JP2021148852A - 光電融合モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光回路チップとの接続を適切に行う。【解決手段】支持基板１、支持基板上に形成されるクラッド２、及び、クラッド中に埋設され、光導波路コア４を含む光回路チップ１０と、光ファイバ接続端子部２０ａを有し、所定位置に光回路チップが設置される電子回路基板２０と、光導波路コアの光路を変換する光路変換部１５とを備え、光路変換部は、光回路チップの所定箇所に設けられる光導波路コアの端部４ａと、端部と光ファイバ接続端子部とを接続する接続導波路コア１３と、接続導波路コアを覆って形成される封止層１４と、から構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光電融合モジュール及びその製造方法に関し、例えば、シリコンフォトニクスチップと外部の光ファイバとを接続する光接続に関する。

光電融合モジュールは、光集積回路と電子回路とを一体化したものである。この光集積回路は、例えば、シリコンフォトニクスのような受光素子、光変調素子、波長合分波を一つの回路として集積したものである。外部と接続するために、光集積回路と光ファイバとを接続する必要がある。

例えば、特許文献１には、４５度に傾斜したミラーで光を直角方向に反射させる技術が開示されている。特許文献２には、傾斜した光ファイバを押し当てて接続する技術が開示されている。特許文献３には、グレーティングカプラが開示されている。また、非特許文献１には、シリコンを湾曲させて上に導波する技術が開示されている。

特表２０１４−５２２９９９号公報 特許第６２６４８３２号 特開平１１−２８１８３３号公報

"シリコンフォトニクスの画期的な光入出力技術を開発"，［online］，2016年1月28日，産業技術総合研究所,［令和2年1月25日検索］,インターネット<URL:https://www.aist.go.jp/aist_j/new_research/2016/nr20160128/nr20160128.html>

上記何れの特許文献や非特許文献でも、光集積回路（光回路チップ）と光ファイバとを適切に接続する方法までは、考慮されていなかった。
例えば、光集積回路は、多チャンネル化のため、複数の導波路コアを並列させ、複数の光を入出射させることがある。一方の光ファイバは導波路コアよりも太いのが通常である。このため、複数の導波路コアの間隔は、複数の光ファイバの間隔と同程度になってしまう。言い換えれば、光集積回路の大きさが、複数配列した光ファイバの幅と同程度になってしまう。

また、高密度な光集積回路には、多数の光配線が配設されている。そのため、光集積回路を構成する受光素子や光変調器等と他の光素子に接続する導波路コアは、光配線を飛び越えて、他の光素子に接続する必要がある。つまり、三次元構造の導波路を形成する必要がある。

そこで、本発明は、光回路チップとの接続を適切に行うことができる光電融合モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の光電融合モジュールは、支持基板（１）、前記支持基板上に形成されるクラッド（２）、及び、前記クラッド中に埋設され、光導波路コア（４）を含む光回路チップ（１０）と、光ファイバ接続端子部（２０ａ，４５）を有し、所定位置に前記光回路チップが設置される電子回路基板（２０）と、前記光導波路コアの光路を変換する光路変換部（１５）とを備え、前記光路変換部は、前記光回路チップの所定箇所に設けられる前記光導波路コアの端部（４ａ）と、前記端部と前記光ファイバ接続端子部とを接続する接続導波路コア（１３）と、前記接続導波路コアを覆って形成される封止層（１４）と、から構成されていることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。

本発明によれば、光回路チップとの接続を適切に行うことができる。

本発明の第１実施形態である光電融合モジュールの断面図である。 本発明の第１実施形態の光電融合モジュールの平面図である。 光電融合モジュールにポリマ導波路を形成する形成方法を説明する説明図（１）である。 光電融合モジュールにポリマ導波路を形成する形成方法を説明する説明図（２）である。 光電融合モジュールにポリマ導波路を形成する形成方法を説明する説明図（３）である。 光電融合モジュールにポリマ導波路を形成する形成方法を説明する説明図（４）である。 光電融合モジュールにポリマ導波路を形成する形成方法を説明する説明図（５）である。 光電融合モジュールにポリマ導波路を形成する形成方法を説明する説明図（６）である。 本発明の第２実施形態である光電融合モジュールの断面図である。 本発明の第２実施形態である光電融合モジュールの平面図である。 本発明の第１比較例である光電融合モジュールの断面図である。 本発明の第２比較例である光電融合モジュールの断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

(第１実施形態)
図１は、本発明の第１実施形態の光電融合モジュールの断面図である。
光電融合モジュール１００は、電子回路基板２０と、光回路チップとしてのシリコンフォトチップ１０と、接続導波路としてのポリマ導波路１５とを備える。シリコンフォトチップ１０は、厚みΔｔの半田１１を介して電子回路基板２０に実装される。また、光電融合モジュール１００には、テープ型光ファイバ３５が実装されたフェルール４０が取り付けられる。

電子回路基板２０は、シリコンフォトチップ１０を駆動する電子回路（例えば、ＴＩＡ（Trance Impedance Amplifier）６０（図９，１０））や電気コネクタ８０（図９，１０）が搭載される。電子回路基板２０には、フェルール４０が取り付けられる光ファイバ接続端子部２０ａと、シリコンフォトチップ１０が配設される凹部２０ｂとが形成されている。

シリコンフォトチップ１０は、支持基板としてのシリコン基板１と、シリコン基板１の上面に搭載されたシリコン導波路６と、シリコン導波路６の一端に設けたスポットサイズコンバータ７と、シリコン導波路６の他端に接続された光回路（例えば、フォトダイオード７０（図９，１０））とを備える。つまり、スポットサイズコンバータ７は、シリコン導波路６とポリマ導波路１５との間に介挿されている。シリコン基板１は、凹部１ａが形成されている。凹部１ａは、例えば、深さＤ＝約１７μｍであり、伝搬方向の長さＬ＝約１００μｍとしている。

シリコン導波路６は、下部クラッド層２と、シリコンコア４と、上部クラッド層５とから構成される。シリコンコア４は、図に対して垂直な断面が矩形状であり、紙面の奥行き方向約４８０ｎｍ、高さ方向約２２０ｎｍである。スポットサイズコンバータ７は、シリコン導波路６から出射する光の径を拡大する機能を有する。逆に、スポットサイズコンバータ７は、シリコン導波路６に入射する光の径を縮小する機能を有する。

ポリマ導波路１５は、第１ポリマクラッド１２と、接続導波路コアとしてのポリマコア１３と、封止層としての第２ポリマクラッド１４とから構成される。第１ポリマクラッド１２及び第２ポリマクラッド１４は、同一の感光性ポリマで構成されている。ポリマコア１３は、第１ポリマクラッド１２及び第２ポリマクラッド１４よりも屈折率が大きい感光性ポリマで構成されている。具体的に、波長１５５０μｍのとき、第１ポリマクラッド１２及び第２ポリマクラッド１４の屈折率は、１．５４７であり、ポリマコア１３の屈折率は、１．５７７である。ポリマコア１３は、７μｍ角に形成されている。

第１ポリマクラッド１２は、シリコン基板１の凹部１ａを埋めている。ポリマコア１３は、スポットサイズコンバータ７に接続されており、傾斜部１３ａとシリコン基板１に平行な平行部１３ｂとを有する。平行部１３ｂは、凹部１ａだけでなく、電子回路基板２０の上方にまで延在している。なお、スポットサイズコンバータ７が無いときには、ポリマコア１３は、シリコン導波路６の一端に接続しても構わない。第２ポリマクラッド１４は、ポリマコア１３及びシリコン導波路６の上面に堆積している。なお、第２ポリマクラッド１４の上面は、傾斜することなく、電子回路基板２０に平行に堆積している。

図２は、本発明の第１実施形態の光電融合モジュールの平面図である。
図１で説明したように、光電融合モジュール１００は、電子回路基板２０と、シリコンフォトチップ１０と、ポリマ導波路１５とを備える。光電融合モジュール１００には、テープ型光ファイバ３５が実装されたフェルール４０が取り付けられる。なお、フェルール４０については、仮想線で省略している。

テープ型光ファイバ３５は、複数の光ファイバ素線３０を接着剤３３で束ねたものである。シリコンフォトチップ１０は、図１で説明したシリコンコア４を複数並設している。ポリマ導波路１５は、図１で説明したポリマコア１３を複数並設している。複数の光ファイバ素線３０の間隔は、シリコンフォトチップ１０に併設された複数のシリコン導波路６（シリコンコア４）の間隔よりも広い。そのため、複数のポリマコア１３は、シリコンコア４の端部４ａから離間するにつれて、間隔が徐々に拡がるように配設されている。

（製造方法）
次に、光電融合モジュール１００を製造する製造方法の内、本実施形態に特徴的なポリマ導波路１５を形成する形成方法について説明する。
図３乃至図８は、光電融合モジュールにポリマ導波路を形成する形成方法を説明する説明図である。

図３（ＳＰ１）では、製造者は、予め、電子回路基板２０の凹部２０ｂとシリコンフォトチップ１０とを半田１１で接合する。そして、製造者は、シリコンフォトチップ１０の上面に凹部１ａをドライエッチングで形成する。

図４（ＳＰ２）では、製造者は、感光性ポリマ９１をスピンコートで塗布する。スピンコート条件は、例えば、５０００ｒｐｍ、６００秒である。これにより、感光性ポリマ９１は、凹部１ａの内部に充填され、電子回路基板２０の上面２０ｃと、上部クラッド層５の上面５ａにも積層される。感光性ポリマ９１として、例えば、日産化学製ＮＰ−２１４が使用される。

図５（ＳＰ３）では、製造者は、感光性ポリマ９１に対して、レーザ描画装置（不図示）による描画と現像処理とを行い、傾斜部９１ａを設ける。レーザ描画装置は、例えば、ハイデルベルグ製 ＤＷＬ−６６＋である。つまり、製造者は、スポットサイズコンバータ７の近傍でレーザの光量を低下させ、現像による除去量を増加させる。一方、電子回路基板２０の上面２０ｃ側で、レーザの光量を徐々に（直線的に）増加させ、現像による除去量を少なくする。下部クラッド層２は、シリコンフォトチップ１０の表面１ｂ（上部クラッド層５の上面５ａ）からＨ１＝約５μｍ下の位置まで配置されている。第１ポリマクラッド１２の上面１２ａは、光信号伝搬方向にＬ＝１００μｍの位置で、シリコンフォトチップ１０の表面１ｂからＨ２＝約１０μｍ上の位置に配置されている。また、上部クラッド５の上面５ａでは、レーザ光を当てず、現像により感光性ポリマ９１を完全に除去する。これにより、第１ポリマクラッド１２が形成される。

図６（ＳＰ４）では、第１ポリマクラッド１２の上面１２ａ及び上部クラッド層５の上面５ａに感光性ポリマ９２をスピンコートで塗布する。感光性ポリマ９２として、例えば、日産化学製ＮＰ−０１０が使用される。

図７（ＳＰ５）では、製造者は、レーザ描画装置による描画と現像処理とを行い、第１ポリマクラッド１２の上面１２ａに沿って、ポリマ導波路コア１３を形成する。このとき、製造者は、スポットサイズコンバータ７の近傍でレーザの光量を低下させ、現像による除去量を増加させる。一方、電子回路基板２０の上面２０ｃ側で、レーザの光量を増加させ、現像による除去量を少なくする。

図８（ＳＰ６）では、製造者は、感光性ポリマ９１をスピンコートで、高さＨ３＝１０μｍまで塗布する。さらに、製造者は、感光性ポリマ９１にレーザ光を照射し、硬化させる。これにより、第２ポリマクラッド１４が形成され、光電融合モジュール１００が作製される。

以上説明したように、本実施形態の光電融合モジュール１００は、シリコンフォトチップ１０の複数のシリコンコア４とテープ型光ファイバ３５の複数の光ファイバ素線３０との間にポリマ導波路１５が介挿されている。このため、複数のシリコンコア４の間隔が複数の光ファイバ素線３０の間隔よりも狭くても、ポリマ導波路コア１３の間隔を徐々に変化させることにより、シリコンコア４と光ファイバ素線３０とを光接続することができる。つまり、小型・高密度なシリコンフォトチップ１０を有した光電融合モジュール１００は、複数のシリコンコア４の間隔を維持して、複数の光ファイバ素線３０と光接続することができる。

また、複数のシリコンコア４の中心高さと、複数の光ファイバ素線３０の中心高さとが異なっても、ポリマ導波路コア１３に傾斜部１３ａを設けることにより、シリコンコア４とポリマ導波路コア１３とを光接続することができる。

（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態である光電融合モジュールの断面図であり、図１０は、その平面図である。
光電融合モジュール２００は、前記第１実施形態と同様に、電子回路基板２１と、シリコンフォトチップ１０と、ポリマ導波路１５とを備える。電子回路基板２１は、ＴＩＡ６０と、光コネクタ４５と、電気コネクタ８０と、配線パターン２５とを備える電子回路基板である。ここで、シリコンフォトチップ１０は、電子回路基板２１の凹部２０ｂに配設されているが、ＴＩＡ６０は、電子回路基板２１に取り付けられており、複数のパッド６１が形成されている。

シリコンフォトチップ１０には、光機能素子としてのフォトダイオード７０と、光配線７５と、複数のパッド６１が形成されている。フォトダイオード７０は、ポリマ導波路コア１３から出射された光を電流に変換する受光素子である。ＴＩＡ６０は、フォトダイオード７０の出力電流を電圧に変換する電子回路である。電気コネクタ８０は、配線パターン２５で接続されている。ＴＩＡ６０のパッド６１と配線パターン２５とは、ワイヤで接続されている。

光配線７５は、シリコン導波路６で形成されている。ポリマ導波路コア１３は、光配線７５を飛び越えるように、平面視で光配線７５と交差する。したがって、ポリマ導波路コア１３は、シリコン導波路６よりも高い位置に配設する意義がある。

（第１比較例）
図１１は、本発明の第１比較例である光電融合モジュールの断面図である。
光電融合モジュール３００は、前記第１，２実施形態と同様に、電子回路基板２０と、シリコンフォトチップ１０とを備えるが、ポリマ導波路１５（図１）を備えていない。
また、光電融合モジュール３００は、電子回路基板２０の上面２０ｃの上に光ファイバ素線３０の一端を載置し、光ファイバ固定治具３７で光ファイバ素線３０を固定する点で相違する。スポットサイズコンバータ７と光ファイバ素線３０の端面とを近接配置することにより、端面結合が行われる。

シリコンフォトチップ１０のシリコンコア４が１本であれば、端面結合可能である。しかしながら、シリコンフォトチップ１０は、微小且つ高密度であることが通常である。このため、複数のシリコンコア４が配列しているときには、シリコンコア４の配列間隔と、同数の光ファイバ素線３０の配列間隔とが異なるので、端面結合が困難となる。

（第２比較例）
図１２は、本発明の第２比較例である光電融合モジュールの断面図である。
光電融合モジュール４００は、前記第１，２実施形態や前記第１比較例と同様に、電子回路基板２０と、シリコンフォトチップ１６とを備え、ポリマ導波路１５（図１）を備えていない。しかしながら、シリコンフォトチップ１６は、スポットサイズコンバータ７の代わりにグレーティングカプラ１７を備えている点で、シリコンフォトチップ１０と相違する。また、光電融合モジュール４００は、光ファイバ素線３０を光ファイバ固定治具３８で電子回路基板２０に固定している点でも相違する。

グレーティングカプラ１７は、図示しない光変調素子が出射する変調光を上部クラッド層５の上面５ａの側に出射する素子である。光ファイバ固定治具３８は、光ファイバ素線３０の端部をグレーティングカプラ１７の出射方向に向けて固定する。

グレーティングカプラ１７の大きさは、１００μｍ程度であるが、光ファイバ固定治具３８の大きさが１ｍｍ程度になってしまう。このため、光電融合モジュール４００の構造は、シリコンフォトチップ１６の高集積化が不利である。これに対して、前記第２実施形態の光電融合モジュール２００では、ポリマ導波路１５を形成したので、光コネクタ（例えば、ＭＴフェルール）への接続が容易となる。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態の第２ポリマクラッド１４は、第１ポリマクラッド１２と同一の感光性ポリマ９１をスピンコートして形成したが、第１ポリマクラッド１２と同一屈折率のポリマであれば、感光性ポリマである必要ない。

１ シリコン基板（支持基板）
２ 下部クラッド層
３ シリコン層
４ シリコンコア（光導波路コア）
５ 上部クラッド層
６ シリコン導波路
７ スポットサイズコンバータ
１０，１６ シリコンフォトチップ（光回路チップ）
１２ 第１ポリマクラッド
１３ ポリマ導波路コア（接続導波路コア）
１４ 第２ポリマクラッド（封止層）
１５ ポリマ導波路（接続導波路）
２０，２１ 電子回路基板
３０ 光ファイバ素線
３５ テープ型光ファイバ
４０ フェルール
４５ 光コネクタ（光ファイバ接続端子部）
６０ ＴＩＡ（電子回路）
７０ フォトダイオード（光機能素子）
８０ 電気コネクタ（電気端子接続部）
１００，２００，３００ 光電融合モジュール

Claims (9)

1. 支持基板、前記支持基板上に形成されるクラッド、及び光導波路コアを含む光回路チップと、
   光ファイバ接続端子部を有し、所定位置に前記光回路チップが設置される電子回路基板と、
   前記光導波路コアの光路を変換する光路変換部とを備え、
   前記光路変換部は、
   前記光回路チップの所定箇所に設けられる前記光導波路コアの端部と、
   前記端部と前記光ファイバ接続端子部とを接続する接続導波路コアと、
   前記接続導波路コアを覆って形成される封止層と、
   から構成されている
   ことを特徴とする光電融合モジュール。
2. 前記接続導波路コア及び前記封止層は、屈折率が異なるポリマで形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電融合モジュール。
3. 前記光導波路コア及び前記接続導波路コアは、複数並設されており、
   複数の前記接続導波路コアの間隔は、複数の前記光導波路コアの端部から離間するにつれて徐々に広くなる
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光電融合モジュール。
4. 前記接続導波路コアは、前記電子回路基板に対して傾斜している
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光電融合モジュール。
5. 前記光回路チップは、光機能素子と、該光機能素子に接続しない光配線とを含み、
   前記接続導波路コアは、前記光配線を飛び越えて配設される
   ことを特徴とする請求項４に記載の光電融合モジュール。
6. 前記端部と前記接続導波路コアとの間にスポットサイズコンバータが介挿されている
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の光電融合モジュール。
7. 前記電子回路基板は、電子回路と、該電子回路に接続する電気端子接続部とを有する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の光電融合モジュール。
8. 支持基板、光回路チップ及び、該光回路チップが配設される電子回路基板とを備える光電融合モジュールの製造方法であって、
   前記支持基板上に第１感光性ポリマを塗布する塗布工程と、
   塗布された前記第１感光性ポリマにレーザを直接描画する描画工程と、
   前記描画工程で描画された第１感光性ポリマを現像する現像工程とを備え、
   前記描画工程では、前記光回路チップのシリコンコア側で前記レーザを弱く照射し、該シリコンコアから離間するにつれて強く照射し、
   前記現像工程では、傾斜構造のクラッドが形成される
   ことを特徴とする光電融合モジュールの製造方法。
9. 前記傾斜構造のクラッドの上に、前記第１感光性ポリマよりも屈折率が高い第２感光性ポリマを塗布するコア形成過程と、
   前記第２感光性ポリマの上に前記第１感光性ポリマ又は前記第１感光性ポリマと同一屈折率のポリマを塗布する上部クラッド形成過程とをさらに備える
   ことを特徴とする請求項８に記載の光電融合モジュールの製造方法。

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