JP2011107384A - Method for manufacturing optical coupling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光結合デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an optical coupling device.
近年、高精細化なシリコン（Ｓｉ）のプロセス技術をベースとした光通信用素子の製造技術、いわゆるシリコンフォトニクス技術の開発が盛んになっている。シリコンフォトニクスでは、Ｓｉ光導波路を用いており、光変調器、光スイッチなどの要素部品を駆動用のＩＣと集積化することが可能である。このため、シリコンフォトニクスでは、光ＩＣチップやモジュールの低コスト化を図ることが可能である。この光ＩＣチップの実現のための重要なポイントの１つとして、Ｓｉ光導波路と光ファイバなどの外部光回路との低コストな光結合手段の実現が挙げられる。 2. Description of the Related Art In recent years, development of manufacturing technology for optical communication elements based on high-definition silicon (Si) process technology, so-called silicon photonics technology, has become active. In silicon photonics, Si optical waveguides are used, and component parts such as an optical modulator and an optical switch can be integrated with an IC for driving. For this reason, silicon photonics can reduce the cost of optical IC chips and modules. One important point for realizing this optical IC chip is the realization of a low-cost optical coupling means between an Si optical waveguide and an external optical circuit such as an optical fiber.
このような光結合の実現方法としては、第１に、グレーティングカプラを用いる方法がある（非特許文献１、および２参照）。グレーティングカプラは、Ｓｉ光導波路からの光を、グレーティング（回折格子）により、導波路が形成されている基板の上方に回折させ、光ファイバなどと光結合させるデバイスである。グレーティングカプラは、基板の上方に光が出射される光学構成であるため、グレーティングカプラを光結合手段として有する光ＩＣは、これらを形成しているウエハ段階で、光を光ＩＣに導入しての素子特性の検査が実施できるという特徴がある。このようなウエハ段階での検査が可能である点は、特に集積度の大きい光ＩＣにおいては大きなメリットである。 As a method for realizing such optical coupling, first, there is a method using a grating coupler (see Non-Patent Documents 1 and 2). A grating coupler is a device that diffracts light from a Si optical waveguide above a substrate on which a waveguide is formed by a grating (diffraction grating) and optically couples it with an optical fiber or the like. Since the grating coupler is an optical configuration in which light is emitted above the substrate, the optical IC having the grating coupler as an optical coupling means introduces light into the optical IC at the wafer stage where these are formed. There is a feature that inspection of element characteristics can be performed. The fact that such inspection at the wafer stage is possible is a great merit particularly in an optical IC having a high degree of integration.
また、光結合を実現する技術としては、第２に、スポットサイズ変換器による直接光結合構造がある（非特許文献３参照）。この技術では、Ｓｉ光導波路の幅を徐々に変化させたスポットサイズ変換器構造により、光ファイバとの光モードフィールドの整合性を高めたのちに、光ＩＣチップ端部において光ファイバとの直接光結合を実施している。このスポットサイズ変換器を用いた光結合では、光ファイバの取り出し面が光ＩＣの基板平面と同一の方向である。このため、実装時の光ＩＣチップの上面側の構造に対するレイアウト上の制約がなく、モジュールの低背化や光ＩＣチップ上面からの放熱経路の確保ができるという特徴がある。 Secondly, as a technique for realizing optical coupling, there is a direct optical coupling structure using a spot size converter (see Non-Patent Document 3). In this technology, the spot size converter structure in which the width of the Si optical waveguide is gradually changed to improve the consistency of the optical mode field with the optical fiber, and then the direct light to the optical fiber at the end of the optical IC chip. We are performing a bond. In optical coupling using this spot size converter, the optical fiber take-out surface is in the same direction as the substrate plane of the optical IC. For this reason, there is no layout restriction on the structure on the upper surface side of the optical IC chip at the time of mounting, and there is a feature that it is possible to reduce the height of the module and secure a heat radiation path from the upper surface of the optical IC chip.
しかしながら、上述した光結合の技術では、次に示すような問題がある。 However, the above-described optical coupling technique has the following problems.
まず、グレーティングカップラでは、モジュールの実装レイアウト上の制約が大きいというデメリットがある。このことを、図４を用いて説明する。図４は、グレーティングカップラを用いた光ＩＣのモジュール構造を模式的に表した断面図である。このモジュールでは、光ＩＣチップ４０１の上に、支持体４０２により支持されたＬＤパッケージ４０３および支持体４０４に支持された光ファイバ４０５を備える。 First, the grating coupler has a demerit that the restrictions on the module mounting layout are large. This will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a module structure of an optical IC using a grating coupler. In this module, an LD package 403 supported by a support 402 and an optical fiber 405 supported by a support 404 are provided on an optical IC chip 401.
ＬＤパッケージ４０３とＬＤパッケージ４０３とを光結合させる信号光４１１およびＬＤパッケージ４０３と光ファイバ４０５とを光結合させる信号光４１２は、各々光ＩＣチップ４０１の平面に対して斜めに入出射している。言い換えると、信号光４１１および信号光４１２は、光ＩＣチップ４０１の平面に対し、９０°より小さい入出射角度とされている。このため、この光ＩＣモジュールでは、光ＩＣチップ４０１の上方に光結合用のスペースを設ける必要があり、実装体積の増加を招き、また、光ＩＣチップ４０１の上面にヒートシンクを設けて放熱経路を確保することが困難になるなどの問題がある。 The signal light 411 that optically couples the LD package 403 and the LD package 403 and the signal light 412 that optically couples the LD package 403 and the optical fiber 405 enter and exit obliquely with respect to the plane of the optical IC chip 401, respectively. . In other words, the signal light 411 and the signal light 412 have an incident / exit angle smaller than 90 ° with respect to the plane of the optical IC chip 401. For this reason, in this optical IC module, it is necessary to provide a space for optical coupling above the optical IC chip 401, which increases the mounting volume, and a heat sink is provided on the upper surface of the optical IC chip 401 to provide a heat dissipation path. There are problems such as difficulty in securing.
一方、スポットサイズ変換器を用いる技術では、光ファイバの取り出し面が光ＩＣチップ実装面と同一方向であるためレイアウト上の制約はない。しかしながら、グレーティングカプラを用いる技術のような、ウエハ段階での光学特性検査が不可能であるという問題がある。 On the other hand, in the technique using the spot size converter, there is no restriction on the layout because the optical fiber take-out surface is in the same direction as the optical IC chip mounting surface. However, there is a problem that optical characteristic inspection at the wafer stage is impossible as in the technique using a grating coupler.
以上のことより、光ＩＣチップと外部光回路との光結合に関して、ウエハ段階での光学特性検査による検査コストの低減が可能であり、加えて、実装体積や実装構造上の制約のより少ない光結合デバイスが求められている。 As described above, the optical coupling between the optical IC chip and the external optical circuit can reduce the inspection cost by the optical characteristic inspection at the wafer stage, and in addition, light with less restrictions on the mounting volume and mounting structure. There is a need for a coupling device.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光結合デバイスの実装体積や実装構造上の制約のより少ない状態で、検査コストが低減できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to reduce inspection costs with fewer restrictions on the mounting volume and mounting structure of an optical coupling device. And
本発明に係る光結合デバイスの製造方法は、ウエハ上に形成された複数の光素子の光学特性をウエハ段階で検査する工程と、ウエハを分割して複数の光素子を個別素子とする工程と、個別素子を実装する工程と、実装された個別素子と外部光回路との間を光学的に接続する工程とを少なくとも含み、光素子は、ウエハより離れる方向としてのウエハの上方に信号光の進行方向を変更する第１光路変更部と、この第１光路変更部で変更された信号光を反射する反射部と、この反射部で反射した信号光の進行方向を光素子の基板平面方向に変更する第２光変更部とを少なくとも備え、ウエハ段階での光特性の検査は、反射部を光素子に形成する前に行い、第１光路変更部および第２光変更部の少なくとも１つに、ウエハ上方より入射した試験用信号光により行う、もしくは、前記光素子から出射された試験用信号光をウエハ上方で受光することにより行う。 An optical coupling device manufacturing method according to the present invention includes a step of inspecting optical characteristics of a plurality of optical elements formed on a wafer at a wafer stage, and a step of dividing the wafer into a plurality of optical elements as individual elements. At least a step of mounting the individual element and a step of optically connecting the mounted individual element and the external optical circuit, and the optical element is configured to transmit the signal light above the wafer as a direction away from the wafer. A first optical path changing unit for changing the traveling direction, a reflecting unit for reflecting the signal light changed by the first optical path changing unit, and a traveling direction of the signal light reflected by the reflecting unit in the substrate plane direction of the optical element At least one of the first optical path changing unit and the second light changing unit. The optical characteristic inspection at the wafer stage is performed before forming the reflecting unit on the optical element. A test signal incident from above the wafer Performed by the light, or performed by receiving the test signal light emitted from the optical element in the wafer upwardly.
以上説明したように、本発明によれば、ウエハ段階での光特性の検査は、反射部を光素子に形成する前に行い、第１光路変更部および第２光変更部の少なくとも１つに、ウエハ上方より入射した試験用信号光により行うようにしたので、光結合デバイスの実装体積や実装構造上の制約のより少ない状態で、検査コストが低減できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the optical characteristic inspection at the wafer stage is performed before forming the reflection part on the optical element, and at least one of the first optical path changing part and the second light changing part is provided. Since the test signal light incident from above the wafer is used, the inspection cost can be reduced with less restrictions on the mounting volume and mounting structure of the optical coupling device. .
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａ〜図１Ｋは、本発明の実施の形態における光結合デバイスの製造方法を説明する工程図である。以下では、光結合デバイスを備える光集積回路（光ＩＣ）の製造を例に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A to 1K are process diagrams for explaining a method of manufacturing an optical coupling device according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, an example of manufacturing an optical integrated circuit (optical IC) including an optical coupling device will be described.
はじめに、図１Ａに示すように、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造の基板１０１を用意する。基板１０１は高抵抗シリコンからなる基体上に、厚さ２μｍのＳｉＯ2からなる層厚２μｍの埋め込み絶縁層１０２、シリコンからなる層厚２００ｎｍの表面シリコン層１０３を備えている。埋め込み絶縁層１０２が下部クラッド層となり、表面シリコン層１０３がコア層となる。 First, as shown in FIG. 1A, a substrate 101 having an SOI (Silicon on Insulator) structure is prepared. The substrate 101 is provided with a buried insulating layer 102 having a layer thickness of 2 μm made of SiO 2 having a thickness of 2 μm and a surface silicon layer 103 having a layer thickness of 200 nm made of silicon on a base made of high resistance silicon. The buried insulating layer 102 becomes a lower cladding layer, and the surface silicon layer 103 becomes a core layer.
次に、表面シリコン層１０３をパターニングすることで、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、コア層１０４を形成する。図１Ｃは平面図であり、図１Ｂは、図１Ｃのｂｂ’線における断面を模式的に示している。コア層１０４は、後述するスポットサイズ変換部となる光入出射部コア１４１、および後述するグレーティングカップラとなる回折格子部１４２，回折格子部１４３，および光導波路部コア１４４を含んでいる。 Next, the surface silicon layer 103 is patterned to form the core layer 104 as shown in FIGS. 1B and 1C. 1C is a plan view, and FIG. 1B schematically shows a cross section taken along line bb ′ of FIG. 1C. The core layer 104 includes a light incident / exit portion core 141 that becomes a spot size conversion portion described later, a diffraction grating portion 142, a diffraction grating portion 143, and an optical waveguide portion core 144 that become a grating coupler described later.
コア層１０４の形成では、まず、回折格子部１４２，１４３以外の、光入出射部コア１４１および光導波路部コア１４４などの光導波構造となる部分を先に形成する。これらの形成（パターニング）は、よく知られたフォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用い、表面シリコン層１０３を埋め込み絶縁層１０２に到達するまでエッチングすることで形成すればよい。例えば、光入出射部コア１４１および光導波路部コア１４４などの光導波構造となるコア層１０４の断面形状は、例えば、幅４００ｎｍ、高さ（厚さ）２００ｎｍ程度とすればよい。なお、光導波路部コア１４４に続く図示しない光集積回路部のコアも、これらと同時に作製すればよい。 In the formation of the core layer 104, first, portions other than the diffraction grating portions 142 and 143, such as the light incident / exiting portion core 141 and the optical waveguide portion core 144, which form an optical waveguide structure are formed first. These formations (patterning) may be performed by etching the surface silicon layer 103 until reaching the buried insulating layer 102 using a well-known photolithography technique and dry etching technique. For example, the cross-sectional shape of the core layer 104 having an optical waveguide structure such as the light incident / exiting portion core 141 and the optical waveguide portion core 144 may be, for example, about 400 nm in width and about 200 nm in height (thickness). Note that the core of the optical integrated circuit section (not shown) following the optical waveguide section core 144 may be manufactured at the same time.
次に、コア層１０４の回折格子部１４２，１４３を形成する。これらの形成でも、よく知られたフォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用いればよい。ここで、回折格子部１４２，１４３の形成では、表面シリコン層１０３を厚さ方向に１００ｎｍ程度の深さまでエッチングして溝を形成することで、埋め込み絶縁層１０２の表面上に、厚さ１００ｎｍの部分と厚さ２００ｎｍの部分とからなる回折格子部１４２，１４３が形成できる。従って、回折格子部１４２，１４３は、深さ１００ｎｍの円弧形状の複数の溝部が、対象とする信号光の波長に対応して設定された所定の間隔で、同心円上に配列された構造となっている。 Next, the diffraction grating portions 142 and 143 of the core layer 104 are formed. In these formations, a well-known photolithography technique and dry etching technique may be used. Here, in the formation of the diffraction grating portions 142 and 143, the surface silicon layer 103 is etched to a depth of about 100 nm in the thickness direction to form a groove, thereby forming a 100 nm-thickness on the surface of the buried insulating layer 102. Diffraction grating portions 142 and 143 composed of portions and portions having a thickness of 200 nm can be formed. Therefore, the diffraction grating portions 142 and 143 have a structure in which a plurality of arc-shaped grooves having a depth of 100 nm are arranged concentrically at a predetermined interval set in accordance with the wavelength of the target signal light. ing.
また、回折格子部１４２は、光入出射部コア１４１との接続部を起点とした扇形状とし、また、平面的な領域の寸法は、２０×２０μｍ2程度であればよい。まあ、グレーティングは、周期が１μｍ程度であり、集光機能を持つように設計された集光型グレーティングカップラとされていればよい。これは、回折格子部１４３も同様である。また、これらの配置および形状は、回折格子部１４２と回折格子部１４３との間で、後述する反射層による反射を介して最大の光結合効率が得られるよう、光学的な設計により決定されていればよい。 The diffraction grating portion 142 has a fan shape starting from the connection portion with the light incident / exit portion core 141, and the dimension of the planar region may be about 20 × 20 μm 2 . The grating may be a condensing type grating coupler having a period of about 1 μm and designed to have a condensing function. The same applies to the diffraction grating portion 143. These arrangements and shapes are determined by optical design so that the maximum optical coupling efficiency can be obtained between the diffraction grating part 142 and the diffraction grating part 143 through reflection by a reflection layer described later. Just do it.
次に、図１Ｄに示すように、コア層１０４を形成した埋め込み絶縁層１０２の上に、コア層１０４を埋め込むように上部クラッド層１０５を形成する。例えば、公知の化学気相堆積（ＣＶＤ）法やＲＦスパッタ法などにより、ＳｉＯ2を堆積することで形成できる。なお、上部クラッド層１０５を形成する前に、光導波路部コア１４４に続く図示しない光集積回路部の他の構成についても作製しておく。また、上部クラッド層１０５を形成した後に、光導波路部コア１４４に続く図示しない光集積回路部に接続する電気的な配線や端子などを形成する。これらのことにより、光集積回路の基本的な構成が、ウエハ段階で完成する。 Next, as shown in FIG. 1D, an upper cladding layer 105 is formed on the buried insulating layer 102 on which the core layer 104 is formed so as to bury the core layer 104. For example, it can be formed by depositing SiO 2 by a known chemical vapor deposition (CVD) method or RF sputtering method. Before forming the upper clad layer 105, other configurations of the optical integrated circuit portion (not shown) following the optical waveguide core 144 are also prepared. In addition, after forming the upper clad layer 105, electrical wiring and terminals connected to the optical integrated circuit portion (not shown) following the optical waveguide core 144 are formed. As a result, the basic configuration of the optical integrated circuit is completed at the wafer stage.
次に、図１Ｅに示すように、光入出射部コア１４１の入出射端側に、基板１０１の表面が露出する開口部１０６を形成する。次いで、図１Ｆに示すように、開口部１０６の露出した基板１０１に、Ｖ溝１０７を形成する。Ｖ溝１０７は、光入出射部コア１４１に光結合する光ファイバを嵌合して固定する部分となる。 Next, as shown in FIG. 1E, an opening 106 through which the surface of the substrate 101 is exposed is formed on the light incident / exit end side of the light incident / exit portion core 141. Next, as shown in FIG. 1F, a V-groove 107 is formed in the substrate 101 where the opening 106 is exposed. The V-groove 107 is a portion that fits and fixes an optical fiber that is optically coupled to the light incident / exit section core 141.
開口部１０６は、上部クラッド層１０５の上に、公知のリソグラフィー技術によりマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとして上部クラッド層１０５および埋め込み絶縁層１０２をドライエッチングすることで形成すればよい。ここで、この領域に配置する光ファイバの断面形状（円形）に適応するように、上層となる上部クラッド層１０５の方が、下層となる埋め込み絶縁層１０２に比較して、幅広となるように形成するとよい。ここで、上述した幅は、光導波方向に対して垂直な方向長さである。 The opening 106 may be formed by forming a mask pattern on the upper cladding layer 105 by a known lithography technique and dry etching the upper cladding layer 105 and the buried insulating layer 102 using the mask pattern as a mask. Here, in order to adapt to the cross-sectional shape (circular shape) of the optical fiber disposed in this region, the upper cladding layer 105 as the upper layer is wider than the buried insulating layer 102 as the lower layer. It is good to form. Here, the above-described width is a direction length perpendicular to the optical waveguide direction.
また、Ｖ溝１０７は、例えば、ＫＯＨなどのアルカリ溶液（例えば液温７０℃）を用いたウエットエッチングにより、基板１０１を異方性エッチングすることで形成することができる。このようなウエットエッチングによれば、断面がＶ字状の形状が事項整合的に形成される。 Further, the V-groove 107 can be formed by anisotropic etching of the substrate 101 by wet etching using, for example, an alkaline solution such as KOH (for example, a liquid temperature of 70 ° C.). According to such wet etching, a V-shaped cross section is formed consistently.
以上の工程によって、ウエハ段階検査までの製造工程を終了する。 With the above process, the manufacturing process up to the wafer stage inspection is completed.
次に、上述したウエハ段階までの製造工程を経た素子について、図１Ｇ，図１Ｈに示すように、ウエハ段階検査を行う。まず、複数の光集積回路チップが形成されたウエハ１２１において、検査対象となる光集積回路チップ１２２の上に光ファイバ１０８の光入出射端を近設し、光集積回路チップ１２２内部より光導波路部コア１４４からなる光導波路を導波してきた光信号１５１を、回折格子部１４３よりなるグレーティングカプラで反射させて光ファイバ１０８に光結合させる。このようにして光ファイバ１０８に光結合した信号光１５１を用い、光集積回路チップ１２２における光ＩＣ（不図示）の特性検査が行える。なお、図示していない光ＩＣ部は、必要に応じ、通電用プローブによる電気信号の供給が行われて駆動されている。 Next, as shown in FIGS. 1G and 1H, the wafer stage inspection is performed on the elements that have undergone the manufacturing process up to the wafer stage described above. First, in the wafer 121 on which a plurality of optical integrated circuit chips are formed, the light incident / exit end of the optical fiber 108 is placed close to the optical integrated circuit chip 122 to be inspected, and an optical waveguide is formed from the inside of the optical integrated circuit chip 122. The optical signal 151 guided through the optical waveguide composed of the core part 144 is reflected by the grating coupler composed of the diffraction grating part 143 and optically coupled to the optical fiber 108. Using the signal light 151 optically coupled to the optical fiber 108 in this way, the characteristic inspection of the optical IC (not shown) in the optical integrated circuit chip 122 can be performed. Note that the optical IC unit (not shown) is driven by supplying an electrical signal with a current-carrying probe as necessary.
次に、ウエハ段階の検査を経た素子はダイシングされ、個別の光集積回路チップとなり、実装段階において、図１Ｉに示すように、光ファイバ１０９がＶ溝１０７に固定される。なお、実装されて光ファイバ１０９が固定された後に、別途、実装後の検査工程が行われているようにしてもよい。例えば、上述同様に、光集積回路チップの内部からの光信号を、回折格子部１４３よりなるグレーティングカプラで反射させて光ファイバ１０８に光結合させ、この光信号を用いて特性検査を行うようにしてもよい。また、光ファイバ１０８からの信号光を回折格子部１４２よりなるグレーティングカプラに光結合させ、この光結合した信号光を光入出射部コア１４１からなる光入出射導波路に導波させて光ファイバ１０９に光結合させることで、光ファイバ１０９に接続する外部光回路との光接続性を検査するようにしてもよい。 Next, the device that has undergone the wafer stage inspection is diced into individual optical integrated circuit chips, and the optical fiber 109 is fixed to the V-groove 107 as shown in FIG. In addition, after mounting and fixing the optical fiber 109, an inspection process after mounting may be separately performed. For example, as described above, an optical signal from the inside of the optical integrated circuit chip is reflected by a grating coupler made of the diffraction grating portion 143 and optically coupled to the optical fiber 108, and a characteristic inspection is performed using this optical signal. May be. Further, the signal light from the optical fiber 108 is optically coupled to a grating coupler including the diffraction grating portion 142, and the optically coupled signal light is guided to the optical input / output waveguide including the light incident / exit portion core 141. The optical connectivity with an external optical circuit connected to the optical fiber 109 may be inspected by optically coupling to the optical fiber 109.
次に、図１Ｊ，図１Ｋに示すように、光入出射部コア１４１および回折格子部１４３にまたがる反射領域に、透明材料からなるミラー支持層１１０を形成し、ミラー支持層１１０の上に反射部となる反射層１１１を形成する。ミラー支持層１１０は、例えば、板厚０．５ｍｍ、幅４ｍｍ、長さ１ｍｍ程度の板状のガラスから構成することができる。また、このガラス板に層厚５００ｎｍのＴｉ層および層厚１５００ｎｍのＡｕ層を、この順に真空蒸着することで、反射層１１１とすることができる。ミラー支持層１１０は、例えば、透明接着剤により上部クラッド層１０５の上に接着固定すればよい。 Next, as shown in FIG. 1J and FIG. 1K, a mirror support layer 110 made of a transparent material is formed in a reflection region extending over the light incident / exit part core 141 and the diffraction grating part 143, and the reflection is performed on the mirror support layer 110. A reflective layer 111 to be a part is formed. The mirror support layer 110 can be made of, for example, plate-like glass having a plate thickness of 0.5 mm, a width of 4 mm, and a length of about 1 mm. Moreover, the reflective layer 111 can be formed by vacuum-depositing a Ti layer having a layer thickness of 500 nm and an Au layer having a layer thickness of 1500 nm on this glass plate in this order. The mirror support layer 110 may be bonded and fixed on the upper clad layer 105 with a transparent adhesive, for example.
このように製造された光集積回路チップの光結合デバイスにおいては、まず、光集積回路チップの内部より光導波路部コア１４４からなる光導波路を導波してきた光信号２０１は、回折格子部１４３よりなるグレーティングカプラで反射し、反射した光信号２０２は、ミラー支持層１１０を透過して反射層１１１に入射する。この状態を図１Ｊおよび図２に示す。図２は、光集積回路チップの光結合デバイスの部分を示す平面図であり、上部クラッド層１０５，ミラー支持層１１０，反射層１１１を省略して示している。 In the optical coupling device of the optical integrated circuit chip manufactured as described above, first, the optical signal 201 guided through the optical waveguide composed of the optical waveguide core 144 from the inside of the optical integrated circuit chip is transmitted from the diffraction grating unit 143. The optical signal 202 reflected by the grating coupler is transmitted through the mirror support layer 110 and is incident on the reflection layer 111. This state is shown in FIG. 1J and FIG. FIG. 2 is a plan view showing a portion of the optical coupling device of the optical integrated circuit chip, in which the upper clad layer 105, the mirror support layer 110, and the reflective layer 111 are omitted.
反射層１１１に入射した光信号２０２は、反射層１１１で反射し、反射層１１１で反射した光信号２０３は、回折格子部１４２よりなるグレーティングカプラに光結合する。このようにして光結合した信号光２０４は、光入出射部コア１４１よりなるスポットサイズ変換部を導波し、スポットサイズが変換されて光ファイバ１０９に光結合する。この状態を図１Ｋおよび図２に示す。また、上述した反対の経路で、光ファイバ１０９から入射される光信号を、光導波路部コア１４４よりなる光導波路に導入することができる。ここで、上述したグレーティングカップラは、集光機能を有していることが、光結合効率向上の観点で好ましい。 The optical signal 202 incident on the reflective layer 111 is reflected by the reflective layer 111, and the optical signal 203 reflected by the reflective layer 111 is optically coupled to a grating coupler including the diffraction grating portion 142. The signal light 204 optically coupled in this way is guided through a spot size conversion unit composed of the light incident / exit unit core 141, and the spot size is converted and optically coupled to the optical fiber 109. This state is shown in FIG. 1K and FIG. Further, the optical signal incident from the optical fiber 109 can be introduced into the optical waveguide including the optical waveguide core 144 through the opposite path described above. Here, the above-described grating coupler preferably has a light collecting function from the viewpoint of improving the optical coupling efficiency.
なお、光入出射部コア１４１は、光ファイバ１０９が接続される光入出射端に近づくほど、先細りの形状となっており、よく知られているように、導波する光信号のスポットサイズを、光ファイバ１０９に効率よく光結合するスポットサイズにまで拡大させることができる。例えば、上述した先細りの形状は、典型的には、先端の幅１００ｎｍ以下、長さ２００〜３００μｍ程度で、光ファイバ１０９への結合部に向けて、光入出射部コア１４１の幅が徐々に細くなる横テーパ構造となっていればよい。この導波路構造において、
回折格子部１４２よりなるグレーティングカプラに入射した光信号は、上記テーパ構造の部分で徐々に光入出射部コア１４１に結合されるため、テーパ長が数百μｍ程度あれば９０％以上の光を、この光導波路に結合させることができる。
The light incident / exit core 141 has a tapered shape as it approaches the light incident / exit end to which the optical fiber 109 is connected. As is well known, the spot size of the optical signal to be guided is reduced. The spot size can be increased to a spot size that allows efficient optical coupling to the optical fiber 109. For example, the tapered shape described above typically has a tip width of 100 nm or less and a length of about 200 to 300 μm, and the width of the light incident / exit section core 141 gradually increases toward the coupling portion to the optical fiber 109. It suffices if the lateral taper structure becomes narrower. In this waveguide structure,
The optical signal incident on the grating coupler made of the diffraction grating portion 142 is gradually coupled to the light incident / exiting portion core 141 at the tapered structure portion, so that if the taper length is about several hundred μm, 90% or more of light is transmitted. Can be coupled to this optical waveguide.
なお、図３に示すように、ウエハより切り出すことで分割した光ＩＣチップ３０１には、複数の光ファイバ１０９を接続することができる。 As shown in FIG. 3, a plurality of optical fibers 109 can be connected to the optical IC chip 301 divided by cutting out from the wafer.
上述した上述した製造方法により製造される光結合デバイスを用いた光集積回路によれば、光ファイバ１０９の取り出し方向が、光集積回路が形成される基板１０１の平面と同一平面内にあるため、最終的な光モジュールの低背化や、光ＩＣ上部への冷却機構の搭載などが容易に実現できる。 According to the optical integrated circuit using the optical coupling device manufactured by the above-described manufacturing method, the optical fiber 109 is taken out in the same plane as the plane of the substrate 101 on which the optical integrated circuit is formed. It is possible to easily realize the final reduction of the height of the optical module and the mounting of the cooling mechanism on the upper part of the optical IC.
また、上述した光結合デバイスでは、反射層１１１を配置し固定する際に、基板１０１の平面方向において、反射層１１１の精密な配置合わせが不要となる。反射層１１１は、反射する領域が、２つのグレーティングカプラが形成されている光通過領域を覆っていればよく、反射層１１１は、基板平面方向における高い位置精度が必要ない。このため、反射層１１１の形成工程が、光集積回路チップの実装完了に至る全工程中の後方工程で行われる場合においても、実装における作業の負荷を懸念する必要は生じない。 In the optical coupling device described above, when the reflective layer 111 is disposed and fixed, precise alignment of the reflective layer 111 in the planar direction of the substrate 101 is not necessary. The reflective layer 111 only needs to cover the light passing region where the two grating couplers are formed, and the reflective layer 111 does not require high positional accuracy in the substrate plane direction. For this reason, even when the formation process of the reflective layer 111 is performed in a backward process in all processes leading to the completion of the mounting of the optical integrated circuit chip, there is no need to worry about the work load in the mounting.
一方で、反射層１１１は、反射面と基板１０１平面との距離は平行度に関しては、比較的高い精度が必要とされる。しかしながら、上述したように、コア層１０４，上部クラッド層１０５などの製造は、シリコンを用いた半導体プロセスを用いており、高い精度で平坦性を確保することが可能である。このため、高い平行度などについては、ミラー支持層１１０の寸法精度を高くすることで容易に実現可能である。例えば、ミラー支持層１１０の典型的に要求される厚さ精度は±２０μｍ以下、平行度は１°以下であり、これは既存の加工精度で達成可能である。 On the other hand, in the reflective layer 111, the distance between the reflective surface and the substrate 101 plane is required to have a relatively high accuracy with respect to the parallelism. However, as described above, the manufacture of the core layer 104, the upper cladding layer 105, and the like uses a semiconductor process using silicon, and can ensure flatness with high accuracy. For this reason, high parallelism and the like can be easily realized by increasing the dimensional accuracy of the mirror support layer 110. For example, the typically required thickness accuracy of the mirror support layer 110 is ± 20 μm or less and the parallelism is 1 ° or less, which can be achieved with existing processing accuracy.
以上に説明したように、本実施の形態によれば、光ＩＣチップと外部光回路との光結合に関し、実装体積や実装構造上の制約のより少ない端面結合形の構造でありながら、ウエハ段階での光学特性検査が可能であるため検査コストの低減が図られる。 As described above, according to the present embodiment, the optical coupling between the optical IC chip and the external optical circuit is an end face coupling type structure with less restrictions on the mounting volume and mounting structure, but at the wafer stage. Since the optical characteristic inspection can be performed at the same time, the inspection cost can be reduced.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。 It should be noted that the present invention is not limited to the embodiment described above, and that many modifications can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
例えば、基板の種類は上記に限定されるものではなく、本発明の趣旨である、ウエハ段階検査と実装構造の簡易化が達成されるという目的を逸脱しない限り、様々なものを用いることができる。例えば、シリカガラス基板、ＧａＡｓ，ＩｎＰ、ＧａＮをはじめとする化合物半導体基板、ＬｉＮＯ3などの非線形光学材料、ダイヤモンド、ＡｌＮ、ＺｎＯ、サファイヤなどが用いられていてもよい。 For example, the type of the substrate is not limited to the above, and various types can be used as long as they do not deviate from the purpose of the present invention, which is the purpose of the wafer stage inspection and the simplification of the mounting structure. . For example, a silica glass substrate, a compound semiconductor substrate such as GaAs, InP, or GaN, a nonlinear optical material such as LiNO 3 , diamond, AlN, ZnO, sapphire, or the like may be used.
また、コアやクラッドなどの導波路を構成する材料は、シリコンおよび酸化シリコンに限定されるものではなく、いかなる材料で形成されてあってもよい。例えば、例えばシリカガラス基板、ＧａＡｓ，ＩｎＰ、ＧａＮをはじめとする化合物半導体基板、ＬｉＮＯ3などの非線形光学材料、ダイヤモンド、ＡｌＮ、ＺｎＯ、サファイヤなどが用いられていてもよい。また導波路の形態もチャネル導波路に限定されるものではなく、リッジ導波路やリブ導波路、拡散型導波路などであってもよい。 The material constituting the waveguide such as the core and the clad is not limited to silicon and silicon oxide, and may be formed of any material. For example, a silica glass substrate, a compound semiconductor substrate such as GaAs, InP, and GaN, a nonlinear optical material such as LiNO 3 , diamond, AlN, ZnO, sapphire, and the like may be used. The form of the waveguide is not limited to the channel waveguide, and may be a ridge waveguide, a rib waveguide, a diffusion type waveguide, or the like.
また、グレーティングカプラを構成する回折格子部１４２，１４３は、この部分への光入射方向に対して逆方向に回折する平面形状となっているが、これに限るものではない。グレーティングカップラの設計により、例えば同一直線上で上記２つのグレーティングカップラが向かいあった構造など、他のレイアウトが選択されてもよい。 In addition, the diffraction grating portions 142 and 143 constituting the grating coupler have a planar shape that diffracts in the direction opposite to the light incident direction to this portion, but is not limited thereto. Depending on the design of the grating coupler, other layouts may be selected, such as a structure in which the two grating couplers face each other on the same straight line.
さらに上記２つのグレーティングカップラにおける、上方に信号光を回折させるための構造は、この目的が達成できる限り、上述した実施形態の様態に制限されるものではない。例えば、上方に光を回折させるために、上部クラッド層１０５の厚さや屈折率を変更してもよく、また、回折格子部１４２，１４３を含めたコア層１０４の断面形状が基板１０１の垂直方向に対して非対称であってもよい。 Further, the structure for diffracting the signal light upward in the two grating couplers is not limited to the above-described embodiment as long as this object can be achieved. For example, the thickness and refractive index of the upper cladding layer 105 may be changed in order to diffract light upward, and the cross-sectional shape of the core layer 104 including the diffraction grating portions 142 and 143 is perpendicular to the substrate 101. May be asymmetric.
さらに、回折格子部１４２，１４３は、コア層１０４とは異なる、他の層に形成されていてもよい。例えば、上部クラッド層１０５に形成されていてもよいし、別途形成した他の層に形成されていてもよい。 Further, the diffraction grating portions 142 and 143 may be formed in other layers different from the core layer 104. For example, it may be formed in the upper clad layer 105 or may be formed in another layer formed separately.
なお、本発明において、コア層１０４からなる導波路からの信号光を、基板１０１のより離れる方向の上方に光路変換する手段として集光型グレーティングカップラを用いているが、平面ミラー、凹面ミラーなど、他の手段が用いられていてもよく、また反射体とレンズ体が別々に形成されていてもよい。 In the present invention, a converging type grating coupler is used as a means for optically changing the signal light from the waveguide composed of the core layer 104 upward in the direction away from the substrate 101. However, a plane mirror, a concave mirror, etc. Other means may be used, and the reflector and the lens body may be formed separately.
また、ミラー支持層は、ガラスに限るものではなく、用いる信号光に対して透明な半導体、樹脂材などで形成してもよい。また、板状の部材に限らず、樹脂などによる透明シートが用いられていていてもよく、さらに該透明シートにおけるミラー形成面と逆の面に粘着剤があらかじめ塗布された粘着シート状のものでもよい。また、反射層は、Ｔｉ，Ａｕに限るものではなく、Ｐｔなどの他の金属でもよい。また、ＴｉＯ2，ＳｉＯ2，ＳｉＮなどの誘電体材料による高反射膜を反射層として用いるようにしてもよい。 The mirror support layer is not limited to glass, and may be formed of a semiconductor, a resin material, or the like that is transparent to the signal light used. Moreover, not only a plate-shaped member but also a transparent sheet made of a resin or the like may be used. Further, a pressure-sensitive adhesive sheet in which a pressure-sensitive adhesive is preliminarily applied to the surface opposite to the mirror forming surface of the transparent sheet Good. Further, the reflective layer is not limited to Ti and Au, and may be other metals such as Pt. Further, a highly reflective film made of a dielectric material such as TiO 2 , SiO 2 , or SiN may be used as the reflective layer.
また、グレーティングカップラと反射層の反射面と平行度や距離の制御が、ミラー支持層の寸法によって行うようにしてもよい。また、ミラー支持層以外の構造として、グレーティングカップラと反射面の平行度や距離の制御を行うための柱状の支持体が、信号光の通過部以外の場所に配置し、これら支持体によりミラー部分を指示する構成としてもよい。さらに、反射部は、光結合デバイスを含む光チップが実装されるパッケージの蓋の内側に形成されたものであってもよい。さらに、光ファイバとあらかじめ一体に形成された部品として、実装部品点数の削減を図っても良い。 Further, the parallelism and distance between the grating coupler and the reflecting surface of the reflecting layer may be controlled by the dimensions of the mirror support layer. Also, as a structure other than the mirror support layer, a columnar support for controlling the parallelism and distance between the grating coupler and the reflecting surface is arranged at a place other than the signal light passage part, and the mirror part is formed by these supports. It is good also as a structure which directs. Furthermore, the reflection part may be formed inside the lid of the package on which the optical chip including the optical coupling device is mounted. Furthermore, the number of mounted components may be reduced as a component formed integrally with the optical fiber in advance.
また、光ファイバには、典型的には通常のシングルモードファイバ（モードフィールド径１０μｍ程度）を用いればよい。また、光ファイバの外形寸法、材料、コア径などは、様々な形態を用いることが可能であり、光結合デバイスの光導波路とのモード整合性を向上するために、コア径を小さくした高屈折率光ファイバや、中空構造を内部に有するＨｏｌｅｙファイバやフォトニック結晶ファイバなどを用いてもよい。 Further, typically, an ordinary single mode fiber (mode field diameter of about 10 μm) may be used as the optical fiber. In addition, it is possible to use various forms for the outer dimensions, materials, core diameter, etc. of the optical fiber. In order to improve the mode matching with the optical waveguide of the optical coupling device, the high refractive index with a smaller core diameter is used. A rate optical fiber, a Holey fiber having a hollow structure inside, a photonic crystal fiber, or the like may be used.
さらに、光ＩＣの外部との光結合を行う目的に合致する範囲において、上記光ファイバ以外のものが用いられていてもよい。例えば、ポリマー光導波路のフィルムが用いられていても良い。また、前述のように、ポリマー光導波路のフィルムが用いられる場合においても、該ポリマー光導波路のフィルムをミラーとあらかじめ一体形成された構造体として実装部品点数の削減を図ってもよい。 Further, a fiber other than the above optical fiber may be used as long as it matches the purpose of optical coupling with the outside of the optical IC. For example, a polymer optical waveguide film may be used. Further, as described above, even when a polymer optical waveguide film is used, the number of mounted parts may be reduced by using the polymer optical waveguide film as a structure integrally formed with a mirror in advance.
１０１…基板、１０２…埋め込み絶縁層、１０３…表面シリコン層、１０４…コア層、１０５…上部クラッド層、１０６…開口部、１０７…Ｖ溝、１０８…光ファイバ、１０９…光ファイバ、１１０…ミラー支持層、１１１…反射層、１４１…光入出射部コア、１４２…回折格子部、１４３…回折格子部、１４４…光導波路部コア。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Board | substrate, 102 ... Embedded insulating layer, 103 ... Surface silicon layer, 104 ... Core layer, 105 ... Upper clad layer, 106 ... Opening, 107 ... V groove, 108 ... Optical fiber, 109 ... Optical fiber, 110 ... Mirror Support layer, 111: reflective layer, 141: light incident / exit core, 142: diffraction grating, 143: diffraction grating, 144: optical waveguide core.
Claims (3)
前記ウエハを分割して前記複数の光素子を個別素子とする工程と、
前記個別素子を実装する工程と、
実装された前記個別素子と外部光回路との間を光学的に接続する工程と
を少なくとも含む光結合デバイスの製造方法であって、
前記光素子は、前記ウエハより離れる方向としての前記ウエハの上方に信号光の進行方向を変更する第１光路変更部と、この第１光路変更部で変更された信号光を反射する反射部と、この反射部で反射した信号光の進行方向を前記光素子の基板平面方向に変更する第２光変更部とを少なくとも備え、
ウエハ段階での光特性の検査は、前記反射部を前記光素子に形成する前に行い、前記第１光路変更部および前記第２光変更部の少なくとも１つに、前記ウエハ上方より入射した試験用信号光により行う、もしくは、前記光素子から出射された試験用信号光をウエハ上方で受光することにより行う
ことを特徴とする光結合デバイスの製造方法。 A process for inspecting optical characteristics of a plurality of optical elements formed on a wafer at a wafer stage;
Dividing the wafer into the plurality of optical elements as individual elements;
Mounting the individual elements;
An optical coupling device manufacturing method comprising at least a step of optically connecting between the mounted individual element and an external optical circuit,
The optical element includes a first optical path changing unit that changes a traveling direction of the signal light above the wafer as a direction away from the wafer, and a reflecting unit that reflects the signal light changed by the first optical path changing unit. And at least a second light changing unit that changes the traveling direction of the signal light reflected by the reflecting unit to the substrate plane direction of the optical element,
The optical characteristic inspection at the wafer stage is performed before the reflecting portion is formed on the optical element, and the test is performed on at least one of the first optical path changing portion and the second light changing portion from above the wafer. A method for manufacturing an optical coupling device, comprising: performing a test signal light emitted from the optical element or receiving a test signal light emitted from the optical element above the wafer.
前記反射部の形成は、前記光素子を個別素子とする前に行う
ことを特徴とする光結合デバイスの製造方法。 In the manufacturing method of the optical coupling device of Claim 1,
The method of manufacturing an optical coupling device is characterized in that the reflective portion is formed before the optical element is an individual element.
前記反射部の形成は、前記光素子を個別素子とした後に行う
ことを特徴とする光結合デバイスの製造方法。 In the manufacturing method of the optical coupling device of Claim 1,
The reflection part is formed after the optical element is made an individual element.
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