JP7648955B2

JP7648955B2 - 光導波路基板、光デバイス及び光デバイスの製造方法

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Publication number: JP7648955B2
Application number: JP2023565808A
Authority: JP
Inventors: 貴山田; 清史菊池; 百合子川村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2025-03-19
Anticipated expiration: 2041-12-09
Also published as: WO2023105717A1; US20250044523A1; JPWO2023105717A1

Description

本発明は、光導波路基板、光デバイス及び光デバイスの製造方法に関する。

シリコンフォトニクス技術を用いた光導波路構造は、Ｓｉ基板上にＳｉＯ₂を堆積し、ＳｉＯ₂中にＳｉ層を堆積し、フォトリソグラフィ技術によってＳｉ層を所望のパターンにエッチング加工して形成される。Ｓｉ基板の表面にはフォトダイオード等の駆動用の機器の配線や基板固定用のパッドが設けられる。配線やパッドは、例えば、ＡｌやＡｕ等の金属層により形成される。このようなシリコンフォトニクスの光導波路基板に光信号を入出力するためには、Ｓｉ基板の光導波路端面に光学研磨加工を施し、光回路の機能に応じて各光導波路に複数本の光ファイバを接続する必要がある。

公知の光学研磨加工は、他の金属製品の磨き工程と同様に、研磨砥粒の種類やサイズを変えて荒研磨工程、中程度の研磨工程、及び微細なシリカ粒子を用いた仕上げ研磨工程を経て実施され、大掛かりな研磨装置や多大な作業時間を必要とする。また、光導波路基板のＳｉ導波路層より上側の層は数μｍ程度と非常に薄いため、光学研磨工程の際に発生するチッピングにより基板上層に小さな欠けやヒビが発生するおそれがある。欠けが光導波路の端面に達した場合、光ファイバを接続した際に大きな光接続損失をもたらすことになる。

また、光ファイバを光導波路端面に接続、固定する場合、光ファイバアレイを用いて複数の光ファイバを一括して光学調芯して固定する。光ファイバアレイは、接続時の光導波路の間隔に合わせて光ファイバを高精度に整列させるように構成されている。そして、光ファイバアレイによる光ファイバの接続は、被覆を除去した光ファイバをＶ溝加工が施されたガラス基板に配置し、ガラス基板をＶ溝の法面に光ファイバが密着するように押え付け、更に光接続面とは反対側に光ファイバの被覆部を保護樹脂で覆うことによって行われる。このような光ファイバの接続は、光ファイバの折り曲げ耐性や、Ｖ溝からの抜け防止を図ることができる。光ファイバアレイの光学端面に光学研磨を施せば、光学端面の角度を自由に調整することが可能である。

エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株式会社、インターネット、ＷＥＢページＵＲＬ： https://keytech.ntt-at.co.jp/optservice/prd_0029.html 2021年11月29日アクセス。

しかしながら、上記の構成は、研磨に比較的長い時間を要する点に改善の余地がある。具体的には、光ファイバアレイを用いた光学調芯工程は、低損失な光接続実現のため、光ファイバアレイと光導波路基板との接続端面同士の平行度合わせや間隔調整、アクティブアライメントによる光軸調芯と、紫外線硬化接着剤を用いた接着剤による固定とが必要となる。そして、部材の設置から調芯及び接着剤の紫外線硬化を含む処理時間は１０分以上になる。

また、シリコンフォトニクスの光導波路基板は光トランシーバの主要部品として制御基板に実装される。実装は、光導波路基板の表面に設けた金バンプや銅ピラーを介するフリップチップが主流である。フリップチップによる実装は、熱工程等を含むために光ファイバが無い方が望ましい。したがって、光ファイバは、フリップチップによる実装後に接続することが好ましい。しかし、実装後に光ファイバを接続する場合、光ファイバと接続される光導波路を視認することが困難になるという課題が生じる。すなわち、光導波路基板は、実装後に表裏が逆になり、光導波路が視認できる側の面（上面）を確認することが困難になる。

以上説明したように、公知の光ファイバアレイにおける光導波路端面のアクティブアライメント方法においては、研磨工程を含む作製から調芯、固定までに複雑な工程を含み、作製時間やコストが課題となる。また、フリップチップ実装においては、アクティブアライメントに至る前段階で光導波路の位置を確認することが困難である、という課題があった。本開示は、このような点に鑑みてなされたものであり、研磨工程を含む作製や光ファイバの調芯にかかる時間を短縮し、かつ、実装後の光ファイバとの接続時に光導波路を容易に確認できる光導波路基板、光デバイス及び光デバイスの製造方法に関する。

上記目的を達成するために本開示の一形態の光導波路基板は、基板本体と、前記基板本体に形成された光導波路と、を含む光導波路基板であって、前記基板本体は、前記基板本体の１つの端面を含み、前記基板本体の上面と下面との間を貫通する貫通孔と、前記貫通孔と連通し、かつ、前記基板本体の主面と平行に延出する長溝部と、を含み、前記貫通孔は、前記光導波路に対応する位置に形成され、前記長溝部の内面は、前記貫通孔を介して前記長溝部に光ファイバが挿通された場合に前記光ファイバと接する斜面を含む。

本開示の一形態の光デバイスは、上記の光導波路基板と、前記光導波路基板の一方の主面である実装面に実装された電子回路と、を含み、前記貫通孔の前記斜面は、前記長溝部の前記延出の方向に沿う中心線から前記実装面に向かって傾斜する。

本開示の一形態の光デバイスの製造方法は、基板本体と、前記基板本体に形成された光導波路と、を含む光導波路基板と、前記光導波路に位置合わせされて接続される複数の光ファイバと、含む光デバイスの製造方法であって、前記基板本体は、前記基板本体の１つの端面を含み、前記基板本体の上面と下面との間を貫通する貫通孔と、前記貫通孔と連通し、かつ、前記基板本体の主面と平行に延出する長溝部と、を含み、複数の前記光ファイバを前記貫通孔に合わせて整列させることと、整列された複数の前記光ファイバを前記長溝部に沿って並進させることと、複数の前記光ファイバを前記長溝部の内部に固定することと、を含む。

また、本開示の一形態の光デバイスの製造方法は、光導波路基板と、前記光導波路基板の端面に位置合わせされて接続される複数の光ファイバと、含む光デバイスの製造方法であって、前記光導波路基板は、前記端面を含み、前記光導波路基板を厚さ方向に貫通すると共に、前記光導波路基板の光導波路に対応する位置に形成されている貫通孔と、当該貫通孔と連通し、かつ、前記光導波路基板の主面と平行に延出し、内面が前記光ファイバに接する斜面を含む長溝部と、を有し、複数の前記光ファイバを前記貫通孔に合わせて整列させることと、整列された複数の前記光ファイバを前記長溝部に沿って並進させることと、複数の前記光ファイバを前記長溝部の内部に固定することと、を含む。

以上の形態によれば、研磨工程を含む作製や光ファイバの調芯にかかる時間を短縮し、かつ、実装後の光ファイバとの接続時に光導波路を容易に確認できる光導波路基板、光デバイス及び光デバイスの製造方法を提供することが可能になる。

本開示の一実施形態の光デバイスの下面斜視図である。図１に示す光デバイスの上面斜視図である。図１中に示す一部を拡大して上面から見た斜視図である。（ａ）は光ファイバ接続部の上面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は横断面図である。（ａ）は光導波路基板の下面図、（ｂ）は横断面図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、いずれも光デバイスの製造工程を説明するための図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、いずれも図６（ｃ）に続く光デバイスの製造工程を説明するための図である。図７（ｂ）に示した光デバイスを上面から見た斜視図である。

以下、本開示の一実施形態を説明する。本実施形態の説明で使用する図面は、本開示の技術的な思想や構成要素、構成要素の配置や関係を説明することを目的とし、本開示の具体的な形状やそのサイズ、縦、横、厚さの比を必ずしも正確に示すものではない。

（光デバイス）
図１は、本開示の一実施形態の光デバイス１００の下面斜視図、図２は、図１に示す光デバイス１００の上面斜視図、図３は、図１中に示す範囲Ａを拡大して上面から見た斜視図である。なお、本実施形態の上面、下面は、図１中の座標系により規定され、ｚ軸の座標が大きい側を小さい側に対して「上」、あるいは「上方」とする。また、ｚ軸の座標が小さい側を大きい側に対して「下」、あるいは「下方」とする。下面１０ａは、光デバイス１００の光導波路基板１０の図示しない光導波路が見える側の面と反対の面である。上面１０ｂは、下面１０ａの裏面にあたる。上面１０ａと下面１０ｂとの間の面を側面１０ｃとする。側面１０ｃのうち、光ファイバ２３ａが接続される側の側面を特に端面１０ｄとする。なお、このように、ｚ軸の座標が大きい側を下面１０ａ、小さい側を上面１０ｂとするのは、本実施形態の光ファイバ２３ａの接続及び調芯が、光導波路基板１０の上下を反転して行われるためである。また、図１、図２、図３の斜視図は、いずれも光ファイバ２３ａが端面１０ｄに近接した状態を示していて、光ファイバ２３ａが光導波路基板１０内の光導波路と接続された状態を示すものではない。

図１から図３に示すように、光導波路基板１０は、基板本体１０１と、基板本体に形成された光導波路１０２と、を含む。基板本体は、１つの端面１０ｄを含み、基板本体を厚さ方向に貫通する貫通孔１２ａと、貫通孔１２ａと連通し、かつ、基板本体１０１の主面（例えば下面１０ａ）と平行に延出する長溝部１２ｂと、を含む。貫通孔１２ａは、光導波路１０２に対応する位置に形成され、長溝部１２ｂの内面は、貫通孔１２ａを介して長溝部１２ｂに光ファイバ２３ａが挿通された場合に、光ファイバ２３ａと接する斜面１２ｃ（図４）を含む。このような貫通孔１２ａ、長溝部１２ｂは、後述する光ファイバ接続部１２を構成する。

ここで、「貫通孔１２ａが端面１０ｄを含む」とは、上面視において、貫通孔の縁部分が端面１０ｄと交差することを指す。すなわち、貫通孔１２ａは、光導波路基板１０の面内に包含される位置に形成されず、端面１０ｄと交差する箇所において内面が開放される。光ファイバ２３ａは、貫通孔１２ａの開放された内面と係り合い、長溝部１２ｂにおいて位置合わせされる。

光導波路基板１０は、さらに、光ファイバ２３ａと、電子回路３（図５）と接続することによって光デバイスを構成する。本実施形態は、後に詳述するように、貫通孔１２ａによって位置合わせされた光ファイバ２３ａを、光導波路基板１０の図示しない光導波路と高い精度で接続する。このため、貫通孔１２ａは、不図示の光導波路に対応する位置に形成されている。したがって、本実施形態は、貫通孔１２ａの位置により、間接的に光導波路の位置を確認することが可能になる。このような点についても後述する。

以上の構成において、光導波路基板１０はＳｉ製のフォトニクス基板であってもよい。光ファイバ２３ａは、光導波路たるコア層２４と、コア層２４を保護するクラッド層２５とによって構成される。光ファイバ２３ａの各々はガラスブロック２６によって束ねられ、光ファイバ群２３を構成する。図２に示すように、ガラスブロック２６には挿通された光ファイバ２３ａを保持する保持孔２６ａが形成されている。保持孔２６ａは縦断面が長円形状を有し、この長径は光ファイバ２３ａの被覆直径×芯数で求まる値より大きく設計されている。保持孔２６ａに挿通された光ファイバ２３ａは、互いに平行に、かつ等間隔に保持される。また、光ファイバ２３ａの光導波路基板１０に向かう側の一部は被覆が除去されてクラック層２５が露出している。光導波路基板１０の上面１０ｂにはフリップフロップ実装用のバンプ１３が複数掲載されている。

（光ファイバ接続部）
次に、光ファイバ接続部１２について説明する。図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、光ファイバ接続部１２を説明するための図である。図４（ａ）は光導波路基板１０の上面１０ｂの側から見た光ファイバ接続部１２を示す上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）中の矢線IVｂ、IVｂに沿う断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）中の矢線IVｃ、IVｃに沿う断面図である。長溝部１２ｂは、斜面の頂角１２ｅと、頂角１２ｅから光導波路基板の下面１０ａに向かって斜めに伸びる斜面１２ｃと、を有している。頂角１２ｅの連続する頂点は、長溝部１２ｂの延出方向に沿う中心線と一致する。このため、斜面１２ｃは、長溝部１２ｂの延出の方向に沿う中心線から電子回路３が実装される上面１０ｂ（実装面）に向かって傾斜するものといえる。

本実施形態の斜面１２ｃは、図４（ｃ）に示すように、長溝部１２ｂの延出方向と直交する断面がＶ字形状を有するＶ溝となる。光ファイバ２３ａが長溝部１２ｂに挿通された場合、光ファイバ２３ａはＶ溝に接し、頂角１２ｅの両側の斜面１２ｃによって頂角１２ｅから離れる方向の移動を規制され、頂角１２ｅに位置合わせされる。

また、図５（ａ）は、光導波路基板１０を下面１０ａから見た下面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の図５（ａ）中の矢線Vｂ、Vｂに沿う断面図である。なお、図５（ａ）、図５（ｂ）において、光ファイバ２３ａは貫通孔１２ａに一部入り、長溝部１２ｂには挿通されていない状態である。図４（ａ）、図５（ａ）に示すように、本実施形態の貫通孔１２ａの縁部は、上面視において、端面１０ｄの側から長溝部１２ｂの延出方向に向かって延び、弧を描いて再び端面１２ｄに向かうように形成される。このような形状を、本実施形態では「Ｕ字形状」とも記す。

また、本実施形態は、図５（ｂ）に示すように、光導波路基板１０の上面１０ｂにバンプ１３を介して電子回路３が実装される。このことから、本実施形態の上面１０ｂは、実装面に相当する。電子回路３の実装は、光ファイバ２３ａの接続、調芯以前に行われる。このため、本実施形態は、複数の光ファイバ２３ａを貫通孔１２ａに合わせて整列させることは、電子回路３が実装された光導波路基板１０に対して行われる。このような本実施形態は、光ファイバ２３ａが接続されていない状態で電子化路３を実装でき、電子回路３の実装を容易にしている。

図５（ｂ）に示すように、貫通孔１２ａの内面には、頂角１２ｃの頂点、すなわち長溝部１２ｂの延出方向に沿う中心線から実装面である上面１０ｂに向かって傾斜するスロープ１２ｆが形成されている。このようなスロープ１２ｆは、貫通孔１２ａによって等間隔、及び平行に位置合わせされた光ファイバ２３ａが下方に移動する際に光ファイバ２３ａと接触し、光ファイバ２３ａをスムーズに長溝部１２ｂに続く貫通孔１２ａの下部に導く機能を有する。図５（ｃ）に示すように、長溝部１２ｂは光導波路１０２と対応する位置に形成されている。貫通孔１２ａの下方に導かれた光ファイバ２３ａは、長溝部１２ｂに沿って進み、その端面が光導波路１０２の端面に位置合わせされる。なお、「長溝部１２ｂと光導波路１０２とが対応する位置」は、このように、長溝部２３ａに挿通された光ファイバ２３ａの光軸と、光導波路１０２の光軸とが一致する位置をいう。

V字形状の長溝部１２ｂは、公知のフォトリソグラフィ及びウェットエッチングにより形成可能である。長溝部１２ｂの形成は、光導波路１０２の位置に合わせて行われる。長溝部１２ｂの深さは、光ファイバ２３ａのコア層２４の中心が光導波路光導波路１０２の高さと一致するように調整される。本実施形態は、長溝部１２ｂのＶ溝に光ファイバ２３ａを配置することにより、光学研磨工程やアクティブアライメント工程を省略しながら低損失な光接続を確立することが可能である。

（光デバイスの製造方法）
次に、以上説明した光デバイス１００の製造方法を説明する。図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図７（ａ）、図７（ｂ）及び図７（ｃ）は、光デバイス１００を製造する各工程を説明するための図である。本実施形態の光デバイス１００の製造方法においては、先ず、図６（ａ）に示すように、複数の光ファイバ２３ａをガラスブロック２６の保持孔２６ａに通し、光ファイバ群２３を形成する。このとき、光ファイバ２３ａの光導波路基板１０に向かう一部は、被覆材除去及びクリーブカットされている。次に、光ファイバ群２３は、図６（ｂ）に示すように、先端が上方から貫通孔１２ａにスライド挿入され、等間隔に整列される。なお、電子回路３は、図６（ｂ）、図６（ｃ）に示すように、すでに上面１０ｂに実装されている。

この際、貫通孔１２ａがＵ字の比較的緩やかな形状を有するため、光ファイバ２３ａを長溝部１２ｂに向かって押し進めると、貫通孔１２ａによって水平方向の位置が規制され、水平方向のアライメントが可能になる。さらに光ファイバ２３ａは、図6（ｃ）に示すように、光導波路基板１０を下方に移動する。貫通孔１２ａのＵ字形状部の凸部頂点は、長溝部１２ｂの頂角１２ｅの頂点と光導波路基板１０の面方向において一致している。このため、下方に移動した光ファイバ２３ａは、貫通孔１２ａの内面に接触しながらＶ字溝の頂角に向けてスムーズに下降する。この際、前述したように、光ファイバ２３ａが貫通孔１２ａの内面に設けられたスロープ１２ｆをスライドし、その後長溝部１２ｂにスムーズに装荷される。以上の工程により、本実施形態の光デバイスの製造方法は、光ファイバ２３ａと光導波路との水平方向の調芯が可能になる。

また、本実施形態は、光ファイバ２３ａを長溝部１２ｂに向かって押し進めるにあたり、光ファイバ２３ａを光導波路基板１０の下面１０ａに対して１度以上、１０度以下の角度で傾けてもよい。このとき、光ファイバ２３ａの傾きは、光ファイバ２３ａが下面１０ａよりも上方を向く、すなわち仰角をなすようにすることが好ましい。このようにすると、光ファイバ２３ａの長溝部１２ｂの内面に対する密着性を高めて光損失を低減することに寄与する。

図７（ａ）は、光ファイバ２３ａの装荷後、ガラスブロック２６を光導波路基板１０の端面１０ｄに近接させた状態を示している。このような状態において、本実施形態は、電子回路３が貼り合わせられていない下面１０ａから光導波路基板１０を見た場合、貫通孔１２ａの位置により光導波路の位置を確認することができる。

次に、本実施形態は、図７（ｂ）に示すように、紫外線（ＵＶ）硬化接着剤９をガラスブロック２６の保持孔２６ａの内部にとぎ滴下し、紫外線を適量照射することにより固定される。紫外線硬化接着剤は、貫通孔１２ａ及び長溝部１２ｂの全体に充填され、光ファイバ２３ａを光導波路基板１０に強固に固定する。図７（ｃ）は、ガラスブロック２６の保持孔２６ａの全体に紫外線硬化接着剤９が充填された状態を示している。また、図８は、図７（ｂ）に示した光デバイスを、電子回路３が実装された側、つまり上面１０ｂから見た状態を示している。

以上説明したように、本実施形態は、貫通孔１２ａ及び長溝部１２ｂを設けたことによって光導波路基板の光導波路に光ファイバを適正な角度で位置合わせすることができる。このため、本実施形態は、公知の技術よりも光導波路と光ファイバ２３ａとの大まかなアライメントの精度を高めることができるので、光導波路及び光ファイバ端面の研磨、あるいは調芯にかかる時間を短縮することができる。また、貫通孔１２ａは、光導波路と位置合わせされる光ファイバの位置に応じて形成されるため、必然的に光導波路に対応する位置に形成されることになる。このため、本実施形態は、光デバイスの下面１０ａの側から光導波路の位置を確認し、光ファイバ２３ａの調芯及び接続の作業を容易にすることができる。なお、光ファイバ２３ａの調芯及び接続の作業は、作業者が手作業で行うものであってもよい。また、ロボット等によって自動的、または作業者がモニタ等をみながら制御してもよい。

１０光導波路基板
１２ａ貫通孔
１２ｂ長溝部
１２ｃ斜面
１２ｄ端面
１２ｅ頂角
１２ｆスロープ
１３バンプ
２３光ファイバ群
２３ａ光ファイバ
２４コア層
２５クラック層
２６ガラスブロック
２６ａ保持孔
１００光デバイス
１０１基板本体
１０２光導波路

Claims

基板本体と、前記基板本体に形成された光導波路と、を含む光導波路基板であって、
前記基板本体は、
前記基板本体の１つの端面を含み、前記基板本体の上面と下面との間を貫通する貫通孔と、前記貫通孔と連通し、かつ、前記基板本体の主面と平行に延出する長溝部と、を含み、
前記貫通孔は、前記光導波路に対応する位置に形成され、前記長溝部の内面は、前記貫通孔を介して前記長溝部に光ファイバが挿通された場合に前記光ファイバと接する斜面を含む、光導波路基板。
前記長溝部の前記斜面は、前記長溝部の前記延出の方向と直交する断面がＶ字形状を有するＶ字溝である、請求項１に記載の光導波路基板。
前記貫通孔の上面視における形状は、前記基板本体の前記端面から前記長溝部の前記延出の方向に向かって凸のＵ字形状部を含む、請求項１または２に記載の光導波路基板。
請求項１から３のいずれか一項に記載の光導波路基板と、
前記光導波路基板の一方の主面である実装面に実装された電子回路と、
を含み、
前記貫通孔の前記斜面は、前記長溝部の前記延出の方向に沿う中心線から前記実装面に向かって傾斜する、光デバイス。
前記貫通孔を介して前記長溝部に挿通される複数の光ファイバをさらに含む、請求項４に記載の光デバイス。
基板本体と、前記基板本体に形成された光導波路と、を含む光導波路基板と、前記光導波路に位置合わせされて接続される複数の光ファイバと、含む光デバイスの製造方法であって、
前記基板本体は、前記基板本体の１つの端面を含み、前記基板本体の上面と下面との間を貫通する貫通孔と、前記貫通孔と連通し、かつ、前記基板本体の主面と平行に延出する長溝部と、を含み、
複数の前記光ファイバを前記貫通孔に合わせて整列させることと、
整列された複数の前記光ファイバを前記長溝部に沿って並進させることと、
複数の前記光ファイバを前記長溝部の内部に固定することと、
を含む、光デバイスの製造方法。
複数の前記光ファイバは、固定用ブロックに固定されて整列する、請求項６に記載の光デバイスの製造方法。
前記光ファイバは、前記長溝部に沿って並進する際に、前記光導波路基板の面方向に対して１度以上、１０度以下の仰角をなす、請求項６または７に記載の光デバイスの製造方法。
複数の前記光ファイバを前記貫通孔に合わせて整列させることは、電子回路が実装された前記光導波路基板に対して行われる、請求項６から８のいずれか一項に記載の光デバイスの製造方法。