JPS63228113A - 光結合素子及びその製造方法 - Google Patents
光結合素子及びその製造方法Info
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- JPS63228113A JPS63228113A JP63039349A JP3934988A JPS63228113A JP S63228113 A JPS63228113 A JP S63228113A JP 63039349 A JP63039349 A JP 63039349A JP 3934988 A JP3934988 A JP 3934988A JP S63228113 A JPS63228113 A JP S63228113A
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Links
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
- G02B6/4249—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details comprising arrays of active devices and fibres
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
- G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、光結合媒体として光波導体及びマイクロレン
ズを備え、該光結合媒体が一つの支持板上に共通に発光
半導体素子及び／又は受光半導体素子と共に、或いは別
の支持板上に発光半導体素子及び／又は受光半導体素子
に対して分離されて、相互に所定の空間的関係で配置さ
れ固定されているような光結合素子及びその製造方法に
関する。
ズを備え、該光結合媒体が一つの支持板上に共通に発光
半導体素子及び／又は受光半導体素子と共に、或いは別
の支持板上に発光半導体素子及び／又は受光半導体素子
に対して分離されて、相互に所定の空間的関係で配置さ
れ固定されているような光結合素子及びその製造方法に
関する。
この種の光結合素子及びその製造方法並びにその方法を
実施するための装置は、ヨーロッパ特許出願公開第２０
４２２４号により公知である。この素子においてはレン
ズも半導体チップを介して間接的に支持板上に固定され
ている。
実施するための装置は、ヨーロッパ特許出願公開第２０
４２２４号により公知である。この素子においてはレン
ズも半導体チップを介して間接的に支持板上に固定され
ている。
光波導体−発・受信システムでは、能動半導体素子から
発せられた光を、例えばガラスファイバである光波導体
へ導入したり、あるいは受信すべき光を光波導体から導
出するために、しばしば光学レンズ、例えば球レンズが
使用される。しだがって、特に次の問題が生じる。
発せられた光を、例えばガラスファイバである光波導体
へ導入したり、あるいは受信すべき光を光波導体から導
出するために、しばしば光学レンズ、例えば球レンズが
使用される。しだがって、特に次の問題が生じる。
（１）−能動半導体素子と光波導体との間に正確に定め
られた位置へ１μｍ範囲の許容誤差でレンズを保持する
こと。
られた位置へ１μｍ範囲の許容誤差でレンズを保持する
こと。
（２） 最適な導入もしくは導出へのレンズの容易な
調整。
調整。
（３） レンズ保持による、例えば機械的張力による
能動半導体チップの損傷を防ぐこと。
能動半導体チップの損傷を防ぐこと。
（４）素子の小型化（例えば１００μｍ〜５００μｍ）
にもかかわらず、任意の大量個数の生産ができること。
にもかかわらず、任意の大量個数の生産ができること。
光結合素子においては従来、次のレンズ固定方法が用い
られていた。
られていた。
（ａ） 光学レンズを直接に半導体チップ上に成長さ
せる方法。
せる方法。
ｂ）光学レンズを直接に半導体チップ上に接着する方法
。
。
（Ｃ） 半導体チップをレンズキャップを備えたケー
スに組み込む方法。
スに組み込む方法。
□ 〔発明が解決しようとする課題〕これらの方
法の欠点は、主として、半導体チップと光学レンズとの
間の定められた間隔が調整できないか、もしくは大きな
誤差を甘受しなければならないところにある。
法の欠点は、主として、半導体チップと光学レンズとの
間の定められた間隔が調整できないか、もしくは大きな
誤差を甘受しなければならないところにある。
本発明の目的は、この欠点を避け、結合媒体として光波
導体及びマイクロレンズを備えた次の如き光結合素子、
すなわち光波導体と能動（発光及び／又は受光）半導体
素子との間において正確に定められた位置にマイクロレ
ンズが保持される光結合素子を提供することにある。
導体及びマイクロレンズを備えた次の如き光結合素子、
すなわち光波導体と能動（発光及び／又は受光）半導体
素子との間において正確に定められた位置にマイクロレ
ンズが保持される光結合素子を提供することにある。
更に、本発明は、能動半導体素子と光波導体との間にお
ける最適な光結合へのマイクロレンズの容易な調整を可
能にすることを目的とする。又、例えば張力による能動
半導体チップの、損傷を防止することを目的とする。そ
してさらに別の目的は、光結合素子を小型化にもかかわ
らず大量個数で任意に生産できるようにすることにある
。
ける最適な光結合へのマイクロレンズの容易な調整を可
能にすることを目的とする。又、例えば張力による能動
半導体チップの、損傷を防止することを目的とする。そ
してさらに別の目的は、光結合素子を小型化にもかかわ
らず大量個数で任意に生産できるようにすることにある
。
上記の課題は、本発明によれば、マイクロレンズの保持
のために支持板にＶ字形または角錐台形の袋穴又は貫通
孔の形をした凹部を設け、該凹部の寸法はマイクロレン
ズの大きさ及びマイクロレンズ／支持板の接触点により
定め、マイクロレンズを凹部内で接続材により支持板に
直接固定する□ことによって解決される。
のために支持板にＶ字形または角錐台形の袋穴又は貫通
孔の形をした凹部を設け、該凹部の寸法はマイクロレン
ズの大きさ及びマイクロレンズ／支持板の接触点により
定め、マイクロレンズを凹部内で接続材により支持板に
直接固定する□ことによって解決される。
本発明により得られる利点は上記の欠点の除去のほかに
、特に次の点にある。すなわち、特にガラスろう付けさ
れた球レンズを備えた多数の半導体チップを一つのウェ
ーハ上に同時に作ることができることである。その場合
に、支持板のエツチングも、接続材としてガラスろうを
用いる場合に支持板のガラス化、球の形の光学レンズの
挿入及び溶着並びに一つの支持板におけるレンズ表面の
光学的なコーティングも行うことができる。接続材とし
てガラスろうを使用する場合には、すべての接続は例え
ば４００°Ｃまで耐熱性を示すや更に、この場合にはを
機性の材料は使用する必要はない。
、特に次の点にある。すなわち、特にガラスろう付けさ
れた球レンズを備えた多数の半導体チップを一つのウェ
ーハ上に同時に作ることができることである。その場合
に、支持板のエツチングも、接続材としてガラスろうを
用いる場合に支持板のガラス化、球の形の光学レンズの
挿入及び溶着並びに一つの支持板におけるレンズ表面の
光学的なコーティングも行うことができる。接続材とし
てガラスろうを使用する場合には、すべての接続は例え
ば４００°Ｃまで耐熱性を示すや更に、この場合にはを
機性の材料は使用する必要はない。
球レンズ及びケイ素支持板を備えた実施態様では、この
装置は例えば組立用ピンセットによって容易に扱うこと
ができる。
装置は例えば組立用ピンセットによって容易に扱うこと
ができる。
本発明の有利な実施態様によれば、支持板が半導体材料
、特にケイ素からなり、支持板にはレンズの大きさ及び
レンズ−支持体の接触点に依存した定められた大きさの
穴がエツチングにて形成されている。穴にはレンズ、特
にサファイアレンズ、尖晶石レンズ又はガラスレンズが
ガラスろうによって固定されている。レンズを光学的に
コーティングすると有利である。更に、レンズ支持体は
、その裏面に、ろう付は過程における絶縁部もしくは枠
部への支持体の固定のために必要とされる金属コーティ
ングを有することが好ましい。
、特にケイ素からなり、支持板にはレンズの大きさ及び
レンズ−支持体の接触点に依存した定められた大きさの
穴がエツチングにて形成されている。穴にはレンズ、特
にサファイアレンズ、尖晶石レンズ又はガラスレンズが
ガラスろうによって固定されている。レンズを光学的に
コーティングすると有利である。更に、レンズ支持体は
、その裏面に、ろう付は過程における絶縁部もしくは枠
部への支持体の固定のために必要とされる金属コーティ
ングを有することが好ましい。
半導体チップ上での支持板とマイクロレンズとの位ｉ！
調整及び固定は、特に次のようにして行われる。熱伝導
性の良くない材料からなるいわゆるリードフレーム°に
固定されている構造化された金属コーティング絶縁体が
チップ支持体として役立つ、半導体チップはｘ、ｙ方向
において発光半導体素子もしくは受光半導体素子または
これに付属した光波導体（例えばガラスファイバ）に対
して最適に位置調整される。レンズ支持板の位置調整及
び固定は、冒頭に述べたコーロッパ特許出願公開第２０
４２２１号に開示された光波導体装置と同様に鉗子状に
形成され且つｘ、ｙ、ｚマニピユレータに固定された２
つの電極により行われる。
調整及び固定は、特に次のようにして行われる。熱伝導
性の良くない材料からなるいわゆるリードフレーム°に
固定されている構造化された金属コーティング絶縁体が
チップ支持体として役立つ、半導体チップはｘ、ｙ方向
において発光半導体素子もしくは受光半導体素子または
これに付属した光波導体（例えばガラスファイバ）に対
して最適に位置調整される。レンズ支持板の位置調整及
び固定は、冒頭に述べたコーロッパ特許出願公開第２０
４２２１号に開示された光波導体装置と同様に鉗子状に
形成され且つｘ、ｙ、ｚマニピユレータに固定された２
つの電極により行われる。
その場合に、マイクロレンズは本発明ではホトダイオー
ド、ガラスファイバ、マイクロレンズ付きガラスファイ
バ、赤外線発光ダイオード（ＩＲＥＤ）、レーザダイオ
ードの如き後続の光学装置に対して最適な出力信号に調
整することができる。
ド、ガラスファイバ、マイクロレンズ付きガラスファイ
バ、赤外線発光ダイオード（ＩＲＥＤ）、レーザダイオ
ードの如き後続の光学装置に対して最適な出力信号に調
整することができる。
レンズ支持体の固定に必要なろうは、絶縁体（セラミッ
ク）の側方にあって熱抵抗増大のために腕状に形成され
た帯状のろうから供給される。レンズの位ＷＩＮ整は液
状に溶融されたろうにおいて行われる。レンズ支持体は
調整過程終了時にろうの冷却及び硬化によって固定され
る。
ク）の側方にあって熱抵抗増大のために腕状に形成され
た帯状のろうから供給される。レンズの位ＷＩＮ整は液
状に溶融されたろうにおいて行われる。レンズ支持体は
調整過程終了時にろうの冷却及び硬化によって固定され
る。
以下、図面の第１図乃至第３図に概略的に示された実施
例を参照しながら本発明を更に詳細に説明する。本発明
の理解にとって不可欠でない部分は符号を付していない
か、又は図示を省略されている。
例を参照しながら本発明を更に詳細に説明する。本発明
の理解にとって不可欠でない部分は符号を付していない
か、又は図示を省略されている。
第１図に示された光結合素子は、主として、シリコン支
持板２からなり、これには角錐台状の穴の形をした凹部
３が異方性にエツチングされている。凹部３にはマイク
ロレンズ１、例えば約３００μｍの直径を持つサファイ
ア球が挿入されている。凹部３にマイクロレンズ１を固
定するために、約８μｍの厚みのガラスろう層４が設け
られており、これは凹部３内にまで達しており、支持板
２を少なくとも凹部３の範囲にわたり覆っている。
持板２からなり、これには角錐台状の穴の形をした凹部
３が異方性にエツチングされている。凹部３にはマイク
ロレンズ１、例えば約３００μｍの直径を持つサファイ
ア球が挿入されている。凹部３にマイクロレンズ１を固
定するために、約８μｍの厚みのガラスろう層４が設け
られており、これは凹部３内にまで達しており、支持板
２を少なくとも凹部３の範囲にわたり覆っている。
マイクロレンズ１は凹部３内でガラスろうにより支持板
２に固定されている。支持板２は、その裏面の少なくと
も縁部領域に、図示されていない金属コーティングされ
た絶縁体（セラミック）支持部とろう付けするための金
属コーティング（例えばチタン・白金・金からなる金属
コーティング）７を備えている。
２に固定されている。支持板２は、その裏面の少なくと
も縁部領域に、図示されていない金属コーティングされ
た絶縁体（セラミック）支持部とろう付けするための金
属コーティング（例えばチタン・白金・金からなる金属
コーティング）７を備えている。
発光または受光能動半導体素子６、例えば送信チップと
して１．３μｍの波長及び例えば２０μｍの直径の発光
点を有する赤外線発光ダイオード（ＩＲＥＤ）が、マイ
クロレンズ（球）１の下に１０ｐｍの間隔で別の支持板
２上にあり、また図示されていない例えばガラスファイ
バの如き光波導体がマイクロレンズ１の上に若干大きな
間隔をおいて設けられている。
して１．３μｍの波長及び例えば２０μｍの直径の発光
点を有する赤外線発光ダイオード（ＩＲＥＤ）が、マイ
クロレンズ（球）１の下に１０ｐｍの間隔で別の支持板
２上にあり、また図示されていない例えばガラスファイ
バの如き光波導体がマイクロレンズ１の上に若干大きな
間隔をおいて設けられている。
第２図に示された光結合素子では、特にシリコンからな
る支持板２における凹部３が角錐台状の袋穴の形で異方
性にエツチングされそいる。支持板２の凹部３を備えた
上面は約８ｐｍの厚みのガラスろう層４によって覆われ
ており、このガラスろう層は、この実施例ではサファイ
ア球であるマイクロレンズ１を支持板２に固定するため
の接続材として役立つ、支持板２の下側には、例えばチ
タン・白金・金からなる金属コーティング７が、図示さ
れていない構造化された金属コーティング絶縁体上に支
持板２をろう付は固定するために設けられている０図示
されていない能動（発光又は受光）半導体素子もしくは
図示されていない光波導体（例えばガラスファイバ）は
、マイクロレンズ（球）ｌの前方または後方に設けられ
る。支持板（シリコンチップ）上に発光もしくは受光チ
ップ及び光波導体（例えばガラスファイバ）を直接組み
込むことも可能である。
る支持板２における凹部３が角錐台状の袋穴の形で異方
性にエツチングされそいる。支持板２の凹部３を備えた
上面は約８ｐｍの厚みのガラスろう層４によって覆われ
ており、このガラスろう層は、この実施例ではサファイ
ア球であるマイクロレンズ１を支持板２に固定するため
の接続材として役立つ、支持板２の下側には、例えばチ
タン・白金・金からなる金属コーティング７が、図示さ
れていない構造化された金属コーティング絶縁体上に支
持板２をろう付は固定するために設けられている０図示
されていない能動（発光又は受光）半導体素子もしくは
図示されていない光波導体（例えばガラスファイバ）は
、マイクロレンズ（球）ｌの前方または後方に設けられ
る。支持板（シリコンチップ）上に発光もしくは受光チ
ップ及び光波導体（例えばガラスファイバ）を直接組み
込むことも可能である。
第１図による実施例も第２図による実施例も、例えば多
数の発光器及び／又は受光器が同時に導入もしくは導出
結合される場合には、マイクロレンズ・アレイとして実
施することができ、あるいは一つの支持板上における連
結体として作ることができる。このような結合は、切り
離し可能な接続として実施することができる０例えばガ
ラスファイバである光波導体の位置調整及び固定のため
に、マイクロレンズの前方もしくは後方にみぞをエツチ
ングするとよい、第３図にはこのような実施例が示され
ている。
数の発光器及び／又は受光器が同時に導入もしくは導出
結合される場合には、マイクロレンズ・アレイとして実
施することができ、あるいは一つの支持板上における連
結体として作ることができる。このような結合は、切り
離し可能な接続として実施することができる０例えばガ
ラスファイバである光波導体の位置調整及び固定のため
に、マイクロレンズの前方もしくは後方にみぞをエツチ
ングするとよい、第３図にはこのような実施例が示され
ている。
第３図に示されている光結合素子では、特にシリコン板
である支持板２に、互いに間隔を置いて並んでいる多数
の凹部３が、角錐台状の袋穴の形でエツチングされてい
る。光波導体５の収容のためのみぞ８のエツチングを同
時に行うことが好ましい、凹部３には、この実施例では
サファイア球であるマイクロレンズｌが挿入されている
。支持板２の凹部３へのマイクロレンズｌの直接固定及
びみぞ８への光波導体５としてガラスファイバの直接固
定のために、この実施例では支持板２０表面が凹部３及
びみぞ８の表面を含めて接続材としてのガラスろう層４
によって覆われている。ガラスファイバを光波導体５と
して備えたみぞ８は、この実施例では支持板（ケイ素つ
ェーへ）２におけるマイクロレンズ（サファイア球）１
を備えた凹部３の手前にそれぞれ配置されている。それ
ぞれの凹部３の背後には、能動半導体素子６として発光
半導体素子または受光半導体素子、もしくは送信チップ
又は受信チップが設けられている。
である支持板２に、互いに間隔を置いて並んでいる多数
の凹部３が、角錐台状の袋穴の形でエツチングされてい
る。光波導体５の収容のためのみぞ８のエツチングを同
時に行うことが好ましい、凹部３には、この実施例では
サファイア球であるマイクロレンズｌが挿入されている
。支持板２の凹部３へのマイクロレンズｌの直接固定及
びみぞ８への光波導体５としてガラスファイバの直接固
定のために、この実施例では支持板２０表面が凹部３及
びみぞ８の表面を含めて接続材としてのガラスろう層４
によって覆われている。ガラスファイバを光波導体５と
して備えたみぞ８は、この実施例では支持板（ケイ素つ
ェーへ）２におけるマイクロレンズ（サファイア球）１
を備えた凹部３の手前にそれぞれ配置されている。それ
ぞれの凹部３の背後には、能動半導体素子６として発光
半導体素子または受光半導体素子、もしくは送信チップ
又は受信チップが設けられている。
以上のように、本発明によれば、マイクロレンズの保持
のために支持板にＶ字形または角錐台形の袋穴又は貫通
孔の形をした凹部を設け、該凹部の寸法はマイクロレン
ズの大きさ及びマイクロレンズ／支持板の接触点により
定め、マイクロレンズを凹部内で接続材により支持板に
直接固定することによって、半導体チップと光学レンズ
との間の定められた間隔が調整できないか、もしくは大
きな誤差を甘受しなければならないという従来技術の欠
点を除去することができ、又、特にガラスろう付けされ
た球レンズを備えた多数の半導体チップを一つのウェー
ハ上に同時に作ることができる。
のために支持板にＶ字形または角錐台形の袋穴又は貫通
孔の形をした凹部を設け、該凹部の寸法はマイクロレン
ズの大きさ及びマイクロレンズ／支持板の接触点により
定め、マイクロレンズを凹部内で接続材により支持板に
直接固定することによって、半導体チップと光学レンズ
との間の定められた間隔が調整できないか、もしくは大
きな誤差を甘受しなければならないという従来技術の欠
点を除去することができ、又、特にガラスろう付けされ
た球レンズを備えた多数の半導体チップを一つのウェー
ハ上に同時に作ることができる。
第１図は本発明による光結合素子の実施例の切断斜視図
、第２図は本発明による光結合素子の他の実施例の切断
斜視図、第３図は一つの支持板に多数の光結合素子を配
置した実施例を示す斜視図である。 １・・・マイクロレンズ ２・・・支持板 ３・・・凹部 ４・・・ガラスろう層 ５・・・光波導体 ６・・・能動半導体素子（赤外線発光ダイオード）７・
・・金属コーティング ＦＩＧ Ｉ ＦＩＧ ２
、第２図は本発明による光結合素子の他の実施例の切断
斜視図、第３図は一つの支持板に多数の光結合素子を配
置した実施例を示す斜視図である。 １・・・マイクロレンズ ２・・・支持板 ３・・・凹部 ４・・・ガラスろう層 ５・・・光波導体 ６・・・能動半導体素子（赤外線発光ダイオード）７・
・・金属コーティング ＦＩＧ Ｉ ＦＩＧ ２
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １）光結合媒体として光波導体及びマイクロレンズを備
え、該光結合媒体が一つの支持板上に共通に発光半導体
素子及び／又は受光半導体素子と共に、或いは別の支持
板上に発光半導体素子及び／又は受光半導体素子に対し
て分離されて、相互に所定の空間的関係で配置され固定
されているような光結合素子において、前記マイクロレ
ンズ（１）の保持のために前記支持板（２）にはＶ字形
または角錐台形の袋穴又は貫通孔の形をした凹部（３）
が設けられ、該凹部の寸法は前記マイクロレンズの大き
さ及びマイクロレンズ／支持板の接触点により定め、前
記マイクロレンズ（１）は前記凹部（３）内で接続材（
４）により前記支持板（２）に直接固定されていること
を特徴とする光結合素子。 ２）前記接続材（４）はガラスろうであることを特徴と
する請求項１記載の光結合素子。 ３）前記支持板（２）は、Ｖ字形または角錐台形の凹部
（３）が異方性にエッチングされたケイ素からなること
を特徴とする請求項１又は２記載の光結合素子。 ４）前記マイクロレンズ（１）はガラスレンズ、尖晶石
レンズ又はサファイアレンズであることを特徴とする請
求項１ないし３の１つに記載の光結合素子。 ５）前記マイクロレンズ（１）は球レンズであることを
特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の光結合素子
。 ６）前記マイクロレンズ（１）の表面は光学的にコーテ
ィングされていることを特徴とする請求項１ないし５の
１つに記載の光結合素子。 ７）前記マイクロレンズ（１）を支持する半導体支持板
（２）は裏面の少なくとも一部に金属コーティング（７
）を備えていることを特徴とする請求項１ないし６の１
つに記載の光結合素子。 ８）半導体材料、特にケイ素からなる支持板（２）に角
錐台状の凹部（３）を異方性に袋穴または貫通孔として
エッチングし、該凹部（３）にサファイア、尖晶石又は
ガラスからなる球レンズの如きマイクロレンズ（１）を
挿入し、ガラスろうの如き接続材（４）により支持体（
２）に直接固定することを特徴とする請求項１ないし７
の１つに記載の光結合素子の製造方法。 ９）一つの支持板（２）上に同時に異方性のエッチング
により多数の角錐台状の凹部（３）を形成し、支持板（
２）を凹部（３）と共に接続材（４）としてのガラスろ
う層にて覆い、マイクロレンズ（１）をそれぞれ凹部（
３）に挿入して溶着させることを特徴とする請求項８記
載の製造方法。 １０）板帯における特に球状のマイクロレンズ（１）の
表面を支持板（２）上において光学的にコーティングす
ることを特徴とする請求項８又は９記載の製造方法。
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