JP2006047894A - Optical waveguide device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical waveguide device that can perform photodetection while efficiently propagating light inside an optical waveguide and that can be easily manufactured. <P>SOLUTION: The optical waveguide device 23a is provided with an optical waveguide 21a such as an SiO<SB>2</SB>film for guiding light from a light incident section to a light emitting section, a light receiving part 2 such as a photo diode installed in contact with the outer face of this optical waveguide 21a, and a light reflection part 5 with a 45° mirror surface installed inside the optical waveguide 21a. A signal light 11, for which a vertical incident light beam 11 is guided after being reflected by a mirror 9, is converted 90° in the optical path by the light reflection part 5 and made incident to the light receiving part 2 for monitoring, while the remaining signal light is emitted from the optical waveguide 21a. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光配線等として用いられる光導波装置に関するものである。   The present invention relates to an optical waveguide device used as an optical wiring or the like.

従来、LSI(大規模集積回路)等の半導体チップ間の信号伝達は、一般に、基板配線を介した電気信号によってなされている。しかしながら、昨今のMPU(Microprocessor Unit)の高機能化にともない、チップ間にて必要となるデータの授受量は著しく増大し、信号の高速化や信号配線の高密度化が必要となっており、結果として様々な高周波問題が浮上している。   Conventionally, signal transmission between semiconductor chips such as LSIs (Large Scale Integrated Circuits) is generally performed by electric signals via substrate wiring. However, with the recent increase in functionality of MPU (Microprocessor Unit), the amount of data exchanged between chips has increased remarkably, making it necessary to increase the speed of signals and increase the density of signal wiring. As a result, various high frequency problems have emerged.

それらの代表的なものとして、配線の抵抗と容量による信号遅延、インピーダンスミスマッチ、或いはノイズやクロストークの発生などのEMC/EMI(Electro-Magnetic Compatibility/Interference;電子機器が電磁波妨害を与えたり、受けたりすることを防止する、電磁環境に対する適合性)等が挙げられる。このような問題を解決するため、配線配置の最適化や新素材開発などの様々な手法が開発されてきている。   Typical of these are EMC / EMI (Electro-Magnetic Compatibility / Interference) such as signal delay due to wiring resistance and capacitance, impedance mismatch, or noise and crosstalk. For example, compatibility with the electromagnetic environment). In order to solve such problems, various methods such as optimization of wiring arrangement and development of new materials have been developed.

まず、これらの手法の内、チップ内のバックエンド配線材料の改善について説明する。これまで、高集積化、高速化のためのデザインルールの微細化に伴って、配線も微細化を繰り返し、その都度、配置構造の最適化・新素材開発等の様々な手法を駆使し、バックエンド配線の改善、解決に当っている。   First, of these methods, the improvement of the back-end wiring material in the chip will be described. Until now, as the design rules for higher integration and higher speed have been refined, the wiring has also been miniaturized, and each time we use various methods such as optimization of layout structure and development of new materials, The end wiring is improved and solved.

例えば、デザインルールで言うところの0.18ミクロンルール世代から0.13μmミクロンルール世代までは、SiO2を絶縁膜として、アルミニウムをメタル導線とする構造で配線が形成されてきたが、0.9μm(あるいは90nm)世代では、アルミニウムに替わり、比抵抗の低い銅が配線金属材料として採用され、現在量産が開始され始めた最先端プロセスといわれる65nm世代では、銅配線に加えて、低誘電率膜(以下Low−k膜と呼ぶ)を複合的に採用することでトータルの配線RC遅延を低減する構造が用いられている。 For example, from the 0.18 micron rule generation to the 0.13 μm micron rule generation in terms of design rules, wiring has been formed with a structure using SiO 2 as an insulating film and aluminum as a metal conductor, but 0.9 μm In the (or 90 nm) generation, instead of aluminum, copper having a low specific resistance is used as a wiring metal material. In the 65 nm generation, which is said to be the most advanced process that has started mass production, in addition to copper wiring, a low dielectric constant film A structure that reduces the total wiring RC delay by using a composite (hereinafter referred to as a Low-k film) is used.

しかし、近年、上記のバックエンド配線配置の最適化や銅や低誘電率膜などの新素材開発等の効果も物性的限界に阻まれつつあり、また高度な微細化により配線層数は増大し、今後システムの更なる高機能化を実現するためには、単純な半導体チップのデザインルールに、微細化を前提としたシュリンクそのものを見直す必要が生じてきている。近年、これら諸問題を解決すべく様々な抜本対策が提案されているが、以下にその代表的なものを記す。   However, in recent years, the effects of optimizing the back-end wiring arrangement and the development of new materials such as copper and low dielectric constant films have been hampered by physical limitations, and the number of wiring layers has increased due to advanced miniaturization. In order to realize further higher functionality of the system in the future, it is necessary to review the shrink itself based on the premise of miniaturization in the design rule of a simple semiconductor chip. In recent years, various drastic measures have been proposed to solve these problems, but the following are representative examples.

例えば、Hy−Brid構造による絶縁膜の実効誘電率の低減、及びバックエンドのリバーススケーリング手法である。   For example, a reduction in the effective dielectric constant of the insulating film by the Hy-Brid structure and a back-end reverse scaling method.

この内、バックエンドのリバーススケーリング手法については、下層の配線においては、スケーリングのシュリンクに伴い微細化する一方で、上層のグローバル配線及びセミグローバル配線においては、逆に拡大させることで配線遅延を抑制する構造である。   Among them, the back-end reverse scaling method is miniaturized in the lower layer wiring due to the shrinkage of scaling, while the upper layer global wiring and semi-global wiring are conversely expanded to suppress wiring delay. It is a structure to do.

以上のように、バックエンド配線の最適化構造・材料・プロセス等が各種考案実施されているが、現在研究開発段階にある42nmNodeの先にある32nmNode以降を想定した場合に、素子を微細化するプロセス以前に、素子の動作速度に見合った必要な周波数帯域で十分な伝送容量の情報を伝達するための配線構造は既に破綻しており、絶縁膜とメタルとから成る電気的な信号伝送でシュリンクすることに替わる何らかの新しい手法を導入する必要がある。   As described above, various structures, materials, processes, etc. for optimizing the back-end wiring have been devised and implemented, and the elements are miniaturized when assuming the 32 nm Node and beyond after the 42 nm Node currently in the research and development stage. Prior to the process, the wiring structure for transmitting sufficient transmission capacity information in the required frequency band corresponding to the operating speed of the element had already failed, and it was shrunk by electrical signal transmission consisting of insulating film and metal There is a need to introduce some new method to replace it.

次に、チップ実装による電気的配線最適化による方法について説明する。   Next, a method for optimizing electrical wiring by chip mounting will be described.

上記のようなチップ内のバックエンド配線構造の最適化とは別に、上記の問題を解決するため、これまで実装業界などが中心となり、配線配置の最適化や新素材開発等の様々なチップ実装手法を駆使し、解決に当っている。   Apart from optimizing the back-end wiring structure in the chip as described above, various chip mounting such as wiring layout optimization and new material development has been conducted mainly by the mounting industry so far to solve the above problem. We make full use of the technique and are solving it.

これ等は、今後のシステムの更なる高機能化を実現するために、単純な半導体チップの実装を前提としたプリント配線板の構造そのものを見直すことで、高周波伝送にまつわり発生する諸問題を解決すべく様々な抜本対策が提案されているが、以下にその代表的なものを記す。   In order to realize further enhancement of the functions of future systems, these problems will occur in high frequency transmission by reviewing the structure of the printed wiring board that is premised on mounting a simple semiconductor chip. Various drastic measures have been proposed to solve this problem, but the following are representative examples.

なお、上記の諸問題とは、例えば、配線断面積の変化により反射波が発生し誤作動が生じてしまう反射(インピダンスマッチ)、高周波伝送により配線抵抗が∞となり消費電力増加となるエネルギー衰退(インピダンス増加)、高周波伝送により信号不安定と誤動作を生じさせるクロストーク(同時切り替えノイズ)及び、高密度配線により電磁気干渉が生じスキュー増加を生じさせる電磁ノイズ(EMC)等がある。   The above-mentioned problems include, for example, reflection (impedance match) in which a reflected wave is generated due to a change in the wiring cross-sectional area and malfunction occurs, and energy decline that increases wiring resistance due to high-frequency transmission and increases power consumption ( Impedance increases), crosstalk (simultaneous switching noise) that causes signal instability and malfunction due to high-frequency transmission, and electromagnetic noise (EMC) that causes electromagnetic interference due to high-density wiring and increases skew.

そして、これら諸問題の解決方法としては、例えば、マルチチップモジュール(MCM)化による微細配線結合、ポリイミド樹脂などを用いた二次元的な各種半導体チップの封止及び一体化による電気配線結合、基板貼り合わせによる半導体チップの三次元的結合等の開発がなされている。   And as a solution for these problems, for example, fine wiring bonding by multi-chip module (MCM), two-dimensional semiconductor chip sealing and integration using polyimide resin, etc., electric wiring bonding, substrate Developments such as three-dimensional bonding of semiconductor chips by bonding have been made.

まず、MCM化による微細配線結合は、高機能チップを、セラミックやシリコンなどの精密実装基板に実装し、従来のマザーボード(多層プリント基板)上では形成不可能な微細配線結合を実現する。これによって配線の狭ピッチ化が可能となり、バス幅を広げることでデータ授受量を飛躍的に増大させることができる。   First, fine wiring bonding by MCM realizes fine wiring bonding that cannot be formed on a conventional mother board (multilayer printed circuit board) by mounting a high-performance chip on a precision mounting board such as ceramic or silicon. As a result, the pitch of the wiring can be reduced, and the amount of data exchange can be dramatically increased by widening the bus width.

次に、チップの封止・一体化による電気配線結合は、ポリイミド樹脂などを用いて各種半導体チップなどを二次元的に封止・一体化し、一体化された基板上にて微細配線結合を行う。これによって配線の狭ピッチ化が可能となり、バス幅を広げることでデータ授受量を飛躍的に増大させることができる。   Next, for electrical wiring bonding by chip sealing / integration, various semiconductor chips and the like are two-dimensionally sealed / integrated using polyimide resin or the like, and fine wiring bonding is performed on the integrated substrate. . As a result, the pitch of the wiring can be reduced, and the amount of data exchange can be dramatically increased by widening the bus width.

次に、基板貼り合わせによる半導体チップの三次元結合は、各種チップに貫通電極を設け、それぞれを貼り合せることで積層構造とする。これにより、異種チップ間の結線が短縮され、信号遅延などの問題が回避される。但し、積層化による発熱量増加やチップ間熱応力などの新たな問題が生じる。   Next, three-dimensional bonding of the semiconductor chips by bonding the substrates is performed by providing a through electrode on each chip and bonding them to form a laminated structure. This shortens the connection between different chips and avoids problems such as signal delay. However, new problems such as an increase in the amount of heat generated due to lamination and thermal stress between chips arise.

更に、より根本的に信号授受の高速化および大容量化を実現する技術として、図16に示すような光配線による光信号伝送結合技術を有する光導波路装置73aが開発されている(例えば、後述の非特許文献1参照。)。   Furthermore, as a technique for realizing more fundamentally high speed and large capacity of signal transmission / reception, an optical waveguide device 73a having an optical signal transmission coupling technique using optical wiring as shown in FIG. 16 has been developed (for example, described later). (See Non-Patent Document 1).

この構造においては、貫通孔64、面発光レーザの駆動IC63及び貫通孔電極を設けた面発光レーザ68が、サブマウント65と金属製のポスト66とからなるインターポーザ61によってプリント配線基板70上に支持されており、フォトダイオードの受信用IC60及び貫通孔電極を設けたフォトダイオード62が、サブマウント65と金属製のポスト66とからなるインターポーザ61によってプリント配線基板70上に支持されており、光入射部及び光出射部にそれぞれ光学部品69を有する光導波路67がプリント配線基板70上に配置され、貫通孔電極を設けた面発光レーザ68、及び貫通孔電極を設けたフォトダイオード62が、それぞれの光学部品69に対応する位置に配置されている。   In this structure, a surface emitting laser 68 provided with a through hole 64, a surface emitting laser driving IC 63, and a through hole electrode is supported on a printed wiring board 70 by an interposer 61 including a submount 65 and a metal post 66. A photodiode receiving IC 60 and a photodiode 62 provided with a through-hole electrode are supported on a printed wiring board 70 by an interposer 61 composed of a submount 65 and a metal post 66, so that light is incident. An optical waveguide 67 having an optical component 69 in each of the light emitting portion and the light emitting portion is disposed on the printed wiring board 70, and a surface emitting laser 68 provided with a through-hole electrode and a photodiode 62 provided with a through-hole electrode are It is disposed at a position corresponding to the optical component 69.

この技術は、電気信号を光信号に変換して光導波路67を介して送ることにより、チップ間の伝送速度そのものを大幅に向上させるものである。また、光信号は電磁波に関する対策を全く必要とせず、比較的自由な配線設計が可能となる。但し、新たに、変換による時間的ロスや光素子コストなどの問題が生じるので、この対策が重要となる。なお、以下、本明細書において、発光素子および受光素子を区別しない場合に、これらを光素子と呼ぶことがある。   In this technique, an electrical signal is converted into an optical signal and sent through an optical waveguide 67, thereby greatly improving the transmission speed between chips. In addition, the optical signal does not require any countermeasure for electromagnetic waves, and a relatively free wiring design is possible. However, since new problems such as time loss and optical element cost due to conversion arise, this countermeasure becomes important. Hereinafter, in the present specification, when the light emitting element and the light receiving element are not distinguished, they may be referred to as optical elements.

次に、チップ間の信号伝送に対応する光配線技術には様々な方式のものが提案されており、例えばアクティブインタポーザー方式(後述の非特許文献1のp.125、図7参照。)、自由空間伝送方式(後述の非特許文献1のp.123、図5参照。)、光コネクタ接続方式(後述の非特許文献1のp.122、図4参照。)、光導波路埋め込み方式(後述の非特許文献1のp.124、図6参照。)および光導波路表面実装方式(後述の非特許文献2参照。)などがある。   Next, various types of optical wiring technologies corresponding to signal transmission between chips have been proposed, for example, an active interposer method (see p. 125 of Non-Patent Document 1 described later, FIG. 7). Free space transmission method (see p.123 of Non-Patent Document 1 described later, see FIG. 5), optical connector connection method (see p.122 of Non-Patent Document 1, described later, FIG. 4), optical waveguide embedding method (described later) P. 124 of Non-Patent Document 1 and FIG. 6) and an optical waveguide surface mounting method (see Non-Patent Document 2 described later).

例えば、アクティブインタポーザー方式とは、ボード上に光導波路を実装し、光導波路の入射側末端および出射側末端に光ファイバコネクタを取りつけ、ボード間の伝送は光ファイバにて行う。光素子はトランシーバモジュールの裏面に実装し、導波路の45度全反射ミラーに対し精密に位置決めするものである。   For example, in the active interposer method, an optical waveguide is mounted on a board, optical fiber connectors are attached to the incident side end and the output side end of the optical waveguide, and transmission between the boards is performed by an optical fiber. The optical element is mounted on the back surface of the transceiver module and is precisely positioned with respect to the 45 ° total reflection mirror of the waveguide.

この方式の利点は、既存のボードシステムの上に展開できることや、光ファイバを用いるため、ボード内外を問わず幅広い適用が可能であることである。しかし、構造が大掛かりなためコスト高になること、光軸合わせが困難であること、電気伝送経路の短縮が難しく高周波伝送に不向きであること、そして伝送媒体として光ファイバを採用しているため、多バス化に限界が有ることが問題点である。   The advantage of this method is that it can be deployed on an existing board system, and because it uses an optical fiber, it can be widely applied both inside and outside the board. However, because the structure is large, the cost is high, it is difficult to align the optical axis, the electrical transmission path is difficult to shorten, and it is not suitable for high-frequency transmission, and an optical fiber is used as the transmission medium. The problem is that there is a limit to the number of buses.

次に、自由空間伝送方式とは、光伝送路として光配線基板(石英)をボード裏面に実装し、光配線基板内において光をジグザグに反射させ、信号を伝播させるものである。光軸合わせを容易にするため、数枚のレンズを組み合わせたハイブリッド光学系を構成する。   Next, in the free space transmission system, an optical wiring board (quartz) is mounted on the back side of the board as an optical transmission path, and light is reflected in a zigzag manner in the optical wiring board to propagate signals. In order to facilitate alignment of the optical axis, a hybrid optical system in which several lenses are combined is configured.

この方式の利点は、光素子アレイと自由空間伝送により、原理的には数千レベルの多チャンネル化(多重伝送)が可能であることや、ハイブリッド光学系を構成しているため光軸合わせが容易であることである。しかし、光配線基板(石英)が高価であることや、反射による信号伝播は、波形が乱れやすく、伝播損失が大きくなることが問題点である。また、新規開発技術が数多く盛り込まれているため、信頼性に関する実績がほとんど無いという問題点もある。   The advantage of this method is that, in principle, multi-channels (multiplex transmission) of several thousand levels are possible by optical element array and free space transmission, and the optical axis alignment is possible because of the hybrid optical system. It is easy. However, there are problems that the optical wiring board (quartz) is expensive and that the signal propagation due to reflection tends to disturb the waveform and increase the propagation loss. In addition, since many newly developed technologies are incorporated, there is also a problem that there is almost no track record regarding reliability.

次に、光コネクタ接続方式とは、LSIチップの周囲に小型の光ファイバコネクタを取りつけ、LSIチップ間の伝送は光ファイバにて行い、LSI実装後に光路を自在に設定できる光伝送モジュールシステムを構成するものである。   Next, the optical connector connection method is an optical transmission module system in which a small optical fiber connector is attached around the LSI chip, transmission between LSI chips is performed with an optical fiber, and the optical path can be freely set after the LSI is mounted. To do.

この方式の利点は、光コネクタにより光素子と光路との結合精度が保証されており、コストのかかる光軸合わせ工程が不要であること、光ファイバを用いているため、ボード間などの中距離伝送が可能であること、そして既存のボードシステム上に展開できることである。しかし、光コネクタモジュールの小型化に限界があり、LSIチップと光コネクタとの間の電気配線の短縮化が困難であるため、高周波伝送用としては不向きであることや、伝送媒体として光ファイバを採用しているため、多バス化に限界が有ることや、構成部品数が多く、バス当りのコストダウンが困難であることが問題点である。   The advantage of this method is that the optical connector and the optical path are guaranteed to be coupled with an optical connector, which eliminates the need for a costly optical axis alignment process and uses an optical fiber. Transmission is possible, and it can be deployed on an existing board system. However, there is a limit to miniaturization of the optical connector module, and it is difficult to shorten the electrical wiring between the LSI chip and the optical connector. Therefore, it is not suitable for high-frequency transmission, and an optical fiber is used as a transmission medium. Since it is adopted, there are problems in that there is a limit to the number of buses and that there are many components and it is difficult to reduce the cost per bus.

次に、光導波路埋め込み方式とは、光素子をLSI裏面に直接貼り付け、光導波路をプリント基板に埋め込み、既存のボードシステムの形態を維持しながら光配線を設ける方法である。また、光素子と光路との結合にマイクロレンズを採用することで、光軸ずれ許容量を一般実装精度レベルまで緩和させている。   Next, the optical waveguide embedding method is a method in which an optical element is directly attached to the back surface of an LSI, an optical waveguide is embedded in a printed board, and optical wiring is provided while maintaining the form of an existing board system. Further, by adopting a microlens for coupling the optical element and the optical path, the allowable amount of optical axis deviation is relaxed to the general mounting accuracy level.

この方式の利点は、光素子をLSIチップの裏面(電極形成面)に直接実装しているため、LSIチップと光素子との間の電気配線経路を極限まで短くできることや、コリメート光結合により一般実装精度での光軸合わせが可能であることである。しかし、光配線をプリント基板内に設けるため、ボードの製造・コストダウンが困難であること、光素子の放熱対策が不明であること、そしてプリント基板が脆弱であるため、マイクロレンズと光導波路との間の光結合損失が変動する可能性が有ることが問題点である。   The advantage of this method is that the optical element is directly mounted on the back surface (electrode formation surface) of the LSI chip, so that the electrical wiring path between the LSI chip and the optical element can be shortened to the limit, and collimated optical coupling is generally used. The optical axis can be aligned with mounting accuracy. However, since the optical wiring is provided in the printed circuit board, it is difficult to manufacture and reduce the cost of the board, the heat dissipation measures for the optical elements are unknown, and the printed circuit board is fragile. The problem is that the optical coupling loss between the two may vary.

次に、光導波路表面実装方式とは、光素子をLSIチップの裏面に固定し、光導波路をプリント基板の表面上に実装し、既存のボード構造をそのまま維持しながら光配線を併設する方法である。また、光素子と光路との結合にマイクロレンズを採用することで、光軸ずれ許容量を一般実装精度レベルまで緩和させている。   Next, the optical waveguide surface mounting method is a method in which the optical element is fixed to the back surface of the LSI chip, the optical waveguide is mounted on the surface of the printed circuit board, and the optical wiring is provided side by side while maintaining the existing board structure. is there. Further, by adopting a microlens for coupling the optical element and the optical path, the allowable amount of optical axis deviation is relaxed to the general mounting accuracy level.

この方式の利点は、光素子をLSIチップの裏面(電極形成面)に直接実装しているため、LSIチップと光素子との間の電気配線経路を極限まで短くできることや、コリメート光結合により一般実装精度での光軸合わせが可能であることである。また、構造がシンプルであるためコストダウンが可能で、既存のボードシステム上に展開できる利点もある。ただ、若干の懸案点として、光素子をLSIチップに直接貼りつけるため、専用LSIの開発が必要であることや、高温のLSIチップの熱によって光素子が劣化する心配があることが挙げられる。   The advantage of this method is that the optical element is directly mounted on the back surface (electrode formation surface) of the LSI chip, so that the electrical wiring path between the LSI chip and the optical element can be shortened to the limit, and collimated optical coupling is generally used. The optical axis can be aligned with mounting accuracy. In addition, since the structure is simple, the cost can be reduced and there is an advantage that it can be deployed on an existing board system. However, there are some concerns, such as the fact that the optical element is directly attached to the LSI chip, it is necessary to develop a dedicated LSI, and the optical element may be deteriorated due to the heat of the high-temperature LSI chip.

以上、代表的なチップ実装による光伝送システムの5仕様を示したが、現状では未だ、実装によるボード配線システムとして単純に電気伝送と比較した場合においても、各案共に以下のような課題及び問題点がある。   As mentioned above, the five specifications of the optical transmission system by the typical chip mounting are shown. However, even when the board wiring system by mounting is simply compared with the electrical transmission, the following problems and problems are as follows for each plan. There is a point.

例えば、ボード上に光経路を直接積層する構造は、ベースとなるボード自体が脆弱であるため、埋め込み型導波路等では光軸ズレ等の問題が生じる。上記の1案の様なポスト構造では、外部応力により光軸ズレを引き起こし易い。   For example, in the structure in which the optical path is directly laminated on the board, the base board itself is fragile, so that problems such as optical axis misalignment occur in the embedded waveguide and the like. In the post structure as in the above-mentioned proposal 1, the optical axis is likely to be shifted due to external stress.

また、はんだリフロー、アンダーフィル樹脂封止等、光素子実装後の高温プロセスを考慮した材料・部品を採用しなくてはならず、大きな制約条件となる。   In addition, it is necessary to use materials and parts that take into consideration high-temperature processes after mounting optical elements such as solder reflow and underfill resin sealing, which is a major constraint.

また、上記のファイバを用いた案等は、高密度化が不可能で、装置間通信に向けたシステムとして限定されたものとなる。また、LSIと光素子との間の電気配線長を短くできない構造では、高周波信号が光素子に到達する前に劣化し、光変換の効果が無くなる。よって、この距離を短くできるシステム構造を構築する必要がある。   Moreover, the proposal using the above-mentioned fiber cannot be increased in density, and is limited as a system for inter-device communication. Further, in a structure in which the electrical wiring length between the LSI and the optical element cannot be shortened, the high-frequency signal deteriorates before reaching the optical element, and the effect of light conversion is lost. Therefore, it is necessary to construct a system structure that can shorten this distance.

以上の理由により、現状では未だ、実装によるボード配線システムとして単純に電気伝送と比較した場合においても、各案共に課題及び問題点がある。   For the above reasons, there are still problems and problems in each plan even when the board wiring system by mounting is simply compared with electrical transmission.

ここでさらに、チップ内配線のLSIチップ内のシリコン上に形成されたトランジスタ、キャパシタ等によりフロントエンドに形成された素子間同士、又はこれら素子のブロックの間同士での信号伝播における接続配線を考慮した場合、光素子チップ実装によるこれらの手法・構造では、いわゆる基幹系の光伝送物理をシュリンクしただけであり、伝送する出力電気信号のコーデック、MUX・DEMUX等のシステムアーキテクチャとして必要となる回路チップ以外に、発光素子の駆動回路チップ、発光素子チップ(光電変換素子)、導波路(光路)、受光素子チップ(電光変換素子)、インピーダンスマッチング回路及びIV変換回路が物理的に少なくとも必要で、モノリシックで形成できない限りこれら物理層の要素の個数分のチップを減らすことはできない。   Furthermore, connection wiring is considered in signal propagation between elements formed on the front end by transistors, capacitors, etc. formed on silicon in the LSI chip of LSI wiring, or between blocks of these elements. In this case, in these methods and structures based on the mounting of the optical element chip, the so-called backbone optical transmission physics is merely shrunk, and the circuit chip required as a system architecture such as a codec for output electric signals to be transmitted, MUX / DEMUX, etc. In addition, a drive circuit chip for a light-emitting element, a light-emitting element chip (photoelectric conversion element), a waveguide (optical path), a light-receiving element chip (electro-optical conversion element), an impedance matching circuit, and an IV conversion circuit are physically required, and are monolithic As many chips as there are physical layer elements Can not be reduced.

従って、上述したような電気伝送と比較した実装上の問題以前に、上記の物理チップ各々の動作消費電力は単純和として積算されること、実装によるアライメント誤差、歩留まり及びコストが累積することが根本的に不可避な問題点として存在する。   Therefore, before the mounting problem compared with the electric transmission as described above, the operation power consumption of each of the physical chips is accumulated as a simple sum, and the alignment error, yield and cost due to the mounting are accumulated. Exists as an inevitable problem.

上記したように、LSIの集積化が限界を迎えようとしている。そして、その代替法として電気伝送を光伝送に代える案が広く提唱されており、その一手法として、SOI(Silicon On Insulator)基板+レーザダイオード(LD)→導波路(WG)→フォトデティクタ(PD)による光電複合チップが考えられる。   As described above, the integration of LSI is approaching its limit. As an alternative method, a proposal for replacing electric transmission with optical transmission has been widely proposed. As one method, SOI (Silicon On Insulator) substrate + laser diode (LD) → waveguide (WG) → photodetector ( A photoelectric composite chip based on PD) is conceivable.

現状、LSI内における同期を取るために電気により同期信号を伝送している。しかし、上記したように、電気ではその電磁波の相互干渉、消費電力の増加、RC遅延等により、GHzレベルの質の良い同期信号配信が困難となりつつある。よって、これらクロック信号のみを光伝送化することで、上記問題を解決することが可能となる。   Currently, a synchronization signal is transmitted by electricity in order to achieve synchronization in the LSI. However, as described above, in the case of electricity, it is becoming difficult to distribute synchronous signals with high quality at the GHz level due to mutual interference of electromagnetic waves, increase in power consumption, RC delay and the like. Therefore, the above problem can be solved by optically transmitting only these clock signals.

更に、LSI内には様々な機能を持つブロックが混在するが、それぞれの電源電圧や変調帯域等が異なり、相互電磁干渉等の問題が発生し易い。これらのブロック間の伝送を光化することで、ブロック間のアイソレーションが可能となり、チップ機能の信頼性が向上する。   Furthermore, although blocks having various functions are mixed in the LSI, the power supply voltage, the modulation band, etc. are different, and problems such as mutual electromagnetic interference are likely to occur. By making the transmission between these blocks optical, isolation between the blocks is possible, and the reliability of the chip function is improved.

そして、このSOI構造のウェーハを用いることで、上記の物理層を部分的に1チップ化して要素の複合機能化・個数削減を行う構造が広く提案されている。しかし、水平方向への光の導波は容易であるが、垂直方向、即ち信号を導波層に伝播させる手段、或いは導波光を機能素子に導入する手段に関しては、製造・設計の困難なPC(フォトニッククリスタル)構造程度しか提案されていない。PC構造を用いずに信号の垂直導波を可能とする構造、及びPC構造の一例を示す。   And, by using this SOI structure wafer, a structure in which the physical layer is partially integrated into one chip so as to achieve a complex function and a reduction in the number of elements has been widely proposed. However, although it is easy to guide light in the horizontal direction, it is difficult to manufacture and design a PC in the vertical direction, that is, a means for propagating a signal to a waveguiding layer or a means for introducing a guided light into a functional element. Only a photonic crystal structure is proposed. An example of a structure that enables a signal to be vertically guided without using a PC structure, and an example of a PC structure are shown.

まず、図17に示すように、PC構造を用いずに信号の垂直導波を可能とする構造であるSOI構造の光導波路装置73bについて説明する(後述の特許文献1を参照)。   First, as shown in FIG. 17, an optical waveguide device 73b having an SOI structure, which allows a signal to be vertically guided without using a PC structure, will be described (see Patent Document 1 described later).

この光導波路装置73bの構造においては、45°の傾斜角を有する光反射部81及び信号受信部84をその導波路中の所定位置に有する光導波路85が、半導体基板80の所定位置に設けられており、この光導波路85上に酸化膜79及び半導体層78(半導体基板)が順次形成され、この半導体層78には、光反射部81の上部位置に凹部77が設けられ、更にMOSトランジスタ等を有する半導体集積回路74が表面付近に形成されている。更に、光導波路85の光入射側には波長誘導部(レンズ)72を介して光ファイバ71aが配置され、酸化膜78の凹部77上の光出射側にはレンズ72を介して光ファイバ71bが配置されている。   In the structure of the optical waveguide device 73b, an optical waveguide 85 having a light reflecting portion 81 and a signal receiving portion 84 having an inclination angle of 45 ° at predetermined positions in the waveguide is provided at predetermined positions on the semiconductor substrate 80. An oxide film 79 and a semiconductor layer 78 (semiconductor substrate) are sequentially formed on the optical waveguide 85. The semiconductor layer 78 is provided with a recess 77 at an upper position of the light reflecting portion 81, and further, a MOS transistor or the like. A semiconductor integrated circuit 74 is formed in the vicinity of the surface. Further, an optical fiber 71 a is disposed on the light incident side of the optical waveguide 85 via a wavelength guiding portion (lens) 72, and an optical fiber 71 b is disposed on the light emitting side on the concave portion 77 of the oxide film 78 via the lens 72. Has been placed.

次に、光ファイバ71aから波長誘導部72を介して収束され光導波路85の光入射側から入射する入射光76の一部は、信号受信部84に入射した後にこの信号受信部84の上部に設けられた導電部83に電気信号82を送り出すことができる。更に、信号受信部84に入射しなかった入射光76は光反射部81で光導波路85に対して垂直方向に反射して反射光75となり、凹部77及びレンズ72を通過して光ファイバ71bに入射する。   Next, a part of the incident light 76 converged from the optical fiber 71 a via the wavelength guiding unit 72 and incident from the light incident side of the optical waveguide 85 is incident on the signal receiving unit 84 and then on the signal receiving unit 84. An electric signal 82 can be sent to the provided conductive portion 83. Further, the incident light 76 that has not entered the signal receiving section 84 is reflected by the light reflecting section 81 in the direction perpendicular to the optical waveguide 85 to become reflected light 75, passes through the recess 77 and the lens 72, and enters the optical fiber 71b. Incident.

次に、図18について、PC構造を用いた光導波路装置73cを説明する。   Next, an optical waveguide device 73c using a PC structure will be described with reference to FIG.

まず、図18(A)に示す構造では、直線状に配列されたPC構造90において、所定位置に線欠陥導波路89を設け、更に、PC結晶90からなる構造内の所定位置に、点欠陥共振器88a、88b、88c、88d、88e、88f及び88gをそれぞれ設けてある。   First, in the structure shown in FIG. 18A, a line defect waveguide 89 is provided at a predetermined position in a linearly arranged PC structure 90, and further, a point defect is formed at a predetermined position in the structure made of the PC crystal 90. Resonators 88a, 88b, 88c, 88d, 88e, 88f and 88g are provided, respectively.

そして、複数の波長の異なる光からなる入射光92が線欠陥導波路89の光入射側から入射すると、点欠陥共振器88a、88b、88c、88d、88e、88f及び88gから、それぞれの波長が異なる出射光87a、87b、87c、87d、87e、87f及び87gに分光される。   When incident light 92 composed of light having a plurality of different wavelengths is incident from the light incident side of the line defect waveguide 89, the wavelength of each of the point defect resonators 88a, 88b, 88c, 88d, 88e, 88f and 88g is changed. Different outgoing light beams 87a, 87b, 87c, 87d, 87e, 87f and 87g are split.

図18(B)に示す構造では、破線で示すヘテロ界面93を有する内面へテロ構造で結晶領域91aと結晶領域91bとに分割され、点欠陥共振器88a及び88bが領域91a及び91bのそれぞれの所定位置に設けられたPC構造90を構成する。なお、屈折率が比較的高い線欠陥導波路は極微小な光導波路であり、各点欠陥共振器はその欠陥面積を変化させることにより特定の波長の光を捕獲し、自由空間へドロップ(或いはアッド)するためのものである。なお、上記のPC構造部は比較的屈折率が低い。   In the structure shown in FIG. 18B, the inner surface heterostructure having a heterointerface 93 indicated by a broken line is divided into a crystal region 91a and a crystal region 91b, and point defect resonators 88a and 88b are respectively provided in the regions 91a and 91b. A PC structure 90 provided at a predetermined position is configured. A line defect waveguide having a relatively high refractive index is a very small optical waveguide, and each point defect resonator captures light of a specific wavelength by changing its defect area and drops it into free space (or To add). In addition, said PC structure part has a comparatively low refractive index.

ここで、複数の波長の異なる光からなる入射光92が線欠陥導波路89の光入射側から入射した後に、PC構造部90を介して各波長ごとに点欠陥共振器88a及び88bに達し、ここからそれぞれ波長が異なる出射光87a及び87bとして出射する。   Here, after incident light 92 composed of light having a plurality of different wavelengths enters from the light incident side of the line defect waveguide 89, it reaches the point defect resonators 88a and 88b for each wavelength through the PC structure 90, From here, it radiate | emits as the emitted light 87a and 87b from which a wavelength differs, respectively.

日経エレクトロニクス、”光配線との遭遇”、2001年12月3日, p.122〜125, 図4〜7Nikkei Electronics, “Encounter with Optical Wiring”, December 3, 2001, p.122-125, Fig.4-7 安藤泰博、”光インタコネクション技術の動向と次世代装置実装技術”、NTT R&D, Vol.48, No.3, p.271-280(1999)Yasuhiro Ando, “Trends in Optical Interconnection Technology and Next-Generation Device Mounting Technology”, NTT R & D, Vol.48, No.3, p.271-280 (1999) WO 2004/010192 A2(第7頁15行目〜第8頁20行目、FIG.1)WO 2004/010192 A2 (page 7, line 15 to page 8, line 20, FIG. 1)

ここで、上述の図17に示したSOI構造の光導波路装置73bにおいては、光導波路85中に信号受信部84が存在するために、この信号受信部84に入射光76の大部分が入射して、光伝搬方向において後段に位置する光反射部81に光を十分に伝搬させ難くなり、結果として光ファイバ71に十分な量の光を送り難くなる恐れがある。   Here, in the optical waveguide device 73b having the SOI structure shown in FIG. 17 described above, since the signal receiving unit 84 exists in the optical waveguide 85, most of the incident light 76 is incident on the signal receiving unit 84. Therefore, it is difficult to sufficiently propagate the light to the light reflecting portion 81 located in the subsequent stage in the light propagation direction, and as a result, it may be difficult to send a sufficient amount of light to the optical fiber 71.

また、上述の図18に示したPC構造の光導波路装置73cにおいては、垂直導波は可能であるものの、所望の結晶配列を形成し、所望の位置や大きさに線欠陥及び点欠陥を形成するには、高度な技術が必要であり、それらの形成が困難である。   Further, in the optical waveguide device 73c having the PC structure shown in FIG. 18 described above, although vertical waveguide is possible, a desired crystal arrangement is formed, and a line defect and a point defect are formed at a desired position and size. To do so, advanced techniques are required and their formation is difficult.

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、光導波路内を十分に光を伝搬させ、光路変換による例えば光検出を行うことができ、作製も容易な光導波装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical waveguide device that can sufficiently propagate light in an optical waveguide, perform optical detection, for example, by optical path conversion, and can be easily manufactured. Is to provide.

即ち、本発明は、光入射部から光出射部へ光を導く光導波路と、前記光導波路の外面に接して設けられた光電変換素子と、前記光導波路に内設された光反射部とを有し、前記光反射部によって前記光導波路と前記光電変換素子との間で光路変換が行われる、光導波装置に係わるものである。   That is, the present invention includes an optical waveguide that guides light from a light incident portion to a light emitting portion, a photoelectric conversion element provided in contact with the outer surface of the optical waveguide, and a light reflecting portion provided in the optical waveguide. And an optical waveguide device in which optical path conversion is performed between the optical waveguide and the photoelectric conversion element by the light reflecting portion.

本発明の光導波装置によれば、前記光電変換素子が前記光導波路の外面に接して設けられ、前記光導波路に内設された光反射部によって前記光導波路と前記光電変換素子との間で効率良く光路変換が行われるために、光導波路内で十分に光を伝搬させることができると共に、光路変換して前記光電変換素子と前記光導波路との間の光伝搬(光結合)を良好に行うことができる。   According to the optical waveguide device of the present invention, the photoelectric conversion element is provided in contact with the outer surface of the optical waveguide, and the light reflection unit provided in the optical waveguide causes the optical waveguide between the optical waveguide and the photoelectric conversion element. Since the optical path conversion is performed efficiently, the light can be sufficiently propagated in the optical waveguide, and the optical path is converted to improve the light propagation (optical coupling) between the photoelectric conversion element and the optical waveguide. It can be carried out.

また、従来から確立されている工程を用いてこの光導波装置を容易に作製することができる。   In addition, the optical waveguide device can be easily manufactured using a process established in the past.

本発明においては、前記光導波路への光入射と前記光反射部への光導波とを効率良くかつ容易に行う上で、前記光導波路に交差して配置された前記光入射部からの入射光が、前記光導波路に内設された光反射手段によって光路変換されて、少なくとも前記光反射部に導かれるのが望ましい。   In the present invention, in order to efficiently and easily perform light incident on the optical waveguide and optical waveguide on the light reflecting portion, incident light from the light incident portion arranged to intersect the optical waveguide. However, it is desirable that the optical path is changed by the light reflecting means provided in the optical waveguide and guided to at least the light reflecting portion.

また、前記光電変換素子、例えば入射光のモニタ用のフォトダイオードへの入射を十分な光量で行うには、前記光導波路を伝搬する前記入射光が、前記光反射部を介して前記光電変換素子に入射するのが望ましい。   Further, in order to make the incident light to the photoelectric conversion element, for example, a monitoring photodiode with a sufficient amount of light, the incident light propagating through the optical waveguide passes through the light reflecting portion and the photoelectric conversion element. It is desirable to be incident on the.

この場合に、前記光導波路の一部分が切除され、この切除部が低屈折率物質で充填されることによって、前記光反射部及び/又は前記光反射手段が構成されていると、反射率を向上させることができる。   In this case, when the light reflecting portion and / or the light reflecting means are configured by cutting off a part of the optical waveguide and filling the cut portion with a low refractive index material, the reflectance is improved. Can be made.

また、前記光反射部及び/又は前記光反射手段が、波長選択性のあるグレーティングとして構成されていると、前記光導波路内を伝搬する光の特定波長成分を反射させることができる。   Further, when the light reflecting section and / or the light reflecting means are configured as a grating having wavelength selectivity, a specific wavelength component of light propagating in the optical waveguide can be reflected.

特に、前記グレーティングによって、多重波長の入射信号光が選択若しくは分離され、前記光反射部を介して前記光電変換素子に特定波長光を入射することができ、前記光電変換素子が波長選択性(又は波長感度)のある場合に有利である。   In particular, incident light of multiple wavelengths is selected or separated by the grating, and specific wavelength light can be incident on the photoelectric conversion element via the light reflection unit, and the photoelectric conversion element is wavelength selective (or This is advantageous when there is wavelength sensitivity.

また、共通の前記光導波路に前記光反射手段を介して連設された複数の前記光入射部に対応して、光源がアレイ状に配置されている構造としてもよい。   Moreover, it is good also as a structure where the light source is arrange | positioned at array form corresponding to the said several light-incidence part provided in a row by the said light reflection means to the said common optical waveguide.

この場合に、前記光源アレイからの各出射光を効率良く前記光入射部に導くために、前記光源アレイからの各出射光が光収束手段により収束されて前記光入射部へ導かれるのが望ましい。   In this case, in order to efficiently guide each outgoing light from the light source array to the light incident part, it is desirable that each outgoing light from the light source array is converged by a light converging means and guided to the light incident part. .

また、前記光導波路が、第1及び第2の半導体基板間に挟持され、前記第1の半導体基板に前記光電変換素子及び半導体集積回路素子が組み込まれているのが望ましい。これによって、いわゆるSOI構造を用いて光導波装置を作製することができる。   Preferably, the optical waveguide is sandwiched between first and second semiconductor substrates, and the photoelectric conversion element and the semiconductor integrated circuit element are incorporated in the first semiconductor substrate. Thus, an optical waveguide device can be manufactured using a so-called SOI structure.

例えば、前記光導波路のコアが前記第1及び第2の半導体基板間の絶縁層(例えば一対のシリコン基板間のSiO2層)からなっていてよい。或いは、前記光導波路のコアが前記第1の光半導体基板側の不純物ドープの半導体層(例えばゲルマニウムドープのシリコン層)からなっていてもよい。 For example, the core of the optical waveguide may be composed of an insulating layer between the first and second semiconductor substrates (for example, a SiO 2 layer between a pair of silicon substrates). Alternatively, the core of the optical waveguide may be formed of an impurity-doped semiconductor layer (for example, a germanium-doped silicon layer) on the first optical semiconductor substrate side.

次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的かつ詳細に説明する。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described specifically and in detail with reference to the drawings.

第1の実施の形態
図1〜図3は、本発明の第1の実施の形態を示すものである。
First Embodiment FIGS. 1 to 3 show a first embodiment of the present invention.

まず、図1(A)に示すように、孔部10(光入射部)から入射する光を導く本実施の形態による光導波装置23aの構造によれば、孔部8を有するベース基板となるシリコン等の半導体基板7(第2の半導体基板)上に、断面ほぼ直角三角形で45°の反射面5を有する光反射部の複数個、及び断面二等辺三角形又は楔形で45°の反射ミラー9を有する光反射手段を内設する酸化膜3が光導波路21aを形成しており、この光導波路21a上に、複数の受光部2(フォトダイオード等の光電変換素子)、バイポーラトランジスタ12及びMOSトランジスタ13等の半導体集積回路素子が作り込まれかつ孔部10が光入射部として形成されたシリコン等の半導体層1(第1の半導体基板)が接合されていて、SOI基板を用いた光電複合素子を構成している。   First, as shown in FIG. 1A, according to the structure of the optical waveguide device 23a according to the present embodiment that guides light incident from the hole 10 (light incident part), the base substrate having the hole 8 is obtained. On a semiconductor substrate 7 (second semiconductor substrate) made of silicon or the like, a plurality of light reflecting portions having a reflecting surface 5 with a substantially right triangle cross section and 45 °, and a reflecting mirror 9 with a 45 ° isosceles triangle or wedge shape cross section. An oxide film 3 having a light reflecting means having an optical waveguide 21a is formed on the optical waveguide 21a. A plurality of light receiving portions 2 (photoelectric conversion elements such as photodiodes), bipolar transistors 12 and MOS transistors are formed on the optical waveguide 21a. Photoelectric composite element using an SOI substrate in which a semiconductor layer 1 (first semiconductor substrate) such as silicon in which a semiconductor integrated circuit element such as 13 is formed and a hole portion 10 is formed as a light incident portion is bonded. Constitutes a child.

フォトデティクタとしての複数の受光部2は光導波路21aの内面において光導波路21aに接して設けられており、これらの受光部2の受光面に対向した位置に複数の光反射面5がそれぞれ設けられている。そして、孔部10、ミラー9及び孔部8が同軸上で光導波路に直交(交差)するように配置され、ここで、ミラー9の位置を変更することにより光導波路21a内を図面左及び右方向に分岐して伝搬する光の分布を制御することができるようにしてある。   A plurality of light receiving portions 2 as photo detectors are provided in contact with the optical waveguide 21a on the inner surface of the optical waveguide 21a, and a plurality of light reflecting surfaces 5 are provided at positions facing the light receiving surfaces of the light receiving portions 2, respectively. It has been. The hole 10, the mirror 9, and the hole 8 are coaxially arranged so as to be orthogonal (intersect) with the optical waveguide. By changing the position of the mirror 9, the inside of the optical waveguide 21a is changed to the left and right in the drawing. The distribution of light branched and propagating in the direction can be controlled.

本実施の形態においては、光導波路21aに対して垂直方向に形成された孔部10から入射する入射光11が、図中の矢印で示すように、光導波路21aに内設された光拡散ミラーとしてのミラー9によって水平方向に2つの光路に光路変換されて、少なくともその1つの光路が複数の光反射面5の存在する方向に伝搬する。この場合に、光導波路21aを伝搬する入射光11の大部分は、そのまま光導波路21a内を引き続き伝搬して出射されるが、入射光11の一部はそれぞれの光反射面5で90°反射されて対応するそれぞれの受光部2に垂直方向に同時に入射し、その各光量が検出され、光導波路21aへの入射光11のモニタ用としてそれぞれ用いることができる。   In the present embodiment, as shown by an arrow in the drawing, incident light 11 incident from a hole 10 formed in a direction perpendicular to the optical waveguide 21a is a light diffusion mirror provided in the optical waveguide 21a. The optical path is converted into two optical paths in the horizontal direction by the mirror 9, and at least one of the optical paths propagates in the direction in which the plurality of light reflecting surfaces 5 exist. In this case, most of the incident light 11 propagating through the optical waveguide 21a continues to propagate through the optical waveguide 21a and is emitted, but a part of the incident light 11 is reflected by 90 ° on the respective light reflecting surfaces 5. Then, the light beams are simultaneously incident on the corresponding light receiving portions 2 in the vertical direction, and the respective light amounts are detected and can be used for monitoring the incident light 11 to the optical waveguide 21a.

また、図1(B)には別の光導波路構造を示すが、不純物(例えばゲルマニウム)をドープしたシリコン等の半導体層6からなる高屈折率の光導波層21aが、SiO2等の酸化膜3Aを介して基板7と接合されている。不純物(例えばゲルマニウム)をドープしたコア6は、クラッドとしての基板1及び酸化膜3Aよりも屈折率が高いものとする。 FIG. 1B shows another optical waveguide structure. An optical waveguide layer 21a having a high refractive index made of a semiconductor layer 6 such as silicon doped with an impurity (eg, germanium) is an oxide film such as SiO 2. It is joined to the substrate 7 through 3A. The core 6 doped with an impurity (eg, germanium) has a higher refractive index than the substrate 1 and the oxide film 3A as the cladding.

次に、図2〜図3について、光導波装置23aの作製工程の例を順次説明する。   Next, an example of a manufacturing process of the optical waveguide device 23a will be sequentially described with reference to FIGS.

まず、図2(a)に示すシリコン基板1の表面に、図2(b)に示すように、受光部2となるフォトデティクタ(PD)を常法によって複数設ける(図1(B)の光導波路の場合には、一点破線で示すように、後述の酸化膜材3aの替わりに不純物ドープの半導体層6を形成する)。   First, as shown in FIG. 2 (b), a plurality of photodetectors (PD) to be the light receiving portions 2 are provided on the surface of the silicon substrate 1 shown in FIG. 2 (a) by a conventional method (see FIG. 1 (B)). In the case of an optical waveguide, an impurity-doped semiconductor layer 6 is formed instead of the oxide film material 3a described later, as indicated by a dashed line).

次に、図2(c)に示すように、受光部2を含めた全面を覆うようにして基板1上に酸化膜材3aを形成する。例えば、SiO2膜を化学気相成長法(CVD)によって形成することができる。 Next, as shown in FIG. 2C, an oxide film material 3 a is formed on the substrate 1 so as to cover the entire surface including the light receiving portion 2. For example, the SiO 2 film can be formed by chemical vapor deposition (CVD).

次に、図2(d)に示すように、酸化膜材3a上にレジスト4を塗布形成する。   Next, as shown in FIG. 2D, a resist 4 is applied and formed on the oxide film material 3a.

次に、図2(e)に示すように、光反射面5を形成するための凹部5aを、受光部2に対応する位置において、レジスト4に形成する。この凹部5aは、3次元露光及び現像によって形成する。   Next, as shown in FIG. 2E, a recess 5 a for forming the light reflecting surface 5 is formed in the resist 4 at a position corresponding to the light receiving unit 2. The recess 5a is formed by three-dimensional exposure and development.

次に、図2(f)に示すように、表面からドライエッチング(リアクティブイオンエッチング:RIE)を行うことによって、レジスト4が除去されつつこの凹部5aがそのまま保持されて酸化膜材3aもエッチングされ、酸化膜材3aに凹部5aを形成して、酸化膜3とする。   Next, as shown in FIG. 2F, by performing dry etching (reactive ion etching: RIE) from the surface, the resist 4 is removed and the recess 5a is held as it is, and the oxide film material 3a is also etched. Then, the recess 5 a is formed in the oxide film material 3 a to form the oxide film 3.

次に、図3(g)に示すように、酸化膜3とは異なる屈折率を有するSiO2(低屈折率物質)を酸化膜3上に塗布又はデポすることによって光反射面材5bを形成する。 Next, as shown in FIG. 3G, SiO 2 (low refractive index substance) having a refractive index different from that of the oxide film 3 is applied or deposited on the oxide film 3 to form a light reflecting surface material 5b. To do.

次に、図3(h)に示すように、光反射面材5bを上面側から化学機械研磨法(CMP)によって酸化膜3の表面が露出するまで研磨し、平坦化する。これによって、凹部5aに低屈折率の光反射材を埋め込み、光反射面5を形成する。   Next, as shown in FIG. 3H, the light reflecting surface material 5b is polished and planarized from the upper surface side by chemical mechanical polishing (CMP) until the surface of the oxide film 3 is exposed. As a result, the light reflecting surface 5 is formed by embedding the light reflecting material having a low refractive index in the recess 5a.

次に、図3(i)に示すように(図では上下を逆にしてある。)、酸化膜3の露出面上にシリコン基板7を接合することによって、SOI構造を形成する。   Next, as shown in FIG. 3I (upside down in the figure), an SOI structure is formed by bonding a silicon substrate 7 on the exposed surface of the oxide film 3.

次に、図3(j)に示すように、信号受信部2とは反対側から化学機械研磨法(CMP)によって所定の厚さに基板1を研磨する。   Next, as shown in FIG. 3 (j), the substrate 1 is polished to a predetermined thickness by a chemical mechanical polishing method (CMP) from the side opposite to the signal receiving unit 2.

次に、図3(k)に示すように、バイポーラトランジスタ12及びMOSトランジスタ13等の半導体集積回路素子を常法に従って基板1に形成する。   Next, as shown in FIG. 3K, semiconductor integrated circuit elements such as the bipolar transistor 12 and the MOS transistor 13 are formed on the substrate 1 according to a conventional method.

次に、基板7の所定箇所を貫通して、ウェットエッチング用の孔部8を、レジストをマスクとした選択性ドライエッチングによって形成する。   Next, a hole 8 for wet etching is formed through a predetermined portion of the substrate 7 by selective dry etching using a resist as a mask.

更に、孔部8を介して、例えば、DHF(希フッ酸:例えば、濃度0.5%)へのディッピングによりSiO2の等方エッチングを行うことによって、SiO2膜3内に孔部8と連設された断面二等辺三角形の反射ミラー9を形成する。 Further, by performing isotropic etching of SiO 2 by dipping into DHF (dilute hydrofluoric acid: for example, concentration 0.5%) through the hole 8, the hole 8 and the hole 8 are formed in the SiO 2 film 3. The reflection mirror 9 having an isosceles triangle cross section that is continuously provided is formed.

次に、図1(A)に示したように、ミラー9に対応した基板1の部分を貫通して、光導入用の孔部10をレジストマスクによる選択性ドライエッチングによって垂直方向に形成する。こうして、光導波装置23aの作製工程を終了する。   Next, as shown in FIG. 1A, a hole 10 for introducing light is formed in the vertical direction by selective dry etching using a resist mask through the portion of the substrate 1 corresponding to the mirror 9. Thus, the manufacturing process of the optical waveguide device 23a is completed.

本実施の形態による光導波装置23aによれば、モニタ用の受光部2が光導波路21aの外面に接して設けられ、光導波路21aに内設された光反射部5によって、光導波路21aから受光部2への入射光の一部を反射して光路変換を行えるために、光導波路21a内において効率良く光を伝搬させながら光検出を行うことができる。モニタ以外の光は、光導波路21aの光出射端から出射され、信号光として取り出せる。   According to the optical waveguide device 23a according to the present embodiment, the monitoring light receiving section 2 is provided in contact with the outer surface of the optical waveguide 21a, and is received from the optical waveguide 21a by the light reflecting section 5 provided in the optical waveguide 21a. Since the optical path can be changed by reflecting a part of the incident light to the portion 2, it is possible to detect light while efficiently propagating the light in the optical waveguide 21a. Light other than the monitor is emitted from the light exit end of the optical waveguide 21a and can be extracted as signal light.

また、この光導波装置23aは、従来のSOI構造の作製工程と同様の工程を基本的に変更することなしに作製でき、SiO2膜からなる光導波路21aに光反射部5及び光反射部5及び光反射手段9を、基板1にフォトディテクタ2を作り込むだけで容易に作製することができる。 Further, the optical waveguide device 23a can be manufactured without fundamentally changing the same process as the manufacturing process of the conventional SOI structure, and the light reflecting part 5 and the light reflecting part 5 are added to the optical waveguide 21a made of the SiO 2 film. In addition, the light reflecting means 9 can be easily manufactured simply by forming the photodetector 2 on the substrate 1.

第2の実施の形態
図4〜図5は、本発明の第2の実施の形態を示すものである。
Second Embodiment FIGS. 4 to 5 show a second embodiment of the present invention.

本実施の形態における光導波装置23bにおいては、図4に示すように、上記した複数の光反射面5の替わりに、基板7に垂直に貫通した孔部8に連設した複数のミラー9が受光部2に対応して酸化膜3に内設されていること以外は、上述の第1の実施の形態と基本的に同様である。   In the optical waveguide device 23b according to the present embodiment, as shown in FIG. 4, a plurality of mirrors 9 connected to a hole portion 8 penetrating perpendicularly to the substrate 7 are provided instead of the plurality of light reflecting surfaces 5 described above. This is basically the same as the above-described first embodiment except that it is provided in the oxide film 3 corresponding to the light receiving unit 2.

本実施の形態においては、図中の矢印で示すように、光導波路21aの端面から水平方向に入射する入射光11が複数のミラー9の存在する方向に伝搬する。そして、光導波路21aを伝搬する入射光11の大部分はそのまま光導波路21a内を伝搬して光出射端に達するが、入射光11の一部は、それぞれのミラー9の45°反射面を介して、対応するそれぞれの受光部2に垂直方向に同時入射し、検出される。   In the present embodiment, as indicated by the arrows in the figure, incident light 11 incident in the horizontal direction from the end face of the optical waveguide 21a propagates in the direction in which the plurality of mirrors 9 exist. And most of the incident light 11 propagating in the optical waveguide 21a propagates in the optical waveguide 21a as it is to reach the light exit end, but a part of the incident light 11 passes through the 45 ° reflection surface of each mirror 9. Thus, the light is incident on the corresponding light receiving portions 2 simultaneously in the vertical direction and detected.

このような光導波装置23bを作製するには、図5(a)に示すように、基板1上に複数の受光部2と酸化膜3とを上述したと同様に形成した後に、図5(b)〜図5(c)に示すように、上述の図3(i)〜図3(j)と同様の工程を行い、SOI構造を形成する。   In order to manufacture such an optical waveguide device 23b, as shown in FIG. 5A, a plurality of light receiving portions 2 and an oxide film 3 are formed on the substrate 1 in the same manner as described above. As shown in FIGS. 5B to 5C, the same steps as those in FIGS. 3I to 3J are performed to form an SOI structure.

次に、図5(d)に示すように、上述したと同様に、各受光部2に対応して、基板7に孔部8をそれぞれ設け、更に、この孔部8に面した酸化膜3内にミラー9を形成して、光導波装置23bの作製工程を終了する。   Next, as shown in FIG. 5D, similarly to the above, holes 8 are provided in the substrate 7 corresponding to the respective light receiving portions 2, and the oxide film 3 facing the holes 8 is further provided. The mirror 9 is formed inside, and the manufacturing process of the optical waveguide device 23b is completed.

本実施の形態においても、上述した第1の実施の形態と同様に、光導波路21b内を効率良く光を伝播し、モニタを行える等の作用及び効果を得ることができる。   Also in the present embodiment, similar to the above-described first embodiment, it is possible to obtain an operation and an effect such that light can be efficiently propagated through the optical waveguide 21b and monitoring can be performed.

第3の実施の形態
図6〜図8は、本発明の第3の実施の形態を示すものである。
Third Embodiment FIGS. 6 to 8 show a third embodiment of the present invention.

本実施の形態による光導波装置23cにおいては、図6に示すように、上述したミラー5、9の替わりに、グレーティング(45°反射面を有する凹凸形状のサイズやピッチ等により所望の波長光を反射できるもの)が光導波路21c内に複数箇所に設けられている。これらの複数のグレーティングのうち、光入射部では左右に光反射するグレーティング35が設けられ、またそれぞれが異なる波長光を選択して反射する凹凸形状の異なるグレーティング15及びグレーティング25が複数の受光部2にそれぞれ対応して内設されていること以外は、上述の第1の実施の形態と基本的に同様である。   In the optical waveguide device 23c according to the present embodiment, as shown in FIG. 6, instead of the above-described mirrors 5 and 9, a desired wavelength of light is emitted by a grating (size or pitch of a concavo-convex shape having a 45 ° reflection surface). Are provided in a plurality of locations in the optical waveguide 21c. Among these multiple gratings, the light incident part is provided with a grating 35 that reflects light to the left and right, and the gratings 15 and the gratings 25 having different concavo-convex shapes that select and reflect different wavelength lights are provided to the plurality of light receiving parts 2. Are basically the same as those of the first embodiment described above except that they are provided corresponding to the above.

本実施の形態においては、光導波路21cに直交して配置された孔部10を介して垂直方向に入射する多重波長の入射光(入射信号光)11のうち所望の信号光のみが、図中の矢印で示すように、光導波路21cに内設されたグレーティング35によって水平方向に2つに分離され、グレーティング15及びグレーティング25の存在する方向に光導波路21c内を伝搬する。   In the present embodiment, only desired signal light among the multiple wavelength incident light (incident signal light) 11 incident in the vertical direction through the hole 10 arranged orthogonal to the optical waveguide 21c is shown in the figure. As indicated by the arrows, the light is separated into two in the horizontal direction by a grating 35 provided in the optical waveguide 21c, and propagates in the optical waveguide 21c in the direction in which the grating 15 and the grating 25 exist.

そして、光導波路21c内を伝搬する多重波長光の大部分はそのまま光導波路21c内を伝搬して光出射端から出射されるが、その多重波長光の一部は、それぞれが異なる波長光を選択的に反射するグレーティング15及びグレーティング25を介して、異なる波長光として対応するそれぞれの各受光部2に垂直方向に同時入射し、検出される。   Then, most of the multi-wavelength light propagating in the optical waveguide 21c propagates in the optical waveguide 21c as it is and is emitted from the light emitting end, but part of the multi-wavelength light selects different wavelength light. Through the grating 15 and the grating 25, which are reflected on each other, they are simultaneously incident in the vertical direction on the respective light receiving sections 2 corresponding to different wavelength lights and detected.

このような光導波装置23cを作製工程するには、図7(a)に示すように、上述の図2(a)〜図2(d)と同様の工程を経て、基板1上に複数の受光部2、酸化膜材3a及びレジスト4を形成した後に、図7(b)〜図7(c)に示すように、上述したエッチングによってレジスト4上の所定位置に凹部15a、凹部25a及び凹部35aを形成し、続けてRIEによって酸化膜3上に凹部15a、凹部25a及び凹部35aを形成する。その後、図7(d)に示すように、凹部15a、凹部25a及び凹部35aを含む全面にグレーティング材15bを形成する。   In order to manufacture such an optical waveguide device 23c, as shown in FIG. 7A, a plurality of processes are performed on the substrate 1 through the same processes as those shown in FIGS. 2A to 2D. After the light receiving portion 2, the oxide film material 3a, and the resist 4 are formed, as shown in FIGS. Next, a recess 15a, a recess 25a, and a recess 35a are formed on the oxide film 3 by RIE. Thereafter, as shown in FIG. 7D, a grating material 15b is formed on the entire surface including the recess 15a, the recess 25a, and the recess 35a.

次に、図7(e)〜図8(g)に示すように、上述の図3(g)〜図3(j)と同様の工程を経て、基板1を研削し、基板7を接合したSOI構造を形成する。この構造において、グレーティング15、グレーティング25及びグレーティング35を酸化膜3内のそれぞれの所定位置に形成する。   Next, as shown in FIGS. 7 (e) to 8 (g), the substrate 1 is ground and the substrate 7 is bonded through the same steps as in FIGS. 3 (g) to 3 (j) described above. An SOI structure is formed. In this structure, the grating 15, the grating 25, and the grating 35 are formed at predetermined positions in the oxide film 3, respectively.

次に、図8(h)に示すように、基板1に各トランジスタ12及び13等の集積回路素子を形成し、更に、図6に示したように、次に、グレーティング35の上部において基板1に孔部10を形成して、光導波装置23cの作製工程を終了する。   Next, as shown in FIG. 8 (h), integrated circuit elements such as the transistors 12 and 13 are formed on the substrate 1, and then, as shown in FIG. Then, the hole 10 is formed, and the manufacturing process of the optical waveguide device 23c is completed.

本実施の形態によれば、入射光のうち所望の多重波長信号光(WDM)を選択的に導入した後、それぞれの受光部2に対応するグレーティング15及び25によって、その多重波長信号光を自在に分波し、受光することが可能となる。   According to the present embodiment, after selectively introducing desired multi-wavelength signal light (WDM) from incident light, the multi-wavelength signal light can be freely transmitted by the gratings 15 and 25 corresponding to the respective light receiving units 2. To receive light.

その他、本実施の形態においては、上述した第1の実施の形態と同様の作用及び効果を得ることができる。   In addition, in the present embodiment, the same operations and effects as those of the first embodiment described above can be obtained.

第4の実施の形態
図9〜図11は、本発明の第4の実施の形態を示すものである。
Fourth Embodiment FIGS. 9 to 11 show a fourth embodiment of the present invention.

本実施の形態による光導波装置23dにおいては、図9に示すように、孔部10及びグレーティング35が存在しない光導波路21dを具備すること以外は、上述の第3の実施の形態と基本的に同様である。   As shown in FIG. 9, the optical waveguide device 23d according to the present embodiment is basically the same as the third embodiment described above except that the optical waveguide 21d does not include the hole 10 and the grating 35. It is the same.

本実施の形態においては、光導波路21dにその端部から水平方向に入射する入射光11(多重波長光)が、図中の矢印で示すように、グレーティング15及びグレーティング25の存在する方向に伝搬する。そして、光導波路21d内を伝搬する多重波長光の大部分はそのまま光導波路21d内を伝搬して光出射端に達するが、多重波長光の一部は、それぞれが異なる波長光を反射するグレーティング15及びグレーティング25を介して、異なる波長光として対応するそれぞれの受光部2に垂直方向に同時入射して検出される。   In the present embodiment, incident light 11 (multiple wavelength light) that enters the optical waveguide 21d in the horizontal direction from the end thereof propagates in the direction in which the grating 15 and the grating 25 exist, as indicated by arrows in the figure. To do. Most of the multi-wavelength light propagating in the optical waveguide 21d propagates in the optical waveguide 21d as it is to reach the light emitting end, but part of the multi-wavelength light reflects the different wavelength light in the grating 15. Then, the light is incident on the respective light receiving units 2 corresponding to different wavelength lights simultaneously in the vertical direction through the grating 25 and detected.

このような光導波路装置23dを作製するには、図10(a)〜図11(g)に示すように、孔部10及びグレーティング35を設けないこと以外は、上述の図7(a)〜図8(g)と同様の作製工程を経て、酸化膜3(光導波路21d)内にグレーティング15及びグレーティング25を形成する。   In order to manufacture such an optical waveguide device 23d, as shown in FIGS. 10A to 11G, except that the hole 10 and the grating 35 are not provided, the above-described FIGS. The grating 15 and the grating 25 are formed in the oxide film 3 (optical waveguide 21d) through the same manufacturing process as that in FIG.

次に、基板1上に各トランジスタ12及び13等の半導体集積回路素子を形成して、光導波装置23dの作製工程を終了する。   Next, semiconductor integrated circuit elements such as the transistors 12 and 13 are formed on the substrate 1, and the manufacturing process of the optical waveguide device 23d is completed.

本実施の形態においては、上述した第1及び第3の実施の形態と同様の作用及び効果を得ることができる。   In the present embodiment, the same operations and effects as those in the first and third embodiments described above can be obtained.

第5の実施の形態
図12〜図14は、本発明の第5の実施の形態を示すものである。
Fifth Embodiment FIGS. 12 to 14 show a fifth embodiment of the present invention.

本実施の形態による光導波装置23eにおいては、図12に示すように、上述した第1の実施の形態と同様に孔部10、孔部8及びミラー9が光入射部の所定位置に形成されている光導波路21eを具備すること以外は、上記の第3の実施の形態と基本的に同様である。   In the optical waveguide device 23e according to the present embodiment, as shown in FIG. 12, the hole 10, the hole 8, and the mirror 9 are formed at predetermined positions of the light incident portion, as in the first embodiment described above. This is basically the same as the third embodiment except that the optical waveguide 21e is provided.

本実施の形態においては、光導波路21eに直交して形成された孔部10を介して垂直方向に入射する多重波長の入射光11が、図中の矢印で示すように、光導波路21cに内設されたミラー9によって水平方向に2つの光路に光路変換された所望の多重波長光(入射光)が、グレーティング15及びグレーティング25の存在する方向に光導波路21c内を伝搬する。そして、光導波路21e内を伝搬する多重波長光の大部分はそのまま光導波路21e内を伝搬して光出射端に達するが、その多重波長光の一部は、それぞれが異なる波長光を選択的に反射するグレーティング15及びグレーティング25を介して、異なる波長光として対応するそれぞれの受光部2に垂直方向に同時入射して検出される。   In the present embodiment, multiple-wavelength incident light 11 incident in the vertical direction through the hole 10 formed orthogonal to the optical waveguide 21e is incident on the optical waveguide 21c as indicated by arrows in the figure. Desired multi-wavelength light (incident light) that has been optically path-converted into two optical paths by the provided mirror 9 propagates in the optical waveguide 21c in the direction in which the grating 15 and the grating 25 exist. And most of the multi-wavelength light propagating in the optical waveguide 21e propagates in the optical waveguide 21e as it is and reaches the light emitting end, but part of the multi-wavelength light selectively selects light of different wavelengths. Through the reflecting grating 15 and the grating 25, the light is incident on the respective light receiving sections 2 corresponding to different wavelength lights simultaneously in the vertical direction and detected.

このような光導波装置23eの作製工程については、図13(a)〜図14(g)に示すように、上述の図10(a)〜図11(g)と同様の工程を経て、グレーティング15及びグレーティング25を有する酸化膜3及び複数の受光部2を有するSOI構造を形成する。次に、図14(h)〜図14(i)に示すように、上述の図3(k)と同様に、各トランジスタ12及び13、孔部8並びにミラー9を形成する。次に、基板1に孔部10を形成して、光導波装置23eの作製工程を終了する。   As for the manufacturing process of such an optical waveguide device 23e, as shown in FIGS. 13A to 14G, the grating is processed through the same processes as those in FIGS. 10A to 11G described above. 15 and an SOI structure having an oxide film 3 having a grating 25 and a plurality of light receiving portions 2 are formed. Next, as shown in FIGS. 14H to 14I, the transistors 12 and 13, the hole 8 and the mirror 9 are formed in the same manner as in FIG. 3K described above. Next, the hole 10 is formed in the substrate 1, and the manufacturing process of the optical waveguide device 23e is completed.

本実施の形態においては、上述した第1及び第3の実施の形態と同様の作用及び効果を得ることができる。   In the present embodiment, the same operations and effects as those in the first and third embodiments described above can be obtained.

第6の実施の形態
図15は、本発明の第6の実施の形態を示すものである。
Sixth Embodiment FIG. 15 shows a sixth embodiment of the present invention.

本実施の形態による光導波装置23fにおいては、図15(A)に示すように、集積回路素子と接続された導電プラグ16及び17からなる配線層を設けた絶縁層19が基板1上に設けられ、アレイ状に配置された垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)18を有する基板22が絶縁層19上に対向配置され、光入射部に孔部10及びグレーティング35がそれぞれ各レーザ18に対応して光導波路21fに形成されていること以外は、上述の第3の実施の形態と基本的に同様である。   In the optical waveguide device 23f according to the present embodiment, as shown in FIG. 15A, an insulating layer 19 provided with a wiring layer composed of conductive plugs 16 and 17 connected to an integrated circuit element is provided on the substrate 1. The substrate 22 having the vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL) 18 arranged in an array is disposed on the insulating layer 19 so that the hole 10 and the grating 35 correspond to the lasers 18 in the light incident part. The third embodiment is basically the same as the third embodiment except that it is formed in the optical waveguide 21f.

本実施の形態においては、光導波路21fに直交して形成された複数の孔部10を介して各レーザ光源18から垂直方向に入射する多重波長の入射光(入射信号光)11が、図中の矢印で示すように、光導波路21fに内設された各グレーティング35によって、水平方向に2つに分離され、所望の多重波長光が、45°反射面を有する断面二等辺三角形の各光反射部5の存在する方向に伝搬する。そして、多重波長光の一部は、それぞれの光反射面5を介してそれぞれの受光部2に垂直方向に同時入射して検出される。この場合、各受光部2へは、複数又は複数種の波長光が入射し、また、複数または複数種の信号光が光導波路21fから出射されることがある。   In the present embodiment, multi-wavelength incident light (incident signal light) 11 incident in the vertical direction from each laser light source 18 through a plurality of holes 10 formed orthogonal to the optical waveguide 21f is shown in the figure. As shown by the arrows in FIG. 4, each grating 35 provided in the optical waveguide 21f separates the light in two in the horizontal direction so that the desired multi-wavelength light has an isosceles triangle cross section having a 45 ° reflecting surface. It propagates in the direction in which the part 5 exists. A part of the multi-wavelength light is simultaneously detected in the vertical direction on each light receiving unit 2 via each light reflection surface 5 and detected. In this case, a plurality of or a plurality of types of wavelength light may enter each light receiving unit 2, and a plurality of or a plurality of types of signal light may be emitted from the optical waveguide 21f.

ここで、VCSEL18(又は光ファイバー等)からの入射光11は、ある程度の広がりを持って孔部10に進入するため、これを高効率で基板1内に導入するためには、プラグ16及び17を設けた絶縁層19上の導入部には干渉物を設けず、孔部10を拡大することが望ましい。   Here, since the incident light 11 from the VCSEL 18 (or an optical fiber or the like) enters the hole 10 with a certain extent, in order to introduce it into the substrate 1 with high efficiency, plugs 16 and 17 are used. It is desirable to enlarge the hole 10 without providing any interference in the introduction part on the provided insulating layer 19.

しかし、図15(B)に示すように、絶縁層19の上部において、透明基板40にマイクロレンズ20(光収束手段)をアレイ状に固定するか、或いは、絶縁層19に直接設ける(図示せず)ことにより、光源からの入射光11の光束を小径化(収束)して導入することができる。これにより、孔部10を縮小しても十分に光入射を行えるため、絶縁層19に設ける配線16、17や回路素子の高集積化が可能となる。   However, as shown in FIG. 15B, the microlenses 20 (light focusing means) are fixed to the transparent substrate 40 in the form of an array on the insulating layer 19 or directly provided on the insulating layer 19 (not shown). Therefore, the light beam of the incident light 11 from the light source can be introduced with a reduced diameter (convergence). Thereby, even if the hole 10 is reduced, sufficient light incidence can be performed, so that the wirings 16 and 17 and circuit elements provided in the insulating layer 19 can be highly integrated.

その他、本実施の形態においては、上述した第1及び第3の実施の形態と同様の作用及び効果を得ることができる。   In addition, in the present embodiment, the same operations and effects as those in the first and third embodiments described above can be obtained.

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these examples at all, and can be suitably changed in the range which does not deviate from the main point of invention.

例えば、受光部2の受光面側に反射防止(AR)コーティング(反射防止膜)を施して低損失化してもよいし、光入射部以外に無反射コーティング又は金属遮光膜を形成してもよい。   For example, an antireflection (AR) coating (antireflection film) may be applied to the light receiving surface side of the light receiving unit 2 to reduce the loss, or a nonreflective coating or a metal light shielding film may be formed in addition to the light incident unit. .

また、光源を光導波路内に設けてよいし、ミラー9等の反射面にメタルコーティングして反射効率を高めてよい。また、ミラー9等は、エッチング以外にも機械加工等で形成してよい。   Further, the light source may be provided in the optical waveguide, or the reflection surface such as the mirror 9 may be metal-coated to improve the reflection efficiency. The mirror 9 and the like may be formed by machining or the like other than etching.

また、グレーティング35の替わりに、デフューザレンズ又はフォトニック結晶等を用いてもよい。   Further, instead of the grating 35, a diffuser lens or a photonic crystal may be used.

また、上述の受光部2の配置や種類、光反射部5、グレーティング15、25及び35、ミラー9並びに孔部10等の材質、形状、形成位置、個数、形成方法等は、種々に変更することができる。   In addition, the arrangement and type of the light receiving section 2 described above, the light reflecting section 5, the gratings 15, 25 and 35, the mirror 9, the hole 10 and the like, the material, shape, forming positions, number, forming method, and the like are variously changed. be able to.

なお、上述の受光部2の代りに同じ位置に発光素子を設け、この発光光を光反射部で光路変換して光導波路内を導いてもよい。また、上述した如きSOI構造を用いないで、同様の光導波装置を作製することもできる。   Note that a light emitting element may be provided at the same position instead of the light receiving unit 2 described above, and the light path of the emitted light may be converted by the light reflecting unit to be guided in the optical waveguide. Also, a similar optical waveguide device can be manufactured without using the SOI structure as described above.

本発明の光導波装置は、電子機器間、電子機器内のボード間、とりわけボード内の半導体チップ間等の種々の箇所に適用可能な、例えば光配線システムとして好適であり、高速、高密度、低コストの光伝送・光通信システムを構築するのに寄与することができる。これ以外にも、光源等の選択によりディスプレイ用などにも適用可能である。   The optical waveguide device of the present invention can be applied to various places such as between electronic devices, between boards in an electronic device, particularly between semiconductor chips in a board, and is suitable as an optical wiring system, for example, at high speed, high density, This can contribute to the construction of a low-cost optical transmission / optical communication system. In addition to this, the present invention can also be applied to a display or the like by selecting a light source or the like.

本発明の第1の実施の形態による光導波装置の断面図(A)、及び別の光導波路の部分断面図(B)である。FIG. 4 is a cross-sectional view (A) of the optical waveguide device according to the first embodiment of the present invention and a partial cross-sectional view (B) of another optical waveguide. 同、光導波装置の作製工程を順次示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view sequentially showing the manufacturing steps of the optical waveguide device. 同、光導波装置の作製工程を順次示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view sequentially showing the manufacturing steps of the optical waveguide device. 本発明の第2の実施の形態による光導波装置の断面図である。It is sectional drawing of the optical waveguide device by the 2nd Embodiment of this invention. 同、光導波装置の作製工程を順次示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view sequentially showing the manufacturing steps of the optical waveguide device. 本発明の第3の実施の形態による光導波装置の断面図である。It is sectional drawing of the optical waveguide device by the 3rd Embodiment of this invention. 同、光導波装置の作製工程を順次示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view sequentially showing the manufacturing steps of the optical waveguide device. 同、光導波装置の作製工程を順次示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view sequentially showing the manufacturing steps of the optical waveguide device. 本発明の第4の実施の形態による光導波装置の断面図である。It is sectional drawing of the optical waveguide device by the 4th Embodiment of this invention. 同、光導波装置の作製工程を順次示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view sequentially showing the manufacturing steps of the optical waveguide device. 同、光導波装置の作製工程を順次示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view sequentially showing the manufacturing steps of the optical waveguide device. 本発明の第5の実施の形態による光導波装置の断面図である。It is sectional drawing of the optical waveguide device by the 5th Embodiment of this invention. 同、光導波装置の作製工程を順次示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view sequentially showing the manufacturing steps of the optical waveguide device. 同、光導波装置の作製工程を順次示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view sequentially showing the manufacturing steps of the optical waveguide device. 本発明の第6の実施の形態による光導波装置の断面図(A)及び(B)である。It is sectional drawing (A) and (B) of the optical waveguide device by the 6th Embodiment of this invention. 従来例による光導波装置の断面図である。It is sectional drawing of the optical waveguide device by a prior art example. 同、別の光導波装置の断面図である。It is sectional drawing of another optical waveguide device same as the above. 同、更に別の光導波装置の断面図である。It is sectional drawing of the same another optical waveguide apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1、7…半導体基板又は半導体層、2…受光部、3、3A…酸化膜、3a…酸化膜材、
4…レジスト、5…光反射面、5a、15a…凹部、5b…反射面材、
6…不純物ドープ層、8、10…孔部、9…ミラー、11…入射光、
12…バイポーラトランジスタ、13…MOSトランジスタ、
15、25、35…グレーティング、15b…グレーティング材、16、17…プラグ、
18…VCSEL(光源)、19…絶縁層、20…マイクロレンズ(アレイ)、
21a、21b、21c、21d、21e、21f…光導波路、
23a、23b、23c、23d、23e、23f…光導波装置、25a…凹部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 7 ... Semiconductor substrate or semiconductor layer, 2 ... Light-receiving part, 3, 3A ... Oxide film, 3a ... Oxide film material,
4 ... resist, 5 ... light reflecting surface, 5a, 15a ... concave, 5b ... reflecting surface material,
6 ... impurity doped layer, 8, 10 ... hole, 9 ... mirror, 11 ... incident light,
12 ... bipolar transistor, 13 ... MOS transistor,
15, 25, 35 ... grating, 15b ... grating material, 16, 17 ... plug,
18 ... VCSEL (light source), 19 ... insulating layer, 20 ... microlens (array),
21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f ... optical waveguide,
23a, 23b, 23c, 23d, 23e, 23f ... optical waveguide device, 25a ... concave portion

Claims (12)

光入射部から光出射部へ光を導く光導波路と、前記光導波路の外面に接して設けられた光電変換素子と、前記光導波路に内設された光反射部とを有し、前記光反射部によって前記光導波路と前記光電変換素子との間で光路変換が行われる、光導波装置。   An optical waveguide for guiding light from the light incident portion to the light emitting portion; a photoelectric conversion element provided in contact with an outer surface of the optical waveguide; and a light reflecting portion provided in the optical waveguide; An optical waveguide device in which optical path conversion is performed between the optical waveguide and the photoelectric conversion element by a unit. 前記光導波路に交差して配置された前記光入射部からの入射光が、前記光導波路に内設された光反射手段によって光路変換されて、少なくとも前記光反射部に導かれる、請求項1に記載の光導波装置。   The incident light from the light incident portion arranged so as to intersect the optical waveguide is subjected to optical path conversion by a light reflecting means provided in the optical waveguide, and is guided to at least the light reflecting portion. The optical waveguide device described. 前記光導波路を伝搬する前記入射光が、前記光反射部を介して前記光電変換素子に入射する、請求項1又は2に記載の光導波装置。   The optical waveguide device according to claim 1, wherein the incident light propagating through the optical waveguide is incident on the photoelectric conversion element via the light reflecting portion. 前記光反射部から前記光電変換素子への入射光が、前記光導波路への入射光のモニタ用として用いられる、請求項3に記載の光導波装置。   The optical waveguide device according to claim 3, wherein incident light from the light reflecting portion to the photoelectric conversion element is used for monitoring incident light to the optical waveguide. 前記光導波路の一部分が切除され、この切除部が低屈折率物質で充填されることによって、前記光反射部及び/又は前記光反射手段が構成されている、請求項3に記載の光導波装置。   4. The optical waveguide device according to claim 3, wherein a part of the optical waveguide is excised, and the excision is filled with a low refractive index material, whereby the optical reflector and / or the optical reflector is configured. . 前記光反射部及び/又は前記光反射手段が、波長選択性のあるグレーティングとして構成されている、請求項3に記載の光導波装置。   The optical waveguide device according to claim 3, wherein the light reflecting portion and / or the light reflecting means are configured as a wavelength selective grating. 前記グレーティングによって、多重波長の入射信号光が選択若しくは分離され、前記光反射部を介して前記光電変換素子に入射する、請求項6に記載の光導波装置。   The optical waveguide device according to claim 6, wherein multiple-wavelength incident signal light is selected or separated by the grating and is incident on the photoelectric conversion element via the light reflecting portion. 共通の前記光導波路に前記光反射手段を介して連設された複数の前記光入射部に対応して、光源がアレイ状に配置されている、請求項1に記載の光導波装置。   2. The optical waveguide device according to claim 1, wherein light sources are arranged in an array corresponding to the plurality of light incident portions connected to the common optical waveguide via the light reflecting means. 前記光源アレイからの各出射光が光収束手段により収束されて前記光入射部へ導かれる、請求項8に記載の光導波装置。   9. The optical waveguide device according to claim 8, wherein each light emitted from the light source array is converged by light converging means and guided to the light incident portion. 前記光導波路が、第1及び第2の半導体基板間に挟持され、前記第1の半導体基板に前記光電変換素子及び半導体集積回路素子が組み込まれている、請求項1に記載の光導波装置。   The optical waveguide device according to claim 1, wherein the optical waveguide is sandwiched between first and second semiconductor substrates, and the photoelectric conversion element and the semiconductor integrated circuit element are incorporated in the first semiconductor substrate. 前記光導波路のコアが前記第1及び第2の半導体基板間の絶縁層からなる、請求項10に記載の光導波装置。   The optical waveguide device according to claim 10, wherein a core of the optical waveguide is formed of an insulating layer between the first and second semiconductor substrates. 前記光導波路のコアが前記第1の半導体基板側の不純物ドープの半導体層によって形成されている、請求項10に記載の光導波装置。
The optical waveguide device according to claim 10, wherein a core of the optical waveguide is formed by an impurity-doped semiconductor layer on the first semiconductor substrate side.
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