专利名称：光波导装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种包括光波导和安装在基底上的光学元件的光波导装置及其制造方法。
背景技术：
用于光接入市场(optical access market)的光学收发器被广泛地划分为微光模块，包括例如激光二极管(LD)和光电二极管(PD)的光学元件和例如薄膜滤光器和透镜的光学组件；和PLC (平面光波电路)模块，其通过在硅基底上形成石英波导并表面安装光学元件构成。在它们中，将例如光学元件的光学组件安装到PLC模块中的方法包括作为不需要调整光轴的安装方法的被动对准方法。在被动对准安装方法中，通过使用透明的红外光对设置在光学波导芯片和光学元件上的对准标记进行图像检测识别来确定相对于光学波导芯片的光学元件在平面方向上的位置。竖直方向上的位置通过支撑光学元件的基块(base block)的高度来确定。所述基块的高度在制造过程中被精确地调整。因此，相对于光波导的光轴高度可仅通过将光学组件安装在基块上来精确调整。JP^23044B(在下文中，称作专利文献1)公开了现有技术的光波导装置。图IA和图IB是示出在专利文献1中描述的光波导装置100的透视图。光波导装置100包括光波导116和光学元件安装座117。光波导116包括波导形成层115，其包括形成在硅基底111 上的下覆层112、芯层113和上覆层11 和114b。光学元件安装座117通过去除一部分光波导形成层115而形成。通过去除所述一部分光波导形成层115而暴露的光波导116的端面与安装在光学元件安装座117上的发光元件118光学耦合。光学元件安装座117包括基块119和对准标记120，发光元件118安装在其上。发光元件118与光波导117的端面之间的光学耦合需要安装在光波导装置100上的发光元件 118的有源层121与芯层113在高度上对准。图2是发光元件118和基块119的放大剖视图。如图2所示，在发光元件118的有源层深度为dl的情况下，基块119的高度hi被调整为与从硅基底111至芯层113的高度(光轴高度)和发光元件118的有源层深度dl之间的差一致。JP2002-111113A(在下文中，称作专利文献2)公开了一种光学模块，其通过用于尝试性连接的凸块9的高度来确定以被动对准方式安装的光学元件的高度。在专利文献2 中公开的技术允许光学元件被精确地安装。
发明内容
在安装光学元件的情况下，各光学元件的有源层深度dl不必彼此相等。图3是具有不同有源层深度的光学元件安装在图IA和图IB所示的光波导装置100上的局部剖视图。例如，在调整基块119至有源层深度为dl的光学元件118a的高度hi的情况下，有源层深度小于光学元件118a的有源层深度的光学元件118b的安装使得光学元件118b 的有源层121的位置相对于光学元件118a的有源层121降低。这阻止了光轴彼此对准。在专利文献1中描述的光波导装置和专利文献2中描述的光学中，基块的高度或为了尝试性连接而形成的凸块的高度是均一的。因此，具有不同有源层深度dl的光学元件不能安装在能够光学耦合到芯的高度上。本发明的一个示例性目的是提供一种光波导装置及其制造方法，在所述光波导装置中，具有不同有源层深度的光学元件安装为各光轴彼此对准。一种根据本发明的一个示例性方面的光波导装置，其包括光波导和光学元件安装座，所述光波导由包括形成在基底上的下覆层、芯层和上覆层的光波导形成层构成，并且在去除所述光波导形成层的部分的区域中，光学元件安装在所述光学元件安装座上，所述光学元件中的至少一个光学元件光学耦合到通过去除所述光波导形成层的所述部分而暴露的所述光波导的端面，其中所述光学元件安装座包括第一基块，其支撑作为所述光学元件中的一个光学元件的第一光学元件；和第二基块，其支撑作为所述光学元件中的一个光学元件的第二光学元件，所述第二光学元件的有源层深度小于所述第一光学元件的有源层深度，其中第二基块由堆叠数量大于第一基块的堆叠数量的上覆层形成，并且第一和第二基块之间的高度差等于第一和第二光学元件之间的有源层深度差。一种根据本发明的一个示例性方面的制造光波导装置的方法，所述光波导装置包括光波导和光学元件安装座，所述光波导由包括形成在基底上的下覆层、芯层和上覆层的光波导形成层构成，在去除所述光波导形成层的一部分的区域中，光学元件安装在所述光学元件安装座上，所述光学元件中的至少一个光学元件光学耦合到通过去除所述光波导形成层的所述部分而暴露的光波导的端面，所述方法包括在所述基底上形成下覆层和芯层； 通过图案化所述芯层形成波导；在图案化之后成为光波导的部分上以及成为光学元件安装座的至少一部分上形成上覆层的堆叠；以及蚀刻上覆层的堆叠形成用于支撑作为所述光学元件中的一个光学元件的第一光学元件的第一基块，并且形成用于支撑所述光学元件中的第二光学元件的第二基块，第二光学元件的有源层深度小于第一光学元件的有源层深度， 其中第二基块由堆叠数量大于第一基块的堆叠数量的上覆层的堆叠形成，并且第一和第二基块形成为使得第一基块和第二基块之间的高度差等于第一和第二光学元件之间的有源层深度差。
图IA是示出在专利文献1中公开的光波导装置的透视图；图IB是示出在专利文献1中公开的光波导装置的透视图；图2是在图IA和图IB中示出的光波导装置中的光学元件和基块的放大剖视图；图3是具有不同的有源层深度的光学元件安装在图IA和图IB中示出的光波导装置中的情况的局部剖视图；图4是根据本发明的第一示例性实施例的光波导装置的透视图；图5是图4中所示的光波导装置中的光学元件和基块的放大剖视图；图6A是示出制造图4中所示的光波导装置的实例的剖视图；图6B是示出制造图4中所示的光波导装置的实例的剖视4
图6C是示出制造图4中所示的光波导装置的实例的剖视图；图6D是示出制造图4中所示的光波导装置的实例的剖视图；图6E是示出制造图4中所示的光波导装置的实例的剖视图；图6F是示出制造图4中所示的光波导装置的实例的剖视图；图6G是示出制造图4中所示的光波导装置的实例的剖视图；图6H是示出制造图4中所示的光波导装置的实例的剖视图；图61是示出制造图4中所示的光波导装置的实例的剖视图；图7是示出根据本发明的第二示例性实施例的光波导装置的透视图；图8A是示出制造图7中所示的光波导装置的方法的剖视图；图8B是示出制造图7中所示的光波导装置的方法的剖视图。
具体实施例方式(第一示例性实施例)图4是示出根据本发明的第一示例性实施例的光波导装置10的透视图。光波导装置10包括光波导16和光学元件安装座17。光波导16包括光波导形成层15，其包括形成在硅基底11上的下覆层12、芯层13和上覆层141和142。光学元件安装座17通过去除一部分光波导形成层15而形成，并包括用于安装光学元件18的基块19。图4示出了安装两个光学元件18a和18b的实例。在下文中，在不需要区分光学元件18a和18b的情况下， 将光学元件统称为光学元件18。光波导装置10可包括当安装光学元件18时用于对准的对准标记20。光波导16的端面通过去除一部分光波导形成层15而暴露出来。光波导16 (光波导)的端面和安装在光学元件安装座17上的光学元件18彼此光学耦合。光学元件18可为例如激光二极管(LD)或光电二极管(PD)。光学元件18a和18b的有源层21的深度(在下文中，称作有源层深度)彼此不同。 这里，有源层深度是从光学元件的有源层至基块的深度(图5中示出的dl和d2)。图5是图4中所示的光波导装置中的光学元件18和基块19的放大剖视图。在图 5所示的实例中，基块19a支撑具有大的有源层深度的光学元件18a ；基块19b支撑具有小的有源层深度的光学元件18b。光学元件18a的有源层深度dl大于光学元件18b的有源层深度d2。因此，支撑光学元件18a的基块19a的高度h2被设置为小于支撑光学元件18b 的基块19b的高度(hhh2)。在下文中，如同光学元件18，在不需要区分基块19a和19b的情况下，基块统称为基块19。基块19a的高度h2和基块19b的高度(hHM)被确定为有源层深度dl和高度h2 的和((11 等于有源层深度d2和高度(hHM)的和(d2+(hHM))。为了对准光波导形成层15的端面和光学轴，假设从硅基底11至芯层的高度(在下文中，称作光轴高度)为H， 需要确定的是基块19a的高度h2等于光轴高度H和有源层深度dl之间的差(H-dl)，并且需要确定的是基块19b的高度(hhh2)等于光轴高度H和有源层深度d2之间的差(H-d2)。 因此，即使在安装了具有不同有源层深度的光学元件18a和18b的情况下，光学元件18a和 18b的光轴和光波导16的端面可彼此光学对准，从而允许光学耦合。在本说明书中，“光轴的对准”不仅包括光轴完全对准的情况，还包括当调整光轴时，为了调整光学强度而有意地使光轴偏离的情况。基块19由与形成上覆层14的膜共同的膜形成。基块19的高度可通过改变上覆层14的厚度或上覆层14的堆叠数量来进行调整。将利用图5所示的实例来进行描述。通过将上覆层141(在下文中，称作第一上覆层141)形成为具有等于高度hi的高度，并且随后堆叠具有等于高度h2的高度的上覆层142(在下文中，称作第二上覆层14 来形成基块 19b。基块19a由具有等于高度h2的高度的第二上覆层142形成。通过从光轴高度H减去有源层深度dl来将第二上覆层142的厚度h2确定为 (H-dl)。通过从光轴高度H减去有源层深度d2和第二上覆层142的厚度h2将第一上覆层 141的厚度hi确定为(H-d2-h2)。将被堆叠的上覆层14的厚度的调整允许由基块19b支撑的光学元件18b的光轴的高度(hhh2+c^)和由基块19a支撑的光学元件18a的光轴的高度(h2+dl)与芯层的光轴高度(H)相匹配。上覆层14可使用二氧化硅膜或氮化硅膜，其折射率可通过掺杂P、Ge、B、Ti等来改变。这些膜可由例如大气压CVD (化学气相沉积)法、真空CVD法、等离子体CVD法、火焰水解沉积法形成。至少一层上覆层14可优选地为掺杂硼(B)、磷(P)等的低熔点二氧化硅膜(硼磷硅玻璃膜=BPSG膜)。BPSG膜具有低熔点，从而用于在用于平面化的回流过程中植入芯。可通过形成上覆层14并且接着蚀刻光学元件安装座17上的不需要的部分来形成基块19。蚀刻方法包括干蚀刻法和湿蚀刻法。但是，优选地，采用各向异性干蚀刻法，例如反应离子蚀刻(RIE)、离子束蚀刻(IBE)和反应离子束蚀刻(RIBE)，以确保端面的平坦度和
垂直性。下覆层12和芯层13可由与上覆层14相同的材料和方法形成。但是，芯层13由折射率高于下覆层12和上覆层14的折射率的膜形成。图6A至图61是示出制造图4中所示的光波导装置10的方法的剖视图。将在下文中描述制造光波导装置的方法。首先，下覆层12形成在硅基底11上，并根据需要对其施加退火工艺(图6A)。接着，芯层13形成在下覆层12上，然后通过光刻和干蚀刻进行图案化，因此形成波导(图6B)。根据需要，在芯层13的图案化之前或之后施加退火工艺。接着，去除下覆层12的将要安装光学元件18 ( S卩，光学元件安装座17上)的部分 (图 6C)。此时，通过RIE对下覆层12的上述部分执行蚀刻，然后下覆层12的其余部分被湿蚀刻，从而允许防止硅基底11被蚀刻。这是因为，虽然在通过RIE完全去除下覆层12的情况下一部分硅基底被蚀刻，但是利用氢氟酸蚀刻剂(hydrofluoric etchant)的湿蚀刻不蚀刻硅基底。接着，在下覆层12和芯层13上形成第一上覆层141，并且根据需要对其施加退火工艺(图6D)。第一上覆层141的厚度等于支撑具有小的有源层深度的光学元件18b的基块19b (见图幻的高度(hhM)与支撑具有大的有源层深度的光学元件18a的基块19a(见图5)的高度h2之间的差，即hi。此时，上覆层可为具有较低软化点的BPSG膜，并且在膜形成之后可在800°C或更高的高温下回流。这允许通过图案化芯层13引起的芯之间的窄间隙被填充。此外，在图6C中形成的光学元件安装座17和光波导16之间的不平坦能够变得平坦，从而提高第一上覆层141的表面平坦度。这允许更好地有利于后续的图案化工艺。接着，光波导16和光学元件安装座17上的第一上覆层141的除其上形成支撑具有大的有源层深度的光学元件18a 的基块19a的部分之外的部分被去除，从而暴露硅基底(图6E)。接着，形成第二上覆层142并根据需要对其施加退火工艺(图6F)。第二上覆层 142的厚度等于支撑具有大的有源层深度的光学元件18a的基块19a的高度h2。另一方面，通过在基块19b的位置处形成的第一上覆层141上形成第二上覆层142，支撑具有小的有源层深度的光学元件18b的基块19b的高度变为和(hhh2)。接着，光屏蔽膜和光致抗蚀剂膜堆叠。通过光刻在光屏蔽膜上图案化用于形成基块19的掩模22 (图6G)。所述光屏蔽膜优选地为抗RIE蚀刻的铬膜。这里，用于形成对准标记20的掩模可与用于形成基块19的掩模一起被图案化。接着，在光波导16的端面通过利用图案化的光屏蔽图案作为掩模22进行干蚀刻而暴露的同时，形成基块19 (图6H)。在用于形成对准标记20的掩模与用于形成基块19的掩模一起形成的情况下，掩模19和对准标记20都通过干蚀刻在一个工艺中形成。接着，去除光屏蔽膜，并且根据需要形成和图案化绝缘膜和电极金属(未示出)。 图61示出了在施加必要的工艺之后，具有不同有源层深度的光学元件18a和18b被安装在光波导装置10上的实例。如图61所示，本发明允许具有不同有源层深度的光学元件18a 和18b高精确度地光学耦合到光波导16的端面。采用利用光屏蔽膜作为掩模的实例来进行以上描述。但是，即使形成光波导形成层的膜的蚀刻选择性是足够的，可以仅堆叠光致抗蚀剂膜来替代光屏蔽膜并用作掩模。即使在堆叠光屏蔽膜和光致抗蚀剂膜的情况下，光致抗蚀剂膜可留下而没有剥落并用作掩模。为了在光学元件的被动对准安装工艺中通过红外光以高对比度执行对准标记的图像检测识别，优选地，不去除对准标记上的光屏蔽膜。但是，在光屏蔽膜的厚度不可忽略的情况下，需要光屏蔽膜不被用作掩模，基块上的光屏蔽膜最终被去除，或者通过考虑基块上的光屏蔽膜的厚度来确定上覆层的厚度。如上所述，根据该示例性实施例，具有不同有源层深度的光学元件可高精确度地光学耦合到光波导的端面上。此外，采用与上覆层的膜共同的膜形成基块使得在不扩展制造工艺的情况下有效地形成基块。在该示例性实施例中，利用安装具有不同有源层深度的两个光学元件的实例来进行描述。但是，可安装三个或更多具有不同有源层深度的光学元件。在这种情况下，优选地， 上覆层的堆叠的数量根据光学元件的数量而增加。基本上，在安装是至少为二的自然数)个光学元件的情况下，需要形成至少η个上覆层。但是，与蚀刻的组合允许调整上覆层的堆叠的数量。在该示例性实施例中，利用支撑具有大的有源层深度的光学元件的基块由上覆层的一个堆叠形成，并且支撑具有小的有源层深度的光学元件的基块由上覆层的两个堆叠形成的情况的实例进行了描述。这里，基块中包括的上覆层的堆叠的数量不限于本实例。但是，基本上，支撑具有小的有源层深度的光学元件的基块由堆叠的数量大于支撑具有大的有源层深度的光学元件的基块的堆叠的数量的上覆层形成。为了避免扩展制造工艺，支撑光学元件中具有最大有源层深度的光学元件的基块优选地由上覆层的单个堆叠形成。(第二示例性实施例)图7是示出根据第二示例性实施例的光波导装置IOa的透视图。与图4中所示的光波导装置10的构造对比，光波导装置IOa的不同之处在于，上覆层14包括三层，并且形成为第二层的第二上覆层142和形成为第三层的第三上覆层143用于形成基块19。其它组件与第一示例性实施例中的相同。因此，相同的组件由相同的附图标记表示。省略对它们的描述。第一上覆层141用于填充主要通过图案化芯层13导致的芯之间的窄间隙，并因此使表面平坦化。第一上覆层141优选地为BPSG膜。所述BPSG膜具有低熔点。这有利于在回流工艺中用芯填充并使表面平坦。图8A和图8B是示出制造图7中所示的光波导装置IOa的方法的剖视图。首先，在硅基底11上形成下覆层12和芯层13和通过图案化形成波导的步骤与第一示例性实施例中的那些(见图6A和6B)相似。接着，第一上覆层141形成在下覆层12和芯层13上(图 8A)。接着，光学元件安装座17上的下覆层12和第一上覆层141被去除(图8B)。接着，第二上覆层142形成在第一上覆层141上。除了第一上覆层141存在并且与第二和第三上覆层142和143共同的膜用于形成基块之外，在形成第二上覆层142之后的步骤与第一示例性实施例中的那些相同。因此，参考图6D至61，且省略对它们的描述。如上所述，堆叠至少三个上覆层填充了由于图案化芯层导致的台阶，从而提高了平坦度。即使在第二和第三上覆层142和143的总厚度小于使上覆层作为整体执行光学功能所需的膜厚度的情况下，第一上覆层141的提供允许补偿不足的膜厚度。在用芯填充所需的膜厚度太大的情况下，优选地，第一上覆层以分开的方式形成。也就是说，第一上覆层可形成为对于填充芯来说最优的厚度，并且可以被回流并且接下来形成为第二上覆层到不足的膜厚度。注意的是，第一上覆层141可用于形成基块19。根据本发明的一个示例性优点是能够在对准光轴的同时安装具有不同有源层深度的光学元件。工业实用性本发明可应用于需要在PLC上集成并且混合嵌入光学元件的装置，例如用于DPSK 的利用环状共振器和一位延迟装置(one-bit delay device)的可变波长光源。虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出并描述了本发明，但是本发明不限于这些实施例。本领域普通技术人员应当理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可做出形式和细节方面的各种变化。本申请基于并要求于2009年3月17日提交的日本专利申请No. 2009-063736的优先权的利益，该申请的内容通过引用被包含于此。附图标记列表10、10a、100 光波导装置11、111 硅基底12、112 下覆层
13,113芯层
14、114上覆层
141第一上覆层
142第二上覆层
143第三上覆层
15、115光波导形成层
16、116光波导
17、117光学元件安装座
18、118光学元件
19、119基块
20、120对准标记
21、121有源层
22掩模
权利要求
1.一种光波导装置，其包括光波导和光学元件安装座，所述光波导由包括形成在基底上的下覆层、芯层和上覆层的光波导形成层构成，在去除所述光波导形成层的一部分的区域中，光学元件安装在所述光学元件安装座上，所述光学元件中的至少一个光学元件光学耦合到通过去除所述光波导形成层的所述部分而暴露的所述光波导的端面，其中所述光学元件安装座包括第一基块，支撑作为所述光学元件中的一个光学元件的第一光学元件；和第二基块，支撑作为所述光学元件中的一个光学元件的第二光学元件，所述第二光学元件的有源层深度小于所述第一光学元件的有源层深度，并且其中所述第二基块由堆叠数量大于所述第一基块的堆叠数量的上覆层形成，并且所述第一和第二基块之间的高度差等于所述第一和第二光学元件之间的有源层深度差。
2.根据权利要求1所述的光波导装置，其中由所述第二基块支撑的所述第二光学元件的光轴的高度和由所述第一基块支撑的所述第一光学元件的光轴的高度均匹配从所述基底至所述芯层的所述光波导形成层的光轴高度。
3.根据权利要求1所述的光波导装置，其中所述第一基块支撑所述光学元件中具有最大有源层深度的光学元件，并且所述第一基块由一个上覆层形成。
4.一种制造光波导装置的方法，所述光波导装置包括光波导和光学元件安装座，所述光波导由包括形成在基底上的下覆层、芯层和上覆层的光波导形成层构成，在去除所述光波导形成层的一部分的区域中，光学元件安装在所述光学元件安装座上，所述光学元件中的至少一个光学元件光学耦合到通过去除所述光波导形成层的所述部分而暴露的所述光波导的端面，所述方法包括在所述基底上形成所述下覆层和所述芯层； 通过图案化所述芯层形成波导；在图案化之后成为所述光波导的部分以及成为所述光学元件安装座的至少一部分上形成上覆层的堆叠；以及蚀刻所述上覆层的堆叠形成用于支撑作为所述光学元件中的一个光学元件的第一光学元件的第一基块，并且形成用于支撑所述光学元件中的第二光学元件的第二基块，第二光学元件的有源层深度小于所述第一光学元件的有源层深度，其中所述第二基块由堆叠数量大于所述第一基块的堆叠数量的上覆层的堆叠形成，并且所述第一和第二基块形成为使得所述第一基块和所述第二基块之间的高度差等于所述第一和第二光学元件之间的有源层深度差。
5.根据权利要求4所述的制造光波导装置的方法，其中所述第一和第二基块形成为使得由所述第二基块支撑的所述第二光学元件的光轴的高度和由所述第一基块支撑的所述第一光学元件的光轴的高度均匹配从所述基底至所述芯层的所述光波导形成层的光轴高度。
6.根据权利要求4所述的制造光波导装置的方法，其中所述第一基块支撑所述光学元件中具有最大有源层深度的光学元件，并且所述第一基块由上覆层的一个堆叠形成。
全文摘要
一种光波导装置，其包括光学元件安装座(17)，所述光学元件安装座(17)包括支撑第一光学元件(18a)的第一基块(19a)和支撑有源层深度小于所述第一光学元件(18a)的有源层深度的第二光学元件(18b)的第二基块(19b)。第二基块(19b)由堆叠数量大于所述第一基块(19a)的堆叠数量的上覆层的堆叠形成。第一和第二基块之间的高度差(h1)等于第一和第二光学元件之间的有源层深度差(d1-d2)。
文档编号G02B6/122GK102356337SQ20108001237
公开日2012年2月15日 申请日期2010年3月15日 优先权日2009年3月17日
发明者渡边真也 申请人:日本电气株式会社