JP4573274B2 - 光表面実装用導波路基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光表面実装用導波路基板の製造方法に関するものである。

近年、情報通信装置の発展に伴い、これらの装置内における信号配線の容量不足が問題となりつつある。これを解消するために、装置内部のプリント基板の銅による電気配線の一部を光導波路に置き換え、電気信号の代わりに光信号を利用することが検討され始めている。装置内部においては、高密度の光配線を限られたスペースに収容する必要があるため、ＩＣやマルチチップモジュールと同じようにレーザーダイオードやフォトダイオードの光電素子を基板表面に実装し、電気配線板と同一の基板に光配線を積層することが検討されている。こうした光表面実装回路基板は、例えば、特許文献１、２に記載されている。
特開平５−７２４２９号公報 特開２００４−９４０７０号公報

光導波路を電気配線と同一の基板上に積層した光・電気配線基板は、高密度実装が可能である。しかし、光導波路を、レーザーダイオードやフォトダイオードといった光電素子と光学的に結合させるには、光導波路の光路を９０°変換する光路変換技術が要求される。

特許文献３では、光導波路が形成された基板に、表面から内側へと向かって伸びるスリットを、機械加工およびエッチングによって設けている。このスリットは、基板表面に対して４５°傾斜させる。これによって、光導波路の端面はスリットに面することになり、光導波路の端面に光学反射鏡が形成される。
特開平５−３４５２６号公報

特許文献４では、Ｓｉ光導波路部品にクラッドを形成する方法を開示している。即ち、図１（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１の表面１ａ上に内側クラッド層２、光導波路コア３および外側クラッドを形成し、エッチングおよび機械加工によって、コア３、クラッド層２お基板１の一部を貫通するスリット４ａを形成する。そして、スリット４内に光学部品を挿入し、固定する。このスリット４に面する内壁面４ａは、表面３ａに対して垂直である必要がある。
特開平１１−２３８７３号公報

しかし、このようなスリットを精度よく形成することは、実際上、困難であった。即ち、スリットはエッチングや機械加工によって形成する必要があるが、これらの加工では、図１（ｂ）に示すように、スリット４Ａが浅いと、壁面４ａは大きく湾曲し、壁面４ａは垂直面Ｖに対して角度θ傾斜する。こうなると、壁面４ａによって反射された光の多くが、光導波路３から外れるため、光の伝搬効率が低下する。

スリット壁面４ａの傾斜角度θは、スリットが浅いほど大きくなる傾向がある。しかし、図２に示すように、スリット４を深く形成すると、基板１の強度が低下し、スリット形成時や取り扱い時にクラックが入りやすくなる。これを防止するには基板を更に厚くする必要があるが、光部品の小型化が要請されているために基板１を厚くすることはできず、むしろ基板１を薄くすることが必要とされている。

本発明の課題は、光表面実装用導波路基板に垂直なスリットを形成するのに際して、基板の強度低下やクラックや防止するとともに、スリットの垂直度を向上させることである。

本発明の方法は、
強誘電体材料からなる基体に光導波路を設ける光導波路形成工程、
基体の光導波路側の表面にクラッド層を設けるクラッド層形成工程、
基体およびクラッド層にスリットを形成するスリット形成工程、
クラッド層を支持基板に接合する接合工程、および
基体をクラッド層とは反対側の主面から加工して薄くすることによって薄板を形成し、スリットをこの薄板に貫通させ、光導波路の端面がスリットに面するようにする薄板化工程
を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、基体およびクラッド層にスリットを形成した後、この基体およびクラッド層を別体の支持基板に接合する。このスリットは、充分に深くすることができ、これによって垂直度を高めることは容易である。そして基体をクラッド層と反対側の主面から加工して薄板化することによって、スリットを薄板に貫通させることでスリットを形成できる。このスリットの垂直度は高くでき、同時にスリットを浅くすることが可能である。スリットは加工前の基体に形成するものであり、支持基板には形成しないので、支持基板にクラックが生ずるおそれはない。

以下、図面を適宜参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明においては、まず、強誘電性材料からなる基体に光導波路を設ける（光導波路形成工程）。例えば、図３（ａ）に示すように、強誘電性材料からなる基体５に光導波路１０を設ける。

基体５を構成する材料の種類は限定されない。しかし、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５の各単結晶が特に好ましい。

強誘電体単結晶中には、三次元光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。分極反転特性（条件）が明確であるとの観点からは、ニオブ酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウムータンタル酸リチウム固溶体単結晶、タンタル酸リチウム単結晶にそれぞれマグネシウムを添加したものが特に好ましい。また、強誘電体単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。

光導波路の形成方法は、チタン拡散法やプロトン交換法などの拡散法であってよい。

次いで、基板５の表面５ａ上にクラッド層２を形成する（クラッド層形成工程）。クラッド層の材質はSiO₂、Ta₂O₅
、Al₂O₃を例示できる。

次いで、基体およびクラッド層にスリットを形成し、この際、スリットの壁面が基体の表面に対して垂直となるようにする（スリット形成工程）。たとえば図３（ａ）では、基体５およびクラッド層２にスリット６を形成する。この際、スリット６が、基体５の表面５ａから垂直下方へと向かって延びるようにする。すなわち、スリットとは、基板表面から垂直下方へと向かって延びる溝を意味している。ただし、スリットに面する壁面は、表面に対して完全に垂直である必要はない。しかし本発明の観点からは、スリットに面する壁面の基体表面に対する角度は、８０〜１００ °であることが好ましく、実質上垂直であることが好ましい。ただし製造上の誤差は許容されるものとする。

この段階で、本発明においては、スリット６の深さを充分に大きくすることが可能であり、これによってスリット６の壁面６ａの表面５ａに対する垂直度を高めることができる。この観点からは、スリット６の深さは、２０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることが更に好ましい。また、この段階で基板５の割れを防止するという観点からは、基板５の全厚Ｔは、２００μｍ以上とすることが好ましく、３００μｍ以上とすることが更に好ましい。

スリットの形成方法は特に限定されず、ウエットエッチング、ドライエッチング、イオンミリング、レーザーアブレーション加工、研削加工を例示できる。

次いで、クラッド層を支持基板に接合する（接合工程）。例えば、図３（ｂ）の例では、クラッド層２が支持基板１に対して接着層１４を介して接着されている。支持基板の材質は、絶縁性が高く、材質内の体積抵抗率が均一で、所定の構造強度を有していることが必要である。この材質としては、シリコン、サファイア、水晶、ガラスを例示できる。基体と支持基板との接合方法は特に限定されない。両者を接着する場合には、接着剤の材質は特に限定されないが、アクリル系、エポキシ系の紫外線硬化型、熱硬化型、併用型の樹脂を例示できる。

次いで、基体５をクラッド層２とは反対側の主面５ｂから加工して薄くすることによって、図４に示すような薄板１２を形成する。スリット１１は、薄板１２の主面１２ａ、１２ｂ間を貫通している。光導波路９の端面９ａがスリット１１に面しており、壁面１１ａが反射鏡を形成している。ここで、貫通スリット１１の壁面１１ａの薄板１２の表面１２ｂに対する垂直度は、基体に形成されたスリット６の時点で決まっているので、スリット１１の垂直度は高くできる。またこのスリット１１は、支持基板１内には設けられていないので、支持基板１内にクラックを生じさせるおそれはない。これによって支持基板１を更に薄くして部品を小型化することが可能になる。

図５は、本発明を適用可能な光表面実装用導波路基板１６を模式的に示す平面図である。基板９の表面にスリット１１が形成されており、光導波路１０がスリット１１で平面的に９０度屈曲している。このスリット１１内には光学素子を収容することもできる。また、図５の例では、９０°の光路変換を取り上げたが、光路変換の角度は任意に設定することができる。

図３、図４に示す方法に従い、図５に示す平面形状を有する基板を作製した。
具体的には、厚さ0.5mm のニオブ酸リチウム単結晶からなるX カット基板５の表面に、Ti拡散法により幅６μｍ、深さ５μｍの光導波路１０を形成した。次に、光導波路１０を作製した表面５ａに、厚さ１μｍのＳｉＯ_２からなるクラッド層２をスパッタ法により形成した。次いで、基板表面に、幅１００μｍ、深さ２０μｍのスリット６をダイサーによって形成した。

上記スリット付基板５を、スリット加工した面５ａが接着面１１側になるようにして、Ｓｉからなる支持基板１上に接着剤により貼り合わせた。貼り合わせ後に、基板５を、主面５ｂ側から厚さ６μｍになるまで研磨した。これにより、導波路端部で面内に９０度反射させる反射鏡１１を形成した。

上記基板を端面研磨し、図５に示すように、光導波路１０の端面から、1.55um用のシングルモードファイバー１２、フェルール１３を介して結合させた。反射鏡１１ａで９０度反射された光を導波路端部で測定した結果、反射鏡１１ａでの反射率は１０％であった。本素子を−45℃と８０℃との間で1000サイクルの温度サイクル試験にかけた結果、光表面実装用導波路基板１６の損傷、特性の劣化は見られなかった。

（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、従来例のスリット４を示す断面図である。 従来例のスリット４を示す断面図である。 （ａ）は、基体５、光導波路１０およびクラッド層２にスリット６を形成した状態を示す断面図であり、（ｂ）は、基体５を支持基板１に接合した状態を示す断面図である。 基体５を加工して薄板１２を形成した状態を示す断面図である。 光路を平面的に変換する光表面実装回路用部品１６を模式的に示す平面図である。

符号の説明

１ 支持基板 ２ クラッド層 ５ 基体 ５ａ クラッド層側の表面 ５ｂ クラッド層と反対側の表面 ６、１１ スリット １０ 光導波路 １１ａ 反射鏡 １２ 薄板 １６ 光表面実装用導波路基板 Ｄ スリット６の深さ Ｔ 基体５の厚さ

Claims (3)

1. 強誘電体材料からなる基体に光導波路を設ける光導波路形成工程、
   前記基体の前記光導波路側の表面にクラッド層を設けるクラッド層形成工程、
   前記基体および前記クラッド層にスリットを形成するスリット形成工程、
   前記クラッド層を支持基板に接合する接合工程、および
   前記基体を前記クラッド層とは反対側の主面から加工して薄くすることによって薄板を形成し、前記スリットをこの薄板に貫通させ、前記光導波路の端面が前記スリットに面するようにする薄板化工程
   を備えていることを特徴とする、光表面実装用導波路基板の製造方法。
2. 前記スリットの深さが２０μｍ以上であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記基体の厚さが２００μｍ以上であることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
   

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