JP3147141B2 - 光アセンブリ - Google Patents

光アセンブリ

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JP3147141B2
JP3147141B2 JP22143395A JP22143395A JP3147141B2 JP 3147141 B2 JP3147141 B2 JP 3147141B2 JP 22143395 A JP22143395 A JP 22143395A JP 22143395 A JP22143395 A JP 22143395A JP 3147141 B2 JP3147141 B2 JP 3147141B2
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日立電線株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【産業上の利用分野】本発明は、光加入者システム、局
内交換システム、光インタコネクトシステムなどに適用
する低コスト光モジュール構成に関する。

【0002】

【従来の技術】従来の技術は、第5回オプトエレクトロ
ニクスコンファレンス(1994年7月)において、田
淵ら(論文番号15B1−2)、山田ら(論文番号15
B1−3)により報告されている。また1995年オプ
ティカル・ファイバ・コミュニケーション・コンファレ
ンスにおいて山田らの報告(論文番号 PD12−2)
がある。

【0003】従来技術の光アセンブリ構造を図1に示
す。石英ガラス系の光導波路1を上面に形成したシリコ
ン基板10上に共にn型基板の半導体レーザ2、導波路
型受光素子3を搭載した構造である。光導波路1はシリ
コン基板10の凹部に石英ガラスよりなる下部クラッド
層12を埋めこみ、この上に石英ガラスよりなる調整用
クラッド13、前記下部クラッド層より屈折率の大きな
光導波路コア14と石英ガラスよりなる上部クラッド層
15が形成されている。半導体レーザ2および導波路型
受光素子3はシリコン基板の凸部11上のガラスを選択
的にエッチングして形成した素子搭載部5の電極72
0、730上、光導波路1の光入出力ポートに向かい合
わせ固定されている。

【0004】光導波路1と光素子2、3とには低損失の
光結合が求められており、光導波路コア14の光軸位置
と搭載素子の光軸位置を面内方向で一致させるため、合
わせマークを用いた精密位置制御、ソルダの表面張力を
利用したセルフアライメントなどの手法が低コスト実装
方式として提案されている。また、位置ずれの影響を少
なくするため、搭載する光素子のスポットサイズをガラ
ス光導波路のそれに近づけるなどの工夫がなされてい
る。

【0005】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、発熱
の大きな素子と、高インピーダンスの光素子を、光導波
路の光軸と一致させつつ、同一の光導波路基板上に低コ
スト実装できるための光アセンブリ構造を提案すること
にある。

【0006】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に,半導体基板の凸部上に直接、あるいはサブミクロン
程度の厚さの絶縁体層を介して発熱の大きな素子を接着
させることにより、低熱抵抗の搭載が可能となる。この
搭載素子が半導体レーザのような光素子で、光導波路と
の光軸を一致させる必要のある場合には、凸部上面とコ
ア層中心位置間の相対距離が光素子の結晶厚みと電極、
ソルダの厚みの和と一致するように制御して達成可能で
ある。高インピーダンスの光素子は、半導体基板の凹部
上に形成した光導波路層を光軸が一致する程度に掘りこ
んでこの溝中に搭載すれば、伝導体であるシリコン基板
の電気的影響がほとんど無い状態での搭載が可能とな
る。

【0007】また、他の手法として、外部回路との接続
形態を含めて、等価的に高インピーダンスの光素子の浮
遊容量を低下することも可能である。すなわち、半導体
基板の電位を電源電圧、あるいは接地電位として、搭載
される2つ以上の素子の信号線を半導体基板に接近しな
いようにすれば良い。このためには、順方向にバイアス
される発熱素子と、浮遊容量の問題になる逆バイアス素
子の極性を反転して搭載する構造とすることで実現でき
る。

【0008】以上により、発熱の大きな素子と高インピ
ーダンスの光素子を、同一の光導波路基板上に光軸を一
致させつつ低コスト実装することが可能となる。

【0009】

【実施例】

実施例1 本発明の実施例を図2に示す。上面に凸部を有するシリ
コン基板上10に電子ビーム蒸着法を用いて、石英ガラ
スよりなる下部クラッド12を凸部の高さ(20〜30
μm)より十分高く形成させた。ここで、シリコンは凸
部11の形状が対称となるよう、面方位(100)±5
°以下を用いた。その後シリコンの凸部上面が完全に露
出されるまで下部クラッドを研磨し、シリコン凸部11
と下部クラッド12を平滑化した。その上にチタン、ゲ
ルマニウムなどを添加した石英ガラスを電子ビーム蒸着
により形成し、パタニングして光導波路コア14を形成
した。次いで、無添加の石英ガラスを電子ビーム蒸着
し、上部クラッド15を形成した。その後、シリコン凸
部上面が露出するまで、部分的に上部クラッド15なら
びに光導波路コア14をふっ素系のガスを用いてドライ
エッチした。シリコン表面が露出したところで停止する
ため、過剰にエッチングしても問題はない。このドライ
エッチングはむしろ、第2の素子搭載部53となる凹部
の深さが、ここに搭載する導波路形受光素子3の光軸3
1と光導波路コア14の光軸が一致する時点でエッチン
グを終了させた。エッチングレートは毎分0.1〜1μm程
度に制御できるため、時間管理で再現性良く深さ制御が
可能となる。素子搭載部53の表面からシリコン基板1
0までの厚さを10ミクロン以上としたため、導波路形
受光素子はシリコン基板10を介した浮遊容量の増加は
0.02pF以下である。

【0010】次ぎに、第1の光素子搭載部52の光導波
路コア14の光軸位置と半導体レーザ2の光軸位置が一
致していないため、シリコンを選択的エッチングして第
2の搭載部53に影響を及ぼすことなく第1の光素子搭
載部52の高さのみ調整した。これにより、2つの素子
搭載部52、53の光軸位置が独立して調整できた。次
ぎに、素子搭載部52、53にチタン、白金、金よりな
る電極層を電子ビーム蒸着法により形成し、素子電極形
状に合わせてパタニングし、電極720、721、72
2、730、731、732を形成して光導波路基板1
00を得た。本実施例においては、光導波路1の表面形
状をY字上として一端子を光の入出力ポート、分岐後の
2端子を素子搭載部52上の半導体レーザ2、素子搭載
部53上の導波路形受光素子3に接続するポートとし
た。なお、素子搭載のためのインデクスパタンは電極パ
タンと同時に形成した。また、搭載に用いた半導体レー
ザ2の結晶基板20、および導波路型受光素子3の結晶
基板30は共にn型のInP結晶である。

【0011】次ぎに、電極720上にAuSn薄膜ソルダ8
2(厚さ1〜6μm)を形成した半導体レーザ2を赤外線
透過法を用いた、インデクスアライメント法を用いて搭
載した。半導体レーザ2上に刻んだインデクスパタンと
素子搭載部52のシリコン上面に刻んだインデクスパタ
ンを同時に赤外線で透過させ、これらを赤外線TVカメ
ラで観測することでパタン間の相対的な位置ずれを検知
し、位置合わせした。位置合わせの後、加熱してソルダ
52を溶融させ半導体レーザ2を固着した。次ぎに同様
な方法で導波路形受光素子3を素子搭載部53に固着し
た。電極720、721間および半導体レーザ2、電極
722間を金ワイヤ9で接続して半導体レーザ2の電気
的接続を取った。また、電極730、731間および導
波路形受光素子3、電極732間を金ワイヤ9で接続し
て半導体レーザ2の電気的接続を取った。

【0012】光アセンブリの試作後、入出力ポートにフ
ァイバを接続して光出力特性、感度特性を評価した。図
3に3台分の光出力特性を示す。半導体レーザ2を駆動
し、動作電流50mAでファイバ光出力1mWが得られた。搭
載前の光出力特性と比較することにより、半導体レーザ
2の搭載後の位置ずれ誤差が1μm以内に制御出来るこ
とを確認できた。また、受光感度は0.31A/Wと十分な感
度特性が得られた。導波路形受光素子3の位置ずれ誤差
も1μm以内であった。また、半導体レーザの熱抵抗は
〜40℃/Wであり、十分な放熱特性を確保出来ることを
確認した。受光素子の容量は実装分含めて、1pF 以下で
あった。

【0013】実施例2 本発明の実施例を図4に示す。上面に凸部を有するシリ
コン基板上10に電子ビーム蒸着法を用いて、石英ガラ
スよりなる下部クラッド12を凸部11の高さ(20〜30
μm)より十分高く形成させた。ここで、シリコンは凸
部の形状が対称となるよう、面方位(100)±5°以
下を用いた。その後シリコンの凸部11上面が完全に露
出されるまで下部クラッドを研磨し、シリコン凸部11
と下部クラッド12を平滑化した。その上に石英ガラス
よりなる調節用クラッド層13を堆積した後、チタン、
ゲルマニウムなどを添加した石英ガラスを電子ビーム蒸
着により形成し、パタニングして光導波路コア14を形
成した。次いで、無添加の石英ガラスを電子ビーム蒸着
し、上部クラッド15を形成した。 その後、シリコン
凸部11上面が露出するまで、部分的に上部クラッド1
5ならびに光導波路コア14をふっ素系のガスを用いて
ドライエッチした。シリコン表面が露出したところで停
止するため、過剰にエッチングしても問題はない。な
お、調整用クラッド層13は、光導波路コア14の光軸
位置と半導体レーザ2および導波路形受光素子3の光軸
位置21、31を一致させるために形成した。

【0014】次ぎに、素子搭載部52、53に厚さ0.
5ミクロン以下のシリコン酸化膜16を形成した後、チ
タン、白金、金よりなる電極層を電子ビーム蒸着法によ
り形成し、素子電極形状に合わせてパタニングし、光導
波路基板を得た。なお、素子搭載のためのインデクスパ
タンは電極パタンと同時に形成した。なお、本実施例に
おいても、光導波路コア3の表面形状をY字上として一端
子を光の入出力ポート、分岐後の2端子を素子搭載部5
2上の半導体レーザ2、素子搭載部53上の導波路形受
光素子3に接続するポートとした。

【0015】次ぎに、電極表面にAuSn薄膜ソルダ82
(厚さ1〜6μm )を形成した半導体レーザ2を赤外
線透過法を用いた、インデクスアライメント法を用いて
搭載した。半導体レーザ2上に刻んだインデクスパタン
と素子搭載部52のシリコン上面に刻んだインデクスパ
タンを同時に赤外線で透過させ、これらを赤外線TVカ
メラで観測することでパタン間の相対的な位置ずれを検
知し、位置合わせした。位置合わせの後、加熱してソル
ダを溶融させ半導体レーザ2を固着した。次ぎに同様な
方法で導波路形受光素子3を素子搭載部53に固着し
た。素子搭載後、溝を覆うようにガラスよりなる蓋61
を被せ、樹脂62で固定した。この蓋の適用により、フ
ァイバ接続工程での素子破損が無くなり、安定した光ア
センブリ試作が可能となった。

【0016】本実施例では実施例1と異なり半導体レー
ザ2にはn型のInP結晶、導波路形受光素子3にはp
型のInP結晶を用いた。これにより、シリコン基板を
電源電圧に共通化して、導波路形受光素子の信号線を結
晶基板側に配置でき、浮遊容量の増加分を0.3pF以
下に押さえることができた。

【0017】光アセンブリ100の試作後、入出力ポー
トにファイバ104をガラスブロック103を用いて接
続し、光出力特性、感度特性を評価し、実施例1と同様
の特性を得た。そこで、図5に示すように、光アセンブ
リ100をレーザ駆動用IC105、プリアンプIC10
6、と共にプリント基板101上に実装した。これを図
5に示す。試作ボードを2台準備して対向させ、伝送特
性を評価した。伝送速度は30Mb/s、伝送距離は5kmとし
たところ、符号誤り率10の−9乗以下の伝送が可能であ
ることが確認できた。

【0018】実施例3 本発明の第3の実施例を図6に示す。ここでは、実施例
2において、蓋を被せる代わりに、素子2および3を保
護する目的で溝部にエポキシ系樹脂63を埋めこんだ構
造とした。樹脂埋めこみにより、素子特性はほとんど劣
化しなかった。本発明のモジュール11台を温度85℃、湿
度90%の高温加湿炉内に放置して光出力特性、光感度特
性の劣化を評価した。2000時間の試験経過後にはいずれ
も特性劣化がみられていない。一方、比較として樹脂埋
め込みの無い場合には200〜500時間経過時点で受光素子
3の暗電流が急速に増加する結果となり、樹脂埋めこみ
の効果が確認された。

【0019】実施例4 本発明の第4の実施例では,実施例3において、光導波
路を石英ガラスからポリイミドに材料を代えた構造とし
た。クラッド層12、13、15にはフッ素置換ポリイ
ミドを用い、コアとの屈折率差が1%となるようにして
光導波路を形成した。光導波路1に有機材料を用いたた
め、スピンコートによる短時間での膜形成が可能とな
り、一層の低コスト化が容易であった。なお、埋め込む
樹脂は実施例3と同様にエポキシ樹脂を用いた。

【0020】実施例5 本発明の第5の実施例を図7に示す。導波路アレイ11
0に導波路型受光素子アレイ3が光学的に接続する構成
とした。搭載に用いた光導波路基板の試作プロセスは実
施例1と同様である。本実施例では、シリコン凸部上に
形成した素子搭載部54に10チャネルのプリアンプIC
アレイ4を、シリコン凹部のガラス面を堀り込んで形成
した素子搭載部52に10チャネルの導波路型受光素子
アレイ3を搭載したプリアンプIC4は1Gb/s程度ま
での高速動作を行うため、Siパイポーラプロセスにより
試作した。導波路型受光素子アレイ3は10チャネルの
アレイよりなる光導波路コア14に接続する構造とし
た。本アセンブリに10チャネルのファイバを組み込み
受光感度を測定したところ、0.85±0.02A/Wでチャネル
間バラツキの小さな受光特性を示した。また、チャネル
当たり毎秒200ビット、伝送距離100mでの受信特性評価
にした。各チャネルとも数十時間以上エラーフリー動作
した。導波路型受光素子の適用により、電気配線面内と
光の入射面の一致が容易であるため、簡易なモジュール
が実現できた。

【0021】

【発明の効果】本発明によれば、発熱の大きな素子と、
高インピーダンスの光素子を、光導波路の光軸と一致さ
せつつ、同一の光導波路基板上に搭載可能となる。これ
により、光導波路上に種々の光素子、電気素子を組み込
んだハイブリッド光回路が低コストで実装できる。この
ため各家庭にまで光ファイバを配線してマルチメディア
対応の大容量の通信が可能となる。また装置間の配線に
光ファイバを導入することが可能となるため、並列演算
処理の大規模化が容易に実現されるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図1】従来の光アッセンブリ構造を示す図である。

【図2】本発明の第1、第4の実施例に関する構造を示
す図である。

【図3】第1の実施例に関する光出力特性を示す図であ
る。

【図4】本発明の第2の実施例に関する構造を示す図で
ある。

【図5】本発明の第2の伝送ボードへの適用例を示す図
である。

【図6】本発明の第3の実施例に関する構造を示す図で
ある。

【図7】本発明の第5の実施例に関する構造を示す図で
ある。

【符号の説明】

1…光導波路、10…半導体基板、12,13,15…
クラッド層、14…光導波路コア、2…半導体レーザ、
3…導波路形受光素子もしくは受光素子アレイ、4…プ
リアンプIC、5,52,53…素子搭載部、61…
蓋、62,63…樹脂、720,721,722,73
0,731,732,740,741,742…電極、
82,83,84…ソルダ、9…ワイヤ、10…半導体
基板、12,13,15…クラッド層、14…光導波路
コア。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H04B 10/04 H04B 9/00 Y 10/06 10/14 10/26 10/28 (72)発明者 辻 伸二 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 高橋 龍太 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日 立電線株式会社オプトロシステム研究所 内 (72)発明者 宍倉 正人 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 菊池 悟 埼玉県入間郡毛呂山町大字旭台15番地 日立東部セミコンダクタ株式会社内 (72)発明者 青木 聰 神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地 株式会社日立製作所光技術開発推進本部 内 (56)参考文献 特開 平8−78657(JP,A) 特開 平3−73583(JP,A) 特開 平8−334657(JP,A) 特開 平7−318765(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 27/15 H01L 31/00 - 31/024 G02B 6/42 - 6/43

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】凸部を有する一の半導体基板上に第1の誘
    電体層、第2の誘電体層が形成され、これらの誘電体層
    により挟まれ、かつその屈折率が前記第1、第2の誘電
    体層よりも大きなコアにより光導波路が構成され、半導
    体レーザ素子が前記基板凸部上に配置され、かつ受光素
    子が前記基板凹部上の前記第1の誘電体層を掘りこんだ
    溝内に配置され、 前記光導波路の表面形状はY字状であり、分岐した前記
    光導波路の一の端部で前記半導体レーザ素子と前記光導
    波路で光軸が一致するように構成され、分岐した前記光
    導波路の他の端部で前記受光素子と前記光導波路で光軸
    が一致するように構成され、 光信号の送受信が可能であることを特徴とする光アセン
    ブリ。
  2. 【請求項2】前記半導体基板凸部上に絶縁膜が形成され
    たことを特徴とする請求項1の記載の光アセンブリ。
  3. 【請求項3】前記受光素子が光導波路構造を有してお
    り、配置された光軸高さが±3ミクロン以内で半導体基
    板上の光導波路光軸高さと一致したことを特徴とする請
    求項1に記載の光アセンブリ。
  4. 【請求項4】前記半導体基板が(100)±5°面方位
    のシリコンであることを特徴とする請求項1に記載の光
    アセンブリ。
  5. 【請求項5】前記光導波路を構成する誘電体がシリコン
    の酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項1に記
    載の光アセンブリ。
  6. 【請求項6】前記半導体レーザ素子が光導波路構造を有
    し、その光軸高さが±3ミクロン以内で前記半導体基板
    上の光導波路光軸高さと一致したことを特徴とする請求
    項1なに記載の光アセンブリ。
  7. 【請求項7】前記受光素子を搭載した溝が蓋により覆わ
    れたことを特徴とする請求項1に記載の光アセンブリ。
  8. 【請求項8】前記受光素子を搭載した溝の内、光通過経
    路部分が樹脂により埋めこまれたことを特徴とする請求
    項7に記載の光アセンブリ。
  9. 【請求項9】請求項1ないし8のいずれか一つに記載の
    光アセンブリを用いた光伝送モジュール。
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