JPS6111708A

JPS6111708A - 端面レンズ付チヤネル光導波路およびその製造方法

Info

Publication number: JPS6111708A
Application number: JP13186684A
Authority: JP
Inventors: Yasubumi Yamada; 泰文山田; Masao Kawachi; 河内　正夫; Mitsuho Yasu; 安　光保; Morio Kobayashi; 盛男小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1984-06-28
Filing date: 1984-06-28
Publication date: 1986-01-20
Also published as: JPH0531124B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕本発明は、ハイブリッド形光集積回路を構成する上で重
要々、発光素子とチャネル先導波路との簡便で高効率結
合を可能とする端面レンズ付チャネル光導波路およびそ
の製造方法に関するものである。

〔従来技術〕

光集積回路の形態としては、同種の材料（主に、ＧａＡ
Ｓ系、　ＩｎＰ系の半導体材料）のみで構成されるモノ
リシック形と異種材料の組み合せからなるハイブリッド
形とがある。ハイブリッド形は、光回路部分に光の吸収
損失の少ない材料を用いることができる点で有利である
。また、多モード用光部品は、モノリシック形での製造
は困難であシ、ハイブリッド形の適用分野である。

ハイブリッド集積回路を実現するためには、同一基板上
で発光素子と光回路とを結合することが必要である。従
来、発光素子からの光を先導波路へ結合するにあたって
は、１）発光素子の発光面と光導波路端面とを直接つき
合わせる直接結合、―）両者をレンズを介して結合する
方法、１プリズム結合およびＩｖ）グレーティング結合
が行なわれている。このうちｓ　ｍ）　、ｌｖ）は実験
室に適した方法であ艷、実用性は乏しい。目の方法によ
れば、同一基板上での発光素子と光回路との結合が可能
であ）、小型化、一体化に向いている。しかし、半導体
レーザ（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＩＣＤ）等の発光
素子と先導波路との光のスポットサイズが大きく異なる
ために、結合効率は低く、高々１０％程度である。ｉ）
の方法では、レンズによシ発光素子のスポットサイズを
変換することによシ高い結合効率が得られるが、同一基
板上への一体化は困難である。

したがって、同一基板上で発光素子と光回路との高効率
結合を実現するために線、発光素子と光ファイバとの結
合で用いられているように、端面レンズを使用してスポ
ットサイズを変換することが必要である。しかしながら
、従来は、チャネル光導波路端′面への簡便で良質なレ
ンズの形成法がなかったので、上述したように同一基板
上で発光素子と光回路とを結合したハイブリッド光集積
回路性これまで実現されていない。

（目　的）そとで、本発明の目的は、同一基板上で発光素子と光導
波路とをきわめて高い結合効率で結合することのできる
ハイブリッド形光集積回路を実現するための端面レンズ
付チャネル光導波路を提供することにある。

本発明の他の目的は、かかる端面レンズ付チャネル光導
波路を適切にかつ簡便に形成する製造方法を提供するこ
とにある。

〔発明の構成〕

かかる目的を達成するために、本発明端面レンズ付チャ
ネル光導波路は、シリコン基板上に形成したチャネル光
導波路に対して、その端面付近のシリコン基板をエツチ
ングなどで除去し、その導波路端面部分を溶融すること
によシ、その導波路端面にレンズを形成して構成する。

本発明方法で社、まず、シリコン基板上にチャネル光導
波路を形成し、そのシリコン基板のうち、少なくともチ
ャネル導波路端面付近の部分を除去し、その導波路端面
を加熱して溶融することにより、その端面にレイズを形
成する。

〔実施例〕

以下に、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の１実施例の端面レンズ付チャネル光
導波路を示すものである。ここで、１はシリコン基板、
２はシリコン基板１上に配置したチャネル光導波路、３
は導波路２の端部に形成された端面レンズ、４はシリコ
ン基板１のうち、エツチングなどで除去された導波路端
部付近のくほみ、５はシリコン基板１のうち導波路２の
端部に対応して除去されずに残っている部分である。

第２図伍）〜（０）は、との端面レンズ付チャネル光導
波路の製造方法を示したものである。ここで、光導波路
としては石英系光導波路を用いた。

第２図伍）は、シリコン基板１上に、石英系チャネル光
導波路２を形成する工程である。第２図（Ｂ）は、石英
系チャネル光導波路２の端部近傍のシリコン基板１をエ
ツチングによシ除去し、端部付近のチャネル先導波路２
をシリコン基板１から離して浮かせた状態にする工程で
ある。第２図（（Ｓ）は１シリコン基板１から離れた導
波路端部を加熱溶融することによシ、端面レンズ３を形
成する工程である。

次に、これら各工程を詳しく説明する。まず、シリコン
基板１上にチャネル光導波路を形成するには、例えば、
以下の方法を用いればよい。はじめに、１ｏｔ４＊　Ｔ
ｉＣｌ２．　Ｇｅ０１４．　Ｂ（３／、　、ＰＣ！。

等を原料とする火炎加水分解反応を利用してシリコン基
板１上に光導波膜を一様に形成する。この際に、Ｔ１お
よびＧｅのドープ量を制御することにより、先導波膜の
屈折率を制御できる。ついで、この光導波膜上にアモル
ファスシリコン膜を形成し、フォトレジストＡＺ１３５
０Ｊを塗布する。通常のフォトリングラフィの手法によ
り、ムＺ１３５０Ｊを所望の形状にバタン化する。続い
て、バタン化したＡＺ１３５０Ｊをマスクとし、ＣＢｒ
Ｆ、をエツチャントする反応性イオンエツチング法によ
り、アモルファスシリコンをエツチングしてバタン化す
る。

最後に、このアモルファスシリコンをマスクトシ、０２
Ｆ６およびＣ２Ｈ４の混合ガスをエッチャントとした反
応性イオンエツチングを行なうことにより、石英系光導
波膜を所望の形状にバタン化して、シリコン基板１上に
石英系チャネル光導波路２を形成する。

次に、チャネル光導波路２の端部付近のシリコン基板１
を除去する方法について詳しく述べる。

第３図（Ａｌおよび（Ｂ）は、この一方法であるシリコ
ン基板の異方性エツチングを示す。第３図（Ａ）は断面
図、第３図（Ｂｌは上面図である。図中の１ａはシリコ
ンの（１００）面、１ｂは（１１１’）面、ＩＣは（１
１０）面、１ｄはそれ以外のエツチング面、２ａは石英
系光導波路のクラッド層、２ｂはコア層、２ｃはバッフ
ァ層である。

この方法を用いる場合、シリコン基板１は（１００）面
を用い、チャネル光導波路２は〔１１０）方向と平行に
形成する。この条件で、シリコン基板１をＫｏｎ水溶液
、ピロカテコール・エチレン・ジアミンなどのアルカリ
エッチ液に浸すと、石英チャネル光導波路２がマスクと
なり、シリコンの異方性エツチングが行なわれる。例え
ば、ピロカテコール・エチレン・ジアミンの場合、シリ
コン結晶面とエツチング速度の関係は（１００）　：　
（１１０）　：（１°１１　）＝５０　：　３０　＋　
３　μｍ／　ｈとなる。したがって、（１１１３面が現
われると、エツチングはほとんど行なわれなくなる。こ
のため、シリコン基板１は第３図伍）および（Ｂ）のよ
うにエツチングされる。

上記のエツチング速度の関係から、第３図（４）のよう
にシリコン基板ｌは、導波路２を上底とした台形状にエ
ツチングされ、導波路２の下部へのエツチングの食い込
みはほとんど起こらない。導波路端部では第３図（Ｂ）
のように（１００）面のエツチングが速いために、第３
図（Ｂ）に示すように、面１ｄが現われる。しかし、こ
れは（１１１）面ではないので、エツチングは進行し、
石英系チャネル光導波路２の下部のシリコンへのエツチ
ングの食い込みが起とシ、導波路端部はシリコンから離
れて浮いた状態になる。力お、上記エツチングに際して
は、石英系光導波路が荒れカいことが必要である。

そのためには、エツチング液としては、ＫＯＨよシも有
機アルカリであるピロカテコール・エチレン・ジアミン
の方が望ましい。

上記の異方性エツチングの他に、シリコンの等方性エツ
チングを用いてもよい。この場合の工程を第４図（Ａ）
および（Ｂ）に示す。第４図（Ａ）は、エツチングのた
めのマスク形成工程を示す。プラズマＯＶＤ法などを用
いて、シリコンをエツチングする導波路端部付近以外に
、５ｉｎ２３１１４６をつける。次いで、これを、フッ
硝酸（ＨＦ及びＨＮＯ３の混合液）エツチング液につけ
ると、シリコン基板がエツチングされ第４図（Ｂ）に示
すように１導波路端部付近のシリコン基板が除去される
。フッ硝酸は５１０２を若干エツチングするので、チャ
ネル光導波路保護のため、マスクとしてのＳｉＯ２換６
が必要となる。上述のシリコンの異方性エツチングと比
較すると、等方性エツチングの場合には、基板とするシ
リコン基板の結晶面およびチャネル光導波路を形成する
方向に制限はない点は有利であるが、５１０２マスク６
を形成する工程が入るので、その分だけめんどうである
。

なお、チャネル光導波路端部付近のシリコン基板をエツ
チングするのは、次のような理由からである。まず、第
１に、端面レンズは加熱溶融によって行なうが、この際
、導波路２の端部がシリコン基板１に接していると、き
れいな球状にならない。したがって、球面レンズとする
ためには、導波路端部２がシリコン基板１から離れてい
なければならない。第２に、シリコン基板１は熱伝導度
が良く、石英系導波路２の端部がシリコン基板に接して
いると、熱が逃げて、加熱溶融しにくい。

次に、第２図１０）に示した加熱溶融によるレンズ形成
工程を詳しく説明する。加熱の方法としては、マイクロ
・トーチ等による火炎を用いてもよいが、本実施例では
、００□レーザを照射して加熱溶融した。この方法を用
いた方が、加工条件を制御しやスイ。例えば、００．レ
ーザビームをゲルマニウムのレンズにより、スポット径
約２００μｍに集光する。

ここで、ＣＯ２レーザ光パワーが３．５Ｗ以下では石英
系光導波路２は溶融し力い。光パワーを４．０Ｗ〜５．
ＯＷに設定し、約１０秒間照射した場合、照射部分の石
英系先導波路２は溶融し、導波路端面に球面レンズ３が
形成される。しかし、パワーが５．５Ｗ以上になると、
溶融部分がきれい々半球状にならず、先端の溶融部分が
シリコン基板１側に垂れ下がってしまう。これらのこと
より、レンズ形状は導波路溶融部分に働く表面張力と重
力とのバランスで決まシ、表面張力が重力より大きい場
合に、形状の良い半球面レンズが形成できる。

逆に、溶融温度が高すぎると、石英ガラスの粘性が減少
し、表面張力が小さくなるためにレンズ形状がくずれる
と考えられる。

ＣＯ２レーザを照射する方向は第３図（Ａ）の正面から
、または第３図（Ｂ）の上側からが可能であるが、この
時照射される面を水平に保つような構成にしておけば、
溶融部が垂れ下がることはない。

一方、形成された半球状レンズのレンズ半径は、溶融す
る導波路部分の長さに依存する。溶融部分の長さは導波
路下部へのシリコン基板エツチングの食い込みの深さで
決定される。すなわち、シリコン基板に接した石英系光
導波路部分では、上述の榮件でＯＯ□レーザ光を照射し
ても熱がシリコン基板に逃げるので溶融しない。したが
って、下にシリコン基板のない浮いた状態の導波路部分
のみが溶融する。

厚さ５５μｍ（クラツド層５μｍ１コア層４５μｍ１　
バッファ層５μｍ）、幅４５μｍの石英系先導波路につ
いて、シリコン基板のエツチング食い込み量Ｘと形成さ
れたレンズ半径ｒとの関係を調べた結果を第５図に示す
。

上述のプロセスで形成した、レンズ半径ｒ中２０１Ｌｍ
端面レンズの効果を調べるために半導体レーザ（Ｉ、Ｄ
　）との結合効率を調べた。ここで使用したＬＤは２０
　＃ｍＸ　０．７ｔｉｍの発光領域をもつＧａＡｓレー
ザで、発振波長は８７５　ｎｍであった。導波路端面レ
ンズのレンズ面とＬＤの発光面との距離が８０μｍのと
きに最も結合効率が高く、約５０％の効率が得られた。

一方、比較のだめに、端面レンズを形成していない導波
路について、同様の結合効率を測定したところ、約８％
であシ、端面レンズを形成したことにより効率が５倍程
度改善されており、レンズの効果を確認することができ
た。

なお、上述の実施例は、石英系光導波路を用いた場合で
あるが、これ以外の材料の場合でも本発明は適用できる
。ただし、本発明を実施するにあたって好適な材料は、
シリコンのエツチング液にエツチングされに＜＜、かつ
融点がシリコン基板より低いものである。

〔効　果〕

以上説明したように、本発明によれば、シリコン基板上
に形成したチャネル先導波路に対して、シリコン基板の
うち当該光導波路の端面付近の部分をエツチングなどで
除去し、そのチャネル光導波路端面部分に熱溶融を施し
てレンズを形成するので、かかるチャネル光導波路端面
に容易に良質のレンズを形成できる。シリコン基板は、
熱伝導度に優れているので、シリコンに接した光導波路
部分は温度が上がらず、シリコンに接していない部分の
温度のみが上昇するから、このようにして形成されるレ
ンズのレンズ半径を、導波路の溶融部分の長さにより決
定することができ、さらに、この溶融部分の長さは、導
波路端面下へのエツチング食い込み量によシ決定するこ
とができる。したがって、本発明の方法によれば、シリ
コンのエツチング時間を決めることによって、形成でき
るレンズの半径を決めることができるので、再現性良く
レンズを形成できるという利点がある。さらに加えて、
本発明光導波路によれば、例えば第６図に示すように、
ＬＤ等の発光素子７と光導波路２とを同一基板１上で結
合することが可能となる。

な’、７ａはＬＤ５の活性層を示す。この場合、シリコ
ン基板１はＬＤ７のヒートシンクの役割をも果たす利点
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である端面レンズ付チャネル
光導波路を示す斜視図、第２図（Ａ）〜（０）は端面レンズ付チャネル光導波路
の製造方法を示す斜視図、第３図（Ａ）および（８）はシリコン基板の異方性エツ
チングの態様を示す、それぞれ、断面図および上面図、第４１仏）および（Ｂ）はシリコン基板の等方的エツチ
ングの工程を説明するための斜視図、第５図はエツチン
グの食い込み量とレンズ半径との関係を示す特性曲線図
、第６図は本発明の適用例の１つとして同一基板上での半
導体レーザと導波路との一体構成例を示す正面図である
。１・・・シリコン基板、１ａ・・・（１００）面、１ｂ・・・（１１１）面、ＩＣ・・・（１１０）面、１ｄ・・・それ以外のエツチング面、２・・・チャネル光導波路、２ａ・・・クラッド層、２ｂ・・・コア層、２Ｃ・・・バッファ層、３・・・端面レンズ、４・・・シリコン基板に形成されだくほみ、５・・・シ
リコン基板のうち導波路端面付近の部分、６・・・Ｓｉ
ｏ２マスク層、７・・・半導体レーザ、７ａ・・・活性層。

Claims

【特許請求の範囲】１）シリコン基板上に形成したチャネル光導波路におい
て、前記シリコン基板には、前記チャネル光導波路のう
ち、少なくとも端部付近のシリコン基板が除去されるよ
うにくぼみを設け、そのチャネル光導波路の端面にレン
ズを設けたことを特徴とする端面レンズ付チャネル光導
波路。２）シリコン基板上にチャネル光導波路を形成する工程
と、前記シリコン基板のうち、前記チャネル導波路の少
なくとも端部付近のシリコン基板を除去する工程と、前
記チャネル光導波路の端部を加熱溶融して前記チャネル
光導波路の端面にレンズを形成する工程とを具えたこと
を特徴とする端面レンズ付チャネル光導波路の製造方法
。