JPH0230485B2 - DOHAGATAHIKARIMOJUURUOYOBISONOSEIZOHOHO - Google Patents
DOHAGATAHIKARIMOJUURUOYOBISONOSEIZOHOHOInfo
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Landscapes
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Description
【発明の詳細な説明】
「産業上の利用分野」
本発明は、同一基板上に光導波路と発光素子と
を有する導波形光モジユール、およびその製造方
法に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION "Field of Industrial Application" The present invention relates to a waveguide optical module having an optical waveguide and a light emitting element on the same substrate, and a method for manufacturing the same.
「従来の技術」
光集積回路の実現形態としては、モノリシツク
構成とハイブリツド構成の２つが考えられる。モ
ノリシツク構成とは、発光素子、光導波路および
受光素子をすべて同一の材料（例えば、
InGaAsP系）を用いて同一基板上に形成するも
のである。一方、ハイブリツド構成とは、光導波
路を形成してある基板上に、発光素子、受光素子
を組み込んで光集積回路を構成するものである。
例えば、基板上に光導波路を形成し、導波路端部
に発光素子、受光素子（例えば、InP系、GaAs
系の半導体材料）を設置する。このようなハイブ
リツド光集積回路には、光導波路として、低損失
の極めて良質な材料（例えば、石英系光導波路）
を用いることができるという大きなメリツトがあ
る。これに対して、モノリシツク光集積回路の場
合、光導波路として半導体材料を用いることにな
るが、これらには、大きな吸収損失が存在する。
また、多モード用光回路に適した厚膜導波路は、
半導体材料では形成できないので、ハイブリツド
構成にならざるを得ない。``Prior Art'' There are two possible implementation forms of optical integrated circuits: a monolithic configuration and a hybrid configuration. A monolithic configuration means that the light emitting element, optical waveguide, and light receiving element are all made of the same material (e.g.
It is formed on the same substrate using InGaAsP type). On the other hand, a hybrid configuration is one in which a light emitting element and a light receiving element are incorporated on a substrate on which an optical waveguide is formed to construct an optical integrated circuit.
For example, an optical waveguide is formed on a substrate, and a light-emitting element and a light-receiving element (e.g., InP-based, GaAs
(based on semiconductor materials). Such hybrid optical integrated circuits require extremely high-quality materials with low loss (for example, quartz-based optical waveguides) as optical waveguides.
It has the great advantage of being able to use On the other hand, in the case of monolithic optical integrated circuits, semiconductor materials are used as optical waveguides, but these materials have large absorption losses.
In addition, thick film waveguides suitable for multimode optical circuits are
Since it cannot be formed using semiconductor materials, a hybrid configuration must be used.
「発明が解決しようとする問題点」
ところで、ハイブリツド集積回路を実現するた
めには、同一基板上で光導波路と発光素子とを結
合することが必要である。この場合光導波路と発
光素子の光のスポツトサイズが大きく異なるた
め、光導波路と発光素子との間にレンズを介在さ
せてスポツトサイズの変換を行ない、結合効率を
高める必要がある。しかしながら、これら光導波
路、レンズおよび発光素子を同一基板上に配置す
る上で、これら相互の位置合わせが極めて困難で
あるという問題があり、上記のような同一基板上
で発光素子と光導波路とを高効率結合したハイブ
リツド光集積回路は実現されていない。"Problems to be Solved by the Invention" By the way, in order to realize a hybrid integrated circuit, it is necessary to combine an optical waveguide and a light emitting element on the same substrate. In this case, since the spot size of the light in the optical waveguide and the light emitting element is greatly different, it is necessary to interpose a lens between the optical waveguide and the light emitting element to convert the spot size and increase the coupling efficiency. However, when placing these optical waveguides, lenses, and light emitting elements on the same substrate, there is a problem in that it is extremely difficult to align them with each other. A hybrid optical integrated circuit with high efficiency coupling has not been realized.
「問題点を解決するための手段」
前記問題点を解決するために、本発明の導波形
光モジユールは、光導波路を形成した基板上に、
この光導波路に対してレンズと発光素子とを適正
位置に位置決めするガイドを設けたものであり、
本発明の導波形光モジユールの製造方法は、基板
上に光導波膜を形成した後に、この光導波膜をエ
ツチングすることにより、光導波路とガイドとを
同時に形成し、次いでガイドにレンズと発光素子
とを固定するようにしたものである。"Means for Solving the Problems" In order to solve the above problems, the waveguide type optical module of the present invention includes a substrate on which an optical waveguide is formed.
A guide is provided to position the lens and light emitting element at appropriate positions with respect to the optical waveguide.
In the method for manufacturing a waveguide optical module of the present invention, an optical waveguide film is formed on a substrate, and then the optical waveguide film is etched to simultaneously form an optical waveguide and a guide, and then a lens and a light emitting element are attached to the guide. It is designed to be fixed.
「作 用」
本発明においては、光導波路に対するレンズお
よび発光素子の位置合わせが簡便となり、かつ、
光導波路と発光素子とを高効率で結合することが
できる。"Function" In the present invention, alignment of the lens and the light emitting element with respect to the optical waveguide becomes easy, and
The optical waveguide and the light emitting element can be coupled with high efficiency.
「実施例」
以下本発明を図面に示す実施例に基づいて説明
する。"Embodiments" The present invention will be described below based on embodiments shown in the drawings.
第１図〜第５図は、本発明の第１実施例を示す
ものである。この導波形光モジユールは、基板１
上に、光導波路（チヤネル光導波路）２が形成さ
れるとともに、この光導波路２の端部に光収束用
の球形のレンズ３を介して発光素子（例えばレー
ザダイオード、発光ダイオード）４が対向させら
れ、これらレンズ３および発光素子４の両側の基
板１上にこれらレンズ３および発光素子４の各各
を光導波路２に対して位置決めするレンズ用のガ
イド５および発光素子用のガイド６が設けられて
いる。 1 to 5 show a first embodiment of the present invention. This waveguide optical module has a substrate 1
An optical waveguide (channel optical waveguide) 2 is formed on the top, and a light emitting element (for example, a laser diode, a light emitting diode) 4 is opposed to the end of the optical waveguide 2 via a spherical lens 3 for converging light. A lens guide 5 and a light emitting element guide 6 are provided on the substrate 1 on both sides of the lens 3 and the light emitting element 4 to position each of the lenses 3 and the light emitting element 4 with respect to the optical waveguide 2. ing.
前記光導波路２は、基板１に接するバツフア層
２ａと、この上のコア層２ｂと、さらにその上の
クラツド層２ｃとからなつている。 The optical waveguide 2 is composed of a buffer layer 2a in contact with the substrate 1, a core layer 2b thereon, and a cladding layer 2c further above it.
前記レンズ３の半径ｒは第３図に示す如く、前
記バツフア層２ａの厚さt1とコア層２ｂの厚さt2
の1/2との和に等しい寸法に設定されている。 As shown in FIG. 3, the radius r of the lens 3 is determined by the thickness t 1 of the buffer layer 2a and the thickness t 2 of the core layer 2b.
The dimensions are set equal to the sum of 1/2 of
前記発光素子４は第３図に示す如く、基板１に
接するベース層４ａと、この上の活性層４ｂと、
この上の表面層４ｃとからなつている。そして、
ベース層４ａの厚さt3は前記レンズ３の半径ｒに
等しい寸法に設定されている。すなわち、活性層
４ｂと、レンズ３の中心と、コア層２ｂの中心と
は全て等しい高さとされている。 As shown in FIG. 3, the light emitting device 4 includes a base layer 4a in contact with the substrate 1, an active layer 4b thereon,
It consists of a surface layer 4c on top of this. and,
The thickness t 3 of the base layer 4a is set equal to the radius r of the lens 3. That is, the active layer 4b, the center of the lens 3, and the center of the core layer 2b are all at the same height.
前記レンズ用のガイド５は、第２図に示す如く
レンズ３を光導波路２の長手方向と直交する基板
１と平行な方向に挾んで対向する一対の挾持片５
ａ，５ａからなり、両挾持片５ａの対向面は、レ
ンズ３の半径ｒとほぼ等しい半径ｒで湾曲する円
弧面に形成され、両対向面間の最大相対距離は2r
に設定されている。すなわち、このガイド５は、
レンズ３を、基板１と直交する方向から挿入して
レンズ３を嵌合させることができ、かつ、嵌合状
態においてレンズ３の中心を光導波路２の中心線
（第２図−線）上に保持するとともに、レン
ズ３と光導波路２との間隔d1をレンズ３の焦点距
離に基づいた適正距離に保持するようになつてい
る。 As shown in FIG. 2, the lens guide 5 includes a pair of clamping pieces 5 that face each other and sandwich the lens 3 in a direction parallel to the substrate 1 perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide 2.
a, 5a, and the opposing surfaces of both clamping pieces 5a are formed into circular arc surfaces curved with a radius r that is approximately equal to the radius r of the lens 3, and the maximum relative distance between the two opposing surfaces is 2r.
is set to . In other words, this guide 5 is
The lens 3 can be fitted by inserting it from a direction perpendicular to the substrate 1, and the center of the lens 3 can be placed on the center line of the optical waveguide 2 (line in FIG. 2) in the fitted state. At the same time, the distance d1 between the lens 3 and the optical waveguide 2 is maintained at an appropriate distance based on the focal length of the lens 3.
前記発光素子用のガイド６は、第２図の如く、
前記ガイド５と同一方向に発光素子４を挾んで対
向する一対の挾持片６ａ，６ａからなり、両挾持
片６ａ間の距離は発光素子４の幅寸法Ｗとほぼ等
しい距離に設定されるとともに、両挾持片６ａの
対向面におけるレンズ３側の端部には、突部６ｂ
が形成されている。すなわち、このガイド６は、
発光素子４を基板１と直交する方向、あるいは前
記端部と反対側の端部から挿入して、発光素子４
を嵌合させることができ、かつ、嵌合状態におい
て、発光素子４の幅方向の中心を光導波路２の中
心線上に保持するとともに、発光素子４とレンズ
３との間隔d2をレンズ３の焦点距離に基づいた適
正距離に保持するようになつている。 The guide 6 for the light emitting element is as shown in FIG.
It consists of a pair of clamping pieces 6a, 6a facing each other with the light emitting element 4 in the same direction as the guide 5, and the distance between the clamping pieces 6a is set to be approximately equal to the width dimension W of the light emitting element 4, A protrusion 6b is provided at the end on the lens 3 side of the opposing surface of the both holding pieces 6a.
is formed. That is, this guide 6 is
The light emitting element 4 is inserted in the direction perpendicular to the substrate 1 or from the end opposite to the above-mentioned end.
In the fitted state, the center of the light emitting element 4 in the width direction is held on the center line of the optical waveguide 2, and the distance d2 between the light emitting element 4 and the lens 3 is It is designed to maintain an appropriate distance based on the focal length.
このような導波形光モジユールは、例えば、次
のようにして製造できる。はじめに、第４図に示
す基板１上に光導波膜２′を形成する。この光導
波膜２′はバツフア層２′ａ、コア層２′ｂ、クラ
ツド層２′ｃよりなる３層構造である。本実施例
では、基板１としてシリコン基板を用い、光導波
膜２′として石英系光導波膜を用いた。このよう
なシリコン基板上の石英系光導波膜２′は、例え
ば、SiCl4、TiCl4を原料とする火炎加水分解反応
を利用してスート状のガラスを堆積させ、これを
加熱して透明ガラス化する製作法〔特願昭58−
147378〕により得られる。第４図中符号７は、フ
オトマスクであり、ここに所望の回路パタンが描
かれている。７２はチヤネル光導波路部分、７３
はレンズ用のガイド部分、７４は発光素子用のガ
イド部分である。チヤネル光導波路部分７２は幅
50μm（ミクロンメートル）に設計してある。レン
ズ用のガイド部分７３は挿入するレンズの半径に
合わせて、パタン半径ｒを決める。また、発光素
子用のガイド部分７４の幅も、挿入する発光素子
の幅Ｗに合わせて決定する。さらに、導波路−レ
ンズ−発光素子間の距離が最適になるように、あ
らかじめ判定したレンズの焦点距離を基準とし
て、導波路−レンズ間距離d1およびレンズ−発光
素子間距離d2を決める。このフオトマスク７を用
い、AZレジスト／アモルフアスSiをマスク材と
し、C2F6、C2H4混合ガスをエツチヤントとする
反応性イオンエツチングを行ない、不要部分の石
英系光導波膜２′を除去することにより、第５図
に示す光導波路２、レンズ用のガイド５および発
光素子用のガイド６を有する基板１が形成され
る。しかる後、前記両ガイド５，６に各々レンズ
３、発光素子４を挿入すれば第１図に示すような
導波形光モジユールを製造することができる。 Such a waveguide optical module can be manufactured, for example, as follows. First, an optical waveguide film 2' is formed on the substrate 1 shown in FIG. This optical waveguide film 2' has a three-layer structure consisting of a buffer layer 2'a, a core layer 2'b, and a cladding layer 2'c. In this example, a silicon substrate was used as the substrate 1, and a quartz-based optical waveguide film was used as the optical waveguide film 2'. Such a silica-based optical waveguide film 2' on a silicon substrate is produced by depositing soot-like glass using, for example, a flame hydrolysis reaction using SiCl 4 or TiCl 4 as raw materials, and then heating it to form transparent glass. Manufacturing method [Special application 1988-
147378]. Reference numeral 7 in FIG. 4 is a photomask, on which a desired circuit pattern is drawn. 72 is a channel optical waveguide portion, 73
74 is a guide portion for the lens, and 74 is a guide portion for the light emitting element. The channel optical waveguide portion 72 has a width
It is designed to be 50μm (micrometers). The pattern radius r of the lens guide portion 73 is determined according to the radius of the lens to be inserted. Further, the width of the guide portion 74 for the light emitting element is also determined according to the width W of the light emitting element to be inserted. Furthermore, the waveguide-lens distance d 1 and the lens-light emitting element distance d 2 are determined based on the focal length of the lens determined in advance so that the distance between the waveguide, the lens, and the light emitting element is optimized. Using this photomask 7, reactive ion etching is performed using AZ resist/amorphous Si as a mask material and a mixed gas of C 2 F 6 and C 2 H 4 as an etchant to remove unnecessary portions of the silica-based optical waveguide film 2'. By doing so, a substrate 1 having an optical waveguide 2, a lens guide 5, and a light emitting element guide 6 shown in FIG. 5 is formed. Thereafter, by inserting the lens 3 and the light emitting element 4 into both guides 5 and 6, a waveguide type optical module as shown in FIG. 1 can be manufactured.
つまりこのように構成された導波形光モジユー
ルは、基板１上に設けられたガイド５，６にレン
ズ３および発光素子４を挿入するだけで、レンズ
３、発光素子４を光導波路２に対する適正位置に
位置合わせすることができ、しかも、発光素子４
と光導波路２とを高効率で結合することができ
る。 In other words, the waveguide type optical module configured in this way can be used to position the lens 3 and light emitting element 4 at appropriate positions relative to the optical waveguide 2 by simply inserting the lens 3 and light emitting element 4 into the guides 5 and 6 provided on the substrate 1. In addition, the light emitting element 4
and the optical waveguide 2 can be coupled with high efficiency.
次いで実験例を示して本発明の作用効果をより
明確にする。 Next, experimental examples will be shown to further clarify the effects of the present invention.
本実験例では発光素子４として、ベース層の厚
さがt3＝70μmの端面発光LED（発光ダイオード）
を用いた。発光素子４、レンズ３および光導波路
２の高さを合わせるために、レンズ３として半径
ｒ＝70μmのサフアイア球を用いた。また、石英
系チヤネル光導波路２の各層の厚さはバツフア層
（t1）＝45μm、コア層（t2）＝50μm、クラツド層＝
5μmとした。発光素子４およびレンズ３を組み込
み、発光素子４と石英系チヤネル光導波路２との
結合効率を測定したところ、−10dBという値が得
られた。レンズを用いないで、発光素子４と光導
波路２とを直接結合した場合の結合効率は高々、
−14〜−13dB程度であるので、レンズを組み込
むことにより3dB以上の改善がはかられた。な
お、本実施例において、シリコン基板１は発光素
子４のヒートシンクとなつている。 In this experimental example, the light emitting element 4 is an edge-emitting LED (light emitting diode) with a base layer thickness of t 3 = 70 μm.
was used. In order to match the heights of the light emitting element 4, the lens 3, and the optical waveguide 2, a sapphire sphere with a radius r=70 μm was used as the lens 3. The thickness of each layer of the silica channel optical waveguide 2 is as follows: buffer layer (t 1 ) = 45 μm, core layer (t 2 ) = 50 μm, cladding layer =
It was set to 5 μm. When the light emitting element 4 and the lens 3 were installed and the coupling efficiency between the light emitting element 4 and the silica channel optical waveguide 2 was measured, a value of -10 dB was obtained. When the light emitting element 4 and the optical waveguide 2 are directly coupled without using a lens, the coupling efficiency is at most:
Since it is about -14 to -13 dB, an improvement of more than 3 dB was achieved by incorporating the lens. Note that in this embodiment, the silicon substrate 1 serves as a heat sink for the light emitting element 4.
一方、第６図は本発明の第２実施例を示し、第
１実施例の球形のレンズ３に代えて、円柱状のレ
ンズ８を用いたものである。このようなレンズ８
を使用した場合、光導波路２に対するレンズ８の
軸方向の位置設定は自由であるから、レンズ用の
ガイド９は発光素子用のガイド６との間でレンズ
８を挾持する形状のものでよい。 On the other hand, FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention, in which a cylindrical lens 8 is used in place of the spherical lens 3 of the first embodiment. Lens like this 8
When using the optical waveguide 2, the axial position of the lens 8 with respect to the optical waveguide 2 can be set freely, so the lens guide 9 may be shaped to sandwich the lens 8 between it and the light emitting element guide 6.
また、第７図は、本発明の第３実施例を示し、
第１実施例の球状のレンズ３を発光素子４と光導
波路２とを結ぶ方向に、２個直列に並べた複合レ
ンズ系導波形光モジユールである。 Further, FIG. 7 shows a third embodiment of the present invention,
This is a complex lens type waveguide optical module in which two spherical lenses 3 of the first embodiment are arranged in series in the direction connecting the light emitting element 4 and the optical waveguide 2.
これら第２、第３実施例の導波形光モジユール
のどちらについても、第１実施例と同様の方法で
製造することができ、かつ、レンズ３，８および
発光素子４をガイド５，６，９に挿入するだけで
位置合わせが完了し、かつ、高い結合効率が得ら
れるものである。 Both of the waveguide optical modules of the second and third embodiments can be manufactured by the same method as the first embodiment, and the lenses 3, 8 and the light emitting element 4 are connected to the guides 5, 6, 9. Alignment can be completed simply by inserting it into the holder, and high coupling efficiency can be obtained.
なお、前記実施例では、同一基板上で光導波路
２と発光素子４とを結合する例について説明した
が、発光素子４に代えて受光素子を組み込んでも
よい。また、ガイド５，６，９の形状は実施例に
示したものに限らず、エツチングによつて形成可
能な適宜の形状としてよい。 In the above embodiment, an example was described in which the optical waveguide 2 and the light emitting element 4 are coupled on the same substrate, but a light receiving element may be incorporated in place of the light emitting element 4. Further, the shapes of the guides 5, 6, and 9 are not limited to those shown in the embodiments, but may be any suitable shape that can be formed by etching.
「発明の効果」
以上説明したように、本発明によれば、基板上
の光導波路に対して、レンズおよび発光素子を最
適位置に位置決めするガイドを基板上に設け、こ
のガイドにレンズおよび発光素子を固定するよう
にしたので、レンズおよびガイドの位置合わせが
簡便となつて組み立て作業性が向上するととも
に、光導波路と発光素子とを高効率で結合するこ
とができ、同一基板上で発光素子と光導波路とを
一体化したハイブリツド光集積回路の実現が可能
となるものである。"Effects of the Invention" As explained above, according to the present invention, a guide for positioning the lens and the light emitting element at optimum positions with respect to the optical waveguide on the substrate is provided on the substrate, and the lens and the light emitting element are attached to the guide. This makes it easier to align the lens and guide, improving assembly workability, and allows for highly efficient coupling of the optical waveguide and light emitting element, allowing both the light emitting element and the light emitting element to be connected on the same substrate. This makes it possible to realize a hybrid optical integrated circuit that integrates an optical waveguide.
第１図〜第５図は本発明の一実施例を示し、第
１図は斜視図、第２図は平面図、第３図は第２図
の−線矢視図、第４図および第５図は製造方
法を説明する斜視図、第６図および第７図は各々
本発明の第２、第３実施例を示す斜視図である。
１……基板、２……光導波路、２ａ……バツフ
ア層、２ｂ……コア層、２′……光導波膜、３，
８……レンズ、４……発光素子、４ａ……ベース
層、４ｂ……活性層、５，６，９……ガイド、
d1，d2……間隔、t1，t2，t3……厚さ、ｒ……半
径。
1 to 5 show one embodiment of the present invention, in which FIG. 1 is a perspective view, FIG. 2 is a plan view, FIG. 3 is a view taken along the - line in FIG. 2, and FIGS. FIG. 5 is a perspective view explaining the manufacturing method, and FIGS. 6 and 7 are perspective views showing the second and third embodiments of the present invention, respectively. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Substrate, 2... Optical waveguide, 2a... Buffer layer, 2b... Core layer, 2'... Optical waveguide film, 3,
8... Lens, 4... Light emitting element, 4a... Base layer, 4b... Active layer, 5, 6, 9... Guide,
d 1 , d 2 ... spacing, t 1 , t 2 , t 3 ... thickness, r ... radius.
Claims (1)
の光導波路の端部にレンズを介して発光素子が結
合されてなる導波形光モジユールであつて、前記
基板上にはレンズおよび発光素子を光導波路に対
する適正位置に位置決めするガイドが設けられた
ことを特徴とする導波形光モジユール。 ２ 前記基板はシリコン基板であり、かつ、光導
波路は石英系光導波路であることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の導波形光モジユール。 ３ 基板上に光導波路が形成されるとともに、こ
の光導波路の端部にレンズを介して発光素子を結
合してなる導波形光モジユールの製造方法におい
て、前記基板上に光導波膜を形成した後、この光
導波膜をエツチングすることにより、光導波路と
この光導波路に対する適正位置にレンズおよび発
光素子を位置決めするガイドとを形成し、しかる
後に、このガイドにレンズおよび発光素子を固定
することを特徴とする導波形光モジユールの製造
方法。 ４ シリコン基板上に石英系光導波膜を形成した
後、反応性イオンエツチングによつて光導波路と
ガイドとを形成することを特徴とする特許請求の
範囲第３項記載の導波形光モジユールの製造方
法。[Scope of Claims] 1. A waveguide type optical module in which an optical waveguide is formed on a substrate and a light emitting element is coupled to the end of the optical waveguide via a lens, and a waveguide type optical module comprising a guide for positioning the light emitting element at an appropriate position relative to the optical waveguide. 2. The waveguide type optical module according to claim 1, wherein the substrate is a silicon substrate, and the optical waveguide is a quartz-based optical waveguide. 3. In a method for manufacturing a waveguide optical module in which an optical waveguide is formed on a substrate and a light emitting element is coupled to the end of the optical waveguide via a lens, after forming an optical waveguide film on the substrate. , by etching the optical waveguide film, an optical waveguide and a guide for positioning the lens and the light emitting element at appropriate positions with respect to the optical waveguide are formed, and then the lens and the light emitting element are fixed to the guide. A method for manufacturing a waveguide optical module. 4. Manufacture of a waveguide optical module according to claim 3, characterized in that after forming a quartz-based optical waveguide film on a silicon substrate, an optical waveguide and a guide are formed by reactive ion etching. Method.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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