JP4222133B2 - 光路変換素子の作製方法及び光集積回路の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、面発光半導体レーザ素子、フォトダイオード等の光素子と光導波路とを光結合する際、光信号の光路を変換させる光路変換素子の作製方法と、この光路変換素子を用いた光集積回路の作製方法に関する。詳しくは、光導波路の端面に傾斜端面を形成できる構成とすることで、光素子と光導波路とを光結合する際の光路変換を行えるようにしたものである。

現在のインタコネクションでは、システムを構成する素子同士、素子と部品、或いは部品同士、例えばトランジスタとトランジスタとを接続する配線には、主として電気配線が使用されている。一方、次世代インタコネクションでは、大容量かつ高速通信が必要とされているので、電気配線では高周波応答に限界があって、システムの高速化に制約がある。そこで、次世代インタコネクションでは、大容量かつ高速通信を可能とする光配線を伝達手段とする光回路が電気配線に代わり注目されている。

ところで、光信号を送受信する光回路には、送信装置の光源として設けられ、レーザ光を信号光として出射する半導体レーザ素子、レーザ光を信号光として受光するフォトダイオード、半導体レーザ素子とフォトダイオードとを光接続する光導波路が必要である。

そして、光回路を微細化し、集積化するには、半導体レーザ素子、フォトダイオード等の光素子、及び光素子を接続する光導波路を集積した光集積回路が必要である。

光集積回路では、半導体レーザ素子として面発光半導体レーザ素子（VCSEL:vertical cavity surface emitting laser）の使用が考えられている。面発光半導体レーザ素子は、基板の面に対して垂直方向に光を出射する。また、フォトダイオードも、実装された基板の面に対して垂直方向から光を入射する。これに対して、光導波路は、基板の面に対して水平に実装される。よって、光集積回路で光素子と光導波路との光接続を行う際には光信号の光路を変換することが必要になる。従って、光集積回路を実現するためには、光信号の光路を変換できる光路変換素子の開発が重要である。

そこで、面発光半導体レーザ素子やフォトダイオード等の光素子と平面型光導波路とをコンパクトに結合するために、４５度マイクロミラーを用いて光素子と平面型光導波路とを結合させるという構造の光送受信器が盛んに研究開発されている。

平面型光導波路端面に４５度のマイクロミラーを作製する技術には、例えば（１）ミクロトームにより機械的に光導波路の端面を斜めに切断する方法、（２）反応性イオンエッチングにより光導波路に傾斜端面を形成する方法、（３）レーザアブレーションにより光導波路に傾斜端面を形成する方法、
（４）回転ブレードにより光導波路に４５度切れこみを入れて傾斜端面を形成する方法などが報告されている（特許文献１参照。）。

図１１はこの従来文献に開示された従来の光路変換素子の断面図である。引用文献１では、ダイシングソーにＶ型ブレードを取り付けて、光導波路を切削することにより光導波路端面に４５度ミラーを作製する方法を開示している。

前掲公報によれば、図１１に示すように、刃先がおよそ９０度に加工されたダイヤモンドブレード４０を用いて切削加工を行うと、平面型光導波路に傾斜端面（マイクロミラー）４２、４２を有するＶ溝４４を形成することができる。切削加工の深さは、上部クラッド４６、コア４８を経て、コア４８と下部クラッド５０の境界よりも深くすれば良く、下部クラッド５０中で止めても良いし、基板５２まで切り込んでも構わないとしている。

特開平１０−３００９６１号（図７）

ところで、前掲公報を始めとして、従来の傾斜端面の形成方法は、全て、基板上に形成されている光導波路の上面から基板に向けて切削する方法であって、従来の方法で傾斜端面を形成する限り、傾斜端面の基板に対する傾斜角度は、図１０に示すように、基板端面で基板面に対して鋭角を成している。

従って、この方法により形成された傾斜端面（４５度ミラー）を有する平面型光導波路では、平面型光導波路の内部を伝搬し、４５度ミラーで反射された光は、基板方向に出射されることになる。この結果、４５度ミラーの直下に面発光半導体レーザ素子等の光素子を設けようとすると、基板が邪魔になる。

そのため、基板上に光導波路を形成した後、光路の邪魔になる基板を光導波路から剥離したり、又は基板として透明なガラス基板を使用する必要があるなどといった煩わしい対策が必要であった。

しかし、基板を光導波路から剥離した後、光導波路に光素子を精度良く実装しようとすると、光導波路と光素子との位置決めが難しく、実装作業に時間がかかり、結果として製造コストも増大する。また、ガラス基板を使用すると、光導波路と光素子との間にガラス基板が介在するために、光結合効率が低下するという問題がある。

このため、光集積回路では、光素子を実装した基板に、半導体製造プロセスを用いて直接光導波路を集積形成する技術が考えられている。しかしながら、光素子を実装した基板に光導波路を直接製造するのは、複雑なプロセスが必要で、製造コストが増大するという問題がある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、光素子と光導波路とを光結合する際に光路の変換が容易な光路変換素子の作製方法、及びこの光路変換素子を用いた光集積回路の作製方法を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、本発明に係る光路変換素子の作製方法は、基板上に光導波路を形成する工程と、光導波路が形成された面と反対側の面から、Ｖ型ブレードを用いて基板を切削して光導波路に達する切削溝を形成し、次いで切削を一旦中止する工程と、切削溝及びＶ型ブレードから切削屑を除去する工程と、次いで切削溝にＶ型ブレードを位置合わせし、続いて切削を再開して、光導波路を切削し、基板の端面に対して外回りで９０度より大きく１８０度より小さい角度をなす傾斜端面を、光導波路の少なくとも一方の端面に形成する工程とを有する。

本発明の実施態様では、Ｖ型ブレードによる切削加工では、ダイシングソーを用いる。また、好適には、基板及び光導波路の切削加工に用いるブレードとして平均粒径が１〜１０μｍのダイヤモンド粒を有するダイヤモンドブレードを用いる。これにより、平滑な傾斜端面を形成することできる。

Ｖ型ブレードは、両側に傾斜を持ったものに限る必要はなく、片側だけ傾斜を持った構造のものでもよい。

本発明方法によれば、基板を切削して光導波路に達する切削溝を形成し、次いで切削を一旦中止して、切削溝及びＶ型ブレードから切削溝を除去し、切削を再開して光導波路を切削することにより、平滑な傾斜端面を有する光路変換素子を作製することができる。

尚、本発明方法とは異なり、基板の切削に引き続いて切削屑を除去することなく光導波路を切削すると、光導波路を切削する際、基板切削屑によって光導波路の切削面が荒れて、平滑な傾斜端面を光導波路に形成することができない。

本発明方法で作製された光路変換素子は、光導波路の傾斜端面が基板の端面に対して外回りで９０度より大きく１８０度より小さい角度をなすように形成されるので、つまり基板の端面より外方に形成されるので、傾斜端面直下に光素子を設ける際、従来のように、基板が邪魔になることがない。よって、光導波路から基板を剥離することなく、光素子と光導波路とを光結合させることができる。また、基板としてガラス基板を使用する必要がない。傾斜端面の傾斜角は、光導波路の傾斜端面が基板の端面に対して外回りで９０度より大きく１８０度より小さい角度をなす限り、換言すれば基板面の延長面に対して鋭角をなす限り任意の角度でよい。

本発明方法で作製された光路変換素子では、傾斜端面での光反射を利用することにより、面発光半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の光路を、光導波路のコア内部を全反射して進む光路に変換したり、或いは光導波路外部から入射する光の光路を自在に変換して光導波路へ結合することができる。更には、光導波路を伝搬してきた光を光導波路に対して任意の角度の光路に変換してフォトダイオードに入射させることができる。本発明に係る光路変換素子の基板及び光導波路の形成材料には制約はないものの、経済性及び製造容易性の観点から、光導波路は好適には高分子光導波路であって、ポリマー系樹脂で形成する。即ち、光導波路のクラッド及びコアが、それぞれ、高分子有機化合物で形成されている。また、コストが高くなるが高度な通信機能を有する光導波路を得るために、光導波路のコア及びクラッドが、それぞれ、ガラス系材料で形成されていても良い。また、本発明では、基板がシリコン基板であっても良い。

本発明に係る光集積回路の作製方法は、基板上にクラッド、コア、クラッドを順次積層して光導波路を形成する工程と、光導波路が形成された面と反対側の面から、Ｖ型ブレードを用いて基板を切削して、基板側のクラッドとの境界まで切削溝を形成し、次いで切削を一旦中止する工程と、切削溝及びＶ型ブレードから切削屑を除去する工程と、次いで切削溝にＶ型ブレードを位置合わせし、続いて切削を再開して、光導波路を切削する工程で、基板に光導波路が支持され、基板の端面に対して外回りで９０度より大きく１８０度より小さい角度をなす傾斜端面を、光導波路の少なくとも一方の端面に有し、コアの端面が傾斜端面と同一面に露出して反射面が形成された光路変換素子を作製し、光素子が実装された実装基板の一の面に、光導波路の反射面が光素子と対向する位置に合わせて光路変換素子を取り付ける工程を有する。

本発明に係る光集積回路の作製方法では、光素子を実装した後の実装基板に光路変換素子が取り付けられる。光路変換素子においては、光導波路は基板で支持されており、いわゆるパッシブアライメント実装が実現できる。また、光素子を実装基板に実装する際に伴う半田付け作業の後に、光路変換素子を取り付けるので、光路変換素子は熱の影響を受けない。本発明方法で作製された光路変換素子は、光導波路の傾斜端面が基板の端面に対して外回りで９０度より大きく１８０度より小さい角度をなすように形成されるので、つまり基板の端面より外方に形成されているので、傾斜端面直下に光素子を設ける際、従来のように、基板が邪魔になることがない。よって、光導波路から基板を剥離することなく、基板で光導波路を支持した光路変換素子を、光素子が実装された実装基板に取り付けることができる。

本発明によれば、少なくとも一方の端面に基板の端面に対して９０度より大きく１８０度より小さい外回り角度をなす傾斜端面を有する光導波路を構成することにより、面発光半導体レーザ素子及びフォトダイオード等の光素子と光導波路とを簡便にかつ高い光結合効率で光結合することができる光路変換素子を実現することができる。

従来の光路変換素子では、ミラーの向きが基板の基板面に対して内側に鋭角方向であるから、つまり基板の端面に対して１８０度より大きい角度をなしているので、光が基板側に入射し、また光が基板側から出射するような構成にならざるを得なかった。そのために、光素子と光路変換素子とを光結合する際には、邪魔な基板を、一旦、光導波路から剥離し、次いで光路変換素子を実装基板に実装する際には、再度光導波路を基板に貼り付けるという複雑な工程が必要であった。一方、本発明では、光路変換素子の傾斜端面の向きが基板の端面から外方に向いているので、基板と光導波路を剥離せずに、そのまま光素子を実装することができる。

また、本発明方法によれば、基板を切削して光導波路に達する切削溝を形成し、次いで切削を一旦中止して、切削溝及びＶ型ブレードから切削屑を除去し、続いて切削を再開して、光導波路を切削することにより、平滑な傾斜端面を有する光路変換素子を作製することができる。

さらに、本発明に係る光集積回路によれば、実装基板に対して垂直方向に光を出射する光素子と、実装基板に対して垂直方向から光を入射する光素子の間を、光路変換素子の光導波路で結合して光送受信を行うことができる。

光路変換素子は光導波路を基板で支持しているので、光導波路を補強するための部材を必要としない。したがって、簡単な構成で光集積回路を実現できる。

また、本発明に係る光集積回路の作製方法によれば、光素子を実装した後の実装基板に光路変換素子が取り付けられる。光路変換素子においては、光導波路は基板で支持されており、いわゆるパッシブアライメント実装が実現できる。よって、低コストで光集積回路を提供することができる。また、光素子を実装基板に実装する際に伴う半田付け作業の後に、光路変換素子を取り付けるので、光路変換素子は熱の影響を受けない。このため、高分子樹脂系の材質を用いて、光導波路を形成することができる。

以下に、実施の形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。

光路変換素子の第１の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る光路変換素子の第１の実施の形態であって、図１は第１の実施の形態の光路変換素子の構成例を示す断面図である。

本実施形態例の光路変換素子１Ａは、図１に示すように、シリコン基板２と光導波路３Ａとを備える。シリコン基板２は基板の一例で、ガラス基板であってもよい。光導波路３Ａはシリコン基板２上に形成され、両端部に傾斜端面４を備える。

光導波路３Ａは、例えば高分子有機化合物光導波路として形成され、それぞれ、高分子有機化合物樹脂で形成された、下部クラッド５、下部クラッド５上のコア６、コア６上の上部クラッド５の３層からなる平面型光導波路として構成されている。コア６は、屈折率が下部クラッド５及び上部クラッド５より０．１〜３．０％程度大きい高分子有機化合物で形成されている。

光導波路用の高分子有機化合物の例として、例えば、オキセタン樹脂（ソニーケミカル製）、フッ素化ポリイミド（ＮＴＴアドバンステクノロジー製、日立化成工業製）、グラシア（ポリシラン）（日本ペイント製）などがある。

本実施形態例では、コア６はオキセタン樹脂で形成され、下部クラッド５及び上部クラッド５は屈折率がコア６の屈折率より０．１〜３．０％程度小さいオキセタン樹脂で形成されている。

オキセタン樹脂を用いて光導波路を形成する方法は、特開２０００−３５６７２０号公報に詳述されている。前掲公報を参照して、オキセタン樹脂を簡単に説明すると、オキセタン樹脂は、オキセタン環を有するオキセタン化合物と、オキシラン環を有するオキシラン化合物と、連鎖反応によりオキセタン化合物の重合を開始させるカチオン重合開始剤とを含み、紫外線等のエネルギービームを照射することにより硬化する樹脂成分であって、例えばソニーケミカル（株）から販売されている。

オキセタン化合物として、例えばジ［１−エチル（３−オキセタニル）］メチルエーテル（室温で液体）、１，４−ビス｛［（３−エチル−３−オキセタニル）メトキシ］メチル｝ベンゼンとジ［４−（１−エチル−３−オキセタニルメトキシメチル）］ベンジルエーテルとの混合物（以下、キシレンジオキセタンともいう。）（室温で液体）、フェノールノボラックオキセタン（室温で固体）、オキセタニルシルセスキオキセタン（室温で液体）等が挙げられる。

オキシラン化合物として、例えばリモネンジオキサイド、多官能脂肪族環状エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とビスフェノールＦ型エポキシ樹脂との混合物（混合比約１：１）、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、二官能脂肪族環状エポキシ樹脂、多官能脂肪族環状エポキシ樹脂等が挙げられる。

また、カチオン重合開始剤は、例えば４−４′ビス［ジ（βヒドロキシエトキシ）フェニルスルフォニオ］フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネート（旭電化社製）である。

オキセタン化合物の屈折率（２５℃、ナトリウムＤ線）は、オキセタン化合物の種類によって異なり、例えばジ［１−エチル（３−オキセタニル）］メチルエーテルで１．４５４４、またフェノールノボラックオキセタンで１．５７程度である。

また、オキシラン化合物の屈折率（２５℃、Ｄ線）は、例えばリモネンジオキサイドで１．４６５６、またビスフェノールＡ型エポキシ樹脂で１．５６８３である。

オキセタン樹脂は、オキセタン化合物及びオキシラン化合物の種類並びに配合比を調整することにより、屈折率を調節することができる。

例えば、光導波路のコア部を形成するためには、クラッド部との屈折率の差が安定して得られるように、屈折率が１．５未満のものを１０〜３０重量％含み、屈折率が１．５以上のものを４０〜６０重量％含み、残部がオキシラン化合物であるオキセタン樹脂を使用する。また、クラッド部を形成するためには、屈折率が１．５未満のオキセタン化合物を４０重量％よりも多く含み、残部がオキシラン化合物であって、屈折率が１．５以上のオキセタン化合物を含まないオキセタン樹脂を使用する。

具体的には、例えば、キシレンジオキセタン１０重量部、フェノールノボラックオキセタン２０重量部、二官能脂肪族環状エポキシ樹脂３０重量部、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とビスフェノールＦ型エポキシ樹脂との混合物２０重量部、およびビスフェノールＡ型エポキシ樹脂２０重量部を混合し、９０℃で２時間加熱して溶解した後、カチオン重合開始剤２重量部を配合し、更に、フィルタリングを行ってダストなどを除去することにより、光導波路コア形成用のオキセタン樹脂を得ることができる。

また、ジ［１−エチル（３−オキセタニル）］メチルエーテル２２重量部、オキセタニルシルセスキオキセタン１３重量部、多官能脂肪族環状エポキシ樹脂３５重量部、および二官能脂肪族環状エポキシ樹脂３０重量部を混合し、９０℃で２時間加熱して溶解した後、カチオン重合開始剤２重量部を配合し、更に、フィルタリングを行ってダストなどを除去することにより、光導波路クラッド形成用のオキセタン樹脂を得ることができる。

シリコン基板２の端面２ａは、図１に示すように、基板２の長手方向に直交する面として形成されている。

傾斜端面４は、シリコン基板２の端面２ａに対して外回りで９０度より大きく１８０度より小さい角度、例えば１３５度を成す角度θで形成されている、換言すれば、基板２の基板面２ｂの延長面に対して４５度の角度で外向きに傾斜している。図示しないが、傾斜端面４に例えばアルミニウムを蒸着して、傾斜端面４の表面を光学反射膜で被覆してもよい。これにより、傾斜端面４での光反射効率を高めることができる。

本実施形態例の光路変換素子１Ａを使用することにより、シリコン基板２を剥離することなく傾斜端面４の直下に光素子、例えば面発光半導体レーザ素子、或いはフォトダイオードを実装することができる。従って、基板を光導波路から剥離したり、或いは光導波路の実装の際、光導波路の位置決めのために光導波路に基板を再接着したりする必要がないので、作製が簡便である。よって、低コストで小型な光配線を実現することができる。

そして、本実施形態例の光路変換素子１Ａを使用して、光導波路３Ａの両端の傾斜端面４の直下に面発光型半導体レーザ素子とフォトダイオードを配置することにより光送受信ができる。すなわち、面発光半導体レーザ素子から出射した光は一方の傾斜端面４で光路変換されてコア６を伝搬され、このコア６を伝搬された光は他方の傾斜端面４で光路変換されてフォトダイオードに入射する。

光路変換素子の第２の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る光路変換素子の第２の実施の形態であって、図２及び図３は第２の実施の形態の光路変換素子の構成例を示し、図２（ａ）は側面図、図２（ｂ）は上面図、図３は斜視図である。

第２の実施の形態の光路変換素子１Ｂは、シリコン基板２と光導波路３Ｂとを備える。シリコン基板２は基板の一例で、ガラス基板或いは有機基板であってもよい。光導波路３Ｂはシリコン基板２上、例えば一の面に形成され、両端部に傾斜端面４を備える。

シリコン基板２及び光導波路３Ｂは、ともに平板形状で、シリコン基板２の端面２ａは、基板２の長手方向に直交する垂直な面として形成される。これに対して、光導波路３の傾斜端面４は、基板２の端面２ａに対して外周りで９０度より大きく１８０度より小さい角度、例えば１３５度を成す角度θで形成される。換言すれば、傾斜端面４は、基板２の基板面２ｂの延長面に対して４５度の角度で外向きに傾斜している。

光導波路３Ｂは、クラッド７の内部に複数本のコア８が並列に延在する２次元光導波路である。コア８は、クラッド７より屈折率が０．１〜３．０％、好ましくは０．２〜３．０％程度大きい。そして、クラッド７とコア８は、ガラス系材料や高分子有機化合物樹脂等で形成される。例えば、クラッド７およびコア８を、上述したオキセタン樹脂から構成することが、光の伝搬効率を高めるために望ましい。

各コア８は互いが平行で、光導波路３Ｂの一方の傾斜端面４から他方の傾斜端面４まで延在し、各コア８の一方の端面及び他方の端面は、それぞれ傾斜端面４と同一面に露出して反射面８ａが形成される。図示しないが、反射面８ａが形成された傾斜端面４に例えばアルミニウムを蒸着して、傾斜端面４の表面を光学反射膜で被覆してもよい。これにより、傾斜端面４での光反射効率を高めることができる。

第２の実施の形態の光路変換素子１Ｂを使用することにより、各コア８の一方の反射面８ａに対向して、一方の傾斜端面４の直下に発光素子として例えば複数の面発光半導体レーザ素子を配置することができる。また、各コア８の他方の反射面８ａに対向して、他方の傾斜端面４の真下に受光素子として例えば複数のフォトダイオードを配置することができる。これにより、複数の発光素子と複数の受光素子を用いて光送受信ができる。

光集積回路の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る光集積回路の実施の形態の一例であって、図４は本実施の形態の光集積回路の構成例を示し、図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は上面図である。

本実施の形態の光集積回路１１は、実装基板１２と図２及び図３で説明した光路変換素子１Ｂを備える。光路変換素子１Ｂは、図２及び図３で説明したようにシリコン基板２と光導波路３Ｂとを備える。光導波路３Ｂはシリコン基板２上に形成され、両端部に傾斜端面４を備える。この傾斜端面４は、光導波路３Ｂの延在方向に対して例えば４５度の角度で傾斜している。

光導波路３Ｂは、クラッド７の内部に複数本のコア８が並列に延在する２次元光導波路である。コア８は、クラッド７より屈折率が０．２〜３．０％程度大きい。そして、クラッド７とコア８は、ガラス系材料や高分子有機化合物樹脂等で形成される。例えば、クラッド７およびコア８を、上述したオキセタン樹脂から構成することが、光の伝搬効率を高めるために望ましい。

各コア８は互いが平行で、光導波路３Ｂの一方の傾斜端面４から他方の傾斜端面４まで延在し、各コア８の一方の端面及び他方の端面は、それぞれ傾斜端面４と同一面に露出して反射面８ａが形成される。図示しないが、反射面８ａが形成された傾斜端面４に例えばアルミニウムを蒸着して、傾斜端面４の表面を光学反射膜で被覆してもよい。これにより、傾斜端面４での光反射効率を高めることができる。

実装基板１２は、複数の面発光半導体レーザ素子１３と複数のフォトダイオード１４を備える。なお、本実施の形態では、例えば４個の面発光半導体レーザ素子１３と４個のフォトダイオード１４を備えるものとする。

各面発光半導体レーザ素子１３は、発光面が実装基板１２の一方の面側となるように実装される。そして、各面発光半導体レーザ素子１３は、所定のピッチ、例えば２５０μｍピッチで配置される。各フォトダイオード１４は、受光面が基板１２の一方の面側となるように実装される。そして、各フォトダイオード１４は、面発光半導体レーザ素子１３と同じピッチ、ここでは２５０μｍピッチで配置される。また、各面発光半導体レーザ素子１３の並びと各フォトダイオード１４の並びは平行である。

この実装基板１２の一方の面に光路変換素子１Ｂが取り付けられる。光路変換素子１Ｂは、光導波路３Ｂの一方の傾斜端面４の直下に各面発光半導体レーザ素子１３が位置し、光導波路３Ｂの他方の傾斜端面４の直下に各フォトダイオード１４が位置する大きさで構成される。

そして、一方の傾斜端面４に露出する各コア８の一方の反射面８ａに各面発光半導体レーザ素子１３が対向し、他方の傾斜端面４に露出する各コア８の他方の反射面８ａにフォトダイオード１４が対向する。

光路変換素子１Ｂの大きさの一例としては、コア８は縦４０μｍ、横６０μｍの長方形の断面形状を有する。各コア８は、面発光半導体レーザ素子１３及びフォトダイオード１４のピッチと合わせて２５０μｍピッチで並ぶ。また、光導波路３Ｂの長さは３ｃｍである。さらに、コア８を挟んでシリコン基板２側のクラッド７の厚みは３０μｍ、基板１２側のクラッド７の厚みは３０μｍである。

光集積回路１１の動作を説明すると、各面発光半導体レーザ素子１３は、図４（ａ）に実線の矢印で示すように、実装基板１２の面に対して垂直方向にレーザ光を出射する。面発光半導体レーザ素子１３から出射した光は光導波路３Ｂに入射し、コア８の一方の反射面８ａで反射することで、光路が実装基板１２の面と平行な方向に変換され、コア８の内部を全反射しながら伝搬される。コア８を伝搬された光は、他方の反射面８ａで反射することで、光路が実装基板１２の面に垂直な方向に変換され、フォトダイオード１４に入射する。

以上のように、本実施の形態の光集積回路１１では、実装基板１２に実装された面発光半導体レーザ素子１３とフォトダイオード１４の間で光送受信が行える。そして、光路変換素子１Ｂに複数本のコア８を備えることで、実装基板１２に実装された複数の面発光半導体レーザ素子１３と複数のフォトダイオード１４の間で光送受信が行え、大容量の通信が可能となる。

また、光路変換素子１Ｂは光導波路３Ｂをシリコン基板２で支持しているので、光導波路３Ｂを補強するための部材を必要としない。よって、光集積回路１１の構成を簡単なものとすることができる。

なお、本実施形態例では、実装基板１２に面発光半導体レーザ素子１３とフォトダイオード１４が直接実装される構成について説明したが、面発光半導体レーザ素子１３とフォトダイオード１４が独立した基板の実装され、各基板が１枚の基板に実装されるような構成であってもよい。

次に、上述した光集積回路をモデル化し、伝搬される光の損失及び隣接するコア間でのクロストークの有無を実験した例について説明する。図５は光集積回路の実験例を示す斜視図である。実験条件について説明すると、光路変換素子１Ｂとしては、シリコン基板２上にオキセタン樹脂からなる光導波路３Ｂを形成した。この光導波路３Ｂにおいて、一方の端面には反射面８ａを有する４５度に傾斜した傾斜端面４を形成し、この傾斜端面４の表面に厚み１００ｎｍのアルミニウムを蒸着して光学反射膜を形成した。光導波路３Ｂの他方の端面は垂直端面とした。

オキセタン樹脂のコア８は、オキセタン樹脂のクラッド７よりも屈折率が１．６％大きくなる組成にて形成した。コア８の大きさは、横９０μｍ、縦４０μｍからなり、長さは１ｃｍとした。クラッド７の厚みは、シリコン基板２の側が３０μｍ、光素子の側も３０μｍとした。

上述した光路変換素子１Ｂを、面発光半導体レーザ素子１３を実装した図示しない基板に取り付けた。光路変換素子１Ｂの取り付け位置は、面発光半導体レーザ素子１３に任意のコア８の反射面８ａが対向する位置である。

以上の条件のもと、面発光半導体レーザ素子１３から光を出射させると、面発光半導体レーザ素子１３からの光は１本のコア８のみを伝搬し、周囲のクラッド７への染み出しや並列して存在するコア８へのクロストークは皆無であった。光導波路３Ｂの他方の端部の垂直端面をＣＣＤ（charge coupled device ）を用いた測定機器で観察したところ、光がコア８に閉じ込められて伝搬される様子を確認できた。

次に、上述した長さ１ｃｍの光路変換素子１Ｂの損失を測定した。面発光半導体レーザ素子１３から出射した光パワーと光導波路３Ｂの他方の垂直端面での光パワーの比を測定したところ、全体の損失は３．６ｄＢであった。予備実験によりカットバック法で求めたオキセタン樹脂の光導波路の伝搬損失は０．５ｄＢ／ｃｍであった。よって、全体損失から長さ１ｃｍの光導波路３Ｂの損失０．５ｄＢを引いた値３．１ｄＢが、面発光半導体レーザ素子１３からの光が反射面８ａに入射するときの損失である。

光路変換素子の第１の実施形態例の変形例
本実施形態例は第１の実施の形態の光路変換素子の変形例であって、図６は変形例の光路変換素子の構成を示す断面図である。

本変形例の光路変換素子１Ｃは、図６に示すように、光導波路３Ａから図１で説明したシリコン基板２を剥離して形成したものである。

シリコン基板２から光導波路３Ａを剥離できるようにするには、光路変換素子の形成時に、シリコン基板２上にポリイミドを形成した複合基板上にオキセタン樹脂による光導波路３Ａを形成することにより、光導波路３Ａが化学的にも物理的にもシリコン基板２に接着されないので、容易に剥離することができる。

光路変換素子の第３の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る光路変換素子の第３の実施の形態であって、図７は第３の実施の形態の光路変換素子の構成例を示す断面図である。

第３の実施の形態の光路変換素子１Ｄは、図７に示すように、光導波路３Ｃの一方の端面がシリコン基板２の端面２ａの延長平面にある垂直端面１５として形成されている。この光導波路３Ｃをシリコン基板２上に有することを除いて、第１の実施の形態の光路変換素子１Ａと同じ構成を備えている。

第３の実施の形態の光路変換素子１Ｄでは、光導波路３Ｃの傾斜端面４の直下に面発光型半導体レーザ素子又はフォトダイオードを配置し、垂直端面１５側に光ファイバ（図示せず）を光結合することにより、光送受信用に利用することができる。

光路変換素子の第３の実施形態例の変形例
本実施形態例は第３の実施の形態の光路変換素子の変形例であって、図８は変形例の光路変換素子の構成を示す断面図である。

本変形例の光路変換素子１Ｅは、図８に示すように、光導波路３Ｃから図７に示すシリコン基板２を剥離して形成したものである。

光路変換素子の作製方法の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る光路変換素子の作製方法を上述の第１の実施の形態の光路変換素子１Ａ或いは第２の実施の形態の光路変換素子１Ｂの作製に適用した実施形態の一例である。図９（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従って光路変換素子を作製する際の各工程の断面図である。なお、以下の説明では、光路変換素子１Ａに適用した例を説明する。

先ず、図９（ａ）に示すように、シリコン基板２上に、オキセタン樹脂層を成膜し、続いて紫外線を照射して硬化させ、下部クラッド５を形成する。次いで、下部クラッド５上に、屈折率がクラッドより０．１〜３．０％程度大きいオキセタン樹脂層を成膜し、続いて紫外線を照射して硬化させ、コア６を形成する。更に、コア６上に、下部クラッド５と同じオキセタン樹脂層を成膜し、続いて紫外線を照射して硬化させ、上部クラッド５を形成する。

これにより光導波路３Ａをシリコン基板２上に積層した積層構造を形成することができる。なお、クラッド５およびコア６はガラス系材料でも良い。

次に、図９（ｂ）に示すように、角度９０度のＶ型ブレードを備えたダイシングソーを使ってシリコン基板２を、下部クラッド５との境界まで切削して、先端部が９０度のＶ字状の切削溝１６を形成する
次いで、一旦、切削を中止して、Ｖ型ブレードを切削溝１６から離間させ、切削溝１６から切削屑を洗浄、除去すると共に、Ｖ型ブレードに付着した切削屑を除去する。

ダイシング装置として、例えば粒径３μｍのダイヤモンドを砥粒とするＶ型ブレードを備えたディスコ社製のダイシング装置を使用する。Ｖ型ブレードの寸法は、例えば厚みが３００μｍであり、中央より１５０μｍの幅で４５度に傾斜した傾斜面を有するブレードである。このようなブレードとして、例えばディスコ社製の型式ＭＢＴ−１２０４、ＳＤ５０００Ｌ２５ＭＴ３８、５２×０．３×４０×４５°のブレード寸法のものを使用できる。

ダイシングする際には、光導波路３Ａ上に紫外線剥離型粘着テープを貼着すると共に、ダイシング装置の真空引き型のチャックテーブルにテープ裏面を貼着して積層構造をダイシングソーに固定する。

本実施形態例では、基板厚さ６２０μｍのシリコン基板２上に１２０μｍの厚さの光導波路３Ａを形成した後、回転速度３０，０００ｒｐｍで切削速度０．３ｍｍ／秒で切削した。尚、切削速度を０．３ｍｍ／秒にすると、平滑な傾斜端面４を形成できる。平滑な傾斜端面４を形成できれば光反射効率を高めることができる。

次いで、図９（ｃ）に示すように、シリコン基板２を切削したＶ型ブレードを切削溝１６に位置合わせし、シリコン基板２の切削条件と同じ条件で光導波路３Ａを切削する。これにより、光信号の進行方向を変換する傾斜端面４を光導波路３Ａの端面に形成することができる。

尚、シリコン基板２を切削した段階で一旦切削を中止して、シリコン基板２の切削屑を除去することなく、シリコン基板２の切削に引き続いて光導波路３Ａを切削すると、光導波路３Ａを切削する際、シリコン切削屑によって光導波路３Ａの切削面が荒れて、平滑な傾斜端面を光導波路３Ａに形成することができない。本実施形態例では、一旦、切削を中止して、Ｖ型ブレードを切削溝１６から離間させ、切削溝１６から切削屑を洗浄、除去すると共に、Ｖ型ブレードに付着した切削屑を除去し、次いで光導波路３Ａの切削を行うという二段階切削を行うことにより、平滑な傾斜端面４を光導波路３Ａに形成することができる。

光集積回路の作製方法の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る光集積回路の作製方法の実施形態の一例であって、図１０は本実施の形態の光集積回路の作製方法例を示し、図１０（ａ）は側面図、図１０（ｂ）は上面図である。

まず、図９で説明した工程により、図２及び図３で説明した光路変換素子１Ｂが作製される。すなわち、シリコン基板２上にオキセタン樹脂等によりクラッド７及びコア８を有する光導波路３Ｂを形成する。そして、Ｖ型ブレードを用いて、光導波路３Ｂの両端に反射面８ａを有する傾斜端面４を形成する。

また、図示しない工程により、面発光半導体レーザ素子１３およびフォトダイオード１４が実装された実装基板１２が作製される。この実装基板１２を作製する工程では、面発光半導体レーザ素子１３およびフォトダイオード１４と実装基板１２を電気的に接続するための半田付けの作業が行われる。また、実装基板１２には、光路変換素子１Ｂの位置合わせをするため、図１０（ｂ）に示すように、位置目標としてマーカー１７が備えられる。マーカー１７は、例えば、実装基板１２の一方の面に、光路変換素子１Ｂの４箇所の角の実装位置を示す印を予め付したものである。なお、図１０（ｂ）では、光路変換素子１Ｂの外形を一点差線で図示している。

上述したように、面発光半導体レーザ素子１３およびフォトダイオード１４が実装された実装基板１２に対して、光路変換素子１Ｂを図示しないハンドリング装置で保持して取り付ける。光路変換素子１Ｂを取り付ける際には、図示しないがＣＣＤを備えた測定装置でマーカー１７と光路変換素子１Ｂの位置を確認しながら、マーカー１７に光路変換素子１Ｂの位置を合わせて取り付ける。このような実装方法をパッシブアライメントと呼ぶ。なお、光路変換素子１Ｂの固定は、例えば接着剤を用いて行われる。

以上の工程で、図４に示す光集積回路１１が作製される。さて、本実施形態例の光路変換素子１は、シリコン基板２で光導波路３を支持しているので、半導体製造プロセスで用いられるハンドリング装置等を用いて実装作業を行える。よって、パッシブアライメント実装が可能となる。

また、半田付け作業の終了した実装基板１２に対して光路変換素子１を実装するので、光路変換素子１を実装した後の実装基板２に熱を加える工程を無くすことができる。よって、光路変換素子１に熱が加わることがないので、オキセタン樹脂等の高分子系樹脂を用いて光導波路３を形成することができる。

さらに、実装基板上に直接光導波路を形成する作製方法では、一般的に実装基板の平坦化工程が必要であるが、光素子を形成した実装基板を平坦化するのは難しく、実装基板上に形成された光導波路は波打ったような状態になる。これに対して、本実施形態例では、光導波路３がシリコン基板２で支持される構成で、シリコン基板２には他の素子が実装されないので、平坦化が容易であることから、所望の平坦さを有する光導波路３を形成できる。そして、光導波路３がシリコン基板２で支持されることから、実装基板の平坦化は不要である。

なお、上述した各実施形態例では、平面型光導波路を例に挙げて説明しているが、本発明に係る光路変換素子の光導波路の段数は一段に限る必要はなく、板状のコア６を有する光導波路３Ａや、複数本のコア８が並列した光導波路３Ｂを積層した多段の光導波路からなる３次元光導波路でも良い。

本発明は、基板に光素子を実装して光を伝達手段とする光インタコネクションに適用できる。

第１の実施の形態の光路変換素子の構成例を示す断面図である。 第２の実施の形態の光路変換素子の構成例を示し、図２（ａ）は側面図、図２（ｂ）は上面図である。 第２の実施の形態の光路変換素子の構成例を示す斜視図である。 本実施の形態の光集積回路の構成例を示し、図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は上面図である。 光集積回路の実験例を示す斜視図である。 第１の実施の形態の光路変換素子の変形例を示す断面図である。 第３の実施の形態の光路変換素子の構成例を示す説明図である。 第３の実施の形態の光路変換素子の変形例を示す断面図である。 実施形態例の方法に従って光路変換素子を作製する際の各工程の断面図である。 本実施の形態の光集積回路の作製方法例を示し、図１０（ａ）は側面図、図１０（ｂ）は上面図である。 特開平１０−３００９６１号公報に掲載された従来の光路変換素子の断面図である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｅ・・・光路変換素子、２・・・シリコン基板、３Ａ〜３Ｃ・・・光導波路、４・・・傾斜端面、５・・・クラッド、６・・・コア、７・・・クラッド、８・・・コア、８ａ・・・反射面、１１・・・光集積回路、１２・・・実装基板、１３・・・面発光半導体レーザ素子、１４・・・フォトダイオード、１５・・・垂直端面、１６・・・切削溝、１７・・・マーカー

Claims (9)

1. 基板上に光導波路を形成する工程と、
   前記光導波路が形成された面と反対側の面から、Ｖ型ブレードを用いて前記基板を切削して前記光導波路に達する切削溝を形成し、次いで切削を一旦中止する工程と、
   前記切削溝及び前記Ｖ型ブレードから切削屑を除去する工程と、
   次いで前記切削溝に前記Ｖ型ブレードを位置合わせし、続いて切削を再開して、前記光導波路を切削し、前記基板の端面に対して外回りで９０度より大きく１８０度より小さい角度をなす傾斜端面を、前記光導波路の少なくとも一方の端面に形成する工程と
   を有する光路変換素子の作製方法。
2. 前記光導波路は、前記基板上にクラッド、コア、クラッドが順次形成され、前記光導波路が形成された面と反対側の面から、Ｖ型ブレードを用いて前記基板を切削して、前記基板側の前記クラッドとの境界まで切削溝を形成した後、切削を一旦中止して、前記切削溝及び前記Ｖ型ブレードから切削屑を除去する工程を行う請求項１に記載の光路変換素子の作製方法。
3. 前記基板としてシリコン基板を用い、前記光導波路の前記クラッド及び前記コアをそれぞれ高分子有機化合物で形成する請求項２に記載の光路変換素子の作製方法。
4. 前記クラッド及び前記コアを、
   オキセタン環を有するオキセタン化合物と、
   オキシラン環を有するオキシラン化合物と、
   連鎖反応によりオキセタン化合物の重合を開始させるカチオン重合開始剤とを含み、
   エネルギービームを照射することにより硬化する樹脂成分からなるオキセタン樹脂で形成する請求項３に記載の光路変換素子の作製方法。
5. 前記基板としてシリコン基板を用い、前記光導波路の前記クラッド及び前記コアをそれぞれガラス系材料で形成する請求項２に記載の光路変換素子の作製方法。
6. 前記Ｖ型ブレードによる切削加工では、ダイシングソーを用いる請求項２に記載の光路変換素子の作製方法。
7. 前記Ｖ型ブレードとして平均粒径が１〜１０μｍのダイヤモンド粒を有するダイヤモンドブレードを用いる請求項６に記載の光路変換素子の作製方法。
8. 基板上にクラッド、コア、クラッドを順次積層して光導波路を形成する工程と、
   前記光導波路が形成された面と反対側の面から、Ｖ型ブレードを用いて前記基板を切削して、前記基板側の前記クラッドとの境界まで切削溝を形成し、次いで切削を一旦中止する工程と、
   前記切削溝及び前記Ｖ型ブレードから切削屑を除去する工程と、
   次いで前記切削溝に前記Ｖ型ブレードを位置合わせし、続いて切削を再開して、前記光導波路を切削する工程で、
   前記基板に前記光導波路が支持され、前記基板の端面に対して外回りで９０度より大きく１８０度より小さい角度をなす傾斜端面を、前記光導波路の少なくとも一方の端面に有し、前記コアの端面が前記傾斜端面と同一面に露出して反射面が形成された光路変換素子を作製し、
   光素子が実装された実装基板の一の面に、前記光導波路の前記反射面が前記光素子と対向する位置に合わせて前記光路変換素子を取り付ける工程を有する光集積回路の作製方法。
9. 前記光路変換素子を、前記実装基板に付された位置目標を基準に位置合わせを行って、前記実装基板に取り付ける請求項８に記載の光集積回路の作製方法。

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