(57)【要約】【課題】  部品点数の増加やプロセス制御性の向上を必要とせずに、面型光素子と光ファイバを９０°曲げて接続することができ、さらに、アライメント精度を向上させ、低コスト化できる面発光型半導体レーザを用いた発光モジュール、この発光モジュールの製造方法及びこの発光モジュール用いる光通信装置を提供する。【解決手段】  １．１μｍ以上の発振波長を有する面発光型半導体レーザと面発光型半導体レーザの発光素子１と光ファイバ２を結合する発光モジュールにおいて、この発光モジュールがＳｉ単結晶を加工して形成した、半導体レーザ素子１の垂直方向への射出光を並行光へとコリメートあるいは集光するマイクロレンズ５と、コリメートあるいは集光した光を略９０°折り曲げるためにＳｉ単結晶を加工して形成したＳｉ（１１１）面を反射面とする反射プリズム３と、Ｓｉ（１１１）面で形成された光ファイバガイド用Ｖ溝構造物４とから構成され、マイクロレンズ５、反射プリズム３、ガイド用Ｖ溝構造物４が一体に形成されている。【選択図】  図１
2006126754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１．１μｍ以上の発振波長を有する面発光型半導体レーザの発光素子と光ファイバとを結合する発光モジュールにおいて、Ｓｉ単結晶を加工して形成され、且つ前記面発光型半導体レーザ素子の垂直方向への射出光を並行光へとコリメートあるいは集光するマイクロレンズと、コリメートあるいは集光した光を略９０°折り曲げるためにＳｉ単結晶を加工して形成したＳｉ（１１１）面を反射面とする反射プリズムと、Ｓｉ（１１１）面で形成された光ファイバガイド用Ｖ溝構造物と、から構成され、前記マイクロレンズと前記反射プリズムと前記光ファイバガイド用Ｖ溝構造物とが一体に形成されていることを特徴とする発光モジュール。
【請求項２】
１．１μｍ以上の発振波長を有する面発光型半導体レーザアレイの各発光素子と光ファイバとを結合する発光モジュールにおいて、Ｓｉ単結晶を加工して形成され、且つ前記面発光型半導体レーザアレイの各発光素子の垂直方向への射出光を並行光へとコリメートあるいは集光するマイクロレンズアレイと、コリメートあるいは集光した光を略９０°折り曲げるためにＳｉ単結晶を加工して形成したＳｉ（１１１）面を反射面とする反射プリズムと、Ｓｉ（１１１）面で形成された光ファイバガイド用Ｖ溝構造物と、から構成され、前記マイクロレンズと反射プリズムとガイド用Ｖ溝構造物とが一体に形成されていることを特徴とする発光モジュール。
【請求項３】
前記マイクロレンズ、前記反射プリズム、及び前記ガイド用Ｖ溝構造物が、＜１１０＞方向に（１００）面から９．７°傾斜させた面を有する同一のＳｉ単結晶基板に一体形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の発光モジュール。
【請求項４】
＜１１０＞方向に（１００）面から９．７°傾斜させた面を有する第１のＳｉ単結晶基板を用意する工程と、第２のＳｉ単結晶基板を用意する工程と、第１及び第２のＳｉ単結晶基板を接合する工程と、接合した第１のＳｉ単結晶基板表面側に反射プリズムとガイド用Ｖ溝構造物を形成する工程と、接合した第２のＳｉ単結晶基板表面側にマイクロレンズを形成する工程とを含むことを特徴とする発光モジュールの製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の製造方法を用いて製造された発光モジュールにおいて、前記第２のＳｉ単結晶基板が前記第１のＳｉ単結晶基板と異なる結晶方位であることを特徴とする発光モジュール。
【請求項６】
前記面発光型半導体レーザの活性層がＮとその他のV族を含むIII−V族混晶半導体であることを特徴とする請求項１乃至３または請求項５のいずれか一項記載の発光モジュール。
【請求項７】
請求項１乃至３、または請求項５乃至６において、前記マイクロレンズと前記面発光型半導体レーザ素子との間の距離を一定距離に保つための間隔維持構造を一体に有していることを特徴とする請求項１乃至３または請求項５乃至６のいずれか一項記載の発光モジュール。
【請求項８】
結合される光ファイバは、シングルモードファイバであることを特徴とする請求項１乃至３または請求項５乃至７のいずれか一項記載の発光モジュール。
【請求項９】
請求項１乃至３または請求項５乃至７のいずれか一項記載の発光モジュールを用いたことを特徴とする光送受信モジュール。
【請求項１０】
請求項９の光送受信モジュールを用いたことを特徴とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザを用いた発光モジュール、この発光モジュールの製造方法及びこの発光モジュールを使用する光通信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光素子においては、基板面から垂直に光出射を行う垂直共振器型面発光レーザが、光伝送モジュールの低消費電力化、低コスト化の観点で改善できる可能性があり、盛んに研究されている（例えば特許文献１乃至５参照）。
ところで、近年、高速光接続のための光モジュールが開発されている。しかし、光素子と光ファイバなどの光伝送体との結合に関しては、とくに、低コスト化、高性能化などの観点から課題が多い。
面発光レーザでは、１ｍＡ以下の低いしきい値で駆動でき、ウエハレベルの検査が可能で、へき開精度を必要としないため、低コスト化が可能である。このような面発光レーザと光ファイバとの光結合においては、素子を動作させないでアライメントするパッシブアライメントが低コスト化のためには必須である。
そのための手法として、一般には固定部材を作製して組み立てるという方法が用いられている。しかし、固定部材の機械精度が要求され、その弾性係数や熱膨張係数などに制約があり、また部品点数も多くなるために、コスト低減が困難であった。とくに、コスト低減のためにプラスチックモールドなどを用いると、光結合の歩留まりや長期信頼性に欠けるという問題点がある。
そこで、光ファイバとの結合のためのガイド穴をフォトリソグラフィ技術の加工精度で作製する方法が提案されている。例えば、特許文献１及び２では、面型受光素子もしくは発光素子を作製した基板側に光ファイバを固定するための穴を、光感光性あるいは電子ビーム硬化性を有しかつフォトリソグラフィでパターニングすることによって選択的に硬化可能な厚膜材料により形成するものが開示されている。
また、特許文献３にも、面発光レーザが設置されている側の面上に、所定の膜厚を有する融着層が形成され、光装置は光ファイバの端面と融着層を介して接合される方法が開示されている。これらの場合、部品点数を減少させることができ、組み立ても非常に簡単なので、低コスト化が可能である。
【特許文献１】特開２００２−３３５４６公報
【特許文献２】特開２００２−２１４４８５公報
【特許文献３】特開２００２−１０７５８１公報
【特許文献４】特開２００１−１４１９６５公報
【特許文献５】特開平９−１２７３７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、厚膜材料によりガイド穴を作製する場合、厚膜材料が薄ければテーパ形状や穴径の制御性は良いが機械的強度が不足し、厚膜材料が厚ければ機械的強度は良いがテーパ形状や穴径の制御性不充分になるという問題点がある。
一方、融着層を用いる方法では、発光点または受光点と、光ファイバとの位置合わせが困難であるという不都合がある。
また、厚膜材料によりガイド穴を作製する場合、融着層を用いる方法双方ともに、光ファイバは面型光素子に直交して接続されることになる。光ファイバは急激に曲げることができないため、同一ボード内での接続に適用すると、ボード上に大きいループを形成することになり機器内で広い空間を占有することになり好ましくないという問題がある。
また、従来の一般的な方法として、完成した面型光素子、ミラー及びファイバ固定材をそれぞれ順次組み立てる方法が幾つか提案されている（特許文献４及び５）。
しかしながら、これらの方法では光ファイバの結合方向を基板と平行にすることは可能であるが、部品点数が多くなること、それぞれの部品同士の高精度の組み立てが必要とされる個所が増え、製造が困難であること、組み立てに長時間を要すること等の不具合がある。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、面型光素子の発光部または受光部上に、Ｓｉ異方性エッチングによって形成されたＳｉ（１１１）面よりなる４５°傾いた反射プリズム構造と、この反射プリズム構造と同時にＳｉ異方性エッチングで形成されたＳｉ（１１１）面よりなる光ファイバガイド用Ｖ溝構造物、及びマイクロマシンニングにより形成した集光用のマイクロレンズを一体として設置し、部品点数の増加やプロセス制御性の向上を必要とせずに、面型光素子と光ファイバを９０°曲げて接続することができ、さらに、アライメント精度を向上させ、低コスト化できる面発光型半導体レーザを用いた発光モジュール、この発光モジュールの製造方法及びこの発光モジュール用いる光通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、１．１μｍ以上の発振波長を有する面発光型半導体レーザの発光素子と光ファイバとを結合する発光モジュールにおいて、Ｓｉ単結晶を加工して形成され、且つ前記面発光型半導体レーザ素子の垂直方向への射出光を並行光へとコリメートあるいは集光するマイクロレンズと、コリメートあるいは集光した光を略９０°折り曲げるためにＳｉ単結晶を加工して形成したＳｉ（１１１）面を反射面とする反射プリズムと、Ｓｉ（１１１）面で形成された光ファイバガイド用Ｖ溝構造物と、から構成され、前記マイクロレンズと前記反射プリズムと前記光ファイバガイド用Ｖ溝構造物とが一体に形成されていることを特徴とする。
なお、略９０°とは、９０°丁度を意味する訳ではなく、９０に近い値を含むものである。
請求項２の発明は、１．１μｍ以上の発振波長を有する面発光型半導体レーザアレイの各発光素子と光ファイバとを結合する発光モジュールにおいて、Ｓｉ単結晶を加工して形成され、且つ前記面発光型半導体レーザアレイの各発光素子の垂直方向への射出光を並行光へとコリメートあるいは集光するマイクロレンズアレイと、コリメートあるいは集光した光を略９０°折り曲げるためにＳｉ単結晶を加工して形成したＳｉ（１１１）面を反射面とする反射プリズムと、Ｓｉ（１１１）面で形成された光ファイバガイド用Ｖ溝構造物と、から構成され、前記マイクロレンズと反射プリズムとガイド用Ｖ溝構造物とが一体に形成されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１、又は２において、前記マイクロレンズ、前記反射プリズム、及び前記ガイド用Ｖ溝構造物が、＜１１０＞方向に（１００）面から９．７°傾斜させた面を有する同一のＳｉ単結晶基板に一体形成されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、＜１１０＞方向に（１００）面から９．７°傾斜させた面を有する第１のＳｉ単結晶基板を用意する工程と、第２のＳｉ単結晶基板を用意する工程と、第１及び第２のＳｉ単結晶基板を接合する工程と、接合した第１のＳｉ単結晶基板表面側に反射プリズムとガイド用Ｖ溝構造物を形成する工程と、接合した第２のＳｉ単結晶基板表面側にマイクロレンズを形成する工程とを含むことを特徴とする。
【０００５】
請求項５の発明は、請求項４記載の製造方法を用いて製造された発光モジュールにおいて、前記第２のＳｉ単結晶基板が前記第１のＳｉ単結晶基板と異なる結晶方位であることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１乃至３または請求項５記載において、前記面発光型半導体レーザの活性層がＮとその他のV族を含むIII−V族混晶半導体であることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１乃至３、または請求項５乃至６のいずれか一項において、前記マイクロレンズと前記面発光型半導体レーザ素子との間の距離を一定距離に保つための間隔維持構造を一体に有していることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、結合される光ファイバはシングルモードファイバである請求項１乃至３または請求項５乃至７のいずれか一項記載の発光モジュールを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至３または請求項５乃至７のいずれか一項記載の発光モジュールを用いた光送受信モジュールを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項９の光送受信モジュールを用いた光通信システムを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、面発光型半導体レーザの素子上に、Ｓｉ異方性エッチングによって形成された略９０°反射プリズム構造とＳｉ異方性エッチングで形成された光ファイバガイド用Ｖ溝構造物と単結晶シリコンからなるマイクロレンズを設置し、部品点数の増加やプロセス制御性の向上を必要とせずに、面発光型半導体素子と光ファイバを９０°曲げて接続でき、また、レーザ光がレンズによりコリメートされるため面発光型半導体レーザの素子と光ファイバまでの光路長を長く取ることができ設計の自由度が上がる。
さらに、各部が一体形成されることでアライメント精度を向上させ、このことから、光ファイバの固定作業も容易にして生産性を向上させ、低コストの構造を有する発光モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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。図１は本発明による発光モジュールの実施の形態を示す上面図である。図２は図１の発光モジュールの側面図である。
本実施形態の特徴的な構成は、１．１μｍ以上の発振波長を有する面発光型半導体レーザの発光素子１（或いは、面発光型半導体レーザアレイの各発光素子）と光ファイバ２とを結合する発光モジュールにおいて、Ｓｉ単結晶を加工して形成され、且つ面発光型半導体レーザ素子１（或いは、面発光型半導体レーザアレイの各発光素子）の垂直方向への射出光を並行光へとコリメートあるいは集光するマイクロレンズ５と、マイクロレンズ５によりコリメートあるいは集光した光を略９０°折り曲げるためにＳｉ単結晶を加工して形成したＳｉ（１１１）面を反射面とする反射プリズム３と、Ｓｉ（１１１）面で形成された光ファイバガイド用Ｖ溝構造物４と、から構成され、マイクロレンズ５と反射プリズム３と光ファイバガイド用Ｖ溝構造物４とが一体に形成されている点にある。
即ち、本実施の形態では、一次元の面発光型半導体レーザアレイを用いている。レーザアレイの各面発光型半導体レーザ素子１は、そのメサ径がおよそ２０μｍ角であり、これがおよそ５００μｍピッチで並んで形成されている。
なお、略９０°とは、厳密な意味での９０°ジャストを意味する訳ではなく、９０°に近い値（例えば、±数°の範囲）に折り曲げている場合を含む。要するに本発明の目的、効果を奏する範囲内での集光光の折り曲げ角度として適正な範囲を全て含むものである。
図面上では面発光型半導体レーザ素子１のメサ形状だけを簡便に表現しており、レーザ素子用電極は単に符号７で示され、説明は省略されている。しかし、それぞれ基板の裏面とメサ上部に電極が形成されており、該電極に電流を注入することによりメサ上端より所定の波長のレーザ光が射出する構造になっている。
半導体レーザ素子１は、１．３μｍ帯で発振するＧａＩｎＮＡｓを活性層としている。ＧａＩｎＮＡｓは同じ１．３μｍ帯で発振するＧａＩｎＡｓＰに比較して伝導帯バンドのバンドギャップ不連続量を大きく取れる構成である。
この構成は、量子井戸構造を形成可能なため高温動作時のキャリアオーバフローによる特性の低下が少ないことが知られている。そのため冷却機構を設置しなくても良好な特性の動作を行なうことができ、コストダウンを図ることができると考えられる。
Ｎとその他のV族を含むIII−V族混晶半導体は、Ｎ濃度が低い領域ではＮの添加量１％あたり約１５０ｍｅＶの割合で伝導帯準位が低くなることが知られている。例えばＧａＡｓとの組み合わせで構成する量子井戸活性層においては、伝導帯のバンドギャップ不連続量が大きく、キャリアのオーバーフローが起きにくい構成を取り易い。
この場合の活性層は、ＧａＩｎＮＡｓに限らず、ＧａＩｎＮＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓＰのようにＮとその他のV族を含むIII−V族混晶半導体を用いた場合でも同等の効果が見こめる。
【０００８】
面発光型半導体レーザ素子は、例えば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によるエピタキシャル成長で作製することができる。原料（III族有機金属材料、V族原料、ドーパント等）を所定の圧力（例えば１００ｔｏｒｒ ）に保った反応管内にＨ2キャリアガスによって導入し、基板上で、例えば、熱によって分解することによって、基板上に所定の半導体結晶をエピタキシャル成長することができる。
この面発光型半導体レーザ素子は、ＭＯＣＶＤ法により結晶成長したが、ＭＯＣＶＤ法以外の方法、例えば、ＭＢＥ法などによってもその構造を作製することが可能である。
その後積層構造を、素子分離が必要な深さまで柱状にエッチングして、メサ構造が形成されている。メサは、例えば、ポリイミドなどで保護されており、メサ上部に開口部が設けられ、光射出部と電極が形成されており、面発光型半導体レーザ素子として構成されている。
各半導体レーザ素子１の直上位置にはレーザ光を概ね平行光へとコリメートするためのマイクロレンズ５を形成したＳｉ（シリコン）単結晶基板９が配置される。
Ｓｉ単結晶基板９上にマイクロレンズ５を高精度に形成する方法は多数提案されている。例えば、マイクロレンズ５は、Ｓｉ基板にＥＢレジストを塗布後、ＥＢ露光機で露光量を制御しながら露光して現像し、ＥＢレジストをレンズ形状に加工後、選択比がレジストとＳｉで１:１となるような条件で垂直方向にドライエッチングする方法などで加工が可能である。
Ｓｉは光通信に用いられる１．３〜１．５５μｍ帯の光に対してほぼ透明であり、かつ屈折率も高い。さらには上記のようにマイクロレンズ形状を加工する技術も充実しているため、１．３μｍ帯のレーザ光をコリメートするレンズとしては好適であり、特許文献４のように楕円形状にミラーを形成して集光を図る方法に比べて加工の精度が高くできるためより好適である。
なお、本実施の形態ではマイクロレンズ５は平行光へのコリメートを行なうように設計してあるが、結合する光ファイバのコアでレーザ光が焦点を結ぶような長焦点の集光レンズにすることでシングルモードファイバなどのコア径の小さい光ファイバに対して結合を高めることも可能である。
マイクロレンズ５はエッチングでさまざまな形状を同じに形成することも難しくなく、例えば、位置決めのための凹凸を同時に形成しておけばアライメントを容易にすることも可能である。
【０００９】
本実施の形態ではマイクロレンズ５を設けたＳｉ基板９の表面に凹み９ａを設けて半導体レーザ素子１とコリメート用のレンズを組み合わせたときに距離が一定になるように作成してある。
さらにはその凹部に段差を設けており、その段差に面発光型半導体レーザ素子１のレーザ素子基板６が嵌め込まれる形で取り付けられるようになっている。このときに予め取り付いた面発光型半導体レーザ素子基板９上の発光部とマイクロレンズの位置が合うように設計しておくことでアライメントの容易さを向上させ、実装の精度を向上させることができる。
マイクロレンズ５でコリメートされたレーザ光はその一部を反射プリズム３によって直角方向へと向きを変えられている。この反射プリズム３は、Ｓｉ単結晶基板９を異方性エッチングして作られている。反射プリズム部分３はＳｉ単結晶基板９を異方性エッチングによりエッチングして現れる（１１１)面を利用している。
また、この反射プリズム３を形成したＳｉ単結晶基板９上には、さらに、Ｖ字型の溝が異方性エッチングで形成してあり、垂直方向に射出してくるレーザ光と結合する光ファイバをアライメントするさいにガイドとして役立つようにしてある。
【００１０】
図３はＳｉ単結晶基板を用いた反射プリズムの形成方法を示す上面図である。図４は図３の側面図である。このＳｉ単結晶基板９を用いた反射プリズム３の形成方法を図３及び図４に基づいて説明する。
まず＜１１０＞方向に９．７°傾けたＳｉ（１００）単結晶基板９を準備し、各辺の方向を傾斜させた方向に垂直なストライプ形状でエッチングのマスク用のプリズム形成用ストライプパターン１１を形成する。
本実施の形態では同時に光ファイバ用のガイド溝を形成するためにプリズム形成用ストライプパターン１１に隣接してガイド溝を形成するためのマスクパターンであるＶ溝形成用パターン１０も形成する（図３）。
Ｖ字型のガイド溝は、基板が（１００）面に対して傾斜していることにより僅かにテーパを有することになる。このテーパによりガイド溝はプリズム側から離れるにつれて僅かずつ細くなることになる。そのためガイド溝のプリズム側から最も離れたところで光ファイバが溝に内接し、アライメントが規定されるため、ここの幅で光ファイバの径に合わせた溝が形成できるように設計する。
異方性エッチングのマスクとしてはＴａ2Ｏ5やＳｉ3Ｎ4などの誘電体膜が好適である。また熱酸化等によって形成したＳｉＯ2でもマスクとして用いることができるので、熱酸化膜付のＳｉウエハであればとくに表面に別の膜を成膜せずに済むので工程を簡便にできる。
これらのエッチングマスクは、Ｓｉ単結晶基板９上の膜上にフォトリソグラフィを用いてパターンニングしドライエッチング等で不要な部分を除去することで容易に作ることができる。このようにして形成したエッチングマスクを付けた状態でＳｉを異方性エッチングでエッチングする。
エッチャントは、本実施の形態の場合、約１５ｗｔ％濃度のＫＯＨ水溶液を８０°Ｃ程度に加熱したものを用いた。エッチャントはその他にＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシド）などを用いることも可能である。
図５は光ファイバのガイド用の溝の形成を示す上面図である。図６は図５の側面図である。このエッチャントを用いてエッチングを行なうとＳｉ単結晶基板９は面方位により著しく異なるエッチング速度比を示し、とくにエッチング速度の遅い（１１１）面がエッチングマスクで形成したストライプパターン１１を上辺とした斜面として現れる（図５及び図６）。
一般に異方性エッチングのさいに現れる（１１１）面はエッチング条件を調整することで比較的ミラーに近い表面性が得られやすく、反射面としての利用がしやすい。
【００１１】
図７は光ファイバのガイド用の溝の形成を示す上面図である。図８は図７の側面図である。そのとき同時に全体に誘電体膜を形成後、図３乃至図６のようにパターンニングして誘電体膜のマスクを形成し、さらに異方性エッチングを行なうことで最終的に図７及び図８のように光ファイバのガイド用の溝部分４を形成することができる。
形成されたガイド用の溝部分４は、Ｓｉ単結晶基板９表面に平行な底面をＳｉ（１１１)面が囲むような形で形成される。本実施の形態ではガイド用のＶ溝部分４が最も細くなる部分で光ファイバ２とＶ溝部分４の（１１１)面、底面が内接するように形成される。
このように形状が完成した後に（１１１）面を反射面としたプリズムを得るためにダイシングにより不要な（１１１)面側を切り、垂直な面を出す。このように反射プリズム３と光ファイバ用の位置合わせ構造を一体に形成したＳｉ単結晶基板９が完成する。
このようにして作られた反射プリズム３を含むＳｉ単結晶基板９はコリメート用のマイクロレンズ５と位置合わされて一体構造で作られるが、その手法は幾つか考えられる。
例えば、その１つとしては反射プリズム３とガイド用のＶ溝部分４を一体形成するＳｉ単結晶基板９に対してマイクロレンズ５を形成するＳｉ単結晶基板を別途用意してダイレクトボンディング等で接合して形成する方法がある。
この方法は比較的大きな深さのエッチングを行なった場合、通常のＳｉ単結晶基板の厚さでは強度が不足する場合でも、Ｓｉ単結晶基板９に対してマイクロレンズ用のＳｉ単結晶基板を張り合わせ、合計２枚とすることで厚さを２倍にできるため強度の問題をクリアできる。
またそれぞれのＳｉ単結晶基板の方位が違ってもいいので仮に基板の表裏に異方性エッチングを行なって構造を作ろうとした場合に自由度が上がるなどの利点がある。このときは基板接合用の装置が必要ではあるが、通常の厚さのＳｉ単結晶基板を用いても厚さの問題をクリアできるため基板コストを低減できる。
【００１２】
図９はマイクロレンズ側のＳｉ単結晶基板と反射プリズム側のＳｉ単結晶基板９との位置合わせを説明する概略図である。当然表裏のパターン形成は、その前にボンディングを行なっておいてから裏面の位置合わせ用アライナ等を用いてなされるので、マイクロレンズ側と反射プリズム側との位置合わせはフォトリソグラフの精度でなされることになる。
図１０は同一のＳｉ単結晶基板裏面に形成されたマイクロレンズと反射プリズムとの位置合わせを説明する概略図である。また、このとき十分な厚さを有するＳｉ単結晶基板であれば、反射プリズム、ガイド用のＶ溝部分構造と同一のＳｉ単結晶基板裏面にマイクロレンズを形成することもできる。
これらの一体構造形成には、当然裏面の位置合わせ用アライナなどが必要ではあるが、半導体のフォトリソグラフ工程の精度で各部が一体に形成されるため高精度なモジュールを得ることが可能になる。
以上のように形成したマイクロレンズ、反射プリズム、光ファイバのガイド用のＶ溝部分を一体に形成し、面発光型半導体レーザを取り付けたモジュールには光ファイバが組み付けられる。
光ファイバ２（図１及び図２）は、ガイド用のＶ溝部分１２（図１１）によって落とし込みつつ、反射プリズム３の垂直な端面に先端面を突き当てで取り付けることで位置精度が高くアライメントすることが可能になる。
このさいに反射プリズム３と光ファイバ２との間に充填するようにレーザの光に対して透明な接着用樹脂などで固定すれば（図１及び図２参照）、容易に光ファイバの固定が可能である。本実施の形態では紫外線硬化樹脂を用いた。さらに接着用樹脂の屈折率がＳｉに近ければダイシングで切り出したプリズム面と光ファイバの端面の間での光損失を低減できるのでより好ましい。
本実施の形態のように異方性エッチングで現れる結晶面はその角度が材料の結晶によって一意に決まるので高精度に角度を規定してミラーを作るのに極めて好適な方法である。さらには複数の素子を並列に用いたアレイ状のモジュールにおいてもアライメントを容易にすることが可能になり低コスト化を達成できる。
さらには組み合わせる光ファイバがシングルモードファイバであっても十分な精度で比較的容易にアライメントできるため、シングルモードファイバを用いた発光モジュールの低コスト化にも極めて有用である。
【００１３】
以上のような構成を用いると、図１及び図２に示したように、１．３μｍ以上で発振する面発光型半導体レーザアレイと、Ｓｉ単結晶基板９において形成したマイクロレンズ５と、Ｓｉ単結晶基板に形成した反射プリズム３とを組み合わせ、光ファイバ２との結合を容易かつ精度良くに行なうことが可能になり、低コストで小型の発光モジュールを達成することが可能となっている。
また、温度特性の優れたＮとその他のV族を含むIII−V族混晶半導体であるＧａＩｎＮＡｓを面発光型半導体レーザの活性層の材料として用いたことにより、特別な冷却装置を省くことが可能であるため、より低コストで、小型、高性能な発光モジュールを達成できる。
さらに、反射プリズム３に異方性エッチングを用いて一体形成して光ファイバ２との結合のためのガイド構造（Ｖ溝部分１２）を設けているため、アライメントが容易になり、コストを低減できる。
そして、反射プリズム３はＳｉの異方性エッチングを用いることにより容易に高精度で表面性のよい反射プリズムを得ることが可能になり、安価で高性能な光モジュールを達成することが可能になっている。
【００１４】
上記から、１．１μｍ以上の発振波長を有する面発光型半導体レーザと前記面発光型半導体レーザの発光素子と光ファイバを結合する発光モジュールは、Ｓｉ単結晶を加工して形成した、前記面発光型半導体レーザ素子の垂直方向への射出光を並行光へとコリメートあるいは集光するレンズと、コリメートあるいは集光した光を略９０°折り曲げるためにＳｉ単結晶を加工して形成したＳｉ（１１１）面を反射面とする反射プリズムと、Ｓｉ（１１１）面で形成された光ファイバガイド用Ｖ溝構造物とから構成される。
したがって、レンズ、反射プリズム、ガイド用Ｖ溝構造物は一体に形成されているので、高精度でかつ低コストの光ファイバと面発光型半導体レーザを結合する発光モジュールを得ることができる。
レンズ、反射プリズム、ガイド用Ｖ溝構造物は＜１１０＞方向に（１００）面から９．７°傾斜させた面を有する同一のＳｉ単結晶基板に一体に形成されているので、高精度でかつ低コストの光ファイバと面発光型半導体レーザまたはレーザアレイを結合する発光モジュールを得ることができる。
発光モジュールの製造方法は、＜１１０＞方向に（１００）面から９．７°傾斜させた面を有する第１のＳｉ単結晶基板を用意する工程と、第２のＳｉ単結晶基板を用意する工程と、第１及び第２のＳｉ単結晶基板を接合する工程と、接合した第１のＳｉ単結晶基板表面側に反射プリズムとガイド用Ｖ溝構造物を形成する工程と、接合した第２のＳｉ単結晶基板表面側にレンズを形成する工程とを含んでいる。
このため、通常の厚さのＳｉ単結晶基板であっても十分な深さのエッチングを行ないつつ、十分な強度を有する光ファイバと面発光型半導体レーザまたはレーザアレイを結合する発光モジュールを製造できる。
上記の製造方法を用いて製造された発光モジュールにおいては、第２のＳｉ単結晶基板は第１のＳｉ単結晶基板と異なる結晶方位であるので、第２のＳｉ単結晶基板を異方性エッチングで加工するさいの自由度が増し、より形状の制御性のよい光ファイバと面発光型半導体レーザまたはレーザアレイを結合する。
面発光型半導体レーザの活性層はＮとその他のV族を含むIII−V族混晶半導体である。Ｎとその他のV族を含むIII−V族混晶半導体はＮ濃度が低い領域ではＮの添加量１％あたり約１５０ｍｅＶの割合で伝導帯準位が低くなる。
このため、例えば、ＧａＡｓとの組み合わせで構成する量子井戸活性層においては、伝導帯のバンドギャップ不連続量が大きく、キャリアのオーバーフローが起きにくい構成を取り易いため、Ｓｉを透過する１．１μｍ以上の波長で発光し、かつ温度特性に優れた面発光型半導体レーザを用いた発光モジュールを得ることができる。
コリメートあるいは集光用のレンズは取り付けたさいに面発光型半導体レーザ素子から一定距離に保たれるための構造を一体に有していることにより、より正確にアライメントを行なうことができ、安価で高性能の発光モジュールを得ることができる。
結合される光ファイバはシングルモードファイバである。シングルモードファイバを用いることで、高い周波数の光伝送でも光のモード分散がなく、損失が小さくできる。また、高精度で低コストな高性能の発光モジュールを得ることができる。
【００１５】
図１１は本発明による発光モジュールの実施の形態の変形例を示す上面図である。図１２は図１１の発光モジュールの変形例の側面図である。この変形例は基本的に上述した実施の形態と同じ構成である。
しかしながら、同時にマイクロレンズ側の基板面に凹部９ａを形成して面発光型半導体レーザ素子１表面から一定距離で取り付けるようにして、かつ位置合わせ用の凹部１３、凸部１４をシリコン基板９側と面発光型半導体レーザ基板６側に設けるようしてあり、正確な位置合わせが可能なようにしてある（図１２）。
マイクロレンズ５側の凹部９ａ、１３は、Ｓｉ異方性エッチングを用いて百μｍオーダー程度の開口部を有するものを容易に形成できる。マイクロレンズ側の基板はＳｉ（１００）ウエハを反射プリズム３及びガイド用Ｖ溝部分を形成する傾斜基板にダイレクトボンディングしたものであるため形状の制御も比較的容易である。
また半導体レーザ素子基板６側の凸部１４も或る程度異方性を有するエッチャント（例えば硫酸、過酸化水素水の混合液を希釈したもの）でメサ形状に形成することが可能である。
【００１６】
図１３は凸部メサ形状のパターンニング工程を説明する概略図である。方法としてはまずレーザ構造を成長した基板上に保護膜としてＳｉＯ2等を成膜し、フォトリソグラフを用いて凸部メサ形状のパターンニングを行なう。
図１４はメサ形状の形成工程を説明する概略図である。図１５は図１４のメサ形状の形成工程からメサ状への加工を説明する概略図である。その後エッチャントでエッチングを行なえば、凸部としてのメサ形状が形成される（図１４）。
形成が終わった後に今度はレーザ素子部をエッチングでさらにメサ状に加工し（図１５）、その後通常のプロセスで面発光型半導体レーザを作製できる。このような工程を用いれば半導体レーザの素子部の外側の離れた部分に或る程度大きなメサ状突起部を有する構造を形成できる。
マイクロレンズ側と半導体レーザ基板側のお互いの凸凹の寸法を合うように設計すればこの凹部１３、凸部１４をガイドとして半導体レーザ基板６とマイクロレンズ５とのアライメントを容易にすることが可能になる。よって本実施の形態の構成では製造のコストを低くでき、安価で高性能な光モジュールを達成することが可能になっている。
【００１７】
図１６は本発明による発光モジュールを使用する光通信モジュールを説明する概略図である。図１６において、光通信モジュールは前述した本発明の実施の形態の発光モジュールＡと受光素子１５との組み合わせにより構成されている。
したがって、この光送受信モジュールは安価で小型、高性能の発光モジュールを用いて光通信モジュールを構成しているので、より安価で小型、高性能の光通信モジュールを得ることができる。
図１７は光送受信モジュールを用いている光通信システムを示す概略図である。図１７においては、図１６の光通信モジュールを用いていることで、光通信システムを安価で小型、高性能の光通信モジュールを用いることでより好適に構成することができる。
図１７には前述の光通信モジュールを用いた光通信システムが示されている。図１６の光通信モジュールは高密度に実装された並列に伝送を行なえる光通信モジュールであるため、１対１の光通信の場合だけでなく、異なる複数の通信ポイントに対してそれぞれ信号を並列に送ることができる。このような光通信システムを安価で小型、高性能の光通信モジュールを用いることでより好適に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による発光モジュールの実施の形態を示す上面図である。
【図２】図１の発光モジュールの側面図である。
【図３】Ｓｉ単結晶基板を用いた反射プリズムの形成方法を示す上面図である。
【図４】図３の側面図である。
【図５】光ファイバのガイド用の溝の形成を示す上面図である。
【図６】図５の側面図である。
【図７】光ファイバのガイド用の溝の形成を示す上面図である。
【図８】図７の側面図である。
【図９】マイクロレンズ側と反射プリズム側との位置合わせを説明する概略図である。
【図１０】同一のＳｉ単結晶基板裏面に形成されたマイクロレンズと反射プリズムとの位置合わせを説明する概略図である。
【図１１】本発明による発光モジュールの実施の形態の変形例を示す上面図である。
【図１２】図１１の側面図である。
【図１３】凸部メサ形状のパターンニング工程を説明する概略図である。
【図１４】メサ形状の形成工程を説明する概略図である。
【図１５】図１４のメサ形状の形成工程からメサ状への加工を説明する概略図である。
【図１６】本発明による発光モジュールを使用する光通信モジュールを説明する概略図である。
【図１７】光通信モジュールを用いている光通信システムを示す概略図である。
【符号の説明】
【００１９】
Ａ  発光モジュール
１  面発光型半導体レーザ（レーザ発光素子）
２  光ファイバ
３  反射プリズム
４  光ファイバガイド用Ｖ溝構造物（Ｖ溝部分）
５  マイクロレンズ（コリメートまたは集光レンズ）
６  レーザ発光素子基板
９  Ｓｉ単結晶基板
１５  受光素子
１６  光通信モジュール
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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