JP5925062B2 - 光モジュール及び光モジュールの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光モジュール及び光モジュールの製造方法に関し、特に光ファイバを固定したサブ基板を用いた光モジュール及び光モジュールの製造方法に関する。
基板への光ファイバの組み付けを行う場合に、ＳＯＩ基板にフォトリソエッチング技術によって形成されたＶ溝に光ファイバを配置することによって、ＳＯＩ基板と光ファイバを精度よく位置決めすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１０７５８０号公報（図１、図３）
しかしながら、Ｖ溝では、Ｖ溝形成時のレジストの開口精度が悪い場合には、Ｖ溝の深さが変化してしまい、光ファイバと基板との位置関係がずれることから、光ファイバと基板との位置関係を高精度に位置決めすることが困難であった。
また、基板に形成されたＶ溝に光ファイバを一旦配置してしまうと、その後、調芯のために光ファイバの配置位置を移動することができないといった不具合もあった。
そこで、本発明は、上記の課題を解決するための光モジュール及び光モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、光ファイバを固定したサブ基板を用いて、光ファイバと光学素子とを高精度に位置決めすることを可能とする光モジュール及び光モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る光モジュールは、シリコン基板と、支持層、活性層、支持層と活性層の間に配置されたＢＯＸ層及び高さ調整層を含むサブ基板と、光ファイバと、シリコン基板に固定された光学素子を有し、サブ基板は活性層とＢＯＸ層によって形成される固定用溝を有し、光ファイバは固定用溝に固定されており、サブ基板が高さ調整層を介してシリコン基板に対して位置決めされることによって光ファイバと前記光学素子とが光結合されることを特徴とする。
さらに、本発明に係る光モジュールでは、サブ基板は高さ調整層の上に形成された接合用Ａｕ層を有し、シリコン基板は接合用Ａｕ層と接合するためのＡｕマイクロバンプを有することが好ましい。
本発明に係る光モジュールの製造方法は、支持層、活性層及び支持層と活性層の間に配置されたＢＯＸ層を有する基材を用い、エッチングによって活性層の一部を除去することによって、活性層とＢＯＸ層によって形成される固定用溝を有するサブ基板を形成し、活性層の上部に活性層の高さを調整するための高さ調整層を成膜し、固定用溝に光ファイバを固定し、サブ基板が高さ調整層を介してシリコン基板に対して位置決めされることによって光ファイバと光学素子とを光結合させる工程を有することを特徴とする。
さらに、本発明に係る光モジュールの製造方法では、高さ調整層の上に接合用Ａｕ層を成膜し、及び、シリコン基板の上に接合用Ａｕ層と接合するためのＡｕマイクロバンプを形成する工程を更に有することが好ましい。
本発明によれば、サブ基板の活性層とＢＯＸ層によって形成される固定用溝に光ファイバを固定するので、サブ基板をシリコン基板に接合した際に、光ファイバの高さ方向の位置合わせを非常に精度良く行うことが可能となった。
本発明によれば、サブ基板の活性層の厚さが均一でなかった場合でも、高さ調整層によって活性層の厚さの不均一性を補償することができるので、サブ基板をシリコン基板に接合した際に、光ファイバの高さ方向の位置合わせを非常に精度良く行うことが可能となった。
光モジュール１の外観を示す斜視図である。 図１のＡＡ´断面の模式図である。 図１のＢＢ´断面の模式図である。 サブ基板の製造精度を説明するための図である。 サブ基板の製造例を示す図である。 光モジュール１の製造過程示す図（１）である。 光モジュール１の製造過程示す図（２）である。 光モジュール１の製造過程示す図（３）である。
以下図面を参照して、本発明に係る光モジュール及び光モジュールの製造方法について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
図１は光モジュール１の外観を示す斜視図であり、図２は図１のＡＡ´断面の模式図である。
光モジュール１は、シリコン基板１０、光ファイバ２０、光ファイバ２０を取り付けるためのサブ基板３０、光の波長変換を行うためのＰＰＬＮ（Periodicaly Poled Lithium Niobate）素子４０、ＬＤ（レーザ・ダイオード）素子５０、ＬＤ素子５０へ駆動電圧及び／又は制御電圧を供給するためのフレキシブル基板６０等から構成される。
図１において、シリコン基板１０には、ＰＰＬＮ素子４０の温度制御を行うヒータ（不図示）への駆動電圧及び／又は制御電圧を供給するための第１の電極１１と、ＬＤ素子５０とフレキシブル基板６０とを接続するための第２の電極１２が配置されている。また、シリコン基板１０には、にげ溝１３が形成されており、サブ基板３０に固定された光ファイバ２０が、シリコン基板１０に接触しないように構成されている。
例えば、光モジュール１は、ＬＤ素子５０から出射される波長１０６４ｎｍのシングルモードレーザ近赤外光を、ＰＰＬＮ素子４０において５３２ｎｍの緑色レーザに波長変換し、出射するように機能するレーザ光源とすることが可能である。更に、光モジュール１がレーザ光源として機能する場合、ＰＰＬＮ素子４０から出射された緑色レーザは、サブ基板３０に固定された光ファイバ２０で伝播されるように構成される。
光モジュール１では、ＬＤ素子５０から出射され且つＰＰＬＮ素子４０において波長変換された光を効率良く光ファイバ２０に入射できるように、ＰＰＬＮ素子４０と光ファイバ２０とが光結合されている。また、後述する様に、光結合効率を高めるために、ＰＰＬＮ素子４０と光ファイバ２０とは、サブミクロン単位で非常に高精度な位置合わせがなされている。なお、光結合とは、一方の光学素子から出力された光を直接光ファイバに入射できるように、相互に位置関係が定められているという意味である。
光モジュール１を組み立てる際には、アライメントマーク等の基準マークをシリコン基板１０上に設け、実装装置（不図示）によって光ファイバ２０が固定されたサブ基板３０及びＰＰＬＮ素子４０をシリコン基板１０上に実装する際の目印としている。
上記の方法によって、サブ基板３０及びＰＰＬＮ素子４０をシリコン基板１０上に実装すると、シリコン基板１０の平面上（ＸＹ方向）での位置合わせは非常に高精度に行うことができる。しかしながら、高さ方向（Ｚ方向）での位置合わせの精度は、シリコン基板１０及びサブ基板３０間の実装状態と、シリコン基板１０とＰＰＬＮ素子４０間の実装状態とによって決まってしまう。
そこで、光モジュール１では、後述するように、サブ基板３０に固定される光ファイバ２０の基準位置（例えば、光ファイバ２０の中心部Ｏ又は光ファイバ２０とＢＯＸ層３２との接触位置）とサブ基板３０の底面までの距離を常に一定にできるようにしている。このような構成によって、サブ基板３０をシリコン基板１０上に実装した場合に、光ファイバ２０の基準位置が、シリコン基板１０に対してどのような高さ位置にあるかを正確に把握することが可能となる。
図３は図１のＢＢ´断面の模式図である。
図３では、サブ基板３０に樹脂で固定された光ファイバ２０が、シリコン基板１０に実装された状態を示している。前述したように、光ファイバ２０は、サブ基板３０がシリコン基板１０に実装された時に、シリコン基板１０に設けられたにげ溝１３によって、シリコン基板１０と接触しないようにされている。なお、にげ溝１３の断面形状は、図３に示すように矩形であるが、他の形状としても良い。
サブ基板３０は、ＳＯＩから構成される支持層３１、ＳｉＯ２絶縁膜から構成されるＢＯＸ層３２、活性層３３、ＳｉＯ２から構成される高さ調整層３４、シリコン基板１０と表面活性化結合するための接合用Ａｕ層３５、光ファイバ２０を固定するための固定溝３６等から構成される。
シリコン基板１０上にはＡｕから構成されるマイクロバンプ６０が形成されており、サブ基板３０の接合用Ａｕ層３５を、表面活性化されたマイクロバンプ６０の表面に実装するだけで、サブ基板３０はマイクロバンプ６０に表面活性化結合して、結果としてシリコン基板１０に固定される。
マイクロバンプ６０は、複数の高さ２μｍで直径５μｍの円柱状の突起が１０〜２５μｍピッチで左右均等に配置されたものである。なお、突起の形状、高さ、幅、ピッチ等は一例であって、上記に限定されるものではない。マイクロバンプ６０は、スパッタリング又は蒸着によって形成されており、全ての突起の高さは高精度に均一化されている。
表面活性化は、マイクロバンプ６０及び接合用Ａｕ層３５の表面をプラズマ洗浄処理することによって行う。表面活性化によって、表面エネルギーの高い原子同士を接触させることができるので、原子間の凝着力を利用して常温で強固に接合することが可能となる。本接合方法は、特別な加熱を要しないことから、熱膨張係数差の残留応力による部品破壊が発生しにくい、部品に対するストレスがなく機能劣化が少ない、等の利点を備えている。
図３の例では、サブ基板３０は、接合用Ａｕ層３５及びマイクロバンプ６０によって表面活性化接合されているが、サブ基板３０とシリコン基板１０との接合方法は、表面活性化接合に限定されるものではなく、他の接合方法を用いることができる。
また、図２に示す様に、シリコン基板１０上に形成された第２のＡｕマイクロバンプ６１と、ＰＰＬＮ素子４０の第２の接合用Ａｕ層（不図示）とによって、ＰＰＬＮ素子４０がシリコン基板１０に表面活性化接合されている。更に、シリコン基板１０上に形成された第３のＡｕマイクロバンプ６２と、ＬＤ素子５０の第３の接合用Ａｕ層（不図示）とによって、ＬＤ素子５０がシリコン基板１０に表面活性化接合されている。第２のＡｕマイクロバンプ６１及び第３のＡｕマイクロバンプ６２は、前述したマイクロバンプ６０と同様の構成を有している。
図４は、サブ基板の製造精度を説明するための図である。図４（ａ）は、通常のシリコン基板をドライエッチング法による深堀加工した場合のサブ基板１００を示し、図４（ｂ）は、光モジュール１に用いられるサブ基板３０を示している（図３参照）。
図４（ａ）に示すサブ基板１００をシリコン基板１０に実装する場合に、最も考慮すべきは、サブ基板１００に固定された光ファイバ２０の基準位置（例えば、中心部Ｏ）とサブ基板１００の底面との距離Ｅ１である。
図５（ａ）は、実際に製造したサブ基板１００の断面写真である。
図５（ａ）に示す様に、ドライエッチング法による深掘加工を行った場合、光ファイバ固定溝１０６の上部が加工により湾曲する（湾曲分の高さＴ５参照）。さらに、湾曲の度合いは、ドライエッチングの状況に応じて変化し、ドライエッチングレートが早いため、湾曲文の高さＴ５の制御を行うのは容易ではない。したがって、光ファイバ２０の上部とサブ基板１００の底面との高さＴ４を高精度で制御することは困難である。即ち、サブ基板１００に固定された光ファイバ２０の基準位置（例えば、中心部Ｏ）とサブ基板１００の底面との距離Ｅ１を、常に一定にすることは容易ではなかった。
図５（ｂ）は、実際に製造したサブ基板１００の光ファイバ固定溝１０６の内側を撮影した写真である。図５（ｂ）に１０５として示す箇所は、加工によって突起が発生した箇所である。このように、ドライエッチング法による深掘加工では、図５（ｂ）に示すような突起１０５が生じる可能性があり、突起が生じると、突起によって光ファイバ２０をサブ基板１００に固定する位置がずれるので、サブ基板１００に固定された光ファイバ２０の基準位置（例えば、中心部Ｏ）とサブ基板１００の底面との距離Ｅ１を、常に一定に保つための妨げとなる。
これに対して、図４（ｂ）に示す光モジュール１に用いられるサブ基板３０では、サブ基板３０に固定された光ファイバ２０の基準位置（例えば、中心部Ｏ）とサブ基板３０の底面との距離Ｅ２を高精度で常に一定に保つことが可能となった。図４（ａ）及び図５に示したサブ基板１００に対して、図４（ｂ）に示すサブ基板３０が、高精度な加工が可能となったのは、ＢＯＸ層３２及び高さ調整層３４の働きによるものである。
ＢＯＸ層３２は、エッチングストッパ層として機能するため、支持層３１がエッチングによって侵食されることがない。即ち、光ファイバ２０の上部がサブ基板３０と接触する位置が、エッチングによって変化してしまうという不具合が生じないので、光ファイバ２０の基準位置（例えば、中心部Ｏ）とサブ基板３０の底面との距離を、高精度且つ常に一定とすることが可能となった。
また、活性層３３は、入手したＳＯＩウエハのロット等により厚さが変動する場合もある。ＳＯＩウエハの厚さが変動すると、光ファイバ２０の基準位置（例えば、中心部Ｏ）とサブ基板３０の底面との距離が変動してしまう。そこで、サブ基板３０では、高さ調整層３４によって、活性層３３の厚さの変動を補償している。
以上のような、ＢＯＸ層３２及び高さ調整層３４の働きによって、サブ基板３０では、光ファイバ２０の上部とサブ基板３０の底面との高さＴ３を高精度で制御することを可能としている。なお、図４（ｂ）では、図４（ａ）との比較の為、便宜上、Ａｕ層３５を考慮していないが、Ａｕ層３５も蒸着により成膜するため、Ａｕ層３５までを含めて考えても同様である。
サブ基板３０に固定された光ファイバ２０の基準位置（例えば、中心部Ｏ）とサブ基板３０の底面との位置関係を高精度に維持するようにしたことにより、サブ基板３０をシリコン基板１０に接合した場合の光ファイバ２０の基準位置を、予めシリコン基板１０に接合されているＰＰＬＮ素子４０の基準位置（例えば、レーザ光出射位置）と、高い精度で位置決めできるようになる。すなわち、マイクロバンプ６０又は第２のＡｕマイクロバンプ６１は、上から荷重をかけることによって、所定量潰れるように設計されているため、ＰＰＬＮ素子４０からレーザ光を出射させ、光ファイバ２０で伝播されるレーザ光の光量を測定しながら、サブ基板３０に荷重を印加して高さ方向の位置を微調整させることによって、ＰＰＬＮ素子４０とサブ基板３０に固定されている光ファイバ２０の光結合をサブミクロン単位で行うことが可能となる。
このように、ＢＯＸ層３２及び高さ調整層３４の働きによって、ＳＯＩウエハの厚さの変動に影響を受けることなく、表面活性化接合での高精度調芯が容易に実現できる。
図６〜図８は、光モジュール１の製造過程を説明するための図である。以下では、図６〜図８を用いて、光モジュール１の製造過程の内、主にサブ基板３０の製造過程を説明する。
最初に、支持層３１上にＢＯＸ層となるＳｉＯ２絶縁層３２´が成膜され、更にその上に活性層３３´が形成された３層構造の基材であるＳＯＩウエハを用意する（図６（ａ）参照）。ここで、ＳｉＯ２絶縁層３２´の厚さは、２μｍとした。
次に、活性層３３´の厚さに応じて高さ調整層３４となる高さ調整用のＳｉＯ２層３４´を成膜する。活性層３３´と高さ調整層３４の合計の厚さが６０μｍとなるように、高さ調整用のＳｉＯ２層３４´を、０．２μｍ、刻みで成膜する（図６（ｂ）参照）。なお、高さ調整用のＳｉＯ２層３４´の厚さは、０．２μｍ〜２．０μｍの範囲が好ましい。
次に、シリコン基板１０と接合するための接合用Ａｕ層３５となるＡｕ層３５´を蒸着法によって高さ調整用のＳｉＯ２層３４´上に成膜する（図６（ｃ）参照）。
次に、フォトリソグラフィー・トリミングによって、Ａｕ層３５´をパターンニングし、シリコン基板１０と接合するための接合用Ａｕ層３５を形成する（図７（ａ）参照）。
次に、光ファイバ固定溝３６を形成するためのレジスト３７を形成し（図７（ｂ）参照）、所定のマスクを利用して、光ファイバ固定溝３６を形成する部分のレジスト３７を除去する。
次に、フッ酸により、光ファイバ固定溝３６を形成する部分のＳｉＯ２層３４´を除去する（図７（ｃ）参照）。
次に、ドライリソグラフィー法によって、光ファイバ固定溝３６を形成する部分のＳＯＩウエハ３３´をエッチングする（図８（ａ）参照）。エッチングの際、ＢＯＸ層３２がエッチングの進行をストップさせるためのエッチングストッパ層として機能するため、支持層３１がエッチングにより湾曲することが防止される。このようにして、活性層３３及びＢＯＸ層３２による３方の面を有する光ファイバ固定溝３６が形成される。
次に、レジスト３７を所定の薬剤によって除去して、サブ基板３０が完成する（図８（ｂ）参照）。完成したサブ基板３０に、光ファイバ２０を固定し、光ファイバ２０が固定されたサブ基板３０、ＰＰＬＮ素子４０、ＬＤ素子５０、及びフレキシブル基板６０をシリコン基板１０へ実装して、光モジュール１の製造が完成する。
なお、図８（ｂ）の状態から、更に、フッ酸ウエットエッチングによって、光ファイバ固定溝３６部分のＢＯＸ層３２を除去しても良い（図８（ｃ）参照）。なお、この場合、接合用Ａｕ膜３５が成膜されていない部分の高さ調整用層３４の一部も同様に除去されて、高さ調整用層３４´´となる。フッ酸ウエットエッチングでは、ＳＯＩ基板による支持層３１にはエッチングの作用が生じないので、光ファイバ固定溝３６部分でエッチングが進んで湾曲が発生することは無い。さらに、光ファイバ固定溝３６部分のＢＯＸ層３２の除去に伴って、ＢＯＸ層３２の表面のゴミや突起等も取り除かれるので、さらに、精度良く、サブ基板３０に対する光ファイバ２０の固定を行うことが可能となった。
なお、光ファイバ固定溝３６をエッチングより形成した後に、高さ調整層３４及び接合用Ａｕ層３５を形成するようにしても良い。
上記では、光ファイバ２０とＰＰＬＮ素子４０とを高精度に位置合わせを行うことが可能な光モジュール１について説明した。しかしながら、本発明に係る光モジュールは、光モジュール１に限定して解釈されるものではなく、光ファイバ２０がＰＰＬＮ素子４０以外の他の光学素子と位置決めされるものにも好適に適用することが可能である。
１０ シリコン基板
１３ にげ溝
２０ 光ファイバ
３０ サブ基板
３１ 支持層
３２ ＢＯＸ層
３３ 活性層
３４ 高さ調整層
３５ 接合用Ａｕ層
３６ 光ファイバ固定用溝
４０ ＰＰＬＮ素子
５０ ＬＤ素子
６０ フレキシブル基板

Claims (4)

  1. シリコン基板と、
    支持層、活性層、前記支持層と前記活性層の間に配置されたＢＯＸ層及び、接合用Ａｕ層を含む高さ調整層を有するサブ基板と、
    光ファイバと、
    前記シリコン基板に固定された光学素子と、を有し、
    前記サブ基板は、前記活性層と前記ＢＯＸ層によって形成される固定用溝を有し、
    前記光ファイバは、前記固定用溝に固定されており、
    前記サブ基板が前記高さ調整層を介して前記シリコン基板に対して位置決めされることによって、前記光ファイバと前記光学素子とが光結合される、
    ことを特徴とする光モジュール。
  2. 前記シリコン基板は、前記接合用Ａｕ層と接合するためのＡｕマイクロバンプを有する、請求項１に記載の光モジュール。
  3. 基板、前記基板の上に接合されたサブ基板及び光学素子を有する光モジュールの製造方法であって、
    支持層、活性層及び前記支持層と前記活性層の間に配置されたＢＯＸ層を有する基材を用い、エッチングによって前記活性層の一部を除去することによって、前記活性層と前記ＢＯＸ層によって形成される固定用溝を有するサブ基板を形成し、
    前記活性層の上部に、前記活性層の高さを調整するための接合用Ａｕ層を含む高さ調整層を成膜し、
    前記固定用溝に光ファイバを固定し、
    前記サブ基板が前記高さ調整層を介して前記シリコン基板に対して位置決めされることによって、前記光ファイバと前記光学素子とを光結合させる、
    工程を有することを特徴とする光モジュールの製造方法。
  4. 前記シリコン基板の上に、前記接合用Ａｕ層と接合するためのＡｕマイクロバンプを形成する、工程を更に有する、請求項３に記載の光モジュールの製造方法。
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