(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた配線導体と、
前記基板上に形成され、少なくとも下部クラッド部およびコア部を有する光導波路と、
前記下部クラッド部中に形成された光素子設置用の金属設置部と、
前記下部クラッド部中に設けられ、前記配線導体と前記金属設置部とを電気的に接続する貫通導体と、
受光面または発光部を有し、前記下部クラッド部中かつ前記金属設置部上に設置されるとともに前記光導波路に埋設された薄膜型光素子であって、前記受光面を前記コア部に近接させるかまたは前記発光部を前記コア部中に位置するように配設された薄膜型光素子と、を有する、光集積回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路と薄膜型光素子とを同一基板に集積する光集積回路基板に関し、例えばＷＤＭ（Wavelength Division Multiplex：波長分割多重伝送方式）用光モジュール基板のように同一基板上に複数の薄膜型光素子およびその他のデバイスを搭載するような場合に好適に利用され、光導波路と薄膜型光素子とを同一基板に集積して基板サイズの小型化と生産性の向上ならびに光送受信効率の増加を実現できる光集積回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光伝送モジュールの性能ならびに生産性の向上を図るための光素子の研究開発や、高密度・高精度・高光接続効率な光素子実装技術の研究開発が進められている。
【０００３】
例えば、“Thin-Film Multimaterial Optoelectronic Integrated Circuits”, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, part B, Vol. 19, No.1, February 1996.においては、半導体基板上にエピタキシャル成長させて受光素子を形成した後にエピタキシャル層のみを分離して薄膜型受光素子を作製し、別の実装基板に実装する技術について述べられている。この技術によれば、異種材料で作製された薄膜型光素子を高密度・高精度に実装基板上に実装することが可能となる。
【０００４】
また、光素子実装技術の例として、特開平７−128531号公報に提案された光集積回路基板の例を図２に断面図で示す。図２において、21は基板、24は光導波路の下部クラッド層、25は光導波路のコア層、26は光導波路の上部クラッド層、27は基板21の上面で下部クラッド層24の下に設置された薄膜型光素子である面型受光素子である。このような構成によれば、コア部25を中心に伝搬する光は、下部クラッド層24部分にも広がっているため、面型受光素子27と結合することができるというものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これに対し、基板上に形成した光導波路と、その光導波路中に埋設された薄膜型光素子とで光結合をしようとする場合には、以下のような問題が生じることとなる。
【０００６】
薄膜型光素子は、エピタキシャル層のみで構成されるため数μｍ以下の薄さである。また、一般的なシングルモード光導波路は、クラッド部とコア部との比屈折率差は0.2〜1.5％、コア部の厚さが４〜８μｍ程度であるが、基板と伝搬光との相互作用を十分小さくするためには下部クラッド部の厚さをコア部の1.5倍程度以上にする必要があり、下部クラッド部として少なくとも６〜12μｍの厚さを有することが望まれる。一方、光導波路とその下方に配置される薄膜型光素子との光結合効率を高くするためには、光導波路の下部クラッド部をできるだけ薄くしてコア部と薄膜型光素子との距離を近づける必要がある。
【０００７】
従来は、薄膜型光素子が基板表面上に形成あるいは設置された後に光導波路が被覆形成されていた。従って、薄膜型光素子を基板上に設置した後、その上部に光導波路を形成して光結合を得ようとするには、図２に示されるように、光導波路層に湾曲部あるいは屈曲部を形成して、薄膜型光素子の上方の領域では下部クラッド部を薄くし、薄膜型光素子がない領域では下部クラッド部を厚くする必要がある。こうした場合、湾曲部の曲率を大きくすると薄膜型光素子の近傍で基板と伝搬光との相互作用が生じる領域が広くなり光伝搬損失が大きくなるという問題がある。また、湾曲部の曲率を小さくすると薄膜型光素子近傍の基板との相互作用領域を狭くすることができるが、湾曲部で伝搬光が放射して光伝搬損失が大きくなったり、クロストークの原因となる迷光が発生するという問題がある。
【０００８】
また、特開平７−128531号公報には、実施例３において、下地の半導体層で高さを確保して、薄膜型光素子に相当する活性層または光吸収層を基板から十分離れた距離に位置させておき、これに光導波路を被覆形成する構造が示されている。しかしながら、この場合においては、光素子の近傍で光導波路のコア部が大きく屈曲するため、屈曲部での放射損失や光素子部での散乱損失が生じるという問題点がある。また、光導波路を被覆形成する際に、光素子による段差のために光導波路のコア部の加工精度が悪くなったり、光素子近傍の被覆部や屈曲部の形状を所望の形状に制御することが困難であるため設計通りの性能を得ることができないといった問題点もある。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板上に配置された薄膜型光素子とそれに被覆形成された光導波路との間で良好な光結合が得られるとともに低損失な光伝送が可能な光集積回路基板を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光集積回路基板は、基板と、前記基板上に設けられた配線導体と、前記基板上に形成され、少なくとも下部クラッド部およびコア部を有する光導波路と、前記下部クラッド部中に形成された光素子設置用の金属設置部と、前記下部クラッド部中に設けられ、前記配線導体と前記金属設置部とを電気的に接続する貫通導体と、受光面または発光部を有し、前記下部クラッド部中かつ前記金属設置部上に設置されるとともに前記光導波路に埋設された薄膜型光素子であって、前記受光面を前記コア部に近接させるかまたは前記発光部を前記コア部中に位置するように配設された薄膜型光素子と、を有するものである。
【００１１】
本発明の光集積回路基板によれば、基板上に少なくとも下部クラッド部およびコア部を有する光導波路が形成されており、この光導波路中に、基板上に設けた配線導体と電気的に接続された光素子設置用の金属設置部が下部クラッド部中に形成され、この金属設置部の上に薄膜型光素子が下部クラッド部中で受光面をコア部に近接させるかまたは発光部をコア部中に位置させるように設置されて、これらが光導波路中に埋設されているので、薄膜型光素子と光導波路のコア部との距離を近くしつつ、あるいは薄膜型光素子をコア部内に位置させて光素子とコア部との間で効率良く光信号の授受を行なうことができるとともに、薄膜型光素子がない領域では光導波路のコア部と基板との距離を十分に長く確保することができるため、光導波路中に埋設された薄膜型光素子と光導波路との間で良好な光結合を得ることができるとともに、光導波路の伝搬光と基板との相互作用がなく低損失な光伝送を行なうことができる。
【００１２】
また、薄膜型光素子が、下部クラッド部中に形成され基板上に設けた配線導体と電気的に接続された金属設置部に、下部クラッド部中で受光面をコア部に近接させるかまたは発光部をコア部中に位置させるように設置されて光導波路中に埋設されていることから、薄膜型光素子からの信号の出力や入力、電力の供給や発熱の伝導・放散をこの金属設置部により薄膜型光素子に対して直接に効率良く行なうことができるため、高周波信号の入出力や高出力の光信号の入出力等を安定して行なうことができ、高周波特性に優れ、動作の安定性にも優れた高性能・高信頼性の光信号処理を行なうことができる。
【００１３】
さらに、光導波路に埋設させる金属設置部および薄膜型光素子は、いずれも光導波路の作製プロセスと同様の薄膜形成プロセスにより形成することができるので、高い加工精度で形成でき、高密度配置が可能であり、生産性にも優れるという利点も有するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光集積回路基板について図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
図１は、本発明の光集積回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、１は基板、２は基板１上に形成された光導波路の下部クラッド部、３は光導波路のコア部、４は光導波路の上部クラッド部である。５は薄膜型光素子、６は薄膜型光素子設置用の金属設置部、７は貫通導体、８は基板１に形成されている配線導体であり、配線導体８から貫通導体７および金属設置部６を介して薄膜型光素子５への電気信号の入出力が行なわれる。
【００１６】
そして、本発明の光集積回路基板においては、金属設置部６は光導波路中、この例では下部クラッド部２中に形成され、薄膜型光素子５はこの金属設置部６に設置されて光導波路中、この例では同じく下部クラッド部２中に配置されて、いずれも光導波路中に埋設されていることを特徴とする。なお、薄膜型光素子５としては受光素子と発光素子とがあるが、受光素子の場合は、コア部３中を伝搬する光信号を散乱させたり減衰させたりしないように、この例のように下部クラッド部２中にコア部３に近接させて埋設することが好ましく、発光素子の場合は、コア部３に光信号を効率良く出力できるように、コア部３中に位置するように埋設することが好ましい。
【００１７】
本発明の光集積回路基板において、基板１は、電気回路および光導波路を始めとする光電気回路が形成され、また光導波路中に埋設される薄膜型光素子５に対する支持基板として機能するものであり、光集積回路基板や光電子混在基板等の光信号を扱う基板として使用される種々の基板、例えばシリコン基板やアルミナ基板・ガラスセラミック基板・多層セラミック基板・プラスチック電気配線基板等が使用できる。
【００１８】
基板１に形成され、内部に薄膜型光素子５が埋設される光導波路は、少なくとも下部クラッド部２とコア部３とを有しており、好ましくはこれらの上部に上部クラッド部４を有する３次元導波路形状の光導波路である。
【００１９】
この光導波路の材料としては、基板１上に形成された配線導体８や貫通導体７・金属設置部６・金属設置部６上に設置された薄膜型光素子５上に光導波路を積層形成した際にダメージを与えないように、低温で形成可能であり、さらにこれら配線導体８・貫通導体７・金属設置部６・薄膜型光素子５による表面の凹凸を緩和することができる平坦化性に優れ、さらに低損失で光を伝搬させることができる透明性に優れた材料を用いる。また、特に下部クラッド部２は光集積回路基板における電気配線の誘電体層としても機能するものなので、特に高周波電気信号を取り扱う場合においては低誘電損失で低誘電率の材料が好ましい。例えばシロキサン系ポリマ・フッ素化ポリイミド・フッ素樹脂・ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）・ポリカーボネート（ＰＣ）等の溶液状態で基板１上に塗布可能な光学材料が好適に用いられる。
【００２０】
本発明の光集積回路基板の作製方法としては、図１に示した例であれば、まず基板１上に、光導波路の下部クラッド部２の下方の一部となると同時にその上に薄膜型光素子５設置用の金属設置部６を形成する層（図１の下部クラッド部２を点線で区切って示した下側の層）を形成する。次にこの層に、基板１上の配線導体８に接続される貫通導体７と薄膜型光素子５設置用の金属設置部６を形成する。次に、薄膜型光素子５を金属設置部６に載置し、あるいは直接形成することにより設置する。次に、金属設置部６および薄膜型光素子５を覆い下部クラッド部２の上方の一部となる層（図１の下部クラッド部２を点線で区切って示した上側の層）を形成する。次にこの下部クラッド部２上にコア部３となる層を形成した後、フォトリソグラフィやＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）等の周知の薄膜微細加工技術を用いて所定の形状でコア部３を形成する。そして、コア部３を形成した後に、上部クラッド部４を被覆形成して３次元形状の光導波路を形成する。これにより、光導波路中、ここでは下部クラッド部２中に金属設置部６および薄膜型光素子５が埋設された光導波路が形成される。
【００２１】
薄膜型光素子５設置用の金属設置部６ならびに貫通導体７・配線導体８は、いずれもＡｕ・Ｔｉ・Ｐｄ・Ｐｔ・Ａｌ・Ｃｕ・Ｗ・Ｃｒ等の周知の薄膜配線導体材料を用いて、周知の薄膜多層配線の手法を利用して形成すればよい。金属設置部６の大きさおよび形状は、薄膜型光素子５に形成された電極の大きさ・形状に相応したものを形成する。金属設置部６の光導波路中の位置は、薄膜型光素子５が受光素子の場合は、伝搬光の電磁界分布が受光面に及ぶ位置となるようにコア部３と受光面とが配置されるような位置に設定する。一般的なシングルモード光導波路の場合には、コア部３と受光面との距離を少なくともコア部３の厚みの1.5倍以内にする必要がある。実際には、薄膜型光素子５の屈折率・透過率・厚さ、光導波路の構造・屈折率・厚さ、受光素子の感度等を考慮したシミュレーションや実験を行ない、目標とする受光効率が得られるように決定すればよい。また、薄膜型光素子５が発光素子の場合は、コア部３に光信号を効率良く出力できるように、発光部がコア部３中に位置するような位置に設定する。
【００２２】
また、薄膜型光素子設置用の金属設置部６の最表面には、薄膜型光素子５を設置する際に、薄膜型光素子５を載置して金属設置部６と接合する場合や電気的な接続を行なう場合等のために必要であれば、ＡｕＳｎ・ＡｕＧｅ等の半田層を形成しておくとよい。
【００２３】
また、図１では下部クラッド部２中に形成された金属設置部６を基板１上に設けた配線導体８と貫通導体７で接続した例を示したが、光集積回路基板に形成された回路配線に金属設置部６を電気的に接続する構造は、単層配線やさらに多層化された構造や光導波路上部に形成された配線と接続された構造等でもよく、仕様に応じた所望の電気配線構造を用いればよい。
【００２４】
このような金属設置部６を形成して薄膜型光素子５を設置することにより、薄膜型光素子５を設置したことによる段差を前述の特開平７−128531号公報の実施例３に示された例よりも小さくすることができ、２〜３μｍ程度以下とすることができる。このように薄膜型光素子５上に光導波路層を積層形成する際に問題がない程度に平坦にすることができるので、光素子５近傍での散乱損失や放射損失を十分小さくすることができ、さらに光導波路のコア部３の加工精度は良好なものとなり容易に設計通りの性能を実現することができる。
【００２５】
金属設置部６上に設置される薄膜型光素子５は、例えばＳｉ・Ｇｅ・ＩｎＰ・ＧａＡｓ・ＩｎＡｓ・ＩｎＧａＡｓＰ等の半導体材料を用いて製造された薄膜型受光素子あるいは薄膜型発光素子であり、ｐｎフォトダイオード・ｐｉｎフォトダイオード・フォトトランジスタ・ＭＳＭ（Metal-Semiconductor-Metal)フォトダイオード・アバランシェフォトダイオードといった受光素子や、ＬＥＤ・垂直共振器型面発光レーザ・端面発光型レーザといった発光素子が用いられる。また、ここで言う薄膜型光素子とは、その厚さが埋設される下部クラッド部２またはコア部３の厚さよりも薄いものである。
【００２６】
薄膜型光素子５は、光導波路との光結合を得るために、薄膜型光素子５が例えば面受光型受光素子である場合においては、コア部３を中心に伝搬する光のフィールドが薄膜型光素子５の受光部にかかるように配置する。また、薄膜型光素子５が端面発光型発光素子である場合においては、発光部がコア部３内に位置するように配置すればよい。また、薄膜型光素子５が導波路型受光素子である場合においては、コア部３を中心に伝搬する光のフィールドが薄膜型光素子５の端面にかかるように配置すればよい。また、薄膜型光素子５が導波路構造を有している場合には、コア部３と薄膜型光素子５内の光導波路部とを平行に配置してモード結合を行なわせることよって光結合を行なってもよい。
【００２７】
光導波路中に埋設される薄膜型光素子５と光導波路のコア部３との位置関係、およびコア部３の高さ・幅・屈折率、下部クラッド部２の厚さ・屈折率、上部クラッド部４の厚さ・屈折率は、薄膜型光素子５の受光感度や伝搬光強度や伝搬光のモードフィールド等を考慮して、所望の光結合効率が得られるように周知の光導波路理論やシミュレーションや実験から決定すればよい。
【００２８】
なお、薄膜型光素子５を金属設置部６に設置する方法としては、例えば"Thin-Film Multimaterial Optoelectronic Integrated Circuits", IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, part B, Vol. 19, No.1, February 1996.に述べられているような周知の薄膜型素子実装方法を用いればよい。
【００２９】
【実施例】
次に、本発明の光集積回路基板について具体例を説明する。
【００３０】
まず、シリコン基板上に、フォトリソグラフィ・電子ビーム蒸着法・リフトオフの手法を用いて、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ（厚さ：0.1μｍ／0.2μｍ／0.8μｍ）からなる配線導体による電気配線および外部との接続用パッドを形成した。
【００３１】
次に、この基板上に、シロキサンポリマの有機溶媒溶液をスピンコート法によって塗布し、85℃／30分および270℃／30分の熱処理を行ない、厚さ８μｍの下部クラッド部の一部（屈折率1.4405，λ＝1.3μｍ）を形成した。続いて、Ａｌ薄膜の開口パターンをマスクとしてＲＩＥ加工を行ないスルーホールを形成した。Ａｌ薄膜マスクを除去した後、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ薄膜（厚さ：0.1μｍ／0.2μｍ／0.5μｍ）を電子ビーム蒸着法により成膜し、フォトリソグラフィ・ドライエッチングを行ない、スルーホール中の導体により外部との接続用パッドと電気的に接続された、金属設置部としての薄膜受光素子設置用パッドを形成した。
【００３２】
次に、厚さ１μｍのＧａＡｓ系材料と厚さ0.2μｍのＡｕ電極から構成されたＭＳＭ型の薄膜受光素子を薄膜受光素子設置用パッドに実装し設置した。
【００３３】
次に、この基板上に、上記の下部クラッド部の一部と同材料のシロキサンポリマの有機溶媒溶液をスピンコート法によって塗布し、85℃／30分および270℃／30分の熱処理を行ない、厚さ10μｍの層（屈折率1.4405，λ＝1.3μｍ）を形成した。その後、全面をＣＦ4ガスとＯ2ガスを用いたＲＩＥによってエッチングして、薄膜受光素子を被覆している部分のクラッド層の厚さが１μｍとなるようにした。この際、薄膜受光素子の部分とその他の部分との下部クラッド部表面に生じた段差は0.3μｍ以下であり問題ない程度であった。このようにして形成した下部クラッド部の厚さは、薄膜受光素子のないところで約11μｍとなった。
【００３４】
次に、シロキサンポリマとテトラ−ｎ−ブトキシチタンとの混合液をスピンコート法によってクラッド層上に塗布し、85℃／30分および150℃／30分の熱処理を行ない、厚さ７μｍのコア層（屈折率1.4450，λ＝1.3μｍ）を形成した。
【００３５】
続いて、厚さ0.5μｍのＡｌ膜をスパッタリング法によりコア層上に形成し、コア部のパターンとなるフォトレジストパターンをフォトリソグラフィ手法により形成した。次いで、燐酸・酢酸・硝酸の混合溶液によりＡｌ膜をエッチングし、レジストパターンが転写されたＡｌパターンを形成した。
【００３６】
次いで、レジストを除去した後、ＣＦ4ガスとＯ2ガスを用いたＲＩＥ加工によりコア部のエッチング加工を行ない、幅７μｍ×高さ７μｍの断面がほぼ矩形のコア部を形成した。このコア部は薄膜受光素子の受光部の上方に位置するようにした。
【００３７】
その後、Ａｌパターンを除去し、上記と同様にしてクラッド層（屈折率1.4405，λ＝1.3μｍ）を形成してコア部を埋め込み、クラッド部がシロキサン系ポリマから成り、コア部がチタン含有シロキサン系ポリマから成るステップインデックス型光導波路を形成した。
【００３８】
次に、エキシマレーザによるアブレーション加工を施し、シリコン基板表面上に形成してある外部との接続用パッドの一部を露出させた。また、基板をチップ状に切り分けると同時に、光導波路の外部からの光を入射するための接続用端面をダイシングによって形成した。
【００３９】
このようにして作製した本発明の光集積回路基板について、波長1.3μｍのレーザ光をシングルモード光導波路を介して光導波路接続用端面に入射して、本光集積回路基板の光伝搬特性と受光特性を評価した。
【００４０】
その結果、薄膜受光素子のないところでの光導波路は、下部クラッド部の厚みが11μｍあり下地のシリコン基板との相互作用が十分小さく、低損失で良好な光伝搬ができることを確認した。一方、薄膜受光素子の受光効率は約10％と優れた結合効率を有していることが確認できた。
【００４１】
なお、以上はあくまで本発明の実施の形態の例示であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。例えば、薄膜受光素子とコア部との間にクラッド部を介さず、直接、薄膜受光素子表面にコア部を形成してもよい。また、薄膜受光素子とコア部との間のクラッド部にグレーティングを形成して波長分波等の機能を付加してもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の光集積回路基板によれば、基板上に少なくとも下部クラッド部およびコア部を有する光導波路が形成され、この光導波路中に、基板上に設けた配線導体と電気的に接続された光素子設置用の金属設置部およびこの金属設置部の上に設置された薄膜型光素子が、金属設置部が下部クラッド部中に形成され、薄膜型光素子が下部クラッド部中で受光面をコア部に近接させるかまたは発光部をコア部中に位置させるように配置されて、埋設されていることから、薄膜型光素子と光導波路のコア部との間で効率良く光信号の授受を行なうことができて良好な光結合を得ることができるとともに、薄膜型光素子がない領域では光導波路のコア部と基板との距離を十分に長く確保することができるために光導波路の伝搬光と基板との相互作用がなく低損失な光伝送を行なうことができる。
【００４３】
また、薄膜型光素子が、下部クラッド部中に形成され基板上に設けた配線導体と電気的に接続された金属設置部に、下部クラッド部中で受光面をコア部に近接させるかまたは発光部をコア部中に位置させるように設置されて光導波路中に埋設されていることから、薄膜型光素子の信号の入出力や電力の供給や発熱の伝導・放散をこの金属設置部により薄膜型光素子に対して直接に効率良く行なうことができるため、高周波信号の入出力や高出力の光信号の入出力等を安定して行なうことができ、高周波特性に優れ、動作の安定性にも優れた高性能・高信頼性の光信号処理を行なうことができる。
【００４４】
さらに、光導波路に埋設させる金属設置部および薄膜型光素子は、いずれも光導波路の作製プロセスと同様の薄膜形成プロセスにより形成することができるので、高い加工精度で形成でき、高密度配置が可能であり、生産性にも優れるという利点も有する。
【００４５】
以上により、本発明によれば、基板上に配置された薄膜型光素子とそれに被覆形成された光導波路との間で良好な光結合が得られるとともに低損失な光伝送が可能な光集積回路基板を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光集積回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】従来の光集積回路基板の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・基板
２・・・・・光導波路の下部クラッド部
３・・・・・光導波路のコア部
４・・・・・光導波路の上部クラッド部
５・・・・・薄膜型光素子
６・・・・・金属設置部
【図１】
0003811345.tif 000002
【図２】
0003811345.tif 000003