JP2008298934A - 光軸変換素子およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ｍ列ｎ行に配列されたアレイ状光電気変換素子とｍ列ｎ行にコアが配列された光導波路とを接合する多チャンネル光路変換素子において、アレイ状光電気変換素子の行間隔と光導波路の行間隔が異なる場合でも接合を可能とすることで、従来技術では不可能であったフレキシブル性と高密度実装の達成と、作製容易性を兼ね備えた製造方法とを提供する。
【解決手段】光の入射端面、出射端面および互いに平行に位置する複数の反射面から形成され、クラッドに埋設された互いに平行にｍ列ｎ行（但し、ｍおよびｎは２以上）の３次元配列されたＬ字型コアの端面が入射端面と出射端面に露出し、各行のｍ本のＬ字型コアがｎ枚の平坦な反射面で入射された光の方向を変えられ出射端面に至る構造を有し、入射端面の各行のコア間隔と出射端面の各行のコア間隔とが異なることを特徴とした多チャンネル光導波路素子。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光高速度伝送と高密度実装を実現する２次元に配列された光電変換素子とフレキシブル性と実装密度を高める目的で光電変換素子の配列間隔と異なる２次元にコアが配列された光導波路とを高効率で結合する光路変換デバイスの構造およびその製造方法に関する。

情報通信システムの基盤技術として光通信技術が浸透していくにつれて光インターコネクションは、その高速伝送性から光ネットワークの要素技術として益々その重要性が高まっている。適応分野もスーパーコンピュータから携帯機器分野までその適応領域が拡大しており、今後、高速伝送性だけでなく実装の高密度化や低コスト化に対する要求がより高まると予想される。

面発光レーザや受光素子等のアレイ状に配列された光電変換素子とそれらをレンズとミラーを兼ね備えた光導波路や光ファイバで接続した光インターコネクションは高速伝送が可能であることから、検討が盛んに進められている。特に光の伝送路として光導波路を用いた場合、コア間隔を任意で設定できることから実装の自由度が高いとされている。中でも携帯機器分野では光導波路部分にフレキシブル性が必用であり光導波路自体の高い柔軟性が求められている。そのため一般には光導波路として樹脂製光導波路、例えば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、シリコン樹脂等の樹脂光導波路が用いられる。

最近、これらの光電変換素子と樹脂光導波路との特徴を生かすために２次元配列された光電変換素子と２次元配列されたコアを有する光導波路とを効率よく接続できる多チャンネル光路変換素子が提案されている。例えば、交差した光導波路を張り合わせた後単一平面の反射面を設けるものが提案されている（特許文献１参照）。これは一方のコア端面からもう一方のコア端面まで連続した光導波路が形成されているため高密度実装に不利となるレンズ等を用いずに高速伝送を可能とする。
特開２００３−３１５５７８号公報

図３にこの従来技術による３列２行の多チャンネル光導波路素子を示す。従来技術では最も効率の高い光路変換角度を９０°にした場合、入射端面の行間の間隔５と出射端面の行間の間隔６が等しくなり、例えば一般に２５０μｍピッチ以上で配列された光電気変換素子と高密度化やフレキシブル性を高めるために薄膜化を目的とした厚さ方向のコア間隔を２５０μｍより狭く設計された光導波路との接合ができない。そのため、フレキシブル性と高密度化の両立に対する限界があった。また、この従来技術では反射点を単一平面８で形成するため、コアの位置精度が直接その光路変換素子の光特性に反映され、製造上の大きな課題ともなっていた。

本発明は、光の入射端面、出射端面および互いに平行に位置する複数の反射面から形成され、クラッドに埋設された互いに平行にｍ列ｎ行（但し、ｍおよびｎは２以上）の３次元配列されたＬ字型コアの端面が入射端面と出射端面に露出し、各行のｍ本のＬ字型コアがｎ枚の平坦な反射面で入射された光の方向を変えられ出射端面に至る構造を有し、入射端面の各行のコア間隔と出射端面の各行のコア間隔とが異なることを特徴とした多チャンネル光導波路素子である。

また、反射面において光路変換角度９０°で光の方向を変えられることを特徴とする上記の多チャンネル光導波路素子である。

また、入射端面および出射端面上のコア端面が、行ごとオフセットされ千鳥状に配列されていることを特徴とする上記の多チャンネル光導波路素子である。

また、各列のｎ本のＬ字型コアが各反射面に直交する平面上に配列され互いに交差していることを特徴とする上記の多チャンネル光導波路素子である。

また、出射端面および入射端面の少なくとも一方に金属性のパターンが形成されていることを特徴とする上記の多チャンネル光導波路素子である。

また、多チャンネル光導波路素子とその素子の鏡像関係にある多チャンネル光導波路素子とをコアが２次元配列された光導波路で接合された上記の多チャンネル光導波路素子である。

さらに、多チャンネル光導波路素子同士をコアが２次元配列された光導波路で接合された上記の多チャンネル光導波路素子である。

さらにまた、仮基板上に３次元配列された逆Ｕ字型または逆Ｌ字型のコアを作製する工程とｍ列の各列に反射面を形成する工程を含むことを特徴とした上記の光路変換デバイスの製造方法である。

本発明によれば、ｍ行ｎ列に配列されたアレイ状光電気変換素子とｍ行ｎ列にコアが配列された光導波路とを接合する多チャンネル光路変換素子において、アレイ状光電気変換素子の行間隔と光導波路の行間隔が異なる場合でも接合を可能とすることで、従来技術では不可能であったフレキシブル性と高密度実装の達成と、作製容易性を兼ね備えた製造方法とを提供できる。

本発明は、本発明は光の入射端面、出射端面および互いに平行に位置する複数の反射面から形成され、クラッドに埋設された互いに平行にｍ列ｎ行（但し、ｍおよびｎは２以上）の３次元配列されたＬ字型コアの端面が入射端面と出射端面に露出し、各行のｍ本のＬ字型コアがｎ枚の平坦な反射面で入射された光の方向を変えられ出射端面に至る構造を有することで入射端面の各行の間隔と出射端面の各行の間隔とを変えることでアレイ状の光受発光素子の受発光間隔によらずに、実装密度やフレキシブル性を高めた光導波路との接合を可能とした多チャンネル光路変換素子を提供するものである。

本発明の例として図１に３列２行の入射端面および出射端面上のコア端面が、オフセットされて、千鳥状に配列されていることを特徴とする多チャンネル光導波路素子を、また図２には各列の２本のＬ字型コアは各反射面に直交する平面上に配列され互いに交差していることを特徴とする３列２行の多チャンネル光導波路素子を示した。

本発明のポイントは最も高密度に有利となる９０°光路変換の場合でも光電気変換素子の配列間隔に左右されず、例えばフレキシブル性をより高めることを目的とした厚さ方向のコア間隔を狭め薄くしたコアが２次元配列された樹脂光導波路との接合を可能とし、また各行ごとに反射面を形成し、且つウエハー状で一括形成することから均一性の高い光特性と作製容易性を兼ね備えた製造方法とを提供することにある。

図３に従来技術による３列２行の多チャンネル光導波路素子を示すが、従来技術では最も効率の高い光路変換角度を９０°にした場合、入射端面の行間の間隔５と出射端面の行間の間隔６が等しくなってしまい、光電気変換素子と光導波路の配列間隔が異なる場合に接合ができない。そのため、導波路のフレキシブル性と高密度化の両立に対する限界があった。また、この従来技術では反射点を単一平面８で形成するため、コアの位置精度が直接その光路変換素子の光特性に反映される問題がある。

これに対して本発明では、例えば図２のように入射端面の行間の間隔よりも出射端面の行間の間隔を狭めて作成することが出来る。これにより、一般的にコア間隔の広い光電気変換素子と、フレキシブル性をより高めることを目的とした厚さ方向のコア間隔を狭め薄くしたコアが２次元配列された樹脂光導波路との接合を可能とする。また、ウエハー平面に対し垂直と水平の光導波路との交点である反射面が各行ごとに異なる平面３，４となるため、単一平面で作製するより、反射面の位置精度が高められその結果多チャンネル光導波路の高性能化を可能とする。

また従来技術とは異なり、ウエハー上で一括形成できるため、大幅な低コスト化を実現する。また多チャンネル光導波路のＬ字型コアが千鳥状に配列されたものや互いに交差しているものでもよい。

図６はコアが３列２行の千鳥状にコアが配列された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。実際はウエハーの状態で作製されるがデバイス部分を拡大し、また説明の容易性から手前側にダミーコアを露出した図とした。

まず(a)では仮基板上にクラッド材を成膜した基板に千鳥状にホールをリソグラフィーと反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）の技法により形成する。なおホールパターンの行間の間隔と列間の間隔とを同じとした。(b)、(c)では感光性のコア材を塗布後、選択露光によりパターニングを実施する。オーバークラッドの厚さを調節することでウエハー平面と平行の光導波路のコア間隔を(a)のホールパターンの間隔より狭くしている。

次に各行ごとに反射面を形成し反射面に金属を成膜後、本基板を張り合わせて(i)を得る。その後研削により仮基板の除去とコア端面の露出を行う。
必要に応じ金属の電極を形成した後に所定のＬ字型光導波路となるようにチップ化することにより光の入射端面、出射端面および互いに平行に位置する複数の反射面から形成され、クラッドに埋設された互いに平行にｍ列ｎ行（但し、ｍおよびｎは２以上）の３次元配列されたL字型コアの端面が入射端面と出射端面に露出し、各行のｍ本のL字型コアがｎ枚の平坦な反射面で入射された光の方向を変えられ出射端面に至る構造を有し、入射端面の各行のコア間隔と出射端面の各行のコア間隔とが異なり、入射端面および出射端面上のコア端面が、行ごとオフセットされ千鳥状に配列されていることを特徴とした多チャンネル光導波路素子を作製出来る。

図７には他の形態例として、各列のｎ本のL字型コアは各反射面に直交する平面上に配列され互いに交差していることを特徴とする３列２行の多チャンネル光変換素子の作製工程を示した。

図６の例と同様、実際はウエハーの状態で作製されるがデバイス部分を拡大し、また説明の容易性から手前側にダミーコアを露出した図とした。

(l)では仮基板上にそれぞれ所定の厚さとなるようにクラッド、コア、クラッド、コアそしてクラッドを成膜する。(m)、(n)ではコア幅と同じ幅の溝を(l)のコア間隔より広くなるように形成し、その溝にコア材を充填後硬化する。(u)、(p)では最終的にコアとなる両側に溝を形成しクラッドを充填。(q)、(r)で各行ごとに反射面を形成しコアを露出させ、仮基板上に逆Ｕ字型光導波路を３次元配列させる。露出したコアを金属で覆い(s)を作製する。

その後本基板を張り合わせ(t)を作製後、研削により仮基板の除去とコア端面の露出を行う。
必要に応じ金属の電極を形成した後に所定のＬ字型光導波路となるようにチップ化することによりの入射端面、出射端面および互いに平行に位置する複数の反射面から形成され、クラッドに埋設された互いに平行にｍ列ｎ行（但し、ｍおよびｎは２以上）の３次元配列されたL字型コアの端面が入射端面と出射端面に露出し、各行のｍ本のL字型コアがｎ枚の平坦な反射面で入射された光の方向を変えられ出射端面に至る構造を有し、入射端面の各行のコア間隔と出射端面の各行のコア間隔とが異なり、入射端面および出射端面上のコア端面が、各列のｎ本のL字型コアが各反射面に直交する平面上に配列され互いに交差していることを特徴とした多チャンネル光導波路素子を作製出来る。

これら図６および図７の多チャンネル光導波路はいずれも光の入射端面、出射端面および互いに平行に位置する複数の反射面から形成され、各行ごとにそれぞれｎ枚の平坦なミラー面で入射端面から入射された光の方向を変えられ出射端面に至る構造を有することで入射端面の各行の間隔と出射端面の各行の間隔とを変えることで高密度性とフレキシブル性との両立を可能としている。
また各行ごとに反射面を形成することから均一性の高い光特性と作製容易性を兼ね備えている。

また本発明で開示された製造方法の特徴は本基板上にＵ字型光導波路が３次元状配列させた基板を経由して作製することであり、基板上で一括に大量生産を可能とするだけでなく、基板の状態で片方のコア端面から光を挿入すると２枚の反射面により反射され光を挿入した端面と同じ平面から光が出射され、その光を測定することでその反射面を含むＵ字型光導波路の光特性を評価できるため基板の状態で一括評価できるため、従来技術の個別チップでの評価より大幅な低コスト化が図れる。

また仮基板上に逆Ｌ字型もしくは逆Ｕ字型光導波路のいずれでも最終形態の作製が可能であるが、逆Ｌ字型の場合、その光特性の評価を基板状で行えないため逆Ｕ字型で作製した方がより好ましい。

本発明で開示された作製方法は仮基板上に３次元配列された逆Ｕ字型または逆Ｌ字型のコアを作製する工程とｍ列の各列ごとに反射面を形成する工程を含でいればよく、例えば光導波路の作製方法としては金型を用いる方法、ダイシングソーを用いる方法、反応性エッチング装置を利用した方法や光導波路材料に感光性を付与した直接露光法やフォトブリーチング法などが考えられる。

図４の形態例には電極パターンが形成された実施形態２の３列２行の多チャンネル光導波路素子へ３列１行のアレイ状面発光素子を２つ実装する概略図を示した。なお図４では説明を容易とするためダミーコアを設けている。

反射面が行ごと複数枚あるためアレイ状面発光素子の実装におけるトレランスを大きく設けても、その間隔によらずにコア行間隔の狭いコアを２次元配列した光導波路との接合を可能としている。
またＬ字型コアは連続しており、また入出射端面のいずれもコアが露出しているため、レンズ等を必要とせず高い結合効率を達成する。図では３列１行の面発光素子を例として上げたが、３列２行等の２次元配列されたアレイ状面発光素子を用いても良い。

図５の形態例では図７の(v)へ電極とハンダバンプを形成した後にＵ字型導波路の状態でチップ化したものへ、一方のコア端面にアレイ状面発光素子、もう一方へアレイ状受光素子を実装した形態を側面から観察した図を示した。

光電気変換素子の実装はボンディング装置でパッシブ実装で行う。この形態はアレイ状面発光素子から出射された光が２回光路変換され、連続したコアにより受光素子まで光が伝播されるため、挿入損失が低く且つそれぞれのチャンネル間のクロストークを低く抑制できる。

実際ワイヤーボンディングでドライバーやレシーバへ接続し光の高速伝送を確認したところ１０Ｇｂｐｓにおいても良好なアイパターンを有することを確認しており、高い伝送速度を達成していることを確認した。
また面発光素子や受光素子の各チャンネルの間隔によらず、反射面間の積層された光導波路を薄くできるため非常に高いフレキシブル性と高密度実装を兼ね備えた光送受信モジュールといえる。

以下、実施例により説明する。

厚さ１ｍｍのガラス基板上にクラッド材であるエポキシ樹脂を成膜した。成膜はスピンコート法で用い、実施したクラッド材の厚さは２００μｍである。
その後、クラッド材上にマスク材を成膜し、フォトリソグラフィでパターニングを行った。マスク材にはＡｌを使用し、Ｏ_２ガスを流入させてマスク層に保護されていない部分をエッチング（Ｏ_２―ＲＩＥ）し、クラッド材へ５０×５０μｍ、深さ８０μｍのホールパターンを列間２５０μｍ行間１２５μｍで千鳥状に配列した。

スピンコート法でホール状のパターンへネガ型感光性を有するコア材であるエポキシ樹脂をクラッド上を５０μｍとなるようにスピンコートした。コアとなる部分のみに紫外線を照射することで幅５０μｍのコアパターンを形成し、一行目のコアパターンと二行目の一部分を作製した。

引き続きクラッド材を塗布しコア材上部に７５μｍ塗布および硬化した。上記の方法で再度５０×５０μｍ、深さ８０μｍのホールパターンを形成しそこへネガ型感光性を有するコア材を充填するとともにクラッド上を５０μｍとなるようにスピンコートした。
再度コア部分のみに紫外線を照射することで二行目のコアパターンを作製した。クラッド材を全体に塗布し硬化し、仮基板上にコア径５０×５０μｍの逆Ｕ字型コアをクラッド内に３行２列の千鳥状で３次元配列させた。引き続き粒度６０００番のＶ字型のブレードを用いてまず二行目の反射面を形成し、続いて同様に一行目の反射面を形成した。

露出したコアを覆うように金を蒸着後パターニングした。その後、本基板を接着剤により張り合わせた。研削機により仮基板の除去とコア端面を露出させ、研磨処理を施した。
研磨面からコア径５０μｍのＧＩマルチモードファイバで波長８５０μｍの光を入射し、二枚の反射面で２回方向変換されて入射面と同じ面に出射された光をコア径２００μｍのＳＩマルチモードファイバで受光することでU字型光導波路の光挿入損失を測定したところ、列によらず３ｄＢ以下であり、低損失で且つ基板内での均一性が高いことを確認した。

引き続き研磨面にリフトオフ用のレジストを塗布し電極パターンを形成したのちスパッタリングにより、チタン／金を成膜し、電極パターン以外の金属を除去し電極を形成した。バンプ形成用のレジストを塗布した後、ハンダバンプのパターンを形成し、電解メッキにより金錫ハンダバンプを形成した。その後、ダイシングソーによりチップ状に切りだしＬ字型光導波路が行間２５０μｍ、列間１２５μｍで３行２列の千鳥状で配列された多チャンネル光路変換素子を作製した。

直径４インチの厚さ２ｍｍの仮基板にクラッド材のフッ素化ポリイミド樹脂を厚さ２００μｍ、コア材のフッ素化ポリイミド樹脂を５０μｍ、クラッド材を７５μｍ、コア材を５０μｍ最後にクラッド材を５０μｍの順番でそれぞれ成膜した。
そこへダイシングソーで幅５０μｍの溝を平行に２５０μｍ間隔と２ｃｍ間隔を交互に８本形成した。溝をコア材で満たし硬化後，上記の溝に対し直交するように幅２００μｍの溝を２５０μｍの間隔で４本形成し、３ｍｍ間隔を設けた後、幅２００μｍの溝を２５０μｍの間隔で４本形成した。

これらの作業を繰り返し、合計３２本の溝を形成した。その溝へクラッド材を満たし硬化した。次ぎに粒度６０００番のＶ字型のブレードを用いてまず二行目の反射面を形成し、続いて同様に一行目の反射面を形成し、コア径５０×５０μｍの長さ約２ｃｍの逆Ｕ字型コアが各列２本同一平面で直交するように３次元配列させた３列２行の逆Ｕ字型光導波路を仮基板上に１６組作製した。

コアが露出した反射面へ金を蒸着後パターニングした。その後、本基板を接着剤により張り合わせた。研削機により仮基板の除去とコア端面を露出させ、研磨処理を施した。引き続き研磨面にリフトオフ用のレジストを塗布し電極パターンを形成したのちスパッタリングにより、チタン／金を成膜し、電極パターン以外の金属を除去し電極を形成した。
バンプ形成用のレジストを塗布した後、ダイシングソーによりチップ状に切りだしL字型光導波路が行間２５０μｍ、列間１２５μｍで３行２列の各列２本同一平面で直交するように３次元配列された多チャンネル光路変換素子を作製した。

素子上面からコア径５０μｍのＧＩマルチモードファイバで波長８５０μｍの光を入射し、反射面で１回方向変換されて素子側面に出射された光をコア径２００μｍのＳＩマルチモードファイバで受光することでL字型光導波路の光挿入損失を測定した。その結果、列によらず２ｄＢ以下であり、低損失で且つ基板内での均一性が高いことを確認した。

（比較例）
実施例２の仮基板上にクラッド材とコア材を成膜する工程でコア層とコア層との間のクラッド層の厚さを７５から２００μｍへと変更し、反射面を作製する工程で一行目、二行目を一度に作製する以外、実施例２と同様に実施し、行間２５０μｍ、列間も２５０μｍで３行２列の各列２本同一平面で直交するように３次元配列された多チャンネル光路変換素子を作製した。

素子上面からコア径５０μｍのＧＩマルチモードファイバで波長８５０μｍの光を入射し、反射面で１回方向変換されて素子側面に出射された光をコア径２００μｍのＳＩマルチモードファイバで受光することでL字型光導波路の光挿入損失を測定した。その結果、列によっては２ｄＢ以下であったが、３ｄＢ以下となった列もあり、均一性を高めるのが困難であった。

本発明は、光通信分野における通信システムはもちろん、評価・測定など光伝送の応用分野にも利用できるものである。

本発明によるＬ字型コアを千鳥状に３次元配列した３列２行の多チャンネル光路変換素子の概要を示す図である。 本発明による交差するＬ字型コアを３次元配列した３列２行の多チャンネル光路変換素子の概要を示す図である。 従来技術である単一平面の反射面により光路変換を行う３次元配列されたＬ字型コアを有する多チャンネル光路変換素子の比較例を示す図である。 本発明による金属性の電極パターンが形成されている多チャンネル光路変換素子へ２つの３列１行アレイ状面発光素子を実装する概略を示す図である 本発明によるＵ字型コアを３次元配列した３列２行多チャンネル光路変換素子へ３列２行のアレイ状面発光素子と３列２行のアレイ状受光素子を実装し光送受信素子の概略を示す図である。 Ｌ字型コアを千鳥状に３次元配列した多チャンネル光路変換素子の作製工程の一例を示す図である。 本発明による直角に交差するＬ字型コアを３次元配列した多チャンネル光路変換素子の作製工程の一例を示す図である。

符号の説明

１ 一行目L字型光導波路
２ 二行目L字型光導波路
３ 一行目反射面
４ 二行目反射面
５ 例えば入射端面の各行のコア間隔
６ 例えば出射端面の各行のコア間隔
７ 光路変換角度
８ 単一平面の反射面
９ ダミーＬ字型コア
１０ ３列×１行のアレイ状面発光素子
１１ 電極
１２ ３列×２行アレイ状面発光素子
１３ ３列×２行アレイ状受光素子
１４ １行目Ｕ字型光導波路
１５ ハンダバンプ
１６ ホールパターン
１７ クラッド材
１８ 仮基板
１９ コア材
２０ 一行目逆U字型コア
２１ 二行目逆U字型コア
２２ 反射面に露出した二行目のコア
２３ 金属
２４ 本基板
２５ 接着剤
２６ 溝

Claims (8)

1. 光の入射端面、出射端面および互いに平行に位置する複数の反射面から形成され、クラッドに埋設された互いに平行にｍ列ｎ行（但し、ｍおよびｎは２以上）の３次元配列されたＬ字型コアの端面が入射端面と出射端面に露出し、各行のｍ本のＬ字型コアがｎ枚の平坦な反射面で入射された光の方向を変えられ出射端面に至る構造を有し、入射端面の各行のコア間隔と出射端面の各行のコア間隔とが異なることを特徴とした多チャンネル光導波路素子。
2. 反射面において光路変換角度９０°で光の方向を変えられることを特徴とする請求項１記載の多チャンネル光導波路素子。
3. 入射端面および出射端面上のコア端面が、行ごとオフセットされ千鳥状に配列されていることを特徴とする請求項１又は２記載の多チャンネル光導波路素子。
4. 各列のｎ本のＬ字型コアが各反射面に直交する平面上に配列され互いに交差していることを特徴とする請求項１乃至３記載の多チャンネル光導波路素子。
5. 出射端面および入射端面の少なくとも一方に金属性のパターンが形成されていることを特徴とする請求項１乃至４記載の多チャンネル光導波路素子。
6. 多チャンネル光導波路素子とその素子の鏡像関係にある多チャンネル光導波路素子とをコアが２次元配列された光導波路で接合された請求項１乃至５記載の多チャンネル光導波路素子。
7. 多チャンネル光導波路素子同士をコアが２次元配列された光導波路で接合された請求項１乃至６記載の多チャンネル光導波路素子。
8. 仮基板上に３次元配列された逆Ｕ字型または逆Ｌ字型のコアを作製する工程とｍ列の各列に反射面を形成する工程を含むことを特徴とした請求項１乃至７記載の光路変換デバイスの製造方法。