JP2004125899A - Optical waveguide with lens - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は光通信等の分野において、例えば発光素子からの光を光導波路に結合させる場合に、良好な結合効率を簡易に得られるようにした光導波路の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3は従来における光導波路と発光素子との光結合構造の一例を示したものであり、基板10上の一方の側には光導波路20が形成され、他方の側には発光素子としてレーザダイオード(LD)30が搭載されている。
光導波路20は基板10上に形成されたアンダークラッド層21と、そのアンダークラッド層21上に所定の幅及び高さで形成されたコア22と、そのコア22の両側面及び上面を覆うように形成されたオーバークラッド層23とよりなる。
【0003】
レーザダイオード30は基板10上に形成された電極11上に例えば位置合わせマーカを使用して高精度に実装されており、レーザダイオード30と光導波路20とはこの例では直接結合されたものとなっている。
電極11に隣接して形成されている電極12はレーザダイオード30の上面電極とワイヤボンディングによって接続されるものであり、ワイヤの図示はこの例では省略している。電極11,12は例えば金(Au)よりなる。なお、図3中、13は半田層を示し、31はレーザダイオード30から出射されたレーザ光を示す。
【0004】
ところで、この図3に示したようなレーザダイオードと光導波路とを直接結合する構造では、レーザダイオードと光導波路との結合部においてモードフィールド径の不整合により、大きな結合損失が生じるため、例えば高出力のレーザ/導波路一体型光モジュールを作製するのは困難となっていた。
これに対し、レーザダイオードと光導波路との間にレンズを配置し、レンズを介してレーザダイオードと光導波路とを高効率に結合する方法もあるが、この場合はレンズと光導波路及びレーザダイオードとの位置合わせ精度が厳しく、アクティブアライメントが必要となるため、その点で組立工数がかかり、コスト高の原因となっていた。
【0005】
一方、図4は従来提案されている光導波路と発光素子(レーザダイオード)との結合構造を示したものであり、図3と対応する部分には同一符号を付してある。
この例では基板10上に形成された光導波路20のレーザダイオード30と対向する端面に、レーザダイオード30に向かって凸をなす凸面部24が形成され、これによりコア22の端面にレンズ効果を持たせるものとなっている(例えば、特許文献1参照)。
図5はこの凸面部24を端面に有する光導波路20の作製工程を順に示したものであり、以下各工程について説明する。
【0006】
(1)基板10上にアンダークラッド層21及びコア層を順に積層形成し、コア層をパターニングしてコア22を形成する。
(2)コア22の両側面及び上面を覆うようにオーバークラッド層23を形成する。
(3)オーバークラッド層23の上面にエッチングマスク25を形成する。エッチングマスク25にはそのエッジに凸部25aが形成されている。
(4)エッチングマスク25を介し、オーバークラッド層23、コア22及びアンダークラッド層21をエッチングする。これにより、光導波路20の端面に凸面部24が形成される。
以下、エッチングマスク25を除去することによって図4に示した端面に凸面部24を有する光導波路20が完成する。
【0007】
【特許文献1】
特開2000−39531号公報(図1−5)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにコアにレンズ(レンズ構造)を一体形成すれば、ディスクリートな部品としてのレンズを配置する場合のような工数のかかるアクティブアライメントは不要となり、よって光導波路と例えばレーザダイオードとを結合させる場合に低コストで結合効率を上げることができるものの、図4及び5に示した従来例では以下に示すような問題があった。
即ち、従来例では図5に示したように、コア22を形成し、さらにオーバークラッド層23を形成した後、エッチングマスク25を用い、エッチングして光導波路20の端面に凸面部24を形成するものとなっており、オーバークラッド層23に埋設されている微細なコア22に対してエッチングマスク25の凸部25aを高精度に位置合わせしなければならないことから、その位置合わせの精度出しの困難を伴い、また結果としてエッチングマスク25のズレに起因して良好な性能、結合効率が得られないといった状況が生じうるものとなっていた。
【0009】
この発明の目的はこの問題に鑑み、コアと一体形成されたレンズを具備するレンズ付き光導波路において、コアとレンズのズレがなく、よって例えばレーザーダイオード等の光学素子との結合において良好な結合効率を簡易に(低コストで)実現できるレンズ付き光導波路を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、レンズ付き光導波路は基板上に形成されたアンダークラッド層と、そのアンダークラッド層上に位置され、同一マスクを使用したフォトリソグラフィにより一括パターニングされて一体形成されたコアと、そのコアの端面から基板板面と平行方向に突出する凸形状とされたレンズと、そのレンズを覆うことなく、コアの両側面及び上面を覆うように形成されたオーバークラッド層とからなるものとされる。
【0011】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図面を参照して実施例により説明する。
図1はこの発明によるレンズ付き光導波路の一実施例とレーザダイオードとの結合構造を示したものであり、図3と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
この例ではコア22と、コア22の端面から基板10の板面と平行方向に突出するように形成されて凸形状をなすレンズ26とは同一マスクを使用したフォトリソグラフィにより一括パターニングされて一体形成されているものとされる。
【0012】
また、オーバークラッド層23はレンズ26を覆うことなく形成されており、レンズ26の上面はその端面と共に外部に露出されているものとされる。
図2は光導波路材料として感光性樹脂を使用した場合の、このレンズ26付きの光導波路20の作製工程を順に示したものであり、以下図2を参照して各工程を説明する。なお、感光性樹脂としてはアクリル系やエポキシ系のUV硬化型樹脂を用いることができる。また、コア22とアンダークラッド層21、オーバークラッド層23とは例えば比屈折率差Δn=0.3%〜2%程度とされる。
【0013】
(1)基板10上にアンダークラッド層21をスピンコートで成膜し、露光により硬化させる。基板10には例えばシリコン基板を用いる。
(2)アンダークラッド層21上にコア層22′を同様にスピンコートで成膜する。
(3)コア22及びレンズ26を同一マスクで一括露光/現像してパターニングする。コア22は例えば3μm〜8μm程度の幅及び高さでパターニングされる。レンズ26はこの例では半円形にパターニングされている。
(4)その上にオーバークラッド層23をスピンコートする。
(5)レンズ26を露出させるマスクで露光/現像してオーバークラッド層23をパターニングする。
【0014】
以上の工程により、レンズ26付きの光導波路20が完成する。
上記において、レンズ26の上面にオーバークラッド層23を被せず、露出させるのは、レンズ効果を持たせる目的で外部との比屈折率差を大きくするためである。例えば、ここにオーバークラッド層23が被っている場合の比屈折率差はΔn=0.3%〜2%程度であるが、外部を空気にすることでΔn=30%と大きくなる。
なお、上記作製工程ではアンダークラッド層21、コア層22′及びオーバークラッド層23をいずれもスピンコートで塗布・成膜しているが、例えばスピンコートに替えてディップ法を用いることもできる。
【0015】
上記のような構成とされたレンズ26付きの光導波路20によれば、コア22に一体化されたレンズ26はコア22のパターニングと同時にパターニングされて形成されているため、コア22との位置ズレは発生しない。
従って、このレンズ26付きの光導波路20に対して、図1に示したようにレーザダイオード30を結合させた場合、光導波路20とレーザダイオード30との良好な結合効率が得られ、レーザダイオード30から出射されたレーザ光31はレンズ26でコリメートされ、効率良くコア22に入射する。
レンズ22はレーザ光31の光ビームの横方向(基板10の板面と平行方向)については、光導波路20のモードフィールド径をレーザダイオード30のモードフィールド径に変換するように、その半径Rを決定することができる。即ち、半径Rが決まると焦点距離fが決定されるが、これらにつき、レーザダイオード30の横方向の開口角に対して整合する最適の値が存在する。
【0016】
一方、この例では横方向のみレンズ効果を持たせていることから、縦方向については光導波路20端面の開口角どおりに光導波路20からの距離に比例して光導波路20のフィールド径が広がる一方となっている。従って、縦方向については図3記載のようなレンズを含まない従来例での縦方向に関するレーザダイオード30と光導波路20間の最適距離がそのまま最適となる。この縦方向に関する最適距離と上記横方向に関する最適距離(f)とは一般に一致しないので、この両者の中間から総合的な光量について有利な距離及びレンズ半径Rを適宜選ぶ。
【0017】
なお、上述した実施例では光導波路材料としてUV硬化型の感光性樹脂を使用しているが、光導波路材料はこれに限らず、例えばポリイミド等の有機材料を用いることもできる。
この場合、コア22とレンズ26との一括パターニングは、ポリイミドで構成されたコア層22′の上にプラズマ耐性のレジストをスピンコートし、そのレジストをコア22及びレンズ26形状を有するマスクを使って露光/現像し、リアクティブイオンエッチング(RIE)によりレジストをマスクとしてコア層22′をプラズマエッチングすることにより行われる。
【0018】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によればコアとレンズは同一フォトリソグラフィにより一括パターニングされて一体形成されているため、レーザダイオード等の光学素子との結合において、ディスクリートなレンズを用いる場合のような面倒な位置合わせは不要となり、よって低コストで良好な結合効率が得られるものとなる。
さらに、図4に示したような光導波路の端面に凸面部を形成し、レンズ効果を端面に持たせた従来の光導波路の構成と異なり、コアとレンズとの位置がズレるといったことが生じないため、その点でこの発明によればレンズをコアに対し、極めて高精度かつ簡易に配置することができる。
なお、マスクの設計により、任意の形状のレンズを簡単に作製できるため、用途に応じ、最適なレンズ付き光導波路を簡易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明によるレンズ付き光導波路とレーザダイオードとの結合構造を示す図、Aは平面図、Bは側面図。
【図2】図1のレンズ付き光導波路の作製工程を説明するための図。
【図3】従来の光導波路とレーザダイオードとの結合構造を示す図、Aは平面図、Bは側面図。
【図4】従来提案されている光導波路とレーザダイオードとの結合構造を示す斜視図。
【図5】図4の端面に凸面部を有する光導波路の作製工程を説明するための図。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 shows an example of a conventional optical coupling structure between an optical waveguide and a light emitting element. An
The
[0003]
The
The
[0004]
Incidentally, in the structure in which the laser diode and the optical waveguide are directly coupled as shown in FIG. 3, a large coupling loss occurs due to a mode field diameter mismatch at the coupling portion between the laser diode and the optical waveguide. It has been difficult to produce an integrated laser / waveguide optical module with high output.
On the other hand, there is a method in which a lens is arranged between the laser diode and the optical waveguide, and the laser diode and the optical waveguide are coupled with high efficiency via the lens. Since the alignment accuracy is strict and active alignment is required, assembling man-hours are required at that point, and this has been a cause of high cost.
[0005]
On the other hand, FIG. 4 shows a conventionally proposed coupling structure between an optical waveguide and a light emitting element (laser diode), and portions corresponding to FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.
In this example, a convex surface portion 24 protruding toward the
FIG. 5 sequentially shows the steps of manufacturing the
[0006]
(1) The under
(2) The over cladding
(3) An
(4) The over
Thereafter, by removing the
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-39531 (FIG. 1-5)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
If a lens (lens structure) is integrally formed on the core as described above, active alignment that requires man-hours, unlike the case of disposing a lens as a discrete component, becomes unnecessary. Therefore, the optical waveguide is coupled to, for example, a laser diode. In this case, although the coupling efficiency can be increased at low cost, the conventional examples shown in FIGS. 4 and 5 have the following problems.
That is, in the conventional example, as shown in FIG. 5, after forming the
[0009]
In view of this problem, an object of the present invention is to provide an optical waveguide with a lens having a lens integrally formed with a core, in which there is no deviation between the core and the lens, and thus a good coupling efficiency in coupling with an optical element such as a laser diode. Is to provide an optical waveguide with a lens that can easily (at low cost).
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, an optical waveguide with a lens is an undercladding layer formed on a substrate, and a core located on the undercladding layer and integrally formed by collective patterning by photolithography using the same mask, A lens having a convex shape protruding in a direction parallel to the substrate plate surface from an end surface of the core, and an overcladding layer formed so as to cover both side surfaces and an upper surface of the core without covering the lens. Is done.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a coupling structure between an embodiment of an optical waveguide with a lens according to the present invention and a laser diode. Portions corresponding to those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
In this example, the
[0012]
The over
FIG. 2 shows the manufacturing steps of the
[0013]
(1) The under
(2) A core layer 22 'is similarly formed on the under
(3) The
(4) The over
(5) The over
[0014]
Through the above steps, the
In the above, the reason why the over clad
In the above manufacturing process, the under
[0015]
According to the
Therefore, when the
The
[0016]
On the other hand, in this example, since the lens effect is provided only in the horizontal direction, in the vertical direction, the field diameter of the
[0017]
In the above-described embodiment, a UV-curable photosensitive resin is used as the optical waveguide material. However, the optical waveguide material is not limited to this, and an organic material such as polyimide can also be used.
In this case, the collective patterning of the
[0018]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the core and the lens are collectively patterned by the same photolithography and are integrally formed, so that the coupling with the optical element such as a laser diode is the same as when a discrete lens is used. Troublesome positioning is not required, so that good coupling efficiency can be obtained at low cost.
Further, unlike the configuration of the conventional optical waveguide in which a convex portion is formed on the end face of the optical waveguide as shown in FIG. 4 and the lens face is provided with the lens effect, the position between the core and the lens does not shift. Therefore, in this regard, according to the present invention, the lens can be extremely easily and precisely arranged with respect to the core.
In addition, since a lens having an arbitrary shape can be easily manufactured by designing a mask, an optimal optical waveguide with a lens can be easily manufactured according to an application.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a coupling structure between an optical waveguide with a lens and a laser diode according to the present invention; FIG. 1A is a plan view;
FIG. 2 is a view for explaining a manufacturing process of the optical waveguide with a lens in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing a conventional coupling structure between an optical waveguide and a laser diode, where A is a plan view and B is a side view.
FIG. 4 is a perspective view showing a conventionally proposed coupling structure between an optical waveguide and a laser diode.
FIG. 5 is a view for explaining a manufacturing process of an optical waveguide having a convex portion on an end face in FIG. 4;
Claims (1)
そのアンダークラッド層上に位置され、同一マスクを使用したフォトリソグラフィにより一括パターニングされて一体形成されたコアと、そのコアの端面から上記基板板面と平行方向に突出する凸形状とされたレンズと、
そのレンズを覆うことなく、上記コアの両側面及び上面を覆うように形成されたオーバークラッド層とからなることを特徴とするレンズ付き光導波路。An under cladding layer formed on the substrate,
A core that is located on the undercladding layer and is integrally formed by collective patterning by photolithography using the same mask, and a convex lens that protrudes from an end surface of the core in a direction parallel to the substrate plate surface. ,
An optical waveguide with a lens, comprising an over cladding layer formed so as to cover both side surfaces and an upper surface of the core without covering the lens.
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