專利名稱：具有利用激光加工而形成的鏡面的光波導管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是關于能進行光路轉(zhuǎn)變的高分子光波導管，特別是關于光集成電路、光學互連用光學元件、光電混載基板等的制造方法。
背景技術：
具有光傳輸損耗小、傳輸頻帶寬等特點的石英玻璃、多組份玻璃等無機類材料作為光學元件或光纖的基材而被廣泛使用。近來，引人注目的是新開發(fā)的與無機類材料相比具有加工性好、價格低等優(yōu)點的作為光波導管用材料的高分子材料。例如，以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚苯乙烯等具有優(yōu)良的透明性的高分子作為芯、以比該芯材料的折射率低的高分子作包層材料而制造的具有芯-包層構造的平板型光波導管(見特開平3-188402號公報)。此外，還有采用具有耐熱性高的透明性的高分子聚酰亞胺實現(xiàn)損耗低的平板型光波導管(見特開平4-9807號公報)。
從低成本化等的要求出發(fā)，要求在光學互連布線領域配置垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，但是相對線路基板垂直射出的激光要入射到平行于對基板的光波導管內(nèi)時，需要進行約90度的光路轉(zhuǎn)變。如采用鉆石輪劃片機對高分子光波導管進行約45度的切削，則可使光路轉(zhuǎn)變90度成為可能(見特開平10-300961號公報)。但采用鉆石輪劃片機時，對不需要切削的場所也切削成45度角。因此，用該方法不可能在基板內(nèi)的任何場所為光路轉(zhuǎn)變而形成光耦合。
另外，有報導采用準分子激光器在光學印刷基板上形成圓孔的方法(電子情報通信學會論文志2001/9 Vol.J84-C No.9 724頁～725頁)。但當孔為圓形時，它和微小透鏡形成的是等價的，一般情況下會發(fā)生光散射而使光耦合的效率大為降低。如需提高光耦合率則需要設置復雜的非對稱的微米以下數(shù)量級的耦合光學系統(tǒng)，這對光電混載基板是現(xiàn)實的。
近年來，對采用光波導管的光學元件越來越要求小型化。為此，就需要在短距離內(nèi)使光路彎曲，分光，合波。此外，對光電混載基板要求在各種場所在最短距離內(nèi)進行光布線。但過去的彎曲光波導管、合分波光波導管因受折射率系數(shù)差的限制，能夠制造出的光波導管不能達到一定的大小或長度以下。因而需要可使線路減少的光波導管。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供能避免上述問題的，在含有光電混載基板的光路基板中的任何場所都具備可以高效率進行光耦合的光波導管，并能提供在光路中能進行光波導管的急劇光路轉(zhuǎn)變、光波分合的小型化的光波導管。
本發(fā)明者經(jīng)銳意研究后發(fā)現(xiàn)，通過采用激光在光波導管的任何場所實施開孔加工而找出解決上述問題的方法，使本發(fā)明得以完成。即本發(fā)明是具有芯和包層的、在芯的厚度方向上進行激光照射使其至少一部分切斷而形成的使芯的至少一部分橫斷面成為鏡面的光波導管。
在此，一種較好的形式是上述的激光照射對于光波導管面是垂直的，而上述的鏡面對于光波導管面是垂直的且對于芯的延伸方向是傾斜的。由此，既使不另設微小鏡面等，也能在光波導管面內(nèi)進行光路轉(zhuǎn)變。
還有一種較好的形式是上述的激光照射對于光波導管面是傾斜方向的，而上述鏡面對于芯的延伸方向是傾斜的。由此，既使不另設微小鏡面等也能在光波導管的面外方向，如在對于光波導管面的垂直方向進行光路轉(zhuǎn)變。
再者，本發(fā)明最好在包層的上面形成有能反映芯的形狀的突起，上述的由激光照射得到的切斷方向是通過上述突起而與芯的方向相傾斜，上述的鏡面是曲面。因此，當在光波導管面內(nèi)以外進行光路轉(zhuǎn)變時，還能得到透鏡的效果。
本發(fā)明是具有芯和包層的光波導管，且芯的端面為進行光路轉(zhuǎn)變而呈曲面狀的鏡面的光波導管。因此，可以進行具有透鏡效果的光路轉(zhuǎn)換。
再者，優(yōu)選將這些光波管設置在載有電路的電路線路基板的一面，以構成光電混載基板。
本發(fā)明是光波導管的制造方法，其特征在于包括用具有與芯相應的突起部的復制模形成第一包層的工序、從復制模剝離第一包層的工序、
向第一包層的與復制模接觸的第一面所形成的凹部填埋作為芯的材料的工序、在第一包層的第一面上形成第二包層的工序、對在第一包層的外表面所形成的沿芯突起的一部分，從傾斜的方向?qū)π具M行激光照射，切斷芯的厚度方向的至少一部分的工序。
作為在任何場所開光耦合用的孔的方法，可考慮采用照相平版印刷術(photolithography)和干刻(dryetching)相結合的方法。但是由于數(shù)十微米的厚度必須干刻，因此，不論是在生產(chǎn)效率上還是在制造成本上都是不現(xiàn)實的。
不僅能在光波導管面內(nèi)的任何處所開孔，使切至芯中間的切斷面成為鏡面，還能如圖8所示，對具有芯42的光波導管41的芯的端部進行激光照射，切去光波導管的最端部，使形成的芯的壁面43成為鏡面。此外，還可用激光把芯的厚度方向全部切斷，把所得壁面當作鏡面進行光路轉(zhuǎn)變。在此情況下，可進行通過芯傳播的全部光的光路轉(zhuǎn)變。而當切斷至芯的中間，把所得壁面作為鏡面利用時，能夠只使芯傳播的光的一部分發(fā)生光路轉(zhuǎn)變，而其余的光未作改變而繼續(xù)直進。
當然，本發(fā)明在激光照射中，激光束對于光波導管是相對靜止的。
由于本發(fā)明可在任何場所且按各種各樣的芯圖形簡便地進行光耦合，因此，可顯著地增加光路設計的自由度。另外，采用激光器進行激光照射形成孔的同時，也很容易地使孔的壁面形成平滑的鏡面。再者，因能以任意角度進行光路轉(zhuǎn)變或使其分光，從而可大幅度地減少光波導管的尺寸。其結果是，使其特別適用于光電混載基板。特別是通過使芯的壁面形成曲面狀的鏡面時，不論對受光半徑小的受光元件，還是對擴張角(數(shù)值孔徑)大的發(fā)光元件，其耦合效率均高且能夠簡便地進行光耦合。


圖1是本發(fā)明用斜向照射的激光加工制造工序的一例的示意圖。
圖2是形成本發(fā)明的附帶有透鏡功能的微小鏡面的光波導管的制作方法的一例的示意圖。
圖3是本發(fā)明的附帶有透鏡功能的微小鏡面的形成工序的一例的示意圖。
圖4是本發(fā)明的附帶有透鏡功能的微小鏡面的一例的示意圖。
圖5是用本發(fā)明的具有貫通孔的光波導管的T字形光分光的一例的示意圖。
圖6是用本發(fā)明的具有貫通孔的光波導管進行L字形光路轉(zhuǎn)變的一例的示意圖。
圖7是用本發(fā)明的以貫通孔進行光路轉(zhuǎn)變的Y字形光分光的一例的示意圖。
圖8是本發(fā)明用激光切斷光波導管端部的示意圖。
圖9是本發(fā)明切斷至芯中途的光波導管的示意圖。
圖10是本發(fā)明切斷至芯中途的光波導管的示意圖。
具體實施例方式
以下，以聚酰亞胺光波導管為例對本發(fā)明進行詳細的說明。當然，用聚酰亞胺以外的光學材料的樹脂作為光波導管的材料同樣也能形成光路轉(zhuǎn)變的構造。另外，在用本發(fā)明的光波導管所形成的線路基板的表面或內(nèi)部還可形成電路或其他光路。
首先，在硅片上形成由聚酰亞胺構成的下部包層，再依次在其上形成作為芯的聚酰亞胺層和保護層。然后按所希望的芯圖形描繪出屏蔽圖形，經(jīng)曝光形成作為屏蔽的抗蝕劑圖形。以抗蝕劑圖形作為屏蔽，以氧等離子對作為芯的一部分的層進行干刻，再用剝離液把屏蔽抗蝕劑除去。然后，在其上面再形成由聚酰亞胺構成的上包層，并把形成多層的硅片一起放入氟酸水溶液中浸漬并從硅片上剝離組成光波導管的多層，從而得到形成光波導管的薄膜狀光波導管。
垂直于該光波導管面且在包括芯的延伸方向的面內(nèi)，通過用激光從光波導管面的約45度的角度進行照射，可在光波導管的芯上形成相對芯的延伸方向成45度的傾斜反射面。借助于該45度反射面可使光路轉(zhuǎn)變成垂于光波導管面的光路。根據(jù)需要也可在該45度傾斜的反射面上設置反射率高的金屬層。在利用該反射面的場合，無需另設作為個別元件的微小鏡面。
這樣，可在該光波導管上形成電路、光學元件或光路，也可與電路基板貼合而制成在任何場所都能使光耦合成為可能的光電電路板。
本發(fā)明的光波導管，最好是包層和芯都采用樹脂構成，其中最佳的是采用聚酰亞胺樹脂或環(huán)氧樹脂。因為采用樹脂，通過激光照射所形成的孔的壁面就很容易形成平滑的鏡面。
其次，用圖2、圖3說明使反射面形成曲面的形成方法。先準備形成所希望的芯圖形的復制模(圖2(a))。在其上采用自旋涂層等方法涂布將構成包層1 2的聚酰亞胺的前體聚酰胺酸溶液，然后進行熱處理使其酰亞胺化。此時，通過適當調(diào)整聚氨酸溶液的樹脂濃度，使芯圖形上部的包層表面能反映出芯圖形隆起而形成突起12a(圖2(b))，然后，從復制模上剝離下該聚酰亞胺薄膜(圖2(c)。把剝離下來的聚酰亞胺薄模進行上下翻轉(zhuǎn)，把將要成為芯13的聚酰亞胺的前體聚酰胺酸溶液涂布至填滿其槽部，加熱使其酰亞胺化(圖2(d))。爾后，在其上部涂布將成為下部包層14的聚酰亞胺的前體聚酰胺酸溶液，加熱使其酰亞胺化。這樣就制作成了在芯13處的有包層隆起而形成的突起12a的光波導管(圖2(e))。
如圖3所示，采用如準分子激光器或二氧化碳激光器這樣高輸出功率的激光15從上述的所得到的光波導管薄膜上向突起12a，并相對光波導管面傾斜45度角進行照射，而形成對光波導管面約45度角的開孔，此時，要采用四方窗口的屏蔽(圖上未顯示)。從隆起的突起12a的上面包層側向突起部進行照射而形成切斷芯的孔16。此時，很容易地使橫向切斷光波導管的芯的孔16的壁面17形成平滑的球面或圓筒面(圖3(b))。此時，即使所形成的孔容易在對芯圖形的垂直方向產(chǎn)生少許的錯位，但因是在包層的隆起部形成的錯位，因此不會成為問題。當采用包層上無隆起的平坦的光波導管時，不用開四方形的而采用開所希望的曲線形的窗口的屏蔽，則可得到所希望的曲面的鏡面。
利用上述所得到的芯切斷面為曲面的微小鏡面?zhèn)鬏敼獾那闆r如圖4所示。在此，圖上展示了芯和鏡面的部分，通過光波導管21傳輸過來的輸送光22被加工成約45度的鏡面24所反射。反射光25在球面的曲率半徑的1/2處聚焦而使光收斂成束。如在其上方配置受光元件，就可有效地受光。
其次，就具有在光波導管面內(nèi)進行光路轉(zhuǎn)變、分光機能的光波導管進行說明。根據(jù)目標使用芯圖形制作成T字形、L字形和Y字形的光波導管。
采用準分子激光器從該光波導管的上方沿光波導管面的垂直方向在芯折曲處進行照射，于是在此形成貫通孔。即采用孔形狀的屏蔽，用激元激光器照射光波導管的芯照芯的一部分，使芯的一部分被切斷而形成孔。由孔形成的芯的切斷面形成空氣與芯的界面即反射面，當光入射該反射面被反射時，使其急劇形成光路轉(zhuǎn)變或分光成為可能。對芯的切斷面用高反射率的材料進行背覆或是用比包層材料的折射率低的材料填埋孔穴也可達到目的。
圖5所示是作成的芯31的形狀為T字形的情況。圖中所示是從使上方入射的一束光33被左右分光的孔的各種形狀。圖5(a)是在相對光軸為45度的面將光反射分開的孔32的形成狀況。圖5(b)所示是以光學界面被分成兩段的反射面使光反射分開的貫通孔34的形狀。而圖5(c)所示是光學界面形成曲面而使光反射分光的貫通孔35的形狀。如圖5所示，通過改變貫通孔的橫向位置可改變光的分光比例。也可逆轉(zhuǎn)光的行進方向而形成合波。
圖6所示是使光路進行L字形轉(zhuǎn)變的孔的各種形狀圖。圖6(a)是為使光路進行直角轉(zhuǎn)變的在芯的折成直角處開的對光軸成45度傾斜的反射面的孔36。圖6(b)所示是使光路轉(zhuǎn)變的開有兩段折面的孔37。圖6(c)所示是開有曲狀面的使光路轉(zhuǎn)變的孔38。如上所述只是改變開孔的形狀就可制造成各種各樣的小型光波導管。
圖7所示是在T字前部有Y字形分叉的形狀的芯的Y分叉39兩側使光路轉(zhuǎn)變的貫通孔40的形成狀況。因分光能在Y分叉部分形成，即使貫通孔在橫方向的位置的誤差稍大些，也能正確地形成1∶1的分光。
〔實施例1〕在5英寸的硅片上，以由2，2-雙(3，4-二羧基苯基)六氟丙烷二酐(6FDA)和2，2-雙(三氟甲基)-4，4’-二氨基聯(lián)苯(TFDB)形成的聚酰亞胺作為上、下包層，以由6FDA和4，4’-氧二苯胺(ODA)形成的聚酰亞胺作為上、下包層所夾的芯層。以周知的照相平版印刷術和干刻技術在下包層的上面形成芯圖形，然后再在其上形成上包層，從而形成薄膜狀的光波導管。在此，在長的方向形成互相平行的復數(shù)個芯層而構成多陣列光波導管。然后，把該形成有光波導管的硅片放入5％(wt)氟酸水溶液中浸漬，并從硅片上剝離下光波導管從而制得薄膜狀光波導管。薄膜狀光波導管的厚度作成80μm。
圖1所示是用該氟化聚酰亞胺制作的具有芯層3的薄膜狀光波導管。采用準分子激光器2相對準分子激光的光軸成45度傾斜角地照射薄膜狀光波導管1實施開孔(圖1(a))。其照射條件為總照射能為0.4J/脈沖，能量密度為1J/(cm2·脈沖)，重復頻率200脈沖/秒，照射時間2秒鐘。此時，橫切所形成的孔的芯而形成的壁面4對薄膜狀光波導管面構成45度角(圖1(b))。當采用面發(fā)光激光器從垂直于光波導管面方向?qū)?5度的反射面進行激光照射時，(圖上未顯示，是從薄膜狀光波導管的下部)，從沿光軸5的光波導管的芯的另一端面可觀測到光的輸出(圖1(c))。另外，在45度的反射面上形成或不形成金屬膜均可。
壁面傾斜成45度的孔能在任意場所開任意個，這就提高了光路的設計自由度。另外，因在孔內(nèi)不設置作為個別元件的微小鏡面也無不可，則使光軸的合并很容易。
〔實施例2〕通過干刻5英寸的硅片而形成幅寬50μm、高40μm的隆起的芯圖形 并以此作復制模。在復制模上用自旋涂布由2，2-雙(3，4-二羧基苯基)六氟丙烷二酐(6FDA)和2，2-雙(三氟甲基)-4，4’-二氨基聯(lián)苯(TFDB)形成的聚酰胺酸溶液，加熱使其酰亞胺化。此時，聚酰胺酸溶液的濃度為25％。這樣就在芯圖形的上部的包層的上面形成了沿芯圖形隆起的突起。然后把聚酰亞胺的包層浸漬在蒸餾水中，使其從硅片上剝離下來。其次，采用自旋涂布、加熱處理將由6FDA及-4，4’-氧二苯胺(ODA)和6FDA/TFDB組成的共聚聚酰亞胺填埋于上述形成的槽內(nèi)。再在其上形成由6FDA/TFDB形成的包層，從而制得薄膜狀光波導管。薄膜光波導管的厚度作成90μm。
其次，配置準分子激光器、在其光軸處開有銅合金板的一邊為0.15mm的四方形窗的屏蔽和薄膜光波導管。并使光波導管對激光的光軸傾斜45度。用準分子激光器照射薄膜光波導管的突起，使形成的貫通孔對光波導管是傾斜的。其照射條件為總照射能為0.4J/脈沖，能量密度為1J/(cm2·脈沖)，重復頻率200脈沖/秒，照射時間2秒鐘。此時，芯的橫切加工面是對光波導管面內(nèi)方向、厚度方向都是曲率半徑約為0.8mm的球面。
當從薄膜光波導管的一端面向光波導管插入波長850mm的光時，則可以觀測到在微小鏡面上的折射光。結果，如用φ100μm的光纖接受反射光時，受光強度約為70％。
在5英寸的硅片上，以由2，2-雙(3，4-二羧基苯基)六氟丙烷二酐(6FDA)和2，2-雙(三氟甲基)-4，4’二氨基聯(lián)苯(TFDB)形成的聚酰亞胺作為上、下層包層，以由6FDA和4，4’-氧二苯胺(ODA)形成的聚酰亞胺作為上下包層所夾的芯層。以周知的照相平版印刷術和干刻技術形成多傳輸模的光波導管薄膜。在此，形成了T字形圖形。爾后，把形成光波導管的硅片浸漬于5％(wt)的氟酸水溶液中，從硅片上剝離下光波導管，從而制得薄膜光波導管。薄膜光波導管的厚度做成80μm。
其次，采用縮微光學系統(tǒng)(reduction optical systrm)·屏蔽投影方式的KrF準分子激光加工裝置進行照射，在T字的交點處形成四方的貫通孔。其照射條件為總照射能為0.4J/脈沖，能量密度為1J/(cm2·脈沖)，重復頻率200脈沖/秒，照射時間2秒鐘。產(chǎn)生波長為850nm的在分裂點的分光損失為1dB的90度方向的2個分光。
上述實施例都是采用激光加工將芯在厚度方向完全切斷的示例。此外，也可通過在貫通芯部前停止激光照射，從而能夠在達到芯的厚度方向的任意位置形成切斷面。依此可把經(jīng)由芯進行波導的光進行分配。如用貫通芯所需激光照射的時間的一半作為照射時間，那么開孔加工的深度也是一半。例如，如圖9所示，如采用準分子激光器51在200脈沖/秒的條件下需要對厚度約為100μm的聚酰亞胺光波導管薄膜照射2秒鐘以形成貫通孔的場合，如將照射時間變?yōu)?秒，則可加工形成至其深度為1/2的孔54。此時，通過芯53上部傳播的光55在切斷面進行光路轉(zhuǎn)變，而通過芯下部傳播的光56無轉(zhuǎn)變繼續(xù)直進。當加工至芯厚度的1/2位置停止加工的場合，可大體按1∶1的比例進行光的分配。這樣通過改變激光加工的深度就可改變光的分配比。這就不僅能輸入輸出全光量，也可在全光量內(nèi)按某種比例進行光的輸出輸入。
另外，如圖10所示，當對光波導管面形成垂直鏡面時，如中途停止激光加工也能進行光的分配。圖10(a)是俯視的平面圖。圖10(b)是由芯61及包層62形成的光波導管的橫斷面圖，用激光束對光波導管面垂直照射，加工至芯的中間位置停止而形成孔63。通過芯的上部傳播的光64在孔63的壁面63a處以直角改變其光路并平行于光波導管面行進。另一方面，在芯下部傳播的光65繼續(xù)直進。在此，通過改變激光加工的孔的深度，也能改變光的分配比。
本發(fā)明特別適用于光集成電路、光學互連布線用光學元件和光電混載板等領域。
權利要求
1.光波導管，其具有芯和包層，其特征在于，通過激光照射使芯的厚度方向的至少一部分被切斷而形成的被橫斷的芯的至少一部分的壁面為鏡面。
2.如權利要求1所述的光波導管，所述激光照射相對于光波導管面是垂直方向；所述鏡面相對于光波導管面是垂直的且相對于芯的延伸方向是傾斜的。
3.如權利要求1所述的光波導管，所述激光照射相對于光波導管面是斜方向；所述鏡面相對于芯的延伸方向是傾斜的。
4.如權利要求1所述的光波導管，在包層上形成有能反映芯形狀的突起，通過所述激光照射的切斷方向是通過所述突起而與芯的方向相傾斜；所述鏡面是曲面。
5.光波導管，其具有芯和包層，其特征在于，芯的端面是為進行光路轉(zhuǎn)變的曲面狀的鏡面。
6.光電混載基板，其特征在于，在載有電路的電路基板的一面上設有權利要求1至5中任一項所述的光波導管。
7.光波導管的制造方法，其特征在于包括用具有與芯相應的突起部的復制模形成第一包層的工序、從復制模剝離第一包層的工序、向第一包層的與復制模接觸的第一面所形成的凹部填埋作為芯的材料的工序、在第一包層的第一面上形成第二包層的工序、對在第一包層的外表面所形成的沿芯突起的一部分，從傾斜的方向?qū)π具M行激光照射，切斷芯的厚度方向的至少一部分的工序。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光波導管，其具有在光電混載基板中的預定位置以高效率進行光耦合的結構，并選擇性地包含光電電路板。本發(fā)明還能提供在光路中能進行光波導管的急劇光路轉(zhuǎn)變、光波分合的小型化的光波導管。光波導管，其具有芯和包層，其特征在于，通過激光照射使芯的厚度方向的至少一部分被切斷而形成的被橫斷的芯的至少一部分的壁面為鏡面。
文檔編號G02B6/122GK1605887SQ200410081150
公開日2005年4月13日 申請日期2004年9月30日 優(yōu)先權日2003年10月6日
發(fā)明者鹽田剛史, 鈴木健司 申請人:三井化學株式會社