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JP2011128438A - 光導波路の製造方法、光導波路及び光送受信装置 - Google Patents

光導波路の製造方法、光導波路及び光送受信装置 Download PDF

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JP2011128438A JP2009287926A JP2009287926A JP2011128438A JP 2011128438 A JP2011128438 A JP 2011128438A JP 2009287926 A JP2009287926 A JP 2009287926A JP 2009287926 A JP2009287926 A JP 2009287926A JP 2011128438 A JP2011128438 A JP 2011128438A
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Abstract

【課題】高精度で且つ微細な光導波路の製造が可能な光導波路の製造方法を提供する。
【解決手段】この光導波路1の製造方法は、光信号を伝送するコア層16と、前記光信号を反射するミラー4、5とを備える光導波路1の製造方法であって、結晶性材料からなる基材2の所定の結晶面2a上に、所定形状にパターニングされたマスク層10を形成する工程と、前記マスク層10をエッチングマスクとするウェットエッチングプロセスにより前記所定の結晶面2aをエッチングして、前記基材2に複数の他の結晶面3a、3b、3c、3dを出現させて該他の結晶面3a、3b、3c、3dが内壁の一部もしくは全部となる溝部3を形成する工程と、少なくとも一つの前記他の結晶面3a(3b)に金属反射膜12を設けてミラー4(5)を形成する工程と、前記溝部3内にコア材料を充填してコア層16を形成する工程と、を備える。
【選択図】図6

Description

本発明は、光信号を伝送するコア層と、前記光信号を反射するミラーとを備える光導波路及びその製造方法、並びに該光導波路を備える光送受信装置に関する。
従来、種々の電子回路において、信号伝達の高速化(高周波化)に伴い、回路の一部を銅等の電気配線から光導波路による光配線に置き換えた光電混載回路が用いられており、関連する様々な技術が提案されている(特許文献1、特許文献2参照)。
特開平2−118607号公報 特開平8−46292号公報
一般に、光電混載回路では、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)等の発光素子とフォトダイオード(PD)等の受光素子とが、回路基板に搭載されており、発光素子から出射した光(光信号)が、光導波路を介して受光素子に入射する。
このような光電混載回路では、発光素子から回路基板に向けて垂直に出射された光は、その光進行方向が45度の角度を有するミラー部により回路基板に水平になるように90度反射されて、光導波路内を光が伝播する方法が採られている。
ここで、従来の実施形態に係る光導波路101の製造方法について説明する。
先ず、図12に示すように、周知の手法により、ダミー基板102上に、第1クラッド層110と、コア層112と、第2クラッド層114とを順次積層させる工程を実施する。いずれも、光信号を透過可能な樹脂材料(例えばシリコーン)を用いて形成されるが、コア層112には相対的に屈折率が大きな材料を用い、第1クラッド層110及び第2クラッド層114には相対的に屈折率が小さな材料を用いる。
次いで、図13に示すように、第2クラッド層114側からダイサー(ダイシング装置)によりコア層112を分断するV字状の溝部103、104を形成する工程を実施する。この際、溝部103を構成する傾斜面103aと第2クラッド層114の上面114aとの成す角度α1、及び溝部104を構成する傾斜面104aと第2クラッド層114の上面114aとの成す角度α2が、それぞれ45度となるように形成する。
なお、溝部103、104を形成する工程の他の例として、第2クラッド層114の上面114a上にグレーマスクを設けて、公知のフォトリソグラフィプロセスによって、上記同様に角度α1、α2が、それぞれ45度となる傾斜面103a、104aを形成してもよい(図示省略)。
次いで、図14に示すように、溝部103の傾斜面103a、及び溝部104の傾斜面104aに金属反射膜116を成膜する工程を実施する。これにより、傾斜面103aにミラー105が形成され、傾斜面104aにミラー106が形成される。
次いで、図15に示すように、ダミー基板102上の構造体を、ダミー基板102上から本基板107上へ転写する工程を実施する。
以上説明した工程を備えて、光導波路101の製造が行われる。なお、図15中の矢印が光信号の通過経路である。
しかし、上記の製造方法においては、ミラー105、106が設けられる傾斜面103a、104aを高精度且つ微細に形成することが困難であった。すなわち、ダイシングにより傾斜面103a、104aを形成すると、その面粗度が大きくなってしまうため、その面上に金属反射膜116が成膜されて構成されるミラー105、106において光伝播ロスが発生するという課題が生じ得る。
一方、フォトリソグラフィプロセスにより傾斜面103a、104aを形成すると、第2クラッド層114の上面114aとの成す角度α1、α2を正確に45[°]に形成することが困難なため、その面上に金属反射膜116が成膜されて構成されるミラー105、106において光伝播ロスが発生するという課題が生じ得る。
また、上記のように、ダミー基板102上に構造体を形成し、その後、本基板107上に転写する工程を実施する場合、光導波路101と本基板107との位置合せ精度が悪くなってしまうという課題があった。
また、本基板107の実装面107aに対して、光導波路部分が実装面107aよりもその厚さ分だけ盛り上がってしまうため、発光素子、受光素子等の電子部品を実装するための実装パッドをかさ上げして形成しなければならないという課題があった。
上記事情に鑑み、高精度で且つ微細な光導波路の製造が可能な光導波路の製造方法を提供することを目的とする。
一実施形態として、以下に開示するような解決手段により、前記課題を解決する。
開示の光導波路の製造方法は、光信号を伝送するコア層と、前記光信号を反射するミラーとを備える光導波路の製造方法であって、結晶性材料からなる基材の所定の結晶面上に、所定形状にパターニングされたマスク層を形成する工程と、前記マスク層をエッチングマスクとするウェットエッチングプロセスにより前記所定の結晶面をエッチングして、前記基材に複数の他の結晶面を出現させて該他の結晶面が内壁の一部もしくは全部となる溝部を形成する工程と、少なくとも一つの前記他の結晶面に金属反射膜を設けてミラーを形成する工程と、前記溝部内にコア材料を充填してコア層を形成する工程と、を備えることを要件とする。
開示の光導波路の製造方法によれば、面粗度が小さく且つ傾斜面の傾斜角度が正確に形成されたミラーを有する、高精度で微細な光導波路の製造が可能となる。
本発明の第一の実施形態に係る光導波路の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の第一の実施形態に係る光導波路の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の第一の実施形態に係る光導波路の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の第一の実施形態に係る光導波路の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の第一の実施形態に係る光導波路の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の第一の実施形態に係る光導波路の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の第二の実施形態に係る光導波路の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の第三の実施形態に係る光導波路の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の第四の実施形態に係る光導波路の製造方法を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る光送受信装置の例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る光送受信装置の他の例を示す概略図である。 従来の実施形態に係る光導波路の製造方法を説明するための説明図である。 従来の実施形態に係る光導波路の製造方法を説明するための説明図である。 従来の実施形態に係る光導波路の製造方法を説明するための説明図である。 従来の実施形態に係る光導波路の製造方法を説明するための説明図である。
本発明の第一の実施形態に係る光導波路1の製造方法について説明する。ここで、図1〜図6は、その製造工程を説明するための概略図である。
先ず、図1に示す基材2を用意する。図1(a)は基材2の平面図であり、図1(b)はその断面図である。本実施形態においては、結晶性材料からなる基材2を用いる。ここで、結晶性材料の例としては、後述の理由により、Si(シリコン)単結晶を用いることが好適である。
次いで、図2(a)(平面図)及び2(b)(断面図)に示すように、基材2の所定の一の結晶面(ここでは、(100)面)2a上に、所定形状にパターニングされたマスク層10を形成する工程を実施する。
なお、マスク層10の形成方法の例としては、公知のフォトリソグラフィプロセスによって、レジスト材料を塗布し、露光・現像によりパターン形成する方法等が考えられる。
次いで、図3(a)(平面図)、3(b)(断面図)、及び3(c)(断面図)に示すように、マスク層10をエッチングマスクとするウェットエッチングプロセスにより基材2の(100)面2aをエッチングする工程を実施する。
前述の通り、基材2はSi(シリコン)の単結晶によって形成されているが、Si(シリコン)単結晶は、一の結晶面(ここでは、(100)面)に対する他の結晶面(ここでは、(110)面)が45[°]の角度をなしている。ここで、Si(シリコン)単結晶の(100)面をアルカリ性エッチング液を用いてウェットエッチングすると、(100)面に対して45[°]の角度をなす(110)面が形成されるという異方性エッチング技術が知られている。一例として、アルカリ性エッチング液には、KOH(水酸化カリウム)水溶液、あるいはKOH(水酸化カリウム)水溶液に所定の添加物(例えばアルコール類、界面活性剤、微小量の金属元素等が知られている)を添加したもの等が用いられる。
すなわち、上記エッチング工程によれば、四つの(110)面が出現するようにエッチングが進行していき、当該四つの(110)面が内壁となる溝部3を形成することが可能となる。当該溝部3に関して、より詳しくは、溝部3の4面が、それぞれ(100)面2aに対して角度45[°]で傾斜した(110)面3a、3b、3c、3dによって囲われている。すなわち、溝部3は、(100)面2aに平行な断面形状が長方形で、(100)面2aに垂直で且つ(110)面3a、3bに垂直な断面形状が逆台形(逆三角形でもよい)で、(100)面2aに垂直で且つ(110)面3c、3dに垂直な断面形状が逆三角形の形状を有している。なお、図3における溝部3上部の幅寸法L1は、L1=15〜35[μm]程度である。
このとき、各(110)面3a、3b、3c、3dは、Si単結晶に固有の結晶配列構造によって規定される面であるため、(100)面2aに対して正確にθ1=θ2=θ3=θ4=45[°]の角度を成す面として得ることができる。加えて、ダイシング等で切削された面と比較して、面粗度が極めて小さい高精度で且つ微細な平坦面として得ることができる。
次いで、図4(a)(断面図)及び4(b)(断面図)に示すように、マスク層10を除去した後、溝部3の内壁を構成する(110)面に金属反射膜12を設けてミラーを形成する工程を実施する。ここで、図4(a)は、図3(b)と同位置の断面図である(以下、図5(a)、6(a)、7(a)、8(a)、9(a)についても同様である)。 一例として、金属反射膜12は、Al(アルミニウム)を用いて、スパッタリング法により形成する。なお、Au(金)等の他の金属材料・合金材料を用いてもよく、また、真空蒸着法等の方法によって形成してもよい。
例えば、ミラーを一つ形成する場合は、一つの(110)面3aに金属反射膜12を設けてミラー4を形成する。
一方、発光素子から光導波路の一方のミラーに対して光信号を照射し、当該一方のミラーで反射されてさらに他方のミラーで反射された光信号を受光素子で受光するような光送受信装置に用いる場合等のように、ミラーを二つ形成する場合は、対向する二つの(110)面3a、3bに金属反射膜12を設けて二つのミラー4、5を形成する。
ここで、図4(a)、4(b)は、溝部3内の全面に金属反射膜12を形成する場合の例として図示している。このとき、ミラー4、5として用いられない他の(110)面3c、3dに形成された金属反射膜12は第1クラッド層14として作用する。
なお、マスク(不図示)等を設けることによって、金属反射膜12を形成する位置を限定してもよいが、その場合は、金属反射膜12が用いられない他の位置に別途クラッド層を形成する必要がある。
ここで、各(110)面3a、3b、3c、3dは、前述の通り、Si単結晶に固有の結晶配列構造によって規定される面であるため、(100)面2aに対して正確にθ1=θ2=θ3=θ4=45[°]の角度を成す面として得ることができる。これに加えて、特に、対向する二つの(110)面3a、3bは、一方の面3aと他方の面3bとが正確にθ5=90[°]の角度を成す面として得ることができる。
次いで、図5(a)(断面図)及び5(b)(断面図)に示すように、溝部3内にコア材料を充填してコア層16を形成する工程を実施する。一例として、コア材料には、光信号(例えば、VCSELから照射されるレーザ光)の透過が可能なシリコン樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂材料が用いられる。
コア材料を充填してコア層16を形成する方法としては、様々な方法が考えられるが、例えば、未硬化のフィルム状材料を配置して、マスク(不図示)を設けてパターニングを行い、現像して硬化させる方法等がある。
次いで、図6(a)(断面図)及び6(b)(断面図)に示すように、コア層16の上面を覆うようにして、第2クラッド層18を形成する工程を実施する。
一例として、第2クラッド層18は、Al(アルミニウム)を用いて、スパッタリング法により形成する。なお、Au(金)等の他の金属材料・合金材料を用いてもよく、また、真空蒸着法等の方法によって形成してもよい。
ここで、本実施形態のように、光信号を透過させない金属材料を用いて第2クラッド層18を形成する場合には、コア層16に光信号を進入・進出させるための開口部18a、18bを所定位置(本実施形態では、ミラー4、5に対応する位置)に設ける必要がある。
以上説明した工程を備えて、光導波路1の製造が行われる。
光導波路1は、図6(a)中の矢印で示すように、発光素子(不図示)から基材2の上面2aに向けて垂直に出射された光信号が、コア層16内に進入し、45[°]の角度を有するミラー4によって進行方向が基材2の上面2aに平行になるように90[°]反射され、コア層16内を伝播し、さらに45[°]の角度を有するミラー5によって進行方向が基材2の上面2aに垂直になるように90[°]反射され、基材2の上面2aに対して垂直の方向に、コア層16から進出する作用が生じる。
なお、ミラーを一つのみ設けて(ここではミラー4)、ミラー5の位置にこれに代えて受光素子(不図示)を設ける構造としてもよい。
続いて、本発明の第二の実施形態に係る光導波路1の製造方法について説明する。
本実施形態に係る光導波路1の製造方法は、前述の第一の実施形態に係る製造方法で説明した工程を備えるが、第2クラッド層18を形成する工程において相違点を有する。
より具体的には、図7(a)(断面図)及び7(b)(断面図)に示すように、第2クラッド層18が、光信号を透過可能な樹脂材料(例えばシリコン樹脂)を用いて形成される。このとき、コア層16には相対的に屈折率が大きな材料を用い、第2クラッド層18には相対的に屈折率が小さな材料を用いる。
続いて、本発明の第三の実施形態に係る光導波路1の製造方法について説明する。
本実施形態に係る光導波路1の製造方法は、前述の第二の実施形態に係る製造方法で説明した工程を備えるが、溝部3内の全面に金属反射膜12を形成する工程の後に、これとは別の材料を用いて第1クラッド層14を形成する工程を備える点で相違する。
より具体的には、第1クラッド層14を形成する工程は、図8(a)(断面図)及び8(b)(断面図)に示すように、ミラー4、5として用いられない溝部3の(110)面3c、3dに形成された金属反射膜12の上にのみ、当該第1クラッド層14を形成する。一例として、第1クラッド層14を形成する材料には、第2クラッド層18と同じ樹脂材料が用いられる。
続いて、本発明の第四の実施形態に係る光導波路1の製造方法について説明する。
本実施形態に係る光導波路1の製造方法は、前述の第一の実施形態に係る製造方法で説明した工程を備えるが、マスク層10をエッチングマスクとするウェットエッチングプロセスにより基材2の(100)面をエッチングする工程において、エッチング時間を短くする等の調整を行うことによって、四つの(110)面3a、3b、3c、3d及び底面に出現する(100)面3eの計5つの面が内壁となる溝部3が形成されることを特徴とする(図9(a)(断面図)及び9(b)(断面図)参照)。
当該溝部3に関して、より詳しくは、溝部3の4面が、それぞれ(100)面2aに対して角度45[°]で傾斜した(110)面3a、3b、3c、3dによって囲われている。すなわち、溝部3は、(100)面2aに平行な断面形状が長方形で、(100)面2aに垂直で且つ(110)面3a、3bに垂直な断面形状が逆台形(逆三角形でもよい)で、(100)面2aに垂直で且つ(110)面3c、3dに垂直な断面形状が逆台形の形状を有している。
したがって、溝部3の底面3eが基材2の上面2aに平行な面として形成されるため、図9(a)、9(b)に示すように、底面3e上に金属反射膜12(クラッド層として作用する)を介して断面形状が矩形のコア層16を積層し、その側面を第1クラッド層14で覆い、その上面を第2クラッド層18で覆う形状を有する光導波路1を製造することが可能となる。
なお、第1クラッド層14及び第2クラッド層18の形成材料としては、前述の第三の実施形態に係る製造方法で説明した樹脂材料を用いることが考えられる。
続いて、本発明の実施形態に係る光送受信装置20について説明する。
上記の製造方法により製造される光導波路1を用いることによって、好適な光送受信装置20が実現される。当該光送受信装置20の第一実施例を図10の概略図(断面図)に示す。
回路基板22の上面22a上で且つ光導波路1の一端側に隣接して、例えばVCSEL等の発光素子30が搭載される。ここで、回路基板22と、光導波路1が形成される基材2とを、共通の部材とすることができる。
発光素子30は、そのデバイス本体に発光部31を具備していると共に、バンプ32により回路基板22のランド33に接続され、回路基板22との間の電気的な接続が行われる。なお、透明性アンダーフイル材(不図示)が発光素子30と回路基板22との隙間に充填される。
このとき、発光部31の光軸が、回路基板22の上面22aに対して、すなわち基材2の上面2aに対して垂直となるように、且つ、一方のミラー4に対して45[°]の角度となるように、発光素子30が回路基板22に位置決めされている。
一方、回路基板22の上面22a上で且つ光導波路1の他端側に隣接して、例えばPD等の受光素子40が搭載される。
受光素子40は、そのデバイス本体に受光部41を具備していると共に、発光素子30の場合と同様に、バンプ42により回路基板22のランド43に接続され、回路基板22との間の電気的な接続が行われる。なお、透明性アンダーフイル材(不図示)が受光素子40と回路基板22との隙間に充填される。
このとき、受光部41の光軸が、回路基板22の上面22aに対して、すなわち基材2の上面2aに対して垂直となるように、且つ、他方のミラー5に対して45[°]の角度となるように、受光素子40が回路基板22に位置決めされている。
上記の構成によれば、図10中の矢印で示すように、発光素子30の発光部31から光導波路1に対して垂直に入射された光信号は、一方のミラー4により90度の角度で反射され、光導波路1のコア層16内を伝播し、光導波路1の他方のミラー5により90度の角度で反射されて、受光素子40の受光部41によって受光される作用を生じる。
次に、光送受信装置20の第二実施例を図11の概略図(断面図)に示す。
前述の第一実施例では、発光素子30の制御回路部品35、論理回路部品36、受光素子40の制御回路部品45、論理回路部品46が、及び光導波路1が、回路基板22の同一面(ここでは上面22a)上に搭載される構造であるのに対し、第二実施例では、発光素子30、受光素子40、及び光導波路1が、回路基板22の一面(ここでは上面22a)上に搭載され、発光素子30の制御回路部品35、論理回路部品36、及び受光素子40の制御回路部品45、論理回路部品46が、回路基板22の他面(ここでは下面22b)上に搭載される構造である点で相違する。なお、本実施例では、回路基板22にスルーホールビア37、47を設けて、発光素子30と制御回路部品35との接続、及び受光素子40と制御回路部品45との接続をそれぞれ行っている。
上記の構成によれば、光配線(光導波路)と電気配線とを分離させて別々の面に形成することが可能となる。
以上説明した通り、開示の光導波路の製造方法及び当該製造方法により製造される光導波路によれば、ミラーが形成される面が、基材の一面に対して、正確に45[°]の角度を成す面として得ることができる。加えて、ダイシング等で切削形成された面と比較して、面粗度が極めて小さい高精度で且つ微細な平坦面として得ることができる。したがって、ミラーが形成される面のテーパ角度が正確に45[°]にならずに光伝播ロスが発生する、あるいは、面粗度が大きいため光伝播ロスが発生するという課題を、共に解決することが可能となる。
また、一方のミラー及び他方のミラーが形成される二つの面が、相互に正確に90[°]の角度を成す面として得ることができる。したがって、発光素子から光導波路の一方のミラーに対して光信号を照射し、当該一方のミラーで反射されてさらに他方のミラーで反射された光信号を受光素子で受光するような光送受信装置において、正確な光信号の反射を可能とし、光伝播ロスの発生を防止することができる。
また、ダミー基板上に構造体を形成し、その後、本基板上に転写する工程を有しないため、光導波路と本基板との位置合せ精度が悪化するという課題を解決することが可能となる。
また、光導波路は、基材に設けられる溝内に形成され、光導波路部分が基材の実装面よりも盛り上がる構造とはならないため、電子部品を実装するための実装パッドをかさ上げして形成しなければならないという課題を解決することが可能となる。
なお、本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、本発明を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。特に、結晶性材料としてSi単結晶を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、同様の性質を備える他の結晶性材料を利用して本発明の実施を行ってもよい。
1 光導波路
2 基材
3 溝部
4、5 ミラー
10 マスク層
12 金属反射膜
14 第1クラッド層
16 コア層
18 第2クラッド層
20 光送受信装置
22 回路基板
30 発光素子
40 受光素子

Claims (7)

  1. 光信号を伝送するコア層と、前記光信号を反射するミラーとを備える光導波路の製造方法であって、
    結晶性材料からなる基材の所定の結晶面上に、所定形状にパターニングされたマスク層を形成する工程と、
    前記マスク層をエッチングマスクとするウェットエッチングプロセスにより前記所定の結晶面をエッチングして、前記基材に複数の他の結晶面を出現させて該他の結晶面が内壁の一部もしくは全部となる溝部を形成する工程と、
    少なくとも一つの前記他の結晶面に金属反射膜を設けてミラーを形成する工程と、
    前記溝部内にコア材料を充填してコア層を形成する工程と、を備えること
    を特徴とする光導波路の製造方法。
  2. 前記ミラーを形成する工程は、90°の角度をなして対向する二つの前記他の結晶面に金属反射膜を設けて二つのミラーを形成する工程であること
    を特徴とする請求項1記載の光導波路の製造方法。
  3. 前記結晶性材料として、シリコン単結晶が用いられ、前記所定の結晶面は、(100)面であり、前記他の結晶面は、(110)面であって、
    前記ウェットエッチングプロセスは、エッチング液として、アルカリ性エッチング液が用いられること
    を特徴とする請求項1または請求項2記載の光導波路の製造方法。
  4. 光信号を伝送するコア層と、前記光信号を反射するミラーとを備える光導波路であって、
    結晶性材料からなる基材の所定の結晶面をウェットエッチングプロセスによりエッチングすることによって形成された複数の他の結晶面が内壁の一部もしくは全部となる溝部と、
    少なくとも一つの前記他の結晶面に金属反射膜が設けられて形成されるミラーと、
    前記溝部内にコア材料が充填されて形成されるコア層と、を備えること
    を特徴とする光導波路。
  5. 前記ミラーは、90°の角度をなして対向する二つの前記他の結晶面に金属反射膜が設けられて形成される二つのミラーであること
    を特徴とする請求項4記載の光導波路。
  6. 前記結晶性材料として、シリコン単結晶が用いられ、前記所定の結晶面は、(100)面であり、前記他の結晶面は、(110)面であって、
    前記ウェットエッチングプロセスは、エッチング液として、アルカリ性エッチング液が用いられること
    を特徴とする請求項4または請求項5記載の光導波路。
  7. 基材に設けられた請求項5または請求項6記載の光導波路と、発光素子と、受光素子と、を備える光送受信装置であって、
    前記発光素子は、前記基材上に、一方のミラーに対して光信号を照射可能に配設され、
    前記受光素子は、前記基材上に、前記一方のミラーで反射されて他方のミラーで反射された前記光信号を受光可能に配設されていること
    を特徴とする光送受信装置。
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