JP3898457B2 - 光集積回路基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路と半導体受光素子とを同一基板に集積する光集積回路基板に関し、例えばＷＤＭ（Wavelength Division Multiplex：波長分割多重伝送方式）用受光回路基板のように同一基板上に複数の半導体受光素子およびその他のデバイスを搭載するような場合に好適に利用され、光導波路と半導体受光素子とを同一基板に集積して基板サイズの小型化と受光効率の増加を実現できる光集積回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＷＤＭ用受光回路基板等のような光集積回路基板における半導体受光素子と光導波路との接続は、光導波路層の上方に半導体受光素子を実装し、光導波路からの光は、光導波路に作り込んだミラーやグレーティングを通して光路変更することによって半導体受光素子の受光部に入力させるのが一般的であった。
【０００３】
この方法では、半導体受光素子を実装する際の光導波路と半導体受光素子の受光部との光学的な結合を行なうための位置合わせが半導体受光素子の相対的な位置を直交する３軸方向において最適に設定する必要があった。また、光導波路に作り込むミラーやグレーティングの作製プロセスも煩雑であった。
【０００４】
そこで、例えば特開平７−128531号公報では、光結合を用いて高分子導波路から光半導体素子へ高効率に結合を行なう構造が提案されている。図４に特開平７−128531号公報に提案された光集積回路基板の例の断面図を示す。これによれば、光導波路が高分子導波路で形成され、クラッド部33中に形成された光導波路のコア部34が半導体層35と光吸収層32とから成る半導体受光素子の上面に乗り上げるように屈曲し、半導体受光素子の端面とコア部34との間はクラッド部33で埋め込まれている構造を有している。この構造は、屈曲部において屈曲部の外側、すなわち半導体受光素子側へ伝搬光の電界分布が偏ることによって、半導体受光素子の光吸収層32に取り込まれやすくなり、光導波路と半導体受光素子との結合効率を高くしている。
【０００５】
しかしながら、特開平７−128531号公報に提案された光集積回路基板に関しては、図４に示すように高分子導波路が半導体受光素子の上面に乗り上げるように屈曲しているため、屈曲部の曲率半径が小さい場合において光が放射してしまい、高分子導波路を伝搬してきた光は、半導体受光素子と結合せずに、一部が基板や上部クラッド部33へ散乱してしまうという問題点があった。
【０００６】
さらに、半導体受光素子の受光部である光吸収層32と半導体受光素子の入力側の端面の境界部において下部クラッド部33との屈折率差が大きいため、光吸収層32に端面側から入射する伝搬光が高分子導波路の伝搬方向に対して垂直な半導体受光素子の端面で反射されてしまうという問題点があった。
【０００７】
また、半導体受光素子の受光部である光吸収層32と半導体受光素子の入力側の端面の境界部に位置する下部クラッド層33との屈折率差が大きいため、光吸収層32に端面側から入射する伝搬光が高分子導波路の伝搬方向に対して垂直な半導体受光素子の端面で反射されてしまうという問題点もあった。
【０００８】
これに対し、本発明者は特願2001−20622号において、図５に断面図で示すように、基板１上に配設された半導体受光素子２と、少なくとも下部クラッド部３およびコア部４を有し、半導体受光素子２の近傍に光伝搬方向を受光面に平行として形成された光導波路と、半導体受光素子２の光導波路による光伝搬方向の入力側に位置して半導体受光素子２の受光面の端面および光導波路のコア部４に対向するように配置された、屈折率がコア部４より大きく受光面より小さい中間屈折率体６とを具備して成る光集積回路基板を提案した。この光集積回路基板によれば、コア部４を伝搬してきた光が中間屈折率体６にモード結合により移行し、半導体受光素子２の受光面におけるフィールドとの整合をとることによって、スムーズに半導体受光素子２へ光を結合させている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この中間屈折率体６を具備して成る光集積回路基板においては、図７の線図に横軸を中間屈折率体６の光伝搬方向の長さＬff（単位：μｍ）、縦軸を結合効率Coupling efficiency（単位：％）とし、中間屈折率体６の光伝搬方向の断面形状を長方形としたときの結合効率の変化を破線の特性曲線で示すように、この中間屈折率体６は光伝搬方向の長さＬffの変化に対して半導体受光素子２との結合効率の変化が大きく、中間屈折率体６の加工に高精度が要求されるため、製作が容易とは言い難かったという改善すべき点があった。
【００１０】
また、この光集積回路基板の用途によっては、より高効率な結合効率を要求されるシステム回路があることから、それに応え得る、しかも製作が容易な光集積回路基板が求められていた。
【００１１】
本発明は上記従来技術における問題点や要求に鑑みてなされたものであり、その目的は、光導波路と半導体受光素子との結合効率を高め、光導波路を伝搬する光に対する半導体受光素子による受光効率をより高効率なものとし、しかも加工精度に大きく影響されずに安定して製作し供給することができる光集積回路基板を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の光集積回路基板は、基板上に基板上に、前記基板の上面と平行に位置する大面積の受光面と、前記大面積の受光面に垂直な受光面を有し、前記大面積の受光面を上向きにして配設された面受光型の半導体受光素子と、前記基板上に、少なくとも下部クラッド部およびコア部を有し、前記基板上の前記半導体受光素子の上に、前記下部クラッド部の一部を介して、前記コア部を前記大面積の受光面に平行として形成された光導波路と、前記半導体受光素子の前記光導波路による光伝搬方向の入力側に位置して前記大面積の受光面に垂直な受光面に対向するとともに、前記下部クラッド部の一部を介して前記光導波路の前記コア部の下面に対向するように配置された、屈折率が前記コア部より大きく前記大 面積の受光面に垂直な受光面より小さく、かつ実効屈折率が前記大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっている中間屈折率体とを具備して成ることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の光集積回路基板は、上記構成において、前記中間屈折率体の厚みが前記大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に厚くなっていることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の光集積回路基板は、上記構成において、前記中間屈折率体の屈折率が前記大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっていることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の光集積回路基板によれば、基板上に例えば実装されあるいは形成されて、基板の上面と平行に位置する大面積の受光面と、大面積の受光面に垂直な受光面を有し、大面積の受光面を上向きにして配設された面受光型の半導体受光素子に対して、その上に、下部クラッド部の一部を介して、コア部を前記大面積の受光面に平行として光導波路を積層するように形成することにより、半導体受光素子と光導波路とを同一基板に効率的に集積することができ、従来のように基板上に光導波路を形成した後で半導体受光素子を実装した光集積回路基板と比較して小型化・低背化できるとともに、この光導波路上にさらに別の光電子デバイス等を搭載実装することができるので、特に基板上に半導体受光素子および光電子デバイスをそれぞれ複数個搭載するような光集積回路基板についても、光集積回路基板の小型化を実現することができるものとなる。
【００１６】
また、本発明の光集積回路基板によれば、基板には半導体受光素子を形成することができる基板や半導体受光素子を搭載実装することができる基板であれば各種の基板を用いることができ、電気的特性の良いセラミック基板等、信号処理の高速化および光電子デバイスの高集積化に対してより好適な基板を使用することができる。
【００１７】
また、本発明の光集積回路基板によれば、半導体受光素子の大面積の受光面に垂直な受光面に対して、光導波路による光伝搬方向の入力側の手前に、この大面積の受光面に垂直な受光面に対向させるとともに、下部クラッド部の一部を介してコア部の下面に対向させて、コア部屈折率が光導波路のコア部より大きく半導体受光素子の大面積の受光面に垂直な受光面より小さく、かつ実効屈折率が大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっている中間屈折率体を配置したことによって、モード結合理論から、光導波路のコア部を伝搬してきた光が中間屈折率体にモード結合により移行し、この中間屈折率体から出力された光が半導体受光素子の端面から大面積の受光面に垂直な受光面ヘ結合することができ、これについて半導体受光素子におけるフィールドとの整合をとることによって、スムーズに半導体受光素子へ光を結合させることができ、結合効率を高めることができる。
【００１８】
また、図５に示すような中間屈折率体６を用いた構造では、前述のように、モード結合理論の原理から中間屈折率体６の光伝搬方向の長さＬffを変化させると光導波路のコア部４と中間屈折率体６との間で相互に光が移行して結合効率について大きな変化をもたらしていたが、本発明の光集積回路基板によれば、中間屈折率体の実効屈折率が、半導体受光素子の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっていることから、コア部から中間屈折率体へ移行してきた光は完全に光導波路のコア部へ戻ることがない。このことから、中間屈折率体の光伝搬方向の長さを長くすると、結合効率が徐々に増加することとなり、より高い結合効率が得られるものとなる。さらに、本発明の光集積回路基板によれば、中間屈折率体の光伝搬方向の長さを一定以上にすると結合効率が最大値に近づき、中間屈折率体の加工精度によらず安定した結合効率を得ることができるものとなるので、作製が容易である。
【００１９】
以下、本発明の光集積回路基板について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の光集積回路基板の実施の形態の一例を示す光集積回路基板の断面図である。
【００２０】
本発明の光集積回路基板は、図１に示すように、基板１上に配設された面受光型の半導体受光素子２と、この基板１上の半導体受光素子２上に形成された、下部クラッド部３・コア部４・上部クラッド部５から成る光導波路と、半導体受光素子２の光導波路による光伝搬方向の入力側に位置する半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面、通常は光伝搬方向に垂直に配置される大面積の受光面に垂直な受光面の手前に、半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に対向するとともに、下部クラッド部３の一部を介して光導波路のコア部４の下面に対向するように配置された、屈折率がコア部４より大きく半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面より小さく、かつ実効屈折率が大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっている中間屈折率体６とを具備して成るものである。なお、上部クラッド部５は必ずしも必要なものではなく、上部クラッド部５を形成せず、コア部４の上部を空気（屈折率は約１）としておくことによっても、光導波路による良好な光伝送および半導体受光素子２への良好な光接続を行なうことができる。
【００２１】
本発明の光集積回路基板において、半導体受光素子２および中間屈折率体６が配設され、その上に光導波路が形成される基板１には、光集積回路基板や光電子混在基板の光信号を扱う基板として使用される種々の基板、例えば、シリコン基板やアルミナ基板・ガラスセラミック基板・多層セラミック基板等が使用できる。
【００２２】
基板１上に配設される面受光型の半導体受光素子２には、例えば、フォトダイオード（ＰＮフォトダイオード・ＰＩＮフォトダイオードあるいはアバランシェフォトダイオード・ＭＳＭ（Metal-Semiconductor-Metal）フォトダイオード）等が用いられ、これらが基板１上に搭載実装されあるいは形成されて配設される。半導体受光素子２の大面積の受光面は、基本的には基板１の上面とほぼ平行にその半導体受光素子２の上部に位置するものであるが、このような位置に限定されるものではなく、半導体受光素子２のどこに位置していてもよい。ただし、大面積の受光面の位置によっては、最大受光効率を得ることができる最適設計を行ない、その最適設計に見合った光導波路および中間屈折率体６を形成する必要がある。
【００２３】
基板１および半導体受光素子２上に形成される光導波路は、少なくとも下部クラッド部３とコア部４とを有しており、好ましくはこれに上部クラッド部５を有する３層から成る３次元導波路形状の光導波路である。その形成材料としては基板１上に３次元導波路形状の光導波路を形成できる光学材料であれば種々のものが使用できるが、中でも有機系の光学材料、特にシロキサン系ポリマを用いることが望ましい。シロキサン系ポリマによる光導波路とすれば、例えばコア部４のみあるいはコア部４ならびに下部および上部クラッド部３・５にチタン（Ｔｉ）等の金属を含有したシロキサン系ポリマを用いることにより、チタン含有量の制御によってコア部４と下部および上部クラッド部３・５とで所望の屈折率差を有する光導波路を容易に作製することができ、半導体受光素子２との受光効率が最大となる構造のものを設計することが容易となる。
【００２４】
このようなシロキサン系ポリマとしては、ポリマの骨格にシロキサン結合が含まれている樹脂であればよく、例えばポリフェニルシルセスキオキサン・ポリメチルフェニルシルセスキオキサン・ポリジフェニルシルセスキオキサン等がある。
【００２５】
また、コア部４およびクラッド部３・５に含有させる金属としてはチタンに限られるものではなく、ゲルマニウム（Ｇｅ）・アルミニウム（Ａｌ）・エルビウム（Ｅｒ）等も使用できる。これらの金属を含有したコア部４を形成するには、その金属アルコキシドを添加したシロキサン系ポリマ層を形成し、これを所望の形状・寸法に加工すればよい。
【００２６】
また、光導波路の材料としては、この他にも低損失で光を伝搬させることができる透明性があり、また所望の屈折率差を得ることができるコア部材とクラッド部材との組合せであれば各種の材料を用いることができる。有機系の光学材料としては、シロキサン系ポリマ以外に、例えばフッ素化ポリイミド・ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）・ポリカーボネート（ＰＣ）等の溶液状態で塗布可能な光学材料が好適に用いられる。
【００２７】
半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に対し、光導波路による光伝搬方向の入力側に位置して、大面積の受光面に垂直な受光面に対向するとともに、光導波路のコア部４の下面に対向するようにして半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面の手前に配置される中間屈折率体６は、光集積回路を構成する光導波路および半導体受光素子２の屈折率および形状に応じて適切な屈折率および形状を有するものとすればよく、特に上下クラッド部３・５とコア部４との３層で構成される光導波路の実効屈折率と、下部クラッド部３および半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面で構成される部分の実効屈折率との範囲内で、半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に近くなるにつれて徐々に実効屈折率が高くなるような実効屈折率分布となる屈折率と形状との組合せとするとよい。
【００２８】
例えば、一定の屈折率で構成される中間屈折率体６の形状を、その厚みが大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に厚くなるような、例えばくさび形あるいは台形等の断面形状のものにして、半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面側に最も厚みが厚くなった部分（くさび形であればその底部）を配置するとよい。このように中間屈折率体６の厚みを大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に厚くなっているものとしたときは、添加剤の導入および制御が困難であるような屈折率制御が難しい材料においても、安定して得られる初期の屈折率を利用して中間屈折率体６の形状を設計することで、高効率な結合効率を得ることができる。
【００２９】
あるいは、直方体（断面形状が長方形）の中間屈折率体６について、半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高い屈折率を有するような屈折率分布を与えたものとしてもよい。このように中間屈折率体６の屈折率を大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっているものとしたときは、加工精度に関わらず、任意の実効屈折率分布を得ることができる。
【００３０】
さらに、以上のような厚みの変化と屈折率の変化とを組み合わせてもよく、光集積回路基板の仕様や構成材料の特性等に応じて、好適な設計を行なえばよい。
【００３１】
中間屈折率体６の形成材料としては、例えば、シロキサン系ポリマから成る光導波路に対しては、ＰＭＭＡのように光集積回路を構成する光導波路のコア部４の屈折率より大きく、かつ半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面の屈折率より小さい屈折率を有し、さらに光吸収等の光損失が少ない材料であればよい。従って、金属を含有した樹脂材料および金属等は光の吸収損失があるため、中間屈折率体６を形成する材料としては必ずしも好適ではないが、この場合はその形状を最適設計することによって、効果的に半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に伝搬光を結合することができる。そのような形状としては、例えば金属を含有した樹脂材料を使用して、光導波路に平行に配置した中間屈折率体６の光導波路側と反対側に金属の含有率を高くした構造を有する形状とするとよい。
【００３２】
半導体受光素子２が配設された基板１上に光伝搬方向を半導体受光素子２の大面積の受光面に平行として形成される光導波路は、下部クラッド部３の厚み、つまり基板１からこの基板１にほぼ平行に形成されたコア部４までの厚みは、形成材料について基板１との相互作用により放射損失が発生しないような厚みをあらかじめ実験で調べた結果等に基づいて、その厚み以上に形成する。
【００３３】
そのように設計した光集積回路基板の構造を実現するためには、例えば、基板１上にまず下部クラッド部３の材料となるシロキサン系ポリマの溶液を基板１上に滴下・塗布することが可能なスピンコーターやバーコーター等の装置を使用して下部クラッド部３を成膜し、その上に中間屈折率体６を形成する材料をスピンコーターやバーコーター等で塗布して、エッチングによって中間屈折率体６をパターニング加工する。このエッチングに使用する装置には、例えばＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）・ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）・レーザ等を採用でき、それぞれエッチング条件を最適化することによって、設計したパターン形状を加工することができる。
【００３４】
この際、光導波路による光伝搬方向に沿った中間屈折率体６の断面形状としては、その厚みが半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に厚くなるような形状として、例えば図１に示すような半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に対向する面と、下部クラッド部の一部を介して光導波路のコア部４の下面に対向する面とを直交する２辺としこれらを結ぶ斜辺を有する、いわゆるくさび形の形状とするとよい。これにより、屈折率が一様な材料を用いた場合であっても、中間屈折率体６の実効屈折率を大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっているものとすることができる。
【００３５】
またこの他に、図２に図１と同様の断面図で示すような、長方形の形状としてもよく、この場合には、半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって屈折率が徐々に高くなるような屈折率分布を持たせることにより、中間屈折率体６の実効屈折率を大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっているものとすることができる。
【００３６】
中でも、図１に示すように中間屈折率体６の断面形状をくさび形とすることにより、中間屈折率体の実効屈折率が、半導体受光素子の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっているため、中間屈折率体６へ移行してきた光が完全に光導波路のコア部４へ戻ることがなくなり、極めて高い結合効率を得ることができる。
【００３７】
次いで、半導体受光素子２が実装される部分を上記と同様のエッチングによって加工する。その後、半導体受光素子２を基板１上に実装し、再び下部クラッド部３を成膜して光導波路のコア部４と半導体受光素子２との間に所定のギャップを設ける。そして、この上にコア部４を成膜し、同様にエッチングによって所望の形状にパターニング加工して光導波路を形成する。
【００３８】
以上の図１および図２に示すような本発明の光集積回路基板は、例えば図３に斜視図で示すような、基板11上に多数の半導体受光素子14が配設されるとともにその上にそれぞれの半導体受光素子14と光結合される光導波路のコア部13が形成され、さらに多数の光増幅器15等の光電子デバイスが搭載された光集積回路モジュール等に使用され、それにより、この光集積回路モジュールは、光導波路13と半導体受光素子14とを高い受光効率で光結合させつつ、そのモジュールのサイズの小型化を図ることができるものとなる。
【００３９】
なお、図３において、12は外部との光信号のやりとりを行なうための光ファイバであり、16は光増幅器15を駆動するために基板11上に形成された電極部である。また、半導体受光素子14の光導波路13による光伝搬方向の入力側（光ファイバ12側）の光導波路13の部分に４本の平行な直線で示した部分は、中間屈折率体が設けられている場所であることを示している。
【実施例】
【００４０】
次に、本発明の光集積回路基板について具体例を説明する。
【００４１】
［例１］まず、アルミナ基板１上に、下部クラッド部３を形成し、その上に中間屈折率体６を成膜し、その一部を加工して中間屈折率体６を形成した。その後、面受光型の半導体受光素子２を実装し、下部および上部クラッド部３・５がシロキサン系ポリマ、コア部４がチタン含有シロキサン系ポリマから成るステップインデックス型光導波路を具備した、図１に示した例と同様な構成の光集積回路基板を作製した。このときコア部４およびクラッド部３・５の屈折率をそれぞれ1.450および1.445として、コア部４の幅を６μｍ、高さを６μｍとし、下部クラッド部３の厚み（基板１から基板１上面に平行に形成されたコア部４までの厚み）を10μｍ、上部クラッド部５の厚みを10μｍとした。なお、半導体受光素子２には、厚みが１μｍで、大面積の受光面の面積が200μｍ径のものを用いた。中間屈折率体６には屈折率1.483を有する感光性シロキサンポリマを用いて、幅を200μｍ、半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面側の厚さを１μｍ、光伝搬方向への長さを50μｍに加工した。この中間屈折率体６の端面と半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面とは、接しているものとした。
【００４２】
さらに、コア部４の上には、下部クラッド部３と同様の材料を用いて上部クラッド部５を形成した。
【００４３】
このようにして作製した本発明の光集積回路基板において、光導波路と半導体受光素子２との結合効率を測定したところ、断面形状が長方形でしかも実効屈折率の分布を持たない中間屈折率体を具備した光集積回路基板に比べて、約1.3倍である約18％の結合効率を有していることが確認できた。
【００４４】
この結果につき、図６に光集積回路基板における中間屈折率体６の屈折率および光伝搬方向の長さに対する結合効率の変化を線図で示す。図６において、横軸は中間屈折率体６の屈折率ｎffを、縦軸は結合効率Coupling efficiency（単位：％）を表わし、実線は断面形状がくさび形の中間屈折率体６における特性曲線を、破線は断面形状が長方形で屈折率分布を持たない中間屈折率体における特性曲線を示している。結合効率は中間屈折率体６の屈折率に対して最大値を有しており、断面形状が直方形の中間屈折率体６の特性曲線は最大値をとる屈折率付近で急峻なピークを有しているが、断面形状がくさび形の中間屈折率体６の特性曲線は最大値をとる屈折率から徐々に結合効率が減少している。つまり、高結合効率を有する屈折率の制御許容範囲が広がり、中間屈折率体６として利用する材料の屈折率コントロールを緩くすることができることが分かる。
【００４５】
また、図７に光集積回路基板における中間屈折率体６の光伝搬方向の長さに対する結合効率の変化を線図で示す。実線で断面形状がくさび形の中間屈折率体６による特性曲線を示している。これらの結果より、断面形状がくさび形をした、半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっている実効屈折率分布を有する中間屈折率体６を具備した本発明の光集積回路基板の方が高結合効率を得られることが分かった。また、断面形状が直方形の中間屈折率体６においては、モード結合によって、光が光導波路と中間屈折率体６を交互に移行する。このため、中間屈折率体６の光伝搬方向の長さに対して結合効率の変化が大きく、高い加工精度が必要であった。断面形状がくさび形の中間屈折率体６の場合においても、光伝搬方向の長さに対して結合効率は周期的に変化するが、その変化は断面形状が直方形の中間屈折率体６の結合効率の変化に対して小さく、また、全体的に増加しながら最大値へ飽和するので、中間屈折率体６の光伝搬方向の長さを結合効率が最大値をとるように設計した場合、安定した結合効率を得ることができる。
【００４６】
なお、この例では基板１にアルミナ基板を使用したが、この他に窒化アルミニウム基板やシリコン基板・ガラスセラミックス基板等を用いても、同様に良好な結合効率を有していた。
【００４７】
ここで、この例における光集積回路基板の作製方法を図10（ａ）に工程毎の断面図で示す。
【００４８】
まず、アルミナ基板１上に下部クラッド部３をスピンコーターで塗布する（工程１）。
【００４９】
次に、その上から中間屈折率体６を形成する感光性シロキサンポリマ６ａを成膜し、グレイスケールフォトマスクを使用して感光性シロキサンポリマ６ａを露光すると、感光性シロキサンポリマは照射量に応じて屈折率が低く変化するため、光の当たった部分だけ、露光量に応じてシロキサンポリマ６ａの屈折率が変化する（工程２）。
【００５０】
ここで、グレイスケールフォトマスクを使用しているため、シロキサンポリマ６ａの屈折率が変化する領域は、断面形状が工程３に示すようなくさび形を呈し、これにより中間屈折率体６を形成することができる（工程３）。
【００５１】
次に、半導体受光素子を実装する部分10をＲＩＥを利用したエッチングにより形成する（工程４）。
【００５２】
次に、半導体受光素子実装部分10に半導体受光素子２を実装する（工程５）。
【００５３】
次に、光導波路のコア部４と半導体受光素子２の間の厚み分だけクラッド部を成膜し、その後、コア部４を成膜し、フォトリソグラフィ工程を経てコア部４をパターニングし、最後に上部クラッド部５を成膜して光集積回路基板を作製する（工程６）。
【００５４】
なお、中間屈折率体６の厚みを半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に厚くするために、断面形状をくさび形にする場合は、図１に示すような断面形状に限られることはなく、例えば図８（ａ）および（ｂ）にそれぞれ断面図で示すように、二等辺三角形（図８（ａ）の形状）の断面形状を有するものであってもよく、上辺がコア部４に平行な直角三角形（図８（ｂ）の形状）の断面形状を有するものであってもよい。
【００５５】
図９に、図１ならびに図８（ａ）および（ｂ）に示す構成で、中間屈折率体６の光伝搬方向の長さＬffを変えて光集積回路基板を作製し、Ｌff（μｍ）に対する結合効率Coupling efficiency（％）の変化を調べた結果を線図で示す。これらの特性曲線から分かるように、中間屈折率体６の光伝搬方向の長さＬffを1000μｍ以上にすると、結合効率は最大値へ飽和していくことが分かる。これに基づき、中間屈折率体６の光伝搬方向の長さＬffを1000μｍ以上にすると、加工精度によらない安定した結合効率を得ることができた。さらに、最大の結合効率は、くさび形の断面形状にも特に依存しないことが分かった。上記の例において中間屈折率体６の光伝搬方向の長さＬffを1000μｍにしたところ、結合効率は約60％となり、断面形状が長方形で実効屈折率分布を持たない中間屈折率体を用いた場合に比べて約４倍もの高結合効率を得ることができた。
【００５６】
ここで、中間屈折率体６の作製方法の他の例として、図８（ｂ）に示す光集積回路基板の作製方法を図10（ｂ）に工程毎の断面図で示す。
【００５７】
まず、アルミナ基板１上に下部クラッド部３をスピンコーターで塗布する（工程１）。
【００５８】
次に、その上から屈折率が1.504のフッ素化ポリイミド６を成膜し、その上にフォトレジスト膜８を成膜し、グレイスケールフォトマスク７を用いてフォトレジスト膜８を露光する（工程２）。
【００５９】
ここで、グレイスケールフォトマスク７を使用しているため、フォトレジスト膜８の照射量に差ができて、工程３に示すような傾斜構造を有するフォトレジストパターンが形成できる（工程３）。
【００６０】
次に、フォトレジスト膜８をマスクとしてＲＩＥでエッチングを行ない、断面形状がくさび形の中間屈折率体６を形成する（工程４）。
【００６１】
次に、この中間屈折率体６の端面に大面積の受光面に垂直な受光面を突き当てるようにして半導体受光素子２を実装する（工程５）。
【００６２】
次に、光導波路のコア部４と半導体受光素子２の間の厚み分だけクラッド部を成膜し、その後、コア部４を成膜し、フォトリソグラフィ工程を経てコア部４をパターニングし、最後に上部クラッド部５を成膜して光集積回路基板を作製する（工程６）。
【００６３】
［例２］図10（ｃ）に工程毎の断面図で示す光集積回路基板作製方法により、図２に示す構造の本発明の光集積回路基板を作製した。
【００６４】
まず、アルミナ基板１上に、下部クラッド部３を成膜した（工程１）。
【００６５】
次に、中間屈折率体６を形成する膜６ｂを成膜し、ＲＩＥで断面が長方形の直方体６ｂに加工した（工程２）。
【００６６】
次に、直方体６ｂの半導体受光素子２が搭載される側の端面に金属層９を形成した（工程３）。
【００６７】
次に、直方体６ｂと金属層９とに電圧を印加して、金属を直方体６ｂに拡散させ、直方体６ｂの半導体受光素子２が搭載される側の端面における屈折率が最も高く、その端面から離れるにつれて屈折率が徐々に低くなるような屈折率分布を持たせた中間屈折率体６を形成した（工程４）。
【００６８】
その後、面受光型の半導体受光素子２を実装し（工程５）、下部および上部クラッド部３・５がシロキサン系ポリマ、コア部４がチタン含有シロキサン系ポリマから成るステップインデックス型光導波路を具備した、図２に示した構成の光集積回路基板を作製した（工程６）。
【００６９】
このとき、コア部４およびクラッド部３・５の屈折率をそれぞれ1.450および1.445として、コア部４の幅を６μｍ、高さを６μｍとし、下部クラッド部３の厚み（基板１から基板１上面に平行に形成されたコア部４までの厚み）を10μｍ、上部クラッド部５の厚みを10μｍとした。なお、半導体受光素子２には、厚みが１μｍで、大面積の受光面の面積が200μｍ径のものを用いた。
【００７０】
また、中間屈折率体６には屈折率が1.504のフッ素化ポリイミドに金属を添加して屈折率を調整した材料を用い、金属の添加量を調節して、1.494〜1.514の範囲で半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に屈折率が高くなるような屈折率分布を持たせた。この中間屈折率体６の形状は、幅を200μｍ、半導体受光素子２の大面積 の受光面に垂直な受光面側の厚みを１μｍ、光伝搬方向の長さを540μｍとし、図２に示すような断面形状が長方形のものに加工し、この中間屈折率体６の端面と半導体受光素子２の端面とは、接しているものとした。
【００７１】
このようにして作製した本発明の光集積回路基板について、光導波路と半導体受光素子２との結合効率を測定したところ、結合効率は約50％となり、断面形状が長方形で実効屈折率分布を持たない中間屈折率体を用いた構造に比べて約3.5倍もの高結合効率を得ることが確認できた。
【００７２】
なお、この例でも基板１にアルミナ基板を使用したが、この他に窒化アルミニウム基板やシリコン基板・ガラスセラミックス基板等を用いても、同様に良好な結合効率を有していた。
【００７３】
なお、以上はあくまで本発明の実施の形態の例示であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。
【００７４】
【発明の効果】
本発明の光集積回路基板によれば、基板上に、基板の上面と平行に位置する大面積の受光面と、大面積の受光面に垂直な受光面を有し、大面積の受光面を上向きに配設された面受光型の半導体受光素子に対して、その上に光導波路を積層するように形成することにより、半導体受光素子と光導波路とを同一基板に効率的に集積することができ、従来のように基板上に光導波路を形成した後で半導体受光素子を実装した光集積回路基板と比較して小型化・低背化できるとともに、この光導波路上にさらに別の光電子デバイス等を搭載実装することができるので、特に基板上に半導体受光素子および光電子デバイスをそれぞれ複数個搭載するような光集積回路基板についても、光集積回路基板の小型化を実現することができるものとなる。
【００７５】
また、本発明の光集積回路基板によれば、基板には電気的特性の良いセラミック基板等、信号処理の高速化および光電子デバイスの高集積化に対してより好適な基板を使用することができる。
【００７６】
また、本発明の光集積回路基板によれば、半導体受光素子の大面積の受光面に垂直な受光面に対して、光導波路による光伝搬方向の入力側の大面積の受光面に垂直な受光面の手前に、この大面積の受光面に垂直な受光面に対向させるとともに、下部クラッド部を介してコア部に対向させて、屈折率が光導波路のコア部より大きく半導体受光素子の大面積の受光面に垂直な受光面より小さく、かつ実効屈折率が大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっている中間屈折率体を配置したことによって、大面積の受光面に垂直な受光面に入射するコア部からの漏れ出した伝搬光に対して、半導体受光素子の端面における大きな屈折率変化が緩和されるため、大面積の受光面に垂直な受光面における入射光の反射を抑制することができ、光導波路による伝搬光を効率的に半導体受光素子に光結合することができる。
【００７７】
さらに、光導波路のコア部を伝搬してきた光が中間屈折率体に光結合により移行し、この中間屈折率体から出力された光が半導体受光素子の端面から大面積の受光面に垂直な受光面ヘ結合することができ、これについて半導体受光素子におけるフィールドとの整合をとることによって、スムーズに半導体受光素子へ光を結合させることができ、結合効率を高めることができる。
【００７８】
また、本発明の光集積回路基板によれば、中間屈折率体の実効屈折率が、半導体受光素子の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっていることから、コア部から中間屈折率体へ移行してきた光は完全に光導波路のコア部へ戻ることがなく、中間屈折率体の光伝搬方向の長さを長くすると、結合効率が徐々に増加することとなり、より高い結合効率が得られるものとなる。さらに、中間屈折率体の光伝搬方向の長さを一定以上にすると結合効率が最大値に近づき、中間屈折率体の加工精度によらず安定した結合効率を得ることができるものとなるので、作製が容易である。
【００７９】
以上により、本発明によれば、光導波路と半導体受光素子との結合効率を高め、光導波路を伝搬する光に対する半導体受光素子による受光効率をより高効率なものとし、しかも加工精度に大きく影響されずに安定して製作し供給することができる光集積回路基板を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光集積回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の光集積回路基板の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図３】本発明の光集積回路基板を使用した光集積回路モジュールの例を示す斜視図である。
【図４】従来の光集積回路基板の例を示す断面図である。
【図５】本発明者が先に提案した光集積回路基板の例を示す断面図である。
【図６】本発明の光集積回路基板の実施例における中間屈折率体の屈折率に対する結合効率の変化を示す線図である。
【図７】本発明の光集積回路基板の実施例における中間屈折率体の光伝搬方向の長さに対する結合効率の変化を示す線図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の光集積回路基板の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図９】本発明の光集積回路基板の実施例における中間屈折率体の光伝搬方向の長さに対する結合効率の変化を示す線図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の光集積回路基板の作製工程の例を示す工程毎の断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・基板
２・・・・・半導体受光素子
３・・・・・光導波路の下部クラッド部
４・・・・・光導波路のコア部
５・・・・・光導波路の上部クラッド部
６・・・・・中間屈折率体
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路と半導体受光素子とを同一基板に集積する光集積回路基板に関し、例えばＷＤＭ（Wavelength Division Multiplex：波長分割多重伝送方式）用受光回路基板のように同一基板上に複数の半導体受光素子およびその他のデバイスを搭載するような場合に好適に利用され、光導波路と半導体受光素子とを同一基板に集積して基板サイズの小型化と受光効率の増加を実現できる光集積回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＷＤＭ用受光回路基板等のような光集積回路基板における半導体受光素子と光導波路との接続は、光導波路層の上方に半導体受光素子を実装し、光導波路からの光は、光導波路に作り込んだミラーやグレーティングを通して光路変更することによって半導体受光素子の受光部に入力させるのが一般的であった。
【０００３】
この方法では、半導体受光素子を実装する際の光導波路と半導体受光素子の受光部との光学的な結合を行なうための位置合わせが半導体受光素子の相対的な位置を直交する３軸方向において最適に設定する必要があった。また、光導波路に作り込むミラーやグレーティングの作製プロセスも煩雑であった。
【０００４】
そこで、例えば特開平７−128531号公報では、光結合を用いて高分子導波路から光半導体素子へ高効率に結合を行なう構造が提案されている。図４に特開平７−128531号公報に提案された光集積回路基板の例の断面図を示す。これによれば、光導波路が高分子導波路で形成され、クラッド部33中に形成された光導波路のコア部34が半導体層35と光吸収層32とから成る半導体受光素子の上面に乗り上げるように屈曲し、半導体受光素子の端面とコア部34との間はクラッド部33で埋め込まれている構造を有している。この構造は、屈曲部において屈曲部の外側、すなわち半導体受光素子側へ伝搬光の電界分布が偏ることによって、半導体受光素子の光吸収層32に取り込まれやすくなり、光導波路と半導体受光素子との結合効率を高くしている。
【０００５】
しかしながら、特開平７−128531号公報に提案された光集積回路基板に関しては、図４に示すように高分子導波路が半導体受光素子の上面に乗り上げるように屈曲しているため、屈曲部の曲率半径が小さい場合において光が放射してしまい、高分子導波路を伝搬してきた光は、半導体受光素子と結合せずに、一部が基板や上部クラッド部33へ散乱してしまうという問題点があった。
【０００６】
さらに、半導体受光素子の受光部である光吸収層32と半導体受光素子の入力側の端面の境界部において下部クラッド部33との屈折率差が大きいため、光吸収層32に端面側から入射する伝搬光が高分子導波路の伝搬方向に対して垂直な半導体受光素子の端面で反射されてしまうという問題点があった。
【０００７】
また、半導体受光素子の受光部である光吸収層32と半導体受光素子の入力側の端面の境界部に位置する下部クラッド層33との屈折率差が大きいため、光吸収層32に端面側から入射する伝搬光が高分子導波路の伝搬方向に対して垂直な半導体受光素子の端面で反射されてしまうという問題点もあった。
【０００８】
これに対し、本発明者は特願2001−20622号において、図５に断面図で示すように、基板１上に配設された半導体受光素子２と、少なくとも下部クラッド部３およびコア部４を有し、半導体受光素子２の近傍に光伝搬方向を受光面に平行として形成された光導波路と、半導体受光素子２の光導波路による光伝搬方向の入力側に位置して半導体受光素子２の受光面の端面および光導波路のコア部４に対向するように配置された、屈折率がコア部４より大きく受光面より小さい中間屈折率体６とを具備して成る光集積回路基板を提案した。この光集積回路基板によれば、コア部４を伝搬してきた光が中間屈折率体６にモード結合により移行し、半導体受光素子２の受光面におけるフィールドとの整合をとることによって、スムーズに半導体受光素子２へ光を結合させている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この中間屈折率体６を具備して成る光集積回路基板においては、図７の線図に横軸を中間屈折率体６の光伝搬方向の長さＬff（単位：μｍ）、縦軸を結合効率Coupling efficiency（単位：％）とし、中間屈折率体６の光伝搬方向の断面形状を長方形としたときの結合効率の変化を破線の特性曲線で示すように、この中間屈折率体６は光伝搬方向の長さＬffの変化に対して半導体受光素子２との結合効率の変化が大きく、中間屈折率体６の加工に高精度が要求されるため、製作が容易とは言い難かったという改善すべき点があった。
【００１０】
また、この光集積回路基板の用途によっては、より高効率な結合効率を要求されるシステム回路があることから、それに応え得る、しかも製作が容易な光集積回路基板が求められていた。
【００１１】
本発明は上記従来技術における問題点や要求に鑑みてなされたものであり、その目的は、光導波路と半導体受光素子との結合効率を高め、光導波路を伝搬する光に対する半導体受光素子による受光効率をより高効率なものとし、しかも加工精度に大きく影響されずに安定して製作し供給することができる光集積回路基板を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の光集積回路基板は、基板上に基板上に、前記基板の上面と平行に位置する大面積の受光面と、前記大面積の受光面に垂直な受光面を有し、前記大面積の受光面を上向きにして配設された面受光型の半導体受光素子と、前記基板上に、少なくとも下部クラッド部およびコア部を有し、前記基板上の前記半導体受光素子の上に、前記下部クラッド部の一部を介して、前記コア部を前記大面積の受光面に平行として形成された光導波路と、前記半導体受光素子の前記光導波路による光伝搬方向の入力側に位置して前記大面積の受光面に垂直な受光面に対向するとともに、前記下部クラッド部の一部を介して前記光導波路の前記コア部の下面に対向するように配置された、屈折率が前記コア部より大きく前記大 面積の受光面に垂直な受光面より小さく、かつ実効屈折率が前記大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっている中間屈折率体とを具備して成ることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の光集積回路基板は、上記構成において、前記中間屈折率体の厚みが前記大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に厚くなっていることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の光集積回路基板は、上記構成において、前記中間屈折率体の屈折率が前記大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっていることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の光集積回路基板によれば、基板上に例えば実装されあるいは形成されて、基板の上面と平行に位置する大面積の受光面と、大面積の受光面に垂直な受光面を有し、大面積の受光面を上向きにして配設された面受光型の半導体受光素子に対して、その上に、下部クラッド部の一部を介して、コア部を前記大面積の受光面に平行として光導波路を積層するように形成することにより、半導体受光素子と光導波路とを同一基板に効率的に集積することができ、従来のように基板上に光導波路を形成した後で半導体受光素子を実装した光集積回路基板と比較して小型化・低背化できるとともに、この光導波路上にさらに別の光電子デバイス等を搭載実装することができるので、特に基板上に半導体受光素子および光電子デバイスをそれぞれ複数個搭載するような光集積回路基板についても、光集積回路基板の小型化を実現することができるものとなる。
【００１６】
また、本発明の光集積回路基板によれば、基板には半導体受光素子を形成することができる基板や半導体受光素子を搭載実装することができる基板であれば各種の基板を用いることができ、電気的特性の良いセラミック基板等、信号処理の高速化および光電子デバイスの高集積化に対してより好適な基板を使用することができる。
【００１７】
また、本発明の光集積回路基板によれば、半導体受光素子の大面積の受光面に垂直な受光面に対して、光導波路による光伝搬方向の入力側の手前に、この大面積の受光面に垂直な受光面に対向させるとともに、下部クラッド部の一部を介してコア部の下面に対向させて、コア部屈折率が光導波路のコア部より大きく半導体受光素子の大面積の受光面に垂直な受光面より小さく、かつ実効屈折率が大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっている中間屈折率体を配置したことによって、モード結合理論から、光導波路のコア部を伝搬してきた光が中間屈折率体にモード結合により移行し、この中間屈折率体から出力された光が半導体受光素子の端面から大面積の受光面に垂直な受光面ヘ結合することができ、これについて半導体受光素子におけるフィールドとの整合をとることによって、スムーズに半導体受光素子へ光を結合させることができ、結合効率を高めることができる。
【００１８】
また、図５に示すような中間屈折率体６を用いた構造では、前述のように、モード結合理論の原理から中間屈折率体６の光伝搬方向の長さＬffを変化させると光導波路のコア部４と中間屈折率体６との間で相互に光が移行して結合効率について大きな変化をもたらしていたが、本発明の光集積回路基板によれば、中間屈折率体の実効屈折率が、半導体受光素子の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっていることから、コア部から中間屈折率体へ移行してきた光は完全に光導波路のコア部へ戻ることがない。このことから、中間屈折率体の光伝搬方向の長さを長くすると、結合効率が徐々に増加することとなり、より高い結合効率が得られるものとなる。さらに、本発明の光集積回路基板によれば、中間屈折率体の光伝搬方向の長さを一定以上にすると結合効率が最大値に近づき、中間屈折率体の加工精度によらず安定した結合効率を得ることができるものとなるので、作製が容易である。
【００１９】
以下、本発明の光集積回路基板について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の光集積回路基板の実施の形態の一例を示す光集積回路基板の断面図である。
【００２０】
本発明の光集積回路基板は、図１に示すように、基板１上に配設された面受光型の半導体受光素子２と、この基板１上の半導体受光素子２上に形成された、下部クラッド部３・コア部４・上部クラッド部５から成る光導波路と、半導体受光素子２の光導波路による光伝搬方向の入力側に位置する半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面、通常は光伝搬方向に垂直に配置される大面積の受光面に垂直な受光面の手前に、半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に対向するとともに、下部クラッド部３の一部を介して光導波路のコア部４の下面に対向するように配置された、屈折率がコア部４より大きく半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面より小さく、かつ実効屈折率が大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっている中間屈折率体６とを具備して成るものである。なお、上部クラッド部５は必ずしも必要なものではなく、上部クラッド部５を形成せず、コア部４の上部を空気（屈折率は約１）としておくことによっても、光導波路による良好な光伝送および半導体受光素子２への良好な光接続を行なうことができる。
【００２１】
本発明の光集積回路基板において、半導体受光素子２および中間屈折率体６が配設され、その上に光導波路が形成される基板１には、光集積回路基板や光電子混在基板の光信号を扱う基板として使用される種々の基板、例えば、シリコン基板やアルミナ基板・ガラスセラミック基板・多層セラミック基板等が使用できる。
【００２２】
基板１上に配設される面受光型の半導体受光素子２には、例えば、フォトダイオード（ＰＮフォトダイオード・ＰＩＮフォトダイオードあるいはアバランシェフォトダイオード・ＭＳＭ（Metal-Semiconductor-Metal）フォトダイオード）等が用いられ、これらが基板１上に搭載実装されあるいは形成されて配設される。半導体受光素子２の大面積の受光面は、基本的には基板１の上面とほぼ平行にその半導体受光素子２の上部に位置するものであるが、このような位置に限定されるものではなく、半導体受光素子２のどこに位置していてもよい。ただし、大面積の受光面の位置によっては、最大受光効率を得ることができる最適設計を行ない、その最適設計に見合った光導波路および中間屈折率体６を形成する必要がある。
【００２３】
基板１および半導体受光素子２上に形成される光導波路は、少なくとも下部クラッド部３とコア部４とを有しており、好ましくはこれに上部クラッド部５を有する３層から成る３次元導波路形状の光導波路である。その形成材料としては基板１上に３次元導波路形状の光導波路を形成できる光学材料であれば種々のものが使用できるが、中でも有機系の光学材料、特にシロキサン系ポリマを用いることが望ましい。シロキサン系ポリマによる光導波路とすれば、例えばコア部４のみあるいはコア部４ならびに下部および上部クラッド部３・５にチタン（Ｔｉ）等の金属を含有したシロキサン系ポリマを用いることにより、チタン含有量の制御によってコア部４と下部および上部クラッド部３・５とで所望の屈折率差を有する光導波路を容易に作製することができ、半導体受光素子２との受光効率が最大となる構造のものを設計することが容易となる。
【００２４】
このようなシロキサン系ポリマとしては、ポリマの骨格にシロキサン結合が含まれている樹脂であればよく、例えばポリフェニルシルセスキオキサン・ポリメチルフェニルシルセスキオキサン・ポリジフェニルシルセスキオキサン等がある。
【００２５】
また、コア部４およびクラッド部３・５に含有させる金属としてはチタンに限られるものではなく、ゲルマニウム（Ｇｅ）・アルミニウム（Ａｌ）・エルビウム（Ｅｒ）等も使用できる。これらの金属を含有したコア部４を形成するには、その金属アルコキシドを添加したシロキサン系ポリマ層を形成し、これを所望の形状・寸法に加工すればよい。
【００２６】
また、光導波路の材料としては、この他にも低損失で光を伝搬させることができる透明性があり、また所望の屈折率差を得ることができるコア部材とクラッド部材との組合せであれば各種の材料を用いることができる。有機系の光学材料としては、シロキサン系ポリマ以外に、例えばフッ素化ポリイミド・ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）・ポリカーボネート（ＰＣ）等の溶液状態で塗布可能な光学材料が好適に用いられる。
【００２７】
半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に対し、光導波路による光伝搬方向の入力側に位置して、大面積の受光面に垂直な受光面に対向するとともに、光導波路のコア部４の下面に対向するようにして半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面の手前に配置される中間屈折率体６は、光集積回路を構成する光導波路および半導体受光素子２の屈折率および形状に応じて適切な屈折率および形状を有するものとすればよく、特に上下クラッド部３・５とコア部４との３層で構成される光導波路の実効屈折率と、下部クラッド部３および半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面で構成される部分の実効屈折率との範囲内で、半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に近くなるにつれて徐々に実効屈折率が高くなるような実効屈折率分布となる屈折率と形状との組合せとするとよい。
【００２８】
例えば、一定の屈折率で構成される中間屈折率体６の形状を、その厚みが大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に厚くなるような、例えばくさび形あるいは台形等の断面形状のものにして、半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面側に最も厚みが厚くなった部分（くさび形であればその底部）を配置するとよい。このように中間屈折率体６の厚みを大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に厚くなっているものとしたときは、添加剤の導入および制御が困難であるような屈折率制御が難しい材料においても、安定して得られる初期の屈折率を利用して中間屈折率体６の形状を設計することで、高効率な結合効率を得ることができる。
【００２９】
あるいは、直方体（断面形状が長方形）の中間屈折率体６について、半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高い屈折率を有するような屈折率分布を与えたものとしてもよい。このように中間屈折率体６の屈折率を大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっているものとしたときは、加工精度に関わらず、任意の実効屈折率分布を得ることができる。
【００３０】
さらに、以上のような厚みの変化と屈折率の変化とを組み合わせてもよく、光集積回路基板の仕様や構成材料の特性等に応じて、好適な設計を行なえばよい。
【００３１】
中間屈折率体６の形成材料としては、例えば、シロキサン系ポリマから成る光導波路に対しては、ＰＭＭＡのように光集積回路を構成する光導波路のコア部４の屈折率より大きく、かつ半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面の屈折率より小さい屈折率を有し、さらに光吸収等の光損失が少ない材料であればよい。従って、金属を含有した樹脂材料および金属等は光の吸収損失があるため、中間屈折率体６を形成する材料としては必ずしも好適ではないが、この場合はその形状を最適設計することによって、効果的に半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に伝搬光を結合することができる。そのような形状としては、例えば金属を含有した樹脂材料を使用して、光導波路に平行に配置した中間屈折率体６の光導波路側と反対側に金属の含有率を高くした構造を有する形状とするとよい。
【００３２】
半導体受光素子２が配設された基板１上に光伝搬方向を半導体受光素子２の大面積の受光面に平行として形成される光導波路は、下部クラッド部３の厚み、つまり基板１からこの基板１にほぼ平行に形成されたコア部４までの厚みは、形成材料について基板１との相互作用により放射損失が発生しないような厚みをあらかじめ実験で調べた結果等に基づいて、その厚み以上に形成する。
【００３３】
そのように設計した光集積回路基板の構造を実現するためには、例えば、基板１上にまず下部クラッド部３の材料となるシロキサン系ポリマの溶液を基板１上に滴下・塗布することが可能なスピンコーターやバーコーター等の装置を使用して下部クラッド部３を成膜し、その上に中間屈折率体６を形成する材料をスピンコーターやバーコーター等で塗布して、エッチングによって中間屈折率体６をパターニング加工する。このエッチングに使用する装置には、例えばＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）・ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）・レーザ等を採用でき、それぞれエッチング条件を最適化することによって、設計したパターン形状を加工することができる。
【００３４】
この際、光導波路による光伝搬方向に沿った中間屈折率体６の断面形状としては、その厚みが半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に厚くなるような形状として、例えば図１に示すような半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に対向する面と、下部クラッド部の一部を介して光導波路のコア部４の下面に対向する面とを直交する２辺としこれらを結ぶ斜辺を有する、いわゆるくさび形の形状とするとよい。これにより、屈折率が一様な材料を用いた場合であっても、中間屈折率体６の実効屈折率を大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっているものとすることができる。
【００３５】
またこの他に、図２に図１と同様の断面図で示すような、長方形の形状としてもよく、この場合には、半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって屈折率が徐々に高くなるような屈折率分布を持たせることにより、中間屈折率体６の実効屈折率を大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっているものとすることができる。
【００３６】
中でも、図１に示すように中間屈折率体６の断面形状をくさび形とすることにより、中間屈折率体の実効屈折率が、半導体受光素子の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっているため、中間屈折率体６へ移行してきた光が完全に光導波路のコア部４へ戻ることがなくなり、極めて高い結合効率を得ることができる。
【００３７】
次いで、半導体受光素子２が実装される部分を上記と同様のエッチングによって加工する。その後、半導体受光素子２を基板１上に実装し、再び下部クラッド部３を成膜して光導波路のコア部４と半導体受光素子２との間に所定のギャップを設ける。そして、この上にコア部４を成膜し、同様にエッチングによって所望の形状にパターニング加工して光導波路を形成する。
【００３８】
以上の図１および図２に示すような本発明の光集積回路基板は、例えば図３に斜視図で示すような、基板11上に多数の半導体受光素子14が配設されるとともにその上にそれぞれの半導体受光素子14と光結合される光導波路のコア部13が形成され、さらに多数の光増幅器15等の光電子デバイスが搭載された光集積回路モジュール等に使用され、それにより、この光集積回路モジュールは、光導波路13と半導体受光素子14とを高い受光効率で光結合させつつ、そのモジュールのサイズの小型化を図ることができるものとなる。
【００３９】
なお、図３において、12は外部との光信号のやりとりを行なうための光ファイバであり、16は光増幅器15を駆動するために基板11上に形成された電極部である。また、半導体受光素子14の光導波路13による光伝搬方向の入力側（光ファイバ12側）の光導波路13の部分に４本の平行な直線で示した部分は、中間屈折率体が設けられている場所であることを示している。
【実施例】
【００４０】
次に、本発明の光集積回路基板について具体例を説明する。
【００４１】
［例１］まず、アルミナ基板１上に、下部クラッド部３を形成し、その上に中間屈折率体６を成膜し、その一部を加工して中間屈折率体６を形成した。その後、面受光型の半導体受光素子２を実装し、下部および上部クラッド部３・５がシロキサン系ポリマ、コア部４がチタン含有シロキサン系ポリマから成るステップインデックス型光導波路を具備した、図１に示した例と同様な構成の光集積回路基板を作製した。このときコア部４およびクラッド部３・５の屈折率をそれぞれ1.450および1.445として、コア部４の幅を６μｍ、高さを６μｍとし、下部クラッド部３の厚み（基板１から基板１上面に平行に形成されたコア部４までの厚み）を10μｍ、上部クラッド部５の厚みを10μｍとした。なお、半導体受光素子２には、厚みが１μｍで、大面積の受光面の面積が200μｍ径のものを用いた。中間屈折率体６には屈折率1.483を有する感光性シロキサンポリマを用いて、幅を200μｍ、半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面側の厚さを１μｍ、光伝搬方向への長さを50μｍに加工した。この中間屈折率体６の端面と半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面とは、接しているものとした。
【００４２】
さらに、コア部４の上には、下部クラッド部３と同様の材料を用いて上部クラッド部５を形成した。
【００４３】
このようにして作製した本発明の光集積回路基板において、光導波路と半導体受光素子２との結合効率を測定したところ、断面形状が長方形でしかも実効屈折率の分布を持たない中間屈折率体を具備した光集積回路基板に比べて、約1.3倍である約18％の結合効率を有していることが確認できた。
【００４４】
この結果につき、図６に光集積回路基板における中間屈折率体６の屈折率および光伝搬方向の長さに対する結合効率の変化を線図で示す。図６において、横軸は中間屈折率体６の屈折率ｎffを、縦軸は結合効率Coupling efficiency（単位：％）を表わし、実線は断面形状がくさび形の中間屈折率体６における特性曲線を、破線は断面形状が長方形で屈折率分布を持たない中間屈折率体における特性曲線を示している。結合効率は中間屈折率体６の屈折率に対して最大値を有しており、断面形状が直方形の中間屈折率体６の特性曲線は最大値をとる屈折率付近で急峻なピークを有しているが、断面形状がくさび形の中間屈折率体６の特性曲線は最大値をとる屈折率から徐々に結合効率が減少している。つまり、高結合効率を有する屈折率の制御許容範囲が広がり、中間屈折率体６として利用する材料の屈折率コントロールを緩くすることができることが分かる。
【００４５】
また、図７に光集積回路基板における中間屈折率体６の光伝搬方向の長さに対する結合効率の変化を線図で示す。実線で断面形状がくさび形の中間屈折率体６による特性曲線を示している。これらの結果より、断面形状がくさび形をした、半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっている実効屈折率分布を有する中間屈折率体６を具備した本発明の光集積回路基板の方が高結合効率を得られることが分かった。また、断面形状が直方形の中間屈折率体６においては、モード結合によって、光が光導波路と中間屈折率体６を交互に移行する。このため、中間屈折率体６の光伝搬方向の長さに対して結合効率の変化が大きく、高い加工精度が必要であった。断面形状がくさび形の中間屈折率体６の場合においても、光伝搬方向の長さに対して結合効率は周期的に変化するが、その変化は断面形状が直方形の中間屈折率体６の結合効率の変化に対して小さく、また、全体的に増加しながら最大値へ飽和するので、中間屈折率体６の光伝搬方向の長さを結合効率が最大値をとるように設計した場合、安定した結合効率を得ることができる。
【００４６】
なお、この例では基板１にアルミナ基板を使用したが、この他に窒化アルミニウム基板やシリコン基板・ガラスセラミックス基板等を用いても、同様に良好な結合効率を有していた。
【００４７】
ここで、この例における光集積回路基板の作製方法を図10（ａ）に工程毎の断面図で示す。
【００４８】
まず、アルミナ基板１上に下部クラッド部３をスピンコーターで塗布する（工程１）。
【００４９】
次に、その上から中間屈折率体６を形成する感光性シロキサンポリマ６ａを成膜し、グレイスケールフォトマスクを使用して感光性シロキサンポリマ６ａを露光すると、感光性シロキサンポリマは照射量に応じて屈折率が低く変化するため、光の当たった部分だけ、露光量に応じてシロキサンポリマ６ａの屈折率が変化する（工程２）。
【００５０】
ここで、グレイスケールフォトマスクを使用しているため、シロキサンポリマ６ａの屈折率が変化する領域は、断面形状が工程３に示すようなくさび形を呈し、これにより中間屈折率体６を形成することができる（工程３）。
【００５１】
次に、半導体受光素子を実装する部分10をＲＩＥを利用したエッチングにより形成する（工程４）。
【００５２】
次に、半導体受光素子実装部分10に半導体受光素子２を実装する（工程５）。
【００５３】
次に、光導波路のコア部４と半導体受光素子２の間の厚み分だけクラッド部を成膜し、その後、コア部４を成膜し、フォトリソグラフィ工程を経てコア部４をパターニングし、最後に上部クラッド部５を成膜して光集積回路基板を作製する（工程６）。
【００５４】
なお、中間屈折率体６の厚みを半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に厚くするために、断面形状をくさび形にする場合は、図１に示すような断面形状に限られることはなく、例えば図８（ａ）および（ｂ）にそれぞれ断面図で示すように、二等辺三角形（図８（ａ）の形状）の断面形状を有するものであってもよく、上辺がコア部４に平行な直角三角形（図８（ｂ）の形状）の断面形状を有するものであってもよい。
【００５５】
図９に、図１ならびに図８（ａ）および（ｂ）に示す構成で、中間屈折率体６の光伝搬方向の長さＬffを変えて光集積回路基板を作製し、Ｌff（μｍ）に対する結合効率Coupling efficiency（％）の変化を調べた結果を線図で示す。これらの特性曲線から分かるように、中間屈折率体６の光伝搬方向の長さＬffを1000μｍ以上にすると、結合効率は最大値へ飽和していくことが分かる。これに基づき、中間屈折率体６の光伝搬方向の長さＬffを1000μｍ以上にすると、加工精度によらない安定した結合効率を得ることができた。さらに、最大の結合効率は、くさび形の断面形状にも特に依存しないことが分かった。上記の例において中間屈折率体６の光伝搬方向の長さＬffを1000μｍにしたところ、結合効率は約60％となり、断面形状が長方形で実効屈折率分布を持たない中間屈折率体を用いた場合に比べて約４倍もの高結合効率を得ることができた。
【００５６】
ここで、中間屈折率体６の作製方法の他の例として、図８（ｂ）に示す光集積回路基板の作製方法を図10（ｂ）に工程毎の断面図で示す。
【００５７】
まず、アルミナ基板１上に下部クラッド部３をスピンコーターで塗布する（工程１）。
【００５８】
次に、その上から屈折率が1.504のフッ素化ポリイミド６を成膜し、その上にフォトレジスト膜８を成膜し、グレイスケールフォトマスク７を用いてフォトレジスト膜８を露光する（工程２）。
【００５９】
ここで、グレイスケールフォトマスク７を使用しているため、フォトレジスト膜８の照射量に差ができて、工程３に示すような傾斜構造を有するフォトレジストパターンが形成できる（工程３）。
【００６０】
次に、フォトレジスト膜８をマスクとしてＲＩＥでエッチングを行ない、断面形状がくさび形の中間屈折率体６を形成する（工程４）。
【００６１】
次に、この中間屈折率体６の端面に大面積の受光面に垂直な受光面を突き当てるようにして半導体受光素子２を実装する（工程５）。
【００６２】
次に、光導波路のコア部４と半導体受光素子２の間の厚み分だけクラッド部を成膜し、その後、コア部４を成膜し、フォトリソグラフィ工程を経てコア部４をパターニングし、最後に上部クラッド部５を成膜して光集積回路基板を作製する（工程６）。
【００６３】
［例２］図10（ｃ）に工程毎の断面図で示す光集積回路基板作製方法により、図２に示す構造の本発明の光集積回路基板を作製した。
【００６４】
まず、アルミナ基板１上に、下部クラッド部３を成膜した（工程１）。
【００６５】
次に、中間屈折率体６を形成する膜６ｂを成膜し、ＲＩＥで断面が長方形の直方体６ｂに加工した（工程２）。
【００６６】
次に、直方体６ｂの半導体受光素子２が搭載される側の端面に金属層９を形成した（工程３）。
【００６７】
次に、直方体６ｂと金属層９とに電圧を印加して、金属を直方体６ｂに拡散させ、直方体６ｂの半導体受光素子２が搭載される側の端面における屈折率が最も高く、その端面から離れるにつれて屈折率が徐々に低くなるような屈折率分布を持たせた中間屈折率体６を形成した（工程４）。
【００６８】
その後、面受光型の半導体受光素子２を実装し（工程５）、下部および上部クラッド部３・５がシロキサン系ポリマ、コア部４がチタン含有シロキサン系ポリマから成るステップインデックス型光導波路を具備した、図２に示した構成の光集積回路基板を作製した（工程６）。
【００６９】
このとき、コア部４およびクラッド部３・５の屈折率をそれぞれ1.450および1.445として、コア部４の幅を６μｍ、高さを６μｍとし、下部クラッド部３の厚み（基板１から基板１上面に平行に形成されたコア部４までの厚み）を10μｍ、上部クラッド部５の厚みを10μｍとした。なお、半導体受光素子２には、厚みが１μｍで、大面積の受光面の面積が200μｍ径のものを用いた。
【００７０】
また、中間屈折率体６には屈折率が1.504のフッ素化ポリイミドに金属を添加して屈折率を調整した材料を用い、金属の添加量を調節して、1.494〜1.514の範囲で半導体受光素子２の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に屈折率が高くなるような屈折率分布を持たせた。この中間屈折率体６の形状は、幅を200μｍ、半導体受光素子２の大面積 の受光面に垂直な受光面側の厚みを１μｍ、光伝搬方向の長さを540μｍとし、図２に示すような断面形状が長方形のものに加工し、この中間屈折率体６の端面と半導体受光素子２の端面とは、接しているものとした。
【００７１】
このようにして作製した本発明の光集積回路基板について、光導波路と半導体受光素子２との結合効率を測定したところ、結合効率は約50％となり、断面形状が長方形で実効屈折率分布を持たない中間屈折率体を用いた構造に比べて約3.5倍もの高結合効率を得ることが確認できた。
【００７２】
なお、この例でも基板１にアルミナ基板を使用したが、この他に窒化アルミニウム基板やシリコン基板・ガラスセラミックス基板等を用いても、同様に良好な結合効率を有していた。
【００７３】
なお、以上はあくまで本発明の実施の形態の例示であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。
【００７４】
【発明の効果】
本発明の光集積回路基板によれば、基板上に、基板の上面と平行に位置する大面積の受光面と、大面積の受光面に垂直な受光面を有し、大面積の受光面を上向きに配設された面受光型の半導体受光素子に対して、その上に光導波路を積層するように形成することにより、半導体受光素子と光導波路とを同一基板に効率的に集積することができ、従来のように基板上に光導波路を形成した後で半導体受光素子を実装した光集積回路基板と比較して小型化・低背化できるとともに、この光導波路上にさらに別の光電子デバイス等を搭載実装することができるので、特に基板上に半導体受光素子および光電子デバイスをそれぞれ複数個搭載するような光集積回路基板についても、光集積回路基板の小型化を実現することができるものとなる。
【００７５】
また、本発明の光集積回路基板によれば、基板には電気的特性の良いセラミック基板等、信号処理の高速化および光電子デバイスの高集積化に対してより好適な基板を使用することができる。
【００７６】
また、本発明の光集積回路基板によれば、半導体受光素子の大面積の受光面に垂直な受光面に対して、光導波路による光伝搬方向の入力側の大面積の受光面に垂直な受光面の手前に、この大面積の受光面に垂直な受光面に対向させるとともに、下部クラッド部を介してコア部に対向させて、屈折率が光導波路のコア部より大きく半導体受光素子の大面積の受光面に垂直な受光面より小さく、かつ実効屈折率が大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっている中間屈折率体を配置したことによって、大面積の受光面に垂直な受光面に入射するコア部からの漏れ出した伝搬光に対して、半導体受光素子の端面における大きな屈折率変化が緩和されるため、大面積の受光面に垂直な受光面における入射光の反射を抑制することができ、光導波路による伝搬光を効率的に半導体受光素子に光結合することができる。
【００７７】
さらに、光導波路のコア部を伝搬してきた光が中間屈折率体に光結合により移行し、この中間屈折率体から出力された光が半導体受光素子の端面から大面積の受光面に垂直な受光面ヘ結合することができ、これについて半導体受光素子におけるフィールドとの整合をとることによって、スムーズに半導体受光素子へ光を結合させることができ、結合効率を高めることができる。
【００７８】
また、本発明の光集積回路基板によれば、中間屈折率体の実効屈折率が、半導体受光素子の大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっていることから、コア部から中間屈折率体へ移行してきた光は完全に光導波路のコア部へ戻ることがなく、中間屈折率体の光伝搬方向の長さを長くすると、結合効率が徐々に増加することとなり、より高い結合効率が得られるものとなる。さらに、中間屈折率体の光伝搬方向の長さを一定以上にすると結合効率が最大値に近づき、中間屈折率体の加工精度によらず安定した結合効率を得ることができるものとなるので、作製が容易である。
【００７９】
以上により、本発明によれば、光導波路と半導体受光素子との結合効率を高め、光導波路を伝搬する光に対する半導体受光素子による受光効率をより高効率なものとし、しかも加工精度に大きく影響されずに安定して製作し供給することができる光集積回路基板を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光集積回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の光集積回路基板の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図３】本発明の光集積回路基板を使用した光集積回路モジュールの例を示す斜視図である。
【図４】従来の光集積回路基板の例を示す断面図である。
【図５】本発明者が先に提案した光集積回路基板の例を示す断面図である。
【図６】本発明の光集積回路基板の実施例における中間屈折率体の屈折率に対する結合効率の変化を示す線図である。
【図７】本発明の光集積回路基板の実施例における中間屈折率体の光伝搬方向の長さに対する結合効率の変化を示す線図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の光集積回路基板の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図９】本発明の光集積回路基板の実施例における中間屈折率体の光伝搬方向の長さに対する結合効率の変化を示す線図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の光集積回路基板の作製工程の例を示す工程毎の断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・基板
２・・・・・半導体受光素子
３・・・・・光導波路の下部クラッド部
４・・・・・光導波路のコア部
５・・・・・光導波路の上部クラッド部
６・・・・・中間屈折率体
Claims (3)
- 基板上に、前記基板の上面と平行に位置する大面積の受光面と、前記大面積の受光面に垂直な受光面を有し、前記大面積の受光面を上向きにして配設された面受光型の半導体受光素子と、前記基板上に、少なくとも下部クラッド部およびコア部を有し、前記基板上の前記半導体受光素子の上に、前記下部クラッド部の一部を介して、前記コア部を前記大面積の受光面に平行として形成された光導波路と、前記半導体受光素子の前記光導波路による光伝搬方向の入力側に位置して前記大面積の受光面に垂直な受光面に対向するとともに、前記下部クラッド部の一部を介して前記光導波路の前記コア部の下面に対向するように配置された、屈折率が前記コア部より大きく前記大面積の受光面に垂直な受光面より小さく、かつ実効屈折率が前記大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっている中間屈折率体とを具備して成ることを特徴とする光集積回路基板。
- 前記中間屈折率体の厚みが前記大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に厚くなっていることを特徴とする請求項１記載の光集積回路基板。
- 前記中間屈折率体の屈折率が前記大面積の受光面に垂直な受光面に向かって徐々に高くなっていることを特徴とする請求項１記載の光集積回路基板。
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