JP3758258B2 - 光結合装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信あるいは光情報処理に用いる光装置に関し、特に光半導体レーザ等の光半導体素子とシングルモード光導波路又は光半導体レーザ等の光半導体素子とシングルモード光ファイバを光結合する光結合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二つ以上のシングルモード型の光部品を高効率に光結合させるには、二つの部品間のモード整合を行うとともに精密な光軸の位置合わせが必要である。ここでモード整合とは、互いに光結合すべき二つのシングルモード型の光部品内に閉じ込められた光の強度分布（モードサイズとも言う）を、二つの光部品間で一致させることである。このような二つの部品間のモード整合及び精密な光軸の位置合わせをするための従来の技術には、例えば図50〜図59に示すようなものがある。
【０００３】
図50は、半導体レーザ等の光半導体装置200と光ファイバ３をレンズ41、42を用いて光結合するもので、第１のレンズ41で光ビームを平行にし、第２のレンズ42で収束させて光結合するものである。二つのレンズを用いることによって、半導体レーザ等の光半導体装置200から出力される光ビームのスポットサイズ（1.2μm×1.7μm〜2.1μm×3.2μm）を４〜６倍程度まで拡大し、光ファイバ３のモードサイズ（約10μm）に整合させるものである。かかる第１のレンズ41及び第２のレンズ42で光半導体装置と光ファイバのモードを整合させることにより高い結合効率が得られる。
【０００４】
更に、図51(a)あるいは図51(b)に示すように、第１のレンズ41と第２のレンズ42の間に封止用窓607を介在させて半導体レーザ等の光半導体装置200を気密封止し、光半導体装置200が湿気や酸化等により劣化することを防止している。ここに600は気密封止部、 601は基体、603は半導体レーザのサブマウント、606は封止用スペーサ、 31は光ファイバ3を保持するためのフェルール、32は第２のレンズ42を介して光ファイバ3と第１のレンズ41とを結合させるファイバ結合部である。
【０００５】
次に図52は、先端をレンズ状に加工した光ファイバ 3A（図52に示すものはテーパ先球ファイバという。この他に光ファイバの先端を溶融させて先端にレンズ様のものを形成する方法もある。）を用いて光結合するものである。光ファイバの先端を細くしかつ球面状にすると、光ファイバの入射端における光ビームのサイズが小さくなる。その結果、光ファイバと半導体レーザのモードサイズが一致し結合効率が向上する。
【０００６】
図53は図52に例示した結合系において半導体レーザを気密封止する例を示すものである。真空蒸着等により表面に金属被覆（図示せず）を施した光ファイバ 3Aを半田611等を用いてブロック610に固定し、光ファイバ 3Aを保持したフェルール31を保持するための部材32のフランジと、封止部600との境界部を溶接して気密封止する。
【０００７】
ここに、図50, 図51(a)及び図51(b)の場合には半導体レーザ等の光半導体装置200と二つのレンズ41、42と光ファイバ３を、図52及び図53の場合には半導体レーザ等の光半導体装置200と光ファイバ 3Aを極めて精密に位置合わせする必要がある。その際、その位置合わせには高い精度が要求される。そのため、例えば光半導体装置200が半導体レーザである場合には、半導体レーザを発光させ、光ファイバ 3 あるいは3Aに結合した光の強度を計測し、それが最大となるように位置合わせを行い、固定する。
【０００８】
図54は、半導体レーザ等の光半導体装置と光ファイバの位置合わせを簡易化する例である。例えば実装用基板180に、その表面にフォトリソグラフィープロセスによってV溝181とボンディングパッド（例えば図60に例示の102）と位置合わせ用マーク（例えば図60に例示の107）を形成したシリコン基板等を用い、この基板180上のV溝181で光ファイバ 3 をガイドして位置決めする。一方、半導体レーザ等の光半導体装置200には、基板上の位置合わせマークに対応するマーク（例えば図60に例示の204）と基板180上のボンディングパッドに対応するボンディングパターン（例えば図60に例示の202、203）を形成したものを用いる。そして、精密な微動装置を用いて半導体レーザ等の光半導体装置200の位置合わせマーク（例えば図60に例示の204）が基板上の位置合わせマーク（例えば図60に例示の107）に一致するように位置合わせし、ボンディングする（これは、例えば「IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS, HYBRIDS, AND MANUFACTURING TECHNOLOGY, VOL. 15, NO. 6, p. 944-955 (1992)」、「１９９３年電子情報通信学会秋季大会講演論文集 4-266」等に記載されている）。このようにすることにより、半導体レーザ等の光半導体装置200と光ファイバ３の位置合わせが行われる。なおここで、図54に例示した光結合装置に１Ｂという記号を付し、これを以下の説明に引用する。
【０００９】
図54に示す従来例において、光半導体装置200が半導体レーザである場合には、例えば、図55のように、光ファイバにテーパ先球ファイバ 3Aを用いると、光ファイバ 3Aと半導体レーザ200のモードサイズが一致し、結合効率が向上する。
【００１０】
図56は、図54あるいは図55のような結合系において、半導体レーザ等の光半導体装置を気密封止する例を示すものである。ここに図56(a)は気密封止をする前、図56(b)は封止をした後の構成を示すものである。
【００１１】
図56に示す装置の気密封止は次のようにして行われる。まず、半導体レーザ等の光半導体装置200と光ファイバ３を結合した光結合装置１Bを、一部に切り欠き703がある突起枠702を有する基体700上に配置する（図56(a)）。次いで突起枠702の上側及び周囲にエポキシ系の接着剤705を塗布する。次いで蓋400をかぶせ、蓋400と基体の間の隙間を接着剤705で埋め込んで気密封止する（図56(b)）。
【００１２】
次に他の従来例について説明する。図57は光部品に光導波路を含み、該光導波路と他の光部品を光結合する例を示すものである。図57(a)は斜視図、図57(b)は図57(a)の左下方向から見た前面正面図である。本例では、基板100上にクラッド層301とコア302よりなる２層構造の光導波路300と同じ光導波路部材よりなる突起物300A（以下これを「スタンドオフ」という）を形成し、４隅に切り欠き202を形成した光半導体装置200をスタンドオフ300Aに嵌め込み、位置合わせを行っている。
【００１３】
なお、本例の光導波路300はマルチモード導波路であり、そのクラッド層301の厚さは50μm以上である。
図57に示すような光結合装置においては、半導体レーザ等の光半導体装置200の４隅の切り欠き202を精度よく形成することが困難になる問題がある。
【００１４】
次に、光導波路に、図57に示すようなマルチモード導波路ではなくシングルモード光導波路を用いる場合は図58に示すような光導波路が用いられる。図58の従来例では、例えば、基板100にシリコン基板が用いられ、導波路300のクラッド層301とコア302に石英が用いられる（図58のクラッド層301はコア302の周囲を覆うものであるため「クラッド層301」と言うよりも「クラッド301」のほうがふさわしいが、用語を統一するため「クラッド層301」とする。以下同じ。）。
【００１５】
この場合、コア302とクラッド層301の比屈折率差［コア（屈折率ｎ₁）とクラッド（屈折率ｎ₂）の屈折率の比屈折率差をクラッドの屈折率で割った値の百分率、即ち｛（ｎ₂-ｎ₁）／ｎ₁｝×100］、を0.3％〜0.75％とし、コア302 のサイズを５×５μm〜８×８μm程度とすれば光ファイバと光結合したとき比較的高い結合効率が得られる。この場合の基板とコアの間のクラッド層の厚さ（図58(b)のｔ）は30μm以上である。
【００１６】
なお図58に示すような方法を用いて光導波路300と光半導体装置200を結合する場合、光半導体装置200が通常の半導体レーザである場合には半導体レーザ200の光軸を持ち上げる必要がある。そのための構成として、図59に示すように半導体レーザ200の下にスペーサ５を置くことがある。
【００１７】
以上のように従来においては、レンズによるモード整合や先端をレンズ状に加工した光ファイバによるモード整合を行うとともに、光ファイバの場合に微動装置による精密な位置合わせ（図51、図53の場合）や基板上の溝による光ファイバの位置合わせ（図54〜56)や、半導体レーザを基板に実装する場合に微動装置を用いて基板と半導体レーザのマークを一致させる半導体レーザの位置合わせ（図60)が行われ、光導波路の場合にスタンドオフと切り欠きによる位置合わせが行われ、光導波路と半導体レーザの光軸の高さ合わせにスペーサの使用等が必要であった。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図50〜図56に示す従来例には次のような問題がある。まず、図50〜図53の場合には、半導体レーザ等の光半導体装置200とレンズ41、42と光ファイバ 3 あるいは光半導体装置200と光ファイバ３を非常に精密に位置合わせする必要がある。そのため、光部品の位置合わせに多くの時間を要する。また、位置合わせの間、半導体レーザ等の光半導体装置200を能動状態（例えば半導体レーザを発光させる）にしているため、誤操作等により半導体レーザ等の光半導体装置を劣化させたり破壊したりする問題がある。
【００１９】
次に図54〜図56に示すものは、半導体レーザ等の光半導体装置を能動状態にする必要が無いという利点を有する。しかし、光結合効率を一定以上（例えば最大値の80％以上）に保持させる位置ずれの許容値（この位置ずれの許容値を結合トレランスという）が図55のように先端にレンズ機能を持たせた光ファイバ３Aを用いる場合には0.5μm以下、図54のように先端が平らな光ファイバ３を用いる場合でも±1μm以下の小さなものになる。そのため、機械的に位置合わせすることは容易ではないという問題がある。特に、半導体レーザ等の光半導体装置200をボンディングする際、光ファイバ 3 をガイドする溝181と半導体レーザ等の光半導体装置200との軸ずれを所定値以下にすることが困難になるという問題がある。更に、図54の場合には半導体レーザ等の光半導体装置200と光ファイバ3 とのモード不整合が大きくなり、結合損失が大きくなる（結合損失は最小でも7dB程度になる）という問題がある。
【００２０】
図57の光導波路300と半導体レーザ等の光半導体装置200の光結合においては、光半導体装置200の４隅の切り欠き202を精度よく形成することが必ずしも容易ではないという問題がある。
【００２１】
次に図58のように、基板100に、シリコン基板など、 導波路材料（具体的には石英）よりも高屈折率のものを用いる場合には、基板100への光の放射を低減させるためコア302の下側のクラッド層301を厚いものにする必要がある。例えば例示した構造（比屈折率差が0.3％〜0.75％、コアのサイズが5×５μm〜８×８μm）の場合には、前述の通り下側のクラッド層を30μm以上にしなければならない。このことは図57のような光導波路を用いる場合においても同様である。そのため、図57や図58に例示する光導波路と半導体レーザの光結合においては、両者の光軸の高さの一致が難しくなる問題がある。このことを明確にするため、次に図60に従来の半導体レーザのボンディング法の例を、次いで、図61に半導体レーザを基板上のボンディングパッドにフリップチップボンディングするときの構成とその寸法の例を示し、半導体レーザの光軸高さについて具体的に説明する。
【００２２】
図60は半導体レーザ200を基板100に載置する例の主要部のみを例示するものである。図60(a)は載置の一過程を示す斜視図、図60(b)は載置後の正面図である。図60(a)に例示するように、半導体レーザ200の下側表面のボンディングパッド205を形成し、形成されたボンディングパッド205上にボンディング用融材（金錫共晶合金等）203を被着させ、ボンディング用融材を挟んでボンディングパッド205を、基板上に別に形成されたボンディングパッド102に重ね、そのうえで加熱、冷却することにより、半導体レーザ200は図60(b)に示すように基板100上に接着固定される。
【００２３】
次に、図61は図60の方法でボンディングされようとしているシリコン基板100と半導体レーザ200の詳細な層構造を例示するものである。例えば図60(b)の中央のボンディングパッド102、ボンディングパッド202、ボンディング用融材203付近を拡大したものである。図61を用いて、各部分の具体的寸法を求める。例えば、配線パターン102Aの厚さが0.3μm、絶縁膜108の厚さが0.3μm、ボンディングパッド102の厚さが0.35μm、ボンディング用融材203の厚さが２〜６μm、ボンディングパッド202の厚さが0.5μm、絶縁膜26の厚さが0.3μm、クラッド層231の厚さが1.5μm、能動領域層（図では活性層と記載）201の厚さが0.14μmである。この場合には、基板の熱酸化膜101の表面から半導体レーザの活性層201の中心までの高さは5.32〜9.32μmになる。
【００２４】
このように、半導体レーザ200の光軸の高さ（5.32〜9.32μm）は光導波路のコアの中心の高さ（約33μm）に比べて極めて低いものである。このため、図57および図58の従来例においては、半導体レーザ200を基板100に直接ボンディングして光結合する場合に、半導体レーザ200の光軸と光導波路300の光軸と高さを一致させることが困難になる問題を生ずる。
【００２５】
ここで、図59のように半導体レーザの下にスペーサ５を置くことによって半導体レーザ200の光軸と光導波路300の光軸と高さを一致させることが考えられる。しかしこの場合には、光導波路300の光軸が高いことに起因してスペーサ５と光導波路300の加工誤差による位置ずれが大きくなる問題を生ずる。即ち、スペーサ５と光導波路300の加工誤差による位置ずれの大きさは両方の光軸の高さに比例するので、図58(b)のように光導波路300の光軸高さｔが高くなると誤差寸法が大きくなり、ずれが大きくなる問題を生ずる。具体的には、スペーサ５の加工誤差と光導波路300の加工誤差が共に±５％であれば、光軸高さが30μmの場合には各々±1.5μmの誤差を生じ、合計では最大±３μmの位置ずれを生ずる。この大きなずれのため、通常の半導体レーザとシングルモードの光導波路を結合する光結合装置において、所望の結合効率が得られない不良品が多数発生する問題がある。
【００２６】
以上のように図50〜図53に例示される従来例においては、レンズや先端をレンズ状に加工した光ファイバによりモード整合が行われるが、光半導体素子を能動状態にし、光出力を計測しながら精密な位置合わせをしなければならない問題があり、図54, 図55, 図56, 図57, 図58, 図60に例示される従来例においては、基板上の溝による光ファイバの位置合わせやフォトリソグラフィによる光導波路の位置合わせを行い、微動装置を用いて基板と半導体レーザのマークを一致させて半導体レーザを位置合わせする方法（図54, 図55, 図56, 図58, 図60）やスタンドオフと切り欠きにより位置合わせする方法（図57）が用いられるため、位置合わせの際に光半導体素子を能動状態にする必要はなくなる。しかし、図54〜図58及び図60に例示される従来例には、光半導体素子をボンディングする際の位置ずれが大きくなりやすいため光結合効率が低下しやすい問題があり、図57及び図58に例示される従来技術には、光半導体素子と光導波路の光軸の高さを一致させることが難しい問題があり、図54, 図56, 図58, 図59に例示される従来技術には半導体レーザと光ファイバあるいは半導体レーザと光導波路のモード不整合が生じる問題があった。
【００２７】
従って、本発明は上記従来の光結合装置の持つ問題を解決することを課題としており、特に、光半導体素子等の能動素子を能動状態にすることなく位置合わせして光結合する場合に、光半導体素子の位置合わせに非常に高い精度が要求されるという問題の解決、光半導体チップと光導波路を光結合する場合に光軸の高さを一致させることが難しくなるという問題の解決、光結合の際の位置合わせを簡易化しようとする場合に光半導体素子と光導波路あるいは光半導体素子と光ファイバのモードを整合させることが困難になるという問題の解決を課題とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段の構成及び動作の要旨は次の通りである。
手段１及び２は、半導体レーザ等の光半導体素子を能動状態にすることなく本発明の光結合装置（以下本光結合装置とする）の製作過程の位置合わせのみにて光結合させることができ、且つその位置合わせに高精度の光学調整を行わずに高い結合効率で光半導体素子と光導波路とを光結合させることを可能にさせ、
手段３〜８及び手段19は、上記位置合わせにて、光半導体素子と光導波路の光軸の高さを比較的容易に一致させることを可能にさせ、
手段９〜12、15及び16は、上記位置合わせにて、光半導体装置と光導波路の高精度のモード整合を可能にさせ、
手段13及び14は、本光結合装置の光導波路の曲がり部分における伝搬損失を低減させ、
手段17は、本光結合装置の光導波路の加工を容易にさせ、
手段18は、手段１を適用して使用する光導波路に更に高い光結合度を持たせ、手段20〜22は、上記手段１〜19を用いて作られた光半導体素子を気密封止するものであり、
さらに、手段23は、本光結合装置の光半導体素子の気密封止に使用される金属部材の近傍に光導波路が配置された場合、その金属部材が近傍にあることが原因で光導波路の光伝搬損失が増加することを防ぐものである。
【００２９】
以下に手段１〜手段23について説明する。
手段１は図１、図８、図10、図11、図13〜図18、図20〜図27、図29、図31、図33、図35、図46、図47及び図49(c)に例示するように、二つの要素部品の単独で光結合するトレランスをT₀として、複数個の第１の要素部品の間隔がP₁である光部品（200、図1では200X)と、複数個の第２の要素部品の間隔が P₁＋２×T₀あるいは P₁−２×T₀（このピッチをP₂とする）である光部品（300、図1では300X)とを用い、これらを対向させて光結合するものである。例えば図１に例示するように対向させた光部品について、各々対向する要素部品間の光結合状態を計測し、最も結合度の大きい１対の要素部品を選択し、これを光結合装置として用いる。例えばアレイ状に整列した第１の要素部品200Xが半導体レーザ200、アレイ状に整列した第２の要素部品300Xが光導波路300である場合には、半導体レーザ200を発光させたときの光導波路300からの光出力が最大となる１対の半導体レーザ200と光導波路300を選択する。以下、従来例と比較しながら本手段による結合トレランスの拡大について説明する。
【００３０】
図54〜図58に例示する従来例は、光半導体素子を能動状態にする必要がないという点において優れたものであるが、光半導体素子の位置合わせが難しいことが問題となっていた。この従来例において、光半導体素子のみが特別にその位置決めが難しくなるのは、光半導体素子を基板に搭載するには能動的な位置合わせが不可欠であり、その際に大きなずれが生じるためである。例えば、光ファイバや光導波路の場合には、光ファイバを位置決めするための溝や光導波路パターンが形成されれば、部品を基板に搭載する際に能動的な位置合わせが不要であり、よって搭載時の位置ずれは生じない。これに比べ、光半導体素子の場合は、基板に搭載するときに必ずフォトリソグラフィープロセスにおけるマスク合わせのような能動的な位置合わせが必要である。この際、光半導体素子のサイズが小さいため、フォトリソグラフィープロセスに比べて大きなずれが生じる。
【００３１】
光半導体素子の位置合わせと光ファイバをガイドする溝や光導波路のコアパターンの形成の際のフォトリソグラフィーにおけるフォトマスクの位置合わせとを比較すると、光半導体素子 (300μm×250μm)はフォトマスク(100mm×100mm)等に比べてサイズが小さい。そのためボンディングの際に光半導体素子を安定に支持することが難しく、フォトマスクのように精密に位置合わせすることが困難になる。
【００３２】
例えば、ボンディング装置で光半導体素子を支持した後にその位置を計測し、その計測値に基づいて位置調節をしてボンディングする方法があるが、サイズが小さいために保持する精度及び位置計測精度が悪くなり、精密な位置合わせが困難になる。また、フォトリソグラフィーの場合には位置合わせをするべき二つのパターン（マスクが合わせられるべき基板上のパターンとマスクのパターン）を接近させ（例えば、ギャップが 10μ以下になるまで近接させることができる）、フォトマスク越しに二つのパターンの重なりをモニターし、位置合わせを行う。これに対し、光半導体素子はサイズが小さく、フォトマスクに比べて平坦でないため、ギャップの計測が困難である。そのため、基板に接近させることが困難である。さらに、不透明であるため、重なりをモニターすることも困難である。このため精度よく位置合わせすることが困難になる。
【００３３】
さらに、第２には、光半導体素子のボンディングでは固着用部材に低融点の金属が用いられ、ボンディングの際、加熱と冷却が行われるため、ボンディング装置に熱膨張と収縮が生じ、折角位置合わせを行っても、最終的な製品での光半導体装置の位置精度が低下する。
【００３４】
以上、基板に光半導体素子を載置する際の位置ずれは、光半導体素子のサイズが小さいことと加熱・冷却工程を含むことに起因しており、現在のところこれを著しく改良することは困難である。そこで発明者は、光半導体素子をボンディングする際の光半導体素子の位置ずれが大きくても、光結合が可能になる方法を考案した。
【００３５】
手段１は上記考案に基づくものであり、光半導体素子をボンディングする際の位置ずれを小さくする代わりに、等価的に、光半導体素子の結合トレランスを拡大するものである。以下図１を用いて具体的に説明する。
【００３６】
図１は手段１を説明する図である。手段１は、要素部品間のピッチがP₁の第１のアレイ状の光部品200X（以下アレイを構成している一つの部品を要素部品という）と要素部品間のピッチP₂がP₁＋2T₀あるいはP₁−2T₀の第２のアレイ状の光部品300Ｘを対向させることにより構成される。なお、図１においては、第１のアレイ状の光部品200Xの要素部品と第２のアレイ状の光部品300Xの要素部品とを光結合する場合の結合トレランスをT₀として、P₂がP₁＋2T₀に等しい距離となるように第２の光部品300XのピッチP₂を調節している。さらに、図１はアレイ状の光部品(200X,300X)を構成する要素部品のうち中央の要素部品同士の光軸が一致するようにしたときの状態を示している。
【００３７】
第１のアレイ状の光部品200Xの要素部品と第２のアレイ状の光部品300Xの要素部品とを図１のように配列すると、互いに対向する各要素部品間の光軸の位置ずれの大きさΔ１〜Δ11はそれぞれ-10T₀、-8T₀、-6T₀、-4T₀、-2T₀、0、2T₀、4T₀、6T₀、8T₀、10T₀になる。ここに、左から右に向かう方向を正の方向とする座標系を用い、第２の光部品の光軸の座標位置から第１の光部品の座標位置を差し引いたものを位置ずれの大きさとした。
【００３８】
次に表１は、図１の第１の光部品を図１の状態を基準にして、右側に-11T₀〜11T₀の間の位置ずれを起こさせた場合の互いに対向する各要素部品間の光軸の位置ずれの大きさΔ１〜Δ11を記載したものである。表の左端の１列（縦方向）が位置ずれの大きさ、第２列〜第１２列がそれぞれΔ１〜Δ11の大きさを表している。
【００３９】
表から明らかなように、図１の状態を基準にして右側に-11T₀〜11T₀の位置ずれが生じると、Δ１〜Δ11のいずれか１カ所では位置ずれが±T₀以下になることがわかる。すなわち二つのアレイ状の光部品であって、それらの要素部品の配列ピッチが２T₀だけ異なっており、共に11個の要素部品を含む二つのアレイ状の光部品を対向させることにより結合トレランスが±11T₀に拡大されることになる。
【００４０】
【表１】

【００４１】
一般的には、アレイ状の光部品の要素部品の数をNにすると結合トレランスはN倍に拡大する。このように、手段１を用いることにより結合トレランスが拡大され位置合わせが容易になる。
【００４２】
具体的な数値で示すと、例えば、図１において、第１の光部品200Xに半導体レーザアレイを用い第２の光部品300Xに光ファイバアレイを用い、要素部品間の結合トレランスを±１μmとした場合には、第１と第２の要素部品200X，300Xの見掛上の結合トレランスは±11μmまで拡大される。
【００４３】
半導体チップをボンディングするのに用いる一般的なボンディング装置はその位置ずれ誤差は±５μm 以下である。そのため光部品をボンディングする場合、結合トレランスが±５μm 以上になればその位置合わせが非常に容易になる。
【００４４】
さらに、手段１においてはアレイ状の光部品を用いるため、光部品が長いものとなる。そのため、紙面に垂直な軸を回転中心とする方向の回転誤差の検出が容易になり、回転誤差が低減される。即ち、光半導体素子の場合、寸法が小さいため、単体の場合には上記方向の回転誤差の検出が困難になるが、アレイにすることによりその検出が容易になり、回転誤差が低減される。
【００４５】
このように、手段１を用いると、半導体レーザの位置合わせ精度が緩和されるとともに回転方向のずれの検出精度が向上し、位置合わせが簡単になる。
手段２は図8、図10、図11、図13〜図18、図20〜図27、図29、図31、図33、図35、図46、図47 及び図49(c)に例示するように、手段１において少なくとも一方の光部品を光導波路アレイ300にするものである。
【００４６】
例えば図８に例示するように光部品に光導波路300を用いると、ピッチの変更及びピッチを小さくすることが容易になる等の利点がある。さらに、アレイ状の光部品の要素部品のピッチを小さくすると小型化が可能になる利点もある。逆にサイズが同じであればアレイに含まれる要素部品の数を増やすことができ、見掛上の結合トレランスを大きくすることが出来る。
【００４７】
以下、第２の光部品に光導波路を用いることにより、要素部品間のピッチの変更およびピッチを小さくすることが容易になる理由を説明する。
光導波路のコアパターンはフォトリソグラフィープロセスでガラスマスク上のパターンを転写することにより形成される。そのためガラスマスクのピッチを変更して容易に導波路のピッチを変更することができる。
【００４８】
次に、光導波路は、そのコアサイズを、例えば10μm以下に小さくすることが容易である。更にコアの形成にフォトリソグラフィープロセスを用いるので、ピッチを変更することのみでなく、ピッチを小さくすることも容易になる。例えば他の光部品として光ファイバの場合を考えると、光ファイバアレイの場合には、そのピッチを光ファイバの直径（通常125μm）より小さくすることは不可能である。しかし、光導波路は、そのピッチを10μm以下にすることは極めて容易である。
【００４９】
更に光導波路を用いると、図37、図38(c)、図39、図40に例示するように、光導波路でスポットサイズ変換を行うことが可能になる。図38(c)に例示するように、光導波路300でスポットサイズ変換を行うと導波路の一方と他方にモードサイズが異なる光部品（図38(c)においては半導体レーザ200と光ファイバ３）を配置する場合においても、その両方でモード整合を行うことが可能になる。これについては手段９〜手段１２の説明でより詳しく述べる。
【００５０】
更に、図10、図11、図25、図26、図47に例示するように、光導波路300を、封止用の部材及び窓部材の両方を兼用する部材として用い、光半導体素子200の気密封止をすることができる。これについては手段20の説明で詳しく述べる。
【００５１】
以上述べた手段１と手段２は、光部品が搭載される基体の表面に平行な方向（以下これを左右方向という）について結合トレランスを拡大し、位置合わせを容易にするものである。これに対し、手段３〜手段７は、光部品が搭載される基体の表面とは垂直な方向（以下これを上下方向という）について位置合わせを容易にすることを目的とするものである。手段３〜手段７は、特に、光導波路の層方向の構造を改良して上下方向の光軸の位置合わせを容易にするものである。以下、手段３〜７について説明する。
【００５２】
まず手段３の作用を説明する。手段３は図35、図47、図49(c)に例示するように、光部品と光導波路とを対向させる場合に、基板100の一部に窪み106を形成し、この窪みに少なくともクラッド層301の１部分、あるいはクラッド層301と同じ屈折率かあるいはクラッド層301よりも低屈折率のバッファ層310を埋め込んだ構成を有する光導波路300を用い、光部品200を基板の窪みの無い部分の表面に搭載するものである。本手段による光導波路300は、例えば図35、図36、図47に例示するように、基板100に形成した窪み106に、バッファ層310あるいは光導波路300のクラッド層の一部301が埋め込まれた構造となっている。ここにバッファ層310は、その屈折率がクラッド層301、301A、301Bと同じかあるいはクラッド層より小さいものである。そして、クラッド層301A、301の一部が、基板100の表面より高くなるように形成され、次いでコア302と上側のクラッド層301A、301が形成されている。さらに、図35、図36、図47の例では、光部品200は窪みの無い部分にボンディングされている。
【００５３】
図35、図36、図47に例示するように、手段３を用い、窪み106に埋め込まれたバッファ層310またはクラッド層301を十分厚くすると光の基板100への放射が低減されるようになる。そしてコア302の下側のクラッド層301のうち基板表面から飛び出した部分のクラッド層301A及び301の厚さとコア302の厚さを調節すると基板表面からみたコア302の中心の高さを精密に調節でき、更に基板表面からみたコア302の中心の高さを５〜６μmにして基板100にボンディングされた半導体レーザ200の光軸高さに一致させることができる。よって上下方向の光軸の位置合わせも容易になる。その結果本手段（手段３）と手段１とを組み合わせると、左右方向と上下方向の両方の光軸の位置合わせが容易になる。次に手段４は、図29〜図36、図47、図49(c)に例示するように、光部品と光導波路とを対向させる場合に、該光導波路300にクラッド層301よりも低屈折率のバッファ層310の上にクラッド層301とコア302を形成したものを用いるようにするものであり、コアの下側のクラッド層 (以下、これをアンダークラッド層と言う）を薄くして、光導波路作成時の製造誤差に起因する光導波路の光軸の高さ誤差を小さくしようとするものである。
【００５４】
例えば、図29〜図32に例示するように、基板100とアンダークラッド層301Aの間にアンダークラッド層よりも低屈折率のバッファ層310を加えると導波路300のコア302にガイドされた電界分布のうち、アンダークラッド層301Aおよびバッファ層310に染みだした裾の部分の減衰が大きくなる。そのため、バッファ層310とアンダークラッド層301Aを加えた層厚を薄くしても基板100に放射される光パワーを小さくすることが可能になる。その結果、バッファ層310とアンダークラッド層301Aを加えた層厚を薄くすることが可能になる。このようにバッファ層310とアンダークラッド層301Aを加えた層厚を薄くしても基板100に放射される光パワーの増加が起こらない。その結果、バッファ層310とアンダークラッド層301Aを加えた層厚を薄くすることが可能となる。
【００５５】
バッファ層310とアンダークラッド層301Aを加えた層厚を薄くすると、製造時の寸法誤差の絶対値が小さくなり、光軸の高さのずれが小さくなる。
例えば図２のような構造の導波路と図４のような構造の導波路を比較し、本手段の作用を具体的に説明する。
【００５６】
まず、図２は従来の導波路の層構造に相当するスラブ構造導波路を例示するものである。ここに図２(a)は層構造を、図２(b)は図２(a)の点線Ｙ−Ｙ’に沿った屈折率分布を示すものである。また、301Aと301Bはクラッド層、302はコアである。
【００５７】
このような屈折率分布を有するスラブ構造の導波路クラッド層301A,301Bの屈折率が1.55、コア302の屈折率が1.558、コア302の厚さが 5μm のとき、電界強度が十分小さいもの（具体的には電界強度が最大値の10^-6になる場合について比較する.）となるのは、コア302の下側の端から約28μm離れた位置になる。そのときの電界分布は図３の(a)に示す通りであり、点P1は電界強度が最大値の10^-6になる位置である。なお図３において(b)は屈折率分布を示すもので、縦軸の目盛りは任意である。
【００５８】
これに対し、光導波路の層構造を図４のようにバッファ層310を有するものとした場合の電界分布を図５に示す。ここに、図４(a)は層構造を、図４(b)は図４(a)の点線Ｙ−Ｙ’に沿った屈折率分布を示すもの、図５の(a)は図４の光導波路にガイドされる光の電界分布、図５の(b)は光導波路の屈折率分布（縦軸の目盛りは任意）である。また、図４において、301Aはアンダークラッド層、301Bはオーバークラッド層、302はコア、310はバッファ層である。
【００５９】
図４の光導波路において、アンダークラッド層の厚さを２μm、バッファ層を石英（屈折率は1.46）にした場合には、図５に示した電界分布の裾の部分の電界強度が図３のP1と同じになるのは、バッファ層310とアンダークラッド層301Aとの境界から5.2μm離れた位置（P1で指示）になる。
【００６０】
このように、光導波路を、アンダークラッド層301Aの下にアンダークラッド層より低屈折率のバッファ層310を有するものとすることにより、バッファ層310における電界強度の減衰を急峻にすることができる。
【００６１】
以上のことは図29〜図32に例示する光導波路にも当てはまり、光導波路を図29〜図32に例示するような構造にすると、バッファ層310に染み出す光の電界の強度が低下し、基板100への光パワーの放射が起こり難くなる。その結果、バッファ層310とアンダークラッド層310Aを加えた層の厚さを小さくすることができる。その結果、光導波路の製造誤差に起因する光軸の高さ誤差が低減され、位置合わせ精度が向上する。
【００６２】
次に手段５は、図31〜図34に例示するように、光部品と光導波路とを対向させる場合に、該導波路にクラッド層301と同じ屈折率かあるいはクラッド層301よりも低屈折率のバッファ層310の上にクラッド層301とコア302を形成したものを用い、光部品200をバッファ層310の上に搭載するのである。本手段（手段５）による光結合装置は、図31〜図34に具体例を示すように、光導波路300と基板100の間に、光導波路の少なくとも一方の端面から飛び出すように形成されたバッファ層310を有する。ここに、バッファ層310は屈折率がアンダークラッド層301Aと同じかあるいはアンダークラッド層301Aより低屈折率の層である。このような光導波路を用いると、例えば、バッファ層310の光導波路の端面から飛び出した部分の上面に光部品200を定接すれば、実効的に光導波路の光軸が低くなるので、光導波路300と光部品200の高さ調節が容易になる。更に、アンダークラッド層301Aの厚さを調節して光導波路の光軸高さを調節すると、光部品と光導波路の光軸高さを精密に調節することができるようになる。
【００６３】
次に手段６は、図31〜図34に例示するように、手段５を用いる光結合装置の光導波路のバッファ層310を無機材料（シリコンの酸化物、シリコンの窒化物、ガラスなど）にし、アンダークラッド層301Aとコア302とオーバークラッド層301Bを有機材料（ポリイミドなど）とするものである。
【００６４】
光導波路のクラッド301A、301Bとコア302を構成する層を有機物にすると、光導波路を形成する前に、バッファ層310の表面に、電気配線用のパターンやボンディングパッドを形成することが可能になる。即ち、光導波路の材料が有機物の場合には、比較的低温で、塗布工程等を用いて導波路形成を行うことができる。
【００６５】
光導波路を形成する前のバッファ層310の表面は平坦なので、フォトリソグラフィー工程を用いて、容易に精密な電気配線用のパターンやボンディングパッドを形成することができるようになる。そのため光導波路とボンディングパッドの相対的な位置合わせが容易になる。
【００６６】
光導波路を有機材料にすることにより、導波路の形成に酸素プラズマエッチングを用いることができる。そして、光導波路の端面の形成に酸素プラズマエッチングを用いたとき、バッファ層310の部分でエッチングが停止するため、図31または図32に例示するように光部品200を載せるために光導波路の端面から張り出したバッファ層310を形成することが容易になる。
【００６７】
次に手段７は、図33又は図34に例示するように、手段５を用いる光結合装置の光導波路のバッファ層310，アンダークラッド層301A，コア302及びオーバークラッド層301Bを有機材料で構成し、バッファ層310とアンダークラッド層301Aとの間に無機材料の薄膜311を挟み込むものである。
【００６８】
光導波路のクラッド301A、301Bとコア302を構成する層を有機物にすると、光導波路を形成する前に、薄膜311の表面に、電気配線用のパターンやボンディングパッドを形成することが可能になる。即ち、光導波路の材料が有機物の場合には、比較的低温で、塗布工程等を用いて導波路形成を行うことができる。
【００６９】
光導波路を形成する前の薄膜311の表面は平坦なので、フォトリソグラフィー工程を用いて、容易に精密な電気配線用のパターンやボンディングパッドを形成することができる。そのため光導波路とボンディングパッドの相対的な位置合わせが容易になる。
【００７０】
光導波路を有機材料にすることにより、導波路の形成に酸素プラズマエッチングを用いることができる。そして無機材料の薄膜311があれば、光導波路の張り出し面の形成に酸素プラズマエッチングを用いたとき、薄膜311の部分でエッチングが停止するため、図33または図34に例示するように光部品200を載置する張り出し面を有するバッファ層310の形成が容易になる。
【００７１】
次に手段８は、図35、図36、図47、図49(c)に例示するように、基板100の一部に窪み106を形成し、この窪み106 に屈折率がクラッド層と同じかあるいはクラッド層よりも低屈折率のバッファ層310をその表面が基板の窪みの無い部分の表面と同じ高さになるように埋め込み、その上にクラッド層（301あるいは301A）とコア302、オーバークラッド層301Bを含む光導波路300を形成するものである。
【００７２】
このようにすることにより、実効的に光導波路の光軸が低くなるため上下方向の光軸の位置合わせが容易になる。さらに、光部品200がシリコン基板100上に搭載されるので、光部品200が発熱体である場合の熱放散が良好になる効果が生ずる。例えば図35に例示するように、本手段による光導波路300は基板100に形成した窪み106にバッファ層310が埋め込まれた構造となっている。本バッファ層310は無機材料であっても有機材料であってもよい。バッファ層310を埋め込んだ基板は、バッファ層310となる材料を窪み106に充填した後基板100の表面を基準面にして研削及び研磨を行い平坦化する工程をもって形成される。そしてバッファ層310の表面を平坦化したものをバッファ層付の基板として用い、ボンディングパッドと配線電極用パターンを形成する。次いで、順次アンダークラッド層301A、コア302、オーバークラッド層301Bを形成する。光部品200は、光導波路のコアに対向して、窪み106の無い部分にボンディングされる。
【００７３】
図35に例示するように、窪み106に埋め込まれたバッファ層310を十分厚くすると光の基板100への光の放射が防止されるようになる。そしてアンダークラッド層301Aの厚さとコア302の厚さを調節すると基板表面からみたコアの中心の高さを精密に調節できるようになる。更に基板表面からみたコアの中心の高さを５〜６μmにして基板100にボンディングされた半導体レーザ200の光軸高さに一致させることができるようになる。よって上下方向の光軸の位置合わせが容易になる。
【００７４】
更に光導波路のアンダークラッド層301A、コア302、オーバークラッド層301Bを有機材料にすると、光導波路300を形成する前に、バッファ層付基板の表面に、電気配線用のパターンやボンディングパッドを形成することが可能になる。光導波路の材料が有機物の場合には、比較的低温で、塗布工程等を用いて導波路形成を行うことができるからである。
【００７５】
光導波路を形成する前のバッファ層付基板の表面は平坦なので、フォトリソグラフィー工程を用いて、容易に精密な電気配線用のパターンやボンディングパッドを形成することができるようになる。そのため光導波路とボンディングパッドの相対的な位置合わせが容易になる。
【００７６】
光導波路を有機材料にすることにより、導波路の形成に酸素プラズマエッチングを用いることができる。この際、酸素プラズマは金属やシリコン基板などの無機材料を侵さないので、ボンディングパッドを形成した後光導波路を形成し、次いで酸素プラズマエッチングで張り出し面を形成し、ボンディングパッドを露出させても、ボンディングパッドが侵されない利点がある。
【００７７】
次に、手段９〜手段12は光導波路の両端の光ビームのスポットサイズが両端に結合される光部品に一致するような光導波路を用い、両端の光部品との結合効率の向上または結合トレランスを拡大するものである。以下に手段９〜手段１２について述べる。
【００７８】
まず手段９は、図37(a)、図38(c)、図39、図40、図42、図44(b)、図45、図46に例示するように、光結合装置に、入射端から出射端に向かって光が伝播すると、入射端と出射端でガイドされる光の強度分布が変化する光導波路を用いるものである。
【００７９】
例えば図38(c)に例示するように、本手段による光導波路300を半導体レーザ200と光ファイバ３の間に介在させ、半導体レーザ200と光結合する側のスポットの形状を半導体レーザ200と同じにし、光ファイバ３と光結合する側のスポットの形状を光ファイバ３と同じにすれば、高い結合効率で光結合できるようになる。
【００８０】
更に、本手段による光導波路により、光ファイバと対向する側の光導波路300の出射端のスポットサイズを大きくすると、光導波路300と光ファイバ３の間の結合トレランスの拡大も行われる。この光導波路300と光ファイバ３の間の結合トレランスの拡大は、例えば図38(c)に例示するように、半導体レーザ200と光導波路300を集積化実装し、導波路300と光ファイバ３を位置合わせして光結合し組立をするような光結合装置の製造に際し、ファイバの位置合わせを簡易化する効果を生ずる。
【００８１】
更に、図38(c)において、クラッドと副コアの屈折率差を小さくし、副コアの断面を大きなものとすれば、光ファイバ３と光結合する側の光導波路300のスポットサイズを大きなものとすることが可能になる。例えば図６のグラフ(a)は、図２のようなスラブ導波路のコアとクラッド（屈折率1.55）の比屈折率差が変化したとき、導波路にガイドされる光のスポットサイズがどのように変化するかを例示するものである。なお、コアとクラッドの比屈折率差を変化させるとコアの厚さも変化させなければならないため、図６にはコアの厚さ（グラフ(b)）も同時に示している。
【００８２】
図２のスラブ構造の光導波路の場合の具体的スポットサイズを例示すると、比屈折率差が0.2％、コアの厚さが7.9μmのとき約11μmのスポットサイズになる。このような光導波路に、部分的にコアを拡大した光ファイバ（例えばTechnical Digest of The Second Optelectronics conference, 3C2-2,1988 等に記載のもの。以下これを「TECファイバ」という。）を結合すると、光導波路と光ファイバの結合トレランスがより拡大されるようになる。例えばガイドされる光のスポットサイズを18μmまで拡大したTECファイバを用いると、約91％の最大結合効率と±3.6μmの結合トレランス（結合効率が最大値の80％以上の場合）が得られる。この結果、光導波路と光ファイバの光結合が容易になる。
【００８３】
さらに、本手段を用いると、光導波路のコアを曲げたときの損失が低減する効果を生ずる。次にこれについて説明する。
光導波路のコアを曲線にすると、その曲率半径が小さくなると光が外部に放射され損失となる。この放射の起こり易さは光導波路の構造に依存する。
【００８４】
光導波路のコアとクラッド層のうち、コアに閉じ込められている光の割合（電界分布のうちコア内に分布しているものの積分値の全体の積分値に対する割合）を「光の閉じ込めの強さ」と定義すると、光の閉じ込めが強いほど、導波路の曲げによる損失が小さくなる。そして、本手段によるもののように、導波路のスポットサイズが変化する導波路においては、スポットサイズが小さいところでは光の閉じ込めが強くなる。よって、他の光部品と光結合をする部分と曲がりの部分とを含む光導波路において本手段を用い、相対的に曲がりの部分のスポットサイズを小さくし、他の光部品と光結合をする部分のスポットサイズを大きくするようにすると、曲がりの部分の放射損失が小さく、あるいは曲がりの部分の曲率半径が小さく（よって小型化が可能で）、且つ他の光部品との光結合が容易な光導波路が実現される。
【００８５】
手段10は、光結合装置に、図37、図38(c)、図39、図40、図42、図44(b)、図45、図46に例示するように、相対的に高屈折率で、光軸方向に進行するにともなって途中から徐々にその断面積あるいはその外側の輪郭の形状が変化する部分を有する主コア302Aの周囲を、相対的に低屈折率の副コア302Bで取り囲む構造の複合コアを有する光導波路を用いるものである。
【００８６】
本手段に用いる光導波路は、例えば図37(a)に例示するように、主コア302Aを副コア302Bで取り囲んだものをコアとする光導波路で、図示したように、例えば、光導波路の右上側では主コア302Aの幅が広く途中から幅が徐々に狭くなり、やがて主コア302Aが消失するものである。図37(d)の電界分布(2)に例示するように、右側の幅が広い主コア302Aを有する部分では、主コアをコアとし副コアをクラッドとする光導波路が形成されるため光（図37(d)の(1)及び(2)は電界分布を示す）は狭い範囲に閉じ込められる。そのためスポット径が小さくなる。主コア302Aが消失すると副コア302Bのみで光を閉じ込めるようになるので、図37(d)の左側の電界分布(1)に示すように、スポット径が大きくなる。中間部においては、図37のように徐々にコアの形状を変化させることにより徐々にスポット径が変化するようになる。本手段を用いることにより、手段９に記載の光導波路が具現化される。
【００８７】
手段11は、図40、図41、図45(a)、図45(b)に例示するように、手段10の光導波路において、副コア302Bを、光軸方向に進行するにともなって徐々にその断面積あるいはその輪郭が変化する部分を有する構成としたものである。
【００８８】
図40(a)の光導波路は光導波路の右上から左下に進むに従って副コア302Bの幅が徐々に広くなる領域を含むものとなっており、図40(b)の光導波路は光導波路の右上から左下に進むに従って副コア302Bの幅が徐々に狭くなる領域を含むものとなっている。
【００８９】
図40(a)及び図40(b)に示す光導波路の右上の端の部分でガイドされる光の水平方向の電界分布と副コアの幅との関係を図41に示す。ここに図41(a)は光導波路の断面とそれにガイドされる電界の強度分布(1)を例示するもの、図41(b)は図41(a)における副コア302Bの幅 Ws と屈折率ｎ₂が変化したときの電界強度分布(1)の幅 We（Weはスポットサイズ）の変化を例示するものである。
【００９０】
図41(b)に例示したように、副コアの幅を広くすると電界分布が広いものとなり、副コアの幅を狭くすると電界分布が狭くなる。よって副コアの幅を調節して電界分布の形状を調節し、光導波路に結合される他の光部品とのモード整合をすることができる。
【００９１】
さらに、副コアの屈折率を小さくすると電界分布が広いものとなり、副コアの屈折率を大きくすると電界分布が狭くなる。よって副コアの屈折率を調節して電界分布の形状を調節し、光導波路に結合される他の光部品とのモード整合をすることができる。このように本手段を用いることにより手段10に記載の光導波路が改良され、電界分布の調節範囲が拡大される。
【００９２】
次に手段12は、図39、図45(c)に例示するように、相対的に高屈折率で光軸方向に進行するにともなって途中から徐々にその断面積あるいはその形状が変化する主コア302Aを、相対的に低屈折率の副コア302Bで上下又は左右の２方向からサンドイッチ状に挟み込んだ構造の主コアと副コアを組み合わせたものを光導波路のコアとするものである。なお、図39、図45(c)には、副コア302Bで主コア302Aを上下２方向から挟み込んだもののみが例示されているが、縦と横の関係を入れ替えると、副コアで主コアを左右２方向から挟み込んだものも同等の作用を有する光導波路となる。
【００９３】
図41(b)に例示したように、図41(a)の構成の光導波路においては、副コアの幅を変化させると、副コアと主コアの幅が同じになったとき最もスポットサイズが小さくなる。よって本手段による光導波路は小さなスポット径を持つ光部品とのモード整合に適するものとなる。
【００９４】
次に手段13は、図42に例示するように、曲線状の光導波路300の少なくとも曲がりを有する部分に、主コア302Aと副コア302Bを有する手段10〜12のいずれかの光導波路を用いるものである。
【００９５】
光は光導波路のコアのような屈折率の高い部分に閉じ込められる性質を持つので、光導波路が曲がったものであっても光導波路に沿って伝搬する。しかし、光には本来直進する性質があるので、光の閉じ込めが弱くかつ曲がりの曲率半径が小さい場合には、曲がり部分で光が光導波路から飛び出してしまう（以下これを曲がりによる光の放射という）。そして、導波路の光の閉じ込めの強さは光導波路の構造に依存し、一般的にはコアのサイズが一定の場合にはコアとクラッドとの屈折率の差が大きいほど閉じ込めが強くなる。また図37に示すような光導波路においては、主コア302Aのある部分では、主コア302Aと副コア302Bの両方で光を閉じ込めるので、主コア302Aのある部分の光の閉じ込めは主コア302Aの無い部分に比べて強いものとなる。そのため、図42に例示するように、導波路の曲がりの部分に主コア302Aと副コア302Bを形成したものとすると、曲がりの部分の光の閉じ込めが他の部分に比較して強くなる。そのため曲がり部分での放射が起こりにくくなる。その結果曲がりの曲率半径を小さくすることが可能になり、光導波路が小型になる。
【００９６】
次に手段14は、図43に例示するように、曲線状の光導波路の、少なくとも曲がりの部分に、相対的に断面積が大きいコア302を形成するものである。
光導波路の光の閉じ込めの強さは光導波路の構造に依存し、一般的にはコアのサイズが一定の場合にはコアとクラッドとの屈折率の差が大きいほど閉じ込めが強くなり、コアとクラッドの屈折率の差が一定の場合にはコアの断面積が大きいほど閉じ込めが強くなる。
【００９７】
また、光導波路にガイドされる光のスポットサイズは、コアとクラッドの比屈折率差が一定である場合には、コアの断面積が小さくなるほど大きくなる。
従って図43に例示するように、光導波路の端部のコア302の断面積を小さくするとスポットサイズが拡大され光ファイバ等との結合が容易になる。一方、導波路が曲がっている部分についてはコア302の断面積を大きくすると、相対的に光の閉じ込めが強くなる。そのため曲がり部分での放射が起こりにくくなる。その結果曲がりの曲率半径を小さくすることが可能になり、光導波路を小型にすることが可能になる。
【００９８】
次に手段15は、図37、図38(c)、図39、図40、図42、図44(b)、図45、図46に例示するような手段９〜手段13のいずれかの光導波路について、当光導波路を構成する層の少なくとも１層を有機物で構成するものである。
【００９９】
この光導波路の場合、アンダークラッド層301Aと主コア302Aと副コア302Bとオーバークラッド層301Bに有機物を用いている。このようにすると、主コア302Aと副コア302Bを酸素プラズマでエッチングして所定の形状に加工し、再び有機物301Bを塗布するだけで容易に所望の光導波路を形成することができる。
【０１００】
次に手段16は、図37、図38(c)、図39、図40、図42、図44(b)、図45、図46に例示するような手段９〜13のいずれかの光導波路について、少なくとも主コア302Aに無機材料を、副コア302Bに有機材料を用いるものである。
【０１０１】
即ち、これらの図に例示する光導波路において、主コア302Aを例えばプラズマＣＶＤで形成したシリコン酸化膜やシリコン窒化膜にすると非常に薄いコアを形成することが可能になる。更に屈折率を1.6〜1.9の範囲で制御することも可能になる。
【０１０２】
例えば主コア302Aと副コア302Bにポリイミド等を用いる場合には、ポリイミドの屈折率は1.5〜1.6の範囲であるため、主コア302Aと副コア302Bの比屈折率差は約3.2%以下になる。比屈折率差が小さい場合には、コアが薄くなると閉じ込めが弱くなる。そのためコアサイズを小さくしてもスポットサイズが小さくならない。これに対し、副コア302Bにポリイミドを用い、主コア302Aにシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を用いると、比屈折率差を最大20%程度まで大きくすることができる。その結果比較的モードサイズが小さい光導波路を形成することが可能になる。
【０１０３】
図７はクラッド層301と副コア302Bの比屈折率を0.5%、副コアの厚さを 5μm、主コア302Aの屈折率を1.6〜1.9の間で変化させたときのスポットサイズを例示するものである。図７のグラフのうち曲線(a)は主コアの厚さが 0.2μm の場合、曲線(b)は主コアの厚さが 0.5μm の場合である。
【０１０４】
このように主コアに無機材料を用い、主コアを高屈折率で薄いものにすることにより小さなモードサイズの光導波路を形成でき、光導波路と半導体レーザのモード整合が容易になる。例えば、光導波路のスポットサイズを図７の線Ａで取り囲んだ範囲に選ぶと、半導体レーザと光結合したときのモード不整合による結合損失を非常に小さなものとすることができる。
【０１０５】
次に手段17は、図33、図34、図44、図45に例示するように、手段８、手段15または手段16のいずれかによる光導波路について、当光導波路を有機物の層と有機物の層の間に無機物の薄膜311を有する構造とするものである。
【０１０６】
図33、図34、図44、図45の例ではコア302とアンダークラッド層301Aの間に無機材料よりなる薄膜311を有する。コア302に有機物を用いた場合には、プラズマエッチングによってコアを加工するが、図33、図34、図44、図45に例示するようにコア302とアンダークラッド層301Aの間に無機材料の薄膜311を形成すると、酸素プラズマエッチングでコア302を矩形に加工するとき、薄膜311でエッチングを停止させることができる。その結果、コアの加工の際のエッチング工程の管理が容易になり、エッチングが確実なものとなる効果を生ずる。
【０１０７】
次に手段18は、例えば図46に例示するように、手段２の光導波路に手段３〜手段17のうちのいずれかのものを用いるものである。図46は、手段２の光結合装置を構成する光導波路に手段９または手段10の光導波路を用いるものである。
【０１０８】
手段２を用いると左右方向の結合トレランスが広がるので左右方向に位置合わせが容易になる。さらに手段２に加えて、手段３〜手段８のうちのいずれかを用いると、光導波路と他の光部品との高さ方向の位置合わせが容易になる。その結果、手段２の光導波路と他の光部品の位置合わせが容易になり、光結合効率の向上が容易になる。
【０１０９】
さらに手段２に加えて、手段９〜手段12、手段15及び手段16のうちのいずれかの手段を用いると、光導波路と光部品とのモード整合を行うことができるので、結合効率が向上するようになる。
【０１１０】
なお、手段２と手段３〜手段８のうちのいずれかと、手段９〜手段12、手段15及び手段16のうちのいずれかを組み合わせると、これらの効果が組み合わせられた光結合装置となることはいうまでもない。
【０１１１】
次に手段19は、図27または図28に例示するように、手段２又は手段18において、基板160に透明でアンダークラッド層301Aよりも低屈折率のものを用いるものである。
このようにすると基板160を光導波路のクラッドとして用いることができる。そのため基板上のクラッド層301Aを任意の厚さにすることができる。そこで基板上のクラッド層301Aの厚さを調節して光導波路の光軸を任意の高さに調節することが可能になる。その結果他の光部品との上下方向の光軸の位置合わせが容易になる。
【０１１２】
次に手段20は、図８、図10、図11、図13〜図16、図25、図26、図47に例示するように、手段３又は手段18又は19のいずれかにおいて、該光結合装置の光部品200を搭載する部分の周囲を導波路形成用部材（301、302等）で取り囲み、光部品200を搭載した部分を覆い且つこの周囲の導波路部材にかかるような蓋用部材で且つ光部品200を搭載した部分の周囲の導波路部材と蓋用部材の間を気密化した蓋用部材400を用い、当蓋用部材400で当光部品200を搭載した部分に蓋をし、気密封止をしたものである。
【０１１３】
本手段を用いると、光部品を簡単に気密封止できる。ここに、光導波路300は気密封止パッケージの周囲の壁と窓とを兼ねるものとなっている。周囲の壁と窓に別々のものを用いる場合に比べて製造が容易で小型になる効果がある。
【０１１４】
手段21は、図47又は図49に例示するように、手段３、手段18又は手段19のいずれかの光結合装置（１あるいは１Ａ）において、基板100 に搭載した光部品200 の周囲を導波路形成用部材 501、503、504でリング状に取り囲み、電気配線部材500 を、電気配線パターン502 が当リング状導波路形成用部材 501、503、504 の外周部を貫通し、光部品200を搭載する孔303 の周囲の光導波路形成用部材の一部501 の表面に接するように接着された構成とするものである。
【０１１５】
気密封止された部分と外部とを結ぶ電気配線パターンを電気配線部材に形成するため、光導波路付基板の形成が容易になる。
次に手段22は、図10に例示するように、手段20において、蓋用部材400 が、光部品200 を搭載する導波路形成用部材の孔303の周囲に沿って導波路部材の表面に被着されたリング状の金属部材304 を介して光導波路の表面に接着され、光部品200を気密化したものである。蓋用部材を接着する部分を金属部材にすることによって、半田付けや溶接を行うことが容易になる効果が得られる。
【０１１６】
次に手段23は、図46に示すように、手段21において、光導波路に手段9〜12のいずれかのものを用い、少なくともリング状の金属部材の下に主コアと副コアとを有するものとしたものである。
【０１１７】
光導波路が置かれる雰囲気は空気、不活性気体又は真空である。そのため屈折率１の媒質中に置かれているのと同じである。この場合、光導波路の光の閉じ込めが弱い場合には、電界の一部が導波路の上側に染み出すことになる。
【０１１８】
ところで、電界が外部に染み出す導波路の場合、図10または46のように表面に金属部材304があると伝搬損失が大きくなる。光導波路の伝搬損失増加を抑制するためには、金属部材304が形成された部分の光の閉じ込めを強くする必要がある。そこで、本手段のように、リング状の金属部材304の下に主コア302Aと副コア302Bを有する手段10〜手段12のいずれかの光導波路を用いると、この部分の光の閉じ込めが強くなり伝搬損失が低減される。
【０１１９】
【発明の実施の形態】
図８に本発明による光結合装置の第１の実施例を示す。本光結合装置１は、50μmのピッチで配列された15個の発光部を有するアレイ状の半導体レーザ200と、48μmのピッチで配列された15個のコア302を有するアレイ状の光導波路300を対向させたものである。光導波路300とボンディングパッド（図示せず）は基板100の表面に形成されている。半導体レーザ200はアレイ状の発光部のうちの中央の発光部が光導波路300のアレイ状のコアのうちの中央のコアに一致する位置を目標として位置合わせされてボンディングパッドにボンディングされている。半導体レーザ200の、目標とする位置からの位置ずれは±15μm以下に抑えられている。
【０１２０】
本実施例に用いた部材は、基板100は表面の面方位が｛100｝のシリコン単結晶基板、光導波路300は有機高分子導波路、ボンディングパッドは金属、半導体レーザ200は特開平7-66502及び1993年電子情報通信学会秋季大会講演論文集4-262に記載されたレーザ部と厚さが変化するコアを有するスポットサイズ変換導波路とをモノリシックに集積化したスポットサイズ変換導波路付半導体レーザをアレイ化したものである。
【０１２１】
シリコン基板100の表面には厚さ１μmのシリコン酸化膜101が形成され、この上に光導波路300とボンディングパッド（図示せず）とボンディングパッドに接続された配線パターン（図示せず）が形成されている。
【０１２２】
光導波路300は、断面が５μm×５μm、屈折率が約1.558の矩形のコア302の周囲を屈折率1.55のクラッド層301で取り囲んだものである。コアの下側のアンダークラッド層、コアの上側のオーバークラッド層の厚さはいずれも20μmである。
【０１２３】
半導体レーザ200のそれぞれの発光部はBH構造の半導体光導波路となっており、発光部間のピッチは50μmである。BH構造のストライプの幅はレーザ部が約1.5μmでありスポットサイズ変換部はレーザ部から出力端に向かって約1.5μmから約4.91μmに変化している。半導体レーザ200の厚さ方向の層構造は、活性層への光の閉じ込め係数が５％になるようにレーザ部の層厚と屈折率が調節され、スポットサイズ変換部は同じ層構造でレーザ部から出力端に向かってコア部の厚さが徐々に薄くなっている。コア部の厚い部分と最も薄い部分の厚さの比は約2.5 ：１である。
【０１２４】
本実施例による光導波路300と半導体レーザ200は、単体の光導波路と単体の半導体レーザを対向させて光結合させるとき、水平方向のみに着目すると、最大結合効率が約100％で、結合効率が90％に低下するときの位置ずれの大きさが約±1.15μmである。因みに、位置ずれが 5μmのとき結合効率は約35％に低下する。
【０１２５】
本実施例による光結合装置は、例えば、15個の半導体レーザを順次発光させて光導波路から出力される光強度を計測し、最も光出力が大きい導波路の出力端に光ファイバを結合するようにすれば、光ファイバ付の半導体レーザになる。図８には示していないが、光ファイバの位置合わせにはシリコンＶ溝等を用いることができるので、その位置合わせは容易である。
【０１２６】
本実施例において、半導体レーザと光導波路の相対的位置を左右に変化させた場合の光結合効率の変化を図９に示す。図９において、“a"は半導体レーザと光導波路が（アレイではなく）単体のものである場合の結合効率、“b"は本実施例のように半導体レーザと光導波路がアレイである場合の結合効率である。なお、この場合の結合効率は、複数組のうちのいずれかの半導体レーザと光導波路について、両者の相対位置が変化したとき、その変化に対応してその結合効率が最も大きくなる１対の組み合わせを順次選択し、その組み合わせにおける最大結合効率をグラフ化したものである。既に述べたように、光導波路と光ファイバの光結合は比較的容易であるので、半導体レーザの出力光をいずれかの光導波路に結合させることができれば、半導体レーザと光ファイバの結合が容易にできるようになる。
【０１２７】
図９に例示したように、半導体レーザと光導波路が（アレイではなく）単体のものである場合には位置ずれが約±1.15μmのとき結合効率が90％まで低下するのに対し、本実施例では90％以上の結合効率を維持する範囲が±15μmまで拡大された。その結果、本実施例による光結合装置を用い、半導体レーザが最も強く結合した光導波路に光ファイバを結合すれば、従来のように光学的調整を伴う困難な位置合わせを行わずとも、比較的容易に半導体レーザの光を光ファイバに結合させることができる。
【０１２８】
なお、本実施例に用いることのできる基板、光導波路の材料および半導体レーザは本実施例のもの（基板はシリコン、光導波路は高分子材料、半導体レーザはスポットサイズ変換導波路付きレーザ）に限られるものではない。基板には、例えば石英ガラスやその他のガラス及びセラミック等を用いることもできる。光導波路には、例えばシリコンの酸化物やシリコンの窒化物を主成分とする光導波路を用いることもできる。半導体レーザには通常の端面出射型の半導体レーザをアレイ化したものを用いることもできる。
【０１２９】
次に、図10に、図８の第１の実施例を変形して光半導体素子を気密封止した第１の実施例の第１の変形実施例（光結合装置1A）を示す。ここに図10(a)は気密封止のための蓋がされていない状態の斜視図、図10(b)は蓋をした後の光結合装置1Aの斜視図で、蓋の一部を切り欠いて中が分かるようにしてある。
【０１３０】
図10の実施例においては、シリコン基板100の表面にシリコン酸化膜（図示せず）を形成し、そのシリコン酸化膜の表面に電気配線パターン103と半導体レーザをボンディングするためのボンディングパッド102（図10においては、半導体レーザ200の下に隠されており見ることができない）を形成し、電気配線パターンの一部が光導波路の下になるように光導波路300を形成している。シリコン酸化膜（図示せず）は基板100と電極とを絶縁するためのものである。図10には明示されていないが、半導体レーザ200をボンディングするためのボンディングパッドはアレイ状の半導体レーザのアレイの要素に対応して要素数だけあり、これらのボンディングパッドは各々独立して電気配線パターン103に接続されている。本実施例の光導波路300は屈折率が1.55のポリイミドによるクラッド層と屈折率が1.558のポリイミドによるコアにより形成されている。コアの断面の形状と寸法、クラッド層の厚さ及びコアのピッチは図８の実施例の場合と同じである。矩形のコアは酸素プラズマエッチングにより形成した。
【０１３１】
光導波路300には、矩形の孔303が形成されている。この孔303では基板100の表面と基板の表面に形成されたボンディングパッド及び電気配線パターンが露出している。この孔は酸素プラズマエッチングにより形成した。
【０１３２】
孔303の内側に露出したボンディングパッド102（隠れて見えない）にはアレイ状の半導体レーザ200がボンディングされている。この半導体レーザ200は図８の実施例に用いたものである。半導体レーザ200は光導波路300のコア302の端面に対向するようにボンディングされている。
【０１３３】
光導波路の上側表面にはリング状の金属部材304が形成されている。この金属部材304は蓋400を被着させるためのものであり金属の皮膜により形成されている。この金属皮膜は真空蒸着等により形成される。
【０１３４】
次に、蓋400には図10(b)の下側の面から上側に向かって窪み401が形成されており、さらに窪みの外周の表面にはリング状の金属部材402が形成されている。このリング状の金属部材402は蓋を基板側のリング状の金属部材304に被着させるためのものである。
【０１３５】
本図10の実施例では蓋400はセラミックにより形成されている。なお蓋400には金属、シリコンあるいはプラスチックを用いてもよい。蓋400に金属を用いる場合にはリング状の金属部材402は不要である。蓋400にシリコンあるいはプラスチックを用いる場合には、真空蒸着、メッキ、スパッタ等により表面に金属皮膜を形成すれば、インジウムや錫や半田等を用いて接着することが可能になる。蓋400にシリコンやセラミックなどの耐熱性の高いものを用いる場合にはスクリーン印刷の後焼結する方法又はリング状の金属板を低融点ガラスで張り合わせる方法等を用いることも可能である。また蓋にプラスチックを用いる場合には金属のリング402と304を無くし、高分子の接着剤を用いて光導波路300上に直接張り合わせてもよい。
【０１３６】
リング状の金属部材304は、金属の板によって形成されている。この金属の板は例えばプレス等で打ち抜いたものを蓋に張り合わせて形成する。張り合わせには高分子の接着剤あるいは低融点ガラス等を用いる。なお、スクリーン印刷により蓋400の表面にリング状の金属部材上に焼結材を含む金属のペーストを塗布し、これを焼結してもよい。さらに、真空蒸着、メッキ、スパッタ等により表面に金属皮膜を形成してもよい（この場合は必ずしもリング状でなくてもよい）。
【０１３７】
リング状の金属部材304の表面に低融点の金属（例えばインジウム、錫あるいは金錫共晶合金等）を被着させ、これに蓋の表面のリング状の金属部材402を重ね合わせ、低融点金属を溶融させた後、常温に戻してリング状の金属部材304にリング状の金属部材402を固着させる。この結果、孔303の中の半導体レーザ200は気密封止される。
【０１３８】
本図10の実施例では、光導波路300にポリイミドを用いたので、ボンディングパッド102及び電気配線パターン103及び金属皮膜によるリング状の金属部材304を形成した後に光導波路300および光導波路の孔303を形成することが可能になった。ボンディングパッド102及び電気配線パターン103及び金属皮膜によるリング状の金属部材304を平坦な面上に形成することができるため、これらをフォトリソグラフィーにより比較的容易に形成することができた。
【０１３９】
さらに図８と同様に半導体レーザ200をボンディングする際に許容される位置ずれの大きさが±15μmであるため、位置合わせも比較的容易であった。さらに、半導体レーザ200の気密封止も比較的簡単にすることができた。
【０１４０】
図11は石英の光導波路を用いる場合の第１の実施例（図８）の第２の変形実施例を示すものである。図11(a)は蓋をする前、図11(b)は蓋をした後を示すものである。
【０１４１】
石英の光導波路を形成するには、その行程で1000℃以上の温度で熱処理を行う必要がある。そのため光導波路300を形成した後に電気配線パターン103を形成する。そのため本実施例では光導波路300層の上側の表面に電気配線パターン103が形成されている。本実施例の光導波路のクラッド301の屈折率は1.46、コア302の屈折率は1.4673、コア302の断面は 5μm×5μmの矩形、アンダークラッド層301Aとオーバークラッド層301Bの厚さは30μmである。
【０１４２】
光導波路に形成した孔303の中に配線パターン（図示せず）とボンディングパッド（半導体レーザにより隠されている）を形成し、図８の実施例と同じ半導体レーザ200をボンディングパッドにボンディングしている。本実施例では光導波路を形成し、光導波路の孔303を形成した後でボンディングパッドを形成した。すなわち孔303と光導波路の境界による段差がある基板上にフォトリソグラフィープロセスを施しボンディングパッドを形成することになる。このためボンディングパッドの位置ずれが大きくなり易い。しかし、本実施例のボンディングパッドの位置ずれ（±5μm以下）は半導体レーザ結合トレランス（±15μm）に比べて十分小さいため、問題とはならない。セラミック製の蓋400をエポキシ樹脂によるリング304を介して接着し、半導体レーザを気密封止している。本実施例においても、半導体レーザの位置合わせが及び気密封止が容易にできる。
【０１４３】
なお、図10及び図11の実施例による光結合装置1Aは気密封止のため蓋をしても小型になる特徴がある。例えば 2mm×2mm×1mm 以下にすることも可能である。熱容量が小さくなるので、気密封止後の光結合装置１をペルチェ素子等の上に接着し温度調節をすることも容易になる。
【０１４４】
次に図12〜図16に、図10あるいは図11の第１の実施例の第１及び第２の変形実施例により気密封止された光結合装置1Aに光ファイバを接続する実施例を示す。本実施例においてはまず、最も光出力が大きい光導波路を選択する。図12は、図10の実施例により半導体レーザ200を搭載し気密封止した光結合装置1Aについて、光出力が最も大きい光導波路のコア302を選択する方法を例示するものである。
【０１４５】
図12の光ファイバ接続実施例においては、受光部の直径が 2mmのフォトダイオード２を用い、光結合装置1Aの光導波路300の各コア302から出力される光強度を計測する。フォトダイオード２の受光面のサイズが光導波路300のコア302が並んでいるアレイの端から端までの幅（約0.7mm）に比べて十分大きいので、フォトダイオード２を光導波路300の前方のほぼ中央に配置すれば、全てのコア302から出力する光を計測することができる。電極103から順次半導体レーザ200のアレイの要素に一定の電流を供給し、そのときの光出力を測定して光出力が最大になる一つの光導波路を選択することができる。
【０１４６】
図13〜図16は、図10に例示された第１の変形実施例における光結合装置１A と光ファイバ３の光結合を行う光ファイバ結合実施説明図を示すものである。
まず図13(a)及び(b)は、突起111（以下この突起をレールという）を有する共通基板110と、レール111に嵌合する溝122（以下このレール111に嵌合する溝122をレール嵌合溝という）を裏面に形成し、当レール嵌合溝を裏面に形成した光ファイバ搭載用基板120と、裏面にレール111に嵌合する溝104（以下、これもレール嵌合溝という）を形成した基板100Aを有する光結合装置1Aを示す。なお光結合装置１Aは、図10の実施例による光結合装置１の基板100に、レール嵌合溝104を形成するという変形を加えたものである。このような光結合装置1Aと光ファイバ搭載基板120のレール嵌合溝122及び104を共通基板110上のレール111に嵌合させて位置合わせをし、光結合している。
【０１４７】
共通基板110には表面の面方位が｛100｝のシリコン基板を用いている。このシリコン基板の表面に熱酸化膜（図示せず）を形成し、次いでフォトリソグラフィーとエッチング工程により所定のパターンの熱酸化膜によるエッチング用マスクを形成し（図示せず）、次いで強アルカリのエッチング液を用いてウエットエッチングする工程（この工程を異方性エッチングという）を用いてレール111を形成している。このレール111を形成する場合には、＜110＞方向に伸びるストライプ状の熱酸化膜によるエッチング用マスクパターン（図示せず）が用いられる。
【０１４８】
図13の光結合装置１Aの基板100A及びファイバ搭載基板120も表面の面方位が｛100｝のシリコン基板であり、レール嵌合溝104と122も異方性エッチングにより形成されたものである。レール嵌合溝104と122は、そのエッチング用マスクを形成する際に両面マスク合わせ装置を用い、それぞれ光導波路300のコア302のパターン及び光ファイバガイド溝121との相対位置が一定になるように形成されている。光ファイバガイド溝121に載置した光ファイバ３が、図12の実施例により選択された光導波路のコア302に対向するように光ファイバガイド溝121を形成し、これに光ファイバ３を載置し、光結合している。本方法を用いると、光ファイバ３の位置合わせが極めて容易になる。
【０１４９】
図14は、図13に示した光結合装置と光ファイバを光結合することに更に工夫を加えた光結合装置の第２の実施説明図であり、図13の第１の実施説明図の一部を変形したものである。図14による第２の実施例は、図13の第１の実施例の共通基板110のレールのサイズを比較的小さいものとし、光結合装置1Aおよび光ファイバ搭載基板120それぞれのレール嵌合溝104(光ファイバ搭載基板120に隠れて図14には図示していない)及び122を複数にし、且つレール嵌合溝104、122のピッチを光導波路のコア302のピッチと同じにしたものである。
【０１５０】
このようにすると、レール111に嵌合するレール嵌合溝104、122を選択することにより光ファイバ３に結合する光導波路のコア302を選択できるようになる。本実施例では、光ファイバ３が、例えば図12の実施例により選択された光導波路のコアに対向するものとなるようにレール嵌合溝104、122を選択し、レール111に嵌合させる。
【０１５１】
なお、図14にはレール111が１対（２本）のものが例示されているが、複数対のレールを形成してもよい。その場合は一つの対のレールと他の対のレールの間隔が光導波路のコアのピッチに等しくなるようにする。
【０１５２】
図15は、光結合装置と光ファイバを光結合するために工夫を加えた光結合装置の第３の実施説明図で図13の第１の実施説明図の一部を変形したものである。本実施例は、図13の第１の実施説明図におけるファイバ搭載基板120の表面に、光導波路のコア302(図12参照)のピッチと同じピッチの凹凸を有する周期的凹凸123を形成し、その凹凸123に嵌合する周期的凹凸132と、光ファイバ３を嵌合させる溝131（以下この「ファイバを嵌合させる溝131」を「光ファイバ押接溝131」という）を有する部材130で光ファイバ3をコア302(図12参照)に押接するものである（以下この「光ファイバを押接する部材130」を「光ファイバ押接部材130」という）。光ファイバ搭載基板120の表面の周期的凹凸123は、基板120を異方性エッチングすることによって形成される。さらに、光ファイバ押接部材130にも表面が｛100｝のシリコン基板が用いられており、光ファイバ押接溝131と光ファイバ押接部材の両サイドの周期的凹凸132も異方性エッチングによって形成されたものである。
【０１５３】
本第３の実施説明図によれば、光ファイバ押接部材130を左右に移動させて、光ファイバ３と光結合する光導波路のコア302を選択することができる。そのため、光ファイバ３に結合すべき光導波路のコア302の選択の自由度が向上する。
【０１５４】
図16は、光結合装置と光ファイバを光結合するために工夫を加えた光結合装置の第４の実施説明図であって、図15の第３の実施説明図の一部を変形したものである。本実施例は、図15の第３の実施説明図のファイバ搭載基板120のレール嵌合溝122のうち同時にレール111に嵌合するものを１組として、複数のレール嵌合溝122を形成したものである。ここに複数組のレール嵌合溝122はその組内の二つはサイズが同じで、異なる組の間ではサイズが異なるものとして形成されている。またレール嵌合溝122は、その組と組の間のピッチが、光ファイバ搭載基板120の表面の周期的凹凸123の間隔の正数倍になるように形成されている。
【０１５５】
本第４の実施説明図によれば、複数組のレール嵌合溝122のうちの１組を選択して光ファイバ３の光軸の高さを調節することができる。従ってレール111に嵌合したとき、光導波路のコア302と光ファイバ3の光軸の高さにずれが合った場合でも、これを補正することが可能になる。さらに、本実施例では、図15の実施例と同様に、光ファイバ押接部材130を左右に移動させることにより光ファイバ３と光結合する光導波路のコア302を選択することもできる。従って、まず、高さの調節のためにレール嵌合溝122を選択し、次いで光ファイバ押接部材130を左右に移動させて光ファイバ３と結合する光導波路のコア302を選択することができる。
【０１５６】
以上は光ファイバ３の左右の位置調節を扱った実施例であるが、一方光ファイバ３の光軸の高さを調節する必要がある。即ち、光導波路のコア302の光軸の高さとの誤差をなくすることにより光結合効率が更に向上する。
【０１５７】
図17〜図24は第１の実施例（図８）の変形実施例を示すものである。
まず図17は、図８の第１の実施例の基板100の代わりに、図17(b)に示すように、二つの基板170と基板140を用い、半導体レーザ200を基板170に搭載し、光導波路300を基板140に搭載する第3の変形実施例を示す図である。ここに図17(a)に半導体レーザ200を搭載すべき基板170の構成を例示し、図17(b)に半導体レーザと光導波路が搭載された基板170、140を共通基板110上に配列して、両者を光結合するための構成を示す。
【０１５８】
半導体レーザ200と光導波路300を搭載した基板170、140を配列するために、基板170と基板140の裏面にレール嵌合溝134、141を形成し、そのレール嵌合溝を、第３の基板である共通基板110のレール111に嵌合させている。
【０１５９】
本実施例を用いると、レール嵌合溝134、141のサイズを調節して半導体レーザ200と光導波路300の光軸の高さを調節することができるようになる。そのため両者の光軸の高さを一致させることが容易になる。また、半導体レーザ200をボンディングするための基板170の製造と光導波路300とを別々に独立して製造することが可能になる利点がある。例えば、光導波路300の製造に高温プロセスが必要な場合でも、半導体レーザ200を搭載するための基板170には何ら影響を及ばさないで済む。なお、本実施例の光結合装置に、図14〜図16に示す光ファイバ搭載基板を組み合わせると、光ファイバと光結合することが可能になる。
【０１６０】
図18は図８の第１の実施例の第４の変形実施例を示すもので、図14に示した第２の実施説明図における光導波路のコア302のパターンを変形したものである。本実施例では、光導波路のコアのピッチが、半導体レーザと対向する側は図８の場合と同じであるが、その反対側は250μmに広げられている。このようにすると、後に説明するように光ファイバとの結合が容易になる効果を生ずる。
【０１６１】
図19は図18の第4の変形実施例の光結合装置１について、光ファイバ３と結合すべき光導波路300のコア302を選択する方法の一つを例示するものである。本実施例は、図19の光導波路300の左側端面に、各々のコア302に対応させてアレイ状のフォトダイオード２を対向させた構成を用いるものである。その他に、半導体レーザ200のアレイ要素に順次電流を供給するレーザ駆動装置21と、フォトダイオード２の電流を測定する装置（電流測定装置）22を具備して構成される。
【０１６２】
レーザ駆動装置21による半導体レーザ200のアレイ要素の選択に同期してフォトダイオード２の出力電流を計測し、その電流が最大になる半導体レーザ200のアレイ要素と光導波路のコア302とを選択し、その導波路のコア302に光ファイバ３を結合する。
【０１６３】
図20は図18の第４の変形実施例による光結合装置１について、図19の実施例により選択された光導波路300のコア302に光ファイバ３を結合する一つの構成を例示するためのものである。基本的には、図13の実施例と同じように、図18の光結合装置１にレール嵌合溝104を形成したものを用い、この光結合装置１に形成したレール嵌合溝104と光ファイバ搭載基板120に形成したレール嵌合溝122を共通基板110のレール111に嵌合させ配列したものである。
【０１６４】
本実施例では光導波路のコア302のピッチを250μmに広げ、光ファイバ搭載基板120に複数のファイバガイド溝121を形成したので、どの光導波路のコアに対しても光ファイバ3を結合することが可能になった。そのため、本構造を用いれば、光ファイバ３と結合すべきコア302がどれであっても、共通の光ファイバ搭載基板120で光結合することができる。
【０１６５】
図21は図18の第4の変形実施例による光結合装置１に光ファイバ３を結合する他の構成を例示するものである。本例では、全ての光ファイバガイド溝121にそれぞれ光ファイバ３を搭載している。そしてすべての光ファイバ３の出力を計測し、光出力が最大のものを選択する。本実施例を用いれば、図25に例示するようなコアを選択する工程が不要となる。本実施例は、図25に例示したようなコアを選択する工程にかかるコストが多数の光ファイバを搭載するコストより大きい場合に、光結合装置と光ファイバとの結合に要する総合コストを削減することができる。
【０１６６】
図22は、図20の実施例を変形したもので、基板に、図20の実施例における基板100Aと光ファイバ搭載基板120を一体化した基板150を用いるものである。基板が一体化されるため、基板間の位置合わせが不要になる。
【０１６７】
図23と図24は、図22の実施例の場合とは逆に、図21の基板100Aを半導体レーザを搭載するための基板170と光導波路付基板140の二つの基板に分割したものである。本実施例を用いると、図21の実施例の利点の他に、図17の実施例と同様に、半導体レーザ200と光導波路300の相対高さの調節が容易になるという利点がある。
【０１６８】
図25は図18の第４の変形実施例に図10の第１の変形実施例を適用する例を示すものである。図25に例示するように、図18の変形例による光結合装置１に対しても、光導波路300に孔303を形成し、半導体レーザ200を孔の中に入れてボンディングし、蓋400をすることにより気密封止することができる。なお、図25には気密封止に関する部分の構成および製造方法を詳細には示していないが、本実施例における気密封止に関する部分の構成および製造方法及び蓋400の構成は、図10の実施例と同じである。
【０１６９】
図26は図22の実施例に図10の実施例を適用する例を示すものである。即ち、図22の実施例による光結合装置１に対して光導波路300に孔303を形成し、半導体レーザ200を孔303の中に入れてボンディングし、蓋400をすることにより気密封止することができる。なお、図26には気密封止に関する部分の構成および製造方法を詳細には示していないが、本実施例における気密封止に関する部分の構成および製造方法及び蓋400の構成は、図10の実施例と同じである。
【０１７０】
次に、図27〜図36は、半導体レーザと光導波路の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置の例１〜10を示すものである。
図27は高さ方向の光軸合わせが容易な光結合装置の例１で、基板に石英基板160を用い、その上にアンダークラッド層301Aとコア302とオーバークラッド層301Bを形成した光導波路300を用いるものである。基板160の屈折率は約1.46、アンダークラッド層301Aとオーバークラッド層301Bの屈折率は1.55、クラッド301A,301Bとコア302の比屈折率差は0.5％である（クラッド層301A及び301Bとコア302には図10の実施例の光導波路と同じポリイミドを使用）。
【０１７１】
本実施例では、基板160の屈折率が小さいのでアンダークラッド層301Aを薄くし、その厚さを調節して光導波路300のコア302の高さの調節を行うことができる。具体的にはアンダークラッド層301Aの厚さを4μm、コアの厚さを5μmにすれば、コアの中心の高さ（この場合には6.5μm）を半導体レーザ200の光軸の高さ（5.32〜9.32μm）に一致させることができる。
【０１７２】
この場合、光導波路の光軸の高さが低い（この場合には6.5μm）ので、アンダークラッド層301A及びコア302の厚さに±５％の誤差が生じた場合でも、光軸の高さ誤差（具体的には±0.4μm未満）は小さいものとなる。この場合の高さ誤差は、具体的には±0.4μm以下であり、本実施例の結合系において許される位置ずれの大きさ（具体的には±１μm）より小さいものとなる。したがって、製造誤差がある場合でも、所定の結合効率が得られる。なお、本実施例の適用範囲は図27のようなアレイ状の半導体レーザ200とアレイ状の光導波路300の光結合に限定されるものではない。図28の例２に示すように単体の半導体レーザ200と単体の光導波路300の光結合においても、光軸の高さを一致させるのに有効になる。
【０１７３】
図29は高さ方向の光軸合わせが容易な光結合装置の例３で、基板100にシリコン基板を用い、その上に熱酸化膜（図示せず）を形成し、その上にバッファ層310を形成し、さらに、その上にアンダークラッド層301Aとコア302とオーバークラッド層301Bよりなる光導波路300を形成したものである。ここで、半導体レーザ200をボンディングするためのボンディングパッド（図では見えず）及び電気配線用のパターン（図示せず）は、シリコン基板100の表面の熱酸化膜（図示せず）上に形成されている。熱酸化膜はシリコン基板100を熱酸化したものであり、その厚さは２μmである。本実施例においても、熱酸化膜101（図29には記載せず）は、図８に例示するように、基板100の上側の表面全体を覆っている。
【０１７４】
図29の本実施例において、バッファ層310はシリコンの酸化物によって形成されるものである。熱CVDにより3.2μmのシリコン酸化物の層（これがバッファ層310になる）を厚さ２μmの熱酸化膜（図示せず）上に形成したものがバッファ層310付の基板となる。
【０１７５】
光導波路300はアンダークラッド層301A及びオーバークラッド層301Bの屈折率が1.55、クラッド層301A又は301Bとコア302の比屈折率差が0.5％、コア302の断面のサイズが６μm×６μmである。アンダークラッド層301Aの厚さは約２μmである。
【０１７６】
本実施例では、アンダークラッド層301Aより低屈折率のバッファ層310があるため、図5に例示したように、基板側に伸びる電界はその強度が急激に減衰する。そのため、アンダークラッド層301Aが薄い場合でも光の基板放射が低減される。
【０１７７】
さらに、本実施例によれば、バッファ層310とアンダークラッド層301Aの厚さとコア302の厚さの２分の１を加えた厚さ（8.2μm）を半導体レーザの光軸高さ（5.32〜9.32μm）に等しくすることが可能になる。またその全体の厚さの絶対値が小さいので、高さ誤差が小さくなる。そのため半導体レーザ200と光導波路300の光軸の高さ合わせが容易になる。さらに、基板100にシリコン基板を用いているので、異方性エッチングで例えば図13の実施例に示すようなレール嵌合溝104を形成し、光ファイバ３と結合することが可能になる。
【０１７８】
なお、本実施例の適用範囲は図29のようなアレイ状の半導体レーザ200とアレイ状の光導波路300の光結合に限定されるものではない。図30は高さ方向の光軸合わせが容易な光結合装置の例4で、図30に例示するように単体の半導体レーザ200と単体の光導波路300の光結合においても、光軸の高さを一致させるのに有効である。
【０１７９】
図31は高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置の例５にて、基板100にシリコン基板を用い、その上にバッファ層310（材料はシリコンの酸化物、厚さは5μm）を形成し、その上にアンダークラッド層301A（厚さ3.5μm、屈折率1.55のポリイミド）とコア302（比屈折率差0.5％、６μm×６μmの断面サイズを有するポリイミド）とオーバークラッド層301B（厚さ3.5μm、屈折率1.55のポリイミド）よりなる光導波路300を形成したものである。ここに、半導体レーザ200をボンディングするためのボンディングパッド（図では見えず）及び電気配線用のパターン（図示せず）は、バッファ層310の上に形成されている。
【０１８０】
本実施例において、バッファ層310はシリコンの酸化物によって形成される。バッファ層310は、シリコン基板100を熱酸化して2μmの熱酸化膜を形成し、次いで熱CVDにより3μmのシリコン酸化物を堆積し形成した。
【０１８１】
本実施例においても、アンダークラッド層301Aより低屈折率のバッファ層310のため、図5に例示したように、基板側に伸びる電界はその強度が急激に減衰する。そのため、アンダークラッド層301Aが薄い場合でも光の基板放射が低減される。
【０１８２】
さらに、本実施例によれば、バッファ層310とアンダークラッド層301Aの厚さとコア302の厚さの２分の１を加えた厚さ（6.5μm）を半導体レーザ200の光軸高さ（5.32〜9.32μm）に等しくすることが可能になる。またその全体の厚さの絶対値が小さいので、高さ誤差が小さくなる。そのため半導体レーザ200と光導波路300の光軸の高さ合わせが容易になる。
【０１８３】
さらにまた、基板100にシリコン基板を用いているので、異方性エッチングで例えば図13の実施例に示すようなレール嵌合溝104を形成し、光ファイバ３と結合することが可能になる。なお、本実施例の適用範囲は図31のようなアレイ状の半導体レーザ200とアレイ状の光導波路300の光結合に限定されるものではない。図32は高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置の例６にて、図32に示すように単体の半導体レーザ200と単体のコアを有する光導波路300の光結合においても、光軸の高さを一致させるために用いることができる。図33は高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置の例７にて、基板100にシリコン基板を用い、その上に厚さ20μmのポリイミドのバッファ層310を形成し、その上にシリコン窒化膜311を形成し、その上にポリイミドのアンダークラッド層301Aとポリイミドのコア302とポリイミドのオーバークラッド層301Bよりなる光導波路300を形成したものである。ここに、半導体レーザ200をボンディングするためのボンディングパッド（図では見えず）及び電気配線用のパターン（図示せず）は、シリコン窒化膜311の上に形成されている。本実施例において、バッファ層310はアンダークラッド層301Aに用いるものと同じ組成のポリイミドであり、光導波路を構成するクラッド層301A,301Bとコア302の材料と寸法は図31の実施例のものと同じである。シリコン窒化膜311はプラズマCVDで形成したものでその厚さは約200nmである。なおバッファ層310は光導波路のクラッド層301A及び301Bより屈折率が小さいものであってもよい。本実施例によっても図31の実施例と同じ効果が得られる。
【０１８４】
なお、本実施例の適用範囲は図33のようなアレイ状の半導体レーザ200とアレイ状の光導波路300の光結合に限定されるものではない。図34は高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置の例８にて、図34に示すように単体の半導体レーザ200と単体のコアを有する光導波路300との光結合においても、光軸の高さを一致させるのに有効である。
【０１８５】
図35は高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置の例９にて、基板100に窪み106を形成し、窪みの部分にバッファ層310を埋め込み、その上にアンダークラッド層301Aとコア302とオーバークラッド層301Bよりなる光導波路300を形成したものである。ここに、バッファ層310の表面は基板100の窪み106のない部分と同じ高さにする。半導体レーザ200をボンディングするためのボンディングパッド（図では見えず）及び電気配線用のパターン（図示せず）は、基板100の窪み106のない部分の表面に形成されている。
【０１８６】
本実施例において、バッファ層310はシリコンの酸化物によって形成されるものであり、光導波路300のクラッド層301A,301Bとコア302の材料と寸法は図31の実施例のものと同じである。
【０１８７】
本実施例による光結合装置は、例えば次のようにして製造される。
基板100に、表面の面方位が｛100｝のシリコン基板を用い、これを異方性エッチングして窪み106を形成する。次いで、スパッタあるいはＣＶＤあるいは塗布工程等により、窪み106にバッファ層310の材料になるものを埋め込み、必要があれば熱処理等を行って透明にする。なお本実施例のようにバッファ層310にシリコンの酸化物を用いる場合には1000℃以上の温度で熱処理する。次いで、研削し、バッファ層310の表面と基板100の表面が同じ高さになり、バッファ層310の表面が平坦になるようにする。次いで表面に絶縁膜（例えば窒化シリコン膜等。図35には明示せず。）を形成し、その上にボンディングパッド（図では見えず）と電気配線パターン（図示せず）を形成し、次いで光導波路300を形成する。ここに、絶縁膜形成は基板と電気配線パターンを絶縁するために行うものであり、この目的が達成されるのであれば他の方法を用いてもよい。
【０１８８】
バッファ層310の厚さは10μm、クラッド層301A,301Bとコア302の構成は図31のものと同じである。
本実施例によれば図31の実施例と同様に光導波路300と半導体レーザ200の光軸の高さを一致させるのが容易になる効果を生ずる。さらに、半導体レーザ200をボンディングする面がシリコン基板100の表面であるので、熱放散が良好になる効果も生ずる。
【０１８９】
なお、本実施例において、バッファ層310は、その屈折率が光導波路300のアンダークラッド層301Aと同じかあるいは低屈折率で透明なものであれば何でもよい。例えばポリイミドでもよい。さらに、バッファ層310の上に形成される光導波路300はポリイミド導波路に限られるものではなく、その他の有機物又は無機物による光導波路であってもよい。
【０１９０】
また、本実施例の適用範囲は図35のようなアレイ状の半導体レーザ200とアレイ状の光導波路300の光結合に限定されるものではない。図36は高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置の例10にて、図36に示すように、単体の半導体レーザ200と単体のコアを有する光導波路300の光結合においても光軸の高さを一致させるのに有効になる。
【０１９１】
なお、以上説明したもののうち、図27の実施例の光導波路300の構造および半導体レーザ200の実装方法は、図８、図10および図12の実施例の光導波路300及び半導体レーザ200の実装にも適用可能である。
【０１９２】
同様に、図28〜図36の実施例の光導波路300の構造および半導体レーザ200の実装方法は、図８、図10、図11、図13〜図18、図20〜図26の実施例の光導波路300及び半導体レーザ200の実装にも適用可能である。
【０１９３】
図37、図39、及び図40は、光が光導波路を伝搬するにつれて、場所により光のスポットサイズあるいは閉じ込めの強さが変化する単体の光導波路の実施例を示すものである。
【０１９４】
図37は伝搬するに伴い光スポットサイズが変化する光導波路の例１を示し、相対的に高い屈折率の主コア302Aを相対的に屈折率が低い副コア302Bで取り囲んだ構造のコア302を有する光導波路300を例示するものである。図37(a)はその斜視図を、図37(b)は図37(a)の上側から見た平面図を、図37(c)は図37(b)の線X₁-X₁'上およびX₂-X₂'上の屈折率分布を、図37(d)は右下方向から見た側面図断面を、図37(e)は図37(d)の線Y₁-Y₁'上及びY₂-Y₂'上の屈折率分布を示す。なお図37(d)は光軸中心に沿って切断したときの側面断面図、図37(c)の点線はX₁-X₁'上の屈折率分布、図37(c)の実線はX₂-X₂'上の屈折率分布、図37(e)の点線はY₁-Y₁'上の屈折率分布、図37(e)の実線はY₂-Y₂'上の屈折率分布、図37(d)の線(1)と(2)は導波路にガイドされる光の電界分布である。
【０１９５】
本実施例の光導波路300は、一方の端には主コア302Aを有し、そこから光軸に沿って進むに従って、一定の区間では一定の幅の主コア302Aを有し、次いで主コア302Aの幅が徐々に狭くなり、次いで主コア302Aが消失する。具体的構成は、クラッド層301の屈折率が1.55、クラッド層301と副コア302Bの比屈折率差が0.5％、主コア302Aの屈折率が1.6、副コア302Bの断面の外形寸法が６μm×６μm、主コア302Aを含む側の端において、主コア302Aの厚さが0.8μm、幅が3μmである。また、クラッド層301、副コア302Bおよび主コア302Aはいずれもポリイミドである。
【０１９６】
このような構成の光導波路300は、図37(d)の(1)、(2)に示すように、主コア302Aがある部分では主コア302Aをコアとし、副コア302Bをクラッドとするような導波路が形成される。そのため、主コア302Aが存在する側では相対的にスポットサイズが小さくなり、主コア302Aが存在しない側では相対的にスポットサイズが大きくなる。
【０１９７】
具体的には、主コア302Aを有する側の導波路にガイドされる光のスポットサイズは約3.1μm（縦）×5.5μm（横）であり、主コア302Aがない側の導波路のスポットサイズの径は約6.7μmである。
【０１９８】
本実施例による光導波路300の主コア302Aを有する側のスポット径は、図８の実施例に用いた半導体レーザ200のスポットサイズとほぼ等しい。具体的には、図８の実施例に用いた半導体レーザ200のスポットサイズは3μm×6.8μmである。そのため、例えば図８の実施例の光導波路300に本実施例による光導波路300を用い、主コア302Aを有する側と半導体レーザ200を対向させると、高い結合効率が得られる。
【０１９９】
さらに、主コア302Aがない側の光導波路と光ファイバとは、比較的高い効率で結合する。そのため、例えば図８、図10等に例示する光結合装置の光導波路に本実施例の光導波路を用いると、半導体レーザと光導波路の両方に高効率で結合する光結合装置が実現される。以下に、具体的に、図38のような結合系の場合の結合効率を例示する。図38(a)は半導体レーザ200に光ファイバ 3 を直接結合する場合、図38(b)は半導体レーザ200と光ファイバ3 を主コア302Aを有しない光導波路300を介して結合する場合、図38(c)は半導体レーザ200と光ファイバ3 を本実施例（図37の実施例）の光導波路を介して結合する場合である。
【０２００】
これら三つの場合について、半導体レーザ200の接合に垂直な方向のみに着目して半導体レーザ200と光ファイバ３の最大の光結合効率を求めると、図38(a)の場合が約67％、図38(b)の場合が約77％、図38(c)の場合が約95％になる。このように本実施例を用いると、比較的容易に、高結合効率の光結合装置を実現することができる。
【０２０１】
以上、クラッド層301、副コア302Bおよび主コア302Aがポリイミドである光導波路について説明したが、これらは無機材料であってもよいし、有機材料の層と無機材料の層が混在するものであってもよい。
【０２０２】
そこで次に、例えば、クラッド層301と副コア302Bにポリイミドを用い、主コア302Aにシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を用いる場合の実施例について説明する。
【０２０３】
このような実施例の光導波路は、図37と同じ構成とし、例えばプラズマＣＶＤでシリコン窒化膜を形成し、これを主コア302Aとすればよい。具体的な構成は、クラッド層301の屈折率が 1.55 、クラッド層301と副コア302Bの比屈折率差が0.5％、主コア302Aの屈折率が 1.7、副コア302Bの断面の外形寸法が 6μm×6μm、主コア302Aを含む側の端において、主コア302Aの厚さが 0.19μm、幅が 4.55μmである。
【０２０４】
このような光導波路の主コア302Aを有する側のスポットサイズは 3μm×5.7μmである。例えば図８の実施例の光導波路300にこのような光導波路を用い、この光導波路の主コア302Aを有する側を半導体レーザ200に対向させると、垂直方向のみについては99％の効率で光結合する。このように本実施例を用いると、垂直方向のスポットサイズを半導体レーザに一致させ、結合効率を向上させることが容易になる。その結果結合効率が向上する。
【０２０５】
次に、本実施例により光導波路にガイドされる光のスポットサイズを大きく変化させる例を図７を用いて説明する。図７はクラッド層301と副コア302Bの比屈折率を0.5%、副コア302Bの厚さを 5μm、主コア302Aの屈折率を1.6〜1.9の間で変化させたときのスポットサイズを例示するものである。図７のグラフのうち曲線(a)は主コア302Aの厚さが0.2μmの場合、曲線(b)は主コア302Aの厚さが0.5μmの場合である。
【０２０６】
図７によれば、主コア302Aの屈折率と厚さを変化させてスポットサイズを約 1μm〜7μmの間で変化させることが可能になることがわかる。
さらに、本実施例において副コア302Bの屈折率及び断面のサイズを変化させると、主コア302Aがない側にガイドされる光のスポットサイズを変化させることも可能になる。
【０２０７】
例えば図６のグラフ(a)は、図８のようなスラブ導波路のコア302とクラッド層301（屈折率1.55）の比屈折率差が変化したとき、光導波路にガイドされる光のスポットサイズがどのように変化するかを例示するものである。なお、コア302とクラッド層301の比屈折率差を変化させるとコア302の厚さも変化させなければならないため、図６にはコア302の厚さ（グラフ(b)）も同時に示している。
【０２０８】
図６によれば、副コア302Bの屈折率と厚さを変化させてスポットサイズを約 5μm〜12μmの間で変化させることが可能になることがわかる。光導波路にガイドされる光のスポットサイズを拡大すると、光導波路と光ファイバの結合効率が向上し、さらに結合トレランスが拡大される。
【０２０９】
このように、本実施例を用い、主コア302Aおよび副コア302Bのサイズと屈折率を変化させることにより、ガイドされる光のスポットサイズを広い範囲にわたって変化させることが可能な光導波路が実現される。その結果、高い結合効率と大きな結合トレランスを有する光結合構造を形成することが可能になる。
【０２１０】
図39と図40は伝搬するに伴い光のスポットサイズが変化する光導波路の例２、例３及び例４であって、光軸方向に進むに従って副コア302Bの断面形状が変化する光導波路の実施例を示すものである。ここに、図39は、図37の実施例において、
主コア302Aがある側の副コア302Bの幅を主コア302Aと同じにしたものである（図37の場合には主コア302Aに比べて副コア302Bのほうが幅が広い）。このようにすると、後に説明するように、光導波路の主コア302Aを有する側の横方向のスポット径がより小さくなる。そのため本実施例を用いると、例えば、横方向のスポット径がより小さい半導体レーザとの結合効率が向上する。
【０２１１】
図40(a)は、主コア302Aが存在する側の副コア302Bの幅を、主コア302Aの幅よりも広く且つ反対側の端の副コア302Bの幅よりも狭くしたものである（図37の場合には副コア302Bの幅が一定である）。このようにすると、後に説明するように、光導波路の主コア302Aを有する側の横方向のスポット径が図37の実施例の場合と図39の実施例の場合の中間になる。
【０２１２】
図40(b)は、主コア302Aが存在する側の副コア302Bの幅が、相対的に広くなるようにしたものである（図37の場合には副コア302Bの幅が一定である）。このようにすると、後に説明するように、光導波路の主コア302Aを有する側の横方向のスポット径が相対的に大きくなるので、横方向のスポット径が相対的に大きい半導体レーザとの結合効率を向上させることができる。
【０２１３】
図41は、図39及び図40の実施例の効果を定性的に説明するためのものである。ここに図41(a)は光導波路の断面図である。クラッド層301の屈折率をn₁、副コア302Bの屈折率をn₂、主コア302Aの屈折率をn₃で示す。また、主コア302Aの幅をWm、副コア302Bの幅と主コア302Aの幅の差をWsで示している。さらに(1)は、この導波路にガイドされる光の電界強度分布を示しており、そのスポットサイズをWeで示す。
【０２１４】
図41(b)は図41(a)のWsと副コア302Bの屈折率n₂が変化した場合のWeの変化を定性的に示すものである。Wsを横軸にとり、n₂をα、β、γにしたときのWeの変化を示している。
【０２１５】
図41(b)に図示したように、Wsが大きくなるとスポットサイズWeが大きくなる。またn₂が大きくなるとスポットサイズが大きくなる。なおWsが一定値より小さくなると逆の変化をするようになる。具体的には図37の実施例の光導波路（主コア302Aを、屈折率1.7、厚さ0.19μmのシリコン窒化膜で構成するもの）において、例えばWsを10μmにすると、横方向のスポット径は6.3μmになる（Wsが0.7μmの場合のスポット径は5.7μm）。さらに、Wsを十分広くし（例えば20μm）、Wmを1.5μmまで狭くすると、横方向のスポット径は7.2μmになる。
【０２１６】
図37の実施例のうち、主コア302Aを、屈折率1.6、厚さ0.8μmのポリイミドで構成するものの場合には、Wmを1.6μm、Wsを10μmにすると、横方向のスポット径は6.5μmになる。このように、WsとWmを調節すると、広い範囲にわたってスポットサイズを調節することができる。光導波路のスポットサイズを調節し、半導体レーザに一致させることにより高い結合効率を持った光結合装置を実現することができる。
【０２１７】
なお、図37、図39および図40の実施例は、図８、図10、図11、図13〜図18、図20〜図36の実施例の、いずれの導波路にも適用可能である。
図42は主コア及び副コアを用いた曲がり導波路を有する単体の光導波路であって、図37の実施例による光導波路を曲がりを有する導波路に適用する例を示したものである。図42(a)は、光導波路を、曲がりの部分およびその前後に主コア302Aを有する構成としたものである。図42(b)は、光導波路を、曲がりの部分から片方の端部にかけて主コア302Aを有する構成としたものである。
【０２１８】
本実施例による導波路は、曲がりの部分において光が強く閉じ込められるので、曲がりの曲率を比較的小さくした場合でも損失が小さいものとなる。
さらに図42(b)の場合には、主コア302Aのある側にガイドされる光のスポットサイズが小さいものとなり、半導体レーザ等との結合効率が向上する効果が得られる。
【０２１９】
例えば図18、図20〜図26の実施例に示す光結合装置の光導波路300に、図42の光導波路300を用いると、装置を小型にすることができる。さらに、例えば図18、図20〜図26の実施例に示す光結合装置の光導波路300に、図42(b)のものを用い、主コア302Aを有する側の端面を半導体レーザ300に対向させた場合には、両者のスポットサイズが一致するようになり光結合効率が向上する効果も得られる。
【０２２０】
図43はコアの幅を変化させた曲がり導波路を有する光導波路であって、図43において、光導波路を、曲がりの部分およびその前後で幅が広くなる構成のコア302の周囲をクラッド層301で取り囲む構成としたものである。ここに図43(a)は本実施例による光導波路の斜視図、図43(b)は図43(a)を上側から見た平面図である。
【０２２１】
本実施例による導波路は、曲がりの部分において光が強く閉じ込められるので、曲がりの曲率を比較的小さくした場合でも損失が小さいものとなる。
例えば図18、図20〜図26の実施例に示す光結合装置の光導波路300に、図43の光導波路300を用いると、装置を小型にすることができる。
【０２２２】
図44および図45は、光導波路300を、ポリイミドによるクラッド層301Aの上側にプラズマＣＶＤで形成したシリコン窒化膜311を配置し、その上にコア302とオーバークラッド層301Bを配置した構成としたものである。シリコン窒化膜311の厚さは200nm以下である。
【０２２３】
図44(a)は単一の構成のコア302を有する例１にて、図44(b)および図45(a)〜図45(c)は、コア302を主コア302Aと副コア302Bの複合体で構成する例２、例３、例４及び例５である。それぞれ図37、図40(a)、図40(b)、図39に対応する導波路のクラッド301とコア302の間にプラズマＣＶＤで形成したシリコン窒化膜311を配置したものである。本実施例では、コア302となるべき層を形成した後にその上にマスクを形成し、次いで酸素プラズマでエッチングして矩形のコア302を形成する。本実施例を用いると、酸素プラズマエッチングによりコア302を矩形に加工する際、シリコン窒化膜311がエッチングストップ層になり、加工が容易になる。
【０２２４】
図46は、図10の実施例において、金属製のリング304の下側に相当する部分および半導体レーザ200に対向する端部を、主コア302Aと副コア302Bの複合体で構成されるコア302を有する導波路にしたものである。具体的には、本導波路は、クラッド層301の屈折率が1.55、副コア302Bの屈折率が1.558、主コア302Aの屈折率が1.6、副コア302Bの断面の外形寸法が 6μm×6μm、さらに、主コア302Aを含む側の端において、主コア302Aの厚さが 1μm、主コア302Aの幅が 3μm、アンダークラッド層301Aとオーバークラッド層301Bの厚さが20μmである。このようにすることにより、金属製のリング304が存在することによる損失を低減することができる。
【０２２５】
図47は、図10又は図11の実施例において、気密封止の際の光結合装置1Aの電気的な接続端子の確保のために、電気配線パターン502を形成した独立した部材（電気配線部材500）を用いるものである。
【０２２６】
光導波路300は、図35に例示したような基板100の窪み106にバッファ層310を埋め込んだものである。電気配線パターン502はリング状のセラミック基板501とリング状のセラミックの板503に挟まれるように形成されている。セラミック板503の上にはリング状に金属皮膜504が形成され、その上に蓋400を抵抗溶接し、気密封止をしている。
【０２２７】
図48と図49は、図47に例示した光結合装置の製造工程を示すものである。まず図48(a)のように、異方性エッチングでシリコン基板100に窪み106を形成する。次いで、図48(b)のように、窪み106にバッファ層310の材料（具体的には石英又はポリイミド樹脂）を充填し、次いで表面を研削して平坦にする。次に、図48(c)のように、クラッド層301とコア302で構成される光導波路300を形成する。さらに、基板の窪み106の右上側の端に相当する部分がその端になるように、導波路300に孔303を形成する。孔303の部分には基板100の表面および基板100の表面に形成された電気配線パターン（図示せず）及び半導体レーザをボンディングするためのボンディングパッド102が露出している。
【０２２８】
なお、光導波路300に有機材料を用いる場合には、基板の表面に電気配線パターン（図示せず）とボンディングパッド102を形成した後、光導波路の材料を塗布し、光導波路300及び孔303を形成する。光導波路に石英等の高温処理を要する材料を用いる場合には、光導波路300と孔303を形成した後、孔303の部分の基板100の表面に電気配線パターン（図示せず）とボンディングパッド102を形成する。
【０２２９】
次に、図49(a)に示すものは、光導波路付基板に張り合わせるための独立した電気配線部材500である。電気配線部材500は、図49(a)のように、セラミック基板501上に電気配線パターン502を形成し、さらにその上にセラミックの板503を張り合わせ、さらにその上にリング状の金属皮膜504を形成したものである。
【０２３０】
このような電気配線部材500を、図49(b)に示すように、光導波路付基板の上に張り合わせる。次に、図49(c)のように、アレイ状の半導体レーザ200をボンディングする。次にリング状の金属皮膜504のうえに金属製の蓋400を重ね、周囲を抵抗溶接すれば、図47のように気密封止される。
【０２３１】
本実施例によれば、別に製造した電気配線部材500を張り合わせるだけで気密封止をすることができるようになる。そのため、電気配線の製造工程が、導波路の製造工程に影響されなくなる。
【０２３２】
例えば、図10又は図11の実施例においては、光導波路の製造工程に対応して電気配線パターン103の材料および製造工程を選択する必要がある。しかし、本実施例では電気配線部材を別に製造するので、その製造工程は光導波路の製造工程とは全く無関係となる。そのため、例えば、集積回路用パッケージの製造工程をそのまま使用する等電気配線部材の製造に従来の製造方法を用いることが可能になる。
【０２３３】
【発明の効果】
以上説明した如く本発明によれば、光結合させるべき半導体レーザと光導波路の２種類の光部品をそれぞれアレイ状に配列して対向させ、それらアレイ状の光部品を、それら光部品の要素部品間の配列ピッチが光結合に許容される結合トレランスの±２倍の誤差範囲内に止まるよう配列して基板上に製作し、それぞれ対向した２種類の光部品間の光結合を測定して最も高い結合度を示す一対の光部品を選択することによって、光結合させるべき２種類の光部品の、基板と平行な横方向の位置調整のための光学調整が不要になり、また、２種類の光部品のいずれか一方の光部品を、光学調整のために一時的に発光させることによって損傷させてしまうことを未然に防ぐことができ、さらに、光ファイバと半導体レーザを光結合させる場合、これらの中間にアレイ状の光導波路を介在させるため、半導体レーザを小さなピッチでアレイに配列できて、半導体レーザと光導波路の２種類の光部品をアレイ状にしても光結合装置全体を小型化でき、
さらに、本発明によれば、上記２種類の光部品を基板上に設置する場合、光導波路のアンダークラッド層と基板の間にアンダークラッド層より低屈折率のバッファ層を設けることにより、アンダークラッド層とバッファ層を合わせた層厚を薄くすることができ、光学調整を行わずに、上記半導体レーザと光導波路との、上記横方向と直角の高さ方向の光軸ずれを軽減させることができ、
さらに、本発明によれば、上記バッファ層を無機材料で作り、上記アンダークラッド層、コア及びオーバークラッド層を含む光導波路を有機材料で作ることにより、当光導波路を形成するまえに容易にバッファ層の上に電気配線用パターンや半導体レーザを載置するボンディングパッドを形成することができ、また、光導波路をプラズマエッチングにより容易に形成することができ、
さらに、本発明によれば、光導波路のコアを、主コアと主コアより低屈折率の副コアを、主コアを中心に副コアをその周囲を取り巻く構造で且つ光の進行方向に沿って主コアの断面積を徐々に小さくなるように形成することによって、あるいは、光導波路のコアの断面積を光の伝播方向に変化させることによって、コアを伝播する光のスポット径を変化させることができ、主コアの断面積が大きい側に半導体レーザを、小さい側に光ファイバを接続した場合、高い結合度にて半導体レーザと光ファイバを光結合させることができ、また、光導波路を小さい曲率半径で曲げることができて光結合装置を小型化できる効果がある。
【０２３４】
以上の実施例を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１） 光ビームを放射もしくは受信する端面を有する第一の要素部品が第一の間隔で複数個配列された第一の光部品と、該第一の要素部品側へ光ビームを放射もしくは該第一の要素部品側からの光ビームを受信する端面を有する第二の要素部品が該第一の間隔とは異なる第二の間隔で複数個配列された第二の光部品とを、該第一の要素部品の各々と該第二の要素部品の各々が対向するように基板上に配置し、少なくとも１個の該第一の要素部品と少なくとも１個の該第二の要素部品とが光結合することを特徴とする光結合装置。
（付記２） 前記第一の要素部品が、クラッド層と該クラッド層で取り囲まれた該クラッド層より高屈折率なコアとを含み、該コアに沿って伝搬する光ビームの光軸の垂直方向に対する光強度分布の拡がりが２カ所の前記端面で異なる機能を備える光導波路であることを特徴とする付記１に記載の光結合装置。
（付記３） 前記基板表面の一部に窪みを有し、該窪みに、前記第一の要素部品の表面が該基板表面と同じ高さになるように該第一の要素部品の前記光導波路のクラッド層の一部分を埋め込むことを特徴とする付記２に記載の光結合装置。
（付記４） 前記基板表面の一部に窪みを有し、該窪みに、前記第一の要素部品の表面が該基板表面と同じ高さになるように前記クラッド層と同じかそれより低い屈折率を有するバッファ層が埋め込まれており、且つ、該バッファ層の上に該第一の要素部品の該光導波路を設けたことを特徴とする付記２に記載の光結合装置。
（付記５） 前記基板表面に前記第一の要素部品の前記光導波路のクラッド層と同じかそれより低い屈折率を有するバッファ層が形成され、該バッファ層の表面に該光導波路を設けたことを特徴とする付記２に記載の光結合装置。
（付記６） 前記バッファ層の表面に前記第二の光部品を載置していることを特徴とする付記５に記載の光結合装置。
（付記７） 前記バッファ層が無機材料、前記光導波路のクラッド層及びコア層が有機材料で形成されていることを特徴とする付記４もしくは付記５に記載の光結合装置。
（付記８） 前記コア層の前記バッファ層側にあるアンダークラッド層、前記コア層の上側にあるアッパークラッド層を有機材料で構成し、該バッファ層と該アンダークラッド層との間に無機材料の薄膜を挟み込むことを特徴とする付記５もしくは付記６に記載の光結合装置。
（付記９） 前記基板上の窪みに埋め込まれたバッファ層又はクラッド層が有機材料であることを特徴とする付記３もしくは付記４に記載の光結合装置。
（付記１０） 基板上に、互いに対向して載置された少なくとも一つの光導波路と少なくとも一つの光部品とを有し、該光導波路をいずれかの方向に伝播する光ビームの光軸に垂直な断面の光分布の広がりが、該光部品に対向する端面側では小さく、該端面側とは反対側の端面に近づくに従って大きくなるか、又は該光部品に対向する端面側では大きく、該端面側とは反対側の端面に近づくに従って小さくなる機能を有することを特徴とする光結合装置。
（付記１１） 前記光導波路が、少なくともその一部に、相対的に高屈折率で且つ光軸方向に進むに従い該光導波路の断面積又は断面の形状が変化する部分を有する主コアの周囲を該主コアより低屈折率で且つ該光導波路のクラッド層より高屈折率の副コアで取り囲んだ複合コアを有するものであり、更に該複合コアの周囲が該クラッド層で取り囲まれたものであることを特徴とする付記１０に記載の光結合装置。
（付記１２） 前記光導波路が、少なくともその一部に、相対的に高屈折率で且つ光軸方向に進むに従い該光導波路の断面積又は断面の形状が変化する部分を有する主コアを、該主コアより低屈折率で且つ該光導波路のクラッド層より高屈折率の副コアで上下又は左右の２方向からサンドイッチ状に挟み込んだ構造の複合コアを有するものであり、更に該複合コアの周囲を該クラッド層で取り囲んだ構造を有することを特徴とする付記１０に記載の光結合装置。
（付記１３） 光軸方向に進むに従い前記副コアの断面積又は断面の形状が変化する部分 を有することを特徴とする付記１１もしくは付記１２に記載の光結合装置。
（付記１４） 基板上に、少なくとも一カ所の曲がり部と該曲がり部の両端から伸びる２つの直線部とを具備した第一の光部品である光導波路と該光導波路直線部の一端に対向して載置された第二の光部品とを有し、少なくとも該光導波路の曲がり部分が、相対的に高屈折率の主コアの周囲を該主コアより低屈折率で且つクラッド層より高屈折率の副コアで取り囲んだ複合コアを有するもので、且つ該複合コアの周囲が該クラッド層で取り囲まれたものであり、且つ該光導波路の少なくとも一つの直線部の一部に、主コアを含まない構成の光導波路部を有していることを特徴とする光結合装置。
（付記１５） 基板上に、相対的に高屈折率のコアを相対的に低屈折率のクラッド層で取り囲んだ構造で且つ少なくとも１カ所の曲がり部と該曲がり部の両端から伸びる２つの直線部とを具備した第一の光部品である光導波路と、該光導波路の直線部の一端に対向して載置された第二の光部品とを有し、少なくとも該光導波路の直線部のうちの曲がり部から離れた領域のコアの断面積が曲がり部よりも相対的に小さくなっていることを特徴とする光結合装置。
（付記１６） 前記光導波路のクラッド層、副コア層、主コア層の少なくとも１層を有機物の層とすることを特徴とする付記１１乃至付記１４のいずれかに記載の光結合装置。
（付記１７） 前記光導波路の主コア層に無機材料を副コア層に有機材料を使用することを特徴とする付記１１乃至付記１４のいずれかに記載の光結合装置。
（付記１８） 互いに接している有機物材料の層間に、更に無機材料の薄膜を追加して積層したことを特徴とする付記９、付記１６、付記１７のいずれかに記載の光結合装置。
（付記１９） 前記光導波路を伝播する光ビームの光軸に垂直な前記コアの断面の光分布の広がりが、前記第二の要素部品に対向する端面側では小さく、該端面側とは反対側の端面に近づくに従って大きくなるか、又は該第二の要素部品に対向する端面側では大きく、該端面側とは反対側の端面に近づくに従って小さくなる機能を有することを特徴とする付記２〜付記９のいずれかに記載の光結合装置。
（付記２０） 前記コアの一部の領域において、該コアが、相対的に高屈折率の主コアを該主コアより低屈折率で且つクラッド層より高屈折率の副コアで取り囲んだ構造の複合コアとなる部分を有し、且つ該主コアを伝搬する光ビームのスポットサイズが変化するように該主コアの断面積もしくは断面の形状が変化する部分を有することを特徴とする付記１９に記載の光結合装置。
（付記２１） 前記コアの一部の領域において、該コアが、相対的に高屈折率の主コアを該主コアより低屈折率で且つクラッド層より高屈折率の副コアで上下もしくは左右の二方向から挟み込んだ構造の複合コアとなる部分を有し、且つ該主コアを伝搬する光ビームのスポットサイズが変化するように該主コアの断面積もしくは断面の形状が変化する部分を有することを特徴とする付記１９に記載の光結合装置。
（付記２２） 前記複合コアの一部の領域において、該複合コアが、該複合コアの断面積のうち副コアの占める割合もしくは該副コアの断面の形状が変化する部分を有することを特徴とする付記２０もしくは付記２１に記載の光結合装置。
（付記２３） 前記コアの一部の領域において、該コアが、曲がり部と該曲がり部の両端から延びる直線部を有し、該曲がり部の一部が前記の複合コアにより構成することを特徴とする付記２０もしくは付記２１に記載の光結合装置。
（付記２４） 前記第一の要素部品を構成する光導波路のコアが該コアの一部の領域において曲がり部と該曲がり部の両端から延びる直線部を有し、該曲がり部の断面積が該曲がり部の一部において直線部の断面積より大きいことを特徴とする付記２〜付記９のいずれかに記載の光結合装置。
（付記２５） 前記光導波路のクラッド層、副コア層、主コア層の少なくとも１層を有機物の層とすることを特徴とする付記２０〜付記２３のいずれかに記載の光結合装置。
（付記２６） 前記主コア層に無機材料を、前記副コア層に有機材料を使用することを特徴とする付記２０〜付記２３のいずれかに記載の光結合装置。
（付記２７） 互いに接している有機材料の層間に、更に無機材料の薄膜を追加して積層 したことを特徴とする付記２５もしくは付記２６に記載の光結合装置。
（付記２８） 前記基板が前記光導波路を伝播する光ビームに対して透明で且つ該光導波路のクラッド層より低屈折率な材料であることを特徴とする付記２〜付記９、付記２０〜付記２７のいずれかに記載の光結合装置。
（付記２９） 前記光導波路が、前記基板に垂直な方向を除く該光導波路の周囲が光導波路部材で取り囲まれた空孔を有し、前記コア端面の一方の端面は該空孔内に露出し、該空孔内に露出したコア端面に対向して該空孔内に第二の光部品を配置し、該空孔の一方を塞ぐ該基板により該空孔内に第二の光部品が気密封止されることを特徴とする付記２〜付記９、付記２０〜付記２７のいずれかに記載の光結合装置。
（付記３０） 前記光導波路が、前記基板に垂直な方向を除く該光導波路の周囲が光導波路部材で取り囲まれた空孔を有し、前記コア端面の一方の端面は該空孔内に露出し、該空孔内に露出したコア端面に対向して該空孔内に第二の光部品を配置し、該空孔の一方を塞ぐ該基板と、該空孔の基板に対向する側に該空孔の周囲をリング状の壁の内側に空孔を残して取り囲むように載置されたリング状電気配線部材と、該リング状電気配線部材の基板とは反対側の表面にリング状部材の空孔を塞ぐように載置された蓋部材により該空孔内に第二の光部品を気密封止した光結合部材であって、
該リング状電気配線部材がリング状部材を内側から外側に貫通する電気配線パターンを有し、該電気配線パターンを用いて第二の光部品に接続した電気配線を外部に取り出すことを特徴とする付記２〜付記９、付記２０〜付記２７のいずれかに記載の光結合装置。
（付記３１） 前記空孔の周囲の光導波路部材の表面に該空孔を取り囲むリング状の金属部材を被着させた後に、該リング状の金属部材の表面に前記蓋部材もしくは前記電気配線部材を固着させて気密封止することを特徴とする付記２９もしくは付記３０に記載の光結合装置。
（付記３２） 前記光導波路が、前記基板に垂直な方向を除く該光導波路の周囲が光導波路部材で取り囲まれた空孔を有し、前記コア端面の一方の端面は該空孔内に露出し、該空孔内に露出したコア端面に対向して該空孔内に第二の光部品を配置し、該空孔の一方を前記基板で塞ぎ、該空孔の他方の光導波路部材の表面に該空孔を取り囲むリング状の金属部材を被着させた後、該リング状の金属部材の表面に蓋部材を固着して該空孔内に第二の光部品が気密封止され、該光導波路の表面がリング状の金属部材で覆われた部分の直下のコアが前記複合コアであることを特徴とする付記２０もしくは付記２１に記載の光結合装置。
（付記３３） 前記光導波路が、前記基板に垂直な方向を除く該光導波路の周囲が光導波路部材で取り囲まれた空孔を有し、前記コア端面の一方の端面は該空孔内に露出し、該空孔内に露出したコア端面に対向して該空孔内に第二の光部品を配置し、該空孔の一方を塞ぐ該基板と、該空孔の他方の該空孔の周囲をリング状の壁の内側に空孔を残して取り囲むように載置されたリング状の電気配線部材と、該リング状の電気配線部材の基板とは反対側の表面にリング状部材の空孔を塞ぐように載置された蓋部材により該空孔内に第二の光部品を気密封止した光結合部材であって、
該リング状の電気配線部材がリング状部材を内側から外側に貫通する電気配線パターンを有し、該電気配線パターンを用いて第二の光部品に接続した電気配線を外部に取り出し、該光導波路の表面がリング状の金属部材で覆われた部分の直下のコアが、前記複合コアであることを特徴とする付記２０もしくは付記２１に記載の光結合装置。
（付記３４） 前記第一の間隔と前記第二の間隔の差が、前記第一の要素部品と前記第二の要素部品とをそれぞれ単独に光結合する場合の結合トレランスの２倍以内であることを特徴とする付記１に記載の光結合装置。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の手段１における要素部品間の配列ピッチの説明図
【図２】 バッファ層を有する３層スラブ構造の光導波路の断面図と屈折率分布図
【図３】 図２のスラブ構造光導波路の電界分布図と屈折率分布図
【図４】 ３層スラブ構造の光導波路の層構造図と屈折率分布図
【図５】 図４の光導波路にガイドされる光の電界分布と屈折率分布図
【図６】 図２の光導波路にガイドされる光のスポットサイズとコアの厚さを示す図
【図７】 図37の光導波路にガイドされる光のスポットサイズを示す図
【図８】 本発明の第１の実施例による光結合装置を示す図
【図９】 図８に示す本発明の第１の実施例の光結合装置の半導体レーザと光導波路の結合効率を例示する図
【図１０】 図８に示す本発明の第１の実施例の光結合装置の第１の変形実施例による光結合装置を示す図
【図１１】 図８に示す本発明の第１の実施例の光結合装置の第２の変形実施例による光結合装置を示す図
【図１２】 図10の第１の変形実施例の光結合装置において、光ファイバと接続すべき導波路を選択する実施例
【図１３】 図10の第１の変形実施例の光結合装置に光ファイバを結合する第１の実施説明図
【図１４】 図10の第１の変形実施例の光結合装置に光ファイバを結合する第２の実施説明図
【図１５】 図10の第１の変形実施例の光結合装置に光ファイバを結合する 第３の実施説明図
【図１６】 図10の第１の変形実施例の光結合装置に光ファイバを結合する第４の実施説明図
【図１７】 図８の第１の実施例の第３の変形実施例による光結合装置を示す図
【図１８】 図８の第１の実施例の第４の変形実施例による光結合装置を示す図
【図１９】 図18の第４の変形実施例の光結合装置の光ファイバと接続すべき導波路を選択する実施例の説明図
【図２０】 図18の第４の変形実施例による光結合装置の光導波路に光ファイバを結合するための構成を例示する図
【図２１】 図18の第４の変形実施例による光結合装置の光導波路に光ファイバを結合するための他の構成を例示する図
【図２２】 図20の実施例の変形実施例による光結合装置を示す図
【図２３】 図21の実施例の変形実施例による光結合装置を示す図
【図２４】 図23の実施例の変形実施例による光結合装置を示す図
【図２５】 図18の実施例に図10の実施例を適用する光結合装置を示す図
【図２６】 図22の実施例に図10の実施例を適用する光結合装置を示す図
【図２７】 半導体レーザと光導波路の高さ方向の光軸合わせを容易にした
光結合装置を示す図（例１）
【図２８】 半導体レーザと光導波路（それぞれ単体）の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す図（例２）
【図２９】 半導体レーザと光導波路の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す図（例３）
【図３０】 半導体レーザと光導波路（それぞれ単体）の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す図（例４）
【図３１】 半導体レーザと光導波路の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す図（例５）
【図３２】 半導体レーザと光導波路（それぞれ単体）の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す図（例６）
【図３３】 半導体レーザと光導波路の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す図（例７）
【図３４】 半導体レーザと光導波路（それぞれ単体）の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す図（例８）
【図３５】 半導体レーザとバッファ層の上に形成された光導波路との高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す図（例９）
【図３６】 半導体レーザとバッファ層の上に形成された光導波路（それぞれ単体）との高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す図（例10）
【図３７】 伝搬するに伴い、光のスポットサイズが変化する単体の光導波路（例１）を示す図
【図３８】 半導体レーザの出力を直接光ファイバに導入する場合と光導波路を介して導入する場合とその光導波路が光スポットサイズを変化させる場合の光結合説明図
【図３９】 伝搬するに伴い、光のスポットサイズが変化する単体の光導波路（例２）を示す図
【図４０】 伝搬するに伴い、光のスポットサイズが変化する単体の光導波路（例３及び例４）を示す図
【図４１】 図39及び図40における光スポットサイズの変化を示す図
【図４２】 主コアと副コアを有する単体の曲がり導波路を含む光導波路を示す図
【図４３】 コアの幅を変化させた曲がり導波路を含む光導波路を示す図
【図４４】 ポリイミドによるクラッド層の上にシリコン窒化膜を配置し、更にその上にコアを形成した光導波路（例１及び例２）を示す図
【図４５】 ポリイミドによるクラッド層の上にシリコン窒化膜を配置し、更にその上にコアを形成した光導波路（例３、４及び５）を示す図
【図４６】 図10の実施例の光導波路に複合コアを適用した実施例を示す図
【図４７】 図10または図11の気密封止の光結合装置に、電気的接続端子用の電気配線パターンを適用した実施例を示す図
【図４８】 図47の電気封止をした光結合装置の製造工程を示す図（その１）
【図４９】 図47の電気封止をした光結合装置の製造工程を示す図（その２）
【図５０】 半導体レーザと光ファイバをレンズを用いて光結合させた従来の光結合装置を示す図
【図５１】 気密封止をした光半導体レーザと光ファイバをレンズを用いて光結合させた従来の光結合装置を示す図
【図５２】 半導体レーザと先端をレンズ状に加工した光ファイバを結合させた従来の光結合装置を示す図
【図５３】 図52の半導体レーザを気密封止した従来の光結合装置を示す図
【図５４】 半導体レーザと光ファイバの位置合わせを簡易化する構造を有する従来の光結合装置を示す図
【図５５】 図54の光ファイバにテーパ先球ファイバを用いて結合効率の向上を図った従来の光結合装置を示す図
【図５６】 図54あるいは図55の半導体レーザを気密封止した従来の光結合装置を示す図
【図５７】 マルチモード光導波路を適用した従来の光結合装置を示す図
【図５８】 シングルモード光導波路を適用した従来の光結合装置を示す図
【図５９】 半導体レーザの光軸を持ち上げて半導体レーザとシングルモード光導波路を結合させた従来の光結合装置を示す図
【図６０】 微動装置を用い、マークを利用して半導体レーザを基板に実装することを示す実装説明図を示す図
【図６１】 半導体レーザをクリップチップボンディングするときの半導体レーザ及び基板の従来の構成図とその寸法図
【符号の説明】
１、１A、１Bおよび１C: 光結合装置、
２: フォトダイオード、
３及び３A: 光ファイバ、
５: スペーサ、
41及び42：レンズ、
100、110、120、140、150、160、170及び180: 基板、
101: 電気的な絶縁を行うための膜、
102: ボンディングパッド、
106: 基板に形成した窪み、
107: 位置合わせのための印、
108: 電気的な絶縁を行うための膜、
110: 共通基板、
111: レール、
121: 光ファイバガイド溝、
104及び122: レール嵌合溝、
123及び132: 周期的凹凸、
130: 光ファイバ押接部材、
131: 光ファイバ押接溝、
181: ファイバをガイドするための溝、
200: 半導体レーザ等の光半導体装置、
200X及び300X: アレイ状の光部品、
201: 能動領域、
202: ボンディングパッド、
203: ボンディングのための接着用部材、
204: 位置合わせのための印、
300: 光導波路、
301: 光導波路のクラッド層、
301A: アンダークラッド層、
301B: オーバークラッド層、
302: 光導波路のコア、
302A: 主コア、
302B: 副コア、
303: 孔、
304: リング状の金属部材、
311: 無機物の薄膜、
400: 気密封止をするための蓋、
500: 電気配線部材、
501、503及び504: リング状の部材、
502: 電気配線パターン、
600: 光半導体素子を気密封止するための入れ物、
607: 封止用窓、
700: 光半導体素子を気密封止するための基体、
703: 突起704を切り欠いた部分、
704: 突起、
705: 接着剤。

Claims (4)

1. 光ビームを放射もしくは受信する端面を有する第一の要素部品が第一の間隔で複数個配列された第一の光部品と、該第一の要素部品側へ光ビームを放射もしくは該第一の要素部品側からの光ビームを受信する端面を有する第二の要素部品が該第一の間隔とは異なる第二の間隔で複数個配列された第二の光部品とを、該第一の要素部品の各々と該第二の要素部品の各々が対向するように基板上に配置し、少なくとも１個の該第一の要素部品と少なくとも１個の該第二の要素部品とが光結合することを特徴とする光結合装置。
2. 前記第一の要素部品が、クラッド層と該クラッド層で取り囲まれた該クラッド層より高屈折率なコアとを含み、該コアに沿って伝搬する光ビームの光軸の垂直方向に対する光強度分布の拡がりが２カ所の前記端面で異なる機能を備える光導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
3. 前記基板表面の一部に窪みを有し、該窪みに、前記第一の要素部品の表面が該基板表面と同じ高さになるように該第一の要素部品の前記光導波路のクラッド層の一部分を埋め込むことを特徴とする請求項２に記載の光結合装置。
4. 前記光導波路を伝播する光ビームの光軸に垂直な前記コアの断面の光分布の広がりが、前記第二の要素部品に対向する端面側では小さく、該端面側とは反対側の端面に近づくに従って大きくなるか、又は該第二の要素部品に対向する端面側では大きく、該端面側とは反対側の端面に近づくに従って小さくなる機能を有することを特徴とする請求項２もしくは請求項３に記載の光結合装置。

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