JPH05243553A - 面入出力型光素子の実装方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数の面入出力型光素子からなる空間結線装
置を容易に実現する。また、空間結線装置の小型化、位
置合わせの簡略化、精度向上、生産性の向上を実現す
る。 【構成】 面入出力型光素子を複数個を並列に配列して
構成される光空間結線装置において、単結晶基板上に、
複数の前記面入出力型光素子基板を挿入して固定する所
定の溝幅と所定の配設間隔で設けられる位置設定用溝を
異方性エッチングにより複数形成し、前記面入出力型光
素子基板を、前記位置設定用溝にそれぞれ垂直に挿入し
て固定する。また、別の第２単結晶基板に、２つの前記
第１単結晶基板を挿入して固定する所定の溝幅と所定の
間隔で設けられる位置設定用溝を異方性エッチングによ
り２つ形成し、２つの第１単結晶基板を、第２単結晶基
板に設けられた第２位置設定用溝にそれぞれ垂直に挿入
して固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空間伝播光を用いて光
回路間あるいは光電子集積回路間の信号伝送を行う光空
間結線装置の実装技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】集積回路の集積度の向上や高速化が進む
につれ、集積回路間を結ぶ結線部での伝播遅延や多重反
射、あるいは結線密度が問題となっている。これらの問
題を解決する方法として空間伝播光を用いて集積回路間
の信号伝送を行う光空間結線が検討されている。光は高
速、広帯域、無誘導、高密度など結線媒体として優れた
性質を持っている。これらの特徴を有効に利用すれば、
前述の問題を解決できる可能性がある。一方、光の持つ
これらの特徴を最大限に活かす技術として光空間結線を
用いた多段スイッチ網の検討もなされている。

【０００３】図６は、多段スイッチ網の構成例として文
献「”Rearrangeable multichannelfree-space optical
switch using polarization multiplexing techniqu
e,”Electronics Letters,26巻17号1325頁」に開示され
ている多段スイッチ網の構成を示す展開図である。図６
において、９はレンズアレイと光ファイバからなる入力
ポート、１０１〜１０４は入力光の偏光面を回転させる
液晶光スイッチ、１１１，１１２は複屈折板であり、半
波長板を組み合わせて作られたルーティング素子であ
る。１２はレンズアレイと出力光ファイバからなる出力
ポートである。

【０００４】入力ポート９は、単一偏光面（互いに直行
する偏光、ｓ偏光、ｐ偏光のうちいずれか一方の偏光
面）を有する複数の信号光ビーム（図６では４×４に二
次元配列された１６本の光ビーム）を自由空間に出射す
る。液晶光スイッチ１０１〜１０４は、個々の信号光ビ
ームの偏光面を外部からの制御により９０度回転させる
か、偏光面を回転させることなく通過させるかを選択す
る機能を有する。ルーティング素子１１１，１１２は、
個々の信号光ビームの偏光面がｐ偏光の場合は、そのま
ま通過させ、ｓ偏光の場合は信号光ビームの出射位置を
シフトする。出力ポート１２は、個々の光ビームをレン
ズを介して出力ファイバに結合する機能を有する。

【０００５】複数の前記液晶光スイッチ１０１〜１０４
と、ビームシフト量の異なる複数の前記ルーティング素
子１１１，１１２とを交互に配列し、その両側に前記入
出力ポート９，１２を配置することにより、任意の入力
ポート９から出射された信号光ビームを、外部からの制
御により任意の出力ポート１２へ出力する多段光スイッ
チが構成される。このような構成を有する多段光スイッ
チは、高スループット化、多端子化が容易という利点を
有する。

【０００６】前記の光空間結線を用いた多段光スイッチ
において、レンズアレイ、液晶光スイッチアレイは、各
素子（レンズ、液晶光スイッチ素子等）を基板上に二次
元配列して構成され、光信号の入出力は基板に対して垂
直方向に空間的に行われる。

【０００７】従来、このような光空間結線を構成する場
合、個々のアレイ素子は個別に位置調整が可能な治具に
取り付けられ、この位置調整機能を用いてアレイ素子同
士が正確に対向するように位置合わせを行うことにより
形成されていた。そのため、装置が大がかりになる、微
調軸は最大６つの軸があり、これらを正確に位置合わせ
するために多大な時間を要し、装置の生産性が低く大量
生産に向かないといった問題があった。

【０００８】一方、光素子を実装する方法として、シリ
コン基板上に異方性エッチングにより形成された溝を利
用するものがある。異方性エッチングとは、エッチング
速度が結晶方位により異なる性質を利用して溝を形成す
るものであり、縦横比が大きく側面が垂直な溝や、結晶
方位同士の角度できまる角度を有するＶ溝を精度良く容
易に形成できる。図７は、異方性エッチングにより形成
されたＶ溝を光素子の実装に用いた例を説明するための
図である。図７において、３０はシリコン基板、３１は
異方性エッチングにより形成されたＶ溝、３２は光ファ
イバ、３３は光ファイバのコア、３４は光導波路基板、
３５は光導波路である。光導波路端面と光ファイバのコ
アの高さがそれぞれ一致するようにあらかじめ設計さ
れ、シリコン基板３０上に形成されたＶ溝３１に、光フ
ァイバ３２を固定し、シリコン基板３０と光導波路基板
３４とを接着することにより、光ファイバ３２と光導波
路の結合を実現するものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図７に示すように、従
来、シリコンの異方性エッチングを利用して作成された
溝を光素子の実装に用いる場合には、溝に沿って光素子
（ここでは光ファイバ）を挿入していた。そのため、シ
リコンの異方性エッチングを光回路構成に適用する場合
には、光導波路同士の結合などの光回路に限られ、光空
間結線装置のような面入出力型光素子を実装する回路に
対しては適用が困難であった。

【００１０】発明は、前記問題点を解決するためになさ
れたものであり、本発明の目的は、複数の面入出力型光
素子からなる空間結線装置を容易に実現することが可能
な技術を提供することにある。

【００１１】本発明の他の目的は、空間結線装置の小型
化、位置合わせの簡略化、精度向上、生産性の向上を実
現することが可能な技術を提供することにある。

【００１２】本発明の前記ならびにその他目的及び新規
な特徴は、本明細書の記載及び添付図面によって明らか
になるする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の（１）の手段は、基板に対し垂直方向に光
入出力を行う面入出力型光素子を並列に複数個配設して
構成される光空間結線装置において、エッチング異方性
を有する単結晶基板上に、複数の前記面入出力型光素子
基板を挿入して固定する所定の溝幅と所定の配設間隔で
設けられる複数の位置設定用溝を異方性エッチングによ
り形成し、前記面入出力型光素子基板を、前記位置設定
用溝にそれぞれ垂直に挿入して固定することを最も主要
な特徴とする。

【００１４】本発明の（２）の手段は、基板に対し垂直
方向に光入出力を行う面入出力型光素子を並列に複数個
配設して構成される光空間結線装置において、エッチン
グ異方性を有する単結晶基板上に、複数の前記面入出力
型光素子基板を挿入して固定する所定の溝幅と配設間隔
で設けられる複数の第１位置設定用溝を異方性エッチン
グにより形成した２つの第１単結晶基板と、該２つの第
１単結晶基板が互いに対向させ、前記面入出力型光素子
基板を、前記２つの第１単結晶基板のそれぞれの第１位
置設定用溝に垂直に挿入して固定し、別の第２単結晶基
板に、前記２つの第１単結晶基板を挿入して固定する所
定の溝幅と所定の間隔で設けられる２つの位置設定用溝
を異方性エッチングにより形成し、前記２つの第１単結
晶基板を、前記別の第２単結晶基板に設けられた第２位
置設定用溝にそれぞれ垂直に挿入して固定することを特
徴とする。

【００１５】前記エッチング異方性を有する第１又は第
２単結晶基板は、シリコン単結晶基板であることが好ま
しい。

【００１６】

【作用】前述の手段によれば、基板に対し垂直方向に光
入出力を行う面入出力型光素子を複数個並置して構成さ
れる光空間結線装置において、これらの面入出力素子
を、エッチング異方性を有する単結晶基板を用いて形成
した配置位置設定用溝に垂直に挿入して固定することに
より、三次元構造の光空間結線装置を微調整無しに高い
素子間位置精度で形成することができる。これにより、
三次元構造の光空間結線装置の作成を簡略化するととも
に、装置の大量生産を行うことができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。

【００１８】〔実施例１〕図１は、本発明の実施例にか
かる異方性エッチングを用いて単結晶基板上に選択的に
溝を形成する方法を説明するための図であり、エッチン
グ異方性を有する物質としてシリコン単結晶を用いた場
合の一実施例である。

【００１９】図１において、１は表面が（１１０）面に
なっているシリコン単結晶、２はフォトリソグラフィー
によりパターン化されたマスクであり、ＳｉＯ₂膜ある
いはＳｉ₃Ｎ₄膜からなっている。３は異方性エッチング
により形成された溝である。

【００２０】一般に、シリコン単結晶１を選択的にエッ
チングする場合、適当なエッチング液を用いることによ
り、結晶方位ごとに異なるエッチング速度が得られる。
例えば、エッチング液としてＫＯＨ水溶液を用いた場合
には、シリコン結晶の（１００）面と（１１１）面との
エッチング速度比は４００に達する。このように、エッ
チング速度が結晶方位により異なる性質は良く知られて
おり、異方性エッチングと呼ばれている。このようなパ
ターン化されたマスクは、現在の集積回路製造技術を用
いれば、１ミクロン以下の精度で容易に形成できる。

【００２１】図１（ａ）に示すシリコン単結晶１を、エ
ッチング液（例えば、ＫＯＨ水溶液）に浸すと、図１
（ｂ）に示すように、マスク２で被われていない結晶表
面が侵食され溝が形成される。このとき、（１１０）面
のエッチング速度が、（１１１）面のエッチング速度に
比べて極めて速いために、マスク２の下部が侵食される
ことなく、側面が垂直で縦横比の大きい溝３を容易に形
成できる。溝３の深さは、エッチング液にシリコン単結
晶１を浸す時間により調整でき、１ミクロンオーダーの
精度が実現できる。そして、図１（ｃ）に示すように、
エッチングを行った後にマスクを除去して第１シリコン
単結晶基板４が作成される。この第１シリコン単結晶基
板４は、例えば、アレイデバイスを固定するためのアレ
イデバイス固定用治具等として用いられる。 以上説明
したように、異方性エッチングを用いれば、側面が垂直
で、縦横比の大きい溝３をミクロンオーダーの精度で容
易に形成できる。また、シリコン単結晶１として、現在
の半導体製造で使われている８インチウェーハーを用い
ることを考えると、１０〜２０センチ角程度の基板に、
数ミリの深さを有する溝を形成することが可能である。

【００２２】図２は、本発明の面入出力型光素子の実装
方法の実施例１を説明するための図であり、エッチング
異方性を有する物質としてシリコン単結晶を用いた場合
の一実施例である。図２において、２０はシリコン単結
晶基板、２１１〜２１３は異方性エッチングにより形成
した基板配設位置設定用溝（以下、単に配設位置設定用
溝という）であり、シリコン単結晶１上に面発光素子ア
レイ基板２２，レンズアレイ基板２４及び光ファイバア
レイ固定用基板２６を所定位置に並列に配設して固定す
るためのものである。２２は面発光素子アレイ基板、２
３１，２３２は面発光素子、２４はレンズアレイ基板、
２５１，２５２はレンズ、２６は光ファイバアレイ固定
用基板、２７１，２７２は光ファイバである。

【００２３】前記シリコン単結晶基板２０上の配設位置
設定用溝２１１〜２１３は、フォトリソグラフィ技術を
用いて面発光素子アレイ基板２２，レンズアレイ基板２
４及び光ファイバアレイ固定用基板２６のそれぞれの厚
さより少し大きい目の幅Ｄ（面発光素子アレイ基板２
２，レンズアレイ基板２４及び光ファイバアレイ固定用
基板２６が垂直に挿入できる程度の幅）で、面発光素子
２３１，２３２の出力光がそれぞれレンズ２５１，２５
２を介して光ファイバ２７１，２７２へ結合されるよう
にあらかじめ設計された間隔Ｌで形成される。ここで、
面入出力型光素子実装時の傾きをθ（微小角）とする
と、θ＝ｄ／ｈ（ｈ：位置設定用溝の深さ、ｄ：光素子
挿入時の光素子と配設位置設定用溝との隙間幅）の関係
がある。従って、例えば、ｄ＝２μｍの時、θを０．０
０１以下にするためにはｈ＞２ｍｍとする必要がある。
このような幅Ｄ、間隔Ｌを有する溝は、現在の半導体製
造技術を用いればミクロンオーダーの精度で形成可能で
ある。

【００２４】そして、図２に示すように、形成された配
設位置設定用溝２１１〜２１３のそれぞれに面発光素子
アレイ基板２２，レンズアレイ基板２４及び光ファイバ
アレイ固定用基板２６を垂直に挿入し、固定して光空間
結線装置が形成される。面発光素子アレイ基板２２上の
面発光素子２３１，２３２から出力された光は、対向す
るレンズアレイ基板２４上のレンズ２５１，２５２によ
り光ファイバアレイ固定用基板２６上の光ファイバ２７
１，２７２の端面へそれぞれ結合される。このように異
方性エッチングにより形成した配設位置設定用溝２１１
〜２１３を有するシリコン単結晶１を用いて光学系を構
成することにより、各基板上に二次元配列された光素子
（ここでは、面発光素子、レンズ、光ファイバ）のそれ
ぞれを他の基板上の光素子と高い位置精度で容易に結合
できる。また、溝形成法は、従来の半導体製造技術をそ
のまま用いることができるので、大量生産を行うことが
できる。

【００２５】〔実施例２〕図３〜図５は、本発明の面入
出力型光素子の実装方法の実施例２を説明するための図
である。図３〜図５において、４は第１シリコン単結晶
基板、５１，５２，５４，５５，５７，５８は、アレイ
デバイス基板１０１，１０２，１０３，１０４及び光フ
ァイバアレイ固定用基板２６（入出力ポート９，１２）
をそれぞれ挿入して固定するための異方性エッチングに
より形成された第１配設位置設定用溝、５３，５６はル
ーティング素子１１１，１１２をそれぞれ挿入して固定
するための第２配設位置設定用溝、６は第２シリコン単
結晶基板、７１、７２は第１シリコン単結晶基板４を固
定するための第３配設位置設定用溝、８は入力光ファイ
バアレイ、１３は出力光ファイバアレイである。

【００２６】図３は、アレイデバイスを固定するための
治具の構成を示す図であり、アレイデバイス基板の厚
さ、アレイデバイス間隔からあらかじめ設計された幅、
深さ、間隔を有する複数の第１配設位置設定用溝５１，
５２，５４，５５，５７，５８及び第２配設位置設定用
溝５３，５６が異方性エッチングによりミクロンオーダ
ーの精度で形成されている。

【００２７】図４は、図３に示す第１シリコン単結晶基
板４（アレイデバイス固定用治具）の大きさに合わせた
第１シリコン単結晶基板４の第３配設位置設定用溝７
１，７２をシリコン単結晶上に形成した第２シリコン単
結晶基板６の構成を示す図である。

【００２８】図５は、図３に示す第１シリコン単結晶基
板４（アレイデバイス固定用治具）と図４に示す第２シ
リコン単結晶基板６とを組み合わせて一つの光空間結線
装置を構成した図であり、光空間結線装置として多段ス
イッチを構成した場合の一実施例である。

【００２９】前記第２シリコン単結晶基板６上に形成さ
れた２つの第３配設位置設定用溝（治具固定用溝）７
１、７２に、前記２つの第１シリコン単結晶基板４を互
いに向き合うようにはめ込む。更にアレイデバイス基板
１０１，１０２，１０３，１０４（液晶光スイッチ），
光ファイバアレイ固定用基板２６（入出力ポート９，１
２）及びルーティング素子１１１，１１２をそれぞれ異
方性エッチングにより形成された第１配設位置設定用溝
５１，５２，５４，５５，５７，５８及び第２配設位置
設定用溝５３，５６に順次はめ込んでゆく。

【００３０】以上説明した手法により、多段光スイッチ
を構成すれば、単にアレイデバイスを第１〜３配設位置
設定用溝にはめ込んで行くだけで、各アレイデバイスを
所望の位置、間隔にミクロンオーダーの精度で固定する
ことができる。従って、装置組み立て時の位置調整が不
要となり組み立て時間が大幅に短縮されると同時に、ア
レイ素子の微調整機構が不要となるため装置の小型一体
化が可能となる。

【００３１】また、溝の形成には集積回路製造技術をそ
のまま使用できるので治具の大量生産が可能である。

【００３２】本実施例２は、溝の深さに比べてアレイ素
子の大きさが著しく大きい（数センチ角程度）場合でも
容易に実現可能である。前記実施例１の場合には、素子
の傾きを小さくするために、深い配設位置設定用溝を形
成する必要があるが、本実施例２では、面入出力光素子
基板の両側面を支持する構造のため、配設位置設定用溝
の深さに関係なく高い精度で素子基板の垂直を保てると
いう利点を有する。

【００３３】以上、本発明を実施例に基づき具体的に説
明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更し得
ることはいうまでもない。

【００３４】例えば、前記本実施例１及び２では、多段
光スイッチを構成した場合について説明したが、本発明
は、他の光空間結線用素子、例えば、面発光素子アレ
イ、レンズアレイ、面入出力型光変調器、面入出力型光
電子集積回路、受光素子アレイを複数枚を並列に設置し
て構成される光空間結線装置に対しても適用可能であ
り、特に、適用される結線装置の種類を限定するもので
はない。

【００３５】

【発明の効果】以上に、説明したように、本発明によれ
ば、基板に対し垂直方向に光入出力を行う面入出力型光
素子を複数個並置して構成される光空間結線装置におい
て、これらの面入出力素子を、エッチング異方性を有す
る単結晶基板を用いて形成した配設位置設定用溝に垂直
に挿入して固定することにより、三次元構造の光空間結
線装置を微調整無しに高い素子間位置精度で形成するこ
とができる。これにより、三次元構造の光空間結線装置
の作成を簡略化するとともに、光空間結線装置の大量生
産を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例にかかる異方性エッチングを
用いてシリコン基板上に選択的に溝を形成する方法を説
明するための図、

【図２】 本発明の面入出力型光素子の実装方法の実施
例１を説明するための図、

【図３】 本発明の面入出力型光素子の実装方法の実施
例２を説明するためのアレイ素子固定用治具を示す図、

【図４】 本実施例２を説明するための治具固定用基板
を示す図、

【図５】 本実施例２を説明するための多段光スイッチ
を示す図、

【図６】 従来の多段光スイッチの動作を説明するため
の図、

【図７】 従来技術を説明するための図。

【符号の説明】

１…シリコン単結晶、２…マスク、３…溝、４…第１シ
リコン単結晶基板、５１〜５８…アレイデバイス固定用
溝、６…第２シリコン単結晶基板、８…入力光ファイバ
アレイ、９…入力ポート（光ファイバアレイ固定用基
板）、１０…液晶光スイッチ、１１１，１１２…ルーテ
ィング素子、１２…出力ポート（光ファイバアレイ固定
用基板）、１３…出力光ファイバアレイ、２０…シリコ
ン単結晶基板、２１１〜２１３…配設位置設定用溝、２
２…面発光素子アレイ基板、２３１，２３２…面発光素
子、２４…レンズアレイ基板、２５１，２５２…レン
ズ、２６…光ファイバアレイ固定用基板、２７１，２７
２…光ファイバ、３０…シリコン基板、３１…Ｖ溝、３
２…光ファイバ、３３…光ファイバのコア、３４…光導
波路基板、３５…光導波路、５１，５２，５４，５５，
５７，５８…第１配設位置設定用溝、１０１，１０２，
１０３，１０４…アレイデバイス基板、５３，５６…第
２配設位置設定用溝、７１，７２…第３配設位置設定用
溝。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板に対し垂直方向に光入出力を行う面
   入出力型光素子を並列に複数個配設して構成される光空
   間結線装置において、エッチング異方性を有する単結晶
   基板上に、複数の前記面入出力型光素子基板を挿入して
   固定する所定の溝幅と所定の配設間隔で設けられる複数
   の位置設定用溝を異方性エッチングにより形成し、前記
   面入出力型光素子基板を、前記位置設定用溝にそれぞれ
   垂直に挿入して固定することを特徴とする面入出力型光
   素子の実装方法。
2. 【請求項２】 基板に対し垂直方向に光入出力を行う面
   入出力型光素子を並列に複数個配設して構成される光空
   間結線装置において、エッチング異方性を有する単結晶
   基板上に、複数の前記面入出力型光素子基板を挿入して
   固定する所定の溝幅と配設間隔で設けられる複数の第１
   位置設定用溝を異方性エッチングにより形成した２つの
   第１単結晶基板と、該２つの第１単結晶基板が互いに対
   向させ、前記面入出力型光素子基板を、前記２つの第１
   単結晶基板のそれぞれの第１位置設定用溝に垂直に挿入
   して固定し、別の第２単結晶基板に、前記２つの第１単
   結晶基板を挿入して固定する所定の溝幅と所定の間隔で
   設けられる２つの位置設定用溝を異方性エッチングによ
   り形成し、前記２つの第１単結晶基板を、前記別の第２
   単結晶基板に設けられた第２位置設定用溝にそれぞれ垂
   直に挿入して固定することを特徴とする面入出力型光素
   子の実装方法。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の面入出力型光素
   子の実装方法において、エッチング異方性を有する第１
   又は第２単結晶基板は、シリコン単結晶基板であること
   を特徴とする面入出力型光素子の実装方法。