WO2002073256A1

WO2002073256A1 - Circuit optique et son procede de production, circuit optique en reseau, et dispositif a circuit optique l'utilisant

Info

Publication number: WO2002073256A1
Application number: PCT/JP2002/001828
Authority: WO
Inventors: Hikaru Kouta; Mikio Oda; Tadahiko Hanada; Taro Kaneko; Yutaka Urino
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2002-09-19
Also published as: US7076125B2; US20040131302A1; JPWO2002073256A1; JP3991220B2

Description

明細書

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一を伝搬する光と、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 1 0— 2 0 6 9 1 1 ) や Y分岐導波路（例えば特開平 9 - 1 1 3 7 4 3 ) 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一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パイスの場合は、光フア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— 2 8 1 8 3 7 ) 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 — 1 5 5 9 8 3には、シリコンを異方性エッチングして形成された（ 1 1 1 ) 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— 2 6 5 7 3 8、特開平 1 1— 3 2 6 6 6 2、特開 2 0 0 0— 2 2 1 3 4 7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 1 0 — 3 0 0 9 6 1 では、ブレードを用いて直接導波路を 4 5 ° 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— 1 5 9 6 5 8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 2 6 8 7 8 5 9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 2 0 0 0— 1 8 9 0 4 3には、シリ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。例えば光フアイパ一中を搬する光の波長を分波、混合するアレイウェイブガイドグレ一ティング（AWG) では、入出力ポート力 S 8 c h、 1 6 c h力、ら 4 O c h、 8 0 c h、 1 6 0 c h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、 1 6 c h程度まではファィバーカプラーを用いたモェター方法を適用することが可能であった ₍ しかし、 4 0 c h以上になると分岐した後のモニター用光ファイバ一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-一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ィスの価格が多チヤ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ァ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、光ファ一バーを結合させた後のファイバ一端部にはフオトダイオードを結合させる必要があり、光ファイバ一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、ァレイ状の導波路間の部分だけにシリコンのェ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 4 5 ° 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 1 2 5 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、コストがかかるとレヽぅディメリットがある。特許第 2 6 8 7 8 5 9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、 1 0 0 m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二ター光用フアイバーを交互にァ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一の径が 1 2 5 μ πιであることから、伝搬光用のファイバーのピッチは 2 5 0 /i m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ぺ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二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-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つ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、本発明に係るァ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 Zおよび、凹部中に出射された複数の光をモニターし、モニタ一された光強度によつ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 · パターユングした後、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、ェツチングで副導波路の終端部に凹部を形成するェ程と、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一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揷入する工程と、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、ェツ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、ミラ一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 9 0 %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囬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。ァ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一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 1 2 5 μ πιであるため、. ファイバーアレイのコァ中心の間隔も 1 2 5 μ m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 1 2 5 μ m程度である。シングルモード導波路のコア径は 4〜 8 m程度なので、アレイ導波路の間には 1 1 7〜 1 2 Ι μ ιη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 Υ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 Υ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 Υ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一することで、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 A W G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、モニター光をスぺ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ォードへ導くことも可能で特開 2 0 0 0 — 1 8 9 0 4 3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。このミラ一は面精度が優れ、基板を選ばずに所定の位置に実装できるため、導波路ァ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、ミラ一を形成する際に用いるシリコンのエッチピットの型を、凹部に揷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 2 0 0 0— 1 8 9 0 4 3で提案されているマイクロビラミツ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扞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一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ォ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一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、光フア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ェツ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。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ォ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一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図はファンァゥ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 1 0図は出力部分にモェター機能を有した A W Gの平面図であり、第 1 1図は光ファイバ一アレイと接合されたモニターチップの平面図であり、第 1 2図はモニターチップと A W Gが一体化された光学回路装置の平面図であり、第 1 3図はモニターチップとアツ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 1 4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 1 5図はモニターチップと温調基板内臓 A W Gが一体化された光学回路装置の説明図であり、第 1 6図は方向性結合器で伝搬光とモエタ一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 1 7図は光ファイバ一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 1 8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 1 9図はシリコンェツ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 2 0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ヤビラリ一ツールを示す図であり、第 2 1図は第 2 0図のキヤビ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 2 2図は厚膜金メツ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 2 3図は金ポ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 2 4 図はシリコンの凸中マルチピット型による、マイク口ミラーの一括実装を示す図であり、第 2 5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 2 6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 2 7図はサブマゥ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 2 8図はサブマウント基板上に実装されたマイクロビラミツ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ビラミツドミラー部での断面図であり、第 2 9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。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の上にシリ力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 1 0は上部にあるフォトダイオード 1 1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一光を、導波路基板上から取り出すことが可能となる。

ぐ実施例 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 1 0 G b p s を超える高速信号であり、この光信号をモ二ターするために、受光面積が Ι Ο μ πι φのフォトダイオード 1 1 を用いている光学回路装置である。導波路のコア径は 7 μ m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っため、平面のミラーでは反射された光全てを 1 0 μ πι φ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一 1 2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 7 ιη φに集光させ、受光径以内に収めることができる。また、フォトダイォ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 6 μ m φ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。

ぐ実施例 3 >

凹部 7中へ副導波路 6から出射きれるモニター光 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土 1 %以内の精度で一致している光透過性物質 1 3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、マイクロビラミッドミラー 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 1 0 πι φ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 1 2で反射することにより、反射光を回折限界（約 2 μ ιη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、ジメチルシクロへ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、過酸化ベンゾィ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 . 4 6 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ゃ受光面の劣化が抑制されるため 1 0万時間の使用にも耐えうることがわかり、信頼性が 3 0 %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二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一 1 4に導き、このファィバーをスぺクトルアナライザーに結合させることで、波長をモニタ一することが可能である。 A W Gを用いて多重化された光信号を分波した後、所定のチヤ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。

ぐ実施例 5 >

シングルモードの光ファイバ一のクラッドを含む太さは、 1 2 5 μ m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 1 2 5 μ mとなり、ァレイ導波路をァ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ァレィと同じ間隔で形成する必要がある。この約 1 2 5 / mピッチ間にモ二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 Υ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 . 4 5、コアの屈折率が 1 . 4 6の導波路の場合、第 7図に示したように、導波路間隔が 1 2 5 mで 4 2本あるアレイ導波路のトータルの幅 5 . 2 m mを、約 1 1 . 2 m mの長さで一度 8 . 2 m mまで広げてから再度 5 . 2 m m までロス無く曲げることができる（尚、図は 4 0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 1 6 を形成することで、導波路間隔を 1 9 5 z m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 1 5 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。

ぐ実施例 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ァレイ状のフォトダイオード 1 1 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。

ぐ実施例 7 >

第 1 0図は、 4 0チャンネルの A W G 1 7の出力用導波路アレイ 1 8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 1 9 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 A W Gに、 1 . 5 5 μ mに中心波長を持つ 0 . 8 n m間隔の 4 0種類の波長光を伝搬させて A W Gで分波された後、出力される前の光モニター部分 1 8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。

ぐ実施例 8 >

第 1 1図は、シリコン基板上に形成されている 4 0チャンネルのァレイ導波路間に第 1図で示したモェター機能を有する、モュターチップ 2 0である（ 4 O c hのうちの一部を示してある）。このモェターチップを光ファイバ一アレイ 2 1 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 1 2 9 μ mピッチのため、アレイ導波路のピッチも 1 2 9 ； mにしてある。導波路のコアを 5 μπα角となるように形成した結果、導波路間のスペース 2 3の幅は 1 2 3 μ πιとなつた。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、モユタ一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 2 0 μ m離れるように 8 0 μ m角で形成し、深さはシリコン基板上までの約 3 0 μ mエッチングした。この凹上部分に高さ 3 0 111で縦横 6 O ^m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。このモェターチップ 2 0を第 1 2図のように AWG 1 7 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 1 1 〉

第 1 3図、第 1 4図には、第 1 1図に示した本発明のアレイ導波路モニターチップ 2 0を可変アッテネーター 2 4、もしくはチャネルァンプ 2 5 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ァ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 1 2 >

アレイ導波路デバィ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一ドバックさせ、波長のチヤンネル割り当てを制御することが可能となる。第 1 5図に示したように、波長モニターチップ 2 0からの信号を、 '温調基板 2 6を内蔵した & 1 7の温度制御装置にフイードバックすることで、波長特性の優れた W D M信号を制御することができる。第 1 5図のように温調基板に実装された A W G 1 7 とモニターチップ 2 0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。

く比較例 1 >

第 1 6図に、 4 0チャンネルの光学回路素子 2 1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（4 0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、伝搬光用フアイバー 2 8 と、モニター光用ファイバー 2 9を交互にアレイ状に並ベる必要があり、また、結合した光ファイバ一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、モニター光用フアイバーの先にはフォトダイォ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 2 0 と比較して 5 0倍、コストは 5倍になってしまう。

<比較例 2 >

第 1 7図に、光学回路素子 2 7から伝搬光を出力後に光ファイバ一カプラー 3 0で分波し、伝搬光用ファイバー 3 1 と、モニター光用フアイバー 3 2に分波する従来の方法を示す（ 4 0チャンネルの導波路の一部を示している）。この方法では、光ファイバ一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二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ォ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 7 5倍、コストは 1 0倍になった。 <実施例 1 3 〉

光モニターチップ 2 0を作製するために、第 1 8図に示すように、まずシリコン基板 1上にシリ力ガラス導波路形成のための下部クラッド層 3 3 とコア層 3 4の材料をケミカルベーバーデポジシヨン法で製膜した。その後、コア層を必要な形状にパターンユングした後、パターンユングされたコア層 3 5の上に、上部クラッド層 3 6 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 1 9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 3 7 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（ 1 1 1 ) 面で囲まれたエッチピット 3 9 を有するシリコン製の型 4 0を作製した。金バンプが挿入された基板を 3 0 0 °C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、マイク口ピラミッドミラー 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ゃケミカルエツチング、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、多数チヤ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、アルミ二ゥムが適していることがわかった。とくに金が 9 0 %以上含まれている金属で形成されたミラーの反射率は 9 5 %以上と非常に高く、ミラ一として優れていることがわかった。

<実施例 1 4 〉

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 2 0図のようにボンディングのためのキヤビラリーツールと、成型用の型 4 0部分を兼ね備えたキヤビラリ一ツール 4 1 を用いることで、金の塊を揷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 2 5 / mの金線 4 2 をキヤビラリ一ツール 4 1 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 5 0 μ mのイニシャル金ボール 4 3を形成した。その後、第 2 1図の断面図のように金ボールをキヤビラリ一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、キヤビラリ一ツールを上部に引つ張ることで、成形されたマイクロピラミッドミラ一 9 と金線 4 2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 3 Ο μ πιとなった。型の内部は ± 1 0 η πα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 . 5 5 μ πι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。

く実施例 1 5 >

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 2 2図に示すようにシリコン製の型 4 0のエッチピット中に金メツキ 4 4の厚膜を形成した。この金膜を形成した型を、光回路基板 4 5上の金属パッド 4 6のミラー実装位置に押し付けて熱圧着することにより、メツキ膜は型の形に成型されて、マイクロビラミツドミラー 9 を形成することができた。メツ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 1 6 〉

第 2 3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力一ボン膜を 0 . Ι μ πι製膜した、ガラス製の型 4 7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 4 3 を挿入した。有機材料で構成されている光学回路基板 4 5の温度を有機基板の耐久温度範囲内の 2 5 0度に上昇させ、金錫はんだ膜 4 8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。ダイャ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 1 7 >

第 2 4図に示すように、シリコン製の型 4 0に 4 0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 1 6個分だけ示してある）。この凸部分は、光学回路基板 4 5 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 2 5 0 °Cに加熱し、エッチピット中に金メツキの厚膜を有した型を 4 0個一度に凹部に揷入し、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 4 0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土 1 0 n mであり、反射率は 1 . 5 5 μ mの光に対して 9 5 %以上が得られることがわかった。

ぐ実施例 1 8 >

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 2 5図に示したように、凸状の曲面をもつ凹面成型ツール 4 9 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。 2 5 0 °C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 1 2を形成することが可能であつた。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 2 6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一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！^であった。

ぐ実施例 1 9 >

第 2 7図に示したように、予めサブマウント基板 5 0にマイクロピラミツドミラー 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 2 8図に示すように、光学回路素子 2 7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 9 0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 5 1 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 4 6 と熱圧着することが可能である。

ぐ実施例 2 0 >

シリコンの（ 1 1 1 ) 面と（ 1 0 0 ) 面の角度は 5 4 . 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 2 9図に示す角度をもうけたサブマウント基板 5 0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つた。第 2 9図は垂直方向に反射させた場合の例である。このサブマゥント基板の底面には金属薄膜 5 0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ァレイ導波路を伝搬する伝搬光の一部をモニタ一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、光ァッテネータゃ光アンプ、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ゃ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ォ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。

Claims

請求の範囲

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。

1 0 . 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。

1 1 . 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 1 0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。

1 2 . 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 1 1 に記載のアレイ状光学回路素子。

1 3 . 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 1 1または 1 2に記載のァレイ状光学回路素子。

1 4 . 前記囬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 1 3に記載のァレイ状光学回路素子。

1 5 . 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 1 1ないし 1 4のいずれか 1項に記載の前記ァレィ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。

1 6 . 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つ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 1 1ないし 1 4のいずれか 1項に記載の前記ァ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。

1 7 . 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 1 6に記載の光学回路装置。

1 8 . 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。

1 9 . 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 1 8 に記載の光学回路素子の製造方法。

2 0 . 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 1 9記載の光学回路素子の製造方法。

2 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、ェツ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。

2 2 . 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 1 8 ないし 2 1 のいずれか 1項に記載の光学回路素子の製造方法。

2 3 . 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 2 2に記載の光学回路素子の製造方法。

2 4 . 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 1 8ないし 2 3のいずれか 1項に記載の光学回路素子の製造方法。

2 5 . 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 1 8ないし 2 4のいずれか 1項に記載の光学回路素子の製造方法。

2 6 . ミラ一形成素材が金を 9 0 %以上含む金属であることを特徴とする請求の範囲 1 8ないし 2 5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。

2 7 . 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、ェツ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。

2 8 . 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、四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 2 7 に記載の光学回路素子の製造方法。

2 9 . 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 2 8に記載の光学回路素子の製造方法。

3 0 . 凹面を持つミラーの製造方法であって、請求の範囲 1 8ないし 2 9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つ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。

3 1 . 凹面を持つミラーの製造方法であって、請求の範囲 1 8ないし 2 9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。