JPH053748B2

JPH053748B2 -

Info

Publication number: JPH053748B2
Application number: JP60082633A
Authority: JP
Inventors: Masao Kawachi; Yasubumi Yamada; Mitsuho Yasu; Hiroshi Terui; Morio Kobayashi
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1985-04-19
Filing date: 1985-04-19
Publication date: 1993-01-18
Also published as: JPS61242069A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、同一基板上に光導波路と受・発光素
子等の能動光素子とを設けた混成光集積回路およ
びその製造方法に関するものである。

［開示の概要］本発明は、同一基板上に光導波路と受・発光素
子等の能動光素子とを設けた混成光集積回路にお
いて、基板上に凸状に配置された光導波路、光フ
アイバガイド、光素子ガイドおよび電気配線支持
台と、基板上に配置された第１導電膜と、光導波
路、光フアイバガイド、光素子ガイドおよび電気
配線支持台の各上面に相互に絶縁されて配置され
た第２導電膜と、光フアイバガイドおよび光素子
ガイドに沿つてそれぞれ配設された光フアイバお
よび光素子とを具え、給電を必要とする光素子
に、第１および第２導電膜より給電を行うことに
より、光導波路やガイド形成による基板表面の高
低差にとらわれることなく自由に電気配線パター
ンを配置でき、また複数のマスクによるマスク合
わせの工程も不要であるので、製造工程も簡略化
される技術およびその製造方法を開示するもので
ある。

なお、この概要はあくまでも本発明の技術内容
に迅速にアクセスするためにのみ供されるもので
あつて、本発明の技術的範囲および権利解釈に対
しては何の影響も及ぼさないものである。

［従来の技術］低損失な光導波路を形成した基板上に発光素
子、受光素子等の能動光素子を組み込んで混成光
集積回路を実現しようとする試みは古くからなさ
れているが、いずれも原理確認の段階に留まり、
光通信分野等で実用に供し得る混成光集積回路が
供給されるには至つていない。

混成光集積回路を構成するには、 (1) 基板上に光導波路を形成する。

(2) 光導波路端の適正位置に能動光素子を配置す
る。

(3) 能動光素子に受給電用の電気配線を施す。

の工程が必要である。

本発明者は、先に出願した「導波形光モジユー
ル」（特願昭59−167677号）および「導波形光モ
ジユールおよびその製造方法」（特願昭59−
209080号）において、シリコン基板上に形成した
平面状の石英系光導波膜から光導波路自体および
能動光素子を光導波路端の適正位置に光軸合わせ
するためのガイドを同時に形成する方法を提供し
た。

このガイド法により、従来、混成光集積回路を
構成する上で大きな障害となつていた光導波路と
能動光素子および入出力光フアイバとの位置合わ
せは大幅に省力化されたが、能動光素子に受給電
するための電気配線は金線を用いた空間的なワイ
ヤリングに頼らざるを得なかつた。この結果、電
気ICに比べて比較的大きなチツプ面積を占有す
る混成光集積回路では、金線の長さが数mm長以上
に及び、機械的振動に対する不安定性など信頼性
に問題があつた。

この欠点を解決するためには、基板上に電気配
線パターンを設けることが考えられるが、光導波
路およびガイドを形成した後の基板表面には数
10μｍもの高低差があり、フオトレジストの塗付
など、電気配線パターンを形成するためのフオト
リソグラフイー工程の実施がきわめて困難である
という問題があつた。基板上に光導波膜を形成す
るのに先だち、あらかじめ電気配線パターンを形
成しておくことも考えられるが、石英系光導波膜
のように形成に1200℃以上もの高温を要する場合
には下地のパターンが破壊されてしまうという問
題があつた。

［発明が解決しようとする問題点］そこで、本発明の目的は、上述した問題点を解
決し、電気配線パターンをも実用に適するように
構成した混成光集積回路を提供することにある。

本発明の他の目的は、上述した問題点を解決
し、電気配線パターンを１枚のフオトマスクによ
り精度良くしかも信頼性高く形成することがで
き、組み立ての作業性を向上することのできる混
合光集積回路の製造方法を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］これら目的を達成するために、本発明の混成光
集積回路は、基板上の光導波路およびガイドのみ
ならず電気配線パターンを基板から絶縁し保持す
る電気配線パターン支持台をも同一の光導波膜を
出発材料として構成する。

本発明の製造方法では、光導波路、ガイドおよ
び電気配線パターン支持台を、これらに対応する
パターンを含む１枚のフオトマスクを使用するの
みで同時に形成する。

［作用］本発明によれば、従来の技術と異なり、光導波
路やガイド形成による基板表面の高低差にとらわ
れることなく自由に電気配線パターンを配置で
き、また複数のマスクによるマスク合わせの工程
も不要であるので、製造工程も簡略化される。

［実施例］以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第１図は本発明の混成光集積回路の一実施例を
示し、本例は波長多重通信用の合分波器を構成し
た例である。ここで、１はシリコン（Si）基板、
２は石英系光導波路、３は光フアイバ用ガイド、
４は入出力光フアイバ、５はフイルタ用ガイド、
６は干渉膜フイルタチツプ、７はレーザ用ガイ
ド、８はレーザダイオード、９は微小反射鏡、１
０はアバンシユフオトダイオード（APD）、１１
はAPD１０用の増幅器チツプ、１２ａ，１２ｂ，
１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２
ｈ，１２ｉ，１２ｊは電気配線パターン支持台で
あり、その上面には金属導体がコーテイングされ
電気配線パターンを構成している。Si基板１の空
き面には金属導体膜がコーテイングされて共通電
極面１３を構成している。符号１４で例示した金
線は電気配線パターンとレーザダイオードとを結
線する短距離の補助配線である。

光フアイバ４は光フアイバ用ガイド３に収容さ
れて固定され、光導波路２の端面と光軸合わせが
されている。レーザダイオード８はレーザ用ガイ
ド７により、光導波路２の端部２ａの適正位置に
対応する基板１上にボンデイングされている。干
渉膜フイルタチツプ６はフイルタ用ガイド５によ
り光導波路２と適切な角度をなすよう保持されて
いる。

微小反射鏡９は光導波路２の他端２ｂに配置さ
れ、電気配線パターン支持台１２ａ，１２ｂの一
端に設置されるAPD１０に光導波路２からの出
射光を進行方向を90°変えて導くためのものであ
る。APD１０はその下面に、２個の給電用パツ
ド１５ａおよび１５ｂを有し、支持台１２ａおよ
び１２ｂ上の導体面に電気的に結合する。支持台
１２ａおよび１２ｂの一部は微小反射鏡９を設置
するためのガイド、およびAPD１０を適正位置
に搭載するためのマーカーの役割も兼ねている。

第１図においては、増幅器チツプ１１と電気配
線パターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１
２ｅ，１２ｆ，１２ｇとの結線には、金線による
補助配線を用いているが、増幅器チツプ１１が適
切なボンデイング用端子を備えていれば、補助配
線を介することなく直接にこれら電気配線パター
ンと結合できることはもちろである。

第１図において、光導波路２、ガイド３，５，
７、および電気配線パターン支持台１２ａ〜１２
ｊは同一の石英系ガラス膜を出発材料として構成
されている。

第１図の基板全体は適切な容器（第１図では省
略）に収容してパツケージ化することができる。

第１図の光合分波器を動作させるには、電気配
線パターン１２ｉと１２ｊとの間にレーザ駆動電
圧を印加してレーザダイオード８を駆動させ、信
号光（波長λ₁）を光導波路２に導入する。この信
号光は、干渉膜フイルタチツプ６で反射され、光
フアイバ４へ導かれる。

他方、光フアイバ４を経由して光導波路２に導
入された信号光（波長λ₂）は、干渉膜フイルタチ
ツプ６を透過し、微小反射鏡９で光路変換され
て、APD１０へと導かれる。APD１０には、増
幅器チツプ１１を経由して電気配線パターン１２
ａ，１２ｂによりバイアス電圧が印加されてお
り、信号電圧は増幅器チツプ１１で増幅されて電
気配線パターン１２ｃ，１２ｄへと出力する。電
気配線パターン１２ｆ，１２ｇは、増幅器チツプ
１１への電源電圧印加用電気配線パターンであ
る。

このように、本発明の混成光集積回路では、光
導波路、ガイドおよび電気配線パターン支持台が
同一の石英系ガラス光導波膜を基本として一括構
成されているので、構造的に簡単であり、回路設
計も容易であり、量産化に適している。従来技術
では、パツケージ容器のリード部まで金線による
長距離の結線を必要としていたのに比べて、本発
明では、金線による補助配線を最小限に留めるこ
とができるので、信頼性は大幅に向上した。しか
もまた、電気配線パターンは石英系ガラスによる
支持台１２ａ〜１２ｊ上に設けられているので、
Si基板１から電気的に完全に絶縁されており、レ
ーザダイオード駆動信号へのAPD出力信号への
クロストークを抑制するのに有効である。

第２図Ａ〜Ｄは、本発明の混成光集積回路の製
造方法の一実施例を示し、第２図Ａに示した混成
光回路部分の構成図のAA′線に沿つて切断した断
面について、第２図Ｂ，ＣおよびＤに順次の製造
工程を示す。

第２図Ａにおいて、２１はSi基板、２２は光導
波路、２３は光フアイバ用ガイド、２４は電気配
線パターン支持台で、その上面には、金属導体膜
が形成されている。

このような混成光集積回路を製造するには、第
２図Ｂに示すように、まず、Si基板２１上に石英
系ガラス膜２５を形成する。この石英系ガラス膜
２５は、バツフア層２５Ａ（15μｍ厚）、コア層２
５Ｂ（45μｍ厚）およびクラツド層２５Ｃ（10μｍ
厚）の３層構造から成つている。石英系ガラス膜
の全体厚が70μｍ程度と厚いため、その形成には
スートプロセスを用いるのが好適である。すなわ
ち、Si基板２１上に、SiCl₄を主成分とするガラ
ス形成原料ガスの火炎加水分解反応により合成し
たガラス微粒子を堆積させ、しかる後、電気炉で
1300℃程度に加熱することによりガラス微粒子を
焼結して透明ガラス化し、もつてガラス膜２５を
形成する。ここで、ガラス微粒子の堆積時にガラ
ス形成原料ガス中のドーパント濃度を時間的に変
化させることにより、上述の３層構造を実現する
ことができる。この３層構造の石英系ガラス膜は
光導波膜として作用する。

次に、反応性イオンエツチングを利用したフオ
トリソグラフイ工程により、石英系ガラス膜２５
の不要部分を除去して第２図Ｃに示すように、光
導波路２２、光フアイバ用ガイド２３および電気
配線パターン支持台２４を形成する。反応性イオ
ンエツチング後の光導波路２２などの側面はほぼ
垂直である。

なお、光導波路２２の側面には、必要に応じて
側面クラツドを形成してもよい。この場合、スパ
ツタリング法やCVD法、プラズマCVD法等の手
段によりSiO₂ガラス膜を厚さ数μｍ程度堆積す
ることが有効である。

側面以外のシリコン基板面に付着したSiO₂ガ
ラス膜は、フツ素系ガスを用いた反応性イオンエ
ツチングを短時間施すことにより選択的に除去し
ておくことが、後の工程で装着するレーザダイオ
ード等に対する効率的なヒートシンク作用をシリ
コン基板に期待する場合には望ましい。

次に、第２図Ｄに示すように、基板２１の上面
から金属導体材料としてAl・Au複合膜を真空蒸
着し、電気配線パターン２６および共通電極面２
７を形成する。光導波路２２や支持台２４の側面
にわずかに付着した金属導体材料は、金属エツチ
ング液に基板を短時間ひたすことにより除去する
ことができる。

なお、金属導体材料は支持台２４上面のみなら
ず、光導波路２２の上面、ガイド２３の上面にも
形成されるが、実用上、支障はなく、光導波路２
２あるいはガイド２３に電気配線パターン支持台
２４の一部を兼ねさせることも可能である。

第２図Ｄの工程終了後、光フアイバやレーザダ
イオード等をガイド２３に案内された適切位置に
配置し、必要に応じて、金線による補助配線を施
し、最終的に容器に収容することにより、本発明
の混成光集積回路の製造を完了する。

以上のような本発明混成光集積回路を容器に収
容するのに際しては、混成光集積回路の上面を、
シリコーン樹脂やシリコーン接合剤などの低屈折
率樹脂で覆つておくことが光フアイバ接続部およ
び干渉膜フイルタチツプ挿入部でのフレネル反射
防止のために好適である。これによれば、光導波
路の側面の微小な凹凸による光損失の増加を防止
する効果もある。

実際、SiO₂ガラスと整合した屈折率を有する
シリコーン接合剤でモールドした場合、光導波路
の光損失は、波長1.3μｍにおいて0.5dB／cm（側
面が露出している場合）から0.1dB／cmへと減少
した。

光導波路の光損失をより積極的に低減させるた
めには、第２図の工程において、反応性イオンエ
ツチング終了後に、金属導体材料の真空蒸着に先
だつて光導波路２３側面に数μｍ厚のSiO₂ガラ
ス膜（側面クラツド層）を形成する工程を追加す
ることによつて、本発明混成光集積回路をシリコ
ーン樹脂やシリコーン接合剤以外の高屈折率樹脂
（たとえばエポキシ樹脂など）中に収容すること
も可能となる。

このような側面クラツド層を形成するために
は、第２図Ｃの工程において、反応性イオンエツ
チング終了後に基板２１の上面全体に、石英ガラ
ス板をターゲツトとする高周波スパツタリングあ
るいはシランガス（SiH₄）を原料とするCVD法
やプラズマCVD法により数μｍ厚のSiO₂膜を形
成した後、短時間の反応性イオンエツチングによ
り、光導波路などの側面部に堆積したSiO₂膜部
のみを残して、基板面上の不要のSiO₂膜を除去
する方法を用いることができる。

シリコン基板２１面上に不要のSiO₂膜を残し
ておくと、後の工程でレーザダイオード等を基板
面にボンデイングする際に障害となり、望ましく
ない。これは、SiO₂膜がシリコ基板のヒートシ
ンク作用を妨げるからである。反応性イオンエツ
チングは、イオン照射の方向により、エツチング
の異方性が高いので、エツチング工程で基板の設
置方向を制御することにより、選択的に光導波路
側面のSiO₂膜を残すことができる。

なお、光フアイバ用ガイド２３の側面にも、光
導波路２２の側面と同様にSiO₂膜が形成される
ので、かかるガイド２３の間隔を、SiO₂膜の厚
さを見込んで設計しておく必要があることはもち
ろんである。

SiO₂の厚さが1μｍ以下の場合には、側面クラ
ツド作用が不充分であり、光電界が側面クラツド
層外部にまで広がつているので、エポキシ樹脂な
どの高屈折率樹脂によるモールドは望ましくな
い。その理由は、光導波路中の伝搬光が、薄すぎ
る側面クラツド層を通過して、樹脂部へ移行して
しまうからである。逆に、SiO₂膜の厚さが10μｍ
を越えることは、SiO₂膜にひび割れが発生し易
い、ガイド部の寸法変化が激しくなり見込み設計
が困難になる。反応性イオンエツチングによる不
要SiO₂膜の選択的除去が困難になる等の理由で
不適当である。実験的に求めた必要かつ最小限の
SiO₂膜厚は、2μｍ程度であつた。実際に、石英
ガラス板をターゲツトとして、高周波スパツタリ
ング法により側面クラツド層として厚さ2μｍの
SiO₂膜を形成した光導波路の光損失は、波長1.3μ
ｍにおいて0.1dB／cm以下であり、エポキシ樹脂
でモールドしても何らの光伝搬損失増を示さなか
つた。

以上の実施例に示した製造方法においては、光
導波路２２、ガイド２３および電気配線パターン
支持台２４を１枚のフオトマスクパターンのみを
用いて同時に形成することができ、また電気配線
パターン２６の形成もその後の真空蒸着という簡
便なプロセスで一括して形成できるので、信頼性
および経済性とも大幅に改善される。

以上、本発明の構成、作用をSi基板上の石英系
光導波路を例にとつて説明してきたが、本発明は
その他の基板材料や光導波路材料を用いた混成光
集積回路の構成や製造にも適用できることもちろ
んである。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、基板上
に光導波路および光フアイバや能動光素子を設置
するためのガイドに加えて、電気配線パターンを
１枚のフオトマスクにより精度良く、形成するこ
とができるので、組み立ての作業性が向上すると
ともに信頼性が改善され、実用的な混成光集積回
路の実現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての光合分波器
の構成を示す斜視図、第２図Ａは本発明の製造方
法により得られた混成光集積回路の一例を示す斜
視図、第２図Ｂ〜Ｄはその製造方法の工程の一例
を示す断面図である。１……基板、２……光導波路、３……光フアイ
バ用ガイド、４……光フアイバ、５……フイルタ
用ガイド、６……干渉膜フイルタチツプ、７……
レーザ用ガイド、８……レーザダイオード、９…
…微小反射鏡、１０……アバランシエホトダイオ
ード、１１……増幅器チツプ、１２ａ，１２ｂ，
１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２
ｈ，１２ｉ，１２ｊ……電気配線パターンおよび
支持台、１３……共通電極面、１４……補助配線
（金線）、２１……基板、２２……光導波路、２３
……光フアイバ用ガイド、２４……電気配線パタ
ーン支持台、２５……石英系ガラス膜、２５Ａ…
…バツフア層、２５Ｂ……コア層、２５Ｃ……ク
ラツド層、２６……電気配線パターン、２７……
共通電極面。

Claims

【特許請求の範囲】１基板上に同一部材により形成され、ほぼ等し
い高さの凸状に配置された光導波路、光フアイバ
ガイド、光素子ガイドおよび電気配線支持台と、前記基板上に配置された第１導電膜と、少なくとも前記電気配線支持台の上面に前記第
１導電膜に絶縁されて配置された第２導電膜と、前記光フアイバガイドおよび前記光素子ガイド
に沿つてそれぞれ配設された光フアイバおよび光
素子とを具え、給電を必要とする光素子に、前記第１お
よび第２導電膜より給電を行うことを特徴とする
混成光集積回路。２基板上に、光導波膜を形成する工程と、該導波膜をエツチングして凸状の光導波路、光
フアイバガイド、光素子ガイドおよび電気配線支
持台を形成する工程と、前記基板の上および少なくとも前記電気配線支
持台の上面に導電膜を形成する工程と、前記光フアイバガイドおよび前記光素子ガイド
に沿つて前記光フアイバおよび前記光素子をそれ
ぞれ配設する工程と、給電を必要とする光素子に、前記導電膜を介し
ての給電路を形成する工程とを具えたことを特徴とする混成光集積回路の製造
方法。３基板上に光導波路を形成し、該光導波路に能
動光素子を結合して混成光集積回路を製造するに
あたり、前記基板上に光導波膜を形成する工程と、該光導波膜をエツチングすることにより、前記
光導波路と、該光導波路に対して光フアイバおよ
び能動光素子を位置決めするガイドと、前記能動
光素子に受給電するための電気配線パターン支持
台とを同時に形成する工程と、前記電気配線パターン支持台上に導体膜をコー
テイングする工程と、前記ガイドに前記光フアイバおよび前記能動光
素子を固定する工程とを具えたことを特徴とする混成光集積回路の製造
方法。４前記基板をシリコン基板となし、該シリコン
基板上に石英系光導波膜を形成した後、反応性イ
オンエツチングにより前記光導波路、前記ガイド
および前記電気配線パターン支持台を形成するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の混成
光集積回路の製造方法。