特開 2023-41329 光集積素子、光集積回路ウエハ及び光集積素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023041329

(43)【公開日】2023-03-24

(54)【発明の名称】光集積素子、光集積回路ウエハ及び光集積素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/122 20060101AFI20230316BHJP

【ＦＩ】

G02B6/122 311

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021148643

(22)【出願日】2021-09-13

(71)【出願人】

【識別番号】309015134

【氏名又は名称】富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 達也

(72)【発明者】

【氏名】松本 武

【テーマコード（参考）】

2H147

【Ｆターム（参考）】

2H147BA17

2H147BB02

2H147BB04

2H147BB07

2H147BB09

2H147BB10

2H147BD10

2H147BG14

2H147CA05

2H147CB01

2H147CC02

2H147EA13A

2H147EA13C

2H147EA14A

2H147EA14B

2H147FA05

2H147FC03

2H147FC08

2H147FC09

(57)【要約】      （修正有）

【課題】光ファイバとの結合時の光結合損失を抑制できる光集積素子等を提供する。
【解決手段】光集積素子１は、基板２と、基板２上に配置され、中空構造の光導波路４０と、を有する。光導波路４０は、第１の光導波路４と、第１の光導波路４に比較して比屈折率差が小さく、第１の光導波路と光結合する第２の光導波路５と、を有し、第１の光導波路４から第２の光導波路５への光の進行に応じてモード径を光ファイバのモード径に変換する。光集積素子は、基板のダイシング端面７Ａが第２の光導波路５の出力端面５Ａに比較して光導波路４０の軸方向に突出した状態で、出力端面５Ａの幅が出力端面５Ａと光結合する光ファイバのコア幅に比較して小さくなるように、基板２のダイシングライン付近に形成されたへこみ部７を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、基板上に配置され、中空構造の光導波路と、を有する光集積素子であって、
前記光導波路は、
第１の光導波路と、
前記第１の光導波路に比較して比屈折率差が小さく、前記第１の光導波路と光結合する第２の光導波路と、を有し、前記第１の光導波路から前記第２の光導波路への光の進行に応じてモード径を光ファイバのモード径に変換し、
前記光集積素子は、
前記基板のダイシング端面が前記第２の光導波路の出力端面に比較して前記光導波路の軸方向に突出した状態で、前記出力端面の幅が当該出力端面と光結合する前記光ファイバのコア幅に比較して小さくなるように、前記基板のダイシングライン付近に形成されたへこみ部を有することを特徴とする光集積素子。

【請求項2】

前記へこみ部は、

【数1】

で算出された幅を有することを特徴とする請求項１に記載の光集積素子。

【請求項3】

前記へこみ部は、

【数2】

で算出された深さを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光集積素子。

【請求項4】

前記第１の光導波路の材料は、Ｓｉを含む材料であって、前記第２の光導波路の材料は、前記第１の光導波路の材料に比較して比屈折率の小さい、Ｓｉを含む材料であることを特徴とする請求項１～３の何れか一つに記載の光集積素子。

【請求項5】

前記光導波路は、
前記出力端面が前記ダイシング端面に対して斜めになるように、前記基板上に配置されることを特徴とする請求項１～４の何れか一つに記載の光集積素子。

【請求項6】

前記基板は、
前記光導波路の軸方向と直交する垂直方向から斜めに傾斜する前記ダイシング端面が形成されることを特徴とする請求項１～４の何れか一つに記載の光集積素子。

【請求項7】

前記第２の光導波路の出力端面及び前記へこみ部内に接着剤を充填して前記第２の光導波路の出力端面に対して前記光ファイバを光結合することを特徴とする請求項１～５の何れか一つに記載の光集積素子。

【請求項8】

基板と、
前記基板上に配置され、中空構造の光導波路を有する一対の光集積素子と、を有する光集積回路ウエハであって、
前記光導波路は、
第１の光導波路と、
前記第１の光導波路に比較して比屈折率差が小さく、前記第１の光導波路と光結合する、前記光導波路内の第２の光導波路と、を有し、前記第１の光導波路から前記第２の光導波路への光の進行に応じてモード径を光ファイバのモード径に変換し、
前記光集積回路ウエハは、
前記一対の光集積素子の内、一方の光集積素子の第２の光導波路の出力端面と、前記一対の光集積素子の内、他方の光集積素子の前記第２の光導波路の出力端面とが離間した状態で対向し、前記第２の光導波路の出力端面の幅が当該出力端面と光結合する前記光ファイバのコア幅に比較して小さくなるように、前記一方の光集積素子と前記他方の光集積素子の間を連結する前記基板のダイシングライン付近に形成された一対のへこみ部を有することを特徴とする光集積回路ウエハ。

【請求項9】

前記基板は、
前記一方の光集積素子が配置された第１の基板と、前記他方の光集積素子が配置された第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間の前記ダイシングライン付近に形成された前記へこみ部と、を有し、
前記光集積回路ウエハは、
前記ダイシングラインを隔て、前記一方の光集積素子内の前記光導波路と前記他方の光集積素子内の前記光導波路とを並列に前記第１の基板及び前記第２の基板上に配置された他の光導波路を有することを特徴とする請求項８に記載の光集積回路ウエハ。

【請求項10】

前記基板は、
前記一方の光集積素子が配置された第１の基板と、前記他方の光集積素子が配置された第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間の前記ダイシングライン付近に形成された前記へこみ部と、を有し、
前記光集積回路ウエハは、
前記ダイシングラインを隔て、前記一方の光集積素子から前記へこみ部を経て前記他方の光集積素子に通過する他の光導波路を有することを特徴とする請求項８に記載の光集積回路ウエハ。

【請求項11】

基板と、
前記基板上に配置され、中空構造の光導波路を有する一対の光集積素子と、を有する光集積回路ウエハであって、前記光導波路は、第１の光導波路と、前記第１の光導波路に比較して比屈折率差が小さく、前記第１の光導波路と光結合する第２の光導波路と、を有し、前記第１の光導波路から前記第２の光導波路への光の進行に応じてモード径を光ファイバのモード径に変換する前記光集積回路ウエハから前記光集積素子を切り出す光集積素子の製造方法であって、
前記一対の光集積素子の内、一方の光集積素子の第２の光導波路の出力端面と、前記一対の光集積素子の内、他方の光集積素子の前記第２の光導波路の出力端面とが離間した状態で対向し、前記第２の光導波路の出力端面と光結合する前記光ファイバのコア幅よりも小さい幅となるように、前記一方の光集積素子と前記他方の光集積素子との間を連結する前記基板のダイシングライン付近にへこみ部を形成し、
前記へこみ部内の前記ダイシングラインをダイシングすることで、前記光集積回路ウエハから前記一方の光集積素子と前記他方の光集積素子とを切り出すことを特徴とする光集積素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光集積素子、光集積回路ウエハ及び光集積素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、高速光通信に用いられる光集積素子（ＰＩＣ：Photonics Integrated Circuit）の光を取り出す光カプラ等の光デバイスが知られている。光デバイスは、市場の要求に合わせて小型かつ低電力で大容量なものが求められており、それを実現するためにＳｉ基板上に導波路や電極基板を集積させたＳｉＰｈ（Si-Photonics）素子が非常に高い注目を集めている。ＳｉＰｈの大きな利点としては、ＣＭＯＳ製造に用いられる高精細プロセス技術を生かして、多数の要素デバイスから構成される大規模な光集積回路を容易に製造できる点にある。光デバイスの小型化は著しく、Ｓｉ基板上に導波路や電極基板を集積させたＳｉＰｈ素子が注目を集めている。ＳｉＰｈ－ＰＩＣを光通信用モジュールとして実装するには、光集積素子のＳｉ導波路をチップ端面まで引き回し、Ｓｉ導波路と光ファイバとを接続して光の入出力を行う必要がある。Ｓｉ導波路と光ファイバとを光結合する光ファイバ結合構造では、低い結合損失と高い信頼性が要求されるが、これらを両立させることが難しい。

【0003】

ＳｉＰｈ－ＰＩＣでは、酸化ケイ素中のＳｉ細線を光導波路として用いるが、ＳｉとＳｉＯ_２の比屈折率差が大きいために導波光のモード径が小さく、そのまま光ファイバへ接合した場合、モード径のミスマッチにより大きな光損失が発生する。そこで、モード径変換構造を用いて光結合を行うのだが、光結合しては、例えば、レンズを介して光カプラと光ファイバとを繋ぐレンズ結合と、例えば、光カプラと光ファイバとを直接突き合わせて繋ぐＢＪ（But Joint)結合が知られている。

【0004】

レンズ結合を用いる場合、ＰＩＣの光カプラ自体のモード径が小さい場合でも、レンズを使用してモード径を通常径のＳＭＦ(シングルモードファイバ)まで拡大することができる。しかしながら、光カプラの出力光モードは一般的に偏光依存性があり、レンズを用いた空間結合系を用いた場合には結合効率の偏波依存性が大きくなる。また、チップと光ファイバとの間にレンズを挟んだ光学系を構築するためにデバイス面積が増加し、小型モジュールへの実装が困難になる。更に、光軸調整のためにデバイス製造に要する工数が増加、又は、特殊な調整装置が必要になるなど、コスト面でも課題がある。

【0005】

これに対して、ＢＪ結合は、こうしたレンズ結合の課題を解決できるが、レンズを用いずに通常径のＳＭＦのモード径と同程度までＰＩＣの出力光モード径を大きくするのは困難である。

【0006】

そこで、ＢＪ結合でよく用いられる構造の一つとして逆テーパＳＳＣ（Spot Size Converter）構造がある。図１７は、逆テーパＳＳＣ構造の平面模式図である。逆テーパＳＳＣ構造は、Ｓｉ基板１０１上に形成されたＳｉ導波路１０２（１０２Ａ，１０２Ｂ）の幅を徐々に狭くしていくことで導波光のモード径を広げて通常径のＳＭＦのモード径に近づける。しかしながら、逆テーパＳＳＣ構造では、通常径（約１０μｍのモード径）のＳＭＦのモード径まで近づけるのは困難である。また、利点としては、Ｓｉ導波路１０２のみで構成されているため製造性が容易である。しかしながら、モード径の小さい（４μｍ）細径コアファイバとしか効率の良い光接続ができないため、モジュールに組み込むには、別途、細径コアファイバを通常コアファイバに融着する必要がある。従って、逆テーパＳＳＣ構造では、細径コアファイバと通常コアファイバとの融着部で過剰損失が発生してしまう。

【0007】

そこで、ＰＩＣからの出力光モード径を大きくできる光カプラとして、例えば、中空構造の光カプラがある。図１８は、中空構造の光カプラ１００の一例を示す斜視図である。図１８に示す中空構造の光カプラ１００は、Ｓｉ基板１０１と、ＳｉＯ_２のクラッド層１０３と、クラッド層１０３からＳｉ基板１０１上に周囲が空気層１０７に囲まれた光導波路１０４とを有する。光導波路１０４は、Ｓｉ導波路１０５と、ＳｉＯ_２導波路１０６とを有する。光カプラ１００は、Ｓｉ導波路１０５からＳｉＯ_２導波路１０６に変換してモード径を広げ、ＳｉＯ_２導波路１０６と通常径のＳＭＦを直接接続する構造である。光カプラ１００は、Ｓｉ基板１０１と光導波路１０４との間を空気層１０７にして中空構造にする。その結果、ＳｉＯ_２導波路１０６と空気層１０７との比屈折率差でＳｉＯ_２導波路１０６の先端部まで光を閉じ込める。ＳｉＯ_２導波路１０６と空気層１０７との比屈折率差が小さいため、通常径の光ファイバと同じモード径を実現できる。

【0008】

このような中空構造の一対の光カプラ１００を搭載した光集積回路ウエハ１１０について説明する。図１９は、光集積回路ウエハ１１０の一例を示す平面模式図、図２０は、光集積回路ウエハ１１０の図１９に示すＧ－Ｇ線断面図である。光集積回路ウエハ１１０は、Ｓｉ基板１０１上に一対の光カプラ１００を有する。光集積回路ウエハ１１０は、一方の光カプラ１００内の光導波路１０４のＳｉＯ_２導波路１０６の先端部と、他方の光カプラ１００内の他方の光導波路１０４のＳｉＯ_２導波路１０６の先端部とが繋がった状態で製造される。そして、光集積回路ウエハ１１０は、光カプラ１００のＳｉＯ_２導波路１０６の先端部間のダイシングラインＤＬをダイシングすることで、光集積回路ウエハ１１０から一対の光カプラ１００を切り出すことができる。

【0009】

しかしながら、光集積回路ウエハ１１０では、光カプラ１００が中空構造であるため、一方のＳｉＯ_２導波路１０６の先端部と他方のＳｉＯ_２導波路１０６の先端部との間をダイシングする際に、ＳｉＯ_２導波路１０６の先端部が破損する可能性が高くなる。そこで、ダイシング工程時のＳｉＯ_２導波路１０６の破損を回避する光集積回路ウエハが求められている。

【0010】

図２１は、光集積回路ウエハ１１０Ａの一例を示す平面模式図、図２２は、光集積回路ウエハ１１０Ａの図２１に示すＨ－Ｈ線断面図である。尚、図１９及び図２０に示す光集積回路ウエハ１１０と同一の構成には同一符号を付することで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。図２１に示す光集積回路ウエハ１１０Ａは、一方の光導波路１０４のＳｉＯ_２導波路１０６の先端部と他方の光導波路１０４のＳｉＯ_２導波路１０６の先端部との間を離間するへこみ部１０９を有する。へこみ部１０９は、一方のＳｉＯ_２導波路１０６の先端部と他方のＳｉＯ_２導波路１０６の先端部との間を離間した状態で、Ｓｉ基板１０１上に形成されている。

【0011】

従って、光集積回路ウエハ１１０Ａから一方の光カプラ１００と他方の光カプラ１００との間のへこみ部１０９内のダイシングラインＤＬをダイシングする際に、光カプラ１００の先端部同士を破損することなく切り出すことができる。

【0012】

図２３は、光ファイバ結合構造１２０Ａの一例を示す平面模式図、図２４は、光ファイバ結合構造１２０Ａの図２３に示すＪ－Ｊ線断面図である。光ファイバ結合構造１２０Ａは、図２２に示す光集積回路ウエハ１１０Ａから切り出された光カプラ１００に光ファイバ１２１を光結合した構造である。

【0013】

光ファイバ１２１は、光カプラ１００との接続を安定させる構造の一つとして、例えば、コア１２２の周囲にガラス等の微小なブロックであるキャピラリ１２３が付いている構造がある。コア１２２周囲のキャピラリ１２３によって光カプラ１００のダイシング端面１０１Ａとの接着面積を増やしてＢＪ結合を安定化させている。

【0014】

しかし、光カプラ１００では、キャピラリ１２３付きの光ファイバ１２１とダイシング端面１０１Ａとが接触する部分が小さく非対称の構造となる。キャピラリ１２３とダイシング端面１０１Ａとが接触する部分は十分に接近させることができるが、光カプラ１００と光ファイバ１２１とを光結合させる部分はダイシング端面１０１Ａよりも離れており、その間に接着剤が充填される状態になる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】米国特許第９９４６０２９号明細書

【特許文献2】米国特許第９８２３４２０号明細書

【特許文献3】米国特許第１０３４５５２４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

図２５は、光ファイバ結合構造１２０Ａの課題の一例を示す説明図である。しかしながら、光ファイバ結合構造１２０Ａでは、光カプラ１００と光ファイバ１２１との間に充填された接着剤１２４が温度の変化に応じて伸縮膨張するため、ダイシング端面１０１Ａの角を接点に接着剤１２４の伸縮で光ファイバ１２１が回転するおそれがある。その結果、光ファイバ１２１の回転で光ファイバ１２１と光カプラ１００との間の光軸がずれてしまい光結合損失が増加する。そのため、製造時のＵＶ硬化や高温によるキュア等の工程による損失発生で歩留まりが悪化し、又は製品化後の使用する温度環境によっては損失が発生して十分な信頼性を確保できなくなる。

【0017】

一つの側面では、光ファイバとの結合時の光結合損失を抑制できる光集積素子等を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0018】

一つの態様の光集積素子は、基板と、基板上に配置され、中空構造の光導波路と、を有する。光導波路は、第１の光導波路と、第１の光導波路に比較して比屈折率差が小さく、第１の光導波路と光結合する第２の光導波路と、を有し、第１の光導波路から第２の光導波路への光の進行に応じてモード径を光ファイバのモード径に変換する。光集積素子は、基板のダイシング端面が第２の光導波路の出力端面に比較して光導波路の軸方向に突出した状態で、出力端面の幅が当該出力端面と光結合する光ファイバのコア幅に比較して小さくなるように、基板のダイシングライン付近に形成されたへこみ部を有する。

【発明の効果】

【0019】

一つの側面によれば、光ファイバとの結合時の光結合損失を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１は、実施例１の光カプラの一例を示す模式断面図である。

【図2】図２は、光カプラの平面模式図である。

【図3】図３は、光カプラの図２に示すＡ－Ａ線断面図である。

【図4】図４は、光集積回路ウエハの平面模式図である。

【図5】図５は、光集積回路ウエハの図４に示すＢ－Ｂ線断面図である。

【図6】図６は、光ファイバ結合構造の平面模式図である。

【図7】図７は、光ファイバ結合構造の図６に示すＣ－Ｃ線断面図である。

【図8】図８は、光ファイバ結合構造の平面模式図である。

【図9A】図９Ａは、光集積回路ウエハに使用するＳＯＩ基板の一例を示す説明図である。

【図9B】図９Ｂは、光集積回路ウエハの第１の光導波路の形成工程の一例を示す説明図である。

【図9C】図９Ｃは、光集積回路ウエハのクラッド層の形成工程の一例を示す説明図である。

【図10A】図１０Ａは、光集積回路ウエハの光カプラを形成する際のレジスト工程の一例を示す説明図である。

【図10B】図１０Ｂは、光カプラ形成時の光集積回路ウエハの平面模式図である。

【図10C】図１０Ｃは、図１０Ｂに示す光集積回路ウエハのＤ－Ｄ線断面図である。

【図11A】図１１Ａは、完成後の光集積回路ウエハの平面模式図である。

【図11B】図１１Ｂは、完成後の光集積回路ウエハの図１１Ａに示すＥ－Ｅ線断面図である。

【図12】図１２は、実施例２の光ファイバ結合構造の一例を示す平面模式図である。

【図13】図１３は、実施例３の光ファイバ結合構造の断面図である。

【図14】図１４は、実施例４の光集積回路ウエハの平面模式図である。

【図15】図１５は、実施例５の光集積回路ウエハの平面模式図である。

【図16】図１６は、実施例６の光ファイバ結合構造の平面模式図である。

【図17】図１７は、逆テーパＳＳＣ構造の平面模式図である。

【図18】図１８は、中空構造の光カプラの一例を示す斜視図である。

【図19】図１９は、光集積回路ウエハの一例を示す平面模式図である。

【図20】図２０は、光集積回路ウエハの図１９に示すＧ－Ｇ線断面図である。

【図21】図２１は、光集積回路ウエハの一例を示す平面模式図である。

【図22】図２２は、光集積回路ウエハの図２１に示すＨ－Ｈ線断面図である。

【図23】図２３は、光ファイバ結合構造の一例を示す平面模式図である。

【図24】図２４は、光ファイバ結合構造の図２３に示すＪ－Ｊ線断面図である。

【図25】図２５は、光ファイバ結合構造の課題の一例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本願が開示する光集積素子、光集積回路ウエハ及び光集積素子の製造方法等の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下に示す各実施例は、矛盾を起こさない範囲で適宜組み合わせても良い。

【実施例0022】

図１は、実施例１の光カプラ１の一例を示す模式断面図である。図１に示す光カプラ１は、中空型の光集積素子である。光カプラ１は、Ｓｉ基板２と、Ｓｉ基板２上に配置され、周囲が空洞である中空構造の光導波路４０と、クラッド層３とを有する。Ｓｉ基板２は、後述する光集積回路ウエハ１０から一対の光カプラ１を切り出し時にできるダイシング端面７Ａを有する。空洞は、空気層６である。クラッド層３は、例えば、ＳｉＯ_２の層である。

【0023】

光導波路４０は、第１の光導波路４と、第１の光導波路４に比較して比屈折率差が小さく、第１の光導波路４と光結合する第２の光導波路５とを有する。第１の光導波路４は、半導体若しくは誘電体である、比屈折率差の大きい、例えば、Ｓｉの光導波路である。第１の光導波路４は、逆テーパのＳＳＣ構造である。第２の光導波路５は、例えば、ＳｉＯ_２の光導波路である。第２の光導波路５は、先端である出力端面５Ａに向かって幅が広がるテーパ部５Ｂを有する。尚、光カプラ１内の第２の光導波路５と光結合する光ファイバ２１は、例えば、ＳＭＦ（Single Mode Fiber）である。光カプラ１は、第１の光導波路４から第２の光導波路５への光の進行に応じてモード径をＳＭＦのモード径に変換する機能を有する。

【0024】

光カプラ１は、Ｓｉ基板２のダイシングラインＤＬ付近に形成されたへこみ部７を有する。へこみ部７を形成することで、ダイシング端面７Ａが出力端面５Ａに比較して光導波路４０の軸方向に突出した状態で、出力端面５Ａの幅が当該出力端面５Ａと光結合する光ファイバ２１のコア幅に比較して小さくなる。へこみ部７は、出力端面５Ａがダイシング端面７Ａと異ならせるへこみ構造の限定的な幅を有する。Ｓｉ基板２は、へこみ部７を形成することで、出力端面５Ａと面一となる壁面７Ｂと、壁面７Ｂから垂直に延びる底面７Ｃとを有する。

【0025】

図２は、光カプラ１の平面模式図である。へこみ部７の幅ｗは、光結合する光ファイバ２１のキャピラリ２２よりも狭くすることが望ましい。尚、光ファイバ２１のキャピラリ２２は、一辺が約１０００μｍ程度の四角形状である。へこみ部７の幅ｗは、光カプラ１の第２の光導波路５の出力端面５Ａから出射して放射状に広がっていく光が遮らない程度に広くする必要がある。そこで、へこみ部７の幅ｗは、ｗ≧２ｄ＊(λ／πＤ)で表現できる。尚、λは、光カプラ１内を通過する光の波長、ｄは、へこみ部７の奥行、Ｄは、モード径である。へこみ部７の幅ｗは、光カプラ１の第２の光導波路５の出力端面５Ａと光結合するＳＭＦの先端径以下である。

【0026】

図３は、光カプラ１の図２に示すＡ－Ａ線断面図である。更に、へこみ部７の深さは、光カプラ１の第２の光導波路５の出力端面５Ａから出射して放射状に広がっていく光を遮らない程度に深くする必要がある。そこで、へこみ部７の深さｈは、ｈ≧ｄ＊(λ/πＤ)で表現できる。へこみ部７の深さｈは、Ｓｉ基板２に形成したへこみ部７の底面７Ｃから鉛直方向での第２の光導波路５の上面までの距離である。尚、へこみ部７の奥行ｄは、例えば、３０μｍ、へこみ部７の幅ｗは、例えば、２００μｍ、へこみ部７の深さｈは、例えば、１００μｍである。

【0027】

光カプラ１は、光集積回路ウエハ１０上のダイシングラインＤＬに沿ってＳｉ基板２をダイシングすることで光集積回路ウエハ１０から切り出すことができる。そこで、光集積回路ウエハ１０について説明する。図４は、光集積回路ウエハ１０の平面模式図、図５は、光集積回路ウエハ１０の図４に示すＢ－Ｂ線断面図である。

【0028】

図４に示す光集積回路ウエハ１０は、Ｓｉ基板２と、Ｓｉ基板２上に配置される一対の光カプラ１とを有する。Ｓｉ基板２は、一方の光カプラ１Ａが配置される第１の基板２Ａと、他方の光カプラ１Ｂが配置された第２の基板２Ｂと、第１の基板２Ａと第２の基板２Ｂとの間のダイシングラインＤＬ付近の箇所に形成された一対のへこみ部７とを有する。

【0029】

一対のへこみ部７は、一方の光カプラ１Ａと他方の光カプラ１Ｂとの間を連結するＳｉ基板２のダイシングラインＤＬ付近に形成される。その結果、一方の光カプラ１Ａの第２の光導波路５の出力端面５Ａと、他方の光カプラ１Ｂの第２の光導波路５の出力端面５Ａとが離間した状態で対向し、第２の光導波路５の出力端面５Ａの幅が出力端面５Ａと光結合するＳＭＦのコア幅よりも小さくなる。

【0030】

次に光集積回路ウエハ１０から切り出された光カプラ１に対して光ファイバ２１を光結合する光ファイバ結合構造２０について説明する。図６は、光ファイバ結合構造２０の平面模式図、図７は、光ファイバ結合構造２０の図６に示すＣ－Ｃ線断面図である。

【0031】

図６に示す光ファイバ結合構造２０は、第２の光導波路５の出力端面５Ａ及びへこみ部７内に接着剤を充填して光ファイバ２１内のキャピラリ２２を介して第２の光導波路５の出力端面５Ａと光ファイバ２１との間を光結合する構造である。

【0032】

図８は、光ファイバ結合構造２０の平面模式図である。光カプラ１と光ファイバ２１とを光結合する面では、へこみ部７以外の部分が接触面Ｄ１となるため、光カプラ１と光ファイバ２１との間の接触面積が増えて光カプラ１と光ファイバ２１とを強固に光結合できる。その結果、光カプラ１と光ファイバ２１との間の光結合が強固になるため、光ファイバ２１が回転するリスクを回避できる。

【0033】

次に光カプラ１の製造方法について説明する。図９Ａは、光集積回路ウエハ１０に使用するＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板の一例を示す説明図である。図９Ａに示すＳＯＩ基板は、Ｓｉ基板１１（２）と、Ｓｉ基板１１上に積層されたＳｉＯ_２層１２と、ＳｉＯ_２層１２上に積層されたＳｉ層１３とを有する。ＳｉＯ_２層１２は、ボックス層である。Ｓｉ層１３は、光カプラ１内の第１の光導波路４を形成するための層である。尚、Ｓｉ基板１１の厚みは、例えば、７５０μｍ、ＳｉＯ_２層１２の厚みは、例えば、２．５μｍ、Ｓｉ層１３の厚みは、例えば、２５０μｍである。尚、説明の便宜上、一部を除いて図にはＳｉ基板１１を省略して示す場合があるものとする。また、光集積回路ウエハ１０には、例えば、変調器や受光器等で本構造以外にもドーピング等の工程を必要とする構造もあるが、ここではそうした工程は省略するものとする。

【0034】

図９Ｂは、光集積回路ウエハ１０の第１の光導波路４の形成工程の一例を示す説明図である。図９Ｂに示すＳｉＯ_２層１２上には、ＳｉＯ_２層１２上のＳｉ層１３をエッチンすることで、第１の光導波路４を形成する。具体的には、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ_２膜１２Ａを成膜し、フォトレジストで第１の光導波路４のパターンを形成する。第１の光導波路４の幅は、例えば、４６０ｎｍ、ＳＳＣ逆テーパの先端の幅は、例えば、１４０ｎｍとなるように形成する。このパターンをマスクとしてドライエッチングにより、第１の光導波路４のパターンを形成する。Ｓｉ層１３は、第１の光導波路４のモード径を第２の光導波路５のモード径まで大きくするための逆テーパＳＳＣ構造の第１の光導波路４と、第１の光導波路４まで光を導くＳｉ光導波路４１とが形成されることになる。

【0035】

図９Ｃは、光集積回路ウエハ１０のクラッド層３の形成工程の一例を示す説明図である。ＳｉＯ_２層１２上に第１の光導波路４を形成した後、第１の光導波路４及びＳｉＯ_２層１２上にＳｉＯ_２膜１２Ａを成膜することで、図９Ｃに示すようにＳｉ基板１１上にＳｉＯ_２層１２のクラッド層３を形成することになる。具体的には、プラズマＣＶＤ法でＳｉＯ_２膜をＳｉ基板１１上に成膜することでクラッド層３を形成する。クラッド層３の厚さは、例えば、５ｕｍとする。第１の光導波路４は、ＳｉＯ_２の層に囲まれている状態になり、ＳｉとＳｉＯ_２の比屈折率差により、Ｓｉ内に光が閉じ込められ光が導波路を伝搬することになる。

【0036】

図１０Ａは、光集積回路ウエハ１０の光カプラ１を形成する際のレジスト工程の一例を示す説明図である。図９Ｃに示すクラッド層３上の空気層６の空洞を形成する部分に、図１０Ａに示すようにフォトレジスト層１５を配置する。

【0037】

図１０Ｂは、光カプラ１形成時の光集積回路ウエハ１０の平面模式図、図１０Ｃは、図１０Ｂに示す光集積回路ウエハ１０のＤ－Ｄ線断面図である。図１０Ｂに示す光集積回路ウエハ１０は、図１０Ａに示す光集積回路ウエハ１０上のフォトレジスト層１５でマスクした部分以外のＳｉＯ_２層１２及びＳｉ層１３の一部をドライエッチングする。そして、このドライエッチングで、第１の光導波路４及び第２の光導波路５を有する光導波路４０の周囲を空洞にする空気層６を形成することになる。その結果、光集積回路ウエハ１０上に一対の中空型の光カプラ１を形成する。具体的には、このパターンをマスクとしてＳｉＯ_２層１２をドライエッチングし、続けてＳｉ基板１１をウェットエッチングすることで、ＳｉＯ_２層１２の周囲が空気層６に囲まれている中空構造が形成される。ＳｉＯ_２層１２と空気層６との比屈折率差により光カプラ１として機能する。

【0038】

図１１Ａは、完成後の光集積回路ウエハ１０の平面模式図である。光集積回路ウエハ１０は、光カプラ１の第２の光導波路５の出力端面５Ａ付近のＳｉ基板１１上にエッチングすることでＳｉ基板１１上に一対のへこみ部７を形成する。へこみ部７の奥行Ｄは、例えば、３０μｍ、へこみ部７の幅ｗは、例えば、２００μｍ、へこみ部７の深さｈは、例えば、１００μｍである。

【0039】

図１１Ｂは、完成後の光集積回路ウエハ１０の図１１Ａに示すＥ－Ｅ線断面図である。図１１Ｂに示す光集積回路ウエハ１０は、Ｓｉ基板１１（２）上のへこみ部７内のダイシングラインＤＬをダイシングすることで、図１に示す一対の光カプラ１を切り出すことができる。尚、ダイシングは、例えば、レーザによるステルスダイシング、ブレードダイシングやスクライブ等で実現するものである。

【0040】

実施例１の光カプラ１は、第１の光導波路４と、第１の光導波路４に比較して比屈折率差が小さく、第１の光導波路４と光結合する第２の光導波路５とを有する。光カプラ１は、出力端面５Ａがダイシング端面７Ａに比較して光導波路４０の軸方向に突出した状態で、出力端面５Ａの幅が光ファイバ２１のコア幅よりも小さくなるように、Ｓｉ基板２のダイシングラインＤＬ付近に形成されたへこみ部７を有する。その結果、光ファイバ２１との結合時の光結合損失を抑制できる。通常径の光ファイバ２１と接続可能であるため、広いトレランスカーブが実現できる。更に、光カプラ１内のＳｉ基板２のへこみ部７の壁面７Ｂは、光ファイバ２１と光結合する際の接触面積を増やすことで接着剤の伸縮による光ファイバ２１の回転を抑えることで、高い信頼性が得られる。

【0041】

光カプラ１は、第１の光導波路４から第２の光導波路５への光の進行に応じてモード径を光ファイバ２１のモード径に変換する。その結果、光カプラ１をＳＭＦの光ファイバを光結合できる。

【0042】

光カプラ１のへこみ部７の幅ｗは、ｗ≧２ｄ＊(λ／πＤ)で算出する。その結果、へこみ部７は、光カプラ１の第２の光導波路５の出力端面５Ａから出射して放射状に広がっていく光が遮らない程度に広くできる。

【0043】

光カプラ１のへこみ部７の深さｈは、ｈ≧ｄ＊(λ/πＤ)で算出する。その結果、へこみ部７は、光カプラ１の第２の光導波路５の出力端面５Ａから出射して放射状に広がっていく光を遮らない程度に深くできる。

【0044】

光カプラ１は、第２の光導波路５の出力端面５Ａ及びへこみ部７内に接着剤を充填して第２の光導波路５の出力端面５Ａに対して光ファイバ２１を光結合する。その結果、光カプラ１は、光ファイバ２１を光結合できる。

【0045】

光集積回路ウエハ１０は、Ｓｉ基板２上に同一構造の一対の光カプラ１を対向した状態でダイシングラインＤＬを隔てて配置している。その結果、ダイシングラインＤＬをダイシングすることで、光集積回路ウエハ１０から一対の光カプラ１を切り出すことができる。

【0046】

従来の光集積回路ウエハ１１０Ａでは、光カプラ１００をダイシングで破損させないためにへこみ部１０９を中空カプラのＳｉＯ_２導波路１０６の先端より先に設けている。従って、へこみ部１０９の部分をダイシングして、ダイシング端面１０１Ａと光ファイバ１２１のキャピラリ１２３とを接触させた場合に接触面が非対称となり、接着剤の膨張伸縮で光ファイバ１２１が回転して光軸がずれてしまう。

【0047】

これに対して、本実施例の光集積回路ウエハ１０では、へこみ部７の幅を限定的にし、光ファイバ２１のキャピラリ２２の幅までは広くしないため、チップの底面から表面までキャピラリ２２と接着可能なダイシング端面７Ａのある部分がへこみ部７の両端にある。よって、光ファイバ２１のキャピラリ２２とその部分を接着剤で接着した場合、へこみ部７に入り込んだ接着剤が熱により膨張伸縮しても光ファイバ２１の回転を回避できる。つまり、光軸のずれによる結合損失を抑制できる。また、光ファイバ２１のキャピラリ２２とダイシング端面７Ａとの接着面積が従来構造よりも増えることで接着強度も強固になる。従って、通常径の光ファイバ２１との接続を可能とする光カプラ１を使用しながら、光ファイバ２１と光集積回路ウエハ１０のダイシング端面７Ａとの接触面積を増える。その結果、接着剤の伸縮による光ファイバ２１の回転を抑えることで、光結合損失を抑制できる。

【0048】

尚、説明の便宜上、第１の光導波路４の材料は、Ｓｉを、第２の光導波路５の材料は、ＳｉＯ_２を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、ＳｉＮやＳｉＯＮ等でもよく、光導波路の屈折率が第１の光導波路４が第２の光導波路５より大きいならば適宜変更可能である。第１の光導波路４の材料は、Ｓｉを含む材料であって、第２の光導波路５の材料は、第１の光導波路４の材料に比較して比屈折率の小さい、Ｓｉを含む材料である。尚、第１の光導波路４の材料としては、例えば、Ｓｉ、ＳｉＮ，ＳｉＯＮやＳｉＯ_２等のＳｉを含む材料である。第１の光導波路４の材料をＳｉＮ、第２の光導波路５の材料をＳｉＯ_２にした場合にＳｉＮ導波路の直前までＳｉ導波路とＳｉとＳｉＮ導波路へ変換する構造を持つ場合がある。

【0049】

光カプラ１は、周囲が空洞である空気層６で形成された中空構造の光導波路４０を配置する場合を例示したが、空気層６でなく、周囲が接着剤で充填された光導波路でもよく、適宜変更可能である。

【0050】

尚、実施例１の光カプラ１内の第２の光導波路５の出力端面５Ａの向きは、Ｓｉ基板２上のダイシング端面７Ａの向きと同一となるようにへこみ部７を形成する場合を例示した。しかしながら、第２の光導波路５の出力端面５Ａの向きは、これに限定されるものではない。光カプラ１の出力端面５Ａの向きがダイシング端面７Ａの向きと異なっていても良くも良く、その実施の形態につき、実施例２として以下に説明する。尚、実施例１の光カプラ１と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。

【実施例0051】

図１２は、実施例２の光ファイバ結合構造２０Ａの一例を示す平面模式図である。第２の光導波路５の出力端面５Ａの向きがダイシング端面７Ａの向きに対して斜めになるように、Ｓｉ基板２上に光カプラ１を配置する。そして、出力端面５Ａとダイシング端面７Ａとの間のＳｉ基板２のダイシングラインＤＬ付近にへこみ部７１を形成する。

【0052】

光ファイバ結合構造２０Ａは、第２の光導波路５の出力端面５Ａ及びへこみ部７１内に接着剤を充填して光ファイバ２１のキャピラリ２２を介して第２の光導波路５の出力端面５Ａと光ファイバ２１との間を光結合できる。

【0053】

尚、実施例１の光カプラ１内の第２の光導波路５の出力端面５Ａの向きは、Ｓｉ基板２上のダイシング端面７Ａの向きと同一となるようにへこみ部７を形成する場合を例示した。しかしながら、ダイシング端面７Ａの向きは、これに限定されるものではなく、その実施の形態につき、実施例３として以下に説明する。