JP4008649B2 - 光学装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＧＨ素子（computer generated hologram）のような回折型光学素子あるいは屈折型レンズ素子のような光学レンズ素子と、この光学レンズ素子に結合される光学素子とを含む光学装置に関し、特に、前記光学レンズ素子を含むこれら光学素子のアライメントを容易とする光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学素子の光学的結合のためのアライメント方法に、例えば、Tanaka 氏等により、IEIC Trans. Electron. E80-C 第１０７〜１１１頁（１９９７年）で開示されているようなパッシブアライメント法がある。
この従来方法では、光ファイバと光源であるレーザチップとの両者の位置決めのために、シリコンプラットフォームと呼ばれる支持基板が用いられる。このシリコンプラットフォームには、光ファイバを受け入れるＶ字状のエッチング溝が形成され、レーザチップを受ける半田パッドが形成される。これらエッチング溝および半田パッドは、フォトリソエッチング技術を用いて形成されることから、試験光等を用いたいわゆるアクティブアライメント法を適用することなく、前記支持基板上で、例えば１μｍ〜６μｍのビームスポット径のビームを取り扱う両光学素子を、１〜２μｍの許容誤差内で高精度に位置決めることができる。
【０００３】
前記した支持基板上の光学素子に光学レンズ素子を結合する場合、この光学レンズ素子が形成された光学基板と前記支持基板との正確なアライメントが必要となる。
特に、ＣＧＨ素子のような微小な光学レンズ素子を、前記した支持基板上に位置決められた光学素子に組み合わせる場合、この光学レンズ素子と前記光学素子との高精度での光学的結合を実現するために、光学レンズ素子が形成された光学基板と、光学素子が設けられた前記支持基板とを高精度で位置決めする必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、前記したＣＧＨ素子のような光学レンズ素子と、支持基板に位置決められかつ前記レンズ素子に光学的に結合される光学素子とを含む光学装置であって光学的結合が比較的容易かつ高精度で行い得る光学装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
〈構成〉
本発明は、第１光学レンズ素子と第２光学レンズ素子とが形成された表面と、ミラーが形成された裏面とを有する光学基板と、光学素子としてレーザダイオードと光ファイバが設けられ、前記光学基板が実装される支持基板とを含み、前記支持基板は、前記光学素子が支持され部分的にエッチング処理を受ける表層と、該表層下にあって該表層のためのエッチング媒体に関してエッチングストッパとして機能するエッチングストッパ層とを備える積層構造を有し、前記エッチング処理により前記表層から露出した前記エッチングストッパ層上に前記光学基板が載置されている光学装置であって、前記光学基板は、前記第１光学レンズ素子が、前記レーザダイオードから出射される光を平行光束に変換して前記ミラーに入射し、前記ミラーが、前記平行光束に変換された光を前記第２光学レンズ素子に入射し、前記第２光学レンズ素子が、前記ミラーにより出射された光を前記光ファイバに集光して入射することを特徴とする。
他の発明は、第１光学レンズ素子と第２光学レンズ素子とが形成された表面と、波長フィルタが形成された裏面とを有する光学基板と、光学素子としてレーザダイオードとフォトダイオードと光ファイバとが設けられ、前記光学基板が実装される支持基板とを含み、前記支持基板は、前記光学素子が支持され部分的にエッチング処理を受ける表層と、該表層下にあって該表層のためのエッチング媒体に関してエッチングストッパとして機能するエッチングストッパ層とを備える積層構造を有し、前記エッチング処理により前記表層から露出した前記エッチングストッパ層上に前記光学基板が載置されている光学装置であって、前記光学基板は、前記第１光学レンズ素子が、前記レーザダイオードから出射される第１の光を平行光束に変換して前記波長フィルタに入射し、前記波長フィルタが、前記平行光束に変換された第１の光を前記第２光学レンズ素子に入射し、前記第２光学レンズ素子が、前記波長フィルタにより出射された第１の光を前記光ファイバに集光して入射し、該光ファイバから出射され前記第１の光とは波長の異なる第２の光を平行光束に変換して前記波長フィルタに入射し、前記波長フィルタが、前記平行光束に変換された第２の光を前記フォトダイオードに入射することを特徴とする。
【０００６】
〈作用〉
本発明に係る前記光学装置では、前記支持基板のエッチング処理により露出する前記エッチングストッパ層が、前記光学レンズ素子が形成された光学基板を載置するための支持面として利用される。前記支持基板は、例えば半導体集積回路に用いられるＳＯＩ基板を用いることができ、このＳＯＩ基板のいわゆるＢＯＸ層と称される酸化シリコン層を前記したエッチングストッパ層として利用することにより、前記光学基板の支持面に前記高精度の平坦性が維持される。
従って、前記したエッチング処理により露出される前記エッチングストッパ層上での前記光学装置の二次元的な位置決めにより、前記光学レンズ素子と前記光学素子との高精度での光学的結合を比較的容易に行うことが可能となる。
【０００７】
前記表層上に、前記光学素子の位置決めのためのマークをフォトリソエッチング技術により形成し、さらに前記表層上に、前記光学基板の前記エッチングストッパ層上における位置決めのためのマークをフォトリソエッチング技術により形成し、両マークを基準に前記光学素子および光学基板を前記支持基板に位置決めることにより、前記光学レンズ素子および前記光学素子の一層容易な位置決めが可能となる。
【０００８】
前記支持面を構成すべく前記エッチングストッパ層を部分的に露出させるべく、前記表層に全体に矩形のエッチング開口を形成し、該エッチング開口を規定する縁部のうち、互い直角な関係をなして配置される両縁部を前記エッチング表層上に設けられる前記光学基板のためのマークとして利用することができる。
【０００９】
前記光学基板は、前記エッチングストッパ層上に接する底面と、該底面から互いに間隔をおいて立ち上がる一対の直立面とを備える全体に矩形の板部材で構成することができ、この場合、前記直立面の少なくとも一方に前記レンズ素子を形成することができる。
【００１０】
光学基板に形成される前記レンズ素子として、ＣＧＨ素子のような回折型光学素子を用いることができる他、光の屈折現象を利用した屈折型光学素子であるバルクレンズあるいは非球面レンズ等、種々の光学レンズ素子を採用することができる。
【００１１】
また、前記支持基板には、光ファイバの他、レーザダイオード或いはフォトダイオードのような発光器等、種々の光学素子を設けることができる。
【００１２】
前記表層は、その厚さ寸法の許容誤差が前記光学基板と前記支持基板とのアライメントの許容誤差範囲内にあり、表層の厚さ寸法が例えば１００μｍであるとき、その許容誤差が例えば±０．５μｍであることが望ましい。
【００１３】
また、前記支持基板の前記積層構造が、前記エッチングストッパ層下に例えばシリコン結晶板のような支持層を有する場合、前記エッチングストッパ層を露出させた後、前記支持層が新たなエッチングストッパとして機能するエッチング処理により、前記表層下の前記エッチングストッパ層から前記支持層を部分的に露出させることにより、該支持層を前記光学基板の支持面として利用することができる。
【００１４】
前記したシリコン結晶板のような支持層を前記光学基板の支持面として利用する場合、前記表層と、前記支持層上の前記エッチングストッパ層の合計の厚さ寸法の許容誤差が前記光学基板と前記支持基板とのアライメントの許容誤差範囲内にあり、このアライメントの許容誤差が例えば±２μｍであるとき、前記合計の厚さ寸法の許容誤差は、±２μｍの積層構造を有する支持基板が利用される。
【００１５】
前記支持層を支持面とする場合においても、前記表層上に、前記光学素子の位置決めのためのマークをフォトリソエッチング技術により形成し、さらに前記表層上に、前記光学基板の前記エッチングストッパ層上における位置決めのためのマークをフォトリソエッチング技術により形成することができる。
【００１６】
さらに、前記支持層を支持面とする場合、前記表層および前記支持層上の前記エッチングストッパ層に形成される全体に矩形のエッチング開口を形成し、該エッチング開口を規定する縁部のうち、互い直角な関係をなして配置される両縁部を前記支持層上に位置決められ前記光学基板のためのマークとして利用することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態について詳細に説明する。
〈具体例１〉
図１は、本発明に係る光学装置の具体例１を概略的に示す斜視図である。
本発明に係る光学装置１０は、光学レンズ素子が形成される光学基板１１と、該光学基板が組み付けられる支持基板１２とを備える。
【００１８】
光学基板１１は、例えば、図２に示されているように、高さ寸法Ｈが３ｍｍ、幅寸法Ｗが３ｍｍおよび厚さ寸法Ｔが２ｍｍの全体に矩形の板状石英からなる。光学基板１１は、その矩形底面１１ａの一対の長辺から互いに間隔をおいて前記底面１１ａに関して直角に立ち上がる一対の直立面１１ｂおよび１１ｃと、前記底面１１ａの短辺から互いに間隔をおいて直角に立ち上がる一対の側面１１ｄおよび１１ｅとを備え、一方の直立面１１ｂには、一対の光学レンズ素子１３（１３ａおよび１３ｂ）が形成されている。また、他方の直立面１１ｃには、一方の前記レンズ素子１３ａまたは１３ｂを透過した光を他方の前記レンズ素子１３ｂまたは１３ａに向けるための全反射ミラー１４が設けられている。
【００１９】
前記光学レンズ素子１３は、例えばＣＧＨ素子のような回折型光学素子からなる。ＣＧＨ素子１３は、従来よく知られているように、所望の回折光学特性に応じたマスクパターンを計算機により求め、各マスクパターンを用いたフォトリソグラフィ法により、光学基板１１の一方の直立面１１ｂにエッチング処理を施すことにより、形成される。これにより、例えば集光機能、コリメート機能あるいは偏向機能等、所望の一または複数の光学機能を有するＣＧＨ素子１３を形成することができる。
【００２０】
図示の例では、一方のレンズ素子１３ａは、後述する例えばレーザダイオードのような光学素子からの発散光を平行光束に変換するコリメート機能およびこのコリメート機能により得られた平行光束を前記ミラー１４と共同して他方のレンズ素子に案内すべく偏向するための偏向機能が与えられ、他方のレンズ素子１３ｂは前記一方のレンズ素子１３ａから前記ミラー１４を経て案内される平行光束を後述する例えば光ファイバのような光学素子に集光させるための前記したと同様な偏向機能および集光機能が与えられている。
【００２１】
各レンズ素子１３は、例えば０．３７５ｍｍの直径を有し、両光軸間のレンズ中心間距離が０．５ｍｍに設定されている。前記したＣＧＨ素子に代えて、回折現象を利用したフレネルレンズのような種々の回折型光学素子および屈折現象を利用したバルクレンズのような種々の屈折型光学素子を用いることができる。
【００２２】
それぞれに光学レンズ素子１３および全反射ミラー１４が形成された光学基板１１は、例えば３インチの石英ウエハ基板上に集合的に形成された後、スライサーにより、個々に切り出すことができる。この切り出しは、両レンズ素子１３の光軸を結ぶ中心線Ｌ１と前記底面１１ａとの間の距離の誤差範囲および両レンズ１３の中間点を通りかつ中心線Ｌ１に直交する中心線Ｌ２と前記側面１１ｄとの間の距離の誤差範囲がそれぞれ±０．３μｍ以内となる精度で、行うことができる。
【００２３】
各ＣＧＨ素子１３（１３ａ、１３ｂ）に光学的に結合される光学素子は、図１に示す例では、レーザダイオード１５および光ファイバ１６である。これら光学素子１５および１６光ファイバを支持する支持基板１２は、例えば従来よく知られたＳＯＩ基板が利用されている。
【００２４】
ＳＯＩ基板１２は、図３および図４に示されているように、全体に矩形の平板形状を呈する。ＳＯＩ基板１２は、図４に示されているように、シリコン結晶板１２ａと、該シリコン結晶板上に形成された酸化シリコン層１２ｂと、該酸化シリコン層上に形成されたシリコン結晶層１２ｃとから成る。例えば、シリコン結晶板１２ａは５００μｍの厚さ寸法を有し、酸化シリコン層１２ｂは１μｍの厚さ寸法を有し、シリコン結晶層１２ｃは１００μｍの厚さ寸法を有する。
シリコン結晶層１２ｃの厚さ寸法の許容誤差は、例えば±０．５μｍであり、この許容誤差については、アライメントの図１に示すｙ軸方向での許容誤差に応じた厚さ寸法精度の表層すなわちシリコン結晶層１２ｃを有するＳＯＩ基板１２が用いられる。このシリコン結晶層１２ｃの面方位は、例えば｛１００｝である。
【００２５】
シリコン結晶層１２ｃには、表層たるシリコン結晶層１２ｃを部分的に除去して該光学基板１１を乗せるための支持面１７を露出させるためのエッチング開口１８が形成されている。
【００２６】
エッチング開口１８は、マスクを用いた従来よく知られたフォトリソエッチング技術により、形成することができる。
｛１００｝面のシリコン結晶層１２ｃにエッチング開口１８を形成するためのエッチング媒体として、水酸化カリゥムのような異方性エッチング液を用い、このエッチング液を用いたウエットエッチング処理をシリコン結晶層１２ｃに施すことにより、図３に示すように、（１１１）面で構成される一対の長縁部１８ａ、１８ａおよび一対の短縁部１８ｂ、１８ｂで規定される矩形のエッチング開口１８が形成される。（１１１）面で構成される各長縁部１８ａおよび各短縁部１８ｂは、支持面１７に関して５５度の仰角を有する傾斜縁部である。
【００２７】
前記した酸化シリコン層１２ｂは、水酸化カリゥムに対し、シリコン結晶層１２ｃに比較して著しく低いエッチングレートを示すことから、実質的なエッチングストッパとして機能する。従って、前記したエッチング液を用いることにより、シリコン結晶層１２ｃを部分的に除去して酸化シリコン層１２ｂを部分的に露出させることにより、この露出された酸化シリコン層１２ｂからなる平坦な支持面１７を比較的容易に露出させることができる。
【００２８】
支持基板１２の表層すなわちシリコン結晶層１２ｃには、ＣＧＨ素子１３に光学的に結合されるレーザダイオード１５を位置決めるための一対の十字マーク１９が一方の長縁部１８ａの近傍に設けられ、光ファイバ１６を保持するためのＶ字溝２０が前記一方の長縁部１８ａから支持基板１２の端部に伸びる。さらに、前記シリコン結晶層１２ｃ上には、レーザダイオード１５からの光の拡散路を確保するためのＶ溝２１が、前記一方の長縁部１８ａと一対の十字マーク１９との間に形成され、また後述する支持面１７上での光学基板１１のｘ軸およびｚ軸方向の位置決めに使用される一対の十字マーク２２が一方の短縁部１８ｂの近傍に設けられている。
【００２９】
十字マーク１９および２２は、図１で見て、光学レンズ素子１３の光軸方向に一致するｚ軸に沿った線分と、これに直角なｘ軸に沿った線分とからなる。
前記十字マーク１９および２２は、従来よく知られたフォトリソエッチング技術を用いたリフトオフ法により、それぞれ高精度で形成することができる。
この十字マーク２２に代えて、種々の所望形状の位置決めマークを適宜使用することができる。
【００３０】
前記Ｖ字溝２０およびＶ溝２１は、従来よく知られているように、フォトリソエッチング技術を利用して形成することにより、支持基板１２の表面上に高精度で形成することができる。特に、支持基板１２の表層１２ｃが前記した結晶層から成るとき、エッチング処理として、結晶性を利用した異方性エッチング処理を行うことにより、特定の格子面により、一層正確なＶ字溝を形成することが可能となる。
【００３１】
支持基板１２へのレーザダイオード１５の組み付けでは、従来よく知られているように、例えばレーザダイオード１５を通しての赤外線による十字マーク１９の透視により、該十字マークを基準として、レーザダイオード１５が支持基板１２上に高精度で位置決められる。
また、支持基板１２への光ファイバ１６の組み付けでは、フォトリソエッチング技術により形成されたＶ字溝２０に光ファイバ１６を配置することにより、該光ファイバは支持基板１２上に高精度で位置決められる。
【００３２】
さらに、レーザダイオード１５および光ファイバ１６が位置決められた支持基板１２上への光学基板１１の組み付けでは、支持面１７上に底面１１ａを当接して配置される光学基板１１が十字マーク２２を基準に、支持基板１２上で位置決められる。
【００３３】
この支持基板１２上での光学基板１１の位置決めでは、前記したように光学基板１１の底面１１ａを支持面１７上に当接させた状態で、図１に示すｘ軸方向の位置は、両十字マーク２２および２２を結ぶ線と光学基板１１のいずれか一方の側面１１ｄまたは１１ｅとの間隔に基づいて、決定される。また、図１に示すように、光軸方向に一致するｚ軸方向の位置は、いずれか一方の十字マーク２２と、いずれか一方の直立面１１ｂまたは１１ｃとの間隔に基づいて、決定される。
【００３４】
光学基板１１のための支持面１７は、露出されたエッチングストッパ面である酸化シリコン層１２ｂで規定されることから、高い平坦度が維持され、かつエッチング開口１８の深さ寸法Ｄ（図４参照）は、シリコン結晶層１２ｃの厚さ寸法に一致することから、高精度でｙ軸方向の位置が規定される。
【００３５】
従って、光学基板１１の前記支持面１７上での前記したｘ軸方向およびｚ軸方向での前記十字マーク２２を利用した位置決めにより、光学基板１１を支持基板１２に正確に位置決めることができ、これにより、光学レンズ素子であるＣＧＨ素子１３と、これに光学的に結合される光学素子であるレーザダイオード１５および光ファイバ１６との高精度での光軸合わせが、実際の光を用いることなく可能となる。
【００３６】
このことから、従来のようなアクティブアライメント法を適用することなく、単に支持基板１２の支持面１７上での光学基板１１の位置決めマークを用いた２次元的な位置決め作業により、図１に示すようなｘ軸、ｙ軸およびｚ軸方向の誤差が１μｍ以下の精度で、ＣＧＨ素子１３と各光学素子１５および１６との光軸合わせであるアライメントを、いわゆるパッシブアライメントで行うことができ、これにより、迅速かつ容易な光軸合わせのためのアライメントが可能となる。
【００３７】
光学基板１１および支持基板１２から成る光学装置１０の特性評価試験によれば、レーザダイオード１５からの２ｍＷの入力光に対して光ファイバ１６の出力端から１．８ｍＷの出力光を取り出すことができ、９０％を越える光結合効率を得ることができた。
【００３８】
前記したところでは、ｘ軸方向およびｚ軸方向の位置決めのためのマークとして、シリコン結晶層１２ｃ上に形成された十字マーク２２を利用したが、この十字マーク２２に代えて、エッチング開口１８の互いに直角な関係で相互に隣り合う長縁部１８ａおよび短縁部１８ｂを利用することができる。
これらの縁部１８ａおよび１８ｂを位置決めマークとして利用する場合、エッチング開口１８のエッチング処理では、エッチング処理を受けるシリコン結晶層の結晶性を利用した異方性エッチング媒体に代えて、エッチングガスのような指向性を利用した異方性エッチング媒体を用いることが望ましい。
指向性を利用した異方性エッチング媒体を用いたドライエッチング処理により、支持面１７から垂直に立ち上がる各縁部１８ａおよび１８ｂを形成することができ、これにより支持面１７から垂直に立ち上がる各縁部１８ａおよび１８ｂを位置決めマークとすることにより、光学基板１１について、長縁部１８ａおよび短縁部１８ｂに対応したｚ軸方向およびｘ軸方向の位置決め作業が、一層容易かつ正確に行うことができる。
【００３９】
さらに、前記した具体例１では、表層たるシリコン結晶層１２ｃの直下に位置する酸化シリコン層１２ｂをエッチングストッパ層として、該エッチングストッパ層を光学基板１１のための支持面１７とする例を示したが、これに代えて、エッチングストッパ層たる酸化シリコン層１２ｂ下の支持層であるシリコン結晶板１２ａの表面を支持面１７とすることができる。
【００４０】
この場合、酸化シリコン層１２ｂをエッチングストッパ層とする表層１２ｃの部分的なエッチング処理により前記酸化シリコン層１２ｂが部分的に露出すると、エッチングストッパ層として機能した酸化シリコン層１２ｂを例えばフッ素系のエッチング液を用いたエッチング処理により、部分的に除去し、酸化シリコン層１２ｂ下のシリコン結晶板１２ａの表面を部分的に露出させることができる。
シリコン結晶板１２ａは、フッ素系のエッチング液に対して、エッチングストッパとして機能することから、前記した酸化シリコン層１２ｂへの部分的なエッチング処理により、平坦なシリコン結晶板１２ａの表面を前記酸化シリコン層１２ｂから露出させることにより、シリコン結晶板１２ａの露出面を光学基板１１の支持面１７として、利用することができる。
【００４１】
また、前記したシリコン結晶板のような支持層を前記光学基板の支持面として利用する場合、前記表層と、前記支持層上の前記エッチングストッパ層の合計の厚さ寸法の許容誤差が前記光学基板と前記支持基板とのアライメントのｙ軸方向での許容誤差範囲内にあるＳＯＩ基板が使用される。このアライメントの許容誤差が例えば±２μｍであるとき、前記合計の厚さ寸法の許容誤差は、±２μｍの積層構造を有するＳＯＩ基板が支持基板として利用される。
【００４２】
前記支持層を支持面とする場合においても、前記表層上に、前記光学素子の位置決めのためのマークをフォトリソエッチング技術により形成し、さらに前記表層上に、前記光学基板の前記エッチングストッパ層上における位置決めのためのマークをフォトリソエッチング技術により形成することができる。
【００４３】
さらに、前記支持層を支持面とする場合、前記表層および前記支持層上の前記エッチングストッパ層に形成される全体に矩形のエッチング開口を形成し、該エッチング開口を規定する縁部のうち、互い直角な関係をなして配置される両縁部を前記支持層上に位置決められ前記光学基板のためのマークとして利用することができる。
【００４４】
〈具体例２〉
図５に示す具体例は、双方向光通信を可能とする光学装置５０の例を示す。
具体例２の光学装置５０では、光学装置１０に示されたと同様な支持基板１２のシリコン結晶層１２ｃには、エッチングストッパとして機能しかつ光学基板１１のための支持面１７として機能する酸化シリコン層１２ｂを部分的に露出させるためのエッチング開口１８が形成されている。
【００４５】
シリコン結晶層１２ｃ上におけるエッチング開口１８の一方の縁部１８ａの側には、発光器として、波長λ１の光を放射するレーザダイオード１５が配置され、また光導波路として、波長λ２の光をその一端１６ａに受ける光ファイバ１６が配置され、さらに、エッチング開口１８の他方の縁部１８ａの側には、光ファイバ１６に入射する前記波長λ２の光を受ける受光器として、フォトダイオード２３が配置されている。
【００４６】
シリコン結晶層１２ｃのエッチング開口１８から露出する支持面１７上には、光学基板１１が配置されている。
具体例２では、光学基板１１は、従来におけると同様に、その表面２４ａを光ファイバ１６の他端１６ｂに対向させて配置され、その裏面２４ｂに前記したと同様なＣＧＨ素子からなる回折型光学素子１３（１３ａおよび１３ｂ）が形成された例えば石英からなる光学板２４と、該光学板の裏面２４ｂに一方の面２５ａが接合され、他方の面２５ｂに例えば誘電体多層膜からなるＷＤＭフィルタ２６が設けられた光学板２５とからなる。
【００４７】
光学基板１１は、レーザダイオード１５から発せられる波長λ１の発散光からなる光信号をその光学レンズ素子１３ａに受けると、該レンズの偏向機能およびコリメート機能により、波長λ１の発散光を平行光束としてＷＤＭフィルタ２６に向ける。ＷＤＭフィルタ２６は、従来よく知られているように、この波長λ１の平行光束を光学レンズ素子１３ｂに向けて反射する。
ＷＤＭフィルタ２６の反射作用により光学レンズ素子１３ｂに向けられた平行光束は、該光学レンズ素子の集光機能および偏向機能により、光ファイバ１６の他端１６ｂに集光され、該光ファイバを経て、出力される。
【００４８】
他方、光ファイバ１６の一端１６ａから入射する波長λ２の光信号は、光ファイバ１６の他端１６ｂから光学レンズ素子１３ｂに向けて発散される。この波長λ２からなる発散光は、従来よく知られているように、光学レンズ素子１３ｂの集光機能および偏向機能により、ＷＤＭフィルタ２６を通して、フォトダイオード２３に案内される。
従って、光学装置５０によれば、従来よく知られているように、波長λ１および波長λ２の光信号を用いた双方向通信が可能となる。
【００４９】
支持基板１２の表層であるシリコン結晶層１２ｃ上に設けられるレーザダイオード１５および光ファイバ１６は、具体例１に示したと同様に、フォトリソエッチング技術を用いて形成された十字マーク１９およびＶ字溝２０により、それぞれ高精度で支持基板１２上に位置決められる。
また、支持基板１２上のフォトダイオード２３は、十字マーク１９におけると同様な十字マーク２７および２７を用いることにより、正確に位置決められる。
【００５０】
さらに、光学基板１１は、その底面１１ａを支持面１７に当接させた状態で、図５では省略されているが、具体例１を示す図３に示されたと同様な十字マーク２２および２２を用いて、ｘ軸方向および光軸方向に沿ったｚ軸方向の位置決めがなされる。
【００５１】
支持基板１２のシリコン結晶層１２ｃは、エッチング開口１８を横切りかつ酸化シリコン層１２ｂを露出させる凹溝２８により、電気的に分断されている。この凹溝２８は、フォトリソエッチング技術によりエッチング開口１８を形成するとき、このエッチング開口１８と同時的に形成することができる。
この凹溝２８は、電気絶縁層たる酸化シリコン層１２ｂ上のシリコン結晶層１２ｃを、レーザダイオード１５が設けられる領域とフォトダイオード２３が設けられる領域とに電気的に分断することにより、高周波による両素子の相互干渉を防止する作用をなす。
【００５２】
具体例２の光学基板１１によれば、前記した具体例１におけると同様に、単に支持基板１２の支持面１７上での光学基板１１の前記した位置決めマークを用いた２次元的な位置決め作業により、各ＣＧＨ素子１３と各光学素子１５、１６および２３との光軸合わせであるアライメントを、いわゆるパッシブアライメントで行うことができ、これにより、迅速かつ容易な光軸合わせのためのアライメントが可能となる。
【００５３】
具体例２の光学装置５０の特性評価試験によれば、レーザダイオード１５から光ファイバ１６への波長λ１の光信号については、８５％の光結合効率を得ることができ、光ファイバ１６からフォトダイオード２３への波長λ２の光信号については、９０％の光結合効率を得ることができた。
【００５４】
前記光学装置５０においても、支持面１７上での光学基板１１の位置決めのために、シリコン結晶層１２ｃ上に形成された前記した十字マーク（２２）に代えて、エッチング開口１８の互いに直角な関係で相互に隣り合う縁部１８ａおよび１８ｂを利用することができる。
【００５５】
〈具体例３〉
図６に示す具体例３の光学装置６０では、支持基板１２に複数のレーザダイオード１５が相互に並列的に配置されており、各レーザダイオード１５に対応して複数の光ファイバ１６が相互に並列的に配置されている。
各レーザダイオード１５は、前記したと同様なフォトリソエッチング技術により形成された位置決め用マーク１９を用いて位置決められている。
【００５６】
各光ファイバ１６を収容するための前記したと同様なフォトリソエッチング技術により形成されたＶ字溝２０が、対応するそれぞれのレーザダイオード１５の近傍に達する。
支持基板１２のシリコン結晶層１２ｃには、各Ｖ字溝２０を横切って、酸化シリコン層１２ｂを部分的に露出させる矩形のエッチング開口１８が形成されている。各Ｖ字溝２０には、光ファイバ１６がその端面をエッチング開口１８の一方の縁部１８ａから間隔をおいて収容されている。
【００５７】
酸化シリコン層１２ｂのエッチング開口１８から露出する支持面１７上には、光学基板１１が配置されている。
具体例３の光学基板１１では、その一方の直立面１１ｃに、各レーザダイオード１５に対応して、該レーザダイオードからの発散光を平行光束に変換するためのコリメート機能を有する光学レンズ素子１３ａが、相互に間隔をおいて形成されている。また、光学基板１１の他方の直立面１１ｂには、各光学レンズ素子１３ａに対応して、該光学レンズ素子からの平行光束を対応する各光ファイバ１６の前記端面に集光させるための光学レンズ素子１３ｂが相互に間隔をおいて形成されている。
【００５８】
具体例３の光学装置６０では、支持面１７上での光学基板１１の位置決めマークとして、エッチング開口１８の一対の長辺を規定する垂直な両長縁部１８ａおよびエッチング開口１８の一対の短辺を規定する垂直な両短縁部１８ｂのうち、それぞれが互いに直角な関係にある一組の両縁部１８ａおよび１８ｂが利用されている。
【００５９】
図６に示す例では、レーザダイオード１５に近接して配置された一方の長縁部１８ａが光学基板１１の前記一方の直立面１１ｃに当接することにより、光学基板１１のｚ軸方向の位置を規定する。また、一対の短縁部１８ｂのうち、図６で見て上方に位置する一方の短縁部１８ｂが光学基板１１の一方の側面１１ｄに当接することにより、光学基板１１のｘ軸方向の位置を規定する。
【００６０】
従って、支持面１７上で光学基板１１の前記直立面１１ｃおよび側面１１ｄをそれぞれに対応する前記縁部１８ａおよび１８ｂに沿わせかつそれぞれに当接させることにより、光学基板１１を支持基板１２上に正確に位置決めることができる。
【００６１】
具体例３の光学装置６０の特性評価試験によれば、２ｍＷの出力を示す各レーザダイオード１５からの入力信号に対し、各光ファイバ１６の出力端に１．８ｍＷの光出力信号を得ることができ、９０％以上の光結合効率を得ることができた。
【００６２】
前記したところでは、光学基板１１として石英を用いた例について説明したが光学基板として、シリコン基板のような種々の光学基板を採用することができる。
また、支持基板として、ＳＯＩ基板を用いた例について説明したが、例えばガラス板と、該ガラス板上に例えばシリコンのような結晶層を堆積させた種々の積層構造体を用いることができる。このような積層体では、前記したと同様な水酸化カリゥムをエッチング媒体として用いるエッチング処理により、ガラス板をエッチングストッパとして機能させることができ、前記結晶層のエッチング処理により形成されるエッチング開口から露出するガラス板の露出面が光学基板の支持面として利用される。
【００６３】
前記した支持面を露出させるエッチング開口の形状は、前記した矩形形状に限らず、種々の形状を選択することができ、またエッチング開口を形成するためのエッチング媒体は、積層構造体の各層の材料に応じて適宜選択することができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、前記したように、ＣＧＨ素子のような光学レンズ素子が形成された光学基板を搭載する支持基板へのエッチング処理により、該支持基板の表層下に位置するエッチングストッパ層あるいは該エッチングストッパ層下に位置する支持層の表面が露出され、このエッチングストッパ層あるいは支持層の露出部分が前記光学基板のための支持面として利用されることから、高精度の平坦性を有する支持面上での２次元的な位置決めにより、光学基板および支持基板の相互の位置決めが高精度でなされ、これにより、前記レンズ素子と該レンズ素子に光学的に結合される前記光学素子とを比較的容易かつ高精度で結合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学装置の具体例１を示す斜視図である。
【図２】図１に示した光学基板１１を示す斜視図である。
【図３】図１に示した支持基板１２の平面図である。
【図４】図３に示したIV-IV線に沿って得られた断面図である。
【図５】本発明に係る光学装置の具体例２を示す斜視図である。
【図６】本発明に係る光学装置の具体例３を示す平面図である。
【符号の説明】
１０、５０、６０ 光学装置
１１ 光学基板
１２ 支持基板
１２ａ 支持層（シリコン結晶板）
１２ｂ エッチングストッパ層（酸化シリコン層）
１２ｃ 表層（シリコン結晶層）
１３（１３ａ、１３ｂ） 光学レンズ素子（ＣＧＨ素子）
１５、１６、２３ 光学素子
１７ 支持面
１８ エッチング開口
１８ａ、１８ｂ、２２ マーク
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＧＨ素子（computer generated hologram）のような回折型光学素子あるいは屈折型レンズ素子のような光学レンズ素子と、この光学レンズ素子に結合される光学素子とを含む光学装置に関し、特に、前記光学レンズ素子を含むこれら光学素子のアライメントを容易とする光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学素子の光学的結合のためのアライメント方法に、例えば、Tanaka 氏等により、IEIC Trans. Electron. E80-C 第１０７〜１１１頁（１９９７年）で開示されているようなパッシブアライメント法がある。
この従来方法では、光ファイバと光源であるレーザチップとの両者の位置決めのために、シリコンプラットフォームと呼ばれる支持基板が用いられる。このシリコンプラットフォームには、光ファイバを受け入れるＶ字状のエッチング溝が形成され、レーザチップを受ける半田パッドが形成される。これらエッチング溝および半田パッドは、フォトリソエッチング技術を用いて形成されることから、試験光等を用いたいわゆるアクティブアライメント法を適用することなく、前記支持基板上で、例えば１μｍ〜６μｍのビームスポット径のビームを取り扱う両光学素子を、１〜２μｍの許容誤差内で高精度に位置決めることができる。
【０００３】
前記した支持基板上の光学素子に光学レンズ素子を結合する場合、この光学レンズ素子が形成された光学基板と前記支持基板との正確なアライメントが必要となる。
特に、ＣＧＨ素子のような微小な光学レンズ素子を、前記した支持基板上に位置決められた光学素子に組み合わせる場合、この光学レンズ素子と前記光学素子との高精度での光学的結合を実現するために、光学レンズ素子が形成された光学基板と、光学素子が設けられた前記支持基板とを高精度で位置決めする必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、前記したＣＧＨ素子のような光学レンズ素子と、支持基板に位置決められかつ前記レンズ素子に光学的に結合される光学素子とを含む光学装置であって光学的結合が比較的容易かつ高精度で行い得る光学装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
〈構成〉
本発明は、第１光学レンズ素子と第２光学レンズ素子とが形成された表面と、ミラーが形成された裏面とを有する光学基板と、光学素子としてレーザダイオードと光ファイバが設けられ、前記光学基板が実装される支持基板とを含み、前記支持基板は、前記光学素子が支持され部分的にエッチング処理を受ける表層と、該表層下にあって該表層のためのエッチング媒体に関してエッチングストッパとして機能するエッチングストッパ層とを備える積層構造を有し、前記エッチング処理により前記表層から露出した前記エッチングストッパ層上に前記光学基板が載置されている光学装置であって、前記光学基板は、前記第１光学レンズ素子が、前記レーザダイオードから出射される光を平行光束に変換して前記ミラーに入射し、前記ミラーが、前記平行光束に変換された光を前記第２光学レンズ素子に入射し、前記第２光学レンズ素子が、前記ミラーにより出射された光を前記光ファイバに集光して入射することを特徴とする。
他の発明は、第１光学レンズ素子と第２光学レンズ素子とが形成された表面と、波長フィルタが形成された裏面とを有する光学基板と、光学素子としてレーザダイオードとフォトダイオードと光ファイバとが設けられ、前記光学基板が実装される支持基板とを含み、前記支持基板は、前記光学素子が支持され部分的にエッチング処理を受ける表層と、該表層下にあって該表層のためのエッチング媒体に関してエッチングストッパとして機能するエッチングストッパ層とを備える積層構造を有し、前記エッチング処理により前記表層から露出した前記エッチングストッパ層上に前記光学基板が載置されている光学装置であって、前記光学基板は、前記第１光学レンズ素子が、前記レーザダイオードから出射される第１の光を平行光束に変換して前記波長フィルタに入射し、前記波長フィルタが、前記平行光束に変換された第１の光を前記第２光学レンズ素子に入射し、前記第２光学レンズ素子が、前記波長フィルタにより出射された第１の光を前記光ファイバに集光して入射し、該光ファイバから出射され前記第１の光とは波長の異なる第２の光を平行光束に変換して前記波長フィルタに入射し、前記波長フィルタが、前記平行光束に変換された第２の光を前記フォトダイオードに入射することを特徴とする。
【０００６】
〈作用〉
本発明に係る前記光学装置では、前記支持基板のエッチング処理により露出する前記エッチングストッパ層が、前記光学レンズ素子が形成された光学基板を載置するための支持面として利用される。前記支持基板は、例えば半導体集積回路に用いられるＳＯＩ基板を用いることができ、このＳＯＩ基板のいわゆるＢＯＸ層と称される酸化シリコン層を前記したエッチングストッパ層として利用することにより、前記光学基板の支持面に前記高精度の平坦性が維持される。
従って、前記したエッチング処理により露出される前記エッチングストッパ層上での前記光学装置の二次元的な位置決めにより、前記光学レンズ素子と前記光学素子との高精度での光学的結合を比較的容易に行うことが可能となる。
【０００７】
前記表層上に、前記光学素子の位置決めのためのマークをフォトリソエッチング技術により形成し、さらに前記表層上に、前記光学基板の前記エッチングストッパ層上における位置決めのためのマークをフォトリソエッチング技術により形成し、両マークを基準に前記光学素子および光学基板を前記支持基板に位置決めることにより、前記光学レンズ素子および前記光学素子の一層容易な位置決めが可能となる。
【０００８】
前記支持面を構成すべく前記エッチングストッパ層を部分的に露出させるべく、前記表層に全体に矩形のエッチング開口を形成し、該エッチング開口を規定する縁部のうち、互い直角な関係をなして配置される両縁部を前記エッチング表層上に設けられる前記光学基板のためのマークとして利用することができる。
【０００９】
前記光学基板は、前記エッチングストッパ層上に接する底面と、該底面から互いに間隔をおいて立ち上がる一対の直立面とを備える全体に矩形の板部材で構成することができ、この場合、前記直立面の少なくとも一方に前記レンズ素子を形成することができる。
【００１０】
光学基板に形成される前記レンズ素子として、ＣＧＨ素子のような回折型光学素子を用いることができる他、光の屈折現象を利用した屈折型光学素子であるバルクレンズあるいは非球面レンズ等、種々の光学レンズ素子を採用することができる。
【００１１】
また、前記支持基板には、光ファイバの他、レーザダイオード或いはフォトダイオードのような発光器等、種々の光学素子を設けることができる。
【００１２】
前記表層は、その厚さ寸法の許容誤差が前記光学基板と前記支持基板とのアライメントの許容誤差範囲内にあり、表層の厚さ寸法が例えば１００μｍであるとき、その許容誤差が例えば±０．５μｍであることが望ましい。
【００１３】
また、前記支持基板の前記積層構造が、前記エッチングストッパ層下に例えばシリコン結晶板のような支持層を有する場合、前記エッチングストッパ層を露出させた後、前記支持層が新たなエッチングストッパとして機能するエッチング処理により、前記表層下の前記エッチングストッパ層から前記支持層を部分的に露出させることにより、該支持層を前記光学基板の支持面として利用することができる。
【００１４】
前記したシリコン結晶板のような支持層を前記光学基板の支持面として利用する場合、前記表層と、前記支持層上の前記エッチングストッパ層の合計の厚さ寸法の許容誤差が前記光学基板と前記支持基板とのアライメントの許容誤差範囲内にあり、このアライメントの許容誤差が例えば±２μｍであるとき、前記合計の厚さ寸法の許容誤差は、±２μｍの積層構造を有する支持基板が利用される。
【００１５】
前記支持層を支持面とする場合においても、前記表層上に、前記光学素子の位置決めのためのマークをフォトリソエッチング技術により形成し、さらに前記表層上に、前記光学基板の前記エッチングストッパ層上における位置決めのためのマークをフォトリソエッチング技術により形成することができる。
【００１６】
さらに、前記支持層を支持面とする場合、前記表層および前記支持層上の前記エッチングストッパ層に形成される全体に矩形のエッチング開口を形成し、該エッチング開口を規定する縁部のうち、互い直角な関係をなして配置される両縁部を前記支持層上に位置決められ前記光学基板のためのマークとして利用することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態について詳細に説明する。
〈具体例１〉
図１は、本発明に係る光学装置の具体例１を概略的に示す斜視図である。
本発明に係る光学装置１０は、光学レンズ素子が形成される光学基板１１と、該光学基板が組み付けられる支持基板１２とを備える。
【００１８】
光学基板１１は、例えば、図２に示されているように、高さ寸法Ｈが３ｍｍ、幅寸法Ｗが３ｍｍおよび厚さ寸法Ｔが２ｍｍの全体に矩形の板状石英からなる。光学基板１１は、その矩形底面１１ａの一対の長辺から互いに間隔をおいて前記底面１１ａに関して直角に立ち上がる一対の直立面１１ｂおよび１１ｃと、前記底面１１ａの短辺から互いに間隔をおいて直角に立ち上がる一対の側面１１ｄおよび１１ｅとを備え、一方の直立面１１ｂには、一対の光学レンズ素子１３（１３ａおよび１３ｂ）が形成されている。また、他方の直立面１１ｃには、一方の前記レンズ素子１３ａまたは１３ｂを透過した光を他方の前記レンズ素子１３ｂまたは１３ａに向けるための全反射ミラー１４が設けられている。
【００１９】
前記光学レンズ素子１３は、例えばＣＧＨ素子のような回折型光学素子からなる。ＣＧＨ素子１３は、従来よく知られているように、所望の回折光学特性に応じたマスクパターンを計算機により求め、各マスクパターンを用いたフォトリソグラフィ法により、光学基板１１の一方の直立面１１ｂにエッチング処理を施すことにより、形成される。これにより、例えば集光機能、コリメート機能あるいは偏向機能等、所望の一または複数の光学機能を有するＣＧＨ素子１３を形成することができる。
【００２０】
図示の例では、一方のレンズ素子１３ａは、後述する例えばレーザダイオードのような光学素子からの発散光を平行光束に変換するコリメート機能およびこのコリメート機能により得られた平行光束を前記ミラー１４と共同して他方のレンズ素子に案内すべく偏向するための偏向機能が与えられ、他方のレンズ素子１３ｂは前記一方のレンズ素子１３ａから前記ミラー１４を経て案内される平行光束を後述する例えば光ファイバのような光学素子に集光させるための前記したと同様な偏向機能および集光機能が与えられている。
【００２１】
各レンズ素子１３は、例えば０．３７５ｍｍの直径を有し、両光軸間のレンズ中心間距離が０．５ｍｍに設定されている。前記したＣＧＨ素子に代えて、回折現象を利用したフレネルレンズのような種々の回折型光学素子および屈折現象を利用したバルクレンズのような種々の屈折型光学素子を用いることができる。
【００２２】
それぞれに光学レンズ素子１３および全反射ミラー１４が形成された光学基板１１は、例えば３インチの石英ウエハ基板上に集合的に形成された後、スライサーにより、個々に切り出すことができる。この切り出しは、両レンズ素子１３の光軸を結ぶ中心線Ｌ１と前記底面１１ａとの間の距離の誤差範囲および両レンズ１３の中間点を通りかつ中心線Ｌ１に直交する中心線Ｌ２と前記側面１１ｄとの間の距離の誤差範囲がそれぞれ±０．３μｍ以内となる精度で、行うことができる。
【００２３】
各ＣＧＨ素子１３（１３ａ、１３ｂ）に光学的に結合される光学素子は、図１に示す例では、レーザダイオード１５および光ファイバ１６である。これら光学素子１５および１６光ファイバを支持する支持基板１２は、例えば従来よく知られたＳＯＩ基板が利用されている。
【００２４】
ＳＯＩ基板１２は、図３および図４に示されているように、全体に矩形の平板形状を呈する。ＳＯＩ基板１２は、図４に示されているように、シリコン結晶板１２ａと、該シリコン結晶板上に形成された酸化シリコン層１２ｂと、該酸化シリコン層上に形成されたシリコン結晶層１２ｃとから成る。例えば、シリコン結晶板１２ａは５００μｍの厚さ寸法を有し、酸化シリコン層１２ｂは１μｍの厚さ寸法を有し、シリコン結晶層１２ｃは１００μｍの厚さ寸法を有する。
シリコン結晶層１２ｃの厚さ寸法の許容誤差は、例えば±０．５μｍであり、この許容誤差については、アライメントの図１に示すｙ軸方向での許容誤差に応じた厚さ寸法精度の表層すなわちシリコン結晶層１２ｃを有するＳＯＩ基板１２が用いられる。このシリコン結晶層１２ｃの面方位は、例えば｛１００｝である。
【００２５】
シリコン結晶層１２ｃには、表層たるシリコン結晶層１２ｃを部分的に除去して該光学基板１１を乗せるための支持面１７を露出させるためのエッチング開口１８が形成されている。
【００２６】
エッチング開口１８は、マスクを用いた従来よく知られたフォトリソエッチング技術により、形成することができる。
｛１００｝面のシリコン結晶層１２ｃにエッチング開口１８を形成するためのエッチング媒体として、水酸化カリゥムのような異方性エッチング液を用い、このエッチング液を用いたウエットエッチング処理をシリコン結晶層１２ｃに施すことにより、図３に示すように、（１１１）面で構成される一対の長縁部１８ａ、１８ａおよび一対の短縁部１８ｂ、１８ｂで規定される矩形のエッチング開口１８が形成される。（１１１）面で構成される各長縁部１８ａおよび各短縁部１８ｂは、支持面１７に関して５５度の仰角を有する傾斜縁部である。
【００２７】
前記した酸化シリコン層１２ｂは、水酸化カリゥムに対し、シリコン結晶層１２ｃに比較して著しく低いエッチングレートを示すことから、実質的なエッチングストッパとして機能する。従って、前記したエッチング液を用いることにより、シリコン結晶層１２ｃを部分的に除去して酸化シリコン層１２ｂを部分的に露出させることにより、この露出された酸化シリコン層１２ｂからなる平坦な支持面１７を比較的容易に露出させることができる。
【００２８】
支持基板１２の表層すなわちシリコン結晶層１２ｃには、ＣＧＨ素子１３に光学的に結合されるレーザダイオード１５を位置決めるための一対の十字マーク１９が一方の長縁部１８ａの近傍に設けられ、光ファイバ１６を保持するためのＶ字溝２０が前記一方の長縁部１８ａから支持基板１２の端部に伸びる。さらに、前記シリコン結晶層１２ｃ上には、レーザダイオード１５からの光の拡散路を確保するためのＶ溝２１が、前記一方の長縁部１８ａと一対の十字マーク１９との間に形成され、また後述する支持面１７上での光学基板１１のｘ軸およびｚ軸方向の位置決めに使用される一対の十字マーク２２が一方の短縁部１８ｂの近傍に設けられている。
【００２９】
十字マーク１９および２２は、図１で見て、光学レンズ素子１３の光軸方向に一致するｚ軸に沿った線分と、これに直角なｘ軸に沿った線分とからなる。
前記十字マーク１９および２２は、従来よく知られたフォトリソエッチング技術を用いたリフトオフ法により、それぞれ高精度で形成することができる。
この十字マーク２２に代えて、種々の所望形状の位置決めマークを適宜使用することができる。
【００３０】
前記Ｖ字溝２０およびＶ溝２１は、従来よく知られているように、フォトリソエッチング技術を利用して形成することにより、支持基板１２の表面上に高精度で形成することができる。特に、支持基板１２の表層１２ｃが前記した結晶層から成るとき、エッチング処理として、結晶性を利用した異方性エッチング処理を行うことにより、特定の格子面により、一層正確なＶ字溝を形成することが可能となる。
【００３１】
支持基板１２へのレーザダイオード１５の組み付けでは、従来よく知られているように、例えばレーザダイオード１５を通しての赤外線による十字マーク１９の透視により、該十字マークを基準として、レーザダイオード１５が支持基板１２上に高精度で位置決められる。
また、支持基板１２への光ファイバ１６の組み付けでは、フォトリソエッチング技術により形成されたＶ字溝２０に光ファイバ１６を配置することにより、該光ファイバは支持基板１２上に高精度で位置決められる。
【００３２】
さらに、レーザダイオード１５および光ファイバ１６が位置決められた支持基板１２上への光学基板１１の組み付けでは、支持面１７上に底面１１ａを当接して配置される光学基板１１が十字マーク２２を基準に、支持基板１２上で位置決められる。
【００３３】
この支持基板１２上での光学基板１１の位置決めでは、前記したように光学基板１１の底面１１ａを支持面１７上に当接させた状態で、図１に示すｘ軸方向の位置は、両十字マーク２２および２２を結ぶ線と光学基板１１のいずれか一方の側面１１ｄまたは１１ｅとの間隔に基づいて、決定される。また、図１に示すように、光軸方向に一致するｚ軸方向の位置は、いずれか一方の十字マーク２２と、いずれか一方の直立面１１ｂまたは１１ｃとの間隔に基づいて、決定される。
【００３４】
光学基板１１のための支持面１７は、露出されたエッチングストッパ面である酸化シリコン層１２ｂで規定されることから、高い平坦度が維持され、かつエッチング開口１８の深さ寸法Ｄ（図４参照）は、シリコン結晶層１２ｃの厚さ寸法に一致することから、高精度でｙ軸方向の位置が規定される。
【００３５】
従って、光学基板１１の前記支持面１７上での前記したｘ軸方向およびｚ軸方向での前記十字マーク２２を利用した位置決めにより、光学基板１１を支持基板１２に正確に位置決めることができ、これにより、光学レンズ素子であるＣＧＨ素子１３と、これに光学的に結合される光学素子であるレーザダイオード１５および光ファイバ１６との高精度での光軸合わせが、実際の光を用いることなく可能となる。
【００３６】
このことから、従来のようなアクティブアライメント法を適用することなく、単に支持基板１２の支持面１７上での光学基板１１の位置決めマークを用いた２次元的な位置決め作業により、図１に示すようなｘ軸、ｙ軸およびｚ軸方向の誤差が１μｍ以下の精度で、ＣＧＨ素子１３と各光学素子１５および１６との光軸合わせであるアライメントを、いわゆるパッシブアライメントで行うことができ、これにより、迅速かつ容易な光軸合わせのためのアライメントが可能となる。
【００３７】
光学基板１１および支持基板１２から成る光学装置１０の特性評価試験によれば、レーザダイオード１５からの２ｍＷの入力光に対して光ファイバ１６の出力端から１．８ｍＷの出力光を取り出すことができ、９０％を越える光結合効率を得ることができた。
【００３８】
前記したところでは、ｘ軸方向およびｚ軸方向の位置決めのためのマークとして、シリコン結晶層１２ｃ上に形成された十字マーク２２を利用したが、この十字マーク２２に代えて、エッチング開口１８の互いに直角な関係で相互に隣り合う長縁部１８ａおよび短縁部１８ｂを利用することができる。
これらの縁部１８ａおよび１８ｂを位置決めマークとして利用する場合、エッチング開口１８のエッチング処理では、エッチング処理を受けるシリコン結晶層の結晶性を利用した異方性エッチング媒体に代えて、エッチングガスのような指向性を利用した異方性エッチング媒体を用いることが望ましい。
指向性を利用した異方性エッチング媒体を用いたドライエッチング処理により、支持面１７から垂直に立ち上がる各縁部１８ａおよび１８ｂを形成することができ、これにより支持面１７から垂直に立ち上がる各縁部１８ａおよび１８ｂを位置決めマークとすることにより、光学基板１１について、長縁部１８ａおよび短縁部１８ｂに対応したｚ軸方向およびｘ軸方向の位置決め作業が、一層容易かつ正確に行うことができる。
【００３９】
さらに、前記した具体例１では、表層たるシリコン結晶層１２ｃの直下に位置する酸化シリコン層１２ｂをエッチングストッパ層として、該エッチングストッパ層を光学基板１１のための支持面１７とする例を示したが、これに代えて、エッチングストッパ層たる酸化シリコン層１２ｂ下の支持層であるシリコン結晶板１２ａの表面を支持面１７とすることができる。
【００４０】
この場合、酸化シリコン層１２ｂをエッチングストッパ層とする表層１２ｃの部分的なエッチング処理により前記酸化シリコン層１２ｂが部分的に露出すると、エッチングストッパ層として機能した酸化シリコン層１２ｂを例えばフッ素系のエッチング液を用いたエッチング処理により、部分的に除去し、酸化シリコン層１２ｂ下のシリコン結晶板１２ａの表面を部分的に露出させることができる。
シリコン結晶板１２ａは、フッ素系のエッチング液に対して、エッチングストッパとして機能することから、前記した酸化シリコン層１２ｂへの部分的なエッチング処理により、平坦なシリコン結晶板１２ａの表面を前記酸化シリコン層１２ｂから露出させることにより、シリコン結晶板１２ａの露出面を光学基板１１の支持面１７として、利用することができる。
【００４１】
また、前記したシリコン結晶板のような支持層を前記光学基板の支持面として利用する場合、前記表層と、前記支持層上の前記エッチングストッパ層の合計の厚さ寸法の許容誤差が前記光学基板と前記支持基板とのアライメントのｙ軸方向での許容誤差範囲内にあるＳＯＩ基板が使用される。このアライメントの許容誤差が例えば±２μｍであるとき、前記合計の厚さ寸法の許容誤差は、±２μｍの積層構造を有するＳＯＩ基板が支持基板として利用される。
【００４２】
前記支持層を支持面とする場合においても、前記表層上に、前記光学素子の位置決めのためのマークをフォトリソエッチング技術により形成し、さらに前記表層上に、前記光学基板の前記エッチングストッパ層上における位置決めのためのマークをフォトリソエッチング技術により形成することができる。
【００４３】
さらに、前記支持層を支持面とする場合、前記表層および前記支持層上の前記エッチングストッパ層に形成される全体に矩形のエッチング開口を形成し、該エッチング開口を規定する縁部のうち、互い直角な関係をなして配置される両縁部を前記支持層上に位置決められ前記光学基板のためのマークとして利用することができる。
【００４４】
〈具体例２〉
図５に示す具体例は、双方向光通信を可能とする光学装置５０の例を示す。
具体例２の光学装置５０では、光学装置１０に示されたと同様な支持基板１２のシリコン結晶層１２ｃには、エッチングストッパとして機能しかつ光学基板１１のための支持面１７として機能する酸化シリコン層１２ｂを部分的に露出させるためのエッチング開口１８が形成されている。
【００４５】
シリコン結晶層１２ｃ上におけるエッチング開口１８の一方の縁部１８ａの側には、発光器として、波長λ１の光を放射するレーザダイオード１５が配置され、また光導波路として、波長λ２の光をその一端１６ａに受ける光ファイバ１６が配置され、さらに、エッチング開口１８の他方の縁部１８ａの側には、光ファイバ１６に入射する前記波長λ２の光を受ける受光器として、フォトダイオード２３が配置されている。
【００４６】
シリコン結晶層１２ｃのエッチング開口１８から露出する支持面１７上には、光学基板１１が配置されている。
具体例２では、光学基板１１は、従来におけると同様に、その表面２４ａを光ファイバ１６の他端１６ｂに対向させて配置され、その裏面２４ｂに前記したと同様なＣＧＨ素子からなる回折型光学素子１３（１３ａおよび１３ｂ）が形成された例えば石英からなる光学板２４と、該光学板の裏面２４ｂに一方の面２５ａが接合され、他方の面２５ｂに例えば誘電体多層膜からなるＷＤＭフィルタ２６が設けられた光学板２５とからなる。
【００４７】
光学基板１１は、レーザダイオード１５から発せられる波長λ１の発散光からなる光信号をその光学レンズ素子１３ａに受けると、該レンズの偏向機能およびコリメート機能により、波長λ１の発散光を平行光束としてＷＤＭフィルタ２６に向ける。ＷＤＭフィルタ２６は、従来よく知られているように、この波長λ１の平行光束を光学レンズ素子１３ｂに向けて反射する。
ＷＤＭフィルタ２６の反射作用により光学レンズ素子１３ｂに向けられた平行光束は、該光学レンズ素子の集光機能および偏向機能により、光ファイバ１６の他端１６ｂに集光され、該光ファイバを経て、出力される。
【００４８】
他方、光ファイバ１６の一端１６ａから入射する波長λ２の光信号は、光ファイバ１６の他端１６ｂから光学レンズ素子１３ｂに向けて発散される。この波長λ２からなる発散光は、従来よく知られているように、光学レンズ素子１３ｂの集光機能および偏向機能により、ＷＤＭフィルタ２６を通して、フォトダイオード２３に案内される。
従って、光学装置５０によれば、従来よく知られているように、波長λ１および波長λ２の光信号を用いた双方向通信が可能となる。
【００４９】
支持基板１２の表層であるシリコン結晶層１２ｃ上に設けられるレーザダイオード１５および光ファイバ１６は、具体例１に示したと同様に、フォトリソエッチング技術を用いて形成された十字マーク１９およびＶ字溝２０により、それぞれ高精度で支持基板１２上に位置決められる。
また、支持基板１２上のフォトダイオード２３は、十字マーク１９におけると同様な十字マーク２７および２７を用いることにより、正確に位置決められる。
【００５０】
さらに、光学基板１１は、その底面１１ａを支持面１７に当接させた状態で、図５では省略されているが、具体例１を示す図３に示されたと同様な十字マーク２２および２２を用いて、ｘ軸方向および光軸方向に沿ったｚ軸方向の位置決めがなされる。
【００５１】
支持基板１２のシリコン結晶層１２ｃは、エッチング開口１８を横切りかつ酸化シリコン層１２ｂを露出させる凹溝２８により、電気的に分断されている。この凹溝２８は、フォトリソエッチング技術によりエッチング開口１８を形成するとき、このエッチング開口１８と同時的に形成することができる。
この凹溝２８は、電気絶縁層たる酸化シリコン層１２ｂ上のシリコン結晶層１２ｃを、レーザダイオード１５が設けられる領域とフォトダイオード２３が設けられる領域とに電気的に分断することにより、高周波による両素子の相互干渉を防止する作用をなす。
【００５２】
具体例２の光学基板１１によれば、前記した具体例１におけると同様に、単に支持基板１２の支持面１７上での光学基板１１の前記した位置決めマークを用いた２次元的な位置決め作業により、各ＣＧＨ素子１３と各光学素子１５、１６および２３との光軸合わせであるアライメントを、いわゆるパッシブアライメントで行うことができ、これにより、迅速かつ容易な光軸合わせのためのアライメントが可能となる。
【００５３】
具体例２の光学装置５０の特性評価試験によれば、レーザダイオード１５から光ファイバ１６への波長λ１の光信号については、８５％の光結合効率を得ることができ、光ファイバ１６からフォトダイオード２３への波長λ２の光信号については、９０％の光結合効率を得ることができた。
【００５４】
前記光学装置５０においても、支持面１７上での光学基板１１の位置決めのために、シリコン結晶層１２ｃ上に形成された前記した十字マーク（２２）に代えて、エッチング開口１８の互いに直角な関係で相互に隣り合う縁部１８ａおよび１８ｂを利用することができる。
【００５５】
〈具体例３〉
図６に示す具体例３の光学装置６０では、支持基板１２に複数のレーザダイオード１５が相互に並列的に配置されており、各レーザダイオード１５に対応して複数の光ファイバ１６が相互に並列的に配置されている。
各レーザダイオード１５は、前記したと同様なフォトリソエッチング技術により形成された位置決め用マーク１９を用いて位置決められている。
【００５６】
各光ファイバ１６を収容するための前記したと同様なフォトリソエッチング技術により形成されたＶ字溝２０が、対応するそれぞれのレーザダイオード１５の近傍に達する。
支持基板１２のシリコン結晶層１２ｃには、各Ｖ字溝２０を横切って、酸化シリコン層１２ｂを部分的に露出させる矩形のエッチング開口１８が形成されている。各Ｖ字溝２０には、光ファイバ１６がその端面をエッチング開口１８の一方の縁部１８ａから間隔をおいて収容されている。
【００５７】
酸化シリコン層１２ｂのエッチング開口１８から露出する支持面１７上には、光学基板１１が配置されている。
具体例３の光学基板１１では、その一方の直立面１１ｃに、各レーザダイオード１５に対応して、該レーザダイオードからの発散光を平行光束に変換するためのコリメート機能を有する光学レンズ素子１３ａが、相互に間隔をおいて形成されている。また、光学基板１１の他方の直立面１１ｂには、各光学レンズ素子１３ａに対応して、該光学レンズ素子からの平行光束を対応する各光ファイバ１６の前記端面に集光させるための光学レンズ素子１３ｂが相互に間隔をおいて形成されている。
【００５８】
具体例３の光学装置６０では、支持面１７上での光学基板１１の位置決めマークとして、エッチング開口１８の一対の長辺を規定する垂直な両長縁部１８ａおよびエッチング開口１８の一対の短辺を規定する垂直な両短縁部１８ｂのうち、それぞれが互いに直角な関係にある一組の両縁部１８ａおよび１８ｂが利用されている。
【００５９】
図６に示す例では、レーザダイオード１５に近接して配置された一方の長縁部１８ａが光学基板１１の前記一方の直立面１１ｃに当接することにより、光学基板１１のｚ軸方向の位置を規定する。また、一対の短縁部１８ｂのうち、図６で見て上方に位置する一方の短縁部１８ｂが光学基板１１の一方の側面１１ｄに当接することにより、光学基板１１のｘ軸方向の位置を規定する。
【００６０】
従って、支持面１７上で光学基板１１の前記直立面１１ｃおよび側面１１ｄをそれぞれに対応する前記縁部１８ａおよび１８ｂに沿わせかつそれぞれに当接させることにより、光学基板１１を支持基板１２上に正確に位置決めることができる。
【００６１】
具体例３の光学装置６０の特性評価試験によれば、２ｍＷの出力を示す各レーザダイオード１５からの入力信号に対し、各光ファイバ１６の出力端に１．８ｍＷの光出力信号を得ることができ、９０％以上の光結合効率を得ることができた。
【００６２】
前記したところでは、光学基板１１として石英を用いた例について説明したが光学基板として、シリコン基板のような種々の光学基板を採用することができる。
また、支持基板として、ＳＯＩ基板を用いた例について説明したが、例えばガラス板と、該ガラス板上に例えばシリコンのような結晶層を堆積させた種々の積層構造体を用いることができる。このような積層体では、前記したと同様な水酸化カリゥムをエッチング媒体として用いるエッチング処理により、ガラス板をエッチングストッパとして機能させることができ、前記結晶層のエッチング処理により形成されるエッチング開口から露出するガラス板の露出面が光学基板の支持面として利用される。
【００６３】
前記した支持面を露出させるエッチング開口の形状は、前記した矩形形状に限らず、種々の形状を選択することができ、またエッチング開口を形成するためのエッチング媒体は、積層構造体の各層の材料に応じて適宜選択することができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、前記したように、ＣＧＨ素子のような光学レンズ素子が形成された光学基板を搭載する支持基板へのエッチング処理により、該支持基板の表層下に位置するエッチングストッパ層あるいは該エッチングストッパ層下に位置する支持層の表面が露出され、このエッチングストッパ層あるいは支持層の露出部分が前記光学基板のための支持面として利用されることから、高精度の平坦性を有する支持面上での２次元的な位置決めにより、光学基板および支持基板の相互の位置決めが高精度でなされ、これにより、前記レンズ素子と該レンズ素子に光学的に結合される前記光学素子とを比較的容易かつ高精度で結合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学装置の具体例１を示す斜視図である。
【図２】図１に示した光学基板１１を示す斜視図である。
【図３】図１に示した支持基板１２の平面図である。
【図４】図３に示したIV-IV線に沿って得られた断面図である。
【図５】本発明に係る光学装置の具体例２を示す斜視図である。
【図６】本発明に係る光学装置の具体例３を示す平面図である。
【符号の説明】
１０、５０、６０ 光学装置
１１ 光学基板
１２ 支持基板
１２ａ 支持層（シリコン結晶板）
１２ｂ エッチングストッパ層（酸化シリコン層）
１２ｃ 表層（シリコン結晶層）
１３（１３ａ、１３ｂ） 光学レンズ素子（ＣＧＨ素子）
１５、１６、２３ 光学素子
１７ 支持面
１８ エッチング開口
１８ａ、１８ｂ、２２ マーク
Claims (10)
- 第１光学レンズ素子と第２光学レンズ素子とが形成された表面と、ミラーが形成された裏面とを有する光学基板と、光学素子としてレーザダイオードと光ファイバが設けられ、前記光学基板が実装される支持基板とを含み、
前記支持基板は、前記光学素子が支持され部分的にエッチング処理を受ける表層と、該表層下にあって該表層のためのエッチング媒体に関してエッチングストッパとして機能するエッチングストッパ層とを備える積層構造を有し、
前記エッチング処理により前記表層から露出した前記エッチングストッパ層上に前記光学基板が載置されている光学装置であって、
前記光学基板は、
前記第１光学レンズ素子が、前記レーザダイオードから出射される光を平行光束に変換して前記ミラーに入射し、
前記ミラーが、前記平行光束に変換された光を前記第２光学レンズ素子に入射し、
前記第２光学レンズ素子が、前記ミラーにより出射された光を前記光ファイバに集光して入射することを特徴とする光学装置。 - 第１光学レンズ素子と第２光学レンズ素子とが形成された表面と、波長フィルタが形成された裏面とを有する光学基板と、光学素子としてレーザダイオードとフォトダイオードと光ファイバとが設けられ、前記光学基板が実装される支持基板とを含み、
前記支持基板は、前記光学素子が支持され部分的にエッチング処理を受ける表層と、該表層下にあって該表層のためのエッチング媒体に関してエッチングストッパとして機能するエッチングストッパ層とを備える積層構造を有し、
前記エッチング処理により前記表層から露出した前記エッチングストッパ層上に前記光学基板が載置されている光学装置であって、
前記光学基板は、
前記第１光学レンズ素子が、前記レーザダイオードから出射される第１の光を平行光束に変換して前記波長フィルタに入射し、
前記波長フィルタが、前記平行光束に変換された第１の光を前記第２光学レンズ素子に入射し、
前記第２光学レンズ素子が、前記波長フィルタにより出射された第１の光を前記光ファイバに集光して入射し、該光ファイバから出射され前記第１の光とは波長の異なる第２の光を平行光束に変換して前記波長フィルタに入射し、
前記波長フィルタが、前記平行光束に変換された第２の光を前記フォトダイオードに入射することを特徴とする光学装置。 - 前記支持基板の表層上には、前記光学素子の位置決めのためのマークがフォトリソエッチング技術により形成され、さらに前記表層上には、前記光学基板の前記エッチングストッパ層上における位置決めのためのマークがフォトリソエッチング技術により形成されている請求項１または２のいずれか一項に記載の光学装置。
- 前記支持基板の表層上には、前記光学素子の位置決めのためのマークがフォトリソエッチング技術により形成され、前記エッチングストッパ層は前記表層に設けられた全体に矩形のエッチング開口を通して部分的に露出され、前記エッチングストッパ層の前記した露出部分上の前記光学基板は、前記表層の前記開口を規定する縁部のうち、互い直角な関係をなして配置される両縁部により、前記エッチングストッパ層上の位置が規定されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学装置。
- 前記支持基板は、シリコン結晶板、該シリコン結晶板上の酸化シリコン層および該酸化シリコン層上のシリコン結晶層を備えるＳＯＩ基板である請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学装置。
- 第１光学レンズ素子と第２光学レンズ素子とが形成された表面と、ミラーが形成された裏面とを有する光学基板と、光学素子としてレーザダイオードと光ファイバが設けられ、前記光学基板が実装される支持基板とを含み、
前記支持基板は、前記光学素子が支持され部分的にエッチング処理を受ける表層と、該表層下にあって該表層のためのエッチング媒体に関してエッチングストッパとして機能するエッチングストッパ層と、該エッチングストッパ層下の支持層を備える積層構造を有し、
前記エッチング処理による前記表層から露出した前記エッチングストッパ層へのエッチング処理より該エッチングストッパ層から露出する前記支持層上に前記光学基板が載置されている光学装置であって、
前記光学基板は、
前記第１光学レンズ素子が、前記レーザダイオードから出射される光を平行光束に変換して前記ミラー入射し、
前記ミラーが、前記平行光束に変換された光を前記第２光学レンズ素子に出射し、
前記第２光学レンズ素子が、前記ミラーにより出射された光を前記光ファイバに集光して入射することを特徴とする光学装置。 - 第１光学レンズ素子と第２光学レンズ素子とが形成された表面と、波長フィルタが形成された裏面とを有する光学基板と、光学素子としてレーザダイオードとフォトダイオードと光ファイバとが設けられ、前記光学基板が実装される支持基板とを含み、
前記支持基板は、前記光学素子が支持され部分的にエッチング処理を受ける表層と、該表層下にあって該表層のためのエッチング媒体に関してエッチングストッパとして機能するエッチングストッパ層と、該エッチングストッパ層下の支持層を備える積層構造を有し、
前記エッチング処理により前記表層から露出した前記支持層上に前記光学基板が載置されている光学装置であって、
前記光学基板は、
前記第１光学レンズ素子が、前記レーザダイオードから出射される第１の光を平行光束に変換して前記波長フィルタに入射し、
前記波長フィルタが、前記平行光束に変換された第１の光を前記第２光学レンズ素子に入射し、
前記第２光学レンズ素子が、前記波長フィルタにより出射された第１の光を前記光ファイバに集光して入射し、該光ファイバから出射され前記第１の光とは波長の異なる第２の光を平行光束に変換して前記波長フィルタに入射し、
前記波長フィルタが、前記平行光束に変換された第２の光を前記フォトダイオードに入射することを特徴とする光学装置。 - 前記支持基板の表層上には、前記光学素子の位置決めのためのマークがフォトリソエッチング技術により形成され、さらに前記表層上には、前記光学基板の前記支持層上における位置決めのためのマークがフォトリソエッチング技術により形成されている請求項６または７のいずれか一項に記載の光学装置。
- 前記支持基板の表層上には、前記光学素子の位置決めのためのマークがフォトリソエッチング技術により形成され、前記支持層は、前記表層および該表層下の前記エッチングストッパ層に設けられた全体に矩形のエッチング開口を通して部分的に露出され、前記支持層の前記した露出部分上の前記光学基板は、前記エッチング開口を規定する縁部のうち、互い直角な関係をなして配置される両縁部により、前記支持層上の位置が規定されている請求項６〜８のいずれか一項に記載の光学装置。
- 前記支持基板は、シリコン結晶板、該シリコン結晶板上の酸化シリコン層および該酸化シリコン層上のシリコン結晶層を備えるＳＯＩ基板である請求項６〜９のいずれか一項に記載の光学装置。
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