JP2014191245A

JP2014191245A - 光導波回路装置

Info

Publication number: JP2014191245A
Application number: JP2013067872A
Authority: JP
Inventors: Yasumasa Suzaki; 泰正須崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-10-06

Abstract

【課題】精度を上げることなく低コストで作製することができ、基板表面に垂直な方向の光を所望の位置からより狭いアレイ間隔で入出力することができる光導波回路装置を提供する。
【解決手段】平坦な表面に平行に、所定の深さ位置に形成された光導波路１２を備えるＰＬＣ基板１１と、所定の面方位を持つシリコン基板２１とを有し、光導波路１２を横断する所定深さより深い溝１５をＰＬＣ基板１１の所望の位置に設け、異方性エッチングにより表出されて所定の面方位に対し４５度の傾きを持つ斜面と斜面の表面に形成された金属反射膜とからなり、頂点が所定深さより高く溝１５の深さより低い４５度ミラー２２を、溝１５の位置に対応してシリコン基板２１に設け、溝１５の内側に４５度ミラー２２を挿入して、ＰＬＣ基板１１とシリコン基板２１とを接合した。
【選択図】図１

Description

本発明は、光情報通信で用いられる光導波路を持つ平面型の光回路において、基板に対して垂直方向に光入出力する光導波回路装置に関する。

光通信は大容量、超高速性という特長があり、近年では多くの情報通信網で実用化されている。１０Ｇｂｐｓ程度の高速化では、光信号を光ファイバで数十ｋｍ程度伝送しても、光ファイバの損失や分散等による光信号の波形劣化は軽微であるため、一つの波長に全ての情報を重畳して伝送することが一般的である。

しかしながら、４０Ｇｂｐｓや１００Ｇｂｐｓを超える高速化では、光ファイバの分散等による光信号の波形劣化は無視できなくなる。更に、これほど高速な信号は、現在、最も一般的で低コストで作製できるシリコンを用いたＣＭＯＳ電子回路では処理できない。そこで、例えば、４０Ｇｂｐｓでは２０Ｇｂｐｓ×２波長、１００Ｇｂｐｓでは２５Ｇ×４波長というように、複数の波長の光信号に分割し、分割した情報を重畳して送受信を行っている。更に大容量化が必要なときは、これらを更に多くの波長を用いて分割し、分割した情報を重畳して送受信を行なっている。

このように、複数の光信号を一つの光ファイバで伝送し、送受信側でこれらの光信号を合分波して個々の光信号を送受信するので、光導波回路には多数のポートを制御できる構造が必要である。

通信用光部品は、その必要特性に応じて様々な構造のものが存在するが、入出力の形態から、基板の端面方向から光が入出力される端面入出力型と、基板表面から入出力される表面入出力型に大きく分けられる。端面入出力型には、例えば、石英ガラスで作製される平面光導波回路（ＰＬＣ）、ＩｎＰなどの化合物半導体で作製される半導体レーザや電界吸収型光変調器などがある。表面入出力型には、例えば、ＩｎＰなどの化合物半導体で作製される面型フォトダイオード（ＰＤ）や面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）、更には、それらの光束を制御するガラスやシリコンで作製されたマイクロレンズアレイなどがある。

これらの端面入出力型の光部品と表面入出力型の光部品とを光接続するための構成の一つとして、４５度ミラーを用いた構成がある。これは端面入出力型の光部品の基板表面に対し平行に伝播している光信号を、４５度ミラーを用いて、基板表面に対して垂直に光路を変更し、表面入出力型の光部品と高効率で光結合させるものである（例えば、特許文献１）。

特開２００８−２６２１１６号公報

４５度ミラーを実現する構成としては、図３や図４（ａ）、（ｂ）に示されたものがある。具体的には、図３においては、ＰＬＣ基板５１の端面の近傍まで光導波路５２を形成し、その端面を４５度に斜めに研磨し、研磨した斜面に金属膜５３を形成して、４５度ミラー５４とすることで、４５度ミラーを実現する構成としている。又、図４（ａ）、（ｂ）においては、ＰＬＣ基板６１に光導波路６２を形成し、光導波路６２を横断する溝６３をＰＬＣ基板６１に形成すると共に、４５度に斜めに研磨された三角プリズム６４の斜面に金属膜６５を形成することで、４５度ミラー６６を有する光部品６７を別途作製し、この光部品６７をＰＬＣ基板６１の溝６３に配置することで、４５度ミラーを実現する構成としている。

しかしながら、図３に示す構成の場合には、端面の同一直線状にしか４５度ミラー５４を形成できないため、例えば、ＰＬＣ基板５１の中心部分に４５度ミラー５４を配置することは不可能であり、更に、２列のアレイ状に作製することも不可能である。

図４（ａ）、（ｂ）に示す構成の場合には、ガラス製の１辺が２ｍｍ程度の三角プリズム６４を用い、その隣接した斜面の小型の４５度ミラー６６を用いることで、低コスト化が実現可能である。

このような光部品６７を溝６３に配置する場合の構成を考えてみる。まず、三角プリズム６４は、良好な反射特性を得るために、斜面を物理的に研磨する必要があるが、頂点近傍は非常に薄くなるため、機械的に脆くなり、ひび割れや不均一な研磨状態となるので、反射領域として適さないか、若しくは、歩留まりが大幅に低くなるため、高コストになる。従って、低コストで安定して反射領域として利用できるのは、ガラスの強度を勘案すると、少なくとも頂点から０．２ｍｍ以上離れた部分、つまり、不均一な部分Ａを除いた部分となる。そのため、隣接する斜面を用いて、２列のアレイ状に作製する場合には、その２点間の最小の間隔Ｇとして、少なくとも約２８０μｍ（≒２×０．２ｍｍ×ｃｏｓ（４５°））以上間隔を空ける必要がある。

更に、三角プリズム６４からなる光部品６７をＰＬＣ基板６１の溝６３に配置する際には、間隔Ｇを狭めない場合でも、溝６３の最小の深さＤとして、少なくとも約１４０μｍ（＝０．２ｍｍ×ｓｉｎ（４５°））以上の深さの溝６３を精度よく作製する必要があり、更に、間隔Ｇを狭める場合には、三角プリズム６４の上方を用いる必要があるので、深さＤとして、より深くする必要があり、例えば、１辺が２ｍｍ程度の三角プリズム６４の場合には、２ｍｍ近い深さの溝６３を精度よく作製する必要がある。

このように、従来の構成では、光回路の設計自由度が狭く、４５度ミラーを光回路基板の中心部分に配置できなかったり、２列のアレイ状の構成において、狭い間隔で配置できなかったり、配置できても、作製コストが増加する課題があった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、精度を上げることなく低コストで作製することができ、基板表面に垂直な方向の光を所望の位置からより狭いアレイ間隔で入出力することができる光導波回路装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る光導波回路装置は、
平坦な表面に平行に、所定の深さ位置に形成された少なくとも１つの光導波路を備える光回路基板と、
所定の面方位を持つシリコン基板とを有し、
前記光導波路を横断する前記所定の深さより深い溝を、前記光回路基板の所望の位置に設け、
異方性エッチングにより表出されて前記所定の面方位に対し４５度の傾きを持つ斜面と前記斜面の表面に形成された金属反射膜とからなり、頂点が前記所定の深さより高く前記溝の深さより低い４５度ミラーを、前記溝の位置に対応して前記シリコン基板に設け、
前記溝の内側に前記４５度ミラーを挿入して、前記光回路基板と前記シリコン基板とを接合したことを特徴とする。
つまり、溝の内側に４５度ミラーを挿入することにより、溝に横断された光導波路からの光を光回路基板の表面に垂直な方向に反射することになる。

上記課題を解決する第２の発明に係る光導波回路装置は、
上記第１の発明に記載の光導波回路装置において、
更に、面型光デバイスを設けた面型光デバイス基板を有し、
前記シリコン基板を接合した面とは異なる前記光回路基板の面であって、前記４５度ミラーにより反射した光が前記面型デバイスに入射する位置に、前記面型光デバイス基板を接合したことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る光導波回路装置は、
上記第１又は第２の発明に記載の光導波回路装置において、
請求項１又は請求項２に記載の光導波回路装置において、
前記異方性エッチングにより前記斜面を隣接して表出し、隣接する前記斜面の両面を前記４５度ミラーとして用いることを特徴とする。

本発明によれば、光回路基板において、光導波路を横断する溝を所望の位置に設け、所定の面方位を持つシリコン基板において、異方性エッチングにより表出した斜面に金属反射膜を形成した４５度ミラーを光回路基板の溝に対応した位置に設け、光回路基板の溝にシリコン基板の４５度ミラーを挿入し、光回路基板とシリコン基板を接合して、光導波回路装置を構成するので、斜面の平坦性が高く高反射な４５度ミラーを用い、基板表面に垂直な方向の光を、より狭いアレイ間隔で、例えば、１００μｍ以下のアレイ間隔で、所望の位置から入出力することができる。又、作製精度を上げることなく低コストで作製することができる。

本発明に係る光導波回路装置の実施形態の一例を示す側面図である。図１に示した光導波回路装置を構成する各基板の図であり、（ａ）はＰＬＣ基板の斜視図、（ｂ）はシリコン基板の斜視図、（ｃ）はＰＤアレイ基板の斜視図である。ＰＬＣ基板の端面に４５度ミラーを作製した従来の構成を示す斜視図である。三角プリズムにより作製した４５度ミラーをＰＬＣ基板に配置した従来の構成を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。

以下、図１、図２を参照して、本発明に係る光導波回路装置の実施形態を説明する。

［実施例１］
本実施例の光導波回路装置を図１、図２を参照して説明する。ここで、図１は、本実施例の光導波回路装置の側面図である。又、図２（ａ）〜（ｃ）は、図１に示した光導波回路装置を構成する各基板の図であり、図２（ａ）はＰＬＣ基板の斜視図、図２（ｂ）はシリコン基板の斜視図、図２（ｃ）はＰＤアレイ基板の斜視図である。

本実施例の光導波回路装置は、少なくとも、ＰＬＣ基板（光回路基板）１１とシリコン基板２１とから構成される。

ＰＬＣ基板１１においては、図２（ａ）に示すように、ＰＬＣ基板１１の平坦な表面に平行な方向に、その表面から所定の深さ位置に光導波路１２が形成されており、更に、ＰＬＣ基板１１の表面上にアライメント用のマーク１３、ハンダ固定用のハンダ固定部１４が形成され、ＰＬＣ基板１１の所望の位置に溝１５が形成されている。なお、光導波路１２、溝１５の数は、光導波回路装置の構成に応じて、１つでもよいし、複数でもよい。又、マーク１３、ハンダ固定部１４の数も、光導波回路装置の構成に応じて、１対でもよいし、複数対でもよい。

光導波路１２は、一般的に、表面から２０〜３０μｍ下に形成されている。光導波路１２の作製は、一般的な方法を用いればよく、まず、シリコンからなるＰＬＣ基板１１上に、火炎堆積法によりＳｉＯ₂から成る下側クラッド層と、ＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂から成るコア層とを順次堆積する。その後、フォトリソグラフィとドライエッチングを用いて、光導波路１２を形成する部分のコア層以外を除去する。その後、再度火炎堆積法により上側クラッド層を堆積する。

その後、フォトリソグラフィによるレジストのパターニングをして、ＥＢ（Electron Beam）蒸着法により金属を基板表面全体に形成し、先ほどパターニングしたレジストを用いてリフトオフを行い、基板表面の所望の位置にアライメント用のマーク１３及びハンダ固定用のハンダ固定部１４を形成する。

その後、光導波路１２を横断する位置であって、後述する４５度ミラー２２に対応した位置に、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、トレンチ構造の溝１５を作製する。溝１５は、光導波路１２より深く、つまり、その所定の深さ位置より深く形成されており、溝１５の側壁に光導波路１２の端面が露出して、この端面からの光が溝１５の内側に挿入する４５度ミラー２２に導かれることになる。又、溝１５は、４５度ミラー２２とＰＬＣ基板１１が接触しないように、深さ及び幅が４５度ミラー２２を収容可能な大きさに形成されている。そして、溝１５は、ＰＬＣ基板１１の端部に限らず、任意の位置、例えば、ＰＬＣ基板１１の中央部分にも形成可能である。

シリコン基板２１においては、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板２１の表面上に４５度ミラー２２、アライメント用のマーク２３、ハンダ固定用のハンダ固定部２４が形成されている。ここでは、４つのマーク２３が形成されており、端部側の２つのマーク２３は、ＰＬＣ基板１１とのアライメント用であり、中央側の２つのマーク２３は、後述するＰＤアレイ基板３１とのアライメント用である。なお、４５度ミラー２２の数は、光導波回路装置の構成に応じて、１つでもよいし、複数でもよい。又、マーク２３、ハンダ固定部２４の数も、光導波回路装置の構成に応じて、１対でもよいし、複数対でもよい。

シリコン基板２１は、表面が所定の面方位を有するものであり、４５度ミラー２２では、所定の面方位に対し４５度の傾きを持つ面を異方性エッチングで隣接して表出し、この隣接する２つの斜面を利用している。この斜面は、例えば、シリコン基板２１の表面の面方位を（１００）とすると、面方位（１００）に対し４５度の傾きを持つ（１１０）面などが表出するように、ＫＯＨ（水酸化カリウム）やＥＤＰ（エチレンジアミンピロカテコール）などで異方性ウェットエッチングを行うことにより、作製することができる。このとき、斜面の頂点、つまり、４５度ミラー２２の頂点は、光導波路１２の所定の深さより高く、溝１５の深さより低く形成する。なお、（１００）面、（１１０）面などに替えて、こられの面と等価な面を用いてもよい。

作製方法としては一般的なもので良く、まず、フォトリソグラフィで、溝１５の位置に対応した部分であって、面方位を考慮した４５度ミラー２２を設置したい部分の斜面の頂点近傍のみを残してパターニングし、それをマスクとして、上述した異方性ウェットエッチングを行う。このとき、斜面の頂点近傍のみに残すマスクの幅が狭ければ、断面が三角形又は略三角形の形状となり、斜面の頂点近傍のみに残すマスクの幅が広ければ、断面が台形の形状となる。パターンを剥離後、フォトリソグラフィにより４５度ミラー２２の斜面部分のみが露出するようにレジストをパターニングして、ＥＢ蒸着法により金属を基板表面全体に形成し、先ほどパターニングしたレジストを用いてリフトオフを行い、斜面表面に全反射用の金属反射膜を形成する。全反射用の金属としては、金などを用いる。

最後に、同様の方法で、フォトリソグラフィによるレジストのパターニングをし、ＥＢ蒸着法により金属を基板表面全体に形成し、先ほどパターニングしたレジストを用いてリフトオフを行い、基板表面の所望の位置にアライメント用のマーク２３及びハンダ固定用のハンダ固定部２４を形成する。

この作製方法では、ウェットエッチングにより４５度ミラー２２の斜面を形成するため、斜角及び表面平坦性は安定している。更に、研磨ではなく、エッチングによって４５度ミラー２２の斜面が形成されるため、基板表面近傍及び頂点近傍まで４５度ミラー２２の斜面の平坦性が維持されている。

従って、４５度ミラー２２の隣り合う２つの斜面に対して光を入射するとき、入射した２つの光の４５度ミラー２２での反射点の間隔Ｇを可能な限り近づけることを考えると、４５度ミラー２２の頂点近傍まで斜面を用いることができるので、間隔Ｇを０に近い距離まで近づけることが可能である。通常、ＰＬＣ基板１１の光導波路１２は、その基板表面からの深さが２０〜３０μｍの位置に形成されており、又、光ビーム径は、１０μｍ程度であるので、作製マージンとして、これらの２倍の高さの４５度ミラーを考慮して、２列のアレイ状にする場合でも、間隔Ｇを１００μｍ以下まで近づけることができる。

本実施例では、シリコン基板２１の結晶面方位に依存した方向にしか４５度ミラー２２を形成することができないので、ＰＬＣ基板１１の光導波路１２の設計自由度が一部低下するが、図２（ａ）に示すように、曲線導波路を用いて光導波路１２の入出力方向を揃えればよいので、本発明の効果は十分に発揮することができる。

本実施例では、図１に示すように、シリコン基板２１はＰＬＣ基板１１の表面にパッシブアライメントで設置され、ハンダ融着により接合して固定される。アライメント方法は一般的なもので良く、例えば、シリコン基板２１上のアライメント用のマーク２３を、ＩＲ（Infrared Ray）カメラでシリコン基板２１を透過して観察し、同時に、ＰＬＣ基板１１上のアライメント用のマーク１３も観察して位置合わせを行い、ＰＬＣ基板１１の所望の位置に配置する。その後、熱処理によりハンダ固定部１４、２４のハンダ金属を溶かして、シリコン基板２１とＰＬＣ基板１１を融着する。このようなアライメント法により、ＰＬＣ基板１１の溝１５の内側に、シリコン基板２１の４５度ミラー２２が挿入されることになる。

この際に重要な指標となる設置位置の誤差は以下のようになる。

高さ方向では、ＰＬＣ基板１１の表面を基準とすると、光導波路１２の上側クラッド層の層厚分だけ下に光導波路１２の光導波路層がある。従って、４５度ミラー２２の斜面（頂点）の高さは、シリコン基板２１の表面から、この上側クラッド層の層厚と光のビーム径程度あればよい。一般的な上側クラッド層の層厚は２０〜３０μｍ、光のビーム径は１０μｍ程度なので、作製誤差を±１％としても、高さ方向の誤差は±０．４μｍ以下となり、高い精度で高さ合わせが可能である。これは、従来のように数百μｍ以上の溝を形成して三角プリズムを配置するような作製方法では、同じ作製誤差であっても得られない性能である。

横の方向では、ＰＬＣ基板１１上にシリコン基板２１を設置するときの位置ずれ誤差が支配的である。一般的な画像認識を用いたパッシブアライメント実装において、その位置ずれ誤差は±１μｍ程度まで抑えられる。しかしながら、本実施例では、この誤差は影響しないことが特長である。ＰＬＣ基板１１などの光回路からの出力光の放射角は、光導波路１２のクラッド層とコア層の屈折率差で規定され、ＰＬＣ基板１１の場合には１０度程度である。従って、４５度ミラー２２との距離が１μｍ程度変動しても、ビーム径などには全く影響しない。更に、４５度ミラー２２はシリコン基板２１上に全て作り込まれているため、上記位置ずれが起きても、全ての４５度ミラー２２が相対的にシフトするだけなので、位置ずれはシリコン基板２２上への作り込み時の作製誤差のみで決まる。

最後に、全体の相対的な位置ずれでは、高さ方向の誤差により発生する。図１に示すように、高さ方向がずれた場合、シリコン基板２１の４５度ミラー２２が逆三角となっているので、４５度ミラー２２の高さが高くなると間隔Ｇが広がり、低くなると間隔Ｇが狭くなることが分かる。しかしながら、この相対的な位置ずれは、上記作製誤差であれば±０．４μｍ以下となるため、実用的にはほとんど問題ない。もし、この作製誤差が問題となる場合には、４５度ミラー２２の斜面を同一方向に作製して、曲線導波路を用いて所望の光回路を構成することもできる。

次に、面型光デバイスと集積して高機能化する場合を考える。本実施例のように、ＰＬＣ基板１１の表面上にシリコン基板２１を設置して、ＰＬＣ基板１１の平坦な表面に平行な光入出力を垂直方向に切り替える場合には、面型光デバイスへ入出力することが想定され、その代表的なものとして、ＰＤアレイやマイクロレンズアレイ、そして、これを経由して、面発光型ＬＤを設置することが考えられる。ここでは、それらの代表例として、図１、図２（ｃ）に示すＰＤアレイ基板３１（面型光デバイス基板）との接続について述べるが、マイクロレンズアレイでもその他の光デバイスでも同様である。

ＰＤアレイ基板３１においては、図２（ｃ）に示すように、ＰＤアレイ基板３１に複数の面型ＰＤ３２（面型光デバイス）が形成されて、ＰＤアレイが構成されており、更に、ＰＤアレイ基板３１の表面上にアライメント用のマーク３３、ハンダ固定用のハンダ固定部３４が形成されている。なお、マーク３３、ハンダ固定部３４の数は、光導波回路装置の構成に応じて、１対でもよいし、複数対でもよい。又、複数の面型ＰＤ３２も、光導波回路装置の構成に応じて、１つでもよい。

図２（ｃ）に示すＰＤアレイ基板３１は、シリコン基板２１とは干渉しないように、シリコン基板２１を接合した面とは異なるＰＬＣ基板１１の裏面側に設置し固定する。設置方法は、上述したシリコン基板２１の設置と同様に、シリコン基板２１上のアライメント用のマーク２３とＰＤアレイ基板３１上のアライメント用のマーク３３をＩＲカメラで観察し、画像認識により位置合わせを行い、熱処理を行って、ハンダ固定部１６、３４のハンダ金属で両者を融着し接合して固定する。このとき、シリコン基板２１の４５度ミラー２２により反射した光が面型ＰＤ３２に入射する位置となるように、ＰＤアレイ基板３１のアライメントを行う。この方法だと、ＰＤアレイ基板３１は、シリコン基板２１に対してアライメントされるため、シリコン基板２１とＰＬＣ基板１１との間の実装位置のずれは考慮する必要がなく、高効率で光結合できる。

なお、ＰＬＣ基板１１の裏面に必要なハンダ固定用のハンダ固定部１６は、上記ハンダ固定部１４と同様の方法で作製すればよい。又、ハンダ固定部１４、１６、２４、３４は、電極として用いてもよい。

本発明は、光情報通信で用いられる平面型光導波路回路に好適なものである。

１１ＰＬＣ基板
１２光導波路
１５溝
２１シリコン基板
２２４５度ミラー
３１ＰＤアレイ基板
３２面型ＰＤ

Claims

平坦な表面に平行に、所定の深さ位置に形成された少なくとも１つの光導波路を備える光回路基板と、
所定の面方位を持つシリコン基板とを有し、
前記光導波路を横断する前記所定の深さより深い溝を、前記光回路基板の所望の位置に設け、
異方性エッチングにより表出されて前記所定の面方位に対し４５度の傾きを持つ斜面と前記斜面の表面に形成された金属反射膜とからなり、頂点が前記所定の深さより高く前記溝の深さより低い４５度ミラーを、前記溝の位置に対応して前記シリコン基板に設け、
前記溝の内側に前記４５度ミラーを挿入して、前記光回路基板と前記シリコン基板とを接合したことを特徴とする光導波回路装置。
請求項１に記載の光導波回路装置において、
更に、面型光デバイスを設けた面型光デバイス基板を有し、
前記シリコン基板を接合した面とは異なる前記光回路基板の面であって、前記４５度ミラーにより反射した光が前記面型デバイスに入射する位置に、前記面型光デバイス基板を接合したことを特徴とする光導波回路装置。
請求項１又は請求項２に記載の光導波回路装置において、
前記異方性エッチングにより前記斜面を隣接して表出し、隣接する前記斜面の両面を前記４５度ミラーとして用いることを特徴とする光導波回路装置。