JP2008164943A - 多チャンネル光路変換素子およびその作製方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の光路をミラーを用いて変換する多層多チャンネル光路変換素子において、低損失で信頼性の高い光路変換素子及び高い生産性のある製造方法は未だに得られているとは言い難い。
【解決手段】複数の光路をミラーを用いて変換する多層多チャンネル光路変換素子において、（１）基板に作成した複数個の配列した孔にコア材を充填し垂直導波路を形成し、（２）基板面の前記孔と交差する溝にコア材を充填しコアを作成した後、その上にクラッド層を形成し水平導波路を形成し、（３）前記垂直導波路と水平導波路の交差部に４５゜の傾斜面を有する溝を作成し、該傾斜面に金属膜あるいは誘電体膜を成膜してミラーを形成し、(４)ミラーと反対側のガラス基板上に電極を形成し、(５)チップ状にダイシングする、ことを特徴とする多層多チャンネル光路変換素子の作成法。及び、概方法で作成された多層多チャンネル光路変換素子。
【選択図】 図１
【解決手段】複数の光路をミラーを用いて変換する多層多チャンネル光路変換素子において、（１）基板に作成した複数個の配列した孔にコア材を充填し垂直導波路を形成し、（２）基板面の前記孔と交差する溝にコア材を充填しコアを作成した後、その上にクラッド層を形成し水平導波路を形成し、（３）前記垂直導波路と水平導波路の交差部に４５゜の傾斜面を有する溝を作成し、該傾斜面に金属膜あるいは誘電体膜を成膜してミラーを形成し、(４)ミラーと反対側のガラス基板上に電極を形成し、(５)チップ状にダイシングする、ことを特徴とする多層多チャンネル光路変換素子の作成法。及び、概方法で作成された多層多チャンネル光路変換素子。
【選択図】 図１
Description
本発明は、光回路内で光信号の進行方向を変換する、多チャンネル光路変換素子に関する。
情報量の増大、処理速度の高速化にともない、メタル配線では対応できない状況が予想され、光を用いた光インターコネクションの開発が進められている。これらの普及には低価格化と量産化が要望されており、取り扱いの容易な樹脂製光導波路がその有力な構成部材として開発されている。 導波路用の樹脂材料としては、フッ素化ポリイミド樹脂、重水素化ポリシロキサン樹脂、エポキシ系樹脂、全フッ素化脂環式樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン樹脂等が用いられる。
光インターコネクションを安価に効率よく生産するためには光インターコネクションに使われるＬＤ、ＰＤ等の半導体素子を平面実装できることが重要である。そのためには水平方向の樹脂製光導波路を光回路を急激に曲げる光路変換の技術、特に、２〜１６チャンネルなどの、複数の光信号をパラレルに送受信することが出来る様々な多チャネルの光路変換素子が必要とされている。
これらの光路変換素子では損失が少なく、チャンネル間で特性の揃った、かつコア同士の位置関係が維持されていることが求められている。特にコア同士の位置関係の維持はデバイス特性に直接影響するためその精度は±２．５μｍ以下にすることが求められている。
既存技術としては、光路変換部品として、片端に傾斜端面を有し、かつ前記傾斜端面の傾斜角及び傾斜端面における光導波路コアのサイズ、配置等が概ね等しい一対の光導波路の傾斜端面同士を対向させ、この傾斜端面における光導波路のコアが概ね一致するように前記傾斜端面同士を接続し、前記一対の光導波路が概ねＶ字型に固定され、前記Ｖ字型の光導波路の頂部を除去してコアを所定の位置まで露出させて反射面が設けられた多チャネル光路変換部品が提案されている（特許文献１参照）。
また、多チャンネルの光路変換部品として、直交する光導波路が形成された同形の基板同士を光軸が所定の相対位置をとるように貼り合わせ、その後直交する光導波路部にミラーを形成する方法が提案されている（特許文献２参照）。
さらに、光部品と光配線との光結合が良くかつ製造が容易な構造を持つ光配線層、及びその光配線層を用いた光・電気配線基板として、支持体の上に剥離膜を形成し、剥離膜の上にコアとクラッドからなる光配線層を形成し、光配線層に垂直な孔をレーザーによって開け、孔をコア材と同じ材料で埋め、コアを作り、両コアが交差している部分にダイシングにより溝を入れてミラーを形成し、剥離液に漬け、支持体から光配線層を剥がし、所望の光配線層を作る方法が提案されている（特許文献３参照）。
特開２００１−１９４５４０号公報
特開２００３−３１５５７８号公報
特開２０００−３０４９５３号公報
例えば、前記特開２００１−１９４５４０号公報に示されている作製方法では、傾斜面の合った導波路を作製する工程、これらを張り合わせる工程など精密な作業を必要とし工程が複雑であり、水平導波路と垂直導波路を別々に作製することで垂直導波路と水平導波路の位置ずれが起こりやすく、損失が増大する恐れがある。
また、前記特開２００３−３１５５７８号公報に記載のものは、導波路が形成された基板同士を貼り合わせる工程が精密な作業を必要とし、デバイスとして必要な±２．５μｍ以下の精度を維持することが困難であり、位置ずれが起こりやすく、チャンネル間の損失変化が増大する恐れがある。
さらに、前記特開２０００−３０４９５３号公報に記載のものは、剥離によって光配線基板に湾曲や変形が生じるため高い寸法精度の光配線層を得ることが難しいという問題がある。
このように、多チャンネル光路変換素子の作製方法は多数提案されているものの、低損失で信頼性の高い光路変換素子及び高い生産性のある製造方法は未だに得られているとは言い難い。
本発明は、複数の光路をミラーを用いて変換する多層多チャンネル光路変換素子において、（１）基板に作成した複数個の配列した孔にコア材を充填し垂直導波路を形成し、（２）基板面の前記孔と交差する溝にコア材を充填しコアを作成した後、その上にクラッド層を形成し水平導波路を形成し、（３）前記垂直導波路と水平導波路の交差部に４５゜の傾斜面を有する溝を作成し、該傾斜面に金属膜あるいは誘電体膜を成膜してミラーを形成し、(４)ミラーと反対側のガラス基板上に電極を形成し、(５)チップ状にダイシングする、ことを特徴とする多層多チャンネル光路変換素子の作成法である。
また、複数の光路をミラーを用いて変換する多層多チャンネル光路変換素子において、（１）基板面に作成した複数個の配列した溝にコア材を充填しコアを作成した後、その上にクラッド層を形成し水平導波路を形成し、（２）基板に前記溝と交差する孔を作成して溝にコア材を充填し垂直導波路を形成し、（３）前記水平導波路と垂直導波路の交差部に４５゜の傾斜面を有する溝を作成し、該傾斜面に金属膜あるいは誘電体膜を成膜してミラーを形成し、(４)ミラーと反対側のガラス基板上に電極を形成し、(５)チップ状にダイシングする、ことを特徴とする多層多チャンネル光路変換素子の作成法である。
また、コア溝からはみ出したコア材を除去した後、基板の水平導波路側を基板に近いか等しい屈折率の樹脂で覆いクラッド層を形成することを特徴とする、上記の多チャンネル光路変換素子の作製法である。
また、コア溝からはみ出したコア材を除去した後、基板の水平導波路側に、別の基板を接着しクラッド層を形成することを特徴とする、上記の多チャンネル光路変換素子の作製法である。
また、コア高さより深いコア溝を形成し、コア材を充填し硬化させた後、所定のコア高さになるようにコア材の不要部分を除去しその上にクラッド材を充填し水平導波路を形成することを特徴とする、上記の多チャンネル光路変換素子の作製法である。
また、水平導波路と垂直導波路の交差部の溝をミラー形成後、樹脂またはガラスで充填したことを特徴とする、上記の多チャンネル光路変換素子の作製法である。
さらに、上記の作製法で作製した多チャンネル光路変換素子である。
さらにまた、導波路の開口数が０．１５以上０．３５以下であることを特徴とする、上記の多チャンネル光路変換素子である。
本発明によれば、基板に水平及び垂直導波路を形成することにより、高精度に導波路が形成でき特性が安定し、低損失、高信頼性及び低コストを兼ね備えた多チャンネル光路変換素子を提供できる。
図１は基板にガラス基板を用いた本発明の多チャンネル光路変換素子の作製工程の一例を説明する図である。多チャンネル光路変換素子は以下のような工程で作製される。
図１（ａ）では、ガラス基板１の上にフォトレジストを塗布し、プリベーク後垂直導波路の平面パターンを有するフォトマスクを用いて露光、現像、ポストベークし、レジストパターンを作製する。
図１（ｂ）では、レーザー、ドリル、湿式エッチング、リアクティブイオンエッチング、サンドブラスト等でガラス基板に孔をあける。レーザーとドリルは他の方法に比べテーパーの少ない直線性の良い孔をあけることが出来る。エッチングやサンドブラストの場合はテーパーを小さくするため基板の両面から孔をあける等の工夫も必要である。
図１（ｃ）は垂直導波路用の縦孔があけられたガラス基板である。
図１（ｄ）は垂直導波路用の縦孔にコア材を充填する。充填はディスペンサーを使用するのが効率的であるが、これに限らない。
図１（ｅ）ではガラス基板からはみ出したコア材を除去する。除去法としては研削や研磨がある。
図１（ｆ）では水平導波路用のコア溝を形成する。形成法としてはダイサーで溝を形成しても良いし、フォトリソグラフィーとリアクティブイオンエッチングあるいはフォトリソグラフィーとサンドブラストにより形成しても良い。
図１（ｇ）では水平導波路路用溝にコア材を充填する。充填はディスペンサーを使用するのが効率的であるが、これに限らない。
図１（ｈ）では溝からはみ出したコア材を除去する。除去法としては研削や研磨がある。リアクティブイオンエッチングで除去することも可能である。
図１（ｉ）ではガラス基板の水平導波路側にガラス基板２を貼り付ける。貼り付けは接着剤により貼り付ける。ガラス基板を貼り付ける代わりに、ガラス基板と同等の屈折率を有する樹脂を塗布しクラッド層を形成することも可能である。
図１（ｊ）では先端が片側４５°のブレードで水平導波路と垂直導波路との交差部を４５°にカットする。先端角９０°（片側４５°）のブレードを使用しても良い。ミラーはコア径より大きいことが必要であり、カット深さは水平導波路コアより深くカットする。カット面が粗い場合はエッチング、研磨等により粗さを小さくする。
図１（ｋ）では４５°傾斜面にミラーを形成する。ミラーは反射率の高い金属でも良いし、使用波長での反射率の高い誘電体多層膜でも良い。
図１（ｌ）ではミラー部の窪みに充填材を充填する。ミラー部材が耐熱性、耐候性等の信頼性の高い場合は充填材を充填する必要のない場合もある。
図１（ｍ）ではミラー部と反対側のガラス基板表面に電極を形成する。電極が不要な用途のものについてはこの工程は不要である。
図１（ｎ）ではチップ状に切断する。
本法により、基板に垂直及び水平導波路を形成することにより、高精度に導波路が形成でき特性が安定し、低損失、高信頼性及び低コストを兼ね備えた多チャンネル光路変換素子を提供できる。
コア材料はフッ素化エポキシやフッ素化ポリイミド等の耐熱性の高い材料が素子の耐熱性の観点からは好ましいが、アクリル系の導波路材料やその他の紫外線硬化樹脂なども使用することも可能である。
上記説明ではコアを形成し水平導波路のはみ出したコア材を除去した後、基板の水平導波路側に基板を接着しクラッド層を形成したが、この代わりに基板に近いか等しい屈折率の樹脂でコアを覆いクラッド層を形成しても良い。
電極はフォトリソグラフィーとスパッタリングにより形成できる。上の例ではミラー部に充填材を充填後に行ったが、図１（ｅ）のコア材除去後の各工程の間に行うことも可能である。
上の例は導波路がＬ字の例を示したが、図２に示す導波路がＵ字のものや図３に示すクランク状のものへの応用も可能である。図４はチップ化前の基板状態でのＵ字形直角光路変換素子の立体図である。図５はチップ化した４チャンネルのＬ字型直角光路変換素子である。
本発明の利点は、透明基板に垂直導波路と水平導波路を形成するため、構造が簡単で全体が構造体になっているので信頼性が高く、作製工程数が少なく作製コストが安価になる。また、作製途中での基板の反り発生が少ないため、作製の精度を高めることができ、高精度な直角光路変換素子ができる。電極を導波路作製後に形成する場合でも基板の反りが少ないため電極の位置精度を高くできる。さらに導波路作製工程及び電極作製工程をウェハープロセスで行うことができるので量産性に富む。
また、さらに透明基板にマーカーを形成することにより、ミラー面を高精度に形成できミラー部での光損失を小さくできる。
基板はガラスが適しているが、素子の耐熱性が不要の場合はガラス以外の透明アクリル板、透明塩ビ板等の透明樹脂を使うことも可能である。
以下、実施例により説明する。
厚さ０．５ｍｍの石英ガラス基板１にレーザーを用い２５０μｍピッチの５０μｍφの４つずつの配列した孔を開け、この孔にディスペンサーを使用しフッ素化エポキシを充填し紫外線を照射し硬化した。ガラス基板からはみ出したコア材は研磨により除去した。５０μｍ幅のブレードで水平導波路用の深さ５０μｍのコア溝を形成した。ディスペンサーを使用し、この水平導波路用溝にフッ素化エポキシを充填し紫外線を照射し硬化した。溝からはみ出したコア材は研磨により除去した。
次にガラス基板１の水平導波路側に厚さ０．５ｍｍのガラス基板２を紫外線硬化樹脂を用いて貼り付けた。次に先端が片側４５°のブレードで水平導波路と垂直導波路との交差部を４５°にカットした。溝の深さは約０．６ｍｍである。４５°傾斜面にスパッタリングにより金を１μｍ成膜しミラーを形成した。ミラー部の窪みにフッ素化エポキシ樹脂を充填し紫外線を照射し硬化した。ミラー部と反対側のガラス基板表面に電極をフォトリソグラフィーとスパッタリングにより形成した。
最後にダイサーによりチップ状に切断し４チャンネルの光路変換部品を作製した。
得られた光路変換導波路のコア配列は設計値の＜±２．５μｍの範囲内であった。またマルチモードファイバーの４芯ファイバーアレイ（コアピッチ２５０μｍ）により波長０．８５μｍの光を直角光路変換導波路へ挿入し、４芯マルチモードファイバーアレイで受光した時の挿入損失は４チャンネルとも２．５ｄＢ以下であった。
厚さ０．５ｍｍのソーダライムシリケートガラス基板１にドリルを用い２５０μｍピッチの５０μｍφの４個づつの対向した２組の孔を開け、この孔にディスペンサーを使用しフッ素化エポキシを充填し紫外線を照射し硬化した。ガラス基板からはみ出したコア材は研磨により除去した。５０μｍ幅のブレードで水平導波路用の深さ５０μｍのコア溝を形成した。ディスペンサーを使用し水平導波路路用溝にフッ素化エポキシを充填し紫外線を照射し硬化した。溝からはみ出したコア材は研磨により除去した。
次にガラス基板１の水平導波路側に厚さ０．５ｍｍのガラス基板２を紫外線硬化樹脂を用いて貼り付けた。先端が片側４５°のブレードで水平導波路と垂直導波路との交差部を４５°にカットした。溝の深さは約１００μｍである。４５°傾斜面にスパッタリングにより金を１μｍ成膜しミラーを形成した。ミラー部の窪みにフッ素化エポキシ樹脂を充填し紫外線を照射し硬化した。ミラー部と反対側のガラス基板表面に電極をフォトリソグラフィーとスパッタリングにより形成した。
最後にダイサーによりチップ状に切断し４チャンネルの光路変換部品を作製した。水平導波路の長さは２ｃｍである。
得られた光路変換導波路のコア配列は設計値の＜±２．５μｍの範囲内であった。
またマルチモードファイバーの４芯ファイバーアレイ（コアピッチ２５０μｍ）により波長０．８５μｍの光を直角光路変換導波路へ挿入し、４芯マルチモードファイバーアレイで受光した時の挿入損失は４チャンネルとも３．２ｄＢ以下であった。
厚さ０．５ｍｍの石英ガラス基板１にレーザーを用い２５０μｍピッチの５０μｍφの４個の配列した孔を開け、この孔にディスペンサーを使用しフッ素化エポキシを充填し紫外線を照射し硬化した。ガラス基板からはみ出したコア材は研磨により除去した。５０μｍ幅のブレードで水平導波路用の深さ９０μｍのコア溝を形成した。ディスペンサーを使用し水平導波路路用溝にフッ素化エポキシを６０〜８０μｍの厚さで充填し紫外線を照射し硬化した。次にダイサーでコア厚さが５０μｍになるようにダイシングした。次にガラス基板１の水平導波路側に厚さ３０μｍのフッ素化エポキシをコア溝が埋まるように成膜し紫外線を照射し硬化しクラッド層を形成した。
次に先端が片側４５°のブレードで水平導波路と垂直導波路との交差部を４５°にカットした。溝に深さは約０．６ｍｍである。４５°傾斜面にスパッタリングにより金を１μｍ成膜しミラーを形成した。ミラー部の窪みにフッ素化エポキシ樹脂を充填し紫外線を照射し硬化した。ミラー部と反対側のガラス基板表面に電極をフォトリソグラフィーとスパッタリングにより形成した。
最後にダイサーによりチップ状に切断し４チャンネルの光路変換部品を作製した。
得られた光路変換導波路のコア配列は設計値の＜±２．５μｍの範囲内であった。またマルチモードファイバーの４芯ファイバーアレイ（コアピッチ２５０μｍ）により波長０．８５μｍの光を直角光路変換導波路へ挿入し、４芯マルチモードファイバーアレイで受光した時の挿入損失は４チャンネルとも２．５ｄＢ以下であった。
厚さ０．５ｍｍの石英ガラス基板１に２５０μｍピッチで５０μｍ幅のブレードで水平導波路用の深さ９０μｍのコア溝を形成した。ディスペンサーを使用し水平導波路路用溝にフッ素化エポキシを６０〜８０μｍの厚さで充填し紫外線を照射し硬化した。ダイサーでコア厚さが５０μｍになるようにダイシングした。ガラス基板１の水平導波路側に厚さ３０μｍのフッ素化エポキシをコア溝が埋まるように成膜し紫外線を照射し硬化しクラッド層を形成した。その後、表面が平滑になるように研磨した。
次にレーザーを用いコア溝と交差する５０μｍφの４連の配列した孔を開け、この孔にディスペンサーを使用しフッ素化エポキシを充填し紫外線を照射し硬化した。ガラス基板からはみ出したコア材を研磨により除去した。先端が片側４５°のブレードで水平導波路と垂直導波路との交差部を４５°にカットした。溝の深さは約０．６ｍｍである。次に４５°傾斜面にスパッタリングにより金を１μｍ成膜しミラーを形成した。ミラー部の窪みにフッ素化エポキシ樹脂を充填し紫外線を照射し硬化した。ミラー部と反対側のガラス基板表面に電極をフォトリソグラフィーとスパッタリングにより形成した。
最後にダイサーによりチップ状に切断し４チャンネルの光路変換部品を作製した。
得られた光路変換導波路のコア配列は設計値の＜±２．５μｍの範囲内であった。またマルチモードファイバーの４芯ファイバーアレイ（コアピッチ２５０μｍ）により波長０．８５μｍの光を直角光路変換導波路へ挿入し、４芯マルチモードファイバーアレイで受光した時の挿入損失は４チャンネルとも２．５ｄＢ以下であった。
厚さ０．２５ｍｍの石英ガラス基板１にレーザーを用い２５０μｍピッチの５０μｍφの４個の直線状に配列した孔を開け、この孔にディスペンサーを使用しフッ素化エポキシを充填し紫外線を照射し硬化した。ガラス基板からはみ出したコア材は研磨により除去した。２枚目の基板は孔位置を１枚目の基板に比べて２５０μｍ平行にずらせた位置に形成した。５０μｍ幅のブレードで水平導波路用の深さ５０μｍのコア溝を形成した。ディスペンサーを使用し水平導波路路用溝にフッ素化エポキシを充填し紫外線を照射し硬化した。溝からはみ出したコア材は研磨により除去した。
次にこれら２枚のガラス基板を屈折率がコア材にほぼ等しい紫外線硬化樹脂を用いて貼り付けた。次に貼り合わせたガラス基板の水平導波路が露出した側に厚さ０．２５ｍｍのガラス基板を紫外線硬化樹脂により貼り付けた。
次に先端が片側４５°のブレードで水平導波路と垂直導波路との交差部を４５°にカットした。溝にの深さは約０．６ｍｍである。４５°傾斜面にスパッタリングにより金を１μｍ成膜しミラーを形成した。ミラー部の窪みにフッ素化エポキシ樹脂を充填し紫外線を照射し硬化した。ミラー部と反対側のガラス基板表面に電極をフォトリソグラフィーとスパッタリングにより形成した。
最後にダイサーによりチップ状に切断し２層４チャンネルの光路変換部品を作製した。
得られた光路変換導波路のコア配列は設計値の＜±２．５μｍの範囲内であった。またマルチモードファイバーの４芯ファイバーアレイ（コアピッチ２５０μｍ）により波長０．８５μｍの光を直角光路変換導波路へ挿入し、４芯マルチモードファイバーアレイで受光した時の挿入損失は４チャンネルとも２．５ｄＢ以下であった。
１ レジスト
２ ガラス基板１
３ 縦孔
４ コア材
５ 水平導波路コア溝
６ コア材
７ ガラス基板２
８ ミラー部
９ ミラー
１０ 充填材
１１ 電極
２ ガラス基板１
３ 縦孔
４ コア材
５ 水平導波路コア溝
６ コア材
７ ガラス基板２
８ ミラー部
９ ミラー
１０ 充填材
１１ 電極
Claims (8)
- 複数の光路をミラーを用いて変換する多層多チャンネル光路変換素子において、（１）基板に作成した複数個の配列した孔にコア材を充填し垂直導波路を形成し、（２）基板面の前記孔と交差する溝にコア材を充填しコアを作成した後、その上にクラッド層を形成し水平導波路を形成し、（３）前記垂直導波路と水平導波路の交差部に４５゜の傾斜面を有する溝を作成し、該傾斜面に金属膜あるいは誘電体膜を成膜してミラーを形成し、(４)ミラーと反対側のガラス基板上に電極を形成し、(５)チップ状にダイシングする、ことを特徴とする多層多チャンネル光路変換素子の作成法。
- 複数の光路をミラーを用いて変換する多層多チャンネル光路変換素子において、（１）基板面に作成した複数個の配列した溝にコア材を充填しコアを作成した後、その上にクラッド層を形成し水平導波路を形成し、（２）基板に前記溝と交差する孔を作成して溝にコア材を充填し垂直導波路を形成し、（３）前記水平導波路と垂直導波路の交差部に４５゜の傾斜面を有する溝を作成し、該傾斜面に金属膜あるいは誘電体膜を成膜してミラーを形成し、(４)ミラーと反対側のガラス基板上に電極を形成し、(５)チップ状にダイシングする、ことを特徴とする多層多チャンネル光路変換素子の作成法。
- コア溝からはみ出したコア材を除去した後、基板の水平導波路側を基板に近いか等しい屈折率の樹脂で覆いクラッド層を形成することを特徴とする、請求項１または２に記載の多チャンネル光路変換素子の作製法。
- コア溝からはみ出したコア材を除去した後、基板の水平導波路側に、別の基板を接着しクラッド層を形成することを特徴とする、請求項１または２に記載の多チャンネル光路変換素子の作製法。
- コア高さより深いコア溝を形成し、コア材を充填し硬化させた後、所定のコア高さになるようにコア材の不要部分を除去しその上にクラッド材を充填し水平導波路を形成することを特徴とする、請求項１または２に記載の多チャンネル光路変換素子の作製法。
- 水平導波路と垂直導波路の交差部の溝をミラー形成後、樹脂またはガラスで充填したことを特徴とする、請求項１または２に記載の多チャンネル光路変換素子の作製法。
- 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の作製法で作製した多チャンネル光路変換素子。
- 導波路の開口数が０．１５以上０．３５以下であることを特徴とする、請求項７に記載の多チャンネル光路変換素子。
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