JP2010014831A - Ｗｄｍフィルタを実装した光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】
波長が互いに異なる３種類以上の光信号の送受信を行える光通信用モジュールに好適なフィルタ素子に、煩雑な実装工程なしで量産可能な新規な構造を与える。
【解決手段】
本発明によるフィルタ素子は、互いに平行な一対の平行な表面を有し且つ当該表面の一方にバンドパスフィルタが設けられたガラス基板と、凹部が形成された主面を有し且つ凹部には当該主面に対して傾斜した傾斜面が当該凹部の開口の半分以上を占める広さで形成された一対の単結晶基板（Ｓｉウェハ）とを備え、上記一対の単結晶基板の上記主面は上記ガラス基板の一対の表面に夫々接合され、上記ガラス基板の一方の主面に接合される単結晶基板に形成された上記凹部は、その開口で上記バンドパスフィルタを囲み且つその傾斜面を当該バンドパスフィルタに対向させるように構成される。フィルタ素子は、斯様に構成されることで、ウェハレベルのプロセスにより確実且つ安価に量産される。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信用光モジュールに関わり、特にＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing，波長分割多重）方式の光通信システムに好適なフィルタ及びこれを用いた光モジュールを提供する。

近年、インターネットの高速化に伴い、各家庭からのアクセス網にも高速の光通信への適合が求められるようになっている。このようなアクセス用の光通信モジュールには、平面導波路型光モジュールや、ＣＡＮ型モジュールを組み合わせた送受信モジュールが使用されてきた。平面導波路型光モジュールでは、光ファイバと光学結合されるその一端には一本の導波路が設けられ、これが途中で少なくとも二本に分離する。分離された一方の導波路の他端には発光素子が実装される。もう一方の導波路の他端には受光素子が実装される。これらの導波路の途中には必要に応じてバンドパスフィルタが挿入される。このような構造とすることで、発光素子により信号を送り、基地局からの光信号を受光素子で受光する送受信機を作ることができる。

ＣＡＮ型のモジュールを組み合わせる場合には、ファイバを金属などの筐体に固定し、ファイバからの光信号を光路変換素子により受信側へ送り、送信部の発光素子からの光信号を、光路変換素子を介してファイバへ送る。受信側には、受光素子が実装されたＣＡＮモジュールを配置して、基地局からの光信号を受光する。送信部には、発光素子が実装されたＣＡＮモジュールを配置する。いずれも必要に応じて光路の途中にバンドパスフィルタが配置される。以上のようにして、光通信における送受信モジュールを作ることができる。

また近年では、プリズムなど一つの光学部品の表面にバンドパスフィルタを形成し、このバンドパスフィルタにより送信する光信号と、基地局からの受信のための光信号を分離するＷＤＭフィルタや、このようなＷＤＭフィルタを用いて、単一のＣＡＮモジュール内に送受信の機能を集積したモジュールも開発されている。

ＷＤＭフィルタ及びこれを用いた光通信モジュールは、例えば、次の７件の文献に論じられている。まず、特開２００３−２３２９６５号公報（以下、特許文献１）には、平面導波路型光モジュールの一例として、平面導波路の端部に受光素子が実装される構造と、増幅素子の実装構造とが開示されている。特開２００６−７１７３９号公報（以下、特許文献２）には、平面導波路の途中に配置されたフィルタで、レーザーダイオード（以下、ＬＤ）及びフォトダイオード（以下、ＰＤ）の入出力信号を分離する構造が開示されている。特開２００５−３１６２９１号公報（以下、特許文献３）には、ＷＤＭフィルタを用いて光信号を多重化するモジュール構造が開示されている。特開２００７−１７９０３号公報（以下、特許文献４）には、ＬＤからの光を送信し、かつ基地局からの光を光路変換素子に通して受光する送受信モジュールが開示され、この送受信モジュールにはＣＡＮ実装された受光素子モジュール（CAN-packaged Light Receiving Module）が組み合わされている。特開２００４−２９４５１３号公報（以下、特許文献５）には、ＬＤ、ＰＤが光学フィルタとともに単一のＣＡＮ実装モジュール（CAN-packaged Module）中に実装され、当該ＬＤ及びＰＤとがモジュール外部の光ファイバに光学フィルタを介して結合された送受信モジュールが開示されている。特開２００５−１５７１３６号公報（以下、特許文献６）には、プリズムの表面にバンドパスフィルタを形成して、ＷＤＭフィルタを形成する構造が開示されている。特開２００５−２４９９６６号公報（以下、特許文献７）には、誘電体多層膜のフィルタを組み合わせることで、アイソレーションの高いＷＤＭフィルタを形成する構造が開示されている。

特開２００３−２３２９６５号公報 特開２００６−７１７３９号公報 特開２００５−３１６２９１号公報 特開２００７−１７９０３号公報 特開２００４−２９４５１３号公報 特開２００５−１５７１３６号公報 特開２００５−２４９９６６号公報

ところが、近年、アナログ信号、デジタル信号の受信、送信など、光モジュールが光信号の送受信で扱う波長が、従来の二波長から三波長又はそれ以上に増えている。光モジュールは、例えば、これに備えられた発光素子は波長＝１．３μｍの光信号を送信しながら、他の基地局から送信された波長＝１．４８μｍと波長＝１．５５μｍの２種類の光信号をこれに備えられた受光素子で受けねばならない。従って、一つの光モジュールで、波長が互いに異なる三つ又はそれ以上の光信号の送受信を行わなければならなくなる。従来技術で述べたような平面導波路型光モジュールに斯様な機能を与えるには、バンドパスフィルタをそれぞれの波長に応じて導波路途中に挿入するなどの必要があり、バンドパスフィルタの接着固定部での損失、接着固定作業の煩雑さによるコスト増などの問題が懸念される。またＣＡＮモジュールを組み合わせて送受信器を作る場合には、ＣＡＮモジュールを取り付ける筐体、光路の途中に挿入する光路変換素子、バンドパスフィルタなどの部品点数が多くなり、やはりコスト増が懸念される。

このため、プリズム上にバンドパスフィルタを形成して、単一のＣＡＮモジュール内にＬＤ、ＰＤを実装して送受信モジュールを形成するのが、コスト増を招かず、好適であるが、特許文献５に示す構造では、二つの波長までは対応可能であるが、三つ以上の波長を用いる光モジュールには適用することができない。

さらに、ＣＡＮモジュール内に実装される光素子の数が増大すると、それに応じてバンドパスフィルタを実装する必要が生まれるが、光学部品の実装では角度、位置精度などが重要であり、このような調整をできるだけ少なくすることが求められる。その場合、できるだけ光素子を平面上に実装し、その上に平面状のバンドパスフィルタを含む部品を実装することができれば、少なくとも傾きに関しては調整が必要なくなり、実装工程が大幅に簡略化される。

また光素子の実装、バンドパスフィルタの実装をさらに低コストで行うには、ＬＤ、ＰＤなどをウェハ状の基板へ実装し、その上にバンドパスフィルタを平面実装することで実現が可能となる。

上記課題を解決するために、本発明によれば以下の光モジュールを提供することができる。

平行な表面を有するガラス基板の両主面の両方あるいは一方に、誘電体多層膜により形成された光学フィルタを備え、前記光学フィルタが形成された領域以外の部分の少なくとも一部に単結晶基板、例えば、Ｓｉウェハがガラス基板のそれぞれ上下方向から接合され、前記光学フィルタと対向するＳｉウェハの表面にはエッチングによる斜面が形成され、ガラス基板上部のＳｉウェハの前記エッチング面と、ガラス基板下部のＳｉウェハの前記エッチング面が平行であり、ガラス基板の上下に接合されたＳｉウェハの主面側と反対側の面が鏡面、かつガラス基板の主面と平行になっていることを特徴とする特徴とするフィルタ部品を搭載した光モジュールが提供される。光学フィルタは、特定の波長又は波長帯域の光に対して高い透過率を示す部材であり、その一例として、バンドパスフィルタが挙げられる。

また、前記ガラス基板と前記Ｓｉウェハは陽極接合により接合されていることを特徴とする光モジュールが提供される。

また、光モジュールにおいて、前記フィルタ部品と接合される別の基板を備え、前記基板上には、発光素子、あるいは受光素子が実装され、前記フィルタ部品から、波長毎に光が入射、あるいは出射される位置に発光素子あるいは受光素子が位置合わせされていることを特徴とする光モジュールが提供される。

また、光モジュールにおいて、前記基板が個片化されていないウェハ状であって、発光素子あるいは受光素子を前記基板上に実装し、次に分割前のウェハ状の前記フィルタ部品と接合し、ダイシングによりフィルタ部品と光素子および前記基板を含む部品で構成される光モジュールが提供される。

また、光モジュールにおいて、発光素子あるいは受光素子をウェハ状の基板に実装する際に、薄膜はんだによるダイボンディング、あるいはフリップチップ接続を用いることを特徴とする光モジュールが提供される。

本発明によるフィルタ素子及びこれを備えた光モジュールの代表的な構造は、後述する図面の参照番号を付して、以下の如く記される。

フィルタ素子１：第１主面とこれに対向する第２主面とを有し且つ該第１主面の一部に光学フィルタ(4,6)が設けられているガラス基板(1)、及び前記ガラス基板(1)の前記第１主面及び前記第２主面のいずれかに接合される主面を有し且つ該主面には凹部(20,30)がその縁（輪郭）から隔てられて形成された一対の単結晶基板(2,3)を備え、
前記一対の単結晶基板(2,3)の各々に形成された前記凹部(20,30)は該単結晶基板(2,3)の前記主面に対して傾斜した傾斜面(21,31)を有し、
前記単結晶基板の一方(3)は前記凹部(30)の開口で前記光学フィルタ(4,6)を囲み且つ該光学フィルタ(4,6)が該凹部(30)の前記傾斜面(31)と対向するように間隙を介して前記ガラス基板(1)の前記第１主面に接合され、
前記単結晶基板の他方(2)は前記凹部(20)の前記傾斜面(21)に前記光学フィルタ(4,6)が前記ガラス基板(1)を介して対向するように該ガラス基板(1)の前記第２主面に接合されている。

フィルタ素子２：前記フィルタ素子１を前提とし、前記単結晶基板(2,3)の各々はシリコン基板である。

フィルタ素子３：前記フィルタ素子２を前提とし、前記単結晶基板(2,3)の各々に形成された前記凹部(20,30)の前記傾斜面(21,31)は、前記シリコン基板の（１１１）結晶面である。

フィルタ素子４：前記フィルタ素子１を前提とし、前記単結晶基板(2,3)は、その夫々の前記主面の周縁において前記ガラス基板(1)に陽極接合されている。

フィルタ素子５：前記フィルタ素子４を前提とし、前記単結晶基板(2,3)の前記主面の前記周縁は、該主面に形成された前記凹部(20,30)で隔てられた一対に分かれている。

フィルタ素子６：前記フィルタ素子４を前提とし、前記単結晶基板(2,3)の前記主面の前記周縁は、該主面に形成された前記凹部(20,30)を囲む。

フィルタ素子７：前記フィルタ素子１を前提とし、前記光学フィルタ(4,6)は、前記ガラス基板(1)の前記第１主面に積層された誘電体多層膜である。

フィルタ素子８：前記フィルタ素子１を前提とし、前記ガラス基板(1)の前記第２主面には、全反射膜(5)又は前記光学フィルタ(4,6)とは別の光学フィルタ(12)が、該ガラス基板(1)を介してその前記第１主面に設けられた該光学フィルタ(4,6)と対向するように設けられている。

フィルタ素子９：前記フィルタ素子１を前提とし、前記単結晶基板(2,3)の各々に形成された前記凹部(20,30)の前記傾斜面(21,31)は、該単結晶基板(2/3)の前記主面に最も近い一辺(21a/31a)からこれに対向する他辺(21b/31b)へ向けて該一辺(21a/31a)に交差する方向に延在し、該他辺(21b/31b)に近付くに従い該単結晶基板(2/3)の厚さ方向に該傾斜面(21,31)と該単結晶基板(2/3)の該主面とを隔てる距離が増える。

フィルタ素子１０：前記フィルタ素子９を前提とし、前記一対の単結晶基板(2,3)は、夫々の前記傾斜面(21,31)が前記ガラス基板(1)を介して対向し、且つ夫々の前記一辺(21a/31a)から前記他辺(21b/31b)への延在方向が互いに逆になるように、該ガラス基板(1)に接合されている。

フィルタ素子１１：前記フィルタ素子１０を前提とし、前記単結晶基板の一方(3)の前記傾斜面(31)の前記一辺(31a)は前記ガラス基板(1)を介して前記単結晶基板の他方(2)の前記傾斜面(21)に対向し、且つ該他方の単結晶基板(2)の該傾斜面(21)の前記一辺(21a)は該ガラス基板(1)を介して該一方の単結晶基板(3)の該傾斜面(31)は対向している。

フィルタ素子１２：前記フィルタ素子１１を前提とし、前記ガラス基板(1)の前記第２主面には、全反射膜(5)又は前記光学フィルタ(4,6)とは別の光学フィルタ(12)が設けられ、
該全反射膜(5)又は該別の光学フィルタ(12)は、
該ガラス基板(1)を介してその前記第１主面に接合された前記一方の単結晶基板(3)の前記傾斜面(31)に対向し、且つ
該ガラス基板(1)の該第２主面の該傾斜面(31)の前記一辺(31a)に対向する領域から該傾斜面(31)の前記延在方向へ隔てられて配置されている。

フィルタ素子１３：前記フィルタ素子１２を前提とし、前記ガラス基板(1)の前記第１主面に設けられた前記光学フィルタ(4,6)は、その一端が該第１主面に接合される前記一方の単結晶基板(3)の前記傾斜面(31)の前記一辺(31a)より該傾斜面(31)の前記延在方向に隔てられ且つ該一端より該延在方向へ延び、
該光学フィルタ(4,6)の一端は、該ガラス基板(1)の前記第２主面に設けられた前記全反射膜(5)又は前記別の光学フィルタ(12)よりも該傾斜面(31)の該一辺(31a)側に突き出されている。

光モジュール１：請求項１記載のフィルタ素子、その前記一方の単結晶基板(3)の前記主面とは反対側の別の主面に固定された実装基板(16)、及び該実装基板(16)の該一方の単結晶基板(3)に対向する実装面に配置された複数の光素子(9-11)を備え、
前記複数の光素子(9-11)は、前記一方の単結晶基板(3)の前記傾斜面(31)の前記ガラス基板(1)に最も近い一辺(31a)から最も遠い他辺(31b)に向けて延在する方向に沿って並べられている。

光モジュール２：前記光モジュール１を前提とし、前記複数の光素子(9-11)の前記一方の単結晶基板(3)の前記傾斜面(31)の前記一辺(31a)に最も近い一つは発光素子(9)であり、該一つ以外は受光素子(10-11)である。

光モジュール３：前記光モジュール１を前提とし、前記光学フィルタは、前記一方の単結晶基板(3)の傾斜面(31)の前記延在方向に沿って、その透過波長帯域が異なる少なくとも２つの領域(4,6)に分けられ、
前記光素子(9-11)は、前記実装基板(16)の前記実装面において該光学フィルタの該領域(4,6)に対して位置合わせされて配置されている。

光モジュール４：前記光モジュール１を前提とし、前記実装基板(16)の前記実装面にはスペーサ(14)が接合され、
該スペーサ(14)と前記一方の単結晶基板(3)の前記別の主面とを接合することにより、前記複数の光素子(9-11)の各々は該一方の単結晶基板(3)の該別主面に間隙を介して対向しながら固定される。

また、本発明による光モジュールの製造方法に係る代表的なプロセスの流れは、後述する図面の参照番号を付して、以下の如く記される。

製造方法１：下記第１工程から第６工程までが順次行なわれることを特徴とする。

その第１結晶面で最密構造を呈し且つ該第１結晶面と所定の角度を成す第２結晶面を主面とする一対の単結晶材料のウェハ（Wafer）を用意する第１工程、
前記ウェハの各々の前記主面の一方をウェットエッチングして、該一方の主面内に前記第１結晶面(21,31)を夫々含む複数のエッチピット(20,30)を形成する第２工程、
第１主面とこれに対向する第２主面とを有するガラス基板(1)を用意し、該第１主面に複数の光学フィルタ(4,6)を前記一対の単結晶ウェハの前記一方の主面に形成された前記複数のエッチピット(30)の夫々に対応して離散的に形成する第３工程、
前記ガラス基板(1)の前記第１主面に前記一対の単結晶材料ウェハの一方を、該ガラス基板(1)の前記第２主面に前記単結晶材料ウェハの他方を夫々向き合わせ、該第１主面に形成された前記複数の光学フィルタ(4,6)が該一方の単結晶材料ウェハの前記一方の主面に形成された前記複数のエッチピット(30)の内部に夫々収められ、且つ該他方の単結晶材料ウェハの前記一方の主面に形成された前記複数のエッチピット(20)の開口と該一方の単結晶材料ウェハの該主面に形成された該複数のエッチピット(30)の開口とが該ガラス基板(1)を介して少なくとも部分的に重なるように該一対の単結晶材料ウェハと該ガラス基板(1)との位置を合わせて、ガラス基板(1)の該第１主面に該一方の単結晶材料ウェハの該主面を、その該第２主面に該他方の単結晶材料ウェハの該主面を夫々接合する第４工程、
少なくとも２つの光素子(9-11)を各々含む複数のユニットが前記一方の単結晶ウェハの主面に形成された前記複数のエッチピット(30)の夫々に対応して離散的に配置され且つ該複数のユニットを互いに隔てるスペーサ(14)が設けられた実装面を有する基材(16)を用意し、該一方の単結晶ウェハの該主面と対向する他の主面に該基材(16)の実装面を向き合わせ、前記ガラス基板(1)の前記第１主面に形成された前記複数の光学フィルタ(4,6)と該複数のユニットとの位置を合わせて、 該一方の単結晶ウェハの該他の主面と該スペーサとを接合する第５工程、及び
前記スペーサ(14)とともに前記一対の単結晶材料ウェハと前記ガラス基板(1)とを切断して、前記複数の光学フィルタ(4,6)の各々とこれに対応する前記複数のユニットの一つとを備える複数の光モジュールに個片化する第６工程。

製造方法２：前記製造方法１を前提とし、前記実装基板(16)を前記一対の単結晶材料ウェハと同じ単結晶ウェハとして供給し、前記第６工程において、前記実装基板(16)を前記一対の単結晶材料ウェハとともにダイシングして前記複数の光モジュールに個片化する。

製造方法３：前記製造方法２を前提とし、前記単結晶材料のウェハとしてシリコン単結晶ウェハを用い、前記ガラス基板(1)及び前記スペーサ(14)としてホウケイ酸ガラス基材を用いる。

製造方法４：前記製造方法１を前提とし、前記少なくとも２つの光素子(9-11)を、薄膜はんだによるダイボンディング又はフリップチップ接続により前記実装基板(16)の前記実装面に固定する。

上述した本発明によるフィルタ素子、光モジュール及びその製造方法における「光学フィルタ」は、少なくとも一つの波長（以下、特定波長）又は波長帯域（以下、特定波長帯域）の光に対するその透過率が、特定波長とは異なり又は特定波長帯域外の波長の光に対する透過率より高くなる部材であり、当該特定波長又は特定波長帯域の光を選択的に透過させる部材とも記される。光学フィルタは、特定波長を持たない光や、特定波長帯域から外れた光という、言わば「選択的に透過されない光」に対して高い反射率を示すとよく、その反射率が当該光学フィルタの「選択的に透過される光」に対する反射率より顕著に高くなるほど本発明によるフィルタ素子の性能が高められる。本発明によるフィルタ素子の性能向上の観点から、当該光学フィルタの「選択的に透過されない光」に対する透過率は、「０（ゼロ）」に近づけられることが望ましいが、その一方で、当該フィルタ素子を備えた光モジュールや当該光モジュールが組み込まれた光通信システムの機能（例えば、受光素子の感度）に応じた上限値まで許容される。この「光学フィルタ」の一例として、バンドパスフィルタが挙げられるが、上記光モジュールや光通信システムの機能に応じて、バンドパスフィルタ以外の光学要素（Optical Element）に置き換えられる。

本発明により、安価な送受信用の光モジュールを提供することができる。

本発明以下、本発明の実施形態について、夫々に関連する図面を参照して説明する。但し、本発明は下記実施形態に限定されず、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において、その形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施形態に例示される内容に限定して解釈されるものではない。

本発明によるフィルタ素子及び光モジュールの第一の実施例について、図１を用いて説明する。図１は、本発明のバンドパスフィルタ（フィルタ素子）を示す図である。ガラス基板１の対向し合う一対の主面（互いに平行な一対の表面）には、例えばＳｉ（シリコン）からなる単結晶基板２，３のエッチングが施された主面（表面）が夫々接合されている。単結晶基板２，３の主面（ガラス基板１との接合面）にエッチングで形成された凹部（エッチピット（etch pit）とも記される）２０，３０は、その主面内において例えば矩形の開口を呈し、この開口は主面の縁（edge(s)）又は輪郭（contour）より隔てられている。単結晶基板２，３の主面は、その縁（輪郭）と上記凹部２０，３０の開口とを隔てる「周縁（periphery）」でガラス基板１の主面のいずれかに接合される。凹部２０，３０には、その開口に最も近い一辺２１ａ，３１ａからこれより最も遠い他辺２１ｂ，３１ｂへ、当該一辺２１ａ，３１ａに交差する方向に延在する面が形成され、その延在長さの最も長い面を以降、傾斜面２１，３１と記す。図１に示された凹部２０，３０では、前記傾斜面２１，３１の一辺２１ａ，３１ａが当該凹部２０，３０の開口を囲む単結晶基板２，３の主面の周縁と接し、その他辺２１ｂ，３１ｂは凹部２０，３０の開口よりも単結晶基板２，３の主面の縁（edge）近くに位置する。傾斜面２１，３１の一辺２１ａ，３１ａは、これを備えた凹部２０，３０が形成された「単結晶基板２，３の主面に最も近い辺」、又は当該単結晶基板２，３の主面に接合される「ガラス基板１の主面に最も近い辺」とも記される。これに対し、傾斜面２１，３１の他辺２１ｂ，３１ｂは、「単結晶基板２，３の主面から最も遠い辺」、又は当該単結晶基板２，３の主面に接合される「ガラス基板１の主面から最も遠い辺」とも記される。傾斜面２１，３１が一辺２１ａ，３１ａから他辺２１ｂ，３１ｂへ延在する方向を「傾斜面２１，３１の延在方向」と記せば、この延在方向に沿って凹部２０，３０は単結晶基板２，３の主面に対して深くなる。図１に示す如く広い傾斜面２１，３１を備えた凹部２０，３０は、これが形成される単結晶基板２，３の主面に特定の結晶面を持たせることで形成され、例えばシリコン単結晶基板では、その（１１１）結晶面と角度１１°を成す結晶面と特定される。

ガラス基板１の主面の一方（以下、第１主面）には単結晶基板３が、その主面の他方（以下、第２主面）には単結晶基板２が、夫々に形成された凹部３０の傾斜面３１の延伸方向と凹部２０の傾斜面２１の延伸方向とが互いに逆となり、且つガラス基板１を介して対向し合う傾斜面２１，３１が互いに平行になるように、夫々接合されている。さらに、ガラス基板１の第１主面の凹部３０（単結晶基板３の主面の開口）に対向する領域には、波長λ１の光のみを選択的に透過することのできる光学フィルタ４と波長λ２のみを透過することのできる光学フィルタ６とが、夫々当該凹部３０の傾斜面３１に対向するように形成されている。

本実施例で論じる「光学フィルタ４，６」は、特定の波長を有し又は特定の波長帯域にある光に対する透過率が、当該特定波長とは異なり又は当該特定波長帯域外の波長の光に対する透過率より高くなる部材であり、当該特定波長又は特定波長帯域の光を選択的に透過させる部材とも記される。本実施例のフィルタ素子の後述される動作原理に照らせば、光学フィルタ４，６のいずれも、その特定波長又は特定波長帯域の光に対する反射率が上記透過率より低く抑えられるとよく、当該反射率が実質的に無視できることが望ましい。また、光学フィルタ４，６の各々は、これにより選択的に透過されない光（その波長が上記特定波長とは異なり又は上記特定波長帯域外にある）に対して高い反射率を示すとよく、その値は少なくとも上記選択的に透過されない光に対する透過率より高いことが望ましい。このような光学特性を有する光学フィルタの代表例として「バンドパスフィルタ」が知られるため、本実施例並びにこれに続く他の実施例において、光学フィルタ４，６の各々は、「バンドパスフィルタ」と便宜的に記される。しかし、本発明によるフィルタ素子や光モジュールを具現するに際し、光学フィルタ４，６のいずれもバンドパスフィルタに限定される必然性はなく、例えば、これをハイパスフィルタやロウパスフィルタに置き換えてもよい。

ガラス基板１の第１主面に形成される透過波長帯域（range of transmissive wavelengths）の異なる複数のバンドパスフィルタ（本実施例では２種のバンドパスフィルタ４，６）は傾斜面３１の延伸方向に並び、例えば当該傾斜面３１の一辺３１ａ側に配置されるバンドパスフィルタ（４）の透過波長帯域は、その他辺３１ｂ側に配置されるバンドパスフィルタ（６）の透過波長帯域より短波長側にシフトしている。本実施例では、バンドパスフィルタ４の透過波長λ１が１．３μｍに、バンドパスフィルタ６の透過波長λ２が１．４８μｍに夫々設定されている。一方、ガラス基板１の第２主面の凹部２０（単結晶基板２の主面の開口）に対向する領域には全反射膜５が形成されている。全反射膜５はガラス基板１を介してバンドパスフィルタ４，６に対向するように形成されるが、その一端は、図示される直交座標の「主面方向」においてバンドパスフィルタ４の一端より当該凹部２０の傾斜面２１の他辺２１ｂ（又は凹部３０の傾斜面３１の一辺３１ａ）から離されて、バンドパスフィルタ４の一端と凹部２０の傾斜面２１との間に延伸しないように形成されてもよい。また、全反射膜５の上記一端の反対側（以下、他端）が、上記「主面方向」においてバンドパスフィルタ６より当該傾斜面２１の一辺２１ａ（又は傾斜面３１の他辺３１ｂ）の近くまで延伸されてもよい。

図１に示されたフィルタ素子は、その単結晶基板３の上記主面（ガラス基板１との接合面）の反対側にある他の主面（以下、外表面（Outer Surface））で図示されない発光素子からの波長λ１（＝１．３μｍ）の光を受け、その単結晶基板２の上記主面（ガラス基板１との接合面）の反対側にある他の主面（以下、外表面）でレンズ７を介して光ファイバ（導波路）８と光学的に結合される。本実施例のフィルタ素子を成す一対の単結晶基板２，３はともにシリコン（Ｓｉ）の単結晶であり、１．３〜１４μｍと赤外領域に広く亘る波長帯域の光を透過させる。一方、これら単結晶基板２，３に形成された凹部２０，３０はガラス基板１で塞がれ、その内部に空気を充填してもよく、その内部を減圧状態に保ってもよい。図示されぬ発光素子からの波長λ１の光は単結晶基板３の外表面に入射し、傾斜面３１の一辺３１ａ側で屈折され、バンドパスフィルタ４の上記一端を透過し、単結晶基板２の外表面からレンズ７を介して光ファイバ８に入射される。一方、光ファイバ８は、波長が互いに異なる複数の信号を伝搬し、レンズ７を介してフィルタ素子（単結晶基板２の外表面）に入射させる。本実施例では、波長λ２＝１．４８μｍの光信号と、波長λ３＝１．５５μｍの光信号が光ファイバ８で送信されてくる。

これらの光信号は、光ファイバ８からレンズ７を介してシリコンの単結晶基板２に入射され、さらにガラス基板１に入射する。フィルタ素子から光ファイバ８へ送信される光信号（λ１）及び光ファイバ８を通してフィルタ素子で受信される光信号（λ２，λ３）は、その波長に関係なく同じ光路を辿る。従って、これらの光信号の光路は互いに一致しているが、送信光（λ１）と受信光（λ２及びλ３）との挙動を見比べ易くするため、夫々の光路は少し横にずらして表示してある。

本実施例のフィルタ素子に設けられたバンドパスフィルタ４は、λ１＝１．３μｍの波長の光のみ透過させ、それ以外の波長の光は反射させる。したがって、λ２とλ３の光信号はバンドパスフィルタ４で反射され、続いて全反射膜５とバンドパスフィルタ４の間で多重反射される。このように多重反射された光信号がλ２＝１．４８μｍのみの光を透過させるバンドパスフィルタ６に入射すると、波長λ２の光は、バンドパスフィルタ６を透過し、さらにシリコンの単結晶基板３を透過する。一方、波長λ３＝１．５５μｍの光は、バンドパスフィルタに反射されて、再び全反射膜５とバンドパスフィルタ６との間で多重反射されて、ガラス基板１の第１主面のバンドパスフィルタ６が形成されていない領域で当該ガラス基板１から抜け出し、シリコンの単結晶基板３を透過して、その外表面から出射される。

図２は、上述したフィルタ素子を備えた光モジュールの断面構造を模式的に示し、シリコンの単結晶基板３の外表面における波長λ１の光の透過（入射）位置に対向させてレーザダイオード（発光素子；以下、ＬＤ）９が、波長λ２の光の透過（出射）位置に対向させてフォトダイオード（受光素子；以下、ＰＤ）１０が、波長λ３の光の透過（出射）位置にも対向させてＰＤ１１が、夫々配置の光の透過（出射）される。斯様に構成される本実施例の光モジュールは、送信信号に合わせたＬＤ９のレーザ発振により波長λ１の光信号を送信し、光ファイバ８から送られてきた波長λ２，λ３の光の強度変化を夫々検出することで、２種類の光信号を受信する。

図１に示される本実施例のフィルタ素子（バンドパスフィルタ部品）の製造プロセスを以下に説明する。まずガラス基板１の主面（上述した第１主面及びその反対側の第２主面）にレジスト膜のパターンを、フォトリソグラフィー技術により形成する。第１主面及び第２主面に形成されたレジスト膜の各々には、上述したバンドパスフィルタや全反射膜の形成予定位置に当該主面を露出する「開口」が形成されている。次にレジスト膜が形成されたガラス基板１の主面に、バンドパスフィルタ４，６となる誘電体多層膜又は全反射膜５となる金属薄膜を、スパッタ、あるいは蒸着などの方法で用いて形成する。バンドパスフィルタ４，６を成す誘電体多層膜は、所望の透過特性（例えば、特定波長帯域に対する高い透過性とこの波長帯域以外の波長の光に対する高い反射性）が得られるように選ばれた組成の異なる複数の誘電体層を順次積層して形成される。誘電体多層膜は、例えばＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５の多層膜などを用いることができる。全反射膜は、反射率の高い金属によるメタライズなどでも作製可能である。

次に、単結晶基板２，３の加工を行う。単結晶基板２，３がＳｉ基板であるとき、その各々の主面をＫＯＨ（水酸化カリウム）などの溶液でウェットエッチングすることで、当該主面に斜面２１，３１が形成される。ダイヤモンド構造の面心立方格子を成すシリコン単結晶からなる単結晶基板２，３において、この斜面には最密な面である（１１１）面が現れる。この斜面２１，３１は、単結晶基板２，３の主面にエッチングにより形成されたエッチピットと呼ばれる凹部の側壁を成すことが多く、当該主面の面方位が（１００）のとき、その主面と当該斜面とが成す角度：θは５４．７°と大きい。Ｓｉ（シリコン）基板のみならず、主な単結晶材料（特に半導体単結晶）は特定の結晶面にて劈開（cleave）され、平坦性に優れた主面を有するウェハに切り出される。しかし、この角度：θが大きすぎると、単結晶基板２，３の内部からその主面に形成された凹部２０，３０へ延伸する光路は、当該凹部の斜面２１，３１で十分に曲げられず、ガラス基板１の主面と概ね直交する。従って、ガラス基板１の主面に設けられたバンドパスフィルタは、当該主面の反対側から入射する光の透過させたくない波長成分をも反射しきれなくなり、近赤外領域（波長＝０．７〜２．５μm）や可視領域（波長＝０．３６〜０．８３μm，ＪＩＳ Ｚ８１２０に拠る）で異なる波長が割り当てられた複数の光信号のフィルタ素子による弁別が難しくなる。そこで、本実施例のフィルタ素子を成す単結晶基板（Ｓｉ基板）２，３に切り分けられる単結晶材料（Ｓｉ）のウェハを、その主面が（１１１）面と１１°の角度をなすように単結晶材料（Ｓｉ）のインゴット（ingot）からスライスし、且つその表面を研磨して用意する。即ち、Ｓｉ基板２，３やその母材となるＳｉウェハの「主面」は、（１１１）面や（１００）面に比べて劈開し難い結晶面を有する。Ｓｉ基板２，３（Ｓｉウェハ）のエッチングは、その主面にＳｉＯ_２酸化膜のマスクが形成された状態で当該ウェハをＫＯＨ溶液に浸して（エッチャント，etchant）に浸して行なわれる。ＳｉＯ_２酸化膜には、Ｓｉウェハの主面の予めエッチングしたい部分（Ｓｉ基板２，３の上記凹部２０，３０が形成される部分）に対応した開口部が形成され、この開口部で露出された主面のみが選択的にＫＯＨ溶液でエッチングされる。

（１００）面を主面とするＳｉウェハを上述したマスクを通してエッチングしたとき、マスクの開口部に対応したエッチピットは、Ｓｉの（１１１）面及びこれに等価な結晶面の４枚を継ぎ合わせて成る側壁を備えた四角錐又は角錐台に成形される。しかし、本実施例では、Ｓｉウェハの主面が（１００）面と所定の角度を成すため、エッチピットの側壁を成す（１１１）面又はこれに等価な結晶面の１枚は、他の３枚に比べて広く形成される。この側壁の面積が最も大きい１枚が、個々に切り分けられたフィルタ素子における単結晶基板２，３の「傾斜面２１，３１」であり、ガラス基板１及びその主面に形成されたバンドパスフィルタと対向して、当該フィルタ素子を機能させる。Ｓｉウェハ（単結晶基板２，３）の主面には、そのエッチピット（凹部２０，３０）の開口が上記マスクの開口部に対応して形成される。四角錐や角錐台のエッチピットでは、その側壁の各々がＳｉウェハの主面に投影される面積は、当該エッチピットの開口面積の１／４以下となる。これに対し、本実施例のエッチピット（凹部２０，３０）に現れる上記「傾斜面２１，３１」のＳｉウェハ（単結晶基板２，３）の主面に投影される面積は、当該エッチピットの開口面積の１／２以上となり、図１に示される「楔形」のエッチピットでは、その開口面積より大きくなる。傾斜面２１，３１は、エッチピットの開口と同様な形状を呈し、例えば矩形状（長方形又は正方形）に形成される。

傾斜面２１，３１は、また、Ｓｉウェハ（単結晶基板２，３）の主面に最も近い一辺２１ａ，３１ａと、当該一辺と対向し且つＳｉウェハの主面から最も離れた他辺２１ｂ，３１ｂとを備え、この一辺２１ａ，３１ａから他辺２１ｂ，３１ｂに向けて、当該一辺２１ａ，３１ａに交差する方向沿いに延在する。以降、本明細書では、上記一辺２１ａ，３１ａに交差し且つ一辺２１ａ，３１ａから他辺２１ｂ，３１ｂに到る方向を傾斜面２１，３１の「延在方向」と記す。例えば、図１に示した「主面方向」に対して、傾斜面２１の延在方向は右側から左側へ到る「向き」として定義され、傾斜面３１の延在方向は左側から右側へ到る「向き」として定義される。このように定義される傾斜面２１，３１の「延在方向」に対して、傾斜面２１，３１の「Ｓｉウェハの主面からの距離（Ｓｉウェハの厚さ方向の寸法）」は単調に増加する。この距離は、Ｓｉウェハ（単結晶基板２，３）の主面に形成されたエッチピット（凹部２０，３０）の深さとも定義され、また、当該主面に接合された「ガラス基板１の主面からの距離」とも定義される。図１に示された傾斜面２１，３１の一辺２１ａ，３１ａは、エッチピット（凹部２０，３０）が形成されたＳｉウェハ（単結晶基板２，３）の主面に接するが、これらがＳｉウェハの主面の処理等により、若干隔てられても、本実施例によるフィルタ素子の機能は損なわれない。

複数のフィルタ素子に対応したパターン（複数のエッチピット）をＳｉウェハの主面に形成した後、当該ＳｉウェハをＳｉ基板２，３毎に切り分ける所謂ウェハレベルのプロセスでは、エッチング処理が完了したＳｉウェハからのＳｉＯ_２酸化膜（マスク）の除去に続いて、夫々のウェハとガラス基板１（切断前のマザーガラス状態）とが接合される。

この接合手法として、Ｓｉウェハ（単結晶基板２，３）とガラス基板１とを直接接合できる陽極接合が好適である。陽極接合では、ガラス基板１側の陰極とＳｉウェハ側の陽極の夫々に電圧を印加することで、ガラス基板１に含まれるＮａ^＋などの陽イオンを強制的にＳｉウェハへ拡散させる。この時、ガラス基板１内の電荷のバランスが崩れ、ガラス基板１とＳｉウェハ（単結晶基板２，３）の界面近傍に強い静電引力が発生する。この静電引力によりガラス基板１とＳｉウェハが密着する。ガラス基板１中のイオンをＳｉウェハ内へ拡散させるには、通常、この界面近傍を３００℃以上に加熱し、且つこの界面に数百ボルトの電圧を印加することが必要である。ガラス基板１とＳｉウェハとが密着すると、ガラス基板１中の酸素原子とウェハを成すＳｉ原子が反応し、これらの間に強固な接合界面が形成される。

図１を参照して、本実施例のフィルタ素子を、マザーガラスから切り出されたガラス基板１にＳｉウェハから切り出されたＳｉ基板（単結晶基板）２，３を接合して組み立てる所謂チップレベルのプロセスについて説明する。このチップレベル・プロセスでは、まず、Ｓｉ基板（単結晶基板）２の凹部２０が形成された主面（凹部２１を囲む周縁部分）とガラス基板１の一方の主面（図１における上面）とを接触させ、次にＳｉ基板２に陽極を、ガラス基板１に陰極を夫々押し当てながら陽極と陰極との間に電圧を印加して、Ｓｉ基板２の主面（周縁部分）とガラス基板１の一方の主面とを陽極接合させる。斯様にしてガラス基板１の一方の主面にＳｉ基板２が固定された後、ガラス基板１の他方の主面（図１における下面）にＳｉ基板（単結晶基板）３の凹部３０が形成された主面（凹部３０を囲む周縁部分）を接触させ、次にＳｉ基板３に陽極を、Ｓｉ基板２（所謂ガラス基板１側の部材）に陰極を押し当てながら陽極と陰極との間に電圧を印加して、Ｓｉ基板３の主面（周縁部分）とガラス基板１の他方の主面とを陽極接合させる。ここで説明したフィルタ素子の製造工程において、ガラス基板１へのＳｉ基板（単結晶基板）２，３の陽極接合の順序を変えてもよく、また、これらの製造工程は上記ウェハレベル・プロセスにも適用できる。

以上のように、本実施例によるフィルタ素子は、ガラス基板１の両主面に一対のＳｉ基板（単結晶基板）２，３が直接接合されて構成されるため、夫々の熱膨張率を互いに近づけることが望ましい。単結晶基板２，３としてＳｉ基板を用いる本実施例のフィルタ素子を作製するにあたり、ガラス基板１として、その熱膨張率がシリコン（Ｓｉ）に近い例えばホウケイ酸ガラス（硼珪酸ガラス、borosilicate glass，SiO₂−B₂O₃）を用いることが望ましい。ホウケイ酸ガラスの基板材料として、コーニング社（Corning Inc.，米国，ニューヨーク）の商標で知られるパイレックス（PYREX^(R)）や、ショット社（Schott AG.，独，マインツ）の商標で知られるテンパックスフロート（TEMPAX Float^(R)）などが好適である。本実施例によるフィルタ素子のガラス基板１として推奨される材料はホウケイ酸ガラスに限られず、Ｓｉに近い熱膨張率を有し且つアルカリイオンを含む他のガラスも、上述したＳｉ基板への陽極接合が可能であるため、当該フィルタ素子に適用することができる。

Ｓｉ基板（単結晶基板）２，３とガラス基板１とを陽極接合ではなく、例えば接着剤を用いて接合する場合は、その接合界面近傍を加熱する温度が陽極接合よりも低いので、ガラス基板１の熱膨張率はＳｉ基板２，３のそれと不一致であっても構わない。Ｓｉ基板２，３とガラス基板１のそれぞれの主面（接合部位）にメタライズを形成し、メタライズ間をはんだにより接合する場合も同様である。しかし、これらの接合により完成されたフィルタ素子や光モジュールにおける歪低減の観点から、接着剤による接合であってもメタライズ間のはんだ接合であっても、Ｓｉ基板２，３とガラス基板１との熱膨張率は近いことが望ましい。

本発明によるフィルタ素子の第二の実施例について、図３を用いて説明する。本実施例のフィルタ素子では、第一の実施例に説明されたフィルタ素子の全反射膜５に代えて、波長λ１のみを透過させるバンドパスフィルタ１２がガラス基板１の第２主面（図示される上面）に形成されている。全反射膜５をバンドパスフィルタ１２に替えた理由は、発光素子（特にレーザダイオード（ＬＤ）から出射された波長λ１の光が、充分にコリメートされず、または、多少の散乱光を伴ってガラス基板１に第１主面（図示される下面）から入射したときに、波長λ１の光がガラス基板１（所謂フィルタ素子本体）内で多重反射を起こしながらガラス基板１の第１主面のバンドパスフィルタ６が形成されていない領域（バンドパスフィルタの形成領域外）まで到達することを防ぐことにある。実施例１に記した第１主面に対向する傾斜面３１とその一辺３１ａ及び他辺３１ｂを用いると、ここで論じられる「ガラス基板１の第１主面におけるバンドパスフィルタが形成されない領域」は、当該第１主面におけるバンドパスフィルタ（６）の当該傾斜面３１の他辺３１ｂ側の縁から当該他辺３１ｂに向けて延在する領域と記される。なお、バンドパスフィルタ１２も、実施例１で述べた光学フィルタ４，６と同様な光学的特性を示す光学フィルタなら、例えば、ハイパスフィルタやロウパスフィルタ等に適宜置き換えられる。従って、バンドパスフィルタ１２は、光学フィルタ１２と記せるが、本明細書では、「バンドパスフィルタ」と便宜的に記される。

例えば、図２に示された実施例１の光モジュールにおいて、ガラス基板１の第２主面に形成された全反射膜５は、当該ガラス基板１に第１主面から入射する波長λ１の一部（例えば、コリメートされない成分（non-collimated fraction）や散乱された成分（scattered fraction））をその第２主面から出射させずにガラス基板１内に戻し、さらにガラス基板１内を図示された主面方向沿いに伝播させ、第１主面のバンドパスフィルタの形成領域外からの出射光を受けるように配置された受光素子（ＰＤ）１１に入射させる。従って、光ファイバ８からレンズ７、単結晶基板（例えば、Ｓｉ基板）２を介してガラス基板１の第２主面に入射する波長λ３の光を信号として受信するＰＤ１１は、これとともにガラス基板１で伝播された波長λ１の光を検出するため、光モジュールによる波長λ３の光信号受信にクロストークが起きることが懸念される。

この光モジュールに備えられたフィルタ素子を本実施例のフィルタ素子に置き替え、又はこのガラス基板１の第２主面に全反射膜５に代えて、バンドパスフィルタ１２を形成することで、波長λ１のコリメートされない成分や散乱された成分も、ガラス基板１の第２主面からバンドパスフィルタ１２を透過して出射され、更に第２主面に接合された単結晶基板２を通して光モジュールから出射される。これにより、ＰＤ１１による光信号受信におけるクロストークは低減される。また、ガラス基板１の第２主面から出射できなかった波長λ１の光が当該ガラス基板１の第１主面からバンドパスフィルタ４を通してＬＤに戻り、そのレーザ発振を乱すこと（所謂戻り光問題）も防げる。

本実施例で新たに論じたパスフィルタ１２は、実施例１にて論じたガラス基板１の第１主面に形成されるバンドパスフィルタ４，６のように誘電体多層膜で形成してもよく、波長λ１を選択的に通過させ且つそれ以外の波長（特に波長λ２，λ３）を透過させることなく且つガラス基板１内部へ反射させる特性を備えることが望ましい。この観点から、バンドパスフィルタ１２は、ガラス基板１の第１主面における波長λ１が入射する領域（第１主面に対向する傾斜面３１の一辺３１ａ側）に形成されるバンドパスフィルタ４と同じ材料で形成してもよく、バンドパスフィルタ４と同じ誘電体多層膜にしてもよい。

本発明によるフィルタ素子の第三の実施例について、図４を用いて説明する。本実施例のフィルタ素子は、先述した実施例のフィルタ素子のいずれにおいてもバンドパスフィルタが形成されないガラス基板１の第１主面の領域（これに対向する傾斜面３１の他辺３１ｂに近い領域）に波長λ３の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ１３が設けられていることを特徴とする。即ち、ガラス基板１の第１主面には、これに対向する傾斜面３１の一辺３１ａから他辺３１ｂに到る延在方向に沿って、波長λ１の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ４、波長λ２の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ６、及び波長λ３の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ１３がこの順に配置される。本実施例のバンドパスフィルタ１３も、先述の光学フィルタ４，６，１２と同様な光学的特性を示す光学フィルタなら、例えば、ハイパスフィルタやロウパスフィルタ等に適宜置き換えられるが、その機能を強調するため、本明細書では「光学フィルタ１３」と記さず、「バンドパスフィルタ」と便宜的に記される。

図４に示されたフィルタ素子の単結晶基板３側（下面側）には図示されない発光素子が配置される。この発光素子から「送信信号」として出射された波長λ１のレーザ光は、フィルタ素子を単結晶基板３から単結晶基板２に向けて通過し、レンズ７を経て入射した光ファイバ（導波路）８により別の基地局（不図示）に設けられた光モジュールで受信される。一方、上記光ファイバ８は別の基地局から発信された波長λ２，λ３のレーザ光を伝播し、上記レンズ７を介してフィルタ素子を成す単結晶基板２の外表面に照射する。フィルタ素子は波長λ２，λ３のレーザ光を「受信信号」としてそのガラス基板１内に取り込み、その第１主面に形成されたバンドパスフィルタ４と第２主面に形成されたバンドパスフィルタ１２とで多重反射させ、傾斜面３１の延在方向（図示された「主面方向」）に伝播させる。これらの受信信号に対して所謂ノイズとなる波長λ１の光は、バンドパスフィルタ４，１２のいずれかを通してガラス基板１外に出射される。受信信号がガラス基板１の第１主面にバンドパスフィルタ６が形成された領域に到ると、波長λ２のレーザ光のみがバンドパスフィルタ６を通してガラス基板１の第１主面（図示された下面）から出射され、当該第１主面に対向して設けられた受光素子（不図示）で検出される。一方、波長λ３のレーザ光は一対のバンドパスフィルタ６，１２で繰り返し反射されてガラス基板１内を傾斜面３１の延在方向に沿って伝播される。さらに受信信号がガラス基板１の第１主面にバンドパスフィルタ１３が形成された領域に到ると、波長λ３のレーザ光のみがバンドパスフィルタ１３を通してガラス基板１の第１主面から出射され、当該第１主面に対向して設けられた別の受光素子（不図示）で検出される。このとき、ガラス基板１内に波長λ２の光の散乱された一部や、波長λ３以外の迷光又は散乱光が残留しても、これらがバンドパスフィルタ１３を通過して、別の受光素子に検知されることはない。

従って、本実施例のフィルタ素子を実施例１で述べた光モジュール（図２）に組み込むことにより、これにより受信される波長λ２及び波長λ３の光信号の検出に伴うクロストークが大幅に低減される効果がある。

なお、図４に示された本実施例のフィルタ素子は、実施例２（図３）のフィルタ素子に基づいている。しかし、本実施例のフィルタ素子は、実施例２のフィルタ素子の改良のみならず、その特徴（バンドパスフィルタ１３）を実施例１（図１）のフィルタ素子に加えても具現され、上述した作用効果が得られる。

本発明によるフィルタ素子の第四の実施例と、これを備えた光モジュール及びその製造方法について、図５を用いて説明する。本実施例で論じられる光モジュールは、その夫々を構成するガラス基板１及び単結晶基板２、３をフィルタ素子毎に切断することなく互いに接合させる「ウェハレベル」のプロセスで製造される。さらにフィルタ素子の各々に一つの発光素子（ＬＤ９）及び一対の受光素子（ＰＤ１０，ＰＤ１１）を搭載する工程も、これらの光素子９〜１１が固定される実装基板（以下、基板）１６は光モジュール毎に切断されずに、その母材（バルク材料）が単結晶基板３に切り分けられるウェハの外表面に接合される。従って、ウェハ状の実装基板１６の光素子が搭載された主面にウェハ状態で組み立てられたフィルタ素子（以下、バンドパスフィルタ部品）１５が接合された後に、ウェハの積層体は初めて個々の光モジュールに分離される。本実施例では、ウェハ状態でバンドパスフィルタ部品１５から光モジュールに到る主要な部分の組立を行う光モジュールに到る製造プロセスについて、説明される。

本実施例にて論じるバンドパスフィルタ部品１５には、実施例１乃至３にて説明されたフィルタ素子及びこれらに等価な構造のいずれも適用することができる。但し、このバンドパスフィルタ部品１５に光素子９〜１１が搭載された基板１６を所定の間隙を介して接合するために、その光素子に対向する側の単結晶基板（例えば、Ｓｉ基板）３の主面（外表面）に基板１４を接合し、これをスペーサ（１４）にパターニングする。この基板（スペーサ）１４の厚さ（単結晶基板３の外表面からの高さ）は、光素子９〜１１が実装される基板１６の主面とこれに対向するバンドパスフィルタ部品１５（単結晶基板３）の外表面との間に、当該光素子が空隙を介して当該外表面と対向し得るだけの空間を確保し、かつ光素子９〜１１の夫々におけるバンドパスフィルタ部品１５を介した光信号の送受信を可能ならしめる光学的な設計を実現させるよう調整される。

単結晶基板３が導体や半導体であるとき、基板（スペーサ）１４の材料は電気的な絶縁性を有することが、これと接合される基板（光素子の実装基板）１６の配線の単結晶基板３を介した不測の短絡を防ぐ上で望ましい。単結晶基板３の母材としてＳｉウェハを用いるとき、基板１４に実施例１で述べた如きＳｉとほぼ同等の熱膨張率を示すホウケイ酸ガラス（例えば、コーニング社のパイレックス^(R)や、ショット社のテンパックスフロート^(R)）を用いれば、これを単結晶基板３に直接接合することが可能となる。

バンドパスフィルタ部品１５（単結晶基板３）の外表面に基板１４を接合する工程の一例は次のように説明される。まず、基板１４となるホウケイ酸ガラスの板材の主面にフォトリソグラフィー技術を用いて、レジストパターンを形成する。レジストパターンは、板材主面の加工しない部分がこれでカバーされるように成形される。次に、レジストパターンが形成された板材主面をサンドブラストやエッチング等で処理し、板材主面のレジストの開口で露出された部分に貫通穴を形成する。この段階で、基板１４となるホウケイ酸ガラスの板材は、複数の開口が蜂の巣の如く形成された多孔板（perforated plate）と成る。この複数の開口は、基板１４に接合される実装基板１６の主面に光モジュール毎に離間して設けられた光素子搭載部を夫々囲む。このホウケイ酸ガラスの多孔板が単結晶基板（そのウェハ）３の外表面に接合されたときの「フィルタ素子アレイ（ウェハ状態にあるバンドパスフィルタ部品１５の集合体）」の断面が図５（ａ）に模式的に示される。図５（ａ）に離散して示される複数の基板（スペーサ）１４の隣接し合う一対は、上述した「１枚の多孔板」に形成された複数の開口の１つで隔てられ且つこれを縁取る。

一方、ウェハ状態の基板１６の主面には、図５（ａ）に示す如く、光モジュール毎に対応した光素子群（発光素子９と一対の受光素子１０，１１）が複数箇所に離散して設けられている。この基板１６は、電気的に絶縁性を示す材料、又は半導体材料から成り、その主面には光素子に夫々結線される複数の配線（不図示）が形成されている。フィルタ素子アレイ（単結晶基板３）の外表面に一方の主面が接合された基板（多孔板）１４は、当該一方の主面とは反対側の他の主面で基板１６の主面の「光素子群間を隔てる領域」に接合される。

基板１４がＳｉと熱膨張率がほぼ等しい材料から成るとき、ウェハ状態のバンドパスフィルタ部品１５と基板１６とは、基板１４を介した陽極接合で固定できる。例えば、フィルタ素子アレイ（バンドパスフィルタ部品１５の集合体）の基板１６とは反対側に位置する単結晶基板（Ｓｉ基板）２を陰極、当該基板１６を陽極として、この間に電圧を印加すると、基板１４に含まれる陽イオンが強制的に基板１６に拡散されて基板１４内の電荷のバランスを崩し、基板１４と基板１６との接触界面近傍に強い静電引力が発生する。この静電引力により基板１４（即ち、バンドパスフィルタ部品１５の集合体）と基板（光素子の実装基板）１６とが図５（ｂ）に示す如く密着し、複数の光モジュールがウェハレベルで完成される。

一方、バンドパスフィルタ部品１５に光素子９〜１１を組み込む過程で、光素子であるＬＤ９及びＰＤ１０〜１１が、一般的に静電気などに弱い特性を有することに配慮する必要がある。光素子９〜１１の電極間に不測の電圧を印加させない工夫の一例として、ウェハ状態の基板１６の主面に、これに実装された光素子の電極に夫々接続され得る配線（言わば、共通配線）を形成する。この共通配線は、光素子の一つの電極付近に静電気により生じた電荷を当該共通配線により基板（ウェハ）１６の主面内に分散させて、当該電荷の一つの光素子への集中とこれによる当該光素子の破壊を防ぐ。ウェハ状態の基板１６は、個々の光モジュールを分離する工程で、例えば、図５（ｂ）に示された切断線ＣＬ沿いに１つの光モジュールに応じた大きさに切り出される。しかし、基板１６の主面の周縁部は端材として通常廃棄されるため、共通配線による光素子間の短絡回路（short circuit）は当該周縁部にパターニングされるとよい。これにより、基板１６の主面の周縁部が光モジュールから切り離されるとともに、光モジュールの各々に形成された配線の当該短絡回路への電気的接続が切断される。なお、基板１６の主面に形成される配線や、光素子を実装する部分のメタライズ、接合剤については、図５において省略されている。

ウェハ状態にある複数の光モジュール（の集合体）は、ダイシングや、スクライブとブレークを組み合わせた手法で基板１〜３（バンドパスフィルタ部品１５）、基板１４、及び基板１６を切断することにより、図５（ｃ）に示される如き個別の光モジュールが得られる。図示される光モジュールは、これに光信号を伝達する光ファイバに対向する単結晶基板２の外表面に遮光膜１７が形成され、その単結晶基板２の傾斜面２１の他辺２１ｂ側に近い部分には開口１７ａが形成されている。この光モジュールは、その遮光膜１７の開口１７ａを光ファイバに対向させて配置され、当該開口１７ａを通して光ファイバと光信号の授受を行う。光ファイバ及びその周辺から単結晶基板２への不測の入射光は遮光膜１７で遮られるため、特にＰＤ（受光素子）１０〜１１による光信号検出の信号（Ｓ）／雑音（Ｎ）の比が高められる。

基板１６の主面への光素子９〜１１の実装には、薄膜はんだやフリップチップ接合が適用できる。薄膜はんだを用いた光素子の基板１６へのダイボンディングは、これまでも行われてきたが、ウェハ状の基板１６の主面に高歩留り、かつ高位置精度で光素子を実装することは容易ではない。そこで、ウェハ状の基板１６の主面に光モジュールに応じた複数の光素子群を効率よく配置する本発明の光モジュールの量産に好適なプロセスの一例を以下に説明する。

まず、基板１６の主面に、光素子の電極と接続されるメタライズパターン、および配線を形成する。次に光素子が接続される部分に、厚さ数μｍのはんだをリフトオフ法などにより形成する。このはんだとして、金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）系はんだ、特にＡｕ−２０ｗｔ％Ｓｎの共晶組織を呈する組成又はその近傍の組成の薄膜はんだを用いると、光素子の電極に対する濡れ性が良くなる。この薄膜はんだ上にはんだを融かすことなく光素子を押し当て、光素子の電極への金属拡散、又は当該電極を成す金属の変形などにより、薄膜はんだを固体状態に保ちながら光素子を基板１６のウェハ主面に仮固定する。このウェハ主面の全域に亘り散在する所定の位置に光素子を仮固定したら、このウェハ全体を薄膜はんだの融点以上に加熱して、光素子の電極とウェハ主面の電極又は配線とを接続する。薄膜はんだを窒素などの不活性ガスの雰囲気で加熱すると、当該はんだの表面酸化が抑制できるる。

光素子の構造によっては、これを基板１６のウェハ主面にフリップチップ接合してもよい。例えば、光素子の発光部を成すヘテロ接合から見てｐ型半導体層側に設けられた電極（Ｐ電極）とｎ型半導体層側に設けられたもう一つの電極（Ｎ電極）との双方が、そのウェハ主面との接合面に存在するとよい。基板１６のウェハ主面には、電極と配線のメタライズが予め形成され、その電極上に金（Ａｕ）等のバンプを形成する。このＡｕバンプ上に光素子の電極を押し当てながら加熱し、さらにＡｕバンプと光素子の電極との間に超音波などをかけることで、Ａｕバンプと光素子の電極との間における元素の拡散や、当該バンプや当該電極の変形を促すことにより、これらの接合を得ることができる。この方法は、バンプ（ウェハ上の構造物）や電極（光素子）等の接続に関与する金属を溶融させることなく、これらを接続させるものなので、
のウェハ主面に散在する複数の位置に光素子を順次接続するプロセスに適した方法である。

本実施例で述べた光モジュールの製造方法は、ウェハ状態にある基板１６上に光素子９〜１１を実装し、さらにその上に、バンドパスフィルタ部品１５を一括して接合するため、多数の光モジュールが安価に且つ高い歩留まりで製造される。

本発明によるフィルタ素子及びこれを備えた光モジュールは、特に波長分割多重方式の光通信システムに適用され、その送受信装置を大型化させることなく、且つ波長の異なる複数の光信号の各々を高い精度と高い感度で検出せしめる。また、ウェハレベルで複数の光モジュールを同時に作製することで、多数の光モジュールが各々における光素子位置の微調整を繰り返すことなく量産される。

本発明の実施例１によるフィルタ素子（分光器（spectroscope））の断面構造を模式的に示す図である。 本発明の実施例１による光モジュールの断面構造を模式的に示す図である。 本発明の実施例２によるフィルタ素子の断面構造を模式的に示す図である。 本発明の実施例３によるフィルタ素子の断面構造を模式的に示す図である。 本発明の実施例４による光モジュールの断面構造と、これをウェハ状態にあるフィルタ素子の夫々に光素子を実装して製造する方法とを模式的に示す説明図である。

符号の説明

１…ガラス基板、２…Ｓｉ、３…Ｓｉ、４…波長λ１のみを透過させるバンドパスフィルタ、５…全反射膜、６…波長λ２のみを透過させるバンドパスフィルタ、７…レンズ、８…光ファイバ、９…ＬＤ、１０…ＰＤ、１１…ＰＤ、１２…波長λ１のみを透過させるバンドパスフィルタ、１３…波長λ３のみを透過させるバンドパスフィルタ、１４…基板、１５…バンドパスフィルタ部品、１６…基板、１７…遮光膜。

Claims (21)

1. 第１主面とこれに対向する第２主面とを有し且つ該第１主面の一部に光学フィルタが設けられているガラス基板、及び
   前記ガラス基板の前記第１主面及び前記第２主面のいずれかに接合される主面を有し且つ該主面には凹部がその縁から隔てられて形成された一対の単結晶基板を備え、
   前記一対の単結晶基板の各々に形成された前記凹部は該単結晶基板の前記主面に対して傾斜した傾斜面を有し、
   前記単結晶基板の一方は前記凹部の開口で前記光学フィルタを囲み且つ該光学フィルタが該凹部の前記傾斜面と対向するように間隙を介して前記ガラス基板の前記第１主面に接合され、
   前記単結晶基板の他方は前記凹部の前記傾斜面に前記光学フィルタが前記ガラス基板を介して対向するように該ガラス基板の前記第２主面に接合されていることを特徴とするフィルタ素子。
2. 前記単結晶基板の各々はシリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ素子。
3. 前記単結晶基板の各々に形成された前記凹部の前記傾斜面は、前記シリコン基板の（１１１）結晶面であることを特徴とする請求項２に記載のフィルタ素子。
4. 前記単結晶基板は、その夫々の前記主面の周縁において前記ガラス基板に陽極接合されていることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ素子。
5. 前記単結晶基板の前記主面の前記周縁は、該主面に形成された前記凹部で隔てられた一対に分かれていることを特徴とする請求項４に記載のフィルタ素子。
6. 前記単結晶基板の前記主面の前記周縁は、該主面に形成された前記凹部を囲むことを特徴とする請求項４に記載のフィルタ素子。
7. 前記光学フィルタは、前記ガラス基板の前記第１主面に積層された誘電体多層膜であることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ素子。
8. 前記ガラス基板の前記第２主面には、全反射膜又は前記光学フィルタとは別の光学フィルタが、該ガラス基板を介してその前記第１主面に設けられた該光学フィルタと対向するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ素子。
9. 前記単結晶基板の各々に形成された前記凹部の前記傾斜面は、該単結晶基板の前記主面に最も近い一辺からこれに対向する他辺へ向けて該一辺に交差する方向に延在し、該他辺に近付くに従い該単結晶基板の厚さ方向に該傾斜面と該単結晶基板の該主面とを隔てる距離が増えることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ素子。
10. 前記一対の単結晶基板は、夫々の前記傾斜面が前記ガラス基板を介して対向し、且つ夫々の前記一辺から前記他辺への延在方向が互いに逆になるように、該ガラス基板に接合されていることを特徴とする請求項９に記載のフィルタ素子。
11. 前記単結晶基板の一方の前記傾斜面の前記一辺は前記ガラス基板を介して前記単結晶基板の他方の前記傾斜面に対向し、且つ該他方の単結晶基板の該傾斜面の前記一辺は該ガラス基板を介して該一方の単結晶基板の該傾斜面は対向していることを特徴とする請求項１０に記載のフィルタ素子。
12. 前記ガラス基板の前記第２主面には、全反射膜又は前記光学フィルタとは別の光学フィルタが設けられ、
    該全反射膜又は該別の光学フィルタは、
    該ガラス基板を介してその前記第１主面に接合された前記一方の単結晶基板の前記傾斜面に対向し、且つ
    該ガラス基板の該第２主面の該傾斜面の前記一辺に対向する領域から該傾斜面の前記延在方向へ隔てられて配置されていることを特徴とする請求項１１に記載のフィルタ素子。
13. 前記ガラス基板の前記第１主面に設けられた前記光学フィルタは、その一端が該第１主面に接合される前記一方の単結晶基板の前記傾斜面の前記一辺より該傾斜面の前記延在方向に隔てられ且つ該一端より該延在方向へ延び、
    該光学フィルタの一端は、該ガラス基板の前記第２主面に設けられた前記全反射膜又は前記別の光学フィルタよりも該傾斜面の該一辺側に突き出されていることを特徴とする請求項１２に記載のフィルタ素子。
14. 請求項１記載のフィルタ素子、その前記一方の単結晶基板の前記主面とは反対側の別の主面に固定された実装基板、及び該実装基板の該一方の単結晶基板に対向する実装面に配置された複数の光素子を備え、
    前記複数の光素子は、前記一方の単結晶基板の前記傾斜面の前記ガラス基板に最も近い一辺から最も遠い他辺に向けて延在する方向に沿って並べられていることを特徴とする光モジュール。
15. 前記複数の光素子の前記一方の単結晶基板の前記傾斜面の前記一辺に最も近い一つは発光素子であり、該一つ以外は受光素子であることを特徴とする請求項１４に記載の光モジュール。
16. 前記光学フィルタは、前記一方の単結晶基板の傾斜面の前記延在方向に沿って、その透過波長帯域が異なる少なくとも２つの領域に分けられ、
    前記光素子は、前記実装基板の前記実装面において該光学フィルタの該領域に対して位置合わせされて配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の光モジュール。
17. 前記実装基板の前記実装面にはスペーサが接合され、
    該スペーサと前記一方の単結晶基板の前記別の主面とを接合することにより、前記複数の光素子の各々は該一方の単結晶基板の該別主面に間隙を介して対向しながら固定されることを特徴とする請求項１４に記載の光モジュール。
18. その第１結晶面で最密構造を呈し且つ該第１結晶面と所定の角度を成す第２結晶面を主面とする一対の単結晶材料のウェハを用意する第１工程、
    前記ウェハの各々の前記主面の一方をウェットエッチングして、該一方の主面内に前記第１結晶面を夫々含む複数のエッチピットを形成する第２工程、
    第１主面とこれに対向する第２主面とを有するガラス基板を用意し、該第１主面に複数の光学フィルタを前記一対の単結晶ウェハの前記一方の主面に形成された前記複数のエッチピットの夫々に対応して離散的に形成する第３工程、
    前記ガラス基板の前記第１主面に前記一対の単結晶材料ウェハの一方を、該ガラス基板の前記第２主面に前記単結晶材料ウェハの他方を夫々向き合わせ、該第１主面に形成された前記複数の光学フィルタが該一方の単結晶材料ウェハの前記一方の主面に形成された前記複数のエッチピットの内部に夫々収められ、且つ該他方の単結晶材料ウェハの前記一方の主面に形成された前記複数のエッチピットの開口と該一方の単結晶材料ウェハの該主面に形成された該複数のエッチピットの開口とが該ガラス基板を介して少なくとも部分的に重なるように該一対の単結晶材料ウェハと該ガラス基板との位置を合わせて、ガラス基板の該第１主面に該一方の単結晶材料ウェハの該主面を、その該第２主面に該他方の単結晶材料ウェハの該主面を夫々接合する第４工程、
    少なくとも２つの光素子を各々含む複数のユニットが前記一方の単結晶ウェハの主面に形成された前記複数のエッチピットの夫々に対応して離散的に配置され且つ該複数のユニットを互いに隔てるスペーサが設けられた実装面を有する基材を用意し、該一方の単結晶ウェハの該主面と対向する他の主面に該基材の実装面を向き合わせ、前記ガラス基板の前記第１主面に形成された前記複数の光学フィルタと該複数のユニットとの位置を合わせて、該一方の単結晶ウェハの該他の主面と該スペーサとを接合する第５工程、及び
    前記スペーサとともに前記一対の単結晶材料ウェハと前記ガラス基板とを切断して、前記複数の光学フィルタの各々とこれに対応する前記複数のユニットの一つとを備える複数の光モジュールに個片化する第６工程が
    順次行なわれることを特徴とする光モジュールの製造方法
19. 前記実装基板を前記一対の単結晶材料ウェハと同じ単結晶ウェハとして供給し、
    前記第６工程において、前記実装基板を前記一対の単結晶材料ウェハとともにダイシングして前記複数の光モジュールに個片化することを特徴とする請求項１８に記載の光モジュールの製造方法。
20. 前記単結晶材料のウェハとしてシリコン単結晶ウェハを用い、前記ガラス基板及び前記スペーサとしてホウケイ酸ガラス基材を用いることを特徴とする請求項１９に記載の光モジュールの製造方法。
21. 前記少なくとも２つの光素子を、薄膜はんだによるダイボンディング又はフリップチップ接続により前記実装基板の前記実装面に固定することを特徴とする請求項１８に記載の光モジュールの製造方法。

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