JP2002277657A - 集積光モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光導波路回路プラットフォーム上に光導波路
素子がフリップチップ実装された集積光モジュールにお
いて、空隙を挟んで信号光の入出射端面が対向する光導
波路素子〜光導波路回路間の信号光結合効率を、従来よ
り効果的に改善し、光モジュールの小型化・低コスト化
・量産性向上を実現する。 【解決手段】 空隙１５０を伝搬してきた信号光の水平
方向位相分布を変える凸形状の１次元波面補償機構１０
１ｃを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路回路が形
成されたプラットフォーム（基体）上に、光導波路素子
が実装された集積光モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】インターネット等の広帯域マルチメディ
ア通信サービスの爆発的な需要増加に伴って、より大容
量かつ高機能な光ファイバ通信システムの開発が求めら
れている。こうした大規模なシステムに使用される光通
信モジュールの数は、システムの巨大化に伴って増加の
一途をたどっており、光通信モジュールの大きさも含
め、システム全体に占めるコスト・実装負荷が無視でき
ない状態となっている。このため、光通信モジュール自
体の小型化・機能集積化・低コスト化が、極めて重要な
課題となっている。

【０００３】上述した課題を解決するものとして、複数
の光素子を１枚の基板にモノリシックに集積して特定の
機能を実現する光集積回路（Photonic IC、以下ＰＩ
Ｃ）や、光素子を駆動するための周辺電子回路素子等を
一体化して集積化する光・電気集積モジュールへの期待
が高まっている。特に、光導波路回路が形成されたプラ
ットフォーム上に光導波路素子をフリップチップ実装し
たハイブリッド光集積モジュールは、生産性などの点か
ら、最も実用に近い光集積技術として期待されている。

【０００４】こうしたハイブリッド光集積技術を用いて
製造される光モジュールでは、同一のプラットフォーム
上に形成されている光導波路回路と光導波路素子との各
々の信号入出力端面が、ある狭い幅の空隙を介して対向
している。この空隙における両光導波路間のモードフィ
ールド不整合に起因した結合効率が、非球面レンズ等を
用いた場合の結合効率に比べて大きい。このことが、幹
線系光ファイバ通信システム向けのハイエンド光通信用
モジュールや光増幅器モジュールへの適用に際して、上
記ハイブリッド光集積モジュールにおける課題となって
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したハイブリッド
集積光モジュールの結合損失の課題を解決する手段とし
ては、つぎの２つの方法が従来より用いられている。ま
ず１つは、光導波路素子とプラットフォーム上の光導波
路回路の信号光の入出射端面が対向する空隙部分に、樹
脂等の屈折率整合材を充填する方法である。また、もう
一つは、光導波路素子において、信号光の入出射端面近
傍のコア層断面形状を長手軸に沿って変えるなどの工夫
を施し、スポットサイズ変換機能を持たせる方法であ
る。

【０００６】このうち、前者の屈折率整合材を用いる方
法は、本来信頼性向上を目的として光導波路素子を気密
封止する際に用いるポッティング樹脂に、屈折率整合の
働きも兼ねさせてしまうことも可能であり、既に加入者
向け光送受信モジュールでは一般的となっている。しか
し、光導波路素子を取り巻く媒質の屈折率は、空気の屈
折率に対して大きく異なり、必然的に光導波路素子の実
効端面反射率も大きな影響を受ける。したがって、屈折
率整合材を用いる場合、充填する屈折率整合材の屈折率
に応じて予め光導波路素子の端面コーティングの形成条
件（屈折率および膜厚）を変えておく必要があった。

【０００７】この結果、光導波路素子は、屈折率整合材
を充填して初めて本来の動作をすることとなり、光導波
路プラットフォーム上にフリップチップ実装する前段階
で、光導波路素子単体の素子特性を事前評価・選別する
作業に支障が出るという本質的な難点があった。特に、
残留端面反射を極力抑えなければならない半導体光増幅
器をハイブリッド光集積する場合、フリップチップ実装
前の状態ではこの端面コーティングが低反射膜としての
働きを成さない。この場合、半導体光増幅器の利得スペ
クトルに大きなリップルが現れ、半導体光増幅器本来の
動作をしなくなってしまう。

【０００８】また、半導体光増幅器では、残留端面反射
を抑える目的で、活性層ストライプを信号光の入出射端
面近傍において端面の法線方向から傾ける斜め光導波路
構造なども用いられる。しかしながらこの場合も、上記
空隙に屈折率整合材を充填することにより、空隙での信
号光屈折角が変化するため、対向する光導波路回路端面
への最適結合位置がずれてしまうという難点があった。
こうした事情により、半導体光増幅器をハイブリッド光
集積化する際には、屈折率整合材による結合効率改善策
は事実上用いることができなかった。

【０００９】一方、後者のスポットサイズ変換機能を持
たせる方法も、集積光モジュールの結合効率改善策とし
て広く用いられており、例えば石英系光導波路に対し、
単一軸モード半導体レーザの場合に約−１〜−２ｄＢ、
半導体光増幅器の場合で約−４〜−５ｄＢ程度の結合効
率が得られている。しかし、光モジュールへの性能所要
が比較的緩い加入者向け光送受信モジュールなどでは、
この程度の結合効率もあまり深刻な問題とはならない
が、幹線系光ファイバ通信システムに組み込まれるハイ
エンド光モジュールへの適用にはより一層の結合効率改
善が望ましく、ハイブリッド光集積技術の適用範囲は、
もっぱら加入者向け光通信システム用の低コスト光モジ
ュールに絞られてきたのが実状である。

【００１０】本発明は、以上のような問題点を解消する
ためになされたものであり、光導波路回路プラットフォ
ーム上に光導波路素子がフリップチップ実装された集積
光モジュールにおいて、空隙を挟んで信号光の入出射端
面が対向する光導波路素子〜光導波路回路間の信号光結
合効率を、従来より効果的に改善し、光モジュールの小
型化・低コスト化・量産性向上を実現することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の集積光モジュー
ルは、主表面に光導波路回路が形成されてこの光導波路
回路を通過する信号光が入出射する第１の入出射端が配
置された第１の端面を備えた基体と、第１の入出射端へ
結合する信号光を入出射する第２の入出射端とこの第２
の入出射端より所定距離離れて形成された第２の端面を
有し、この第２の端面が第１の端面と所定の間隙で対向
して基体上に実装された光導波路素子と、第１の端面の
第１の入出射端が配置された領域に一体に形成され、通
過する信号光の波面の曲率を低下させる波面補償機構と
を備えたものである。この発明によれば、光導波路素子
の第２の入出射端より出射されて第２の端面より空間の
放出された信号光は、波面補償機構を介して光導波路回
路の第１の入出射端に導入される。

【００１２】上記発明において、波面補償機構は、側部
が第２の端面方向に凸となっている柱状体であり、この
柱状体の底面は第１の端面の下端が接触する底面同一平
面に配置され、柱状体の上面は第１の端面の上端が接触
する基体の上面と同一平面を形成しているものである。
このとき、波面補償機構は、第１の端面の下端が接触す
る底面に垂直なある平面で円柱を切り出した形状の部分
円柱であればよい。

【００１３】また、波面補償機構は、柱状体を切り出し
た柱状の凹部であり、柱状の凹部の底面は第１の端面の
下端が接触する底面同一平面に配置され、柱状の凹部の
上面は第１の端面の上端が接触する基体の上面と同一平
面を形成しているものである。このとき、柱状の凹部
は、第１の端面の下端が接触する底面に垂直なある平面
で円柱を切り出した形状の部分円柱状体の凹部であれば
よい。

【００１４】上記発明において、光導波路素子の第２の
入出射端を一端とする導波路は、第２の端面の法線より
所定の角度の方向に延在するものであり、所定の角度
は、５〜７°の範囲であればよい。また、波面補償機構
は、第１の入出射端の部分において、コア層がクラッド
層より信号光波長程度だけ突出したものであってもよ
い。また、光導波路回路は、ゲルマニウムがドープされ
た石英から成るコア層と、リンもしくはホウ素がドープ
された石英から成るクラッド層とから構成すればよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を参照して説明する。 ＜実施の形態１＞図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態
における集積光モジュールの構成を示す構成図である。
（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の円内を拡大した同一
方向から見た断面図、（ｃ）は部分斜視図である。本集
積光モジュールは、石英系の材料からなる光導波路回路
１０１ａが形成されたプラットフォーム（基体）１０１
上に、信号光が入出射する端面１０２ｂに対し、斜めに
信号光を導波させる光導波路１０２ａを備える光導波路
素子１０２を搭載している。この場合、プラットフォー
ム１０１が光導波路回路１０１ａのコアとなっている。

【００１６】光導波路回路１０１ａは、ゲルマニウムが
ドープされた石英から成るコア層と、リンもしくはホウ
素がドープされた石英から成るクラッド層とから構成さ
れている。また、光導波路回路１０１ａの信号光が入出
射する端面１０１ｂと、端面１０２ｂとは、空隙１５０
を介して対向して結合系を構成している。なお、石英系
の材料ではなく、フッ化ポリイミドやポリメタクリル酸
メチルなどの透明樹脂を、光導波路回路１０１ａを構成
するクラッドやコアの材料として用いるようにしても良
い。

【００１７】光導波路１０２ａは、プラットフォーム１
０１に平行な平面内で、端面１０２ｂで形成される水平
な面の法線に対し、角度θ１の方向に延在している。角
度θ１は、５〜７°の範囲となっていればよい。８°を
超えるようにしても良いが、製造しにくくなる。また、
光導波路１０２ａは、端面１０２ｂ側の先端部にかけて
テーパ状に厚さが薄くなるように形成され、光導波路１
０２ａの先端部と端面１０２ｂとの距離は、約２５μｍ
である。この領域は、窓領域と呼ばれている。

【００１８】光導波路回路１０１ａは、光導波路素子１
０２へと信号光を光入出射結合し、かつ光導波路素子１
０２とは異なる実効屈折率を持つ。光導波路回路１０１
ａは、まず、プラットフォーム１０１に平行な平面内
で、端面１０１ｂで形成される水平な面の法線に対して
角度θ２の方向に延在している斜め領域１１３を有して
いる。また、光導波路回路１０１ａは、プラットフォー
ム１０１に平行な平面内で、端面１０１ｂで形成される
水平な面の法線方向に延在する直線領域１１４を有して
いる。加えて、光導波路回路１０１ａは、斜め領域１１
３と直線領域１１４とを滑らかに接続し、かつ放射の影
響が無視できる程度に適当な曲率の曲線領域１１５を有
している。

【００１９】角度θ２は、光導波路１０２ａの等価屈折
率ｎ１、同じく斜め領域１１３の等価屈折率ｎ２および
角度θ１から「Ｓｎｅｌｌ」の屈折角の法則を用いてほ
ぼ決定される。また、直線領域１１４は、プラットフォ
ーム１０１の端面２１６まで伸びている。また、光導波
路素子１０２は、端面１０２ｂと端面１０１ｂとの間
に、有限の空隙１５０を設けてプラットフォーム１０１
の上に配置されている。

【００２０】加えて、本実施の形態では、端面１０１ｂ
に、空隙１５０を伝搬してきた信号光の水平方向位相分
布を変える凸形状の１次元波面補償機構１０１ｃを備え
るようにした。１次元波面補償機構１０１ｃは、底面に
垂直なある平面で円柱を切り出した形状（部分円柱）で
あり、部分円柱の底面は空隙１５０の底面と同一平面に
配置し、部分円柱の上面はプラットフォーム１０１上面
と同一平面を形成している。１次元波面補償機構１０１
ｃは、端面１０１ｂの形成時に、光導波路回路１０１ａ
の先端部に一体加工して形成する。また、１次元波面補
償機構１０１ｃが形成されている領域に、光導波路回路
１０１ａの先端部が配置されるようにする。

【００２１】つぎに、図１（ａ）〜（ｃ）の光集積モジ
ュールの結合系における信号光の入出射について説明す
る。光導波路１０２ａを導波して端面１０２ｂから空隙
１５０に向かって放射された信号光は、光導波路回路１
０１ａ側の端面１０１ｂに到達すると、１次元波面補償
機構１０１ｃにより、空隙１５０を伝搬している間に生
じた位相分布の湾曲化を平面波の位相分布に近い形へと
戻され、光導波路回路１０１ａの基本伝搬モードへと結
合する。このことにより、従来のように平坦な端面の光
導波路回路プラットフォームを用いる場合に比べ、結合
効率が大幅に改善される。なお、１次元波面補償機構１
０１ｃによる結合効率の向上性能は、凹凸形状の曲率に
よってほぼ決まり、凹凸の厚さの影響は小さい。

【００２２】１次元波面補償機構１０１ｃは、端面１０
１ｂの形成工程で高精度に一体形成することが可能であ
る。また、光導波路素子１０２は、高精度にセルフアラ
イン実装することができる。したがって、本実施の形態
によれば、プラットフォーム１０１上に搭載する光素子
の個数やチャンネル数に関わらずすべての結合箇所にお
いて、結合効率を大幅に改善することが可能となる。

【００２３】以上説明したように、本実施の形態では、
光導波路素子が光導波路回路プラットフォーム上にフリ
ップチップ実装された集積光モジュールにおいて、光導
波路回路が形成されたプラットフォームの信号光の入出
射端面に、この端面に信号光の等位相面（波面）を光導
波路回路に平行な軸方向にのみ１次元的に補正する波面
補償機構（波面整合機構）を設けるようにした。図１の
１次元波面補償機構１０１ｃは、部分円柱としたが、こ
れに限るものではない。端面１０１ｂより突出している
部分が曲面ではなく、平面で組み合わされた多面体とな
っていても良い。例えば、波面補償機構は、三角柱であ
ってもよい。

【００２４】波面整合機構は、プラットフォームの製造
過程で、光導波路回路に光導波路素子の搭載箇所を設け
るため部分的にこの光導波路回路を除去して信号光の入
出射端面も同時に形成する工程（以下、端面形成工程）
で、この端面に信号光の等位相面（波面）を光導波路回
路に一体形成することができる。

【００２５】具体的には、端面形成工程において、エッ
チング阻止マスクのパターン形状を工夫して垂直エッチ
ングを行うことにより、端面形状を平面的ではなく任意
の１次元凹凸形状を持つ波面整合機構が一体形成された
ものにできる。このように、本実施の形態では、波面整
合機構を部分円柱形状としたので、端面形状を形成する
ときに、同時に、かつ複雑な加工を行うことなく、波面
整合機構を形成できる。

【００２６】一般的に、２本の異なる光導波路間の結合
効率は、正規化された各々の固有伝搬モードフィールド
同士の複素重なり積分で与えられる。これは、互いのモ
ードフィールドの電界強度分布も整合し、さらに位相分
布も整合した場合に理想的な高結合効率が実現できるこ
とを意味する。

【００２７】先に述べた従来より行われているスポット
サイズ変換による結合効率改善策は、光導波路と光導波
路回路間の両モードフィールドのうち、上述した電界強
度分布のみを互いに近づける作用が主であり、互いの位
相分布を近づける効果はあまり期待できない。もちろ
ん、この場合でも、ある一定の結合効率改善効果が得ら
れることは明らかであるが、互いの位相分布の不整合
は、複素重なり積分の振る舞いを大きく左右するため、
結合効率改善効果を大きく損なう。

【００２８】この様子を、実際の集積光モジュールの結
合系における３次元電磁界解析結果をもとに示す。図２
は、斜め光導波路構造と窓構造を併用したスポットサイ
ズ変換器付き半導体光増幅器（加藤他、電子情報通信学
会１９９９年ソサエティ大会）から出射された波長１５
５０ｎｍの信号光の、端面から１０μｍ離れた空隙中に
おけるコア中心高さでの基板に平行な方向（以下、水平
方向）の位相分布、および石英光導波路の基本伝搬モー
ドのコア中心高さでの水平方向位相分布とを各々プロッ
トしたものである。なお、入出射端近傍の活性層ストラ
イプの斜め角度は７°（θ１）、窓領域の長さは２５μ
ｍ、一方の石英光導波路の斜め角度（θ２）は「Ｓｎｅ
ｌｌ」の屈折角の法則をもとに約１５．２°に設定され
た場合を仮定した。

【００２９】図１に示すように、半導体光増幅器などの
光導波路素子１０２の光導波路１０２ａから放出され端
面１０２ｂより出射され空隙中を伝搬する信号光の波面
は、ほぼ半球面状（図１（ｂ）に点線で示す）に発散す
る。この波面が半球状に発散する信号光の、石英導波路
である光導波路回路１０１ａの信号光入射端面にたどり
着く位置における水平方向位相分布は、図２の実線で示
すように放物線状の曲線を描く。

【００３０】一方、光導波路回路１０１ａの固有伝搬モ
ード（ここではＴＥ基本モードとする）の入射端におけ
る水平方向位相分布は、直線的であり、たとえコア中心
部で互いの位相を整合させても外周に行くにつれて大き
な位相不整合が生じている。これが、スポットサイズ変
換器を用いる場合の結合効率を高々−４〜−５ｄＢ程度
に阻んでいる主要因である。

【００３１】この湾曲してしまった信号光位相分布を、
光導波路回路１０１ａの入射端で直線的に戻すように何
らかの補正をかければ、本来スポットサイズ変換器自体
に期待されていた電界強度分布の整合効果を、最も強く
引き出すことが可能になるはずである。通常、こうした
波面補償にはレンズが用いられる。しかしながら、光導
波路プラットフォーム上にレンズを設けるのは部品点数
を増やす方向であり、通常わずか１０μｍ程度しかない
光導波路素子〜光導波路回路間の空隙に微小なレンズを
高い位置精度で実装することは非常に困難である。

【００３２】また、例えば化学エッチングにより石英光
導波路回路のコア部分を突出させた２次元的なレンズを
形成する技術も知られているが、化学エッチングは面内
ばらつきが大きいうえ、波面補償に最も効果的となるよ
うなレンズ形状を設計する自由度もない。端面にインク
ジェット技術を用いて樹脂を吹き付けてレンズとする方
法も提案されているが、これもレンズ形状が限られると
同時に、光導波路プラットフォームの製造工程に非プレ
ーナプロセスを持ち込むことになり、実用化の観点から
非現実的と考えられる。ハイブリッド光集積技術を広く
光モジュール全般に適用してゆくためには、高性能化と
同時にこうした量産性および製造工程における検査作業
といった項目まで考慮した光集積技術の開発がより重要
となってくる。

【００３３】本実施の形態による光集積モジュールで
は、光導波路回路が形成されたプラットフォームの端面
形成工程において、円柱を底面に垂直なある平面で切り
出した形状（部分円柱）の１次元波面補償機構を一体に
形成するようにした。１次元波面補償機構は、信号光に
対する水平方向の波面を補償する。言い換えると、波面
補償機構は、入出射端面のたどり着く位置における信号
光の波面の曲率を低下させる。なお、上記実施の形態で
は、波面補償は水平方向のみしか対応できないが、これ
だけでも実際の結合効率改善効果は著しい。

【００３４】また、波面補償性能は実用上十分高い精度
で計算することが可能なため、最も高い結合効率を実現
できる凹凸形状を予め計算で求め、エッチング阻止マス
クのパターン形状へと容易に反映させることが可能にな
る。当然、この凹凸形状を与える曲線が、必ずしも連続
関数的である必要はなく、例えば１次元フレネルレンズ
のようなものでも簡単に形成できるなど、機械研磨等で
製造されるシリンドリカルレンズ単体に比べ、波面補償
性能を引き出すための設計自由度が向上できるという利
点もある。

【００３５】マスクパターンの設計も、計算で求められ
た任意の凹凸形状をもとに簡単なＣＡＤ（Computer Edi
t Design）作業を経るだけで容易に行える。波面補償機
構を実現するためだけに光導波路回路プラットフォーム
の製造プロセスへ別途新たな工程を追加する必要がない
のは言うまでもなく、部品点数も増えなければ、組立工
程における高精度な光軸調芯作業も一切不要である。こ
のように、本発明によれば、結合効率の改善を図るにあ
たって、何ら生産性や低コスト化を妨げることが無い優
れた特徴を備えているのである。

【００３６】光導波路単体の信号光の入出射端面に何ら
かの凹凸形状を設ける方法も報告されている。この場合
には、別の光導波路素子との結合効率がやや改善される
に過ぎない。また、この方法では、煩雑な光軸調芯作業
は依然必要なままであるうえ、実際に光通信システムに
組み込む場合に不可欠なパッケージングを考えた場合、
むしろパッケージ内部の限られたスペースという窮屈な
環境で煩雑な光軸調芯作業を行うための特殊な治具や取
り付け部品が別途必要になる。このように、光導波路単
体の信号光の入出射端面に何らかの凹凸形状を設ける方
法では、部品点数や作業工数を減らして光モジュールの
低コスト化を図ろうとする技術の潮流に明らかに逆行す
るものであり、実用化の観点から非現実的なのは明白で
ある。

【００３７】一方、ハイブリッド光集積モジュールで
は、ＡｕＳｎハンダバンプ等を用いたセルフアライン技
術を最大限に活用することが可能になり、フリップチッ
プ実装後の相対位置合わせ精度を±１μｍ以下に抑えた
多チップ一括高精度実装が極めて容易に実現できる。こ
の多チップ一括高精度実装技術こそ、本発明の特徴であ
る水平方向の波面補償機構が高精度に一体形成された光
導波路端面の性能を最大限に引き出す上で最も重要な技
術と言え、これらを同時に組み込むことが可能なハイブ
リッド集積モジュールにおいて初めて実用的な性能を発
揮することができるのである。

【００３８】なお、波面整合機構を構成する凹凸形状が
一体化された端面を形成するには、クロム（Ｃｒ）等の
金属膜をエッチング阻止マスクとして光導波路層の上に
形成した後、露光装置等を用いて必要な１次元凹凸形状
を高精度にパターニングし、さらにエッチング工程には
誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）エッチング技術を用いれ
ばよく、３０μｍを超えるような厚い光導波路層でも垂
直性に優れかつエッチング面の荒れを信号光波長のスケ
ールに比べて無視できる程度にまで抑えた理想的な端面
形成が十分可能である。

【００３９】これらのプロセス技術や製造装置は、シリ
コン半導体集積回路プロセスでは極めて一般的なもので
あることから、光導波路回路プラットフォーム製造にあ
たっての技術的な障害は特に存在せず、量産化への展開
も容易である。また、端面形成時のエッチング加工の垂
直性をやや落として意図的に多少傾けることにより、層
厚方向に対する位相変化を与えることも可能であり、簡
易的な層厚方向の位相分布制御も実現できる。

【００４０】同様に、水平方向の波面補償を担う凹凸を
形成した後に、化学エッチング等を用いて光導波路回路
のコア層をクラッド層より信号光波長程度突出させる技
術を組み合わせることによって、理想に近い２次元的な
波面補償機構を実現することも可能になると考えられ
る。また、上述では、光素子側から出射されて空隙中を
伝搬する信号光の波面は、受光する光導波路回路側に凸
となっているが、凹となっている場合もある。この場
合、波面補償機構は、光導波路回路側の端面に凹部を形
成すればよい。例えば、部分円柱の形状を切り取ったよ
うな凹部を形成すれば、この場合の波面補償機構とな
る。

【００４１】本実施の形態により、結合損失の観点から
今まで採用が見送られてきた幹線系光ファイバ通信シス
テム向けのハイエンド光導波路素子までも集積光モジュ
ール化の対象とすることが可能になり、非球面レンズ等
の光学部品点数や設置面積の削減、煩雑な光軸調芯作業
等の省略により、より小型・高性能・低価格の集積光モ
ジュールを大量かつ安定に提供することが可能になる。
これらの結果、次世代通信ネットワークの構築に向けた
幹線系光ファイバ通信システムの大規模化・高機能化へ
の道が拓かれる。

【００４２】ところで、上記実施の形態では、光導波路
素子１０２の光導波路１０２ａを、端面１０２ｂの法線
より５〜７°の角度を付けるようにしたが、このことに
ついて以下に説明する。ＬＤやＳＯＡなどの半導体光素
子において、上述したように光導波路回路に組み込んで
用いる場合、コアの長手軸が端面に垂直であると、間隙
を介して対向する光導波路の長手軸も、信号光の入出射
端面に対して垂直になる。したがって、空隙を介して対
向する両端面が、ファブリーペロー（Fabry-Perot）共
振器をなしてしまう。このため、半導体光素子のコアの
長手軸が端面に垂直な場合、間隙の両端面で形成される
共振器が、両光導波路間に挟まれて縦接続された複合共
振器構造が形成される。

【００４３】上述したように複合共振器構造となると、
半導体素子側への戻り光が、ＬＤなどの光源素子の発振
状態を著しく不安定にさせ、光源モジュールとしての性
能を劣化させてしまう。ＬＤ側の端面反射率を低減すれ
ば、複合共振の影響は低減されるが、ＬＤ自体の発振光
出力や閾値電流が、大きな影響を受けてしまうため、低
反射膜を設ける対策には限界がある。

【００４４】また、受動光導波路同士を対向して光結合
させる場合でも、ファブリーペロー共振器が透過特性に
波長依存性を示すことから、間隙幅や等価信号光波長の
変化に対して両光導波路間の見かけの結合効率が大きく
変化してしまう結果を招く。受動光導波路同士の結合で
あれば、両端面へ低反射膜を形成することも可能である
が、一方がＰＬＣプラットフォームである場合、垂直に
切削された光信号入出射社端面に、低反射膜を形成する
必要があり、形成する低反射膜の被覆特性や低反射膜を
形成するプロセスとの整合性などの面で大幅なコスト増
と、歩留り低下を招くことが懸念される。

【００４５】幹線系光ファイバ通信システム向けの光モ
ジュールのＰＬＣプラットフォームへ、波面位相を補償
する波面補償機構を適用するにあたっては、上記のよう
な問題点が存在することを考慮し、互いの光導波路を、
各々の信号光の入出射端面の法線に対して傾けた、斜め
導波路構造を採用することが望ましい。

【００４６】＜実施の形態２＞つぎに、本発明の他の形
態について説明する。図３は、前述した実施の形態（図
１）の集積光モジュールの構成をアレイ状の半導体光増
幅器のハイブリッド光集積モジュールに適用した場合の
構成を示す構成図である。また、図４は図３の構成にお
ける結合効率を説明する図である。

【００４７】図３のハイブリッド光集積モジュールで
は、シリコン基板３０１上に、光導波路回路が形成され
た石英からなるプラットフォーム３０２と、２つの半導
体光増幅器３０３とを、モノリシックに搭載している。
プラットフォーム３０２は、８本の導波路からなる２組
のリボン光ファイバが形成されている。また、半導体光
増幅器３０３は、信号光を偏波無依存に増幅するチャン
ネルを４つ備えている。

【００４８】半導体光増幅器３０３は、主表面を（００
１）面としたｎ−ＩｎＰ基板上に形成された波長組成１
５５０ｎｍのアンドープ−ＩｎＧａＡｓＰのバルク構造
からなる活性層ストライプ３０３ａが、ｐ−ＩｎＰクラ
ッド層で埋め込まれている。活性層ストライプ３０３ａ
は、２５０μｍ間隔で４本配置され、各々が信号光を偏
波無依存に増幅する。

【００４９】半導体光増幅器３０３は、１５５０ｎｍの
信号光に対して単一モード光導波路となっており、また
電流注入によって信号光に対する光増幅作用を備える。
また、信号光に対する偏光依存性を低減させるために、
活性層ストライプ３０３ａの断面のアスペクト比がほぼ
１：１になるよう、活性層ストライプ３０３ａは、高
０．３２μｍ，幅０．２８μｍに形成されている。

【００５０】半導体光増幅器３０３の素子長は、９００
μｍであり、このうち活性層ストライプ３０３ａのｎ―
ＩｎＰ基板の［１１０］方向に対して平行な直線領域の
長さは３７０μｍである。また、この直線領域の両端に
は、ｎ―ＩｎＰ基板の［１１０］方向に対して同じ方向
に７°だけ傾いた斜め領域が、長さ２００μｍに形成さ
れている。加えて、直線領域と斜め領域との間は、互い
に放射損失が無視できる程度の曲率半径４ｍｍの曲線領
域で滑らかに接続されている。

【００５１】なお、活性層ストライプ３０３ａの斜め領
域は、半導体光増幅器３０３の端面３０３ｂに向かっ
て、端から長さ１５０μｍにわたり、活性層ストライプ
３０３ａの厚さを１／３にまで端に向かって徐々に薄く
したスポットサイズ変換領域３０３ｃを有する。また、
端面３０３ｂから素子内部に向かって１５μｍにわた
り、活性層を設けない窓領域３０３ｄを有する。これら
は、すべて選択ＭＯＶＰＥ成長によって形成されてい
る。また、半導体光増幅器３０３の両端面には、信号光
に対する反射率が０．１％の低反射膜３０４が形成され
ている。

【００５２】半導体光増幅器３０３を搭載するプラット
フォーム３０２には、シリコン基板３０１上に常圧ＣＶ
Ｄを用いて形成された石英系の８本の入力光導波路３１
２および８本の出力光導波路３１３が、各々４本ずつア
レイ状に２軸対称に配置されている。これら入力光導波
路３１２および出力光導波路３１３は、断面が５．５μ
ｍ角で、Ｇｅがドーピングされたコアを各々厚さ１２μ
ｍの上下クラッド層で埋め込んだ構造を有し、１５５０
ｎｍの信号光に対して単一モード光導波路となってい
る。

【００５３】入力光導波路３１２および出力光導波路３
１３は、各々半導体光増幅器３０３へと信号光を効率よ
く入出射光結合させるため、斜め領域３１５、直線領域
３１６、曲線領域３１７とを有する。斜め領域３１５
は、端面３０２ｂに対して約１５．２°だけシリコン基
板３０１に平行な面内で曲げられている。また、曲線領
域３１７は、斜め領域３１５と直線領域３１６とを各々
滑らかに接続し、かつ放射の影響が無視できる程度に曲
率半径１０ｍｍで緩やかに曲げられている。

【００５４】入力光導波路３１２と出力光導波路３１３
との間に半導体光増幅器３０３を実装するため、光素子
搭載領域３１８が長さ９２０μｍにわたって形成されて
いる。また入力光導波路３１２と出力光導波路３１３と
がこの光素子搭載領域３１８に面するシリコン基板３０
１に垂直な端面３０２ｂには、これら各光導波路の信号
光の入出射端部分に厚さ３．５μｍで水平方向にのみ凸
形状を成す１次元波面補償機構３１９が、ＩＣＰエッチ
ングを用いた端面形成工程にて高精度に一体形成されて
いる。なお、凸形状を成す波面補償機構３１９の凸面の
法線は、基板に平行な方向に対して０．３°上を向いて
いる。

【００５５】また、シリコン基板３０１上には、上記の
半導体光増幅器３０３を高い位置合わせ精度でセルフア
ライン実装し、かつ各チャンネルに独立に駆動電流を注
入するため、予めスパッタリング法により形成されたＷ
Ｓｉ膜の層、および光導波路形成後の電極形成プロセス
を併用して形成された電気配線パターンとハンダバンプ
パッドとが備えられている。

【００５６】また、プラットフォーム３０２の両端に
は、これら入力光導波路３１２および出力光導波路３１
３の各々に信号光を入出射させるための光ファイバを高
い位置精度で無調芯実装するため、シリコン基板３０１
上に入力側８個、出力側に８個、合計１６個のＶ溝光フ
ァイバガイド３２０が、長さ２ｍｍにわたって形成され
ている。

【００５７】素子搭載領域３１８には、２つの４チャン
ネル半導体光増幅器３０３が、端面３０２ｂとの間に幅
１０μｍの空隙３１４を設け、ＡｕＳｎハンダを用いた
セルフアライン技術により、軸対称な状態でフリップチ
ップ実装されている。また、これら合計１６個の光ファ
イバガイドに沿って、合計２組の単一モード８芯リボン
光ファイバ３２１が、パッシブ実装され紫外線硬化樹脂
で固着されている。

【００５８】入力光導波路３１２および出力光導波路３
１３と半導体光増幅器３０３との間における結合効率
は、図４に示すように波面補償機構の曲率半径が１０μ
ｍのときに−１．１７ｄＢと非球面レンズ単体を用いた
場合と遜色ない良好な特性が得られた。また、半導体光
増幅器３０３の各チャンネルを駆動したところ、モジュ
ール入力パワー−２０ｄＢおよび注入電流８０ｍＡにて
モジュール利得３０ｄＢと良好な信号光増幅特性を得
た。

【００５９】さらに、バッファードフッ酸に１分間浸し
て入力光導波路３１２と出力光導波路３１３各々のコア
層先端を約１μｍ突出させたプラットフォーム３０２を
用いて同様の実装を行ったものの特性を測定したとこ
ろ、結合効率は−０．８５ｄＢまで改善された。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光導波路素子の第２の端面に対向する光導波路回路の第
１の端面の第１の信号光の入出射端に、通過する信号光
の波面の曲率を低下させる波面補償機構を備えるように
した。この結果、この発明によれば、空隙を挟んで信号
光の入出射端面が対向する光導波路素子〜光導波路回路
間の信号光結合効率を、従来より効果的に改善し、光モ
ジュールの小型化・低コスト化・量産性向上を実現でき
るという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態における集積光モジュー
ルの構成を示す構成図である。

【図２】 斜め光導波路構造と窓構造を併用したスポッ
トサイズ変換器付き半導体光増幅器から出射された波長
１５５０ｎｍの信号光の、端面から１０μｍ離れた空隙
中におけるコア中心高さでの基板に平行な方向の位相分
布、および石英光導波路の基本伝搬モードのコア中心高
さでの水平方向位相分布を示す分布図である。

【図３】 本発明の他の形態における集積光モジュール
の構成を示す構成図でである。

【図４】 １次元波面補償機構の曲率半径と結合効率の
相関を示す相関図である。

【符号の説明】

１０１…プラットフォーム、１０１ａ…光導波路回路、
１０１ｂ…端面、１０１ｃ…１次元波面補償機構、１０
２…光導波路素子、１０２ａ…光導波路、１０２ｂ…端
面、１１３…斜め領域、１１４…直線領域、１１５…曲
線領域、１５０…空隙。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主表面に光導波路回路が形成されてこの
   光導波路回路を通過する信号光が入出射する第１の入出
   射端が配置された第１の端面を備えた基体と、 前記第１の入出射端へ結合する信号光を入出射する第２
   の入出射端とこの第２の入出射端より所定距離離れて形
   成された第２の端面を有し、この第２の端面が前記第１
   の端面と所定の間隙で対向して前記基体上に実装された
   光導波路素子と、 前記第１の端面の前記第１の入出射端が配置された領域
   に一体に形成され、通過する信号光の波面の曲率を低下
   させる波面補償機構とを備えたことを特徴とする集積光
   モジュール。
2. 【請求項２】 請求項１記載の集積光モジュールにおい
   て、 前記波面補償機構は、側部が前記第２の端面方向に凸と
   なっている柱状体であり、この柱状体の底面は前記第１
   の端面の下端が接触する底面同一平面に配置され、前記
   柱状体の上面は前記第１の端面の上端が接触する前記基
   体の上面と同一平面を形成しているものであることを特
   徴とする集積光モジュール。
3. 【請求項３】 請求項２記載の集積光モジュールにおい
   て、 前記波面補償機構は、前記第１の端面の下端が接触する
   底面に垂直なある平面で円柱を切り出した形状の部分円
   柱であることを特徴とする集積光モジュール。
4. 【請求項４】 請求項１記載の集積光モジュールにおい
   て、 前記波面補償機構は、柱状体を切り出した柱状の凹部で
   あり、前記柱状の凹部の底面は前記第１の端面の下端が
   接触する底面同一平面に配置され、前記柱状の凹部の上
   面は前記第１の端面の上端が接触する前記基体の上面と
   同一平面を形成しているものであることを特徴とする集
   積光モジュール。
5. 【請求項５】 請求項３記載の集積光モジュールにおい
   て、 前記柱状の凹部は、前記第１の端面の下端が接触する底
   面に垂直なある平面で円柱を切り出した形状の部分円柱
   状体の凹部であることを特徴とする集積光モジュール。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項に記載の集
   積光モジュールにおいて、 前記光導波路素子の前記第２の入出射端を一端とする導
   波路は、前記第２の端面の法線より所定の角度の方向に
   延在するものであることを特徴とする集積光モジュー
   ル。
7. 【請求項７】 請求項６記載の集積光モジュールにおい
   て、 前記所定の角度は、５〜７°の範囲であることを特徴と
   する集積光モジュール
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか１項に記載の集
   積光モジュールにおいて、 前記波面補償機構は、前記第１の入出射端の部分におい
   て、前記コア層が前記クラッド層より信号光波長程度だ
   け突出したものであることを特徴とする集積光モジュー
   ル。
9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれか１項に記載の集
   積光モジュールにおいて、 前記光導波路回路は、ゲルマニウムがドープされた石英
   から成るコア層と、リンもしくはホウ素がドープされた
   石英から成るクラッド層とから構成されたことを特徴と
   する集積光モジュール。