JP2003307639A - 光結合構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来例に比べて、より高い光結合効率を有す
る、光導波路と光素子との光結合構造、およびその製造
方法を提供すること。 【解決手段】基板１と、基板１上に形成された光導波路
２と、基板１上に形成され、基板１上方に固定された発
光素子から出射する光ビームを光導波路２へ向けて反射
するか、または、光導波路２から出射する光ビームを基
板１上方に固定された受光素子へ向けて反射する湾曲し
た反射面７とを有する光結合構造であって、湾曲反射面
７が、基板１の法線（ｘ方向）と光導波路２の光軸（ｚ
方向）とに平行な面内および基板１に平行（ｘ軸に垂
直）な面内において、それぞれ、零でない曲率を持つこ
とを特徴とする光結合構造を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光結合構造およびそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光導波路を有する基板に光素子を実装す
る半導体装置の検討が進んでいる。光導波路の光入出力
部と光素子との光結合には、光結合効率が高く、製造上
も簡易な光結合構造が要望されている。

【０００３】図６の（Ａ）および（Ｂ）は、従来の光導
波路を有する基板に、光素子の一例である光半導体素子
を実装する半導体装置、特に、光導波路の光入出力部と
光半導体素子との光結合構造を説明するための図であ
る。

【０００４】図６の（Ａ）は第１の従来例の基本構造を
示す図であり、図において、光導波路２は、シリコン等
からなる基板１上に下クラッドを形成し、下クラッド上
にコアを形成し、さらにコアを覆うように下クラッド上
に上クラッドを形成して構成されている。下クラッド、
コアおよび上クラッドは例えばＳｉＯ_２を主成分として
おり、各部分の屈折率の調整は、ＳｉＯ_２にドープする
ドーパントの濃度により調整される。コアと対向した位
置に、基板１の面に対して４５°の角度で傾き、ミラー
コートされた反射面７をもつ微小光学部品が配置されて
いる。そして、光半導体素子５は、その発光部又は受光
部と、光導波路２の光導波路端面８におけるコアの端面
とが良好な光結合をなしうるように、はんだボール４お
よび光パッケージ３を介して、基板１上方に固定され
る。

【０００５】光半導体素子５はＶＣＳＥＬ（垂直共振器
半導体レーザ）等の発光素子またはＰＤ（フォトダイオ
ード）等の受光素子であるが、ここでは、発光素子であ
るとして説明する。光半導体素子５は光パッケージ３上
に固定されたＬＳＩ６によって駆動される。

【０００６】光半導体素子５が発する光ビームは、基板
１上に形成されている反射面７によって光導波路２へ向
けて反射され、光導波路２に光導波路端面８から入射
し、光導波路２を通り、他の光導波路端面（図示せず）
から出射し、別の半導体装置の受光部（図示せず）に入
射する。

【０００７】図６の（Ｂ）は、図６の（Ａ）に示した第
１の従来例の基本構造に加えて、光半導体素子５と反射
面７との間の光路に、透明材９の表面に形成されたシリ
ンドリカルレンズ１０を設けた場合を示す図である。こ
のシリンドリカルレンズ１０は、基板１の法線（ｘ方
向）と光導波路２の光軸（ｚ方向）とに平行な面内にお
いて零でない曲率を持っているので、光半導体素子５か
ら出射した光ビームは、図に示したように、シリンドリ
カルレンズ１０によって集光され、反射面７で反射され
て光導波路端面８におけるコアの端面に効率よく入射す
るので、その結果として、光結合構造の光結合効率が高
くなる。なお、シリンドリカルレンズ１０は基板１に平
行な面内においては曲率を持たず、この面内においては
集光作用を持っていない。

【０００８】図７は第２の従来例を示す図である。光導
波路２は、図６に示した従来技術におけるのと同様に、
基板１上に下クラッド、コアおよび上クラッドを形成し
て構成される。光導波路２の光導波路端面８は、光導波
路２の光軸方向（ｚ方向）に直交しており、この光導波
路端面８に対向した位置に配置され、基板１の法線（ｘ
方向）と光導波路２の光軸（ｚ方向）とに平行な面内に
おいて零でない曲率を持つ湾曲面上には反射膜が形成さ
れ、それが反射面７となっている。そして、光半導体素
子５は、その発光部又は受光部と光導波路端面８におけ
るコアの端面とが、湾曲面の反射集光作用により、良好
な光結合をなしうるよう、基板１上方に固定される。な
お、反射面７は基板１に平行な面内においては曲率を持
たず、この面内においては集光作用を持っていない。

【０００９】上記の、シリンドリカルレンズ１０の集光
作用あるいは湾曲した反射面７の集光作用による光結合
効率の向上は、光ビームの向きに関係なく、光半導体素
子５が発光素子であっても受光素子であっても、同様に
実現する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図６の
（Ａ）に示した第１の従来例での光結合構造にあって
は、光導波路２の光入出力部における微小光部品の４５
°ミラー面（反射面７）は平面であって何らのレンズ作
用も持たず、光入出力部と光半導体素子の光結合効率が
低いという問題があった。

【００１１】図６の（Ｂ）に示した第１の従来例または
図７に示した第２の従来例での光結合構造にあっては、
基板１の法線（ｘ方向）と光導波路２の光軸（ｚ方向）
とに平行な面内において零でない曲率を持つシリンドリ
カルレンズ１０または反射面７の集光作用によって、図
６の（Ａ）に示した第１の従来例での光結合構造に比べ
ると光結合効率は改善される。しかしながら、ｙ方向
（基板１奥行き方向＜図の紙面の法線方向＞）を含む、
基板１に平行な面内において曲率を有する面が形成され
ておらず、光結合効率は未だに不十分といわざるをえな
い。

【００１２】本発明の目的は、従来例に比べて、より高
い光結合効率を有する、光導波路と光素子との光結合構
造、およびその製造方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、請求項１に記載のように、基板と、前記
基板上に形成された光導波路と、前記基板上に形成さ
れ、前記基板上方に固定された発光素子から出射する光
ビームを前記光導波路へ向けて反射するか、または、前
記光導波路から出射する光ビームを前記基板上方に固定
された受光素子へ向けて反射する湾曲反射面とを有する
光結合構造であって、前記湾曲反射面が、前記基板の法
線と前記光導波路の光軸とに平行な面内および前記基板
に平行な面内において、それぞれ、零でない曲率を持つ
ことを特徴とする光結合構造を構成する。

【００１４】また、本発明においては、請求項２に記載
のように、請求項１に記載の光結合構造を製造する光結
合構造の製造方法であって、前記基板に平行な面内にお
いて零でない曲率を持つ縁を有するマスク層を用いたエ
ッチング加工により前記湾曲反射面の面形状を形成する
ことを特徴とする光結合構造の製造方法を構成する。

【００１５】また、本発明においては、請求項３に記載
のように、請求項１に記載の光結合構造を製造する光結
合構造の製造方法であって、刃先の回転軌跡形状が回転
軸を含む平面内において零でない曲率を持つドリルを用
いるドリル加工により前記湾曲反射面の面形状を形成す
ることを特徴とする光結合構造の製造方法を構成する。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明に係る光結合構造の特徴
は、基板と、前記基板上に形成された光導波路と、前記
基板上に形成され、前記基板上方に固定された発光素子
または受光素子と前記光導波路とを光結合する湾曲反射
面とを有する光結合構造であって、前記湾曲反射面が、
前記基板の法線と前記光導波路の光軸とに平行な面内お
よび前記基板に平行な面内において、それぞれ、零でな
い曲率を持つことにある。

【００１７】そして、前記湾曲反射面は、マスクを用い
たエッチング加工により形成され、あるいは、ドリル加
工により形成される。

【００１８】本発明によると、例えば、等方性エッチン
グにより形成可能な湾曲反射面は、前記基板の法線と前
記光導波路の光軸とに平行な面内のみならず、前記基板
に平行な面内においても、従来例と異なり、零でない曲
率を持っているので、発光素子から出射し、湾曲反射面
で反射され、光導波路端面に入射する光ビームは、前記
基板の法線と前記光導波路の光軸とに平行な面内におい
て集光されるのみならず、前記基板に平行な面内におい
ても集光されて、効率よく光導波路端面に入射する。こ
のようにして、本発明に係る光結合構造を用いることに
よって、光素子と光導波路とを光結合したときに、光結
合効率の低下を防止することができる。また、反射面形
状として非球面形状を採用すれば収差が無くなり、光導
波路への光結合効率がさらに向上する。

【００１９】以下、本発明の実施の形態を図面を用いて
説明する。なお、湾曲反射面の集光作用による光結合効
率の向上は、光ビームの向きに関係なく、光素子が発光
素子であっても受光素子であっても、同様に実現するの
で、以下の説明においては、おもに、光素子が発光素子
である場合について説明する。

【００２０】図１は本発明に係る光結合構造の光導波路
部分および反射面部分の斜視図である。図に示したよう
に、この光結合構造は、プリント配線板等の基板１上
に、コアとクラッドで構成される光導波路２、および、
湾曲面形状の反射面７を備えている。反射面７は、球面
を平行な２枚の平面で裁断して得る帯状の球凹面に類似
した形状を有し、基板１の法線（ｘ方向）と光導波路２
の光軸（ｚ方向）とに平行な面内および基板１に平行
（ｘ軸に垂直）な面内において、それぞれ、零でない曲
率を持っている。もちろん、光導波路２の材料、構成は
本実施の形態例以外にも、様々な様態をとりうる。

【００２１】図２の（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、
図１に例示された本発明に係る光結合構造の破断側面図
および平面図を示している。ただし、図２に示した光結
合構造の反射面７は、図１に示したものとは異なり、球
面を縦と横に等分してなる４分割球凹面に類似した形状
を有している。光導波路２は、図７に示した従来技術に
おけるのと同様に、基板１上に下クラッド、コアおよび
上クラッドを形成して構成される。光導波路２の光導波
路端面８は、光導波路２の光軸方向（ｚ方向）に直交し
ており、この光導波路端面８に対向する湾曲面上には反
射膜が形成され、それが湾曲した反射面７となってい
る。

【００２２】湾曲した反射面７はｚ方向に対して傾斜し
ているので、基板１上方（ｘ方向）に固定された発光素
子である光半導体素子５（図示せず、図６参照）から基
板１へ向けて出射する光ビーム（図２の（Ａ）に図示）
は反射面７でｚ方向に反射され、反射面７の、基板１の
法線（ｘ方向）と光導波路２の光軸（ｚ方向）とに平行
な面内および基板１に平行（ｘ軸に垂直）な面内におけ
る、それぞれ零でない曲率に従って集光されて光導波路
２に入射する。すなわち、光ビームは、基板１の法線と
光導波路２の光軸とに平行な面内および基板１に平行な
面内において、それぞれ集光されて光導波路２に入射す
る。よって、発光素子である半導体発光素子５を、半導
体発光素子５からの光ビームが光導波路２に効率よく入
射するように、基板１上方に固定することで、光導波路
２と半導体発光素子５との間を高い効率で光結合する光
結合構造を構成することができる。

【００２３】図３に示す実線直線群は、光線追跡法によ
り、光線が集光される様子をシミュレーションした結果
を示している。発光素子である光半導体素子５から出射
する光ビームは、湾曲した反射面７によって光導波路２
へ向けて反射され、光導波路端面８に集光されて、効率
よく光導波路２に入射する。光半導体素子５が受光素子
であって、光ビームが光導波路端面８から出射し、反射
面７によって光半導体素子５へ向けて反射される場合に
おいても、光の向きが逆になるだけであって、高い光結
合効率が実現することには変わりがない。

【００２４】図４は、図２に示した光結合構造の光入出
力部の製造プロセスを説明する図である。

【００２５】まず、図４の（Ａ）に示すように、上クラ
ッド上に、一例として、円形形状の露出部分を残し他の
部分に、フォトリソグラフィ法等により、マスク層１１
を形成する。すなわち、マスク層１１には円形の孔が空
いており、その孔の部分に上クラッドの表面が露出して
いる。図４の（Ａ）においては、その孔の断面が示され
ている。

【００２６】続いて、マスク層１１をマスクとして、等
方性エッチングを行う。これによって、マスク層１１で
マスキングされていない部分の光導波路２の下クラッ
ド、コアおよび上クラッドは等方的にエッチングされて
いき、図４の（Ｂ）に示すように、球凹面に類似した湾
曲面が形成される。

【００２７】所定形状の湾曲面が得られたならば、エッ
チングを中止し、誘電体膜等からなる反射膜１２を蒸着
等により形成し、図４の（Ｃ）に示すように、湾曲面上
に反射膜１２を形成することによって、球凹面状の反射
面７を得る。

【００２８】続いて、ダイヤモンドブレード等によっ
て、湾曲面の一部に切削加工を施し、図４の（Ｄ）に示
すような形状を形成する。これによって、図２の（Ｂ）
に示したような光結合構造が製造される。

【００２９】さて、上述した加工方法では、基板１に平
行な面内において零でない曲率を持つ縁（この場合には
円弧）を有するマスク層１１をエッチングのマスクとす
るエッチングにより、光導波路２の構成材料に球面状の
穴を形成することを説明したが、穴形状は、球面に限定
されるものではない。光導波路端面８に収差なく集光す
るには非球面の反射面が必要であり、そのような面形状
を作製しうるマスクパタン（この場合には、マスク層１
１の縁は円弧とは異なる曲線となる）およびエッチング
方法を用いることが望ましい。

【００３０】別の作製方法としては、刃先の回転軌跡形
状が、図５に示したように、希望する反射面形状に一致
するような刃先を有するドリル１３によるドリル加工を
用いることができる。ここに、刃先の回転軌跡形状と
は、刃先の各点がドリルの回転によって描く軌跡全体が
形成する形状のことであり、その形状は、図５に示した
ように、回転軸を含む平面内において零でない曲率を持
っている。また、この形状は回転軸を対称軸としている
ので、基板１に平行な面においても、零でない曲率を持
っていて、このようなドリル１３によって、本発明が特
徴とする、基板１の法線と光導波路２の光軸とに平行な
面内および基板１に平行な面内において、それぞれ、零
でない曲率を持つ反射面７を製造することができる。

【００３１】前述したエッチング加工では、基板１に平
行な面内における非球面化（曲率を場所によって変化さ
せること）が容易であるのに対し、ドリル１３を用いる
ドリル加工では、刃先の回転軌跡形状を非球面とするこ
とで、基板１の法線と光導波路２の光軸とに平行な面内
における非球面化が容易である。

【００３２】以上説明したように、本発明によると、高
い光結合効率を得るのに適した光導波路の光入出力部の
製造方法および該光入出力部を構成要素とする光結合構
造の提供が可能になるという効果を奏する。また、非球
面形状の反射面により、収差が無くなり、さらに高い光
結合効率を得ることができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明の実施により、従来例に比べて、
より高い光結合効率を有する、光導波路と光素子との光
結合構造、およびその製造方法を提供することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光結合構造の光導波路部分を示す
斜視図である。

【図２】本発明に係る光結合構造の光入射端面の部分破
断側面図および平面図である。

【図３】本発明における、光線が集光される様子をシミ
ュレーションした結果を示す図である。

【図４】本発明に係る光結合構造の製造プロセスを説明
する図である。

【図５】ドリル加工による湾曲面の形成方法を例示する
図である。

【図６】第１の従来例の説明図である。

【図７】第２の従来例の説明図である。

【符号の説明】

１…基板、２…光導波路、３…光パッケージ、４…はん
だボール、５…光半導体素子、６…ＬＳＩ、７…反射
面、８…光導波路端面、９…透明材、１０…シリンドリ
カルレンズ、１１…マスク層、１２…反射膜、１３…ド
リル。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、前記基板上に形成された光導波路
   と、前記基板上に形成され、前記基板上方に固定された
   発光素子から出射する光ビームを前記光導波路へ向けて
   反射するか、または、前記光導波路から出射する光ビー
   ムを前記基板上方に固定された受光素子へ向けて反射す
   る湾曲反射面とを有する光結合構造であって、前記湾曲
   反射面が、前記基板の法線と前記光導波路の光軸とに平
   行な面内および前記基板に平行な面内において、それぞ
   れ、零でない曲率を持つことを特徴とする光結合構造。
2. 【請求項２】請求項１に記載の光結合構造を製造する光
   結合構造の製造方法であって、前記基板に平行な面内に
   おいて零でない曲率を持つ縁を有するマスク層を用いた
   エッチング加工により前記湾曲反射面の面形状を形成す
   ることを特徴とする光結合構造の製造方法。
3. 【請求項３】請求項１に記載の光結合構造を製造する光
   結合構造の製造方法であって、刃先の回転軌跡形状が回
   転軸を含む平面内において零でない曲率を持つドリルを
   用いるドリル加工により前記湾曲反射面の面形状を形成
   することを特徴とする光結合構造の製造方法。