光集積デバイス及びその製造方法
【課題】光集積デバイスにおける光半導体素子と光導波路との間の光結合効率を高めることができ、温度特性の向上をはかる。
【解決手段】基板上に光半導体素子と光導波路を集積化した光集積デバイスであって、基板１１上の一部に設けられた下部クラッド層１２と、基板１１上に設けられ、光出射端面又は光入射端面を下部クラッド層１２の一端面に対向させて配置された光半導体素子１５と、下部クラッド層１２上に設けられ、先端部分が下部クラッド層１２の一端部に向けてテーパー状に絞られた光導波路１３と、光半導体素子１５の光出射端面又は光入射端面と光導波路１３の先端部分とを結ぶ線に沿って、下部クラッド層１２上及び光導波路１３の先端部分上に設けられた、下部クラッド層１２よりも屈折率の大きな上部クラッド層１４とを備えた。
【解決手段】基板上に光半導体素子と光導波路を集積化した光集積デバイスであって、基板１１上の一部に設けられた下部クラッド層１２と、基板１１上に設けられ、光出射端面又は光入射端面を下部クラッド層１２の一端面に対向させて配置された光半導体素子１５と、下部クラッド層１２上に設けられ、先端部分が下部クラッド層１２の一端部に向けてテーパー状に絞られた光導波路１３と、光半導体素子１５の光出射端面又は光入射端面と光導波路１３の先端部分とを結ぶ線に沿って、下部クラッド層１２上及び光導波路１３の先端部分上に設けられた、下部クラッド層１２よりも屈折率の大きな上部クラッド層１４とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に光半導体素子と光導波路を集積化した光集積デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩの高集積化に伴う配線遅延の問題を解決する技術として、光配線技術が注目されている。光配線技術は、光導波路を用いて光信号を伝送する方式であり、ＬＳＩの微細化に伴う配線抵抗や配線間容量の増大が発生せず、更なる動作速度の高速化が期待できる。このような光配線を用いて信号伝送を行うＬＳＩとして、光電気混載ＬＳＩが提案されている。
【０００３】
光電気混載ＬＳＩにおいては、各機能ブロックによる信号処理は電気で行われ、これらの機能ブロック間は光信号で伝送される。このため、伝送する光信号を電気信号に変換する発光素子及び信号処理が行われた電気信号を光信号に変換する受光素子が必要である。電気信号を光信号に変換する発光素子としては、端面発光レーザや面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などの半導体レーザが用いられており、ＧＨｚ帯での動作の報告例もある。
【０００４】
これらの半導体レーザと光導波路の集積形態である光集積デバイスとしては、光導波路の上部にウェハ接合によりレーザ構造が形成されたもの（非特許文献１）、光導波路とレーザ構造が有機膜を介して接着されたもの（非特許文献２）、基板であるＳｉ上に光導波路とレーザ構造を直接搭載されたもの（特許文献１）などがある。
【０００５】
しかし、非特許文献１に記載の構造は、レーザ構造の下部に空気層を有するため、レーザ部で発生した熱を効率良く放熱することが難しく、良好な温度特性が得られていない。また、非特許文献２に記載の構造は、有機膜上にレーザ素子が形成されているため、放熱性が悪く、良好な温度特性が得られない。さらに、レーザ素子と光導波路の間に有機膜層が存在していることから、レーザ素子からの出力光を効率良く光導波路に結合させることが難しい。また、特許文献１に記載された構造は、光導波路に対してレーザ素子を配置する際、高精度なアライメントが必要であり、高効率の光結合を得ることが非常に困難である。
【特許文献１】特開２００４―８５８６８号公報
【非特許文献１】Optics Express, Vol. 14, Issue 20, pp. 9203-9210
【非特許文献２】2006 3rd IEEE International Conference on Group IV Photonics, pp. 188-191.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、光半導体素子と光導波路との間の高効率の光結合を得ることができ、且つ温度特性に優れた光集積デバイス及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係わる光集積デバイスは、基板上の一部に設けられた下部クラッド層と、前記基板上に設けられ、光出射端面又は光入射端面を前記下部クラッド層の一端面に対向させて配置された光半導体素子と、前記下部クラッド層上に設けられ、先端部分が前記下部クラッド層の一端部に向けてテーパー状に絞られた光導波路と、前記光半導体素子の光出射端面又は光入射端面と前記光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って、前記下部クラッド層上及び前記光導波路の先端部分上に設けられた、前記下部クラッド層よりも屈折率の大きな上部クラッド層と、を具備したことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の別の一態様に係わる光集積デバイスは、基板上の中央部に設けられた、光入射端面及び光出射端面を有する光半導体素子と、前記基板上に設けられ、前記光半導体素子の光入射端面に一端面を対向させて配置された第１の下部クラッド層と、前記第１の下部クラッド層上に設けられ、先端部分が前記第１の下部クラッド層の一端部に向けてテーパー状に絞られた第１の光導波路と、前記光半導体素子の光入射端面と前記第１の光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って、前記第１の下部クラッド層上及び前記第１の光導波路の先端部分上に設けられた、前記第１の下部クラッド層よりも屈折率の大きな第１の上部クラッド層と、前記基板上に設けられ、前記光半導体素子の光出射端面に一端面を対向させて配置された第２の下部クラッド層と、前記第２の下部クラッド層上に設けられ、先端部分が前記第２の下部クラッド層の一端部に向けてテーパー状に絞られた第２の光導波路と、前記光半導体素子の光出射端面と前記第２の光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って、前記第２の下部クラッド層上及び前記第２の光導波路の先端部分上に設けられた、前記第２の下部クラッド層よりも屈折率の大きな第２の上部クラッド層と、を具備し、前記第１の光導波路の先端部から前記第１の上部クラッド層及び第１の下部クラッド層に入射された光を、前記光半導体素子の光入射端面に結合させ、前記光半導体素子から前記第２の下部クラッド層及び前記第２の上部クラッド層に入射された光を、前記第２の上部クラッド層により該クラッド層側へ引きつけ、前記第２の光導波路の先端部分に結合させることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の別の一態様に係わる光集積デバイスの製造方法は、基板上の一部に下部クラッド層を形成し、且つ該クラッド層上に先端部分が該クラッド層の一端部に向けてテーパー状に絞られた光導波路を形成する工程と、前記基板上に、光出射端面又は光入射端面を前記下部クラッド層の一端面に対向させて光半導体素子を形成する工程と、前記下部クラッド層上及び前記光導波路の先端部分上に、前記下部クラッド層よりも屈折率の大きな上部クラッド層を、前記光半導体素子の光出射端面又は光入射端面と前記光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光半導体素子を基板上に直接搭載することにより、光半導体素子の放熱性に優れている。しかも、下部クラッド層と上部クラッド層との屈折率差を利用して光半導体素子と光導波路とを光結合させることにより、高効率の光結合を得ることができる。即ち、光半導体素子と光導波路との間の光結合効率の向上及び温度特性の向上をはかることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる光集積デバイスを説明するためのもので、図１（ａ）は光集積デバイスを上方から見た平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の矢視Ａ−Ａ’断面図である。
【００１３】
Ｓｉ基板１１上にＳｉＯ2 膜からなる下部クラッド層１２が形成され、下部クラッド層１２の一部を除去することにより、Ｓｉ基板露出部分及び下部クラッド層１２の端面が形成されている。
【００１４】
下部クラッド層１２上の一部に、先端部を下部クラッド層１２の端部と離し、先端部が下部クラッド層の端部に向くように、Ｓｉからなる細線光導波路１３が形成されている。下部クラッド層１２の厚さは１〜３μｍであり、Ｓｉ細線光導波路１３は厚さ２００〜４００ｎｍ、幅３００〜６００ｎｍである。Ｓｉ細線光導波路１３の先端部１３ａはテーパー状に加工されており、先端の幅は８０ｎｍとなっている。
【００１５】
下部クラッド層１２の一部を除去した基板露出部分に、発光素子としての半導体レーザ（光半導体素子）１５が搭載されている。そして、半導体レーザ１５と細線光導波路１３を光学的に結合するために、半導体レーザ１５と細線光導波路１３を覆うように上部クラッド層１４が形成されている。上部クラッド層１４は、下部クラッド層１２よりも屈折率の高い材料、例えばポリイミド，ＳｉＯＮ，ＳｉＮで形成されている。
【００１６】
ここで、上部クラッド層１４は必ずしも半導体レーザ１５と下部クラッド層１２との間に充填される必要はなく、少なくとも下部クラッド層１２上に細線光導波路１３の先端部１３ａを覆うように形成されていればよい。
【００１７】
半導体レーザ１５は、図２に示すように、半導体基板１５１上にメサ状のダブルへテロ構造部１５２を形成し、このダブルヘテロ構造部１５２上に上部電極１５３を、基板１５１上に下部電極１５４を形成したものである。
【００１８】
本実施形態の基本的な構造は、Ｓｉ基板上に埋め込み絶縁膜を介してＳｉ層を形成したＳＯＩ基板１０で実現することができる。即ち、下部クラッド層１２はＳＯＩ基板の埋め込み絶縁膜（ＳｉＯ2 膜）であり、光導波路１３はＳＯＩ基板１０のＳｉ層を細線状に加工したものである。
【００１９】
本実施形態において、半導体レーザ１５の光出力部の中心の垂直方向の位置は、上部クラッド層１４と下部クラッド層１２の間であり、下部クラッド層１２の端部までは上部クラッド層１４を伝搬する。そして、下部クラッド層１２の端部から入射した後には、上部クラッド層１４と下部クラッド層１２の間を進行するが、屈折率の高い上部クラッド層１４に引き付けられるため、光導波路１３のテーパー状の先端部１３ａに効率良く結合することになる。
【００２０】
図３は、本実施形態の光集積デバイスを上から見たときの半導体レーザ１５と光導波路１３の位置関係、及び光の伝搬の様子を示したものである。半導体レーザ１５と光導波路１３は、半導体レーザ１５の光出射方向と光導波路１３の光伝搬方向とが所定の角度を持つように設置されており、その角度は５度から２０度の範囲である。即ち、半導体レーザ１５の光出射方向に垂直な面と下部クラッド層１２の端面との角度が５度から２０度の範囲に設定されている。このように配置することで、半導体レーザ１５から出射された光が下部クラッド層１２の端部で反射されたときに、半導体レーザ１５への戻り光を抑制することが可能となる。その結果、半導体レーザ１５の安定動作が可能となる。
【００２１】
ここで、半導体レーザ１５の光出射方向に垂直な面と下部クラッド層１２の端面との角度が５度より小さくなると、戻り光の抑制効果が殆ど認められない。また、角度が２０度を超えると、下部クラッド層１２の端面における十分な結合効率（７０％以上）が得られなくなる。
【００２２】
図４は、本実施形態の光集積デバイス内での光伝搬の様子を示す図である。図４（ａ）は光集積デバイスを上面から見たときの幅方向（Ｘ方向）の光の分布を示す図、図４（ｂ）は光集積デバイスの側面から見たときの厚さ方向（Ｙ方向）の光分布を示す図であり、図中の白い部分で光強度が高くなっている。また、図４（ｃ）は光の進行方向（Ｚ方向）における細線光導波路１３への光結合効率を示している。これらの図から、半導体レーザ１５から出力された光が効率良く光導波路１３に結合されている様子が分かる。
【００２３】
ビーム伝搬法による光伝搬シミュレーションを用いて結合効率を計算した結果、半導体レーザ１５と下部クラッド層１２の端部との距離５μｍ、上部クラッド層１４の屈折率１．６、上部クラッド層１４の幅４μｍ、上部クラッド層１４の厚み０．７μｍ、下部クラッド層の屈折率１．４５、下部クラッド層１２の厚み３μｍ、光入射位置が上部クラッド層１４と下部クラッド層１２の境界部分としたとき、結合効率８０％以上が得られた。
【００２４】
次に、本実施形態の光集積デバイスの製造方法の一例を、図５を参照して説明する。この例は、ＳＯＩ基板１０を用いると共にウェハ接合を利用した方法である。なお、図５（ａ）〜（ｃ）は断面図、図５（ｄ）〜（ｆ）において、上図は平面図、下図は断面図を示している。
【００２５】
まず、図５（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１０のＳｉ層を加工して、テーパー部１３ａを含む光導波路１３を形成する。続いて、図５（ｂ）に示すように、下部クラッド層１２を一部エッチング除去することにより、下部クラッド層１２の端面を形成すると共に、Ｓｉ基板１１の一部を露出させる。そして、図５（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板露出部にレーザ用層構造１８を有する半導体ウェハ１６を接合した後、不要な支持基板１７を除去する。
【００２６】
次いで、Ｓｉ基板露出部に接合した半導体レーザ用層構造１８を加工し、半導体レーザ１５の素子構造を形成する。具体的には、図５（ｄ）に示すようにレーザストライプ１９の形成、図５（ｅ）に示すように電極２０の形成などである。続いて、図５（ｆ）に示すように、レーザストライプ１９と光導波路１３を光学的に接続するように上部クラッド層１４を形成する。このとき、レーザストライプ１９、上部クラッド層１４、光導波路１３は必ずしも同一直線上にある必要はなく、上部クラッド層１４がレーザストライプ１９と光導波路１３を接続するように配置することで、それらの位置ずれを補完することが可能である。
【００２７】
このように本実施形態によれば、半導体レーザ１５の光出射方向が光導波路１３の光伝搬方向に対して斜めとなるように半導体レーザ１５をＳｉ基板露出部に直接接合し、光導波路１３と半導体レーザ１５を上部クラッド層１４で接続するため、戻り光の影響を受けずに安定した動作が可能であり、高い光結合効率を得ることが可能である。また、半導体レーザ１５を基板１０上に直接搭載することで放熱性に優れている。このため、安定、高効率、温度特性に優れた発光デバイスを持つ光集積デバイスが得られる。
【００２８】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係わる光集積デバイスの製造工程を示す図である。なお、図６（ａ）〜（ｃ）は断面図、図６（ｄ）〜（ｆ）において、上図は平面図、下図は断面図を示している。また、図５と同一部分には同一符号を付している。
【００２９】
先に説明した第１の実施形態と同様に、図６（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１０のＳｉ層を加工して光導波路１３を形成する。その後、図６（ｂ）に示すように、下部クラッド層１２を一部エッチング除去してＳｉ基板１１を露出させる。そして、図６（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板露出部にレーザ用層構造１８を有する半導体レーザチップ２２をフリップチップ実装するための金属パターン２１を形成し、半導体レーザチップ２２をフリップチップ実装する。
【００３０】
次いで、図６（ｄ）（ｅ）に示すように、レーザチップ２２の支持基板１７を除去した後、レーザストライプ１９の形成、電極２０の形成などを行う。その後、図６（ｆ）に示すように、レーザストライプ１９と光導波路１３を光学的に接続するように上部クラッド層１４を形成する。
【００３１】
このように本実施形態によれば、半導体レーザ１５の光出射方向が光導波路１３の光伝搬方向に対して斜めとなるように、半導体レーザ１５をＳｉ基板露出部に搭載することにより、戻り光の影響を受けずに安定した動作が可能であり、高い光結合効率を得ることが可能である。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３２】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係わる光集積デバイスを説明するためのもので、図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の矢視Ａ−Ａ’断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３３】
第１の実施形態では、半導体レーザ１５の光出射方向と光導波路１３の光伝搬方向に５〜２０度の角度を持たせることにより、半導体レーザ１５への戻り光を抑制したが、本実施形態では、これとは別の方法で戻り光の抑制を行っている。即ち、本実施形態では、半導体レーザ１５と光導波路１３の位置関係は直線上になっているが、下部クラッド層１２の端面を光の伝搬方向に対して垂直から傾けている。具体的には、下部クラッド層１２の端面を光の伝搬方向に対して垂直から５〜２０度傾けている。
【００３４】
このような構成であれば、レーザストライプ１９と光導波路１３の位置関係が直線上にある場合でも、図７のように下部クラッド層１２の端面を光の伝搬方向に対して垂直でない角度を持って形成されていれば、第１の実施形態と同様に戻り光を抑制する効果がある。従って、第１の実施形態と同様に、半導体レーザ１５の安定動作が可能となる。
【００３５】
（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係わる光集積デバイスを説明するためのもので、図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の矢視Ａ−Ａ’断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３６】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、半導体レーザ１５と下部クラッド層１２の端面の間の領域に関して、Ｓｉ基板１１との間に屈折率が上部クラッド層１４よりも低い１種類以上の材料２３を設けたことにある。即ち、半導体レーザ１５と下部クラッド層１２の端面の間の領域には上部クラッド層１４ではなく低屈折率材料２３が設けられ、この材料２３上に上部クラッド１４が配置されている。
【００３７】
このような構成であれば、低屈折率材料２３の挿入により、伝搬光の縦方向の広がりをより効果的に抑えることができる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、より高効率な結合が得られる利点がある。
【００３８】
なお、本実施形態の構造に関して、半導体レーザ１５と下部クラッド層１２の端面の間の領域に低屈折率材料２３を充填する部分は、空洞としても構わない。また、本実施形態の構造は、上記第１から第３の何れの実施形態に対しても適用可能である。
【００３９】
（第５の実施形態）
図９は、本発明の第５の実施形態に係わる光集積デバイスを説明するためのもので、図９（ａ）は平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の矢視Ａ−Ａ’断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４０】
第１の実施形態では光半導体素子として発光素子を用い、発光素子からの光を光導波路に結合させるものとしたが、光半導体素子として受光素子を用い、光導波路からの光を受光素子に結合させるようにしても良い。
【００４１】
この場合、前記図１に示す構造において、半導体レーザ等の発光素子１５の代わりにフォトダイオード等の受光素子３５を用いるだけでよい。
【００４２】
光導波路１３に入力された光は、テーパー部１３ａから上部クラッド層１４及び下部クラッド層１２に入射し、上部クラッド層１４及び下部クラッド層１２を通り、受光素子３５に結合される。このとき、上部クラッド層１４の屈折率を下部クラッド層１２のそれよりも高くしておくことにより、下部クラッド層１２に入射した光が基板１１に広がるのを防止でき、受光素子３５に効率良く結合させることができる。
【００４３】
（第６の実施形態）
図１０は、本発明の第５の実施形態に係わる光集積デバイスを説明するためのもので、図１０（ａ）は平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の矢視Ａ−Ａ’断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４４】
本実施形態は、図１の構造を対向させた構造であり、光半導体素子４５への光入力、光半導体素子４５からの光出力、光半導体素子４５での光信号処理が可能となっている。ここで示す光半導体素子４５としては、例えば半導体レーザ、受光素子、光パワーモニター、光変調器、光スイッチ、光増幅器、波長変換素子、光アッテネータ、光アイソレータなどを用いることができる。また、本実施形態は、上記第１から第４の何れの実施形態に対しても適用可能である。
【００４５】
Ｓｉ基板１１上の中央部に光半導体素子４５がマウントされている。Ｓｉ基板１１上の光半導体素子４５の左側には、ＳｉＯ2 膜からなる第１の下部クラッド層１１２が、端面が光半導体素子４５の光入射端面と対向するように形成されている。下部クラッド層１１２上の一部に、先端部を下部クラッド層１１２の端部と離し、先端部が下部クラッド層１１２の端部に向くように、Ｓｉからなる第１の細線光導波路１１３が形成されている。下部クラッド層１１２及び光導波路１１３の厚さや幅等の条件は第１の実施形態と同じである。
【００４６】
光半導体素子４５と光導波路１１３は、光半導体素子４５の光入射方向と光導波路１１３の光伝搬方向とが所定の角度を持つように設置されており、その角度は５度から２０度の範囲である。即ち、光半導体素子４５の光入射方向に垂直な面と下部クラッド層１１２の端面との角度が５度から２０度の範囲に設定されている。
【００４７】
光半導体素子４５と細線光導波路１１３を光学的に結合するために、光半導体素子４５と細線光導波路１１３を覆うように第１の上部クラッド層１１４が形成されている。上部クラッド層１１４は、下部クラッド層１１２よりも屈折率の高い材料、例えばポリイミド，ＳｉＯＮ，ＳｉＮで形成されている。
【００４８】
Ｓｉ基板１１上の光半導体素子４５の右側には、ＳｉＯ2 膜からなる第２の下部クラッド層２１２が、端面が光半導体素子４５の光出射端面と対向するように形成されている。下部クラッド層２１２上の一部に、先端部を下部クラッド層２１２の端部と離し、先端部が下部クラッド層２１２の端部に向くように、Ｓｉからなる第２の細線光導波路２１３が形成されている。下部クラッド層２１２及び光導波路２１３の厚さや幅等の条件は第１の実施形態と同じである。
【００４９】
光半導体素子４５と光導波路２１３は、光半導体素子４５の光出射方向と光導波路２１３の光伝搬方向とが所定の角度を持つように設置されており、その角度は５度から２０度の範囲である。即ち、光半導体素子４５の光出射方向に垂直な面と下部クラッド層２１２の端面との角度が５度から２０度の範囲に設定されている。
【００５０】
光半導体素子４５と細線光導波路２１３を光学的に結合するために、光半導体素子４５と細線光導波路２１３を覆うように第２の上部クラッド層２１４が形成されている。上部クラッド層２１４は、下部クラッド層２１２よりも屈折率の高い材料、例えばポリイミド，ＳｉＯＮ，ＳｉＮで形成されている。
【００５１】
ここで、上部クラッド層１１４，２１４は必ずしも光半導体素子４５と下部クラッド層１１２，２１２との間に充填される必要はなく、少なくとも下部クラッド層１１２，２１２上に細線光導波路１１３，２１３の先端部１１３ａ，２１３ａを覆うように形成されていればよい。
【００５２】
本実施形態の構造では、第１の光導波路１１３に入射された光は、第１の光導波路１１３の先端部分１１３ａから第１の上部クラッド層１１４及び第１の下部クラッド層１１２に入射される。そして、上部クラッド層１１４及び下部クラッド層１１２を通り、光半導体素子４５に結合される。このとき、上部クラッド層１１４の屈折率を下部クラッド層１１２のそれよりも高くしておくことにより、下部クラッド層１１２に入射した光が基板１１に広がるのを防止でき、光半導体素子４５に効率良く結合させることができる。
【００５３】
一方、光半導体素子４５から出射された光は、光半導体素子４５と下部クラッド層１２２との間の第２の上部クラッド層２１４を通り下部クラッド層１２２に入射される。そして、下部クラッド層２１２を通り第２の光導波路２１３の先端部分に結合される。このとき、上部クラッド層２１４の屈折率を下部クラッド層２１２のそれよりも高くしておくことにより、下部クラッド層２１２を進行する光は屈折率の高い上部クラッド層１４に引き付けられるため、光導波路１３のテーパー状の先端部１３ａに効率良く結合することになる。
【００５４】
このように本実施形態によれば、光半導体素子４５をＳｉ基板１１上に直接搭載することにより、光半導体素子４５の放熱性を高めることができる。しかも、下部クラッド層１１２，２１２と上部クラッド層１１４，２１４との屈折率差を利用して光半導体素子４５と光導波路１１３，２１３とを光結合させることにより、高効率の光結合を得ることができる。即ち、光半導体素子４５と光導波路１１３，２１３との間の光結合効率の向上及び温度特性の向上をはかることができる。
【００５５】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では下部クラッド層としてＳｉＯ2 、上部クラッド層としてポリイミド，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ、光導波路としてＳｉを用いたが、これらの材料は仕様に応じて適宜変更可能である。上部クラッド層の屈折率を下部クラッド層のそれよりも高くすればよい。さらに、基板は必ずしもＳｉに限るものではなく、ガラス基板であっても良い。
【００５６】
また、光デバイスの構造も実施形態に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。半導体レーザ等の発光素子としては横方向に光を放出できるものであればよく、フォトダイオード等の受光素子としては、横方向から光を入射できるものであればよい。
【００５７】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】第１の実施形態に係わる光集積デバイスの概略構成を示す平面図と断面図。
【図２】第１の実施形態に係わる光集積デバイスに用いた発光素子の一例を示す断面図。
【図３】第１の実施形態に係わる光集積デバイスの伝搬光の伝搬方向、及び伝搬光の各部における強度分布を示す図。
【図４】第１の実施形態に係わる光集積デバイスの内部における伝搬光の分布の様子と、結合効率を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係わる光集積デバイスの製造工程を示す平面図と断面図。
【図６】第２の実施形態に係わる光集積デバイスの製造工程を示す平面図と断面図。
【図７】第３の実施形態に係わる光集積デバイスの概略構成を示す平面図と断面図。
【図８】第４の実施形態に係わる光集積デバイスの概略構成を示す平面図と断面図。
【図９】第５の実施形態に係わる光集積デバイスの概略構成を示す平面図と断面図。
【図１０】第６の実施形態に係わる光集積デバイスの概略構成を示す平面図と断面図。
【符号の説明】
【００５９】
１０…ＳＯＩ基板
１１…Ｓｉ基板
１２…下部クラッド層
１３…光導波路
１３ａ…光導波路テーパー部
１４…上部クラッド層
１５…半導体レーザ（光半導体素子）
１６…レーザ構造を有する半導体ウェハ
１７…支持基板
１８…半導体レーザ用層構造
１９…レーザストライプ
２０…電極
２１…金属パターン
２２…半導体レーザチップ
２３…低屈折率材料
３５…受光素子（光半導体素子）
４５…光半導体素子
１１２…第１の下部クラッド層
１１３…第１の細線光導波路
１１３ａ，２１３ａ…先端部
１１４…第１の上部クラッド層
１５１…半導体基板
１５２…ダブルヘテロ構造部
１５３…上部電極
１５４…下部電極
２１２…第２の下部クラッド層
２１３…第２の細線光導波路
２１４…第２の上部クラッド層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に光半導体素子と光導波路を集積化した光集積デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩの高集積化に伴う配線遅延の問題を解決する技術として、光配線技術が注目されている。光配線技術は、光導波路を用いて光信号を伝送する方式であり、ＬＳＩの微細化に伴う配線抵抗や配線間容量の増大が発生せず、更なる動作速度の高速化が期待できる。このような光配線を用いて信号伝送を行うＬＳＩとして、光電気混載ＬＳＩが提案されている。
【０００３】
光電気混載ＬＳＩにおいては、各機能ブロックによる信号処理は電気で行われ、これらの機能ブロック間は光信号で伝送される。このため、伝送する光信号を電気信号に変換する発光素子及び信号処理が行われた電気信号を光信号に変換する受光素子が必要である。電気信号を光信号に変換する発光素子としては、端面発光レーザや面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などの半導体レーザが用いられており、ＧＨｚ帯での動作の報告例もある。
【０００４】
これらの半導体レーザと光導波路の集積形態である光集積デバイスとしては、光導波路の上部にウェハ接合によりレーザ構造が形成されたもの（非特許文献１）、光導波路とレーザ構造が有機膜を介して接着されたもの（非特許文献２）、基板であるＳｉ上に光導波路とレーザ構造を直接搭載されたもの（特許文献１）などがある。
【０００５】
しかし、非特許文献１に記載の構造は、レーザ構造の下部に空気層を有するため、レーザ部で発生した熱を効率良く放熱することが難しく、良好な温度特性が得られていない。また、非特許文献２に記載の構造は、有機膜上にレーザ素子が形成されているため、放熱性が悪く、良好な温度特性が得られない。さらに、レーザ素子と光導波路の間に有機膜層が存在していることから、レーザ素子からの出力光を効率良く光導波路に結合させることが難しい。また、特許文献１に記載された構造は、光導波路に対してレーザ素子を配置する際、高精度なアライメントが必要であり、高効率の光結合を得ることが非常に困難である。
【特許文献１】特開２００４―８５８６８号公報
【非特許文献１】Optics Express, Vol. 14, Issue 20, pp. 9203-9210
【非特許文献２】2006 3rd IEEE International Conference on Group IV Photonics, pp. 188-191.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、光半導体素子と光導波路との間の高効率の光結合を得ることができ、且つ温度特性に優れた光集積デバイス及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係わる光集積デバイスは、基板上の一部に設けられた下部クラッド層と、前記基板上に設けられ、光出射端面又は光入射端面を前記下部クラッド層の一端面に対向させて配置された光半導体素子と、前記下部クラッド層上に設けられ、先端部分が前記下部クラッド層の一端部に向けてテーパー状に絞られた光導波路と、前記光半導体素子の光出射端面又は光入射端面と前記光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って、前記下部クラッド層上及び前記光導波路の先端部分上に設けられた、前記下部クラッド層よりも屈折率の大きな上部クラッド層と、を具備したことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の別の一態様に係わる光集積デバイスは、基板上の中央部に設けられた、光入射端面及び光出射端面を有する光半導体素子と、前記基板上に設けられ、前記光半導体素子の光入射端面に一端面を対向させて配置された第１の下部クラッド層と、前記第１の下部クラッド層上に設けられ、先端部分が前記第１の下部クラッド層の一端部に向けてテーパー状に絞られた第１の光導波路と、前記光半導体素子の光入射端面と前記第１の光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って、前記第１の下部クラッド層上及び前記第１の光導波路の先端部分上に設けられた、前記第１の下部クラッド層よりも屈折率の大きな第１の上部クラッド層と、前記基板上に設けられ、前記光半導体素子の光出射端面に一端面を対向させて配置された第２の下部クラッド層と、前記第２の下部クラッド層上に設けられ、先端部分が前記第２の下部クラッド層の一端部に向けてテーパー状に絞られた第２の光導波路と、前記光半導体素子の光出射端面と前記第２の光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って、前記第２の下部クラッド層上及び前記第２の光導波路の先端部分上に設けられた、前記第２の下部クラッド層よりも屈折率の大きな第２の上部クラッド層と、を具備し、前記第１の光導波路の先端部から前記第１の上部クラッド層及び第１の下部クラッド層に入射された光を、前記光半導体素子の光入射端面に結合させ、前記光半導体素子から前記第２の下部クラッド層及び前記第２の上部クラッド層に入射された光を、前記第２の上部クラッド層により該クラッド層側へ引きつけ、前記第２の光導波路の先端部分に結合させることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の別の一態様に係わる光集積デバイスの製造方法は、基板上の一部に下部クラッド層を形成し、且つ該クラッド層上に先端部分が該クラッド層の一端部に向けてテーパー状に絞られた光導波路を形成する工程と、前記基板上に、光出射端面又は光入射端面を前記下部クラッド層の一端面に対向させて光半導体素子を形成する工程と、前記下部クラッド層上及び前記光導波路の先端部分上に、前記下部クラッド層よりも屈折率の大きな上部クラッド層を、前記光半導体素子の光出射端面又は光入射端面と前記光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光半導体素子を基板上に直接搭載することにより、光半導体素子の放熱性に優れている。しかも、下部クラッド層と上部クラッド層との屈折率差を利用して光半導体素子と光導波路とを光結合させることにより、高効率の光結合を得ることができる。即ち、光半導体素子と光導波路との間の光結合効率の向上及び温度特性の向上をはかることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる光集積デバイスを説明するためのもので、図１（ａ）は光集積デバイスを上方から見た平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の矢視Ａ−Ａ’断面図である。
【００１３】
Ｓｉ基板１１上にＳｉＯ2 膜からなる下部クラッド層１２が形成され、下部クラッド層１２の一部を除去することにより、Ｓｉ基板露出部分及び下部クラッド層１２の端面が形成されている。
【００１４】
下部クラッド層１２上の一部に、先端部を下部クラッド層１２の端部と離し、先端部が下部クラッド層の端部に向くように、Ｓｉからなる細線光導波路１３が形成されている。下部クラッド層１２の厚さは１〜３μｍであり、Ｓｉ細線光導波路１３は厚さ２００〜４００ｎｍ、幅３００〜６００ｎｍである。Ｓｉ細線光導波路１３の先端部１３ａはテーパー状に加工されており、先端の幅は８０ｎｍとなっている。
【００１５】
下部クラッド層１２の一部を除去した基板露出部分に、発光素子としての半導体レーザ（光半導体素子）１５が搭載されている。そして、半導体レーザ１５と細線光導波路１３を光学的に結合するために、半導体レーザ１５と細線光導波路１３を覆うように上部クラッド層１４が形成されている。上部クラッド層１４は、下部クラッド層１２よりも屈折率の高い材料、例えばポリイミド，ＳｉＯＮ，ＳｉＮで形成されている。
【００１６】
ここで、上部クラッド層１４は必ずしも半導体レーザ１５と下部クラッド層１２との間に充填される必要はなく、少なくとも下部クラッド層１２上に細線光導波路１３の先端部１３ａを覆うように形成されていればよい。
【００１７】
半導体レーザ１５は、図２に示すように、半導体基板１５１上にメサ状のダブルへテロ構造部１５２を形成し、このダブルヘテロ構造部１５２上に上部電極１５３を、基板１５１上に下部電極１５４を形成したものである。
【００１８】
本実施形態の基本的な構造は、Ｓｉ基板上に埋め込み絶縁膜を介してＳｉ層を形成したＳＯＩ基板１０で実現することができる。即ち、下部クラッド層１２はＳＯＩ基板の埋め込み絶縁膜（ＳｉＯ2 膜）であり、光導波路１３はＳＯＩ基板１０のＳｉ層を細線状に加工したものである。
【００１９】
本実施形態において、半導体レーザ１５の光出力部の中心の垂直方向の位置は、上部クラッド層１４と下部クラッド層１２の間であり、下部クラッド層１２の端部までは上部クラッド層１４を伝搬する。そして、下部クラッド層１２の端部から入射した後には、上部クラッド層１４と下部クラッド層１２の間を進行するが、屈折率の高い上部クラッド層１４に引き付けられるため、光導波路１３のテーパー状の先端部１３ａに効率良く結合することになる。
【００２０】
図３は、本実施形態の光集積デバイスを上から見たときの半導体レーザ１５と光導波路１３の位置関係、及び光の伝搬の様子を示したものである。半導体レーザ１５と光導波路１３は、半導体レーザ１５の光出射方向と光導波路１３の光伝搬方向とが所定の角度を持つように設置されており、その角度は５度から２０度の範囲である。即ち、半導体レーザ１５の光出射方向に垂直な面と下部クラッド層１２の端面との角度が５度から２０度の範囲に設定されている。このように配置することで、半導体レーザ１５から出射された光が下部クラッド層１２の端部で反射されたときに、半導体レーザ１５への戻り光を抑制することが可能となる。その結果、半導体レーザ１５の安定動作が可能となる。
【００２１】
ここで、半導体レーザ１５の光出射方向に垂直な面と下部クラッド層１２の端面との角度が５度より小さくなると、戻り光の抑制効果が殆ど認められない。また、角度が２０度を超えると、下部クラッド層１２の端面における十分な結合効率（７０％以上）が得られなくなる。
【００２２】
図４は、本実施形態の光集積デバイス内での光伝搬の様子を示す図である。図４（ａ）は光集積デバイスを上面から見たときの幅方向（Ｘ方向）の光の分布を示す図、図４（ｂ）は光集積デバイスの側面から見たときの厚さ方向（Ｙ方向）の光分布を示す図であり、図中の白い部分で光強度が高くなっている。また、図４（ｃ）は光の進行方向（Ｚ方向）における細線光導波路１３への光結合効率を示している。これらの図から、半導体レーザ１５から出力された光が効率良く光導波路１３に結合されている様子が分かる。
【００２３】
ビーム伝搬法による光伝搬シミュレーションを用いて結合効率を計算した結果、半導体レーザ１５と下部クラッド層１２の端部との距離５μｍ、上部クラッド層１４の屈折率１．６、上部クラッド層１４の幅４μｍ、上部クラッド層１４の厚み０．７μｍ、下部クラッド層の屈折率１．４５、下部クラッド層１２の厚み３μｍ、光入射位置が上部クラッド層１４と下部クラッド層１２の境界部分としたとき、結合効率８０％以上が得られた。
【００２４】
次に、本実施形態の光集積デバイスの製造方法の一例を、図５を参照して説明する。この例は、ＳＯＩ基板１０を用いると共にウェハ接合を利用した方法である。なお、図５（ａ）〜（ｃ）は断面図、図５（ｄ）〜（ｆ）において、上図は平面図、下図は断面図を示している。
【００２５】
まず、図５（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１０のＳｉ層を加工して、テーパー部１３ａを含む光導波路１３を形成する。続いて、図５（ｂ）に示すように、下部クラッド層１２を一部エッチング除去することにより、下部クラッド層１２の端面を形成すると共に、Ｓｉ基板１１の一部を露出させる。そして、図５（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板露出部にレーザ用層構造１８を有する半導体ウェハ１６を接合した後、不要な支持基板１７を除去する。
【００２６】
次いで、Ｓｉ基板露出部に接合した半導体レーザ用層構造１８を加工し、半導体レーザ１５の素子構造を形成する。具体的には、図５（ｄ）に示すようにレーザストライプ１９の形成、図５（ｅ）に示すように電極２０の形成などである。続いて、図５（ｆ）に示すように、レーザストライプ１９と光導波路１３を光学的に接続するように上部クラッド層１４を形成する。このとき、レーザストライプ１９、上部クラッド層１４、光導波路１３は必ずしも同一直線上にある必要はなく、上部クラッド層１４がレーザストライプ１９と光導波路１３を接続するように配置することで、それらの位置ずれを補完することが可能である。
【００２７】
このように本実施形態によれば、半導体レーザ１５の光出射方向が光導波路１３の光伝搬方向に対して斜めとなるように半導体レーザ１５をＳｉ基板露出部に直接接合し、光導波路１３と半導体レーザ１５を上部クラッド層１４で接続するため、戻り光の影響を受けずに安定した動作が可能であり、高い光結合効率を得ることが可能である。また、半導体レーザ１５を基板１０上に直接搭載することで放熱性に優れている。このため、安定、高効率、温度特性に優れた発光デバイスを持つ光集積デバイスが得られる。
【００２８】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係わる光集積デバイスの製造工程を示す図である。なお、図６（ａ）〜（ｃ）は断面図、図６（ｄ）〜（ｆ）において、上図は平面図、下図は断面図を示している。また、図５と同一部分には同一符号を付している。
【００２９】
先に説明した第１の実施形態と同様に、図６（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１０のＳｉ層を加工して光導波路１３を形成する。その後、図６（ｂ）に示すように、下部クラッド層１２を一部エッチング除去してＳｉ基板１１を露出させる。そして、図６（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板露出部にレーザ用層構造１８を有する半導体レーザチップ２２をフリップチップ実装するための金属パターン２１を形成し、半導体レーザチップ２２をフリップチップ実装する。
【００３０】
次いで、図６（ｄ）（ｅ）に示すように、レーザチップ２２の支持基板１７を除去した後、レーザストライプ１９の形成、電極２０の形成などを行う。その後、図６（ｆ）に示すように、レーザストライプ１９と光導波路１３を光学的に接続するように上部クラッド層１４を形成する。
【００３１】
このように本実施形態によれば、半導体レーザ１５の光出射方向が光導波路１３の光伝搬方向に対して斜めとなるように、半導体レーザ１５をＳｉ基板露出部に搭載することにより、戻り光の影響を受けずに安定した動作が可能であり、高い光結合効率を得ることが可能である。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３２】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係わる光集積デバイスを説明するためのもので、図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の矢視Ａ−Ａ’断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３３】
第１の実施形態では、半導体レーザ１５の光出射方向と光導波路１３の光伝搬方向に５〜２０度の角度を持たせることにより、半導体レーザ１５への戻り光を抑制したが、本実施形態では、これとは別の方法で戻り光の抑制を行っている。即ち、本実施形態では、半導体レーザ１５と光導波路１３の位置関係は直線上になっているが、下部クラッド層１２の端面を光の伝搬方向に対して垂直から傾けている。具体的には、下部クラッド層１２の端面を光の伝搬方向に対して垂直から５〜２０度傾けている。
【００３４】
このような構成であれば、レーザストライプ１９と光導波路１３の位置関係が直線上にある場合でも、図７のように下部クラッド層１２の端面を光の伝搬方向に対して垂直でない角度を持って形成されていれば、第１の実施形態と同様に戻り光を抑制する効果がある。従って、第１の実施形態と同様に、半導体レーザ１５の安定動作が可能となる。
【００３５】
（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係わる光集積デバイスを説明するためのもので、図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の矢視Ａ−Ａ’断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３６】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、半導体レーザ１５と下部クラッド層１２の端面の間の領域に関して、Ｓｉ基板１１との間に屈折率が上部クラッド層１４よりも低い１種類以上の材料２３を設けたことにある。即ち、半導体レーザ１５と下部クラッド層１２の端面の間の領域には上部クラッド層１４ではなく低屈折率材料２３が設けられ、この材料２３上に上部クラッド１４が配置されている。
【００３７】
このような構成であれば、低屈折率材料２３の挿入により、伝搬光の縦方向の広がりをより効果的に抑えることができる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、より高効率な結合が得られる利点がある。
【００３８】
なお、本実施形態の構造に関して、半導体レーザ１５と下部クラッド層１２の端面の間の領域に低屈折率材料２３を充填する部分は、空洞としても構わない。また、本実施形態の構造は、上記第１から第３の何れの実施形態に対しても適用可能である。
【００３９】
（第５の実施形態）
図９は、本発明の第５の実施形態に係わる光集積デバイスを説明するためのもので、図９（ａ）は平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の矢視Ａ−Ａ’断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４０】
第１の実施形態では光半導体素子として発光素子を用い、発光素子からの光を光導波路に結合させるものとしたが、光半導体素子として受光素子を用い、光導波路からの光を受光素子に結合させるようにしても良い。
【００４１】
この場合、前記図１に示す構造において、半導体レーザ等の発光素子１５の代わりにフォトダイオード等の受光素子３５を用いるだけでよい。
【００４２】
光導波路１３に入力された光は、テーパー部１３ａから上部クラッド層１４及び下部クラッド層１２に入射し、上部クラッド層１４及び下部クラッド層１２を通り、受光素子３５に結合される。このとき、上部クラッド層１４の屈折率を下部クラッド層１２のそれよりも高くしておくことにより、下部クラッド層１２に入射した光が基板１１に広がるのを防止でき、受光素子３５に効率良く結合させることができる。
【００４３】
（第６の実施形態）
図１０は、本発明の第５の実施形態に係わる光集積デバイスを説明するためのもので、図１０（ａ）は平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の矢視Ａ−Ａ’断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４４】
本実施形態は、図１の構造を対向させた構造であり、光半導体素子４５への光入力、光半導体素子４５からの光出力、光半導体素子４５での光信号処理が可能となっている。ここで示す光半導体素子４５としては、例えば半導体レーザ、受光素子、光パワーモニター、光変調器、光スイッチ、光増幅器、波長変換素子、光アッテネータ、光アイソレータなどを用いることができる。また、本実施形態は、上記第１から第４の何れの実施形態に対しても適用可能である。
【００４５】
Ｓｉ基板１１上の中央部に光半導体素子４５がマウントされている。Ｓｉ基板１１上の光半導体素子４５の左側には、ＳｉＯ2 膜からなる第１の下部クラッド層１１２が、端面が光半導体素子４５の光入射端面と対向するように形成されている。下部クラッド層１１２上の一部に、先端部を下部クラッド層１１２の端部と離し、先端部が下部クラッド層１１２の端部に向くように、Ｓｉからなる第１の細線光導波路１１３が形成されている。下部クラッド層１１２及び光導波路１１３の厚さや幅等の条件は第１の実施形態と同じである。
【００４６】
光半導体素子４５と光導波路１１３は、光半導体素子４５の光入射方向と光導波路１１３の光伝搬方向とが所定の角度を持つように設置されており、その角度は５度から２０度の範囲である。即ち、光半導体素子４５の光入射方向に垂直な面と下部クラッド層１１２の端面との角度が５度から２０度の範囲に設定されている。
【００４７】
光半導体素子４５と細線光導波路１１３を光学的に結合するために、光半導体素子４５と細線光導波路１１３を覆うように第１の上部クラッド層１１４が形成されている。上部クラッド層１１４は、下部クラッド層１１２よりも屈折率の高い材料、例えばポリイミド，ＳｉＯＮ，ＳｉＮで形成されている。
【００４８】
Ｓｉ基板１１上の光半導体素子４５の右側には、ＳｉＯ2 膜からなる第２の下部クラッド層２１２が、端面が光半導体素子４５の光出射端面と対向するように形成されている。下部クラッド層２１２上の一部に、先端部を下部クラッド層２１２の端部と離し、先端部が下部クラッド層２１２の端部に向くように、Ｓｉからなる第２の細線光導波路２１３が形成されている。下部クラッド層２１２及び光導波路２１３の厚さや幅等の条件は第１の実施形態と同じである。
【００４９】
光半導体素子４５と光導波路２１３は、光半導体素子４５の光出射方向と光導波路２１３の光伝搬方向とが所定の角度を持つように設置されており、その角度は５度から２０度の範囲である。即ち、光半導体素子４５の光出射方向に垂直な面と下部クラッド層２１２の端面との角度が５度から２０度の範囲に設定されている。
【００５０】
光半導体素子４５と細線光導波路２１３を光学的に結合するために、光半導体素子４５と細線光導波路２１３を覆うように第２の上部クラッド層２１４が形成されている。上部クラッド層２１４は、下部クラッド層２１２よりも屈折率の高い材料、例えばポリイミド，ＳｉＯＮ，ＳｉＮで形成されている。
【００５１】
ここで、上部クラッド層１１４，２１４は必ずしも光半導体素子４５と下部クラッド層１１２，２１２との間に充填される必要はなく、少なくとも下部クラッド層１１２，２１２上に細線光導波路１１３，２１３の先端部１１３ａ，２１３ａを覆うように形成されていればよい。
【００５２】
本実施形態の構造では、第１の光導波路１１３に入射された光は、第１の光導波路１１３の先端部分１１３ａから第１の上部クラッド層１１４及び第１の下部クラッド層１１２に入射される。そして、上部クラッド層１１４及び下部クラッド層１１２を通り、光半導体素子４５に結合される。このとき、上部クラッド層１１４の屈折率を下部クラッド層１１２のそれよりも高くしておくことにより、下部クラッド層１１２に入射した光が基板１１に広がるのを防止でき、光半導体素子４５に効率良く結合させることができる。
【００５３】
一方、光半導体素子４５から出射された光は、光半導体素子４５と下部クラッド層１２２との間の第２の上部クラッド層２１４を通り下部クラッド層１２２に入射される。そして、下部クラッド層２１２を通り第２の光導波路２１３の先端部分に結合される。このとき、上部クラッド層２１４の屈折率を下部クラッド層２１２のそれよりも高くしておくことにより、下部クラッド層２１２を進行する光は屈折率の高い上部クラッド層１４に引き付けられるため、光導波路１３のテーパー状の先端部１３ａに効率良く結合することになる。
【００５４】
このように本実施形態によれば、光半導体素子４５をＳｉ基板１１上に直接搭載することにより、光半導体素子４５の放熱性を高めることができる。しかも、下部クラッド層１１２，２１２と上部クラッド層１１４，２１４との屈折率差を利用して光半導体素子４５と光導波路１１３，２１３とを光結合させることにより、高効率の光結合を得ることができる。即ち、光半導体素子４５と光導波路１１３，２１３との間の光結合効率の向上及び温度特性の向上をはかることができる。
【００５５】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では下部クラッド層としてＳｉＯ2 、上部クラッド層としてポリイミド，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ、光導波路としてＳｉを用いたが、これらの材料は仕様に応じて適宜変更可能である。上部クラッド層の屈折率を下部クラッド層のそれよりも高くすればよい。さらに、基板は必ずしもＳｉに限るものではなく、ガラス基板であっても良い。
【００５６】
また、光デバイスの構造も実施形態に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。半導体レーザ等の発光素子としては横方向に光を放出できるものであればよく、フォトダイオード等の受光素子としては、横方向から光を入射できるものであればよい。
【００５７】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】第１の実施形態に係わる光集積デバイスの概略構成を示す平面図と断面図。
【図２】第１の実施形態に係わる光集積デバイスに用いた発光素子の一例を示す断面図。
【図３】第１の実施形態に係わる光集積デバイスの伝搬光の伝搬方向、及び伝搬光の各部における強度分布を示す図。
【図４】第１の実施形態に係わる光集積デバイスの内部における伝搬光の分布の様子と、結合効率を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係わる光集積デバイスの製造工程を示す平面図と断面図。
【図６】第２の実施形態に係わる光集積デバイスの製造工程を示す平面図と断面図。
【図７】第３の実施形態に係わる光集積デバイスの概略構成を示す平面図と断面図。
【図８】第４の実施形態に係わる光集積デバイスの概略構成を示す平面図と断面図。
【図９】第５の実施形態に係わる光集積デバイスの概略構成を示す平面図と断面図。
【図１０】第６の実施形態に係わる光集積デバイスの概略構成を示す平面図と断面図。
【符号の説明】
【００５９】
１０…ＳＯＩ基板
１１…Ｓｉ基板
１２…下部クラッド層
１３…光導波路
１３ａ…光導波路テーパー部
１４…上部クラッド層
１５…半導体レーザ（光半導体素子）
１６…レーザ構造を有する半導体ウェハ
１７…支持基板
１８…半導体レーザ用層構造
１９…レーザストライプ
２０…電極
２１…金属パターン
２２…半導体レーザチップ
２３…低屈折率材料
３５…受光素子（光半導体素子）
４５…光半導体素子
１１２…第１の下部クラッド層
１１３…第１の細線光導波路
１１３ａ，２１３ａ…先端部
１１４…第１の上部クラッド層
１５１…半導体基板
１５２…ダブルヘテロ構造部
１５３…上部電極
１５４…下部電極
２１２…第２の下部クラッド層
２１３…第２の細線光導波路
２１４…第２の上部クラッド層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の一部に設けられた下部クラッド層と、
前記基板上に設けられ、光出射端面又は光入射端面を前記下部クラッド層の一端面に対向させて配置された光半導体素子と、
前記下部クラッド層上に設けられ、先端部分を前記下部クラッド層の一端部に向けて配置され、且つ該先端部分がテーパー状に絞られた光導波路と、
前記光半導体素子の光出射端面又は光入射端面と前記光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って、前記下部クラッド層上及び前記光導波路の先端部分上に設けられた、前記下部クラッド層よりも屈折率の大きな上部クラッド層と、
を具備したことを特徴とする光集積デバイス。
【請求項２】
前記光半導体素子は発光素子であり、前記発光素子から前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層に入射された光を、前記上部クラッド層により該クラッド層側へ引きつけ、前記光導波路の先端部分に結合させることを特徴とする請求項１記載の光集積デバイス。
【請求項３】
前記光半導体素子は受光素子であり、前記光導波路の先端部分から前記各クラッド層に入射された光を前記受光素子の光入射端面に結合させることを特徴とする請求項１記載の光集積デバイス。
【請求項４】
前記発光素子の光出射方向が、前記光導波路の光伝搬方向に対して一定の角度を持っていることを特徴とする請求項２記載の光集積デバイス。
【請求項５】
前記発光素子の光出射方向と光導波路の光伝搬方向とが成す角度が、５度から２０度の範囲であることを特徴とする請求項４記載の光集積デバイス。
【請求項６】
前記発光素子の光出射方向と前記光導波路の光伝搬方向が一直線であり、前記下部クラッド層の一端面が、前記発光素子の光出射方向に対して垂直から傾いていることを特徴とする請求項２記載の光集積デバイス。
【請求項７】
前記発光素子は、半導体レーザであることを特徴とする請求項２記載の光集積デバイス。
【請求項８】
前記上部クラッド層は、前記光半導体素子から前記下部クラッド層の端部を通り、前記光導波路の先端部分まで連続して形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光集積デバイス。
【請求項９】
前記光導波路は、細線光導波路であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光集積デバイス。
【請求項１０】
前記細線光導波路はＳｉ、前記下部クラッド層はＳｉＯ2 からなることを特徴とする請求項９記載の光集積デバイス。
【請求項１１】
前記下部クラッド層は、Ｓｉ基板上に埋め込み絶縁膜を介してＳｉ層を形成したＳＯＩ基板の埋め込み絶縁膜であり、前記光導波路は、前記ＳＯＩ基板のＳｉ層を線状に加工したものであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光集積デバイス。
【請求項１２】
基板上の中央部に設けられた、光入射端面及び光出射端面を有する光半導体素子と、
前記基板上に設けられ、前記光半導体素子の光入射端面に一端面を対向させて配置された第１の下部クラッド層と、
前記第１の下部クラッド層上に設けられ、先端部分を前記第１の下部クラッド層の一端部に向けて配置され、且つ該先端部分がテーパー状に絞られた第１の光導波路と、
前記光半導体素子の光入射端面と前記第１の光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って、前記第１の下部クラッド層上及び前記第１の光導波路の先端部分上に設けられた、前記第１の下部クラッド層よりも屈折率の大きな第１の上部クラッド層と、
前記基板上に設けられ、前記光半導体素子の光出射端面に一端面を対向させて配置された第２の下部クラッド層と、
前記第２の下部クラッド層上に設けられ、先端部分を前記第２の下部クラッド層の一端部に向けて配置され、且つ該先端部分がテーパー状に絞られた第２の光導波路と、
前記光半導体素子の光出射端面と前記第２の光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って、前記第２の下部クラッド層上及び前記第２の光導波路の先端部分上に設けられた、前記第２の下部クラッド層よりも屈折率の大きな第２の上部クラッド層と、
を具備し、
前記第１の光導波路の先端部分から前記第１の上部クラッド層及び第１の下部クラッド層に入射された光を、前記光半導体素子の光入射端面に結合させ、
前記光半導体素子から前記第２の下部クラッド層及び前記第２の上部クラッド層に入射された光を、前記第２の上部クラッド層により該クラッド層側へ引きつけ、前記第２の光導波路の先端部分に結合させることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１３】
基板上の一部に下部クラッド層を形成し、且つこのクラッド層上に、テーパー状に絞られた先端部分が該クラッド層の一端部に向くように光導波路を形成する工程と、
前記基板上に、光出射端面又は光入射端面を前記下部クラッド層の一端面に対向させて光半導体素子を設ける工程と、
前記下部クラッド層上及び前記光導波路の先端部分上に、前記下部クラッド層よりも屈折率の大きな上部クラッド層を、前記光半導体素子の光出射端面又は光入射端面と前記光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って形成する工程と、
を含むことを特徴とする光集積デバイスの製造方法。
【請求項１４】
Ｓｉ基板上に埋め込み絶縁膜を介してＳｉ層を形成したＳＯＩ基板を用意し、前記ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁膜下部クラッド層として用い、前記ＳＯＩ基板のＳｉ層を前記光導波路として用いることを特徴とする請求項１３記載の光集積デバイスの製造方法。
【請求項１５】
前記下部クラッド層の一部を選択的にエッチング除去することにより露出したＳｉ基板部分に、前記光半導体素子を搭載することを特徴とする請求項１４記載の光集積デバイスの製造方法。
【請求項１６】
前記光半導体素子を設ける工程として、前記基板上にフリップチップ実装により前記光半導体素子を搭載することを特徴とする請求項１３記載の光集積デバイスの製造方法。
【請求項１７】
前記光半導体素子を設ける工程として、支持基板上に発光デバイスのための層構造を有する発光デバイス基板を前記基板上に接着した後に前記支持基板を除去し、次いで前記発光デバイス基板を発光デバイス構造に加工し、次いで前記発光デバイス構造に電極を形成することを特徴とする請求項１３記載の光集積デバイスの製造方法。
【請求項１】
基板上の一部に設けられた下部クラッド層と、
前記基板上に設けられ、光出射端面又は光入射端面を前記下部クラッド層の一端面に対向させて配置された光半導体素子と、
前記下部クラッド層上に設けられ、先端部分を前記下部クラッド層の一端部に向けて配置され、且つ該先端部分がテーパー状に絞られた光導波路と、
前記光半導体素子の光出射端面又は光入射端面と前記光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って、前記下部クラッド層上及び前記光導波路の先端部分上に設けられた、前記下部クラッド層よりも屈折率の大きな上部クラッド層と、
を具備したことを特徴とする光集積デバイス。
【請求項２】
前記光半導体素子は発光素子であり、前記発光素子から前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層に入射された光を、前記上部クラッド層により該クラッド層側へ引きつけ、前記光導波路の先端部分に結合させることを特徴とする請求項１記載の光集積デバイス。
【請求項３】
前記光半導体素子は受光素子であり、前記光導波路の先端部分から前記各クラッド層に入射された光を前記受光素子の光入射端面に結合させることを特徴とする請求項１記載の光集積デバイス。
【請求項４】
前記発光素子の光出射方向が、前記光導波路の光伝搬方向に対して一定の角度を持っていることを特徴とする請求項２記載の光集積デバイス。
【請求項５】
前記発光素子の光出射方向と光導波路の光伝搬方向とが成す角度が、５度から２０度の範囲であることを特徴とする請求項４記載の光集積デバイス。
【請求項６】
前記発光素子の光出射方向と前記光導波路の光伝搬方向が一直線であり、前記下部クラッド層の一端面が、前記発光素子の光出射方向に対して垂直から傾いていることを特徴とする請求項２記載の光集積デバイス。
【請求項７】
前記発光素子は、半導体レーザであることを特徴とする請求項２記載の光集積デバイス。
【請求項８】
前記上部クラッド層は、前記光半導体素子から前記下部クラッド層の端部を通り、前記光導波路の先端部分まで連続して形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光集積デバイス。
【請求項９】
前記光導波路は、細線光導波路であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光集積デバイス。
【請求項１０】
前記細線光導波路はＳｉ、前記下部クラッド層はＳｉＯ2 からなることを特徴とする請求項９記載の光集積デバイス。
【請求項１１】
前記下部クラッド層は、Ｓｉ基板上に埋め込み絶縁膜を介してＳｉ層を形成したＳＯＩ基板の埋め込み絶縁膜であり、前記光導波路は、前記ＳＯＩ基板のＳｉ層を線状に加工したものであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光集積デバイス。
【請求項１２】
基板上の中央部に設けられた、光入射端面及び光出射端面を有する光半導体素子と、
前記基板上に設けられ、前記光半導体素子の光入射端面に一端面を対向させて配置された第１の下部クラッド層と、
前記第１の下部クラッド層上に設けられ、先端部分を前記第１の下部クラッド層の一端部に向けて配置され、且つ該先端部分がテーパー状に絞られた第１の光導波路と、
前記光半導体素子の光入射端面と前記第１の光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って、前記第１の下部クラッド層上及び前記第１の光導波路の先端部分上に設けられた、前記第１の下部クラッド層よりも屈折率の大きな第１の上部クラッド層と、
前記基板上に設けられ、前記光半導体素子の光出射端面に一端面を対向させて配置された第２の下部クラッド層と、
前記第２の下部クラッド層上に設けられ、先端部分を前記第２の下部クラッド層の一端部に向けて配置され、且つ該先端部分がテーパー状に絞られた第２の光導波路と、
前記光半導体素子の光出射端面と前記第２の光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って、前記第２の下部クラッド層上及び前記第２の光導波路の先端部分上に設けられた、前記第２の下部クラッド層よりも屈折率の大きな第２の上部クラッド層と、
を具備し、
前記第１の光導波路の先端部分から前記第１の上部クラッド層及び第１の下部クラッド層に入射された光を、前記光半導体素子の光入射端面に結合させ、
前記光半導体素子から前記第２の下部クラッド層及び前記第２の上部クラッド層に入射された光を、前記第２の上部クラッド層により該クラッド層側へ引きつけ、前記第２の光導波路の先端部分に結合させることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１３】
基板上の一部に下部クラッド層を形成し、且つこのクラッド層上に、テーパー状に絞られた先端部分が該クラッド層の一端部に向くように光導波路を形成する工程と、
前記基板上に、光出射端面又は光入射端面を前記下部クラッド層の一端面に対向させて光半導体素子を設ける工程と、
前記下部クラッド層上及び前記光導波路の先端部分上に、前記下部クラッド層よりも屈折率の大きな上部クラッド層を、前記光半導体素子の光出射端面又は光入射端面と前記光導波路の先端部分とを結ぶ線に沿って形成する工程と、
を含むことを特徴とする光集積デバイスの製造方法。
【請求項１４】
Ｓｉ基板上に埋め込み絶縁膜を介してＳｉ層を形成したＳＯＩ基板を用意し、前記ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁膜下部クラッド層として用い、前記ＳＯＩ基板のＳｉ層を前記光導波路として用いることを特徴とする請求項１３記載の光集積デバイスの製造方法。
【請求項１５】
前記下部クラッド層の一部を選択的にエッチング除去することにより露出したＳｉ基板部分に、前記光半導体素子を搭載することを特徴とする請求項１４記載の光集積デバイスの製造方法。
【請求項１６】
前記光半導体素子を設ける工程として、前記基板上にフリップチップ実装により前記光半導体素子を搭載することを特徴とする請求項１３記載の光集積デバイスの製造方法。
【請求項１７】
前記光半導体素子を設ける工程として、支持基板上に発光デバイスのための層構造を有する発光デバイス基板を前記基板上に接着した後に前記支持基板を除去し、次いで前記発光デバイス基板を発光デバイス構造に加工し、次いで前記発光デバイス構造に電極を形成することを特徴とする請求項１３記載の光集積デバイスの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１５２２７４（Ｐ２０１０−１５２２７４Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３３０７０（Ｐ２００８−３３３０７０）
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]