JP3698601B2 - 光モジュール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面光導波回路を用いた光回路部品であって、特に光素子搭載する基板の作製を容易にする構造を有する光モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
シリコン基板上に形成した光導波路のクラッド部分を取り除いて光素子搭載部を形成した光素子搭載基板を用いた従来の光モジュールでは、光導波路と光素子の活性層の高さを合わせるために凹凸のあるシリコン基板が用いられてきた(例えば橋本他、“PLCプラットフォーム上へのパッシブアライメントによるLD,モニターPDの搭載”、1996年電子情報通信学会総合大会C−206、p206(1996))。図6に、このような従来技術を用いた光モジュールの構成例を示す。図6の(a)はその斜視図、図6の(b)はその縦断面図である。光素子搭載部4は、凹凸を有するシリコン基板1上に形成された、光導波路のクラッド及び導波路コア部分を取り除いて光素子を固定するための半田層(半田膜)6−1及び電気配線6−2を堆積して形成する。光素子7はこの光素子搭載部4の部分にフリップチップボンディングにより搭載され、ハイブリッド集積される。
【0003】
このとき、光導波路と光素子7との光軸の位置合わせに際して、基板1の面内(横、前後)の位置合わせはマーク20を使って自動認識で行い、高さ方向に関してはシリコン基板凸部1−1の表面と光導波路コア2−2中心との高さの差と等しくなるように、光素子7の表面(基板1に対向する面)から光素子の活性層7−1までの距離を調整することで行なっている。
【0004】
ここで、光導波路コア2−2とクラッド2−1との屈折率差を使った光導波路では、光の電界が導波路コア2−2の外側に広がっているため、基板であるシリコン1に光を逃がさないためには、光導波路のアンダークラッド2−1(a)の厚みを十分にとる必要がある。例えば、通信用に用いられる石英系光導波路の場合のアンダークラッド2−1(a)の厚みは20μm程度になっている。一方、光半導体素子は光導波路のコアとクラッドを基板上にエピタキシャル成長させるために、20μmもの堆積は非常に困難で、導波路構造部分を埋め込んでも基板表面から導波路(活性層)構造部までの距離は高々5μm程度である。このため、上記高さを合わせるために、従来では、シリコン基板1に凹凸を設け、その凸部分1−1に光素子7を搭載する構造がとられてきた。
【0005】
図7に、このような従来技術による光モジュールの作製工程を示す。最初にシリコン基板1に凹凸を設け(図7の(1))、アンダークラッド2−1(a)を形成し(図7の(2))、光導波路コア2−2を形成し(図7の(3))、オーバークラッド2−1(b)を形成する(図7の(4))。次に、不要クラッド、コアを除去することで光素子搭載部4を形成し(図7の(5))、光素子搭載部4であるシリコン基板凸部1−1上にパッシベーション膜5を形成し、この膜5上に電気配線6−2と半田層6−1を形成する(図7の(6))。このとき、基板1が凹凸であるため、光導波路の作製が困難であった。さらに、光導波路コア2−2と光素子7の光軸(光素子活性層)7−1の高さ調整のためのバファ層2−4を設ける必要があり(図7の(3))、作製工程が煩雑であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、シリコン基板上に形成した光導波路の光素子搭載部を形成した光素子搭載基板を用いた従来の光モジュールでは、シリコン基板に凹凸を設け、この凸部分に光素子を搭載する構造がとられていたので、作製工程が複雑になるという解決すべき課題があった。
【0007】
本発明の目的は、光モジュールにおいて、上述の様な複雑な構造を用いずに光導波路と光素子活性層の高さを一致させることの可能な構造を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1の光モジュールの発明は、表面が平坦なシリコン基板と、前記シリコン基板上に形成した光導波路と、前記シリコン基板上に前記光導波路のクラッド部分を除去して形成した光素子搭載部と、前記光素子搭載部上に形成した絶縁層と、前記光導波路と光学的に結合されるように前記絶縁層を介して前記光素子搭載部に搭載した光素子とを有し、前記絶縁層の厚さは前記光導波路のコアと前記光素子の活性層の中心の高さが一致するよう調整され、前記絶縁層が前記光導波路のコアを上から覆うオーバークラッドと連続一体化していることを特徴とする。
【0012】
ここで、前記絶縁層が有機材料によって形成されていることを特徴とすることができる。
【0013】
また、前記光導波路の端面と前記光素子の端面の間に該光素子の作動光波長において透明な樹脂を介在させていることを特徴とすることができる。
【0014】
[作用]
本発明では、上記構成で絶縁層(実施形態のパッシベーション膜)の厚さを調整することで、シリコン基板上に形成した光導波路のクラッド部分を取り除いて光素子搭載部を形成した光素子搭載基板に対して、シリコン基板を凹凸に加工することなく、光導波路のコアと光素子の活性層の高さを調整することが可能となる。また、絶縁層をオーバークラッドとして用いることにより、電界の閉じこめ構造を簡易に作製することができる。また、その絶縁層に有機材料を用いることで作製がさらに簡易になる。また、光導波路の端面と光素子の端面の間に光素子の作動光波長において透明な樹脂を介在させることで、光の直進が確保され、光導波路のコアから出射した光が光素子の活性層に確実に入射できる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0016】
[第1の実施形態]
図1の(a)は本発明の前提を示し、図1の(b)は本発明の第1の実施形態の光モジュールの構成を示す。
【0017】
従来では、前述の図6で示したように、光素子7の活性層7−1と光導波路のコア2−2との光軸調整のために凹凸のあるシリコン基板1を用いていた。
【0018】
これに対し、本実施形態では以下に示すように、石英系光導波路を平坦なシリコン基板1上に形成した。これにより、凹凸の加工に要する手間が省けるのみならず、その後の工程においても、段差がないので作製歩留まりの向上や、作製工程が容易になる。
【0019】
また、本実施形態では、光導波路コア2−2として、クラッド部分2−1との屈折率差が約0.4%、コア2−2の断面形状が7μm×7μmのものを用いた。このときの電界の広がりはピーク強度のI/e2になるところの直径で約9μmであるから、光導波路コア2−2とシリコン基板1の間隔をこの距離よりも広げて、光強度のプロファイルの裾がシリコン基板1に掛かからないようにする必要がある。本実施形態における検討では、導波路の伝搬損失も含めて全体としての損失を0.2dB/cm程度の損失に抑えるためには約15μm程度コアの中心を基板から離す必要があった。このとき、図1(a)に示すように、そのまま、光素子7を搭載する光素子7のチップの表面から活性層7−1までの距離は約7μmであって、上記15μmに対し8μm以上の差があった。
【0020】
そこで、本実施形態では、図1(b)に示すように、絶縁層であるパッシベーション膜5として、約5μmの厚みの石英ガラスを堆積し、さらに、3μmの半田層6−1を堆積した。これにより、光導波路コア2−2と光素子7の活性層7−1の高さが完全に一致する。
【0021】
ここで、図2(a)に示すように、パッシベーションとして堆積した膜5は光導波路の端面2−3にも付着し、かつ、その厚みが不均一であるため、光が屈折し光軸10がずれるおそれが発生する。この点を解決するために、本実施形態では、図2(b)に示すように、光素子7と光導波路端面2−3の間隙に透明な樹脂8を注入した。この樹脂8の注入により、導波路端面2−3に付着した石英ガラス膜(パッシベーション膜)5の表面と透明樹脂8の界面での屈折率不整合は、解消されるため、光導波路コア2−2から出射した光はほぼ直進して光素子7の活性層7−1に入射する。ここで用いた樹脂8は石英ガラスの屈折率1.44に極めて近い屈折率が1.43の透明なシリコーン樹脂である。この樹脂8には光素子7の封止の効果もある。
【0022】
以上のように、絶縁層であるパッシベーション膜5の膜厚を調整することにより、凹凸を有するシリコン基板を用いることなく、光導波路2と光素子7の高さ方向の位置合わせが可能となる。また、光素子7と光導波路2の間隙に透明な樹脂8を注入することで、光導波路2と光素子7の光結合を遮ることなく、光導波路端面2−3に付着した石英ガラス膜5の膜厚の不均一性の影響を実質的に無くすことができる。
【0023】
[第2の実施形態]
図3は本発明の第2の実施形態の光モジュールの作製工程を示す。光導波路は第1の実施形態と同様に、シリコン基板1上に形成した石英系光導波路である。
【0024】
まず、表面が平坦なシリコン基板1上に、アンダークラッド2−1(a)と光導波路コア2−2を形成したのち(図3の(1))、光素子搭載部4のアンダークラッド2−1(a)およびコア部分2−2をエッチングし、除去する(図3の(2))。ここで、アンダークラッド2−1(a)、光導波路コア2−2の構造は第1の実施形態と同様である。したがって、光導波路コア2−2の中心部のシリコン基板1からの高さは約15μmである。
【0025】
この状態において、約5μmの厚みの石英ガラス膜5を堆積し(図3の(3))、さらに、3μmの電気配線/半田層6を堆積した(図3の(4))。ここで、堆積した5μmの石英ガラス膜5はオーバークラッド2−1(b)として機能するようにコア部分よりも約0.4%低い屈折率のものを用いた。これにより、この石英ガラス膜5はオーバークラッドの機能とパッシベーション膜の機能とを有することとなる。
【0026】
これに第1の実施形態と同様の光素子7を搭載し、後に10μm厚の透明シリコーン樹脂8を塗布した(図3の(5))。ここで、透明樹脂8も石英ガラス膜5と同一の屈折率の有するものを用いて、電界の分布形状を歪ませないようにした。さらに、透明樹脂8を石英ガラス膜5よりも低い屈折率を持たせることにより、光の閉じこめをきつくすることも可能である。これにより、光導波路オーバークラッドを形成する工程とパッシベーション膜を形成する工程が一回の堆積工程ででき製作工程が極めて簡単になる。
【0027】
さらに、透明樹脂8は導波路の第2のオーバクラッド2−1(b)としての機能するのみならず、作製工程で平滑化した光導波路端面での屈折を抑制する働きも有する。
【0028】
以上のように、本発明を用いれば、凹凸を有するシリコン基板を用いることなく、かつ、パッシベーション膜と光導波路クラッドを一括して作製することが可能となり作製工程が極めて単純になる。
【0029】
なお、本実施形態ではパッシベーション膜5として石英ガラス膜を用いているがシリコーンおよびポリイミドなどの有機材料を用いても良い。パッシベーション膜5として樹脂を用いた場合には、スピンコートなどで塗布すればよく、極めて簡単に作製することが可能となる。
【0030】
[第3の実施形態]
図4は本発明の第3の実施形態の光モジュールの作製工程を示す。光導波路は第1の実施形態と同様にシリコン基板1上に形成した石英系光導波路である。
【0031】
まず、平坦なシリコン基板1上にアンダークラッド2−1(a)、光導波路コア2−2、オーバークラッド2−1(b)をそれそれ形成したのち(図4の(1))、光素子搭載部4のクラッドおよびコア部分をエッチングし、除去する(図4の(2))。ここで、アンダークラッド2−1(a)、光導波路コア2−2の構造は第1の実施形態と同様である。したがって、光導波路コア2−2中心部のシリコン基板1からの高さは約15μmである。本例では、光導波路のエッチングに要する時間が短縮するので、オーバークラッド2−1(b)の厚みを通常の20μmよりも薄い5μmとした。
【0032】
この状態において、約4μmの厚みの石英ガラス膜5を堆積し(図4の(3))、さらに、3μmの電気配線/半田層6を堆積した(図4の(4))。これに第1の実施形態と同様の光素子7を搭載し、後に10μm厚の透明シリコーン樹脂8を塗布した(図4の(5))。ここで、堆積した4μmの石英ガラス膜5はオーバークラッド2−1(b)よりも約0.2%低い屈折率のものを用いた。これにより、この石英ガラス膜5は第2のオーバークラッドの機能とパッシベーション膜の機能とを有することになる。
【0033】
石英ガラス膜5の第2のオーバークラッドの機能において、石英ガラス膜5は光導波路コア2−2の周囲の第1のオーバクラッドよりも屈折率が低いため、図4の(6)に示すように、第1のオーバクラッドから第2のオーバクラッドに漏れた光の分布は、第1のオーバクラッド中よりも急激に減衰する。従って、第1のオーバークラッド2−1(b)は上述のように比較的薄いオーバクラッドであるが、石英ガラス膜5の第2のオーバクラッドの表面まで電界が到達せずに、第2のオーバクラッドに電気配線6−2を形成しても、光導波路の特性の変化がほとんど生じない。このように第1のオーバクラッド2−1(b)を薄くすることは、本実施形態の光素子実装基板の作製工程において、エッチング工程が短くなること、基板内の段差が減少し、光モジュールの作製が容易になるという2つの利点がある。
【0034】
以上のように、本発明を用いれば、凹凸を有するシリコン基板を用いることなく、かつ、第2のオーバークラッドの機能とパッシベーション膜の機能とを有するガラス膜を形成することにより、加工を簡便にすることが可能となる。
【0035】
[第4の実施形態]
本発明の第4の実施形態は、上記の本発明の第3の実施形態と同様にしてシリコン基板上に石英系ガラス光導波路を作製した後、光素子搭載部を設けるためコア、クラッド部を除去した。その後、パッシベーション膜として石英ガラス膜を堆積するかわりに、シリコーン樹脂(屈折率1.43)をスピンコートにより塗布してパッシベーション膜とし、その後、同じシリコーン樹脂を注入することにより光素子等を封止し、本発明の光モジュールを作製した。
【0036】
以上のように、本発明を用いれば、更に光素子搭載部をもった光導波路基板の作製が容易となる。
【0037】
[第5の実施形態]
図5は本発明の第5の実施形態の光モジュールの断面構造を示す。
【0038】
まず、上述の本発明の第3の実施形態と同様にして、シリコン基板1上に石英系ガラス光導波路2−1(a),2−2,2−1(b)を作製した後、光素子搭載部(4)を設けるためコア2−2、クラッド部2−1(b)を除去した。
【0039】
その後、パッシベーション膜として石英ガラス膜を堆積するかわりに感光性シリコーン樹脂9(屈折率1.43)をスピンコートにより塗布してその後、光導波路の導波路端面2−3に付着する樹脂9の部分はマスク越しに露光して現像により除去し、その他の樹脂部分9をパッシベーション膜として残した。
【0040】
その後、上記第3の実施形態と同様の工程により、クラッド部2−1よりも屈折率の低い透明なシリコーン樹脂8(屈折率1.43)を注入することにより、光素子7等を封止し、本発明の光モジュールを作製した。
【0041】
以上のように、本発明を用いれば、更に光素子搭載部をもった光導波路基板の作製が容易となり、さらに、樹脂の加工性の良さから導波路端面へのパッシベーション膜の付着を防ぐことが可能となる。
【0042】
[第6の実施形態]
上述の本発明の第5の実施形態における感光性シリコーン樹脂9の代わりに感光性ポリイミド樹脂(屈折率1.6)を用いても同様に本発明の光モジュールを作製することが可能である。但し、この場合には、ポリイミド樹脂の屈折率が高いため、損失を考慮して石英ガラス導波路の上部クラッドの厚さは15−20μmとした。
【0043】
以上のように、本発明を用いれば、更に光素子搭載部をもった光導波路基板の作製が容易となり、さらに、樹脂の加工性の良さから導波路端面へのパッシベーション膜の付着を防ぐことが可能となる。ここで、ポリイミド樹脂は耐熱性が強いので半田付けなどの熱履歴の激しい作製工程を必要とする光モジュールには極めて有効である。
【0044】
第5の実施形態,第6の実施形態におけるパッシベーション膜としては、この他、感光性のベンゾシクロブテン樹脂、エポキシ樹脂等を用いることが可能である。第4の実施形態の膜としてはベンゾシクロブテン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂を同様に用いても本発明の光モジュールを作製することは可能である。
【0045】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光導波路基板に光素子搭載部を設け、光素子搭載部に光素子をハイブリッド集積する光モジュールにおいて、表面が平坦なシリコン基板を用い、光素子と光導波路の高さ方向の位置合わせを絶縁層の膜厚の調整により行うように構成したので、作製工程を著しく簡易にできる。
【0047】
また、本発明によれば、その絶縁層を有機材料により作製することにより、作製工程を更に簡易にできる。
【0048】
光また、本発明によれば、導波路の端面と光素子の端面の間に光素子の作動光波長において透明な樹脂を介在させることで、光の直進が確保され、光導波路のコアから出射した光が光素子の活性層に確実に入射できる。
【0049】
従って、本発明の光モジュールの構造は、低コストな光モジュールを実現する上で極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本概念を説明する図で、(a)は本発明の前提となる単純に平坦なシリコン基板を用いた場合の光軸の位置関係を示す断面図、(b)は絶縁層であるパッシベーション膜を用いた光モジュールの構造を示す断面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態の光モジュールの構造を示す図で、(a)はパッシベーション膜を堆積しただけの基板での光軸のずれを示す断面図、(b)は透明樹脂を介在した場合の光軸の直進性を示す断面図である。
【図3】本発明の第2の実施形態の光モジュールの作製工程を示す断面図である。
【図4】本発明の第3の実施形態の光モジュールの作製工程を示す断面図である。
【図5】本発明の第5の実施形態の光モジュールの断面図である。
【図6】従来の光モジュールの構造例を示す図で、(a)は光素子搭載部の斜視図、(b)は光素子搭載部の断面図である。
【図7】従来の光モジュールに用いられている光素子搭載部を有する光導波路基板の作製工程を示す断面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板
1−1 シリコン基板凸部
1−2 シリコン基板凹部
2 光導波路
2−1 クラッド
2−1(a) アンダークラッド
2−1(b) オーバークラッド
2−2 光導波路コア
2−3 光導波路端面
2−4 バッファ(高さ調整)層
4 光素子搭載部
5 パッシベーション膜(石英ガラス膜)
6 電気配線/半田層
6−1 半田層(半田膜)
6−2 電気配線
7 光素子
7−1 光素子活性層
8 透明樹脂
9 感光性樹脂
10 光軸
20 位置あわせマーク
Claims (3)
- 表面が平坦なシリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成した光導波路と、
前記シリコン基板上に前記光導波路のクラッド部分を除去して形成した光素子搭載部と、
前記光素子搭載部上に形成した絶縁層と、
前記光導波路と光学的に結合されるように前記絶縁層を介して前記光素子搭載部に搭載した光素子とを有し、
前記絶縁層の厚さは前記光導波路のコアと前記光素子の活性層の中心の高さが一致するよう調整され、
前記絶縁層が前記光導波路のコアを上から覆うオーバークラッドと連続一体化していることを特徴とする光モジュール。 - 前記絶縁層が有機材料によって形成されていることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。
- 前記光導波路の端面と前記光素子の端面の間に該光素子の作動光波長において透明な樹脂を介在させていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光モジュール。
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