JP2004191903A

JP2004191903A - 光路変換部品及びその製造方法並びにそれを用いた光表面実装導波路

Info

Publication number: JP2004191903A
Application number: JP2003011954A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sasaki; 淳佐々木; Mamoru Ishizaki; 守石崎; Taketo Tsukamoto; 健人塚本; Hatsune Hara; 初音原
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】高密度実装又は小型化が可能で、しかも光電素子の実装が容易に且つ低結合損失で行えるため、光・電気配線基板に用いることができる光路変換部品及びその製造方法並びに光表面実装導波路を提供する。
【解決手段】コア及びクラッドからなる伝送路構造を有する２以上の光学繊維に設けられた傾斜面同士を接合してなり、かつ、１の光学繊維の伝送路構造から他の光学繊維の伝送路構造へ光を伝搬する反射面を有することを特徴とする光路変換部品１を光導波路のスルーホール７に埋設し、光導波路８を伝送する光信号を光電素子１２、１３に到達させる。なお、光路変換部品の反射面に金属薄膜の単層或いはこれらを組み合わせた多層膜が成膜されていることが好ましい。
【選択図】図１１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光を利用して信号を伝送する交換装置、通信装置、及び情報処理装置等に用いられる光導波路の表面に光電素子を実装するために有用な光路変換部品及びその製造方法並びにそれを用いた光表面実装導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信装置の発展に伴いこれらの装置内に於ける信号配線の容量不足が問題となりつつある。これを解消するために装置内部のプリント基板の銅による電気配線の一部を光ファイバー又は光導波路に置き換え、電気信号の代わりに光信号を利用することが検討され始めている。装置内部に於いては装置間を接続する場合と異なり、高密度の光配線を限られたスペースに収容する必要があるため、一般的にはＩＣやマルチチップモジュールと同じようにレーザーダイオードやフォトダイオード等の光電素子を基板表面に実装し、電気配線板と同一基板に光配線を積層するなどの方法が検討されている。
【０００３】
光導波路が電気配線と同一の基板上で積層された光・電気配線基板は高密度実装が可能であり、小型化の観点から望ましい構造であるが、光導波路の光軸をレーザーダイオードやフォトダイオード等の光電素子と光学的に結合させる為に９０°光路変換技術が必要になる。
【０００４】
９０°光路変換に対しては光導波路自体へメカニカルな加工装置を用いて斜め４５°の切り込みを入れ、空気との屈折率の違いを利用し９０°全反射面を形成する方法（例えば、非特許文献１参照）が提案されている。しかしながら、４５°反射面の形成では光導波路への切削領域が広範囲に及ぶため高密度実装に不利と指摘されていた。
【０００５】
この問題を解決するための手段として本発明者等が光プリント基板の任意の場所に、局所的にプリズム状の４５°ミラーを設置すること（例えば、特許文献１参照）や、マイクロミラー付きピン（例えば、非特許文献２参照）を利用する方法が提案されている。後者においては、光ファイバーを微細に断裁したピン状の一方の端面を４５°加工し、これを９０°光路変換の為の反射面として光電素子との結合に用いている。これらの方法は表面高密度実装の問題を解決できると考えられているが、４５°反射面での信号光の漏れに起因した損失がまだ十分解決できておらず、信頼性の観点から実用化には課題となっていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開平２０００−３４０９５７号公報
【非特許文献１】
市村他「光表面実装向け４５°ミラー付き高分子導波路」、回路実装学会誌、１９９８年Ｖｏｌ１３，Ｎｏ２，ｐ．９７−１０２
【非特許文献２】
佐藤著「光ＳＭＴ向けマイクロミラー付きピンによる９０°光路変換」、ＯｐｔｉｃｓＪａｐａｎ１９９９年ｐ．２３
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、係る従来技術の状況に鑑みてなされたもので、高密度実装又は小型化が可能で、しかも光電素子の実装が容易に且つ低結合損失で行えるため、光・電気配線基板に用いることができる光路変換部品及びその製造方法並びに光表面実装導波路を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、傾斜面の設けられたコア及びクラッドからなる伝送路構造を有する２以上の光学繊維の前記傾斜面同士を接合してなり、かつ、１の光学繊維の伝送路構造から他の光学繊維の伝送路構造へ光を伝搬する反射面を有することを特徴とする光路変換部品である。
請求項２記載の発明は、前記反射面に金属薄膜の単層或いはこれらを組み合わせた多層膜が成膜されたことを特徴とする請求項１記載の光路変換部品である。請求項３記載の発明は、傾斜面が設けられたコア及びクラッドからなる伝送路構造を有する２以上の光学繊維の前記傾斜面同士を接触させ、次いで放電による加熱で溶融、接合し、略Ｌ字型に一体化させた後、略Ｌ字型の一角を研磨して反射面を形成することを特徴とする光路変換部品の製造方法である。
請求項４記載の発明は、コアとクラッドから構成された光導波路の表面に光電素子が実装された光表面実装導波路において、光導波路内を伝搬する光信号が、光導波路のスルーホールに埋設された、傾斜面を設けたコア及びクラッドからなる伝送路構造を有する２以上の光学繊維の前記傾斜面同士を接合してなり、かつ、１の光学繊維の伝送路構造から他の光学繊維の伝送路構造へ光を伝搬する反射面を有する光路変換部品により、略９０°光路変換され、光電素子に到達することを特徴とする光表面実装導波路である。
請求項５記載の発明は、光路変換部品のコア及びクラッドの屈折率と、光導波路のコア及びクラッドの屈折率とそれぞれ概ね一致していることを特徴とする請求項４記載の光表面実装導波路である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のポイントは光導波路と表面実装光電素子を、低結合損失で９０°相互に光結合させるために、光路変換部品は、コア及びクラッドからなる伝送路構造を有することにある。更に、本発明では部品自体を光導波路の任意の位置に埋設するので、小型化を図ることで表面に実装する光電素子の高集積化にも対応が可能である。光導波路及び光電変換素子と光路変換部品との光軸合わせには、それぞれにアライメントマークを形成しておくことにより、効率よく位置合わせを行える。従って、光軸ズレに伴う結合損失やモード変換を抑制できる。本構造によって、高密度且つ損失の少ない信頼性の優れた光表面実装導波路或いは光・電気配線基板の実現が可能になる。
【００１０】
以下に、好ましい実施の形態を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。本発明の光表面実装導波路において、導波路と光電素子とを光接続する光路変換部品は、ガラス、石英、セラミックなどの無機材料または有機材料から構成される光学繊維からなる。更に、光路変換部品の屈折率を該導波路のコア及びクラッドの屈折率とそれぞれ概ね一致させれば、光路変換部品／光導波路の接続境界での放射光・反射光を解消するため好ましい。
【００１１】
無機材料としては、例えば鉛カリソーダ、ソーダ石灰、アルカリ亜鉛硼珪酸、アルミノ珪酸、ガラスセラミック、硼珪酸、ソーダ亜鉛、ソーダバリウム、バリウム硼珪酸、高鉛、ソーダバリウム珪酸、９６％珪酸、石英ガラス、チタン珪酸、鉛珪酸等が挙げられる。これらは珪石、硼酸、酸化ランタン、酸化ガドリニウム、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、バリウム、カリウム、ナトリウム、カルシウム、リサージなどを原料とし、屈折率などの光学特性に応じて２〜１５種類の範囲で適宜調合したものが利用できる。
【００１２】
本発明に係る光路変換部品を図１に示す。図中符号２はコア（高屈折率ガラス／伝送路）、３はクラッド（低屈折率ガラス）からなり、伝送路構造を有している。
【００１３】
図１は本発明の実施の形態の光路変換部品の概略図であり、光の進行を９０°変換する状態を示している。本実施の形態の光路変換部品１は、光を伝搬するコア２がクラッド３中に設けられており、このコア２の一部を含むＬ字型の一角に金属反射面付きの反射面４が形成されている。ここで、反射面４は、光を全反射させる為に蒸着・スパッタ等によりＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｓｉなどの金属膜、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５などの誘電体膜が単独、或いはこれらを組み合わせて形成するものである。そして、光路変換部品１は、光信号を外部の光電素子からの光信号を入射する入射口５、光路変換部品１内で９０°光路変換された光を出射する出射口６とを備え、入射口５にＶＣＳＥＬなどの半導体レーザーが、出射口６に光導波路のコアが接続される。入射口５から入射したコア２の光信号は反射面４により９０°光路変換され、再びコア２を伝搬し出射口６から光導波路に信号を入射する。この構造により、光導波路表面に実装する光電素子の光信号を光路変換部品内を伝搬させて光導波路へ入射、或いは光導波路からの出射した光信号を光電変換素子へ受信させることができる。
【００１４】
本発明の光路変換部品の外形・サイズは埋設側光導波路の膜厚、コアサイズ、コアピッチに応じて数十μｍ〜数百μｍの円柱、四角柱、多角柱など適宜変更して利用可能であるが、これらの少なくとも一の反射面を有し、且つ光路変換方向に沿って内部に屈折率の異なる伝送路構造が設けられている。
【００１５】
光学繊維の形成方法としては、石英ガラス製の種棒の先端を酸素水素火炎を当て加熱し、火炎中に原料である気化させた四塩化ケイ素と四塩化ゲルマニウムを吹き込み、加水分解反応によってガラス粉を生成させる。種棒の先端にこのガラス粉が徐々に付着し溜まるのに従い、種棒を引き上げ成長点を一定に保つようにする。これを続けることで、種棒にガラスの集合体を形成する。この時、原料の濃度分布と火炎の温度分布で屈折率を制御するが、光導波路のコア部とクラッド部の屈折率にそれぞれ概ね一致させるために、屈折率差は一般的に０．３乃至２．０％とする。
【００１６】
次いで、酸素水素火炎中での加水分解反応によって、ガラス微粒粉の間に酸素と水素によつてつくられた微量の水分を除去するため、このガラス微粒粉集合体を加熱する。更に、高温に微粒粉集合体を加熱しガラスを熔解させ、中心に屈折率の高い部分を持った円柱状の透明な石英ガラスをつくる。更にこの石英ガラスを延ばし、別途溶融石英で作られた石英ガラス管の中にいれ、高温炎であぶり一体化させる。或いは、ガラス状になった原料ガラスを白金坩堝の溶解炉にて温度１０００℃から１５００℃で一体化した後、徐々に冷却し、塊状や棒状、板状など熔解方法や炉の種類により形状の異なった塊として取り出す。このほか直接ガラスに電気を通電し熔解することも可能である。
【００１７】
更に、熔解されたガラスを高温状態のまま金型に収容し、繊維形状を得る。或いは撰塊されたガラスを適当な大きさに切り出し再度加熱し柔らかくなったガラスを金型に入れて所望の形状のガラス繊維に加工してもよい（図２）。
【００１８】
次ぎに、このような光路変換部品用の光学繊維を例えば酸化セリウムやダイヤモンドパウダー研磨によって少なくとも一端を略４５°の角度を有する傾斜面Ａとする（図３）。この略４５°傾斜面を有した光路変換用のガラス材を２つ準備しておき、傾斜面同士を互いに接触させ、放電による加熱により略Ｌ字型に接合させる（図４）。この後、略Ｌ字型の光学繊維の一角を、屈折率の高い伝送路が少なくとも一部露出するまで、再び研磨を行い反射面４を形成する（図５）。最後に、反射面４へＡｕなどの金属膜を蒸着し、本光路変換部品を完成させる。傾斜面同士を互いに接触させ、略Ｌ字型に接合させたガラス繊維状の光路変換部品は、光導波路や表面実装光電変換部品に応じて、長さの異なる光路変換部品として適宜利用できる（図６〜８）。尚、略Ｌ字型に一体化させる際には、放電による加熱、接合することが好ましいが、溶鉱炉での１０００℃から１５００℃の加熱により接合しても、屈折率の制御された各種接着剤を用いて、傾斜面表面に塗布し接合してもよい。また、傾斜面の角度も略４５°に限定されるものではなく、光路変換の角度も略９０°に限定されるものではない。
【００１９】
また、本発明において光路変換部品を埋設する光導波路が複数線路で構成されている場合、それぞれの線路に対応させて光路変換部品を設置できるが、部品サイズ自体を拡大し、光信号の変換方向に沿った伝送路を部品中に複数伝送路を有するアレイ状としても特に問題はない（図９）。
【００２０】
一般に表面実装される光電素子の半導体レーザをオン、オフして得られる光強度変調信号は伝送システムにおいて損失が大きいと、波形劣化・ひずみの原因となりオン、オフ信号を誤って判定し、システム全体の動作の安定性、信頼性に影響を与える。
【００２１】
光導波路へ単に４５°の切り込みを入れた従来の光路変換方法では、反射面から数十ミクロン離れた導波路表面に半導体レーザを設置していた為に、４５°の切り込み加工精度或いは導波路膜厚制御が不十分だと、光信号が放射角の為に広がってしまい反射面以外への光洩れが極端に多くなる。また、反射面以外への光洩れを抑える為にクラッド層を薄くして半導体レーザと４５°反射面との距離を短くして、半導体レーザの洩れ光を抑制する手段が考えられるが、導波路製造工程上や導波路特性の観点から限度があった。更に、反射面−半導体レーザ間は屈折率の低いクラッド層に当たる為、モード変換が避けられなかった。
【００２２】
本発明の光路変換部品を用いた構造では入射口５、出射口６がそれぞれ表面に実装される光電素子、光導波路端面と接触している為に、半導体レーザからの信号を洩れなく９０°光路変換し光導波路へ導入できる。光導波路を伝送させた信号をフォトダイオードに受光する場合は、同様に洩れなく９０°光路変換しフォトダイオードへ信号を導入できる。また、光路変換部品自体が光導波路屈折率に合わせた伝送路構造を有している為、モード変換を解消できる。この結果、優れた送受信特性の実現が可能となっている。
【００２３】
次ぎに、本発明の光路変換部品を光導波路に設置し、表面実装光電素子を９０°光路変換させる実施の形態を説明する。図１１は光路変換部品１を光導波路８のホール空間７へ光学接着剤１１を用いて埋設し、この表面へデータ伝送用の波長８５０ｎｍの垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）１２及び受光径８０μｍＩｎＧａＡｓ−Ｐｉｎフォトダイオード１３を実装した状態を示している。ここでＶＣＳＥＬ１２及びフォトダイオード１３はチップ部品型でパッケージ内へ下向きに実装され、電極１４が金錫ペースト１５等でセラミック基板１６の電気配線１７と接合されている。
【００２４】
光導波路材料は無機材料、高分子材料どちらでもよいが、本発明では高分子導波路が好ましく、コアとクラッドの屈折率差が０．３乃至２．０％で、トータル膜厚が１０μｍ以上とすることが好ましい。光導波路を構成するコアの形状は円形或いは矩形であり、サイズ５〜１００μｍであることが好ましい。５〜１００μｍ以外になると単一の伝搬角をもった光信号の伝搬（シングルモード）や複数の伝搬角をもった光信号の伝搬（マルチモード）の為の位相条件を満たす事が難しくなるからである。一方、クラッドの膜厚は上部、下部共に５μｍ以上であることが好ましい。膜厚５μｍ以下ではコア内を伝搬する光信号がクラッドへ放射されてしまい易く、損失を招く原因となり易いからである。
【００２５】
上記の光導波路の材料としては、例えば、コアが重水素化ポリメチルメタクリレート（ｄ−ＰＭＭＡ）またはフッ素化ポリメチルメタクリレートであり、クラッドがコアよりも屈折率の低いエポキシ樹脂が好ましい。コアにｄ−ＰＭＭＡを用いた用いた場合にはｄ−ＰＭＭＡ中に多量に含まれるＣＨ基による１．５５μｍ帯における光吸収損失のすそのために光信号の半導体レーザの伝搬損失が大きくなってしまうが、重水素化する事により損失は小さくできる。
【００２６】
一方、クラッドとして用いるエポキシ樹脂は、ビスフェノールＡとエピクロルヒドリンの縮合生成物、或いはビスフェノールＡに変えてビスフェノールＦやポリグリコール等を基本とした樹脂である。エポキシ樹脂をクラッドに用いることで、コアとクラッドの屈折率差制御、耐環境性、ハンダ耐熱性、クラッド自体の塗布性など実用上光導波路に対する各種要求特性を満足するように設計できるからである。
【００２７】
高分子光導波路の製造方法としては、例えば、光導波路パターンの形成に、フォトレジストを塗布、パターニングして、反応性イオンエッチンングを用いる方法、紫外線で硬化する官能基を有した脂肪族環状エポキシ樹脂を用い紫外線照射により硬化を行い、直接パターニングする方法等が挙げられる。また、光導波路の構造としては埋め込み型が好ましいが、特に限定される訳ではない。
【００２８】
光導波路へ光路変換部品を所定の位置に埋設するために形成するホール空間は、機械的なドリルを用いる事やレーザ（ＣＯ_２、エキシマ、フェムト秒等）照射あるいは光導波路表面にフォトレジストを塗布、パターニングして、反応性イオンエッチングする等の手法を用いることができる（図１０）。
【００２９】
本発明の光路変換部品上に実装される光電素子としては高速周波数特性、低電圧特性を有する波長０．８５μｍのＶＣＳＥＬ（面発光レーザー）や０．６５μｍの半導体レーザー、１．３μｍの通信用レーザーを用いることができる。これにより電気信号を光信号に変換し、本発明の方法によって製造した光路変換部品を介して光導波路内へ光信号を送信する。
【００３０】
また、光信号を再び電気信号に変換するフォトダイオードは、例えば、光導電効果や光起電力効果で検出するｐｎ接合フォトダイオード、ｐｉｎフォトダイオード、ショットキー障壁型フォトダイオード、アバランシェ増幅型フォトダイオード、及びフォトトランジスタを用いる事ができる。これもまた、各種レーザーと同様に本発明の方法で製造した光路変換部品の表面に実装し光導波路中の光信号を光路変換部品を介して受光する事ができる。
【００３１】
こうして、光導波路８の所定の場所に例えば、ホール空間径２００μｍ、光路変換部品の径を１２５μｍとすると、クリアランス７５μｍとなり、光路変換部品の１の側面や上面等にアライメントマークを複数形成することで、光導波路８の縦、横、及び深さ方向での光路ずれは埋設の際に最小限になるよう確実に調整できる。また、従来ミラー反射のみの方式に比べ、光路変換部品１は伝送路構造を有していることから、光信号を閉じ込めたままの状態を保持できる為、低損失である。また、本発明の製造方法によれば、光路変換部品１自体は生産効率の優れた光ファイバー状のガラス繊維を瞬時に放電加熱により溶融、接合するので製造コストが極めで安くできる。
【００３２】
また、放電加熱による方式では相互のガラス繊維を接続境界を残さずに完全に一体化できるので、接続境界の存在に伴う損失が殆ど発生しない。これらの結果、光路変換部品自体の損失、光電変換素子及び光導波路との接続を合わせたトータルの損失は、出力信号が入力信号に対して８０％以上、即ち１ｄＢ以下と大幅に改善され、実用化に多大な効果のあることが確かめられた。これは、光電変換素子や光導波路との接続面での洩れが大幅に低減し、光路変換部品自体の損失が極端に低い結果に由来しているからである。
【００３３】
上記のように、本発明に係わる製造方法では、低損失化できる略９０°光路を変換する部品を簡単な工程で精度良く製造することが可能になる。また、局所的に形成した光導波路のホール空間に光路変換部品を精度良い位置合わせが出来ことから、光路ズレに伴う結合損失を最小限に抑えることが可能になる。従って、如いては、低コストで高密度に且つ信号誤りのない光電素子を実装した光表面実装導波路の提供が可能になる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係わる光路変換部品によれば、光路を変換させるための反射面ならびにコア及びクラッド構造を部品内部に構成しているため、光信号の漏洩を発生させずに伝搬でき、更に光電変換部品／光路変換部品や光路変換部品／光導波路の接続境界での放射光・反射光を解消できる。また、光路変換部品の製造方法によれば、短時間に低コスト且つ入射光を低損失で光路変換し出射光にすることが可能である。
【００３５】
よって、本発明に係わる光表面実装導波路によれば、光路変換部品を任意の位置に設けた光導波路のホール空間に、光路ズレを伴うことなく精度良く設置できるので、表面実装する光電素子とを低結合損失で実装でき、信号誤りが減少する。
【００３６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光路変換部品を示す斜視図である。
【図２】本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。
【図３】本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。
【図４】本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。
【図５】本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。
【図６】本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。
【図７】本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。
【図８】本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。
【図９】本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。
【図１０】本発明の光表面実装導波路において光路変換部品を埋設する為のスルーホール形成斜視図である。
【図１１】本発明の光表面実装導波路の一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・光路変換部品
２・・・コア
３・・・クラッド
４・・・反射面
５・・・入射口
６・・・出射口
７・・・スルーホール
８・・・光導波路
９・・・コア
１０・・・クラッド
１１・・・光学接着剤
１２・・・面発光レーザーＶＣＳＥＬ
１２’・・・発光面
１３・・・フォトダイオード
１３’・・・受光面
１４・・・電極
１５・・・金錫ペースト
１６・・・基板
１７・・・電気配線

Claims

傾斜面が設けられたコア及びクラッドからなる伝送路構造を有する２以上の光学繊維の前記傾斜面同士を接合してなり、かつ、１の光学繊維の伝送路構造から他の光学繊維の伝送路構造へ光を伝搬する反射面を有することを特徴とする光路変換部品。
前記反射面に金属薄膜の単層或いはこれらを組み合わせた多層膜が成膜されたことを特徴とする請求項１記載の光路変換部品。
傾斜面が設けられたコア及びクラッドからなる伝送路構造を有する２以上の光学繊維の前記傾斜面同士を接触させ、次いで放電による加熱で溶融、接合し、略Ｌ字型に一体化させた後、略Ｌ字型の一角を研磨して反射面を形成することを特徴とする光路変換部品の製造方法。
コアとクラッドから構成された光導波路の表面に光電素子が実装された光表面実装導波路において、
光導波路内を伝搬する光信号が、光導波路のスルーホールに埋設された、傾斜面が設けられたコア及びクラッドからなる伝送路構造を有する２以上の光学繊維の前記傾斜面同士を接合してなり、かつ、１の光学繊維の伝送路構造から他の光学繊維の伝送路構造へ光を伝搬する反射面を有する光路変換部品により、略９０°光路変換され、光電素子に到達することを特徴とする光表面実装導波路。
光路変換部品のコア及びクラッドの屈折率と、光導波路のコア及びクラッドの屈折率とそれぞれ概ね一致していることを特徴とする請求項４記載の光表面実装導波路。