JPWO2002073256A1 - 光学回路素子とその製造方法、アレイ状光学回路素子、それを用いた光学回路装置 - Google Patents

光学回路素子とその製造方法、アレイ状光学回路素子、それを用いた光学回路装置 Download PDF

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Abstract

アレイ導波路デバイスの各導波路を伝搬する伝搬光をそれぞれモニターする方法に関する。従来、導波路基板内でモニター光を取り出し、その光を受光することが困難であった。本発明においては、アレイ導波路間のスペースに導波路型方向性結合器を形成し、伝搬光の一部をモニター光として取り出し、方向性結合器に続く導波路の端部に凹部を設け、この凹部へモニター光を出力させ、凹部中に実装した光路変換素子で基板上部もしくは下部に反射させた後に、フォトダイオードで受光する。光路変換素子は、金属の塊を凹部中に挿入した後、型で成型することにより得ることができる。

Description

技術分野
本発明は、主導波路を伝搬する光をモニターする光学回路素子、光学回路装置とそれらの製造方法、導波路から出射された光の光路を変換するマイクロピラミッドミラーの製造方法に関する。本発明のマイクロピラミッドミラーは、導波路や光ファイバーを伝搬する光と、フォトダイオードやレーザダイオード等の受光、発光素子を結合させる素子として、光素子と電気素子が混在する光電気混載回路等に幅広く応用される。
背景技術
近年、波長分割多重通信の普及に伴い、光学回路装置中の導波路も多チャンネル化されており、それぞれの導波路を伝搬する光が正常に働いているかどうかのエラー検出や、どの程度の光パワーが伝搬しているかを調べるため、パワーモニター、波長モニター、光信号のモニター等を行うことが非常に重要となってきている。現在は、導波路に導波路型方向性結合器(例えば特開平10−206911)やY分岐導波路(例えば特開平9−113743)を設けて光を分岐した後に、デバイス端面から出力される光を光ファイバーで結合させた後にフォトダイオードで受光し、モニターする方法が取られている。また、伝搬光が多チャンネル化されている導波路デバイスの場合は、光ファイバーを結合させた後にファイバーカップラー(例えば特開平6−281837)を設け、伝搬する伝搬光のパワーの一部をモニター光として取り出し、このモニター光をフォトダイオードで検知する方法が取られている。
導波路を伝搬する光を導波路平面外へ光路変換する方法に関しては、いくつかの提案がなされている。例えば、特開平4−155983には、シリコンを異方性エッチングして形成された(111)面を用いて、導波路から出射される光を上部方向に反射させる方法が記載されている。また、特開平6−265738、特開平11−326662、特開2000−221347には、導波路の出射端面、もしくは、導波路の任意の部分を斜めにエッチングし、導波路が形成されている基板に対して上部方向に光を反射させる方法が示されている。さらに、特開平10−300961では、ブレードを用いて直接導波路を45°に切削研摩し、光を上方向に反射させる面を作製する方法が示されている。特開平7−159658では、導波路基板中にプリズムを実装して光を基板の上部方向に反射される方法が記されている。また、特許第2687859号では、球状のマイクロレンズ表面に金コートを施し、このレンズをシリコンのエッチピットを利用して導波路出射端面に固定して光を上方向に反射する技術が示されている。さらに、特開2000−189043には、シリコンのエッチピットを転写したマイクロピラミッドミラーを導波路基板に実装することで、光を上方向に反射させる技術が提案されている。
近年、波長分割多重通信の多重化が進むにつれて、ひとつの光学回路装置中の導波路も多チャンネル化が進んでいる。例えば光ファイバー中を伝搬する光の波長を分波、混合するアレイウエイブガイドグレーティング(AWG)では、入出力ポートが8ch、16chから40ch、80ch、160chと次々に多チャンネル化されている。この各チャンネル光のモニターをする場合、16ch程度まではファイバーカプラーを用いたモニター方法を適用することが可能であった。しかし、40ch以上になると分岐した後のモニター用光ファイバーの取り回しが困難となり、光学回路装置全体の形状が大型になってシステムニーズに適合できなくなる。また、ファイバーカプラーが高価なため、モニター付きの導波路デバイスの価格が多チャンネル化に比例して高価になってしまい、問題となっている。そこで、ファイバーカップラー以外の方法を用いた光のモニター方法を開発することが課題となっている。
多チャンネル化されたアレイ状の導波路は同一平面内に形成されていることが多い。アレイ上の伝搬光用の導波路間に導波路型方向性結合器を設けて導波路端面から導波路光とモニター光を取り出すことが可能であるが、光ファーバーを結合させた後のファイバー端部にはフォトダイオードを結合させる必要があり、光ファイバーの取り回しが困難になる。
このような課題を解決する手段として、アレイ状の導波路間に導波路型方向性結合器やY分岐導波路でモニター光を導いた後、光路変換素子を用いて導波路が形成されている面外にモニター光を出力させる方法が考えられる。
この光路変換素子に、従来報告されているシリコンのエッチング面を用いる方法では、アレイ状の導波路間の部分だけにシリコンのエッチピットを形成して光を反射させることは出来ない。シリコンの異方性エッチング面を切断して光路変換部品として用いる場合も考えられるが、加工する工数や実装方法、固定方法位置決めの問題があるので実用的では無い。また、導波路を斜めにエッチングして基板に対して垂直方向に光を反射させる方法や、ブレードを用いて直接導波路を45°に切削研摩する方法は、アレイ状に形成されている導波路間の部分だけに加工を施すことが非常に困難であるため、実現的ではない。微小プリズムを導波路間に実装する方法を用いる可能性はあるが、導波路間の幅である125μm程度の大きさのプリズムを形成するのが非常に困難であるのと同時に、コストがかかるというディメリットがある。特許第2687859号で提案されているマイクロレンズ表面に金コートを施した光路変換素子は、100μm程度のオーダーの球状粒子への均一な金コートをする技術が確立されていないので、適用が困難である。
また、主導波路間に設けた副導波路から得られるモニター光を導波路端面から、伝搬光と一緒に取り出す場合、伝搬光用ファイバーとモニター光用ファイバーを交互にアレイ上に並べなければならない。その場合、光回路装置に接続する光ファイバーの径が125μmであることから、伝搬光用のファイバーのピッチは250μm以下にする事ができない。また、伝搬光とモニター光のファイバーを分割するスペースが必要になるため、多チャンネル化されている光学回路装置のモニター機能部分を小型化をすることはできない。
発明の開示
本発明に係る光学回路素子は、基板上に、主導波路と、主導波路を伝搬する光の一部を分岐する少なくとも一つの副導波路とを有し、副導波路の終端部分に凹部が形成されており、凹部中に副導波路を伝搬して凹部中に出射された光を反射するミラーが装着されている。ここで、ミラーで反射された光を受光するための受光素子が凹部上に設けられても良く、凹部と受光素子との間の空間に、副導波路のコアの屈折率と±1%以内の精度で屈折率が一致している光透過性物質が充填されていても良い。また、ミラーは凹面に形成され得る。
また、更に、本発明の光学回路素子は、受光素子が光強度あるいは光の波長、光信号をモニターすることができる。ここで、一つの主導波路に二つ以上の副導波路を有し、それぞれの副導波路で受光素子が光強度あるいは光の波長、光信号をモニターしても良く、伝搬する光の一部を分岐する方法には、方向性結合器もしくはY分岐導波路を用いても良い。
更に、基板上に、主導波路を有する光学回路素子が複数設けられているアレイ状光学回路素子に、本発明に係る光学回路素子を適用し、アレイ状光学回路素子とし得る。ここで、主導波路の間隔が、少なくとも副導波路の凹部が設けられた位置で他の位置よりも広くしても良い。また、隣合った複数の副導波路からの光を一つの凹部中に出射し、凹部中に設けられたミラーによって光を反射するようにしても良く、凹部中に設けられたミラーが、一つのミラーで複数の光を反射するようにしても良い。
本発明に係る光学回路装置は、本発明に係るアレイ状光学回路素子と、光信号分波素子、もしくは光信号合波素子の少なくともいずれかと、あるいは/および、凹部中に出射された複数の光をモニターし、モニターされた光強度によって光信号の光強度を制御する手段を有する光学処理用素子とから構成され得る。ここで、光学処理用素子が、各光信号ごとに減衰もしくは増幅する手段よりなる。
本発明に係る光学回路素子の製造方法は、基板上に、主導波路と、主導波路を伝搬する光の一部を分岐する少なくとも一つの副導波路とを有し、副導波路の終端部分に凹部が形成されており、凹部中に副導波路を伝搬して凹部中に出射された光を反射するミラーが装着光学回路素子が、基板上にクラッド層用材料、コア層用材料を積層・パターニングした後、上部クラッド層を形成して主導波路ならびに副導波路を設ける工程と、エッチングで副導波路の終端部に凹部を形成する工程と、凹部中にミラーを形成する工程とからなり、ミラーを形成する工程が、凹部の底面にミラー実装用材料を設ける工程と、ミラー形成素材をミラー実装用材料上に挿入する工程と、ミラー形成素材を型を用いて成形する工程とからなる。ここで、ミラー形成素材を凹部に挿入する工程と、ミラー形成素材を型を用いて成形する工程とを同時に行っても良いく、型が、ミラー形成素材を型中に充填するための穴を有していても良い。
更に、本発明に係る光学回路素子の製造方法は、基板上に、主導波路と、主導波路を伝搬する光の一部を分岐する少なくとも一つの副導波路とを有し、副導波路の終端部分に凹部が形成されており、凹部中に副導波路を伝搬して凹部中に出射された光を反射するミラーが装着されている光学回路素子が、基板上にクラッド層用材料、コア層用材料を積層・パターニングした後上部クラッド層を形成して主導波路ならびに副導波路を設ける工程と、エッチングで副導波路の終端部に凹部を形成する工程と、凹部中にミラーを形成する工程とからなり、ミラーを形成する工程が、凹部の底面にミラー実装用薄膜材料を設ける工程と、ミラー形成素材を型中に充填した後ミラー実装用材料上に転写する工程とからなる。ここで、ミラー実装用材料が金属パッドでも良く、金属パッドとミラー形成用材料とを、熱圧着接合、超音波接合、はんだ接合、金属パッド材料とミラー形成用材料との化学結合の少なくとも一つの手段を用いて固定する工程をさらに有しても良い。
さらに、本発明に係る光学回路素子の製造方法では、型がシリコンの異方性エッチングにより得られた面より構成されてもよく、複数の型を用いて複数の凹部に同時にミラーを形成しても良く、ミラー形成素材が金を90%以上含む金属であっても良い。
更に、本発明に係る光学回路素子の製造方法は、基板上に、主導波路と、主導波路を伝搬する光の一部を分岐する少なくとも一つの副導波路とを有し、副導波路の終端部分に凹部が形成されており、凹部中に副導波路を伝搬して凹部中に出射された光を反射するミラーが装着されている光学回路素子が、基板上にクラッド層用材料、コア層用材料を積層・パターニングした後上部クラッド層を形成して主導波路ならびに副導波路を設ける工程と、エッチングで副導波路の終端部に凹部を形成する工程と、凹部中にミラーを形成する工程とからなり、ミラーを形成する工程が、サブマウント基板上に実装されたミラーを配置する工程からなる。ここで、ミラーを形成する工程が、サブマウント基板上に実装されたミラーを配置する工程の前に、凹部の底面にミラー実装用薄膜材料を設ける工程をさらに有しても良く、サブマウント基板が金属より形成するか、下面に金属薄膜を有する基板より形成しても良い。
更に、本発明に係る凹面を持つミラーを設けた光学回路素子の製造方法では、ミラーを成型するための型に凸面を持ったものを用いても良く、形成されたミラーを、凸面をもつ成型ツールで変形させて、反射面を凹面に変形させる工程を設けても良い。
アレイ導波路の導波路間隔は、デバイスと結合する光ファイバーの径で規定されている場合が多い。シングルモードファイバーのクラッド部分を含めた直径が125μmであるため、ファイバーアレイのコア中心の間隔も125μm程度となる。このファイバーアレイと導波路デバイスの導波路端面を結合させるために、基板上に形成されている導波路のコア中心の間隔も125μm程度である。シングルモード導波路のコア径は4〜8μm程度なので、アレイ導波路の間には117〜121μm程度の幅のスペースがある。このスペースに導波路型の方向性結合器やY分岐導波路を形成し、導波路伝搬光の一部を導波路間のスペースに引き込むことが可能である。分岐比は方向性結合器やY分岐の導波路の形状を変化させることで、自由に設計することが可能である。この方向性結合器、もしくはY分岐に続く導波路の終端部分を他の導波路と干渉しない位置で凹状にエッチングすることで、伝搬光の一部であるモニター光を凹部の側面から凹部の空間に出射させることができる。この凹部に、光路変換素子を実装することで、導波路平面外に光を反射させ、この反射光をフォトダイオードでモニターすることで、アレイ導波路の伝搬光の強度や光信号のモニターを行うことが可能となる。波長が多重化された光をAWGで分割した後、所定のチャネルに正しい波長の光が分割されているかどうかを調べるために、モニター光をスペクトルアナライザーに導いたり、ある特定波長しか検知しない窓を設けたフォトダイオードへ導くことも可能である。
特開2000−189043で提案されているマイクロピラミッドミラーは、シリコンの異方性エッチング面で囲まれたエッチピット中に形成した金属薄膜を転写することにより形成されている。このミラーは面精度が優れ、基板を選ばずに所定の位置に実装できるため、導波路アレイ間のスペースに実装する光路変換素子として応用可能である。このミラーを導波路間の凹上の部分に実装する方法として、ミラーを形成する際に用いるシリコンのエッチピットの型を、凹部に挿入できるように凸状に加工し、この凸部を必要個数および場所と一致させることで、マイクロピラミッドミラーを一括して光学回路装置の凹部分に実装することが可能となる。
また、特開2000−189043で提案されているマイクロピラミッドミラーの代わりに、凹部中にワイヤーボンディング等で金属塊を固定し、上記の凸状に加工したシリコンのエッチピットを成型用の型として用いることで、マイクロピラミッドミラーを凹部中で形成することが可能となる。また、光を反射する面を凸面のツールで押し付けることにより、凹面鏡が得られる。凹面ミラーは反射される光を集光することが可能となるため、受光面積の小さなフォトダイオードや分光器に導くための光ファイバーに結合させることが可能である。また、この凹面ミラーは表面実装型のレーザダイオードから出射される広がった光を導波路に集光する用途にも用いることが可能である。
以上のような光学回路素子、光学回路装置とそれらの製造方法は、導波路を用いたモニターのための光回路装置だけに限らず、光素子と電気素子が混載された基板や、光ファイバー等が配線された光配線基板、また、3次元的な光配線基板どうしの光結合回路等への応用も可能である。
尚、本明細書では、シリコンの異方性エッチングによりえられるエッチピットの形状と同等もしくは類似したものをピラミッド形状と総称し、マイクロピラミッドミラーと記載している。
発明を実施するための最良の形態
本発明の実施形態を、図で用いて具体的に説明する。
<実施例1>
第1図中のシリコン基板1の上にシリカガラスで形成された主導波路2を伝搬する伝搬光3の一部を取り出すために、方向性結合器4を形成している。伝搬光の一部は方向性結合器4に分岐され、モニター光5として方向性結合器に続く副導波路6を伝搬する。モニター光5を導波路外部に出射させるため、方向性結合器4の導波路の終端部分に凹部7を設けている。モニター光5は凹部に開放された副導波路から出射され、凹部中に設置した光路変換素子8で反射され、モニター光を導波路の平面外に取り出すことが可能となる。第2図は光路変換素子にマイクロピラミッドミラー9を用いた例であり、第1図の凹部の周辺を横から見た拡大図である。副導波路から出射されたモニター光5は、マイクロピラミッドミラー9で反射され、反射光10は上部にあるフォトダイオード11で受光することができる。この光学回路素子の構成により、従来、デバイスの側面から取り出していたモニター光を、導波路基板上から取り出すことが可能となる。
<実施例2>
第3図は、第1図の光学回路素子において、導波路を伝搬する光信号の周波数が10Gbpsを超える高速信号であり、この光信号をモニターするために、受光面積が10μmφのフォトダイオード11を用いている光学回路装置である。導波路のコア径は7μmであり、凹部中に導波路コアから出射される光は広がり角を持つため、平面のミラーでは反射された光全てを10μmφの受光部で検知することができない。そこで凹部中のモニター光の反射に凹面ミラー12を用いることにより、反射された光を導波路のコア形状とほぼ同じ7μmφに集光させ、受光径以内に収めることができる。また、フォトダイオード上で集光される光の形状と、マイクロピラミッドミラーの表面の凹面の縦横比の関係を調べて、凹面の形状を最適化することにより、ほぼ真円の形状をもつ6μmφの光をフォトダイオードの受光面上に反射させることができる。
<実施例3>
凹部7中へ副導波路6から出射されるモニター光5の広がり角を抑制するために、第4図に示すように、凹部中のマイクロピラミッドミラーとフォトダイオードの空間に、導波路の等価屈折率が±1%以内の精度で一致している光透過性物質13であるシリコン樹脂を重点する。その結果、凹部に出射されたモニター光の広がり角は抑制され、マイクロピラミッドミラー9で反射された後のフォトダイオードの受光面での径を10μmφにすることが可能である。さらに、この直進した光を凹面ミラー12で反射することにより、反射光を回折限界(約2μm程度)まで集光することが可能となる。
この光透過性に求められる性能は、粘性が小さく、また表面張力が小さいことであり、充填後は流動しないように固化させる必要がある。さらに、固化前後での体積変化率は極力1に近いこと、また固化後の温度に対する膨張係数も小さいことが望まれる。そこで、材料を検討した結果、ジメチルシクロヘキサンを開環重合させて合成したシリコーンゲルが、必要な特性を満たすことがわかった。屈折率は、過酸化ベンゾイルで結合を橋かけする割合で調整できることがわかった。そこで、あらかじめ1.4と1.5の屈折率をもつ2種類のシリコーンゲルを製造し、このシリコーンゲルを4:6で混合したところ屈折率は1.46になり、導波路の等価屈折率と±1%のオーダーで一致させることができた。この光透過性物質を凹部に重点した光回路装置の高温高湿における長期信頼性評価を行ったところ、充填しない場合と比較して反射面や受光面の劣化が抑制されるため10万時間の使用にも耐えうることがわかり、信頼性が30%以上向上した。
<実施例4>
第5図に示すように、一本の主導波路2に副導波路6を2本設け、一方の副導波路からは光強度を、もう一方の副導波路からは波長をモニターする光回路素子を形成することが可能である。第6図のように、マイクロミラーで反射された光を光ファイバー14に導き、このファイバーをスペクトルアナライザーに結合させることで、波長をモニターすることが可能である。AWGを用いて多重化された光信号を分波した後、所定のチャンネルに各波長が分配されているかを確認する手段として、波長モニターは有効に機能する。
<実施例5>
シングルモードの光ファイバーのクラッドを含む太さは、125μm程度である。そのため、シングルモードのアレイファイバーのコアの間隔も125μmとなり、アレイ導波路をアレイファイバーと高密度で結合させるためには、導波路アレイのコア間隔もファイバーアレイと同じ間隔で形成する必要がある。この約125μmピッチ間にモニター光を取り出すための導波路型方向性結合器もしくはY分岐導波路と光路変換素子を設ける場合は、光路変換素子の大きさに制限がでてくる。しかし、例えばクラッドの屈折率が1.45、コアの屈折率が1.46の導波路の場合、第7図に示したように、導波路間隔が125μmで42本あるアレイ導波路のトータルの幅5.2mmを、約11.2mmの長さで一度8.2mmまで広げてから再度5.2mmまでロス無く曲げることができる(尚、図は40本の伝搬光用導波路のうち9本だけを示してある)。このようなファンナウト導波路16を形成することで、導波路間隔を195μmまで広げることが可能となる。その結果、導波路間のモニター光を取り出すための光路変換素子を実装する面積を大きく取ることが可能となり、この幅を広げた部分を光モニター部分15として使用することで、副導波路6と光路変換素子8、およびフォトダイオード(省略して示している)のサイズの制限を緩和することができる。その結果、光学回路装置の製造歩留まりやコストを改善させることができる。
<実施例6>
第8図は主導波路2からY分岐された副導波路6を3本設け、ひとつの凹部中にそれぞれの副導波路を伝搬してきた光を開放し、この3本の光ビームを凹部に設けた一つのマイクロピラミッドミラー9で上部に反射させることができる光回路素子を示す。この方式により、ひとつのミラーで複数の副導波路から出射される光の光路を一度に上方に光路変換してモニターすることが可能となる。第9図に示すように、モニター光の強度、光信号、特定波長をモニターすることができるアレイ状のフォトダイオード11をマイクロピラミッドミラー9の上に実装することで、省スペースで効率の良いモニターを行うことが可能となる。
<実施例7>
第10図は、40チャンネルのAWG17の出力用導波路アレイ18の導波路間スペースに、第1図と同じ構成で光モニター部分19を設けた光学回路装置である。このようにして製造した光モニター付きAWGに、1.55μmに中心波長を持つ0.8nm間隔の40種類の波長光を伝搬させてAWGで分波された後、出力される前の光モニター部分18でモニター光を受光したところ、各チャンネル毎の出力のばらつきを測定することができた。
<実施例8>
第11図は、シリコン基板上に形成されている40チャンネルのアレイ導波路間に第1図で示したモニター機能を有する、モニターチップ20である(40chのうちの一部を示してある)。このモニターチップを光ファイバーアレイ21と結合させたところを図に示してある。ファイバーアレイの間隔は129μmピッチのため、アレイ導波路のピッチも129μmにしてある。導波路のコアを5μm角となるように形成した結果、導波路間のスペース23の幅は123μmとなった。この導波路間のスペースに導波路型方向性結合器を形成し、モニター光を取り出すための副導波路6は、導波路間スペースの中心となるように形成した。光路変換素子を実装するための凹部は、両側にある伝搬光用の導波路から約20μm離れるように80μm角で形成し、深さはシリコン基板上までの約30μmエッチングした。この凹上部分に高さ30μmで縦横60μmのマイクロピラミッドミラーを40個実装した。また、マイクロピラミッドミラーの上部には、それぞれフォトダイオードを互いに干渉しないようにオフセットを設けて40個実装した。このモニターチップ20を第12図のようにAWG17と一体化させることで、モニター機能をもつAWGチップを形成することができる。
<実施例11>
第13図、第14図には、第11図に示した本発明のアレイ導波路モニターチップ20を可変アッテネーター24、もしくはチャネルアンプ25と一体化させたチップを示す。モニターチップからの信号光を減衰するアッテネーターや増幅するチャネルアンプにフィードバックすることで、各チャネルで強度のばらつきのあったWDM光を等化することが可能となる。素子を一体化したことで、チップの取り扱いが楽になり、また素子間のファイバ結合が必要なくなるので、実装面積およびコストを低減することが可能となる。
<実施例12>
アレイ導波路デバイスの主導波路を伝搬する光の波長をモニターした信号は、AWGの分波波長の各導波路への割り当てを制御するための温度調節装置へフィードバックさせ、波長のチャンネル割り当てを制御することが可能となる。第15図に示したように、波長モニターチップ20からの信号を、温調基板26を内蔵したAWG17の温度制御装置にフィードバックすることで、波長特性の優れたWDM信号を制御することができる。第15図のように温調基板に実装されたAWG17とモニターチップ20を一体化させることで、チップ間の結合用ファイバーがいらなくなり、実装面積も約1/2にすることができる。
<比較例1>
第16図に、40チャンネルの光学回路素子21で、各チャンネルの伝搬光を従来技術の方向性結合器4を用いて導波路間の副導波路6に一部取り出し、導波路端面から出力させる場合を示す(40チャンネルのうち、一部だけを示してある)。この方法の場合、伝搬光用ファイバー28と、モニター光用ファイバー29を交互にアレイ状に並べる必要があり、また、結合した光ファイバーを伝搬光とモニター光に分ける部分にスペースを必要とする。さらに、モニター光用ファイバーの先にはフォトダイオードも結合させなければならず、デバイス全体の実装面積は本発明のモニターチップ20と比較して50倍、コストは5倍になってしまう。
<比較例2>
第17図に、光学回路素子27から伝搬光を出力後に光ファイバーカプラー30で分波し、伝搬光用ファイバー31と、モニター光用ファイバー32に分波する従来の方法を示す(40チャンネルの導波路の一部を示している)。この方法では、光ファイバーカプラーが非常に高価であり、また、カプラーで分岐したファイバーを伝搬光用とモニター光用に分けた後に、モニター光用のファイバーにはフォトダイオードを結合しなければならない。この方法で作製した光学回路素子を本発明のモニターチップと比較したところ、実装面積は75倍、コストは10倍になった。
<実施例13>
光モニターチップ20を作製するために、第18図に示すように、まずシリコン基板1上にシリカガラス導波路形成のための下部クラッド層33とコア層34の材料をケミカルベーパーデポジション法で製膜した。その後、コア層を必要な形状にパターンニングした後、パターンニングされたコア層35の上に、上部クラッド層36を製膜して、主導波路2と副導波路6を形成した。次に表面にレジストを塗布し、凹状に加工したい導波路間の部分だけ四角状にレジストを除去した。その後、リアクティブイオンエッチングでコアおよびクラッド層を基板の深さまでエッチングして凹部7を形成した。次に、第19図に示すようにこの凹部の底部にミラーを実装するための金属パッドとなる、金スパッタ膜37を製膜した。この凹部の底部に、ミラー成型するための部材となる金バンプを、金ワイヤーのボンディングにより挿入した。金バンプを金スパッタ膜に固定するために、熱圧着接合と超音波接合の効果を両方利用した。この金を成型するための型として、凸状の部分に(111)面で囲まれたエッチピット39を有するシリコン製の型40を作製した。金バンプが挿入された基板を300℃に加熱した後に、シリコンの型を金バンプに押し付けることにより、マイクロピラミッドミラー9を形成することが可能であった。以上のプロセスにより、モニター機能を有する光学回路装置を作製することが可能であった。
導波路を形成するための基板がシリコン以外の有機基板やガラス基板、セラミック基板や結晶基板等の上に形成されている場合、また、導波路の素材がガラス以外の有機材料や結晶材料等であっても、フォトリソプロセスとリアクティブイオンエッチングやケミカルエッチング、もしくはパンチング等の技術を用いることで、方向性結合器の終端部分に所定の深さおよび大きさの凹部を形成し、この凹部に光路変換素子を実装することで、導波路が形成されている平面外に光路を変換することができた。また、凹部に光路変換素子を実装して光路を変換する方法は、伝搬光用の導波路にも適用することが可能であり、多数チャンネルある伝搬光の一部だけを光路変換させてモニターすることも可能であった。
ミラー成型素材には、反射率が高く、成型されやすい金、アルミニウムが適していることがわかった。とくに金が90%以上含まれている金属で形成されたミラーの反射率は95%以上と非常に高く、ミラーとして優れていることがわかった。
<実施例14>
凹部中に金バンプを金ワイヤーボンディングで挿入する際に、第20図のようにボンディングのためのキャピラリーツールと、成型用の型40部分を兼ね備えたキャピラリーツール41を用いることで、金の塊を挿入するのと同時にマイクロピラミッドミラーを形成することができる。まず、直径25μmの金線42をキャピラリーツール41中に通し、電気トーチと金線の間で放電を生じさせて直径50μmのイニシャル金ボール43を形成した。その後、第21図の断面図のように金ボールをキャピラリーツールの型と凹底部の間ではさみ込み、凹部に形成された金パッド上に熱圧着させた。その後、キャピラリーツールを上部に引っ張ることで、成形されたマイクロピラミッドミラー9と金線42の境界部分で断線させるとができ、凹部底部からの高さは30μmとなった。型の内部は±10nm程度に平滑処理されているので、圧着された後のマイクロミラーの表面は鏡面状態となり、この鏡面に導波路から出射される1.55μmの光を反射させたところ、上部に反射できることが可能となり、光路変換素子として応用できることがわかった。同様の実験を金線の代わりにアルミニウム線で行ったところ、同じ結果が得られた。
<実施例15>
ミラーに成型するための素材を凹部中に挿入する代わりに、あらかじめ成型用の型の中に充填しておくこともできる。第22図に示すようにシリコン製の型40のエッチピット中に金メッキ44の厚膜を形成した。この金膜を形成した型を、光回路基板45上の金属パッド46のミラー実装位置に押し付けて熱圧着することにより、メッキ膜は型の形に成型されて、マイクロピラミッドミラー9を形成することができた。メッキ膜の厚さをエッチピットの深さと同等にすることで、転写の際にミラー中の空間が全て金で充填され、内部に空間の無いミラーを形成することが可能であった。
<実施例16>
第23図に示すように、表面に潤滑膜としてダイヤモンドライクカーボン膜を0.1μm製膜した、ガラス製の型47を作製した。この型中に、あらかじめ型の体積と一致させた金ボール43を挿入した。有機材料で構成されている光学回路基板45の温度を有機基板の耐久温度範囲内の250度に上昇させ、金錫はんだ膜48上へ金ボールを押し付けて型の形状に成型させた。成型された金ボールは基板とはんだ接合し、基板上の所定の位置にマイクロピラミッドミラーを実装することができた。ダイヤモンドライクカーボンの膜には金属は付着せず、剥離性に優れていることがわかった。別途、ステンレス製の型にもダイヤモンドライクカーボン膜を製膜して型として用いたところ、同じように金属を成型後の剥離性が良いことがわかった。
<実施例17>
第24図に示すように、シリコン製の型40に40個の凸状部分を設け、この凸中のエッチピットに金メッキの厚膜を製膜した(図では16個分だけ示してある)。この凸部分は、光学回路基板45の凹部の位置と対応するように形成してある。凹部の底部には金のパッドが形成されている。光学回路基板を250℃に加熱し、エッチピット中に金メッキの厚膜を有した型を40個一度に凹部に挿入し、加熱成形した。その結果、凹部中にマイクロピラミッドミラーを一度に40個作製することができた。成型後、全てのマイクロピラミッドミラーが光路変換素子として使用できることを確かめたところ、成型された金表面の粗さは±10nmであり、反射率は1.55μmの光に対して95%以上が得られることがわかった。
<実施例18>
反射された光が集光する機能を有するマイクロピラミッドミラーを形成するために、第25図に示したように、凸状の曲面をもつ凹面成型ツール49をルビーの単結晶を用いて作成した。表面は鏡面に研磨した。250℃に加熱したマイクロピラミッドミラー9にこのツールを押し付けることにより、凹面ミラー12を形成することが可能であった。凹面成型ツールの形状を半球状や楕円状等に加工することも可能であり、反射される光の集光位置を調節することができた。また第26図のように両側から挟みこんで曲面に成型する凹面成型ツールにより、ワイヤーボンディングでミラー成型素材を基板に接合するのと同時に、凹面ミラーを成型することが可能であった。
<実施例19>
第27図に示したように、予めサブマウント基板50にマイクロピラミッドミラー9を一括形成した。このサブマウント基板を所定の大きさに加工して、光学回路素子の所定の位置に実装することが可能となる。第28図に示すように、光学回路素子27の凹部7にサブマウント基板を垂直に実装することで、凹部に開放されている90度の角度をなす平面内の導波路をマイクロピラミッドミラー9で結合することができた。このマイクロピラミッドミラーに凹面ミラーを用いることで、導波路から出射される光を集光させて結合し、結合ロスを抑制することが可能であった。サブマウント基板の光学回路素子への実装面には金属薄膜51をあらかじめ形成しておくことで、実装したい面の金属パッド46と熱圧着することが可能である。
<実施例20>
シリコンの(111)面と(100)面の角度は54.7°と一定であるため、シリコンのエッチピットをマイクロピラミッドミラーの型として用いた場合の反射方位も一定となる。そこで、反射される光の角度を任意に制御するために、第29図に示す角度をもうけたサブマウント基板50にマイクロピラミッドミラー9を実装し、このサブマウント基板を光学回路装置に実装することで、導波路から出射される光を光学回路基板に対して所定の角度で反射させることが可能となった。第29図は垂直方向に反射させた場合の例である。このサブマウント基板の底面には金属薄膜50が製膜されているため、光学回路素子のミラー実装位置の金属パッドへ熱圧着、超音波、はんだ等で容易に接合することが可能である。
産業上の利用可能性
本発明による光学回路素子および光学回路装置により、導波路が2本以上形成されているアレイ導波路を伝搬する伝搬光の一部をモニター光として導波路基板の上部に取り出し、受光することが可能となる。このモニター光により各チャンネルの光強度、光信号、光波長をモニターすることができ、光の合分波素子、光アッテネータや光アンプ、温度調節機を調整する素子に信号をフィードバックすることで、高性能な光学回路装置が実現される。また、モニターチップと他の機能のチップを一体化することで実装面積やコストで大きなメリットが得られ、小型高性能で信頼性のある光学回路装置を実現することが可能となる。また、本発明のマイクロピラミッドミラー、および、その形成、実装方法は、光とフォトダイオードやダイオードレーザ等の電気素子との結合に幅広く応用することが可能であり、光デバイスを小型高性能化できる。以上のように、本発明により、信頼性の高い大容量高速光通信が実現され、情報通信産業の発展に大きく貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は主導波路を伝搬する伝搬光の一部を方向性結合器で副導波路に取り出し、光路変換素子で導波路平面外に反射させることのできる光学回路素子の平面図であり、第2図は副導波路から凹部に出射された光がマイクロピラミッドミラーで反射されてフォトダイオードで受光されるところの説明図であり、第3図は副導波路から凹部に出射された光を凹面ミラーで反射されてフォトダイオードで受光する光学回路素子の断面図であり、第4図は凹部中に光透過性物質を充填して、モニター光の広がり角を抑制した光学回路素子の断面図であり、第5図は一本の主導波路から2本の副導波路にモニター光を導いた光学回路素子の平面図であり、第6図はモニター光を光ファイバーでスペアナに導くことのできる光学回路素子の断面図であり、第7図はファンアウトした部分に光モニター部分を設けた光学回路素子の平面図であり、第8図は1本の主導波路から3本の副導波路を形成し、1つのミラーでモニター光を上部へ反射させることができる光学回路素子の平面図であり、第9図は1つのミラーで反射された3つのモニター光を3個のフォトダイオードアレイでそれぞれ受光する光学回路素子の構成図であり、第10図は出力部分にモニター機能を有したAWGの平面図であり、第11図は光ファイバーアレイと接合されたモニターチップの平面図であり、第12図はモニターチップとAWGが一体化された光学回路装置の平面図であり、第13図はモニターチップとアッテネーターが一体化された光学回路装置の説明図であり、第14図はモニターチップとチャネルアンプが一体化された光学回路装置の説明図であり、第15図はモニターチップと温調基板内臓AWGが一体化された光学回路装置の説明図であり、第16図は方向性結合器で伝搬光とモニター光をファイバーアレイに結合させた従来例を示す図であり、第17図は光ファイバーカプラーを用いてアレイ導波路デバイスのモニターをする従来例を示す図であり、第18図はモニターチップ用導波路基板の形成プロセスを示す図であり、第19図はシリコンエッチピット型によるマイクロピラミッドミラーの形成方法を示す図であり、第20図はミラー素材の接合と成型を一度に行うことのできるキャピラリーツールを示す図であり、第21図は第20図のキャピラリーツールによるマイクロピラミッドミラーの凹部への実装を示す図であり、第22図は厚膜金メッキの転写成型による、マイクロピラミッドミラーの形成を示す図であり、第23図は金ボールのガラス製型成型によるマイクロピラミッドミラーの形成を示す図であり、第24図はシリコンの凸中マルチピット型による、マイクロミラーの一括実装を示す図であり、第25図は凹面成型ツールによる凹面ミラーの形成を示す図であり、第26図はミラー素材の接合と凹面ミラーの成型を一度に行うことのできる凹面成型ツールを示す図であり、第27図はサブマウント基板上に形成されたマイクロピラミッドミラーの示す図であり、第28図はサブマウント基板上に実装されたマイクロピラミッドミラーによる導波路間光結合を示す平面図とマイクロピラミッドミラー部での断面図であり、第29図は角度を設けたサブマウント基板上に形成されたマイクロピラミッドミラーを示す図である。

Claims (31)

  1. 基板上に、主導波路と、主導波路を伝搬する光の一部を分岐する少なくとも一つの副導波路とを有し、前記副導波路の終端部分に凹部が形成されており、凹部中に副導波路を伝搬して凹部中に出射された光を反射するミラーが装着されていることを特徴とする光学回路素子。
  2. 前記ミラーで反射された光を受光するための受光素子を有することを特徴とする請求の範囲1に記載の光学回路素子。
  3. 前記受光素子が前記凹部上に設けられることを特徴とする請求の範囲2に記載の光学回路素子。
  4. 前記凹部と受光素子との間の空間に、前記副導波路の等価屈折率と±1%以内の精度で屈折率が一致している光透過性物質が充填されていることいることを特徴とする請求の範囲3に記載の光学回路素子。
  5. 前記ミラーが凹面であることを特徴とする請求の範囲1ないし4のいずれか1項に記載の光学回路素子。
  6. 前記受光素子が光強度をモニターすることを特徴とする請求の範囲2ないし5のいずれか1項に記載の光学回路素子。
  7. 前記受光素子が光の波長をモニターすることを特徴とする請求の範囲2ないし5のいずれかに1項に記載の光学回路素子。
  8. 前記受光素子が光信号をモニターすることを特徴とする請求の範囲2ないし5のいずれか1項に記載の光学回路素子。
  9. 一つの主導波路に2つ以上の副導波路を有し、それぞれの副導波路で請求の範囲6ないし8に記載のモニターする事を特徴とする、請求の範囲2ないし5のいずれか1項に記載の光学回路素子。
  10. 前記伝搬する光の一部を分岐する方法が方向性結合器もしくはY分岐導波路を用いることを特徴とする請求の範囲1ないし9のいずれか1項に記載の光学回路素子。
  11. 基板上に、主導波路を有する光学回路素子が複数設けられているアレイ状光学回路素子において、少なくとも一つの光学回路素子が前記請求の範囲1ないし10のいずれか1項に記載の光学回路素子であることを特徴とするアレイ状光学回路素子。
  12. 主導波路の間隔が、少なくとも副導波路の凹部が設けられた位置で他の位置よりも広いことを特徴とする請求の範囲11に記載のアレイ状光学回路素子。
  13. 隣合った複数の副導波路からの光を一つの凹部中に出射し、凹部中に設けられたミラーによって光を反射することを特徴とする請求の範囲11または12に記載のアレイ状光学回路素子。
  14. 前記凹部中に設けられたミラーが、一つのミラーで複数の光を反射することを特徴とする請求の範囲13に記載のアレイ状光学回路素子。
  15. 光信号分波素子、もしくは光信号合波素子の少なくともいずれかと、請求の範囲11ないし14のいずれか1項に記載の前記アレイ状光学回路素子とからなることを特徴とする光学回路装置。
  16. 凹部中に出射された複数の光をモニターし、モニターされた光強度によって光信号の光強度を制御する手段を有する光学処理用素子と、請求の範囲11ないし14のいずれか1項に記載の前記アレイ状光学回路素子とからなることを特徴とする光学回路装置。
  17. 前記光学処理用素子が、各光信号ごとに減衰もしくは増幅する手段よりなることを特徴とする請求の範囲16に記載の光学回路装置。
  18. 基板上に、主導波路と、主導波路を伝搬する光の一部を分岐する少なくとも一つの副導波路とを有し、前記副導波路の終端部分に凹部が形成されており、凹部中に副導波路を伝搬して凹部中に出射された光を反射するミラーが装着されていることを特徴とする光学回路素子の製造方法であって、基板上にクラッド層用材料、コア層用材料を積層・パターニングした後、上部クラッド層を形成して前記主導波路ならびに前記副導波路を設ける工程と、エッチングで副導波路の終端部に凹部を形成する工程と、凹部中にミラーを形成する工程とからなり、前記ミラーを形成する工程が、凹部の底面にミラー実装用材料を設ける工程と、ミラー形成素材を前記ミラー実装用材料上に挿入する工程と、前記ミラー形成素材を型を用いて成形する工程とからなることを特徴とする光学回路素子の製造方法。
  19. 前記ミラー形成素材を凹部に挿入する工程と、前記ミラー形成素材を型を用いて成形する工程とを同時に行うことを特徴とする請求の範囲18に記載の光学回路素子の製造方法。
  20. 前記型が、ミラー形成素材を型中に充填するための穴を有していることを特徴とする請求の範囲19記載の光学回路素子の製造方法。
  21. 基板上に、主導波路と、主導波路を伝搬する光の一部を分岐する少なくとも一つの副導波路とを有し、前記副導波路の終端部分に凹部が形成されており、凹部中に副導波路を伝搬して凹部中に出射された光を反射するミラーが装着されていることを特徴とする光学回路素子の製造方法であって、基板上にクラッド層用材料、コア層用材料を積層・パターニングした後上部クラッド層を形成して前記主導波路ならびに前記副導波路を設ける工程と、エッチングで副導波路の終端部に凹部を形成する工程と、凹部中にミラーを形成する工程とからなり、前記ミラーを形成する工程が、凹部の底面にミラー実装用薄膜材料を設ける工程と、ミラー形成素材を型中に充填した後前記ミラー実装用材料上に転写する工程とからなることを特徴とする光学回路素子の製造方法。
  22. 前記ミラー実装用材料が金属パッドよりなることを特徴とする請求の範囲18ないし21のいずれか1項に記載の光学回路素子の製造方法。
  23. 前記金属パッドとミラー形成用材料とを、熱圧着接合、超音波接合、はんだ接合、金属パッド材料とミラー形成用材料との化学結合の少なくとも一つの手段を用いて固定する工程をさらに有することを特徴とする請求の範囲22に記載の光学回路素子の製造方法。
  24. 前記型がシリコンの異方性エッチングにより得られた面よりなることを特徴とする請求の範囲18ないし23のいずれか1項に記載の光学回路素子の製造方法。
  25. 複数の型を用いて複数の凹部に同時にミラーを形成することを特徴とする請求の範囲18ないし24のいずれか1項に記載の光学回路素子の製造方法。
  26. ミラー形成素材が金を90%以上含む金属であることを特徴とする請求の範囲18ないし25のいずれか1項に記載の光学回路素子に記載の製造方法。
  27. 基板上に、主導波路と、主導波路を伝搬する光の一部を分岐する少なくとも一つの副導波路とを有し、前記副導波路の終端部分に凹部が形成されており、凹部中に副導波路を伝搬して凹部中に出射された光を反射するミラーが装着されていることを特徴とする光学回路素子の製造方法であって、基板上にクラッド層用材料、コア層用材料を積層・パターニングした後上部クラッド層を形成して前記主導波路ならびに前記副導波路を設ける工程と、エッチングで副導波路の終端部に凹部を形成する工程と、凹部中にミラーを形成する工程とからなり、前記ミラーを形成する工程が、サブマウント基板上に実装されたミラーを配置する工程からなることを特徴とする光学回路素子の製造方法。
  28. 前記ミラーを形成する工程が、前記サブマウント基板上に実装されたミラーを配置する工程の前に、凹部の底面にミラー実装用薄膜材料を設ける工程をさらに有することを特徴とする請求の範囲27に記載の光学回路素子の製造方法。
  29. 前記サブマウント基板が金属よりなるか、下面に金属薄膜を有する基板よりなることを特徴とする請求の範囲28に記載の光学回路素子の製造方法。
  30. 凹面を持つミラーの製造方法であって、請求の範囲18ないし29のいずれか1項に記載のミラーを成型するための型に凸面を持ったものを用いることを特徴とする、光学回路素子の製造方法。
  31. 凹面を持つミラーの製造方法であって、請求の範囲18ないし29のいずれか1項に記載の製造方法で形成されたミラーを、凸面をもつ成型ツールで変形させて、反射面を凹面に変形させる工程からなることを特徴とする、光学回路素子の製造方法。
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