JPH10160976A - 光結合装置 - Google Patents

光結合装置

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JPH10160976A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光半導体素子を能動状態にせず、且つ位置合
わせの光学調整をしないで、基板上に形成された光半導
体素子と光導波路とを、要求される誤差範囲内で基板面
に平行及び垂直な方向で光結合させることが可能な光結
合装置を提供することを目的とする。 【構成】 基板面に平行な方向の位置合わせを容易にす
るため、許容される結合トレランスの±２倍のピッチで
それぞれ相対向するようアレイ状に形成された複数の光
半導体素子及び光導波路と、基板面に垂直な方向の位置
合わせを容易にさせるため、同形成プロセスに使用され
る有機材料、無機材料及びそれらを組合せた積層部材
と、当光半導体素子から光ファイバへ伝播する光を閉じ
込めて両者の光スポットを整合させたり曲がり部分から
の光の漏洩を防いで光結合装置を小型化するため、コア
を部分的に高屈折率の主コアと低屈折率の副コアで構成
したりコアの外径寸法を部分的に変えた光導波路より構
成された光結合装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ通信あ
るいは光情報処理に用いる光装置に関し，特に光半導体
レーザ等の光半導体素子とシングルモード光導波路又は
光半導体レーザ等の光半導体素子とシングルモード光フ
ァイバを光結合する光結合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】二つ以上のシングルモード型の光部品を
高効率に光結合させるには、二つの部品間のモード整合
を行うとともに精密な光軸の位置合わせが必要である。
ここでモード整合とは、互いに光結合すべき二つのシン
グルモード型の光部品内に閉じ込められた光の強度分布
（モードサイズとも言う）を、二つの光部品間で一致さ
せることである。このような二つの部品間のモード整合
及び精密な光軸の位置合わせをするための従来の技術に
は、例えば図50〜図59に示すようなものがある。
【０００３】図50は、半導体レーザ等の光半導体装置20
0と光ファイバ３をレンズ41、42を用いて光結合するも
ので、第１のレンズ41で光ビームを平行にし、第２のレ
ンズ42で収束させて光結合するものである。二つのレン
ズを用いることによって、半導体レーザ等の光半導体装
置200から出力される光ビームのスポットサイズ（1.2μ
m×1.7μm〜2.1μm×3.2μm）を４〜６倍程度まで拡大
し、光ファイバ３のモードサイズ（約10μm）に整合さ
せるものである。かかる第１のレンズ41及び第２のレン
ズ42で光半導体装置と光ファイバのモードを整合させる
ことにより高い結合効率が得られる。
【０００４】更に、図51(a)あるいは図51(b)に示すよう
に、第１のレンズ41と第２のレンズ42の間に封止用窓60
7を介在させて半導体レーザ等の光半導体装置200を気密
封止し、光半導体装置200が湿気や酸化等により劣化す
ることを防止している。ここに600は気密封止部, 601は
基体、603は半導体レーザのサブマウント、606は封止用
スペーサ, 31は光ファイバ3を保持するためのフェルー
ル，32は第２のレンズ42を介して光ファイバ3と第１の
レンズ41とを結合させるファイバ結合部である。
【０００５】次に図52は、先端をレンズ状に加工した光
ファイバ 3A（図52に示すものはテーパ先球ファイバと
いう。この他に光ファイバの先端を溶融させて先端にレ
ンズ様のものを形成する方法もある。）を用いて光結合
するものである。光ファイバの先端を細くしかつ球面状
にすると、光ファイバの入射端における光ビームのモー
ドサイズが小さくなる。その結果、光ファイバと半導体
レーザのモードサイズが一致し結合効率が向上する。
【０００６】図53は図52に例示した結合系において半導
体レーザを気密封止する例を示すものである。真空蒸着
等により表面に金属被覆（図示せず）を施した光ファイ
バ 3Aを半田611等を用いてブロック610に固定し、光フ
ァイバ 3Aを保持したフェルールを保持するための部材3
2のフランジと、封止部600との境界部を溶接して気密封
止する。
【０００７】ここに、図50, 図51(a)及び図51(b)の場合
には半導体レーザ等の光半導体装置200と二つのレンズ4
1、42と光ファイバ３を、図52及び図53の場合には半導
体レーザ等の光半導体装置200と光ファイバ 3Aを極めて
精密に位置合わせする必要がある。その際、その位置合
わせには高い精度が要求される。そのため、例えば光半
導体装置200が半導体レーザである場合には、半導体レ
ーザを発光させ、光ファイバ 3 あるいは3Aに結合した
光の強度を計測し、それが最大となるように位置合わせ
を行い、固定する。
【０００８】図54は、半導体レーザ等の光半導体装置と
光ファイバの位置合わせを簡易化する例である。例えば
実装用基板180に、その表面にフォトリソグラフィープ
ロセスによってV溝181とボンディングパッド（例えば図
60に例示の102）と位置合わせ用マーク（例えば図60に
例示の107）を形成したシリコン基板等を用い、この基
板180上のV溝181で光ファイバ 3 をガイドして位置決め
する。一方、半導体レーザ等の光半導体装置200には、
基板上の位置合わせマークに対応するマーク（例えば図
60に例示の204）と基板180上のボンディングパッドに対
応するボンディングパターン（例えば図60に例示の20
2、203）を形成したものを用いる。そして、精密な微動
装置を用いて半導体レーザ等の光半導体装置200の位置
合わせマーク（例えば図60に例示の204）が基板上の位
置合わせマーク（例えば図60に例示の107）に一致する
ように位置合わせし、ボンディングする（これは、例え
ば「IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS, HYBRIDS, AND
MANUFACTURING TECHNOLOGY, VOL. 15, NO. 6, p. 944-9
55 (1992)」、「１９９３年電子情報通信学会秋季大会
講演論文集 4-266」等に記載されている）。このよう
にすることにより、半導体レーザ等の光半導体装置200
と光ファイバ３の位置合わせが行われる。なおここで、
図54に例示した光結合装置に１Ｂという記号を付し、こ
れを以下の説明に引用する。
【０００９】図54に示す従来例において、光半導体装置
200が半導体レーザである場合には、例えば、図55のよ
うに、光ファイバにテーパ先球ファイバ 3Aを用いる
と、光ファイバ 3Aと半導体レーザ200のモードサイズが
一致し、結合効率が向上する。
【００１０】図56は、図54あるいは図55のような結合系
において、半導体レーザ等の光半導体装置を気密封止す
る例を示すものである。ここに図56(a)は気密封止をす
る前、図56(b)は封止をした後の構成を示すものであ
る。
【００１１】図56に示す装置の気密封止は次のようにし
て行われる。まず、半導体レーザ等の光半導体装置200
と光ファイバ３を結合した光結合装置１Bを、一部に切
り欠き703がある突起枠702を有する基体700上に配置す
る（図56(a)）。次いで突起枠702の上側及び周囲にエポ
キシ系の接着剤705を塗布する。次いで蓋400をかぶせ、
蓋400と基体の間の隙間を接着剤705で埋め込んで気密封
止する（図56(b)）。
【００１２】次に他の従来例について説明する。図57は
光部品に光導波路を含み、該光導波路と他の光部品を光
結合する例を示すものである。図57(a)は斜視図、図57
(b)は図57(a)の左下方向から見た前面正面図である。本
例では、基板100上にクラッド層301とコア302よりなる
２層構造の光導波路300と同じ光導波路部材よりなる突
起物300A（以下これを「スタンドオフ」という）を形成
し、４隅に切り欠き202を形成した光半導体装置200の切
り欠き部202をスタンドオフ300Aに嵌め込み位置合わせ
を行っている。
【００１３】なお、本例の光導波路300はマルチモード
導波路であり、そのクラッド層301の厚さは50μm以上で
ある。図57に示すような光結合装置においては、半導体
レーザ等の光半導体装置200の４隅の切り欠き202を精度
よく形成することが困難になる問題がある。
【００１４】次に、光導波路に、図57に示すようなマル
チモード導波路ではなくシングルモード光導波路を用い
る場合においては、例えば、図58に示すような光導波路
が用いられる。図58の従来例では、例えば、基板100に
シリコン基板が用いられ、導波路300のクラッド層301と
コア302に石英が用いられる（図58のクラッド層301はコ
ア302の周囲を覆うものであるため「クラッド層301」と
言うよりも「クラッド301」のほうがふさわしいが、用
語を統一するため「クラッド層301」とする。以下同
じ。）。
【００１５】この場合、コア301とクラッド層302の比屈
折率差［コア（屈折率ｎ1）とクラッド（屈折率ｎ2）の
屈折率の比屈折率差をクラッドの屈折率で割った値の百
分率、即ち｛（ｎ2-ｎ1）／ｎ1｝×100］、を0.3％〜0.
75％とし、コア302 のサイズを５×５μm〜８×８μm程
度とすれば光ファイバと光結合したとき比較的高い結合
効率が得られる。この場合の基板とコアの間のクラッド
層の厚さ（図58(b)のｔ）は30μm以上である。
【００１６】なお図58に示すような方法を用いて光導波
路300と光半導体装置200を結合する場合で、光半導体装
置200が通常の半導体レーザである場合には半導体レー
ザ200の光軸を持ち上げる必要がある。そのための構成
として、図59に示すように半導体レーザ200の下にスペ
ーサ５を置くものが考えられる。
【００１７】以上のように従来においては、レンズによ
るモード整合や先端をレンズ状に加工した光ファイバに
よるモード整合を行うとともに、光ファイバの場合に微
動装置による精密な位置合わせ（図51、図53の場合）や
基板上の溝による光ファイバの位置合わせ（図54〜56)
や、半導体レーザを基板に実装する場合に微動装置を用
いて基板と半導体レーザのマークを一致させる半導体レ
ーザの位置合わせ（図60)が行われ、光導波路の場合に
スタンドオフと切り欠きによる位置合わせが行われ, 光
導波路と半導体レーザの光軸の高さ合わせにスペーサの
使用等が必要であった。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図50〜図56に
示す従来例には次のような問題がある。まず、図50〜図
53の場合には、半導体レーザ等の光半導体装置200とレ
ンズ41、42と光ファイバ3 あるいは光半導体装置200と
光ファイバ３を非常に精密に位置合わせする必要があ
る。そのため、光部品の位置合わせに多くの時間を要す
る問題がある。また、位置合わせの間、半導体レーザ等
の光半導体装置200を能動状態（例えば半導体レーザを
発光させる）にしているため、誤操作等により半導体レ
ーザ等の光半導体装置を劣化させたり破壊したりする問
題がある。
【００１９】次に図54〜図56に示すものは、半導体レー
ザ等の光半導体装置を能動状態にする必要が無いという
利点を有する。しかし、光結合効率を一定以上（例えば
最大値の80％以上）に保持させる位置ずれの許容値（こ
の位置ずれの許容値を結合トレランスという）が図55の
ように先端にレンズ機能を持たせた光ファイバ３Aを用
いる場合には0.5μm以下、図54のように先端が平らな光
ファイバ３を用いる場合でも±1μm以下の小さなものに
なる。そのため、機械的に位置合わせすることは容易で
はないという問題がある。特に、半導体レーザ等の光半
導体装置200をボンディングする際、光ファイバ 3 をガ
イドする溝181と半導体レーザ等の光半導体装置200との
軸ずれを所定値以下にすることが困難になるという問題
がある。 更に、図54の場合には半導体レーザ等の光半
導体装置200と光ファイバ3 とのモード不整合が大きく
なり，結合損失が大きくなる（結合損失は最小でも7dB
程度になる）という問題がある。
【００２０】図57の光導波路300と半導体レーザ等の光
半導体装置200の光結合においては、光半導体装置200の
４隅の切り欠き202を精度よく形成することが必ずしも
容易ではないという問題がある。
【００２１】次に図58のように、基板100に、シリコン
基板など, 導波路材料（具体的には石英）よりも高屈折
率のものを用いる場合には、基板100への光の放射を低
減させるためコア302の下側のクラッド301を厚いものに
する必要がある。例えば例示した構造（比屈折率差が0.
3％〜0.75％、コアのサイズが5×５μm〜８×８μm）の
場合には、前述の通り下側のクラッド層を30μm以上に
しなければならない。このことは図57のような光導波路
を用いる場合においても同様である。しかし、図57や図
58に例示する光導波路と半導体レーザの光結合において
は、両者の光軸の高さの一致が難しくなる問題がある。
このことを明確にするため、次に図60に従来の半導体レ
ーザのボンディング法の例を、次いで、図61に半導体レ
ーザを基板上のボンディングパッドにフリップチップボ
ンディングするときの構成とその寸法の例を示し、半導
体レーザの光軸高さについて具体的に説明する。
【００２２】図60は半導体レーザ200を基板100に載置す
る例の主要部のみを例示するものである。図60(a)は載
置の一過程を示す斜視図、図60(b)は載置後の正面図で
ある。図60(a)に例示するように、半導体レーザ200の下
側表面のボンディングパッド202を形成し，形成された
ボンディングパッド202上にボンディング用融材（金錫
共晶合金等）203を被着させ，ボンディング用融材を挟
んでボンディングパッド202を, 基板上に別に形成され
たボンディングパッド102に重ね，そのうえで加熱、冷
却することにより，半導体レーザ200は図60(b)に示すよ
うに基板100上に接着固定される。
【００２３】次に、図61は図60の方法でボンディングさ
れようとしているシリコン基板100と半導体レーザ200の
詳細な層構造を例示するものである。例えば図60(b)の
中央のボンディングパッド102、電極層202、ボンディン
グ用融材203付近を拡大したものである。図61を用い
て、各部分の具体的寸法を求める。例えば、配線パター
ン102Aの厚さが0.3μm、絶縁膜108の厚さが0.3μm、ボ
ンディングパッド102の厚さが0.35μm、ボンディング用
融材203の厚さが２〜６μm、電極層202の厚さが0.5μ
m、絶縁膜26の厚さが0.3μm、クラッド層231の厚さが1.
5μm、能動領域層（図では活性層と記載）201の厚さが
0.14μmである。この場合には、基板の熱酸化膜101の表
面から半導体レーザの活性層201の中心までの高さは5.3
2〜9.32μmになる。
【００２４】このように、半導体レーザ200の光軸の高
さ（5.32〜9.32μm）は光導波路のコアの中心の高さ
（約33μm）に比べて極めて低いものである。このた
め、図57および図58の従来例においては、半導体レーザ
200を基板100に直接ボンディングして光結合する場合
に、半導体レーザ200の光軸と光導波路300の光軸と高さ
を一致させることが困難になる問題を生ずる。
【００２５】ここで、図59のように半導体レーザの下に
スペーサ５を置くことによって半導体レーザ200の光軸
と光導波路300の光軸と高さを一致させることが考えら
れる。しかしこの場合には、光導波路300の光軸が高い
ことに起因してスペーサ５と光導波路300の加工誤差に
よる位置ずれが大きくなる問題を生ずる。即ち、スペー
サ５と光導波路300の加工誤差による位置ずれの大きさ
は両方の光軸の高さに比例するので、図58(b)のように
光導波路300の光軸高さｔが高くなると誤差寸法が大き
くなり、ずれが大きくなる問題を生ずる。具体的には、
スペーサ５の加工誤差と光導波路300の加工誤差が共に
±５％であれば、光軸高さが30μmの場合には各々±1.5
μmの誤差を生じ、合計では最大±３μmの位置ずれを生
ずる。この大きなずれのため、通常の半導体レーザとシ
ングルモードの光導波路を結合する光結合装置におい
て、所望の結合効率が得られない不良品が多数発生する
問題がある。
【００２６】以上のように図50〜図53に例示される従来
例においては、レンズや先端をレンズ状に加工した光フ
ァイバによりモード整合が行われるが、光半導体素子を
能動状態にし、光出力を計測しながら精密な位置合わせ
をしなければならない問題があり、図54, 図55, 図56,
図57, 図58, 図60に例示される従来例においては、基板
上の溝による光ファイバの位置合わせやフォトリソグラ
フィによる光導波路の位置合わせを行い、微動装置を用
いて基板と半導体レーザのマークを一致させて半導体レ
ーザを位置合わせする方法（図54, 図55, 図56, 図58,
図60）やスタンドオフと切り欠きにより位置合わせする
方法（図57）が用いられるため、位置合わせの際に光半
導体素子を能動態状態にする必要はなくなる。しかし、
図54〜図58及び図60に例示される従来例には、光半導体
素子をボンディングする際の位置ずれが大きくなりやす
いため光結合効率が低下しやすい問題があり、図57及び
図58に例示される従来技術には、光半導体素子と光導波
路の光軸の高さを一致させることが難しい問題があり、
図54, 図56, 図58, 図59に例示される従来技術には半導
体レーザと光ファイバあるいは半導体レーザと光導波路
のモード不整合が生じる問題があった。
【００２７】従って、本発明は上記従来の光結合装置の
持つ問題を解決することを課題としており、特に、光半
導体素子等の能動素子を能動状態にすることなく位置合
わせして光結合する場合に、光半導体素子の位置合わせ
に非常に高い精度が要求されるという問題の解決、光半
導体チップと光導波路を光結合する場合に光軸の高さを
一致させることが難しくなるという問題の解決、光結合
の際の位置合わせを簡易化しようとする場合に光半導体
素子と光導波路あるいは光半導体素子と光ファイバのモ
ードを整合させることが困難になるという問題の解決を
課題とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段の構成及び動作の要旨は次の通りである。手段１
及び２は、半導体レーザ等の光半導体素子を能動状態に
することなく本発明の光結合装置（以下本光結合装置と
する）の製作過程の位置合わせのみにて光結合させるこ
とができ、且つその位置合わせに高精度の光学調整を行
わずに高い結合効率で光半導体素子と光導波路とを光結
合させることを可能にさせ、手段３〜８及び手段19は、
上記位置合わせにて，光半導体素子と光導波路の光軸の
高さを比較的容易に一致させることを可能にさせ、手段
９〜12、15及び16は、上記位置合わせにて，光半導体装
置と光導波路の高精度のモード整合を可能にさせ、手段
13は、本光結合装置の光導波路の曲がり部分における伝
搬損失を低減させ、手段17は、本光結合装置の光導波路
の加工を容易にさせ、手段20〜22は、上記手段１〜19を
用いて作られた光半導体素子を気密封止するものであ
り、さらに、手段23は、本光結合装置の光半導体素子の
気密封止に使用される金属部材の近傍に光導波路が配置
された場合、その金属部材が近傍にあることが原因で光
導波路の光伝搬損失が増加することを防ぐものである。
【００２９】以下に手段１〜手段23について説明する。
手段１は図１、図８、図10、図11、図13〜図18、図20〜
図27、図29、図31、図33、図35、図46、図47及び図49
(c)に例示するように、二つの要素部品の単独で光結合
するトレランスをT0として、複数個の第１要素部品の間
隔がP1である光部品（200、図1では200X)と、複数個の
第２の要素部品の間隔が P1＋２×T0あるいは P1−２×
T0（このピッチをP2とする）である光部品（300、図1で
は300X)とを用い、これらを対向させて光結合するもの
である。例えば図１に例示するように対向させた光部品
について、各々対向する要素部品間の光結合状態を計測
し、最も結合度の大きい１対の要素部品を選択し、これ
を光結合装置として用いる。例えば第１のアレイ状に整
列した第１の要素部品200Xが半導体レーザ、第２のアレ
イ状に整列した第２の要素部品300Xが光導波路である場
合には、半導体レーザ200Xを発光させたときの光導波路
300Xからの光出力が最大となる１対の半導体レーザと光
導波路を選択する。以下、従来例と比較しながら本手段
による結合トレランスの拡大について説明する。
【００３０】図54〜図58に例示する従来例は、光半導体
素子を能動状態にする必要がないという点において優れ
たものであるが、光半導体素子の位置合わせが難しいこ
とが問題となっていた。この従来例において、光半導体
素子のみが特別にその位置決めが難しくなるのは、光半
導体素子を基板に搭載するには能動的な位置合わせが不
可欠であり、その際に大きなずれが生じるためである。
例えば、光ファイバや光導波路の場合には、光ファイバ
を位置決めするための溝や光導波路パターンが形成され
れば、部品を基板に搭載する際に能動的な位置合わせが
不要であり、よって搭載時の位置ずれは生じない。これ
に比べ、光半導体素子の場合は、基板に搭載するときに
必ずフォトリソグラフィープロセスにおけるマスク合わ
せのような能動的な位置合わせが必要である。この際、
光半導体素子のサイズが小さいため、フォトリソグラフ
ィープロセスに比べて大きなずれが生じる。
【００３１】光半導体素子の位置合わせと光ファイバを
ガイドする溝や光導波路のコアパターンの形成の際のフ
ォトリソグラフィーにおけるフォトマスクの位置合わせ
とを比較すると、光半導体素子 (300μm×250μm)はフ
ォトマスク(100mm×100mm)等に比べてサイズが小さい。
そのためボンディングの際に光半導体素子を安定に支持
することが難しく、フォトマスクのように精密に位置合
わせすることが困難になる。
【００３２】例えば、ボンディング装置で光半導体素子
を支持した後にその位置を計測し、その計測値に基づい
て位置調節をしてボンディングする方法があるが、サイ
ズが小さいために保持する精度及び位置計測精度が悪く
なり、精密な位置合わせが困難になる。また、フォトリ
ソグラフィーの場合には位置合わせをするべき二つのパ
ターン（マスクが合わせられるべき基板上のパターンと
マスクのパターン）を接近させ（例えば、ギャップが 1
0μ以下になるまで近接させることができる）、フォト
マスク越しに二つのパターンの重なりをモニターし、位
置合わせを行う。これに対し、光半導体素子はサイズが
小さく、フォトマスクに比べて平坦でないため、ギャッ
プの計測が困難である。そのため、基板に接近させるこ
とが困難である。さらに、不透明であるため、重なりを
モニターすることも困難である。このため精度よく位置
合わせすることが困難になる。
【００３３】さらに、第２には、光半導体素子のボンデ
ィングでは固着用部材に低融点の金属が用いられ、ボン
ディングの際、加熱と冷却が行われるため、ボンディン
グ装置に熱膨張と収縮が生じ、折角位置合わせを行って
も、最終的な製品での光半導体装置の位置精度が低下す
る。
【００３４】以上、基板に光半導体素子を載置する際の
位置ずれは、光半導体素子のサイズが小さいことと加熱
・冷却工程を含むことに起因しており、現在のところこ
れを著しく改良することは困難である。そこで発明者
は、光半導体素子をボンディングする際の光半導体素子
の位置ずれが大きくても、光結合が可能になる方法を考
案した。
【００３５】手段１は上記考案に基づくものであり、光
半導体素子をボンディングする際の位置ずれを小さくす
る代わりに、等価的に、光半導体素子の結合トレランス
を拡大するものである。以下図１を用いて具体的に説明
する。
【００３６】図１は手段１を説明する図である。手段１
は、要素部品間のピッチがP1の第１のアレイ状の光部品
200X（以下アレイを構成している一つの部品を要素部品
という）と要素部品間のピッチがP1＋2T0あるいはP1−2
T0の第２のアレイ状の光部品300Ｘを対向させることに
より構成される。なお、図１においては、第１のアレイ
状の光部品200Xの要素部品と第２のアレイ状の光部品30
0Xの要素部品とを光結合する場合の結合トレランスをT0
として、P2がP1＋2T0に等しい距離となるように第２の
光部品300XのピッチP2を調節している。さらに、図１は
アレイ状の光部品(200X,300X)を構成する要素部品のう
ち中央の要素部品同士の光軸が一致するようにしたとき
の状態を示している。
【００３７】第１のアレイ状の光部品200Xの要素部品と
第２のアレイ状の光部品300Xの要素部品とを図１のよう
に配列すると、互いに対向する各要素部品間の光軸の位
置ず次に手段８は、図35、図36、図47、図49(c)に例示
するように、基板（100）の一部に窪み（106）を形成
し、この窪み106 に屈折率がクラッド層と同じかあるい
はクラッド層よりも低屈折率のバッファ層（310）をそ
の表面が基板の窪みの無い部分の表面と同じ高さになる
ように埋め込み、その上にクラッド層（301あるいは301
A）とコア(302)、オーバクラッド層(301、301B)を含む
光導波路300を形成するものである。
【００３８】このようにすることにより、実効的に光導
波路の光軸が低くなるため上下方向の光軸の位置合わせ
が容易になる。さらに、光部品200がシリコン基板100上
に搭載されるので、光部品200が発熱体である場合の熱
放散が良好になる効果が生ずる。例えば図35に例示する
ように、本手段による光導波路300は基板100に形成した
窪み106にバッファ層310が埋め込まれた構造となってい
る。本バッファ層310は無機材料であっても有機材料で
あってもよい。バッファ層310を埋め込んだ基板は、バ
ッファ層310となる材料を窪み106に充填した後基板100
の表面を基準面にして研削及び研磨を行い平坦化する工
程をもって形成される。そしてバッファ層310の表面を
平坦化したものをバッファ層付の基板として用い、ボン
ディングパッドと配線電極用パターンを形成する。次い
で、順次アンダークラッド層301A、コア302、オーバー
クラッド層301Bを形成する。光学部品200は、光導波路
のコアに対向して、窪み106の無い部分にボンディング
される。
【００３９】図35に例示するように、窪み106に埋め込
まれたバッファ層310を十分厚くすると光の基板100への
光の放射が防止されるようになる。そしてアンダークラ
ッド層301Aの厚さとコア302の厚さを調節すると基板表
面からみたコアの中心の高さを精密に調節できるように
なる。更に基板表面からみたコアの中心の高さを５〜６
μmにして基板100にボンディングされた半導体レーザ20
0の光軸高さに一致させることができるようになる。よ
って上下方向の光軸の位置合わせが容易になる。
【００４０】更に光導波路のアンダークラッド層301A、
コア302、オーバークラッド層301Bを有機材料にする
と、光導波路300を形成する前に、バッファ層付基板の
表面に、電気配線用のパターンやボンディングパッドを
形成することが可能になる。光導波路の材料がが有機物
の場合には、比較的低温で、塗布工程等を用いて導波路
形成を行うことができるからである。
【００４１】光導波路を形成する前のバッファ層付基板
の表面は平坦なので、フォトリソグラフィー工程を用い
て、容易に精密な電気配線用のパターンやボンディング
パッドを形成することができるようになる。そのため光
導波路とボンディングパッドの相対的な位置合わせが容
易になる。
【００４２】光導波路を有機材料にすることにより、導
波路の形成に酸素プラズマエッチングを用いることがで
きる。この際、酸素プラズマは金属やシリコン基板など
の無機材料を侵さないので、ボンディングパッドを形成
した後光導波路を形成し、次いで酸素プラズマエッチン
グで端面を形成し、ボンディングパッドを露出させて
も、ボンディングパッドが侵されない利点がある。
【００４３】次に、手段９〜手段12は光導波路の両端の
光ビームのスポットサイズが両端に結合される光部品に
一致するような光導波路を用い、両端の光部品との結合
効率の向上または結合トレランスを拡大するものであ
る。以下に手段９〜手段１２について述べる。
【００４４】まず手段９は、図37(a)、図38(c)、図39、
図40、図42、図44(b)、図45、図46に例示するように、
光結合装置に、入射端から出射端に向かって光が伝播す
ると、入射端と出射端でガイドされる光の強度分布が変
化する光導波路を用いるものである。
【００４５】例えば図38(c)に例示するように、本手段
による光導波路300を半導体レーザ200と光ファイバ３の
間に介在させ、半導体レーザ200と光結合する側のスポ
ットの形状を半導体レーザ200と同じにし、光ファイバ
３と光結合する側のスポットの形状を光ファイバ３と同
じにすれば、高い結合効率で光結合できるようになる。
【００４６】更に、本手段による光導波路により、光フ
ァイバと対向する側の光導波路300の出射端のスポット
サイズを大きくすると、光導波路300と光ファイバ３の
間の結合トレランスの拡大も行われる。この光導波路30
0と光ファイバ３の間の結合トレランスの拡大は、例え
ば図38(c)に例示するように、半導体レーザ200と光導波
路300を集積化実装し、導波路300と光ファイバ３を位置
合わせして光結合し組立をするような光結合装置の製造
に際し、ファイバの位置合わせを簡易化する効果を生ず
る。
【００４７】更に、図38(c)に例示する場合において、
クラッドと副コアの屈折率差を小さくし、副コアの断面
を大きなものとすれば、光ファイバ３と光結合する側の
光導波路300のスポットサイズを大きなものとすること
が可能になる。例えば図６のグラフ(a)は、図２のよう
なスラブ導波路のコアとクラッド（屈折率1.55）の比屈
折率差が変化したとき、導波路にガイドされる光のスポ
ットサイズがどのように変化するかを例示するものであ
る。なお、コアとクラッドの比屈折率差を変化させると
コアの厚さも変化させなければならないため、図６には
コアの厚さ（グラフ(b)）も同時に示している。
【００４８】図２のスラブ構造の光導波路の場合の具体
的スポットサイズを例示すると、比屈折率差が0.2％、
コアの厚さが7.9μmのとき約11μmのスポットサイズに
なる。このような光導波路に、部分的にコアを拡大した
光ファイバ（例えばTechnicalDigest of The Second Op
telectronics conference, 3C2-2,1988 等に記載のも
の。以下これを「TECファイバ」という。）を結合する
と、光導波路と光ファイバの結合トレランスがより拡大
されるようになる。例えばガイドされる光のスポットサ
イズを18μmまで拡大したTECファイバを用いると、約91
％の最大結合効率と±3.6μmの結合トレランス（結合効
率が最大値の80％以上の場合）が得られる。この結果、
光導波路と光ファイバの光結合が容易になる。
【００４９】さらに、本手段を用いると、光導波路のコ
アを曲げたときの損失が低減する効果を生ずる。次にこ
れについて説明する。光導波路のコアを曲線にすると、
その曲率半径が小さくなると光が外部に放射され損失と
なる。この放射の起こり易さは光導波路の構造に依存す
る。
【００５０】光導波路のコアとクラッドのうち、コアに
閉じ込められている光の割合（電界分布のうちコア内に
分布しているものの積分値の全体の積分値に対する割
合）を「光の閉じ込めの強さ」と定義すると、光の閉じ
込めが強いほど、導波路の曲げによる損失が小さくな
る。そして、本手段によるもののように、導波路のスポ
ットサイズが変化する導波路においては、スポットサイ
ズが小さいところでは光の閉じ込めが強くなる。よっ
て、他の光部品と光結合をする部分と曲がりの部分とを
含む光導波路において本手段を用い、相対的に曲がりの
部分のスポットサイズを小さくし、他の光部品と光結合
をする部分のスポットサイズを大きくするようにする
と、曲がりの部分の放射損失が小さく、あるいは曲がり
の部分の曲率半径が小さく（よって小型化が可能で）、
且つ他の光部品との光結合が容易な光導波路が実現され
る。
【００５１】手段10は、光結合装置に、図37、図38
(c)、図39、図40、図42、図44(b)、図45、図46に例示す
るように、相対的に高屈折率で、光軸方向に進行するに
ともなって途中から徐々にその断面積あるいはその外側
の輪郭の形状が変化する部分を有する主コア(302A)の周
囲を、相対的に低屈折率の副コア(302B)で取り囲む構造
の複合コアを有する光導波路を用いるものである。
【００５２】本手段に用いる光導波路は、例えば図37
(a)に例示するように、主コア302Aを副コア302Bで取り
囲んだものをコアとする光導波路で、図示したように、
例えば、光導波路の右上側では主コア302Aの幅が広く途
中から幅が徐々に狭くなり、やがて主コア302Aが消失す
るものである。図37(d)の電界分布(2)に例示するよう
に、右側の幅が広い主コア302Aを有する部分では、主コ
アをコアとし副コアをクラッドとする光導波路が形成さ
れるため光（図37(d)の(1)及び(2)は電界分布を示す）
は狭い範囲に閉じ込められる。そのためスポット径が小
さくなる。主コア302Aが消失すると副コア301Bのみで光
を閉じ込めるようになるので、図37(d)の左側の電界分
布(1)に示すように、スポット径が大きくなる。中間部
においては、図37のように徐々にコアの形状を変化させ
ることにより徐々にスポット径が変化するようになる。
本手段を用いることにより、手段９に記載の光導波路が
具現化される。
【００５３】手段11は、図40、図41、図45(a)、図45(b)
に例示するように、手段10の光導波路において、副コア
302Bを、光軸方向に進行するにともなって徐々にその断
面積あるいはその輪郭が変化する部分を有する構成とし
たものである。
【００５４】図40(a)の光導波路は光導波路の右上から
左下に進むに従って副コア302Bの幅が徐々に広くなる領
域を含むものとなっており、図40(b)の光導波路は光導
波路の右上から左下に進むに従って副コア302Bの幅が徐
々に狭くなる領域を含むものとなっている。
【００５５】図40(a)及び図40(b)に示す光導波路の右上
の端の部分でガイドされる光の水平方向の電界分布と副
コアの幅との関係を図41に示す。ここに図41(a)は光導
波路の断面とそれにガイドされる電界の強度分布(1)を
例示するもの、図41(b)は図41(a)における副コア302Aの
幅 Ws と副コア302Aの屈折率ｎ2が変化したときの電界
強度分布(1)の幅 We（Weはスポットサイズ）の変化を例
示するものである。
【００５６】図41(b)に例示したように、副コアの幅を
広くすると電界分布が広いものとなり、副コアの幅を狭
くすると電界分布が狭くなる。よって副コアの幅を調節
して電界分布の形状を調節し、光導波路に結合される他
の光部品とのモード整合をすることができる。
【００５７】さらに、副コアの屈折率を小さくすると電
界分布が広いものとなり、副コアの屈折率を大きくする
と電界分布が狭くなる。よって副コアの屈折率を調節し
て電界分布の形状を調節し、光導波路に結合される他の
光部品とのモード整合をすることができる。このように
本手段を用いることにより手段10に記載の光導波路が改
良され、電界分布の調節範囲が拡大される。
【００５８】次に手段12は、図39、図45(c)に例示する
ように、相対的に高屈折率で光軸方向に進行するにとも
なって途中から徐々にその断面積あるいはその形状が変
化する主コア302Aを、相対的に低屈折率の副コア302Aで
上下又は左右の２方向からサンドイッチ状に挟み込んだ
構造の主コアと副コアを組み合わせたものを光導波路の
コアとするものである。なお、図39、図45(c)には、副
コア302Bで主コア302Aを上下２方向から挟み込んだもの
のみが例示されているが、縦と横の関係を入れ替える
と、副コアで主コアを左右２方向から挟み込んだものも
同等の作用を有する光導波路となる。
【００５９】図41(b)に例示したように、図41(a)の構成
の光導波路においては、副コアの幅を変化させると、副
コアと主コアの幅が同じになったとき最もスポットサイ
ズが小さくなる。よって本手段による光導波路は小さな
スポット径を持つ光部品とのモード整合に適するものと
なる。
【００６０】次に手段13は、図42に例示するように、曲
線状の光導波路300の少なくとも曲がりを有する部分
に、主コア302Aと副コア302Bを有する手段10〜12のいず
れかの光導波路を用いるものである。
【００６１】光は光導波路のコアのような屈折率の高い
部分に閉じ込められる性質を持つので、光導波路が曲が
ったものであっても光導波路に沿って伝搬する。しか
し、光には本来直進する性質があるので、光の閉じ込め
が弱くかつ曲がりの曲率半径が小さい場合には、曲がり
部分で光が光導波路から飛び出してしまう（以下これを
曲がりによる光の放射という）。そして、導波路の光の
閉じ込めの強さは光導波路の構造に依存し、一般的には
コアのサイズが一定の場合にはコアとクラッドとの屈折
率の差が大きいほど閉じ込めが強くなる。また図37に示
すような光導波路においては、主コア302Aのある部分で
は、主コア302Aと副コア301Bの両方で光を閉じ込めるの
で、主コア302Aのある部分の光の閉じ込めは主コア302A
の無い部分に比べて強いものとなる。そのため、図42に
例示するように、導波路の曲がりの部分に主コア302Aと
副コア302Bを形成したものとすると、曲がりの部分の光
の閉じ込めが他の部分に比較して強くなる。そのため曲
がり部分での放射が起こりにくくなる。その結果曲がり
の曲率半径を小さくすることが可能になり、光導波路が
小型になる。
【００６２】次に手段14は、図43に例示するように、曲
線状の光導波路の、少なくとも曲がりの部分に、相対的
に断面積が大きいコア302を形成するものである。光導
波路の光の閉じ込めの強さは光導波路の構造に依存し、
一般的にはコアのサイズが一定の場合にはコアとクラッ
ドとの屈折率の差が大きいほど閉じ込めが強くなり、コ
アとクラッドの屈折率の差が一定の場合にはコアの断面
積が大きいほど閉じ込めが強くなる。
【００６３】また、光導波路にガイドされる光のスポッ
トサイズは、コアとクラッドの比屈折率差が一定である
場合には、コアの断面積が小さくなるほど大きくなる。
従って図43に例示するように、光導波路の端部のコア30
2の断面積を小さくするとスポットサイズが拡大され光
ファイバ等との結合が容易になる。一方、導波路が曲が
っている部分についてはコア302の断面積を大きくする
と、と相対的に光の閉じ込めが強くなる。そのため曲が
り部分での放射が起こりにくくなる。その結果曲がりの
曲率半径を小さくすることが可能になり、光導波路を小
型にすることが可能になる。
【００６４】次に手段15は、図37、図38(c)、図39、図4
0、図42、図44(b)、図45、図46に例示するような手段９
〜手段13のいずれかの光導波路について、当光導波路を
構成する層の少なくとも１層を有機物で構成するもので
ある。
【００６５】この光導波路の場合、アンダークラッド層
301Aと主コア302Aと副コア302Bとオーバークラッド層30
1Bに有機物を用いている。このようにすると、主コア30
2Aと副コア301Bを酸素プラズマでエッチングして所定の
形状に加工し、再び有機物301Bを塗布するだけで容易に
所望の光導波路を形成することができる。
【００６６】次に手段16は、図37、図38(c)、図39、図4
0、図42、図44(b)、図45、図46に例示するような手段９
〜13のいずれかの光導波路について、少なくとも主コア
302Aに無機材料を、副コア302Bに有機材料を用いるもの
である。
【００６７】即ち，これらの図に例示する光導波路にお
いて、主コア302Aを例えばプラズマＣＶＤで形成したシ
リコン酸化膜やシリコン窒化膜にすると非常に薄いコア
を形成することが可能になる。更に屈折率を1.6〜1.9の
範囲で制御することも可能になる。
【００６８】例えば主コア302Aと副コア302Bにポリイミ
ド等を用いる場合には、ポリイミドの屈折率は1.5〜1.6
の範囲であるため、主コア302Aと副コア302Bの比屈折率
差は約3.2%以下になる。比屈折率差が小さい場合には、
コアが薄くなると閉じ込めが弱くなる。そのためコアサ
イズを小さくしてもスポットサイズが小さくならない。
これに対し、副コア302Bにポリイミドを用い、主コア30
2Aにシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を用いると、比屈
折率差を最大20%程度まで大きくすることができる。そ
の結果比較的モードサイズが小さい光導波路を形成する
ことが可能になる。
【００６９】図７はクラッド層301と副コア302Bの比屈
折率を0.5%、副コアの厚さを 5μm、主コア302Aの屈折
率を1.6〜1.9の間で変化させたときのスポットサイズを
例示するものである。図７のグラフのうち曲線(a)は主
コアの厚さが 0.2μm の場合、曲線(b)は主コアの厚さ
が 0.5μm の場合である。
【００７０】このように主コアに無機材料を用い、主コ
アを高屈折率で薄いものにすることにより小さなモード
サイズの光導波路を形成でき、光導波路と半導体レーザ
のモード整合が容易になる。例えば、光導波路のスポッ
トサイズを図７の線Ａで取り囲んだ範囲に選ぶと、半導
体レーザと光結合したときのモード不整合による結合損
失を非常に小さなものとすることができる。
【００７１】次に手段17は、図33、図34、図44、図45に
例示するように、手段８、手段15または手段16のいずれ
かによる光導波路について、当光導波路を有機物の層と
有機物の層の間に無機物の薄膜311を有する構造とする
ものである。
【００７２】図33、図34、図44、図45の例ではコア302
とアンダークラッド層301Aの間に無機材料よりなる薄膜
311を有する。コア302に有機物を用いた場合には、プラ
ズマエッチングによってコアを加工するが、図33、図3
4、図44、図45に例示するようにコア302とアンダークラ
ッド層301Aの間に無機材料の薄膜311を形成すると、酸
素プラズマエッチングでコア302を矩形に加工すると
き、薄膜311でエッチングを停止させることができる。
その結果、コアの加工の際のエッチング工程の管理が容
易になり、エッチングが確実なものとなる効果を生ず
る。
【００７３】次に手段18は、例えば図46に例示するよう
に、手段２の光導波路に手段３〜手段17のうちのいずれ
かのものを用いるものである。図46は、手段２の光結合
装置を構成する光導波路に手段９または手段10の光導波
路を用いるものである。
【００７４】手段２を用いると左右方向の結合トレラン
スが広がるので左右方向に位置合わせが容易になる。さ
らに手段２に加えて、手段３〜手段８のうちのいずれか
を用いると、光導波路と他の光学部品との高さ方向の位
置合わせが容易になる。その結果、手段２の光導波路と
他の光学部品の位置合わせが容易になり、光結合効率の
向上が容易になる。
【００７５】さらに手段２に加えて、手段９〜手段12、
手段15及び手段16のうちのいずれかの手段を用いると、
光導波路と光学部品とのモード整合を行うことができる
ので、結合効率が向上するようになる。
【００７６】なお、手段２と手段３〜手段８のうちのい
ずれかと、手段９〜手段12、手段15及び手段16のうちの
いずれかを組み合わせると、これらの効果が組み合わせ
られた光結合装置となることはいうまでもない。
【００７７】次に手段19は、図27または図28に例示する
ように、手段２又は手段18において、基板160に透明で
クラッド層301Aよりも低屈折率のものを用いるものであ
る。このようにすると基板160を光導波路のクラッドと
して用いることができる。そのため基板上のクラッド層
301Aを任意の厚さにすることができる。そこで基板上の
クラッド層の厚さ301Aを調節して光導波路の光軸を任意
の高さに調節することが可能になる。その結果他の光部
品との上下方向の光軸の位置合わせが容易になる。
【００７８】次に手段20は、図８、図10、図11、図13〜
図16、図25、図26、図47に例示するように、手段３又は
手段18又は19のいずれかにおいて、該光結合装置の光部
品200を搭載する部分の周囲を導波路形成用部材（301、
302等）で取り囲み、光部品200を搭載した部分を覆い且
つこの周囲の導波路部材にかかるような蓋用部材で且つ
光学部品200を搭載した部分の周囲の導波路部材と蓋用
部材の間を気密化した蓋用部材400を用い、当蓋用部材4
00で当光部品200を搭載した部分に蓋をし、気密封止を
したものである。
【００７９】本手段を用いると、光部品を簡単に気密封
止できる。ここに、光導波路300は気密封止パッケージ
の周囲の壁と窓とを兼ねるものとなっている。周囲の壁
と窓に別々のものを用いる場合に比べて製造が容易で小
型になる効果がある。
【００８０】手段21は、図47又は図49に例示するよう
に、手段３、手段18又は手段19のいずれかの光結合装置
（１あるいは１Ａ）において、基板100 に搭載した光部
品200の周囲を導波路形成用部材 501、503、504でリン
グ状に取り囲み、電気配線部材500 を、電気配線パター
ン502 が当リング状導波路形成用部材 501、503、504の
外周部を貫通し、光部品200を搭載する部分303 の周囲
の光導波路形成用部材の一部501 の表面に接するように
接着された構成とするものである。
【００８１】気密封止された部分と外部とを結ぶ電気配
線パターンを電気配線部材に形成するため、光導波路付
基板の形成が容易になる。次に手段22は、図10に例示す
るように、手段20において、蓋用部材400 が、光部品20
0 を搭載する導波路形成用部材の一部 303 の周囲に沿
って導波路部材の表面に被着されたリング状の金属部材
304 を介して光導波路の表面に接着され、光部品(200)
を気密化したものである。蓋用部材を接着する部分を金
属部材にすることによって、半田付けや溶接を行うこと
が容易になる効果が得られる。
【００８２】次に手段23は、図46に示すように、手段21
において、光導波路に手段19〜12のいずれかのものを用
い、少なくともリング状の金属部材の下に主コアと副コ
アとを有するものとしたものである。
【００８３】光導波路が置かれる雰囲気は空気、不活性
気体又は真空である。そのため屈折率１の媒質中に置お
かれているのと同じである。この場合、光導波路の光の
閉じ込めが弱い場合には、電界の一部が導波路の上側に
染み出すことになる。
【００８４】ところで、電界が外部に染み出す導波路の
場合、図10または46のように表面に金属部材304がある
と伝搬損失が大きくなる。光導波路の伝搬損失増加を抑
制するためには、金属部材304が形成された部分の光の
閉じ込めを強くする必要がある。そこで、本手段のよう
に、リング状の金属部材304の下に主コア302Aと副コア3
02Bを有する手段10〜手段12のいずれかの光導波路を用
いると、この部分の光の閉じ込めが強くなり伝搬損失が
低減される。
【発明の実施の形態】図８に本発明による光結合装置の
第１の実施例を示す。本光結合装置１は、50μmのピッ
チで配列された15個の発光部を有するアレイ状の半導体
レーザ200と、48μmのピッチで配列された15個のコア30
2を有するアレイ状の光導波路300を対向させたものであ
る。光導波路300とボンディングパッド（図示せず）は
基体である基板100の表面に形成されている。半導体レ
ーザ200はアレイ状の発光部のうちの中央の発光部が光
導波路300のアレイ状のコアのうちの中央のコアに一致
する位置を目標として位置合わせされてボンディングパ
ッドにボンディングされている。半導体レーザ200の、
目標とする位置からの位置ずれは±15μm以下に抑えら
れている。
【００８５】本実施例に用いた部材は、基板100は表面
の面方位が｛100｝のシリコン単結晶基板、光導波路300
は有機高分子導波路、ボンディングパッドは金属、半導
体レーザ200は特開平7-66502及び1993年電子情報通信学
会秋季大会講演論文集4-262に記載されたレーザ部と厚
さが変化するコアを有するスポットサイズ変換導波路と
をモノリシックに集積化したスポットサイズ変換導波路
付半導体レーザをアレイ化したものである。
【００８６】シリコン基板100の表面には厚さ１μmのシ
リコン酸化膜101が形成され、この上に光導波路300とボ
ンディングパッド（図示せず）とボンディングパッドに
接続された配線パターン（図示せず）が形成されてい
る。
【００８７】光導波路300は、断面が５μm×５μm、屈
折率が約1.558の矩形のコア302の周囲を屈折率1.55のク
ラッド層301で取り囲んだものである。コアの下側と上
側のクラッド層の厚さはいずれも20μmである（以下、
コアの下側のクラッド層をアンダークラッド層、コアの
左右と上側のクラッド層をオーバークラッド層とい
う）。
【００８８】半導体レーザ200のそれぞれの発光部はBH
構造の半導体光導波路となっており、発光部間のピッチ
は50μmである。BH構造のストライプの幅はレーザ部が
約1.5μmでありスポットサイズ変換部はレーザ部から出
力端に向かって約1.5μmから約4.91μmに変化してい
る。半導体レーザ200の厚さ方向の層構造は、活性層へ
の光の閉じ込め係数が５％になるようにレーザ部の層厚
と屈折率が調節され、スポットサイズ変換部は同じ層構
造でレーザ部から出力端に向かってコア部の厚さが徐々
に薄くなっている。コア部の厚い部分と最も薄い部分の
厚さの比は約2.5 ：１である。
【００８９】本実施例による光導波路300と半導体レー
ザ200は，単体の光導波路と単体の半導体レーザを対向
させて光結合させるとき、水平方向のみに着目すると、
最大結合効率が約100％で、結合効率が90％に低下する
ときの位置ずれの大きさが約±1.15μmである。因み
に、位置ずれが 5μmのとき結合効率は約35％に低下す
る。
【００９０】本実施例による光結合装置は、例えば、15
個の半導体レーザを順次発光させて光導波路から出力さ
れる光強度を計測し、最も光出力が大きい導波路の出力
端に光ファイバを結合するようにすれば、光ファイバ付
の半導体レーザになる。光ファイバの位置合わせにはシ
リコンＶ溝等を用いることができるので、その位置合わ
せは容易である。
【００９１】本実施例において、半導体レーザと光導波
路の相対的位置を左右に変化させた場合の光結合効率の
変化を図９に示す。図９において、"a"は半導体レーザ
と光導波路が（アレイではなく）単体のものである場合
の結合効率、"b"は本実施例のように半導体レーザと光
導波路がアレイであるの場合の結合効率である。なお、
この場合のアレイの場合の結合効率は、複数組のうちの
いずれかの半導体レーザと光導波路について、両者の相
対位置が変化したとき、その変化に対応してその結合効
率が最も大きくなる１対の組み合わせを順次選択し、そ
の組み合わせにおける結合効率をグラフ化したものであ
る。既に述べたように、光導波路と光ファイバの光結合
は比較的容易であるので、半導体レーザの出力光をいず
れかの光導波路に結合させることができれば、半導体レ
ーザと光ファイバの結合が容易にできるようになる。
【００９２】図９に例示したように、半導体レーザと光
導波路が（アレイではなく）単体のものである場合には
位置ずれが約±1.15μmのとき結合効率が90％まで低下
するのに対し、本実施例では90％以上の結合効率を維持
する範囲が±15μmまで拡大された。その結果、本実施
例による光結合装置を用い、半導体レーザが最も強く結
合した光導波路に光ファイバを結合れば、従来のように
光学的調整を伴う困難な位置合わせを行わずとも、比較
的容易に半導体レーザの光を光ファイバに結合させるこ
とができる。
【００９３】なお、本実施例に用いることのできる基
板、光導波路の材料および半導体レーザは本実施例のも
の（基板はシリコン、光導波路は高分子材料、半導体レ
ーザはスポットサイズ変換導波路付きレーザ）に限られ
るものではない。基板には、例えば石英ガラスやその他
のガラス及びセラミック等を用いることもできる。光導
波路には、例えばシリコンの酸化物やシリコンの窒化物
を主成分とする光導波路を用いることもできる。半導体
レーザには通常の端面出射型の半導体レーザをアレイ化
したものを用いることもできる。
【００９４】次に、図10に、図８の第１の実施例を変形
して光半導体素子を気密封止した第１の実施例の光結合
装置の第１の変形実施例を示す。ここに図10(a)は気密
封止のための蓋がされていない状態の斜視図、図10(b)
は蓋をした後の光結合装置の斜視図で、蓋の一部を切り
欠いて中が分かるようにしてある。
【００９５】図10の実施例においては、シリコン基板10
0の表面にシリコン酸化膜（図示せず）を形成し、その
シリコン酸化膜の表面に電気配線パターン103と半導体
レーザをボンディングするためのボンディングパッド10
2（図10においては、半導体レーザ200の下に隠されてお
り見ることができない）を形成し、電気配線パターンの
一部が光導波路の下になるように光導波路300を形成し
ている。シリコン酸化膜（図示せず）は基板100と電極
とを絶縁するためのものである。図10には明示されてい
ないが、半導体レーザ200をボンディングするためのボ
ンディングパッドはアレイ状の半導体レーザのアレイの
要素に対応して要素数だけあり、これらのボンディング
パッドは各々独立して電気配線パターン103に接続され
ている。 本実施例の光導波路300は屈折率が1.55のポ
リイミドによるクラッド層と屈折率が1.558のポリイミ
ドによるコアにより形成されている。コアの断面の形状
と寸法、クラッド層の厚さ及びコアのピッチは図８の実
施例の場合と同じである。矩形のコアは酸素プラズマエ
ッチングにより形成した。
【００９６】光導波路300には、矩形の孔303が形成され
ている。この孔303の部分では基板100の表面と基板の表
面に形成されたボンディングパッド及び電気配線パター
ンが露出している。この孔は酸素プラズマエッチングに
より形成した。
【００９７】孔303の内側に露出したボンディングパッ
ド102にはアレイ状の半導体レーザ200がボンディングさ
れている。この半導体レーザ200は図８の実施例に用い
たものである。半導体レーザ200は光導波路300のコア30
2の孔側に向いた端面に対向するようにボンディングさ
れている。
【００９８】光導波路の上側表面にはリング状の金属部
材304が形成されている。このリング状の金属部材は蓋4
00を被着させるためのものであり金属の皮膜により形成
されている。この金属皮膜は真空蒸着等により形成され
る。
【００９９】次に、蓋400には図10(b)の下側の面から上
側に向かって窪み401が形成されており、さらに窪みの
外周の表面にはリング状の金属部材402が形成されてい
る。このリング状の金属部材402は蓋を基板側のリング
状の金属部材304に被着させるためのものである。
【０１００】本図10の実施例では蓋400はセラミックに
より形成されている。なお蓋400には金属、シリコンあ
るいはプラスチックを用いてもよい。蓋400に金属を用
いる場合にはリング状の金属部材402は不要である。蓋4
00にシリコンあるいはプラスチックを用いる場合には、
真空蒸着、メッキ、スパッタ等により表面に金属皮膜を
形成すれば、インジウムや錫や半田等を用いて接着する
ことが可能になる。蓋400にシリコンやセラミックなど
の耐熱性の高いものを用いる場合にはスクリーン印刷の
後焼結する方法又はリング状の金属板を低融点ガラスで
張り合わせる方法等を用いることも可能である。また蓋
にプラスチックを用いる場合には金属のリング402と304
を無くし、高分子の接着剤を用いて光導波路300上に直
接張り合わせてもよい。
【０１０１】リング状の金属部材304は、金属の板によ
って形成されている。この金属の板は例えばプレス等で
打ち抜いたものを蓋に張り合わせて形成する。張り合わ
せには高分子の接着剤あるいは低融点ガラス等を用い
る。なお、スクリーン印刷により蓋400の表面にリング
状の金属部材上に焼結材を含む金属のペーストを塗布
し、これを焼結してもよい。さらに、真空蒸着、メッ
キ、スパッタ等により表面に金属皮膜を形成してもよい
（この場合は必ずしもリング状でなくてもよい）。
【０１０２】リング状の金属部材304の表面に低融点の
金属（例えばインジウム、錫あるいは金錫共晶合金等）
を被着させ、これに蓋の表面のリング状の金属部材402
を重ね合わせ、低融点金属を溶融させた後、常温に戻し
てリング状の金属部材304にリング状の金属部材402を固
着させる。この結果、孔303の中の半導体レーザ200は気
密封止される。
【０１０３】本図10の実施例では、光導波路300にポリ
イミドを用いたので、ボンディングパッド102及び電気
配線パターン103及び金属皮膜によるリング状の金属部
材304を形成した後に光導波路300および光導波路の孔30
3を形成することが可能になった。ボンディングパッド1
02及び電気配線パターン103及び金属皮膜によるリング
状の金属部材304を平坦な面上に形成することができる
ため、これらをフォトリソグラフィーにより比較的容易
に形成することができた。
【０１０４】さらに図８と同様に半導体レーザ200をボ
ンディングする際に許容される位置ずれの大きさが±15
μmであるため、位置合わせも比較的容易であった。さ
らに、半導体レーザ200の気密封止も比較的簡単にする
ことができた。
【０１０５】図11は石英の光導波路を用いる場合の第１
の実施例（図８）の第２の変形実施例を示すものであ
る。図11(a)は蓋をする前、図11(b)は蓋をした後を示す
ものである。
【０１０６】石英の光導波路を形成するには、その行程
で1000℃以上の温度で熱処理を行う必要がある。そのた
め光導波路300を形成した後に電気配線パターン103を形
成する。そのため本実施例では光導波路300層の上側の
表面に電気配線パターン103が形成されている。本実施
例の光導波路のクラッド301の屈折率は1.46、コアれの
大きさΔ１〜Δ11はそれぞれ-10T0、-8T0、-6T0、-4
T0、-2T0、0、2T0、4T0、6T0、8T0、10T0になる。ここ
に、左から右に向かう方向を正の方向とする座標系を用
い、第２の光部品の光軸の座標位置から第１の光部品の
座標位置を差し引いたものを位置ずれの大きさとした。
【０１０７】次に表１は、図１の第１の光部品を図１の
状態を基準にして、右側に-11T0〜11T0の間の位置ずれ
を起こさせた場合の互いに対向する各要素部品間の光軸
の位置ずれの大きさΔ１〜Δ11を記載したものである。
表の左端の１列（縦方向）が位置ずれの大きさ、第２列
〜第１２列がそれぞれΔ１〜Δ11の大きさを表してい
る。
【０１０８】表から明らかなように、図１の状態を基準
にして右側に-11T0〜11T0の位置ずれが生じると、Δ１
〜Δ11のいずれか１カ所では位置ずれが±T0以下になる
ことがわかる。すなわち二つのアレイ状の光部品であっ
て、それらの要素部品の配列ピッチが２T0だけ異なって
おり、共に11個の要素部品を含む二つのアレイ状の光部
品を対向させることにより結合トレランスが±11T0に拡
大されることになる。
【０１０９】
【表１】
【０１１０】一般的には、アレイ状の光部品の要素部品
の数をNにすると結合トレランスはN倍に拡大する。この
ように、手段１を用いることにより結合トレランスが拡
大され位置合わせが容易になる。
【０１１１】具体的な数値で示すと、例えば、図１にお
いて、第１の光部品200Xに半導体レーザアレイを用い第
２の光部品300Xに光ファイバアレイを用い、要素部品間
の結合トレランスを±１μmとした場合には、結合トレ
ランスは全体では±11μmまで拡大される。
【０１１２】半導体チップをボンディングするのに用い
る一般的なボンディング装置はその位置ずれ誤差は±５
μm 以下である。そのため光部品をボンディングする場
合、結合トレランスが±５μm 以上になればその位置合
わせが非常に容易になる。
【０１１３】さらに、手段１においてはアレイ状の光部
品を用いるため、光部品が長いものとなる。そのため、
紙面に垂直な軸を回転中心とする方向の回転誤差の検出
が容易になり、回転誤差が低減される。即ち、光半導体
素子の場合、寸法が小さいため、単体の場合には上記方
向の回転誤差の検出が困難になるが、アレイにすること
によりその検出が容易になり、回転誤差が低減される。
【０１１４】このように、手段１を用いると、半導体レ
ーザの位置合わせ精度が緩和されるとともに回転方向の
ずれの検出精度が向上し、位置合わせが簡単になる。手
段２は図8、図10、図11、図13〜図18、図20〜図27、図2
9、図31、図33、図35、図46、図47 及び図49(c)に例示
するように、手段１において少なくとも一方の光部品を
光導波路アレイ(300)にするものである。
【０１１５】例えば図８に例示するように光部品に光導
波路(300)を用いると、ピッチの変更及びピッチを小さ
くすることが容易になる等の利点がある。さらに、アレ
イ状の光部品の要素部品のピッチを小さくすると小型化
が可能になる利点もある。逆にサイズが同じであればア
レイに含まれる要素部品の数を増やすことができ、結合
トレランスを大きくなる。
【０１１６】以下、第２の光部品に光導波路を用いるこ
とにより、要素部品間のピッチの変更およびピッチを小
さくすることが容易になる理由を説明する。光導波路の
コアパターンはフォトリソグラフィープロセスでガラス
マスク上のパターンを転写することにより形成される。
そのためガラスマスクのピッチを変更して容易に導波路
のピッチを変更することができる。
【０１１７】次に、導波路は、そのコアサイズを、例え
ば10μm以下に小さくすることが容易である。更にコア
の形成にフォトリソグラフィープロセスを用いるので、
ピッチを変更することのみでなく、ピッチを小さくする
ことも容易になる。例えば他の光部品として光ファイバ
の場合を考えると、光ファイバアレイの場合には、その
ピッチを光ファイバの直径（通常125μm）より小さくす
ることは不可能である。しかし、光導波路は、そのピッ
チを10μm以下にすることは極めて容易である。
【０１１８】更に光導波路を用いると、図37、図38
(c)、図39、図40に例示するように、光導波路でスポッ
トサイズ変換を行うことが可能になる。図38(c)に例示
するように、光導波路300でスポットサイズ変換を行う
と導波路の一方と他方にモードサイズが異なる光部品
（図38(c)においては半導体レーザ200と光ファイバ３）
を配置する場合においても、その両方でモード整合を行
うことが可能になる。これについては手段９〜手段１２
の説明でより詳しく述べる。
【０１１９】更に、図10、図11、図25、図26、図47に例
示するように、光導波路300を、封止用の部材及び窓部
材の両方を兼用する部材として用い、光半導体素子200
の気密封止をすることができる。これについては手段20
の説明で詳しく述べる。
【０１２０】以上述べた手段１と手段２は、光部品が搭
載される基体の表面に平行な方向（以下これを左右方向
という）について結合トレランスを拡大し、位置合わせ
を容易にするものである。これに対し、手段３〜手段７
は、光部品が搭載される基体の表面とは垂直な方向（以
下これを上下方向という）について位置合わせを容易に
することを目的とするものである。手段３〜手段７は、
特に、光導波路の層方向の構造を改良して上下方向の光
軸の位置合わせを容易にするものである。以下、手段３
〜７につい説明する。
【０１２１】まず手段３の作用を説明する。手段３は図
35、図47、図49(c)に例示するように、光部品と光導波
路とを対向させる場合に、基板(100)の一部に窪み(106)
を形成し、この窪みに少なくともクラッド層(301)の１
部分(301)、あるいはクラッド層(301)と同じ屈折率かあ
るいはクラッド層(301)よりも低屈折率のバッファ層(31
0)を埋め込んだ構成を有する光導波路300を用い、光部
品(200)を基板の窪みの無い部分の表面に搭載するもの
である。本手段による光導波路300は、例えば図35、図3
6、図47に例示するように、基板100に形成した窪み106
に、バッファ層310あるいは光導波路300のクラッド層の
一部301が埋め込まれた構造となっている。ここにバッ
ファ層310は、その屈折率がクラッド層301、301A、301B
と同じかあるいはクラッド層より小さいものである。そ
して、クラッド層301A、301の一部が、基板100の表面よ
り高くなるように形成され、次いでコア302と上側のク
ラッド層301A、301が形成されている。さらに、図35、
図36、図47の例では、光部品200は窪みの無い部分にボ
ンディングされている。
【０１２２】図35、図36、図47に例示するように、手段
３を用い、窪み106に埋め込まれたバッファ層310または
クラッド層301を十分厚くすると光の基板100への放射が
低減されるようになる。そしてコア302の下側のクラッ
ド層301のうち基板表面から飛び出した部分のクラッド
層301A及び301の厚さとコア302の厚さを調節すると基板
表面からみたコア302の中心の高さを精密に調節でき、
更に基板表面からみたコア302の中心の高さを５〜６μm
にして基板100にボンディングされた半導体レーザ200の
光軸高さに一致させることができる。よって上下方向の
光軸の位置合わせも容易になる。その結果本手段（手段
３）と手段１とを組み合わせると、左右方向と上下方向
の両方の光軸の位置合わせが容易になる。 次に手段４
は、図29〜図36、図47、図49(c)に例示するように、光
部品と光導波路とを対向させる場合に、該光導波路(30
0)にクラッド層(301)よりも低屈折率のバッファ層(310)
の上にクラッド層(301)とコア(302)を形成したものを用
いるようにするものであり、コアの下側のクラッド層
(以下、これをアンダークラッド層と言う）を薄くし
て、光導波路作成時の製造誤差に起因する光導波路の光
軸の高さ誤差を小さくしようとするものである。
【０１２３】例えば、図29〜図32に例示するように、基
板100とアンダークラッド層301Aの間にアンダークラッ
ド層よりも低屈折率のバッファ層310を加えると導波路3
00のコア302にガイドされた電界分布のうち、アンダー
クラッド層301Aおよびバッファ層310に染みだした裾の
部分の減衰が大きくなる。そのため、バッファ層310と
アンダークラッド層301Aを加えた層厚を薄くしても基板
100に放射される光パワーを小さくすることが可能にな
る。その結果、バッファ層310とアンダークラッド層301
Aを加えた層厚を薄くすることが可能になる。このよう
にバッファ層310とアンダークラッド層301Aを加えた層
厚を薄くしても基板100に放射される光パワーの増加が
起こらない。その結果、バッファ層310とアンダークラ
ッド層301Aを加えた層厚を薄くすることが可能となる。
【０１２４】バッファ層310とアンダークラッド層301A
を加えた層厚を薄くすると、製造時の寸法誤差の絶対値
が小さくなり、光軸の高さのずれが小さくなる。例えば
図２のような構造の導波路と図４のような構造の導波路
を比較し、本手段の作用を具体的に説明する。
【０１２５】まず、図２は従来の導波路の層構造に相当
するスラブ構造導波路を例示するものである。ここに図
２(a)は層構造を、図２(b)は図２(a)の点線Ｙ−Ｙ’に
沿った屈折率分布を示すものである。また、301Aと301B
はクラッド層、302はコア層である。
【０１２６】このような屈折率分布を有するスラブ構造
の導波路クラッド層301A,301Bの屈折率が1.55、コア302
の屈折率が1.558、コア302の厚さが 5μm のとき、電界
強度が十分小さいもの（具体的には電界強度が最大値の
10-6になる場合について比較する.）となるのは、コア3
02の下側の端から約28μm離れた位置になる。そのとき
の電界分布は図３の(a)に示す通りであり、点P1は電界
強度が最大値の10-6になる位置である。なお図３におい
て(b)は屈折率分布を示すもので、縦軸の目盛りは任意
である。
【０１２７】これに対し、光導波路の層構造を図４のよ
うにバッファ層310を有するものとした場合の電界分布
を図５に示す。ここに、図４(a)は層構造を、図４(b)は
図４(a)の点線Ｙ−Ｙ’に沿った屈折率分布を示すも
の、図５の(a)は図４の光導波路にガイドされる光の電
界分布、図５の(b)は光導波路の屈折率分布（縦軸の目
盛りは任意）である。また、図４において、301Aはアン
ダークラッド層、301Bはオーバークラッド層、302はコ
ア層、310はバッファ層である。
【０１２８】図４の光導波路において、アンダークラッ
ド層の厚さを２μm、バッファ層を石英（屈折率は1.4
6）にした場合には、図５に示した電界分布の裾の部分
の電界強度が図３のP1と同じになるのは、バッファ層31
0とアンダークラッド層301Aとの境界から5.2μm離れた
位置（P1で指示）になる。
【０１２９】このように、光導波路を、アンダークラッ
ド層301Aの下にアンダークラッド層より低屈折率のバッ
ファ層310を有するものとすることにより、バッファ層3
10における電界強度の減衰を急峻にすることができる。
【０１３０】以上のことは図29〜図32に例示する光導波
路にも当てはまり、光導波路を図29〜図32に例示するよ
うな構造にすると、バッファ層310に染み出す光の電界
の強度が低下し、基板100への光パワーの放射が起こり
難くなる。その結果、バッファ層310とアンダークラッ
ド層310Aを加えた層の厚さを小さくすることができる。
その結果、光導波路の製造誤差に起因する光軸の高さ誤
差が低減され、位置合わせ精度が向上する。
【０１３１】次に手段５は、図31〜図34に例示するよう
に、光部品と光導波路とを対向させる場合に、該導波路
にクラッド層（301）と同じ屈折率かあるいはクラッド
層（301）よりも低屈折率のバッファ層（310）の上にク
ラッド層（301）とコア（302）を形成したものを用い、
光部品（200）をバッファ層（310）の上に搭載するので
ある。本手段（手段５）による光結合装置は、図31〜図
34に具体例を示すように、光導波路300と基板100の間
に、光導波路の少なくとも一方の端面から飛び出すよう
に形成されたバッファ層310を有する。ここに、バッフ
ァ層310は屈折率がアンダークラッド層301Aと同じかあ
るいはアンダークラッド層301Aより低屈折率の層であ
る。このような光導波路を用いると、例えば、バッファ
層310の光導波路の端面から飛び出した部分の上面に光
部品200を定接すれば、実効的に光導波路の光軸が低く
なるので、光導波路300と光部品200の高さ調節が容易に
なる。更に、アンダークラッド層301Aの厚さを調節して
光導波路の光軸高さを調節すると、光部品と光導波路の
光軸高さを精密に調節することができるようになる。
【０１３２】次に手段６は、図31〜図34に例示するよう
に、手段５を用いる光結合装置の光導波路のバッファ層
310を無機材料（シリコンの酸化物、シリコンの窒化
物、ガラスなど）にし、アンダークラッド層301Aとコア
302とオーバクラッド層301Bを有機材料（ポリイミドな
ど）とするものである。
【０１３３】光導波路のクラッド301A、301Bとコア302
を構成する層を有機物にすると、光導波路を形成する前
に、バッファ層310の表面に、電気配線用のパターンや
ボンディングパッドを形成することが可能になる。即
ち、光導波路の材料が有機物の場合には、比較的低温
で、塗布工程等を用いて導波路形成を行うことができ
る。
【０１３４】光導波路を形成する前のバッファ層310の
表面は平坦なので、フォトリソグラフィー工程を用い
て、容易に精密な電気配線用のパターンやボンディング
パッドを形成することができるようになる。そのため光
導波路とボンディングパッドの相対的な位置合わせが容
易になる。
【０１３５】光導波路を有機材料にすることにより、導
波路の形成に酸素プラズマエッチングを用いることがで
きる。そして、光導波路の端面の形成に酸素プラズマエ
ッチングを用いたとき、バッファ層310の部分でエッチ
ングが停止するため、図31または図32に例示するような
光導波路の端面から飛び出したバッファ層310の形成が
容易になる。
【０１３６】次に手段７は、図33又は図34に例示するよ
うに、手段５を用いる光結合装置の光導波路のバッファ
層(301)及びコアの下側のクラッド層(301A)より上の層
(301A、302 、301B)を有機材料で構成し、バッファ層(3
01)とコアの下側のクラッド層(301A)の間に無機材料の
薄膜(311)を挟み込むものである。
【０１３７】光導波路のクラッド301A、301Bとコア302
を構成する層を有機物にすると、光導波路を形成する前
に、薄膜311の表面に、電気配線用のパターンやボンデ
ィングパッドを形成することが可能になる。即ち、光導
波路の材料が有機物の場合には、比較的低温で、塗布工
程等を用いて導波路形成を行うことができる。
【０１３８】光導波路を形成する前の薄膜311の表面は
平坦なので、フォトリソグラフィー工程を用いて、容易
に精密な電気配線用のパターンやボンディングパッドを
形成することができる。そのため光導波路とボンディン
グパッドの相対的な位置合わせが容易になる。
【０１３９】光導波路を有機材料にすることにより、導
波路の形成に酸素プラズマエッチングを用いることがで
きる。そして無機材料の薄膜311があれば、光導波路の
端面の形成に酸素プラズマエッチングを用いたとき、薄
膜311の部分でエッチングが停止するため、図33または
図34に例示するような光導波路の端面から飛び出したバ
ッファ層310の形成が容易になる。302の屈折率は1.467
3、コア302の断面は 5μm×5μmの矩形、アンダークラ
ッド301とオーバークラッド301の厚さは30μmである。
【０１４０】光導波路に形成した孔303の中に配線パタ
ーン（図示せず）とボンディングパッド（半導体レーザ
により隠されている）を形成し、図８の実施例と同じ半
導体レーザ200をボンディングパッドにボンディングし
ている。本実施例では光導波路を形成し、光導波路の孔
303を形成した後でボンディングパッドを形成した。す
なわち孔303と光導波路の境界による段差がある基板上
にフォトリソグラフィープロセスを施しボンディングパ
ッドを形成することになる。このためボンディングパッ
ドの位置ずれが大きくなり易い。しかし、本実施例のボ
ンディングパッドの位置ずれ（±5μm以下）は半導体レ
ーザ結合トレランス（±15μm）に比べて十分小さいた
め、問題とはならない。セラミック製の蓋400をエポキ
シ樹脂によるリング304を介して接着し、半導体レーザ
を気密封止している。本実施例においても、半導体レー
ザの位置合わせが及び気密封止が容易にできる。
【０１４１】なお、図10及び図11の実施例による光結合
装置１は気密封止のため蓋をしても小型になる特徴があ
る。例えば 2mm×2mm×1mm 以下にすることも可能であ
る。熱容量が小さくなるので、気密封止後の光結合装置
１をペルチェ素子等の上に接着し温度調節をすることも
容易になる。
【０１４２】次に図12〜図16に、図10あるいは図11の第
１の実施例の第１及び第２の変形実施例により気密封止
された光結合装置（以下図12〜図16の説明において、図
８、図10あるいは図11のような光結合装置を記号１で、
それを一部変形したものを記号１Aで示す）に光ファイ
バを接続する実施例を示す。本実施例においてはまず、
最も光出力が大きい光導波路を選択する。図12は、図10
の実施例により半導体レーザ200を搭載し気密封止した
光結合装置１について、光出力が最も大きい光導波路の
コア302を選択する方法を例示するものである。
【０１４３】図12の光ファイバ接続実施例においては、
受光部の直径が 2mmのフォトダイオード２を用い、光結
合装置１の光導波路300の各コア302から出力される光強
度を計測する。フォトダイオード２の受光面のサイズが
光導波路300のコア302が並んでいるアレイの端から端ま
での幅（約0.7mm）に比べて十分大きいので、フォトダ
イオード２を光導波路300の前方のほぼ中央に配置すれ
ば、全てのコア302から出力する光を計測することがで
きる。電極103から順次半導体レーザ200のアレイの要素
に一定の電流を供給し、そのときの光出力を測定して光
出力が最大になる一つの光導波路を選択することができ
る。
【０１４４】図13〜図16は、図10に例示された第１の変
形実施例における光結合装置１A と光ファイバ３の光結
合を行う光ファイバ結合実施説明図を示すものである。
まず図13(a)及び(b)は，突起111（以下この突起をレー
ルという）を有する共通基板110と、レール111に嵌合す
る溝122（以下このレール111に嵌合する溝122をレール
嵌合溝という）を裏面に形成し、当レール嵌合溝を裏面
に形成した光ファイバ搭載基板120と、裏面にレール111
に嵌合する溝104（以下、これもレール嵌合溝という）
を形成した基板100Aを有する光結合装置1Aを示す。なお
光結合装置１Aは、図10の実施例による光結合装置１の
基板100に、レール嵌合溝104を形成するという変形を加
えたものである。このような光結合装置1Aと光ファイバ
搭載基板120のレール嵌合溝122及び104を共通基板110上
のレール111に嵌合させて位置合わせをし、光結合して
いる。
【０１４５】共通基板110には表面の面方位が｛100｝の
シリコン基板を用いている。このシリコン基板の表面に
熱酸化膜（図示せず）を形成し、次いでフォトリソグラ
フィイーとエッチング工程により所定のパターンの熱酸
化膜によるエッチング用マスクを形成し（図示せず）、
次いで強アルカリのエッチング液を用いてウエットエッ
チングする工程（この工程を異方性エッチングという）
を用いてレール111を形成している。このレール111を形
成する場合には、＜110＞方向に伸びるストライプ状の
熱酸化膜によるエッチング用マスクパターン（図示せ
ず）が用いられる。
【０１４６】図13の光結合装置１Aの基板100A及びファ
イバ搭載基板120も表面の面方位が｛100｝のシリコン基
板であり、レール嵌合溝104と122も異方性エッチングに
より形成されたものである。レール嵌合溝104と122は、
そのエッチング用マスクを形成する際に両面マスク合わ
せ装置を用い、それぞれ光導波路300のコア302のパター
ン及び光ファイバガイド溝121との相対位置が一定にな
るように形成されている。光ファイバガイド溝121に載
置した光ファイバ３が、図12の実施例により選択された
光導波路のコア302に対向するように光ファイバガイド
溝121を形成し、これに光ファイバ３を載置し、光結合
している。本方法を用いると、光ファイバ３の位置合わ
せが極めて容易になる。
【０１４７】図14は、図13に示した光結合装置と光ファ
イバを光結合することに更に工夫を加えた光結合装置の
第２の実施説明図であり、図13の第１の実施説明図の一
部を変形したものである。図14による第２の実施例は、
図13の第１の実施例の共通基板110のレールのサイズを
比較的小さいものとし、光結合装置1Aおよび光ファイバ
搭載基板120それぞれのレール嵌合溝104(光ファイバ搭
載基板120に隠れて図14には図示していない)及び122を
複数にし、且つレール嵌合溝104、122のピッチを光導波
路のコア302のピッチと同じにしたものである。
【０１４８】このようにすると、レール111に嵌合する
レール嵌合溝104、122を選択することにより光ファイバ
３に結合する光導波路のコア302を選択できるようにな
る。本実施例では、光ファイバ３が、例えば図12の実施
例により選択された光導波路のコアに対向するものとな
るようにレール嵌合溝104、122を選択し、レール111に
嵌合させる。
【０１４９】なお、図14にはレール111が１対（２本）
のものが例示されているが、複数対のレールを形成して
もよい。その場合は一つの対のレールと他の対のレール
の間隔が光導波路のコアのピッチに等しくなるようにす
る。
【０１５０】図15は、光結合装置と光ファイバを光結合
するために工夫を加えた光結合装置の第３の実施説明図
で図13の第１の実施説明図の一部を変形したものであ
る。本実施例は、図13の第１の実施説明図におけるファ
イバ搭載基板120の表面に、光導波路のコア302(図12参
照)のピッチと同じピッチの凹凸を有する周期的凹凸123
を形成し、その凹凸123に嵌合する周期的凹凸132と、光
ファイバ３を嵌合させる溝131（以下この「ファイバを
嵌合させる溝131」を「光ファイバ押接溝131」という）
を有する部材130で光ファイバ3をコア302(図12参照)に
押接するものである（以下この「光ファイバを押接する
部材130」を「光ファイバ押接部材130」という）。光フ
ァイバ搭載基板120の表面の周期的凹凸123は、基板120
を異方性エッチングすることによって形成される。さら
に、光ファイバ押接部材130にも表面が｛100｝のシリコ
ン基板が用いられており、光ファイバ押接溝131と光フ
ァイバ押接部材の両サイドの周期的凹凸132も異方性エ
ッチングによって形成されたものである。
【０１５１】本第３の実施説明図によれば、光ファイバ
押接部材130を左右に移動させて、光ファイバ３と光結
合する光導波路のコア302を選択することができる。そ
のため、光ファイバ３に結合すべき光導波路のコア302
の選択の自由度が向上する。
【０１５２】図16は、光結合装置と光ファイバを光結合
するために工夫を加えた光結合装置の第４の実施説明図
であって、図15の第３の実施説明図の一部を変形したも
のである。本実施例は、図15の第３の実施説明図のファ
イバ搭載基板120のレール嵌合溝122のうち同時にレール
111に嵌合するものを１組として、複数のレール嵌合溝1
22を形成したものである。ここに複数組のレール嵌合溝
122はその組内の二つはサイズが同じで、異なる組の間
ではサイズが異なるものとして形成されている。またレ
ール嵌合溝122は、その組と組の間のピッチが、光ファ
イバ搭載基板120の表面の周期的凹凸123の間隔の正数倍
になるように形成されている。
【０１５３】本第４の実施説明図によれば、複数組のレ
ール嵌合溝122のうちの１組を選択して光ファイバ３の
光軸の高さを調節することができる。従ってレール111
に嵌合したとき、光導波路のコア302と光ファイバ3の光
軸の高さにずれが合った場合でも、これを補正すること
が可能になる。さらに、本実施例では、図15の実施例と
同様に、光ファイバ押接部材130を左右に移動させるこ
とにより光ファイバ３と光結合する光導波路のコア302
を選択することもできる。従って、まず、高さの調節の
ためにレール嵌合溝122を選択し、次いで光ファイバ押
接部材130を左右に移動させて光ファイバ３と結合する
光導波路のコア302を選択することができる。
【０１５４】以上は光ファイバ３の左右の位置調節を扱
った実施例であるが、一方光ファイバ３の光軸の高さを
調節する必要がある。即ち，光導波路のコア302の光軸
の高さとの誤差をなくすることにより光結合効率が更に
向上する。
【０１５５】図17〜図24は第１の実施例（図８）の変形
実施例を示すものである。まず図17は、図８の第１の実
施例の基板100の代わりに、図17(b)に示すように、二つ
の基板130と基板140を用い、半導体レーザ200を基板130
に搭載し、光導波路300を基板140に搭載する第3の変形
実施例を示す図である。ここに図17(a)に半導体レーザ2
00を搭載すべき基板130の構成を例示し、図17(b)に半導
体レーザと光導波路が搭載された基板130、140を共通基
板110上に配列して、両者を光結合するための構成を示
す。
【０１５６】半導体レーザ200と光導波路300を搭載した
基板130、140を配列するために、基板130と基板140の裏
面にレール嵌合溝134、141を形成し、そのレール嵌合溝
を、第３の基板である共通基板110のレール111に嵌合さ
せている。
【０１５７】本実施例を用いると、レール嵌合溝134、1
41のサイズを調節して半導体レーザ200と光導波路300の
光軸の高さを調節することができるようになる。そのた
め両者の光軸の高さを一致させることが容易になる。ま
た、半導体レーザ200をボンディングするための基板130
の製造と光導波路300とを別々に独立して製造すること
が可能になる利点がある。例えば、光導波路300の製造
に高温プロセスが必要な場合でも、半導体レーザ200を
搭載するための基板130には何ら影響を及ばさないで済
む。なお、本実施例の光結合装置に、図14〜図16に示す
光ファイバ搭載基板を組み合わせると、光ファイバと光
結合することが可能になる。
【０１５８】図18は図８の第１の実施例の第４の変形実
施例を示すもので、図14に示した第２の実施説明図にお
ける光導波路のコア302のパターンを変形したものであ
る。本実施例では、光導波路のコアのピッチが、半導体
レーザと対向する側は図８の場合と同じであるが、その
反対側は250μmに広げられている。このようにすると、
後に説明するように光ファイバとの結合が容易になる効
果を生ずる（以下図19〜図21の説明において図18の光結
合装置を光結合装置１で示し、これを変形したものを光
結合装置1Aで示す）。
【０１５９】図19は図18の第4の変形実施例の光結合装
置１について、光ファイバ３と結合すべき光導波路300
のコア302を選択する方法の一つを例示するものであ
る。本実施例は、図19の光導波路300の左側端面に、各
々のコア302に対応させてアレイ状のフォトダイオード
２を対向させた構成を用いるものである。その他に、半
導体レーザ200のアレイ要素に順次電流を供給するレー
ザ駆動装置21と、フォトダイオード２の電流を測定する
装置（電流測定装置）22を具備して構成される。
【０１６０】レーザ駆動装置21による半導体レーザ200
のアレイ要素の選択に同期してフォトダイオード２の出
力電流を計測し、その電流が最大になる半導体レーザ20
0のアレイ要素と光導波路のコア302とを選択し、その導
波路のコア302に光ファイバ３を結合する。
【０１６１】図20は図18の第４の変形実施例による光結
合装置１について、図19の実施例により選択された光導
波路300のコア302に光ファイバ３を結合する一つの構成
を例示するためのものである。基本的には、図13の実施
例と同じように、図18の光結合装置１にレール嵌合溝10
4を形成したもの（光結合装置１A）を用い、この光結合
装置１Aに形成したレール嵌合溝104と光ファイバ搭載基
板120に形成したレール嵌合溝122を共通基板110のレー
ル111に嵌合させ配列したものである。
【０１６２】本実施例では光導波路のコア302のピッチ
を250μmに広げ、光ファイバ搭載基板120に複数のファ
イバガイド溝121を形成したので、どの光導波路のコア
に対しても光ファイバ3を結合することが可能になっ
た。そのため、本構造を用いれば、光ファイバ３と結合
すべきコア302がどれであっても、共通の光ファイバ搭
載基板120で光結合することができる。
【０１６３】図21は図18の第4の変形実施例による光結
合装置１に光ファイバ３を結合する他の構成を例示する
ものである。本例では、全ての光ファイバガイド溝121
にそれぞれ光ファイバ３を搭載している。そしてすべて
の光ファイバ３の出力を計測し、光出力が最大のものを
選択する。本実施例を用いれば、図25に例示するような
コアを選択する工程が不要となる。本実施例は、図25に
例示したようなコアを選択する工程にかかるコストが多
数の光ファイバを搭載するコストより大きい場合に、光
結合装置と光ファイバとの結合に要する総合コストを削
減することができる。
【０１６４】図22は、図20の実施例を変形したもので、
基板に、図20の実施例における基板100Aと光ファイバ搭
載基板120を一体化した基板150を用いるものである。基
板が一体化されるため、基板間の位置合わせが不要にな
る。
【０１６５】図23と図24は、図22の実施例の場合とは逆
に、図21の基板100Aを半導体レーザを搭載するための基
板130と光導波路付基板140の二つの基板に分割したもの
である。本実施例を用いると、図21の実施例の利点の他
に、図17の実施例と同様に、半導体レーザ200と光導波
路300の相対高さの調節が容易になるという利点があ
る。
【０１６６】図25は図18の第４の変形実施例に図10の第
１の変形実施例を適用する例を示すものである。図25に
例示するように、図18の変形例による光結合装置１に対
しても、光導波路300に孔303を形成し、半導体レーザ20
0を孔の中に入れてボンディングし、蓋400をすることに
より気密封止することができる。なお、図25には気密封
止に関する部分の構成および製造方法を詳細には示して
いないが、本実施例における気密封止に関する部分の構
成および製造方法及び蓋400の構成は、図10の実施例と
同じである。
【０１６７】図26は図22の実施例に図10の実施例を適用
する例を示すものである。即ち、図22の実施例による光
結合装置１に対して光導波路300に孔303を形成し、半導
体レーザ200を孔303の中に入れてボンディングし、蓋40
0をすることにより気密封止することができる。なお、
図26には気密封止に関する部分の構成および製造方法を
詳細には示していないが、本実施例における気密封止に
関する部分の構成および製造方法及び蓋400の構成は、
図10の実施例と同じである。
【０１６８】次に、図27〜図36は、半導体レーザと光導
波路の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置の
例１〜10を示すものである。図27は高さ方向の光軸合わ
せが容易な光結合装置の例１で、基板に石英基板160を
用い、その上にアンダークラッド層301Aとコア302とオ
ーバークラッド層301Bを形成した光導波路300を用いる
ものである。基板160の屈折率は約1.46、アンダークラ
ッド層301Aとオーバークラッド層301Bの屈折率は1.55、
クラッド301A,301Bとコア302の比屈折率差は0.5％であ
る（コア301A及び301Bとクラッド302には図10の実施例
の光導波路と同じポリイミドを使用）。
【０１６９】本実施例では、基板160の屈折率が小さい
のでアンダークラッド層301Aを薄くし、その厚さを調節
して光導波路300のコア302の高さの調節を行うことがで
きる。具体的にはアンダークラッド層301Aの厚さを4μ
m、コアの厚さを5μmにすれば、コアの中心の高さ（こ
の場合には6.5μm）を半導体レーザ200の光軸の高さ
（5.32〜9.32μm）に一致させることができる。
【０１７０】この場合、光導波路の光軸の高さが低い
（この場合には6.5μm）ので、アンダークラッド層301A
及びコア302の厚さに±５％の誤差が生じた場合でも、
光軸の高さ誤差（具体的には±0.4μm未満）は小さいも
のとなる。この場合の高さ誤差は、具体的には±0.4μm
以下であり、本実施例の結合系において許される位置ず
れの大きさ（具体的には±１μm）より小さいものとな
る。したがって、製造誤差がある場合でも、所定の結合
効率が得られる。なお、本実施例の適用範囲は図27のよ
うなアレイ状の半導体レーザ200とアレイ状の光導波路3
00の光結合に限定されるものではない。図28の例２に示
すように単体の半導体レーザ200と単体の光導波路300の
光結合においても、光軸の高さを一致させるのに有効に
なる。
【０１７１】図29は高さ方向の光軸合わせが容易な光結
合装置の例３で、基板100にシリコン基板を用い、その
上に熱酸化膜（図示せず）を形成し、その上にバッファ
層310を形成し、さらに、その上にアンダークラッド層3
01Aとコア302とオーバークラッド層301Bよりなる光導波
路300を形成したものである。ここに、半導体レーザ200
をボンディングするためのボンディングパッド（図では
見えず）及び電気配線用のパターン（図示せず）は、シ
リコン基板100の表面の熱酸化膜（図示せず）上に形成
されている。熱酸化膜はシリコン基板100を熱酸化した
ものであり、その厚さは２μmである。本実施例におい
ても、熱酸化膜101（図29には記載せず）は、図８に例
示するように、基板100の上側の表面全体を覆ってい
る。
【０１７２】図29の本実施例において、バッファ層310
はシリコンの酸化物によって形成されるものである。熱
CVDにより3.2μmのシリコン酸化物の層（これがバッフ
ァ層310になる）を厚さ２μmの熱酸化膜（図示せず）上
に形成したものがバッファ層310付の基板となる。
【０１７３】光導波路300はアンダクラッド層301A及び
アッパークラッド層301Bの屈折率が1.55、クラッド層30
1A又は301Bとコア302の比屈折率差が0.5％、コア302の
断面のサイズが６μm×６μmである。アンダークラッド
層301Aの厚さは約２μmである。
【０１７４】本実施例では、アンダークラッド301Aより
低屈折率のバッファ層310があるため、図5に例示したよ
うに、基板側に伸びる電界はその強度が急激に減衰す
る。そのため、アンダークラッド301Aが薄い場合でも光
の基板放射が低減される。
【０１７５】さらに、本実施例によれば、バッファ層31
0とアンダークラッド層301Aの厚さとコア302の厚さの２
分の１を加えた厚さ（8.2μm）を半導体レーザの光軸高
さ（5.32〜9.32μm）に等しくすることが可能になる。
またその全体の厚さの絶対値が小さいので、高さ誤差が
小さくなる。そのため半導体レーザ200と光導波路300の
光軸の高さ合わせが容易になる。さらに、基板100にシ
リコン基板を用いているので、異方性エッチングで例え
ば図13の実施例に示すようなレール嵌合溝104を形成
し、光ファイバ３と結合することが可能になる。
【０１７６】なお、本実施例の適用範囲は図29のような
アレイ状の半導体レーザ200とアレイ状の光導波路300の
光結合に限定されるものではない。図30は高さ方向の光
軸合わせが容易な光結合装置の例4で，図30に例示する
ように単体の半導体レーザ200と単体の光導波路300の光
結合においても、光軸の高さを一致させるのに有効であ
る。
【０１７７】図31は高さ方向の光軸合わせを容易にした
光結合装置の例５にて、基板100にシリコン基板を用
い、その上にバッファ層310（材料はシリコンの酸化
物、厚さは5μm）を形成し、その上にアンダークラッド
層301A（厚さ3.5μm、屈折率1.55のポリイミド）とコア
302（比屈折率差0.5％、６μm×６μmの断面サイズを有
するポリイミド）とオーバークラッド層301B（厚さ3.5
μm、屈折率1.55のポリイミド）よりなる光導波路300を
形成したものである。ここに、半導体レーザ200をボン
ディングするためのボンディングパッド（図では見え
ず）及び電気配線用のパターン（図示せず）は、バッフ
ァ層310の上に形成されている。
【０１７８】本実施例において、バッファ層310はシリ
コンの酸化物によって形成される。バッファ層310は、
シリコン基板100を熱酸化して2μmの熱酸化膜を形成
し、次いで熱CVDにより3μmのシリコン酸化物を堆積し
形成した。
【０１７９】本実施例においても、アンダークラッド30
1Aより低屈折率のバッファ層310のため、図5に例示した
ように、基板側に伸びる電界はその強度が急激に減衰す
る。そのため、アンダークラッド301Aが薄い場合でも光
の基板放射が低減される。
【０１８０】さらに、本実施例によれば、バッファ層31
0とアンダークラッド301Aの厚さとコア302の厚さの２分
の１を加えた厚さ（6.5μm）を半導体レーザ200の光軸
高さ（5.32〜9.32μm）に等しくすることが可能にな
る。またその全体の厚さの絶対値が小さいので、高さ誤
差が小さくなる。そのため半導体レーザ200と光導波路3
00の光軸の高さ合わせが容易になる。
【０１８１】さらにまた、基板100にシリコン基板を用
いているので、異方性エッチングで例えば図13の実施例
に示すようなレール嵌合溝104を形成し、光ファイバ３
と結合することが可能になる。なお、本実施例の適用範
囲は図31のようなアレイ状の半導体レーザ200とアレイ
状の光導波路300の光結合に限定されるものではない。
図32は高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置の
例６にて、図32に示すように単体の半導体レーザ200と
単体のコアを有する光導波路300の光結合においても、
光軸の高さを一致させるために用いることができる。
図33は高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置の
例７にて、基板100にシリコン基板を用い、その上に厚
さ20μmのポリイミドのバッファ層310を形成し、その上
にシリコン窒化膜311を形成し、その上にポリイミドの
アンダークラッド層301Aとポリイミドのコア302とポリ
イミドのオーバークラッド層301Bよりなる光導波路300
を形成したものである。ここに、半導体レーザ200をボ
ンディングするためのボンディングパッド（図では見え
ず）及び電気配線用のパターン（図示せず）は、シリコ
ン窒化膜311の上に形成されている。本実施例におい
て、バッファ層310はアンダークラッド層301Aに用いる
ものと同じ組成のポリイミドであり、光導波路を構成す
るクラッド層301A,301Bとコア302の材料と寸法は図31の
実施例のものと同じである。シリコン窒化膜311はプラ
ズマCVDで形成したものでその厚さは約200nmである。な
おバッファ層310は光導波路のクラッド層301A及び301B
より屈折率が小さいものであってもよい。本実施例によ
っても図31の実施例と同じ効果が得られる。
【０１８２】なお、本実施例の適用範囲は図33のような
アレイ状の半導体レーザ200とアレイ状の光導波路300の
光結合に限定されるものではない。図34は高さ方向の光
軸合わせを容易にした光結合装置の例８にて、図34に示
すように単体の半導体レーザ200と単体のコアを有する
光導波路300との光結合においても、光軸の高さを一致
させるのに有効である。
【０１８３】図35は高さ方向の光軸合わせを容易にした
光結合装置の例９にて、基板100に窪み106を形成し、窪
みの部分にバッファ層310を埋め込み、その上にアンダ
ークラッド層301Aとコア302とオーバークラッド層301B
よりなる光導波路300を形成したものである。ここに、
バッファ層310の表面は基板100の窪み106のない部分と
同じ高さにする。半導体レーザ200をボンディングする
ためのボンディングパッド（図では見えず）及び電気配
線用のパターン（図示せず）は、基板100の窪み106のな
い部分の表面に形成されている。
【０１８４】本実施例において、バッファ層310はシリ
コンの酸化物によって形成されるものであり、光導波路
300のクラッド層301A,301Bとコア302の材料と寸法は図3
1の実施例のものと同じである。
【０１８５】本実施例による光結合装置は、例えば次の
ようにして製造される。基板100に、表面の面方位が｛1
00｝のシリコン基板を用い、これを異方性エッチングし
て窪み106を形成する。次いで、スパッタあるいはＣＶ
Ｄあるいは塗布工程等により、窪み106にバッファ層310
の材料になるものを埋め込み、必要があれば熱処理等を
行って透明にする。なお本実施例のようにバッファ層31
0にシリコンの酸化物を用いる場合には1000℃以上の温
度で熱処理する。次いで、研削し、バッファ層310の表
面と基板100の表面が同じ高さになり、バッファ層310の
表面が平坦になるようにする。次いで表面に絶縁膜（例
えば窒化シリコン膜等。図35には明示せず。）を形成
し、その上にボンディングパッド（図では見えず）と電
気配線パターン（図示せず）を形成し、次いで光導波路
300を形成する。ここに、絶縁膜形成は基板と電気配線
パターンを絶縁するために行うものであり、この目的が
達成されるのであれば他の方法を用いてもよい。
【０１８６】バッファ層310の厚さは10μm、クラッド層
301A,301Bとコア302の構成は図31のものと同じである。
本実施例によれば図31の実施例と同様に光導波路300と
半導体レーザ200の光軸の高さを一致させるのが容易に
なる効果を生ずる。さらに、半導体レーザ200をボンデ
ィングする面がシリコン基板100の表面であるので、熱
放散が良好になる効果も生ずる。
【０１８７】なお、本実施例において、バッファ層310
は、その屈折率が光導波路300のアンダークラッド層301
Aと同じかあるいは低屈折率で透明なものであれば何で
もよい。例えばポリイミドでもよい。さらに、バッファ
層310の上に形成される光導波路300はポリイミド導波路
に限られるものではなく、その他の有機物又は無機物に
よる光導波路であってもよい。
【０１８８】また、本実施例の適用範囲は図35のような
アレイ状の半導体レーザ200とアレイ状の光導波路300の
光結合に限定されるものではない。図36は高さ方向の光
軸合わせを容易にした光結合装置の例10にて、図36に示
すように、単体の半導体レーザ200と単体のコアを有す
る光導波路300の光結合においても光軸の高さを一致さ
せるのに有効になる。
【０１８９】なお、以上説明したもののうち、図27の実
施例の光導波路300の構造および半導体レーザ200の実装
方法は、図８、図10および図12の実施例の光導波路300
及び半導体レーザ200の実装にも適用可能である。
【０１９０】同様に、図28〜図36の実施例の光導波路30
0の構造および半導体レーザ200の実装方法は、図８、図
10、図11、図13〜図18、図20〜図26の実施例の光導波路
300及び半導体レーザ200の実装にも適用可能である。
【０１９１】図37、図39、図40および図44は、光が光導
波路を伝搬するにつれて、場所により光のスポットサイ
ズあるいは閉じ込めの強さが変化する単体の光導波路の
実施例を示すものである。
【０１９２】図37は伝搬するに伴い光スポットサイズが
変化する光導波路の例１を示し、相対的に高い屈折率の
主コア302Aを相対的に屈折率が低い副コア302Bで取り囲
んだ構造のコア302を有する光導波路300を例示するもの
である。図37(a)はその斜視図を、図37(b)は図37(a)の
上側から見た平面図を、図37(c)は図37(b)の線X1-X1'上
およびX2-X2'上の屈折率分布を、図37(d)は右下方向か
ら見た側面図断面を、図37(e)は図37(d)の線Y1-Y1'上及
びY2-Y2'上の屈折率分布を示す。なお図37(d)は光軸中
心に沿って切断したときの側面断面図、図37(c)の点線
はX1-X1'上の屈折率分布、図37(c)の実線はX2-X2'上の
屈折率分布、図37(e)の点線はY1-Y1'上の屈折率分布、
図37(e)の実線はY2-Y2'上の屈折率分布、図37(d)の線
(1)と(2)は導波路にガイドされる光の電界分布である。
【０１９３】本実施例の光導波路300は、一方の端には
主コア302Aを有し、そこから光軸に沿って進むに従っ
て、一定の区間では一定の幅の主コア302Aを有し、次い
で主コア302Aの幅が徐々に狭くなり、次いで主コア302A
が消失する。具体的構成は、クラッド層301の屈折率が
1.55、クラッド301と副コア302Bの比屈折率差が0.5％、
主コア302Aの屈折率が1.6、副コア301Bの断面の外形寸
法が６μm×６μm、主コア302Aを含む側の端において、
主コア302Aの厚さが0.8μm、主コアの幅が3μmである。
また，クラッド層301、副コア302Bおよび主コア302Aは
いずれもポリイミドである。
【０１９４】このような構成の光導波路300は、図37(d)
の(1)、(2)に示すように、主コア302Aがある部分では主
コア302Aをコアとし、副コア301Bをクラッドとするよう
な導波路が形成される。そのため、主コア302Aが存在す
る側では相対的にスポットサイズが小さくなり、主コア
302Bが存在しない側では相対的にスポットサイズが大き
くなる。
【０１９５】具体的には、主コア302Aを有する側の導波
路にガイドされる光のスポットサイズは約3.1μm（縦）
×5.5μm（横）であり、主コア302Bがない側の導波路の
スポットサイズの径は約6.7μmである。
【０１９６】本実施例による光導波路300の主コア302A
を有する側のスポット径は、図８の実施例に用いた半導
体レーザ200のスポットサイズとほぼ等しい。具体的に
は、図８の実施例に用いた半導体レーザ200のスポット
サイズは3μm×6.8μmである。そのため、例えば図８の
実施例の光導波路300に本実施例による光導波路300を用
い、主コア302Aを有する側と半導体レーザ200を対向さ
せると、高い結合効率が得られる。
【０１９７】さらに、主コア302Aがない側の光導波路と
光ファイバとは、比較的高い効率で結合する。そのた
め、例えば図８、図10等に例示する光結合装置の光導波
路に本実施例の光導波路を用いると、半導体レーザと光
導波路の両方に高効率で結合する光結合装置が実現され
る。以下に、具体的に、図38のような結合系の場合の結
合効率を例示する。図38(a)は半導体レーザ200に光ファ
イバ 3 を直接結合する場合、図38(b)は半導体レーザ20
0と光ファイバ3 を主コア302Aを有しない光導波路300を
介して結合する場合、図38(c)は半導体レーザ200と光フ
ァイバ3 を本実施例（図37の実施例）の光導波路を介し
て結合する場合である。
【０１９８】これら三つの場合について、半導体レーザ
200の接合に垂直な方向のみに着目して半導体レーザ200
と光ファイバ３の最大の光結合効率を求めると、図38
(a)の場合が約67％、図38(b)の場合が約77％、図38(c)
の場合が約95％になる。このように本実施例を用いる
と、比較的容易に、高結合効率の光結合装置を実現する
ことができる。
【０１９９】以上、クラッド層301、副コア302Bおよび
主コア302Aがポリイミドである光導波路について説明し
たが、これらは無機材料であってもよいし、有機材料の
層と無機材料の層が混在するものであってもよい。
【０２００】そこで次に、例えば、クラッド層301と副
コア302Bにポリイミドを用い、主コア302Aにシリコン酸
化膜やシリコン窒化膜を用いる場合の実施例について説
明する。
【０２０１】このような実施例の光導波路は、図37と同
じ構成とし、例えばプラズマＣＶＤでシリコン窒化膜を
形成し、これを主コア302Aとすればよい。具体的な構成
は、クラッド層301の屈折率が 1.55 、クラッド層301と
副コア302Bの比屈折率差が0.5％、主コア302Aの屈折率
が 1.7、副コア302Bの断面の外形寸法が 6μm×6μm、
主コア302Aを含む側の端において、主コア302Aの厚さが
0.19μm、主コアの幅が4.55μmである。
【０２０２】このような光導波路の主コア302Aを有する
側のスポットサイズは 3μm×5.7μmである。例えば図
８の実施例の光導波路300にこのような光導波路を用
い、この光導波路の主コア302Aを有する側を半導体レー
ザ200に対向させると、垂直方向のみについては99％の
効率で光結合する。このように本実施例を用いると、垂
直方向のスポットサイズを半導体レーザに一致させ、結
合効率を向上させることが容易になる。その結果結合効
率が向上する。
【０２０３】次に、本実施例により光導波路にガイドさ
れる光のスポットサイズを大きく変化させる例を図７を
用いて説明する。図７はクラッド層301と副コア302Bの
比屈折率を0.5%、副コア302Bの厚さを 5μm、主コア302
Aの屈折率を1.6〜1.9の間で変化させたときのスポット
サイズを例示するものである。図７のグラフのうち曲線
(a)は主コア302Aの厚さが0.2μmの場合、曲線(b)は主コ
ア302Aの厚さが0.5μmの場合である。
【０２０４】図７によれば、主コア302Aの屈折率と厚さ
を変化させてスポットサイズを約 1μm〜7μmの間で変
化させることが可能になることがわかる。さらに、本実
施例において副コア302Bの屈折率及び断面のサイズを変
化させると、主コア302Aがない側にガイドされる光のス
ポットサイズを変化させることも可能になる。
【０２０５】例えば図６のグラフ(a)は、図８のような
スラブ導波路のコア302とクラッド301（屈折率1.55）の
比屈折率差が変化したとき、光導波路にガイドされる光
のスポットサイズがどのように変化するかを例示するも
のである。なお、コア302とクラッド301の比屈折率差を
変化させるとコア302の厚さも変化させなければならな
いため、図６にはコア302の厚さ（グラフ(b)）も同時に
示している。
【０２０６】図６によれば、副コアの屈折率と厚さを変
化させてスポットサイズを約 5μm〜12μmの間で変化さ
せることが可能になることがわかる。光導波路にガイド
される光のスポットサイズを拡大すると、光導波路と光
ファイバの結合効率が向上し、さらに結合トレランスが
拡大される。
【０２０７】このように、本実施例を用い、主コア302A
および副コア302Bのサイズと屈折率を変化させることに
より、ガイドされる光のスポットサイズを広い範囲にわ
たって変化させることが可能な光導波路が実現される。
その結果、高い結合効率と大きな結合トレランスを有す
る光結合構造を形成することが可能になる。
【０２０８】図39と図40は伝搬するに伴い光のポットサ
イズが変化する光導波路の例２、例３及び例４であっ
て、光軸方向に進むに従って副コア302Bの断面形状が変
化する光導波路の実施例を示すものである。ここに、図
39は、図37の実施例において、主コア302Aがある側の副
コア302Bの幅を主コア302Aと同じにしたものである（図
37の場合には主コア302Aに比べて副コア302Bのほうが幅
が広い）。このようにすると、後に説明するように、光
導波路の主コア302Aを有する側の横方向のスポット径が
より小さくなる。そのため本実施例を用いると、例え
ば、横方向のスポット径がより小さい半導体レーザとの
結合効率が向上する。
【０２０９】図40(a)は、主コア302Aが存在する側の副
コア302Bの幅を、主コア302Aの幅よりも広く且つ反対側
の端の副コア302Bの幅よりも狭くしたものである（図37
の場合には副コア302Bの幅が一定である）。このように
すると、後に説明するように、光導波路の主コア302Aを
有する側の横方向のスポット径が図37の実施例の場合と
図39の実施例の場合の中間になる。
【０２１０】図40(b)は、主コア302Aが存在する側の副
コア302Bの幅が、相対的に広くなるようにしたものであ
る（図37の場合には副コア302Bの幅が一定である）。こ
のようにすると、後に説明するように、光導波路の主コ
ア302Aを有する側の横方向のスポット径が相対的に大き
くなるので、横方向のスポット径が相対的に大きい半導
体レーザとの結合効率を向上させることができる。
【０２１１】図41(a)は、図39及び図40の実施例の効果
を定性的に説明するためのものである。ここに図41(a)
は光導波路の断面図である。クラッド層301の屈折率をn
1、副コア302Bの屈折率をn2、主コア302Aの屈折率をn3
で示す。また、主コア302Aの幅をWm、副コア302Bの幅と
主コア302Aの幅の差をWsで示している。さらに(1)は、
この導波路にガイドされる光の電界強度分布を示してお
り、そのスポットサイズをWeで示す。
【０２１２】図41(b)は図41(a)のWsと副コア302Bの屈折
率n2が変化した場合のWeの変化を定性的に示すものであ
る。Wsを横軸にとり、n2をα、β、γにしたときのWeの
変化を示している。
【０２１３】図示したように、Wsが大きくなるとスポッ
トサイズWeが大きくなる。またn2が大きくなるとスポッ
トサイズが大きくなる。なおWsが一定値より小さくなる
と逆の変化をするようになる。 具体的には図37の実施
例の光導波路（主コア302Aを、屈折率1.7、厚さ0.19μm
のシリコン窒化膜で構成するもの）において、例えばWs
を10μmにすると、横方向のスポット径は6.3μmになる
（Wsが0.7μmの場合のスポット径は5.7μm）。さらに、
Wsを十分広くし（例えば20μm）、Wmを1.5μmまで狭く
すると、横方向のスポット径は7.2μmになる。
【０２１４】図37の実施例のうち、主コア302Aを、屈折
率1.6、厚さ0.8μmのポリイミドで構成するものの場合
には、Wmを1.6μm、Wsを10μmにすると、横方向のスポ
ット径は6.5μmになる。 このように、WsとWmを調節す
ると、広い範囲にわたってスポットサイズを調節するこ
とができる。光導波路のスポットサイズを調節し、半導
体レーザに一致させることにより高い結合効率を持った
光結合装置を実現することができる。
【０２１５】なお、図37、図39および図40の実施例は、
図８、図10、図11、図13〜図18、図20〜図36の実施例
の、いずれの導波路にも適用可能である。図42は主コア
及び副コアを用いた曲がり導波路を有する単体の光導波
路であって、図37の実施例による光導波路を曲がりを有
する導波路に適用する例を示したものである。図42(a)
は、光導波路を、曲がりの部分およびその前後に主コア
302Aを有する構成としたものである。図42(b)は、光導
波路を、曲がりの部分から片方の端部にかけて主コア30
2Aを有する構成としたものである。
【０２１６】本実施例による導波路は、曲がりの部分に
おいて光が強く閉じ込められるので、曲がりの曲率を比
較的小さくした場合でも損失が小さいものとなる。さら
に図42(b)の場合には、主コア302Aのある側にガイドさ
れる光のスポットサイズが小さいものとなり、半導体レ
ーザ等との結合効率が向上する効果が得られる。
【０２１７】例えば図18、図20〜図26の実施例に示す光
結合装置の光導波路300に、図42の光導波路300を用いる
と、装置を小型にすることができる。さらに、例えば図
18、図20〜図26の実施例に示す光結合装置の光導波路30
0に、図42(b)のものを用い、主コア302Aを有する側の端
面を半導体レーザ300に対向させた場合には、両者のス
ポットサイズが一致するようになり光結合効率が向上す
る効果も得られる。
【０２１８】図43はコアの幅を変化させた曲がり導波路
を有する光導波路であって、図43において、光導波路
を、曲がりの部分およびその前後で幅が広くなる構成の
コア302の周囲をクラッド301で取り囲む構成としたもの
である。ここに図43(a)は本実施例による光導波路の斜
視図、図43(b)は図43(a)を上側から見た平面図である。
【０２１９】本実施例による導波路は、曲がりの部分に
おいて光が強く閉じ込められるので、曲がりの曲率を比
較的小さくした場合でも損失が小さいものとなる。例え
ば図18、図20〜図26の実施例に示す光結合装置の光導波
路300に、図43の光導波路300を用いると、装置を小型に
することができる。
【０２２０】図44および図45は、光導波路300を、ポリ
イミドによるクラッド層301Aの上側にプラズマＣＶＤで
形成したシリコン窒化膜311を配置し、その上にコア302
とオーバークラッド301Bを配置した構成としたものであ
る。シリコン窒化膜311の厚さは200nm以下である。
【０２２１】図44(a)は単一の構成のコア302を有する例
１にて、図44(b)および図45(a)〜図45(c)は、コア302を
主コア302Aと副コア302Bの複合体で構成する例２，例
３、例４及び例５である。それぞれ図37、図40(a)、図4
0(b)、図39に対応する導波路のクラッド301とコア302の
間にプラズマＣＶＤで形成したシリコン窒化膜311を配
置したものである。 本実施例では、コア302となるべ
き層を形成した後にその上にマスクを形成し、次いで酸
素プラズマでエッチングして矩形のコア302を形成す
る。本実施例を用いると、酸素プラズマエッチングによ
りコア302を矩形に加工する際、シリコン窒化膜311がエ
ッチングストップ層になり、加工が容易になる。
【０２２２】図46は、図10の実施例において、金属製の
リング304の下側に相当する部分および半導体レーザ200
に対向する端部を、主コア302Aと副コア302Bの複合体で
構成されるコア302を有する導波路にしたものである。
具体的には、本導波路は、クラッド層301の屈折率が1.5
5、副コア302Bの屈折率が1.558、主コア302Aの屈折率が
1.6、副コア302Bの断面の外形寸法が 6μm×6μm、さら
に、主コア302Aを含む側の端において、主コア302Aの厚
さが 1μm、主コア302Aの幅が 3μm、アンダークラッド
301とオーバークラッド301の厚さが20μmである。この
ようにすることにより、金属製のリング304が存在する
ことによる損失を低減することができる。
【０２２３】図47は、図10又は図11の実施例において、
気密封止の際の光結合装置１の電気的な接続端子の確保
のために、電気配線パターン502を形成した独立した部
材（電気配線部材500）を用いるものである。
【０２２４】光導波路300は、図35に例示したような基
板100の窪み106にバッファ層310を埋め込んだものであ
る。電気配線パターン502はリング状のセラミック基板5
01とリング状のセラミックの板503に挟まれるように形
成されている。セラミック板503の上にはリング状に金
属皮膜504が形成され、その上に蓋400を抵抗溶接し、気
密封止をしている。
【０２２５】図48と図49は、図47に例示した光結合装置
の製造工程を示すものである。まず図48(a)のように、
異方性エッチングでシリコン基板100に窪み106を形成す
る。次いで、図48(b)のように、窪み106にバッファ層31
0の材料（具体的には石英又はポリイミド樹脂）を充填
し、次いで表面を研削して平坦にする。次に、図48(c)
のように、クラッド301とコア302で構成される光導波路
300を形成する。さらに、基板の窪み106の右上側の端に
相当する部分がその端になるように、導波路300に孔303
を形成する。孔303の部分には基板100の表面および基板
100の表面に形成された電気配線パターン（図示せず）
及び半導体レーザをボンディングするためのボンディン
グパッド102が露出している。
【０２２６】なお、光導波路300に有機材料を用いる場
合には、基板の表面に電気配線パターン（図示せず）と
ボンディングパッド102を形成した後、光導波路の材料
を塗布し、光導波路300及び孔303を形成する。光導波路
に石英等の高温処理を要する材料を用いる場合には、光
導波路300と孔303を形成した後、孔303の部分の基板100
の表面に電気配線パターン（図示せず）とボンディング
パッド102を形成する。
【０２２７】次に、図49(a)に示すものは、光導波路付
基板に張り合わせるための独立した電気配線部材500で
ある。電気配線部材500は、図49(a)のように、セラミッ
ク基板501上に電気配線パターン502を形成し、さらにそ
の上にセラミックの板503を張り合わせ、さらにその上
にリング状の金属皮膜504を形成したものである。
【０２２８】このような電気配線部部材500を、図49(b)
に示すように、光導波路付基板の上に張り合わせる。次
に、図49(c)のように、アレイ状の半導体レーザ200をボ
ンディングする。次にリング状の金属皮膜504のうえに
金属製の蓋400を重ね、周囲を抵抗溶接すれば、図47の
ように気密封止される。
【０２２９】本実施例によれば、別に製造した電気配線
部材500を張り合わせるだけで気密封止をすることがで
きるようになる。そのため、電気配線の製造工程が、導
波路の製造工程に影響されなくなる。
【０２３０】例えば、図10又は図11の実施例において
は、光導波路の製造工程に対応して電気配線パターン10
3の材料および製造工程を選択する必要がある。しか
し、本実施例では電気配線部材を別に製造するので、そ
の製造工程は光導波路の製造工程とは全く無関係とな
る。そのため、例えば、集積回路用パッケージの製造工
程をそのまま使用する等電気配線部材の製造に従来の製
造方法を用いることが可能になる。
【０２３１】
【発明の効果】以上説明した如く本発明によれば，光結
合させるべき半導体レーザと光導波路の２種類の光部品
をそれぞれアレイ状に配列して対向させ，それらアレイ
状の光部品を，それら光部品の要素部品間の配列ピッチ
が光結合に許容される結合トレランスの±２倍の誤差範
囲内に止まるよう配列して基板上に製作し，それぞれ対
向した２種類の光部品間の光結合を測定して最も高い結
合度を示す一対の光部品を選択することによって，光結
合させるべき２種類の光部品の、基板と平行な横方向の
位置調整のための光学調整が不要になり，また、２種類
の光部品のいずれか一方の光部品を、光学調整のために
一時的に発光させることによって損傷させてしまうこと
を未然に防ぐことができ、さらに、光ファイバと半導体
レーザを光結合させる場合、これらの中間にアレイ状の
光導波路を介在させるため、半導体レーザを小さなピッ
チでアレイに配列できて、半導体レーザと光導波路の２
種類の光部品をアレイ状にしても光結合装置全体を小型
化でき，さらに、本発明によれば，上記２種類の光部品
を基板上に設置する場合、光導波路のアンダークラッド
層と基板の間にアンダークラッド層より低屈折率のバッ
ファ層を設けることにより、アンダークラッド層とバッ
ファ層を合わせた層厚を薄くすることができ、光学調整
を行わずに、上記半導体レーザと光導波路との、上記横
方向と直角の高さ方向の光軸ずれを軽減させることがで
き，さらに，本発明によれば、上記バッファ層を無機材
料で作り，上記アンダークラッド層、コア層及びオーバ
クラッド層を含む光導波路を有機材料で作ることによ
り、当光導波路を形成するまえに容易にバッファ層の上
に電気配線用パターンや半導体レーザを載置するボンデ
ィングパッドを形成することができ、また，光導波路を
プラズマエッチングにより容易に形成することができ、
さらに、本発明によれば、光導波路のコアを、主コアと
主コアより低屈折率の副コアを、主コアを中心に副コア
をその周囲を取り巻く構造で且つ光の進行方向に沿って
主コアの断面積を徐々に小さくなるように形成すること
によって、あるいは、光導波路のコアの断面積を光の伝
播方向に変化させることによって，コアを伝播する光の
ポット径を変化させることができ、主コアの断面積が大
きい側に半導体レーザを、小さい側に光ファイバを接続
した場合、高い結合度にて半導体レーザと光ファイバを
光結合させることができ、また、光導波路を小さい曲率
半径で曲げることができて光結合装置を小型化できる効
果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の手段１における要素部品間の配列ピ
ッチの説明図
【図２】 バッファ層を有する３層スラブ構造の光導波
路の断面図と屈折率分布図
【図３】 図２のスラブ構造導波器の電界分布図と屈折
率分布図
【図４】 ３層スラブ構造の光導波路の層構造図と屈折
率分布図
【図５】 図４の光導波路にガイドされる光の電界分布
と屈折率分布図
【図６】 図２の光導波路にガイドされる光のスポット
サイズとコアの厚さを示す図
【図７】 図37の光導波路にガイドされる光のスポット
サイズを示す図
【図８】 本発明の第１の実施例による光結合装置を示
す図
【図９】 図８に示す本発明の第１の実施例の光結合装
置の半導体レーザと光導波路の結合効率を例示する図
【図１０】 図８に示す本発明の第１の実施例の光結合
装置の第１の変形実施例による光結合装置を示す図
【図１１】 図８に示す本発明の第１の実施例の光結合
装置の第２の変形実施例による光結合装置を示す図
【図１２】 図10の第１の変形実施例の光結合装置にお
いて、光ファイバと接続すべき導波路を選択する実施例
【図１３】 図10の第１の変形実施例の光結合装置に光
ファイバを結合する第１の実施説明図
【図１４】 図10の第１の変形実施例の光結合装置に光
ファイバを結合する第２の実施説明図
【図１５】 図10の第１の変形実施例の光結合装置に光
ファイバを結合する第３の実施説明図
【図１６】 図10の第１の変形実施例の光結合装置に光
ファイバを結合する第４の実施説明図
【図１７】 図８の第１の実施例の第３の変形実施例に
よる光結合装置を示す図
【図１８】 図８の第１の実施例の第４の変形実施例に
よる光結合装置を示す図
【図１９】 図18の第４の変形実施例の光結合装置の光
ファイバと接続すべき導波路を選択する方法の説明図
【図２０】 図18の第４の変形実施例による光結合装置
の光導波路に光ファイバを結合するための構成を例示す
る図
【図２１】 図18の第４の変形実施例による光結合装置
の光導波路に光ファイバを結合するための他の構成を例
示する図
【図２２】 図20の実施例の変形実施例による光結合装
置を示す図
【図２３】 図21の実施例の変形実施例による光結合装
置を示す図
【図２４】 図23の実施例の変形実施例による光結合装
置を示す図
【図２５】 図18の実施例に図10の実施例を適用する光
結合装置を示す図
【図２６】 図22の実施例に図10の実施例を適用する光
結合装置を示す図
【図２７】 半導体レーザと光導波路の高さ方向の光軸
合わせを容易にした光結合装置を示す図（例１）
【図２８】 半導体レーザと光導波路（それぞれ単体）
の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す
図（例２）
【図２９】 半導体レーザと光導波路の高さ方向の光軸
合わせを容易にした光結合装置を示す図（例３）
【図３０】 半導体レーザと光導波路（それぞれ単体）
の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す
図（例４）
【図３１】 半導体レーザと光導波路の高さ方向の光軸
合わせを容易にした光結合装置を示す図（例５）
【図３２】 半導体レーザと光導波路（それぞれ単体）
の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す
図（例６）
【図３３】 半導体レーザと光導波路の高さ方向の光軸
合わせを容易にした光結合装置を示す図（例７）
【図３４】 半導体レーザと光導波路（それぞれ単体）
の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す
図（例８）
【図３５】 半導体レーザとバッファ層の上に形成され
た光導波路との高さ方向の光軸合わせを容易にした光結
合装置を示す図（例９）
【図３６】 ０導体レーザとバッファ層の上に形成され
た光導波路（それぞれ単体）との高さ方向の光軸合わせ
を容易にした光結合装置を示す図（例10）
【図３７】 伝搬するに伴い、光のスポットサイズが変
化する単体の光導波路（例１）を示す図
【図３８】 半導体レーザの出力を直接光ファイバに導
入する場合と光導波路を介して導入する場合とその光導
波路が光スポットサイズを変化させる場合の光結結合説
明図
【図３９】 伝搬するに伴い、光のスポットサイズが変
化する単体の光導波路（例２）を示す図
【図４０】 伝搬するに伴い、光のスポットサイズが変
化する単体の光導波路（例３及び例４）を示す図
【図４１】 図39及び図40における光スポットサイズの
変化を示す図
【図４２】 主コアと副コアを有する単体の曲がり導波
路を含む光導波路を示す図
【図４３】 コアの幅を変化させた曲がり導波路を含む
光導波路を示す図
【図４４】 ポリイミドによるクラッド層の上にシリコ
ン窒化膜を配置し、更にその上にコアを形成した光導波
路（例１及び例２）を示す図
【図４５】 ポリイミドによるクラッド層の上にシリコ
ン窒化膜を配置し、更にその上にコアを形成した光導波
路（例３、４及び５）を示す図
【図４６】 図10の実施例の光導波路に複合コアを適用
した実施例を示す図
【図４７】 図10または図11の気密封止の光結合装置
に、電気的接続端子用の電気配線パターンを適用した実
施例を示す図
【図４８】 図47の電気封止をした光結合装置の製造工
程を示す図（その１）
【図４９】 図47の電気封止をした光結合装置の製造工
程を示す図（その２）
【図５０】 半導体レーザと光ファイバをレンズを用い
て光結合させた従来の光結合装置を示す図
【図５１】 気密封止をした光半導体レーザと光ファイ
バをレンズを用いて光結合させた従来の光結合装置を示
す図
【図５２】 半導体レーザと先端をレンズ状に加工した
光ファイバを結合させた従来の光結合装置を示す図
【図５３】 図52の半導体レーザを気密封止した従来の
光結合装置を示す図
【図５４】 半導体レーザと光ファイバの位置合わせを
簡易化する構造を有する従来の光結合装置を示す図
【図５５】 図54の光ファイバにテーパ先球ファイバを
用いて結合効率の向上を図った従来の光結合装置を示す
図
【図５６】 図54あるいは図55の半導体レーザを気密封
止した従来の光結合装置図54あるいは図55の半導体レー
ザを気密封止した従来の光結合装置を示す図
【図５７】 マルチモード光導波路を適用した従来の光
結合装置を示す図
【図５８】 シングルモード光導波路を適用した従来の
光結合装置を示す図
【図５９】 半導体レーザの光軸を持ち上げて半導体レ
ーザとシングルモード光導波路を結合させた従来の光結
合装置を示す図
【図６０】 微動装置を用い、マークを利用して半導体
レーザを基板に実装することを示す実装説明図を示す図
【図６１】 半導体レーザをクリップチップボンディン
グするときの半導体レーザ及び基板の従来の構成図とそ
の寸法図
【符号の説明】
１、１A、１Bおよび１C: 光結合装置、 ２: フォトダイオード、 ３及び３A: 光ファイバ、 ５: スペーサ、 41及び42：レンズ、 100、110、120、140、150、160、170及び180: 基板、 101: 電気的な絶縁を行うための膜、 102: ボンディングパッド、 106: 基板に形成した窪み、 107: 位置合わせのための印、 108: 電気的な絶縁を行うための膜、 110: 共通基板、 111: レール、 121: 光ファイバガイド溝、 104及び122: レール嵌合溝、 123及び132: 周期的凹凸、 130: 光ファイバ押接部材、 131: 光ファイバ押接溝、 181: ファイバをガイドするための溝、 200: 半導体レーザ等の光半導体装置、 200X及び300X: アレイ状の光学部品、 201: 能動領域、 202: ボンディングパッド、 203: ボンディングのための接着用部材、 204: 位置合わせのための印、 300: 光導波路、 301: 光導波路のクラッド層、 301A: アンダークラッド、 301B: オーバークラッド、 302: 光導波路のコア、 302A: 主コア、 302B: 副コア、 303: 孔、 304: リング状の金属部材、 311: 無機物の薄膜、 400: 気密封止をするための蓋、 500: 電気配線部材、 501、503及び504: リング状の部材、 502: 電気配線パターン、 600: 光半導体素子を気密封止するための入れ物、 607: 封止用窓、 700: 光半導体素子を気密封止するための基体、 703: 突起704を切り欠いた部分、 704: 突起、そして、 705: 接着剤。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成９年１０月９日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】 光結合装置
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ通信あ
るいは光情報処理に用いる光装置に関し、特に光半導体
レーザ等の光半導体素子とシングルモード光導波路又は
光半導体レーザ等の光半導体素子とシングルモード光フ
ァイバを光結合する光結合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】二つ以上のシングルモード型の光部品を
高効率に光結合させるには、二つの部品間のモード整合
を行うとともに精密な光軸の位置合わせが必要である。
ここでモード整合とは、互いに光結合すべき二つのシン
グルモード型の光部品内に閉じ込められた光の強度分布
（モードサイズとも言う）を、二つの光部品間で一致さ
せることである。このような二つの部品間のモード整合
及び精密な光軸の位置合わせをするための従来の技術に
は、例えば図50〜図59に示すようなものがある。
【０００３】図50は、半導体レーザ等の光半導体装置20
0と光ファイバ３をレンズ41、42を用いて光結合するも
ので、第１のレンズ41で光ビームを平行にし、第２のレ
ンズ42で収束させて光結合するものである。二つのレン
ズを用いることによって、半導体レーザ等の光半導体装
置200から出力される光ビームのスポットサイズ（1.2μ
m×1.7μm〜2.1μm×3.2μm）を４〜６倍程度まで拡大
し、光ファイバ３のモードサイズ（約10μm）に整合さ
せるものである。かかる第１のレンズ41及び第２のレン
ズ42で光半導体装置と光ファイバのモードを整合させる
ことにより高い結合効率が得られる。
【０００４】更に、図51(a)あるいは図51(b)に示すよう
に、第１のレンズ41と第２のレンズ42の間に封止用窓60
7を介在させて半導体レーザ等の光半導体装置200を気密
封止し、光半導体装置200が湿気や酸化等により劣化す
ることを防止している。ここに600は気密封止部、 601
は基体、603は半導体レーザのサブマウント、606は封止
用スペーサ、 31は光ファイバ3を保持するためのフェル
ール、32は第２のレンズ42を介して光ファイバ3と第１
のレンズ41とを結合させるファイバ結合部である。
【０００５】次に図52は、先端をレンズ状に加工した光
ファイバ 3A（図52に示すものはテーパ先球ファイバと
いう。この他に光ファイバの先端を溶融させて先端にレ
ンズ様のものを形成する方法もある。）を用いて光結合
するものである。光ファイバの先端を細くしかつ球面状
にすると、光ファイバの入射端における光ビームのサイ
ズが小さくなる。その結果、光ファイバと半導体レーザ
のモードサイズが一致し結合効率が向上する。
【０００６】図53は図52に例示した結合系において半導
体レーザを気密封止する例を示すものである。真空蒸着
等により表面に金属被覆（図示せず）を施した光ファイ
バ 3Aを半田611等を用いてブロック610に固定し、光フ
ァイバ 3Aを保持したフェルール31を保持するための部
材32のフランジと、封止部600との境界部を溶接して気
密封止する。
【０００７】ここに、図50, 図51(a)及び図51(b)の場合
には半導体レーザ等の光半導体装置200と二つのレンズ4
1、42と光ファイバ３を、図52及び図53の場合には半導
体レーザ等の光半導体装置200と光ファイバ 3Aを極めて
精密に位置合わせする必要がある。その際、その位置合
わせには高い精度が要求される。そのため、例えば光半
導体装置200が半導体レーザである場合には、半導体レ
ーザを発光させ、光ファイバ 3 あるいは3Aに結合した
光の強度を計測し、それが最大となるように位置合わせ
を行い、固定する。
【０００８】図54は、半導体レーザ等の光半導体装置と
光ファイバの位置合わせを簡易化する例である。例えば
実装用基板180に、その表面にフォトリソグラフィープ
ロセスによってV溝181とボンディングパッド（例えば図
60に例示の102）と位置合わせ用マーク（例えば図60に
例示の107）を形成したシリコン基板等を用い、この基
板180上のV溝181で光ファイバ 3 をガイドして位置決め
する。一方、半導体レーザ等の光半導体装置200には、
基板上の位置合わせマークに対応するマーク（例えば図
60に例示の204）と基板180上のボンディングパッドに対
応するボンディングパターン（例えば図60に例示の20
2、203）を形成したものを用いる。そして、精密な微動
装置を用いて半導体レーザ等の光半導体装置200の位置
合わせマーク（例えば図60に例示の204）が基板上の位
置合わせマーク（例えば図60に例示の107）に一致する
ように位置合わせし、ボンディングする（これは、例え
ば「IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS, HYBRIDS, AND
MANUFACTURING TECHNOLOGY, VOL. 15, NO. 6, p. 944-9
55 (1992)」、「１９９３年電子情報通信学会秋季大会
講演論文集 4-266」等に記載されている）。このよう
にすることにより、半導体レーザ等の光半導体装置200
と光ファイバ３の位置合わせが行われる。なおここで、
図54に例示した光結合装置に１Ｂという記号を付し、こ
れを以下の説明に引用する。
【０００９】図54に示す従来例において、光半導体装置
200が半導体レーザである場合には、例えば、図55のよ
うに、光ファイバにテーパ先球ファイバ 3Aを用いる
と、光ファイバ 3Aと半導体レーザ200のモードサイズが
一致し、結合効率が向上する。
【００１０】図56は、図54あるいは図55のような結合系
において、半導体レーザ等の光半導体装置を気密封止す
る例を示すものである。ここに図56(a)は気密封止をす
る前、図56(b)は封止をした後の構成を示すものであ
る。
【００１１】図56に示す装置の気密封止は次のようにし
て行われる。まず、半導体レーザ等の光半導体装置200
と光ファイバ３を結合した光結合装置１Bを、一部に切
り欠き703がある突起枠702を有する基体700上に配置す
る（図56(a)）。次いで突起枠702の上側及び周囲にエポ
キシ系の接着剤705を塗布する。次いで蓋400をかぶせ、
蓋400と基体の間の隙間を接着剤705で埋め込んで気密封
止する（図56(b)）。
【００１２】次に他の従来例について説明する。図57は
光部品に光導波路を含み、該光導波路と他の光部品を光
結合する例を示すものである。図57(a)は斜視図、図57
(b)は図57(a)の左下方向から見た前面正面図である。本
例では、基板100上にクラッド層301とコア302よりなる
２層構造の光導波路300と同じ光導波路部材よりなる突
起物300A（以下これを「スタンドオフ」という）を形成
し、４隅に切り欠き202を形成した光半導体装置200をス
タンドオフ300Aに嵌め込み、位置合わせを行っている。
【００１３】なお、本例の光導波路300はマルチモード
導波路であり、そのクラッド層301の厚さは50μm以上で
ある。図57に示すような光結合装置においては、半導体
レーザ等の光半導体装置200の４隅の切り欠き202を精度
よく形成することが困難になる問題がある。
【００１４】次に、光導波路に、図57に示すようなマル
チモード導波路ではなくシングルモード光導波路を用い
る場合は図58に示すような光導波路が用いられる。図58
の従来例では、例えば、基板100にシリコン基板が用い
られ、導波路300のクラッド層301とコア302に石英が用
いられる（図58のクラッド層301はコア302の周囲を覆う
ものであるため「クラッド層301」と言うよりも「クラ
ッド301」のほうがふさわしいが、用語を統一するため
「クラッド層301」とする。以下同じ。）。
【００１５】この場合、コア302とクラッド層301の比屈
折率差［コア（屈折率ｎ1）とクラッド（屈折率ｎ2）の
屈折率の比屈折率差をクラッドの屈折率で割った値の百
分率、即ち｛（ｎ2-ｎ1）／ｎ1｝×100］、を0.3％〜0.
75％とし、コア302 のサイズを５×５μm〜８×８μm程
度とすれば光ファイバと光結合したとき比較的高い結合
効率が得られる。この場合の基板とコアの間のクラッド
層の厚さ（図58(b)のｔ）は30μm以上である。
【００１６】なお図58に示すような方法を用いて光導波
路300と光半導体装置200を結合する場合、光半導体装置
200が通常の半導体レーザである場合には半導体レーザ2
00の光軸を持ち上げる必要がある。そのための構成とし
て、図59に示すように半導体レーザ200の下にスペーサ
５を置くことがある。
【００１７】以上のように従来においては、レンズによ
るモード整合や先端をレンズ状に加工した光ファイバに
よるモード整合を行うとともに、光ファイバの場合に微
動装置による精密な位置合わせ（図51、図53の場合）や
基板上の溝による光ファイバの位置合わせ（図54〜56)
や、半導体レーザを基板に実装する場合に微動装置を用
いて基板と半導体レーザのマークを一致させる半導体レ
ーザの位置合わせ（図60)が行われ、光導波路の場合に
スタンドオフと切り欠きによる位置合わせが行われ、光
導波路と半導体レーザの光軸の高さ合わせにスペーサの
使用等が必要であった。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図50〜図56に
示す従来例には次のような問題がある。まず、図50〜図
53の場合には、半導体レーザ等の光半導体装置200とレ
ンズ41、42と光ファイバ3 あるいは光半導体装置200と
光ファイバ３を非常に精密に位置合わせする必要があ
る。そのため、光部品の位置合わせに多くの時間を要す
る。また、位置合わせの間、半導体レーザ等の光半導体
装置200を能動状態（例えば半導体レーザを発光させ
る）にしているため、誤操作等により半導体レーザ等の
光半導体装置を劣化させたり破壊したりする問題があ
る。
【００１９】次に図54〜図56に示すものは、半導体レー
ザ等の光半導体装置を能動状態にする必要が無いという
利点を有する。しかし、光結合効率を一定以上（例えば
最大値の80％以上）に保持させる位置ずれの許容値（こ
の位置ずれの許容値を結合トレランスという）が図55の
ように先端にレンズ機能を持たせた光ファイバ３Aを用
いる場合には0.5μm以下、図54のように先端が平らな光
ファイバ３を用いる場合でも±1μm以下の小さなものに
なる。そのため、機械的に位置合わせすることは容易で
はないという問題がある。特に、半導体レーザ等の光半
導体装置200をボンディングする際、光ファイバ 3 をガ
イドする溝181と半導体レーザ等の光半導体装置200との
軸ずれを所定値以下にすることが困難になるという問題
がある。更に、図54の場合には半導体レーザ等の光半導
体装置200と光ファイバ3 とのモード不整合が大きくな
り、結合損失が大きくなる（結合損失は最小でも7dB程
度になる）という問題がある。
【００２０】図57の光導波路300と半導体レーザ等の光
半導体装置200の光結合においては、光半導体装置200の
４隅の切り欠き202を精度よく形成することが必ずしも
容易ではないという問題がある。
【００２１】次に図58のように、基板100に、シリコン
基板など、 導波路材料（具体的には石英）よりも高屈
折率のものを用いる場合には、基板100への光の放射を
低減させるためコア302の下側のクラッド層301を厚いも
のにする必要がある。例えば例示した構造（比屈折率差
が0.3％〜0.75％、コアのサイズが5×５μm〜８×８μ
m）の場合には、前述の通り下側のクラッド層を30μm以
上にしなければならない。このことは図57のような光導
波路を用いる場合においても同様である。そのため、図
57や図58に例示する光導波路と半導体レーザの光結合に
おいては、両者の光軸の高さの一致が難しくなる問題が
ある。このことを明確にするため、次に図60に従来の半
導体レーザのボンディング法の例を、次いで、図61に半
導体レーザを基板上のボンディングパッドにフリップチ
ップボンディングするときの構成とその寸法の例を示
し、半導体レーザの光軸高さについて具体的に説明す
る。
【００２２】図60は半導体レーザ200を基板100に載置す
る例の主要部のみを例示するものである。図60(a)は載
置の一過程を示す斜視図、図60(b)は載置後の正面図で
ある。図60(a)に例示するように、半導体レーザ200の下
側表面のボンディングパッド205を形成し、形成された
ボンディングパッド205上にボンディング用融材（金錫
共晶合金等）203を被着させ、ボンディング用融材を挟
んでボンディングパッド205を、基板上に別に形成され
たボンディングパッド102に重ね、そのうえで加熱、冷
却することにより、半導体レーザ200は図60(b)に示すよ
うに基板100上に接着固定される。
【００２３】次に、図61は図60の方法でボンディングさ
れようとしているシリコン基板100と半導体レーザ200の
詳細な層構造を例示するものである。例えば図60(b)の
中央のボンディングパッド102、ボンディングパッド20
2、ボンディング用融材203付近を拡大したものである。
図61を用いて、各部分の具体的寸法を求める。例えば、
配線パターン102Aの厚さが0.3μm、絶縁膜108の厚さが
0.3μm、ボンディングパッド102の厚さが0.35μm、ボン
ディング用融材203の厚さが２〜６μm、ボンディングパ
ッド202の厚さが0.5μm、絶縁膜26の厚さが0.3μm、ク
ラッド層231の厚さが1.5μm、能動領域層（図では活性
層と記載）201の厚さが0.14μmである。この場合には、
基板の熱酸化膜101の表面から半導体レーザの活性層201
の中心までの高さは5.32〜9.32μmになる。
【００２４】このように、半導体レーザ200の光軸の高
さ（5.32〜9.32μm）は光導波路のコアの中心の高さ
（約33μm）に比べて極めて低いものである。このた
め、図57および図58の従来例においては、半導体レーザ
200を基板100に直接ボンディングして光結合する場合
に、半導体レーザ200の光軸と光導波路300の光軸と高さ
を一致させることが困難になる問題を生ずる。
【００２５】ここで、図59のように半導体レーザの下に
スペーサ５を置くことによって半導体レーザ200の光軸
と光導波路300の光軸と高さを一致させることが考えら
れる。しかしこの場合には、光導波路300の光軸が高い
ことに起因してスペーサ５と光導波路300の加工誤差に
よる位置ずれが大きくなる問題を生ずる。即ち、スペー
サ５と光導波路300の加工誤差による位置ずれの大きさ
は両方の光軸の高さに比例するので、図58(b)のように
光導波路300の光軸高さｔが高くなると誤差寸法が大き
くなり、ずれが大きくなる問題を生ずる。具体的には、
スペーサ５の加工誤差と光導波路300の加工誤差が共に
±５％であれば、光軸高さが30μmの場合には各々±1.5
μmの誤差を生じ、合計では最大±３μmの位置ずれを生
ずる。この大きなずれのため、通常の半導体レーザとシ
ングルモードの光導波路を結合する光結合装置におい
て、所望の結合効率が得られない不良品が多数発生する
問題がある。
【００２６】以上のように図50〜図53に例示される従来
例においては、レンズや先端をレンズ状に加工した光フ
ァイバによりモード整合が行われるが、光半導体素子を
能動状態にし、光出力を計測しながら精密な位置合わせ
をしなければならない問題があり、図54, 図55, 図56,
図57, 図58, 図60に例示される従来例においては、基板
上の溝による光ファイバの位置合わせやフォトリソグラ
フィによる光導波路の位置合わせを行い、微動装置を用
いて基板と半導体レーザのマークを一致させて半導体レ
ーザを位置合わせする方法（図54, 図55, 図56, 図58,
図60）やスタンドオフと切り欠きにより位置合わせする
方法（図57）が用いられるため、位置合わせの際に光半
導体素子を能動状態にする必要はなくなる。しかし、図
54〜図58及び図60に例示される従来例には、光半導体素
子をボンディングする際の位置ずれが大きくなりやすい
ため光結合効率が低下しやすい問題があり、図57及び図
58に例示される従来技術には、光半導体素子と光導波路
の光軸の高さを一致させることが難しい問題があり、図
54, 図56, 図58, 図59に例示される従来技術には半導体
レーザと光ファイバあるいは半導体レーザと光導波路の
モード不整合が生じる問題があった。
【００２７】従って、本発明は上記従来の光結合装置の
持つ問題を解決することを課題としており、特に、光半
導体素子等の能動素子を能動状態にすることなく位置合
わせして光結合する場合に、光半導体素子の位置合わせ
に非常に高い精度が要求されるという問題の解決、光半
導体チップと光導波路を光結合する場合に光軸の高さを
一致させることが難しくなるという問題の解決、光結合
の際の位置合わせを簡易化しようとする場合に光半導体
素子と光導波路あるいは光半導体素子と光ファイバのモ
ードを整合させることが困難になるという問題の解決を
課題とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段の構成及び動作の要旨は次の通りである。手段１
及び２は、半導体レーザ等の光半導体素子を能動状態に
することなく本発明の光結合装置（以下本光結合装置と
する）の製作過程の位置合わせのみにて光結合させるこ
とができ、且つその位置合わせに高精度の光学調整を行
わずに高い結合効率で光半導体素子と光導波路とを光結
合させることを可能にさせ、手段３〜８及び手段19は、
上記位置合わせにて、光半導体素子と光導波路の光軸の
高さを比較的容易に一致させることを可能にさせ、手段
９〜12、15及び16は、上記位置合わせにて、光半導体装
置と光導波路の高精度のモード整合を可能にさせ、手段
13及び14は、本光結合装置の光導波路の曲がり部分にお
ける伝搬損失を低減させ、手段17は、本光結合装置の光
導波路の加工を容易にさせ、手段18は、手段１を適用し
て使用する光導波路に更に高い光結合度を持たせ、手段
20〜22は、上記手段１〜19を用いて作られた光半導体素
子を気密封止するものであり、さらに、手段23は、本光
結合装置の光半導体素子の気密封止に使用される金属部
材の近傍に光導波路が配置された場合、その金属部材が
近傍にあることが原因で光導波路の光伝搬損失が増加す
ることを防ぐものである。
【００２９】以下に手段１〜手段23について説明する。
手段１は図１、図８、図10、図11、図13〜図18、図20〜
図27、図29、図31、図33、図35、図46、図47及び図49
(c)に例示するように、二つの要素部品の単独で光結合
するトレランスをT0として、複数個の第１の要素部品の
間隔がP1である光部品（200、図1では200X)と、複数個
の第２の要素部品の間隔が P1＋２×T0あるいは P1−２
×T0（このピッチをP2とする）である光部品（300、図1
では300X)とを用い、これらを対向させて光結合するも
のである。例えば図１に例示するように対向させた光部
品について、各々対向する要素部品間の光結合状態を計
測し、最も結合度の大きい１対の要素部品を選択し、こ
れを光結合装置として用いる。例えばアレイ状に整列し
た第１の要素部品200Xが半導体レーザ200、アレイ状に
整列した第２の要素部品300Xが光導波路300である場合
には、半導体レーザ200を発光させたときの光導波路300
からの光出力が最大となる１対の半導体レーザ200と光
導波路300を選択する。以下、従来例と比較しながら本
手段による結合トレランスの拡大について説明する。
【００３０】図54〜図58に例示する従来例は、光半導体
素子を能動状態にする必要がないという点において優れ
たものであるが、光半導体素子の位置合わせが難しいこ
とが問題となっていた。この従来例において、光半導体
素子のみが特別にその位置決めが難しくなるのは、光半
導体素子を基板に搭載するには能動的な位置合わせが不
可欠であり、その際に大きなずれが生じるためである。
例えば、光ファイバや光導波路の場合には、光ファイバ
を位置決めするための溝や光導波路パターンが形成され
れば、部品を基板に搭載する際に能動的な位置合わせが
不要であり、よって搭載時の位置ずれは生じない。これ
に比べ、光半導体素子の場合は、基板に搭載するときに
必ずフォトリソグラフィープロセスにおけるマスク合わ
せのような能動的な位置合わせが必要である。この際、
光半導体素子のサイズが小さいため、フォトリソグラフ
ィープロセスに比べて大きなずれが生じる。
【００３１】光半導体素子の位置合わせと光ファイバを
ガイドする溝や光導波路のコアパターンの形成の際のフ
ォトリソグラフィーにおけるフォトマスクの位置合わせ
とを比較すると、光半導体素子 (300μm×250μm)はフ
ォトマスク(100mm×100mm)等に比べてサイズが小さい。
そのためボンディングの際に光半導体素子を安定に支持
することが難しく、フォトマスクのように精密に位置合
わせすることが困難になる。
【００３２】例えば、ボンディング装置で光半導体素子
を支持した後にその位置を計測し、その計測値に基づい
て位置調節をしてボンディングする方法があるが、サイ
ズが小さいために保持する精度及び位置計測精度が悪く
なり、精密な位置合わせが困難になる。また、フォトリ
ソグラフィーの場合には位置合わせをするべき二つのパ
ターン（マスクが合わせられるべき基板上のパターンと
マスクのパターン）を接近させ（例えば、ギャップが 1
0μ以下になるまで近接させることができる）、フォト
マスク越しに二つのパターンの重なりをモニターし、位
置合わせを行う。これに対し、光半導体素子はサイズが
小さく、フォトマスクに比べて平坦でないため、ギャッ
プの計測が困難である。そのため、基板に接近させるこ
とが困難である。さらに、不透明であるため、重なりを
モニターすることも困難である。このため精度よく位置
合わせすることが困難になる。
【００３３】さらに、第２には、光半導体素子のボンデ
ィングでは固着用部材に低融点の金属が用いられ、ボン
ディングの際、加熱と冷却が行われるため、ボンディン
グ装置に熱膨張と収縮が生じ、折角位置合わせを行って
も、最終的な製品での光半導体装置の位置精度が低下す
る。
【００３４】以上、基板に光半導体素子を載置する際の
位置ずれは、光半導体素子のサイズが小さいことと加熱
・冷却工程を含むことに起因しており、現在のところこ
れを著しく改良することは困難である。そこで発明者
は、光半導体素子をボンディングする際の光半導体素子
の位置ずれが大きくても、光結合が可能になる方法を考
案した。
【００３５】手段１は上記考案に基づくものであり、光
半導体素子をボンディングする際の位置ずれを小さくす
る代わりに、等価的に、光半導体素子の結合トレランス
を拡大するものである。以下図１を用いて具体的に説明
する。
【００３６】図１は手段１を説明する図である。手段１
は、要素部品間のピッチがP1の第１のアレイ状の光部品
200X（以下アレイを構成している一つの部品を要素部品
という）と要素部品間のピッチP2がP1＋2T0あるいはP1
−2T0の第２のアレイ状の光部品300Ｘを対向させること
により構成される。なお、図１においては、第１のアレ
イ状の光部品200Xの要素部品と第２のアレイ状の光部品
300Xの要素部品とを光結合する場合の結合トレランスを
T0として、P2がP1＋2T0に等しい距離となるように第２
の光部品300XのピッチP2を調節している。さらに、図１
はアレイ状の光部品(200X,300X)を構成する要素部品の
うち中央の要素部品同士の光軸が一致するようにしたと
きの状態を示している。
【００３７】第１のアレイ状の光部品200Xの要素部品と
第２のアレイ状の光部品300Xの要素部品とを図１のよう
に配列すると、互いに対向する各要素部品間の光軸の位
置ずれの大きさΔ１〜Δ11はそれぞれ-10T0、-8T0、-6T
0、-4T0、-2T0、0、2T0、4T0、6T0、8T0、10T0になる。
ここに、左から右に向かう方向を正の方向とする座標系
を用い、第２の光部品の光軸の座標位置から第１の光部
品の座標位置を差し引いたものを位置ずれの大きさとし
た。
【００３８】次に表１は、図１の第１の光部品を図１の
状態を基準にして、右側に-11T0〜11T0の間の位置ずれ
を起こさせた場合の互いに対向する各要素部品間の光軸
の位置ずれの大きさΔ１〜Δ11を記載したものである。
表の左端の１列（縦方向）が位置ずれの大きさ、第２列
〜第１２列がそれぞれΔ１〜Δ11の大きさを表してい
る。
【００３９】表から明らかなように、図１の状態を基準
にして右側に-11T0〜11T0の位置ずれが生じると、Δ１
〜Δ11のいずれか１カ所では位置ずれが±T0以下になる
ことがわかる。すなわち二つのアレイ状の光部品であっ
て、それらの要素部品の配列ピッチが２T0だけ異なって
おり、共に11個の要素部品を含む二つのアレイ状の光部
品を対向させることにより結合トレランスが±11T0に拡
大されることになる。
【００４０】
【表１】
【００４１】一般的には、アレイ状の光部品の要素部品
の数をNにすると結合トレランスはN倍に拡大する。この
ように、手段１を用いることにより結合トレランスが拡
大され位置合わせが容易になる。
【００４２】具体的な数値で示すと、例えば、図１にお
いて、第１の光部品200Xに半導体レーザアレイを用い第
２の光部品300Xに光ファイバアレイを用い、要素部品間
の結合トレランスを±１μmとした場合には、第１と第
２の要素部品200X，300Xの見掛上の結合トレランスは±
11μmまで拡大される。
【００４３】半導体チップをボンディングするのに用い
る一般的なボンディング装置はその位置ずれ誤差は±５
μm 以下である。そのため光部品をボンディングする場
合、結合トレランスが±５μm 以上になればその位置合
わせが非常に容易になる。
【００４４】さらに、手段１においてはアレイ状の光部
品を用いるため、光部品が長いものとなる。そのため、
紙面に垂直な軸を回転中心とする方向の回転誤差の検出
が容易になり、回転誤差が低減される。即ち、光半導体
素子の場合、寸法が小さいため、単体の場合には上記方
向の回転誤差の検出が困難になるが、アレイにすること
によりその検出が容易になり、回転誤差が低減される。
【００４５】このように、手段１を用いると、半導体レ
ーザの位置合わせ精度が緩和されるとともに回転方向の
ずれの検出精度が向上し、位置合わせが簡単になる。手
段２は図8、図10、図11、図13〜図18、図20〜図27、図2
9、図31、図33、図35、図46、図47 及び図49(c)に例示
するように、手段１において少なくとも一方の光部品を
光導波路アレイ300にするものである。
【００４６】例えば図８に例示するように光部品に光導
波路300を用いると、ピッチの変更及びピッチを小さく
することが容易になる等の利点がある。さらに、アレイ
状の光部品の要素部品のピッチを小さくすると小型化が
可能になる利点もある。逆にサイズが同じであればアレ
イに含まれる要素部品の数を増やすことができ、見掛上
の結合トレランスを大きくすることが出来る。
【００４７】以下、第２の光部品に光導波路を用いるこ
とにより、要素部品間のピッチの変更およびピッチを小
さくすることが容易になる理由を説明する。光導波路の
コアパターンはフォトリソグラフィープロセスでガラス
マスク上のパターンを転写することにより形成される。
そのためガラスマスクのピッチを変更して容易に導波路
のピッチを変更することができる。
【００４８】次に、光導波路は、そのコアサイズを、例
えば10μm以下に小さくすることが容易である。更にコ
アの形成にフォトリソグラフィープロセスを用いるの
で、ピッチを変更することのみでなく、ピッチを小さく
することも容易になる。例えば他の光部品として光ファ
イバの場合を考えると、光ファイバアレイの場合には、
そのピッチを光ファイバの直径（通常125μm）より小さ
くすることは不可能である。しかし、光導波路は、その
ピッチを10μm以下にすることは極めて容易である。
【００４９】更に光導波路を用いると、図37、図38
(c)、図39、図40に例示するように、光導波路でスポッ
トサイズ変換を行うことが可能になる。図38(c)に例示
するように、光導波路300でスポットサイズ変換を行う
と導波路の一方と他方にモードサイズが異なる光部品
（図38(c)においては半導体レーザ200と光ファイバ３）
を配置する場合においても、その両方でモード整合を行
うことが可能になる。これについては手段９〜手段１２
の説明でより詳しく述べる。
【００５０】更に、図10、図11、図25、図26、図47に例
示するように、光導波路300を、封止用の部材及び窓部
材の両方を兼用する部材として用い、光半導体素子200
の気密封止をすることができる。これについては手段20
の説明で詳しく述べる。
【００５１】以上述べた手段１と手段２は、光部品が搭
載される基体の表面に平行な方向（以下これを左右方向
という）について結合トレランスを拡大し、位置合わせ
を容易にするものである。これに対し、手段３〜手段７
は、光部品が搭載される基体の表面とは垂直な方向（以
下これを上下方向という）について位置合わせを容易に
することを目的とするものである。手段３〜手段７は、
特に、光導波路の層方向の構造を改良して上下方向の光
軸の位置合わせを容易にするものである。以下、手段３
〜７について説明する。
【００５２】まず手段３の作用を説明する。手段３は図
35、図47、図49(c)に例示するように、光部品と光導波
路とを対向させる場合に、基板100の一部に窪み106を形
成し、この窪みに少なくともクラッド層301の１部分、
あるいはクラッド層301と同じ屈折率かあるいはクラッ
ド層301よりも低屈折率のバッファ層310を埋め込んだ構
成を有する光導波路300を用い、光部品200を基板の窪み
の無い部分の表面に搭載するものである。本手段による
光導波路300は、例えば図35、図36、図47に例示するよ
うに、基板100に形成した窪み106に、バッファ層310あ
るいは光導波路300のクラッド層の一部301が埋め込まれ
た構造となっている。ここにバッファ層310は、その屈
折率がクラッド層301、301A、301Bと同じかあるいはク
ラッド層より小さいものである。そして、クラッド層30
1A、301の一部が、基板100の表面より高くなるように形
成され、次いでコア302と上側のクラッド層301A、301が
形成されている。さらに、図35、図36、図47の例では、
光部品200は窪みの無い部分にボンディングされてい
る。
【００５３】図35、図36、図47に例示するように、手段
３を用い、窪み106に埋め込まれたバッファ層310または
クラッド層301を十分厚くすると光の基板100への放射が
低減されるようになる。そしてコア302の下側のクラッ
ド層301のうち基板表面から飛び出した部分のクラッド
層301A及び301の厚さとコア302の厚さを調節すると基板
表面からみたコア302の中心の高さを精密に調節でき、
更に基板表面からみたコア302の中心の高さを５〜６μm
にして基板100にボンディングされた半導体レーザ200の
光軸高さに一致させることができる。よって上下方向の
光軸の位置合わせも容易になる。その結果本手段（手段
３）と手段１とを組み合わせると、左右方向と上下方向
の両方の光軸の位置合わせが容易になる。次に手段４
は、図29〜図36、図47、図49(c)に例示するように、光
部品と光導波路とを対向させる場合に、該光導波路300
にクラッド層301よりも低屈折率のバッファ層310の上に
クラッド層301とコア302を形成したものを用いるように
するものであり、コアの下側のクラッド層 (以下、これ
をアンダークラッド層と言う）を薄くして、光導波路作
成時の製造誤差に起因する光導波路の光軸の高さ誤差を
小さくしようとするものである。
【００５４】例えば、図29〜図32に例示するように、基
板100とアンダークラッド層301Aの間にアンダークラッ
ド層よりも低屈折率のバッファ層310を加えると導波路3
00のコア302にガイドされた電界分布のうち、アンダー
クラッド層301Aおよびバッファ層310に染みだした裾の
部分の減衰が大きくなる。そのため、バッファ層310と
アンダークラッド層301Aを加えた層厚を薄くしても基板
100に放射される光パワーを小さくすることが可能にな
る。その結果、バッファ層310とアンダークラッド層301
Aを加えた層厚を薄くすることが可能になる。このよう
にバッファ層310とアンダークラッド層301Aを加えた層
厚を薄くしても基板100に放射される光パワーの増加が
起こらない。その結果、バッファ層310とアンダークラ
ッド層301Aを加えた層厚を薄くすることが可能となる。
【００５５】バッファ層310とアンダークラッド層301A
を加えた層厚を薄くすると、製造時の寸法誤差の絶対値
が小さくなり、光軸の高さのずれが小さくなる。例えば
図２のような構造の導波路と図４のような構造の導波路
を比較し、本手段の作用を具体的に説明する。
【００５６】まず、図２は従来の導波路の層構造に相当
するスラブ構造導波路を例示するものである。ここに図
２(a)は層構造を、図２(b)は図２(a)の点線Ｙ−Ｙ’に
沿った屈折率分布を示すものである。また、301Aと301B
はクラッド層、302はコアである。
【００５７】このような屈折率分布を有するスラブ構造
の導波路クラッド層301A,301Bの屈折率が1.55、コア302
の屈折率が1.558、コア302の厚さが 5μm のとき、電界
強度が十分小さいもの（具体的には電界強度が最大値の
10-6になる場合について比較する.）となるのは、コア3
02の下側の端から約28μm離れた位置になる。そのとき
の電界分布は図３の(a)に示す通りであり、点P1は電界
強度が最大値の10-6になる位置である。なお図３におい
て(b)は屈折率分布を示すもので、縦軸の目盛りは任意
である。
【００５８】これに対し、光導波路の層構造を図４のよ
うにバッファ層310を有するものとした場合の電界分布
を図５に示す。ここに、図４(a)は層構造を、図４(b)は
図４(a)の点線Ｙ−Ｙ’に沿った屈折率分布を示すも
の、図５の(a)は図４の光導波路にガイドされる光の電
界分布、図５の(b)は光導波路の屈折率分布（縦軸の目
盛りは任意）である。また、図４において、301Aはアン
ダークラッド層、301Bはオーバークラッド層、302はコ
ア、310はバッファ層である。
【００５９】図４の光導波路において、アンダークラッ
ド層の厚さを２μm、バッファ層を石英（屈折率は1.4
6）にした場合には、図５に示した電界分布の裾の部分
の電界強度が図３のP1と同じになるのは、バッファ層31
0とアンダークラッド層301Aとの境界から5.2μm離れた
位置（P1で指示）になる。
【００６０】このように、光導波路を、アンダークラッ
ド層301Aの下にアンダークラッド層より低屈折率のバッ
ファ層310を有するものとすることにより、バッファ層3
10における電界強度の減衰を急峻にすることができる。
【００６１】以上のことは図29〜図32に例示する光導波
路にも当てはまり、光導波路を図29〜図32に例示するよ
うな構造にすると、バッファ層310に染み出す光の電界
の強度が低下し、基板100への光パワーの放射が起こり
難くなる。その結果、バッファ層310とアンダークラッ
ド層310Aを加えた層の厚さを小さくすることができる。
その結果、光導波路の製造誤差に起因する光軸の高さ誤
差が低減され、位置合わせ精度が向上する。
【００６２】次に手段５は、図31〜図34に例示するよう
に、光部品と光導波路とを対向させる場合に、該導波路
にクラッド層301と同じ屈折率かあるいはクラッド層301
よりも低屈折率のバッファ層310の上にクラッド層301と
コア302を形成したものを用い、光部品200をバッファ層
310の上に搭載するのである。本手段（手段５）による
光結合装置は、図31〜図34に具体例を示すように、光導
波路300と基板100の間に、光導波路の少なくとも一方の
端面から飛び出すように形成されたバッファ層310を有
する。ここに、バッファ層310は屈折率がアンダークラ
ッド層301Aと同じかあるいはアンダークラッド層301Aよ
り低屈折率の層である。このような光導波路を用いる
と、例えば、バッファ層310の光導波路の端面から飛び
出した部分の上面に光部品200を定接すれば、実効的に
光導波路の光軸が低くなるので、光導波路300と光部品2
00の高さ調節が容易になる。更に、アンダークラッド層
301Aの厚さを調節して光導波路の光軸高さを調節する
と、光部品と光導波路の光軸高さを精密に調節すること
ができるようになる。
【００６３】次に手段６は、図31〜図34に例示するよう
に、手段５を用いる光結合装置の光導波路のバッファ層
310を無機材料（シリコンの酸化物、シリコンの窒化
物、ガラスなど）にし、アンダークラッド層301Aとコア
302とオーバークラッド層301Bを有機材料（ポリイミド
など）とするものである。
【００６４】光導波路のクラッド301A、301Bとコア302
を構成する層を有機物にすると、光導波路を形成する前
に、バッファ層310の表面に、電気配線用のパターンや
ボンディングパッドを形成することが可能になる。即
ち、光導波路の材料が有機物の場合には、比較的低温
で、塗布工程等を用いて導波路形成を行うことができ
る。
【００６５】光導波路を形成する前のバッファ層310の
表面は平坦なので、フォトリソグラフィー工程を用い
て、容易に精密な電気配線用のパターンやボンディング
パッドを形成することができるようになる。そのため光
導波路とボンディングパッドの相対的な位置合わせが容
易になる。
【００６６】光導波路を有機材料にすることにより、導
波路の形成に酸素プラズマエッチングを用いることがで
きる。そして、光導波路の端面の形成に酸素プラズマエ
ッチングを用いたとき、バッファ層310の部分でエッチ
ングが停止するため、図31または図32に例示するように
光部品200を載せるために光導波路の端面から張り出し
たバッファ層310を形成することが容易になる。
【００６７】次に手段７は、図33又は図34に例示するよ
うに、手段５を用いる光結合装置の光導波路のバッファ
層310，アンダークラッド層301A，コア302及びオーバー
クラッド層301Bを有機材料で構成し、バッファ層310と
アンダークラッド層301Aとの間に無機材料の薄膜311を
挟み込むものである。
【００６８】光導波路のクラッド301A、301Bとコア302
を構成する層を有機物にすると、光導波路を形成する前
に、薄膜311の表面に、電気配線用のパターンやボンデ
ィングパッドを形成することが可能になる。即ち、光導
波路の材料が有機物の場合には、比較的低温で、塗布工
程等を用いて導波路形成を行うことができる。
【００６９】光導波路を形成する前の薄膜311の表面は
平坦なので、フォトリソグラフィー工程を用いて、容易
に精密な電気配線用のパターンやボンディングパッドを
形成することができる。そのため光導波路とボンディン
グパッドの相対的な位置合わせが容易になる。
【００７０】光導波路を有機材料にすることにより、導
波路の形成に酸素プラズマエッチングを用いることがで
きる。そして無機材料の薄膜311があれば、光導波路の
張り出し面の形成に酸素プラズマエッチングを用いたと
き、薄膜311の部分でエッチングが停止するため、図33
または図34に例示するように光部品200を載置する張り
出し面を有するバッファ層310の形成が容易になる。
【００７１】次に手段８は、図35、図36、図47、図49
(c)に例示するように、基板100の一部に窪み106を形成
し、この窪み106 に屈折率がクラッド層と同じかあるい
はクラッド層よりも低屈折率のバッファ層310をその表
面が基板の窪みの無い部分の表面と同じ高さになるよう
に埋め込み、その上にクラッド層（301あるいは301A）
とコア302、オーバークラッド層301Bを含む光導波路300
を形成するものである。
【００７２】このようにすることにより、実効的に光導
波路の光軸が低くなるため上下方向の光軸の位置合わせ
が容易になる。さらに、光部品200がシリコン基板100上
に搭載されるので、光部品200が発熱体である場合の熱
放散が良好になる効果が生ずる。例えば図35に例示する
ように、本手段による光導波路300は基板100に形成した
窪み106にバッファ層310が埋め込まれた構造となってい
る。本バッファ層310は無機材料であっても有機材料で
あってもよい。バッファ層310を埋め込んだ基板は、バ
ッファ層310となる材料を窪み106に充填した後基板100
の表面を基準面にして研削及び研磨を行い平坦化する工
程をもって形成される。そしてバッファ層310の表面を
平坦化したものをバッファ層付の基板として用い、ボン
ディングパッドと配線電極用パターンを形成する。次い
で、順次アンダークラッド層301A、コア302、オーバー
クラッド層301Bを形成する。光部品200は、光導波路の
コアに対向して、窪み106の無い部分にボンディングさ
れる。
【００７３】図35に例示するように、窪み106に埋め込
まれたバッファ層310を十分厚くすると光の基板100への
光の放射が防止されるようになる。そしてアンダークラ
ッド層301Aの厚さとコア302の厚さを調節すると基板表
面からみたコアの中心の高さを精密に調節できるように
なる。更に基板表面からみたコアの中心の高さを５〜６
μmにして基板100にボンディングされた半導体レーザ20
0の光軸高さに一致させることができるようになる。よ
って上下方向の光軸の位置合わせが容易になる。
【００７４】更に光導波路のアンダークラッド層301A、
コア302、オーバークラッド層301Bを有機材料にする
と、光導波路300を形成する前に、バッファ層付基板の
表面に、電気配線用のパターンやボンディングパッドを
形成することが可能になる。光導波路の材料が有機物の
場合には、比較的低温で、塗布工程等を用いて導波路形
成を行うことができるからである。
【００７５】光導波路を形成する前のバッファ層付基板
の表面は平坦なので、フォトリソグラフィー工程を用い
て、容易に精密な電気配線用のパターンやボンディング
パッドを形成することができるようになる。そのため光
導波路とボンディングパッドの相対的な位置合わせが容
易になる。
【００７６】光導波路を有機材料にすることにより、導
波路の形成に酸素プラズマエッチングを用いることがで
きる。この際、酸素プラズマは金属やシリコン基板など
の無機材料を侵さないので、ボンディングパッドを形成
した後光導波路を形成し、次いで酸素プラズマエッチン
グで張り出し面を形成し、ボンディングパッドを露出さ
せても、ボンディングパッドが侵されない利点がある。
【００７７】次に、手段９〜手段12は光導波路の両端の
光ビームのスポットサイズが両端に結合される光部品に
一致するような光導波路を用い、両端の光部品との結合
効率の向上または結合トレランスを拡大するものであ
る。以下に手段９〜手段１２について述べる。
【００７８】まず手段９は、図37(a)、図38(c)、図39、
図40、図42、図44(b)、図45、図46に例示するように、
光結合装置に、入射端から出射端に向かって光が伝播す
ると、入射端と出射端でガイドされる光の強度分布が変
化する光導波路を用いるものである。
【００７９】例えば図38(c)に例示するように、本手段
による光導波路300を半導体レーザ200と光ファイバ３の
間に介在させ、半導体レーザ200と光結合する側のスポ
ットの形状を半導体レーザ200と同じにし、光ファイバ
３と光結合する側のスポットの形状を光ファイバ３と同
じにすれば、高い結合効率で光結合できるようになる。
【００８０】更に、本手段による光導波路により、光フ
ァイバと対向する側の光導波路300の出射端のスポット
サイズを大きくすると、光導波路300と光ファイバ３の
間の結合トレランスの拡大も行われる。この光導波路30
0と光ファイバ３の間の結合トレランスの拡大は、例え
ば図38(c)に例示するように、半導体レーザ200と光導波
路300を集積化実装し、導波路300と光ファイバ３を位置
合わせして光結合し組立をするような光結合装置の製造
に際し、ファイバの位置合わせを簡易化する効果を生ず
る。
【００８１】更に、図38(c)において、クラッドと副コ
アの屈折率差を小さくし、副コアの断面を大きなものと
すれば、光ファイバ３と光結合する側の光導波路300の
スポットサイズを大きなものとすることが可能になる。
例えば図６のグラフ(a)は、図２のようなスラブ導波路
のコアとクラッド（屈折率1.55）の比屈折率差が変化し
たとき、導波路にガイドされる光のスポットサイズがど
のように変化するかを例示するものである。なお、コア
とクラッドの比屈折率差を変化させるとコアの厚さも変
化させなければならないため、図６にはコアの厚さ（グ
ラフ(b)）も同時に示している。
【００８２】図２のスラブ構造の光導波路の場合の具体
的スポットサイズを例示すると、比屈折率差が0.2％、
コアの厚さが7.9μmのとき約11μmのスポットサイズに
なる。このような光導波路に、部分的にコアを拡大した
光ファイバ（例えばTechnicalDigest of The Second Op
telectronics conference, 3C2-2,1988 等に記載のも
の。以下これを「TECファイバ」という。）を結合する
と、光導波路と光ファイバの結合トレランスがより拡大
されるようになる。例えばガイドされる光のスポットサ
イズを18μmまで拡大したTECファイバを用いると、約91
％の最大結合効率と±3.6μmの結合トレランス（結合効
率が最大値の80％以上の場合）が得られる。この結果、
光導波路と光ファイバの光結合が容易になる。
【００８３】さらに、本手段を用いると、光導波路のコ
アを曲げたときの損失が低減する効果を生ずる。次にこ
れについて説明する。光導波路のコアを曲線にすると、
その曲率半径が小さくなると光が外部に放射され損失と
なる。この放射の起こり易さは光導波路の構造に依存す
る。
【００８４】光導波路のコアとクラッド層のうち、コア
に閉じ込められている光の割合（電界分布のうちコア内
に分布しているものの積分値の全体の積分値に対する割
合）を「光の閉じ込めの強さ」と定義すると、光の閉じ
込めが強いほど、導波路の曲げによる損失が小さくな
る。そして、本手段によるもののように、導波路のスポ
ットサイズが変化する導波路においては、スポットサイ
ズが小さいところでは光の閉じ込めが強くなる。よっ
て、他の光部品と光結合をする部分と曲がりの部分とを
含む光導波路において本手段を用い、相対的に曲がりの
部分のスポットサイズを小さくし、他の光部品と光結合
をする部分のスポットサイズを大きくするようにする
と、曲がりの部分の放射損失が小さく、あるいは曲がり
の部分の曲率半径が小さく（よって小型化が可能で）、
且つ他の光部品との光結合が容易な光導波路が実現され
る。
【００８５】手段10は、光結合装置に、図37、図38
(c)、図39、図40、図42、図44(b)、図45、図46に例示す
るように、相対的に高屈折率で、光軸方向に進行するに
ともなって途中から徐々にその断面積あるいはその外側
の輪郭の形状が変化する部分を有する主コア302Aの周囲
を、相対的に低屈折率の副コア302Bで取り囲む構造の複
合コアを有する光導波路を用いるものである。
【００８６】本手段に用いる光導波路は、例えば図37
(a)に例示するように、主コア302Aを副コア302Bで取り
囲んだものをコアとする光導波路で、図示したように、
例えば、光導波路の右上側では主コア302Aの幅が広く途
中から幅が徐々に狭くなり、やがて主コア302Aが消失す
るものである。図37(d)の電界分布(2)に例示するよう
に、右側の幅が広い主コア302Aを有する部分では、主コ
アをコアとし副コアをクラッドとする光導波路が形成さ
れるため光（図37(d)の(1)及び(2)は電界分布を示す）
は狭い範囲に閉じ込められる。そのためスポット径が小
さくなる。主コア302Aが消失すると副コア302Bのみで光
を閉じ込めるようになるので、図37(d)の左側の電界分
布(1)に示すように、スポット径が大きくなる。中間部
においては、図37のように徐々にコアの形状を変化させ
ることにより徐々にスポット径が変化するようになる。
本手段を用いることにより、手段９に記載の光導波路が
具現化される。
【００８７】手段11は、図40、図41、図45(a)、図45(b)
に例示するように、手段10の光導波路において、副コア
302Bを、光軸方向に進行するにともなって徐々にその断
面積あるいはその輪郭が変化する部分を有する構成とし
たものである。
【００８８】図40(a)の光導波路は光導波路の右上から
左下に進むに従って副コア302Bの幅が徐々に広くなる領
域を含むものとなっており、図40(b)の光導波路は光導
波路の右上から左下に進むに従って副コア302Bの幅が徐
々に狭くなる領域を含むものとなっている。
【００８９】図40(a)及び図40(b)に示す光導波路の右上
の端の部分でガイドされる光の水平方向の電界分布と副
コアの幅との関係を図41に示す。ここに図41(a)は光導
波路の断面とそれにガイドされる電界の強度分布(1)を
例示するもの、図41(b)は図41(a)における副コア302Bの
幅 Ws と屈折率ｎ2が変化したときの電界強度分布(1)の
幅 We（Weはスポットサイズ）の変化を例示するもので
ある。
【００９０】図41(b)に例示したように、副コアの幅を
広くすると電界分布が広いものとなり、副コアの幅を狭
くすると電界分布が狭くなる。よって副コアの幅を調節
して電界分布の形状を調節し、光導波路に結合される他
の光部品とのモード整合をすることができる。
【００９１】さらに、副コアの屈折率を小さくすると電
界分布が広いものとなり、副コアの屈折率を大きくする
と電界分布が狭くなる。よって副コアの屈折率を調節し
て電界分布の形状を調節し、光導波路に結合される他の
光部品とのモード整合をすることができる。このように
本手段を用いることにより手段10に記載の光導波路が改
良され、電界分布の調節範囲が拡大される。
【００９２】次に手段12は、図39、図45(c)に例示する
ように、相対的に高屈折率で光軸方向に進行するにとも
なって途中から徐々にその断面積あるいはその形状が変
化する主コア302Aを、相対的に低屈折率の副コア302Bで
上下又は左右の２方向からサンドイッチ状に挟み込んだ
構造の主コアと副コアを組み合わせたものを光導波路の
コアとするものである。なお、図39、図45(c)には、副
コア302Bで主コア302Aを上下２方向から挟み込んだもの
のみが例示されているが、縦と横の関係を入れ替える
と、副コアで主コアを左右２方向から挟み込んだものも
同等の作用を有する光導波路となる。
【００９３】図41(b)に例示したように、図41(a)の構成
の光導波路においては、副コアの幅を変化させると、副
コアと主コアの幅が同じになったとき最もスポットサイ
ズが小さくなる。よって本手段による光導波路は小さな
スポット径を持つ光部品とのモード整合に適するものと
なる。
【００９４】次に手段13は、図42に例示するように、曲
線状の光導波路300の少なくとも曲がりを有する部分
に、主コア302Aと副コア302Bを有する手段10〜12のいず
れかの光導波路を用いるものである。
【００９５】光は光導波路のコアのような屈折率の高い
部分に閉じ込められる性質を持つので、光導波路が曲が
ったものであっても光導波路に沿って伝搬する。しか
し、光には本来直進する性質があるので、光の閉じ込め
が弱くかつ曲がりの曲率半径が小さい場合には、曲がり
部分で光が光導波路から飛び出してしまう（以下これを
曲がりによる光の放射という）。そして、導波路の光の
閉じ込めの強さは光導波路の構造に依存し、一般的には
コアのサイズが一定の場合にはコアとクラッドとの屈折
率の差が大きいほど閉じ込めが強くなる。また図37に示
すような光導波路においては、主コア302Aのある部分で
は、主コア302Aと副コア302Bの両方で光を閉じ込めるの
で、主コア302Aのある部分の光の閉じ込めは主コア302A
の無い部分に比べて強いものとなる。そのため、図42に
例示するように、導波路の曲がりの部分に主コア302Aと
副コア302Bを形成したものとすると、曲がりの部分の光
の閉じ込めが他の部分に比較して強くなる。そのため曲
がり部分での放射が起こりにくくなる。その結果曲がり
の曲率半径を小さくすることが可能になり、光導波路が
小型になる。
【００９６】次に手段14は、図43に例示するように、曲
線状の光導波路の、少なくとも曲がりの部分に、相対的
に断面積が大きいコア302を形成するものである。光導
波路の光の閉じ込めの強さは光導波路の構造に依存し、
一般的にはコアのサイズが一定の場合にはコアとクラッ
ドとの屈折率の差が大きいほど閉じ込めが強くなり、コ
アとクラッドの屈折率の差が一定の場合にはコアの断面
積が大きいほど閉じ込めが強くなる。
【００９７】また、光導波路にガイドされる光のスポッ
トサイズは、コアとクラッドの比屈折率差が一定である
場合には、コアの断面積が小さくなるほど大きくなる。
従って図43に例示するように、光導波路の端部のコア30
2の断面積を小さくするとスポットサイズが拡大され光
ファイバ等との結合が容易になる。一方、導波路が曲が
っている部分についてはコア302の断面積を大きくする
と、相対的に光の閉じ込めが強くなる。そのため曲がり
部分での放射が起こりにくくなる。その結果曲がりの曲
率半径を小さくすることが可能になり、光導波路を小型
にすることが可能になる。
【００９８】次に手段15は、図37、図38(c)、図39、図4
0、図42、図44(b)、図45、図46に例示するような手段９
〜手段13のいずれかの光導波路について、当光導波路を
構成する層の少なくとも１層を有機物で構成するもので
ある。
【００９９】この光導波路の場合、アンダークラッド層
301Aと主コア302Aと副コア302Bとオーバークラッド層30
1Bに有機物を用いている。このようにすると、主コア30
2Aと副コア302Bを酸素プラズマでエッチングして所定の
形状に加工し、再び有機物301Bを塗布するだけで容易に
所望の光導波路を形成することができる。
【０１００】次に手段16は、図37、図38(c)、図39、図4
0、図42、図44(b)、図45、図46に例示するような手段９
〜13のいずれかの光導波路について、少なくとも主コア
302Aに無機材料を、副コア302Bに有機材料を用いるもの
である。
【０１０１】即ち、これらの図に例示する光導波路にお
いて、主コア302Aを例えばプラズマＣＶＤで形成したシ
リコン酸化膜やシリコン窒化膜にすると非常に薄いコア
を形成することが可能になる。更に屈折率を1.6〜1.9の
範囲で制御することも可能になる。
【０１０２】例えば主コア302Aと副コア302Bにポリイミ
ド等を用いる場合には、ポリイミドの屈折率は1.5〜1.6
の範囲であるため、主コア302Aと副コア302Bの比屈折率
差は約3.2%以下になる。比屈折率差が小さい場合には、
コアが薄くなると閉じ込めが弱くなる。そのためコアサ
イズを小さくしてもスポットサイズが小さくならない。
これに対し、副コア302Bにポリイミドを用い、主コア30
2Aにシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を用いると、比屈
折率差を最大20%程度まで大きくすることができる。そ
の結果比較的モードサイズが小さい光導波路を形成する
ことが可能になる。
【０１０３】図７はクラッド層301と副コア302Bの比屈
折率を0.5%、副コアの厚さを 5μm、主コア302Aの屈折
率を1.6〜1.9の間で変化させたときのスポットサイズを
例示するものである。図７のグラフのうち曲線(a)は主
コアの厚さが 0.2μm の場合、曲線(b)は主コアの厚さ
が 0.5μm の場合である。
【０１０４】このように主コアに無機材料を用い、主コ
アを高屈折率で薄いものにすることにより小さなモード
サイズの光導波路を形成でき、光導波路と半導体レーザ
のモード整合が容易になる。例えば、光導波路のスポッ
トサイズを図７の線Ａで取り囲んだ範囲に選ぶと、半導
体レーザと光結合したときのモード不整合による結合損
失を非常に小さなものとすることができる。
【０１０５】次に手段17は、図33、図34、図44、図45に
例示するように、手段８、手段15または手段16のいずれ
かによる光導波路について、当光導波路を有機物の層と
有機物の層の間に無機物の薄膜311を有する構造とする
ものである。
【０１０６】図33、図34、図44、図45の例ではコア302
とアンダークラッド層301Aの間に無機材料よりなる薄膜
311を有する。コア302に有機物を用いた場合には、プラ
ズマエッチングによってコアを加工するが、図33、図3
4、図44、図45に例示するようにコア302とアンダークラ
ッド層301Aの間に無機材料の薄膜311を形成すると、酸
素プラズマエッチングでコア302を矩形に加工すると
き、薄膜311でエッチングを停止させることができる。
その結果、コアの加工の際のエッチング工程の管理が容
易になり、エッチングが確実なものとなる効果を生ず
る。
【０１０７】次に手段18は、例えば図46に例示するよう
に、手段２の光導波路に手段３〜手段17のうちのいずれ
かのものを用いるものである。図46は、手段２の光結合
装置を構成する光導波路に手段９または手段10の光導波
路を用いるものである。
【０１０８】手段２を用いると左右方向の結合トレラン
スが広がるので左右方向に位置合わせが容易になる。さ
らに手段２に加えて、手段３〜手段８のうちのいずれか
を用いると、光導波路と他の光部品との高さ方向の位置
合わせが容易になる。その結果、手段２の光導波路と他
の光部品の位置合わせが容易になり、光結合効率の向上
が容易になる。
【０１０９】さらに手段２に加えて、手段９〜手段12、
手段15及び手段16のうちのいずれかの手段を用いると、
光導波路と光部品とのモード整合を行うことができるの
で、結合効率が向上するようになる。
【０１１０】なお、手段２と手段３〜手段８のうちのい
ずれかと、手段９〜手段12、手段15及び手段16のうちの
いずれかを組み合わせると、これらの効果が組み合わせ
られた光結合装置となることはいうまでもない。
【０１１１】次に手段19は、図27または図28に例示する
ように、手段２又は手段18において、基板160に透明で
アンダークラッド層301Aよりも低屈折率のものを用いる
ものである。このようにすると基板160を光導波路のク
ラッドとして用いることができる。そのため基板上のク
ラッド層301Aを任意の厚さにすることができる。そこで
基板上のクラッド層301Aの厚さを調節して光導波路の光
軸を任意の高さに調節することが可能になる。その結果
他の光部品との上下方向の光軸の位置合わせが容易にな
る。
【０１１２】次に手段20は、図８、図10、図11、図13〜
図16、図25、図26、図47に例示するように、手段３又は
手段18又は19のいずれかにおいて、該光結合装置の光部
品200を搭載する部分の周囲を導波路形成用部材（301、
302等）で取り囲み、光部品200を搭載した部分を覆い且
つこの周囲の導波路部材にかかるような蓋用部材で且つ
光部品200を搭載した部分の周囲の導波路部材と蓋用部
材の間を気密化した蓋用部材400を用い、当蓋用部材400
で当光部品200を搭載した部分に蓋をし、気密封止をし
たものである。
【０１１３】本手段を用いると、光部品を簡単に気密封
止できる。ここに、光導波路300は気密封止パッケージ
の周囲の壁と窓とを兼ねるものとなっている。周囲の壁
と窓に別々のものを用いる場合に比べて製造が容易で小
型になる効果がある。
【０１１４】手段21は、図47又は図49に例示するよう
に、手段３、手段18又は手段19のいずれかの光結合装置
（１あるいは１Ａ）において、基板100 に搭載した光部
品200の周囲を導波路形成用部材 501、503、504でリン
グ状に取り囲み、電気配線部材500 を、電気配線パター
ン502 が当リング状導波路形成用部材 501、503、504の
外周部を貫通し、光部品200を搭載する孔303 の周囲の
光導波路形成用部材の一部501 の表面に接するように接
着された構成とするものである。
【０１１５】気密封止された部分と外部とを結ぶ電気配
線パターンを電気配線部材に形成するため、光導波路付
基板の形成が容易になる。次に手段22は、図10に例示す
るように、手段20において、蓋用部材400 が、光部品20
0 を搭載する導波路形成用部材の孔303の周囲に沿って
導波路部材の表面に被着されたリング状の金属部材304
を介して光導波路の表面に接着され、光部品200を気密
化したものである。蓋用部材を接着する部分を金属部材
にすることによって、半田付けや溶接を行うことが容易
になる効果が得られる。
【０１１６】次に手段23は、図46に示すように、手段21
において、光導波路に手段9〜12のいずれかのものを用
い、少なくともリング状の金属部材の下に主コアと副コ
アとを有するものとしたものである。
【０１１７】光導波路が置かれる雰囲気は空気、不活性
気体又は真空である。そのため屈折率１の媒質中に置か
れているのと同じである。この場合、光導波路の光の閉
じ込めが弱い場合には、電界の一部が導波路の上側に染
み出すことになる。
【０１１８】ところで、電界が外部に染み出す導波路の
場合、図10または46のように表面に金属部材304がある
と伝搬損失が大きくなる。光導波路の伝搬損失増加を抑
制するためには、金属部材304が形成された部分の光の
閉じ込めを強くする必要がある。そこで、本手段のよう
に、リング状の金属部材304の下に主コア302Aと副コア3
02Bを有する手段10〜手段12のいずれかの光導波路を用
いると、この部分の光の閉じ込めが強くなり伝搬損失が
低減される。
【０１１９】
【発明の実施の形態】図８に本発明による光結合装置の
第１の実施例を示す。本光結合装置１は、50μmのピッ
チで配列された15個の発光部を有するアレイ状の半導体
レーザ200と、48μmのピッチで配列された15個のコア30
2を有するアレイ状の光導波路300を対向させたものであ
る。光導波路300とボンディングパッド（図示せず）は
基板100の表面に形成されている。半導体レーザ200はア
レイ状の発光部のうちの中央の発光部が光導波路300の
アレイ状のコアのうちの中央のコアに一致する位置を目
標として位置合わせされてボンディングパッドにボンデ
ィングされている。半導体レーザ200の、目標とする位
置からの位置ずれは±15μm以下に抑えられている。
【０１２０】本実施例に用いた部材は、基板100は表面
の面方位が｛100｝のシリコン単結晶基板、光導波路300
は有機高分子導波路、ボンディングパッドは金属、半導
体レーザ200は特開平7-66502及び1993年電子情報通信学
会秋季大会講演論文集4-262に記載されたレーザ部と厚
さが変化するコアを有するスポットサイズ変換導波路と
をモノリシックに集積化したスポットサイズ変換導波路
付半導体レーザをアレイ化したものである。
【０１２１】シリコン基板100の表面には厚さ１μmのシ
リコン酸化膜101が形成され、この上に光導波路300とボ
ンディングパッド（図示せず）とボンディングパッドに
接続された配線パターン（図示せず）が形成されてい
る。
【０１２２】光導波路300は、断面が５μm×５μm、屈
折率が約1.558の矩形のコア302の周囲を屈折率1.55のク
ラッド層301で取り囲んだものである。コアの下側のア
ンダークラッド層、コアの上側のオーバークラッド層の
厚さはいずれも20μmである。
【０１２３】半導体レーザ200のそれぞれの発光部はBH
構造の半導体光導波路となっており、発光部間のピッチ
は50μmである。BH構造のストライプの幅はレーザ部が
約1.5μmでありスポットサイズ変換部はレーザ部から出
力端に向かって約1.5μmから約4.91μmに変化してい
る。半導体レーザ200の厚さ方向の層構造は、活性層へ
の光の閉じ込め係数が５％になるようにレーザ部の層厚
と屈折率が調節され、スポットサイズ変換部は同じ層構
造でレーザ部から出力端に向かってコア部の厚さが徐々
に薄くなっている。コア部の厚い部分と最も薄い部分の
厚さの比は約2.5 ：１である。
【０１２４】本実施例による光導波路300と半導体レー
ザ200は、単体の光導波路と単体の半導体レーザを対向
させて光結合させるとき、水平方向のみに着目すると、
最大結合効率が約100％で、結合効率が90％に低下する
ときの位置ずれの大きさが約±1.15μmである。因み
に、位置ずれが 5μmのとき結合効率は約35％に低下す
る。
【０１２５】本実施例による光結合装置は、例えば、15
個の半導体レーザを順次発光させて光導波路から出力さ
れる光強度を計測し、最も光出力が大きい導波路の出力
端に光ファイバを結合するようにすれば、光ファイバ付
の半導体レーザになる。図８には示していないが、光フ
ァイバの位置合わせにはシリコンＶ溝等を用いることが
できるので、その位置合わせは容易である。
【０１２６】本実施例において、半導体レーザと光導波
路の相対的位置を左右に変化させた場合の光結合効率の
変化を図９に示す。図９において、"a"は半導体レーザ
と光導波路が（アレイではなく）単体のものである場合
の結合効率、"b"は本実施例のように半導体レーザと光
導波路がアレイである場合の結合効率である。なお、こ
の場合の結合効率は、複数組のうちのいずれかの半導体
レーザと光導波路について、両者の相対位置が変化した
とき、その変化に対応してその結合効率が最も大きくな
る１対の組み合わせを順次選択し、その組み合わせにお
ける最大結合効率をグラフ化したものである。既に述べ
たように、光導波路と光ファイバの光結合は比較的容易
であるので、半導体レーザの出力光をいずれかの光導波
路に結合させることができれば、半導体レーザと光ファ
イバの結合が容易にできるようになる。
【０１２７】図９に例示したように、半導体レーザと光
導波路が（アレイではなく）単体のものである場合には
位置ずれが約±1.15μmのとき結合効率が90％まで低下
するのに対し、本実施例では90％以上の結合効率を維持
する範囲が±15μmまで拡大された。その結果、本実施
例による光結合装置を用い、半導体レーザが最も強く結
合した光導波路に光ファイバを結合すれば、従来のよう
に光学的調整を伴う困難な位置合わせを行わずとも、比
較的容易に半導体レーザの光を光ファイバに結合させる
ことができる。
【０１２８】なお、本実施例に用いることのできる基
板、光導波路の材料および半導体レーザは本実施例のも
の（基板はシリコン、光導波路は高分子材料、半導体レ
ーザはスポットサイズ変換導波路付きレーザ）に限られ
るものではない。基板には、例えば石英ガラスやその他
のガラス及びセラミック等を用いることもできる。光導
波路には、例えばシリコンの酸化物やシリコンの窒化物
を主成分とする光導波路を用いることもできる。半導体
レーザには通常の端面出射型の半導体レーザをアレイ化
したものを用いることもできる。
【０１２９】次に、図10に、図８の第１の実施例を変形
して光半導体素子を気密封止した第１の実施例の第１の
変形実施例（光結合装置1A）を示す。ここに図10(a)は
気密封止のための蓋がされていない状態の斜視図、図10
(b)は蓋をした後の光結合装置1Aの斜視図で、蓋の一部
を切り欠いて中が分かるようにしてある。
【０１３０】図10の実施例においては、シリコン基板10
0の表面にシリコン酸化膜（図示せず）を形成し、その
シリコン酸化膜の表面に電気配線パターン103と半導体
レーザをボンディングするためのボンディングパッド10
2（図10においては、半導体レーザ200の下に隠されてお
り見ることができない）を形成し、電気配線パターンの
一部が光導波路の下になるように光導波路300を形成し
ている。シリコン酸化膜（図示せず）は基板100と電極
とを絶縁するためのものである。図10には明示されてい
ないが、半導体レーザ200をボンディングするためのボ
ンディングパッドはアレイ状の半導体レーザのアレイの
要素に対応して要素数だけあり、これらのボンディング
パッドは各々独立して電気配線パターン103に接続され
ている。本実施例の光導波路300は屈折率が1.55のポリ
イミドによるクラッド層と屈折率が1.558のポリイミド
によるコアにより形成されている。コアの断面の形状と
寸法、クラッド層の厚さ及びコアのピッチは図８の実施
例の場合と同じである。矩形のコアは酸素プラズマエッ
チングにより形成した。
【０１３１】光導波路300には、矩形の孔303が形成され
ている。この孔303では基板100の表面と基板の表面に形
成されたボンディングパッド及び電気配線パターンが露
出している。この孔は酸素プラズマエッチングにより形
成した。
【０１３２】孔303の内側に露出したボンディングパッ
ド102（隠れて見えない）にはアレイ状の半導体レーザ2
00がボンディングされている。この半導体レーザ200は
図８の実施例に用いたものである。半導体レーザ200は
光導波路300のコア302の端面に対向するようにボンディ
ングされている。
【０１３３】光導波路の上側表面にはリング状の金属部
材304が形成されている。この金属部材304は蓋400を被
着させるためのものであり金属の皮膜により形成されて
いる。この金属皮膜は真空蒸着等により形成される。
【０１３４】次に、蓋400には図10(b)の下側の面から上
側に向かって窪み401が形成されており、さらに窪みの
外周の表面にはリング状の金属部材402が形成されてい
る。このリング状の金属部材402は蓋を基板側のリング
状の金属部材304に被着させるためのものである。
【０１３５】本図10の実施例では蓋400はセラミックに
より形成されている。なお蓋400には金属、シリコンあ
るいはプラスチックを用いてもよい。蓋400に金属を用
いる場合にはリング状の金属部材402は不要である。蓋4
00にシリコンあるいはプラスチックを用いる場合には、
真空蒸着、メッキ、スパッタ等により表面に金属皮膜を
形成すれば、インジウムや錫や半田等を用いて接着する
ことが可能になる。蓋400にシリコンやセラミックなど
の耐熱性の高いものを用いる場合にはスクリーン印刷の
後焼結する方法又はリング状の金属板を低融点ガラスで
張り合わせる方法等を用いることも可能である。また蓋
にプラスチックを用いる場合には金属のリング402と304
を無くし、高分子の接着剤を用いて光導波路300上に直
接張り合わせてもよい。
【０１３６】リング状の金属部材304は、金属の板によ
って形成されている。この金属の板は例えばプレス等で
打ち抜いたものを蓋に張り合わせて形成する。張り合わ
せには高分子の接着剤あるいは低融点ガラス等を用い
る。なお、スクリーン印刷により蓋400の表面にリング
状の金属部材上に焼結材を含む金属のペーストを塗布
し、これを焼結してもよい。さらに、真空蒸着、メッ
キ、スパッタ等により表面に金属皮膜を形成してもよい
（この場合は必ずしもリング状でなくてもよい）。
【０１３７】リング状の金属部材304の表面に低融点の
金属（例えばインジウム、錫あるいは金錫共晶合金等）
を被着させ、これに蓋の表面のリング状の金属部材402
を重ね合わせ、低融点金属を溶融させた後、常温に戻し
てリング状の金属部材304にリング状の金属部材402を固
着させる。この結果、孔303の中の半導体レーザ200は気
密封止される。
【０１３８】本図10の実施例では、光導波路300にポリ
イミドを用いたので、ボンディングパッド102及び電気
配線パターン103及び金属皮膜によるリング状の金属部
材304を形成した後に光導波路300および光導波路の孔30
3を形成することが可能になった。ボンディングパッド1
02及び電気配線パターン103及び金属皮膜によるリング
状の金属部材304を平坦な面上に形成することができる
ため、これらをフォトリソグラフィーにより比較的容易
に形成することができた。
【０１３９】さらに図８と同様に半導体レーザ200をボ
ンディングする際に許容される位置ずれの大きさが±15
μmであるため、位置合わせも比較的容易であった。さ
らに、半導体レーザ200の気密封止も比較的簡単にする
ことができた。
【０１４０】図11は石英の光導波路を用いる場合の第１
の実施例（図８）の第２の変形実施例を示すものであ
る。図11(a)は蓋をする前、図11(b)は蓋をした後を示す
ものである。
【０１４１】石英の光導波路を形成するには、その行程
で1000℃以上の温度で熱処理を行う必要がある。そのた
め光導波路300を形成した後に電気配線パターン103を形
成する。そのため本実施例では光導波路300層の上側の
表面に電気配線パターン103が形成されている。本実施
例の光導波路のクラッド301の屈折率は1.46、コア302の
屈折率は1.4673、コア302の断面は 5μm×5μmの矩形、
アンダークラッド層301Aとオーバークラッド層301Bの厚
さは30μmである。
【０１４２】光導波路に形成した孔303の中に配線パタ
ーン（図示せず）とボンディングパッド（半導体レーザ
により隠されている）を形成し、図８の実施例と同じ半
導体レーザ200をボンディングパッドにボンディングし
ている。本実施例では光導波路を形成し、光導波路の孔
303を形成した後でボンディングパッドを形成した。す
なわち孔303と光導波路の境界による段差がある基板上
にフォトリソグラフィープロセスを施しボンディングパ
ッドを形成することになる。このためボンディングパッ
ドの位置ずれが大きくなり易い。しかし、本実施例のボ
ンディングパッドの位置ずれ（±5μm以下）は半導体レ
ーザ結合トレランス（±15μm）に比べて十分小さいた
め、問題とはならない。セラミック製の蓋400をエポキ
シ樹脂によるリング304を介して接着し、半導体レーザ
を気密封止している。本実施例においても、半導体レー
ザの位置合わせが及び気密封止が容易にできる。
【０１４３】なお、図10及び図11の実施例による光結合
装置1Aは気密封止のため蓋をしても小型になる特徴があ
る。例えば 2mm×2mm×1mm 以下にすることも可能であ
る。熱容量が小さくなるので、気密封止後の光結合装置
１をペルチェ素子等の上に接着し温度調節をすることも
容易になる。
【０１４４】次に図12〜図16に、図10あるいは図11の第
１の実施例の第１及び第２の変形実施例により気密封止
された光結合装置1Aに光ファイバを接続する実施例を示
す。本実施例においてはまず、最も光出力が大きい光導
波路を選択する。図12は、図10の実施例により半導体レ
ーザ200を搭載し気密封止した光結合装置1Aについて、
光出力が最も大きい光導波路のコア302を選択する方法
を例示するものである。
【０１４５】図12の光ファイバ接続実施例においては、
受光部の直径が 2mmのフォトダイオード２を用い、光結
合装置1Aの光導波路300の各コア302から出力される光強
度を計測する。フォトダイオード２の受光面のサイズが
光導波路300のコア302が並んでいるアレイの端から端ま
での幅（約0.7mm）に比べて十分大きいので、フォトダ
イオード２を光導波路300の前方のほぼ中央に配置すれ
ば、全てのコア302から出力する光を計測することがで
きる。電極103から順次半導体レーザ200のアレイの要素
に一定の電流を供給し、そのときの光出力を測定して光
出力が最大になる一つの光導波路を選択することができ
る。
【０１４６】図13〜図16は、図10に例示された第１の変
形実施例における光結合装置１A と光ファイバ３の光結
合を行う光ファイバ結合実施説明図を示すものである。
まず図13(a)及び(b)は、突起111（以下この突起をレー
ルという）を有する共通基板110と、レール111に嵌合す
る溝122（以下このレール111に嵌合する溝122をレール
嵌合溝という）を裏面に形成し、当レール嵌合溝を裏面
に形成した光ファイバ搭載用基板120と、裏面にレール1
11に嵌合する溝104（以下、これもレール嵌合溝とい
う）を形成した基板100Aを有する光結合装置1Aを示す。
なお光結合装置１Aは、図10の実施例による光結合装置
１の基板100に、レール嵌合溝104を形成するという変形
を加えたものである。このような光結合装置1Aと光ファ
イバ搭載基板120のレール嵌合溝122及び104を共通基板1
10上のレール111に嵌合させて位置合わせをし、光結合
している。
【０１４７】共通基板110には表面の面方位が｛100｝の
シリコン基板を用いている。このシリコン基板の表面に
熱酸化膜（図示せず）を形成し、次いでフォトリソグラ
フィーとエッチング工程により所定のパターンの熱酸化
膜によるエッチング用マスクを形成し（図示せず）、次
いで強アルカリのエッチング液を用いてウエットエッチ
ングする工程（この工程を異方性エッチングという）を
用いてレール111を形成している。このレール111を形成
する場合には、＜110＞方向に伸びるストライプ状の熱
酸化膜によるエッチング用マスクパターン（図示せず）
が用いられる。
【０１４８】図13の光結合装置１Aの基板100A及びファ
イバ搭載基板120も表面の面方位が｛100｝のシリコン基
板であり、レール嵌合溝104と122も異方性エッチングに
より形成されたものである。レール嵌合溝104と122は、
そのエッチング用マスクを形成する際に両面マスク合わ
せ装置を用い、それぞれ光導波路300のコア302のパター
ン及び光ファイバガイド溝121との相対位置が一定にな
るように形成されている。光ファイバガイド溝121に載
置した光ファイバ３が、図12の実施例により選択された
光導波路のコア302に対向するように光ファイバガイド
溝121を形成し、これに光ファイバ３を載置し、光結合
している。本方法を用いると、光ファイバ３の位置合わ
せが極めて容易になる。
【０１４９】図14は、図13に示した光結合装置と光ファ
イバを光結合することに更に工夫を加えた光結合装置の
第２の実施説明図であり、図13の第１の実施説明図の一
部を変形したものである。図14による第２の実施例は、
図13の第１の実施例の共通基板110のレールのサイズを
比較的小さいものとし、光結合装置1Aおよび光ファイバ
搭載基板120それぞれのレール嵌合溝104(光ファイバ搭
載基板120に隠れて図14には図示していない)及び122を
複数にし、且つレール嵌合溝104、122のピッチを光導波
路のコア302のピッチと同じにしたものである。
【０１５０】このようにすると、レール111に嵌合する
レール嵌合溝104、122を選択することにより光ファイバ
３に結合する光導波路のコア302を選択できるようにな
る。本実施例では、光ファイバ３が、例えば図12の実施
例により選択された光導波路のコアに対向するものとな
るようにレール嵌合溝104、122を選択し、レール111に
嵌合させる。
【０１５１】なお、図14にはレール111が１対（２本）
のものが例示されているが、複数対のレールを形成して
もよい。その場合は一つの対のレールと他の対のレール
の間隔が光導波路のコアのピッチに等しくなるようにす
る。
【０１５２】図15は、光結合装置と光ファイバを光結合
するために工夫を加えた光結合装置の第３の実施説明図
で図13の第１の実施説明図の一部を変形したものであ
る。本実施例は、図13の第１の実施説明図におけるファ
イバ搭載基板120の表面に、光導波路のコア302(図12参
照)のピッチと同じピッチの凹凸を有する周期的凹凸123
を形成し、その凹凸123に嵌合する周期的凹凸132と、光
ファイバ３を嵌合させる溝131（以下この「ファイバを
嵌合させる溝131」を「光ファイバ押接溝131」という）
を有する部材130で光ファイバ3をコア302(図12参照)に
押接するものである（以下この「光ファイバを押接する
部材130」を「光ファイバ押接部材130」という）。光フ
ァイバ搭載基板120の表面の周期的凹凸123は、基板120
を異方性エッチングすることによって形成される。さら
に、光ファイバ押接部材130にも表面が｛100｝のシリコ
ン基板が用いられており、光ファイバ押接溝131と光フ
ァイバ押接部材の両サイドの周期的凹凸132も異方性エ
ッチングによって形成されたものである。
【０１５３】本第３の実施説明図によれば、光ファイバ
押接部材130を左右に移動させて、光ファイバ３と光結
合する光導波路のコア302を選択することができる。そ
のため、光ファイバ３に結合すべき光導波路のコア302
の選択の自由度が向上する。
【０１５４】図16は、光結合装置と光ファイバを光結合
するために工夫を加えた光結合装置の第４の実施説明図
であって、図15の第３の実施説明図の一部を変形したも
のである。本実施例は、図15の第３の実施説明図のファ
イバ搭載基板120のレール嵌合溝122のうち同時にレール
111に嵌合するものを１組として、複数のレール嵌合溝1
22を形成したものである。ここに複数組のレール嵌合溝
122はその組内の二つはサイズが同じで、異なる組の間
ではサイズが異なるものとして形成されている。またレ
ール嵌合溝122は、その組と組の間のピッチが、光ファ
イバ搭載基板120の表面の周期的凹凸123の間隔の正数倍
になるように形成されている。
【０１５５】本第４の実施説明図によれば、複数組のレ
ール嵌合溝122のうちの１組を選択して光ファイバ３の
光軸の高さを調節することができる。従ってレール111
に嵌合したとき、光導波路のコア302と光ファイバ3の光
軸の高さにずれが合った場合でも、これを補正すること
が可能になる。さらに、本実施例では、図15の実施例と
同様に、光ファイバ押接部材130を左右に移動させるこ
とにより光ファイバ３と光結合する光導波路のコア302
を選択することもできる。従って、まず、高さの調節の
ためにレール嵌合溝122を選択し、次いで光ファイバ押
接部材130を左右に移動させて光ファイバ３と結合する
光導波路のコア302を選択することができる。
【０１５６】以上は光ファイバ３の左右の位置調節を扱
った実施例であるが、一方光ファイバ３の光軸の高さを
調節する必要がある。即ち、光導波路のコア302の光軸
の高さとの誤差をなくすることにより光結合効率が更に
向上する。
【０１５７】図17〜図24は第１の実施例（図８）の変形
実施例を示すものである。まず図17は、図８の第１の実
施例の基板100の代わりに、図17(b)に示すように、二つ
の基板170と基板140を用い、半導体レーザ200を基板170
に搭載し、光導波路300を基板140に搭載する第3の変形
実施例を示す図である。ここに図17(a)に半導体レーザ2
00を搭載すべき基板170の構成を例示し、図17(b)に半導
体レーザと光導波路が搭載された基板170、140を共通基
板110上に配列して、両者を光結合するための構成を示
す。
【０１５８】半導体レーザ200と光導波路300を搭載した
基板170、140を配列するために、基板170と基板140の裏
面にレール嵌合溝134、141を形成し、そのレール嵌合溝
を、第３の基板である共通基板110のレール111に嵌合さ
せている。
【０１５９】本実施例を用いると、レール嵌合溝134、1
41のサイズを調節して半導体レーザ200と光導波路300の
光軸の高さを調節することができるようになる。そのた
め両者の光軸の高さを一致させることが容易になる。ま
た、半導体レーザ200をボンディングするための基板170
の製造と光導波路300とを別々に独立して製造すること
が可能になる利点がある。例えば、光導波路300の製造
に高温プロセスが必要な場合でも、半導体レーザ200を
搭載するための基板170には何ら影響を及ばさないで済
む。なお、本実施例の光結合装置に、図14〜図16に示す
光ファイバ搭載基板を組み合わせると、光ファイバと光
結合することが可能になる。
【０１６０】図18は図８の第１の実施例の第４の変形実
施例を示すもので、図14に示した第２の実施説明図にお
ける光導波路のコア302のパターンを変形したものであ
る。本実施例では、光導波路のコアのピッチが、半導体
レーザと対向する側は図８の場合と同じであるが、その
反対側は250μmに広げられている。このようにすると、
後に説明するように光ファイバとの結合が容易になる効
果を生ずる。
【０１６１】図19は図18の第4の変形実施例の光結合装
置１について、光ファイバ３と結合すべき光導波路300
のコア302を選択する方法の一つを例示するものであ
る。本実施例は、図19の光導波路300の左側端面に、各
々のコア302に対応させてアレイ状のフォトダイオード
２を対向させた構成を用いるものである。その他に、半
導体レーザ200のアレイ要素に順次電流を供給するレー
ザ駆動装置21と、フォトダイオード２の電流を測定する
装置（電流測定装置）22を具備して構成される。
【０１６２】レーザ駆動装置21による半導体レーザ200
のアレイ要素の選択に同期してフォトダイオード２の出
力電流を計測し、その電流が最大になる半導体レーザ20
0のアレイ要素と光導波路のコア302とを選択し、その導
波路のコア302に光ファイバ３を結合する。
【０１６３】図20は図18の第４の変形実施例による光結
合装置１について、図19の実施例により選択された光導
波路300のコア302に光ファイバ３を結合する一つの構成
を例示するためのものである。基本的には、図13の実施
例と同じように、図18の光結合装置１にレール嵌合溝10
4を形成したものを用い、この光結合装置１に形成した
レール嵌合溝104と光ファイバ搭載基板120に形成したレ
ール嵌合溝122を共通基板110のレール111に嵌合させ配
列したものである。
【０１６４】本実施例では光導波路のコア302のピッチ
を250μmに広げ、光ファイバ搭載基板120に複数のファ
イバガイド溝121を形成したので、どの光導波路のコア
に対しても光ファイバ3を結合することが可能になっ
た。そのため、本構造を用いれば、光ファイバ３と結合
すべきコア302がどれであっても、共通の光ファイバ搭
載基板120で光結合することができる。
【０１６５】図21は図18の第4の変形実施例による光結
合装置１に光ファイバ３を結合する他の構成を例示する
ものである。本例では、全ての光ファイバガイド溝121
にそれぞれ光ファイバ３を搭載している。そしてすべて
の光ファイバ３の出力を計測し、光出力が最大のものを
選択する。本実施例を用いれば、図25に例示するような
コアを選択する工程が不要となる。本実施例は、図25に
例示したようなコアを選択する工程にかかるコストが多
数の光ファイバを搭載するコストより大きい場合に、光
結合装置と光ファイバとの結合に要する総合コストを削
減することができる。
【０１６６】図22は、図20の実施例を変形したもので、
基板に、図20の実施例における基板100Aと光ファイバ搭
載基板120を一体化した基板150を用いるものである。基
板が一体化されるため、基板間の位置合わせが不要にな
る。
【０１６７】図23と図24は、図22の実施例の場合とは逆
に、図21の基板100Aを半導体レーザを搭載するための基
板170と光導波路付基板140の二つの基板に分割したもの
である。本実施例を用いると、図21の実施例の利点の他
に、図17の実施例と同様に、半導体レーザ200と光導波
路300の相対高さの調節が容易になるという利点があ
る。
【０１６８】図25は図18の第４の変形実施例に図10の第
１の変形実施例を適用する例を示すものである。図25に
例示するように、図18の変形例による光結合装置１に対
しても、光導波路300に孔303を形成し、半導体レーザ20
0を孔の中に入れてボンディングし、蓋400をすることに
より気密封止することができる。なお、図25には気密封
止に関する部分の構成および製造方法を詳細には示して
いないが、本実施例における気密封止に関する部分の構
成および製造方法及び蓋400の構成は、図10の実施例と
同じである。
【０１６９】図26は図22の実施例に図10の実施例を適用
する例を示すものである。即ち、図22の実施例による光
結合装置１に対して光導波路300に孔303を形成し、半導
体レーザ200を孔303の中に入れてボンディングし、蓋40
0をすることにより気密封止することができる。なお、
図26には気密封止に関する部分の構成および製造方法を
詳細には示していないが、本実施例における気密封止に
関する部分の構成および製造方法及び蓋400の構成は、
図10の実施例と同じである。
【０１７０】次に、図27〜図36は、半導体レーザと光導
波路の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置の
例１〜10を示すものである。図27は高さ方向の光軸合わ
せが容易な光結合装置の例１で、基板に石英基板160を
用い、その上にアンダークラッド層301Aとコア302とオ
ーバークラッド層301Bを形成した光導波路300を用いる
ものである。基板160の屈折率は約1.46、アンダークラ
ッド層301Aとオーバークラッド層301Bの屈折率は1.55、
クラッド301A,301Bとコア302の比屈折率差は0.5％であ
る（クラッド層301A及び301Bとコア302には図10の実施
例の光導波路と同じポリイミドを使用）。
【０１７１】本実施例では、基板160の屈折率が小さい
のでアンダークラッド層301Aを薄くし、その厚さを調節
して光導波路300のコア302の高さの調節を行うことがで
きる。具体的にはアンダークラッド層301Aの厚さを4μ
m、コアの厚さを5μmにすれば、コアの中心の高さ（こ
の場合には6.5μm）を半導体レーザ200の光軸の高さ
（5.32〜9.32μm）に一致させることができる。
【０１７２】この場合、光導波路の光軸の高さが低い
（この場合には6.5μm）ので、アンダークラッド層301A
及びコア302の厚さに±５％の誤差が生じた場合でも、
光軸の高さ誤差（具体的には±0.4μm未満）は小さいも
のとなる。この場合の高さ誤差は、具体的には±0.4μm
以下であり、本実施例の結合系において許される位置ず
れの大きさ（具体的には±１μm）より小さいものとな
る。したがって、製造誤差がある場合でも、所定の結合
効率が得られる。なお、本実施例の適用範囲は図27のよ
うなアレイ状の半導体レーザ200とアレイ状の光導波路3
00の光結合に限定されるものではない。図28の例２に示
すように単体の半導体レーザ200と単体の光導波路300の
光結合においても、光軸の高さを一致させるのに有効に
なる。
【０１７３】図29は高さ方向の光軸合わせが容易な光結
合装置の例３で、基板100にシリコン基板を用い、その
上に熱酸化膜（図示せず）を形成し、その上にバッファ
層310を形成し、さらに、その上にアンダークラッド層3
01Aとコア302とオーバークラッド層301Bよりなる光導波
路300を形成したものである。ここで、半導体レーザ200
をボンディングするためのボンディングパッド（図では
見えず）及び電気配線用のパターン（図示せず）は、シ
リコン基板100の表面の熱酸化膜（図示せず）上に形成
されている。熱酸化膜はシリコン基板100を熱酸化した
ものであり、その厚さは２μmである。本実施例におい
ても、熱酸化膜101（図29には記載せず）は、図８に例
示するように、基板100の上側の表面全体を覆ってい
る。
【０１７４】図29の本実施例において、バッファ層310
はシリコンの酸化物によって形成されるものである。熱
CVDにより3.2μmのシリコン酸化物の層（これがバッフ
ァ層310になる）を厚さ２μmの熱酸化膜（図示せず）上
に形成したものがバッファ層310付の基板となる。
【０１７５】光導波路300はアンダークラッド層301A及
びオーバークラッド層301Bの屈折率が1.55、クラッド層
301A又は301Bとコア302の比屈折率差が0.5％、コア302
の断面のサイズが６μm×６μmである。アンダークラッ
ド層301Aの厚さは約２μmである。
【０１７６】本実施例では、アンダークラッド層301Aよ
り低屈折率のバッファ層310があるため、図5に例示した
ように、基板側に伸びる電界はその強度が急激に減衰す
る。そのため、アンダークラッド層301Aが薄い場合でも
光の基板放射が低減される。
【０１７７】さらに、本実施例によれば、バッファ層31
0とアンダークラッド層301Aの厚さとコア302の厚さの２
分の１を加えた厚さ（8.2μm）を半導体レーザの光軸高
さ（5.32〜9.32μm）に等しくすることが可能になる。
またその全体の厚さの絶対値が小さいので、高さ誤差が
小さくなる。そのため半導体レーザ200と光導波路300の
光軸の高さ合わせが容易になる。さらに、基板100にシ
リコン基板を用いているので、異方性エッチングで例え
ば図13の実施例に示すようなレール嵌合溝104を形成
し、光ファイバ３と結合することが可能になる。
【０１７８】なお、本実施例の適用範囲は図29のような
アレイ状の半導体レーザ200とアレイ状の光導波路300の
光結合に限定されるものではない。図30は高さ方向の光
軸合わせが容易な光結合装置の例4で、図30に例示する
ように単体の半導体レーザ200と単体の光導波路300の光
結合においても、光軸の高さを一致させるのに有効であ
る。
【０１７９】図31は高さ方向の光軸合わせを容易にした
光結合装置の例５にて、基板100にシリコン基板を用
い、その上にバッファ層310（材料はシリコンの酸化
物、厚さは5μm）を形成し、その上にアンダークラッド
層301A（厚さ3.5μm、屈折率1.55のポリイミド）とコア
302（比屈折率差0.5％、６μm×６μmの断面サイズを有
するポリイミド）とオーバークラッド層301B（厚さ3.5
μm、屈折率1.55のポリイミド）よりなる光導波路300を
形成したものである。ここに、半導体レーザ200をボン
ディングするためのボンディングパッド（図では見え
ず）及び電気配線用のパターン（図示せず）は、バッフ
ァ層310の上に形成されている。
【０１８０】本実施例において、バッファ層310はシリ
コンの酸化物によって形成される。バッファ層310は、
シリコン基板100を熱酸化して2μmの熱酸化膜を形成
し、次いで熱CVDにより3μmのシリコン酸化物を堆積し
形成した。
【０１８１】本実施例においても、アンダークラッド層
301Aより低屈折率のバッファ層310のため、図5に例示し
たように、基板側に伸びる電界はその強度が急激に減衰
する。そのため、アンダークラッド層301Aが薄い場合で
も光の基板放射が低減される。
【０１８２】さらに、本実施例によれば、バッファ層31
0とアンダークラッド層301Aの厚さとコア302の厚さの２
分の１を加えた厚さ（6.5μm）を半導体レーザ200の光
軸高さ（5.32〜9.32μm）に等しくすることが可能にな
る。またその全体の厚さの絶対値が小さいので、高さ誤
差が小さくなる。そのため半導体レーザ200と光導波路3
00の光軸の高さ合わせが容易になる。
【０１８３】さらにまた、基板100にシリコン基板を用
いているので、異方性エッチングで例えば図13の実施例
に示すようなレール嵌合溝104を形成し、光ファイバ３
と結合することが可能になる。なお、本実施例の適用範
囲は図31のようなアレイ状の半導体レーザ200とアレイ
状の光導波路300の光結合に限定されるものではない。
図32は高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置の
例６にて、図32に示すように単体の半導体レーザ200と
単体のコアを有する光導波路300の光結合においても、
光軸の高さを一致させるために用いることができる。図
33は高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置の例
７にて、基板100にシリコン基板を用い、その上に厚さ2
0μmのポリイミドのバッファ層310を形成し、その上に
シリコン窒化膜311を形成し、その上にポリイミドのア
ンダークラッド層301Aとポリイミドのコア302とポリイ
ミドのオーバークラッド層301Bよりなる光導波路300を
形成したものである。ここに、半導体レーザ200をボン
ディングするためのボンディングパッド（図では見え
ず）及び電気配線用のパターン（図示せず）は、シリコ
ン窒化膜311の上に形成されている。本実施例におい
て、バッファ層310はアンダークラッド層301Aに用いる
ものと同じ組成のポリイミドであり、光導波路を構成す
るクラッド層301A,301Bとコア302の材料と寸法は図31の
実施例のものと同じである。シリコン窒化膜311はプラ
ズマCVDで形成したものでその厚さは約200nmである。な
おバッファ層310は光導波路のクラッド層301A及び301B
より屈折率が小さいものであってもよい。本実施例によ
っても図31の実施例と同じ効果が得られる。
【０１８４】なお、本実施例の適用範囲は図33のような
アレイ状の半導体レーザ200とアレイ状の光導波路300の
光結合に限定されるものではない。図34は高さ方向の光
軸合わせを容易にした光結合装置の例８にて、図34に示
すように単体の半導体レーザ200と単体のコアを有する
光導波路300との光結合においても、光軸の高さを一致
させるのに有効である。
【０１８５】図35は高さ方向の光軸合わせを容易にした
光結合装置の例９にて、基板100に窪み106を形成し、窪
みの部分にバッファ層310を埋め込み、その上にアンダ
ークラッド層301Aとコア302とオーバークラッド層301B
よりなる光導波路300を形成したものである。ここに、
バッファ層310の表面は基板100の窪み106のない部分と
同じ高さにする。半導体レーザ200をボンディングする
ためのボンディングパッド（図では見えず）及び電気配
線用のパターン（図示せず）は、基板100の窪み106のな
い部分の表面に形成されている。
【０１８６】本実施例において、バッファ層310はシリ
コンの酸化物によって形成されるものであり、光導波路
300のクラッド層301A,301Bとコア302の材料と寸法は図3
1の実施例のものと同じである。
【０１８７】本実施例による光結合装置は、例えば次の
ようにして製造される。基板100に、表面の面方位が｛1
00｝のシリコン基板を用い、これを異方性エッチングし
て窪み106を形成する。次いで、スパッタあるいはＣＶ
Ｄあるいは塗布工程等により、窪み106にバッファ層310
の材料になるものを埋め込み、必要があれば熱処理等を
行って透明にする。なお本実施例のようにバッファ層31
0にシリコンの酸化物を用いる場合には1000℃以上の温
度で熱処理する。次いで、研削し、バッファ層310の表
面と基板100の表面が同じ高さになり、バッファ層310の
表面が平坦になるようにする。次いで表面に絶縁膜（例
えば窒化シリコン膜等。図35には明示せず。）を形成
し、その上にボンディングパッド（図では見えず）と電
気配線パターン（図示せず）を形成し、次いで光導波路
300を形成する。ここに、絶縁膜形成は基板と電気配線
パターンを絶縁するために行うものであり、この目的が
達成されるのであれば他の方法を用いてもよい。
【０１８８】バッファ層310の厚さは10μm、クラッド層
301A,301Bとコア302の構成は図31のものと同じである。
本実施例によれば図31の実施例と同様に光導波路300と
半導体レーザ200の光軸の高さを一致させるのが容易に
なる効果を生ずる。さらに、半導体レーザ200をボンデ
ィングする面がシリコン基板100の表面であるので、熱
放散が良好になる効果も生ずる。
【０１８９】なお、本実施例において、バッファ層310
は、その屈折率が光導波路300のアンダークラッド層301
Aと同じかあるいは低屈折率で透明なものであれば何で
もよい。例えばポリイミドでもよい。さらに、バッファ
層310の上に形成される光導波路300はポリイミド導波路
に限られるものではなく、その他の有機物又は無機物に
よる光導波路であってもよい。
【０１９０】また、本実施例の適用範囲は図35のような
アレイ状の半導体レーザ200とアレイ状の光導波路300の
光結合に限定されるものではない。図36は高さ方向の光
軸合わせを容易にした光結合装置の例10にて、図36に示
すように、単体の半導体レーザ200と単体のコアを有す
る光導波路300の光結合においても光軸の高さを一致さ
せるのに有効になる。
【０１９１】なお、以上説明したもののうち、図27の実
施例の光導波路300の構造および半導体レーザ200の実装
方法は、図８、図10および図12の実施例の光導波路300
及び半導体レーザ200の実装にも適用可能である。
【０１９２】同様に、図28〜図36の実施例の光導波路30
0の構造および半導体レーザ200の実装方法は、図８、図
10、図11、図13〜図18、図20〜図26の実施例の光導波路
300及び半導体レーザ200の実装にも適用可能である。
【０１９３】図37、図39、及び図40は、光が光導波路を
伝搬するにつれて、場所により光のスポットサイズある
いは閉じ込めの強さが変化する単体の光導波路の実施例
を示すものである。
【０１９４】図37は伝搬するに伴い光スポットサイズが
変化する光導波路の例１を示し、相対的に高い屈折率の
主コア302Aを相対的に屈折率が低い副コア302Bで取り囲
んだ構造のコア302を有する光導波路300を例示するもの
である。図37(a)はその斜視図を、図37(b)は図37(a)の
上側から見た平面図を、図37(c)は図37(b)の線X1-X1'上
およびX2-X2'上の屈折率分布を、図37(d)は右下方向か
ら見た側面図断面を、図37(e)は図37(d)の線Y1-Y1'上及
びY2-Y2'上の屈折率分布を示す。なお図37(d)は光軸中
心に沿って切断したときの側面断面図、図37(c)の点線
はX1-X1'上の屈折率分布、図37(c)の実線はX2-X2'上の
屈折率分布、図37(e)の点線はY1-Y1'上の屈折率分布、
図37(e)の実線はY2-Y2'上の屈折率分布、図37(d)の線
(1)と(2)は導波路にガイドされる光の電界分布である。
【０１９５】本実施例の光導波路300は、一方の端には
主コア302Aを有し、そこから光軸に沿って進むに従っ
て、一定の区間では一定の幅の主コア302Aを有し、次い
で主コア302Aの幅が徐々に狭くなり、次いで主コア302A
が消失する。具体的構成は、クラッド層301の屈折率が
1.55、クラッド層301と副コア302Bの比屈折率差が0.5
％、主コア302Aの屈折率が1.6、副コア302Bの断面の外
形寸法が６μm×６μm、主コア302Aを含む側の端におい
て、主コア302Aの厚さが0.8μm、幅が3μmである。ま
た、クラッド層301、副コア302Bおよび主コア302Aはい
ずれもポリイミドである。
【０１９６】このような構成の光導波路300は、図37(d)
の(1)、(2)に示すように、主コア302Aがある部分では主
コア302Aをコアとし、副コア302Bをクラッドとするよう
な導波路が形成される。そのため、主コア302Aが存在す
る側では相対的にスポットサイズが小さくなり、主コア
302Aが存在しない側では相対的にスポットサイズが大き
くなる。
【０１９７】具体的には、主コア302Aを有する側の導波
路にガイドされる光のスポットサイズは約3.1μm（縦）
×5.5μm（横）であり、主コア302Aがない側の導波路の
スポットサイズの径は約6.7μmである。
【０１９８】本実施例による光導波路300の主コア302A
を有する側のスポット径は、図８の実施例に用いた半導
体レーザ200のスポットサイズとほぼ等しい。具体的に
は、図８の実施例に用いた半導体レーザ200のスポット
サイズは3μm×6.8μmである。そのため、例えば図８の
実施例の光導波路300に本実施例による光導波路300を用
い、主コア302Aを有する側と半導体レーザ200を対向さ
せると、高い結合効率が得られる。
【０１９９】さらに、主コア302Aがない側の光導波路と
光ファイバとは、比較的高い効率で結合する。そのた
め、例えば図８、図10等に例示する光結合装置の光導波
路に本実施例の光導波路を用いると、半導体レーザと光
導波路の両方に高効率で結合する光結合装置が実現され
る。以下に、具体的に、図38のような結合系の場合の結
合効率を例示する。図38(a)は半導体レーザ200に光ファ
イバ 3 を直接結合する場合、図38(b)は半導体レーザ20
0と光ファイバ3 を主コア302Aを有しない光導波路300を
介して結合する場合、図38(c)は半導体レーザ200と光フ
ァイバ3 を本実施例（図37の実施例）の光導波路を介し
て結合する場合である。
【０２００】これら三つの場合について、半導体レーザ
200の接合に垂直な方向のみに着目して半導体レーザ200
と光ファイバ３の最大の光結合効率を求めると、図38
(a)の場合が約67％、図38(b)の場合が約77％、図38(c)
の場合が約95％になる。このように本実施例を用いる
と、比較的容易に、高結合効率の光結合装置を実現する
ことができる。
【０２０１】以上、クラッド層301、副コア302Bおよび
主コア302Aがポリイミドである光導波路について説明し
たが、これらは無機材料であってもよいし、有機材料の
層と無機材料の層が混在するものであってもよい。
【０２０２】そこで次に、例えば、クラッド層301と副
コア302Bにポリイミドを用い、主コア302Aにシリコン酸
化膜やシリコン窒化膜を用いる場合の実施例について説
明する。
【０２０３】このような実施例の光導波路は、図37と同
じ構成とし、例えばプラズマＣＶＤでシリコン窒化膜を
形成し、これを主コア302Aとすればよい。具体的な構成
は、クラッド層301の屈折率が 1.55 、クラッド層301と
副コア302Bの比屈折率差が0.5％、主コア302Aの屈折率
が 1.7、副コア302Bの断面の外形寸法が 6μm×6μm、
主コア302Aを含む側の端において、主コア302Aの厚さが
0.19μm、幅が 4.55μmである。
【０２０４】このような光導波路の主コア302Aを有する
側のスポットサイズは 3μm×5.7μmである。例えば図
８の実施例の光導波路300にこのような光導波路を用
い、この光導波路の主コア302Aを有する側を半導体レー
ザ200に対向させると、垂直方向のみについては99％の
効率で光結合する。このように本実施例を用いると、垂
直方向のスポットサイズを半導体レーザに一致させ、結
合効率を向上させることが容易になる。その結果結合効
率が向上する。
【０２０５】次に、本実施例により光導波路にガイドさ
れる光のスポットサイズを大きく変化させる例を図７を
用いて説明する。図７はクラッド層301と副コア302Bの
比屈折率を0.5%、副コア302Bの厚さを 5μm、主コア302
Aの屈折率を1.6〜1.9の間で変化させたときのスポット
サイズを例示するものである。図７のグラフのうち曲線
(a)は主コア302Aの厚さが0.2μmの場合、曲線(b)は主コ
ア302Aの厚さが0.5μmの場合である。
【０２０６】図７によれば、主コア302Aの屈折率と厚さ
を変化させてスポットサイズを約 1μm〜7μmの間で変
化させることが可能になることがわかる。さらに、本実
施例において副コア302Bの屈折率及び断面のサイズを変
化させると、主コア302Aがない側にガイドされる光のス
ポットサイズを変化させることも可能になる。
【０２０７】例えば図６のグラフ(a)は、図８のような
スラブ導波路のコア302とクラッド層301（屈折率1.55）
の比屈折率差が変化したとき、光導波路にガイドされる
光のスポットサイズがどのように変化するかを例示する
ものである。なお、コア302とクラッド層301の比屈折率
差を変化させるとコア302の厚さも変化させなければな
らないため、図６にはコア302の厚さ（グラフ(b)）も同
時に示している。
【０２０８】図６によれば、副コア302Bの屈折率と厚さ
を変化させてスポットサイズを約 5μm〜12μmの間で変
化させることが可能になることがわかる。光導波路にガ
イドされる光のスポットサイズを拡大すると、光導波路
と光ファイバの結合効率が向上し、さらに結合トレラン
スが拡大される。
【０２０９】このように、本実施例を用い、主コア302A
および副コア302Bのサイズと屈折率を変化させることに
より、ガイドされる光のスポットサイズを広い範囲にわ
たって変化させることが可能な光導波路が実現される。
その結果、高い結合効率と大きな結合トレランスを有す
る光結合構造を形成することが可能になる。
【０２１０】図39と図40は伝搬するに伴い光のスポット
サイズが変化する光導波路の例２、例３及び例４であっ
て、光軸方向に進むに従って副コア302Bの断面形状が変
化する光導波路の実施例を示すものである。ここに、図
39は、図37の実施例において、主コア302Aがある側の副
コア302Bの幅を主コア302Aと同じにしたものである（図
37の場合には主コア302Aに比べて副コア302Bのほうが幅
が広い）。このようにすると、後に説明するように、光
導波路の主コア302Aを有する側の横方向のスポット径が
より小さくなる。そのため本実施例を用いると、例え
ば、横方向のスポット径がより小さい半導体レーザとの
結合効率が向上する。
【０２１１】図40(a)は、主コア302Aが存在する側の副
コア302Bの幅を、主コア302Aの幅よりも広く且つ反対側
の端の副コア302Bの幅よりも狭くしたものである（図37
の場合には副コア302Bの幅が一定である）。このように
すると、後に説明するように、光導波路の主コア302Aを
有する側の横方向のスポット径が図37の実施例の場合と
図39の実施例の場合の中間になる。
【０２１２】図40(b)は、主コア302Aが存在する側の副
コア302Bの幅が、相対的に広くなるようにしたものであ
る（図37の場合には副コア302Bの幅が一定である）。こ
のようにすると、後に説明するように、光導波路の主コ
ア302Aを有する側の横方向のスポット径が相対的に大き
くなるので、横方向のスポット径が相対的に大きい半導
体レーザとの結合効率を向上させることができる。
【０２１３】図41は、図39及び図40の実施例の効果を定
性的に説明するためのものである。ここに図41(a)は光
導波路の断面図である。クラッド層301の屈折率をn1、
副コア302Bの屈折率をn2、主コア302Aの屈折率をn3で示
す。また、主コア302Aの幅をWm、副コア302Bの幅と主コ
ア302Aの幅の差をWsで示している。さらに(1)は、この
導波路にガイドされる光の電界強度分布を示しており、
そのスポットサイズをWeで示す。
【０２１４】図41(b)は図41(a)のWsと副コア302Bの屈折
率n2が変化した場合のWeの変化を定性的に示すものであ
る。Wsを横軸にとり、n2をα、β、γにしたときのWeの
変化を示している。
【０２１５】図41(b)に図示したように、Wsが大きくな
るとスポットサイズWeが大きくなる。またn2が大きくな
るとスポットサイズが大きくなる。なおWsが一定値より
小さくなると逆の変化をするようになる。具体的には図
37の実施例の光導波路（主コア302Aを、屈折率1.7、厚
さ0.19μmのシリコン窒化膜で構成するもの）におい
て、例えばWsを10μmにすると、横方向のスポット径は
6.3μmになる（Wsが0.7μmの場合のスポット径は5.7μ
m）。さらに、Wsを十分広くし（例えば20μm）、Wmを1.
5μmまで狭くすると、横方向のスポット径は7.2μmにな
る。
【０２１６】図37の実施例のうち、主コア302Aを、屈折
率1.6、厚さ0.8μmのポリイミドで構成するものの場合
には、Wmを1.6μm、Wsを10μmにすると、横方向のスポ
ット径は6.5μmになる。このように、WsとWmを調節する
と、広い範囲にわたってスポットサイズを調節すること
ができる。光導波路のスポットサイズを調節し、半導体
レーザに一致させることにより高い結合効率を持った光
結合装置を実現することができる。
【０２１７】なお、図37、図39および図40の実施例は、
図８、図10、図11、図13〜図18、図20〜図36の実施例
の、いずれの導波路にも適用可能である。図42は主コア
及び副コアを用いた曲がり導波路を有する単体の光導波
路であって、図37の実施例による光導波路を曲がりを有
する導波路に適用する例を示したものである。図42(a)
は、光導波路を、曲がりの部分およびその前後に主コア
302Aを有する構成としたものである。図42(b)は、光導
波路を、曲がりの部分から片方の端部にかけて主コア30
2Aを有する構成としたものである。
【０２１８】本実施例による導波路は、曲がりの部分に
おいて光が強く閉じ込められるので、曲がりの曲率を比
較的小さくした場合でも損失が小さいものとなる。さら
に図42(b)の場合には、主コア302Aのある側にガイドさ
れる光のスポットサイズが小さいものとなり、半導体レ
ーザ等との結合効率が向上する効果が得られる。
【０２１９】例えば図18、図20〜図26の実施例に示す光
結合装置の光導波路300に、図42の光導波路300を用いる
と、装置を小型にすることができる。さらに、例えば図
18、図20〜図26の実施例に示す光結合装置の光導波路30
0に、図42(b)のものを用い、主コア302Aを有する側の端
面を半導体レーザ300に対向させた場合には、両者のス
ポットサイズが一致するようになり光結合効率が向上す
る効果も得られる。
【０２２０】図43はコアの幅を変化させた曲がり導波路
を有する光導波路であって、図43において、光導波路
を、曲がりの部分およびその前後で幅が広くなる構成の
コア302の周囲をクラッド層301で取り囲む構成としたも
のである。ここに図43(a)は本実施例による光導波路の
斜視図、図43(b)は図43(a)を上側から見た平面図であ
る。
【０２２１】本実施例による導波路は、曲がりの部分に
おいて光が強く閉じ込められるので、曲がりの曲率を比
較的小さくした場合でも損失が小さいものとなる。例え
ば図18、図20〜図26の実施例に示す光結合装置の光導波
路300に、図43の光導波路300を用いると、装置を小型に
することができる。
【０２２２】図44および図45は、光導波路300を、ポリ
イミドによるクラッド層301Aの上側にプラズマＣＶＤで
形成したシリコン窒化膜311を配置し、その上にコア302
とオーバークラッド層301Bを配置した構成としたもので
ある。シリコン窒化膜311の厚さは200nm以下である。
【０２２３】図44(a)は単一の構成のコア302を有する例
１にて、図44(b)および図45(a)〜図45(c)は、コア302を
主コア302Aと副コア302Bの複合体で構成する例２、例
３、例４及び例５である。それぞれ図37、図40(a)、図4
0(b)、図39に対応する導波路のクラッド301とコア302の
間にプラズマＣＶＤで形成したシリコン窒化膜311を配
置したものである。本実施例では、コア302となるべき
層を形成した後にその上にマスクを形成し、次いで酸素
プラズマでエッチングして矩形のコア302を形成する。
本実施例を用いると、酸素プラズマエッチングによりコ
ア302を矩形に加工する際、シリコン窒化膜311がエッチ
ングストップ層になり、加工が容易になる。
【０２２４】図46は、図10の実施例において、金属製の
リング304の下側に相当する部分および半導体レーザ200
に対向する端部を、主コア302Aと副コア302Bの複合体で
構成されるコア302を有する導波路にしたものである。
具体的には、本導波路は、クラッド層301の屈折率が1.5
5、副コア302Bの屈折率が1.558、主コア302Aの屈折率が
1.6、副コア302Bの断面の外形寸法が 6μm×6μm、さら
に、主コア302Aを含む側の端において、主コア302Aの厚
さが 1μm、主コア302Aの幅が 3μm、アンダークラッド
層301Aとオーバークラッド層301Bの厚さが20μmであ
る。このようにすることにより、金属製のリング304が
存在することによる損失を低減することができる。
【０２２５】図47は、図10又は図11の実施例において、
気密封止の際の光結合装置1Aの電気的な接続端子の確保
のために、電気配線パターン502を形成した独立した部
材（電気配線部材500）を用いるものである。
【０２２６】光導波路300は、図35に例示したような基
板100の窪み106にバッファ層310を埋め込んだものであ
る。電気配線パターン502はリング状のセラミック基板5
01とリング状のセラミックの板503に挟まれるように形
成されている。セラミック板503の上にはリング状に金
属皮膜504が形成され、その上に蓋400を抵抗溶接し、気
密封止をしている。
【０２２７】図48と図49は、図47に例示した光結合装置
の製造工程を示すものである。まず図48(a)のように、
異方性エッチングでシリコン基板100に窪み106を形成す
る。次いで、図48(b)のように、窪み106にバッファ層31
0の材料（具体的には石英又はポリイミド樹脂）を充填
し、次いで表面を研削して平坦にする。次に、図48(c)
のように、クラッド層301とコア302で構成される光導波
路300を形成する。さらに、基板の窪み106の右上側の端
に相当する部分がその端になるように、導波路300に孔3
03を形成する。孔303の部分には基板100の表面および基
板100の表面に形成された電気配線パターン（図示せ
ず）及び半導体レーザをボンディングするためのボンデ
ィングパッド102が露出している。
【０２２８】なお、光導波路300に有機材料を用いる場
合には、基板の表面に電気配線パターン（図示せず）と
ボンディングパッド102を形成した後、光導波路の材料
を塗布し、光導波路300及び孔303を形成する。光導波路
に石英等の高温処理を要する材料を用いる場合には、光
導波路300と孔303を形成した後、孔303の部分の基板100
の表面に電気配線パターン（図示せず）とボンディング
パッド102を形成する。
【０２２９】次に、図49(a)に示すものは、光導波路付
基板に張り合わせるための独立した電気配線部材500で
ある。電気配線部材500は、図49(a)のように、セラミッ
ク基板501上に電気配線パターン502を形成し、さらにそ
の上にセラミックの板503を張り合わせ、さらにその上
にリング状の金属皮膜504を形成したものである。
【０２３０】このような電気配線部材500を、図49(b)に
示すように、光導波路付基板の上に張り合わせる。次
に、図49(c)のように、アレイ状の半導体レーザ200をボ
ンディングする。次にリング状の金属皮膜504のうえに
金属製の蓋400を重ね、周囲を抵抗溶接すれば、図47の
ように気密封止される。
【０２３１】本実施例によれば、別に製造した電気配線
部材500を張り合わせるだけで気密封止をすることがで
きるようになる。そのため、電気配線の製造工程が、導
波路の製造工程に影響されなくなる。
【０２３２】例えば、図10又は図11の実施例において
は、光導波路の製造工程に対応して電気配線パターン10
3の材料および製造工程を選択する必要がある。しか
し、本実施例では電気配線部材を別に製造するので、そ
の製造工程は光導波路の製造工程とは全く無関係とな
る。そのため、例えば、集積回路用パッケージの製造工
程をそのまま使用する等電気配線部材の製造に従来の製
造方法を用いることが可能になる。
【０２３３】
【発明の効果】以上説明した如く本発明によれば、光結
合させるべき半導体レーザと光導波路の２種類の光部品
をそれぞれアレイ状に配列して対向させ、それらアレイ
状の光部品を、それら光部品の要素部品間の配列ピッチ
が光結合に許容される結合トレランスの±２倍の誤差範
囲内に止まるよう配列して基板上に製作し、それぞれ対
向した２種類の光部品間の光結合を測定して最も高い結
合度を示す一対の光部品を選択することによって、光結
合させるべき２種類の光部品の、基板と平行な横方向の
位置調整のための光学調整が不要になり、また、２種類
の光部品のいずれか一方の光部品を、光学調整のために
一時的に発光させることによって損傷させてしまうこと
を未然に防ぐことができ、さらに、光ファイバと半導体
レーザを光結合させる場合、これらの中間にアレイ状の
光導波路を介在させるため、半導体レーザを小さなピッ
チでアレイに配列できて、半導体レーザと光導波路の２
種類の光部品をアレイ状にしても光結合装置全体を小型
化でき、さらに、本発明によれば、上記２種類の光部品
を基板上に設置する場合、光導波路のアンダークラッド
層と基板の間にアンダークラッド層より低屈折率のバッ
ファ層を設けることにより、アンダークラッド層とバッ
ファ層を合わせた層厚を薄くすることができ、光学調整
を行わずに、上記半導体レーザと光導波路との、上記横
方向と直角の高さ方向の光軸ずれを軽減させることがで
き、さらに、本発明によれば、上記バッファ層を無機材
料で作り、上記アンダークラッド層、コア及びオーバー
クラッド層を含む光導波路を有機材料で作ることによ
り、当光導波路を形成するまえに容易にバッファ層の上
に電気配線用パターンや半導体レーザを載置するボンデ
ィングパッドを形成することができ、また、光導波路を
プラズマエッチングにより容易に形成することができ、
さらに、本発明によれば、光導波路のコアを、主コアと
主コアより低屈折率の副コアを、主コアを中心に副コア
をその周囲を取り巻く構造で且つ光の進行方向に沿って
主コアの断面積を徐々に小さくなるように形成すること
によって、あるいは、光導波路のコアの断面積を光の伝
播方向に変化させることによって、コアを伝播する光の
スポット径を変化させることができ、主コアの断面積が
大きい側に半導体レーザを、小さい側に光ファイバを接
続した場合、高い結合度にて半導体レーザと光ファイバ
を光結合させることができ、また、光導波路を小さい曲
率半径で曲げることができて光結合装置を小型化できる
効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の手段１における要素部品間の配列ピ
ッチの説明図
【図２】 バッファ層を有する３層スラブ構造の光導波
路の断面図と屈折率分布図
【図３】 図２のスラブ構造光導波路の電界分布図と屈
折率分布図
【図４】 ３層スラブ構造の光導波路の層構造図と屈折
率分布図
【図５】 図４の光導波路にガイドされる光の電界分布
と屈折率分布図
【図６】 図２の光導波路にガイドされる光のスポット
サイズとコアの厚さを示す図
【図７】 図37の光導波路にガイドされる光のスポット
サイズを示す図
【図８】 本発明の第１の実施例による光結合装置を示
す図
【図９】 図８に示す本発明の第１の実施例の光結合装
置の半導体レーザと光導波路の結合効率を例示する図
【図１０】 図８に示す本発明の第１の実施例の光結合
装置の第１の変形実施例による光結合装置を示す図
【図１１】 図８に示す本発明の第１の実施例の光結合
装置の第２の変形実施例による光結合装置を示す図
【図１２】 図10の第１の変形実施例の光結合装置にお
いて、光ファイバと接続すべき導波路を選択する実施例
【図１３】 図10の第１の変形実施例の光結合装置に光
ファイバを結合する第１の実施説明図
【図１４】 図10の第１の変形実施例の光結合装置に光
ファイバを結合する第２の実施説明図
【図１５】 図10の第１の変形実施例の光結合装置に光
ファイバを結合する第３の実施説明図
【図１６】 図10の第１の変形実施例の光結合装置に光
ファイバを結合する第４の実施説明図
【図１７】 図８の第１の実施例の第３の変形実施例に
よる光結合装置を示す図
【図１８】 図８の第１の実施例の第４の変形実施例に
よる光結合装置を示す図
【図１９】 図18の第４の変形実施例の光結合装置の光
ファイバと接続すべき導波路を選択する実施例の説明図
【図２０】 図18の第４の変形実施例による光結合装置
の光導波路に光ファイバを結合するための構成を例示す
る図
【図２１】 図18の第４の変形実施例による光結合装置
の光導波路に光ファイバを結合するための他の構成を例
示する図
【図２２】 図20の実施例の変形実施例による光結合装
置を示す図
【図２３】 図21の実施例の変形実施例による光結合装
置を示す図
【図２４】 図23の実施例の変形実施例による光結合装
置を示す図
【図２５】 図18の実施例に図10の実施例を適用する光
結合装置を示す図
【図２６】 図22の実施例に図10の実施例を適用する光
結合装置を示す図
【図２７】 半導体レーザと光導波路の高さ方向の光軸
合わせを容易にした光結合装置を示す図（例１）
【図２８】 半導体レーザと光導波路（それぞれ単体）
の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す
図（例２）
【図２９】 半導体レーザと光導波路の高さ方向の光軸
合わせを容易にした光結合装置を示す図（例３）
【図３０】 半導体レーザと光導波路（それぞれ単体）
の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す
図（例４）
【図３１】 半導体レーザと光導波路の高さ方向の光軸
合わせを容易にした光結合装置を示す図（例５）
【図３２】 半導体レーザと光導波路（それぞれ単体）
の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す
図（例６）
【図３３】 半導体レーザと光導波路の高さ方向の光軸
合わせを容易にした光結合装置を示す図（例７）
【図３４】 半導体レーザと光導波路（それぞれ単体）
の高さ方向の光軸合わせを容易にした光結合装置を示す
図（例８）
【図３５】 半導体レーザとバッファ層の上に形成され
た光導波路との高さ方向の光軸合わせを容易にした光結
合装置を示す図（例９）
【図３６】 半導体レーザとバッファ層の上に形成され
た光導波路（それぞれ単体）との高さ方向の光軸合わせ
を容易にした光結合装置を示す図（例10）
【図３７】 伝搬するに伴い、光のスポットサイズが変
化する単体の光導波路（例１）を示す図
【図３８】 半導体レーザの出力を直接光ファイバに導
入する場合と光導波路を介して導入する場合とその光導
波路が光スポットサイズを変化させる場合の光結合説明
図
【図３９】 伝搬するに伴い、光のスポットサイズが変
化する単体の光導波路（例２）を示す図
【図４０】 伝搬するに伴い、光のスポットサイズが変
化する単体の光導波路（例３及び例４）を示す図
【図４１】 図39及び図40における光スポットサイズの
変化を示す図
【図４２】 主コアと副コアを有する単体の曲がり導波
路を含む光導波路を示す図
【図４３】 コアの幅を変化させた曲がり導波路を含む
光導波路を示す図
【図４４】 ポリイミドによるクラッド層の上にシリコ
ン窒化膜を配置し、更にその上にコアを形成した光導波
路（例１及び例２）を示す図
【図４５】 ポリイミドによるクラッド層の上にシリコ
ン窒化膜を配置し、更にその上にコアを形成した光導波
路（例３、４及び５）を示す図
【図４６】 図10の実施例の光導波路に複合コアを適用
した実施例を示す図
【図４７】 図10または図11の気密封止の光結合装置
に、電気的接続端子用の電気配線パターンを適用した実
施例を示す図
【図４８】 図47の電気封止をした光結合装置の製造工
程を示す図（その１）
【図４９】 図47の電気封止をした光結合装置の製造工
程を示す図（その２）
【図５０】 半導体レーザと光ファイバをレンズを用い
て光結合させた従来の光結合装置を示す図
【図５１】 気密封止をした光半導体レーザと光ファイ
バをレンズを用いて光結合させた従来の光結合装置を示
す図
【図５２】 半導体レーザと先端をレンズ状に加工した
光ファイバを結合させた従来の光結合装置を示す図
【図５３】 図52の半導体レーザを気密封止した従来の
光結合装置を示す図
【図５４】 半導体レーザと光ファイバの位置合わせを
簡易化する構造を有する従来の光結合装置を示す図
【図５５】 図54の光ファイバにテーパ先球ファイバを
用いて結合効率の向上を図った従来の光結合装置を示す
図
【図５６】 図54あるいは図55の半導体レーザを気密封
止した従来の光結合装置を示す図
【図５７】 マルチモード光導波路を適用した従来の光
結合装置を示す図
【図５８】 シングルモード光導波路を適用した従来の
光結合装置を示す図
【図５９】 半導体レーザの光軸を持ち上げて半導体レ
ーザとシングルモード光導波路を結合させた従来の光結
合装置を示す図
【図６０】 微動装置を用い、マークを利用して半導体
レーザを基板に実装することを示す実装説明図を示す図
【図６１】 半導体レーザをクリップチップボンディン
グするときの半導体レーザ及び基板の従来の構成図とそ
の寸法図
【符号の説明】 １、１A、１Bおよび１C: 光結合装置、 ２: フォトダイオード、 ３及び３A: 光ファイバ、 ５: スペーサ、 41及び42：レンズ、 100、110、120、140、150、160、170及び180: 基板、 101: 電気的な絶縁を行うための膜、 102: ボンディングパッド、 106: 基板に形成した窪み、 107: 位置合わせのための印、 108: 電気的な絶縁を行うための膜、 110: 共通基板、 111: レール、 121: 光ファイバガイド溝、 104及び122: レール嵌合溝、 123及び132: 周期的凹凸、 130: 光ファイバ押接部材、 131: 光ファイバ押接溝、 181: ファイバをガイドするための溝、 200: 半導体レーザ等の光半導体装置、 200X及び300X: アレイ状の光部品、 201: 能動領域、 202: ボンディングパッド、 203: ボンディングのための接着用部材、 204: 位置合わせのための印、 300: 光導波路、 301: 光導波路のクラッド層、 301A: アンダークラッド層、 301B: オーバークラッド層、 302: 光導波路のコア、 302A: 主コア、 302B: 副コア、 303: 孔、 304: リング状の金属部材、 311: 無機物の薄膜、 400: 気密封止をするための蓋、 500: 電気配線部材、 501、503及び504: リング状の部材、 502: 電気配線パターン、 600: 光半導体素子を気密封止するための入れ物、 607: 封止用窓、 700: 光半導体素子を気密封止するための基体、 703: 突起704を切り欠いた部分、 704: 突起、 705: 接着剤。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１０】
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１１】
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１２】
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１７
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１７】
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２０
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２０】
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２１】
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２３】
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２４】
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２６
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２６】
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４７
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４７】
【手続補正１３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４９
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４９】
【手続補正１４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図５１】
【手続補正１５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５８
【補正方法】変更
【補正内容】
【図５８】
【手続補正１６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６０
【補正方法】変更
【補正内容】
【図６０】
【手続補正１７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図６１】

Claims (33)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の要素部品が第１の間隔で複数個配
    列された第１の光部品と、第２の要素部品が第２の間隔
    で複数個配列された第２の光部品とを、第１の要素部品
    の各々と第２の要素部品の各々が対向するよう基板上に
    配置し、該第１の間隔と該第２の間隔に差があることを
    特徴とする光結合装置。
  2. 【請求項２】 第１の要素部品が、高屈折率のコア層を
    低屈折率のクラッド層で取り囲んだ構造を有する光導波
    路であることを特徴とする請求項１に記載の光結合装
    置。
  3. 【請求項３】 該基板上の一部に窪みを有し、当窪み
    に、その表面が基板表面と同じ高さになるように該第１
    要素部品の該光導波路のクラッド層の一部分が埋め込ま
    れていることを特徴とする請求項２に記載の光結合装
    置。
  4. 【請求項４】 該基板表面の一部に窪みを有し、当窪み
    に、その表面が基板表面と同じ高さになるように前記ク
    ラッド層と同じかそれより低い屈折率を有するバッファ
    層が埋め込まれており、且つ、該バッファ層の上に該第
    １要素部品の該光導波路を設けたことを特徴とする請求
    項２に記載の光結合装置。
  5. 【請求項５】 該基板の表面に該第１要素部品の該光導
    波路のクラッド層と同じかそれより低い屈折率を有する
    バッファ層が形成され、該バッファ層の表面に該光導波
    路を設けたことを特徴とする請求項２に記載の光結合装
    置。
  6. 【請求項６】 該バッファ層の表面に該第２の光部品を
    載置していることを特徴とする請求項５に記載の光結合
    装置。
  7. 【請求項７】 該バッファ層が無機材料、該光導波路の
    クラッド層及びコア層が有機材料で形成されていること
    を特徴とする請求項４あるいは５に記載の光結合装置。
  8. 【請求項８】 該コア層の該バッファ層側にあるアンダ
    ークラッド層、該コア層の上側にあるアッパークラッド
    層を有機材料で構成し、該バッファ層とアンダークラッ
    ド層との間に無機材料の薄膜を挟み込むことを特徴とす
    る請求項５あるいは６に記載の光結合装置。
  9. 【請求項９】 基板上の窪みに埋め込まれたバッファ層
    又はクラッド層が有機材料であることを特徴とする請求
    項３または４に記載の光結合装置。
  10. 【請求項１０】 基板上に、互いに対向して載置された
    少なくとも一つの光導波路と少なくとも一つの光部品と
    を有し、該光導波路をいずれかの方向に伝播する光の光
    軸に垂直な断面の光分布の広がりが、該光部品に対向す
    る端面側では小さく、その反対側の端面に近づくに従っ
    て大きくなるか、又は該光部品に対向する端面側では大
    きく、その反対側の端面に近づくに従って小さくなる機
    能を有することを特徴とする光結合装置。
  11. 【請求項１１】 該光導波路の構造が、少なくともその
    一部に、相対的に高屈折率で且つ光軸方向に進むに従い
    その断面積又は断面の形状が変化する部分を有する主コ
    アの周囲を該主コアより低屈折率で且つ該光導波路のク
    ラッド層より高屈折率の副コアで取り囲んだ複合コアを
    有するものであり、更に該複合コアの周囲が該クラッド
    層で取り囲まれたものであることを特徴とする請求項10
    に記載の光結合装置。
  12. 【請求項１２】 該光導波路が、少なくともその一部
    に、相対的に高屈折率で且つ光軸方向に進むに従いその
    断面積又は断面の形状が変化する部分を有する主コア
    を、該主コアより低屈折率で且つ該光導波路のクラッド
    層より高屈折率の副コアで上下又は左右の２方向からサ
    ンドイッチ状に挟み込んだ構造の複合コアを有するもの
    であり、更に該複合コアの周囲を該クラッド層で取り囲
    んだ構造を有することを特徴とする請求項10に記載の光
    結合装置。
  13. 【請求項１３】 光軸方向に進むに従い該副コアの断面
    積又は断面の形状が変化する部分を有することを特徴と
    する請求項11または12に記載の光結合装置。
  14. 【請求項１４】 基板上に、少なくとも一カ所の曲がり
    部と該曲がり部の両端から伸びる二つの直線部とを具備
    した第１の光部品である光導波路と該光導波路直線部の
    一端に対向して載置された第２の光部品とを有し、少な
    くとも該光導波路曲がり部分が、相対的に高屈折率の主
    コアの周囲を該主コアより低屈折率で且つクラッド層よ
    り高屈折率の副コアで取り囲んだ複合コアを有するもの
    で、且つ該複合コアの周囲が該クラッド層で取り囲まれ
    たものであり、且つ該光導波路の少なくとも一つの直線
    部の一部に、主コアを含まない構成の光導波路部を有し
    ていることを特徴とする光結合装置。
  15. 【請求項１５】 基板上に、相対的に高屈折率のコアを
    相対的に低屈折率のクラッド層で取り囲んだ構造で且つ
    少なくとも１カ所の曲がり部と該曲がり部の両端から伸
    びる二つの直線部とを具備した第１の光部品である光導
    波路と、該光導波路の直線部の一端に対向して載置され
    た第２の光部品とを有し、少なくとも該光導波路の直線
    部のうちの曲がり部から離れた領域のコアの断面積が曲
    がり部よりも相対的に小さくなっていることを特徴とす
    る光結合装置。
  16. 【請求項１６】 該光導波路のクラッド層、副コア層、
    主コア層の少なくとも１層を有機物の層とすることを特
    徴とする請求項11、12、13あるいは14に記載の光結合装
    置。
  17. 【請求項１７】 該光導波路の主コア層に無機材料を副
    コア層に有機材料を使用することを特徴とする請求項1
    1、12、13あるいは14に記載の光結合装置。
  18. 【請求項１８】 互いに接している有機物材料の層間
    に、更に無機材料の薄膜を追加して積層したことを特徴
    とする請求項９、16あるいは17に記載の光結合装置。
  19. 【請求項１９】 該光導波路を伝播する光の光軸に垂直
    な断面の光分布の広がりが、該第２の要素部品に対向す
    る端面側では小さく、その反対側の端面に近づくに従っ
    て大きくなるか、又は該第２の光部品に対向する端面側
    では大きく、その反対側の端面に近づくに従って小さく
    なる機能を有することを特徴とする請求項２、３、４、
    ５、６、７、８あるいは９に記載の光結合装置。
  20. 【請求項２０】 該光導波路の構造が、少なくともその
    一部に、相対的に高屈折率で且つ光軸方向に進むに従い
    該光導波路を伝播する光ビームのスポットサイズが変化
    するようにその断面積又は断面の形状が変化する部分を
    有する主コアの周囲を該主コアより低屈折率で且つクラ
    ッド層より高屈折率の副コアで取り囲んだ複合コアを有
    するものであり、更に該複合コアの周囲がクラッド層で
    取り囲まれたものであることを特徴とする請求項19に記
    載の光結合装置。
  21. 【請求項２１】 該光導波路が、少なくともその一部
    に、相対的に高屈折率で且つ光軸方向に進むに従い該光
    導波路を伝播する光ビームのスポットサイズが変化する
    ようにその断面積又は断面の形状が変化する部分を有す
    る主コアを、該主コアより低屈折率で且つクラッド層よ
    り高屈折率の副コアで上下又は左右の２方向からサンド
    イッチ状に挟み込んだ構造の複合コアを有するものであ
    り、更に該複合コアの周囲をクラッド層で取り囲んだ構
    造を有するものであることを特徴とする請求項19に記載
    の光結合装置。
  22. 【請求項２２】 該光導波路が、少なくともその一部
    に、光軸方向に進むに従い該光導波路を伝播する光ビー
    ムのスポットサイズが変化するように該副コアの断面積
    又は断面の形状が変化する部分を有することを特徴とす
    る請求項20あるいは21に記載の光結合装置。
  23. 【請求項２３】 該第１の要素部品に、少なくとも１カ
    所の曲がり部と該曲がり部の両端から伸びる二つの直線
    部とを具備した光導波路が含まれ、且つ該第２の要素部
    品が該光導波路直線部の一端に対向して載置された構成
    を有し、少なくとも該光導波路の曲がり部が、相対的に
    高屈折率の主コアの周囲を該主コアより低屈折率で且つ
    クラッド層より高屈折率の副コアで取り囲んだ複合コア
    を有するもので、且つ該複合コアの周囲がクラッド層で
    取り囲まれたものであり、且つ該光導波路の少なくとも
    一つの直線部の一部に、該主コアを含まない構成の光導
    波路部を有していることを特徴とする請求項２、３、
    ４、５、６、７、８または９に記載の光結合装置。
  24. 【請求項２４】 該第１の要素部品に、相対的に高屈折
    率のコアを相対的に屈折率のクラッド層で取り囲んだ構
    造で且つ少なくとも１カ所の曲がり部と該曲がり部の両
    端から伸びる二つの直線部とを具備した光導波路が含ま
    れ、且つ該第２の要素部品が該光導波路の直線部の一端
    に対向して載置された構成を有し、少なくとも該光導波
    路の直線部のうちの曲がり部から離れた領域にコアの断
    面積が曲がり部よりも相対的に小さくなっている光導波
    路部を有していることを特徴とする請求項２、３、４、
    ５、６、７、８または９に記載の光結合装置。
  25. 【請求項２５】 該光導波路のクラッド層、副コア層、
    主コア層の少なくとも１層を有機物の層とすることを特
    徴とする請求項20、21、22あるいは23に記載の光結合装
    置。
  26. 【請求項２６】 該主コア層に無機材料を該副コア層に
    有機材料を使用することを特徴とする請求項20、21、22
    あるいは23に記載の光結合装置。
  27. 【請求項２７】 互いに接している有機材料の層間に、
    更に無機材料の薄膜を追加して積層したことを特徴とす
    る請求項25あるいは26に記載の光結合装置。
  28. 【請求項２８】 該基板が該光導波路を伝播する光に対
    して透明で且つ該光導波路のクラッド層より低屈折率な
    材料であることを特徴とする請求項２、10、11、12、1
    3、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、2
    5、26または27に記載の光結合装置。
  29. 【請求項２９】 上下方向を除く周囲が光導波路形成部
    材で取り囲まれた空孔内に該第２の光部品が配置されて
    おり、該空孔の下方及び上方を塞ぐように形成された該
    基板及び蓋用部材により該空孔内に該第２の光部品が気
    密封止されていることを特徴とする請求項２、３、４、
    ５、６、７、８、９、10、11、12、13、14、15、16、1
    7、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27または28
    に記載の光結合装置。
  30. 【請求項３０】 リング状の絶縁物を基体とする部材
    で、該リング状の基体をリングの内側から外側に貫通す
    る電気配線パターンを有する電気配線部材を、該リング
    状の基体の底面が該光導波路形成部材の該空孔の外周部
    に接し且つ該リング状の基体の上面に該蓋用部材が接す
    るように該光導波路形成部材と該蓋用部材との間に配置
    し、該第２の光部品を気密封止するとともに該第２の光
    部品に接続した電気配線パターンを外部に取り出すこと
    を特徴とする請求項29に記載の光結合装置。
  31. 【請求項３１】 該光導波路部材の表面の該空孔の周囲
    にリング状の金属部材を接着させ、該金属部材の表面に
    該蓋用部材又はリング状の基体を接着させることにより
    前記気密封止をすることを特徴とする請求項29または30
    に記載の光結合装置。
  32. 【請求項３２】 該光導波路が、少なくとも該リング状
    の金属部材の下側部分については、相対的に高屈折率の
    主コアの周囲を該主コアより低屈折率で且つクラッド層
    より高屈折率の副コアで取り囲んだ複合コアを有し且つ
    該複合コアの周囲をクラッド層で取り囲んだものである
    ことを特徴とする請求項31に記載の光結合装置。
  33. 【請求項３３】 該第１の間隔と該第２の間隔の差が、
    該第一の要素部品と該第２の要素部品とをそれぞれ単独
    に光結合する場合の結合トレランスの２倍以内であるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
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