JP2600832B2

JP2600832B2 - 光導波路デバイス

Info

Publication number: JP2600832B2
Application number: JP63202637A
Authority: JP
Inventors: 克之井本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1988-08-16
Filing date: 1988-08-16
Publication date: 1997-04-16
Anticipated expiration: 2012-04-16
Also published as: JPH0252303A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は光を導波させることのできるモノシリック構
造の光導波路デバイスに関する。

［従来の技術］近年、シングルモード光フアィバの高性能化、その接
続技術の進展、長距離・大容量伝送化の需要の増大など
により、シングルモード光ファイバ伝送系が長中継間隔
の伝送路、海底伝送路および加入者系伝送路へ適用させ
るため、大々的に研究されるようになってきた。それに
伴ない、光部品も個別部品で構成する方式から一つの基
板上にモノシリックに集積化する方向に変ろうとしてい
る。これはより高性能化、小型化、量産性、安定性、調
整不要などを考えると必須の技術だからである。上記光
集積回路は光導波路を基本として構成されている。従
来、光導波路には第７図に示すようにプレーナ形導波路
（第７図（ａ））とチャンネル形導波路（第７図（ｂ）
〜（ｆ））が用いられている。この図において、50は基
板で、基板50上には導波路51ないし導波路52〜56が形成
されている。n₁〜n₃は各屈折率を示す。その屈折率n₁〜
n₃により、いろいろのタイプの導波路が形成できる（大
原他：「光通信」コロナ社発光；昭和56年11月30日初版
第１刷発行、P.142）。

プレーナ形光導波路は上下方向だけ光の閉込めを行
い、横方向の閉込めを行わないで軸方向に光の伝搬が行
われる。また、チャンネル形導波路は、上下のほか左右
にも光を閉込めて光を伝搬させる導波路で第７図に示す
ように、埋込形（同図（ｂ））、拡散形（同図
（ｃ））、装荷形（同図（ｄ））、リッジ形（同図
（ｅ））、盛上形（同図（ｆ））がある。これら光導波
路を用いて、光合分波器、光分岐結合器、光スイッチ、
光変調器などの光部品が生産されている。

［発明が解決しようとする課題］第７図の光導波路を用いて生産されている光合分波
器、光分岐結合器、光スイッチ、光変調器などの光部品
は、分布定数的な回路構成になっているため、極めて大
きな基板面積、例えば長さ40mm×幅20mmを必要とする。
従って、２つ以上の光部品を実装した複合機能から成る
光デバイスを構成しようとする場合には、上記基板面積
の数倍の広さが必要になる。その一例を第８図に示す
（佐々木、大黒：方向性結合器形光分波器、昭和53年度
電子通信学会総合全国大会、S6−２）。

第８図（ａ）は方向性結合器形の光分波器の一例を示
す図で、同図（ｂ）は光分波器の例を示す図である。こ
のように基板面積を大きくしようとする場合は、まず第
１にコストが高くなるという問題がある。第２には、ホ
トエッチング、ドライエッチングなどの光導波路のパタ
ーニング工程時における面内露光の不均一性、ドライエ
ッチングの面内不均一性などによって、面内でのパター
ニング寸法の製造偏差が非常に大きくなってしまう。こ
の寸法偏差は、上記光合分波器、光分岐結合器、光スイ
ッチなどの光部品の光伝送特性、例えば、損失特性、ア
イソレーション特性などの波長特性を劣化させてしま
う。また第３には、基板面積が大きくなると基板と光導
波路用膜の熱膨脹係数の違い、光導波路用膜形成時の応
力、パターニング用金属膜形成による応力などによって
基板に反りが生じることがある。この基板の反りは、や
はり光伝送特性を劣化させる。

次に、基板の反りの発生を第９図に示した光導波路の
製造工程を用いて説明する。まず、第９図（ａ）に示す
ように、SiO₂基板１上にコア用ガラス層２（SiO₂−TiO₂
形ガラス）を形成させるが上記基板１とコア用ガラス層
２の熱膨脹係数の違い、膜形成時の応力発生などによっ
て基板全体に反りが生ずる。ついで同図（ｂ）のメタル
マスク３（例えばWSi）形成時にも上記と同様の反りが
生じる。これらの反りは、次のホトリソグラフィ工程
（同図（ｃ）および（ｄ））において、パターン寸法偏
差を生じさせる。すなわち、紫外線照射によるホトレジ
スト４の露光の際に、基板面内での露光むらによるパタ
ーン寸法偏差を生じさせる。そして、反りが極端なとき
には、基板を露光装置により真空吸着する際に、パター
ンのひび割れを生じさせる。そして上記パターン寸法偏
差は、メタルマスクのパターニング同図（ｅ）、コア用
ガラス用のパーニング同図（ｆ）、ホトレジスト、メタ
ルの除去同図（ｇ）の工程を経ることによって、次第に
寸法偏差の度合が大きくなる。そして、同図（ｈ）のク
ラッド層５により被覆してでき上がった光導波路は、前
述のように、寸法偏差の極めて大きな光伝送特性の劣化
したものになる。

そこで、本発明の目的は、前記した従来技術の課題を
解決するため、基板の表面と裏面の両面に光導波路を設
け、この光導波路に光素子、光機能素子等を少なくとも
１つ備えることなどにより、低コストを可能にし、高性
能光伝送特性が得られ、かつクロストークに低下を抑制
することができる光導波路デバイスを提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］本発明の要旨は、送信回路からの電気信号を入力して
光信号を出力する発光素子と該発光素子から出力される
光信号を伝送する第１の導波路とからなる光送信部と、
第２の導波路と該第２の導波路から伝送されてきた光信
号を受光し送信回路へ電気信号を出力する受光素子とか
らなる光受信部とを基板上に備えた光導波路デバイスに
おいて、上記光送信部と上記光受信部を、それぞれ別々
に分離して上記基板の表面と裏面に実装したことにあ
る。

［作用］本発明は基板の表面と裏面の両面に光信号を伝送させ
る導波路を形成することにより、基板の反りなどに起因
する光導波路の寸法偏差を抑制して、高性能光伝送特性
が得られるようにする。さらに、本発明は基板の表面の
みに高密度に上記光デバイスを実装せずに、上述のよう
に基板の表面と裏面に分けて光デバイスを実装したこと
により、光信号同士、電子信号同士の干渉が生じないよ
うにし、これによってクロストークの低下を抑制して信
号品質を良好にする。

［実施例］第１図に本発明の光導波路デバイスにおける光導波路
部分の実施例を示す。基板１の表面と裏面の両面に光信
号を伝搬させる光導波路2a,2bが設けられている。すな
わち、基板１の表面には、屈折率n_b1のバッファ層6aが
あり、その上に屈折率n_c1（n_c1＞n_b1）の光信号伝搬用
の方形状のコア層2aが形成され、該コア層2a全体を屈折
率N_l1（n_l1＜n_c1）のクラッド層5aで覆っている。ま
た、基板１の裏面には、屈折率n_b2のバッファ層6bを介
して屈折率n_c2（n_c2＞n_b2）の方形状からなるコア層2b
が形成され、その全面に屈折率n_l2（n_l2＜n_c2）のクラ
ッド層5bで覆われている。基板１の表面と裏面は同一寸
法構造の場合でもよく、また異なった寸法構造の場合で
あってもよい。例えば、屈折率n_b1,n_b2をn_b1＝n_b2、屈
折率n_c1,n_c2をn_c1＝n_c2、屈折率n_l1,n_l2をn_l1＝_l2とし
てもよく、あるいは屈折率n_b1,n_b2をn_b1≠n_b2、屈折率n
_c1,n_c2をn_c1≠n_c2、屈折率n_l1,n_l2をn_l1≠n_l2としても
よい。基板１はガラス（溶融石英、ソーダガラス、パイ
レックスなど）プラスチック（ポリメタクリル酸メチ
ル、ポリカーボネートなど）、電気光学結晶（LiN_bO₃、
LiTaO₃など）、半導体（Si、GaAs、InPなど）等を用い
る。

基板１の表面と裏面の両面の光導波路2a,2bには、直
線導波路、曲り導波路などの他に、従来からよく知られ
た方向性結合器、Ｙ分岐、光分波器、光分波器、合分波
器、光スイッチ、光変調器などを設けてもよい。また、
上記光導波路2a,2bには、半導体光素子（半導体レー
ザ、発光ダイオード、アバランシェホトダイオード、ピ
ンホトダイオード、光増幅素子、光双安定素子など）が
設けられる。さらにその光導波路2a,2bの端面には、少
なくとも１本の光ファイバが接続されていてもよい。

本導波路では基板１の表面と裏面の両方に設けられた
光導波路2a,2bにおいて屈折率n_c1の高い誘電体であるコ
ア層ａが屈折率n_l1の低い誘電体であるクラッド層5a（n
_l1＜n_c1）で覆われるので、屈折率n_c1の高いコア層2a内
に光が閉じ込められて光が伝搬させる。

第２図は本発明の光導波路デバイスにおける光導波路
部分の別の実施例を示したものである。これは基板１の
表面と裏面にリッジ形導波路2a,2bを構成したものであ
る。このリッジ形導波路2a,2bにおいても上記光導波路
と同様に光をそれぞれ独立に閉じ込めて、伝搬させるこ
とができる。上記以外に従来技術の第７図に示したよう
に、プレーナ形や拡散形、装荷形、盛上形などのチャン
ネル形で光導波路を基板の表面と裏面に設けても上記導
波路と同様に光を閉じ込めて伝搬させることができる。

第３図は第１図に示した本発明の光導波路デバイスに
おける光導波路部分の製造方法の実施例を示したもので
ある。まず、第３図（ａ）に示すように、SiO₂基板１の
表面および裏面にコア用ガラス層（SiO₂−TiO₂）2aおよ
び2bを形成する。ついで同図（ｂ）に示すように、上記
ガラス層の上にメタル膜（WSi）を形成させる。その
後、表面のメタル膜の上にホトレジストを塗布し、同図
（ｃ）に示すように、所望のパターンのガラスマスクを
用いてホトリソグラフィ工程を行う。次に同図（ｄ）に
示すように、ホトレジストパターンをマスクにしてメタ
ル膜（WSi）をドライエッチング工程によりパターニン
グする。そしてこんどは裏面について同図（ｃ），
（ｄ）で行ったと同様に、同図（ｅ）に示すように、ホ
トリソグラフィ、メタルマスクのパターニングを行う。
その後、同図（ｆ）に示すように、上記ホトレジストと
メタルをマスクにしてコア用ガラス層（SiO₂−TiO₂）を
ドライエッチング工程によりパターニングをする。次
に、同図（ｇ）に示すように、ホトレジストを酸素プラ
ズマアッシングにより除去し、またメタルをドライエッ
チングにより除去する。その後、除去した面全体をクラ
ッド層（SiO₂）を被覆することにより光導波路を形成す
る。上記光導波路の構造および製造工程から分かるよう
に、基板の表面と裏面に同一組成の膜が形成されている
ので、基板の反りが生じにくくなる。そのために上述の
ように寸法偏差が同一又は異なった場合でも、パターン
寸法偏差が生じにくくなる。なお、基板の表面と裏面の
膜の組成、構造寸法が若干異なっていても、基板の反り
は従来法に比しはるかに小さくなる。また、基板の表面
と裏面の導波路構成は違っていてもよい。例えば、表面
は埋込形、裏面がリッジ形というような場合である。

次に本発明の光導波路デバイスを用いて構成される光
伝送装置の実施例について述べる。第４図は端末10と22
間を光ファイバ16a,16bを用いて接続し、波長多重伝送
する伝送装置の例を示した全体構成図である。すなわ
ち、端末装置10側からは、異なった波長λ₁,λ₂,……λ
ｎをもった半導体レーザ7a、7b、……7nの光信号が送信
回路6a,6b,……6nからの情報信号をのせて伝送させ、そ
れぞれの光信号27a,27b,……27nを光合波器８で合波
し、光ファイバ16aを介して端末装置22に送出する。端
末装置22側では、光分岐器17で光信号をｎ分配し、光分
波器18a,18b,……18nに送出する。この光分波器18a,18
b,……18nから送出されたそれぞれの波長λ₁,λ₂,……
λｎの光信号は、分波されて半導体光検波器たるアバラ
ンシェホトダイオード（APD）19a,19b,……19nに送り込
まれ、そのAPD19a,19b……19nで電気信号に変換されて
それぞれの受信回路20a,20b,……20nで信号が再生され
る。一方、端末装置22側からは、異なった波長λ₁,λ₂,
……λｍをもった半導体レーザ24a,24b,……24mの光信
号に送信回路25a,25b,……25mからの情報信号をのせて
伝送させ、光合波器23でそれぞれ光信号を合波させ、光
ファイバ16bを通して端末装置10側に送出させる。端末
装置10側では、同様にして受信回路11a,11b,……11mに
より情報信号が再生される。端末装置10、22を基板の上
にモノシリック、あるいはハイブリッドに構成しようと
すると、従来では極めて大面積の基板が必要になる。た
とえ大面積の基板上に実装できたとしても発光素子と受
光素子は、同一平面上に実装されるので、光信号の漏洩
によるクロストークの低下を招いてしまう。また、送信
回路と受信回路は、同一平面上に実装されるので、電気
信号の干渉も生じ、クロストークの低下を助長してしま
う。これに対して、本発明では、端末装置10が第５図に
示すように構成される。これを詳述すると、第５図は、
第４図のｎ及びｍが５の場合の実施例である。第５図
（ａ）は基板上の側面から見た上面図、同図（ｂ）がそ
の平面図、同図（ｃ）はその底面図を示すものである。
基板の表面には第４図のブロック９、すなわち光送信部
を実装させ、基板の裏面には第４図のブロック15、すな
わち光受信部を実装させている。28はそれぞれの半導体
レーザ7a,7b……7eからの光信号を光合波器へ導く光導
波路と光合波器８（この場合、光スターカプラ）から構
成され、これらは従来よく知られた光部品である。29は
光分岐器14（この場合、光スターカプラ）と、光分波器
13a,13b,……13e（たとえば、第４図にような構成）お
よび上記光分波器からそれぞれのアバランシェホトダイ
オード12a,12b,……12eへ導く光導波路からなる。第５
図（ａ）（ｃ）からわかるように、本発明の構成によれ
ば、光部品が実装されていないスペースが広くなり、基
板の寸法が従来の半分以下の寸法でも十分になる。ま
た、送信部と受信部は完全に分離されているので、送受
信部間の光および電気信号の干渉がなくなり、クロスト
ークの劣化がなくなる。

第６図は本発明の光導波路デバイスを実装する場合の
実施例を示したものである。30は光導波路のホルダーで
あり、該光導波路の上部と下部に空間部31,32をもたせ
るように構成されている。この空間部31,32を設けるこ
とにより、例えば半導体レーザ、受光素子、送信回路、
受信回路などの熱放散が良好になるようにすることがで
きる。また、このホルダー30の入口部に光ファィバを配
置させた後、ホルダー30を密封し、空間部31,32内に冷
却媒体（例えばフレオンガス）を封入するようにすれ
ば、冷却効果をさらに向上させることができる。

［発明の効果］以上述べたように、本発明によれば、基板の表面と裏
面を用い種々の機能をもった光デバイスがこれに実装さ
れているので、従来に比して基板寸法を小さくすること
ができ、かつ低コスト化を可能にすることができる。ま
た、本発明では基板の反りなどに起因する光導波路の寸
法偏差を抑制することにより、基板の反りを抑制できる
ので、寸法偏差を大幅に小さくできるので、高性能光伝
送特性をもった光導波路が得られる。さらに本発明によ
れば、基板の表面と裏面に、光および電気信号の干渉を
起して問題となる素子、回路などを別々に分離する構成
ができるので、クロストークの低下による信号品質の劣
化をなくすことができ、また、基板の上部および下部に
空間が形成されるように実装することにより、熱源から
の熱放散を効率良く行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の光導波路デバイスにおけ
る光導波路部分の実施例、第３図は本発明の光導波路デ
バイスにおける光導波路部分の製造方法の実施例、第４
図は本発明の光導波路デバイスを用いて構成される光波
長多重伝送装置の構成例、第５図は第４図の端末を本発
明の光導波路デバイスで実現した実施例、第６図は本発
明の光導波路デバイスの実施例、第７図は従来の光導波
路の構成例、第８図は従来の光分波器の概略図、第９図
は従来の光導波路の製造方法の概略図をそれぞれ示すも
のである。図中、１は基板、2a,2bは光導波路である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】送信回路からの電気信号を入力して光信号
を出力する発光素子と該発光素子から出力される光信号
を伝送する第１の導波路とからなる光送信部と、第２の
導波路と該第２の導波路から伝送されてきた光信号を受
光し送信回路へ電気信号を出力する受光素子とからなる
光受信部とを基板上に備えた光導波路デバイスにおい
て、上記光送信部と上記光受信部を、それぞれ別々に分離し
て上記基板の表面と裏面に実装したことを特徴とする光
導波路デバイス。