(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路を有する平坦なシリコン基板上に絶縁層を介して光素子を搭載した光モジュールにおいて、
接地された前記シリコン基板と前記光素子が半田で電気的に接続され、前記光素子と前記シリコン基板の間には、前記光素子の活性層と前記導波路のコアの高さが一致する厚さの前記絶縁層があり、
前記光素子と前記シリコン基板間以外の部分の前記絶縁層を取除き、前記半田の一部を放熱のために前記シリコン基板上に延在させていることを特徴とする光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面光導波回路を用いた光回路部品であって、特に光素子搭載する基板の作製を容易にする構造を有する光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザーダイオードのような大電流を流す光素子では放熱構造を考慮することが極めて重要である。光導波路基板を用いて基板平面上に光ハイブリッド集積した従来の光モジュールにおいては、光素子をシリコンの表面にフリップチップ実装してシリコン基板に熱を逃がす放熱構造をとってきた（例えば、橋本他、“ＰＬＣプラットフォーム上へパッシブアライメントによるＬＤ，モニターＰＤの搭載”、１９９６年電子情報通信学会総合大会Ｃ−２０６、ｐ２０６（１９９６））。
【０００３】
図４にその従来例の構造を示す。図４の（ａ）に示すように、凹凸に加工したシリコン基板１上に石英導波路を形成して、光導波路のクラッド２−１、２−２と光導波路コア部分３のガラスを取り除き、シリコン基板の凸面１−１を露出させる。この凸面１−１に、半田膜６−１と電気配線６−２を形成し、光素子搭載部４を有する光導波路基板ができる。その光素子搭載部４の上に光素子７をフリップチップボンディングにより実装する。これにより光素子７で発生した熱が効率良くシリコン基板１に拡散して、光素子７の温度上昇が抑制される。
【０００４】
図４の（ｂ）は上記従来例の光モジュールの断面構造を示し、光素子７からシリコン基板１に熱が流れている様子を矢印３０で示している。光素子７で発生した熱は、半田膜６−１、及びパッシベーション膜（ガラス）５を介してシリコン基板１へと流れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来技術では、凹凸シリコン基板１の上に光導波路を形成して光素子７をフリップチップ搭載することにより、光素子７の放熱を行ってきたが、このような構造においても、光素子７と光導波路基板１の間に介在するパッシベーション膜５がガラスなどの物質でできているために、無視できない熱抵抗が発生する。このように、従来技術では、シリコン基板１上の絶縁層が５熱抵抗を高めてしまうという解決すべき課題があった。
【０００６】
本発明の目的は、上述のような課題を解決し、導波路を有する基板上に光素子を搭載した絶縁層を有する光モジュールにおいて、絶縁層による熱抵抗を削減し、もしくは、その他の部分の熱伝導を高めることで、光モジュールの熱抵抗を改善することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の光モジュールは、導波路を有する平坦なシリコン基板上に絶縁層を介して光素子を搭載した光モジュールにおいて、接地された前記シリコン基板と前記光素子が半田で電気的に接続され、前記光素子と前記シリコン基板の間には、前記光素子の活性層と前記導波路のコアの高さが一致する厚さの前記絶縁層があり、前記光素子と前記シリコン基板間以外の部分の前記絶縁層を取除き、前記半田の一部を放熱のために前記シリコン基板上に延在させていることを特徴とする。
【００１２】
［作用］
本発明では、導波路を有する平坦なシリコン基板上に絶縁層を介して光素子を搭載した光モジュールにおいて、接地されたシリコン基板と光素子が半田で電気的に接続され、光素子とシリコン基板の間には、光素子の活性層と導波路のコアの高さが一致する厚さの絶縁層があり、光素子とシリコン基板間以外の部分の絶縁層を取除き、半田の一部を放熱のためにシリコン基板上に延在させているので、光素子から発生する熱を半田を介して効率的にシリコン基板に伝えることができ、同時に比較的に広い面積に拡散させることができるので、熱抵抗を引き下げることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
［第１の参考例］
図１の（ａ）は比較のための従来例の断面構造を示し、図１の（ｂ）と（ｃ）は本発明の第１の参考例の光モジュールの断面構造を示す。なお、図１は光素子搭載部上に光素子が搭載されている状態を示している。
【００１５】
図１の（ｂ）と（ｃ）に示すように、本参考例に用いた光導波路は、シリコン基板１上に形成した石英系光導波路である。光素子搭載部４は、シリコン基板１の全面を覆っていた光導波路のクラッド部分２−１、２−１の一部をエッチングにより除去して作製した。このとき、光素子搭載部４に利用されるシリコン表面はむき出しになり、光素子７とシリコン基板１とが絶縁できない状態になる。この絶縁をとるための構造として、本実施形態では、この光導波路基板全体の表面に約２μｍ程度のガラス膜５をパッシベーション膜として堆積した。
【００１６】
図１の（ａ）に示す従来の構造では、互いに接合する側の半田膜６の面積と光素子７の電極の面積とを同程度にしていたため、光素子７の接合部の面積、約２５０μｍ×２５０μｍを考慮すると、約２０℃／Ｗの熱抵抗がこの接合部分に発生することになる。ここで使用した光素子７はレーザーダイオード（ＬＤ）で、この熱抵抗によって、１００ｍＡの注入電流で駆動した場合、活性層部分７−１の熱が約２℃程度上昇した。
【００１７】
そこで、本参考例では、図１の（ｂ）に示すように、光素子７の大きさをそのままにして、使用している半田膜６の面積を１．５倍にした。従来では、半田膜６と光素子７の電極との面積を同程度にしていたので、従来に比べ、本参考例の半田膜６の面積は光素子７の電極パッドよりも十分大きくなっている。
【００１８】
使用している半田膜６は４μｍの厚さのＡｕＳｎ半田であったので、半田膜６の断面積は約２５０μｍ×４μｍ×４辺程度であるが、半田膜６の熱伝導率が石英ガラスの約３００倍なので、光素子７の直下のガラス５による熱抵抗の約１／２０の値となって、図１の（ｃ）に示すように、半田膜６を通じて、より広い面積に光素子７からの熱が拡散し、素子直下部分２０のみならず、半田拡張部分２１を加えた断面積（この場合、もとの面積の１．５倍の面積）のガラス５を通じてシリコン基板１に放熱される。光素子７の搭載後の熱抵抗を測定したところ、約２割程度、絶縁層部分５の熱抵抗が減少した。
【００１９】
以上のように、本参考例では、電気配線の一部である半田膜６の面積を光素子７の電極面積よりも十分大きくとって、光素子搭載部４に配置するようにしたので、絶縁層５による熱抵抗を改善することが可能となる。
【００２０】
［第１の実施形態］
図２は本発明の第１の実施形態の光モジュールの断面構造を示し、光素子搭載部４上に光素子７が搭載されている状態を示している。
【００２１】
本実施形態に用いた光導波路はシリコン基板１上に形成した石英系光導波路である。光素子搭載部４はシリコン基板１の全面を覆って形成した光導波路のクラッド部分２−１、２−２の一部をエッチングにより除去して作製した。このとき、光素子搭載部４に利用されるシリコン基板１の表面はむき出しになる。シリコン基板１を接地することにより基板１をグラントとして光素子７を駆動すれば、光素子７は電気配線などと直接シリコン基板１上に形成することが可能となる。
【００２２】
しかしながら、シリコン基板１上に作製された光導波路の電界の分布は光導波路コア３よりも広がっているため、光導波路コア３の位置をシリコン基板１よりも十分に離しておく必要がある。そこで、本実施形態では、光導波路コア３の位置を光素子７の光素子基板表面７−２から光素子活性層７−１までの距離よりも大きくとっていた。
【００２３】
光素子７の光素子基板表面７−２から光素子活性層７−１までの距離（高さ）と、光導波路のコア３の高さを一致させるため、本実施形態では、光素子搭載部分４に絶縁層となるガラス膜５を８μｍ堆積した。このため、光素子７として本実施形態で使用した接合面積約２５０μｍ×２５０μｍを有するレーザーダイオード（ＬＤ）を利用した場合、約８０℃／Ｗ程度の熱抵抗が発生し、１００ｍＡで駆動した場合、レーザーダイオードの活性層７−１の温度を約８℃程度上昇させる。そこで、本実施形態では、図２の（ａ），（ｂ）に示すように、光素子直下部分２０以外のガラス５を除去して、さらに第１の実施形態と同様に半田膜６の面積を２倍程度にして半田拡張部分２１まで半田膜６を広げることにした。
【００２４】
使用している半田膜６は４μｍの厚さのＡｕＳｎ半田であったので、半田膜６の断面方向の熱抵抗は、この場合、光素子直下２０のガラス５による熱抵抗の約１／８０の値となって、図２（ｂ）に矢印３０で示すように、ガラス５を伝わるよりも、圧倒的に半田層６を伝わってシリコン基板１側へ拡散する熱が多くなる。さらに、その熱が拡散した先は、直接シリコン基板１に接触しているので、効率的に熱を逃がすことができる。
【００２５】
本実施形態の光モジュールの熱抵抗を測定したところ、半田接合部分から基板にかけての熱抵抗が約４割程度少なくなり、熱特性上問題の無い光モジュールとなった。
【００２６】
ここで、本実施形態では、光素子直下部分以外のガラス膜を除去したが、ガラス膜の一部のみを除去して、そこに、半田膜もしくは電気配線を引き込んで放熱させてもよい。また、光素子直下であっても、発熱部分以外であればその部分のガラスを除去して光素子直下の絶縁層を半田膜もしくは電気配線を引き込んで放熱させても良い。さらに、本実施形態では光素子直下部分以外のガラスを全て取り除いたが、取り除くガラスの量を調整して、電気配線と基板との絶縁をとってもよい。
【００２７】
以上のように、本実施形態によれば、接地されたシリコン基板１と光素子７が半田層６で電気的に接続され、光素子７とシリコン基板１間には絶縁層５がある構成において、光素子直下２０以外の絶縁層を取り除く、または薄くするようにしたので、光素子直下２０の極端に放熱の悪い部分がある場合でも、効率的に熱抵抗を下げることが可能となる。
【００２８】
［第２の参考例］
図３は本発明の第３の実施形態の光モジュールの断面構造を示し、光素子搭載部４上に光素子７が搭載されている状態を示している。本実施形態に用いた光導波路はシリコン基板上に形成した石英系光導波路である。
【００２９】
図３の本参考例は前述の第１の参考例と同様に作製し、光導波路基板１の全体の表面に約２μｍ程度ガラス膜５を堆積した。このため、本参考例で用いた光素子としてのレーザーダイオード（ＬＤ）７の接合部の面積、約２５０μｍ×２５０μｍを考慮すると、約２０℃／Ｗの熱抵抗がこの部分に発生することになる。そこで、図３の（ａ）に示すように、本実施形態では、光素子７の周囲に透明シリコーン樹脂８を約２μｍ程度に薄く塗って、その外側にボロンナイトライドをフィラーとして含む約４Ｗ／（ｍ・℃）のガラスと比較して高熱伝導性の樹脂９を塗布した。ここで、光素子７と光導波路端面２−３の間隙は約２０μｍ程度あるが、シリコーン樹脂８の粘性によりこの間隙はシリコーン樹脂８により満たされ、光導波路コア３から出射した光が遮られることはなく、光素子活性層７−１へ入射する。高熱伝導性樹脂９の熱抵抗はガラスの約１／４程度であるから、高熱伝導性樹脂９で光素子７を覆うことにより、光素子７から発生する熱は図３の（ｂ）の矢印３０で示すような経路を通して高熱伝導性樹脂９側へも流れ、これにより放熱が改善される。
【００３０】
この光モジュールの熱抵抗を測定したところ、光素子７からシリコン基板１にかけての熱抵抗が約２割減少した。
【００３１】
ここでは、光素子７の周囲を高熱伝導率の樹脂９で覆ったが、光素子７および電気配線を透明な樹脂８で覆い、その上にメタル層（図示しない）を蒸着などで設けても同様の効果が得られる。
【００３２】
以上のように、本参考例によれば、光素子７の周囲を透明な樹脂８で覆い、さらにその外側を熱伝導の高い樹脂９で覆うことにより、光モジュールの熱抵抗を簡便に、かつ効率的に下げることが可能となる。
【００３３】
［他の実施形態］
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、例えば、上記第１の実施形態と第１、第２の参考例を必要に応じて自在に組み合わせてもよい。また、上述の絶縁膜、透明樹脂、高熱伝導性樹脂等の具体的材質も上述の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の光モジュールを構成する光素子は、レーザーダイオードに限定されず、発熱作用のため放熱が必要な光素子を有する光モジュールに対して本発明は好適である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、導波路を有する平坦なシリコン基板上に絶縁層を介して光素子を搭載した光モジュールにおいて、接地されたシリコン基板と光素子が半田で電気的に接続され、光素子とシリコン基板の間には、光素子の活性層と導波路のコアの高さが一致する厚さの絶縁層があり、光素子とシリコン基板間以外の部分の絶縁層を取除き、半田の一部を放熱のためにシリコン基板上に延在させているので、光素子から発生する熱を半田を介して効率的にシリコン基板に伝えることができ、同時に比較的に広い面積に拡散させることができるので、光モジュールの放熱を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の参考例の原理を説明する図で、（ａ）は従来の光素子搭載部の構造を示す縦断面図、（ｂ）は本発明の第１の参考例の光モジュールにおける光素子搭載部と放熱構造を示す正面側の縦断面図、（ｃ）は本発明の第１の参考例の光素子搭載部において光素子で発生した熱がシリコン基板に放熱される際の経路を波線矢印で示す側面側の縦断面図である。
【図２】  本発明の第１の実施形態の光モジュールにおける光素子搭載部と放熱構造を示す図で、（ａ）はその光素子搭載部の構造を示す正面側の縦断面図、（ｂ）はその光素子搭載部において、光素子で発生した熱がシリコン基板に放熱される際の経路を波線矢印で示す正面側の縦断面図である。
【図３】  本発明の第２の参考例の光モジュールにおける光素子搭載部と放熱構造を示す図で、（ａ）はその光素子搭載部の構造を示す正面側の縦断面図、（ｂ）は光素子搭載部において、光素子で発生した熱がシリコン基板に放熱される際の経路を波線矢印で示す側面側の縦断面図である。
【図４】従来技術による光モジュールの構成例を示す図で、（ａ）はその光素子搭載部の構造を示す斜視図、（ｂ）はその光素子で発生した熱がシリコン基板に放熱される際の経路を波線矢印で示す正面側の縦断面図である。
【符号の説明】
１  シリコン基板
１−１  シリコン基板凸部
２  クラッド
２−１  アンダークラッド
２−２  オーバークラッド
２−３  光導波路端面
３  光導波路コア
４  光素子搭載部
５  ガラス（パッシベーション）膜、絶縁層
６  半田膜または電気配線
６−１  ＡｕＳｎ半田膜
６−２  電気配線
７  光素子
７−１  光素子活性層
７−２  光素子表面
８  透明樹脂
９  高熱伝導樹脂
１０  光軸
２０  光素子直下部分
２１  半田拡張部分
３０  熱の流れ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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