JP5727538B2 - 光導波路素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路素子およびその製造方法に関する。詳細には、本発明は、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（本明細書では、「ＰＤ」ともいう）などの受光素子とから構成される光導波路素子およびその製造方法に関する。

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いる。その技術の一つとして、石英系平面光波路回路（Planar Lightwave Circuit：本明細書では「ＰＬＣ」ともいう）が知られている。ＰＬＣは低損失、高信頼性、および高い設計自由度といった優れた特徴を有し、複合機能一体集積のプラットフォームとして有望である。

実際に伝送端局における光受信装置にはＰＤなどの受光素子からなる光モジュールや、レーザーダイオード（本明細書では、「ＬＤ」ともいう）などの発光素子と、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とが光結合により実装されている。

また、例えば、波長多重分割伝送方式におけるノード装置においては、ＰＬＣ中の複数の光導波路についての光強度を監視するために、多数のＰＤが集積化されて実装されている。

光導波路と受（発）光素子との光結合を可能とする構造として、図１および図２に示すようなヘテロジニアス集積技術を用いた素子が提案されている（非特許文献１および非特許文献２を参照）。この素子は、異方性エッチングにより光導波路に斜めの端面を形成すること、および、形成した斜めの端面に金属または多層膜を堆積することで作製する。光導波路の斜めの端面に堆積した金属または多層膜は、コアを伝搬する信号光を反射するミラーとして機能する。

図１は、従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造の斜視図である。図２は、図１と同じ構造を説明する図であり、図２（ａ）は上面図であり、図２（ｂ）は正面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）の断面線Ａ−Ａ’における断面図である。

図１および図２に示す構造は、基板１２と、基板１２上の光導波路１７と、光導波路１７端に設けられたミラー１８と、光導波路１７上に設置されたＰＤ２２とから構成される。光導波路１７は、コア１６およびクラッド１４から構成される。図２（ｃ）に示すように、コア１６の下にあるクラッドを下部クラッド１４−１とし、コア１６の上にあるクラッドを上部クラッド１４−２とする。

なお、図１および図２では、コア１６が伸長する方向がｘ軸方向、光導波路１７が積層される基板１２の主面の法線方向がｚ軸方向、ｘ軸およびｚ軸に垂直な方向がｙ軸方向となるように座標軸を設定した。この座標軸は、本明細書の以後の図面・説明においても同様に設定されるものとする。

基板１２として、Ｓｉ基板等を使用することができる。コア１６を伝搬する光は、ミラー１８で反射されて光路を変換され、対応するＰＤ２２によって受光される。

図３に、従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造（すなわち、図１および図２に示す構造）を作製する方法を示す。

最初に、Ｓｉ基板等の基板１２上に、下部クラッド１４−１と、コア１６と、上部クラッド１４−２とを順に成膜して、光導波路１７を作製し、作製した光導波路１７上にＰＤ２２を作製する（図３（ａ）を参照）。

次に、光導波路１７全体（ＰＤ２２を含む）に対してフォトレジスト２４を塗布する。そして、ＵＶ光を露光後、現像液で露光部分のフォトレジストを溶解する。これにより、光導波路１７上のフォトレジスト２４は一部除去される（図３（ｂ）を参照）。

次に、異方性エッチングにより光導波路１７を掘削し、斜めのミラー面２９を形成する（図３（ｃ）を参照）。

次に、ミラー面２９に金属を蒸着し、高反射率のミラー１８を形成する。蒸着する金属として、ＡｌやＡｕ等を使用することができる（図３（ｄ）を参照）。

最後に、レジスト除去液によりフォトレジストを洗浄し、全てのレジストを除去する（図３（ｅ）を参照）。

なお、図３に示す例では、１本のコア上に１個のＰＤを作製したが、図３に示した光導波路および受光素子（ＰＤ）を一連のプロセスで作製する方法は、ウェハプロセスにも適用可能である。従って、複数のコアに対する複数のＰＤを同時に精度良く作製することができる。しかし、上記の光導波路素子の構造では、光はミラーを介してＰＤに結合するため、ミラーの反射損失や伝搬光の散乱により、結合損失およびクロストークが大きくなるという問題があった。

また、斜め露光の技術は提案されているものの（非特許文献３、特許文献１、特許文献２を参照）、基板に対して斜めの面に設置されたエピタキシャル基板、または、基板に対して垂直な面に設置されたエピタキシャル基板を加工してフォトダイオードを作製するような斜めフォトプロセス技術は未だ提案されていない。

特開２００８−２５００９９号公報 特開２００９−１８２３４０号公報

Kurata, Yu; Nasu, Yusuke; Tamura, Munehisa; Yokoyama, Haruki; Muramoto, Yoshifumi, "Heterogeneous Integration of High-Speed InP PDs on Silica-Based Planar Lightwave Circuit Platform", Proc. ECOC2011, Th.12, LeSaleve.5, (2011) 倉田優生、那須悠介、田村宗久、村本好史、横山春喜,"ヘテロジニアス技術による高速InP-PD集積型石英系PLCデバイス", 信ソ会,2011, C-3-33 (2011) 花井 計,"高アスペクト比立体形状への配線パターン露光法の開発",電気学会論文誌Ｅ（センサ・マイクロマシン部門誌） Vol. 125 (2005) , No. 6 pp.280-281

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、光導波路を伝搬する光が、ミラーを介することなくＰＤで受光可能な光導波路素子およびその製造方法を提供することである。かかる製造方法において、ヘテロジニアス集積の優れたプロセス技術を適用することができる。

本発明は、基板と、基板上の、クラッドおよびコアから構成された光導波路と、フォトダイオードとを備えた光導波路素子であって、フォトダイオードは、光導波路に形成された溝の一方の側面に直接形成され、溝の他方の側面に露出したコアからの出射光を受光できる位置に設置されたことを特徴とする。

本発明の一実施形態において、溝は、ｙ軸方向に平行に伸長することを特徴とする。

本発明の一実施形態は、コアからの出射光の出射方向に関してフォトダイオードの後段で、光導波路表面に設置された電気増幅器をさらに備え、フォトダイオードと電気増幅器とは、ワイヤボンディング接続されたことを特徴とする。

本発明の一実施形態において、溝の底面に設置された電気増幅器をさらに備え、フォトダイオードと電気増幅器とは、ワイヤボンディング接続されたことを特徴とする。

本発明の一実施形態は、コアの出射端面にレンズを設置したことを特徴とする。

本発明は、光導波路素子の作製方法であって、基板上に、下部クラッドと、コアと、上部クラッドとを順次成膜して、光導波路を作製するステップと、光導波路に溝を形成するステップと、溝の側面に接着層を介してエピタキシャル層を形成するステップと、光導波路の表面全体に亘って、スプレーコートによりフォトレジストを塗布するステップと、ＵＶ光露光による斜めフォトリソグラフィーおよび斜めドライエッチングにより、エピタキシャル層を加工してフォトダイオードを作製するステップであって、フォトダイオードは、溝の一方の側面に直接形成され、溝の他方の側面に露出したコアからの出射光を受光できる位置に配置される、ステップと、レジスト除去液により残存フォトレジストを除去するステップとを備えたことを特徴とする。

本発明に係る光導波路素子では、ＰＤがミラーを介することなく伝搬光を受光する。従って、従来のミラーを利用する光導波路素子よりも結合損失を抑えることが可能である。

また、本発明に係る光導波路素子では、従来のミラーを利用する光導波路素子よりも、光導波路端からＰＤまでの光路距離が短くなる。従って、伝搬光のフィールドの拡大を抑えることが可能であるから、ＰＤの受光径の増加を防止することができる。このことから、本発明に係る光導波路素子では、クロストークの低減やＰＤの高速化が期待できる。

従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造を説明する斜視図である。 従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造を説明する図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は（ａ）の断面線Ａ−Ａ’における断面図である。 従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造（図１および図２に示す構造）の作製方法を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る、光導波路素子の構造を説明するための図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る、光導波路素子を構成する光導波路に設けられた溝の形状を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る、光導波路素子の構造を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る、光導波路素子を作製する方法を説明する図である。 本発明の第３の実施形態に係る、光導波路素子の構造を説明するための図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）の断面線Ａ−Ａ’における断面図である。 本発明に係る、光導波路素子の構造を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図４に、本実施形態に係る光導波路素子の構造を示す。図４（ａ）は斜視図であり、図４（ｂ）は断面図である。断面を得るにあたっては、図４（ａ）で示すところの面３０を用いている。

図４に示すように、本実施形態に係る光導波路素子は、基板１２と、基板１２上の光導波路１７（光導波路１７は、コア１６およびクラッド１４から構成される）と、ＰＤ２２とから構成される。

導波路１７には、ｙ方向に伸長する溝３２が設けられている。溝３２の一方の側面において、コア１６が剥き出しになっており、溝３２の他方の側面にＰＤ２２が設置される。図４（ｂ）に示すように、溝３２のｚｘ平面における断面形状は台形であるが、本発明はかかる形態に限定されない。溝３２のｚｘ平面における断面形状は長方形でもよく、矩形であれば良い。

図５に示すように、溝３２の側面のうち、コア１６が剥き出しになる方の側面の傾斜角をγとすると、γは次の（式１）

を満たす必要がある。パラメータβ、ｈ、Ｌは、図５に示すように設定した。ｈは、溝３２の深さであり。Ｌは、溝３２の側面のうちコア１６が剥き出しになる方の側面の導波路表面の点と、溝３２の側面のうちＰＤ２２が設置される側面の下点との間のｘ軸方向に沿った長さである。

本実施形態に係る光導波路素子では、ＰＤがミラーを介することなく伝搬光を受光する。従って、従来のミラーを利用する光導波路素子よりも結合損失を抑えることができる。

また、本実施形態に係る光導波路素子では、従来のミラーを利用する光導波路素子よりも、光導波路端からＰＤまでの光路距離が短くなる。従って、伝搬光のフィールドの拡大を抑えることが可能であるから、ＰＤの受光径の増加を防止することができる。このことから、本実施形態に係る光導波路素子では、クロストークの低減やＰＤの高速化が期待できる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態に係る光導波路素子では、ＰＤは受光した光を電気信号に変換する。ＰＤにおいて光から変換された電気信号は微小であるため、一般的には、ＰＤの後段に電気増幅器（Trans Impedance Amplifier：本明細書では「ＴＩＡ」ともいう）を設置して、信号を増幅する。

図６に、本実施形態に係る光導波路素子の構造を示す。

図６に示すように、本実施形態に係る光導波路素子は、（１）基板１２と、基板１２上の光導波路１７と、ＰＤ２２とから構成されること、ならびに、（２）溝３２の側面にＰＤ２２が設置されること、は第１の実施形態と同様である。

しかし、本実施形態に係る光導波路素子では、ＰＤ２２の後段かつ光導波路１７表面上にＴＩＡ３４が設置されており、この点で第１の実施形態と相違する。ＰＤ２２およびＴＩＡ３４は、ワイヤ３６を用いたワイヤボンディングによって電気的に接続される。ＴＩＡ３４の後段には電気信号を伝搬するための電気配線が形成される（図示せず）。

図７に、本実施形態に係る光導波路素子を作製する方法を示す。

最初に、基板１２上に、下部クラッド１４−１と、コア１６と、上部クラッド１４−２とを順次成膜して、光導波路１７を作製する（図７（ａ）を参照）。

次に、光導波路１７に溝３２を形成する（図７（ｂ）を参照）。

次に、溝３２の側面に、接着層を介してエピタキシャル層３８を形成する（図７（ｃ）を参照。ただし、接着層は図示せず。）。

次に、光導波路１７の表面全体（溝３２およびエピタキシャル層３８を含む）にわたって、スプレーコートによりフォトレジスト２４を塗布する（図７（ｄ）を参照）。

次に、ＵＶ光露光による斜めフォトリソグラフィーおよび斜めドライエッチングにより、エピタキシャル層３８を加工してＰＤ２２を作製する（図７（ｅ）を参照）。

最後に、レジスト除去液による残存フォトレジスト２４の除去、光導波路１７上へのＴＩＡ３４の設置、ＰＤ２２−ＴＩＡ３４間のワイヤボンディングを行って、図６に示す構造の光導波路素子を得る（図７（ｆ）を参照）。なお、ワイヤボンディングの代わりに光導波路上に電気配線を蒸着し、ＴＩＡをフリップチップ実装することも可能である。また斜めドライエッチングの代わりにウェットエッチングも使用可能であるが、斜めドライエッチングの方が高精度のエッチング加工が可能である。

本実施形態に係る光導波路素子の大きさに関し、本願発明の発明者は、次の表１に示す範囲の光導波路素子を作製した。

ここで、パラメータａおよびｂは、図７（ｆ）に示すように、ａが溝３２の底面の幅を表し、ｂが溝３２の深さを表している。

（第３の実施形態）
図８に、本実施形態に係る光導波路素子の構造を示す。図８（ａ）は上面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の断面線Ａ−Ａ’における断面図である。

図８に示すように、本実施形態に係る光導波路素子は、（１）基板１２と、基板１２上の光導波路１７と、ＰＤ２２と、ＴＩＡ３４とから構成されること、ならびに、（２）溝３２の側面にＰＤ２２が設置されること、は第２の実施形態と同様である。

しかし、本実施形態に係る光導波路素子では、第２の実施形態のようにＴＩＡ３４が光導波路１７表面上に設置されるのではなく、ＴＩＡ３４が溝３２の底面に設置されており、この点で第２の実施形態と相違する。ＰＤ２２およびＴＩＡ３４は、ワイヤ３６を用いたワイヤボンディングによって電気的に接続される。ＴＩＡ３４の後段には電気信号を伝搬するための高速配線４８がセラミック基板４６上に形成される。

ＴＩＡ３４を溝３２の底面に設置することにより、第２の実施形態と比較すると、より高密度に素子を実装することができる。

また、ＰＤ２２が設置される面とＴＩＡ３４が設置される面との成す角は、本実施形態に係る光導波路素子の方が、第２の実施形態に係る光導波路素子に比べて小さい。従って、本実施形態に係る光導波路素子では、ＰＤ２２−ＴＩＡ３４間を接続するワイヤの長さを、第２の実施形態に係る光導波路素子より短くすることができる。

ＴＩＡ３４は発熱量が非常に大きいので、光導波路素子における放熱性は非常に重要である。本実施形態では、溝３２の底面にＴＩＡ３４を設置することは上述のとおりだが、これは、Ｓｉ等の基板１２とＴＩＡ３４との間の長さが、第２の実施形態と比較すると短いことを表す。

高い熱伝導性を持つＳｉ等の基板１２の近くに、ＴＩＡ３４を設置することで、ＴＩＡ３４で生じる熱は基板１２を通じて放熱されやすくなる。従って、本実施形態に係る光導波路素子では、第２の実施形態に係る光導波路素子と比較して放熱性が改善される。また、図８ではＳｉＯ_２部分のみしか溝が形成されていないが、Ｓｉ部分までさらに深い溝を形成することも可能である。ＳｉはＳｉＯ_２の２桁高い熱電率を有することから、格段に高い放熱性を得ることが可能である。

本実施形態に係る光導波路素子の大きさに関し、本願発明の発明者は、次の表２に示す範囲の光導波路素子を作製した。

ここで、ａは溝３２の底面の幅を表し、ｂは溝３２の深さを表す。

上述の第１〜第３の実施形態に係る光導波路素子では、コア１６とＰＤ２２との間の溝３２において導波路構造が存在しない。このため、コア１６から出射された光は、ＰＤ２２に到達するまで拡散しながら伝搬することとなる。従って、図９に示すように、コア１６の出射端面に集光のためにレンズ５０を設置しても良い。これにより、光の拡散を防止し、ＰＤ２２の受光特性を向上させることができる。

１２ 基板
１４ クラッド
１４−１ 下部クラッド
１４−２ 上部クラッド
１６ コア
１７ 光導波路
１８ ミラー
２２ ＰＤ
２４ フォトレジスト
２９ ミラー面
３０ 面
３２ 溝
３４ ＴＩＡ
３６ ワイヤ
３８ エピタキシャル層
４０ レチクル
４２ ＵＶ光
４４ チップコンデンサ
４６ セラミック基板
４８ 高速配線
５０ レンズ

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板上の、クラッドおよびコアから構成された光導波路と、
   フォトダイオードと
   を備えた光導波路素子であって、
   前記フォトダイオードは、前記光導波路に形成された溝の一方の側面に直接形成され、前記溝の他方の側面に露出した前記コアからの出射光を受光できる位置に設置されたことを特徴とする光導波路素子。
2. 前記基板の前記光導波路が形成された面の法線方向をｚ軸方向とし、前記コアの伸長方向をｘ軸方向とし、前記ｘ軸および前記ｚ軸に対して垂直な方向をｙ軸方向としたとき、前記溝は、ｙ軸方向に平行に伸長することを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記コアからの出射光の出射方向に関して前記フォトダイオードの後段で、前記光導波路表面に設置された電気増幅器をさらに備え、前記フォトダイオードと前記電気増幅器とは、ワイヤボンディング接続されたことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
4. 前記溝の底面に設置された電気増幅器をさらに備え、前記フォトダイオードと前記電気増幅器とは、ワイヤボンディング接続されたことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
5. 前記コアの出射端面にレンズを設置したことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか１項に記載の光導波路素子。
6. 基板上に、下部クラッドと、コアと、上部クラッドとを順次成膜して、光導波路を作製するステップと、
   前記光導波路に溝を形成するステップと、
   前記溝の側面に接着層を介してエピタキシャル層を形成するステップと、
   前記光導波路の表面全体にわたって、フォトレジストを塗布するステップと、
   斜めフォトリソグラフィーおよび斜めドライエッチングにより、前記エピタキシャル層を加工してフォトダイオードを作製するステップであって、前記フォトダイオードは、前記溝の一方の側面に直接形成され、前記溝の他方の側面に露出した前記コアからの出射光を受光できる位置に配置される、ステップと、
   レジスト除去液により残存フォトレジストを除去するステップと
   を備えたことを特徴とする光導波路素子の作製方法。

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