JP2009025726A - 光導波路デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子と光導波路との間に、光路の障害となるものがない光導波路デバイスおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】基板１の上面に、発光素子５が設置され、基板１の上面のうち発光素子５の設置部分以外の部分に、アンダークラッド層２が形成され、基板１上の発光素子５設置部分およびアンダークラッド層２の上面に、発光素子５を被覆した状態で、発光素子５の発光の光路となるコア３が形成されており、コア３が発光素子５を固定するとともに発光素子５の発光を直接入射させ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およびその製造方法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において、光導波路デバイスは、アンダークラッド層２０，コア３０およびオーバークラッド層４０からなる光導波路を基板１０上に形成している。そして、その光導波路の一端部側に距離をおいて、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。この発光素子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。
ＵＳ５９１４７０９

しかしながら、このような光導波路デバイスでは、上記発光素子５０を接着する際に、その発光素子５０を上から押圧すること等が原因で、接着剤Ａがはみ出して盛り上がり、それが光路の障害となる場合が多々ある。

本発明は、このような事情に鑑み、これまでとは発想を異にしてなされたもので、発光素子と光導波路との間に、光路の障害となるものがない光導波路デバイスおよびその製造方法の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、基板の上面に、発光素子が設置され、上記基板の上面のうち上記発光素子の設置部分以外の部分に、アンダークラッド層が形成され、上記基板上の発光素子設置部分およびアンダークラッド層の上面に、上記発光素子を被覆した状態で、上記発光素子の発光の光路となるコアが形成されている光導波路デバイスを第１の要旨とする。

また、本発明は、基板の上面のうち発光素子の設置予定部分以外の部分に、アンダークラッド層を形成する工程と、上記発光素子の設置予定部分に、発光素子を設置する工程と、上記基板上の発光素子設置部分およびアンダークラッド層の上面に、上記発光素子を被覆するように、上記発光素子の発光の光路となるコアを形成する工程とを備えている光導波路デバイスの製造方法を第２の要旨とする。

本発明者らは、光導波路デバイスにおいて、発光素子と光導波路との間の光路に障害をなくすべく、光導波路デバイスの構造について研究を重ねた。この研究の過程で、これまでとは発想を異にし、発光素子の発光の光路となるコアで発光素子を被覆することにより発光素子を固定し、発光素子の発光を直接コアに入射させることを想起し、本発明に到達した。

本発明の光導波路デバイスは、基板の上面に、発光素子とアンダークラッド層とがそれぞれ別個に設けられ、上記基板上の発光素子設置部分およびアンダークラッド層の上面に、上記発光素子を被覆した状態で、コアが形成されている。このため、発光素子は、基板とコアとで挟持された状態で固定されている。したがって、発光素子の固定には、接着剤を全く用いないか、または、用いたとしても、コアの形成に先立って発光素子を基板の上面に仮固定する程度でよく、その量は僅かで済み、接着剤が発光素子の周縁からはみ出すことはない。このように、本発明の光導波路デバイスは、発光素子とコアとの間において、接着剤が光路の障害にならず、適正な光伝播が可能となっている。さらに、発光素子から発光される光は、コアに直接入射されるようになるため、従来のようにコアの一端面から距離をおいた発光素子からの光を入射させるよりも、光入射および光伝播の確実性が高くなる。

特に、上記発光素子に対応するコアの部分に、発光素子の発光を光路に沿った状態に光路変換させる反射面が形成されている場合には、発光素子から発光される光を、上記反射面で反射させることにより、効率よくコアの光路に沿った状態に光路変換させることができるため、光伝播効率が向上する。

なかでも、上記反射面が、コアの表面に形成された、底面が略Ｖ字状になっている凹部の底面の傾斜面で形成され、その傾斜面が、コアの底面に対して、コアの底面とのなす角度４５°で形成され、上記発光素子の発光が上記反射面に対して４５°の角度で投光する場合には、９０°の光路変換を効率よく行うことができる。

本発明の光導波路デバイスの製造方法は、基板の上面のうち発光素子の設置予定領域を除く部分に、アンダークラッド層を形成した後、上記発光素子の設置予定領域に、発光素子を設置し、その後、上記基板上の発光素子設置部分およびアンダークラッド層の上面に、上記発光素子を被覆するように、コアを形成しているため、発光素子とコアとの間において適正な光伝播が可能であるとともに光入射および光伝播の確実性が高い本発明の光導波路デバイスを得ることができる。

特に、上記発光素子に対応するコアの部分に、発光素子の発光を光路に沿った状態に光路変換させる反射面を形成する場合には、発光素子から発光される光を、上記傾斜面で反射させることにより、効率よくコアの光路に沿った状態に光路変換させることができ光伝播効率が向上した光導波路デバイスを得ることができる。

とりわけ、上記反射面の形成が、コアの表面に、底面が略Ｖ字状になっている凹部を形成することにより行われ、その凹部の底面の傾斜面を、コアの底面に対して、反射面とコアの底面とのなす角度が４５°の反射面に形成し、その反射面に対して上記発光素子の発光が４５°の角度で投光されるように位置決めする場合には、９０°の光路変換を効率よく行うことができる光導波路デバイスを得ることができる。

また、上記凹部の形成が、上記発光素子の投光方向に沿ってダイシングすることによる上記コアの一部の切削である場合には、ダイシングする際の刃の位置決めが容易にでき、上記反射面の位置決め形成がより正確かつ容易にできる。

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。この実施の形態の光導波路デバイスは、基板１の上面の一端部（図１では左端部）に、光Ｌを真上方向に投光する発光素子５が設置され、上記基板１の上面のうち上記発光素子５の設置部分以外の部分に、アンダークラッド層２が形成され、上記基板１上の発光素子５設置部分およびアンダークラッド層２の上面に、上記発光素子５を被覆した状態で、発光素子５の発光の光路となるコア３が所定パターンに形成されている。この実施の形態では、上記コア３を被覆した状態で、オーバークラッド層４が形成されている。また、上記発光素子５の上方の部分では、コア３の光路に沿った方向（長手方向）と直交する方向〔図１（ａ）の矢印Ｙ方向〕に沿って、底面がＶ字状になっている長溝（凹部）Ｈが、Ｖ字状の尖端を上記直交方向に沿わせて形成されている。この長溝Ｈの底面の傾斜面は、図示のように、コア３の部分に位置決めされており、上記長溝Ｈの底面のＶ字状を構成する２つの傾斜面のうち光路側に位置する傾斜面（図示の右側の傾斜面）は、発光素子５の真上（投光方向）に位置決めされ、発光素子５からの光Ｌを反射する反射面３ａとして作用する。この反射面３ａは、コア３の底面とのなす角度が４５°に設定されている。なお、図１において、符号５ａは、その一端部上に上記発光素子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が設けられており、この実施の形態では、その端子５ｂは基板１の外側に位置決めされている。

そして、上記発光素子５から真上に投光された光Ｌは、上記コア３の底面から直接コア３内に入射し、上記反射面３ａに対して４５°の角度で当たって反射し、これにより、コア３の光路に沿った状態に光路変換され、その後、そのコア３内を光路に沿って進み、そのコア３の他端面から出射される。

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。

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の上面のうち発光素子５〔図２（ｂ）参照〕の設置予定部分１ａ以外の所定部分に、アンダークラッド層２を形成する。このアンダークラッド層２の形成材料としては、通常、感光性樹脂が用いられる。そして、アンダークラッド層２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。そして、それを５０〜１２０℃×１０〜３０分間の加熱処理により乾燥させる。これにより、アンダークラッド層２用の、未硬化感光性樹脂層を形成する。

つぎに、上記未硬化感光性樹脂層の上方に、発光素子５〔図２（ｂ）参照〕の設置予定部分１ａのみがマスクされているパターンを有する露光マスクを配置し、この露光マスクを介して上記感光性樹脂層を照射線により露光する。これにより、露光された上記感光性樹脂層の部分が硬化する。上記露光マスクは、発光素子５の設置数に合わせてマスクする部分が形成されたパターンになっている。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。

つづいて、現像液を用いて現像を行うことにより、上記感光性樹脂層における未露光部分（未硬化部分）を溶解させて除去する。これにより、残った感光性樹脂層（硬化部分）は、発光素子５の設置予定部分１ａが窓となって空いている状態になる。ここで、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、現像液としては、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。このような現像液および現像条件は、感光性樹脂組成物の組成によって、適宜選択される。

上記現像後、感光性樹脂層中の残存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、上記感光性樹脂層がアンダークラッド層２になる。アンダークラッド層２の厚みは、通常、５〜５０μｍの範囲内に設定される。

つぎに、図２（ｂ）に示すように、上記感光性樹脂層に窓として形成され、アンダークラッド層２にそのまま残っている、発光素子５設置予定部分（窓部）１ａ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、基板１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、接着剤を用いずにそのまま載置するか、または、僅かの接着剤を用いて仮固定する程度でよい。この発光素子５は、つぎの工程〔図２（ｃ）参照〕で形成されるコア３により固定されるため、接着剤不要か僅かの接着剤での仮固定で足りる。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。

上記コア３の形成は、図２（ａ）で説明したアンダークラッド層２の形成方法と同様にして行われる。すなわち、上記基板１上の発光素子５設置部分１ａおよびアンダークラッド層２上に、発光素子５を被覆するように、コア３〔図２（ｃ）参照〕となる感光性樹脂層を形成した後、露光，加熱処理および現像を経て、図２（ｃ）に示すように、コア３に形成する。なお、このコア３の形成材料は、上記アンダークラッド層２および後記のオーバークラッド層４〔図２（ｄ）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、上記アンダークラッド層２，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。また、コア３の厚み（アンダークラッド層２上における厚み）は、通常、５〜５０μｍの範囲内に設定され、その幅は、通常、５〜５０μｍの範囲内に設定される。

ついで、図２（ｄ）に示すように、上記アンダークラッド層２の上面に、上記コア３を被覆するように、オーバークラッド層４を形成する。このオーバークラッド層４の形成材料としては、上記アンダークラッド層２と同様の材料があげられる。そのうち、このオーバークラッド層４の形成材料は、上記アンダークラッド層２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の形成方法も上記アンダークラッド層２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（アンダークラッド層２上における厚み）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。

そして、図２（ｅ）に示すように、刃先角度９０°（Ｖ字状刃先）の円板状の回転刃Ｄの回転軸をコア３の光路に沿った方向（長手方向）と平行にした状態で、回転刃Ｄを回転させながら、発光素子５に対応するオーバークラッド層４の真上から上記回転刃Ｄの刃先をコア３の厚みの中間部分付近まで下ろし、その状態で、コア３の光路に沿った方向（長手方向）と直交する方向にスライドさせることによりダイシングする。これにより、コア３およびオーバークラッド層４に、前記長溝Ｈが形成され、コア３に、上記回転刃Ｄの刃先により切削された上記長溝ＨのＶ字状の底面が形成される。そのＶ字状を構成する２つの傾斜面のうちコア３の光路側に位置する傾斜面が、発光素子５からの光Ｌ（図１参照）を反射させる反射面３ａとなる。

このようにして、基板１と、発光素子５と、アンダークラッド２，コア３およびオーバークラッド層４が積層されてなる光導波路とからなる前記光導波路デバイス（図１参照）を製造することができる。

なお、上記実施の形態において、コア３の一部を反射面（傾斜面）３ａに切削するダイシングの際に、図３に示すように、発光素子５から光Ｌを真上方向に投光させ、その投光を目印とし、その投光方向に沿って（投光方向と回転刃Ｄの回転面とを重ねるようにして）矢印Ｘ方向に回転刃Ｄを下ろしてもよい。このダイシングの際には、形成される反射面３ａの略中央が投光方向と重なるよう、回転刃Ｄを位置決めする（図３では、回転刃Ｄの幅中心が投光方向よりも左側にオフセットされている）。このように投光を目印とすると、ダイシングする際の回転刃Ｄの位置決めが容易にでき、上記反射面３ａの位置決め形成がより正確かつ容易にできる。

また、上記実施の形態では、発光素子５の投光を真上方向とし、コア３の一部を４５°の傾斜面（反射面３ａ）とするとともに上記発光素子５の真上に位置決めしたが、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、発光素子５の投光を斜め上方向とし、コア３の一部を傾斜面（図１参照）に形成しなくてもよい。すなわち、図４に示す光導波路デバイスでも、発光素子５はコア３に被覆されているため、発光素子５から斜め上方向に投光された光Ｌは、コア３の底面から直接コア３内に入射し、コア３内で反射を繰り返しながら、コア３の光路に沿った方向（長手方向）に進む。また、上記傾斜面（反射面３ａ）を形成する場合、その傾斜角度は、発光素子５の発光をコア３の光路に沿った状態に光路変換させることができれば、特に限定されるものではなく、上記傾斜面（反射面３ａ）とコア３の底面とのなす角度を４５°以外の角度（例えば、１０°〜８０°の範囲内のいずれか）に設定してもよい。

さらに、上記各実施の形態（図１，４参照）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。

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。

〔アンダークラッド層および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、アンダークラッド層および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、１００℃×１５分間の乾燥処理を行い、感光性樹脂層を形成した。ついで、形成するアンダークラッド層の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露光マスクを介して、２０００ｍＪ／ｃｍ² の紫外線照射による露光を行った後、１５０℃×６０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、１００℃×１５分間の加熱処理を行うことにより、上記ガラス基板の上面のうち発光素子の設置予定部分以外の所定部分に、アンダークラッド層（厚み２５μｍ）を形成した。

ついで、上記ガラス基板の上面の、発光素子の設置予定部分に、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。

つぎに、上記発光素子を被覆するように、上記アンダークラッド層上およびそれ以外のガラス基板上に、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い、感光性樹脂層を形成した。ついで、その感光性樹脂層の上方に、コアの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露光マスクを配置した。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（厚み５０μｍ，幅５０μｍ）を形成した。

その後、上記コアを被覆するよう、上記アンダークラッド層上およびそれ以外のガラス基板上に、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、１００℃×１５分間の乾燥処理を行い、感光性樹脂層を形成した。ついで、その感光性樹脂層の上方に、オーバークラッド層の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露光マスクを位置決めした。そして、その上方から、コンタクト露光法にて２０００ｍＪ／ｃｍ² の紫外線照射による露光を行った後、１５０℃×６０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、１００℃×１５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２５μｍ）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。

そして、上記発光ダイオードから光を真上方向に投光させ、その状態で、ダイシング装置（Disco Corp. 製、Model 522 ）を用い、上記投光方向に沿って、刃先角度９０°の回転刃を、オーバークラッド層の真上から下ろし、コアの一部を、コアの底面とのなす角度が４５°の傾斜面に切削した。

このようにして、上記基板と、発光素子と、アンダークラッド，コアおよびオーバークラッド層が積層されてなる光導波路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製造方法の他の形態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説明図である。 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

１ 基板
２ アンダークラッド層
３ コア
５ 発光素子

Claims (7)

1. 基板の上面に、発光素子が設置され、上記基板の上面のうち上記発光素子の設置部分以外の部分に、アンダークラッド層が形成され、上記基板上の発光素子設置部分およびアンダークラッド層の上面に、上記発光素子を被覆した状態で、上記発光素子の発光の光路となるコアが形成されていることを特徴とする光導波路デバイス。
2. 上記発光素子に対応するコアの部分に、発光素子の発光を、光路に沿った状態に光路変換させる反射面が形成されている請求項１記載の光導波路デバイス。
3. 上記反射面が、コアの表面に形成された、底面が略Ｖ字状になっている凹部の底面の傾斜面で形成され、その傾斜面が、コアの底面に対して、コアの底面とのなす角度４５°で形成され、上記発光素子の発光が上記反射面に対して４５°の角度で投光する請求項２記載の光導波路デバイス。
4. 基板の上面のうち発光素子の設置予定部分以外の部分に、アンダークラッド層を形成する工程と、上記発光素子の設置予定部分に、発光素子を設置する工程と、上記基板上の発光素子設置部分およびアンダークラッド層の上面に、上記発光素子を被覆するように、上記発光素子の発光の光路となるコアを形成する工程とを備えていることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
5. 上記発光素子に対応するコアの部分に、発光素子の発光を光路に沿った状態に光路変換させる反射面を形成する請求項４記載の光導波路デバイスの製造方法。
6. 上記反射面の形成が、コアの表面に、底面が略Ｖ字状になっている凹部を形成することにより行われ、その凹部の底面の傾斜面を、コアの底面に対して、反射面とコアの底面とのなす角度が４５°の反射面に形成し、その反射面に対して上記発光素子の発光が４５°の角度で投光されるように位置決めする請求項５記載の光導波路デバイスの製造方法。
7. 上記凹部の形成が、上記発光素子の投光方向に沿ってダイシングすることによる上記コアの一部の切削である請求項６記載の光導波路デバイスの製造方法。

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