(57)【要約】【課題】コア径が小さい並列多段の光導波路アレイにおいても、２次元の発光素子アレイや受光素子アレイと良好な接続ができる多数並列接続構造を提供する。【解決手段】Ｍ列×Ｎ行の発光素子１６を面内に有する発光素子アレイと、各発光素子１６の直上に１つずつ設けられたＭ列×Ｎ行の集光レンズ１７を有する集光レンズアレイと、列毎に発光素子１６上に構成され、列方向に延びるＮ段構成の多段光導波路を有するＭ列×Ｎ段の多段光導波路アレイとを備え、Ｋ段目の光導波路１９は、Ｋ行目の発光素子１６の直上にＫ行目の発光素子１６から発光される光をＫ段目の光導波路１９に導くマイクロミラー１５を有し、Ｋ行目の集光レンズ１７は、Ｋ行目の発光素子１６から発光される光をＫ段目の光導波路１９のマイクロミラー１５に集光させる曲率半径のレンズ面を有する。【選択図】図１
2007212687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍ列×Ｎ行の発光素子を面内に有する発光素子アレイと；
前記各発光素子の直上に１つずつ設けられたＭ列×Ｎ行の集光レンズを有する集光レンズアレイと；
前記列毎に前記発光素子上に構成され列方向に延びるＮ段構成の多段光導波路を有するＭ列×Ｎ段の多段光導波路アレイとを備え；
Ｋ段目の光導波路は、Ｋ行目の発光素子の直上に前記Ｋ行目の発光素子から発光される光を前記Ｋ段目の光導波路に導くマイクロミラーを有し；
Ｋ行目の集光レンズは、前記Ｋ行目の発光素子から発光される光を前記Ｋ段目の光導波路のマイクロミラーに集光させる曲率半径のレンズ面を有する；
光素子と光導波路の接続構造。
【請求項２】
前記発光素子はＧａＩｎＡｓ層をＧａＡｓ層ではさんだ量子井戸構造を有する基板出射型の面発光レーザであり、前記集光レンズはＧａＡｓ層に構成される；
請求項１に記載の光素子と光導波路の接続構造。
【請求項３】
Ｍ列×Ｎ行の受光素子を面内に有する受光素子アレイと；
前記各受光素子の直上に１つずつ設けられたＭ列×Ｎ行の集光レンズを有する集光レンズアレイと；
前記列毎に前記受光素子上に構成され列方向に延びるＮ段構成の多段光導波路を有するＭ列×Ｎ段の多段光導波路アレイとを備え；
Ｋ段目の光導波路は、Ｋ行目の受光素子の直上に前記Ｋ段目の光導波路から射出される光を前記Ｋ行目の受光素子に導くマイクロミラーを有し；
Ｋ行目の集光レンズは、前記Ｋ段目の光導波路から射出されマイクロミラーで反射される光を前記Ｋ行目の受光素子に集光させる曲率半径のレンズ面を有する；
光素子と光導波路の接続構造。
【請求項４】
Ｍ列×Ｎ行の発光素子を面内に有する発光素子アレイ上にレンズ層を設けた基板を準備する工程と；
前記レンズ層上に、前記各発光素子の直上に所定の半径の円形ホールが来るようにエッチングマスク層パターンを形成する工程と；
前記エッチングマスク層パターンを用いて前記レンズ層を一部エッチングし、前記各発光素子の直上に１つずつ所定の曲率半径のレンズ面を有する集光レンズを形成し、全体でＭ列×Ｎ行の集光レンズからなる集光レンズアレイを形成する工程と；
前記エッチングマスク層パターンを除去する工程と；
前記列毎に前記発光素子上に列方向に延びるＮ段構成の多段光導波路であって、Ｋ段目の光導波路にはＫ行目の発光素子の直上に傾斜角が４５度のマイクロミラーを有する、Ｍ列×Ｎ段の多段光導波路アレイを形成する工程とを備え；
前記Ｋ行目の集光レンズのレンズ面の所定の曲率半径は、前記集光レンズの直下の発光素子から発光される光が前記多段光導波路アレイの前記Ｋ段目の光導波路のマイクロミラーに集光するように選定され；
前記Ｋ行目の円形ホールの所定の半径は、前記レンズ層のエッチングの際に前記Ｋ行目の集光レンズのレンズ面で所定の曲率半径が得られるように選定される；
光素子と光導波路の接続構造の形成方法。
【請求項５】
Ｍ列×Ｎ行の受光素子を面内に有する受光素子アレイ上にレンズ層を設けた基板を準備する工程と；
前記レンズ層上に、前記各受光素子の直上に所定の半径の円形ホールが来るようにエッチングマスク層パターンを形成する工程と；
前記エッチングマスク層パターンを用いて前記レンズ層を一部エッチングし、前記各受光素子の直上に１つずつ所定の曲率半径のレンズ面を有する集光レンズを形成し、全体でＭ列×Ｎ行の集光レンズからなる集光レンズアレイを形成する工程と；
前記エッチングマスク層パターンを除去する工程と；
前記列毎に前記受光素子上に列方向に延びるＮ段構成の多段光導波路であって、Ｋ段目の光導波路にはＫ行目の受光素子の直上に傾斜角が４５度のマイクロミラーを有する、Ｍ列×Ｎ段の多段光導波路アレイを形成する工程とを備え；
前記Ｋ行目の集光レンズのレンズ面の所定の曲率半径は、前記多段光導波路アレイの前記Ｋ段目の光導波路から射出され前記マイクロミラーで反射される光が前記集光レンズの直下の受光素子に集光するように選定され；
前記Ｋ行目の円形ホールの所定の半径は、前記レンズ層のエッチングの際に前記Ｋ行目の集光レンズのレンズ面で所定の曲率半径が得られるように選定される；
光素子と光導波路の接続構造の形成方法。
【請求項６】
前記レンズ層がＧａＡｓ層であり、前記レンズ層のエッチングに、臭化水素酸−過酸化水素−純水系又は臭化水素酸−ニクロム酸カリウム−燐酸系のエッチング液を使用する；
請求項４又は請求項５に記載の光素子と光導波路の接続構造の形成方法。
【請求項７】
所定の半径のＭ列×Ｎ行の円形ホールパターンを配列したレンズ層のエッチング用マスクであって；
Ｋ行目の円形ホールの所定の半径は、前記レンズ層のエッチングの際にＫ行目の集光レンズのレンズ面で所定の曲率半径が得られるように選定され；
前記Ｋ行目の集光レンズのレンズ面の所定の曲率半径は、前記集光レンズの直下の発光素子から発光される光が多段光導波路アレイのＫ段目の光導波路のマイクロミラーに集光するように選定される；
エッチング用マスク。
【請求項８】
異なる半径の円形ホールパターンを配列したエッチング用マスクを使用し；
臭化水素酸−過酸化水素−純水系又は臭化水素酸−ニクロム酸カリウム−燐酸系のエッチング液を使用してレンズ層のエッチングを行い；
前記レンズ層に異なる曲率半径のレンズ面を有する複数の集光レンズを形成する；
集光レンズアレイの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光素子と光導波路の接続構造とその形成方法に関する。詳しくは、基板出射型のＭ列×Ｎ行の２次元光素子アレイとＭ列×Ｎ段の多段光導波路アレイを効率的に結合する多数並列接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９に、従来の半導体チップ、主に高速ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：大規模集積回路）の間を光信号で接続する、いわゆる光インターコネクション構成の一例を示す。基板１上の２つのＬＳＩ２が、受光素子であるＰＤ（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ：フォトダイオード）３と発光素子であるＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ：垂直共振器面発光レーザー）４を介して、基板１にほぼ平行な薄い光導波路５によって接続されている。図９の例では、インターポーザー１ａが配置されている。一般的な接続数は１００〜１０００程度である。
【０００３】
図１０に従来の光素子と光導波路の接続構造の例を示す。１次元アレイと光導波路を接続する場合には、１次元に並んだ発光素子や受光素子にしか対応できないため、並列に伝送できる多重度に限界があった。図１０（ａ）には、４５度ミラー折り曲げ接続構成が示されており、この構成では発光素子であるＶＣＳＥＬ７に対向してマイクロミラー８が配置され、１つの光導波路９に光結合されている。図１０（ｂ）は、多段光導波路の端部の位置に平面ミラーを設けた例を示している。下側から来た光がミラー８ａで反射されて、光導波路９ａに結合する。しかし、ミラー８ａが一つの平面であるため、ＶＣＳＥＬ７のピッチと多層の光導波路９ａの厚さを同じにする必要があり、接続構造の高密度化を妨げていた。（非特許文献１参照）
【０００４】
しかしながら、図１０の如き１次元光素子アレイと光導波路を接続する方法では、接続数に限度があった。そこで、発明者達は２次元に並んだ光素子アレイと光導波路アレイとを効率よく接続でき、しかも小型化および薄型化が可能な接続構造を目指して、光素子アレイと光導波路アレイの多段構成の接続構造を提案した（非特許文献２参照）。
【０００５】
図１１にその構成例を示す。Ｍ列×Ｎ行の発光素子としての基板出射型の面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）１６を面内に有する発光素子アレイがあり、その上に、各ＶＣＳＥＬ１６の直上に１つずつ集光レンズ１７を有するＭ列×Ｎ行の集光レンズアレイがあり、その上に、列毎に、列方向に延びるＮ段構成の多段光導波路を有するＭ列×Ｎ段の多段光導波路アレイがある。ここにおいて、Ｋ段目の光導波路１９は、Ｋ行目のＶＣＳＥＬ１６の直上にＫ行目のＶＣＳＥＬ１６から発光される光をＫ段目の光導波路に導くマイクロミラー１５を有している。すなわち、マイクロミラー１５による１次元アレイと光導波路１９の接続を基本構造とし、それをアレイ１行分ずつずらして積み重ねることにより、２次元アレイ状の光素子１６と光導波路１９の接続を実現している。波長９８０μｍのレーザ光をコア１３を５０μｍ、クラッド１４を片側２５μｍのマルチモードファイバに結合させ、レンズ面の曲率半径３６０μｍのとき、１００μｍ厚の光導波路１９を５段程度積層できそうなことを見出した。この構造では、光導波路１９としては、たとえばコア１３が５０μｍ厚の多モード導波路を対象としていたので、面発光レーザ１６の出射面に集積されたレンズ１７の曲率半径はアレイ全体に対して同一とした。
【０００６】
【非特許文献１】鈴木健司、塩田剛史、「エキシマレーザーを用いた４５°マイクロミラーの作製と評価」、２００４年電子情報通信学会総合大会、Ｃ−３−３６
【非特許文献２】望月礼、小林功郎、「面発光レーザー集積用レンズ評価」、２００５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−３−１２０、２００５年９月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、発明者達の提案した構成においても、伝送する信号の速度が高くなる（たとえば２０Ｇｂ／ｓ〜４０Ｇｂ／ｓなど）と、このような多モード導波路では距離が短くても（数１０ｃｍ程度）伝送路の分散による波形歪が大きくなり、伝送品質が劣化してしまう。つまり、光速信号伝送用には、よりコア径が小さい多モード導波路や単一モード導波路の採用が必須となる。このとき、光導波路のコア径は５〜２０μｍ程度に小さくする必要がある。このような小さなコア径の光導波路に対して、２次元アレイ状の面発光レーザや受光素子上に均一な曲率半径のレンズを設ける構成では、多段構成の全ての光導波路に対して良好な結合を実現することは不可能である。すなわち、ＬＳＩなどの間を、多数の光導波路アレイ（Ｍ列×Ｎ段：例えば計１００〜１０００本）で同時並列に光接続する時の、２次元アレイ状の発光素子、受光素子と光導波路の結合を改善すること、特に、コアが小さい光導波路と発光素子、受光素子の高効率な多数並列結合を実現することが求められている。
【０００８】
本発明は、コア径が小さい光導波路アレイにおいても、２次元の発光素子アレイや受光素子アレイと良好な接続ができる多数並列接続構造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】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の光素子と光導波路の接続構造は、例えば図１に示すように、Ｍ列×Ｎ行の発光素子１６を面内に有する発光素子アレイと、各発光素子１６の直上に１つずつ設けられたＭ列×Ｎ行の集光レンズ１７を有する集光レンズアレイと、列毎に発光素子１６上に構成され列方向に延びるＮ段構成の多段光導波路を有するＭ列×Ｎ段の多段光導波路アレイとを備え、Ｋ段目の光導波路１９は、Ｋ行目の発光素子１６の直上にＫ行目の発光素子１６から発光される光をＫ段目の光導波路１９に導くマイクロミラー１５を有し、Ｋ行目の集光レンズ１７は、Ｋ行目の発光素子１６から発光される光をＫ段目の光導波路１９のマイクロミラー１５に集光させる曲率半径のレンズ面を有する。
【００１０】
ここにおいて、光素子には、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ：レーザーダオード）、ＶＣＳＥＬ等の発光素子、ＰＤ等の受光素子が含まれる。また、光導波路には光集積回路における光導波路の他に光ファイバーも含まれる。発光素子、受光素子の直上とは、発光素子、受光素子が配置されたアレイ面に対しこれらの素子を通る垂線上にあることを意味する。また、Ｋ段目の光導波路はコアとクラッドとマイクロミラーを有するものであるが、隣接導波路に対しコアが明確に分離されていれば良く、クラッド間の境界は必ずしも明確でなくても良い。また、マイクロミラーとは、各段の光導波路に形成された小さいミラーをいうが、同じ段のミラーは複数の列にわたって連続して形成されていても良い。また、レンズの曲率半径を有する面は片面でも良く、また、レンズ面の曲率半径は一様でなく徐々に変化していても良い。また、光導波路のマイクロミラーに集光させるに際し、光導波路のコアとマイクロミラーの交点付近又はコアの延長線とマイクロミラーの交点付近で光ビーム径が光導波路のコア径内に収まるように集光させることが好ましいが、光ビーム径がコア径を含むように集光させても良い。このように構成すると、コア径が小さい光導波路アレイにおいても、２次元の発光素子アレイや受光素子アレイと良好な接続ができる多数並列接続構造を提供できる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光素子と光導波路の接続構造において、発光素子１６はＧａＩｎＡｓ層をＧａＡｓ層ではさんだ量子井戸構造を有する基板出射型の面発光レーザであり、集光レンズ１７はＧａＡｓ層に構成される。ここにおいて、ＶＣＳＥＬは量子井戸構造を有する基板出射型の面発光レーザといえる。また、ＧａＩｎＡｓ層やＧａＡｓ層は必ずしも完全でなく、通常の発光素子やレンズとして機能すれば、ある程度の不純物や欠陥を含んでいても良い。このように構成すると、超高速光信号の発光に適正な発光素子を使用でき、また、発光素子アレイの各発光素子に対しそれぞれ最適化された曲率半径のレンズ面を有する集光レンズからなる集光レンズアレイを一括して形成できる。
【００１２】
また、請求項３に記載の光素子と光導波路の接続構造は、Ｍ列×Ｎ行の受光素子１８を面内に有する受光素子アレイと、各受光素子１８の直上に１つずつ設けられたＭ列×Ｎ行の集光レンズ１７を有する集光レンズアレイと、列毎に受光素子１８上に構成され列方向に延びるＮ段構成の多段光導波路を有するＭ列×Ｎ段の多段光導波路アレイとを備え、Ｋ段目の光導波路１９は、Ｋ行目の受光素子１８の直上にＫ段目の光導波路１９から射出される光をＫ行目の受光素子１８に導くマイクロミラー１５を有し、Ｋ行目の集光レンズ１７は、Ｋ段目の光導波路１９から射出されマイクロミラー１５で反射される光をＫ行目の受光素子１８に集光させる曲率半径のレンズ面を有する。
ここにおいて、受光素子に集光させるに際し、光ビーム径がその受光面に収まるように集光させることが好ましいが、光ビーム径が受光面を含むように集光させても良い。このように構成すると、コア径が小さい光導波路アレイにおいても、２次元の発光素子アレイや受光素子アレイと良好な接続ができる多数並列接続構造を提供できる。
【００１３】
上記課題を解決するために、請求項４に記載の光素子と光導波路の接続構造の形成方法は、例えば図２に示すように、Ｍ列×Ｎ行の発光素子１６を面内に有する発光素子アレイ上にレンズ層を設けた基板を準備する工程（Ｓ００１）と、レンズ層上に、各発光素子１６の直上に所定の半径の円形ホールが来るようにエッチングマスク層パターンを形成する工程（Ｓ００２）と、エッチングマスク層パターンを用いてレンズ層を一部エッチングし、各発光素子１６の直上に１つずつ所定の曲率半径のレンズ面を有する集光レンズ１７を形成し、全体でＭ列×Ｎ行の集光レンズ１７からなる集光レンズアレイを形成する工程（Ｓ００３）と、エッチングマスク層パターンを除去する工程（Ｓ００４）と、列毎に発光素子１６上に列方向に延びるＮ段構成の多段光導波路であって、Ｋ段目の光導波路１９にはＫ行目の発光素子１６の直上に傾斜角が４５度のマイクロミラー１５を有する、Ｍ列×Ｎ段の多段光導波路アレイを形成する工程（Ｓ００５）とを備え、Ｋ行目の集光レンズ１７のレンズ面の所定の曲率半径は、集光レンズ１７の直下の発光素子１６から発光される光が多段光導波路アレイのＫ段目の光導波路１９のマイクロミラー１５に集光するように選定され、Ｋ行目の円形ホールの所定の半径は、レンズ層のエッチングの際にＫ行目の集光レンズ１７のレンズ面で所定の曲率半径が得られるように選定される。
【００１４】
ここにおいて、レンズ層として基板の一部を使用しても良く、また、基板上に結晶成長させてレンズ層としても良い。また、マイクロミラーの傾斜角は、製造上の精度やばらつきを含め実質的に４５度であれば良い。このように構成すると、コア径が小さい光導波路アレイにおいても、２次元の発光素子アレイや受光素子アレイと良好な接続ができる多数並列接続構造の形成方法を提供できる。
【００１５】
また、請求項５に記載の光素子と光導波路の接続構造の形成方法は、Ｍ列×Ｎ行の受光素子１８を面内に有する受光素子アレイ上にレンズ層を設けた基板を準備する工程（Ｓ００１’）と、レンズ層上に、各受光素子１８の直上に所定の半径の円形ホールが来るようにエッチングマスク層パターンを形成する工程（Ｓ００２’）と、エッチングマスク層パターンを用いてレンズ層を一部エッチングし、各受光素子１８の直上に１つずつ所定の曲率半径のレンズ面を有する集光レンズ１７を形成し、全体でＭ列×Ｎ行の集光レンズ１７からなる集光レンズアレイを形成する工程（Ｓ００３’）と、エッチングマスク層パターンを除去する工程（Ｓ００４’）と、列毎に受光素子１８上に列方向に延びるＮ段構成の多段光導波路であって、Ｋ段目の光導波路１９にはＫ行目の受光素子１８の直上に傾斜角が４５度のマイクロミラー１５を有する、Ｍ列×Ｎ段の多段光導波路アレイを形成する工程（Ｓ００５’）とを備え、Ｋ行目の集光レンズ１７のレンズ面の所定の曲率半径は、多段光導波路アレイのＫ段目の光導波路１９から射出されマイクロミラー１５で反射される光が集光レンズ１７の直下の受光素子１８に集光するように選定され、Ｋ行目の円形ホールの所定の半径は、レンズ層のエッチングの際にＫ行目の集光レンズ１７のレンズ面で所定の曲率半径が得られるように選定される。
このように構成すると、コア径が小さい光導波路アレイにおいても、２次元の受光素子アレイと良好な接続ができる多数並列接続構造の形成方法を提供できる。
【００１６】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は請求項５に記載の光素子と光導波路の接続構造の形成方法において、レンズ層がＧａＡｓ層であり、レンズ層のエッチングに、臭化水素酸−過酸化水素−純水系又は臭化水素酸−ニクロム酸カリウム−燐酸系のエッチング液を使用する。このように構成すると、円形マスクパターンのパターンエッジ付近でエッチング速度が速くなるので、２次元アレイ状に集積された発光素子アレイの各発光素子上にそれぞれ最適化された曲率半径のレンズ面を有する集光レンズを２次元アレイ状に一括して形成できる。
【００１７】
また、請求項７に記載のエッチング用マスクは、例えば図３に示すように、所定の半径のＭ列×Ｎ行の円形ホールパターンを配列したレンズ層のエッチング用マスクであって、Ｋ行目の円形ホールの所定の半径は、レンズ層のエッチングの際にＫ行目の集光レンズ１７のレンズ面で所定の曲率半径が得られるように選定され、Ｋ行目の集光レンズ１７のレンズ面の所定の曲率半径は、集光レンズ１７の直下の発光素子１６から発光される光が多段光導波路アレイのＫ段目の光導波路１９のマイクロミラー１５に集光するように選定される。
このように構成すると、発光素子アレイの各発光素子に対しそれぞれ最適化された曲率半径のレンズ面を有する集光レンズからなる集光レンズアレイを一括して形成できるエッチング用マスクを提供できる。
【００１８】
また、請求項８に記載の集光レンズアレイの形成方法は、異なる半径の円形ホールパターンを配列したエッチング用マスクを使用し、臭化水素酸−過酸化水素−純水系又は臭化水素酸−ニクロム酸カリウム−燐酸系のエッチング液を使用してレンズ層のエッチングを行い、レンズ層に異なる曲率半径のレンズ面を有する複数の集光レンズを形成する。
このように構成すると、発光素子アレイの各発光素子に対しそれぞれ最適化された曲率半径のレンズ面を有する集光レンズからなる集光レンズアレイを一括して形成できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、コア径が小さい光導波路アレイにおいても、２次元の発光素子アレイや受光素子アレイと良好な接続ができる多数並列接続構造を提供できる。
また、本発明の好ましい態様によれば、光素子アレイの各光素子に対しそれぞれ最適化された曲率半径のレンズ面を有する集光レンズからなる集光レンズアレイを一括して形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
［第１の実施の形態］
［接続構造の構成］
【００２１】
図１に第１の実施の形態における光素子と光導波路の接続構造の構成例を示す。図１（ａ）はその平面図であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面図である。Ｍ列×Ｎ行の発光素子１６を面内に有する発光素子アレイがあり、その上に、各発光素子１６の直上に１つずつ集光レンズ１７を有するＭ列×Ｎ行の集光レンズアレイがあり、その上に、列毎に、列方向に延びるＮ段構成の多段光導波路を有するＭ列×Ｎ段の多段光導波路アレイがある。本実施の形態では発光素子として基板出射型の垂直共振器面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を使用するが、他にレーザダイオード（ＬＤ）も使用できる。ＶＣＳＥＬは例えばＧａ０．６５Ｉｎ０．３５Ａｓ層をＧａＡｓ層で挟んだ３層の量子井戸構造を含む活性層とこの活性層を挟む１対のＧａＡｓ／Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓの多層膜からなる反射鏡とで構成される。ここにおいて、Ｋ段目の光導波路１９は、Ｋ行目のＶＣＳＥＬ１６の直上にＫ行目のＶＣＳＥＬ１６から発光される光をＫ段目の光導波路１９のコア１３に導くマイクロミラー１５を有している。
【００２２】
すなわち、Ｎ段の多段構成のマイクロミラー１５による１次元発光素子アレイと光導波路１９の接続を基本構造とし、それをアレイ１行分ずつずらして積み重ねることにより２次元アレイ状の発光素子１６と光導波路１９の接続を実現している。光導波路のコア１３及びクラッド１４として例えばフッ素化ポリイミドを使用し、両者の屈折率差を例えば０．１％とする。光導波路１９の厚さは、たとえばコア１３を１０μｍ、クラッド１４を片側４５μｍとすれば１段あたり１００μｍとなる。ＶＣＳＥＬ１６直上の集光レンズ１７の表面から第１段の光導波路のコアの中心（マイクロミラーの光反射位置）までの距離は５０μｍ，第２段のコアの中心までの距離は１５０μｍ、−−−−、第Ｎ段のコアの中心までの距離は（Ｎ−１）×１００＋５０μｍとなる。Ｎ＝５（５段）の時は４５０μｍとなる。発光素子１６からの光ビームを適切にマイクロミラー１５に集光させることにより、５〜１０層程度重ねることも可能である。１列のアレイ数Ｍをたとえば２０とすると、Ｍ×Ｎ＝１００〜２００多重の並列光接続が実現できる。このときでも、多層の光導波路１９全体の厚さは５００μｍであり、基板にほぼ密着させて這わせることが可能で、光接続による全体の厚さの増加はほとんど問題にならない。このようにして、Ｎ層の光導波路１９を積み重ねることで、Ｍ列×Ｎ段の並列光接続が可能である。コア１３及びクラッド１４の屈折率差が０．１％と小さいので、発光素子１６から最上段のマイクロミラー１５に到る光の損失は僅かである。また、同一段のマイクロミラー１５は傾斜角４５°で行方向に連続して構成される。
【００２３】
集光レンズ１７は例えばＧａＡｓ基板に形成される。なお、ＧａＡｓ基板上に成長させたＧａＡｓ結晶に形成しても良い。また、Ｋ行目の集光レンズ１７は、Ｋ行目のＶＣＳＥＬ１６から発光される光をＫ段目の光導波路１９のマイクロミラー１５に集光させる曲率半径のレンズ面を有する。どの段でもマイクロミラー１５の光反射位置で、集束された光ビームのスポット径が結合に適した４μｍ（ガウスモードの強度分布が中央の１／ｅになる片側の大きさ）程度になるように、各段に対応するＶＣＳＥＬ１６直上の集光レンズ１７のレンズ面の曲率半径を設計する。屈折率３．５のＧａＡｓ基板を一部エッチングしてレンズ面を形成する場合には、曲率半径を１段目用には８５μｍ，２段目用には１３０μｍ、３段目用には１５０μｍ、−−−、５段目用には１６８μｍに設定すれば良い。ここにおいてＶＣＳＥＬ１６の発光部でのスポットサイズは１．５μｍ、ＶＣＳＥＬ１６の発光面からレンズ表面までの厚さは２７０μｍとした。
【００２４】
〔接続構造の動作〕
次に、この光素子と光導波路の接続構造の動作について説明する。Ｋ行目のＶＣＳＥＬ１６から出射された光は、直上の集光レンズ１７によりスポットを絞られ、Ｋ段目の光導波路１９のマイクロミラー１５とコア１３の交点に集光され、多段導波路アレイのＫ段目の光導波路１９のコア１３内に導かれ、コア１３内を伝播した後、コア１３の端面から出射されてマイクロミラー１５で反射される。そして、マイクロミラー１５により光路を９０度変換された光は、Ｋ行目の受光素子１８（図８参照）上の集光レンズ１７を経由して受光素子１８で受光される。発光側、受光側共、集光レンズ１７の使用により、光が発散することなく、高効率で利用される。
【００２５】
〔接続構造の製法〕
図２にこの光素子と光導波路の接続構造の形成方法の処理フロー例を示す。まず、周知のプロセス技術により、ＧａＡｓ基板上に、例えばＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ：有機金属気相成長）法でＧａＡｓ／Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓの多層膜からなる反射鏡、Ｇａ０．６５Ｉｎ０．３５Ａｓ層をＧａＡｓ層ではさんだ３層の量子井戸構造を含む活性層、ＧａＡｓ／Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓの多層膜からなる反射鏡などを形成し、さらにその上に正負電極を形成して垂直共振器面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）１６とする（Ｓ００１）。これらのＶＣＳＥＬ１６はＭ列×Ｎ行の２次元アレイ状に形成される。ＶＣＳＥＬ１６に対し正負電極と反対側のＧａＡｓ基板をレンズ層とし、この層に集光レンズ１７が形成される。レンズ層の厚さは例えば１００〜４００μｍである。
【００２６】
図３に、レンズ層に集光レンズアレイを形成するプロセス（Ｓ００２〜Ｓ００３）の例を示す。まず、ＧａＡｓ基板上に、各ＶＣＳＥＬ１６の直上に所定の半径の円形ホールが来るようにエッチングマスク層パターンを形成する（Ｓ００２）。すなわち、ＧａＡｓ基板を鏡面研磨、洗浄した後に（Ｓ０２１）、二酸化シリコンＳｉＯ２膜をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：気相成長）法等により約０．５μｍ形成し（Ｓ０２２）、その上に例えばフォトレジストをスピンコートしてエッチングマスク層を形成する（Ｓ０２３）（図３（ａ）参照）。次にＭ列×Ｎ行の所定の半径の円形ホールパターンを描画したエッチングマスクを準備し（Ｓ０２４）、通常の露光法により、フォトレジストを露光、現像、リンス、ベークしてフォトレジスト層パターンを形成する。（Ｓ０２５）（図３（ｂ）参照）。ベークは例えば１２０℃で６ｍｉｎ行う。次にフォトレジスト層パターンをマスクにしてＳｉＯ２膜をエッチングし、所定の半径の円形ホールに相当する窓を開け、フォトレジスト層とＳｉＯ２膜からなるエッチングマスク層パターンを形成する（Ｓ０２６）。ＳｉＯ２膜のエッチングには例えばバッファードフッ酸（弗化水素−弗化アンモニウム系緩衝液）を使用する。
【００２７】
図３（ｂ）にエッチング用マスクのパターンの例を示す。矩形のマスクに所定の半径のＭ列×Ｎ行の円形ホールパターンが描画されている。円形ホールパターンの直径は、例えば第１段目面発光レーザ用には３８μｍ、第２段目用には４２μｍ、第３段目用には４９μｍ，第４段目用には５１．５μｍ，第５段目用には５２．５μｍとする。同一行の円形ホールパターンは同じ半径を有し、行が大きくなる（すなわち段が高くなる）と共に半径が大きくなる。Ｋ行目の円形ホールパターンの所定の半径は、ＧａＡｓ基板のエッチングの際にＫ行目の集光レンズ１７の所定の曲率半径を得られるように選定される。また、Ｋ行目の集光レンズ１７の所定の曲率半径は多段光導波路のＫ段目の光導波路１９のコア１３とマイクロミラー１５の交点に集光するように選定される。
【００２８】
次に、上記エッチングマスク層パターンを用いてレンズ層たるＧａＡｓ基板を一部エッチングし、各発光素子たるＶＣＳＥＬ１６の直上に１つずつ所定の曲率半径のレンズ面を有する集光レンズ１７を形成する（Ｓ００３）。例えば、臭化水素酸と燐酸の混合液に、重クロム酸カリウムの溶液を混合したエッチング液中にＧａＡｓ基板を１０分間浸すことにより、所定の曲率半径のレンズ面を有する集光レンズ１７が形成される。エッチングの詳細については後述する。これによりＭ列×Ｎ行の集光レンズ１７からなる集光レンズアレイが形成される。
【００２９】
次に、フォトレジストとＳｉＯ２膜からなるエッチングマスク層パターンを除去する（Ｓ００４）。フォトレジストの除去には例えばプラズマアッシングを、ＳｉＯ２膜の除去には例えばバッファード液を使用する。
【００３０】
次に、列毎に発光素子１６上に列方向に延びるＮ段構成の多段光導波路であって、Ｋ段目の光導波路１９にはＫ行目の発光素子１６の直上に傾斜角が４５度のマイクロミラー１５を有する、Ｍ列×Ｎ段の多段光導波路アレイを形成する（Ｓ００５）。このうち、多段光導波路を形成する工程は集光レンズアレイを形成する工程とは独立の工程で（並列でも、前後でも良い）行う。多段光導波路の製造方法は、光導波路を多層積層し、例えばこれを多段に加工した後にマイクロミラーを形成する。光導波路の多層化は、周知のプロセス技術により、例えば、クラッド層をガラス基板上に形成し（Ｓ０５１）、コア層をクラッド層上に積層し（Ｓ０５２）、コア層をパターニングして発光素子１６の各列上、列方向に延長し、かつ、同一平面上に平行に配列されたＭ本の断面矩形のコア１３を形成し（Ｓ０５３）、その上からさらにクラッド層を被覆形成して、上記Ｍ本のコア１３をクラッド層により埋設してコア１３の周囲にクラッド１４を形成すると共に、表面を平坦化する（Ｓ０５４）。これをＮ回繰り返すことによりＮ層の光導波路が形成される。
【００３１】
光導波路１９のコア１３及びクラッド１４として例えばフッ素化ポリイミドを使用し、コア１３の屈折率を例えばクラッド１４の屈折率より０．１％大きくする。さらに、各層の光導波路１９の端部を、多段光導波路を発光素子アレイに搭載した場合に、Ｋ層目の光導波路１９についてＫ行目の発光素子１６の直上になるように例えばカッターで斜め４５°に切断し（Ｓ０５５）、次に傾斜角が４５度の部分に金属を形成して、各段のマイクロミラー１５を形成する（Ｓ０５６）。マイクロミラー１５の形成は例えば斜め切断面への金の蒸着や誘電体多層膜の蒸着により形成する。図１（ｂ）において上方から蒸着を行うようにするとマイクロミラー１５は斜め切断面に行方向にリボン状に連続して形成される。この時、多段光導波路の上にも蒸着膜が形成されるが、導波路への結合に寄与しないため問題ない。その後、多段光導波路を剥離する等によりガラス基板から分離して（Ｓ０５７）、多段光導波路を集光レンズを搭載した２次元の発光素子アレイ上に位置合わせして搭載する（Ｓ０５８）。この時、Ｋ段目の光導波路１９においてＫ行目の発光素子１６の直上に傾斜角が４５度のマイクロミラー１５が来るように位置合わせされ、例えば接着剤や低融点メタルを用いて発光素子アレイ上に固着される。このように集光レンズアレイと光導波路アレイとは別々に製作され、ハイブリッド実装して一体的に集積化、モジュール化される。これにより、２次元の発光素子アレイと光導波路アレイと良好な接続ができる多数並列接続構造が構成される。
【００３２】
すなわち、光導波路１９をその厚み方向に多段に積み上げ、段毎に光導波路１９にマイクロミラー１５を設置し、各列の光導波路１９を発光素子１６の各列に対応させ、各段の光導波路１９を発光素子１６の各行に対応させて、２次元的な光接続を実現している。並列度は、Ｍ列×Ｎ段となる。多段化するとき、発光素子１６の表面から各段の光導波路１９の入射面までの距離は段毎に異なるので、発光素子１６直上に形成する集光レンズ１７により発光素子１６の出射光を集束して光導波路１９へ結合する場合、段毎すなわち発光素子１６の行毎に最適化された曲率半径のレンズ面が形成される。また、同一段すなわち同一行に対して同一の曲率半径のレンズ面が形成される。
【００３３】
１０列×５段の光導波路アレイと、１０列×５行の面発光レーザアレイを上記のような接続構造に構成したところ、１段目から５段目まで、結合損失２〜４ｄＢと良好、均一で実用に耐える結合を実現できた。また、面発光レーザ素子アレイ直上に曲率半径の異なる集光レンズを一括して形成することができ、従来の同一曲率のレンズを形成する場合とほとんど同じ工数で、かつ、従来よりもコア径が小さい光導波路との結合を良好に実現できた。この結果、２０Ｇｂ／ｓという超高速信号を８０ｃｍ以上伝送することができ、プリント板上の光インターコネクションの高性能化が図られた。
【００３４】
以上により、本実施の形態によれば、２次元の発光素子アレイと良好な接続ができる多数並列接続構造を提供できる。また、発光素子アレイの各発光素子１６に対しそれぞれ最適化された曲率半径のレンズ面を有する集光レンズからなる集光レンズアレイを一括して形成でき、高効率、均一な結合が、低コストで実現される。特に、光導波路のコア径が小さい場合、本発明の効果はより顕著に現れる。
【００３５】
［レンズのエッチング］
次にレンズのエッチングについて詳細に説明する。ＧａＡｓ基板の表面をレンズ状にエッチングする。エッチャントとして例えば、（i）臭化水素酸−過酸化水素−純水系（ＨＢｒ：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ＝６：６：５４ｍｌ）、（ii）臭化水素酸−ニクロム酸カリウム−燐酸系（ＨＢｒ：Ｈ３ＰＯ４＝２０：２０ｍｌ）＋（Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７５．８８ｇ＋Ｈ２Ｏ２４０ｍｌ）を使用できる。この２種のエッチャントは臭素の濃度分布によってエッチング速度が異なり、円形マスクパターンのパターンエッジ付近で臭素の濃度が高くなりエッチング速度が速くなるため、凸レンズ状にエッチングされる。エッチングマスク層として、（i）については二酸化シリコンＳｉＯ２を、（ii）については二酸化シリコンＳｉＯ２＋フォトレジストを使用すると好適である。
【００３６】
図４に前記エッチャントを用いた場合の、円形マスクの直径とレンズの曲率半径の関係を示す。図４（ａ）はエッチング時間１０ｍｉｎ、液温２６℃、図４（ｂ）はエッチング時間６ｍｉｎ、液温２６℃における関係である。どちらのエッチャントを用いても、マスクの直径又はエッチング時間を変えることによって、レンズの曲率半径を変えることができる。ここでは、臭化水素酸−ニクロム酸カリウム−燐酸系を用い、エッチング時間１０ｍｉｎで、レンズ表面を滑らかに仕上げることができた。
【００３７】
図５にレンズ曲率半径の許容量の例を示す。これはエッチング加工において設計値からのずれがどれくらいまで許容されるかを示すものである。ＶＣＳＥＬの出射光の出射直後のスポットサイズを１．５μｍとし、ある所（固定距離）まで伝搬した時に、スポットサイズが導波路のコアサイズ（２５μｍ）まで広がったところをリミットとし計算で求めた。図５より基板が厚い方が光ビームが広がってレンズに入るので、光ビームを絞るのに大きな曲率半径のレンズを使用でき、設計値からのずれの許容範囲を広く取れるので、基板が厚い方が極率半径の大きいレンズでビームを遠くまで伝搬できるといえる。
【００３８】
図６に出射光の伝搬特性例を示す。図６（ａ）に直上の基板にレンズを形成したフリップチップＶＣＳＥＬの出射光の伝搬特性を、図６（ｂ）にレンズ形成を行なわない場合の出射光の伝搬特性を示す。出射光は空気中を伝搬し、伝搬距離を変えてビームのスポットサイズをビジコンで測定した。ＶＣＳＥＬへの電流は１．２ｍＡ流した。レンズがある場合は、この例では伝搬距離２５０μｍでスポットサイズが最小になり、強度が強くなっていた。測定結果について計算値と比較したところ、測定値の方が大きくなっていたが、これは、実際のレンズの曲率半径が一様でなく、中心と端部で異なるからであることがわかった。また、レンズがない場合のビームの広がりは大きく、レンズ形成によりビームの広がりがかなり抑制されることがわかる。
【００３９】
このように、レンズの曲率半径は円形マスクの半径と、エッチング条件（時間など）で制御できるので、２次元アレイの発光素子直上に、結合する導波路までの距離に整合して行毎に異なる曲率半径のレンズ面を有する集光レンズアレイを一括して形成できる。
【００４０】
［第２の実施の形態］
図７に、第２の実施の形態におけるエッチングマスク用パターンの例を示す。集光レンズの曲率半径を、１段毎に変えず、３段から４段同じ曲率半径のレンズを採用し、３段から４段単位に円形ホールパターンの半径を変化させたものである。本実施の形態では、結合する光導波路の段数を１０段、列数を１０列とし、結合する導波路コアは２０μｍ□でやや大きくした。コア径が大きいので、このようにしても、結合効率は２．５〜３．５ｄＢと良好であった。エッチングマスク用パターン、段数とコア径以外は第１の実施の形態と同様であり、第１の実施の形態と同様に、異なる曲率半径のレンズ面を有する集光レンズアレイを一括して形成でき、レンズ形成に伴うコストは従来の同一曲率半径のレンズ面を形成する場合と殆ど同等であった。また、第１の実施の形態よりもさらに高多重度の並列多重光接続が可能になった。
【００４１】
［第３の実施の形態］
図８に第３の実施の形態における光素子と光導波路の接続構造の構成例を示す。図８（ａ）はその平面図であり、図８（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面図である。図１と同一の部位については同一の符号を付して重複する説明を省略する。本実施の形態は、第１の実施の形態における発光素子１６を受光素子１８に代えるもので、他の構成は第１の実施の形態と同様である。ただし、発光素子の場合と光の発散の程度が異なるので、円形マスクの直径及びレンズの曲率半径は発光素子の場合と異なる。また、光の進行方向が図１と逆になる。本実施の形態では、集光レンズは光導波路コアから出力され、マイクロミラーで反射された光を受光素子に集光させる機能を有する。これにより、２次元の受光素子アレイと良好な接続ができる多数並列接続構造が構成される。また、受光素子アレイの各光素子に対しそれぞれ最適化された曲率半径のレンズ面を有する集光レンズからなる集光レンズアレイを一括して形成できる。
【００４２】
［その他の形態］
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態に種々変更を加えられることは明白である。
【００４３】
例えば、以上の実施の形態では、発光素子、受光素子が一様なアレイについて説明したが、周波数領域（色彩）の異なる発光素子を混載したアレイ又は周波数領域（色彩）の異なる受光素子を混載したアレイについて、それぞれ適切な曲率半径を設定して集光レンズを形成しても良く、さらに、発光素子と受光素子を混載したアレイについて適用しても良い。発光素子と受光素子を混載したアレイの場合には、発光素子用の集光レンズと受光素子用の集光レンズを同時に一括して形成することも可能である。また、発光素子、受光素子のアレイの形状は矩形に限られず例えば円形、多角形でも良い。また、以上の実施の形態では、導波路アレイのコア径が一様な多段導波路アレイについて説明したが、コア径が異なる場合にも、それぞれ適切な曲率半径を設定して集光レンズを形成しても良い。また、以上の実施の形態では、集光レンズアレイと光導波路アレイとは別々に製作され、ハイブリッド実装して一体的に集積化される例を説明したが、集光レンズアレイを光素子アレイ上に形成した後、その上に光導波路アレイを形成しても良い。また、以上の実施の形態では、多段光導波路アレイの形成について、光導波路を多層積層してから多段に加工する方法を説明したが、段毎に並列光導波路を形成しマイクロミラーを形成した後に多段に積層しても良い。また、以上の実施の形態では、マイクロミラーが同一段で複数列に亘って連続している例を説明したが、マイクロミラーはコアとの交点を含む小領域のみに形成されても良い。
【００４４】
また、以上の実施の形態では、Ｍ列×Ｎ行の光素子アレイを格子状に配列した例を説明したが、隣接する行の光素子の位置をずらし、これに合わせて多段導波路アレイの各段の位置をずらすように構成しても良く、また、格子状に限られず、例えばハニカム状でも良い。また、各レンズ面の曲率半径は一様でなく、例えば端部で大きく中央部で小さくなるよう次第に変化しても良い。また、エッチングホールパターンが円形の例を説明したが、発光された光が光導波路に結合すれば良く、或る程度楕円形や多角形に歪んでいても良い。また、エッチングマスク層として、ＳｉＯ２膜とフォトレジストの積層の他にエッチャントに応じて、ＳｉＯ２膜、フォトレジスト等を使用可能である。また、レンズ層や光波長等に応じて適切なレンズ面の曲率半径やエッチングマスクの円形パターンの半径を変更でき、レンズ層の組成、エッチング液、エッチング時間など種々選択可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は多量の光信号を伝送するための光素子アレイと光導波路アレイを接続する接続構造に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１の実施の形態における光素子と光導波路の接続構造の構成例を示す図である。
【図２】第１の実施の形態における光素子と光導波路の接続構造の形成方法の処理フロー例を示す図である。
【図３】レンズ層に集光レンズアレイを形成するプロセスの例を示す図である。
【図４】２種のエッチャントを用いた場合の、円形マスクの直径とレンズの曲率半径の関係を示す図である。
【図５】レンズ曲率半径の許容量の例を示す図である。
【図６】出射光の伝搬特性例を示す図である。
【図７】第２の実施の形態におけるレンズ形成用のマスクパターンの例を示す図である。
【図８】第３の実施の形態における光素子と光導波路の接続構造の構成例を示す図である。
【図９】従来の光インターコネクション構成の例を示す図である。
【図１０】従来の光素子と光導波路の接続構造の構成例を示す図である。
【図１１】従来の光素子と光導波路の接続構造の別の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    基板
１ａ  インターポーザー
２    ＬＳＩ
３    受光素子
４    発光素子
５    光導波路
７    発光素子
８    マイクロミラー
８ａ  ミラー
９、９ａ  光導波路
１３  コア
１４  クラッド
１５  マイクロミラー
１６  面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）
１７  集光レンズ
１８  受光素子（ＰＤ）
１９  光導波路
【図１】
2007212687.tif 000003
【図２】
2007212687.tif 000004
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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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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