JPH1152154A - 光集積回路素子 - Google Patents
光集積回路素子Info
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- JPH1152154A JPH1152154A JP20598697A JP20598697A JPH1152154A JP H1152154 A JPH1152154 A JP H1152154A JP 20598697 A JP20598697 A JP 20598697A JP 20598697 A JP20598697 A JP 20598697A JP H1152154 A JPH1152154 A JP H1152154A
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Abstract
さくし、S/N比を向上する。 【解決手段】 光導波路近傍に設けられた溝の側面、ま
たは、素子の端面を、素子表面に垂直な面から傾斜させ
る。
Description
に光素子および光導波路を集積した光集積回路素子に関
し、特にその迷光防止の構造に関するものである。
それらを結合する光導波路を、同一半導体基板上に集積
した光集積回路素子の実現により、単体の光素子の組み
合わせでは必要とされていた、位置合わせ、組み立て、
実装工程の低減が図れ、これにより高機能、高性能な光
システムが安価に提供できる。
ける大きな問題の1つは、光集積回路素子の入出力部、
Y分岐等の分岐部、曲がり導波路部等の微小光学素子部
で、光導波路に結合されない光の成分が生じ、この光の
成分が光集積回路素子内をスラブ光または放射光として
伝搬し、素子端面で多重反射後、一部は光検出器に入力
され、いわゆる、迷光という問題を引き起こしているこ
とである。
ップ装荷型構造の光導波路を有する光集積回路素子を例
に説明する。
検波用光集積回路素子の概略図を示す。この光導波路構
造は、基板100上にクラッド層101で挟まれた光導
波路層102を有し、上部クラッド層がストリップ装荷
型の3次元光導波路である。
信信号光は、レンズ103により光導波路層102の入
力部に結合される。この送信信号光は、入力側に別途設
けられた局部発振光用半導体レーザ106から出た局部
発振光といったん合波後、Y分岐により再び2分割さ
れ、2つの光検出器107に各々入力され復調される。
図17に、送信信号光、局部発振光、および、送信信号
光と局部発振光により復調された復調信号の例を示す。
のうち、図16の破線で示すように、ストリップ装荷型
構造で形成される3次元光導波路に結合されなかった光
の一部は、その周辺のスラブ光導波路に結合され、基板
面に垂直方向には導波されるが平行方向には広がりなが
ら、いわゆる、スラブ光として伝搬する。そして、この
スラブ光は光集積回路素子端面で一部分は素子外に放射
されるが、残りは反射し、再び素子内を伝搬する迷光と
なる。
路という表現を用いたが、以下単に光導波路という場合
は、3次元光導波路のことをいう。
の復調信号に対してバックグラウンドの強度雑音成分と
なるか、あるいは、局部発振光用半導体レーザと合波さ
れ復調信号さらにこの復調信号からデータ信号が得られ
る。そして、データ信号として復調されると、多重反射
した迷光は時間(位相)に遅れが生じているため、図1
8下図に示すように本来のデータ信号(図中実線に対
応)に対してジッタの成分(図中破線に対応)が加わ
り、その結果、検出されるデータ信号としては図18上
図に示すようなジッタ成分を含んだものが得られる。
の強度雑音成分やジッタの成分を発生し、信号/雑音
比、すなわち、S/N比を劣化させる原因となってい
た。
に示す構造の光集積回路素子が、特開平3−13906
号公報に開示されている。ここでは、光集積回路素子上
に迷光防止用の溝105が設けられ、迷光が光検出器1
07に入射しにくい構造になっている。
用の溝を設けた従来例によっても、未だジッタの成分が
発生することが判明した。
波路部に結合されなかったスラブ光が、素子端面、また
は、迷光防止用の溝部の側面で反射された後、光導波路
内に再結合されるためである。
を透過して溝部内の空気中を伝搬し、再度反対側の側面
から入射し、光導波路部に結合する成分があることが判
った。
の側面を一部透過した迷光が光導波路に再結合すると、
前述したように、ジッタの成分を発生し、S/N比を劣
化させる。
て説明したが、光導波路埋込型構造の場合には、スラブ
光の代わりに放射光となって、やはり同様にこのような
迷光の問題が起こる。
な迷光の影響を防止した光集積回路素子を提供すること
にある。
は、基板上に、少なくともクラッド層に挟まれた光導波
路層が積層され、該積層面に平行でかつ光導波方向に垂
直な方向の光導波構造がストリップ装荷型構造または光
導波路埋込型構造であり、光を導波している導波路部以
外の位置に、少なくとも光導波路層を貫く以上の深さの
溝部が設けられた光集積回路素子において、該溝部の側
面が、素子表面に垂直な面に対して傾斜していることを
特徴とする。
は、75°以下または105°以上が好ましい。
部の側面に、金属または誘電体からなる、単層膜または
多層膜が形成されたことを特徴とする。
部の側面を少なくとも覆うように、光導波路層を伝搬す
る光波長に対して吸収体となる物質が形成されているこ
とを特徴とする。
波路層と等しい高さの面内において、光導波路中心と前
記溝部の側面との間隔が、下記式1で表される値をωと
して、1.0ω以上、2.0ω以下離れていることを特
徴とする。
なくともクラッド層に挟まれた光導波路層が積層され、
該積層面に平行でかつ光導波方向に垂直な方向の光導波
構造がストリップ装荷型構造または光導波路埋込型構造
である光集積回路素子において、素子端面が、素子表面
に垂直な面に対して傾斜していることを特徴とする。
75°以下または105°以上が好ましい。
子端面に、金属または誘電体からなる、単層膜または多
層膜が形成されたことを特徴とする。
子端面に、光導波路層を伝搬する光波長に対して吸収体
となる物質が形成されていることを特徴とする。
面を用いて具体的に説明する。
形態である光集積回路素子の1例を示す。
半導体基板100上に、化合物半導体材料によりAl
0.5Ga0.5Asクラッド層101、Al0.2Ga0.8As
光導波路層102、Al0.5Ga0.5Asクラッド層10
1が順次積層されており、基板面に平行方向の閉じ込め
構造としてストリップ装荷型構造をなしている。
強度変調されている送信信号光が、レンズ103を介し
て光集積回路素子の光導波路層102に結合される構成
となっている。
る。そして2分された片方の光導波路部には光検出器1
07が形成されており、送信信号が復調される構成とな
っている。もう一方の光導波路部には光学素子である半
導体レーザ106が形成されており、信号光が送出され
る構成となっていて双方向の伝送が可能となっている。
辺には、迷光を防止するための溝部105が設けられて
いる。
し、図2(b)には、その溝部側面部分の拡大図を示
す。θは素子表面と溝部側面との成す角度を表す。溝部
側面は素子表面に垂直な面から傾斜しており、図2では
θが90゜未満の場合を示している。
は、例えば、(001)GaAs基板に対して(11
1)面が側面となる方向にマスク形成を行い、Br2−
CH3OH系のエッチャントでエッチングを行う方法が
ある。このように、通常のフォトリソの工程によるマス
ク形成工程、及び、適当な結晶面に対してウエット系の
エッチングを行うことにより容易に形成できる。
レンズにより光導波路に結合しなかった迷光成分はスラ
ブ導波路を伝搬後、この溝部に到達する。そして、図2
(a)の矢印で示すように、角度θが90゜未満の場
合、側面で素子上面に全反射され素子外に放出される。
そして、光集積回路素子を実装しているパッケージ等
(図示せず)で乱反射されるため送信信号光に対する雑
音成分とならない。
きい場合には、迷光は下向き、すなわち、基板側に放射
される。この時、迷光に対して不透明な基板を使用して
いる場合、例えば、導波光波長0.8μm帯に対してG
aAs基板を使って光導波路を形成している場合には、
基板によりこの迷光が吸収されるので、素子表面の光放
射面での反射により光が戻ってくるようなことがなく、
完全に迷光を除去することができる。
いる場合、例えば導波光波長1.3μm帯に対してIn
P基板の様な場合には、基板では吸収されない。この場
合には、図4で示すように、この基板の裏側の光放射部
に、吸収体となる例えばInGaAsP等の半導体10
8等を、形成したり或いは接着材等で張り付けることに
より、同様の効果が得られる。
図2(a)のように素子上面に光が出射される場合、同
様に素子上面のこの光出射部分に吸収体を形成しても良
い。
波路に結合されなかった迷光が溝部での反射により光検
出器に入射することを防止でき、従来の垂直溝に比較し
て信号対雑音比(S/N比)の改善が図れ、安定した伝
送が行える光集積回路素子を得ることができた。
り、反射率が変わる様子について、以下にさらに詳細に
述べる。
面での反射率の計算結果を示す。
る場合を考えると、空気の屈折率は1、半導体の屈折率
は約3.5であるので、この屈折率差により、半導体−
空気界面での光の入射角が15°程度以上の時には、界
面で全反射が起こる。溝部側面への迷光の入射角が15
°以上になるのは、角度θが75°以下または105°
以上の場合であり、この時、反射率は100%となり、
迷光は完全に素子上面あるいは基板側に放射され除去さ
れる。
角度θを75°以下または105°以上にすることによ
って、従来の垂直溝に比較して信号対雑音比(S/N
比)で約2dBの改善が図れ、安定した伝送が行える光
集積回路素子を得ることができた。
°以上の場合であっても、溝部側面で素子上面あるいは
素子下面方向に全反射された迷光は、素子上面あるいは
素子下面で再度反射されることがある。図2(a)の部
分拡大図である図2(b)を用いて以下説明する。
に反射された迷光は、角度(2θ−90°)で素子上面
(半導体と空気の界面)に入射する。この際に、角度
(2θ−90°)が約15°以上の時、すなわちθが5
2.5°以上の時、この素子上面で全反射を起こし、迷
光は図2(b)に示す矢印Bのように素子下面方向に進
み、素子上面と素子下面で多重反射を繰り返すことによ
り、例えば光検出器まで到達することがあった。
とで、素子上面での全反射を防ぎ、図2(b)に示すB
のように透過させることができ、素子上面と素子下面で
の多重反射を防ぐことができた。
射条件により素子上面と素子下面間での多重反射が生じ
た。よって、角度θが75°以下の範囲では、特に3
7.5°以上52.5°以下とするのが好ましい。
射する場合も同様に、角度θが105°以上の範囲で
は、特に127.5°以上142.5°以下とするのが
好ましい。
(a)溝部右側のように、素子表面の光放射部を凹凸形
状にするあるいは表面を荒らすことにより、素子表面で
の光の反射率を下げることができ、多重反射をふせぐこ
とができる。
SiO2膜、Si3N4膜、半導体膜などを用いて、無反
射膜(ARコーティング)を施してもよい。その際、膜
厚は、光の波長をλ、膜材料の屈折率をnとして、λ/
(4n)に設定すれば反射がなくなる。
すなわち、角度θが75°以上105°以下の場合、溝
部側面で全反射は起こらないが、図5に示すように、角
度θが90°から離れるにしたがって反射率が増加する
ので、溝部側面が素子表面に垂直な面から多少でも(5
°程度以上)傾斜すれば、迷光を除去する上で効果があ
る。
別の構造であり、溝部の側面を覆うように高反射膜を形
成した例を示す。
Au、Ti、In等の金属膜300を、通常の蒸着のプ
ロセスにより500nm程度形成したものである。この
金属膜の形成は、例えば、発光素子の電極形成プロセス
時に同時に行うことも可能であり、そうすれば付加的な
工程を必要としない。
いは基板面に放射される。この構成によれば、確実に側
面で反射させることができるため、より効果的に迷光を
除去する事が出来た。
射の場合と同様、従来の垂直溝の場合より信号対雑音比
(S/N比)で約2dBの改善が図れた。さらに、金属
による全反射を利用しているため、溝部の側面のラフネ
ス等の影響も受けないので、素子の良品歩留まりが約1
0%向上した。
体多層膜を形成した例を示す。本構成では、屈折率の異
なる第1の誘電体膜301と第2の誘電体膜302の2
種を用いて多層構造にすることで高反射率になるように
設定している。その際、波長をλ、屈折率をnとする
と、光の入射角xに応じて下記式で表される層厚hで、
多層構造にすると最も高い反射率が少ない層数で得られ
る。
2)の構成では、波長λ=1.3μm、角度θが80°
の時、すなわち入射角xが10°の時、SiOの膜厚
0.2230μm、SiNの膜厚0.1634μmが最
適値の1つであり、これらを交互に8層ずつ形成した誘
電体多層膜の反射率は94%である。ちなみに多層膜を
つけない場合は、30.4%である。
じて、反射率が約100%となるように誘電体の層構成
を設計することにより、θが90°に近くても、確実に
素子上面或いは基板側に迷光を除去する事が出来る。こ
れにより、信号対雑音比(S/N比)が改善されるとと
もに、溝部の側面の角度に依存することがなくなり、素
子の良品歩留まりが約10%向上した。
In、又、誘電体材としてSiO/SiN膜を使用して
いるがこれに限定することなく、本発明の主旨を逸脱し
ない限り他の材料系及び組み合わせでも良い。
部の構成例であり、溝の側面あるいは溝全体に、導波光
波長に対して吸収体となる物質を形成した例を示す。
例であり、図9は、溝の側面に吸収体膜401を形成し
た例である。
えば、0.8μm帯の光源を使用する場合、GaAs層
を、また、波長が1.3μmの場合には、InP基板に
格子整合したGa0.47In0.53As膜を形成するとよ
い。
し全反射されずに散乱光となった光が、溝部内を伝搬し
て再度反対側の光導波路に結合するような迷光を確実に
抑制でき、信号対雑音比(S/N比)で約1dBの改善
が図れ、安定した伝送が行える光集積回路素子を得るこ
とができる。
は層形成用材料として、上記以外の他の半導体、又は、
樹脂等で構成しても、光を吸収するものであれば同様の
効果が得られる。
光集積回路素子の例を示す。
素子は、基板100上にクラッド層101が形成され、
光導波路層である光導波路層102がこのクラッド層に
埋め込まれた構造、いわゆる光導波路埋め込み型構造を
なしている。
03により集光され、光導波路層102に結合される。
この導波光は、波面分割型ビームスプリッター500に
より2分される。
の断面図、すなわち図10のc−c’断面図を、図11
に示す。この構造は光導波路層の一部を貫く溝部が設け
られており、この溝部側面で光界分布501の一部は界
面での屈折率差により全反射し光の伝搬方向が90゜変
わる。残り部分の光界分布は透過することにより分岐器
として働く。
局部発振光用半導体レーザ106から出て、同様に波面
分割型ビームスプリッター500により分割された光と
合波され、各々、光検出器107にて信号が検出され
る。
器の受光部に入射する迷光を効率よく除去する必要があ
り、このためには、図10で示すように光検出器の近く
の光導波路近傍に溝部を形成するのがよい。
けられた溝部105部分の断面図、すなわち図10のb
−b’断面図である。溝部105の位置は、光導波路層
の近くに設けるのがよいが、近すぎると、本来の光導波
路層を導波する光の光界分布が溝部の影響を受け、回折
あるいは散乱されることにより、過剰な迷光が生じ、S
/N比が悪くなる。反対に、溝部が光導波路層から離れ
過ぎると、迷光防止の効果が小さくなる。
波路層と等しい高さの面内における、光導波路中心と溝
部の側面との間隔であり、縦軸は光検出器に入射する迷
光量であり、溝部の位置を変化させた場合の計算結果を
示している。ただし、横軸の単位であるωは、下記式1
で表される値であり、光界分布の水平方向半値幅を表
す。
での距離が、1.1ωないし1.2ω付近で、光検出器
に入射する迷光量は最小となる。1.0ω以下では急に
迷光量が増加し、2.0ω以上では迷光除去の効果が少
ない。結局1.0ω以上、2.0ω以下の範囲が好まし
い。
溝を形成した場合の効果について述べたが、入力部や分
岐器部等で生じた迷光が光導波路に再結合する様な箇所
に溝部の形成を行っても、同様に迷光を防止する効果が
得られる。この場合にも、溝を設ける位置は、光導波路
層の中心から1.0ω以上、2.0ω以下の位置が好ま
しい。
ないし4においては、溝側面での反射について述べた
が、素子端面での迷光の反射についても同様であり、素
子端面を素子表面に対して垂直な面から傾斜させること
によっても、同様の効果が得られる。
させた光集積回路素子の全体構成図であり、図15は、
図14のd−d’での断面図を示す。
ないスラブ光は、従来の構成では素子端面で反射され、
再び素子内部を伝搬するが、本発明では素子端面部が傾
斜しているので、素子上面部あるいは下面部に反射され
迷光成分となるのを防ぐことができる。このような素子
端面の傾斜部は、研磨あるいはエッチングにより作製す
ることができる。
対して75°以下あるいは105°以上で形成すること
により、素子端面で迷光の全反射が起こり、端面での迷
光の除去をより確実に行うことができる。
らなる単層あるいは多層膜を形成することにより、迷光
の除去をより確実に行うことができる。
り、迷光の除去をより確実に行うことが可能となる。
り、より一層、迷光除去の効果が得られる。
光防止用の溝部の側面、を素子表面と垂直な面から傾け
たことにより、迷光は素子表面側ないし基板側に放射さ
れ、素子内部での多重反射を防止し、S/N比を向上す
ることができる。
は多層で構成された、金属膜或いは誘電体膜を形成する
ことにより、より確実に迷光となる成分を素子表面ある
いは基板側に放射することができ、S/N比とともに、
素子の歩留まりを向上することができる。
収体を形成することにより、溝部を透過し再度光導波路
に結合するような迷光を除去することができ、S/N比
の改善が図れ、安定した伝送が行える光集積回路素子を
得ることができる。
ら1.0ω以上2.0ω以下にすることにより、光導波
路を伝搬している光界分布に影響を与えることなく、迷
光となる成分を効果的に除去することができる。
示す構成図である。
示す断面図である。
成を示す断面図である。
結果を示す図である。
断面図である。
示す断面図である。
断面図である。
示す断面図である。
を示す構成図である。
る迷光量の変化の計算結果を示す図である。
を示す構成図である。
ある。
ータ信号の波形である。
である。
Claims (9)
- 【請求項1】 基板上に、少なくともクラッド層に挟ま
れた光導波路層が積層され、積層面に平行でかつ光導波
方向に垂直な方向の光導波構造がストリップ装荷型構造
または光導波路埋込型構造であり、光を導波している導
波路部以外の位置に、少なくとも光導波路層を貫く以上
の深さの溝部が設けられた光集積回路素子において、該
溝部の側面が、素子表面に垂直な面に対して傾斜してい
ることを特徴とする光集積回路素子。 - 【請求項2】 前記溝部の側面と素子表面との成す角度
が、75°以下または105°以上であることを特徴と
する請求項1記載の光集積回路素子。 - 【請求項3】 前記溝部の側面に、金属または誘電体か
らなる、単層膜または多層膜が形成されたことを特徴と
する請求項1記載の光集積回路素子。 - 【請求項4】 前記溝部の側面を少なくとも覆うよう
に、光導波路層を伝搬する光波長に対して吸収体となる
物質が形成されていることを特徴とする請求項1記載の
光集積回路素子。 - 【請求項5】 光導波路層と等しい高さの面内におい
て、光導波路中心と前記溝部の側面との間隔が、下記式
1で表される値をωとして、1.0ω以上、2.0ω以
下離れていることを特徴とする、請求項2、3、又は、
4のいずれかに記載の光集積回路素子。 【数1】 - 【請求項6】 基板上に、少なくともクラッド層に挟ま
れた光導波路層が積層され、該積層面に平行でかつ光導
波方向に垂直な方向の光導波構造がストリップ装荷型構
造または光導波路埋込型構造である光集積回路素子にお
いて、素子端面が、素子表面に垂直な面に対して傾斜し
ていることを特徴とする光集積回路素子。 - 【請求項7】 前記素子端面と素子表面との成す角度
が、75°以下または105°以上であることを特徴と
する、請求項6記載の光集積回路素子。 - 【請求項8】 前記素子端面に、金属または誘電体から
なる、単層膜または多層膜が形成されたことを特徴とす
る請求項6記載の光集積回路素子。 - 【請求項9】 前記素子端面に、光導波路層を伝搬する
光波長に対して吸収体となる物質が形成されていること
を特徴とする請求項6記載の光集積回路素子。
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