JPH04238327A - 半導体モジュール付き光回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体モジュール付き光
回路に関し、特に、光通信用部品分野で利用価値の高い
平面型光導波路に用いて好適である。

【０００２】

【従来の技術】石英ガラス基板やシリコン基板上に形成
可能な石英系ガラス光導波路は、石英系ファイバとの整
合性がよいことから実用的な導波形光部品の実現手段と
して研究開発が進められている。一般に石英系光導波路
では、シリコン基板上にアンダークラッド層の堆積をし
た後、次いでコア層堆積をし、次いでコアエッチングを
した後、オーバークラッドの堆積を順次行うことにより
コア・クラッド構造が構成されている。また、石英系導
波路では損失が低い、加工性がよいなどの特徴があり、
ＮＸＮ分岐光回路などの受動型部品を構成するうえでは
非常に有用である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＮＸＮ分岐光回路などの受動型部品では半導体などを用
いた導波路に比べて、光や電気により信号光を制御する
ことは困難であり、高速の光スイッチ、光アンプ、変調
器、発光素子などの能動型光部品を構成することはでき
ないという欠点があった。

【０００４】本発明は上記問題に鑑み、従来の石英系ガ
ラス導波路では困難であった能動型部品の構成を可能と
した半導体モジュール付き光回路を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係る半導体モジュール付き光回路の構成は、平面基
板上において光が伝搬するコア部と該コア部の回りに形
成されたクラッド部とからなる石英系ガラス光導波路に
おいて、半導体アンプとこの半導体アンプを介して相対
向して光学的に結合した２本の先球ファイバの先端部と
を固定用モジュールで固定した半導体モジュールを形成
する一方、上記石英系ガラス光導波路中に、固定用モジ
ュールを埋込むモジュール埋込み部と、このモジュール
埋込み部を介して先球ファイバのファイバ径と同一又は
それ以上の径を有する２本のファイバガイド溝とを形成
し、上記半導体モジュールの２本の先球ファイバと固定
用モジュールとを、２本のファイバガイド溝とモジュー
ル埋込み部とに埋込むと共に、先球ファイバの他端部と
光導波路とを接続して光学的に結合してなることを特徴
とする。

【０００６】

【作用】屈折率の互いに異なる半導体アンプと石英系光
導波路とを結合するに際し、半導体アンプと、該半導体
アンプを介して相対向して設けられた先球ファイバとを
有する半導体モジュールを、石英系ガラス光導波路中に
形成したファイバガイド溝及びモジュール埋込み部に埋
め込むことにより、光学的に高精度に結合させる。これ
により、光や電気により信号光を制御する能動型光部品
を形成することが可能となる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面を参照し
て詳細に説明する。

【０００８】図１は本実施例に係る半導体モジュール付
き光回路の半導体アンプモジュールと石英系光導波路と
の結合構造を示す概略図であり、図２はこの半導体モジ
ュール付き光回路を有する１×４光分岐器の概略図であ
る。

【０００９】これらの図面に示すように、シリコン平面
基板１１上には、光が伝搬するコア部１２と該コア部１
２の回りに形成されたクラッド部１３とからなる石英系
ガラス光導波路１４が形成されている。この石英系ガラ
ス光導波路１４は、本実施例においては枝分岐部１４ａ
が三箇所設けられており、最終的には４本の光導波路１
４を形成し、光を分波するようにしている。

【００１０】この石英系ガラス光導波路１４の導波路上
には、二箇所の半導体モジュール１５を埋込むモジュー
ル埋込み部１６が形成されていると共に、このモジュー
ル埋込み部１６には各々該埋込み部を介して相対向する
ファイバガイド溝１７が光導波路１４の軸方向と同方向
に各々設けられている。上記ファイバガイド溝１７はそ
の溝径ｄをファイバ１８と同一径またはそれ以上の径と
している。

【００１１】一方、上記半導体モジュール１５は半導体
アンプ１９とこの半導体アンプ１９を介して光学的に結
合した２本の先球ファイバ１８の先端部１８ａとを固定
用モジュール２０で固定して形成してなるものである。 尚２１はヒートシンクを図示している。そして、この半
導体モジュール１５の先球ファイバ１８と固定用モジュ
ール２０とを、上記形成したファイバガイド溝１７とモ
ジュール埋込み部１６とに各々埋込むと共に、先球ファ
イバ１８の他端面部１８ｂと分断した光導波路１４の各
々の端面部１４ａとを光接続用のポリマー接着剤２２を
用いて接続している。

【００１２】上記光接続用のポリマー接着剤２２として
は例えば紫外線硬化型のフッ素添加アクリル系樹脂の他
にポリシロキサン、ポリイミド等の熱硬化型樹脂を用い
てもよい。

【００１３】次にこの光回路の製造手順の概略を説明す
る。先ず、半導体アンプ１９とこの半導体アンプ１９を
介して相対向して光学的に結合した２本の先球ファイバ
１８の先端部１８ａとを固定用モジュール２０で固定し
た半導体モジュール１５を形成する。一方、平面状のシ
リコン基板１１上に光が伝搬するコア部１２と該コア部
１２の回りに形成されたクラッド部１３とからなる石英
系ガラス光導波路１４を形成し、次いで該石英系ガラス
光導波路１４の導波路中に固定用モジュール埋込み部１
６と２本のファイバガイド溝１７とを形成する。その後
、半導体モジュール１５の２本の先球ファイバ１８，１
８と固定用モジュール２０とを上記形成したファイバガ
イド溝１７と固定用モジュール埋込み部１６とに埋め込
むと共に、先球ファイバ１８の他端面部１８ｂと上記分
断した光導波路１４の端面部１４ａとを光接続用のポリ
マー接着剤２２を介して各々接続して光学的に結合し、
半導体モジュール付き光回路を形成する。

【００１４】次に、この光回路の具体的な一例を説明す
る。本具体例では、まず、通常の方法でシリコン基板１
１上にガラス導波路１４による１Ｘ４分波回路を作製し
た。次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により分
波器導入部の導波路１４上にファイバガイド溝１７を形
成した。該ファイバガイド溝１７の幅は１２６μｍ、長
さ８ｍｍとした。また、半導体モジュール１５を埋め込
むためのモジュール埋込み部１６は機械加工により作製
した。一方、先球ファイバ１８をファイバガイド溝１７
の長さに合わせて切断し、先球ファイバ１８と半導体モ
ジュール１５を、加工したモジュール埋込み部１６及び
該ファイバガイド溝１７内に設置した。先球ファイバ１
８と光導波路１４との接続には、光接続用のポリマー接
着剤（ＵＶキュアーポリマー接着剤）２２を用い、接続
点の反射率を下げた。本構造における利点は、ファイバ
ガイド溝１７を用いているためほとんど接続の際の微調
なしで光導波路とファイバの低損失接続が可能なことで
ある。

【００１５】作製した分波器の特性を調べた。単一モー
ド光ファイバを用いて分波器に光を入射し、４つのポー
トからの出力を光ファイバにより測定した。２個の半導
体アンプを６０ｍＡで駆動した場合に、全結合損失を含
めて４ポートからの出力は平均５ｄＢの増幅された。こ
れにより本発明の有効性が確認された。

【００１６】このように本発明では、屈折率の異なる半
導体部品と石英系光導波路の結合に関して先球ファイバ
１８とファイバガイド溝１７を用いることを最も主要な
特徴とするので、■ファイバと石英系導波路の位置合わ
せを高精度かつ簡便に行うことが可能であると共に、■
ファイバと半導体レーザやアンプとの結合が高効率であ
るなどの利点がある。

【００１７】実施例２ 本実施例では、非線形サグナック効果を応用した半導体
モジュール付き導波路型光スイッチを作製した。図３は
、本実施例において作製した光スイッチの構成を示す図
であって、１１はシリコン基板、１７はガイド溝、１５
は半導体モジュール本体、３０は方向性結合器、３１は
導波路ループである。方向性結合器３０は波長１．３μ
ｍで分岐非９：１、１．５５μｍで１：１のものである
。 半導体アンプ１９は１．３μｍ帯のものを用いた。半導
体モジュール１５と石英系光導波路１４の結合部分は実
施例１と同じとしており、同部材については同符号を付
してその説明は省略する。

【００１８】非線形サグナック効果を応用した増幅器付
き光スイッチの原理は以下の通りである。ポートＡから
信号光と制御光を入射する。その際、信号強度は十分に
弱いものとする。信号光は方向性結合器３０で１：１に
分岐され、ループを一周した後再び方向性結合器３０で
合波され干渉する。制御光がない場合には、右回りと左
回りの信号光は完全に同じ導波路１４を伝搬してくるの
で両者の間に位相差はなく干渉して信号光はポートＡに
帰る。

【００１９】一方、十分強度の高い制御光が信号光に同
期されて入射するとする。制御光はほとんどポートＣの
みに伝搬しすぐに半導体モジュール１５内の半導体アン
プ１９で増幅される。増幅された制御光はループを伝搬
する間に大きな非線形効果（相互位相変調）を誘起し、
ポートＣから伝搬した信号光のみに位相変調を生じさせ
る。その結果、ポートＣとＤから出た信号光の間には位
相差が生じ、方向性結合器３０における干渉条件が、制
御光がない場合とは異なることになる。位相差がπであ
る時は信号光の出力はポートＢだけに出ることになり光
スイッチとして動作する。この際、スイッチとして動作
する光パワーの閾値は次式「数１」で与えられる。

【００２０】

【数１】

【００２１】ここで、上記「数１」において、λは制御
光の波長、Ａｅｆｆはコアの有効断面積、Ｌはループの
長さ、ｎ２　はコアの非線屈折率、ｇは増幅器の増幅率
である。

【００２２】本実施例では、４インチシリコン基板上に
長さ１ｍ、コアサイズ３×３μｍの導波路ループを作製
した。半導体アンプの増幅率を１５ｄＢとした場合、ｎ
２　として石英ガラスの値４×１０−２０　ｍ２　／Ｗ
を用いるとＰｔｈは５Ｗ程度になる。

【００２３】実際に半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレー
ザ（Ｑ−スイッチ）を制御光、１．５５μｍ半導体レー
ザパルスを信号光に用いて、作製した光回路のスイッチ
動作特性を調べた。半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレー
ザはパルス幅２０ｎｅｓｃ、繰り返し１ｋＨｚ　、ピー
ク強度１００Ｗのものを用いた。このレーザパルスを可
変減衰器を介して作製した光スイッチに入射した。制御
光ピーク強度８Ｗにおいて図４（Ａ）　〜（Ｃ）　に示
すようにスイッチング動作することを確認した。

【００２４】実施例３ 本実施例では、半導体モジュールを導波路に結合し外部
共振型レーザを作製した。図５は、本実施例において作
製した外部共振型半導体レーザの構成図であって、１１
はシリコン基板、１４はコア部１２とクラッド部１３と
からなる導波路、１７はガイド溝、１５は半導体アンプ
モジュール本体、１９は１．５５μｍ帯半導体アンプ、
２１はヒートシンク、４０は導波路上に形成したグレー
ティング、４１は金属製ヒータである。半導体アンプモ
ジュール１５の先球ファイバ１８と石英系導波路１４の
結合構成は実施例１と同じとし、同部材には同符号を付
してその説明は省略する。また、半導体にはＩｎＰ系を
用いた。

【００２５】次に作製手順を説明する。まず、通常の方
法でシリコン基板１１上に直線ガラス導波路（コアサイ
ズ８×８μｍ、屈折率差０．２９％）を作製した。次に
、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により２個のグレ
ーティング４０を形成した。このグレーティング４０の
特性は中心波長１．５５μｍ半値幅０．８ｎｍであった
。グレーティング４０の中心波長をコントロールするた
めにグレーティング近傍に金属製ヒータ４１を蒸着した
。半導体モジュール１５を埋め込む方法は実施例１と同
じとした。ただし、ファイバと導波路の接続には光接続
用ＵＶキュアーポリマー接着剤を用いたうえに、接続点
の反射率を下げるためにファイバ端面および導波路端面
には反射防止膜を蒸着した。反射率を下げるためにファ
イバ端面および導波路端面には反射防止膜を蒸着した。

【００２６】作製したレーザの特性を調べた。測定した
半導体レーザのスペクトルから波長幅として約１００ｋ
Ｈｚ　が得られた。また、ヒータに電圧を印可すること
により導波路の屈折率を変化させ、グレーティングの中
心波長を制御した。それによりレーザ発振波長を１．５
３〜１．５７μｍまで可変にすることができた。以上の
結果により本発明により波長可変狭帯域レーザの構成が
可能であることを示した。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば高
精度かつ簡便に半導体部品と石英系光導波路を結合する
ことができるので、石英系光導波路を用いた光回路の適
用範囲を拡大することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１で作製した半導体アンプモジュールと
石英系導波路の結合部分の構成図である。

【図２】実施例１で作製した１×４光分波器の構成図で
ある。

【図３】実施例２において作製した光スイッチの構成図
である。

【図４】実施例２において作製した光スイッチの動作を
示す図である。

【図５】実施例３において作製した外部共振型半導体レ
ーザの構成図である。

【符号の説明】

１１　　シリコン平面基板 １２　　コア部 １３　　クラッド部 １４　　石英系ガラス光導波路 １５　　半導体モジュール １６　　モジュール埋込み部 １７　　ファイバガイド溝 １８　　先球ファイバ １９　　半導体アンプ ２０　　固定用モジュール ２１　　ヒートシンク ２２　　接着剤 ３０　　方向性結合器 ３１　　導波路ループ ４０　　グレーティング ４１　　金属性ヒータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　平面基板上において光が伝搬するコア
   部と該コア部の回りに形成されたクラッド部とからなる
   石英系ガラス光導波路において、半導体アンプとこの半
   導体アンプを介して相対向して光学的に結合した２本の
   先球ファイバの先端部とを固定用モジュールで固定した
   半導体モジュールを形成する一方、上記石英系ガラス光
   導波路中に、固定用モジュールを埋込むモジュール埋込
   み部と、このモジュール埋込み部を介して先球ファイバ
   のファイバ径と同一又はそれ以上の径を有する２本のフ
   ァイバガイド溝とを形成し、上記半導体モジュールの２
   本の先球ファイバと固定用モジュールとを、２本のファ
   イバガイド溝とモジュール埋込み部とに埋込むと共に、
   先球ファイバの他端部と光導波路とを接続して光学的に
   結合してなることを特徴とする半導体モジュール付き光
   回路。