(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部基体の上面に、一端が光半導体素子に結合される光導波路体を形成して、該光導波路体の他端側に位置する段差を設け、前記下部基体の前記段差に、下面に光導波路体が形成された上部基体を前記段差に光導波路体を位置させて載せて、前記下部基体の前記光導波路体の光軸と、前記上部基体の前記光導波路体の光軸とを、間に板体もしくは薄膜から成る光学素子を配して位置合わせして成ることを特徴とする光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信や光情報処理に好適に用いられる光モジュール関し、特に基体上に光導波路が形成され、光導波路と光半導体素子、光導波路と光ファイバをそれぞれ正確に位置決め可能な高機能で低損失な光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信や光情報処理の高度化に伴って、半導体レーザやフォトダイオード等の光半導体素子と光ファイバとを無調芯で実装するパッシブアライメントと呼ばれる技術が注目されている。これは、シリコン基板等の異方性エッチングの技術を用いて高精度に形成されたＶ溝と、このＶ溝に対してさらに高精度に形成された光半導体素子搭載用電極または、位置決め用マーカーからなる実装用基板を用いることにより可能となる。
【０００３】
一方、石英系光導波路作製技術についても、火炎堆積法（ＦＨＤ：Flame Hydrolysis Deposition ）やモノシラン（ＳｉＨ４）系の常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、ＴＥＯＳ（Tetraethoxy Silane) −ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition) 法等の技術が確立されており、導波路型光分岐器、光合分波器等の受動デバイスに実用化されている。また、上述のパッシブアライメント技術と組み合わせたＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）プラットフォームについても、加入者系の光デバイスのローコスト化に向けて活発に研究が進められている。この技術は、各種光デバイスの集積化と無調芯化を実現することにより、ローコスト化を目指すもので、特に無調芯化は実装コストを下げる最も重要な要素技術と考えられている。
【０００４】
従来より、光ファイバと光導波路とを無調芯で実装するために、光ファイバ搭載用Ｖ溝と光導波路のコア部とを高精度にパターニングする技術が提案されている。例えば、Ｖ溝パターンと光導波路のコア部のパターニングを同一のマスクを用いて行ない、その作製精度を向上させようとする提案がなされている（特開平９−１３３８２８号公報等を参照）。
【０００５】
また、光導波路と光半導体素子搭載用電極や位置決め用マーカーの高精度パターニング技術についても様々な提案がなされているが、十分な位置決め精度が得られたという報告は少ない（例えば、信学技報ＯＰＥ９６−９、「Ｓｉブロックファイバガイドを用いたＷＤＭ光送受信モジュール」等を参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これに対し、本発明者らは、同一基板上にモノリシックに、光半導体素子搭載用電極またはマーカーと、光分岐結合器や光合分波器等の光導波路と、光伝送用ファイバ搭載用Ｖ溝とを高精度に形成する光実装用基板およびその作成方法について提案した（特願平９−３５８３１４号）。
【０００７】
しかしながら、双方向モジュール等の構成で用いられるように、光導波路中に波長フィルタ等の光学素子を設置する場合、ダイシング溝を形成した後、厚さ数十μｍの光学素子を挿入固定することになる。
【０００８】
この方法では、挿入時に光学素子や導波路端面に傷を付けたり、歩留まりを劣化させたり、生産性を著しく低下させてしまう。また、これを避けるため溝幅を大きくし過ぎると、光学素子の傾き等も含め挿入損失の増加の要因となり、光学特性を劣化させてしまう。また、これを改善するため、分割した導波路基板を、光半導体素子および光ファイバ搭載基板上にハイブリッドに形成する方法が考えらえるが、特性が向上する反面、部品点数が増大する。
【０００９】
さらに、従来の光モジュールは、一枚の基板上にモノリシックに光導波路等を形成し、高価な光半導体素子を搭載するようにしていたので、光モジュールの作製後の検査工程の段階で所望の特性が得られなければ、光モジュール全体が無駄になり問題である。
【００１０】
本発明の目的は、光伝送用ファイバ、光導波路および導波路中に設けられた光学素子、および光半導体素子の位置決めを、簡便かつ高精度に行なえ、しかも高歩留りの光モジュールを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の光モジュールは、下部基体の上面に、一端が光半導体素子に結合される光導波路体を形成して、該光導波路体の他端側に位置する段差を設け、前記下部基体の前記段差に、下面に光導波路体が形成された上部基体を前記段差に光導波路体を位置させて載せて、前記下部基体の前記光導波路体の光軸と、前記上部基体の前記光導波路体の光軸とを、間に板体もしくは薄膜から成る光学素子を配して位置合わせして成ることを特徴とする。
【００１２】
また特に、光学素子の配設面は上部基体および下部基体の光導波路体の光軸に直交する面に対し６°〜８°傾斜させたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る光モジュールの実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１４】
図１（ａ）は本発明の光モジュールＭ１の平面図であり、（ｂ）は光モジュールＭ１の側面図である。なお、ここでは異なる波長を用いた双方向光モジュールを例に説明を行なう。
【００１５】
図１に示すように、光モジュールＭ１は、下部基体１０の上面にモノリシックに形成した光導波路体１３の光接続部（又は、光学素子３０の配設部）での光軸に対し、上部基体２０の下面にモノリシックに形成した光導波路体２１の光軸を、間に板体もしくは薄膜から成る波長フィルタや光アイソレータ等から成る光学素子３０を配して位置合わせしたものであり、後記するように、下部基体１０には光導波路体１３の他端側に位置する段差１４を設け（図２を参照）、下部基体１０の段差１４に、上部基体２０の光導波路体２１を位置させて載せて成る。ここで特に、光学素子３０の配設面は上部基体２０および下部基体１０の光導波路体２１の光軸Ｌに直交する面に対する角度θが６°〜８°傾斜させるとよい。
【００１６】
ここで、上記角度θが６°以上である理由は、光接続部に空間ができた際に反射光が光ファイバに再結合しない臨界角であるからであり、また、８°以下とする理由は、光接続させる場合に両側から押圧して密着させるので、角度が小さいほど押圧力に起因する変位が小さくなるからである。
【００１７】
上記光モジュールＭ１は、具体的には例えば、以下のような構成を採用する。すなわち、発光または受光を行なう光半導体素子（送信用半導体レーザ１１ａと、受信用フォトダイオード１１ｂ）の電極１２ａ，１２ｂ、および光導波路体を成す光分岐回路１３をモノリシックに形成したシリコン等から成る基板（下部基体）１０上に、光半導体素子１１ａ、１１ｂと光分岐回路１３がそれぞれ結合するように形成された第１のユニットＵ１と、光導波路回路の一部２１と、光ファイバ２２を搭載するためのＶ溝２３をモノリシックに形成したシリコン等から成る基板（上部基体）２０上に、導波路回路の出射端と光ファイバ２２が結合するように形成した第２のユニットＵ２を、第１のユニットＵ１の光分岐回路の結合していない他端と、前記第２のユニットＵ２の光導波路回路の結合してない他端同士を、反射型波長フィルタ（光学素子）３０を挟持して、高さ方向は、各々の導波路の表面とコア中心の位置関係を利用して位置決めし、水平方向については、双方に設けられた後記する位置決め用マーカー等を用いて位置決めを行ない固定したものとすることができる。
【００１８】
図２および図３は上記光モジュールＭ１をそれぞれのユニットに分解した様子を示したものであり、図２は第１のユニットＵ１を、図３は第２のユニットＵ２の構成を示したものである。
【００１９】
基板１０の光半導体素子搭載用電極と光導波路コアの高精度形成技術については、前述した公知の方法を用いることにより容易に形成できる。さらに、ここでは第２のユニットＵ２との位置決め用の段差（低位置部）１４を第１のユニットＵ１の光分岐回路１３の他端側に設けてあり、上記段差１４上には第２のユニットＵ２に形成された位置決め用マーカー２５に一致させる位置決め用マーカー１５が形成されている。これらマーカーの高精度形成についても、電極同様、公知のプロセス技術を用いることにより可能となる。なお、マーカーの観察については上記いずれかの基板の裏面より行なうようにするために、例えば基板がシリコンから成るものであれば、赤外光等のシリコンを透過する波長の光を用いる。
【００２０】
図４は本発明の他の実施形態を示したものであり、光モジュールＭ２の水平方向の位置決めに、第１のユニットＵ３の光導波路を長手方向に一部延長し、段差１４の両側に位置決め用ストッパ１６を形成してある。第２のユニットＵ４についても、これにはめ合わせる形状に光導波路体２１の両側に段差２４を設けている。さらに、本実施例では第１のユニットＵ３に位置決め用段差１４を設けているが、第２のユニットＵ４に形成しても構わない。ただし、好ましくは、段差を設けない方の導波路端面を機械的研磨により加工し、しかる後、波長フィルタ等の光学素子３０を挟持または、端面上に一体形成することが好ましい。
【００２１】
図５および図６はさらに他の実施形態を示したものであり、図５に示す光モジュールＭ３は、下部基体３１の上面に１本の直線導波路３３を設け、この直線導波路３３の光軸に対し、上部基体４０の下面に形成した光導波路から成る多分岐器（８分岐）アレイ４１を位置合わせしたものである。ここで、光学素子４４は薄膜から成るものであり、上部基体４０の端面４０ａに形成されている。なお、４５は位置決め用マーカーである。
【００２２】
また、図６に示す光モジュールＭ４は、上記下部基体３１の上面に形成した直線導波路３３の光軸に対し、上部基体４２の下面に形成した光導波路から成る多分岐器（４分岐）アレイ４３を位置合わせしたものであり、光学素子４４は上記と同様に上部基体４２の端面４２ａに薄膜形成されている。なお、５５は位置決め用マーカーである。
【００２３】
このように、光モジュールＭ３，Ｍ４によれば、一つのベース基板を基準に簡便に多分岐アレイを組み合わせることができる上に、良品どうしを組み合わせることによる歩留りを向上させることができる。特に、多分岐アレイは非常に歩留りが悪いので本発明の採用は効果的である。
【００２４】
次に、上記光導波路体の作製方法について詳細に説明する。例えばシリコンや各種セラミックス等の後記する石英系導波路に対して熱膨張係数が近似する材質から成る基板上に、下部クラッド層（厚さ約３０μｍ）を火炎堆積法や各種ＣＶＤ法等により形成する。次に、この下部クラッド層上に、下部クラッド層より屈折率の大きなコア層を形成する。この場合、燐（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、フッ素（Ｆ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）等をＳｉＯ２に添加することにより、クラッド層の屈折率を下げ、コア層に通常のＳｉＯ２を用いる方法と、クラッド層に通常のＳｉＯ２を用いて、コア層に燐（Ｐ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、砒素（Ａｓ）またはエルビウム（Ｅｒ）等から選んだ１種以上の材料をＳｉＯ２に添加して、コア層の屈折率を上げる方法の双方が考えられる。
【００２５】
次に、光導波路のコア部パターンと光半導体素子搭載用電極パターン、または光ファイバ位置決め用Ｖ溝パターンと光導波路のコア部パターンとを含む一枚のマスク（自己整合マスク）を用いてパターニングを行なう。この場合、用いる材料としては、コア部を形成する際のＲＩＥのドライエッチングのマスクとなる、アモルファスシリコンや、ＷＳｉ等の金属材料を用いる必要がある。このパターンを用いて、コア部のパターニングおよびＶ溝用開口部および位置決めマーカー以外の部分のコア層を除去する。
【００２６】
次に、コア層上部の金属マスクのみをエッチングし取り除いた後、上部クラッド層を形成する。この際、前記のマスクが一部基板表面に残したまま上部クラッド層を形成する必要があるため、上部クラッド層の成膜方法としては、この金属に影響を及ぼさないような低温の成膜プロセスが望ましい。例えばＴＥＯＳ−ＣＶＤ等の方法を用いれば、３５０〜４００度程度の低温で、非常に高速に成膜ができるため、本方式には適しているといえる。勿論、導波損失低減のために、成膜後８００度程度の熱処理を行なう必要があるが、成膜後であるため、金属膜に対する影響は極めて小さくなり大きな問題はない。
【００２７】
次に、光導波路部分のみを、前述と同様のマスクを用いてカバーし、上部クラッド層および、Ｖ溝開口部パターンを残し、シリコン基板表面まで、公知の技術を用いて下部クラッド層をドライエッチングする。後は、下部層／上部層がＣｒ／ＡｕやＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の電極パターン成膜を行ない、電極および導波路を含む基板表面を保護膜で覆い、ＫＯＨ溶液またはＥＤＰ（Ethylene Diamine Pyrocatechol ）溶液等を用いてＶ溝部の異方性エッチングを行なう。最後に、公知の機械加工である端面研磨を用いて、端面処理と基板寸法出しを行なえる。すなわち、光突き当て溝端部と、光半導体素子端面からの距離から最適な基板長さを予め計算しておけばよい。
【００２８】
また、光導波回路の形成を低温プロセスで行なう構成とすることで、基板材料と導波路作製材料の熱膨張係数差に起因する、基板のそりや不必要な残留応力がなくなるため、上述した高精度な位置関係が保たれ、なおかつ光導波回路のＰＤＬ等、各種特性への悪影響を回避できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の光モジュールによれば、複雑なプロセスを用いることなく、光半導体素子と光導波路を高精度に位置決めでき、また、同様に光導波路と光ファイバを位置決めでき、良品のユニットのみを組み合わせて光モジュールを組み立てることができるので、効率の良い実装が行なえる。
【００３０】
また、光学素子を挟持または形成する光導波路端面の処理については、公知の機械的な端面研磨技術が用いることができ、またそれらを高精度に位置決めできるため、高効率，高歩留まりの光モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光モジュールを説明する図であり、（ａ）は光モジュールの平面図、（ｂ）はその側面図である。
【図２】（ａ）は第１ユニットの平面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）はその正面図である。
【図３】（ａ）は第２ユニットの平面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）はその正面図である。
【図４】本発明の他の光モジュールを説明する図であり、（ａ）は光モジュールの平面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】本発明の他の光モジュールの平面図である。
【図６】本発明の他の光モジュールの平面図である。
【符号の説明】
１０，３１：基板（下部基体）
１１ａ：発光素子（光半導体素子）
１１ｂ：受光素子（光半導体素子）
１３，２１：分岐回路（光導波路体）
１４：段差（低位置部）
１５，２５：位置決め用マーカー
２０，４０，４２：基板（上部基体）
２２：光ファイバ
３０，４４：光学素子
４１，４３：多分岐器アレイ
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４：光モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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