JP2009139413A - Optical element and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば光ファイバ通信に用いられる、光導波路を具える光学素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical element including an optical waveguide used for optical fiber communication, for example, and a manufacturing method thereof.
光ファイバ通信において、例えば、光ファイバから入力される光信号を分岐させたり、光ファイバ同士を光学的に結合するための光導波路を具えた光学素子が知られている。 In optical fiber communication, for example, an optical element including an optical waveguide for branching an optical signal input from an optical fiber or optically coupling optical fibers to each other is known.
このような光学素子として、光導波路が形成されている基板上に受光素子が搭載されており、この基板とは別に、光導波路から出射された信号光をこの受光素子で受光させるための反射鏡を有するカバーを具える構成が知られている(例えば特許文献1参照。)。 As such an optical element, a light receiving element is mounted on a substrate on which an optical waveguide is formed. Separately from this substrate, a reflecting mirror for receiving signal light emitted from the optical waveguide by the light receiving element. There is known a configuration including a cover having a (see, for example, Patent Document 1).
また、シリコン細線からなる、いわゆるシリコン光導波路を具える光学素子において、先端に向かうにつれて断面積の面積が小さくなるテーパ部を有する導波路を具える構成が知られている(例えば特許文献2参照。)。
シリコンを材料としているシリコン光導波路は、曲げ半径をより小さくすることができるが、シングルモード条件を満たすためには光導波路の断面寸法を、例えば300nm角程度とする必要がある。 A silicon optical waveguide made of silicon can have a smaller bending radius, but in order to satisfy the single mode condition, the cross-sectional dimension of the optical waveguide needs to be about 300 nm square, for example.
特許文献1が開示するような、断面寸法の小さな光導波路と光ファイバとを光学的に結合するには、極めて精密な位置合わせを行う必要がある。
In order to optically couple an optical waveguide having a small cross-sectional dimension and an optical fiber as disclosed in
このような精密な位置合わせを行うに際しては、専用の装置を準備しなければならない上に長時間の作業が必要となる。 When performing such precise alignment, a dedicated device must be prepared and a long time is required.
また、特許文献2が開示しているように、光導波路の形状をいわゆるテーパ状とすれば、この光導波路と光ファイバとの位置合わせの精度を緩和することはできるものの、光ファイバから出射される信号光を集光するためのレンズ等の集光部材がさらに必要となり、さらにこの集光部材と光ファイバとの位置合わせが必要となる。
Also, as disclosed in
特許文献1が開示している光学素子においては、光導波路が設けられている基板とは別に、さらなる部材として反射鏡を具えたカバーが用いられている。
In the optical element disclosed in
このように、上記従来の光学素子によれば、光学素子全体の構造が複雑になってしまう上、光学素子が全体として大型化してしまう傾向がある。 As described above, according to the conventional optical element, the structure of the entire optical element is complicated, and the optical element tends to be enlarged as a whole.
また、上記従来の光学素子の製造工程においては、いわゆるウエハプロセスで用いられる製造装置以外にさらなる特殊な製造装置を必要とする場合もある。 Further, in the manufacturing process of the conventional optical element, there may be a case where a further special manufacturing apparatus is required in addition to a manufacturing apparatus used in a so-called wafer process.
また、従来の上述したような光学素子の製造工程においては、例えば回転するブレードを用いるいわゆるダイシング工程により、信号光が入射されるか又は出射する光導波路の端面を形成する場合があるが、このような場合には、特に光導波路の端面が損傷して光学的な特性を損なうおそれがある。 Further, in the conventional optical element manufacturing process as described above, there is a case where the end face of the optical waveguide on which signal light is incident or emitted is formed by a so-called dicing process using a rotating blade, for example. In such a case, the end face of the optical waveguide may be damaged, and the optical characteristics may be impaired.
この発明の発明者は、鋭意研究を進める中で、光導波路が形成されている基板の厚み内にミラー部が形成されている光学素子を従来のウエハプロセスのみを適用して簡易な工程で製造することで上記従来の問題点を解決しうることを見出し、この発明を完成するに至った。 The inventor of the present invention is manufacturing the optical element in which the mirror portion is formed within the thickness of the substrate on which the optical waveguide is formed in a simple process by applying only the conventional wafer process while advancing earnest research. As a result, it has been found that the conventional problems can be solved, and the present invention has been completed.
この発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、従って、この発明の目的は、特に光学素子の上面側に配置された光ファイバとの位置合わせが容易である簡易な構成の光学素子、及びかかる光学素子を製造するにあたり、従来のウエハプロセス、及びかかるウエハプロセスに適用されている製造装置のみを使用して製造することができる製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems. Accordingly, the object of the present invention is to provide a simple configuration that is easy to align with an optical fiber disposed particularly on the upper surface side of an optical element. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method that can be manufactured using only a conventional wafer process and a manufacturing apparatus applied to the wafer process.
この発明の光学素子の好適な構成例によれば、以下の構成を具えているのがよい。 According to a preferred configuration example of the optical element of the present invention, the following configuration may be provided.
すなわち、光学素子は、下地層、及び当該下地層上に設けられており、平坦な上面を有するクラッド層を有している基板を具えている。 That is, the optical element includes a base layer and a substrate provided on the base layer and having a clad layer having a flat upper surface.
また、光学素子は、この上面内に少なくとも1つの端面を有して設けられている光導波路を具えている。 The optical element includes an optical waveguide provided with at least one end face in the upper surface.
さらに、光学素子は、基板の上面から当該基板の厚み内に至る深さを有しているミラー部形成用凹部であって、入射する信号光を反射するミラー部が設けられている反射側面、及び当該反射側面に対向しており、光導波路の端面に連接している対向側面を有しているミラー部形成用凹部を具えている。 Furthermore, the optical element is a concave part for forming a mirror part having a depth extending from the upper surface of the substrate to the thickness of the substrate, and a reflective side surface provided with a mirror part for reflecting incident signal light, And a mirror portion forming recess having an opposing side surface facing the reflection side surface and connected to the end surface of the optical waveguide.
光学素子の光導波路の端面は、上面に垂直な面に対して傾斜して設けられていて、ミラー部に信号光を入射させ又はミラー部から反射する信号光を受光できる傾斜平面とされているのがよい。 The end face of the optical waveguide of the optical element is inclined with respect to a plane perpendicular to the upper surface, and is an inclined plane that allows signal light to enter the mirror part or receive signal light reflected from the mirror part. It is good.
また、光学素子の光導波路は、上面上に延在している細線状のシリコン光導波路とするのがよい。 The optical waveguide of the optical element is preferably a thin silicon optical waveguide extending on the upper surface.
さらに、光学素子の下地層はシリコン層であり、かつクラッド層はシリコン酸化層とするのがよい。 Further, the base layer of the optical element is preferably a silicon layer, and the cladding layer is preferably a silicon oxide layer.
さらにまた、ミラー部は、金の薄膜として設けるのがよい。 Furthermore, the mirror part is preferably provided as a gold thin film.
また、光学素子は、光導波路の端面及びミラー部を一体的に覆って、ミラー部形成用凹部を埋め込んでおり、光導波路の屈折率よりも小さく、かつ空気よりも屈折率が大きい埋込み部をさらに具えるのがよい。 Further, the optical element integrally covers the end face of the optical waveguide and the mirror part, and embeds the concave part for forming the mirror part, and has an embedded part having a refractive index smaller than that of the optical waveguide and larger than that of air. It is better to have more.
このとき、光学素子の埋込み部は、エポキシ樹脂により構成するのがよい。 At this time, the embedded portion of the optical element is preferably made of an epoxy resin.
またこの発明の光学素子の製造方法によれば、下記の工程を含むのがよい。 In addition, according to the method for manufacturing an optical element of the present invention, the following steps may be included.
下地層、下地層上に設けられているクラッド層及びクラッド層上に設けられている光導波路形成層を有している基板を準備する工程。 Preparing a substrate having an underlayer, a clad layer provided on the underlayer, and an optical waveguide forming layer provided on the clad layer;
光導波路形成層をパターニングして、クラッド層上の中途に一端面を有して延在する光導波路を形成する工程。 A step of patterning the optical waveguide forming layer to form an optical waveguide extending with one end face in the middle of the cladding layer.
光導波路外に露出しているクラッド層の、一端面に対面する側の領域部分をエッチング除去して、下地層を露出させる工程。 A step of exposing a base layer by etching away a portion of the cladding layer exposed to the one end face of the cladding layer exposed outside the optical waveguide.
基板の上面側を覆い、下地層の露出領域の上側にレジスト凹部を有するレジスト層を形成する工程。 Forming a resist layer that covers the upper surface side of the substrate and has a resist recess above the exposed region of the underlayer;
下地層に、レジスト凹部の形状を転写して、反射側面、及び反射側面に対向している対向側面を有するミラー部形成用凹部を形成する工程。 The step of transferring the shape of the resist concave portion to the underlayer to form a mirror portion forming concave portion having a reflective side surface and an opposite side surface facing the reflective side surface.
反射側面に設定されるミラー部形成領域にミラー部を形成する工程。 Forming a mirror part in a mirror part forming region set on the reflection side surface;
また、ミラー部形成用凹部を形成する工程では、光導波路の端面を、クラッド層の上面に垂直な面に対して傾斜している傾斜平面にパターニングする工程とするのがよい。 Further, in the step of forming the concave portion for forming the mirror portion, it is preferable that the end face of the optical waveguide is patterned into an inclined plane that is inclined with respect to a plane perpendicular to the upper surface of the cladding layer.
さらに、ミラー部を形成する工程は、ミラー部形成領域を露出するミラー部形成用レジストパターンを用いて、当該ミラー部形成領域のみに金の薄膜を蒸着する工程とするのがよい。 Furthermore, the step of forming the mirror portion may be a step of depositing a gold thin film only on the mirror portion forming region using a mirror portion forming resist pattern that exposes the mirror portion forming region.
光学素子の製造方法は、光導波路の端面及びミラー部を一体的に覆ってミラー部形成用凹部を埋め込む埋込み部を形成する工程をさらに含むのがよい。 The method for manufacturing an optical element preferably further includes a step of forming an embedded portion that integrally covers the end face of the optical waveguide and the mirror portion and embeds the recess for forming the mirror portion.
この埋込み部を形成する工程は、光導波路の屈折率よりも小さく、かつ空気よりも屈折率が大きい材料により埋込み部を形成する工程とするのがよい。 The step of forming the embedded portion is preferably a step of forming the embedded portion with a material having a refractive index smaller than that of the optical waveguide and higher than that of air.
また、この材料を、エポキシ樹脂として埋込み部の製造工程を行うのがよい。 Further, this material is preferably used as an epoxy resin for the manufacturing process of the embedded portion.
この発明の光学素子によれば、光導波路が設けられている基板と同一基板の厚み内にミラー部形成用凹部を形成し、このミラー部形成用凹部の一側面にミラー部を設けてあるので、さらなる部材を用いることなく、光学素子のさらなる小型化が可能となる。 According to the optical element of the present invention, the concave portion for forming the mirror portion is formed within the same thickness as the substrate on which the optical waveguide is provided, and the mirror portion is provided on one side surface of the concave portion for forming the mirror portion. The optical element can be further reduced in size without using additional members.
また、この発明の光学素子によれば、上側に開放しているミラー部形成用凹部内にミラー部が設けられているので、例えばスポットサイズが数μmである光ファイバの光信号を数μmのミラー部に位置合わせするため、ボールレンズ等により1μmから2μm程度の径に集光された光信号を1μm程度の径の導波路に対して位置合わせする場合と比較して位置合わせが容易となる。よって、位置合わせの精度をより向上させ、結合効率をより高めることができる。 Further, according to the optical element of the present invention, since the mirror portion is provided in the concave portion for forming the mirror portion that is open on the upper side, for example, an optical signal of an optical fiber having a spot size of several μm Since alignment with the mirror portion is performed, alignment becomes easier as compared with the case where an optical signal condensed to a diameter of about 1 μm to 2 μm by a ball lens or the like is aligned with a waveguide having a diameter of about 1 μm. . Therefore, the alignment accuracy can be further improved and the coupling efficiency can be further increased.
さらに、この発明の光学素子の製造方法によれば、上述した構成を有するこの発明の光学素子を、従来のいわゆるウエハプロセスにより形成することができる。よって、さらなる設備投資等を要せずに、より効率的に光学素子の製造を行うことができる。 Furthermore, according to the method for manufacturing an optical element of the present invention, the optical element of the present invention having the above-described configuration can be formed by a conventional so-called wafer process. Therefore, the optical element can be manufactured more efficiently without requiring further capital investment.
以下、図を参照して、この発明の実施形態につき説明する。なお、図には、この発明が理解できる程度に各構成成分の形状、大きさ及び配置関係が概略的に示されているに過ぎず、これによりこの発明が特に限定されるものではない。また、以下の説明に用いる各図において、同様の構成成分については同一の符号を付して示し、その重複する説明を省略する場合もあることを理解されたい。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The drawings merely schematically show the shape, size, and arrangement relationship of each component to the extent that the present invention can be understood, and the present invention is not particularly limited thereby. Moreover, in each figure used for the following description, it should be understood that the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof may be omitted.
(第1の実施の形態)
図1(A)、(B)及び(C)を参照して、この発明の実施形態の光学素子の構成例につき説明する。
(First embodiment)
With reference to FIGS. 1A, 1 </ b> B, and 1 </ b> C, a configuration example of an optical element according to an embodiment of the present invention will be described.
図1(A)は光学素子を上面側からみた概略的な平面図であり、図1(B)は図1(A)に示したI−I’一点鎖線で切断した切断面を示す概略的な断面図であり、図1(C)は図1(A)に示したII−II’一点鎖線で切断した切断面を示す概略的な断面図である。 FIG. 1A is a schematic plan view of the optical element as viewed from the upper surface side, and FIG. 1B is a schematic diagram showing a cut surface cut along a dashed line II ′ shown in FIG. FIG. 1C is a schematic cross-sectional view showing a cut surface cut along a dashed line II-II ′ shown in FIG.
図1(A)、(B)及び(C)に示されるように、この発明の実施形態の光学素子10は、基板20を具えている。基板20は、好ましくは平行平板型、すなわち図1(A)に示されるように、上面からみた輪郭が長方形状の形状を有している。
As shown in FIGS. 1A, 1 </ b> B, and 1 </ b> C, the
図1(B)に示されるように、この例では基板20は、下地層22、及びこの下地層22上に設けられており、平坦な上面24Xを有するクラッド層24を有している。
As shown in FIG. 1B, in this example, the
クラッド層24の上面24X上には、光導波路26が設けられている。図1(C)に示されるように、この例では光導波路26は、延在長のいずれの個所においてもその断面積が一様な細線状の導波路である。
An
光導波路26は、クラッド層24の上面内に少なくとも1つの端面、すなわち図示例では第1端面26aを有している。
The
詳細は後述するが、製造工程においては、光導波路26は、上述した下地層22及びクラッド層24と一体であった層に由来するため、以下の説明においては基板20の一部分として説明する場合もある。
Although details will be described later, in the manufacturing process, the
この例では基板20は、好ましくは例えば第1シリコン層、この第1シリコン層上に積層されているシリコン酸化膜層、及びこのシリコン酸化層上に積層されている第2シリコン層を有している、いわゆるSOI(Silicon on Insulator)基板とするのがよい。すなわち、下地層22を第1シリコン層とし、クラッド層24をシリコン酸化層とし、かつ光導波路26を第2シリコン層に由来する構成とするのがよい。
In this example, the
光導波路26をシリコンを材料とするシリコン導波路とする場合には、延在長に対する横断面を300nm角程度の正方形とするのがよい。
When the
また、シリコン導波路である光導波路26に対しては、所望の光学的特性を得るために、例えばリン(P)といった不純物をドープした構成としてもよい。
Further, the
また、基板20は、上述したSOI基板に限定されず、例えばガラス基板を用い、このガラス基板上に光導波路の材料として例えばゲルマニウムを堆積した構成とすることもできる。
Further, the
光学素子10は、ミラー部形成用凹部28を有している。ミラー部形成用凹部28は、この例では基板20、すなわちクラッド層24の上面24Xから基板20の厚み内、すなわち下地層22の厚みの途中までに至る深さを有している。
The
図1(A)に示されるように、この例ではミラー部形成用凹部28は、平面的には長方形状の光学素子10、すなわち基板20の短軸方向に延在する、両端が開放された略半円筒状、すなわち溝状としてある。
As shown in FIG. 1 (A), in this example, the
この例ではミラー部形成用凹部28を短軸方向の両端が開放している溝状として説明したが、これに限定されず、光学的な機能を損なわないことを条件として、例えば短軸方向の両端が閉じたへこみといった任意好適な構成とすることもできる。
In this example, the
図1(B)に示すように、ミラー部形成用凹部28は、反射側面28aと、この反射側面28aと対向している対向側面28bと、これら反射側面28a及び対向側面28bに連接している底面22cを有している。
As shown in FIG. 1B, the mirror
この例では、反射側面28aは、任意好適な曲率を有する曲面とされている。また、対向側面28bは、平坦な傾斜面とされている。そして、底面22cは平坦で水平な面としてこれら反射側面28aと対向側面28bとを接続している。
In this example, the
反射側面28aは、クラッド層24を貫通して形成されるクラッド層第1側面24aとこれに連接していて、下地層22の厚み内に端縁が位置している下地層第1側面22aにより構成されている。
The
反射側面28aの全面又はその一部分の領域にはミラー部形成領域30Xが設定されている。このミラー部形成領域30X内にはミラー部30が設けられている。ミラー部30は、入射面を有する面状或いは立体的な構造体であって任意好適な光学的特性を有している。
A mirror
ミラー部30は、この例では入射される信号光をコリメート光として反射する反射鏡として設けられている。
In this example, the
このミラー部30は、反射側面28aに密着する、好ましくは例えば金(Au)の薄膜として構成するのがよい。
The
例えば光学素子10を光ファイバ同士の光学的な結合に用いる場合には、このミラー部30を曲率半径1μm程度の曲面として構成するのがよい。
For example, when the
このミラー部30の曲率半径は、例えば光導波路26との距離といった要因を勘案して任意好適なものとすることができる。
The radius of curvature of the
対向側面28bは、クラッド層24を貫通して形成されるクラッド層第2側面24bとこれに連接していて、下地層22の厚み内に下側の端縁が位置している下地層第2側面22bにより構成されている。
The opposing
対向側面28b及び底面22cは、いずれも光学的な機能を果たさなくてもよいため、その形状は平担面に限定されず、例えば曲面として設けることもできる。
Since the opposing
図1(B)に示されるように、クラッド層24の上面24X上には、光導波路26が延在している。光導波路26の第1端面26aは、基板20の厚み内に位置しているミラー部30に対して、光信号を入射できるように、又はミラー部30に入射され、ミラー部30により反射、すなわち出射された光信号を受光できるように設けられている。
As illustrated in FIG. 1B, the
換言すると、ミラー部30は、光学素子10の上側から入射された信号光を反射して、この反射された信号光を光導波路26の第1端面26aに入射できるように、又は第1端面26aから出射された信号光を光学素子10の上面側に反射、すなわち出射できるように設けられている。
In other words, the
光導波路26の第1端面26aは、この例ではクラッド層24のクラッド層第2側面24bに連接するように設けられている。
In this example, the
この第1端面26aは、ミラー部30に信号光を入射できるか、又はミラー部30から信号光を受光できることを条件として、好ましくは例えば、平坦面であるクラッド層24の上面24Xの垂直面に対する角度θを有する傾斜平面として構成するのがよい。より具体的には、第1端面26aは、クラッド層24の上面24Xの長軸方向に直交する垂直面に対して15°程度の傾斜を有する傾斜平面とするのがよい。
The
この第1端面26aの傾斜角度及び傾斜方向は、ミラー部30との相対的な位置関係、所望の光学的特性といった観点から任意好適なものとすることができる。
The inclination angle and the inclination direction of the
この発明の光学素子の構成によれば、光導波路が設けられている基板と同一基板の厚み内にミラー部形成用凹部を形成し、このミラー部形成用凹部の一側面にミラー部を設けてあるので、さらなる部材を用いることなく、光学素子のさらなる小型化が可能となる。 According to the configuration of the optical element of the present invention, the concave portion for forming the mirror portion is formed within the same thickness as the substrate on which the optical waveguide is provided, and the mirror portion is provided on one side surface of the concave portion for forming the mirror portion. Therefore, the optical element can be further reduced in size without using additional members.
また、この発明の光学素子によれば、上側に開放しているミラー部形成用凹部内にミラー部が設けられているので、例えば光ファイバ同士といった光学デバイス同士の光学的な結合を素子の上側から行うことができるため、特に素子の上側に配置される光学デバイスの位置合わせが容易となる。よって、このような位置合わせの精度をより向上させ、結合効率をより高めることができる。 Further, according to the optical element of the present invention, since the mirror part is provided in the concave part for forming the mirror part that is open to the upper side, the optical coupling between optical devices such as optical fibers can be performed on the upper side of the element. In particular, it is easy to align the optical device arranged above the element. Therefore, the accuracy of such alignment can be further improved and the coupling efficiency can be further increased.
(光学素子の製造方法)
図2(A)、(B)及び(C)並びに図3を参照して、この発明の実施形態の光学素子の製造方法例につき説明する。
(Optical element manufacturing method)
With reference to FIGS. 2A, 2B and 2C and FIG. 3, an example of a method for manufacturing an optical element according to an embodiment of the present invention will be described.
図2(A)、(B)及び(C)は、光学素子の製造工程を説明するために、製造途中の構造体を切断した切断面を示す概略図である。 2A, 2 </ b> B, and 2 </ b> C are schematic views illustrating a cut surface of a structure that is being manufactured in order to explain the manufacturing process of the optical element.
図1(A)に示したI−I’一点鎖線方向で切断した切断面を図示して説明する。 A cut surface cut in the direction of the dashed line I-I ′ shown in FIG.
図2(A)に示されるように、まず、基板20として、この例ではSOI基板を準備する。例えば、径が6インチ(15.24cm)程度である市販のSOI基板を用いることができる。
As shown in FIG. 2A, first, an SOI substrate is prepared as a
すなわち、シリコンの層である下地層22、この下地層22上に積層されているシリコン酸化膜からなるクラッド層24及びこのクラッド層24上に積層されている光導波路形成層26Xを有している基板20を準備する。
That is, it has a
下地層22の厚みは、上述したミラー部形成用凹部を形成できることを条件として任意好適な厚みとすることができるが、好ましくは例えば620μm程度とすればよい。
The thickness of the
クラッド層24の厚みは、500μm程度とすることができるが、光導波路をシリコンにより構成する場合には、好ましくは例えば2μm以上とするのがよい。
The thickness of the clad
光導波路形成層26Xは、光導波路としての所望の光学的特性を得るために、すなわち光の透過率を考慮して、可能な限り高い抵抗率、好ましくは例えば10Ωcmから40Ωcm程度の範囲の抵抗率を有する層とする必要がある。
The optical
このため、光導波路形成層26Xに、所望の光学的特性を得るために、リンといった不純物を予め常法に従って、任意好適な濃度としてドープするか、光学的な特性を充足する光導波路形成層26Xを有する基板を準備するのがよい。
For this reason, in order to obtain desired optical characteristics in the optical
この基板20には、光学素子の設計に応じた範囲で凹部形成領域20Xを予め設定しておく。
In this
次いで、光導波路26を形成する。光導波路26の形成工程は、フォトリソグラフィ工程によるマスクパターンの形成、このマスクパターンを用いるエッチング工程による光導波路形成層26Xのパターニング及びマスクパターンの除去という一連の従来公知のいわゆるウエハプロセスにより従来公知の製造装置を用いて実施することができる。
Next, the
マスクパターンの形成工程としては、好ましくは例えば電子線描画装置に対応するネガ型EBレジスト材料を使用して、常法に従ってレジストパターンの形成を行うのがよい。 As the mask pattern forming step, it is preferable to form a resist pattern in accordance with a conventional method, preferably using, for example, a negative EB resist material corresponding to an electron beam drawing apparatus.
エッチング工程としては、好ましくは例えばエッチングガスとしてSF6を使用し、平行平板型のRIE(反応性イオンエッチング)装置を用いる常法に従うエッチング工程とするのがよい。 The etching step is preferably an etching step according to a conventional method using, for example, SF 6 as an etching gas and using a parallel plate type RIE (reactive ion etching) apparatus.
図2(B)に示されるように、この光導波路形成層26Xのパターニング工程により、マスクパターンから露出している領域をクラッド層24の上面24Xが露出するまでエッチングすることにより、露出したクラッド層24の上面24X上に延在している前駆光導波路26Yを形成する。
As shown in FIG. 2B, the exposed cladding layer is etched by etching the region exposed from the mask pattern until the
このマスクパターンの形状に応じて、前駆光導波路26Yを任意好適な延在形状とすることができる。
Depending on the shape of the mask pattern, the precursor
なお、この工程終了時点では、第1端面26aはまだ非形成であり、前駆光導波路26Yは、凹部形成領域20X内にも延在している。
At the end of this step, the
前駆光導波路26Yの形成工程として、電子線描画装置を用いるレジストパターンの形成工程及びRIE装置を用いるエッチング工程を説明したが、これに限定されず、好ましくは例えば高分解能のステッパを用いるレジストパターンの形成工程及びICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)エッチング装置を用いるエッチング工程により実施してもよい。
As the formation process of the precursor
図2(C)に示されるように、次に凹部形成領域20X内に露出しているクラッド層24をパターニングして除去し、下地層22の一部分を露出させる。
As shown in FIG. 2C, next, the
この工程は、常法に従うフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により行うことができる。 This step can be performed by a photolithography step and an etching step according to a conventional method.
クラッド層24が除去される領域、すなわち下地層22が露出する露出領域20Xaは、図1(B)を参照して既に説明した下地層22が彫り込まれて形成される下地層第1側面22a、下地層第2側面22b及び底面22cを、後述する下地層22に対するエッチング工程により形成することができる領域である。
The region from which the
詳細は後述するが、この下地層22に対するエッチング工程時に、凹部形成領域20X内に延在する前駆光導波路26Y及びその直下の領域を含むクラッド層24の一部分がエッチングされて、図1を参照して既に説明した第1端面26a及びクラッド層第2端面24bが形成される。
Although details will be described later, during the etching process for the
よって、凹部形成領域20X内に延在する前駆光導波路26Y及びその直下の領域を含むクラッド層24の一部分、すなわちこの例では前駆光導波路26Yの端縁に沿って基板20の長軸に直交して延在する線と、前駆光導波路26Y側の凹部形成領域20Xの境界線とに挟まれる領域のクラッド層24の一部分である残存領域24cは残存させる。
Accordingly, the precursor
次に、基板20の上面全面に凹部形成用レジストパターン50を形成する。この凹部形成用レジストパターン50は、上述の工程により形成された構造体全面上を覆うように形成する。
Next, a recess-forming resist
凹部形成用レジストパターン50パターンの形成工程としては、好ましくは例えば電子線描画装置に対応するアナログタイプのポジ型EBレジスト材料を使用して、常法に従ってレジストパターンの形成を行うのがよい。
In the step of forming the recess-forming resist
具体的には、好ましくは例えばEBレジスト材料として東京応化株式会社製OEBR−1000(商品名)を用いて、加速電圧を30kVとする電子線描画装置により露光し、現像液としてテトラエチルアンモニウムハイドロキシド(TEAH)を用いて現像を行うことによりレジストパターンの形成を行うことができる。 Specifically, preferably, for example, OEBR-1000 (trade name) manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. is used as an EB resist material, exposure is performed with an electron beam drawing apparatus with an acceleration voltage of 30 kV, and tetraethylammonium hydroxide ( A resist pattern can be formed by developing using TEAH.
凹部形成用レジストパターン50は、露出領域20Xaにレジスト凹部50aを有する。
The recess forming resist
このレジスト凹部50aは、凹部形成用レジストパターン50を用いるエッチング工程により、このレジスト凹部50aの形状を下地層22に転写して、図1を参照して既に説明した下地層第1側面22a、すなわちミラー部形成領域30X、下地層第2側面22b及び底面22cを形成することができる形状とされる。
The resist
すなわち、レジスト凹部50aを上面側からみた平面的な形状は、形成される下地層第1側面22a、下地層第2側面22b及び底面22cを上面側からみた形状とほぼ同じ形状とされる。
That is, the planar shape of the resist
レジスト凹部50aの深さ、すなわち、基板面に対して垂直方向の立体的な形状は、下地層22のエッチングレートと凹部形成用レジストパターン50のエッチングレートとを勘案して決定すればよい。
The depth of the resist
例えば、下地層22と凹部形成用レジストパターン50とのエッチングレート比が10:1である場合であって、下地層22の上面からミラー部形成用凹部28の底面22cまでの深さを30μmとしたい場合には、凹部形成用レジストパターン50のレジスト凹部50aの深さを3μmと設定するというようにすればよい。
For example, when the etching rate ratio between the
次いで、凹部形成領域20Xの下地層22に、凹部形成用レジストパターン50のレジスト凹部50aの形状を転写するエッチング工程を行う。
Next, an etching process is performed to transfer the shape of the resist
このエッチング工程は、好ましくは例えばエッチングガスとしてSF6及びO2の混合ガスを、これらの混合比を調節することでエッチングレート比を調整して使用し、平行平板型のRIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)装置を用いる常法に従うエッチング工程とするのがよい。 This etching step preferably uses, for example, a mixed gas of SF 6 and O 2 as an etching gas by adjusting the etching rate ratio by adjusting the mixing ratio thereof, and a parallel plate type RIE (Reactive Ion Etching: An etching process according to a conventional method using a (reactive ion etching) apparatus is preferable.
このエッチング工程により、ミラー部形成領域30Xが設定される反射側面28a、すなわち下地層第1側面22a及びクラッド層第1側面24a、及びこの反射側面28aに対向している対向側面28b、すなわち下地層第2側面22bを有しているミラー部形成用凹部28を形成する。
By this etching process, the
このとき、前駆光導波路26Yの凹部形成領域20X内に延在していた一部領域もエッチングされて、光信号の出射及び受光が可能な第1端面26aを有する光導波路26として完成する。すなわち、凹部形成用レジストパターン50はミラー部形成用凹部28のみならず、光導波路26の特に第1端部26aが形成可能な形状として設計される。
At this time, a partial region extending into the
凹部形成用レジストパターン50は、第1端部26aが好ましくは例えば基板20の上面に対する垂直面に対して傾斜を有する傾斜平面である端面を有する形状とできるような形状に形成するのがよい。
The concave portion forming resist
よって、凹部形成用レジストパターン50は、凹部形成領域20X内に延在している前駆光導波路26Yの直上に位置する一部領域を基板20、すなわち平坦面であるクラッド層24の上面24Xの垂直面に対して傾斜を有する傾斜平面として設計及び形成するのがよい。
Therefore, in the concave portion forming resist
ミラー部形成用凹部28の形成工程として、電子線描画装置によりレジストパターンの形成を行い、RIE装置を用いる常法に従うエッチング工程を説明したが、この発明の製造方法はこれに限定されず、例えば多重露光といった従来公知の手法により、任意好適な微細な形状を有する凹部形成用レジストパターン50を形成し、この凹部形成用レジストパターン50を用いて下地層にこの形状を転写することでミラー部形成用凹部28を形成することもできる。
As a process for forming the
また、微細かつ立体的なレジストパターンを形成できるいわゆるグレーマスクと称されるフォトマスクを用いてレジスト材料に対する露光及び現像を行って、任意好適な微細な形状を有する凹部形成用レジストパターン50を形成し、この凹部形成用レジストパターン50を用いて下地層にこの形状を転写することでミラー部形成用凹部28を形成することもできる。
Further, the resist material is exposed and developed using a so-called gray mask photomask capable of forming a fine and three-dimensional resist pattern, thereby forming a recess-forming resist
図3に示されるように、次に、形成されたミラー部形成用凹部28のミラー部形成領域30X、すなわち下地層第1側面22aの表面にミラー部30を形成する。
As shown in FIG. 3, next, the
まず、従来公知のフォトリソグラフィ工程により、所望のミラー部の態様に合わせてアスペクト比等を考慮して選択されたレジスト材料を用いて、ミラー部形成領域30Xのみを露出するミラー部形成用のマスクパターンを形成する。
First, a mask for forming a mirror part that exposes only the mirror
次いで、露出面全面に、反射鏡として機能させることができるミラー部材料、好ましくは例えば金を、従来公知の蒸着工程により蒸着する。 Next, a mirror part material that can function as a reflecting mirror, preferably gold, for example, is deposited on the entire exposed surface by a conventionally known deposition process.
次に、ミラー部形成用レジストパターンを使用されたレジスト材料に好適な手法により除去する。この工程により、ミラー部形成領域30X外に存在しているミラー部材料は除去され、ミラー部30が形成される。
Next, the resist pattern for forming the mirror part is removed by a technique suitable for the resist material used. By this step, the mirror part material existing outside the mirror
以上の工程により、ミラー部形成領域30Xに光学素子10が完成する。
Through the above steps, the
この発明の光学素子の製造方法によれば、各工程を従来のいわゆるウエハプロセスにより実施することができる。よって、さらなる設備投資等を要せずに、より効率的に光学素子の製造を行うことができる。 According to the method of manufacturing an optical element of the present invention, each process can be performed by a conventional so-called wafer process. Therefore, the optical element can be manufactured more efficiently without requiring further capital investment.
(第2の実施の形態)
図4を参照して、この発明の別の実施形態の光学素子の構成例及びその製造方法につき説明する。
(Second Embodiment)
With reference to FIG. 4, a configuration example of an optical element according to another embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described.
この実施の形態の光学素子は、既に説明した第1の実施の形態の光学素子10のミラー部形成用凹部28を、埋込み部40によりさらに埋め込む構成とした点に特徴を有している。
The optical element of this embodiment is characterized in that the mirror
なお、この埋込み部40以外の構成については、既に説明した第1の実施の形態の光学素子10の構成要素と何ら変わるところがないため、第1の実施の形態と同一の構成については同一番号を付してこれらの詳細な説明は省略する。
The configuration other than the embedded
(光学素子の構成例)
図4(A)は、光学素子を上面側からみた概略的な平面図であり、図4(B)は、既に説明した図1(C)に示した一点鎖線I−I’と同じ位置で切断した切断面を示す概略図である。
(Configuration example of optical element)
FIG. 4A is a schematic plan view of the optical element as viewed from the upper surface side, and FIG. 4B is the same position as the one-dot chain line II ′ shown in FIG. It is the schematic which shows the cut surface which cut | disconnected.
図4に示されるように、ミラー部形成用凹部28は、埋込み部40により埋め込まれている。
As shown in FIG. 4, the mirror
埋込み部40は、ミラー部形成用凹部28内のミラー部30及び光導波路26の第1端面26aを一体的に覆ってミラー部形成用凹部28全体を埋め込んでいる。
The embedded
この埋込み部40は、好ましくは例えば、光導波路26の屈折率よりも小さく、かつ空気よりも屈折率が大きい材料により構成するのがよい。
The embedded
光導波路26が、例えばシリコンにより構成されている場合には、シリコンの理論的な屈折率である3.4よりも小さく、空気の屈折率、すなわち1よりも大きな屈折率を有する材料によりミラー部形成用凹部28を埋め込んで埋込み部40とするのがよい。
When the
具体的には、埋込み部40は、最低でも既に説明した第1の実施の形態の光学素子10が奏する光学的な機能を損なわないことを条件として、埋込み後に固体となる材料、好ましくは例えば、エポキシ系樹脂、フッ素化ポリイミド、重水素化PMMA、市場にて入手可能な光ファイバ用接着剤といった任意好適な高分子材料を用いることができる。
Specifically, the embedded
加えて、埋込み部40は、好ましくは例えば高屈折率の低融点ガラス、シリコン窒化膜により構成することもできる。
In addition, the embedded
このように、ミラー部形成用凹部全体を高屈折材料により埋め込む構成とすれば、ミラー部に入射される信号光の放射角度、すなわち広がり角をより小さくすることができるので、ミラー部に対して信号光をより効率的に入射させることができる。よって、より効果的に光学デバイス同士の接続を行うことができる。 As described above, if the entire concave portion for forming the mirror portion is embedded with a high refractive material, the radiation angle of the signal light incident on the mirror portion, that is, the spread angle can be further reduced. Signal light can be incident more efficiently. Therefore, the optical devices can be connected more effectively.
また、光導波路の出射又は受光端面、及びミラー部をより効果的に保護することができる。 Further, the emission or light receiving end face of the optical waveguide and the mirror part can be more effectively protected.
(光学素子の製造方法)
既に説明した第1の実施の形態と同様にして、ミラー部形成用凹部28内のミラー部30の形成工程までを行う。
(Optical element manufacturing method)
In the same manner as in the first embodiment described above, the process up to the formation of the
次いで、選択された材料に応じた工程により、ミラー部形成用凹部28内を埋め込む。
Next, the inside of the
例えばエポキシ樹脂といった高分子材料を用いる場合には、従来公知のディスペンサを用いて常法に従うポッティング法により埋め込んで、形成するのがよい。 For example, when a polymer material such as an epoxy resin is used, it is preferably formed by embedding by a conventional potting method using a conventionally known dispenser.
また、例えばシリコン窒化膜により埋め込む場合には、常法に従うCVD(Chemical Vapor Deposition)工程により埋め込む工程とすればよい。 For example, in the case of embedding with a silicon nitride film, it may be a process of embedding by a CVD (Chemical Vapor Deposition) process according to a conventional method.
(光学素子の結合状態の評価試験)
図5、図6(A)及び(B)を参照して、既に説明した第1及び第2の形態にかかる光学素子それぞれについて、結合状態を評価する評価試験の評価系について説明する。
(Evaluation test of optical element coupling state)
With reference to FIG. 5, FIG. 6 (A) and (B), the evaluation system of the evaluation test which evaluates a coupling state is demonstrated about each optical element concerning the 1st and 2nd form already demonstrated.
図5は、評価系の模式図である。なお、図示例として第1の実施の形態の光学素子を適用する例を示して説明するが、第2の実施の形態については光学素子以外の構成に何ら変わるところがないため図示及びその説明を省略する。 FIG. 5 is a schematic diagram of an evaluation system. Although an example in which the optical element of the first embodiment is applied will be described as an example of illustration, the illustration and description thereof are omitted for the second embodiment because there is no change in the configuration other than the optical element. To do.
図5に示されるように、光学素子10は、光ファイバである第1ファイバ60A及び第2ファイバ60Bを光学的に結合している。
As shown in FIG. 5, the
光学素子10は、この例ではミラー部30として金の薄膜により構成された曲率半径1μmの反射鏡を具えている。
In this example, the
また、第2の実施の形態にかかる光学素子は、エポキシ樹脂を材料とする埋込み部を具えている。 The optical element according to the second embodiment includes an embedded portion made of an epoxy resin.
第1ファイバ60A及び第2ファイバ60Bとしては、コア径5μmのいわゆるシングルモードファイバを用いた。
As the
第1ファイバ60Aは、光学素子10のミラー部形成用凹部28が開口する側である上面側に配置されている。
The first fiber 60 </ b> A is disposed on the upper surface side, which is the side where the mirror-forming
第1ファイバ60Aの第1出射端部60Aaは、光学素子10のミラー部30と対向して光学的に接続されている。
The first outgoing end 60Aa of the
第2ファイバ60Bは、光学素子10の光導波路26の第2端面26b側に配置されている。
The
第2ファイバ60Bの入射端部60Baは、光導波路26の第2端面26bと対向して光学的に接続されている。
The incident end 60Ba of the
第2ファイバ60Bの第2出射端部60Bbには、市場にて入手可能ないわゆる光パワーメータが接続されている(図示しない。)。
A so-called optical power meter available on the market is connected to the second exit end 60Bb of the
すなわち、第1ファイバ60Aの第1出射端部60Aaから出射された信号光は、ミラー部30により反射される。
That is, the signal light emitted from the first emission end 60 </ b> Aa of the first fiber 60 </ b> A is reflected by the
ミラー部30により反射された信号光は、光導波路26の第1端面26aにより受光され、第2端面26bから出射される。
The signal light reflected by the
第2端面26bから出射された信号光は、第2ファイバ60Bの入射端部60Baにより受光され、第2出射端部60Bbから出射される。
The signal light emitted from the
光パワーメータは、第2出射端部60Bbから出射された信号光を観測する。 The optical power meter observes the signal light emitted from the second emission end 60Bb.
(評価試験結果)
図6(A)及び(B)を参照して、評価結果につき説明する。これらは図面に対して垂直方向、すなわち光ファイバの光軸に対して垂直方向の軸ずれ量について評価したものである。
(Evaluation test results)
With reference to FIG. 6 (A) and (B), it demonstrates per evaluation result. These were evaluated for the amount of axial deviation in the direction perpendicular to the drawing, that is, in the direction perpendicular to the optical axis of the optical fiber.
図6(A)は第1の実施の形態の光学素子を用いた場合の評価結果を示すトレランスカーブであり、図6(B)は第2の実施の形態の光学素子を用いた場合の評価結果を示すトレランスカーブである。縦軸は結合効率(dB)を表し、横軸は軸ずれ量(μm)を表している。 FIG. 6A is a tolerance curve showing an evaluation result when the optical element of the first embodiment is used, and FIG. 6B is an evaluation when the optical element of the second embodiment is used. It is a tolerance curve which shows a result. The vertical axis represents coupling efficiency (dB), and the horizontal axis represents the amount of axial deviation (μm).
なお、評価試験は、波長を1.31μmとし、出力を10dBmとする信号光を用いて行った。 The evaluation test was performed using signal light having a wavelength of 1.31 μm and an output of 10 dBm.
図6(A)に示されるように、第1の実施の形態の光学素子によれば、±3μmの範囲の軸ずれ量で1dBダウンのトレランスを得ることができた。結合効率の最高値は−12dBであった。 As shown in FIG. 6A, according to the optical element of the first embodiment, a 1 dB down tolerance could be obtained with an axis deviation in the range of ± 3 μm. The maximum value of the coupling efficiency was -12 dB.
図6(B)に示されるように、第2の実施の形態の光学素子によれば、±3.3μmの範囲の軸ずれ量で1dBダウンのトレランスを得ることができた。結合効率の最高値は−9dBであった。 As shown in FIG. 6B, according to the optical element of the second embodiment, a tolerance of 1 dB down can be obtained with an axis deviation amount in the range of ± 3.3 μm. The maximum value of the coupling efficiency was −9 dB.
以上のように、この発明の光学素子によれば、光学素子の上面側からの光信号の入射が可能となる。また、光学素子の上面側からの光信号の入射を行ったとしても十分な結合効率を得ることができる。 As described above, according to the optical element of the present invention, an optical signal can be incident from the upper surface side of the optical element. Even if an optical signal is incident from the upper surface side of the optical element, sufficient coupling efficiency can be obtained.
この発明の光学素子は、光通信系に用いられる光デバイス同士の光学的な結合に用いて好適である。 The optical element of the present invention is suitable for optical coupling between optical devices used in an optical communication system.
10:光学素子
20:基板
20X:凹部形成領域
20Xa:露出領域
22:下地層
22a:下地層第1側面
22b:下地層第2側面
22c:底面
24:クラッド層
24a:クラッド層第1側面
24b:クラッド層第2側面
24c:残存領域
24X:上面
26:光導波路
26a:第1端面
26b:第2端面
26X:光導波路形成層
26Y:前駆光導波路
28:ミラー部形成用凹部
28a:反射側面
28b:対向側面
30:ミラー部
30X:ミラー部形成領域
40:埋込み部
50:凹部形成用レジストパターン
50a:レジスト凹部
60A:第1ファイバ
60Aa:第1出射端部
60B:第2ファイバ
60Ba:入射端部
60Bb:第2出射端部
10: Optical element 20:
Claims (13)
前記上面内に少なくとも1つの端面を有して設けられている光導波路と、
前記基板の前記上面から当該基板の厚み内に至る深さを有しているミラー部形成用凹部であって、入射する信号光を反射するミラー部が設けられている反射側面、及び当該反射側面に対向しており、前記光導波路の前記端面に連接している対向側面を有している当該ミラー部形成用凹部と
を具えていることを特徴とする光学素子。 A substrate having a base layer and a clad layer provided on the base layer and having a flat upper surface;
An optical waveguide provided with at least one end face in the upper surface;
A reflective side surface provided with a mirror part that is a concave part for forming a mirror part and has a depth extending from the upper surface of the substrate to the thickness of the substrate, and reflecting the incident signal light, and the reflective side surface An optical element comprising: a concave portion for forming the mirror portion that has a facing side surface that is opposed to the end surface of the optical waveguide.
前記光導波路形成層をパターニングして、前記クラッド層上の中途に一端面を有して延在する光導波路を形成する工程と、
前記光導波路外に露出している前記クラッド層の、前記一端面に対面する側の領域部分をエッチング除去して、前記下地層を露出させる工程と、
基板の上面側を覆い、前記下地層の露出領域の上側にレジスト凹部を有するレジスト層を形成する工程と、
前記下地層に、前記レジスト凹部の形状を転写して、反射側面、及び当該反射側面に対向している対向側面を有するミラー部形成用凹部を形成する工程と、
前記反射側面に設定されるミラー部形成領域にミラー部を形成する工程と
を具えることを特徴とする光学素子の製造方法。 Preparing a substrate having a base layer, a clad layer provided on the base layer, and an optical waveguide forming layer provided on the clad layer;
Patterning the optical waveguide forming layer to form an optical waveguide extending in the middle of the cladding layer with one end face; and
Etching the region part on the side facing the one end face of the cladding layer exposed outside the optical waveguide to expose the foundation layer;
Covering the upper surface side of the substrate and forming a resist layer having a resist recess on the upper side of the exposed region of the base layer;
Transferring the shape of the resist concave portion to the underlayer, and forming a mirror portion forming concave portion having a reflective side surface and an opposite side surface facing the reflective side surface;
And a step of forming a mirror part in a mirror part forming region set on the reflection side surface.
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