(57)【要約】【課題】  面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子と第１の光学素子からの光または第１の光学素子への光を伝送する第２の光学素子と前記第１および第２の光学素子に直接接触し樹脂を硬化させることによって整形された光コネクターとを有する複合光学装置において、第１の光学素子と第２の光学素子との光結合効率を高める。【解決手段】  面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子と第１の光学素子からの光または第１の光学素子への光を伝送する第２の光学素子と前記第１および第２の光学素子に直接接触し樹脂を硬化させることによって整形された光コネクターとを有する複合光学装置において、第１および第２の光学素子と接触している光コネクターの面の断面口径が、第１，第２の光学素子の光出射部または光入射部とほぼ同じ口径となっている。【選択図】      図１
2005092160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子と第１の光学素子からの光または第１の光学素子への光を伝送する第２の光学素子と前記第１および第２の光学素子に直接接触し樹脂を硬化させることによって整形された光コネクターとを有する複合光学装置において、第１および第２の光学素子と接触している光コネクターの面の断面口径が、第１，第２の光学素子の光出射部または光入射部とほぼ同じ口径となっていることを特徴とする複合光学装置。
【請求項２】
請求項１記載の複合光学装置において、面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子の光出射部または光入射部には、凸状の構造物が形成されていることを特徴とする複合光学装置。
【請求項３】
面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子と第１の光学素子からの光または第１の光学素子への光を伝送する第２の光学素子と前記第１および第２の光学素子に直接接触し樹脂を硬化させることによって整形された光コネクターとを有する複合光学装置において、第１または第２の光学素子の光出射部または光入射部には凸状の構造物が形成され、また、凸状の構造物が形成された光学素子と対向する光学素子には凹部（凹状構造物）が形成されていることを特徴とする複合光学装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の複合光学装置において、第１または第２の光学素子に形成されている凸状の構造物の材質と光コネクターの材質とは、ほぼ同じ屈折率のものであることを特徴とする複合光学装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の複合光学装置において、光コネクターの表面におけるラフネスが、利用する光の波長以下であることを特徴とする複合光学装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の複合光学装置において、第２の光学素子は光ファイバーであることを特徴とする複合光学装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の複合光学装置において、第２の光学素子は導波路であることを特徴とする複合光学装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７記載の複合光学装置において、光ファイバーまたは導波路がシングルモードであることを特徴とする複合光学装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の複合光学装置の製造方法であって、
（１）第１または第２の光学素子の光出射部または光入射部に凸状の構造物を形成し、凸状の構造物が形成された光学素子と対向する光学素子の光出射部または光入射部に凹部（凹状構造物）を作製する工程と、
（２）第１または第２の光学素子に形成された凹部に樹脂粒を配置して融解する工程と、
（３）第１の光学素子と第２の光学素子とを接近させ、凸状の構造物と融解した樹脂を接触させる工程と、
（４）樹脂を硬化させる工程と
を順次行なうことを特徴とする複合光学装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の複合光学装置を用いていることを特徴とする光通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合光学装置およびその製造方法および光通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信などに用いられる光モジュールが開発されている。この光モジュールは、発光素子、受光素子、また光を伝達する光ファイバーなどの光学部品を複数組み合わせて、構成されている。光モジュールは、発光素子と光ファイバーなどの光伝送体との結合に関して、低コスト化，高性能化などの観点から課題が多い。特に、光伝送に用いるシングルモードファイバーにおいては、そのコア径が数μｍと小さく、実装誤差に対する要求は非常に厳しいものである。従来では、ボールレンズを用い、ファイバーと発光素子との実装公差を緩和する方法がとられ、同時に発光素子を動作させて実装するアクティブ型の実装が行われてきた。しかし、ボールレンズは部品点数を多くし、アクティブ型の実装は製造工程が非常に複雑で光モジュールの製品コストを引き上げている。
【０００３】
そのため、発光素子や受光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。特に、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。また、この方法では、マルチモードファイバーを実装することはできるが、シングルモードファイバーの高精度実装は不可能であった。
【０００４】
発光素子においても、基板面から垂直に光出射する垂直共振器型面発光レーザーが、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。面発光レーザーでは、１ｍＡ以下の低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も上記と同様な問題が生じている。
【０００５】
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ーの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，特許文献２には、厚膜のフォトレジストを光ファイバーのガイドとして用いる方法が提案されている。しかし、この方法では、実装精度は光ファイバーの外形によって決定され、光ファイバーの外形と光軸とは必ずしも一致せず数μｍの実装誤差を生じさせている。また、外形で合わせることで、光ファイバーの外形にある傷やバリなどの影響を受け、歩留まりの悪い工程となっている。
【０００６】
すなわち、特許文献１，特許文献２に示されている方法や光ファイバーと面発光レーザーとを自由空間でつなぐ方法では、空気と光学素子との界面が生じ、そこでの反射が存在するため、結合効率が低下する。また、実装による誤差が生じ、光学素子同士は実装誤差のずれをもって配置されるため、結合効率が低下する。
【特許文献１】特開２００２−２１４４８５号公報
【特許文献２】特開２００２−３３５４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子と第１の光学素子からの光または第１の光学素子への光を伝送する第２の光学素子と前記第１および第２の光学素子に直接接触し樹脂を硬化させることによって整形された光コネクターとを有する複合光学装置において、第１の光学素子と第２の光学素子との光結合効率を高めることの可能な複合光学装置およびその製造方法および光通信装置を提供することを目的としている。
【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、請求項１記載の発明は、面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子と第１の光学素子からの光または第１の光学素子への光を伝送する第２の光学素子と前記第１および第２の光学素子に直接接触し樹脂を硬化させることによって整形された光コネクターとを有する複合光学装置において、第１および第２の光学素子と接触している光コネクターの面の断面口径が、第１，第２の光学素子の光出射部または光入射部とほぼ同じ口径となっていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の複合光学装置において、面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子の光出射部または光入射部には、凸状の構造物が形成されていることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子と第１の光学素子からの光または第１の光学素子への光を伝送する第２の光学素子と前記第１および第２の光学素子に直接接触し樹脂を硬化させることによって整形された光コネクターとを有する複合光学装置において、第１または第２の光学素子の光出射部または光入射部には凸状の構造物が形成され、また、凸状の構造物が形成された光学素子と対向する光学素子には凹部（凹状構造物）が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の複合光学装置において、第１または第２の光学素子に形成されている凸状の構造物の材質と光コネクターの材質とは、ほぼ同じ屈折率のものであることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の複合光学装置において、光コネクターの表面におけるラフネスが、利用する光の波長以下であることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の複合光学装置において、第２の光学素子は光ファイバーであることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の複合光学装置において、第２の光学素子は導波路であることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項８記載の発明は、請求項６または請求項７記載の複合光学装置において、光ファイバーまたは導波路がシングルモードであることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の複合光学装置の製造方法であって、
（１）第１または第２の光学素子の光出射部または光入射部に凸状の構造物を形成し、凸状の構造物が形成された光学素子と対向する光学素子の光出射部または光入射部に凹部（凹状構造物）を作製する工程と、
（２）第１または第２の光学素子に形成された凹部に樹脂粒を配置して融解する工程と、
（３）第１の光学素子と第２の光学素子とを接近させ、凸状の構造物と融解した樹脂を接触させる工程と、
（４）樹脂を硬化させる工程と
を順次行なうことを特徴としている。
【００１７】
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の複合光学装置を用いていることを特徴とする光通信装置である。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１記載の発明によれば、面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子と第１の光学素子からの光または第１の光学素子への光を伝送する第２の光学素子と前記第１および第２の光学素子に直接接触し樹脂を硬化させることによって整形された光コネクターとを有する複合光学装置において、第１および第２の光学素子と接触している光コネクターの面の断面口径が、第１，第２の光学素子の光出射部または光入射部とほぼ同じ口径となっているので、光結合効率が上昇し、光結合効率の高い複合光学装置を提供できる。
【００１９】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の複合光学装置において、面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子の光出射部または光入射部には、凸状の構造物が形成されており、この凸状の構造物を立体的なアライメントマークとして機能させることができる。このように、立体的なアライメントマークがあることで、嵌合実装やフリップチップ実装を行なうことが可能になり、低コストで高い実装精度を実現できる。これにより、光結合効率の高い複合光学装置を低コストで提供できる。
【００２０】
また、請求項３記載の発明によれば、面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子と第１の光学素子からの光または第１の光学素子への光を伝送する第２の光学素子と前記第１および第２の光学素子に直接接触し樹脂を硬化させることによって整形された光コネクターとを有する複合光学装置において、第１または第２の光学素子の光出射部または光入射部には凸状の構造物が形成され、また、凸状の構造物が形成された光学素子と対向する光学素子には凹部（凹状構造物）が形成されているので、この間に樹脂を整形した光コネクターを自己整合的に作りこむことができる。これにより、光学的な限界に影響されること無く、自己整合的に高精度の実装が可能になる。
【００２１】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の複合光学装置において、第１または第２の光学素子に形成されている凸状の構造物の材質と光コネクターの材質とは、ほぼ同じ屈折率のものであるので、この光コネクターと第１，第２の光学素子との界面で反射が少なくなる。これにより、光結合効率の高い複合光学装置を低コストで提供できる。
【００２２】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の複合光学装置において、光コネクターの表面におけるラフネスが、利用する光の波長以下であるので、表面での散乱が減少し、光結合効率の高い複合光学装置を提供できる。
【００２３】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の複合光学装置において、第２の光学素子は光ファイバーであるので、コア領域の不純物濃度が異なり、簡便にセルフアライメントに凹面や凸面を形成することが可能になる。これにより、光結合効率の高い複合光学装置を低コストで提供できる。
【００２４】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の複合光学装置において、第２の光学素子は導波路であるので、導波路の製造プロセスにおいて、セルフアライメントに凹状もしくは凸状の構造物を作ることができる。これにより、光結合効率の高い複合光学装置を低コストで提供できる。
【００２５】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項６または請求項７記載の複合光学装置において、光ファイバーまたは導波路がシングルモードであるので、高い周波数の光伝送でも損失が上昇しない。これにより、光結合効率の高い複合光学装置を低コストで提供できる。
【００２６】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の複合光学装置の製造方法であって、
（１）第１または第２の光学素子の光出射部または光入射部に凸状の構造物を形成し、凸状の構造物が形成された光学素子と対向する光学素子の光出射部または光入射部に凹部（凹状構造物）を作製する工程と、
（２）第１または第２の光学素子に形成された凹部に樹脂粒を配置して融解する工程と、
（３）第１の光学素子と第２の光学素子とを接近させ、凸状の構造物と融解した樹脂を接触させる工程と、
（４）樹脂を硬化させる工程と
を順次行なうことで、請求項１−８の複合光学装置を簡便にパッシブによる低コスト実装で作製することができる。すなわち、光結合効率の高い複合光学装置を低コストで作製できる。
【００２７】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の複合光学装置を用いることで、低コストの光通信装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は本発明に係る複合光学装置の概要を示す図である。なお、図１の例では、後述の第１の光学素子は面発光レーザー、また、第２の光学素子は光ファイバーとなっている。
【００２９】
（第１の形態）
本発明の第１の形態は、図１に示すように、面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子と第１の光学素子からの光または第１の光学素子への光を伝送する第２の光学素子と前記第１および第２の光学素子に直接接触し樹脂を硬化させることによって整形された光コネクターとを有する複合光学装置において、第１および第２の光学素子と接触している光コネクターの面の断面口径が、第１，第２の光学素子の光出射部または光入射部とほぼ同じ口径となっていることを特徴としている。
【００３０】
このように、第１の光学素子と第２の光学素子との間に樹脂を挟むことで、第１の光学素子と第２の光学素子のそれぞれの界面での反射率を低下することができる。図１に見られるように光コネクターの断面が第１，第２の光学素子の光出射部または光入射部とほぼ同じ口径であることにより、光が他に漏れることがなく、高い光結合を実現することができる。
【００３１】
また、実装によるずれが生じていても、光コネクターが第１，第２の光学素子に直接接合しているため、そのずれを補償する働きがある。例えば、図２には、４本の光ファイバーがそれぞれ、Ｘ方向，Ｚ方向に若干の実装誤差をもっているように示されている。それに対し、樹脂はそれぞれに対応した形で変形している。この変形においても、光コネクターは、第１の光学素子と第２の光学素子とをつなぎ、断面の口径をほぼ同じ大きさの状態を保っている。この形状の光コネクターは導波路の役目を果たし、光結合効率は低下しない。
【００３２】
（第２の形態）
本発明の第２の形態は、上述した第１の形態の複合光学装置において、面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子の光出射部または光入射部には、凸状の構造物が形成されていることを特徴としている。
【００３３】
ここで、光出射部または光入射部とは、光ファイバーで言う所のコア領域と同じ意味で、光が透過する領域を指す。
【００３４】
このように、第１の光学素子の表面に凸状の構造物（凸状構造物）を形成することで、セルフアライメントを行なう上での立体的なアライメントマークとなりうる。立体的なアライメントマークがあることで、嵌合実装やフリップチップ実装を行なうことが可能になり、低コストで高い実装精度を実現できる。
【００３５】
すなわち、光学実装をパッシブアライメントで行なう場合には、従来ではメタル配線の境界線や別途作製したアライメントマークを利用して行ってきた。しかし、光学顕微鏡で観察するため光学的な限界があり、発生する誤差は１μｍ程度で、それ以上の高精度の実装は困難であった。これに対し、本発明では、立体的なアライメントマークがあることで、嵌合実装やフリップチップ実装を行なうことが可能になり、低コストで高い実装精度を実現できる。
【００３６】
（第３の形態）
本発明の第３の形態は、図１に示すように、面型の発光素子または受光素子である第１の光学素子と第１の光学素子からの光または第１の光学素子への光を伝送する第２の光学素子と前記第１および第２の光学素子に直接接触し樹脂を硬化させることによって整形された光コネクターとを有する複合光学装置において、第１または第２の光学素子の光出射部または光入射部には凸状の構造物が形成され、また、凸状の構造物が形成された光学素子と対向する光学素子には凹部（凹状構造物）が形成されていることを特徴としている。
【００３７】
このように、一方を凹状（凹面）にすることで、その部分に可融性の樹脂を重力利用で選択的に配置することができる。この樹脂を溶融することで、ゲル化し、形状が外部応力によって変形することが可能になる。外部応力は、第１または第２の光学素子に形成された凸状構造物が、押し当てられることで加えられる。これによって、凸形状の位置，形状に合わせたコネクターが形成される。すなわち、凹部（凹状構造物）で融解樹脂の位置制御が行なえ、凸状構造物でその融解樹脂の整形が行なわれる。このコネクターは光の結合効率を高めるように働く。これにより、光学的な限界に影響されること無く、自己整合的に高精度の実装が可能になる。
【００３８】
すなわち、光学実装をパッシブアライメントで行なう場合には、従来ではメタル配線の境界線や別途作製したアライメントマークを利用して行ってきた。しかし、光学顕微鏡で観察するため光学的な限界があり、発生する誤差は１μｍ程度で、それ以上の高精度の実装は困難であった。これに対し、本発明では、光学的な限界に影響されること無く、自己整合的に高精度の実装が可能になる。
【００３９】
（第４の形態）
上述した第１，第２，第３の形態において、光コネクターの両界面においては、一般に、透過する光が反射され、この反射があると、光結合効率は低下してしまう。
【００４０】
これを回避するため、本発明の第４の形態は、第１乃至第３のいずれかの形態の複合光学装置において、第１または第２の光学素子に形成されている凸状の構造物の材質と光コネクターの材質とは、ほぼ同じ屈折率のものであることを特徴としている。
【００４１】
このように、屈折率を同じにすることで、反射を低下させることができる。
【００４２】
（第５の形態）
また、光コネクターの表面に凹凸があると、その表面から光が散乱してしまう。
【００４３】
これを回避するため、本発明の第５の形態は、第１乃至第４のいずれかの形態の複合光学装置において、光コネクターの表面におけるラフネスが、利用する光の波長以下であることを特徴としている。
【００４４】
光の散乱は光コネクターの表面の凹凸の大きさが波長程度に大きくなると顕著になる。これに対し、光コネクターの表面におけるラフネスが、利用する光の波長以下であることで（すなわち、表面を滑らかにすることで）、表面からの散乱が少なくなり、光結合効率を向上させることができる。
【００４５】
（第６の形態）
また、本発明の第６の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態の複合光学装置において、第２の光学素子は光ファイバーであることを特徴としている。
【００４６】
第２の光学素子に形成される凹部（凹状構造物）は、立体のアライメントマークとなるため、その位置を正確に作る必要がある。凹部（凹面）の中心は光伝達する領域の中心と高い精度で一致していなければならない。
【００４７】
第２の光学素子が光ファイバーである場合には、セルフアセンブルに立体的なアライメントマークを形成でき、高い実装精度を実現できる。
【００４８】
すなわち、光ファイバーのコア領域はクラッド領域と異なった組成を有している。そのため、選択的にエッチングが可能であり、セルフアセンブルに凹面や凸面を形作ることができる。これにより、セルフアセンブルに立体的なアライメントマークを形成でき、高い実装精度を実現できる。
【００４９】
（第７の形態）
また、本発明の第７の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態の複合光学装置において、第２の光学素子は導波路であることを特徴としている。
【００５０】
第２の光学素子に形成される凹部（凹状構造物）は、立体のアライメントマークとなるため、その位置を正確に作る必要がある。凹部（凹面）の中心は光伝達する領域の中心と高い精度で一致していなければならない。
【００５１】
第２の光学素子が導波路である場合には、セルフアセンブルに立体的なアライメントマークを形成でき、高い実装精度を実現できる。
【００５２】
すなわち、導波路のコア領域は、半導体プロセスを利用して作製される。このコア領域を作製する際に、凸状または凹状の構造物を同時に作製できる。同時に作製できない場合にも、そのコア領域を作製する際に利用したアライメントマークを利用することができるため、高い精度で凸状または凹状の構造物を作製できる。これにより、セルフアセンブルに立体的なアライメントマークを形成でき、高い実装精度を実現できる。
【００５３】
（第８の形態）
また、本発明の第８の形態は、第６または第７の形態の複合光学装置において、光ファイバーまたは導波路がシングルモードであることを特徴としている。
【００５４】
伝送する光をシングルモードとすることで、高い周波数の光伝送でも光のモード分散がなく、損失を小さくすることができる。また、本発明の複合光学装置を利用することで、パッシブによる低コスト実装で、高い精度の実装が実現できる。
【００５５】
（第９の形態）
また、本発明の第９の形態は、第１乃至第８のいずれかの形態の複合光学装置の製造方法であって、
（１）第１または第２の光学素子の光出射部または光入射部に凸状の構造物を形成し、凸状の構造物が形成された光学素子と対向する光学素子の光出射部または光入射部に凹部（凹状構造物）を作製する工程（図３（ａ），（ｂ））と、
（２）第１または第２の光学素子に形成された凹部に樹脂粒を配置して融解する工程（図３（ｃ））と、
（３）第１の光学素子と第２の光学素子とを接近させ、凸状の構造物と融解した樹脂を接触させる工程（図３（ｄ），（ｅ））と、
（４）樹脂を硬化させる工程（図３（ｆ））と
を順次行なうことを特徴としている。
【００５６】
この製造方法によって、簡便に低コストで、上述した本発明の第１乃至第８のいずれかの形態の複合光学装置を作製することができる。
【００５７】
（第１０の形態）
また、本発明の第１０の形態は、第１乃至第８のいずれかの形態の複合光学装置を用いた光通信装置である。
【００５８】
具体的に、光通信装置は、例えば、本発明の第１乃至第８のいずれかの形態の複合光学装置と、ＬＳＩ、電気配線、電気コネクター、サブマウント、ステムとからなる光トランシーバーとすることができる。
【００５９】
このように、本発明の複合光学装置を利用することで、低コストの光通信装置（例えば光トランシーバー）を提供できる。
【実施例１】
【００６０】
図４，図５，図２はそれぞれ実施例１の複合光学装置の斜視図，側面図，正面図である。この実施例１の複合光学装置は、光ファイバと、面発光レーザーと、光コネクタ（図４では図示せず）とからなり、面発光レーザーと光ファイバーを固定するＶ溝サブマウントはステムに固定されている。すなわち、光ファイバーを固定するサブマウントにはＶ溝が正確に設けられており、それに合わせる形で光ファイバーを固定することができる。なお、サブマウントにはＳｉ製のものを利用している。また、ステムには加工性のよい金属を利用している。また、光ファイバーにはシリカ系のシングルモードファイバーを利用している。また、面発光レーザには１．３μｍ帯のものを利用している。また、光結合領域を拡大した図１に示す様に、光ファイバーには凹部（凹状構造物）が形成され、また、面発光レーザには凸状構造物が配置されている。この構造物同士（凹状構造物，凸状構造物同士）を結合するように、光コネクターとして利用している光波長に透明な樹脂が、面発光レーザと光ファイバーとを接続している。この光コネクターは樹脂を固めた形状である。面発光レーザの先端部にある凸状構造物も樹脂によって作製され、光コネクターと同じ材料を使用しているため、屈折率はほぼ同じである。この凸状構造物は、面発光レーザが複数配列しているウェハー状態において、フォトリソプロセスによって形成している。また、光ファイバーのコア部には凹部（凹状構造物）が設けられている。光ファイバーは、コア部のみ不純物の濃度が異なるので、ウェットエッチングの選択比を利用した方法で簡便に凹部を作製できる。
【００６１】
この複合光学装置およびサブマウント，ステムは、図６に示すように配置される。そして、ステムの上にはＬＳＩが実装され、ＬＳＩや面発光レーザーはワイヤーボンディングによって電気接続されている。このステムはプリント基板に実装され、図７の光モジュールとなる。
【００６２】
次に、このような実施例１の複合光学装置の製造方法について説明する。
【００６３】
（１）ファイバーの光結合部の作製
実施例１では、光ファイバの一端をＨＦ−ＮＨ４Ｆ系緩衝溶液を用いた化学エッチング法によって作製した。光ファイバには、ＧｅＯ２のドープ濃度が３〜１５ｍｏｌ％程度の石英系単心シングルモードファイバーを用いた。光ファイバーのコア部分には不純物が含まれており、弗化水素溶液に対するエッチング速度が異なる。このため、適当な条件を与えることによって、コア部分が凹面状または凸面状に選択的に残される。この凹状または凸状の構造物はコアの濃度分布を利用し作成しているため、コア部分に自動的に作成できるセルフアセンブルであり、その位置精度は非常に良い。弗化水素の濃度やエッチング時間をコントロールすることで、その形状は任意にコントロールできる。なお、ファイバーのクラッド径は１２５μｍ、コア径は１０μｍである。また、フッ化水素酸には、濃度が４７ｗｔ％のものを使用した。フッ化アンモニウムには５０ｗｔ％〜１００ｗｔ％のものを使用した。緩衝溶液は、体積比ＨＦ：ＮＨ４Ｆ：Ｈ２Ｏ＝Ｘ：１：１として、Ｘが０．０２〜０．８でそれぞれ１時間のエッチングを行った。室温２０℃で溶液温度を２０℃で一定に保ち、エッチング時間を１時間から６時間まで１時間毎に変化させ検討した。緩衝溶液１．５ｍｌに端面を出したファイバー端を液面下１ｍｍで固定して流動パラフィンを１０μｌ滴下してエッチングを行った。エッチング後のファイバーのコア先端はその曲率半径及び円錐角を測定した。なお、光ファイバはエッチング処理後、水及びエタノールで洗浄した。
【００６４】
（２）面発光レーザーの光結合部の作製
次に、ＧａＩｎＮＡｓ面発光レーザーについて説明する。この実施例１における面発光型半導体レーザー素子は、３インチの大きさの面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板上に，それぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さでｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｎ−ＧａＡｓとを交互に３５周期積層した周期構造からなるｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部半導体分布ブラッグ反射鏡：単に下部反射鏡ともいう）が形成されている。そして、その上に、アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層，４層のＧａＩｎＮＡｓ井戸層と５層のＧａＮＰＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層，アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層が形成されている。そして、その上に、ｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡（上部半導体分布ブラッグ反射鏡：単に上部反射鏡ともいう）が形成されている。上部反射鏡は、Ｃドープのｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｐ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（例えば２５周期）から構成されている。なお、上部反射鏡中の活性層に近い位置に、ＡｌＡｓからなる被選択酸化層を例えば３０ｎｍの厚さで設けた。上部反射鏡の最上部のＧａＡｓ層は、電極とコンタクトを取るコンタクト層を兼ねている。
【００６５】
ＭＯＣＶＤ法によるＧａＩｎＮＡｓ活性層の原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ３（アルシン），そして窒素の原料にはＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。キャリアガスにはＨ２を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので６００℃以下のような低温成長に適しており，特に低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合好ましい原料である。この実施例１のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザー素子の活性層のように歪が大きい場合は、非平衡となる低温成長が好ましい。この実施例１では、ＧａＩｎＮＡｓ層は５４０℃で成長させた。
【００６６】
そして、所定の大きさのメサを少なくともｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層の側面を露出させて形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌｘＯｙ電流狭さく部を形成した。そして次に、ポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト部と光出射部のある上部反射鏡上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト層上の光出射部以外にｐ側電極を形成し、基板の裏面にｎ側電極を形成した。ここで、光出射部の直径は約１０μｍ程度とし、電流狭さく部は直径８μｍ程度である。
【００６７】
そして、ポリイミド上部には、出射波長に対して透明である樹脂を塗布する。透明樹脂はフォトリソエッチングを行ない凸状の構造物となる。なお、樹脂はスピンコートを利用して、膜厚が約５μｍ程度になるようにプロセスを設計した。そして、樹脂の上にはレジストを５μｍ程度塗布する。レジストにはグレースケールマスクを用いて、露光する。グレースケールマスクを利用することで、任意の形状を形成することができる。このとき、先のｐ側電極を形成した際に、アライメントマークを作りこんでおき、このアライメントマークを赤外線顕微鏡で観察しながら、マスク位置を決定する。これにより、パターニングはサブμｍオーダーの位置精度が保たれる。パターニングされたレジストをドライエッチングによって、透明樹脂へ転写する。ドライエッチングの条件はガス流量比やエッチング時間、バイアス電圧を制御することで、転写される形状を制御することができる。今回はガスとしてＣ４Ｆ８とＡｒを１：１の割合で入れた。エッチング深さは５μｍ程度とし、レジストは全て取り除かれた状態である。これにより、構造物として凸状（凸面形状）が形成される。
【００６８】
（３）ステム、サブマウント、光ファイバーの作製，実装
また、この実施例１において、ステム，サブマウントは、加工性，熱膨張率，機械強度などの面から材質を検討し、金属やセラミック，半導体材料など多くのものを利用することができる。具体的に、ステムには加工性や熱導電性などの優れた金属製のものを用い、表面、もしくは面と面のなす角度などは正確に加工する。この加工は、一般的な金属加工でよく、数μｍオーダーの仕上がり精度とした。また、サブマウントには、Ｖ溝加工したものを利用した。Ｖ溝加工は、Ｓｉの異方性エッチングを利用する方法が一般的であるが、グレースケールマスクを利用してＳｉＯ２などに加工したものを利用しても良い。そして、サブマウントのＶ溝に光ファイバーを固定する。この場合、Ｖ溝の加工精度からサブμｍオーダーの位置制御が可能である。また、光軸方向の実装精度は、Ｖ溝とは無関係であるが、平面性の高い治具を利用することで、数μｍオーダーで配置できる。サブマウントの端面と光ファイバーの端面とは数μｍオーダーで一致している。この際には、サブマウント，ステムに形成したアライメントマークを利用して、数μｍオーダーでの実装を行なうことができる。光ファイバーの端面はステム表面から数μｍ程度奥に入った状態で設置される（図２を参照）。
【００６９】
（４）面発光レーザーの実装
そして、面発光レーザーをサブマウントに実装された光ファイバーへ実装する。ここで用いられる方法の概略は図３（ａ）乃至（ｆ）に示した。ここで、樹脂粒としては、コア半径とほぼ同等のものを用意し、屈折率を先の面発光レーザーの凸形状として作製した樹脂と同じになるように、同じ材質を利用した。ステム，サブマントに実装された光ファイバーの端面が上方を向くように実装装置に固定する。この光ファイバーの端面にはコア部分に凹部（凹面）が形成され、その凹面に樹脂粒を配置する。樹脂粒はこの凹面に重力によって固定される（図３（ｃ），（ｄ））。この状態で、光ファイバーおよびその雰囲気の温度を上昇させ、樹脂粒を融解する。樹脂の表面張力によって、融解した樹脂は凸状（凸面形状）となる。面発光レーザーは、裏面が真空吸着コレットによって保持され、微動できる機構をもたせてある。面発光レーザーのコア領域には凸状の構造物が形成されており、その高さは５μｍ程度である。この凸状の構造物と、融解し表面張力で凸状を形成している樹脂とのそれぞれを接近させ、接触させる。顕微鏡観察により、それぞれの位置は１μｍオーダーで微動制御しているため、高さ５μｍ，口径１０μｍの面発光レーザー表面に作製した凸状の構造物と融解樹脂の構造物とを接触させることは容易である（図３（ｅ））。面発光レーザー表面に作製した凸状の構造物と融解樹脂の構造物とを接触させた状態で、面発光レーザーを数μｍ程度引き上げる（図３（ｆ））。融解樹脂は、面発光レーザーに整形した樹脂と接触しているため、その形状を柔軟に変形させることになる。その変形において、融解樹脂の表面は、凹凸がなく、なだらかになる。また、サブミクロンのずれがあった場合にも、それを補償するような働きを示し、それぞれに最短距離になるように形状を変化させる。これにより、それぞれの面発光レーザーと光ファイバーとは光結合する。この状態で温度を下げ、樹脂を硬化させる。最後に、面発光レーザーの基板とステムとを樹脂によって固定し、機械強度をあげる。
【００７０】
（５）複合光学装置の実装
そして、面発光レーザー，光ファイバー，サブマウント，ステムによって構成された複合光学装置（図２，図４，図５）をプリント基板に実装する。ステムにはＬＳＩや電気配線がなされ、面発光レーザーとステム，プリント基板ともワイヤーボンディングによって電気配線される。プリント基板には電気配線，電気コネクターが作られている。光ファイバーもプリント基板に固定される。
【実施例２】
【００７１】
図８は実施例２の概要を示す図である。また、図９は実施例２の複合光学装置の斜視図である。実施例２の複合光学装置は、導波路、面発光レーザー、光コネクタからなり、その複合光学装置は、面発光レーザーと導波路とが同一のステムによって固定されている。ここで、ステムには、加工性のよい金属を利用した。また、導波路には、ＬｉＴａＯ３を基板にし、Ｔｉを熱拡散させたものを利用した。また、面発光レーザーには、１．３μｍ帯のものを利用している。また、光結合領域を拡大した図１に示す様に、光ファイバー（実施例２では、光ファイバーを導波路に置き換える）には凹部（凹状構造物）が形成され、面発光レーザーには凸状の構造物が形成されている。この構造物同士（凹状構造物，凸状構造物同士）を結合するように、光コネクターとして利用している光波長に透明な樹脂が、面発光レーザーと導波路とを接続している。この光コネクターは樹脂を固めた形状である。面発光レーザーの先端部にある凸状構造物も樹脂によって作製され、光コネクターと同じ材料を使用しているため、屈折率はほぼ同じである。この凸状構造物は、面発光レーザーが複数配列しているウェハー状態において、フォトリソプロセスによって形成している。また、導波路のコア部には凹部（凹状構造物）が設けられている。導波路には、Ｔｉをパターニングした時に用いたアライメントマークがあり、それを利用することで、高精度に凹部（凹状構造物）を作り込むことができる。
【００７２】
この複合光学装置および導波路，ステムは図１０に示すように配置される。そして、ステムの上にはＬＳＩが実装され、ＬＳＩや面発光レーザーはワイヤーボンディングによって電気接続されている。このステムはプリント基板に実装され、図１１の光モジュールとなる。
【００７３】
次に、このような実施例２の複合光学装置の製造方法について説明する。
【００７４】
（１）導波路の作製
導波路はＬｉＴａＯ３を基板にし、Ｔｉを熱拡散させたものを利用した。Ｔｉは通常のフォトリソグラフィーによってパターニングされる。この時に用いたアライメントマークを利用して、図８に見られるような凹部（凹状構造物）を導波路の端面に対応する位置に形成する。作製方法は、通常のレジストを用いたフォトリソグラフィーによってパターン形成し、その基板をドライエッチングによって加工する。この実施例２では、フォトリソグラフィーにおける工程で、アライメントマークを位置合わせし、複数の導波路が作りこまれたウェハーに一括して凹部（凹状構造物）を作製するため、低コストで高い位置精度を実現できる。これによって、導波路の一部に凹部（凹面形状）が作製され、その部分が端面になるようにダイシングした後に研磨させる。ダイシング，研磨によって研磨くずが凹部（凹状構造物）に入り込むことや、チッピングによって凹部（凹状構造物）が破損することを防止するために、プロセス中は凹部には樹脂を埋めておき、最後に洗浄する際に樹脂を取り除く。
【００７５】
（２）面発光レーザーの光結合部の作製
次に、ＧａＩｎＮＡｓ面発光レーザーについて説明する。この実施例２における面発光型半導体レーザー素子は、３インチの大きさの面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板上に，それぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さでｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｎ−ＧａＡｓとを交互に３５周期積層した周期構造からなるｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部半導体分布ブラッグ反射鏡：単に下部反射鏡ともいう）が形成されている。そして、その上に、アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層，４層のＧａＩｎＮＡｓ井戸層と５層のＧａＮＰＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層，アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層が形成されている。そして、その上に、ｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡（上部半導体分布ブラッグ反射鏡：単に上部反射鏡ともいう）が形成されている。上部反射鏡は、Ｃドープのｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｐ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（例えば２５周期）から構成されている。なお、上部反射鏡中の活性層に近い位置に、ＡｌＡｓからなる被選択酸化層を例えば３０ｎｍの厚さで設けた。上部反射鏡の最上部のＧａＡｓ層は、電極とコンタクトを取るコンタクト層を兼ねている。
【００７６】
ＭＯＣＶＤ法によるＧａＩｎＮＡｓ活性層の原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ３（アルシン），そして窒素の原料にはＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。キャリアガスにはＨ２を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので、６００℃以下のような低温成長に適しており，特に低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合好ましい原料である。この実施例２のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザー素子の活性層のように歪が大きい場合は、非平衡となる低温成長が好ましい。この実施例２では、ＧａＩｎＮＡｓ層は５４０℃で成長させた。
【００７７】
そして、所定の大きさのメサを少なくともｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層の側面を露出させて形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌｘＯｙ電流狭さく部を形成した。そして、次にポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト部と光出射部のある上部反射鏡上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト層上の光出射部以外にｐ側電極を形成し、基板の裏面にｎ側電極を形成した。ここで、光出射部の直径は約１０μｍ程度とし、電流狭さく部は直径８μｍ程度である。
【００７８】
そして、ポリイミド上部には、出射波長に対して透明である樹脂を塗布する。透明樹脂はフォトリソエッチングを行ない凸状の構造物となる。なお、樹脂はスピンコートを利用して、膜厚が約５μｍ程度になるようにプロセスを設計した。そして、樹脂の上にはレジストを５μｍ程度塗布する。レジストにはグレースケールマスクを用いて、露光する。グレースケールマスクを利用することで、任意の形状を形成することができる。このとき、先のｐ側電極を形成した際に、アライメントマークを作りこんでおき、このアライメントマークを赤外線顕微鏡で観察しながら、マスク位置を決定する。これにより、パターニングはサブμｍオーダーの位置精度が保たれる。パターニングされたレジストをドライエッチングによって、透明樹脂へ転写する。ドライエッチングの条件はガス流量比やエッチング時間、バイアス電圧を制御することで、転写される形状を制御することができる。今回はガスとしてＣ４Ｆ８とＡｒを１：１の割合で入れた。エッチング深さは５μｍ程度とし、レジストの残さはほとんどない状態である。これにより、構造物として凸状（凸面形状）が形成される。
【００７９】
（３）ステム、導波路の作製、実装
また、この実施例２において、ステムには、加工性や熱導電性などの優れた金属製のものを用い、表面、もしくは面と面のなす角度などは正確に加工する。この加工は、一般的な金属加工でよく、数μｍオーダーの仕上がり精度とした。次いで、先に作製した導波路をステムに固定する。この際、実装精度は、高い精度の実装機を用いることで、数μｍオーダーで配置できる。導波路の端面はステム表面から数μｍ程度奥に入った状態で設置される。
【００８０】
（４）面発光レーザーの実装
そして、面発光レーザーを導波路へ実装する。ここで用いられる方法の概略は図３（ａ）乃至（ｆ）（ただし、図３（ａ）乃至（ｆ）において導波路を光ファイバーと置きかえる）に示した。ここで、樹脂としては、ＵＶ硬化が可能なものを利用し、屈折率が、先の面発光レーザーの凸形状として作製した樹脂と同じになるように、同じ材質を利用した。ステムに実装された導波路の端面が上方を向くように実装装置に固定する。この導波路の端面にはコア部分に凹部（凹面）が形成され、その凹面に樹脂を配置する。ここでは、樹脂には粘性の高いゲル状のものを用い、凹面中心部を狙って樹脂を塗りつける。粘性によって樹脂は形状を変形し、コア領域から数μｍ程度突起した状態となる。面発光レーザーは、裏面を真空吸着コレットによって保持され、微動できる機構をもたせてある。面発光レーザーのコア領域には凸状の構造物が形成されており、その高さは５μｍ程度である。この凸状の構造物と、表面張力で凸状となっているゲル状樹脂の構造物とのそれぞれを接近させ、接触させる。顕微鏡観察により、それぞれの位置は１μｍオーダーで微動制御しているため、高さ５μｍ，口径１０μｍの面発光レーザー表面に作製した凸状の構造物とゲル状樹脂の構造物とを接触させることは容易である（図３（ｅ））。面発光レーザー表面に作製した凸状の構造物とゲル状樹脂の構造物とを接触させた状態で、面発光レーザーを数μｍ程度引き上げる（図３（ｆ））。ゲル状樹脂は、面発光レーザーに整形した樹脂と接触しているため、その形状を柔軟に変形させることになる。その変形において、ゲル状樹脂の表面は、凹凸がなく、なだらかになる。また、サブミクロンのずれがあった場合にも、それを補償するような働きを示し、それぞれに最短距離になるように形状を変化させる。これにより、それぞれの面発光レーザーと導波路とは光結合する。この状態でＵＶを照射し、ゲル状樹脂を硬化させる。最後に、面発光レーザー基板とステムとを他の樹脂によって固定し、機械強度をあげる。
【００８１】
（５）複合光学装置の実装
そして、面発光レーザー，導波路，ステムによって構成された複合光学装置（図１０）をプリント基板に実装する（図１１）。ステムにはＬＳＩや電気配線がなされ、面発光レーザーとステム，プリント基板ともワイヤーボンディングによって電気配線される。プリント基板には電気配線，電気コネクターが作られている。導波路には光ファイバーが実装され、外部に光信号として取り出せる。また、上記の導波路にはスプリッタが設けられており、スプリッタは、光ファイバーからの入射光をフォトダイオードへ導き、面発光レーザーから出射された光を光ファイバーへ導くように機能する。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】図１は本発明に係る複合光学装置の概要を示す図である。
【図２】実施例１の複合光学装置を示す図である。
【図３】本発明の複合光学装置の製造工程例を示す図である。
【図４】実施例１の複合光学装置を示す図である。
【図５】実施例１の複合光学装置を示す図である。
【図６】実施例１の光モジュールを示す図である。
【図７】実施例１の光モジュールを示す図である。
【図８】実施例２の複合光学装置を示す図である。
【図９】実施例２の複合光学装置を示す図である。
【図１０】実施例２の光モジュールを示す図である。
【図１１】実施例２の光モジュールを示す図である。
【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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