JPH0735932A - ハイブリッド光導波回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気信号の伝搬損失を低減することによって
高周波特性が改善され、しかも製造が容易で生産歩留ま
りも良いハイブリッド光導波回路を得る。 【構成】 ハイブリッド光導波回路が、半導体光導波回
路部３０と、基板１０の表面近傍に誘電体光導波回路部
２０とを有し、この基板１０の少なくとも一方の表面近
傍に、上記半導体光導波回路部３０を作動する電気信号
回路部７０が配設され、この電気信号回路部７０が、信
号伝搬用の中心導体４１とこの両側に一定のギャップを
隔てて配設されたアース導体４２とを同一平面内に有す
る配線層４０と、これに接する絶縁層５０と、この絶縁
層５０を介して上記配線層４０と異なる平面内に設けら
れ、上記中心導体４１と対向する面を有する少なくとも
１層のアース導体層６０とを有してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は誘電体光導波路と半導体
光導波路とを組み合わせたハイブリッド光導波回路に関
するものであり、特に、高周波特性が良好であって、し
かも製造が容易でかつ生産歩留まりも良いハイブリッド
光導波回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】誘電体光導波路と半導体光導波路とを組
み合わせて構成したハイブリッド光導波回路として、本
発明者らはさきに、誘電体光導波路を有する石英系光導
波回路部と、半導体光導波路を有する光スイッチと、こ
の光スイッチを作動するための電気信号回路部とを同一
基板上に形成した回路を提案した（特願平４−１７１２
２号）。このハイブリッド光導波回路の概略を図６〜８
に示す。図６はその斜視図、図７は上面図、図８は図６
における線Ｂ−Ｂ’で切った断面図である。

【０００３】図６において、符号１０はシリコン基板で
ある。このシリコン基板１０の一方の面に石英系光導波
回路部（誘電体光導波回路部）２０が形成されている。
この石英系光導波回路部２０は、例えば、平行な２系列
のＧｅドープ酸化シリコンコア２１を酸化シリコンクラ
ッド２２に埋め込んだ構造を有するものである。また、
光スイッチ（誘電体光導波回路部）３０は、図７に示す
ように例えば、多重量子井戸（i-MQW ）コア層をＩｎＰ
クラッド層に埋め込んだ２系列の半導体光導波路３１を
有する方向性結合型２×２半導体光スイッチである。こ
の光スイッチ３０は、基板１０と石英系光導波回路部２
０とを貫通して形成された光スイッチ搭載穴１１内に、
その光結合部３２の光軸が石英系光導波回路部のコア２
１の各内側光結合部２３の光軸と合致するようにアライ
ンメントフリーに搭載されている。

【０００４】このハイブリッド光導波回路は、光スイッ
チ３０を作動するための電気配線が形成された配線層４
０を有している。この配線層４０は、図８に示すよう
に、基板１０の、石英系光導波回路部２０が形成されて
いない側の面上に、絶縁層５０を介して形成され、信号
を光スイッチに印加する中心導体４１と、これと同一平
面内でこの両側に一定のギャップを隔てて配設された一
対のアース導体４２とからなるコプレーナウエーブガイ
ド（以下「ＣＰＷ」という）を形成し、このＣＰＷが２
系列、それぞれ光スイッチの各半導体光導波路３１に対
応して設けられて電気信号回路部を形成している。この
配線層４０と光スイッチ３０との電気結線は、中心導体
４１と半導体光導波路３１に接続したボンディングパッ
ド３３とを、また、各アース導体４２と光スイッチ３０
のｎ側電極３４とを、それぞれボンディングワイヤ４３
で接続して行われている。

【０００５】上記例のハイブリッド光導波回路において
は、基板１０上のＣＰＷ（符号４０）がマイクロ波線路
を形成しており、その中心導体４１を伝搬する信号によ
って光スイッチ３０を作動するようになっている。この
ＣＰＷは、マイクロ波線路となる中心導体４１とアース
導体４２とが同一平面内にあるので、配線が容易に形成
できるという利点がある。

【０００６】ところで上記の光スイッチ３０など、一般
に半導体光導波回路部は数Ｇ〜数十ＧＨｚ程度の高い周
波数で作動させるものであるので、この場合に発生する
伝搬信号の反射を回避するには、光導波回路として外部
装置とのインピーダンス整合を行う必要がある。このイ
ンピーダンスは通常５０Ωに設定される。例えば上記の
ハイブリッド光導波回路において、図８に示すＣＰＷ
（配線層４０）の特性インピーダンスを５０Ωにするた
めには、例えばシリコン基板１０の厚みが３５０μｍで
あり、絶縁層５０がポリイミド（比誘電率２．９）でそ
の厚みＤが２０μｍであり、かつ、中心導体４１の幅２
Ｓが、通常この種のマイクロ波線路に使用されるように
５０μｍであるとすると、中心導体４１とアース導体４
２との間のギャップ幅２Ｗは５μｍ以下としなければな
らない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のように
ギャップ幅が狭くなると、配線のエッジ部に電界が集中
することになり、中心導体４１からアース導体４２への
電気力線の乱れが大きくなる。その結果、伝搬損失が増
大し、特に高周波特性が低下するという問題が生ずるよ
うになる。また、ギャップ幅を例えば１０μｍ以下に作
成しようとすると、工作精度の関係から、中心導体４１
とアース導体４２との間に短絡が起こりやすく、したが
って生産歩留まりが低下することになる。本発明は、上
記問題を解決するためになされたものであって、その目
的は、電気信号の伝搬損失を小さくすることによって高
周波特性を改善し、しかも製造が容易で生産歩留まりの
良いハイブリッド光導波回路を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、請求項１
において、半導体光導波路を有する半導体光導波回路部
と、基板の表面近傍に設けられ誘電体光導波路を有する
誘電体光導波回路部とを組合わせて構成したハイブリッ
ド光導波回路において、上記基板の少なくとも一方の表
面近傍に、上記半導体光導波回路部を作動する電気信号
回路部が配設され、この電気信号回路部が、信号伝搬用
の中心導体とこの両側に一定のギャップを隔てて配設さ
れたアース導体とを同一平面内に有する配線層と、これ
に接する絶縁層と、この絶縁層を介して上記配線層と異
なる平面内に設けられ上記中心導体と対向する面を有す
る少なくとも１層のアース導体層とを有するものである
ハイブリッド光導波回路を提供することによって解決で
きる。また、請求項２において、このハイブリッド光導
波回路は、前記絶縁層の一部に貫通穴を設け、この貫通
穴を通して前記配線層のアース導体と前記アース導体層
とを電気的に接続したものであることが好ましい。

【０００９】

【作用】本発明の請求項１のハイブリッド光導波回路に
あっては、その配線層内で中心導体と同一平面内に配設
されたアース導体の他に、絶縁層を介して上記中心導体
と対向する面を有する少なくとも１層のアース導体層が
設けられているので、中心導体の面とこれに対向するア
ース導体層の面との間に電界が広く分布し、この結果、
前記のギャップ幅を極端に狭くしなくても、外部装置と
の接続に必要な特性インピーダンスを確保することが可
能となる。すなわち、特性インピーダンスのギャップ幅
依存性が小さくなる。そこで、このギャップ幅を広く設
定すれば、配線エッジへの電界集中に起因する伝搬損失
が回避されることになる。さらに、請求項２のハイブリ
ッド光導波回路にあっては、このアース導体層が配線層
内のアース導体と電気的に直接接続されているので、特
に高周波帯域における配線層とアース導体層との位相が
整合され、回路の高周波特性がいっそう向上する。

【００１０】

【実施例】次に実施例によって本発明を詳しく説明す
る。 （実施例１）実施例１のハイブリッド光導波回路を図１
および図２に示す。図１はその斜視図であり、図２は図
１の線Ａ−Ａ’で切った断面を示している。ここで、図
６〜８に示した従来例と共通している構成要素について
は、同一番号を付してその説明を省略または簡略化す
る。図１および図２において、符号６０はアース導体層
であって、このアース導体層６０は、基板１０の、誘電
体光導波回路部２０が形成されていない側の面上に直接
形成されている。そしてこの上に絶縁層５０を介して、
ＣＰＷを構成する配線層４０が形成されている。この配
線層４０は、信号伝搬用の中心導体４１とこの両側に一
定のギャップを隔てて配設されたアース導体４２とを同
一平面内に有するものである。そして、この配線層４０
と、これに接する絶縁層５０と、この絶縁層を介して上
記配線層４０と異なる平面内に設けられ上記中心導体４
１と対向する面を有するアース導体層６０との積層体
が、光スイッチ（半導体光導波回路部）３０を作動する
電気信号回路部７０を形成している。この電気信号回路
部７０では、図２に示すように、絶縁層５０の一部に貫
通穴５１が形成されている。この貫通穴５１は導体メッ
キまたは導体埋め込みなどによって導電性とされてお
り、これによって、配線層のアース導体４２とアース導
体層６０とが電気的に直接接続されている。配線層の中
心導体４１と光スイッチのボンディングパッド３３、ま
た、各アース導体４２と光スイッチのｎ側電極３４と
は、それぞれボンディングワイヤ４３で電気的に接続さ
れている。

【００１１】このアース導体層６０は、例えばＡｕなど
の低抵抗金属をシリコン基板１０の片面にメッキするな
どにより形成することができる。また、この層にはパタ
ーニングなどを施す必要がないので、製作はきわめて容
易である。このアース導体層６０の上に施される絶縁層
５０は、ポリイミドなどの有機絶縁膜、または酸化シリ
コン膜などである。

【００１２】上記実施例１において、上記ギャップ幅
（図２の２Ｗ）の中心導体幅２Ｓに対する比を種々に変
化させたときの特性インピーダンスを測定した。この測
定に際して、絶縁層５０の厚みなどのパラメータは、図
６に示した従来例の場合と同一とした。その結果を、前
記従来例のものと比較してグラフ化し、図３に示す。図
３において、横軸はギャップ幅２Ｗの中心導体幅２Ｓに
対する比（２Ｗ／２Ｓ）を示している。図３から、従来
例の特性インピーダンスがギャップ幅２Ｗの増加ととも
に一様に増大して行くのに対して、実施例１ではほぼフ
ラットであり、ギャップ幅２Ｗをかなり大幅に変更して
もインピーダンスはほとんど変化せず、かつ５０Ω近辺
の値を保っていることがわかる。すなわち、実施例１の
ハイブリッド光導波回路では、２Ｗ／２Ｓが０．１以上
で特性インピーダンスのギャップ幅依存性がきわめて小
さくなっている。

【００１３】（実施例２）図４に、実施例２のハイブリ
ッド光導波回路を示す。この実施例は実施例１と同様な
ハイブリッド光導波回路であるが、ただし、アース導体
層６０が基板１０の面上に形成されているのではなく、
絶縁層５０’を介して配線層４０の上層に形成されてい
る。そして、このアース導体層６０と配線層のアース導
体４２とは、絶縁層５０’に形成された貫通穴５１’に
よって導通されている。配線層４０と基板１０との間に
は図６に示した従来例と同様な絶縁層５０が形成され、
この絶縁層５０と、配線層４０と、上記絶縁層５０’
と、最上層のアース導体層６０とが実施例２の電気信号
回路部７０を形成している。

【００１４】実施例２の場合も、実施例１と同様に特性
インピーダンスのギャップ幅依存性は大幅に低減され
た。これに加えて、アース導体層６０が信号を伝搬する
中心導体４１の上層に配設されていることによって外部
雑音を遮断することができ、雑音耐性が大幅に改善され
た。

【００１５】（実施例３）次に、実施例１と２の構成を
組合わせ、配線層の上層と下層の双方に、絶縁層を介し
て合計２層のアース導体層を形成して実施例３のハイブ
リッド光導波回路を作製した。この回路では、特性イン
ピーダンスのギャップ幅依存性がさらに低減され、ギャ
ップ幅を充分に広くとっても所定の特性インピーダンス
が確保でき、そのバラツキもなくなり、高周波特性、雑
音耐性ともさらに改善された。

【００１６】（実施例４）この実施例は、シリコン基板
１０の同一面上に誘電体光導波回路部と電気信号回路部
との双方が配設された例である。図５に実施例４の断面
図を示す。図５に示すようにこの実施例では、シリコン
基板１０の同一面上に順次、アース導体層６０、絶縁層
５０、配線層４０、および誘電体光導波回路部２０が形
成され、このうち、アース導体層６０と絶縁層５０と配
線層４０とが電気信号回路部７０を構成している。この
アース導体層６０と配線層のアース導体４２とは、介在
する絶縁層５０に形成された貫通穴５１によって導通さ
れている。この実施例における誘電体光導波回路部２０
は、石英系のものであってもよいが、好適例において
は、配線層４０やアース導体層６０の金属部材に損傷を
与えることがないように、低温成形が可能な材質、例え
ばポリイミドなどで形成される。

【００１７】実施例４のハイブリッド光導波回路は、前
記実施例１〜３と同様に特性インピーダンスのギャップ
幅依存性が大幅に低減されている。これに加えて、実施
例４ではシリコン基板１０の片面（裏面）に構成物がな
いので、製造工程で裏面側を保護する必要がなく、基板
の取り扱いが容易となり生産性が向上した。

【００１８】以上説明した実施例１〜４では、基板とし
てシリコン基板を用いたが、本発明のハイブリッド光導
波回路はこれに限定されるものではなく、他の基材、例
えばアルミナセラミックなども基板として使用できる。
また、実施例１〜３においては誘電体光導波回路部２０
として石英系のものを用いたが、これに限らずポリイミ
ドなど、石英系以外の光導波路も使用できることは云う
までもない。さらに、上記実施例１〜４では、半導体光
導波回路部３０として光スイッチを用いたが、本発明の
ハイブリッド光導波回路はこれに限定されるものではな
く、半導体レーザなど、他の半導体光導波回路であって
もよい。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１のハイブ
リッド光導波回路は、中心導体とアース導体とを同一平
面内に有する配線層と、これに接する絶縁層と、この絶
縁層を介して設けられ上記中心導体と対向する面を有す
る少なくとも１層のアース導体層とから形成された電気
信号回路部を有するものであるので、上記中心導体の面
とアース導体層の面との間に電界分布が広がり、特性イ
ンピーダンスが中心導体とアース導体との間のギャップ
幅に依存しなくなる。そこで、このギャップ幅を広げる
ことによって、導体エッジ部に電界が集中することに起
因する伝搬損失の劣化が回避できるようになり、高周波
特性が大幅に改善される。また、ギャップ幅を製造が容
易な程度まで広げることができるので、製造工程で生ず
る導体間の短絡を容易にかつ有効に防止することができ
る。さらに、ギャップ幅が製造工程でばらついても、そ
のバラツキが特性インピーダンスに与える影響は少ない
ので、均一なインピーダンスを有する製品を歩留まりよ
く生産することができるようになる。上記のアース導体
層は配線層の外層として配設することができるので、こ
の場合は外部雑音を遮断する効果も得られる。

【００２０】請求項２のハイブリッド光導波回路は、前
記絶縁層の一部に貫通穴を形成し、この貫通穴を通して
前記配線層のアース導体と前記アース導体層とを電気的
に接続したものであるので、高周波帯域における配線層
とアース導体層との位相が整合され、回路の高周波特性
がさらに改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１のハイブリッド光導波回路を示す斜
視図。

【図２】 図１の線Ａ−Ａ’で切った断面図。

【図３】 実施例１および従来例のハイブリッド光導波
回路における特性インピーダンスとギャップ幅との関係
を示すグラフ。

【図４】 実施例２のハイブリッド光導波回路を示す斜
視図。

【図５】 実施例４のハイブリッド光導波回路におけ
る、実施例１の線Ａ−Ａ’に相当する部分を切った断面
図。

【図６】 従来例のハイブリッド光導波回路を示す斜視
図。

【図７】 図６の従来例の上面図。

【図８】 図６の線Ｂ−Ｂ’で切った断面図。

【符号の説明】

１０…基板、２０…誘電体光導波回路部、３０…半導体
光導波回路部、４０…配線層、４１…中心導体、４２…
アース導体、５０…絶縁層、５１…貫通穴、６０…アー
ス導体層、７０…電気信号回路部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体光導波路を有する半導体光導波回
   路部と、基板の表面近傍に誘電体光導波路を有する誘電
   体光導波回路部とを組合わせて構成したハイブリッド光
   導波回路において、上記基板の少なくとも一方の表面近
   傍に、上記半導体光導波回路部を作動する電気信号回路
   部が配設され、この電気信号回路部が、信号伝搬用の中
   心導体とこの両側に一定のギャップを隔てて配設された
   アース導体とを同一平面内に有する配線層と、これに接
   する絶縁層と、この絶縁層を介して上記配線層と異なる
   平面内に設けられ上記中心導体と対向する面を有する少
   なくとも１層のアース導体層とを有するものであること
   を特徴とするハイブリッド光導波回路。
2. 【請求項２】 請求項１記載のハイブリッド光導波回路
   において、前記絶縁層の一部に貫通穴を形成し、この貫
   通穴を通して前記配線層のアース導体と前記アース導体
   層とを電気的に接続したことを特徴とするハイブリッド
   光導波回路。