JP2005292268A - 光導波路デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 単体の光ファイバであっても、十分な損失及び反射減衰特性で接続することができる光導波路デバイスを提供する。
【解決手段】 本発明は、光ファイバ（Ｆ）を接続する光導波路デバイス（１）であって、基板（２）と、この基板上に形成された光導波路層（４）を有する。基板には、光ファイバを位置決めするためのＶ字形断面の溝（６）が設けられている。光導波路層は、Ｖ字形断面の溝によって位置決めされるべき光ファイバと整合する位置にコア（１０）を備えている。また、光ファイバと接続されるべきコアが露出した光導波路層の端面（４ｃ）の少なくとも一部は、基板に垂直な平面に対して傾斜していることを特徴としている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光導波路デバイスに係り、特に、Ｖ字形断面の溝によって光ファイバを位置決めし、接続する光導波路デバイスに関する。

特開２００３−１６７１５８号公報（特許文献１）には、光導波路デバイスの製造方法が記載されている。図６に示すように、この光導波路デバイス１００は、基板１０２と、基板１０２上に形成された光導波路層１０４と、この光導波路層の中に形成された光導波路であるコア１０６と、光ファイバを位置決めするために基板１０２上に形成されたＶ字形断面の溝１０８と、を有する。光ファイバをこの光導波路デバイスに接続する際は、光ファイバをＶ字形断面の溝１０８の上に配置することによって、光ファイバのコアと光導波路層１０４のコア１０６が整合するように光ファイバを位置決めし、この状態で光ファイバを基板１０２に接着する。この接続方式は、主に樹脂製の光導波路の接続に使用されている。

光導波路が形成された基板に光ファイバを接続する他の方式として、図７に示すものがある。この方式においては、図７に示すように、光導波路に接続すべき複数の光ファイバＦが所定の位置に位置決めされるようにまとめられた光ファイバアレイ１１０と、この光ファイバアレイ１１０の光ファイバＦと整合する位置に形成されたコア１１４を備えた光導波路基板１１２が使用される。これら光ファイバアレイ１１０及び光導波路基板１１２の各端面は、光ファイバに直交する平面に対して約８゜傾斜するように研磨されている。光ファイバを光導波路基板に接続する際には、光ファイバアレイ１１０と光導波路基板１１２が接着される。この接続方式は、主に石英の光導波路の接続に使用されており、１本の光ファイバを８本に分岐する光分波路を有する光導波路デバイスに適用した場合、損失約−１０．５ｄＢ、反射減衰約−５０〜−６０ｄＢという特性が得られている。

特開２００３−１６７１５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光導波路デバイスの接続方式においては、光ファイバと光導波路層のコアの間の接続面で生じる光の損失及び反射減衰の特性が必ずしもユーザの要求を満足するものではないという問題がある。
一方、上記の光ファイバアレイを使用して接続する方式では、光ファイバと光導波路層のコアの間の接続面で生じる光の損失及び反射減衰の特性は、比較的良好なものである。しかしながら、この方式では光ファイバの端面を斜めに研磨しなければならないという問題がある。このため、光ファイバアレイにまとめられていない単体の光ファイバを光導波路に接続することができないという問題がある。これは、単体の光ファイバの端面を斜めに切断又は研磨する加工技術が確立していないためであり、また、単体の光ファイバの端面を斜めに切断又は研磨することができたとしても、単体の光ファイバの斜めに切断された端面が所定の方向に向くように光ファイバを光導波路基板上に配置することが困難なためである。
従って、本発明は、単体の光ファイバであっても、十分な損失及び反射減衰特性で接続することができる光導波路デバイスを提供することを目的としている。

上述した目的を達成するために、本発明は、光ファイバを接続する光導波路デバイスであって、光ファイバを位置決めするためのＶ字形断面の溝を設けた基板と、この基板上に形成され、Ｖ字形断面の溝によって位置決めされるべき光ファイバと整合するように位置決めされたコアを備えた光導波路層と、を有し、光ファイバと接続されるべきコアが露出した光導波路層の端面の少なくとも一部が、基板に垂直な平面に対して傾斜していることを特徴としている。

このように構成された本発明においては、基板上に形成されたＶ字形断面の溝の上に光ファイバを配置して光ファイバの位置決めを行う。この状態で、光ファイバを基板に接着して光ファイバを光導波路デバイスに接続する。これにより、光ファイバのコアと、光導波路層に備えられたコアが整合する。光導波路デバイスに接続された光ファイバから射出された光は、光導波路層の端面に露出したコアに入射して、コアによって伝導される。
このように構成された本発明によれば、単体の光ファイバであっても、十分な損失及び反射減衰特性で光ファイバを光導波路デバイスに接続することができる。

好ましくは、本発明の光導波路デバイスの基板は、Ｖ字形断面の溝とほぼ直交し、且つＶ字形断面の溝を横断するように、光導波路層に隣接して形成された横断溝を有し、この横断溝の光導波路層側の壁面が、基板に対してほぼ垂直である。
このように構成された本発明によれば、光導波路デバイスに接続する光ファイバの先端を、光導波路層の端面に近づけることができる。

また、本発明の光導波路デバイスの基板は、Ｖ字形断面の溝とほぼ直交し、且つＶ字形断面の溝を横断するように光導波路層に隣接して形成された横断溝を有し、この横断溝の光導波路層側の壁面が、光導波路層の端面とほぼ同一平面内にあるように構成しても良い。
このように構成された本発明によれば、光導波路層の端面と、横断溝の光導波路層側の壁面を同時に形成することができる。

さらに、好ましくは、本発明の光導波路デバイスの光導波路層は、その端面が基板に垂直な平面に対して２．５゜乃至６．５゜傾斜している。
このように構成された本発明によれば、光ファイバと光導波路デバイスの接続点における良好な損失特性及び反射減衰特性を両立することができる。

好ましくは、本発明の光導波路デバイスの光導波路層は、さらに、光合波器、光分波路、光減衰器、光回折器、光増幅器、光干渉器、光フィルタ、光スイッチ、波長変換器、発光素子、又は、受光素子を備えている。
このように構成された本発明によれば、光導波路デバイスに光合波器、光分波器等の各種の機能を持たせることができる。

本発明の光導波路デバイスによれば、単体の光ファイバであっても、十分な損失及び反射減衰特性で、光ファイバを光導波路デバイスに接続することができる。
また、本発明の光導波路デバイスによれば、単体の光ファイバを斜めに切断又は研磨することなく、光ファイバを光導波路デバイスに接続することができる。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
まず、図１及び３を参照して、本発明の第１実施形態の光導波路デバイスを説明する。本実施形態の光導波路デバイスは、光導波路層に光分波路を形成したものである。図１は、本発明の第１実施形態の光導波路デバイスの平面図であり、図２は、本実施形態の光導波路デバイスの図１のII−II線に沿う断面図である。図３は、本実施形態の光導波路デバイスの製造方法の一例を示す側面断面図である。

図１及び２に示すように、本発明の第１実施形態の光導波路デバイス１は、Ｖ字形断面を有する溝を形成した基板２と、１本の光ファイバから８本の光ファイバに分岐するように形成された光導波路であるコアを形成した光導波路層４とを有する。
基板２は、シリコンウエハ基材２ａと、シリコンウエハ基材２ａの上に設けられた二酸化珪素層２ｂとを有する。また、光導波路層４の両側の基板２の両端部には、光ファイバＦを搭載するための領域２ｃ、２ｄが設けられ、領域２ｃには１本、領域２ｄには８本の、光ファイバＦを位置決めするためのＶ字形断面の溝６が形成されている。各Ｖ字形断面の溝６は、所定の直径の光ファイバＦを上に配置したとき、光ファイバＦのコアと光導波路層４のコアが整合するような寸法、形状に形成されている。光導波路層４と領域２ｃの間、及び光導波路層４と領域２ｄの間には、横断溝８が夫々形成されている。本実施形態においては、横断溝８の光導波路層４側の各壁面８ａ、横断溝８の光導波路層４の反対側の各壁面８ｂとも、基板２に対してほぼ垂直に形成されている。

光導波路層４は、基板２の二酸化珪素層２ｂの上に、有機ジルコニウム化合物層（図示せず）、フッ素を含まない樹脂層（図示せず）、下部クラッド層４ａ、コア１０、及び上部クラッド層４ｂを順に積層することによって構成されている。コア１０は、その入口側の端部が、領域２ｃに形成された１本のＶ字形断面の溝６と整合する位置に形成され、分岐点１０ａで２本に分岐する。分岐した２本のコア１０は、２つの分岐点１０ｂで夫々２本に分岐して、４本のコア１０となる。さらに、分岐した４本のコアは４つの分岐点１０ｃで夫々２本に分岐して、８本のコア１０となる。分岐した８本のコア１０の端部は、基板２の領域２ｄに形成された８本のＶ字形断面の溝６と夫々整合している。
また、光導波路層４のコア１０が露出した２つの端面４ｃは、基板２に垂直な平面に対してα゜傾斜した平面であり、それらの下辺は横断溝８の光導波路層４側の各壁面８ａと連なっている。本実施形態では、角度αは３゜である。好ましくは、角度αを２．５゜乃至４．５゜にする。

次に、本発明の実施形態の光導波路デバイス１の製造方法を説明する。まず、シリコンウエハ基材２ａの上面全体に、二酸化珪素層２ｂを熱酸化法や気相体積法等により形成する。次に、フォトリソグラフィとシリコン単結晶の異方性を利用したウエットエッチングにより、基板２上の領域２ｃに１本、領域２ｄに８本のＶ字形断面の溝６を形成する。さらに、二酸化珪素層２ｂの上に有機ジルコニウム化合物層（図示せず）を形成する。有機ジルコニウム化合物層（図示せず）は、有機ジルコニウム化合物溶液を全体にスピンコートによって塗付し、塗膜を１６０゜Ｃで５分程度乾燥させることによって形成される。有機ジルコニウム化合物溶液としては、例えば、トリブトキシアセチルアセトネートジルコニウムをブタノールに溶解して、１重量％溶液にしたものを用いることができる。

次に、有機ジルコニウム化合物層（図示せず）の上にフッ素を含まない樹脂層（図示せず）を形成する。フッ素を含まない樹脂層（図示せず）は、樹脂層形成用組成物をスピンコートで塗付し、得られた塗膜を加熱して溶媒を蒸発させ、更に加熱して硬化させることにより形成される。好ましくは、フッ素を含まない樹脂層（図示せず）の厚さが０．２３μｍとなるようにスピンコートの条件を制御する。

次に、領域２ｃ、２ｄの部分に形成された有機ジルコニウム化合物層（図示せず）とフッ素を含まない樹脂層（図示せず）を除去する。これらの層を除去するためには、まず、有機ジルコニウム化合物層（図示せず）及びフッ素を含まない樹脂層（図示せず）を形成した基板２の全面にレジスト液をスピンコートし、乾燥することによってレジスト膜を形成する。次いで、光導波路層４を形成すべき部分にレジスト膜が残るように、水銀ランプでフォトマスク像を露光する。さらに、レジスト膜を現像することによって、フッ素を含まない樹脂層（図示せず）がウエットエッチングにより除去される。次に、フッ酸を用いたウエットエッチング、又は反応性イオンエッチングにより、有機ジルコニウム化合物層（図示せず）を除去する。

次に、基板２の全面に下部クラッド層４ａを形成する。下部クラッド層４ａは、第１のポリイミド前駆体溶液を、スピンコーターにより塗付して材料溶液膜を形成し、これを加熱乾燥し、高温加熱で樹脂を硬化させることにより形成される。次いで、下部クラッド層４ａの上にコア１０を形成する。コア１０は、まず、第２のポリイミド前駆体溶液を、下部クラッド層４ａの上に、スピンコーターにより塗付し、乾燥させ、硬化させることにより第２のポリイミド樹脂膜を形成する。次いで、この第２のポリイミド樹脂膜の上にレジスト層形成用溶液をスピンコーターにより塗付し、乾燥した後、コア形状を有するパターンのフォトマスクを介して露光し、現像することによりレジストパターン層を形成する。このレジストパターン層をマスクとして、第２のポリイミド樹脂膜を酸素でリアマティブイオンエッチングすることにより、図１に示す分岐した形状のコア１０を形成する。その後、レジストパターン層を除去する。

次に、コア１０及び下部クラッド層４ａを覆うように、上部クラッド層４ｂを形成する。上部クラッド層４ｂは、第１のポリイミド前駆体溶液を、スピンコート法により塗付して材料溶液膜を形成し、これを加熱乾燥し、高温加熱で樹脂を硬化させることにより形成され、光導波路層４が完成する。
次に、ダイシングにより２本の横断溝８及びそれに隣接した光導波路層４の端面４ｃを形成する。まず、ダイシングを行うブレードを基板２に垂直な平面に対して傾斜させ、光導波路層４の端部を切断することによって、光導波路層４のα゜傾斜した端面４ｃを形成する。次に、ブレードを基板２に対して垂直にセットし、基板２に切り込みを入れることによって横断溝８を形成する。

また、別の形成方法として、図３に示すように、まず、ブレードを基板２に対して垂直にセットし、Ｂ１に示す位置で光導波路層４に切り込みを入れることによって端面４ｃを形成する。次に、ブレードをＢ２に示す位置にセットし、基板２に切り込みを入れることによって横断溝８を形成する。この形成方法では、光導波路層４の端面４ｃの傾斜角度αは、ブレードの先端の形状に依存するので、端面４ｃの所望の傾斜角度に応じてブレードを選択する必要がある。

更に別の形成方法として、光導波路層４を形成する際のポリマ収縮を利用することもできる。一般に、光導波路層４を形成するポリマは、乾燥、加熱硬化処理工程において収縮する性質があるので、各層を順次重ねることにより形成された光導波路層４の端面は、ダイシングによって切断する前から傾斜している。従って、光導波路層４の各層を形成する際の乾燥、加熱硬化処理工程の処理温度や処理時間を制御することにより、所望の角度で傾斜した端面４ｃを形成することができる。次いで、ブレードを基板２に対して垂直にセットし、基板２に切り込みを入れることによって横断溝８を形成する。

次に、本発明の第１実施形態の光導波路デバイスの作用を説明する。まず、基板２の領域２ｃに形成されたＶ字形断面の溝６に接着材を塗付する。次いで、図２に一点鎖線で示すように、光導波路デバイス１に接続すべき光ファイバＦを、Ｖ字形断面の溝６の上に配置する。光ファイバＦがＶ字形断面の溝６の上に配置されると、光ファイバＦのコアＦ１と、光導波路層４のコア１０が整合する。この状態で、押え部材（図示せず）により光ファイバＦを基板２に押し付け、接着剤を硬化させると、光ファイバＦが光導波路デバイス１に固定される。同様に、基板２の領域２ｄに形成された８本のＶ字形断面の溝６に、夫々光ファイバ（図示せず）を固定する。

領域２ｃのＶ字形断面の溝６に取付けられた光ファイバＦから射出された光は、光導波路層４の領域２ｃ側の端面４ｃに露出している１本のコア１０に入射する。コア１０に入射した光は８本に分岐され、光導波路層４の領域２ｄ側の端面４ｃに露出している８本のコア１０から射出される。８本のコア１０から射出された光は、各コア１０に夫々整合するように取付けられている８本の光ファイバＦ（図示せず）のコアに入射する。表１は、このようにして光導波路デバイスを通過した光の損失及び反射減衰と、光導波路層４の端面４ｃの傾斜角度αの関係を表すデータの一例を示す。

本実施形態の光導波路デバイスは、１本の光ファイバＦからの光を８本に分岐する光分波路を備えている。このため、１本の光ファイバから入射した光が何れの経路を通った場合でも、二股の分岐を３回通過することになるので、理論上−３ｄＢ×３＝−９ｄＢの損失が発生する。従って、表１に示す損失のから−９ｄＢを減じた残りの損失が、光ファイバと光導波路デバイスの接続点等において発生した損失と考えられる。

一方、８本の光分波路を備えた光導波路デバイスが満たすべき特性として、損失が−１１．２ｄＢよりも少ないこと、反射減衰が−４０ｄＢよりも大きいことが望まれている。従って、光導波路層４の端面４ｃの傾斜角度αが約２．５゜乃至４．５゜であるとき、これらの要求が満足されることがわかる。このように、傾斜角度αを適宜変更することによって、損失及び反射減衰特性をコントロールすることができる。
本発明の第１実施形態の光導波路デバイスによれば、単体の光ファイバであっても、十分な損失及び反射減衰特性で、光ファイバを光導波路デバイスに接続することができる。
また、本実施形態の光導波路デバイスによれば、単体の光ファイバを斜めに切断又は研磨することなく、光ファイバを光導波路デバイスに接続することができる。

上述した本発明の第１実施形態においては、光導波路層４の端面４ｃ全体が角度αで傾斜した平面であり、横断溝８の光導波路層４側の各壁面８ａが垂直な平面であったが、必ずしも端面４ｃの全体が傾斜した平面でなくても良い。即ち、変形例として、図４（ａ）に示すように、端面４ｃは、上部が傾斜した平面であり、下部が垂直な平面であっても良い。或いは、図４（ｂ）に示すように、端面４ｃ全体が傾斜した平面であり、この傾斜した平面が横断溝８の壁面８ａの上部まで連なり、壁面８ａの下部が垂直な平面であっても良い。

次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態の光導波路デバイスを説明する。本発明の第２実施形態の光導波路デバイスは、光導波路層の端面及び横断溝の形状が第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、同様の構成要素には同一の参照番号を付し、本発明の第２実施形態の第１実施形態とは異なる点のみを説明する。図５は、本発明の第２実施形態の光導波路デバイスの側面断面図である。

図５に示すように、本発明の第２実施形態の光導波路デバイス２０は、Ｖ字形断面を有する溝を形成した基板２と、１本の光ファイバから８本の光ファイバに分岐するように形成された光導波路であるコアを形成した光導波路層４とを有する。
基板２は、シリコンウエハ基材２ａと、二酸化珪素層２ｂとを有する。また、光導波路層４の両側の基板２の両端部には、光ファイバＦを搭載するための領域２ｃ、２ｄが設けられ、領域２ｃには１本、領域２ｄには８本のＶ字形断面の溝６が形成されている。光導波路層４と領域２ｃの間、及び光導波路層４と領域２ｄの間には、横断溝２２が夫々形成されている。本実施形態においては、横断溝２２の光導波路層４の反対側の各壁面２２ｂは、基板２に対してほぼ垂直に形成されている。

光導波路層４は、基板２の二酸化珪素層２ｂの上に、有機ジルコニウム化合物層（図示せず）、フッ素を含まない樹脂層（図示せず）、下部クラッド層４ａ、コア１０、及び上部クラッド層４ｂを順に積層することによって構成されている。また、光導波路層４のコア１０が露出した２つの端面４ｄは、基板２に垂直な平面に対してα゜傾斜した平面であり、横断溝２２の光導波路層４側の各壁面２２ａと同一平面上に連なっている。本実施形態では、角度αは３゜である。好ましくは、角度αは２．５゜乃至４．５゜であるのが良い。

２本の横断溝２２及びそれに隣接した光導波路層４の端面４ｄは、ダイシングにより形成されている。まず、ダイシングを行うブレードを基板２に垂直な平面に対して傾斜させ、光導波路層４の端部を切断することによって、光導波路層４のα゜傾斜した端面４ｄ及びそれに連なる壁面２２ａを形成する。次に、ブレードを基板２に対して垂直にセットし、基板２に切り込みを入れることによって横断溝２２の壁面２２ｂを形成する。

本発明の第２実施形態の光導波路デバイスによれば、単体の光ファイバであっても、十分な損失及び反射減衰特性で、光ファイバを光導波路デバイスに接続することができる。
また、本実施形態の光導波路デバイスによれば、単体の光ファイバを斜めに切断又は研磨することなく、光ファイバを光導波路デバイスに接続することができる。
さらに、本実施形態の光導波路デバイスによれば、一度のダイシングにより光導波路層の傾斜した端面及びそれに連なる壁面を形成することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態では、光導波路層に光分波路を形成した光導波路デバイスを説明したが、光分波路の代りに、或いは、光分波路に加えて、光合波器、光減衰器、光回折器、光増幅器、光干渉器、光フィルタ、光スイッチ、波長変換器、発光素子、受光素子等を設けることによって、各種機能を有する光導波路デバイスを構成することができる。
また、上述した実施形態においては、光導波路層の両側の端面を傾斜させていたが、適用によっては、光導波路層の片側の端面のみを傾斜させ、もう片側の端面は基板に対してほぼ垂直になるように形成しても良い。

本発明の第１実施形態の光導波路デバイスの平面図である。 本発明の第１実施形態の光導波路デバイスの図１のII−II線に沿う断面図である。 本発明の第１実施形態の光導波路デバイスの横断溝の加工手順を示す拡大断面図である。 本発明の第１実施形態の光導波路デバイスの変形例を示す拡大断面図である。 本発明の第２実施形態の光導波路デバイスの平面図である。 従来の光導波路デバイスの一例を示す斜視図である。 光導波路が形成された基板に光ファイバを接続する従来の方法の一例を示す側面図である。

符号の説明

Ｆ 光ファイバ
１ 本発明の第１実施形態の光導波路デバイス
２ 基板
４ 光導波路層
６ Ｖ字形断面の溝
８ 横断溝
１０ コア
２０ 本発明の第２実施形態の光導波路デバイス
２２ 横断溝

Claims (5)

1. 光ファイバを接続する光導波路デバイスであって、
   上記光ファイバを位置決めするためのＶ字形断面の溝を設けた基板と、
   この基板上に形成され、上記Ｖ字形断面の溝によって位置決めされるべき上記光ファイバと整合するように位置決めされたコアを備えた光導波路層と、
   を有し、
   上記光ファイバと接続されるべきコアが露出した上記光導波路層の端面の少なくとも一部が、上記基板に垂直な平面に対して傾斜していることを特徴とする光導波路デバイス。
2. 上記基板が、上記Ｖ字形断面の溝とほぼ直交し、上記Ｖ字形断面の溝を横断するように光導波路層に隣接して形成された横断溝を有し、この横断溝の光導波路層側の壁面が、上記基板に対してほぼ垂直である請求項１記載の光導波路デバイス。
3. 上記基板が、上記Ｖ字形断面の溝とほぼ直交し、上記Ｖ字形断面の溝を横断するように光導波路層に隣接して形成された横断溝を有し、この横断溝の光導波路層側の壁面が、上記光導波路層の端面とほぼ同一平面内にある請求項１記載の光導波路デバイス。
4. 上記光導波路層は、その端面が上記基板に垂直な平面に対して２．５゜乃至６．５゜傾斜している請求項１乃至３の何れか１項に記載の光導波路デバイス。
5. 上記光導波路層が、さらに、光合波器、光分波路、光減衰器、光回折器、光増幅器、光干渉器、光フィルタ、光スイッチ、波長変換器、発光素子、又は、受光素子を備えている請求項１乃至４の何れか１項に記載の光導波路デバイス。

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