JP3858460B2 - Optical signal transmission system and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路を有する光信号伝送システムにおいて、面発光素子や面受光素子を用いる場合にも入出力光の結合効率を向上させ、安定な光信号伝送を可能とする構造、およびこれを簡便に製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
IC技術やLSI技術の進歩によりこれらの動作速度や集積規模が向上し、マイクロプロセッサにの高性能化やメモリ・チップの大容量化が急速に進展している。このような状況下では、信号配線の高速・高密度化や電気配線遅延が上記高性能化のネックとなっている。この問題を解消し得る技術として、光インターコネクション(光配線)が注目されている。
光配線は、機器装置間、機器装置内のボード間、ボード内のチップ間等、様々な階層に適用可能と考えられているが、たとえばチップ間のように比較的短距離の信号伝送には光導波路を伝送路とする光信号伝送システムが有効である。
【0003】
ここで、光導波路を使用した光配線をたとえばLSI間を結ぶマルチチップモジュール(MCM)用の伝送路に応用する場合、従来からよく用いられている端面発光型のレーザ・ダイオード(LD)や発光ダイオード(LED)を送信側の発光素子とする場合には、光導波路の入射端面の至近にこの発光素子を配することができる。しかし、省電力化や面アレイ化に有利な縦キャビティ型面発光レーザ(VCSEL)等の面発光型のレーザ・ダイオードを発光素子として使用する場合には、上記のような配置をとることは構造上困難である。
さらに、受光素子としてフォトダイオードを用いる場合、これは面受光素子であるため、やはり光導波路の出射端面の至近に配することは困難である。
【0004】
この解決策のひとつとして、図12に示されるように、発光素子と受光素子とを光導波路の上方に配し、この光導波路も含めた基体の厚み方向と基板の面内方向との間でミラー部材を用いて光路を曲げる構成とした光信号伝送システムが知られている。
図12において、基板31上にはその面内方向に延在される光導波路が形成されている。この光導波路は、コア33をこれより屈折率の低い材料からなるクラッド32で包囲したものである。上記クラッド32は、製法上は下部クラッド層32L と上部クラッド層32U に分けて形成される。コア33の入射端側と出射端側には、基板面からたとえば45°傾斜された光反射面を有する入射側ミラー34と出射側ミラー35が配され、これらの上方にそれぞれ発光素子36と受光素子37とが配されている。
【0005】
上記発光素子36は、発光面を下向きにしてクラッド32の上面に実装されている。この発光素子36から放出された光は、図中矢印で示されるように、まずクラッド32内を基体の厚み方向(下降方向)に進み、続いて入射側ミラー34で反射されてコア33に入射され、該コア33中を伝搬した後、出射側ミラー35で反射されて進行方向を基体の厚み方向(上昇方向)に進み、受光素子37に入射する。なお、図12では上記コア33中を光が直進するように描かれているが、これはあくまでも図示の便宜上のことであって、実際には所定の臨界角の範囲内で入射した光がコア33とクラッド32との界面で全反射を繰り返しながら伝搬することは言うまでもない。
【0006】
かかる光信号伝送システムの光導波路を高分子材料を用いて形成する場合の製造プロセスは、概略下記のとおりである。
まず、図10に示されるように、シリコンやガラス等の材料からなる基板31上に、たとえばスピンコートおよび熱処理により下部クラッド層32L 、および該下部クラッド層32L よりも屈折率の高いコア層をこの順に積層し、次にこのコア層をパターニングしてコア33を形成する。このパターニングは、たとえば図示されないメタル・マスクを介したドライエッチングにより行われる。
【0007】
次に、図11に示されるように、上記コアの入射端側と出射端側に入射側ミラー34と出射側ミラー35を配置する。この両ミラー34,35について、図11では三角形の断面形状を有する適当な基材の傾斜面上に反射膜が被着されているように図示されているが、これも便宜的な表現であり、反射膜を形成することなく基材の傾斜面をそのまま反射面として用いても良い。また、この基材をコア33と同一の材料層を用いて形成する場合には、前掲の図10に示した段階において、コア33の両端にこの基材となる部分を残しておくこともできる。
さらに、基体の全面にたとえばスピンコートおよび熱処理を経て上部クラッド層32U を平坦に形成する。この上部クラッド層32U は下部クラッド層32L と同じ材料からなり、該下部クラッド層32L と共働してコア33を取り囲むクラッド32を構成するものである。
この後、このクラッド32の上面において、入射側ミラー34と出射側ミラー35と対面する位置にそれぞれ発光素子36と受光素子37とを実装すれば、前掲の図12に示した光信号伝送システムを構成することができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発光素子36からの光はある程度の発散角を有して放射され、またコア33の出射端からの光もある程度の発散角をもって出射される。このため、光信号伝送システムの構成要素間における光の結合効率を高めるためには、発光素子36と入射側ミラー34との間の距離、および出射側ミラー35と受光素子37との間の距離を、上記の発散角に合わせて最適化する必要がある。
【0009】
しかし、仮にあるひとつの導波路に対してかかる最適化が行われたとしても、積層型の光信号伝送システムにおいては、各層の間で結合効率が異なるという問題が生ずる。この問題について、図13を参照しながら説明する。
図13は、3層の光導波路が基体の厚み方向に積層された光信号伝送システムの一例である。基板41側の直上の層である第1層の構成要素はクラッド42a、コア43a、入射側ミラー44a、出射側ミラー45a; その上の第2層の構成要素はクラッド42b、コア43b、入射側ミラー44b、出射側ミラー45b; さらにその上の第3層の構成要素はクラッド42c、コア43c、入射側ミラー44c、出射側ミラー45cとされている。また、クラッド42cの上面には、これら各層に対応する発光素子46a,46b,46cと受光素子47a,47b,47cがそれぞれ配列されている。これら光信号伝送システムの各構成要素は、いずれも互いに他層の光結合を妨害しないような空間配置にしたがっている。
【0010】
ここで、発光素子46a,46b,46cの性能がすべて同一であって等しい光の発散角を有し、また受光素子47a,47b,47cの性能がすべて同一であって等しい受光感度を有する場合、光路長の長い層ほど結合効率が低下してしまう。すなわち、第3層において発光素子46cからの光が効率良くコア43cを通じて受光素子47cまで到達することができても、第2層では発散角の影響でコアに43bに導入される光が減少するために、受光素子47bへの光入射量が減少する。かかる結合効率の低下は、さらに光路長の長い第1層については一層深刻化してしまう。
そこで本発明は、光の結合効率を改善すると共に、光導波路が積層された場合にもその光路長依存性を解消し、安定した信号伝送を可能とする光信号伝送システムと、その簡便な製造方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の光信号伝送システムは、基板の面内方向に延在される光導波路内の入射端側と出射端側にそれぞれ設けられたミラー部材を用いて該光導波路の内部における光の進行方向と該光導波路の前後段における伝搬光の進行方向とを変換するようになされたものであって、発光素子から入射側ミラー部材へ至る光路、あるいは出射側ミラー部材から受光素子へ至る光路の少なくとも一方の中途部に、光導波路のクラッド部と屈折率の異なる材料からなる伝搬制御層を介在させ、かつこの伝搬制御層と該クラッド部との界面に入射側ミラー部材、あるい受光素子の少なくとも一方に向けて伝搬光を収束させ得る形状を与えることにより、結合効率を高めるようになされたものである。
【0012】
上記光信号伝送システムの構造として、特に製造プロセスの観点から達成容易であると考えられるものは、伝搬制御層とクラッド部との間の界面が入射側ミラー部材、あるいは出射側ミラー部材の少なくとも一方に向かって凸面とされ、しかも伝搬制御層の屈折率がクラッド部の屈折率よりも大とされる構造である。なぜなら、かかる凸面は、クラッドの表層部を選択的に除去すれば形成できるからである。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の光信号伝送システムは、発光素子から入射側ミラー部材へ至る光路、または出射側ミラー部材から前記受光素子へ至る光路、もしくはこれら両方の光路の中途部に介在される伝搬制御層の屈折率による効果と、該伝搬制御層と該クラッド部との界面形状の効果との組合せにより、該クラッド部を含めた基体の厚み方向における伝搬光の収束性を向上させるものである。伝搬制御層は上記の光路のいずれか一方の中途部に介在されていてもよく、片方だけでも結合効率はある程度向上する。しかし、両方の光路に介在されている場合の方がシステム全体の結合効率を高め得ることは自明である。また、基体上における最も一般的な薄膜の形成プロセスでは、特にパターニングを行わない限り該薄膜は基体の全面に積層されるので、伝搬制御層をクラッド部の表面の全面に積層すれば、この層は必然的に両方の光路上に介在されることになる。
【0014】
上記伝搬制御層は、屈折率の異なるクラッド部と直接に接触して界面を形成し得る限りにおいて、光路のいかなる場所に介在されていても構わない。したがって、伝搬制御層が必ずしも基体の最表層部を構成する必要はない。
光路に重複する部分の上記界面の形状は、伝搬制御層とクラッド部との屈折率の大小関係によって異なる。すなわち、伝搬制御層の屈折率がクラッド部の屈折率よりも大きい場合には、上記界面を入射側ミラー、または出射側ミラー、あるいはこれらの両方に向かって凸面とする。逆に、伝搬制御層の屈折率がクラッド部の屈折率よりも小さい場合には、上記界面を発光素子、または受光素子、あるいはこれらの両方に向かって凸面とする。
【0015】
ところで、光導波路を構成するクラッド部とコア部、さらに本発明において設けられる伝搬制御層に要求される条件としては、透明性が高く導波損失が少ないこと、屈折率や体積の経時変化が少ないこと、発光・受光素子のはんだ実装を考慮して耐熱性に優れること、が挙げられる。これらの条件を満たす材料として、無機材料では石英、有機材料ではエポキシ系やアクリル系等の紫外線硬化樹脂、ポリイミド等の高分子材料が知られている。特に高分子材料は、コストが低く、低温プロセスによる作製が可能で、しかも大面積化への対応も容易であるといったメリットを有する。
【0016】
伝搬制御層とクラッド部との界面を入射側ミラーまたは出射側ミラーの少なくとも一方に向かって凸面とする場合には、クラッド部の表層部に何らかの方法で凹面部を形成すればよい。
かかる凹面部の形成方法としては、大別して等方的なエッチングによりクラッド部の表層部を除去する方法と、選択露光と現像を組み合わせる方法とが考えられる。
等方的なエッチングを行う場合には、クラッド部の表面において、入射側ミラー部材、または出射側ミラー部材の上方の少なくとも一方に開口を有するエッチング・マスクを形成し、この開口内に表出する該クラッド部の表層部を除去する。等方的なエッチングは適当なエッチング液を用いたウェットエッチング、あるいはラジカル反応を主体とするドライエッチングにより典型的に行うことができる。
【0017】
一方、選択露光と現像により凹面部を形成するには、クラッド部がフォトレジストに代表される感光性材料により構成されていることが前提となる。しかも、露光による光化学反応の進行部位をクラッド部の表層部に限定させることを考慮すると、露光部において低分子化が進行するポジ型の感光材料を用いることが実用上特に好適である。
【0018】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
【0019】
実施例1
ここでは、クラッド部よりも屈折率の高い伝搬制御層を有し、かつクラッド部と伝搬制御層との界面が入射側ミラーおよび出射側ミラーに向かって凸面とされた光信号伝送システムの一構成例について、図1を参照しながら説明する。
図1において、基板1上にはその面内方向に延在される光導波路が形成されている。この光導波路は、コア3をこれより屈折率の低い材料からなるクラッド2で包囲したものである。上記クラッド2は、製法上は下部クラッド層2L と上部クラッド層2U に分けて形成されたものである。コア3の入射端側と出射端側には、基板面からたとえば45°傾斜された光反射面を有する入射側ミラー4と出射側ミラー5が配されている。
【0020】
上記クラッド2の上には高屈折率伝搬制御層6が積層されている。クラッド2と高屈折率伝搬制御層6との界面には、それぞれ上記入射側ミラー4および出射側ミラー5に向かって凸面部が形成されている。これら凸面部は、クラッド2の表面を基準として考えれば凹面部、つまり入射側凹面部7と出射側凹面部8である。さらに、上記の高屈折率伝搬制御層6の表面において、上記入射側凹面部7に対応する部位には発光素子9、上記出射側凹面部8に対応する部位には受光素子10がそれぞれ配されている。
【0021】
上記発光素子9は、発光面を下向きにして高屈折率伝搬制御層6の上面に装着されている。この発光素子9から放出された光は、図中矢印で示されるように、一定の発散角をもって高屈折率伝搬制御層6の内部を伝搬するが、入射側凹面部7に達したところで屈折し、ほぼ平行に収束された伝搬光となってクラッド2中を伝搬する。伝搬光は入射側ミラー4で反射されてコア3に入射し、該コア3中を伝搬した後、出射側ミラー5で反射されて再びクラッド2中を基体の厚み方向(上昇方向)に伝搬する。この間にも伝搬光は若干発散するが、出射側凹面部8に達したところで屈折し、収束されながら高屈折率伝搬制御層6中を伝搬し、受光素子10に入射する。
【0022】
なお、図1では上記コア3中を光が直進するように描かれているが、これはあくまでも図示の便宜上のことであって、実際には所定の臨界角の範囲内で入射した光がコア3とクラッド2との界面で全反射を繰り返しながら伝搬することは言うまでもない。
このように、上記の光信号伝送システムによれば、光導波路の前段と後段でそれぞれ伝搬光が収束されるため、発光素子9と光導波路の結合効率、および光導波路と受光素子10との結合効率が改善された。
【0023】
実施例2
ここでは、高屈折率伝搬制御層とクラッド部との界面に凹面部を設けた構造を3段階に積層した積層型の光信号伝送システムの一構成例について、図2を参照しながら説明する。
図2は、3層の光導波路が基体の厚み方向に積層された光信号伝送システムの一例である。基板11側の直上の層である第1層の構成要素はクラッド12a、コア13a、入射側ミラー14a、出射側ミラー15aおよび高屈折率伝搬制御層16a; その上の第2層の構成要素はクラッド12b、コア13b、入射側ミラー14b、出射側ミラー15bおよび高屈折率伝搬制御層16b; さらにその上の第3層の構成要素はクラッド12c、コア13c、入射側ミラー14c、出射側ミラー15cおよび高屈折率伝搬制御層16cとされている。
【0024】
各層において、クラッド12a,12b,12cと高屈折率伝搬制御層16a,16b,16cとの各界面には、入射側凹面部17a,17b,17cおよび出射側凹面部18a,18b,18cがそれぞれ形成されている。図2に示される例では、作製を容易とするために、各層における凹面部の形成パターンをすべて共通としてある。
また、最上層の高屈折率伝搬制御層16cの上面には、これら各層に対応する発光素子19a,19b,19cと受光素子20a,20b,20cがそれぞれ配列されている。これら光信号伝送システムの各構成要素は、いずれも互いに他層の光結合を妨害しないような空間配置にしたがっている。
【0025】
かかる構成において、発光素子19aからの光は3カ所の入射側凹面部17c,17b,17aと3層のクラッド12c,12b,12aを通過し、入射側ミラー14aで進路を曲げられて第1層の光導波路のコア13aを通過し、出射側ミラー15aにより反射され、3カ所の出射側凹面部18a,18b,18cと3層のクラッド12a,12b,12cを通過して受光素子20aに受光される。
同様に、発光素子19bからの光は、第2層の光導波路の前段で2カ所の入射側凹面部17c,17bを通過し、また後段で2カ所の出射側凹面部18b,18cを通過する。
発光素子19cからの光は、第3層の光導波路の前段で1カ所の入射側凹面部17cを通過し、また後段で1カ所の出射側凹面部18cを通過する。
つまり、基体の表面から深い層にある光導波路に導入される光ほど、光導波路の前段および後段において多数の凹面部を通過し、そのたびに伝搬光は収束されることになる。したがって、従来のような結合効率の光路長依存性が解消され、どの深さの層においても良好な結合効率が達成される。
【0026】
なお、図2に示した例では、作製の容易さを念頭に置き、各層における凹面部の形成パターンをすべて共通としたために、層によっては上側の層のミラーに遮蔽されて光の収束に全く寄与していない凹面部も備えている。そこで、各層ごとに凹面部の形成パターンを変え、光の収束に寄与しない部位の凹面部を最初から形成しないようにしてもよい。
その一方で、基体の表面から深い部位にある光導波路を通過する伝搬光は、同じ形の凹面部を何カ所も通過することになる。これでももちろん構わないが、高屈折率伝搬制御層の屈折率や凹面部の曲率を各層ごとに最適化することにより、通過すべき凹面部の数を減らすことも可能である。
【0027】
実施例3
ここでは、前掲の図1に示した光信号伝送システムの光導波路および高屈折率伝搬制御層6の構成材料として高分子材料を用い、凹面部をエッチングで形成する場合の製造プロセスについて、図3ないし図6を参照しながら説明する。
まず、図3に示されるように、シリコンやガラス等の材料からなる基板1上に、たとえばポリメチルメタクリレートのスピンコートおよび熱処理を経て下部クラッド層2L 、および該下部クラッド層2L よりも屈折率の高いコア層をこの順に積層し、次にこのコア層をパターニングしてコア3を形成した。このパターニングは、たとえば図示されないメタル・マスクを介したドライエッチングにより行われる。
【0028】
次に、図4に示されるように、上記コアの入射端側と出射端側に入射側ミラー4と出射側ミラー5を形成した。この両ミラー4,5について、図4では三角形の断面形状を有する適当な基材の傾斜面上に反射膜が被着されているように図示されているが、これも便宜的な表現であり、反射膜を形成することなく基材の傾斜面をそのまま反射面として用いても良い。また、この基材をコア3と同一材料層を用いて形成する場合には、前掲の図3に示した段階において、コア3の両端にこの基材となる部分を残しておくこともできる。
さらに、基体の全面にたとえばスピンコートおよび熱処理を経て上部クラッド層2U を平坦に形成する。この上部クラッド層2U は下部クラッド層2L と同じ材料からなり、該下部クラッド層2L と共働してコア3を取り囲むクラッド2を構成するものである。
【0029】
次に、図4に示されるように、上記クラッド2の上面にたとえばAl,Ti等の金属材料からなるエッチング・マスク21を形成した。このエッチング・マスク21には、入射側ミラー4および出射側ミラー5の上方において開口22が設けられている。
次に、たとえば酸素プラズマを用いた等方的なエッチングを行って上記開口22の内部に表出するクラッド2の表層部を除去し、図5に示されるように、入射側凹面部7と出射側凹面部8とを形成した。
次に、図6に示されるように、エッチング・マスク21を剥離した後、基体の全面にクラッド2を構成するポリメチルメタクリレートよりも屈折率の高い高分子材料をスピンコートし、熱処理を経てこれを硬化させることにより、高屈折率伝搬制御層6を平坦に形成した。
この後、高屈折率伝搬制御層6の表面において、入射側凹面部7の上方に発光素子9、出射側凹面部8の上方に受光素子10を実装し、前掲の図1に示したような光信号伝送システムを作製した。
【0030】
実施例4
ここでは、クラッド2の構成材料として感光性高分子材料を使用し、入射側凹面部7と出射側凹面部8とをフォトリソグラフィと現像処理で形成する方法について、図7および図8を参照しながら説明する。
まず、図7に示されるように、上部クラッド層2U の形成までを上述の実施例3と同様に行った。ただし、下部クラッド層2L と上部クラッド層2U はポジ型感光性ポリイミドを用いて形成した。
次に、フォトマスクPMを介して上部クラッド層2L の一部をたとえばg線を用いて選択的に露光した。このフォトマスクPMは、透明なマスク基板23上にたとえばCr膜からなる遮光層が所定のパターンをもって形成されたものであり、入射側ミラー4と出射側ミラー5の上方部分に露光光hνを照射するための開口25が設けられている。このときの露光は、コンタクト露光でもプロキシミティ露光でもよい。ただし、クラッド2の厚み全体を感光させてはならないので、露光量は慎重に設定した。
【0031】
次に、アルカリ現像液を用いて現像を行ったところ、光化学反応により低分子化した露光部が溶解され、図8に示されるように入射側凹面部7と出射側凹版部8とが形成された。この後の高屈折率伝搬制御層6の形成、発光素子9と受光素子の10の実装は、実施例3と同様に行った。
【0032】
実施例5
ここでは、クラッドよりも屈折率の低い伝搬制御層を設け、かつクラッドと伝搬制御層の界面が発光素子および受光素子に向かって凸面とされた光信号伝送システムについて、図9を参照しながら説明する。
図9において、基板1上にはその面内方向に延在される光導波路が形成されている。この光導波路は、コア3をこれより屈折率の低い材料からなるクラッド26で包囲したものである。上記クラッド26は、製法上は下部クラッド層26L と上部クラッド層26U に分けて形成されたものである。コア3の入射端側と出射端側には、実施例1と同様、入射側ミラー4と出射側ミラー5が配されている。
【0033】
上記クラッド26の上には低屈折率伝搬制御層27が積層されており、さらにこの低屈折率伝搬制御層27の表面には、入射側ミラー4の上方位置に発光素子9が発光面を下向きにして実装され、また出射側ミラー5の上方位置に受光素子10が受光面を下向きにして実装されている。
クラッド2と高屈折率伝搬制御層6との界面は、それぞれ上記発光素子9および受光素子10に向かって凸面とされている。すなわち、入射側凸面部28と出射側凸面部29が形成されている。
【0034】
かかる構成において、上記発光素子9から放出された光は、図中矢印で示されるように、一定の発散角をもって低屈折率伝搬制御層27の内部を伝搬するが、入射側凸面部28に達したところで屈折し、ほぼ平行に収束された伝搬光となってクラッド26を伝搬する。伝搬光は入射側ミラー4で反射されてコア3に入射し、該コア3中を伝搬した後、出射側ミラー5で反射されて再びクラッド26中を基体の厚み方向(上昇方向)に伝搬する。この間にも伝搬光は若干発散するが、出射側凸面部29に達したところで屈折し、収束されながら低屈折率伝搬制御層27中を伝搬し、受光素子10に入射する。
このように、上記の光信号伝送システムによれば、光導波路の前段と後段でそれぞれ伝搬光が収束されるため、発光素子9と光導波路の結合効率、および光導波路と受光素子10との結合効率が改善された。
【0035】
なお、上記の入射側凸面部28および出射側凸面部29の形成方法としては、たとえばクラッド26と同じ構成材料を用いて凸レンズ状に形成した部材を平坦な上部クラッド層26U の上面に貼り付ける方法、レーザ・アブレージョンでクラッド表面に対して直接的な形状加工を行う方法、低屈折率伝搬制御層27に等方性エッチングやフォトリソグラフィにより凹面部を形成しておき、この凹面部にクラッド26と同じ材料を埋め込む方法が可能である。
【0036】
以上、本発明を5例の実施例にもとづいて説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、たとえば光導波路やミラー部材の加工方法、光導波路の積層数、凸面部や凹面部の配置等の細部については、適宜変更、選択、組合せが可能である。
【0037】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば、光導波路の端面の至近に実装することが困難な面発光素子や面受光素子を用い、その結果として基体の厚み方向に光を伝搬させる必要がある光信号伝送システムにおいても、この厚み方向に介在される材料層の屈折率と界面形状の制御により伝搬光を収束させることができる。したがって、システム内の各構成要素間の入出力光の結合効率を向上させ、安定した光信号伝送が可能となる。これにより、結合効率の光路長依存性が解消されるので、積層型の光信号伝送システムの性能や信頼性も改善される。上記の界面形状は、等方性エッチングやフォトリソグラフィにより自己整合的に形成することができるので、上記光信号伝送システムの製造は容易である。
したがって、本発明は様々な電子機器における信号配線の高速・高密度化の間接的支援となるものであり、その産業上の価値は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光信号伝送システムの一構成例を示す模式的断面図である。
【図2】光導波路を複数層積層した本発明の光信号伝送システムの一構成例を示す模式的断面図である。
【図3】図1の光信号伝送システムの製造方法において、入射側ミラーと出射側ミラーを備えた光導波路が形成された状態を示す模式的断面図である。
【図4】図3のクラッドの上でエッチング・マスクをパターニングした状態を示す模式的断面図である。
【図5】図4のエッチング・マスクを介してクラッドの表層部をエッチングすることにより、入射側凹面部と出射側凹面部とを形成した状態を示す模式的断面図である。
【図6】図5のクラッドの上面に高屈折率伝搬制御層を積層した状態を示す模式的断面図である。
【図7】本発明の光信号伝送システムの製造方法の他の例において、ポジ型感光性高分子材料からなるクラッドにフォトマスクを介して選択露光を行っている状態を示す模式的断面図である。
【図8】図7のクラッド層を現像して入射側凹面部と出射側凹面部とを形成した状態を示す模式的断面図である。
【図9】クラッドの表面に凸面部を設け、かつその上に低屈折率伝搬制御層を積層した本発明の光信号伝送システムの他の構成例を示す模式的断面図である。
【図10】従来の光信号伝送システムの製造方法において、下部クラッド層の上でコアをパターニングした状態を示す模式的断面図である。
【図11】図10のコアの入出力端に入射側ミラーと出射側ミラーを配し、上部クラッド層を積層して光導波路を完成した状態を示す模式的断面図である。
【図12】図11の光導波路に発光素子と受光素子とを組み合わせて構成された従来の光信号伝送システムの構成例を示す模式的断面図である。
【図13】光導波路を複数層積層した従来の光信号伝送システムの一構成例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
1…基板 2,12a,12b,12c,26…クラッド 2L ,26L …下部クラッド層 2U ,26L …上部クラッド層 3,13a,13b,13…コア4,14a,14b,14c…入射側ミラー 5,15a,15b,15c…出射側ミラー 6,16a,16b,16c…高屈折率伝搬制御層 7,17a,17b,17c…入射側凹面部 18,18a,18b,18c…出射側凹面部 9,19a,19b,19c…発光素子 20,20a,20b,20c…受光素子 21…エッチング・マスク 27…低屈折率伝搬制御層 28…入射側凸面部 29…出射側凸面部 PM…フォトマスク
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical signal transmission system having an optical waveguide, a structure that improves the coupling efficiency of input / output light even when a surface light emitting element or a surface light receiving element is used, and enables stable optical signal transmission, and a simple structure thereof. It relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
With the advancement of IC technology and LSI technology, these operating speeds and integration scales have improved, and high performance in microprocessors and large capacity of memory chips are rapidly progressing. Under such circumstances, the high-speed and high-density signal wiring and the electrical wiring delay are the bottleneck to the above-mentioned high performance. As a technology that can solve this problem, optical interconnection (optical wiring) has attracted attention.
Optical wiring is considered to be applicable to various layers, such as between equipment devices, between boards in equipment equipment, between chips in boards, etc. For example, for signal transmission over a relatively short distance, such as between chips. An optical signal transmission system using an optical waveguide as a transmission line is effective.
[0003]
Here, when an optical wiring using an optical waveguide is applied to, for example, a transmission path for a multi-chip module (MCM) connecting LSIs, an edge-emitting laser diode (LD) or a light emitting device that is often used conventionally is used. When a diode (LED) is used as a light emitting element on the transmission side, the light emitting element can be disposed in the vicinity of the incident end face of the optical waveguide. However, when a surface emitting laser diode such as a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), which is advantageous for power saving and surface array, is used as a light emitting element, the above arrangement is a structure. It is difficult.
Further, when a photodiode is used as the light receiving element, since it is a surface light receiving element, it is also difficult to dispose it near the exit end face of the optical waveguide.
[0004]
As one of the solutions, as shown in FIG. 12, the light emitting element and the light receiving element are arranged above the optical waveguide, and between the thickness direction of the substrate including the optical waveguide and the in-plane direction of the substrate. There is known an optical signal transmission system configured to bend an optical path using a mirror member.
In FIG. 12, an optical waveguide extending in the in-plane direction is formed on the substrate 31. In this optical waveguide, a core 33 is surrounded by a clad 32 made of a material having a lower refractive index. The clad 32 is formed by dividing it into a lower clad layer 32L and an upper clad layer 32U. On the incident end side and the emission end side of the core 33, an incident side mirror 34 and an emission side mirror 35 having a light reflection surface inclined by, for example, 45 ° from the substrate surface are disposed, and above these, a light emitting element 36 and a light receiving element, respectively. An element 37 is arranged.
[0005]
The light emitting element 36 is mounted on the upper surface of the clad 32 with the light emitting surface facing downward. The light emitted from the light emitting element 36 first travels in the clad 32 in the thickness direction (downward direction) of the substrate, and then is reflected by the incident side mirror 34 and enters the core 33 as indicated by an arrow in the figure. Then, after propagating through the core 33, the light is reflected by the output side mirror 35, travels in the traveling direction in the thickness direction (upward direction) of the substrate, and enters the light receiving element 37. In FIG. 12, the light is drawn so that the light travels straight through the core 33. However, this is merely for the convenience of illustration, and in actuality, light incident within a predetermined critical angle range is shown. Needless to say, it propagates while repeating total reflection at the interface between the clad 33 and the clad 32.
[0006]
The manufacturing process when the optical waveguide of such an optical signal transmission system is formed using a polymer material is roughly as follows.
First, as shown in FIG. 10, a lower clad layer 32L and a core layer having a higher refractive index than the lower clad layer 32L are formed on a substrate 31 made of a material such as silicon or glass by spin coating and heat treatment, for example. The cores 33 are sequentially laminated, and then the core layer is patterned to form the cores 33. This patterning is performed, for example, by dry etching through a metal mask (not shown).
[0007]
Next, as shown in FIG. 11, the entrance side mirror 34 and the exit side mirror 35 are arranged on the entrance end side and the exit end side of the core. The mirrors 34 and 35 are shown in FIG. 11 as having a reflective film deposited on an inclined surface of an appropriate base material having a triangular cross-sectional shape, but this is also a convenient expression. The inclined surface of the base material may be used as the reflective surface as it is without forming a reflective film. Further, when the base material is formed by using the same material layer as that of the core 33, it is possible to leave portions to be the base material at both ends of the core 33 in the stage shown in FIG. .
Further, the upper cladding layer 32U is formed flat on the entire surface of the substrate by, for example, spin coating and heat treatment. The upper clad layer 32U is made of the same material as the lower clad layer 32L, and constitutes the clad 32 surrounding the core 33 in cooperation with the lower clad layer 32L.
Thereafter, if the light emitting element 36 and the light receiving element 37 are mounted on the upper surface of the clad 32 at positions facing the incident side mirror 34 and the outgoing side mirror 35, respectively, the optical signal transmission system shown in FIG. Can be configured.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, light from the light emitting element 36 is emitted with a certain divergence angle, and light from the exit end of the core 33 is also emitted with a certain divergence angle. Therefore, in order to increase the light coupling efficiency between the components of the optical signal transmission system, the distance between the light emitting element 36 and the incident side mirror 34 and the distance between the emission side mirror 35 and the light receiving element 37. Must be optimized for the divergence angle.
[0009]
However, even if such optimization is performed on a single waveguide, there is a problem in that the coupling efficiency differs between layers in the stacked optical signal transmission system. This problem will be described with reference to FIG.
FIG. 13 shows an example of an optical signal transmission system in which three-layer optical waveguides are laminated in the thickness direction of the substrate. The components of the first layer, which is the layer immediately above the substrate 41, are the clad 42a, the core 43a, the incident side mirror 44a, and the output side mirror 45a; the components of the second layer above it are the clad 42b, the core 43b, and the incident side. The components of the third layer above the mirror 44b and the exit side mirror 45b are a clad 42c, a core 43c, an entrance side mirror 44c, and an exit side mirror 45c. Further, light emitting elements 46a, 46b, 46c and light receiving elements 47a, 47b, 47c corresponding to these layers are arranged on the upper surface of the clad 42c. Each component of these optical signal transmission systems follows a spatial arrangement that does not interfere with optical coupling in other layers.
[0010]
Here, when the performances of the light emitting elements 46a, 46b, 46c are all the same and have the same light divergence angle, and the performances of the light receiving elements 47a, 47b, 47c are all the same and have the same light receiving sensitivity, The coupling efficiency decreases as the optical path length increases. In other words, even if the light from the light emitting element 46c can efficiently reach the light receiving element 47c through the core 43c in the third layer, the light introduced into the core 43b is reduced in the second layer due to the divergence angle. Therefore, the amount of light incident on the light receiving element 47b is reduced. Such a decrease in coupling efficiency becomes more serious for the first layer having a longer optical path length.
Therefore, the present invention improves the optical coupling efficiency and eliminates the optical path length dependency even when the optical waveguides are laminated, and an optical signal transmission system that enables stable signal transmission, and simple manufacturing thereof. It aims to provide a method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The optical signal transmission system of the present invention uses the mirror members provided on the incident end side and the emission end side in the optical waveguide extending in the in-plane direction of the substrate, and the light traveling direction in the optical waveguide And a traveling direction of propagating light before and after the optical waveguide, at least of an optical path from the light emitting element to the incident side mirror member or an optical path from the output side mirror member to the light receiving element. On the other hand, a propagation control layer made of a material having a refractive index different from that of the cladding portion of the optical waveguide is interposed in the middle portion, and at least an incident side mirror member or at least a light receiving element is provided at the interface between the propagation control layer and the cladding portion. By giving a shape that can converge the propagating light toward one side, the coupling efficiency is increased.
[0012]
As the structure of the optical signal transmission system, what is considered to be easy to achieve especially from the viewpoint of the manufacturing process is that the interface between the propagation control layer and the cladding part is at least one of the incident side mirror member and the output side mirror member. In this structure, the refractive index of the propagation control layer is made larger than the refractive index of the cladding part. This is because such a convex surface can be formed by selectively removing the surface layer portion of the cladding.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The optical signal transmission system according to the present invention has an optical path from a light emitting element to an incident side mirror member, an optical path from an output side mirror member to the light receiving element, or a refraction of a propagation control layer interposed in the middle of both optical paths. By combining the effect of the rate and the effect of the interface shape between the propagation control layer and the cladding part, the convergence of the propagation light in the thickness direction of the substrate including the cladding part is improved. The propagation control layer may be interposed in any one of the above optical paths, and the coupling efficiency is improved to some extent by using only one of them. However, it is self-evident that the coupling efficiency of the entire system can be improved when it is interposed in both optical paths. In the most general thin film formation process on the substrate, the thin film is laminated on the entire surface of the substrate unless patterning is performed. Therefore, if the propagation control layer is laminated on the entire surface of the cladding portion, this layer is formed. Inevitably intervened on both optical paths.
[0014]
The propagation control layer may be interposed anywhere in the optical path as long as it can directly contact and form an interface with clad portions having different refractive indexes. Therefore, the propagation control layer does not necessarily need to form the outermost layer portion of the substrate.
The shape of the interface at the portion overlapping the optical path varies depending on the refractive index relationship between the propagation control layer and the cladding portion. That is, when the refractive index of the propagation control layer is larger than the refractive index of the cladding part, the interface is convex toward the incident side mirror, the output side mirror, or both. On the contrary, when the refractive index of the propagation control layer is smaller than the refractive index of the cladding part, the interface is convex toward the light emitting element, the light receiving element, or both.
[0015]
By the way, the conditions required for the clad part and the core part constituting the optical waveguide and the propagation control layer provided in the present invention are high transparency, low waveguide loss, and little change in refractive index and volume over time. And excellent heat resistance in consideration of solder mounting of the light emitting / receiving element. As materials satisfying these conditions, quartz is known for inorganic materials, and ultraviolet curable resins such as epoxy and acrylic materials for organic materials, and polymer materials such as polyimide are known. In particular, the polymer material has advantages that the cost is low, it can be manufactured by a low-temperature process, and it is easy to cope with an increase in area.
[0016]
When the interface between the propagation control layer and the cladding part is convex toward at least one of the incident side mirror and the emission side mirror, the concave part may be formed on the surface layer part of the cladding part by some method.
As a method for forming such a concave surface portion, a method of removing the surface layer portion of the cladding portion by isotropic etching and a method of combining selective exposure and development can be considered.
When isotropic etching is performed, an etching mask having an opening is formed on at least one of the upper surface of the incident side mirror member or the outgoing side mirror member on the surface of the clad portion, and the etching mask is exposed in the opening. The surface layer portion of the cladding portion is removed. Isotropic etching can be typically performed by wet etching using an appropriate etching solution or dry etching mainly based on radical reaction.
[0017]
On the other hand, in order to form the concave surface portion by selective exposure and development, it is assumed that the clad portion is made of a photosensitive material typified by a photoresist. Moreover, considering that the site of the photochemical reaction due to exposure is limited to the surface layer portion of the cladding portion, it is particularly preferable in practice to use a positive photosensitive material whose molecular weight is reduced in the exposed portion.
[0018]
【Example】
Hereinafter, specific examples of the present invention will be described.
[0019]
Example 1
Here, a configuration of an optical signal transmission system having a propagation control layer having a refractive index higher than that of the cladding part, and the interface between the cladding part and the propagation control layer being convex toward the entrance side mirror and the exit side mirror An example will be described with reference to FIG.
In FIG. 1, an optical waveguide extending in the in-plane direction is formed on a substrate 1. This optical waveguide has a core 3 surrounded by a clad 2 made of a material having a lower refractive index. The clad 2 is formed by being divided into a lower clad layer 2L and an upper clad layer 2U. On the incident end side and the emission end side of the core 3, an incident side mirror 4 and an emission side mirror 5 having a light reflecting surface inclined by, for example, 45 ° from the substrate surface are arranged.
[0020]
A high refractive index propagation control layer 6 is laminated on the cladding 2. Convex surface portions are formed at the interface between the clad 2 and the high refractive index propagation control layer 6 toward the entrance side mirror 4 and the exit side mirror 5, respectively. These convex surface portions are concave surface portions, that is, the incident side concave surface portion 7 and the emission side concave surface portion 8 when the surface of the clad 2 is considered as a reference. Further, on the surface of the high refractive index propagation control layer 6, a light emitting element 9 is disposed at a portion corresponding to the incident side concave surface portion 7, and a light receiving element 10 is disposed at a portion corresponding to the emission side concave surface portion 8. ing.
[0021]
The light emitting element 9 is mounted on the upper surface of the high refractive index propagation control layer 6 with the light emitting surface facing downward. The light emitted from the light emitting element 9 propagates in the high refractive index propagation control layer 6 with a constant divergence angle as indicated by an arrow in the figure, but is refracted when it reaches the incident-side concave surface portion 7. Then, it propagates in the clad 2 as propagating light converged substantially in parallel. The propagating light is reflected by the incident side mirror 4 and enters the core 3, propagates through the core 3, is reflected by the output side mirror 5, and propagates again through the cladding 2 in the thickness direction (upward direction) of the substrate. . During this time, the propagating light is slightly diverged, but is refracted when it reaches the exit-side concave surface portion 8, propagates through the high refractive index propagation control layer 6 while being converged, and enters the light receiving element 10.
[0022]
In FIG. 1, the light is drawn so as to travel straight through the core 3. However, this is merely for the convenience of illustration, and actually light incident within a predetermined critical angle range is shown. Needless to say, it propagates while repeating total reflection at the interface between 3 and clad 2.
As described above, according to the optical signal transmission system described above, since the propagation light is converged at the front stage and the rear stage of the optical waveguide, the coupling efficiency between the light emitting element 9 and the optical waveguide, and the coupling between the optical waveguide and the light receiving element 10 is achieved. Efficiency has been improved.
[0023]
Example 2
Here, a configuration example of a laminated optical signal transmission system in which a structure in which a concave surface portion is provided at the interface between a high refractive index propagation control layer and a cladding portion is laminated in three stages will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is an example of an optical signal transmission system in which three-layer optical waveguides are stacked in the thickness direction of the substrate. The components of the first layer, which is the layer immediately above the substrate 11 side, are the cladding 12a, the core 13a, the incident side mirror 14a, the output side mirror 15a, and the high refractive index propagation control layer 16a; The clad 12b, the core 13b, the incident side mirror 14b, the output side mirror 15b, and the high refractive index propagation control layer 16b; the third layer components thereon are the clad 12c, the core 13c, the incident side mirror 14c, and the output side mirror 15c. And a high refractive index propagation control layer 16c.
[0024]
In each layer, incident-side concave surface portions 17a, 17b, and 17c and output-side concave surface portions 18a, 18b, and 18c are formed at the interfaces between the claddings 12a, 12b, and 12c and the high refractive index propagation control layers 16a, 16b, and 16c, respectively. Has been. In the example shown in FIG. 2, all the formation patterns of the concave portions in each layer are made common to facilitate the production.
Further, light emitting elements 19a, 19b, 19c and light receiving elements 20a, 20b, 20c corresponding to these layers are arranged on the upper surface of the uppermost high refractive index propagation control layer 16c. Each component of these optical signal transmission systems follows a spatial arrangement that does not interfere with optical coupling in other layers.
[0025]
In such a configuration, the light from the light emitting element 19a passes through the three incident-side concave portions 17c, 17b, and 17a and the three layers of the claddings 12c, 12b, and 12a, and the path is bent by the incident-side mirror 14a. The light-receiving element 20a passes through the core 13a of the optical waveguide, is reflected by the exit-side mirror 15a, passes through the three exit-side concave portions 18a, 18b, and 18c, and the three clads 12a, 12b, and 12c. The
Similarly, light from the light emitting element 19b passes through the two incident-side concave surface portions 17c and 17b in the front stage of the second-layer optical waveguide, and passes through the two output-side concave surface portions 18b and 18c in the subsequent stage. .
The light from the light emitting element 19c passes through one incident-side concave surface portion 17c at the front stage of the third-layer optical waveguide, and passes through one emission-side concave surface portion 18c at the subsequent stage.
That is, the light introduced into the optical waveguide in a deeper layer from the surface of the substrate passes through a large number of concave portions at the front and rear stages of the optical waveguide, and the propagation light is converged each time. Therefore, the conventional dependence of the coupling efficiency on the optical path length is eliminated, and good coupling efficiency is achieved in any depth layer.
[0026]
In the example shown in FIG. 2, since the formation pattern of the concave portion in each layer is made common in consideration of the ease of manufacture, some layers are shielded by the mirror of the upper layer so that the light is completely converged. A concave portion that does not contribute is also provided. Therefore, the formation pattern of the concave portion may be changed for each layer so that the concave portion of the portion that does not contribute to light convergence is not formed from the beginning.
On the other hand, the propagating light passing through the optical waveguide located deep from the surface of the substrate passes through several concave portions of the same shape. Needless to say, it is possible to reduce the number of concave portions to be passed by optimizing the refractive index of the high refractive index propagation control layer and the curvature of the concave portion for each layer.
[0027]
Example 3
Here, a manufacturing process in the case where a polymer material is used as a constituent material of the optical waveguide and high refractive index propagation control layer 6 of the optical signal transmission system shown in FIG. Description will be made with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 3, on the substrate 1 made of a material such as silicon or glass, the lower clad layer 2L and the lower clad layer 2L have a refractive index higher than that of the lower clad layer 2L through, for example, polymethylmethacrylate spin coating and heat treatment. A high core layer was laminated in this order, and then the core layer was patterned to form the core 3. This patterning is performed, for example, by dry etching through a metal mask (not shown).
[0028]
Next, as shown in FIG. 4, the entrance side mirror 4 and the exit side mirror 5 were formed on the entrance end side and the exit end side of the core. The two mirrors 4 and 5 are shown in FIG. 4 as having a reflective film deposited on an inclined surface of an appropriate base material having a triangular cross-sectional shape, but this is also a convenient expression. The inclined surface of the base material may be used as the reflective surface as it is without forming a reflective film. Further, when the base material is formed using the same material layer as that of the core 3, it is possible to leave portions to be the base material at both ends of the core 3 in the stage shown in FIG.
Further, the upper clad layer 2U is formed flat on the entire surface of the substrate through, for example, spin coating and heat treatment. The upper clad layer 2U is made of the same material as the lower clad layer 2L, and constitutes the clad 2 surrounding the core 3 in cooperation with the lower clad layer 2L.
[0029]
Next, as shown in FIG. 4, an etching mask 21 made of a metal material such as Al or Ti is formed on the upper surface of the clad 2. The etching mask 21 is provided with an opening 22 above the incident side mirror 4 and the emission side mirror 5.
Next, isotropic etching using, for example, oxygen plasma is performed to remove the surface layer portion of the clad 2 exposed inside the opening 22, and as shown in FIG. A side concave surface portion 8 was formed.
Next, as shown in FIG. 6, after the etching mask 21 is peeled off, a polymer material having a refractive index higher than that of polymethyl methacrylate constituting the cladding 2 is spin-coated on the entire surface of the substrate, and this is subjected to heat treatment. Was cured to form the high refractive index propagation control layer 6 flat.
Thereafter, on the surface of the high refractive index propagation control layer 6, the light emitting element 9 is mounted above the incident side concave surface portion 7 and the light receiving element 10 is mounted above the output side concave surface portion 8, as shown in FIG. An optical signal transmission system was fabricated.
[0030]
Example 4
Here, referring to FIG. 7 and FIG. 8, a photosensitive polymer material is used as the constituent material of the clad 2 and the incident side concave surface portion 7 and the emission side concave surface portion 8 are formed by photolithography and development processing. While explaining.
First, as shown in FIG. 7, the processes up to the formation of the upper cladding layer 2U were performed in the same manner as in Example 3 described above. However, the lower cladding layer 2L and the upper cladding layer 2U were formed using positive photosensitive polyimide.
Next, a part of the upper cladding layer 2L was selectively exposed using, for example, g-line through the photomask PM. In this photomask PM, a light shielding layer made of, for example, a Cr film is formed on a transparent mask substrate 23 with a predetermined pattern, and the exposure light hν is irradiated to the upper part of the incident side mirror 4 and the emission side mirror 5. An opening 25 is provided for this purpose. The exposure at this time may be contact exposure or proximity exposure. However, since the entire thickness of the clad 2 must not be exposed, the exposure amount was set carefully.
[0031]
Next, when development was performed using an alkaline developer, the exposed portion that had been reduced in molecular weight by the photochemical reaction was dissolved, and the incident-side concave surface portion 7 and the emission-side intaglio portion 8 were formed as shown in FIG. It was. The formation of the high refractive index propagation control layer 6 and the mounting of the light emitting element 9 and the light receiving element 10 were performed in the same manner as in Example 3.
[0032]
Example 5
Here, an optical signal transmission system in which a propagation control layer having a refractive index lower than that of the cladding is provided and the interface between the cladding and the propagation control layer is convex toward the light emitting element and the light receiving element will be described with reference to FIG. To do.
In FIG. 9, an optical waveguide extending in the in-plane direction is formed on the substrate 1. In this optical waveguide, the core 3 is surrounded by a clad 26 made of a material having a lower refractive index. The clad 26 is formed by being divided into a lower clad layer 26L and an upper clad layer 26U. Similar to the first embodiment, the entrance side mirror 4 and the exit side mirror 5 are arranged on the entrance end side and the exit end side of the core 3.
[0033]
A low refractive index propagation control layer 27 is laminated on the clad 26, and the light emitting element 9 faces the surface of the low refractive index propagation control layer 27 above the incident side mirror 4 with the light emitting surface facing downward. In addition, the light receiving element 10 is mounted above the emission side mirror 5 with the light receiving surface facing downward.
The interface between the clad 2 and the high refractive index propagation control layer 6 is convex toward the light emitting element 9 and the light receiving element 10, respectively. That is, the incident side convex surface portion 28 and the emission side convex surface portion 29 are formed.
[0034]
In such a configuration, the light emitted from the light emitting element 9 propagates through the low refractive index propagation control layer 27 with a constant divergence angle as indicated by an arrow in the figure, but reaches the incident-side convex surface portion 28. Then, it is refracted and propagates through the clad 26 as propagating light converged substantially in parallel. The propagating light is reflected by the incident side mirror 4 and enters the core 3, propagates through the core 3, is reflected by the output side mirror 5, and propagates again through the clad 26 in the thickness direction (upward direction) of the substrate. . During this time, the propagating light is slightly diverged, but is refracted when it reaches the output convex surface 29, propagates through the low refractive index propagation control layer 27 while being converged, and enters the light receiving element 10.
As described above, according to the optical signal transmission system described above, since the propagation light is converged at the front stage and the rear stage of the optical waveguide, the coupling efficiency between the light emitting element 9 and the optical waveguide, and the coupling between the optical waveguide and the light receiving element 10 is achieved. Efficiency has been improved.
[0035]
As the method for forming the incident side convex surface portion 28 and the emission side convex surface portion 29, for example, a method in which a member formed into a convex lens shape using the same constituent material as that of the cladding 26 is attached to the upper surface of the flat upper cladding layer 26U. , A method of performing direct shape processing on the cladding surface by laser ablation, a concave surface portion is formed in the low refractive index propagation control layer 27 by isotropic etching or photolithography, and the cladding 26 and A method of embedding the same material is possible.
[0036]
As described above, the present invention has been described based on five examples. However, the present invention is not limited to these examples. For example, a method for processing an optical waveguide or a mirror member, the number of laminated optical waveguides, and a convex surface. Details, such as the arrangement of the portions and the concave portions, can be appropriately changed, selected, and combined.
[0037]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, a surface light-emitting element or a surface light-receiving element that is difficult to mount in the vicinity of the end face of the optical waveguide is used, and as a result, light is propagated in the thickness direction of the substrate. Even in the optical signal transmission system that needs to be transmitted, the propagation light can be converged by controlling the refractive index and interface shape of the material layer interposed in the thickness direction. Therefore, the coupling efficiency of input / output light between each component in the system is improved, and stable optical signal transmission is possible. As a result, the dependency of the coupling efficiency on the optical path length is eliminated, so that the performance and reliability of the stacked optical signal transmission system are also improved. Since the interface shape can be formed in a self-aligned manner by isotropic etching or photolithography, the optical signal transmission system can be easily manufactured.
Therefore, the present invention provides indirect support for increasing the speed and density of signal wiring in various electronic devices, and its industrial value is extremely large.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of an optical signal transmission system according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of an optical signal transmission system according to the present invention in which a plurality of optical waveguides are stacked.
3 is a schematic cross-sectional view showing a state in which an optical waveguide having an entrance side mirror and an exit side mirror is formed in the manufacturing method of the optical signal transmission system of FIG. 1; FIG.
4 is a schematic cross-sectional view showing a state in which an etching mask is patterned on the clad of FIG. 3;
5 is a schematic cross-sectional view showing a state where an incident-side concave surface portion and an output-side concave surface portion are formed by etching a surface layer portion of a clad through the etching mask of FIG. 4;
6 is a schematic cross-sectional view showing a state in which a high refractive index propagation control layer is laminated on the upper surface of the clad in FIG. 5;
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a state in which selective exposure is performed through a photomask on a clad made of a positive photosensitive polymer material in another example of the method for manufacturing an optical signal transmission system of the present invention. is there.
8 is a schematic cross-sectional view showing a state in which the clad layer in FIG. 7 is developed to form an incident-side concave surface portion and an output-side concave surface portion.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing another configuration example of the optical signal transmission system of the present invention in which a convex portion is provided on the surface of a clad and a low refractive index propagation control layer is laminated thereon.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a state in which a core is patterned on a lower cladding layer in a conventional method of manufacturing an optical signal transmission system.
11 is a schematic cross-sectional view showing a state where an input side mirror and an output side mirror are arranged at the input / output ends of the core shown in FIG. 10 and an optical waveguide is completed by stacking an upper clad layer.
12 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a conventional optical signal transmission system configured by combining a light emitting element and a light receiving element with the optical waveguide of FIG.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a conventional optical signal transmission system in which a plurality of optical waveguides are stacked.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate 2, 12a, 12b, 12c, 26 ... Cladding 2L, 26L ... Lower clad layer 2U, 26L ... Upper clad layer 3, 13a, 13b, 13 ... Core 4, 14a, 14b, 14c ... Incident side mirror 5, 15a, 15b, 15c ... exit side mirror 6, 16a, 16b, 16c ... high refractive index propagation control layer 7, 17a, 17b, 17c ... incident side concave surface portion 18, 18a, 18b, 18c ... exit side concave surface portion 9, 19a , 19b, 19c ... Light emitting element 20, 20a, 20b, 20c ... Light receiving element 21 ... Etching mask 27 ... Low refractive index propagation control layer 28 ... Incident side convex surface part 29 ... Output side convex surface part PM ... Photomask

Claims (10)

コア部と該コア部を包囲するクラッド部とからなり、基板上にて該基板の面内方向に延在される光導波路と、
前記クラッド部も含めた基体の厚み方向に光を入射させるための発光素子と、
前記発光素子からの光の進行方向を曲げ前記光導波路へ入射させるための入射側ミラー部材と、
前記光導波路から出射した光の進行方向を前記クラッド部も含めた基体の厚み方向に曲げる出射側ミラー部材と、
前記出射側ミラー部材による反射光を受光するための受光素子とを備えた光信号伝送システムであって、
前記発光素子から前記入射側ミラー部材へ至る光路および/または前記出射側ミラー部材から前記受光素子へ至る光路の少なくとも一方の中途部に、前記クラッド部と屈折率の異なる材料からなる伝搬制御層が介在され、かつこの伝搬制御層と該クラッド部との界面が前記反射側ミラー部材および/または前記受光素子に向けて伝搬光を収束させ得る形状を備えることを特徴とする光信号伝送システム。
An optical waveguide comprising a core portion and a clad portion surrounding the core portion, and extending in an in-plane direction of the substrate on the substrate;
A light emitting element for making light incident in the thickness direction of the substrate including the cladding,
An incident side mirror member for bending the light traveling direction from the light emitting element to be incident on the optical waveguide;
An exit-side mirror member that bends the traveling direction of light emitted from the optical waveguide in the thickness direction of the substrate including the clad portion;
An optical signal transmission system comprising a light receiving element for receiving reflected light from the exit side mirror member,
A propagation control layer made of a material having a refractive index different from that of the cladding portion is provided at least in the middle of the optical path from the light emitting element to the incident side mirror member and / or the optical path from the emission side mirror member to the light receiving element. An optical signal transmission system comprising an intervening shape and an interface between the propagation control layer and the clad portion capable of converging propagation light toward the reflection-side mirror member and / or the light receiving element.
前記クラッド部よりも屈折率の大きい材料からなる前記伝搬制御層が、前記発光素子から前記入射側ミラー部材に至る光路の中途部に介在され、該光路に重複する該伝搬制御層と該クラッド部との界面が該入射側ミラー部材に向かって凸面とされていることを特徴とする請求項1記載の光信号伝送システム。The propagation control layer made of a material having a higher refractive index than the cladding part is interposed in the middle of the optical path from the light emitting element to the incident side mirror member, and the propagation control layer and the cladding part overlapping the optical path The optical signal transmission system according to claim 1, wherein an interface with the projection is convex toward the incident side mirror member. 前記クラッド部よりも屈折率の大きい材料からなる前記伝搬制御層が、前記出射側ミラー部材から前記受光素子へ至る光路の中途部に介在され、該光路に重複する該伝搬制御層と該クラッド部との界面が該出射側ミラー部材に向かって凸面とされていることを特徴とする請求項1記載の光信号伝送システム。The propagation control layer made of a material having a higher refractive index than the cladding part is interposed in the middle of the optical path from the output side mirror member to the light receiving element, and the propagation control layer and the cladding part overlapping the optical path The optical signal transmission system according to claim 1, wherein an interface with the projection is convex toward the output side mirror member. 前記クラッド部よりも屈折率の小さい材料からなる前記伝搬制御層が、前記発光素子から前記入射側ミラー部材へ至る光路の中途部に介在され、該光路に重複する該伝搬制御層と該クラッド部との界面が該発光素子に向かって凸面とされていることを特徴とする請求項1記載の光信号伝送システム。The propagation control layer made of a material having a refractive index smaller than that of the clad part is interposed in the middle of the optical path from the light emitting element to the incident side mirror member, and the propagation control layer and the clad part overlapping the optical path The optical signal transmission system according to claim 1, wherein an interface of the optical signal is convex toward the light emitting element. 前記クラッド部よりも屈折率の小さい材料からなる前記伝搬制御層が、前記出射側ミラー部材から前記受光素子へ至る光路の中途部に介在され、該光路に重複する該伝搬制御層と該クラッド部との界面が該受光素子に向かって凸面とされていることを特徴とする請求項1記載の光信号伝送システム。The propagation control layer made of a material having a refractive index smaller than that of the cladding part is interposed in the middle part of the optical path from the output side mirror member to the light receiving element, and the propagation control layer and the cladding part overlapping the optical path The optical signal transmission system according to claim 1, wherein an interface between the light receiving element and the light receiving element is convex toward the light receiving element. 前記コア部、前記クラッド部、および前記伝搬制御層がいずれも高分子材料からなることを特徴とする請求項1記載の光信号伝送システム。The optical signal transmission system according to claim 1, wherein the core part, the clad part, and the propagation control layer are all made of a polymer material. 基板上に、該基板の面内方向に延在される光導波路と、該光導波路の入射端側と出射端側にそれぞれ配され、基体の厚み方向と基板の面内方向との間で光路を曲げるための入射側ミラー部材と出射側ミラー部材とを形成する第1工程と、
前記光導波路のクラッド部の表層部を前記入射側ミラー部材および/または前記出射側ミラー部材の上方において選択的に除去することにより、凹面部を形成する第2工程と、
基体の全面に、前記クラッド部よりも屈折率の大きな材料からなる伝搬制御層を積層する第3工程と、
前記伝搬制御層の上に、前記入射側ミラーに向けて光を放射する発光素子と、前記出射側ミラーからの光を受光する受光素子とを配設する第4工程と
を有することを特徴とする光信号伝送システムの製造方法。
An optical waveguide extending on the substrate in the in-plane direction of the substrate, and disposed on the incident end side and the exit end side of the optical waveguide, respectively, and between the thickness direction of the substrate and the in-plane direction of the substrate A first step of forming an entrance side mirror member and an exit side mirror member for bending
A second step of forming a concave portion by selectively removing the surface layer portion of the cladding portion of the optical waveguide above the incident side mirror member and / or the emission side mirror member;
A third step of laminating a propagation control layer made of a material having a refractive index larger than that of the cladding part on the entire surface of the base;
And a fourth step of disposing a light emitting element that emits light toward the incident side mirror and a light receiving element that receives light from the output side mirror on the propagation control layer. A method for manufacturing an optical signal transmission system.
前記第2工程では、前記入射側ミラー部材および/または前記出射側ミラー部材の上方に開口を有するエッチング・マスクを前記クラッド部の表面に形成し、この開口内に表出する該クラッド部の表層部を等方的にエッチングすることにより前記凹面部を形成することを特徴とする請求項7記載の光信号伝送システムの製造方法。In the second step, an etching mask having an opening above the entrance-side mirror member and / or the exit-side mirror member is formed on the surface of the clad portion, and a surface layer of the clad portion exposed in the opening 8. The method of manufacturing an optical signal transmission system according to claim 7, wherein the concave surface portion is formed by isotropically etching the portion. 前記第1工程では前記光導波路のクラッド部を感光性材料を用いて形成し、
前記第2工程ではフォトマスクを介した選択露光と現像処理を行うことにより前記凹面部を形成することを特徴とする請求項7記載の光信号伝送システムの製造方法。
In the first step, the cladding portion of the optical waveguide is formed using a photosensitive material,
8. The method of manufacturing an optical signal transmission system according to claim 7, wherein in the second step, the concave surface portion is formed by performing selective exposure and development processing through a photomask.
前記光導波路および前記伝搬制御層をいずれも高分子材料を用いて形成することを特徴とする請求項7記載の光信号伝送システムの製造方法。8. The method of manufacturing an optical signal transmission system according to claim 7, wherein both the optical waveguide and the propagation control layer are formed using a polymer material.
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