JPH0894891A - 光電素子と光ガイドの結合装置 - Google Patents

光電素子と光ガイドの結合装置

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JPH0894891A
JPH0894891A JP7026358A JP2635895A JPH0894891A JP H0894891 A JPH0894891 A JP H0894891A JP 7026358 A JP7026358 A JP 7026358A JP 2635895 A JP2635895 A JP 2635895A JP H0894891 A JPH0894891 A JP H0894891A
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light guide
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optical
silicon
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エイ ブドロー ロバート
Hongtao Han
ハン ホンタオ
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ロバート ロウレット シニア ジョン
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ディー スタック ジャレッド
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Abstract

(57)【要約】 【目的】光ファイバ等の光ガイドと発光または受光素子
等の光電素子間を光学的に結合する結合装置において、
高精度且つ高効率的な光結合が達成される。 【構成】結合装置は、リシコン等の結晶基板１の上面に
連通するキャビティー３と、Ｖ字状溝４を形成する。基
板１の上に光電素子２を配置し、Ｖ字状溝４に光ファイ
バ等の光ガイド６を配置する。キャビティー３の内部に
合焦素子５を配置して光電素子２と光ガイド６との間で
効果的に光結合を行わせる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本願発明は光ガイドと光電素子の
結合装置に関するものであり、特にホログラフィー光素
子を用いてシリコン基板上に固定された光電素子と光ガ
イドの結合を行う装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】光通信の技術により高効率の情報伝送方
法、特に、高速デジタル／アナログ情報伝送方法がもた
らされた。このような効率的データ伝送の方法は能動光
電素子の出現によりさらに向上した。光通信を実際に行
うにあたり様々な問題が伴うが、特に光ガイドと能動素
子との結合の効率の低さが問題となる。
【０００３】この原因の一つには光ファイバーと素子と
の位置合わせの不適切さが挙げられる。シリコンウェハ
ー基板技術の開発により受動的に光ファイバーを正確に
位置合わせする手段が考案されている。例えば、米国特
許５，２２４，７８２号、５，１６３，１０８号、５，
０７７，８７８号、５，１８２，７８２号などには、シ
リコンウェハー基板中の望ましい結晶面に沿ってエッチ
ングを行ってＶ字状の溝を形成して光ファイバーと能動
素子及び／または結合ファイバーとを正確に受動的に位
置合わせする方法が開示されている。米国特許４，２１
０，９２３号には、シリコン基板を用いながら光電素子
と光ファイバーとのアラインメントに結晶面を利用する
方法が開示されている。この米国特許’９２３では、シ
リコン基板の中で結晶方位（１１０）の主要面にＳｉＯ
2 マスクが形成されている。ＫＯＨ溶液と水を塗布して
異方性エッチングを行って（１１１）結晶面の側壁にＶ
字状の溝を形成する。さらに、この特許では、溝の幅の
適切に選択すればＶ字状の溝の深さを正確に形成できる
ことも論じられている。これにより、従来から知られて
いる結晶面の相対角度の特性を利用して光ファイバーと
光電素子とを正確に受動的に位置合わせする。従来の方
法で基板上に電気光学的検出器を成長させ、光ファイバ
ーからの光を受信側の検出器のエッジに接続する。米国
特許４，２１０，９２３号には光ファイバーから入射し
てくる光を能動素子に集束させる方法は開示されていな
い。このため、適切に光を集束できないため後方反射や
不適切な光結合といった問題が発生する。また、米国特
許４，８９７，７１１号，４、７７９、９４６号、４，
４４６，６９６号では、単結晶シリコンにマスク処理と
エッチングを施して好ましい結晶面に側壁を形成し、所
望の位置に溝及び／または開孔部を形成する方法が開示
されている。これらの先行文献には、様々なエッチング
技術を用いてアラインメント溝を形成し、光ファイバー
間及び光ファイバーと装置との間での光結合の効率を向
上させる方法が開示されている。
【０００４】４，８９７，７１１号特許には合焦部材の
使用が開示されている。この文献では、基板に上方発光
型ＬＥＤが取り付けられている。第２のシリコン片をエ
ッチングし、その表面に形成された反射面を利用してＬ
ＥＤからの光をＶ字状溝の中に固定されている光ファイ
バーに結合させる。中間シリコン片に異方性エッチング
で形成されたピラミッド状の孔の中にレンズを取付けて
ＬＥＤからの光を光ファイバーへ集束させる。米国特許
５，０７３，００３号では’７１１号特許に似た構造が
開示されているが、結晶性エッチングでＬＥＤをさらに
位置合わせして入射角度がほぼゼロとなるよう光と光フ
ァイバーを結合する方法を教示している。さらに、米国
特許５，２２４，１８４号では、半導体装置が載置され
ているウェハー基板、平面光導波路及びそれらの間に設
けられた合焦素子を用いる方法が開示されている。この
特許の合焦素子は幾何学的またはＧＲＩＮレンズであ
り、このレンズは基板内の凹凸（Ｖ字状キャビティーを
含む）の中に配置されていて半導体装置と導波路の間で
光を集束する。このレンズには、送信ポートと受信ポー
トの間で適切に集束するようレンズを位置合わせするた
めのハンドルが取り付けられている。このため、レンズ
を位置決めするには光ポート間で能動アラインメントを
行う必要がある。位置合わせが終わると、半田付けや溶
接といった様々な方法でレンズを固定する。最後に、米
国特許５，１２３，０７３号では、逆ピラミッド状の縦
穴を用いてレンズの球面を保持し、Ｖ字状溝の中に同軸
に配設されている光ファイバーの間で集束させる方法が
開示されている。この発明では、２部構造型ハウジング
と機械的アラインメント用シリンダーを用いる必要があ
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、高い結
合効率で光電素子と光ガイド間に正確な光結合を達成す
ることが望まれており、これにより高い信号パワーでの
伝送が可能になる。
【０００６】本願発明は上記従来技術の有する課題に鑑
みなされたものであり、その目的は、合焦素子を受動的
に位置合わせして光ガイドと光電素子との間の光接続の
精度と効率を向上できるようにすることにある。また、
本願発明は光学素子を適切に位置合わせできるようエッ
チング処理した特定の結晶面を利用することを目的とす
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願発明の光電素子と光ガイドの間を光学的に結合
する結合装置は、上面に相互に連通したキャビティーと
Ｖ字状溝が形成された基板と、該基板の上面の前記キャ
ビティー近傍に配置される光電素子と、前記基板の前記
Ｖ字状溝内に保持される光ガイドと、前記基板の前記キ
ャビティー内に配置される合焦素子とを備えていること
を特徴とする。
【０００８】
【作用および効果】本願発明の光電素子と光ガイドの結
合装置は上記のような構成を有しており、基板をエッチ
ングして形成したＶ字状溝で光ガイドを保持して光ガイ
ドと単結晶シリコン基板を受動的に位置合わせする。前
記基板には逆ピラミッド状キャビティーもエッチング形
成されており、相補形状の合焦素子が嵌着できるように
なっている。この合焦素子を垂直方向に位置合わせして
光ガイドと光電素子の間で正確かつ効率的に光結合を行
わせるが、この光結合装置は光ガイド間での光結合にも
利用可能である。この合焦素子は単結晶ウェハーで、そ
の側面は相補キャビティーに嵌着できるようエッチング
されている。このため、光ガイドと光電素子の間にある
合焦素子は効果的に位置合わせされる。
【０００９】また、本願発明では、光電素子と光ガイド
を正確に同軸上に位置合わせすることができ、また、合
焦用ホログラムをシリコンウェハー上に直接成長させる
ことができるといった利点がある。正確な位置合わせ
は、結晶性シリコンの標準的なエッチング技術を用いて
行う。
【００１０】さらに、基板と合焦素子を形成している基
板の両方の基板に使用されているシリコン等の結晶性材
料の結晶面の特性を利用することにより極めて高い精度
で受動的位置合わせを行うことが可能になる。
【００１１】
【実施例】以下、添付図面を参照しながら本願発明の好
適な実施例について詳細に説明する。説明のため、本願
発明では特にシリコン製光結合アセンブリの例について
説明を行う。また、このアセンブリを製造する技術は従
来から周知である標準的な半導体処理技術であるため製
造技術についての説明は省略する。
【００１２】図１において、シリコン等の結晶基板１の
上面、すなわち、（１００）面には光電素子２が固定さ
れている。この光電素子２は図からも分かるようにディ
スクリート部品であるが、結晶基板１がシリコン製であ
るため、エピタキシャル成長やドーピング技術といった
周知の技術を用いればこの光電素子２を結晶基板１の上
に形成することができる。結晶方位（１００）のシリコ
ンを用いてエッチングを行えば、合焦素子５を嵌入する
ための逆ピラミッド状キャビティー３と、光ガイド６を
装着するためのＶ字状溝がそれぞれ形成される。この合
焦素子５は結晶方位（１１０）のシリコンからできてお
り、キャビティー３に嵌合できるよう両面がエッチング
されている。合焦素子５の位置合わせ構造の形成方法を
以下詳細に説明する。
【００１３】合焦素子５を正確かつ受動的に位置合わせ
する方法を説明するため、シリコンの好適結晶面を示し
た図２及び図３を参照する。標準的な技術を用いてエッ
チングを行うとＶ字状溝が形成され、その両側壁には
（１１１）面が露出する。図３から分かるように、（１
００）基板をエッチングすると側壁には（１１１）面と
（１１１）面が露出し、この時の側壁間の角度は７０．
５°前後である。結晶方位が（１００）のシリコンウェ
ハーを使用する時は、結晶面にそろえて開口部が形成さ
れたマスクをウェハーにかぶせてフォトリソグラフィー
でマスキング処理する。このため、窒化珪素、二酸化珪
素、特殊ポリマー材のようなマスク材料を基板の上に成
長、蒸着またはスピン塗布する。次に、スピン塗布法で
マスク材料の上にフォトレジストを塗布し、その後、フ
ォトレジスト層をフォトリソグラフィーでパターンニン
グする。さらに、ウェット及びドライエッチングの技法
を用いてフォトレジストパターンをマスク材料に転写す
る。最後に、異方性エッチング液を塗布すると、マスク
されていなかった（１００）面は、（１１１）系結晶面
が露出するまで急速にエッチングされる。一般的な異方
性エッチング液としてはＫＯＨ、水酸化アンモニウム、
テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、ヒドラ
ジン、エチレンジアミン−ピロカテコール水などがあ
る。露出結晶面は非常に遅い速度でエッチングされるた
め、エッチング処理は自動的に終了し、その後には機械
的構造が形成される。この機械的形状はマスクの大きさ
で調整される。この結晶方位でのエッチングは自己限定
的であることは周知であり、また、溝の深さはマスク開
口部の幅に直接比例する。これについての詳細な説明は
米国特許４，２１０，９２３号に記載されている。図１
に示すように、キャビティー３とＶ字状溝４は幅の異な
るマスクを用いてエッチングしているためその深さが異
なっている。径が拡大されたレーザービームを合焦素子
５を用いて光ガイド６の入射部に有効スポット径の大き
さまで集束できるようキャビティー３をさらに深くして
その幅を広げる。Ｖ字状溝４の深さは、光ガイド６と光
ビームを同軸上に適切に位置合わせするのに必要な深さ
である。例えば、径が１２５ミクロンの光ファイバーを
用いる場合は、Ｖ字状溝の深さは５０ー７５ミクロンと
するのが好ましい。図４では、合焦素子５の側面とキャ
ビティー３の側壁のお互いの相補的な特性を利用して合
焦素子５をキャビティー３の内部に正確に位置決めする
方法が示されてる。これにより、図１に示すように、ホ
ログラム７は、結晶基板１表面に形成または固定されて
いる光電素子２と光ガイド６に同軸上に直接位置合わせ
される。
【００１４】次に受動的合焦素子５の作製方法について
説明する。光電素子２と光ガイド６の間に設けられてい
る合焦素子５を正確に位置合わせするには、四隅に補正
構造が設けられたアイランド状平行四辺形アレイ状のマ
スクを用いて異方性エッチング期間中に発生するコーナ
ー部のアンダーカットを制御する。この平行四辺形マス
クの結晶方位は図２に示す通りである。Ｖ字状溝４の形
成の時に説明した異方性エッチングと技術的には同じエ
ッチングを行って（１１０）結晶シリコンから合焦素子
５をさいの目状に切り取る。図２に示すように、好適な
エッチング技術を用いて、ウェハー基板内に形成された
キャビティー３に完全に一致するような大きさに合焦素
子５を形成する。このため、図４に最も良く示されてい
るように、合焦素子用（１１０）ウェハーを選択し、次
に側面をエッチングして（１１１）系の面を露出させる
と、ダイヤモンド状合焦素子５のコーナー部の角度は７
０．５度となる。この角度は、（１００）ウェハー基板
１に形成されているキャビティー３の角度と全く同じで
ある。基板１に形成されているキャビティー３とＶ字状
溝４の深さと合焦素子５の側面の長さは、マスキングと
エッチング速度を適切に選択すれば正確に決めることが
できるため、合焦素子５は非常に高い精度でキャビティ
ー３に嵌合する。エッチングを行って露出させた特徴的
な結晶面を用いれば光電素子２と光ガイド６の間に合焦
素子５を正確かつ受動的に位置合わせれるのは明かであ
る。この合焦素子５の場合には、（１００）基板と（１
１０）ウェハーを使用した。
【００１５】周知なエッチング技術を用いて合焦素子５
の側面と基板１のキャビティー３の側壁に所望の特性面
を露出させると、正確かつ受動的な位置合わせが行え
る。例えば、図２に示すように、（１１０）シリコンウ
ェハーをエッチングすると、
【００１６】
【数１】
【００１７】側面１と（１１１）側面２が露出するがこ
れらの側面がなす角度は７０．５゜である。この結果、
図４に最も良く示されているように、ダイヤモンド形合
焦素子５が形成される。次に、（１００）基板をエッチ
ングして側壁（１１１）と側壁（１１１）を露出させる
が、これらの側壁がなす角度は７０．５゜である。図４
から分かるように、合焦素子５のコーナー８は基板１に
形成されたキャビティーのコーナー９と嵌合する。露出
面の相補特性を利用するとこのような位置合わせを行え
るのは明かである。従って、他の結晶方位を利用して位
置合わせするような場合も本願発明の思想範囲に含まれ
るものである。最後に、図４に示すように、合焦素子５
をウェハー基板１に垂直に真上から取り付ける。これに
より、レーザー光が出射面から上へもれて別のシリコン
層に入射することなく、エッジ放出レーザー光を光ファ
イバーに集束ことができる。また、キャビティー３の結
晶面と合焦素子５を位置合わせすることにより光電素子
２と、１または２本の光ガイド６との間に設けられた合
焦素子５は好適に垂直に位置合わせされる。
【００１８】図１において、合焦素子５には、例えばホ
ログラム等が取り付けられるよう合焦部材が設けられて
いる。合焦部材にホログラムを取り付ける方法の一つと
しては、放射形対称反復離散オンアクシス（ＲＳＩＤ
Ｏ）符号化方法を用いてシリコンウェハー上に直接ホロ
グラムを形成する方法がある。この技術を用いると、そ
れまでの符号化方法ではわずかに６０％であった回折効
率が８５ー９５％まで向上する。さらに、ホログラム
は、波長によらない焦点距離だけでなく多重焦点でも集
束させることができる。ＲＳＩＤＯ法についてのより詳
細な説明は米国特許５，２０２，７７５号に記載されて
いる。本願発明では、合焦素子５用のシリコン基板とし
ては結晶方位（１１０）の基板を選択する。化学蒸着法
（ＣＶＤ）やその他の従来技術を用いてＳｉＯ2 のアモ
ルファス層を蒸着させると面が形成されるがこの面は異
方性エッチングの作用を受けない。この後、クロム被覆
クオーツ基板の表面にフォトレジストをスピン塗布す
る。このフォトレジストのパターンは、高回折効率が得
られるＲＳＩＤＯ法などの符号化方式で得た出力から決
める。クロムフィルムに選択的にパターンをエッチング
してマスクを形成する。この処理を複数回繰り返して段
階的に８つの階層を形成する。次に、アモルファスシリ
コン層の表面にフォトレジストをスピン塗布し、紫外線
でマスクを照射する。マスクの像をフォトレジスト上に
形成し、例えば５ｘの縮小率でフォトレジストを照射す
る。次に、このフォトレジストを現像してアモルファス
層にパターンを形成する。さらに、このアモルファス層
をイオンエッチングして段階的に好適な深さとする。さ
らに別に段階的な階層を形成する場合には別のマスクを
用いてこの処理を繰り返す。
【００１９】本願発明のその他の実施例を図５に示す。
この実施例では、基板１にマスク処理とエッチング処理
を施してキャビティー３とＶ字状溝４を複数並列に形成
する。Ｖ字状溝４の間隔は、シリコン基板１の所定領域
内に光ガイド６を最大数配置できるよう選択する。径が
１２５μｍの光ガイドを用いる場合は、Ｖ字状溝４の間
隔をできる限り２５０ミクロンに近くなるよう選択す
る。すでに説明したように、Ｖ字状溝４の幅と深さは相
互依存している。Ｖ字状溝４とキャビティー３のそれぞ
れの配列間隔を限定するのは、光電素子２と光ガイド６
を同軸に位置合わせするのに要するキャビティー３とＶ
字状溝４のそれぞれの深さだけである。この配列では、
合焦素子５と光ガイド６を正確に同軸上に位置合わせし
た状態で基板１の表面に単一受信器／送信器アレイを載
置または形成することができる。あるいは、基板１にデ
ィスクリート素子を載置または形成することも可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】光電素子と光ガイドが光学的に位置合わせされ
るようにキャビティーに合焦素子を挿入した状態を示す
本願発明の光結合装置の全体図
【図２】（１１０）シリコンの特性面の結晶方位のライ
ンを示した概略図
【図３】（１００）シリコン内に（１１１）面をエッチ
ング形成した状態を立体的に示した概略図
【図４】表面にホログラムが形成されたダイアモンド形
合焦素子と、これを挿入するため基板に形成されたキャ
ビティーとの位置合わせの様子を示した概略図
【図５】光電素子と光ガイドを結合する合焦素子の配列
状態を示した概略図
【符号の説明】
１ 結晶基板 ２ 光電素子 ３ キャビティー ４ Ｖ字状溝 ５ 合焦素子 ６ 光ガイド ７ ホログラム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホンタオ ハン アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 17055 メカニクスバーグ カンバーラン ド エステイト ドライヴ 22 (72)発明者 ジョン ロバート ロウレット シニア アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 17036 ヒュメルスタウン クック コー ト 431 (72)発明者 ジャレッド ディー スタック アメリカ合衆国 ノースカロライナ州 28262 シャルロット グレンウォーター ドライヴ 9213 アパートメント 919

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 上面に相互に連通したキャビティーとＶ
    字状溝が形成された基板と、 該基板の上面の前記キャビティー近傍に配置される光電
    素子と、 前記基板の前記Ｖ字状溝内に保持される光ガイドと、 前記基板の前記キャビティー内に配置される合焦素子と
    を備え、 光電素子と光ガイドの間を光学的に結合する結合装置。
JP7026358A 1994-02-17 1995-02-15 光電素子と光ガイドの結合装置 Withdrawn JPH0894891A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US198028 1988-05-24
US08/198,028 US5420953A (en) 1994-02-17 1994-02-17 Optoelectronic integration of holograms using (110) oriented silicon on (100) oriented silicon waferboard

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Publication Number Publication Date
JPH0894891A true JPH0894891A (ja) 1996-04-12

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP7026358A Withdrawn JPH0894891A (ja) 1994-02-17 1995-02-15 光電素子と光ガイドの結合装置

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FR (1) FR2716268A1 (ja)

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