JP3665967B2 - レンズ付き光導波路の作製方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光通信等の分野において、例えば発光素子からの光を光導波路に結合させる場合に、良好な結合効率を簡易に得られるようにした光導波路の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来における光導波路と発光素子との光結合構造の一例を示したものであり、基板１０上の一方の側には光導波路２０が形成され、他方の側には発光素子としてレーザダイオード（ＬＤ）３０が搭載されている。
光導波路２０は基板１０上に形成されたアンダークラッド層２１と、そのアンダークラッド層２１上に所定の幅及び高さで形成されたコア２２と、そのコア２２の両側面及び上面を覆うように形成されたオーバークラッド層２３とよりなる。
【０００３】
レーザダイオード３０は基板１０上に形成された電極１１上に例えば位置合わせマーカを使用して高精度に実装されており、レーザダイオード３０と光導波路２０とはこの例では直接結合されたものとなっている。
電極１１に隣接して形成されている電極１２はレーザダイオード３０の上面電極とワイヤボンディングによって接続されるものであり、ワイヤの図示はこの例では省略している。電極１１，１２は例えば金（Ａｕ）よりなる。なお、図３中、１３は半田層を示し、３１はレーザダイオード３０から出射されたレーザ光を示す。
【０００４】
ところで、この図３に示したようなレーザダイオードと光導波路とを直接結合する構造では、レーザダイオードと光導波路との結合部においてモードフィールド径の不整合により、大きな結合損失が生じるため、例えば高出力のレーザ／導波路一体型光モジュールを作製するのは困難となっていた。
これに対し、レーザダイオードと光導波路との間にレンズを配置し、レンズを介してレーザダイオードと光導波路とを高効率に結合する方法もあるが、この場合はレンズと光導波路及びレーザダイオードとの位置合わせ精度が厳しく、アクティブアライメントが必要となるため、その点で組立工数がかかり、コスト高の原因となっていた。
【０００５】
一方、図４は従来提案されている光導波路と発光素子（レーザダイオード）との結合構造を示したものであり、図３と対応する部分には同一符号を付してある。
この例では基板１０上に形成された光導波路２０のレーザダイオード３０と対向する端面に、レーザダイオード３０に向かって凸をなす凸面部２４が形成され、これによりコア２２の端面にレンズ効果を持たせるものとなっている（例えば、特許文献１参照）。
図５はこの凸面部２４を端面に有する光導波路２０の作製工程を順に示したものであり、以下各工程について説明する。
【０００６】
（１）基板１０上にアンダークラッド層２１及びコア層を順に積層形成し、コア層をパターニングしてコア２２を形成する。
（２）コア２２の両側面及び上面を覆うようにオーバークラッド層２３を形成する。
（３）オーバークラッド層２３の上面にエッチングマスク２５を形成する。エッチングマスク２５にはそのエッジに凸部２５ａが形成されている。
（４）エッチングマスク２５を介し、オーバークラッド層２３、コア２２及びアンダークラッド層２１をエッチングする。これにより、光導波路２０の端面に凸面部２４が形成される。
以下、エッチングマスク２５を除去することによって図４に示した端面に凸面部２４を有する光導波路２０が完成する。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−３９５３１号公報（図１−５）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにコアにレンズ（レンズ構造）を一体形成すれば、ディスクリートな部品としてのレンズを配置する場合のような工数のかかるアクティブアライメントは不要となり、よって光導波路と例えばレーザダイオードとを結合させる場合に低コストで結合効率を上げることができるものの、図４及び５に示した従来例では以下に示すような問題があった。
即ち、従来例では図５に示したように、コア２２を形成し、さらにオーバークラッド層２３を形成した後、エッチングマスク２５を用い、エッチングして光導波路２０の端面に凸面部２４を形成するものとなっており、オーバークラッド層２３に埋設されている微細なコア２２に対してエッチングマスク２５の凸部２５ａを高精度に位置合わせしなければならないことから、その位置合わせの精度出しの困難を伴い、また結果としてエッチングマスク２５のズレに起因して良好な性能、結合効率が得られないといった状況が生じうるものとなっていた。
【０００９】
この発明の目的はこの問題に鑑み、コアと一体形成されたレンズを具備するレンズ付き光導波路において、コアとレンズのズレがなく、よって例えばレーザーダイオード等の光学素子との結合において良好な結合効率を簡易に（低コストで）実現できるレンズ付き光導波路の作製方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、基板上にアンダークラッド層を形成する工程と、そのアンダークラッド層上にコア層を成膜後、コアとそのコアの端面から基板板面と平行方向に突出する凸形状をなすレンズとを、コア層を同一マスクを使用したフォトリソグラフィにより一括パターニングして形成する工程と、コア、レンズ及びアンダークラッド層の上にオーバークラッド層を成膜後、レンズの上面と端面とは外部に露出させて覆うことなく、コアの両側面及び上面を覆うようにオーバークラッド層をパターニングする工程とによってレンズ付き光導波路が作製される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明により作製されたレンズ付き光導波路の一構成例とレーザダイオードとの結合構造を示したものであり、図３と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
この例ではコア２２と、コア２２の端面から基板１０の板面と平行方向に突出するように形成されて凸形状をなすレンズ２６とは同一マスクを使用したフォトリソグラフィにより一括パターニングされて一体形成されているものとされる。
【００１２】
また、オーバークラッド層２３はレンズ２６を覆うことなく形成されており、レンズ２６の上面はその端面と共に外部に露出されているものとされる。
図２は光導波路材料として感光性樹脂を使用した場合の、このレンズ２６付きの光導波路２０の作製工程を順に示したものであり、以下図２を参照して各工程を説明する。なお、感光性樹脂としてはアクリル系やエポキシ系のＵＶ硬化型樹脂を用いることができる。また、コア２２とアンダークラッド層２１、オーバークラッド層２３とは例えば比屈折率差Δｎ＝０．３％〜２％程度とされる。
【００１３】
（１）基板１０上にアンダークラッド層２１をスピンコートで成膜し、露光により硬化させる。基板１０には例えばシリコン基板を用いる。
（２）アンダークラッド層２１上にコア層２２′を同様にスピンコートで成膜する。
（３）コア２２及びレンズ２６を同一マスクで一括露光／現像してパターニングする。コア２２は例えば３μｍ〜８μｍ程度の幅及び高さでパターニングされる。レンズ２６はこの例では半円形にパターニングされている。
（４）その上にオーバークラッド層２３をスピンコートする。
（５）レンズ２６を露出させるマスクで露光／現像してオーバークラッド層２３をパターニングする。
【００１４】
以上の工程により、レンズ２６付きの光導波路２０が完成する。
上記において、レンズ２６の上面にオーバークラッド層２３を被せず、露出させるのは、レンズ効果を持たせる目的で外部との比屈折率差を大きくするためである。例えば、ここにオーバークラッド層２３が被っている場合の比屈折率差はΔｎ＝０．３％〜２％程度であるが、外部を空気にすることでΔｎ＝３０％と大きくなる。
なお、上記作製工程ではアンダークラッド層２１、コア層２２′及びオーバークラッド層２３をいずれもスピンコートで塗布・成膜しているが、例えばスピンコートに替えてディップ法を用いることもできる。
【００１５】
上記のようにして作製されたレンズ２６付きの光導波路２０によれば、コア２２に一体化されたレンズ２６はコア２２のパターニングと同時にパターニングされて形成されているため、コア２２との位置ズレは発生しない。
従って、このレンズ２６付きの光導波路２０に対して、図１に示したようにレーザダイオード３０を結合させた場合、光導波路２０とレーザダイオード３０との良好な結合効率が得られ、レーザダイオード３０から出射されたレーザ光３１はレンズ２６でコリメートされ、効率良くコア２２に入射する。
レンズ２２はレーザ光３１の光ビームの横方向（基板１０の板面と平行方向）については、光導波路２０のモードフィールド径をレーザダイオード３０のモードフィールド径に変換するように、その半径Ｒを決定することができる。即ち、半径Ｒが決まると焦点距離ｆが決定されるが、これらにつき、レーザダイオード３０の横方向の開口角に対して整合する最適の値が存在する。
【００１６】
一方、この例では横方向のみレンズ効果を持たせていることから、縦方向については光導波路２０端面の開口角どおりに光導波路２０からの距離に比例して光導波路２０のフィールド径が広がる一方となっている。従って、縦方向については図３記載のようなレンズを含まない従来例での縦方向に関するレーザダイオード３０と光導波路２０間の最適距離がそのまま最適となる。この縦方向に関する最適距離と上記横方向に関する最適距離（ｆ）とは一般に一致しないので、この両者の中間から総合的な光量について有利な距離及びレンズ半径Ｒを適宜選ぶ。
【００１７】
なお、上述した実施例では光導波路材料としてＵＶ硬化型の感光性樹脂を使用しているが、光導波路材料はこれに限らず、例えばポリイミド等の有機材料を用いることもできる。
この場合、コア２２とレンズ２６との一括パターニングは、ポリイミドで構成されたコア層２２′の上にプラズマ耐性のレジストをスピンコートし、そのレジストをコア２２及びレンズ２６形状を有するマスクを使って露光／現像し、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によりレジストをマスクとしてコア層２２′をプラズマエッチングすることにより行われる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によればコアとレンズは同一フォトリソグラフィにより一括パターニングされて一体形成されているため、レーザダイオード等の光学素子との結合において、ディスクリートなレンズを用いる場合のような面倒な位置合わせは不要となり、よって低コストで良好な結合効率が得られるものとなる。
さらに、図４に示したような光導波路の端面に凸面部を形成し、レンズ効果を端面に持たせた従来の光導波路の構成と異なり、コアとレンズとの位置がズレるといったことが生じないため、その点でこの発明によればレンズをコアに対し、極めて高精度かつ簡易に配置することができる。
なお、マスクの設計により、任意の形状のレンズを簡単に作製できるため、用途に応じ、最適なレンズ付き光導波路を簡易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明により作製されたレンズ付き光導波路とレーザダイオードとの結合構造を示す図、Ａは平面図、Ｂは側面図。
【図２】 図１のレンズ付き光導波路の作製工程を説明するための図。
【図３】 従来の光導波路とレーザダイオードとの結合構造を示す図、Ａは平面図、Ｂは側面図。
【図４】 従来提案されている光導波路とレーザダイオードとの結合構造を示す斜視図。
【図５】 図４の端面に凸面部を有する光導波路の作製工程を説明するための図。

Claims (1)

1. 基板上にアンダークラッド層を形成する工程と、
   そのアンダークラッド層上にコア層を成膜後、コアとそのコアの端面から上記基板板面と平行方向に突出する凸形状をなすレンズとを、コア層を同一マスクを使用したフォトリソグラフィにより一括パターニングして形成する工程と、
   上記コア、レンズ及びアンダークラッド層の上にオーバークラッド層を成膜後、上記レンズの上面と端面とは外部に露出させて覆うことなく、上記コアの両側面及び上面を覆うようにオーバークラッド層をパターニングする工程とよりなることを特徴とするレンズ付き光導波路の作製方法。

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