(57)【要約】【課題】ミラー及びレンズを支持基板の上に一体形成することができる。【解決手段】支持基板１と、光導波路コア３の外周面を包含して支持基板の上部に形成されるクラッド２，４と、クラッド２，４の上部に積層される第１封止層８と第１封止層８の上部に積層される第２封止層９とで構成される封止層とを備え、光導波路コア３、クラッド２，４及び前記封止層の一部は、光導波路コア３の光路を変換する光路変換部１６を構成し、光路変換部１６は、光導波路コア３の端部３ａと、端部３ａの外周面を包含するクラッド端部２ａ，４ａと、第２封止層９の下面に形成された第１曲面１３と上面に形成された第２曲面１４とが対向するレンズ１５と、端部３ａとレンズ１５との間で光の伝搬方向を変換し、クラッド２，４の断面に形成されたミラー１２とから構成されている。【選択図】図１
2020052067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、
光導波路コアの外周面を包含して前記支持基板の上部に形成されるクラッドと、
前記クラッドの上部に積層される第１封止層と該第１封止層の上部に積層される第２封止層とで構成される封止層とを備え、
前記光導波路コア、前記クラッド及び前記封止層の一部は、前記光導波路コアの光路を変換する光路変換部を構成し、
前記光路変換部は、
前記光導波路コアの端部と、
前記端部の外周面を包含するクラッド端部と、
前記第２封止層の下面に形成された第１曲面と上面に形成された第２曲面とが対向するレンズと、
前記端部と前記レンズとの間で光の伝搬方向を変換し、前記クラッドの断面に形成されたミラーと、
から構成されている
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光導波路モジュールであって、
前記第２封止層の屈折率は、前記第１封止層の屈折率よりも大きく、
前記レンズは、両凸レンズである
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項３】
請求項２に記載の光導波路モジュールであって、
前記第２曲面は、空気に露出しており、
前記第２曲面の曲率半径は、前記第１曲面の曲率半径よりも長い
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の光導波路モジュールであって、
前記レンズの焦点と前記端部での入出射光の光路とが前記ミラーの表面で一致する
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４の何れか一項に記載の光導波路モジュールであって、
前記端部の反対側端部に搭載又は形成された光電変換素子を備える
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５の何れか一項に記載の光導波路モジュールであって、
前記端部は、前記光導波路コアの光軸に直交する直交面が形成されている
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項７】
支持基板と、
光導波路コアの外周面を包含して前記支持基板の上部に形成されるクラッドと、
前記クラッドの上部に積層される第１封止層と該第１封止層の上部に積層される第２封止層とで構成される封止層とを備え、
前記光導波路コア、前記クラッド及び前記封止層の一部は、前記光導波路コアの光路を変換する光路変換部を構成し、
前記光路変換部は、
前記光導波路コアの端部を形成し、前記第１封止層が充填される断面視で三角形状の切欠き部と、
前記第２封止層の下面に形成された第１曲面と上面に形成された第２曲面とが対向するレンズと、
前記切欠き部の光導波路コアの端部に対向する面に形成され、前記光導波路コアと前記レンズとの間で光の伝搬方向を変換するミラーと、
から構成されている
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の光導波路モジュールであって、
前記レンズの光軸上に光ファイバを接続する光コネクタが配設される
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路モジュールに関し、例えば、シリコン細線光導波路とシングルモードファイバとをモード結合するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコン細線光導波路は、シリコンをコアに用いて、クラッドとの比屈折率を高くした光導波路である。また、シリコン細線光導波路は、曲げ半径を小さくできるので微小デバイスの作製が可能である。しかしながら、単一モード条件を満たすシリコンコアの断面寸法は０．３μｍ程度と小さいので、単に、光導波路端面と光ファイバとを突き合わせるだけでは高効率な結合を実現することはできない。
【０００３】
そこで、特許文献１は、半導体レーザと光ファイバとの間に、第１レンズ（ボールレンズ）と、ミラーと、第２レンズとを仲介した光モジュールを開示している。なお、この光モジュールで使用するミラーは、半導体レーザの光軸と光ファイバの光軸とを直交させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２０２１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、ボールレンズ及びミラーを半導体レーザ（半導体デバイス）の外部に配設しているため、空間的にスペースが占有されてしまうという問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ミラー及びレンズが支持基板の上に一体形成された光導波路モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明の光導波路モジュール（１００）は、支持基板（１）と、光導波路コア（３）の外周面を包含して前記支持基板の上部に形成されるクラッド（２，４）と、前記クラッドの上部に積層される第１封止層（８）と該第１封止層の上部に積層される第２封止層（９）とで構成される封止層とを備え、前記光導波路コア、前記クラッド及び前記封止層の一部は、前記光導波路コアの光路を変換する光路変換部（１６）を構成し、前記光路変換部は、前記光導波路コアの端部（３ａ）と、前記端部の外周面を包含するクラッド端部（２ａ，４ａ）と、前記第２封止層の下面に形成された第１曲面（１３）と上面に形成された第２曲面（１４）とが対向するレンズ（１５）と、前記端部と前記レンズとの間で光の伝搬方向を変換し、前記クラッドの断面に形成されたミラー（１２）と、から構成されていることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。
【０００８】
これによれば、ミラー及びレンズを含む光路変換部は、光導波路コア、クラッド及び封止層に形成される。つまり、光導波路コア及びクラッドから構成される光導波路と、ミラーと、レンズとが支持基板の上に一体形成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ミラー及びレンズを支持基板の上に一体形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態である光導波路モジュールの構成図である。
【図２Ａ】本実施形態の光導波路モジュールを作成する作成方法を説明する説明図（１）である。
【図２Ｂ】本実施形態の光導波路モジュールを作成する作成方法を説明する説明図（２）である。
【図２Ｃ】本実施形態の光導波路モジュールを作成する作成方法を説明する説明図（３）である。
【図２Ｄ】本実施形態の光導波路モジュールを作成する作成方法を説明する説明図（４）である。
【図２Ｅ】本実施形態の光導波路モジュールを作成する作成方法を説明する説明図（５）である。
【図２Ｆ】本実施形態の光導波路モジュールを作成する作成方法を説明する説明図（６）である。
【図２Ｇ】本実施形態の光導波路モジュールを作成する作成方法を説明する説明図（７）である。
【図３】本発明の参考例である光導波路モジュールの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
【００１２】
（実施形態）
（構成の説明）
図１は、本発明の実施形態である光導波路モジュールの構成図である。
光導波路モジュール１００は、支持基板１と、クラッドとしてのボックス層２と、光導波路コア３と、クラッドとしてのオーバクラッド層４と、光電変換素子としての半導体レーザ６と、第１封止層８と、第２封止層９と、ミラー１２とを備え、光コネクタ２１を介してシングルモードファイバ２０に接続される。また、支持基板１１の上に半導体レーザ６が搭載されている。なお、支持基板１と、クラッドとしてのＳｉＯ２ボックス層２と、光導波路コア３とでＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１０を構成する。また、光導波路モジュール１００と、光コネクタ２１（特に、レセプタ）とで光通信装置（図示せず）を構成する。
【００１３】
支持基板１は、例えば、Ｓｉ基板である。ボックス層２は、支持基板１の表面に積層されるＳｉＯ２層であり、クラッドとして機能する。光導波路コア３は、ＳｉＯ２ボックス層２の表面に積層されるＳｉであり、外周面がボックス層２及びオーバクラッド層４のクラッドに接している。つまり、光導波路コア３は、外周面がクラッドに包含されている。オーバクラッド層４は、ボックス層２の表面、及び光導波路コア３の表面に積層されるＳｉＯ２層であり、クラッドとして機能する。
【００１４】
光導波路コア３は、一端側に半導体レーザ６の出射光が入射し、他端側にミラー１２が配設されている。ミラー１２は、光導波路コア３の光軸に対して４５度傾斜しており、半導体レーザ６の出射光をクラッド側（積層面に垂直な方向）に方向変換（偏向）させる。ミラー１２は、ボックス層２と、光導波路コア３と、オーバクラッド層４とに形成された断面視三角形状の切欠き部（凹部）の傾斜面に配設されている。該切欠き部の鉛直面（積層面に垂直な面）は、少なくとも、ボックス層２の端面２ａ、光導波路コア３の端面３ａ、及びオーバクラッド層４の端面４ａから構成されており、面一である。該切欠き部は、第１封止層８により充填されている。言い換えれば、第１封止層８は、断面視三角形状の充填部が形成されている。なお、該切欠き部の傾斜面側は、光導波路コア３が形成されておらず、支持基板１の上にボックス層２とオーバクラッド層４とが積層されている。なお、端面２ａ，４ａを含む部位をクラッド端部と表現し、端面３ａを含む部位を端部（コア端部）と表現する。また、端面３ａを光導波路コア３の光軸に直交する直交面とも表現する。
【００１５】
第１封止層８は、屈折率ｎ１の透明樹脂である。第２封止層９は、第１封止層８の上部に積層される屈折率ｎ２（ｎ２＞ｎ１）の透明樹脂である。第１封止層８は、例えば、フッ素樹脂（ｎ１≒１．３５）である。第２封止層９は、例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ｎ２＝１．５０〜１．７６）である。第２封止層９は、ミラー１２の上方に両凸レンズ１５が形成されている。両凸レンズ１５は、下面に球面状の第１曲面１３が形成されており、上面に球面状の第２曲面１４が形成されている。つまり、第１封止層８は、上面に第１曲面１３と同一形状の面が形成されている。
【００１６】
また、両凸レンズ１５は、第２曲面１４の曲率半径ｒ２が第１曲面１３の曲率半径ｒ１よりも長く形成されている。両凸レンズ１５は、第１曲面１３の主点及び第２曲面１４の主点間の間隔をｄとしたとき、間隔ｄを長くするほど、焦点距離ｆが短くなる。なお、第２曲面１４は、空気に露出している。
【００１７】
両凸レンズ１５は、その焦点と光導波路コア３の端面３ａからの出射光の光路とがミラー１２の表面で一致する位置に配設されている。このため、光導波路コア３の端面３ａで出射した出射光は、ミラー１２の表面で反射する。このとき、光導波路コア３の端面３ａで出射する出射光は、所定の広がり角を有しているので、ミラー１２での反射光も所定の出射角を有している。ミラー１２での反射光は、両凸レンズ１５の第１曲面１３及び第２曲面１４で屈折し、略平行光になって、シングルモードファイバ２０に入射する。
【００１８】
つまり、光導波路コア３の端部（コア端部）は、オーバクラッド層４を切り欠いた切欠き部内に充填される充填部に連続している。このため、光導波路コア３から出射した出射光は、充填部を介してミラー１２に到達し、ミラー１２で反射した反射光は、第１封止層８を透過して両凸レンズ１５に入射する。
【００１９】
また、光導波路コア３の光軸に対するミラー１２の傾斜角が４５度から僅かにズレていても、略平行光になって、シングルモードファイバ２０に入射する。なお、シングルモードファイバ２０に入射される平行光のスポットサイズは、光導波路コア３の端面３ａからの出射光のスポットサイズよりも大きい。つまり、両凸レンズ１５は、スポットサイズ変換器としての機能を有している。また、第１曲面１３や第２曲面１４の曲率半径ｒ１，ｒ２や主点間の間隔ｄを最適化することにより、第２曲面１４で屈折して出射する略平行光の径をシングルモードファイバ２０のコア径に近似させることができる。
【００２０】
（製造方法）
図２Ａ〜図２Ｇは、本実施形態の光導波路モジュールを作成する作成方法を説明する説明図である。なお、ここでは、半導体レーザ６の形成の説明を省略する。
図２Ａ（ＳＰ１）において、まず、シリコンからなる支持基板１と、支持基板１上に形成された厚さ３μｍ程度の熱酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなるボックス層２と、ボックス層２上に形成された厚さ０．３μｍ程度の単結晶シリコン層５とからなるＳＯＩ基板１０を用意する。
【００２１】
図２Ｂ（ＳＰ２）において、単結晶シリコン層５は、従来周知のリソグラフィとエッチングによって、加工され、光導波路コア３が形成される。これにより、光導波路コア３以外の領域のボックス層２が露出する。なお、光導波路コア３の幅は３００ｎｍ程度とする。
【００２２】
図２Ｃ（ＳＰ３）において、ＳＯＩ基板１０のボックス層２及び光導波路コア３は、その表面に、従来周知のＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて、熱酸化シリコンと同程度の屈折率のシリコン酸化膜が３μｍ程度で堆積され、オーバクラッド層４が形成される。
【００２３】
さらに、カット面が４５度に加工され、先端部が三角形状のダイシングソー２５を用いて、光導波路コア３の端部の位置（端面３ａの位置）で、少なくともボックス層２及びオーバクラッド層４が切断され、断面視三角形状の切欠き部が形成される。該切欠き部は、図２Ｅに示すボックス層２の端面２ａ、光導波路コア３の端面３ａ、及びオーバクラッド層４の端面４ａと、傾斜面１２ａ（図２Ｄ）を形成している。
【００２４】
図２Ｄ（ＳＰ４）において、従来周知のリソグラフィとエッチングを用いて、例えば、Ａｕを用いた反射膜１１を４５度の傾斜面１２ａに形成する。これにより、ミラー１２が形成される。
【００２５】
図２Ｅ（ＳＰ５）において、従来周知のコーティングを用いて、光導波路コア３から出射する光の波長において適切な屈折率の樹脂を用いて、第１封止層８を形成する。なお、第１封止層８は、表面研磨によって平坦化させる。そして、従来周知のグレースケールマスクを用いたリソグラフィとエッチングを用いて、第１曲面１３を形成する。
【００２６】
図２Ｆ（ＳＰ６）において、従来周知のコーティングを用いて、第１封止層８は、その上面に第２封止層９が堆積される。そして、第２封止層９の表面波、表面研磨による平坦化が行われる。さらに、従来周知のグレースケールマスクを用いたリソグラフィとエッチングを用いて、第２曲面１４が形成される。これにより、第１曲面１３及び第２曲面１４を有する両凸レンズ１５が形成される。
【００２７】
（動作の説明）
光導波路コア３の端面３ａから出射した出射光は、第１封止層８の充填部を伝搬し、ミラー１２に到達し、９０度の方向転換を行う。そして、第１曲面１３の短い曲率半径の屈折で、モード径が拡大され、第２封止層９を伝搬する。さらに、第２曲面１４の長い曲率半径の屈折で、シングルモードファイバ２０（図１）とモード径をマッチングさせる。
【００２８】
（参考例）
図３は、本発明の参考例である光導波路モジュールの構成図である。
光導波路モジュール１０１は、半導体レーザ６と、４５度ミラー３１と、ボールレンズ３０とを備え、光コネクタ２１を介して、シングルモードファイバ２０に接続される。
【００２９】
半導体レーザ６は、活性層が形成された光導波路コア３が化合物半導体基板３２に積層されている。半導体レーザ６から出射されたレーザ光は、４５度ミラー３１を用いて、光路を９０度変換し、ボールレンズ３０に入射する。ボールレンズ３０は、４５度ミラー３１で反射した反射光を集光し、シングルモードファイバ２０に入射させる。
【００３０】
以上のように、本実施形態の光導波路モジュール１００（図１）によれば、光路を９０度変換させるミラー１２と、短い曲率半径の第１曲面１３の屈折でモード径を拡大させる下に凸な第１曲面１３とシングルモードファイバ２０とモード径をマッチングさせる上に凸な第２曲面１４による両凸レンズ１５がチップと一体的に形成されているため，スポットサイズを変換させるために，外部に４５度ミラー３１（図３）とボールレンズ３０（図３）を設置して空間的スペースを占有してしまうという問題点が解消される。また、第２封止層９の両面に凸な曲面（第１曲面１３、第２曲面１４）が形成されるため、容易に波長に合わせた焦点の選択ができる。
【００３１】
（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記実施形態では、両凸レンズ１５（第２封止層９）や第１封止層８の素材に樹脂を用いたが、ＳｉＯ２膜（屈折率１．５４〜１．５５）を用いることも可能である。
【００３２】
（２）前記実施形態では、光電変換素子として半導体レーザ６を用いたが、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）でも構わず、フォトダイオード等の受光素子でも構わない。受光素子の場合、シングルモードファイバ２０のクラッドから出射した平行光は、両凸レンズ１５で集光し、ミラー１２が光導波路コア３の端面３ａに向けて反射させる。また、受光素子であれば、シリコンの支持基板１に形成することができる。つまり、シリコンの支持基板１に化合物半導体の半導体レーザ６を搭載することなく、シリコンの受光素子を形成することができる。なお、通信用波長（例えば、１．３３μｍ、１．５５μｍ）であれば、吸収領域をＧｅにすればよい。
【００３３】
（３）前記実施形態では、第１曲面１３及び第２曲面１４を球面とし、両凸レンズ１５を構成したが、第１曲面１３及び第２曲面１４の何れか一方を平面とし、片面レンズとしても構わない。つまり、第１曲面１３及び第２曲面１４は、曲率半径を無限大とする平面を含めた概念とする。
【符号の説明】
【００３４】
１  支持基板
２  ボックス層（クラッド）
２ａ  端面（クラッド端部）
３  光導波路コア
３ａ  端面（端部、直交面）
４  オーバクラッド層（クラッド）
４ａ  端面（クラッド端部）
５  単結晶シリコン層
６  半導体レーザ（光電変換素子）
８  第１封止層
９  第２封止層
１２  ミラー
１２ａ  傾斜面
１３  第１曲面
１４  第２曲面
１５  両凸レンズ
１６  光路変換部
２０  シングルモードファイバ
２１  光コネクタ
１００，１０１  光導波路モジュール
【図１】
2020052067.tif 000003
【図２Ａ】
2020052067.tif 000004
【図２Ｂ】
2020052067.tif 000005
【図２Ｃ】
2020052067.tif 000006
【図２Ｄ】
2020052067.tif 000007
【図２Ｅ】
2020052067.tif 000008
【図２Ｆ】
2020052067.tif 000009
【図２Ｇ】
2020052067.tif 000010
【図３】
2020052067.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月17日(2019.10.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、
光導波路コアの外周面を包含して前記支持基板の上部に形成されるクラッドと、
前記クラッドの上部に積層される第１封止層と該第１封止層の上部に積層される第２封止層とで構成される封止層とを備え、
前記第２封止層の屈折率は、前記第１封止層の屈折率よりも大きく、
前記光導波路コア、前記クラッド及び前記封止層の一部は、前記光導波路コアの光路を変換する光路変換部を構成し、
前記光路変換部は、
前記光導波路コアの端部と、
前記端部の外周面を包含するクラッド端部と、
前記第２封止層の下面に形成された第１曲面と上面に形成された第２曲面とが対向する両凸レンズと、
前記端部と前記両凸レンズとの間で光の伝搬方向を変換し、前記クラッドの断面に沿って形成されたミラーと、
から構成されている
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光導波路モジュールであって、
前記端部は、前記光導波路コアの光軸に直交する直交面が形成されている
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光導波路モジュールであって、
前記第２曲面は、空気に露出しており、
前記第２曲面の曲率半径は、前記第１曲面の曲率半径よりも長い
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光導波路モジュールであって、
前記両凸レンズの焦点と前記端部での入出射光の光路とが前記ミラーの表面で一致する
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の光導波路モジュールであって、
前記端部の反対側端部に搭載又は形成された光電変換素子を備える
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の光導波路モジュールであって、
前記光導波路コアは、Ｓｉである
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項７】
支持基板と、
光導波路コアの外周面を包含して前記支持基板の上部に形成されるクラッドと、
前記クラッドの上部に積層される第１封止層と該第１封止層の上部に積層される第２封止層とで構成される封止層とを備え、
前記第２封止層の屈折率は、前記第１封止層の屈折率よりも大きく、
前記光導波路コア、前記クラッド及び前記封止層の一部は、前記光導波路コアの光路を変換する光路変換部を構成し、
前記光路変換部は、
前記光導波路コアの端部を形成し、前記第１封止層が充填される断面視で三角形状の切欠き部と、
前記第２封止層の下面に形成された第１曲面と上面に形成された第２曲面とが対向する両凸レンズと、
前記切欠き部の光導波路コアの端部に対向する面に形成され、前記光導波路コアと前記両凸レンズとの間で光の伝搬方向を変換するミラーと、
から構成されている
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の光導波路モジュールであって、
前記両凸レンズの光軸上に光ファイバを接続する光コネクタが配設される
ことを特徴とする光導波路モジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明の光導波路モジュール（１００）は、支持基板（１）と、光導波路コア（３）の外周面を包含して前記支持基板の上部に形成されるクラッド（２，４）と、前記クラッドの上部に積層される第１封止層（８）と該第１封止層の上部に積層される第２封止層（９）とで構成される封止層とを備え、前記第２封止層の屈折率は、前記第１封止層の屈折率よりも大きく、前記光導波路コア、前記クラッド及び前記封止層の一部は、前記光導波路コアの光路を変換する光路変換部（１６）を構成し、前記光路変換部は、前記光導波路コアの端部（３ａ）と、前記端部の外周面を包含するクラッド端部（２ａ，４ａ）と、前記第２封止層の下面に形成された第１曲面（１３）と上面に形成された第２曲面（１４）とが対向する両凸レンズ（１５）と、前記端部と前記レンズとの間で光の伝搬方向を変換し、前記クラッドの断面に沿って形成されたミラー（１２）と、から構成されていることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。