JP4427646B2 - 光接続手段を備えた光デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光接続手段を備えた光デバイス及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）やＰＤ（Photo Diode）を始めとした光学素子に光導波路等と光接続可能な自己形成光導波路から形成される光接続手段が設けられた光デバイス及びその製造方法に関する。

近年、ＩＴ（Information Technology：情報技術）の発達が急速に進んでおり、それに伴ってコンピュータを始めとした情報処理装置において取扱う情報量も急速に増加している。しかし、現在の電気配線ではピンボトルネックやクロストークや反射や雑音による伝搬遅延によって質の高い通信をすることができないという問題がある。そのため、日々増え続ける大量の情報を扱うことに関し、それらの装置を構成する回路内では配線についての新しい技術が求められている。

このような電気配線における問題を解決する手段として挙げられるものとして光配線を用いる光配線技術がある。光信号は相互干渉の影響が非常に少なく、高品質な通信を行うことができるため大量の情報の伝達に適している。回路中での配線は、実装されたＶＣＳＥＬを始めとする光源（発光素子）からＰＤを始めとする光検出器（受光素子）へ光導波路を通じて光信号を伝搬する、という光回路に置き換えることができる。

しかし、電気配線と違い光配線では、そのような光学素子と光導波路もしくは光導波路と光導波路の結合の際に非常に精密な位置合わせ（調芯）が必要であり、接触することで簡単に接続可能である電気配線と比較するとその接続は非常に難しい。また、光配線における９０°光路変換技術等も重要な課題となる。特に、電気配線基板と光配線基板が混載された光電気混載基板においてはその構成上、光学素子と光配線基板層の光導波路を互いに直交させることが必要となり、光信号を発光素子から受光素子まで伝搬させるためには上述のような光路変換技術が必須となる。

ところで、調芯の複雑さを解決する手段の一つとして挙げられる技術としては自己形成光導波路による接続方法がある。自己形成光導波路は、図１に示すように、コア層１０３の周囲にクラッド層１０１を備えた光ファイバ１００の一方側の端部であって自己形成光導波路を形成させたい側の端部近傍に光感光性媒質１１０を配置する（図１（ａ））。そして、光ファイバ１００の反対側の端部から光を入射することによって光ファイバ１００を介して光感光性媒質１１０に光を照射する。これにより、光が照射された部分の屈折率が下がると共に硬化する（図１（ｂ））。そして、未硬化の光感光性媒質を除去することにより光ファイバ１００の端部に自己形成光導波路１２０を形成することができる（例えば、特開２００３−１３１０６３号公報、特開２００３−１３１０６４号公報）。このようにして既設の光導波路を伝搬する光によって自己形成光導波路を形成させれば、既設の光導波路や光素子と自己形成光導波路は無調芯での接続が可能となる。厳密な調芯の必要がなくなればその分コスト低下にもつながる。

一方、光配線において不可欠な技術である光路変換を可能にするためのものとして、光ファイバの先端を任意の形状に加工を施すことによって様々な光路変換機能を付加することを可能にする光ピンとして提案されている(T.Uchida and O.Mikami , “Optical surface mount technology” , IEICE Trans.on Electron. , E80C,pp.81-87,1997参照)。光ピンは、例えば図２に示すように、円柱状の光ファイバ１３０の端部を４５°にカットした形状を有している。そして、４５°のカット面は反射面１３５として機能する。すなわち、図２における光ファイバ１３０の上部側の端部から入射された光はコア１３３内をクラッド１３１との境界面での全反射を繰り返しながら下側方向に進み、反射面１３５によって反射し、９０°方向に光路変換されて図上右側方向から出射されるようになっている（特開２００３−１３１０８１号公報）。

特開２００３−１３１０６３号公報 特開２００３−１３１０６４号公報 特開２００３−１３１０８１号公報 (T.Uchida and O.Mikami , "Optical surface mount technology" , IEICE Trans.on Electron. ,E80C,pp.81-87,1997)

前述のように、光電気混載基板においては、その構成上、光を直角に折り曲げる９０°光路変換が可能となるように光学素子と光導波路を配置する必要がある。そのためには光学素子に上述のような光ピンを設けることにより光路変換機能を付与する光配線を施すことが考えられる。
しかし、光学素子及び光ピンは非常に小さく、そのような光学素子に光ピンを配設するためのハンドリング作業は容易ではない。しかも、光学素子と光ピンとが正確に調芯されて取り付けられていないと光の損失が顕著となる。
さらに、光ファイバの先端を４５°にカットすることやカット面を精密な平面に形成することも実際上は簡単ではない。

また、光配線の場合、光から電気又は電気から光への変換を行わなければならないためコスト上昇を招きやすい。従って、コストを低下させる素材、方法による光配線が必要になる。

そこで、本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）やＰＤ（Photo Diode）を始めとした光学素子に光導波路等と光接続可能な自己形成光導波路による光配線である光接続手段を簡単且つ安価に設けることが可能な光接続手段を備えた光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明はそのような光接続手段を備えた光デバイスを提供することを目的とする。
具体的には、従来、その製造が困難であり、且つ光学素子への取り付けといったハンドリングにも問題があった光ファイバの加工による光ピンを、フォトマスク転写を用いた自己形成光導波路による光配線とすることによって安価で、簡易かつ機能的な光接続手段を備えた光デバイスを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために請求項１に記載の本発明は、基板上に実装された発光素子又は受光素子上に所定形状の開口部を備えたフォトマスクを基板に対して４５°の角度で、且つ開口部が発光素子又は受光素子の真上に位置するように配置する工程と、基板とフォトマスクとの間に光の照射によって硬化する光感光性媒質を充填する工程と、フォトマスクの上方から光を照射してフォトマスクの開口部を透過する光によって光感光性媒質を硬化させて自己形成光導波路を形成する工程と、未硬化の光感光性媒質を除去する工程と、そして、フォトマスクを取り外すことにより自己形成光導波路の先端部に４５°の傾斜角を有する反射面を出現させる工程とを備えて構成されてなる光接続手段を備えた光デバイスの製造方法を提供する。

基板上に実装された発光素子又は受光素子上にフォトマスクを４５°の角度で配置し、発光素子又は受光素子とフォトマスクの間に光感光性媒質を充填し開口部から光を照射することによって発光素子又は受光素子とフォトマスクの間に自己形成光導波路による光配線を形成させる。そして、未硬化の光感光性媒質を除去した後、フォトマスクを取り外せば自己形成光導波路の先端部には４５°端面が形成されることになる。従って、発光素子又は受光素子に対する光ピンの正確な位置合わせや細かなハンドリング作業が一切不要となる。

上記課題を解決するために請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の光接続手段を備えた光デバイスの製造方法において、フォトマスクは直角プリズムの底辺部に設けられていることを特徴とする。
直角プリズムの底辺部にフォトマスクを設けることによりフォトマスクを簡単に４５°に配置することができる。

上記課題を解決するために請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の光接続手段を備えた光デバイスの製造方法において、フォトマスクが設けられた直角プリズムの底辺部を発光素子又は受光素子に対向させ、他の辺部のいずれか一方を基板に対して平行となるように配置することによりフォトマスクを基板に対して４５°の角度で配置させることを特徴とする。

直角プリズムの底辺部に形成されたフォトマスクは他の辺部のうちどちらか一方側の辺部を基板と平行に位置させることによって簡単に発光素子又は受光素子上にフォトマスクを４５°の角度で配置することができる。

上記課題を解決するために請求項４に記載の本発明は、請求項２又は３に記載の光接続手段を備えた光デバイスの製造方法において、光感光性媒質とプリズムの屈折率差は、入射された光がその境界面で屈折又は拡散することなく直進可能な屈折率差であることを特徴とする。

プリズムと光感光性媒質の屈折率が相違するとプリズム側から入射された光がその境界面を通過する際に屈折し拡散又は収斂してしまうので自己形成光導波路の形状もそれに従った形状となってしまう。その結果、光導波路等と光接続を行う光接続手段である光配線（いわゆる「光ピン」以下同じ。）を真っ直ぐに形成させることができない。そのため、プリズムと光感光性媒質の屈折率差を極力小さくする。

上記課題を解決するために請求項５に記載の本発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の光接続手段を備えた光デバイスの製造方法において、光感光性媒質は紫外線の照射によって硬化する紫外線硬化樹脂であり、照射する光が紫外光であることを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項６に記載の本発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の光接続手段を備えた光デバイスの製造方法において、フォトマスクの開口部を複数設けることによりアレイ状の自己形成光導波路を形成させることを特徴とする。

フォトマスクに複数の開口部を設けけることにより簡単に自己形成光導波路を形成させることができる。しかも調芯やハンドリング作業が不要なので極めて容易にアレイ状の自己形成光導波路を形成させることができる。

本発明に係る光接続手段を備えた光デバイス及びその製造方法によれば、発光素子又は受光素子上に直接自己形成光導波路による光接続手段を形成することができるので発光素子又は受光素子に対する正確な位置合わせや細かなハンドリング作業が一切不要となるという効果がある。
また、本発明に係る光接続手段を備えた光デバイス及びその製造方法によれば、自己形成光導波路の端部に極めて簡単に精度の高い４５°反射面を形成することができるという効果がある。
さらに、本発明に係る光接続手段を備えた光デバイス及びその製造方法によれば、ミラー等の光学素子の削減、安価な素材、スルーホール等既存技術を利用できることによるコスト面での利点がある。そのため利用範囲のさらなる拡大が期待できるという効果がある。

本発明に係る光接続手段を備えた光デバイス及びその製造方法について図面を参照しつつ以下詳細に説明する。図３は本発明に係る光接続手段を備えた光デバイスの製造方法の好ましい一実施形態におけるフローチャート、図４から図８は各工程における概略説明図である。
初めに、図４に示すように、ＶＣＳＥＬやＰＤ等の光学素子１０が実装された基板１上に所定の形状の開口部２５を備えたフォトマスク２０を基板１に対して４５°の角度で、且つ開口部２５が光学素子１０の真上に位置するようにして配置する（ステップＳ１）。本実施形態では、図１１に示すように、フォトマスク２０は直角プリズム３０の底辺部３１に設けられている。すなわち、フォトマスク２０は、ガラス基板２１の表面に、照射された光が透過しないようにメタルコーティングされた遮蔽面部の所定箇所に所定の形状を有する開口部２５を備えて形成されている。そして、このフォトマスク２０が直角プリズム３０の底辺部３１に接着剤等によって接着されている。

直角プリズム３０にフォトマスク２０を配設したのは以下の理由による。すなわち、光源から空気中を進んだ光がフォトマスク２０の開口部２５を通過する際、空気中の屈折率と後述する光感光性媒体の屈折率の差によりその接触面で光が屈折して拡散又は収斂し、照射された光が真っ直ぐに光感光性媒体の中を進まないおそれがある。光が真っ直ぐに進まないと光の照射により硬化して形成される自己形成光導波路の形状もそれに応じて歪んだものとなってしまう。そのため、照射した光を光感光性媒体とほぼ同じ屈折率を有する媒質中を進行させてフォトマスク２０の開口部２５から光感光性媒体との接触面を通過させれば接触面での光の屈折は最小限に押さえられ、光は光感光性媒体中を真っ直ぐに進むことになる。例えば、光感光性媒体の一つである紫外線硬化樹脂の屈折率は約１．５で、直角プリズム３０を形成するガラスの屈折率も約１．５でほぼ同じ屈折率を有している。これによって自己形成光導波路もフォトマスク２０の開口部２５の形状に即した形で形成することができる。

また、別の理由としては、光学素子１０が実装された基板１に対して正確に４５°の角度でフォトマスク２０を配置することができるからである。すなわち、フォトマスク２０が配設された直角プリズム３０の他の辺部３３ａ、３３ｂのいずれか一方、例えば図１１における辺部３３ａを基板１に対して平行となるように配置すれば必然的にフォトマスク２０は基板１に対して４５°の角度で配置されることになるからである。

ここで、フォトマスク２０の開口部２５が光学素子１０の真上に位置するように配置するには、例えば、フォトマスク２０を備えた直角プリズム３０を微動台等の図示しない移動装置に取り付け、直角プリズム３０を微動させつつ開口部２５の真上から顕微鏡等の図示しない拡大鏡により光学素子１０の位置を観察し、光学素子１０が正しく開口部２５の真上に位置したか否かを確認することによって行うことができる。このように、フォトマスク２０を使用することによって任意の場所に容易に自己形成光導波路５０を形成することが可能となる。また、フォトマスク２０の開口部２５の位置を変えるか直角プリズム３０の高さ位置を変えることにより自己形成光導波路５０の長さを適宜調整することもできる。

フォトマスク２０は、図９に示すように、その形状は楕円形状を有している。このように楕円形状としたのは、本発明方法ではフォトマスク２０を４５°傾けて配置するため正円柱状の自己形成光導波路を得るためには図９に示すような楕円形状の開口部を有するフォトマスク２０が必要となるからである。例えば、直径５０μｍの円柱状の自己形成光導波路を形成したい場合には、縦７０．７μｍ、横５０μｍの径をもつ楕円形状の開口部を設ければよい。もちろん、形成する自己形成光導波路５０の形状は円柱状に限らず、四角柱状等の他の形状であってもかまわない。但し、自己形成光導波路５０が目的の形状となるように開口部２５の形状は傾斜角度を考慮した形状にすることが必要である。
また、図１０に示すように、開口部２５をいくつか並列に配置することによってアレイ状の自己形成光導波路を形成することができる。

次に、図５に示すように、基板１とフォトマスク２０との間に光の照射によって硬化する光感光性媒質４０を充填する（ステップＳ２）。光感光性媒質４０は、例えば、紫外線を照射することによって硬化する紫外線硬化樹脂があり、具体的には日本化薬株式会社（東京都千代田区）のＤＶＤ００３等のアクリル系樹脂がある。紫外線硬化樹脂は様々なものが数多く提供されており、もちろんこれに限定されるものではなく、例えば、光感光性媒質４０に特定の波長の光を吸収する色素を混合しておきその色素が最も良く吸収する波長の光を照射することによって光感光性媒質４０を硬化させることもできる。

次に、図６に示すように、直角プリズム３０の上方から光（例えば、紫外線硬化樹脂を満たした場合には紫外線）を照射してフォトマスク２０の開口部２５を透過する光によって光感光性媒質４０を硬化させて自己形成光導波路５０を形成する（ステップＳ３）。この場合、上述のように、直角プリズム３０と屈折率差が小さい光感光性媒質４０（紫外線硬化樹脂）に対して真っ直ぐに紫外線が入射される。

光の照射点は、コリメイトレンズを使用した場合には、製造精度の観点から１ｃｍ程度直角プリズム３０より離すとよい。光の照射強度については使用する光感光性媒質にもよるが、上述のＤＶＤ００３を使用して５００ｍｗ／ｃｍ^２程度の強度の紫外光を約１０秒照射したところ約３００μｍの長さの自己形成光導波路５０を形成することができた。尚、このようにして形成された自己形成光導波路５０は解析上では、４５°ミラー面にメタルコーティングを施さない光ファイバを用いて形成された光ピンよりも高い光結合効率を実現することが可能である。もちろん、自己形成光導波路５０の４５°面にミラーコーティングを施して反射効率をアップさせることも可能である。

次に、図７に示すように、未硬化の光感光性媒質４０を除去する（ステップＳ４）。未硬化の光感光性媒質４０の除去はエタノールで洗浄することによって容易に行うことができる。
未硬化の光感光性媒質４０が除去されたらフォトマスク２０を取り外す（ステップＳ５）。これにより、光学素子１０上に自己形成光導波路５０の先端部に４５°の傾斜角を有する反射面５５を備えた光接続手段を直接設けることができる（図８参照）。尚、フォトマスク２０の開口部２５の光感光性媒質４０側に予め離型材を塗布しておくことにより開口部２５と自己形成光導波路５０の４５°面との剥離を容易に行わせることができる。その他、自己形成光導波路５０と光学素子１０との接続部分にさらに固定用の樹脂を流し込んで固めることにより自己形成光導波路５０が光学素子１０から剥離するのを防止することができる。

このようにして製造した自己形成光導波路による光接続手段を備えた光学素子の実装モデルを図１２に示す。図示された光電気混載基板６０は下層部に光導波路６１、上層部に電気基板６３が積層されて形成されており、光電気混載基板６０には発光素子であるＶＣＳＥＬ１０ａを備えた光デバイス１ａの自己形成光導波路５０ａが挿入されるスルーホール６０ａと、ＰＤ１０ｂを備えた光デバイス１ｂの自己形成光導波路５０ｂが挿入されるスルーホール６０ｂを備えている。そして、スルーホール６０ａには光デバイス１ａの自己形成光導波路５０ａが挿入されて表面実装されると共に、スルーホール６０ｂには光デバイス１ｂの自己形成光導波路５０ｂが挿入されて表面実装されている。

そして、ＶＣＳＥＬ１０ａより出射された光はＶＣＳＥＬ１０ａ上に形成された自己形成光導波路５０ａに入射され、先端の４５°反射面５５ａで９０°光路変換されて光配線層である光導波路６１へと入射される。そして、光導波路６１を通った光はＰＤ１０ｂ上に形成された自己形成光導波路５０ｂにより４５°反射面５５ｂで９０°光路変換されてＰＤ１０ｂへと導かれる。このようにして光配線が可能になる。尚、自己形成光導波路５０ａ、５０ｂとスルーホール６０ａ、６０ｂとの隙間に自己形成光導波路５０ａ、５０ｂよりも低い屈折率を有する接着剤又はオイル等を充填することによりクラッド層を設けることもできる。

本発明に係る光接続手段を備えた光デバイスの製造方法に基づいて製造された自己形成光導波路はコアのみ存在しクラッドがないため送受信側において結合効率を高くできるというメリットがある。また、受信側では高いＮＡのためより多くの光を拾うことができるという利点を有する。

また、本発明に係る光接続手段を備えた光デバイスは、基板１上に実装された光学素子１０上にその先端が光軸を９０°折り曲げることが可能な４５°の反射面５５を有する自己形成光導波路５０であって、上述したように、光の照射によって硬化する光感光性媒質４０により形成された自己形成光導波路５０を備えている点が特徴である。

（ａ）及び（ｂ）は自己形成光導波路形成の概略図である。 ４５°カット型光ピンによる９０°光路変換機能の概略図である。 本発明に係る光接続手段を備えた光デバイスの製造方法の好ましい一実施形態におけるフローチャートである。 フォトマスクを４５°に配置した状態を示す説明図である。 光感光性媒質を充填した状態を示す説明図である。 光を照射した状態を示す説明図である。 未硬化の光感光性媒質を除去した状態を示す説明図である。 自己形成光導波路が形成された状態を示す説明図である。 フォトマスクの開口部の例を示した図である。 アレイ状で円柱状の自己形成光導波路を形成するためのフォトマスクの構成例を示した図である。 直角プリズムに配設されたフォトマスクの概略斜視図である。 本発明に係る光デバイスを光混載基板に実装した状態を示す説明図である。

符号の説明

１ 基板
１０ 光学素子
２０ フォトマスク
２５ 開口部
２１ ガラス基板
３０ 直角プリズム
３１ 底辺部
３３ａ 辺部
３３ｂ 辺部
４０ 光感光性媒質
５０ 自己形成光導波路
５５ 反射面

Claims (6)

1. 基板上に実装された発光素子又は受光素子上に所定形状の開口部を備えたフォトマスクを前記基板に対して４５°の角度で、且つ前記開口部が前記発光素子又は受光素子の真上に位置するように配置する工程と、
   前記基板と前記フォトマスクとの間に光の照射によって硬化する光感光性媒質を充填する工程と、
   前記フォトマスクの上方から光を照射して前記フォトマスクの開口部を透過する光によって前記光感光性媒質を硬化させて自己形成光導波路を形成する工程と、
   未硬化の光感光性媒質を除去する工程と、そして、
   前記フォトマスクを取り外すことにより前記自己形成光導波路の先端部に４５°の傾斜角を有する反射面を出現させる工程と、
   を備えて構成されてなる光接続手段を備えた光デバイスの製造方法。
2. 請求項１に記載の光接続手段を備えた光デバイスの製造方法において、
   前記フォトマスクは直角プリズムの底辺部に設けられていることを特徴とする光接続手段を備えた光デバイスの製造方法。
3. 請求項２に記載の光接続手段を備えた光デバイスの製造方法において、
   フォトマスクが設けられた前記直角プリズムの底辺部を前記発光素子又は受光素子に対向させ、他の辺部のいずれか一方を前記基板に対して平行となるように配置することにより前記フォトマスクを前記基板に対して４５°の角度で配置させることを特徴とする光接続手段を備えた光デバイスの製造方法。
4. 請求項２又は３に記載の光接続手段を備えた光デバイスの製造方法において、
   前記光感光性媒質と前記プリズムの屈折率差は、入射された光がその境界面で屈折又は拡散することなく直進可能な屈折率差であることを特徴とする光接続手段を備えた光デバイスの製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の光接続手段を備えた光デバイスの製造方法において、
   前記光感光性媒質は紫外線の照射によって硬化する紫外線硬化樹脂であり、照射する光が紫外光であることを特徴とする光接続手段を備えた光デバイスの製造方法。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光接続手段を備えた光デバイスの製造方法において、
   前記フォトマスクの開口部を複数設けることによりアレイ状の自己形成光導波路を形成させることを特徴とする光接続手段を備えた光デバイスの製造方法。

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