(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ結合光学素子と、光送信器としてのレーザチップと、光受信器と、光路に中間配置されたビームスプリッターとを備え、これらの少なくとも一部がケースによって囲まれている、光導波路を介して二方向光通信及び信号伝送を行うための送信及び受信モジュールにおいて、レーザチップ（１）は、このレーザチップ（１）の共振器面に隣接する側面がミラー膜（５）を備えかつ共振器面に対してほぼ４５°の角度で傾斜する２つの支持体部材（３、４）間で共通支持体（２）上に配置され、それによりレーザチップ（１）から放出された光は共通支持体（２）の上面に対してほぼ垂直に上方へ向けて、レーザチップ（１）の上方に配置されて少なくとも１つの支持体部材（３、４）に固定されたレンズ結合光学素子（６）へ向けられ、レーザチップ（１）の正面に隣接するミラー膜（５）はレーザチップ（１）から放出された光を反射しかつ光導波路（７）からレンズ結合光学素子（６）を介して入射する光を透過させるビームスプリッター（９）を備え、このビームスプリッター（９）の下方では共通支持体（２）の下側に光受信器（８）又は光受信器（８）用の光結合器が設けられることを特徴とする二方向光通信及び信号伝送用送信及び受信モジュール。
【請求項２】
光受信器（８）用の光結合器は別の光導波路（１７）及び／又は別のレンズ結合光学素子（１６）を含むことを特徴とする請求項１記載のモジュール。
【請求項３】
共通支持体（２）はシリコンから成ることを特徴とする請求項１又は２記載のモジュール。
【請求項４】
ビームスプリッター（９）は所定の波長を予め定められた比率で分割することを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のモジュール。
【請求項５】
ビームスプリッター（９）は波長選択形ビームスプリッターであることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のモジュール。
【請求項６】
モジュール部品の光入射面及び光出射面は光学的コーティング部（１２）を備えることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載のモジュール。
【請求項７】
支持体部材（３、４）はガラス又はシリコンから成り、台形状断面を有することを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のモジュール。
【請求項８】
支持体部材（３、４）の隣接する側面上に設けられたミラー膜（５）は誘電体物質から成ることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載のモジュール。
【請求項９】
レンズ結合光学素子（６）は屈折形及び／又は回折形レンズを集成したレンズチップであることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載のモジュール。
【請求項１０】
レンズチップはシリコン、炭化シリコン、リン化ガリウム又はガラスから成ることを特徴とする請求項９記載のモジュール。
【請求項１１】
両支持体部材（３、４）の一方又はレンズ結合光学素子（６）上にはモニタ用チップ（１３）がレーザチップ（１）によって作られた光の一部を受信可能であるように配置されて固定されることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載のモジュール。
【請求項１２】
光受信器（８）はフォトダイオード、フォトトランジスタ、もしくは集積増幅器又は個別増幅器を備えた光ＩＣであることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載のモジュール。
【請求項１３】
支持体部材（３、４）は、共通支持体２内の窪みに嵌め込まれていることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載のモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レンズ結合光学素子と、光送信器としてのレーザチップと、光受信器と、光路に中間配置されたビームスプリッターとを備え、これらが少なくとも一部がケースによって囲まれている、光導波路を介して二方向光通信及び信号伝送を行うための送信及び受信モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の送信及び受信モジュールは公知であり、例えばヨーロッパ特許出願公開第０４６３２１４号公報に記載されている。このモジュールは二方向通信又はデータ伝送を行うために全二重駆動方式又は半二重駆動方式で駆動される。
【０００３】
ヨーロッパ特許出願公開第０２３８９７７号公報により公知である二方向光通信網用送信及び受信モジュールにおいては、主としてレーザダイオードと光ファイバー端部との間に、レーザ光をファイバー端部に集束させる２つの球レンズが互いに間隔をおいて配置される。球レンズ間には光ビーム分離装置即ちビームスプリッターが配置されている。このビームスプリッターは、ファイバー端部から送信器から遠い方のレンズへ向けて発散放射されてこのレンズにより集束されるレーザ光の波長とは異なった波長を持つ光を光路から分離して、検出器即ち光受信器に導く。このようなモジュールの調整不良感度を回避するために、レーザダイオード及びこのレーザダイオードに近接配置されたレンズは共通支持体上に互いに相対的に調整不良なく固定される。少なくとも、レーザダイオード即ち光送信器と、この送信器に近い方のレンズと、光ビーム分離装置（ビームスプリッター）と、光受信器（検出器）とは、光ファイバーの端部が一方の波長の光の共通ケースに対して相対的に位置固定されるように規定された焦点内に配置されるように、その光ファイバーの端部を接続可能である１つのケース内に収容される。特にケース内に収納された能動半導体デバイス（光送信器及び光受信器）を外界からの擾乱から保護するために、ケースはハーメチックシールされる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭で述べた種類の送信及び受信モジュールにおいて、製造費用を著しく減少させ、しかもレーザチップの直ぐ前に配置されたレンズ結合光学素子を簡単に調整しかつ安定に固定できるようにモジュールを形成することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明によれば、レーザチップは、このレーザチップの共振器面に隣接する側面がミラー膜を備えかつ共振器面に対してほぼ４５°の角度で傾斜する２つの支持体部材間で共通支持体上に配置され、それによりレーザチップから放出された光は共通支持体の上面に対してほぼ垂直に上方へ向けて、レーザチップの上方に配置されて少なくとも１つの支持体部材に固定されたレンズ結合光学素子へ向けられ、レーザチップの正面に隣接するミラー膜はレーザチップから放出された光を反射しかつ光導波路からレンズ結合光学素子を介して入射する光を透過させるビームスプリッターを備え、このビームスプリッターの下方では共通支持体の下側に光受信器又は光受信器用の光結合器が設けられることによって解決される。
【０００６】
本発明の有利な実施態様は請求項２以降に記載されている。
【０００７】
【作用効果】
本発明によって得られる利点は、特に、送信及び受信モジュールがマイクロメカニクス及びマイクロオプティクスの素子及び技術を使用して、サブ支持体（サブマウント）上へレーザチップを簡単に取付けることと、ウェハアレイで多数のこの種のモジュール・サブ部品を経済的に製造することを可能にした構成を有する点である。その場合、全ての機械的結合素子及び光結像素子並びにレーザチップは同時に取付けられ、その後個別化され、ケース内へ組込まれる。本発明によるモジュールは省スペース構成、機械的に安定なレンズ結合光学素子及び規定された光線特性の点で優れている。
【０００８】
本発明による二方向モジュールは、プラスチック又はガラスから成る光導波路のような光ファイバ又は光通信技術用の石英製のいわゆる多モードファイバ又は単一モードファイバを介して光信号伝送もしくは光通信又は光データ伝送を行うオプトエレクトロニクス送信及び受信デバイスとして使用可能である。
【０００９】
【実施例】
次に本発明を図面に示された実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１０】
図１及び図２に概略的に示された二方向送信及び受信モジュールは主としてレンズ結合光学素子６を有する光送信器としてのレーザチップ１と、光受信器８と、光路に中間配置されたビームスプリッター９とから構成され、これらは少なくとも一部がケース１０によって囲まれている。モジュールには外部の光導波路７が光学的に結合可能である。光結合はレーザチップ１の上方に配置されたレンズ結合光学素子６を介してケース１０の窓１１を通して行われる。この窓１１はガラス膜２３によってケース１０にガラス封着されている。レーザチップ１は共通支持体２上に配置されている。この共通支持体２は特にシリコンから成り、サブマウントとして例えばＴＯケースの底板１９上に取付けることができる。レーザチップ１は２つの支持体部材３、４間で共通支持体２上に配置されている。支持体部材３、４の、レーザチップ１の光共振器面に隣接する側面はミラー膜５を備え、共振器面に対して約４５°の角度で傾斜しており、それゆえレーザチップ１から放出されたコヒーレント光は発散光束として共通支持体２の上面に対してほぼ垂直に上方へ向けて、レーザチップ１の上方に配置されているレンズ結合光学素子６へ方向転換される。両支持体３、４は特にガラス又は支持体２と同じようにシリコンから成り、台形状断面を有している。これらの両支持体部材３、４の調整及び固定を特に簡単にするために、共通支持体２に両支持体部材３、４に合う窪み又は溝を設け、この窪み又は溝内に支持体部材３、４を嵌め込んでそこに固定すると有利である。ミラー膜５として支持体部材３、４の隣接する側面上に誘電体物質から成る膜を設けると好適である。少なくとも一方の支持体部材、この実施例では支持体部材３上にレンズ結合光学素子６が、レーザチップ１から放出された光がこのレンズ結合光学素子６にほぼ垂直に当たるように配置されて固定されている。
【００１１】
レーザチップ１の正面に隣接するミラー膜５はビームスプリッター９を備えており、このビームスプリッター９はレーザチップ１から放出された光を反射しそして光導波路７からレンズ結合光学素子６を介して入射する光を透過させる。ビームスプリッター９の下方では共通支持体２の下側に光受信器８（図１参照）又は光受信器８用の光結合器（図２参照）が設けられている。光受信器８用の光結合器は別の光導波路１７及び／又は別のレンズ結合光学素子１６を含み、図２ではケース１０の底板１９の孔１８内に配置されている。
【００１２】
ビームスプリッター９は異なった光波長又は同じ光波長用の光分離装置を形成する。送信枝路及び受信枝路の異なった光波長に対しては、即ちビームスプリッター９が波長選択的に作動する場合、９５％以上の分離を達成することができる。同じ波長の場合には両枝路に対して例えば５０％又は他の値の分離を設定することができる。
【００１３】
二方向伝送を達成するためには、支持体部材３上に設けられてレーザチップ１の正面に隣接するミラー膜５だけが、レーザから放出された波長のレーザ光を反射して光導波路７から到来する他の波長の光を透過させるフィルタ膜をビームスプリッター９として備えることが必要である。１．１μｍ以上の波長を持つ光の場合、シリコンは透明であり、そして特にシリコンから成る共通支持体２の下側において光出射個所に適当な光受信器８又は外部の光受信器８用の適当な光結合器を取付けることで十分である。光受信器８としては、フォトダイオード、フォトトランジスタ、もしくは必要に応じて集積増幅器又は個別増幅器又はハイブリッド増幅器を備えた光ＩＣを使うと好適である。光受信器８を支持体２上の空所内へ直接に又は適当なサブマウント２０に設置して据付けることができる。光受信器８がこの光受信器８の上方のレーザチップ１を調整するために使う調整マークを備えると有利である。
【００１４】
レンズ結合光学素子６は特に屈折形及び／又は回折形レンズを集成したレンズチップである。このレンズチップ即ちレンズ結合光学素子６は同様にレーザチップ１上に位置するように両支持体部材３、４上に調整して固定することもできる。レンズチップはレーザチップ１から放出された波長に応じて透過させるガラス又はシリコン、炭化シリコン、リン化ガリウムのような半導体材料から構成される。レンズ結合光学素子６として片側の一方の支持体部材上だけに配置されるか又は両側の両方の支持体部材３、４上に配置することのできるレンズチップはそのパターン化及び／又は湾曲した面が下方へ向けて、即ちこのレーザチップ１側の面が一方の支持体部材又は両方の支持体部材３、４上に取付けられて固定される。このような装置は外部の湾曲部もしくはパターン部を有する装置に比べて公差に関して好都合である。レンズ結合光学素子６としては、レンズが集成されているレンズチップの他に、例えばシリコンから成るレンズ支持体の開口部内に固定された例えば球レンズ又は円筒レンズを使用することもできる。
【００１５】
例えば主要構成要素として共通支持体２と、レーザチップ１と、支持体部材３，４と、レンズ結合光学素子６とを有する多数のサブマウントは、特にウェハアレイで経済的に製造することができる。その際共通支持体２として特にシリコンから成るウェハは、レーザチップのボンディングのために適当な金属パターン１４を備えている。この支持体２には例えば数百μｍの幅と間隔とを有する平行な複数の窪みもしくは溝がエッチング形成される。溝深さは数百μｍまでの大きさにすることができる。この溝内又は共通支持体上に直接支持体部材３、４が、両側面の延長線が直角に交差する台形状断面を有するプリズム条体の形で入れられて陽極として又はろう付け技術によりボンディングされる。支持体部材３、４の隣接する側面はミラー膜５を備えている。ＳｉＯ2 −ＴｉＯ2 、ＳｉＯ2 −Ｓｉ、Ａｌ2 Ｏ3 −Ｓｉのような膜列又はこれらの膜列の組合わせ又は他の誘電体膜から成る誘電体ミラーを設けると有利である。プリズム状支持体部材３、４の狭い上面は、例えばＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｃｒ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｕ、Ｔｉ−Ｐｔ−ＡｕＳｎ、Ｎｉ−Ａｕから成るろう付け可能な金属膜パターン１５、又は他のろう付け可能な膜を備えることができる。
【００１６】
サブマウントを構成するために、共通支持体２上に設けられた金属パッドもしくは金属パターン１４上には、支持体２側の下面に必要に応じて約１μｍ〜１０μｍの厚みのＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉ、ＰｂＳｎから成るろう膜又は他のろう付け可能な膜を備えたレーザチップ１が支持体部材３、４の前に所定の間隔でろう付け固定される。
【００１７】
光方向転換を行うための反射形プリズム状支持体部材３、４を有するレーザサブマウントの特別な実施例によれば、半導体技術では一般的に行われているが公知のエッジ放射形レーザでは従来適用可能ではなかったテストをオプトエレクトロニクス量を検出するために補助の光測定ヘッドだけを用いて標準ウェハサンプラ上で行うことが可能である。
【００１８】
測定後、ウェハは個々のサブマウント（支持体２）へ選択的に分割され、その場合各サブマウント（支持体２）は１つのレーザチップ１とこのレーザチップ１の正面前及び背面前にそれぞれ位置するそれぞれ１つのプリズム状支持体部材３、４とを含む。ウェハ、特にシリコンウェハ（支持体２）を個々のサブマウントに分割することは同様にレーザチップ１の取付前に既に行うことができる。サブマウントはその後個々に継続加工することができる。
【００１９】
サブマウントを個別化する前又は後に、この実施例ではレンズが屈折形又は回折形であるレンズチップの形のレンズ結合光学素子６は、能動的又は受動的に、即ち補助手段としてレーザを駆動するか又は駆動せずに、レーザチップ１の正面前に位置する支持体部材３のミラー膜５の上方でｘ方向及びｙ方向へ調整されてろう付け又は接着により支持体部材３の上面に有利に固定される。必要なろうは例えばレンズチップ上への蒸着によって設けることができ、このろうは固定のために台板（支持体部材３）への圧力接触にて溶かされる。支持体部材３、例えばガラスプリズムの熱抵抗は、ろう付け工程の際支持体２、例えばＳｉ基板の材料が僅かしか加熱されないように設定される。
【００２０】
レーザチップ１の正面−支持体部材３間の距離と、この支持体部材３−レンズチップ６間の距離と、レンズチップ６内のレンズの光学的厚みとの総和は光結像の物体距離となる。しかしながら、レンズチップの湾曲部がレーザチップとは反対側にある場合、レンズチップ６のレンズの光学的厚みは物体距離の一部分として考えることができる。光結合の物体距離は支持体部材３−レンズチップ６間の距離が一定でかつレンズチップ６内のレンズの光学的厚みが一定の際には横方向移動だけによって、即ちレーザチップ１の正面を支持体部材３へ近づけるか又は支持体部材３から遠ざけることによりレーザチップ１の正面と支持体部材３との距離を変えることによって調整もしくは変更することができる。それによって、レーザ点の結像はレンズチップ６のレンズ前に予め定められた距離で位置する光導波路、７（光ファイバ）のコアに非常に簡単に合わせることができる。
【００２１】
使用されたレンズチップはウェハ工程において特別なホトリソグラフ法及びエッチング法により製造することができる。レンズ材料は技術的な要求に応じて選択される。１．１μｍ以上の波長に対してはシリコンを使用するのが有利であり、短波長に対しては特殊ガラス、又は例えばリン化ガリウム、炭化シリコンのような半導体材料を使用するのが有利である。シリコンはしかしながら同様にレンズ支持体でもあり得る。シリコンを使用すると温度変化に対して特に安定した構成が得られる。というのは、共通支持体２（サブマウント）、支持体部材３、４（例えばガラスプリズム）及びレンズ結合光学素子６（レンズチップ）は問題となる温度区間ではほぼ同じ膨張係数を有するからである。
【００２２】
レンズ結合光学素子６を支持する支持体部材３とは反対側に位置する一方の支持体部材４の上側に適当なモニタ用ダイオード１３を、このダイオードの一部分が支持体部材４上に設けられたミラー膜５を越えて突出するように設けると好適である。それによって、レーザチップ１の後方ミラー（後方共振器側）から出射して隣接ミラー膜５のところで上方へ反射される光子（背面光）がモニタ用ダイオード１３の透明基板を通ってモニタ用ダイオードのｐｎ接合に到達することができる。不透明基板を有するモニタ用ダイオードの場合、ダイオード１３はｐｎ接合を下にして支持体部材４上に設けられる。しかしながら、モニタ用ダイオード１３は例えばレンズチップが両支持体部材３、４にわたって延在する場合にはレンズ結合光学素子６上又はその上方に配置することができる。
【００２３】
オプトエレクトロニクス試験の後、レーザチップ１、支持体部材３、４、レンズ結合光学素子６及びモニタ用ダイオード１３が設けられている共通支持体２（サブマウント）即ちマイクロモジュールは、通常の半導体チップと同じようにダイボンディング技術及びワイヤボンディング技術にて予め備えられた共通支持体１９、例えばＴＯケースの底板上に取付けられる。この底板１９内にはモジュールのオプトエレクトロニクスデバイスのために必要な電気リード線２１もしくは接触部が設けられ、そしてガラスシール２２によって固定される。
【００２４】
送信及び受信モジュールは、光が入射もしくは出射する個所に特に窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）から成る光学的コーティング膜１２を有する。プリズム状支持体部材３の下の光入射個所では支持体部材３とコーティング膜１２とは物理的接触（波長の十分の一以下の間隔）しており、それゆえ支持体部材３の側面つまり光受信器８側の側面での反射損失は同様に回避される。
【００２５】
１．１μｍ以下の波長を持つ光線（光）の場合、特にシリコンから成る共通支持体２（サブマウント）には開口部がエッチング形成され、それにより光は支持体部材３（プリズム）から空気中を通って光受信器８（例えばフォトダイオード）に直接当たることができる。
【００２６】
反射によって惹き起こされ得るレーザ光をブロックすることが必要である場合、光受信器８の光入射側に適当なフィルタを設けることができる。このフィルタは接着することができる。このフィルタは吸収フィルタ又は反射フィルタから構成することができる。しかしながら、このフィルタはエピタキシャル膜又は誘電体フィルタとして受信ダイオードに直接設けることができる。
【００２７】
半二重駆動の場合、支持体部材３のミラー膜５上のビームスプリッター９は３ｄＢスプリッターとして形成される。というのは、この場合にはレーザの波長と光導波路の波長とは僅かしか異なっていないからである。光受信器８の上方のフィルタはその際には必要とされない。
【００２８】
図２に示された実施例においては、光受信器８は図１の場合のようにケース１０の内部に設けられているのではなく、外部デバイスとしてケース１０の外部に設けられている。このために、トランシーバー・モジュールは外部の光受信器用の光結合器、この実施例では球レンズの形態の別のレンズ結合光学素子１６と別の光導波路１７とから構成されてこれらの別のレンズ結合光学素子１６及び別の光導波路１７がモジュールケース１０の底板１９の孔１８内にガラス封着されてそこに固定された光結合器を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によりケース内に集成された光受信器を備えた二方向送信及び受信モジュールを示す概略図。
【図２】外部の光受信器のためにケース内に集成された光結合器を備えた二方向送信及び受信モジュールを示す概略図。
【符号の説明】
１  レーザチップ
２  共通支持体
３、４    支持体部材
５  ミラー膜
６  レンズ結合光学素子
７  光導波路（光ファイバ）
８  光受信器
９  ビームスプリッター
１０  ケース
１１  窓
１２  光学的コーティング膜
１３  モニタ用ダイオード
１４  金属化パターン
１５  金属膜パターン
１６  別のレンズ結合光学素子
１７  別の光導波路
１８  孔
１９  底板
２０  サブマウント
２１  電気リード線
２２  ガラスシール
【図１】
0003782126.tif 000002
【図２】
0003782126.tif 000003