JPH04264409A - 光学結合回路 - Google Patents
光学結合回路Info
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- JPH04264409A JPH04264409A JP2485891A JP2485891A JPH04264409A JP H04264409 A JPH04264409 A JP H04264409A JP 2485891 A JP2485891 A JP 2485891A JP 2485891 A JP2485891 A JP 2485891A JP H04264409 A JPH04264409 A JP H04264409A
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- JP
- Japan
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- optical
- semiconductor substrate
- optical fiber
- coupling circuit
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信・光センサ等に
用いられる光集積回路を光ファイバと結合させてなる光
集積回路モジュ−ルを製造するための光学結合回路に関
するものである。
用いられる光集積回路を光ファイバと結合させてなる光
集積回路モジュ−ルを製造するための光学結合回路に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】図２の（ａ）は従来の半導体導波路用の
光学結合回路の構成図であり、１は半導体基板、２は光
導波路、３は光ファイバ、４は光ファイバのコア、５は
先球レンズ加工部分である。
光学結合回路の構成図であり、１は半導体基板、２は光
導波路、３は光ファイバ、４は光ファイバのコア、５は
先球レンズ加工部分である。
【０００３】この回路では、導波路端面を劈開して光信
号を出し、先球レンズ加工部５を有する光ファイバ３で
光学結合する。この結合系では半導体基板１の光導波路
２のビ−ムスポットが小さいために光ファイバ３の光軸
ずれ許容量（トレランス）が非常に小さく、安定にモジ
ュ−ル化することが困難であった。
号を出し、先球レンズ加工部５を有する光ファイバ３で
光学結合する。この結合系では半導体基板１の光導波路
２のビ−ムスポットが小さいために光ファイバ３の光軸
ずれ許容量（トレランス）が非常に小さく、安定にモジ
ュ−ル化することが困難であった。
【０００４】実用上最も重要な単一モ−ド導波路に対す
る光学結合系のトレランスはガウシアンビ−ム同士の結
合と近似することにより簡単に評価できる。例えば通常
最も厳しい光軸垂直方向にｘの軸ずれがある時、ビ−ム
スポット半径：ωのガウシアンビ−ムの結合効率：η∝
ｅｘｐ（−ｘ２ ／ω２）と表される（参考文献：猿渡
、縄田”Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ ｔ
ｏ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｐｌ
ｅｒ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，ｖｏｌ．１８
， ＮＯ．１１，ｐｐ．１８４７−１８５６）。 この式より１ｄＢ損失増加時のトレランス：ｘ１ｄＢ
≒０．４８ωの関係が導かれる。即ちトレランスはωに
比例する。なおビ−ムスポット半径はビ−ム強度が中心
の１／ｅ２ になる所の半径として定義している。
る光学結合系のトレランスはガウシアンビ−ム同士の結
合と近似することにより簡単に評価できる。例えば通常
最も厳しい光軸垂直方向にｘの軸ずれがある時、ビ−ム
スポット半径：ωのガウシアンビ−ムの結合効率：η∝
ｅｘｐ（−ｘ２ ／ω２）と表される（参考文献：猿渡
、縄田”Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ ｔ
ｏ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｐｌ
ｅｒ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，ｖｏｌ．１８
， ＮＯ．１１，ｐｐ．１８４７−１８５６）。 この式より１ｄＢ損失増加時のトレランス：ｘ１ｄＢ
≒０．４８ωの関係が導かれる。即ちトレランスはωに
比例する。なおビ−ムスポット半径はビ−ム強度が中心
の１／ｅ２ になる所の半径として定義している。
【０００５】一般的な半導体単一モ−ド導波路ではω＝
１〜２μｍであるから１ｄＢトレランスは１μｍ以下と
なる。これは通常の部品の機械加工精度が１０μｍ程度
であることを考えると大変厳しい。特に半導体光集積回
路では複数の光入出力端子が数１００μｍ程度の微小間
隔に配置される。この場合複数本のファイバを精度良く
配置することは非常に難しいので結合効率の高いモジュ
−ルを作ることは非常に困難であった。
１〜２μｍであるから１ｄＢトレランスは１μｍ以下と
なる。これは通常の部品の機械加工精度が１０μｍ程度
であることを考えると大変厳しい。特に半導体光集積回
路では複数の光入出力端子が数１００μｍ程度の微小間
隔に配置される。この場合複数本のファイバを精度良く
配置することは非常に難しいので結合効率の高いモジュ
−ルを作ることは非常に困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】この問題を解決する方
法として、半導体基板側に集光レンズ系を設けてトレラ
ンスを広げる光学結合回路があった。図２の（ｂ）にそ
の基本構成を示す。１〜４は図２の（ａ）の構成部と同
様であり、６は半導体基板１に設けた４５°ミラ−面、
７は半導体基板１に形成されたレンズ部である。この結
合回路では光導波路２の入出力部に４５°ミラ−面６を
設け、基板厚み方向に光信号を伝搬させてビ−ム径を広
げた後、基板裏面に設けたレンズ部７で集光して光ファ
イバ３に結合する。これによってビ−ムスポット径は光
ファイバ３のスポット径まで広げられるので先の式で分
かるとおりトレランスを緩和することが可能となる。 （通常の通信用ファイバではω＝５μｍなので最大Ｘ１
ｄＢ ≒２．４ μｍとなる。）しかし光ファイバをア
レイ化することを考えた場合、トレランスをさらに拡大
する必要があった。
法として、半導体基板側に集光レンズ系を設けてトレラ
ンスを広げる光学結合回路があった。図２の（ｂ）にそ
の基本構成を示す。１〜４は図２の（ａ）の構成部と同
様であり、６は半導体基板１に設けた４５°ミラ−面、
７は半導体基板１に形成されたレンズ部である。この結
合回路では光導波路２の入出力部に４５°ミラ−面６を
設け、基板厚み方向に光信号を伝搬させてビ−ム径を広
げた後、基板裏面に設けたレンズ部７で集光して光ファ
イバ３に結合する。これによってビ−ムスポット径は光
ファイバ３のスポット径まで広げられるので先の式で分
かるとおりトレランスを緩和することが可能となる。 （通常の通信用ファイバではω＝５μｍなので最大Ｘ１
ｄＢ ≒２．４ μｍとなる。）しかし光ファイバをア
レイ化することを考えた場合、トレランスをさらに拡大
する必要があった。
【０００７】また素子製造の上でもミラ−面の面精度は
ビ−ムスポットに対して十分に平坦であることが必要な
ので、ω＝１μｍの場合ミラ−面６は０．１μｍオ−ダ
−の高い加工精度が必要となる。この精度は現在のエッ
チング技術の限界に近いものであり製造歩溜まり向上の
ネックとなっていた。
ビ−ムスポットに対して十分に平坦であることが必要な
ので、ω＝１μｍの場合ミラ−面６は０．１μｍオ−ダ
−の高い加工精度が必要となる。この精度は現在のエッ
チング技術の限界に近いものであり製造歩溜まり向上の
ネックとなっていた。
【０００８】本発明の目的は光回路の入出射端面におけ
る反射を抑え、かつ、集積化に適し光軸ずれのトレラン
スを拡大した光学結合回路を提供することにある。
る反射を抑え、かつ、集積化に適し光軸ずれのトレラン
スを拡大した光学結合回路を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、請求項１では半導体基板上に作製された光
導波路と単一モ−ド光ファイバとを光学的に結合する光
学結合回路において、前記光導波路の入出射部に、信号
光を前記半導体基板の厚み方向に反射させるミラ−面を
設けるとともに、該半導体基板の裏面側に凸形状のレン
ズを設け、かつ、前記光ファイバのビ−ムスポットを拡
大した。また、請求項２では請求項１の光結合回路にお
いて、ミラ−面の直前に光導波構造をなくした領域、も
しくは光の閉じ込めを非常に弱くした領域を設けた。
成するため、請求項１では半導体基板上に作製された光
導波路と単一モ−ド光ファイバとを光学的に結合する光
学結合回路において、前記光導波路の入出射部に、信号
光を前記半導体基板の厚み方向に反射させるミラ−面を
設けるとともに、該半導体基板の裏面側に凸形状のレン
ズを設け、かつ、前記光ファイバのビ−ムスポットを拡
大した。また、請求項２では請求項１の光結合回路にお
いて、ミラ−面の直前に光導波構造をなくした領域、も
しくは光の閉じ込めを非常に弱くした領域を設けた。
【００１０】
【作用】請求項１によれば、光導波路の入出射部から出
射した信号光はミラ−面により基板厚み方向に伝搬され
てビ−ム径を広げた後、レンズ部で集光して光ファイバ
に結合されるが、光ファイバのビ−ムスポット径が拡大
されているため、光ファイバの軸ずれトレランスが緩和
される。請求項２によれば、ミラ−面の直前で光導波路
の入出射部から出射した信号光のビ−ム径が広がるので
、ミラ−面の加工精度が緩くなる。
射した信号光はミラ−面により基板厚み方向に伝搬され
てビ−ム径を広げた後、レンズ部で集光して光ファイバ
に結合されるが、光ファイバのビ−ムスポット径が拡大
されているため、光ファイバの軸ずれトレランスが緩和
される。請求項２によれば、ミラ−面の直前で光導波路
の入出射部から出射した信号光のビ−ム径が広がるので
、ミラ−面の加工精度が緩くなる。
【００１１】
【実施例】図１は第１の実施例を説明する図であって、
符号１〜７は図２の（ｂ）と同一構成部分を示す。８は
光ファイバ３のコア拡大部である。これは半導体回路側
は図２の（ｂ）と同じ構成で、光ファイバ３のコア４を
熱拡散によって拡大したものを用い、レンズ部７の形状
を半導体基板１の基板厚と光ファイバ３の拡大したスポ
ット径に合わせ最適化したものである。
符号１〜７は図２の（ｂ）と同一構成部分を示す。８は
光ファイバ３のコア拡大部である。これは半導体回路側
は図２の（ｂ）と同じ構成で、光ファイバ３のコア４を
熱拡散によって拡大したものを用い、レンズ部７の形状
を半導体基板１の基板厚と光ファイバ３の拡大したスポ
ット径に合わせ最適化したものである。
【００１２】ここでコア径とビ−ムスポット径の違いに
ついて説明しておくと、コア径とはファイバ内部の屈折
率が高くなっている部分の大きさであって光ファイバの
屈折率分布により一義的に定まる。一方ビ−ムスポット
径は光ファイバ内を伝搬する光線の広がりを示すもので
、これは同じ光ファイバでも波長によって変化し、短波
長になるにつれ小さくなる。その値はコア径と屈折率分
布によって変わるが、一般的にいってコアが大きくなる
につれてスポット径も大きくなる方向にある。本実施例
によれば従来技術の項で述べたようにビ−ムスポット径
に比例してファイバの軸ずれトレランスが緩和される。
ついて説明しておくと、コア径とはファイバ内部の屈折
率が高くなっている部分の大きさであって光ファイバの
屈折率分布により一義的に定まる。一方ビ−ムスポット
径は光ファイバ内を伝搬する光線の広がりを示すもので
、これは同じ光ファイバでも波長によって変化し、短波
長になるにつれ小さくなる。その値はコア径と屈折率分
布によって変わるが、一般的にいってコアが大きくなる
につれてスポット径も大きくなる方向にある。本実施例
によれば従来技術の項で述べたようにビ−ムスポット径
に比例してファイバの軸ずれトレランスが緩和される。
【００１３】ただしスポット径を拡大すると角度ずれに
対するトレランスが厳しくなるので極端な拡大は望まし
くない。角度ずれの影響も軸ずれの時と同様ガウシアン
ビ−ム近似で計算でき、角度ずれ：θに対する結合効率
：η∝ｅｘｐ（−π２ θ２ ω２ ／λ２ ）となる
。この式よりω＝５μｍでは１ｄＢ損失増をおこす角度
ずれ：θ１ｄＢ ＝２．２°（λ＝１．３μｍ）である
が、ω＝２０μｍではθ１ｄＢ ＝０．５５°になる。 実用上はこれ位が限界と考えられる。
対するトレランスが厳しくなるので極端な拡大は望まし
くない。角度ずれの影響も軸ずれの時と同様ガウシアン
ビ−ム近似で計算でき、角度ずれ：θに対する結合効率
：η∝ｅｘｐ（−π２ θ２ ω２ ／λ２ ）となる
。この式よりω＝５μｍでは１ｄＢ損失増をおこす角度
ずれ：θ１ｄＢ ＝２．２°（λ＝１．３μｍ）である
が、ω＝２０μｍではθ１ｄＢ ＝０．５５°になる。 実用上はこれ位が限界と考えられる。
【００１４】なおコア拡大フィイバはガスバ−ナ−で裸
のファイバを直接加熱することで容易に製造でき、一度
条件（温度，加熱時間等）を押さえておけばスポット径
を再現性よく制御することが可能である。
のファイバを直接加熱することで容易に製造でき、一度
条件（温度，加熱時間等）を押さえておけばスポット径
を再現性よく制御することが可能である。
【００１５】図３は第２の実施例を説明する図であって
、１〜８は図１と同様の構成部分を示す。９は光導波構
造をなくした部分である。
、１〜８は図１と同様の構成部分を示す。９は光導波構
造をなくした部分である。
【００１６】本回路の作製手順を図４に従って説明する
。
。
【００１７】（ａ） まず、ダブルヘテロ半導体基板１
の一面の所定部にレジスト１０を施こし、光導波路２の
部分を残してエッチング（１１）し、（ｂ） 再成長プ
ロセスでエッチング部１１すなわち導波路側面と入出射
部分を埋め込んだ後、レジスト１２、１３を塗布し、ミ
ラ−部をパタ−ニングし、（ｃ） イオンビ−ムエッチ
ングでミラ−面６を形成し、基板裏面にレジスト１４を
塗布しレンズ部分をパタ−ニングした後、（ｄ） 熱処
理によってレジスト１４を凸状に変形させ（１５）、ア
ルゴンイオンビ−ムエッチングすると基板とレジストの
エッチングレ−トに従って基板に凸レンズ７が形成でき
る。
の一面の所定部にレジスト１０を施こし、光導波路２の
部分を残してエッチング（１１）し、（ｂ） 再成長プ
ロセスでエッチング部１１すなわち導波路側面と入出射
部分を埋め込んだ後、レジスト１２、１３を塗布し、ミ
ラ−部をパタ−ニングし、（ｃ） イオンビ−ムエッチ
ングでミラ−面６を形成し、基板裏面にレジスト１４を
塗布しレンズ部分をパタ−ニングした後、（ｄ） 熱処
理によってレジスト１４を凸状に変形させ（１５）、ア
ルゴンイオンビ−ムエッチングすると基板とレジストの
エッチングレ−トに従って基板に凸レンズ７が形成でき
る。
【００１８】このような作製工程で、レジスト厚とエッ
チング条件を調整することで最終的なレンズの曲率半径
を可変する事ができ、基板厚と光ファイバのスポット径
に応じた最適の値にできる。
チング条件を調整することで最終的なレンズの曲率半径
を可変する事ができ、基板厚と光ファイバのスポット径
に応じた最適の値にできる。
【００１９】本回路では光導波構造をなくした部分９を
設けたことにより、ミラ−面６においてビ−ム径が広が
るので相対的に加工精度が緩くでき製造が楽になってい
る。ミラ−面６でのビ−ム半径：ωＭ は導波路内のビ
−ムスポット半径：ω０ ，導波路内での信号光波長：
λｎ 部分９の長さをＬ、とするとωＭ ≒Ｌλｎ ／
πω０ で表される。ここでω０ ＝１μｍ，λｎ ＝
１．３／３．２μｍ，Ｌ＝２５μｍとすれば、ωＭ ≒
３μｍになるのでミラ−面６に対する加工精度も相対的
に緩くできることになる。ミラ−面６の加工不良の影響
は主にミラ−面６からの反射戻り光として現れ、光回路
の動作の不安定化を招く。本発明では同じ加工手段を用
いても従来より安定な動作をする光回路が作製できた。
設けたことにより、ミラ−面６においてビ−ム径が広が
るので相対的に加工精度が緩くでき製造が楽になってい
る。ミラ−面６でのビ−ム半径：ωＭ は導波路内のビ
−ムスポット半径：ω０ ，導波路内での信号光波長：
λｎ 部分９の長さをＬ、とするとωＭ ≒Ｌλｎ ／
πω０ で表される。ここでω０ ＝１μｍ，λｎ ＝
１．３／３．２μｍ，Ｌ＝２５μｍとすれば、ωＭ ≒
３μｍになるのでミラ−面６に対する加工精度も相対的
に緩くできることになる。ミラ−面６の加工不良の影響
は主にミラ−面６からの反射戻り光として現れ、光回路
の動作の不安定化を招く。本発明では同じ加工手段を用
いても従来より安定な動作をする光回路が作製できた。
【００２０】図５は第３の実施例を説明する図であって
、１〜９は図３と同様の部分を示す。
、１〜９は図３と同様の部分を示す。
【００２１】１０は多モ−ドＧＩファイバ、１１はその
コアである。これは半導体回路側は第２の実施例と同じ
構成で、光ファイバの先端に短尺の多モ−ドＧＩファイ
バを接続したものである。
コアである。これは半導体回路側は第２の実施例と同じ
構成で、光ファイバの先端に短尺の多モ−ドＧＩファイ
バを接続したものである。
【００２２】単一モ−ド光ファイバ１にＧＩ光ファイバ
１０を接続するとＧＩ光ファイバ長に対して周期的にビ
−ム径が変化する。その最大値：ωｍａｘ ＝λｒｏ／
πωｓ ＮＡで表される。ここでλ：光波長（１．３μ
ｍ），ｒｏ：ＧＩ光ファイバコア半径（２５μｍ），ω
ｓ ：単一モ−ド光ファイバ１のスポット半径（５μｍ
），ＮＡ：ＧＩ光ファイバの開口数（０．２）である。 かっこ内は通信用ファイバの代表的な値であり、この値
を上式に代入するとωｍａｘ ＝１０μｍとなってスポ
ットが倍に広がることが分かる。ωｍａｘ ＝１０μｍ
を変えることによって広範囲に制御可能である。
１０を接続するとＧＩ光ファイバ長に対して周期的にビ
−ム径が変化する。その最大値：ωｍａｘ ＝λｒｏ／
πωｓ ＮＡで表される。ここでλ：光波長（１．３μ
ｍ），ｒｏ：ＧＩ光ファイバコア半径（２５μｍ），ω
ｓ ：単一モ−ド光ファイバ１のスポット半径（５μｍ
），ＮＡ：ＧＩ光ファイバの開口数（０．２）である。 かっこ内は通信用ファイバの代表的な値であり、この値
を上式に代入するとωｍａｘ ＝１０μｍとなってスポ
ットが倍に広がることが分かる。ωｍａｘ ＝１０μｍ
を変えることによって広範囲に制御可能である。
【００２３】本実施例では実施例１，２に比べ部品点数
は増えるが一括加工できるので量産化しやすい利点があ
る。
は増えるが一括加工できるので量産化しやすい利点があ
る。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１，
２によれば、次のような利点がある。 （１）トレランスを通常のファイバを用いた場合より緩
和できるのでファイバのアレイ化、素子の集積化にも有
利になる。
２によれば、次のような利点がある。 （１）トレランスを通常のファイバを用いた場合より緩
和できるのでファイバのアレイ化、素子の集積化にも有
利になる。
【００２５】（２）アレイ化しない場合においてもモジ
ュ−ル製造時の製造歩溜まり向上が期待できる。
ュ−ル製造時の製造歩溜まり向上が期待できる。
【００２６】（３）ミラ−面の加工精度を緩くできるの
で加工が楽になる。
で加工が楽になる。
【００２７】（４）また本光回路は主にモノリシックプ
ロセスによって作製されるので精度・再現性良く生産が
可能である。
ロセスによって作製されるので精度・再現性良く生産が
可能である。
【図１】第１の実施例を説明する光学結合回路の構成図
【図２】従来の光学結合回路の構成図
【図３】第２の実施例を説明する光学結合回路の構成図
【図４】第２の実施例の半導体光素子製造手順の説明図
【図５】第３の実施例を説明する光学結合回路の構成図
１…半導体基板、２…光導波路、３…単一モ−ド光ファ
イバ、４…単一モ−ド光ファイバのコア、５…先球レン
ズ加工部分、６…４５°ミラ−面、７…レンズ部、８…
コア拡大部分、９…光導波構造をなくした部分、１０…
多モ−ドＧＩファイバ、１１…ＧＩファイバのコア。
イバ、４…単一モ−ド光ファイバのコア、５…先球レン
ズ加工部分、６…４５°ミラ−面、７…レンズ部、８…
コア拡大部分、９…光導波構造をなくした部分、１０…
多モ−ドＧＩファイバ、１１…ＧＩファイバのコア。
Claims (2)
- 【請求項１】 半導体基板上に作製された光導波路と
単一モ−ド光ファイバとを光学的に結合する光学結合回
路において、前記光導波路の入出射部に、信号光を前記
半導体基板の厚み方向に反射させるミラ−面を設けると
ともに、該半導体基板の裏面側に凸形状のレンズを設け
、かつ、前記光ファイバのビ−ムスポットを拡大したこ
とを特徴とする光学結合回路。 - 【請求項２】 ミラ−面の直前に光導波構造をなくし
た領域、もしくは光の閉じ込めを弱くした領域を設けた
ことを特徴とする請求項１記載の光学結合回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2485891A JPH04264409A (ja) | 1991-02-19 | 1991-02-19 | 光学結合回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2485891A JPH04264409A (ja) | 1991-02-19 | 1991-02-19 | 光学結合回路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04264409A true JPH04264409A (ja) | 1992-09-21 |
Family
ID=12149916
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2485891A Pending JPH04264409A (ja) | 1991-02-19 | 1991-02-19 | 光学結合回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04264409A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997006458A1 (en) * | 1995-08-03 | 1997-02-20 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Optical device and method of manufacturing it |
| JP2000039530A (ja) * | 1998-07-22 | 2000-02-08 | Sony Corp | 光信号伝送システムおよびその製造方法 |
| JP2002258081A (ja) * | 2001-02-28 | 2002-09-11 | Fujitsu Ltd | 光配線基板、光配線基板の製造方法及び多層光配線 |
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-
1991
- 1991-02-19 JP JP2485891A patent/JPH04264409A/ja active Pending
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