(57)【要約】【目的】本発明の目的は、受光素子の受光感度特性を劣化させることなく、モジュールの高速化及び低電圧化が可能な光モジュールとその実装方法及び半導体受光装置を提供することにある。【解決手段】半導体基板１１上に受光部である光吸収層１４を有する受光素子１７及び光ファイバ１８が実装された光モジュールにおいて、光ファイバ１８から出射された光が受光素子１７の光入射端面１６の少なくとも一部を通り、さらに光ファイバ のコア１９の中心からの法線が受光素子１７の光入射端面１６と対向する端面２０を通るように、光ファイバ１８と受光素子１７を受光素子１７の基板面１３に対して平行より傾けて結合した受光モジュールとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ一様な厚さを有する受光部である光吸収層を有する受光素子と、光ファイバとが基板上に実装され、前記光ファイバの端面から出射した光束の一部が前記受光素子の光入射端面から前記光吸収層へ入射し、かつ、前記端面のコア中心の法線が前記受光素子の前記光入射端面に対向する端面を通るように、前記光ファイバは前記光吸収層を含む面に対して傾斜して前記基板に取り付けられていることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記光ファイバにはV溝が設けられ、前記V溝に前記光ファイバが固定されていることを特徴とする請求項1記載の光モジュール。
【請求項３】
前記V溝はその溝の幅および深さは前記V溝の中心線に対して変化しており、そのV溝の一端での前記幅および深さはそのV溝の他端の前記幅および深さよりも大きく、前記一端から前記他端にかけて前記幅および深さは単調に変化していることを特徴とする請求項2記載の光モジュール。
【請求項４】
前記V溝に前記光ファイバを入れて、そのファイバの一端から前記光を出射することによりその光が前記光吸収層で吸収されるように、前記受光素子は前記V溝を所定の位置関係を保って前記基板上に設けられていることを特徴とする請求項2記載の光モジュール。
【請求項５】
前記受光素子は端面入射型受光素子であることを特徴とする請求項１記載の光モジュール。
【請求項６】
前記光ファイバ端面の光軸が前記光吸収層を有する面に対して０．５度ないし１０度傾いて光学結合するように前記V溝が構成されている特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
【請求項７】
前記光モジュールはセラミックあるいは樹脂にてパッケージングされていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項８】
光吸収層を有する受光素子と、光ファイバとが基板上に実装され、前記光ファイバの端面から出射した光束の少なくとも一部が前記光吸収層を含む面に対して斜めの方向から入射するように、前記光ファイバは前記光吸収層を含む面に対して傾斜して前記基板に取り付けられ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、半導体基板上に受光素子と光ファイバが実装された受光モジュールに関し、特に光通信分野等に用いられる光モジュールとその実装方法及び半導体受光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の光通信システムの普及にともない、システムを構成する端末機器に対しては更なる大容量化、高性能化と同時に低価格化が望まれている。低価格な光通信システムを構築するためには、端末機器の一部である光モジュールの低コスト化が鍵である。これに関し、従来より同一基板上に光ファイバと受光素子を平易な実装方式で集積化した光モジュールが知られている。半導体レーザダイオード、光変調器や光スイッチ等に代表される光デバイスは一般に導波路構造を有し、光を基板面に対して平行方向に入出射するものである。一方、半導体受光素子は一般に基板面内に垂直な方向から光信号を受光する面受光型である。したがって、面受光型の半導体受光素子は他の光デバイスと光信号の入出射方向が異なるため、集積化の観点から整合性が良くない。これに対して、従来より知られている端面入射型の受光素子は基板面に対して平行に入出射された光を、受光部である光吸収層の長さ方向に伝播させる構造のため、他の光デバイスと整合性が良く表面実装モジュール用素子として広く使われている。端面入射型の受光素子を用いた光モジュールとして、例えば特開２００１−２２３３６９に開示されている方式ではＶ字型のファイバガイド溝が形成された半導体基板上に光ファイバと受光素子をフリップチップで表面実装している。これにより、光モジュールの部品数低減や作製プロセスの簡素化が可能となるため、モジュールの低コスト化を実現可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記モジュールに搭載する光ファイバを例えば端面フラットエンドファイバ等を用いた場合、光ファイバから受光素子に対して平行方向に出射したビームはガウシアン分布をもって拡がる。このため、受光素子の光入射端面で光吸収層に導入されなかった光は、透過もしくは散乱等によって損失となる。その結果素子の受光感度が劣化する。また、光ファイバと受光素子を実装した時の光軸中心位置ずれによって、光吸収層に導入されなかった部分での光損失がさらに大きくなるため、素子受光感度がさらに劣化する。
【０００４】
上記のような素子受光感度の劣化を回避する手段の一つとして、光ファイバの先端を球面加工してスポットサイズを絞った光を、受光素子の光吸収層に導入する方策が考えられる。しかしながらこの方法では、前述した出射光のビーム拡がりによる感度損失は抑制できるが、光軸中心位置ずれによる結合損失は端面フラットエンドファイバよりもさらに大きくなるため、実装精度のマージンが狭く、表面実装は困難を極める。
【０００５】
また、光モジュールの高速化や低電圧化を図るためには、受光素子の小面積化及び光吸収層の薄膜化が必要となる。これにともなって、前述した出射ビーム拡がりによる素子受光感度の劣化及び光軸ずれによる結合損失が顕著になる。
本発明の目的は、受光素子の受光感度特性を劣化させることなく、モジュールの高速化及び低電圧化が可能な光モジュールとその実装方法及び半導体受光装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記課題を解決するために図１に示すような半導体基板１１上に受光部である光吸収層１４を有する受光素子１７及び光ファイバ１８が実装された光モジュールにおいて、光ファイバ１８から出射された光が受光素子１７の光入射端面１６の少なくとも一部を通り、さらに光ファイバ のコア１９の中心からの法線が受光素子１７の光入射端面１６と対向する端面２０を通るように、受光素子17を設けた基板面１３に対して光ファイバ18の光軸を平行より傾けて配置し、受光素子17に光結合させた受光モジュールとする。これにより、光ファイバ１８と受光素子１７を受光素子の基板面１３に対して平行方向に結合した場合と比較して、出射光を受光素子１７の光吸収層１４の面方向に導入できる。すなわち、実効的な吸収面積が大きくなるため、ファイバからの出射光のビーム拡がりによる感度損失は抑制できる。また、光ファイバ１８と受光素子１７の受光素子の基板面１３に対する傾斜角をθとすると、受光素子１７の光吸収層１４を伝播する光の実効的吸収長は平行入射（θ＝０度）と比較して、斜めに入射することにより１／cos θだけ長く取ることができるため、その分素子受光感度が向上する。さらに、前述したとおり光ファイバ１８と受光素子１７を受光素子の基板面１３に対して平行より傾けて結合することによって、出射光を受光素子１７の光吸収層１４の面方向から導入でき実効的な吸収面積が大きくなるため、光軸中心位置ずれによる結合損失の抑制が可能となり、実装裕度が向上する。
【０００７】
また、図１に示す半導体基板上１１に受光部である光吸収層１４を有する受光素子１７及び光ファイバ１８が実装された受光モジュールにおいて、光ファイバ１８から出射された光が受光素子１７の光吸収層１４の少なくとも一部の光入射端面１６を通り、さらに光ファイバ のコア中心１９からの法線が受光素子１７の光吸収層１４の光入射端面１６と対向する端面２０を通るように、光ファイバ１８と受光素子１７を受光素子の基板面１３に対して平行より傾けて結合したことを特徴とする受光モジュールとする。このように、光ファイバ１８から出射された光が受光素子１７の光吸収層１４以外の層を出来るだけ通過しないような傾斜角度及び入射位置で光ファイバ１８と受光素子１７を結合することによって、光吸収層１４以外の層における光の散乱、吸収等による受光感度の損失を抑制可能である。
【０００８】
また、前記受光素子１７は表面実装の光モジュールに適した端面入射型受光素子とする。
【０００９】
さらに、前記光ファイバ１８と受光素子１７を受光素子の基板面１３に対して０．５度ないし１０度傾けて結合した光モジュールとする。
【００１０】
また、図５に示すように光ファイバ５０を半導体基板４１上に溝幅を順次可変して形成したファイバガイド溝５１に搭載した光モジュールの実装方法とする。光ファイバ５０と受光素子４４の受光素子の基板面に対する傾斜角度は図５のようにガイド溝５１の幅のみを変えることによりフレキシブルに調整可能であることから、作製プロセスが比較的容易で且つ設計マージンが広くとれるため、受光素子４４の光吸収層に対して最も効率良く光入射できる実装方法である。
【００１１】
また、図８に示すように、光ファイバ５０を受光素子の基板７２上に直接搭載した受光モジュールとする。これによって光ファイバのガイド溝を形成した半導体基板上に受光素子を搭載するハイブリッド実装に比べて、実装精度のバラツキ等に起因した光軸ズレによる結合損失を抑制可能である。さらに光モジュールの部品低減によって、モジュールの小型化も可能となる。
【００１２】
さらに図９に示すように、光モジュールをセラミックあるいは樹脂でできたベース８２とキャップ８３にてパッケージングした光モジュールの実装方法とする。これによって、光モジュールの作製工程及び部品の低減が可能となるため、モジュールの低コスト化に有利である。なお、ベース８２とキャップ８３の代わりに樹脂にてトランスファモールドを用いても同様である。さらに光モジュール基板８４のかわりに光ファイバ５０を受光素子の基板上に直接搭載した光モジュールを用いても同様である。
【００１３】
また図９に示すように、光モジュール基板８４上にプリアンプＩＣ８１等の電子回路を搭載し、セラミックあるいは樹脂でできたベース８２とキャップ８３にてパッケージングした半導体受光装置とする。
【００１４】
さらに図１０に示すように半導体受光装置９２と受信ＩＣ９４等の電子回路を同一ボード９１上に搭載し、これを光伝送装置とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図２は、本発明の第一の実施例である光モジュールの断面図である。作成方法について図２を用いて説明する。
【００１６】
まず受光素子１７はｐ型ＩｎＰ基板１３上に分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法により、ｐ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層２２を０．５μｍ、アンドープＩｎＧａＡｌＡｓ光吸収層１４を１．６μｍ、ｎ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層２３を１．０μｍ、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２４を０．１μｍ、順次積層した。ここで、光吸収層１４のバンドギャップ波長は１．４μｍとした。この半導体多層構造を化学エッチングによりメサ構造を形成した。受光部である光吸収層１４の幅は２０μｍ、長さは１００μｍである。次にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕよりなるｎ型電極１５およびｐ型電極１２を形成した。次に劈開により光入射端面１６を形成し、反射防止膜２１を施した。次にこの受光素子１７をパタン形成された半導体基板１１上にジャンクションアップでフリップチップ実装したのち、上記受光素子１７にシングルモードファイバ１８を近づけた。ここで、シングルモードファイバ１８の出射端面から受光素子１７の入射端面１６までの距離を１５μｍとし、微動コントローラを用いて、シングルモードファイバ１８と受光素子１７の光吸収層１４を受光素子の基板面１３に対して０度ないし１０度傾けて結合し、さらに光軸を受光素子１７の基板面１３に対して垂直方向に移動した。
【００１７】
図３に上記実施例一を適用した光モジュールにおける受光素子１７の受光感度と光ファイバ１８の傾斜角度の関係を示す。図３のように、光ファイバ１８と受光素子１７を受光素子の基板面１３に対して平行方向（０度）に結合した場合と比較して、０．５度ないし１０度傾けて結合した場合、素子の受光感度が向上した。ここで、さらに光軸を１０度より大きく傾斜して結合すると、平行方向に結合した場合よりも素子受光感度は小さくなった。これは、光ファイバ１８と受光素子１７の結合時の傾斜角が大きいため、受光素子１７の光吸収層１４内で吸収されなかった光が光吸収層１４をそのまま通過することによって、光吸収層１４以外の層における光の散乱、吸収等による損失が大きくなったためと考えられる。
【００１８】
また、図４に上記実施例一を適用した光モジュールにおける受光素子１７の素子受光感度損失と光軸移動距離の関係を示す。図４のように、光ファイバ１８と受光素子１７を受光素子の基板面１３に対して平行方向（０°）に結合した場合と比較して、０．５度ないし１０度傾けて結合した場合、光軸中心位置ずれによる結合損失は抑制されていた。
（実施例２）
図５は本発明の第二の実施例である光モジュールの斜視構造図である。作成方法については図６及び図７を用いて説明する。
【００１９】
まず、半導体基板４１上にシリコン絶縁膜４２を形成したのち、図６（ａ）のようにシリコン絶縁膜４２上にフォトレジスト５２を用いて長さ１０６μｍで幅を１３μｍピッチで変化させた開口パタン５３を形成した。次にフォトレジスト５２をマスクにしてシリコン絶縁膜４２をウエットエッチングによってパタン形成した。次にフォトレジスト５２を除去した後、シリコン絶縁膜４２をマスクにしてシリコン基板４１の開口部を水酸化カリウムを用いてエッチングすることにより、図６（ｂ）のように傾斜角約５４．７度のＶ字溝の幅及び深さが各々変化したファイバガイド溝５１を形成した。ここで、ファイバガイド溝５１のサイズは、ファイバガイド溝５１に光ファイバ５０を搭載した時に、光ファイバのコア中心４９からの法線が受光素子４４の光吸収層を受光素子４４の基板面に対して約５度の傾斜角度で通るような位置関係で結合するように設計した。次に図６（ｃ）のようにシリコン絶縁膜４２にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕよりなるｎ電極配線４７及びｐ電極配線４６を形成した。
【００２０】
続いて図７（ａ）のように、ｎ電極配線４７及びｐ電極配線４６上にＡｕＳｎ半田パタン６０を形成したのち、図７（ｂ）のように熱圧着法を用いてｎ電極配線４７及びｐ電極配線４６上にＡｕＳｎ半田パタン６０を介して受光素子４４を搭載した。その後、図７（ｃ）のようにファイバガイド溝５１にシングルモードファイバ５０を固定した。この時、シングルモードファイバ５０の受光素子４４の基板面に対する傾斜角は約５度であった。
【００２１】
作製した光モジュールの受光素子４４に５Ｖの逆バイアスを印加し、波長１．３μｍの光を入力した時の素子受光感度は、従来の光ファイバと受光素子を平行に結合した場合と比較して０．８６Ａ／Ｗと高い値が得られた。また、最大遮断周波数も１６ＧＨｚと良好であった。
（実施例３）
図８は本発明の第三の実施例である光モジュールの斜視構造図である。まずｐ型ＩｎＰ基板７２上に形成した結晶層を化学エッチングで加工し、ｐ型結晶層、アンドープ結晶層、ｎ型結晶層で構成された第一メサ７３とそれよりも面積が大きくｐ型結晶層で構成された第二メサ７５を形成した。その後、ｐ型ＩｎＰ基板７２上にシリコン絶縁膜７８を形成したのち、シリコン絶縁膜７８上にフォトレジストを用いて長さ１０６μｍで幅を１３μｍピッチで変化させた開口パタンを形成した。次にフォトレジストをマスクにしてシリコン絶縁膜７８をウエットエッチングによってパタン形成した。フォトレジストを除去した後、シリコン絶縁膜７８をマスクにしてｐ型ＩｎＰ基板７２の開口部を臭素系エッチング液を用いてエッチングすることにより、傾斜角約５４．７度のＶ字溝の幅及び深さが各々変化したファイバガイド溝７１を形成した。ここで、ファイバガイド溝７１のサイズは、ファイバガイド溝７１に光ファイバ５０を搭載した時に、光ファイバのコア中心４９からの法線が光吸収層を受光素子基板面に対して約５度の傾斜角度で通るような位置関係で結合するように設計した。次にｐ型結晶層、アンドープ結晶層、ｎ型結晶層で構成された第一メサ７３上からシリコン絶縁膜７８上に至るｎ電極配線７６及びｐ型結晶層で構成された第二メサ７５からシリコン絶縁膜７８上に至るｐ電極配線７４をＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで形成した。その後、ファイバガイド溝７１にシングルモードファイバ５０を固定した。この時、シングルモードファイバ５０の受光素子基板面に対する傾斜角は約５度であった。
【００２２】
作製した光モジュールの受光素子１７に逆バイアスを印加し、波長１．３μｍの光を入力した時の素子受光感度は、従来の光ファイバと受光素子を平行に結合した場合（０．８３Ａ／Ｗ）と比較して０．８６Ａ／Ｗと高い値が得られた。また、最大遮断周波数も１６ＧＨｚと良好であった。
（実施例４）
図９は本発明の第四の実施例であるパッケージングした光モジュールの斜視構造図である。セラミック製のベース８２の中に本発明で実施したシングルモードファイバ５０と受光素子４３を受光素子４３の基板面に対し傾けて結合した光モジュール基板８４と、さらに高感度化のために光モジュール基板８４上に受信用プリアンプＩＣ８１を実装し、キャップ８３にて蓋をした。
作製した半導体受光装置を伝送評価した。信号光波長１．３μm、伝送速度１０Ｇｂ／ｓで１０の−１２乗の誤り率における最小受光感度は−１８ｄＢｍと良好であった。セラミック製のベース８２およびキャップ８３の代わりに樹脂製のもの、あるいは樹脂のトランスファモールドを用いても同様である。
（実施例５）
図１０は本発明の第五の実施例である光モジュールを用いた光伝送装置の斜視構造図である。
【００２３】
信号光入射用の光ファイバ５０が付いた本発明の半導体受光装置９２と受信ＩＣ９４およびその他の電子部品をボード９１上に搭載した作製した光伝送装置の伝送評価を行った。信号光波長１．３μm、伝送速度１０Ｇｂ／ｓで１０の−１２乗の誤り率における最小受光感度は−１８ｄＢｍと良好であった。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の実施例によれば、受光素子の受光感度特性を劣化させることなく、モジュールの高速化及び低電圧化が可能な光モジュールとその実装方法及び半導体受光装置を提供できる効果があり、工業上重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における光モジュールの典型的な断面図。
【図２】本発明の第一の実施例である光モジュールの断面図。
【図３】本発明の第一の実施例を適用した光モジュールにおける受光素子の受光感度と光ファイバ傾斜角度の関係を示す図。
【図４】本発明の第一の実施例を適用した光モジュールにおける受光素子の素子受光感度損失と光軸移動距離の関係を示す図。
【図５】本発明の第ニの実施例である光モジュールの斜視構造図。
【図６】本発明の第ニの実施例である光モジュールの製造方法を説明するための図。
【図７】本発明の第ニの実施例である光モジュールの製造方法を説明するための図６に続く工程図。
【図８】本発明の第三の実施例である光モジュールの斜視構造図。
【図９】本発明の第四の実施例であるパッケージングした光モジュールの斜視構造図。
【図１０】本発明の第五の実施例である光モジュールを用いた光伝送装置の斜視構造図。
【符号の説明】
１１，４１…半導体基板、１２…ｐ型電極、１３，７２…ｐ型ＩｎＰ基板、１４…光吸収層、１５…ｎ型電極、１６，４５…光入射端面、１７，４４…受光素子、１８，５０…光ファイバ、１９，４９…光ファイバのコア、２０…光入射端面１６と対向する端面、２１…反射防止膜、２２…ｐ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層、２３…ｎ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層、２４…ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、４２，７８…シリコン絶縁膜、４６，７４…ｐ電極配線、４７，７６…ｎ電極配線、５１，７１…ファイバガイド溝、５２…フォトレジスト、６０…ＡｕＳｎ半田、…ｎ型電極、７３…第一メサ、７５…第二メサ、８１…受信用プリアンプＩＣ、８２…ベース、８３…キャップ、８４…光モジュール基板、９１…ボード、９２…光モジュール、９４…受信ＩＣ。
【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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