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JP3302458B2 - 集積化光装置及び製造方法 - Google Patents

集積化光装置及び製造方法

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JP3302458B2
JP3302458B2 JP21663293A JP21663293A JP3302458B2 JP 3302458 B2 JP3302458 B2 JP 3302458B2 JP 21663293 A JP21663293 A JP 21663293A JP 21663293 A JP21663293 A JP 21663293A JP 3302458 B2 JP3302458 B2 JP 3302458B2
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lens
silicon substrate
guide hole
optical fiber
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Fujitsu Ltd
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    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、集積化光装置に関し、
特に、光ファイバ、光導波路及び光半導体素子を１枚の
基板上に集積するハイブリッド型集積化光装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】図９〜図１３を参照して従来の集積化光
装置について説明する。図９は、特開昭５７−８４１８
９号に開示されている集積化光装置を示す。基板５１上
に半導体レーザ用ガイド（凹部）５８が形成されてお
り、半導体レーザ用ガイド５８内に半導体レーザ５７が
位置決めされ固定されている。
【０００３】半導体レーザ５７から放出されたレーザ光
は、基板５１上に形成されたレンズガイド溝５５により
位置決めされた円柱状レンズ５４を介して集束され、基
板５１上に形成された光導波路５２の入射面に導かれ
る。
【０００４】光導波路５２の出射面が形成される位置に
は、出射されたレーザ光の光軸に沿って基板５１上に光
ファイバガイド用Ｖ溝５６が形成されている。光ファイ
バガイド用Ｖ溝５６によって光ファイバ５３が位置決め
されて、固定される。
【０００５】このように、半導体レーザ用ガイド５８、
光ファイバガイド用Ｖ溝５６によって半導体レーザ５７
及び光ファイバ５３を位置決めし、半導体レーザと光フ
ァイバとを光学的に結合している。
【０００６】図１０は、図９に示す集積化光装置の光フ
ァイバガイド用Ｖ溝（以下Ｖ溝と略す。）と光導波路を
作製する手順を示す。図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、Ｖ溝を
形成した後に光導波路を作製する方法を示す。
【０００７】（１００）シリコン基板６１表面にＳｉＯ
2 膜６２を形成し、ＳｉＯ2 膜６２にＶ溝エッチング用
の開口６３を設ける。ＳｉＯ2 膜６２をマスクにして、
水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液でエッチングしＶ溝６
４を形成する（図１０（Ａ））。
【０００８】光導波路の下側クラッドとなるクラッド層
６５、光導波路のコア６６、光導波路の上側クラッドと
なるクラッド層６７を形成する（図１０（Ｂ））。クラ
ッド層６５、光導波路のコア６６、クラッド層６７を選
択的にエッチングし、光導波路の端面を形成する（図１
０（Ｃ））。
【０００９】図１０（Ｄ）〜（Ｆ）は、Ｖ溝を形成する
前に光導波路を作製する方法を示す。シリコン基板６１
上に、クラッド層６５、光導波路のコア６６及びクラッ
ド層６７を形成する（図１０（Ｄ））。
【００１０】次に、クラッド層６５、光導波路のコア６
６及びクラッド層６７を選択的にエッチングして、Ｖ溝
エッチング用の開口６８を形成する（図１０（Ｅ））。
光導波路材料６５、６６、６７をマスクにして、シリコ
ン基板６１をエッチングし、Ｖ溝６４を形成する（図１
０（Ｆ））。
【００１１】上記のＶ溝を形成した後に光導波路を作製
する方法では、光導波路形成時に、Ｖ溝６４に光導波路
材料が入り込んでしまう。Ｖ溝形状と光導波路形状を維
持したままで、Ｖ溝に入り込んだ光導波路材料を取り除
くことは困難である。
【００１２】また、Ｖ溝を形成する前に光導波路を作製
する方法では、光導波路が厚いため、Ｖ溝エッチング用
開口６８を形成する際に、光導波路膜６５、６６、６７
がサイドエッチングされる。このため、Ｖ溝６４を精度
よく作製することが困難である。
【００１３】さらに、半導体レーザ５７を半導体レーザ
用ガイド５８にはめ込むため、ジャンクションアップ
（ヘテロ接合構造を上にした配置）でボンディングしな
ければならない。しかし、半導体レーザの活性層の高さ
に±１０μｍ程度のばらつきがあり、光導波路のコアと
高さを合わせることが困難である。
【００１４】また、半導体レーザチップの幅、及び活性
層の左右の位置にも±１０μｍ程度のばらつきがあるた
め、半導体レーザ用ガイド５８にはめ込んだだけでは位
置ずれが大きく、光導波路と十分なカップリングを得る
ことが困難である。
【００１５】さらに、フォトリソグラフィーで半導体レ
ーザ用ガイド５８の底面に半導体レーザ５７をボンディ
ングするためのボンディングパッドを形成する際に、光
導波路による段差、及びＶ溝による段差のため、露光し
たパターンのエッジがぼけてしまい、精度よく位置決め
することが困難である。
【００１６】図１１は、特開昭６１−４６９１１号に開
示された集積化光装置の例を示す。基板７１上に、光フ
ァイバガイド７２、光導波路７３、半導体レーザ用ガイ
ド７４が図のように形成されている。
【００１７】活性層７５ａを有する半導体レーザ７５及
びフォトディテクタ７６を半導体レーザ用ガイド７４に
当てて位置決めし、固定する。また、光ファイバ７７を
光ファイバガイド用７２にはめ込み、位置決めして固定
する。
【００１８】図１１に示す例では、下記のような欠点が
ある。すなわち、クラッドの直径が１２５μｍの光ファ
イバを使用する場合、光導波路７３のコアの中心の高さ
を６２．５μｍに、光ファイバ用ガイド７２の高さを６
２．５μｍより高くする必要がある。また、光導波路７
３の高さも６２．５μｍより高くなる。
【００１９】従って、信頼性の高いＳｉＯ2 光導波路を
使用する場合、光導波路材料の堆積、光導波路構造とガ
イド構造のエッチングに長時間を要する。さらに、図９
に示した例と同様に、半導体レーザの活性層の高さ及び
左右の位置に±１０μｍ程度のばらつきがあり、半導体
レーザ７５のコア７５ａの位置と、光導波路７３のコア
の位置を合わせることが困難である。特にシングルモー
ドファイバ及びシングルモード光導波路を使用する場合
には、位置合わせが困難になる。
【００２０】図１２は、特開平２−５８００５号に開示
された集積化光装置の例を示す。基板８０上に、光導波
路８７、ボンディングパッド８１、８２、８３が図のよ
うに形成されている。
【００２１】半導体レーザ８４の底面にボンディングパ
ッド８６が形成されており、基板上のボンディングパッ
ド８２にボンディングすることにより、位置合わせする
ことができる。このとき、位置がずれると、ボンディン
グパッド８１、８３と短絡することを利用して正確に位
置合わせすることができる。
【００２２】しかし、ボンディングパッド８１、８２、
８３をフォトリソグラフィーで形成する場合に、光導波
路８７による段差がある部分にパターン形成するため、
微細なパターンの形成が困難である。そのため、半導体
レーザ８４の活性部８５と光導波路８７のコアとを精度
よく位置合わせすることが困難である。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、半導体
レーザと光導波路、及び光導波路と光ファイバとの位置
合わせを行う際に、光導波路等による段差のためフォト
リソグラフィーを行う際にパターンのエッジがぼける、
あるいは半導体レーザの活性層の位置にばらつきがある
等のため、精度よく光結合させることが困難である。
【００２４】また、Ｖ溝に光導波路材料が入り込むこと
があり、この場合には、Ｖ溝形状を維持したまま入り込
んだ光導波路材料を取り除くことが困難となる。本発明
の目的は、光ファイバ、光導波路及び光半導体素子を容
易にかつ正確に位置合わせすることができる集積化光装
置及びその製造方法を提供することである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】本発明の集積化光装置
は、シリコン基板上に形成された光導波用コアと、前記
光導波用コアを包み込むように形成されたクラッド層
と、前記光導波用コアと光ファイバとを光学的に結合す
るために光ファイバを位置決めするための、前記光導波
用コアの一方の端面から一方向に光軸に沿って前記シリ
コン基板表面に形成された断面がＶ字状の光ファイバガ
イド溝と、前記光導波用コアの他方の端面から光軸に沿
った延長線上の、前記クラッド層上にボンディングされ
たエッジ入出力型の光半導体素子と、前記光導波用コア
と前記光半導体素子とを光学的に結合するために、前記
シリコン基板表面からの光軸の高さを変えるための光軸
レベル変換手段とを有する。
【００２６】前記光軸レベル変換手段は、前記光半導体
素子から出射した光を平行光にするための、または平行
光を前記光半導体素子の活性部に収束させるための第１
のレンズと、前記第１のレンズを前記シリコン基板上に
位置決めするための、前記シリコン基板表面に形成され
た第１のレンズガイド孔と、平行光を前記光導波用コア
に収束するための、または前記光導波用コアから出射し
た光を平行光にするための第２のレンズと、前記第２の
レンズを前記シリコン基板上に位置決めするための、前
記シリコン基板表面に形成された第２のレンズガイド孔
と、前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間の光軸
上に設けられ、光を屈折させて光軸の高さを変えるため
の光学部材と、前記光学部材を前記シリコン基板上に位
置決めするための、前記シリコン基板表面に形成された
光学部材ガイド溝とを含む。
【００２７】前記光学部材は、透過光の波長に対して透
明な材料で形成され、その入射面及び出射面が光軸に対
して所定の角度傾いて配置されている平行平板を含んで
もよい。
【００２８】また、両面が光軸に対して所定の角度傾い
て配置される高屈折率ガラス板と、該高屈折率ガラス板
よりも小さい屈折率を有し、一方の面が光軸に対して垂
直に、他方の面がそれぞれ該高屈折率ガラス板の入射面
及び出射面に密着して配置される２枚の低屈折率ガラス
板を含んでもよい。
【００２９】また、両面が光軸に対して所定の角度傾い
て配置される中央ガラス板と、一方の面が光軸に対して
垂直に、他方の面がそれぞれ該中央ガラス板の入射面及
び出射面に密着され、光が通過する部分に貫通孔が設け
られた２枚の部材を含んでもよい。
【００３０】本発明の集積化光装置の製造方法は、シリ
コン基板表面を異方性エッチングにより選択的にエッチ
ングし、レンズを位置決めするための第１のレンズガイ
ド孔と第２のレンズガイド孔、及び光ファイバを位置決
めするための光ファイバガイド溝を、該第１のレンズガ
イド孔に位置決めされるレンズ、該第２のレンズガイド
孔に位置決めされるレンズ、及び該光ファイバガイド溝
に位置決めされる光ファイバが光軸に沿ってこの順番に
並ぶように形成する工程と、表面にＳｉＯ2 膜が形成さ
れた他のシリコン基板を前記シリコン基板の表面と該Ｓ
ｉＯ2 膜が向かい合うように貼り合わせる工程と、前記
他のシリコン基板を除去して、前記ＳｉＯ2 膜を残す工
程と、前記ＳｉＯ2 膜上にクラッド層材料及びコア材料
を堆積し、フォトリソグラフィによりパターン化して、
前記第２のレンズガイド孔に位置決めされるレンズと前
記光ファイバガイド溝に位置決めされる光ファイバとの
間の光軸に沿って光導波路を形成する工程と、前記光導
波路及び前記ＳｉＯ2 膜を選択的にエッチングして、前
記第１のレンズガイド孔、第２のレンズガイド孔、及び
両者の間の前記シリコン基板の表面を露出させ、前記第
２のレンズガイド孔と前記光ファイバガイド溝との間に
前記光導波路及び前記ＳｉＯ2膜を残し、前記光ファイ
バガイド溝を露出させる工程と、前記シリコン基板表面
上の、前記第１のレンズガイド孔と第２のレンズガイド
孔との間に、光学用平行平板部材を位置決めするための
平行平板用ガイド溝を形成する工程とを含む。
【００３１】
【作用】平坦なクラッド層上に、光半導体素子をボンデ
ィングするためのボンディングパッドを形成でき、パタ
ーンを高精度に形成することができる。さらに、光半導
体素子をフリップチップボンディングすれば、光半導体
素子の外形寸法に依らず高精度に活性部の位置決めをす
ることができる。
【００３２】光学部材を光軸に対して傾斜させて配置す
ることにより、光軸をシフトすることができる。これに
より、基板表面からの高さの異なる光導波路と光半導体
素子の活性部とを光学的に結合することが可能になる。
【００３３】光学部材として、屈折率の異なる光学部材
を重ねて３層構造にし、各層の界面を光軸に対して傾斜
させることにより、入射面及び出射面を光軸に対して垂
直にすることができる。これにより、光学部材の位置決
め精度を向上することが可能になる。
【００３４】また、光学部材として、複屈折性材料を使
用することによっても入射面及び出射面を光軸に対して
垂直にすることができ、光学部材の位置決め精度を向上
することが可能になる。
【００３５】光ファイバ位置決め用の光ファイバガイド
溝等の開口面に、ＳｉＯ2 膜もしくはシリコン層で蓋を
することにより、光導波路形成時にクラッド層材料及び
光導波路材料が光ファイバガイド溝等に入り込むことを
防止できる。
【００３６】光ファイバガイド溝等に蓋をするためのシ
リコン層を厚くすることにより、光導波路のコア部を、
基板表面から高い位置に形成することができる。そのた
め、レーザ光のビーム径を大きくできるため、結合トレ
ランスを向上することが可能になる。
【００３７】
【実施例】図１〜図４を参照して本発明の第１の実施例
について説明する。図１は、第１の実施例による集積化
光装置の斜視図、図２は断面図を示す。
【００３８】（１００）面のシリコン基板１の表面の一
部に、ＳｉＯ2 膜１４を介して形成された光導波路層２
０内にコア４が形成されている。光導波路層２０は、下
側クラッド層２、上側クラッド層３、及びそれらに挟ま
れたコア４から構成されている。
【００３９】さらに、シリコン基板１の表面には、コア
４の一方の端部から光軸に沿って一方向に延びるＶ溝５
が形成されている。Ｖ溝５には、光ファイバ９が位置決
めされて固定され、光ファイバ９のコアとコア４との位
置合わせがなされる。
【００４０】コア４の他方の端部から光軸に沿って、球
レンズ１０、光学用平行平板部材１２、球レンズ１１及
び光半導体素子８がこの順序で配置されている。光半導
体素子８は、コア４を形成するための光導波路層２０と
同一工程で形成された光導波路層２０上にフリップチッ
プボンディングされている。
【００４１】従って、光半導体素子８の活性部は、コア
４よりも高い位置にある。そのため、光学的に結合する
ためには光軸を両者の高さの差に相当する幅だけシフト
する必要がある。球レンズ１０、光学平行平板部材１
２、球レンズ１１はこのために設けられたものである。
【００４２】球レンズ１０及び１１の位置決めをするた
めに、シリコン基板１上にレンズガイド用Ｖ字孔６、７
が設けられている。レンズガイド用Ｖ字孔６、７は、そ
れぞれ球レンズ１０、１１を挿入することにより、光軸
が球レンズの中心を通過するように形成されている。
【００４３】また、光学平行平板部材１２は、所望の幅
だけ光軸をシフトさせるように、その入射面及び出射面
が光軸に対して所定の角度をなすように配置されてい
る。シリコン基板１表面には、光学平行平板部材１２の
位置決めを行うための平行平板用ガイド溝１３が形成さ
れている。
【００４４】平行平板用ガイド溝１３の幅及び深さは、
光学平行平板部材１２の厚さとの関係で、光学平行平板
部材１２が所定の角度傾いて挿入されるように決められ
る。ここで、シリコン基板１の厚さは、約１ｍｍ、光フ
ァイバ９の直径は１２５μｍ、球レンズ１０、１１の直
径は０．８ｍｍ、半導体レーザ８の光軸の光導波路層２
０表面からの高さは６μｍ、ＳｉＯ2 膜１４の厚さは２
μｍ、光導波路全体の厚さは２８μｍ、シリコン基板１
の表面を基準にした光導波路のコア４の高さは２０μｍ
である。
【００４５】図３、図４は第１の実施例による集積化光
装置の製造工程を示す。厚さ１ｍｍの（１００）面シリ
コン基板１の表面にＳｉＯ2 膜１５を形成し、Ｖ溝５、
レンズガイド用Ｖ字孔６、７を形成すべき位置に開口を
設ける。ＳｉＯ 2 膜をマスクとして、シリコン基板１を
水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液でエッチングする（図
３（Ａ））。
【００４６】ＫＯＨ水溶液は、異方性エッチャントであ
り、（１１１）面のエッチング速度が非常に遅いため、
エッチングされた溝の側面には（１１１）面が現れる。
シリコン基板１のエッチング後、マスクとして使用した
ＳｉＯ2 膜１５を取り除く。
【００４７】本工程では、Ｖ溝５、レンズガイド用Ｖ字
孔６、７のエッチング用マスクとして、厚さの薄いＳｉ
Ｏ2 膜１５を使用できるため、精度良くＶ溝等を形成す
ることができる。
【００４８】表面に厚さ２μｍのＳｉＯ2 膜１４が形成
されたシリコン基板１６を、図３（Ａ）の工程で作製し
たシリコン基板に、Ｖ溝等を形成した面とＳｉＯ2 膜１
４が形成された面が向かい合うようにして貼り合わせる
（図３（Ｂ））。貼り合わせには、分子間の化学結合を
利用する。
【００４９】図３（Ｂ）の工程で貼り合わせたシリコン
基板１６を、研磨及びエッチングにより除去する（図３
（Ｃ））。このようにして、Ｖ溝５、レンズガイド用Ｖ
字孔６、７の開口部がＳｉＯ2 膜１４で覆われた２層構
造の基板１、１４を得ることができる。
【００５０】ＳｉＯ2 膜１４上に、クラッド層２、コア
４、クラッド層３を堆積する（図３（Ｄ））。コア４
は、フォトエッチングによりパターン化し、光導波路を
形成する。このとき、Ｖ溝５、レンズガイド用Ｖ字孔
６、７はＳｉＯ2 膜１４によって覆われているため、導
波路材料がこれらの溝に入り込むことがない。
【００５１】クラッド層３上の所定の位置に光半導体素
子をボンディングするためのボンディングパッド１７を
形成する。次に、フォトリソグラフィにより、光半導体
素子８をボンディングする部分及びコア４を形成する部
分を覆うようにマスク１８を形成する（図３（Ｅ））。
【００５２】マスク１８を形成後、クラッド層２、３及
びコア４から構成される光導波路層２０及びＳｉＯ2 膜
１４をエッチングし、Ｖ溝５、レンズガイド用Ｖ字孔
６、７を露出させる（図３（Ｆ））。
【００５３】マスク１８を除去し、ボンディングパッド
１７を露出させる。次に、ダイシングソーを利用して、
平行平板用ガイド溝１３を形成する（図４（Ａ））。次
に、光半導体素子８をボンディングパッド１７にフリッ
プチップボンディングする（図４（Ｂ））。
【００５４】ここで、図４（Ａ）までは、理解の容易の
ためＳｉＯ2 膜１４及び光導波路層２０を実際の寸法よ
りも厚く記載していたが、図４（Ｂ）においては実際の
寸法に合わせて薄く記載している。
【００５５】次に、球レンズ１０、１１、光学平行平板
部材１２をそれぞれレンズガイド用Ｖ字孔６、７及びＶ
溝１３にはめ込む（図４（Ｃ））。光半導体素子８の熱
放散を良くするために、図４（Ｄ）に示すようにクラッ
ド層３の表面に熱放散用金属膜１９を設けてもよい。ま
た、光学平行平板部材１２に、光積層型の薄型光アイソ
レータを使用してもよい。
【００５６】第１の実施例によれば、光半導体素子８の
ボンディングに、フリップチップボンディングを使用す
るため、光半導体素子の外形が不規則であっても比較的
高精度の位置決めを行うことができる。本実施例で作製
した集積化光装置においては、光半導体素子の目標位置
からのずれは２μｍ以下であった。
【００５７】また、ボンディングパッド１７は、図３
（Ｅ）の工程に示すように、平坦な面の上に作製するこ
とができるため、位置及びパターンを高精度に形成する
ことが可能になる。
【００５８】次に図５を参照して本発明の第２の実施例
について説明する。第２の実施例は、第１の実施例のＳ
ｉＯ2 膜１４の代わりにシリコン層を使用することを特
徴とし、他の構成は第１の実施例と同様である。
【００５９】図５は、本発明の第２の実施例による集積
化光装置の製造工程を示す。ここで、図３、図４と同一
の構成部分については同一の符号を付してある。図３
（Ａ）に示す工程と同様の方法でＶ溝５、レンズガイド
用Ｖ字孔６、７を形成したシリコン基板１のＶ溝等形成
面に、他のシリコン基板１６を貼り合わせる（図５
（Ａ））。シリコン基板１６を研磨して、５０μｍのシ
リコン層を残す（図５（Ｂ））。このようにして、第１
の実施例の図３（Ｃ）に示す２層構造の基板のＳｉＯ2
膜１４がシリコン層１６に置き代わった基板を得ること
ができる。
【００６０】次に、第１の実施例における図３（Ｄ）、
（Ｅ）の工程と同様にシリコン層１６上に光導波路層２
０、ボンディングパッド１７及びマスク１８を形成する
（図５（Ｃ））。ここで、光導波路層２０は、２層のク
ラッド層とそれに挟まれたコアにより構成されている
が、図５においては、これらを１層で表している。
【００６１】光導波路層２０をエッチングにより選択的
に取り除く（図５（Ｄ））。このとき、マスク１８とし
てアモルファスシリコン層を使用し、リアクティブイオ
ンビームエッチングで光導波路層２０を加工する。この
際、シリコン層１６がエッチングストップ層として作用
する。
【００６２】次に、露出したシリコン層１６をエッチン
グにより取り除く（図５（Ｅ））。このとき、エッチン
グ液にＫＯＨ水溶液を用いると、Ｖ溝５、レンズガイド
用Ｖ字孔６、７の表面は、ほとんどエッチングされな
い。
【００６３】この後、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す工程と
同様の工程を実施することにより、第１の実施例におけ
るＳｉＯ2 膜１４をシリコン層１６に置き換えた集積化
光装置を作製することができる。
【００６４】第２の実施例においては、図５（Ｄ）の工
程において、光導波路層２０をエッチングして光導波路
を形成する際に、シリコン層１６がエッチングストップ
層として作用するため、加工の制御性を向上させること
ができる。
【００６５】さらに、シリコン層は、ＳｉＯ2 膜に比べ
て厚くすることが容易なので、シリコン基板１の表面を
基準にした光軸の高さを高くすることができる。このた
め、光ビーム径を大きくでき、結合トレランスを向上す
ることが可能になる。
【００６６】なお、シリコン基板１６には、単結晶シリ
コン基板の他に、アモルファスシリコン基板を使用して
もよい。また、図５（Ｆ）に示すように、第１の実施例
のＳｉＯ2 膜１４と光導波路層２０との間にシリコン層
１６を残す構造としてもよい。
【００６７】次に、図６を参照して本発明の第３の実施
例について説明する。図６は、第３の実施例による集積
化光装置を示す。図６に示す集積化光装置の光導波路
は、５本のコア４ａ〜４ｅを１本のコア４に合波する合
波装置を構成している。光半導体素子には、それぞれ発
振波長が異なる半導体レーザ８ａ〜８ｅを使用し、波長
多重光通信用の光源装置を構成している。
【００６８】半導体レーザ８ａ〜８ｅから放出されたレ
ーザ光は、それぞれ球レンズ１１ａ〜１１ｅを通過して
光学平行平板部材１２に入射する。レーザ光は、それぞ
れ光学平行平板部材１２によって光軸が上下にシフトさ
れ、球レンズ１０ａ〜１０ｅを通過してコア４ａ〜４ｅ
に入射する。
【００６９】球レンズ１０ａ〜１０ｅ、１１ａ〜１１ｅ
は、それぞれレンズガイド用Ｖ字孔６ａ〜６ｅ、７ａ〜
７ｅによって、所定の位置に位置決めされ、固定され
る。また、光学平行平板部材１２は、図１に示す第１の
実施例の場合と同様に平行平板用ガイド溝１３により光
軸に対して所定の角度をもって位置決めされ、固定され
る。
【００７０】コア４ａ〜４ｅに入射したレーザ光は、コ
ア４に導かれ合波されてＶ溝５によって固定された光フ
ァイバ９に入射する。このように、光半導体素子及び球
レンズを複数設け、光導波路により合波装置を構成する
ことによって、波長多重光通信用の光源装置を無調整で
作製することが可能になる。なお、同様の構成で分波機
能を有する集積化光装置を作製することもできる。
【００７１】次に、図７を参照して第４の実施例につい
て説明する。図７は、第４の実施例による集積化光装置
を示す。図７に示す集積化光装置は、光導波路を光ファ
イバに適した２５０μｍピッチから球レンズに適した１
０００μｍピッチに変換するピッチ変換手段として使用
し、ピッチ２５０μｍのリボンファイバーにピッチを１
０００μｍに変換して光半導体素子を形成した５チャン
ネルのパラレル光源を構成している。
【００７２】半導体レーザ８ａ〜８ｅからコア４ａ〜４
ｅまでの構成は、図６に示す第３の実施例と同様であ
る。半導体レーザ８ａ〜８ｅ、球レンズ１１ａ〜１１
ｅ、１０ａ〜１０ｅ、及びコア４ａ〜４ｅの球レンズ側
は、全てピッチ１０００μｍで配置されている。コア４
ａ〜４ｅのピッチは、光ファイバ側に近づくにつれて徐
々に狭められ、光ファイバ側端面でピッチが２５０μｍ
になるように形成されている。
【００７３】光半導体素子８ａ〜８ｅから放出されたレ
ーザ光は、このようにしてピッチが２５０μｍに狭めら
れ、それぞれＶ溝５ａ〜５ｅによって位置決めされたピ
ッチ２５０μｍのリボンファイバー９ａ〜９ｅに入射す
る。
【００７４】このように、光半導体素子、球レンズ及び
光ファイバを複数設けることにより、無調整でパラレル
光源を構成することができる。また、光導波路によって
ピッチを変換することにより、２５０μｍピッチのまま
光ファイバと光半導体素子との結合を行う場合に比べ
て、電気段におけるチャンネル間クロストークを低減さ
せることができる。
【００７５】なお、第３及び第４の実施例においては、
光半導体素子として半導体レーザを使用する場合につい
て説明したが、これらをフォトダイオードに置き換えれ
ば、受光装置を構成することもできる。
【００７６】次に、図８（Ａ）、（Ｂ）を参照して本発
明の第５の実施例について説明する。図８（Ａ）は、第
５の実施例による光学平行平板部材１２を示す。図８
（Ａ）に示す光学平行平板部材１２は、高屈折率の平行
平板ガラス１２ｂの両面を低屈折率ガラス１２ａ、１２
ｃで挟み込んだ構造を有する。
【００７７】低屈折率ガラス１２ａ、１２ｃの入射面と
出射面は、それぞれ光軸に対して垂直になり、高屈折率
ガラス１２ｂとの界面は、それぞれ光軸に対して所定の
角度傾いて構成されている。
【００７８】そのため、例えば、低屈折率ガラス１２ａ
の入射面から入射したレーザ光は、高屈折率ガラス１２
ｂとの界面、及び高屈折率ガラス１２ｂと低屈折率ガラ
ス１２ｃとの界面で屈折し、光軸がシフトする。すなわ
ち、第１〜第４の実施例で説明した光学平行平板部材１
２と同様の効果を奏する。
【００７９】本実施例による光学平行平板部材１２を使
用すれば、平行平板用ガイド溝１３に隙間なくはめ込む
ことができるため、取り付け精度を向上することができ
る。また、図８（Ｂ）に示すように、ガラス１２ｄ、１
２ｆのレーザ光が通過する部分にレーザ光通過孔２１を
設けてもよい。このような構造にすることにより、ガラ
ス１２ｄ、１２ｅ、１２ｆとして同一の屈折率を有する
材料を使用することができる。
【００８０】次に、図８（Ｃ）を参照して第６の実施例
について説明する。図８（Ｃ）は、光学平行平板部材１
２を光軸を含む平面で切断した断面及び光軸２２を示
す。本実施例における光学平行平板部材１２ｇは、複屈
折性を有する材料であるルチル結晶を使用したものであ
る。
【００８１】複屈折性を有する材料を使用することによ
り、入射面及び出射面を光軸に垂直に配置しても光軸を
シフトすることが可能になる。そのシフト量は、光学軸
に対して４５°傾いた面で切断した場合では、結晶の厚
さの約１０％である。
【００８２】従って、比較的薄い結晶を光軸に対して垂
直に配置するだけで光軸をシフトすることができる。さ
らに、第５の実施例と同様に平行平板用ガイド溝１３に
隙間なくはめ込むことができるため、取り付け精度を向
上することができる。
【００８３】なお、本実施例では複屈折材料としてルチ
ル結晶を使用した場合について説明したが、カルサイト
（方解石）等の複屈折材料を使用してもよい。上記第１
〜第６の実施例においては、光導波路として公知のいろ
いろな材料を使用することができる。例えば、有機高分
子、誘電体、アモルファス半導体、半導体の酸化膜、窒
化膜等を使用することができる。
【００８４】特に、図３（Ｃ）等で示す貼り合わせ基板
は、１４００℃程度の高温にも耐えるため、特に光導波
路の作製温度が高いＧｅＯ2 −ＳｉＯ2 系導波路にも使
用することができる。
【００８５】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
【００８６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体レーザ等の光半導体素子と光ファイバとを、無調
整で精度よく位置合わせをし、光学的に結合させること
ができる。これにより、光通信に使用されるハイブリッ
ド集積型光送受信装置を、容易に製造することが可能に
なる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による集積化光装置の斜
視図である。
【図２】本発明の第１の実施例による集積化光装置の断
面図である。
【図３】本発明の第１の実施例による製造方法を説明す
るための集積化光装置の断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例による製造方法を説明す
るための集積化光装置の断面図である。
【図５】本発明の第２の実施例による製造方法を説明す
るための集積化光装置の断面図である。
【図６】本発明の第３の実施例による集積化光装置の斜
視図である。
【図７】本発明の第４の実施例による集積化光装置の斜
視図である。
【図８】図８（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第５の実施例
による集積化光装置に使用する光学平行平板部材の斜視
図、図８（Ｃ）は、本発明の第６の実施例による集積化
光装置に使用する光学平行平板部材の断面図である。
【図９】第１の従来例による集積化光装置の斜視図であ
る。
【図１０】従来例によるＶ溝及び光導波路作製方法を説
明するための基板の斜視図である。
【図１１】第２の従来例による集積化光装置の斜視図で
ある。
【図１２】第３の従来例による集積化光装置の斜視図で
ある。
【符号の説明】
１、６１ シリコン基板 ２、３、６５、６７ クラッド層 ４、４ａ〜４ｅ コア ５、５ａ〜５ｅ、５６、６４ Ｖ溝 ６、６ａ〜６ｅ、７、７ａ〜７ｅ レンズガイド用Ｖ字
孔 ８、８ａ〜８ｅ 光半導体素子 ９、９ａ〜９ｅ、５３、７７ 光ファイバ １０、１０ａ〜１０ｅ、１１、１１ａ〜１１ｅ 球レン
ズ １２ 光学平行平板部材 １２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ ガ
ラス １２ｇ 複屈折性結晶 １３ 平行平板用ガイド溝 １４、１５、６２ ＳｉＯ2 膜 １６ シリコン基板 １７、８１、８２、８３、８６ ボンディングパッド １８ マスク １９ 熱放散用金属膜 ２０ 光導波路材料 ２１ レーザ光通過孔 ２２ 光軸 ５１、７１、８０ 基板 ５２ 光導波路 ５４ 円柱状レンズ ５５ レンズガイド溝 ５７、７５、８４ 半導体レーザ ５８、７４ 半導体レーザ用ガイド ６３、６８ 開口 ６６ 光導波路のコア ７２ 光ファイバガイド ７３、８７ 光導波路 ７５ａ 半導体レーザ活性層 ７６ フォトディテクタ ８５ 活性部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−255810（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−5010（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−157405（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−204403（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−60935（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−84189（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−77028（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−65405（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−11224（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/42 G02B 6/122

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリコン基板（１）上に形成された光導
    波用コア（４）と、 前記光導波用コアを包み込むように形成されたクラッド
    層（２０）と、 前記光導波用コアと光ファイバとを光学的に結合するた
    めに光ファイバを位置決めするための、前記光導波用コ
    アの一方の端面から一方向に光軸に沿って前記シリコン
    基板表面に形成された断面がＶ字状の光ファイバガイド
    溝（５）と、 前記光導波用コアの他方の端面から光軸に沿った延長線
    上の、前記クラッド層上にボンディングされたエッジ入
    出力型の光半導体素子（８）と、 前記光導波用コアと前記光半導体素子とを光学的に結合
    するために、前記シリコン基板表面からの光軸の高さを
    変えるための光軸レベル変換手段（１０、１１、１２）
    とを有する集積化光装置。
  2. 【請求項２】 前記光軸レベル変換手段は、 前記光半導体素子から出射した光を平行光にするため
    の、または平行光を前記光半導体素子の活性部に収束さ
    せるための第１のレンズ（１１）と、 前記第１のレンズを前記シリコン基板上に位置決めする
    ための、前記シリコン基板表面に形成された第１のレン
    ズガイド孔（７）と、 平行光を前記光導波用コアに収束するための、または前
    記光導波用コアから出射した光を平行光にするための第
    ２のレンズ（１０）と、 前記第２のレンズを前記シリコン基板上に位置決めする
    ための、前記シリコン基板表面に形成された第２のレン
    ズガイド孔（６）と、 前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間の光軸上に
    設けられ、光を屈折させて光軸の高さを変えるための光
    学部材（１２）と、 前記光学部材を前記シリコン基板上に位置決めするため
    の、前記シリコン基板表面に形成された光学部材ガイド
    溝（１３）とを含む請求項１記載の集積化光装置。
  3. 【請求項３】 さらに、前記クラッド層と前記シリコン
    基板との間に、平坦なカバー層（１４）が設けられてい
    る請求項２記載の集積化光装置。
  4. 【請求項４】 前記カバー層は、ＳｉＯ2 膜である請求
    項３記載の集積化光装置。
  5. 【請求項５】 前記カバー層は、シリコン層である請求
    項３記載の集積化光装置。
  6. 【請求項６】 前記カバー層は、ＳｉＯ2 膜とシリコン
    層の２層構造を有する請求項３記載の集積化光装置。
  7. 【請求項７】 前記光学部材は、透過光の波長に対して
    透明な材料で形成され、その入射面及び出射面が光軸に
    対して所定の角度傾いて配置されている平行平板を含む
    請求項２〜６のいずれかに記載の集積化光装置。
  8. 【請求項８】 前記光学部材は、両面が光軸に対して所
    定の角度傾いて配置される高屈折率ガラス板（１２ｂ）
    と、該高屈折率ガラス板よりも小さい屈折率を有し、一
    方の面が光軸に対して垂直に、他方の面がそれぞれ該高
    屈折率ガラス板の入射面及び出射面に密着して配置され
    る２枚の低屈折率ガラス板（１２ａ、１２ｃ）を含む請
    求項２〜６のいずれかに記載の集積化光装置。
  9. 【請求項９】 前記光学部材は、両面が光軸に対して所
    定の角度傾いて配置される中央ガラス板（１２ｅ）と、
    一方の面が光軸に対して垂直に、他方の面がそれぞれ該
    中央ガラス板の入射面及び出射面に密着され、光が通過
    する部分に貫通孔が設けられた２枚の部材（１２ｄ、１
    ２ｆ）を含む請求項２〜６のいずれかに記載の集積化光
    装置。
  10. 【請求項１０】 前記光学部材は、両面が光軸に対して
    垂直に配置される複屈折性を有する平行平板部材（１２
    ｇ）を含む請求項２〜６のいずれかに記載の集積化光装
    置。
  11. 【請求項１１】 シリコン基板表面を異方性エッチング
    により選択的にエッチングし、レンズを位置決めするた
    めの第１のレンズガイド孔と第２のレンズガイド孔、及
    び光ファイバを位置決めするための光ファイバガイド溝
    を、該第１のレンズガイド孔に位置決めされるレンズ、
    該第２のレンズガイド孔に位置決めされるレンズ、及び
    該光ファイバガイド溝に位置決めされる光ファイバが光
    軸に沿ってこの順番に並ぶように形成する工程と、 表面にＳｉＯ2 膜が形成された他のシリコン基板を前記
    シリコン基板の表面と該ＳｉＯ2 膜が向かい合うように
    貼り合わせる工程と、 前記他のシリコン基板を除去して、前記ＳｉＯ2 膜を残
    す工程と、 前記ＳｉＯ2 膜上にクラッド層材料及びコア材料を堆積
    し、フォトリソグラフィによりパターン化して、前記第
    ２のレンズガイド孔に位置決めされるレンズと前記光フ
    ァイバガイド溝に位置決めされる光ファイバとの間の光
    軸に沿って光導波路を形成する工程と、 前記光導波路及び前記ＳｉＯ2 膜を選択的にエッチング
    して、前記第１のレンズガイド孔、第２のレンズガイド
    孔、及び両者の間の前記シリコン基板の表面を露出さ
    せ、前記第２のレンズガイド孔と前記光ファイバガイド
    溝との間に前記光導波路及び前記ＳｉＯ2膜を残し、前
    記光ファイバガイド溝を露出させる工程と、 前記シリコン基板表面上の、前記第１のレンズガイド孔
    と第２のレンズガイド孔との間に、光学用平行平板部材
    を位置決めするための平行平板用ガイド溝を形成する工
    程とを含む集積化光装置の製造方法。
  12. 【請求項１２】 シリコン基板表面を異方性エッチング
    により選択的にエッチングし、レンズを位置決めするた
    めの第１のレンズガイド孔と第２のレンズガイド孔、及
    び光ファイバを位置決めするための光ファイバガイド溝
    を、該第１のレンズガイド孔に位置決めされるレンズ、
    該第２のレンズガイド孔に位置決めされるレンズ、及び
    該光ファイバガイド溝に位置決めされる光ファイバが光
    軸に沿ってこの順番に並ぶように形成する工程と、 他のシリコン基板を前記シリコン基板の表面に貼り合わ
    せる工程と、 該他のシリコン基板の一部を取り除き、薄いシリコン層
    を残す工程と、 前記シリコン層上にクラッド層材料及びコア材料を堆積
    し、フォトリソグラフィによりパターン化して、前記第
    ２のレンズガイド孔に位置決めされるレンズと前記光フ
    ァイバガイド溝に位置決めされる光ファイバとの間の光
    軸に沿って光導波路を形成する工程と、 前記光導波路及び前記シリコン層を選択的にエッチング
    して、前記第１のレンズガイド孔、第２のレンズガイド
    孔、及び両者の間の前記シリコン基板の表面を露出さ
    せ、前記第２のレンズガイド孔と前記光ファイバガイド
    溝との間に前記光導波路及び前記ＳｉＯ2膜を残し、前
    記光ファイバガイド溝を露出させる工程と、 前記シリコン基板表面上の、前記第１のレンズガイド孔
    と第２のレンズガイド孔との間に、光学用平行平板部材
    を位置決めするための平行平板用ガイド溝を形成する工
    程とを含む集積化光装置の製造方法。
  13. 【請求項１３】 シリコン基板表面を異方性エッチング
    により選択的にエッチングし、レンズを位置決めするた
    めの第１のレンズガイド孔と第２のレンズガイド孔、及
    び光ファイバを位置決めするための光ファイバガイド溝
    を、該第１のレンズガイド孔に位置決めされるレンズ、
    該第２のレンズガイド孔に位置決めされるレンズ、及び
    該光ファイバガイド溝に位置決めされる光ファイバが光
    軸に沿ってこの順番に並ぶように形成する工程と、 表面にＳｉＯ2 膜が形成された他のシリコン基板を前記
    シリコン基板の表面と該ＳｉＯ2 膜が向かい合うように
    貼り合わせる工程と、 前記他のシリコン基板の一部を取り除き、前記ＳｉＯ2
    膜と薄いシリコン層とを残す工程と、 前記シリコン層上にクラッド層材料及びコア材料を堆積
    し、フォトリソグラフィによりパターン化して、前記第
    ２のレンズガイド孔に位置決めされるレンズと前記光フ
    ァイバガイド溝に位置決めされる光ファイバとの間の光
    軸に沿って光導波路を形成する工程と、 前記光導波路、前記ＳｉＯ2 膜及び前記シリコン層を選
    択的にエッチングして、前記第１のレンズガイド孔、第
    ２のレンズガイド孔、及び両者の間の前記シリコン基板
    の表面を露出させ、前記第２のレンズガイド孔と前記光
    ファイバガイド溝との間に前記光導波路及び前記ＳｉＯ
    2膜を残し、前記光ファイバガイド溝を露出させる工程
    と、 前記シリコン基板表面上の、前記第１のレンズガイド孔
    と第２のレンズガイド孔との間に、光学用平行平板部材
    を位置決めするための平行平板用ガイド溝を形成する工
    程とを含む集積化光装置の製造方法。
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