JP2005208187A - 導波路構造を有する光学デバイスとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
矩形コア構造の安定性向上を図る。
【解決手段】
コア層を構成する材料基板に写真製版とエッチングにより溝を形成することにより断面が矩形のコア形状を形成し、そのコア形状の隙間を材料基板より屈折率の低いクラッド材料で埋め、光導波路構造を支えるためのベース基板に材料基板より屈折率の低い他のクラッド材料を介して材料基板の溝形成面を接合した後、材料基板をコア形状の反対側から除去してベース基板上にコア形状を残す。
【選択図】 図４

Description

本発明は、導波路構造を有し光通信、光信号処理又は光計測などの光学的機能を発現する光学デバイスと、表面に微細加工を施すことによって断面が矩形のコア形状を形成する工程を含んで導波路構造を形成する光学デバイスの製造方法に関する。

《従来の技術―その１》
成膜、フォトリソグラフィー、及びドライエッチングによる導波路の形成方法
光通信で用いられる石英系導波路型光部品は、石英系光ファイバとの整合性がよいことから、実用的な導波路型光部品を実現できる手段として注目されている。
一般に光通信部品で使用される光導波路部品は耐久性、耐環境性（高温・低温・高湿度など）が求められるため、部品製作プロセスも信頼性の高い工程設定となっている。

石英系光導波路回路の作製工程には、「凸型プロセス」と称される作製手順と、「凹型プロセス」と称される作製手順の基本となる二種類の作製手順がある（特許文献１参照。）。
凸型プロセスにおいては、最初基板上に下部クラッド層を形成し、その上にコア膜を形成し、そのコア膜を導波路パターン（コア部）になるように凸型に加工する。最後に上部クラッドガラスとなるガラス膜を形成し、埋込型の光導波路を作製する。

一方、凹型プロセスでは、最初基板上に下部クラッド層を形成し、その下部クラッド層を凹型に加工した後、その上からコア膜を形成する。次に、コア膜を下部クラッド層上面まで除去して下部クラッド層の凹型にコア部を残し、その後、上部クラッド層となるガラス膜を形成することで埋め込み型の光導波路を作製する。

「凹型プロセス」において、コア膜を形成する工程で、下部クラッド部に形成した幅、深さとも数μｍの凹部でコア膜が発泡するか、発泡を防ぐためにより高温で熱処理するとコア形状となる凹部の変形が大きいという本質的な問題があったため、「凹型プロセス」で実用的な光回路はほとんど作製されていない。

そのような問題を解決するための一方法として、「凸型プロセス」及び「凹型プロセス」を融合することにより、低融点ガラス材料によりコア部を作製する際のコアの変形と導波路サイズの制限を解決し、光導波路の形状によらず、再現精度の高い、石英系光導波路の製造方法が提案されている（特許文献１参照。）。

また、「凸型プロセス」では上部クラッド部を形成する時にコア部が凸型になっているため、凹型プロセスにくらべて本質的にコア部が変形しやすいという問題があり、特に導波路間隔が２〜３μｍになる方向性結合器では結合率の再現性が悪いという問題があった。また低軟化温度を有するコアガラスを用いて光導波路を作製する際に導波路幅が２〜３μｍの狭導波路においてコア部が変形しやすく、再現性の悪化を招いていた。さらに、一般的な加工技術であるフォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングを利用した方法で光導波路に要求される数μｍのガラスを除去すると、マスクでのコア導波路幅より、実際のコアの導波路幅が小さくなるというパターンやせ現象が本質的にある。そのため、凸型プロセスで形成する方向性結合器の結合部の導波路間隔は凹型に比べて本質的に大きくなり、強結合方向性結合器を形成できないという問題があった。一方、「凹型プロセス」で作製する光導波路は、不要なコア膜をエッチングにより除去する工程において、コア膜は平坦化されている必要がある。しかしながら、幅の広い導波路を作製する場合、コア膜に窪みが生じることから、パターンの大きさに限界がある。特に、導波路幅５０μｍ以上の光導波路やスラブ導波路に凹型プロセスを適用する場合、コアの高さを均一に作製することは不可能であった。そこで、「凹型プロセス」での本質的な課題であった凹部でのコア部の発泡及び変形を解決するために、ドープト石英ガラスを下部クラッド層とコア層に形成することにより、再現性が高く、強結合を有する方向性結合器を形成できる石英系光導波路及びその製造方法が提案されている（特許文献２参照。）。

他の提案としては、以下のものがある。
１つの方法では、光導波路コア部とともに、クラッド部の剥離を防止する網目状のアンカー部をクラッド層で埋め込む（特許文献３参照。）。これにより、外部応力に強く、剥離やひび割れが発生し難く、切り出しや実装工程時の取り扱いが容易になる。

他の方法では、光導波路を形成するための基板上のコアを含むコア近傍のごく一部の下部クラッド層のみを残して基板面上の殆どの下部クラッド層を除去し、前記の基板上にごく一部だけ残された下部クラッド層上の一部にコアを形成し、かつ前記残された下部クラッド層上に前記コアを覆うように上部クラッド層を形成する（特許文献４参照。）。これにより、下部クラッド、コアおよび上部クラッドと基板との間の応力をできる限り解放することができ、導波路におけるクラックや剥離の発生を防止できる。

さらに他の方法では、石英系ガラス光導波路膜を加工する際に使用するフォトレジスト膜として、ノボラック樹脂を主成分とするポジ型フォトレジスト膜を使用する（特許文献５参照。）。これにより、加工工程が容易になり、かつ、厚膜化が容易で、石英系ガラス光導波路膜に対して良好な選択比がなくとも石英系ガラス光導波路膜を加工することができ、伝搬損失の小さな単一モード石英系ガラス光導波路を製造することができる。

《従来の技術―その２》
高分子材料を使用した光導波路及びその製造方法に関するもの
高分子材料を用いた光導波路は、光学ガラス材料や無機光学結晶材料を用いた光導波路と比較して、超高真空装置を用いることなくスピンコータでの塗布及びたかだか２００℃乃至４００℃程度の比較的低温での焼成により硬化させることによって光学膜形成が可能であることや、酸素プラズマ等により容易に加工できる等の利点があり、低価格で高機能の光導波路部品への応用が期待され、検討が進められている。

ところが、利点ばかりが強調されてはいるものの、解決すべき課題も多い。中でも、高分子材料と基板材料との熱膨張係数の差に伴い、焼成・硬化後、室温まで冷却した際には、ほとんどの場合、高分子膜に強い引っ張り応力が生じ、その応力のためにその後の導波路作製プロセスや部品化プロセスにおいて、高分子膜にクラックや剥離が発生するという問題には、今のところ根本的な解決法は見いだされていない。

高分子光導波路の作製は、以下のような工程で行われる。まず、シリコンやガラスの基板上に、高分子光学膜となるべき材料を溶剤等に溶解した溶液や、熱あるいは光照射により重合して高分子光学膜となる液状の材料を塗布する。しかる後、オーブン中での加熱や光照射等により、溶剤を蒸発させたり、重合させたりすることにより硬化させて、光導波路の下部クラッドとなるべき第１の高分子光学膜とする。次に、その高分子光学膜上に、硬化後には前記下部クラッドよりもわずかに屈折率が大きい光学膜となるように調整された溶液を塗布し、第１の光学膜と同様にしてオーブン中での加熱や光照射等により硬化させて、光導波路のコアとなるべき第２の光学膜を形成し、その第２の光学膜をフォトリソグラフィー工程及びエッチング等により加工し、チャンネル導波路のコアを得る。最後に、下部クラッドと同等の屈折率を有する上部クラッドとなるべき第３の光学膜を、第１あるいは第２の光学膜と同様の手法により形成して高分子光導波路の作製を終了する（特許文献４参照。）。

高分子材料を使用した光導波路又はその製造方法としては他に以下の方法が提案されている。
その１つの方法は、光重合性有機オリゴマーと重合開始剤と架橋剤とを含む光導波路用感光性組成物を用いて、該感光性組成物薄膜をウエットエッチングすることにより直接コアリッジパターンを形成して高分子光導波路パターンを形成する（特許文献６参照。）。

他のものは、基板上にコア部とクラッド部とを有する光導波路素子であって、該コア部または該クラッド部の少なくとも一方が、高い光透過性を有する特定の化学構造を有するポリイミドを含んでいることによって、高い光透過性を有すると共に、優れた高耐熱性、耐湿性、加工性等を有する（特許文献７参照。）。

さらに他のものは、可視から近赤外域にわたって低損失であり、耐熱性に優れた高分子光学材料とその製造方法、及び当該材料を用いた耐溶剤性にも優れた高分子光導波路を提供する（特許文献８参照。）。
特開平８−４３６５３号公報 特開平６−３３１８４４号公報 特開平５−３２３１３６号公報 特開２００１−２５５４２９号公報 特開平７−１５９６３９号公報 特開２０００−１８０６４３号公報 特開２００２−１４８４５５号公報 特開平９−１２４７９３号公報

凸型プロセスで作製する光導波路は上部クラッドを形成する際にコア部が凸部になっているため、凹型プロセスに比べ本質的にコア部が変形しやすく、再現性の悪化を招いていた。
凹型プロセスで作製する光導波路は、コア膜に窪みが生じることから、パターンの大きさに限界がある。

高分子膜を使用する場合、基板材料であるシリコンやガラスの熱膨張係数と、高分子材料の熱膨張係数は１〜３桁異なるので、高分子材料からなる光学膜を、高温条件化で硬化させた後、室温まで冷却すると、１％程度のミスマッチが基板との間に生ずることになる。
従来の高分子光導波路の構造においては、凹状に反ってクラックや剥離が発生することがしばしばある。

本発明の目的は、（Ａ）凸型プロセスでの「コア部が変形しやすい」という問題、（Ｂ）凹型プロセスで作製する光導波路は、「コア膜に窪みが生じる」、「パターンの大きさに限界がある」という問題、及び、（Ｃ）高分子プロセスでの「クラックが発生する」、「信頼性の低下」という問題に鑑み、矩形コア構造の安定性向上、寸法加工範囲の拡張や均一性の向上を図ると共に、光導波路材料への応力発生を押さえることにより、クラックや剥離の発生を防止し、低損失で信頼性の高い光導波路及びその製造方法を提供することにある。

本発明の光学デバイスは、ベース基板上に第１クラッド層を介して断面が矩形で帯状に延びる複数のコア部が形成され、前記コア部間の隙間には第１クラッド層と一体化された第２クラッド層が前記コア部と同じ高さに形成されており、前記コア部の屈折率が前記両クラッド層の屈折率よりも大きくなっている光導波路構造を備え、前記コア部の面で前記いずれのクラッド層とも接しない上面及び両端面のうち、少なくとも上面には発光素子が一体化されて配置され、前記コア部を光導波路としてその中を光が伝播して出射することを特徴とするものである。

光導波路構造は光導波路がアレイ状に配列されたアレイ導波路だけでなく、複数の光導波路が１つの光導波路に合流した方向性結合器や、１つの光導波路が分岐したＹ分岐導波路、さらにはそれらを複合させたものも含んでいる。

コア部は底面と側面がクラッド層に被われ、その他の面、すなわち上面及び両端面がクラッド層に覆われずに露出している。コア部にはそれらの露出面の少なくとも上面には発光素子が一体化されて配置され、又はさらに他の面からも光が入射し、いずれかの面から出射することになる。その１つの形態は、上面に発光素子が一体化されて配置され、一方の端面が光反射面となり、他方の端面が光出射面となっているものである。

その場合、発光素子が配置されている面を平坦にするために、コア部と発光素子の間にコア部と同じ又はほぼ同じ屈折率で表面が平坦な層を介在させることができる。コア部と同じ屈折率の層は、コア部と同じ材料の層により構成することができる。また、コア部とほぼ同じ屈折率の層は、発光素子から出射した光がコア部に入射するのに必要な程度にコア部の屈折率に近いことを意味しており、具体的には、例えば、平坦な層の屈折率とコア部との屈折率差が０．０２以内であることが好ましい。

また、発光素子からの光がコア部に入射するために、発光素子を構成する層の屈折率と、コア部及びその上の平坦な層を含む部分との屈折率差も０．０２以内であることが好ましい。
コア部の幅と厚さを等しくしてもよい。
また、第２クラッド層の幅を第１クラッド層の厚さに等しくしてもよい。

コア部は断面が完全な正方形又は長方形である場合だけでなく、上面の幅の方が下面の幅より大きくなっているように、断面の上面の幅と下面の幅が異なるものも含んでいる。
第１クラッド層と第２クラッド層は材質が同じであってもよく、異なっていてもよい。第１クラッド層と第２クラッド層の材質が異なっている場合には、その屈折率差が０．０２以下であることが望ましい。
コア部の材質の一例は光学材料である。光学材料としては、Ｓ−ＴＩＭ３５やＢＫ７などの光学ガラス材料のほか、光透過性の単結晶材料も使用することができる。
コア部と両クラッド層との屈折率差が、０.２以上であることが好ましい。

本発明の光学デバイス製造方法は、以下の工程（Ａ）から（Ｅ）をその順に含んで光導波路構造を形成することを特徴とするものである。
（Ａ）コア層を構成する材料基板に写真製版とエッチングにより溝を形成することにより断面が矩形のコア形状を形成する工程。
（Ｂ）前記コア形状の隙間を前記材料基板より屈折率の低いクラッド材料で埋める工程。
（Ｃ）光導波路構造を支えるためのベース基板に前記材料基板より屈折率の低い他のクラッド材料を介して前記材料基板の溝形成面を接合する工程。
（Ｄ）前記材料基板を前記コア形状の反対側から除去して前記ベース基板上に前記コア形状を残す工程。

工程（Ｄ）はコア形状の隙間に埋められたクラッド材料が露出する前に停止して、コア形状の上部にコアと同じ材質の薄層を残すようにしてもよい。この場合には、コア部と発光素子の間にコア部と同じ屈折率で表面が平坦な層が介在している光学デバイスを製造することができる。

また、工程（Ｄ）はコア形状の隙間に埋められたクラッド材料が露出するまで研磨した後に、コア層とほぼ同じ屈折率をもつ薄膜を成膜し、その後その薄膜を表面が平坦になるようにＣＭＰ（化学的機械的研磨）法で研磨してもよい。この場合には、コア部と発光素子の間にコア部とほぼ同じ屈折率で表面が平坦な層が介在している光学デバイスを製造することができる。

工程（Ｄ）の後、コア形状の面のうちクラッド材料で覆われていない上面に発光素子を形成する工程をさらに含むことにより、この光導波路構造体に発光素子が一体化された光学デバイスを製作することができる。

工程（Ａ）でコア形状を形成する工程ではコア形状を形成する領域以外の領域にコア形状の形成と同時にアライメントパターンを形成しておき、工程（Ｃ）で材料基板をベース基板に接合する際にそのアライメントパターンを用いて両基板を位置合わせするようにしてもよい。
両クラッド層の一例は有機接着剤である。そのような有機接着剤の好ましい例は光硬化性樹脂である。

本発明の光学デバイスは、光通信、光信号処理又は光計測などの光学的機能を発現する製品、例えば光導波路型光部品で等間隔に配列された多数の帯状導光素子からなるアレイを備えた光学素子特性の向上が図れる利点を有する。

そして、コア部の上面に発光素子を一体化して形成すれば、小型で高密度の信頼性の高いデジタル光学デバイスとすることができる。このことを具体的に述べると、従来のように光導波路の長手方向の端面のみから光入射させる方法に比べると、コア部の上面の面積は格段に広いため、光入射面積が例えば３桁以上というように桁違いに大きくなり、それにもとなって出射される光量も格段に多くなる。高い光量が得られると、例えば、コピー機などの感光体材料に光導波路の端面形状に対応したドットのデジタル光情報の書込みが可能になる。
その場合、コア部と発光素子の間にコア部と同じ又はほぼ同じ屈折率で表面が平坦な層を介在させた場合には、発光素子を位置精度よく配置することができる。

コア部の幅と厚さを等しくすれば、コア部の１つの端面を光出射面とした場合、出射光の断面の縦横比が等しくなり、出射後の光学レンズによる集光が容易になる。
第２クラッド層の幅を第１クラッド層の厚さに等しくすれば、コア部を３面で覆うクラッド層の寸法が等しくなり、コア層内を全反射で伝播する光の界面反射がコア層内で等しくなり、出射光の断面の縦横比が等しくなり、出射後の光学レンズによる集光が容易になる。
コア部の断面形状において上面の幅の方が下面の幅より大きくなっている場合には、発光素子からの取り込光量を多くすることができる。

第１クラッド層と第２クラッド層の材質が同じ場合には、第１クラッド層と第２クラッド層を一度に形成可能となる。
また、第１クラッド層と第２クラッド層の材質が異なっている場合には、材料選択の幅を広げ、安価な材料の選択が可能になる。このことを具体的に説明すると、第２クラッド層は２つのコア部の間を「固定して埋める」機能、「クラッド材料として光を全反射させる」機能、及び「基板材料の研磨加工加重に耐える」機能を必要とする。これらの機能を満足するには、体積収縮率５％以下程度の樹脂で、硬度が高く、かつコア材料よりも屈折率の低い材料であることが必要である。このような樹脂選定の条件は厳しく、選択範囲は狭まり、結果として高価な樹脂を採用することになる。一方、第１クラッド層は、予め製作されているコア材料部と第２クラッド層をベース材料に「均一な平面状に接合して固定する」機能と「クラッド材料として光を全反射させる」機能を必要とする。これらの機能を満足するには、体積収縮率５〜１０％程度の樹脂で、かつコア材料よりも屈折率の低い材料であればよく、樹脂選定の制限条件は第２クラッド層よりも緩和され、選択範囲が広くなる。このように、第１クラッド層には安価な材料が使用できるため、低価格光学デバイスが製作可能となる。

コア部の材料に光学材料を採用すれば、光導波回路中の屈折率を自由に設定でき、回路設計の自由度を大きくすることが可能となる。
コア部と両クラッド層との屈折率差が、０.２以上であれば、コア／クラッド界面での全反射角度が小さくなり、光導波路としての光伝播効率が向上する。

本発明の製造方法によれば、光通信、光信号処理又は光計測などの光学的機能を発現する製品、例えば光導波路型光部品をバルク光学材料で構成し、加工再現性と安定性に優れたプロセスで製作することになる。そのため、矩形コア構造の安定性向上、寸法加工範囲の拡張や均一性の向上を図ることが可能となる。またベース基板に接合することによって光導波路材料への応力発生を押さえることにより、クラックや剥離の発生を防止し、低損失で信頼性の高い光導波路を実現できる。この結果、異種材料をコアに用いた機能性の光導波路構造を実現できると同時に、回路設計の自由度も大きくできることとなる。

また、本発明の製造方法によれば、全く新規の複合材料を組み合わせた光導波路を作製することができ、光導波路形状によらずコア変形などゆらぎの小さい光導波路を作製することが可能となる。従って、本発明の製造方法は、等間隔に配列された多数の帯状導光素子からなるアレイを備えた光学素子のみならず、方向性結合器、アレイ導波路又はＹ分岐導波路を安定かつ再現性良く製造する上で極めて効果的である。

工程（Ｄ）でコア形状の隙間に埋められたクラッド材料が露出する前に停止することにより、コア部上にコア部と同じ屈折率で表面が平坦な層を形成することができ、コア部上に発光素子を形成するのが容易になる。

本発明の光学デバイスの実施例を説明する。
図１は第１の実施例における光導波路構造を示したものである。ここでは、光導波路がアレイ状に配列されたアレイ光導波路構造を示すが、本発明の光学素子は複数の光導波路が１つの光導波路に合流した方向性結合器や、１つの光導波路が分岐したＹ分岐導波路などにも適用することができる。

ベース基板２上に第１クラッド層４を介して断面が矩形で帯状に延びる複数のコア部６が形成されており、コア部６間の隙間には第１クラッド層４と一体化された第２クラッド層８がコア部６と同じ高さに形成されている。コア部６はＳ−ＴＩＭ３５やＢＫ７などの光学ガラス材料を加工することにより形成されたものであり、クラッド層４によりベース基板２上に接合されている。コア部６の屈折率はクラッド層４，８の屈折率よりも大きい。コア部６は底面と側面がクラッド層４，８に被われ、その他の面、すなわち上面６ａ及び両端面６ｂ，６ｃがクラッド層４，８に覆われずに露出している。

この光導波路構造では、コア部６の面でいずれのクラッド層４，８とも接しない上面６ａ及び両端面６ｂ，６ｃのうちの１又は２以上の面から光が入射し、コア部６を光導波路としてその中を光が伝播して端面６ｂ，６ｃのいずれかから出射するように発光素子又は光源と組み合わされる。

コア部６の幅方向の断面形状は、底辺と上辺が９．５〜７．６μｍ、高さが９．５〜７．６μｍ、ピッチが１０．５８μｍの矩形、又は底辺が７．５〜５．３μｍ、上辺が９．５〜７．６μｍ、高さが９．５〜７．６μｍ、ピッチが１０．５８μｍの台形である。

図２は第２の実施例における光導波路構造を示したものであり、第１の実施例と比較すると、コア部６の上面６ｂ及びクラッド層８の上面を被って、コア部６と同じ材質からなる表面が平坦な薄層１０が形成されている点で異なる。薄層１０の厚さは０．１〜０．４μｍである。

図３は図１の光導波路構造体のコア部６上に発光素子としてＥＬ（エレクトロルミネセンス）素子を一体的に形成したものである。そのＥＬ素子はコア部６からクラッド層８にわたって形成されたＩＴＯ（Indium Tin Oxide）や酸化スズ（ＳｎＯ₂）などの透明電極からなる下部電極１２（図２のようにコア部６の上面を覆う平坦な薄膜層１０を有する場合は、その薄膜層１０の上面に形成される。）と、各クラッド層８の領域上に発光素子を駆動するための駆動回路と、各コア部６及びその駆動回路上に形成され、各コア部６の領域ごとにパターン化された有機ＥＬ素子などからなる発光層１４と、各発光層１４ごとに形成されたＩＴＯなどからなる上部電極１６とから構成されている。

また、発光層１４を保護するために、上部電極１６上にＳｉＮ材料による保護膜を０．５〜１．５μｍの厚さに形成している。有機ＥＬ材料は耐環境性（耐湿度性）が乏しいので、必要に応じて上部にさらに金属製のカバーを設けたり、吸湿材料を設けておくのが好ましい。
上部電極１６を選択し、下部電極１２との間に電圧を印加することにより、その選択された上部電極１６に対応する発光層１４が発光する。

また、その光導波路構造体の一端面には反射層１８が形成されており、その端面が反射面となっている。反射層１８としては、例えばアルミニウム膜が蒸着法やスパッタ法により堆積されて形成されている。

この実施例では、選択したＥＬ素子を発光させることにより、そのＥＬ素子からの光が対向するコア部６に入射してコア部６を搬送される。端面６ｃ方向に進んだ光は反射面１８で反射され、光は端面６ｂから出射する。

図３は図１の光導波路構造体のコア部６上に発光素子を形成したものであるが、図２の光導波路構造体のコア部６上に発光素子を形成してもよい。その場合、コア部６とクラッド層８の上面が平坦な層１０で被われているため、発光素子を薄膜形成とパターン化の手法で形成する場合には、パターン化を高精度に行なうことができる。

次に本発明の製造方法の実施例を説明する。
（実施例１）
（Ａ）光導波路材料（矩形コア構造物）として、屈折率：１.７０の光学ガラス材料Ｓ−ＴＩＭ３５の平行平板を精度よく両面研磨（平行度、平面度は０.３μｍ以下）した直径１００ｍｍの基板２０を用意した。その基板表面に、別途フォトリソグラフィー技術を利用して予め別途設計して製作した、メタル穴付き（穴明けされ用意した）金属製マスクを固定・設置した。次いで、上記基板２０とマスクに対して、マスクを介して、トンボ位置決め用マーク及び金属マスクとして使用するためのＣｒ膜を製作するためスパッタリングで金属Ｃｒ膜２２を２μｍの厚さに成膜した。Ｃｒパターン位置精度及び形状精度は、金属マスク製作時のフォトリソグラフィー技術で決まる。この時、次工程で使用する金属マスクとしてのＣｒ膜機能も有している。

（Ｂ）次いで上記Ｃｒ膜２２付きＳ−ＴＩＭ３５基板２０にレジスト密着性処理後に、フォトリソグラフィー用感光性材料としてフォトレジスト膜（ＯＦＰＲ―８００−８００（商品名）：東京応化工業株式会社の製品）をスピンコートで２.４μｍの厚さに形成した。
その後、予め目的形状を得るために設計し製作しておいた光導波路形状のステッパー用レチクルを使用して、所望のパターンをステッパーで露光した。尚、目的の形状に応じて、レチクルはピッチ：１０μｍ、スペース：２μｍ（レジストが残る部分：クラッド寸法に匹敵する）、ライン：８μｍ（コア部の寸法に匹敵する）で設計してある。

その後フォトレジスト膜に対して現像とリンスを施して光照射された部分を除去することにより、１以上のデバイスパターンに応じてアレイ状に目的形状をパターニングし、フォトレジストパターン２４を形成した。その後１５０〜１８０℃のポストベークによるハードニング処理を施した。この処理によって、フォトレジスト膜２４は２.１μｍの厚さに減少し、熱的強度と耐プラズマ性が向上した。

更に、専用のＣｒウエットエッチング液を使用してＣｒ膜２２をエッチングして位置合わせマークのトンボパターンと所望の光導波路形状用のＣｒ膜パターンを形成した。この状態では、Ｓ−ＴＩＭ３５基板２０上に「パターニングされたＣｒ膜２２」と「パターニングされ硬化したレジスト膜２４」（どちらも同じ形状である。）が２重層に形成されている。

（Ｃ）Ｃｒ膜パターン２２とフォトレジストパターン２２が形成されたＳ−ＴＩＭ３５基板２０をそのままドライエッチング装置でエッチングして垂直に掘り込んでパターン部２０ａを形成した。このパターン部２０ａは後にコア部６となる部分である。このときのドライエッチング条件は、以下の通りである。
導入ガス： ＣＬ₂：１.８ｓｃｃＭ，
ＣＨＦ₃：５.０ｓｃｃＭ，
Ａｒ：５.０ｓｃｃＭ，
反応室内圧力：３×１０^-4〜４×１０^-4Ｔｏｒｒ、
マイクロ波実効電力：１２００Ｗ、
ＲＦ実行電力：５００Ｗ、
エッチング時間：３５分（エッチング速度：０.３４μｍ／分）。

エッチング後は、フォトレジストが完全に無くなりＣｒ膜２２が僅かに基板表面に残っていた。またパターン部２０ａの深さは約１２μｍで、溝断面角度は約８３°であった。溝角度が９０°より小さかったのは、Ｃｒ膜２２のウエットエッチングの際に等方的エッチングによってＣｒパターン端面部が垂直でなかった影響と考えられる。

（Ｄ）次いで、基板２０をＣｒウエットエッチング液に浸漬して、残ったＣｒパターン２２を除去し、洗浄した。この状態で基板２０の表面には光導波路構造を有する溝パターン２０ａが形成されている。
この基板２０の表面（溝パターン２０ａ側）にＣＶＤ法や蒸着法によって、ＳｉＯ₂膜（屈折率：１.４５２）を成膜した。ただし、このＳｉＯ₂膜の成膜は省略することもできる。

その後、更に基板２０の表面に樹脂との密着性を向上させるために、シランカップリング処理（シラノール処理）を施した。シランカップリング処理は、例えば次のように実施する。市販のカップリング処理剤を水に溶かし、表面処理した後、加熱硬化させる。その後、有機溶剤で洗浄し、カップリング処理剤を基板上に１分子層だけ残す。

一方、接合するベース基板として平行平板基板を別途用意した。ベース基板はコア部を支持するものであり、コア部を形成するための基板２０（ここでは光学ガラス材料Ｓ−ＴＩＭ３５）と熱膨張係数が近ければ特に制限はない。ここでは、基板２０と同じ光学ガラス材料Ｓ−ＴＩＭ３５を使用した。ベース基板にも上記と同様にシランカップリング処理を施した。

（Ｅ）基板２０のパターン２０ａ側に屈折率の低いエポキシ材料系で紫外線及び熱硬化型の樹脂接着剤（オプトダインＵＶ−１１００（商品名；ダイキン工業株式会社の製品）、屈折率Ｎｄ＝１.４３５）８を塗布した。この時、パターン部分に均一になるように、かつ気泡を巻き込まないように樹脂の粘性を利用して塗布するのが重要である。

（Ｆ）接合する相手材料のベース基板２にも同じ樹脂接着剤４を塗布し、２基板２，２０を接合した。
次いで、樹脂層４が８μｍになるように専用装置で上下方向から加圧して、両基板２，２０の平行度と平面度が得られるように加圧した。この状態を維持しながらベース基板２側から紫外線を３０００ｍＪ照射した。さらにオーブン（１４０℃）中で６０分間加熱し、樹脂接着剤４，８を完全硬化させた。このような処理を施すことで、樹脂４，８の硬化が確実となり、光学部品としての信頼性が高まる。また耐環境性能や後工程である研磨工程での耐加重性、機械特性などが向上する。

（Ｇ）次にパターンあり基板２０側から、酸化セリウム粒子によって研磨加工を実施した。初めは粒径の粗い状態から始めて、徐々に粒径を細かくしていった。この研磨工程で、基板２０のパターン部分２０ａが独立して残っている状態まで研磨した。この段階でのパターン部２０ａの深さは約１０μｍであった。このようにして研磨面の研磨量を定期的に管理してパターン部２０ａが表面に現れた時点で研磨をいったん止め、平面度と平行度を測定した。

この後更に、最終仕上げ工程では平面度と平高度を修正しながら追加で約１.８μｍ程度、市販のＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）液でＣＭＰ仕上げ研磨した。パターン２０ａの深さは、８.１μｍであった。研磨の途中では、研磨速度を時間管理しながら研削量を管理し調整した。その結果、平行度と平面度が整った平行平板基板のガラス材料Ｓ−ＴＩＭ３５からなるベース基板２上に樹脂材料（クラッド部）４，８で底面と側面が被われたガラス材料Ｓ−ＴＩＭ３５の光導波路部（コア部）６（２０ａ）を有し、そのコア部６が深さ寸法：８.１μｍ、幅：８μｍとなっている導光部品が製作できた。
更にこの導光部品を長さ５０ｍｍに切断し、両端面をＣＭＰ法で研磨した。

この導光部品の導光特性を確認するために、レーザー光を集光レンズとコリメータレンズで直径８μｍに絞った光を端面６ｃからコア部６に入射させると、伝播長さ５０ｍｍのこの導光部品を光伝播効率９０％で光を伝播することができた。

（実施例２）
実施例２として、実施例１と同様に光導波路材料として、屈折率１.７０の光学ガラス材料Ｓ−ＴＩＭ３５の平行平板を両面研磨した直径１００ｍｍの基板を用意した。また、実施例１と同様にその基板表面に、Ｃｒとレジストが形成されたＳ−ＴＩＭ３５基板をそのままドライエッチング装置でエッチングして垂直に掘り込んだ。このときのドライエッチングの条件は、実施例１と同様である。

エッチング後は、レジストが完全に無くなりＣｒ膜が僅かに基板表面に残っていた。またパターン深さは約１０μｍで、溝断面角度は約８５°であった。（溝角度が９０°より小さかったのは、Ｃｒウエットエッチングの際に等方的エッチングによってＣｒパターン端面部が垂直でなかった影響と考えられる。）

次いで、上記基板をＣｒウエットエッチング液に浸漬して、残ったＣｒパターンを除去し、洗浄した。この状態で基板表面には光導波路構造を有する溝が形成されている。必要に応じてこの基板上にＣＶＤ法や蒸着法によって、ＳｉＯ₂（屈折率：１，４５２）を成膜した。更に上記パターン付き基板表面に樹脂との密着性を向上させるために、シランカップリング処理を施した。

一方、接合するベース基板としてパターン付き光学ガラス材料Ｓ−ＴＩＭ３５と熱膨張係数が近いＢＫ７材料の平行平板基板を使用した。ＢＫ７材料基板の接合面にＳｉＯ₂蒸着膜を形成した。

パターン付き基板のパターン側に実施例１と同じ樹脂接着剤（オプトダインＵＶ−１１００（商品名；ダイキン工業株式会社の製品）、屈折率Ｎｄ＝１.４３５）を塗布した。接合する相手材料の光学ガラスＢＫ７材料基板にも同じ樹脂を塗布し、２基板を接合した。次いで、実施例１と同様に樹脂接着剤を完全硬化させた。
ここまでの工程は、ベース基板の種類が異なる点、及びドライエッチングによるパターン部の深さの点を除いて、実施例１の工程（Ａ）〜（Ｆ）と同じである。

次にパターンあり基板２０側から、酸化セリウム粒子によって研磨加工を実施した。初めは粒径の荒い状態から始めて、徐々に粒径を細かくしていった。この方法で、研磨面の研磨量を定期的に管理してパターン部分底部から、光学ガラス材料Ｓ−ＴＩＭ３５材料２０が僅かに０.５μｍ（５００ｎｍ）程度残る段階まで研磨を行なった。この段階で研磨をいったん止め、平面度と平高度を測定した。

この後更に、最終仕上げ工程では平面度と平行度を修正しながら追加で約０.３μｍ程度、市販のＣＭＰ液でＣＭＰ仕上げ研磨する。研磨の途中では、研磨速度を時間管理しながら研削量を管理し調整した。その結果、平行度と平面度が整ったガラス材料ＢＫ７の平行平板基板（ベース基板）上に樹脂材料（クラッド部）で底面と側面が被われたガラス材料Ｓ−ＴＩＭ３５の光導波路部（コア部）を有し、そのコア部が深さ寸法：１０μｍ、幅：８μｍ、コア部と同じ材質のオーバーカバー材料層：２００ｎｍの導光部品が製作できた。

本実施例は、実施例１と異なり、光導波路部（コア部）と樹脂材料（クラッド部）の上に光導波路部（コア部）と同じ材料層が２００ｎｍ程度残っていることが特徴である。このことによって、実施例１では異種材料（コア部とクラッド部という硬度の異なる材料）間の表面を平坦にＣＭＰ研磨するのが容易になる。したがって、表面粗さが実施例１ではＲａ＝６０ｎｍ程度であるのに対して、実施例２ではＲａ＝２０ｎｍに低減することができた。本実施例により製作された導光部品は図２に示されたものである。
更にこの導光部品を長さ５０ｍｍに切断し、切断両端面をＣＭＰ法で研磨した。その後、一方の端面にのみアルミニウム（ＡＬ）膜を主成分とする反射膜を形成した。

次いでこの導光部品のオーバーカバー材料層（図２で符号１０で示されたもの）上に、ボトムダウン方式の発光素子としての有機ＥＬ素子及びその回路を蒸着法とフォトリソグラフィー法とエッチングによって形成した。できあがった光学デバイスは図３の下部電極１２の下側にさらにオーバーカバー材料層１０が形成されたものである。
この時、本実施例の初めに述べたＣｒトンボパターンを使用して有機ＥＬ発光層形成の位置決めを実施しリソグラフィーを実施した。

この有機ＥＬ素子を発光させると、発光した光が光導光路を通過して研磨端面（ＡＬコートしていない面）から出射した。ＡＬコート面では、光は反射し光導光路に戻り、反射光もＡＬコートしていない研磨端面から出射した。その結果、有機ＥＬ発光量の８８％以上が出射端面から出射した。

（実施例３）
実施例３として、実施例２と同様に光導波路材料として、屈折率１.７０の光学ガラス材料Ｓ−ＴＩＭ３５の平行平板を両面研磨した直径１００ｍｍの基板を用意した。また、実施例２と同様にその基板表面にコア部を形成するための溝をドライエッチング法により垂直に掘り込んだ。このときのドライエッチングの条件は、実施例１と同様である。エッチング後は、パターン深さは約１０μｍで、溝断面角度は約８５°であった。

次いで、上記基板をＣｒウエットエッチング液に浸漬して、残ったＣｒパターンを除去し、洗浄した。この状態で基板表面には光導波路構造を有する溝だけが形成されている。この基板の表面側に蒸着法によって、ＳｉＯ₂膜（屈折率：１.４５２）を成膜した。更に上記基板表面に樹脂との密着性を向上させるために、シランカップリング処理を施した。
一方、接合する相手材料のベース基板としてＢＫ７材料基板を使用した。ベース基板の接合面側の表面にもＳｉＯ₂蒸着膜を形成し、さらにシランカップリング処理を施した。

パターン付き基板のパターン側に実施例１と同じ樹脂接着剤（オプトダインＵＶ−１１００（商品名；ダイキン工業株式会社の製品）、屈折率Ｎｄ＝１.４３５）を塗布した。次に、接合する相手材料であるベース基板とは別の親水処理（撥油処理）した石英ガラスの並行平板ノダミー基板を用意し、このダミー基板とパターン付き基板を上記接着剤を介して加圧しながら接合した。この時の基板間に挟まった接着剤層の厚さは測定機で測定できないほど薄くなっていた。おそらくは、０.５μｍ以下と推定される。この後、光照射と熱処理により硬化させた。次いで両基板間に機械的作用を加えて両基板を剥離した。この時接着剤は、シランカップリングを施しているパターン付き基板に付着し、親水処理（撥油処理）したダミー基板には付着していない。

次に上記接着剤で埋められたパターン付き基板に紫外線硬化樹脂（グランディック：大日本インキ工業株式会社の製品）を塗布した。次いで、ベース基板にも同じ紫外線硬化樹脂（グランディック）を塗布し、両基板を接合し。実施例１と同様に完全硬化させた。
次にパターンあり基板側から、酸化セリウム粒子によって研磨加工を実施した。この方法で、研磨面の研磨量を定期的に管理してパターン部分底部から、光学ガラス材料Ｓ−ＴＩＭ３５材料が僅かに０.５μｍ（５００ｎｍ）程度残る段階まで研磨を行なった。この段階で研磨をいったん止め、平面度と平行度を測定した。

この後更に、最終仕上げ工程では平面度と平高度を修正しながら追加で約０.３μｍ程度、市販のＣＭＰ液でＣＭＰ仕上げ研磨した。研磨の途中では、研磨速度を時間管理しながら研削量を管理し調整した。その結果、平行度と平面度が整ったガラス材料ＢＫ７の平行平板基板（ベース基板）上に樹脂材料（クラッド部）で底面と側面が被われたガラス材料Ｓ−ＴＩＭ３５の光導波路部（コア部）が別の樹脂で接合され、そのコア部が深さ寸法１０μｍ、幅８μｍ、コア部と同じ材質のオーバーカバー材料層２００ｎｍの導光部品が製作できた。

更にこの導光部品を長さ５０ｍｍに切断し、切断両端面をＣＭＰ法で研磨した。その後、一方の端面にのみＡＬを主成分とする反射膜を形成した。
次いでこの導光部品のオーバーカバー材料層（図２で符号１０で示されたもの）上に、実施例２と同様に、ボトムダウン方式の発光素子としての有機ＥＬ素子及びその回路を蒸着法とフォトリソグラフィー法とエッチングによって形成した。できあがった光学デバイスは図３の下部電極１２の下側にさらにオーバーカバー材料層１０が形成されたものである。この時、本実施例の初めに述べたＣｒトンボパターンを使用して有機ＥＬ発光層形成の位置決めを実施しリソグラフィーを実施した。

この有機ＥＬ素子を発光させると、発光した光が光導光路を通過して研磨端面（ＡＬコートしていない面）から出射した。ＡＬコート面では、光は反射し光導光路に戻り、反射光もＡＬコートしていない研磨端面から出射した。その結果、有機ＥＬ発光量の８８％以上が出射端面から出射した。

本発明の光学デバイスは、導波路構造を有し光通信、光信号処理又は光計測などの光学的機能を発現する装置として利用することができる。
本発明の製造方法は、そのような光学デバイスを製造するのに利用することができる。

一実施例の光学デバイスにおける光導波路構造部分を示す概略斜視図である。 他の実施例の光学デバイスにおける光導波路構造部分を示す概略斜視図である。 一実施例の光学デバイスを示す概略斜視図である。 本発明の製造方法の一実施例を示す工程断面図である。

符号の説明

２ ベース基板
４ 第１クラッド層
６ コア部
８ 第２クラッド層
１０ 表面が平坦な薄層
１２ 下部電極
１４ 発光層
１６ 上部電極
２０ 基板
２０ａ パターン部
２２ Ｃｒ膜
２４ フォトレジスト膜

Claims (15)

1. ベース基板上に第１クラッド層を介して断面が矩形で帯状に延びる複数のコア部が形成され、前記コア部間の隙間には第１クラッド層と一体化された第２クラッド層が前記コア部と同じ高さに形成されており、前記コア部の屈折率が前記両クラッド層の屈折率よりも大きくなっている光導波路構造を備え、
   前記コア部の面で前記いずれのクラッド層とも接しない上面及び両端面のうち、少なくとも上面には発光素子が一体化されて配置され、前記コア部を光導波路としてその中を光が伝播して出射することを特徴とする光学デバイス。
2. 前記コア部の一方の端面が光反射面となり、他方の端面が光出射面となっている請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記コア部と前記発光素子の間に前記コア部と同じ又はほぼ同じ屈折率で表面が平坦な層が介在している請求項２に記載の光学デバイス。
4. 前記コア部の幅と厚さが等しい請求項１から３のいずれかに記載の光学デバイス。
5. 前記第２クラッド層の幅が前記第１クラッド層の厚さに等しい請求項１から４のいずれかに記載の光学デバイス。
6. 前記コア部は上面の幅の方が下面の幅より大きい請求項１から５のいずれかに記載の光学デバイス。
7. 前記第１クラッド層と前記第２クラッド層は材質が異なる請求項１から６のいずれかに記載の光学デバイス。
8. 前記コア部は光学材料である請求項１から７のいずれかに記載の光学デバイス。
9. 前記コア部と前記両クラッド層との屈折率差が、０.２以上である請求項１から８のいずれかに記載の光学デバイス。
10. 以下の工程（Ａ）から（Ｅ）をその順に含んで光導波路構造を形成することを特徴とする光学デバイスの製造方法。
    （Ａ）コア層を構成する材料基板に写真製版とエッチングにより溝を形成することにより断面が矩形のコア形状を形成する工程。
    （Ｂ）前記コア形状の隙間を前記材料基板より屈折率の低いクラッド材料で埋める工程。
    （Ｃ）光導波路構造を支えるためのベース基板に前記材料基板より屈折率の低い他のクラッド材料を介して前記材料基板の溝形成面を接合する工程。
    （Ｄ）前記材料基板を前記コア形状の反対側から除去して前記ベース基板上に前記コア形状を残す工程。
11. 前記工程（Ｄ）は前記コア形状の隙間に埋められたクラッド材料が露出する前に停止する請求項１０に記載の製造方法。
12. 前記工程（Ｄ）の後、前記コア形状の面のうち前記クラッド材料で覆われていない上面に発光素子を形成する工程をさらに含んでいる請求項１０又は１１に記載の製造方法。
13. 前記工程（Ａ）でコア形状を形成する工程ではコア形状を形成する領域以外の領域にコア形状の形成と同時にアライメントパターンを形成しておき、
    前記工程（Ｃ）で前記材料基板をベース基板に接合する際にそのアライメントパターンを用いて両基板を位置合わせする請求項１０から１２のいずれかに記載の製造方法。
14. 前記両クラッド層として有機接着剤を用いる請求項１０から１３のいずれかに記載の製造方法。
15. 前記有機接着剤として光硬化性樹脂を用いる請求項１４に記載の製造方法。
    

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