JP4825729B2 - 光導波路デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信，光情報処理，その他一般光学で広く用いられる光導波路デバイスおよびその製造方法に関するものである。

一般に、光導波路デバイスでは、発光素子から発光される光を、光導波路により伝播している（例えば、特許文献１参照）。この光導波路デバイスを図５に模式的に示す。図５では、光導波路デバイスは、光導波路が基板１０上に形成されており、その光導波路の一端部に距離をおいて、発光素子５０が上記基板１０上に接着剤Ａを介して固定されている。そして、発光素子５０からの光Ｌは、光導波路のコア３０の一端面から入射し、そのコア３０を通って、そのコア３０の他端面から出射されるようになっている。なお、図５において、符号２０はアンダークラッド層、符号４０はオーバークラッド層である。
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しかしながら、このような光導波路デバイスでは、上記発光素子５０を接着する際に、その発光素子５０を上から押圧すること等が原因で、接着剤Ａがはみ出し、それが光路の障害となる場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、発光素子と光導波路との間に、光路の障害となるものがない光導波路デバイスおよびその製造方法の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、第１アンダークラッド層の上面に、一端部に発光素子を固定し、他端部が上記第１アンダークラッド層の側端縁から突出し宙に浮いた状態でリードフレームが設置され、上記他端部を除く上記リードフレームの部分および上記発光素子を被覆した状態で、上記第１アンダークラッド層の上面に、第２アンダークラッド層が形成され、この第２アンダークラッド層の上面に、上記発光素子の発光を第２アンダークラッド層を経由して受光するためのコアが形成され、このコアが上記発光素子の発光を受光する位置に位置決めされている光導波路デバイスを第１の要旨とする。

また、本発明は、第１アンダークラッド層の上面に、リードフレームを、その一端部に発光素子を固定し、他端部が上記第１アンダークラッド層の側端縁から突出し宙に浮いた状態で、設置する工程と、上記他端部を除く上記リードフレームの部分および上記発光素子を被覆するように、上記第１アンダークラッド層の上面に、第２アンダークラッド層を形成する工程と、この第２アンダークラッド層の上面に、上記発光素子の発光を第２アンダークラッド層を経由して受光するためのコアを、その発光素子の発光を受光する位置に位置決め形成する工程とを備えている光導波路デバイスの製造方法を第２の要旨とする。

本発明者らは、光導波路デバイスにおいて、発光素子と光導波路との間の光路に障害をなくすべく、光導波路デバイスの構造について研究を重ねた。その結果、コアの下層であるアンダークラッド内に発光素子を埋設状態にして固定し、その発光素子の発光を上記アンダークラッドを経由してコアで受光することを想起し、さらに実験・研究を重ねた結果、この着想により、所期の目的を達成できることを見出し、本発明に到達した。

本発明の光導波路デバイスは、リードフレームの一端部に固定した発光素子が第１アンダークラッド層の上面に設置され、その発光素子を被覆した状態で、上記第１アンダークラッド層の上面に、第２アンダークラッド層が形成されているため、発光素子は、第１アンダークラッド層と第２アンダークラッド層とが積層されてなるアンダークラッド内に埋設された状態で固定されている。このため、発光素子の固定には、接着剤を全く用いないか、または、用いたとしても、第２アンダークラッド層の形成に先立って発光素子を第１アンダークラッド層の上面に仮固定する程度でよく、その量は僅かであり、接着剤が発光素子の周縁からはみ出すことはない。したがって、本発明の光導波路デバイスは、発光素子とコアとの間において、接着剤が光路の障害にならず、適正な光伝播が可能となっている。さらに、コアは、上記発光素子の発光を第２アンダークラッド層を経由してコアの底面から受光するようになるため、従来のようにコアの一端面から受光するよりも、受光面積が大きくなり、光伝播の確実性が高くなる。

特に、上記コアの一端部が発光素子の発光を受光する受光部に形成され、この受光部の端面が傾斜面に形成されてコアの底面とのなす角度が４５°に形成され、上記発光素子の発光が上記傾斜面に対して４５°の角度で投光する場合には、発光素子から発光される光を、上記傾斜面で反射させることにより、効率よくコアの長手方向に光路変換させることができるため、光伝播効率が向上する。

本発明の光導波路デバイスの製造方法は、第１アンダークラッド層の上面に、リードフレームの一端部に固定した発光素子を設置した後、この発光素子を被覆するように、上記第１アンダークラッド層の上面に、第２アンダークラッド層を形成し、その後、その第２アンダークラッド層の上面に、上記発光素子の発光を第２アンダークラッド層を経由して受光するためのコアを、その発光素子の発光を受光する位置に位置決め形成しているため、適正な光伝播が可能であるとともに光伝播の確実性が高い本発明の光導波路デバイスを得ることができる。

特に、上記コアの受光用の一端面を、コアの底面とのなす角度が４５°の傾斜面に形成し、その傾斜面に対して上記発光素子の発光が４５°の角度で投光されるように位置決めする場合には、発光素子から発光される光を、上記傾斜面で反射させることにより、効率よくコアの長手方向に光路変換させることができ光伝播効率が向上した光導波路デバイスを得ることができる。

また、上記コアの一端面を傾斜面に形成する方法が、上記発光素子からコアの底面に対し直角に光を投光し、その投光を目印とし、その投光方向に沿って刃先角度９０°の回転刃を移動させてダイシングすることによる上記コアの一端部の切削である場合には、ダイシングする際の刃の位置決めが容易にでき、上記傾斜面の位置決め形成がより正確かつ容易にできる。

つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。

図１は、本発明の光導波路デバイスの一実施の形態を示している。この実施の形態では、基板１の上面に、光導波路デバイスが形成されている。この光導波路デバイスは、積層された第１アンダークラッド層（下側）２１と透光性を有する第２アンダークラッド層（上側）２２とからなるアンダークラッド２内に、発光素子５が埋設された状態で固定されており、上記第２アンダークラッド層２２の上面に、光Ｌの通路であるコア３が所定パターンに形成されている。さらに、この実施の形態では、上記コア３を被覆するように、オーバークラッド層４が形成されている。また、上記発光素子５は、光Ｌが真上方向に投光されるものであり、その発光素子５の真上に、上記コア３の一端部が位置決めされ、受光部に形成されている。その受光部の端面は、コア３の底面とのなす角度が４５°の傾斜面３ａに形成されている。なお、図１において、符号５ａは、その一端部上に発光素子５を固定しているリードフレームであり、その他端部には、発光素子５に接続されている端子（配線接続部分）５ｂが設けられている。また、符号Ｈは、受光部の端面を傾斜面３ａに形成するために回転刃Ｄ〔図２（ｆ）参照〕によりダイシングされ形成された切削孔である。

そして、上記発光素子５から真上に投光された光Ｌは、上記第２アンダークラッド層２２を経由してコア３の一端部の底面からコア３内に入射し、上記傾斜面３ａに対して４５°の角度で当たって反射し、これにより、コア３の長手方向に光路変換され、その後、そのコア３内を長手方向に進み、そのコア３の他端面から出射される。

このような光導波路デバイスの製造方法の一例について説明する。

すなわち、まず、平板状の基板１〔図２（ａ）参照〕を準備する。この基板１としては、特に限定されるものではなく、その形成材料としては、例えば、ガラス，石英，シリコン，樹脂，金属等があげられる。また、基板１の厚みは、特に限定されないが、通常、２０μｍ〜５ｍｍの範囲内に設定される。

ついで、図２（ａ）に示すように、上記基板１の上面の所定領域に、第１アンダークラッド層２１を形成する。この第１アンダークラッド層２１の形成材料としては、感光性樹脂，ポリイミド樹脂，エポキシ樹脂等があげられる。そして、第１アンダークラッド層２１の形成は、つぎのようにして行われる。すなわち、まず、上記樹脂が溶媒に溶解しているワニスを基板１上に塗布する。このワニスの塗布は、例えば、スピンコート法，ディッピング法，キャスティング法，インジェクション法，インクジェット法等により行われる。ついで、これを硬化させる。この硬化に際して、第１アンダークラッド層２１の形成材料として感光性樹脂が用いられる場合は、照射線により露光する。この露光された部分が第１アンダークラッド層２１となる。また、第１アンダークラッド層２１の形成材料としてポリイミド樹脂が用いられる場合は、通常、３００〜４００℃×６０〜１８０分間の加熱処理により硬化させる。第１アンダークラッド層２１の厚みは、通常、５〜５０μｍの範囲内に設定される。このようにして、第１アンダークラッド層２１を形成する。

つぎに、図２（ｂ）に示すように、上記第１アンダークラッド層２１の上面の所定位置に、発光素子５をリードフレーム５ａとともに設置する。このとき、リードフレーム５ａの他端部に設けられている端子（配線接続部分）５ｂは、第１アンダークラッド層２１の端縁よりも外側に位置決めされる。また、上記発光素子５の設置は、接着剤を用いずに載置するか、または、僅かの接着剤を用いて仮固定する程度でよい。その理由は、つぎの工程〔図２（ｃ）参照〕で上記発光素子５を被覆するように、上記第１アンダークラッド層２１の上面に、透光性を有する第２アンダークラッド層２２を、第１アンダークラッド層２１の形成と同様にして形成することにより、上記発光素子５が固定されるからである。ここで、上記第２アンダークラッド層２２の形成材料としては、第１アンダークラッド層２１の形成材料と同様の材料があげられるが、透光性を有するものが選択される。なお、上記発光素子５としては、通常、発光ダイオード，レーザダイオード，ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等が用いられる。

このようにして、図２（ｃ）に示すように、第１アンダークラッド層２１と第２アンダークラッド層２２とが積層されてなるアンダークラッド２内に、上記発光素子５が埋設された状態となって固定される。この状態では、上記発光素子５の端子（配線接続部分）５ｂは、上記アンダークラッド２の端面から外側に露出している。

つぎに、図２（ｄ）に示すように、上記第２アンダークラッド層２２の上面に、コア３を形成する。このとき、コア３の一端部が上記発光素子５の真上に位置するように位置決め形成する。このコア３の形成材料としては、通常、感光性樹脂があげられ、上記第２アンダークラッド層２２および後記のオーバークラッド層４〔図２（ｅ）参照〕の形成材料よりも屈折率が大きい材料が用いられる。この屈折率の調整は、例えば、上記第２アンダークラッド層２２，コア３，オーバークラッド層４の各形成材料の種類の選択や組成比率を調整して行うことができる。そして、コア３の形成は、つぎのようにして行われる。すなわち、まず、上記と同様、感光性樹脂が溶媒に溶解しているワニスを第２アンダークラッド層２２上に塗布する。このワニスの塗布は、上記と同様、例えば、スピンコート法，ディッピング法，キャスティング法，インジェクション法，インクジェット法等により行われる。ついで、これを乾燥し、樹脂層を形成する。この乾燥は、通常、５０〜１２０℃×１０〜３０分間の加熱処理により行われる。

そして、上記樹脂層を、コア３のパターンに対応する開口パターンが形成されているフォトマスク（図示せず）を介して照射線により露光する。この露光された部分が、未露光部分の溶解除去工程を経て、コア３となる。これについて詳しく説明すると、上記露光用の照射線としては、例えば、可視光，紫外線，赤外線，Ｘ線，α線，β線，γ線等が用いられる。好適には、紫外線が用いられる。紫外線を用いると、大きなエネルギーを照射して、大きな硬化速度を得ることができ、しかも、照射装置も小型かつ安価であり、生産コストの低減化を図ることができるからである。紫外線の光源としては、例えば、低圧水銀灯，高圧水銀灯，超高圧水銀灯等があげられ、紫外線の照射量は、通常、１０〜１００００ｍＪ／ｃｍ² 、好ましくは、５０〜３０００ｍＪ／ｃｍ² である。

上記露光後、光反応を完結させるために、加熱処理を行う。この加熱処理は、８０〜２５０℃、好ましくは、１００〜２００℃にて、１０秒〜２時間、好ましくは、５分〜１時間の範囲内で行う。その後、現像液を用いて現像を行うことにより、樹脂層における未露光部分を溶解させて除去し、残存した樹脂層をコア３のパターンに形成する。なお、上記現像は、例えば、浸漬法，スプレー法，パドル法等が用いられる。また、現像剤としては、例えば、有機系の溶媒，アルカリ系水溶液を含有する有機系の溶媒等が用いられる。このような現像剤および現像条件は、感光性樹脂組成物の組成によって、適宜選択される。

そして、そのコア３のパターンに形成された残存樹脂層中の現像液を加熱処理により除去する。この加熱処理は、通常、８０〜１２０℃×１０〜３０分間の範囲内で行われる。これにより、上記コア３のパターン形成された残存樹脂層を、コア３に形成する。また、各コア３の厚みは、通常、５〜３０μｍの範囲内に設定され、その幅は、通常、５〜３０μｍの範囲内に設定される。

ついで、図２（ｅ）に示すように、上記コア３を被覆するように、上記第２アンダークラッド層２２の上面に、オーバークラッド層４を形成する。このオーバークラッド層４の形成材料としては、上記第１または第２アンダークラッド層２１，２２と同様の材料があげられる。そのうち、このオーバークラッド層４の形成材料は、上記第１または第２アンダークラッド層２１，２２の形成材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、オーバークラッド層４の形成方法も上記第１または第２アンダークラッド層２１，２２の形成方法と同様にして行われる。オーバークラッド層４の厚みは、通常、２０〜１００μｍの範囲内に設定される。

さらに、上記発光素子５の端子（配線接続部分）５ｂに、ワイヤーボンディング等により、配線６を接続する。

そして、図２（ｆ）に示すように、刃先角度９０°の円板状の回転刃Ｄを回転させながら、オーバークラッド層４の真上からコア３の底面に対して直角に下ろしてダイシングすることにより、コア３の一端部を切削し、コア３の底面とのなす角度が４５°の傾斜面３ａに形成する。

このようにして、基板１の上面に、発光素子５が埋設されたアンダークラッド２とコア３とオーバークラッド層４とからなる前記光導波路デバイス（図１参照）を製造することができる。

なお、上記実施の形態において、コア３の一端面を傾斜面３ａに切削するダイシングの際に、図３に示すように、発光素子５から光Ｌを真上方向に投光させ、その投光を目印とし、その投光方向に沿って（投光方向と回転刃Ｄの回転面とを重ねるようにして）矢印Ｘ方向にダイシングし（回転刃Ｄを下ろし）てもよい。このダイシングの際には、形成される傾斜面３ａの略中央が投光方向と重なるよう、回転刃Ｄを位置決めする（図３では、回転刃Ｄの幅中心が投光方向よりも左側にオフセットされている）。このように投光を目印とすると、ダイシングする際の回転刃Ｄの位置決めが容易にでき、上記傾斜面３ａの位置決め形成がより正確かつ容易にできる。

また、上記実施の形態では、発光素子５の投光を真上方向とし、コア３の一端面を４５°の傾斜面３ａとするとともに、上記発光素子５の真上に位置決めしたが、これに限定されるものではなく、例えば、図４に示すように、発光素子５の投光を斜め上方向とし、その投光方向に、コア３の一部（受光部）が位置決めされている光導波路デバイスでもよい。すなわち、図４に示す光導波路デバイスでは、発光素子５の投光方向である斜め上方向に、コア３の中間部（受光部）が位置決めされている。このような光導波路デバイスでも、そのコア３の一部（受光部）に入射した光Ｌは、コア３内で反射を繰り返しながら、コア３の長手方向に進む。このような場合は、コア３の一端面を傾斜面３ａ（図１参照）に形成する必要がない。

さらに、上記各実施の形態（図１，４参照）では、オーバークラッド層４を形成しているが、このオーバークラッド層４は必須ではなく、場合によってオーバークラッド層４を形成しないで光導波路デバイスを構成してもよい。

つぎに、実施例について説明する。但し、本発明は、これに限定されるわけではない。

〔第１および第２アンダークラッド層ならびにオーバークラッド層の形成材料〕
ビスフェノキシエタノールフルオレンジグリシジルエーテル（成分Ａ）３５重量部、（３’，４’−エポキシシクロヘキサン）メチル３’，４’−エポキシシクロヘキシル−カルボキシレート（成分Ｂ）４０重量部、脂環式エポキシ樹脂（ダイセル化学社製、セロキサイド２０２１Ｐ）（成分Ｃ）２５重量部、４，４−ビス〔ジ（β−ヒドロキシエトキシ）フェニルスルフィニオ〕フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネートの５０％プロピオンカーボネート溶液（光酸発生剤：成分Ｄ）１重量部を混合することにより、第１および第２アンダークラッド層ならびにオーバークラッド層の形成材料を調製した。

〔コアの形成材料〕
上記成分Ａ：７０重量部、１，３，３−トリス｛４−〔２−（３−オキセタニル）〕ブトキシフェニル｝ブタン：３０重量部、上記成分Ｄ：０．５重量部を乳酸エチル２８重量部に溶解することにより、コアの形成材料を調製した。

〔光導波路デバイスの作製〕
まず、ガラス基板（厚み１．０ｍｍ）の上面に、上記第１アンダークラッド層の形成材料をスピンコート法により塗布した後、２０００ｍＪ／ｃｍ² の紫外線照射を行った。つづいて、１００℃×１５分間の加熱処理を行うことにより、第１アンダークラッド層（厚み１５μｍ）を形成した。

つぎに、上記第１アンダークラッド層の上面に、紫外線硬化型接着剤を僅かに用いて発光ダイオードを仮固定した。

そして、上記発光ダイオードを被覆するように、上記第１アンダークラッド層の上面に、その第１アンダークラッド層の形成と同様にして、第２アンダークラッド層（厚み１００μｍ）を形成した。

つぎに、上記第２アンダークラッド層の上面に、上記コアの形成材料をスピンコート法により塗布した後、１００℃×１５分間の乾燥処理を行った。ついで、その上方に、コアパターンと同形状の開口パターンが形成された合成石英系のフォトマスクを設置した。そして、その上方から、コンタクト露光法にて４０００ｍＪ／ｃｍ² の紫外線照射による露光を行った後、１２０℃×１５分間の加熱処理を行った。つぎに、γ−ブチロラクトン水溶液を用いて現像することにより、未露光部分を溶解除去した後、１２０℃×３０分間の加熱処理を行うことにより、コア（断面寸法：幅１２μｍ×高さ２４μｍ）を形成した。

ついで、上記コアを被覆するように、上記第２アンダークラッド層の上に、上記オーバークラッド層の形成材料をスピンコート法により塗布した後、２０００ｍＪ／ｃｍ² の紫外線照射を行った。つづいて、１５０℃×６０分間の加熱処理を行うことにより、オーバークラッド層（厚み３５μｍ）を形成した。

つぎに、上記発光ダイオードの端子に、ワイヤーボンディングにより、配線を接続した。

そして、上記発光ダイオードから光を真上方向に投光させ、その状態で、ダイシング装置（Disco Corp. 製、Model 522 ）を用い、上記投光方向に沿って、刃先角度９０°の回転刃を、オーバークラッド層の真上から下ろし、コアの一端部を、コアの底面とのなす角度が４５°の傾斜面に切削した。

このようにして、上記基板上に、発光素子が埋設されたアンダークラッドとコアとオーバークラッド層とからなる光導波路デバイスを製造することができた。

本発明の光導波路デバイスの一実施の形態を模式的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の光導波路デバイスの製造方法を模式的に示す説明図である。 上記光導波路デバイスの製造方法の他の形態を模式的に示す説明図である。 上記光導波路デバイスの他の形態を模式的に示す説明図である。 従来の光導波路デバイスを模式的に示す断面図である。

符号の説明

３ コア
５ 発光素子
２１ 第１アンダークラッド層
２２ 第２アンダークラッド層

Claims (5)

1. 第１アンダークラッド層の上面に、一端部に発光素子を固定し、他端部が上記第１アンダークラッド層の側端縁から突出し宙に浮いた状態でリードフレームが設置され、上記他端部を除く上記リードフレームの部分および上記発光素子を被覆した状態で、上記第１アンダークラッド層の上面に、第２アンダークラッド層が形成され、この第２アンダークラッド層の上面に、上記発光素子の発光を第２アンダークラッド層を経由して受光するためのコアが形成され、このコアが上記発光素子の発光を受光する位置に位置決めされていることを特徴とする光導波路デバイス。
2. 上記コアの一端部が発光素子の発光を受光する受光部に形成され、この受光部の端面が傾斜面に形成されてコアの底面とのなす角度が４５°に形成され、上記発光素子の発光が上記傾斜面に対して４５°の角度で投光する請求項１記載の光導波路デバイス。
3. 第１アンダークラッド層の上面に、リードフレームを、その一端部に発光素子を固定し、他端部が上記第１アンダークラッド層の側端縁から突出し宙に浮いた状態で、設置する工程と、上記他端部を除く上記リードフレームの部分および上記発光素子を被覆するように、上記第１アンダークラッド層の上面に、第２アンダークラッド層を形成する工程と、この第２アンダークラッド層の上面に、上記発光素子の発光を第２アンダークラッド層を経由して受光するためのコアを、その発光素子の発光を受光する位置に位置決め形成する工程とを備えていることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
4. 上記コアの受光用の一端面を、コアの底面とのなす角度が４５°の傾斜面に形成し、その傾斜面に対して上記発光素子の発光が４５°の角度で投光されるように位置決めする請求項３記載の光導波路デバイスの製造方法。
5. 上記コアの受光用の一端面を傾斜面に形成する方法が、上記発光素子からコアの底面に対し直角に光を投光し、その投光を目印とし、その投光方向に沿って刃先角度９０°の回転刃を移動させてダイシングすることによる上記コアの一端部の切削である請求項４記載の光導波路デバイスの製造方法。

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