JP2009086599A

JP2009086599A - 光導波路デバイスおよびその製造方法

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Publication number: JP2009086599A
Application number: JP2007259906A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Yamamoto; 圭介山本; Mitsuru Kurihara; 充栗原
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-10-03
Filing date: 2007-10-03
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2027-10-03
Also published as: JP4582136B2

Abstract

【課題】基板に形成した溝部にフィルタを挿入し、しかも溝部内の空隙を減少させることのできる光導波路デバイスおよびその製造方法を得ること。
【解決手段】光導波路１０６、１０８の間に配置された溝部（スリット）には、一方の面にフィルタ１０３を接着した熱可塑性透明樹脂１０４からなるフィルタユニット１０５が挿入され、加熱加圧ツール１２３によって加熱状態で加圧され、変形される。これにより、スリット内の接着剤１２１は加圧され余った分が光導波路デバイス１００の上面にあふれ出す。熱可塑性透明樹脂１０４は変形した形状で冷却され硬化する。
【選択図】図４

Description

本発明は、光導波路デバイスおよびその製造方法に係わり、特に波長の選別を行うフィルタ機能を備えた光導波路デバイスおよびその製造方法に関する。

ある種の光導波路デバイスでは、光導波路を進行する光を波長によって反射させたり透過させることによって、その進路を変更する機能を持たせるようにしている。このためには、本発明に関連する関連技術として、たとえば光導波路基板に光導波路をＹ字状に形成し、その分岐路に相当する位置に溝部（スリット）を設けて、ここに誘電体多層膜フィルタ（以下、単にフィルタと略称する。）を配置することが行われている（たとえば特許文献１参照）。

この第１の関連技術では、ダイシングソーにより約２５μｍの幅のスリットをまず形成する。次に、このスリットの幅よりもはるかに厚さが薄いフィルタに透明なくさび部品を固定したものを用意して、くさび部品をくさびの先端の細い部分からスリットに打ち込むようにしている。これにより、くさび部品がスリットの内部に押し込まれるにつれて、フィルタのくさび部品と接触していない側の面がスリットの内壁に押し付けられることになる。したがって、フィルタはスリット内に固定されることになる。

この第１の関連技術では、くさび部品の取り付けられたフィルタをスリットに圧入している。したがって、くさび部品の細い先端部分に相当する領域ではスリット内にフィルタやくさび部品が存在しない空間領域が発生してしまう。したがって、この空間領域とくさび部品の間で光の乱反射が発生してしまうという問題がある。

また、フィルタやくさび部品をスリット内で固定する接着剤を使用している場合には、この接着剤が前記した空間領域に流れ込んで固化するおそれがある。この場合にはこの流れ込んだ接着剤によって光の透過特性が損なわれるといった問題も発生する。

このような欠点を除去するために、光導波路基板に設けたスリットに平板状のフィルタを挿入して接着剤で固定することが、本発明の第２の関連技術として提案されている（たとえば特許文献２参照）。

この第２の関連技術では、スリット内に平板状のフィルタを余裕をもって挿入する必要性がある。したがって、フィルタはスリット内で接着剤によって固定していた。この結果、スリットのそれぞれの内壁と、これらに対向するフィルタの面の間にたとえば数μｍ以上の接着剤の層ができてしまうことになった。この結果、導波路と接着剤の間に位置する界面または接着剤とフィルタの間の界面で、光の反射ロスや、接着剤層内を透過する際の光の吸収ロスが発生し、光導波路型デバイスの特性を悪化させるという問題があった。

更に、入射側の導波路基板と出射側の導波路基板を別々に用意して、これらによってフィルタを挟み込むようにして光導波路デバイスを構成することが、本発明の第３の関連技術として提案されている（たとえば特許文献３参照）。
特開平１１−１０９１４９号公報（第００２１段落、図３）特開２００６−１８４７５３号公報（第００２６段落、図２）特開２００７−０８６４８３号公報（第００２６段落〜第００２９段落、図２）

この第３の関連技術では、フィルタの両面から別々の導波路基板を取り付ける。このため、入射側と出射側の導波路同士を例えば±１μｍ以下といった高精度で調芯する必要があり、デバイス自体の組立が困難であり、その結果コストが大きくなる問題点があった。

そこで本発明の目的は、基板に形成した溝部にフィルタを挿入し、しかも溝部内の空隙を減少させることのできる光導波路デバイスおよびその製造方法を提供することにある。

本発明では、（イ）導波路基板の一方の面に形成された導波路の分岐する位置に導波路を横断する形で配置され、その断面が特定の形状となった溝部と、（ロ）この溝部の内壁に露出した前記した導波路の一方または双方にそれぞれ片面を接触させた、これら片面の接触数だけの板状のフィルタと、（ハ）前記した溝部内部に前記した板状のフィルタと隣接する状態で配置され、前記した接触面の反対側の面から前記した板状のフィルタを接触面方向に加圧した状態で硬化した状態の平板状で所定の波長の光を透過する熱可塑性樹脂とを光導波路デバイスに具備させる。

また、本発明では、（イ）所定の形状の光導波路を一方の面に形成した導波路基板の前記した光導波路の分岐する位置に導波路を横断する形で断面が矩形に切り取られた溝部を形成する溝部形成ステップと、（ロ）所定の波長の光を透過する熱可塑性樹脂の特定の面に光学的なフィルタを固定し、このフィルタの面と直交する方向の厚さを前記した溝部形成ステップで形成した前記した溝部の幅よりも短く調整したフィルタユニットを作成するフィルタユニット作成ステップと、（ハ）前記した溝部形成ステップで形成した溝部内に前記した所定の波長の光を透過する所定量の接着剤を収容する接着剤収容ステップと、（ニ）この接着剤収容ステップで接着剤を収容した前記した溝部に前記したフィルタユニット作成ステップで作成したフィルタユニットを前記したフィルタが前記した光導波路の特定の露出面と対向するような状態で挿入するフィルタユニット挿入ステップと、（ホ）このフィルタユニット挿入ステップで前記した溝部にフィルタユニットを挿入した状態で前記した熱可塑性樹脂を規定の温度で加熱しながら加圧してこのフィルタユニットの前記した厚さを前記したフィルタの存在する部位で前記した溝部の幅にまで変形させる熱可塑性樹脂変形ステップと、（へ）この熱可塑性樹脂変形ステップで変形後の前記した熱可塑性樹脂の温度を下げ硬化させる硬化ステップとを光導波路デバイスの製造方法に具備させる。

以上説明したように本発明によれば、熱可塑性樹脂が加熱され加圧された状態で変形したときに溝部に共に挿入されているフィルタを所定位置に固定し、硬化後もこの固定状態を保持した状態となるので、溝部の断面形状に依存せずフィルタを安定して保持することができる。また、熱可塑性樹脂はフィルタを押圧する形で変形するので、少なくとも溝部内の光軸の周囲をこの熱可塑性樹脂が覆うことになり、特にこの領域で空隙を有効に排除して光の散乱を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態における光導波路デバイスをその基板が形成された面の真上から見たものである。光導波路デバイス１００は、その光導波路基板１０１の長方形をした上面における中央位置に所定の幅ｗのスリット１０２が設けられている。このスリット１０２には、平板状のフィルタ１０３と、平板状の熱可塑性透明樹脂１０４とが接着したフィルタユニット１０５が挿入されている。

光導波路基板１０１の表面には、たとえば半導体プロセスにより全体としてＹ字形状となるように第１〜第３の光導波路１０６〜１０８が形成されている。このうち第１および第２の光導波路１０６、１０７は、光導波路基板１０１の一方（図で左端側）の端面の異なった位置にそれぞれ一端を露出させ、これらの他端側はスリット１０２の一方（図で左端側）の切断面の位置で合流している。第３の光導波路１０８は、第１の光導波路１０６を延長した形で、スリット１０２の他方（図で右端側）の切断面の位置にその一端を露出させ、他端側を光導波路基板１０１の他方（図で右端側）の端面に配置している。スリット１０２の中央位置で光導波路基板１０１の表面を２つに折り畳んだと仮定したとき、第１の光導波路１０６と第３の光導波路１０８は、これにより形成される矩形の２つの短辺を結ぶ直線に対して対称の関係にある。また、第１の光導波路１０６と第２の光導波路１０７も、この直線に対して線対称の関係にある。

図２は、図１の第１および第３の光導波路に沿ったＡ−Ａ方向に光導波路デバイスを切断した場合における切断面が光導波路に接している部分を表わしたものである。光導波路基板１０１の表面には第１の光導波路１０６と第３の光導波路１０８が形成されており、これらの境となるスリット１０２の深さはｄとなっている。このスリット１０２内では、第１の光導波路１０６の端面とフィルタ１０３の一方の面が面接触しており、また第３の光導波路１０８の端面と熱可塑性透明樹脂１０４の一方の面が面接触している。

光導波路基板１０１は、たとえばシリコンから構成されている。スリット１０２は例えばダイシング加工により形成されており、幅ｗはたとえば０．２〜０．３ｍｍで深さｄは０．２〜０．４ｍｍの寸法を有している。一例としてダイシング加工によってスリット１０２を形成すると、垂直性が良好で、深さの精度も良好な断面が矩形状に切り取られた溝を容易に形成することができる。

フィルタ１０３は、特定の波長λ₀を境として、この波長λ₀より短い波長の光を反射し、波長λ₀と同一かこれよりも長い波長の光は透過する屈折率を有している。このようなフィルタ１０３は、たとえば厚さ２０〜３０μｍの薄膜フィルタで構成することができるが、特にその材料および厚さに制限はない。熱可塑性透明樹脂１０４は十分小さい透過ロスで光を透過できる樹脂によって形成されている。一例をあげると、１５０℃程度の温度で軟化する熱可塑性ポリイミドで構成することができる。

スリット１０２の端面とフィルタ１０３の境界面およびフィルタ１０３と熱可塑性透明樹脂１０４の境界面ならびに熱可塑性透明樹脂１０４とスリット１０２の端面との境界面のそれぞれには、図示しない接着剤が介在して各部材を接着固定している。接着剤はたとえば１５０℃の温度から１分程度で徐々に硬化していく熱硬化性エポキシ接着剤を使用することができるが、これに限定されるものではない。

このような本実施の形態の光導波路デバイス１００で、波長λ₀よりも短い波長λ_Lの第１の光１１１と、波長λ₀よりも長い波長λ_Hの第２の光１１２を矢印１１３で示すように第１の導波路１０６の端面からフィルタ１０３方向に入射させたとする。すると、第１の光１１１はフィルタ１０３の表面で反射されて、第２の導波路１０７を進行してその端面から矢印１１４で示すように射出される。また、第２の光１１２の方はフィルタ１０３および熱可塑性透明樹脂１０４を透過して、第３の導波路１０８を進行してその端面から矢印１１５で示すように射出されることになる。

次に、この光導波路デバイス１００の製法を説明する。

図３は、図１に示した光導波路デバイスにフィルタユニットを挿入する状態を表わしたものである。フィルタユニット１０５は、図示しない熱可塑性透明樹脂シートの表面にフィルタ１０３を接着剤で接着し、固定後にフィルタよりひと回り大きい寸法で熱可塑性透明樹脂シートを切断して形成したものである。一例としてフィルタ１０３の寸法が横１．４ｍｍ、縦０．３ｍｍ、厚０．０３ｍｍの場合、熱可塑性透明樹脂１０４は、厚さ０．１ｍｍのシートを、横１．８ｍｍ、縦０．５ｍｍの大きさに切断する。この例の場合、光導波路基板１０１にダイシング加工により形成されたスリット１０２は、幅ｗが０．２ｍｍで深さｄが０．２５ｍｍといったサイズでよい。

このように切断後の熱可塑性樹脂１０４の薄膜フィルタ１０３の接着された面のサイズを薄膜フィルタ１０３のサイズよりも所定の割合だけ大きくしている。これは、熱可塑性樹脂１０４の加圧時の収縮で薄膜フィルタ１０３の歪みを最小限とするためである。

作業者は、まず光導波路基板１０１に形成されたスリット１０２の内部に接着剤１２１を適量塗布する。次に、フィルタユニット１０５の上端部を図示しない加熱加圧ツールに吸着等によって固定する。そして、一例としては１５０℃といった熱可塑性透明樹脂１０４が軟化する温度で加熱加圧ツールによって加熱しつつ、矢印１２２で示すようにフィルタユニット１０５をスリット１０２の内部に挿入する。このとき、本実施の形態では薄膜フィルタ１０３をスリット１０２における第１および第２の光導波路１０６、１０７の露出面と対向するように配置する。

図４は、フィルタユニットをスリットの内部に挿入した後の処理の様子を表わしたものである。フィルタユニット１０５がスリット１０２の内部に挿入されたら、加熱加圧ツール１２３を、なおもスリット１０２の底面方向に移動させるように力を加えて、熱可塑性透明樹脂１０４を加圧変形させる。これにより、熱可塑性透明樹脂１０４の加圧方向（スリット１０２の深さ方向）の寸法が徐々に縮小し、加圧方向に垂直な方向の寸法が徐々に増大する。そして、最終的には、フィルタユニット１０５におけるフィルタ１０３の接着された部分の厚さがスリット１０２の幅ｗまで拡大する。

このようにフィルタユニット１０５が加熱および加圧によって変形してスリット１０２内での容量が増大していくと、接着剤１２１はスリット１０２内部の閉空間に完全に充填され、遂には光導波路基板１０１の表面にあふれ出す。したがって、このような量に接着剤１２１の収容量を設定しておくことで、スリット１０２の内部における空隙を取り除くことができる。

この後、この加圧状態を保持しつつ接着剤１２１の硬化時間を経過させて、塗布された接着剤１２１を硬化させる。最後に加熱加圧ツール１２３の温度を熱可塑性透明樹脂１０４が硬化する温度まで低下させる。このようにして、光導波路基板１０１に形成されたスリット１０２の内壁にフィルタユニット１０５が密着した状態で固定されることになる。この後、フィルタユニット１０５との吸着を解除する等の操作によって加熱加圧ツール１２３を退避させる。

以上説明したように本実施の形態によれば、スリット１０２とフィルタ１０３の境界面が加熱加圧ツール１２３によって加圧された状態で接着剤が硬化する。したがって、この境界面に介在する接着剤１２１を最小量に抑えることができる。たとえば、この部分の接着剤１２１の層厚を１μｍ以下に抑えることができる。これにより、接着剤１２１の存在による光の反射ロスや吸収ロスの悪影響を少なくすることができ、良好な特性の光導波路デバイス１００を得ることができる。

また、本実施の形態では光導波路基板１０１上にスリット１０２を形成してフィルタユニット１０５をこれに挿入することにしたので、光導波路基板１０１を２つの部品にしてこれを組み立てる必要がない。したがって、光導波路デバイス１００の製造コストを増加させることがない。

＜発明の変形可能性＞

図５は、本発明の変形例としてのフィルタユニットをスリットに挿入して加熱加圧する状態を表わしたものである。この変形例の光導波路デバイス１００Ａでは、熱可塑性樹脂１０４のそれぞれの面に第１および第２のフィルタ１０３₁、１０３₂の対応するものを配置している。そして、加熱加圧ツール１２３によって第１および第２のフィルタ１０３₁、１０３₂を第１および第３の光導波路１０６、１０８の対応するものに同時に押し付けた状態で熱可塑性透明樹脂１０４を硬化させるようにしている。

この変形例では、たとえばＸ字状に分岐した光導波路のその分岐位置にフィルタユニット１０５Ａを配置することで、いずれの方向から進行してきた光に対しても、特定の波長を境として熱可塑性透明樹脂１０４を経由せずに反射させることができる。

なお、以上説明した実施の形態では、光導波路基板１０１上に第１〜第３の光導波路１０６〜１０８が全体としてＹ字状に形成され、これらの分岐位置にフィルタを介在させた例を示したが、光導波路形状は変形例と同様に特に限定されるものではない。すなわち、本発明は光導波路の途中にフィルタを介在させるすべての場合に本発明を適用することができることは当然である。

また、フィルタ１０３についても誘電体多層膜フィルタ等の各種のフィルタを本発明で適用することができる。フィルタは接着剤で接着する必要はなく、たとえば熱可塑性樹脂１０４上に直接形成することも可能である。また、薄膜を使用する必要はなく、ガラス素材を使用してもよい。

更に、溝部（スリット）の形成方法もダイシング加工に限定されるものでなく、公知の各種の方法を適用することができることは当然である。特に溝部は導波路基板１０１の対向する２辺を結ぶスリットである必要はなく、光導波路を横断する形状の窪みであってもよい。更に溝部の断面形状は矩形である必要はなく、またその一辺は導波路基板１０１の一方の面に垂直であってもよいが、これに限定される必要はない。たとえばフィルタを反射した光がど導波路基板１０１の上部に配置されたセンサによって検出される構成を採る場合は所定の傾斜角を持つようにしてもよい。

本発明の実施の形態における光導波路デバイスの平面図である。図１に示した光導波路デバイスのＡ−Ａ方向断面図である。図１に示した光導波路デバイスにフィルタユニットを挿入する状態を表わした説明図である。スリット内でフィルタユニットを加圧変形させる様子を表わした断面図である。他の実施の形態として両面にフィルタを配置したフィルタユニットが光導波路デバイスに挿入された状態を表わした断面図である。

符号の説明

１００光導波路デバイス
１０１光導波路基板
１０３フィルタ
１０４熱可塑性透明樹脂
１０５、１０５Ａフィルタユニット
１０６第１の光導波路
１０７第２の光導波路
１０８第３の光導波路
１２１接着剤
１２３加熱加圧ツール

Claims

導波路基板の一方の面に形成された導波路の分岐する位置に導波路を横断する形で配置され、その断面が特定の形状となった溝部と、
この溝部の内壁に露出した前記導波路の一方または双方にそれぞれ片面を接触させた、これら片面の接触数だけの板状のフィルタと、
前記溝部内部に前記板状のフィルタと隣接する状態で配置され、前記接触面の反対側の面から前記板状のフィルタを接触面方向に加圧した状態で硬化した状態の平板状で所定の波長の光を透過する熱可塑性樹脂
とを具備することを特徴とする光導波路デバイス。
前記特定の形状は矩形であり、その一辺は前記導波路基板の一方の面に垂直であり、前記溝部は前記導波路基板の対向する２辺を結ぶスリットであることを特徴とする請求項１記載の光導波路デバイス。
前記導波路はＹ字状をしており、Ｙ字状に分岐する位置に前記溝部が配置されており、前記溝部の内壁に露出した前記導波路の一方にのみ前記フィルタが配置されていることを特徴とする請求項１記載の光導波路デバイス。
前記溝部の内壁に露出した前記導波路とこれと対向する前記板状のフィルタの間、および前記溝部内における平板状の熱可塑性樹脂ならびに前記フィルタの間には、前記所定の波長の光を透過する接着剤が加圧状態で硬化していることを特徴とする請求項１記載の光導波路デバイス。
前記板状のフィルタは前記熱可塑性樹脂の所定の面に接着された薄膜フィルタであり、そのサイズは前記熱可塑性樹脂の加圧時の前記所定の面の収縮後のサイズよりも小さくなっていることを特徴とする請求項１〜請求項４いずれかに記載の光導波路デバイス。
所定の形状の光導波路を一方の面に形成した導波路基板の前記光導波路の分岐する位置に導波路を横断する形で断面が矩形に切り取られた溝部を形成する溝部形成ステップと、
所定の波長の光を透過する熱可塑性樹脂の特定の面に光学的なフィルタを固定し、このフィルタの面と直交する方向の厚さを前記溝部形成ステップで形成した前記溝部の幅よりも短く調整したフィルタユニットを作成するフィルタユニット作成ステップと、
前記溝部形成ステップで形成した溝部内に前記所定の波長の光を透過する所定量の接着剤を収容する接着剤収容ステップと、
この接着剤収容ステップで接着剤を収容した前記溝部に前記フィルタユニット作成ステップで作成したフィルタユニットを前記フィルタが前記光導波路の特定の露出面と対向するような状態で挿入するフィルタユニット挿入ステップと、
このフィルタユニット挿入ステップで前記溝部にフィルタユニットを挿入した状態で前記熱可塑性樹脂を規定の温度で加熱しながら加圧してこのフィルタユニットの前記厚さを前記フィルタの存在する部位で前記溝部の幅にまで変形させる熱可塑性樹脂変形ステップと、
この熱可塑性樹脂変形ステップで変形後の前記熱可塑性樹脂の温度を下げ硬化させる硬化ステップ
とを具備することを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
前記溝部形成ステップにおける前記所定の形状は、Ｙ字状の形状であり、前記フィルタユニット作成ステップにおける熱可塑性樹脂に対するフィルタの固定は前記所定の波長の光を透過する接着剤の塗布により行うものであり、また、前記光学フィルタは光の選択的な透過および反射を行うためのフィルタであり、前記熱可塑性樹脂変形ステップにおける加圧は前記熱可塑性樹脂の上端部を前記溝部の底部の方向に押し付けるものであり、前記接着剤収容ステップで収容された接着剤は前記熱可塑性樹脂の変形で前記溝部からはみ出る量に調整されていることを特徴とする請求項６記載の光導波路デバイスの製造方法。