JP6395134B2 - 光導波路装置の製造方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路装置の製造方法及びレーザ加工装置に関する。

従来、電気信号を扱う配線基板の上に光信号を扱う光導波路が形成された光導波路装置がある。光導波路装置は光電気複合基板であり、電気信号の伝達速度の限界を補うために、高速部分を光信号で伝達することができる。

光導波路の端側には光路変換ミラーが配置されており、光素子が光導波路の光路変換ミラーに光結合されるように配線基板に実装される。

光導波路の製造方法の一例では、まず、基板上に、下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層を順次形成する。その後に、レーザにより上部クラッド層及びコア層を加工することにより、光伝播方向に対して好適には４５°の角度の傾斜面を備えた凹部を形成する。

そして、凹部内の傾斜面の空気界面においてコア層を伝播する光を垂直方向に反射させて光路を変換させる。

特開平６−３５３９号公報 特開２０００−１１７４６５号公報 特開２０１２−１３８１９号公報

上記したようにレーザにより光導波路に傾斜面を備えた凹部を形成するには、レーザ加工装置において、レーザの光軸を斜めに設定するか、あるいは光導波路を斜めに配置する必要がある。このため、特別仕様のレーザ加工装置が必要となり、コスト上昇を招く課題がある。

さらに、一回のレーザ照射で一つの傾斜面を備えた凹部を順次形成していくため、光導波路の多数のコア層に傾斜面を形成するには加工時間がかなり長くなり、生産効率が悪い課題がある。

傾斜面の空気界面が光路変換ミラーとして機能する光導波路装置の製造方法及びそれに使用されるレーザ加工装置において、光路変換用の傾斜面をレーザによって低コストで生産効率よく形成することを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、基板の上に、複数の光路を備えた光導波路を形成する工程と、傾斜反射面を備えたミラー部品と、前記ミラー部品の傾斜反射面の上に複数の開口部が設けられたマスクとを備えた反射機構を、前記光導波路の上に配置する工程と、レーザを前記反射機構のマスクの複数の開口部を通して前記ミラー部品に照射し、前記ミラー部品で反射し、前記光路の表面に対して斜めに入射するレーザにより、前記複数の光路に光路変換傾斜面を同時に形成する工程とを有する光導波路装置の製造方法が提供される。

また、その開示の他の観点によれば、ステージと、前記ステージの上方に配置されたレーザ出射部と、前記ステージと前記レーザ出射部との間に配置され、傾斜反射面を備えたミラー部品と、前記ミラー部品の傾斜反射面の上に複数の開口部が設けられたマスクとを備えた反射機構とを有することを特徴とするレーザ加工装置が提供される。

以下の開示によれば、光導波路装置の製造方法では、まず、複数の光路を備えた光導波路の上に反射機構が配置される。反射機構は、傾斜反射面を備えたミラー部品と、ミラー部品の上に複数の開口部が設けられたマスクとを備えている。

次いで、レーザをマスクの複数の開口部からミラー部品に照射する。これにより、ミラー部品で反射して傾いたレーザにより光導波路の複数の光路に光路変換傾斜面が同時に形成される。

このようにすることにより、レーザ加工装置のレーザの光軸を傾けたり、レーザ加工装置に光導波路を傾けて配置する必要がなく、簡易な構造の反射機構を配置することで、光導波路の各光路に光路変換傾斜面を形成することができる。このため、特別仕様のレーザ加工装置を導入する必要がなく、設備投資を抑えることができるため、低コスト化を図ることができる。

また、マスクの複数の開口部にレーザを一括して照射するため、複数の光路に光路変換傾斜面を同時に形成することができ、生産効率を向上させることができる。

図１（ａ）及び（ｂ）は実施形態の光導波路装置の製造方法を示す断面図（その１）である。 図２は実施形態の光導波路装置の製造方法を示す断面図及び平面図（その２）である。 図３は実施形態の光導波路装置の製造方法を示す断面図（その３）である。 図４は実施形態のレーザ加工装置の構成を模式的に示す断面図である。 図５は図４のレーザ加工装置の反射機構を上側からみた平面図である。 図６は光導波路の上に図５の反射機構が配置された様子を示す平面図である。 図７は実施形態の光導波路装置の製造方法を示す断面図（その４）である。 図８は実施形態の光導波路装置の製造方法を示す断面図（その５）である。 図９は実施形態の光導波路装置の製造方法を示す平面図及び断面図（その６）である。 図１０は実施形態の光導波路装置の製造方法を示す断面図及び平面図（その７）である。 図１１は実施形態の光導波路装置を示す断面図である。 図１２は図１１の光導波路装置に発光素子及び受光素子が実装された様子を示す断面図である。

以下、実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。

図１〜図１０は実施形態の光導波路装置の製造方法を説明するための図、図１１及び図１２は第１実施形態の光導波路装置を説明するための図である。

実施形態の光導波路装置の製造方法では、図１（ａ）に示すように、まず、電気信号を扱う配線基板１０を用意する。配線基板１０では、絶縁基板１２の両面に配線層２０がそれぞれ形成されている。絶縁基板１２には厚み方向に貫通するスルーホールＴＨが設けられており、スルーホールＴＨ内に貫通導体ＴＣが充填されている。両面側の配線層２０は貫通導体ＴＣを介して相互接続されている。

絶縁基板１２の下面側に、配線層２０の接続部上に開口部が設けられたソルダレジスト層（不図示）が形成されていてもよい。

絶縁基板１２は、ガラスエポキシ樹脂などの絶縁樹脂から形成され、配線層２０は銅から形成される。絶縁基板１２の両面側において、配線層２０の積層数は任意に設定することができる。

次いで、図１（ｂ）に示すように、配線基板１０の上に第１クラッド層を得るための感光性樹脂層（不図示）を形成し、フォトリソグラフィに基づいて露光／現像を行う。

さらに、感光性樹脂層を１００℃〜１４０℃程度の加熱処理によって硬化させることにより、所望の領域に第１クラッド層３０を形成する。

感光性樹脂層としては、ＵＶ硬化型エポキシ樹脂などが好適に使用される。感光性樹脂層の形成方法としては、半硬化状態（Ｂ−ステージ）の感光性樹脂シートを貼付してもよいし、あるいは、液状の感光性樹脂を塗布してもよい。

後述するコア層及び第２クラッド層を形成する工程においても同様な樹脂が好適に使用される。

第１クラッド層３０をパターン化して形成する必要がない場合は、非感光性樹脂を使用して配線基板１０上の全面に第１クラッド層３０を形成してもよい。

続いて、図２に示すように、第１クラッド層３０の上にコア層を得るための感光性樹脂層（不図示）を形成する。さらに、フォトリソグラフィに基づいて露光／現像を行った後に、感光性樹脂層を１００〜１４０℃程度の加熱処理によって硬化させる。これにより、第１クラッド層３０の上にコア層３２が帯状パターンとして形成される。

図２の平面図に示すように、第１クラッド層３０の上に、横方向に延在する複数の帯状のコア層３２が縦方向に並んで配置される。コア層３２はその屈折率が第１クラッド層３０及び後述する第２クラッド層の屈折率よりも高くなるように設定される。例えば、コア層３２の厚みは３０〜５０μｍ程度であり、コア層３２の配置ピッチは２５０μｍ程度である。

次いで、図３に示すように、第１クラッド層３０及びコア層３２の上に、第２クラッド層を得るための感光性樹脂層（不図示）を形成する。さらに、フォトリソグラフィに基づいて露光／現像を行った後に、感光性樹脂層を１００〜１４０℃程度の加熱処理によって硬化させる。

これにより、コア層３２を被覆する第２クラッド層３４が第１クラッド層３０の上に形成される。

このようにして、図３の上側の断面図のＩ−Ｉ方向の断面図を加えて参照すると、絶縁基板１２の上に、コア層３２が第１クラッド層３０と第２クラッド層３４とで囲まれた光導波路５が形成される。光導波路５の一本のコア層３２を含むラインが一つの光路Ｌとして形成される。

以上により、配線基板１０の上に複数の光路Ｌを備えた光導波路５を形成する。

次いで、図４に示すように、実施形態のレーザ加工装置６を用意する。レーザ加工装置６は、上記した図３の光導波路５の各光路Ｌに光路変換傾斜面を有する凹部を形成するために使用される。

レーザ加工装置６は、ワーク７を載置するためのステージ４０を備えている。また、レーザ加工装置６は、ステージ４０の上方にワーク７にレーザを照射するためのレーザ出射部４２を備えている。さらに、レーザ加工装置６は、ステージ４０と、レーザ出射部４２との間の領域に配置された反射機構５０を備えている。

特に図示しないが、レーザ出射部４２は、レーザ発信機及び投影光学系などを有し、ヘッドからレーザが出射される。レーザとしては、ＫｒＦエキシマレーザ（波長λ＝２４８ｎｍ）が使用され、ワーク７の一定の面積を加工できる面発光レーザが採用される。

このようにして、レーザ加工装置６のレーザ出射部４２から一定の発光面積でレーザが出射される。例えば、面発光レーザの発光面積は３ｍｍ×２．５ｍｍである。

また、反射機構５０では、支持基板５２に複数のミラー部品５４が固定されて配置されている。ミラー部品５４はレーザを反射させるための傾斜反射面Ｒを備えている。図４の例では、ミラー部品５４は三角柱を横置きに設置した部品が使用される。この例の他に、同様な傾斜反射面Ｒを備えた各種の柱状部材を横置きに設置した部品をミラー部品としてもよい。

また、図４の例では２つのミラー部品５４が配置されているが、光素子の発光部又は受光部の配列などに合わせて任意の数で設定してもよい。

ミラー部品５４の材料としては、好適には、レーザ反射に優れた平滑面を有する石英ガラスが使用される。石英ガラスはレーザで加工されないためレーザを全反射させることができる。

あるいは、ミラー部品５４を樹脂から形成してもよい。樹脂を使用する場合は、樹脂はレーザで加工されてレーザを全反射させることができないため、樹脂部材の傾斜反射面に金層などの金属ミラーを形成してミラー部品とする。

さらに、ミラー部品５４の上にマスク５６が配置されている、マスク５６は、ミラー部品５４の延在する傾斜反射面Ｒの上に並んで設けられた複数の開口部５６ａを備えている。また、マスク５６は支持基板５２に接続された側板５８によって支持されている。

支持基板５２、マスク５６及び側板５８は、ステンレス鋼材（ＳＵＳ）などの金属から形成され、一体的に形成してもよいし、各部品を連結して組み立ててもよい。

図５は、図４の反射機構５０のミラー部品５４とマスク５６の開口部５６ａとの位置関係を上側からみた部分平面図である。図５では、反射機構５０の支持基板５２が省略されて描かれている。

図５に示すように、内側に配置された第１ミラー部品５４ａと、外側に配置された第２ミラー部品５４ｂとが平行になって延在している。そして、第１ミラー部品５４ａ及び第２ミラー部品５４ｂの各傾斜反射面Ｒの上にマスク５６の複数の開口部５６ａが相互に離れた状態で並んで配置されている。

第１ミラー部品５４ａの上に配置されたマスク５６の開口部５６ａと、第２ミラー部品５４ｂの上に配置されたマスク５６の開口部５６ａとは、横方向で重ならないようにずれた位置に配置されている。

前述した図４の反射機構５０のミラー部品５４及びマスク５６は、図５の平面図のＩＩ―ＩＩに沿った断面に相当する。

前述した図３の断面図で示したように、光導波路５では、複数のコア層３２が並んで配置されて複数の光路Ｌが構築されている。図６には、複数のコア層３２（光路Ｌ）の上に図５の反射機構５０が配置された様子が模式的に示されている。図６では、光導波路５のコア層３２のみが破線で示されおり、第１、第２クラッド層３０，３４は省略されている。

図６に示すように、複数のコア層３２（光路Ｌ）の各一端部の上に、内側の第１ミラー部品５４ａ上のマスク５６の各開口部５６ａと、外側の第２ミラー部品５４ｂ上のマスク５６の各開口部５６ａとが交互に配置される。

図７には、図３の光導波路５の右側の端部に図４のレーザ加工装置６の反射機構５０が配置された様子が部分拡大図として示されている。また、光導波路５のコア層３２は隣り合う２本のコア層を１本で分離して模式的に示している。

図７に示すように、上記した図６で説明したように複数のコア層３２の各端部の上にマスク５６の開口部５６ａがそれぞれ位置合わせされて、光導波路５の上に図４の反射機構５０が配置される。

コア層３２を形成する際に、位置合わせマーク（不図示）を同時に形成しておき、第２クラッド層３４を形成する際に、位置合わせマーク上の領域を開口して位置合わせマークを露出させておく。

そして、位置合わせマークを画像認識することに基づいて、マスク５６の開口部５６ａを光導波路５の各コア層３２に位置合わせする。

光導波路５の上に反射機構５０を配置する際に、反射機構５０を粘着剤などで光導波路５に仮固定してもよい。

次いで、図８に示すように、前述した図４のレーザ加工装置６のレーザ出射部４２からレーザを出射する。このとき、レーザは面発光レーザとして反射機構５０の全体に一括して照射される。そして、マスク５６の複数の開口部５６ａを通してレーザが反射機構５０のミラー部品５４の傾斜反射面Ｒに到達する。

さらに、レーザはミラー部品５４の傾斜反射面Ｒで全反射されて光導波路５の第２クラッド層３４の表面に対して斜めになって入射する。これにより、第２クラッド層３４、コア層３２及び第１クラッド層３０がミラー部品５４で反射して傾いたレーザによって斜め加工されて、光路変換傾斜面Ｓを備えた凹部６０が形成される。

凹部６０の光路変換傾斜面Ｓを光路変換ミラーとして使用するため、光路変換傾斜面Ｓの傾斜角度θ１が光伝播方向に対して好適には４５°に設定されるように調整される。

図８の例のようにレーザが中心軸より各７°で内側に傾いてテーパ角度を有する場合は、レーザのミラー部品５４での反射角度θ３は（４５°−７°）／２＝１９°となる。よって、ミラー部品５４の傾斜反射面Ｒの傾斜角度θ２を６４°に設定すれば、光導波路５の光路変換傾斜面Ｓの傾斜角度θ１が４５°になる。

レーザのテーパ角度及びミラー部品５４の傾斜反射面Ｒの傾斜角度θ２を変えることにより、光導波路５に形成される凹部６０の光路変換傾斜面Ｓの傾斜角度を微調整することができる。

これにより、図９の平面図に示すように、複数の光路Ｌの第２クラッド層３４、コア層３２及び第１クラッド層３０がレーザで加工されて、光路変換傾斜面Ｓを有する凹部６０がそれぞれ形成される。図９の部分断面図は、図９の平面図のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面に相当する。

凹部６０は、第２クラッド層３４の上面からコア層３２を貫通して第１クラッド層３０の少なくとも厚みの途中まで形成される。凹部６０内の光路変換傾斜面Ｓは、光路Ｌの外側から内側に向けて傾斜しており、光路変換傾斜面Ｓの空気界面が光路変換ミラーとして機能する。

反射機構５０のマスク５６の開口部５６ａの面積を変えることにより、各光路Ｌに形成する凹部６０の開口端の面積を調整することができる。

また、図４で説明した反射機構５０では、支持基板５２はミラー部品５４の周りのほとんどの領域が開口されている。この形態の他に、支持基板５２に各光路Ｌに形成する凹部６０の開口端と同じ面積の開口部を配置して、支持基板５２もマスクとして機能するようにしてもよい。

この場合は、反射機構６のマスク５６の開口部５６ａを通してミラー部品５４で反射されたレーザが、支持基板５２の開口部を通って位置決めされて各光路Ｌに凹部６０が形成される。このように支持基板５２にマスクの機能をもたせる場合は、マスク５６の開口部５６ａをミラー部品５４の上に細長状に一括で開口してもよい。

実施形態のレーザ加工装置４０は、垂直方向に出射されるレーザをミラー部品５４の傾斜反射面Ｒで好適には４５°に傾斜させるため、レーザ出射部４２でレーザの光軸を傾けて設定したり、ステージ４０上で光導波路５を傾けて載置する必要がない。

簡易な構造の反射機構５０を配置することで、光導波路５の各光路Ｌに光路変換傾斜面Ｓを有する凹部６０を容易に形成することができる。このため、特別仕様のレーザ加工装置を導入する必要はなく、設備投資を抑えることができるため、低コスト化を図ることができる。

また、マスク５６の複数の開口部５６ａに面発光レーザで一括してレーザ照射している。このため、光導波路５の複数の光路Ｌに光路変換傾斜面Ｓを有する凹部６０を同時に形成することができるので、生産効率を向上させることができる。これにより、短手番で歩留りよく、光導波路装置を製造することができる。

図１０には、図３の光導波路５に各光路Ｌの両端部に、光路変換傾斜面Ｓを有する凹部６０が形成された様子が示されている。図１０の断面図は、図１０の平面図のＩＶ―ＩＶ沿った断面に相当する。図１０の平面図では、光導波路５の光路Ｌと凹部６０のみが描かれており、配線基板１０の配線層２０などの要素は省略されている。

図１０に示すように、光導波路５の各光路Ｌの反対側の端部にも同様な方法により光路変換傾斜面Ｓを有する凹部６０が形成される。導波路５の各光路Ｌの反対側の端部においても、光路変換傾斜面Ｓは、光路Ｌの外側から内側に向けて傾斜して形成され、光路変換傾斜面Ｓの空気界面が光路変換ミラーとして機能する。

また、複数の光路Ｌの両端部において、光路変換傾斜面Ｓが外側と内側に交互に形成されて２列の千鳥配列で配置される。これにより、異なる２系統の光路Ｌを有する光導波路装置を構築することができる。

続いて、図１１に示すように、コア層３２の外側領域の第１クラッド３０及び第２クラッド層３４をレーザで加工することにより、配線基板１０の配線層２０の接続部に到達する接続ホールＨを形成する。

なお、第１クラッド層３０及び第２クラッド層３４を形成する際に、フォトリソグラフィに基づいて各開口部がそれぞれ重なって連通するようにパターン化して接続ホールＨを形成してもよい。

以上により、図１１に示すように、実施形態の光導波路装置１が得られる。

次に、実施形態の光導波路装置１に光素子が接続される形態について説明する。本実施形態では、光素子として、発光素子及び受光素子を搭載する。

図１２に示すように、まず、光導波路５のコア層３２の一端側（左側）の光路変換傾斜面Ｓに発光素子７０が光結合されて搭載される。

発光素子７０のバンプ電極７２が接続ホールＨ内に配置され、はんだ７４によって配線基板１０の配線層２０の接続部に接続される。発光素子としては、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が好適に使用される。

発光素子７０は下面に複数の発光部（不図示）を備えており、各発光部が光導波路５の各光路変換傾斜面Ｓに光結合される。

また、光導波路５のコア層３２の他端側（右側）の光路変換傾斜面Ｓに受光素子８０が光結合されて搭載される。

受光素子８０のバンプ電極８２が接続ホールＨ内に配置されて、はんだ７４によって配線基板１０の配線層２０の接続部に接続される。受光素子としては、フォトダイオードが好適に使用される
受光素子８０は下面に複数の受光部（不図示）を備えており、受光素子８０の各受光部が光導波路５の各光路変換傾斜面Ｓに光結合されている。

実施形態の光導波路装置１では、図１２の矢印経路で示すように、ドライバ素子（不図示）から出力される電気信号が発光素子７０に供給され、発光素子７０から下側に光が出射される。

発光素子７０から出射された光は、第２クラッド層３４及びコア層３２を透過して光路変換傾斜面Ｓに到達する。さらに、光路変換傾斜面Ｓと空間Ａとの空気界面で光が反射され、光路が９０°変換されてコア層３２に入射する。

次いで、コア層３２に入射した光は、コア層３２内で全反射を繰り返して伝播し、他端側の光路変換傾斜面Ｓに到達する。そして、他端側の光路変換傾斜面Ｓの空気界面で光が反射されて光路が９０°変換され、第１クラッド層３０を透過して光が受光素子８０に入射される。

受光素子８０は光信号を電気信号に変換し、アンプ素子（不図示）に電気信号が供給される。

他の形態としては、光路Ｌの外側と内側の光路変換傾斜面Ｓに２つの発光素子がそれぞれ独立して光結合されるように搭載してもよい、この場合は、反対側の光路Ｌの外側と内側の光路変換傾斜面に２つの受光素子がそれぞれ独立して光結合されるように搭載される。

前述したように、実施形態の光導波路装置１の製造方法では、複数の光路Ｌに光路変換傾斜面Ｓを同時に形成できるため、高性能な光素子が搭載される多チャンネルの光導波路を短手番でかつ低コストで製造することができる。

１…光導波路装置、５…光導波路、６…レーザ加工装置、７…ワーク、１０…配線基板、１２…絶縁基板、２０…配線層、３０…第１クラッド層、３２…コア層、３４…第２クラッド層、４０…ステージ、４２…レーザ出射部、５０…反射機構、５２…支持基板、５４…ミラー部品、５４ａ…第１ミラー部品、５４ｂ…第２ミラー部品、５６…マスク、５６ａ…開口部、５６ａ…第１開口部、５６ｂ…第２開口部、５８…側板、６０…凹部、７０…発光素子、７２，８２…バンプ電極、８０…受光素子、Ａ…空間、Ｈ…接続ホール、Ｌ…光路、Ｒ…傾斜反射面、Ｓ…光路変換傾斜面、ＴＣ…貫通導体、ＴＨ…スルーホール。

Claims (10)

1. 基板の上に、複数の光路を備えた光導波路を形成する工程と、
   傾斜反射面を備えたミラー部品と、前記ミラー部品の傾斜反射面の上に複数の開口部が設けられたマスクとを備えた反射機構を、前記光導波路の上に配置する工程と、
   レーザを前記反射機構のマスクの複数の開口部を通して前記ミラー部品に照射し、前記ミラー部品で反射し、前記光路の表面に対して斜めに入射するレーザにより、前記複数の光路に光路変換傾斜面を同時に形成する工程と
   を有することを特徴とする光導波路装置の製造方法。
2. 前記ミラー部品は、石英ガラスから形成されることを特徴とする請求項１に記載の光導波路装置の製造方法。
3. 前記ミラー部品は、前記反射傾斜面を備えた柱状部材を横置きに設置した部品であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路装置の製造方法。
4. 前記光路変換傾斜面は、前記光路の長手方向の外側から内側に向けて傾斜しており、前記光路変換傾斜面の空気界面が光路変換ミラーとして機能することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に光導波路装置の製造方法。
5. 前記複数の光路に光路変換傾斜面を形成する工程の後に、前記光路変換傾斜面に光結合される光素子を搭載する工程を有することを特徴とする請求項４に記載の光導波路装置の製造方法。
6. ステージと、
   前記ステージの上方に配置されたレーザ出射部と、
   前記ステージと前記レーザ出射部との間に配置され、傾斜反射面を備えたミラー部品と、前記ミラー部品の傾斜反射面の上に複数の開口部が設けられたマスクとを備えた反射機構とを有することを特徴とするレーザ加工装置。
7. 前記ステージの上に複数の光路を備えた光導波路が載置され、
   レーザを前記反射機構のマスクの複数の開口部を通して前記ミラー部品に照射し、前記ミラー部品で反射し、前記光路の表面に対して斜めに入射するレーザにより、前記複数の光路に光路変換傾斜面を同時に形成することを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記ミラー部品は、石英ガラスから形成されることを特徴とする請求項６又は７に記載のレーザ加工装置。
9. 前記ミラー部品は、前記反射傾斜面を備えた柱状部材を横置きに設置した部品であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
10. 前記ミラー部品は、支持基板に固定され、前記マスクは前記支持基板に接続された側板によって支持されていることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

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