(57)【要約】【課題】フィルタによって跳ね上げられた送信光が受信用のＰＤ素子に回り込むのを防止し、光学的クロストークが低減された光導波路デバイスを提供すること。【解決手段】基板上に、下部クラッド、コア、及びこのコアを埋め込む上部クラッドを有する光導波路と、該光導波路の中間に設けられた斜めの溝と、該溝に挿入された第１のフィルタとを有する光導波路デバイスにおいて、上部クラッドの上面に第２のフィルタを設けたこと、及び第２のフィルタは、第１のフィルタが透過させる第１の波長の光を遮蔽し、第１のフィルタが反射する第２の波長の光を透過させることを特徴とする光導波路デバイス。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、下部クラッド、コア、及びこのコアを埋め込む上部クラッドを有する光導波路と、該光導波路の中間に設けられた斜めの溝と、該溝に挿入された第１のフィルタとを有する光導波路デバイスにおいて、上部クラッドの上面に第２のフィルタを設けたこと、及び第２のフィルタは、第１のフィルタが透過させる第１の波長の光を遮蔽し、第１のフィルタが反射する第２の波長の光を透過させることを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項２】
第１の波長が１．３１μｍである請求項１記載の光導波路デバイス。
【請求項３】
第２の波長が１．５５μｍである請求項１又は２記載の光導波路デバイス。
【請求項４】
第２のフィルタが、蒸着膜である請求項１〜３のいずれか１項記載の光導波路デバイス。
【請求項５】
蒸着膜が、金属酸化物蒸着膜である請求項４記載の光導波路デバイス。
【請求項６】
金属酸化物が、二酸化硅素、二酸化チタン、フッ化マグネシウム、酸化アルミニウム、二酸化ジルコニウム、五酸化二タンタル、及びこれらの２種以上の混合物からなる群から選ばれたものである請求項５記載の光導波路デバイス。
【請求項７】
第２のフィルタが、少なくとも受光素子搭載領域の全面に設けられている請求項１〜６のいずれか１項記載の光導波路デバイス。
【請求項８】
第２のフィルタが、少なくともコアの上面全体に設けられている請求項１〜７のいずれか１項記載の光導波路デバイス。
【請求項９】
さらに光ファイバ搭載用のＶ溝が設けられている請求項１〜８のいずれか１項記載の光導波路デバイス。
【請求項１０】
受光素子及び発光素子が設けられている請求項１〜９のいずれか１項記載の光導波路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路デバイスに関し、特に、フィルタによって跳ね上げられた送信光が同一モジュールの受光素子に漏れ込むことによってノイズ成分となり、最低受光感度が低下するいわゆる光学的クロストークが低減された光導波路デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のパソコンやインターネットの普及に伴い、情報伝送需要が急激に増大している。このため、伝送速度の速い光伝送を、パソコン等の末端の情報処理装置まで普及させることが望まれている。これを実現するには、光インターコネクション用に、高性能な光導波路等を使用して送信機能と受信機能とを一体化した、小型の光送受信モジュールを、安価かつ大量に製造する必要がある。
【０００３】
光送受信モジュールでは送信用のＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）素子と受信用のＰＤ（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）素子とが一つの光送受信モジュールの中に集積化されている。送信と受信とが同時動作を行う光送受信モジュールでは、光導波路の中間に斜めの溝を形成し、この溝に、第１の波長（例えば、波長１．３１μｍ）の光（送信光）を透過させるが、第２の波長（例えば、波長１．５５μｍ）の光（受信光）を反射する第１のフィルタを挿入し、送信光（ＬＤ光）が受信用のＰＤ素子に回り込むのを防止している。しかし、第１のフィルタだけでは送信光の受光素子への回り込みを完全に防止することができないため、この漏光成分が受信光のノイズ成分となり、光送受信モジュールの受信感度が低下する。
【０００４】
これまでに、漏光成分が受信光のノイズ成分として、受信用のＰＤ素子に回り込むいわゆる光学的クロストークが低減された光送受信モジュールとしては種々のものが提案されている。例えば、ＰＤ素子の光導波路搭載面側に、受信光を透過させるが、送信光を遮蔽する第２のフィルタを蒸着により設けたＰＤ素子が提案されている。しかし、種々のタイプのＰＤ素子のそれぞれに第２のフィルタを蒸着により設けることは煩雑であり、蒸着処理の際にＰＤ素子に悪影響を及ぼす場合もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、フィルタによって跳ね上げられた送信光が受信用のＰＤ素子に回り込むのを防止し、光学的クロストークが低減された光導波路デバイスを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に、下部クラッド、コア、及びこのコアを埋め込む上部クラッドを有する光導波路と、該光導波路の中間に設けられた斜めの溝と、該溝に挿入された第１のフィルタとを有する光導波路デバイスにおいて、上部クラッドの上面に第２のフィルタを設けたこと、及び第２のフィルタは、第１のフィルタが透過させる第１の波長の光を遮蔽し、第１のフィルタが反射する第２の波長の光を透過させることを特徴とする光導波路デバイスを提供するものである。
本発明において、波長は好ましくは１．３１μｍ、１．４８μｍ及び１．５５μｍからなる群から選ばれる任意の２つの波長の組合せである。例えば、第１の波長が、１．３１μｍ、第２の波長が１．５５μｍ、或いは第１の波長が１．５５μｍ、第２の波長が１．３１μｍである。
また、第２のフィルタは好ましくは蒸着膜、さらに好ましくは金属酸化物蒸着膜である。
また、上述の、基板上に、下部クラッド、コア、及び上部クラッドを有する光導波路と、該光導波路の中間に設けられた斜めの溝と、該溝に挿入された第１のフィルタと、上部クラッドの上面に設けられた第２のフィルタからなる光導波路デバイスのユニットは、これを複数個、直列又は並列に結合させてもよい。この際、追加のユニット、例えば、第２のユニットに使用される光導波路の中間に設けられた斜めの溝に挿入される第３のフィルタ（第１のフィルタに相当するもの）及び上部クラッドの上面に設けられる第４のフィルタ（第２のフィルタに相当するもの）は、それぞれ第１のフィルタ及び第２のフィルタと同一でも異なるものでも良い。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明において光学的クロストークとは、電気的クロストーク（ｄＢｍ）が問題にならない程小さい場合において、光素子（発光素子、受光素子、フィルタ）を搭載後、発光素子を動作させないときの受光素子の受光感度（ｄＢｍ）と発光素子を動作させたときの受光素子の受光感度（ｄＢｍ）の差をいう。
本発明において「フィルタ」とは、エッジフィルタ、バンドパスフィルタ等の波長選択性を有するものをいう。
本発明の第２のフィルタは、波長１．３１μｍの光を遮蔽するフィルタであることが望ましく、波長１．３１μｍの光を遮蔽し、波長１．５５μｍの光を透過させるフィルタであることがさらに望ましい。
本発明の第２のフィルタは種々の方法により設けることができる。例えば、目的の光を遮蔽する材料を含む膜を必要部位に蒸着又はスパッタリングにより形成する、目的の光を遮蔽する材料を含む層を別途作成しておき、これを必要部位にラミネートする等の方法が挙げられる。
【０００８】
第２のフィルタの構成材料としては、金属酸化物、例えば、二酸化硅素、二酸化チタン、フッ化マグネシウム、酸化アルミニウム、二酸化ジルコニウム、五酸化二タンタル、及びこれらの２種以上の混合物からなる群から選ばれたものが挙げられる。第２のフィルタは単層でも多層でも良い。
第２のフィルタは、上部クラッドの上面であって、少なくとも受光素子搭載領域の全面、すなわち、受光素子の直下部分にあたる上部クラッドの上面に設けることが必要であり、好ましくは少なくともコアの上面全体に、さらに好ましくは光導波路の上部クラッドの上面全体に設ける。第２のフィルタは、上部クラッドの上面に保護層を設ける場合は、保護層の上面に設けることもできる。
【０００９】
第２のフィルタの膜厚は、フィルタによって跳ね上げられた第１の波長（好ましくは１．３１μｍ）の光を遮蔽し、好ましくは第１の波長の光を遮蔽し、かつ、第２の波長（好ましくは１．５５μｍ）の光を透過させるものであれば良く、特に制限されず、また光遮蔽材料によっても異なるが、好ましくは０．３〜１００μｍ、さらに好ましくは１〜５０μｍである。
本発明の光導波路デバイスには、好ましくはさらに光ファイバ搭載用のＶ溝が設けられている。本発明の光導波路デバイスには、好ましくはさらに受光素子及び発光素子が設けられている。
【００１０】
本発明の光導波路デバイスの基板としては、ガラス、石英等の無機材料、シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウム、チタン等の半導体や、金属材料、ポリイミド、ポリアミド等の高分子材料、またはこれらの材料を複合化した材料が挙げられる。
基板の上に設けられる光素子としては、受光素子、発光素子、光フィルタの他に、例えば、光合波器、光分波器、光減衰器、光回折器、光増幅器、光干渉器、光スイッチ、波長変換器、あるいはこれらが複合化されたもの等が挙げられる。
上記の基板上には、上記発光素子、受光素子以外の半導体素子や金属膜を形成することもあり、更に基板の保護や屈折率調整などのために、基板上に、二酸化珪素被膜を形成したり、あるいは、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化タンタルなどの被膜を形成してもよい。
【００１１】
本発明の光導波路デバイスして最も代表的なものは、図１に示すように、シリコン基板１の上に、下部クラッド２、コア３、上部クラッド４、Ｖ溝５、第１のフィルタ（合分波フィルタ）６、第２のフィルタ７、発光素子８、及び受光素子９を搭載したものである。さらに具体的には、シリコン単結晶基板１の上面に、基板１を保護し、屈折率を調整するための二酸化珪素層が備えられ、その上に下部クラッド２、コア３、及び上部クラッド４からなるポリマー光導波路積層体が形成されたものである。典型的なポリマー光導波路積層体は、シリコン基板１、その上層の二酸化珪素層の上に、有機ジルコニウム化合物層と、フッ素を含まない樹脂層と、下部クラッドと、コアと、このコアを埋め込む上部クラッドと、保護層とが、この順に積層された構造を有する。下部クラッド、コア及び上部クラッドは、いずれもフッ素を含むポリイミド樹脂により形成され、有機ジルコニウム化合物層及びフッ素を含まない樹脂層が、基板１と下部クラッドとの接着性を高めるために配置されている。
【００１２】
本発明の光導波路デバイスは、例えば、基板１上に、光ファイバ搭載用のＶ溝５を設け、下部クラッド２と、コア３と、このコア３を埋め込む上部クラッド４を形成し、必要により保護層を形成した後、必要部位に第２のフィルタ７を設け、次いで第１のフィルタ６用の溝を設け、この溝に第１のフィルタ６を挿入し、さらに、発光素子８、及び受光素子９等を設けることにより容易に作成できる。
【００１３】
上述の、基板上に、下部クラッド、コア、及び上部クラッドを有する光導波路と、該光導波路の中間に設けられた斜めの溝と、該溝に挿入された第１のフィルタと、上部クラッドの上面に設けられた第２のフィルタからなる光導波路デバイスのユニットを２個、直列に設けた例を図２に示す。
図２に示す多段構造の光導波路ユニットを有する光導波路デバイスの具体例としては、ＬＤ：１３１０ｎｍ用として、第１のフィルタ：１４８０ｎｍのみを反射するバンドパスフィルタ（１３１０ｎｍ及び１５５０ｎｍは透過）、第２のフィルタ：１４８０ｎｍのみを透過するバンドパスフィルタ（１３１０ｎｍ及び１５５０ｎｍは遮光）、第３のフィルタ：１５５０ｎｍ以上を反射するバンドパスフィルタ（１３１０ｎｍ及び１４８０ｎｍは透過）、第４のフィルタ：１５５０ｎｍ以上を透過するバンドパスフィルタ（１３１０ｎｍ及び１４８０ｎｍは遮光）を含むものが挙げられる。
このような構成とすることにより、１４８０ｎｍと１５５０ｎｍを受信用に使用し、１３１０ｎｍを送信用に使用したシステムとすることができる。同様の構成を繰り返すことにより、受信用の波長を増やすことも可能である。これにより、１つの波長では伝送量が足りなくなった場合に、倍の伝送量を確保することができる。また制御用の信号を別の波長で受信するような形態とすることも可能である。このような構成はユーザー側での使用に特に適している。
【００１４】
また、上述の光導波路デバイスのユニットを２個、並列に設けた例を図３に示す。図３に示す多段構造の光導波路ユニットを有する光導波路デバイスの具体例としては、第３及び第４のフィルタを第１及び第２のフィルタと同じものとした場合と、異なるものとした場合とがある。前者の構成では省スペース化が可能であり、後者の構成では複数の波長で送られてくる信号を受信するデバイスを１つの光導波路基板から作成することができるだけでなく、複数の波長の信号を送ることも可能である。このような構成は、ユーザーごとに異なる波長を割り当てたような想定されるシステムにおいて局側で使用するのに特に適している。
【００１５】
実施例１
シリコンウエハ１上に、Ｖ溝５を形成し、さらにＶ溝形成領域２０と発光素子搭載領域３０を除く、光導波路積層体形成領域１０に有機ジルコニウムキレートをスピンコート法により乾燥膜厚１００オングストロームとなるように塗布し、乾燥後、その上にフッ素を含まないポリイミド樹脂を乾燥膜厚０．３μｍとなるように塗布し、乾燥した。ついで光導波路積層体形成領域１０、Ｖ溝形成領域２０、及び発光素子搭載領域３０の全面に、フッ素を含むポリイミド樹脂からなる下部クラッド層２（厚さ８μｍ）及びコア層３（厚さ６．５μｍ）を形成した。次にコア層３の上にシリコン含有レジストを０．５μｍ厚となるように塗布、乾燥し、コアパターンを介して露光、現像し、このレジストパターンを介して反応性イオンエッチングを行い、コア３を形成した。レジスト剥離後、上部クラッド層４（厚さ１５μｍ）を形成し、さらに保護層（厚さ５μｍ）を形成し、ポリイミド光導波路を作成した。その後、保護層の上面全体に、二酸化チタン層（厚さ７４．４μｍ）、二酸化硅素層（厚さ２２７．４μｍ）、及び二酸化チタン層（厚さ７４．４μｍ）をこの順に蒸着し、３層構造の第２のフィルタ７を形成した。
【００１６】
光導波路積層体形成領域１０と、Ｖ溝形成領域２０との間、及び光導波路積層体形成領域１０と発光素子搭載領域３０との間にシリコン基板に達する切り込みを入れ、Ｖ溝形成領域２０と発光素子搭載領域３０の上に形成された光導波路積層体及び第２のフィルタ７を剥離し、Ｖ溝形成領域２０と発光素子搭載領域３０の基板を露出させた。
次に、光導波路積層体の表面に法線角度３０度で厚さ２０μｍ、深さ２００μｍの溝６を形成し、ダイシングによりチップに切り出し、光導波路デバイス１００を作成した。次に、発光素子搭載領域３０上に１．３１μｍ光発光用のＬＤ素子８を、第２のフィルタ７上に１．５５μｍ光受光用ＰＤ素子９を取り付け、その後、溝６に波長１．３１μｍの光を透過し、波長１．５５μｍの光を反射させる第１のフィルタ６を挿入した。
【００１７】
実施例２
光導波路積層体の保護層の上面全体に、二酸化チタン層（厚さ７４．４μｍ）、二酸化硅素層（厚さ２２７．４μｍ）、二酸化チタン層（厚さ１４８．８μｍ）、二酸化硅素層（厚さ２２７．４μｍ）及び二酸化チタン層（厚さ７４．４μｍ）をこの順に蒸着し、５層構造の第２のフィルタ７を形成した他は実施例１と全く同様にして光導波路デバイス１００を作成した。
【００１８】
比較例１
第２のフィルタ７を形成しなかった他は実施例１と全く同様にして比較例１の光導波路デバイスを作成した。
【００１９】
評価試験
実施例１、実施例２及び比較例１の光導波路デバイスのＬＤ素子８から１．３１μｍの光を発光させ、ＰＤ素子９における光学的クロストークを評価した。その結果、第２のフィルタ７を設けた実施例１及び２の光導波路デバイスでは、これを設けていない比較例１の光導波路デバイスと比較して明らかに光学的クロストークが改善された。
【００２０】
【発明の効果】
第２のフィルタを設けた本発明の光導波路デバイスは、光学的クロストークが顕著に低減し、受信感度の低下を抑制することができる。また、本発明の光導波路デバイスは、汎用のＰＤ素子をそのまま使用することができ、低コスト生産が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】光導波路積層体の上面に、第２のフィルタを設けた本発明の光導波路デバイスの一実施例を示す平面図である。
【図２】光導波路積層体の上面に、第２のフィルタを設けた光導波路デバイスユニットを２個直列に設けた本発明の光導波路デバイスの一実施例を示す側面図である。
【図３】光導波路積層体の上面に、第２のフィルタを設けた光導波路デバイスユニットを２個並列に設けた本発明の光導波路デバイスの一実施例を示す平面図である。
【符号の説明】
１：基板、２：下部クラッド、３、３´：コア、４：上部クラッド、５：Ｖ溝、６：第１のフィルタ、６´：第３のフィルタ、７：第２のフィルタ、７：第４のフィルタ、８、８´：発光素子、９、９´：受光素子、１０：光導波路形成領域、２０：Ｖ溝形成領域、３０：発光素子搭載領域、１００：光導波路デバイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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