JP2009116008A - 光導波路デバイスの製法およびそれによって得られる光導波路デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】受発光素子と光導波路の光軸の位置合わせを、簡単かつ正確に行うことができ、製造時間を短縮することのできる、優れた光導波路デバイスの製法と、それによって得られる光導波路デバイスを提供する。
【解決手段】基板１０の上面にアンダークラッド層１１が形成され、その上面にコア層１６が形成されているとともに、上記基板１０上に、上記コア層１６と同一材料にからなる左右方向アライメント用ガイド１７が形成され、その左右方向アライメント用ガイド１７に沿って、基板１０上に発光素子１９が設置されている。
【選択図】図６

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の製法およびそれによって得られる光導波路デバイスに関するものである。

一般に、光導波路デバイスは、発光素子から発光される光を、光導波路によって伝播させたり、逆に、光導波路によって伝播された光を、受光素子に受光させることにより、光結合を行うもので、例えば、図８に示すような構造になっている。このものは、基板１上に設置固定される発光素子２と、アンダークラッド層３とコア層４とオーバークラッド層５とで構成される光導波路とを備え、矢印で示すように、光が伝播するようになっている。

このような光導波路デバイスでは、光結合損失を低減するために、発光素子２と、コア層４との光軸を正確に位置合わせすることが重要であり、光軸と直交する２方向（左右方向と上下方向）に、厳密な位置調整が行われている。しかし、上記位置調整用に特別の部材が必要であったり、またその位置調整に多大な手間を要するため、組立コストが高くなるという問題がある。

そこで、例えば、受発光素子として、その受発光部から所定距離だけ離れた位置に位置調整用光を反射または吸収するアライメントマークを備えた光導波路モジュールが開示されている（特許文献１参照）。
特開２００５−１３４４４４公報

上記光導波路モジュールによれば、位置調整に特別の部材を用いる必要がないという利点を有するものの、受発光素子のアライメントマークを目印として位置調整を行う作業が依然として必要なため、位置合わせに手間を要するという問題は解消されていない。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、受発光素子と光導波路の光軸の位置合わせを、簡単かつ正確に行うことができ、製造時間を短縮することのできる、優れた光導波路デバイスの製法と、それによって得られ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、本発明は、基板の上面にアンダークラッド層を形成する工程と、上記アンダークラッド層上面および基板上面の受発光素子設置予定部にまたがって、コア形成材料層を形成する工程と、上記コア形成材料層を部分的に硬化させ、未硬化部分を除去することにより、光の入射面もしくは出射面を備えたコア層を形成すると同時に、受発光素子設置用の左右方向アライメント用ガイドを形成する工程と、上記左右方向アライメント用ガイドに沿って、基板上に受発光素子を設置する工程とを備えた光導波路デバイスの製法を第１の要旨とする。

また、本発明は、そのなかでも、特に、上記基板上に設置された受発光素子と、コア層の少なくとも光の入射面もしくは出射面とを、樹脂封止することにより、光伝播層を形成する工程を備えたデバイスの製法を第２の要旨とし、上記樹脂封止を、上記コア形成材料と同一材料を用いて行うようにした光導波路デバイスの製法を第３の要旨とする。

さらに、本発明は、上記第１の要旨である製法によって得られる光導波路デバイスであって、基板の上面にアンダークラッド層が形成され、その上面に、光の入射面もしくは出射面を備えたコア層が形成されているとともに、上記基板上に、上記コア層と同一材料にからなる受発光素子設置用の左右方向アライメント用ガイドが形成され、その左右方向アライメント用ガイドに沿って、基板上に受発光素子が設置されている光導波路デバイスを第４の要旨とする。

そして、本発明は、そのなかでも、特に、上記基板上に設置された受発光素子と、コア層の少なくとも光の入射面もしくは出射面とが樹脂封止され、光伝播層が形成されている光導波路デバイスを第５の要旨とする。

すなわち、本発明者は、受発光素子と光導波路の位置合わせを、特別な部材を用いることなく、しかも簡単かつ正確に行う方法について、鋭意検討を重ねた。その結果、光導波路のコア層形成時に、受発光素子と光導波路の位置合わせのためのアライメント用ガイドを、そのコア形成材料層を用いて同時に形成すれば、コア層の光伝播用端面に対し、上記アライメント用ガイドの位置を正確かつ簡単に形成することができ、その結果、受発光素子の位置決めを、何ら手間をかけることなく正確に行うことができることを見いだし、本発明に到達した。

本発明の光導波路デバイスの製法によれば、上記のように、光導波路のコア層形成時に、受発光素子と光導波路の位置合わせのためのアライメント用ガイドを、そのコア形成材料層を用いて同時に形成するため、別途アライメント用部材を用意する手間が不要となる。しかも、コア層の光伝播用端面に対し、上記アライメント用ガイドの位置を、フォトマスク等の製造時に正確かつ簡単に形成することができるため、優れた精度で、受発光素子の位置決めを行うことができるという利点を有する。

そして、上記製法のなかでも、特に、上記基板上に設置された受発光素子と、コア層の少なくとも光の入射面もしくは出射面とを、樹脂封止することにより、光伝播層を形成する工程を備えたものは、上記受発光素子とコア層の入射面もしくは出射面との位置合わせが多少ずれていても、上記光伝播層を経由して光導波路が形成されるため、両者の位置決めがより簡単である。また、そのなかでも特に、上記樹脂封止を、コア形成材料と同一材料を用いて行うようにしたものは、上記樹脂封止によって形成される光伝播層が、コア層と全く同一屈折率となるため、光の結合損失を最小限にすることができ、好適である。

さらに、本発明の光導波路デバイスは、光軸が正確に位置決めされた状態で光結合がなされているため、高強度の光量を伝送することができる。

そして、上記光導波路デバイスのなかでも、特に、上記基板上に設置された受発光素子と、コア層の少なくとも光の入射面もしくは出射面とが樹脂封止され、光伝播層が形成されているものは、とりわけ光の結合損失が少なく、より高強度の光量を伝送することができる。

つぎに、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

すわなち、本発明の一例として、発光素子と光導波路とを光結合してなる光導波路デバイスを製造する例を、詳細に説明する。

この例によれば、まず、図１に示すように、平板状の基板１０を準備し、その上面の所定領域に、アンダークラッド層１１を形成する。

上記基板１０の形成材料としては、低ＣＴＥ、耐溶剤性を備えたものが好ましく、また、ハンドリングの関係上、一定の厚みを有し、かつ一定の剛性を備えたものが好ましい。具体的には、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１０の厚みは、その材質や要求される特性によって適宜に設定されるが、例えば、ポリエステル樹脂（ＰＥＴ）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ポリエチレンナフタレート樹脂（ＰＥＮ）等の場合は、通常、厚み５０〜３００μｍのものが好適であり、ガラス板や石英板の場合は、通常、１〜５ｍｍのものが好適である。

また、上記アンダークラッド層１１の形成材料としては、感光性樹脂，ポリイミド樹脂，エポキシ樹脂等を溶媒に溶解してなるワニスが用いられる。そして、上記ワニスを、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って基板１０上に塗布し、硬化することにより、アンダークラッド層１１を得ることができる。

なお、アンダークラッド層１１の形成材料として感光性樹脂を用いる場合は、紫外線等を照射して所定領域を露光して硬化させる。紫外線の照射量は、通常、１０〜１００００ｍＪ／ｃｍ² 、好ましくは、５０〜３０００ｍＪ／ｃｍ² である。また、アンダークラッド層１１の形成材料としてポリイミド樹脂を用いる場合は、通常、３００〜４００℃×６０〜１８０分間の加熱処理により硬化させる。

上記アンダークラッド層１１の厚みは、２５〜３００μｍに設定することが好ましく、通常、コア層１６（図７参照）の高さと発光素子２０の高さを勘案して、両者の光軸が同じ高さになるよう設定される。ただし、本発明では、後述するように、上記コア層１６の入射端面１６ａと発光素子１９の間を、樹脂封止して光伝播層を形成することができる（図５参照）。これは、通常、発光素子１９が、ダイシングによりウェーハからチップに切り分けられるため±２５μｍ程度のサイズばらつきを有していることを考慮したもので、設計上、コア層１６と発光素子１９の高さを揃えておけば、上記樹脂封止により、サイズばらつき分の誤差を吸収することができる。

つぎに、図２（ａ）に示すように、上記アンダークラッド層１１の上面と、基板１０上面の発光素子設置予定部にまたがって、コア形成材料を塗布することにより、コア形成材料層１２を形成する。

上記コア形成材料としては、通常、感光性樹脂を溶媒に溶解してなるワニスが用いられるが、得られるコア層１６が、上記アンダークラッド層１１および後述するオーバークラッド層２１〔図６参照〕より屈折率が大きくなるものでなければならない。上記屈折率の調整は、例えば、上記アンダークラッド層１１、コア層１６、オーバークラッド層２１の各形成材料の種類の選択やそれぞれの組成を調整して行うことができる。

そして、上記コア形成材料層１２の形成は、上記アンダークラッド層１１を形成する場合と同様、まず、コア形成材料であるワニスを、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、上記アンダークラッド層１１の上面と、基板１０上面の発光素子設置予定部にまたがって、所定厚みで塗布することにより行われる。そして、この後、通常、５０〜１２０℃×１０〜３０分間の加熱処理を行うことにより、上記コア形成材料層１２を硬化させる。

つぎに、図２（ａ）の平面図である図２（ｂ）に示すように、上記コア形成材料層１２を、必要な部分のみを光反応によって硬化させるための開口パターン１３、１４（図中、網目模様で示す）が設けられたフォトマスク１５で覆い、照射線により露光する。上記開口パターン１３を通して露光された部分が、光導波路を構成するコア層１６となり、上記開口パターン１４を通して露光された部分が、左右一対の、発光素子設置用の左右方向アライメント用ガイド１７となる（図３参照）。ただし、上記開口パターン１３、１４の配置は、基板１０上面に設置される発光素子１９から発せられる光の光軸が、形成されるコア層１６の中心を通過するような配置となるよう、正確に位置決めされている。

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、照射装置が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。

そして、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、上記コア形成材料層１２のうち、未露光部分（未硬化部分）を溶解させて除去し、上記開口パターン１３、１４に一致するパターンの硬化部分を得る。そして、さらに加熱処理を行うことにより、この硬化部分に残留する現像液を除去する。このようにして、図３（ａ）およびその右側面図である図３（ｂ）に示すように、コア層１６と、左右方向アライメント用ガイド１７を得ることができる。

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、コア形成材料の組成によって、適宜選択される。また、残留する現像液を除去するための加熱処理は、通常、８０〜１２０℃×１０〜３０分間の範囲内で行われる。

このようにして得られるコア層１６と、左右方向アライメント用ガイド１７の厚みは、通常、１０〜８０μｍの範囲内に設定され、その左右方向の幅は、通常、１０〜５００μｍの範囲内に設定される。

つぎに、図４（ａ）およびその右側面図である図４（ｂ）に示すように、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）１８に搭載された発光素子１９を、上記左右方向アライメント用ガイド１７の内側に嵌め込み、上記左右方向アライメント用ガイド１７によって左右方向の位置決めがなされた状態で、基板１０の上面に設置する。なお、上記発光素子１９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。すなわち、後述するように、次工程で、上記発光素子１９は、さらに樹脂封止され、それによって基板１０上に固定されるからである。

上記発光素子１９としては、例えば、発光ダイオード、レーザダイオード、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：面発光レーザ）等が用いられる。

つぎに、上記発光素子１９からコア層１６の、入射面１６ａにかかる部分に樹脂材料を滴下してこの部分を被覆した後、硬化させる。これにより、図５に示すように、発光素子１９とコア層１６の入射面１６ａにまたがって樹脂封止がなされ、この部分が光伝播層２０となる。

上記樹脂封止に用いられる樹脂としては、この部分が光伝播層２０となることから、結合損失の観点上、前記コア層１６と屈折率が等しい樹脂が好ましく、前記コア層１６に用いられる樹脂材料と同様、通常、感光性樹脂を溶媒に溶解してなるワニスが好適に用いられる。したがって、前記コア層形成材料と同一のものを選択して用いることが、結合損失の点からも作業効率の点からも好適である。ただし、アンダークラッド層１１およびオーバークラッド層２１よりも高い屈折率をもつものであれば、一応使用することができる。

そして、上記樹脂封止用の樹脂材料の硬化は、用いる樹脂の種類、樹脂材料の組成等に応じて適宜の方法が採用されるが、なかでも、樹脂材料となる樹脂成分として感光性樹脂を用い、これにスポット紫外線照射を行う方法が好適で、そのスポット紫外線照射時間は数秒である。

なお、上記樹脂封止によって得られる光伝播層２０は、発光素子１９とコア層１６の入射面１６ａとを、空気を遮断して封止できる程度の大きさに設定されるのであり、通常、厚み（高さ）５０〜１００μｍ、直径８０〜２００μｍに設定される。

つぎに、図６に示すように、上記光伝播層２０およびコア層１６の上に、オーバークラッド層２１を形成する。このオーバークラッド層２１の形成材料としては、前記アンダークラッド層１１と同様の材料があげられる。そして、このオーバークラッド層２１の形成材料は、前記アンダークラッド層１１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が、同じものを用いることが、光導波路を設計する上で好適である。

また、上記オーバークラッド層２１の形成方法としては、金型充填法、塗膜形成法等があげられ、なかでも、金型充填法が、気泡混入防止や均一膜厚形成の点で、好適である。そして、その硬化方法も、前記アンダークラッド層１１の場合と同様であり、その説明を省略するが、なかでも、紫外線照射とポストベークによって硬化させることが好適である。なお、上記オーバークラッド層２１の厚みは、通常、２０〜１００μｍの範囲内に設定することが好適である。

また、上記オーバークラッド層２１を形成する際、その下のコア層１６および光伝播層２０は、上記オーバークラッド層２１によって完全に被覆されていることが、汚染防止やダメージ防止の点で好適であるが、その一部、あるいは全体が露出していても、機能的には問題がなく、実施することができる。

このようにして、基板１０の上面に、発光素子１９と光導波路が結合された光導波路デバイス（図１参照）を得ることができる。

上記光導波路デバイスの製法によれば、光結合のための位置決めを、コア層１６の形成と同時に形成される左右方向アライメント用ガイド１７によって、簡単かつ正確に行うことができるため、低コストで、高品質の光導波路デバイスを得ることができる。特に、この製法は、フォトリソ法によって、多数の光結合部を同時に作製するタッチパネル用途に適用することが最適である。

そして、上記の例のように、左右方向の位置合わせを、上記左右方向アライメント用ガイド１７で行い、上下方向の位置合わせを、上記光伝播層２０の形成によって省くようにすると、位置合わせに要する手間とコストを大幅に削減することができ、好適である。

また、上記の例は、発光素子１９からの発光をコア層１６に入射する光結合がなされる光導波路デバイスに適用した例であるが、本発明は、コア層１６から出射する光を受光素子に入射する光結合がなされる光導波路デバイスに適用することができる。

つぎに、実施例について説明する。ただし、本発明は、以下の実施例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。

〔コア層および光伝播層の形成材料〕
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、コア層および光伝播層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、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、１２０℃×１５分間の加熱処理を行うことにより、アンダークラッド層（厚み１２５μｍ）を形成した。

つぎに、上記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と、上記コアパターンに対し正確に発光素子の左右方向を位置決めできるような左右方向アライメントガイドを形成しうる開口パターンと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３０００ｍＪ／ｃｍ² の紫外線照射による露光を行った後、８０℃×１５分間の加熱処理を行った。つぎに、γ−ブチロラクトンの１０重量％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℃×１５分間の加熱処理を行うことにより、コア層（断面寸法：幅１２μｍ×高さ２４μｍ）および左右方向アライメントガイド（断面寸法：コア層と同じ）を形成した。

つぎに、上記基板の上面の、上記左右方向アライメントガイドの間の空間に、ＦＰＣに搭載されたＶＣＳＥＬ（素子サイズ：縦３００μｍ×横３００μｍ×高さ２００μｍ、発光点高さ：１５０μｍ）を、左右方向アライメントガイドに沿って位置決めしながら、設置し、紫外線硬化型接着剤を少量用いて仮固定した。

そして、上記ＶＣＳＥＬと前記コア層の入射面とを被覆するように、上記アンダークラッド層の上に、上記光伝播層の形成材料を滴下した後、２０００ｍＪ／ｃｍ² ×２秒間のスポット紫外線照射を行った。これにより、封止樹脂高さ：７０μｍ、直径１３０μｍの光伝播層を形成した。

つぎに、金型充填法により、上記アンダークラッド層およびコア層、光伝播層の上に、オーバークラッド層の形成材料を充填し、３０００ｍＪ／ｃｍ² の紫外線照射を行った後、１２０℃×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５０μｍ）を形成した。

このようにして、ガラス基板上に、ＶＣＳＥＬが埋設されたアンダークラッド層とコア層と光伝播層とオーバークラッド層とからなる光導波路デバイスを製造することができた。

このものは、光導波路を経由した後の光量が、アクティブアライメントによって完全調芯した場合における光量の８０％であり、光の結合損失が少なく高品質であることがわかった。

本発明の一実施例における光導波路デバイスの製造工程を模式的に示す説明図である。 （ａ）は上記光導波路デバイスの製造工程を模式的に示す説明図、（ｂ）はその平面図である。 （ａ）は上記光導波路デバイスの製造工程を模式的に示す説明図、（ｂ）はその右側面図である。 （ａ）は上記光導波路デバイスの製造工程を模式的に示す説明図、（ｂ）はその右側面図である。 上記光導波路デバイスの製造工程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工程を模式的に示す説明図である。 本発明によって得られる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

１０ 基板
１１ アンダークラッド層
１６ コア層
１７ 左右方向アライメント用ガイド
１９ 発光素子

Claims (5)

1. 基板の上面にアンダークラッド層を形成する工程と、上記アンダークラッド層上面および基板上面の受発光素子設置予定部にまたがって、コア形成材料層を形成する工程と、上記コア形成材料層を部分的に硬化させ、未硬化部分を除去することにより、光の入射面もしくは出射面を備えたコア層を形成すると同時に、受発光素子設置用の左右方向アライメント用ガイドを形成する工程と、上記左右方向アライメント用ガイドに沿って、基板上に受発光素子を設置する工程とを備えたことを特徴とする光導波路デバイスの製法。
2. 上記基板上に設置された受発光素子と、コア層の少なくとも光の入射面もしくは出射面とを、樹脂封止することにより、光伝播層を形成する工程を備えた請求項１記載の光導波路デバイスの製法。
3. 上記樹脂封止を、請求項１記載のコア形成材料と同一材料を用いて行うようにした請求項２記載の光導波路デバイスの製法。
4. 請求項１記載の製法によって得られる光導波路デバイスであって、基板の上面にアンダークラッド層が形成され、その上面に、光の入射面もしくは出射面を備えたコア層が形成されているとともに、上記基板上に、上記コア層と同一材料にからなる受発光素子設置用の左右方向アライメント用ガイドが形成され、その左右方向アライメント用ガイドに沿って、基板上に受発光素子が設置されていることを特徴とする光導波路デバイス。
5. 上記基板上に設置された受発光素子と、コア層の少なくとも光の入射面もしくは出射面とが樹脂封止され、光伝播層が形成されている請求項４記載の光導波路デバイス。

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