JP2001356232A

JP2001356232A - ハイブリッド光集積用実装基板

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Publication number: JP2001356232A
Application number: JP2001134712A
Authority: JP
Inventors: Yasubumi Yamada; 泰文山田; Shinji Mino; 真司美野; Hiroshi Terui; 博照井; Kaoru Yoshino; 薫吉野; Kuniharu Kato; 邦治加藤; Kazuyuki Moriwaki; 和幸森脇; Akio Sugita; 彰夫杉田; Ikuo Ogawa; 育生小川; Masahiro Yanagisawa; 雅弘柳澤; Toshikazu Hashimoto; 俊和橋本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1993-08-09
Filing date: 2001-05-01
Publication date: 2001-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】低損失光導波路機能，光学ベンチ機能および
高周波電気配線機能を満足し得るハイブリッド光集積用
実装基板がない。【解決手段】Ｓi基板１に形成されたアンダークラッ
ド６０ｃ，コア６０ｂおよびオーバークラッド６０ａか
らなる石英系光導波路６０と、この石英系光導波路６０
のアンダークラッド６０ｃまたはオーバークラッド６０
ａに被着されて中心導体６１ａと接地導体６１ｂとから
なるコプレーナ配線６１を有する電気配線層とを含むハ
イブリッド光集積用実装基板において、電気配線層とＳ
i基板１との間を５０μm以上の厚さの石英系光導波路６
０とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路および電
気配線の他に、光通信や光信号処理に用いられる光素子
または光サブモジュールを搭載し得るハイブリッド光集
積用実装基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近における光通信や光情報処理の高度
化に伴い、低損失な光導波路などに能動光素子を組み込
んで高周波電気回路により駆動する光／電子ハイブリッ
ド集積回路の実現が期待されている。

【０００３】そして、この光導波路に能動光素子を組み
込み、高周波駆動する回路の実現に当っては、１．低損失光導波路機能２．同一基板上に光素子を搭載し、軸ずれを防止するた
めの光学ベンチ機能３．光素子を駆動するのに必要な高周波電気配線機能からなる３つの条件が光／電子ハイブリッド実装基板と
して必要になる。

【０００４】図１は、Ｓi基板１上に形成されたガイド
溝２および位置決め基準面３ａ，３ｂおよび３ｃを利用
し、Ｓi基板１上にて光ファイバ４と半導体レーザー
（ＬＤ）５との集積を実現し、電気配線６により駆動す
る従来の「Ｓi光学ベンチ」と称せられる構成を示す斜
視図である。この構成では、Ｓi基板１の加工性の良さ
を利用して精度良くガイド溝２が形成できるので、光フ
ァイバ４と半導体レーザー（ＬＤ）５やフォトディテク
タ（ＰＤ）などの光素子との一体化を容易に実現でき
る。また、Ｓi基板は熱伝導性に優れるので、光素子と
の良好なヒートシンクとしても機能する。電気配線６
は、Ｓi基板１の表面上に直接、または厚さ０.５μm以
下の極めて薄い酸化膜を介して形成される。

【０００５】光導波路機能を有する光実装基板として
は、Ｓi基板に形成した石英系光導波路の適用が期待さ
れている。このような従来の光導波路として、図３(Ａ)
〜図３(Ｄ)に示すように、１．コアを薄いオーバークラッドで保護した形態の「リ
ッジ型光導波路」２．コアを十分に厚いオーバークラッドで埋め込んだ
「埋め込み型光導波路」の２種類が知られている。

【０００６】図５は、凹部１ａおよび凸部１ｂを有する
Ｓi基板１上の凹部１ａに光導波路を形成し、凸部１ｂ
を素子搭載部とする「テラス付光導波路基板」（山田，
河内，小林：特開昭６３−１３１１０４号「ハイブリッ
ド光集積回路」）の一例を示す。この図５において、Ｓ
i基板１の凹部１ａ内に、石英系光導波路１０のアンダ
ークラッド１０ｃと、コア層１０ｂとが順に形成され、
さらに埋め込みクラッド１０ａが重ねて形成されてい
る。アンダークラッド１０ｃの上面と、Ｓi基板１の凸
部１ｂ上面の高さとが一致しており、凸部１ｂを光素子
８の高さ基準面として用いることができる。なお、図５
中の符号で８ａは活性層，１１は素子位置決めの基準面
である。

【０００７】図６は、特開昭６２−２４２３６２号公報
に開示されたハイブリッド光集積回路の構成を示す斜視
図である。この回路は、Ｓi基板１上に設けられたバッ
ファ層１２と、このバッファ層１２に重ねて設けられた
石英系光導波路１３と、Ｓi基板１の上面からの高さが
上記バッファ層１２と同一の素子保持台１４と、この保
持台１４上にアップサイドダウン構成で保持された半導
体レーザー１５と、この半導体レーザー１５の上面電極
（図示略）に対して金線Ｗにより電気的接続される導電
膜１６ａを有し、かつＳi基板１の上面から突出して設
けられた電気配線台１６とを具えている。なお、１７は
ヒートシンクである。

【０００８】このような構成の回路では、バッファ層１
２の上面から導波路１３のコアまでの高さの差を、素子
保持台１４の上面から半導体レーザー１５の活性層１５
ａまでの高さの差と等しく設定してあるので、極めて高
い位置決め精度で半導体レーザー１５等の光素子を搭載
できるという利点がある。

【０００９】図７は、特公平５−３７４８号公報に開示
されたハイブリッド光集積回路の構成を示す斜視図であ
る。この回路は、Ｓi基板１にほぼ等しい高さで凸状に
配置された光導波路１８，光ファイバガイド１９，光素
子ガイド２０および電気配線支持台２１と、Ｓi基板１
に配置された第１の導電膜（共通電極）２２と、電気配
線支持台２１の上面に配置され、かつ第１の導電膜２２
から絶縁された第２の導電膜２３と、光ファイバガイド
１９に沿って配設された光ファイバ２４と、光素子ガイ
ド２０に沿って配設された光素子としてのレーザーダイ
オード２５とを具えている。

【００１０】このような構成の回路では、光素子を直接
Ｓi基板１上に搭載しているので、Ｓi基板１をヒートシ
ンクとして機能させることができるという利点がある。

【００１１】図８は、特開平５−６０９５２号公報に開
示された光半導体装置の構成を示す断面図である。この
装置は、Ｓi基板１と、このＳi基板１に形成された光導
波路２６と、Ｓi基板１の凹部にアップサイドダウン構
成で搭載された光半導体素子２７とを具えている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術において
は、上述の３条件が充足される回路が得られていない。

【００１３】例えば、図１に示したＳi光学ベンチの構
成では、電気配線６の高周波特性を著しく劣化させると
いう問題を生ずる。すなわち、高周波特性に優れた電気
配線６を形成するためには、この電気配線層の厚さを充
分なものとし、しかも誘電損失の小さい絶縁体上に形成
しなければならないが、Ｓi基板１はその厚さが極めて
薄く、しかも十分な高周波特性を補償する程、抵抗値が
高くなく、比抵抗は１kΩ・cm程度しかない。

【００１４】図２は、Ｓi基板上に直接形成した長さ０.
６mmのコプレーナ配線の高周波特性を示している（T. S
uzaki et al.：Microwave Workshop Digest, 1993, p9
5）。縦軸をＳパラメータの透過特性Ｓ₂₁とし、横軸を
周波数（GＨz）とした。長さ０.６mmの配線の損失は約
０.４dＢ（２GＨz），約０.８dＢ（１０GＨz）となり、
長さ１cmに換算すると７dＢ（２GＨz），１３dＢ（１０
GＨz）となって大きな損失となる。

【００１５】図３(Ａ)〜図３(Ｄ)に示す従来の光導波路
に関し、図４はリッジ型光導波路の検討例（6. Y. Yama
da et al., "Hybrid-Integrated 4×4 Optical Gate Ma
trixSwitch Using Silica-Based Optical Waveguides a
nd LD Array Chips", IEEE,J. Lightwave Technol., vo
l. 10, pp.383-390, 1992）を示しており、Ｓi基板１に
形成した石英系光導波路７と半導体光素子８（この例で
は、半導体レーザーアンプ：ＳＬＡ）との厚みに応じて
基板に反りが生じることに起因し、結合損失の増大につ
ながる。このように、リッジ型光導波路は光導波路機能
を十分には満たさない。また、ここでは、電気配線機能
も検討されていない。

【００１６】図５に示したテラス付光導波路基板では、
低損失光導波機能や光学ベンチ機能は満足されるもの
の、高周波電気配線を搭載する機能については、全く検
討されていない。ここで、電気配線を搭載するとして
も、Ｓi基板１の凸部１ｂに重ねて形成されることとな
り、高周波特性に対する要求条件を満たさない。

【００１７】図６に示したハイブリッド光集積回路で
は、光導波路１３がリッジ型のものに限定され、外乱な
どの影響を受け易く、低損失の光導波路機能を発揮でき
ない。

【００１８】図７に示したハイブリッド光集積回路路
も、光導波路１８がリッジ型のものに限定され、外乱な
どの影響を受け易く、低損失の光導波路機能を発揮でき
ない。

【００１９】図８に示した光半導体装置では、光導波路
２６がＳi基板１の凸部領域に形成されるため、十分な
厚さのアンダークラッドを形成できない。このため、伝
送損失が大きく、外乱の影響を受け易いなど、十分な光
導波路機能を満たさない。しかも、電気配線部２８がＳ
i基板１に設けられているので、高周波特性に対する要
求条件を満たさない。

【００２０】このように、従来のハイブリッド光集積技
術には、上記３つの要求条件を満足するものがない。特
に、高周波電気配線機能はほとんど考慮されていなかっ
た。

【００２１】

【発明の目的】本発明の目的は、低損失光導波路機能，
光学ベンチ機能および高周波電気配線機能を満足するハ
イブリッド光集積用実装基板を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の形態は、
Ｓi基板に形成されたアンダークラッド，コアおよびオ
ーバークラッドからなる石英系光導波路と、この石英系
光導波路の前記アンダークラッドまたは前記オーバーク
ラッドに被着されて中心導体と接地導体とからなるコプ
レーナ配線を有する電気配線層とを含むハイブリッド光
集積用実装基板において、前記電気配線層と前記Ｓi基
板との間を５０μm以上の厚さの石英系光導波路とした
ことを特徴とするものである。

【００２３】本発明の第２の形態は、Ｓi基板に形成さ
れたアンダークラッド，コアおよびオーバークラッドか
らなる石英系光導波路と、この英系光導波路の前記アン
ダークラッドまたはオーバークラッドに被着されて中心
導体と接地導体とからなるコプレーナ配線を有する電気
配線層とを含むハイブリッド光集積用実装基板におい
て、前記Ｓi基板の比抵抗が平均値で５０Ω・cm以上あ
り、前記電気配線層と前記Ｓi基板との間を２０μm以上
の厚さの石英系光導波路としたことを特徴とするもので
ある。

【００２４】

【作用】本発明においては、従来のＳi基板に絶縁体で
ある石英系光導波路を５０μm以上の厚さで形成し、こ
れに重ねて高周波電気配線を形成している。そのため、
Ｓi基板の比抵抗にはよらず、高周波で損失の大きいＳi
基板の影響による損失は小さくなり、Ｓi基板を高周波
電気配線機能を持ったハイブリッド光集積用実装基板と
して用いることができる。

【００２５】このＳi基板による高周波損失について
は、Ｓiの比抵抗率を高くすることにより、さらに高周
波の損失を小さくすることができる。具体的にはＳi基
板の比抵抗を平均値で５０Ω・cm以上とすることによ
り、Ｓi基板と高周波配線層との間に必要とされる石英
層を薄くすることができる。

【００２６】さらに、Ｓi基板の石英系光導波路の全体
の厚さが厚いと基板に反りが生じ、特にアレイ光素子へ
の適用を考えた場合、軸ずれが生じて光素子の良好な光
学ベンチとなりえないという問題があったが、本発明で
提案している光導波路は、この基板の反りの影響も考慮
して、先に述べた高周波電気配線機能や低損失光導波機
能を損なわない程度に光導波路全体の厚さを薄くし、最
適化している。そのため、本発明のハイブリッド光集積
基板は基板の反りが少なく、良好な光学ベンチとして機
能する。

【００２７】また、本発明において凸部を有するＳi基
板を用い、その凹部に光導波路層を形成し、高周波電気
配線の下地とすることにより、低損失光導波機能や高周
波電気配線機能において、上記の特徴がそのまま活かさ
れる。そして、石英系光導波路の光軸調整のための高さ
基準面として用いることができ、光素子を高精度で搭載
し、良好な高周波電気配線を用いてこれを駆動すること
が可能となり、一層高精度な光学ベンチとして機能する
ことが可能となる。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明の第１または第２の形態に
よるハイブリッド光集積用実装基板において、石英系光
導波路全体の厚さが１２０μm以下であってよい。

【００２９】また、基板が表面に凹部および凸部を形成
したＳi基板であり、このＳi基板の凸部がＳiテラスで
構成された光素子搭載部として機能し、石英系光導波路
はＳi基板の凹部に形成したアンダークラッド，コアお
よびオーバークラッドからなる光導波路であり、電気配
線部がＳi基板の凹部上に形成した誘電体層およびその
表面または内部に設けた導体パターンで構成してもよ
い。

【００３０】

【実施例】本発明によるハイブリッド光集積用実装基板
の実施例について、図９〜図２７を参照しながら詳細に
説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限らず、こ
れらをさらに組み合わせたり、この特許請求の範囲に記
載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正
が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の技術
にも当然応用することができる。

【００３１】

【実施例１】図９は、本発明のハイブリッド光集積回路
の第４の実施例の斜視図であり、図１０はＡ−Ａ矢視に
沿った断面図である。Ｓi基板１上にアンダークラッド
６０ｃ，コア６０ｂおよびオーバークラッド６０ａが集
積された埋め込み型光導波路６０を示している。この図
９に示す例では、４００μmピッチの４アレイ光素子を
搭載していることを前提としているので、コア６０ｂの
間隔も４００μmで並べられることになる。

【００３２】オーバークラッド６０ａ上面には、図１０
にも示すように４００μm間隔の中心導体部６１ａと接
地導体部６１ｂとからなるコプレーナ線路６１が形成さ
れる。そして、中心導体部６１ａの幅Ｗ，中心導体部６
１ａと接地導体部６１ｂとのギャップ間隔Ｓおよびコプ
レーナ線路６１とＳi基板１との間の石英導波路層の厚
さＨは、コプレーナ線路６１の高周波特性に影響する主
要なパラメータとなっている。このパラメータについて
は、表１〜４を用いて後述する。

【００３３】光素子搭載部６３は、エッチングによりオ
ーバークラッド６０ａが削られてアンダークラッド６０
ｃの上面を露出させ、電気配線層６３ａ，６３ｂが形成
される。この場合、電気配線層６１ａ，６１ｂ，６３
ａ，６３ｂとして厚さ５μmの金メッキ線を用い、電気
配線層６３ａ，６３ｂの長さを１mm以下としてその損失
を小さくしている。

【００３４】４本のコプレーナ線路６１の中心導体部６
１ａは、金リボン線６４により銅ブロックやグランドポ
ストと呼ばれるガイドポスト６５ａに接続され、前述し
たアンダークラッド６０ｃ上の電気配線層（電極）６３
ａに接続され、金−スズ合金からなる半田パターン６６
を通じて光素子６２の下側の４個の電極６２ｃに接続さ
れることになる。

【００３５】コプレーナ線路６１の接地導体６１ｂも同
様に、金リボン線６４によりガイドポスト６５ｂに接続
され、アンダークラッド６０ｃ上の電気配線層（電極）
６３ｂに接続され、半田パターン６６を通じてＳiサブ
キャリア６７の表面導電層６７ａに接続されることにな
る。Ｓiサブキャリア６７は、光素子６２の背面の電極
６２ｂを金−スズ半田で凹部の表面導電層６７ａに接続
することにより保持している。従って、光素子６２が光
素子搭載部６３に搭載された状態では、コプレーナ線路
６１にて４個のアレイとともに高周波で駆動することが
可能となる。

【００３６】光素子搭載部６３に光素子６２が搭載され
た状態では、光素子６２の４個の活性層６２ａは図９手
前側の石英系導波路のコア６０ｂに光結合されることに
なる。なお、本実施例においては、光素子６２の電極６
２ｃおよび半田パターン６６の位置を光素子６２の活性
層６２ａ直下から側方にずらして設けてあり、光素子固
定に伴う応力が直接活性層に働くのを防止している。

【００３７】ここで、コプレーナ線路の高周波特性に影
響する前述した主要なパラメータＷ，Ｓ，Ｈにつき、Ｓ
パラメータＳ₂₁および光学ベンチ機能である軸ずれを考
察する。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１はコプレーナ線路ｗ，ｓと透過損失Ｓ
₂₁との関係を示しており、Ｓi基板として平均値の比抵
抗を１Ω・cm以下のものを用いている。また、パラメー
タＷ，Ｓについては、石英系光導波路など数十マイクロ
メートルの段差のある基板上にレジストを塗布してパタ
ーニングしているため、２０μm以下で再現良く形成す
るのが困難であり、よってｗ，ｓ共２０μm以上とし
た。この表１ではアンダークラッド６０ｃの厚さｈを２
４μm、石英導波路全体の厚さＨを６０μmとして、実施
例Ｉ−１〜Ｉ〜５までｗを変化した結果、ｗ，ｓが最小
の場合ＳパラメータＳ₂₁が最小となって損失が最も小さ
くなる。なお、この表１では厚さｈやＨの数値の変更が
無いため、４アレイであっても軸ずれは０.７μmと一定
している。

【００４０】

【表２】

【００４１】表２は、表１の結果を利用してＳ₂₁が最小
になる（ｗ，ｓ）＝（２０，２０）μmとし、アンダー
クラッド６０ｃの厚さｈを変化させ、ひいてはＨを変化
させたときのＳパラメータと軸ずれとをピックアップし
たものであり、参考例II−１，II−７は従来構造のもの
を当てはめた場合の例であり、実施例II−２〜II−６で
は、ｈ，Ｈを変化させた例となっている。この結果、Ｈ
が５０〜９０近辺にて良好な数値を示している。なお、
軸ずれはアレイ構造でクラッド厚さの厚みにより基板の
反りが生じることに起因しており、結合損失の増大につ
ながる。

【００４２】表２にて詳しく述べれば、厚さＨ依存性に
ついて、一般的に高周波電気配線の損失は、１.０dＢ/c
m以下である必要があり、本実施例のハイブリッド光集
積用実装基板の幅広い用途を考慮すると、１.５dＢ/cm
以下である必要があると考えられる。表２から、損失が
１.５dＢ/cm以下であるためには、石英層の全厚Ｈが５
０μm以上であることが必要である。

【００４３】また、ハイブリッド光集積用実装基板が良
好な光学ベンチ機能を保ためには、基板の反りが少ない
必要がある。図１０において、石英系光導波路層とＳi
基板１とは熱膨張係数が異なるため、Ｈが大きくなるに
つれて基板の反りが大きくなる。この基板の反りが大き
くなると、光導波路端面と光素子、例えばＬＤアレイの
活性層が位置ずれを起こし、光学的な結合損失を生じる
など、光学ベンチ機能が損なわれる。ハイブリッド光集
積用実装基板は、４×４スイッチなどへの展開が求めら
れるため、例えば４アレイＬＤモジュールなどをこの基
板に搭載するなど、光素子のアレイ化に対応できること
が必要である。この結果、表２中の右欄の数値（軸ず
れ）を小さくする必要がある。図１１は、Ｓi基板上の
石英層の厚さＨと、Ｓi基板の反り（曲率半径）と、４
００μm間隔４アレイＬＤモジュールでの軸ずれとの関
係を示しており、この図１１からは軸ずれを１μm以下
に押えるためには厚さＨが１２０μm以下であることが
判明する。

【００４４】以上をまとめると、図１０の石英系光導波
路において、高周波電気配線機能および光素子を搭載す
るための光学ベンチ機能を満たすためには、Ｈは５０μ
m以上１２０μm以下にする必要のあることがわかった。

【００４５】なお、表１，表２から判明するように、低
損失光導波路として十分実績があり、最適であると考え
られるアンダークラッドｈ＝３０μm，コア径６×６μ
m，オーバークラッド＝３０μm，全石英層６６μmのハ
イブリッド光集積基板を用いた例示が図９である。ま
た、この図９に示す光導波路の伝搬損失は０.１dＢ/cm
以下であり、光素子としてＬＤを用いた場合４アレイ共
に１０GＨzでの高速変調時でも良好な特性を有する。

【００４６】こうして、本実施例では低損失光導波路機
能および軸ずれの少ない光学ベンチ機能ならびにＳ₂₁の
少ない高周波電気配線機能を合せ持つ。

【００４７】図９の４アレイを分割して単体としたもの
を図１２および図１３に示す。この場合、アレイ素子で
なくアレイ素子を分割した単体となっているので、基板
の反りが生じたとしても軸ずれは生ずることがなく、よ
って厚さＨが１２０μm以下という条件を除いても前述
の三機能は有する。逆に、単体をアレイ化構造とする場
合には、厚さＨが１２０μm以下という条件が加わるこ
とになる。

【００４８】なお本実施例では、コプレーナ線路６１を
オーバークラッド表面に形成したが、コプレーナ線路の
位置はこれ以外の場所でも形成可能である。図１４に図
９の側面図を、図１５にコプレーナ線路６１の下のオー
バークラッド６０ａを薄くしたものの側面図を、図１６
にアンダークラッド６０ｃ全体を厚くし、コプレーナ線
路６１を直接アンダークラッド６０ｃ上に形成したもの
の側面図を示す。図１５および図１６に示した例のよう
に、コプレーナ配線層の高さを光導波路部の上部クラッ
ド上面よりも低く設定しても、同様に良好なハイブリッ
ド光集積用実装基板として用いることができる。

【００４９】

【実施例２】図１７は、本発明のハイブリッド光集積回
路の第２の実施例を示す図であり、図１８は図１７中の
Ｄ−Ｄ矢視に沿った断面図である。先の実施例１は、一
般的なＳi基板（比抵抗：１Ω・cm以下）を用いた例で
あった。一方、Ｓi基板の比抵抗を高くすることにより
さらに高周波電気配線機能を改善することができる。こ
れにより、コプレーナ線路とＳi基板との間の石英系光
導波路を薄くすることができ、図１７のような、より薄
いアンダークラッド６０ｃ上に高周波線路を置く構成が
可能になり、応用範囲を広げることができる。

【００５０】まず図１７で用いている基板の構造パラメ
ータについて、図１７の高周波電気配線部におけるＤ−
Ｄ矢視に沿った断面図と等しい構造を持つ図１８によ
り、高周波電気配線機能および光学ベンチ機能の観点か
ら最適化を行う。図１７および図１８において、６１ａ
はコプレーナ線路の中心導体部、６１ｂは接地導体部で
あり、６０ｃはアンダークラッド、１は図９に示す実施
例１に比べて高抵抗なＳi基板である。

【００５１】また、図１７において６７はＳiのサブキ
ャリアであり、その凹部には光素子６２が保持されてい
る。サブキャリア６７には表面導電層６７ａが形成され
ており、光素子６２の裏面と導通がとれている。このサ
ブキャリアの両足を半田パターン６７ｂに接続すること
により、コプレーナ線路６１と光素子６２の背面の電極
６２ｂとが電気的に接続される。一方、光素子の活性層
脇の電極６２ｃは、コプレーナ線路６１の中心導体部６
１ａ上に形成された半田パターン６７ｂにより導通がと
れ、このコプレーナ線路により光素子６２を駆動するこ
とができる。さらにこのＳiサブキャリア６７は、光素
子で発生する熱を吸収し、空中あるいはコプレーナ線路
６１に放熱する。なお、この実施例においては、光素子
６２の電極６２ｃに接続する半田パターン６７ｂの位置
を、光素子の活性層６２ａの直下から側方にずらして設
けてあり、光素子固定に伴う応力が、直接活性層に働く
のを防止する。

【００５２】このコプレーナ線路の高周波特性に影響す
る主要なパラメータは、コプレーナ線路とＳi基板との
間の石英アンダークラッドの厚さｈ、コプレーナ線路の
中心導体部６１ａの幅ｗ、中心導体部６１ａとコプレー
ナ線路の接地導体層６１ｂとのギャップ間隔ｓである。

【００５３】これらパラメータＳ，Ｗとコプレーナ線路
の損失を表すＳパラメータＳ₂₁との関係を表３に示し、
この表３によるｓ，ｗに基づき、アンダークラッド６０
ｃの厚さによるＳパラメータＳ₂₁および軸ずれの関係を
表４に示す。

【００５４】ここで、Ｓi基板は平均値の比抵抗で５０
Ω・cm以下のものを用いている。また、ｗ，ｓについて
は、石英系光導波路など数十マイクロメートルの段差の
ある基板上にレジストを塗布してパターニングしている
ため、２０μm以下で再現性良く形成するのが困難であ
った。そのため、ｗ，ｓ共に２０μm以上とした。ま
た、図１７および図１８は光素子単体の例であるが、４
００μmピッチで４アレイの光素子を搭載した際の基板
の反りに起因する軸ずれを表４に示す。

【００５５】まず、コプレーナ線路の構造パラメータで
ある導体幅ｗ，ギャップｓによるＳパラメータＳ₂₁の変
化を表３に示す。

【００５６】

【表３】

【００５７】この表３にて判明するように、実施例III
−１〜III−５の結果、表１と同様に（ｗ，ｓ）＝（２
０，２０）μmとなって損失が最も小さい。

【００５８】

【表４】

【００５９】また、この表４にて示すように（ｗ，ｓ）
＝（２０，２０）μmを前提として、アンダークラッド
厚ｈの変化に伴うＳ₂₁および軸ずれを表示する。Ｓ₂₁を
１０GＨzで１.５dＢ/cm以下にするには、ｈを２０μm以
上にする必要がある。このようにＳi基板の比抵抗を高
くしたため、Ｓi基板上の石英層の厚さを実施例１より
もより薄くすることができた。また、光学素子の活性層
と光導波路のコアとの軸ずれを１μm以下にするために
は、石英層の全厚Ｈを１２０μm以下にする必要があ
る。

【００６０】以上をまとめると、図１７および図１８の
石英系導波路において、高周波電気配線機能および光素
子を搭載するための高精度光学ベンチ機能を満たすため
には、石英系光導波路アンダークラッド厚ｈは２０μm
以上にする必要のあることがわかった。さらに４００μ
mピッチで４アレイ以上の光素子を搭載した際には、石
英系光導波路全体の厚さＨは１２０μm以下という条件
が加わる。

【００６１】なお、表３，表４から判明するように、低
損失石英系光導波路として十分に実績があって最適であ
ると考えられるアンダークラッドｈが３０μm、コア径
が６×６μm、オーバークラッド厚が３０μm、全石英層
の厚さが６６μmの基板を用い、光素子として単体のＬ
Ｄモジュールを用いた例が図１７である。

【００６２】このように実施例２のハイブリッド光集積
基板は、既に実績のある低損失光導波機能のみならず、
光素子を駆動するための高周波線路配線機能および基板
の平坦性を確保する高精度光学ベンチ機能を満足してい
る。さらに光導波路として十分実績のある３０μm厚の
アンダークラッドを用い、かつガイドポストなどを使わ
ないため、電極構造を単純にすることができた。このた
め高周波特性が向上し、その上実装の手間が簡略化され
た。

【００６３】このハイブリッド光集積回路の光導波路の
伝搬損失は０.１dＢ/cm以下であった。また、光素子と
してＬＤを用いると１０GＨzでの高速変調時でも良好な
特性を示した。

【００６４】

【実施例３】図１９は、本発明のハイブリッド光集積回
路の第３の実施例を示す図である。実施例１で用いた平
坦なＳi基板１の代わりに凹凸のあるＳi基板を用いてい
る。石英系光導波路のアンダークラッド６０ｃは、この
Ｓi基板１の凹部に形成されており、Ｓi基板の凸部６８
ａ，６８ｂは、図のように光素子搭載部６８に露出して
おり、光素子６２を搭載する際の高さ基準面として用い
ることができる。

【００６５】図１９におけるＢ−Ｂ矢視に沿った断面図
は、図１８と同じ構造であり、ここでも表３，表４で最
適化した厚さｈ＝３０μmのアンダークラッド６０ｃを
用いている。光素子搭載部６８におけるＣ−Ｃ矢視に沿
った断面を図２０に示す。このようにＳi基板１の凸部
６８ａの上には、光素子６２の活性層６２ａを避けるよ
うに薄い電極６２ｃが形成され、光素子６２の高さ基準
面と電極部とを兼ねている。コプレーナ線路は、アンダ
ークラッド上では厚さ５μmの金メッキ層を用いている
が、Ｓiテラス６８ａ，６８ｂ上では厚さ１μm以下の金
スパッタ膜を用いている。光素子６２の背面の電極６２
ｂは、Ｓiサブキャリア６７に保持され、Ｓiサブキャリ
ア６７の表面導電層６７ａおよび導電性接着剤６９を通
ってＳiテラス６８ｂ上の接地導体部６１ｂに電気的に
導通している。

【００６６】このように凸部を有するＳi基板を用いる
ことにより、Ｓiテラス６８ａを搭載高さ基準面として
用いることができ、光素子６２とコア６０ｂの位置合わ
せをさらに高精度に行うことができる。また光素子６２
で発生した熱は、Ｓiサブキャリア６７を通ってＳiテラ
ス６８ｂを経由し、熱伝導性の良いＳi基板１に放熱で
き、このＳi基板１は熱伝導性の良いパッケージ７０に
密着させているため、光素子６２の放熱は大きく改善さ
れる。

【００６７】またコプレーナ線路６１における高周波特
性も実施例１と同様に良好である。Ｓiテラス６８ａ，
６８ｂ上の電極において高周波線路がＳi基板のすぐ上
に位置しているが、実際に高周波が流れる距離は非常に
短く、その損失はごくわずかである。

【００６８】またアンダークラッド６０ｃ，コア６０
ｂ、オーバークラッド６０ａを合わせた厚さＨは、表４
で最適化した６６μmのものを用いており、反りが少な
い良好な光学ベンチであることも言うまでもない。

【００６９】

【実施例４】図２１は、本発明のハイブリッド光集積回
路の第４の実施例を示す斜視図である。本実施例は、実
施例３の光素子６２としてＬＤ７１を用い、さらにそれ
を駆動するためのＬＤドライバ７２を同一基板１上に実
装している点に特徴がある。光素子搭載部６８は図１９
と全く同一の構造である。またＬＤドライバへの入力側
の接地導体部６１ｂは図１９のコプレーナ線路部６１と
全く同一の構造である。ただし、ＬＤドライバ７２とＬ
Ｄ７１を結ぶ中心導体部６１ａは、５０Ω系であるコプ
レーナ線路とＬＤとのインピーダンス整合をとるため、
４０Ωの高周波用チップ抵抗７３を挿入している。

【００７０】ＬＤドライバ７２のあるＥ−Ｅ線に沿った
断面形状を図２２に示す。このように発熱の大きいＬＤ
ドライバ７２の熱を効率よく放熱するため、ＬＤドライ
バ７２はＳi凸部７４の上に置かれている。また実施例
２と同様、ＬＤ部の熱も効率よくＳi基板に吸収され
る。そしてＳi基板１は、このＬＤモジュール全体を熱
伝導性のよい材質のパッケージに密着させることによ
り、効率よく放熱することができる。ＬＤドライバ７２
と中心導体部６１ａおよびＬＤドライバ７２とＤＣバイ
アスライン６１ｃとの接続は、図２２のようにガイドポ
スト６５ｃおよび金リボン線６４を用いて接続すること
により、高周波成分の損失を最小限に押さえることがで
きる。このＳi凸部７４は、ドライバの底面のみに接
し、コプレーナ線路からは離れているので、高周波特性
を損なうことはない。

【００７１】このハイブリッド光集積回路の光導波路の
伝搬損失は０.１dＢ/cm以下であった。また、ＬＤドラ
イバ７２にコプレーナ線路入力端７５から１０GＨzの変
調用信号を入力し、さらにＤＣバイアスライン６１ｃに
より振幅、変調電位を調整することにより、ＬＤ素子は
１０GＨzまで良好な変調特性を示した。

【００７２】このように、本実施例４のハイブリッド光
集積用実装基板が低損失光導波機能，高周波電気配線機
能および高精度光学ベンチ機能を合わせもつ特徴を生か
せば、このような高速ＬＤモジュールを数センチメート
ル角の同一基板上に実現することができる。

【００７３】

【実施例５】図２３は、本発明のハイブリッド光集積回
路の第５の実施例を示す斜視図である。本実施例は、石
英系光導波路部、光素子搭載部６８、電気配線層６１
ａ，６１ｂ、ＬＤドライバ搭載部について実施例４と同
一の構造を持つ。

【００７４】ただし、石英系光導波路の端面６２ｄに光
ファイバ７６を無調心で接続できるようにＳi基板１を
延長し、ガイド溝７７を形成している。このガイド溝部
におけるＸ−Ｘ矢視に沿った断面形状を図２４に示す。
このようなガイド溝７７は、光導波路およびＳi基板の
エッチングにより容易に形成することができる。このガ
イド溝７７により、光ファイバ７６を調心の必要なしに
容易にコア６０ｂに接続することができ、このハイブリ
ッド光集積用実装基板の応用を一層広げることができ
る。

【００７５】

【実施例６】図２５は、本発明のハイブリッド光集積回
路の第６の実施例を示す斜視図である。本実施例は、石
英系光導波路部以外の部分について実施例１と同一の構
造を持ち、石英系光導波路部を埋め込み型からリッジ型
に代えている。これに伴い、オーバークラッド６０ａの
厚みのみは、リッジ型光導波路７８と同じ厚さにあるた
め、薄くなっている。既に述べたように、リッジ型光導
波路としての特性は埋め込み型に対してわずかに劣るも
のの、それ以外の点では良好なハイブリッド光集積用実
装基板として機能する。

【００７６】

【実施例７】光素子搭載部３以外の構造を図１２に示し
た実施例１と同一とし、光素子搭載部６３から、図１９
のようなＳiテラスを用いた光素子搭載部６８に変えた
ものを図示しないけれども第７の実施例とする。実施例
１と比較すると、光導波機能および電気配線機能の点で
実施例１と同様に良好な特性を保ち、それに加えて実施
例３で説明したように、Ｓiテラスを光素子搭載の高さ
基準面として用いることができ、また放熱の点にも優れ
るという長所を持つ。

【００７７】

【実施例８】図２６は、本発明のハイブリッド光集積回
路の第８の実施例を示す斜視図である。本実施例は、オ
ーバークラッド６０ａ，コア６０ｂ以外の構造を図１７
に示した実施例２と同一とし、オーバークラッド６０
ａ，コア６０ｂの埋め込み型光導波路を、クラッド７８
ａ，コア７８ｂのリッジ型光導波路に変えたものであ
る。既に述べたようにリッジ型光導波路は、埋め込み型
光導波路より光導波特性がわずかに劣るものの、本実施
例８はそれ以外の高周波電気配線機能および光学ベンチ
機能において、実施例２と同様に良好なハイブリッド光
集積用実装基板として機能する。

【００７８】

【実施例９】図２７は、本発明のハイブリッド光集積回
路の第９の実施例を示す斜視図である。本実施例は、オ
ーバークラッド６０ａ，コア６０ｂ以外の構造を図１９
に示した実施例３と同一とし、図１９におけるオーバー
クラッド６０ａ，コア６０ｂの埋め込み型光導波路をク
ラッド７８ａ，コア７８ｂのリッジ型光導波路に変えた
ものである。既に述べたようにリッジ型光導波路は、埋
め込み型光導波路より光導波特性がわずかに劣るもの
の、本実施例９はそれ以外の高周波電気配線機能および
光学ベンチ機能において、実施例３と同様に良好なハイ
ブリッド光集積用実装基板として機能する。

【００７９】以上述べたように、本実施例により低損失
光導波機能，高周波電気配線機能および高精度光学ベン
チ機能の３機能を同時に有するハイブリッド光集積用実
装基板の提供が可能になった。

【００８０】

【発明の効果】本発明のハイブリッド光集積用実装基板
によると、低損失石英系光導波路用基板として実績のあ
るＳi基板の、高周波で誘電損失が大きいという欠点
を、適当な厚さの石英のバッファ層を用いることにより
解決し、なおかつ高精度光学ベンチ機能の観点から、ア
レイ光素子を搭載しても、光導波路と軸ずれによる結合
損失の増大を起こさない程度に、基板の反りが小さくな
るように石英光導波路の厚さを最適化している。そのた
め、能動素子を光導波路に精度よく搭載し、かつ優れた
高周波特性により駆動する光／電気実装基板として用い
ることができる。

【００８１】この高周波電気特性は、Ｓi基板の比抵抗
を高めることによりさらに改善され、コプレーナ線路と
Ｓi基板との間の石英層の厚さをより薄くしても、十分
良好な高周波特性を保つことができる。このため、光導
波路として十分実績のある厚さ３０μm程度のアンダー
クラッドを用い、かつコプレーナ線路をコア層よりも低
くする構造も可能となり応用範囲を広げることができ
る。

【００８２】さらに、凹凸のあるＳi基板を用い、その
凹部に石英系光導波路のアンダークラッドを形成し、凸
部を光素子搭載部に露出させ高さ基準面として用いるこ
とにより、一層高精度な光学ベンチ機能を持たせること
ができる。この構造ではＳiテラスを通じて熱伝導性に
優れるＳi基板を光素子やその駆動用ＩＣの放熱板とし
て利用することができる。

【００８３】またこのＳi基板に光ファイバのガイド溝
を形成することにより、石英系光導波路に無調心で光フ
ァイバを接続することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｓi光学ベンチの構造を示す斜視図である。

【図２】図１の構造から予想される高周波特性を示す特
性図である。

【図３】２種類の光導波路構造を示すもので、（Ａ）は
リッジ型光導波路構造の光実装基板を示す断面図であ
り、（Ｂ）は（Ａ）の光実装基板上に設けられた素子搭
載部を示す断面図であり、（Ｃ）は埋め込み型光導波路
構造の光実装基板を示す断面図であり、（Ｄ）は（Ｃ）
の光実装基板上に設けられた素子搭載部を示す断面図で
ある。

【図４】リッジ型光導波路構造の光実装基板を示す概略
斜視図である。

【図５】Ｓiテラス付光導波路構造の光実装基板を示す
概略斜視図である。

【図６】従来のハイブリッド光集積回路の構成の一例を
示す斜視図である。

【図７】従来のハイブリッド光集積回路の構成の他の例
を示す斜視図である。

【図８】従来の光半導体装置の構成の一例を示す断面図
である。

【図９】本発明によるハイブリッド光集積用実装基板の
第１の実施例の斜視図である。

【図１０】図９中のＡ−Ａ矢視に沿った断面図である。

【図１１】基板の曲率半径ｒおよびＬＤアレイと光導波
路コアとの軸ずれを示すグラフである。

【図１２】図１０におけるアレイ光素子を単体の光素子
に変えたものに対応する斜視図である。

【図１３】図１２中のＡ−Ａ矢視に沿った断面図であ
る。

【図１４】図１０の側断面図である。

【図１５】図１０のコプレーナ線路部の位置を下げたも
のの側断面図である。

【図１６】図１０のアンダークラッドを厚くし、コプレ
ーナ線路部をアンダークラッド上に形成したものの側断
面図である。

【図１７】本発明によるハイブリッド光集積回路の第２
の実施例の斜視図である。

【図１８】図１７中のＤ−Ｄ矢視に沿った断面図であ
る。

【図１９】本発明によるハイブリッド光集積回路の第３
の実施例の斜視図である。

【図２０】図１９中のＣ−Ｃ矢視に沿った断面図であ
る。

【図２１】本発明によるハイブリッド光集積回路の第４
の実施例を示す斜視図である。

【図２２】図２１中のＥ−Ｅ矢視に沿った断面図であ
る。

【図２３】本発明によるハイブリッド光集積回路の第５
の実施例を示す斜視図である。

【図２４】図２３中のＸ−Ｘ矢視に沿った断面図であ
る。

【図２５】本発明によるハイブリッド光集積回路の第６
の実施例を示す斜視図である。

【図２６】本発明によるハイブリッド光集積回路の第８
の実施例を示す斜視図である。

【図２７】本発明によるハイブリッド光集積回路の第９
の実施例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１Ｓi基板６０埋め込み型光導波路６０ａオーバークラッド６０ｂコア６０ｃアンダークラッド６１ａ中心導体部（電気配線層）６１ｂ接地導体部（電気配線層）６１ｃＤＣバイアスライン６１コプレーナ線路６２光素子６２ａ活性層６２ｂ電極６２ｃ電極６２ｄ端面６３搭載部６３ａ，６３ｂ電気配線層６４金リボン線６５ａガイドポスト６５ｂガイドポスト６５ｃガイドポスト６６半田パターン６７Ｓiサブキャリア６７ａ表面導電層６７ｂ半田パターン６８光素子搭載部６８ａ，６８ｂ凸部（Ｓiテラス）６９導電性接着剤７０パッケージ７１ＬＤ（半導体レーザー）７２ＬＤドライバ７３高周波用チップ抵抗７４Ｓi凸部７５コプレーナ線路入力端７６光ファイバ７７ガイド溝７８リッジ型光導波路７８ａクラッド７８ｂコアＷ，ｗ幅Ｓ，ｓギャップ間隔Ｈ，ｈ厚さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号特願平6−148222 (32)優先日平成６年６月29日(1994．6．29) (33)優先権主張国日本（ＪＰ） (72)発明者照井博東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者吉野薫東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者加藤邦治東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者森脇和幸東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者杉田彰夫東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者小川育生東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者柳澤雅弘東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者橋本俊和東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA04 KB09 MA07 PA05 QA02 RA08 TA11 5E338 AA18 AA20 BB63 BB75 CC02 CC06 CC10 CD13 EE02 EE11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓi基板に形成されたアンダークラッ
ド，コアおよびオーバークラッドからなる石英系光導波
路と、この石英系光導波路の前記アンダークラッドまた
は前記オーバークラッドに被着されて中心導体と接地導
体とからなるコプレーナ配線を有する電気配線層とを含
むハイブリッド光集積用実装基板において、前記電気配線層と前記Ｓi基板との間を５０μm以上の厚
さの石英系光導波路としたことを特徴とするハイブリッ
ド光集積用実装基板。
【請求項２】Ｓi基板に形成されたアンダークラッ
ド，コアおよびオーバークラッドからなる石英系光導波
路と、この石英系光導波路の前記アンダークラッドまた
は前記オーバークラッドに被着されて中心導体と接地導
体とからなるコプレーナ配線を有する電気配線層とを含
むハイブリッド光集積用実装基板において、前記Ｓi基板の比抵抗が平均値で５０Ω・cm以上あり、
前記電気配線層と前記Ｓi基板との間を２０μm以上の厚
さの石英系光導波路としたことを特徴とするハイブリッ
ド光集積用実装基板。
【請求項３】前記石英系光導波路全体の厚さが１２０
μm以下であることを特徴とする請求項１または請求項
２に記載の光／電子ハイブリッド実装基板。
【請求項４】前記基板は、表面に凹部および凸部を形
成したＳi基板であり、このＳi基板の前記凸部がＳiテ
ラスで構成された光素子搭載部として機能し、前記石英
系光導波路は前記Ｓi基板の前記凹部に形成したアンダ
ークラッド，コアおよびオーバークラッドからなる光導
波路であり、前記電気配線部は前記Ｓi基板の前記凹部
に形成した誘電体層およびその表面または内部に設けた
導体パターンで構成したことを特徴とする請求項１から
請求項３の何れかに記載のハイブリッド光集積用実装基
板。