JP2010061171A - 光結合装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光（又は受光）素子及び光導波路の実装時の位置合せを容易かつ高精度に行える光導波路装置等の光結合装置、及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 端面に形成された光反射面３４による反射で外部光を内部に導入又は内部光を外部へ導出するように構成されたエアリッジ型の光導波部３６と、光反射面３４とは反対側の位置にて光導波部３６に対向して配置されて外部光の出射又は内部光の受光を行う発光又は受光素子と、光導波部３６及び発光又は受光素子をそれぞれ固定した支持体３１とを有し、この支持体に形成された凹部４４内の所定位置に発光又は受光素子が固定され、その所定位置とは別の位置にて光導波部３６のコア３９が支持体３１とは非接触の状態で凹部４４内に配置されていると共に、コア３９以外の領域で光導波部３６が支持体３１に固定されている、光導波路装置としての光結合装置。
【選択図】 図５

Description

本発明は、光導波路と発光又は受光素子とを支持体に固定してなる光結合装置及びその支持体、並びにこれらの製造方法に関し、特に光通信用、ディスプレイ用として好適な装置及び製造方法に関するものである。

これまで、電子機器内のボード間又はボード内のチップ間など、比較的短距離間の情報伝達は、主に電気信号により行われてきたが、集積回路の性能を向上させるためには、信号の高速化や信号配線の高密度化が必要となる。しかし、電気信号配線においては、配線の時定数による信号遅延やノイズの発生等の問題から、電気信号の高速化や電気信号配線の高密度化が困難である。

こうした問題を解決する光配線（光インターコネクション）が注目されている。光配線は、電子機器間、電子機器内のボード間又はボード内のチップ間など、種々の個所に適用可能であり、例えば、チップ間のような短距離間の信号の伝送には、チップが搭載されている基板上に光導波路を形成し、信号変調されたレーザ光等の伝送路とした光伝送、通信システムを構築することができる。

他方、光導波路をディスプレイの光源モジュールとして用いることも知られている。例えば、映像ソフト、ゲーム、コンピュータ画面、映画等を自分だけのデイ画面で楽しめるヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display）の開発が成されており、サングラスのように掛けるだけで、臨場感あふれる映像をいつでもどこでも気軽に体感できるパーソナルなディスプレイがある（米国特許第５，４６７，１０４号公報参照）。

従来、光導波路からなる光導波部品と面型発光又は受光素子とを結合させる構造としては、例えば特開２００２−３１７４７公報に開示されているように、基板表面に位置合わせをして発光素子を実装し、同じ基板のガイド溝に光導波部品を実装し、更に発光素子上部に光路変換部を位置合わせして実装した形態が開示されている。しかし、光路変換部が別部品となっているため、部品点数が３点となって位置合わせ回数が多く、位置合わせ精度も出しづらいため、組立工程が複雑であるという問題がある。

また、特開２００３−２１５３７１公報には、端面に４５度傾斜ミラーが形成された光導波部品と面型発光素子との結合構造が開示されている。この構造では、発光素子が光導波路部品の上方に配置されており、基板とは鼓型のはんだバンプを介してのみ接続されている。このような実装形態では、発光素子から出る熱が十分に放熱されないため、熱的な問題がある。また、位置ずれに非常にシビアな光結合においては、素子の位置ずれに対する信頼性の問題もあるが、これを満たす構造ではない。

他方、こうした問題点をある程度解消できる光導波路装置として、後記の特許文献１（国際公開ＷＯ ００／０８５０５）、後記の特許文献２（特開平１０−３００９６１号）、後記の特許文献３（特開２０００−２９２６５６）の各公報には、基板に凹部を設け、この凹部に実装した発光素子に対向して、傾斜したミラー面を有する光導波部品を基板上に固定した構造が知られている。

例えば、図８に示すように、実装基板５０の主表面に凹部５２が設けられ、この凹部５２に発光素子５４が載置されている。実装基板５０の主表面上には、光導波路５６が取り付けられ、この光導波路５６の端部５８は傾斜ミラー面となっていて発光素子５４上に位置している。

発光素子５４から出射された光６０は、端部５８で反射されて、光導波路５６のコア６２に入る。光６０は、コア６２内を矢印方向に進み、光ファイバ等に伝送される。

しかしながら、上記した従来の構造では、例えば図８において、凹部５２を基板５０に形成するときの加工精度や、発光素子５４を接着固定するときの位置ずれ、更には光導波路５６を基板４０に接着固定するときの位置ずれ及び発光素子４４との間での位置ずれを十分に防止することができない。

本発明の目的は、発光（又は受光）素子及び光導波路の実装時の位置合わせを容易かつ高精度に行える光導波路装置等の光結合装置と、これに用いる支持体、並びにそれらの製造方法を提供することにある。

即ち、本発明は、端面に形成された光反射面（例えば後述の４５度傾斜ミラー面：以下、同様）を介して光を内部又は外部へ導びくように構成された光導波部（例えば後述の光導波路：以下、同様）と、前記端面に対向して配置された発光又は受光素子（例えば後述のＬＤ又はＬＥＤ等の発光素子：以下、同様）と、前記光導波部及び前記発光又は受光素子をそれぞれ固定した支持体（例えば後述のＳｉ基板：以下、同様）とを有し、この支持体の異方性エッチングによって凹部（例えば後述の比較的深い凹部：以下、同様）が形成され、この凹部内の所定位置に前記発光又は受光素子が固定されている、光結合装置（以下、本発明の第１の光結合装置と称する。）と、この本発明の第１の光結合装置に用いる前記支持体（以下、本発明の第１の支持体と称する。）に係るものである。

また、本発明は、端面に形成された光反射面を介して光を内部又は外部へ導びくように構成されたエアリッジ型の光導波部と、前記端面に対向して配置された発光又は受光素子と、前記光導波部及び前記発光又は受光素子をそれぞれ固定した支持体とを有し、この支持体に形成された凹部内の所定位置に前記発光又は受光素子が固定され、前記所定位置とは別の位置にて前記光導波部のコアが前記支持体とは非接触の状態で前記凹部（特に前記光導波部との間に空間を存在させるように形成された凹部（以下、同様）内に配置されていると共に、前記コア以外の領域で前記光導波部が前記支持体に固定されている、光結合装置（以下、本発明の第２の光結合装置と称する。）と、この本発明の第２の光結合装置に用いる前記支持体（以下、本発明の第２の支持体と称する。）にも係るものである。

また、本発明は、異方性エッチングによって支持体に凹部を形成する工程と、この凹部内の所定位置に発光又は受光素子を固定する工程と、端面に形成された光反射面を介して光を内部又は外部へ導びくように構成された光導波部を、前記端面に対向して前記発光又は受光素子が配置されるように、前記支持体に固定する工程とを有する、光結合装置の製造方法（以下、本発明の第１の製造方法と称する。）と、前記凹部を異方性エッチングによって形成する工程を有する前記支持体の製造方法（以下、本発明の第２の製造方法と称する。）も提供するものである。

本発明の第１の光結合装置、本発明の第１の支持体、本発明の第１及び第２の製造方法によれば、異方性エッチングによって前記支持体に凹部を形成し、この凹部内の所定位置に前記発光又は受光素子を固定し、前記光導波部の前記端面に対向して前記発光又は受光素子が配置されるようにしているので、前記発光又は受光素子の裏面全体を前記支持体に接触させた状態でこの素子を実装し、この素子の発光又は受光部上に前記光導波部を配置することができ、前記発光又は受光素子の放熱効率を上げることができるだけでなく、前記異方性エッチングによって容易かつ高精度に前記凹部を形成することができ、前記発光又は受光素子と前記光導波部との間のギャップを容易かつ精密にコントロールすることができ、良好な光結合を得ることができる。

また、本発明の第２の光結合装置、本発明の第２の支持体によれば、前記支持体に形成された前記凹部内の所定位置に前記発光又は受光素子が固定され、前記所定位置とは別の位置にて前記エアリッジ型の光導波部のコアが前記支持体とは非接触の状態で前記凹部に配置されていると共に、前記コア以外の領域で前記光導波部が前記支持体に固定されている。従って、前記凹部内の所定位置に固定した前記発光又は受光素子に対し、高精度な位置合わせが必要とされる前記光導波部をエアリッジ型とし、そのコアを前記支持体とは非接触状態に配置して前記支持体に対する固定を前記コア以外の領域（特にクラッド）で行えばよく、このために前記発光又は受光素子に対する前記コアの位置を決め易く、前記支持体に対する固定さえ十分に行えば常に正規の状態に位置合わせすることができ、またその固定面積も小さくて固定に用いる接着剤量が少なくなり、安定に接着（即ち、安定に位置合わせ）を行うことができる。しかも、光導波部をエアリッジ型として前記コアを前記支持体と非接触としたので、コア−空気間の全反射による光伝搬性能が向上し、かつ漏れ光（クラッドモード）も少なくなる。
上記したような効果から、本発明の支持体と光結合構造によって、低コストかつ高性能な光結合構造を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態による光導波路装置の平面図（Ａ）、そのＩＢ−ＩＢ線断面図（Ｂ）及びそのＩＣ−ＩＣ線断面図（Ｃ）である 同、図１（Ａ）のII−II線断面図の一部拡大図（Ａ）及びその製造時の同様の一部拡大図（Ｂ）である。 同、光導波路装置の作製工程を順次示す断面図である。 同、光導波路装置の作製工程を順次示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態による光導波路装置の平面図（Ａ）、その左側面図（Ｂ）、そのＸ−Ｘ線断面図（Ｃ）、及びそのＹ−Ｙ線断面図（Ｄ）である。 同、光導波路の斜視図である。 同、光導波路とその光導波効率を示す平面図とグラフである。 従来の光導波路装置の一例の断面図である。

本発明の第１の光結合装置、本発明の第１の支持体、本発明の第１及び第２の製造方法においては、前記光導波部が前記支持体に接着によって固定され、この接着固定領域の外側位置に前記凹部が形成されており、この凹部が、前記発光又は受光素子を固定するための第１凹部（例えば後述の比較的深い凹部：以下、同様）と、前記光導波部の前記接着固定領域外へはみ出る接着剤を受け入れるための第２凹部（例えば後述の比較的浅い接着剤逃がし溝：以下、同様）とからなり、これらの第１凹部及び第２凹部が前記異方性エッチングによってそれぞれ形成されていることが望ましい。

即ち、前記第２凹部の存在によって、前記支持体への前記光導波部の接着固定に用いる接着剤がはみ出てもそれを受け入れる（逃がす）ことができ、接着剤の塗布量が多少変化しても、接着剤の厚みを常に一定にすることができるため、接着の信頼性、ひいては前記光導波部と前記発光又は受光素子との位置合わせ精度を向上することができる。更に、前記支持体の外周に接着剤がはみ出すことを防ぐことができるため、組み立て時に前記支持体や前記光導波部が組み立て治具（真空チャックなど）に付着してしまう不良を防ぐことができ、ハンドリング等の組み立ての歩留まりが向上する。

また、本発明の第２の光結合装置、本発明の第２の支持体においても、前記光導波部が前記支持体に接着によって固定されてよいが、この接着固定領域の内側位置に前記発光又は受光素子、前記コアを配置するための前記凹部が形成されているのがよく、特に、この凹部の外側位置で前記光導波部のクラッドが前記支持体に固定されているのが望ましい。これによって、前記コアを前記支持体に対して確実に非接触状態で配置できると共に、前記発光又は受光素子と前記光導波部との位置合わせも行い易くなる。

こうした凹部は、前記支持体の本体に固定された固定片によって形成されてよい。

本発明のいずれの光結合装置、支持体及び製造方法においても、前記支持体が半導体（特にシリコン）からなっており、比抵抗が０．０５Ω−ｃｍであり、前記支持体に対する前記光導波部及び前記発光又は受光素子の固定面とは反対側の支持体面に電極が設けられ、この電極と前記発光又は受光素子の電極とが前記支持体を通して電気的に導通されていると、Ｓｉ等の半導体は熱伝導率が高くて放熱特性に優れると共に、前記支持体を低抵抗のＳｉ等で形成することによって支持体全体を電気的なグラウンド（接地電極）にすることが可能となり、信号ラインへの雑音を低減でき、高周波動作が可能となる。

また、前記光反射面がほぼ４５度に傾斜した光学ミラー面であると、光の伝搬面積（光の集光又は放出面積）が拡大されると共に、光入射又は出射量が増えるので、この光学ミラー面に対向して面型の前記発光又は受光素子が配置されていることが、光の伝搬性能及び変換効率を高くする上で望ましい。

また、前記光導波部と前記発光又は受光素子とにそれぞれ、位置合わせ用のマーカが設けられていると、実装時の位置合わせをマーカの光学的検知等によって一層容易かつ正確に行える。

また、前記光導波部が複数のコアを有し、これらのコアのそれぞれの前記端面に対向して前記発光又は受光素子の発光又は受光部が配置されていてよいが、前記光導波部の光導波面積が前記端面で拡大されていて光出射端へ向けて徐々に縮小されており、面積拡大された前記端面に対向して前記発光又は受光素子の複数の発光又は受光部が配置されると、前記傾斜面による光伝搬性能の向上に加えて更に光の集光又は放出量を一層増やし、かつ前記光導波部に対する前記発光又は受光素子の位置合わせも更に容易となる。

この場合、本発明は、光通信用又はディスプレイ用として構成された光結合装置に好適である。例えば、前記光導波部に効率良く入射した後に出射した信号光を次段回路の受光素子（光配線やフォトディテクタ等）に入射させるように構成した光通信や、前記信号光を走査手段で走査して投影するように構成したディスプレイ等の光情報処理装置等に有効に用いることができる。

また、本発明の第１及び第２の製造方法においては、前記異方性エッチングに共通のマスクを用いて前記第１凹部と前記第２凹部とを同時に形成するのがよく、特に、前記共通のマスクにおいて、前記第１凹部用の開口部の幅よりも前記第２凹部用の開口部の幅を小さくすると、前記支持体の異方性エッチングが前者の開口部では比較的深くて幅の広い凹部を形成して前記発光又は受光素子の固定にとって好適となり、また後者の開口部では異方性エッチングが早めに停止（ストップ）して比較的浅くて幅の狭い凹部を形成して前記接着剤の逃がし溝を同時に形成することができる。

次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。

［第１の実施の形態］
図１〜図４は、本発明の第１の実施の形態を示すものである。

本実施の形態による光結合装置としての光導波路装置は、その平面図である図１（Ａ）、そのＩＢ−ＩＢ線断面図である図１（Ｂ）、及びそのＩＣ−ＩＣ線断面図である図１（Ｃ）に示すように、支持体である低抵抗（≦０．０５Ω−ｃｍ）の例えばＳｉ（シリコン）基板１の一端側に比較的深くて幅の広い断面ほぼ逆台形状の凹部２が後記の異方性エッチングによって形成され、この凹部２内に発光又は受光素子としてのレーザダイオード（ＬＤ）３が実装され、更に端面に形成された例えば４５度傾斜した光反射面（光学ミラー面）４を介して発光素子３からの光５を内部へ導びき、出射面１７から出射光１８として出射するように構成された光導波部としての光導波路６が基板１（実際には絶縁層２１）上に接着剤１５によって接着固定されている。

この光導波路装置１０において、光導波路６は、下クラッド７と上クラッド８との間に複数本並置されたコア９が挟持されたシート状の積層体からなり、これらの各層は、基板１上に屈折率のそれぞれ異なる公知の高分子材料を順次積層し、コア材料をパターニングすることによって形成されるが、コア９の屈折率は各クラッド７及び８の屈折率よりも大きい。各コア９はそれぞれ例えば４０〜５０μｍ幅に形成され、シート厚が例えば１００μｍの光導波路６のミラー面４に対向した下方の正規の位置には、各コア９の光反射面４とそれぞれ対向して上記の発光素子３の各発光部１１（発光面積は例えば１０μｍ）が配置されており、実装時の両者の位置合わせのためのマーカ１２、１３が光導波路６及び発光素子３にそれぞれ設けられている。

また、上記の凹部４に連設して比較的浅くて幅の小さい線状の断面ほぼＶ字状の凹部（溝）１４が、基板１の両側部にそれぞれ形成され、これらの凹部１４−１４間が、光導波路６の下クラッド７を接着剤１５によって基板１に接着する接着領域１６となっている。この凹部１４は、光導波路６の接着固定時に接着剤１５が外方へはみ出たときにこれを受け入れる（逃がす）ための溝として機能する。但し、発光素子固定用の凹部２も、はみ出た接着剤を一部受け入れることができる。

また発光素子３は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造の電極１９を介して基板１と電気的に接続された状態で凹部２内に実装され、基板１の裏面に設けられた例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造のグラウンド（接地）用の裏面電極２０とは基板１を通して電気的に導通しており、更に上面電極パッド２２が、基板１上の絶縁膜２１上に形成された端子電極２３に対し例えば金属ワイヤ２４によって電気的に接続されている。但し、図１（Ａ）では、この金属ワイヤ２４は図示省略している。

図２（Ａ）は、図１（Ａ）のII−II線に沿う断面において、上記のマーカ（ここでは導波路側のマーカ１２）を明示し、これを実装時の検出光２５の反射によって検出する状態を示している。このマーカ１２を形成するには、図２（Ｂ）に示すように、支持体２６上に下クラッド７を形成した後に、複数のコア９を下クラッド７上に形成し、コア９−９間の下クラッド７上に金属等のパターニングでマーカ１２を形成する。そして、更に上クラッド８を被着した後に光導波路６を支持体２６から剥離する。この導波路６は、真空チャック等で保持して上記した接着剤１５によって基板１上の所定位置に接着固定する。

次に、本実施の形態による光導波路６に用いる基板１の製造方法を図３（図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線断面に相当）及び図４（図１（Ａ）のＩＣ−ＩＣ線断面に相当）について説明する。

まず、図３（１）及び図４（１）に示すように、表面に熱酸化膜２１のある低抵抗Ｓｉ基板１（≦０．０５Ω−ｃｍ、結晶方位＜１００＞）を用い、発光素子を実装する凹部と、接着剤の逃がし（流れ止め）溝となる凹部とを形成する位置が開口するようにフォトレジスト２７をパターニングする。その後、フッ素ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）により、フォトレジスト開口部分の熱酸化膜２１を除去する。マスクにしたフォトレジスト２７は酸素プラズマによるアッシングで除去する。

次いで、図３（２）及び図４（２）に示すように、７０℃のＫＯＨ水溶液（濃度：２０ｗｔ％）に浸漬してＳｉ基板１の異方性エッチングを行い、凹部２及び１４を連設して形成する。接着剤の流れ止め用の溝１４は、マスク開口部の幅を細くしておくことにより、＜１１１＞面が出たところでエッチングがほぼストップするため、発光素子を実装する凹部２に比較して浅い溝１４を凹部２と同時に形成することができる。この異方性エッチングにより、凹部２は側壁面が傾斜して形成されるが、その深さは、エッチング時間によって高精度に制御できる。

次いで、図３（３）及び図４（３）に示すように、発光素子を実装する凹部２及び基板上面に電極１９及び２３を常法によって形成する。ここでは、これらの電極は、下からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造とし、これらの金属膜形成には蒸着を用い、パターン形成にはフォトレジストを用いたリフトオフ工程を用いて電極パターンを形成する。この膜形成の方法としては他にも、メッキやスパッタなどでもよく、パターン形成も、エッチングによる方法を採用する場合もある。

次いで、図３（４）及び図４（４）に示すように、基板裏面の酸化膜２１を上記と同様のＲＩＥによって除去する。

最後に、図３（５）及び図４（５）に示すように、基板裏面に電極２０を形成する。この電極２０は、上記の電極１９と同じ構造とする。

なお、電極１９及び裏面電極２０とＳｉ基板１との間の接触抵抗を低減するために、３００〜４００℃程度で数秒〜数分のアロイ化（加熱）を行うこともある。

また、ウェハ状態で基板を製造する場合は、実装基板１の形態にダイシングして完成させる。

こうして製造された実装基板１には、図１に示したように、面型発光素子３と光導波路６とを実装する。面型発光素子３としては、例えばＶＣＳＥＬの８ｃｈアレイを用い、光導波路６には、有機材料で作製した光導波路シートを使用する。ＶＣＳＥＬアレイの表面には位置合わせ用のマーカ１３を形成し、光導波路６の内部にも位置合わせ用のメタルマーカ１２を埋め込む。実装は、ＶＣＳＥＬ３と光導波路６のマーカ位置を画像認識によって特定し、それぞれのマーカの相対位置が決められた値になるように光導波路６と実装基板１上の発光素子３の位置を調整して光導波路シートを実装基板１に接着する。この接着には、ＵＶ（紫外線）硬化型の接着剤を使用し、位置合わせ後にＵＶ照射して光導波路シートを実装基板１に接着する。

本例では、位置合わせ用のマーカを用いたが、発光素子３の発光部１１のパターンをマーカの代わりとして用いたり、光導波路６のコア９と４５℃カット面４のエッジを光導波路シート側のマーカとして利用することもある。また、発光素子３を実際に動作させて、アクティブアライメントによって位置合わせを行うこともある。そして、発光素子３と光導波路６との結合効率を上げるために、凹部４に光導波路６とほぼ等しい透明樹脂を充填することもある。

以上に説明したことから明らかなように、本実施の形態によるＳｉ基板１を用いた光導波路装置１０は、次の（１）〜（５）に示す顕著な作用効果を奏するものである。

（１）Ｓｉ基板１の異方性エッチングによって基板１に凹部２を形成し、この凹部内の 所定位置に発光素子３を固定し、光導波路６のミラー面４に対向して発光素子３が配置 されるようにしているので、発光素子３の裏面全体を基板１に接触させた状態でこの素 子を実装し、この素子の発光部上に光導波路２を配置することができ、発光素子の放熱 効率を上げることができる。Ｓｉ基板１は熱伝導率が高く、放熱特性に優れている。

（２）異方性エッチングによって容易かつ高精度に凹部２を形成することができ、発光 素子３と光導波路６との間のギャップを容易かつ精密にコントロールすることができ、 良好な光結合を得ることができる。

（３）接着剤の逃がし溝１４を異方性エッチングによって凹部２と同時に形成でき、工 程を簡略化できると共に、溝１４を設けることによって、接着剤がはみ出てもそれを受 け入れる（逃がす）ことができ、接着剤の塗布量が多少変化しても、接着剤１５の厚み を常に一定にすることができるため、接着の信頼性、ひいては光導波路６と発光素子３ との位置合わせ精度を向上することができる。更に、基板１の外周部へ接着剤がはみ出 すことを防ぐことができるため、組み立て時に基板１や光導波路６が組み立て治具（真 空チャックなど）に付着してしまう不良を防ぐことができ、ハンドリング等の組み立て の歩留まりが向上する。

（４）基板に低抵抗のＳｉ基板１を用いることによって、基板全体を電気的なグラウン ド電極（接地電極）にすることが可能となり、信号ラインへの雑音を低減でき、高周波 動作が可能となる。

（５）上記のような効果から、本実施の形態による実装基板と光結合形態を用いること により、低コストかつ高性能な光結合構造を実現することができる。特に、光通信用と して好適な装置を提供できる。

［第２の実施の形態］
図５〜図７は、本発明の第２の実施の形態を示すものである。

本実施の形態では、図５（Ａ）の平面図、その左側面図である図５（Ｂ）、そのＸ−Ｘ線断面図である図５（Ｃ）、そのＹ−Ｙ線断面図である図５（Ｄ）、及び斜視図である図６に示すように、光導波路としてエアリッジ型の光導波路３６を用い、面型発光素子としては、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色を発光する三色の発光ダイオードＬＥＤ（Ｒ）、ＬＥＤ（Ｇ）、ＬＥＤ（Ｂ）を用いている。

エアリッジ型の光導波路３６は、４５°ミラーが形成された端面３４側のコア幅が広く、光出射側に行くほどコア幅が徐々に直線的に狭くなる形状となっており、４５°ミラー部分からコア３９に入射したＲ、Ｇ、Ｂの各光３５（Ｒ）、３５（Ｇ）、３５（Ｂ）が合波され、点光源となって出射光４８として出射面４９から出力されるようになっている。光導波路３６の両側にはコア３９の存在しない部分が設けてあり、この部分が、即ちクラッド３８が接着剤４９によって実装基板３１に接着固定される。クラッド３８は、例えばＳｉからなる屈折率の高い支持板３０上に設けられ、この支持板も含めて、基板３１に設けた凸条部４０上に固定される。

実装基板３１には、エアリッジ型光導波路３６のコア３９が実装基板３１に接しないように凹部４４が設けてある。この凹部４４の深さは、エアリッジコア３９がＬＥＤに接触しない深さにしてある。また、ＬＥＤの電極３２を例えば金属ワイヤ３７で取り出すための配線電極３３が実装基板３１上に絶縁膜（図示せず）を介して形成されている。

本実施の形態では、光導波路３６とＬＥＤとの結合において、コア３９の入射面３４が広いので、その結合の位置合わせはシビアではなく、その位置合わせ精度は緩くてよい。従って、実装基板は、平坦基板（本体）３１に、光導波路３６との接着部分となるＳｉ片（凹部４４の両側の凸条部４０）と、配線電極３３をパターニングしたＳｉ片４１とを貼り合わせて、凹部４４をもつ実装基板として作製することができる。平坦基板３１は、Ｓｉで形成してよいが、この場合には、発光素子からの熱の放熱性が良い。

このように本実施の形態によれば、基板３１に形成した凹部４４内の所定位置に発光素子ＬＥＤが固定され、前記所定位置とは別の位置にてエアリッジ型の光導波路３６のコア３９が基板３１とは非接触の状態で凹部４４に配置されていると共に、コア３９以外の領域（即ち、クラッド３８）で光導波路３６が基板３１に固定されている。従って、凹部４４内の所定位置に固定した発光素子ＬＥＤに対し、高精度な位置合わせが必要とされる光導波部３６をエアリッジ型とし、そのコア３９を基板３１とは非接触状態に配置して基板３１に対する固定をコア以外の領域（特にクラッド３８）で行い、しかもコア３９の入射側の幅を大きくしているので、発光素子ＬＥＤに対するコア３９の位置を決め易く、基板３１に対する固定さえ十分に行えば常に正規の状態に位置合わせすることができ、またその固定面積も小さくて固定に用いる接着剤４９の量が少なくなり、安定に接着（即ち、安定に位置合わせ）を行うことができる。しかも、光導波部３６をエアリッジ型としてコア３９を基板３１と非接触としたので、コア−空気間の全反射による光伝搬性能が向上し、かつ漏れ光（クラッドモード）も少なくなると共に、コア３９の入射面を広くしたので、発光光の発散角の大きいＬＥＤからの入射光量が増大し、かつＬＥＤとの位置合わせ精度も緩やかでよい。

従って、本実施の形態においても、低コストかつ高性能な光結合構造を実現することができる。特に、ディスプレイ用として好適な装置を提供できる。

なお、コア３９の幅を入射面３４で広くし、かつ光出射側へ徐々に狭くしたことによる別の効果について図７を参照して説明する。

図７（Ａ）は、光導波路３６のうち、コア３９に対し各ＬＥＤ（Ｒ）、（Ｇ）、（Ｂ）からの光を同時に入射面３４から入射し、光出射面４７から出射する状態を示している。この時に、入射面３４の幅をＡ（μｍ）、出射面４７の幅をＢ（μｍ）、及び入射面３４から出射面４７までの距離をｄ（ｍｍ）とする。そして、コア３９の幅を直線状傾斜面４６によって光入射面３４から光出射面４７へと直線的に小さくし、この直線状傾斜面４６によってコア３９とクラッド３８との界面での全反射が向上し、コア３９内での光導波を効率良く行える。

図７（Ｂ）には、入射面３４から出射面４７までの長さｄ（ｍｍ）と光損失（ｄＢ）との相関特性を示す。これによれば、出射面４７の幅Ｂを５０μｍに固定し、光導波路３６の許容損失をグラフ中に破線で示す２ｄＢ以下と設定した場合に、入射面３４の幅Ａを２００μｍとした条件ａでは、光損失が２ｄＢ以下になるには、入射面３４から出射面４７までの長さｄの下限は約０．７ｍｍとなり、また、入射面３４の幅Ａを３００μｍとした条件ｂでは、光損失が２ｄＢ以下になるには、入射面３４から出射面４７までの長さｄの下限は約１．５ｍｍとなる。同様に、入射面３４の幅Ａを条件ｃ、ｄ、ｅのように広げていくと、光損失が２ｄＢ以下になるには、入射面３４から出射面４７までの長さｄの下限は約３．０ｍｍ、約６．８ｍｍ、約１５．０ｍｍと大きくなる傾向がある。

この結果から、出射面４７の幅Ｂを一定にしたとき、入射面３４の幅Ａを狭くして直線状傾斜面４６の傾斜角を小さくすれば、光損失を２ｄＢ以下に抑え、かつ、入射面３４から光出射面４７までの長さｄを比較的短くすることができる。従って、直線状傾斜面４６による光導波効率を確実に向上させるには、上記の幅Ａを規定することが望ましいことが分る。

以上に説明した実施の形態は、本発明の技術的思想に基づいて種々に変形が可能である。

例えば、上述した発光素子の固定用の凹部や接着剤逃がし溝のパターンやその形成方法も上述したものに限定されることはなく、互いに連設していなくてもよく、また別々に形成してもよい。

また、上述した異方性エッチングは、エッチングの進行程度を各凹部間で異ならせるようにマスク開口の幅を変えるだけでよいので、非常に効果的な方法であるが、基板の結晶方位は種々に選択してよく、またエッチングは湿式エッチングの場合には上述したＫＯＨに限ることなく、ＴＭＡＨ（tetramethylammonium hydroxide）等を用いてよい。こうした異方性エッチングは、上述した第２の実施の形態における凹部４４の形成に適用してよい。

また、上述した第１の実施の形態のように、上述した第２の実施の形態においても、基板をＳｉ等の半導体基板とし、これを通して発光素子の電極を設置する構造としてよい。

また、上述した光導波路の構成材料や層構成も種々に変化させてよい。例えば、ニオブ酸リチウム等の無機系の材料を用い、これをＣＶＤ（化学的気相成長法）によって基板上にコア材として成膜し、レジストマスクを用いて所定パターンにエッチングすることによって、上述したと同等のコアを形成することができる。光導波路のコア形状は、直線状傾斜面を幅方向端面に有するタイプのみならず、曲線状傾斜面を幅方向端面に有するコアとしてもよい。コアの作製は成形型による成形で行ってもよい。

また、上述した光導波路を含む光学系の構成は適宜変更してよく、光配線等の光通信用は勿論、走査手段としてマイクロミラーデバイスやポリゴンミラー等を採用し、投影をスクリーン上に行ったり、ヘッドマウントディスプレイの如き装着型のディスプレイ等に適用してよい。

また、上述の実施の形態は、ＬＤ、ＬＥＤ等の発光素子について説明したが、光導波路からの光をミラー面から出射してフォトダイオード等の受光素子で受光する構造とすることができる。この場合も、上述したと同様の作用効果を得ることができる。

本発明は、発光（又は受光）素子及び光導波路の実装時の位置合わせを容易かつ高精度に行える光導波路装置等の光結合装置を提供できる。

１…低抵抗Ｓｉ基板、２…凹部、３…発光（又は受光）素子、４、３４…ミラー面、
５、３５（Ｒ）、３５（Ｇ）、３５（Ｂ）…入射光、６、３６…光導波路、
７…下クラッド、８…上クラッド、９、３９…コア、１０…光導波路装置、
１２…導波路側位置合わせマーカ、１３…素子側位置合わせマーカ、
１４…凹部（接着剤逃がし溝）、１５…接着剤、１６…導波路接着領域、１８…出射光、
１９…電極、２０…裏面電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）、２１…絶縁層、２２…電極パッド、
２３…端子電極、３０…支持板、３１…基板、
３３ＬＥＤ（Ｒ）、３３ＬＥＤ（Ｇ）、３３ＬＥＤ（Ｂ）…発光素子、４０…凸状部、
４１…Ｓｉ片、４４…凹部、４９…接着剤

国際公開ＷＯ ００／０８５０５（第４頁１０〜１７行目、FIG.３） 特開平１０−３００９６１号（第２８欄２５〜４７行目、図１４〜図１７） 特開２０００−２９２６５６号（第６欄８〜１９行目、第８欄２〜１６行目、図４及び図１２）

Claims (20)

1. 端面に形成された光反射面による反射で外部光を内部に導入又は内部光を外部へ導出するように構成されたエアリッジ型の光導波部と、光反射面とは反対側の位置にて前記光導波部に対向して配置されて前記外部光の出射又は前記内部光の受光を行う発光又は受光素子と、前記光導波部及び前記発光又は受光素子をそれぞれ固定した支持体とを有し、この支持体に形成された凹部内の所定位置に前記発光又は受光素子が固定され、前記所定位置とは別の位置にて前記光導波部のコアが前記支持体とは非接触の状態で前記凹部内に配置されていると共に、前記コア以外の領域で前記光導波部が前記支持体に固定されている、光結合装置。
2. 前記光導波部が前記支持体に接着によって固定され、この接着固定領域の内側位置に前記凹部が形成されている、請求項１に記載した光結合装置。
3. 前記凹部の外側位置で前記光導波部のクラッドが前記支持体に固定されている、請求項２に記載した光結合装置。
4. 前記凹部が、前記支持体の本体に対して固定された固定片によって形成されている、請求項１に記載した光結合装置。
5. 前記支持体が半導体からなり、前記支持体に対する前記光導波部及び前記発光又は受光素子の固定面とは反対側の支持体面に電極が設けられ、この電極と前記発光又は受光素子の電極とが前記支持体を通して電気的に導通されている、請求項１に記載した光結合装置。
6. 前記支持体が比抵抗０．０５Ω−ｃｍ以下の低抵抗基板である、請求項５に記載した光結合装置。
7. 前記光反射面がほぼ４５度に傾斜した光学ミラー面であり、この光学ミラー面とは反対側の位置にて前記光導波部に対向して面型の前記発光又は受光素子が配置されている、請求項１に記載した光結合装置。
8. 前記光導波部が複数のコアを有し、これらのコアのそれぞれの前記光反射面とは反対側の位置にて前記光導波部に対向して前記発光又は受光素子の発光又は受光部が配置されている、請求項１に記載した光結合装置。
9. 前記光導波部の光導波面積が前記端面で拡大されていて光出射端へ向けて徐々に縮小されており、これによって面積拡大された前記光反射面とは反対側の位置にて前記光導波部に対向して前記発光又は受光素子の複数の発光又は受光部が配置されている、請求項１に記載した光結合装置。
10. 光通信用又はディスプレイ用として構成された、請求項１に記載した光結合装置。
11. 請求項１に記載した光結合装置の製造方法であって、エアリッジ型の前記光導波部の前記光反射面とは反対側の位置にて前記光導波部に対向して前記発光又は受光素子を配置し、前記凹部内の所定位置に前記発光又は受光素子を固定し、前記所定位置とは別の位置にて前記光導波部のコアを前記支持体とは非接触の状態で前記凹部内に配置すると共に、前記コア以外の領域で前記光導波部を前記支持体に固定する、光結合装置の製造方法。
12. 前記光導波部を前記支持体に接着によって固定し、この接着固定領域の内側位置に前記凹部を形成する、請求項１１に記載した光結合装置の製造方法。
13. 前記凹部の外側位置で前記光導波部のクラッドを前記支持体に固定する、請求項１２に記載した光結合装置の製造方法。
14. 支持体本体に固定された固定片によって前記凹部を形成する、請求項１１に記載した光結合装置の製造方法。
15. 前記支持体を半導体で形成し、前記支持体に対する前記光導波部及び前記発光又は受光素子の固定面とは反対側の支持体面に電極を設け、この電極と前記発光又は受光素子の電極とを前記支持体を通して電気的に導通する、請求項１１に記載した光結合装置の製造方法。
16. 前記支持体として比抵抗０．０５Ω−ｃｍ以下の低抵抗基板を用いる、請求項１５に記載した光結合装置の製造方法。
17. 前記光反射面をほぼ４５度に傾斜した光学ミラー面に形成し、この光学ミラー面とは反対側の位置にて前記光導波部に対向して面型の前記発光又は受光素子を配置する、請求項１１に記載した光結合装置の製造方法。
18. 前記光導波部に複数のコアを形成し、これらのコアのそれぞれの前記光反射面とは反対側の位置にて前記光導波部に対向して前記発光又は受光素子の発光又は受光部を配置する、請求項１１に記載した光結合装置の製造方法。
19. 前記光導波部の光導波面積を前記端面で拡大させて光出射端へ向けて徐々に縮小させ、これによって面積拡大された前記光反射面とは反対側の位置にて前記光導波部に対向して前記発光又は受光素子の複数の発光又は受光部を配置する、請求項１１に記載した光結合装置の製造方法。
20. 光通信又はディスプレイ用として構成された光結合装置を製造する、請求項１１に記載した光結合装置の製造方法。

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