(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が平坦なシリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成した光導波路と、
前記シリコン基板上に前記光導波路のクラッド部分を除去して形成した光素子搭載部と、
前記光素子搭載部上に形成した絶縁層と、
前記光導波路と光学的に結合されるように前記絶縁層を介して前記光素子搭載部に搭載した光素子とを有し、
前記絶縁層の厚さは前記光導波路のコアと前記光素子の活性層の中心の高さが一致するよう調整され、
前記絶縁層が前記光導波路のコアを上から覆うオーバークラッドと連続一体化していることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記絶縁層が有機材料によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記光導波路の端面と前記光素子の端面の間に該光素子の作動光波長において透明な樹脂を介在させていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面光導波回路を用いた光回路部品であって、特に光素子搭載する基板の作製を容易にする構造を有する光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン基板上に形成した光導波路のクラッド部分を取り除いて光素子搭載部を形成した光素子搭載基板を用いた従来の光モジュールでは、光導波路と光素子の活性層の高さを合わせるために凹凸のあるシリコン基板が用いられてきた（例えば橋本他、“ＰＬＣプラットフォーム上へのパッシブアライメントによるＬＤ，モニターＰＤの搭載”、１９９６年電子情報通信学会総合大会Ｃ−２０６、ｐ２０６（１９９６））。図６に、このような従来技術を用いた光モジュールの構成例を示す。図６の（ａ）はその斜視図、図６の（ｂ）はその縦断面図である。光素子搭載部４は、凹凸を有するシリコン基板１上に形成された、光導波路のクラッド及び導波路コア部分を取り除いて光素子を固定するための半田層（半田膜）６−１及び電気配線６−２を堆積して形成する。光素子７はこの光素子搭載部４の部分にフリップチップボンディングにより搭載され、ハイブリッド集積される。
【０００３】
このとき、光導波路と光素子７との光軸の位置合わせに際して、基板１の面内（横、前後）の位置合わせはマーク２０を使って自動認識で行い、高さ方向に関してはシリコン基板凸部１−１の表面と光導波路コア２−２中心との高さの差と等しくなるように、光素子７の表面（基板１に対向する面）から光素子の活性層７−１までの距離を調整することで行なっている。
【０００４】
ここで、光導波路コア２−２とクラッド２−１との屈折率差を使った光導波路では、光の電界が導波路コア２−２の外側に広がっているため、基板であるシリコン１に光を逃がさないためには、光導波路のアンダークラッド２−１（ａ）の厚みを十分にとる必要がある。例えば、通信用に用いられる石英系光導波路の場合のアンダークラッド２−１（ａ）の厚みは２０μｍ程度になっている。一方、光半導体素子は光導波路のコアとクラッドを基板上にエピタキシャル成長させるために、２０μｍもの堆積は非常に困難で、導波路構造部分を埋め込んでも基板表面から導波路（活性層）構造部までの距離は高々５μｍ程度である。このため、上記高さを合わせるために、従来では、シリコン基板１に凹凸を設け、その凸部分１−１に光素子７を搭載する構造がとられてきた。
【０００５】
図７に、このような従来技術による光モジュールの作製工程を示す。最初にシリコン基板１に凹凸を設け（図７の（１））、アンダークラッド２−１（ａ）を形成し（図７の（２））、光導波路コア２−２を形成し（図７の（３））、オーバークラッド２−１（ｂ）を形成する（図７の（４））。次に、不要クラッド、コアを除去することで光素子搭載部４を形成し（図７の（５））、光素子搭載部４であるシリコン基板凸部１−１上にパッシベーション膜５を形成し、この膜５上に電気配線６−２と半田層６−１を形成する（図７の（６））。このとき、基板１が凹凸であるため、光導波路の作製が困難であった。さらに、光導波路コア２−２と光素子７の光軸（光素子活性層）７−１の高さ調整のためのバファ層２−４を設ける必要があり（図７の（３））、作製工程が煩雑であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、シリコン基板上に形成した光導波路の光素子搭載部を形成した光素子搭載基板を用いた従来の光モジュールでは、シリコン基板に凹凸を設け、この凸部分に光素子を搭載する構造がとられていたので、作製工程が複雑になるという解決すべき課題があった。
【０００７】
本発明の目的は、光モジュールにおいて、上述の様な複雑な構造を用いずに光導波路と光素子活性層の高さを一致させることの可能な構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の光モジュールの発明は、表面が平坦なシリコン基板と、前記シリコン基板上に形成した光導波路と、前記シリコン基板上に前記光導波路のクラッド部分を除去して形成した光素子搭載部と、前記光素子搭載部上に形成した絶縁層と、前記光導波路と光学的に結合されるように前記絶縁層を介して前記光素子搭載部に搭載した光素子とを有し、前記絶縁層の厚さは前記光導波路のコアと前記光素子の活性層の中心の高さが一致するよう調整され、前記絶縁層が前記光導波路のコアを上から覆うオーバークラッドと連続一体化していることを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記絶縁層が有機材料によって形成されていることを特徴とすることができる。
【００１３】
また、前記光導波路の端面と前記光素子の端面の間に該光素子の作動光波長において透明な樹脂を介在させていることを特徴とすることができる。
【００１４】
［作用］
本発明では、上記構成で絶縁層（実施形態のパッシベーション膜）の厚さを調整することで、シリコン基板上に形成した光導波路のクラッド部分を取り除いて光素子搭載部を形成した光素子搭載基板に対して、シリコン基板を凹凸に加工することなく、光導波路のコアと光素子の活性層の高さを調整することが可能となる。また、絶縁層をオーバークラッドとして用いることにより、電界の閉じこめ構造を簡易に作製することができる。また、その絶縁層に有機材料を用いることで作製がさらに簡易になる。また、光導波路の端面と光素子の端面の間に光素子の作動光波長において透明な樹脂を介在させることで、光の直進が確保され、光導波路のコアから出射した光が光素子の活性層に確実に入射できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１６】
［第１の実施形態］
図１の（ａ）は本発明の前提を示し、図１の（ｂ）は本発明の第１の実施形態の光モジュールの構成を示す。
【００１７】
従来では、前述の図６で示したように、光素子７の活性層７−１と光導波路のコア２−２との光軸調整のために凹凸のあるシリコン基板１を用いていた。
【００１８】
これに対し、本実施形態では以下に示すように、石英系光導波路を平坦なシリコン基板１上に形成した。これにより、凹凸の加工に要する手間が省けるのみならず、その後の工程においても、段差がないので作製歩留まりの向上や、作製工程が容易になる。
【００１９】
また、本実施形態では、光導波路コア２−２として、クラッド部分２−１との屈折率差が約０．４％、コア２−２の断面形状が７μｍ×７μｍのものを用いた。このときの電界の広がりはピーク強度のＩ／ｅ2になるところの直径で約９μｍであるから、光導波路コア２−２とシリコン基板１の間隔をこの距離よりも広げて、光強度のプロファイルの裾がシリコン基板１に掛かからないようにする必要がある。本実施形態における検討では、導波路の伝搬損失も含めて全体としての損失を０．２ｄＢ／ｃｍ程度の損失に抑えるためには約１５μｍ程度コアの中心を基板から離す必要があった。このとき、図１（ａ）に示すように、そのまま、光素子７を搭載する光素子７のチップの表面から活性層７−１までの距離は約７μｍであって、上記１５μｍに対し８μｍ以上の差があった。
【００２０】
そこで、本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、絶縁層であるパッシベーション膜５として、約５μｍの厚みの石英ガラスを堆積し、さらに、３μｍの半田層６−１を堆積した。これにより、光導波路コア２−２と光素子７の活性層７−１の高さが完全に一致する。
【００２１】
ここで、図２（ａ）に示すように、パッシベーションとして堆積した膜５は光導波路の端面２−３にも付着し、かつ、その厚みが不均一であるため、光が屈折し光軸１０がずれるおそれが発生する。この点を解決するために、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、光素子７と光導波路端面２−３の間隙に透明な樹脂８を注入した。この樹脂８の注入により、導波路端面２−３に付着した石英ガラス膜（パッシベーション膜）５の表面と透明樹脂８の界面での屈折率不整合は、解消されるため、光導波路コア２−２から出射した光はほぼ直進して光素子７の活性層７−１に入射する。ここで用いた樹脂８は石英ガラスの屈折率１．４４に極めて近い屈折率が１．４３の透明なシリコーン樹脂である。この樹脂８には光素子７の封止の効果もある。
【００２２】
以上のように、絶縁層であるパッシベーション膜５の膜厚を調整することにより、凹凸を有するシリコン基板を用いることなく、光導波路２と光素子７の高さ方向の位置合わせが可能となる。また、光素子７と光導波路２の間隙に透明な樹脂８を注入することで、光導波路２と光素子７の光結合を遮ることなく、光導波路端面２−３に付着した石英ガラス膜５の膜厚の不均一性の影響を実質的に無くすことができる。
【００２３】
［第２の実施形態］
図３は本発明の第２の実施形態の光モジュールの作製工程を示す。光導波路は第１の実施形態と同様に、シリコン基板１上に形成した石英系光導波路である。
【００２４】
まず、表面が平坦なシリコン基板１上に、アンダークラッド２−１（ａ）と光導波路コア２−２を形成したのち（図３の（１））、光素子搭載部４のアンダークラッド２−１（ａ）およびコア部分２−２をエッチングし、除去する（図３の（２））。ここで、アンダークラッド２−１（ａ）、光導波路コア２−２の構造は第１の実施形態と同様である。したがって、光導波路コア２−２の中心部のシリコン基板１からの高さは約１５μｍである。
【００２５】
この状態において、約５μｍの厚みの石英ガラス膜５を堆積し（図３の（３））、さらに、３μｍの電気配線／半田層６を堆積した（図３の（４））。ここで、堆積した５μｍの石英ガラス膜５はオーバークラッド２−１（ｂ）として機能するようにコア部分よりも約０．４％低い屈折率のものを用いた。これにより、この石英ガラス膜５はオーバークラッドの機能とパッシベーション膜の機能とを有することとなる。
【００２６】
これに第１の実施形態と同様の光素子７を搭載し、後に１０μｍ厚の透明シリコーン樹脂８を塗布した（図３の（５））。ここで、透明樹脂８も石英ガラス膜５と同一の屈折率の有するものを用いて、電界の分布形状を歪ませないようにした。さらに、透明樹脂８を石英ガラス膜５よりも低い屈折率を持たせることにより、光の閉じこめをきつくすることも可能である。これにより、光導波路オーバークラッドを形成する工程とパッシベーション膜を形成する工程が一回の堆積工程ででき製作工程が極めて簡単になる。
【００２７】
さらに、透明樹脂８は導波路の第２のオーバクラッド２−１（ｂ）としての機能するのみならず、作製工程で平滑化した光導波路端面での屈折を抑制する働きも有する。
【００２８】
以上のように、本発明を用いれば、凹凸を有するシリコン基板を用いることなく、かつ、パッシベーション膜と光導波路クラッドを一括して作製することが可能となり作製工程が極めて単純になる。
【００２９】
なお、本実施形態ではパッシベーション膜５として石英ガラス膜を用いているがシリコーンおよびポリイミドなどの有機材料を用いても良い。パッシベーション膜５として樹脂を用いた場合には、スピンコートなどで塗布すればよく、極めて簡単に作製することが可能となる。
【００３０】
［第３の実施形態］
図４は本発明の第３の実施形態の光モジュールの作製工程を示す。光導波路は第１の実施形態と同様にシリコン基板１上に形成した石英系光導波路である。
【００３１】
まず、平坦なシリコン基板１上にアンダークラッド２−１（ａ）、光導波路コア２−２、オーバークラッド２−１（ｂ）をそれそれ形成したのち（図４の（１））、光素子搭載部４のクラッドおよびコア部分をエッチングし、除去する（図４の（２））。ここで、アンダークラッド２−１（ａ）、光導波路コア２−２の構造は第１の実施形態と同様である。したがって、光導波路コア２−２中心部のシリコン基板１からの高さは約１５μｍである。本例では、光導波路のエッチングに要する時間が短縮するので、オーバークラッド２−１（ｂ）の厚みを通常の２０μｍよりも薄い５μｍとした。
【００３２】
この状態において、約４μｍの厚みの石英ガラス膜５を堆積し（図４の（３））、さらに、３μｍの電気配線／半田層６を堆積した（図４の（４））。これに第１の実施形態と同様の光素子７を搭載し、後に１０μｍ厚の透明シリコーン樹脂８を塗布した（図４の（５））。ここで、堆積した４μｍの石英ガラス膜５はオーバークラッド２−１（ｂ）よりも約０．２％低い屈折率のものを用いた。これにより、この石英ガラス膜５は第２のオーバークラッドの機能とパッシベーション膜の機能とを有することになる。
【００３３】
石英ガラス膜５の第２のオーバークラッドの機能において、石英ガラス膜５は光導波路コア２−２の周囲の第１のオーバクラッドよりも屈折率が低いため、図４の（６）に示すように、第１のオーバクラッドから第２のオーバクラッドに漏れた光の分布は、第１のオーバクラッド中よりも急激に減衰する。従って、第１のオーバークラッド２−１（ｂ）は上述のように比較的薄いオーバクラッドであるが、石英ガラス膜５の第２のオーバクラッドの表面まで電界が到達せずに、第２のオーバクラッドに電気配線６−２を形成しても、光導波路の特性の変化がほとんど生じない。このように第１のオーバクラッド２−１（ｂ）を薄くすることは、本実施形態の光素子実装基板の作製工程において、エッチング工程が短くなること、基板内の段差が減少し、光モジュールの作製が容易になるという２つの利点がある。
【００３４】
以上のように、本発明を用いれば、凹凸を有するシリコン基板を用いることなく、かつ、第２のオーバークラッドの機能とパッシベーション膜の機能とを有するガラス膜を形成することにより、加工を簡便にすることが可能となる。
【００３５】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態は、上記の本発明の第３の実施形態と同様にしてシリコン基板上に石英系ガラス光導波路を作製した後、光素子搭載部を設けるためコア、クラッド部を除去した。その後、パッシベーション膜として石英ガラス膜を堆積するかわりに、シリコーン樹脂（屈折率１．４３）をスピンコートにより塗布してパッシベーション膜とし、その後、同じシリコーン樹脂を注入することにより光素子等を封止し、本発明の光モジュールを作製した。
【００３６】
以上のように、本発明を用いれば、更に光素子搭載部をもった光導波路基板の作製が容易となる。
【００３７】
［第５の実施形態］
図５は本発明の第５の実施形態の光モジュールの断面構造を示す。
【００３８】
まず、上述の本発明の第３の実施形態と同様にして、シリコン基板１上に石英系ガラス光導波路２−１（ａ），２−２，２−１（ｂ）を作製した後、光素子搭載部（４）を設けるためコア２−２、クラッド部２−１（ｂ）を除去した。
【００３９】
その後、パッシベーション膜として石英ガラス膜を堆積するかわりに感光性シリコーン樹脂９（屈折率１．４３）をスピンコートにより塗布してその後、光導波路の導波路端面２−３に付着する樹脂９の部分はマスク越しに露光して現像により除去し、その他の樹脂部分９をパッシベーション膜として残した。
【００４０】
その後、上記第３の実施形態と同様の工程により、クラッド部２−１よりも屈折率の低い透明なシリコーン樹脂８（屈折率１．４３）を注入することにより、光素子７等を封止し、本発明の光モジュールを作製した。
【００４１】
以上のように、本発明を用いれば、更に光素子搭載部をもった光導波路基板の作製が容易となり、さらに、樹脂の加工性の良さから導波路端面へのパッシベーション膜の付着を防ぐことが可能となる。
【００４２】
［第６の実施形態］
上述の本発明の第５の実施形態における感光性シリコーン樹脂９の代わりに感光性ポリイミド樹脂（屈折率１．６）を用いても同様に本発明の光モジュールを作製することが可能である。但し、この場合には、ポリイミド樹脂の屈折率が高いため、損失を考慮して石英ガラス導波路の上部クラッドの厚さは１５−２０μｍとした。
【００４３】
以上のように、本発明を用いれば、更に光素子搭載部をもった光導波路基板の作製が容易となり、さらに、樹脂の加工性の良さから導波路端面へのパッシベーション膜の付着を防ぐことが可能となる。ここで、ポリイミド樹脂は耐熱性が強いので半田付けなどの熱履歴の激しい作製工程を必要とする光モジュールには極めて有効である。
【００４４】
第５の実施形態，第６の実施形態におけるパッシベーション膜としては、この他、感光性のベンゾシクロブテン樹脂、エポキシ樹脂等を用いることが可能である。第４の実施形態の膜としてはベンゾシクロブテン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂を同様に用いても本発明の光モジュールを作製することは可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光導波路基板に光素子搭載部を設け、光素子搭載部に光素子をハイブリッド集積する光モジュールにおいて、表面が平坦なシリコン基板を用い、光素子と光導波路の高さ方向の位置合わせを絶縁層の膜厚の調整により行うように構成したので、作製工程を著しく簡易にできる。
【００４７】
また、本発明によれば、その絶縁層を有機材料により作製することにより、作製工程を更に簡易にできる。
【００４８】
光また、本発明によれば、導波路の端面と光素子の端面の間に光素子の作動光波長において透明な樹脂を介在させることで、光の直進が確保され、光導波路のコアから出射した光が光素子の活性層に確実に入射できる。
【００４９】
従って、本発明の光モジュールの構造は、低コストな光モジュールを実現する上で極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念を説明する図で、（ａ）は本発明の前提となる単純に平坦なシリコン基板を用いた場合の光軸の位置関係を示す断面図、（ｂ）は絶縁層であるパッシベーション膜を用いた光モジュールの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の光モジュールの構造を示す図で、（ａ）はパッシベーション膜を堆積しただけの基板での光軸のずれを示す断面図、（ｂ）は透明樹脂を介在した場合の光軸の直進性を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の光モジュールの作製工程を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の光モジュールの作製工程を示す断面図である。
【図５】本発明の第５の実施形態の光モジュールの断面図である。
【図６】従来の光モジュールの構造例を示す図で、（ａ）は光素子搭載部の斜視図、（ｂ）は光素子搭載部の断面図である。
【図７】従来の光モジュールに用いられている光素子搭載部を有する光導波路基板の作製工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１  シリコン基板
１−１  シリコン基板凸部
１−２  シリコン基板凹部
２  光導波路
２−１  クラッド
２−１（ａ）  アンダークラッド
２−１（ｂ）  オーバークラッド
２−２  光導波路コア
２−３  光導波路端面
２−４  バッファ（高さ調整）層
４  光素子搭載部
５  パッシベーション膜（石英ガラス膜）
６  電気配線／半田層
６−１  半田層（半田膜）
６−２  電気配線
７  光素子
７−１  光素子活性層
８  透明樹脂
９  感光性樹脂
１０  光軸
２０  位置あわせマーク
【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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【図７】
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