(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一主面に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の上に底部より頂部が細いテーパー状のレジスト層を形成する工程であって、前記犠牲層の上に形成したレジスト内の前記基板の表面に近い位置にフォーカス位置を設定した状態で前記レジストに露光処理を施した後、露光後のレジストに現像処理を施し、更に現像後のレジストにベーク処理を施すことにより前記テーパー状のレジスト層を得る工程と、
前記レジスト層を覆って前記犠牲層の上に板構成層を被着する工程と、
前記板構成層を少なくとも前記レジスト層が露呈するまで平坦状に除去して前記レジスト層及び前記板構成層を所定の厚さで残存させる工程と、
前記所定の厚さで残存するレジスト層を除去することにより前記所定の厚さで残存する板構成層にテーパー状の貫通孔を形成する工程と、
前記犠牲層を除去することにより前記貫通孔を有する板構成層を前記基板から分離する工程と、
前記分離する工程の後、前記貫通孔の一端及び他端を結ぶテーパー状導光路を構成するように前記貫通孔にコア部材を装填する工程と
を含む光導波路結合板の製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ファイバと光導波路の結合又は光導波路同士の結合の際に結合損失を低減する技術に関し、更に詳しくは光導波路結合板の製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光導波路と光ファイバ又は他の光導波路とを結合する方法としては、透光性接着剤により両者の端面同士を接着固定する方法が知られている。
【０００３】
例えば、光ファイバと光導波路とを結合する場合、図１８に示すように光ファイバ１の端面と光導波路２の端面とを接着剤層３により接着固定する。光ファイバ１は、クラッド１Ｒの内部に中心線に沿ってコア１ａを配置した構成であり、光導波路２は、層状の下クラッド２Ｌの上に形成したコア２Ａを層状の上クラッド２Ｕで被覆した構成である。接着剤層３としては、コア１ａ，２Ａと屈折率が一致又は近似したものが用いられる。なお、光導波路２に対しては、光ファイバ１の代りに他の光導波路を接着剤層３により結合することもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術によると、光導波路２と光ファイバ１（又は他の光導波路）とで対向するコア端面のサイズ又は形状が一致しないため、結合部（接着剤層３の配置個所）で光が外部に漏れてしまい、結合損失が大きい（結合効率が低い）という問題点がある。
【０００５】
例えば、光ファイバ１のコア１ａの端面は、直径が８〜１０μｍの円形であるのに対し、光導波路２のコア２Ａの端面は、一辺の長さが４〜６μｍの方形（角型）である。また、光導波路の構造や構成材料によって光の伝搬モードが異なるため、コアの光スポットの直径が結合相手のコアの直径と異なったり、コアの端面形状が円形ではなく、楕円形であったりする。従って、コアの端面同士を接着剤層３で単に接着しただけでは、光の漏出を免れない。
【０００６】
図１９〜２４は、図１８の結合系について行なわれたコンピュータシミュレーションの結果を示すものである。図１９は、実効屈折率の分布状況の一例を示すもので、この例では、コア１ａの直径を９μｍとすると共にコア２Ａを６μｍ角とし、コア１ａ，２Ａ間に５０μｍの厚さの接着剤層３を介在配置した場合を示す。コア１ａ、接着剤層３、コア２Ａの実効屈折率は、それぞれ１．４５、１．４４、１．４５であり、接着剤層３の実効屈折率１．４４は、クラッド１Ｒ，２Ｕ，２Ｌの実効屈折率と等しい。また、図２０は、実効屈折率の分布が図１９の状態にある場合の光振幅の分布状況を示し、図２１は、図１９，２０において距離が０．３０である断面について実効屈折率Ｎ１及び光振幅Ａ１の分布を示す。図２１によれば、光振幅のピークレベルが低く、ピーク部が分裂して伝搬光がマルチモード化しているのがわかる。
【０００７】
図２２は、実効屈折率の分布状況の他の例を示すもので、コア１ａ，２Ａのサイズ及び接着剤層３の厚さは図１９に関して前述したと同様である。コア１ａ、接着剤層３、コア２Ａの実効屈折率は、それぞれ１．４５、１．４５、１．４５であり、クラッド１Ｒ，２Ｕ，２Ｌの実効屈折率は、１．４４である。また、図２３は、実効屈折率の分布が図２２の状態にある場合の光振幅の分布状況を示し、図２４は、図２２，２３において距離が０．３０である断面について実効屈折率Ｎ２及び光振幅Ａ２の分布を示す。図２４によれば、光振幅のピークレベルが低く、ピーク部が分裂して伝搬光がマルチモード化しているのがわかる。
【０００８】
この発明の目的は、結合損失を低減した光導波路結合板の製法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光導波路結合板の製法は、
基板の一主面に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の上に底部より頂部が細いテーパー状のレジスト層を形成する工程であって、前記犠牲層の上に形成したレジスト内の前記基板の表面に近い位置にフォーカス位置を設定した状態で前記レジストに露光処理を施した後、露光後のレジストに現像処理を施し、更に現像後のレジストにベーク処理を施すことにより前記テーパー状のレジスト層を得る工程と、
前記レジスト層を覆って前記犠牲層の上に板構成層を被着する工程と、
前記板構成層を少なくとも前記レジスト層が露呈するまで平坦状に除去して前記レジスト層及び前記板構成層を所定の厚さで残存させる工程と、
前記所定の厚さで残存するレジスト層を除去することにより前記所定の厚さで残存する板構成層にテーパー状の貫通孔を形成する工程と、
前記犠牲層を除去することにより前記貫通孔を有する板構成層を前記基板から分離する工程と、
前記分離する工程の後、前記貫通孔の一端及び他端を結ぶテーパー状導光路を構成するように前記貫通孔にコア部材を装填する工程と
を含むものである。
【００１５】
この発明の光導波路結合板の製法によれば、通常の薄膜プロセスを用いて簡単に光導波路結合板を製作することができる。また、光が伝搬する光軸方向とレジスト層の厚さ方向及び板構成層の厚さ方向とが一致しているので、設計の自由度が高く、種々の光ファイバや光導波路に対応可能である。すなわち、レジスト層の厚さや板構成層の被着厚さ及び除去厚さを適宜設定するだけで結合板の厚さ（貫通孔の長さ）を例えば１００μｍ以下で任意の厚さに設定できる。また、レジスト層の底部及び頂部についてサイズ又は形状を適宜設定するだけで貫通孔の一端及び他端における開口サイズ又は開口形状を任意に設定できる。特にレジスト層を形成する際に頂部の形状を底部の形状と異ならせると、テーパー状の貫通孔において、一端側の開口形状が他端側の開口形状と異なるようになり、コア形状又は光スポット形状の変換が可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施形態に係る光導波路結合系を示すもので、図１のＸ−Ｘ’線断面は、図２に示されている。
【００１７】
図１，２の光導波路結合系において、光ファイバ１０Ａは、長手方向に直交する断面が円環状のクラッド１０Ｒと、長手方向に直交する断面が円形状のコア１０ａとを備え、クラッド１０Ｒの内部に中心線に沿ってコア１０ａを配置した構成になっている。一例として、クラッド１０Ｒ及びコア１０ａの屈折率は、それぞれ１．４４及び１．４５である。光ファイバ１０Ｂ〜１０Ｄは、光ファイバ１０Ａと同様に構成されたもので、それぞれコア１０ｂ〜１０ｄを有する。光ファイバ１０Ａ〜１０Ｄは、平行に延長するように配置されている。
【００１８】
光導波路１２は、層状のクラッド１２Ｌの上に４本のコア１２Ａ〜１２Ｄを並設すると共に、コア１２Ａ〜１２Ｄを覆ってクラッド１２Ｌの上に層状のクラッド１２Ｕを配置した構成になっている。コア１２Ａは、長手方向に直交する断面が正方形状のもので、所定の光伝搬モードにおける光スポット１２ａは、光伝搬方向に直交する断面が円形状である。一例として、クラッド１２Ｌ，１２Ｕ及びコア１２Ａの屈折率は、それぞれ１．４４及び１．４５である。コア１２Ｂ〜１２Ｄは、コア１２Ａと同様に構成されたもので、コア１２Ａと同様に光スポットの断面が円形状である。なお、クラッド１２Ｌは、図示しない基板上に設けられている。
【００１９】
並設された４本の光ファイバ１０Ａ〜１０Ｄと光導波路１２は、各々の端面が対向するように配置されており、光ファイバ１０Ａ〜１０Ｄ及び光導波路１２の対向する端面間には光導波路結合板１４が介在配置されている。
【００２０】
光導波路結合板１４は、厚さが１００μｍ以下（例えば５０μｍ）の酸化シリコン等からなる長方形状の薄板であり、光ファイバ１０Ａのコア１０ａの端面と光導波路１２のコア１２Ａの端面とを連通させるように光ファイバ側の主面と光導波路側の主面との間を貫通してテーパー状の貫通孔１４ａが設けられている。同様にして光ファイバ１０Ｂ〜１０Ｄのコア１０ｂ〜１０ｄの端面と光導波路１２のコア１２Ｂ〜１２Ｄの端面とをそれぞれ連通させるようにテーパー状の貫通孔１４ｂ〜１４ｄが結合板１４に設けられている。結合板１４において、光ファイバ側の主面における１４ａ等の各貫通孔の開口サイズ及び開口形状は、１０ａ等のコアの端面サイズ及び端面形状にそれぞれ適合（一致又は近似）し、光導波路側の主面における１４ａ等の各貫通孔の開口サイズ及び開口形状は、１２ａ等の光スポットのサイズ及び形状にそれぞれ適合（一致又は近似）している。
【００２１】
貫通孔１４ａ内には、透光性接着剤を充填してコア部材１４Ａが形成されている。同様にして貫通孔１４ｂ〜１４ｄ内にも、コア部材１４Ｂ〜１４Ｄが形成されている。１４Ａ等の各コア部材は、１０ａ等の各コアの端面と１２Ａ等の各コアの端面とを結ぶテーパー状の導光路を構成する。一例として、結合板１４の屈折率を１．４４とし、１４Ａ等の各コア部材の屈折率を１．４５とすることができる。コア部材１４Ａ〜１４Ｄとして接着剤からなるものを用いると、光ファイバ１０Ａ〜１０Ｄと光導波路１２とを光学的に結合すると同時に光ファイバ１０Ａ〜１０Ｄ、結合板１４及び光導波路１２の接着固定を達成することができる。
【００２２】
コア部材としては、図１に示すように予め貫通孔に適合するように形成された栓状コア部材１４Ａ’を用いてもよい。この場合、栓状コア部材１４Ａ’は、１４ａ等の貫通孔に嵌入される。コア部材１４Ａ’としては、加熱処理等により接着性を持つものを用いてもよく、このようにすると、光学的結合と接着固定とを同時に達成できる。コア部材１４Ａ’として接着性を持たないものを用いるときは、光ファイバ１０Ａ〜１０Ｄ、結合板１４及び光導波路１２の接着固定処理を別途行なえばよい。
【００２３】
上記した実施形態によれば、１０Ａ等の各光ファイバと光導波路１２との間に結合板１４が介在配置されるので、１０ａ等のコアと１２Ａ等のコアは、コア部材１４Ａ（又は１４Ａ’）により構成されるテーパー状の導光路により光学的に滑らかに結合される。このため、結合部における光漏出が防止され、結合損失の低減（結合効率の向上）が可能となる。なお、光の伝搬方向は、光ファイバ側から光導波路側へ又は光導波路側から光ファイバ側へのいずれでもよい。
【００２４】
図３，４は、図２の結合系について行われたコンピュータシミュレーションの結果を示すものである。図３は、実効屈折率の分布状況の一例を示すもので、この例では、コア１０ａの直径を９μｍとすると共にコア１２Ａの光スポット１２ａの直径を６μｍとし、コア１０ａ，１２Ａ間に５０μｍの厚さの結合板１４で保持されたコア部材１４Ａを介在配置した場合を示す。コア１０ａ、コア部材１４Ａ、コア１２Ａの実効屈折率は、いずれも１．４５であり、クラッド１０Ｒ，１２Ｕ，１２Ｌの実効屈折率は、いずれも１．４４である。また、図４は、実効屈折率の分布が図３の状態にある場合の光振幅の分布状況を示し、図５は、図３，４において距離が０．３０である断面について実効屈折率Ｎ１１及び光振幅Ａ１１の分布を示す。図５によれば、光振幅のピークレベルが高く、光がシングルモードで伝搬しているのがわかる。
【００２５】
上記した実施形態では、１４ａ等の各貫通孔において、一端の開口サイズ及び開口形状を対応する光ファイバのコアの端面サイズ及び端面形状に適合させると共に、他端の開口サイズ及び開口形状を光導波路において対応するコアの光スポットのサイズ及び形状に適合させたが、各貫通孔の一端の開口サイズ及び開口形状は、対応する光ファイバのコアの光スポットのサイズ及び形状に適合させてもよく、各貫通孔の他端の開口サイズ及び開口形状は、光導波路において対応するコアの端面サイズ及び端面形状に適合させてもよい。
【００２６】
また、上記した実施形態では、光ファイバ１０Ａ〜１０Ｄの代りに、コア１０ａ〜１０ｄに相当する４本のコアを有する他の光導波路（図示してないが便宜上符号を１２’とする）を結合板１４を介して光導波路１２に結合させるようにしてもよい。この場合、結合板１４において、光導波路１２側の主面における１４ａ等の各貫通孔の開口サイズ及び開口形状を光導波路路１２において対応するコアの端面サイズ及び端面形状（又は該コアの光スポットのサイズ及び形状）に適合させ、光導波路１２’側の主面における１４ａ等の各貫通孔の開口サイズ及び開口形状を光導波路１２’において対応するコアの端面サイズ及び端面形状（又は該コアの光スポットのサイズ及び形状）に適合させる。
【００２７】
上記した実施形態では、結合板１４における１４ａ等の貫通孔の一端及び他端の開口形状としてはいずれも円形状を例示したが、これに限定されない。すなわち、貫通孔の一端及び他端の開口形状は、結合相手のコアの端面形状（又は該コアの光スポットの形状）に応じて適宜決定されるものであり、例えば、図６（Ａ），（Ｂ）に示すような形状もありうる。
【００２８】
図６（Ａ）は、貫通孔１４ａにおいて、一端の開口形状Ｓ１を円形にすると共に、他端の開口形状Ｓ２を楕円形としたものである。他の例としては、Ｓ１を楕円形とし、Ｓ２を円形としてもよい。図６（Ｂ）は、貫通孔１４ａにおいて、一端の開口形状Ｓ１を円形にすると共に、他端の開口形状Ｓ２を正方形等の方形としたものである。他の例としては、Ｓ１を方形とし、Ｓ２を円形又は楕円形としてもよい。
【００２９】
図７〜１１は、この発明に係る光導波路結合板の第１の製法を示すもので、この製法は、一端及び他端の開口形状が相似である（例えば図１に示したように円形である）貫通孔を有する結合板を製作するに好適なものである。
【００３０】
図７の工程では、ガラス又はセラミック等の基板２０の表面にスパッタ法によりＣｒ層２２及びＣｕ層２４を順次に形成する。Ｃｒ層２２は、犠牲層としてのＣｕ層２４が基板２０に密着するのを助けるために用いられる密着層である。
【００３１】
次に、基板上面には、周知のホトリソグラフィ処理により所望のテーパー状の貫通孔に対応するレジスト層２６ａ〜２６ｄを形成する。各レジスト層は、底部より頂部が細いテーパー状のもので、ステッパ（露光装置）のフォーカス位置をレジスト内の基板表面に近い位置に設定して露光を行ない、現像後にベーク（又は紫外線を当てながらベーク）することにより得られる。
【００３２】
図８の工程では、基板上面にレジスト層２６ａ〜２６ｄを覆って酸化シリコンからなる板構成層２８をスパッタ法により形成する。板構成層２８の厚さは、１００μｍ以下で適宜設定することができ、例えば５０μｍとすることができる。
【００３３】
図９の工程では、板構成層２８を少なくともレジスト層２６ａ〜２６ｄの頂部に達するまで平面的に除去して板構成層２８及びレジスト層２６ａ〜２６ｄを所定の厚さで残存させる。平面的除去法としては、化学機械研磨処理又はエッチバック処理等を用いることができる。
【００３４】
図１０の工程では、残存するレジスト層２６ａ〜２６ｄを薬液処理等により除去することにより残存する板構成層２８にテーパー状の貫通孔２８ａ〜２８ｄを形成する。
【００３５】
図１１の工程では、Ｃｕ層２４をエッチング処理により除去することにより貫通孔２８ａ〜２８ｄを有する板構成層２８を基板２０から分離する。板構成層２８は、図１，２に示した光導波路結合板１４として用いることができる。Ｃｒ層２２を有する基板２０は、図７の工程に戻って反復使用することができる。
【００３６】
図１２〜１７は、この発明に係る光導波路結合板の第２の製法を示すもので、この製法は、一端及び他端の開口形状が相似でない（例えば図６に示すように異なる形状である）貫通孔を有する結合板を製作するに好適なものである。
【００３７】
図１２の工程では、図７に関して前述したと同様に基板２０の上にＣｒ層２２を介してＣｕ層２４を形成した後、Ｃｕ層２４の上に回転塗布法等によりレジスト層３０を形成する。そして、レジスト層３０に対してマスクＭ１を介して紫外光ＵＶを照射することにより露光部３０Ａ〜３０Ｄを得る。露光部３０Ａ〜３０Ｄは、露光部３０Ａについて代表的に示すようにいずれも円柱状に露光する。レジスト露光時には、フォーカス位置をレジスト内の基板表面に近い位置に設定し、露光量を底面の円形を崩さないように設定する。
【００３８】
図１３の工程では、レジスト層３０に対してマスクＭ２を介して紫外光ＵＶを照射することにより露光部３０Ａ〜３０Ｄにそれぞれ楕円形のパターン３０Ａ’を転写する。このときのフォーカス位置は、レジスト層３０の表面に近い位置とする。
【００３９】
図１４の工程では、二重露光されたレジスト層３０に現像処理を施して所望のテーパー状の貫通孔に対応するレジスト層３０ａ〜３０ｄを得る。
【００４０】
図１５の工程では、図８に関して前述したと同様に基板上面にレジスト層３０ａ〜３０ｄを覆って酸化シリコンからなる板構成層３２をスパッタ法により形成する。
【００４１】
図１６の工程では、図９に関して前述したと同様に板構成層３２を少なくともレジスト層３０ａ〜３０ｄの頂部に達するまで平面的に除去して板構成層３２及びレジスト層３０ａ〜３０ｄを所定の厚さで残存させる。
【００４２】
図１７の工程では、残存するレジスト層３０ａ〜３０ｄを薬液処理等により除去することにより残存する板構成層３２にテーパー状の貫通孔３２ａ〜３２ｄを形成する。３２ａ等の各貫通孔は、下面側の開口形状が円形状であり、上面側の開口形状が楕円形状である。この後、Ｃｕ層２４をエッチング処理により除去することにより貫通孔３２ａ〜３２ｄを有する板構成層３２を基板２０から分離する。板構成層３２は、図６（Ａ）に関して前述した貫通孔１４ａを有する光導波路結合板として用いることができる。
【００４３】
上記した光導波路結合板の製法によれば、薄膜プロセスを用いて高精度且つ簡単に光導波路結合板を製作することができ、テーパー状の貫通孔の長さ、孔端部の開口サイズ又は開口形状としても、レジスト厚さ、レジストパターン等を変更するだけで種々のものを得ることができる。
【００４４】
なお、板構成層２８，３２の材料としては、酸化シリコン等の絶縁材に限らず、Ｎｉ−Ｆｅ合金等の導電材を用いてもよく、被着法としてもメッキ法等を利用可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、光導波路と光ファイバ（又は他の光導波路）の対向する端面間に光導波路結合板を介在配置して両者のコアを結合板の貫通孔内のテーパー状導光路を介して光学的に結合する構成にしたので、結合部での光漏出が防止され、結合損失の低減（結合効率の向上）が可能になる効果が得られる。
【００４６】
また、この発明の光導波路結合板の製法によれば、テーパー状の貫通孔の長さ、孔端部のサイズ又は形状等が種々異なる光導波路結合板を薄膜プロセスにより簡単に製作できる効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施形態に係る光導波路結合系を示す斜視図である。
【図２】  図１のＸ−Ｘ’線に沿う断面図である。
【図３】  図２の結合系における実効屈折率の分布状況の一例を示すグラフである。
【図４】  図２の結合系において実効屈折率の分布が図３の状態にある場合の光振幅の分布状況を示すグラフである。
【図５】  図３，４において距離が０．３０である断面について実効屈折率及び光振幅の分布状況を示すグラフである。
【図６】  光導波路結合板における貫通孔の変形例を示す斜視図である。
【図７】  この発明に係る光導波路結合板の第１の製法におけるレジスト層形成工程を示す断面図である。
【図８】  図７の工程に続く板構成層形成工程を示す断面図である。
【図９】  図８の工程に続く研磨工程を示す断面図である。
【図１０】  図９の工程に続くレジスト除去工程を示す断面図である。
【図１１】  図１０の工程に続く結合板分離工程を示す断面図である。
【図１２】  この発明に係る光導波路結合板の第２の製法における第１のレジスト露光工程を示す断面図である。
【図１３】  図１２の工程に続く第２のレジスト露光工程を示す断面図である。
【図１４】  図１３の工程に続くレジスト現像工程を示す断面図である。
【図１５】  図１４の工程に続く板構成層形成工程を示す断面図である。
【図１６】  図１５の工程に続く研磨工程を示す断面図である。
【図１７】  図１６の工程に続くレジスト除去工程及び結合板分離工程を示す断面図である。
【図１８】  従来の光導波路結合系を示す断面図である。
【図１９】  図１８の結合系における実効屈折率の分布状況の一例を示すグラフである。
【図２０】  図１８の結合系において実効屈折率の分布が図１９の状態にある場合の光振幅の分布状況を示すグラフである。
【図２１】  図１９，２０において距離が０．３０である断面について実効屈折率及び光振幅の分布状況を示すグラフである。
【図２２】  図１８の結合系における実効屈折率の分布状況の他の例を示すグラフである。
【図２３】  図１８の結合系において実効屈折率の分布が図２２の状態にある場合の光振幅の分布状況を示すグラフである。
【図２４】  図２２，２３において距離が０．３０である断面について実効屈折率及び光振幅の分布状況を示すグラフである。
【符号の説明】
１０Ａ〜１０Ｄ：光ファイバ、１２：光導波路、１４：光導波路結合板、１４ａ〜１４ｄ，２８ａ〜２８ｄ，３２ａ〜３２ｄ：貫通孔、１４Ａ〜１４Ｄ：コア部材、１４Ａ’：栓状コア部材、２０：基板、２２：Ｃｒ層、２４：Ｃｕ層、２６ａ〜２６ｄ，３０，３０ａ〜３０ｄ：レジスト層、２８，３２：板構成層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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