JP2006215289A - 光回路用基板およびこれを用いた光回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】光電気混載基板の製造において電気回路配線と光導波路の相互の位置あわせを容易にし、また電気回路配線を設計するさいに光銅波路の設計の負担を軽減し、電気回路配線の設計自由度を高める光電気混載用基板を提供する。
【構成】基板面に平行な面内の少なくとも一部に、複数のコアがクラッドを介して並列に配置されていて、各コア近傍にはコアを特定するための識別符号が形成されていることを特徴とする光回路用基板であり、またこの光回路用基板に光の入出部を形成する工程を含む光回路基板の製造方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は高分子光導波路に関し、特に光集積回路、光インターコネクション用光学部品、光電気混載板等を製造する方法に関する。

光部品、あるいは光ファイバの基材としては、光伝搬損失が小さく、伝送帯域が広いという特徴を有する石英ガラスや多成分ガラス等の無機系の材料が広く使用されているが、最近では高分子系の材料も開発され、無機系材料に比べて加工性や価格の点で優れていることから、光導波路用材料として注目されている。例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、あるいは、ポリスチレンのような透明性に優れた高分子をコアとし、そのコア材料よりも屈折率の低い高分子をクラッド材料としたコア−クラッド構造からなる平板型光導波路が作製されている（特許文献１）。これに対して耐熱性の高い透明性高分子であるポリイミドを用い低損失の平板型光導波路が実現されている（特許文献２）。

高分子光導波路の用途の一つとして、光電気混載基板が考えられている。この光電気混載基板とは、高分子光導波路と電気のプリント配線板との積層構造や、高分子光導波路に直接電気配線したものが考えられている。これらの光電気混載基板では電気回路を形成する面と光導波路を形成する面とが異なる。そのため電気回路配線パターンと光導波路を構成するコアパターンを別々に作製する時の相互の位置あわせが困難である。さらには光電気混載基板の用途や設計によって光入出力の場所が異なるために、都度、光電気混載板の設計に合わせた光回路設計を行って、それに添ったコアパターンを作製する必要がある。
特開平０３-１８８４０２号 特開平０４−９８０７ 号

本発明の目的は、上記の課題を回避すべく、光電気混載基板の製造において電気回路配線と光導波路の相互の位置あわせを容易にし、また電気回路配線を設計するさいに光銅波路の設計の負担を軽減し、電気回路配線の設計自由度を高める光電気混載用基板を提供することにある。

本発明者は、鋭意検討した結果、コアの位置情報が付与された光導波路を形成しておくことにより、前記課題を解決することを見出し、本発明を完成させた。すなわち本発明は、基板面に平行な面内の少なくとも一部に、複数のコアがクラッドを介して並列に配置されていて、各コア近傍にはコアを特定するための識別符号が形成されていることを特徴とする光回路用基板である。

前記コアにさらにこれと交差する複数の第２のコアが並列に形成されていてもよい。
本発明において前記コアが形成されていない面に導体層が形成されていることは好ましい態様である。この導体層はパターニングされてないものでもよく、電気配線がパターニングされていてもよい。

また本発明は、上記光回路用基板で光導波をすべきコアを特定し、そのコアに導波すべき光を入射または出射する箇所にコアを切断する穴を設けて反射面を形成する工程を含む光回路基板の製造方法である。

さらに本発明は、基板面に平行な面内の少なくとも一部に、複数のコアがクラッドを介して並列に配置されている光回路用基板に、コアに焦点をあわせた検出光をコアを横切る方向に走査させ反射光または透過光強度の変化をカウントすることによりコアを特定し、特定したコアに導波すべき光を入射または出射する箇所にコアを切断する穴を設けて反射面を形成する工程を含む光回路基板の製造方法である。

この複数のコアが形成された面と対向した面に、複数のコアの少なくとも１つを利用する光回路または電気回路が形成される。例えば発光素子をその回路の１要素とすると、発光素子およびそれを駆動するための電気回路配線の設計において、発光素子の設置位置を複数のコアの形成された範囲に投影される位置に決めさえすれば、その設置位置に一番近いコアを選択して発光素子からの光をコアに導く穴をあけると同時にコアを切断する反射面を形成することにより、発光素子からコアに至る光路を形成することができる。

並列して配置されるコアのピッチは小さいほど電気回路に接続される受発光素子や光素子を設置する場所の自由度は大きくなる。一方コアのピッチが小さすぎると隣接するコアへの光の漏洩が生じ、損失が大きくなる。コアのピッチはコア間の間隔として、５μｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。より好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下である。また少なくとも１０ｍｍ幅を埋めるように20本〜300本のコアがクラッドを介して並列に形成されていることが望ましい。

コアが交差する場合は、並列するコアのピッチはコア幅の２倍以上が適当である。これにより交差するコア同士の干渉を小さくすることができ、かつ光入出部の位置設定が行いやすくなる。

本発明において、クラッドを介して並列に配置された複数のコアのうち、実際に利用されるのは一部であり、その他のコアは利用されない、いわゆるダミーである。複数のコアの形成は光リソグラフィにより一括で行えるため、例えば予め電気回路にあわせてコアパターンを形成する場合に比べてコア形成の工程数を変えずにできる。

ここで光回路用基板とは、少なくともコアとクラッドを備えた光導波路を含む基板で、コアへの光の入出力部が形成されていないものをいう。この光回路用基板をさらに加工して電気配線が形成されて必要により各種電子素子や光電素子が搭載され、コアへの光の入出力部が形成されて光電気混載基板となったり、あるいは電気配線や必要により各種電子素子や光電素子が搭載される電気配線基板と積層され、さらにコアへの光の入出力部が形成されて光電気混載基板となる。

光電気混載基板は光導波路と電気回路をともに備えたものをいい、電気回路としては例えば受発光素子を駆動する電気回路、光導波路を導波する光が該光導波路あるいは光導波路外で電気光学効果を発現するための電界付与のための回路が挙げられる。また、光回路基板とは光導波路を備え必要なコアに光の入出力部が形成されたものをいう。ここでは電気配線を含まない光回路だけを備えた基板だけでなく、光電気混載基板も含めて光回路基板という。

本発明による光回路用基板は種々の信号伝送経路に対応できるため、光電気混載基板を含む光回路基板ごとに光導波路のコアパターンの設計を変更する必要が無く、その製作に用いられるフォトマスクは同一のものが使える。また光電気混載板の電気回路配線を設計する際にも、電気回路配線にとって最適な配線を設計し、光結合の必要な箇所は近くにあるコアを選択することができるので最適な回路設計のための自由度も増し、かつ全体で基板コストを低減することが出来る。

以下、本発明を図を用いて詳細に説明する。ここでは、光導波路層としてポリイミド光導波路を例に挙げて説明するが、光導波路および電気配線板の材料としてポリイミド以外の樹脂を用いることももちろん可能である。また、光電気混載基板として光導波路層と電気配線板層とが積層している構造だけでなく、光導波路に直接電気配線が施されている場合や、更には、光導波路単体の場合も可能である。なお、コアとクラッドは樹脂からなることが、加工が容易になるので好ましい。

図１に本発明の光導波路の一例を示す。クラッド１とコア２からなる光導波路において、コアが直線であり、あるピッチで数多く配線されている。ここでは、コアは直線のパターンを描いたが、直線以外のパターンを用いても構わない。回路設計する際にはこれら並列に並んだ複数のコアのうちのいずれかのコアを選ぶことになる。
光導波路に利用するコアを特定する方法は、次のような方法がある。

１つの方法は、図２に示すように、各コアの近傍でコア２に沿って、コアを特定する識別符号４となる数字または文字などを付しておく。この識別符号には、数字やローマ字など様々なものを用いることが出来る。この識別符号は、コアの延びる方向に沿ってある周期で繰り返し形成しておくと識別符号を見つけやすくなる。この識別符号は光リソグラフィでコアを形成する時に同時に刻印しておけばよい。

コア特定のための別の方法として、適度な大きさのビームに絞りかつコア位置に焦点を合わせた検出用の光をコアを横切る方向に走査して、コアを横切る時の反射光の強度変化の回数をカウントすることにより、コアの数を求めることにより、コアを特定することもできる。反射光でなく透過光の強度変化を求めてもよい。そして必要であれば、特定したコアの近傍に目印となるマーカを形成してもよい。このマーカは、レーザ光を照射することによっても形成できる。これらの方法により、光接続すべき箇所、例えば光のコアへの入力部、コアからの出力部あるいはコア内での反射部を形成すべきコアを特定することができる。

特定したコアの必要箇所に光入出部を形成する方法を、次に説明する。
図７に示した光導波路の断面において、コア２はクラッド１に上下を挟まれている（図７(a)）。この光導波路の入出力部に斜めからレーザを照射して斜めの穴３３を形成してコアを切断する(図７(b)）。コアの切断面がミラーとなる。ミラーの傾斜角度を４５度にすればコアとコアに対して垂直な方向への光路３４を得ることができる(図７(c)）。レーザを斜めに照射するのではなく、垂直に照射して穴をあけて、その穴に光ピンとなるミラー付の短い光導波路あるいは光ファイバを挿入することにより、光入出部を形成することもできる。

図８は光導波路埋め込み型の光電気混載基板に対してのミラー形成方法である。ここではコア２とクラッド１からなる光導波路の両面に電気配線層３５が形成されているために(図８(a)）、上からではコア２が見えない場合がある。その場合、光の入出力部に電気配線板のない基板を用いるか、あるいはエキシマレーザを照射するなどにより電気配線層にコアまで達しない穴３６を形成する(図８(b)）。この穴をとおして識別符号を認識する。その後、斜めからエキシマレーザを照射することにより、ミラー(図８(c)）を形成する。不透明な層で光導波路が囲まれたために、光導波路のコアが観察できない場合も、同様に穴明けや予め穴のあいた層を用いることによって位置情報を取得し、光路３４となる光の入出力部は形成できる（図８(d)）。

基板全体あるいは１つの領域だけに並列した複数のコアを備えるだけではなく、基板を複数の領域に分け、その内のいくつかの領域内で並列した複数のコアを備えることもできる。その場合異なる領域ではコアのパターンは異なってもよい。図４では４つの領域11に分け、それぞれの領域内で光伝送を行う例を示す。図示してないが、コア12とコアの間にコアを特定する番号を表示しておけばよい。

次に、図５にはクラッド２１を介して並列した複数のコア２２とこれに直交する複数の並列したコアが形成されていて、コアパターンが網目状になっている例を示す。これにより、一方向だけでなく、別の方向への光導波が可能となる。なおコアが交差する箇所で多少の損失が生じるが、設計により許容可能な損失にすることができる。回路設計に応じて、光入出力の必要な箇所に穴をあけて９０°変換用ミラーを形成すればよい。

さらにこのようなパターンを用いることにより、基板内の任意の場所で光の入出力が可能となる。図６には、図５と同様にクラッド２１とコア２２からなる光導波路において網目状にコア２２が形成されている。ここではコアの交差点にミラーが形成される。ミラーの形成方法の一例としてレーザ加工がある。ミラーを形成する箇所にレーザを垂直に照射して、コアの一部を垂直に切断する穴３１を形成することにより、コアの切断面がミラーとなる。このミラーを介して光路変換を行うことにより、所望の場所まで伝送させる。光入出力部３２は所望の箇所に穴を形成し、９０°変換用の微小ミラーを挿入するか、あるいは、直接光導波路に９０°変換用の斜めの穴をあけてコア断面をミラーとして用いればよい。このようにして、点線で示した光路２３を得ることができる。このとき、各直線の導波路には識別符号として番号を割り当てておくことにより、用いるコアを特定することができる。ミラーを形成する交差部は二つの番号の組み合わせとなる。

また、図９に示すように、レーザ加工により交差部の中央に頂点を有する横断面が矩形状の穴４１を形成することにより、単純な光路変換だけでなく、１対２の光分岐が可能となる。交差部の矩形状の穴は同形状のフォトマスクを通してエキシマレーザを照射して垂直に穴をあける。穴４１の壁の一部として形成されるコア端面に向かう光路４２で伝搬してきた光はコア端面で分波され、分岐光はそれぞれが９０度光路変換された二方向の光路４３、４３‘へ進んでいく。この手法を用いることにより、１対１だけでなく、１対多の光伝送が基板内の自由な場所で可能になる。

図３(a)には基板全体を四つの領域に分け、１つの領域１１から他の３つの領域へ無数のコア１２で結ぶ形態を示した。ここで、コアが交差する交差部１３は、図３(b)に示すようになるべく９０度に近い角度で交差させるようにする。交差部が多く、損失が問題となる場合は、光回路層を二層以上の構造にすることが好ましい。そのとき、光入出力の場所を調整すればよい。更に、必要であれば、全てのパターンは等長配線とする。また、この場合も、図２のようにコアパターンにはそれぞれ位置情報として番号を付与すればよい。

光導波路層が多層構造であって、図１、図３、図４、図５のパターンいずれかあるいはそれぞれを各層構成に用いることにより、許容損失値、用途に合わせた経路を選択することができ、ユーザにとって使いやすい光導波路および光電気混載基板となる。光入出力用ミラーの位置を調整することだけで実現できる。このとき、光の入出力部はそれぞれのパターンが重ならない場所とすればよい。

引き続いて、いくつかの実施例を用いて本発明を更に詳しく説明する。なお、分子構造の異なる種々の高分子を用いることにより数限りない本発明の光導波路および光電気混載基板が得られることは明らかである。したがって、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
５インチシリコンウェハ上に２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物（６ＦＤＡ）と２，２−ビス（トリフルオロメチル）−４, ４' −ジアミノビフェニル（ＴＦＤＢ）から形成されるポリイミドをクラッドとして、６ＦＤＡとＴＦＤＢおよび６ＦＤＡと４, ４' −オキシジアニリン（ＯＤＡ）の共重合ポリアミド酸溶液から形成されるポリイミドをコアとして、フォトリソグラフィとドライエッチング技術により埋め込み型光導波路フィルムを作製した。このとき、コアパターンは、７ｃｍ角の中に一方向に２５０μｍピッチで並列するコアとこれと交差するコアからなる網の目状のコアパターンを形成した。各コア幅３５μｍ、高さは、３０μｍとした。また、コアの左側４０μｍの位置に、１ｍｍ周期で、端からそれぞれ１から１４０までパターンに沿って識別のための番号付けをしておいた。これは、コア形成時のマスクパターンにこの番号を付与しておくことでコアのパターニングと同時に形成された。

次に、光入出力用の微小鏡を形成した。番号５０のコアに対して、微小鏡形成を行った。光導波路を５１度に傾け、ＫｒＦエキシマレーザ加工により微小鏡を形成した。エキシマレーザ加工には、マスク投影法を用いた。光導波路上で１辺２００μｍの正方形となるようなマスクを用いた。これで、1辺２００μｍの穴を明けることができる。２００パルス／秒で３秒間、光導波路に対して照射した。照射強度は、光導波路上で約０．４ｍＪ／パルスであった。この照射を二箇所行い、それぞれ光の入力側、出力側とした。外部からの光を９０度光路変換し、光の入出力を行った。光入力部から、光ファイバで波長８５０ｎｍの光を挿入し、光出力部において９０度光路変換用微小鏡で反射した光をＣＣＤカメラで観測したところ、反射スポットが観測され、光伝搬が確認できた。

（実施例２）
実施例１と全く同様の光導波路パターンを形成した。
次に、フレキシブル配線板である片面銅箔付きポリイミドフィルムを二枚用意し、光電気混載基板を作成した。フッ素化ポリイミド光導波路の両面に接着層として、熱可塑性ポリイミドをそれぞれ熱処理後１０μｍの厚みになるようにスピンコートし、熱処理をした。この熱可塑性ポリイミドはオキシジフタル酸ニ無水物(ODPA)とアミノフェノキシベンゼン(APB)からなるポリイミドを用いた。
次に、二枚の片面銅箔付ポリイミドフィルムを熱可塑性ポリイミド膜がコートされた光導波路フィルムのポリイミドフィルム面両側に加熱プレスにより接着固定した。加熱プレスは、プレス温度２５０℃、プレス圧力２ＭＰａ、プレス時間４時間で行った。

次に、光入出力用の微小鏡を形成した。番号５０のコアに対して、微小鏡形成を行った。銅層を塩化第二鉄水溶液によって、ウェットエッチングした。基板の材料によってコアが見にくい場合は、光電気混載基板上で1辺が１ｍｍの照射径になるようなマスクを用いて、番号５０付近にＫｒＦエキシマレーザを照射した。２００パルス／秒で０．６秒間、光導波路に対して照射した。照射強度は、光導波路上で約０．４ｍＪ／パルスであった。この照射を光の入力側、出力側となる二箇所に行ってその箇所の表層を除去した。次に、実施例１と同様に、基板を５１度に傾け、光の入力側と出力側にそれぞれ前後してエキシマレーザを照射して穴を形成した。照射条件は、光電気混載基板上で1辺が２００μｍの照射径となるようなマスクを用い、２００パルス／秒で３秒間照射した。このようにして入力側と出力側の二箇所にコア切断面からなる微小鏡を形成した。基板の光入力部から、光ファイバで波長８５０ｎｍの光を挿入し、基板の光出力部において９０度光路変換用微小鏡で反射した光をＣＣＤカメラで観測したところ、反射スポットが観測され、光伝搬が確認できた。

（実施例３）
実施例１と全く同様の光導波路パターンを形成した。
次に、この光導波路パターンを用いて、光伝送経路の形成を行った。縦１コアにおいて横１コアとの交差部と横２コアとの交差部の中間に光を入射部を設け、横１４０コアにおける縦１４０コアとの交差部と縦１３９コアとの交差部の中間に光の出射部を設けることを設計した。つまり、縦１のコアを伝搬し、縦１コアと横１４０コアの交差部で面内で９０°光路変換し、横１４０のコアを伝搬させる光路である。まず、ＫｒＦエキシマレーザ加工により、縦１コアと横１４０コアの交差部に図６に示すようにコアを貫通する穴３１をＫｒＦエキシマレーザ加工により垂直にあけた。このとき形成されたコア切断面により面内に９０度光路変換できる。穴あけの条件は、光導波路上に1辺が２００μｍの照射径となるようなマスクを用いた。これで１辺が２００μｍの穴を明けることができる。２００パルス／秒で２秒間、光導波路に対して照射した。照射強度は、光導波路上で約０．４ｍＪ／パルスであった。

次に、光入出力用のミラーを形成した。光の入射部と出射部にそれぞれレーザで斜めの穴をあけて形成されたコアの切断面がミラーとなる。その形成法は、光導波路を５１度に傾け、先ほどと同じマスクを用いて、光入出力部にＫｒＦエキシマレーザを先ほどと同じ照射光量で３秒間照射した。これにより、外部から基板面に垂直に入射する光を９０度光路変換し、縦１コアへの光の入力を行った。光入力部から、光ファイバで波長８５０ｎｍの光を挿入し、横１４０コアの光出力部において９０度光路変換用ミラーで反射した光をＣＣＤカメラで観測したところ、反射スポットが観測され、光伝搬が確認できた。この光導波路に入出力や光路変換のための穴をあける前に電気配線基板と貼り合わせておき、電気配線基板を通してこれらの穴をあけることにより、電気混載基板となる。

本発明の光導波路の一例を示す図 本発明の光導波路の識別符号の一例を示す図 本発明の光導波路の一例を示す図 本発明の光導波路の一例を示す図 本発明の光導波路の一例を示す図 本発明の光導波路における面内光路変換の一例を示す図 本発明の光導波路における光入出力部の形成方法の一例を示す図 本発明の光電気混載基板における光入出力部の形成方法の一例を示す図 本発明の光導波路を用いた２分岐の一例を示す図

符号の説明

１：クラッド、 ２：コア、 ４：識別符号、
１１：領域、 １２：コア、 １３：コアの交差部、 ２１：クラッド、
２２：コア、 ３１：穴、 ３２：光入出力部、
３３：穴、 ３４：光路、 ３５：電気配線層、
３６：穴、 ４１：穴、 ４２：光路、 ４３：光路

Claims (5)

1. 基板面に平行な面内の少なくとも一部に、複数のコアがクラッドを介して並列に配置されていて、各コア近傍にはコアを特定するための識別符号が形成されていることを特徴とする光回路用基板。
2. 前記コアにさらにこれと交差する複数の第２のコアが並列に形成されている請求項１に記載の光回路用基板。
3. 前記コアが形成されていない面に導体層が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光回路用基板。
4. 請求項１乃至請求項３の光回路用基板で光導波をすべきコアを特定し、そのコアに導波すべき光を入射または出射する箇所にコアを切断する穴を設けて反射面を形成する工程を含むことを特徴とする光回路基板の製造方法。
5. 基板面に平行な面内の少なくとも一部に、複数のコアがクラッドを介して並列に配置されている光回路用基板に、コアに焦点をあわせた検出光をコアを横切る方向に走査させ反射光または透過光強度の変化をカウントすることによりコアを特定し、特定したコアに導波すべき光を入射または出射する箇所にコアを切断する穴を設けて反射面を形成する工程を含むことを特徴とする光回路基板の製造方法。