JP3175688B2 - 光接続装置およびその製造方法 - Google Patents

光接続装置およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光導波路、あるいは
発光、受光素子などの光素子と光ファイバとの高効率な
光結合に好適な光接続装置とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の光ファイバと光素子との
結合に関しては、例えば光導波路を形成したSi(シリ
コン)基板に異方性化学エッチングを用いてV型の溝を
位置決め形成し、これに光ファイバを固定して結合させ
る技術が広く知られている。例えば、図6にその断面図
を示すように、Si基板31上に光導波路32と、光フ
ァイバ35を支持するSi表面のV溝(以下、SiV溝
と称する)33が形成されている。このSiV溝33の
加工には簡便に高精度微細加工が行える異方性化学エッ
チングを利用する。Si基板31の結晶面には{10
0}面を用い、SiV溝33は2つの{111}面より
構成される。そして、前記SiV溝33に光ファイバ3
5を固定する。これにより、光ファイバ35はSiV溝
33により径方向の位置が決定され、光導波路32に対
して位置決めされ、光導波路32と光ファイバ35との
光結合が実現される。
【0003】しかしながら、この技術では、SiV溝3
3の終端部に端部{111}結晶面34(傾き角度θ=
54.7°)が形成されるので、この端部{111}結
晶面34が障害となって光導波路32と光ファイバ35
を近づけることが出来ない。例えば、市販の外径125
μmの光ファイバ35を用いた場合、光導波路32と光
ファイバ35との間隔は約40μmにも開いてしまうた
め、光導波路32と光ファイバ35との光結合効率は極
端に小さくなってしまう。すなわち、Si結晶は単一元
素からなるため、V溝を構成する{111}面は1種類
のみである。そのためV溝の終端部にも同じく{11
1}面が形成され、これが障害となって光導波路と光フ
ァイバを十分近づけることが出来なくなる。
【0004】このような、光ファイバと光導波路との間
隔を低減するための技術として、例えば、図7にその断
面図を示すように、SiV溝33の終端部にほぼ垂直の
壁を持つ凹型の溝36を設ける技術が提案されている
(特開平1−126608号公報)。あるいは、InP
{100}面上に燐酸/塩酸系のエッチング液でV溝を
形成する技術も提案されており(特開昭57−1438
90号公報)、この場合はInP基板に形成されたV溝
(以下、InV溝と称する)の終端部が基板面に垂直な
{110}面となる。このため、これらの技術では、光
導波路に対して光ファイバの端部を近接配置でき、光結
合効率を改善する上で有効となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この提
案されている技術においても、次のような問題が生じて
いることが明らかにされた。すなわち、図7のSiV溝
33の終端部にほぼ垂直の壁を持つ凹型の溝36を設け
る技術では、前記したように光結合効率の面では有効で
あるが、実際に要求されるような高精度でかつ100μ
m近い深い溝を加工するには、例えば高性能なドライエ
ッチング装置が必要となる。そこで一般的にはダイシン
グソーを用いて簡易的な溝加工を行うが、μmオーダー
の精度を得ることは困難である。さらに、SiV溝と光
素子とをモノリシック集積するために、光素子の作製に
必要な化合物半導体層をSi基板上に直接エピタキシャ
ル成長した場合、Siと化合物半導体層との格子定数や
熱膨張係数差が極めて大きいため、良質の結晶が得られ
ないという問題があった。
【0006】一方、後者のInPV溝の場合は、V溝終
端部が基板面に垂直な{110}面となるため、Si基
板を用いる前記した従来技術の問題は回避できる。しか
しながらInP基板は脆く、強度的に不十分である。さ
らに、InPV溝を構成する2つの{111}A面と他
の結晶面方位とのエッチング速度比が小さいため(数分
の1程度)、100μm程度の深いInPV溝に対して
十分高い溝幅精度が得られないという大きな問題点があ
り、そのためInPV溝を実用化することは困難であ
る。
【0007】本発明の目的はこのような従来技術の問題
を克服し、光導波路や発光、受光素子などの光素子と光
ファイバとの高効率な光結合に好適な光接続装置とその
製造方法を実現することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に形成
したガイド溝上に光ファイバを固定して、前記基板上に
固定または形成した光素子または光集積素子との光結合
を得る光接続装置であり、前記基板の少なくとも前記ガ
イド溝が形成された領域が{100}またはその近傍の
面方位を有するGaAs層からなり、前記ガイド溝が2
つの{111}B面で囲まれたV溝であることを特徴と
する。また、前記基板上には前記光素子または光集積素
子を駆動するため、あるいは信号処理を行うための電子
素子または電子集積素子が固定または形成されているこ
とを特徴とする。
【0009】また本発明は、基板上に光ファイバを固定
するガイド溝を形成し、前記基板上に固定または作製し
た光素子または光集積素子と光結合を得る光接続装置の
製造方法において、前記基板の少なくとも前記ガイド溝
を形成する領域が{100}またはその近傍の面方位を
有するGaAs層であり、少なくとも10℃以下のクエ
ン酸水溶液と過酸化水素水を含む混合液からなるエッチ
ング液を用いて前記基板をエッチングし、前記ガイド溝
として2つの{111}B面で囲まれたV溝を形成する
工程を含んでいる。
【0010】さらに、本発明においては、前記基板上に
前記光素子または光集積素子をハイブリッド実装するこ
とを特徴とする、あるいは前記基板上にIII −V族化合
物半導体層をエピタキシャル成長することによって前記
光素子または光集積素子を作製することを特徴とする。
あるいは、前記基板上に形成した一対の絶縁膜ストライ
プをマスクとした選択エピタキシャル成長法で前記III
−V族化合物半導体層を形成することを特徴とする。さ
らに、第二の基板上に形成した第二のIII −V族化合物
半導体層を分離転写することで前記基板上にIII −V族
化合物半導体層を形成し、前記光素子または光集積素子
を作製することを特徴とする。
【0011】本発明によれば、III −V族化合物半導体
結晶を基板として用いており、この基板には{111}
Bおよび{111}Aの二種類の{111}面が存在す
るため、例えば一方の種類の{111}面で構成される
V溝を異方性エッチングで形成した場合、90度方位の
異なるV溝の終端部には他方の種類の{111}面が現
れる。この場合、V溝終端部の{111}面ではエッチ
ングが停止せず、垂直な{110}面が形成されるか、
あるいはアンダーカットしながら深くエッチングが進行
するため、V溝終端部において光ファイバを近づけるた
めの障害とはならない。
【0012】また、GaAs基板にV溝を形成する際
に、少なくとも10℃以下のクエン酸水溶液と過酸化水
素水を含む混合液からなるエッチング液を用いることで
{111}B面のエッチング速度を他の{100}面や
{111}A面に対して数十分の1以下にすることがで
きる。したがって、例えば深さ100μm程度のV溝で
も溝幅誤差1μm程度以下で高精度に形成することが可
能となる。
【0013】また、V溝の形成にGaAs基板を用いて
いるため、同じくGaAs系の高品質な光素子層をエピ
タキシャル成長法で形成することも可能である。この場
合は光素子と光ファイバとの光軸合せをプロセスレベル
の精密さかつウエハ一括で行うことが出来る。また他の
InP系等、格子定数差の大きい化合物半導体材料から
なる光素子層の場合でも、熱膨張係数差は比較的小さい
ため、適当な緩衝層を挟むことで比較的良質なエピタキ
シャル成長が可能である。さらに、例えば別の化合物半
導体基板上に形成した光素子構造層部分のみをGaAs
基板上に分離転写して光素子を形成しても良く、直接エ
ピタキシャル成長する場合と同様に光素子と光ファイバ
との光軸合せをプロセスレベルの精密さかつウエハ一括
で行うことが出来る。
【0014】さらに、{111}B面で構成されたV溝
を用いているため、誘電体膜を成長阻止マスクとした選
択エピタキシャル成長法で{111}B側壁を有する台
形光導波路をGaAs基板上に直接形成し、光素子を作
製することも可能である。また、GaAs基板上には高
速低消費電力特性に優れたGaAs系電子素子を光素子
駆動用あるいは信号処理用として形成しておくことも可
能である。光素子およびV溝との一体化による小型化
と、また電子素子−光素子間の配線遅延の減少による高
速化が期待できる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。図1及び図2は、本
発明をGaAs基板の表面に形成されたV溝(以下、G
aAsV溝と称する)上に固定された光ファイバと、フ
リップチップボンディングで実装されたレーザー素子と
の光接続に適用した第1の実施の形態における製造方法
を工程順に示す斜視図である。また、図3は完成された
状態の断面図である。先ず、図1(a)に示すように、
GaAs(100)基板1上に電極パターン2と目合わ
せパターン3を形成しておく。次に、図1(b)に示す
ように、前記GaAs(100)基板1の表面にSiO
2 膜4を熱CVD法で形成し、さらに図1(c)に示す
ように目合わせパターン3を用いて位置を合わせなが
ら、後工程で光ファイバを固定する領域をホトリソグラ
フィ技術でストライプ状にSiO2 膜4を除去してSi
2 開口パターン5を形成する。
【0016】次に図2(a)に示すように8℃に冷却し
たクエン酸系エッチング液で前記GaAs(100)基
板1が露出した部分のGaAs層を異方性エッチングし
て2つの{111}B面6からなるGaAsV溝7を形
成する。前記クエン酸系エッチング液としてはクエン酸
−水和物を同重量の水に溶かしたクエン酸水溶液と30
%過酸化水素水を3:1で混合した混合液を用いた。最
後に図2(b)に示すようにSiO2 膜4を除去して電
極パターン2を露出させる。
【0017】しかる上で、図3の断面図に示すように、
前記電極パターン2上にレーザ素子8をフリップチップ
実装し、GaAsV溝7上には光ファイバ9を固定す
る。前記GaAsV溝7の終端部には{111}A面1
0が現れ、これらの{111}A面10ではエッチング
が停止せず、アンダーカットしながら深くエッチングが
進行するため、V溝終端部において光ファイバを近づけ
るための障害とはならない。これによって光ファイバ9
のコア端部を自由にレーザ素子8の端部に近づけること
ができるようになり、高い結合効率が得られる。
【0018】図4及び図5は、本発明をGaAs基板上
に直接選択エピタキシャル成長を用いて作製したレーザ
素子と、GaAsV溝上に固定された光ファイバとの光
接続に適用した第2の実施の形態における製造方法を工
程順に示す斜視図である。先ず、図4(a)に示すよう
に、n−GaAs(100)基板21上にn−InAl
GaAsバッファ層22とn−InP層23を有機金属
気相成長法(MOVPE)でエピタキシャル成長する。
次に、全面にSiO2 膜を形成後、図4(b)に示すよ
うに、後工程でレーザ素子と光ファイバ固定領域となる
領域を挟んだ両側にホトリソグラフィで一対のSiO2
ストライプパターン24を形成する。さらに、図4
(c)に示すようにSiO2 ストライプパターン24を
成長阻止マスクとしてレーザ活性層25をMOVPEで
選択的にエピタキシャル成長する。この時、長軸が<0
11>方向となるようにSiO2 ストライプパターン2
4の方向を定めることで、レーザ活性層25が{11
1}B側壁26を有する台形光導波路となり、かつ後の
プロセスで{111}B面で構成されたGaAsV溝を
形成することが可能となる。さらに、前記SiO2 スト
ライプパターン24を除去後、図4(d)に示すように
全面にMOVPEでp−InP埋め込み層27、p+
InGaAsコンタクト層28を順次エピタキシャル成
長する。
【0019】次に、図5(a)に示すようにパターニン
グで形成したSiO2 エッチングマスク29を用いたド
ライエッチングで前記レーザ活性層25、p−InP埋
め込み層27、p+ −InGaAsコンタクト層28を
エッチングしてストライプ状にメサを形成し、同時にレ
ーザ端面30も形成する。次に、全面にSiO2 膜4を
形成後、図5(b)に示すように、光ファイバを固定す
る領域をホトリソグラフィでストライプ状にSiO2
4を除去してSiO2 開口パターン5を形成する。さら
に、8℃に冷却したクエン酸系エッチング液でn−Ga
As(100)基板21が露出した部分からGaAs層
を異方性エッチングして2つの{111}B面6からな
るGaAsV溝7を形成する。最後に、図5(c)に示
すようにSiO2 膜4をパターニング後に電極パターン
2を形成する。
【0020】しかる上で、GaAsV溝7上には光ファ
イバ9を固定する。この場合、第1の実施形態と同様に
目合わせパターンを用いることでレーザ活性層25の光
軸とGaAsV溝7上に固定する光ファイバの光軸とを
精密に一致させることができる。また、この実施形態の
場合にも、前記GaAsV溝7の終端部には{111}
A面10が現れ、これらの{111}A面10ではエッ
チングが停止せず、アンダーカットしながら深くエッチ
ングが進行するため、V溝終端部において光ファイバを
近づけるための障害とはならない。これによって光ファ
イバ9のコア端部を自由にレーザ端面30に近づけるこ
とができるようになり、高い結合効率が得られる。
【0021】なお、第2の実施形態では選択エピタキシ
ャル成長法でストライプ状のレーザ活性層を直接形成し
たが、通常の全面成長でレーザ構造を成長後、エッチン
グを行うことでストライプ状に加工することもできる。
また、第2の実施形態ではGaAs基板上に格子定数の
異なるInP系光素子をエピタキシャル成長法で形成し
たため、格子不整合欠陥の導入による結晶品質の劣化を
出来るだけ抑えるためバッファ層を挟む必要があった。
しかしGaAs基板と格子整合する(Al)GaAs系
の光素子を採用すればこのような問題は回避することが
できる。
【0022】あるいは、別の化合物半導体基板、例えば
InP基板上に形成したInP層あるいはInP系光素
子構造層部分のみをGaAs基板上に分離転写した後
に、そのままあるいは(選択)エピタキシャル成長を行
って光素子を形成しても良い。例えば、別の基板上から
の分離転写によってGaAs基板上に形成したIII −V
族化合物半導体層上に、さらに一対の絶縁膜ストライプ
をマスクとした選択エピタキシャル成長法で第三のIII
−V族化合物半導体層を形成した後に前記光素子または
光集積素子を作製してもよい。この場合も直接エピタキ
シャル成長する場合と同様に光素子と光ファイバとの光
軸合せをプロセスレベルの精密さでウエハ一括で行うこ
とが出来る。化合物半導体基板上に形成した光素子構造
層をGaAs基板上に転写する方法としては例えば結晶
同士を原子レベルで張り合わせる直接接合法などが用い
られる。化合物半導体基板の除去は例えば光素子構造層
との間に選択エッチング層を挿入しておくことで容易に
行える。光素子構造層を光素子に加工後、化合物半導体
基板を除去してGaAs基板上に転写する方法もある
が、この場合の光軸合せは第1の実施形態で説明したフ
リップチップボンディングによる方法と同様に個別に行
う必要がある。
【0023】以上、第1及び第2の実施形態では単体レ
ーザ素子と光ファイバとを光接続する場合について説明
したが、例えばレーザ素子と光変調器等を集積化した光
集積素子と光ファイバとの光接続でもよい。さらに、ス
ポットサイズ変換機能を光(集積)素子の光出射端に集
積すれば、通常の平坦端面を持つ光ファイバとの光接続
でもより高い結合効率が得られる。または、光ファイバ
として、少なくともコア先端を球状に加工してレンズ作
用を持たせた先球ファイバを用いても、より高い結合効
率を得ることができる。
【0024】また、光素子としては光導波路も含み、レ
ーザ素子と同様にGaAs基板上に形成した半導体層を
光導波路に加工することができる。その他、光導波路形
成材料としては誘電体、磁性体等の色々なものを適用す
ることが可能であるが、損失特性および光ファイバとの
整合性に優れているという点で石英系ガラスが最も一般
的に用いられる。石英光導波路の形成方法としては、例
えば石英系ガラス膜の化学気相堆積とフォトリソグラフ
ィおよびドライエッチングによるパターニングを組み合
わせた方法が一般的であるが、石英系液状物質の塗布と
焼結による簡便な方法も選択できる。また損失は大きい
が取り扱いが容易で加工性も良いポリマー系光導波路を
選択することも出来る。
【0025】また、前記各実施形態ではGaAs(10
0)面方位基板上にV溝を形成する場合について説明し
たが、光ファイバを精密に固定でき、V溝の端部が光フ
ァイバを近づけるための障害とならなければ(100)
面から特定方向に傾斜させた面方位基板を用いても良
い。
【0026】また、前記実施形態ではクエン酸系エッチ
ング液によるGaAsV溝形成時のマスクとしてSiO
2 膜を用いたが他の誘電体膜でもよい。またプロセス上
問題が無ければAlGaAs層などを使うことも可能で
ある。クエン酸系エッチング液の組成に関しても本実施
形態では3:1を用いたが、異方性が得られる範囲でこ
の限りではなく、バッファー液としてクエン酸アンモニ
ウム等を加えても構わない。ここで、本発明にかかる前
記クエン酸系エッチング液にはAlGaAsのエッチン
グ速度がGaAsに対して極めて遅いという特性もある
ため、AlGaAs層をGaAsV溝形成時のマスクと
して使うことも可能である。なお、前記本発明にかかる
クエン酸系エッチング液が有効なのはGaAsのみであ
り、他の例えばInP等の場合は{111}B面で構成
されるV溝の形成自体が困難である。即ち、GaAsで
も前記クエン酸系以外のエッチング液を用いた場合、ま
た他の例えばInP等では通常{111}A面が最もエ
ッチング速度が小さくなり、しかも他の結晶面との十分
なエッチング速度比を得ることは困難である。
【0027】さらに、同じGaAs基板上に光素子駆動
用あるいは信号処理用の電子素子または電子集積素子が
固定または形成されていてもよく、光の入出力機能まで
をモノリシック集積したOEICを作製することも可能
である。
【0028】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、光ファイ
バを固定するためのガイド溝を形成する領域が{10
0}またはその近傍の面方位を有するGaAs層であ
前記ガイド溝が2つの{111}B面で囲まれたV
溝であるため、ガイド溝の光素子または光集積素子側の
端部に現れる{111}A面ではエッチングが停止せ
ず、垂直な{110}面が形成されるか、あるいはアン
ダーカットしながら深くエッチングが進行するため、V
溝終端部において光ファイバを近づけるための障害とは
ならず、高い光結合効率の光接続装置を得ることができ
る。
【0029】また、本発明の製造方法によれば、GaA
s基板にV溝を形成する際に、少なくとも10℃以下の
クエン酸水溶液と過酸化水素水を含む混合液からなるエ
ッチング液を用いることで{111}B面のエッチング
速度を他の{100}面や{111}A面に対して数十
分の1以下にすることができ、機械的な強度が高く、し
かも高精度のV溝を形成でき、信頼性の高い光接続装置
の製造が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の光接続装置の製造方
法を工程順に示す斜視図のその1である。
【図2】本発明の第1の実施形態の光接続装置の製造方
法を工程順に示す斜視図のその2である。
【図3】本発明の第1の実施形態の完成された光接続装
置の断面図である。
【図4】本発明の第2の実施形態の光接続装置の製造方
法を工程順に示す斜視図のその1である。
【図5】本発明の第2の実施形態の光接続装置の製造方
法を工程順に示す斜視図のその2である。
【図6】従来技術の光接続装置の一例の断面図である。
【図7】従来技術の光接続装置の改善された他の例の断
面図である。
【符号の説明】
1 GaAs(100)基板 2 電極パターン 3 目合わせパターン 4 SiO2 膜 5 SiO2 開口パターン 6 {111}B面 7 GaAsV溝 8 レーザ素子 9 光ファイバ 10 {111}A面 21 n−GaAs(100)基板 22 n−InAlGaAsバッファ層 23 n−InP層 24 SiO2 ストライプパターン 25 レーザ活性層 26 {111}B側壁 27 p−InP埋め込み層 28 p+ −InGaAsコンタクト層 29 SiO2 エッチングマスク 31 Si基板 32 光導波路 33 SiV溝 34 端部{111}結晶面 35 光ファイバ 36 凹型の溝

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に形成したガイド溝上に光ファイ
    バを固定して、前記基板上に固定または形成した光素子
    または光集積素子との光結合を得る光接続装置であり、
    前記基板の少なくとも前記ガイド溝が形成された領域が
    {100}またはその近傍の面方位を有するGaAs層
    からなり、前記ガイド溝が2つの{111}B面で囲ま
    れたV溝であることを特徴とする光接続装置。
  2. 【請求項2】 前記基板上に前記光素子または光集積素
    子の駆動用あるいは信号処理用の電子素子または電子集
    積素子が固定または形成されていることを特徴とする請
    求項に記載の光接続装置。
  3. 【請求項3】 基板上に光ファイバを固定するガイド溝
    を形成し、前記基板上に固定または作製した光素子また
    は光集積素子と光結合を得る光接続装置の製造方法にお
    いて、前記基板の少なくとも前記ガイド溝を形成する領
    域が{100}またはその近傍の面方位を有するGaA
    s層であり、少なくとも10℃以下のクエン酸水溶液と
    過酸化水素水を含む混合液からなるエッチング液を用い
    て前記基板をエッチングし、前記ガイド溝として2つの
    {111}B面で囲まれたV溝を形成する工程を含むこ
    とを特徴とする光接続装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記基板上に前記光素子または光集積素
    子をハイブリッド実装することを特徴とする請求項
    記載の光接続装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記基板上にIII −V族化合物半導体層
    をエピタキシャル成長することによって前記光素子また
    は光集積素子を作製することを特徴とする請求項に記
    載の光接続装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記基板上に形成した一対の絶縁膜スト
    ライプをマスクとして、前記III −V族化合物半導体層
    を選択的にエピタキシャル成長することを特徴とする請
    求項に記載の光接続装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 第二の基板上に形成した第二のIII −V
    族化合物半導体層を分離転写することで前記基板上にII
    I −V族化合物半導体層を形成し、前記光素子または光
    集積素子を作製することを特徴とする請求項に記載の
    光接続装置の製造方法。
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