(57)【要約】【課題】気密性および排熱性を両立し、かつ、小型化可能な集積型光回路素子を提供すること。【解決手段】本発明に係る集積型光回路素子は、基板１２と、基板１２上の光導波路１７（光導波路１７は、コア部１６およびクラッド部１４から構成される）と、光導波路１７端に設けられたミラー１８と、光導波路１７上に設置されたＰＤ２２と、電気増幅器２６と、気密用の蓋２７と、電気配線２８とから構成される。本発明では、光導波路１７がその上に積層される基板１２の面（「表面」ともいう）と反対側の面（「裏面」ともいう）に、電気増幅器２６が実装される。電気増幅器２６は気密のために蓋２７で封止される。貫通ビア３０を設けて、ＰＤ２２および電気増幅器２６を電気的に接続する。【選択図】図５
2014186262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上の、クラッド部およびコア部から構成された光導波路と、
前記光導波路を伝搬する光を反射するための、前記光導波路の端部に設けられたミラーと、
前記光導波路上の、前記ミラーで反射された光が結合するための、フォトダイオードと、
前記フォトダイオードからの電気信号を増幅するための、電気増幅器と
を備えた集積型光回路素子であって、
前記電気増幅器は、前記光導波路が構成された前記基板の面と反対側の面上に実装され、蓋で封止されたことを特徴とする集積型光回路素子。
【請求項２】
前記反対側の面または前記蓋の何れかに、前記電気増幅器を実装するための空間として、窪みを備えたことを特徴とする請求項１に記載の集積型光回路素子。
【請求項３】
前記フォトダイオードおよび前記電気増幅器は、貫通ビア、ワイヤ、またはこれらの組み合わせにより電気的に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の集積型光回路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積型光回路素子に関し、詳細には、光通信や光情報処理の分野で用いられる、平面光波回路とフォトダイオード（本明細書では、「ＰＤ」ともいう）などの受光素子とから構成される集積型光回路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光機能素子を高密度に集積する技術が求められている。その技術の一つとして、石英系平面光波回路（本明細書では、「ＰＬＣ」（Planar Lightwave Circuit）ともいう）が知られている。ＰＬＣは低損失、高信頼性、および高い設計自由度といった優れた特徴を有し、複合機能一体集積のプラットフォームとして有望である。
【０００３】
実際に伝送端局における光受信装置にはＰＤなどの受光素子からなる光モジュールや、レーザーダイオード（本明細書では、「ＬＤ」ともいう）などの発光素子と、合分波器、分岐・結合器、光変調器などの機能素子が形成されたＰＬＣとが光結合により実装されている。
【０００４】
また、例えば、波長多重分割伝送方式におけるノード装置においては、ＰＬＣ中の複数の光導波路についての光強度を監視するために、多数のＰＤが集積化されて実装されている。
【０００５】
光導波路と受（発）光素子の光結合を可能とする構造として、図１に示すような構造が提案されている。図１は、従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造を示す図である。
【０００６】
図１に示す構造は、基板１２と、基板１２上の光導波路１７（光導波路１７は、コア部１６およびクラッド部１４から構成される）と、光導波路１７端に設けられたミラー１８と、光導波路１７上に設置されたＰＤ２２（ＰＤ２２は、ＰＤ受光部２０を備える）とから構成される。
【０００７】
基板１２として、Ｓｉ基板等を使用することができる。コア部１６を伝搬する光は、ミラー１８で反射されて光路を変換され、ＰＤ２２のＰＤ受光部２０に結合する。ＰＤ受光部２０に結合した光は、ＰＤ２２で電気信号に変換される。
【０００８】
このような構造は、異方性エッチングにより光導波路に斜めの溝（本明細書では、「ミラー溝」ともいう）を設け、この斜めの溝の側面に、金属や多層膜を堆積させることで作製することができる。堆積させた金属または多層膜を、基板面に対して垂直方向に光路を変換する反射面とすることで、ミラーを作製することができる（非特許文献１を参照）。
【０００９】
ＰＤで変換された電気信号は微弱であるため、後段に電気増幅器を接続して増幅する必要があることに留意する。図２に、図１に示した構造を含んだ、集積型光回路素子の斜視図を示す。
【００１０】
図２に示す集積型光回路素子は、ＰＤ２２の後段に電気増幅器２６を備える。ＰＤ２２と電気増幅器２６とは、Ａｕ等のワイヤ２４を用いたワイヤボンディングにより接続される。
【００１１】
光導波路１７を伝搬する光は、ミラー１８で反射されて光路を変換され、ＰＤ２２のＰＤ受光部に結合する。ＰＤ受光部に結合した光は、ＰＤ２２で電気信号に変換され、電気増幅器２６で増幅される。電気増幅器２６で増幅された電気信号が、電気配線２８で伝送される。
【００１２】
なお、図１および図２では、コア部１６が伸長する方向がｘ軸方向、光導波路１７が積層される基板１２の法線方向がｚ軸方向、ｘ軸およびｚ軸に垂直な方向がｙ軸方向となるように座標軸を設定している。この座標軸は、以後の説明においても同様に設定されるものとする。
【００１３】
ここで、電気増幅器に関し、（１）電気増幅器は信頼性の観点から気密封止を必要とすること、および、（２）電気増幅器における発熱が大きいこと、には留意する必要がある。従って、図２に示したような集積型光回路素子において、気密性と放熱性とを兼ね備え、かつ、小型な集積型回路を実現することが従来からの課題としてあった。
【００１４】
従来技術として、小型化のために、光導波路上（クラッド上）にＬＤ等の半導体素子を実装し、気密のために蓋をする方法がある（特許文献１を参照）。
【００１５】
特許文献１に記載の発明では、図３に示すように、光素子（ＬＤ）１２５等の長期信頼性に劣る素材が搭載される切り欠き部１２３を囲むように上部クラッド層１２２ｃ内部に表面平坦化層１３１を設け、この表面平坦化層１３１によって切り欠き部１２３周囲の上部クラッド層１２２ｃ表面を平らにする。この平らになった領域に固定剤を介して封止蓋を固定し、切り欠き部１２３を局所的に気密封止する。この際、封止蓋は平担なクラッド表面に固定され、封止蓋とクラッド表面との間隙を極めて薄く設定できるので、固定剤の量を最小限にでき、例えば固定剤として樹脂を用いた場合にも優れた防湿効果を発揮できる。
【００１６】
しかしながら、特許文献１に記載の発明では、光導波路の材料自体のガス透過性が高いため、十分な気密性を確保することができず、実装された光素子の信頼性を確保することができないという問題があった。
【００１７】
そこで、蓋や光回路の表面にガス透過性の低いガスバリア膜を付けることで、気密性を確保することが報告されている（特許文献２を参照）。
【００１８】
図４に示すように、特許文献２に記載の光集積回路は、ガスバリア性を有する薄膜が形成されたコア２１２ａ及びクラッド２１２ｂからなる光導波路２１２と、第１の面において、コアを含む所定の領域を囲むように形成された凸部を有し、薄膜が形成されたキャップと、光導波路の第２の面において、コアと光学的に接続する位置に実装された光素子と光導波路の第２の面において、光素子に電気的に接続されるメタル配線とを備えている。キャップと光導波路との実装の際に、光導波路とキャップとが半田により接合することにより気密封止された空隙を形成し、気密封止された空隙に光素子が位置している。
【００１９】
しかしながら、特許文献２に記載の発明では、局所的に封止された部分の外部にある光導波路から内部の光素子に光を結合させなければならず、光は必ずガスバリア膜を透過しなければならない。従って、特許文献２に記載の発明には、光特性が劣化するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開平１０―３０８５５５号公報
【特許文献２】特開２００７―３２８２０１号公報
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】Kurata, Yu; Nasu, Yusuke; Tamura, Munehisa; Yokoyama, Haruki; Muramoto, Yoshifumi, “Heterogeneous Integration of High-Speed InP PDs on Silica-Based Planar Lightwave Circuit Platform”, Proc. ECOC2011, Th.12, LeSaleve.5, (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、電気増幅器の気密性および排熱性を両立し、かつ、全体的に小型化可能な集積型光回路素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、基板と、基板上の、クラッド部およびコア部から構成された光導波路と、光導波路を伝搬する光を反射するための、光導波路の端部に設けられたミラーと、光導波路上の、ミラーで反射された光が結合するための、フォトダイオードと、フォトダイオードからの電気信号を増幅するための、電気増幅器とを備えた集積型光回路素子であって、電気増幅器は、光導波路が構成された基板の面と反対側の面上に実装され、蓋で封止されたことを特徴とする。
【００２４】
本発明の一実施形態は、反対側の面または蓋の何れかに、電気増幅器を実装するための空間として、窪みを備えたことを特徴とする。
【００２５】
本発明の一実施形態において、フォトダイオードおよび電気増幅器は、貫通ビア、ワイヤ、またはこれらの組み合わせにより電気的に接続されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る構造を利用すれば、電気増幅器の気密性および排熱性を両立し、かつ、全体的に小型化可能な集積型光回路素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造を説明する図である。
【図２】従来技術に係る、図１に示した構造を含む集積型光回路素子の斜視図である。
【図３】従来技術に係る、集積型光回路素子の斜視図である。
【図４】従来技術に係る、集積型光回路素子の構造を説明する図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る、集積型光回路素子の構造を説明する図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）の断面線Ａ−Ａ’における断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る、集積型光回路素子の作製工程を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る、集積型光回路素子の構造を説明する図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る、集積型光回路素子の構造を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２９】
（第１の実施形態）
図５に示すように、本実施形態に係る集積型光回路素子は、基板１２と、基板１２上の光導波路１７（光導波路１７は、コア部１６およびクラッド部１４から構成される）と、光導波路１７端に設けられたミラー１８と、光導波路１７上に設置されたＰＤ２２と、電気増幅器２６と、気密用の蓋２７と、電気配線２８とから構成される。
【００３０】
基板１２として、Ｓｉ基板等を使用することができる。光導波路１７において光信号処理用の光回路が形成される。コア部１６を伝搬する光は、ミラー１８で反射されて光路を変換されてＰＤ２２に結合し、ＰＤ２２で電気信号に変換される。
【００３１】
本発明では、光導波路１７がその上に積層される基板１２の面（本明細書では「表面」ともいう）と反対側の面（本明細書では「裏面」ともいう）に、電気増幅器２６が実装される。電気増幅器２６は気密のために蓋２７で封止される。
【００３２】
ＰＤ２２と電気増幅器２６とは、電気的に接続される。図５に示す例では、貫通ビア３０を、光導波路１７表面（すなわちクラッド部１４表面）と、電気増幅器２６との間に設けることで、ＰＤ２２と電気増幅器２６との間の、電気的接続を実現している。
【００３３】
電気増幅器２６から生じる熱を排熱することを考慮すると、気密用の蓋２７の熱伝導性は高い方が良い。気密性、熱伝導性、および材料の親和性等の観点から、蓋２７として、Ｓｉ基板等を利用することが望ましい。金属蓋を利用する場合は、材料として熱膨張の少ないコバール等を利用することが望ましい。
【００３４】
本実施形態では、電気増幅器２６を実装する空間を、基板１２に窪みを設けることで、実現している。
【００３５】
本発明では、気密された空間がガス透過性の高い光導波路１７と接しない。従って、従来技術と比較して高い気密性を実現することができる。
【００３６】
また、本発明では、電気増幅器２６で生じた熱は、高い熱伝導性を持つ基板１２および蓋２７を通じて排熱されるので高い排熱性を実現することができる。
【００３７】
さらに、本発明では、基板の裏面に電気増幅器２６を実装するので、素子の小型化にも資する。
【００３８】
本実施形態に係る集積型光回路素子の作製工程は以下のとおりである。
【００３９】
先ず、第１ステップで、ウェハプロセスにて、基板１２上に光導波路１７層を堆積させ光回路を形成する（図６（ａ）を参照）。
【００４０】
次に、第２ステップで、光導波路１７上にＰＤ２２を形成する（図６（ｂ）を参照）。
【００４１】
次に、第３ステップで、異方性エッチングにより斜めの溝を形成し、この斜めの溝において露出した導波路端部に金属を蒸着し、高反射率のミラー１８を形成する。蒸着する金属として、Ａｕ等を使用することができる（図６（ｃ）を参照）。
【００４２】
次に、第４ステップで、光導波路１７表面から光導波路１７内部を貫通して基板１２表面に至るビアホールを形成する（図６（ｄ）を参照）。
【００４３】
次に、第５ステップで、基板１２の裏面に窪みを形成し、できた窪みから基板１２表面に至るビアホールを形成して、光導波路１７および基板１２を貫通する貫通ビア３０を形成する（図６（ｅ）を参照）。ビアホールを金などの金属メッキや導電性フィラー等で充填することで、導電性の貫通ビアとする。
【００４４】
次に、第６ステップで、電気配線２８を形成する（図６（ｆ）を参照）。
【００４５】
次に、第７ステップで、窪みに電気増幅器２６を実装する（図６（ｇ）を参照）。電気増幅器２６と貫通ビア３０との間の電気的接続は、フリップチップによるバンプや半田を用いた接続、ワイヤボンディング等により行う。
【００４６】
次に、第８ステップで、電気増幅器２６を蓋２７で封止する（図６（ｈ）を参照）。
【００４７】
最後に、第９ステップで、ダイシングによりウェハをチップ化する（図示せず）。なお、第８ステップと第９ステップの順番は逆でもよい。
【００４８】
図５および図６に示した例では、光導波路表面側と基板裏面側との間の電気的接続を貫通ビアで実現した。しかし、図７に示すように、光導波路１７表面側と基板１２裏面側との間の電気的接続を、貫通ビア３０とワイヤ２４との組み合わせによって実現してもよい。なお、図７に示すように、電気増幅器２６と電気配線２８との間の電気的接続も、貫通ビア３０とワイヤ２４との組み合わせによって実現することができる。
【００４９】
（第２の実施形態）
（第１の実施形態）では、基板の裏面に窪みを形成することで、電気増幅器を設置する空間を得た。
【００５０】
本実施形態では、図８に示すように、蓋２７に窪みを形成することで、電気増幅器２６を設置する空間を得ている。
【００５１】
本実施形態では、蓋に窪み構造があるため、基板１２裏面からビア形成を１回行うことで、基板１２および光導波路１７を貫通する貫通ビア３０を形成することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１２  基板
１４  クラッド部
１６  コア部
１７  光導波路
１８  ミラー
２０  ＰＤ受光部
２２  ＰＤ
２４  ワイヤ
２６  電気増幅器
２７  蓋
２８  電気配線
３０  貫通ビア
１２１  基板
１２２  埋め込み型光導波路
１２２ａ  コア
１２２ｂ  下部クラッド層
１２２ｃ  上部クラッド層
１２３  切り欠き部
１２３ａ  底面
１２３ｂ  側壁
１２４  電極
１２５  ＬＤ
１２６，１２７  電気配線
１３１  クラッド内部に形成された表面平坦化層
２１１  基板
２１２  光導波路
２１２ａ  コア
２１２ｂ  クラッド
２１３  溝部
２１３ａ  底面
２１３ｂ  側面
２１４、２１６  メタル配線
２１５  光素子
２１７、  ワイヤボンディング
２１８、２０１−２０、２０１−２１、２２２  ガスバリア層
２１９  キャップ
２０１−２２  半田
【図１】
2014186262.tif 000003
【図２】
2014186262.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014186262.tif 000008
【図７】
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【図８】
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