JP2000502819A - オプトエレクトロニクス送信モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーザダイオードは経年変化及び温度に依存する駆動電流を有する。監視エレメントによって放射される光出力は検出され追従制御される。しかし、これまでの送信モジュールは多面放射半導体レーザにのみ適する。本発明の送信モジュールは、単一面放射半導体レーザ（３）及び監視エレメント（４）から成る。両方の構成部材のアクティブな面（８、９）はカップリング装置（１）に配向される。このカップリング装置（１）において、レンズの形式の光結合エレメント（６）及び反射面の形式の反射エレメント（７）が統合されている。カップリング装置（１）の配置は、放射ビーム（１０）の少なくとも一部分が監視エレメント（４）に到達し、その他の成分はカップリング装置（１）を透過して結合エレメント（６）に向かい、この結合エレメント（６）を通過して例えば光導波路（１４）に入力結合されるように選択される。とりわけこの送信モジュールはバーティカル・キャビティ・サーフィス・エミッティング・レーザダイオードに適する。

Description

【発明の詳細な説明】 オプトエレクトロニクス送信モジュール 本発明は、少なくとも１つの送信エレメント、少なくとも１つの監視エレメン ト及びカップリング装置を有するオプトエレクトロニクス送信モジュールであっ て、前記カップリング装置は少なくとも１つの光結合エレメント及び少なくとも １つの反射エレメントを有し、前記監視エレメントのビーム感応性表面に向かい 合って及び前記送信エレメントの唯一の部材面に存在する前記送信エレメントの アクティブな表面の部分区間に向かい合って前記反射エレメントも前記カップリ ング装置の前記結合エレメントも配置されているオプトエレクトロニクス送信モ ジュールに関する。 アクティブな構成エレメント、例えば半導体レーザを有するオプトエレクトロ ニクス送信モジュールはしばしば温度及び経年変化に依存する半導体レーザの駆 動電流の制御のための帰還回路を有する。レーザから放射されるビームの一部分 は監視ダイオードとして使用されるフォトダイオードによって検出され、このダ イオード電流は制御信号として帰還回路のために使用される。従って、放射ビー ム強度の変動が制御される。 半導体レーザのための送信モジュールはイギリス特 許第２２７６４９３号公報に記述されている。シリコン担体の上に監視ダイオー ド、半導体レーザ及びレンズ系が列状に配置されている。これら３つの構成部材 の光学軸は互いに同軸に配向され、シリコン担体表面に対して平行に経過してい る。半導体レーザは２つの放射方向を有する。主放射方向はレンズ系の方を向い ている。これに対して逆方向にレーザの比較的少ない部分が放射され、このレー ザの比較的少ない部分は駆動電流制御のために監視ダイオードによって検出され る。公知の光送信モジュールは２つの放射方向及び個々の構成部材の互いに正確 な調整が必要とされる。 冒頭に挙げたような光送信モジュールは米国特許第４７３３０９４号明細書に 記述されている。この公知の送信モジュールはトランジスタケーシングに収容さ れ、とりわけトランジスタケーシングの土台部分の上に配置された支持プレート を有する。この支持プレートの上にベースプレートがあり、このベースプレート の上に並んで発光ダイオードの形式の送信エレメントとフォトダイオードとが配 置されている。送信エレメントの上流のビーム方向には半透明ミラーがあり、こ の半透明ミラーにはビーム方向にマイクロレンズの形式の結合エレメントが後置 配置されている。このマイクロレンズはトランジスタケーシングの鉢状の蓋の上 部部分に保持されている。半透明ミラーによって送信エレメントから送出される 光の一部分はさらに別のミ ラーへと反射され、このさらに別のミラーによってフォトダイオードへと偏向さ れる。 本発明の課題は比較的簡単でコンパクトな送信モジュールを提供することであ る。 本発明の課題は冒頭に挙げたような光送信モジュールにおいて、カップリング 装置が結合エレメント及び反射エレメントと一体構造の基本物体であることによ って解決される。 本発明の送信モジュールの基本的な利点は、一体構造の基本物体によるその簡 単な構成に存する。この一体構造の基本物体は反射エレメントと結合エレメント とを有する。これによって、製造が比較的簡単に実施でき、またこれによりコス ト安である。他の基本的な利点は比較的簡単に実施可能な調整に存する。という のも、本発明の送信モジュールでは反射エレメントと結合エレメントとが所定の 位置を有し、このため監視エレメント及び送信エレメントに対するこの基本物体 の調整を行うだけでよいからである。 本発明の送信モジュールではアクティブな表面が複数のレーザを有し、１つの レーザのビームが全てのレーザの駆動電流の制御のために利用される。この場合 、この表面は複数のアクティブな領域に分割されるか又は複数の別々の個々のレ ーザを統合することによって形成される。少なくとも唯一の部材面のアクティブ な表面の部分区間に向かい合って、反射エレメント及 び結合エレメントが配置される。この唯一の部材面のアクティブな表面の部分区 間はこの場合１つ又は複数の放射領域又は個々のレーザを含むことができる。 有利には、本発明のさらに別の実施形態では送信エレメントの固有の放射波長 領域において透過な材料からカップリング装置が構成される。公知のプレーナ構 造化技術は有利には結合エレメントと反射エレメントとの統合に使用される。カ ップリング装置の調整はアクティブな送信エレメント又は非アクティブな送信エ レメントにおいて行われる。両方の調整方法はカップリング装置の所望の位置配 向及び制御信号の検出に使用される。 結合エレメントは回折エレメント及び/又は屈折エレメントとして構成できる 。送信エレメント及び監視エレメントに対して反対側のカップリングユニット面 に載置されるレンズ乃至はレンズ系又はゾーンプレートを使用することはとりわ け有利である。集積型屈折率分布形レンズを使用することも考えられる。直接電 子的構成エレメントの方向に向いた側面に配置することも同様に可能である。 高精度構造化技術は送信エレメント及び監視エレメントを共通の担体の上に組 み立てることにも使用できる。選択された構造によって、半導体チップ上の送信 エレメント及び監視エレメントのモノリシック集積も可能である。 他の有利な実施形態では、部分区間から放射されるビームの少なくとも一部分 が反射エレメントでの反射によって監視エレメントに偏向され、放射されるビー ムの他の部分は結合エレメントで反射される。この結合エレメントは有利には送 信エレメントの方を向いたカップリング装置面に配置される。例えば、凹面鏡に よって、ビームを結合エレメントから光導波路に入力結合する。 反射エレメントの特別な実施形態はカップリング装置の少なくとも１つの反射 領域によって得られる。有利には反射面をレンズのすぐ横のカップリング装置の 送信エレメントに向かい合った側面に配置する。 同様に反射面の面配向はカップリング装置の表面に対して角度をもって傾斜さ れており、この反射面は偏向に適している。反射率を向上するために、この凹部 は同様に金属被覆されるか又は他の反射強化被覆層、例えば誘電性被覆を有する 。 他の有利な実施形態は、少なくとも部分的に反射する凹部をカップリング装置 に有する。この凹部は反射エレメントの機能を有する。例えば、凹面鏡状に形成 された凹部はビームの一部分を監視エレメントへと偏向するのに使用される。 有利にはカップリング装置には結晶質材料ならびにガラス状のものが使用され る。結晶質材料が選択される限りは、この凹部は有利には異方性エッチングによ って形成される。他の非結晶質材料の場合には、等方性エッチング技術及びエン ボシングを使用する。特に適した結晶質材料はシリコン及びリン化ガリウムであ る。 間隔をとること及び光学的配向のために、送信エレメント及び監視エレメント 支持担体とカップリング装置との間にセパレータが使用される。放射信号に逆結 合するカップリング装置及び結合エレメントにおける妨害反射を回避するために は、反射抑制被覆層を有するカップリング装置及び結合エレメントが設けられる 。高屈折率を有する材料、例えばシリコンのこのような被覆層はとりわけ重要な 意味を有する。しかし、逆結合は送信エレメントに対するカップリング装置の適 当な傾斜によっても回避できる。場合によっては、反射されたビームがこの傾斜 によってもはや送信エレメントのアクティブな表面に到達しないこともありうる 。 ハンダ付け及び接着のような公知の接合技術を使用することによって、カップ リング装置及び電子的構成エレメントからコンパクトな耐久性のある送信モジュ ールが形成される。同じ温度特性を有する材料を使用すると有利である。 集積度を向上するために、別の有利な実施形態では、送信エレメント及び監視 エレメントが直接カップリング装置によって支持される。この組立は有利には接 合のためのバンプを使用してフリップチップ技術によって行われる。この際、オ ートセンタリング効果が付加的に利用される。このために、送信及び監視エレメ ントの表面とこれに対向するカップリング装置の表面とにハンダ粒（バンプ）を 有するハンダ付け面を設ける。このハンダ粒（バンプ）は加熱作用によって融解 される。これによって送信エレメント及び監視エレメントはカップリング装置に 接合され、配向される。この実施形態は卓越した機械的及び光学的安定性によっ て特徴づけられ、コスト安に製造できる。 有利な実施形態によれば、電気的接続手段は担体側か又はカップリング装置側 に存在する。有利にはボンディング可能な金製の線路がシリコン担体又はガラス 担体上に使用される。 本発明の改良実施形態は、ビームアクティブな送信領域によって形成される送 信エレメントのアクティブな表面によって際立っている。これらの領域は列状に 又は面状に配置されている。コスト安な実施形態では複数の送信領域の駆動電流 が１つの監視エレメントによって制御される。この監視エレメントは１つの送信 領域の放射ビームを受信する。これに対して、各送信領域の個々の制御にはそれ ぞれ所属の監視エレメントが必要とされる。１つ又は複数の反射エレメントは各 送信領域から放射されるビームの一部分を対応する監視エレメントへと反射する 。反射エレメント及び結合 エレメントの構成は使用される材料に応じて行われる。 次に本発明を実施例に基づいて詳しく説明する。図面では、 図１は単独のレーザならびに唯一の部材面にレンズ及びミラーを有する本発明の 送信モジュールを図示しており、 図２はガラスから成るカップリング装置を有する複数のレーザのための本発明の 送信モジュールを図示している。 図１は本発明の送信モジュールの原理的な構造を示している。担体材料２の上 には送信エレメント３及び監視エレメント４が載置されている。送信エレメント ３のアクティブな面８及び監視エレメント４の感光面９は担体２の方を向いてい ない。両方の電子的構成エレメント３、４に向かい合って、セパレータ１５によ って間隔をおいてカップリング装置１が配置されている。このカップリング装置 １は基本物体５から成り、この基本物体５は送信エレメント３の固有放射波長領 域において高い透過率を有する。電子的構成エレメント３、４とは反対側のカッ プリング装置１の部材面には基本物体５上にレンズ６及びこのレンズ６の横に接 する金属被覆された領域７がある。光学エレメント６、７を有するカップリング 装置１の配置は、アクティブな表面８の少なくとも１つの部分区間１７から放射 されるビーム１０がレンズ６及び金属被覆された領域７に到達し、反射されるビ ーム成分１２及び有効成分１１に分離されるように選択される。反射されるビー ム成分１２は金属被覆された領域７によって監視エレメント４の感光面９へと反 射される。この監視エレメントの光電流は送信エレメントの駆動電流制御に使用 される。この制御に必要な電子機器は図示されていない。各送信エレメント３に 適合する制御電子機器が使用される。 放射部分区間１７の中心軸１６がレンズ６の光学軸１３に対して横方向にずれ ていることによって、放射されるビーム１０が金属被覆された領域７に当たって 反射されることが保証される。カップリング装置１の調整は、選択的にアクティ ブな又は非アクティブな送信エレメントによって行われ、このカップリング装置 １の調整によって作業過程においてモジュール同士の相互の配向及び反射される ビーム成分１２の大きさに依存する制御信号の検出が可能になる。次いで、カッ プリング装置１はセパレータ１５及び担体２に接着及びハンダによって固定接合 される。 この実施形態では、基本物体５の上部面で反射ビーム成分１２と有効成分１１ に分離される前に、送信エレメント３から放射されるビーム１０は完全にカップ リング装置１の基本物体５を透過する。概略的には光導波路１４はレンズ６に対 して距離をおいて図示され ており、これにより、有効成分１１の入力結合が明瞭に示されている。レンズ６ は結像光学系を代表しており、有効成分１１をコリメートし、従って弱い発散ビ ーム束を発生する。 製造技術的には送信エレメント３、監視エレメント４及びカップリング装置１ の位置は任意に変更可能であり、所望の構成形態を作ることができる。この場合 重要なことは、放射されるビーム１０の一部分が監視エレメント４に到達するこ とである。電子的構成エレメント３、４と光学エレメント６、７との間の距離は セパレータ１５によって決定される。これによって与えられる自由ビーム領域は さらに別の構成エレメントの必要な統合に使用される。この自由ビーム領域の大 きさは実質的には結像光学系に依存する。送信エレメント３の放射ビームの幾何 学的形状は結像光学系の直径及び開口角度に適合される。 有利には例えばバーティカル・キャビティ・サーフィス・エミッティングレー ザ（ＶＣＳＥＬ）のような表面放射エレメントを送信エレメント３として利用す る。監視エレメント４にはフォトダイオードが適している。 図２には本発明の思想を列状のレーザダイオードに拡大した図を示している。 この実施形態では担体２３の上に有利には多数のＶＣＳＥＬダイオード２１ａ〜 ２１ｎを有するレーザダイオードアレイ２１が載置さ れ、アレイ２１の横に監視ダイオード２２が配置されている。セパレータ３４に よってカップリング装置２０はアレイ２１及び監視ダイオード２２から引き離さ れて固定されている。カップリング装置２０の基本物体３２の上には多数のレン ズ３０ｂ〜３０ｎがＶＣＳＥＬダイオード２１ｂ〜２１ｎと同じ周期性で配置さ れている。各レーザダイオード毎にレンズが割り当てられている。レーザダイオ ード２１ｂ〜２１ｎから放射されるビーム２５ｂ〜２５ｎはそれぞれレンズ３０ ｂ〜３０ｎによってコリメート乃至は集束される。これによって、多数の平行配 置されたＶＣＳＥＬダイオードは同時に光導波路に入力結合される。これらのレ ーザダイオードは半導体チップ上にモノリシックに集積される。 全レーザダイオード２１ａ〜２１ｎの駆動電流はこの実施形態ではレーザダイ オード２１ａの放射強度によって制御される。このレーザダイオード２１ａの放 射ビーム２５ａは基本物体３２の下部面にある凹部２９によって監視ダイオード ２２へと反射される。この凹部２９は基本物体３２の下部面に対して２０°だけ 傾斜した側壁２８を有するプリズム状の横断面を有する。反射率を向上するため には、この側壁２８に反射被覆を設ける。ビーム２５ａは凹部壁２８のうちの１ つによって反射される。この凹部壁２８の傾斜状態によってビーム２５ａは図１ の実施形態の場合よりもさ らに横方向に偏向される。監視ダイオード２２は、従ってレーザダイオード２１ ａからさらに距離をおいて配置されている。 基本物体３２は適当なガラス材料から成る。有利にはエンボシングによって凹 部２９はこの基本物体３２に作られ、次いで反射被覆を設けられる。レンズ３０ ｂ〜３０ｎは適当な光学的接着剤によって基本物体３２に固定されるか、又は同 様にガラス表面のエンボシングによって製造される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年１１月２０日（１９９７．１１．２０） 【補正内容】 請求の範囲 １． 少なくとも１つの送信エレメント（３）、少なくとも１つの監視エレメン ト（４）及びカップリング装置（１）を有するオプトエレクトロニクス送信モジ ュールであって、前記カップリング装置（１）は少なくとも１つの光結合エレメ ント（６）及び少なくとも１つの反射エレメント（７）を有し、前記監視エレメ ント（４）のビーム感応性表面（９）に向かい合って及び前記送信エレメント（ ３）の唯一の部材面に存在する前記送信エレメント（３）のアクティブな表面の 部分区間（１７）に向かい合って前記反射エレメント（７）も前記結合エレメン ト（６）も配置されている、オプトエレクトロニクス送信モジュールにおいて、 前記カップリング装置（１）は一体構造の基本物体（５）であり、 該一体構造の基本物体（５）に前記結合エレメント（６）及び前記反射エレメン ト（７）は直接形成されていることを特徴とするオプトエレクトロニクス送信モ ジュール。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つの送信エレメント（３）、少なくとも１つの監視エレメント （４）及びカップリング装置（１）を有するオプトエレクトロニクス送信モジュ ールであって、前記カップリング装置（１）は少なくとも１つの光結合エレメン ト（６）及び少なくとも１つの反射エレメント（７）を有し、前記監視エレメン ト（４）のビーム感応性表面（９）に向かい合って及び前記送信エレメント（３ ）の唯一の構成部分側面に存在する前記送信エレメント（３）のアクティブ表面 の部分区間（１７）に向かい合って前記反射エレメント（７）も前記カップリン グ装置（１）の前記結合エレメント（６）も配置されている、オプトエレクトロ ニクス送信モジュールにおいて、 前記カップリング装置（１）は前記結合エレメント（６）及び前記反射エレメ ント（７）と一体構造をなす基本物体（５）であることを特徴とするオプトエレ クトロニクス送信モジュール。 ２．カップリング装置（１）は送信エレメント（３）の固有の放射波長領域にお いて透過な材料から成ることを特徴とする請求項１記載のオプトエレクトロニク ス送信モジュール。 ３．部分区間（１７）から放射されるビーム（１０） の少なくとも一部分（１２）は反射エレメント（７）による反射によって監視エ レメント（４）に偏向され、前記ビーム（１０）の他の部分（１１）は結合エレ メント（６）を通過することを特徴とする請求項１又は２記載のオプトエレクト ロニクス送信モジュール。 ４．反射エレメント（７）はカップリング装置（１）の少なくとも１つの反射領 域によって形成されることを特徴とする請求項１〜３までのうちの１項記載のオ プトエレクトロニクス送信モジュール。 ５．カップリング装置（２０）の少なくとも１つの部分的に反射する凹部（２９ ）は反射エレメントとして使用されることを特徴とする請求項１〜４までのうち の１項記載のオプトエレクトロニクス送信モジュール。 ６．カップリング装置（４０）は結晶質材料又はガラスから成ることを特徴とす る請求項１〜５までのうちの１項記載のオプトエレクトロニクス送信モジュール 。 ７．カップリング装置は送信エレメント及び監視エレメントを支持することを特 徴とする請求項１〜６までのうちの１項記載のオプトエレクトロニクス送信モジ ュール。 ８．列状に又は面状に配置されるビームアクティブ送信領域（２１ａ〜２１ｎ） は送信エレメント（２１ ）のアクティブな表面を形成することを特徴とする請求項１〜７までのうちの１ 項記載のオプトエレクトロニクス送信モジュール。