JP2014081586A

JP2014081586A - アディアバティック結合を実現させる、シングルモード・ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと、シリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイとの整列。

Info

Publication number: JP2014081586A
Application number: JP2012231090A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Numata; 英俊沼田
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2014-05-08
Also published as: US9008477B2; CN103777275A; CN103777275B; US20140112616A1

Abstract

【課題】ポリマー上に形成された（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと、シリコン（Ｓｉ）チップ上に形成されたシリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイとを整列させることによって、アディアバティック結合を形成すること。
【解決手段】それぞれの側において精度良く形成されている凸部と、凹部とに従って、これらが絶対基準位置となって自己整列が実現される。フォトリソグラフィによるＰＷＧパターンニングでは、複数のマスクを用いるが、同じ（マスク用）アライメント基準線に沿って、δｘ誤差において高精度な形成ができる。ナノインプリントによるＰＷＧパターンニングでは、δｙ誤差においても高精度な形成ができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと、シリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイとの間において、光を連絡させる結合を実現することに関する。

より詳しくは、シングルモード・ポリマー導波路（ＰＷＧ）について、アディアバティック結合を実現させるための、アレイ同士の高精度な整列を実現させる技術に関する。

プリント基板上に形成されたリジッドな、あるいはポリマー製ベースフィルム上に形成されたフレキシブルな、マルチモードおよびシングルモードのポリマー導波路（ＰＷＧ）が普及している。

光の導波路（ＷＧ：ＷａｖｅＧｕｉｄｅ）の原理は、屈折率の異なる複数のポリマーの組合せである、コアとクラッドとの組合せによって、コアを光の連絡（通）路とするものである。

一方で、シリコン（Ｓｉ）チップ上に光の連絡路を形成するシリコン導波路（ＳｉＷＧ）も普及している。

ポリマー導波路（ＰＷＧ）、および、シリコン導波路（ＳｉＷＧ）の何れについても、複数の連絡路チャネルを得るために、一方向に沿って複数の導波路（ＷＧ）が平行に揃った形式で、アレイ状に形成される。

ポリマー導波路（ＰＷＧ）と、シリコン導波路（ＳｉＷＧ）との間で光を連絡させる試みがなされているが、ミクロのレベルで光を効率的に連絡させる結合を実現しようとすると、高精度な位置決めが必要となってくる。

マルチモードの導波路（ＷＧ）であれば、導波路同士あるいは導波路とマルチモード光ファイバの間の結合において、コア断面のサイズが大きく、また互いのコア断面サイズや開口数が同程度であるため、相互に接触することになる断面同士において、断面同士の突合せの位置決め精度さえ保証されれば、損失が許容可能なレベルでの実現が可能である。

実際、いわゆる正対結合（ＢｕｔｔＣｏｕｐｌｉｎｇ）によって実現されている。

しかし、シングルモードの導波路（ＷＧ）とシリコン導波路（ＳｉＷＧ）との結合においては、各々のコア断面がかなり小さくなってしまい、また互いのコア断面サイズや開口数が大きく異なるため、正対結合（ＢｕｔｔＣｏｕｐｌｉｎｇ）自体が困難となってくる。

この点、アレイの沿った光軸方向での染み出し光（エバネッセン光）を、光軸方向の所定距離にわたって捉えて連絡させるという、アディアバティック結合（ＡｄｉａｂａｔｉｃＣｏｕｐｌｉｎｇ）が代替手法として期待できる。

しかし、シングルモードポリマー導波路（ＰＷＧ）とシリコン導波路（ＳｉＷＧ）との結合において、アディアバティック結合を実現するためのアレイ同士の高精度な整列を実現した技術は知られていない。

ポリマー導波路（ＰＷＧ）を形成する方法や、複数の導波路（ＰＷＧ）同士の位置決めの工夫については、特許文献１〜特許文献１１の例のように、様々な要素技術があることが知られている。

しかし、アディアバティック結合を実現するもの、または、それを実現する自己整列のような高精度な整列に言及しているものは今のところ存在していない。

特開２０００−７５１５８号公報特開２００４−１０２２２０号公報特開２００８−５８５３０号公報特開平６−１０９９３６号公報特開２００６−１３９１４７号公報特開２００５−２０８１８７号公報特開２００８−８９８７９号公報特開２００９−３１７８０号公報特開２００７−２１２７８６号公報特開平７−４５８１１号公報特開平１１−２５８４５５号公報

本発明の目的は、ポリマー上に形成された（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと、シリコン（Ｓｉ）チップ上に形成されたシリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイとを整列させることによって、アディアバティック結合を形成することにある。

ポリマー上に形成された（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと、シリコン（Ｓｉ）チップ上に形成されたシリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイとを、それぞれの側において精度良く形成されている凸部と凹部との組合せに従って、自己整列させる。

本発明に従えば、ポリマー上に形成された（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと、シリコン（Ｓｉ）チップ上に形成されたシリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイとを高精度に整列させることが可能となり、アディアバティック結合を形成することができる。

図１は、本発明であるアディアバティック結合が実現される箇所およびそれを含むパッケージの構造体を示す全体図である。図２は、シリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイと、ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイとの重なり合い、および、アディアバティック結合に関わる滲み出し波／エバネッセント波を説明する上面図である。図３は、シリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイと、ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイとの重なり合いにおける整列の重要性を説明する上面図である。図４は、本発明である、ポリマー上に形成された（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと、シリコン（Ｓｉ）チップ上に形成されたシリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイとを整列させることによって、アディアバティック結合を形成することができる、ポリマー上に形成された凸部と、シリコンチップ上に形成された凹部との組合せ、を示す全体図である。図５は、本発明である、ポリマー上に、（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと凸部とを、精度良く形成する方法、を示す図である。図６は、本発明として、ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと凸部とを形成するにあたって、フォトリソグラフィによるＰＷＧパターンニングと、ナノインプリントによるＰＷＧパターンニングとについて、各々の優位性を説明する図である。図７は、本発明として、ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと凸部とを形成するにあたって、フォトリソグラフィによるＰＷＧパターンニングと、ナノインプリントによるＰＷＧパターンニングとについて、各々の方法を説明する図である。図８は、シリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイと、ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイとを整列させた後、固定する方法および固定された状態を説明する図である。

図１は、本発明であるアディアバティック結合が実現される箇所およびそれを含むパッケージの構造体を示す全体図である。

アディアバティック結合は、ポリマー上に形成された（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと、シリコン（Ｓｉ）チップ上に形成されたシリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイとを整列させることによって、形成される。

このアディアバティック結合が実現されている結合箇所の組合せは、光学エポキシまたはＵＶ接着剤によって固定されている。

さらに、ポリマーに固定されたＭＴＰコネクターと、シリコンチップに固定されたインターポーザと、が含まれて、これらが、カプセル化されている。

例えば、シリカビーズで満たされた接着剤が利用されている。

さらに、シリコンチップに固定されたヒートシンクと、カバープレート（パッケージの外側シェル）とが含まれて、全体がカバープレートによって覆われている。

カバープレートは、パッケージの外側シェルとして機能する。

このようなパッケージ構造体が構成された内包関係に従って、次の（１）〜（１０）の順序に従った、製造（アセンブル）方法としても実現することができる。

（１）まず、シリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイが形成されたシリコン（Ｓｉ）チップを準備する。

（２）（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイが形成された、ポリマーを準備する。

（３）光の結合を形成できる空間的な関係に、シリコンチップとポリマーとを整列させる。

（４）シリコンチップとポリマーとを、光学エポキシまたはＵＶ接着剤によって（整列させた状態のまま）固定する。

（５）ポリマーに固定されたＭＴＰコネクターを準備する。

（６）シリコンチップに固定されたインターポーザを準備する。

（７）これらをカプセル化する。シリカビーズで満たされた接着剤を利用してもよい。

（８）シリコンチップに固定されたヒートシンクを準備する。

（９）カバープレート（パッケージの外側シェル）を準備する。

（１０）全体をカバープレートによって覆って、パッケージ構造体を形成する。

図２は、シリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイと、ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイとの重なり合い、および、アディアバティック結合に関わる滲み出し波／エバネッセント波を説明する上面図である。

図２（ａ）に示すように、これらのアレイ同士は、光軸方向の所定距離にわたって重ね合わされることで、染み出し光（エバネッセン光）が捉えられて連絡される。

光軸方向の所定距離は、本発明の検証においては長さＬ≒３ｍｍ（±２０％の製造誤差）程度であったが、当業者であれば、諸条件に従って理論的な最適長さを計算することができる。

このような光の結合は、アディアバティック結合（ＡｄｉａｂａｔｉｃＣｏｕｐｌｉｎｇ）として知られている。

図２（ｂ）に示すように、シリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイのコア幅は、ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイのコア幅よりも狭い。

本発明の検証においては、ポリマー上に形成された（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイのコア幅が５μｍ（±２０％の製造誤差）程度であり、シリコン（Ｓｉ）チップ上に形成されたシリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイのコア幅が数百ｎｍ〜１μｍ（±３０％の製造誤差）である場合について、検証がされている。

シリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイとポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイとの間では、双方向の光の連絡があるが、互いのコア幅にスケール上の差がある関係から、光の損失の程度において差がある。

ＳｉＷＧの側からＰＷＧの側の方向へと滲み出す光は、ＰＷＧ側において捉え易い。

しかし、ＰＷＧの側からＳｉＷＧ側の方向へと滲み出す光は、相対的にＳｉＷＧ側においては捉え難い。

適切なギャップｇは、上記したコア幅の組合せを採用した場合には、３μｍ（±２０％の製造誤差）程度に設定することが適切であることが検証されている。

もっとも、適切なギャップｇは、連絡させる光の波長やモードフィールド径（ＭＦＤ：ＭｏｄｅＦｉｅｌｄＤｉａｍｅｔｅｒ）の影響も受ける。当業者であれば、適切なギャップｇを設定することができる。

図３は、シリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイと、ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイとの重なり合いにおける整列の重要性を説明する上面図である。

図３（ａ）のように、δｘだけずれただけでも光の連絡において損失が生じる。

図３（ｂ）のように、δθだけずれても（傾いても）光の連絡において損失が生じる。

図３（ｃ）のように、δｘのずれと、δθのずれとが複合して起きると、光の連絡においてより大きな損失が生じることが分かる。

このように、シリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイと、ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイとの重なり合いにおいては、整列がきわめて重要であることが理解できる。

図４は、本発明である、ポリマー上に形成された（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと、シリコン（Ｓｉ）チップ上に形成されたシリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイとを整列させることによって、アディアバティック結合を形成することができる、ポリマー上に形成された凸部と、シリコンチップ上に形成された凹部との組合せ、を示す全体図である。

本発明においては、ポリマー上に形成された（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと、シリコン（Ｓｉ）チップ上に形成されたシリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイとを、それぞれの側において精度良く形成されている凸部と、凹部とに従って、自己整列させる。

凸部と凹部とに従って自己整列させるべく、凸部と凹部とを絶対基準位置として機能させるのが、本発明における要点となっている。

図５は、本発明である、ポリマー上に、（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと凸部とを、精度良く形成する方法、を示す図である。

凸部と凹部とを絶対基準位置として機能させるためには、ポリマー上に、（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと凸部とを、一体的に精度良く作成すればよい。

（１）まず、ポリマー上に（アンダー）クラッド層を形成する。

（２）アライメント基準線に沿って、形成された（アンダー）クラッド層の上方に、第１のマスクを準備する。

（３）第１のマスクを用いるフォトリソグラフィ処理に従って、複数のコア（のアレイ）をクラッド層の上に形成する。

ここで、コア層の材料の屈折率はクラッド層の材料の屈折率よりも大きい。

（４）複数のコアを覆って、複数のコアの材料と同じ系統の材料を用いて、凸部を構成するための基層を形成する。

（５）第１のマスクで準備したときと同じアライメント基準線に沿って、第２のマスク（露光パターンは第１のマスクとは異なる）を準備する。

ここで、同じ（マスク用）アライメント基準線に沿っているため、絶対基準位置として機能する凸部と複数のコア（のアレイ、またはアレイのうちの一つ）との関係が、ｘとして（図４）、δｘ誤差を最小化することができるという点において、精度の良い形成が可能となることが分かる。

（６）第２のマスクを用いるフォトリソグラフィ処理に従って、凸部を形成する。

第１のマスクを用いるフォトリソグラフィ処理に従って形成する複数のコアの材料と、第２のマスクを用いるフォトリソグラフィ処理に従って形成する凸部を構成するための基層とが、共に、同じ系統の材料である、アクリル系、エポキシ系、ポリイミド系などから選択される材料であってよい。

第１のマスクを用いるフォトリソグラフィ処理で用いる現像液・リンス液が、第２のマスクを用いるフォトリソグラフィ処理で用いる現像液・リンス液と同様のものであることが望ましい。

これは、第1のマスクを用いるフォトリソグラフィ処理に従って形成された複数のコアが、第２のマスクを用いるフォトリソグラフィ処理の現像段階において、その形状を確実に維持するためである。また、現像液・リンス液をそのまま流用することができれば、プロセス上の無駄もない。

図６は、本発明として、ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと凸部とを形成するにあたって、フォトリソグラフィによるＰＷＧパターンニングと、ナノインプリントによるＰＷＧパターンニングとについて、各々の優位性を説明する図である。

フォトリソグラフィによるＰＷＧパターンニングおよびナノインプリントによるＰＷＧパターンニングの両方では、凸部における直線状の部分とテーパ状の部分とを設けることができる。

凸部におけるテーパ状の部分の存在は、シリコンチップ上に形成された凹部へのスライド挿入を想定する場合に、スライド挿入が容易になる点で有利である。

フォトリソグラフィによるＰＷＧパターニングでは、凸部の高さ方向の制御は、スピンコート処理により精度よく行うことができる。

ナノインプリントによるＰＷＧパターンニングでは、あらかじめ精密切削加工により形成された金型を用いるため、凸部における高さ方向の制御および高さ方向での複雑な構造形成をサブミクロン精度で実現することができる。このため、面取りの部分を精度良く設けることができる。

凸部における面取りの部分は、シリコンチップ上に形成された凹部への設置挿入または押し込み挿入を想定する場合に、設置または挿入が容易になる点で有利である。

このようにして、フォトリソグラフィあるいはナノインプリントによるＰＷＧパターンニングを利用すると、容易なスライド挿入あるいは押し込み挿入が可能となりかつ、絶対基準位置として機能する凸部と複数のコア（の一つ）との関係が、ｘ（水平方向）およびｙ（垂直方向）において（図４）、δｘおよびδｙ誤差を最小化することができるという点において、精度良く形成することができる。

シリコンチップ上に形成された凹部は、シリコン（Ｓｉ）チップ上に形成されたシリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイと一緒に、エッチング等によって高精度に作製することができる。

図７は、本発明として、ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと凸部とを形成するにあたって、フォトリソグラフィによるＰＷＧパターンニングと、ナノインプリントによるＰＷＧパターンニングとについて、各々の方法を説明する図である。

ナノインプリントによるＰＷＧパターンニングでは、
（１）まず、ポリマーの基層を準備する。代替的に、ガラス基板にポリマーをコートしたものであってもよい。

（２）ポリマーの基層の上に、（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイのコアに対応する凹部と、凸部とに対応する凹部とが用意された、型（パターン）を置く。型（パターン）は、金属の型であってよい。金属の型は精度が出し易いことが知られている。

（３）ポリマー基層を硬化させる。ＵＶ光を露光すればよい。ポリマー（の基層）またはガラス基板がＵＶ透過であればよい。

（４）硬化されたポリマー基層から、型（パターン）を取り除く。

図８は、シリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイと、ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイとを整列させた後、固定する方法および固定された状態を説明する図である。

本発明において実現されたアディアバティック結合を含むパッケージ構造体は、図１において説明した内包関係に従って、製造方法としても実現することができる。

Claims

ポリマー上に形成された（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと、シリコン（Ｓｉ）チップ上に形成されたシリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイとを整列させることによって、アディアバティック結合を形成することができる、ポリマー上に形成された凸部と、シリコンチップ上に形成された凹部との組合せであって、
ポリマー上に形成された凸部は、ＰＷＧアレイが形成されている方向に沿って形成されたものであって、かつ、ＰＷＧアレイの形成のフォトリソグラフィ処理において利用された第１のマスクのアラインメント基準線とそれを同じくする第２のマスク（露光パターンは第１のマスクとは異なる）を用いて形成されたものであり、
シリコンチップ上に形成された凹部は、ＳｉＷＧアレイが形成されている方向に沿って形成されたものである、
ポリマー上に形成された凸部と、シリコンチップ上に形成された凹部との組合せ。
請求項１に記載の組合せを含み、さらに、
それらが、光学エポキシまたはＵＶ接着剤によって固定されている、
その上に凸部が形成されたポリマー、および、その上に凹部が形成されたシリコンチップの組合せ。
請求項２に記載の組合せを含み、さらに、
ポリマーに固定されたＭＴＰコネクターと、
シリコンチップに固定されたインターポーザと、を含み、
これらが、カプセル化されている、
構造体。
請求項３に記載の組合せを含み、さらに、
シリコンチップに固定されたヒートシンクと、
カバープレート（パッケージの外側シェル）と、を含み、
全体がカバープレートによって覆われている、
パッケージ構造体。
ポリマー上に形成された（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイのコア幅が５μｍ（±２０％の製造誤差）程度であり、シリコン（Ｓｉ）チップ上に形成されたシリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイのコア幅が数百ｎｍ〜１μｍ（±３０％の製造誤差）である、
請求項１に記載の組合せ。
シリコン（Ｓｉ）チップ上におけるシリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイとＳｉＷＧが形成されている方向に沿って形成された凹部とに整列させてアディアバティック結合を形成するために、ポリマー上に、（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと、凸部とを、形成する方法であって、
ポリマー上にクラッド層を形成するステップと、
アライメント基準線に沿って、形成されたクラッド層の上方に、第１のマスクを準備するステップと、
第１のマスクを用いるフォトリソグラフィ処理に従って、複数のコアをクラッド層の上に形成するステップであって、コア層の材料の屈折率はクラッド層の材料の屈折率よりも大きい、形成するステップと、
複数のコアを覆って、複数のコアの材料と同じ系統の材料を用いて、凸部を構成するための基層を形成するステップと、
第１のマスクで準備したときと同じアライメント基準線に沿って、第２のマスク（露光パターンは第１のマスクとは異なる）を準備するステップと、
第２のマスクを用いるフォトリソグラフィ処理に従って、凸部を形成するステップと、を有する、
方法。
請求項６に記載の方法であって、さらに、
その上に、シリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイと凹部とが形成された、シリコン（Ｓｉ）チップを準備するステップと、
その上に、（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイと凸部とが形成された、ポリマーを準備するステップと、
アディアバティック結合を形成できる空間的な関係に、シリコンチップとポリマーとを整列させるステップと、
シリコンチップとポリマーとを、光学エポキシまたはＵＶ接着剤によって固定するステップとを有する、
請求項６に記載の方法。
請求項７に記載の方法であって、さらに、
ポリマーに固定されたＭＴＰコネクターを準備するステップと、
シリコンチップに固定されたインターポーザを準備するステップと、
これらをカプセル化するステップとを有する、
請求項７に記載の方法。
請求項８に記載の方法が、さらに、
シリコンチップに固定されたヒートシンクを準備するステップと、
カバープレート（パッケージの外側シェル）を準備するステップと、
全体をカバープレートによって覆うステップとを有する、
請求項８に記載の方法。
ポリマー上に形成された（シングルモード）ポリマー導波路（ＰＷＧ）アレイのコア幅が５μｍ（±２０％の製造誤差）程度であり、シリコン（Ｓｉ）チップ上に形成されたシリコン導波路（ＳｉＷＧ）アレイのコア幅が数百ｎｍ〜１μｍ（±３０％の製造誤差）である、
請求項６に記載の方法。
第１のマスクを用いるフォトリソグラフィ処理に従って形成する複数のコアの材料と、第２のマスクを用いるフォトリソグラフィ処理に従って形成する凸部を構成するための基層とが、共に、
同じ系統の材料である、アクリル系、エポキシ系、ポリイミド系などから選択される材料であって、
第１のマスクを用いるフォトリソグラフィ処理で用いる現像液・リンス液が、第２のマスクを用いるフォトリソグラフィ処理で用いる現像液・リンス液としても、そのまま流用することができるものであることを特徴とする、
請求項６に記載の方法。