(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つの基板の第１の面に第１の光導波路を有し、第１の面の反対側の第２の面に第２の光導波路を有し、前記基板がＳｉ単結晶基板であり、第１の光導波路の材質がＳｉＯ２系の材料よりなり、第２の光導波路の材質が、透光性を有するポリマーよりなることを特徴とする光導波路基板。
【請求項２】
前記ポリマーがポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路基板。
【請求項３】
Ｓｉ単結晶基板の第１の面に第１の光導波路を有し、第１の面の反対側の第２の面に第２の光導波路を有し、前記第１の光導波路を、前記第２の光導波路の形成温度より高い形成温度で形成し、その次に第２の光導波路を形成することを特徴とする光導波路基板の製造方法。
【請求項４】
一つの基板の第１の面に第１の光導波路を有し、第１の面の反対側の第２の面に第２の光導波路を有する光導波路基板上に、光送信器もしくは光受信器、またはその双方を構成し、前記基板がＳｉ単結晶基板であり、第１の光導波路がＳｉＯ２系の材料で構成され、前記第１の光導波路側にＩｎＧａＡｓＰ系の材料よりなる少なくとも一つの半導体レーザを用いた光送信機能を構成し、第２の光導波路がポリイミド樹脂で構成され、前記第２の光導波路側に少なくとも一つのＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰ系の半導体受光素子を用いた光受信機能を構成したことを特徴とする光送受信器。
【請求項５】
前記送信機能側に半導体レーザの駆動用素子を搭載し、前記受信機能側に、受信信号の増幅素子を搭載したことを特徴とする請求項４の光受信器。
【請求項６】
樹脂モールドによって外形形状を形成したことを特徴とする請求項４または５に記載の光送受信器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信に用いる光導波路基板及びその製造方法並びにこれを用いた光送受信器に関するものである。ここで、光送受信器とは、光送信器、あるいは光受信器、またはこれらの組み合わせて一体化したものの総称である。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いた通信技術が発展し、低コストで小型化の光送受信器が開発されている。例えば、高橋龍太らによって「SFF光トランシーバ用光素子実装方法の検討」（1999年電子情報通信学会エレクトロニクスソサエティ大会講演論文集1、講演番号C-3-28、P133）などがその一例であり、V溝付Si単結晶基板上に2本の光ファイバと、送信用半導体レーザ（以下LDと記載）と受信用半導体受光素子（以下PDと記載）を組み合わせた光送受信器が開示されている。
【０００３】
一方、最近光導波路が光送受信器の小型化、低コスト化のために利用されるようになっている。例えば、特開平11-68705公報にその一例が開示されている。すなわち、光導波路と多層膜フィルタを用いることによって、波長1.3μｍ光で送信し、波長1.55μｍで受信できる機能を実現している。この機能は、Si単結晶基板上に光導波路を形成して、LDやPDをも集積化したことによって実現されている。
【０００４】
このように、光導波路を用いることは光送受信機能の集積化にとって必須の事項である。従って、前述の二例の公知例から、たとえば、高機能の送受信器を光導波路で形成すると、図6の構造が想定される。図6は、その光送受信器の平面図と断面図を示すものである。図6(a)は平面図であり、図6(b)は切断A−Bにおける側面断面図である。以下一例として、Si単結晶基板を用いた送受信器の説明する。Si単結晶基板１01上にSiO２系光導波路層を形成する。この光導波路層は、光導波するコア103、104とこれを取り囲むクラッド層102とよりなる。クラッド層はSiO2よりなり、コアはGeO2を含むSiO2よりなり、クラッド層より屈折率を高くしている。このように光導波路を形成した基板を光導波路基板109と呼ぶ。
【０００５】
光導波路基板109の導波路を形成していない部分101-1に、送信機能や受信機能を実現するための半導体素子を配置する。光送信器側に関しては、LD107を送信信号で駆動し、発光した光を光導波路103を通じて、光ファイバ105に送り込む。光受信器側に関しては、光ファイバ106より入射する受信光は、光導波路104を通じてPD108に入射し、電気信号に変換される。もちろん図示していないが、特定の波長を反射するブッラグ回折格子を光導波路103の途中に形成し発光波長を自在に選択したり、光導波路104の途中に特定の波長を選択的に透過する波長フィルタを挿入して受信機能に波長選択性を持たせるなど、機能を高めることが可能である。
【０００６】
【発明が解決しょうとする課題】
現在光通信システムが広く普及しつつある状況下においては、光送受信器をより高機能化し、より小型化し、より低コストで量産できるようにすることが必要である。しかしながら、従来の光送受信器では、基板の片側にのみ送受信機能を形成しているために、多数の送受信器を集積化し機能を向上させたり、より小型化したり、低コスト化することに限界があり、これらの課題を解決するための新規な構成が必要とされていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を一気に解決する構成を提供するものである。すなわち、本発明は、一つの基板の第１の面に第１の光導波路を有し、第１の面の反対側の第２の面に第２の光導波路を有し、前記基板がＳｉ単結晶基板であり、第１の光導波路の材質がＳｉＯ２系の材料よりなり、第２の光導波路の材質が、透光性を有するポリマーよりなることを特徴とする光導波路基板である。このような構造を用いることにより、光導波路の集積度を向上させる、ひいては、光導波路基板を小型化、低コスト化することができる。従来は、光導波路基板は基板上面に形成するという既成概念があり、ＳｉＯ２系の材料と透光性を有するポリマーで両面に導波路を形成することは、誰も発想しなかった。
【０００９】
前記光導波路基板をSi単結晶基板とし、第1の光導波路の材質をSiO2系の材料とし、第2の光導波路の材質をポリマー系の材料とすることにより、形成温度の比較的高いSiO2系導波路を形成した後、形成温度の比較的低いポリマー系の導波路を形成することが容易に可能であり、大面積のSi単結晶基板に多数の光導波路基板を形成し、低コストで量産することが可能となる。
【００１２】
また本発明は、一つの基板の第１の面に第１の光導波路を有し、第２の面に第２の光導波路を有することを有する光導波路基板上に光送信器もしくは光受信器、またはその双方を構成し、前記基板がＳｉ単結晶基板であり、第１の光導波路がＳｉＯ２系の材料（コアがＧｅＯ２を含むＳｉＯ２、クラッドがＳｉＯ２）で構成され、前記第１の光導波路側にＩｎＧａＡｓＰ系の材料よりなる少なくとも一つの半導体レーザを用いた光送信器を構成し、第２の光導波路がポリイミド樹脂で構成され、前記第２の光導波路側に少なくとも一つのＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰ系の半導体受光素子を用いた光受信器を構成することにより、光通信で最も良く使われる１．３μｍ帯から１．５５μｍ帯の波長領域で光送信も光受信も可能な集積化された光送受信器を小型化、低コスト化することが可能となる。前記送信器側に半導体レーザの駆動用素子を搭載し、前記受信器側に受信信号の増幅素子を搭載することにより、電子回路も一体化した高性能の光送受信器が構成可能となる。
【００１３】
さらに、樹脂モールドによって一つの導波路基板に形成された光送受信器の外形形状を形成することによって、簡便にパッケージングされた形態とすることができ、低コスト化かつ量産化が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図1(a)は平面図、図1(b)は、切断A−Bにおける断面図である。一つの基板１の第1の面の一部に第1の光導波路20を形成する。この第1の光導波路20は、光導波するコア3とこれを取り囲むクラッド層2とよりなる。次に前記基板1の反対側の第2の面の一部に第2の光導波30を形成する。この第2の光導波路30は、光導波するコア7とこれを取り囲むクラッド層6とよりなる。このように両面に光導波路を形成した基板を光導波路基板10と呼ぶ。
【００１５】
光導波路基板10の片側面の残る一部1-1にLD5を配置し、反対側の面の残る一部1-2にPD9を配置する。更に、両側の面に形成された光導波路に対向させて、それぞれの光導波路の端面と接続するように送信用光ファイバ4と受信用光ファイバ8を配置する。以上のように構成することにより、従来技術の想定例である図6に比べて半分の狭い面積の光導波路基板に送受信器を構成することが出来る。
【００１６】
前記基板の材料としては、Si単結晶基板や石英ガラス基板やサファイア基板などが使用可能であるが、大型の基板が得られること、フォトリソグラフィーによる加工技術が発達していることなどで、Si単結晶基板がより適している。
【００１７】
光導波路の材料としては、SiO2系（例えばコアがGeO2を含むSiO2、クラッドがSiO2）のほかに、GeO2系や、SiそのものやInP系材料、GaAs系材料、LiNbO3等の酸化物結晶材料等、使用する目的や波長帯によって様々な材料が使用可能である。中でも、SiO2系の導波路が、Si単結晶基板上に最も形成しやすく、より適しており、その製造方法としては、火炎堆積法（FHD法：Flame Hydrolysis Deposition法）やCVD法などが用いられる。基板両面への導波路の形成方法としては、Si単結晶基板の上下面から同時に火炎堆積法で導波路を形成していってもよいし、上面側導波路を高温度の火炎堆積法で形成し、下面側導波路をより低温で処理できるCVD法を用いて形成しても良い。
【００１８】
さらに、他の光導波路材料として、導波すべき光に対して透光性を有するポリマーも使用可能である。ポリマーとしては、ポリウレタン、エポキシ、ポリメチルメタクリレート（PMMA）などが上げられる。最近特に実用化が進みつつあるのが、ポリイミドもしくはフッ素を添加したフッ素化ポリイミドを用いた光導波路であり、その一例が、井戸立身によって「ポリマーPLC送受信モジュール」（2001年電子情報通信学会総合大会講演論文集通信2、講演番号C-3-68、P233）として公開されている。ここには、Si単結晶基板上に絶縁用のSiO2層を薄く形成した後、アンダークラッド層厚み5μm、コア部サイズ6.5μｍ×6.5μｍ、コア上のオーバクラッド層厚み9.5μｍ以上という断面形状が示されている。このような光導波路を用いて、波長1.3μm光と波長1.55μm光とを用いた双方向通信用の光送受信器が開示されている。
【００１９】
本願発明でももちろんこのようなポリマー光導波路を用いることは可能である。ポリマーを用いることにより、スピンコートで大型のSi単結晶基板上に容易に均一な導波路膜を形成でき、途中での加工プロセスもSiO2系光導波路に比べて比較的低温で可能であり、材料そのものも安価であることから、量産性に優れた光導波路を形成することが出来る。さらに、材質をポリイミド樹脂、中でもフッ素化ポリイミド樹脂にすることにより、LDやPDを実装するときに必要な300〜350℃の高温にも耐えることが出来る。
【００２０】
特に本発明において、基板の片面にはより加工温度の高い（例えば火炎堆積法による場合1000℃前後）SiO2系光導波路を最初に形成しその後、残る片面により加工温度の低い（最高プロセス温度350℃前後）ポリマー系光導波路を形成すると、熱プロセスを後工程ほど低温度で出来、加工が容易となる。
【００２１】
もちろん、送信器側にどちらの光導波路を用いるか、受信側にどちらの光導波路を用いるかは、導波路特性や、LDやPDを実装するさいに要求される基板の特性も考慮して決定すればよい。
【００２２】
以上により、高集積化、小型化、低コスト化の可能な光送受信器用に適した光導波路基板が得られる。
【００２３】
更に、この光導波路基板上に、図1に示すように、送信用とし導波路を形成していないSi単結晶基板の残る一部の面1-1にLD5と、同じくSi単結晶基板の残る一部の面1-2に受信用PD9を搭載する。その後、例えばセラミック製のフェルール内に一体化された光ファイバ4と8を導波路と結合させて樹脂固定することにより、光送受信器が完成する。
【００２４】
ここで、光通信用としては、LDとしては、GaAs系やGaAlAs系のほかに、InP系やInGaAsP系のLDが用いられ、PDとしてはSiやGeやInGaAsやInGaAsP系が用いられる。中でも、伝送損失の少ない波長1.3μmから1.6μm帯での光源としてはInGaAsP系の材料よりなるLDとInGaAsもしくはInGaAsP形の材料よりなるPDが高性能で安定に動作するため、最も適している。
【００２５】
【実施例】
図1に示す光送受信器の第1の実施例を、その製造工程に従って説明する。まず、図2に従って、本発明の光導波路基板10の構造と製造工程を示す。図2(a)では、光導波路を形成する基板11としてSi単結晶基板を用いている。Si単結晶基板は、大型の均一なウエハが得られ更にその上にSiO2系導波路（コアがGeO2を含むSiO2、クラッドがSiO2）を形成することが出来るため一般に良く用いられている。ここでは、厚さ1mm、直径200mmのSi単結晶基板を用いる。まず、この基板の片面に図2(b)に示す光導波路基板10の配列を形成する。図2は分かりやすくするために、模式的に書いているので、光導波路基板のサイズは大きく描かれている。実際は、本実施例では、幅5mm、長さ8mmという寸法である。図2(c)は図2(b)のA方向から見た端面の構造図であり、基板11の両面に光導波路のクラッド層2と6、コア3と7が形成された構造を示している。
【００２６】
図2(c)の上面側の第1の光導波路を形成するには、まずSi単結晶基板の上に火炎堆積法（FHD法：Flame Hydrolysis Deposition法）により、SiO2の下部クラッド層2aを形成し、その上にGeO2を含むSiO2層を形成し、フォトリソグラフィ法とエッチング法により、直線型のコア部3を残して、他の部分を除去する。さらに表面全体をSiO2で覆い上部クラッド層2bを形成する。上部と下部クラッド層のコア層を挟む部分の厚みは、20から30μmに設定し、コアサイズは6〜8μm×6〜8μm、クラッド層との比屈折率差は0.4〜0.7%程度に設定する。
【００２７】
同じように、図2(c)の下面側の第2の導波路を形成する。ここでは、導波路構造は上面側と同じにする。勿論、光送信器と光受信器の波長が異なるときは、それぞれに最適の構造を採用すると良い。下面側の導波路として、SiO2系導波路よりも形成温度の低いフッ素化ポリイミドを用いる。フッ素化ポリイミドを用いる光導波路の製造手順は、薄膜形成にスピンコートと350℃前後のベーキングを行う点以外は、導波路パターンの加工方法などはSiO2系の場合と手順は同じである。まず、図2（c）に示す下部クラッド層6aを形成し、その上にフッ素濃度を変化させたフッ素化ポリイミド層を形成し、フォトリソグラフィ法とエッチング法により、直線型のコア部7を残して、他の部分を除去する。さらに表面全体を下部クラッド層と同じフッ素化ポリイミド層で覆い上部クラッド層6bを形成する。上部と下部クラッド層のコア層を挟む部分の厚みは、20から30μmに設定し、コアサイズは6〜8μm×6〜8μm、クラッド層との比屈折率差は0.4〜0.7%程度に設定する。
【００２８】
本実施例では、特に、片面にはより加工温度の高い（例えば火炎堆積法による場合1000度前後）SiO2系光導波路を最初に形成しその後、残る片面により加工温度の低い（最高プロセス温度350℃前後）ポリマー系光導波路を形成することで、熱プロセスを後工程ほど低温でできるため、加工が容易である。
【００２９】
更に、この光導波路基板上に、図1に示すように、InGaAsP系の発光波長1.3μmのLD5をSi単結晶基板の残る一部の面1-1に搭載し、InGaAsを受光層とする端面入射型PD9をSi単結晶基板の残る一部の面1-2に搭載する。その後、セラミック製のフェルール内に一体化された光ファイバ4と8を導波路と結合させて樹脂固定することにより、光送受信器が完成する。もちろん、LDやPDを実装するためのSi単結晶基板上のメタライズパターンや、個々の要素間の配線も必要であり、さらに、全体をリードフレーム上に固定して、金線などで電気配線を行うが、煩雑になるため図１では割愛する。
【００３０】
また第2の実施例では、図3の平面図(a)、切断A-Bにおける断面図(b)に示すように、第1の光導波路側のSi単結晶基板の残る一部の面1-1に2個のLD5を搭載した送信器を構成し、第2の光導波路側のSi単結晶基板の残る一部の面1-2に2個のPDを搭載し、複数の送受信器を一つの導波路基板に集積化する。このような構成を用いると、より高集積度のコンピュータ間通信機器の構成が可能となる。
【００３１】
第3の実施例では、図4の平面図(a)、切断A-Bにおける断面図(b)に示すように、第1の光導波路側のSi単結晶基板の残る一部の面1-1にLD5の駆動用IC12や、第2の光導波路側のSi単結晶基板の残る一部の面1-2にPD9の出力信号を増幅する増幅用ICを配置する。このような配置を取ることによって、LDと駆動用ICとの距離が近づき配線のインピーダンスが低くできるため、送信動作の高速化が可能になる。また、PDと増幅用ICとの距離が近づき配線のインピーダンスが低く出来るため、受信器も高感度、高速動作が可能になるという優れた特長を発揮する。例えば、8chのコンピュータ間の並列伝送などに有用である。
【００３２】
更に、第4の実施例では、図5の平面図(a)、切断A-Bにおける断面図(b)に示すように、一つの光導波路基板上に形成された光送受信器の光ファイバの先端を残して、金型を用いたトランスファーモールド技術により、エポキシ系のモールド材で全てを覆い、外形形状15を形成することによって、光送受信器を外界から保護するとともに、電子回路基板上への固定時にも取り扱いが容易となる。
【００３３】
以上は、本発明の実施例の幾つかであり、光導波路材料やLD,PDの種類や、光ファイバの固定方法など、さらには送受信器の集積化される個数等に関して何ら実施例に限定されるものではない。
【００３４】
以上のように、本発明による基板両面に光導波路を形成した光送受信器では、従来に比べて格段に集積度が向上し、小型化、低コスト化が可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のように一つに基板の両面に光導波路を形成し、更にこれを用いた光送受信器を構成することにより、集積密度を向上させる、ひいては、光送受信器を小型化、低コスト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わる光送受信器の第1の実施例を示す。(a)は平面図と、(b)は切断A−Bにおける断面図である。
【図２】本発明に関わるの光導波路基板の製造工程を示す図であり、(a)はSi単結晶基板の全体像、(b)はその一部である光導波路基板の拡大図、(c)は光導波路基板のA方向より見た端面の構造図である。
【図３】本発明に関わるの複数の光送受信器能を集積化した光送受信器の第2の実施例を示す。(a)は平面図、(b)は切断A−Bにおける断面図である。
【図４】本発明に関わるLD駆動ICと増幅用ICを集積化した光送受信器の第3の実施例を示す。(a)は平面図、(b)は切断A−Bにおける断面図である。
【図５】本発明に関わる外形をエポキシ樹脂でモールドした光送受信器の第4の実施例を示す。(a)は平面図、(b)は切断A−Bにおける断面図である。
【図６】従来の技術から想定した、光導波路を用いた光送受信器の平面図(a)と、切断A−Bにおける断面図(b)。
【符号の説明】
１  Si単結晶基板
１−１、１−２  Si単結晶基板の残る一部の面
２、６  クラッド層
３、７  コア
４  送信用光ファイバ
５  LD
８  受信用光ファイバ
９  PD
１０  光導波路基板
１１  基板
１２  LD駆動用IC
１３  PD出力の増幅用IC
１４  モールドによる外形形状
２０、３０  光導波路
１０１  Si単結晶基板
１０１−１  Si単結晶基板の導波路を形成していない部分
１０２  クラッド層
１０３、１０４  光導波路のコア
１０５、１０６  光ファイバ
１０７  LD
１０８  PD
１０９  光導波路基板
【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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