JP2018092016A - 光部品 - Google Patents

Abstract

【課題】熱位相シフタなどの発熱部からの熱の影響による空間光学系との間で入出力される光ビームの光学特性や信頼性の劣化が抑制できるようにする。【解決手段】基板１０１の主表面上に形成された光導波路形成層１０２と、光導波路形成層１０２の一部に配置された発熱部１０３と、光導波路形成層１０２一端に設けられた空間光ビーム入出力部１０４と、空間光ビーム入出力部１０４と発熱部１０３との間の基板１０１の裏面に形成された溝部１０５とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、発熱部を備えて空間光学系との間で光を入出力する平面光導波回路を備える光部品に関する。

情報通信トラフィックの大容量化に対応するため、光ファイバを用いた通信ネットワークでは、波長多重伝送が実現されている。また、波長多重伝送に対応する多くの光通信デバイスが、実用化されているが、今後の更なる大容量化に対応するために、更なる高機能化が望まれている。

このような光通信デバイスとして、平面型光導波路がある。平面型光導波路は、光の合分波機能、分岐機能、スイッチ機能などが高精度で実装できるため、広く利用されている。特に、石英ガラス系からなる石英系の平面光導波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）は、光ファイバとの結合に優れ、材料の信頼性も高いため、スプリッタ、波長合分波器、光スイッチなど光通信用の多種多様な機能素子へ応用されている。また、半導体材料からなる光導波路や、シリコンをコアとしたＳｉ光導波路による光機能素子も、受発光素子との集積性や小型化に優れていることから、広く応用がなされている。

特に、光スイッチにおいては、ＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer）システムが導入されている。従来の光スイッチでは、伝送されてきた光信号を電気信号に変換した後に、電気スイッチにより経路切り替えを行う方法が主流であった。これに対し、ＲＯＡＤＭシステムでは、高速で広帯域であるという光信号の特徴を生かし、光スイッチなどを用いて光信号のまま、アド・ドロップなどを行っている。

ＲＯＡＤＭシステムでは、光ファイバによる波長多重ネットワークをリング型として、リングネットワークの各ノードにおいて、光信号のアド・ドロップを行うとともに、アド・ドロップの必要がないものは、光信号のまま通過させる処理が行われている。このＲＯＡＤＭシステムに必要なデバイスとして、方向性結合器あるいは方向性結合器を用いたマッハツェンダ型導波路と、位相シフタなどとを用いてポート間を切り替える光導波路型光スイッチなどが知られている。

代表的な構成として、ヒータ（電熱器）を用いるスイッチング素子がある（特許文献１参照）。このスイッチング素子は、マッハツェンダ光回路中の光導波路にヒータを形成し、ヒータに熱を加えることで光導波路の屈折率変化を生じさせて位相を変化させ、出力する光のＯＮ・ＯＦＦや光の強度調整、位相変調を行っている。このヒータを用いる技術は、熱位相シフタとも呼ばれている。

この他にも、電気光学効果やキャリア注入によるプラズマ効果などによる位相シフタも知られている。いずれの位相シフタも、光導波路近傍に配置し、位相シフタを電気制御するための電気配線を光導波路上に形成している。また、半導体ＰＬＣでは、半導体光増幅効果や、光導波路の光吸収を電気で制御する電界吸収を用いた光導波路型光スイッチなども知られている。

更に、上述した光導波路型光スイッチ以外にも、より高機能な光スイッチとして、波長多重信号を波長チャンネル単位で切り替えることができる波長選択スイッチ（Wavelength selective switch：ＷＳＳ）モジュールなども知られている。ＷＳＳモジュールは、光ファイバからなる入出力系、回折格子やレンズなどからなる空間光学系、および空間光スイッチング素子であるＭＥＭＳや位相変調素子、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）などから構成されている。

また、近年では、光ファイバの入出力系に、前述の石英系ＰＬＣによる平面型光導波路を用いてレンズ機能や回折格子機能などを集積した高機能ＷＳＳモジュールも提案されている（非特許文献１参照）。このモジュールでは、光導波路の一方に光ファイバが接続され、光ファイバからの入出力された光が光導波路を通過することでビーム径や位相などが制御されている。ビーム径や位相などが制御された光ビームは、光導波路の一方から空間光学系に入出力され、レンズなどを通過する。更に、非特許文献１に記載されているように、光導波路に熱位相シフタを配した光導波路型光スイッチを集積して入出力系とし、ＷＳＳなどに用いられる空間光学系や位相変調素子と組み合わせ、ＲＯＡＤＭ用の高機能なアド・ドロップスイッチに用いるといった応用が報告されている。

また、光スイッチ以外にも、特許文献１に記載のように、平面型光導波路とレーザやフォトダイオードなどの受発光素子とを、空間光学系を介して集積させる応用なども報告されており、平面型光導波路と空間光学系との融合が進展している。

特開２００７−０７８８６１号公報

Y. Ikuma et al., "8×24 Wavelength Selective Switch for Low-loss Transponder Aggregator", Optical Fiber Communications Conference and Exhibition , 15216151, pp. 22-26, 2015.

上述した平面型光導波路を空間光学系用途として用いる場合、平面型光導波路と空間光学系との間で光ビームが入出力されることになり、実用的に用いるためには、光ビームの出射位置、出射角度、およびビーム形状などが安定であることが重要となる。このために、一般には、平面型光導波路における光ビームの入出力部を、接着剤やはんだなどを用いてパッケージなどに固定することで信頼性を確保している。

しかしながら、非特許文献１に記載のように、熱位相シフタを平面型光導波路に組み合わせて入出力系とした場合、光ビームの出射位置、出射角度、ビーム形状の安定性に問題が発生する。熱位相シフタを用いる技術では、発生する熱がビーム入出力部に加わることとなる。このため、以下に示すような問題が発生する。第１に、光導波路チップ自体が熱膨張し、結果として光ビームの出射位置がずれる。第２に、接着剤など用いた固定部に熱変化に伴う応力が加わり、固定部の信頼性が劣化する。第３に、入出力部に形成された光導波路の屈折率が熱などにより変化し、入出力部で光の干渉状態などが変化し、光ビームの品質が変化する。

上述した問題により、空間光学系との整合がとれずに、系全体として光学特性や信頼性が劣化するという課題があった。

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、熱位相シフタなどの発熱部からの熱の影響による空間光学系との間で入出力される光ビームの光学特性や信頼性の劣化が抑制できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光部品は、基板の主表面上に形成された光導波路を備える光導波路形成層と、光導波路形成層の一部に配置された熱を発する発熱部と、光導波路形成層の一端に設けられ、光導波路形成層より空間に光ビームを出射し、空間からの光ビームを光導波路形成層に入射するための空間光ビーム入出力部と、空間光ビーム入出力部と発熱部との間の基板の裏面に形成された溝部とを備える。

上記光部品において、基板よりも熱伝導率が低い物質から構成されて溝部に充填された補強部材を備えるようにするとよい。

上記光部品において、発熱部が形成されている領域における基板の裏面に接続する放熱部品を備えるようにしてもよい。

上記光部品において、溝部より空間光ビーム入出力部が配置されている側の基板の裏面に接続して基板を保持する保持構造体を備えるようにしてもよい。

上記光部品において、発熱部は、光導波路形成層の光導波路の一部を加熱する薄膜ヒータである。また、発熱部は、半導体レーザである。

上記記載の光部品において、基板は、単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ、タングステン、タングステンシリサイド、石英、タンタル酸リチウム、窒化アルミニウム、インジウムリン、水晶のいずれかから構成されていればよい。

以上説明したように、本発明によれば、空間光ビーム入出力部と発熱部との間の基板裏面に溝部を設けるようにしたので、熱位相シフタなどの発熱部からの熱の影響による空間光学系との間で入出力される光ビームの光学特性や信頼性の劣化が抑制できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における光部品の構成を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態１における光部品の一部構成を示す平面図である。 図３は、本発明の実施の形態１における光部品の一部構成を示す断面図である。 図４Ａは、従来の光部品の構成を示す構成図である。 図４Ｂは、従来の光部品の構成を示す構成図である。 図４Ｃは、従来の光部品の構成を示す構成図である。 図５は、本発明の実施の形態１における光部品の他の構成を示す構成図である。 図６は、本発明の実施の形態１における光部品の構成例を示す平面図である。 図７は、本発明の実施の形態２における光部品の構成を示す構成図である。 図８は、本発明の実施の形態３における光部品の構成を示す構成図である。 図９は、本発明の実施の形態４における光部品の構成を示す構成図である。 図１０は、本発明の実施の形態５における光部品の構成を示す構成図である。 図１１は、本発明の実施の形態６における光部品の構成を示す構成図である。 図１２は、本発明の実施の形態７における光部品の構成を示す構成図である。

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。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光部品の構成を示す構成図である。図１では、断面を模式的に示している。この光部品は、基板１０１の主表面上に形成された光導波路形成層１０２を備える。光導波路形成層１０２は、例えば複数の光導波路を備えて光回路が構成されている。例えば、単結晶シリコン（Ｓｉ）から構成された基板１０１の上に、ガラス（酸化シリコン）より構成された光導波路形成層１０２により平面光波回路（ＰＬＣ）が構成されている。

また、この光部品は、光導波路形成層１０２の一部に配置された熱を発する発熱部１０３を備える。また、この光部品は、光導波路形成層１０２一端に設けられた空間光ビーム入出力部１０４を備える。空間光ビーム入出力部１０４は、光導波路形成層１０２に設けられている光導波路の光入出射端の部分である。空間光ビーム入出力部１０４により、光導波路形成層１０２の一端側の光導波路の端部より空間１２１に光ビームを出射する。また、空間光ビーム入出力部１０４により、空間１２１からの光ビームを光導波路形成層１０２の一端側の光導波路の端部に入射する。

例えば、空間光ビーム入出力部１０４より、図示しないレンズ、位相変調素子などによる空間光学系を介し、、ＷＳＳなどに適用され、またフォトダイオードなどの光受光部（不図示）へと光接続されることで、光受信器に適用されるように構成されている。光ビームが入出力する空間光ビーム入出力部１０４は、必要に応じて、光導波路形成層１０２のコア径を徐々に変化させるテーパ光導波路などを用い、ビーム径を広げるようにしてもよい。また、あるいは、非特許文献１に記載のように、アレイ光導波路やスラブ光導波路などを空間光ビーム入出力部１０４に組み合わせ、レンズ機能または回折格子機能を持たせるようにしてもよい。

ここで、例えば、光導波路形成層１０２は、図２の平面図に示すように、第１コア１１１ａおよび第２コア１１１ｂを備える。第１コア１１１ａおよび第２コア１１１ｂは、２つの方向性結合器１１２を備え、マッハツェンダ干渉計を構成している。図３の一部断面図にも示すように、第１コア１１１ａおよび第２コア１１１ｂは、クラッド層１１３に埋め込まれている。各コアにより光導波路が構成される。

また、発熱部１０３において、第１コア１１１ａの上部のクラッド層１１３上には、薄膜ヒータ１１４ａが形成されている。薄膜ヒータ１１４ａには、配線１１５ａが接続され、電流が印加可能とされている。同様に、発熱部１０３において、第２コア１１１ｂの上部のクラッド層１１３上には、薄膜ヒータ１１４ｂが形成されている。薄膜ヒータ１１４ｂには、配線１１５ｂが接続され、電流が印加可能とされている。電流印加により、薄膜ヒータ１１４ａ、薄膜ヒータ１１４ｂは発熱する。これらで、熱位相シフタが構成されている。実施の形態１では、上述したように、光導波路形成層１０２のいずれかの光導波路の一部を加熱する薄膜ヒータが発熱部１０３となる。

各配線は、光部品上で取り回されており、光部品に設けたパッド（不図示）と接続され、更にパッドはワイヤボンディングなどを用いて電気的に外部と接続されている。上述した例では、２つの薄膜ヒータによりマッハツェンダ型光スイッチあるいは光可変減衰器などの光回路を形成している。薄膜ヒータによりコアに熱を加えることで、コアの屈折率が変化する。この結果、一方の方向性結合器における干渉条件を制御することが可能である。これを利用して、光スイッチや光可変減衰器などとして用いられている。また、この構成を連続的につなげることで、任意の１×Ｍスイッチ（Ｍは整数）を形成することが可能である。この例では薄膜ヒータは、マッハツェンダの２つの光導波路に形成しているが、いずれか一方のみに形成してもよい。

上記構成に加え、実施の形態１における光部品は、空間光ビーム入出力部１０４と発熱部１０３との間の基板１０１の裏面に形成された溝部１０５を備える。溝部１０５は、基板１０１の裏面において、空間光ビーム入出力部１０４の配置領域と、発熱部１０３の配置領域とを区画するように形成する。溝部１０５は、図１に示すように、光導波路形成層１０２側に基板の一部を僅かに残す状態としてもよい。また、溝部１０５は、基板１０１を貫通して形成してもよい。ただし、溝部１０５は、基板１０１を貫通して形成することにより、後述する断熱構造として最も高い断熱効果が得られるようになる。

実施の形態１では、光導波路形成層１０２の他端に設けられた光入出力部１０６を備える。光入出力部１０６には、光ファイバ１０７が光接続されている。光ファイバ１０７は、光入出力部１０６に設けられている光導波路に光接続している。また、光ファイバ１０７は、固定部品１０８により、基板１０１および基板１０１に取り付けられた補助部品１０９に固定されている。固定部品１０８は、接着剤による接着層１１０で、基板１０１の側面および補助部品１０９に接着されている。光入出力部１０６と光ファイバ１０７とは、空間光学系を介して接続してもよい。

ここで、実施の形態１における光部品の動作例について説明する。例えば、薄膜ヒータ１１４ａを駆動すると、この部分の第１コア１１１ａは、薄膜ヒータ１１４ｂを駆動していない第２コア１１１ｂと比べて、おおよそ温度差で１０〜５０℃程度の差が生じる。薄膜ヒータ１１４ａからの熱は、第１コア１１１ａ周囲のクラッド層１１３へと、おおよそ等方的に伝わっていく。このようにして伝導していく熱は、第１コア１１１ａ下部のクラッド層１１３へ伝導したのち、更に基板１０１へと伝わる。

ここで、単結晶Ｓｉからなる基板１０１の熱伝導率は、ガラスの熱伝導率よりも２桁程度大きい。このため、基板１０１においては、相対的に熱伝導が早く進行し、直ちに基板１０１の全体に熱が伝わることとなる。この結果、薄膜ヒータ１１４ａから基板１０１に熱が到達するまでの時間では、各コアおよびクラッド層１１３におおよそ等方的に熱が伝わる。しかしながら、ひとたび基板１０１に熱が達すると、熱の流れは基板１０１が支配的となり、各コア部およびクラッド層１１３における熱の伝導は一部領域を除いて行われないことを意味する。

また、Ａｕなどの金属からなる配線は、熱伝導率が非常に大きいため、ヒータの熱がすぐに伝導することになる。このため、配線直下においても、前述と同様の現象が起こる。

光スイッチでは、ヒータは複数配置され、配線も多数形成されることになるため、ヒータ近傍や配線近傍からの熱も、基板へ伝わることとなる。結果として、図４Ａに示す溝がない構成では、基板１０１を経由して空間光ビーム入出力部１０４へも熱が伝わる。このため、例えば、光スイッチ動作を行うたびに発生する熱により光部品が熱膨張し、光ビームの出射位置が変化する。また、熱膨張による応力が、光ファイバ１０７などを固定する部分に加わり、固定部の信頼性が低下する。あるいは、空間光ビーム入出力部１０４における光導波路形成層１０２の屈折率が熱により変化し、空間光ビーム入出力部１０４での光の干渉状態などが変化し、光ビームの品質が変化する。この結果、空間光学系との整合がとれずに、系全体として光学特性やその信頼性が劣化するという問題があった。

薄膜ヒータを駆動する素子数や温度は、スイッチの切り替えなどの機能ごとに動的に異なるため、駆動が異なるたびに熱が変化することとなり、駆動のたびに、上述した問題が起きることになる。

上述した問題に対し、本発明の実施の形態１によれば、断熱構造である溝部１０５を設けたので、発熱部１０３で発生して基板１０１に到達した熱は、溝部１０５で基板を介した伝導が遮られ、基板１０１の空間光ビーム入出力部１０４の側には伝達しにくい状態となっている。このため、発熱部１０３で発生した熱の大半は、は、基板１０１の発熱部側を伝わり、空間へと伝達されることになる。

発熱部１０３と溝部１０５との距離が、光導波路形成層１０２の厚さよりも大きく一定以上離れていれば、ほとんどの熱が、発熱部１０３が配置されている領域の基板１０１へ伝わり、基板１０１の露出面（裏面など）から伝達、輻射されていく。この結果、実施の形態１では、発熱部１０３からの熱は、空間光ビーム入出力部１０４に伝わるまでの時間が相対的に非常に遅くなる。この結果、上述した問題が、抑制できるようになる。

更に、熱伝達をより効率的に起こさせるような放熱部品を、熱伝導グリースなどを介して発熱部１０３が形成されている領域における基板１０１の裏面に接続させることで、ほぼすべての熱が放熱部品に伝わるようになる。この結果、発熱部１０３からの熱は、空間光ビーム入出力部１０４にはほとんど伝わることがなく、前述した問題をより効果的に抑制できるようになる。

次に、従来技術の断熱構造との相違点について述べる。従来、光導波路上に配置されたヒータを断熱する技術として、図４Ｂおよび図４Ｃに示す構造が知られている。図４Ｂおよび図４Ｃは、導波方向に垂直な断面を示している。これらの構造は、いずれも放熱量を抑制し、ヒータからこの直下のコアに効率よく熱を加えるという用途で用いられており、本構造とは根本的に異なる。例えば、図１４Ｂに示す構成では、ヒータの直下には、基板が設けられていない。このため、ヒータより発生する熱は、基板に伝わりにくい状態であり、ヒータ直下のコアに対して効率的に熱が印加される。この結果、ヒータ直下のコアによる光導波路の屈折率変化をより低消費電力で行える。

また、図１４Ｃに示す構成では、ヒータが配置されるコアの光導波路は、他のコアによる光導波路と分離している。このため、ヒータからの熱が、他の光導波路を介して基板に伝わることがなく、ヒータ直下のコアに対して効率的に熱が印加される。この結果、この構成においても、ヒータ直下のコアによる光導波路の屈折率変化をより低消費電力で行える。

これらの技術では、結果として基板側には熱が伝わるため、光部品の全体には熱が伝導していく構造である。また、分離している構造は、導波方向に沿っているため、配線部などを介してチップ全体に熱が伝導していく構造となっている。

これらに対し、本発明は、コアの進行方向と垂直あるいは異なる方向で基板を分断するもので、その目的とするところが根本的に異なるという違いを有する。

次に、実施の形態１における光部品の製造方法について、簡単に説明する。例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用い、公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術などにより表面Ｓｉ層をパターニングし、光導波路（光回路）を構成するコア層を形成する。次に、例えば、プラズマＣＶＤ法などのよく知られた堆積法により、酸化Ｓｉを堆積してクラッド層を形成し、光導波路を形成する。次いで、所定の箇所に薄膜ヒータを形成し、また、薄膜ヒータに接続する配線などを形成する。

なお、光導波路の形成方法については、上記の他に、Ｓｉ基板上に火炎堆積法などを用いてアンダークラッドとなるガラス層を形成し、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術により、屈折率がクラッドよりも高いコアとなるガラス材料を埋め込んだのちに、再度ガラス層を堆積させて、コア埋め込み型の光導波路を形成する方法などでもよい。

以上のようにして、基板１０１の上に光導波路形成層１０２および発熱部１０３などを形成した後、基板１０１の裏面に溝部１０５を形成する。例えば、溝部１０５に開口を有するマスクパターンを形成し、マスクパターンを用いて選択的に基板１０１の裏面をエッチング除去することで、溝部１０５が形成できる。エッチング法としては、ディープＲＩＥ法あるいは、ウェットエッチングのいずれも用いることができる。また、ダイシング技術を用い、基板１０１裏面より切り込みを入れることで、溝部１０５を形成してもよい。

溝部１０５は、延在方向の断面を矩形としているが、これに限るものではなく、図５に示すように、延在方向の断面形状を三角形とし、光導波路形成層１０２に近づくほど幅が狭くなる溝部１０５ａとしてもよい。例えば、主表面の面方位が（１００）とされている単結晶Ｓｉからなる基板１０１の裏面より、上記マスクパターンを用い、アルカリ水溶液で選択的にエッチングすると、約５５度の傾斜角度を持つ（１１１）面を露出するようにエッチングされる。これにより、断面三角形の溝部１０５ａが形成できる。また、斜め形状のブレードを用いたダイシング加工により、溝部１０５ａを形成してもよい。

この場合においても、溝部１０５ａは、光導波路形成層１０２側に基板の一部を僅かに残す状態としてもよく、基板１０１を貫通して形成してもよい。ただし、溝部１０５ａも、基板１０１を貫通して形成することにより、断熱構造として最も高い断熱効果が得られるようになる。

また、溝部１０５により、発熱部１０３が形成される領域の基板１０１と、空間光ビーム入出力部１０４が設けられている基板１０１とが熱的に分離すればよい。例えば、上述した例では、図６の（ａ）に示すように、平面視で直線状に延在する溝部１０５を形成してもよく、図６の（ｂ）に示すように、平面視でコの字状の溝部２０５を形成してもよい。

また、図６の（ｃ）に示すように、発熱部１０３が形成される領域と、空間光ビーム入出力部１０４が形成されている領域との間の溝部２０５ａに加え、光導波路形成層１０２の他端側と発熱部１０３との間の基板１０１裏面に、発熱部１０３の形成領域を分離するように、溝部２０５ｂを形成してもよい。

また、基板１０１の発熱部１０３が形成されている領域を平面視で囲う溝部２０５ｃを形成してもよい。空間光ビーム入出力部１０４は、溝部２０５ｃの外側に配置される。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態２における光部品の構成を示す構成図である。図７は、断面を模式的に示している。この光部品は、基板１０１の主表面上に形成された光導波路形成層１０２を備える。また、光部品は、光導波路形成層１０２の一部に設けられた発熱部１０３を備える。また、この光部品は、光導波路形成層１０２一端に設けられた空間光ビーム入出力部１０４を備える。

また、実施の形態２における光部品は、空間光ビーム入出力部１０４と発熱部１０３との間の基板１０１の裏面に形成された溝部１０５を備える。また、光導波路形成層１０２の他端には、光入出力部１０６を備える。光入出力部１０６には、光ファイバ１０７が光接続されている。また、光ファイバ１０７は、固定部品１０８により、基板１０１および基板１０１に取り付けられた補助部品１０９に固定されている。固定部品１０８は、接着剤による接着層１１０で、基板１０１の側面および補助部品１０９に接着されている。

上述した構成は、前述した実施の形態１と同様である。実施の形態２では、基板１０１よりも熱伝導率が低い物質から構成されて溝部１０５に充填された補強部材３０１を備える。基板１０１を、単結晶Ｓｉから構成する場合、補強部材３０１は、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂などから構成すればよい。これら樹脂は、混合物が無い限りは、熱伝導率がガラスやＳｉなどよりも十分低く、かつヤング率も小さいため好適である。

実施の形態２によれば、前述した実施の形態１と同様に、空間への光ビーム出射位置の変動や光ビームの品質劣化、あるいは接着固定部における熱印加の影響・劣化が抑制できるようになる。補強部材３０１は、熱伝導率が小さいため、補強部材３０１を介する熱伝導はごくわずかである。更に、熱伝達をより効率的に起こさせるような放熱部品を、熱伝導グリースなどを介して基板１０１に接続させることで、ほぼすべての熱が放熱部品に伝わるようになる。この結果、発熱部１０３からの熱は、空間光ビーム入出力部１０４にはほとんど伝わることがなく、前述した問題をより効果的に抑制できるようになる。

更に、実施の形態２によれば、溝部１０５を補強部材３０１で充填するので、基板１０１の溝部１０５における機械的強度の低下や変形を防ぐことが可能となる。この結果、この部分における光導波路形成層１０２の機械的強度の低下や変形を防ぐことが可能となり、より高信頼な光部品が実現できる。ここで、補強部材３０１、高分子樹脂から構成し、溝部１０５を形成した後で充填することで形成することが望ましい。特に、熱硬化樹脂や光硬化樹脂を用い、溝部１０５をこれら材料で充填した後、加熱や光照射により硬化させることで、補強部材３０１を形成することが好ましい。補強部材３０１のヤング率は小さいほど基板１０１や光導波路形成層１０２への応力の影響が小さいため好ましく、より具体的には、補強部材３０１のヤング率は、常温（２５℃）で１×１０⁹Ｐａ以下程度が好ましい。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施の形態３における光部品の構成を示す構成図である。図８は、断面を模式的に示している。この光部品は、基板１０１の主表面上に形成された光導波路形成層１０２と、光導波路形成層１０２の一部に配置された発熱部１０３と、光導波路形成層１０２の一端に設けられた空間光ビーム入出力部１０４とを備える。

また、実施の形態３における光部品は、空間光ビーム入出力部１０４と発熱部１０３との間の基板１０１の裏面に形成された溝部１０５を備える。また、この光部品は、光導波路形成層１０２の他端に設けられた光入出力部１０６を備える。光入出力部１０６には、光ファイバ１０７が光接続されている。また、光ファイバ１０７は、固定部品１０８により、基板１０１および基板１０１に取り付けられた補助部品１０９に固定されている。固定部品１０８は、接着剤による接着層１１０で、基板１０１の側面および補助部品１０９に接着されている。

上述した構成は、前述した実施の形態１と同様である。これらに加え、実施の形態３では、まず、発熱部１０３が形成されている領域における基板１０１の裏面に接続するヒートシンク（放熱部品）４０１を備える。また、実施の形態３では、溝部１０５より空間光ビーム入出力部１０４が配置されている側の基板１０１の裏面に接続して基板１０１を保持する保持構造体４０２を備える。保持構造体４０２は、ヒートシンク４０１とは熱的に分離している。

ヒートシンク４０１は、放熱面にはフィンや複数の棒を備え、放熱面の反対側の熱伝導面で基板１０１の裏面に接続する。フィンなどを設けることで表面積を拡大させ、熱伝達や輻射熱がより大きくなるようにするとよい。例えば、伝熱接着剤による接着層４０３でヒートシンク４０１の熱伝導面が、基板１０１の裏面に接着固定されている。接着層４０３は、伝熱グリース、フィルム型の接着剤などから構成してもよい。また、接着層４０３は、はんだから構成してもよい。また、接着層４０３として、金属バンプなどを用い、基板１０１の裏面にヒートシンク４０１を接合してもよい。ヒートシンク４０１は、アルミニウムや銅など、熱伝導性が基板１０１と同等あるいは基板１０１以上の金属から構成すればよい。

また、ヒートシンク４０１と基板１０１との間に、熱制御用ヒータや熱制御用ペルチェ素子などを設けてもよい。

上述したように、ヒートシンク４０１を設けることで、基板１０１に伝導した熱が、ヒートシンク４０１に伝わるようになり、空間光ビーム入出力部１０４が形成されている側の基板１０１へより伝達しにくくなる。

また、保持構造体４０２は、溝部１０５より空間光ビーム入出力部１０４が配置されている側の基板１０１の裏面に、はんだや接着剤などによる接着層４０４により接合している。保持構造体４０２は、光部品を保持する筐体やパッケージなどと同一あるいは一体化されていることが好ましい。保持構造体４０２は、ＳＵＳなどの汎用的な金属や、適宜筐体、パッケージの用途に応じた合金から構成すればよい。ここで、保持構造体４０２を構成する材料は、基板１０１と熱膨張係数が近いことが好ましい。このため、基板１０１をＳｉから構成した場合、保持構造体４０２は、コバールやインバーなどから構成することが好ましい。また、保持構造体４０２は、ガラスなどの酸化物や、セラミック、低熱膨張セラミックなどから構成してもよい。

保持構造体４０２を設けることで、実施の形態３における光部品は、保持構造体４０２に固定された構造となり、保持構造体４０２を基準として空間へ出射する光ビームの位置ずれを抑制することが可能である。例えば、保持構造体４０２は、空間光学系に配したレンズや位相変調素子あるいはフォトダイオードの固定部に接続させることができる。この構成とすることで、空間光学系と光部品との相対的な位置を、発熱部１０３からの熱の影響を受けることなく、安定させることが可能となる。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について、図９を用いて説明する。図９は、本発明の実施の形態４における光部品の構成を示す構成図である。図９は、断面を模式的に示している。この光部品は、基板１０１の主表面上に形成された光導波路形成層１０２と、光導波路形成層１０２の一部に配置された発熱部１０３と、光導波路形成層１０２の一端に設けられた空間光ビーム入出力部１０４とを備える。また、実施の形態４における光部品は、空間光ビーム入出力部１０４と発熱部１０３との間の基板１０１の裏面に形成された溝部１０５を備える。

上述した構成は、前述した実施の形態１〜３と同様である。実施の形態４では、光導波路形成層１０２の他端に、半導体レーザからなるレーザ光源５０１を備える。例えば、光導波路形成層１０２の他端側における基板１０１の主表面に、一部の基板１０１を薄くしてテラス部１０１ａを形成し、テラス部１０１ａにレーザ光源５０１を実装する。テラス部１０１ａにレーザ光源５０１を設けることで、レーザ光源５０１と光導波路形成層１０２との光軸を一致させる。

また、レーザ光源５０１が設けられた基板１０１の裏面側に、ヒータ５０２を備える。ヒータ５０２により、レーザ光源５０１における発振波長を安定化させる。

実施の形態４では、レーザ光源５０１およびヒータ５０２が発熱部１０３となる。レーザ光源５０１から出力されたレーザ光は、光導波路形成層１０２に入射して伝搬し、空間光ビーム入出力部１０４より空間に光ビームとして出射される。なお、レーザ光源５０１と空間光ビーム入出力部１０４との間の光導波路形成層１０２には、波長合分波器や偏波合分波器、光導波路型アイソレータなどといった機能素子が集積されていてもよい。なお、レーザ光源５０１を駆動するための電気配線（不図示）などが、基板１０１の上、また、光導波路形成層１０２の上に形成されている。

レーザ光源５０１を駆動すると一定の熱が発生するが、溝部１０５が設けられているため、この熱が空間光ビーム入出力部１０４へ伝導することが抑制されている。また、レーザ波長安定化のためのヒータ５０２からの熱も、溝部１０５が設けられているため、空間光ビーム入出力部１０４へ伝わることが抑制されている。従って、実施の形態４によれば、ヒータ温度、レーザ光源５０１の温度などの熱伝導の影響を取り除くことができる。また、実施の形態４によれば、ヒータ５０２による温度制御を、より効率的に行うことも可能である。

［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５について、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の実施の形態５における光部品の構成を示す構成図である。図１０は、断面を模式的に示している。この光部品は、基板１０１の主表面上に形成された光導波路形成層１０２と、光導波路形成層１０２の一部に配置された発熱部１０３と、光導波路形成層１０２の一端に設けられた空間光ビーム入出力部１０４とを備える。また、実施の形態４における光部品は、空間光ビーム入出力部１０４と発熱部１０３との間の基板１０１の裏面に形成された溝部１０５を備える。

上述した構成は、前述した実施の形態１〜４と同様である。実施の形態５では、光導波路形成層１０２の他端側に、光導波路型の半導体レーザ６０１を備える。半導体レーザ６０１が発熱部１０３となる。半導体レーザ６０１は、例えば、よく知られた分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）レーザである。また、半導体レーザ６０１は、例えば、よく知られた分布ブラッグ反射型（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）レーザである。

実施の形態５において、光導波路形成層１０２は、例えば、ＩｎＰなどの半導体から構成されている。光導波路形成層１０２の一部に活性領域を形成し、この活性領域に対して共振器構造を組み込めば、半導体レーザ６０１とすることができる。活性領域には駆動電極６０２が設けられ、駆動電極６０２には配線６０３が接続されている。例えば、活性領域の上に回折格子を共振器構造として組み合わせれば、ＤＦＢレーザとすることができる。また、活性領域の延長線上に回折格子を配置すればＤＢＲレーザとすることができる。これらは、公知の半導体プロセルにより製造可能である。

また、実施の形態５では、発熱部１０３が形成されている領域における基板１０１の裏面に、放熱部品４０１ａを介してヒータ５０２ａを備えている。放熱部品４０１ａは、例えば、アルミニウムや銅などの金属から構成する。ヒータ５０２ａは、半導体レーザ６０１の熱安定用に用いられる。半導体レーザ６０１より出力された光は、同一の光部品に集積された光導波路形成層１０２に出力されて導波し、空間光ビーム入出力部１０４より回路外へ光ビームとして出射される。このように駆動される半導体レーザ６０１からは、一定の熱が発生する。この熱は、前述した実施の形態４と同様に、溝部１０５が設けられているため、空間光ビーム入出力部１０４へ伝導することが抑制されている。

また、レーザ波長安定化のためのヒータ５０２ａからの熱も、溝部１０５が設けられているため、空間光ビーム入出力部１０４へ伝導することが抑制されている。従って、実施の形態５においても、ヒータ温度、半導体レーザ６０１による温度などの伝導の影響を取り除くことができる。また、実施の形態５においても、ヒータ５０２ａによる温度制御を、より効率的に行うことも可能である。

［実施の形態６］
次に、本発明の実施の形態６について、図１１を用いて説明する。図１１は、本発明の実施の形態６における光部品の構成を示す構成図である。図１１は、断面を模式的に示している。この光部品は、基板１０１ａの主表面上に形成された光導波路形成層１０２と、光導波路形成層１０２の一部に配置された発熱部１０３と、光導波路形成層１０２の一端に設けられた空間光ビーム入出力部１０４とを備える。また、実施の形態４における光部品は、空間光ビーム入出力部１０４と発熱部１０３との間の基板１０１ａの裏面に形成された溝部１０５を備える。実施の形態６において、基板１０１ａは、実施の形態３における基板１０１を薄層化している。

また、光導波路形成層１０２の他端には、光入出力部１０６が備えられている。光入出力部１０６には、光ファイバ１０７が光接続されている。また、光ファイバ１０７は、固定部品１０８により、基板１０１ａおよび基板１０１ａに取り付けられた補助部品１０９に固定されている。固定部品１０８は、接着剤による接着層１１０で、基板１０１ａの側面および補助部品１０９に接着されている。

また、実施の形態６でも、発熱部１０３が形成されている領域における基板１０１ａの裏面に接続するヒートシンク４０１を備える。また、実施の形態６でも、溝部１０５より空間光ビーム入出力部１０４が配置されている側の基板１０１の裏面に接続する保持構造体４０２を備える。保持構造体４０２は、ヒートシンク４０１とは熱的に分離している。

基板１０１ａ以外の上述した構成は、実施の形態３と同様である。実施の形態６は、より薄くした基板１０１ａを用いることで、発熱部１０３で発生した熱が、基板側により素早く伝わることとなり、基板１０１ａを介したヒートシンク４０１への熱伝導が、実施の形態３よりも効率よく行うことができる。なお、実施の形態６では、熱伝導性を備えかつ弾性変形する接着剤による弾性接着層４０３ａにより、ヒートシンク４０１の熱伝導面が、基板１０１ａの裏面に接着固定されている。この構造では、基板１０１ａとヒートシンク４０１との間に発生する応力を、弾性接着層４０３ａにより吸収する。

［実施の形態７］
次に、本発明の実施の形態７について、図１２を用いて説明する。図１２は、本発明の実施の形態７における光部品の構成を示す構成図である。図１２は、断面を模式的に示している。この光部品は、基板１０１の主表面上に形成された光導波路形成層１０２と、光導波路形成層１０２の一部に配置された発熱部１０３と、光導波路形成層１０２の一端に設けられた空間光ビーム入出力部１０４とを備える。また、実施の形態４における光部品は、空間光ビーム入出力部１０４と発熱部１０３との間の基板１０１の裏面に形成された溝部１０５を備える。

上述した構成は、前述した実施の形態と同様である。実施の形態７では、まず、光導波路形成層１０２の他端に設けられた空間光ビーム入出力部１０６ａを備える。空間光ビーム入出力部１０６ａにより、光導波路形成層１０２の他端側のいずれかの光導波路の端部より空間に光ビームを出射する。また、空間光ビーム入出力部１０４により、空間からの光ビームを光導波路形成層１０２の他端側のいずれかの光導波路の端部に入射する。

また、実施の形態７では、空間光ビーム入出力部１０６ａと発熱部１０３との間の部分で、基板１０１の裏面に形成された溝部７０１を備える。

なお、実施の形態７において、ヒートシンク４０１は、溝部１０５と溝部７０１との間における基板１０１の裏面に設けられている。また、実施の形態７において、保持構造体４０２は、溝部１０５より空間光ビーム入出力部１０４が配置されている側の基板１０１の裏面、および空間光ビーム入出力部１０６ａと溝部７０１との間の基板１０１の裏面に接続している。

上述した実施の形態７では、光導波路形成層１０２の両端に、空間光ビーム入出力部１０４および空間光ビーム入出力部１０６ａを設け、一端側に加え他端側においても、空間に光ビームを入出力する構成している。また、両端の空間光ビーム入出力部１０４および空間光ビーム入出力部１０６ａを、溝部１０５および溝部７０１で熱的に分離している。従って、他端側の空間光ビーム入出力部１０６ａにおいても、前述した問題が抑制された状態となっている。

以上に説明したように、本発明によれば、空間光ビーム入出力部と発熱部との間の基板裏面に溝部を設けるようにしたので、熱位相シフタなどの発熱部からの熱の影響による空間光学系との間で入出力される光ビームの光学特性や信頼性の劣化が抑制できるようになる。

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、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

例えば、石英ガラスに限らず、有機物からなるポリマーを用いた光導波路でもよい。また、Ｓｉ、インジウムリン（ＩｎＰ）などの半導体あるいは化合物半導体による光導波路でもよい。また、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などから構成した光導波路でもよい。また、光導波路は、埋め込み型光導波路に限らず、リブ型光導波路、リッジ型光導波路、メサ型光導波路、ハイメサ型光導波路、フォトニック結晶導波路などでも同様である。

基板１０１は、光導波路を構成する材料よりも熱伝導率が高い材料から構成すればよい。例えば、単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ、タングステン、タングステンシリサイド、石英、タンタル酸リチウム、窒化アルミニウム、インジウムリン、水晶などが基板１０１の材料として好適である。

また、平面型光導波路の光導波路形成層には、コアとクラッドが形成されており、更に、発熱体として位相シフタが形成されているが、レーザ光源などの発熱体がプロセス的に一体形成あるいは、光導波路形成層を形成した後に集積して一体化された構造でもよい。また、外部からの電気的応答などにより、光導波路に機能を付与するものであって、発熱するものであれば、その種類によらない。例えば、電気光学効果を用いた位相シフタや、キャリア効果による位相シフタ、また、半導体光増幅器などでもよい。また、当然本形態は回路構成や回路の機能によらない。また、光導波路にはその用途に応じて、適切な光回路が形成されていてもよい。

１０１…基板、１０２…光導波路形成層、１０３…発熱部、１０４…空間光ビーム入出力部、１０５…溝部、１０６…光入出力部、１０７…光ファイバ、１０８…固定部品１０９、１０９…補助部品、１１０…接着層、１２１…空間。

Claims (7)

1. 基板の主表面上に形成された光導波路を備える光導波路形成層と、
   前記光導波路形成層の一部に配置された熱を発する発熱部と、
   前記光導波路形成層の一端に設けられ、前記光導波路形成層より空間に光ビームを出射し、前記空間からの光ビームを前記光導波路形成層に入射するための空間光ビーム入出力部と、
   前記空間光ビーム入出力部と前記発熱部との間の前記基板の裏面に形成された溝部と
   を備えることを特徴とする光部品。
2. 請求項１記載の光部品において、
   前記基板よりも熱伝導率が低い物質から構成されて前記溝部に充填された補強部材を備えることを特徴とする光部品。
3. 請求項１または２記載の光部品において、
   前記発熱部が形成されている領域における前記基板の裏面に接続する放熱部品を備えることを特徴とする光部品。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光部品において、
   前記溝部より空間光ビーム入出力部が配置されている側の前記基板の裏面に接続されて前記基板を保持する保持構造体を備えることを特徴とする光部品。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光部品において、
   前記発熱部は、前記光導波路形成層の光導波路の一部を加熱する薄膜ヒータであることを特徴とする光部品。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光部品において、
   前記発熱部は、半導体レーザであることを特徴とする光部品。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の光部品において、
   前記基板は、単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ、タングステン、タングステンシリサイド、石英、タンタル酸リチウム、窒化アルミニウム、インジウムリン、水晶のいずれかから構成されていることを特徴とする光部品。

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