(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を光ファイバで伝送する光伝送システムにおいて、信号光源である半導体レーザ素子の光を伝送路である単一モード光ファイバに光結合させる光半導体結合装置の製造方法であって、
基板の表面に、該単一モード光ファイバが実装される溝と、該半導体レーザ素子の該基板への実装位置の近傍かつ外側であって、該実装位置の左右にそれぞれ複数のピットとを、同時にエッチングにより形成するエッチング工程と、
前記基板に前記半導体レーザ素子を実装する工程と、を包含し、
前記複数のピットの間の間隙に相当する非エッチング領域を、前記半導体レーザ素子を前記基板に対して位置決めするための第１の位置決めマーカーとして使用する、光半導体結合装置の製造方法。
【請求項２】
前記単一モード光ファイバが実装される前記溝の幅が約１００μｍ〜約２００μｍのオーダーであり、前記非エッチング領域の幅が約５μｍ以下である、請求項１に記載の光半導体結合装置の製造方法。
【請求項３】
前記エッチング工程において、オーバーエッチング効果を利用して、前記ピットを、エッチングマスクの対応する開口部のサイズよりも大きいサイズを有するように形成する、請求項１または２に記載の光半導体結合装置の製造方法。
【請求項４】
前記基板に単一モード光ファイバを実装する工程をさらに包含する、請求項１または２に記載の光半導体結合装置の製造方法。
【請求項５】
前記半導体レーザ素子の実装工程において、
前記第１の位置決めマーカーを画像認識して、その画像の中の所定の位置に該第１の位置決めマーカーが位置するように前記基板を移動する工程と、
前記半導体レーザ素子に形成された第２の位置決め用マーカーを画像認識して、その画像の中の所定の位置に前記第２の位置決め用マーカーが位置するように前記半導体レーザ素子を移動する工程と、
取り込まれた互いの画像の中の前記第１の位置決めマーカーと前記第２の位置決めマーカーとが重なるように該半導体レーザ素子を前記基板に対して位置決めする工程とをさらに包含する、請求項４に記載の光半導体結合装置の製造方法。
【請求項６】
前記半導体レーザ素子はダブルチャンネル型構造を有しており、
該ダブルチャンネル構造におけるメサストライプと前記複数のピットの間の間隙に相当する非エッチング領域とが相対するように、該半導体レーザ素子を前記基板に対して位置決めして実装する、請求項４に記載の光半導体結合装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いて光信号を伝送するいわゆる光ファイバ通信において、伝送路である光ファイバと光源である半導体レーザ素子とを光学的に高い結合効率で結合する光半導体結合装置、並びにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、データや多チャンネルの映像情報をセンター局から一般家庭まで光ファイバを用いて伝送する光加入者系システムが提案され、検討されている。このような光加入者系システムでは、一般家庭の加入者端末において、波長多重されている送信されてくる異種の（複数の）光信号を同時に受信するためのより安価で且つより高性能な複数の受光装置と、家庭からセンターに向けてリクエストやデータを送るためのより安価で且つより高性能な発光型光半導体結合装置と、を備える必要がある。
【０００３】
上記のような目的に使用される光半導体結合装置の製造にあたっては、低価格化を実現するために、光源として機能する半導体レーザ素子を駆動させずに半導体レーザ素子と単一モード光ファイバを結合させる、パッシブアライメント方式の実装技術を必要とする。ここで、光ファイバの実装にあたっては、Ｓｉ基板をエッチングして形成されるＶ溝を使用することで、非常に正確な実装が実現され得ることが既に確認されている。しかし、その一方で、半導体レーザ素子の実装に関しては、半導体レーザ素子が電極を有することやそのサイズが小さいことなどの理由により、光ファイバと同等の精度で実装することが困難である。そこで、半導体レーザ素子をパッシブアライメント方式で、より高精度に実装する技術が必要となる。
【０００４】
上記の目的のために使用される光半導体結合装置の実装方法の一例として、T.Hashimoto.、ＭＯＣ'95、Ｄ５(1995)に提案されている構成を図１３に示す。
【０００５】
図１３の光半導体結合装置では、エッチングにより形成されたＶ溝１００３を有するＳｉ基板１００１の表面上の半導体レーザ素子実装部に、Ａｕ電極配線パターン１００４及び位置決め用のＡｕマーカ１００５が形成されている。一方、実装される半導体レーザ素子１００２にも、Ａｕ表面電極（不図示）及び位置決め用Ａｕマーカ１００６が形成されている。ここで、Ｓｉ基板１００１及び半導体レーザ素子１００２の位置決め用Ａｕマーカ１００５及び１００６は、何れもＡｕ電極配線パターン１００４或いはＡｕ表面電極と同時に形成できる。従って、図１３の構成では、パッシブアライメントのための特別な加工工程を要しない。
【０００６】
以上のような図１３の構成において、Ｓｉ基板１００１の側の位置決め用マーカ１００５と半導体レーザ素子１００２の側の位置決め用マーカ１００６とを、Ｓｉ基板１００１を透過する赤外光源１００８を用いてＣＣＤカメラ１００９により画像認識することにより、Ｓｉ基板１００１と半導体レーザ素子１００２との位置合わせが行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来技術による光半導体結合装置における半導体レーザ素子１００２の実装方法では、Ｓｉ基板１００１の側の位置決め用Ａｕマーカ１００５の形成時に、エッチングマスクをＶ溝１００３に対して光軸が一致するように位置合わせする必要がある。しかし、このエッチングマスクの位置合わせの際には、ずれの発生が必至であり、このために位置決め用Ａｕマーカ１００５が位置ずれした状態で形成されることになる。さらに、このように位置ずれの生じている位置決め用Ａｕマーカ１００５を使用して半導体レーザ素子１００２の位置合わせを行うと、結果的に二重の位置ずれが生じる。
【０００８】
さらに、上記の従来の方法では、赤外光源１００８及び１つのＣＣＤカメラ１００９を使用して、必要な画像認識処理を行う。しかし、この方法では、ＣＣＤカメラ１００９から異なる距離に位置する２つのマーカ１００５及び１００６を同時に観察する必要があるので、何れか一方のマーカがデフォーカスされて、ぼけた状態で画像認識されるという問題がある。
【０００９】
また、サブミクロンオーダで位置合わせを行なう場合には、位置決め用Ａｕマーカ１００５及び１００６が微細なほど、正確な位置合わせができる。しかし、従来技術では、Ａｕマーカ１００５及び１００６は一般に蒸着により形成されており、そのような蒸着によるパターン１００５及び１００６のエッジは、ミクロンオーダで揺らぐ。その結果、正確な画像認識が行なえない可能性がある。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、（１）光半導体結合装置における半導体レーザ素子や光ファイバなどのより高精度な実装を可能にする光半導体結合装置の製造方法を提供すること、並びに、（２）そのような製造方法を利用して構成された低価格で且つ高性能の光半導体結合装置を提供すること、である。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の光半導体結合装置の製造方法は、光信号を光ファイバで伝送する光伝送システムにおいて、信号光源である半導体レーザ素子の光を伝送路である単一モード光ファイバに光結合させる光半導体結合装置の製造方法であって、基板の表面に、該単一モード光ファイバが実装される溝と、該半導体レーザ素子の該基板への実装位置の近傍かつ外側であって、該実装位置の左右にそれぞれ複数のピットとを、同時にエッチングにより形成するエッチング工程と、前記基板に前記半導体レーザ素子を実装する工程と、を包含し、
前記複数のピットの間の間隙に相当する非エッチング領域を、前記半導体レーザ素子を前記基板に対して位置決めするための第１の位置決めマーカーとして使用し、そのことによって、前述の目的が達成される。
【００２５】
前記単一モード光ファイバが実装される前記溝の幅が約１００μｍ〜約２００μｍのオーダーであり、前記非エッチング領域の幅が約５μｍ以下であることが好ましい。また、前記エッチング工程においては、オーバーエッチング効果を利用して、前記ピットを、エッチングマスクの対応する開口部のサイズよりも大きいサイズを有するように形成し得る。
【００２６】
また、前記基板に単一モード光ファイバを実装する工程をさらに包含し得る。
【００２７】
好ましくは、前記半導体レーザ素子の実装工程において、前記第１の位置決めマーカーを画像認識して、その画像の中の所定の位置に該第１の位置決めマーカーが位置するように前記基板を移動する工程と、前記半導体レーザ素子に形成された第２の位置決め用マーカーを画像認識して、その画像の中の所定の位置に前記第２の位置決め用マーカーが位置するように前記半導体レーザ素子を移動する工程と、取り込まれた互いの画像の中の前記第１の位置決めマーカーと前記第２の位置決めマーカーとが重なるように該半導体レーザ素子を前記基板に対して位置決めする工程とをさらに包含する。
【００２８】
ある実施形態では、前記半導体レーザ素子はダブルチャンネル型構造を有しており、該ダブルチャンネル構造におけるメサストライプと前記複数のピットの間の間隙に相当する非エッチング領域とが相対するように、該半導体レーザ素子を前記基板に対して位置決めして実装する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的な実施形態の説明に先立って、まず、本発明に至る過程で本願発明者によって行われた検討の結果やそれらに基づいて達成された本発明の概要を、説明する。
【００３０】
本発明では、光半導体結合装置において、シリコン（Ｓｉ）基板にエッチングにより形成したＶ溝及び逆四角錘型ピット或いは溝を位置決め用マーカとして使用して、光ファイバ及び半導体レーザ素子を実装する。光ファイバ（例えば、単一モード型光ファイバ）が実装されるべきＶ溝を有するシリコン基板（本願明細書では「Ｓｉ−Ｖ溝基板」とも称する）に半導体レーザ素子を高精度で位置合わせするためには、Ｓｉ基板に、半導体レーザ素子のための位置決め用マーカを、Ｖ溝を基準にして形成する必要がある。このためには、半導体レーザ素子のための位置決め用マーカとファイバ位置決め用（実装用）Ｖ溝とを、同じエッチングマスクを使用してＳｉ基板に形成することが望ましい。
【００３１】
本発明によれば、光ファイバ実装用のＶ溝と、半導体レーザ素子の位置合わせ用の凹部、例えば逆四角錘型ピットとを、同じエッチングマスクを使用してＳｉ基板に形成するので、Ｖ溝に対する逆四角錘型ピットの位置ずれが生じず、理想的な相互位置関係を有する位置決め用マーカが形成され得る。また、蒸着（例えばＡｕの真空蒸着）によって形成される従来技術の位置決め用マーカパターンに比べて、本発明のようにエッチングで形成されるマーカパターンは、よりシャープなエッジ形状を有しており、画像認識用のパターンとしてはより優れている。さらに、マーカ形成時に特別な製造工程を必要としないので、製造コストの低減の面でも有効である。
【００３２】
但し、本願発明者の検討によれば、Ｓｉ基板上に、半導体レーザ素子の位置決め用として約１μｍ〜約２μｍ或いはサブミクロンオーダの幅を持つマーカを形成するためには、エッチングマスクの開口部の幅を単純に約１μｍ〜約２μｍ或いはサブミクロンオーダにするだけでは、所望のマーカ形状を実現できないことがある。具体的には、Ｓｉ基板に、光ファイバ実装用のＶ溝と上記のように約１μｍ〜約２μｍ或いはサブミクロンオーダの幅を有する半導体レーザ素子位置決め用マーカとを同時に形成しようとすると、Ｖ溝の幅が一般には約１００μｍ〜約２００μｍのオーダであるために、半導体レーザ素子位置決め用マーカがオーバーエッチングされる。この結果、図８に模式的に示すように、参照番号５０３で示す所期のマーカ形状を形成しようとしても、実際に得られるマーカは、参照番号５０１で示すように、その幅がエッチングマスク（例えばＳｉＯ2マスク）５０２の幅よりも数μｍ大きくなってしまう。
【００３３】
さらに、開口部の幅が約５μｍ以下であるマスクを使用してエッチングを行う場合には、エッチング時に発生する気泡によってマスクパターンがふさがれて、本来はエッチングで除去されるべき領域がエッチングされずに、形成されるエッチングパターンが変形する可能性がある。このため、約５μｍ以下の幅を有するパターンをエッチングにより作製することは、一般に非常に困難である。
【００３４】
そこで本発明では、エッチングを用いてより微細なパターンを形成するために、複数のエッチングＶ溝或いは逆四角錘型ピットを用いて、非エッチング領域を利用してマーカとする。具体的には、図９に示すように、意図的にオーバーエッチングを利用することにより、マスク５０３のパターンサイズに対応する形状５０２よりもさらにエッチングが進行した形状５０１を複数個形成して、これらのパターン５０１に挟まれた領域５０４（「非エッチング領域５０４」と称する）に、幅が約１μｍ〜約２μｍであるパターンを容易に形成する。さらに、エッチング条件の適切な選択を通じてオーバーエッチング量を適正化することにより、サブミクロンオーダの幅を有するマーカの形成も可能になる。
【００３５】
このような特徴を有する本発明のマーカは、２つのＣＣＤカメラを用いてＳｉ−Ｖ溝基板と半導体レーザ素子用マーカとをそれぞれが完全にフォーカスされた鮮明なお互いに異なる画像として画像認識する本発明の実装方法（図２を参照して後述する）において、非常に優位性のあるマーカとなる。
【００３６】
以上のような特徴によって、本発明では、半導体レーザ素子をＳｉ−Ｖ溝基板に対して、光軸ずれをサブミクロンオーダに抑制した状態で実装することが可能になる。
【００３７】
但し、高精度な実装が実現されても、半導体レーザ素子と単一モード光ファイバとの間の結合効率が低ければ、高性能な光半導体結合装置は実現できない。そこで、本発明ではさらに、半導体レーザ素子のスポット径の±３０％以内、より好ましくは同程度の大きさのモードフィールド径を有する単一モード光ファイバを選択し、これを半導体レーザ素子に直接的に結合させることによって、より高い結合効率を呈する光半導体結合装置を実現する。
【００３８】
図１０は、単一モード光ファイバのモードフィールド径φをパラメータとして、半導体レーザ素子（ＬＤ）の出射角（横軸）と、半導体レーザ素子と単一モード光ファイバとの間の結合効率（縦軸）との関係を、シミュレーション結果（実線、破線、及び点線）及び実測データ（各プロット）によって示すグラフである。なお、シミュレーションに際しては、半導体レーザ素子と単一モード光ファイバ間の距離を０μｍとしている。
【００３９】
図１０に示されるシミュレーション結果より、単一モード光ファイバのモードフィールド径φ＝３．０μｍ、６．０μｍ、及び１０μｍの何れの場合にも、半導体レーザ素子の出射角が０°〜３０°の範囲である場合に、結合効率が理論的に１００％になる点があることがわかる。このことは、レンズ系を使用しなくても、半導体レーザ素子の出射角と光ファイバのモードフィールド径を最適化することによって、１００％に近い高い結合効率を得られることを意味している。さらに、実験データの実測プロットは、半導体レーザ素子と単一モード光ファイバの組み合わせの最適化によって、実際に７０％を超える高い結合効率が得られることを示している。
【００４０】
次に、図１１は、出射角が１５°である半導体レーザの使用時における、お互いに異なるモードフィールド径φを有する３種類の単一モード光ファイバの先端と半導体レーザ素子との間の距離（横軸）に対する、過剰損失（縦軸）の計算結果を示す。ここで、過剰損失とは、光軸方向に全く位置ずれが存在せず且つレーザ・ファイバ間の距離が零であるときの結合効率に対する、結合効率の損失のことである。過剰損失の値が小さければ、光ファイバと半導体レーザ素子との間の結合効率が高いことを意味する。
【００４１】
図１１から、光ファイバのモードフィールド径φが小さいほど、レーザ・ファイバ間の距離の変化に対する過剰損失（従って結合効率）の変化の割合が大きいことが分かる。しかし、レーザ・ファイバ間の距離がほぼ０である場合には、何れのモードフィールド径φを有する光ファイバにおいても、過剰損失（結合効率）の値が非常に小さくなる。従って、半導体レーザ素子と光ファイバとの間の距離を小さく設定するほど、より高い結合効率を得ることできる。
【００４２】
さらに、図１２は、図１１と同じく出射角が１５°である半導体レーザの使用時における、お互いに異なるモードフィールド径φを有する３種類の単一モード光ファイバの光軸と半導体レーザ素子の光軸との間の位置ずれの大きさ（横軸）に対する、過剰損失（縦軸）の計算結果を示す。これより、光軸の位置ずれを約１μｍ以下に抑制できれば、過剰損失がほとんど発生せず、高い結合効率が得られることがわかる。
【００４３】
以上に説明したように、高結合効率の光半導体結合装置を実現するためには、半導体レーザ素子及び単一モード光ファイバを、Ｓｉ−Ｖ溝基板の上に上述した位置関係が満たされる状態で非常に正確に実装することが、不可欠である。そのためには、先に説明した特徴を有する本発明の位置決め用マーカの使用が、非常に有用である。
【００４４】
以下には、以上のような考察に基づいて達成された本発明の実施形態の幾つかを、添付の図面を参照して説明する。
【００４５】
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態における光半導体結合装置の上面図であり、図１（ｂ）は、その後面図である。また、図２は、本実施形態における光半導体結合装置の実装方法を説明する概略図である。さらに、図３（ａ）は、本実施形態におけるＳｉ基板上のマーカの上面図であり、図３（ｂ）は、マーカの断面図（図３（ａ）の線Ａ−Ａ’に相当）であり、図３（ｃ）は、本実施形態における半導体レーザ素子の上面図である。なお、各図面で、同じ構成要素には同じ参照番号を付している。
【００４６】
具体的には、本実施形態の光半導体結合装置では、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の上に、半導体レーザ素子１０２、単一モード光ファイバ１０３、光出力モニター用フォトダイオード１０４、及び光ファイバ固定用のＳｉファイバキャップ１０６が、図１（ａ）に示すような位置関係で配置されている。半導体レーザ素子１０２は、典型的には発振波長が約１．３μｍ帯にある。また、単一モード光ファイバ１０３は、例えば、半導体レーザ素子１０２に対向する端面が無処理のものである。光出力モニタ用フォトダイオード１０４は、端面入射型であって、且つ半導体レーザ素子１０２の発振波長帯で線形性に優れた十分に高い感度を有するものを使用する。さらに、Ｓｉファイバキャップ１０６は、典型的にはＳｉのエッチングにより形成される。
【００４７】
Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の表面上には、ファイバ位置決め（実装）用のＶ溝１０５、半導体レーザ素子位置決め用のマーカ１１０、及びフォトダイオード位置決め用のマーカ１１１が、同一マスクを使用したエッチング工程により形成される。さらに、半導体レーザ素子１０２及び光出力モニター用フォトダイオード１０４の実装位置の近傍には、それらのための電極配線１０９が、真空蒸着により形成されている。
【００４８】
単一モード光ファイバ１０３は、図１（ｂ）に示すように、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１のファイバ位置決め用Ｖ溝１０５と、その上に載置されたＳｉファイバキャップ１０６の台形溝１０７とにより挟み込まれて、Ｖ溝１０５に密着して固定されている。これにより、パッシブアライメント方式により、サブミクロンオーダでの光軸調整が可能である。また、半導体レーザ素子１０２と単一モード光ファイバ１０３との間の距離は、単一モード光ファイバ１０３をダイシング溝１０８に押し当てることにより、決定される。さらに、Ｓｉファイバキャップ１０６が単一モード光ファイバ１０３を押し付ける力は、Ｓｉファイバキャップ１０６をＳｉ−Ｖ溝基板１０１に実装する際の接着剤として、収縮力のある光硬化性樹脂を使用することにより、得ることができる。
【００４９】
なお、Ｖ溝１０５としては、図に示されるような台形状のものに代えて、文字通りに「Ｖ字状」の断面形状を有するものであっても良い。
【００５０】
本発明では、半導体レーザ素子位置決め用マーカ１１０及びフォトダイオード位置決め用マーカ１１１は、光ファイバ位置決め（実装）用のＶ溝１０５と、同一のエッチング工程で形成される。このため、これらのマーカ１１０及び１１１を使用して実装される半導体レーザ素子１０２及び光出力モニタ用フォトダイオード１０４は、Ｖ溝１０５に対して、サブミクロンオーダの僅かな光軸ずれで実装される。
【００５１】
ここで、各マーカ１１０及び１１１やＶ溝１０５は、Ｓｉ基板１０１の表面に所望のパターンのエッチングマスク（例えば、ＳｉＯ2マスク）を形成し、典型的にはＫＯＨ系のエッチャントを使用してＳｉ基板１０１に対する異方性ウェットエッチングを行うことによって、簡単且つ高精度で形成される。但し、このときに、正確なエッチングを行って所望の形状を高精度で得るためには、エッチングマスクの向きとＳｉ基板１０１の面方位とを、正確に合わせる必要がある。
【００５２】
例えば、Ｓｉ基板１０１の（１００）面の上に、＜１１０＞方向に水平或いは垂直な向きに沿ってマスク開口部が配置されるようにＳｉＯ2マスクを形成して、上述のようにウェットエッチングを行えば、壁面が（１１１）面コンパチブルであるＶ溝１０５が形成される。さらに、マスク幅のサイズ及びエッチングの処理時間を正確に制御することによって、非常に正確なパターンがエッチングで形成される。
【００５３】
半導体レーザ素子１０２の側の位置決め用十字マーカ１１７は、図３（ｃ）に示すように、半導体レーザ素子１０２の例えば前端面１２１の近傍において、活性層の中心位置１２０に対して対称な配置で、電極１１６と同じ工程で形成される。一方、半導体レーザ素子１０２の後端面１２２の近傍には、マーカは特に形成されなくて良い。
【００５４】
以上のような構成を有する本実施形態の光半導体結合装置において、半導体レーザ素子１０２をＳｉ−Ｖ溝基板１０１に実装する際には、図２に示すように、２つのＣＣＤカメラ１１２及び１１３を使用して画像認識処理を行うことによって、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１に対する半導体レーザ素子１０２の位置決めを行う。ここで、２つのＣＣＤカメラ１１２及び１１３は、それぞれ完全に固定されている。
【００５５】
具体的には、第１のＣＣＤカメラ１１２は、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の上の半導体レーザ素子位置決め用マーカ１１０を認識し、第１のモニタ１１４に表示する。そして、画像認識されたマーカ１１０が、第１のモニタ１１４の表示画像の中の所定の位置に位置するように、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１が移動される。同様に、第２のＣＣＤカメラ１１３は、半導体レーザ素子１０２の上の十字マーカ１１７を認識し、第２のモニタ１１５に表示する。そして、画像認識された十字マーカ１１７が、第２のモニタ１１５の表示画像の中の所定の位置に位置するように、半導体レーザ素子１０２が移動される。そして、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１と半導体レーザ素子１０２とは、２つのＣＣＤカメラ１１２及び１１３で認識されたマーカ１１０及び１１７がお互いに重なるように移動された後に、実装される。
【００５６】
第１のＣＣＤカメラ１１２により取り込まれた画像の所定の位置と、第２のＣＣＤカメラ１１３により取り込まれた画像の所定の位置とは、あらかじめ完全に一致するように位置合わせされている。従って、以上の位置合わせプロセスによって、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１と半導体レーザ素子１０２との間の非常に正確な実装が実現される。
【００５７】
本実施形態においては、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の上の半導体レーザ素子位置決め用マーカ１１０は、具体的には図３（ａ）に示すように、各々が逆四角錐状である４つのエッチングピット１１８の組合せとして形成されている。そして、これら４つのエッチングピット１１８に挟まれた十字状の領域（非エッチング領域）１１９（図３（ｂ）の断面図を参照）を、位置合わせ時に十字マーカ１１９として使用する。
【００５８】
これらのエッチングピット１１８は、光ファイバ実装用のＶ溝１０５と同じエッチング工程で形成される。この際、先に図８及び図９を参照して説明したように、エッチングピット１１８はオーバーエッチングされ得て、エッチングマスクの対応する開口部の形状に比べて、エッチングピット１１８のサイズが大きくなる可能性がある。しかし、そのような場合でも、実際に位置決め用のマーカとして機能するのはエッチングピット１１８に挟まれた十字状領域（非エッチング領域）１１９であり、むしろ、上記のようなオーバーエッチングの積極的な利用によって、微細なマーカが形成され得る。高精度実装を実現するためには、例えば十字状領域（非エッチング領域）１１９の幅は、細ければ細いほど良い。具体的には、サブミクロンオーダから数μｍ（例えば５μｍ）程度の幅に設定することが望ましい。
【００５９】
以上では、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１に対するマーカ１１０を利用した半導体レーザ素子１０２の実装方法を説明したが、光出力モニタ用フォトダイオード１０４も、マーカ１１１を利用することによって、上記と同様の方法でＳｉ−Ｖ溝基板１０１に実装される。また、マーカ１１１は、その形状や製造方法などに関して、マーカ１１０について上述したものと同様の特徴を有している。
【００６０】
さらに本実施形態では、単一モード光ファイバ１０３と半導体レーザ素子１０２とをより高い結合効率で結合するために、単一モード光ファイバ１０３のモードフィールド径を、半導体レーザ素子１０２のスポット径と同程度の大きさになるように選定している。具体的には、実現可能な範囲は、典型的には約１．５μｍ〜約４．５μｍである。
【００６１】
図７（ａ）〜図７（ｃ）には、本発明で使用され得る単一モード光ファイバを、長距離伝送用として一般に使用されるモードフィールド径が１０μｍである単一モード光ファイバに対してより少ない接続損失で接続するための、バッファ用ファイバの幾つかの接続方法を模式的に示している。
【００６２】
具体的には、図７（ａ）の構成では、半導体レーザに直接結合される第１段の単一モード光ファイバ４０１、第２段の単一モード光ファイバ４０２、第３段の単一モード光ファイバ４０３、及び長距離伝送用として一般的に使用される最終段の単一モード光ファイバ４０４が、各々の光軸がお互いに一致するように順に配置されている。また、各光ファイバ４０１〜４０４のモードフィールド径は、第１段から最終段まで、段階的に大きくなっている。このような図７（ａ）の構成に各光ファイバ４０１〜４０４を配置するときに、先に述べたＳｉ−Ｖ溝基板及びＳｉファイバキャップを使用すれば、各光ファイバ４０１〜４０４の光軸を簡単に一致させることができる。
【００６３】
図７（ｂ）に示す構成では、図７（ａ）と同様に配置された各光ファイバ４０１〜４０４の接続部分４０５で、光ファイバ間を融着により接続している。このような接続部分４０５における融着領域４０５の形成によって、各光ファイバ４０１〜４０４の間の接続損失が大幅に低減される。
【００６４】
さらに図７（ｃ）に示す構成では、第１段の光ファイバ４０１の接続端の近傍４０６を、熱拡散法によって最終段の光ファイバ４０４の大きさ程度まで拡大し、その後で光ファイバ間を融着により接続している。このようなコア拡大領域４０６の形成によって、光ファイバ間の接続損失が、さらに大きく低減される。
【００６５】
単一モード光ファイバ１０３と半導体レーザ素子１０２とをより高結合効率で結合するためには、先に説明したように、単一モード光ファイバ１０３と半導体レーザ素子１０２との間の距離を、できる限り小さく設定することが望ましい。このために本実施形態では、半導体レーザ素子１０２を、その端面がダイシング溝１０８と一致するように位置決めしている。さらに、単一モード光ファイバ１０３と半導体レーザ素子１０２の間の光学的距離を短くするために、単一モード光ファイバ１０３と半導体レーザ素子１０２の間に、屈折率整合された樹脂やオイルを充填しても良い。
【００６６】
以上の説明では、半導体レーザ素子１０２の発振波長帯は１.３μｍ帯であるが、１.５５μｍm帯など、それ以外の発振波長帯を有する半導体レーザ素子１０２の使用も可能である。また、半導体レーザ素子１０２として、狭出射角化された構造、或いはスポットサイズ変換のための構造を有するものを使用しても良い。一方、単一モード光ファイバ１０３として、半導体レーザ素子１０２と光結合する側の端面に無反射コーティング処理が施されているものを使用しても良い。
【００６７】
Ｓｉファイバキャップ１０６は、エッチングにより形成する代わりに、ダイシングソーなどを用いた機械加工によって形成することもできる。さらに、Ｓｉファイバキャップ１０６をＳｉ−Ｖ溝基板１０１の上に実装する際に、マイクロバンプボンディング法を使用してもよい。
【００６８】
（第２の実施の形態）
図４（ａ）は、本発明の第２の実施形態における光半導体結合装置の上面図であり、図４（ｂ）は、その側面図である。図４（ａ）及び（ｂ）において、先に説明した第１の実施形態の構成と同じ構成要素には同じ参照番号を付しており、それらの説明は省略する。
【００６９】
本実施形態では、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１として、その表面にＳｉテラス１２５が形成されているものを使用している。Ｓｉテラス１２５には、Ｖ溝１０５に固定された単一モード光ファイバ１０３に光軸が合うような形状で、ファイバ埋め込み溝１２６が形成されている。さらに、その上には、単一モード光ファイバ１０３を通して送信されてきた光信号を受信（受光）するためのフォトダイオード１２３が、載置されている。このフォトダイオード１２３は、例えばマイクロバンプボンディング法によって、単一モード光ファイバ１０３に対して光学的に高精度で位置合わせされて、実装される。また、Ｓｉテラス１２３の上には、さらにフォトダイオード１２３のための電極配線１２７が設けられている。
【００７０】
或いは、フォトダイオード１２３の実装方法として、半導体レーザ素子１０２の実装時と同様に、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１（Ｓｉテラス１２５）及びフォトダイオード１２３の各々に画像認識用マーカを形成し、それらを使用して、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１とフォトダイオード１２３との位置合わせを行っても良い。
【００７１】
以上の構成を有する本実施形態の光半導体結合装置において、単一モード光ファイバ１０３を送信されてくる光信号は、光ファイバ１０３に対して斜めに挿入された波長選択フィルタ１２４によって、フォトダイオード１２３に向けて反射されて受光される。波長選択フィルタ１２４は、例えば、１．３μｍ帯の波長の光を透過する一方で１．５５μｍ帯の波長の光を反射する。これによって、１．５５μｍ帯の波長の光が効率よくフォトダイオード１２３に入射し、非常に簡単な構成で送受信可能な光半導体結合装置が実現される。
【００７２】
なお、波長選択フィルタ１２４としては、上記に代えて、例えば１．５５μｍ帯の波長の光を透過する一方で１．３μｍ帯の波長の光を反射するものを使用することも可能である。これによって、１．３μｍ帯の波長の光がフォトダイオード１２３に入射される構成とすることができる。さらに、他の波長帯の光を反射或いは透過させる構成とすることもできることは、言うまでもない。
【００７３】
なお、半導体レーザ素子１０２の送信信号の波長とフォトダイオード１２３の受信信号の波長とが同じである場合には、波長選択フィルタ１２４の代わりに、波長選択性を有さないフィルタ（例えばハーフミラー）を使用することが望ましい。
【００７４】
また、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１におけるＳｉテラス１２５の加工方法としては、同一基板上に半導体レーザ素子１０２などが配置される部分とＳｉテラス１２５とを加工しても良く、或いはその代わりに、半導体レーザ素子１０２などが配置される部分とは別の基板にＳｉテラス１２５の部分を加工し、その後に両基板を、張り合わせなどによって一体化することも可能である。
【００７５】
さらに、半導体レーザ素子１０２の発振波長帯は１.３μｍ帯であるが、１.５５μｍ帯など、それ以外の発振波長帯を有する半導体レーザ素子１０２の使用も可能である。また、半導体レーザ素子１０２として、狭出射角化された構造、或いはスポットサイズ変換のための構造を有するものを使用しても良い。一方、単一モード光ファイバ１０３としては、半導体レーザ素子１０２と光結合する側の端面に無反射コーティング処理が施されたのを使用しても良い。
【００７６】
（第３の実施の形態）
図５（ａ）は、本発明の第３の実施形態における光半導体結合装置の上面図であり、図５（ｂ）は、その後面図である。また、図５（ｃ）は、本実施形態におけるＳｉファイバキャップ２０１の斜視図である。なお、これらの図面において、先に説明した第１の実施形態の構成と同じ構成要素には同じ参照番号を付しており、それらの説明は省略する。
【００７７】
本実施形態の光半導体結合装置においては、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の上に、単一モード光ファイバ１０３及びＳｉファイバキャップ２０１が、図５（ａ）に示すような配置で構成されている。なお、図５（ａ）では、ＳＩ−Ｖ溝基板１０１の上に半導体レーザ素子やフォトダイオードが搭載されている様子を描いていないが、図１（ａ）に示すような位置にこれらを搭載することが、もちろん可能である。
【００７８】
本実施形態におけるＳｉファイバキャップ２０１は、その台形溝に傾斜領域２０２が設けられている。単一モード光ファイバ１０３の実装時には、あらかじめＳｉ−Ｖ溝基板１０１の上に実装されたＳｉファイバキャップ２０１に対して、その台形溝の傾斜領域２０２の側から、単一モード光ファイバ１０３を挿入する。挿入された単一モード光ファイバ１０３は、長さＬの平坦なファイバ固定領域２０３によって、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の上のＶ溝１０５に押し付けられる。これによって、単一モード光ファイバ１０３と半導体レーザ素子１０２との間の光軸調整を、パッシブアライメント方式によりサブミクロンオーダで行うことが可能である。また、単一モード光ファイバ１０３をダイシング溝１０８の側面に突き当たるまで挿入することにより、完全な位置合わせが行われる。
【００７９】
Ｓｉファイバキャップ２０１の傾斜領域２０２の最深部の深さは、単一モード光ファイバ１０３が挿入しやすいように、単一モード光ファイバ１０３の外形よりも大きく設定することが好ましい。一方、ファイバ固定領域２０３の長さＬは、単一モード光ファイバ１０３がＶ溝１０５に十分な大きさの力で押し付けられるように、例えば約２００μｍ〜約５００μｍに設定される。さらに、Ｓｉファイバキャップ２０１をＳｉ−Ｖ溝基板１０１に実装する際に、接着剤として収縮力のある光硬化性樹脂を使用すれば、単一モード光ファイバ１０３を押し付ける力がさらに得られることになる。
【００８０】
Ｓｉファイバキャップ２０１は、エッチング、或いはダイシングソーなどを用いた機械加工によって、形成できる。また、Ｓｉファイバキャップ２０１をＳｉ−Ｖ溝基板１０１の上に実装する際に、マイクロバンプボンディング法を使用してもよい。
【００８１】
（第４の実施の形態）
図６（ａ）は、本発明の第４の実施形態における光半導体結合装置の実装方法を説明する図であり、図６（ｂ）は、実装後の光半導体結合装置の斜視図である。
【００８２】
本実施形態では、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の上に半導体レーザ素子１０２を実装する際の位置決め用マーカとして、半導体レーザ素子１０２の側では、半導体レーザ素子１０２を素子分離するために用いられるダブルチャンネル構造３０２を使用し、一方、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の側では、２本のエッチングＶ溝３０３の間に形成される非エッチング領域３０４を使用する。具体的には、ダブルチャネル構造３０２の中心線に非エッチング領域３０４が位置するように位置合わせを行って、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１に半導体レーザ素子１０２を実装する。さらに、実装時に、実体顕微鏡などを使用して接合箇所の近傍を拡大しながら必要な処理を行うことで、半導体レーザ素子１０２のダブルチャネル構造３０２とＳｉ−Ｖ溝基板１０１の非エッチング領域３０４との間の位置関係を、容易に確認することができる。
【００８３】
半導体レーザ素子１０２の側のマーカであるダブルチャンネル構造３０２は、メサストライプ３０５、より具体的にはメサストライプ３０５に含まれる活性層３０１の中心位置に対して、線対称な位置関係でエッチングにより形成される。一方、Ｓｉ−Ｖ溝基板１０１の側のマーカである非エッチング領域３０４は、ファイバ位置決め用のＶ溝１０５と同じ工程で形成されるので、Ｖ溝１０５に対する非エッチング領域３０４の位置ずれは全くない。さらに、非エッチング領域３０４は、図５及び図６を参照して先に説明したように、オーバーエッチングを利用することにより、サブミクロンオーダの微細ストライプ状に形成することが可能である。
【００８４】
なお、半導体レーザ１０２の上面には電極３０６が形成され得て、一方、Ｓｉ基板１０１の上面には半田パターン３０７が形成され得る。
【００８５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、光半導体結合装置における半導体レーザ素子や光ファイバの実装を、より高精度に行うことが可能となり、安価で高性能な光半導体結合装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態における光半導体結合装置の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す光半導体結合装置の後面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における光半導体結合装置の実装方法を説明する概略図である。
【図３】（ａ）は、本発明の第１の実施形態におけるＳｉ基板上のマーカの上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すマーカの断面図あり、（ｃ）は、本発明の第１の実施形態における半導体レーザ素子の上面図である。
【図４】（ａ）は、本発明の第２の実施形態における光半導体結合装置の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す光半導体結合装置の側面図である。
【図５】（ａ）は、本発明の第３の実施形態における光半導体結合装置の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す光半導体結合装置の後面図であり、（ｃ）は、本発明の第３の実施形態におけるＳｉファイバキャップの斜視図である。
【図６】（ａ）は、本発明の第４の実施形態における光半導体結合装置の実装方法を説明する概略図であり、（ｂ）は、本発明の第４の実施形態における光半導体結合装置の実装後の構成を示す斜視図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、バッファ用光ファイバの接続方法を模式的に示す図である。
【図８】マーカ形成時のオーバーエッチング状態を模式的に示す図である。
【図９】オーバーエッチングを利用して形成される微細パターンを模式的に示す図である。
【図１０】半導体レーザ素子と単一モード光ファイバとの間の結合効率の、半導体レーザ素子の出射角に対する依存性を示す図である。
【図１１】半導体レーザ素子と単一モード光ファイバとの間の過剰損失の、半導体レーザ素子と単一モード光ファイバとの間の距離に対する依存性を示す図である。
【図１２】半導体レーザ素子と単一モード光ファイバとの間の過剰損失の、半導体レーザ素子と単一モード光ファイバとの間の光軸の位置ずれの大きさに対する依存性を示す図である。
【図１３】従来技術による光半導体結合装置の実装方法の一例を説明する概略図である。
【符号の説明】
１０１  Ｓｉ−Ｖ溝基板
１０２  半導体レーザ素子
１０３  単一モード光ファイバ
１０４  光出力モニタ用のフォトダイオード
１０５  Ｖ溝
１０６  Ｓｉファイバキャップ
１０７  台形溝
１０８  ダイシング溝
１０９  電極配線
１１０  半導体レーザ素子位置決め用のマーカ
１１１  フォトダイオード位置決め用のマーカ
１１２  第１のＣＣＤカメラ
１１３  第２のＣＣＤカメラ
１１４  第１のモニタ
１１５  第２のモニタ
１１６  電極
１１７  半導体レーザ素子側の十字マーカ
１１８  エッチングピット
１１９  非エッチング領域（十字状領域）
１２０  活性層の中心位置
１２１  半導体レーザ素子の前端面
１２２  半導体レーザ素子の後端面
１２３  フォトダイオード
１２４  波長選択フィルタ
１２５  Ｓｉテラス
１２６  光ファイバ埋め込み溝
１２７  フォトダイオード用電極配線
２０１  Ｓｉファイバキャップ
２０２  傾斜領域
２０３  ファイバ押さえ領域
３０１  活性層
３０２  ダブルチャネル領域
３０３  Ｖ溝
３０４  非エッチング領域（マーカ）
３０５  メサストライプ
３０６  電極
３０７  半田パターン
４０１、４０２、４０３、４０４  単一モード光ファイバ
４０５  融着領域
４０６  コア拡大領域
５０１  マーカ
５０２  エッチングマスク
５０３  所期のマーカ形状
１００１  Ｓｉ−Ｖ溝基板
１００２  半導体レーザ素子
１００３  Ｖ溝
１００４  電極配線
１００５  Ｓｉ−Ｖ溝基板側のマーカ
１００６  半導体レーザ素子側のマーカ
１００８  赤外光源
１００９  ＣＣＤカメラ
【図１】
0003761051.tif 000002
【図２】
0003761051.tif 000003
【図３】
0003761051.tif 000004
【図４】
0003761051.tif 000005
【図５】
0003761051.tif 000006
【図６】
0003761051.tif 000007
【図７】
0003761051.tif 000008
【図８】
0003761051.tif 000009
【図９】
0003761051.tif 000010
【図１０】
0003761051.tif 000011
【図１１】
0003761051.tif 000012
【図１２】
0003761051.tif 000013
【図１３】
0003761051.tif 000014