(57)【要約】【課題】高い光結合効率を達成できるレンズ構造を有する高分子光導波路を、効率よく安価に製造可能な方法の提供。【解決手段】コア層を第１クラッド層及び第２クラッド層で挟んでなり、且つ第１クラッド層と第２クラッド層との一方又は両方にレンズ構造を有する光導波路を製造する方法であって、第１クラッド層と第２クラッド層との一方又は両方の形成時に、レンズ構造を型の転写により形成し、且つ該レンズ構造の近傍にコア層を伝送する光を反射させて前記レンズ構造に導く反射端面構造を形成することを特徴とする光導波路の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア層を第１クラッド層及び第２クラッド層で挟んでなり、且つ第１クラッド層と第２クラッド層との一方又は両方にレンズ構造を有する光導波路を製造する方法であって、
第１クラッド層と第２クラッド層との一方又は両方の形成時に、レンズ構造を型の転写により形成し、且つ該レンズ構造の近傍にコア層を伝送する光を反射させて前記レンズ構造に導く反射端面構造を形成することを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項２】
支持基板上に第１クラッド層、コア層、及び第２クラッド層を順に成膜して光導波路を作製する際に、前記支持基板上の所定位置にレンズ構造を形成するためのレンズ型を設けておき、このレンズ型により第１クラッド層の成膜時にレンズ構造を形成することを特徴とする請求項１に記載の光導波路の製造方法。
【請求項３】
前記支持基板にレンズ型を形成する際、等方性エッチングにより半球状凹部からなるレンズ型を形成することを特徴とする請求項２に記載の光導波路の製造方法。
【請求項４】
支持基板上にレジスト膜を成膜し、フォトリソグラフィーにより該レジスト膜のレンズ構造形成位置に縦孔を形成し、次いで該縦孔を通して支持基板のレンズ構造形成位置にエッチング液を接触させて等方エッチングを行って該レンズ構造形成位置に半球状凹部からなるレンズ型を形成し、次いでレジスト膜を除去し、次いで前記支持基板上に、レンズ構造を有する第１クラッド層、コア層、及び第２クラッド層を順に成膜して光導波路を作製し、次いで前記レンズ構造の近傍にコア層を伝送する光を反射させて前記レンズ構造に導く反射端面構造を形成し、次いで支持基板から光導波路を剥離する工程を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
【請求項５】
前記反射端面構造は、前記レンズ構造の近傍の光導波路を厚み方向に対し斜めにカットし、且つその端面に金属膜を成膜して形成されることを特徴とする請求項４に記載の光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コア層を第１、第２クラッド層で挟んでなり、且つ第１クラッド層と第２クラッド層との一方又は両方にレンズ構造を有する平面型光導波路を製造する方法に関する。本発明により得られる光導波路は、例えば、ＶＣＳＥＬ（面発光型半導体レーザ）などの光源を有する光配線における光結合用部材などとして好適に利用される。
【背景技術】
【０００２】
昨今、情報化の進展やインターネットの普及により、電子機器内、電子機器間に流れるデータ量は格段に増え、求められる速度もより高速になってきている。そのような中でも、機器に対しては、低消費電力と小型化、軽量化が常に求められ続けている。
【０００３】
このような技術背景から、ＬＳＩの高速度化、高集積化や、電気基板への高密度実装などの開発が進められているが、求められるデータ処理量に対し、回路の高速化は未だ十分なものとは言えず、さらに高速化に伴う諸問題が顕在化してきている。すなわち、ノイズ対策やクロストークの問題、さらには電気配線自体による伝送帯域制限などの問題である。このような問題を解決する手段として、最近、光配線に注目が集まっている。
【０００４】
これら光配線に使われる光源として、ＶＣＳＥＬ（面発光型半導体レーザー）が脚光を浴びている。このＶＣＳＥＬは、低価格、高速駆動が可能、低消費電力といった優位性を有しており、高速通信する情報通信機器に搭載するのに適している。システム全体で低消費電力を達成するためには、発光素子・受光素子及び周辺回路の消費電力を下げる必要があり、ひとつには受発光強度レベル差を小さくする、すなわち小さな発光強度で十分なパワーを受光素子に伝達することがあげられる。このためには、光導波路損失を下げ、光結合効率を向上させる必要がある。ＶＣＳＥＬと光導波路間の光結合効率を向上させるため、ミラーやプリズム、集光レンズなどの光学部品が使用されているが、システム全体で低価格化を進めるため、部品の作製方法やアライメントにおいてまさまざまな方法が考えられてきた（例えば、特許文献１と２、非特許文献１参照。）。
【０００５】
特許文献１には、光重合性ポリマーの表面にフォトマスクを形成し、一部分の開口部を局所的に紫外線露光し、その部分の重合を進めることで体積膨張を生じさせ、凹凸形状の半球レンズを作る方法が開示されている。
非特許文献１には、これまでに発明されたマイクロレンズの形状方法について触れられており、リフロー法、イオン交換法、インクジェット法などが開示されている。リフロー法やイオン交換法は、ＬＣＤプロジェクタのマイクロレンズアレイ等で実用化されている方法であり、実績がある。
特許文献３には、光導波路を作るプロセスでレンズも同時に形成する方法が開示されている。すなわち、コア層に柱状の突起を形成し、上クラッドを塗布すると同時に突起を中心に緩やかな凸型レンズが得られることが開示されている。
【特許文献１】特開平５−１１９２０３号公報
【非特許文献１】リコーテクニカルレポートＮｏ．２９（２００３）ｐ１３−２０
【特許文献２】特開２００３−１７２８３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した従来技術には、次のような問題があった。
特許文献１に記載された方法では、コア層とクラッド層の間のフォトマスクを除去することは難しく、光損失や屈曲性を犠牲にせざるを得ず、従って高い光結合効率を達成できる光導波路を製造することは困難である。
非特許文献１に記載された従来のレンズ形成方法は、高分子光導波路に適用するのに不適当である。すなわち、光導波路層を作るプロセスと、レンズを作るプロセスが独立しており、光導波路とレンズの接着強度に不安が残る上に、イオン交換法は高分子では実現できない。
特許文献２に記載された方法では、下地基板を複雑な形状にドライエッチングする必要があり、また光導波路作製プロセスの途中で基板から光導波路膜を剥離して裏返す工程があり、手間がかかり、量産向きではない。
【０００７】
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、高い光結合効率を達成できるレンズ構造を有する高分子光導波路を、効率よく安価に製造可能な方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明は、コア層を第１クラッド層及び第２クラッド層で挟んでなり、且つ第１クラッド層と第２クラッド層との一方又は両方にレンズ構造を有する光導波路を製造する方法であって、第１クラッド層と第２クラッド層との一方又は両方の形成時に、レンズ構造を型の転写により形成し、且つ該レンズ構造の近傍にコア層を伝送する光を反射させて前記レンズ構造に導く反射端面構造を形成することを特徴とする光導波路の製造方法を提供する。
【０００９】
本発明の光導波路の製造方法において、支持基板上に第１クラッド層、コア層、及び第２クラッド層を順に成膜して光導波路を作製する際に、前記支持基板上の所定位置にレンズ構造を形成するためのレンズ型を設けておき、このレンズ型により第１クラッド層の成膜時にレンズ構造を形成することが好ましい。
【００１０】
本発明の光導波路の製造方法において、前記支持基板にレンズ型を形成する際、等方性エッチングにより半球状凹部からなるレンズ型を形成することが好ましい。
【００１１】
本発明の光導波路の製造方法において、支持基板上にレジスト膜を成膜し、フォトリソグラフィーにより該レジスト膜のレンズ構造形成位置に縦孔を形成し、次いで該縦孔を通して支持基板のレンズ構造形成位置にエッチング液を接触させて等方エッチングを行って該レンズ構造形成位置に半球状凹部からなるレンズ型を形成し、次いでレジスト膜を除去し、次いで前記支持基板上に、レンズ構造を有する第１クラッド層、コア層、及び第２クラッド層を順に成膜して光導波路を作製し、次いで前記レンズ構造の近傍にコア層を伝送する光を反射させて前記レンズ構造に導く反射端面構造を形成し、次いで支持基板から光導波路を剥離する工程を備えていることが好ましい。
【００１２】
本発明の光導波路の製造方法において、前記反射端面構造は、前記レンズ構造の近傍の光導波路を厚み方向に対し斜めにカットし、且つその端面に金属膜を成膜して形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の製造方法は、第１クラッド層と第２クラッド層との一方又は両方の形成時に、レンズ構造を型の転写により形成し、且つ該レンズ構造の近傍にコア層を伝送する光を反射させて前記レンズ構造に導く反射端面構造を形成することによって、高い光結合効率を達成できるレンズ構造を有する高分子光導波路を効率よく安価に製造することができる。
また、本発明によれば、支持基板上に、公知の方法により光導波路を形成すると同時に、光導波路の所望の位置に集光レンズを作製することができるので、レンズ付き光導波路の製造工程を削減できる。
また、レンズ型を形成した支持基板を金型とするので、事前にレンズの曲率を設計でき光導波路構造に合わせたレンズを作りこめるうえに、精度の高いレンズが作製できる。
本発明の製造方法によれば、レンズに限らず、さまざまな部品を同時形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明に係る光導波路の製造方法の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る光導波路の製造方法の実施形態を示し、光導波路の製造工程を順に示す断面図である。図１中、符号１は支持基板、２はレジスト膜、３はフォトマスク、４はＵＶ光、５は縦孔、６はレンズ型、７Ａは第１クラッド層、７Ｂは第２クラッド層、８はコア層、９はレンズ構造、１０は光導波路、１１は反射端面構造である。
【００１５】
本実施形態の製造方法では、まず、支持基板１の表面にレジスト膜２を成膜する。支持基板１としては、後述する等方性エッチングによってレンズ型６となる半球状凹部が形成可能な材質からなる基板が使用され、好ましくはシリコン（Ｓｉ）基板（Ｓｉウエハ）や石英ガラス（ＳｉＯ２）基板にＳｉ層を成膜した基板などが用いられる。レジスト膜２は、未硬化のレジスト液を支持基板上に、例えばスピンコート法などで成膜する。
【００１６】
次に、図１（ａ）に示すように、支持基板１のレジスト膜に、縦孔５の形成位置に開口を有するマスク３を被せ、ＵＶ光４を照射し、フォトリソグラフィーによってレジスト膜２の所定位置に縦孔５を形成する。なお、レジスト膜２の材料は、レジスト膜２の所定位置に縦孔５が形成できればよく、ポジ型でもネガ型でも使用可能である。
【００１７】
図１（ｂ）は、レジスト膜２の所定位置に微細な縦孔５を形成した状態を示す。この縦孔５の形成位置は、レンズ構造形成位置、及び支持基板１のレンズ型６の形成位置の中心になる。
【００１８】
次に、図１（ｃ）に示すように、縦孔５を通して、支持基板１の表面にエッチング液を接触させ、縦孔５とその近傍の支持基板１の表面に等方性エッチングを施し、レンズ型６となる半球状の凹部を形成する。このエッチング液は、使用した支持基板１の材質に応じて、好適なエッチング液を適宜選択して使用できる。例えば、支持基板１の表面がＳｉからなる場合には、フッ酸水溶液やＢＨＦ（バッファードフッ酸）などが好適に用いられる。このエッチングは、例えば、前記エッチング液中に図１（ｂ）に示す縦孔５形成後の支持基板１を所定時間浸漬することで行うことができる。この支持基板１をエッチング液に浸漬すると、縦孔５から支持基板１の表面にエッチング液が浸入し、支持基板１が縦孔５を中心に等方性エッチングされ、半球状の凹部が形成される。エッチング条件を適切に設定することで、再現性よく、所望の曲率を持つ凹形状が得られる。
【００１９】
次に、支持基板１からレジスト膜２を剥離する。
これにより、図１（ｄ）に示すように、レンズ構造形成位置に半球状凹部からなるレンズ型６が形成されたレンズ型付き支持基板１ａが作製される。
【００２０】
次に、図１（ｅ）に示すように、前記レンズ型付き支持基板１ａ上に、透明な高分子材料からなる第１クラッド層７Ａ、コア層８及び第２クラッド層７Ｂを順に成膜する。この成膜は、未硬化の樹脂液をレンズ型付き支持基板１ａ上にスピンコート法などによって成膜し、硬化させる方法によって行うことが好ましい。第１クラッド層７Ａ、コア層８及び第２クラッド層７Ｂの材料は、例えば、ポリイミド系樹脂、ポリメタクリル酸エステル系樹脂、フッ素樹脂などを適宜組み合わせて用いることができ、特に限定されない。但し、コア層８の材料は、第１，第２クラッド層７Ａ，７Ｂの材料よりも屈折率の高い材料を選択して用いる必要がある。また、コア層８は、フォトリソグラフィーなどによって、所望の光導波路パターンになるように加工される。
【００２１】
前記（ｅ）の工程を行い、レンズ型付き支持基板１ａ上に、コア層８を第１クラッド層７Ａ及び第２クラッド層７Ｂで挟んでなり、且つ第１クラッド層７Ａにレンズ構造９を有する光導波路が作製される。
【００２２】
次に、図１（ｆ）に示すように、レンズ型付き支持基板１ａ上の光導波路のレンズ構造９近傍にＶ字状の切欠を形成する。この切欠により、レンズ構造９近傍には、反射端面構造１１となる傾斜面が形成される。この傾斜面の形成位置及び傾斜角度は、反射端面構造１１によりコア層８を伝送する光をレンズ構造９に向けて効率よく反射できるように適宜調整する。
【００２３】
次に、レンズ型付き支持基板１ａから光導波路１０を剥離する。
この剥離の前、或いは剥離後に、前記傾斜面に金属膜を成膜し、反射端面構造１１を形成する。傾斜面に金属膜を成膜する方法は、真空蒸着法、化学メッキ法などを用いることができる。
【００２４】
分離した光導波路１０は、例えば図１（ｇ）に示すように、受光素子や発光素子が実装された光配線等に組み込まれ、受光素子や発光素子をそれぞれレンズの正面に実装することで、高効率に光結合させることができる。
【実施例１】
【００２５】
基板材料として４インチ石英基板を使用した。まず、石英基板を適当な熱処理後、Ｓｉをスパッタ成膜した。
次にフォトレジストをスピンコーティングし、フォトリソグラフィによりパターニングを行った。このときの開口部のパターンは直径１０μｍの円形である。
この後、Ｓｉをドライエッチングした。
その後ＢＨＦ（バッファードフッ酸）を使用して等方性のウェットエッチングをすることにより、縦孔を中心に石英基板に球面の凹凸形状が形成された。
最後にＫＯＨによりシリコンとレジストの除去を行った。凹形状を作る条件は、直径６０μｍとなるようにエッチング時間を設定したところ、中心部の深さが略３０μｍの半円形凹みが形成された。
【００２６】
この石英基板を支持基板として高分子光導波路を作製した。
ポリマーは、フッ素化ポリイミド（日立化成ＯＰＩシリーズ）を使用した。
まず、前記基板上にスピンコーティングにより、硬化後２５μｍ厚さとなるようフッ素化ポリイミド前駆体膜を形成し、３５０℃／１時間の熱処理により第１クラッド層を形成した。
その上に、同様の方法によりコア層を硬化後５０μｍ厚さとなるように形成し、３５０℃／１時間の熱処理により硬化させた。
さらにレジストをスピンコーティングしたのち、フォトリソグラフィにより直線パターンを転写した。このパターンのコア介し部分は、下地基板に形成した球面の凹凸形状の一と中心を合わせてある。そして、余分なレジストを除去したのち、コアをドライエッチングし、光導波路部分を形成した。レジストを除去し、硬化後２５μｍ厚さとなるよう第２クラッド層を形成し、３５０℃／１時間の熱処理により硬化させた。
以上の工程により、コア形状が５０μｍ×５０μｍ、長さ５０ｍｍの光導波路を作製した。
【００２７】
次に、この光導波路の端部分を、４５°の傾きをもつダイシングブレードで切断し、切断面に金蒸着を行い、ミラー（反射端面構造）とした。最後に、５％フッ酸水溶液に基板を浸漬し、光導波路を基板から剥離した。
【００２８】
８５０ｎｍのＶＣＳＥＬと、シリコンＰＤを用いて、所定の位置に実装して光結合効率を測定したところ、レンズのない光導波路では約−４ｄＢ（又は“約マイナス４ｄＢ”）のところ、本実施例のレンズ構造を有する光導波路では約−１ｄＢ（又は“約マイナス１ｄＢ”）であった。
【実施例２】
【００２９】
実施例１と同様で、支持基板加工時にレジストにあける開口部を直径３０μｍとした。直径が６０μｍとなるようにエッチング時間を設定したところ、中心深さが２０μｍの凹みが形成された。
【００３０】
実施例１と同様に光結合損失を測定したところ、レンズのない光導波路では約−４ｄＢ（又は“約マイナス４ｄＢ”）のところ、本実施例のレンズ構造を有する光導波路では約−１．５ｄＢ（又は“約マイナス１．５ｄＢ”）であった。
【００３１】
このように、本発明の製造方法により形成した実施例１及び実施例２のレンズ構造を有する光導波路は、光結合効率の向上に大きく寄与することが実証された。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る光導波路の製造方法の実施形態を示し、光導波路の製造工程を順に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…支持基板、２…レジスト膜、３…フォトマスク、４…ＵＶ光、５…縦孔、６…レンズ型、７Ａ…第１クラッド層、７Ｂ…第２クラッド層、８…コア層、９…レンズ構造、１０…光導波路、１１…反射端面構造。
【図１】
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