JP4655042B2 - 光電気混載回路実装基板およびそれを用いた伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、伝送装置内においてボード間で送受信される大容量光信号を一括処理する光電気混載回路実装基板の光配線構造と光接続部の実装方式及びそれを用いた伝送装置に関する。

近年情報通信分野において、光を用いて大容量のデータを高速でやりとりする通信トラフィックの整備が急速に行われつつあり、これまで基幹、メトロ、アクセス系といった数ｋｍ以上の比較的長い距離について光ファイバ網が展開されてきた。今後はさらに、伝送装置間（数ｍ〜数百ｍ）、或いは装置内（数ｃｍ〜数十ｃｍ）といった極めて近距離についても、大容量データを遅延なく処理するため、信号配線を光化することが有効である。

伝送装置内の光配線化に関して、例えばルータ／スイッチ装置では、イーサなど外部から光ファイバを通して伝送された高周波信号をラインカードに入力する。このラインカードは１枚のバックプレーンに対して数枚で構成されており、各ラインカードへの入力信号はさらにバックプレーンを介してスイッチカードに集められ、スイッチカード内のＬＳＩにて処理した後、再度バックプレーンを介して各ラインカードに出力している。ここで、現状の装置では各ラインカードから現状３００Ｇｂｉｔ／ｓ以上の信号がバックプレーンを介してスイッチカードに集まる。これを現状の電気配線で伝送するには、伝播損失の関係で配線１本あたり１〜３Ｇｂｉｔ／ｓ程度に分割する必要があるため、１００本以上の配線数が必要となる。

さらに、これら高周波線路に対して波形成形回路や、反射、或いは配線間クロストークの対策が必要である。今後、さらにシステムの大容量化が進み、Ｔｂｉｔ／ｓ以上の情報を処理する装置になると、従来の電気配線では配線本数やクロストーク対策等の課題がますます深刻となってくる。これに対し、装置内ラインカード〜バックプレーン〜スイッチカードのボード間の信号伝送線路を光化することによって、１０Ｇｂｐｓ以上の高周波信号を低損失で伝播可能となるため、配線本数が少なくすむことと、高周波信号に対しても上記の対策が必要無くなるため有望である。

このような大容量の光インターコネクション回路を実現するためには光配線の高密度化と低損失で光接続が可能、且つ作製方法が容易な基板実装技術が必要となる。配線の高密度化に関しては、２次元的に複数本配列した光導波路アレイなどの光配線層をさらに基板の厚み方向に多層積層し、基板表面に搭載した面発（受）光型の光電変換素子アレイと光接続することで、より小さい実装面積で配線の高密度化が図れるため有効である。

このような、多層光配線層と光電変換素子アレイとを低損失で光接続可能な実装形態の一例が特許文献１に開示されている。この例では、特許文献１の図１に示されるように、多層光配線層の各層と光電変換素子アレイとを結合させるためのアレイ型光結合用光導波路ユニットを備えて、光配線層からの光を光結合用光導波路のコアを通して伝送するものとしてビーム拡がりによる光結合効率の低下を回避している。

さらに、ビーム拡がりによる光結合効率の低下を抑制する他の例が特許文献２に開示されている。この例では、特許文献２の図１に示されるように、多層光導波路と発光素子アレイにそれぞれマイクロレンズを搭載することにより、発光素子からの出射光をマイクロレンズでコリメートし、さらにその光をマイクロレンズで集光して光導波路のコアに導入する。これによって、素子からのビーム拡がりによる放射損失を抑制して光結合効率の低下を回避している。

特開２００３−１１４３６５号公報 特開２００１−１８５７５２号公報

しかし、特許文献１に開示される光路変換デバイスでは、光結合用のアレイ型光結合用光導波路ユニットを本体のアレイ型光導波路ユニットとは別に作製する必要がある。さらにアレイ型光導波路ユニットの積層数に応じて、それぞれ、長さの異なる光結合用の光導波路ユニットが必要となるため、部品数及び作製工程数が増大してしまう。また、各アレイ型光導波路ユニットを作製する際に、位置合わせが困難であり、光素子と各導波路層間の光軸位置がずれることによる光損失が大きくなる可能性がある。これらの影響は光導波路ユニットの層数が大きくなる程顕著となり、光導波路の多層化に限界がある。

一方、特許文献２に開示される方式においても、多層光導波路の積層数に対応して発光素子アレイと光導波路のコアとの距離が異なるため、各層ごとに焦点距離すなわち非球面形状をそれぞれ変化させたレンズが必要となり、部品数及び作製工程数が増大する。また、特許文献１と同様に、多層光導波路を作製する際の層間位置合わせが困難であり、光素子と各導波路層間の光軸位置がずれ、光損失が大きくなる可能性がある。

したがって、本発明の目的は、基板上に形成した多層光導波路と光電変換素子又は光導波路アレイコネクタとの光接続において、ビーム拡がりによる放射や光導波路作製時の層間位置合わせずれによる光素子と各導波路層間の光軸位置ずれによる光結合効率の劣化を抑制しつつ光配線の高密度化が図れると共に、部品数及び作製工程数を低減し低価格化を実現可能な光電気混載回路実装基板およびそれを用いた装置を提供することにある。

本発明では上記課題を解決するために、多層光導波路の各層ごとの高屈折率のコアには、このコアにより光を伝送する素子に対応する位置で光路を９０°変換するミラーを設ける。すなわち、多層光導波路の上面に配置された素子、例えば、発光素子からの出射光は光導波路のコアに設けられたミラーで光路が９０°変換されてコアの中を伝播する。伝播した光は、光導波路のコアの他の位置に設けられたミラーで光路が９０°変換されて多層光導波路の上面に向かい、この位置の多層光導波路の上面に設けられた素子、例えば、面受光ダイオードで受光される。この際、本発明では、多層光導波路の上面から２層目以降の光導波路への光の伝播経路に、上層の光導波路のコアを通過するようにすることによりビーム拡がりを抑制し光結合効率の劣化を抑制する。この際、２層目以降の光導波路のための光の伝播経路となるコアの部分を、他のコアの領域から分離させることにより、よりビーム拡がりの抑制効果を向上できる。また、この分離、孤立した隔離コアの形状を光を絞る形状とすることにより、さらに、ビーム拡がりの抑制効果を向上できる。

本発明によれば、光導波路の高屈折率のコアに設けたミラーの位置により多層光導波路の上面に設けられる素子との高精度な位置決めが可能である。さらに、２層目以降の光導波路は、上層の光導波路の高屈折率のコアを介して光を伝播するものとしてビーム拡がりを抑制し光結合効率の劣化を抑制できるとともに、コアを伝播する光を光路変換して基板上面で光素子と結合できるようにしたので、必要な素子間隔をとることができ、光配線の高密度化とクロストークの防止が図れる。さらに、部品数及び作製工程数を低減し低価格化を実現可能な光電気混載回路実装基板およびそれを用いた装置を提供できる効果がある。

以下に詳細に実施例を説明する。

図１は、本発明の第一の実施例である光電気混載回路実装基板１００の斜視図である。１１はガラスエポキシ、或いはセラミックなどの材料で作製された基板であり、この基板１１上に、それぞれがクラッド層で囲われた複数の高屈折率のコア１３ａを有する第一の光導波路層１４が構成され、その上に、それぞれがクラッド層で囲われた複数の高屈折率のコア１３ｂを有する第二の光導波路層１５が構成された２層構成とされている。コア１３ａとコア１３ｂとは、上下に重なる位置に設けられる。それぞれの光導波路層１４、１５のコア１３ａ、１３ｂには、二つのミラー１６および１８、１７および１９が設けられている。光導波路層１４のコア１３ａのミラー１６および１８は、図に示すように、反射面の向きが逆である。したがって、実装基板１００の上面からミラー１６に入射した光は９０°向きを変えてコア１３ａ内を伝播し、ミラー１８に入射する。ミラー１８に入射した光は反射されて９０°向きを変えて実装基板１００の上面に向けて伝播される。光導波路層１５のコア１３ｂのミラー１７および１９でも同様である。コア１３ａのミラー１６および１８に対応する位置の実装基板１００の上面には発光素子２６および受光素子２８を、それぞれ、コア１３ａの数だけ備える素子アレイ２０および２２が設けられる。上面のコア１３ｂのミラー１７および１９に対応する位置の実装基板１００の上面についても同様である。なお、実装基板１００の上面には、図示しないが、各素子アレイに必要な電気配線パターンが施されている。この配線パターンはコア１３ａ、コア１３ｂと同様にリソグラフィ技術によって、コア１３ａ、コア１３ｂと位置合わせをしながら形成され、所定の位置に載置される発光素子２６および受光素子２８と電気的な接続がとられる。

ここで、図１に示す光電気混載回路実装基板１００の主要部のサイズの例について述べると以下のようである。コア１３ａ、１３ｂの長さ方向と直角な方向での断面は５０μｍ×５０μｍ、光導波路層１４のコア１３ａの間隔、光導波路層１５のコア１３ｂの間隔（中心間の距離）は、それぞれ、２５０μｍ、光導波路層１４、光導波路層１５のクラッドの上下の厚みは２５μｍである。したがって、各導波路層の上下方向の厚さは２００μｍである。また、コア１３ａ、コア１３ｂの上下の間隔は１００μｍである。ここで、光導波路層１４のコア１３ａの間隔、光導波路層１５のコア１３ｂの間隔（中心間の距離）を、それぞれ、２５０μｍとしたのは、現在の標準のＭＴコネクタなどのファイバピッチに対応したものとするためである。

光導波路層１４、光導波路層１５のコア１３ａ、１３ｂは、後述するように、いわゆるリソグラフィ技術によって形成されるので、相対的な位置を正しく規制することができ、コア１３ａの直上にコア１３ｂを配置することができる。したがって、素子アレイ２０の発光素子２６から出される光は、コア１３ｂを経由してコア１３ａのミラー１６に到達する。同様に、ミラー１８で反射された光は、コア１３ｂを経由して素子アレイ２２の受光素子２８に到達する。この結果、実装基板１００の上面の素子２０，２２から離れた位置にある高屈折率のコア１３ａのミラー１６、ミラー１８との光の授受において、一旦、コア周辺部のクラッド層よりも高屈折率のコア１３ｂを通過することで、ビームの拡がりが抑制され放射損失による光結合効率の劣化を回避できる。また、ここで使用する素子２６、２８は、フリップチップによる表面実装に好適な面発光又は面受光ダイオードが良い。これは素子２７、２９についても、同様である。

さらに、コア１３ａ、コア１３ｂの各ミラーと、実装基板１００の上面の各素子の位置合わせについてみると、実施例１では、実装基板１００の上面に形成された配線パターンに素子を載置した状態で、配線パターンの所定の位置に、素子位置を決めることができるので、正確に位置決めすることができる。

図２Ａ−図２Ｇは、図１に示した実施例１の光電気混載回路実装基板の構成手順の一例を説明する図である。

図２Ａは基板１１上にクラッド層２５を形成し、その上にクラッド層２５よりも高屈折率の第１のコア１３ａのための材料の層１３を塗布または貼付けによって形成した状態を示す図である。ここで、クラッド２５層及びコア１３ａのための材料の層１３の材料としてはポリマなどの樹脂又は石英で良い。なお、上述のサイズに対応して、クラッド層２５は３０μｍ、コア１３ａのための材料の層１３は５０μｍとする。

図２Ｂは、クラッド層２５の上面のコア１３ａのための材料の層１３をホトリソグラフィ及びエッチングなどによって、コア１３ａのパターン形成をした後、コア１３ａの所望の場所に対して切削又はエッチング等により光路変換ミラー１６、１８を形成した状態を示す図である。ミラー部１６、１８表面は光を高効率で反射させるためにＡｕなどの金属を蒸着やメッキなどで被覆する。

図２Ｃは、図２Ａと同様に、パターン形成されたコア１３ａ上にクラッド層２５と同一材料によるクラッド層材料１２を載置した状態を示す。ここで、クラッド層材料１２は８０μｍの厚さとし、基板１１も含めて全体を少し加温してクラッド層２５とクラッド層材料１２を軟化させるとともに、上面から平坦な面の押し板によって加圧することにより、クラッド層材料１２はコア１３ａ間のスペース部分を埋めるとともに、基板１１上に載置されていたクラッド層２５と一体化して、コア１３ａをクラッド層２５で囲った導波路層１４を形成する。

図２Ｄは、コア１３ａがクラッド層２５で囲われた第１の導波路層１４が形成された状態を示す図である。図では、図が煩雑となるのを避けるため、最前面のコア１３ａについてのみミラー１６，１８が形成されている状態を示す。

図２Ｅは、図２Ｄの導波路層１４のクラッド層２５の上面に、図２Ａ、図２Ｂで説明したのと同じ手順で、第２のコア１３ｂのための材料の層１３を積層し、これに、ホトリソグラフィ及びエッチングなどによって、コア１３ｂをパターンニングした後、所望位置に光路変換ミラー１７、１９を形成した状態を示す図である。ここで、コア１３ａのミラー１６、１８の位置とコア１３ｂのミラー１７、１９の位置についてみると、長さ方向で、２５０μｍ離れたものとするのが良い。これは、現在の標準のＭＴコネクタなどのファイバピッチに対応したものとするためである。光路変換ミラー１７、１９も、反射面には、光をよりよく反射させるためにＡｕなどの金属を蒸着やメッキなどで被覆する。

図２Ｆは、図２Ｃ、図２Ｄで説明したのと同じ手順で、第２のコア１３ｂをクラッド層２５で囲われた第２の導波路層１５が形成された状態を示す図である。これにより、第１の導波路層１４に第１のコア１３ａが、第２の導波路層１５に第２のコア１３ｂが、それぞれ、形成された２層のコア層を有する実装基板１００が構成される。図２Ａ−図２Ｆで説明した処理によれば、上述した、コア断面５０μｍ×５０μｍ、第１の光導波路層１４の第１のコア１３ａの間隔、第２の光導波路層１５の第２のコア１３ｂの間隔（中心間の距離）は、それぞれ、２５０μｍ、光導波路層１４、光導波路層１５のクラッドの上下の厚みはそれぞれ２５μｍである。したがって、各導波路層の上下方向の厚さは１００μｍの実装基板１００が構成される。

図２Ｇは、図１に示す光電気混載回路実装基板１００が完成される最終段階を示す図である。クラッド層２５の上面に、各素子アレイ２０，２１，２２および２３に必要な電気配線パターンをコア１３ａ、コア１３ｂと同様にリソグラフィ技術によって、コア１３ａ、コア１３ｂと位置合わせをしながら形成する。この配線パターンの所定の位置に半田バンプ３１と各素子を載置して、各素子アレイ２０，２１，２２および２３に備えられる発光素子２６および受光素子２８と電気的な接続をとる。これによって、図１に示す光電気混載回路実装基板１００が完成される。

図３は、光電気混載回路実装基板１００の上面の素子アレイ２２，２３に代えて光コネクタ３５を設けた例を示す斜視図である。３６は各受光素子２８，２９が設けられていた位置に設けられる光ファイバである。実施例１ではコア１３ａ、１３ｂの長さ方向でのミラー１８，１９間が２５０μｍとされ、コア１３ａ、１３ｂの間隔が２５０μｍとされているから、光ファイバ３６の間隔も、コアの長さ方向およびコアの間隔方向のそれぞれの方向で２５０μｍとなり、標準のＭＴコネクタが適用できる。光コネクタ３５をクラッド層２５の上面に載置する場合、クラッド層２５の上面に電気配線パターンをコア１３ａ、コア１３ｂと同様にリソグラフィ技術によって形成するのに合わせて、光コネクタ３５の位置表示をコア１３ａ、コア１３ｂと位置合わせをしながら表示することにより、位置ずれなしに載置することができる。この際、クラッド層２５の上面側と、これに接する光コネクタ３５の面との間に凹凸による勘合関係を形成して固定するものとしても良い。こうすることで、光コネクタ３５と光導波路層のミラーとの位置合わせが、簡便且つ高精度に可能となる。

図４は、本発明の第二の実施例の光電気混載回路実装基板２００の斜視図である。ここでは第一の実施例の光電気混載回路実装基板１００とは異なり、実装基板２００の上面から、より離れたコア１３ａのミラー１６，１８と、実装基板２００の上面に配置された素子との光の授受に際して通過するコア１３ｂを、各光の通路ごとに分離、孤立したものとする。これにより、単にコア１３ｂを介して伝播するよりも、分離、孤立した隔離コア１３ｂ１，１３ｂ２に、より強固に垂直方向の伝播光をコア領域に閉じ込め、高効率光結合特性を実現する。ここでも、図１と同様に、コア１３ａ、コア１３ｂを通して伝播される光のパスを破線で示した。

図４と図１とを対比して分かるように、光電気混載回路実装基板２００では、下層のコア１３ａのミラー１６，１８と、実装基板２００の上面に配置された素子との光の授受に際して通過するコア１３ｂ１，１３ｂ２を、各光の通路ごとに分離、孤立した隔離コアとする。そのために、ミラー１７−１９間のコア１３ｂの光の伝播が阻害されることが無いように、コア１３ｂのミラー１７がコア１３ａのミラー１６よりも内側に配置される。これに応じて素子アレイ２０，２１も逆の関係に配置換えされる。さらに、コア１３ｂのミラー１７および１９の外側が切断されて、周囲をクラッド層に囲まれた分離、孤立した隔離コア１３ｂ１，１３ｂ２が形成されている。これらの処置は、図２Ｂ、図２Ｅで説明したコア１３ａのパターンニング、コア１３ｂのパターンニングで行えばよい。分離、孤立した隔離コア１３ｂ１，１３ｂ２は、コア１３ａのミラー１６，１８と、実装基板２００の上面に配置された素子との光の通路に当たる位置に配置されるものであることは当然である。

孤立した隔離コア１３ｂ１，１３ｂ２は、実装基板２００の上面に配置された素子との光の通路の周面が導波路層よりも屈折率の低い材料のクラッド層で取り巻かれているから、光導波路層１３ｂを透過する場合よりも、より強固に基板垂直方向の伝播光をコア領域に完全に閉じ込めることができ、高効率光結合特性を得られる。また、この直方体形状のコア構造については、図２Ｂ、図２Ｅで説明したコア１３ａのパターンニング、コア１３ｂのパターンニングのレイアウト変更のみで実現できるため、部品や工程数の追加は必要でない。

図５（Ａ）は、図４に示す実施例が孤立した隔離コア１３ｂ１，１３ｂ２を直方体形状で孤立したものとしたのに対して、四角推体または円錐体の先端部分を切り取ったテーパ付きの孤立したコアとした例を示す図である。他の構成要素については図４に示す実施例と同じである。なお、図を簡単にするため、ここでは、断面の形で表示することとし、基板１１およびコア１３ａ、１３ｂおよび孤立した隔離コア１３ｂ１，１３ｂ２のみにハッチングを付した。図５（Ｂ）、（Ｃ）は孤立した隔離コア１３ｂ１について、拡大した斜視図として示した図である。孤立した隔離コア１３ｂ２は、これの上下を反転したものとなる。このように、孤立した隔離コア１３ｂ１，１３ｂ２を孤立した錐体構造とすることにより、端面から入射した光をテーパ付きの孤立したコアの側面で反射して絞り込んだ形で反対の端面から出射することができる。そのため、孤立した直方体とするよりも、孤立した隔離コア１３ｂ１，１３ｂ２を伝播する光が閉じ込められ、或いは、孤立した隔離コア１３ｂ１，１３ｂ２外に漏出する場合でも、屈折することにより、ビームの拡がりが抑制され、高効率光結合特性が得られる。これに加えてコア出射時の光ビーム径を入射時よりも絞ることが可能となることで、ミラー部１７の表面に対して、より効率良く光を導入でき、隔離コア１３ｂ１とミラー１６間の光軸中心位置ずれによる光結合損失を大幅に改善できる。なお、コア４１の構造は光路変換ミラー作製に良く用いられる切削又はエッチング等によって形成可能であるが、中でも所望の場所に対して任意の傾斜角度形状を比較的簡略に作製可能なレーザビーム照射方式による作製がより有効である。

図６（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）は、孤立した隔離コア１３ｂ１，１３ｂ２をテーパ付きの孤立したコアとすることにより得られる効果を模式的に説明する概念図である。ここでは、素子アレイ２０、孤立した隔離コア１３ｂ１およびミラー１６に着目して示す。図６（Ａ）は、これらの軸位置が一点鎖線で示すように一致しているのに対して、図６（Ｂ）では、素子アレイ２０がΔだけずれている場合を示す。図６（Ｃ）は、孤立した隔離コア１３ｂ１，１３ｂ２をテーパ付きの孤立したコアとした場合の側面と軸との角度θについて説明する図である。

図６（Ａ）において、素子アレイ２０から孤立した隔離コア１３ｂ１に向かって伸びている線は、図示しないが、素子アレイ２０にある発光素子から出た光の外縁を示す。この光は孤立した隔離コア１３ｂ１の側面に当たったとき屈折して孤立した隔離コア１３ｂ１の内面に向かって進むとともに孤立した隔離コア１３ｂ１の端面から外に出てミラー１６で反射されてコアを進むことになる。すなわち、孤立した隔離コア１３ｂ１により光ビーム径を入射時よりも絞ることができ、ビームの拡がりを抑制することができる。図６（Ｂ）においては、素子アレイ２０の光軸が孤立した隔離コア１３ｂ１およびミラー１６の光軸からΔだけずれているので、発光素子から出た光の、光軸がずれた側の一部は孤立した隔離コア１３ｂ１に入射しない。そのため、光結合損失が増すことになる。図６（Ｃ）に示すように、孤立した隔離コア１３ｂ１，１３ｂ２の側面と軸とは角度θを持つが、この角度θは５〜１０°程度で良好な結果を得ることができる。この角度θを大きくすることにより、絞込みの効果は大きくなり、３０°程度としても良い。

図７は、本発明の第三の実施例である光電気混載回路実装基板３００の断面図である。ここでは、第一、第二の実施例で説明したのと同様にして、基板１１上に２層の第１の光導波路１４および第２の光導波路層１５の２層の光導波路層を積層した上に、図２Ｅ、図２Ｆで説明した手法により第３の光導波路層４０を積層した例を示す。第３の光導波路層４０の中には、コア１３ｃ、ミラー４１および４２、コア１３ｃから分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｃ１，１３ｃ２，１３ｃ３および１３ｃ４が形成される。これらの形成は、第２光導波路層のコア１３ｂと分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｂ１，１３ｂ２と同じ手法でできる。光導波路層１４のミラー１６、光導波路層１５の分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｂ１および光導波路層４０の分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｃ２は、同一光軸上に配置されるように形成される。光導波路層１４のミラー１８、光導波路層１５の分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｂ２および光導波路層４０の分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｃ４についても同様である。これは光導波路層１５のミラー１７および光導波路層４０の分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｃ１、光導波路層１５のミラー１９および光導波路層４０の分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｃ３についても同様である。実装基板３００の上面には、各光軸と一致する位置に発光素子を２次元配列した素子アレイを設け、各光軸と一致する位置に光ファイバ３６を２次元配列した光コネクタ３５を設けた。

実施例３によれば、光導波路層１４のコア１３ａは二つの光導波路層１５および４０を介して伝播される光信号を伝播することになる。しかし、素子からの光は分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｃ２、１３ｂ１を介して伝播されるから、低損失で光信号の授受ができる。したがって、光電気混載回路実装基板の更なる高密度化を図ることができる。

図８は、本発明の第四の実施例である光電気混載回路実装基板４００の断面図である。実施例４では、基板は、いわゆる、多層プリント板で構成される。表面の中央部に電気配線５１，５２が施された基板１１ａと表面の中央部に電気配線５３，５４が施された基板１１ｂとが積層され、電気配線５１，５２と電気配線５３，５４とは、スルーホールに設けられた電気配線５５，５６により必要に応じて接続された構造である。基板１１ｂの上面には、図５で説明した実施例２の構成に係わる光導波路層１４、１５が形成される。この基板上に上述した実施例の光導波路層が形成される。この際、実施例４ではコア１３ａ、１３ｂとミラー１６〜１９および分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｂ１，１３ｂ２を光導波路層１４、１５のそれぞれ左半分に形成し、右半分には、これに対応するコア１３ｄ、１３ｅとミラー４３〜４６および分離されたテーパ付きの孤立した隔離コア１３ｅ１，１３ｅ２を形成している。

光導波路層１５の上面の左端部には光コネクタ３５が設けられ、ファイバアレイ３８のファイバ３６が、分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｂ１およびミラー１７に対向して設けられている。一方、分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｂ２およびミラー１８に対向する受光素子を有する素子アレイ２３が光導波路層１５の上面の中央部よりに設けられる。光導波路層１５の上面の中央部には集積回路（ＬＳＩ）５０が設けられる。光導波路層１５の上面の素子アレイ２３の反対側に発光素子を有する素子アレイ２１が設けられる。素子アレイ２３、集積回路（ＬＳＩ）５０および素子アレイ２１は、図２Ｇで説明したように、光導波路層１５の上面に設けられた電気配線パターンにより電気的に接続されるとともに、光導波路層１４、１５のコア１３ａ，１３ｂ，１３ｄおよび１３ｅの無い領域を利用して形成されるスルーホールによる電気配線５７，５８を介して電気配線５３，５４とも接続される。素子アレイ２１に設けられた発光素子の発光面は、コア１３ｅの分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｅ１およびミラー４５に対向している。

一方、光導波路層１５の上面右端に、光導波路アレイコネクタ５００を設けている。光導波路アレイコネクタ５００は、コア１３ｆ、コア１３ｇのそれぞれを有する光導波路層を備える。コア１３ｆは一端にミラー４７を有し、コア１３ｇはミラー４９および分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｇ１を有する。実装基板４００のコア１３ｅの他端のミラー４６および分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｅ２は、光導波路アレイコネクタ５００のコア１３ｇの分離されたテーパ付きの孤立したコア１３ｇ１およびミラー４９に対向している。光導波路アレイコネクタ５００は光導波路層の外面をカバー層５０１で覆われて保護されている。また、光電気混載回路実装基板４００のコアと光を交換する部分では、カバー層５０１は開口とされて光の通過の障害となるのを防止している。

実施例４の構成によれば、したがって、ファイバ３６から実装基板４００に導入された光信号はコア１３ａ、１３ｂを介して素子アレイ２３の受光素子で電気信号に変換されて集積回路（ＬＳＩ）５０に導入されて必要な信号処理がなされる。集積回路（ＬＳＩ）５０で信号処理がなされた結果の電気信号は素子アレイ２１の発光素子で光信号に変換されて、コア１３ｄ、コア１３ｅを介して伝送され、実装基板５００のコア１３ｇ、１３ｆを介してさらに他の光電気混載回路実装基板に伝送される。このように、実装基板上の素子間の信号授受に際して、実装基板上の素子とコアとの間で、少なくとも２回の光信号の伝送が行われるが、分離されたテーパ付きの孤立したコアを介在させるから、伝送特性に支障無い程度の低損失で光結合可能である。

（本発明の効果の定量的評価例）
図９は光電気混載回路実装基板上に配置された素子と、この素子と光信号の授受を行う光導波路層のコアとの間での光結合損失を、素子−コア間について、光線追跡法によって計算した結果を示す図である。ここでは、素子をビーム拡がり角２３度の発光素子とし、光導波路はコア／クラッドの比屈折率を１％、コアは、前述したように、５０μｍ×５０μｍの断面を持ち、コアを包むクラッドの厚さが２５μｍとした。したがって、各光導波路層間におけるコア中心間隔は１００μｍ、最上層の光導波路の上端から実装基板上に配置された素子の発光面までの距離は５０μｍとなる。

図９は横軸に素子−コア間の距離、縦軸に光結合損失を示す。図中、白丸を付した点線が素子−コア間の伝播光がクラッド層のみを通過する場合、三角を付した実線が素子−コア間の伝播光が上層のコアを通過する場合、塗りつぶしの四角を付した実線が素子−コア間の伝播光が上層の分離、孤立した隔離コアを通過する場合、塗りつぶしの丸を付した線が素子−コア間の伝播光が上層の分離、孤立したテーパ付きコアを通過する場合のそれぞれについて最下層の光導波路層のコアと素子間の光結合損失を示す。したがって、ここで、単層とは光導波路層が１層のみの場合であり、２層とは光導波路層が２層の場合である。なお、分離、孤立した隔離コアの形状は直方体または図５（Ｂ）に示すものとした。したがって、例えば、４層とは、素子からの光信号を、３層の光導波路層を介して、４層目の光導波路層が受けるときの光結合損失を意味している。図からわかるように、光導波路層が単層あるいは２層積層である場合では、光導波路層のコアと素子間距離は、１５０μｍと比較的近いため、ビーム拡がりによる損失は殆ど無く、本発明による効果は明らかではない。

しかしながら、光導波路層をさらに積層するにつれて素子との距離が大きくなるため、破線で示す伝播光がクラッドのみ通過の場合は、前述のビーム拡がりによる損失が大きくなってしまう。これに対し、実線で示す本発明構造である下層光導波路への伝播光を上層のコアを通過させた場合は、例えば５層積層の場合においてもクラッドのみ通過が≧−６ｄＢ（約８０％）と大きな損失であるのに対し、本発明のコア通過の場合は、いずれの実施例においても、損失が≦−１．６ｄＢ（約３０％）以内とビーム拡がり抑制に対して効果的であり、本発明による効果の大きいことがわかる。

なお、図１の例ではコア１３ｂを伝播する光と、素子２６からコア１３ａに送られる光とが交差するが、それぞれの光の進行方向が約９０度異なるため、互いの光の干渉による特性劣化の恐れは無い。また、図９では、発光素子および受光素子とコア間の光の伝達についての特性を示すが、発光素子および受光素子が光ファイバである場合についても、同じ結果が得られる。

図１０は、図９で説明したパラメータを用い、分離、孤立した隔離コアを基板平行方向（紙面と平行方向）に移動したときの光軸位置ずれトレランス（図６（Ｂ）に示す△）とコア−素子間距離との関係について計算した結果を示す図である。なお、基板垂直方向（紙面と垂直方向）に移動したときの光軸位置ずれトレランスも同様の結果が得られるが、図が煩雑となるので表示を省略する。ここでは、図６（Ｃ）に示す分離、孤立した隔離コアのテーパ角θを７°とした。また、位置ずれトレランスは最大光結合効率に対し−２dＢの損失となる点までの移動距離で定義した。ここでは、基板垂直方向の移動の位置ずれトレランスを示した。さらに、クラッドのみを通過する場合には、分離、孤立した隔離コアの位置ずれに代えてミラーの位置ずれトレランスを示した。

図１０中、白丸を付した点線が素子−コア間の伝播光がクラッド層のみを通過する場合、三角を付した実線が素子−コア間の伝播光が上層のコアを通過する場合、塗りつぶしの四角を付した実線が素子−コア間の伝播光が上層の分離、孤立した隔離コアを通過する場合、塗りつぶしの丸を付した線が素子−コア間の伝播光が上層の分離、孤立したテーパ付きコアを通過する場合のそれぞれについて最下層の光導波路層のコアと素子間の分離、孤立した隔離コアの最大位置ずれトレランスを示す。光導波路層が１層のみの場合は分離、孤立した隔離コアの光の通過はないので、図９に示した単層については省略し、光導波路層が２層の場合からデータを示した。したがって、例えば、４層とは、素子からの光信号を、３層の光導波路層を介して、４層目の光導波路層が受けるときの分離、孤立した隔離コアの最大位置ずれトレランスを意味することになる。図からわかるように、分離、孤立したテーパ付きコアでは光導波路層の層数に係わらず大きな効果が得られている。分離、孤立した隔離コアおよび上層コアの通過では、２層あるいは３層積層の場合には、クラッド層通過と大差がないが、４層以上の光導波路層の積層ではビーム拡がり抑制により、４層積層の場合でも≧±１０μｍの光軸位置ずれトレランスが得られ、本発明による効果の大きいことがわかる。

図１０の結果から、点線で示す伝播光がクラッドのみ通過の場合は、光導波路層を積層するにつれて素子との距離が大きくなることにより、前述のビーム拡がりによる損失が大きくなってしまい、３層以上積層した場合は素子−コア−ミラー間の光軸位置ずれトレランスを確保出来ない。これに対し、破線で示す実施例１で説明した構造では、ビーム拡がりによる光結合損失を抑制することによってさらに実線で示すテーパ角を設けコアの表面積を通過する光の伝播方向に沿って小さくした構造にすることによって、前述した光ビーム径狭窄効果によって３層積層の場合でも≧±２０μｍと更なる位置ずれトレランス向上が図れることがわかる。

図１１は本発明の光電気混載回路実装基板を応用した第五実施例の概要を示す図であり、図８に示す実施例４の光電気混載回路実装基板４００を適用した形で構成された光伝送装置の斜視図である。６０は電気集積回路基板であり、図８で説明した光電気混載回路実装基板４００を基礎として構成される。破線で示す６１，６２は埋め込まれている光導波路層をしめし、これがコア１３ａ、１３ｂ、１３ｄ、および、１３ｅに対応するコアを含む光導波路層１４，１５に対応する。６３，６４、および、６５は素子アレイ２３，２１、および、集積回路（ＬＳＩ）５０に対応する。６６、および、６７，６８は光コネクタ３５およびファイバアレイ３８に対応する。６９，７０、および、７１は電子回路である。集積回路（ＬＳＩ）５０の手前側にある電子回路は、図が煩雑になるので、参照符号を省略した。７２，７３は各電子回路間を接続する電気配線を代表して示すとともに、他の電気集積回路基板６０の各電子回路間および、後述するスイッチカード８０の各電子回路間とも接続される。７４は図８に示す光電気混載回路実装基板５００に対応する光コネクタであるが、ここでは、光導波路層１４，１５のコアの光を受けて、これをファイバで伝送するものとした。なお、電気集積回路基板６０は光信号を受けて処理するだけでなく、処理結果の光信号を、再び、送信する機能も必要であるので、図８で説明した光導波路層１４，１５に対応する光導波路層６１，６２および素子アレイ６３，６４は、送信機能のために、もう一組必要であるが、ここでは省略した。

８０はスイッチカードであり、光コネクタ７４、光導波路層６２、素子アレイ６４、電気配線７２，７３を備えるとともに、参照符号を省略した電子回路を備える。

９０はバックプレーンであり、各電気集積回路基板６０を機械的に保持するとともに、光コネクタ７４の光信号を伝送するファイバ７５および各電気集積回路基板６０の電気配線７２，７３間を接続する図示しない配線を備える。

ファイバアレイ６７，６８の光ファイバから導入された光信号は各電気集積回路基板６０にて処理された後、バックプレーン９０を介してスイッチカード８０に集められ、必要な処理がなされた後、再び、各電気集積回路基板６０を介して、ファイバアレイ６７，６８の光ファイバを介して送出される。

光配線の高密度化が図れると共に、部品数及び作製工程数を低減し低価格化を実現可能な光電気混載回路実装基板およびそれを用いた光伝送装置を提供できる。

本発明の第一の実施例である光電気混載回路実装基板の斜視図である。 基板１１上にクラッド層を形成し、その上にクラッド層よりも高屈折率の第１のコアのための材料の層を塗布または貼付けによって形成した状態を示す図である。 クラッド層の上面の第１のコアのための材料の層をホトリソグラフィ及びエッチングなどによって、コアのパターン形成をした後、コアの所望の場所に対して切削又はエッチング等により光路変換ミラーを形成した状態を示す図である。 図２Ａと同様に、パターン形成されたコア上にクラッド層と同一材料によるクラッド層材料を載置した状態を示す。 第１のコアがクラッド層で囲われた第１の導波路層が形成された状態を示す図である。 図２Ｄの第１の導波路層のクラッド層の上面に、図２Ａ、図２Ｂで説明したのと同じ手順で、第２のコアのための材料の層を積層し、これに、ホトリソグラフィ及びエッチングなどによって、第２のコアをパターンニングした後、所望位置に光路変換ミラーを形成した状態を示す図である。 図２Ｃ、図２Ｄで説明したのと同じ手順で、第２のコアをクラッド層で囲われた第２の導波路層１５が形成された状態を示す図である。 図１に示す光電気混載回路実装基板が完成される最終段階を示す図である。 光電気混載回路実装基板の上面の素子アレイに代えて光コネクタを設けた例を示す斜視図である。 本発明の第二の実施例の光電気混載回路実装基板の斜視図である。 （Ａ）は、図４に示す実施例が孤立した隔離コア１３ｂ１，１３ｂ２を直方体形状で孤立したものとしたのに対して、四角推体または円錐体の先端部分を切り取ったテーパ付きの孤立したコアとした例を示す図、（Ｂ）、（Ｃ）は孤立した隔離コアについて、拡大した斜視図として示した図である。 （Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）は、孤立した隔離コアをテーパ付きの孤立したコアとすることにより得られる効果を模式的に説明する概念図である。 本発明の第三の実施例である光電気混載回路実装基板の断面図である。 本発明の第四の実施例である光電気混載回路実装基板の断面図である。 光電気混載回路実装基板上に配置された素子と、この素子と光信号の授受を行う光導波路層のコアとの間での光結合損失を、素子−コア間について、光線追跡法によって計算した結果を示す図である。 図９で説明したパラメータを用い、分離、孤立した隔離コアを基板平行方向（紙面と平行方向）に移動したときの光軸位置ずれトレランス（図６（Ｂ）に示すデルタ）とコア−素子間距離との関係について計算した結果を示す図である。 本発明の光電気混載回路実装基板の応用例の概要を示す図であり、図８に示す実施例４の光電気混載回路実装基板を適用した形で構成された光伝送装置の斜視図である。

符号の説明

１００，２００，３００，４００…光電気混載回路実装基板、５００…光導波路アレイコネクタ、１１…基板、１１ａ，１１ｂ…多層プリント板、１３ａ,１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ…コア、１３ｂ１，１３ｂ２，１３ｃ１，１３ｃ２，１３ｃ３，１３ｃ４，１３ｅ１，１３ｅ２，１３ｇ１…孤立した隔離コア、１４,１５，４０，６１，６２…光導波路層、１６,１７,１８,１９，４１，４２、４３，４４，４５，４６，４７，４９…光路変換ミラー、２０,２１，２２,２３，６３，６４…素子アレイ、３１…半田バンプ、３５，６６，７４…光コネクタ、３６，７５…光ファイバ、３８，６６…ファイバアレイ、５０，６５…集積回路（ＬＳＩ）、５１，５２，５３，５４，５５，５６…電気配線、６０…電気集積回路基板、６９，７０，７１…電子回路、７２，７３…電気配線、８０…スイッチカード、９０…バックプレーン。

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上に積層され、クラッド層に囲まれ、前記クラッド層よりも屈折率の高い材料からなる第１のコアを有する第１の光導波路層と、
   前記第１の光導波路層上に積層され、前記クラッド層に囲まれ、前記クラッド層よりも屈折率の高い材料からなる前記第２のコアおよび前記第２のコアからクラッド層で分離された第３のコアを有する第２の光導波路層と、
   前記第２の光導波路層の上面に形成された電気配線パターンと、
   前記第２の光導波路層上に載置され、前記電気配線パターンの一部と電気的に接続された光素子と、
   前記第１の光導波路層の前記第１のコアと前記光素子との光の授受が前記第３のコアを介して行われるように垂直方向に光路を変換するミラーと、を有することを特徴とする光電気混載回路実装基板。
2. 前記第２のコアは、直方体形状である請求項１記載の光電気混載回路実装基板。
3. 前記第２のコアは、光の入射面が光の出射面よりも大きい面積を有する請求項１記載の光電気混載回路実装基板。
4. 前記光素子は、面発光ダイオードあるいは面受光ダイオードである請求項１記載の光電気混載回路実装基板。
5. 前記光素子は、面発光ダイオードあるいは面受光ダイオードが２次元配置されたものである請求項４記載の光電気混載回路実装基板。
6. 前記光素子とは別に、前記第２の光導波路層上に載置されたコネクタを有する光ファイバと、
   前記第１の光導波路層の前記第１のコアと前記光素子との光の授受が前記第３のコアを介して行われるように垂直方向に光路を変換する第２のミラーと、を備えることを特徴とする請求項１記載の光電気混載回路実装基板。
7. 前記光素子は、面発光ダイオードあるいは面受光ダイオードが２次元配置されたものであり、前記光ファイバは２次元に配列されていることを特徴とする請求項６記載の光電気混載回路実装基板。
8. 前記第１の光導波路層のコア中心間の間隔は、前記ミラーに対応して配置される光素子間の間隔より小さい請求項１記載の光電気混載回路実装基板。
9. 前記基板が多層プリント配線基板であり、該多層プリント配線と前記電気配線パターンとは、スルーホールを介して電気的に接続されたものである請求項１記載の光電気混載回路実装基板。
10. 外部から入力された光信号を処理する第１の光信号処理部を搭載したラインカードと、
    前記ラインカードから光配線を介して伝送された光信号を処理する第２の信号処理部を有するスイッチカードと、
    前記ラインカードと前記スイッチカードとを光学的に接続する光配線が形成されたバックプレーンとを有する伝送装置であって、
    前記第１のラインカードは、
    基板と、
    前記基板上に積層され、クラッド層に囲まれ、前記クラッド層よりも屈折率の高い材料からなる第１のコアを有する第１の光導波路層と、
    前記第１の光導波路層上に積層され、前記クラッド層に囲まれ、前記クラッド層よりも屈折率の高い材料からなる前記第２のコアおよび前記第２のコアからクラッド層で分離された第３のコアを有する第２の光導波路層と、
    前記第２の光導波路層の上面に形成された電気配線パターンと、
    前記第２の光導波路層上に載置され、前記電気配線パターンの一部と電気的に接続された光素子と、
    前記第１の光導波路層の前記第１のコアと前記光素子との光の授受が前記第３のコアを介して行われるように垂直方向に光路を変換するミラーと、を有する光電気混載回路実装基板を基礎に構成されることを特徴とする伝送装置。

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