JP2005004204A - 光ハイブリッドモジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光学素子が基板上に集積され光導波路で連結された光ハイブリッドモジュール内の漏出光の反射による光学素子間クロストークを減少させる。
【解決手段】基板３１上に形成され、所定の光学素子３５へ光信号を伝達する光導波路３０と、光導波路以外の部分に流出した光が光学素子に受信されることを防止するように、少なくとも光導波路の光結合部端面Ｏの両脇に傾斜形成された遮光層３４と、を含むことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は多数の光学素子が光導波路基板上に集積された光ハイブリッドモジュールに関し、特に光ハイブリッドモジュール内の漏出光の反射による光学素子間のクロストーク（crosstalk）を減少させる光ハイブリッドモジュール及びその製造方法に関する。

最近、双方向光通信システムに対する必要性が増大するのに伴って光送受信器モジュール（Optical Transmitter Receiver Module）に対する必要性も増大している。一般的に、光送受信モジュールを製作するためには、光源（Optical Source）と光検出器（Photo Detector）、光導波路（Optical Waveguide）が必要である。これらをそれぞれ独立的に組み立てて光モジュールを製作する場合、製品の価格、サイズ面から競争力が低くなる。従って、光送受信器は集積化（integration）されることが望ましい。このための技術として光送受信器のような能動素子と波長分割多重化器のような受動素子を光導波路基板上にハイブリッド集積する光ハイブリッドモジュール（hybrid integrated type optical module）が使用される。

図１は従来の光ハイブリッドモジュールの一構成例を示した図である。この光ハイブリッドモジュールは、多層薄膜フィルター（Multi−layer Thin Film Filter）１１を基板１２に挿入して、光ファイバ１３を通じて入力される光と光源１４から出力される光を、二つの光間の波長差異により分離するようにする構造である。

図１を参照すると、光ファイバ１３を通じて特定波長（λ１）を有する光信号が入り、この信号は第１導波路を通じて導波され光ファイバの反対側にある多層薄膜フィルター１１に到達する。多層薄膜フィルター１１は特定波長（λ２）のみを反射させるフィルターであるので、光ファイバ１３から入射された光の波長（λ１）が反射波長（λ２）ではないと、多層薄膜フィルター１１を透過して光検出器１５、例えばフォトダイオード（Photo Diode）に到達する。

一方、光ファイバ１３を通じて入射された光と異なる波長（λ２）を有する光源１４、例えば、レーザーダイオード（Laser Diode）から出た光は第２導波路に入射され伝播され、多層薄膜フィルター１１により反射されて光ファイバ１３を通じて出射される。

しかし、前記従来技術は発光素子により生成された光が漏出（leakage or stray）または反射され受光素子に伝達されることによって、光信号のクロストーク（crosstalk）が発生する問題点がある。

図２はその問題点を解決するための従来の他の技術による光ハイブリッドモジュールの構成例を示したもので、基板２１に光導波路コア部２２及びクラッディング部２３を形成し、発光素子及び受光素子２６を搭載した光モジュールにおける受光素子２６を搭載する部分の拡大図である。図中、符号２４は受光素子２６を搭載するための電気的配線及びはんだ層が形成された部分であり、それ以外の斜線部分２５は遮光層が形成された部分である。このように発光素子及び受光素子２６の搭載部周辺に金属膜で構成された遮光層２５を形成することにより、受光素子２６の下部分及び横方向への漏出光を遮断することができる。

しかし、この従来構造は光導波路コア部を含み、受光素子と光結合する端面が垂直面を有する構造としてあり、このような垂直面に遮光層を形成するためには、工程上多くの問題があり、事実上、工程が不可能な構造である。

従って、本発明の目的は、半導体素子と光導波路の光結合について、光源から漏出された光が受光素子に流入することにより生じる光信号のクロストークを最小化しながら、量産性よく製造することができる光ハイブリッドモジュール及びその製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明に従う光ハイブリッドモジュールは、基板上に形成され、所定の光学素子へ光信号を伝達する光導波路と、該光導波路以外の部分に流出した光が光学素子に受信されることを防止するように、少なくとも光導波路の光結合部端面両脇に傾斜形成された遮光層と、を含むことを特徴とする。その光学素子は、光導波路と光学的結合を有するよう同じ基板上に搭載したものとすることができ、受光素子とするとよい。

また、受光素子の他に、光導波路で連結された複数の光学素子を基板上に搭載することができ、これら光学素子は、光導波路を通じて伝送される特定波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過させるように、光導波路の途中に少なくとも部分的に直角整列させた多層薄膜フィルターと、光導波路の第１経路を通じて多層薄膜フィルターへ光を伝送する光ファイバと、この第１経路とは相異なる光導波路の第２経路を通じて多層薄膜フィルターへ光を伝送する光源と、とすることが可能である。このような複数の光学素子は基板上に集積形成できる。

光導波路の光結合部の端面は、遮光層に設けた溝状に凹設されるか、又は、遮光層から突出形成された形状とすることができる。そして、光導波路の光結合部の端面は、基板表面に対して実質的に垂直構造を有するようにする。この場合の光結合部の垂直端面は、遮光層の傾斜面に設けた溝状に凹設された形状とすることができる。また、遮光層は、光結合部を除外した光導波路表面及び基板表面に形成することもできる。このような遮光層は、金属層又はミラー物質（mirror material）で構成可能である。光導波路は、コア層と、このコア層を囲んでいるクラッディング層と、からなる構造とする。遮光層は、光導波路の上部全面に形成することもできる。

以上のような光ハイブリッドモジュールの製造方法として、本発明によれば、（ａ）基板上に光導波路を形成する過程と、（ｂ）光結合部を持つ光導波路の上部に垂直端面形成のためのハードエッチングマスクをパターニングする過程と、（ｃ）ハードエッチングマスクが形成されない光結合部の両脇部分に、傾いた端面形成のための傾いたマスクをパターニングする過程と、（ｄ）ハードエッチングマスク及び傾いたマスクを利用して下部の光導波路をエッチングする過程と、（ｅ）少なくとも、傾いたマスクにより形成される光導波路の傾いた端面に遮光層を形成する過程と、を含むことを特徴とする。

（ｃ）過程は、グレイスケールリソグラフィ工程により遂行することができる。また、（ｅ）過程は、金属蒸着工程により遂行することができる。さらに（ｅ）過程は、光結合部を除外した光導波路の表面及び基板表面に遮光層を形成するものとすることができる。また、（ｅ）過程は、少なくとも光導波路の傾いた端面にミラー物質（mirrored material）を配置することにより遂行可能である。

この製造方法では、基板上に複数の光学素子を集積する（ｆ）過程をさらに含み、そして、（ｆ）過程により形成された複数の光学素子を光導波路を利用して連結する（ｇ）過程をさらに含む事も可能である。この場合、複数の光学素子の一つに、光導波路の途中に該光導波路に実質的に直角にして配置され、光導波路の経路中のフィルターとして提供される多層薄膜素子を有することができる。

本発明に従う光ハイブリッドモジュールは、光結合部の光導波路端面の脇部分に負の傾斜を有する傾いたプロファイルの遮光層を備える。従って、光信号のクロストークを最小化しながら量産性よく製造することができる。

以下、本発明に従う好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。

図３は本発明の第１実施例に従う光ハイブリッドモジュールの構成を示した図であり、本発明の具現原理を説明するために、導波路の光結合部端面を含む一部分を示した図である。

図３を参照すると、本発明の光ハイブリッドモジュールは、光導波路コア部３２及びクラッディング部３３が形成された基板３１に遮光層３４が形成され、受光素子３５が搭載された構造である。
光導波路３０は光信号を伝送するコア部３２と、コア部３２を取り囲んでいるクラッディング部３３で構成される。光導波路３０はフォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子と光結合する光結合部（Ｏ）を含む。光導波路３０は光結合部（Ｏ）を含む一部領域の端面は基板３１の表面に対して垂直構造を有するが、残りの部分の光導波路端面（Ｐ）は基板３１に対して傾斜構造を有する。このように光導波路端面（Ｐ）が傾斜を有することにより、その上部に形成される遮光層（３４）形成工程が容易になる。

遮光層３４は光結合部（Ｏ）を除外した光導波路３０の端面部分、つまり光結合部（Ｏ）の両脇に形成され、光検出素子３５の下側や側面方向から無用の光が流入することを防止する。遮光層３４は金属物質（metal）またはミラー（mirror）などに形成することができる。この時、遮光層３４は図３に示したように、少なくとも光導波路３０の光結合部（Ｏ）を除外した両脇端面に形成され、光導波路３０の光結合部（Ｏ）は遮光層３４に設けた溝となるように凹設される。

図４は本発明の第２実施例に従う光ハイブリッドモジュールの構成を示した図であり、図３に示した例とその構成及び作用が類似しているので、重複記載を避けるために差異点のみに対して説明する。

図３に示した第１実施例との差異点は遮光層４４が光導波路４０の上部全面及び基板４１の全面に形成されたことと、光導波路４０の光結合部（Ｏ）が、両脇の端面傾斜遮光層４４に対して突出形成されていることである。

図５は図４に示された光ハイブリッドモジュール製法のうち、マスキング過程を示した図であり、これを通じて光ハイブリッドモジュール製造過程を説明すると、次のようである。

図５を参照すると、シリコン基板５１上にコア部５２及びクラッディング部５３を形成した後、垂直端面が必要な部分、即ち、光導波路の光結合部（Ｏ）上部にハードエッチングマスク５６をパターニングする。そして、傾斜面が必要な部分、即ち、光結合部（Ｏ）の両脇にグレイスケールリソグラフィ工程を利用して傾いたフォトレジスト（ＰＲ）マスク５７をパターニングする。この時、傾いたフォトレジストマスク５７の位置によって以後形成される遮光層に対する光結合部（Ｏ）の形態が決定される。即ち、図５のようにハードエッチングマスク５６と傾いたフォトレジスト（ＰＲ）マスク５７の前端位置が同一である場合、図４に示したような光結合部（Ｏ）が突出した構造を有するようになる。これに比べて、図６のように傾いたフォトレジスト（ＰＲ）マスク５７がハードエッチングマスク５６の前側に突出位置する場合、図３のように光結合部（Ｏ）が凹構造を有するようになる。

ハードエッチングマスク５６及び傾いたフォトレジストマスク５７を利用したドライエッチング（dry etching）工程を通じて、ハードエッチングマスクの境界には垂直端面が形成され、傾いたフォトレジストマスクの下側には傾いた端面が形成される。ここで、光導波路の端面構造は傾いたフォトレジストマスクの形態（shape）及び漏光程度によって変わるので、負の傾斜を有する傾いたプロファイルの光導波路が得られるように適切に調節する。

最後に、光導波路の傾いた端面に金属物質（metal）を蒸着して遮光層を形成する。この時、遮光層は光導波路の傾いた端面を含んで、受光素子が搭載される部分の基板上まで延長して形成されることが望ましく、光導波路の全面及び基板全面に形成することもできる。

図７は本発明の適用例を示した図であり、図７Ａは光リードモジュールの構成図であり、図７Ｂは反射光の進行経路を示した図である。

本適用例は光ファイバ７１から入る光と光源７２から発生された光を、二つの光間の波長差異により分離する多層薄膜フィルター７３を設けた光ハイブリッドモジュールに関し、図示したように光結合部（Ｏ）両脇の光導波路７４端面に負の傾斜を有する傾いたプロファイルの遮光層７５を設ける。

光信号の進行経路を中心に動作を簡単に説明すると、次のようである。

図７Ａで、光ファイバ７１を通じて特定波長を有する光信号が入り、この信号は導波路を通じて導波され光ファイバの反対側にある多層薄膜フィルター７３に到達する。多層薄膜フィルター７３は特定波長のみを反射させるフィルターであるので、光ファイバ７１から入射された光の波長が反射波長ではないと、多層薄膜フィルター７３を透過して光検出器７６に到達する。一方、光ファイバ７１を通じて入射された光と異なる波長を有する光源、例えば、レーザーダイオード（Laser Diode）７２から出た光は導波路に入射され伝播され、多層薄膜フィルター７３により反射され光ファイバ７１を通じて出射される。この時、図７Ｂに示したように基板７７の下側に進行して反射された光は遮光層７５により光検出器７６への流入が遮断される。

光ファイバからの光と光源からの光が分離された導波経路を通じてフィルター７３に入射されるように、光源７２は光ファイバ７１と分離された経路を有する。そして、光導波路の第１経路を通じた光ファイバ７１の光と光導波路の第２経路を通じた光源７２の光は多層薄膜フィルター７３に流入される。

本発明の詳細な説明では具体的な実施形態に関して説明したが、本発明の範囲かを外れない限り多様な変更が可能なことはもちろんである。例えば、前記適用例に説明された誘電体フィルターの外にＭＭＩ（Multi−Mode Interferometer）または方向性カップラなどが追加可能である。したがって、本発明の範囲は説明した実施形態に局限して定められてはいけないし、特許請求の範囲だけでなくこの許請求の範囲と均等なものにより定められなければならない。

従来の光ハイブリッドモジュールの一構成例を示した図。 従来の光ハイブリッドモジュールの他の構成例を示した図。 本発明の第１実施例に従う光ハイブリッドモジュールの構成を示した図。 本発明の第２実施例に従う光ハイブリッドモジュールの構成を示した図。 図４の光ハイブリッドモジュール製造時のマスク位置を示した図。 図３の光ハイブリッドモジュール製造時のマスク位置を示した図。 本発明の適用例を示した光ハイブリッドモジュールの一例。

符号の説明

３０，４０ 光導波路
３２，４２ コア部
３３，４３ クラッディング部（クラッド部）
３４，４４ 遮光層
３５，４５ 受光素子
Ｏ 光結合部
Ｐ 光導波路端面

Claims (23)

1. 基板上に形成され、所定の光学素子へ光信号を伝達する光導波路と、
   前記光導波路以外の部分に流出した光が前記光学素子に受信されることを防止するように、少なくとも前記光導波路の光結合部端面両脇に傾斜形成された遮光層と、を含むことを特徴とする光ハイブリッドモジュール。
2. 光学素子は、光導波路と光学的結合を有するよう同じ基板上に搭載されている請求項１記載の光ハイブリッドモジュール。
3. 光導波路と光学的に結合された光学素子が受光素子である請求項２記載の光ハイブリッドモジュール。
4. 受光素子の他に、光導波路で連結された複数の光学素子が基板上に搭載され、これら光学素子は、
   前記光導波路を通じて伝送される特定波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過させるように、前記光導波路の途中に少なくとも部分的に直角整列させた多層薄膜フィルターと、
   前記光導波路の第１経路を通じて前記多層薄膜フィルターへ光を伝送する光ファイバと、
   前記第１経路とは相異なる前記光導波路の第２経路を通じて前記多層薄膜フィルターへ光を伝送する光源と、である請求項３記載の光ハイブリッドモジュール。
5. 複数の光学素子は基板上に集積形成される請求項４記載の光ハイブリッドモジュール。
6. 光導波路の光結合部の端面は、遮光層に設けた溝状に凹設される請求項１記載の光ハイブリッドモジュール。
7. 光導波路の光結合部の端面は、遮光層から突出形成される請求項１記載の光ハイブリッドモジュール。
8. 光導波路の光結合部の端面は、基板表面に対して実質的に垂直構造を有する請求項１記載の光ハイブリッドモジュール。
9. 光結合部の垂直端面は、遮光層の傾斜面に設けた溝状に凹設される請求項８記載の光ハイブリッドモジュール。
10. 遮光層は、光結合部を除外した光導波路表面及び基板表面に形成される請求項１記載の光ハイブリッドモジュール。
11. 遮光層は、金属層で構成される請求項１記載の光ハイブリッドモジュール。
12. 遮光層は、ミラー物質（mirror material）で構成される請求項１記載の光ハイブリッドモジュール。
13. 光導波路の光結合部の端面は、遮光層の傾斜面に設けた溝状に凹設される請求項１記載の光ハイブリッドモジュール。
14. 光導波路は、コア層と、前記コア層を囲んでいるクラッディング層と、からなる請求項１記載の光ハイブリッドモジュール。
15. 遮光層は、光導波路の上部全面に形成される請求項１記載の光ハイブリッドモジュール。
16. （ａ） 基板上に光導波路を形成する過程と、
    （ｂ） 光結合部を持つ前記光導波路の上部に垂直端面形成のためのハードエッチングマスクをパターニングする過程と、
    （ｃ） 前記ハードエッチングマスクが形成されない前記光結合部の両脇部分に、傾いた端面形成のための傾いたマスクをパターニングする過程と、
    （ｄ） 前記ハードエッチングマスク及び前記傾いたマスクを利用して下部の前記光導波路をエッチングする過程と、
    （ｅ） 少なくとも、前記傾いたマスクにより形成される光導波路の傾いた端面に遮光層を形成する過程と、を含むことを特徴とする光ハイブリッドモジュール製造方法。
17. （ｃ）過程は、グレイスケールリソグラフィ工程により遂行される請求項１６記載の光ハイブリッドモジュール製造方法。
18. （ｅ）過程は、金属蒸着工程により遂行される請求項１６記載の光ハイブリッドモジュール製造方法。
19. （ｅ）過程は、光結合部を除外した光導波路の表面及び基板表面に遮光層を形成する請求項１６記載の光ハイブリッドモジュール製造方法。
20. （ｅ）過程は、少なくとも光導波路の傾いた端面にミラー物質（mirrored material）を配置することにより遂行される請求項１６記載の光ハイブリッドモジュール製造方法。
21. 基板上に複数の光学素子を集積する（ｆ）過程をさらに含む請求項１６記載の光ハイブリッドモジュール製造方法。
22. （ｆ）過程により形成された複数の光学素子を光導波路を利用して連結する（ｇ）過程をさらに含む請求項２１記載の光ハイブリッドモジュール製造方法。
23. 複数の光学素子の一つに、光導波路の途中に該光導波路に実質的に直角にして配置され、前記光導波路の経路中のフィルターとして提供される多層薄膜素子を有する請求項２１記載の光ハイブリッドモジュール製造方法。

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