JP6389443B2 - ハイブリッド集積化光デバイスとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド集積化光デバイスとその製造方法に関し、主に光通信に用いるハイブリッド集積化光デバイス及びその半導体素子及びＰＬＣを組み立て実装後に光結合を改善することによってハイブリッド集積化光デバイスを製造する方法に関する。

最近では、データ／アプリケーションを個人または企業のパソコンや携帯端末などではなく、インターネットを介してアプリケーションを利用してインターネット上にデータを保存する使い方、つまりサービスのクラウド化が進み、データセンタ間の通信容量の増大が著しく増加している。また、それらに伴い増加するインターネットアクセスの伝送容量を増やすために、光波長の多重化や、さらに高速な伝送を可能にするＤＷＤＭ装置（高密度波長分割多重装置）や多値伝送を可能とする装置等の活用、光通信に用いるデバイスの高度化が進んでいる。高度化が進むと、常に高度化と小型化とを両立することが必然的に求められる。これらの要求に答えるための一つの代表的なアプローチとして、光デバイスのハイブリッド集積化技術がある。

図１は、非特許文献１に示される光デバイスのハイブリッド集積化技術の上面簡略図である。図１に示されるように、非特許文献１には、基板１０上に、光導波路２１を有する平面光波回路（ＰＬＣ）２０と、半導体アクティブ素子３０とが設けられたハイブリッド集積化光デバイスが記載されている。ＰＬＣ２０は例えば石英系材料からなり、半導体アクティブ素子３０は、例えばレーザダイオードやフォトディテクターとすることができる。

非特許文献１に示されるアプローチでは、各種の材料の特性に合わせたベストな組み合わせにより、高度な光デバイスを小型に製造することが可能なだけでなく、それぞれの光デバイスを最適化して製造できるとともに、歩留まりが高く実装の自動化も可能なため量産性に優れていることからも注目されている。特に近年は、石英導波路だけでなく、より小型化が可能なシリコンからなる導波路と半導体アクティブ素子とを光結合する試みもなされている。

半導体素子と光導波路とを光結合するためには、半導体素子と光導波路との位置合わせが重要である。非特許文献１には、２つの光デバイス上に設けたマークを画像認識することで、半導体素子と光導波路との光結合のための位置合わせを行う方法が記載されている。また別の方法として、機械的に半導体素子と光導波路との位置合わせを実行するメカニカルアライメントの方法がある。

これらのいずれの方法でも課題となるのが、光素子を実装し、それぞれの光素子を固定した時点で光結合効率が決まってしまう点である。図１に示されるように、例えば、半導体アクティブ素子３０から出力された光をＰＬＣ２０の光導波路２１に光結合する場合、ＰＬＣ２０及び半導体アクティブ素子３０単体は、事前の検査で要求仕様を満たす合格品であっても、これらを実装したときの位置決め誤差により、その光結合が要求仕様を満たさず、ハイブリッド集積化光デバイスとして不合格となる場合があり、それにより歩留まりが低下する。

光素子の位置決めでは、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の３方向を規定する必要がある。高さ方向であるｙ方向は、半導体素子であればエピタキシャル成長膜厚やエッチング深さ等により決まり、比較的容易に制御することができるため、誤差が小さく位置決めすることができる。非特許文献２に示す位置決め技術では、半導体素子を台座に突き当てることによりｙ方向を決めている。このように、ｙ方向は比較的容易に精度よく位置決めすることが可能である。また、光の伝搬方向であるｚ方向は、比較的トレランスが緩やかで多少の位置ずれは許容できるため、大きな問題とはならない。

光デバイスのハイブリッド集積技術で問題となるのは、特に半導体素子からＰＬＣに光が伝搬する方向（ｚ方向）及び半導体素子の高さ方向（ｙ方向）に垂直なｘ方向の位置ずれである。ｘ方向にずれて固定された半導体レーザから出力された光とＰＬＣの光導波路との光結合を考えた場合、ｘ方向の位置ずれ分だけ半導体レーザの出力光フィールドと光導波路のフィールドとが重なる領域が小さくなり、導波路に結合しなかった光は高次モードとなってクラッドに放射されるため、結合効率が低下する。

これらの位置決め精度による歩留まり低下を解決する方法として、非特許文献３には、ＭＥＭＳ技術を用いて半導体レーザ素子とＰＬＣの光導波路との間に設けられたレンズを動かすことにより、光素子を組み立てた後に半導体レーザ素子から出力された光のフィールド分布をｘ方向に調整する方法が示されている。この方法では、組立て後に、位置誤差による半導体レーザ１３０から出力された光のフィールドのｘ方向のずれの修正が可能なため、修正範囲内に入っていれば光素子の相対位置はラフに実装することができるメリットがある。

しかしながら、ＭＥＭＳ調整機構は位置合わせ終了後に固定してその役目を終えるため、非特許文献３に示す方法では、光素子以外にＭＥＭＳ調整機構をもつ部材が増えてしまうという課題があった。また、部材が増えるのはもとより、プロセス技術を駆使し別途ＭＥＭＳによる駆動機構を作製しなくてはならず、組み上げた光デバイスの製造コストが増加してしまうという課題があった。

Y. Nakasuga 他, "Multi-chip hybrid integration on PLC platform using passive alignment technique," Electronic Components and Technology Conference, p.20-25, 1996年 T, Shimizu 他, "Hybrid integration technology of laser source with laser diode arrays on silicon optical waveguide platform by flip-chip bonding for silicon photonics," CPMT Symposium Japan (ICSJ), IEEE 3rd, 2013年 B. Pezeshki 他, "High Performance MEMS-Based Micro-Optic Assembly for Multi-Lane Transceivers," Journal of Lightwave Technology, Vol.32 , No.16, p.2796-2799, 2014年8月

本発明は、光デバイスのハイブリッド集積化技術において、光素子間の光結合が組立実装時の位置決め誤差により劣化し、歩留まりが低下する課題に対して、組立実装後に光結合を改善するための修正をＭＥＭＳ調整機構等の部材を増加せずに可能にするハイブリッド集積化光デバイス及びその製造方法を提供する。

このような目的を達成するために、請求項１に記載のハイブリッド集積化光デバイスは、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出力された光と結合する光導波路を有するＰＬＣと、が基板上に設けられたハイブリッド集積化光デバイスであって、前記ＰＬＣは、前記光導波路を導波する光のフィールド分布を、前記半導体レーザ素子から前記ＰＬＣに光が伝搬する方向及び前記半導体レーザ素子の高さ方向に垂直な方向に関して調整する光フィールド分布調整部を含むことを特徴とする。

請求項２に記載のハイブリッド集積化光デバイスは、請求項１に記載のハイブリッド集積化光デバイスであって、前記光フィールド分布調整部は、前記半導体レーザ素子から出力された光を入力する入力導波路と、前記入力導波路を導波する光を０次モード光と１次モード光に分岐する第１の合分波部と、前記第１の合分波部で分岐された前記０次モード光を伝搬する第１のアーム導波路と、前記第１の合分波部で分岐された前記１次モード光を伝搬する第２のアーム導波路と、前記第１及び第２のアーム導波路の少なくとも一方に設けられ、当該アーム導波路を伝搬する光の位相を調整する位相調整部と、前記第１及び第２のアーム導波路をそれぞれ導波する光を合波して合波光を前記光導波路に出力する第２の合分波部と、を含むことを特徴とする。

請求項３に記載のハイブリッド集積化光デバイスは、請求項２に記載のハイブリッド集積化光デバイスであって、前記入力導波路は、前記１次モード光の伝搬を許容するマルチモード導波路であり、０次モード光のみを導波するようにテーパ状に幅が狭まりながら前記第１のアーム導波路と結合していることを特徴とする。

請求項４に記載のハイブリッド集積化光デバイスは、請求項２又は３に記載のハイブリッド光デバイスであって、前記位相調整部は、前記第２のアーム導波路に形成された少なくとも１以上の挿入溝内に樹脂を充填することによって構成されていることを特徴とする。

請求項５に記載のハイブリッド集積化光デバイスは、請求項１に記載のハイブリッド集積化光デバイスであって、前記光フィールド分布調整部は、前記半導体素子から出力された光を入力する入力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路に接続された複数のアレイ導波路を有するＡＷＧと、前記ＡＷＧに接続され、前記複数のアレイ導波路からそれぞれ出力された光を集光して前記光導波路に出力する出力側スラブ導波路と、隣接する前記アレイ導波路の間の光路長差を調整する光路長差調整部と、を含むことを特徴とする。

請求項６に記載のハイブリッド集積化光デバイスは、請求項５に記載のハイブリッド集積化光デバイスであって、前記光路長差調整部は、前記入力側スラブ導波路、前記ＡＷＧ及び前記出力側スラブ導波路の少なくとも１つに形成された少なくとも１以上の挿入溝内に樹脂を充填することによって構成されていることを特徴とする。

請求項７に記載の装置は、請求項１乃至６のいずれかに記載のハイブリッド集積化光デバイスがペルチェ素子に搭載されていることを特徴とする。

請求項８に記載の製造方法は、請求項４又は６に記載のハイブリッド集積化光デバイスの製造方法であって、前記半導体レーザ素子と前記ＰＬＣとを前記基板上に組み立てた後であって、前記挿入溝に前記樹脂を充填する前に、当該組み立てた光デバイスの出力の温度特性を測定する工程と、当該測定した温度特性に基づいて、前記出力が最大となるような屈折率の樹脂を選定する工程と、前記樹脂を前記挿入溝に挿入する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、半導体素子及びＰＬＣを基板上に組み立てた後に、ＰＬＣ側に設けられた光フィールド分布調整部を用いて、ｘ方向にずれて固定してしまった半導体レーザの出射ビームの光フィールドに一致させるようにＰＬＣ上の光導波路を伝搬する光のフィールド分布をｘ方向に関して調整することが可能となる。それにより、ｘ方向の位置ずれによる光結合損失を低減することが可能であり、歩留まりを向上させることが可能となる。

非特許文献１に示される光デバイスのハイブリッド集積化技術の上面簡略図である。 本発明に係るハイブリッド集積化光デバイスを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るハイブリッド集積化光デバイスで用いられる光フィールド分布調整部の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るハイブリッド集積化光デバイスで用いられる光フィールド分布調整部のより具体的な構成を例示する。 ｘ方向にずれて半導体レーザが固定された場合における半導体レーザの出力光とＰＬＣの光導波路との光結合について説明するための図である。 位相調整部において恒久的に位相を調整する方法を例示する図である。 本発明の第２の実施形態に係るハイブリッド集積化光デバイスの構成を例示する図である。 本発明の実施例に係るハイブリッド集積化光デバイスにおけるＰＬＣを作製する際の実際の作製手順について説明するための図である。 本発明の実施例に係るハイブリッド集積化光デバイスにおける半導体レーザアレイの製造プロセスを説明するための図である。 本発明の実施例に係るハイブリッド集積化光デバイスにおけるＰＬＣと半導体レーザアレイとの実際の組立の作業について説明する。 本発明の実施例に係るハイブリッド集積化光デバイスと各構成部品とを組み立てる様子を示す図である。

以下、本発明に係るハイブリッド集積化光デバイスを説明する。図２（ａ）は、本発明に係るハイブリッド集積化光デバイスを示す。図２（ａ）には、基板１１０上に、光導波路１２１を有するＰＬＣ１２０と、半導体レーザ１３０とが設けられたハイブリッド集積化光デバイスが示されている。ＰＬＣ１２０は、ＰＬＣ１２０上の光導波路１２１を伝搬する光のフィールド分布を調整することが可能な光フィールド分布調整部１４０を含む。ＰＬＣ１２０は、例えば石英系材料で構成することができ、非特許文献１に記載の方法と同様の方法により作製することができる。以下、図２に示されるように、半導体レーザからＰＬＣに光が伝搬する方向（ｚ方向）及び半導体素子の高さ方向（ｙ方向）に垂直な方向をｘ方向とする。

図２（ａ）に示すハイブリッド集積化光デバイスでは、光フィールド分布調整部１４０を介して、ＰＬＣ１２０の光導波路１２１と半導体レーザ１３０から出力された光との光結合が成されている。光フィールド分布調整部１４０は、後に詳細に説明するように、ＰＬＣ１２０上の光導波路１２１を伝搬する光のフィールド分布を半導体レーザ１３０から出力された光のフィールド分布に一致させるようにｘ方向に関して調整することができる。それにより、本発明では、半導体レーザ１３０がｘ方向にずれて固定されてしまった場合であっても、ｘ方向に関する位置ずれによる光結合損失を低減することができる。

また、図２（ｂ）は、本発明に係るハイブリッド集積化光デバイスの他の例を示す。図２（ａ）に示すハイブリッド集積化光デバイスでは、半導体レーザ１３０の一方の出力端から出力された光を半導体レーザ１３０の片側のみに設けられた光フィールド分布調整部１４０で結合する構成としているが、図２（ｂ）に示されるように、半導体レーザ１３０の両出力端から出力された光を半導体レーザ１３０の両側にそれぞれ設けられた光フィールド分布調整部１４０で結合する構成としてもよい。

＜第１の実施形態＞
図３及び図４を用いて、本発明の第１の実施形態に係るハイブリッド集積化光デバイスを説明する。図３は、第１の実施形態に係るハイブリッド集積化光デバイスで用いられる光フィールド分布調整部１４０₁の構成を示す。図３には、入力導波路１４１と、第１の合分波部１４２と、第１のアーム導波路１４３と、第２のアーム導波路１４４と、位相調整部１４５と、第２の合分波部１４６と、を含む光フィールド分布調整部１４０₁が示されている。

図３に示されるように、入力導波路１４１は、第１及び第２のアーム導波路１４３及び１４４に光を分岐する第１の合分波部１４２に接続されている。第１及び第２のアーム導波路１４３及び１４４は、第１及び第２のアーム導波路１４３及び１４４を導波した光を合波する第２の合分波部１４６に接続されている。第２のアーム導波路１４４には位相調整部１４５が設けられている。第２の合分波部１４６は、光導波路１２１に接続されている。

入力導波路１４１は、半導体レーザ（図３では不図示）から出力された光を入力して第１の合分波部１４２に導波する。半導体レーザから出力される光には、伝搬モードが異なる少なくとも０次モード光と１次モード光とが含まれており、第１の合分波部１４２は、入力導波路１４１を導波してきた光のうち、０次モード光を第１のアーム導波路１４３に、１次モード光を第２のアーム導波路１４４に分岐する。第１のアーム導波路１４３は、入力した０次モード光を導波して第２の合分波部１４６に出力する。第２のアーム導波路１４４は、入力した１次モード光を位相調整部１４５を介して第２の合分波部１４６に出力する。位相調整部１４５は、ＰＬＣ１２０上の光導波路１２１を導波する光のフィールド分布を半導体レーザ１３０から出力された光のフィールド分布に一致させるように、導波してきた１次モード光の位相を調整する。第２の合分波部１４６は、位相調整部１４５を介して第２のアーム導波路１４４から入力した１次モード光を０次モード光に変換し、第１のアーム導波路１４３を導波してきた１次モード光と変換した０次モード光とを合波する。光導波路１２１は、第２の合分波部１４６で合波された合波光を導波して出力する。

図４は、第１の実施形態に係るハイブリッド集積化光デバイスで用いられる光フィールド分布調整部のより具体的な構成を例示する。図４に示される光フィールド分布調整部１４０₂では、入力導波路１４１は、１次モード伝搬を許容するマルチモード導波路からなり、第１の合分波部１４２から出力側にかけて、０次モード光のみを導波するようにテーパ状に幅が狭まりながら第１のアーム導波路１４３と結合した構造を有している。また、第１の合分波部１４２は、入力導波路１４１に入射した光のうち１次モード光を第２のアーム導波路１４４に基本モードとして結合する。第１の合分波部１４２及び第２の合分波部１４６としては、方向性結合器を使用することができ、例えば９５：５の割合になるように光を分岐するように構成されたものを使用することができる。第１の合分波部１４２及び第２の合分波部１４６はＭＭＩ等の他の形態であってもよいし、分岐比もこの他でも構わない。

ここで、第１の実施形態に係る光フィールド分布調整部の動作の説明のため、出力側から光を入力した場合における光フィールド分布調整部１４０₂の動作を示す。光波の伝搬は双方向に可逆的であるから、以下の説明は、あくまで説明のためのものであり、本発明は出力側から光を入力するものではない。

出力側から光を入射した場合、出力側から入射された光は、第２の合分波部１４６で分岐されて、一方は第１のアーム導波路１４３を介して第１の合分波部１４２に入力し、他方は第２のアーム導波路１４４及び位相調整部１４５を介して第１の合分波部１４２に入力される。第１の合分波部１４２は、第２のアーム導波路１４４を通過してきた０次モード光を１次モード光に変換し、第１のアーム導波路１４３を通過してきた０次モード光と干渉させる。それにより第１の合分波部１４２で合成されるモードフィールドは、第１及び第２のアーム導波路１４３及び１４４からそれぞれ入力した光の位相差によりｘ方向に偏った形状となる。そのため、位相調整部１４５における位相調整量を制御して位相差を調整することにより、第１の合分波部１４２で合成される光のフィールド分布をｘ方向に関して調整することができる（各アーム導波路を伝搬してきた光の実行的な位相差ゼロ（または２πの整数倍）である場合など、条件によっては偏らず対称なフィールドとなる）。つまり、ＰＬＣ１２０の光導波路１２１における光のフィールド分布のうち強度が最も強い位置をｘ方向に調整できることを意味している。そのため、ｘ方向にずれて固定してしまった半導体レーザの出射ビームと光導波路１２１とが最も強く光結合するように、ＰＬＣ１２０側で光導波路１２１における光のフィールド分布のうち強度が最も強い位置を、半導体レーザの出射ビームのフィールド分布の最も強い位置と一致させるようにｘ方向に関して調整することが可能となる。

出力側から光を入力する場合について説明したが、通常通り、入力側から光を入力した場合であってもＰＬＣ１２０側で光導波路１２１における光のフィールド分布のうち強度が最も強い位置をｘ方向に関して調整することが可能である。

図５を用いて、入力側から光を入力した場合であって、例としてｘ方向に例えば−２μｍずれて半導体レーザが固定された場合における半導体レーザの出力光とＰＬＣの光導波路との光結合について説明する。図５に示されるように、従来では、ｘ方向の２μｍの位置ずれ分だけ半導体レーザの出力光フィールドとＰＬＣの光導波路における光フィールドとのオーバーラップ積分値が小さくなり、そのため光結合効率も低下している。導波路に結合しなかった光は高次モードとなり、クラッドに放射されることになる。

それに対し、本発明では、ＰＬＣ１２０の入力導波路１４１は、１次モード光を伝搬可能なマルチモード導波路で構成されており、これまで導波路に結合せずにクラッドに放射されていた１次モード光と結合することができる。入力導波路１４１を伝搬する１次モード光は、第１の合分波部１４２で０次モード光に変換されて第２のアーム導波路１４４に結合した後に、位相調整部１４５にて半導体レーザ１３０から出力された光のフィールド分布に一致させるように位相条件が調整されて、第２の合分波部１４６で第１のアーム導波路１４３を介して伝搬された０次モード光と合波されて光導波路１２１に導くことが可能となる。

ここで、図３では、第２のアーム導波路１４４に位相調整部１４５が設けられた構成が示されているが、第１のアーム導波路１４３に位相調整部１４５を設けるように構成してもよく、第１及び第２のアーム導波路１４３及び１４４の両方に位相調整部１４５を設けるように構成してもよい。両方に位相調整部１４５を設けた場合、位相を恒久的に変化させる後述の方法で位相調整を行った際に位相を調整しすぎた場合に、逆側の位相調整部で元の方向に特性をさらに修正することが可能となる。

位相調整部１４５の機構について説明する。位相調整部１４５において伝搬光の位相を調整する最も簡単な方法としては、ヒータを第２のアーム導波路１４４の上に設け、通電加熱することにより、熱光学効果により、ヒータ下部の第２のアーム導波路１４４の屈折率を変化させることで位相を変化させることができ、それによりフィールド分布の調整を行うことができる。本方法では、ヒータに与える電力を調整することにより、自在にフィールド分布のｘ方向の変化量の調整が可能であるというメリットがある一方、電力を与え続けないといけないというデメリットがある。

位相調整部１４５において恒久的に位相を調整する方法としては、図６に示されるように、第２のアーム導波路１４４に樹脂を挿入するための溝を予め形成しておき、その溝に変化させたい量や方向に応じて適正な屈折率の樹脂を充填して硬化させる方法がある。本方法では、例えば実際に利用する環境温度において、素子出力が最大となるように溝に最適な屈折率の樹脂を挿入することにより、ＰＬＣ１１０の光導波路１２１における光フィールド分布を半導体レーザ１３０から出力された光の光フィールドに一致させることができる。従来では、半導体レーザを固定した後に結合効率を調整することはできなかったが、本発明では、屈折率の若干違う樹脂をいくつか予め用意しておけば離散的ではあるものの、半導体レーザ１３０を固定後に溝に樹脂を挿入してフィールド分布を調整することで、半導体レーザ１３０を固定した後であっても光結合効率を改善することが可能である。

また、さらに他の位相調整方法として、位相調整部１４５が設けられた第２のアーム導波路１４４が石英系導波路からなる場合、ＵＶ光を照射してコアの屈折率を変化させることにより位相を調整可能であることが知られている。本発明では、半導体レーザ１３０を固定後にＵＶ光を照射してコアの屈折率を変化させてフィールド分布を調整することで、半導体レーザ１３０を固定した後であっても光結合効率を改善することが可能である。

位相調整部１４５における上記の位相調整方法は、以下の第２の実施形態でも同様に適用可能である。

以上のように、本発明によると、ＰＬＣ１２０側に設けられた光フィールド分布調整部１４０を用いて、ｘ方向にずれて固定してしまった半導体レーザの出射ビームの光フィールドに一致させるようにＰＬＣ１２０上の光導波路１２１における光フィールド分布をｘ方向に関して調整することが可能であるため、ｘ方向の位置ずれによる光結合損失を低減することが可能であり、歩留まりを向上させることが可能となる。

本実施形態では、石英系材料からなる光導波路を使用した例を示したが、導波路の材質はこれに限らず、シリコン、ＬｉＮｂＯ₃等の導波路であっても同様の効果が得られる。また、同種の導波路の結合においても同様の効果が得られる。

＜第２の実施形態＞
図７を用いて、本発明の第２の実施形態に係るハイブリッド集積化光デバイスを説明する。図７には、基板２１０上に、ＰＬＣ２２０と、半導体レーザアレイ２３０と、が設けられたハイブリッド集積化光デバイスが示されている。図７に示されるように、ＰＬＣ２２０には、少なくとも１つの光導波路１２１と、光導波路１２１を伝搬する光のフィールド分布を調整することが可能な本実施形態に係る光フィールド分布調整部１４０₃と、が設けられている。光フィールド分布調整部１４０₃は、半導体レーザアレイ２３０から出力された光と結合する入力側スラブ導波路２２１と、入力側スラブ導波路２２１に接続された複数のアレイ導波路２２２を有するＡＷＧ（Arrayed-Waveguide Grating）２２３と、ＡＷＧ２２３に接続され、複数のアレイ導波路２２２からそれぞれ出力された光を集光して光導波路１２１に出力する出力側スラブ導波路２２４と、光路差調整部２２５と、を含む。

半導体レーザアレイ２３０は、光の入出力を可能とする少なくとも１つ以上の導波路が端面に設けられている。光導波路１２１は、外部の光回路に光ファイバー等を介してそのまま接続してもよいし、他の機能回路を同一基板上に形成したものに接続してもよい。

第２の実施形態に係るハイブリッド集積化光デバイスによると、ＡＷＧを用いて光フィールド分布調整部を構成することにより、ｘ方向に関する位置ずれによる半導体レーザと石英系ＰＬＣとの光結合の低下を組立後にＰＬＣ側から修正することが可能となる。

本実施形態に係るハイブリッド集積化光デバイスの原理について説明する。ＡＷＧ２２３は、波長合分波器として広く用いられており、その原理自体は広く知られている。入力側スラブ導波路２２１に入射した光は、入力側スラブ導波路２２１で回折されて広がり、各アレイ導波路２２３に入射する。アレイ導波路２２３は、隣接するアレイ導波路２２３に対してある一定の光路長差ΔＬ（アレイ導波路２２３の材質の屈折率とアレイ導波路２２３の長さの積：ΔＬ≧０）で配列されている。アレイ導波路２２３の出力端では、各アレイ導波路２２３を伝搬した光がΔＬに相当する分だけ位相がずれて出射側スラブ導波路２２４に到達し、互いに干渉し、各アレイ導波路２２３から出力された光の波面が揃う方向に回折することになる。

ここで、光路長差調整部２２５によって光路長差ΔＬを実効的に変化させることにより、各アレイ導波路２２３から出力された光の波面を変化させることができ、回折する方向を変えることができる。光路長差調整部２２５は、例えば、図７に示されるように、入力側スラブ導波路２２１及び出射側スラブ導波路２２４に溝を形成し、第１の実施形態で上述したようにその溝に変化させたい量や方向に応じて適正な屈折率の樹脂を挿入することによって構成することができる。

光路長差調整部２２５により、出力側スラブ導波路２２４の出力端面において集光する位置を変化、つまり出力側スラブ導波路２２４の出力端面における光フィールド分布をｘ方向に調整することができる。それにより、本発明によると、組立後に半導体レーザアレイ２３０から出力された光と出力側スラブ導波路２２４の出力端面との結合位置を最適な位置に修正することが可能となり、結合効率を上げ、歩留まりを向上させる効果が得られる。

なお、図７では、入力側スラブ導波路２２１及び出射側スラブ導波路２２４の両方に光路長差調整部２２５を設けた構成を示しているが、一方に光路長差調整部２２５を設けた構成としてもよく、またＡＷＧ２２２にも光路長差調整部２２５を設けた構成としてもよい。

＜実施例＞
以下、本発明の実施例について説明する。本実施例では、本発明の第２の実施形態を利用した、ＬＡＮ−ＷＤＭの４×２５Ｇｂ／ｓハイブリッド集積型送信機の構成を例示する。まず、図８を用いて、本実施例に係るハイブリッド集積化光デバイスにおけるＰＬＣを作製する際の実際の作製手順について説明する。本実施形態では、ＰＬＣとして、石英系ＰＬＣを用いることができる。石英系ＰＬＣは、量産性、低コスト性および高信頼性の面から優れた特徴を有し、様々な光干渉回路が実現可能であり、光通信分野において実用化されている。石英系ＰＬＣは、標準的なフォトグラフィー法、エッチング技術およびＦＨＤ（Flame Hydrolysis Deposition）等のガラス堆積技術によって作製することが可能である。具体的な製造プロセスを概観すれば、最初に、Ｓｉ等の基板上に、石英ガラス等を主原料とするアンダークラッド層と、クラッド層より高い屈折率を持つコア層とを堆積させる。その後、コア層に様々な導波路パターンを形成し、最後にオーバークラッド層によってコア層から形成された導波路を埋め込む。このようなプロセスにより、導波路型の光機能回路が作製される。信号光は、上述のようなプロセスを経て作製された導波路内に閉じ込められ、ＰＬＣ内部を伝搬して分岐、干渉等をさせることができる。

図８（ａ）は本実施例に係るＰＬＣ作製工程における断面図を示し、図８（ｂ）はその上面図を示す。図８に示されるように、本実施例では、アンダークラッド層を基板上に堆積した後に、一度スパッタリング法により、高融点金属であるＷ（タングステン）をＴｉ（チタン）を接着層として用いて、Ｔｉ/Ｗ/Ｔｉの層構造で成膜を行い、ウエットプロセスで、後に半導体レーザが接触する台座パターンを予め形成した後にコア層を堆積しプロセスを行った。用いた導波路は、石英ガラスにゲルマニウムを添加した埋め込み導波路で、比屈折率差を２％とし、標準の導波路のコアの高さを４μｍ、コアの幅を４μｍとした。合光する４波の波長を１２９５．５６ｎｍ、１３００．０５ｎｍ、１３０４．５８ｎｍ及び１３０９．１４ｎｍとし、透過損失のチャネル間格差を考慮し、ＦＳＲを７８３０ＧＨｚとした。結果、隣接するＳ字状アレイ導波路間に付与する導波路長差は、２５．７９μｍとした。 さらに、ＰＬＣ上には、後にレーザを搭載する部分について溝を形成すると同時に、後に搭載位置を調整するための調整溝を形成した。この時、先に埋め込んである台座となるＷ層はガラスとの選択比が高く取れるために、エッチングされずに、残ることになる。その後、リフトオフを用いた電子ビーム蒸着により、電極及び半導体レーザと位置合わせを行うためのパターンを形成し、さらに後に半導体レーザを固定する箇所に、ＡｕＳｎ（８０ｗｔ％Ａｕ：２０ｗｔ％Ｓｎ）のパターンの形成を行い、ＰＬＣの製造を行った。ここではＡｕＳｎを用いているが、他の電気伝導度が低く、融点が低い金属を用いても良い。この電極を形成する際に、ＰＬＣとの位置合わせを行うためのマークを同時に形成してある。

次に、図９を用いて、本実施例に係るハイブリッド集積化光デバイスにおける半導体レーザアレイの製造プロセスを概観する。図９（ａ）は本実施例に係る半導体レーザ作製工程における断面図を示し、図９（ｂ）はその上面図を示す。図９に示されるように、最初に、ｎ型ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ活性層を成長させ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層の上面の一部にＩｎＧａＡｓＰガイド層を成長させ、ＩｎＧａＡｓＰガイド層の上面の一部に回折格子を形成する。続いて、ｐ型ＩｎＰクラッド層、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層を順番に成長させた後、埋め込み成長を行い、光導波路を形成する。その後、電流を注入する電極の形成、ならびに研磨を実施し、薄化した後、劈開を実施しウエハから各素子への分離、ＡＲコート等の端面処理を実施して半導体レーザを形成する。

本実施例に係る半導体レーザアレイでは、発振波長が１２９５．５６ｎｍ、１３００．０５ｎｍ、１３０４．５８ｎｍ、１３０９．１４ｎｍであり、活性層の長さが２５０μｍのＤＦＢレーザ４つが一つの基板に４００μｍピッチで配置されており、出力ピッチはパッシブ導波路を介して１５μｍ間隔となるように４波長レーザ集積素子を作成した。各光素子ができたところで、各石英系導波路、半導体レーザも個別にそれぞれの特性を事前に調査し、特性上、要求されるもののみを選定する作業を実施する。

図１０を用いて、本実施例に係るハイブリッド集積化光デバイスにおけるＰＬＣと半導体レーザアレイとの実際の組立の作業について説明する。組立作業については、非特許文献１に詳しく出ているので参照されたい。概観すれば、図８で示したプロセスによって作製されたＰＬＣを余熱状態で、図９で示したプロセスによって作製された半導体レーザアレイを搭載する。搭載の際には、図１０（ａ）に示されるように、透過してくる赤外光を画像により認識し、ＰＬＣ上のマークならびに半導体レーザアレイ上に予め形成されたマークが所定の位置関係になるように、ステージを駆動し、位置合わせを実施する。次に、図１０（ｂ）に示されるように、半導体レーザアレイをＰＬＣに設けられた台座上に押し付けて固定する。台座が半導体レーザに接することにより、高さ（ｙ方向の位置）が決定される。その後、リフローを行い、ＡｕＳｎを溶かしそれぞれの素子を固定する。

その後、図１１（ａ）に示すように、一体化された光素子をサブキャリアを介してＣｕＷからなる台に固定した後、ペルチェの上にＡｕＳｎシートを介して固定を行った。さらに、光素子からの出射光がコリメートする位置に調整して、ＹＡＧ溶接によりレンズを台上に固定する。図１１（ｂ）に示すように、その後、このようにして作製された構造体をセラミックと金属からなるセラミックパッケージに固定し、光素子の温度計測を実施するサーミスタ等を搭載した後に、必要箇所をワイヤーボンディングにより電気的に接続した。さらに、ケースよりコリメートしてくる光を結合するため、アイソレーター付レセプタクルを位置合わせし、再度ＹＡＧ溶接によりこれらの部材の固定を行った。

次に、本実施例に係るハイブリッド集積化光デバイスにおける検査と実際の光結合の手順を説明する。図８乃至図１１を用いて説明したように組立てたモジュールについて、実際に利用する環境温度で検査を行う。ここでは素子の利用温度となるようペルチェを駆動して光素子を４５℃の温度に保ち、出力の検査を行う。比較のため、温度を変え、４０℃の出力検査も実施する。石英系ＰＬＣの屈折率の温度係数と半導体レーザの温度係数が異なるため、温度が４０℃から４５℃に上昇するとともに素子出力が単調に減少もしくは単調に増加、または素子の利用温度である４５℃で素子出力が最大になる。素子出力が最大になった場合、適正な位置に素子が搭載されているとみなすことができる。

出力が温度の変化とともに単調に変化する場合、位置がずれていることを意味するため、利用温度である４５℃で最適の出力になるように、溝に適正な屈折率の樹脂を入れて調整を行う。樹脂の屈折率は、石英導波路の屈折率からやや低いものからやや高いものを数種類予め用意しておき、素子出力が温度の上昇によって単調増加若しくは単調減少するのか、また、その温度変化による光出力強度の傾きによりどれぐらい低い／高い屈折率のものを入れるかを決めておき、出力の温度依存性の特性を見て、最大の素子出力となるように樹脂を決めればよい。

本実施例では、樹脂としてＵＶを照射すると硬化する樹脂を用いたが、自然乾燥し、硬化するもの、熱を加えて硬化するものであっても問題はなく、同様の効果が得られる。利用温度（ここでは４５℃）で素子出力が最大になった場合、適正な位置に最初から素子が搭載されているとみなすことができるため、この場合、樹脂は、コアと屈折率が同じものを利用すれば、結合位置を変化させることなく溝の空間への透過損失を改善することができる。

さらに、温度依存性の検査が単調減少であったものを、調整を誤って、単調増加させるまで特性を変化させてしまった場合、例えば入力側スラブ導波路の溝に違う特性の樹脂を挿入することで元の方向に戻すことも可能であり、出力側スラブ導波路側のみで調整が完了すれば入力側スラブ導波路の溝には、コアと同じ屈折率の樹脂を入ればよい。

本実施例では、レーザ搭載部と接するスラブ導波路は、直線となるようにエッチングした。１波長のみをスラブに結合する場合はほぼスラブの中央を利用すれば問題とならないが、多波長を結合する場合、ＡＷＧに用いられるスラブ導波路は、レンズとして機能していることから、直線に端面を切断すると、若干ながらスラブの中央点からの距離に応じて、誤差が大きくなる。十分にスラブ長が各レーザ出力のピッチ（ここでは１５μｍとした）に対して十分に長ければ、誤差は大きな問題とはならないが、スラブ長が短い場合、すなわち素子が小さい場合は、回路が小型化して誤差が無視できない場合がある。この時は、スラブとの界面における回折により、ｘ方向にずれたチャンネルであってもレンズとして機能するスラブ導波路のフォーカス点に位置するように曲線にスラブ端面を曲面のパターンにエッチングすることで、チャンネル間の依存性を減らす効果が得られる。

基板 １０、１１０、２１０
ＰＬＣ ２０、１２０、２２０
光導波路 ２１、１２１
半導体アクティブ素子 ３０
半導体レーザ １３０
光フィールド分布調整部 １４０₁、１４０₂、１４０₃
入力導波路 １４１
合分波部 １４２、１４６
アーム導波路 １４３、１４４
位相調整部 １４５
スラブ導波路 ２２１、２２４
アレイ導波路 ２２２
ＡＷＧ ２２３
光路長差調整部 ２２５
半導体レーザアレイ ２３０

Claims (8)

1. 半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子から出力された光と結合する光導波路を有するＰＬＣと、
   が基板上に設けられたハイブリッド集積化光デバイスであって、
   前記ＰＬＣは、前記光導波路を導波する光のフィールド分布を、前記半導体レーザ素子から前記ＰＬＣに光が伝搬する方向及び前記半導体レーザ素子の高さ方向に垂直な方向に関して調整する光フィールド分布調整部を含むことを特徴とするハイブリッド集積化光デバイス。
2. 前記光フィールド分布調整部は、
   前記半導体レーザ素子から出力された光を入力する入力導波路と、
   前記入力導波路を導波する光を０次モード光と１次モード光に分岐する第１の合分波部と、
   前記第１の合分波部で分岐された前記０次モード光を伝搬する第１のアーム導波路と、
   前記第１の合分波部で分岐された前記１次モード光を伝搬する第２のアーム導波路と、
   前記第１及び第２のアーム導波路の少なくとも一方に設けられ、当該アーム導波路を伝搬する光の位相を調整する位相調整部と、
   前記第１及び第２のアーム導波路をそれぞれ導波する光を合波して合波光を前記光導波路に出力する第２の合分波部と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド集積化光デバイス。
3. 前記入力導波路は、前記１次モード光の伝搬を許容するマルチモード導波路であり、０次モード光のみを導波するようにテーパ状に幅が狭まりながら前記第１のアーム導波路と結合していることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド集積化光デバイス。
4. 前記位相調整部は、前記第２のアーム導波路に形成された少なくとも１以上の挿入溝内に樹脂を充填することによって構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のハイブリッド集積化光デバイス。
5. 前記光フィールド分布調整部は、
   前記半導体素子から出力された光を入力する入力側スラブ導波路と、
   前記入力側スラブ導波路に接続された複数のアレイ導波路を有するＡＷＧと、
   前記ＡＷＧに接続され、前記複数のアレイ導波路からそれぞれ出力された光を集光して前記光導波路に出力する出力側スラブ導波路と、
   隣接する前記アレイ導波路の間の光路長差を調整する光路長差調整部と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド集積化光デバイス。
6. 前記光路長差調整部は、前記入力側スラブ導波路、前記ＡＷＧ及び前記出力側スラブ導波路の少なくとも１つに形成された少なくとも１以上の挿入溝内に樹脂を充填することによって構成されていることを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド集積化光デバイス。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のハイブリッド集積化光デバイスがペルチェ素子に搭載されていることを特徴とする装置。
8. 請求項４又は６に記載のハイブリッド集積化光デバイスの製造方法であって、
   前記半導体レーザ素子と前記ＰＬＣとを前記基板上に組み立てた後であって、前記挿入溝に前記樹脂を充填する前に、当該組み立てた光デバイスの出力の温度特性を測定する工程と、
   当該測定した温度特性に基づいて、前記出力が最大となるような屈折率の樹脂を選定する工程と、
   前記樹脂を前記挿入溝に挿入する工程と、
   を含むことを特徴とする製造方法。