JP2008298878A

JP2008298878A - 光導波路デバイス

Info

Publication number: JP2008298878A
Application number: JP2007142420A
Authority: JP
Inventors: Rahman Khan Sazzadur; サジャドウルラフマンカーン; Kazunori So; 和範宗
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2008-12-11
Also published as: CN101315441A; US20080298747A1; KR20080104970A; EP1998199A1; US7587119B2

Abstract

【課題】発光素子からの光の光軸と、その光を受光するコアの受光面との位置合わせが容易になっている光導波路デバイスを提供する。
【解決手段】第１および第２のアンダークラッド層２１，２２の上面に、それぞれ発光素子５と、この発光素子５の発光を受光するためのコア３とが設けられ、コア３の受光部３ａが、平面視略Ｕ字状に形成され、その略Ｕ字状の開口部内に、上記発光素子５の発光部５ｃからの発光が投光されるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信，光情報処理，その他一般光学で広く用いられる光導波路デバイスに関するものである。

一般に、光導波路デバイスでは、発光素子から発光される光を、光導波路により伝播している（例えば、特許文献１参照）。この光導波路デバイスを図５に模式的に示す。図５では、光導波路デバイスは、光導波路が基板１０上に形成されており、その光導波路の一端部に距離をおいて、発光素子５０が上記基板１０上に接着剤Ａを介して固定されている。そして、発光素子５０からの光Ｌは、光導波路のコア３０の一端面から入射し、そのコア３０を通って、そのコア３０の他端面から出射されるようになっている。なお、図５において、符号２０はアンダークラッド層、符号４０はオーバークラッド層である。
ＵＳ５９１４７０９

しかしながら、このような光導波路デバイスでは、コア３０が棒状であるため、その受光面（一端面）は、面積が小さい。このため、発光素子５０からの投光方向と、その光を受光するコア３０の一端面との位置合わせが困難になっている。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、発光素子からの投光方向と、その光を受光するコアの受光面との位置合わせが容易になっている光導波路デバイスの提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の光導波路デバイスは、アンダークラッド層の上面に、発光素子と、この発光素子の発光を受光するためのコアとが設けられ、コアの受光部が、平面視略Ｕ字状に形成され、その略Ｕ字状の開口部内に、上記発光素子の発光部からの発光が投光されるように構成されている。

なお、本発明において、「略Ｕ字状」とは、Ｕ字状のものだけでなく、Ｖ字状のもの，半円環状のもの等、その開口部内に、発光素子の発光部からの発光を投光できる形状のものを含む意味である。

本発明の光導波路デバイスは、コアの受光部が、平面視略Ｕ字状に形成され、その略Ｕ字状の開口部内に、発光素子の発光部からの発光が投光されるように構成されていることにより、上記略Ｕ字状の内側面を受光面にすることができる。このため、その受光面積を広くとることができる。これにより、発光素子からの投光方向と、その光を受光するコアの受光面との位置合わせの自由度が大きくなるため、その位置合わせを容易にすることができる。

特に、上記発光素子の発光部が、上記コアの受光部の略Ｕ字状の開口部内に位置決めされている場合には、発光素子からの投光方向が横方向に大きくずれたとしても、上記略Ｕ字状の内側面で受光することができるため、発光素子からの投光方向と、その光を受光するコアの受光面との位置合わせを、より容易にすることができる。

また、上記コアが、上記アンダークラッド層の上面のうちの所定部分に形成された、高さ調整層としての第２のアンダークラッド層を介して設けられている場合には、上記発光素子の発光部分の高さ位置が高い場合に、第２のアンダークラッド層を高さ調整層として形成することにより、コアの高さ位置を、上記発光素子の発光部分の高さ位置に適正に、容易に合わせることができる。

つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明の光導波路デバイスの一実施の形態を示している。この実施の形態では、基板１の上面に、光導波路デバイスが形成されている。この光導波路デバイスでは、第１のアンダークラッド層２１の上面に、発光素子５が設置され、その発光素子５が設置された部分以外の部分（所定部分）に、第２のアンダークラッド層２２が形成されている。そして、この第２のアンダークラッド層２２の上面に、光Ｌの通路であるコア３が所定パターンに形成されている。この第２のアンダークラッド層２２は、上記コア３の高さ位置を、発光素子５の発光部５ｃからの光Ｌを受光可能な高さ位置に設定するための高さ調整層である。また、上記コア３の一端部は、上記発光素子５からの光Ｌを受光する受光部３ａに形成されており、その形状は、平面視Ｕ字状〔図１（ａ）では開口側が左側に向けられた横向きのＵ字状〕になっている。そして、そのＵ字状の開口部内に、上記発光素子５が位置決めされ、その発光素子５の発光部５ｃを、上記受光部３ａのＵ字状部分が囲んだ状態になっている。その発光部５ｃからの投光方向は、コア３の長手方向（図示の方向）であることが好ましいが、それ以外でも、上記Ｕ字状の受光部３ａの内側面に向かう方向に設定されていれば特に限定されない。また、この実施の形態では、上記発光素子５およびコア３を被覆するように、透光性を有するオーバークラッド層４が形成されている。なお、図１（ａ），（ｂ）において、符号５ａは、その一端部上に発光素子５を固定しているリードフレームであり、その他端部には、発光素子５に接続されている端子（配線接続部分）５ｂが設けられている。

この光導波路デバイスにおいて、上記発光素子５からコア３の受光部３ａの方向に投光された光Ｌは、まず、オーバークラッド層４を経由して上記コア３の受光部３ａのＵ字状の内側面からコア３の受光部３ａ内に入射する。投光された光Ｌの方向がコア３の長手方向（図示の方向）と同一方向であると、光Ｌは、そのままコア３の長手方向に進む。他方、投光された光Ｌの方向が、コア３の長手方向（図示の方向）と同一方向ではなく、長手方向に対して斜めの方向であると、光Ｌは、コア３の受光部３ａのＵ字状部内で反射を繰り返した後、最終的に、コア３の長手方向に進む。そして、その後、コア３の他端面から出射される。このように、上記光導波路デバイスでは、上記受光部３ａのＵ字状の内側面の全体を受光面にすることができるため、受光面積を広くとることができる。これにより、発光素子５からの投光方向と、その光を受光するコア３の受光面との位置合わせを高精度にする必要がなく、その位置合わせを容易にすることができる。

このような光導波路デバイスの製造方法の一例について説明する。

すなわち、まず、平板状の基板１〔図２（ａ）参照〕を準備する。この基板１としては、特に限定されるものではなく、その形成材料としては、例えば、ガラス，石英，シリコン，樹脂，金属等があげられる。また、基板１の厚みは、特に限定されないが、通常、２０μｍ〜５ｍｍの範囲内に設定される。

ついで、図２（ａ）に示すように、上記基板１の上面の所定領域に、第１のアンダークラッド層２１を形成する。この第１のアンダークラッド層２１の形成材料としては、感光性樹脂，ポリイミド樹脂，エポキシ樹脂等があげられる。そして、第１のアンダークラッド層２１の形成は、つぎのようにして行われる。すなわち、まず、上記樹脂が溶媒に溶解しているワニスを基板１上に塗布する。このワニスの塗布は、例えば、スピンコート法，ディッピング法，キャスティング法，インジェクション法，インクジェット法等により行われる。ついで、これを硬化させる。この硬化に際して、第１のアンダークラッド層２１の形成材料として感光性樹脂が用いられる場合は、照射線により露光する。この露光された部分が第１のアンダークラッド層２１となる。また、第１のアンダークラッド層２１の形成材料としてポリイミド樹脂が用いられる場合は、通常、３００〜４００℃×６０〜１８０分間の加熱処理により硬化させる。第１のアンダークラッド層２１の厚みは、通常、５〜５０μｍの範囲内に設定される。このようにして、第１のアンダークラッド層２１を形成する。

つぎに、図２（ｂ）に示すように、上記第１のアンダークラッド層２１の上面のうち発光素子５〔図２（ｄ）参照〕の設置予定部分以外の所定部分に、第２のアンダークラッド層２２を形成する。この第２のアンダークラッド層２２の形成材料としては、感光性樹脂が用いられ、照射線を所定部分に選択的に露光することにより、この露光された所定部分を第２のアンダークラッド層２２に形成する。

そして、図２（ｃ）に示すように、上記第２のアンダークラッド層２２の上面に、コア３を形成する。このとき、コア３の一端部（受光部３ａ）を上記Ｕ字状に形成し、そのＵ字状部分が、後の工程で設置される発光素子５の発光部５ｃ〔図２（ｄ）参照〕を囲むことができるように形成する。このコア３の形成材料としては、通常、感光性樹脂があげられ、上記第２のアンダークラッド層２２および後記のオーバークラッド層４〔図２（ｅ）参照〕の形成材料よりも屈折率が大きい材料が用いられる。この屈折率の調整は、例えば、上記第２のアンダークラッド層２２，コア３，オーバークラッド層４の各形成材料の種類の選択や組成比率を調整して行うことができる。そして、コア３の形成は、つぎのようにして行われる。すなわち、まず、上記と同様、感光性樹脂が溶媒に溶解しているワニスを第２のアンダークラッド層２２上に塗布する。このワニスの塗布は、上記と同様、例えば、スピンコート法，ディッピング法，キャスティング法，インジェクション法，インクジェット法等により行われる。ついで、これを乾燥し、樹脂層を形成する。この乾燥は、通常、５０〜１２０℃×１０〜３０分間の加熱処理により行われる。

ついで、上記樹脂層を、コア３のパターンに対応する開口パターンが形成されているフォトマスク（図示せず）を介して照射線により露光する。この露光された部分が、未露光部分の溶解除去工程を経て、コア３となる。これについて詳しく説明すると、上記露光用の照射線としては、例えば、可視光，紫外線，赤外線，Ｘ線，α線，β線，γ線等が用いられる。好適には、紫外線が用いられる。紫外線を用いると、大きなエネルギーを照射して、大きな硬化速度を得ることができ、しかも、照射装置も小型かつ安価であり、生産コストの低減化を図ることができるからである。紫外線の光源としては、例えば、低圧水銀灯，高圧水銀灯，超高圧水銀灯等があげられ、紫外線の照射量は、通常、１０〜１００００ｍＪ／ｃｍ²、好ましくは、５０〜３０００ｍＪ／ｃｍ²である。

上記露光後、光反応を完結させるために、加熱処理を行う。この加熱処理は、８０〜２５０℃、好ましくは、１００〜２００℃にて、１０秒〜２時間、好ましくは、５分〜１時間の範囲内で行う。その後、現像液を用いて現像を行うことにより、樹脂層における未露光部分を溶解させて除去し、残存した樹脂層をコア３のパターンに形成する。なお、上記現像は、例えば、浸漬法，スプレー法，パドル法等が用いられる。また、現像剤としては、例えば、有機系の溶媒，アルカリ系水溶液を含有する有機系の溶媒等が用いられる。このような現像剤および現像条件は、感光性樹脂組成物の組成によって、適宜選択される。

そして、そのコア３のパターンに形成された残存樹脂層中の現像液を加熱処理により除去する。この加熱処理は、通常、８０〜１２０℃×１０〜３０分間の範囲内で行われる。これにより、上記コア３のパターン形成された残存樹脂層を、コア３に形成する。また、各コア３の厚みは、通常、５〜３０μｍの範囲内に設定され、その幅は、通常、５〜３０μｍの範囲内に設定される。

つぎに、図２（ｄ）に示すように、上記第１のアンダークラッド層２１の上面のうち、コア３の受光部３ａのＵ字状の開口部内に、発光素子５をリードフレーム５ａとともに設置する。このとき、リードフレーム５ａの他端部に設けられている端子（配線接続部分）５ｂは、第１のアンダークラッド層２１の端縁よりも外側に位置決めされる。また、上記発光素子５の設置は、接着剤を用いずに載置するか、または、僅かの接着剤を用いて仮固定する程度でよい。その理由は、後の工程〔図２（ｅ）参照〕で上記発光素子５を被覆するように、オーバークラッド層４を形成することにより、上記発光素子５が固定されるからである。なお、上記発光素子５としては、通常、発光ダイオード，レーザダイオード，ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等が用いられる。

ついで、図２（ｅ）に示すように、上記発光素子５およびコア３を被覆するように、上記第１および第２のアンダークラッド層２１，２２の上面に、透光性を有するオーバークラッド層４を形成する。これにより、上記発光素子５が上記第１のアンダークラッド層２１とオーバークラッド層４とで挟持された状態となって固定される。上記オーバークラッド層４の形成材料としては、上記第１または第２のアンダークラッド層２１，２２と同様の材料があげられるが、透光性を有するが選択される。そのうち、このオーバークラッド層４の形成材料は、上記第１または第２のアンダークラッド層２１，２２の形成材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、オーバークラッド層４の形成方法も上記第１または第２のアンダークラッド層２１，２２の形成方法と同様にして行われる。オーバークラッド層４の厚みは、通常、２０〜１００μｍの範囲内に設定される。

さらに、上記発光素子５の端子（配線接続部分）５ｂに、ワイヤーボンディング等により、配線６を接続する。

このようにして、基板１の上面に、第１および第２のアンダークラッド層２１，２２とコア３とオーバークラッド層４と発光素子５とからなる前記光導波路デバイス〔図１（ａ），（ｂ）参照〕を製造することができる。

なお、上記実施の形態では、受光部３ａのＵ字状の開口部内に、発光素子５を位置決めしたが、上記Ｕ字状の内側面で受光できれば、図３に示すように、発光素子５を、上記Ｕ字状部分の外側に位置決めしてもよい。

また、上記実施の形態では、コア３の一端部（受光部３ａ）を平面視Ｕ字状に形成したが、これに限定されるものではなく、例えば、図４に示すように、平面視Ｖ字状に形成してもよい。このようにしても、同様の作用・効果を奏する。

また、上記実施の形態では、第２のアンダークラッド層２２を形成することにより、コア３の高さ位置を、発光素子５の発光部５ｃからの光Ｌを受光可能な高さ位置に合わせているが、コア３と発光素子５の発光部５ｃとの高さ位置を合わせる必要がない場合は、第２のアンダークラッド層２２を形成しないで光導波路デバイスを構成してもよい。この場合は、第１のアンダークラッド層２１の上面にコア３が形成される。

さらに、上記実施の形態では、オーバークラッド層４を形成しているが、このオーバークラッド層４は必須ではなく、場合によってオーバークラッド層４を形成しないで光導波路デバイスを構成してもよい。

また、上記実施の形態では、発光素子５の端子（配線接続部分）５ｂを、第１のアンダークラッド層２１の端縁よりも外側に位置決めしたが、上記端子（配線接続部分）５ｂを第１のアンダークラッド層２１上に位置決めしてもよく、その場合は、端子（配線接続部分）５ｂに、ワイヤーボンディング等により、配線６を接続した後、その端子（配線接続部分）５ｂ部分をオーバークラッド層４で覆ってもよい。

つぎに、実施例について説明する。但し、本発明は、これに限定されるわけではない。

〔第１および第２のアンダークラッド層ならびにオーバークラッド層の形成材料〕
ビスフェノキシエタノールフルオレンジクリシジルエーテル（成分Ａ）３５重量部、（３’，４’−エポキシシクロヘキサン）メチル３’，４’−エポキシシクロヘキシル−カルボキシレート（成分Ｂ）４０重量部、脂環式エポキシ樹脂（ダイセル化学社製、セロキサイド２０２１Ｐ）（成分Ｃ）２５重量部、４，４−ビス〔ジ（β−ヒドロキシエトキシ）フェニルスルフィニオ〕フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネートの５０％プロピオンカーボネート溶液（光酸発生剤：成分Ｄ）１重量部を混合することにより、第１および第２のアンダークラッド層ならびにオーバークラッド層の形成材料を調製した。

〔コアの形成材料〕
上記成分Ａ：７０重量部、１，３，３−トリス｛４−〔２−（３−オキセタニル）〕ブトキシフェニル｝ブタン：３０重量部、上記成分Ｄ：０．５重量部を乳酸エチル２８重量部に溶解することにより、コアの形成材料を調製した。

〔光導波路デバイスの作製〕
まず、ガラス基板（厚み１．０ｍｍ）の上面に、上記第１のアンダークラッド層の形成材料をスピンコート法により塗布した後、２０００ｍＪ／ｃｍ²の紫外線照射を行った。つづいて、１００℃×１５分間の加熱処理を行うことにより、第１のアンダークラッド層（厚み１５μｍ）を形成した。

ついで、上記第１のアンダークラッド層の上面のうち発光ダイオードの設置予定部分以外の所定部分に、上記第１のアンダークラッド層の形成と同様にして、第２のアンダークラッド層（厚み５０μｍ）を形成した。

つぎに、上記第２のアンダークラッド層の上面に、上記コアの形成材料をスピンコート法により塗布した後、１００℃×１５分間の乾燥処理を行った。ついで、その上方に、コアパターンと同形状の開口パターンが形成された合成石英系のフォトマスクを設置した。そして、その上方から、コンタクト露光法にて４０００ｍＪ／ｃｍ²の紫外線照射による露光を行った後、１２０℃×１５分間の加熱処理を行った。つぎに、γ−ブチロラクトン水溶液を用いて現像することにより、未露光部分を溶解除去した後、１２０℃×３０分間の加熱処理を行うことにより、コア（断面寸法：幅１２μｍ×高さ２４μｍ）を形成した。このコアは、一端部（受光部）を平面視Ｖ字状に形成した。

つぎに、上記第１のアンダークラッド層の上面のうち、上記コアの受光部のＶ字状の開口部内に、紫外線硬化型接着剤を僅かに用いて発光ダイオードを仮固定した。

ついで、上記発光ダイオードおよびコアを被覆するように、上記第１および第２のアンダークラッド層の上に、上記オーバークラッド層の形成材料をスピンコート法により塗布した後、２０００ｍＪ／ｃｍ²の紫外線照射を行った。つづいて、１５０℃×６０分間の加熱処理を行うことにより、オーバークラッド層（厚み３５μｍ）を形成した。

つぎに、上記発光ダイオードの端子に、ワイヤーボンディングにより、配線を接続した。

このようにして、上記基板上に、第１および第２のアンダークラッド層とコアとオーバークラッド層と発光ダイオードとからなる光導波路デバイスを製造することができた。

本発明の光導波路デバイスの一実施の形態を模式的に示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。（ａ）〜（ｅ）は、本発明の光導波路デバイスの製造方法を模式的に示す説明図である。上記光導波路デバイスの他の形態を模式的に示す平面図である。上記光導波路デバイスのさらに他の形態を模式的に示す平面図である。従来の光導波路デバイスを模式的に示す断面図である。

符号の説明

３コア
３ａ受光部
５発光素子
５ｃ発光部
２１第１のアンダークラッド層
２２第２のアンダークラッド層

Claims

アンダークラッド層の上面に、発光素子と、この発光素子の発光を受光するためのコアとが設けられ、コアの受光部が、平面視略Ｕ字状に形成され、その略Ｕ字状の開口部内に、上記発光素子の発光部からの発光が投光されるように構成されていることを特徴とする光導波路デバイス。
上記発光素子の発光部が、上記コアの受光部の略Ｕ字状の開口部内に位置決めされている請求項１記載の光導波路デバイス。
上記コアが、上記アンダークラッド層の上面のうちの所定部分に形成された、高さ調整層としての第２のアンダークラッド層を介して設けられている請求項１または２記載の光導波路デバイス。