JP4467544B2

JP4467544B2 - 光ハイブリッド集積回路

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Publication number: JP4467544B2
Application number: JP2006182015A
Authority: JP
Inventors: 育生小川; 裕史山崎; 明正金子; 泰彰橋詰; 博照井; 保治大森; 和一滑川; 康二川島
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2026-06-30
Also published as: JP2008009302A

Description

本発明は、光ハイブリッド集積回路に関し、より詳細には、光機能素子が形成されたＰＬＣと光送受信器を構成する光モジュールとが実装された光ハイブリッド集積回路に関する。

近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光機能素子を高密度に集積する技術が求められており、その一つとして、平面光波回路（以下、ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuitという）が知られている。ＰＬＣは、シリコン基板または石英基板上に、光導波路からなる光素子を集積した光回路であり、生産性、信頼性が高く、集積化、高機能化の点で優れている。伝送端局における光送受信装置には、ＬＤなどの発光素子、ＰＤなどの受光素子からなる光モジュールと、合分波器、分岐・結合器、光変調器などの機能素子が形成されたＰＬＣとが実装されている。

光送受信装置において、受発光素子とＰＬＣとの接続は、発光素子モジュールおよび／または受光素子モジュール（以下、光モジュールという）とＰＬＣとを、光ディスクリート部品によって光学的に結合させたり、直接接合することが行われている。直接接合においては、ＰＬＣ内部に光路変換ミラーを形成して、光導波路から出射された光信号を、ＰＬＣ基板上方に光路変換して、ＰＬＣに接合された光モジュール内部の光素子と結合させる（例えば、特許文献１および２参照）。

図１に、従来の光モジュールとＰＬＣとを直接接合する方法を示す。光モジュール１１は、一例として、受光面１４を有する面型受光素子（以下、光素子という）１５を備えている。光素子１５は、箱型の筐体１２と、受光面１４への光信号の入出力を可能にするサファイアガラスからなる蓋１３とにより封止されている。筐体１２と蓋１３とは、金属半田により接合され、高い気密性を有していることから、外部環境から保護され、光素子１５の信頼性を確保している。光素子１５は、受光面１４を蓋１３に対向させ、筐体１２に金属半田等により固定されている。光素子１５は、筐体１２の金属パターン１７に接続され、外部の回路と電気的に接続される。

一方、ＰＬＣ２１は、シリコン基板２２上に形成された光導波路２４を有している。ＰＬＣ２１には、光導波路２４から出射された光信号の光路を変換し、光素子１５の受光面１４と光学的に結合するように、ミラー２３が配置されている。ＰＬＣ２１に形成されているミラー溝に設けられた斜面に、反射材を取り付けることにより、ミラー２３を形成する。ミラー溝は、光を透過する樹脂で充填され、光モジュール１１とＰＬＣ２１との接合には、ＵＶ硬化性接着剤等が用いられる。

特開平９−３１８８５０号公報特開平１１−８４１８３号公報

光モジュールは、気密封止構造となっていることから、光素子１５の受光面１４と、光導波路２４の端面との間は、ミラー２３を介して相当の距離が生じる。図２に、従来の複数の光素子を実装する光モジュールとＰＬＣとの接合を示す。光モジュール３１は、受光面３４ａ〜３４ｄを有する４つの光素子３５ａ〜３５ｄを備えている。光素子３５ａ〜３５ｄは、箱型の筐体３２と、受光面３４ａ〜３４ｄへの光信号の入出力を可能にする蓋３３とにより封止されている。ＰＬＣ４１は、シリコン基板４２上に形成された光導波路４４ａ〜４４ｄを有している。ＰＬＣ４１に形成されている光導波路４４ａ〜４４ｄの光路を変換し、光素子３５ａ〜３５ｄの受光面３４ａ〜３４ｄと光学的に結合するように、ミラー４３ａ〜４３ｄが配置されている。ここで、Ｙ軸方向を光素子３５ａ〜３５ｄのアレイ方向という。

光導波路４４から出射された光信号を、光素子３５で受光する場合、図２に示したように、光導波路４４ａの端面から出射された光信号は、ミラー４３ａで反射して受光面３４ａに達する。しかしながら、上述したように、受光面３４と、光導波路４４の端面との間に相当の距離が生じるために、光導波路４４から出射した光信号の回折広がりに起因して、受光感度の劣化、隣接する光素子の間でクロストークが劣化するという問題があった。この問題は、ＰＬＣの集積度を上げるために比屈折率差が高く、モードフィールド径の小さな光導波路を用いる場合に顕著である。

図２に示したような多チャネルの受光素子を集積化する場合に、受光感度の劣化と比較してクロストークの劣化の問題がより深刻である。ビームの広がりによって受光面に入射、吸収される光が減少すれば、受光感度が劣化するが、減少する光量は、ビームの全光量に比べると小さい。一方、所定の受光面に入射、吸収されなかった迷光が、様々な経路を介して他の受光素子に漏れ込むと、わずかな光量であっても大きなクロストークの劣化が生じる。

このようなクロストークを引き起こす迷光の経路を以下に示す。
（ａ）光導波路４４ｄの端面から出射された光信号は、直接、他の受光面３４ｃに達する。
（ｂ）光導波路４４ｂの端面から出射された光信号は、蓋３３の内部で多重反射して受光面３４ａに達する。
（ｃ）光導波路４４ｃの端面から出射された光信号は、光素子３５ｄと蓋３３との間の空隙で多重反射して受光面３４ｄに達する。
（ｄ）光導波路４４ｂの端面から出射された光信号は、光素子３５ｂ，３５ｃを透過し、光素子３５の裏面または筐体３２の底面で反射し、光素子の内部で多重反射して受光面３４ｃに達する。

さらに、他の光素子の受光面に直接光信号が入射する場合だけでなく、電気的な現象との複合によって引き起こされるクロストークもある。（ｅ）光導波路４４ｂの端面から出射された光信号が、光素子３５ｂ，３５ｃを透過し多重反射する過程において、光素子の光吸収層３６に吸収されて、電気キャリアが生じる。この電気キャリアの拡散、移動または電位のゆらぎによって、受光面３４にクロストーク電流が発生する。

一般的に、光素子の受光面におけるビームの広がりは、８０μｍ程度である。隣接する受光面との距離が２５０μｍであるので、上述したクロストークの要因のうち、（ａ）は問題とならない。従って、クロストークの要因は、（ｂ）〜（ｅ）であり、（ｄ）および（ｅ）が深刻な要因となる場合が多い。（ｂ）および（ｃ）に示した要因は、例えば、蓋に無反射コーティングを施すことによって抑制することができるのに対して、（ｄ）および（ｅ）に示した要因は、有効な対策が無い。光導波路４４の端面から出射された光信号のビームの広がり角が小さく、光素子３５の受光面３４以外の領域に入射しない場合であっても、受光面に入射して一度光吸収層を透過した光が、光素子３５の裏面または筐体３２の底面で反射し、受光面以外の領域に入射することにより、複合的なメカニズムでクロストークが生じるからである。

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、気密性を損なわない構造を有し、クロストークを向上させた光ハイブリッド集積回路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、請求項１に記載の発明は、コア、上部クラッドおよび下部クラッドから成る複数の光導波路が基板上に形成された平面光導波回路と、蓋と筐体とにより複数の光素子が封止され、前記複数の光素子の受光面の各々が前記複数の光導波路の各々と光学的に結合するように前記平面光導波回路に固定された光モジュールとを含む光ハイブリッド集積回路において、各々の光導波路の端面に、前記光導波路のコアよりも深く形成されたミラー溝と、該ミラー溝の内部に設けられ、前記各々の光導波路の端面から出射された光信号を、各々の光素子の受光面に結合する光路変換ミラーとを備え、前記各々の光導波路の端面におけるコアの幅が、前記平面光導波回路内の回路における各々のコアの幅と異なり、前記各々の光導波路の端面から出射された光信号の、前記複数の光素子の配列方向に関する光強度の半値全幅におけるビームの広がり角φが、

を満たすように、前記各々の光導波路が形成され、ここで、Ｄ _ｐｄは前記各々の光素子の受光面の直径、ｄ（ｍ）は前記各々の光導波路の端面から各々の光路変換ミラーを介し前記各々の光素子の受光面の中心までの光路を構成するｍ番目の媒質の長さ、ｎ（ｍ）は前記ｍ番目の媒質の屈折率、Ｔ _ｐｄは前記各々の光素子の厚さ、ｎ _ｐｄは前記各々の光素子の屈折率であることを特徴とする。

前記各々の光導波路の端面におけるコアの幅を、前記平面光導波回路内の回路における各々のコア幅よりも広くしたり、前記各々の光導波路の端面におけるコアの幅を、前記平面光導波回路内の回路における各々のコア幅よりも狭くすることができる。

前記光導波路の端面が凸レンズまたは凹レンズとなるように形成してもよい。また、前記光導波路がスラブ導波路を有し、該スラブ導波路の端面が前記光導波路の端面となるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、光導波路の端面におけるコアの幅が、平面光導波回路内の回路におけるコアの幅と異なり、光導波路の端面から出射された光信号の光強度の半値全幅におけるビームの広がり角φが狭くなるように、平面光導波回路の光導波路を形成したので、気密性を損なわない構造を有し、クロストークを向上させた光ハイブリッド集積回路ことが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図３に、光素子の受光面と光導波路の端面との距離に対するクロストークを示す。受光面３４ａ〜３４ｄと光導波路４４ａ〜４４ｄの端面との距離に対して、光導波路から出射された光信号のビーム半値全幅（ＦＷＨＭ）の広がり角を変えたときのクロストークを示す。図２に示した従来の光モジュール３１は、受光面３４から蓋３３までの距離２００μｍ、蓋３３の厚さ２００μｍ、蓋３３からミラーを介して光導波路４４の端面までの距離１００μｍである。屈折率を加味した実効的な回折距離は、４００μｍである。従って、半値全幅（ＦＷＨＭ）＝１２度のとき、クロストークはおよそ−２５ｄＢであり、ＦＷＨＭ）＝５度のときと比較すると、１０ｄＢ以上劣化していることがわかる。

本実施形態では、図２に示したクロストーク（ｂ）〜（ｅ）を抑制するために、少なくともアレイ方向のビームの広がり角を狭角化する。特に、狭角化した場合でも発現するクロストーク（ｄ）および（ｅ）をさらに抑制するためには、光導波路４４ｂの端面から出射された光信号が、光素子３５ｂを透過し、光素子３５の裏面または筐体３２の底面で反射して、再び受光面３４ｂに達するように、アレイ方向のビームの広がり角を狭角化する。このように、光信号が受光面３４ｂを２回通過するようにすれば、光信号は十分に吸収され、クロストークの要因となる迷光を効果的に減衰させることができる。

そこで、光強度の半値全幅におけるビームの広がり角φとすると、

を満たせばよい。ここで、Ｄ_ｐｄは光素子の受光面の直径、ｄ（ｍ）は光導波路から受光面までの光路を構成するｍ番目の媒質の厚さ、ｎ（ｍ）は光導波路から受光面までの光路を構成するｍ番目の媒質の屈折率、Ｔ_ｐｄは光素子の厚さ、ｎ_ｐｄは光素子の屈折率である。

例えば、ＰＬＣのミラー溝には樹脂を充填し、光モジュールの蓋としてサファイアガラスを使用したとき、光導波路から受光面までｍ＝３であって、
樹脂ｄ（１）＝１００μｍ、ｎ（１）＝１．５
蓋ｄ（２）＝２００μｍ、ｎ（２）＝１．７５
空隙ｄ（３）＝１５０μｍ、ｎ（３）＝１．０
光素子Ｄ_ｐｄ＝８０μｍ、Ｔ_ｐｄ＝３５０μｍ、ｎ_ｐｄ＝３．２
とする。これを（１）式に代入すると、ビームの広がり角φ＝７．６度となり、図３に示したように、クロストークは−３０〜−３５ｄＢ程度に改善される。従って、光導波路の端面から出射された光信号が、アレイ方向のビームの広がり角φ＜７．６度となるように狭角化する。

（第１の実施形態）
図４に、本発明の第１の実施形態にかかる光ハイブリッド集積回路の光路変換部を示す。また、図５（ａ）に光ハイブリッド集積回路の断面図を示し、図５（ｂ）に光導波路の詳細を示す。光路変換部１０１に形成されるミラー溝１０２は、幅Ｗ＝１６０μｍ、光軸方向の奥行きｄ＝８０μｍである。光導波路１２１の導波路端面１０４と対向する壁面に沿って、ミラーを形成するための斜面１０３が形成されている。光導波路１２１からの出射光があたる斜面１０３には、ミラー１１１が形成されている。また、斜面１０３の一端には、液状樹脂を供給する樹脂供給溝１０５が設けられている。

次に、光路変換部１０１の作製方法について説明する。最初に、Ｓｉ基板上に３０μｍの下部クラッド層、４．５μｍのコア層を火炎堆積法によって形成する。フォトリソグラフィとドライエッチングにより、光導波路の形状にコアを加工した後、２０μｍの上部クラッド層を堆積する。次に、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、幅Ｗ＝１６０μｍ、奥行きｄ＝８０μｍ、深さ＝５０μｍのミラー溝１０２と、これに連接した樹脂供給溝１０５とを形成する。このような作製工程は、従来の石英系光導波路の作製方法を適用できる。

この後、ミラー溝１０２の底面に表面処理を施し、液状樹脂に対して低接触角を有する領域と、高接触角を有する領域とを設ける。樹脂流路溝１０５から液状樹脂をミラー溝１０２に流し込む。液状樹脂は、流路を伝ってミラー溝１０２の所望の領域に達し、ミラー溝１０２の底面の低接触角を呈する領域と、これに接する壁面との間にミラー支持体となる斜面１０３を形成する。最後に、斜面の上に、反射材１１１を形成して、光路変換ミラーが完成する。反射材１１１は、Ｃｒを下層としてＡｕを蒸着する。

図５（ａ）に示したように、光素子１３５の受光面１３４が、光導波路１２１から出射された光信号と結合するように、光モジュール１３１を接合する。光モジュール１３１は、上述の計算に用いたものと同一である。

図５（ｂ）に光導波路の詳細を示す。光導波路１２１のコアは、幅４．５μｍ×高さ４．５μｍ、非屈折率差Δ＝１．５％である。光導波路１２１の導波路端面１０４に接続される部分（長さ５００μｍ）は、幅１２．０μｍ×高さ４．５μｍであり、テーパ部の長さは５００μｍである。この構成によれば、光導波路１２１の導波路端面１０４から出射された光信号は、Ｙ軸方向、すなわちアレイ方向のビームの広がり角が狭角化されφ＝５度程度となる。

（第２の実施形態）
図６に、本発明の第２の実施形態にかかる光ハイブリッド集積回路の光路変換部を示す。光モジュール１３１と光路変換部１０１の構造は、第１の実施形態と同じであり、ＰＬＣの光導波路の形状のみが異なる。光導波路１２２のコアは、幅４．５μｍ×高さ４．５μｍ、非屈折率差Δ＝１．５％である。光導波路１２２の導波路端面１０４に接続される部分は、幅２．０μｍ×高さ４．５μｍであり、テーパ導波路となっている。テーパ部の長さは２ｍｍである。この構成によれば、光導波路１２２の導波路端面１０４から出射された光信号は、Ｚ軸方向およびＹ軸方向のビームの広がり角が狭角化される。ビームの広がり角は、Ｙ軸方向（アレイ方向）、Ｚ軸方向ともにφ＝５度程度となり、クロストークは−３５ｄＢ以下に改善され、光素子１３５の受光特性は、１．５ｄＢ改善される。

（第３の実施形態）
図７に、本発明の第３の実施形態にかかる光ハイブリッド集積回路の光路変換部を示す。光モジュール１３１と光路変換部１０１の構造は、第１の実施形態と同じであり、ＰＬＣの光導波路の形状のみが異なる。光導波路１２３のコアは、幅４．５μｍ×高さ４．５μｍ、非屈折率差Δ＝１．５％である。光導波路１２３の導波路端面１０４に接続される部分は、幅４０μｍ×高さ４．５μｍ×長さ４０μｍのスラブ導波路１２４となっている。さらに、導波路端面１０４には、凸レンズ１２５が形成されている。この構成によれば、光導波路１２３の導波路端面１０４から出射された光信号は、Ｙ軸方向、すなわちアレイ方向のビームの広がり角が狭角化されφ＝５度程度となる。第１および第２の実施形態のように、テーパ部の余長を確保する必要がないので、ＰＬＣの小型化を図ることができる。なお、本実施形態では、凸レンズの効果を引き出すために、ミラー溝１０２内部に樹脂は充填しない。

（第４の実施形態）
図８に、本発明の第４の実施形態にかかる光ハイブリッド集積回路の光路変換部を示す。光モジュール１３１と光路変換部１０１の構造は、第１の実施形態と同じであり、ＰＬＣの光導波路の形状のみが異なる。光導波路１２６のコアは、幅４．５μｍ×高さ４．５μｍ、非屈折率差Δ＝１．５％である。光導波路１２６の導波路端面１０４に接続される部分（長さ３００μｍ）は、幅１０μｍ×高さ４．５μｍであり、テーパ部の長さは５００μｍである。さらに、導波路端面１０４には、曲率半径１０μｍの凹レンズ１２８が形成されている。この構成によれば、光導波路１２６の導波路端面１０４から出射された光信号は、Ｙ軸方向、すなわちアレイ方向のビームの広がり角が狭角化されφ＝５度程度となる。

第１および第２の実施形態では、十分にモードフィールドを広げるために、テーパ部の余長を確保する必要がある。また、モードフィールドを広げることは、第１の実施形態ではマルチモードが励起され、第２の実施形態では閉じ込め限界を超えてしまうという現象が生ずるので容易ではない。第４の実施形態では、導波路端面に形成したレンズを併用することにより、ビームの広がり角を抑制することができる。レンズは、第３の実施形態と同様に、凸レンズとすることもできる。また、ミラー溝１０２に充填する樹脂は、屈折率が１．５５程度と、光導波路１２６のコアの屈折率１．４６よりも高い場合が多く、ビームの広がり角を狭角化するためには、凹レンズが適している。

従来の光モジュールとＰＬＣとを直接接合する方法を示す図である。従来の複数の光素子を実装する光モジュールとＰＬＣとの接合を示す図である。光素子の受光面と光導波路の端面との距離に対するクロストークを示す図である。本発明の第１の実施形態にかかる光ハイブリッド集積回路の光路変換部を示す斜視図である。（ａ）は光ハイブリッド集積回路の断面図であり、（ｂ）は光路変換部の上面図である。本発明の第２の実施形態にかかる光ハイブリッド集積回路の光路変換部を示す上面図である。本発明の第３の実施形態にかかる光ハイブリッド集積回路の光路変換部を示す上面図である。本発明の第４の実施形態にかかる光ハイブリッド集積回路の光路変換部を示す上面図である。

符号の説明

１１，３１，１３１光モジュール
１２，３２，１３２筐体
１３，３３，１３３蓋
１４，３４，１３４受光面
１５，３５，１３５光素子
２１，４１ＰＬＣ
２２，４２シリコン基板
２３，４３，１１１ミラー
２４，４４，１２１〜１２３，１２６光導波路
１０１光路変換部
１０２ミラー溝
１０３斜面
１０４導波路端面
１０５樹脂供給溝
１２４，１２７スラブ導波路
１２５凸レンズ
１２８凹レンズ

Claims

コア、上部クラッドおよび下部クラッドから成る複数の光導波路が基板上に形成された平面光導波回路と、蓋と筐体とにより複数の光素子が封止され、前記複数の光素子の受光面の各々が前記複数の光導波路の各々と光学的に結合するように前記平面光導波回路に固定された光モジュールとを含む光ハイブリッド集積回路において、
各々の光導波路の端面に、前記光導波路のコアよりも深く形成されたミラー溝と、
該ミラー溝の内部に設けられ、前記各々の光導波路の端面から出射された光信号を、各々の光素子の受光面に結合する光路変換ミラーとを備え、
前記各々の光導波路の端面におけるコアの幅が、前記平面光導波回路内の回路における各々のコアの幅と異なり、前記各々の光導波路の端面から出射された光信号の、前記複数の光素子の配列方向に関する光強度の半値全幅におけるビームの広がり角φが、

を満たすように、前記各々の光導波路が形成され、ここで、Ｄ _ｐｄは前記各々の光素子の受光面の直径、ｄ（ｍ）は前記各々の光導波路の端面から各々の光路変換ミラーを介し前記各々の光素子の受光面の中心までの光路を構成するｍ番目の媒質の長さ、ｎ（ｍ）は前記ｍ番目の媒質の屈折率、Ｔ _ｐｄは前記各々の光素子の厚さ、ｎ _ｐｄは前記各々の光素子の屈折率であることを特徴とする光ハイブリッド集積回路。
前記各々の光導波路の端面におけるコアの幅は、前記平面光導波回路内の回路における各々のコア幅よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の光ハイブリッド集積回路。
前記各々の光導波路の端面におけるコアの幅は、前記平面光導波回路内の回路における各々のコア幅よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載の光ハイブリッド集積回路。
前記各々の光導波路は、スラブ導波路を有し、該スラブ導波路の端面が前記各々の光導波路の端面であることを特徴とする請求項２に記載の光ハイブリッド集積回路。
前記各々の光導波路の端面が凸レンズとなるように形成されており、前記光導波路のコアの屈折率が、前記凸レンズと前記光路変換ミラーとの間に存在する媒質の屈折率より大きいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光ハイブリッド集積回路。
前記各々の光導波路の端面が凹レンズとなるように形成されており、前記光導波路のコアの屈折率が、前記凹レンズと前記光路変換ミラーとの間に存在する媒質の屈折率より小さいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光ハイブリッド集積回路。