（＝約１９.４７°）で下方向に一旦反射される。しかし、反射された光は、その後、別の斜面８ｂでさらに反射されることにより、光軸Ｏに垂直な方向に対して角度α５（＝約５１.０６°）で上方向に反射される。したがって、ＶＣＳＥＬ４と同じ側に実装するモニタ用のＰＤ５の実装位置を調整したりすることで、ＶＣＳＥＬ４の裏面４ｃから出射されたレーザ光を、ＰＤ５で受光できる。
【００２７】
さらに、実装基板８をシリコン基板からフォトリソグラフィ技術により作製する方法では、以下の効果がある。すなわち、上述の射出成型等による作製方法では、反射膜形成前に実装基板の成型体を１つずつ作製後、反射膜等の金属パターンを個々に形成する必要があるが（実際には、治具にキャリアを並べ一括処理する）、シリコン基板からフォトリソ技術により作製する方法では、シリコンウェハのまま一般的な工程で上記金属パターンを形成することができる。そのため、安価で且つ高精度なパターン形成、反射面形成が期待できる（±１０μｍ以下）。また、Ｓｉは、熱伝導率もＡｌＮ並みに高いので（１４８Ｗ／ｍＫ）、ＶＣＳＥＬ４から効率よく放熱できる。
【００２８】
以上の例では、ＶＣＳＥＬやモニタ用のＰＤの実装基板への固定を透明な接着樹脂を用いて行っていたが、Ａｇペースト等の他のボンディング用樹脂や、ＡｎＳｎ等の共晶半田を用いても構わない。但し、この場合は、ＶＣＳＥＬやＰＤの下面の光透過部に樹脂や半田が回り込まないようにする必要がある。共晶半田を用いる場合、半田は予め蒸着しておけば実装時にその蒸着パターン内に収まるので、当該共晶半田を実装基板の上面に予め蒸着しておくことが好ましく、これにより上記回り込みを防ぐことができる。
なお、実装基板の上面でＶＣＳＥＬの裏面からの出射光が透過する部分には、ＡＲ（Anti-Reflection）コートを施しておくことが好ましい。
【００２９】
図５は、本発明のその他の実施形態の例を説明する図である。図２の実施形態と同等な部分については同じ参照符号を用いることにより、その説明を省略する。
図２〜図４の例の光送信モジュールでは、ＶＣＳＥＬの活性層側を上にして実装していたが、図５（Ａ）に示すように、ＶＣＳＥＬ９の活性層４ａ側にＡｕバンプ９ａを形成しておき、当該活性層４ａ側を下にしてフリップチップ実装するようにしてもよい。
【００３０】
なお、活性層４ａを下に設けても主たる光出力の方向が上方向（光ファイバ方向）になるように設計することは可能である。上述のようにフリップチップ実装する場合、ＦＦＰ（Far Field Pattern）角を小さくするための光学レンズ９ｂを、ＶＣＳＥＬ９（の上側）に一体に作り込むことができる。
また、一体成形するレンズは、集光用レンズであってもよく、この場合は、光送信モジュールのパッケージを構成するキャップ（図１の符号３参照）として、レンズ付きのものではなく、平板ガラス付きのものを用いることができる。
【００３１】
また、図５（Ａ）の例は、モニタ用のＰＤとして、裏面入射型のものを用いる例であるが、図５（Ｂ）に示すように、ＶＣＳＥＬ９と表面入射型のＰＤ１０ｔｐを共にフリップチップ実装するようにしてもよい。この場合、ＰＤ１０は、その受光部５ａ側にＡｕバンプ１０ａが形成されていて、フリップチップ実装が可能な構造とされる。
上述のようにＶＣＳＥＬとＰＤの両素子をフリップチップ実装するものとすれば、１−２ｓｅｃという短時間で実装ができ、光送信モジュールの大量生産もできるようになる。
【００３２】
なお、本光送信モジュールでは、ＶＣＳＥＬ及びモニタ用のＰＤはそれぞれ、例えば、実装基板上の配線パターンとワイヤにより接続し、当該配線パターンとリード（図１の２ａ参照）をワイヤにより接続することで、リードと電気接続される。
【００３３】
また、上述の各例の光送信モジュールにおいて、ＶＣＳＥＬの実装基板側の面に光学レンズ（例えば、コリメートレンズ）を一体的に形成してもよい。光学レンズを最適設計することで、ＶＣＳＥＬの実装基板側の面からの出射光をコリメートすることができ、上記出射光のモニタＰＤへの結合効率を一層高くすることができる。なお、この場合、ＶＣＳＥＬの実装基板への実装部分（端部等）を、光学レンズ形成部分である中央部より厚くしておくと、実装が容易となる。
【符号の説明】
【００３４】
１…光送信モジュール、２…ステム、２ａ…リード、３…キャップ、３ａ…レンズ、４，９…ＶＣＳＥＬ、４ａ…活性層、４ｂ…主光出力面、４ｃ…裏面、５，１０…ＰＤ、５ａ…受光部、６，７，８…実装基板、６ａ…上面、６ｂ…ＶＣＳＥＬ実装面、６ｃ，６ｄ，７ａ，８ａ，８ｂ…斜面、９ａ…Ａｕバンプ、９ｂ…光学レンズ、１０ａ…Ａｕバンプ。
【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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