JP2008250019A - 光集積回路および光集積回路モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】調芯作業が簡単で良好な結合効率が得られやすく、しかも平面光波回路と半導体素子を一体化したコンパクトな光集積回路および光集積回路モジュールを提供する。
【解決手段】平面光波回路２と半導体素子３が一つの接触面１２で固定されている。半導体基板８上に半導体光増幅器（ＳＯＡ）９が形成されている。ＳＯＡ９の入力側および出力側に、半導体導波路１０および半導体導波路１１が形成されている。半導体導波路１１は半導体基板８上で折り返された折り返し部１１ａを有する。ＰＬＣ基板４上の光導波路５，６の各端部と半導体導波路１０，１１の各端部が接触面１２上で結合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光部品を結合して形成される光集積回路、特に、ＰＬＣ基板上に形成された光導波路を有する平面光波回路と、半導体基板上に形成された半導体レーザダイオードや半導体フォトダイオード等の光能動部品を有する半導体デバイスとを結合したハイブリッド光集積デバイスである光集積回路および光集積回路モジュールに関する。

光通信ネットワークの普及や進展に伴って、光通信システムで使用される光部品の高機能化が進んでいる。光部品には、信号光を発光または受光するような光能動部品、信号光を分岐／結合、または分波／合波したりする光受動部品、信号光の伝送線路となる光ファイバなどがあり、それぞれの光部品に対して高機能化や低コスト化のニーズが高まっている。このうち、光能動部品に関しては、半導体レーザや半導体フォトダイオードといった半導体材料をベースとしたデバイスが中心であり、その技術開発が進められている。半導体材料をベースとした光能動部品は光増幅機能や高速動作、コンパクトな集積が可能であるという特徴を有している。一方、光受動部品に関しては、シリカ系材料をベースとした光導波路を有する平面光波回路（ＰＬＣ；Planar Lightwave Circuit）が製品化されている。ＰＬＣは低損失で偏波依存性のない光導波路を実現できるという長所を有している。

光能動部品、光受動部品とも、これまではそれぞれの部品単体の性能向上がなされていたが、光通信システムの進展によるニーズの高度化により、両者の長所を合わせ持つような高機能光部品への要求が高まっている。そこで、半導体レーザダイオード等の半導体能動素子（光能動部品）とＰＬＣとを組み合わせたハイブリッド光集積デバイスの開発が行われている。

例えば特許文献１に開示された従来技術では、ＰＬＣ基板上に半導体レーザダイオードをハイブリッド実装しており、半導体レーザダイオードとＰＬＣ上のＵＶグレーティングとの間で形成される外部共振器モードで発振するレーザを実現している。この従来技術では、半導体レーザダイオードからの出射光をＵＶグレーティングに入射させる導波路は一つのみであるので、半導体レーザダイオードの出射導波路（レーザダイオード搭載用Ｓｉテラス上の半導体導波路）の片端面とＰＬＣ上の光導波路の片端面とを結合させている。また、非特許文献２に開示された従来技術では、ＰＬＣ上のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）と半導体光増幅器（ＳＯＡ）とをハイブリッド集積することにより光波長セレクタを実現している。ここでは、ＳＯＡをゲートスイッチとして用いており、ＳＯＡの入力導波路、出力導波路は半導体基板の別々の端面に接しており、それぞれの端面でＰＬＣ基板と接してＰＬＣ基板上の光導波路と結合している。

また、特許文献３には、異なるＰＬＣ基板（第１ＰＬＣ基板および第２ＰＬＣ基板）上の導波路どうしを結合した技術が開示されている。この従来技術では、一方のＰＬＣ上の導波路は折り返し構造となっている。しかし、ＰＬＣでは大きな屈折率差を実現することが難しいために、折り返し部分の曲がり導波路の曲率半径はかなり大きい値にせざるを得ない。
特開２００１−２６７６８４号公報 特開平１０−２２７９３６号公報 （I. Ogawa, F. Ebisawa, N. Yoshimoto, K. Takiguchi, F. Hanawa, T. Hashimoto, A. Sugita, M. Yanagisawa, Y. Inoue, Y. Yamada, Y. Tohmori, S. Mino, T. Ito, K. Magari, Y. Kawaguchi, A. Himeno, and K. Kato, "Lossless hybrid integrated 8-ch optical wavelength selector module using PLC platform and PLC-PLC direct attachment techniques," Proc. OFC’98, 1998, paper PD4-1）

しかしながら、上記非特許文献２に記載された従来技術のように、入力導波路および出力導波路を有するＳＯＡ等の半導体素子と、この半導体素子の両側にある左右のＰＬＣ上の光導波路とを結合する場合、次のような固定が必要になる。つまり、入力導波路の端部がある半導体基板の一方の端面を一方のＰＬＣ基板の端面に固定すると共に、出力導波路の端部がある半導体基板の他方の端面を他方のＰＬＣ基板の端面に固定する。これにより、半導体素子の入力導波路は一方のＰＬＣの光導波路と結合され、その出力導波路は他方のＰＬＣの光導波路と結合される。

このように、入力導波路および出力導波路を有する半導体素子が形成された半導体基板とＰＬＣ基板を固定する面（接触面）の数が多くなると、それぞれの接触面で、半導体基板上の導波路と左右のＰＬＣ基板上の光導波路との良好な結合を得る必要がある。このため、非特許文献２に記載された従来技術では、半導体基板の一方の端面と一方のＰＬＣ基板の端面の接触面と、半導体基板の他方の端面と他方のＰＬＣ基板の端面の接触面との２箇所の接触面でそれぞれ、導波路どうしの調芯作業を行わなければならない。従って、この従来技術では、調芯工数が増えるので、調芯作業が面倒で時間がかかると共に、調芯ミスが発生する可能性も高くなり、良好な結合効率を得るのが難しいという問題があった。

また、一つのＰＬＣ基板上の光導波路を一部切欠した領域（切り欠き部）に半導体素子を挿入して配置することが考えられる。しかし、この場合においても、半導体素子の入力側および出力側導波路とＰＬＣ基板上の光導波路との結合効率を良好にするため、切り欠き部や半導体素子長に対する寸法精度が厳しくなったり、調芯作業が複雑で困難になったりするなどの問題があった。

更に、半導体素子とＰＬＣとをハイブリッド集積したものを、ファイバピグテイルを付けたモジュール形態にする場合、ＰＬＣとファイバとの調芯は、ＰＬＣ基板の両端面の２個所で行う必要があり、その分調芯工数が増えるので、調芯作業が面倒で時間がかかると共に、調芯ミスが発生する可能性も高く、良好な結合効率を得るのが難しいという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、調芯作業が簡単で良好な結合効率が得られやすく、しかも平面光波回路と半導体素子を一体化したコンパクトな光集積回路および光集積モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る光集積回路は、光導波路が第１の基板上に形成された平面光波回路と、半導体導波路を有する要素が第２の基板上に形成された半導体素子とを一体化した光集積回路であって、前記平面光波回路と前記半導体素子が一つの接触面で固定されており、前記光導波路の端部と前記半導体導波路の端部が前記接触面上で結合されていることを要旨とする。

この態様によれば、平面光波回路と半導体素子との接触面、つまり平面光波回路の第１の基板と半導体素子の第２の基板との接触面は１つのみとなるため、両者を結合するための調芯作業は一度に行うことができる。このため、調芯工数が減り、調芯作業が簡単になると共に、調芯ミスが発生する可能性も低くなり、良好な結合効率を得ることができる。また、入出力ファイバも平面光波回路と片側の端面でのみで接するために、この部分の調芯作業も軽減することが可能である。さらに、半導体素子の長さなどに対する厳しい寸法精度も要求されないという利点もある。

ここにいう「平面光波回路（ＰＬＣ）」は、シリコンや石英などの基板上に光ファイバ製造技術と半導体微細加工技術などを組み合わせて、石英系やポリマー系の材料で光導波路を形成したものをいう。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記要素の入力側および出力側に、入力側の半導体導波路および出力側の半導体導波路がそれぞれ形成されており、前記入力側および出力側の半導体導波路の一方は前記第２の基板上で折り返された折り返し部を有し、前記入力側の半導体導波路の端部および前記出力側の半導体導波路の端部は、前記第１の基板上に形成された入力側光導波路の端部および出力側光導波路の端部と前記接触面でそれぞれ結合されていることを要旨とする。

通常の石英系の平面光波回路の光導波路では、この光導波路を構成するコアとクラッドの屈折率差は大きくても数％程度であるが、半導体導波路では、この光導波路を構成するコアとクラッドの屈折率差が１０％を超えるような大きな値にすることができる。導波路を折り返した際の折り返し部（曲がり導波路）の曲率半径は、コアとクラッドの屈折率差が大きいほど小さくすることができる。そのため、半導体上で折り返し導波路を作製する方が、石英系の平面光波回路上で折り返し導波路を作製する場合に比べて、素子のサイズを大幅に小さくすることができる。

この態様によれば、要素の入力側および出力側の半導体導波路の一方は第２の基板上で折り返された折り返し部を有しているが、半導体導波路ではその折り返し部の曲率半径を小さくすることができ、半導体素子のサイズを大幅に小さくすることができる。従って、平面光波回路と半導体素子とを一体化したコンパクトな光集積回路を実現することができる。

これに対して、上記特許文献３に開示された従来技術では、第１ＰＬＣの基板上および第２ＰＬＣの基板上の導波路どうしを結合し、一方のＰＬＣ基板上で導波路を折り返した構造となっている。半導体導波路に比べてＰＬＣ上の石英系光導波路では大きな屈折率差の導波路を実現することが難しいために、折り返し部分の曲がり導波路の曲率半径はかなり大きい値にせざるを得ない。

また、この態様によれば、要素の入力側の半導体導波路の端部および出力側の半導体導波路の端部は、前記接触面で別々の光導波路と結合されているので、要素の入力側および出力側にそれぞれ半導体導波路があるにもかかわらず、半導体素子と平面光波回路との接触面は１つのみとなる。このため、平面光波回路上の光導波路と半導体素子上の半導体導波路とを結合するための調芯作業は一度に行うことができる。

なお、ここにいう「要素」には、例えば、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier:SOA）、半導体の電界吸収効果を用いた電界吸収型（Elcctro Absorption: EA）変調器、半導体レーザ、半導体受光素子などが含まれる。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、複数の前記要素がアレイ状に配置されていることを要旨とする。

この態様によれば、複数の要素がアレイ状に配置されている半導体素子と平面光波回路とを一体化して光集積回路を作製する場合にも、調芯作業が簡単になると共に、良好な結合効率を得ることができる。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記第２の基板上に形成されたすべての前記半導体導波路の端部と、前記第２の基板上に形成されたすべての前記光導波路の端部とが、前記接触面で結合されていることを特徴とする。

この態様によれば、前記接触面で接合される導波路の本数は多いが、平面光波回路と半導体素子を一つの接触面で接触させて固定するので、平面光波回路と半導体素子の調芯・固定作業は一回で行うことが可能である。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記第２の基板上に、前記要素に高周波信号を給電するための高周波電極が形成されていることを要旨とする。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、記要素は、その入力側にのみ入力側の半導体導波路が形成された半導体受光素子であり、前記入力側の半導体導波路の端部は前記接触面で前記光導波路と結合されており、前記第１の基板上には、調芯用の光を導波するための第１の調芯用光導波路および第２の調芯用光導波路が形成されており、前記第２の基板上には、調芯用の折り返し導波路が形成されており、前記第１の調芯用光導波路の光出射端部および前記第２の調芯用光導波路の光入射端部は、前記調芯用の折り返し導波路の光入射端部および光出射端部と前記接触面で結合されることを要旨とする。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記要素がアレイ状に配置されていることを要旨とする。

本発明の他の態様に係る光集積回路は、前記要素は、その出力側にのみ出力側の半導体導波路が形成された半導体発光素子であり、前記出力側の半導体導波路の端部は前記接触面で前記光導波路の端部と結合されていることを要旨とする。

本発明の第２の態様に係る光集積回路モジュールは、前記第１の基板の前記接触面とは反対側の端面に、前記第１の基板上の前記光導波路と結合した入出力用光ファイバの端部が結合されていることを要旨とする。

本発明によれば、調芯作業が簡単で良好な結合効率が得られやすく、しかも平面光波回路と半導体素子を一体化したコンパクトな光集積回路および光集積回路モジュールを実現することができる。

本発明を具体化した光集積回路および光集積回路モジュールの各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る光集積回路を、図１〜図４に基づいて説明する。図1は第１実施形態に係る光集積回路の基本構成を示した概念図であり、図２は同光集積回路を示す平面図である。図３は図２のＡ−Ａ’線に沿った断面図で、光集積回路の断面構造を示している。また、図４は図２のＢ−Ｂ’線に沿った断面図で、半導体素子の半導体導波路部分の断面構造を示している。

光集積回路１は、図１および図２に示すように、平面光波回路(ＰＬＣ)２とシリコン基板７上に固定された半導体素子３とを一体化したものである。

平面光波回路２は、ＰＬＣ基板４と、このＰＬＣ基板４上に形成された２本の直線状の光導波路５、６とを備えている。光導波路５，６はそれぞれ、平面光波回路２の一方の端面２ａからその他方の端面２ｂまで延びている。つまり、光導波路５，６の一方の端部はＰＬＣ基板４の一方の端面（図１で左側端面）にそれぞれ接し、他方の端部はＰＬＣ基板４の他方の端面（図１で右側端面）にそれぞれ接している。ＰＬＣ基板４は、例えばシリコン基板である。

半導体素子３は、図１および図２に示すように、半導体基板８と、この半導体基板８上に形成された要素としての半導体光増幅器（ＳＯＡ）９とを備えている。半導体基板８上にはさらに、半導体増幅器９の入力側および出力側に、入力側の半導体導波路１０および出力側の半導体導波路１１がそれぞれ形成されている。出力側の半導体導波路１１は、半導体基板８上で折り返された折り返し部１１ａを有しており、光の進行方向が反転されて入力側の半導体導波路１０と同じ側の半導体素子３の端面３ａに接している。

この光集積回路１の特徴は以下の構成にある。
・平面光波回路２と半導体素子３が一つの接触面１２で固定されている。つまり、平面光波回路２の他方の端面２ｂと半導体素子３の端面３ａとが固定されている。

・半導体基板８上に形成された要素が半導体光増幅器（ＳＯＡ）９である。

・半導体増幅器９の入力側および出力側に、入力側の半導体導波路１０および出力側の半導体導波路１１がそれぞれ形成されている。出力側の半導体導波路１１は、半導体基板８上で折り返された折り返し部１１ａを有している。

・光導波路５，６の各端部と半導体導波路１０，１１の各端部が一つの接触面１２上で結合されている。つまり、光導波路５の端部と入力側の半導体導波路１０の端部、および光導波路６の端部と出力側の半導体導波路１１の端部がそれぞれ一つの接触面１２上で結合されている。

平面光波回路２は、図３に示すように、ＰＬＣ基板４と、このＰＬＣ基板４上に形成された下部クラッド層１４と、この下部クラッド層１４上に形成されたコア層１５，１６と、下部クラッド層１４およびコア層１５，１６上に形成された上部クラッド層１７とから構成されている。このような平面光波回路２において、光導波路５，６が、光の通り道である高屈折率のコア層１５、１６と、その周辺部である低屈折率のクラッド層１４、１７とにより構成されている。本実施形態では一例として、光導波路５，６は、下部クラッド層１４，コア層１５，１６、および上部クラッド層１７が石英系材料で形成された石英ガラス導波路である。このような光導波路５，６では、通常、コア層１５，１６と、クラッド層１４，１７との屈折率差は大きくても数％程度である。

このような平面光波回路２は、次のような方法で作られる。光ファイバ製造技術の応用である火炎直接堆積(Flame Hydrolysis Deposition, FHD)法により、ＰＬＣ基板（例えばシリコン基板）４上に下部クラッド層１４およびコア層１５，１６となるガラス粒子を堆積し、加熱してガラス膜を溶融透明化する。この後、半導体集積回路製造技術であるフォトリソグラフィと反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching, RIE)で所望の光導波路パターンを形成し、再びFHD法により上部クラッド１７を形成する。

半導体基板８上に形成された入力側の半導体導波路１０および出力側の半導体導波路１１はそれぞれ、図４に示すように、半導体基板８上に形成された下部クラッド層２０と、この下部クラッド層２０上に形成されたコア層２１と、このコア層２１上に形成された上部クラッド層２２とを備えている。半導体基板８は化合物半導体ＩｎＰにより、下部クラッド層２０は化合物半導体ＩｎＰにより、コア層２１は化合物半導体ＩｎＧａＡｓＰにより、上部クラッド層２２は化合物半導体ＩｎＰによりそれぞれ形成されている。また、半導体導波路１０は、ハイメサ構造に形成された直線状の導波路である。半導体導波路１１は、ハイメサ構造に形成され、折り返し部１１ａを有する導波路である。半導体導波路は埋め込み構造やローメサ構造でも良いが、本例のようにハイメサ構造とすることにより、コア層２１と、その両側の空気との屈折率差が、例えば４０％以上と非常に大きくなっているため、折り返し部１１ａの曲率半径を小さくしても低損失を保つことができる。

半導体基板８上に形成された半導体光増幅器９は、半導体導波路１０，１１のコア層が光増幅媒質で形成された活性層２３になっている点で半導体導波路１０，１１とは構成が異なる。そして、半導体導波路１０のコア層２１内を伝播した光が、半導体光増幅器９の活性層２３および半導体導波路１１のコア層２１を通るように、半導体光増幅器９と半導体導波路１０，１１とが半導体基板８上に形成されている。本実施形態では、半導体光増幅器９は、注入電流をオン／オフさせることで、入射光をオン／オフさせる半導体ゲートとして用いられている。
上記構成を有する光集積回路１は、次のようにして作製される。

・平面光波回路２と半導体素子３を一つの接触面１２で接触させる。つまり、平面光波回路２の他方の端面２ｂと半導体素子３の端面３ａとを接触させる。この状態で、光導波路５と入力側の半導体導波路１０、および光導波路６と出力側の半導体導波路１１の調芯を行う。この調芯方法としては、半導体基板８上の半導体光増幅器９に電流を流した状態で、光導波路５の入射ポート５ａ側から調芯用の光を光導波路５に入射させ、半導体導波路１０、半導体光増幅器９、半導体導波路１１、および光導波路６を通ってその出射ポート６ａから出射する光を受光素子（図示省略）で受け、その受光量が最大となるように、平面光波回路２と半導体素子３の位置あわせを行うアクティブ調芯により行った。

なお、本実施形態ではアクティブ調芯によるアライメントを行ったが、ＰＬＣ基板４上および半導体基板８上に形成した位置マーカーや、位置合わせ用の凹凸形状等を利用することによるパッシブ調芯を行うことも可能である。

ＰＬＣ基板４の厚さに比べて半導体基板８の厚さが薄いため、本実施形態では、半導体基板８上の半導体素子３はシリコン基板７上に固定し、ＰＬＣ基板４とシリコン基板７とを接着することで十分な接合強度をとるようにしている。

また、ＰＬＣ上の光導波路と半導体導波路とでは導波モードのスポットサイズが一般的には異なるため、両導波路が結合する部分にスポットサイズ変換構造を設けて、光導波路と半導体導波路のスポットサイズを合わせておくとより高い結合効率を得ることができる。

以上の構成を有する第１実施形態によれば、以下のような作用効果を奏する。
○平面光波回路２と半導体素子３との接触面１２、つまり平面光波回路２のＰＬＣ基板（第１の基板）４と半導体素子３の半導体基板８（第２の基板）との接触面は１つのみとなるため、両者を結合するための調芯作業は一度に行うことができる。このため、調芯工数が減り、調芯作業が簡単になると共に、調芯ミスが発生する可能性も低くなり、良好な結合効率を得ることができる。従って、調芯作業が簡単で良好な結合効率が得られやすく、しかも平面光波回路２と半導体素子３を一体化したコンパクトな光集積回路１を実現することができる。

○平面光波回路２と半導体素子３は一つの接触面１２で固定されるため、平面光波回路２と半導体素子３の調芯および固定作業も一回で済むことになり、作製時間の短縮やコスト低減といった観点で有利である。

○半導体光増幅器（要素）９の入力側の半導体導波路１０の端部および出力側の半導体導波路１１の端部は、接触面１２で別々の光導波路５，６と結合されているので、半導体光増幅器９の入力側および出力側にそれぞれ半導体導波路があるにもかかわらず、半導体素子３と平面光波回路２との接触面１２は１つのみとなる。このため、平面光波回路２の光導波路５，６と半導体素子３の半導体導波路１０，１１とを結合するための調芯作業は一度に行うことができる。

○入出力ファイバも平面光波回路２と片側の端面（平面光波回路２の一方の端面２ａ）でのみで接するために、この部分の調芯作業も軽減することが可能である。

○半導体素子３は、その片側の端面３ａでのみ平面光波回路２の他方の端面２ｂと固定されるので、半導体素子３の端面３ａとは反対側の端面３ｂはフリーとなっている。このため、半導体素子３の長さなどに対する厳しい寸法精度も要求されない。従って、半導体素子３の作製が容易になる。

○出力側の半導体導波路１１はハイメサ構造となっており、コアとクラッドの屈折率差が４０％以上と非常に大きいため、非常に小さい曲率半径（例えば曲率半径１２５μｍ程度）で半導体導波路１１を折り返しても損失を低く抑えることが可能である。半導体光増幅器９の出力側の半導体導波路１１は半導体基板８上で折り返された折り返し部１１ａを有しているので、その折り返し部１１ａの曲率半径を小さくすることができ、半導体素子３のサイズを大幅に小さくすることができる。従って、平面光波回路２と半導体素子３とを一体化したコンパクトな光集積回路を実現することができる。

○半導体導波路の端面において、端面での反射を低く抑えるための無反射コーティングを施すことが一般的に行われるが、導波路を折り返さない場合は入力側と出力側のそれぞれの端面（図２の３ａおよび３ｂ）にコーティングが必要であるが、本実施例では導波路を折り返すことにより入力側導波路端面も出力側導波路端面も同一の端面３ａに面しているため、無反射コーティングも片側のみ（端面３ａのみ）で済むため、半導体素子の作製工程が簡便になる。

○ＰＬＣ導波路から入力側半導体導波路への結合が最適でない場合、半導体導波路構造によっては非結合光が迷光として反対側の端面３ｂまで到達し、出力側導波路に混入してしまうことがある。本実施例では出力側の半導体導波路１１は折り返し部１１ａを有し、出力側導波路が入力側導波路と同じ端面３ａに面しており、迷光成分が端面３ａには戻りにくいため、出力導波路へ迷光が混入しにくくなっている。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る光集積回路を図５および図６に基づいて説明する。図５は第２実施形態に係る光集積回路１Ａの概略構成を示す概念図であり、図６は光集積回路１Ａを示す平面図である。

光集積回路１Ａの特徴は、図１に示す上記第１実施形態に係る光集積回路１において、半導体素子３Ａの半導体基板８上に、複数の半導体光増幅器（要素）がアレイ状に配置されている点にある。本実施形態では、図５および図６に示すように、一例として４つの半導体光増幅器９_１〜９_４が半導体基板８上にアレイ状に配置されている。

また、半導体基板８上には、各半導体光増幅器９_１〜９_４の入力側に入力側の半導体導波路１０_１〜１０_４が、各半導体光増幅器９_１〜９_４の出力側に出力側の半導体導波路１１_１〜１１_４がそれぞれ形成されている。各出力側の半導体導波路１１_１〜１１_４は、半導体基板８上で折り返された折り返し部１１ａをそれぞれ有している。半導体基板８上のすべての半導体導波路１０_１〜１０_４および１１_１〜１１_４は、半導体素子３の一つの端面３ａに接している。

また、平面光波回路２ＡのＰＬＣ基板４上には、半導体基板８上のすべての半導体導波路１０_１〜１０_４および１１_１〜１１_４にそれぞれ対応して、２本の直線状の光導波路５、６を１組として４組の光導波路５_１、６_１〜５_４、６_４が形成されている。４組の光導波路５_１、６_１〜５_４、６_４はそれぞれ、平面光波回路２Ａの一方の端面２ａからその他方の端面２ｂまで延びている。つまり、各光導波路５_１〜５_４、６_１〜６_４の一方の端部はＰＬＣ基板４の一方の端面（図５で左側端面）にそれぞれ接し、他方の端部はＰＬＣ基板４の他方の端面（図５で右側端面）にそれぞれ接している。

また、各半導体導波路１０_１〜１０_４、１１_１〜１１_４の対応する各光導波路５_１〜５_４、６_１〜６_４と結合する入出力部分には、スポットサイズ変換器（図示せず）が形成されており、各半導体導波路１０_１〜１０_４、１１_１〜１１_４と各光導波路５_１〜５_４、６_１〜６_４とのスポットサイズの整合を取ることにより結合効率を高めている。

また、各半導体光増幅器９_１〜９_４の活性層部分についてもＴＥモードとＴＭモードで光利得が一致するようにしており、光導波路５_１〜５_４、６_１〜６_４、半導体導波路１０_１〜１０_４、１１_１〜１１_４も含めて偏波無依存化を実現している。

以上の構成を有する第２実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。

○複数の半導体光増幅器９_１〜９_４がアレイ状に配置されている半導体素子３Ａと平面光波回路２Ａとを一体化して光集積回路１Ａを作製する場合にも、調芯作業が簡単になると共に、良好な結合効率を得ることができる。

○接触面１２で接合される導波路の本数は多いが、平面光波回路２Ａと半導体素子３Ａを一つの接触面１２で接触させて固定するので、平面光波回路２Ａと半導体素子３Ａの調芯・固定作業は一回で行うことが可能である。

○各半導体光増幅器９_１〜９_４の出力側に形成された出力側の半導体導波路１１_１〜１１_４はそれぞれ折り返し部１１ａを有しているので、その折り返し部１１ａの曲率半径を小さくすることができ、半導体素子３Ａのサイズを大幅に小さくすることができる。従って、平面光波回路２Ａと半導体素子３Ａとを一体化したコンパクトな光集積回路１Ａを実現することができる。

○各半導体導波路１０_１〜１０_４、１１_１〜１１_４の対応する各光導波路５_１〜５_４、６_１〜６_４と結合する入出力部分に、スポットサイズ変換器（図示せず）が形成されているので、各半導体導波路１０_１〜１０_４、１１_１〜１１_４と各光導波路５_１〜５_４、６_１〜６_４とのスポットサイズの整合を取ることにより結合効率を高めることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る光集積回路を図７に基づいて説明する。図７は第３実施形態に係る光集積回路１Ｂの概略構成を示す概念図である。

光集積回路１Ｂの特徴は、次の構成にある。
・半導体基板８上に複数の半導体導波路型受光素子（要素）３０_１〜３０_６がアレイ状に形成された半導体素子３Ｂと、複数の光導波路が形成された平面光波回路２Ｂとが一つの接触面１２で固定されて一体化されている。本実施形態では、一例として、半導体基板８上に６つの半導体導波路型受光素子３０_１〜３０_６が形成されている。

・平面光波回路２ＢのＰＬＣ基板４上には、半導体導波路型受光素子３０_１〜３０_６の光入射側端面（受光面）とそれぞれ結合される６つの直線状の光導波路３１_１〜３１_６が形成されている。

・各半導体導波路型受光素子３０_１〜３０_６は１入力のみで光出力の無い要素であり、各半導体導波路型受光素子３０_１〜３０_４が各光導波路３１_１〜３１_６と結合するのは片側のみである。そのため、各半導体導波路型受光素子３０_１〜３０_６内部の入力側の半導体導波路の端部はそれぞれ、半導体素子３の端面３ａに接しており、接触面１２で平面光波回路２Ｂの対応する光導波路３１_１〜３１_６と結合されている。

・半導体基板８上には、半導体導波路型受光素子３０_１〜３０_６とは別に、調芯用の光を通すための調芯用の折り返し導波路３２が形成されている。この調芯用の折り返し導波路３２は、２箇所に曲がり部３２ａを有し、その光入力側端部および光出力側端部はそれぞれ半導体素子３Ｂの端面３ａに接している。

・ＰＬＣ基板４上には、調芯用の光を導波するための第１の調芯用光導波路３３および第２の調芯用光導波路３４が形成されている。

・調芯用の折り返し導波路３２の光入力側端部および光出力側端部はそれぞれ、第１の調芯用光導波路３３の端部および第２の調芯用光導波路３４の端部と接触面１２で結合されている。

このような構成を有する光集積回路１Ｂを作製する際には、上記第１実施形態と同様のアクティブ調芯を行う。この場合、第１の調芯用光導波路３３に調芯用の光を入射させると、その光が調芯用の折り返し導波路３２および第２の調芯用光導波路３４を通って、この第２の調芯用光導波路３４から出射される。この出射光を受光素子（図示省略）で受光し、その受光量が最大となるように、平面光波回路２Ｂと半導体素子３Ｂの相対位置を調整し、両者を接触面１２で固定する。

以上の構成を有する第３実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。
○半導体基板８内およびＰＬＣ基板４内のそれぞれの導波路同士の間隔は非常に高精度に形成されているため、上記アクティブ調芯により調芯用の折り返し導波路３２と対応するＰＬＣ基板４上の調芯用光導波路３３，３４との結合効率を最適化することで、半導体導波路型受光素子３０_１〜３０_６と対応する光導波路３１_１〜３１_６との間の結合も同時に最適化することができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態に係る光集積回路モジュール１Ｃを図８に基づいて説明する。図８は第４実施形態に係る光集積回路モジュール１Ｃの概略構成を示す概念図である。

光集積回路モジュール１Ｃの特徴は、次の構成にある。

・図５に示す上記第２実施形態において、半導体基板８と共に半導体基板を構成するシリコン基板７上に、半導体光増幅器９_１〜９_４に高周波信号を給電するための高周波電極３５が形成されている。各半導体光増幅器９_１〜９_４には、高周波電極３５からワイヤ３４を介して高周波信号を個別に入力できるようになっている。

・ＰＬＣ基板４の接触面１２とは反対側の端面（平面光波回路２の一方の端面２ａ）に各光導波路５_１〜５_４、６_１〜６_４の一方の端部とそれぞれ結合した入出力用光ファイバ３５_１〜３５_８からなるファイバアレイが接続されている。

以上の構成を有する第４実施形態によれば、上記第２実施形態の奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。
○半導体基板８上に形成された各出力側の半導体導波路１１_１〜１１_４の折り返し部１１ａで光の進行方向を折り返すことにより、平面光波回路２Ａと光ファイバ３５_１〜３５_８との接続も、一つの端面（平面光波回路２Ａの一方の端面２ａ）のみで行うことができるので、平面光波回路２Ｃと光ファイバ３５_１〜３５_８の調芯や接合作業も一回で行うことができる。

○平面光波回路２Ｃと半導体素子３Ｃの導波路どうしの接合が半導体素子３Ｃの端面３ａ（シリコン基板７の片側の端面）のみで可能であるため、半導体素子３Ｃの平面光波回路２Ａと固定されない側に電極設置スペースを作り、このスペースに高周波電極３５を設けることができる。これにより半導体光増幅器９_１〜９_４を高速駆動させる場合に非常に有効である。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態に係る光集積回路モジュール１Ｄを図９に基づいて説明する。図９は第５実施形態に係る光集積回路モジュール１Ｄの概略構成を示す概念図である。

光集積回路モジュール１Ｄの特徴は、次の構成にある。

・ＰＬＣ基板４上にアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）４０が形成された平面光波回路２Ｄと、半導体基板８上に複数の（Ｎ個の）半導体導波路型受光素子５０_１〜５０_ｎが形成された半導体素子３Ｄとが、一つの接触面１２で固定されて一体化されている。半導体導波路型受光素子５０_１〜５０_ｎは、図７に示す上記半導体導波路型受光素子３０_１〜３０_６と同様の構成を有するものである。

アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）４０は、１本の入力導波路４１と、Ｎ本の出力導波路群４２_１〜４２_ｎと、入力側のスラブ導波路４３と、出力側のスラブ導波路４４と、アレイ導波路４５とから構成されている。

・各半導体導波路型受光素子５０_１〜５０_ｎは１入力のみで光出力の無い要素であり、各半導体導波路型受光素子５０_１〜５０_ｎが各出力導波路群４２_１〜４２_ｎと結合するのは片側のみである。そのため、各半導体導波路型受光素子５０_１〜５０_ｎ内部の端部はそれぞれ、半導体素子３Ｄの端面３ａに接しており、接触面１２で平面光波回路２Ｄの対応する出力導波路群４２_１〜４２_ｎと結合されている。

・半導体基板８上には、半導体導波路型受光素子５０_１〜５０_ｎとは別に、調芯用の光を通すための調芯用の折り返し導波路５１が形成されている。この調芯用の折り返し導波路５１は、２箇所に曲がり部５１ａを有し、その光入力側端部および光出力側端部はそれぞれ半導体素子３Ｄの端面３ａに接している。

・ＰＬＣ基板４上には、調芯用の光を導波するための第１の調芯用光導波路４６および第２の調芯用光導波路４７が形成されている。

・調芯用の折り返し導波路５１の光入力側端部および光出力側端部はそれぞれ、第１の調芯用光導波路４６の一方の端部および第２の調芯用光導波路４７の一方の端部と接触面１２で結合されている。

・アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）４０の入力導波路４１の端部、第１の調芯用光導波路４６の他方の端部、および第２の調芯用光導波路４７の他方の端部には、光ファイバ６１，６２、および６３がそれぞれ接続されている。

この光集積回路モジュール１Ｄでは、アレイ導波路回折格子４０を分波器として用いている。このような構成を有する光集積回路モジュール１Ｄを作製する際には、図７に示す上記第３実施形態と同様のアクティブ調芯を行う。この場合、光ファイバ６２から第１の調芯用光導波路４６に調芯用の光を入射させると、その光が調芯用の折り返し導波路５１および第２の調芯用光導波路４７を通って、光ファイバ６３から出射される。この出射光を受光素子（図示省略）で受光し、その受光量が最大となるように、平面光波回路２Ｄと半導体素子３Ｄの相対位置を調整し、両者を接触面１２で固定する。

以上の構成を有する第５実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。
○半導体基板８内およびＰＬＣ基板４内のそれぞれの導波路同士の間隔は非常に高精度に形成されている。このため、上記アクティブ調芯により調芯用の折り返し導波路５１と対応するＰＬＣ基板４上の調芯用光導波路４６，４７との結合効率を最適化することで、半導体導波路型受光素子５０_１〜５０_ｎと対応するアレイ導波路回折格子４０の出力導波路群４２_１〜４２_ｎとの間の結合も同時に最適化することができる。

なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
・図１に示す上記第１実施形態では、出力側の半導体導波路１１に折り返し部１１ａを形成してあるが、入力側の半導体導波路１０に折り返し部を形成した構成にも本発明は適用可能である。この構成によっても、同様の効果を奏することができる。

・図１、図５および図７に示す上記第1、第２および第３実施形態において、平面光波回路の各光導波路に入出力光ファイバを接続した光集積回路モジュールにも本発明は適用可能である。

・図７および図９に示す上記第３および第５実施形態において、複数の半導体導波路型受光素子３０_１〜３０_６、５０_１〜５０_ｎに代えて、複数の半導体レーザダイオードなどの半導体発光素子（要素）を半導体基板８上にアレイ状に形成した光集積回路にも本発明は適用可能である。半導体発光素子を要素とする場合、それらの半導体発光素子を発光させながらアクティブ調芯を行なうことも可能である。この場合、半導体基板８上に調芯用の折り返し導波路３２を形成する必要がなく、また、ＰＬＣ基板４上にも、調芯用光導波路３３，３４を形成する必要がない。

・図９に示す上記第５実施形態では、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）４０を分波器として用いているが、アレイ導波路回折格子４０を合波器として用いるように構成した光集積回路、あるいは光集積回路モジュールにも本発明は適用可能である。例えば、複数の半導体発光素子と、半導体の電界吸収効果を用いた複数の電界吸収型（Electro Absorption: EA）変調器とが半導体素子の半導体基板上にアレイ状に配置された半導体素子と平面光波回路とを一つの接触面で固定した光集積回路或いは光集積回路モジュールにも本発明は適用可能である。

第１実施形態に係る光集積回路の基本構成を示す概念図。 同光集積回路を示す平面図 図２のＡ−Ａ線に沿った断面図。 図４は図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図。 第２実施形態に係る光集積回路の概略構成を示す概念図。 同光集積回路を示す平面図。 第３実施形態に係る光集積回路の概略構成を示す概念図。 第４実施形態に係る光集積回路の概略構成を示す概念図。 第５実施形態に係る光集積回路の概略構成を示す概念図。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ…光集積回路
１Ｃ，１Ｄ…光集積回路モジュール
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ…平面光波回路
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ…半導体素子
４…ＰＬＣ基板
５，６，５_１〜５_４，６_１〜６_４，３１_１〜３１_４，４１，４２_１〜４２_ｎ…光導波路
７…シリコン基板
８…半導体基板
９，９_１〜９_４…半導体光増幅器
１０，１１，１１_１〜１１_４…半導体導波路
１２…接触面
３０_１〜３０_６，５０_１〜５０_ｎ…半導体導波路型受光素子

Claims (9)

1. 光導波路が第１の基板上に形成された平面光波回路と、半導体導波路を有する要素が第２の基板上に形成された半導体素子とを一体化した光集積回路であって、
   前記平面光波回路と前記半導体素子が一つの接触面で固定されており、
   前記光導波路の端部と前記半導体導波路の端部が前記接触面上で結合されていることを特徴とする光集積回路。
2. 前記要素の入力側および出力側に、入力側の半導体導波路および出力側の半導体導波路がそれぞれ形成されており、前記入力側および出力側の半導体導波路の一方は前記第２の基板上で折り返された折り返し部を有し、前記入力側の半導体導波路の端部および前記出力側の半導体導波路の端部は、前記第１の基板上に形成された入力側光導波路の端部および出力側光導波路の端部と前記接触面でそれぞれ結合されていることを特徴とする請求項１に記載の光集積回路。
3. 複数の前記要素がアレイ状に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光集積回路。
4. 前記第２の基板上に形成されたすべての前記半導体導波路の端部と、前記第２の基板上に形成されたすべての前記光導波路の端部とが、前記接触面で結合されていることを特徴とする請求項３に記載の光集積回路。
5. 前記第２の基板上に、前記要素に高周波信号を給電するための高周波電極が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の光集積回路。
6. 前記要素は、その入力側にのみ入力側の半導体導波路が形成された半導体受光素子であり、前記入力側の半導体導波路の端部は前記接触面で前記光導波路と結合されており、
   前記第１の基板上には、調芯用の光を導波するための第１の調芯用光導波路および第２の調芯用光導波路が形成されており、
   前記第２の基板上には、調芯用の折り返し導波路が形成されており、
   前記第１の調芯用光導波路の光出射端部および前記第２の調芯用光導波路の光入射端部は、前記調芯用の折り返し導波路の光入射端部および光出射端部と前記接触面で結合されることを特徴とする請求項１に記載の光集積回路。
7. 前記要素がアレイ状に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光集積回路。
8. 前記要素は、その出力側にのみ出力側の半導体導波路が形成された半導体発光素子であり、前記出力側の半導体導波路の端部は前記接触面で前記光導波路の端部と結合されていることを特徴とする請求項１に記載の光集積回路。
9. 前記第１の基板の前記接触面とは反対側の端面に、前記第１の基板上の前記光導波路と結合した入出力用光ファイバの端部が結合されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載の光集積回路モジュール。

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