JP4343737B2

JP4343737B2 - 集積型受光回路及びその作製方法並びにアレイ受光部品

Info

Publication number: JP4343737B2
Application number: JP2004061409A
Authority: JP
Inventors: 育生小川; 芳行土居; 扇太鈴木; 淳阿部; 博照井; 和美清水; 浩彰高見
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2024-03-04
Also published as: JP2005250178A

Description

本発明は、集積型受光回路及びその作製方法並びにアレイ受光部品に関し、より詳細には、光通信や光情報処理の分野で用いられる、平面光回路とフォトダイオード等の受光素子からなる集積型受光回路及びその作製方法並びにアレイ受光部品に関する。

近年、波長多重光通信の分野において、多重して伝送された複数の光信号を分波して同時に受信したり、伝送路途中で、一時的に分波して所望の光信号を抜き取った後に再度合波して伝送路に送出するといった光処理機能が必要とされている。前者はもちろんのこと、後者についても、光信号レベルを揃えるために、光強度をモニタしてフィードバック制御を行うことが必要となるため、複数の光信号を受光できる多チャネルの光モニタ回路の必要性が高まっている。

現在までのところ一般的に実用されているのは、ファイバピッグテイル付きのメタルキャン型フォトダイオード（以下、ＰＤという）を複数並べて用いる構成であるが、このような構成では、波長数の増加などに伴い、必要なＰＤ数が数１０以上に増えた場合には、主として光ファイバの余長処理に大きな面積を占有してしまうことが問題となる。また、上述のようにこうした多チャネルの光モニタ回路は、分波器、合波器、可変減衰器等の光信号処理回路と組み合わせて用いる場合が多く、こうした信号処理回路と集積化することが望ましい。このため、いかに小型・高性能で、かつ平面光回路との集積化も容易な集積型受光回路を実現するかが重要な課題となっている。

なお、メタルキャン型ＰＤとは、メタルキャンパッケージの内部に、フォトダイオード（ＰＤ）素子を封入した受光部品のことである。メタルキャンパッケージとは、円盤状の金属板の中心付近に電極ピンを貫通させて封止した「ステム」と呼ばれる部品と、円筒形の金属部品の先端にガラス等の透明な材料からなる窓部を設けた「キャップ」と呼ばれる部品とから構成される光半導体素子用の汎用的なパッケージ形態であって、ステムの所定の位置にＰＤ素子を実装した後に、抵抗溶接等によってキャップを被せて封止するのが一般的である。

図１は、従来の集積型受光回路の一例を説明するための構成図で、図中符号１１はＳｉ基板、１２は平面光回路（石英系）、１３は光導波路、１４は光路変換ミラー、１５はＰＤ素子を示している。この従来例では、Ｓｉ基板１１上に形成した平面光回路１２を用い、所望の光導波路１３の一端部に、導波光をＳｉ基板１１の上方に光路を変換して出力するための光路変換ミラー１４を設け、ＰＤ素子１５をこの光路変換ミラー１４の上部に設置する構成である。

このような光路変換ミラー１４の構造や作製方法は、様々なものが提案されており、例えば、特許文献１〜３に記載されている。このような光路変換ミラー１４は、平面光回路の任意の箇所に設けることができるので、ＰＤ素子１５を上部に面状に配置すれば、極めて小型に光モニタ回路を作製することができる。

図２は、従来の集積型受光回路の他の例を説明するための構成図で、図中符号１３ａはコア、１３ｂはクラッド、１４ａは光路変換ミラー（多層膜フィルタ）、１６は溝で、その他、図１と同じ機能を有する構成要素については同一の符号を付してある。この構成は、特許文献４に記載されているものと同等の構造を示している。図１に示した第１の従来例と異なる点は、光路変換ミラーの構成法である。ここでは、ダイシングソーにより斜めに溝１６を形成し、この溝１６に多層膜フィルタを挿入してある。このような光路変換ミラー１４ａを光導波路１３に沿って複数設け、各々異なる波長を反射するように多層膜フィルタを選べば、多重された光信号を順次所望の光のみを抜き出してモニタすることができる。

特開平９−２６５１５号公報特開平９−３１８８５０号公報特開平１１−８４１８３号公報特開２０００−３４７０５０号公報

しかしながら、小型・多チャネルの集積型受光回路では、チャネル間光クロストークが問題となる。要求されるクロストーク性能は、適用先によって様々であるが、一般には最低でも−２０ｄＢが必要であり、−５０ｄＢ以下の厳しい仕様が要求される場合も少なくない。ところが、上述した従来例をはじめとする従来の平面光回路と受光部とからなるハイブリッド平面光回路では、−３０ｄＢ程度のクロストーク性能しか実現されておらず、必ずしも十分な性能とはいえなかった。

この問題に対して、本発明者らが試作実験を行ったところ、従来報告されていたクロストーク発生要因の他に、新たなクロストーク発生のメカニズムが存在し、これに起因するクロストークの劣化量が、従来の要因と同等か、場合によっては遙かに大きいことを見出した。

すなわち、従来よく知られているクロストーク発生要因は、（１）平面光回路内における受光部とは異なる発生源からの迷光と、（２）隣接したＰＤ素子への出射光の直接入射の２つである。

（１）に関しては、例えば、入力光ファイバと光導波路との接続部において、光導波路の導波モードに結合しなかった光や、曲げ導波路部で発生する迷光などが、クラッド層を伝播する迷光となって平面光回路内を伝播して受光部に漏れこむ現象である。この対策としては、光導波路間のクラッド層に遮光溝を設けて、光導波路間の光学的な絶縁を行う対策と、ＰＤ素子の前面にピンホールを設けた遮光膜を設け、所望の光導波路端以外の部位からＰＤ素子に入射する迷光を遮る方法が提案されていた。なお、後者は主として、平面光回路の端面にＰＤ素子を設ける場合に用いられる。これは、このような場合には、所望の出射光とクラッド層の伝播光が同一方向に出射されるため、特に上述した平面光回路内の迷光の影響を受け易いという事情があるためである。

一方、上述した（２）に関しては、一般に出射光はある程度の広がり角を有することから、ＰＤ素子の設置間隔を極めて小さくする場合に問題となる現象である。この対策としては、ＰＤ素子間に遮光性の壁を設けることが提案されている。

ところが、実験によれば、以上の対策を施してもなお十分なクロストーク性能が得られない場合が発生することがわかった。得られたクロストーク性能は、−４０ｄＢ程度を中心に大きなばらつきをもって分布したが、最悪の場合には−２０ｄＢ程度までいたる大きな劣化を見せた。このため、発明者らが独自に試作実験及び分析を行ったところ、後述するように、光出射部から受光部に到る経路で反射された光が平面光回路に再入射し、光導波路と基板の界面、または光導波路及び基板の表面で多重反射を繰り返し、他の受光部に漏れこむという新たなメカニズムがクロストーク劣化の大きな要因となっていることが分かった。

以下、発明者らが明らかにしたクロストーク発生のメカニズムと問題点について説明する。

図３は、図２に示した第２の従来例におけるクロストーク光の経路を示した図で、図中右側の光出射部から左側受光部へのクロストーク光の経路を示している。図中の符号は図２における符号と同じである。光路変換ミラー１４ａの出射光は、平面光回路の上面またはＰＤ素子１５の受光面で反射され、再度平面光回路に入射する。この光は、平面光回路の表面、光導波路１３とＳｉ基板１１との界面、及びＳｉ基板の裏面の間で多重反射され、平面光回路面の法線方向に対して大きな角度成分を有する光は、Ｓｉ基板面内の離れた位置に配した他のＰＤ素子１５に漏れこむことになる。

各面の反射率は、Ｓｉ基板１１上に作製した光導波路１３では、平面光回路の表面がおよそ３．５％（−１４．６ｄＢ）、光導波路１３とＳｉ基板１１の界面が１７％（−７．７ｄＢ）、Ｓｉ基板１１の裏面が３１％（−５．１ｄＢ）である。ＰＤ素子の表面は、通常無反射コートが施されているが、それでも１％（−２０ｄＢ）程度の反射が発生してしまうし、図１に示した第１の従来例のように、ポッティング樹脂で封止する場合には、無反射条件からずれてしまうため、より大きな反射が発生することもある。

以上のように、出射光自身が反射されて平面光回路に再入射する光強度は、例えば、−５０ｄＢ以下といった極めて低いクロストークを目指す場合には、決して無視できない。それでも、通常は、多重反射により長い距離を伝播するに従い反射損失と回折とによって減衰するため、理想的な設計を行えば問題にならないことも多い。

一方、このメカニズムによって深刻なクロストーク劣化を引き起こすのは、反射されて平面光回路に再入射する光のうち、平面光回路面の法線方向に対して大きな角度を成す光線成分の強度が大きい場合である。例えば、図３では、平面光回路面の法線方向に対して３０°の角度で溝を作製し、これに反射フィルタを挿入してミラーとしている。これはダイシングソーによる機械加工の都合上、あまり大きな角度の溝を形成するのは容易でないためである。この場合、光路変換ミラー１４ａの出射光の最大強度を有する成分は３０°の大きな角度を有し、反射光もまた３０°で平面光回路に再入射することになる。

このような場合には、最大強度の成分が多重反射を繰り返し、あまり減衰せずに平面光回路面内の長い距離を伝播してしまうことになる。実験によれば、図３の光導波路伝播方向に対して奥側の光出射部からの光が、手前のＰＤ素子に漏れこむクロストークが−２５ｄＢ程度と顕著であった。また、図１に示した第１の従来例と同等の構造では、光路変換ミラー１４ａの出射光がほぼ平面光回路面から垂直上方に出力されるように設計したが、実際には−３５ｄＢ程度のクロストークしか得られないものが存在した。詳細な検討をしたところ、ミラー角度に±４°ほどの作製誤差があることが分かった。

すなわち、光路変換ミラー１４ａの出射光は、±８°の大きな角度を有するものがあり、このような場合には、クロストークの劣化が生じていたのである。もちろん、理想的にはミラー角度の精度を高めることによって改善可能であるが、こうした光路変換ミラー１４ａは、一辺が５０μｍ程度と極めて微小な三角形状断面をしており、わずか数μｍの作製誤差でも上述した角度誤差が生じてしまうため、現実には精度を十分高くすることは容易ではない。

図４は、図３に示した構造に加え、従来から提案されているクロストーク防止構造として、ＰＤ素子の前面にピンホールを有する遮光膜を設けた場合を示した図である。このような対策をとった場合でも、受光効率が低下しないよう、当然ピンホール１８は出射光がすべて通る大きさに開けてあり、反射面となる平面光回路の表面やＰＤ素子１５の表面は、遮光膜１７よりも平面光回路側にあるか、もしくは遮光膜１７とほぼ同一面にあるため、平面光回路の表面及びＰＤ素子１５の表面からの反射光が平面光回路に再入射するのを防止する効果は得られない。

このように、小型・多チャネルの集積型受光回路では、チャネル間光クロストークが問題となる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、平面光回路内の多重反射を介する光クロストーク発生の問題を解決し、小型でかつ良好なクロストーク性能を有する集積型受光回路及びその作製方法並びにアレイ受光部品を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、集積型受光回路であって、伝播光の一部を外部に放射して出力する少なくとも２つ以上の光出射部を、表裏面または端面のいずれかの一面である光出射面に有し、かつ基板上に設けられた光導波路を備えた平面光回路と、前記光出射部から放射された出射光を各々受光するように設けた少なくとも２つ以上の受光部と、前記光出射部から該光出射部に対応する前記受光部に到る光経路上に存在する第１の光反射面である受光部側反射面と、前記平面光回路の内部又は外部との界面に存在する第２の光反射面である光回路側反射面との間に、前記受光部側反射面で反射され、広がりながら出射光と逆方向に伝播する反射光のうち、前記光出射面の法線方向に対して所定の角度より大きい成分を遮るように、前記受光部側反射面と距離をおいて設けた第１の遮光手段と、前記受光部側反射面と前記第１の遮光手段に挟まれた領域に、互いに異なる前記光出射部と前記受光部の組を光学的に遮断する第２の遮光手段と、前記光出射面上に前記第１の遮光手段を設けるとともに、該第１の遮光手段から、該第１の遮光手段と最短距離に位置する前記受光部側反射面との間に、前記光導波路の実効屈折率と等しい屈折率を有するスペーサ層とを設け、前記光出射部と該光出射部に対応する前記受光部の組の前記出射部の中心及び前記受光部の中心を結ぶ断面において、前記第１の遮光手段と前記受光部側反射面との間の距離をＴ _ｓｐとし、前記第１の遮光手段と前記受光部側反射面との間の領域における屈折率と前記受光部側反射面による反射光が前記光出射面の法線方向となす角度をそれぞれｎ _ｓｐ、θ _ｓｐとし、前記第１の遮光手段と前記光回路側反射面までの距離をＴ _ｓｕｂとし、該領域における屈折率と前記受光部側反射面による反射光が前記光出射面の法線方向となす角度をそれぞれｎ _ｓｕｂ、θ _ｓｕｂとし、前記光出射面上における光出射部中心から前記開口の端までの距離をｄとし、互いに異なる前記光出射部と前記受光部の組との間の距離をＰとし、デジベルで表した所望のクロストーク量をＣＴｄとし、同様にデジベルで表した前記受光部側反射面の反射率及び前記光回路側反射面の反射率を、それぞれＲ _１、Ｒ _２とし、前記第１の遮光手段と前記光回路側反射面との間の往復反射回数をｍ _ｒｅｆ- としたとき、

となる関係を満たすように、受光部間のピッチＰ、開口の幅ｄ、前記第１の遮光手段と前記受光部側反射面との間の距離Ｔ _ｓｐを設定したことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記光出射部からの出射光は、前記光出射面の法線方向と０°ではない角度θをもって出射し、かつ前記第１の遮光手段は、光出射面の法線方向に対して前記θ以上の角度を成して出射光と逆方向に伝播する反射光を遮るように設けられたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１の遮光手段は、前記光出射面上の前記光出射部を含む領域に開口を設けた遮光材料であることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記第２の遮光手段は、前記光出射部と前記受光部の周囲に設けた遮光壁であることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記第１及び第２の遮光手段の少なくともいずれか一方は、光吸収性材料からなることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記光出射部から該光出射部に対応する前記受光部に至る前記出射光の経路中心線と、前記第２の遮光手段との距離は、前記光出射部から該光出射部に対応する前記受光部に至る前記出射光の経路中心線と、前記開口の端までの距離よりも大きいことを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記スペーサ層が、レンズ機能を有することを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記スペーサ層がガラス材料であり、前記第２の遮光手段が、前記スペーサ層を貫通し前記スペーサ層の厚さよりも深い溝に光吸収性樹脂を充填したものであることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記スペーサ層がガラス材料であり、前記スペーサ層に設けた前記第２の遮光手段が、光吸収性樹脂を充填した前記スペーサ層の厚さよりも浅く、前記スペーサ層の厚さの半分よりも深い溝を、前記スペーサ層の上下面から交互に設けたことを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記スペーサ層の上面に無反射コートを施したことを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれかに記載の発明において、前記平面光回路の前記光出射面と対向する面に無反射コートを施したことを特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれかに記載の発明において、前記光出射部は、平面光回路面の法線方向と角度をなして光を出射する光路変換ミラーで、該光路変換ミラーのミラー面は、１種類以上の金属膜を積層して構成され、かつ前記第１の遮光手段は、前記光出射面上に形成された、前記ミラー面を構成する金属膜の少なくともいずれか１種類と同種の金属膜であることを特徴とする。

また、請求項１３に記載の発明は、請求項１乃至１１のいずれかに記載の前記第１の遮光手段と第２の遮光手段を具備し、少なくとも２つ以上の受光部を一体に形成したことを特徴とするアレイ受光部品である。

また、請求項１４に記載の発明は、集積型受光回路の作製方法であって、基板上に光導波路を形成する工程と、該光導波路面内において、光路変換ミラーからなる光出射部を少なくとも２つ以上設ける工程と、前記光導波路の光出射面上に、前記光出射部を含む領域に開口を設けた第１の遮光手段を設ける工程と、前記第１の遮光手段上に、前記光導波路の実効屈折率と等しい屈折率を有するスペーサ層を設ける工程と、前記スペーサ層における前記複数の光出射部の各々の中間位置に、前記スペーサ層を貫通し前記スペーサ層の厚さよりも深い溝を形成する工程と、該溝に光吸収性を有する樹脂材料を充填する工程とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、受光部自身からの反射光が平面光回路に再入射し、多重反射によって他の受光部に到るクロストーク発生の現象を防ぐことができる。また、本発明のスペーサ層を設ければ、第１の遮光手段と受光部側反射面までの距離を所定距離に確保し、かつ第２の遮光手段や受光部の支持部材として機能する効果があり、スペーサ層にレンズ機能を付加すれば、本発明をよく補完し、光出射部と受光部間の距離が大きくなる問題を回避することもできる。

また、集積型受光回路を作製する際に、本発明のアレイ受光部品を汎用的な部品として用いれば、設計や工程が簡便となる実用上の効果がある。

したがって、本発明により、平面光回路内の多重反射を介する光クロストーク発生の問題を解決し、小型でかつ良好なクロストーク性能を有する集積型受光回路及びその作製方法並びにこれに用いるアレイ受光部品を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図５は、本発明の集積型受光回路の実施形態を説明するための構成図で、図中符号２１は基板、２２は平面光回路、２２ａは光回路側反射面、２３は光導波路、２３ａはコア、２３ｂはクラッド、２４は垂直光路変換ミラー、２５はＰＤ（受光部）、２５ａは受光部側反射面、２６は第１の遮蔽部材、２７は第２の遮光部材を示している。

本発明の集積型受光回路は、伝播光の一部を外部に放射して出力する少なくとも２つ以上の光出射部を、表裏面又は端面のいずれかの一面である光出射面に有し、かつ基板２１上に設けられた光導波路２３を備えた平面光回路２２と、光出射部から放射された出射光を各々受光するように設けられた少なくとも２つ以上の受光部２５と、第１の遮光部材２６と、第２の遮光部材２７とを備えている。

第１の遮光部材２６は、光出射部からこの光出射部に対応する受光部２５に到る光経路上に存在する第１の光反射面である受光部側反射面２５ａと、平面光回路２２の内部又は外部との界面に存在する第２の光反射面である光回路側反射面２２ａとの間に、受光部側反射面２５ａで反射され、光出射面の法線方向に対して大きな角度を成して出射光と逆方向に伝播する反射光を遮るように、受光部側反射面２５ａと距離をおいて設けられている。また、第２の遮光部材２７は、受光部側を遮断するもので、受光部側反射面２５ａと第１の遮光部材２６に挟まれた領域に、互いに異なる光出射部と受光部２５の組を光学的に遮断するように設けられている。

光出射部は、一例として垂直光路変換ミラー２４としてある。本発明の要点は、出射光が反射され、光出射面の法線方向と大きな角度を成す光が、平面光回路に再入射するのを防ぐことにある。このための第１の構造上の要件は、出射光から受光部に到る経路に存在する受光部側反射面２５ａと、平面光回路２２の上面や基板２１の裏面などの光回路側反射面２２ａとの間に、受光部側反射面２５ａから距離をおいて、第１の遮光部材２６を設けた点である。

ここで注意を要するのは、出射光の経路に存在するすべての反射面に対して上述の関係が成り立つことである。すなわち、図５に示すように、第１の遮光部材２６を平面光回路２２の表面に設ける際には、この平面光回路２２の表面は無反射化の措置を講ずることが肝要である。このような構造によれば、受光部２５の表面などの受光部側反射面２５ａから距離をおいて遮光部材を設けることによって、反射光のうち回折して広がりながら戻る光、すなわち大きな角度をもつ反射光成分は遮光部材によって遮られるため、平面光回路２２に入射しない。

このような構造によれば、受光部側反射面２５ａと遮光部材との距離及び遮光部材の開口幅から決まる角度以上の反射光成分は平面光回路に再入射できないため、たとえミラー出射角度が大きくばらついたとしても重大なクロストーク発生には至らない。むしろ、出射光の方向を上述した設定角度以上にずらすことにより、平面光回路２２に再入射する反射光の総強度を小さくできる効果がある。

また、第２の要件は、第１の遮光部材２６から受光部までの領域を、受光部間で光学的に遮断しておくことである。これは、第１の遮光部材２６を透過した出射光が隣接ＰＤ２５に直接入射するものと、同出射光が受光部側反射面２５ａと第１の遮光部材２６との間で多重反射されて隣接ＰＤ２５に漏れこむものの２つの経路によるクロストークを防止する効果がある。

前者の経路は従来も知られていたが、本発明では、光出射部と受光部間に距離をおくことが必要となるため、直接入射の影響が大きくなる。また、後者の経路に関しては、本発明により、大きな角度成分を有する反射光は平面光回路には入射しないが、その代わりに第１の遮光部材で反射され、受光部と第１の遮光部材との間隙で多重反射されることになる。この間隙では、大きな角度をもつ光波が主たる成分となり、かつ、間隙の寸法は場合によっては基板厚を上回る寸法になることから、間隙を伝って他の受光部に漏れこむことによるクロストークを防止することが、本発明を効果的に実施するためには欠かせない。

なお、必要なクロストーク性能は目的に応じて異なるし、平面光回路の材質や寸法、出射光の広がり角、さらには受光部の配置も、それぞれ場合によって異なるため、受光部側反射面２５ａからの反射光のうち平面光回路への再入射を防止すべき光の再入射角度は一概には決められない。このため、第１の遮光部材２６と受光部側反射面２５ａとの距離、及び第１の遮光部材２６の開口幅も、適宜ケースに応じて設計すべきものである。こうした設計を詳細に行うには、光線追跡法などを用いることになるが、概略の指針であれば以下のように求めることができる。

図６は、本発明の集積型受光回路の概略設計を説明するための模式図で、本発明の構造における２つのＰＤ２５の受光部２５ｂを結ぶ断面を極めて簡略化してモデル化している。典型的なケースとして、光出射面に光出射部の中心から幅ｄの開口を有する遮光膜２６（第１の遮光部材）を設けた。受光部２５ｂは間隔Ｐで配置してある。また、受光部側反射面２５ａと遮光膜２６間の距離をＴ_ｓｐとし、屈折率をｎ_ｓＰとし、平面光回路２２の光出射面と対向する光回路側反射面２２ａと遮光膜２６間の距離をＴ_ｓｕｂとし、屈折率をｎ_ｓｕｂとする。通常は、受光部側反射面２５ａと遮光膜２６間の屈折率ｎ_ｓＰと、光導波路と基板２１からなる領域の屈折率を代表させたｎ_ｓｕｂとは異なる値となるため、遮光膜２６の上部側でθ_ｓpの入射角を有するとすると、平面光回路２２側での出射角はθ_ｓｕｂであり、両者はスネルの法則

を満足する。

ここで、クロストークを防止する上で注意すべき、最大角で平面光回路に再入射する成分の光路について考えると、図６に示すように、開口の端を通って平面光回路に入射し、反射を数回繰り返して、隣接受光部２５ｂに到ることになる。今、ｍ_ｒｅｆ回の往復反射で、必要なクロストーク光強度よりも減衰すると仮定すると、ｍ_ｒｅｆ回多重反射した光が隣接開口部に入射しないように、受光部側反射面２５ａと遮光膜２６間の距離Ｔ_ｓｐと開口ｄ、及び受光部２５ｂの配置Ｐを設計すればよい。この条件は、遮光膜上下で以下のように記載できる。

式（８）、（９）をまとめてＰとｄの比の形式で記載すると、

の関係が得られる。入射角θが小さい場合には、式（７）の関係を用いて

と近似しても良い、なお、所望の減衰を得るまでの往復反射回数ｍ_ｒｅｆは、遮光膜の反射率と、伝播距離に応じた回折による減衰量、及び最大角を有する光成分の強度に依存するが、最悪値としては、遮光膜２６の反射率が１００％、回折による減衰なし、および全出射光が最大角成分に集中している場合を考えればよい。所望のクロストークＣＴｄ（ｄＢ）、受光側反射面２５ａの反射率を対数表記でＲ_１（ｄＢ）、光回路側反射面２２ａを同じくＲ_２（ｄＢ）とすると、以上の条件は

となる。

一例として、厚さ１ｍｍのシリコン基板上に、コアおよび上下クラッドを含む厚さ４０μｍの石英系光導波路が形成されており、ミラーによって垂直上方に出射光を出力する場合について考える。光導波路の上面には出射光の中心から幅Ｄの開口（ここでは開口の全幅は２ｄ）を有する金属遮光膜を設け、この上に厚さＴ_ｓｐの石英ガラス板を貼り付け、さらにこの上面にＰＤ素子を、受光面を下にして搭載してある。ＰＤ素子の受光面は、無反射膜がコートされているとして無視すると、受光部側反射面は、石英ガラス板上面の約−１４．５ｄＢを考えればよい。光導波路と基板に関しては、光導波路と基板の界面の反射率は−７．５ｄＢ、基板裏面は−５ｄＢであり、かつ光導波路に対して基板の厚さが十分大きいため、多重反射によるクロストークに寄与するのは主として基板である。したがって、ここでは光導波路を無視して概略設計を行う。

図７（ａ）は、ミラーの作製領域を取り囲むように開口を設けることを考えて開口半幅ｄ＝５０μｍとした場合に、式（１０）を用いて計算した石英ガラス板厚Ｔ_ｓｐと最小の受光部間隔の関係を示している。３本の曲線は各々往復反射回数ｍ_ｒｅｆ＝３，５，７の場合である。所要のクロストーク性能ＣＴｄを−５０ｄＢとすると、式（１２）より、
ｍ_ｒｅｆ≧７
であり、８回以上の往復反射によって隣接開口部に到達する光は十分に減衰して問題にならない。そこで最悪ケースである７回反射までの光を考慮したときに、２５０μｍピッチでＰＤを配置するには、ガラス板厚１ｍｍ程度が必要となることがわかる。通常の場合は、伝播する間に回折によって減衰する効果が２０ｄＢ程度あるので、往復反射回数としては３〜５回をとれば良い。その場合にはガラス板厚は５００μｍ程度でよい。

同様に開口半幅ｄ＝２５μｍとした場合の結果を図７（ｂ）に示す。多くの場合、出射光のスポットサイズは３〜６μｍ程度であるので、２５μｍ程度の開口は、受光感度を劣化させない最小の幅に相当している。図７（ｂ）に示した結果から分かるように、２５０μｍピッチでＰＤを配置するためには、受光部側反射面と遮光膜間距離Ｔ_ｓｐを２００μｍ程度以上に離す必要がある。また、これ以下の厚さにすると必要な受光部間隔が急激に増加するので好ましくない。こうした事情を考えると実用上は、上述したＴ_ｓｐは２００μｍ以上とるのが望ましい。一方、Ｔ_ｓｐがあまり大きくなると出射光が広がりすぎて受光できないことも生じるので、Ｔ_ｓｐは２００〜１０００μｍ程度の値をとれば良い。

なお、上述したように、本発明は、出射光自身の反射が、平面光回路内の多重反射を介して引き起こすクロストーク発生のメカニズムが、場合によって従来知られている要因よりも重大な劣化を引き起こすことがあるという新たな知見に基づき、これを解決するためになされたものである。従って、受光部自身とは発生源を異にする平面光回路内の迷光等の従来知られていた要因に対しては、必要に応じて本発明と併用して対策を施すのが望ましい。なお、本発明は、従来の平面光回路内の迷光を遮るピンホール遮光膜と同様の効果があるし、また、後述する実施例でも述べるように、光導波路への遮光溝の形成など、従来の対策と容易に併用できる点も好ましい特徴のひとつである。

以下、具体的な実施例について説明する。なお、以下の実施例ではすべて、光導波路として石英系平面光回路を用いて説明を行うが、本発明はこれに限定するものではない。例えば、ニオブ酸リチウム導波路、シリコン導波路、ポリマー導波路でも良いし、シリコンベンチ上に光ファイバを固定したものでも良い。すなわち、例えば、５００μｍ程度の厚みを有する光透過性のある基板上に光導波路を設けたものであれば、本発明で指摘する光クロストーク発生のメカニズムが同様に発現するので、本発明を適用し、その効果を享受することができる。また、光路変換ミラーの構造やその作製方法に関しても様々なものが可能である。本明細書では、ごく一例しか記載できないが、これらに関しても何ら限定するものではない。

図８は、本発明の集積型受光回路の実施例１を説明するための斜視図、図９は、図８のＡ−Ａ’線断面図で、図中符号３０はアレイ受光部品、３１は平面光回路、３１ａは基板、３１ｂは光導波路、３２はスペーサ層（光学ガラス板）、３３はホルダ部品、３４はメタルキャン型ＰＤ（受光部）、３５は遮光壁、３６は空隙部、３７はレンズ、３８は垂直光路変換ミラー、３９は遮光膜、４０は迷光遮断溝、４１は光学接着剤を示している。

本発明の集積型受光回路は、平面光回路３１とスペーサ層３２とアレイ受光部品３０とから構成され、アレイ受光部品３０は、ホルダ部品３３とメタルキャン型ＰＤ３４とから構成されている。また、平面光回路３１の８個の光出射部に対応するように設けた８個のメタルキャン型ＰＤ３４を有している。平面光回路３１は、基板３１ａとしてＳｉ基板を用い、これにＳｉＯ_２を主成分とするガラスから成る光導波路３１ｂを、火炎堆積法、及びドライエッチング法を用いて作製した。コア−クラッド間の比屈折率差は０．５％、下部クラッドの厚みは２０μｍ、導波路コアは、７μｍ角、上下両クラッドを含む全厚みは４０μｍである。平面光回路３１は、８本の光導波路４０と、その各々の端部に設けた８個の垂直光路変換ミラー３８からなり、この垂直光路変換ミラー３８は２．５４ｍｍ間隔で２行４列に配置した。

本実施例１では、垂直光路変換ミラー３８として、図１に示した第１の従来例と同じく、特許文献３に記載されている樹脂を用いたミラー構造を採用した。

図１０は、図８及び図９に示した本実施例１におけるミラーとその周辺の構造の拡大図で、図中符号５１は光導波路コア、５２はクロム遮光膜、５３はミラー樹脂供給溝兼遮光溝、５４はミラー面、５５は開口部を示している。光導波路の端部に幅Ｗ_１が１９０μｍ、光導波路端からＷ_２＝６０μｍの領域にＳｉ基板３１ａまで達する深さ４０μｍのミラー溝を、またこれに連結された幅３７μｍのミラー樹脂供給溝５３をドライエッチングによって形成してある。ミラー溝底部にはミラー形成樹脂に対してヌレ性のよい領域が導波路端と対向する端面に接して設けられており、ミラー樹脂供給溝５３を伝って供給されたミラー形成樹脂は、溝底部のヌレ性の良い領域と導波路端と対向する端面との間に傾斜面を形成している。さらにその表面には金が蒸着されており、垂直光路変換ミラー３８を構成している。いずれの垂直光路変換ミラー３８も、ミラー角度はほぼ４５度であり、光導波路３１ｂからの出力光はＳｉ基板３１ａと垂直上方に出射されるようになっている。

また、光ファイバと光導波路３１ｂとの接続部、光導波路３１ｂの曲がり部、及び他ミラー溝からの光導波路３１ｂを伝播する迷光を遮断するため、各垂直光路変換ミラー３８の周囲及び光導波路３１ｂの両側には、ミラー樹脂供給溝５３と連結され、樹脂供給路を兼ねる遮光溝を形成してある。

さて、このような平面光回路は、以下のように作製できる。まず、シリコン基板３１ａ上に火炎堆積法によって下部クラッド層を堆積し、次いでコア層を堆積し、反応性イオンエッチングにより光導波路３１ｂを形成し、上部クラッド層によって埋め込む。続いて反応性イオンエッチングにより、８箇所の光導波路の端部にミラー溝及び樹脂供給溝５３を形成する。このようなミラー溝と樹脂供給溝５３を形成しておけば、特許文献３と同様の方法によって光導波路端の対向部に垂直光路変換ミラー３８を形成することができる。

すなわち、表面処理及び斜め蒸着によって、ミラー溝底部のヌレ性制御加工を施し、次いで液状硬化樹脂を供給して斜面を形成し、この上面に密着性を確保するための下地金属としてクロムを蒸着し、次いでその表面に安定な高反射膜として金を蒸着、パタン化すればよい。また、遮光溝に関しては、特願２００３−３９５３０２号に記載されているように、ミラー樹脂として、黒色顔料を混入した光吸収性の樹脂を用い、これをミラー樹脂供給溝５３に供給すれば、垂直光路変換ミラー３８と遮光溝とを同時に作製できる。

本実施例１において本発明に係る特徴的な構造は、平面光回路上部のＰＤの実装構造にある。第１の特徴は、上方からの反射光が再度光導波路および基板に入射するのを防止する第１の遮光部材として、平面光回路の上面にクロム遮光膜５２を設けたことである。このような構造は、本実施例１で用いた上述のミラー構造の場合、極めて容易に作製できる。すなわち、ミラー面を形成する工程において、平面光回路上面にクロム、金を順次蒸着した後、ミラー面となる部分だけに金を残すように金用のエッチング液を用いてパタン化すれば、残りの部分にはクロム遮光膜が残ることになる。このとき、垂直光路変換ミラーに対向する光導波路端にクロム遮光膜５２が付着しないようにするには、例えば、光導波路端が影になる方向からクロム、金の斜め蒸着を行えばよい。従来、ミラー部を除いて金およびクロム遮光膜のいずれも除去していたため、それぞれエッチング工程が必要であったが、本実施例１では、クロム遮光膜５２を除去する工程が不要となるため、従来よりもむしろ工程が簡略化されることになるという利点が生じる。なお、ここでは垂直光路変換ミラーの下地金属及び遮光膜としてクロムを用いたが、チタンなど、他の材料でも良い。

次いで、第２の特徴は、クロム遮光膜５２の上面に５００μｍ厚の光学ガラス板を、屈折率がほぼ石英光導波路３１ｂと等しい光学接着剤４１により貼り付けた点である。ここで、ミラー溝内部にも光学接着剤４１が充填されている。光学ガラス板は、ミラー溝内部に埃などが侵入、付着することを防ぐミラー保護の役割と同時に、ミラー出射光経路においてミラー面と最短距離にある反射面までの距離を確保するスペーサ層３２として機能する。これにより光クロストークの要因として問題となる、大きな角度をもった反射光が光導波路３１ｂ及び基板３１ａに再入射するのを防止する効果がある。また、後述する第２の遮光部材と、上部に実装する受光部の支持構造としても好適な構造である。なお、光学ガラス板の厚さは、受光部の受光効率を落とさず、かつ光クロストークを生じないように適宜設計すればよい。本実施例１では、出射光中心から開口となる遮光膜３９の端までの距離ｄは最大７５μｍと小さいので、最悪ケースを見込んでも、光学ガラス板の厚さは１００μｍ以上とれば十分であるが、受光効率が劣化しない範囲で作業性の良い板厚を選択することとして、５００μｍ厚の光学ガラス板を用いた。

さらに、第３の特徴は、第１の遮光部材である平面光回路上面のクロム遮光膜５２から受光部３４までの領域において、８個の受光部間に第２の遮光部材を設けた点である。すなわち、まず、光学ガラス板には、平面光回路上面に貼り付けた後に、８個の垂直光路変換ミラー３８の各々中間部にダイシングソーにより光学ガラス板の下面より深い溝を形成し、ここに黒色顔料を混入した樹脂を注入・固化することにより、受光部を分断するように格子状に遮光壁３５を設けた。本発明の集積型受光回路では、第１の遮光部材である遮光膜３９と遮光壁３５とがほぼ接続された構造になるので、光学的な絶縁効果が極めて高い。このような構造をあらかじめ設けることは一般には難しいが、以上の作製方法によれば、簡易な工程で容易に実現できる。

次いで、光学ガラス板の上部の各ミラーに対応する部位に、受光径３００μｍの面型ＰＤ素子を内蔵した、２．５ｍｍ径のレンズ付きメタルキャン型ＰＤ３４を実装した。このとき、あらかじめ２．５４ｍｍ間隔で２×４配列に穴明け加工を施した光吸収性を有する黒色樹脂の保持部材を用い、この穴に図示するようにメタルキャン型ＰＤ３４を挿入・固定した後に、位置合わせをして光学ガラス板上に接着・固定した。なお、光学ガラス板とメタルキャン型ＰＤ３４のレンズ３７間はレンズの機能を用いるために空隙とし、光学ガラス板とレンズ３７の最短距離は１５０μｍとした。以上の構造により、クロム上面で８個の受光部間を往来するクロストーク光を防ぐことができる。特に光学ガラス板を用いたスペーサ層内では、クロム遮光膜とスペーサ層上面での多重反射により他のチャネルに漏れこむクロストーク光が多く発生するので、この部位の遮光は極めて重要である。

以上、本実施例１における構造について説明した。続いて、本実施例１における動作と、光クロストーク防止の効果について説明する。

ミラー溝内部で光導波路端から出力された光は、垂直光路変換ミラー３８により光路を変換され、ほぼ垂直上方に出射される。ミラー出射光はミラー溝内部に充填された接着剤層を約２０μｍ伝播し、上部クラッド上面の光学ガラス板との界面に達する。上部クラッド上面やミラー樹脂供給溝５３の表面には一面にクロム遮光膜５２が設けられているが、出射光位置は開口部５５となっており、その大きさはミラー溝の大きさに等しく６０〜１９０μｍと、光導波路のモードフィールド径（約１０μｍ程度）と比べて十分大きいので、ミラー出射光はほぼ損失なく開口を透過することができる。

その後、出射光は光学ガラス板５００μｍ、この光学ガラス板の上部の空隙約１５０μｍを回折により広がりながら伝播し、メタルキャン型ＰＤ３４の先端のレンズ３７に入射する。さらに、レンズ３７を透過し、集光しながらメタルキャン型ＰＤ３４に内蔵されたＰＤ素子の受光面に達して受光される。このように、本実施例１の構造によれば、出射光経路上に存在する複数の反射部位においてわずかな反射損失が発生すること以外には大きな損失なく９０％程度の出射光をモニタすることができる。さらに高い受光効率が必要な場合には、各反射部位に無反射コートを施せばよい。

一方、上述した通り、光クロストークの発生要因となるのは、出射光経路上で反射され、光導波路３１ｂや基板３１ａに再入射する反射光である。本実施例１では、ミラー出射光は光学ガラス板の上面までは、ほぼ均一な屈折率の媒質中を通ることになるため、出射部（ミラー面）に最も近い有意な反射点は４％の反射がある光学ガラス板の上面である。なお、ここで言う有意な反射点とは必要とされるクロストーク性能に対して、無視できない大きな反射率を持つ点を指している。これは用いる光導波路、基板の材質や形状及び受光部の配置間隔などによって、適宜考慮すべきものであるが、本実施例１と極端に異なるものでない限り、多重反射の損失および伝播距離による減衰を考慮して、目標クロストーク性能の１００倍程度以下の反射は無視しても良い。例えば、目標クロストークを−５０ｄＢとすれば、−３０ｄＢ程度以上の反射点のみに注意すればよい。

図１１は、図９に示した２つの受光部について拡大し、クロストーク光の経路を記載した図である。図中右側の受光部に描いたように、光学ガラス板の上面で反射された光のうち、直接開口部にいたらない大きな角度をもつ成分は、クロム遮光膜とスペーサ層３２に設けた遮光壁３５によって数回反射される間に十分に減衰するため、上部クラッド上面の開口部から再び光導波路側に入射することはない。

一方、開口部５５から平面光回路に再入射する光は２種類ある。すなわち、ミラー面自体に入射し、ほぼ平面光回路面に水平方向に反射される成分と、光導波路端に近い２０μｍ程度の領域を透過して、平面光回路に入射する成分である。前者は、主として光導波路３１ｂを伝播するが、本実施例１では、光導波路３１ｂに平面光回路内の迷光遮断溝４０を設けてあるため、他の受光部に漏れこむことはない。このように垂直光路変換ミラー３８を設けた構成では、平面光回路内の迷光遮断溝４０と併用することにより、実効的な開口部５５を極めて小さい領域に限定することができ、クロストーク抑制の効果が高い。例えば、本実施例１の場合には、実効的な開口部５５は、光導波路３１ｂの端部から約２０μｍで全幅約１５０μｍの領域に絞られる。

この実効的な開口部５５を透過した反射光は、主として光導波路３１ｂを突き抜け、シリコン基板３１ａ内に入射、上部クラッド上面のクロム遮光膜５２、光導波路３１ｂとＳｉ基板３１ａの界面、及びシリコン基板３１ａの下面の３つの反射面で多重反射を繰り返し、平面光回路の面内方向に伝わることになる。ここで主要なクロストーク光経路となるのは、反射率が大きく、かつ厚みがあるために一回の反射で伝播する面内距離が大きくなる、クロム遮光膜５２とシリコン基板３１ａの下面間の図示した多重反射経路であり、これに次いで光導波路／シリコン界面とシリコン基板下面間の多重反射経路が問題となる。

一方、クロム遮光膜５２と光導波路／シリコン基板界面の間に挟まれる光導波路内での多重反射経路は、厚みが４０μｍと小さいことに加え、光導波路にも遮光溝を設けているので無視してよい。さて、上述した実効的な開口部５５を通って平面光回路に入射する反射光の最大入射角は、約５°である。この小さな角度を有する反射光は、上述した経路を辿って隣接受光部に達するまでに数１０回の多重反射を繰り返して十分に減衰されることになるので、クロストーク劣化の問題を生じることはない。なお、上述した設計によれば、本実施例１の受光部の構造のまま、５００μｍ程度まで受光部の間隔を狭めることができる。

残りの反射点は、レンズ入射面、出射面、及びＰＤ受光面である。ＰＤ受光面は一般に無反射コートが施されており、反射率は高々１％程度であることに加え、開口からの距離が１．５ｍｍ程度と十分遠いため、ここでは無視してよい。上述したように、開口を有する第１の遮光部材から反射点までの距離が大きければ大きいほど、光導波路及び基板に再入射する反射光の角度成分を小さくすることができ、クロストークを防止できるからである。

他方、レンズ入射面及び出射面の反射は、４％程度であり光学ガラス板の上面に近い位置にあることに加え、反射面が曲面であることに注意が必要である。というのは、クロストークの劣化は、大きな角度成分の反射光が存在する場合に顕著であり、このような角度成分が発生するのは、ミラー出射角度の作製誤差とともに、レンズ表面など反射面が曲面であることに起因する場合が多いためである。

しかしながら、本実施例１では、図１１の左側受光部に示したように、レンズ面による大きな角度の反射光は、クロム遮光膜５２、スペーサ層３２の遮光壁３５及びメタルキャン型ＰＤ３４のホルダ部品３３の遮光壁に囲まれた領域から外部に出ることがない。外部に出られるのは、光学ガラス板の上面の反射と同様にクロム遮光膜５２の開口部５５を通る５°以下の角度成分だけであり、クロストーク劣化には寄与しないのである。

以上説明したように、本実施例１では、クロストーク性能が−６０ｄＢ以下の良好な多チャネルのモニタＰＤと平面光回路からなる集積型受光回路を実現できた。

なお、光学ガラス板の上面や、シリコン基板の下面に無反射コートを施せば、さらにクロストーク防止に効果的であることはいうまでもない。ただし、本実施例１でもわかるように、受光側反射面は複数あるし、本明細書では省略しているが、実際には平面光回路をパッケージングする際にシリコン基板の下面にはパッケージ部材などが接続されるため、基板の下面への無反射コートが効果を奏することはそれほど多くはないので、無反射コートのみでは、本発明と同様の効果は期待できない。したがって、小型化とクロストーク低減の要求が極めて厳しい場合に、本発明の遮光構造と上記無反射コートを併用するのが好ましい。

図１２は、本発明の集積型受光回路の実施例２を説明するための斜視図で、図１３は、図１２のＡ−Ａ’線断面図である。図１４は、図１２のＢ−Ｂ’線断面図である。図中符号６０はアレイ受光部品、６１は平面光回路、６１ａは基板、６１ｂは光導波路、６２はスペーサ層（光学ガラス板）、６３は配線、６４はＰＤ素子（受光部）、６５は遮光壁、６６は迷光遮光溝、６７はパッド、６８は垂直光路変換ミラー、６９は遮光膜、７０は透明樹脂、７１は遮光性樹脂、７２はワイヤを示している。

上述した実施例１との主な違いは、（１）出射光の角度を垂直上方から傾けてある点、（２）光学ガラス板の上面に、メタルキャンではなくペアチップのＰＤ素子６４を搭載したこと、（３）第１及び第２の遮光部材の構造の３点である。

まず、出射光の角度に関しては、開口部の全幅６０μｍの断面に対しては、垂直上方より３°鈍角に出射するように、ミラー角を１．５°鈍角に形成した。また、開口部全幅１９０μｍの断面方向には６°傾けるように、図１５に示すように、導波路端に対する光導波路コアの入射角を傾けて設計した。

図１５は、実施例２におけるミラー部の導波路入射角について説明するための図で、図中符号７３はミラー溝、７４は樹脂供給溝、７５はミラー面、７６は光導波路を示している。

上述したように、本発明によれば、受光部側反射面と開口幅が決まれば平面光回路への反射戻り光の最大角が決まる。本実施例２の場合、開口部幅６０μｍの断面方向に対しては、最大角２°程度、１９０μｍ幅方向に対しては、５°程度である。したがって、もともと出射光の角度をこれ以上大きくしておけば、出射光の中心付近の最大強度成分が平面光回路に入射するのを防止することができ、クロストーク抑制に大きな効果があるのである。

次に、光学ガラス板の上面には、あらかじめＰＤ通電用の配線６３と素子固定用パッド６７及びワイヤボンディング用のメタルパタンを蒸着、パタン化しておき、これにベアチップのＰＤ素子６４をフリップチップ搭載した。受光面側電極は導電性ペーストによりパッドに接続し、裏面電極はワイヤボンディングにより配線パタンに接続してある。さらに、ＰＤ素子６４の上部には透明樹脂をポッティングし、さらに遮光性樹脂７１を被せた。このように、本発明のスペーサ層６２を設けることにより、ベアチップのＰＤ素子６４のような場合でも有効な支持構造が得られる上、ベアチップのＰＤ素子６４の実装基板を兼ねることも可能となる。また、このようにベアチップのＰＤ素子６４を使用することにより、受光部間隔を極めて小さくとれ、小型化が可能となる利点がある。本実施例２では、受光径３００μｍ、外形５００μｍのＰＤ素子を用い、１０００μｍピッチで配置した。受光部の構造は、実施例１と同様であるので、クロストーク−５０ｄＢを得るための最小ピッチは約５００μｍあれば良く、さらに本実施例２では、最大強度成分の影響を除去できるため十分な余裕をもって作製することができた。

第３点として、スペーサ層６２に設けた遮光構造が特徴である。図１３に示すように、第２の遮光部材として、光学ガラス板の表裏面から板厚に達しない深さの溝を、ダイシングソーを用いて交互に形成し、ここに光吸収性の樹脂を充填し、遮光壁６５を形成してある。また、光学ガラス板の平面光回路側の面には、光出射部領域を除いて遮光性のある樹脂膜を設けてある。この構造では、遮光壁６５の途中に不連続部があるが、狭い間隔で溝を交互に形成したことによって、遮光溝間の間隙を縫って隣接受光部に到る間に多数回の反射、吸収を受けるため、この部位を透過するクロストーク光は実質的には無い。

本実施例２における受光部の実装方法は次のようにして実施した。まず、あらかじめ光学ガラス板の表裏面から交互に溝を形成し、黒色樹脂を充填して遮光壁６５を形成した。次に、光学ガラス板の平面光回路側接着面に感光性を有する遮光性樹脂をスピンコートにより塗布し、マスクを用いて露光、現像することによりパタン化した。次いで、光学ガラス板の上面側には、下地をクロムとして、金薄膜を蒸着形成し、フォトリソグラフィーとエッチングにより、配線６３等のパタンを形成した。さらにベアチップのＰＤ素子を個々にアライメントした後に、フリップチップ実装し、導電性ペーストにより固定および電気接続を行った。また、裏面はワイヤボンディングによって配線パッド６７に接続した。

その後、透明樹脂７０をポッティングし、これを光学ガラス板よりも小さく一面が開いた箱型のカバー部材に、ＰＤ側を底になるように設置し、この内部に黒色樹脂を流して固化させることにより、封止と遮光を行ったアレイ受光部品６０を作製した。この状態で、平面光回路接続面側から光を入射して、アライメントと光学特性の検査を行い、さらに数回のヒートサイクル、１００時間程度の短時間通電バーンイン試験を行い、スクリーニングした後、位置合わせをして光学接着剤により、平面光回路の上面に貼り付けた。なお、ここではスペーサ層側に遮光膜６９を設けたので、平面光回路の上面にはクロム遮光膜は設けていない。

以上のように、本発明の遮光構造を有するスペーサ層を用いれば、平面光回路に貼り付けた後に溝加工をする必要がないため、あらかじめベアチップのＰＤ素子を搭載するといった工程が可能となる。このようなアレイ受光部品をあらかじめ作製しておけば、ベアチップ使用時に問題となる実装後の検査およびスクリーニングが可能となるため、歩留まりが向上し、コスト低減が図れるという実用的な利点を有する。

図１６は、本発明の集積型受光回路の実施例３を説明するための断面図で、図中符号３４ａはメタルキャン型ＰＤ（レンズ無し）、３２ａはマイクロレンズで、その他、図９と同じ機能を有する構成要素には同一に符号を付してある。上述した実施例１との主な違いは、（１）スペーサ層３２として、上面に複数のマイクロレンズ（凸レンズ）３２ａを設けたガラス板（マイクロレンズアレイ基板）を用いたこと、（２）受光部として先端にレンズのないメタルキャン型ＰＤ３４ａを用いたこと、の２点である。

すなわち、本実施例３では、板厚１ｍｍの石英ガラス板の表面にエッチングにより、複数の凸レンズ３２ａを設けたマイクロレンズアレイ基板をスペーサ層３２として用いた。また、先端がフラットなガラス板のメタルキャン型ＰＤ３４ａをその上部に実装している。ここで、出射光は凸レンズを透過し、丁度メタルキャン内部のＰＤ素子の受光面付近に４０μｍ程度のビーム径で集光するように設計し、ＰＤ素子は受光径８０μｍのものを用いた。

本発明では、クロストークを防止するために、光出射部と受光部間にある程度距離をおくことが必要となる。したがって、この部位で出射光が回折により広がるため、受光効率を劣化させないためにはＰＤ素子の受光径を大きくとらねばならないことになる。ところがＰＤ素子の場合には、受光径が大きくなるに従って寄生容量が大きくなるため、高速信号の受信ができない問題がある。これに対して、本実施例３の集積型受光回路によれば、レンズによって小さい受光径のＰＤ素子でも高い受光効率を得られるため、高速受信も可能となる利点があり、本実施例３の場合、２．５Ｇｂ／ｓの受信が可能である。すなわち、本実施例３のように、スペーサ層６２の上面をレンズとする構成は、本発明の主要構成の問題を補うものであり、この構成によってあらゆる場合に対応できる利点が生まれるのである。

一方、すでに述べたように、クロストークの劣化は、大きな角度成分の反射光が存在する場合に顕著であり、このような角度成分が発生するのは、ミラー出射角度の作製誤差とともに、レンズ表面など反射面が曲面であることに起因する場合が多い。これに対して、本実施例３では、反射面となるレンズ表面を第１の遮光膜と所定の距離をおいてスペーサ層３２の上面に配置したことにより、クロストーク発生の問題は発生しない。このように、本実施例３では、所望のクロストーク性能を得られるように、平面光回路に再入射する反射光の角度に制限を設けるため、本発明の要件を満足する限り、出射光角度や反射面の形状によらず良好な特性を実現することができ、レンズの使用も可能となるのである。

図１７は、本発明の集積型受光回路の実施例４を説明するための断面図で、図中符号７７は透明な光学接着剤、７８はホルダ部品で、その他、図１６と同じ機能を有する構成要素には同一に符号を付してある。上述した実施形態１〜３との違いは、主として第１及び第２の遮光構造である。

すなわち、本実施例４では、第１及び第２の遮光部材として、遮光性を有する黒色樹脂からなるＰＤホルダ部品７８を用いた。厚さ３ｍｍの黒色ＰＰＳ樹脂板に、メタルキャン型ＰＤ３４ａの設置位置に、機械加工により複数の穴を設けた。この際、穴径は板の片側から約２ｍｍの深さまでは、メタルキャンよりもやや大きい直径約２ｍｍとし、そこから反対側の面まで徐々に小さくして、反対側面での穴径は約０．５ｍｍになるようにした。かような穴の各々にメタルキャン型ＰＤ３４ａを挿入すると、丁度具合よく収まる。なお、用いた先端フラットのメタルキャン型ＰＤ３４ａの寸法は、筒部が直径約１．９ｍｍであり、ステム周りが２．５ｍｍである。また、先端からステムまでの長さは２ｍｍであるので、上述したような形状にしておけば、特に高い加工精度でなくても、丁度ステム部分でひっかかるため、メタルキャン型ＰＤ３４ａの先端の高さは自動的に揃うことになる。以上のように作製したホルダ部品７８を、これに挿入したメタルキャン型ＰＤ３４ａを用いて光をモニタしアライメントした後、平面光回路の表面に、これと近い屈折率を有する透明な光学接着剤７７により固定した。このとき、接着と同時にホルダ部品７８の内部も光学接着剤７７を充填した。

本実施例４の集積型受光回路では、ホルダ部品７８が、第１の遮光部材と第２の遮光部材を一体に兼ね備えたスペーサ層の機能を有している。すなわち、このような構造によれば、出射光は反射されることなくほぼ均一な屈折率領域をメタルキャン型ＰＤの先端の窓面まで伝播することになる。このとき、ホルダ部品７８の穴の内径は下面の開口径よりも内部の方が広くなっているため、出射光が広がっても壁面で散乱、吸収されることはない。ここで大部分はメタルキャン型ＰＤで受光されることとなり、他方、メタルキャン型ＰＤの窓面で反射された大きな角度を有する光線はホルダ部品７８の穴内部の壁面で多重反射されて減衰して、平面光回路に再入射することはない。平面光回路に再入射する角度は、ホルダ部品７８の下面の穴径とホルダ部品７８の下面とメタルキャン型ＰＤの窓面までの距離によって決まり、約７°である。隣接ＰＤ間ピッチは２．５４ｍｍとしたので、上述した角度では基板内を到達するためには１０回以上の往復反射が必要となり、クロストークは抑制できる。以上のように、このような構造によっても、本発明を実施することが可能である。

なお、本実施例４で重要な点は、以上のように第１及び第２の遮光部材は連続的に形成されていても良いが、第１の遮光部材に相当する光出射面側の開口よりも、第２の遮光部材に相当する受光面側の遮光壁が出射光に対して距離が大きくなるようにすることが肝要である。なぜならば、本発明では、出射光が広がって受光面側反射点に至り、ここからの大きな角度の反射光が第１及び第２の遮光部材によって遮られることが必要であるのに対し、例えば、上述したホルダ部品の穴径を光出射面側が広くなるようにしてしまうとこのようなメカニズムが働かないためである。

つまり、そのような場合には受光側反射面で反射された光は角度が大きくてもそのまま平面光回路に再入射してしまうか、もしくは壁面でわずかな反射を繰り返すだけでそのまま平面光回路に再入射してしまい、本発明の要件を満たさない。また、極端な場合には、出射光がメタルキャン型ＰＤに到る前に周囲の遮光壁で吸収されて受光感度が得られなくなるという問題も生じるなど、本発明の主旨からはずれてしまう。

図１８は、本発明の集積型受光回路の実施例５を説明するための上面図で、図中符号８０はアレイ受光部品、８１は平面光回路、８２は光ファイバ、８３は方向性結合器を示している。この実施例５の構成の特徴は、平面光回路８１の端面にアレイ受光部品８０を設けた点である。このようなレイアウトにより、８チャネルのタップ回路を作製した。タップ回路は方向性結合器８３を用い、タップ率は２０％である。メインポートは直線状に基板を横断する一方、タップポートは曲げられ、一部はメインポートと交差して、平面光回路８１の両側端面に４チャネルずつ出力する構成である。出力端は光導波路中の反射戻り光を低減するため、斜め８°で平面光回路８１の側面に入射するようにし、平面光回路面の垂直方向には直角研磨を施した。平面光回路８１の大きさはメインポートに沿った方向が４０ｍｍ、これと直交する方向が１５ｍｍである。

一方、両側面の光出力部には、４チャネルごとに作製したアレイ受光部品８０を各々光学接着剤によって貼り付け接続した。

図１９は、図１８に示した集積型受光回路におけるアレイ受光部品の拡大図で、図中符号８４はメタルキャン型ＰＤ、８５はホルダ部品、８６は光学ガラス板で、その他、図１８と同じ機能を有する構成要素には同一の符号が付してある。

アレイ受光部品８０は、上述した実施例２で用いた第１及び第２の遮光部材を設けた光学ガラス板８６に、上述した実施例１で用いたのと同様の、レンズ付きメタルキャン型ＰＤ８４を４つ挿入した黒色樹脂のホルダ部品８５を接着固定した。

平面光回路８１の端面に受光部を設ける場合、受光部からの反射光が平面光回路内で多重反射されて隣接受光部に戻ることによるクロストーク劣化は、平面光回路の大きさが上述したように小さい場合に顕著である。それでも多くの場合には、対向する端面までは１０〜５０ｍｍ程度の距離があるのであるが、クラッド層をあまり減衰せずに伝播するものが発生することに加え、回路が大きくなると反射光の角度が小さくてもわずかな反射回数で隣接ポートまで到達してしまうことになるため、注意が必要である。また、複数の面に受光部を設ける場合もあり、特に本形態のように対向する面に受光部を配置する際には、極力受光部からの反射光が平面光回路に入射しないよう入念に設計すべきである。

そのため、本実施例５では、以下のように設計した。まず、上述したように、出射光を８°と大きな角度に設定し、これに対してアレイ受光部品８０は、５００μｍ厚の光学ガラス板８６を用い、第１の遮光部材となる光学ガラス板８６の表面の黒色樹脂遮光膜に直径５０μｍの円形開口を設けた。第２の遮光部材は、上述した実施例２と同様に、光学ガラス板８６の表裏面からあらかじめ交互に形成した遮光溝を用いた。また、黒色樹脂板に約２ｍｍ径の貫通穴を２．５４ｍｍピッチで設けたホルダ部品８５を作製し、これにメタルキャン型ＰＤを挿入固定した後、光学ガラス板８６に接着した。この際、光学ガラス板８６の遮光膜側から平面光回路の出射光を模して８°に傾斜させるように試験光を入射してメタルキャン型ＰＤ８４の受光感度が最大になるよう位置合わせをしている。

本実施例５のアレイ受光部品では、反射光の最大角度を１．５°以下まで絞ることができる。また、出射光の最大強度成分は８°であるので、垂直反射と比べて平面光回路へ再入射する反射光を１０ｄＢ以上低減させることができる。さらに、平面光回路８１の両側面のアレイ受光部品８０を１．２７ｍｍだけずらすように、光出射部をレイアウトすることにより、片側のアレイ部品からの反射光が直接、対向する受光部に入射することを防止した。また、両側面の出射光角度は、平面光回路に対して逆方向に８°傾けてあることもクロストーク防止には効果が大きい。

本実施例５では、主要な受光側反射面は、光学ガラス板面、光回路側反射面は対向する平面光回路端面であり、反射率はともにおよそ−１４．５ｄＢである。作用の項で述べた概略設計によれば、クロストーク−５０ｄＢを目標とすると、多重反射によるクロストーク光としては、３回程度までの往復反射光を考慮すればよい。その場合、片側に配置したアレイ受光部品に許される最小間隔は２．３ｍｍ程度となり、最悪ケースであっても２．５４ｍｍピッチであれば問題はない。

以上のように、本発明は、平面光回路の表裏面、端面のいずれの場合にも適用でき、その効果を得ることが可能である。

なお、本実施例５で用いたような、複数の受光部と第１及び第２の遮光部材をあらかじめ一体化して形成したアレイ受光部品は、それ自体で実用上極めて有益である。なぜなら、上述したように、アレイ受光部品をあらかじめ検査、スクリーニングできるほか、現実の平面光回路は、材料や寸法などが概ね所定の範囲に収まっているので、本実施例５のように、それ自体で反射光が十分小さく設計したアレイ受光部品であれば、汎用的に多くの平面光回路に用いることができるからである。このような手法は、回路ごとに受光部の構造を設計、作製する必要もないし、平面光回路側に特段遮光部材を設けることも不要であるので、作製工程が極めて簡便になるという利点を有するのである。アレイ受光部品の形態としては、本発明の遮光構造と受光部とを一体化したものであれば良く、上述した実施例１〜５に記載したような構造であれば、いずれも好ましい。

なお、本実施例５では特に用いなかったが、実施例１のように、平面光回路中に迷光遮断溝を設けるなど、従来のクロストーク対策と併用すれば、より一層のクロストーク低減効果があることは言うまでもない。

従来の集積型受光回路を説明するための構成図である。従来の集積型受光回路の他の例を説明するための構成図である。図２に示した従来例におけるクロストーク光の経路を示した図である。図３に示した構造に加え、従来から提案されているクロストーク防止構造として、ＰＤ前面にピンホールを設けた遮光膜を設けた場合を示した図である。本発明の集積型受光回路の実施形態を説明するための構成図である。本発明の集積型受光回路の概略設計を説明するための模式図である。（ａ），（ｂ）は、本発明の概略設計の計算結果の一例を示す図である。本発明の集積型受光回路の実施例１を説明するための斜視図である。図８のＡ−Ａ’線断面図である。図８及び図９に示した本実施例１におけるミラーとその周辺の構造の拡大図である。図９に示した２つのＰＤについて拡大し、クロストーク光の経路を記載した図である。本発明の集積型受光回路の実施例２を説明するための斜視図である。図１２のＡ−Ａ’線断面図である。図１２のＢ−Ｂ’線断面図である。実施例２におけるミラー部の導波路入射角について説明するための図である。本発明の集積型受光回路の実施例３を説明するための断面図である。本発明の集積型受光回路の実施例４を説明するための断面図である。本発明の集積型受光回路の実施例５を説明するための上面図である。図１８に示した集積型受光回路におけるアレイ受光部品の拡大図である。

符号の説明

１１Ｓｉ基板
１２平面光回路
１３光導波路
１３ａコア
１３ｂクラッド
１４光路変換ミラー
１４ａ光路変換ミラー（多層膜フィルタ）
１５ＰＤ素子
１６溝
１７遮光膜
１８ピンホール
２１基板
２２平面光回路
２２ａ光回路側反射面
２３光導波路
２３ａコア
２３ｂクラッド
２４垂直光路変換ミラー
２５ＰＤ（受光部）
２５ａ受光部側反射面
２５ｂ受光部
２６第１の遮蔽部材
２７第２の遮光部材
３０アレイ受光部品
３１平面光回路
３１ａ基板
３１ｂ光導波路
３２スペーサ層（光学ガラス板）
３２ａマイクロレンズ
３３ホルダ部品
３４メタルキャン型ＰＤ（受光部）
３４ａメタルキャン型ＰＤ（レンズ無し）
３５遮光壁
３６空隙部
３７レンズ
３８垂直光路変換ミラー
３９遮光膜
４１光学接着剤
４２迷光遮断溝
５１光導波路コア
５２クロム遮光膜
５３ミラー樹脂供給溝兼遮光溝
５４ミラー面
５５開口部
６０アレイ受光部品
６１平面光回路
６２スペーサ層（光学ガラス板）
６３配線
６４ＰＤ素子（受光部）
６５遮光壁
６６迷光遮光壁
６７パッド
６８垂直光路変換ミラー
６９遮光膜
７０透明樹脂
７１遮光性樹脂
７２ワイヤ
７３ミラー溝
７４樹脂供給溝
７５ミラー面
７６光導波路
８０アレイ受光部品
８１平面光回路
８２光ファイバ
８３方向性結合器
８４メタルキャン型ＰＤ
８５ホルダ部品
８６光学ガラス板

Claims

伝播光の一部を外部に放射して出力する少なくとも２つ以上の光出射部を、表裏面又は端面のいずれかの一面である光出射面に有し、かつ基板上に設けられた光導波路を備えた平面光回路と、
前記光出射部から放射された出射光を各々受光するように設けた少なくとも２つ以上の受光部と、
前記光出射部から該光出射部に対応する前記受光部に到る光経路上に存在する第１の光反射面である受光部側反射面と、前記平面光回路の内部又は外部との界面に存在する第２の光反射面である光回路側反射面との間に、前記受光部側反射面で反射され、広がりながら出射光と逆方向に伝播する反射光のうち、前記光出射面の法線方向に対して所定の角度より大きい成分を遮るように、前記受光部側反射面と距離をおいて設けた第１の遮光手段と、
前記受光部側反射面と前記第１の遮光手段に挟まれた領域に、互いに異なる前記光出射部と前記受光部の組を光学的に遮断する第２の遮光手段と、
前記光出射面上に前記第１の遮光手段を設けるとともに、該第１の遮光手段から、該第１の遮光手段と最短距離に位置する前記受光部側反射面との間に、前記光導波路の実効屈折率と等しい屈折率を有するスペーサ層とを設け、
前記光出射部と該光出射部に対応する前記受光部の組の前記出射部の中心及び前記受光部の中心を結ぶ断面において、
前記第１の遮光手段と前記受光部側反射面との間の距離をＴ _ｓｐとし、前記第１の遮光手段と前記受光部側反射面との間の領域における屈折率と前記受光部側反射面による反射光が前記光出射面の法線方向となす角度をそれぞれｎ _ｓｐ、θ _ｓｐとし、前記第１の遮光手段と前記光回路側反射面までの距離をＴ _ｓｕｂとし、該領域における屈折率と前記受光部側反射面による反射光が前記光出射面の法線方向となす角度をそれぞれｎ _ｓｕｂ、θ _ｓｕｂとし、前記光出射面上における光出射部中心から前記開口の端までの距離をｄとし、互いに異なる前記光出射部と前記受光部の組との間の距離をＰとし、デジベルで表した所望のクロストーク量をＣＴｄとし、同様にデジベルで表した前記受光部側反射面の反射率及び前記光回路側反射面の反射率を、それぞれＲ _１、Ｒ _２とし、前記第１の遮光手段と前記光回路側反射面との間の往復反射回数をｍ _ｒｅｆ- としたとき、

となる関係を満たすように、受光部間のピッチＰ、開口の幅ｄ、前記第１の遮光手段と前記受光部側反射面との間の距離Ｔ _ｓｐを設定したことを特徴とする集積型受光回路。
前記光出射部からの出射光は、前記光出射面の法線方向と０°ではない角度θをもって出射し、かつ前記第１の遮光手段は、光出射面の法線方向に対して前記θ以上の角度を成して出射光と逆方向に伝播する反射光を遮るように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の集積型受光回路。
前記第１の遮光手段は、前記光出射面上の前記光出射部を含む領域に開口を設けた遮光材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載の集積型受光回路。
前記第２の遮光手段は、前記光出射部と前記受光部の周囲に設けた遮光壁であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の集積型受光回路。
前記第１及び第２の遮光手段の少なくともいずれか一方は、光吸収性材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の集積型受光回路。
前記光出射部から該光出射部に対応する前記受光部に至る前記出射光の経路中心線と、前記第２の遮光手段との距離は、前記光出射部から該光出射部に対応する前記受光部に至る前記出射光の経路中心線と、前記開口の端までの距離よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の集積型受光回路。
前記スペーサ層が、レンズ機能を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の集積型受光回路。
前記スペーサ層がガラス材料であり、前記第２の遮光手段が、前記スペーサ層を貫通し前記スペーサ層の厚さよりも深い溝に光吸収性樹脂を充填したものであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の集積型受光回路。
前記スペーサ層がガラス材料であり、前記スペーサ層に設けた前記第２の遮光手段が、光吸収性樹脂を充填した前記スペーサ層の厚さよりも浅く、前記スペーサ層の厚さの半分よりも深い溝を、前記スペーサ層の上下面から交互に設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の集積型受光回路。
前記スペーサ層の上面に無反射コートを施したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の集積型受光回路。
前記平面光回路の前記光出射面と対向する面に無反射コートを施したことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の集積型受光回路。
前記光出射部は前記平面光回路面の法線方向と角度をなして光を出射する光路変換ミラーで、該光路変換ミラーのミラー面は、１種類以上の金属膜を積層して構成され、かつ前記第１の遮光手段は、前記光出射面上に形成された、前記ミラー面を構成する金属膜の少なくともいずれか１種類と同種の金属膜であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の集積型受光回路。
請求項１乃至１１のいずれかに記載の前記第１の遮光手段と第２の遮光手段を具備し、少なくとも２つ以上の受光部を一体に形成したことを特徴とするアレイ受光部品。
基板上に光導波路を形成する工程と、
該光導波路面内において、光路変換ミラーからなる光出射部を少なくとも２つ以上設ける工程と、
前記光導波路の光出射面上に、前記光出射部を含む領域に開口を設けた第１の遮光手段を設ける工程と、
前記第１の遮光手段上に、前記光導波路の実効屈折率と等しい屈折率を有するスペーサ層を設ける工程と、
前記スペーサ層における前記複数の光出射部の各々の中間位置に、前記スペーサ層を貫通し前記スペーサ層の厚さよりも深い溝を形成する工程と、
該溝に光吸収性を有する樹脂材料を充填する工程と
を備えたことを特徴とする集積型受光回路の作製方法。