JP7222424B2 - 導波路接続構造、導波路チップ、コネクタ、および導波路接続部品の製造方法、ならびに導波路接続方法 - Google Patents

導波路接続構造、導波路チップ、コネクタ、および導波路接続部品の製造方法、ならびに導波路接続方法 Download PDF

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Description

本発明は、導波路接続構造、導波路チップ、コネクタ、および導波路接続部品の製造方法、ならびに導波路接続方法に関し、例えば、光通信や光センシングといった光信号の伝送や処理を行うための光を通すファイバや導波路を有する導波路チップの接続構造、導波路チップ、コネクタ、および導波路接続部品の製造方法、ならびに導波路接続方法に関する。
導波路基板を有する導波路チップと光ファイバをつなぐためには、図８に示すような接続構造が使われている。ここでチップ１００１は、その上面にガラスからなる導波路１００２を備える一方、ファイバ１００３は、コア１００４を備えている。
導波路１００２とコア１００４を光学的に接続するためには、まず、Ｖ溝を備えたＶ溝チップ１００５と平板１００６とによってファイバ１００３を挟み込み、これらを接着剤により固定し、ファイバ１００３の端面とＶ溝チップ１００５および平板１００６の端面とが同一平面となるように研磨を行って、ファイバブロック１００７を作製する。
また、ファイバブロック１００７は厚いので、チップ１００１の上にブロック１００８を接着剤により固定して、ファイバブロック１００７の作製と同様に、チップ１００１と導波路１００２とブロック１００８の端面が同一平面となるように研磨を行う。
次に、導波路１００２とコア１００４の間で光が通るように導波路１００２に対してファイバブロック１００７をアライメント（調心）し、光挿入損失が最小になったところで、ファイバブロック１００７とチップ１００１およびブロック１００８を接着剤により固定する。
なお、図示していないが、ファイバ１００３でＶ溝チップ１００５より外部に出ている部分は、機械的・化学的な保護のために、樹脂等で被覆されている。（非特許文献１）
近年、ガラスに代わりシリコンを導波路材料とする導波路チップ（シリコンフォトニクス）が使用されるようになってきた。シリコンはガラスに比べ高い屈折率を有する材料であるために、シリコン導波路は、その導波方向に垂直な断面が０．５ｕｍ以下の矩形断面となり、ファイバのコア径（数ｕｍ）に比べて小さい構造になっている。このように大きさの異なるシリコン導波路と光ファイバのコアとを光学的に接続するためには、導波路の先端であるチップ端面にスポットサイズコンバータを形成して、ビーム形状を４ｕｍ程度に拡大するとともに、ファイバについてもコア径が４ｕｍ程度の細径のものを用いて互いに接続する構造が使われている（非特許文献２）。
A. Aratake, "Field reliability of silica-based PLC splitter for FTTH", Proc. OFC2015, Th4H.6, 2015. 馬場 俊彦、「シリコン微小導波路とその応用」、光学、３７巻１号、pp. 7-13、2008．
このようにシリコン導波路やファイバコアの径が小さくなると、０．１ｕｍ以下のアライメント精度が必要となる。しかしながら、上述した従来の方法、すなわち、光が通るように導波路に対してファイバブロックをアライメント（調心）するアクティブアライメントでは、簡易に高精度なアライメントを行って接続することは容易ではない。また、接着剤の経時変化等により、接続した後も安定して高精度なアライメントおよび接続を維持することも困難である。
そこで、本発明は、高精度なアライメントを簡易に実現できる導波路接続構造を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明に係る導波路接続構造（１）は、導波路（１０１）を有する導波路チップ（１００）と、厚さ方向に掘り下げられ、光ファイバの端部が固定される溝（１１１）を有するコネクタ（１１０）とからなり、前記導波路チップ（１００）と前記コネクタ（１１０）は、凹部および凸部からなる凹凸部（１０２、１１２）をそれぞれ有し、同一平面上で互いに隣接した状態で、一方の前記凹凸部の前記凹部が他方の前記凹凸部の前記凸部と嵌合するように構成されている。
本発明に係る導波路接続構造は、前記導波路チップおよび前記コネクタは、それぞれシリコンから形成された第１基板（１０４）および第２基板（１１４）を含み、前記第１基板と前記第２基板とは、同じ厚さに形成されている。
また、本発明に係る導波路接続構造は、導波路（１０１）を有する導波路チップ（１００）と、厚さ方向に掘り下げられ、光ファイバの端部が固定される溝（１１１）を有するコネクタ（１１０）とからなり、前記導波路チップ（１００）と前記コネクタ（１１０）は、凹部および凸部からなる凹凸部（１０２、１１２）をそれぞれ有し、同一平面上で互いに隣接した状態で、一方の前記凹凸部の前記凹部が他方の前記凹凸部の前記凸部と嵌合するように構成され、平面視で前記凹凸部の前記凸部の先端部分はテーパー状に形成されている。
また、本発明に係る導波路接続構造は、導波路（１０１）を有する導波路チップ（１００）と、厚さ方向に掘り下げられ、光ファイバの端部が固定される溝（１１１）を有するコネクタ（１１０）とからなり、前記導波路チップ（１００）と前記コネクタ（１１０）は、凹部および凸部からなる凹凸部（１０２、１１２）をそれぞれ有し、同一平面上で互いに隣接した状態で、一方の前記凹凸部の前記凹部が他方の前記凹凸部の前記凸部と嵌合するように構成され、前記他方の前記凹凸部の前記凸部に形成された係止爪と、前記一方の前記凹凸部の前記凹部に形成された係止溝とからなる係止機構をさらに備える。
また、本発明に係る導波路チップは、基板（１０４）と、前記基板の一の面上に形成された導波路（１０１）とを備え、前記基板（１０４）は、平面視で前記導波路と交差する方向に沿って配列され、導波方向に窪んでいる凹部および導波方向に突出している凸部からなる凹凸部（１０２）を有し、前記凹凸部（１０２）の前記凹部および前記凸部は、前記基板（１０４）が同一平面上で他の部品（１１０）と互いに隣接した状態で、前記他の部品（１１０）に形成された凹凸部（１１２）の凸部および凹部と、それぞれ嵌合する。
また、本発明に係るコネクタは、厚さ方向に掘り下げられ、光ファイバの端部が固定される溝（１１１）を有する基板（１１４）を備え、前記基板は、平面視で前記溝と交差する方向に沿って配列され、導波方向に窪んでいる凹部および導波方向に突出している凸部からなる凹凸部（１１２）を有し、前記凹凸部（１１２）の前記凹部および前記凸部は、前記基板（１１４）が同一平面上で他の部品（１００）と互いに隣接した状態で、前記他の部品（１００）に形成された凹凸部（１０２）の凸部および凹部と、それぞれ嵌合する。
また、本発明に係る導波路接続部品の製造方法は、基板の一の面上に導波路を形成する工程と、前記基板の厚さ方向に掘り下げられ、前記導波路の一端面から離間する方向に延在し、光ファイバの端部が固定される溝と、平面視で前記導波路と交差する方向に沿って互い違いに配列されてそれぞれ前記基板を貫通する複数の貫通孔とを形成する工程と、前記基板を平面視で前記導波路と交差する方向に沿ってカットして、凹部および凸部からなる凹凸部を備え、一方の前記凹凸部の前記凹部が他方の前記凹凸部の前記凸部と嵌合する第１片と第２片とに分離する工程とを有し、前記第１片は、前記基板の一部である第１基板と前記導波路とを有する導波路チップであり、前記第２片は、前記基板の他の一部である第２基板と前記第２基板に形成された前記溝とを有するコネクタであることを特徴とする。
また、本発明に係る導波路接続方法は、同一平面上で互いに隣接した状態で相互に嵌合する凹部および凸部からなる凹凸部をそれぞれ有する導波路チップとコネクタとであって、前記導波路チップは、第１基板と前記第１基板の一の面上に形成された導波路とを有し、前記コネクタは、第２基板を有し、前記第２基板は前記第２基板の厚さ方向に掘り下げられた溝を有する、導波路チップとコネクタとを用意する工程と、前記コネクタの前記溝に光ファイバの一端部を固定する工程と、前記導波路チップをパッケージに電気接続する工程と、前記パッケージをプリント基板に電気接続する工程と、前記コネクタの凹凸部の前記凹部および前記凸部を前記パッケージ内の前記導波路チップの凹凸部の前記凸部および前記凹部に、それぞれ嵌合させて、前記導波路と前記光ファイバとを光学的に接続する工程とを有する。
本発明によれば、いわゆるアクティブアライメントを必要としないので、小型の導波路接続構造でも高精度なアライメントを簡易に実現できる。また、導波路チップとファイバを搭載するコネクタとを同一の基板から一連の微細加工工程を用いて形成するので、高精度なアライメントをパッシブに実現可能な小型の導波路接続構造を得ることができる。
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る導波路接続構造を説明する斜視図である。 図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る導波路接続構造を説明する斜視図である。 図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る導波路接続構造の接続前の状態を説明する上面図である。 図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る導波路接続構造の接続前の状態を説明する、図２ＡのＩＩＢ－ＩＩＢにおける断面図である。 図２Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る導波路接続構造の接続状態を説明する上面図である。 図２Ｄは、本発明の第１の実施の形態に係る導波路接続構造の接続状態を説明する、図２ＣのＩＩＤ－ＩＩＤにおける断面図である。 図３Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る導波路接続部品の製造において用いられるウェハの構成を示す上面図である。 図３Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る導波路接続部品の製造において用いられるウェハの構成を示す、図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢにおける断面図である。 図３Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る導波路接続部品を示す上面図である。 図３Ｄは、本発明の第１の実施の形態に係る導波路接続部品を示す、図３ＣのＩＩＩＤ－ＩＩＩＤにおける断面図である。 図３Ｅは、本発明の第１の実施の形態に係る導波路接続部品のうちコネクタの側面図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係る導波路接続部品の製造方法を説明するフローチャートである。 図５Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る導波路接続部品の製造において用いられるウェハの構成を示す上面図である。 図５Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る導波路接続部品を示す上面図である。 図６Ａは、本発明の第３の実施の形態に係る導波路接続部品の製造において用いられる基板の構成を示す上面図である。 図６Ｂは、本発明の第３の実施の形態に係る導波路接続部品を示す上面図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態に係る導波路接続構造をプリント基板上に実装する手順を説明する図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態に係る導波路接続構造をプリント基板上に実装する手順を説明する図である。 図７Ｃは、本発明の実施の形態に係る導波路接続構造をプリント基板上に実装する手順を説明する図である。 図７Ｄは、本発明の実施の形態に係る導波路接続構造をプリント基板上に実装する手順を説明する図である。 図７Ｅは、本発明の実施の形態に係る導波路接続構造をプリント基板上に実装する手順を説明する図である。 図８は、従来の導波路接続構造を説明するための図である。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ～図２Ｄに本発明の第１の実施の形態に係る導波路接続構造の一例を示す。このうち、図１Ａ、図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ実施の形態に係る導波路接続構造１の、接続前の状態を示す斜視図、上面図および断面図であり、図１Ｂ、図２Ｃおよび図２Ｄは、接続後の状態を示す斜視図、上面図および断面図である。なお、図２Ｂは、図２ＡにおけるＩＩＢ線における断面図であり、図２Ｄは、図２ＣにおけるＩＩＤ線における断面図である。
本実施の形態に係る導波路接続構造１は、導波路１０１を有する導波路チップ１００とファイバ１２０を搭載するコネクタ１１０とから構成され、導波路１０１とファイバ１２０とを光学的に接続する。図面に示すように、本実施の形態に係る導波路接続構造１において、導波路チップ１００とコネクタ１１０とは、同一平面上で互いに隣接した状態で相互に嵌合する凹凸部１０２、１１２をそれぞれ有している。
ここで、導波路チップ１００は、第１基板１０４と、この第１基板１０４の一の面上に形成された導波路１０１とを有する。導波路１０１は、第１基板１０４上でクラッド層１０３に覆われている。本実施の形態において、第１基板１０４および導波路１０１は、ともにシリコン（Ｓｉ）から形成されている。また、クラッド層１０３は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）から形成されている。 例えば、基板１０４は、１ｍｍ厚さのＳｉ基板であり、シリコン導波路１０１の導波方向に垂直な断面の断面形状は、幅０．１ｕｍ、高さ０．２ｕｍの矩形である。また、クラッド層１０３は、２ｕｍの厚さで導波路１０１を断面視で上下左右から被覆している。
また、導波路チップ１００のコネクタ１１０と対向する端面には、凹凸部１０２が形成されている。すなわち、第１基板１０４は、凹凸部１０２を有し、この凹凸部１０２は、平面視で導波路１０１と交差する方向に沿って配列され、図１Ｂや図２Ｃに示すように、同一平面上でコネクタ１１０と互いに隣接した状態で、コネクタ１１０に形成された凹凸部１１２と相互に嵌合する。
なお、図面において、導波路チップ１００の導波路１０１の主要部や、導波路１０１のチップ端面におけるスポットサイズコンバータは、省略されている。
一方、コネクタ１１０は、チップ１００と同様の材料および膜厚で形成されており、さらに、ファイバが搭載される部分だけ基板１１４に溝１１１が形成されている。具体的には、コネクタ１１０は、コネクタ１１０は、第２基板１１４を有し、この第２基板１１４の上面には、第２基板１１４の厚さ方向に掘り下げられた溝１１１が形成されている。基板１１４は、凹凸部１１２を有し、この凹凸部１１２は、平面視で溝１１１と交差する方向に沿って配列され、図１Ｂや図２Ｃに示すように、同一平面上で導波路チップ１００と互いに隣接した状態で、導波路チップ１００に形成された凹凸部１０２と相互に嵌合する。
本実施の形態においては、導波路チップ１００の第１基板１０４とコネクタ１１０の第２基板１１４とは同一の厚さに形成されている。また、本実施の形態においては、第２基板１１４は、導波路チップ１００の第１基板１０４と同じく、シリコン（Ｓｉ）からから形成され、さらに、その上面には、導波路チップ１００のクラッド層１０３と同様に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）層１１３が形成されている。したがって、第１基板１０４および第２基板１１４の上にそれぞれ形成されたクラッド層（シリコン酸化膜層）１０３およびシリコン酸化膜層１１３を互いに同じ厚さとするならば、導波路チップ１００とコネクタ１１０とは、互いに同じ厚さを有することとなる。
コネクタ１１０の溝１１１は、図面に示すように、導波路チップ１００の凹凸部１０２とコネクタ１１０の凹凸部１１２とが相互に嵌合した状態で、コネクタ１１０の、導波路１０１の一端面に相対する位置から、導波路チップ１００から離間する方向に延在するように形成されている。コネクタ１１０に搭載されるファイバ１２０の一端は、少なくともその一部がこの溝１１１に収容されて位置決めされる。
ファイバ１２０は、コア１２１を有している。ファイバ１２０をコネクタ１１０上に設置するときは、ファイバ１２０のコネクタ１１０から導波路チップ１００と反対側の外部に出ている部分を、機械的・化学的な刺激からファイバ１２０を保護するために、樹脂等で被覆してもよい。
本実施の形態に係る導波路接続構造１においては、図２Ｂおよび図２Ｄに示すように、ファイバ１２０をコネクタ１１０に搭載した後、平坦な面Ｓ上で、導波路チップ１００とコネクタ１１０とを近づけ、凹凸部１０２と凹凸部１１２とを相互に嵌合させる。この状態で導波路チップ１００の導波路１０１の端面とファイバ１２０のコア１２１とが一致するように、ファイバ１２０の太さに応じてあらかじめ溝１１１の深さと幅を調整しておけば、導波路チップ１００とコネクタ１１０とを平坦な面Ｓ上で、導波路チップ１００の凹凸部１０２とコネクタ１１０の凹凸部１１２とを相互に嵌合させることで、導波路１０１とコア１２１との光学的な接続をパッシブに実現することができる。
例えば、図２Ｃに示すように、コネクタ１１０の上にファイバ１２０を搭載し、平坦な面Ｓ上で導波路チップ１００に近接させ、凹凸部１０２、１１２を相互に嵌合させると、導波路１０１とコア１２１とのアライメントがパッシブになされる。この状態で適宜接着剤により固定してもよい。ここで、例えばファイバ１２０の外径は１２５ｕｍであり、コア１２１の直径は４ｕｍである。
本実施の形態に係る導波路接続構造１を構成する導波路チップ１００およびコネクタ１１０を、同一基板から同一プロセスで形成することで、図２Ａの上面図面内においては、リソグラフィおよびエッチング等の微細加工の精度（０．１ｕｍ以下）でアライメントをすることができる。
また、図２Ｂの断面図面内においては、通常は基板の厚さは±５％程度の厚さばらつき（たとえば±５０ｕｍ程度）を有していても、同一基板の隣接部位で形成することで基板の製造ばらつきを回避して高い精度（０．１ｕｍ以下）でアライメントをすることができる。
また、基板１１４の溝１１１の深さは、たとえばファイバ１２０の半径に相当する６２．５ｕｍであるが、この深さもエッチング時間や条件を制御することで微細加工の精度（０．１ｕｍ以下）とすることができる。
そこで、本実施の形態に係る導波路接続構造を構成する部品、すなわち、導波路チップ１００およびコネクタ１１０の製造方法について、図３Ａ～図３Ｅおよび図４を参照して説明する。
まず、図３Ａおよび図３Ｂに示すような、導波路１０１、貫通孔３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ、３０１ｅ、および凹部３０２を有するウェハを作製する。
具体的には、ます最初に、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハ基板を用意する（図４：Ｓ４１）。例えば、ＳＯＩ層のＳｉ、ＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ ＯＸｉｄｅ）層のＳｉＯ2および基板のＳｉの厚さは、それぞれ０．２ｕｍ、２ｕｍおよび１ｍｍとする。
次に、ＳＯＩ層の上に導波路のレジストパタンをフォトリソグラフィによって形成し、レジストパタンをマスクとしてＳｉ層をドライエッチングによりパタニングし、レジストパタンを除去することで導波路１０１を形成する（Ｓ４２）。
次に、ＳｉＯ2をプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により２ｕｍの厚さで堆積形成し、クラッド層１０３とする（Ｓ４３）。
その後、図３Ａに示す貫通孔３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ、３０１ｅおよび凹部３０２に対応する領域が開口するレジストパタンをフォトリソグラフィによって形成し、このレジストパタンをマスクとして、クラッド層１０３を形成するＳｉＯ2層をドライエッチングにより選択的に除去して、エッチストップ層としてのＳｉ層を露出させる（Ｓ４４）。このとき、各領域について導波路１０１に対して位置合わせを行い、レジストパタンを０．０１ｕｍ以下の誤差とする。
貫通孔３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ、３０１ｅおよび凹部３０２を形成する領域のＳｉＯ2を選択的に除去したらレジストパタンを除去し、次に、凹部３０２に対応する領域のみが開口し、それ以外の領域（貫通孔３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ、３０１ｅに対応する領域を含む。）を覆うレジストパタンをフォトリソグラフィによって形成する。
このとき、凹部３０２に対応する領域の幅Ｌ（図３Ａ参照。）は、例えば、ファイバ外径の１２５ｕｍとする。レジストパタンは、２ｕｍのクラッド層（ＳｉＯ2層）による段差を被覆できるよう３ｕｍ程度の厚さにしておけばよく、フォトリソグラフィの位置合わせ精度はさほど必要ではない。その後、このレジストパタンおよび下地のＳｉＯ2層をマスクとして、凹部３０２に対応する領域の基板１０４のＳｉ層をドライエッチングし、溝１１１となる凹部を所望の深さまで掘り下げる（Ｓ４５）。このときの掘り下げる深さは、一般的には、凹部３０２と導波路１０１との高さ方向の距離Ｄがファイバ１２０の径の約半分となるように設定することができる。本実施の形態では、凹部３０２に対応する領域のＳｉ層は、ファイバ１２０の外径のほぼ半分程度の深さ（ファイバ直径６２．５ｕｍ－ＢＯＸ層２ｕｍ－導波路高さ０．２ｕｍの半分＝６０．４ｕｍ）まで除去する。
ドライエッチングとしては、ＩＣＰ－ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ－Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によって異方性エッチングすればよい。この場合、深さ方向の加工精度は、エッチングの１サイクルに相当する０．０３ｕｍ以下である。
その後、レジストパタンを除去する。
次に、凹部３０２のみを覆うようなレジストパタンをフォトリソグラフィにより形成する。レジストパタンは凹部３０２の段差を被覆できるよう２０ｕｍ程度の厚さにしておけばよい。レジストの粘性により付きまわり性を向上させ、凹部３０２の外周部の縁の部分さえが被覆されれば、必ずしも凹部３０２の深さに相当する膜厚でレジストパタンを形成しなくてもよい。また、フォトリソグラフィの位置合わせ精度はさほど必要ではない。
このレジストパタンとＳｉＯ2層をマスクとして、凹部３０２を除く他の領域、すなわち貫通孔３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ、３０１ｅを形成する領域に形成された凹部の底部に露出した基板１０４のＳｉ層を裏面までドライエッチング（ＩＣＰ－ＲＩＥ）により除去し、それぞれ貫通穴を形成する（Ｓ４６）。
図３Ｂは、図３ＡのＩＩＩＢ線における断面図である。領域３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ、３０１ｅに形成された貫通孔は、図３Ｂに示すように、断面方向でみたときにテーパ（基板垂直方向の勾配）がつかないように、基板の表面に対して垂直（９０度）となるような形状が好ましいが、裏面にいくほどエッチング形状が広がるような形状でもよい。
以上のようにして、図３Ａ、図３Ｂに示すような、導波路１０１、貫通孔３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ、３０１ｅおよび凹部３０２を有するウェハを作製したら、次に、そのウェハをダイシングして、導波路チップ１００となる第１片とコネクタ１１０となる第２片とに分離する（Ｓ４７）。
具体的には、図３Ａにおいて網掛けされた幅７０ｕｍ程度の領域３１１および領域３１２をスクライブラインとしてダイシングして、図３Ｃに示すように、導波路チップ１００とコネクタ１１０を得る。図３Ａに示すスクライブラインとなる領域３１１および領域３１２は、貫通穴３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ、３０１ｅそれぞれの一部を含むので、導波路チップ１００およびコネクタ１１０は、ともに、その側面にドライエッチングで形成された面とダイシングによって形成された面を持つ。図３Ｃにおいて、点線はダイシングにより形成された側面を表している。ダイシングにより形成された面は、加工精度が低く面が粗いが、その他の部分は、相互に嵌合する凹凸部１０２、１１２の側面を含め、ウェハプロセスのドライエッチングにより形成されており加工精度が高く面が平坦である。また、凹部３０２の一部を通るようにダイシングすることにより、コネクタ１１０の左右の側面を面内で貫通して、ファイバ１２０をおくための溝１１１が形成される。
以上が、図３Ａに示すような導波路１０１、貫通孔３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ、３０１ｅ、および凹部３０２を有するウェハを作製するウェハプロセスである。このようなウェハプロセスによって導波路チップ１００にコネクタ１１０が同時に作製することができる。
なお、図３Ａにおいては、導波路チップ１００の縦方向（紙面内において上下方向）の長さがコネクタ１１０の縦方向長さより大きいので、ダイシングのための領域３１１が途中で止まって不連続な直線になっているが、導波路チップ１００およびコネクタ１１０の縦方向長さが同一であれば、ウェハを格子状にダイシングをすることもできることはいうまでもない。
導波路チップ１００にコネクタ１１０を接続するには、例えば、次のようにして行えばよい。
まず、コネクタ１１０の溝１１１にファイバ１２０を固定する。溝１１１は微細加工によりファイバ１２０の外径に適合するように高精度に加工されているので、ファイバ１２０をコネクタ１１０にパッシブに固定できる。ファイバ１２０を固定するには、接着剤等を用いればよい。
その後、平坦な面Ｓ上でチップ１００とコネクタ１１０を近接させ、図２Ｃに示すような凹凸部１０２と凹凸部１１２とが相互に嵌合した状態とする。凹凸部１０２および凹凸部１１２は、同一のドライエッチング工程で作られているので高精度に嵌合する。また、高さ方向についても溝１１１が高精度に加工されており、かつ、同一の基板の隣接部位から作成されている。したがって、導波路１０１とコア１２１が高精度にパッシブにアライメントされる。
なお、上記では、ファイバ１２０をコネクタ１１０に先に固定したのちに、コネクタ１１０を導波路チップ１００に嵌合させて、ファイバ１２０の一端面を導波路１０１の端面にあてつける順番としたが、導波路チップ１００とコネクタ１１０とを先に嵌合させたのちに、ファイバ１２０を導波路チップ１００およびコネクタ１１０にあてつけて固定する順番としてもよい。
また、本実施の形態においては、例えば、図２Ｃに示すように、ファイバ１２０の一端面がコネクタ１１０の端面と同一平面内に来るように、ファイバ１２０をコネクタ１１０に搭載するものとして説明したが、ファイバ１２０をコネクタ１１０の端面から突き出した上で導波路１０１を接続するようにしてもよい。これにより、チップ１００の導波路１０１端面はダイシングで形成されているが、その面が荒れていても、ファイバとの接触部分だけに限定されるので、面荒れの影響を低減できる。
また、本実施の形態では、コア１２１が一つのファイバ１本を対象としたが、複数のコアを有するマルチコアファイバや、ファイバを複数本並べたファイバアレイに対しても適用できることはいうまでもない。
さらに、ファイバをコネクタに固定する長さは機械的強度や安定性を考慮して適宜設定すればよく、固定の補強として接着剤を用いたり、ファイバの化学的劣化を防ぐために被覆材などを塗布形成したりしてもよい。
以上説明したように、本実施の形態によれば、導波路チップ１００とコネクタ１１０とを同一の基板から同一の微細加工工程を用いて形成するので、アライメントを高精度かつパッシブで簡易に実現できる導波路接続構造を得ることができる。
［第２の実施の形態］
次に、図５Ａおよび図５Ｂを参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図５Ａは、上述した第１の実施の形態の説明に用いた図３Ａに対応する図で、本実施の形態に係る導波路接続構造５の導波路チップ５００およびコネクタ５１０を製造するために用いられるウェハの構成を示している。
本実施の形態に係る導波路接続構造は、図５Ｂに示すように、導波路チップ５００の凹凸部５０２とコネクタ５１０の凹凸部５１２について、凸部の先端部分をテーパー状に形成したものである。
そのために、第１の実施の形態において、図３Ａに示すように、ウェハに形成される貫通孔３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ、３０１ｅは、平面視で長方形に形成されるのに対し、本実施の形態においては、図５Ｂに示すように、貫通孔５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ、５０１ｄ、５０１ｅを形成する際に、角の面取り５０１ａ－１、５０１ｂ－１、５０１ｂ－２、５０１ｃ－１、５０１ｃ－２、５０１ｄ－１、５０１ｄ－２、５０１ｅ－１を追加した形状として、ウェハを加工する。
これにより、ダイシング後に、図５Ｂに示すように、凹凸部５０２および凹凸部５１２が面取りされた形状となる。これにより、嵌合時に凹凸部の角が衝突して破損するなどの不良を起こすことなく、スムーズに嵌合をさせることができる。
［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態に係る導波路接続構造６は、図６Ａに示すように、導波路チップ６００の凹凸部６０２にさらに凹部６０３を形成し、コネクタ６１０の凹凸部６１２に板ばね６１３を追加した構造とする。すなわち、本実施の形態に係る導波路接続構造６においては、導波路チップ６００とコネクタ６１０の一方の凹凸部に形成された係止爪と、他方の凹凸部に形成された係止溝とからなる係止機構が設けられている。弾性を有する材料から形成された板バネ６１３は、ここでいう係止爪に該当し、凹部６０３が係止溝に相当する。
このような係止機構を備えることにより、図６Ｂに示すように、導波路チップ６００の凹凸部６０２とコネクタ６１０の凹凸部６１２とが相互に嵌合すると、凹部６０３と板ばね６１３が嵌合し、接着剤等を用いなくてもチップ６００とコネクタ６１０の位置を固定することができる。
なお、板ばね６１３は、ばねとなる部分の上面視方向の形状や、基板厚さ方向の厚さを制御することで、弾性を制御できるので、用途に合わせた適切な構造とすればよい。
［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態について、図７Ａ～図７Ｅを参照して説明する。
図７Ａ～図７Ｅは、チップをフリップチップボールグリッドアレイ（Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）パッケージにいれて、プリント基板（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）に表面実装する手順を示している。
まず、図７Ａは、有機樹脂を素材とする基板にバンプボール７０１を形成したＦＣＢＧＡ基板７０２の一例を示している。導波路チップ１００は、ウェハ加工が終わった状態で裏面研削により約３００ｕｍ厚さにしておき、その後、ダイシングによりチップとコネクタに個片化する。この基板７０２にチップ１００を、導波路１０１が形成された面を下にして（チップ１００をフリップして）、電気接続を行う。
このとき、図示していないチップ１００側のバンプおよび基板７０２側のランドパタンにより電気接続を行い、またチップ１００と基板７０２間の距離の調整を行う。また図示していないが、チップ１００の近傍のスペースにチップキャパシタなどの他の部品を基板７０２上に同様に配置しておいてもよい。さらに、チップ１００の端面のうち、後でコネクタ１１０と接続させる側面を除き、電気接続される部分は樹脂等により被覆保護しておいてもよい。
次に図７Ｂに示すように、リッド７０３をかぶせ、リッド７０３の周辺部で基板７０２と接着剤等により固定する。ここで、図示していない熱伝導性シートにより導波路チップ１００とリッド７０３とを適切な高さで接触させ、十分な熱伝導を確保する。熱伝導性シートとしては、たとえば１０ｕｍ厚さのグラファイトシートを用いればよい。またリッド７０３は開口部７０４を有している。これにより、パッケージ７０５とする。
次に、図７Ｃに示すように、プリント基板７１０の上にパッケージ７０５をはんだリフローで表面実装する。図示していないが、基板７１０の上にはＬＳＩやチップキャパシタや電気コネクタなど多数の電気部品が同じ工程で表面実装される。
次に、図７Ｄに示すように、プリント基板７１０にパッケージ７０５が搭載された状態で開口部７０４を介してコネクタ１１０を挿入しチップ１００と嵌合させる。このとき、リッド７０３の内上面または熱伝導性シートにコネクタの上面を接触させるようにして押し込めば位置合わせが自動的になされる。
その後、図７Ｅのように、パッケージ７０５内のチップにコネクタ１１０が嵌合されパッシブにアライメントされてファイバ１２０とチップ上の導波路がパッシブにアライメントされる。必要があれば、ファイバ１２０の端面やその近傍にあらかじめ接着剤を塗布しておいて嵌合させた後に熱処理等によって硬化させる。また、この後に開口部７０４を樹脂等で保護したり、開口部７０４を介してリッド７０３内面とチップ１００との間に形成された空間を樹脂で充填したりしてもよい。
以上のように、光電気部品である導波路チップ１００をプリント基板上７１０に表面実装した後に、コネクタ１１０を挿入するだけでパッシブアライメントが可能になる。
仮に、従来のアクティブアライメントを行う場合は、導波路チップをプリント基板に実装した後に、ファイバを把持してプリント基板表面近傍でチップに近づけてアライメントを行う必要があるが、そのためには、ファイバを把持して調心するための設備が必要である上に、プリント基板上の電気部品をチップの近傍に配置することができないという問題があった。また、プリント基板への実装の前にアクティブアライメントを行った場合、ファイバの余長の管理に手間がかかり、ファイバとチップの接続に用いる接着剤や他端にあるファイバ用の市販光コネクタのプラスティックがリフロー温度（２２０℃以上）に耐えずに劣化してしまう、という問題があった。また、従来の市販光コネクタを用いるとしても、サイズおよび厚さが大きくプリント基板への直接適用には適さない。
これに対し、本実施の形態によれば、導波路チップとコネクタを分離し、コネクタがチップと同じレベルの小型でかつパッシブアライメントが可能であるので、導波路を備えたチップなどの光部品を電気部品と同じ工程で表面実装し、さらにその後にチップサイズの小型のコネクタを挿すだけでよいので、光部品を電気部品と同じ工程で簡易に実装できる、というすぐれた効果がある。
１…導波路接続構造、１００…導波路チップ、１０１…導波路、１０２、１１２…凹凸部、１１０…コネクタ、１２０…ファイバ、１２１…コア。

Claims (7)

  1. 導波路を有する導波路チップと、
    厚さ方向に掘り下げられ、光ファイバの端部が固定される溝を有するコネクタと
    からなり、
    前記導波路チップと前記コネクタは、凹部および凸部からなる凹凸部をそれぞれ有し、同一平面上で互いに隣接した状態で、一方の前記凹凸部の前記凹部が他方の前記凹凸部の前記凸部と嵌合するように構成され、
    前記導波路チップおよび前記コネクタは、それぞれシリコンから形成された第１基板および第２基板を含み、
    前記第１基板と前記第２基板とは、同じ厚さに形成されている
    ことを特徴とする導波路接続構造。
  2. 導波路を有する導波路チップと、
    厚さ方向に掘り下げられ、光ファイバの端部が固定される溝を有するコネクタと
    からなり、
    前記導波路チップと前記コネクタは、凹部および凸部からなる凹凸部をそれぞれ有し、同一平面上で互いに隣接した状態で、一方の前記凹凸部の前記凹部が他方の前記凹凸部の前記凸部と嵌合するように構成され、
    平面視で前記凹凸部の前記凸部の先端部分はテーパー状に形成されている
    ことを特徴とする導波路接続構造。
  3. 導波路を有する導波路チップと、
    厚さ方向に掘り下げられ、光ファイバの端部が固定される溝を有するコネクタと
    からなり、
    前記導波路チップと前記コネクタは、凹部および凸部からなる凹凸部をそれぞれ有し、同一平面上で互いに隣接した状態で、一方の前記凹凸部の前記凹部が他方の前記凹凸部の前記凸部と嵌合するように構成され、
    前記他方の前記凹凸部の前記凸部に形成された係止爪と、前記一方の前記凹凸部の前記凹部に形成された係止溝とからなる係止機構をさらに備える
    ことを特徴とする導波路接続構造。
  4. 基板と、
    前記基板の一の面上に形成された導波路と
    を備え、
    前記基板は、平面視で前記導波路と交差する方向に沿って配列された、導波方向に窪んでいる凹部および導波方向に突出している凸部からなる凹凸部を有し、
    前記凹凸部の前記凹部および前記凸部は、前記基板が同一平面上で他の部品と互いに隣接した状態で、前記他の部品に形成された凹凸部の凸部および凹部と、それぞれ嵌合する
    ことを特徴とする導波路チップ。
  5. 厚さ方向に掘り下げられ、光ファイバの端部が固定される溝を有する基板を備え、
    前記基板は、平面視で前記溝と交差する方向に沿って配列され、導波方向に窪んでいる凹部および導波方向に突出している凸部からなる凹凸部を有し、
    前記凹凸部の前記凹部および前記凸部は、前記基板が同一平面上で他の部品と互いに隣接した状態で、前記他の部品に形成された凹凸部の凸部および凹部と、それぞれ嵌合する
    ことを特徴とするコネクタ。
  6. 基板の一の面上に導波路を形成する工程と、
    前記基板の厚さ方向に掘り下げられ、前記導波路の一端面から離間する方向に延在し、光ファイバの端部が固定される溝と、平面視で前記導波路と交差する方向に沿って互い違いに配列されてそれぞれ前記基板を貫通する複数の貫通孔とを形成する工程と、
    前記基板を平面視で前記導波路と交差する方向に沿ってカットして、凹部および凸部からなる凹凸部を備え、一方の前記凹凸部の前記凹部が他方の前記凹凸部の前記凸部と嵌合する第１片と第２片とに分離する工程と
    を有し、
    前記第１片は、前記基板の一部である第１基板と前記導波路とを有する導波路チップであり、
    前記第２片は、前記基板の他の一部である第２基板と前記第２基板に形成された前記溝とを有するコネクタである
    ことを特徴とする、導波路接続部品の製造方法。
  7. 同一平面上で互いに隣接した状態で相互に嵌合する凹部および凸部からなる凹凸部をそれぞれ有する導波路チップとコネクタとであって、前記導波路チップは、第１基板と前記第１基板の一の面上に形成された導波路とを有し、前記コネクタは、第２基板を有し、前記第２基板は前記第２基板の厚さ方向に掘り下げられた溝を有する、導波路チップとコネクタとを用意する工程と、
    前記コネクタの前記溝に光ファイバの一端部を固定する工程と、
    前記導波路チップをパッケージに電気接続する工程と、
    前記パッケージをプリント基板に電気接続する工程と、
    前記コネクタの凹凸部の前記凹部および前記凸部を前記パッケージ内の前記導波路チップの凹凸部の前記凸部および前記凹部に、それぞれ嵌合させて、前記導波路と前記光ファイバとを光学的に接続する工程と
    を有する導波路接続方法。
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