JP7514094B2

JP7514094B2 - 集積光学装置、集積光学モジュール

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Publication number: JP7514094B2
Application number: JP2020056033A
Authority: JP
Inventors: 亮平福▲崎▼
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2024-07-10
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: JP2021157013A

Description

本発明は、集積光学装置、およびこれを用いた集積光学モジュールに関する。

データトラフィックの増加に伴い、光通信システムやそれらを活用した身の回りの様々な光デバイスの多機能化が進んでいる。最近では多機能化と共に高密度化が求められ、多機能且つ小型な光デバイスが検討されている。

光通信システムにおいては、シリコンフォトニクスの技術検討が進められている。これは、シリコン導波路へ発光素子や受光素子などを集積させるものである。
また身の回りもウェアラブルデバイスや小型プロジェクタなど、多機能かつ持ち歩きが可能なデバイスのために、光モジュールの小型化が求められている。

従来、複数の光学素子を１つに集積化するために、ミラー及びレンズが用いられている。例えば、特許文献１には、筐体内にレーザーダイオード（Laser Diode：ＬＤ）、光学レンズ、全反射用波長フィルタ、波長分離用フィルタ、ファイバコリメータ、フォトダイオードが集積された光モジュールが開示されている。

こうした特許文献１の光モジュールでは、ＬＤから発せられた波長１．３μｍの光が集光レンズ、キャピラリ、コリメータレンズを経て全反射用波長フィルタを通り、波長分離用フィルタで全反射し、ファイバコリメータで受光される。ファイバコリメータから入力された波長１．４９μｍ，１．５５μｍの光は、波長分離用フィルタを通過してから、全反射用波長分離用フィルタにより互いに分離される。分離された後の１．５５μｍの光は、全反射用波長フィルタにより折り返され、結合レンズによりフォトダイオードに入射する。分離された後の１．４９μｍの光は、結合レンズによりフォトダイオードに入射する。

また、特許文献２には、透明基板の表面及び裏面に波長選択フィルタ及びミラーが搭載された波長合分波器に、波長選択フィルタ及びミラーの配置に合わせて所定の波長を有する光を複数入射させ、波長合分波器で合波可能な光送受信モジュールが開示されている。

特許文献１，２のようにミラーやレンズを用いた集積化とは別の構造として、例えば特許文献３、４には導波路構造を備えた光デバイスが開示されている。特許文献３に開示されている合波器では、任意のＮ本の薄いクラッドを持つファイバ素線がチップ型板に固定され、複数のファイバ素線の出射端が互いに束ねられている。特許文献４には、半導体導波路を有して第１の基板上に搭載された半導体チップと、ＰＬＣチップとを一体化したハイブリッド集積光モジュールが開示されている。

特許文献４のハイブリッド集積光モジュールでは、半導体チップにおいてＰＬＣチップに対向する端面と、ＰＬＣチップにおいて半導体チップに対向する端面とはギャップをあけて互いに離間している。また、半導体チップとＰＬＣチップとは、紫外線硬化接着剤によって接着されている。

特開２００５－３０９３７０号公報特開２００９－１０５１０６号公報特開２０１６－１１８７５０号公報特開２０１１－１０２８１９号公報

しかしながら、特許文献４に記載されている光モジュールでは、部品同士が紫外線硬化樹脂で接着されているため、ワイヤーボンディングの工程等による温度変化による紫外線硬化接着剤の膨張・収縮が生じ、互いに接着されていた部品同士の調芯精度が低下し、集積光学装置の信頼性が低下する虞があった。また、ＬＤ等の光半導体素子を作動させるために基板に導通する必要があり、ワイヤーボンディング等の方法を用いて光半導体素子と電源とを基板上で接続する。そのとき、半導体チップに対してＰＬＣチップが固定される強度が十分でないと、ワイヤーボンディングする際に、半導体チップが滑落する虞があった。

半導体チップ及びＰＬＣチップは通常、パッケージに搭載される。ワイヤーボンディングによる衝撃あるいは負荷は半導体チップ及びＰＬＣチップのうち、半導体チップ側にかかるが、この点を考慮してワイヤーボンディングによる衝撃に対する耐性を高める技術は知られていない。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、ワイヤーボンディングの衝撃等に対する耐性が高い集積光学装置、およびこれを用いた集積光学モジュールを提供することを目的とする。

本発明の第１態様では、集積光学装置は、基台と、前記基台の表面に設けられた光半導体素子と、基板と、前記基板の表面に設けられた光導波路と、を備え、前記光導波路の入射面が前記光半導体素子の出射面と対向するように配置され、前記光半導体素子から出射される光が前記光導波路に入射可能であり、前記光半導体素子は、金属層を介して前記基台と接続されており、前記基台は、他の金属層を介して前記基板と接続されており、前記基台の表面に対して反対側の基台底面は、前記基板の表面に対して反対側の基板底面よりも突出した位置にあり、前記金属層は、前記他の金属層よりも融点の高い金属材料で構成されており、前記光半導体素子と前記光導波路との間に反射防止膜が設けられ、前記反射防止膜は、入射光である赤色光、緑色光、青色光の波長に応じた所定の厚みで交互に積層されることによって形成される多層膜である。

本発明の第３態様では、集積光学装置は、前記光半導体素子を複数備え、複数の前記光半導体素子は互いに異なる波長を有する光を発し、前記光導波路には複数の前記光半導体素子が発する光のそれぞれが入射可能なコアが設けられ、複数の前記コアは前記光導波路の出射面に到達する手前側で互いに１つに集められている。

本発明の第４態様では、集積光学モジュールは、前記各項に記載の集積光学装置と、該集積光学装置を収容するパッケージとを有し、前記集積光学装置は、金属または樹脂を含む接合層を介して前記パッケージに固定されている。

本発明によれば、製造時において、光半導体素子が設けられた基台と、光導波路が設けられた基板との接続部分に、過剰な負荷が加わることのない集積光学装置、およびこれを用いた集積光学モジュールを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態の集積光学装置の斜視図である。図２は、図１に示す集積光学装置のＰＬＣの入射面の断面図である。図３は、図１に示す集積光学装置の一部の平面図である。図４は、図１に示す集積光学装置においてＡ－Ａ´線で矢視した断面図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、図１に示す集積光学装置の製造方法の一例を説明するための断面図である。図６は、図１に示す集積光学装置がパッケージされた集積光学モジュールの平面図である。図７は、集積光学モジュールの側面図である。図８は、集積光学モジュールのカバーを外した状態の平面図である。図９は、集積光学モジュールの出射部側から見た側面図である。図１０は、集積光学モジュールの使用時の一形態を示す斜視図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である集積光学装置、およびこれを用いた集積光学モジュールについて図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（集積光学装置）
図１に示すように、本実施形態の集積光学装置１０は、サブキャリア（基台）２０と、サブキャリア２０の上面（表面）２１に設けられたＬＤ（光半導体素子）３０と、基板４０と、基板４０の上面（表面）４１に設けられたＰＬＣ（光導波路）５０と、を備えている。

集積光学装置１０は、光の３原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれの色の光を合わせる合波器である。集積光学装置１０は、例えばヘッドマウントディスプレイに搭載される合波器として適用可能である。使用する光源であるＬＤ（光半導体素子）３０は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）とは限らず、本実施形態において、例示として示した光の３原色のＬＤ（光半導体素子）３０は、市販の赤色光、緑色光、青色光等の各種レーザー素子が使用可能である。適宜、所望の用途により選択すればよく、例えば、赤色光とは、ピーク波長が６１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下である光が使用可能であり、緑色光とは、ピーク波長が５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下である光が使用可能であり、青色光とは、ピーク波長が４３５ｎｍ以上４８０ｎｍ以下である光が使用可能である。

集積光学装置１０は、赤色光を発するＬＤ３０－１、緑色光を発するＬＤ３０－２、及び青色光を発するＬＤ３０－３を備える。ＬＤ３０－１，３０－２，３０－３は、それぞれのＬＤから発せられる光の出射方向に略直交する方向において互いに間隔をあけて配置され、個別のサブキャリア２０の上面２１に設けられている。ＬＤ３０－１は、サブキャリア２０－１の上面２１－１に設けられている。ＬＤ３０－２は、サブキャリア２０－２の上面２１－２に設けられている。ＬＤ３０－３は、サブキャリア２０－３の上面２１－３に設けられている。以下では、集積光学装置１０の任意の構成要素の符号Ｚについて、符号Ｚ－１，Ｚ－２，…，Ｚ－Ｋの構成要素に共通する内容については、これらをまとめて符号Ｚと記載する場合がある。前述のＫは２以上の自然数である。
なお、言うまでもないが、本実施形態として示した赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）以外の光も使用可能であり、図面を用いて説明した赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の搭載順についても、この順である必要性はなく適宜変更可能である。

ＬＤ３０は、ベアチップでサブキャリア２０に実装されている。サブキャリア２０は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリコン（Ｓｉ）、等で構成されている。図４に示すように、サブキャリア２０とＬＤ３０との間には、金属層７５，７６が設けられている。サブキャリア２０とＬＤ３０とは、金属層７５，７６を介して接続されている。金属層７５，７６を形成する方法としては、公知の方法が利用可能で特に問わないが、例えば、スパッタ、蒸着、ペースト化した金属の塗布等の公知手法が利用可能である。金属層７５，７６は、例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、インジウム（Ｉｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）及びタンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）とスズ（Ｓｎ）の合金、スズ（Ｓｎ）－銀（Ａｇ）－銅（Ｃｕ）系はんだ合金（ＳＡＣ）、ＳｎＣｕ、ＩｎＢｉ、ＳｎＰｄＡｇ、ＳｎＢｉＩｎ及びＰｂＢｉＩｎからなる群から選択される１又は複数の金属で構成されている。

基板４０は、シリコン（Ｓｉ）で構成されている。ＰＬＣ５０は、集積回路等の微細な構造を形成する際に用いられる公知のフォトリソグラフィやドライエッチングを含む半導体プロセスによって、上面４１に、基板４０と一体になるように作製されている。図１及び図２に示すように、ＰＬＣ５０には、複数且つＬＤ３０－１，３０－２，３０－３と同数のコア５１－１，５１－２，５１－３と、コア５１－１，５１－２，５１－３を囲むクラッド５２が設けられている。クラッド５２の厚みと、コア５１－１，５１－２，５１－３の幅方向寸法は、特に制限されない。例えば、５０μｍ程度の厚みを有するクラッド５２中に、数ミクロン程度の幅方向寸法を有するコア５１－１，５１－２，５１－３が配設されている。

コア５１－１，５１－２，５１－３及びクラッド５２は、例えば石英で構成されている。コア５１－１，５１－２，５１－３の屈折率は、クラッド５２の屈折率より所定値だけ高くなっている。このことによって、コア５１－１，５１－２，５１－３の各々に入射した光が、各コアとクラッド５２との界面で全反射しながら、各コアを伝搬する。コア５１－１，５１－２，５１－３には、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）等の不純物が前述の所定値に応じた量でドープされている。

以下、ＬＤ３０から発せられる光の出射方向をｙ方向とする。ｙ方向を含む面内でｙ方向に直交し、且つＬＤ３０－１，３０－２，３０－３が互いに間隔をあけて配置されている方向をｘ方向とする。ｘ方向及びｙ方向に直交し、且つサブキャリア２０からＬＤ３０に向かう方向をｚ方向とする。ＰＬＣ５０の入射面６１では、コア５１－１，５１－２，５１－３は、ｘ方向及びｚ方向に関してＬＤ３０－１，３０－２，３０－３から発せられる光の光軸に合わせて配置されている。

図１及び図４に示すように、コア５１－１，５１－２，５１－３は、ＰＬＣ５０の出射面６４に到達する手前側で互いに１つに集められている。即ち、コア５１－１，５１－２，５１－３は、ｙ方向の前方に向かうにしたがって順次互いに近づき、１つのコア５１－４に合流する。コア５１－１，５１－２，５１－３からの漏れ光が生じないように、コア５１－１，５１－２，５１－３はそれぞれ、所定の曲率半径以上の曲率半径でコア５１－４に接続されるのが好ましい。

図３に示すように、ＰＬＣ５０の入射面６１がＬＤ３０の出射面３１と対向するように配置されている。詳細には、ＬＤ３０－１の出射面３１－１がコア５１－１の入射面６１－１と対向している。ｘ方向及びｚ方向において、ＬＤ３０－１から発せられる赤色光の光軸と入射面６１－１の中心とが略重なっている。同様に、ＬＤ３０－２の出射面３１－２がコア５１－２の入射面６１－２と対向している。ｘ方向及びｚ方向において、ＬＤ３０－２から発せられる緑色光の光軸と入射面６１－２の中心とが略重なっている。ＬＤ３０－３の出射面３１－３がコア５１－３の入射面６１－３と対向している。ｘ方向及びｚ方向において、ＬＤ３０－３から発せられる青色光の光軸と入射面６１－３の中心とが略重なっている。このような構成及び配置によって、ＬＤ３０－１，３０－２，３０－３から発せられる赤色光、緑色光、青色光の少なくとも一部は、コア５１－１，５１－２，５１－３に入射可能である。

図１に示すように、ＬＤ３０－１，３０－２，３０－３から発せられる赤色光、緑色光、青色光は、コア５１－１，５１－２，５１－３にそれぞれ入射した後、各コアを伝搬する。コア５１－１，５１－２及びこれらのコアを伝搬する赤色光及び緑色光は、合流位置５７－２よりｙ方向の後方の所定の合流位置５７－１（図３参照）で合わさる。コア５１－１，５１－２同士が合流したコア５１－７（図３参照）とコア５１－３及びこれらのコアを伝搬する赤色光、緑色光及び青色光は、合流位置５７－２で合わさる。合流位置５７－２で集光された赤色光、緑色光及び青色光は、コア５１－４を伝搬し、出射面６４に到達する。出射面６４から出射される３色光は、例えば集積光学装置１０の使用目的に応じて信号光等として用いられる。

図４に示すように、サブキャリア２０は、第１金属層７１，第２金属層７２，第３金属層７３を介して基板４０と接続されている。本実施形態では、サブキャリア２０において基板４０に対向する側面（第１側面）２２（２２－１、２２－２、２２－３）と基板４０においてサブキャリア２０に対向する側面（第２側面）４２とは、第１金属層７１、第２金属層７２、第３金属層７３、反射防止膜８１を介して接続されている。金属層７５の融点は、第３金属層７３の融点よりも高い。

第１金属層７１は、スパッタ又は蒸着等によって側面２２に当接した状態で設けられ、例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、インジウム（Ｉｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選択される１又は複数の金属で構成されている。好ましくは、第１金属層７１に、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、インジウム（Ｉｎ）、ニッケル（Ｎｉ）が用いられる。第２金属層７２は、スパッタ又は蒸着等によって側面４２に当接した状態で設けられ、例えばチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）及びタングステン（Ｗ）からなる群から選択される１又は複数の金属で構成されている。好ましくは、第２金属層７２に、タンタル（Ｔａ）が用いられる。第３金属層７３は、第１金属層７１と第２金属層７２との間に介在し、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ＡｕＳｎ、ＳｎＣｕ、ＩｎＢｉ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＰｄＡｇ、ＳｎＢｉＩｎ及びＰｂＢｉＩｎからなる群から選択される１又は複数の金属で構成されている。好ましくは、第３金属層７３に、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＢｉＩｎが用いられる。

第１金属層７１の厚み、即ち第１金属層７１のｙ方向の大きさは、例えば０．０１μｍ以上５．００μｍ以下である。第２金属層７２の厚み、即ち第２金属層７２のｙ方向の大きさは、例えば０．０１μｍ以上１．００μｍ以下である。第３金属層７３の厚み、即ちｙ方向の大きさは、例えば０．０１μｍ以上５．００μｍ以下である。また、第３金属層７３の厚みは、第１金属層７１及び第２金属層７２の各厚みより大きいことが好ましい。
このような構成では、第１金属層７１、第２金属層７２、第３金属層７３の前述の各役割が良好に発現され、基板４０に対する第１金属層７１の材料の進入及び各金属層同士の接着強度の低下が抑えられる。

本実施形態では、第１金属層７１は、金属層７５に接触しない状態で、側面２２の略全域において基板４０又はＰＬＣ５０に対向する側面に設けられている。第２金属層７２及び第３金属層７３のｚ方向の前端、即ち上端は、ｚ方向の前側では第１金属層７１と同じ位置に達している。第２金属層７２及び第３金属層７３のｚ方向の後端、即ち下端は、第１金属層７１よりも後方且つ反射防止膜８１より前方の位置に達している。ｙ方向に沿って見たとき、ｘ方向において第１金属層７１はサブキャリア２０より大きく形成されている。

前述の構成のように、第１金属層７１の面積、即ちｘ方向及びｚ方向を含む面内の大きさは、第２金属層７２及び第３金属層７３の面積と略同じであるか、或いは第２金属層７２及び第３金属層７３の面積より小さいことが好ましい。このような構成では、基板４０に対するサブキャリア２０の接続強度が最大限に確保される。

本実施形態では、ＬＤ３０とＰＬＣ５０との間に反射防止膜８１が設けられている。例えば、反射防止膜８１は、基板４０の側面４２とＰＬＣ５０の入射面６１とに、一体的に形成されている。但し、反射防止膜８１は、ＰＬＣ５０の入射面６１のみに形成されていてもよい。

入射面６１に加えて出射面６４にも、反射防止膜８２が設けられている。なお、図１では、集積光学装置１０の概略構成を示しており、第１金属層７１、第２金属層７２、第３金属層７３及び反射防止膜８１，８２は省略されている。

反射防止膜８１，８２は、ＰＬＣ５０への入射光又は出射光が入射面６１又は出射面６４から各面に進入する方向とは逆向きに反射することを防止し、入射光又は出射光の透過率を高めるための膜である。反射防止膜８１，８２は、例えば複数の種類の誘電体が、入射光である赤色光、緑色光、青色光の波長に応じた所定の厚みで交互に積層されることによって形成される多層膜である。前述の誘電体としては、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等が挙げられる。

ＬＤ３０の出射面３１とＰＬＣ５０の入射面６１とは、所定の間隔で配置されている。入射面６１は出射面３１と対向しており、ｙ方向において出射面３１と入射面６１との間には隙間７０がある。集積光学装置１０は空気中に露出されているので、隙間７０には空気が満ちている。集積光学装置１０がヘッドマウントディスプレイに用いられる点及びヘッドマウントディスプレイで求められる光量等をふまえると、隙間（間隔）７０のｙ方向の大きさは、例えば０μｍより大きく、５μｍ以下である。なお、後述するように、集積光学装置１０をパッケージに収容し、収容部の内部空間に窒素（Ｎ_２）等の不活性ガスで封入すれば、隙間７０には不活性ガスが満たされる。

図４に示すように、本実施形態の集積光学装置１０は、サブキャリア（基台）２０の上面（表面）２１と反対側にある底面（基台底面）２３は、基板４０の上面（表面）４１と反対側にある底面（基板底面）４３よりも突出した位置になるように、サブキャリア（基台）２０が形成されている。例えば、サブキャリア２０の底面２３は、基板４０の底面４３よりも、図４中の下側に向かって、例えば０．１ｍｍ～２ｍｍ程度突出するように形成されている。

本実施形態のように、サブキャリア２０の底面２３が基板４０の底面４３よりも突出するように形成することで、集積光学装置１０を製造する過程で、ＬＤ３０を動作させる配線となるワイヤーボンディングを形成する際に、サブキャリア２０だけに負荷が加わるため、サブキャリア２０と基板４０との接合部分（第１金属層７１，第２金属層７２，第３金属層７３）に過大な負荷が加わることを防止する。これによって、サブキャリア２０と基板４０との接合部分の強度を特に高めなくても、ＬＤ（光半導体素子）３０にワイヤーボンディングを形成する際にサブキャリア２０と基板４０とが分離するなどの不具合が生じることを防止できる。従って、ワイヤーボンディングの衝撃等に対する耐性が高い集積光学装置１０を実現できる。

また、サブキャリア２０の底面２３が基板４０の底面４３よりも突出するように形成することで、サブキャリア２０の厚みを厚くすることができる。これによって、サブキャリア２０の表面積を増大させて、ＬＤ（光半導体素子）３０の動作で生じた熱を、サブキャリア２０から、より効率的に放熱することができる。

次いで、集積光学装置１０の製造方法を簡単に説明する。先ず、サブキャリア２０の上面２１に、ベアチップのＬＤ３０を公知の手法を用いて実装する。例えば、サブキャリア２０の上面２１に、金属層７５をスパッタ又は蒸着等を用いて形成する。さらに、ＬＤ３０の下面３３（例えば、ＬＤ３０－１の下面３３－１）に、金属層７６をスパッタ又は蒸着等を用いて形成する。次に、図５（ａ）に示すように、例えば、レーザー９０からレーザー光をサブキャリア２０に照射し、サブキャリア２０のみを溶融及び変形しない程度に加熱する。サブキャリア２０からの伝熱によって、金属層７５，７６を軟化あるいは溶融させ、その後冷却する。これにより、サブキャリア２０の上面２１に、ＬＤ３０が金属層７５，７６を介して接合される。また、ＬＤ３０のサブキャリア２０への実装前或いは実装後に、サブキャリア２０の側面２２に第１金属層７１をスパッタ又は蒸着等を用いて形成する。

次に、基板４０の上面４１に、公知の半導体プロセスによってＰＬＣ５０を形成する。
続いて、入射面６１及び出射面６４に反射防止膜８１，８２、不図示の反射防止膜を形成する。さらに、反射防止膜８１のｙ方向の後方に、第２金属層７２、第３金属層７３をこの順に、スパッタ又は蒸着等を用いて形成する。

次に、ｘ方向及びｚ方向において、互いに対応するＬＤ３０とコア５１－１，５１－２，５１－３の出射面３１と入射面６１とをｙ方向に間隔をあけて対向させる。ＬＤ３０から発せられる各色光の光軸と対応するコアの入射面６１の中心とを略重ねる。この時、サブキャリア２０の厚みが厚いため、サブキャリア２０の底面２３は、基板４０の底面４３よりも突出した位置に配置される。

次いで、図５（ｂ）に示すように、レーザー９０からレーザー光をサブキャリア２０に照射し、サブキャリア２０からの伝熱によって第１金属層７１、第２金属層７２及び第３金属層７３を軟化或いは溶融させる。ＬＤ３０とＰＬＣ５０との相対位置を調整し、かつ、サブキャリア２０の底面２３と基板４０の底面４３とが同一平面上になるように、ＰＬＣ５０が形成された基板４０に、ＬＤ３０が実装されたサブキャリア２０を接合する。こうした工程を経て、サブキャリア２０の底面２３が、基板４０の底面４３よりも突出した位置にある集積光学装置１０を製造することができる。

（集積光学モジュール）
次に、本実施形態の集積光学装置を有する集積光学モジュールについて説明する。

本実施形態の集積光学モジュール１００は、図６、図７に示すように、例えばパッケージ１１０に収容されてもよい。集積光学モジュール１００は、上述した集積光学装置１０と、パッケージ１１０と、を備える。パッケージ１１０は、キャビティ構造を有する本体１０２と、本体１０２を覆うカバー１０５と、を備える。

本体１０２は、集積光学装置１０が収容される箱状の収容部１０７と、収容部１０７に隣り合う電極部１０８と、を有する。本体１０２は、例えばセラミック等で形成されている。収容部１０７の上面には開口が形成されている。上面視で開口の周縁の収容部１０７の上面には、金属膜１１２が形成されている。カバー１０５は、金属膜１１２を介して、収容部１０７の上面に形成された開口を隙間なく覆っている。カバー１０５で収容部１０７を気密封止する際に、収容部１０７の内部空間に窒素（Ｎ_２）等の不活性ガスが封入されている。つまり、収容部１０７は、カバー１０５によって気密封止されている。収容部１０７の内部空間は、不活性ガスで満たされている。これにより、隙間７０（図４参照）には不活性ガスが満たされる。

電極部１０８は、収容部１０７のｙ方向で手前側、即ちｙ方向の後方に配置されている。電極部１０８の上面は、収容部１０７の上面よりも下に位置している。電極部１０８の底面は、収容部１０７の底面と略同じ高さに位置している。電極部１０８の上面には、ｘ方向に間隔をあけて複数の外部電極パッド２１０が設けられている。

図７、図８に示すように、収容部１０７の底壁部１３１の所定の位置に、集積光学装置１０を設置するための土台１８０が設けられている。集積光学装置１０は、土台１８０の上に設けられている。つまり、集積光学装置１０は、収容部１０７の内部空間に配置されている。集積光学装置１０は、サブキャリア（基台）２０の底面（基台底面）２３と土台１８０の上面１８０ａに接合されており、同時に基板４０の底面（基板底面）４３が土台１８０の上面１８０ａに接合されていてもよい。

サブキャリア（基台）２０の底面（基台底面）２３は、土台１８０の上面１８０ａ（一内面）との間で接着層１８２ａを介して接合されていればよい。また、基板４０の底面（基板底面）４３は、土台１８０の上面１８０ａ（一内面）との間で接着層１８２ｂを介して接合されていてもよい。
サブキャリア（基台）２０の底面２３は、基板４０の底面４３よりも突出しているので、接着層１８２ｂの厚みは、接着層１８２ａの厚みよりも厚くなるように形成されている。

こうした接着層１８２ａ，１８２ｂは、熱伝導性を高めるために、樹脂にフィラーを混合した材料が用いられている。接着層１８２ａ，１８２ｂを構成する樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂が挙げられる。また、樹脂の熱伝導性を向上させるフィラーとしては、銅粉末やアルミニウム粉末、アルミナ粉末などを用いることができる。
なお、こうした接着層１８２ａ，１８２ｂは、一定以上の熱伝導性を保つために、熱伝導率が４Ｗ／ｍ・Ｋ以上にすることが好ましい。

ｙ方向においてサブキャリア２０の下方の土台１８０と外部電極パッド２１０との間の位置の底壁部１３１には、ｘ方向に間隔をあけて複数の内部電極パッド２０２が設けられている。
ＬＤ３０及びサブキャリア２０の各々と複数の内部電極パッド２０２のうち各ＬＤ３０に対応する内部電極パッド２０２とは、ワイヤーボンディング等の方法を用いてワイヤー９５によって接続されている。例えば、ＬＤ３０－１及びサブキャリア２０－１の各々と２つの内部電極パッド２０２－１の各々とは、ワイヤー９５－１によって個別に接続されている。ＬＤ３０－２及びサブキャリア２０－２の各々と２つの内部電極パッド２０２－２の各々とは、ワイヤー９５－２によって個別に接続されている。ＬＤ３０－３及びサブキャリア２０－３の各々と２つの内部電極パッド２０２－３の各々とは、ワイヤー９５－３によって個別に接続されている。

内部電極パッド２０２－１、２０２－２、２０２－３の各々は、互いに異なる外部電極パッド２１０と接続されている。前述のように内部電極パッド２０２－１２０２－２、２０２－３の各々と電気的に接続された外部電極パッド２１０は、不図示の電源等と電気的に接続されている。つまり、集積光学装置１０では、ＬＤ３０と不図示の電源とがワイヤー９５、内部電極パッド２０２－１、２０２－２、２０２－３及び外部電極パッド２１０によって接続されている。不図示の電源から内部電極パッド２０２－１、２０２－２、２０２－３の各々に対応する外部電極パッド２１０に電力が供給されることによって、ＬＤ３０－１、３０－２、３０－３から赤色光、緑色光、青色光が出射される。

収容部１０７の側壁部１３２のうち、集積光学装置１０のＰＬＣ５０の出射面３１と対向する側壁部１３２には、開口１３３が形成されている。開口１３３は、側壁部１３２においてＰＬＣ５０のコア５１－４から出射される３色光の光軸と交差する位置を略中心として形成されている。開口１３３は、コア５１－４から出射され、収容部１０７の内部空間で拡がった３色光の側壁部１３２の表面上での大きさよりも大きく形成されている。図１２及び図１３に示すように、開口１３３は、側壁部１３２の外方からガラス板２２０によって隙間なく覆われている。つまり、収容部１０７は、カバー１０５に加えてガラス板２２０によって気密封止されている。ガラス板２２０の両板面には、不図示の反射防止膜が設けられている。

開口１３３は、ＰＬＣ５０のコア５１－４から出射される３色光が通過してパッケージ１１０の外部に伝搬するための窓である。図１４に示すように、ＰＬＣ５０のコア５１－４から出射された３色光ＬＬは、ｙ方向を中心に拡散しつつ、開口１３３及びガラス板２２０を通り、パッケージ１１０のｙ方向で奥側、即ちｙ方向の前方に進行する。例えば、パッケージ１１０の側壁部１３２－１よりもｙ方向で奥側に、コリメートレンズ３１０を備えたコリメート装置３００を配置できる。ｙ方向における出射面３１とコリメートレンズ３１０との距離をコリメートレンズ３１０の焦点距離に合わせ、３色光ＬＬの光軸上にコリメートレンズ３１０の中心を合わせることによって、コア５１－４から出射された３色光ＬＬがコリメートされ、平行光になる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、本実施形態の集積光学装置１０では、サブキャリア（基台）２０の上面（表面）２１に３つのＬＤ（光半導体素子）３０－１，３０－２，３０－３が設けられているが、ＬＤ（光半導体素子）は少なくとも１つだけ（例えば白色光を発するＬＤ）設けられていればよく、あるいは４つ以上のＬＤが設けられていてもよい。また、それぞれのＬＤ（光半導体素子）３０－１，３０－２，３０－３がそれぞれ発する光も、赤色光、青色光、緑色光に限定されるものではなく、任意の波長域の光を発するＬＤを用いることができる。

また例えば、集積光学モジュール１００は、パッケージ１１０の底面に更にヒートシンクなどを接合することもできる。これにより、集積光学装置１０からパッケージ１１０に伝搬された熱を一層効率よく外部に放熱することができる。

また、例えば、集積光学装置１０ではサブキャリア２０と基板４０とが、少なくとも第１金属層７１の金属と第３金属層７３との合金層、及び／又は第２金属層７２の金属と第３金属層７３との合金層を含む不図示の金属複合層を介して接続されていてもよい。「少なくとも第１金属層７１の金属と第３金属層７３との合金層、及び／又は第２金属層７２の金属と第３金属層７３との合金層を含む金属複合層」とは、その一部に第１金属層７１の金属と第３金属層７３との合金層、及び／又は第２金属層７２と第３金属層７３との合金層を有しているか、又は、その全部が、第１金属層７１の金属と第３金属層７３との合金層、及び第２金属層７２の金属と第３金属層７３との合金層で構成されている層を意味する。一例として、集積光学装置１０において、第１金属層７１の金属と第３金属層７３の金属とがｙ方向の一部又は全体に亘って合金化し、１つの合金層を形成する場合が挙げられる。

また、例えば、第２金属層７２の金属と、第３金属層７３の金属とがｙ方向の一部又は全体に亘って合金化し、１つの合金層を形成する場合が挙げられる。これらの場合、サブキャリア２０と基板４０とを、第１金属層７１と第３金属層７３との合金層、及び第２金属層７２と第３金属層７３との合金層のいずれか又は双方を介して接続できる。このような構成によれば、サブキャリア２０と基板４０とを、合金層によって従来のような樹脂による接続よりも強固に接続でき、集積光学装置の信頼性を高めることができる。

また、例えば、集積光学装置１０では、サブキャリア２０とＬＤ３０とが、少なくとも金属層７５，７６との合金層を含む不図示の金属複合層を介して接続されていてもよい。「少なくとも金属層７５，７６との合金層を含む金属複合層」とは、その一部に金属層７５と金属層７６との合金層を有している層であるか、又は、その全部が当該合金層で構成されている層を意味する。一例として、集積光学装置１０において、金属層７５の金属と金属層７６の金属とがｚ方向の一部又は全体に亘って合金化し、合金層を形成している場合が挙げられる。金属層７５の金属と金属層７６の金属とがｚ方向の一部で合金化された場合、サブキャリア２０とＬＤ３０との間には、金属層７５，７６の合金層と、金属層７５及び金属層７６のいずれか又は双方とが介在する。金属層７５の金属と金属層７６の金属とがｚ方向の全体に亘って合金化された場合、サブキャリア２０とＬＤとの間には、実質的に上記合金層のみが介在する。また、金属層７５と金属層７６とがｙ方向の全体に亘って合金化し、合金層が形成されることが好ましいが、このような構成に限定されず、ｙ方向の一部で合金化し、合金層が形成されていてもよい。

サブキャリア２０と基板４０とを接続するためにサブキャリア２０と基板４０との間に介在させる金属材料は、サブキャリア２０、基板４０、第１金属層７１の各材料によって適宜変更可能である。また、金属層や合金層の金属材料の厚みについても、サブキャリア２０、基板４０、第１金属層７１の各材料に応じて適宜設定される。金属材料の種類及び厚み、サブキャリア２０の加熱条件等によって、サブキャリア２０と基板４０との間に介在する金属複合層の構成は変わり得る。金属複合層は、単独の合金層、金属層と合金層との組み合わせ、互いに異なる組成の合金層同士の組み合わせ、これら以外に少なくとも合金層を含む多層構造の何れであってもよい。

また、上述の集積光学装置１０は、可視波長域の３原色の光を合わせる合波器である旨を説明したが、本発明の集積光学装置は合波器に限定されず、光通信用途で広く使用可能である。

また、上述の集積光学装置１０は、ウェアラブルデバイスや小型プロジェクタ等の用途に用いられることを目的として、可視波長域の３原色を合波可能である旨を説明したが、本発明の集積光学装置が処理する光の波長は可視波長域に限定されない。例えば、本発明の集積光学装置が処理する光の波長域は、可視波長域から近赤外波長域に亘ってもよく、光通信で用いられることを目的として近赤外波長域のみであってもよい。本発明の集積が処理する光の波長に応じて、基板４０やＰＬＣ５０、各種金属層及び合金層の材料を選択すればよい。

１０集積光学装置
２０サブキャリア（基台）
２０－１サブキャリア（基台）
２０－２サブキャリア（基台）
２０－３サブキャリア（基台）
２１上面
２１－１上面
２１－２上面
２１－３上面
２２側面
２２－１側面
２２－２側面
２２－３側面
２３底面（基台底面）
３０ＬＤ（光半導体素子）
３０－１ＬＤ
３０－２ＬＤ
３０－３ＬＤ
３１出射面
３１－１出射面
３１－２出射面
３１－３出射面
３３下面
３３－１下面
４０基板
４１上面（表面）
４２側面
４３底面（基板底面）
５０ＰＬＣ（光導波路）
５１－１，５１－２，５１－３コア
５１－４，５１－７コア
５２クラッド
５７－１，５７－２合流位置
６１入射面
６１－１入射面
６１－２入射面
６１－３入射面
６４出射面
７０隙間
７１第１金属層
７２第２金属層
７３第３金属層
７５金属層
７６金属層
８１，８２反射防止膜
１００集積光学モジュール
１０２本体
１０５カバー
１１０パッケージ
１８０土台
１８０ａ上面（一内面）
１８２ａ，１８２ｂ接着層

Claims

基台と、
前記基台の表面に設けられた光半導体素子と、
基板と、
前記基板の表面に設けられた光導波路と、
を備え、
前記光導波路の入射面が前記光半導体素子の出射面と対向するように配置され、
前記光半導体素子から出射される光が前記光導波路に入射可能であり、
前記光半導体素子は、金属層を介して前記基台と接続されており、
前記基台は、他の金属層を介して前記基板と接続されており、
前記基台の表面に対して反対側の基台底面は、前記基板の表面に対して反対側の基板底面よりも突出した位置にあり、
前記金属層は、前記他の金属層よりも融点の高い金属材料で構成されており、
前記光半導体素子と前記光導波路との間に反射防止膜が設けられ、前記反射防止膜は、入射光である赤色光、緑色光、青色光の波長に応じた所定の厚みで交互に積層されることによって形成される多層膜である集積光学装置。
前記光半導体素子を複数備え、
複数の前記光半導体素子は互いに異なる波長を有する光を発し、
前記光導波路には複数の前記光半導体素子が発する光のそれぞれが入射可能なコアが設けられ、
複数の前記コアは前記光導波路の出射面に到達する手前側で互いに１つに集められている、請求項１に記載の集積光学装置。
請求項１または２に記載の集積光学装置と、該集積光学装置を収容するパッケージとを有し、前記集積光学装置は、金属または樹脂を含む接合層を介して前記パッケージに固定されている、集積光学モジュール。