JPH07234345A

JPH07234345A - 導波路型光デバイスの受光構造

Info

Publication number: JPH07234345A
Application number: JP6322193A
Authority: JP
Inventors: Kiyoto Matsumoto; 清人松本; Yasuhisa Tanizawa; 靖久谷澤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1994-12-26
Publication date: 1995-09-05
Anticipated expiration: 2014-08-03
Also published as: JP2930178B2

Abstract

(57)【要約】【目的】生産性に優れ、小形でしかも高効率な結合が
可能な導波路型光デバイスの受光構造を提供する。【構成】光導波路が形成された基板の表面の一部に段
差を設け、段差部に受光面を上にして受光素子を実装
し、基板の上にかぶせられた反射鏡を有するカバーによ
り、段差近傍にある光導波路端面から出射された光を反
射させて受光素子に結合させる。また、基板には、貫通
穴を設けておき、受光面を貫通穴に向けて受光素子を実
装することにより受光素子を裏面に実装して、実装密度
をより向上させることもできる。反射鏡はカバーをシリ
コン基板とし、異方性化学的エッチングにより容易に形
成できる。カバーをモールド樹脂にし、反射鏡を凹面形
状にすることにより損失を低減できる。反射鏡表面に金
を被膜することで結合を向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導波路型光デバイスの
受光構造に関し、特に光ファイバ通信に適用される導波
路型光デバイスの受光構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】導波路型光デバイスは、光分岐・結合、
光分波・合波等の機能の集積化に適している。また、バ
ッチプロセスによる量産化が可能である。このため、光
加入者系光通信システムに用いられる光送受信モジュー
ルへの適用が期待されている。このような光送受信モジ
ュールでは、通常、半導体レーザなどの送信用素子とと
もに、受光素子を内蔵している。これらの送信、受信素
子は半導体基板上に配置されている。そこで、光導波路
から出射された光を受光素子に効率よく結合させる必要
がある。

【０００３】従来、導波路型光デバイスの受光構造とし
て、例えば、特開平０３−０３６５０８号公報（文献
１）に記載されている導波路型光デバイスの受光構造が
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、文献１
記載の受光構造では、ダイシングソーで溝を形成してい
るため、光導波路に与える損傷が大きく、また端面を鏡
面にすることができない。このため、伝搬光の損失が大
きくなるという問題がある。また、４５度に傾ける必要
があるため、溝形成の生産性が悪いという問題もある。

【０００５】また、他の従来の例として、特開平０１−
１８３６０５号公報（文献２）に記載されている受光構
造がある。これは、光ファイバに平行に設けられた回路
基板上に、受光素子が受光面を上にして実装されてい
る。光ファイバの端面は光導波路基板の一方の端面に密
着しており、光導波路基板の他方の端面は傾斜端面とな
っている。さらに、この傾斜端面に対向する光導波路の
下側面に集光レンズが貼着されている。光ファイバを伝
送した信号光は、光導波路に入射し、傾斜端面で反射し
た後、集光レンズにより受光素子に結合する。文献２記
載の受光構造では、構成部品数が多いため小形化でき
ず、製造性が悪く高価であるという欠点がある。

【０００６】本発明の目的は、生産性に優れ、小形でし
かも高効率な結合が可能な導波路型光デバイスの受光構
造を実現することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の導波路型光デバ
イスは、光導波路が形成された導波路基板と、光導波路
から出射される光に光学的に結合する受光素子を備えた
導波路型光デバイスの受光構造において、受光素子は導
波路基板の表面よりも低くなった段差の底面に、受光面
を上にして実装されている。一方、光導波路は受光素子
の近傍に端面を有し、端面から出射された光が、受光素
子の上に設けられた反射鏡により反射されて、受光素子
に結合することを特徴としている。

【０００８】本発明はまた、光導波路が形成された導波
路基板と、光導波路から出射される光に光学的に結合す
る受光素子を備えた導波路型光デバイスの受光構造にお
いて、導波路基板は、光導波路が形成された光路線上に
貫通穴を有し、受光素子は導波路基板の光導波路が形成
された面とは反対の面に、受光面を貫通穴に向けて実装
される。光導波路は貫通穴の近傍に端面を有し、端面か
ら出射された光が、受光素子の上に設けられた反射鏡に
より反射されて、受光素子に結合することを特徴として
いる。

【０００９】

【実施例】本発明の理解を容易にするため、まず最初
に、導波路型光デバイスの受光構造の構成について説明
する。

【００１０】図８は、上記文献１に記載の従来の導波路
型光デバイスの受光構造の断面図である。シリコン基板
５１上に二酸化シリコン層５２ａ及び５２ｂをクラッド
とする光導波路５２が形成され、その上に受光素子５３
が実装されている。シリコン基板５１の上方から切断面
が光導波路５２の伝搬光軸に対して傾斜角４５度となる
ように、例えばダイシングソーを用いて溝が形成されて
いる。光導波路５２を伝搬してきた信号光は溝端面で上
方に反射され、受光素子５３に入射して結合する。この
ような構造は、冒頭にも述べたように、基板に溝を形成
する必要があり、光導波路に与える損傷が大きく、良好
な結合を行うことができない。さらに、反射面は平面で
あるので集光することができず、高効率な結合ができな
い。

【００１１】次に、本発明について図面を参照して詳細
に説明する。

【００１２】図１は、本発明の導波路型光デバイスの受
光構造の第１の実施例を示す断面図である。光導波路２
は、第１のシリコン基板１上に形成されている。第１の
シリコン基板１の一部には、表面よりもわずかに低くな
った段差部７を有している。その底面には受光素子３が
受光面３ａを上にして実装されている。一方、光導波路
２は、段差部７の近傍で端面８が形成されている。

【００１３】さらに、第１のシリコン基板１の上には、
第２のシリコン基板４がかぶせられている。第２のシリ
コン基板４には光導波路２に対向する位置に溝６が、ま
た、受光素子３の受光面に対向する位置には反射鏡５が
形成されている。

【００１４】光導波路２には伝送路光ファイバ等外部か
ら信号光が入射される。入射された信号光は、基板１上
に形成された光分岐や光分波などの機能素子（図示省
略）を経たあと、端面８から光が出射される。出射光は
一旦広がって第１のシリコン基板４の反射鏡５で反射さ
れて受光素子３の受光面で受光される。

【００１５】次に、図２を参照して、第２の実施例につ
いて説明する。

【００１６】図２に示される本発明の導波路型光デバイ
スの受光構造は、反射鏡を凹面形状にすることで反射の
際の放射による損失を低減したものである。凹面反射鏡
１５の形状は、光導波路１２の端面１８から出射された
光が反射されて、丁度受光素子１３の受光径と同じかわ
ずかに小さく集光されるように決めればよい。ここでは
受光径約５０μｍのゲルマニウム・アバランシェ・フォ
トダイオードが用いられている。

【００１７】なお、反射鏡を凹面形状にする場合、第１
の実施例にように、シリコン基板の異方性化学的エッチ
ングによっては形成できない。この場合、カバー１４を
モールド樹脂とすれば、任意の凹面形状からなる反射鏡
１５をもつカバーを量産することができる。

【００１８】さらに、図３を参照して、本発明の別の実
施例について説明する。

【００１９】図３は、本発明の第３の実施例を示す断面
図である。また、図４は、図３に示された本発明の導波
路型光デバイスの受光構造の第３の実施例における内部
の構造を示す斜視図である。シリコン基板２１には、貫
通穴２９が設けられており、受光素子２３は受光面を貫
通穴２９に向けて実装されている。凹面反射鏡２５が設
けられたカバーが、貫通穴２９に対向する位置に合わせ
られてかぶせられている。第２の実施例と同様、凹面反
射鏡２５で反射された光は、集光され受光素子２３に結
合する。

【００２０】第１および第２の実施例のように、受光素
子が光導波路が形成された面と同じ面に実装されると、
実装が容易な反面、段差部により基板表面の有効領域に
制約を受ける、受光素子への電極配線が段差部を経なけ
ればならない、光導波路と交叉する電極配線が生じた場
合にプロセスが複雑化する等の短所もあり、特に高密度
に集積化する場合に制約を受ける。これに対して、第３
の実施例に示される受光素子が裏面に実装される構造で
は、上記制約を受けないという特長がある。

【００２１】なお、各実施例において、反射鏡の表面に
金などの反射率の高い膜を被膜することにより、結合を
さらに高めることができる。

【００２２】次に、第１の実施例についてより具体的に
説明する。

【００２３】第１のシリコン基板１は、結晶面方位（１
００）の面に、フォトリソグラフィ技術により二酸化シ
リコンのマスクパタンが形成される。この後、例えば水
酸化カリウム水溶液をエッチャントとして異方性化学的
エッチングを行うことにより、結晶面方位（１１１）の
傾斜した側面を有する段差が形成される。そして、この
段差の上部には、二酸化シリコンをクラッド、二酸化チ
タンをドープした二酸化シリコンをコアとした、石英系
光導波路２が形成されている。また、段差の下部には、
シリコン基板１上に、例えば熱酸化により形成した二酸
化シリコンの絶縁層を介して、受光素子３が実装されて
いる。受光素子３と外部リード端子との電気的接続を行
うために、シリコン基板１上に導体パタンが設けられ
る。

【００２４】第２のシリコン基板４も第１のシリコン基
板１と同様に、異方性エッチングにより段差が形成され
ている。結晶面（１００）に対して５４．７４度傾斜し
た結晶面方位（１１１）の側面が第１のシリコン基板１
上の光導波路２と対向する状態で、第１のシリコン基板
１の上方に、上下逆向きで固定されている。第２のシリ
コン基板４の傾斜した側面には、反射率を高めるために
クロムを下地として金の薄膜が蒸着されている。

【００２５】第１および第２のシリコン基板１、４に
は、それぞれあらかじめ接合面側に半田バンプ用の位置
合わせのための金属薄膜パタンが形成されており、この
パタンどうしを合わせた後、半田により接合される。

【００２６】このような受光構造により、光導波路２を
伝搬した信号光は端面８から出射された後、第２のシリ
コン基板４の傾斜した反射面５で反射され、受光素子３
の受光面に入射して結合する。上述の具体的な実施例
は、第２、第３の実施例にもそのまま適用できるのは言
うまでもない。

【００２７】次に、本発明の導波路型光デバイスの受光
構造を、双方向光伝送用の光送受信モジュールに適用し
た実施例について説明する。

【００２８】図５は、双方向光伝送用の光送受信モジュ
ールの斜視図であり、シリコン基板３１上に二酸化シリ
コンをコアとした光導波路３２が形成されている。光導
波路３２の一端は、伝送路光ファイバに接続される光フ
ァイバ４１に接続される。シリコン基板３１には、Ｖ溝
４２があらかじめ形成されており、ここに光ファイバ３
８が配置される。このとき、光ファイバ４１のコアと光
導波路３２の位置が一致して光学的に結合する。

【００２９】光導波路３２は途中にＹ分岐部が形成さ
れ、２分岐されている。一方の光導波路３２ｂの終端
は、基板３１の表面に配置された半導体レーザ４３と光
学的に結合されている。半導体レーザ４３から出射され
た光信号は、光導波路３２ｂを経て、光ファイバ４１に
結合し、伝送路に送出される。

【００３０】光導波路３２のＹ分岐の他方光導波路３２
ａの終端部には、反射鏡カバー３４が配置されている。
この反射鏡カバー３４により、光導波路３２ａの出射光
は受光素子３３に光学的に結合される。

【００３１】ここで、本実施例における本発明の導波路
型光デバイスの受光構造をより分かりやすくするため
に、図６を参照して説明する。図６は、受光構造の拡大
図を示している。シリコン基板３１には、化学的エッチ
ングによりあらかじめ段差部３７が設けられている。こ
の段差部３７の上には、ゲルマニウム・アバランシェ・
フォトダイオードからなる受光素子３３が受光面３３ａ
を上にして実装されている。

【００３２】一方、反射鏡カバー３４はプラスティック
からなり、内側には凹面反射鏡３５が設けられている。
この反射鏡カバー３４はモールド成形により成形され、
凹面反射鏡３５の表面には、反射率を高めるためクロ
ム、金の薄膜が成膜されている。また、反射鏡カバー３
４の実装面（図示省略）にも上記薄膜が形成されてい
る。さらに、反射鏡カバー３４の一側面には、光導波路
３２ａを内側に通すための溝３６が設けられている。

【００３３】反射鏡カバー３４は、基板３１上の段差部
３７の周囲に形成された金属薄膜部にほぼ一致するよう
に配置され、半田バンプにより固定される。半田バンプ
により固定することにより、光導波路３２と反射鏡３
５、及び受光面３３ａの相対的な位置が精度よく定める
ことができる。なお、受光素子３３から外部回路への配
線は、基板３１上に設けられた金属薄膜パターン（図示
省略）により行われる。

【００３４】次に、上述の光送受信モジュールにおい
て、本発明の第３の実施例を適用した場合について図７
を参照して説明する。図７に示される受光構造は、図６
に示される受光構造と比較して、受光素子３３が基板３
１の裏面に配置される点で異なる。他は上述の受光構造
と同じである。

【００３５】段差部３７には、貫通穴３９が設けられて
いる。本実施例においては、この貫通穴３９は、エキシ
マレーザを照射することにより形成されている。基板３
１の裏面には、貫通穴３９に受光面３３ａを向けて、受
光素子３３が固着されている。光導波路３２ａから出射
した受信光は、凹部反射鏡３５により反射され、貫通穴
３９を通って受光面３３ａに照射される。なお、凹面反
射鏡３５は、光導波路３２ａの端面から反射鏡３５を経
て受光面３３ａに至るまでの距離が長くても、凹面反射
鏡３５で出射光は集光されるので、高効率で受光素子３
３に結合させることが可能になる。

【００３６】図６及び図７で示される本発明の導波路型
光デバイスでは、半導体レーザ４３及びその駆動回路が
近接して同一基板上に配置されているので、受光素子３
３は電気的な外部からのノイズの影響を受けやすい。そ
こで、本実施例では、反射鏡カバー３４の外面には黄銅
の薄膜が形成されている。これにより、受光素子３３へ
のノイズを容易に遮断して、高品質な受信を行うことが
できる。

【００３７】また、図６と図７に示される本発明の受光
構造を比較すると、実装構造が簡易な点では図６に示さ
れる受光構造の方が優れている。しかしながら、図７に
示される受光構造では、受光素子３３が基板３１の裏面
に配置され、その受光回路等も裏面に配置することがで
きる。従って、基板３１に配置される送信側の電気的な
ノイズ等の影響をより回避できる点で優れている。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の導波路型
光デバイスの受光構造は、光導波路が形成された基板の
表面の一部に段差を形成する。段差部に受光面を上にし
て受光素子を実装し、受光素子に対向する位置に反射鏡
が形成されたカバーをかぶせることにより、効率よく光
導波路と受光素子を光学的に結合させることができる。

【００３９】反射鏡が設けられたカバーは、基板をシリ
コンとして異方性化学的エッチングにより量産可能であ
る。また、カバーをモールド樹脂にすることにより、反
射鏡を凹面形状にすることも可能である。これにより、
さらに結合時の損失を低減することもでき、この場合に
もカバーは量産可能である。

【００４０】また、カバーの実装も位置合わせをしてか
ぶせて固着するだけなので、組立性もよい。さらに基板
に貫通穴を設けておき、受光面を貫通穴に向けて受光素
子を実装することにより、受光素子を裏面に実装して、
実装密度をより向上させることもできる。

【００４１】このように本発明によれば、生産性に優
れ、小形でしかも高効率な結合が可能な導波路型光デバ
イスの受光構造が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の導波路型光デバイスの受光構造の第１
の実施例を示す断面図である。

【図２】本発明の導波路型光デバイスの受光構造の第２
の実施例を示す断面図である。

【図３】本発明の導波路型光デバイスの受光構造の第３
の実施例を示す断面図である。

【図４】図３に示された本発明の導波路型光デバイスの
受光構造の第３の実施例における内部の構造を示す斜視
図である。

【図５】本発明の導波路型光デバイスの受光構造を双方
向送受信光モジュールに適用した場合の実施例の斜視図
を示す。

【図６】第３の実施例における本発明の導波路型光デバ
イスの受光構造の部分の拡大図である。

【図７】図６に示される本発明の導波路型光デバイスの
受光構造に代えて、第３の実施例の受光構造を適用した
場合の拡大図を示す。

【図８】従来の受光デバイスの断面図である。

【符号の説明】

１第１のシリコン基板２光導波路３受光素子４第２のシリコン基板５反射面６溝７段差部８端面９反射鏡１１シリコン基板１２光導波路１３受光素子１４カバー１５凹面反射鏡２１シリコン基板２３受光素子２４カバー２５凹面反射鏡２６溝２７段差部２８端面２９貫通穴３１シリコン基板３２、３２ａ、３２ｂ光導波路３３受光素子３４反射鏡カバー３５凹面反射鏡３６溝３７段差部３８端面３９貫通穴４１光ファイバ４２Ｖ溝４３半導体レーザ５１シリコン基板５２光導波路５２ａ、５２ｂ二酸化シリコン層５３受光素子５４端面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波路が形成された導波路基板と、前記光導波路の終端部近傍に配置される受光素子と、前記導波路基板の前記光導波路の終端面近傍に配置さ
れ、前記終端面から出射される光を前記受光素子の受光
面に反射する反射鏡とを備えたことを特徴とする導波路
型光デバイスの受光構造。
【請求項２】前記導波路基板は、前記光導波路の終
端部近傍に前記導波路基板の表面よりも低い段差部を有
し、前記段差部に前記受光素子が配置されていることを
特徴とする「請求項１」記載の導波路型光デバイスの受
光構造。
【請求項３】前記反射鏡は、シリコン基板に形成さ
れていることを特徴とする「請求項２」記載の導波路型
光デバイスの受光構造。
【請求項４】前記反射鏡は、前記シリコン基板が化
学的異方性エッチングにより形成された斜面であること
を特徴とする「請求項３」記載の導波路型光デバイスの
受光構造。
【請求項５】前記反射鏡の表面には、金薄膜が成膜
されていることを特徴とする「請求項４」記載の導波路
型光デバイスの受光構造。
【請求項６】前記反射鏡は、凹面形状であることを
特徴とする「請求項３」記載の導波路型光デバイス受光
構造。
【請求項７】前記反射鏡は、モールド成形による樹
脂からなることを特徴とする「請求項６」記載の導波路
型光デバイスの受光構造。
【請求項８】前記反射鏡の表面には、表面が金であ
る薄膜が成膜されていることを特徴とする「請求項７」
記載の導波路型光デバイスの受光構造。
【請求項９】前記導波路基板は、シリコンからなる
ことを特徴とする「請求項２」記載の導波路型光デバイ
スの受光構造。
【請求項１０】前記段差部は、前記導波路基板がシリ
コン化学的異方性エッチングにより形成されていること
を特徴とする「請求項９」記載の導波路型光デバイスの
受光構造。
【請求項１１】前記反射鏡は、半田により固着されて
いることを特徴とする「請求項１」記載の導波路型光デ
バイスの受光構造。
【請求項１２】前記反射鏡は、凹形状を有するカバー
の前記凹形状部に形成され、前記カバーの外面には金属薄膜が形成されていることを
特徴とする「請求項１」記載の導波路型光デバイスの受
光構造。
【請求項１３】前記金属は黄銅であることを特徴とす
る「請求項１２」記載の導波路型光デバイス。
【請求項１４】前記基板には、半導体レーザが配置さ
れていることを特徴とする「請求項１２」記載の導波路
型光デバイス。
【請求項１５】表面に光導波路が形成され、前記光導
波路の終端面近傍に貫通穴を有する導波路基板と、前記導波路基板の裏面の前記貫通穴に受光面を前記導波
路基板の表面に向けて配置される受光素子と、前記導波路基板の前記光導波路の終端面近傍に配置さ
れ、前記終端面から出射される光を前記受光素子の受光
面に反射する反射鏡とを備えたことを特徴とする導波路
型光デバイスの受光構造。
【請求項１６】前記反射鏡は、シリコン基板に形成さ
れていることを特徴とする「請求項１５」記載の導波路
型光デバイスの受光構造。
【請求項１７】前記反射鏡は、前記シリコン基板が化
学的異方性エッチングにより形成された斜面であること
を特徴とする「請求項１６」記載の導波路型光デバイス
の受光構造。
【請求項１８】前記反射鏡の表面には、金薄膜が成膜
されていることを特徴とする「請求項１７」記載の導波
路型光デバイスの受光構造。
【請求項１９】前記反射鏡は、凹面形状であることを
特徴とする「請求項１６」記載の導波路型光デバイス受
光構造。
【請求項２０】前記反射鏡は、モールド成形による樹
脂からなることを特徴とする「請求項１９」記載の導波
路型光デバイスの受光構造。
【請求項２１】前記反射鏡の表面には、表面が金であ
る薄膜が成膜されていることを特徴とする「請求項２
０」記載の導波路型光デバイスの受光構造。
【請求項２２】前記導波路基板は、シリコンからなる
ことを特徴とする「請求項１５」記載の導波路型光デバ
イスの受光構造。
【請求項２３】前記段差部は、前記導波路基板がシリ
コン化学的異方性エッチングにより形成されていること
を特徴とする「請求項２２」記載の導波路型光デバイス
の受光構造。
【請求項２４】前記反射鏡は、半田により固着されて
いることを特徴とする「請求項１５」記載の導波路型光
デバイスの受光構造。
【請求項２５】前記反射鏡は、凹形状を有するカバー
の前記凹形状部に形成され、前記カバーの外面には金属薄膜が形成されていることを
特徴とする「請求項１５」記載の導波路型光デバイスの
受光構造。
【請求項２６】前記金属は黄銅であることを特徴とす
る「請求項１５」記載の導波路型光デバイス。
【請求項２７】前記基板には、半導体レーザが配置さ
れていることを特徴とする「請求項１５」記載の導波路
型光デバイス。