JP4430901B2

JP4430901B2 - 光結合装置

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Publication number: JP4430901B2
Application number: JP2003290932A
Authority: JP
Inventors: 康宏大澤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2023-08-08
Also published as: JP2005064155A

Description

本発明は、光ファイバ、光導波路と半導体レーザ、フォトディテクタにおける光結合装置に関するものである。

近年、ＬＳＩの高速化・微細化に伴う配線遅延や信号減衰の問題を解決するために、ＬＳＩに光配線を導入する例が知られており（例えば、特許文献１参照）、マイクロレンズなどの集光光学系を介してファイバとＬＤ／ＰＤを結合する方法も知られ（例えば、特許文献２参照）、さらに、発光素子と受光素子を光結合する幾つかの方法が知られている（例えば、特許文献３、４および５参照）。

特開２０００−３３２３０１公報特開２００１−１８５７５２公報特開平０５−１９０８９０号公報特開平０５−１２１７７８号公報特開平０７−２０２２５５号公報

電気配線を備えたＬＳＩ上に半導体レーザ（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子、フォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子、光ファイバやポリマー導波路などの導波路を設けて、光によって信号を伝達する光配線の検討が進んでいる。
発光素子、受光素子、導波路からなる光配線の光結合部では、基幹系の光通信技術を応用するため、発光・受光素子と導波路との精密な位置合わせ精度を要求する（位置ずれ許容度が低い）。
バンプを用いた電気配線が数１０μｍの精度で位置合わせするのに対して、ＬＤと単一モード光ファイバの位置合わせは一般に数μｍの精度を要求され、精度に約１桁の開きがある。そのため光配線を用いると実装コストが増加する。
ＬＳＩに光配線を導入した例として、特許文献１が報告されている。この特許文献１の図１に示されているのは、光導波路端を４５度に加工して導波光を９０度曲げ、ＬＳＩチップにハンダバンプ接続された面型光素子と光結合させる光結合構造である。
ＬＳＩチップ自体は、プリント基板にハンダバンプで電気的に接続されており、光導波路と光素子との位置合わせ精度は、ＬＳＩチップとプリント基板の位置合わせを行う半田バンプの電気配線用位置精度で決まる。
光素子と光導波路を近接させれば光学接続用位置合わせ精度を緩和することができるが、それでも半田バンプの位置精度管理は光配線がない場合に比べて厳しくなる。
この構造では導波路と光素子が離れているので漏れ光が存在し、多チャネルの導波路と光素子が近接配置されていると、導波光のクロストークが生じやすい。また、光素子と導波路の位置ずれがあった場合にはそれを緩和する機構がなく、光結合効率が劣化しやすい。また、光導波路と光素子間に空隙があるため、外部からごみ等が混入した場合に光効率が劣化するため、耐環境性が良くない。
特許文献１の図２では、光素子にレンズを設けて光素子に入出力する光をコリメート化することで、光素子と導波路の位置ずれで光結合効率が劣化しない構造を設けているが、光導波路と光素子間に空隙がある点は変わらず、チャネル間のクロストークや耐環境性の問題がある。
さらにマイクロレンズなどの集光光学系を介してファイバとＬＤ／ＰＤを結合する方法が特許文献２に報告されている。この特許文献２の図４では、光素子に設けられたマイクロレンズと導波路に設けられたマイクロレンズにより、光素子と光導波路を光結合している。
前記特許文献１と同じく、光素子はＴＡＢパッケージ（前記ＬＳＩチップに相当）に対して集積化されているので、導波路と光素子の位置合わせ精度は、半田バンプで接続されたＴＡＢパッケージとプリント基板の精度で決まる。
１対のレンズによるコリメート光で光接続されているので、光接続精度は緩くなるが、光素子と導波路の両方にマイクロレンズを設けているため、レンズコストが増加する。光導波路と光素子間に空隙があるので、やはりチャネル間のクロストークや耐環境性の問題がある。
以上のように、ＬＳＩに光素子を集積化して光接続を行う場合、バンプ接続による電気配線の位置合わせ精度よりも、光配線の位置合わせ精度が高くなるので、光配線の位置合わせ精度を緩和するためレンズ構造をもうける必要があり、これが光配線のコスト増加の原因になっていた。

光配線が使われるためには、ＬＳＩの電気配線であるバンプ接続の位置合わせ精度でも、光配線コスト（光結合構造のコスト）が低く、チャネル間光クロストークを抑制した低コストの光結合構造が望ましい。
一方、光リレー素子では、発光素子と受光素子との１対１光結合構造が知られている。特許文献３の図１では貫通穴を介して発光素子と受光素子を光結合している。
また、特許文献４の図２では、透明樹脂を介して発光素子と受光素子を光結合している。さらに、特許文献４の図１では、透光性物質を混入させた導電性接着剤で発光素子と受光素子を電気的かつ光的に結合している。
いずれの構造も、簡便な光結合を行っているが、ＬＳＩ上に配した光素子と導波路の位置合わせ精度を満たすものではないし、個別のチャネルをクロストークなしに接続することを考慮していない。またバンプ接続されるＬＳＩに設けられた光素子を導波路と光結合するという場合には適用できない（バンプ工程との互換性がない）。
以上、従来の光結合の問題は、発光・受光素子と導波路間の位置ずれ許容度、チャネル間の光のクロストーク、光結合効率、光結合構造の簡易さ、バンプ工程との互換性の４点である。
そこで本発明の目的は、上記の問題点を解決するために、チャネル間の光のクロストークを減らした、バンプ工程と互換で簡易な光結合装置を提供することにある。

前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明では、光を入出力する開口を有する２つの光素子の開口の間に弾性及び接着性を有する光透過性のボールを設け、夫々の前記開口を前記ボールと接着させることより前記開口同士を光結合させる光結合装置を特徴とする。
請求項２記載の発明では、光を入出力する開口を有する２つの光素子の開口の間に弾性及び熱可塑性を有する光透過性のボールを設け、夫々の前記開口を前記ボールと固着させることにより前記開口同士を光結合させる光結合装置を特徴とする。
請求項３記載の発明では、前記ボールがボール中心から外縁に向かう半径方向に対して屈折率が減少する請求項１又は２の光結合装置を特徴とする。
請求項４記載の発明では、前記ボールがボール中心を占めるコアとボール外縁を占めるシェルの２重構造を採り、シェルの屈折率がコアの屈折率より低い請求項３記載の光結合装置を主要な特徴とする。
請求項５記載の発明では、光素子の開口周辺に濡れ性制御膜を設け、開口部に設けられたボールが前記濡れ性制御膜と濡れ性が悪い請求項１又は２記載の光結合装置を主要な特徴とする。
請求項６記載の発明では、前記濡れ性制御膜が疎水性樹脂からなり、前記ボールが親水性でかつ接着性の樹脂からなる請求項５記載の光結合装置を最も主要な特徴とする。

請求項７記載の発明では、前記ボールの接触により光結合した前記光素子の前記開口と前記ボールの接触部の周辺を、前記ボールより屈折率の小さい接着性の遮光部材で被った請求項１又は２記載の光結合装置を主要な特徴とする。

本発明によれば、ボールを介した接触で光素子の開口同士を光結合することで、光結合構造のチャネル間の光のクロストークを減らして構造を簡易化しているので、低コストで、高信頼の光配線を実現できる。
また、弾性を持つボールを押し付けることで、光結合構造の光結合の確実性を上げたので、高信頼の光配線を実現できる。
また、接着性を有するボールを用いることで、光結合構造を固定しているので、信頼性の高い光配線を実現できる。
また、熱可塑性を有するボールを用いることで、光結合構造を固定しているので、信頼性の高い光配線を実現できる。
また、中心から外縁に向かう半径方向に対して屈折率が減少するボールを用いることで、光結合効率を向上させているので、高効率な光配線を実現できる。
また、屈折率の高いコアと屈折率の低いシェルの二重構造を採ったボールを用いることで、光結合構造をさらに簡易化しているので、低コストの光配線を実現できる。
また、開口周辺に設けた濡れ性制御膜とボールの濡れ性を悪くすることで、ボール構造の製造を容易化しているので、低コストの光配線を実現できる。
また、前記濡れ性制御膜を疎水性樹脂、前記ボールを親水性でかつ接着性の樹脂にすることで、ボールの製造を容易にしているので、低コストの光配線を実現できる。
また、光素子の開口とボールの接触部の周辺を、ボールより屈折率の小さい接着性の遮光部材で被い、光素子と光結合構造の簡単な遮光と固定を行うことで、チャネル間の光のクロストークをさらに減少させかつ機械強度が高くなるので、ノイズが少なく振動など機械的な信頼性の高い光伝送を実現できる。

以下、図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明による光結合装置の第１の実施の形態の光ファイバの部分的な構成を示す断面図である。図２は本発明による光結合装置の第１の実施の形態の基板を示す概略図である。
図３は本発明による光結合装置の第１の実施の形態の基板上にガラスボールを搭載した状態を示す概略図である。図４は図１、図２および図３の光ファイバ、基板およびガラスボールを組み立てた状態で示す本発明による光結合装置の第１の実施の形態の概略図である。
図１ないし図４において、本実施の形態は、シングルモード光ファイバと垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）という２つの光素子を結合させるもので、各々の光入出力を行う開口に当たるのは、光ファイバのコア層の端とＶＣＳＥＬの発光端（共振器端）である。

まず、図１のように、光を導波するコア層２と、光を閉じ込めるクラッド層３からなる光ファイバ１の端に２０μｍ角の伝播光に対して透明な接着パッド４を設ける。コア径は通常数μｍサイズである。
次に、ＧａＡｓ基板７上に作成した２０μｍ角のＶＣＳＥＬ６の発光端に２０μｍ角の透明な接着パッド５を設ける（図２）。ＶＣＳＥＬ６側の接着パッド５に直径３０μｍのガラス（ＳｉＯ_２）ボール８を置いて接着する（図３）。
ガラスボール８上に接着パッド４付きの光ファイバ１を近接させ、接着する（図４）。この状態で、ＶＣＳＥＬ６と光ファイバ１が、接着パッド４、５とボール８の接触を介して光学的に結合され、ＶＣＳＥＬ６から放射された光は、伝播光ａのように直接、または伝播光ｂのように屈折率差により反射されて光ファイバ１に入射する。
光ファイバ１とＶＣＳＥＬ６を単に近接させただけでは、ＶＣＳＥＬ６から放射状に光が発するだけなので光結合効率が悪いが、本実施形態のボール結合を用いれば、ボール８が導波路の役目をするので光利用効率が向上し、ＶＣＳＥＬ６と光ファイバ１間距離が一定化され、環境温度変化による収縮の影響を受けにくくなる。
また、ボール８を接触させないボールレンズ結合や、マイクロレンズを用いた光結合と比較すると、光結合効率は劣るが、逆に位置合わせ精度が低くて済むため、実装コストの点で有利である。
この光結合装置では、光を入出力する開口９および１０を有する、２つの光素子１、７の開口９および１０の間に光透過性のボール８を設け、このボール８を介した接触により開口９および１０同士を光結合させるように構成されている。
ここで言う光素子とは、発光素子、受光素子、光導波路、光ファイバであって、光を入出力する開口とは、発光素子の発光を行う開口部、受光素子の受光を行う開口部、導波路端、光ファイバ端などを意味する。光結合装置は、発光素子対受光素子の開口同士、発光素子と導波路の開口同士、受光素子と導波路の開口同士、あるいは導波路の開口同士を光学的に結合する。

本実施の形態の構成を、発光素子と導波路の開口同士を接続する例で説明する。発光素子と導波路以外の光素子同士の組み合わせでも同じ効果が得られる。発光素子の開口と導波路の開口は、近接して対向させ、両開口間に光透過性のボール８を配し、発光素子と導波路の両方の開口がボールに接触している。
開口と接触しているボール８の屈折率は周辺の空気よりも高く、ボールは発光素子から発した光を閉じ込め、発光素子から導波路へ光を導く短い導波路の役目をする。出射側の開口からボール８に入射した光は、ボール８と外部の空気との屈折率差による屈折または反射によって、他方の開口へ導波される。
ボール８を介して光接続されるため、発光素子と導波路の間に間隙がなく、開口の対が複数ある多チャネルの場合も、空間を伝播させて開口同士を接続するのに比べてチャネル間クロストークは少ない。発光素子と導波路との間隔は、ＬＳＩのバンプ接続のようにボールの直径で規定される。
バンプ接続の工程に耐えられる耐熱性をボール８に与えておけば、電気接続であるバンプ接続と、光接続であるボール接続を同じ実装工程で行うこともできる。周辺との屈折率差で導波光を閉じ込めているため、ボール８自体は完全な球である必要はなく、ボールの製造精度を緩めることができる。

図５は本発明による光結合装置の第２の実施の形態を組み立てられた状態で示す概略図である。本実施の形態は、第１の実施の形態の光結合装置Ａのボール周辺を、ボール８より屈折率の小さい遮光性の接着剤１１で封止したものである。
図に示すような漏れ光や外乱光は遮光性接着剤１１で吸収されるので、ＶＣＳＥＬ６と光ファイバ１を多チャネル化した場合に、光のクロストークが少なく、周囲の光環境に影響されにくい利点が生じる。
ボール８と遮光性接着剤１１との屈折率差は、ボール８と空気との屈折率差に比べて小さくなるので、ボール８内への光の閉じ込めは弱くなるが、光クロストークや外乱光の影響を受けない効果の方が重要な場合には、この構造を選べばよい。

図６は本発明による光結合装置の第３の実施の形態を組み立てられた状態で示す概略図である。本実施の形態の光結合装置Ａは、第１の実施の形態のボール８を、屈折率の高いコアと屈折率の低いシェルの２層からなるガラスボール１２で置き換えたものである。
ＳｉＯＮからなる直径３０μｍのガラスボール１２が、気相成長で形成できる。２層構造のガラスボール１２は、作成ガスであるシランと窒素の濃度を形成途中で切り換えることでコア１２ａとシェル１２ｂのＳｉＯＮの組成を変え、コア１２ａとシェル１２ｂの屈折率差を設けることで得られる。
単に２段階の組成切り換えしか必要ではないので、低コストで２層構造ボール１２を形成できる。ボール１２がボール中心を占めるコア１２ａとボール外縁を占めるシェル１２ｂの２重構造をとり、シェル１２ｂの屈折率がコアの屈折率より低いことを特徴とする。
ボール１２を２層構造にすることで、第１の実施の形態と同じように、ＶＣＳＥＬ６から発した光は、伝播光ａのような反射なしの経路、またはシェル１２ｂ側面での反射を伴う伝播光ｂの経路、さらにコア１２ａとシェル１２ｂの屈折率差で生じる屈折を伴う伝播光ｃの経路で、光ファイバに入射される。均一屈折率のボールに比べてレンズ効果が高く、ＶＣＳＥＬ６から光ファイバ１への光結合効率が向上する。

図７は本発明による光結合装置の第４の実施の形態を組み立てられた状態で示す概略図である。本実施の形態の光結合装置Ａは、第１の実施の形態のボール８を、ボール中心で屈折率が高く、周辺で屈折率の低いＧＲＩＮ構造を持つ樹脂ボール１３で置き換えたものである。
樹脂ボール１３を構成する樹脂材料は高分子の一種であるデンドリマーであり、弾性を有している。デンドリマーは分子鎖が広がる球形構造を持ち、分子鎖を段階的に成長させられるため、屈折率を中央から周辺に対して順に変化させることができるため、ＧＲＩＮ構造のボールを形成する材料に向いている。
ボールが熱可塑性であれば、ボールを加熱することでボールが軟化し、開口の形に合わせて変形する。軟化した状態で開口とボールを密着させられる。開口とボールを位置合わせする手順は微動による方法が使える。微動させる前に加熱してボールを軟化させておけば、ボールと開口の接触時に互いにストレスがかからず、より望ましい。
屈折率が連続的に変化するＧＲＩＮ構造は、光閉じ込めの効果は高いが、屈折率分布を設けるのが難しい。ボールを２層構造にして、中心を高屈折率、周囲を低屈折率にすると、ＧＲＩＮ構造よりは光閉じ込めは弱まるが、低コストで光結合効率を向上させられる。
屈折率が連続に変化するＧＲＩＮ構造を有することで、ＶＣＳＥＬから発した光は、伝播光ａまたは伝播光ｄのように屈折率分布によって光が曲がりながら光ファイバに入射する。ＧＲＩＮ構造は製造コストは多少高めになるが、均一の屈折率構造や２層構造に比べてさらにレンズ効果が高く、ＶＣＳＥＬ６と光ファイバ１との光結合効率を高めることができる。
また弾性を有するため、環境温度の変化により光ファイバ１とＶＣＳＥＬ６が若干ずれても、樹脂の弾性によって、接着を維持しながら光結合を維持できる。
弾性を有するボールを用いれば、光素子を支持する材料の熱膨張などにより、ボールを介して接続される光素子同士の距離が変わっても、その距離変動が弾性を有するボールの変形する範囲であれば、光素子の開口とボールの接触を保つことができる。
ボール内部にボール中心から外縁に向かう半径方向に対して減少する屈折率分布（graded index（GRIN）構造）を設ければ、ボールに入射した光が中心を通る直線上に集光されるため、ボールを介した光結合の光結合効率が増加する。
光素子の開口とボールの接触部の周辺を接着剤で被うことで、光素子同士が固定され機械強度が向上する。またボールから漏洩した光が遮光性の接着剤で吸収されるので、チャネル間のクロストークがさらに減少し、外乱光の影響も受けなくなる。
図８は本発明による光結合装置の第５の実施の形態を作成する第１の段階を示す概略図である。図９は本発明による光結合装置の第５の実施の形態を作成する第２の段階を示す概略図である。図１０は本発明による光結合装置の第５の実施の形態を作成する第３の段階を示す概略図である。

図１１は本発明による光結合装置の第５の実施の形態を作成する第４の段階を示す概略図である。図１２は図８ないし図１１の段階を経て完成した本発明による光結合装置の第５の実施の形態を示す概略図である。
図８ないし図１２において、本実施の形態の光結合装置Ａは、ＰＤアレー１４とＬＤアレー１５を光結合するものである。接着パッド４を用いて樹脂ボール８を接続する点は第１の実施の形態と同じであるが、とくにボール８の配置方法に関して記述する。
まずＳｉ基板に設けられた２０μｍ径のメサ型ＳｉＧｅ製ＰＤアレー１４の開口部に、２０μｍ径の接着パッド５を設ける（図８）。次に、直径３０μｍの透明性でかつ弾性を持った樹脂ボール８をＰＤアレー１４上に散布する（図９）。
すると、接着パッド４の寸法が樹脂ボール８より小さいため、散布した樹脂ボール８は、接着パッド４上に１つしか残らず、接着されなかった樹脂ボール８を除去すると、図１０のように、ＰＤごとに樹脂ボール８が自動的に配置される。
ＧａＡｓ基板に対して直径２０μｍの複数のＶＣＳＥＬ６を設けたＬＤアレーに、各々のＶＣＳＥＬの開口に直径２０μｍの接着パッド４を設けておく（図１１上部）。次にＬＤアレー１５を、樹脂ボール８が接着された開口同士がずれるように、チップマウンタでＰＤアレー１４に近づける。
このとき、マウンタの絶対精度は、相対精度に比べて数倍悪い。例えば絶対精度±１０μｍとすると、相対精度は±３μｍ程度となる。ＬＤとＰＤの開口同士の所望の位置ずれを１０μｍとすると、絶対精度は０．２０μｍの範囲となる。図１１の矢印の方向に、絶対精度分のずれ±１０μｍと相対精度分のずれ±３μｍを加算した±１３μｍの範囲で微動させると、必ずどこかでＬＤアレー１５の接着パッド４とボール８が接触するため、接着が生じる。いったん接着が起これば、樹脂の弾性のために、図１２のように自己整合的にＰＤアレー１４とＬＤアレー１５が位置合わせされる。

さらに樹脂が熱可塑性を伴うとすれば、微動の前に加熱して軟化させておくことで弾性係数が下がるため、樹脂ボール８と接着パッド４のずれが大きくなっても接着面にかかる力が減少して、樹脂ボール８とＬＤアレー１５側の接着パッド４が剥がれにくくなる。
微動後に冷却すれば、樹脂ボール８を構成する樹脂の表面張力によりまた球形に近づこうとするため、やはり図１２のように自己整合的にＰＤアレー１４とＬＤアレー１５が位置合わせされる。
接触によりボールと光素子の開口同士を光結合させたとき、ボールが光素子の開口とずれないように固定しておく必要がある。単純に２つの光素子同士を押し付け合うことでもボールを固定できるが、光素子の開口に接着パッドを設けて、ボールと開口を接着で固定する。
ボールと開口が接着剤により固定されていても、ボール自身が弾性を持つため、光素子間の距離が変動しても固定部以外が変形することで、距離変動に対応できる。
開口とボールを位置合わせする手順の例を示す。通常、ＬＳＩチップの位置合わせ装置は、一般に絶対位置精度に対して相対位置精度の方が高い。まず結合させる２つの発光素子の開口に、印刷あるいはフォトリソグラフィーを用いて接着パッドを設けておく。次にチップマウンタなどで予め一方の発光素子の開口にボールを設けておく。
ボールを設けていない方の発光素子をボールに対向して近接させ、開口中心同士を位置合わせし、対向方向と垂直に微動させると、微動の途中でボールと開口に設けられた接着パッドが接触して接着する。いったんボールとパッドが接着すれば、ボールの弾性変形の範囲内であれば微動させても接触状態が保持される。
例えば、ｘ方向への位置合わせを例にとると、ｘ方向の位置合わせ装置の絶対精度をｘａ、相対精度をｘｂ、合わせるべき開口の中心位置をｘｏ、ボールの弾性変形の最大値をｘｅとすると、一般にｘａ＞ｘｂの条件が成り立つ。ボールは光素子の開口のいずれかに固定されているものとする。
まず開口の中心を合わせた時、装置の特性から｜ｘ−ｘｏ｜＜ｘａとなる。このずれた位置から±ｘａの範囲で光素子同士を微動すると、どこかで開口中心同士が合った状態が生じ、ボールと開口が接着又は密着する。
ボールの弾性変形をｘｅ＞２ｘａが成り立つようにボールの材料を選択すれば、ボールを介した開口同士の接触が可能になる。この微動を用いた方法で位置合わせを行えば、不必要にｘａの精度を高めずに済むので、位置合わせに関する装置コストを減らせる。

図１３は本発明による光結合装置の第６の実施の形態を作成する第１の段階を示す概略図である。図１４は本発明による光結合装置の第６の実施の形態を作成する第２の段階を示す概略図である。
図１５は本発明による光結合装置の第６の実施の形態を作成する第３の段階を示す概略図である。図１６は図１３ないし図１５の段階を経て完成した本発明による光結合装置の第６の実施の形態を示す概略図である。
図１３ないし図１６において、本実施の形態は、光素子（ここではＰＤアレー）の開口部に対するボールの形成に関して説明する。光結合に関しては第５の実施の形態と共通であるため詳しくは述べない。
Ｓｉ基板７上にＰＤを設けたＰＤアレー１４（図１３）の、ＰＤの開口部周辺に濡れ性制御膜１６であるポリイミド膜をパターニングで設ける（図１４）。さらに開口と濡れ性制御膜１６の一部にかけて、透明な親水性樹脂であるアクリル接着剤１７をパターニングする（図１５）。
アクリル接着剤は熱可塑性なので、いったん加熱すると、図１６に示すように、表面張力の効果で、濡れ性制御膜１６との接触が少なくなるボール形状へ変形する。結局、ＰＤの開口上にボールを設けた構造が得られる。
光結合装置の光素子の開口に接着剤をパターニングして前記ボールの直径以下である寸法の接着パッドを設ける。次に接着パッド周辺に複数個のボールを流し込む。
このとき開口に設けられたボールの直径以下である接着パッドの上には、ボールが１つしか乗らないので、この後に接着パッド上に残らないボールを除去すれば、開口に設けられた接着パッドの上には必ずボールが１つだけ残った構造が得られる。この方法を用いれば、開口ごとにボールを機械的に並べるのに比べると、配置時間が大幅に短縮される。

濡れ性制御膜を光素子の開口周辺に設け、次に濡れ性制御膜と濡れ性が悪い熱可塑性の透明膜を形成し、熱可塑性の透明膜を加熱することで、濡れ性制御膜と透明膜の濡れ性の悪さから、表面張力により透明膜がボール状に変形するので、光素子の開口に密着したボールを容易に製造できる。例えば、ウェハー上にアレー状に並んだ光素子の開口に、一括してボールを形成できるので、ボールの製造コストを下げられる。
光結合装置の光素子の開口周辺に濡れ性制御膜を設ける。濡れ性制御膜の成膜には、印刷やフォトリソグラフィーを用いればよい。次に開口部及び周辺にフォトリソグラフィー又は印刷又はインクジェット方式で前記濡れ性制御膜と濡れ性が悪い透明膜を形成する。
ここで加熱して透明膜を軟化させると、濡れ性制御膜と透明膜は濡れ性が悪いことから、透明膜が軟化すると表面張力によりボール状に変形する。接触している部分は開口のみに限定されるので、光素子の開口に密着したボールを容易に製造できる。例えば、ウェハー上にアレイ状に並んだ光素子の開口に、一括してボールを形成でき、ボールの製造コストを下げられる。

図１７は第２の実施の形態の光結合装置を応用した第７の実施の形態を示す概略図である。本実施の形態の光結合装置Ａは、実施例２の構造を、ＶＣＳＥＬ６と４５度研磨面１８を有する導波路１９との結合へ応用した例である。
光ファイバ１の代わりに４５度の研磨面１８をもつ導波路１９の側面を光入出力開口とする。ＧａＡｓ基板７に設けられたＶＣＳＥＬ６の光出力端に接着パッド５を設け、光を導波するコア１９ａと光を反射するクラッド１９ｂからなる導波路端を４５度研磨した側面にも接着パッド４を設け、透明性の樹脂ボール１３を介してＶＣＳＥＬ６と導波路１９を接着する。
ボール周辺は、樹脂ボール１３より屈折率の小さい遮光性接着剤１１で封止して完全に遮光を行う。ＶＣＳＥＬ６から発した光は、伝播光ａまたは伝播光ｂの経路で導波路１９側面に設けられた接着パッド４位置に入射し、４５度研磨面で反射してコア１９ａに入射する。
図１８は本発明の第１の実施の形態の構造をチップ間光伝送装置へ応用した光結合装置の第８の実施の形態を示す概略図である。ＬＳＩチップ同士を厚み方向に三次元集積し、さらにプリント基板へと実装している。
電気配線は、半田バンプを用いて電極パッドを接続する方式を用い、チップ間の光接続用には、第１ＬＳＩチップ２０に設けられたＰＤと第２ＬＳＩチップ２１に設けられたＶＣＳＥＬ６の光接続は、耐熱性の樹脂ボール１３で光結合により行う。
ボール接続で光接続する構造にすることで、半田バンプと電極の接続工程とボールと光素子の接続工程を同時に行えるので、実装工程が簡略化される。また実装精度もボールによる光接続は半田バンプと同程度であるため、精度の意味でもバンプ工程と互換性があると言える。
図１９は本発明の第１の実施の形態の構造をチップ間光伝送装置へ応用した第８の実施の形態の変形例を示す概略図である。プリント基板７には４５度ミラーを両端に持つ導波路１９を埋め込んでおく。
チップ間の電気接続は、第８の実施の形態と同様に半田バンプで電極パッドを接続する。第１のＬＳＩチップ２０に設けられたＶＣＳＥＬ６から放射された光は、樹脂ボール１３を用いた光結合で導波路１９に入射し、さらにボール結合で第２のＬＳＩチップ２１に設けられた貫通穴へ透明樹脂を充填した貫通導波路へ導波される。
さらにこの貫通導波路から、再度ボール結合で第３のＬＳＩチップ２２に設けられたＰＤへ結合される。ボールを用いた光結合を用いることで、隣接チップ間の光伝送だけでなく、導波路を介して離れたチップとの光伝送も簡便に行うことができる。

本発明による光結合装置の第１の実施の形態の光ファイバを示す概略図である。本発明による光結合装置の第１の実施の形態の基板を示す概略図である。本発明による光結合装置の第１の実施の形態のガラスボールを示す概略図である。図１、図２および図３の光ファイバ、基板およびガラスボールを組み立てた状態で示す本発明による光結合装置の第１の実施の形態の概略図である。本発明による光結合装置の第２の実施の形態を組み立てられた状態で示す概略図である。本発明による光結合装置の第３の実施の形態を組み立てられた状態で示す概略図である。本発明による光結合装置の第４の実施の形態を組み立てられた状態で示す概略図である。本発明による光結合装置の第５の実施の形態を作成する第１の段階を示す概略図である。本発明による光結合装置の第５の実施の形態を作成する第２の段階を示す概略図である。本発明による光結合装置の第５の実施の形態を作成する第３の段階を示す概略図である。本発明による光結合装置の第５の実施の形態を作成する第４の段階を示す概略図である。図８ないし図１１の段階を経て完成した本発明による光結合装置の第５の実施の形態を示す概略図である。本発明による光結合装置の第６の実施の形態を作成する第１の段階を示す概略図である。本発明による光結合装置の第６の実施の形態を作成する第２の段階を示す概略図である。本発明による光結合装置の第６の実施の形態を作成する第３の段階を示す概略図である。図１３ないし図１５の段階を経て完成した本発明による光結合装置の第６の実施の形態を示す概略図である。第２の実施の形態の光結合装置を応用した第７の実施の形態を示す概略図である。本発明の第１の実施の形態の構造をチップ間光伝送装置へ応用した光結合装置の第８の実施の形態を示す概略図である。本発明の第１の実施の形態の構造をチップ間光伝送装置へ応用した第８の実施の形態の変形例を示す概略図である。

符号の説明

Ａ光結合装置
１光ファイバ（光素子）
４接着パッド
５接着パッド
６垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）（光素子）
８ガラスボール
９開口
１０開口
１１遮光性接着剤
１３樹脂ボール

Claims

光を入出力する開口を有する２つの光素子の開口の間に弾性及び接着性を有する光透過性のボールを設け、夫々の前記開口を前記ボールと接着させることにより前記開口同士を光結合させることを特徴とする光結合装置。
光を入出力する開口を有する２つの光素子の開口の間に弾性及び熱可塑性を有する光透過性のボールを設け、夫々の前記開口を前記ボールと固着させることにより前記開口同士を光結合させることを特徴とする光結合装置。
前記ボールがボール中心から外縁に向かう半径方向に対して屈折率が減少することを特徴とする請求項１又は２記載の光結合装置。
前記ボールは、ボール中心を占めるコアと、ボール外縁を占めるシェルとの2重構造を採り、シェルの屈折率がコアの屈折率より低いことを特徴とする請求項３記載の光結合装置。
光素子の開口周辺に濡れ性制御膜を設け、開口部に設けられたボールと前記濡れ性制御膜との濡れ性を悪くしたことを特徴とする請求項１又は２記載の光結合装置。
前記濡れ性制御膜が疎水性樹脂からなり、前記ボールが親水性でかつ接着性の樹脂からなることを特徴とする請求項５記載の光結合装置。
前記ボールの接触により光結合した前記光素子の前記開口と前記ボールの接触部の周辺を、ボールより屈折率の小さい接着性の遮光部材で被ったことを特徴とする請求項１又は２記載の光結合装置。