JP2000039531A - 光信号伝送システムおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光導波路の入射端面にて端面発光型の発光素
子からの光を端面結合させる場合の高次モード伝搬を抑
制し、導波損失を抑え、光出力を増大させる。 【解決手段】 光導波路ＷＧ１の入射端面において、コ
ア端面部分を水平凸面部４とする。発光素子１０の活性
層１１から出射したレーザ光は、水平方向および垂直方
向にある程度の広がり成分を持つが、このうち水平成分
は水平凸面部４のレンズ効果により収束され、平行光、
もしくはコア３とクラッド２との界面への入射角の小さ
い状態で伝搬すること、すなわち低次モード伝搬が可能
となる。水平凸面部４は、同様のエッジ・プロファイル
を持つエッチング・マスクを介した異方性エッチングで
形成できる。コア端面が球面に近い場合には、水平成分
に加えて垂直成分も収束される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は端面発光素子からの
光を光導波路に端面結合させる光信号伝送システムにお
いて、結合を低次モード化して導波損失を低減可能とす
る構造、およびこれを簡便に製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ技術やＬＳＩ技術の進歩によりこれ
らの動作速度や集積規模が向上し、マイクロプロセッサ
にの高性能化やメモリ・チップの大容量化が急速に進展
している。このような状況下では、信号配線の高速・高
密度化や電気配線遅延が上記高性能化のネックとなって
いる。この問題を解消し得る技術として、光インターコ
ネクション（光配線）が注目されている。光配線は、機
器装置間、機器装置内のボード間、ボード内のチップ間
等、様々な階層に適用可能と考えられているが、たとえ
ばチップ間のように比較的短距離の信号伝送には光導波
路を伝送路とする光信号伝送システムが有効である。

【０００３】ここで、光導波路を使用した光配線をたと
えばＬＳＩ間を結ぶマルチチップモジュール（ＭＣＭ）
用の伝送路に応用する場合、従来より端面発光型のレー
ザ・ダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）が
送信側の発光素子として用いられている。図９に、光導
波路と端面発光型の発光素子を用いた典型的な光信号伝
送システムの構成例を示す。図９（ａ）において、基板
２１上にはその面内方向に延在される光導波路ＷＧ３が
形成されている。この光導波路ＷＧ３は、コア２３をこ
れより屈折率の低い材料からなるクラッド２２で包囲し
たものである。光導波路ＷＧ３は基板２１に対して垂直
な加工面を有しており、この加工面に露出するコア２３
の垂直平坦面がコア端面２３ａとされている。

【０００４】上記基板２１上には、発光素子３０が実装
されている。上記発光素子３０がたとえばレーザ・ダイ
オードである場合、その活性層３１の長手方向は上記コ
ア２３の延在方向に合致されており、該活性層３１の一
端からのビームスポットＢＳがコア２３の中央部に結像
するようになされている。なお、ここでは発光素子３０
は正確には基板２１の直上ではなく、該基板２１上に厚
みの一部を残されたクラッド２２の上に実装されてい
る。これは、ビームスポットＢＳの位置をコア２３の中
心高さに合わせて調整するためである。発光素子３０と
光導波路ＷＧ３の結合効率を高め、ノイズを低減するた
めには、両者の間に光収束用のレンズ等の光学部品を介
在させることなく、図９に示されるように活性層３１の
端面からの光を直接コア２３に入射させる、いわゆる端
面結合方式が有効である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、レーザ・ダ
イオード等の発光素子３０からの光は基板２１の面内方
向および垂直方向にある程度の広がり角を有しており、
これら両方向における広がり角が互いに異なるために、
ビームスポットＢＳ形状は一般に楕円となっている。こ
こで、上記光導波路ＷＧ３がマルチモード伝搬用の光導
波路であって、かつ端面結合方式が採用される場合に
は、コア２３の断面積が大きい上に入射光を収束される
手段が存在しないので、広がり角の大きいビーム外周部
成分までもがコア２３に結合し、いわゆる高次モード結
合が生じてしまう。この状態を、図９（ｂ）および図９
（ｃ）に示す。図９（ｂ）は図９（ａ）に示した光信号
伝送システムの模式的な上面図、図９（ｃ）は光導波路
ＷＧ３の中心線に沿った模式的断面図である。

【０００６】高次モードでは、コア２３とクラッド２２
との境界面において光が大きな角度で反射を繰り返しな
がら伝搬するため、低次モードに比べて単位伝搬距離あ
たりの反射回数が多くなる。この結果、導波損失が増大
し、光導波路の出射光の出力が低下するという問題があ
る。したがって、マルチモード光導波路に発光素子から
の光を端面結合させる際には、できるだけ結合を低次モ
ード化して導波損失を抑え、出力を増大させることが安
定な光信号伝送につながる。そこで本発明は、かかる安
定な光信号伝送を可能とする光信号伝送システムと、こ
れを簡便に製造する方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、発光素子から
の光を端面結合により前記コア部内へ導入し伝搬させる
ようになされた光信号伝送システムにおいて、光導波路
の入射端面において少なくとも前記コア部の端面を発光
素子に向かって凸となる曲凸面部とするものである。こ
の曲凸面部のレンズ効果により、広がり角の大きいビー
ム外周部成分も見かけ上、広がり角の小さいビーム成分
と同様にコア部の内部を低次モードにて伝搬できるよう
になり、上述の目的が達成される。

【０００８】かかる曲凸面部を形成するには、予め基板
上にその面内方向に沿って形成された光導波路のクラッ
ド部の表面に、コア部との重複部分において曲凸面状に
突出されたエッジ・プロファイルを有するエッチング・
マスクを形成し、このエッチング・マスクを介して少な
くともコア部の断面全体が露出するまで光導波路をエッ
チングすればよい。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の光信号伝送システムは、
コア端面にレンズ効果を持たせることにより、端面結合
の短所であった高次モード伝搬の発生を抑制するもので
ある。コア端面の曲凸面部は、基板の面内方向の断面プ
ロファイル、および垂直方向の断面プロファイルの少な
くとも一方において凸とする。面内方向の断面プロファ
イルにおいてのみ凸である場合には、ビームの面内成分
のみに対して収束効果が得られ、垂直方向の断面プロフ
ァイルにおいてのみ凸である場合には、ビームの垂直成
分のみに対して収束効果が得られる。面内方向と垂直方
向の両方の断面プロファイルにおいて凸である場合に
は、あらゆる方向に広がるビーム成分に対して収束効果
が得られる。なお、本発明における曲凸面部は、球面、
非球面のいずれであってもよい。

【００１０】面内方向の断面プロファイルが凸となるよ
うなコア部を形成するためには、コア部との重複部分に
おいて曲凸面状に突出されたエッジ・プロファイルを有
するエッチング・マスクを介して光導波路をエッチング
する際に、異方性エッチング条件を採用すればよい。異
方性エッチングは、たとえばプラズマを用いた反応性イ
オン・エッチングにおいてバイアス印加等の方法により
被加工物へのイオンの入射エネルギーを高めることで達
成できる。これにより、形成される入射端面は基板面に
対してほぼ垂直となり、クラッド端面とコア端面とが連
続面として形成される。

【００１１】一方、面内方向に加えて垂直方向の断面プ
ロファイルも凸となるようなコア部を形成するために
は、予めコア部とクラッド部とを互いにエッチング速度
の異なる材料を用いて形成しておき、コア部のエッチン
グ速度がクラッド部に比べて遅くなるような条件でエッ
チングを行うことにより、コア部の端面を前記光導波路
の入射端面より突出させる。このようなエッチングは、
等方的なエッチング条件下で行うことができる。等方的
をエッチング条件は一般に、適当なエッチング液を用い
たウェットエッチング、あるいはラジカル反応を主体と
するドライエッチングにより実現される。なお、このと
きのエッチング選択性の大小により、コア部の突出部の
エッジの状態が異なる。コア部とクラッド部との間のエ
ッチング選択性がそれほど大きくない場合には、このエ
ッチング中に突出部のエッジがある程度丸くなる。した
がって、このままで十分なレンズ効果を発揮することが
でき、良好な光収束効果が期待できるようであれば、そ
の後の処理は特に不要である。

【００１２】しかし、より十分なレンズ効果を発揮させ
る上では、熱処理により突出部を丸めることが一層好適
である。ただし、熱処理中にコア部のみを変形させ、ク
ラッド部は変形させないようにするため、上記のエッチ
ング特性に加えてガラス転移温度も考慮した材料選択が
重要である。すなわち、コア部をクラッド部に比べてガ
ラス転移温度の低い材料を用いて構成し、コア部のみを
変形させ得る温度にて熱処理を行うことにより、コア部
の突出部は軟化状態または溶融状態におけるその材料の
粘度や表面張力により決まる曲凸面に変化する。これに
より、基板の面内方向の断面プロファイルと垂直方向の
断面プロファイルの双方が凸となるようなコア端面を形
成することができる。

【００１３】いずれのコア端面を形成するにしても、エ
ッチングはコア部の断面全体を露出させるまで行う。す
なわち、コア部の下方のクラッドを基板上に多少残して
も、あるいはクラッドをすべて除去して基板を露出させ
ても、さらにあるいは基板の表層部を多少除去しても構
わない。本発明では光導波路の除去部に発光素子を実装
するので、この発光素子の発光面の高さがコア部の中心
と合致するようにエッチング深さを設定することが肝要
である。

【００１４】ところで、光導波路を構成するクラッド部
とコア部に要求される条件としては、透明性が高く導波
損失が少ないこと、屈折率や体積の経時変化が少ないこ
と、発光・受光素子のはんだ実装を考慮して耐熱性に優
れること、が挙げられる。これらの条件を満たす材料と
して、無機材料では石英、有機材料ではエポキシ系やア
クリル系等の紫外線硬化樹脂、ポリイミド等の高分子材
料が知られている。特に高分子材料は、コストが低く、
低温プロセスによる作製が可能で、しかも大面積化への
対応も容易であるといったメリットを有する。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００１６】実施例１ ここでは、光導波路の入射端面に水平凸面部を形成した
光信号伝送システムの一構成例について、図１を参照し
ながら説明する。図１において、基板１上にはその面内
方向に延在される光導波路ＷＧ１が形成されている。こ
の光導波路ＷＧ１は、コア３をこれより屈折率の低い材
料からなるクラッド２で包囲したものである。光導波路
ＷＧ１は基板１に対して垂直な入射端面を有している
が、この入射端面は平坦ではなく、コア３の中心線に向
かって突出量が増大するような水平凸面部４が形成され
ている。

【００１７】上記基板１上には、発光素子１０としてた
とえばレーザ・ダイオードが実装されている。発光層１
０の活性層１１の長手方向は上記コア３の延在方向に合
致されており、該活性層１１の一端からのビームスポッ
トＢＳがコア３の中央部に結像するようになされてい
る。なお、ここでは発光素子１０は正確には基板１の直
上ではなく、該基板１上に厚みの一部を残されたクラッ
ド２の上に実装されている。これは、ビームスポットＢ
Ｓの位置をコア３の中心高さに合わせて調整するためで
ある。

【００１８】上記の光信号伝送システムにおいては、本
実施例では水平凸面部４の存在により、上記発光素子１
０から放出されるレーザ光の成分中、基板１の面内方向
（水平方向）の広がり成分を収束させることができる。
図１（ｂ）および図１（ｃ）は、図１（ａ）に示した光
信号伝送システムの模式的な上面図および光導波路ＷＧ
１の中心線に沿った模式的断面図である。図１（ｂ）に
は理想的なケースとして、広がり角の大きなビーム外周
成分が水平凸面部４のレンズ効果により平行光に変換さ
れ、コア３中を直進する様子が示されているが、仮にこ
のように平行光とはならなくても、コア端面が平坦な場
合に比べてコア３とクラッド２の界面へのレーザ光の入
射角を小さくすることができる。したがって、低次モー
ド伝搬が可能となり、導波損失が抑えられ、出射端にお
ける光出力を増大させることができる。

【００１９】実施例２ ここでは、前掲の図１に示した光信号伝送システムの光
導波路の入射端面を異方性エッチングにより形成する場
合の製造プロセスについて、図２ないし図５を参照しな
がら説明する。まず、図２に示されるように、シリコン
やガラス等の材料からなる基板１上に、たとえばポリメ
チルメタクリレートのスピンコートおよび熱処理を経て
下部クラッド層２ａ、および該下部クラッド層２ａより
も屈折率の高いコア層をこの順に積層し、次にこのコア
層をパターニングしてコア３を形成した。このパターニ
ングは、たとえば図示されないメタル・マスクを介した
ドライエッチングにより行った。

【００２０】次に、図３に示されるように、基体の全面
にたとえばスピンコートおよび熱処理を経て上部クラッ
ド層２ｂを平坦に形成したこの上部クラッド層２ｂは下
部クラッド層２ａと同じ材料からなり、該下部クラッド
層２ａと共働してコア３を取り囲むクラッド２を構成す
るものである。次に、図４に示されるように、上記クラ
ッド２の上面にたとえばＡｌ，Ｔｉ等の金属材料からな
るエッチング・マスク５を形成した。このエッチング・
マスク５のエッジには、コア３との重複部分において曲
凸面状に突出された凸部５ａが形成されている。

【００２１】次に、このエッチング・マスク５を介し、
たとえば酸素プラズマを用いてクラッド２およびコア３
の異方性エッチングを行った。この結果、図５に示され
るように、光導波路ＷＧ１の入射端面にはエッチング・
マスク５のパターンをエッジ・プロファイルをそのまま
反映した水平凸面部４が形成された。この後は、エッチ
ング・マスク５を除去し、光導波路の除去部に常法にし
たがって発光素子１０を実装し、図１に示したような光
信号伝送システムを作製した。

【００２２】実施例３ ここでは、光導波路の入射端面中、コア端面を曲面部と
した光信号伝送システムの一構成例について、図６を参
照しながら説明する。なお、図６の参照符号は、前掲の
図１と一部共通である。図６において、光導波路ＷＧ２
の入射端面中、クラッド端面については実施例１と同様
の水平凸面部４とされているが、コア端面は曲面部３ｓ
とされている。この曲面部３ｓは、水平方向の断面プロ
ファイルにおいても垂直方向の断面プロファイルにおい
ても凸である。

【００２３】上記のような光信号伝送システムにおいて
は、曲面部３ｓの存在により、上記発光素子１０から放
出されるレーザ光のあらゆる方向の成分を収束させるこ
とができる。図６（ｂ）および図６（ｃ）は、図６
（ａ）に示した光信号伝送システムの模式的な上面図お
よび光導波路ＷＧ２の中心線に沿った模式的断面図であ
る。図６（ｂ）および図６（ｃ）には理想的なケースと
して、広がり角の大きなビーム外周成分が水平凸面部４
のレンズ効果により平行光に変換され、コア３中を直進
する様子が示されているが、仮にこのように平行光とは
ならなくても、コア端面が平坦な場合に比べてコア３と
クラッド２の界面へのレーザ光の入射角を小さくするこ
とができる。したがって、低次モード伝搬が可能とな
り、導波損失が抑えられ、出射端における光出力を増大
させることができる。

【００２４】実施例４ ここでは、前掲の図６に示した光信号伝送システムの光
導波路の入射端面を等方性エッチングおよび熱処理によ
り形成する場合の製造プロセスについて、図７および図
８を参照しながら説明する。まず、実施例２と同様に下
部クラッド層２ａの形成、コア３のパターニング、上部
クラッド層２ｂの形成、およびエッチング・マスク５の
形成を行った。ただし、コア３の構成材料としては、後
述の等方性エッチングにおけるエッチング速度がクラッ
ド２よりも遅く、かつガラス転移温度がクラッド２より
も低いものを選択した。

【００２５】次に、上記エッチング・マスク５を介して
等方的なエッチング条件によりクラッド２とコア３をエ
ッチングした。ただし、この時のコア３のエッチング速
度はクラッド２に比べて遅いので、光導波路ＷＧ２の入
射端面は全面的にエッチング・マスク５のエッジ・プロ
ファイルをそのまま反映した水平凸面部４とはならず、
図７に示されるように、コア端面のみが若干の突出部３
ｐとして残された状態となった。次に、エッチング・マ
スク５を除去し、コア３のガラス転移温度以上、クラッ
ド２のガラス転移温度未満の温度にて熱処理を行った。
これにより、図８に示されるように、突出部３ｐが曲面
部３ｓに変化した。この曲面部３ｓの形状は、コア３の
構成材料の粘度や表面張力により決まるものである。こ
の後は、光導波路の除去部に常法にしたがって発光素子
１０を実装し、図６に示したような光信号伝送システム
を作製した。

【００２６】以上、本発明を４例の実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではなく、たとえば光信号伝送システムの構成、光
導波路の形状や加工方法等の細部については、適宜変
更、選択、組合せが可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明によれば、光導波路の入射端面にて端面発光素子から
の光を端面結合させる場合であっても、コア端面の形状
の工夫により低次モードへの結合が可能となるため、導
波損失を抑え、高い光出力を得ることができる。これに
より、高結合効率、低雑音といった端面結合の本来的な
長所をフルに活かした光信号伝送システムが実現され
る。本発明は様々な電子機器における信号配線の高速・
高密度化の間接的支援となるものであり、その産業上の
価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】光導波路の入射端面に水平凸面部を形成した本
発明の光信号伝送システムの一構成例を示す図であり、
（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は模式的上面図、（ｃ）は
光導波路の延在方向に沿った模式的断面図である。

【図２】図１の光信号伝送システムの製造プロセスにお
いて、下部クラッド層の上でコアをパターニングした状
態を示す概略斜視図である。

【図３】図２の基体上に上部クラッド層を積層した状態
を示す概略斜視図である。

【図４】図３のクラッドの上でエッチング・マスクをパ
ターニングした状態を示す概略斜視図である。

【図５】図４のエッチング・マスクを介して光導波路を
パターニングし、入射端面に水平凸面部を形成した状態
を示す概略斜視図である。

【図６】光導波路の入射端面に曲面部を形成した本発明
の光信号伝送システムの他の構成例を示す図であり、
（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は模式的上面図、（ｃ）は
光導波路の延在方向に沿った模式的断面図である。

【図７】図６の光信号伝送システムの製造プロセスにお
いて、エッチング・マスクを介して光導波路をパターニ
ングし、コアの端面に突出部を形成した状態を示す概略
斜視図である。

【図８】図７の突出部を熱処理により曲面部に変化させ
た状態を示す概略斜視図である。

【図９】光導波路の入射端面が平らな従来の光信号伝送
システムの一構成例を示す図であり、（ａ）は概略斜視
図、（ｂ）は模式的上面図、（ｃ）は光導波路の延在方
向に沿った模式的断面図である。

【符号の説明】

１…基板 ２…クラッド ２ａ…下部クラッド層 ２ｂ
…上部クラッド層 ３…コア ３ｐ…（コアの）突出部
３ｓ…球面部 ４…水平凸面部 ５…エッチング・マ
スク ５ａ…（エッチング・マスクの）凸部 １０…発
光素子 １１…活性層 ＷＧ１，ＷＧ２…光導波路 Ｂ
Ｓ…ビーム・スポット

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コア部と該コア部を包囲するクラッド部
   とからなり、基板上にて該基板の面内方向に延在される
   光導波路と、 前記基板上において前記光導波路の入射端面側に配さ
   れ、該基板の面内方向に光を出射する発光素子とを備
   え、 前記発光素子からの光を端面結合により前記コア部内へ
   導入し伝搬させるようになされた光信号伝送システムで
   あって、 前記光導波路の入射端面において少なくとも前記コア部
   の端面が前記発光素子に向かって凸となる曲凸面部を有
   することを特徴とする光信号伝送システム。
2. 【請求項２】 前記曲凸面部は、前記基板の面内方向の
   断面プロファイル、および垂直方向の断面プロファイル
   の少なくとも一方において凸であることを特徴とする請
   求項１記載の光信号伝送システム。
3. 【請求項３】 前記コア部および前記クラッド部がいず
   れも高分子材料からなることを特徴とする請求項１記載
   の光信号伝送システム。
4. 【請求項４】 コア部と該コア部を包囲するクラッド部
   とからなる光導波路を基板上にその面内方向に延在させ
   るごとく形成する第１工程と、 前記クラッド部の表面に、前記コア部との重複部分にお
   いて曲凸面状に突出されたエッジ・プロファイルを有す
   るエッチング・マスクを形成する第２工程と、 前記エッチング・マスクを介し、少なくともコア部の断
   面全体が露出するまで前記光導波路をエッチングするこ
   とにより曲凸面状の入射端面を形成する第３工程と、 前記基板の面内方向に光を出射する発光素子を前記入射
   端面に対向させるごとく前記光導波路の除去部に実装す
   る第４工程とを有することを特徴とする光信号伝送シス
   テムの製造方法。
5. 【請求項５】 前記第３工程におけるエッチングを異方
   性エッチング条件下で行うことにより、前記基板の面内
   方向における断面プロファイルが凸となるコア部を形成
   することを特徴とする請求項４記載の光信号伝送システ
   ムの製造方法。
6. 【請求項６】 前記コア部と前記クラッド部とを互いに
   エッチング速度の異なる材料を用いて形成し、前記第３
   工程におけるエッチングを該クラッド部に比べて該コア
   部のエッチング速度を小とする条件下で行うことにより
   該コア部の端面を前記光導波路の入射端面より突出させ
   ることを特徴とする請求項４記載の光信号伝送システム
   の製造方法。
7. 【請求項７】 前記コア部を前記クラッド部に比べてガ
   ラス転移温度の低い材料を用いて形成し、前記第３工程
   におけるエッチングが終了した後に、該コア部のみを変
   形させ得る温度で熱処理を行ってその突出した端面を丸
   めることにより、前記基板に対して垂直方向の断面プロ
   ファイルも凸となるコア部を形成することを特徴とする
   請求項６記載の光信号伝送システムの製造方法。
8. 【請求項８】 前記光導波路を高分子材料を用いて形成
   することを特徴とする請求項４記載の光信号伝送システ
   ムの製造方法。