JPS61242069A

JPS61242069A - 混成光集積回路およびその製造方法

Info

Publication number: JPS61242069A
Application number: JP60082633A
Authority: JP
Inventors: Masao Kawachi; 河内　正夫; Yasubumi Yamada; 泰文山田; Mitsuho Yasu; 安　光保; Hiroshi Terui; 博照井; Morio Kobayashi; 盛男小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-04-19
Filing date: 1985-04-19
Publication date: 1986-10-28
Also published as: JPH053748B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、同一基板上に光導波路と受・発光素子等の能
動光素子とを設けた混成光集積回路およびその製造方法
に関するものである。

［開示の概要］本発明は、同一基板上に光導波路と受・発光素子等の能
動光素子とを設けた混成光集積回路において、基板上に
凸状に配置された光導波路、光ファイバガイド、光素子
ガイドおよび電気配線支持台と、基板上に配置された第
１導電膜と、光導波路、光ファイバガイド、光素子ガイ
ドおよび電気配線支持台の各上面に相互に絶縁されて配
置された第２導電膜と、光ファイバガイドおよび光素子
ガイドに沿ってそれぞれ配設された光ファイバおよび光
素子とを具え、給電を必要とする光素子に、第１および
第２導電膜より給電を行うことにより、光導波路やガイ
ド形成による基板表面の高低差にとられれることなく自
由に電気配線パターンを配置でき、また複数のマスクに
よるマスク合わせの工程も不要であるので、製造工程も
簡略化される技術およびその製造方法を開示するもので
ある。

なお、この概要はあくまでも本発明の技術内容に迅速に
アクセスするためにのみ供されるものであって、本発明
の技術的範囲および権利解釈に対しては何の影響も及ぼ
さないものである。

［従来の技術］低損失な光導波路を形成した基板上に発光素子、受光素
子等の能動光素子を組み込んで混成光集積回路を実現し
ようとする試みは古くからなされているが、いずれも原
理確認の段階に留まり、光通信分野等で実用に供し得る
混成光集積回路が供給されるには至っていない。

混成光集積回路を構成するのには、（１）基板上に光導波路を形成する。

（２）光導波路端の適正位置に能動光素子を配置する。

（３）能動光素子に受給電用の電気配線を施す。

の工程が必要である。

本発明者は、先に出願した「導波形光モジュール」（特
願昭５９−１８７１３７７号）および「導波形光モジュ
ールおよびその製造方法」（特願昭５９−２０９０８０
号）において、シリコン基板上に形成した平面状の石英
系光導波膜から光導波路自体および能動光素子を光導波
路端の適正位置に光軸合わせするためのガイドを同時に
形成する方法を提案した。

このガイド法により、従来、混成光集積回路を構成する
上で大きな障害となっていた光導波路と能動光素子およ
び入出力光ファイバとの位置合わせは大幅に省力化され
たが、能動光素子に受給電するための電気配線は金線を
用いた空間的なワイヤリングに頼らざるを得なかった。

この結果、電気ＩＣに比べて比較的大きなチップ面積を
占有する混成光集積回路では、金線の長さが数ｍｍｍ長
上上及び、機械的振動に対する不安定性など信頼性に問
題があった。

この欠点を解決するためには、基板上に電気配線パター
ンを設けることが考えられるが、光導波路およびガイド
を形成した後の基板表面には数１０ＩＬＩｌもの高低差
があり、フォトレジストの塗付など、電気配線パターン
を形成するためのフォトリソグラフィ一工程の実施がき
わめて困難であるという問題があった。基板上に光導波
膜を形成するのに先だち、あらかじめ電気配線パターン
を形成しておくことも考えられるが、石英系光導波膜の
ように形成に１２００℃以上もの高温を要する場合には
下地のパターンが破壊されてしまうという問題があった
。

［発明が解決しようとする問題点］そこで、本発明の目的は、上述した問題点を解決し、電
気配線パターンをも実用に適するように構成した混成光
集積回路を提供することにある。

本発明の他の目的は、上述した問題点を解決し、電気配
線パターンを１枚のフォトマスクにより精度良くしかも
信頼性高く形成することができ、組み立ての作業性を向
上することのできる混成光集積回路の製造方法を提供す
ることにある。

［問題点を解決するための手段］これら目的を達成するために、本発明の混成光集積回路
は、基板上の光導波路およびガイドのみならず電気配線
パターンを基板から絶縁し保持する電気配線パターン支
持台をも同一の光導波膜を出発材料として構成する。

本発明の製造方法では、光導波路、ガイドおよび電気配
線パターン支持台を、これらに対応するパターンを含む
１枚のフォトマスクを使用するのみで同時に形成する。

［作用］本発明によれば、従来の技術と異なり、光導波路やガイ
ド形成による基板表面の高低差にとられれることなく自
由に電気配線パターンを配置でき、また複数のマスクに
よるヤスク合わせの工程も不要であるので、製造工程も
簡略化される。

［実施例］以下に、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の混成光集積回路の一実施例を示し、本
例は波長多重通信用の合分波器を構成した例である。こ
こで、１はシリコン（Ｓｔ）基板、２は石英系光導波路
、３は光フアイバ用ガイド、４は入出力光ファイバ、５
はフィルタ用ガイド、８は干渉膜フィルタチップ、７は
レーザ用ガイド。

８はレーザダイオード、９は微小反射鏡、１０はアバラ
ンシェフォトダイオード（ＡＰＤ）　、　１１はＡＰＤ
　１０用の増幅器チップ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１
２ｄ、１２ｅ、１２ｆ　。

１２ｇ、１２ｈ、１２ｉ、１２ｊは電気配線パターン支
持台であり、その上面には金属導体がコーティングされ
電気配線パターンを構成している。Ｓｉ基板１の空き面
には金属導体膜がコーティングされて共通電極面１３を
構成している。符号１４で例示した金線は電気配線パタ
ーンとレーザダイオードとを結線する短距離の補助配線
である。

光ファイバ４は光フアイバ用ガイド３に収容されて固定
され、光導波路２の端面と光軸合わせがされている。レ
ーザダイオード８はレーザ用ガイド７により、光導波路
２の端部２ａの適正位置に対応する基板１上にボンディ
ングされている。干渉膜フィルタチップ６はフィルタ用
ガイド５により光導波路２と適切な角度をなすよう保持
されている。

微小反射鏡８は光導波路２の他端２ｂに配置され、電気
配線パターン支持台１２ａ、１２ｂの一端に設置される
ＡＰ［ｌ　１０に光導波路２からの出射光を進行方向を
８０°変えて導くためのものである。　ＡＰＤ　１０は
その下面に、２個の給電用パッド１５ａおよび１５ｂを
有し、支持台１２ａおよび１２ｂ上の導体面に電気的に
結合する。支持台１２ａおよび１２ｂの一部は微小反射
鏡９を設置するためのガイド、およびＡＰＤ　１０を適
正位置に搭載するためのマーカーの役割も兼ねている。

第１図において１４．増幅器チップ１１と電気配線パタ
ーン１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ
、１２ｇとの結線には、金線による補助配線を用いてい
るが、増幅器チップ１１が適切なポンディング用端子を
備えていれば、補助配線を介することなく直接にこれら
電気配線パターンと結合できることはもちろんである。

第１図において、光導波路２、ガイド３，５，７、およ
び電気配線パターン支持台１２ａ〜１２ｊは同一の石英
系ガラス膜を出発材料とじて構成されている。

第１図の基板全体は適切な容器（第１図では省略）に収
容してパッケージ化することができる。

第１図の光合分波器を動作させるには、電気配線パター
ン１２ｉと１２ｊ　との間にレーザ駆動電圧を印加して
レーザダイオード８を駆動させ、信号光（波長入、）を
光導波路２に導入する。この信号光は、干渉膜フィルタ
チップＢで反射され、光ファイバ４へ導かれる。

他方、光ファイバ４を経由して光導波路２に導入された
信号光（波長入２）は、干渉膜フィルタチップＢを透過
し、微小反射鏡９で光路変換されて、ＡＰＤ　１０へと
導かれる。　ＡＰＤ　１０には、増幅器チップ１１を経
由して電気配線パターン１２ａ、　１２ｂによりバイア
ス電圧が印加されており、信号電圧は増幅器チップ１１
で増幅されて電気配線パターン１２ｃ、１２ｄへと出力
する。電気配線パターン１２ｆ。

１２ｇは、増幅器チップ１１への電源電圧印加用電気配
線パターンである。

このように、本発明の混成光集積回路では、光導波路、
ガイドおよび電気配線パターン支持台が同一の石英系ガ
ラス光導波膜を基本として一括構成されているので、構
造的に簡単であり、回路設計も容易であり、量産化に適
している。従来技術では、パッケージ容器のリード部ま
で金線による長距離の結線を必要としていたのに比べて
、本発明では、金線による補助配線を最小限に留めるこ
とができるので、信頼性は大幅に向上した。しかもまた
、電気配線パターンは、石英系ガラスによる支持台１２
ａ〜１２ｊ上に設けられているので、Ｓｉ基板１から電
気的に完全に絶縁されており、レーザダイオード駆動信
号へのＡＰＤ出力信号へのクロストークを抑制するのに
有効である。

第２図（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の混成光集積回路の製
造方法の一実施例を示し、第２図（Ａ）に示した混成光
回路部分の構成図のＡＡ’線に沿って切断した断面につ
いて、第２図（Ｂ）　、　（Ｃ）および（Ｄ）に順次の
製造工程を示す。

第２図（Ａ）において、２１はＳｉ基板、２２は光導波
路、２３は光フアイバ用ガイド、２４は電気配線パター
ン支持台で、その上面には、金属導体膜が形成されてい
る。

このような混成光集積回路を製造するには、第２図（Ｂ
）に示すように、まず、Ｓｉ基板２１上に石英系ガラス
ｌ１１２５を形成する。この石英系ガラスｌｌＩ２５は
、バ？　７７層２５Ａ（１５ｇ、ｍ厚）、コア層２５Ｂ
（４５ル膜厚）およびクラッド層２５Ｇ（１０ＩＬＩＢ
厚）の３層構造から成っている０石英系ガラス膜の全体
厚が７０ｇｍ程度と厚いため、その形成にはスートプロ
セスを用いるのが好適である。すなわち、Ｓ（基板２１
上に、５ｉＣ１ａを主成分とするガラス形成原料ガスの
火炎加水分解反応により合成したガラス微粒子を堆積さ
せ、しかる後、電気炉で１３００℃程度に加熱すること
によりガラス微粒子を焼結して透明ガラス化し、もって
ガラス膜２５を形成する。ここで、ガラス微粒子の堆積
時にガラス形成原料ガス中のドーパント濃度を時間的に
変化させることにより、上述の３層構造を実現すること
ができる。この３層構造の石英系ガラス膜は光導波膜と
して作用する。

次に、反応性イオンエツチングを利用したフォトリング
ラフィ工程により、石英系ガラス膜２５の不要部分を除
去して第２図（Ｃ）に示すように、光導波路２２、光フ
アイバ用ガイド２３および電気配線パターン支持台２４
を形成する。反応性イオンエツチング後の光導波路２２
などの側面はほぼ垂直である。

なお、光導波路２２の側面には、必要に応じて側面クラ
ッドを形成して゛もよい。この場合、スパッタリング法
やＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等の手段により　５ｉ０
２ガラス膜を厚さ数戸ｍ程度堆積することが有効である
。

側面以外のシリコン基板面に付着した５ｉ０２ガラス膜
は、フッ素系ガスを用いた反応性イオンエツチングを短
時間施すことにより選択的に除去しておくことが、後の
工程で装着するレーザダイオード等に対する効率的なヒ
ートシンク作用をシリコン基板に期待する場合には望ま
しい。

次に、第２図ＣＤ）に示すように、基板２１の上面から
金属導体材料としてＡｌ＠Ａｕ複合膜を真空蒸着し、電
気配線パターン２８および共通電極面２７を形成する。

光導波路２２や支持台２４の側面にわずかに付着した金
属導体材料は、金属エツチング液に基板を短時間ひたす
ことにより除去することができる。

なお、金属導体材料は支持台２４上面のみならず、光導
波路２２の上面、ガイド２３の上面にも形成されるが、
実用上、支障はなく、光導波路２２あるいはガイド２３
に電気配線パターン支持台２４の一部を兼ねさせること
も可能である。

第２図（Ｄ）の工程終了後、光ファイバやレーザダイオ
ード等をガイド２３に案内された適切位置に配置し、必
要に応じて、金線による補助配線を施し、最終的に容器
に収容することにより、本発明の混成光集積回路の製造
を完了する。

以上のような本発明混成光集積回路を容器に収容するに
際しては、混成光集積回路の上面を、シリコーン樹脂や
シリコーン接合剤などの低屈折率樹脂で覆っておくこと
が光フアイバ接続部および干渉膜フィルタチップ挿入部
でのフレネル反射防止のために好適である。これによれ
ば、光導波路の側面の微小な凹凸による光損失の増加を
防止する効果もある。

実際、Ｓ　ｉ０２ガラスと整合した屈折率を有するシリ
コーン接合剤でモールドした場合、光導波路の光損失は
、波長１゜３１Ｌ１１において０．５ｄＢ／ｃ　ｔａ（
側面が露出している場合）から０．１ｄＢ／ｃｍへと減
少した。

光導波路の光損失をより積極的に低減させるためには、
第２図の工程において、反応性イオンエツチング終了後
に、金属導体材料の真空蒸着に先だって光導波路２３側
面に数４ｍ厚のＳ＋０２ガラス膜（側面クラッド層）を
形成する工程を追加することによって、本発明混成光集
積回路をシリコーン樹脂やシリコーン接合剤以外の高屈
折率樹脂（たとえばエポキシ樹脂など）中に収容するこ
とも可能となる。

このような側面クラッド層を形成するためには、第２図
（Ｃ）の工程において、反応性イオンエツチング終了後
に基板２１の上面全体に、石英ガラス板をターゲットと
する高周波スパッタリングあるいはシランガス（ＳｉＨ
ｏ　）を原料とするＣＶＤ法やゾラズマＣＶＤ法ニヨり
数ＩＬｆｆ＋厚ノ５ｉ０２　Ｉｌｌを形成した後、短時
間の反応性イオンエツチングにより、光導波路などの側
面部に堆積した５ｉ０２膜部のみを残して、基板面上の
不要の５ｉ０２膜を除去する方法を用いることができる
。

シリコン基板２１面上に不要の５ｉ０２膜を残しておく
と、後の工程でレーザダイオード等を基板面にポンディ
ングする際に障害となり、望ましくない、これは、５ｉ
０２膜がシリコン基板のヒートシンク作用を妨げるから
である０反応性イオンエツチングは、イオン照射の方向
により、エツチングの異方性が高いので、エツチング工
程で基板の設置方向を制御することにより、選択的に光
導波路側面の５ｉ０２膜を残すことができる。

なお、光フアイバ用ガイド２３の側面にも、光導波路２
２の側面と同様に５ｉ０２膜が形成されるので、かかる
ガイド２３の間隔を、５ｉ０２膜の厚さを見込んで設計
しておく必要があることはもちろんである。

５ｉ０２の厚さが１　ｇｍ以下の場合には、側面クラッ
ド作用が不充分であり、光電界が側面クラッド層外部に
まで広がっているので、エポキシ樹脂などの高屈折率樹
脂によるモールドは望ましくない。その理由は、光導波
路中の伝搬光が、薄すぎる側面クラッド層を通過して、
樹脂部へ移行してしまうからである。逆に、　５ｉ０２
膜の厚さが１０＃Ｌｍを越えることは、５ｉ０２膜にひ
び割れが発生し易い、ガイド部・の寸法変化が激しくな
り見込み設計が困難になる、反応性イオンエツチングに
よる不要Ｓ　ｉ０２膜の選択的除去が困難になる等の理
由で不適当である。実験的に求めた必要かつ最小限の５
ｉ０２膜厚は、２　ｐ、ｍ程度であった。実際に１石英
ガラス板をターゲットとして、高周波スパッタリング法
により側面クラッド層として厚さ２　ｇｔｓの５ｉ０２
膜を形成した光導波路の光損失は、波長１．３１Ｌ閣に
おいて０．１ｄＢ／ａｍ以下であり、エポキシ樹脂でモ
ールドしても何らの光伝搬損失増を示さなかった。

以上の実施例に示した製造方法においては、光導波路２
２、ガイド２３および電気配線パターン支持台２４を１
枚のフォトマスクパターンのみを用いて同時に形成する
ことができ、また電気配線パターン２８の形成もその後
の真空蒸着という簡便なプロセスで一括して形成できる
ので、信頼性および経済性とも大幅に改善される。

以上、本発明の構成、作用をＳｉ基板上の石英系光導波
路を例にとって説明してきたが１本発明はその他の基板
材料や光導波路材料を用いた混成光集積回路の構成や製
造にも適用できることもちろんである。

［発明の効果］以上説明したように１本発明によれば、基板上に光導波
路および光ファイバや能動光素子を設置するためのガイ
ドに加えて、電気配線パターンを１枚のフォトマスクに
より精度良く、形成することができるので、組み立ての
作業性が向上するとともに信頼性が改善され、実用的な
混成光集積回路の実現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての光合分波器の構成を
示す斜視図、第２図（Ａ）は本発明の製造方法により得られた混成光
集積回路の一例を示す斜視図、第２図（Ｂ）〜（Ｄ）はその製造方法の工程の一例を示
す断面図である。１・・・基板、２・・・光導波路。３・・・光フアイバ用ガイド、４・・・光ファイバ。５・・・フィルタ用ガイド、８・・・干渉膜フィルタチップ、７・・・レーザ用ガイド、８・・・レーザダイオード。８・・・微小反射鏡、１０・・・アバランシェホトダイオード、１１・・・増
帳器チップ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ａ、１２Ｆ、１
２．ｇ、１２ｈ、１２ｉ、１２ｊ・・・電気配線パター
ンおよび支持台、１３・・・共通電極面、１４・・・補助配線（金線）、２１・・・基板。２２・・・光導波路、２３・・・光フアイバ用ガイド、２４・・・電気配線パターン支持台、２５・・・石英系ガラス膜。２５Ａ・・・バッファ暦。２５Ｂ・・・コア層、２５Ｇ・・・クラッド層、２Ｂ・・・電気配線パターン、２７・・・共通電極面。

Claims

【特許請求の範囲】１）基板上に凸状に配置された光導波路、光ファイバガ
イド、光素子ガイドおよび電気配線支持台と、前記基板上に配置された第１導電膜と、前記光導波路、光ファイバガイド、光素子ガイドおよび
電気配線支持台の各上面に相互に絶縁されて配置された
第２導電膜と、前記光ファイバガイドおよび前記光素子ガイドに沿って
それぞれ配設された光ファイバおよび光素子とを具え、給電を必要とする光素子に、前記第１および第
２導電膜より給電を行うことを特徴とする混成光集積回
路。２）基板上に、光導波膜を形成する工程と、該導波膜を
エッチングして凸状の光導波路、光ファイバガイド、光
素子ガイドおよび電気配線支持台を形成する工程と、前記基板の上および前記光導波路、光ファイバガイド、
光素子ガイドおよび電気配線支持台の各上面に導電膜を
形成する工程と、前記光ファイバガイドおよび前記光素子ガイドに沿って
前記光ファイバおよび前記光素子をそれぞれ配設する工
程と、給電を必要とする光素子に、前記導電膜を介しての給電
路を形成する工程とを具えたことを特徴とする混成光集積回路の製造方法。３）基板上に光導波路を形成し、該光導波路に能動光素
子を結合して混成光集積回路を製造するにあたり、前記基板上に光導波膜を形成する工程と、該光導波膜をエッチングすることにより、前記光導波路
と、該光導波路に対して光フアイバおよび能動光素子を
位置決めするガイドと、前記能動光素子に受給電するた
めの電気配線パターン支持台とを同時に形成する工程と
、前記電気配線パターン支持台上に導体膜をコーティング
する工程と、前記ガイドに前記光ファイバおよび前記能動光素子を固
定する工程とを具えたことを特徴とする混成光集積回路の製造方法。４）前記基板をシリコン基板となし、該シリコン基板上
に石英系光導波膜を形成した後、反応性イオンエッチン
グにより前記光導波路、前記ガイドおよび前記電気配線
パターン支持台を形成することを特徴とする特許請求の
範囲第３項記載の混成光集積回路の製造方法。