JP5667862B2 - ２層光導波路及びその製造方法と実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、２層光導波路及びその製造方法と実装構造に関する。かかる２層光導波路は、例えば、光デバイスと共に電気配線基板に実装されて用いられる。

従来の光導波路の形態としては、コア層の上下両面をそれぞれクラッド層で被覆した３層構造のものが一般的である。このため、かかる光導波路の形成には、第１クラッド層を積層して硬化させる処理、コア層を積層してパターニングする処理、第２クラッド層を積層して硬化させる処理を必要とする（つまり、３層を形成する必要がある）。

また、かかる光導波路を光デバイスと共に電気配線基板に表面実装する場合、上記の３層を積層後に、光デバイスと光学的に結合させるためのミラー構造を光導波路に形成する必要がある。その際、ミラー構造は、第２クラッド層を貫通してコア層に達するようにＶ字状の溝（傾斜面）を形成し、この傾斜面上に金属膜を形成することによって得られる。つまり、ミラー構造は、本来必要であるコア層の部分のみならずクラッド層の部分にも形成されることになる。

かかる３層構造の光導波路の形成に関連する技術として、例えば、下記の特許文献１に記載された光導波装置及びその製造方法がある。また、これに関連する技術として、下記の特許文献２には、ガラス板（クラッド部）の表面に設けた溝にガラス層（コア部）を形成してなる光導波路が開示されている（第３図等）。また、下記の特許文献３には、仮基材に導体層と光配線層とを積層した後、仮基材を剥離する工程を含む光電気混載基板の製造方法が開示されている（図１、図２等）。

特開２０００−１９９８２７号公報 特許第２５９８０２５号公報 特開２００５−３００９３０号公報

上述したように現状の３層構造の光導波路の形成方法では、第１クラッド層、コア層及び第２クラッド層の３層の形成工程を必要とするため、製造に要する期間が相対的に長くなり、コスト的にも不利である。

また、クラッド層の厚みにより、光導波路に結合される光デバイスの光出射面／光入射面とミラー部との距離が相対的に長くなるため、光学損失が増加し、光学特性が劣化するという課題がある。

また、３層を積層後にミラー構造を形成しているので、本来必要ではないクラッド層の部分にもミラー構造の一部が形成され、この部分（必要部位以外）でも反射するため、不所望のクロストークノイズ等が発生する可能性がある。

以上から、光学特性を向上させ、製造に要する期間の短縮及びコストの低減を図ると共に、クロストークノイズ等の発生を抑制することができる２層光導波路及びその製造方法と実装構造を提供することを目的とする。

一観点によれば、第１の面及び前記第１の面と反対側の第２の面を有するコア層と、前記コア層の第１の面及び前記コア層の長さ方向の終端の両側面を覆うようにして、前記コア層の第１の面に積層されたクラッド層との２層のみから形成され、前記コア層の第２の面は、前記コア層の側面を覆っている前記クラッド層の面と同一面となって露出しており、前記コア層の第１の面側の少なくとも２箇所に、前記コア層内を伝搬する光信号を前記第２の面側に指向させるミラー構造が設けられており、前記ミラー構造は、前記コア層の第１の面に形成された傾斜面を備えた溝と、前記溝の傾斜面に形成された金属膜とを含み、前記溝は前記クラッド層で埋め込まれていることを特徴とする２層光導波路が提供される。

他の観点によれば、ベース板の上面にコア層を接触させた状態でパターニング形成する工程と、前記コア層の少なくとも２箇所に、前記コア層内を伝搬する光信号を前記ベース板側に指向させるミラー構造を形成する工程であって、前記ミラー構造は、前記コア層の上面に形成された傾斜面を備えた溝と、前記溝の傾斜面に形成された金属膜とから構築される工程と、前記コア層の上面及び前記コア層の長さ方向の終端の両側面を覆うように、前記コア層及び前記ベース板の上にクラッド層を積層して、前記コア層の下面と前記コア層の側面を覆っている前記クラッド層の面とを同一面に配置し、かつ、前記ミラー構造の溝を前記クラッド層で埋め込む工程と、前記ベース板を除去する工程とを含むことを特徴とする２層光導波路の製造方法が提供される。

上記の観点に係る２層光導波路及びその製造方法によれば、コア層のクラッド層と反対側の面は露出した状態にあり、一般的な３層構造の光導波路を構成している２層のクラッド層のうち一方のクラッド層が存在しない。このクラッド層が無いことにより、本２層光導波路に光デバイスを結合したときに、コア層に設けられたミラー構造とその光デバイスの光出射面／光入射面との距離は相対的に短くなる。その結果、光学損失が減少し、光学特性を向上させることができる。

また、一般的な３層構造の光導波路を構成している２層のクラッド層のうち一方のクラッド層が不要となるため、製造に際し、その不要となったクラッド層を形成する工程を省略することができる。これにより、製造に要する期間の短縮及びコストの低減を図ることができる。

また、ミラー構造はコア層の部分（本来必要である部位）のみに形成されているので、現状の３層構造の光導波路において見られたような必要部位以外での反射は発生せず、クロストークノイズ等の発生を抑制することが可能となる。

一実施形態に係る２層光導波路の製造工程（その１）を示す図である。 図１の工程に続く製造工程（その２）を示す図である。 図２の工程に続く製造工程（その３）を示す図である。 図３の工程に続く製造工程（その４）を示す図である。 図４の工程に続く製造工程（その５）を示す図である。 図５の工程に続く製造工程（その６）を示す図である。 図６の工程に続く製造工程（その７）を示す図である。 一実施形態に係る２層光導波路を光デバイスと共に電気配線基板に表面実装した状態（実装構造）の一例を示す断面図である。 一実施形態に係る２層光導波路を光デバイスと共に電気配線基板に表面実装した状態（実装構造）の他の例を示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。

図１〜図７は、一実施形態に係る２層光導波路を製造する方法を工程順に示したものである。図１〜図７に示す各工程図において、それぞれ（ａ）は当該工程における処理対象を上から見たときの平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿って見たときの断面構造を示している。本実施形態に係る２層光導波路は、後述するように光デバイスと共に電気配線基板に表面実装されて用いられる。

先ず、本実施形態に係る２層光導波路の構成について説明する。図７（ｂ）に示すように、本実施形態の２層光導波路１０は、コア層１２とクラッド層１８が積層された２層構造を有している。具体的には、クラッド層１８が、コア層１２の一方の面（図示の例では上側）及び側面を囲むようにして形成されている。コア層１２の他方の面（図示の例では下側）は、コア層１２の側面を覆っているクラッド層１８の下面と同一面にあり、露出している。以下の記述において、コア層１２のクラッド層１８に接している側の面を「第１の面１２ａ」とし、これと反対側の面（露出している側の面）を「第２の面１２ｂ」とする。

コア層１２は光透過性の材料からなり、基本的にクラッド層１８と同じ材料から形成されている。例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等のアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂等が好適に用いられる。ただし、光信号の伝搬がコア層１２内でのみ行われるようにするために、コア層１２を構成する材料は、その上下両面に接触する媒体（第１の面１２ａ側はクラッド層１８、第２の面１２ｂ側は空気）の屈折率よりも大きくなるように選定されている。

コア層１２は、図７（ａ）に例示するように線状のパターンに形成されている。図示の例では４本の平行するパターンを含んでいるが、あくまで一例であり、パターンの形状及び本数が図示の例に限定されないことはもちろんである。

このコア層１２（線状のパターン）の第１の面１２ａにおいてその両端部近傍の２箇所には、断面視したときにＶ字状の溝（傾斜面）１４が形成されており、この傾斜面１４上に、光路変換用のミラーとして機能する金属膜１６が形成されている。Ｖ字状の溝（傾斜面）１４は、コア層１２内を伝搬する光の進行方向に対して４５°の角度でテーパ状に形成されている。このＶ字状の溝（傾斜面）１４の位置は、後述するように電気配線基板に２層光導波路１０と共に光デバイスが実装されたときにその光デバイスの光出射面もしくは光入射面に対向する位置に選定されている。

かかる構造により、２層光導波路１０のコア層１２内を伝搬してきた光は、傾斜面１４上の金属膜（ミラー）１６により、コア層１２の第２の面１２ｂと直交する方向に反射され、コア層１２の第２の面１２ｂから出射する。この出射光は、光デバイスの光入射面に受光される。一方、光デバイスの光出射面から出射された光は、コア層１２の第２の面１２ｂから入射し、傾斜面１４上の金属膜（ミラー）１６により、コア層１２の第２の面１２ｂと平行する方向に反射され、コア層１２内を伝搬する。

次に、本実施形態の２層光導波路１０を製造する方法について、その一例を示す図１〜図７を参照しながら説明する。

先ず最初の工程では（図１参照）、２層光導波路１０を形成していく際の支持体となる基板（ベース板２）を用意し、このベース板２上にコア層１２を所要の形状にパターニング形成する。このコア層１２は、図１（ａ）の例では４本の平行する線状のパターンに形成されており、各パターン（コア層１２）の厚さｔは、例えば、３０〜８０μｍ程度に選定されている。また、各パターン（コア層１２）の幅Ｗも同様に、３０〜８０μｍ程度に選定されている。

ベース板２の材料としては、例えば、ポリカーボネート樹脂やアクリル樹脂等が用いられる。コア層１２の材料としては、その内部を光信号が伝搬できる材料であれば十分であり、後述するクラッド層１８（図６）と基本的に同じ材料が用いられる。ただし、コア層１２を構成する材料には、最終的にコア層１２の上下両面に接触する媒体（第１の面１２ａ側はクラッド層１８、第２の面１２ｂ側は空気）の屈折率よりも大きくなるように添加剤等を適宜加えたものが使用される。

コア層１２の材料としては、例えば紫外線（ＵＶ）硬化型の樹脂が好適に用いられる。かかるＵＶ硬化型樹脂は、変性アクリレート（エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂等）をベース樹脂とし、光重合に必要な反応性アクリルモノマーと光重合開始剤及び添加剤から構成されており、その主反応はラジカル重合である。かかるＵＶ硬化型樹脂を使用することにより、常温で処理することができ、また、熱硬化型の樹脂を用いる場合と比べて短時間で硬化するため、作業時間を短縮できるというメリットがある。使用するＵＶ硬化型樹脂の形態としては、フィルム状、液状のいずれであってもよい。

かかるＵＶ硬化型樹脂を用いてコア層をベース板２上に形成した後、所要のパターンの形状（図１（ａ）の例では４本の平行する線状のパターン）に従って露光及び現像（コア層のパターニング）を行うことにより、所要のパターンのコア層１２を形成することができる。

次の工程では（図２参照）、ベース板２のコア層１２が形成されている側と反対側の面に、ダイシングテープ４を貼着する。このダイシングテープ４は、後の工程で必要に応じて個々の製品（この場合、２層光導波路）に個片化する際に用いられる。

ダイシングテープ４の材料及び形態としては、例えば、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＯ（ポリオレフィン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の樹脂からなるベースフィルム（シート状基材）の一方の面にアクリル系樹脂等からなる粘着剤が塗布されたものを使用することができる。また、このダイシングテープ４は最終的に除去されるため、その除去処理を簡単化するため、紫外線（ＵＶ）の照射によって粘着力が低下するタイプのテープが好適に使用される。

次の工程では（図３参照）、ダイシングテープ４上に固定されたベース板２上のコア層１２（線状のパターン）に対し、各パターンの両端部近傍の２箇所に、ブレードを用いたベベルカットにより、Ｖ字状の溝（傾斜面）１４を形成する。例えば、刃先角度が９０°のダイシング用ブレードで各パターン（コア層１２）を横切るように切削加工を施すことにより、コア層１２の上面に対して４５°の角度を有する傾斜面（Ｖ字状の溝）１４を形成することができる。

あるいは、エキシマレーザ等によるアブレーション加工により、４５°の角度を有する傾斜面を、コア層１２の所定の箇所（各パターンの２箇所）を横切るように形成してもよい。

形成すべきＶ字状の溝（傾斜面）１４の位置は、後述するように電気配線基板に２層光導波路１０と共に光デバイスを実装したときにその光デバイスの光出射面もしくは光入射面に対向する位置に選定される。

次の工程では（図４参照）、Ｖ字状の溝（傾斜面）１４が形成されたコア層１２上に、その傾斜面１４に対応する箇所に開口部ＯＰを有するようパターニングされたマスク６を配置する。これにより、コア層１２はマスク６で覆われ、Ｖ字状の溝（傾斜面）１４に対応する部分のみが露出する。

次の工程では（図５参照）、コア層１２の、マスク６の開口部ＯＰから露出している傾斜面１４上に、真空蒸着法やスパッタリング法等により、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の光沢のある金属膜（ミラー）１６を形成する。この金属膜１６は傾斜面１４と共に、ミラー構造を構成する。

金属膜（ミラー）１６を形成後、マスク６（図４参照）を除去する。

次の工程では（図６参照）、コア層１２の金属膜（ミラー）１６が形成されている側の面に、コア層１２を被覆するようにクラッド層１８を所要の厚さ（コア層１２の厚さと同じ程度）に形成する。つまり、コア層１２の一方の面及び側面を囲むようにクラッド層１８を形成する。これにより、コア層１２の他方の面は、コア層１２の側面を覆っているクラッド層１８の下面と同一面に位置する。

クラッド層１８の材料としては、上述したようにコア層１２の材料と基本的に同じＵＶ硬化型の樹脂が用いられる。ただし、コア層１２の屈折率よりも小さくなるように材料を適宜選定する必要がある。

このようにしてクラッド層１８を形成した段階で、基本的には、２層光導波路１０（図７参照）の構造は出来上がっている。そこで、この構造を搭載しているダイシングテープ４（図５参照）を利用して、ダイサー等により個々の製品（２層光導波路）に分割する。これにより、各製品は、コア層１２が形成されている側の面がベース板２を介してテープ４に貼着されたまま、互いに分離された状態となる。

この後、ダイシングテープ４を除去する。このダイシングテープ４がＵＶ照射によって粘着力が低下するタイプのものであれば、ＵＶ照射によって剥離することができる。

最後の工程では（図７参照）、ベース板２を除去する。これにより、本実施形態の２層光導波路１０が作製されたことになる。

以上説明したように、本実施形態に係る２層光導波路１０及びその製造方法（図１〜図７）によれば、コア層１２のクラッド層１８と反対側の面（第２の面１２ｂ）は露出した状態にあり、この第２の面１２ｂには、一般的な３層構造の光導波路を構成している２層のクラッド層のうち一方のクラッド層が存在しない。このクラッド層が無いことにより、２層光導波路１０に光デバイスを結合したときに、コア層１２に設けられたミラー１６とその光デバイスの光出射面／光入射面との距離は相対的に短くなる。その結果、光学損失が減少し、光学特性を向上させることができる。

また、一般的な３層構造の光導波路を構成している２層のクラッド層のうち一方のクラッド層が不要となるため、製造に際し、その不要となったクラッド層を形成する工程を省略することができる。これにより、製造に要する期間を短縮し、製造コストの低減に寄与することができる。

また、ミラー１６（傾斜面１４）はコア層１２の部分（本来必要である部位）のみに形成されているので、現状の３層構造の光導波路において見られたような必要部位以外での反射は発生せず、クロストークノイズ等の発生を抑制することができる。

図８は、上述した実施形態に係る２層光導波路１０を光デバイスと共に電気配線基板に表面実装した状態（実装構造）の一例を断面図の形態で示したものである。

図８に示す実装構造４０において使用される電気配線基板３０の形態については、特に限定されない。例えば、一般的なプラスチックパッケージに使用される樹脂基板を用いることができる。図８において、３１は配線基板本体を構成する樹脂基板を示し、この樹脂基板３１の両面（図示の例では上側部分のみを示し、下側部分については図示を省略している）に、所要の形状にパターニングされた配線層３２が形成されている。

樹脂基板３１の形態としては、少なくとも両面（最表層）に配線層３２が形成された基板であって、各配線層３２が基板内部を通して電気的に接続されている形態のものであれば十分である。例えば、ビルドアップ法を用いた多層構造の配線基板を利用することができる。これは、コア基板（例えば、ガラス布基材エポキシ樹脂銅張積層板）の両面に、絶縁層（エポキシ系樹脂等からなる樹脂層）の形成、絶縁層におけるビアホールの形成、ビアホールの内部を含めた配線パターン（典型的には銅（Ｃｕ）めっきによる配線層）の形成を順次繰り返して積み上げていくものである。かかるプロセスを経て形成された最表層の各配線層３２は、基板内部に形成された各配線層及び各配線層間を相互に接続するビアホール（に充填された導体）を介して電気的に接続されている。

さらに、配線層３２の所要の箇所に画定されたパッドＰ１，Ｐ２の部分を露出させて配線層３２を被覆する保護膜としてのソルダレジスト層３３が形成されている（電気配線基板３０）。

この電気配線基板３０に実装される光デバイスとしては、例えば、ＶＣＳＥＬ（面発光型半導体レーザ）やＬＥＤ（発光ダイオード）等の発光素子、ＰＤ（フォトダイオード）やＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）等の受光素子などが実装され得る。図８の例では、２個の光デバイス２１，２５が電気配線基板３０に実装されており、一方の光デバイス（左側）は発光素子２１、他方の光デバイス（右側）は受光素子２５である。図８には特に示していないが、電気配線基板３０には、半導体素子（ＩＣチップ）等の電子デバイスも適宜実装され得る。例えば、発光素子２１を駆動するドライバ等のＩＣチップ、受光素子２５からの光出力信号を処理するＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）やアンプ等を組み込んだＩＣチップなどが実装され得る。

また、電気配線基板３０には、発光素子２１と受光素子２５にまたがる領域に２層光導波路１０が配設されている。具体的には、２層光導波路１０は、クラッド層１８が形成されている側の面を下にして、樹脂基板３１との間に接着層３５（例えば、ガラスエポキシ樹脂等の光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂）を介在させて実装されている。つまり、２層光導波路１０は、コア層１２が形成されている側の面を上にして実装されており、コア層１２の第２の面１２ｂの一部は露出している。

電気配線基板３０上への実装の順序は、先ず２層光導波路１０を実装し、次に光デバイス２１，２５を実装する。そして、実装された各光デバイス２１，２５と基板３０との間にアンダーフィル樹脂３７を充填し、硬化させる。

発光素子２１は、２層光導波路１０のコア層１２に対向する側の面に、光出射面２２と電極パッド（図示せず）を有している。同様に受光素子２５は、２層光導波路１０のコア層１２に対向する側の面に、光入射面２６と電極パッド（図示せず）を有している。各素子２１，２５の電極パッドには、それぞれ電気配線基板３０に実装される際に電極端子として用いられるはんだバンプ等の導体２３，２７が接合され、各導体２３，２７を介して樹脂基板３１上の対応するパッドＰ１，Ｐ２に電気的に接続されている。各パッドＰ１，Ｐ２は、樹脂基板３１の内層の配線層（図示せず）を介して相互に接続されている。つまり、発光素子２１と受光素子２５は、各電極端子２３，２７、各パッドＰ１，Ｐ２及びこれらに接続された内層の配線層を介して電気的に接続されている。

また、発光素子２１の光出射面２２から出射された光は、図中矢印で示すように、樹脂層３７内を透過して２層光導波路１０のコア層１２に入射され、コア層１２の一端側（左側）に設けたＶ字状の溝上の金属膜１６で反射されて、コア層１２内を伝搬する。一方、コア層１２内を伝搬してきた光は、コア層１２の他端側（右側）に設けたＶ字状の溝上の金属膜１６で反射されて、コア層１２から出射し、樹脂層３７内を透過して受光素子２５の光入射面２６に入射される。

図９は、上述した実施形態に係る２層光導波路１０を光デバイスと共に電気配線基板に表面実装した状態（実装構造）の他の例を断面図の形態で示したものである。

図９に示す実装構造４０ａは、図８に示した実装構造４０と比べて、各光デバイス（発光素子２１、受光素子２５）が樹脂層３７を介さずに２層光導波路１０と直接光結合されている点で相違している。すなわち、発光素子２１の光出射面２２及び受光素子２５の光入射面２６は、それぞれ２層光導波路１０のコア層１２（第２の面１２ｂ）に接触している。他の構成及びその係合関係については、図８の実装構造４０と同じであるのでその説明は省略する。

図９に示す実装構造４０ａによれば、図８に示した実装構造４０と比べて、各光デバイス２１，２５の光出射面２２及び光入射面２６とそれぞれ対応するミラー１６との距離が相対的に短くなるので、光学損失をより一層減少させることができる。これは、光学特性の更なる向上に寄与する。

上述した実施形態に係る２層光導波路１０（図７）の構成では、コア層１２を線状のパターンに形成し、この線状のパターンの両端部近傍の２箇所にミラー構造（Ｖ字状の溝１４及び金属膜１６）を設けた場合を例にとって説明したが、コア層１２を形成するパターンの形状によっては必ずしもミラー構造の設置箇所が２箇所に限定されないことはもちろんである。例えば、コア層の一端側から他端側に向かう途中で２方向に分岐しているパターンの場合、ミラー構造は、一端側近傍の１箇所と他端側近傍の２箇所の計３箇所に設けられる。

１０…２層光導波路、
１２…コア層、
１４…Ｖ字状の溝（傾斜面）、
１６…金属膜（ミラー）、
１８…クラッド層、
２１，２５…光デバイス（発光素子、受光素子）、
２２…光出射面、
２６…光入射面、
４０，４０ａ…実装構造。

Claims (5)

1. 第１の面及び前記第１の面と反対側の第２の面を有するコア層と、
   前記コア層の第１の面及び前記コア層の長さ方向の終端の両側面を覆うようにして、前記コア層の第１の面に積層されたクラッド層との２層のみから形成され、
   前記コア層の第２の面は、前記コア層の側面を覆っている前記クラッド層の面と同一面となって露出しており、
   前記コア層の第１の面側の少なくとも２箇所に、前記コア層内を伝搬する光信号を前記第２の面側に指向させるミラー構造が設けられており、
   前記ミラー構造は、前記コア層の第１の面に形成された傾斜面を備えた溝と、前記溝の傾斜面に形成された金属膜とを含み、前記溝は前記クラッド層で埋め込まれていることを特徴とする２層光導波路。
2. 請求項１に記載の２層光導波路と、
   前記２層光導波路のクラッド層側の面に接着された電気配線基板と、
   前記電気配線基板に電気的に接続されて実装され、前記２層光導波路のミラー構造に光結合された光デバイスと、
   前記光デバイスと前記電気配線基板との間に充填されたアンダーフィル樹脂とを有し、
   前記コア層の第２の面の一部が露出していることを特徴とする実装構造。
3. ベース板の上面にコア層を接触させた状態でパターニング形成する工程と、
   前記コア層の少なくとも２箇所に、前記コア層内を伝搬する光信号を前記ベース板側に指向させるミラー構造を形成する工程であって、前記ミラー構造は、前記コア層の上面に形成された傾斜面を備えた溝と、前記溝の傾斜面に形成された金属膜とから構築される工程と、
   前記コア層の上面及び前記コア層の長さ方向の終端の両側面を覆うように、前記コア層及び前記ベース板の上にクラッド層を積層して、前記コア層の下面と前記コア層の側面を覆っている前記クラッド層の面とを同一面に配置し、かつ、前記ミラー構造の溝を前記クラッド層で埋め込む工程と、
   前記ベース板を除去する工程とを含むことを特徴とする２層光導波路の製造方法。
4. 前記ミラー構造を形成する工程は、
   前記コア層の第１の面側の少なくとも２箇所に、Ｖ字状の前記傾斜面を備えた溝を形成する工程と、
   前記傾斜面が形成されたコア層上に、前記傾斜面に対応する部分を露出させてマスクを配置する工程と、
   前記コア層の、前記マスクから露出している前記傾斜面上に、前記金属膜を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項３に記載の２層光導波路の製造方法。
5. 前記コア層及び前記クラッド層は、紫外線硬化型の樹脂を使用して形成することを特徴とする請求項３又は４に記載の２層光導波路の製造方法。

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