JP2010085476A - 光路変換体とそれを具備する光伝送基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 低損失な光路変換を可能にする光路変換体、およびそれを具備する光伝送基板を提供する。
【解決手段】 光導波路４の光の伝送方向を変換して外部へ導出する又は外部からの光の伝送方向を変換して光導波路４に導入するための光路変換体１であって、光導波路４の内部に設けられ、光を伝送させる第１のコア部３１ａを有し、光導波路４の光の伝送方向を別の伝送方向に変換する光路変換部２と、光導波路４上に突出するように設けられた突出部３であって、光導波路４の上面と密着可能な接触面３２を含み、第１のコア部３１ａと連続して設けられ、光路変換部２によって別の伝送方向に変換された光を伝送させる第２のコア部３１ｂを有する突出部３と、を具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光路を変換する光路変換体とそれを具備する光伝送基板に関する。

近年、コンピュータの情報処理能力の向上化にともなって、マイクロプロセッサとして使用される半導体大規模集積回路素子（ＬＳＩ，ＶＬＳＩ）等の集積回路（ＩＣ）では、トランジスタの集積度が高められており、ＩＣの動作速度は、クロック周波数でＧＨｚのレベルまで達している。それに伴い、電気素子間を電気的に接続する電気配線についても高密度化および微細化されたものが要求されていた。

しかしながら、電気配線の高密度化および微細化は、電気信号のクロストークおよび伝搬損失が生じやすい。このことから、半導体素子に入出力される電気信号を光信号に変換し、さらに、その光信号を実装基板に形成した光導波路などの光配線によって伝送される光伝送技術が検討されている。

光配線を用いた光伝送技術においては、回路基板の表面などに形成される光導波路のように、光を基板に対して略平行に伝送させるだけでなく、例えば、光を基板に対して略垂直に伝送させることで、光信号についても電気信号と同様に三次元的な伝送をおこなう光伝送技術が検討されている。

例えば、特許文献１には、光素子からの光を垂直方向に伝送させ、さらにその光の進路を変更させて光導波路に伝送させる光路変換体が開示されている。
特開２００４−３３３９２２号公報

光路変換体のコア部は、クラッド部のみと接触されているにすぎないため、コア部の密着性が低く、コア部が剥がれやすいなどの問題があった。

例えば、特許文献１における光路変換体のコア部は、光導波路との接触面に設けられた、金属から構成される光反射膜に保持されている。しかし、樹脂から構成されるコア部と光反射膜との密着性が弱く、長期にわたり使用することで、光路変換体のコア部が、熱変化等により剥がれやすくなる傾向があった。

本発明は以上のような従来の技術における課題を解決すべく案出されたものであり、その目的は、コア部の密着性を向上させることで長期にわたり使用が可能であり、かつ、低損失な光路変換を可能にする光路変換体、およびそれを具備する光伝送基板を提供することである。

本発明は、光導波路の光の伝送方向を変換して外部へ導出する又は外部からの光の伝送方向を変換して前記光導波路に導入するための光路変換体であって、前記光導波路の内部に設けられ、光を伝送させる第１のコア部を有し、前記光導波路の光の伝送方向を別の伝送方向に変換する光路変換部と、前記光導波路上に突出するように設けられた突出部であって、前記光導波路の上面と密着可能な接触面を含み、前記第１のコア部と連続して設けられ、前記光路変換部によって別の伝送方向に変換された光を伝送させる第２のコア部を有する突出部と、を具備する光路変換体に関する。

前記光路変換部は、前記光導波路の光路に対して傾斜した斜面を有し、前記斜面上に光反射膜をさらに具備することが好ましい。

また本発明は、前記光導波路を主面上に有する第１の基板と、はんだにより前記第１の基板と対向して接続され、両主面を貫通するように設けられた光伝送路を有する第２の基板と、を前記光路変換体と、を具備する光伝送基板に関する。

前記第２の基板の主面のうち前記第１の基板と対向する主面上に、前記第１の基板に向かってせり出すように設けられ、前記光路変換体と前記光伝送路との間に介在してこれらを光学的に結合させる第２の光伝送路を有する段部をさらに具備することが好ましい。

本発明によれば、光路変換体の突出部が、光導波路の上面と密着可能な接触面を含む第２のコア部を有することにより、第２のコア部の接触面と光導波路とが密着することで、コア部が光導波路に保持されて、コア部が光路変換体から光路変換体から剥がれにくくなる。よって、長期にわたる低損失な光路変換をおこなうことができる。

光路変換部は光導波路の光路に対して傾斜した斜面を有し、斜面上に光反射膜をさらに具備することにより、光導波路からの光の大部分を光経路へ、又は光経路からの光の大部分を光導波路へ伝送し、高効率な光路変換をおこなうことができる。

本発明の光伝送基板は、光導波路を主面上に有する第１の基板と、はんだにより第１の基板と対向して接続され、両主面を貫通するように設けられた光伝送路を有する第２の基板と、光路変換体と、を具備する。これにより、光路変換体の突出部が第１の基板と第２の基板との間の間隔を狭めるため、第１の基板と第２の基板との間における光の伝送損失の低減を抑え、第１の基板と第２の基板において低損失な光路変換を可能にする。また、光路変換体の突出部が第１の基板と第２の基板との間の間隔を狭めるため、はんだから出るフラックスが、第１の基板と第２の基板との間に浸入にくくする。さらに、接触面が光導波路の上面と密着していることで、フラックスによる光路変換部への浸入を抑制して、光導波路と光伝送路との高効率な光路変換をおこなうことができる。

第２の基板の主面上に、段部が設けられることにより、突出部と段部により第１の基板と第２の基板との間の間隔をさらに狭めることができるため、フラックスによる第１の基板と第２の基板との間への浸入を抑制して、光導波路と光伝送路との高効率な光路変換をおこなうことができる。また、段部と光路変換体とが近接しているため、基板間の光漏れを防ぎ、チャネル間のクロストークと損失を抑制することができる。

図面にもとづいて、本発明の実施態様の光伝送基板について説明するが、それらの図面は実施形態の一例に過ぎず、本発明はそれらに限定されるものではない。

図１は本発明の光路変換体と、光路変換体を設ける光導波路の一例を模式的に示す断面図である。１は光路変換体、２は光路変換部、３は突出部、３１はコア部、３１ａは第１のコア部、３２ａは第２のコア部、３２は接触面、３３は斜面、３４はクラッド部、４は光導波路、４１は光導波路のコア部、４２は光導波路のクラッド部、６は第１の基板を示す。

図２（ａ）は本発明の光路変換体の一例を模式的に示す斜視図である。図２において、５は光反射膜を示す。図２（ｂ）は、コア部４１の光の伝送方向と同方向に沿って図２（ａ）の光路変換体１および光導波路４を切断した断面図である。

図３は、本発明の光路変換体の接触面３２の長さおよび高さの位置を模式的に示す断面図である。

また、図４の（ａ）〜（ｈ）は、本発明の光路変換体の製造工程を模式的に示す断面図である。図５の（ｅ）〜（ｈ）は、図４（ｅ）〜（ｈ）の光路変換体の製造工程を模式的に示す上面図である。

さらに、図６において、８は第２の基板、８１は第２の基板の貫通型光伝送路のコア部、８２は第２の基板の貫通型光伝送路のクラッド部、９は光半導体素子、９Ａは受発光部、１０は段部、１４は金属層、１５ははんだボールを示す。

本発明の光路変換体１は、光路変換部２と突出部３とを具備する。以下、各構成について記載する。

（光路変換部２）
光路変換部２は、光導波路４の内部に設けられ、光導波路４の光の伝送方向を別の伝送方向に変換する。

光路変換部２は、光の伝送が可能な透明樹脂によって構成されており、材料として、光を照射すると屈折率が低下するフォトブリーチング現象を生じるポリシラン、あるいは光を照射した部分以外が現像により除去できる感光性の透明アクリル系樹脂、透明エポキシ樹脂等を挙げることができる。

光路変換部２は、コア部（以下、第１のコア部３１ａ）とクラッド部（不図示）とから構成される。第１のコア部３１ａはクラッド部よりも比屈折率差が１〜３％高く、第１のコア部内に光信号を閉じ込めて、低損失で光導波路のコア部４１に伝搬することができる。

なお、光路変換部２を内部に設ける光導波路４も、光路変換部２と同様に光導波路のコア部４１、光導波路のクラッド部４２によって同軸構造に構成されている。光導波路の作製は一般的な方法により行われる。光導波路４の具体的な寸法としては、例えば、クラッド４２の下部の厚みが１５〜２５μｍ、コア４１の断面サイズが３５〜１００μｍ角、クラッド４２の上部の厚みが１５〜２５μｍである。

第１のコア部３１ａは、光導波路２のコア部４１と対応するように設けられる。具体的には、光路変換部２とそれを設けた光導波路４を、上面から透視した場合、第１のコア部３１ａは光導波路２のコア部４１と同一直線状に並ぶように設けられる。

光路変換部２は、光導波路４の光路に対して傾斜した斜面３３を有する。斜面３は、光導波路２の光軸方向に対して傾斜している。例えば光軸方向に対して４５度に傾斜する斜面３３によって光の光路方向を９０度変換し、光路を変更させる。斜面３３は、例えば略４５度の断面を持つダイシングブレードにより作製される。

斜面３３上には光反射膜５がさらに設けられる（図２（ｂ）参照）。光反射膜５は、具体的には、斜面３３に、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケルなどの金属を、薄く膜付け又は塗布されることにより設けられる。

（突出部３）
突出部３は、図１および２に示すように、光導波路４の主面上に突出するように設けられる。突出部３の厚みは１〜２００μｍである。

得られた突出部３は、光導波路４から突出しているため視認性が良く外部の部品を実装する際にマーカとしての役割を果たす。また、フォトプロセスによって高精度に形成されている場合には、突出部３は嵌合部品としての役割も果たし、実装位置決めを行う事が出来るので調芯を行うこと無く高効率な光伝送を可能とする。また、実装時に光学経路間の距離を短縮することも可能であり、光学損失を低減させる事が出来る。凸部の高さが十分にある場合には光学部品間を結合させることも可能である。

突出部３は、第２のコア部３１ｂを有する。第２のコア部３１ｂは光路変換部２によって別の伝送方向に変換された光と光学的に結合する。第２のコア部３１ｂは、光路変換部２と同様に光の伝送が可能な透明樹脂によって構成されている。材料は光路変換部２と同様のものから構成される。第２のコア部３１ｂは突出部３の屈折率分布のうち、屈折率の高い部位をいう。突出部３のうち第２のコア部３１ｂ以外の部位は、第２のコア部３１ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する突出部３のクラッド部３４となる。図１および図２（ｂ）においては、コア部３１以外の部位は突出部のクラッド部３４である。

なお、第２のコア部３１ｂは、光伝送方向に対する断面が円形を有し、その直径は約３５〜１００μｍである。

第２のコア部３１ｂは、第１のコア部３１ａおよび光導波路２のコア部４１と対応するように設けられる。具体的には、光路変換体１とそれを設けた光導波路４を、上面から透視した場合、第２のコア部３１ｂは第１のコア部３１ａと光導波路２のコア部４１とが同一直線状に並ぶように設けられる。

光導波路４内にコア部４１が複数設けられている場合、第２のコア部３１ｂは、図２に示すように、光路変換体１の突出部３内において、それぞれのコア部４１に対応して複数設けられる。これにより、後述する接触面３２の面積が増加して、光導波路４と接触面３２との間で強い密着性が得られる。

突出部３において第２のコア部３１ｂは、接触面３２を有する。接触面３２とは、第２のコア部３１において光導波路４の上面と接している部位をいう。接触面３２は、例えば、フォトリソグラフィによって光導波路４上に設けられる。接触面３２と光導波路４とが、密着することで、接触面３２が、光導波路４に光路変換体１を保持するために、長期にわたり使用しても、光導波路４から光路変換体１が剥がれにくくなり、低損失な光路変換をおこなうことができる。とくに、突出部３と光導波路４とが共にエポキシ樹脂の場合は、突出部３の接触面３２と光導波路４とを分子レベルで水素結合することができ、接触面３２と光導波路４との密着性を向上させることができる。

接触面３２の材料として、光を照射すると屈折率が低下するフォトブリーチング現象を生じるポリシラン、あるいは光を照射した部分以外が現像により除去できる感光性の透明アクリル系樹脂、透明エポキシ樹脂等を挙げることができる。

接触面３２と光導波路４とはともに同種の樹脂であることが好ましく、ともに、エポキシ樹脂であることがより好ましい。接触面３２と光導波路４とがともにエポキシ樹脂であることにより、接触面３２と光導波路４との間に互いに水素結合が生じるため、接触面３２と光導波路４との強い密着性が得られる。

ここで、図３において、光路変換体１における接触面３２の長さＡおよびＢ、ならびに光路変換部２の高さＣを示す。なお、長さＡは光路変換部２の斜面３３側の接触面３２の長さを、また、長さＢは光路変換部２の垂直面側の接触面３２の長さをそれぞれ示す。

長さＡは１０〜１０００μｍである。また、長さＢは１０〜１０００μｍである。高さＣは１０〜３００μｍである。

ここで、長さＡと長さＢは互いに等しいことが好ましい。これを満たすことにより、膨張による応力の緩和より光路変換体１のコア部３１の剥がれを抑制することができる。

また、光路変換部２の高さＣと長さＡとの関係は、Ａ＝Ｂ>Ｃであることが好ましい。これを満たすことにより、膨張による応力の緩和により光路変換体１のコア部３１の剥がれを抑制することができる
以下に、本発明の光路変換体１とそれを設けるための光導波路４の製造方法について図４および図５をもとにして説明する。

例えば、紫外線硬化型のアクリル系樹脂またはエポキシ系樹脂等の感光性ポリマー樹脂を用いて、第１の基板６の上面に低屈折率の感光性ポリマー樹脂を塗布し、加熱硬化させた後、フォトマスクを介して紫外光を照射して現像を行うことにより紫外光未照射部の樹脂を除去し、クラッド部４２の下部を形成する。

さらに、クラッド部４２の下部の上に、高屈折率でクラッド部４２よりも屈折率の高い感光性ポリマー材料を塗布し、加熱硬化させた後、フォトマスクを介して紫外光を照射して現像を行った後に紫外光未照射部の樹脂を除去しコア部４１を形成する。その後にコア部４１上に屈折率の低い材料を塗布し、フォトマスクを介して紫外光を照射して現像、ポストベークを行うことにより、コア部の周囲にクラッド部４２を形成し、光導波路４を形成する（図４（ａ））。

次に、光導波路４に対して、型押し、エッチング、ダイシング、レーザ加工等によって４５°光路変換面を形成するための溝を作製する（図４（ｂ））。

さらに作製した溝の上に金属または低屈折率体を設けることによって光反射膜５を作製する（図４（ｃ）。光反射膜３に形成する金属としては、金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ）等の様に反射率の高い材料またはコア部４１よりも低い屈折率の低い材料の低屈折率体が望ましい。具体的には金属を蒸着する事によって光反射膜５を得る。

光導波路４の光反射膜５以外に付着した金属を除去する為に、余分な金属をダイシングする(図４（ｄ）)。

さらに、光導波路４の上から、高屈折率の感光性ポリマー材料を塗布する(図４（ｅ）および図５（ｅ）)。

加熱硬化させた後、フォトマスクを介して紫外光を照射した後に現像を行うことにより紫外光未照射部の樹脂を除去し、第１のコア部３１ａおよび第２のコア部３１ｂを形成する(図４（ｆ）および図５（ｆ）)。

また、低屈折率の感光性ポリマー材料を塗布し、加熱硬化させる（図４（ｇ）および図５（ｇ））。その後、フォトマスクを介して紫外光を照射した後に現像を行うことにより、紫外光未照射部の樹脂を除去し、光路変換部２のクラッド部と突出部３のクラッド部３４とを形成する（図４（ｈ）および図５（ｈ））。

以上の方法により光路変換体１を作製することができる。

図６は、本発明の光伝送基板の一例を模式的に示す断面図である。

図６には、第１の基板６と第２の基板８とが積層されて光接続された光伝送基板を示している。この光伝送基板の第２の基板８上には光半導体素子９が設けられており、光半導体素子９の下部には受発光部９Ａが設けられている。また、第１の基板６上に光路変換体１が設けられている。そして、光半導体素子９の受発光部９Ａと光路変換体１とは光学的に結合している。第２の基板８には、光半導体素子９受発光部９Ａと光路変換体１との光学的な結合を満足させるために、第２の基板８を貫通するように貫通型光伝送路が設けられている。この貫通型光伝送路は、コア部８１とクラッド部８２とから構成される。なお、貫通型光伝送路は、光伝送方向に対する断面が円形を有し、その直径は１００〜２００μｍであり、コア部８１の直径は３５〜１００μｍである。

また、第１の基板６と第２の基板８とは、はんだボール１５などにより電気的に接続している。なお、第１の基板６と第２の基板８の間には、はんだボール１５によって、約１〜１０００μｍの間隔が存在する。

はんだボールには主に有機系溶剤によるフラックスが含まれており、加熱によって拡散する。はんだボールの垂直方向高さ分だけ第１の基板６と第２の基板８とが離れてしまい、第１の基板６と第２の基板８のそれぞれ互いに向かい合う面上にフラックスが付着する傾向がある。一般的にフラックスは無色透明であるが、反応で白濁したり、経時変化で茶褐色に変色するため、光伝送路の露出面に付着することは光損失を生じさせる傾向があり、基板間の光接続の実現が困難な場合があった。

本実施態様では、図６に示すように、第１の基板６に段部１０を設け、第２の基板８上の光路変換体１とともに、第１の基板６と第２の基板８との間の隙間を塞ぐようにすることで、フラックスが、第１の基板６および第２の基板８の露出面を覆う可能性を低減させ、光の伝搬性能の低減を抑制することができる。

なお、段部１０としては厚さ０．３〜０．５ｍｍが好ましい。段部１０は、エポキシ樹脂のような樹脂から構成される。

段部１０は、フォトリソグラフィにより形成することもできる。第１の基板６に対して、必要な厚みの感光性樹脂を塗布し、露光・現像によりパターニングを行う。これにより、段部１０となる部分以外の余分な感光性樹脂は現像により除去される。

段部１０を設ける場合、第１の基板６に設けられた貫通型光伝送路は段部１０にまで延長して設けられる。これにより、段部１０内にも光信号を伝送させることができる。

本発明の光路変換体の一例を模式的に示す断面図である。 （ａ）は本発明の光路変換体の一例を模式的に示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のコア部４１およびコア部３１に沿って光路変換体１および光導波路４を切断した断面図である。 本発明の光路変換体の接触面３２の長さおよび高さの位置を模式的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｈ）は、本発明の光路変換体の製造工程を模式的に示す断面図である。 （ｅ）〜（ｈ）は、図３（ｅ）〜（ｈ）の光路変換体の製造工程を模式的に示す上面図である。 本発明の光伝送基板の一例を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 光路変換体
２ 光路変換部
３ 突出部
３１ コア部
３１ａ 第１のコア部
３１ｂ 第２のコア部
３２ 接触面
３３ 斜面
３４ 突出部のクラッド部
４ 光導波路
４１ 光導波路のコア部
４２ 光導波路のクラッド部
５ 光反射膜
６ 第１の基板
８ 第２の基板
８１ 第２の基板の貫通型光伝送路のコア部
８２ 第２の基板の貫通型光伝送路のクラッド部
９ 光半導体素子
９Ａ 光半導体素子９の受発光部
１０ 段部
１４ 金属層
１５ はんだボール
Ａ 光路変換部２の斜面３３側の接触面３２の長さ
Ｂ 光路変換部２の垂直面側の接触面３２の長さ
Ｃ 光路変換部の高さ

Claims (4)

1. 光導波路の光の伝送方向を変換して外部へ導出する又は外部からの光の伝送方向を変換して前記光導波路に導入するための光路変換体であって、
   前記光導波路の内部に設けられ、光を伝送させる第１のコア部を有し、前記光導波路の光の伝送方向を別の伝送方向に変換する光路変換部と、
   前記光導波路上に突出するように設けられた突出部であって、前記光導波路の上面と密着可能な接触面を含み、前記第１のコア部と連続して設けられ、前記光路変換部によって別の伝送方向に変換された光を伝送させる第２のコア部を有する突出部と、
   を具備する光路変換体。
2. 前記光路変換部が、前記光導波路の光路に対して傾斜した斜面を有し、前記斜面上に光反射膜をさらに具備する請求項１記載の光路変換体。
3. 光導波路を主面上に有する第１の基板と、
   はんだにより前記第１の基板と対向して接続され、両主面を貫通するように設けられた光伝送路を有する第２の基板と、
   請求項１または２記載の光路変換体と、
   を具備する光伝送基板。
4. 前記第２の基板の主面のうち前記第１の基板と対向する主面上に、前記第１の基板に向かってせり出すように設けられ、前記光路変換体と前記光伝送路との間に介在してこれらを光学的に結合させる第２の光伝送路を有する段部をさらに具備する請求項３記載の光伝送基板。

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