JP7185165B2 - 光導波路チップ - Google Patents
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Description
本発明は光導波路チップに関し、より詳細には、迷光除去のための遮光構造を備えた光導波路チップに関する。
近年、メディカル・ディスプレイ分野等における光デバイスの重要性が高まっている。これまで通信分野で用いられてきた光デバイスの、通信以外の分野への応用が求められており、中でも平面光導波路（Planer Lightwave Circuit、ＰＬＣ）を基本とした光デバイスが注目されている。
ＰＬＣは、フォトリソグラフィやドライエッチングといった半導体プロセスの技術を応用し、半導体基板等の上に光回路を形成したものであり、回路パターンにより光合分波器、光スイッチおよび波長合分波器などを実現することができる。ＰＬＣは量産性に優れ、信頼性も高いため、光ネットワークの基幹部品としてこれまでさまざまな用途に利用されてきた。
ＰＬＣでは、光導波路以外の部分を伝搬する迷光が受光素子などに入射して信号を劣化させるため、この迷光を除去・抑制することが重要となる。迷光抑制の方法として、従来、光導波路のクラッドを除去することにより溝を形成したり（例えば特許文献１参照）、形成した溝に遮光材を充填したり（例えば特許文献２参照）、光導波路のコアを除く射出側端面に遮光材を設けたり（例えば特許文献３参照）、光の出射方向が受光素子における光の入射方向に対して垂直となるように構成したり（例えば特許文献４参照）する方法が考えられていた。
しかし、光導波路のクラッド層に溝を形成したり遮光材を充填したりする構造では、光導波路の分岐部や曲げ部などで発生し、クラッド層を伝搬する迷光を除去することはできるが、光ファイバと入力導波路との接合部などで発生し、空間を伝搬する迷光を除去することは困難であるという問題があった。
図１の従来の光導波路チップ１０の上面図では、図の左端から入射した入射光１はファイバブロック２中のファイバ３を通過して、光導波路チップ１０の入力導波路５に入射する。光導波路チップ１０の入力導波路５を通過した入射光１は、３ｄＢ分岐光導波路６で２分岐される。
２分岐された光の一方は、第１の出力導波路７ａを伝搬して、出力光８ａとして受光素子１２に出力される。同様に、３ｄＢ分岐光導波路６で２分岐された光の他方は、第２の出力導波路７ｂを伝搬して、出力光８ｂとして受光素子１２に出力される。第１の出力導波路と第２の出力導波路の間には、遮光材９が充填された溝部が形成されている。網掛けの矢印で例示される各部で発生する迷光は、遮光材９で吸収されるものもあるが、遮光材９の脇をすり抜けてしまうものもある。
図２の従来の光導波路チップ１０の基板断面図（図１のＩＩ－ＩＩ断面図）に示すように、光導波路チップ１０の上面には、端面を合わせてヤトイ板４と呼ばれる部材が取り付けられている。ファイバブロック２やヤトイ板４は、ＰＬＣと光ファイバを接着固定する際、その接着断面積を大きくし、接着部の機械的強度を高めるために設けられている。ファイバブロックやヤトイ板４は、一般にガラスなどで作られている（例えば特許文献６参照）。このため、ヤトイ板４から漏れ出て、遮光材９の上部をすり抜けてしまう迷光もある。
図１、２に示されるように、従来の光導波路チップ１０の構造では、遮光材９に直接入射する迷光は除去可能であるが、チップの側部やチップ上の空間を伝搬する迷光を除去することは困難である。
また、特許文献２に示されるようなクラッド層に形成した溝に遮光材を充填する構造では、遮光材が端から流れてしまうため基板の端まで遮光材を充填することが困難であり、導波路層であっても迷光を完全に除去することが困難であるという問題もあった。
また、特許文献４に示されるような、光ファイバと入力導波路との接合部などで発生した迷光が受光素子に入射しないよう、光の出射方向を光の入射方向に対し垂直とする構造とすることもできるが、このような構造では、光導波路を曲げるために長い回路長が必要となり、光導波路チップが大型化するという問題もあった。
また従来、図３、図４（図３のＩＶ－ＩＶ断面）に示すように、光導波路チップの上ではなく光入出端面において、光導波路の光入出面にあたる位置に開口部（ピンホール１４やスリットなど）を有する遮光板１１のような遮光構造を設ける方法もあった。（例えば特許文献５参照）
しかしながら、光入出端面に開口部を有する遮光構造を設ける方法では、導波路が形成された後に、チップの基板端面に遮光板１１などの遮光構造を形成するため、その製造工程は複数の工程となり、生産コストが増加するという問題があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、導波路基板（チップ）端面への遮光構造の形成などを行わずに、製造工程を増やすことなく、低コストで迷光除去が可能な光導波路チップおよびその製造方法を提供することである。
本発明の実施形態の一例は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
（構成１）
光導波回路を備えた光導波路チップであって、
前記光導波回路は、基板と、前記基板の上に積層された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に積層され光信号の伝搬経路にあたるコア層と、前記コア層の上に積層された上部クラッド層からなり、
前記光導波路チップの入力導波路の上面にヤトイ板が設けられており、
前記光信号の伝搬経路にあたらない領域の上部および下部クラッド層がチップの端まで除去されており、
前記上部および下部クラッド層が除去された領域に光吸収物質が充填されており、
前記充填されている光吸収物質の高さが前記ヤトイ板の上面より高い
ことを特徴とする光導波路チップ。
光導波回路を備えた光導波路チップであって、
前記光導波回路は、基板と、前記基板の上に積層された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に積層され光信号の伝搬経路にあたるコア層と、前記コア層の上に積層された上部クラッド層からなり、
前記光導波路チップの入力導波路の上面にヤトイ板が設けられており、
前記光信号の伝搬経路にあたらない領域の上部および下部クラッド層がチップの端まで除去されており、
前記上部および下部クラッド層が除去された領域に光吸収物質が充填されており、
前記充填されている光吸収物質の高さが前記ヤトイ板の上面より高い
ことを特徴とする光導波路チップ。
（構成２）
前記充填されている光吸収物質の高さが上部クラッド層の最上面より高い
ことを特徴とする構成１に記載の光導波路チップ。
前記充填されている光吸収物質の高さが上部クラッド層の最上面より高い
ことを特徴とする構成１に記載の光導波路チップ。
（構成３）
前記光吸収物質の高さが、上部クラッド層の最上面から０．１mm以上、１．５mm以下であることを特徴とする構成２に記載の光導波路チップ。
前記光吸収物質の高さが、上部クラッド層の最上面から０．１mm以上、１．５mm以下であることを特徴とする構成２に記載の光導波路チップ。
（構成４）
前記光導波回路の入力端に光ファイバを設けた
ことを特徴とする構成１～３のいずれか１項に記載の光導波路チップ。
前記光導波回路の入力端に光ファイバを設けた
ことを特徴とする構成１～３のいずれか１項に記載の光導波路チップ。
（構成５）
前記光導波路チップの入力端にレーザを設けた
ことを特徴とする構成１～３のいずれか１項に記載の光導波路チップ。
前記光導波路チップの入力端にレーザを設けた
ことを特徴とする構成１～３のいずれか１項に記載の光導波路チップ。
（構成６）
入力導波路を伝搬した入力光を２分岐する３ｄＢ分岐光導波路と、
２分岐された前記入力光の一方をそれぞれ伝搬する、第１および第２の出力導波路を備え、
前記第１および第２の出力導波路を覆って前記光吸収物質が充填されている
ことを特徴とする構成１～５のいずれか１項に記載の光導波路チップ。
入力導波路を伝搬した入力光を２分岐する３ｄＢ分岐光導波路と、
２分岐された前記入力光の一方をそれぞれ伝搬する、第１および第２の出力導波路を備え、
前記第１および第２の出力導波路を覆って前記光吸収物質が充填されている
ことを特徴とする構成１～５のいずれか１項に記載の光導波路チップ。
（構成７）
入力導波路を伝搬した入力光を２分岐する３ｄＢ分岐光導波路と、
２分岐された前記入力光の一方をそれぞれ伝搬する、第１および第２の出力導波路を備え、
前記第１および第２の出力導波路の上面を覆うことなく前記光吸収物質が充填されている
ことを特徴とする構成１～５のいずれか１項に記載の光導波路チップ。
入力導波路を伝搬した入力光を２分岐する３ｄＢ分岐光導波路と、
２分岐された前記入力光の一方をそれぞれ伝搬する、第１および第２の出力導波路を備え、
前記第１および第２の出力導波路の上面を覆うことなく前記光吸収物質が充填されている
ことを特徴とする構成１～５のいずれか１項に記載の光導波路チップ。
（構成８）
構成１～７のいずれか１項に記載の光導波路チップの組を複数組、ウエハの上に配置し、
前記ウエハの単位で共通の光導波路形成プロセスおよび遮光構造の形成プロセスで光導波路および遮光構造を形成した後に、各光導路チップの前記組に共通の切断ラインで切り離す
ことを特徴とする光導波路チップの製造方法。
構成１～７のいずれか１項に記載の光導波路チップの組を複数組、ウエハの上に配置し、
前記ウエハの単位で共通の光導波路形成プロセスおよび遮光構造の形成プロセスで光導波路および遮光構造を形成した後に、各光導路チップの前記組に共通の切断ラインで切り離す
ことを特徴とする光導波路チップの製造方法。
本発明によれば、光導波路チップの大型化を抑制しつつ、迷光の抑制が可能となる。また、チップ端面への遮光構造の形成を行う必要がないので、製造工程数を増やすことなく迷光を抑制することが可能となり、コスト削減が期待できる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
（実施形態１）
図５～７を参照して、本発明の実施形態１に係る光導波路チップについて説明する。図５は、実施形態１の光導波路チップ１００の上面図を示したものである。図６は、実施形態１の光導波路チップ１００の入力導波路の光軸を含む基板断面図であり、図７は、実施形態１の光導波路チップ１００の出力導波路の光軸に垂直な基板断面図を示したものである。
図５～７を参照して、本発明の実施形態１に係る光導波路チップについて説明する。図５は、実施形態１の光導波路チップ１００の上面図を示したものである。図６は、実施形態１の光導波路チップ１００の入力導波路の光軸を含む基板断面図であり、図７は、実施形態１の光導波路チップ１００の出力導波路の光軸に垂直な基板断面図を示したものである。
図５において、実施形態１の光導波路チップ１００の入力端には、ファイバブロック２に取り付けられた光ファイバ３が接続され、光導波路チップ１００の上面には、端面を合わせてヤトイ板４と呼ばれる部材が取り付けられている。ファイバブロック２やヤトイ板４は、ＰＬＣと光ファイバを接着固定する際、その接着断面積を大きくし、接着部の機械的強度を高めるために必要である。ファイバブロックやヤトイ板は、一般にガラスなどで作られている（例えば特許文献６参照）。
図５において、第１及び第２の出力導波路７ａ、７ｂの出力端には、出力光８ａ、８ｂを受光する受光素子１２が配置されている。ファイバブロック２に設けられたファイバ３に入力した入力光１は、光導波路チップの入力導波路を伝搬し、入力導波路５を伝搬した入力光１は３ｄＢ分岐光導波路で２分岐される。２分岐された光の一方は、第１の出力導波路７ａを伝搬して、出力光８ａとして受光素子１２に出力される。同様に、３ｄＢ分岐光導波路６で２分岐された光の他方は、第２の出力導波路７ｂを伝搬して、出力光８ｂとして受光素子１２に出力される。
実施形態１の光導波路チップ１００では、第１の出力導波路７ａと第２の出力導波路７ｂとを覆って、遮光材（光吸収物質）２１が形成された遮光構造が形成されている。
本実施形態では、図５に示すようにチップの端まで遮光材２１が充填されており、遮光材２１は図６の入力導波路の光軸を含む基板断面図に示すように、空間を伝搬する迷光を有効に除去するため、上部クラッド層の最上面から０．１mm以上の高さまで形成されており、また小型の形状を維持するため、高さは１．５mm以下としている。
これにより、クラッド層を伝搬し受光素子に重畳しうる迷光や、光ファイバと入力導波路との接合部等で発生した迷光を有効に吸収し、抑制・除去することができる。また、遮光材２１は、図７の出力導波路の光軸に垂直な基板断面図に示すように第１の出力導波路７ａと第２の出力導波路７ｂの上面を覆って形成されている。
実施形態１に係る光導波路チップ１００では、光導波路はいわゆる平面型光集積回路であり、例えば、シリコン基板の表面に石英系ガラスで形成された下部クラッド層が設けられ、このクラッド層の上面に石英系ガラスで形成された光信号の伝搬経路にあたるコア部が設けられ、このコア部の上面に石英系ガラスで形成された上部クラッド層が設けられている。また、光導波路チップの出射端側の光信号の伝搬経路にあたらない領域には、チップの端まで上部および下部クラッド層を除去した領域が設けられ、その領域に遮光材２１が充填されている。遮光材の高さは、上部クラッド層の最上面より少なくとも０．１mm以上高い。
（光導波路チップの製造方法）
図８は、実施形態１に係る光導波路チップ１００の製造方法を説明する図である。
図８は、実施形態１に係る光導波路チップ１００の製造方法を説明する図である。
上の図８（ａ）は、図５の実施形態１に係る光導波路チップ１００と２００を２つ、出力導波路側を対向配置した組の基板拡大表示した図であり、図８（ａ）が上面図、図８（ｂ）が入力導波路の光軸を含む基板断面図である。チップの組は中央の切断ライン４００で切断・分離されて、最終的に２つの光導波路チップとなる。
下の図８（ｃ）は、図８（ａ）の２つの光導波路チップの組を例示的に４組、配置したシリコンウエハ３００を示すものであり、計８個の光導波路チップが示されている。中央の切断ライン４００での切断・分離は、ウエハ状態で行ってもよいし、チップの組に分離してから切断してもよい。光導波路チップの各組に共通の切断ライン４００となるようにウエハ上に配置しておけば、切断ライン４００での切断・分離は、ウエハ状態で行うことができ効率的である。
まず、光導波路形成プロセスについては、シリコン基板（シリコンウエハ３００）上に火炎堆積法などを用いて下部クラッドとなるガラス層を形成し、その上にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により屈折率がクラッドよりも高いコアとなるガラス材料層を形成し、光導波路パターンを形成する。その後に、再度上部クラッドとなるガラス層を堆積させて、コア埋め込み型の光導波路を形成する。
次に、遮光構造の形成プロセスについては、光導波路形成時と同様、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、ウエハの所定の位置にクラッド層を除去した領域を形成後、この領域に遮光材２１を充填し、硬化する。
遮光材２１を充填する領域は、クラッド層全てを除去して形成する必要はなく、０．１ｍｍ以上エッチングされていればよい。遮光材が所定の高さ（厚さ）になるよう、エッチング深さを調整したり、遮光材が接触する面を物理的または化学的に改質したり、遮光材の表面張力やぬれ性（接触角）を調整したりすることができる。本実施形態では、遮光材の表面張力とぬれ性（接触角）を調整して、遮光材の断面が盛り上がるように形成した。
本実施形態における遮光材２１は、シリコーン樹脂を母材とし、遮光材として一般的に用いられるカーボンブラックを混合したものである。遮光材に入射される光は、主にカーボンブラックにおける吸収によって光パワーが減衰する。表面張力やぬれ性は母材の選択によって調整することができる。また、遮光材の母材には熱硬化型樹脂や光硬化型樹脂を用いることができる。
遮光材の充填は、遮光材が充填された部分を切り出す前に実施する必要があり、本実施形態ではウエハ状態にて実施する。ウエハの所定の位置にディスペンサやインクジェットプリンタ、またはスクリーン印刷によって遮光材をパターニングする。その後、遮光材として熱硬化型樹脂を用いていれば熱処理を、光硬化型樹脂を用いていれば光照射によって遮光材を硬化する。遮光構造形成後は、ダイシングによりウエハを切断し、チップ化する。
ここで、光導波路および遮光材充填のための領域のパターンは、第１の光導波路チップの出射面に対し線対称となるよう、第１の光導波路チップと同じパターンの第２の光導波路チップを配置し、第１の光導波路チップと第２の光導波路チップが連続したパターンとする。それにより、ウエハ面積を無駄なく使用することができる。
本実施形態では第１の光導波路チップ１００と第２の光導波路チップ２００は同じパターンとしたが、異なっていても良い。また、第１の光導波路チップ１００のみをパターン化しても良く、その場合は図９に示すように、遮光材２１を充填する領域をチップ長より長めに設け、遮光材２１を充填・硬化後に出力端面に遮光材層が露出するよう、切断ライン４００で余分なチップを切り落とせばよい。
本実施形態では、ガラス系導波路の場合について説明したが、ＩｎＰ導波路やＧａＡｓ導波路、ＬｉＮｂＯ３導波路、ポリマー導波路等を用いることもできる。
ここで、本実施形態では、光ファイバと入力導波路との接合部、および３ｄＢ分岐光導波路で漏れた光を遮光材により除去する例を示しているが、その他形状の導波路回路において光が漏れる箇所があれば、その近傍に遮光材を充填する領域を形成することで迷光の除去・抑制が可能である。例えば、光が漏れる箇所としては、曲げ部（特に曲率半径が小さい場合）や、合波や分波する箇所である。
（実施形態２）
図１０、１１を参照して、実施形態２に係る光導波路チップについて説明する。図１０は、実施形態２の光導波路チップ５００の、基板上面図を示したものである。図１１は、実施形態２の光導波路チップ５００の、出力導波路の光軸に垂直な基板断面図（ＸＩ－ＸＩ断面）を示したものである。
図１０、１１を参照して、実施形態２に係る光導波路チップについて説明する。図１０は、実施形態２の光導波路チップ５００の、基板上面図を示したものである。図１１は、実施形態２の光導波路チップ５００の、出力導波路の光軸に垂直な基板断面図（ＸＩ－ＸＩ断面）を示したものである。
実施形態２の光導波路の構成は、実施形態１と同様である。実施形態１と異なる点は、遮光材２２の塗布領域である。図１１の基板断面図に示すように、実施形態２の光導波路チップ５００では、遮光材２２はクラッド層を除去した領域にのみ充填されており、第１の出力導波路７ａと第２の出力導波路７ｂの上面を覆っていない。塗布された遮光材２２の高さが所定の高さ以上あり、迷光の発生点から出力導波路の出力点が見通しに無ければ、第１の出力導波路と第２の出力導波路の上面を覆うことなくても、途中の遮光材が迷光を遮るので迷光を除去することが可能である。
（実施形態３）
図１２を参照して、実施形態３の光導波路チップについて説明する。図１２は、実施形態３に係る光導波路チップ７００の上面図を示したものである。本実施形態に係る光導波路の構成は、実施形態１と同様である。実施形態１と異なる点は、光導波路チップ７００の入力側に光ファイバでなく、レーザ１０１が設けられている点である。本実施形態により、レーザと入力導波路との接合部等で発生する迷光も遮光材で吸収することができ、特性の劣化を抑制することができる。
図１２を参照して、実施形態３の光導波路チップについて説明する。図１２は、実施形態３に係る光導波路チップ７００の上面図を示したものである。本実施形態に係る光導波路の構成は、実施形態１と同様である。実施形態１と異なる点は、光導波路チップ７００の入力側に光ファイバでなく、レーザ１０１が設けられている点である。本実施形態により、レーザと入力導波路との接合部等で発生する迷光も遮光材で吸収することができ、特性の劣化を抑制することができる。
以上のように、本発明によれば、光導波路チップの大型化を抑制しつつ、迷光の抑制が可能となる。また、チップ端面への遮光構造の形成を行う必要がないので、製造工程数を増やすことなく迷光を抑制することが可能となり、製造コストが削減できる。
Claims (8)
- 光導波回路を備えた光導波路チップであって、
前記光導波回路は、基板と、前記基板の上に積層された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に積層され光信号の伝搬経路にあたるコア層と、前記コア層の上に積層された上部クラッド層からなり、
前記光導波路チップの入力導波路の上面にヤトイ板が設けられており、
前記光信号の伝搬経路にあたらない領域の上部および下部クラッド層がチップの端まで除去されており、
前記上部および下部クラッド層が除去された領域に光吸収物質が充填されており、
前記充填されている光吸収物質の高さが前記ヤトイ板の上面より高い
ことを特徴とする光導波路チップ。 - 前記充填されている光吸収物質の高さが、上部クラッド層の最上面より高い
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路チップ。 - 前記充填されている光吸収物質の高さが、上部クラッド層の最上面から０．１mm以上、１．５mm以下である
ことを特徴とする請求項２に記載の光導波路チップ。 - 前記光導波回路の入力端に光ファイバを設けた
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の光導波路チップ。 - 前記光導波路チップの入力端にレーザを設けた
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の光導波路チップ。 - 入力導波路を伝搬した入力光を２分岐する３ｄＢ分岐光導波路と、
２分岐された前記入力光の一方をそれぞれ伝搬する、第１および第２の出力導波路を備え、
前記第１および第２の出力導波路を覆って前記光吸収物質が充填されている
ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の光導波路チップ。 - 入力導波路を伝搬した入力光を２分岐する３ｄＢ分岐光導波路と、
２分岐された前記入力光の一方をそれぞれ伝搬する、第１および第２の出力導波路を備え、
前記第１および第２の出力導波路の上面を覆うことなく前記光吸収物質が充填されている
ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の光導波路チップ。 - 請求項１～７のいずれか１項に記載の光導波路チップの組を複数組、ウエハの上に配置し、
前記ウエハの単位で共通の光導波路形成プロセスおよび遮光構造の形成プロセスで光導波路および遮光構造を形成した後に、各光導路チップの前記組に共通の切断ラインで切り離す
ことを特徴とする光導波路チップの製造方法。
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