JP4041226B2

JP4041226B2 - 光半導体装置

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Publication number: JP4041226B2
Application number: JP27843798A
Authority: JP
Inventors: 裕司岸田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: JP2000114641A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば２．５ＧＨｚ以上の広帯域の光ファイバー通信システムに用いられる光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＡＴＶや公衆通信の分野において、光ファイバー通信の実用化が始まっている。従来より、高速で高信頼性の光半導体モジュールが同軸型あるいはDual-inline 型と呼ばれるモジュール構造で実現されており、これらは主に幹線系と呼ばれる領域で既に実用化されている。
【０００３】
これに対し最近では、Ｓｉ（シリコン）サブ基板（パッケージ内に載置されるサブマウント、Ｓｉプラットホームともいう）上で、光素子とファイバとを機械的精度のみで高精度に位置決め実装する技術を用いた光モジュールが盛んに開発されている。これらは主に加入者系と呼ばれる領域での実用化が目標とされており、小型，低背化、低コスト化等が要求されている。またその一方で、広帯域化が重要な課題となっている。
【０００４】
〔従来例１〕
従来の光半導体装置Ｊ１の構成は図５（ａ）〜（ｃ）に示す通りである。図５（ａ）に示すように、半導体レーザ素子２の活性層がＳｉサブ基板１側に位置し、半導体レーザ素子２はその活性層側の入力電極４１における所定位置にアライメントされ、例えばＡｕＳｎ合金等の半田で接合されている。また、半導体レーザ素子２の活性層に対して反対側に位置する面の電極と終端電極４２とはワイヤ６を介して電気的に接続される。また、不図示の光ファイバはＶ溝１０上に実装されることにより、先に実装された半導体レーザ素子２との間で機械的に光学的なアライメントが行われる。
【０００５】
また、図５（ｃ）に示すように、Ｓｉサブ基板１は光モジュールＪ２を構成する多層アルミナベース基板８の凹部８ａに載置され、多層アルミナベース基板８上の入力電極８１，終端電極８２のそれぞれに、Ｓｉサブ基板１の入力電極４１，終端電極４２のそれぞれが接続される。なお、図中１１は光ファイバのストッパ溝であり、８３は接地電極である。
【０００６】
〔従来例２〕
また、上記したようなＳｉサブ基板の下面に接地電極、上面にストリップ線路が形成されて成る、いわゆるマイクロスリトップ線路を構成し、このマイクロストリップ線路の一部に薄膜抵抗が用いられることにより、負荷とのインピーダンス整合が行われる方法が提案されている（例えば、米国特許番号4,937,660 号を参照）。
【０００７】
この方法によれば、インピーダンス整合が負荷の直近のＳｉサブ基板上でなされており、従来例１に比べて、高周波での損失が小さく、装置が小型化できるという利点を有する。
【０００８】
なお、一般に半導体レーザ素子等の光半導体素子のインピーダンスは典型的には５オーム前後と、信号源及び負荷までの伝送線で用いられる５０オームあるいは２５オームに比べて低い。そのため、信号源と負荷との間で、マイクロストリップラインやリアクタンス素子等の回路部品の適当な組み合わせにより、インピーダンス整合が行われるのは一般的な技術であって、上述の従来例の他にも例えば特開平10-75003号公報等にも記載がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例１では、Ｓｉサブ基板上の配線に接地電極がないため、一般的に全く信号源側のインピーダンスに整合しない。そのため、高周波における反射波による信号波形の劣化が増大するという問題や、Ｓｉが有する大きな誘電正接のため、高周波で誘電体損失が増大するという問題がある。ここで、上記従来例１における電磁界の強い領域Ｌ２について図示すると、図５（ｂ）に示すごとくとなり、入力電極の周囲の広い範囲に渡って電磁界の影響を大きく受けることになる。
【００１０】
また、従来例２では従来例１と同様に、Ｓｉの大きな誘電正接のため、高周波で誘電体損失が増大するという問題がある。すなわち、Ｓｉサブ基板上面のストリップ線路とＳｉサブ基板下面の接地電極との間に、ほとんどの電磁界が閉じこめられてマイクロ波が伝搬するため、Ｓｉの誘電正接の影響を強く受けやすく、誘電体損失によりマイクロ波が光半導体素子に入射する前に減衰し、十分に光半導体素子に信号を伝えることができなくなる。
【００１１】
また、Ｓｉ基板の下面から上面にスルーホールを形成する必要があるが、スルーホールにより基板の機械的な強度が弱くなり、特に、Ｓｉ基板の場合にはスルーホールを起点にクラックが入りやすく壊れやすくなる。また、上面及び下面の２面にパターン形成プロセスを行う必要があり、プロセスが複雑化するといった問題もある。
【００１２】
そこで本発明は、上記従来の問題に鑑み提案されたものであり、２．５ＧＨｚ以上の広帯域においても特性の良好な光半導体装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光半導体素子配設用基板は、基板と、前記基板上に設けられ、前記基板より誘電正接の小さな誘電体層と、前記誘電体層上に設けられ、光半導体素子にマイクロ波信号を伝搬させる線状電極と、前記線状電極に対し、該線状電極の一方の側縁側に近接して前記基板に設けられる空隙部と、前記線状電極に対し、該線状電極の他方の側縁側に前記線状電極と間隔を空けて並設される接地電極と、を具備する。
また、本発明の光半導体素子配設用基板は、一端部が前記空隙部に連通するようにして前記基板に設けられ、前記線状電極に実装される光半導体素子と光学的に結合するように光導波体を収容するための溝部をさらに具備することが好ましい。
【００１４】
また、基板の誘電正接は0.015 以下であることを特徴とする。本発明の光半導体装置は、記載の光半導体素子配設用基板と、前記線状電極上に実装された光半導体素子と、を具備する。また、本発明の光半導体装置は、前記溝部に実装され、前記光半導体素子と光学的に結合する光導波体をさらに具備することが好ましい。
【００１５】
さらに、基板はこの基板として好適に使用されるシリコンよりも良熱伝導性の基体上に載置させると放熱性が良好となるので好適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光半導体装置Ｈ１，Ｈ２及びそれを収容した光モジュールＭ１，Ｍ２の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１（ａ）〜（ｃ）において、１はＳｉ等の異方性エッチングが可能で、後記する良熱伝導性の第１のサブ基板上に載置される第２のサブ基板、２は光ファイバや光導波路体のような光導波体に光を入射させる発光素子である半導体レーザ、１０は例えば光ファイバ等の光導波体を載置するためのＶ溝、４１，４２はそれぞれマイクロ波信号を伝搬させる線状電極である入力電極，終端電極（なお、４１，４２の一方を入力電極とすると、他方が終端電極となる）、４３は上記線状電極と同様な材質から成る接地電極、５は誘電体層、６はワイヤ（リード線）、７は金等の導電性リボン、８はベース基板である多層アルミナベース基板、８１は入力側電極、８２は出力側電極、８３は接地電極、９は良熱伝導性で少なくとも表面が導電性である金めっきアルミナ精密加工基板等の第１のサブ基板、１１は光導波体のストッパー用のダイシング溝である。
【００１８】
半導体レーザ２はその活性層側電極を第２のサブ基板１側に配置し、入力電極４１上の所定の位置にアライメントされ、ＡｕＳｎ等の半田で接合される。また、活性層の背面側の電極と終端電極４２とはワイヤ６で電気的に接続される。また、光導波体はＶ溝１０上に実装されることにより、先に、実装された半導体レーザ２との間で機械的に光学的なアライメントが高精度に行われる。
【００１９】
入力電極４１，終端電極４２，接地電極４３，及び誘電体層５は非対称コプレーナウェーブライン４を構成する。非対称コプレーナウェーブライン４は外部電気系インピーダンスの５０オームに整合するように、電極４１，４２の幅，入力電極４１，終端電極４２と接地電極４３との間隔、及び誘電体層５の厚みが制御される。
【００２０】
また、非対称コプレーナウェーブライン４の一部には、負荷とのインピーダンス整合を行うために、小型のチップ抵抗等の回路部品が用いられる。この回路部品の配置等は簡単のため図から省略した。
【００２１】
なお、第２のサブ基板１は窒化珪素等でもよく、第１のサブ基板９はステンレスやコバール等でもよく、またベース基板８は低誘電率の合成樹脂等でもよい。
【００２２】
図１（ｂ）に示すように、Ｓｉサブ基板１に誘電体層５を介して非対称コプレーナウェーブライン４を構成することにより、マイクロ波信号は入力電極４１，終端電極４２と接地電極４３との間にほとんどの電磁界が閉じこめられ、誘電体層５及び空気中に分布させることができる。これにより、Ｓｉ等の基板の高い誘電正接の影響を受けなくなり、従来構成よりも大幅に誘電損失を減らす効果がある。
【００２３】
また、入力電極４１，終端電極４２をダイシング溝１１に近接して配設することにより、誘電率がより低い空気層を伝搬する電磁界分布の面積が増加し、マイクロ波の等価的な誘電率を下げることができる。これにより、マイクロ波をより高速で伝搬させることができ、光半導体装置の広帯域化に寄与する。また、線状電極面すなわち信号電極面と接地電極面とが同一面で並設しているため、ベース基板の電極との接続の整合性が良好であるという効果もある。
【００２４】
次に、各部の特徴的な形状、材質、寸法等の詳細について述べる。入力電極４１，終端電極４２の幅（光軸に直交する方向の長さ）は１００〜４００ミクロン前後が好適であり、材質はＡｕ単体もしくはＡｕ等を上部層とし、下部層としてＣｒ，Ｔｉ，Ｐｔ等とするとよく、上部層の厚みを２〜３μｍ程度とし、下部層を２００Å以上とする。上記幅はワイヤボンドに最低必要な電極面積と形成可能な誘電体層５の厚さ限界から決まる。
【００２５】
誘電体層５には例えばシリカやポリイミド樹脂等を用いることができる。これらの材質が選択される理由としては、誘電正接が小さく、マイクロ波の誘電体損失を抑制できることによる。非対称コプレーナウェーブラインが下地のＳｉ等の基板の誘電正接の影響を十分に受けなくするには、誘電正接の小さいＳｉを選択し、誘電体層５をなるべく厚くする必要がある。
【００２６】
しかしながら、誘電体層５を厚くしすぎると、下地のＳｉ等の基板と誘電体層の熱膨張係数差により、第２のサブ基板１及び誘電体層５に大きな応力がかかり、基板が変形したり誘電体層５にクラックが入る等の不具合が生じてしまう。そのため、Ｓｉ材料の選択及び誘電体層厚みの設計を適切に行う必要がある。表１は３０ｍｍ幅のＳｉ基板にシリカを形成したときのＳｉ基板の変形、すなわちそり量を測定した一例である。ここで、そり量とは台に水平に基板を置いたときに台の水平面から基板の凸部の頂上までの距離をそり量としている。
【００２７】
【表１】

【００２８】
基板のそり量としては５０μｍ以下が望まれ、誘電体層がシリカ膜の場合、膜厚６０μｍ以下が望まれる。一例として誘電体層５の厚みを１０μｍにしたとき、非対称コプレーナラインの特性インピーダンスが５０Ωに整合にする条件を図３に示す。また、誘電正接が異なる各種Ｓｉ基板を使用し、非対称コプレーナラインに周波数１０ＧＨｚのマイクロ波を伝送したときの伝送損失を図４に示す。
【００２９】
図３，４から明らかなように、例えば、電極層４１，４２の幅がｗ＝１６０μｍのときには、入力電極４１，終端電極４２と接地電極４３との間隔をｓとすると、ｓ／ｗが０．０３１〜０．１２５の範囲の場合、電極８１と電極４１の接続点、電極８２と電極４２の接続点でのマイクロ波の反射量を許容範囲に抑制できるため好適で、特に０．０６３のときがマイクロ波の反射量をほとんど無くすことができ最も良好である。また、Ｓｉの誘電正接が０．０１５以下（抵抗率で１０００Ω・ｃｍ以上）のとき、マイクロ波の損失が１ｄＢ／cm以下となり好適である。
【００３０】
また、接地電極４３とベース基板８との接続部はインダクタンスやキャパシタンス等の回路定数成分を極力抑制する必要があるため、図１に示すように、表面に金めっきが施されたセラミック精密加工基板である第１のサブ基板９と金のリボン７を介して接続するか、または図２のごとく接地電極層４３のエッジと接地電極８３のエッジとの間に溝を形成し、半田１２をその溝に溶かし込んで接続を行う方法をとる。
【００３１】
また、第１のサブ基板９は、例えばＣＩＭ（セラミックインジェクションモールド）等の高精度な加工方法により、第２のサブ基板１の配設用の溝と光ファイバ３の気密封止用の貫通孔とが形成され、表面はメタライズされる。
【００３２】
その後、第１のサブ基板９はベース基板８上に実装され、最後に第１のサブ基板９上に、第２のサブ基板１が実装される形態をとる。これにより、一般的に多層セラミック基板は高周波特性に優れる反面、孔加工等において機械的な精度が低いと言われる問題点を解決し、光接続及び高周波特性の両方に優れる光モジュールを構成できる。
【００３３】
図１の例では第２のサブ基板１上の接地電極４３はベース基板８上の接地電極８３に確実に接地するために、第１のサブ基板９を介し、金のリボン７で電気的接続をとる。これにより、接地線の接続点において、不要なインダクタンスや容量成分が入るのを極力抑制することができ、確実な接地をとることができる。接地が不確実な場合、すなわち、接地線の途中に不要なインダクタンスや容量成分が入ると、それらによる共振周波数で、マイクロ波が半導体レーザに伝送されなくなる不具合が生じてしまう。
【００３４】
また、図２に示すように第１のサブ基板９の両端の高さを第２のサブ基板１の上面よりも低くし、接地電極８３と接地電極層４３を近接させて接地する方法もある。これにより、接続点を減らし、高周波特性、接続の作業性ともに改善できる方法もある。この場合、接地電極層４３と接地電極８３とが近接する領域の第２のサブ基板１の辺において、接地電極４３が形成される幅だけＶ溝形成による片側斜面を形成し、前記接地電極層４３と接地電極８３とが近接する領域に半田載置用の溝を形成し、該溝に例えばＳｎＰｂ合金等から成る半田ボールを載せて溶かす方法により、簡便な方法で、より確実な接地がとれる。
【００３５】
次に、さらに詳細な実施例について説明する。
【００３６】
まず、Ｓｉサブ基板１には、厚さ０．５２５ｍｍ、抵抗率１０００Ω・cmの基板を用いた。Ｓｉサブ基板１の外形は１．６×４．０ｍｍにし、ファイバ３が実装されるＶ溝１０の長さは３ｍｍにした。非対称コプレーナライン４はＳｉサブ基板１上で半導体レーザ２の実装部から基板の外周に向かって０．６５ｍｍ配線した。これはＳｉサブ基板１の外形に依存しており、Ｓｉサブ基板１のパッケージへの実装上、最低必要な長さである。非対称コプレーナライン４はＳｉサブ基板１上に厚さ１０μｍのシリカ誘電体層５と、さらにその上に厚さ４μｍ、幅１６０μｍの下地層がＣｒで上部層がＡｕである、入力電極４１，終端電極４２，接地電極４３とで構成した。入力電極４１，終端電極４２と接地電極４３との間隔は３０μｍにした。
【００３７】
これにより、非対称コプレーナウェーブライン４を伝搬するマイクロ波信号は誘電体層５及び空気層に電磁界が閉じこめられることから、Ｓｉの高い誘電正接の影響を受けなくなる効果があり、非対称コプレーナライン４の伝搬損失を例えば１０ＧＨｚで０．１ｄＢ未満に抑制できた。
【００３８】
従来の電極構成ではＳｉ基板への電磁界のしみだしがあるため、Ｓｉによる大きな誘電体損失を受けることになる。Ｓｉの誘電正接はその抵抗率によって異なり、例えば本実施例で用いた１０００Ω・cmでは誘電正接は約０．０１５であるが、これを１０Ω・cm、誘電正接３．３の基板を用いると１０ＧＨｚのマイクロ波信号では単位長あたりの損失は１０ｄＢ／cm以上となり、配線長０．６５ｍｍの損失は６．５ｄＢ以上となる。
【００３９】
次に、Ｓｉサブ基板１側面の接地電極４３に沿って形成された深さ２００μｍのＶ溝の片側斜面とベース基板の接地電極形成面のエッジとの隙間に半田を溶かし込んだ。
【００４０】
これにより、接地線の寄生インダクタンス及び寄生容量を極力抑えることができ、半導体レーザ２の帯域幅１５ＧＨｚ以内では共振によるディップが発生しなかった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の光半導体装置及び光モジュールによれば、以下に示す顕著な効果を奏することができる。
【００４２】
・基板上でマイクロ波を伝送する際、基板による誘電体損失を極力抑制することができ高周波での伝送損失を飛躍的に抑制でき、これにより基板上の配線長を長くとることができる。
【００４３】
・複数の素子に配線を行う場合、配線間の容量を小さくでき、また、ベースへの接地も容易に行える。
【００４４】
・線状電極、接地電極、及び誘電体層で構成される（非対称）コプレーナウェーブライン近傍に、例えば光導波体のストッパー用溝を形成することにより、コプレーナウェーブラインの等価的な誘電率を下げる効果があり、光半導体装置の広帯域化をはかることができる。
【００４５】
・本発明の光半導体装置とこれを載置する良熱伝導性の基体とから少なくとも構成される光モジュールによれば、光半導体装置上の伝送線と基体の伝送線との電磁界フィールドの整合性が良好となる。
【００４６】
・また、上記光モジュールによれば、基体を例えば精密加工を施した多層セラミック基板とすることにより、精密な光学的接続と多層セラミック基板による良好な電気的接続とを組み合わせたことにより、光接続及び高周波特性に優れた光モジュールを提供できる。
【００４７】
・さらに、上記光モジュールによれば、光半導体装置の接地電極と基体上の接地電極とを簡便な方法で確実に接続できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光半導体装置を説明する図であり、（ａ）は光半導体装置の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は光モジュールの一部省略斜視図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る光半導体装置を説明する図であり、（ａ）は光モジュールの一部省略斜視図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る光半導体装置に用いられるＳｉサブ基板のインピーダンス特性を示す線図である。
【図４】本発明の実施形態に係る光半導体装置に用いられる誘電体層のマイクロ波の伝送損失を説明するグラフである。
【図５】従来例の光半導体装置を説明する図であり、（ａ）は光半導体装置の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は光モジュールの一部省略斜視図である。
【符号の説明】
１：Ｓｉサブ基板（第２のサブ基板：基板）
２：半導体レーザ（光半導体素子）
３：光ファイバ（光導波体）
４：非対称コプレーナウェーブライン
５：誘電体層
６：ワイヤ
７：金リボン
８：多層セラミックベース基板（ベース基板）
９：精密セラミックサブ基板（第１のサブ基板）
１０：Ｖ溝
１１：ダイシング溝
４１：入力電極（線状電極）
４２：終端電極（線状電極）
４３：接地電極
８１：入力電極
８２：出力電極
８３：接地電極
Ｈ１，Ｈ２：光半導体装置
Ｍ１，Ｍ２：光モジュール

Claims

基板と、
前記基板上に設けられ、前記基板より誘電正接の小さな誘電体層と、
前記誘電体層上に設けられ、光半導体素子にマイクロ波信号を伝搬させる線状電極と、
前記線状電極に対し、該線状電極の一方の側縁側に近接して前記基板に設けられる空隙部と、
前記線状電極に対し、該線状電極の他方の側縁側に前記線状電極と間隔を空けて並設される接地電極と、
を具備する光半導体素子配設用基板。
一端部が前記空隙部に連通するようにして前記基板に設けられ、前記線状電極に実装される光半導体素子と光学的に結合するように光導波体を収容するための溝部をさらに具備する請求項１記載の光半導体素子配設用基板。
前記基板の誘電正接は０．０１５以下である請求項１または２記載の光半導体素子配設用基板。
請求項１乃至３のいずれか記載の光半導体素子配設用基板と、
前記線状電極上に実装された光半導体素子と、
を具備する光半導体装置。
前記溝部に実装され、前記光半導体素子と光学的に結合する光導波体をさらに具備する請求項２に係る請求項４記載の光半導体装置。