JPH09166728A - 光導波路デバイスとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光導波路と各種光部品間の高効率結合，低コ
スト化，並びに温度変動，振動衝撃などに対して信頼性
が高い光導波路デバイスとその製造方法とを提供する。 【解決手段】 Ｓｉ基板１上に，石英系の材料からなる
光導波路２と半導体光源７が光学的に結合している光回
路において，光導波路２と半導体光源７の間のＳｉ基板
１上に光導波路と同一の材料を用い，Ｓｉ基板１上で個
体素子化された，スポットサイズ変換機能を果たす球形
のレンズ６が形成されており，レンズ６周囲のＳｉ基板
１をエッチングすることによりレンズ６を支えるレンズ
支持面８の形状が制御されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，光ネットワークシ
ステムに使われ，基板と基板上に形成された石英系光導
波路を用いた送信機や受信機などの各種光デバイスに関
し，特に光導波路と半導体レーザなどのスポットサイズ
が異なるデバイス間の光学的接続の際に用いる光導波路
デバイスとその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムの大容量化が進むと同時
に，多機能の高度なシステムが求められる一方で，光フ
ァイバネットワークの低コスト化の要求が強い。その中
で光デバイスの小型化，高集積化，低コスト化は必須で
ある。

【０００３】例えば近年，双方向の通信システムの必要
が高まり，また家庭にまでこのシステムを導入すること
が望まれている。このとき双方向通信を可能にさせる光
デバイスとして光の送信器と受信器が必要となるが，こ
れを個別に構成していたのでは光送受信装置が大型化し
システム普及の妨げとなる。従って，２つの機能を集積
化した光デバイス，例えば，光送受信器が望まれる。

【０００４】光送受信器の集積化を実現するためには，
半導体光源，半導体検出器，光ファイバなどの光部品と
光導波路を同一基板上で光学的に高効率に結合させる必
要があり，またこのためには，光部品と光導波路の両者
のスポットサイズを整合させたり，検出器面に集光させ
るなど光波の伝搬姿態の制御を行う必要がある。スポッ
トサイズ整合には，光部品や光導波路が有する固有のス
ポットサイズそのものを光部品や光導波路の内部で変換
する方法，並びに光部品と光導波路の間にレンズを挿入
してスポットサイズ変換をする方法などがある。また，
検出器面に集光させるためには同様にレンズを挿入する
方法などがある。スポットサイズそのものを光部品や光
導波路の内部で変換する方法では光部品並びに光導波路
の構造，製作手順，材料などを変更する必要があり，光
部品および光導波路の特性の劣化やコスト増などさまざ
まな弊害が誘発される。一方レンズを用いる方法は，光
部品および光導波路の特性の劣化をもたらさず，スポッ
トサイズ変換，集光などを可能にするから非常に有効で
ある。

【０００５】現在，レンズを実装する方法としては，図
７（ａ）の側断面端面図に示すように，光導波路２を形
成する半導体基板１上にバルク型のレンズ６を搭載して
いく方法や，図７（ｂ）に側断面端面図で示すように，
光導波路２の形成されたＳｉ基板１の外にレンズ６を実
装する構造などが検討されている。ここで，光導波路２
は，Ｓｉ基板１に形成された下層クラッド３，その上に
形成されたコア４，その上に形成された上層クラッド５
とを備えている。

【０００６】しかし，図７（ａ）及び図７（ｂ）に示さ
れたいずれの方法も，実際にはレンズ６を高精度に設
置，固定する必要があり，レンズ６の実装に多大な工数
を要する。また，温度変動や振動衝撃に対する光軸変換
角度や位置ずれに関する信頼性の確保も困難である。

【０００７】このような背景から，図７（ｃ）の側断面
端面図に示すようにリフローレンズが提案されている
（特開平７−２７９４７号公報，参照）。同レンズは光
導波路を形成する際に堆積したレンズ母材を熱によって
リフローして成形される。これにより電子デバイスと同
様なプロセス工法でＳｉ基板１上にレンズを形成できる
ため，光導波路２とレンズ６の位置精度は高く，また量
産性にも優れている。また，温度変動，振動衝撃に対す
る信頼性も高い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述したように，リフ
ローレンズはＳｉ基板１上に堆積したレンズ母材を熱に
よってリフローすることで成形される。そのレンズ形状
はレンズ母材を支持する基板の底面形状並びに加熱温度
によって制御される。

【０００９】従って，所望のレンズ形状を得るためには
レンズ母材を支える基板形状を制御することが必要であ
る。

【００１０】しかしながら，従来提案されているリフロ
ーレンズは平坦なＳｉ基板上に形成されるものであり，
そのレンズ形状の制御性は十分なものとはいえない。

【００１１】そこで，本発明の技術的課題は，レンズ底
面の形状を制御することによって従来のリフローレンズ
よりも高い結合効率をもち，低コスト化，並びに温度変
動，振動衝撃などに対して信頼性が高い光導波路デバイ
スとその製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による光導波路デ
バイスは，半導体基板上に光導波路と光学レンズとを備
えた光導波路デバイスにおいて，前記半導体基板は前記
光学レンズ底面周囲及び光導波路との間に凹部を備え，
前記光学レンズは所定形状を備え，前記光学レンズと前
記光導波路とは互いに離間して配置された同一材料から
なることを特徴としている。

【００１３】また，本発明の光導波路デバイスの製造方
法は，半導体基板上に光導波路と光学レンズとを備えた
光導波路デバイスの製造方法において，前記光導波路と
同一材料を前記光学レンズのレンズ母材として前記半導
体基板上に前記光導波路とは離間して堆積し，前記半導
体基板の前記レンズ母材の底面周囲付近をエッチング
し，前記レンズ母材を熱によりリフローして，所定形状
に成形することを特徴としている。

【００１４】ここで、本発明において所定形状とは，凸
形状または球を含む楕円体形状を呼ぶ。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に，本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１６】図１は本発明の一実施の形態に係わる光導
波路デバイスを含む光回路の構造を示す側面部分断面端
面図である。

【００１７】図１において，Ｓｉ基板１上に石英系の材
料からなる光導波路２が形成されている。光導波路２
は，厚さ１０μｍの下層クラッド３，厚さ６μｍ，幅６
μｍのコア４，厚さ１０μｍの上層クラッド５からなる
層構造を有している。

【００１８】図１の光回路は，光導波路２と半導体光源
７とを光学的に結合することで構成されている。光導波
路２と半導体光源７との間のＳｉ基板１上に，球形のレ
ンズ６が，光導波路２からの距離２０μｍ程度のところ
に形成されており，レンズ６の底面の周囲のＳｉ基板１
の部分はエッチングされている。球形のレンズ６は，光
導波路２と同一の材料である石英系材料からなってお
り，その直径は２６μｍで，光導波路２の厚さと同程度
に形成されている。球形のレンズ６には，光導波路２を
形成するためにＳｉ基板１にＣＶＤ法，スパッタ法，火
炎堆積法などで堆積された石英系材料がそのまま用いら
れている。このようにレンズ６はＳｉ基板１上に堆積さ
れた材料をそのまま使用しているため，Ｓｉ基板１上で
固定素子化されており，かつ形成位置もフォトリソグラ
フィ法で設定されるから，光導波路２とレンズ６の位置
精度は極めて高く，量産性も優れ，またレンズに個別の
部品あるいは材料を使用する必要がないから低コスト化
が実現できる。またレンズ６を支えるＳｉ基板のレンズ
支持面８の形状は，その周囲のＳｉ基板１をエッチング
することによって制御されている。このように，レンズ
６を支持するＳｉ基板のレンズ支持面８の形状が制御さ
れることにより，レンズ６はより結合効率の高い球また
は凸形状に成形することが可能になる。

【００１９】また，図１の光回路では，基板１上に固体
素子としてレンズ６を形成しているから，温度変動，振
動衝撃などに対しても信頼性は極めて高い。また，任意
の位置にレンズ６を構成できるため，図１の光回路で
は，設計に対する汎用性，及び許容性が高い。

【００２０】図２（ａ），（ｂ），及び（ｃ）は，図１
の光導波路デバイスの製造方法を順に示す工程図であ
る。図２（ａ）の断面端面図に示す第１の工程は，光導
波路２の入出力用の端面９を形成する工程である。Ｓｉ
基板１上にはＣＶＤ法，スパッタリング法，火炎堆積法
などで光導波路用石英系材料が堆積されているが，端面
形成時にレンズの母材１０となる石英系材料も同時に残
す。図２（ｂ）の断面端面図に示す第２の工程はレンズ
母材１０底面周囲付近のＳｉ基板１をエッチングにより
除去する工程である。図２（ｃ）の断面端面図に示す第
３の工程，はレンズ母材１０に熱を加えることによって
リフローし，表面張力によって凸化させレンズ６を形成
する工程である。このようにして、レンズ６は，光導波
路と同様の石英で形成されていることには変わりがな
い。

【００２１】レンズの形状はレンズを支えるＳｉ基板面
の形状，並びに加熱温度によって制御される。加熱温度
が高いほど溶融化が進み，表面張力によって球面状に近
づく。しかしながら基板に接している部分はリフローし
てもそのままレンズ底面として残るので，形良く球形状
に成形するためには，レンズを支えるＳｉ基板面の面積
を小さくする必要がある。

【００２２】Ｓｉ基板のエッチングにはＫＯＨ溶液など
をエッチャントとした異方性エッチングを適用すること
ができる。ＫＯＨ溶液を用いた異方性エッチングでは，
Ｓｉ基板の（１，０，０）面のエッチングの進行が最も
速く，（１１１）面のエッチングの進行が極めて遅いた
めに，（１１１）面を残してエッチングが進む。

【００２３】図３（ａ）及び（ｂ）は，図２（ｂ）に示
したレンズ母材をマスクとして異方性エッチングを行っ
たＳｉ基板１の形状のそれぞれ上面図および側断面端面
図である。図３（ａ）及び（ｂ）を参照すると，レンズ
母材の下にまでエッチングが進行しているのは，各コー
ナーでは（１１１）以外の面が出るためであり，コーナ
ーカットと呼ばれる。コーナーカットの大きさはエッチ
ングを行う時間によって制御できる。この方法により，
レンズ母材を支えるＳｉ基板面の面積を小さくすること
ができる。

【００２４】図４に，レンズ母材１０の底面積Ｓ１とレ
ンズ母材１０を支えるＳｉ基板面８の面積Ｓ２の比Ｓ１
／Ｓ２とリフローによって球形に成形されたレンズ６の
半径との関係を示す。なお，レンズ母材１０には一辺が
２６μｍの立方体に成形したものを用いた。リフロー温
度を８５０℃および８２０℃の２種類で行った。

【００２５】半径１５μｍのレンズを用いて実際に結合
損失を測定したところ，波長１．３１μｍの半導体レー
ザに対して，結合損失約３ｄＢが得られた。

【００２６】石英系材料のリフロー温度は，ボロン
（Ｂ）とリン（Ｐ）をドープした石英材料では約８００
℃であり，ゲルマニウム（Ｇｅ）とＰをドープしたもの
では８５０℃前後であるなど，石英系材料に関してのリ
フロー温度は良く知られている。従って，光導波路２に
用いた石英系光導波路２の材料組成に対応して加熱温度
を選択すれば，レンズ６が容易に得られる。加熱箇所は
レンズ母材１０が含まれていればどこでも良い。加熱に
より光導波路２の外部への露出面がリフローされる。露
出面は上層クラッド５と端面９であるが，上層クラッド
５表面はリフローされても光導波路２の特性への影響は
少ない。

【００２７】一方，端面９はリフローにより，垂直性が
損なわれる場合があるため，レンズ母材１０だけの局所
的な加熱が望ましい。レンズ母材１０を含む局所的な加
熱には，ＣＯ₂ レーザやＡｒレーザなどによるレーザ光
の照射や，通常のヒータによる輻射熱を用いて行う。

【００２８】図５は本発明の第２の実施の形態による光
導波路デバイスの製造方法を示す部分的側断面端面図で
ある。図２（ｂ）に示すＳｉ基板のエッチングに際し
て，図５（ａ），（ｂ），及び（ｃ）の工程図に示すよ
うに製造されている。

【００２９】図５（ａ）を参照すると，Ｓｉ基板とレン
ズ母材の間の一部にあらかじめＫＯＨ溶液あるいはその
他のエッチャントにより容易にエッチングすることので
きる薄膜１１を堆積させる。

【００３０】次に，図５（ｂ）に示すように，レンズ母
材形成後に薄膜を除去することによって，レンズ母材と
Ｓｉ基板との間に空隙を作製する。この空隙より，図５
（ｃ）に示すように，ＫＯＨ溶液がその空隙に入りこ
み，Ｓｉ基板はそこからエッチングされる。

【００３１】なお，薄膜１１はフォトリソグラフィを用
いたパターニングによって任意の形状に成形できる。こ
の第２の実施の形態による方法によると，上記のコーナ
ーカットだけを用いてＳｉ基板のエッチングを行った場
合に比べて，所望のＳｉ基板底面形状が得やすいという
利点を有する。

【００３２】図６は本発明の第３の実施の形態による光
導波路デバイスの製造方法を示す部分的側面図である。
図６（ａ），（ｂ）を参照して，レンズ母材を支えるＳ
ｉ基板面の形状は，レンズ母材周辺にＳｉ基板エッチン
グ用のマスク材をパターニングすることによっても制御
できる。即ち，レンズ母材１０の周辺にあらかじめＳｉ
基板エッチングマスク材１２を堆積およびパターニング
しておき，その後レンズ母材１０を形成する。

【００３３】図６（ａ）のは，このときのレンズ母材１
０およびエッチングマスク材１２の上面図である。次
に，図６（ｂ）に示すように，先の方法と同様にしてＫ
ＯＨ溶液を用いて異方性エッチングを行なう。レンズ母
材１０を支えるＳｉ基板面８は図６（ｂ）の斜線部で示
すような形状となる。例えば，このようにレンズ母材１
０を支えるＳｉ基板面を長方形にすることは，バルク部
品で用いられている通常の凸レンズ形状に成形するのに
適している。

【００３４】以上に説明したように，本発明の実施の形
態による光導波路デバイスの製造方法によれば，レンズ
６の材料にはＳｉ基板１上に堆積された材料をそのまま
使用しているから，レンズ６はＳｉ基板１上で個体素子
化される。また，レンズ母材１０はフォトリソグラフィ
法で設定される位置に形成され，レンズ６はレンズ母材
１０の位置に形成されるため，光導波路２とレンズ６の
位置精度は極めて高い。また，レンズを支えるＳｉ基板
面形状を制御することにより所望のレンズ形状に成形で
きるため，半導体光源７と光導波路２の間の光学結合は
極めて高い効率で実現でき，かつ，レンズ個別の部品あ
るいは材料を使用する必要がないため量産性に優れ，低
コスト化が実現できる。また，基板１上に個体素子とし
てレンズ６を形成しているから，温度変動，振動衝撃な
どに対しても信頼性が極めて高い光導波路デバイスが実
現できる。

【００３５】

【発明の効果】以上，説明したように，本発明による光
導波路デバイスとその製造方法では，石英系光導波路と
光部品の間に挿入する光学レンズとして石英系光導波路
を形成する際に堆積した石英系材料を凸または球レンズ
として用い，また熱による石英系材料のリフローを利用
して所定形状，即ち凸または球形状にレンズを成形す
る。この際，レンズ部分を支えるＳｉ基板の形状をエッ
チングによって変えることによって，レンズ形状を制御
することができ，極めて高く高効率な光の結合が実現で
きるとともに，量産性も優れ，またレンズに個別の部品
あるいは材料を使用する必要がないため低コスト化が実
現できる。

【００３６】また，本発明においては，基板上に個体素
子としてレンズを形成しているために温度変動，振動衝
撃などに対しても信頼性が極めて高い光導波路デバイス
が実現できる。

【００３７】また，本発明による光導波路デバイスとそ
の製造方法を用いれば，簡易なプロセス工法でＳｉ基板
上にレンズを形成でき，かつ，所望のレンズ形状が得ら
れるため，極めて高く高効率な光の結合が実現できると
ともに，量産性に優れ，またレンズに個別の部品または
材料を使用する必要がないから低コスト化が実現でき
る。

【００３８】また，本発明によれば，基板上に固体素子
としてレンズを形成しているから，温度変動，振動衝撃
などに対しても信頼性が極めて高い光導波路デバイスが
実現できる。

【００３９】さらに，本発明によれば，任意の位置にレ
ンズを構成できるので光回路設計に対する汎用性および
許容性が高いという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による光導波路デバ
イスを用いた光回路の構造を示す部分側断面端面図であ
る。

【図２】（ａ），（ｂ），及び（ｃ）は図１の光導波路
デバイス製造方法を順に示す断面端面図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態による異方性エッチ
ングされたシリコン基板を示す（ａ）上面図および
（ｂ）側断面端面図である。

【図４】図１の光導波路デバイスにおけるレンズ母材底
面積とレンズを支えるＳｉ基板面積との比（Ｓ１／Ｓ
２）と，レンズ半径との関係を表す特性図である。

【図５】（ａ），（ｂ），及び（ｃ）は本発明の第２の
実施の形態による光導波路デバイス製造方法を順に示す
工程図である。

【図６】（ａ）は本発明の第３の実施の形態による光導
波路デバイス製造方法を示す側面図である。（ｂ）は，
（ａ）の平面図である。

【図７】（ａ），（ｂ），（ｃ）は，各種の従来の光導
波路デバイスの例を示す側断面端面図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 光導波路 ３ 下層クラッド ４ コア ５ 上層クラッド ６ レンズ ７ 半導体光源 ８ レンズ支持面 ９ 端面 １０ レンズ母材 １１ 薄膜 １２ エッチングマスク材

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に光導波路と光学レンズと
   を備えた光導波路デバイスにおいて，前記半導体基板は
   前記光学レンズ底面周囲及び光導波路との間に凹部を備
   え，前記光学レンズは，所定形状を備え，前記光学レン
   ズと前記光導波路とは互いに離間して配置された同一材
   料からなることを特徴とする光導波路デバイス。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光導波路デバイスにおい
   て，前記半導体基板はＳｉからなり，前記凹部は前記半
   導体基板のエッチングによって形成されていることを特
   徴とする光導波路デバイス。
3. 【請求項３】 半導体基板上に光導波路と光学レンズと
   を備えた光導波路デバイスの製造方法において，前記光
   導波路と同一材料を前記光学レンズのレンズ母材として
   前記半導体基板上に前記光導波路とは離間して堆積し，
   前記半導体基板の前記レンズ母材の底面周囲付近をエッ
   チングし，前記レンズ母材を熱によりリフローして所定
   形状に成形することを特徴とする光導波路デバイスの製
   造方法。
4. 【請求項４】 請求項３記載の光導波路デバイスの製造
   方法において，前記半導体基板と前記レンズ母材底面と
   の間の一部にあらかじめ薄膜を堆積し，前記レンズ母材
   を堆積後，前記薄膜を除去し，前記レンズ母材と前記半
   導体基板との間に空隙を形成することを特徴とする光導
   波路デバイスの製造方法。
5. 【請求項５】 請求項３記載の光導波路デバイスの製造
   方法において，前記半導体基板エッチングマスクを前記
   レンズ母材周辺にパターニングする工程を有することを
   特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
6. 【請求項６】 請求項３記載の光導波路デバイスの製造
   方法において，前記レンズ母材の底面積と前記レンズ母
   材を支持する半導体基板部分の底面積との底面積比を調
   整することにより，形成される光学レンズの半径を調整
   することを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。