JP2008197380A

JP2008197380A - 多チャンネル光路変換素子とその作製方法

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Publication number: JP2008197380A
Application number: JP2007032472A
Authority: JP
Inventors: Yuji Yamamoto; 雄二山本
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2008-08-28

Abstract

【課題】低損失で信頼性の高い光路変換素子及び高い生産性のある製造方法は未だに得られているとは言い難い。
【解決手段】複数の光路をミラーを用いて変換する多層多チャンネル光路変換素子において、（１）基板に作成した複数個の配列した孔に光ファイバの先端の一方が基板から露出した状態で固定し、（２）基板面にクラッド層を形成し、そのクラッド層に前記光ファイバと交差するコア溝を形成し、コア溝にコア材を充填し、コア溝からはみ出たコア材を除去し、さらにその上にクラッド層を形成することで水平導波路を形成し、（３）前記光ファイバと水平導波路の交差部に４５゜の傾斜面を有する溝を作成し、該傾斜面に金属膜あるいは誘電体膜を成膜してミラーを形成し、(４)ミラーと反対側のガラス基板上に電極を形成し、(５)チップ状にダイシングする、ことを特徴とする多層多チャンネル光路変換素子の作成法。及び、多層多チャンネル光路変換素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、光回路内で光信号の進行方向を変換する、多チャンネル光路変換素子に関する。

情報量の増大、処理速度の高速化にともない、メタル配線では対応できない状況が予想され、光を用いた光インターコネクションの開発が進められている。これらの普及には低価格化と量産化が要望されており、取り扱いの容易な樹脂製光導波路がその有力な構成部材として開発されている。導波路用の樹脂材料としては、フッ素化ポリイミド樹脂、重水素化ポリシロキサン樹脂、エポキシ系樹脂、全フッ素化脂環式樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン樹脂等が用いられる。

光インターコネクションを安価に効率よく生産するためには光インターコネクションに使われるＬＤ、ＰＤ等の半導体素子を平面実装できることが重要である。そのためには水平方向の樹脂製光導波路を急激に曲げる光路変換の技術、特に、２〜１６チャンネルなどの、複数の光信号をパラレルに送受信することが出来る様々な多チャネルの光路変換素子が必要とされている。

これらの光路変換素子では損失が少なく、チャンネル間で特性の揃った、かつコア同士の位置関係が維持されていることが求められている。特にコア同士の位置関係の維持はデバイス特性に直接影響するためその精度は±２．５μｍ以下にすることが求められている。

従来技術としては、光路変換部品として、片端に傾斜端面を有し、かつ前記傾斜端面の傾斜角及び傾斜端面における光導波路コアのサイズ、配置等が概ね等しい一対の光導波路の傾斜端面同士を対向させ、この傾斜端面における光導波路のコアが概ね一致するように前記傾斜端面同士を接続し、前記一対の光導波路が概ねＶ字型に固定され、前記Ｖ字型の光導波路の頂部を除去してコアを所定の位置まで露出させて反射面が設けられた多チャネル光路変換部品が提案されている（特許文献１参照）。

また、多チャンネルの光路変換部品として、直交する光導波路が形成された同形の基板同士を光軸が所定の相対位置をとるように貼り合わせ、その後直交する光導波路部にミラーを形成する方法が提案されている（特許文献２参照）。

さらに、光電気配線基板として、貫通孔（スルーホール）を基板に形成し、該基板を積層し光を伝播するコアと該コアを挟むクラッドとからなる光配線層と、を具備する光電気配線基板であって、電気配線基板は、一方の面に形成された電気配線と、該電気配線と電気的に接続され、一方の面の貫通孔周辺に設けられ、光部品を設置するためのパッドと、を有し、コアは、電気配線基板に沿った水平方向に光を伝播する水平方向導波路と、該水平方向導波路と交差する導波路であって、一部が貫通孔内に設けられ電気配線基板に鉛直な方向に光を伝播する鉛直方向導波路を有する光電気配線基板が提案されている。（特許文献３参照）。
特開２００１−１９４５４０号公報特開２００３−３１５５７８号公報再公表ＷＯ０１−０１１７６号公報

例えば、前記特開２００１−１９４５４０号公報に示されている作製方法では、傾斜面の合った導波路を作製する工程、これらを貼り合わせる工程など精密な作業を必要とし工程が複雑であり、水平導波路と垂直導波路を別々に作製することで垂直導波路と水平導波路の位置ずれが起こりやすく、損失が増大する恐れがある。

また、前記特開２００３−３１５５７８号公報に記載のものは、導波路が形成された基板同士を貼り合わせる工程が精密な作業を必要とし、デバイスとして必要な±２．５μｍ以下の精度を維持することが困難であり、位置ずれが起こりやすく、チャンネル間の損失変化が増大する恐れがある。

さらに、前記再公表ＷＯ０１−０１１７６号公報に記載のものは、鉛直方向導波路の作製法は電気配線を有する電気配線基板に貫通孔を形成する工程と、貫通孔をクラッドで満たす工程と、コアと該コアを囲むクラッドから成る光配線層を電気配線が形成された面に対して反対側の面に沿って形成する工程と、貫通孔の内径より小さい内径を有する孔を、貫通孔を満たしたクラッドの中心部に形成する工程と、該第２の貫通孔をコアで満たし電気配線基板に対して鉛直方向の導波路を形成する工程と、水平方向導波路のコアと垂直方向導波路のコアとが交差する部位に、一方のコアを伝播する光を他方のコアに向けて反射するミラーを形成する工程からなり、第２の貫通孔を形成する方法としてエキシマレーザーで貫通孔をあける方法が示されているが、レーザーで作製した孔の内面は荒れておりコア材を充填して作製した鉛直方向導波路の伝搬損失は大きくなる。貫通孔を開ける方法としてドライエッチングによる方法もあるが、鉛直方向導波路の長さが長くなるとエッチング時間が非常に長くなり量産性に欠ける。電気配線基板としてポリイミド基板やガラス／ポリイミド多層基板が使用されているので湿式のエッチング法を使用することは非常に難しい。

このように、多チャンネル光路変換素子の作製方法は多数提案されているものの、低損失で信頼性の高い光路変換素子及び高い生産性のある製造方法は未だに得られているとは言い難い。

本発明は、複数の光路をミラーを用いて変換する多層多チャンネル光路変換素子において、（１）基板に作製した複数個の配列した孔に光ファイバの先端の一方が基板から露出した状態で固定し、（２）基板面にクラッド層を形成し、そのクラッド層に前記光ファイバと交差するコア溝を形成し、コア溝にコア材を充填し、コア溝からはみ出たコア材を除去し、さらにその上にクラッド層を形成することで水平導波路を形成し、（３）前記光ファイバと水平導波路の交差部に４５゜の傾斜面を有する溝を作成し、該傾斜面に金属膜あるいは誘電体膜を成膜してミラーを形成し、(４)ミラーと反対側のガラス基板上に電極を形成し、(５)チップ状にダイシングする、ことを特徴とする多層多チャンネル光路変換素子の作製法である。

また、コア溝からはみ出したコア材を除去した後、基板の水平導波路側をクラッド層に等しいかそれより若干低い屈折率のガラス基板で覆いクラッド層を形成することを特徴とする、上記の多チャンネル光路変換素子の作製法である。

また、水平導波路と光ファイバの交差部の溝をミラー形成後、樹脂またはガラスで充填したことを特徴とする、上記の多チャンネル光路変換素子の作製法である。

さらに、上記の製法で作製した多チャンネル光路変換素子である。

本発明によれば、基板に水平及び垂直導波路（光ファイバ）を形成することにより、高精度に導波路が形成でき特性が安定し、低損失、高信頼性及び低コストを兼ね備えた多チャンネル光路変換素子を提供できる。

図１は基板にガラス基板を用いた本発明の多チャンネル光路変換素子の作製工程の一例を説明する図である。多チャンネル光路変換素子は以下のような工程で作製される。

図１（ａ）は光ファイバ用の縦孔があけられたガラス基板である。

図１（ｂ）では縦孔に光ファイバを挿入し、接着剤でその先端の一方が基板から出た状態で固定する。基板表面から突き出るファイバの量は水平導波路のコアより高くなるようにする。余り高いと次工程の溝加工が難しくなり、逆にコアより低いと水平導波路と光ファイバが交差しなくなるので損失が大きくなる。接着剤は熱硬化型接着剤でも良く、基板が紫外線を透過するガラス基板等の時には紫外線硬化接着剤が使用できる。接着剤の基板面上へのはみ出しを抑えるため、はみ出たものは拭き取ること等を行い、はみ出しを抑える。

図１（ｃ）では基板表面にクラッド層を形成する。クラッド材料は光透過率の高いエポキシ系材料、フッ素化ポリイミド、アクリル系材料、シリコーン系材料、有機無機ハイブリッド系材料等が使用できる。膜厚はコア高さに等しいかそれより若干厚い膜厚とする。

図１（ｄ）では水平導波路用のコア溝を形成する。形成法としてはダイサーで溝を形成しても良いし、サンドブラストなどの方法を使用し形成しても良い。コア溝深さはコア高さに等しいかコア高さより若干深く形成する。

図１（ｅ）では水平導波路用溝にコア材を充填する。充填はディスペンサーを使用するのが効率的であるが、これに限らない。コア溝内の残渣除去やコアとクラッドの密着性を増すためにコア充填前に有機溶剤による洗浄やプラズマによるクリーニング等も可能である。コア高さが設計値より高くなった場合は研磨やプラズマエッチング等により設計値に合わせる。

図１（ｆ）ではコアの上にクラッド層を形成する。クラッド用の紫外線硬化樹脂を成膜し、紫外線を照射し硬化させる。樹脂を使用する代わりに水平導波路のはみ出したコア材を除去した後、クラッド材の屈折率と等しいかそれより低い屈折率のガラス基板を接着しクラッド層とすることも可能である。

図１（ｇ）では先端が片側４５°のブレードで水平導波路と垂直導波路との交差部を４５°にカットする。先端角９０°（片側４５°）のブレードを使用しても良い。ミラーはコア径より大きいことが必要であり、カット深さは水平導波路コアより深くカットする。

図１（ｈ）では４５°傾斜面にミラーを形成する。ミラーは反射率の高い金属でも良いし、使用波長での反射率の高い誘電体多層膜でも良い。

図１（ｉ）ではミラー部の窪みに充填材を充填する。ミラー部材が耐熱性、耐候性等の信頼性が高く導波路との密着性の高い場合は充填材を充填する必要のない場合もある。

図１（ｊ）ではミラー部と反対側のガラス基板表面に電極を形成する。電極が不要な用途のものについてはこの工程は不要である。電極形成面が平滑でない場合や、面が出ていない場合は研磨等で平滑にする。

図１（ｋ）では基板をチップ状に切断する。

本法により、基板に垂直及び水平導波路を形成することにより、高精度に導波路が形成でき特性が安定し、低損失、高信頼性及び低コストを兼ね備えた多チャンネル光路変換素子を提供できる。

コア材料は熱膨張係数がクラッド材料に近く、クラッド材料との密着性の良い材料が好ましく、フッ素化エポキシやフッ素化ポリイミド等の耐熱性の高い材料が素子の耐熱性の観点からは好ましいが、アクリル系の導波路材料やその他の紫外線硬化樹脂なども使用することも可能である。

電極はフォトリソグラフィーとスパッタリングにより形成できる。上の例ではミラー部に充填材を充填後に行ったが、図１（ｂ）のファイバ埋め込み後の各工程の間に行うことも可能である。

上の例は導波路がＬ字の例を示したが、図２に示す導波路がＵ字のものへの応用も可能である。図３はチップ化前の基板状態でのＵ字形直角光路変換素子の立体図である。図４はチップ化した４チャンネルのＬ字型直角光路変換素子である。

本発明の利点は、透明基板に垂直導波路（光ファイバ）と水平導波路を形成するため、構造が簡単で全体が構造体になっているので信頼性が高く、作製工程数が少なく作製コストが安価になる。

また、垂直導波路に光ファイバを使用しているために、垂直導波路の長さの長い光路変換素子の作製が容易になる。基板の反りが少ないため電極の位置精度を高くできる。

また、導波路作製工程及び電極作製工程をウェハープロセスで行うことができるので量産性に富む。

さらに、基板にマーカーを形成することにより、ミラー面を高精度に形成できミラー部の光損失を小さくできる。

基板はガラスが適しているが、素子の耐熱性が不要の場合はガラス以外の透明アクリル板、透明塩ビ板等の透明樹脂を使うことも可能である。

以下、実施例により説明する。
厚さ０．５ｍｍの石英ガラス基板にレーザーを用い２５０μｍピッチの１２７μｍφの４連の配列した孔を開け、この縦孔に光ファイバを挿入し、接着剤でその先端の一方が基板から略８０μｍ出た状態で固定した。接着剤は紫外線硬化接着剤を使用し紫外線を照射し硬化させた。接着剤の基板面上へのはみ出しを抑えるため、はみ出た接着剤は拭き取った。

次にスピンコータを用い基板表面にＵＶ硬化型エポキシクラッド層を８０μｍ成膜し紫外線照射を行い硬化した。水平導波路用の幅５０μｍのコア溝を２５０μｍピッチで光ファイバの位置を通るようにダイサーを用いて形成した。コア溝深さは５０μｍとした。

次に有機溶剤によりコア溝を洗浄し、Ｏ_２プラズマによるクリーニングを行い、ディスペンサーを使用してコア材をコア溝に充填し、紫外線を照射し硬化した。クラッド表面から上に出たコア材は研磨により除去し、コア高さを５０μｍ±２μｍにした。次にコアの上にクラッド層を３０μｍ成膜し、紫外線を照射し硬化させた。
次に先端が片側４５°のブレードで水平導波路と垂直導波路との交差部を４５°にカットした。カット深さは略１１０μｍとした。４５°傾斜面にＡｕをスパッタリングにより１.５μｍ成膜し、ミラーを形成した。
次にミラー部の窪みにクラッド材を充填し紫外線を照射し硬化させた。
次にミラーと反対側の面を研磨し平滑にし、フォトリソグラフィーとスパッタリングにより電極を形成した。次にダイサーでチップ状に切断した。

得られた光路変換導波路のコア配列は設計値の±２．５μｍ以下の範囲内であった。またマルチモードファイバーの４芯ファイバーアレイ（コアピッチ２５０μｍ）により波長０．８５μｍの光を直角光路変換導波路へ挿入し、４芯マルチモードファイバーアレイで受光した時の挿入損失は４チャンネルとも２．５ｄＢ以下であった。

厚さ０．５ｍｍのソーダライムシリカガラス基板１にドリルを用い２５０μｍピッチの１２７μｍφの４連の対向した２組の孔を開け、この孔に光ファイバを挿入し、接着剤でその先端の一方が基板から略８０μｍ出た状態で固定した。接着剤は紫外線硬化接着剤を使用し紫外線を照射し硬化させた。接着剤の基板面上へのはみ出しを抑えるため、はみ出た接着剤は拭き取った。次にスピンコータを用い基板表面にＵＶ硬化型エポキシクラッド層を８０μｍ成膜し紫外線照射を行い硬化した。

次に水平導波路用の幅５０μｍのコア溝を２５０μｍピッチで光ファイバの位置を通るようにダイサーを用いて形成した。コア溝深さは５０μｍとした。

次に有機溶剤によりコア溝を洗浄し、Ｏ_２プラズマによるクリーニングを行い、ディスペンサーを使用してコア材をコア溝に充填し、紫外線を照射し硬化した。クラッド表面から上に出たコア材は研磨により除去し、コア高さを５０μｍ±２μｍにした。コアの上にクラッド層を３０μｍ成膜し、紫外線を照射し硬化させた。
次に先端が片側４５°のブレードで水平導波路と垂直導波路との交差部を４５°にカットした。カット深さは略１２０μｍとした。４５°傾斜面にＡｕをスパッタリングにより１．５μｍ成膜し、ミラーを形成した。
次にミラー部の窪みにクラッド材を充填し紫外線を照射し硬化させた。
次にミラーと反対側の面を研磨し平滑にし、フォトリソグラフィーとスパッタリングにより電極を形成した。次にダイサーでチップ状に切断した。

得られた光路変換導波路のコア配列は設計値の±３μｍ以下の範囲内であった。またマルチモードファイバーの４芯ファイバーアレイ（コアピッチ２５０μｍ）により波長０．８５μｍの光を直角光路変換導波路へ挿入し、４芯マルチモードファイバーアレイで受光した時の挿入損失は４チャンネルとも３．０ｄＢ以下であった。

基板にガラス基板を用いた本発明の多チャンネル光路変換素子の作製工程を説明する図である。導波路がＵ字状の多チャンネル光路変換素子である。チップ化前の基板状態でのＵ字形直角光路変換素子の立体図である。チップ化した４チャンネルのＬ字型直角光路変換素子である。

符号の説明

１孔の開いたガラス基板
２光ファイバ
３クラッド層
４水平導波路コア溝
５コア
６クラッド層
７ミラー部
８ミラー
９充填材
１０電極

Claims

複数の光路をミラーを用いて変換する多層多チャンネル光路変換素子において、（１）基板に作製した複数個の配列した孔に光ファイバの先端の一方が基板から露出した状態で固定し、（２）基板面にクラッド層を形成し、そのクラッド層に前記光ファイバと交差するコア溝を形成し、コア溝にコア材を充填し、コア溝からはみ出たコア材を除去し、さらにその上にクラッド層を形成することで水平導波路を形成し、（３）前記光ファイバと水平導波路の交差部に４５゜の傾斜面を有する溝を作成し、該傾斜面に金属膜あるいは誘電体膜を成膜してミラーを形成し、(４)ミラーと反対側のガラス基板上に電極を形成し、(５)チップ状にダイシングする、ことを特徴とする多層多チャンネル光路変換素子の作製法。
コア溝からはみ出したコア材を除去した後、基板の水平導波路側をクラッド層に等しいかそれより若干低い屈折率のガラス基板で覆いクラッド層を形成することを特徴とする、請求項１に記載の多チャンネル光路変換素子の作製法。
水平導波路と光ファイバの交差部の溝をミラー形成後、樹脂またはガラスで充填したことを特徴とする、請求項１または２に記載の多チャンネル光路変換素子の作製法。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作製法で作製した多チャンネル光路変換素子。