JP6237494B2

JP6237494B2 - 光デバイス、光モジュール、及び光デバイスの製造方法

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Publication number: JP6237494B2
Application number: JP2014131319A
Authority: JP
Inventors: 西沢　元亨; 元亨西沢; 関口　茂昭; 茂昭関口
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2034-06-26
Also published as: JP2016009160A

Description

本発明は、光デバイス、光モジュール、及び光デバイスの製造方法に関する。

サーバやルータなど内部に複数のノードを有する情報機器において、ノード間のデータ伝送に光インターコネクション技術を用いることが提案されている。また、情報機器の省電力化、高集積化を実現するため、光電気変換素子や光変調器、合分波器等といった光素子をチップに集約するシリコンフォトニクス技術が注目されている。

シリコンフォトニクス技術に用いられるシリコン集積チップ等の光デバイスは、シリコンの基板上にクラッド層や光導波路が形成され、光導波路の端部にレンズアレイ等といった光学部品と光結合を行うグレーティングカプラ等の光結合器が形成されている。例えば、レンズアレイは、光フェルールが保持する光ファイバの光結合端部に位置決め保持される。そして、レンズアレイがグレーティングカプラと位置合わせされて光学的に接続されることで、光ファイバと光導波路との光結合が実現される。

ここで、光導波路と光ファイバとの間における高効率な光結合を実現するためには、基板側のグレーティングカプラの直上にレンズアレイを精度よく位置合わせして実装する必要がある。

これに関連して、半田のセルフアライメント効果を利用して実装部品の位置精度を向上させる技術が知られている。

特開２００８−１５８３８８号公報特開２００５−２４３７７８号公報特開２００６−０２３７７７号公報

Kaiji Sato et, al "Self-alignment of microparts using liquid surface tension - behavior of micropart and alignment characteristics" Precision Engineering 27 (2003) 42-50.

しかしながら、半田は不透明材料であるため、半田を介した機械的又は電気的な接続は実現されるものの、半田接続部を介して信号光の送受信を行うことはできない。このため、半田のセルフアライメント効果を利用してレンズアレイ等の光学部品を基板に実装しようとすると、半田接続部とは別の位置でグレーティングカプラ等の光結合器と光学部品とを光学的に接続する必要がある。その結果、基板に搭載する光学部品を小型化することが難しいという実情がある。

本件は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、光デバイスの基板に光学部品を搭載する際の位置精度を高め、且つ光学部品の小型化を実現可能な技術を提供することを目的とする。

本件の一観点によると、基板と、前記基板に形成された光導波路と、前記光導波路に形成され、光が入射又は出射する光結合器と、前記光結合器に対応する位置に開口部が形成されるように前記基板を覆い、前記基板の最表層を形成する疎水層と、透明な光学接着剤によって前記光結合器と光学的に接続される光学部品と、を備え、前記光学部品は、前記基板側に向かって突起した突起部を有し、前記突起部の底面が前記開口部と接着されている、光デバイスが提供される。

また、本件の他の観点によると、光デバイスと、前記光デバイスを実装する中継基板と、を備え、前記光デバイスは、基板と、前記基板に形成された光導波路と、前記光導波路に形成され、光が入射又は出射する光結合器と、前記光結合器に対応する位置に開口部が形成されるように前記基板を覆い、前記基板の最表層を形成する疎水層と、透明な光学接着剤によって前記光結合器と光学的に接続される光学部品と、を備え、前記光学部品は、前記基板側に向かって突起した突起部を有し、前記突起部の底面が前記開口部と接着されている、光モジュールが提供される。

また、本件の他の観点によると、光デバイスの製造方法であって、光が入射又は出射する光結合器を有する光導波路が形成された基板の最表層として、前記光結合器に対応する位置に開口部が形成されるように前記基板を疎水層によって覆う工程と、前記基板に光学部品を搭載すると共に透明な光学接着剤によって前記光学部品から突起した突起部の底面と前記開口部とを接着することで、前記光学部品と前記光結合器とを光学的に接続する工程と、を含む、光デバイスの製造方法が提供される。

本件によれば、光デバイスの基板に光学部品を搭載する際の位置精度を高め、且つ光学部品の小型化を実現可能な技術を提供できる。

図１は、実施形態に係る複数の光モジュールを搭載した電子機器の概略図である。図２は、実施形態に係るシリコン集積チップの概略構成を示す図である。図３Ａは、実施形態に係るシリコン集積チップの製造工程を示す図である（１）。図３Ｂは、実施形態に係るシリコン集積チップの製造工程を示す図である（２）。図３Ｃは、実施形態に係るシリコン集積チップの製造工程を示す図である（３）。図３Ｄは、実施形態に係るシリコン集積チップの製造工程を示す図である（４）。図３Ｅは、実施形態に係るシリコン集積チップの製造工程を示す図である（５）。図３Ｆは、実施形態に係るシリコン集積チップの製造工程を示す図である（６）。図３Ｇは、実施形態に係るシリコン集積チップの製造工程を示す図である（７）。図３Ｈは、実施形態に係るシリコン集積チップの製造工程を示す図である（８）。図３Ｉは、実施形態に係るシリコン集積チップの製造工程を示す図である（９）。図３Ｊは、実施形態に係るシリコン集積チップの製造工程を示す図である（１０）。図３Ｋは、実施形態に係るシリコン集積チップの製造工程を示す図である（１１）。図３Ｌは、実施形態に係るシリコン集積チップの製造工程を示す図である（１２）。図３Ｍは、実施形態に係るシリコン集積チップの製造工程を示す図である（１３）。図４は、実施形態に係る疎水層をパターン形成する工程を説明する図である。（ａ）は、レジストを形成する工程を示す図である。（ｂ）は、レジストをパターニングする工程を示す図である。（ｃ）は、疎水層を形成する工程を示す図である。（ｄ）は、リフトオフ工程を示す図である。図５Ａは、実施形態に係るレンズアレイの上面図である。図５Ｂは、実施形態に係るレンズアレイの下面図である。図５Ｃは、図５Ａに示すＤ−Ｄ´矢視断面図である。図５Ｄは、図５Ａに示すＥ−Ｅ´矢視断面図である。図６は、実施形態に係る光学接着剤を用いたセルフアライメント効果を説明する図である。図７は、実施例におけるレンズアレイの位置ずれ量を示す図である。図８は、実施形態におけるシリコン集積チップを示す図である。

＜実施形態＞
以下、図面を参照しながら本件に関する実施形態を詳細に説明する。

図１は、実施形態に係る複数の光モジュール１０を搭載した電子機器１の概略図である。各光モジュール１０には、光デバイスの一例としてのシリコン集積チップ２０が実装されている。電子機器１は、例えば、ノード間の光インターコネクションを備えた情報機器で用いられる回路基板であり、光モジュール１０の各々がノードを形成している。光モジュール１０は、半田バンプ（図示せず）によって回路基板２に実装され、ノード間は、光ファイバ４１を用いて光接続されている。回路基板２のエッジには、ボード外接続用の光コネクタ３が配置され、各光モジュール１０と光コネクタ３の間が光ファイバ４１によって光接続されている。

光モジュール１０は、例えば、中継基板の一例であるインタポーザ基板１１上に、インターコネクト制御チップ１２、ロジックチップ１３、メモリチップ１４等の電子部品と、シリコン集積チップ２０とを搭載している。

図２は、実施形態に係るシリコン集積チップ２０の概略構成を示す図である。シリコン集積チップ２０は、基板３０、この基板３０上に搭載された光フェルール４０等を備えている。基板３０は、シリコン層３１上にＢＯＸ（Buried Oxide）層３２が下部クラッド層として形成されている基板構造を有している。このＢＯＸ層３２は、例えば二酸化シリコン（SiO₂）によって形成されている。ＢＯＸ層３２上には、複数のシリコン光導波路３３がコア層として並列して形成されている。シリコン光導波路３３の端部には、他の光学部品、例えば、光ファイバ４１と光学的に連結される光結合器であるグレーティングカプラ３４が形成されている。グレーティングカプラ３４は、シリコン光導波路３３の端部を微細凹凸加工することで形成された回折格子であり、回折現象によって、シリコン光導波路３３に沿って進行する光と、光ファイバ４１に沿って進行する光とを結合する。これにより、グレーティングカプラ３４は、外部から入射し、あるいは外部へ出射する光信号の入出力インタフェースとして機能する。なお、図２では、図示はしないが、基板３０上には、例えば光電変換素子や、光強度を変化させる光変調素子等が集積されていてもよい。

光ファイバ４１は、例えば光フェルール４０にアレイ状に配列及び保持されている。光フェルール４０は、ハウジング４２、光ファイバ４１が挿入されるファイバ孔（図示せず）が設けられたフェルール本体部４４、レンズアレイ４５等を含んでおり、これらが一体となっている。光フェルール４０は、例えば樹脂製である。フェルール本体部４４のファイバ孔に挿入される光ファイバ４１は、例えば接着剤を用いて光フェルール本体部４４に固定されている。また、ハウジング４２は、フェルール本体部４４を嵌合することで保持しているが、ハウジング４２に対するフェルール本体部４４の固定方法は適宜変更なし得る。

レンズアレイ４５は、アレイ状に配列された複数のレンズ４６を有する光学部品である。以下、レンズアレイ４５において、レンズ４６が形成される面を「レンズ配置面４５ａ」と呼び、その反対側の面を「底面４５ｂ」と呼ぶ。レンズアレイ４５の底面４５ｂには、レンズ４６に対応する数の突起部４７が突設されている。詳しくは後述するが、レンズアレイ４５は、シリコン集積チップ２０におけるシリコン光導波路３３の端部に形成されるグレーティングカプラ３４に対応する数のレンズ４６及び突起部４７を有している。レンズアレイ４５のレンズ４６は、例えばレンズ配置面４５ａから半球状に突出した凸型レンズである。一方、突起部４７の底面４７ａは、平坦面として形成されている。レンズアレイ４５は、突起部４７における底面４７ａに塗布された透明な光学接着剤５０によって、基板３０側のグレーティングカプラ３４と光学的に接続（光結合)されている。なお、
レンズアレイ４５における突起部４７の底面４７ａには親水化処理が施されているが、詳しくは後述する。

基板３０のＢＯＸ層３２上には、シリコン光導波路３３を覆うクラッド層３５が形成されている。クラッド層３５は、例えば二酸化シリコン（SiO₂）によって形成されている。また、クラッド層３５は、基板３０の最表層を形成する疎水層３６によって、更に覆われている。疎水層３６は、グレーティングカプラ３４に対応する位置に開口部３７がパターン形成されるように、この開口部３７を残してクラッド層３５上を覆っている。疎水層３６は、疎水性を有する材料によって形成されている。図２に示すように、クラッド層３５のうち、グレーティングカプラ３４の直上部を覆っている部分が開口部３７を通じて外部に露出している。本実施形態では、レンズアレイ４５における突起部４７の底面４７ａと開口部３７（より詳しくは、開口部３７を通じて外部に露出するクラッド層３５）とが、互いに位置合わせされた状態で光学接着剤５０によって接着されている。光学接着剤５０としては、例えばフッ素含有エポキシ系の光学接着剤などが挙げられるが、これには限定されない。

次に、実施形態に係るシリコン集積チップ２０の製造工程について図面を参照して説明する。図３Ａ〜図３Ｍは、実施形態に係るシリコン集積チップ２０の製造工程を示す図である。以下の例では、１６本の光ファイバ４１を８列２段の２次元アレイ状に配列させる場合を例に説明するが、一つのシリコン集積チップ２０に対応する光ファイバ４１の数は特に限定されず、単独で配置されてもよいし、アレイ状に配列されてもよい。

まず、図３Ａに示すように、シリコン基板３０におけるシリコン層３１上に積層されたＢＯＸ層３２上に、シリコン光導波路３３及びグレーティングカプラ３４を形成する。図３Ａは、基板３０の上面図である。図３Ｂは、図３ＡにおけるＡ−Ａ´矢視断面図である。ＢＯＸ層３２は、例えば二酸化シリコン（SiO₂）によって形成されており、その厚さは特に限定されないが例えば数μｍ程度であってもよい。グレーティングカプラ３４は、各シリコン光導波路３３の端部に形成されている。グレーティングカプラ３４は、光結合器の一例である。また、基板３０のＢＯＸ層３２上には、位置決め用のアライメントマーク（図示せず）が設けられていてもよい。

シリコン光導波路３３をＢＯＸ層３２上に形成させる工程を説明すると、一例として、まずＢＯＸ層３２上に薄いシリコン層が形成される。ＢＯＸ層３２上に形成するシリコン層の厚さは特に限定されないが、例えば、数十〜数百ｎｍ程度であってもよい。ＢＯＸ層３２上のシリコン層は、例えば、光リソグラフィ及びドライ・エッチング等により図３Ａに示すシリコン光導波路３３となる。図３Ａに示す例では、１６本の細長いシリコン光導波路３３が平行に並べられ、その端部の位置が８列２段の２次元アレイ状に配列されるように位置決めされている。グレーティングカプラ３４は、適宜のシリコン加工技術によって、シリコン光導波路３３の端部に微細な凹凸加工を施すことで形成される。なお、図３の各図に示す基板３０は、図示の都合上、１チップ分の平面領域のみを示している。

次に、図３Ｃに示すように、シリコン光導波路３３及びグレーティングカプラ３４を覆うように、クラッド層３５を形成する。図３Ｃは、基板３０の上面図である。図３Ｄは、図３ＣにおけるＢ−Ｂ´矢視断面図である。作図上、クラッド層３５によって被覆されているシリコン光導波路３３及びグレーティングカプラ３４を破線によって図示している。図３Ｃに示す例では、基板３０の全体がクラッド層３５によって覆われている。クラッド層３６は、例えば、二酸化シリコン（SiO₂）、シリコンナイトライド（SiN）、窒化酸化
シリコン（SiON）等によって形成することができる。

次に、図３Ｅに示すように、クラッド層３５を被覆する疎水層３６を形成する。図３Ｅは、基板３０の上面図である。図３Ｆは、図３ＥにおけるＣ−Ｃ´矢視断面図である。疎水層３６は、各グレーティングカプラ３４に対応する位置に開口部３７が形成されるようにパターニングされている。図３Ｅに示す例では、開口部３７を四角形の平面形状として形成しており、各開口部３７における大きさは互いに等しい。但し、開口部３７の形状及び大きさは適宜変更することができる。また、クラッド層３５のうち、各グレーティングカプラ３４の直上部を覆う部分（以下、「カプラ直上部３５ａ」という）が、開口部３７を通じて外部に露出している。疎水層３６のパターン形成は、例えばレジストのリフトオフ工程を用いて行うことができる。

図４は、実施形態に係る疎水層３６をパターン形成する工程を説明する図である。（ａ）に示すように、基板３０のクラッド層３５上にレジスト５１を形成する。そして、（ｂ）に示すように、レジスト５１をパターニングする。具体的には、開口部３７を形成する部分を残してレジスト５１を除去する。次に、（ｃ）に示すように、基板３０全体に撥水剤を塗布する等して疎水層３６を形成する。そして、（ｄ）に示すように、レジスト５１を基板３０から剥離（リフトオフ）することで、開口部３７がパターン開口した疎水層３６が形成される。

次に、図５Ａ〜Ｄに示すようなレンズアレイ４５を用意する。図５Ａは、レンズアレイ４５をレンズ配置面４５ａ側から眺めた上面図である。図５Ｂは、レンズアレイ４５を底面４５ｂ側から眺めた下面図である。図５Ｃは、図５Ａに示すＤ−Ｄ´矢視断面図である。図５Ｄは、図５Ａに示すＥ−Ｅ´矢視断面図である。図５Ａに示すように、レンズアレイ４５のレンズ配置面４５ａには、１６個の半球状のレンズ４６が８列２段の２次元アレイ状に配列されている。また、図５Ｂに示すように、レンズアレイ４５の底面４５ｂ側には、複数の突起部４７が突設されている。各突起部４７は、レンズ配置面４５ａ側のレンズ４６と同様に２次元アレイ状に配列されており、その平面位置は各々の突起部４７に対応するレンズ４６と対応付けられている。ここで、レンズアレイ４５における各レンズ４６の中心位置と、対応する突起部４７の中心位置とが一致している。また、図５Ｄに示すように、レンズアレイ４５のレンズ配置面４５ａにおける外周縁部４５ｃは、リブ状に盛り上がっている。レンズアレイ４５は、例えば透明樹脂によって形成されてもよい。

レンズアレイ４５における突起部４７の底面４７ａは、親水化処理が施されている。底面４７ａの親水化処理は、プラズマ処理等の手法が例示できる。突起部４７の底面４７ａを形成する樹脂に対して、例えば酸素プラズマを照射することで、親水性官能基の付与及び表面の租化等の作用により、親水性を向上させることができる。プラズマ処理には、公知のマイクロ波プラズマ表面処理装置等を使用することができる。なお、レンズアレイ４５における突起部４７の底面４７ａの形状及び大きさは、基板３０側に形成される開口部３７の形状及び大きさと対応付けられている。本実施形態では、突起部４７の底面４７ａ及び基板３０の開口部３７が、互いに大きさの等しい四角形として形成されている。本実施形態における突起部４７の底面４７ａ及び基板３０側の開口部３７は、一例として、一辺が１２５μｍの正方形形状としている。但し、突起部４７の底面４７ａ及び開口部３７の形状及び大きさは特に限定されず、形状を円形としてもよいし、三角形、六角形等の多角形としてもよい。

次に、図３Ｇに示すように、レンズアレイ４５における突起部４７の底面４７ａに光学接着剤５０をディスペンサ（図示せず）によってディスペンスする。突起部４７の底面４７ａは、上記のように親水化処理が施されているため、光学接着剤５０の良好な濡れ性を有している。そのため、底面４７ａにディスペンスされた光学接着剤５０を、突起部４７の底面４７ａに均一に広げた状態で付着（堆積）させることができる。

また、図３Ｈに示すように、基板３０の開口部３７（開口部３７を通じて露出するクラッド層３５のカプラ直上部３５ａ）に光学接着剤５０をディスペンサ（図示せず）によってディスペンスする。例えば、図３Ｈは、基板３０の上面図である。図３Ｉは、図３ＨにおけるＦ−Ｆ´矢視断面図である。ここで、基板３０の開口部３７は親水性を有している。より詳しくは、開口部３７を通じて露出するカプラ直上部３５ａは無機材料であり、親水性を有しており、これによって開口部３７に親水性が付与されている。これにより、開口部３７（カプラ直上部３５ａ）にディスペンスされた光学接着剤５０を、開口部３７（カプラ直上部３５ａ）に均一に広げた状態で付着（堆積）させることができる。また、基板３０の最表層のうち、開口部３７以外の領域は疎水層３６によって覆われているため、各開口部３７に滴下された光学接着剤５０の接触角を大きくすることができる。つまり、光学接着剤５０は、大きな接触角をもって開口部３７に留まり、疎水層３６上に光学接着剤５０が流出しにくくなる。

次に、図３Ｊに示すように、レンズアレイ４５を、基板３０上に搭載する。レンズアレイ４５の搭載は、公知のチップマウンタを用いて行うことができる。レンズアレイ４５は、突起部４７の底面４７ａに塗布した光学接着剤５０が、基板３０側の開口部３７に塗布した光学接着剤５０に合わさって一体化するように搭載される。ここで、図３に示す例では、レンズアレイ４５における各レンズ４６の中心位置が、対応する各グレーティングカプラ３４の中心位置からずれた状態となっている。本実施形態では、レンズアレイ４５を基板３０に搭載した際のマウント初期位置が正規位置からずれている場合、光学接着剤５０によるレンズアレイ４５のセルフアライメントが行われ、レンズアレイ４５が正規位置に位置合わせされる。

図６は、光学接着剤５０を用いたセルフアライメント効果を説明する図である。図６は、図３Ｊにおける突起部４７と開口部３７との接続部を部分的に拡大した図である。図６に示すように、レンズアレイ４５のマウント初期位置が正規位置からずれている場合、基板３０側の開口部３７（カプラ直上部３５ａ）とレンズアレイ４５の突起部４７の底面４７ａとの間に介在する光学接着剤５０は、鼓形状に保持された状態となる。その際、光学接着剤５０の表面張力によって、突起部４７の底面４７ａと開口部３７を通じて露出するカプラ直上部３５ａとを互いに引き寄せようとする力が作用する。その結果、基板３０側のグレーティングカプラ３４の中心位置と、グレーティングカプラ３４に対応するレンズ
４６の中心位置とが一致するように基板３０に対するレンズアレイ４５のセルフアライメントが行われる。これにより、図３Ｋに示すように、レンズアレイ４５の正規位置に対する位置ずれを低減することができる。図３Ｋは、レンズアレイ４５のセルフアライメントが行われた後の状態を示す図である。光学接着剤５０によって基板３０に搭載したレンズアレイ４５のセルフアライメントを行った後、光学接着剤５０を硬化させる。例えば、光学接着剤５０が紫外線硬化型の接着剤である場合、紫外光をレンズアレイ４５の上方及び側方より照射し、必要に応じて加熱することで光学接着剤５０を硬化させるとよい。また、光学接着剤５０が熱硬化型の接着剤である場合には、レンズアレイ４５を搭載した基板３０を加熱して硬化させるとよい。

ここで、疎水層３６の厚さは特に限定されないが、通常０．０１〜１００μｍ程度としてもよい。疎水層３６を厚くし過ぎると、突起部４７の底面４７ａと開口部３７を通じて露出するカプラ直上部３５ａとの間に介在する光学接着剤５０が鼓状の曲面形状を維持することが困難となる場合がある。そうすると、光学接着剤５０の一部が疎水層３７上に流出し易くなる。そして、疎水層３７上に光学接着剤５０の一部が流出すると、例えば図６の符号Ｘで示される箇所における光学接着剤５０の接触角が大きくなってしまい、光学接着剤５０の表面張力を利用した復元力が減少する虞がある。よって、光学接着剤５０を疎水層３７上に流出させ難くする観点によると、疎水層３６の厚さを３μｍ以下とすることが好ましい。

ところで、非特許文献１には、水の表面張力を用いた微小部品のセルフアライメントについて報告されている。具体的には、疎水・親水処理した基板上の親水領域に２３ｎＬの水を滴下し、その上に縦横０．８×０．８ｍｍ、重量３９０ｍｇの微小部品を中心位置から１００μｍ離れた位置にマウントさせたときのセルフアライメント効果について記載されている。そして、非特許文献１には、水の表面張力がもたらす約７０×１０^-6Ｎの復元力によって、中心位置からのずれ量が３μｍ以内となるように微小部品のセルフアライメントがなされたとの報告がなされている。

ここで、本実施形態における光学接着剤５０の表面張力による復元力の試算結果の一例を示す。ここでは、光学接着剤５０の表面張力を５０ｍＮ/ｍとする。この場合、図６の
Ｇ−Ｇ´断面（光学接着剤５０における突起部４７の底面４７ａとの境界近傍断面）における復元力は、５０ｍＮ/ｍ×０．１２５ｍｍ（１２５μｍ）となる。同様に、図６のＨ
−Ｈ´断面（光学接着剤５０における開口部３７（カプラ直上部３５ａ）との境界近傍断面）における復元力は、５０ｍＮ/ｍ×０．１２５ｍｍ（１２５μｍ）となる。従って、
１辺の長さが１２５μｍの正方形底面を有し、全体で鼓形状に保持される光学接着剤５０の表面張力から得られる復元力は、最大で５０ｍＮ/ｍ×０．１２５ｍｍ×２＝１２．５
×１０^-6Ｎと試算される。ところで、本実施形態に係るシリコン集積チップ２０は、レンズアレイ４５の突起部４７及び開口部３７のペア数を１６組としている。そのため、レンズアレイ４５全体から得られる復元力は、１２．５×１０^-6Ｎ×１６＝１２．５×１０^-6Ｎ＝２００×１０^-6Ｎと試算される。ここで、レンズアレイ４５を縦横１．０×２．０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ、その重量を約４ｍｇとする。この場合、レンズアレイ４５の単位重量当たりの復元力が、非特許文献１に報告されているセルフアライメントに係る復元力に比べて十分に大きい。よって、少なくとも非特許文献１と同程度のセルフアライメント効果が本実施形態においても期待できることがわかる。

次に、図３Ｌに示すように、ハウジング４２をレンズアレイ４５に連結させる。ハウジング４２は、レンズアレイ４５の外周縁部４５ｃを嵌合するレンズ嵌合部４２ａを有しており、このレンズ嵌合部４２ａにレンズアレイ４５の外周縁部４５ｃを嵌め込むことで、レンズアレイ４５と一体に連結できる構造となっている。更に、ハウジング４２は、フェルール本体部４４を嵌合、保持する本体保持部４２ｂを有している。

次に、図３Ｍに示すように、光フェルール４０のフェルール本体部４４をハウジング４２の本体保持部４２ａに嵌合させる。フェルール本体部４４のファイバ孔（図示せず）には光ファイバ４１が挿入されている。フェルール本体部４４には、基板３０におけるシリコン光導波路３３に対応する数のファイバ孔が形成されている。そして、各々のファイバ孔に光ファイバ４１が挿入されることで、１６本の光ファイバ４１が８列２段のアレイ状に配列されている。以上の工程によって、光フェルール４０の光ファイバ４１の光結合端部がレンズアレイ４５の各レンズ４６及び光学接着剤５０を介して、基板３０側のグレーティングカプラ３４及びシリコン光導波路３３と光結合される。これにより、図２に示すようなシリコン集積チップ２０が完成する。

＜実施例＞
次に、実施例を説明する。実施例では、図３Ａ〜図３Ｍに示す方法で作製したシリコン集積チップ２０について、レンズアレイ４５の正規位置からの位置ずれ量を測定した。図７に、レンズアレイ４５の位置ずれ量を測定した測定結果を示す。実施例では、シリコン層３１上にSiO₂を用いた厚さ３μｍのＢＯＸ層３２を形成し、更にＢＯＸ層３２の上に、幅０．３μｍ、高さ（厚さ）０．２μｍのシリコン光導波路３３を図３Ａに示すように１６本形成した基板３０を用意した。また、シリコン光導波路３３の先端には、シリコンの微細加工により、縦横１０μｍサイズの光入出力用のグレーティングカプラ３４を形成した。更に、シリコン光導波路３３及びグレーティングカプラ３４を被覆するように、厚さ０．２μｍのSiO₂によるクラッド層３５を形成した。

また、基板３０におけるクラッド層３５上に、感光性レジスト（品番：AZ-P4620、ＡＺエレクトロニックマテリアル社製）をスピンコートし、紫外線露光及び現像により、縦横１２５μｍ、高さ３μｍの凸状パターンを形成した。更に、撥水剤（品番：KP-911、信越化学工業社製）をスピンコートによって１μｍの厚さで塗布した後、湿度６０％の恒湿槽に１２時間放置することにより、撥水膜を湿気硬化させた。その後、レジスト剥離液を用いてレジストを剥離することにより、縦横１２５×１２５μｍ、高さ１μｍの開口部３７がパターニングされた疎水層３６を基板３０の最表層に形成した。次に、疎水層３６の各開口部３７（カプラ直上部３５ａ）に、粘度４００ｍＰａ・ｓの紫外線硬化型、フッ素含有エポキシ系の光学接着剤５０（品番：OG198-54、Epoxy Technology社製）を０．１ｎＬずつ滴下した。光学接着剤５０の滴下には、ニードル式ディスペンサ（微少液滴塗布システム、アプライド・マイクロシステムズ社製）を用いた。

一方、レンズアレイ４５は、透明で高耐熱性を有する熱可塑性樹脂（品番：TERALINK（登録商標）、住友電工ファインポリマー社製）を用いて、射出成型法により作製した。レンズアレイ４５の各寸法は、縦横１．０×２．０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍとし、１６個（８列２段）のレンズ４６をレンズ配置面４５ａに２次元アレイ状に配列させた。また、レンズアレイ４５の底面４５ｂには、レンズ４６と同数の直方体形状の突起部４７を形成した。次に、レンズアレイ４５の突起部４７の底面４７ａのみを露出させた状態で、マイクロ波プラズマ表面処理装置（品番：Micro Labo-PS、株式会社ニッシン社製）を用いてマイ
クロ波プラズマを５秒間照射した。その結果、突起部４７の底面４７ａを形成する樹脂のＣ−Ｆ（炭素−フッ素）結合の一部が分解し、フッ素原子の代わりにＣＯＯＨ基（カルボン酸官能基）等が配位する。更に、プラズマ照射による粗化の効果も加わり、突起部４７の底面４７ａが親水化されて、光学接着剤５０の濡れ性が向上する。このように作製したレンズアレイ４５における各突起部４７の底面４７ａに、ニードル式ディスペンサ（微少液滴塗布システム、アプライド・マイクロシステムズ社製）を用いて、光学接着剤５０（品番：OG198-54、Epoxy Technology社製）を０．１ｎＬずつ滴下した。

チップマウンタを用いて、レンズアレイ４５を各突起部４７の底面４７ａと疎水層３６
の各開口部３７の夫々に滴下された光学接着剤５０が合わさって一体化されるように基板３０上に搭載した。次に、スポットＵＶ照射装置を用いて、レンズアレイ４５の上方及び側方より紫外線を照射し、更に、窒素雰囲気オーブンを用いて窒素雰囲気下、１５０℃の条件下で１時間加熱することで光学接着剤５０を硬化させた。更に、ハウジング４２とレンズアレイ４５とフェルール本体部４４とを一体に接着固定することで、シリコン集積チップ２０を作製した。図７に示すように、実施例におけるレンズアレイ４５の位置ずれ量は、３μｍ（３σ）という結果が得られ、精度よくレンズアレイ４５を位置決めできることがわかった。

一方、図７に示す比較例について説明する。比較例は、疎水層３６の代わりにレジストパターンを形成した点が実施例と相違する。レジストパターンは、レジスト（品番：OFPR-800、東京応化工業社製）をクラッド層上にスピンコートし、現像、ポストキュアによって、縦横１２５×１２５μｍ、高さ１μｍの開口部を複数有するレジストパターンを形成した。また、比較例では、レンズアレイにおける突起部の底面に親水化処理を施さなかった。このようなレンズアレイを、上記実施例と同一条件でチップマウンタを用いて基板上に搭載した。

比較例においては、基板にレンズアレイを搭載した際、基板の開口部に滴下した光学接着剤の一部が開口部からレジスト上に流れ出る現象が発生した。これは、比較例におけるレジストが、実施例の疎水層３６に比べて撥水性が低く、光学接着剤の液滴が基板の開口部内で大きな接触角をもって留まることができなかったことが要因の一つに考えられる。そして、図７に示すように、比較例におけるレンズアレイを搭載したときの位置ずれ量は１４．８μｍ（３σ）という結果が得られた。以上より、比較例に比べて実施例の方が高い精度のセルフアライメントを実現できることがわかった。

また、レンズアレイ搭載後における比較例に係るシリコン集積チップを観察したところ、レンズアレイにおける一部の突起部に関して、突起部の底面と硬化した光学接着剤との間に間隙が形成されていた。比較例においては、レンズアレイは、突起部の底面に親水化処理が施されていないため、レンズアレイを搭載する際に突起部の底面に滴下した光学接着剤が過剰に基板のレジスト側に移ってしまったことが要因の一つに考えられる。一方、実施例に係るレンズアレイ４５は、突起部４７の底面４７ａに親水化処理が施されているため、突起部４７の底面４７ａと硬化した光学接着剤５０との間に間隙が形成されず、光学的な接続不良が起こりにくい構造であるといえる。

以上のように、本実施形態に係るシリコン集積チップ２０は、基板３０の最表層として、グレーティングカプラ３４に対応する位置に開口部３７が形成されるようにクラッド層３５を疎水層３６によって覆うようにした。一方、基板３０に搭載するレンズアレイ４５は、底面４５ｂ側に突起した突起部４７を有し、突起部４７の底面４７ａが開口部３７（カプラ直上部３５ａ）に位置合わせされると共に光学接着剤５０によって接着するようにした。これにより、シリコン集積チップ２０の基板３０にレンズアレイ４５を搭載する際、たとえレンズアレイ４５のマウント初期位置が正規位置からずれていたとしても、光学接着剤５０によってレンズアレイ４５がセルフアライメントを行うことができる。その結果、図８に示されるように、レンズアレイ４５をグレーティングカプラ３４の直上に精度よく搭載することができる。その結果、シリコン光導波路３３と光ファイバ４１との間における高効率な光結合を実現できる。

なお、図８に示す符号Ｌは、シリコン集積チップ２０のグレーティングカプラ３４に入射、又はグレーティングカプラ３４から出射される光を概念的に示したものである。入出射光Ｌは、レンズアレイ４５の突起部４７及び光学接着剤５０を透過することができる。従って、本実施形態においては、レンズアレイ４５と基板３０との機械的接続部及び光学
的接続部とを平面的に一致させることができ、その結果、レンズアレイ４５の小型化を実現できる。以上より、本実施形態に係るシリコン集積チップ２０によれば、基板３０にレンズアレイ４５を搭載する際の位置精度を高め、且つレンズアレイ４５の小型化を実現できる。また、本実施形態によれば、例えばフリップチップボンダ等の高価な設備を使用しなくても、レンズアレイ４５を基板３０に搭載する際の位置精度を高めることができるため、シリコン集積チップ２０の製造コストを抑えることができる。更に、本実施形態においては、半田を用いたセルフアライメントと異なり、レンズアレイ４５の搭載時にシリコン集積チップ２０を高温に晒すことなくレンズアレイ４５の位置合わせを行うことができる。よって、本実施形態によれば、熱履歴を起因とするレンズアレイ４５の位置ずれが起こることを抑制できるという利点もある。

特に、本実施形態においては、基板３０におけるグレーティングカプラ３４の上部に開口部３７がパターン形成されるようにクラッド層３５を疎水層３６によって被覆する構造を採用した。そのため、レンズアレイ４５を基板３０に搭載する際、開口部３７（クラッド層３５のカプラ直上部３５ａ）に塗布された光学接着剤５０を大きな接触角をもって開口部３７内に保持することができる。その結果、基板３０にレンズアレイ４５を搭載する過程で光学接着剤５０が開口部３７から流出することを抑制でき、光学接着剤５０によるセルフアライメント効果を高めることができる。

また、本実施形態においては、シリコン集積チップ２０の開口部３７（クラッド層３５のカプラ直上部３５ａ）が親水性を有している。そのため、開口部３７におけるカプラ直上部３５ａに光学接着剤５０を塗布した際に、その良好な濡れ性によって光学接着剤５０を均一に開口部３７に広げることができる。これによれば、開口部３７（カプラ直上部３５ａ）に塗布した光学接着剤５０がレンズアレイ４５の突起部４７側に過剰に乗り移ることが抑制される。その結果、光学接着剤５０の硬化後において、基板３０の開口部３７（カプラ直上部３５ａ）と光学接着剤５０との間に中空層が形成されることが抑制され、屈折率の差などを起因とする多重反射による光学的損失を低減することができる。

更に、本実施形態においては、レンズアレイ４５における突起部４７の底面４７ａが親水性を有しているため、その良好な濡れ性によって、塗布された光学接着剤５０を底面４７ａに均一に広げることができる。よって、突起部４７の底面４７ａに塗布された光学接着剤５０の形状にばらつきを生じ難くさせることができる。その結果、レンズアレイ４５を基板３０に搭載する際、突起部４７の底面４７ａに塗布された光学接着剤５０が、基板３０の開口部３７（カプラ直上部３５ａ）側へと過剰に乗り移ることを抑制できる。その結果、光学接着剤５０の硬化後において、レンズアレイ４５における突起部４７の底面４７ａと光学接着剤５０との間に中空層が形成されることが抑制され、屈折率の差などを起因とする多重反射による光学的損失を低減することができる。以上より、本実施形態におけるシリコン集積チップ２０によれば、レンズアレイ４５とグレーティングカプラ３４との間の光学的な接続不良を起こり難くすることができる。

また、シリコン集積チップ２０の基板３０には複数のシリコン光導波路３３と、各シリコン光導波路３３に対応する複数のグレーティングカプラ３４が形成されており、レンズアレイ４５はグレーティングカプラ３４に対応する数の突起部４７を有している。これによれば、各グレーティングカプラ３４と、これらの夫々に対応する突起部４７との間で光学接着剤５０によるセルフアライメントがなされるため、レンズアレイ４５の実装精度を一段と高めることができる。

また、本実施形態におけるシリコン集積チップ２０は、突起部４７の底面４７ａと基板３０の開口部３７とにおける形状及び大きさが互いに等しくなっている。これによれば、基板３０に対するレンズアレイ４５の搭載時に、光学接着剤５０によってレンズアレイ４
５のセルフアライメントを行う際、レンズアレイ４５の位置合わせを精度よく行うことができる。

なお、上述した実施形態は種々の変更、改良を加えることができる。例えば、上記実施形態では、基板３０にレンズアレイ４５を搭載する際、突起部４７の底面４７ａと基板３０の開口部３７（カプラ直上部３５ａ）との双方に光学接着剤５０を塗布しているが、何れか一方に塗布してもよい。

１・・・電子機器
１０・・・光モジュール
１１・・・インタポーザ基板
２０・・・シリコン集積チップ
３０・・・基板
３３・・・シリコン光導波路
３４・・・グレーティングカプラ
３５・・・クラッド層
３６・・・疎水層
３７・・・開口部
４０・・・光フェルール
４１・・・光ファイバ
４２・・・ハウジング
４４・・・フェルール本体部
４５・・・レンズアレイ
４６・・・レンズ
４７・・・突起部
４７ａ・・・底面
５０・・・光学接着剤

Claims

基板と、
前記基板に形成された光導波路と、
前記光導波路に形成され、光が入射又は出射する光結合器と、
前記光結合器に対応する位置に開口部が形成されるように前記基板を覆い、前記基板の最表層を形成する疎水層と、
透明な光学接着剤によって前記光結合器と光学的に接続される光学部品と、
を備え、
前記光学部品は、前記基板側に向かって突起した突起部を有し、前記突起部の底面が前記開口部と接着されている、
光デバイス。
前記開口部は親水性を有している、
請求項１に記載の光デバイス。
前記突起部の底面が親水性を有している、
請求項１又は２に記載の光デバイス。
前記基板には複数の前記光導波路と、各光導波路に対応する複数の前記光結合器が形成されており、
前記光学部品は、複数の前記光結合器に対応する数の前記突起部を有する、
請求項１から３の何れか一項に記載の光デバイス。
前記突起部は、前記開口部と形状及び大きさが等しい、
請求項１から４の何れか一項に記載の光デバイス。
光デバイスと、前記光デバイスを実装する中継基板と、を備え、
前記光デバイスは、
基板と、
前記基板に形成された光導波路と、
前記光導波路に形成され、光が入射又は出射する光結合器と、
前記光結合器に対応する位置に開口部が形成されるように前記基板を覆い、前記基板の最表層を形成する疎水層と、
透明な光学接着剤によって前記光結合器と光学的に接続される光学部品と、
を備え、
前記光学部品は、前記基板側に向かって突起した突起部を有し、前記突起部の底面が前記開口部と接着されている、
光モジュール。
光デバイスの製造方法であって、
光が入射又は出射する光結合器を有する光導波路が形成された基板の最表層として、前記光結合器に対応する位置に開口部が形成されるように前記基板を疎水層によって覆う工程と、
前記基板に光学部品を搭載すると共に透明な光学接着剤によって前記光学部品から突起した突起部の底面と前記開口部とを接着することで、前記光学部品と前記光結合器とを光学的に接続する工程と、を含む、
光デバイスの製造方法。