JP3253622B2 - 光集積回路素子 - Google Patents
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- G02B2006/12195—Tapering
Description
【発明の詳細な説明】 従来の技術 本発明は、たとえば変調器、方向性結合器、スイッ
チ、偏光子、スプリッタ等のような、請求項１の上位概
念に記載の光集積回路素子ならびにこの種の素子の製造
方法に関する。
チ、偏光子、スプリッタ等のような、請求項１の上位概
念に記載の光集積回路素子ならびにこの種の素子の製造
方法に関する。
光集積コンポーネントを光通信技術、センサ工学およ
びコンピュータ分野（光データバス）に用いることが多
くなるにつれて、光学的結合技術（チップ−ファイバ結
合）はますます重要になってきている。約1000個の加入
者接続端子を備えた比較的小規模な構内交換機でさえ、
その際にたとえば何千個もの光学端子が個々のサブ回路
段の間で必要とされる。その理由は、個々の基体上に集
積される光学コンポーネントの個数ならびに複雑性は、
光学系における極端な縦横比に起因して著しく制約され
ているからである。このような適用事例の場合には最終
的に、光学的係合技術の実現可能性および信頼性（機械
的および熱的安定性）ならびに所要接続コストによっ
て、光交換システムにおいて達成可能な増設の度合いが
決定される。
びコンピュータ分野（光データバス）に用いることが多
くなるにつれて、光学的結合技術（チップ−ファイバ結
合）はますます重要になってきている。約1000個の加入
者接続端子を備えた比較的小規模な構内交換機でさえ、
その際にたとえば何千個もの光学端子が個々のサブ回路
段の間で必要とされる。その理由は、個々の基体上に集
積される光学コンポーネントの個数ならびに複雑性は、
光学系における極端な縦横比に起因して著しく制約され
ているからである。このような適用事例の場合には最終
的に、光学的係合技術の実現可能性および信頼性（機械
的および熱的安定性）ならびに所要接続コストによっ
て、光交換システムにおいて達成可能な増設の度合いが
決定される。
グラスファイバと構成素子の集積導波体との結合にお
ける光入力結合効率は、各端面の間隔、横方向のずれ、
ならびに光学軸相互間の角度傾斜にきわめて強く依存す
る。したがってグラスファイバは結合に際して、互いに
独立して最適化されなければならない５つの自由度を有
する。すなわち、１つの軸線方向の自由度と２つの横方
向の自由度と２つの角度の自由度である。グラスファイ
バに特有の電磁場分布の場合、たとえば数μｍ程度の横
方向のずれだけでdB範囲の結合損失が生じてしまう。効
果的な結合手法では自由度の低減と、１つの束のすべて
のファイバを同時に位置決めできるようにすることが必
要とされる。Appl.Opt.17（1978）,895,“Optical coup
ling from fibres to channel waveguides formed on s
ilicon",J.T.boyd,S.Sriramにより、グラスファイバの
ための位置決め用の溝としてＶ字溝をシリコン基板にエ
ッチングすることが知られている。異方性でエッチング
されたＶ字溝は、全面において緩慢にエッチングする
｛111｝−平面により画定され、これらはウェハ表面に
対し54.7゜の角度を成している。このＶ字溝と整列（位
置合わせ）されて集積導波体が配置されており、その
際、結果として生じた溝の形によりファイバコアが光導
波体と同じ水平方向の平面に位置するように、溝の幅を
最適化することができる。光導波体との結合平面の領域
に位置するＶ字溝の端面も54.7゜の角度で傾斜してお
り、したがってグラスファイバをずらして導波体まで完
全に近づけることはできない。この問題に対する解決手
段としてBoydとSriamが提案するには、グラスファイバ
にもやはり54.7゜だけ傾斜された端面を設け、これによ
り突合わせ結合が起こるまでファイバコアを集積光導波
体へずらして近づけることができるようにする。しかし
この手法の有する欠点は、コストのかかるファイバ端面
処理が必要であり、さらにファイバはただ１つの特定の
位置でしか溝へ挿入できないことである。しかも結合に
際して、両方の端面が互いに滑りあい、あるいはこのた
めに少なくともファイバの端部領域が溝からずれ出てし
まう危険性がある。これに加えて困難なことに、ファイ
バだけでなく集積導波体にも相応に傾斜された端面を設
ける必要がある。
ける光入力結合効率は、各端面の間隔、横方向のずれ、
ならびに光学軸相互間の角度傾斜にきわめて強く依存す
る。したがってグラスファイバは結合に際して、互いに
独立して最適化されなければならない５つの自由度を有
する。すなわち、１つの軸線方向の自由度と２つの横方
向の自由度と２つの角度の自由度である。グラスファイ
バに特有の電磁場分布の場合、たとえば数μｍ程度の横
方向のずれだけでdB範囲の結合損失が生じてしまう。効
果的な結合手法では自由度の低減と、１つの束のすべて
のファイバを同時に位置決めできるようにすることが必
要とされる。Appl.Opt.17（1978）,895,“Optical coup
ling from fibres to channel waveguides formed on s
ilicon",J.T.boyd,S.Sriramにより、グラスファイバの
ための位置決め用の溝としてＶ字溝をシリコン基板にエ
ッチングすることが知られている。異方性でエッチング
されたＶ字溝は、全面において緩慢にエッチングする
｛111｝−平面により画定され、これらはウェハ表面に
対し54.7゜の角度を成している。このＶ字溝と整列（位
置合わせ）されて集積導波体が配置されており、その
際、結果として生じた溝の形によりファイバコアが光導
波体と同じ水平方向の平面に位置するように、溝の幅を
最適化することができる。光導波体との結合平面の領域
に位置するＶ字溝の端面も54.7゜の角度で傾斜してお
り、したがってグラスファイバをずらして導波体まで完
全に近づけることはできない。この問題に対する解決手
段としてBoydとSriamが提案するには、グラスファイバ
にもやはり54.7゜だけ傾斜された端面を設け、これによ
り突合わせ結合が起こるまでファイバコアを集積光導波
体へずらして近づけることができるようにする。しかし
この手法の有する欠点は、コストのかかるファイバ端面
処理が必要であり、さらにファイバはただ１つの特定の
位置でしか溝へ挿入できないことである。しかも結合に
際して、両方の端面が互いに滑りあい、あるいはこのた
めに少なくともファイバの端部領域が溝からずれ出てし
まう危険性がある。これに加えて困難なことに、ファイ
バだけでなく集積導波体にも相応に傾斜された端面を設
ける必要がある。
さらに、上記の文献により知られていることは、エッ
チングされたＶ字溝内にグラスファイバを固定し、次に
液体重合体（ポリウレタン）を充填することによって有
機的な光導波体への端子を製造し、この光導波体は延長
されたｖ字溝へ案内されそれによって位置決めされる。
しかし結合点における溝の大きさはグラスファイバクラ
ッドの直径によりあらかじめ定められているので、この
形式の導波体は極端に高次モードであり、通信技術にお
ける単一モードシステムに用いることはできない。さら
に、チャネル導波体をテーパー状にすることも提案され
ており、その際、通常の薄膜フィルム導波体との接合部
を実現する目的で、Ｖ字溝の幅さらには深さも先の方に
行くにつれて徐々に小さくされる。しかしこの場合、グ
ラスファイバのファイバコアからチャネル導波体への接
合部は、チャネル導波体構造の直径部分で大きく跳躍す
ることになるので、高次モードの振動は不可避であり、
さらには単一モード動作において高い結合効率を期待す
ることはできない。
チングされたＶ字溝内にグラスファイバを固定し、次に
液体重合体（ポリウレタン）を充填することによって有
機的な光導波体への端子を製造し、この光導波体は延長
されたｖ字溝へ案内されそれによって位置決めされる。
しかし結合点における溝の大きさはグラスファイバクラ
ッドの直径によりあらかじめ定められているので、この
形式の導波体は極端に高次モードであり、通信技術にお
ける単一モードシステムに用いることはできない。さら
に、チャネル導波体をテーパー状にすることも提案され
ており、その際、通常の薄膜フィルム導波体との接合部
を実現する目的で、Ｖ字溝の幅さらには深さも先の方に
行くにつれて徐々に小さくされる。しかしこの場合、グ
ラスファイバのファイバコアからチャネル導波体への接
合部は、チャネル導波体構造の直径部分で大きく跳躍す
ることになるので、高次モードの振動は不可避であり、
さらには単一モード動作において高い結合効率を期待す
ることはできない。
発明の利点 これに対して、本発明による光集積回路素子および本
発明によるその製造方法の有する利点とは、光重合体か
ら成る光導波体へのグラスファイバないしファイバアレ
イの自己調整式結合を容易に実現できることである。光
導波体の端面の処理は簡単であり、有利にはレーザ除去
により実施可能である。グラスファイバを保持する溝
は、既成の技術に基づき異方性のエッチングによって容
易に形成できる。その際、ファイバ端面と導波体端面と
の相対的位置に関して高い精度が得られる。露光手法を
用いて容易に実現可能な電磁場の整合により、高い結合
効率が得られる。さらに、導波体とファイバをいっしょ
にモールドすることにより、高度の熱的機械的安定性を
得ることができる。本発明による素子は、単一モードの
導波体構造にとりわけ適している。
発明によるその製造方法の有する利点とは、光重合体か
ら成る光導波体へのグラスファイバないしファイバアレ
イの自己調整式結合を容易に実現できることである。光
導波体の端面の処理は簡単であり、有利にはレーザ除去
により実施可能である。グラスファイバを保持する溝
は、既成の技術に基づき異方性のエッチングによって容
易に形成できる。その際、ファイバ端面と導波体端面と
の相対的位置に関して高い精度が得られる。露光手法を
用いて容易に実現可能な電磁場の整合により、高い結合
効率が得られる。さらに、導波体とファイバをいっしょ
にモールドすることにより、高度の熱的機械的安定性を
得ることができる。本発明による素子は、単一モードの
導波体構造にとりわけ適している。
従属請求項に記載の構成により、請求項１に記載の素
子の有利な実施形態が可能である。
子の有利な実施形態が可能である。
次のようにして、光導波体の著しく簡単かつ機械的に
安定した製造を行うことができる。すなわち、光導波体
を担持する緩衝層とＶ字溝内のプラスチック材とを端面
の平面まで覆う層が設けられており、この層は露光によ
り屈折率を変えることのできる光重合体から成る。その
際、光導波体は、この層を相応に露光することによりそ
の一部分として形成されている。これにより、重合体の
層の機械的な被着に応じて種々様々に光導波体を形成す
ることができる。光導波体として形成された層の領域は
いっそう高い屈折率を有する。
安定した製造を行うことができる。すなわち、光導波体
を担持する緩衝層とＶ字溝内のプラスチック材とを端面
の平面まで覆う層が設けられており、この層は露光によ
り屈折率を変えることのできる光重合体から成る。その
際、光導波体は、この層を相応に露光することによりそ
の一部分として形成されている。これにより、重合体の
層の機械的な被着に応じて種々様々に光導波体を形成す
ることができる。光導波体として形成された層の領域は
いっそう高い屈折率を有する。
位置決め溝を充填するためのプラスチック材は、好適
にはやはり光重合体であって、これはたとえば緩衝層を
覆っている層と同一のものである。この場合、光導波体
のグラスファイバ側の端部がグラスファイバコアの直径
まで断熱的に拡開されていることによって、最適な電磁
場の整合を行うことができる。さらにこの場合、横方向
の拡開だけでなく付加的にまたは選択的に、Ｖ字溝を充
填している光重合体内部まで延在するような垂直方向の
拡開も可能である。
にはやはり光重合体であって、これはたとえば緩衝層を
覆っている層と同一のものである。この場合、光導波体
のグラスファイバ側の端部がグラスファイバコアの直径
まで断熱的に拡開されていることによって、最適な電磁
場の整合を行うことができる。さらにこの場合、横方向
の拡開だけでなく付加的にまたは選択的に、Ｖ字溝を充
填している光重合体内部まで延在するような垂直方向の
拡開も可能である。
グラスファイバへの光導波体の電磁場の整合のために
有利には幾何学的整合のほかに、光導波体を囲む光重合
体の領域は、光導波体とこれを取り囲む領域との間の屈
折率の差がグラスファイバの方へ向かうにつれて小さく
なるような断熱的な屈折率経過特性を有することができ
る。
有利には幾何学的整合のほかに、光導波体を囲む光重合
体の領域は、光導波体とこれを取り囲む領域との間の屈
折率の差がグラスファイバの方へ向かうにつれて小さく
なるような断熱的な屈折率経過特性を有することができ
る。
整合と結合のためのさらに別の有利な構成として、光
導波体のグラスファイバ側の端部は先が尖っており、い
っそう低い屈折率を有する別の光導波体の中で終端して
おり、さらにこの別の光導波体はグラスファイバコアま
で延在している。この場合、グラスファイバコアよりも
比較的強く導波を行う小さい横断面寸法の光導波体であ
っても、高い結合効率が可能である。上記の別の光導波
体は、幅および／または深さに関していっそう大きい広
がりを有することができ、結合端面においてグラスファ
イバコアの設計仕様に整合可能である。
導波体のグラスファイバ側の端部は先が尖っており、い
っそう低い屈折率を有する別の光導波体の中で終端して
おり、さらにこの別の光導波体はグラスファイバコアま
で延在している。この場合、グラスファイバコアよりも
比較的強く導波を行う小さい横断面寸法の光導波体であ
っても、高い結合効率が可能である。上記の別の光導波
体は、幅および／または深さに関していっそう大きい広
がりを有することができ、結合端面においてグラスファ
イバコアの設計仕様に整合可能である。
本発明による方法の有利な実施形態によれば、層の被
着ならびに位置決め溝の充填を同一の光重合体を用いて
１つの作業段階で実施できる。これにより製造を簡単に
低コストで行うことができる。
着ならびに位置決め溝の充填を同一の光重合体を用いて
１つの作業段階で実施できる。これにより製造を簡単に
低コストで行うことができる。
光導波体の形成は好適には、重合体の層の上に載置さ
れる露光マスクを介して行われ、その際、光重合によっ
て光導波体領域における屈折率が高められる。さらにた
とえば非線形の光重合体の場合、露光マスクを重合体の
層の上に載置し紫外線光褪色プロセスにより、光導波体
を画定する領域の屈折率を低くすることができる。
れる露光マスクを介して行われ、その際、光重合によっ
て光導波体領域における屈折率が高められる。さらにた
とえば非線形の光重合体の場合、露光マスクを重合体の
層の上に載置し紫外線光褪色プロセスにより、光導波体
を画定する領域の屈折率を低くすることができる。
グラスファイバと光導波体との間の電磁場の整合を最
適化するためにグラスファイバコアの手前で光導波体の
断熱的拡開を行う目的で好適には、グラスファイバコア
の直径までの横方向での拡開に対し、拡開するマスク開
口部を備えた露光マクスが用いられる。選択的にまたは
付加的に、グラスファイバコアの直径まで垂直方向に拡
開するために、露光強度および／または露光時間がブラ
スファイバの方へ向かうにつれてランプ特製的に増加さ
れる。電磁場の整合のさらに付加的な最適化を行えるよ
うにする目的で、可変の透過性を有する第２のマスクを
後続の露光のために用いることができ、このマスクはフ
ァイバ側ではいっそう高い透過性を有し、光導波体側で
はいっそう低い透過性を有する。
適化するためにグラスファイバコアの手前で光導波体の
断熱的拡開を行う目的で好適には、グラスファイバコア
の直径までの横方向での拡開に対し、拡開するマスク開
口部を備えた露光マクスが用いられる。選択的にまたは
付加的に、グラスファイバコアの直径まで垂直方向に拡
開するために、露光強度および／または露光時間がブラ
スファイバの方へ向かうにつれてランプ特製的に増加さ
れる。電磁場の整合のさらに付加的な最適化を行えるよ
うにする目的で、可変の透過性を有する第２のマスクを
後続の露光のために用いることができ、このマスクはフ
ァイバ側ではいっそう高い透過性を有し、光導波体側で
はいっそう低い透過性を有する。
２番目のテーパー状構成の場合、先の尖った光導波体
を製造し結合するためにまず最初に、第１の露光マスク
を用いた第１の露光ステップにおいて、グラスファイバ
の方へ向かって先の尖っている第１の光導波体が形成さ
れ、その後、第２の露光ステップにおいて、第１の光導
波体を結合端面と結合するものでありいっそう低い屈折
率を有する第２の光導波体が形成される。この場合、第
２の光導波体はその直径に関してグラスファイバコアに
整合されている。
を製造し結合するためにまず最初に、第１の露光マスク
を用いた第１の露光ステップにおいて、グラスファイバ
の方へ向かって先の尖っている第１の光導波体が形成さ
れ、その後、第２の露光ステップにおいて、第１の光導
波体を結合端面と結合するものでありいっそう低い屈折
率を有する第２の光導波体が形成される。この場合、第
２の光導波体はその直径に関してグラスファイバコアに
整合されている。
本発明による方法によれば有利には、互いに並置され
た多数の光導波体ないし接続部を同時に製造することが
できる。
た多数の光導波体ないし接続部を同時に製造することが
できる。
図面 図面には本発明の実施例が示されており、これについ
て以下の記載で詳細に説明する。
て以下の記載で詳細に説明する。
第１図は、第１の実施例としてＶ字溝中で結合された
グラスファイバを有する光集積回路素子を有する平面図
である。
グラスファイバを有する光集積回路素子を有する平面図
である。
第２図は、第１図に示されている素子の垂直方向での
縦断面図である。
縦断面図である。
第３図は、第２の実施例としてテーパー構造を有する
光素子の類似の配置構成を示す平面図である。
光素子の類似の配置構成を示す平面図である。
第４図は、第３図に示されている素子の垂直方向での
縦断面図である。
縦断面図である。
第５図は、第３の実施例として先の尖った光導波体を
有する類似の光素子を示す平面図である。
有する類似の光素子を示す平面図である。
第６図は、第５図に示されている第３の実施例の垂直
方向での縦断面図である。
方向での縦断面図である。
第７図は、第５図と第６図に示されている構成素子を
第６図の切断平面に対し垂直な方向で示した縦断面図で
ある。
第６図の切断平面に対し垂直な方向で示した縦断面図で
ある。
第８図は、同じ素子を導波体の方へ向かう方向でみた
斜視図である。
斜視図である。
実施例の説明 第１図と第２図に示されている光集積回路素子は実質
的にシリコン基板10から成り、グラスファイバ11を収容
するためにこのシリコン基板に、Ｖ字形の横断面を有す
る位置決め溝12が異方性にエッチングされている。周知
の異方性エッチング技術は高い成長度を有しており、冒
頭で挙げた従来技術でも用いられている。エッチングマ
スクの窓開口部を用いることにより、位置決め溝12の幅
ａとさらにはエッチングされた溝12の深さｊが確定され
る。たとえば水酸化カリウムのようなアルカリ性のエッ
チング剤を用いることにより、表面に対し54.7゜という
きわめて精密な角度を成すＶ字形の凹部が生成される。
このような角度は位置決め溝12の斜めの端面13にも形成
され、これは長さｃにわたって溝内部へと延在してい
る。
的にシリコン基板10から成り、グラスファイバ11を収容
するためにこのシリコン基板に、Ｖ字形の横断面を有す
る位置決め溝12が異方性にエッチングされている。周知
の異方性エッチング技術は高い成長度を有しており、冒
頭で挙げた従来技術でも用いられている。エッチングマ
スクの窓開口部を用いることにより、位置決め溝12の幅
ａとさらにはエッチングされた溝12の深さｊが確定され
る。たとえば水酸化カリウムのようなアルカリ性のエッ
チング剤を用いることにより、表面に対し54.7゜という
きわめて精密な角度を成すＶ字形の凹部が生成される。
このような角度は位置決め溝12の斜めの端面13にも形成
され、これは長さｃにわたって溝内部へと延在してい
る。
前処理されたシリコン基板10（ウェハ）−この基盤は
位置決め溝12のほかにも図示されていない能動的および
／または受動的光素子ならびに電子装置を担持可能であ
る−のエッチング後、著しく低い屈折率と厚さｋを有す
る光学的緩衝層14が被着される。この場合、シリコン基
板を用いることができるが、有機フィルムを用いること
もできる。緩衝層の厚さは、位置決め溝12のエッチング
に際してマスク調整幅として考慮する必要がある。
位置決め溝12のほかにも図示されていない能動的および
／または受動的光素子ならびに電子装置を担持可能であ
る−のエッチング後、著しく低い屈折率と厚さｋを有す
る光学的緩衝層14が被着される。この場合、シリコン基
板を用いることができるが、有機フィルムを用いること
もできる。緩衝層の厚さは、位置決め溝12のエッチング
に際してマスク調整幅として考慮する必要がある。
次に、開始剤を含むPMMAのような光重合体が全く平坦
に被着され、これにより位置決め溝12の領域ではこの溝
の充填部分15が形成され、その他の領域では表面を覆う
層16が形成される。
に被着され、これにより位置決め溝12の領域ではこの溝
の充填部分15が形成され、その他の領域では表面を覆う
層16が形成される。
そして層16において、紫外線光により幅ｆを有する光
導波体17が形成される。局部的な光重合により、露光さ
れた領域において屈折率が高められる。図示されていな
い露光マスクは、位置決め溝12のエッチングされたＶ字
溝に精確に整合されて、あるいは付加的な調節支援装置
により配向される。この場合、長手方向に延在するマス
ク開口部の形状に応じて、光導波体17が形成される。
導波体17が形成される。局部的な光重合により、露光さ
れた領域において屈折率が高められる。図示されていな
い露光マスクは、位置決め溝12のエッチングされたＶ字
溝に精確に整合されて、あるいは付加的な調節支援装置
により配向される。この場合、長手方向に延在するマス
ク開口部の形状に応じて、光導波体17が形成される。
上述の光重合の代わりに、いくつかの非線形の光重合
体を用いても基本的に同等に、局部的な加熱による極性
づけ（Thermopolung）および／または紫外線光褪色プロ
セス（UV−Fotoausbleichprozess）により、光導波体17
を形成することができる。
体を用いても基本的に同等に、局部的な加熱による極性
づけ（Thermopolung）および／または紫外線光褪色プロ
セス（UV−Fotoausbleichprozess）により、光導波体17
を形成することができる。
横方向の光導波は、単一モードの導波体のためには露
光された領域（光導波体17）と露光されていない領域と
の間の屈折率が通常は僅かであることで実現される（弱
い導波）。光導波体17の垂直方向の広がりは薄い層（約
２μｍ）の場合、重合体の層16の厚さｍにより定められ
ており、この場合、垂直方向の導波は、一方では緩衝層
（14）に対する屈折率の跳躍的変化により定まり、他方
では間隙または場合によっては上方の被覆層に対する屈
折率の跳躍的変化により定まる（強い導波）。相応の電
磁場分布は層の厚さが薄い場合には通常、光集積チップ
上の能動的な光学的半導体素子の電磁場分布に良好に整
合させることができる。
光された領域（光導波体17）と露光されていない領域と
の間の屈折率が通常は僅かであることで実現される（弱
い導波）。光導波体17の垂直方向の広がりは薄い層（約
２μｍ）の場合、重合体の層16の厚さｍにより定められ
ており、この場合、垂直方向の導波は、一方では緩衝層
（14）に対する屈折率の跳躍的変化により定まり、他方
では間隙または場合によっては上方の被覆層に対する屈
折率の跳躍的変化により定まる（強い導波）。相応の電
磁場分布は層の厚さが薄い場合には通常、光集積チップ
上の能動的な光学的半導体素子の電磁場分布に良好に整
合させることができる。
層の厚さが比較的厚い領域では、つまり充填部分15の
領域では、光導波体17の垂直方向の広がりは、光重合プ
ロセスの有効な深さにより制限される。光重合可能な物
質の紫外線吸収が強い場合、この深さは露光パラメータ
と物質組成（例えば開始剤の成分）に依存するので、こ
こにおいてチャネル導波体を設定可能な深さｑまで表面
下で所期のように広げることができる。同時にこの領域
において光波は横方向の場合と同様に下へ向かって弱く
導波され、このことによりファイバの輻状相称分布への
電磁場の整合が容易になる。
領域では、光導波体17の垂直方向の広がりは、光重合プ
ロセスの有効な深さにより制限される。光重合可能な物
質の紫外線吸収が強い場合、この深さは露光パラメータ
と物質組成（例えば開始剤の成分）に依存するので、こ
こにおいてチャネル導波体を設定可能な深さｑまで表面
下で所期のように広げることができる。同時にこの領域
において光波は横方向の場合と同様に下へ向かって弱く
導波され、このことによりファイバの輻状相称分布への
電磁場の整合が容易になる。
この製造ステップまで、位置決め溝12は光重合体で充
填されている。チップ−ファイバ結合のためには、直径
ｈのクラスファイバを収容するために位置決め溝12の内
部が取り除かれなければならない。これはエキシマレー
ザを用いたレーザ除去により行うことができる。その際
に生じる、光導波体17と充填部分15の十分に平坦な切断
へり18により、光導波体端面をさらに処理する必要がな
くなる。この切断は、位置決め溝12の上縁部から間隔ｂ
をおいて行われ、その際、この間隔ｂは斜めの端面の広
がりｃを越え、したがってグラスファイバ11と光導波体
17との突合わせ結合が可能になる。この結合は、光導波
体端面の残りの凹凸によってしか制限されていない。光
導波体17の光学軸とグラスファイバ11の光学軸の相対的
な垂直方向位置はＶ字溝の深さにわたって、光学的な領
域が可能なかぎり良好にオーバラップするように、いっ
しょに最適化できる。これにより直径ｉを有するグラス
ファイバコア19は、十分精確に光導波体17と整列され
る。上方の被覆層たとえば間隙が強く案内されている場
合には、グラスファイバ11を僅かに低く配置することが
でき、その結果、第２図に示されているように、グラス
ファイバコア19は上方において同一平面上で光導波体17
と結合される。
填されている。チップ−ファイバ結合のためには、直径
ｈのクラスファイバを収容するために位置決め溝12の内
部が取り除かれなければならない。これはエキシマレー
ザを用いたレーザ除去により行うことができる。その際
に生じる、光導波体17と充填部分15の十分に平坦な切断
へり18により、光導波体端面をさらに処理する必要がな
くなる。この切断は、位置決め溝12の上縁部から間隔ｂ
をおいて行われ、その際、この間隔ｂは斜めの端面の広
がりｃを越え、したがってグラスファイバ11と光導波体
17との突合わせ結合が可能になる。この結合は、光導波
体端面の残りの凹凸によってしか制限されていない。光
導波体17の光学軸とグラスファイバ11の光学軸の相対的
な垂直方向位置はＶ字溝の深さにわたって、光学的な領
域が可能なかぎり良好にオーバラップするように、いっ
しょに最適化できる。これにより直径ｉを有するグラス
ファイバコア19は、十分精確に光導波体17と整列され
る。上方の被覆層たとえば間隙が強く案内されている場
合には、グラスファイバ11を僅かに低く配置することが
でき、その結果、第２図に示されているように、グラス
ファイバコア19は上方において同一平面上で光導波体17
と結合される。
緩衝層14が有機的な緩衝層であれば、これもレーザ除
去により取り除くことができ、このことはマスクレイア
ウトにおいてエッチングすべき構造の幅に関して考慮す
ることができる。
去により取り除くことができ、このことはマスクレイア
ウトにおいてエッチングすべき構造の幅に関して考慮す
ることができる。
既述の製造方法の場合、位置決め溝12のためのリソグ
ラフィ／エッチングステップと、光導波体17のための紫
外線露光によるだけで、マスクプロセスによるチップ−
ファイバ結合のすべての自由度が十分な精度で確定され
る。この場合、光重合された導波体構造を安定化するた
めに、レーザ処理により端面を形成し位置決め溝12の内
部を取り除く前に、熱による焼成プロセスを行うことが
できる。したがって能動的な調整を行うことなくファイ
バをそのまま位置決め溝12へ挿入して固定することがで
きる。この場合、第１図と第２図では、さらには後で説
明する残りの図面においてもわかりやすくする目的で、
ただ１つの位置決め溝12がグラスファイバ11および光導
波体17とともに示されているだけである。しかし実践に
おいては、多数と平行な位置決め溝12が形成され、相応
の個数の光導波体17が露光により形成され、その後、相
応の個数のグラスファイバ11が挿入されて固定される。
ラフィ／エッチングステップと、光導波体17のための紫
外線露光によるだけで、マスクプロセスによるチップ−
ファイバ結合のすべての自由度が十分な精度で確定され
る。この場合、光重合された導波体構造を安定化するた
めに、レーザ処理により端面を形成し位置決め溝12の内
部を取り除く前に、熱による焼成プロセスを行うことが
できる。したがって能動的な調整を行うことなくファイ
バをそのまま位置決め溝12へ挿入して固定することがで
きる。この場合、第１図と第２図では、さらには後で説
明する残りの図面においてもわかりやすくする目的で、
ただ１つの位置決め溝12がグラスファイバ11および光導
波体17とともに示されているだけである。しかし実践に
おいては、多数と平行な位置決め溝12が形成され、相応
の個数の光導波体17が露光により形成され、その後、相
応の個数のグラスファイバ11が挿入されて固定される。
熱的および機械的安定性を高めるために、挿入された
グラスファイバ11と光導波体17をいっしょにモールドす
ることにより、共通の上部被覆層（図示せず）を形成す
ることができる。この目的で、たとえば紫外線硬化性の
液体光重合体を用いることができる。この上部被覆層に
対する屈折率の跳躍的変化が抑えられれば、垂直方向に
弱く導波が行われることで電磁場分布のいっそうの近似
を行うことができる。
グラスファイバ11と光導波体17をいっしょにモールドす
ることにより、共通の上部被覆層（図示せず）を形成す
ることができる。この目的で、たとえば紫外線硬化性の
液体光重合体を用いることができる。この上部被覆層に
対する屈折率の跳躍的変化が抑えられれば、垂直方向に
弱く導波が行われることで電磁場分布のいっそうの近似
を行うことができる。
もちろん、充填部分15のために、層16と光導波体17よ
りも光学的減衰が僅かであり適切な屈折率の別のプラス
チック材を用いることもでき、これはグラスファイバ11
への結合領域での光導波体17における強い導波に合わせ
て、特別な値が設定されているかぎり可能である。
りも光学的減衰が僅かであり適切な屈折率の別のプラス
チック材を用いることもでき、これはグラスファイバ11
への結合領域での光導波体17における強い導波に合わせ
て、特別な値が設定されているかぎり可能である。
第３図と第４図に示されている第２の実施例では、同
じ部材または同じように作用する部材と領域には同じ参
照番号が付されており、これらについては繰り返し説明
しない。
じ部材または同じように作用する部材と領域には同じ参
照番号が付されており、これらについては繰り返し説明
しない。
グラスファイバ11と光導波体17との電磁場の整合を最
適化する目的で、ここではテーパー構造が用いられる。
光導波体17のグラスファイバ側の端部領域17aは、グラ
スファイバコア19の直径に合わせて断熱的に拡開されて
いる。これは横方向で露光マスクのマスク開口部に相応
に広げることにより行われる。この場合、露光マスクの
長手方向周縁部は小さい角度αを有する。典型的な実施
例の場合、光導波体の幅が４μｍでありファイバコア直
径が約10μｍの場合、α≦１゜でありテーパーの長さは
約500μｍである。
適化する目的で、ここではテーパー構造が用いられる。
光導波体17のグラスファイバ側の端部領域17aは、グラ
スファイバコア19の直径に合わせて断熱的に拡開されて
いる。これは横方向で露光マスクのマスク開口部に相応
に広げることにより行われる。この場合、露光マスクの
長手方向周縁部は小さい角度αを有する。典型的な実施
例の場合、光導波体の幅が４μｍでありファイバコア直
径が約10μｍの場合、α≦１゜でありテーパーの長さは
約500μｍである。
光導波体17の端部領域17aの垂直方向の広がりは、物
質の組成と露光とに依存する。たとえば開始剤を含むPM
MA物質の場合、紫外線露光で達成できる最大の屈折率増
加は、開始剤の濃度の関数である。垂直方向のテーパー
の場合、この飽和作用を次のようにして利用できる。す
なわち、光導波体を著しく過度に露光した場合、一方で
はその屈折率は飽和値において一定に保たれるが、他方
では深さの広がりは露光線量（強度、時間）とともに増
加する。これにより端部領域17aを、第４図に示されて
いるように充填部分15の方へ垂直方向に広げることがで
きる。グラスファイバコアの方へしだいに広げていくこ
とは、いわゆるウェッジフィルタにより生じさせること
ができる。このウェッジフィルタは、ファイバ側では高
い透過性を有し光導波体側では僅かな透過性しか有して
いない。もちろん、層16の厚さｍに対し幅ｑまでこのよ
うに広げることは、横方向の幅が一定である第１の実施
例のようにしても行える。
質の組成と露光とに依存する。たとえば開始剤を含むPM
MA物質の場合、紫外線露光で達成できる最大の屈折率増
加は、開始剤の濃度の関数である。垂直方向のテーパー
の場合、この飽和作用を次のようにして利用できる。す
なわち、光導波体を著しく過度に露光した場合、一方で
はその屈折率は飽和値において一定に保たれるが、他方
では深さの広がりは露光線量（強度、時間）とともに増
加する。これにより端部領域17aを、第４図に示されて
いるように充填部分15の方へ垂直方向に広げることがで
きる。グラスファイバコアの方へしだいに広げていくこ
とは、いわゆるウェッジフィルタにより生じさせること
ができる。このウェッジフィルタは、ファイバ側では高
い透過性を有し光導波体側では僅かな透過性しか有して
いない。もちろん、層16の厚さｍに対し幅ｑまでこのよ
うに広げることは、横方向の幅が一定である第１の実施
例のようにしても行える。
テーパー構造の領域における層16をあとから紫外線露
光することにより、光導波体17の外側における屈折率を
あとから高めることができる。その結果、屈折率の差が
しだいに小さくなるにつれて光導波もしだいに弱わり、
グラスファイバ11への電磁場の整合をさらに最適化でき
る。やはり可変の透過性を有するマスク（“ウェッジフ
ィルタ”）を用いれば、このようなあとからの露光によ
っても断熱的な屈折率経過特製を生じさせることができ
る。第３図には、あとから露光すべき領域20が縁で囲ま
れて示されている。平行に配置されたファイバ配列体の
ための露光は、簡単なマスク調整によりすべての位置決
め溝12にわたって帯状に行うことができる。
光することにより、光導波体17の外側における屈折率を
あとから高めることができる。その結果、屈折率の差が
しだいに小さくなるにつれて光導波もしだいに弱わり、
グラスファイバ11への電磁場の整合をさらに最適化でき
る。やはり可変の透過性を有するマスク（“ウェッジフ
ィルタ”）を用いれば、このようなあとからの露光によ
っても断熱的な屈折率経過特製を生じさせることができ
る。第３図には、あとから露光すべき領域20が縁で囲ま
れて示されている。平行に配置されたファイバ配列体の
ための露光は、簡単なマスク調整によりすべての位置決
め溝12にわたって帯状に行うことができる。
第５図〜第８図に示されている第３の実施例の場合、
光導波体17のグラスファイバ側の端部領域17bは先が尖
っているように構成されており、端面18の手前で終端し
ている。この端部領域17bは別の光導波体21により囲ま
れており、この別の光導波体によってグラスファイバ11
ないしグラスファイバコア19への結合が形成されてい
る。これによって、著しく細い光導波体17であってもこ
れよりも相対的に厚いグラスファイバコア19へ最適に結
合することができる。光導波体17よりもいくらか小さい
屈折率を有する上記の別の光導波体21は、固有の露光マ
スクを用いた第２の露光プロセスにより形成される。充
填部分15の領域における光学的フィールドの深さの広が
りが相応に比較適応きく、横断面積が比較的大きく屈折
特性が適切であれば、高い結合効率を達成するためにグ
ラスファイバ11（典型的なグラスファイバコア直径ｉは
約８〜10μｍ）の電磁場分布近似させることができる。
先の尖った端部領域17bの形状により、その内部を導か
れる光波は上記の別の光導波体21へ著しく僅かな屈折率
で重なり合って結合される。著しく細い光導波体17にお
ける電磁場分布はたとえば光電半導体素子に整合されて
おり、光導波体21を介してグラスファイバ11の電磁場分
布への整合が得られる。
光導波体17のグラスファイバ側の端部領域17bは先が尖
っているように構成されており、端面18の手前で終端し
ている。この端部領域17bは別の光導波体21により囲ま
れており、この別の光導波体によってグラスファイバ11
ないしグラスファイバコア19への結合が形成されてい
る。これによって、著しく細い光導波体17であってもこ
れよりも相対的に厚いグラスファイバコア19へ最適に結
合することができる。光導波体17よりもいくらか小さい
屈折率を有する上記の別の光導波体21は、固有の露光マ
スクを用いた第２の露光プロセスにより形成される。充
填部分15の領域における光学的フィールドの深さの広が
りが相応に比較適応きく、横断面積が比較的大きく屈折
特性が適切であれば、高い結合効率を達成するためにグ
ラスファイバ11（典型的なグラスファイバコア直径ｉは
約８〜10μｍ）の電磁場分布近似させることができる。
先の尖った端部領域17bの形状により、その内部を導か
れる光波は上記の別の光導波体21へ著しく僅かな屈折率
で重なり合って結合される。著しく細い光導波体17にお
ける電磁場分布はたとえば光電半導体素子に整合されて
おり、光導波体21を介してグラスファイバ11の電磁場分
布への整合が得られる。
さらに、第７図と第８図には上部被覆層22が示されて
いる。この被覆層は層16ないし光導波体17を覆ってお
り、グラスファイバ11もいっしょに覆うことができる。
この場合、第７図には、位置決め溝12の外側の光導波体
の長手方向に対し垂直な配置構成の横断面が示されてい
る。
いる。この被覆層は層16ないし光導波体17を覆ってお
り、グラスファイバ11もいっしょに覆うことができる。
この場合、第７図には、位置決め溝12の外側の光導波体
の長手方向に対し垂直な配置構成の横断面が示されてい
る。
第８図による斜視図では、簡単に図示するための緩衝
層14を省略した。さらにグラスファイバ11と被覆層22も
省略した。
層14を省略した。さらにグラスファイバ11と被覆層22も
省略した。
基本的に、光導波体を形成するために既述の構造化技
術（紫外線照射）の代わりに、イオン打ち込みまたはた
とえばドライエッチングによる波形導波体形成のような
別の構造化技術を用いることもできる。既述の紫外線照
射または紫外線光褪色プロセスを含めてこの種の構造化
技術により、光導波体の製造のほかにもさらに別の導体
構造やスイッチ等を、一貫した技術で光集積チップ上に
形成することができる。
術（紫外線照射）の代わりに、イオン打ち込みまたはた
とえばドライエッチングによる波形導波体形成のような
別の構造化技術を用いることもできる。既述の紫外線照
射または紫外線光褪色プロセスを含めてこの種の構造化
技術により、光導波体の製造のほかにもさらに別の導体
構造やスイッチ等を、一貫した技術で光集積チップ上に
形成することができる。
ファイバと導波体との間の結合効率に対する要求に応
じて、既述の手段を多少とも特徴づけて実行することが
できる。これらの要求がそれほど高くなければ、たとえ
第１図による比較的簡単な構成で十分間に合う。
じて、既述の手段を多少とも特徴づけて実行することが
できる。これらの要求がそれほど高くなければ、たとえ
第１図による比較的簡単な構成で十分間に合う。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−288102（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−12612（ＪＰ，Ａ) 英国特許出願公開2000877（ＧＢ，Ａ) 米国特許4666236（ＵＳ，Ａ) Ｊ．Ｔ．Ｂｏｙｄ ｅｔ．ａｌ．，Ａ ｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，1978年３ 月15日，Ｖｏｌ．17 Ｎｏ．６，ｐｐ. 895−898 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14 G02B 6/30 G02B 6/42 - 6/43 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)
Claims (22)
- 【請求項１】低い屈折率を有する少なくとも１つの光学
的緩衝層の設けられたシリコン基板上に配置されており
光重合体から成る光導波体と、 突合わせ結合により該光導波体の結合端面へ結合される
べきグラスファイバを収容するための、Ｖ字形の横断面
を有する位置決め溝とが設けられており、該位置決め溝
は前記基板へ異方性にエッチングされ前記光導波体に対
し実質的に整列されるように配向されている、 たとえば変調器、方向性結合器、スイッチ、偏光子、ス
プリッタ等のような光集積回路素子において、 前記位置決め溝（12）の、結合の行われる側の端部領域
にはプラスチック材（15）が充填されており、該プラス
チック材（15）上の光導波体（17）は、該光導波体（1
7）の軸線方向に対し垂直に延び結合端面の平面内に位
置する前記プラスチック材（15）の端面（18）まで延在
しており、 該端面（18）は、前記位置決め溝（12）の斜めに延在す
る端部領域（13）の外側に配置されていることを特徴と
する、光集積回路素子。 - 【請求項２】前記光導波体（17）を担持する緩衝層（1
4）と前記プラスチック材（15）とを端面（18）の平面
まで覆う層（16）が設けられており、該層（16）は露光
により屈折率を変えることのできる光重合体から成り、
前記光導波体（17）は該層（16）の相応の露光によりそ
の一部分として形成されている、請求項１記載の素子。 - 【請求項３】光導波体（17）として形成された前記層
（16）の領域はいっそう高い屈折率を有する、請求項２
記載の素子。 - 【請求項４】前記位置決め溝（12）は、挿入されたグラ
スファイバ（11）のグラスファイバコア（19）が前記光
導波体（17）と整列されるような設計仕様を有する、請
求項１〜３のいずれか１項記載の素子。 - 【請求項５】位置決め溝（12）を充填するための前記プ
ラスチック材（15）は光重合体である、請求項２〜４の
いずれか１項記載の素子。 - 【請求項６】前記プラスチック材（15）は、緩衝層（1
4）を覆う前記の層（16）の光重合体と同じものであ
る、請求項５記載の素子。 - 【請求項７】前記光導波体（17）のグラスファイバ側の
端部領域（17a）はグラスファイバコア（19）の直径ま
で断熱的に拡開されている、請求項２〜６のいずれか１
項記載の素子。 - 【請求項８】横方向および／または垂直方向の拡開が行
われている。請求項７記載の素子。 - 【請求項９】前記光導波体（17）のグラスファイバ側の
端部領域（17b）は先が尖っており、いっそう低い屈折
率を有する別の光導波体（21）内で終端しており、該別
の光導波体はグラスファイバコア（19）まで延在してい
る、請求項２〜６のいずれか１項記載の素子。 - 【請求項１０】前記別の光導波体（21）は、幅および／
または深さにおいていっそう大きい広がりを有してお
り、結合平面におけるグラスファイバコア（19）の設計
仕様に整合されている、請求項９記載の素子。 - 【請求項１１】光導波体（17）の電磁場をグラスファイ
バ（11）の方へ整合させるために、前記光導波体（17）
を囲む光重合体の層（16）の領域は、前記光導波体（1
7）とこれを囲む領域との間の屈折率の差がグラスファ
イバの方へ向かうにつれて減少するような屈折率経過特
性を有する、請求項２〜10のいずれか１項記載の素子。 - 【請求項１２】低い屈折率の少なくとも１つの光学的緩
衝層の設けられたシリコン基板上に配置され光重合体か
ら成る光導波体を有しており、該光導波体に結合される
べきグラスファイバを収容するために、長く延びたマス
ク貫通開口部を有する露光マスクを用いることにより、
Ｖ字型の横断面を有し前記光導波体と実質的に整列され
る位置決め溝が前記シリコン基板に異方性にエッチング
される、 変調器、方向性結合器、スイッチ、偏光子、スプリッタ
等のようなたとえば請求項１〜10のいずれか１項記載の
光集積回路素子の製造方法において、 ａ）光学的緩衝層（14）が被着され、 ｂ）該緩衝層の上に光重合体から成る層（16）が被着さ
れ、この被着前にまたはこれと同時に位置決め溝（12）
にプラスチック材（15）が充填され、 ｃ）前記の層（16）の相応の局部的な露光または加熱に
よる極性づけにより光導波体（17）が形成され、 ｄ）前記位置決め溝（12）は、光導波体（16）の軸線方
向に対し垂直に延在し結合平面を成す平面（18）まで内
部が取り除かれることを特徴とする、 光集積回路素子の製造方法。 - 【請求項１３】前記の層（16）の被着ならびに前記位置
決め溝（12）の充填は、同一の光重合体を用いた１つの
作業ステップで行われる、請求項12記載の方法。 - 【請求項１４】露光マスクが前記の重合体の層（17）の
上に載置され、光重合により、光導波対（17）として用
いるべき領域における屈折率の増加が行われる、請求項
12または13記載の方法。 - 【請求項１５】露光マスクが前記の重合体の層（16）の
上に載置され、紫外線光褪色プロセスにより、光導波体
（17）を画定する領域の屈折率低減が行われる、請求項
12または13記載の方法。 - 【請求項１６】グラスファイバ（11）と光導波体（17）
との間の電磁場の整合を最適化するために、グラスファ
イバコア（19）の手前で前記光導波体（17）の断熱的拡
開が行われる、請求項14または15記載の方法。 - 【請求項１７】グラスファイバコア（19）の直径まで横
方向に拡開するために、マスク開口部の拡開された露光
マスクが用いられる、請求項16記載の方法。 - 【請求項１８】グラスファイバ（19）の直径まで垂直方
向に拡開するために、露光強度および／または露光時間
がグラスファイバの方へ向かってランプ特性的に増大さ
れる、請求項16または17記載の方法。 - 【請求項１９】第１の露光マスクを用いた第１の露光ス
テップで、グラスファイバ（11）の方へ向かって先の尖
った第１の光導波体（17）が形成され、第２の露光マス
クを用いた第２の露光ステップで、前記の第１の光導波
体（17）を結合平面と接続するいっそう低い屈折率の第
２の光導波体（21）が形成され、前記の第２の光導波体
（21）の直径はグラスファイバコアに接合されている、
請求項14または15記載の方法。 - 【請求項２０】前記の層（16）をあとから露光するため
に、可変の透過性を有する露光マスクが用いられ、該露
光マスクは、ファイバ側ではいっそう高い透過性を有
し、光導波体側ではいっそう低い透過性を有する、請求
項16〜19のいずれか１項記載の方法。 - 【請求項２１】レーザ（Laser−Ablation）により前記
位置決め溝の内部が取り除かれる、請求項12〜20のいず
れか１項記載の方法。 - 【請求項２２】互いに並置された多数の接続部、位置決
め溝（12）および光導波体（17）が同時に製造される、
請求項12〜21のいずれか１項記載の方法。
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