JP2010039231A - 光学フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】
従来のビーズ入り接着剤により封止を行った液晶エタロンフィルタでは、フ接着剤の膨張などの影響により、ガラス基板の間隔が変化し、波長制御が安定しないことがあった。
【解決手段】
2枚のガラス基板を、シリコンや強い酸化性を有する金属薄膜で覆われたガラス、シリコンを間に挟んで陽極接合により貼り合せ、中間に液晶を注入した液晶エタロンフィルタを形成することで、スペーサ間隔の減少、増大の両方向にガラス基板を強固に固定して、ガラス基板間隔の変動を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信に用いる波長可変光源モジュールに使用する波長可変フィルタに関する。

近年、インターネットの普及により、高速で大容量の通信が求められている。
大容量通を実現するために、異なる波長の光を多重化して伝送する波長多重通信が行われている。レーザダイオードから出射される光の波長を制御するには、これまでは、レーザの温度を制御することで行っていたが、近年、多重化させる波長間隔が非常に小さく、波長を従来よりも高精度に制御する必要が出てきている。このため、液晶エタロンフィルタを用いた波長可変光源モジュールが必要とされている。

特許文献１には、液晶エタロンによる可変波長フィルタの詳細が述べられている。ガラス基板上に透明電極、誘電体ミラー、液晶用配向膜を付けた一対の基板で液晶膜をサンドイッチした構造を持つ可変波長フィルタが開示されている。ガラス基板は、スペーサを介して接着により固定されている。液晶のスペーサとしては、一般的に１０〜２０μｍのガラスビーズが使用される。このガラスビーズによりガラス基板の間隔は、ある程度一定に保たれる。液晶エタロンに入射された光は、誘電体ミラーにより反射され、平行な誘電体ミラーで囲まれた領域内において共振する。共振波長の光が誘電体ミラーから出射することで、一定の波長光のみを透過させるフィルタとなる。通常のエタロンフィルタでは、フィルタのガラス基板の両面に誘電体ミラーを形成し、透過波長は、ガラス基板の厚さと屈折率、ミラー構造で決定される。液晶エタロンにおいては、透過する光の波長を可変とするため、液晶に通電することにより屈折率を変化させて、透過波長を制御する。したがって、誘電体ミラーの間隔、液晶の厚さと屈折率、ミラー構造により、透過波長が決定される。

特開平４−２２０６１８号公報

液晶デバイスにおいて、ガラスビーズ入りの接着剤によりガラス基板を張り合わせ、その間に液晶を注入する構造は一般的なものである。しかし、液晶エタロンフィルタは、波長を高精度に制御するためのデバイスであり、液晶を注入したガラス基板間隔をナノオーダで一定に制御することが必要となる。

接着部のガラスビーズにより、ガラス基板の間隔が小さくなることは抑制できる。しかし間隔が増大する場合、その変形量は接着剤の弾性率で決定され、一般的に接着剤の弾性率は、ガラスなどの無機物に比べ小さい。したがって、ガラス基板の間隔が大きくなるような変形が起こる可能性があり、誘電体ミラー間隔が変化することで、波長制御に悪影響を及ぼすことがある。

本発明は、上記状況を鑑みてなされたものであり、本発明によれば以下の波長可変フィルタを提供することにより、上記課題を解決することができる。すなわち、ガラス基板上に透明電極、誘電体反射膜、液晶配向膜が形成された第一と第二のガラス基板を備え、第一と第二のガラス基板は材質が等しく、第一と第二の基板の間には前記ガラス基板と熱膨張率がほぼ等しく、表面が酸化性を有する基板が挟んで接合されており、透明電極の間には所定の波長の光を透過させる液晶が充填された波長可変フィルタが提供される。

本発明により、波長を制御できる波長可変フィルタであって、波長の変動の小さいフィルタが提供される。また、複数のフィルタを一括して張り合わせることで安価は波長可変フィルタを提供することができる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。

本発明の第一の実施例を図１を用いて説明する。ガラス基板１の一方の主面に無反射コート膜２が形成され、反対側の主面に、誘電体ミラー３、透明電極４、配向膜５が形成されている。本実施例にかかる波長可変フィルタは、このガラス基板１が二枚、シリコンのスペーサ６を介して誘電体ミラー３などが形成された面を互いに向き合わせて接合され、透明電極４間に、液晶７が充填された構造となっている。ガラス基板１の材質には、本実施例では熱膨張率がシリコンに近いパイレックス（登録商標）、あるいはテンパックス（登録商標）などの材質が好適である。

図２を用いて、透明電極のパターンについて説明する。図２は、液晶７を封入する前の波長可変フィルタであり、波長可変フィルタで用いる二枚のガラス基板のうち、一方を第一のガラス基板１Ａとして図２(a)に図示し、もう一方を第二のガラス基板１Ｂとして図２(b)に図示する。第二のガラス基板１Ｂは上下を反転させた状態で、第一のガラス基板１Ａに接合されるイメージで記載している。

６はシリコンのスペーサの構造パターンであり、構造パターンの途切れた部分は、後の工程での液晶注入口であるとともに、透明電極４の配線取り出し口でもある。ガラス基板１Ａ上では、図２(a)に示すように透明電極４Ａを配置し、液晶注入口から透明電極４Ａを取り出す。一方、ガラス基板１Ｂでは、図２(ｂ)に示すように液晶注入口から透明電極４Ｂを取り出し、シリコンのパターン６の外側を通って、液晶注入口と反対側の方に配線との接続電極部を設ける。

本実施例の波長可変フィルタの作製プロセスについて述べる。ガラス基板１の片側に、誘電体多層膜による無反射コート膜２を作製する。次に、ガラス基板１のもう片方の表面にフォトリソグラフィー技術を用いて、誘電体ミラー３、透明電極４、配向膜のマスク（図示せず）を作製する。マスク形成後、誘電体ミラー３、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)などの透明電極４、ポリイミドなどによる配向膜を形成して、リフトオフによるパターン形成を行う。マスクを除去し、全体を洗浄して、誘電体ミラー３及び透明電極４が図２(a)及び（ｂ）の形状になるように、第一のガラス基板１Ａおよび第二のガラス基板１Ｂをそれぞれ作製する。第一のガラス基板１Ａおよび第二のガラス基板１Ｂ上には、図２(a)及び（ｂ）のパターンが複数並んで形成される。この時のガラス基板１の大きさは、後にシリコンウェハと接合することを考慮して、シリコンウェハと同様の形状としてもよい。あるいはシリコンウェハよりも大きな角型としておき、そこに後にシリコンウェハを位置合わせして接合してもよい。

シリコンのスペーサ６の材料となるシリコンウェハは、厚さ４００〜６００μｍなどのものを用いることができる。これにフォトリソグラフィー技術を用いて、エッチングを行わない部分にマスクを作製する。レジストによりマスクを形成する場合には、ドライエッチング技術によりシリコンウェハを加工する。ウェットエッチングにより加工する場合には、シリコン酸化膜をマスクとする。エッチングする部分は、図２において、シリコンのパターンが無い部分とする。すなわち、マスクは図３に示すシリコンのパターンに作製する。この時のエッチング深さは、例えば２０μｍなどとする。

その後、波長可変フィルタにおいてスペーサとなるシリコン以外の部分がエッチングされたシリコンウェハを、誘電体ミラー３及び透明電極４を形成後の第一あるいは第二のガラス基板１のどちらか一方に、シリコンウェハのエッチングした面の方を、ガラス基板のパターンに合わせて接合する。接合には、陽極接合を用いる。

陽極接合では、ガラス基板１とシリコンウェハを重ね合わせ、両者を加熱し、ガラス側にマイナスの電圧を、シリコン側にプラスの電圧を印加することで、ガラス中に含まれる陽イオンを強制的に拡散させ、ガラスとシリコンの間に強力な静電引力を発生させて密着させる。この時に、ガラス中に含まれる酸素イオンとシリコンが反応することにより、強固な接合が形成される技術である。陽極接合は、主にＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)でのデバイス形成技術として用いられているであり、高精度な接合が可能である。

通常の陽極接合では、３００℃以上の加熱と、１０００Ｖ程度の電圧によりガラスとシリコンを接合することができる。本実施例の場合は、透明電極４や配向膜２が形成されたガラス基板１を用いるので、接合温度は低い方が好ましい。低い接合温度で、陽極接合での接合性を向上させるには、シリコンウェハやガラス基板１に、接合前に酸素プラズマ処理を施したりすることが有効である。あるいは、シリコンウェハのガラス基板１との接合面に、予め、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖなどの酸化性の強い金属の薄膜を形成しておくことも有効である。このような処理により、接合温度を３００℃以下に低減することができる。

ガラス基板１とシリコンウェハを位置合わせして仮固定し、上記要領により、両者を加熱し、電圧を印加して、陽極接合を行う。陽極接合によりガラス中の陽イオンが拡散し、ガラス基板１の組成が変質することも考えられるが、このような変質は接合部近傍に限られる。その理由は、構造パターン６となる位置以外ではシリコンウェハとガラスとの間に空間が存在することにより、ここに電圧がかかり、ガラス中の電界強度が低下する。したがって、ガラス中のイオンの拡散が進行せず、ガラスの変質が起こらない。

次の工程では、シリコンウェハの研磨を行う。粗く研磨してシリコンの厚さを減少させる。仕上げには、鏡面研磨を施して、シリコンの厚さを所定の設計値に合わせる。このときのシリコンの厚さは、１０μｍなどエッチング深さよりも小さくすることが好適である。このような厚さまで研磨することにより、エッチングされたエリアではシリコンが完全になくなり、エッチングがされていないスペーサ部のシリコンパターンのみがガラス基板上に残った状態になる。

なお、シリコンのパターンは、基本パターンは図２のように、注入口を有する四角形であるが、この基本パターンがウェハ全面で繋がるようにする。このためには、図２の６Ｃのように、ダイシングライン上で、シリコンが繋がるようにするための架橋部を有する。図３は、シリコンウェハ上のシリコンのパターンの一部を示す図である。研磨後のシリコン６は、全てダイシングライン上や、外側のパターンを通じて繋がるようにしている。このようにする理由は、残るもう一枚のガラス基板を陽極接合する際に、シリコンを陽極とし、接合するガラス基板を陰極とするが、陽極とするシリコンがウェハ全域で簡易に導通を取れるようにするためである。架橋部６Ｃにより、シリコン６が全てつながっているため、シリコンの少なくとも一箇所を電極に繋げば、シリコンの全域に導通を取ることが可能である。

シリコンの一部に陽極を接続し、第一のガラス基板１Ａ及び第二のガラス基板１Ｂのうち、先の工程では接合が行われなかった残るもう一枚のガラス基板１をシリコンと重ね合わせて接合装置の陰極を押し当て、陽極接合を実施する。この時の接合条件は、先に行った接合と同様である。また接合温度を低下させる目的で、シリコン表面に酸化性の強い金属の薄膜を形成する場合は、第一の接合とシリコンの研磨、洗浄が終了した時点で、フォトリソグラフィー技術によるパターン形成を行い、金属薄膜を形成しておく。

次にダイシングを行う。ダイシングは、シリコンに対して、ガラス基板１が図２の第一のガラス基板１Ａおよび第二のガラス基板１Ｂの形状になるように行う。すなわち、図２上において、上下方向の切断では、１Ａの外形に合わせて切断するが、この際に、第二のガラス基板を切断しないように、切断高さを調節して行う。次に１Ｂのガラス基板を切断する際には、ウェハを反転させ、同様に１Ａのガラス基板を切断しないように高さを調整して行う。最後に左右方向の切断を行う際には、フルカットを行う。このときに、陽極接合の導電のために用いたシリコンの架橋部６Ｃをガラス基板と一緒に切断し除去する。以上のようにして、図２のような構成のフィルタ素子の構造を取り出す。

次に液晶の注入を行う。液晶は粘性の高い液体であるため、注入は容易ではない。ここでは、フィルタ構造体の液晶充填部分を含む雰囲気を真空引きし、フィルタ構造体の液晶注入口を液晶に浸し、フィルタ構造体の周囲の雰囲気を徐々に加圧して液晶を注入する。液晶が必要量注入されたら、フィルタを取り出し、ＵＶ接着剤を液晶注入口に塗布し、ＵＶ光を照射することによりＵＶ接着剤を硬化させる。そして、ＵＶ接着剤の熱硬化を行い、完全に液晶を封止する。

液晶の注入量は、設計により異なるが、本実施例の場合は、注入領域の概ね９０％程度とし、残る１０％程度はボイドとする。その理由は、光モジュールに組立て、稼動させている状況において、フィルタに熱が加わり、液晶が熱膨張した場合に、その熱膨張によりガラス基板に圧力が加わるのを極力抑制するためである。このボイドは、フィルタを光モジュール内に実装した際に、当然のことであるが、光路を妨げない位置に来るように、フィルタ全体の位置を調整して実装する。

以上のようにして、スペーサ６としてシリコンを用い、陽極接合によりガラス基板を貼り合わせた波長可変フィルタが提供される。従来のビーズ入り接着剤による封止を行ったフィルタと異なるのは、シリコンとガラス基板が直接接合されているため、ガラス基板間隔が増大するような応力がフィルタに加わっても、封止部が極めて強固であり、変形量が小さくなることである。また、ビーズ入り接着剤による封止では、接着剤のクリープ変形の影響も考えられるが、本実施例のように、弾性率の高いシリコンのようなスペーサを用いることで、クリープ変形を生じない硬い構造となり、特性を安定化させることができる。

本発明の第二の実施例を図４を用いて説明する。本実施例では、スペーサ１０として、シリコンではなく、第一および第二のガラス基板１と同じ材質のガラス基板を使用することが特徴である。このようにすることで、光学的な特性から、ガラス基板１として実施例１のようなパイレックス（登録商標）やテンパックスのようなガラスが使用出来ない場合でも、ガラス基板１とスペーサの間で熱膨張を一致させ、ウェハの状態でフィルタを形成することが可能となる。スペーサ１０以外は、実施例１と同様である。

一般的に陽極接合は、ガラス基板同士では適用することができない。陽極接合させるためには、陽極となるスペーサ１０側に通電し、かつその表面が酸化性を有していなければならない。このため、本実施例においては、スペーサ１０となるガラス基板の表面に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖなどの酸化性の強い金属薄膜１１を接合前に予め形成する。

本実施例の波長可変フィルタの製造工程について述べる。まずフォトリソグラフィー技術を用いて、スペーサ１０となるガラス基板の片面に金属薄膜１１のパターンを形成する。このパターンは、実施例１の図３で述べたように、ダイシングラインや外側の領域で全て繋がるようにする。

次に、液晶注入領域となるエリアを形成するために、サンドブラストを用いてガラスを加工する。サンドブラスト前に、フォトリソグラフィー技術を用いて金属箔膜１１上にマスクパターン形成を行っておくと、サンドブラストにより、マスクの無い部分のガラス基板が削られる。

このガラス基板の金属薄膜１１を陽極とし、スペーサ１０となるガラス基板及び第一のガラス基板１Ａを陰極として、実施例１と同様に陽極接合を行う。その後、ガラス基板１０を研磨して所定の厚さにすることで、ガラス基板の金属薄膜１１の無い部分を空洞とし、再び、フォトリソグラフィー技術によりガラス基板１０上に金属薄膜１１のパターンを形成し、再び第二のガラス基板１Ｂとの陽極接合を実施する。以下の工程は実施例１と同様である。

本実施例によれば、第一の実施例と同様に、ガラス基板間隔が増大するような応力がフィルタに加わっても、スペーサ１２の剛性及びスペーサ１２とガラス基板１Ａ、１Ｂと接合が強固であり、変形量が小さくなる。また、クリープ変形を生じない硬い構造となる。さらに、ガラス基板１Ａ、１Ｂとスペーサ１０とが同じ材料のガラスであるので、熱膨張が同じであり、熱変形しづらい。

本発明の波長可変フィルタを用いることで、微小な波長間隔で通信を行うことができる。従来のガラス基板のエタロンフィルタと、温度制御による波長制御に比べて、より微小な波長間隔を実現し、大容量通信に貢献する。

本発明の第一の実施例の構成を示す図である。 本発明の封止部のパターンおよび電極パターンを示す図である。 本発明の封止部のパターンを示す図である。 本発明の第二の実施例の構成を示す図である。

符号の説明

１・・・ガラス基板、１Ａ・・・第一のガラス基板、１Ｂ・・・第二のガラス基板、２・・・無反射コート膜、３・・・誘電体ミラー、４・・・透明電極、４Ａ・・・第一のガラス基板側の透明電極パターン、４Ｂ・・・第二のガラス基板側の透明電極パターン、５・・・配向膜、６・・・シリコンのスペーサ、６Ｃ・・・ダイシングライン上のシリコンパターン、６Ｄ・・・シリコン、金属薄膜などの陽極接合時に陽極となるもののパターン、７・・・液晶、８・・・配線、９・・・ボイド、１０・・・スペーサ、１１・・・金属薄膜

Claims (10)

1. ガラス基板上に透明電極、誘電体反射膜、液晶配向膜が形成された第一と第二のガラス基板を備え、
   第一と第二のガラス基板は材質が等しく、第一と第二の基板の間には前記ガラス基板と熱膨張率がほぼ等しく、表面が酸化性を有する基板が挟んで接合されており、
   透明電極の間には所定の波長の光を透過させる液晶が充填された波長可変フィルタ。
2. 請求項１に記載の波長可変フィルタであって、
   第一と第二のガラス基板の熱膨張率が、シリコンの熱膨張率と一致しており、前記表面が酸化性を有する基板がシリコンであることを特徴とする波長可変フィルタ。
3. 請求項１に記載の波長可変フィルタであって、
   前記表面が酸化性を有する基板の材質が、前記第一と第二のガラス基板と同じ材質で構成され、少なくとも第一と第二のガラス基板と接合される面に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖなど酸化性を有する金属の薄膜が形成されていることを特徴とする波長可変フィルタ。
4. 請求項１に記載の波長可変フィルタであって、
   前記第一と第二の基板と、前記表面が酸化性を有する基板が、陽極接合により接合されていることを特徴とする波長改変フィルタ。
5. 請求項１に記載の波長可変フィルタであって、
   第一と第二の基板の間に注入された液晶にボイドが含まれることを特徴とする波長可変フィルタ。
6. 透明電極、誘電体反射膜及び液晶配向膜が形成された第一のガラス基板と、
   前記第一の基板と同じ材質であり、透明電極、誘電体反射膜及び液晶配向膜が形成された第二のガラス基板と、
   前記第一のガラス基板及び前記第二のガラス基板に陽極接合されたスペーサと、
   互いに向かい合わせて配置された前記第一のガラス基板の前記透明電極が形成された面、前記第二のガラス基板の前記透明電極が形成された面及び前記スペーサで囲まれた領域に充填された液晶とを備え、
   前記透明電極に電圧を印加することにより前記液晶を透過する光の波長を変化させる波長可変フィルタ。
7. 請求項６に記載の波長可変フィルタであって、
   前記スペーサは、シリコンであることを特徴とする波長可変フィルタ。
8. 請求項６に記載の波長可変フィルタであって、
   前記スペーサは、ガラスであり、
   前記スペーサと前記第一及び前記第二のガラス基板との接合面に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖのいずれかを含む金属層を有することを特徴とする波長可変フィルタ。
9. 透明電極、誘電体反射膜及び液晶配向膜をガラス基板上に形成して第一のガラス基板と第二のガラス基板とを製造する工程と、
   前記第一のガラス基板と、表面が酸化性を有する基板を張り合わせる工程と、
   前記表面が酸化性を有する基板の前記第一のガラス基板を接合した面と反対面に、前記第二のガラス基板を張り合わせる工程と、
   前記第二のガラス基板を張り合わせた後に、前記第一及び第二のガラス基板を切断して、複数の波長可変フィルタを形成する波長可変フィルタの製造方法。
10. 透明電極及び誘電体反射膜を有する第一及び第二のガラス基板と、
    前記第一のガラス基板と前記第二のガラス基板との間に設けられたスペーサと、
    前記第一及び第二のガラス基板及びスペーサで囲まれる領域に充填された液晶とを備えた可変波長フィルタの製造方法において、
    透明電極、誘電体反射膜をガラス基板上に形成して第一のガラス基板と第二のガラス基板とを製造する工程と、
    スペーサ基板を、複数のスペーサと、前記複数のスペーサを結ぶ架橋部とを有する形状に加工する工程と、
    前記スペーサ基板を前記第一のガラス基板と陽極接合する工程と、
    前記スペーサ基板を、前記第二のガラス基板と、前記第一のガラス基板を接合した面と反対の面で陽極接合する工程と、
    前記スペーサ基板に接合された前記第一のガラス基板及び前記第二のガラス基板を切断し、個片化するとともに、前記架橋部を除去する工程と、
    前記第一のガラス基板、前記第二のガラス基板及び前記スペーサにより囲まれる領域に液晶を充填する工程とを含む波長可変フィルタの製造方法。

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