JPH11326662A - 光平面回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光平面回路において９０°光路変換を行なう
ための安価で製作容易な反射面を提供し、光軸が直交し
た光素子間の光結合回路の構成を簡略にする。 【解決手段】シリコン基板２０上に形成した石英系材料
の薄膜２１から、ドライエッチングによって光導波路２
１ａの端面２１ｃを形成し、ウエットエッチングの等方
性を利用してサイドエッチングで形成される４５°傾斜
の反射面２５を反射体２３に形成する。反射面２５はダ
イシングによって加工してもよい。端面２１ｃから出射
する光ビーム２４は反射面２５で上方に光路変換され
る。反射面の上方にＰＤ２２をはんだバンプ３０によっ
て容易に一括し保持できる。反射面には金属や光選択性
材料などをウエーハレベルで容易にコーティングするこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、通信用光モジュー
ル等に用いられる平面型光回路に関し、特に光路変換装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信は、光ファイバ、半導体レーザ
（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ホトダイオード
（ＰＤ）を始めとして、光スイッチ、光変調器、アイソ
レータ、光導波路等の受動、能動素子の高性能、高機能
化により応用範囲が拡大されつつある。近年、より多く
の情報を伝達する要求が高まる中で、コンピュータ端末
間、交換器や大型コンピュータ間のデータ伝送を実時間
で並列に行う並列伝送や、あるいは一般家庭への高度情
報サービス等、加入者系への適用が考えられている。こ
の光加入者系の場合、光素子はもとより光素子を機能的
に構成した光モジュールの低価格化が不可欠とされてい
る。そのためには、光素子をマイクロオプティック的に
プロック状に配列する従来の同軸型のモジュール構成か
ら、複数の光素子を同一基板上に配列する、いわば電子
部品のプリント基板的なモジュール構成が望ましいとさ
れている。例えば、Ｓｉ基板上にＬＤ、ＰＤ、光導波
路、光合波／分波器、光ファイバ等を配置して光平面回
路を形成する構成である。このように構成された光平面
回路においては、半導体プロセス技術を用いて、Ｓｉ基
板上に導波路、光合波／光分波器、及び光ファイバ用の
位置決め溝を一括して形成できるので、製作コスト及び
実装コストの低減、さらには実装面積の縮小を実現する
ことができる。

【０００３】上述した光通信に用いられる光平面回路の
光素子には、ＬＥＤ、ＰＤのような表面発光（受光）素
子であって光軸が垂直方向のものと、ＬＤのような端面
発光素子及び通常平面内に配置される導波路などのよう
に、光軸が水平方向のものがある。従って、それらを同
一基板に混在して平面的に配置し光の結合を行う場合、
どうしても光路を約９０°変換する必要がある。

【０００４】従来用いられている光路変換装置は、図３
（ａ）に示すように、実装基板２０の上に配置された光
導波路２１ａと、光軸が光導波路２１ａの光軸と直角を
なすように設置された光検出器（ＰＤ）２２とが、反射
ミラー又はプリズム２３ａの反射面によって光結合を形
成している。この光路変換装置においては、光導波路２
１ａから出射した光ビーム２４は反射面２５によって、
光路が９０°変換される。

【０００５】さらにまた、図３（ｂ）に示すように、光
導波路２１ａから出射した光ビーム２４が光路を変換せ
ずに、直接光検出器（ＰＤ）２２に入射する場合には、
ＰＤ２２の実装基板２６を光導波路２１ａの実装基板２
０とは別に配置し、基板２６を直立させてＰＤ２２を実
装する方法がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の図３
（ａ）に示す光路変換装置においては、光導波路２１ａ
から出射した光ビーム２４を反射ミラー又はプリズム２
３ａによって光路を９０°変換するようになっている
が、光路変換に使用される反射ミラー又はプリズム２３
ａは、その寸法が１ｍｍ以下の微小な素子となるため、
製作コストが高くかつ新たな素子を付加することになる
ので、部品点数が多くなり、また実装に手間が掛るとい
う欠点がある。さらにまた図３（ｂ）に示す光路変換装
置においては、２個の実装基板を用いて一つの光路変換
装置を構成するため、平面的な実装でなくなり、そのた
め新たな位置調整手段を必要とし、部品点数の増加と製
造コストの増加とを招くという欠点がある。

【０００７】本発明の目的は、光平面回路において、製
作が容易で製作コストが安く、部品点数の増加を来さな
い光路変換装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光平面回路は、
平板状の基板上に形成された薄膜から形成され、基板表
面に対しほぼ直角に形成された光の出射または入射する
端面を有する光導波路と、平板状の基板上に形成された
薄膜から形成され、光導波路の端面に対向して光導波路
の光軸に対し４５°上向きに傾斜した反射面を備えた反
射体とで構成されて、光ビームの光路を変換するように
なっている。

【０００９】したがってプリズムのような新たに付加す
る素子を必要とせず、また全ての素子を平面的に配置で
きるので従来のものに比べて組立コストを大幅に低減す
ることが可能となる。

【００１０】通常、光導波路と反射体とを形成する薄膜
に石英系の材料を使用し、ウエットエッチングの等方性
を利用して反射体の反射面を形成する。すなわち通常石
英系材料の表面を矩形状にウエットエッチングする場合
には、サイドエッチングの作用により逆台形の凹状に加
工される。この作用を利用して傾斜した反射面を形成す
ることができるから、従来の加工方法による光素子の特
殊な端面加工を行なう必要は無くなる。

【００１１】反射体の反射面を機械的に形成する方法と
して、側面が所定の角度に成形された微小ブレードによ
るダイシング加工を行うこともできる。

【００１２】反射体の反射面に金（Ａｕ）などの金属を
コーティングすることにより反射面での光の損失を低減
できる。

【００１３】反射面に波長選択性材料（フィルタ）を施
せば、簡単な構成で機能デバイスを実現することができ
る。

【００１４】本発明による上述の工程は、何れもウエー
ハレベルでのコーティングによって実施することがで
き、また新たな部品を別個に必要としないため、コスト
低減の効果が大である。

【００１５】反射面の上方にＰＤや面発光型の素子を配
置すれば、小型な発光、受光モジュールを実現すること
ができるほか、これらの素子を他の光／電気素子と同時
に一括リフロープロセスによってはんだバンプにより接
合することができるから、実装コストの低減を図ること
ができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。図１は、本発明の光平面回路
の一実施の形態における光路変換部の構成を示す部分縦
断面略図である。

【００１７】図１において、シリコン基板２０は、その
上に光導波路等を形成して光平面回路を構成するための
基板である。光導波路２１ａは、シリコン基板２０の上
面において導波層２１ｂを含む薄膜２１で形成されてお
り、光ビーム２４を出射又は入射する側の端面２１ｃ
は、光導波路２１ａの光軸に対し直角に形成されてい
る。 反射体２３は、光導波路２１ａの端面２１ｃに対
向する側の面に４５°傾斜した反射面２５を備え、光導
波路２１ａから出射した光ビーム２４の光路を上方へ９
０°変換するように配設されている。

【００１８】光導波路２１ａと反射体２３とは、はじめ
同一プロセスによってシリコン基板２０の上に一体の薄
膜２１として形成される。薄膜２１に石英系の材料を使
用する場合には、火炎堆積法又はＣＶＤ法等のプロセス
を用いる。（図１（ｂ）参照）このように同一プロセス
によって一体に形成された薄膜２１から、光導波路２１
ａの端面２１ｃを形成するには、光導波路２１ａを形成
すべき薄膜２１の部分について、ドライエッチング又は
ダイシングにより光軸と直角な端面２１ｃを形成する。
（図１（ｃ））さらにまた、反射体２３の４５°に傾斜
した反射面２５を形成するには、反射体２３を形成すべ
き薄膜２１の部分について、バッファード弗酸によるウ
エットエッチングを用いる。（図１（ｃ））。

【００１９】図２（ａ）に、バッファード弗酸を用いた
ウエットエッチングによる４５°の反射面を形成する原
理を示す。図２（ａ）において、石英系材料で形成され
た薄膜２１の表面にフォトレジスト３２のコーティング
を行ない、所定の位置にエッチングの為の窓３２ａを設
ける。この状態でバッファード弗酸溶液に浸すと、薄膜
２１のエッチング窓３２ａを設けた部分は、表面から深
さ方向に侵食されると同時に横方向にもサイドエッチン
グが進行する。エッチングは等方性を有するため、薄膜
２１の厚さとほぼ同程度の拡がりでサイドエッチングが
行われ、エッチングされた凹部の両端部において傾斜角
がほぼ４５°の傾斜面が形成される。すなわち、図１の
反射体２３の部分に就いて上述のサイドエッチングを適
用することにより、４５°の傾斜を有する反射面２５が
形成されることになる。

【００２０】上述の反射体２３の反射面２５は、図２
（ｂ）に示すように、ダイシングによっても形成するこ
ともできる。図２（ｂ）において、ブレード３４はほぼ
４５°の側面を有する微小なカッタで、この工具を用い
て機械的に薄膜２１からなる反射体２３の端面を切削し
て反射面２５を形成する。

【００２１】上述の図２（ａ）及び図２（ｂ）において
は、傾斜面を生成する原理について説明するために、図
に左右対称の傾斜面が描かれているが、実際に図１の反
射体２３の反射面２５を形成する場合には、上述した加
工方法を反射体２３の反射面２５を形成する側について
のみ適用すれば良い。

【００２２】上述の方法によって形成した反射体２３の
反射面２５の表面に、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）など
の金層膜を積層すれば、光導波路２１ａから出射された
光ビーム２４を、殆んど無損失で反射して光路を上方へ
９０°変換することができる。

【００２３】また反射体２３の反射面２５の表面に、波
長選択性のある誘電体多層膜を形成すれば、光導波路２
１ａから出射された光ビーム２４のうちの所望の波長の
光のみを反射面２５から上方へ反射することができるた
め、所望の波長の光を反射体２３の上方に配設されたホ
トダイオード（ＰＤ）２２へ入射させることができる。

【００２４】従来のような波長選択素子（波長フィル
タ）には、光導波路２１ａの途中に設けた溝の中に誘電
体多層膜をコーティングした厚さ数十μｍのガラス板を
挿入する方法が用いられるのが通常であり、またはＰＤ
２２の受光面の前にコーティングした薄板ガラスを張り
付ける方法がとられているが、いずれも微小な部品を取
り付ける作業となるため多くの実装工数を必要とするこ
とになり好ましい方法ではない。上述した本発明による
反射面２５に波長選択性のある誘電体多層膜を形成する
方法は、より簡単な方法によって所望の波長の光が得ら
れる。

【００２５】反射体２３の反射面２５に、波長選択性の
ある誘電体多層膜を形成する代りに、非相反の反射特性
を有する材料、例えばＹＩＧ単結晶を用いた簡単な構成
で光アイソレータを実現することができる。

【００２６】反射面２５の上方には、通常ＰＤ２２や面
発光素子が配設される。それらのＰＤ２２や面発光素子
をシリコン基板２０の上又は薄膜２１の上に固定する方
法は、通常はんだシートや接着剤を介してダイボンドす
る方法が用いられるが、数十μｍの厚さを有する光導波
路２１ａ以上の実装高さにおいて、ＰＤ２２の位置合わ
せを正確に行なう必要があるため、その実装には多大の
困難が伴う。しかしながら本発明による実装方法のよう
に、ＰＤ２２とシリコン基板２０との間、及びＰＤ２２
と反射体２３又は光導波路２１ａとの間に接合はんだバ
ンプ３０を用いれば、ＰＤ２２の位置決めを容易に行な
うことができる。具体的にはメッキやプリフォームされ
たはんだ片によって、光導波路２１ａの厚さより大きい
バンプ３０を形成し、その上にＰＤ２２を載置すれば、
はんだのセルフアライン効果によって自動的に位置決め
を行なうことができる。この際、光平面回路内に半導体
レーザや制御用ＩＣなどの素子があれば、一括してリフ
ロープロセスで接合することができる。

【００２７】上述の説明においては、光導波路の材料と
して石英系の材料を使用したが、他の材料を使用するこ
ともできる。また光導波路と結合する素子に一例として
ＰＤを記載したが、この他ＡＰＤや面発光半導体レーザ
などの素子も同様に使用することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、シリコン
基板上に形成した薄膜から、ドライエッチングによって
光導波路の端面を形成し、ウエットエッチングによって
反射体の反射面を形成するため、光平面回路上において
９０°光路変換を行うための反射面を有する回路を容易
に形成できるという効果があり、さらに反射面に金属膜
をコーティングすることにより反射の損失をほぼ無くす
ることができ、また反射面に波長選択性のある誘電体多
層膜をコーティングすることにより簡単に光路中に波長
フィルタを配設することができ、これらのコーティング
工程はウエーハレベルで行うことができるのでコスト低
減の効果が大きい。

【００２９】さらにまた、反射面の上方に設けるＰＤ等
の素子の位置決めを、はんだバンプを用いることにより
容易に行なうことができ、さらにそれらの素子とともに
光平面回路内の半導体レーザやＩＣなどの素子を一括リ
フロープロセスで接合できるため、コスト低減にさらに
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は、本発明の光平面回路の部分縦断
面略図、図１（ｂ）、（ｃ）は工程を示す断面略図であ
る。

【図２】本発明の光平面回路の反射面を形成する原理説
明図であって、図２（ａ）はウエットエッチングによる
図、図２（ｂ）はダイシングによる図である。

【図３】従来の技術による光平面回路の部分縦断面略図
であって、図３（ａ）は反射面にプリズムを使用した
図、図３（ｂ）は２個の実装基板を使用した図である。

【符号の説明】

２０ シリコン基板／実装基板 ２１ 薄膜 ２１ａ 光導波路 ２１ｂ 導波層 ２１ｃ 端面 ２２ ホトダイオード（ＰＤ） ２３ 反射体 ２３ａ 反射ミラー／プリズム ２４ 光ビーム ２５ 反射面 ２６ 別の基板 ３０ はんだバンプ ３２ フォトレジスト ３２ａ エッチングの窓 ３４ ブレード

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板状の基板上に形成された薄膜から形
   成され、前記基板表面に対しほぼ直角に形成された光の
   出射または入射する端面を有する光導波路と、 前記平板状の基板上に形成された前記薄膜から形成さ
   れ、前記光導波路の前記端面に対向して前記光導波路の
   光軸に対し４５°上向きに傾斜した反射面を備えた反射
   体とを有する光平面回路。
2. 【請求項２】 前記光導波路と前記反射体とを形成する
   前記薄膜が、石英系材料からなる請求項１に記載の光平
   面回路。
3. 【請求項３】 前記反射体の反射面がウエットエッチン
   グで形成される、請求項２に記載の光平面回路。
4. 【請求項４】 前記反射体の反射面がダイシングで形成
   される、請求項１に記載の光平面回路。
5. 【請求項５】 前記反射体の反射面の上方に、発光素子
   又は受光素子が配設される、請求項１に記載の光平面回
   路。
6. 【請求項６】 前記反射体の反射面が、波長選択機能を
   有する、請求項５に記載の光平面回路。
7. 【請求項７】 前記発光素子又は受光素子が、バンプに
   よって接合されて前記基板に保持される、請求項５また
   は６に記載の光平面回路。