JP2004138863A - Optical semiconductor device and its manufacturing method, and optical communication system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体装置及びその製造方法並びに光通信システムに関し、特に、波長多重(Wavelength Division Multiplexing:WDM)方式の光通信システムなどにおける受信装置として用いて好適な光半導体装置及びその製造方法並びに光通信システムに関する。
【従来の技術】
光通信の分野においては、一本の光ファイバーに多数の波長チャネルを通すことができる波長多重方式や、これをさらに進化させた高密度波長多重(Dense Wavelength Division Multiplexing:DWDM)方式が開発され、通信情報量の増大に貢献している。例えば、光加入者系システムの場合も、動画や音声データ等の配信に伴う伝送容量の増大に応じて、WDM方式が採用されつつあり、その波長多重数も、4波、8波、16波と増えている。
【0002】
図11は、従来の波長多重光通信システムの要部を表す概念図である。同図に表したように、複数の送信モジュール1(TX1, TX2, TX3, ・・・・)から発信される異なる波長の光信号は、合波器2で一本の光ファイバ3に合波されて送信される。送信された信号は、分波器4で各波長に分波され、それぞれ受信モジュール5(RX1, RX2, RX3,・・・)で受信される。
【0003】
このように、分波器と波長チャネル数に応じた複数の受光素子を有する受信モジュールは、例えば、、例えば、非特許文献1に開示されている。
【0004】
【非特許文献1】
信学技報 EMD2000−41,CPM2000−56, OPE2000−53, LQE2000−47 (2000−08)pp.1−6
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような波長多重光通信システムでは、波長多重数に相当する数の送受信モジュールと、それに対応する合波器・分波器が必須機器であり、多重数が増加するにしたがって送受信モジュール数の増加、合波器・分波器の大型化を伴う。
【0006】
送受信モジュール数の増加、合波器・分波器の大型化は通信システムの複雑化、コストアップ、設置面積の増大などの点で不利であった。
【0007】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、分波器を用いることなく波長多重信号を受信可能なコンパクトで信頼性も高い光半導体装置及びその製造方法並びに光通信システムを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第1の光半導体装置は、互いに周期が異なる少なくとも2以上の回折格子が設けられた光ファイバと、少なくとも2以上の受光素子と、を備え、
前記2以上の受光素子のそれぞれは、前記2以上の回折格子のそれぞれから放出される放射モード光を検出可能とされたことを特徴とする。
【0009】
上記構成によれば、コンパクトな構成で波長多重光信号を受信することができる。
【0010】
また、本発明の第2の光半導体装置は、シリコン基板と、互いに周期が異なる少なくとも2以上の回折格子が設けられ、前記シリコン基板に埋設された光ファイバと、前記シリコン基板の上に設けられた少なくとも2以上の受光素子と、を備え、
前記2以上の受光素子のそれぞれは、前記シリコン基板に設けられた開口を介して、前記2以上の回折格子のそれぞれから放出される放射モード光を検出可能とされたことを特徴とする。
【0011】
上記構成によっても、コンパクトな構成で波長多重光信号を受信することができる。
【0012】
また、本発明の第3の光半導体装置は、シリコン基板と、互いに周期が異なる少なくとも2以上の回折格子が設けられ、前記シリコン基板の内部に形成された空洞の一端に固定された光ファイバと、前記シリコン基板の上に設けられた少なくとも2以上の受光素子と、を備え、
前記2以上の受光素子のそれぞれは、前記シリコン基板に設けられた開口を介して、前記空洞内に露出された前記2以上の回折格子のそれぞれから放出される放射モード光を検出可能とされたことを特徴とする。
【0013】
上記構成によっても、コンパクトな構成で波長多重光信号を受信することができる。
上記第3の光半導体装置において、前記光ファイバは、その下面及び側面が前記シリコン基板と接触して保持され、その上面は前記空洞内に露出されたものとすることができる。
【0014】
また、本発明の第4の光半導体装置は、シリコン基板と、互いに周期が異なる少なくとも2以上の回折格子が設けられ、前記シリコン基板に形成された溝の中に樹脂によって埋め込まれた光ファイバと、前記樹脂の上に設けられた少なくとも2以上の受光素子と、を備え、
前記2以上の受光素子のそれぞれは、前記樹脂を介して、前記2以上の回折格子のそれぞれから放出される放射モード光を検出可能とされたことを特徴とする。
【0015】
上記構成によっても、コンパクトな構成で波長多重光信号を受信することができる。
【0016】
また、本発明の第5の光半導体装置は、シリコン基板と、互いに周期が異なる少なくとも2以上の回折格子が設けられ、前記シリコン基板に形成された溝の中に樹脂によって埋め込まれた光ファイバと、前記樹脂の上に設けられた少なくとも2以上の受光素子と、を備え、
前記2以上の受光素子のそれぞれは、前記樹脂に設けられた開口を介して、前記2以上の回折格子のそれぞれから放出される放射モード光を検出可能とされたことを特徴とする。
【0017】
上記構成によっても、コンパクトな構成で波長多重光信号を受信することができる。
【0018】
また、上記第1乃至第5の光半導体装置において、前記2以上の回折格子のそれぞれは、前記光ファイバを導波される光に対して2次の回折格子として作用するものとすれば、回折格子の周期により、波長多重光通信の各チャネルの光信号を分離して取り出すことができる。
【0019】
一方、本発明の光半導体装置の製造方法は、シリコン基板に溝を形成する工程と、互いに周期が異なる少なくとも2以上の回折格子が設けられ光ファイバを前記溝の中に配置する工程と、前記シリコン基板を加熱してシリコンを流動させることにより前記溝を塞いで前記光ファイバを前記シリコン基板の内部に埋設する工程と、前記シリコン基板に開口を形成して前記2以上の回折格子のそれぞれを露出させる工程と、前記2以上の回折格子のそれぞれから放出される放射モード光を前記開口を介して検出するように受光素子を設ける工程と、を備えたことを特徴とする。
【0020】
上記構成によれば、光ファイバをシリコン基板に埋め込んで、光結合が確実に確保された光半導体装置を製造することができる。
【0021】
また、本発明の第2の光半導体装置の製造方法は、シリコン基板に溝を形成する工程と、互いに周期が異なる少なくとも2以上の回折格子が設けられ光ファイバを前記溝の中に配置する工程と、前記シリコン基板を加熱してシリコンを流動させることにより前記溝の上方を塞いで、前記溝の下方は前記光を含む空洞として前記シリコン基板の内部に残留させる工程と、前記シリコン基板に開口を形成し、前記空洞を介して前記2以上の回折格子のそれぞれを露出させる工程と、前記2以上の回折格子のそれぞれから放出される放射モード光を前記開口及び前記空洞を介して検出するように受光素子を設ける工程と、を備えたことを特徴とする。
【0022】
上記第2の製造方法において、前記空洞内において、光ファイバの下面及び側面が前記シリコン基板と接触して保持され、その上面は前記空洞内に露出された状態とするものとすることができる。
【0023】
一方、本発明の光通信システムは、互いに波長が異なる複数の光信号を合波して出力する光出力装置と、前記光出力装置から出力された光信号を伝送する光ファイバと、上記いずれかの光半導体装置と、を備え、
前記光半導体装置は、前記光出力装置から出力され前記光ファイバを伝送される前記複数の光信号のそれぞれを前記放射モード光として受信することを特徴とする。
【0024】
また、ここで、前記2以上の回折格子のそれぞれは、前記複数の光信号のそれぞれに対して2次の回折格子として作用するものとすることができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【0026】
図1は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の要部を表す模式図である。すなわち、同図は、波長多重光通信用受信モジュールのパッケージ内部に収容される部分を表し、(a)はその平面図、(b)はそのA−A線断面図である。
【0027】
シリコン基板を加工して作られたシリコン(Si)プラットフォーム6の内部に、光ファイバ7が埋設されている。この光ファイバ7には、複数の2次のグレーティング(回折格子)8〜11が形成されている。これら2次のグレーティングは、波長多重光信号をそれぞれの波長の光信号に分波する。
【0028】
すなわち、ファイバ7には、図示しない光送信モジュールから送信された波長多重光信号が伝送されてくる。この波長多重光信号は、異なる波長の光信号を合波したものである。そして、これら異なる波長の光信号のそれぞれは、2次のグレーティングのいずれかにおいて、ファイバ7から取り出される。これは、2次のグレーティングが有する「放射モード」の形成作用を利用したものである。゜
図2は、2次のグレーティングにおける放射モードを説明するための概念図である。すなわち、光ファイバ7などの導波体を光が導波される場合、導波体に2次のグレーティングが設けられていると、それに対応した波長の「放射モード光」が導波方向に対して略垂直な方向に放出される。
【0029】
例えば、2次のグレーティングの周期をA、導波体の実効屈折率をneffとすると、ブラッグ波長(λBragg )は次式で表される。
NλBragg =2neff A (1)
【0030】
ここで、Nは、「回折の次数」を表す。そして、N=2、すなわち2次の回折が生ずる周期Aを有するグレーティングが、2次の回折格子として作用する。
【0031】
従って、図1において、2次のグレーティング8〜11のそれぞれは、ファイバ7を介して伝送される波長多重光信号に含まれるそれぞれの波長の光信号に対して2次のブラッグ回折条件を満たすような周期を有する。このようにして、波長多重光信号を構成するそれぞれの波長の光信号を放射モード光として分波し取り出すことができる。
【0032】
なお、図1においては、2次のグレーティング8〜11として4個を設けた場合を例示したが、本発明はこれには限定されず、グレーティングの数は、波長多重光信号の多重数に応じて形成することができる。
【0033】
さて、図1に表したように、2次のグレーティング8〜11のそれぞれから放出された放射モード光、すなわち分波された各チャネルの光信号は、その上に設けられた受光素子13により検出される。このため、シリコン・プラットフォーム6には、開口部12が設けられ、受光素子13は、この開口部12の上に配置されている。開口部12の周囲のプラットフォーム6表面には、受光素子13を実装するためのカソード側電極パターン14が形成されている。
【0034】
受光素子13は、いわゆる「裏面入射型」の素子構造を有するなどを用いることができ、その光吸収層(光検出層)は、光信号の波長に応じたバンドギャップを有する半導体により形成することができる。
【0035】
受光素子13の近傍には信号処理回路(IC)15が設置され、ボンディングワイヤ16によって受光素子13と直接結線されている。また、IC15の出力は、シリコン・プラットフォーム6の表面に形成された信号ライン17に結線され、外部に取り出される。
【0036】
以上説明したように、本実施形態によれば、光ファイバに2次のグレーティングを設けて波長多重光信号を分波し受光素子により検出することができるので、極めてコンパクト且つシンプルな構造の波長多重光通信用受信モジュールを提供できる。この受信モジュールは、独立した分波器を不要とするため、部品点数を減らすことができ、システムの信頼性も高くすることができる。
【0037】
次に、図1の光半導体装置の製造方法について説明する。
【0038】
図3は、本実施形態の光半導体装置の製造方法の要部を表す工程図である。すなわち、図3(a)、(c)、(e)、(g)は、図1における左側側面図に対応し、図3(b)、(d)、(f)、(h)は、図1における平面図に対応する。
【0039】
まず、図3(a)及び(b)に表したように、シリコン・プラットフォーム6となるシリコン基板6に溝Tを形成する。
【0040】
そして、図3(c)及び(d)に表したように、溝Tに光ファイバ7を収容する。
【0041】
次に、図3(e)及び(f)に表したように、光ファイバ7をシリコン・プラットフォーム6の内部に埋設する。ここで、シリコンの「表面マイグレーション」による流動化を利用することができる。
【0042】
図4は、シリコンの表面マイグレーションにより光ファイバ7が埋設される様子を概念的に表した斜視透視図である。すなわち、シリコンプラットフォーム6を真空中あるいは水素雰囲気中におき、約1100℃の熱処理を施す。すると、この熱処理によりシリコンプラットフォーム6の表面でシリコン原子の表面拡散が生じ、この表面拡散は表面エネルギーを極小にする方向への変形を引き起こす。従って、シリコンの表面拡散は、最も曲率半径の短い箇所で顕著となる。
【0043】
溝Tが形成されている場合は、溝Tの底部の角や、溝Tの上部開口の角における曲率半径が最も短い。シリコンの表面拡散は、これらの部分の曲率半径が大きくなるように生ずる。溝Tには光ファイバ7が設置されているために、シリコン原子の表面マイグレーションは、この光ファイバ7を埋め込むように生ずる。
【0044】
その結果として、溝Tは塞がれて、光ファイバ7はシリコン・プラットフォーム6の中に埋設された状態とされる。そして、プラットフォーム6の表面も最終的に平坦になる。
【0045】
このようなシリコンの「表面マイグレーション」を開示した文献としては、例えば、非特許文献2を挙げることができる。
【0046】
【非特許文献2】
応用物理 第69巻 第10号(2000)pp.1187−1191
【0047】
本発明者の検討の結果、真空中または圧力が約1000パスカル程度の水素雰囲気中で、1100℃で数分乃至数10分度程度の熱処理を施すことにより、光ファイバ7をシリコン・プラットフォーム6の中に埋め込むことが可能であることが分かった。
【0048】
このように、シリコンの表面マイグレーションにより光ファイバ7をプラットフォーム6の中に埋設したら、次に、図3(g)及び(h)に表したように、放射モード光を取り出すための開口部12を形成する。
【0049】
すわなち、光ファイバ7の2次のグレーティング8〜11が形成されている箇所に対応して、シリコン・プラットフォーム6をエッチングし、開口部12を形成する。
【0050】
この後、シリコン・プラットフォーム6の表面に配線パターンを形成し、受光素子13や信号処理回路15などをマウントし、さらにこれらをボンディング・ワイアにより結線することにより、図1に表した光半導体装置の要部が完成する。
【0051】
以上説明したように、本実施形態においては、シリコンの表面マイグレーションにより光ファイバ7をプラットフォーム6の中に埋設することが可能となる。このようにすると、光ファイバ7はプラットフォームに対してほぼ「モノリシック」に形成され、「位置ずれ」などの問題が解消される。つまり、機械的あるいは熱的な振動あるいは衝撃などに対して極めて強固な光半導体装置を実現できる。
【0052】
次に、本発明の第1の変形例について説明する。
【0053】
図5は、本変形例の光半導体装置を表す模式図である。すなわち、同図は、図1(b)に対応する断面図である。同図については、図1乃至図4に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0054】
本変形例においても、光ファイバ7はプラットフォーム6の中に埋設されているが、光ファイバ7の上方には、空洞Vが形成されている。すなわち、光ファイバ7は、シリコン・プラットフォーム6に対して、側面及び底面において接触し保持されているが、光ファイバ7の上面は、シリコン・プラットフォーム6とは接触せず、空洞Vの中に露出されている。
【0055】
このような構造も、シリコンの表面マイグレーションにより形成することができる。
【0056】
図6は、本変形例の光半導体装置の製造方法の要部を表す工程図である。すなわち、図6(a)乃至(d)は、図3(a)、(c)、(e)、(g)にそれぞれ表した側面図に対応する。
【0057】
本変形例においては、図1あるいは図3に例示したものと比較して、溝Tが深く形成されている。すなわち、熱処理によるシリコンの表面拡散は、最も曲率半径の短い箇所で顕著となる。溝Tが形成されている場合は、溝Tの底部の角や、溝Tの上部開口の角における曲率半径が最も短い。シリコンの表面拡散は、これらの部分の曲率半径が大きくなるように生ずる。溝Tがある程度の深さを有する場合、溝低部と上部開口付近での表面拡散が独立して起きる。
【0058】
その結果として、溝Tの上部開口における表面マイグレーションが顕著となり、溝Tの開口が塞がれて、孤立した空洞Vが形成される。
【0059】
図7は、シリコンの表面マイグレーションにより孤立した空洞が形成される様子を表した模式図である。すなわち、プラットフォーム6の表面にトレンチTを形成し、これを加熱すると、シリコンの表面マイグレーションによりトレンチTの中程が徐々に狭まる。そして、トレンチの底部が孤立した空洞Vとして残留し、トレンチの開口付近は、周囲からのシリコンの流入により最終的に平坦化される。
【0060】
ここで、孤立した空洞Vが形成されるためには、トレンチTのアスペクト比がある程度大きいことが望ましい。つまり、トレンチTの開口幅に対する深さがある程度大きいと、孤立した空洞Vが形成されやすくなる。
【0061】
そして、この方法による場合、光ファイバ7の下面や側面は、シリコン・プラットフォーム6と接触して強固に保持することが可能である。
【0062】
一方、光ファイバ7の上面は、プラットフォーム6とは接触しないので、2次のグレーティング8〜11が高温化でシリコンと結合することによる回折格子形状の劣化を抑制することができる。つまり、空洞Vが形成されるように光ファイバ7をプラットフォーム6の中に埋め込むと、2次のグレーティング8〜11の回折格子形状を良好な状態に維持し、高い回折効率により強い放射モード光を得ることができる。その結果として、波長多重光信号に対する分波効率を高くすることができる。
【0063】
また同時に、光ファイバ7の下面や側面はシリコン・プラットフォーム6により接触保持されている。その結果として、光ファイバ7はプラットフォームに対してほぼ「モノリシック」に形成され、「位置ずれ」などの問題が解消される。つまり、機械的あるいは熱的な振動あるいは衝撃などに対して極めて強固な光半導体装置を実現できる。
【0064】
次に、本発明の第2の変形例について説明する。
【0065】
図8は、本発明の第2変形例の光半導体装置を表す模式図である。すなわち、同図も、波長多重光通信用受信モジュールのパッケージ内部に収容される部分を表し、(a)はその平面図、(b)はそのA−A線断面図、(c)はその左側側面図である。同図についても、図1乃至図7に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0066】
本変形例においても、光ファイバ7はプラットフォーム6の中に埋設されているが、シリコンにより覆われている訳ではなく、光透過性を有する樹脂19により保持されている。すなわち、プラットフォーム6には、V字状の断面形状を有する溝18が形成され、光ファイバ7は、この溝18の中に収容されて樹脂19により固定されている。プラットフォーム6に設けられるV字状の溝18は、例えば、結晶面方位に対する依存性を有するウエット・エッチング液を用いてエッチング形成することができる。
【0067】
本変形性においては、光ファイバ7に設けられた2次のグレーティング8〜11により分波された放射モード光は、樹脂19を透過し、それぞれ受光素子13により検出される。
【0068】
樹脂19は、例えばBCB、ポリイミド、エポキシ、シリコーンなどをはじめとする各種の材料を用いて形成できる。ただし、2次のグレーティング8〜11により分波されて放出される放射モード光に対して透過性を有するものであることが望ましい。さらにまた、光ファイバ7を溝18内に固定し保持できる機械的な強度、物理的・化学的な安定性などを併せ持つことが望ましい。
【0069】
本変形例によれば、樹脂19により光ファイバ7をプラットフォーム6内に埋設するので、比較的、低温で形成できる。つまり、光ファイバ7及びその表面に形成されたグレーティング8〜11などを高温に晒すことなく形成できるという利点がある。
【0070】
次に、本発明の第3の変形例について説明する。
【0071】
図9は、本発明の第3変形例の光半導体装置を表す模式図である。すなわち、同図も、波長多重光通信用受信モジュールのパッケージ内部に収容される部分を表し、(a)はその平面図、(b)はそのA−A線断面図、(c)はその左側側面図である。同図についても、図1乃至図8に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0072】
本変形例においても、第2変形例と同様に、樹脂19を用いて光ファイバ7をプラットフォーム6の中に埋設している。ただし、本変形例においては、2次のグレーティング8〜11の上方において樹脂19が除去されて開口部12が形成されている。すなわち、グレーティング8〜11により分波された放射モード光は、樹脂19を介することなく受光素子13に直接、入射する。
【0073】
その結果として、樹脂19による分波光の吸収損失を防ぎ、検出効率を上げることができる。さらに、樹脂19の材料として、光透過性を有する必要がなくなるため、機械的な強度などの点でより好適なものを用いることが可能となる。
【0074】
以上、図1乃至図9を参照しつつ説明したように、本発明の光半導体装置は、コンパクト且つ高い信頼性を有し、波長多重光通信システムの受信モジュールとして用いて好適なものである。
【0075】
図10は、本発明の受信モジュールを用いた波長多重光通信システムの要部を表す概念図である。図11に表したものと同様に、光送信側は、チャネル数(波長数)に応じた送信モジュール1(TX1, TX2, TX3, ・・・)が設けられ、これらから出力された光信号は、合波器2により多重化されて光ファイバ3を介して伝送される。
【0076】
そして、受信側には、本発明の光半導体装置100すなわち受信モジュールが設けられる。この受信モジュール100は、図11に例示したような従来のシステムにおける光分波器4とその後段に設置される複数の受信モジュール5(RX1,
RX2, RX3, ・・・)の代わりとなるものである。
【0077】
本発明によれば、図10に表したように、従来と比較して極めてコンパクトで、部品点数も少なく、波長多重光信号を受信することができる。しかも、本発明によれば、光ファイバと受光素子とがそれぞれプラットフォーム6に対して強固に固定され、「位置ずれ」などの問題が生じにくいので、信頼性の高い光通信システムを提供することも可能となる。
【0078】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
【0079】
例えば、本発明の半導体装置における受信チャネル数すなわち2次のグレーティング8〜11及び受光素子13の数については、適用する波長多重光通信システムのチャネル数に応じて適宜増減することができる。
【0080】
また、プラットフォーム6の形状やサイズ、また、そこに配置される光ファイバ、受光素子、信号処理回路などをはじめとする各部品の種類、数、形状、配置関係などについても、当業者が適宜設計変更したものに関しては、本発明の要旨を有する限り、本発明の範囲に包含される。
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、2次のグレーティングを形成した光ファイバをシリコン・プラットフォームの中に埋設し、それぞれのグレーティングからの放射モード光を受光素子により検出することにより、極めてコンパクト且つシンプルな構造の波長多重光通信用受信モジュールとして用いることができる光半導体装置を提供できる。
【0081】
この光半導体装置は、独立した分波器を不要とするため、部品点数を減らすことができ、光通信システムの信頼性も高くすることができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態にかかる半導体装置の要部を表す模式図である。
【図2】2次のグレーティングにおける放射モードを説明するための概念図である。
【図3】本発明の実施形態の光半導体装置の製造方法の要部を表す工程図である。
【図4】シリコンの表面マイグレーションにより光ファイバ7が埋設される様子を概念的に表した斜視透視図である。
【図5】本発明の第1変形例の光半導体装置を表す模式図である。
【図6】本発明の第1変形例の光半導体装置の製造方法の要部を表す工程図である。
【図7】シリコンの表面マイグレーションにより孤立した空洞が形成される様子を表した模式図である。
【図8】本発明の第2変形例の光半導体装置を表す模式図である。
【図9】本発明の第3変形例の光半導体装置を表す模式図である。
【図10】本発明の受信モジュールを用いた波長多重光通信システムの要部を表す概念図である。
【図11】従来の波長多重光通信システムの要部を表す概念図である。
【符号の説明】
1 送信モジュール
2 合波器
3 光ファイバ
4 分波器
5 受信モジュール
6 シリコンプラットフォーム
7 光ファイバ
8〜11 グレーティング
12 開口部
13 受光素子
14 カソード側電極パターン
15 信号処理回路(IC)
16 ボンディングワイヤ
17 信号ライン
18 溝
19 樹脂
100 光半導体装置
T 溝
V 空洞[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical semiconductor device, a method for manufacturing the same, and an optical communication system, and more particularly, to an optical semiconductor device suitable for use as a receiving device in a wavelength division multiplexing (WDM) optical communication system, a method for manufacturing the same, and a method for manufacturing the same. The present invention relates to an optical communication system.
[Prior art]
In the field of optical communication, a wavelength multiplexing method that allows a large number of wavelength channels to pass through one optical fiber and a Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) method, which is a further evolution of the wavelength multiplexing method, have been developed. It contributes to the increase in the amount of information. For example, in the case of an optical subscriber system, the WDM system is being adopted in accordance with the increase in transmission capacity accompanying the distribution of moving images, audio data, and the like, and the number of multiplexed wavelengths is also 4, 8, or 16 waves. And increasing.
[0002]
FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating a main part of a conventional wavelength division multiplexing optical communication system. As shown in the figure, optical signals of different wavelengths transmitted from a plurality of transmission modules 1 (TX1, TX2, TX3,...) Are multiplexed into one optical fiber 3 by a
[0003]
As described above, for example, Non-Patent
[0004]
[Non-patent document 1]
IEICE Technical Report EMD2000-41, CPM2000-56, OPE2000-53, LQE2000-47 (2000-08) pp. 1-6
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a wavelength-division multiplexed optical communication system, the number of transmission / reception modules corresponding to the number of wavelength multiplexing and the corresponding multiplexer / demultiplexer are indispensable devices, and as the number of multiplexing increases, the number of transmission / reception modules increases. And increase in the size of multiplexers / demultiplexers.
[0006]
The increase in the number of transmission / reception modules and the increase in the size of the multiplexer / demultiplexer are disadvantageous in that the communication system becomes complicated, the cost increases, and the installation area increases.
[0007]
The present invention has been made based on the recognition of such a problem, and an object of the present invention is to provide a compact and highly reliable optical semiconductor device capable of receiving a wavelength multiplexed signal without using a demultiplexer, a method of manufacturing the same, and an optical semiconductor device. A communication system is provided.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first optical semiconductor device of the present invention includes: an optical fiber provided with at least two or more diffraction gratings having different periods from each other; and at least two or more light receiving elements.
Each of the two or more light receiving elements is capable of detecting radiation mode light emitted from each of the two or more diffraction gratings.
[0009]
According to the above configuration, a wavelength multiplexed optical signal can be received with a compact configuration.
[0010]
Further, the second optical semiconductor device of the present invention is provided with a silicon substrate, at least two diffraction gratings having different periods from each other, an optical fiber embedded in the silicon substrate, and provided on the silicon substrate. And at least two or more light receiving elements,
Each of the two or more light receiving elements is capable of detecting radiation mode light emitted from each of the two or more diffraction gratings through an opening provided in the silicon substrate.
[0011]
According to the above configuration, the wavelength multiplexed optical signal can be received with a compact configuration.
[0012]
Further, the third optical semiconductor device of the present invention is characterized in that a silicon substrate, an optical fiber provided with at least two or more diffraction gratings having different periods from each other, and fixed to one end of a cavity formed inside the silicon substrate. And at least two or more light receiving elements provided on the silicon substrate,
Each of the two or more light receiving elements can detect a radiation mode light emitted from each of the two or more diffraction gratings exposed in the cavity through an opening provided in the silicon substrate. It is characterized by the following.
[0013]
According to the above configuration, the wavelength multiplexed optical signal can be received with a compact configuration.
In the third optical semiconductor device, the lower surface and side surfaces of the optical fiber may be held in contact with the silicon substrate, and the upper surface may be exposed in the cavity.
[0014]
Further, the fourth optical semiconductor device of the present invention is characterized in that a silicon substrate and at least two or more diffraction gratings having different periods from each other are provided, and an optical fiber embedded with resin in a groove formed in the silicon substrate. And at least two or more light receiving elements provided on the resin,
Each of the two or more light receiving elements can detect radiation mode light emitted from each of the two or more diffraction gratings via the resin.
[0015]
According to the above configuration, the wavelength multiplexed optical signal can be received with a compact configuration.
[0016]
Further, the fifth optical semiconductor device of the present invention is characterized in that a silicon substrate, an optical fiber provided with at least two or more diffraction gratings having different periods from each other, and embedded in a resin in a groove formed in the silicon substrate. And at least two or more light receiving elements provided on the resin,
Each of the two or more light receiving elements can detect radiation mode light emitted from each of the two or more diffraction gratings through an opening provided in the resin.
[0017]
According to the above configuration, the wavelength multiplexed optical signal can be received with a compact configuration.
[0018]
In the first to fifth optical semiconductor devices, if each of the two or more diffraction gratings acts as a second-order diffraction grating with respect to light guided through the optical fiber, diffraction can be performed. The optical signal of each channel of the wavelength division multiplexing optical communication can be separated and extracted according to the period of the grating.
[0019]
On the other hand, the method for manufacturing an optical semiconductor device of the present invention includes a step of forming a groove in a silicon substrate, a step of providing at least two or more diffraction gratings having different periods from each other, and disposing an optical fiber in the groove. Heating the silicon substrate to flow silicon to cover the groove and bury the optical fiber inside the silicon substrate; and forming an opening in the silicon substrate to form each of the two or more diffraction gratings. The method includes the steps of: exposing; and providing a light receiving element such that radiation mode light emitted from each of the two or more diffraction gratings is detected through the opening.
[0020]
According to the above configuration, it is possible to manufacture an optical semiconductor device in which optical coupling is reliably ensured by embedding an optical fiber in a silicon substrate.
[0021]
In a second method of manufacturing an optical semiconductor device according to the present invention, a step of forming a groove in a silicon substrate and a step of providing at least two or more diffraction gratings having different periods from each other and disposing an optical fiber in the groove are provided. Heating the silicon substrate to flow the silicon to block the upper part of the groove, and leave the lower part of the groove as a cavity containing the light inside the silicon substrate, and an opening in the silicon substrate. Exposing each of the two or more diffraction gratings through the cavity; and detecting radiation mode light emitted from each of the two or more diffraction gratings through the opening and the cavity. And a step of providing a light receiving element to the light emitting element.
[0022]
In the second manufacturing method, the lower surface and the side surface of the optical fiber may be held in contact with the silicon substrate in the cavity, and the upper surface thereof may be exposed in the cavity.
[0023]
On the other hand, an optical communication system of the present invention comprises: an optical output device that multiplexes and outputs a plurality of optical signals having different wavelengths; an optical fiber that transmits an optical signal output from the optical output device; And an optical semiconductor device,
The optical semiconductor device receives each of the plurality of optical signals output from the optical output device and transmitted through the optical fiber as the radiation mode light.
[0024]
Here, each of the two or more diffraction gratings can act as a secondary diffraction grating for each of the plurality of optical signals.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0026]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a main part of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. That is, FIG. 3A shows a portion accommodated in the package of the wavelength multiplexing optical communication receiving module, wherein FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA.
[0027]
An
[0028]
That is, the wavelength multiplexed optical signal transmitted from the optical transmission module (not shown) is transmitted to the
[0029]
For example, if the period of the second-order grating is A and the effective refractive index of the waveguide is n eff , the Bragg wavelength (λBragg) is expressed by the following equation.
NλBragg = 2n eff A (1)
[0030]
Here, N represents “order of diffraction”. Then, N = 2, that is, a grating having a period A in which second-order diffraction occurs acts as a second-order diffraction grating.
[0031]
Therefore, in FIG. 1, each of the second-
[0032]
Although FIG. 1 shows an example in which four
[0033]
As shown in FIG. 1, the radiation mode light emitted from each of the
[0034]
The light receiving element 13 may have a so-called “back-illuminated type” element structure or the like, and its light absorbing layer (light detecting layer) may be formed of a semiconductor having a band gap corresponding to the wavelength of an optical signal. Can be.
[0035]
A signal processing circuit (IC) 15 is installed near the light receiving element 13 and is directly connected to the light receiving element 13 by a bonding wire 16. The output of the IC 15 is connected to a signal line 17 formed on the surface of the
[0036]
As described above, according to the present embodiment, the wavelength division multiplexed optical signal can be demultiplexed by providing the secondary grating in the optical fiber and detected by the light receiving element. An optical communication receiving module can be provided. Since this receiving module does not require an independent duplexer, the number of components can be reduced, and the reliability of the system can be increased.
[0037]
Next, a method for manufacturing the optical semiconductor device of FIG. 1 will be described.
[0038]
FIG. 3 is a process diagram illustrating a main part of the method for manufacturing an optical semiconductor device of the present embodiment. That is, FIGS. 3 (a), (c), (e), and (g) correspond to the left side view in FIG. 1, and FIGS. 3 (b), (d), (f), and (h) This corresponds to the plan view in FIG.
[0039]
First, as shown in FIGS. 3A and 3B, a groove T is formed in a
[0040]
Then, as shown in FIGS. 3C and 3D, the
[0041]
Next, as shown in FIGS. 3E and 3F, the
[0042]
FIG. 4 is a perspective perspective view conceptually showing a state in which the
[0043]
When the groove T is formed, the radius of curvature at the corner of the bottom of the groove T and the corner of the upper opening of the groove T is the shortest. The surface diffusion of silicon occurs such that the radius of curvature of these portions increases. Since the
[0044]
As a result, the groove T is closed and the
[0045]
As a document disclosing such “surface migration” of silicon, for example,
[0046]
[Non-patent document 2]
Applied Physics Vol. 69, No. 10, (2000) pp. 1187-1191
[0047]
As a result of the study by the present inventor, the
[0048]
After the
[0049]
That is, the
[0050]
Thereafter, a wiring pattern is formed on the surface of the
[0051]
As described above, in the present embodiment, the
[0052]
Next, a first modified example of the present invention will be described.
[0053]
FIG. 5 is a schematic view illustrating an optical semiconductor device of the present modification. That is, this figure is a cross-sectional view corresponding to FIG. In this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0054]
Also in this modification, the
[0055]
Such a structure can also be formed by surface migration of silicon.
[0056]
FIG. 6 is a process diagram illustrating a main part of a method for manufacturing an optical semiconductor device according to the present modification. That is, FIGS. 6A to 6D correspond to the side views shown in FIGS. 3A, 3C, 3E, and 3G, respectively.
[0057]
In this modification, the groove T is formed deeper than that illustrated in FIG. 1 or FIG. That is, the surface diffusion of silicon due to the heat treatment becomes remarkable at a portion where the radius of curvature is shortest. When the groove T is formed, the radius of curvature at the corner of the bottom of the groove T and the corner of the upper opening of the groove T is the shortest. The surface diffusion of silicon occurs such that the radius of curvature of these portions increases. When the groove T has a certain depth, surface diffusion near the lower portion and the upper opening of the groove occurs independently.
[0058]
As a result, the surface migration in the upper opening of the trench T becomes remarkable, and the opening of the trench T is closed to form an isolated cavity V.
[0059]
FIG. 7 is a schematic view showing a state in which an isolated cavity is formed by surface migration of silicon. That is, when the trench T is formed on the surface of the
[0060]
Here, in order to form the isolated cavity V, it is desirable that the aspect ratio of the trench T is large to some extent. That is, when the depth of the trench T with respect to the opening width is large to some extent, an isolated cavity V is easily formed.
[0061]
According to this method, the lower surface and side surfaces of the
[0062]
On the other hand, since the upper surface of the
[0063]
At the same time, the lower and side surfaces of the
[0064]
Next, a second modified example of the present invention will be described.
[0065]
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating an optical semiconductor device according to a second modification of the present invention. That is, FIG. 3 also shows a portion housed inside the package of the wavelength multiplexing optical communication receiving module, (a) is a plan view thereof, (b) is a sectional view taken along line AA, and (c) is a left side thereof. It is a side view. Also in this figure, the same reference numerals are given to the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 7, and the detailed description is omitted.
[0066]
In this modification as well, the
[0067]
In this deformability, the radiation mode light split by the
[0068]
The
[0069]
According to this modification, since the
[0070]
Next, a third modification of the present invention will be described.
[0071]
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an optical semiconductor device according to a third modification of the present invention. That is, FIG. 3 also shows a portion housed inside the package of the wavelength multiplexing optical communication receiving module, (a) is a plan view thereof, (b) is a sectional view taken along line AA, and (c) is a left side thereof. It is a side view. Also in this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 8 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0072]
Also in this modified example, the
[0073]
As a result, absorption loss of the split light by the
[0074]
As described above with reference to FIGS. 1 to 9, the optical semiconductor device of the present invention has compactness and high reliability, and is suitable for use as a receiving module of a wavelength division multiplexing optical communication system.
[0075]
FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating a main part of a wavelength division multiplexing optical communication system using the receiving module of the present invention. As shown in FIG. 11, on the optical transmitting side, transmission modules 1 (TX1, TX2, TX3,...) Corresponding to the number of channels (the number of wavelengths) are provided, and the optical signals output from these are Multiplexed by the
[0076]
The optical semiconductor device 100 of the present invention, that is, a receiving module is provided on the receiving side. This receiving module 100 includes an optical demultiplexer 4 in a conventional system as illustrated in FIG. 11 and a plurality of receiving modules 5 (RX1,
RX2, RX3,...).
[0077]
According to the present invention, as shown in FIG. 10, it is possible to receive a wavelength division multiplexed optical signal which is extremely compact and has a small number of parts as compared with the conventional one. Moreover, according to the present invention, the optical fiber and the light receiving element are firmly fixed to the
[0078]
The embodiment of the invention has been described with reference to the examples. However, the present invention is not limited to these specific examples.
[0079]
For example, the number of reception channels, that is, the number of
[0080]
Also, those skilled in the art can appropriately design the shape and size of the
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, an optical fiber having a secondary grating formed therein is buried in a silicon platform, and radiation mode light from each grating is detected by a light receiving element. An optical semiconductor device which can be used as a receiving module for wavelength division multiplexing optical communication having a compact and simple structure can be provided.
[0081]
Since this optical semiconductor device does not require an independent duplexer, the number of components can be reduced, the reliability of the optical communication system can be increased, and industrial advantages are great.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a main part of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining a radiation mode in a secondary grating.
FIG. 3 is a process diagram illustrating a main part of a method for manufacturing an optical semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective perspective view conceptually showing how the
FIG. 5 is a schematic view illustrating an optical semiconductor device according to a first modification of the present invention.
FIG. 6 is a process diagram illustrating a main part of a method for manufacturing an optical semiconductor device according to a first modification of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a state where an isolated cavity is formed by surface migration of silicon.
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating an optical semiconductor device according to a second modification of the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an optical semiconductor device according to a third modification of the present invention.
FIG. 10 is a conceptual diagram showing a main part of a wavelength division multiplexing optical communication system using the receiving module of the present invention.
FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating a main part of a conventional wavelength division multiplexing optical communication system.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS
Reference Signs List 16 bonding wire 17 signal line 18
Claims (12)
少なくとも2以上の受光素子と、
を備え、
前記2以上の受光素子のそれぞれは、前記2以上の回折格子のそれぞれから放出される放射モード光を検出可能とされたことを特徴とする光半導体装置。An optical fiber provided with at least two diffraction gratings having different periods from each other;
At least two or more light receiving elements,
With
An optical semiconductor device, wherein each of the two or more light receiving elements is capable of detecting radiation mode light emitted from each of the two or more diffraction gratings.
互いに周期が異なる少なくとも2以上の回折格子が設けられ、前記シリコン基板に埋設された光ファイバと、
前記シリコン基板の上に設けられた少なくとも2以上の受光素子と、
を備え、
前記2以上の受光素子のそれぞれは、前記シリコン基板に設けられた開口を介して、前記2以上の回折格子のそれぞれから放出される放射モード光を検出可能とされたことを特徴とする光半導体装置。A silicon substrate,
At least two diffraction gratings having different periods from each other are provided, and an optical fiber embedded in the silicon substrate;
At least two or more light receiving elements provided on the silicon substrate,
With
An optical semiconductor, wherein each of the two or more light receiving elements can detect radiation mode light emitted from each of the two or more diffraction gratings through an opening provided in the silicon substrate. apparatus.
互いに周期が異なる少なくとも2以上の回折格子が設けられ、前記シリコン基板の内部に形成された空洞の一端に固定された光ファイバと、
前記シリコン基板の上に設けられた少なくとも2以上の受光素子と、
を備え、
前記2以上の受光素子のそれぞれは、前記シリコン基板に設けられた開口を介して、前記空洞内に露出された前記2以上の回折格子のそれぞれから放出される放射モード光を検出可能とされたことを特徴とする光半導体装置。A silicon substrate,
An optical fiber provided with at least two or more diffraction gratings having different periods from each other and fixed to one end of a cavity formed inside the silicon substrate;
At least two or more light receiving elements provided on the silicon substrate,
With
Each of the two or more light receiving elements can detect a radiation mode light emitted from each of the two or more diffraction gratings exposed in the cavity through an opening provided in the silicon substrate. An optical semiconductor device, comprising:
互いに周期が異なる少なくとも2以上の回折格子が設けられ、前記シリコン基板に形成された溝の中に樹脂によって埋め込まれた光ファイバと、
前記樹脂の上に設けられた少なくとも2以上の受光素子と、
を備え、
前記2以上の受光素子のそれぞれは、前記樹脂を介して、前記2以上の回折格子のそれぞれから放出される放射モード光を検出可能とされたことを特徴とする光半導体装置。A silicon substrate,
At least two or more diffraction gratings having different periods from each other are provided, and an optical fiber embedded with a resin in a groove formed in the silicon substrate;
At least two or more light receiving elements provided on the resin,
With
An optical semiconductor device, wherein each of the two or more light receiving elements can detect radiation mode light emitted from each of the two or more diffraction gratings via the resin.
互いに周期が異なる少なくとも2以上の回折格子が設けられ、前記シリコン基板に形成された溝の中に樹脂によって埋め込まれた光ファイバと、
前記樹脂の上に設けられた少なくとも2以上の受光素子と、
を備え、
前記2以上の受光素子のそれぞれは、前記樹脂に設けられた開口を介して、前記2以上の回折格子のそれぞれから放出される放射モード光を検出可能とされたことを特徴とする光半導体装置。A silicon substrate,
At least two or more diffraction gratings having different periods from each other are provided, and an optical fiber embedded with a resin in a groove formed in the silicon substrate;
At least two or more light receiving elements provided on the resin,
With
The optical semiconductor device, wherein each of the two or more light receiving elements is capable of detecting radiation mode light emitted from each of the two or more diffraction gratings through an opening provided in the resin. .
互いに周期が異なる少なくとも2以上の回折格子が設けられ光ファイバを前記溝の中に配置する工程と、
前記シリコン基板を加熱してシリコンを流動させることにより前記溝を塞いで前記光ファイバを前記シリコン基板の内部に埋設する工程と、
前記シリコン基板に開口を形成して前記2以上の回折格子のそれぞれを露出させる工程と、
前記2以上の回折格子のそれぞれから放出される放射モード光を前記開口を介して検出するように受光素子を設ける工程と、
を備えたことを特徴とする光半導体装置の製造方法。Forming a groove in the silicon substrate;
Arranging an optical fiber in the groove, wherein at least two or more diffraction gratings having different periods from each other are provided;
A step of burying the optical fiber inside the silicon substrate by closing the groove by heating the silicon substrate and flowing silicon,
Forming an opening in the silicon substrate to expose each of the two or more diffraction gratings;
Providing a light receiving element so as to detect the radiation mode light emitted from each of the two or more diffraction gratings through the aperture;
A method for manufacturing an optical semiconductor device, comprising:
互いに周期が異なる少なくとも2以上の回折格子が設けられ光ファイバを前記溝の中に配置する工程と、
前記シリコン基板を加熱してシリコンを流動させることにより前記溝の上方を塞いで、前記溝の下方は前記光を含む空洞として前記シリコン基板の内部に残留させる工程と、
前記シリコン基板に開口を形成し、前記空洞を介して前記2以上の回折格子のそれぞれを露出させる工程と、
前記2以上の回折格子のそれぞれから放出される放射モード光を前記開口及び前記空洞を介して検出するように受光素子を設ける工程と、
を備えたことを特徴とする光半導体装置の製造方法。Forming a groove in the silicon substrate;
Arranging an optical fiber in the groove, wherein at least two or more diffraction gratings having different periods from each other are provided;
Heating the silicon substrate to flow silicon to block the upper part of the groove, and leave the lower part of the groove as a cavity containing the light inside the silicon substrate,
Forming an opening in the silicon substrate and exposing each of the two or more diffraction gratings through the cavity;
Providing a light receiving element so as to detect the radiation mode light emitted from each of the two or more diffraction gratings through the opening and the cavity,
A method for manufacturing an optical semiconductor device, comprising:
前記光出力装置から出力された光信号を伝送する光ファイバと、
請求項1〜7のいずれか1つに記載の光半導体装置と、
を備え、
前記光半導体装置は、前記光出力装置から出力され前記光ファイバを伝送される前記複数の光信号のそれぞれを前記放射モード光として受信することを特徴とする光通信システム。An optical output device for multiplexing and outputting a plurality of optical signals having different wavelengths,
An optical fiber for transmitting an optical signal output from the optical output device,
An optical semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
With
The optical communication system, wherein the optical semiconductor device receives each of the plurality of optical signals output from the optical output device and transmitted through the optical fiber as the radiation mode light.
Priority Applications (1)
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JP2002304024A JP2004138863A (en) | 2002-10-18 | 2002-10-18 | Optical semiconductor device and its manufacturing method, and optical communication system |
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---|---|---|---|
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