(57)【要約】【課題】簡単にかつ高精度に光接続を行える光半導体装置、該光半導体装置の接続方法、該光半導体装置を用いた光インターコネクション、光配線モジュールを提供する。【解決手段】面発光レーザ基板２上に設けられた面発光レーザ１に対向するように、光学的に４５°に配置されたミラー３があり、該ミラー３は、ミラー基板４のミラー部４ａの面発光レーザ１側の表面に反射膜５を設けた形で構成されている。ミラー部４ａの裏面には気密性を有する空洞７が形成されており、図示しない陰圧形成手段により空洞７の内部が陰圧にされる。これによりミラー部４ａが内側に湾曲し、ミラー３が凹面となる。凹面度合いを調整することにより、面発光レーザ１からの光はほぼ１００％光導波路１８に導くことができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子と光導波部材との結合時にミラーを使用する光学系において、上記ミラーの反射表面形状を上記ミラーにかけられる圧力によって変え、焦点位置を制御することを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の光半導体装置において、
上記ミラーの反射表面形状を上記ミラーの裏面にかけられる圧力によって変えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
請求項２記載の光半導体装置において、
上記ミラーの裏面側は空洞になっていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項４】
請求項３記載の光半導体装置において、
上記空洞内に流動性媒体が充填され、該流動性媒体を介して上記空洞を陰圧にし、上記ミラーの反射表面形状を凹面状に変えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項５】
請求項４記載の光半導体装置において、
上記陰圧を制御することにより、上記ミラーの反射表面形状の凹面度を制御することを特徴とする光半導体装置。
【請求項６】
請求項３記載の光半導体装置において、
上記空洞内に接着剤を充填し、該接着剤の硬化収縮によって上記ミラーの反射表面形状を凹面状に変えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項７】
請求項６記載の光半導体装置において、
上記接着剤の硬化収縮率を制御することにより、上記ミラーの反射表面形状の凹面度を制御することを特徴とする光半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のうちの何れかに記載の光半導体装置においいて、
上記ミラーはシリコン酸化膜で作られ、反射する面に反射膜が設けられていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項９】
請求項４又は６記載の光半導体装置において、
上記ミラーの凹面度をミラーの厚さで制御することを特徴とする光半導体装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちの何れかに記載のミラーがアレイ化されていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１１】
請求項１乃至９のうちの何れかに記載の構成を用いた光半導体装置の接続方法。
【請求項１２】
請求項１乃至９のうちの何れかに記載の光半導体装置を用いたことを特徴とする光インターコネクション。
【請求項１３】
請求項１乃至９のうちの何れかに記載の光半導体装置を用いたことを特徴とする光配線モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小光学部品を用いる光学素子としての光半導体装置、該光半導体装置を備えた光インターコネクション、光配線モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、光学デバイスと光ファイバを接続する光インターコネクション技術が注目されている。電気に比べ、光は高速かつ大量のデータ転送を行うことが可能である。しかし、電気が簡単に接続できることに対し、光は高精度な接続が要求される。このため光学デバイスと光ファイバの間には高精度な実装が要求される。
この要求に対し、現在において大半はアクティブアライメントという技術を用いて対応している。
つまり、例えば光学デバイスから発光した光を光ファイバに入射し、光ファイバ出射端でモニタし、その出力が最大になるように光学デバイスと光ファイバを相対的に移動し、出力が最大になるところで光学デバイスと光ファイバを固定するという手法である。しかし、この方法は性能的には問題がないが、調整に大変時間がかかり、特に複数の光ファイバを接続使用とすると、効率が悪くコスト増の原因ともなっている。
【０００３】
このため、Ｖ溝などを利用したパッシブアライメントによって調整時間を短縮するという手法が検討されてきている。例えば、特開平１１−２９５５６１号公報には、図９に示すように、光学デバイスである半導体発光素子１００及び半導体受光素子１０１と、光ファイバの間にレンズ１０２を設け、Ｖ溝１０３にレンズ１０２を位置決めすることにより実装時間を短縮し、光学デバイスと光ファイバとを光結合させる技術が開示されている。
また、特開２００２−３１７４７号公報には、図１０に示すように、アライメントマークを設けそのアライメントマークを合わせることでパッシブアライメントする方法が開示されている。
【０００４】
具体的に説明すると、第１のベース１０４上に、光導波部材３を所定の状態で固定するガイド手段１０５を設けるとともに、面型光素子１０６を実装し、面型光素子１０６と光導波部材３を光結合させる光路変換機能部１０７を有する第２のベース１０８を、ガイド手段１０５と、マークとしてのアライメント用電極パッド１０９により第１のベース１０４に位置決めするようになっている。
特開２００３−１３９９８０号公報には、図１１に示すように、光源１１０と光導波部材１１１との間の光接続に凹面ミラー１１２を使用し、光利用効率の向上とアライメントのトレランスを広げる技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２９５５６１号公報
【特許文献２】特開２００２−３１７４７号公報
【特許文献３】特開２００３−１３９９８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特開平１１−２９５５６１号公報に記載の技術では、微小光学部品としてのレンズが非常に小さいため、レンズの取り扱いも非常に困難であり、実際上、一般的なＶ溝における２面接触又は２箇所線接触の容易性は得られず、配置させること自体容易ではない。
特開２００２−３１７４７号公報に記載の技術では、厳密にアライメントマークを発光点から正確な位置に合わせることはできず、高精度な実装としては不十分である。
特開２００３−１３９９８０号公報に記載の技術では、凹面ミラーの凹面の製作が困難であり、ミラーと光学デバイスあるいは光ファイバなどの距離が変わった場合凹面の度合いを変えなくてはならないため、それ専用に作り直さなければならないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、簡単にかつ高精度に光接続を行える光半導体装置、光半導体装置の接続方法、該光半導体装置を用いた光インターコネクション、光配線モジュールの提供を、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、ミラーの光結合部材としての簡易性及び高機能性を活かしながら、距離変化にも自在に対応できようにした。
具体的には、請求項１記載の発明では、光学素子と光導波部材との結合時にミラーを使用する光学系において、上記ミラーの反射表面形状を上記ミラーにかけられる圧力によって変え、焦点位置を制御することを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の光半導体装置において、上記ミラーの反射表面形状を上記ミラーの裏面にかけられる圧力によって変えることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明では、請求項２記載の光半導体装置において、上記ミラーの裏面側は空洞になっていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明では、請求項３記載の光半導体装置において、上記空洞内に流動性媒体が充填され、該流動性媒体を介して上記空洞を陰圧にし、上記ミラーの反射表面形状を凹面状に変えることを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明では、請求項４記載の光半導体装置において、上記陰圧を制御することにより、上記ミラーの反射表面形状の凹面度を制御することを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の発明では、請求項３記載の光半導体装置において、上記空洞内に接着剤を充填し、該接着剤の硬化収縮によって上記ミラーの反射表面形状を凹面状に変えることを特徴とする。
【００１４】
請求項７記載の発明では、請求項６記載の光半導体装置において、上記接着剤の硬化収縮率を制御することにより、上記ミラーの反射表面形状の凹面度を制御することを特徴とする。
【００１５】
請求項８記載の発明では、請求項１乃至７のうちの何れかに記載の光半導体装置においいて、上記ミラーはシリコン酸化膜で作られ、反射する面に反射膜が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
請求項９記載の発明では、請求項４又は６記載の光半導体装置において、上記ミラーの凹面度をミラーの厚さで制御することを特徴とする。
【００１７】
請求項１０記載の発明では、請求項１乃至９のうちの何れかに記載のミラーがアレイ化されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項１１記載の発明では、光半導体装置の接続方法において、請求項１乃至９のうちの何れかに記載の構成を用いたことを特徴とする。
【００１９】
請求項１２記載の発明では、光インターコネクションにおいて、請求項１乃至９のうちの何れかに記載の光半導体装置を用いたことを特徴とする。
【００２０】
請求項１３記載の発明では、光配線モジュールにおいて、請求項１乃至９のうちの何れかに記載の光半導体装置を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１記載の発明によれば、請求項１記載の発明では、光学素子と光導波部材との結合時にミラーを使用する光学系において、上記ミラーの反射表面形状を上記ミラーにかけられる圧力によって変え、焦点位置を制御することとしたので、簡単にミラーの凹面度を変えることができ、光学素子と光導波部材との結合を短時間に精度良く行うことができる。
【００２２】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の光半導体装置において、上記ミラーの反射表面形状を上記ミラーの裏面にかけられる圧力によって変えることとしたので、裏面側の陰圧化により、簡単にミラーの凹面度を変えることができ、光学素子と光導波部材との結合を短時間に精度良く行うことができる。
【００２３】
請求項３記載の発明では、請求項２記載の光半導体装置において、上記ミラーの裏面側は空洞になっていることとしたので、空洞内を陰圧化することにより簡単にミラーの凹面度を変えることができ、光学素子と光導波部材との結合を短時間に精度良く行うことができる。
【００２４】
請求項４記載の発明では、請求項３記載の光半導体装置において、上記空洞内に流動性媒体が充填され、該流動性媒体を介して上記空洞を陰圧にし、上記ミラーの反射表面形状を凹面状に変えることとしたので、空洞に気体や液体を充填して陰圧にすることにより均一な凹面を作ることができる。
【００２５】
請求項５記載の発明では、請求項４記載の光半導体装置において、上記陰圧を制御することにより、上記ミラーの反射表面形状の凹面度を制御することとしたので、凹面形状の微調整ができ、光学素子と光導波部材との結合を短時間に精度良く行うことができる。
【００２６】
請求項６記載の発明では、請求項３記載の光半導体装置において、上記空洞内に接着剤を充填し、該接着剤の硬化収縮によって上記ミラーの反射表面形状を凹面状に変えることとしたので、均一な凹面を作ることができる。
【００２７】
請求項７記載の発明では、請求項６記載の光半導体装置において、上記接着剤の硬化収縮率を制御することにより、上記ミラーの反射表面形状の凹面度を制御することとしたので、凹面形状の微調整ができ、光学素子と光導波部材との結合を短時間に精度良く行うことができる。
【００２８】
請求項８記載の発明では、請求項１乃至７のうちの何れかに記載の光半導体装置においいて、上記ミラーはシリコン酸化膜で作られ、反射する面に反射膜が設けられていることとしたので、バラツキの少ない高精度なミラーを作製できる。
【００２９】
請求項９記載の発明では、請求項４又は６記載の光半導体装置において、上記ミラーの凹面度をミラーの厚さで制御することとしたので、凹面度の制御が一層容易となる。
【００３０】
請求項１０記載の発明では、請求項１乃至９のうちの何れかに記載のミラーがアレイ化されていることとしたので、複数の光学素子と光導波部材との結合を短時間に精度良く行うことができる。
【００３１】
請求項１１記載の発明では、光半導体装置の接続方法において、請求項１乃至９のうちの何れかに記載の構成を用いたこととしたので、請求項１乃至９のうちの何れかに記載の効果を得ることができる。
【００３２】
請求項１２記載の発明では、光インターコネクションにおいて、請求項１乃至９のうちの何れかに記載の光半導体装置を用いたこととしたので、請求項１乃至９のうちの何れかに記載の効果を得ることができる光インターコネクションを実現できる。
【００３３】
請求項１３記載の発明では、光配線モジュールにおいて、請求項１乃至９のうちの何れかに記載の光半導体装置を用いたこととしたので、請求項１乃至９のうちの何れかに記載の効果を得ることができる光配線モジュールを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の第１の実施形態を図１乃至図４に基づいて説明する。なお、以降に使用する図は説明を分かりやすくするため、誇張したり一部省略して描いてある。また、光学素子として面発光レーザを、光導波部材として光導波路を使用した例で説明する。
図２は、本実施形態における光半導体装置を示しており、（ａ）は平面図を、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図をそれぞれ表している。
面発光レーザ基板２上に設けられた面発光レーザ１に対向するように、光学的に４５°に配置されたミラー３があり、該ミラー３は、ミラー基板４のミラー部４ａの面発光レーザ１側の表面に反射膜５を設けた形で構成されている。
【００３５】
ミラー３は、上部補強材１３（（ａ）では省略）、下部補強材１４、側部補強材１５に囲まれ、裏面には気密性を有する空洞７が存在している。空洞７内には円柱状の柱６が数個存在している。
面発光レーザ１に対し、光学的に９０°の位置にはコア８とクラッド９で構成された光導波路１８が導波部材用ベース１２上に設置されている。これらの面発光レーザ部、ミラー部、光導波部は共通ベース１１に設置されている。
このような配置の接続では、ミラー３が平面である場合は、図３に示すように、面発光レーザ１からの光線軌跡２０は、面発光レーザ１は放射角を１０°ほど持っているため、ミラー３で反射するときの光線の面積は発光面よりも広がっており、光導波路１８に入るときにはコア８の穴径よりも大きくなってしまう。
【００３６】
本実施形態では、図１に示すように、ミラー３を凹面にしており、ミラー３の反射後は光線軌跡２０は焦点位置を制御されて集光し、コア８に入るようになる。
本実施形態では、ミラー３の凹面化を、ミラー３の裏面に存在する空洞７内の圧力制御によって実現している。
このように、空洞７の圧力制御によりミラー３を凹面にすれば、面発光レーザ１からの光はほぼ１００％光導波路１８に導くことができ、集光しているため、位置精度も許容差も大きくできる。
図４に基づいて、ミラー３が凹面となるメカニズムを説明する。なお、図４においては、見やすくするために柱６や反射膜５などは省略している。
空洞７内には流動性媒体としての気体が満たされており、空洞７には図示しない陰圧形成手段（陰圧ポンプ）が接続されている。図４（ａ）は陰圧にする前の状態を示している。
【００３７】
上記陰圧形成手段を作動さ、大気圧に対して所定の陰圧にすると、図４（ｂ）に示すように、ミラー部４ａは大気圧に押されて内方に湾曲し、ミラー３の表面は凹面に変わる。陰圧を調整することにより、ミラー３の凹面度合いを微調整することができる。したがって、面発光レーザ１と光導波路１８間の距離が変化しても、陰圧を調整することにより光導波路１８のコア８に焦点を合わせることができる。流動性媒体としては水等の液体でもよい。また、光導波部材は光ファイバでもよく、光学素子はフォトダイオードでもよい。
【００３８】
図５に基づいて第２の実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する（以下の他の実施形態において同じ）。
本実施形態では、図５（ａ）に示すように、空洞７に接着剤Ｂを充填している。接着剤Ｂの硬化時の硬化収縮により、図５（ｂ）に示すように、ミラー部４ａは内側に引っ張られ、ミラー３の表面は凹面に変わる。
接着剤Ｂの種類を変えたり、添加剤を加えるなどして硬化収縮率を制御することにより、凹面の度合いを制御することができる。
したがって、面発光レーザ１と光導波路１８間の距離が変化しても、硬化収縮率を制御することにより光導波路１８のコア８に焦点を合わせることができる。
【００３９】
次に、図６（ａ）〜図６（ｇ）に基づいて、上記各実施形態における光半導体装置の作製プロセスの一例を示す。ミラー作製基板として単結晶シリコンを、ミラー基板４としてシリコン酸化膜を使用した。
まず、図６（ａ）に示すように、ミラー作製基板１９としてミラー面が４５°になるような結晶方位オフセット単結晶シリコンを用意し、ミラー面として使う４５°の面を異方性エッチングを用いて作製する。
次に、図６（ｂ）に示すように、その基板を必要なサイズに切断し、その後、熱酸化してミラー基板４（熱酸化膜）を作製する。
次に、図６（ｃ）に示すように、熱酸化した基板に補強のため、挟み込むように両側の側面に側部補強材１５を貼り付け、基板の上部に下部補強材１４を、さらにその上に補強のため仮ベース１７を貼り付ける。
【００４０】
次に、図６（ｄ）に示すように、上記構成において、基板の下部を研磨する。
次に、図６（ｅ）に示すように、研磨した基板を研磨面が上になるように反転し、ミラー部４ａの裏面を空洞７にするため、ミラー作製基板１９のみエッチングする。このとき、次の工程で上部に上部補強材１３を設置するため、柱６を残すようにエッチングする。
エッチング終了後、図６（ｆ）に示すように、上部に上部補強材１３を空洞７を密閉するように設置する。その後ミラー部４ａに反射膜５を付ける。
このようにして作られたミラー部を、図６（ｇ）に示すように、共通ベース１１上に面発光レーザ部、光導波部と共に設置する。
このようなプロセスを行うことで、上記各実施形態で示した形状を実現することができる。
【００４１】
図７に基づいて、第３の実施形態を説明する。本実施形態における光半導体装置は、複数のミラー３がアレイ化されており、これに対応して光導波路１８のコア８も複数設けられている。
各々のミラーユニット間はスペーサ１６によって位置出しされており、スペーサ１６は補強材としての機能も有している。
このような配置の接続においても、各ミラー３を第１又は第２の実施形態と同様に凹面にすれば、ミラー３の反射後の光線軌跡２０は集光し、コア８にほぼ１００％入るようになる。
本実施形態では各ミラーユニット単独でミラー３の凹面度合いを調整できる構造なので、必要であれば個別に微妙な調整も可能であり、光半導体装置全体としての光接合性を高精度に維持できる。
【００４２】
図８に基づいて、第４の実施形態を説明する。
本実施形態における光半導体装置は、第３の実施形態と同様に複数のミラー３がアレイ化された構成を有しているが、各ミラー３が個別にユニット化されておらず、空洞７が共通化されている。また、柱６が千鳥状に配置されているとともに、ミラー部４ａ側には断面角形（本実施形態では正方形）の大きな柱６ａが配置されている。柱６ａは補強材も兼ねている。
本実施形態においても、各ミラー３を第１又は第２の実施形態と同様に凹面にすれば、ミラー３の反射後の光線軌跡２０は集光し、コア８にほぼ１００％入るようになる。
本実施形態では、ミラー３の間隔は図７で示した例よりも精度を上げることができるので、個別調整は必要なく、空洞７が共通であるため、同時に調整ができる。
【００４３】
図示しないが、ミラー基板４の厚さを変え、上述した陰圧制御や硬化収縮率制御との組み合わせで複合的にミラー３の凹面の度合いを制御するようにしてもよい（第５の実施形態）。
第１の実施形態ではミラー部４ａを裏面側（空洞７側）に湾曲させてミラー３の凹面状態を得るようにしたが、ミラー部４ａの表面側に光透過性の気密部を設け、外部から空気を充填して加圧するようにしてもよい。また、ミラー部４ａの一部又は全部をバイメタル又はバイメタル的特性を有する部材で構成し、通電加熱して湾曲させ、ミラー３の凹面化を達成するようにしてもよい。
また、図示しないが、上述した光半導体装置を用いれば、光接続を容易且つ高精度に行うことができる光インターコネクション、光配線モジュールを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態における光半導体装置の概要断面図である。
【図２】ミラーを凹面化する前の状態における光半導体装置の概要平面図と概要断面図である。
【図３】ミラーを凹面化しない場合の反射光線の広がりを示す概要断面図である。
【図４】ミラーの凹面化のメカニズムを示す要部断面図である。
【図５】第２の実施形態におけるミラーの凹面化のメカニズムを示す要部断面図である。
【図６（ａ）】光半導体装置の作製プロセスにおけるミラー作製基板のエッチング加工を示す概要断面図である。
【図６（ｂ）】光半導体装置の作製プロセスにおける熱酸化によるミラー基板の作製工程を示す概要断面図である。
【図６（ｃ）】光半導体装置の作製プロセスにおけるミラー基板の補強構成を示す概要断面図である。
【図６（ｄ）】光半導体装置の作製プロセスにおけるミラー基板の研磨工程を示す概要断面図である。
【図６（ｅ）】光半導体装置の作製プロセスにおける空洞の作製工程を示す概要断面図である。
【図６（ｆ）】光半導体装置の作製プロセスにおけるミラー表面の作製工程を示す概要断面図である。
【図６（ｇ）】光半導体装置の作製プロセスにおける最終工程を示す概要断面図である。
【図７】第３の実施形態における光半導体装置の概要平面図と概要断面図である。
【図８】第４の実施形態における光半導体装置の概要平面図と概要断面図である。
【図９】従来例の斜視図である。
【図１０】他の従来例を示す図である。
【図１１】さらに別の従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  光学素子としての面発光レーザ
３  ミラー
５  反射膜
７  空洞
１８  光導波部材
Ｂ  接着剤
【図１】
2006023579.tif 000003
【図２】
2006023579.tif 000004
【図３】
2006023579.tif 000005
【図４】
2006023579.tif 000006
【図５】
2006023579.tif 000007
【図６（ａ）】
2006023579.tif 000008
【図６（ｂ）】
2006023579.tif 000009
【図６（ｃ）】
2006023579.tif 000010
【図６（ｄ）】
2006023579.tif 000011
【図６（ｅ）】
2006023579.tif 000012
【図６（ｆ）】
2006023579.tif 000013
【図６（ｇ）】
2006023579.tif 000014
【図７】
2006023579.tif 000015
【図８】
2006023579.tif 000016
【図９】
2006023579.tif 000017
【図１０】
2006023579.tif 000018
【図１１】
2006023579.tif 000019