JPH06230236A - 光回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガラス光導波路と光半導体素子との高さ方向
の位置合せを容易且つ高精度に行うことができる光回路
を提供する。 【構成】 ガラス光導波路１１の端面１３を、Ｓｉ基板
１４に対して該端面１３が上向きとなるように傾けて形
成し、ガラス光導波路１１のコア１２と光半導体素子４
のコア５との高さの差異が前記端面１３における光信号
の屈折により打ち消される距離ｚだけ、ガラス光導波路
１１から離れた位置に光半導体素子４を配置することに
より、コア同士の高さ方向の差異を水平方向の距離に変
換し、調整し易い水平方向の移動で光軸調整を行うこと
を可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラス光導波路と光半
導体素子とを一体化したハイブリッド型光集積回路を実
現する光回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２は従来のこの種の光回路の一例を示
すもので、同図(a) は平面図、同図(b) は側面図、同図
(c) は断面図である。図中、１はガラス光導波路、２は
ガラス光導波路１のコア、３はガラス光導波路１の端
面、４はレーザダイオードアレイ等の光半導体素子、５
は光半導体素子４のコア、６はＳｉ基板、７は光半導体
素子４のハンダ固定部、８はサブマウント、９はスタン
ド、１０は光信号の経路である。

【０００３】これを組立てる場合は、まず、ガラス光導
波路１の端面３をドライエッチング等の技術によりコア
２の光軸及びＳｉ基板６に対して垂直に加工する。一
方、光半導体素子４を予めジャンクションアップでサブ
マウント８にダイボンディングしておく。次に、Ｓｉ基
板６に所定の厚みのスタンド９をハンダ等で固定する。
最後に、サブマウント８をひっくり返して光軸調整しな
がらスタンド９に固定する、という手順で行っていた。

【０００４】ところで、一般に、光半導体素子ではコア
から基板までの高さがジャンクションアップの場合は８
０〜１００μｍ、ジャンクションダウンの場合は２〜５
μｍであるのに対し、ガラス光導波路ではコアから基板
までの高さがおよそ２０〜４０μｍと微妙に異なるた
め、この種の光回路では前記高さの差異をどう調整する
かが実装上の問題であり、前述した従来例の場合、ガラ
ス光導波路１と光半導体素子４との高さの差異をスタン
ド９の厚みで吸収するようになしていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光半導
体素子のトレランスは通常、１μｍ程度と非常に厳し
く、部品精度だけではスタンド９の厚みを規定できない
ため、前記光回路では、事前にガラス光導波路や光半導
体素子の形状を実測してスタンド９の厚みを調整・選別
しなければならず、作業に非常に手間がかかり、しかも
部品の無駄を生じさせるという問題があった。また、こ
のようにしてスタンド９の厚みを合せたとしても、光半
導体素子４とサブマウント８との間、並びにサブマウン
ト８とスタンド９との間の接合時のハンダや接着剤の厚
みが誤差として含まれるため、高精度な高さの調整は困
難であった。

【０００６】さらにまた、前記光回路では、ガラス光導
波路１の端面３がコア２の光軸に対して垂直であるた
め、ガラス光導波路１から光半導体素子４へ伝搬される
光信号のうちで該端面３により反射されてガラス光導波
路１に戻る光信号、並びに光半導体素子４からガラス光
導波路１へ伝搬される光信号のうちで該端面３により反
射されて光半導体素子４に戻る光信号（反射戻り光：反
射光のうちで信号光路に再結合する成分）が多く発生
し、光半導体素子４や本光回路に接続される外部の回路
の動作を不安定にするという問題があった。

【０００７】本発明は前記従来の問題点に鑑み、ガラス
光導波路と光半導体素子との高さ方向の位置合せを容易
且つ高精度に行うことができ、しかもガラス光導波路の
端面における反射戻り光を減少させ得る光回路を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では前記目的を達
成するため、少なくとも１つのコアを有するガラス光導
波路と、前記ガラス光導波路のコアに光学的に結合され
る少なくとも１つのコアを有する光半導体素子とを同一
基板上に設けてなる光回路において、ガラス光導波路の
端面を、基板に対して該端面が上向き又は下向きとなる
ように傾けて形成し、ガラス光導波路のコアと光半導体
素子のコアとの高さの差異が前記端面における光信号の
屈折により打ち消される距離だけ、ガラス光導波路から
離れた位置に光半導体素子を配置した光回路を提案す
る。

【０００９】

【作用】本発明によれば、ガラス光導波路から光半導体
素子へ伝搬される光信号のうちでガラス光導波路の端面
より出射される光信号は、該端面が上向き又は下向きに
傾いているため、その方向が下向き又は上向きに曲げら
れ、該屈折によりコア同士の高さの差異が打ち消される
距離だけ離れた位置に配置された光半導体素子のコアに
結合されて入射される。また、光半導体素子からガラス
光導波路へ伝搬される光信号のうちでガラス光導波路の
端面に入射される光信号も、その方向が前記同様に曲げ
られるため、ガラス光導波路のコアへ結合されて入射さ
れる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の光回路の第１の実施例を示す
もので、同図(a) は平面図、同図(b) は断面図である。
図中、図２と同一構成部分は同一符号をもって表し、４
はアレイ状の光半導体素子、５は光半導体素子４のコ
ア、１１はガラス光導波路、１２はガラス光導波路１１
のコア、１３はガラス光導波路１１の端面、１４はＳｉ
基板、１５は光半導体素子４のハンダ固定部、１６はロ
ッドレンズ、１７はロッドレンズ固定用のＶ溝、１８は
光信号の経路である。

【００１１】ガラス光導波路１１は石英ガラス系で製造
されており、その端面１３はＳｉ基板１４に対して上向
きに８°傾けて形成されている。

【００１２】これを組立てる場合は、まず、通常のプロ
セスでＳｉ基板１４上にガラス光導波路１１を作製した
後、Ｓｉ基板１４を傾けてドライエッチング又は精密な
ブレードソーで端面１３をＳｉ基板１４に対して上向き
に８°傾けて形成し、ついで、選択エッチング法により
Ｓｉ基板１４上にロッドレンズ固定用のＶ溝１７を作
る。なお、プロセス手順次第では、予めＶ溝１７を形成
したＳｉ基板１４にガラス光導波路１１を形成するよう
になしても良い。また、Ｖ溝１７も精密な機械加工で形
成しても良い。

【００１３】次に、ロッドレンズ１６をＶ溝１７に低融
点ガラスやハンダ等で固定する。最後に、光半導体素子
４をガラス光導波路１１の端面１３から後述する所定の
距離だけ離した所にボンディングする。この際、光半導
体素子４をパルス発光させ、ガラス光導波路１１からの
出力パワーをモニタしながらボンディングする位置を調
整することにより、光軸合せの微調整ができる。

【００１４】前記構成において、ガラス光導波路１１か
ら光半導体素子４へ伝搬される光信号のうちで端面１３
より出射される光信号は、該端面１３がＳｉ基板１４に
対して、いいかえればコア１２の光軸に直交する方向に
対して傾いているため、その方向が周知の「スネルの法
則」に基づいて曲げられる。

【００１５】即ち、図３に示すように、光信号が屈折率
ｎ₁ の媒質から屈折率ｎ₂ の媒質へ入射する場合、その
入射角φ₁ と出射角φ₂ （単位はラジアン）との間に
は、偏波の影響を無視すると、 sinφ₂ ／ sinφ₁ ＝ｎ₁ ／ｎ₂ ……(1) の関係が成り立つ。本実施例ではφ₁ （＝θ）＝８°、
ｎ₁ ＝1.45（石英ガラス）、ｎ₂ ＝１（空気）であるか
ら、前記(1) 式より、φ₂ ≒１２°となり、光信号の振
れ角ψ（≡φ2 −φ1 ）は４°となる。

【００１６】ここで、ガラス光導波路１１のコア１２の
Ｓｉ基板１４からの高さを３０μｍ、光半導体素子４の
コア５からＳｉ基板１４までの高さを３μｍとすると、
ガラス光導波路１１と光半導体素子４との間隔（ｚ）を
約390 μｍにすることにより、コア１２及びコア５間の
高さのずれが吸収され、ガラス光導波路１１のコア１２
より出射される光信号は光半導体素子４のコア５へ結合
されて入射される。また、光半導体素子４からガラス光
導波路１１へ伝搬される光信号のうちで端面１３に入射
される光信号も、その方向が前記同様に曲げられるた
め、ガラス光導波路１１のコア１２へ結合されて入射さ
れる。

【００１７】ガラス光導波路とレーザダイオードアレイ
との結合では、通常、レンズ系の像倍率ｍ＝３〜４にす
ると結合効率が最も高くなるが、例えば直径0.12ｍｍ、
屈折率1.8 のロッドレンズを使えば、ｆ₁ ＝９０μｍ、
ｆ₂ ＝300 μｍで、ｍ＝3.5、ｚ＝390 μｍとなって、
これらの条件を満たすことができる。

【００１８】なお、ハンダ固定部１５の厚み誤差や、ガ
ラス光導波路や光半導体素子の製造ばらつきによるコア
の高さ方向の誤差も光半導体素子の位置を水平方向に調
整することによって吸収できる。また、本実施例ではロ
ッドレンズを用いているので、光半導体素子として、垂
直方向の放射角の大きい短波長帯のレーザダイオードア
レイに適用すれば結合効率の面では有利となる。

【００１９】一方、ガラス光導波路１１から光半導体素
子４へ伝搬される光信号のうちで端面１３により反射さ
れる光信号は、該端面１３がコア１２の光軸に直交する
方向に対して傾いているため、コア１２に再結合しな
い。また、同様に、光半導体素子４からガラス光導波路
１１へ伝搬される光信号のうちで端面１３により反射さ
れる光信号もコア５に再結合しない。従って、ガラス光
導波路１１の端面１３による反射戻り光は大幅に減少す
る。

【００２０】前述したコアの光軸に直交する方向に対す
る端面の傾き（以下、端面の角度と称す。）と反射戻り
光との関係は、単一モード導波路の場合、ガウシアンビ
ーム近似により簡単に評価できる。

【００２１】図４(a) 及び(b) は端面の角度を変化させ
た場合の透過率及び反射減衰量を計算したものである。
本計算は、石英ガラス（ｎ＝1.45）からなるガラス光導
波路より空気（ｎ＝１）中に光信号を出射する場合を想
定しており、光信号の波長（λ）は1.3 μｍ、ガラス光
導波路のスポットサイズ（ω）は５μｍ，３μｍの２つ
のケースについて計算した。なお、透過率については平
面波近似で計算したのでスポットサイズに依存しない。

【００２２】図４(a) では端面の角度に対する偏波方向
（ＴＭ／ＴＥモード）別の透過率（％）を示しており、
端面の角度が増すと光の偏波方向によって反射率に差が
出てくることがわかる。一般に、光信号の偏波は規定さ
れていないので、光部品が偏波依存性を持つことは好ま
しくない。従って、端面の角度を極端に大きくすること
はできない。

【００２３】また、図４(b) ではガウシアンビーム近似
によって求めた反射減衰量（ｄＢ）を示している。反射
減衰量はスポットサイズに反比例するので、同じ端面の
角度に対してはω＝３μｍのケースの方が反射減衰量は
小さくなる。このグラフより４０ｄＢ以上の反射減衰量
を得ようとすれば、端面の角度はω＝５μｍで６°以
上、ω＝３μｍで１０°以上が必要であることがわか
る。

【００２４】本実施例において、光信号の波長を1.31μ
ｍ、ガラス光導波路のスポットサイズを一般的な単一モ
ードファイバと同一の５μｍとした場合、端面の角度を
４°とすれば反射減衰量は２６ｄＢとなり、また、６°
とすれば４１ｄＢとなり、さらにまた、８°とすれば６
３ｄＢとなる。実際に、端面の角度を８°として測定し
たところ、測定限界である４０ｄＢ以上の高い反射減衰
量が得られた。なお、スポットサイズが大きめのガラス
光導波路を用い、反射減衰量が３０ｄＢ程度で良いシス
テムであれば、端面の角度は４°ぐらいでも使用できる
可能性がある。

【００２５】なお、光半導体素子４のコア５に対して光
信号が斜めに結合することによる結合損失増が生ずる
が、角度による損失増はスポットサイズに反比例するた
め、スポットサイズの小さい光半導体素子側では影響は
少ない。即ち、ガウシアンビーム近似の計算によれば、
スポットサイズ1.5 μｍ、信号波長1.31μｍ、入射角４
°の場合の損失増は約0.27ｄＢであり、一般的なレーザ
ダイオードとガラス光導波路との間の結合損失が約３〜
５ｄＢであることを考慮すれば、無視できる程度であ
る。

【００２６】図５は本発明の光回路の第２の実施例を示
すもので、同図(a) は平面図、同図(b) は断面図であ
る。図中、図１と同一構成部分は同一符号をもって表
し、４はアレイ状の光半導体素子、５は光半導体素子４
のコア、１１はガラス光導波路、１２はガラス光導波路
１１のコア、１３はガラス光導波路１１の端面、１５は
光半導体素子４のハンダ固定部、２１はＳｉ基板、２２
はサブマウント、２３はセラミック基板、２４は球レン
ズ、２５は球レンズ固定用の四角錐状の穴、２６は光信
号の経路である。

【００２７】本実施例では光半導体素子４と球レンズ２
４とをサブマウント２２に搭載し、これをガラス光導波
路１１に対して位置合せして、セラミック基板２３に固
定している。

【００２８】これを組立てる場合は、まず、通常のプロ
セスでＳｉ基板２１上にガラス光導波路１１を作製した
後、Ｓｉ基板２１を傾けてドライエッチング又は精密な
ブレードソーで端面１３をＳｉ基板２１に対して上向き
に８°傾けて、該Ｓｉ基板２１とともにカットして形成
する。一方、Ｓｉ基板２１と同じ厚みのＳｉ基板でサブ
マウント２２を作り、そこに球レンズ固定用の四角錐状
の穴２５を選択エッチング法により形成し、該穴２５に
球レンズ２４を低融点ガラスや接着剤等で固定する。

【００２９】次に、光半導体素子４を球レンズ２４から
所定の距離だけ離した所にボンディングする。最後に、
Ｓｉ基板２１とサブマウント２２とをセラミック基板２
３の上で、光半導体素子４をパルスで発光させ、ガラス
光導波路１１からの出力パワーをモニタしながら最適位
置に調整し、両基板をハンダ固定する。なお、光学系の
設計はほぼ第１の実施例に準じ、反射戻り光の抑制効果
についても同等である。

【００３０】本実施例では球レンズを用いているので、
光半導体素子４として、特に放射角が水平方向及び垂直
方向ともほぼ等しい長波長帯のレーザダイオードに適用
すれば、第１の実施例の場合より結合効率が高く取れる
ので有利となる。但し、球レンズでは端面に平行な方向
の光軸調整が必要になるので、本実施例では光半導体素
子と球レンズとをサブマウント上に一体化し、サブマウ
ントごと光軸合せを行うようになした。この場合、軸合
せトレランスはスポットサイズの大きいガラス光導波路
に従うので、比較的緩い精度で位置合せができる。ま
た、本実施例ではサブマウント段階でチェックができる
ので歩留まり改善に効果がある。

【００３１】なお、これまで説明した実施例ではアレイ
状の光半導体素子の場合について説明したが、単体の光
半導体素子の場合及び光半導体素子の代りにリチウムナ
イオベイト等の光機能素子を用いた場合にも適用できる
ことは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、少
なくとも１つのコアを有するガラス光導波路と、前記ガ
ラス光導波路のコアに光学的に結合される少なくとも１
つのコアを有する光半導体素子とを同一基板上に設けて
なる光回路において、ガラス光導波路の端面を、基板に
対して該端面が上向き又は下向きとなるように傾けて形
成し、ガラス光導波路のコアと光半導体素子のコアとの
高さの差異が前記端面における光信号の屈折により打ち
消される距離だけ、ガラス光導波路から離れた位置に光
半導体素子を配置したため、コア同士の高さ方向の光軸
調整を調整し易い水平方向の移動で行うことができ、よ
り容易且つ高精度に行うことができ、また、ガラス光導
波路の端面による反射戻り光を大幅に減少することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光回路の第１の実施例を示す構成図

【図２】従来の光回路の一例を示す構成図

【図３】光の屈折のようすを示す説明図

【図４】端面の角度に対する透過率及び反射減衰量を示
すグラフ

【図５】本発明の光回路の第２の実施例を示す構成図

【符号の説明】

４…光半導体素子、５…光半導体素子のコア、１１…ガ
ラス光導波路、１２…ガラス光導波路のコア、１３…ガ
ラス光導波路の端面、１４，２１…Ｓｉ基板、１６…ロ
ッドレンズ、１７…ロッドレンズ固定用のＶ溝、１８，
２６…光信号の経路、２２…サブマウント、２３…セラ
ミック基板、２４…球レンズ、２５…球レンズ固定用の
四角錐状の穴。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１つのコアを有するガラス光
   導波路と、前記ガラス光導波路のコアに光学的に結合さ
   れる少なくとも１つのコアを有する光半導体素子とを同
   一基板上に設けてなる光回路において、 ガラス光導波路の端面を、基板に対して該端面が上向き
   又は下向きとなるように傾けて形成し、 ガラス光導波路のコアと光半導体素子のコアとの高さの
   差異が前記端面における光信号の屈折により打ち消され
   る距離だけ、ガラス光導波路から離れた位置に光半導体
   素子を配置したことを特徴とする光回路。