JP4865600B2

JP4865600B2 - 光結合器

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Publication number: JP4865600B2
Application number: JP2007056095A
Authority: JP
Inventors: 隆裕渡辺; 直之児島
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2027-03-06
Also published as: JP2008216794A

Description

本発明は、光素子搭載基板に搭載された光素子と光回路基板に備えられた光導波路とを位置決めして光結合させるための光結合器に関するものである。

近年、半導体からなる集積素子の分野では、高速・高密度化への進展が著しく、従来の電気的な配線による相互接続では、信号の遅延、減衰、干渉等により、十分な特性が期待できなくなることが問題となっている。この問題は、ＩＯボトルネックといわれ、これを解決するために光インターコネクション技術が注目されている。光インターコネクション技術は、通信機器相互間や通信機器内のボード間にとどまらず、１つのボード内の集積回路素子間にも適用することが検討されている。

従来のボード内光インターコネクションを実現するための光回路基板としては、特許文献１に開示されている光導波路が形成された多層プリント基板が知られている。ここでは、基板表面に実装された面発光型素子（ＶＣＳＥＬ）から基板に垂直な方向に出射された信号光を、光配線に形成された光路変換ミラーで反射させることで光導波路を導波させ、導波した信号光を別の光路変換ミラーで反射させて面受光型光素子（プレーナー型フォトダイオード）によって受光するものである。

このような光回路基板においては、発光素子及び受光素子と光導波路との光結合損失が信号の減衰に大きな影響を与える。そこで、このような信号の減衰を抑えるために、光素子と光導波路との位置合わせを数μｍという高い精度で行う光結合手段が必要となる。

光回路基板における上記のような高精度の位置合せを行うための従来の光結合手段としては、例えば図８に示す特許文献２に開示されたものが知られている。特許文献２では、光素子９０１を搭載した基板９０２と光回路基板９０３とにそれぞれ位置合せ用のアライメントマーク９０４，９０５を付与し、基板９０２に付与されたアライメントマーク９０４と光回路基板９０３に付与されたアライメントマーク９０５とを位置合わせして実装させるようにしている。
特開２００６−１２０９５６号特開２００５−２９４４４４号

しかしながら、上記従来の光結合手段では、以下のような問題があった。位置合わせのためのアライメントマークは、基板や導波路上の実装時に視認できる位置に付与する必要があるが、これが光素子等が設けられている光結合部から離れた位置に付与されている場合には、光結合部における相対位置精度が低下してしまい、数μｍといった高い精度を実現するのが困難になってしまう。

また、光素子を搭載した基板や光回路基板が実装時に熱膨張すると、それぞれの熱膨張率の差の影響でアライメントマークと光結合部との距離が変化してしまい、その結果相対位置精度がさらに低下してしまうといった問題もある。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、２つの基板を光結合させるための結合路を備え、かつこの結合路で高精度に位置決め可能に構成された光結合器を提供することを目的としている。

この発明の光結合器の第１の態様は、光素子搭載基板上に固定された光素子と、光回路基板に形成された光導波路とを、前記光導波路に設けられた反射面で光軸を変更することで光結合させる光結合器であって、一方の端面が前記光素子の受発光部を覆って前記光素子搭載基板上に固定され、他方の端面には第１の嵌合部が形成された第１の結合路と、一方の端面が前記反射面で変更された光軸が通過する前記光回路基板上に固定され、他方の端面には第２の嵌合部が形成された第２の結合路と、を備え、前記第１の嵌合部と前記第２の嵌合部のいずれか一方が凸レンズ形状に形成された単峰の凸部を有し他方が前記凸部と嵌合する凹部を有して前記凸部の屈折率が前記凹部の屈折率よりも高く、前記凸部と前記凹部とを嵌合させることで前記第１の結合路と前記第２の結合路とを位置決めして光結合していることを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、光素子を搭載した基板と光導波路を備えた光回路基板のそれぞれに、光素子と光導波路とを光結合させるための結合路を設け、かつこの結合路を嵌合させることで高精度に位置決めすることが可能な光結合器を提供することができる。

また、光素子搭載基板と光回路基板とが、熱膨張率差の大きい材料で形成されている場合でも、２つの結合路を嵌合させることで位置決めする構成としていることから、熱膨張率差による光結合路の位置ずれを低減させることが可能となっている。さらに、光素子搭載基板と光回路基板との電気的な接続を行うときの半田のセルフアライメントによる位置ずれも、２つの結合路の嵌合により防止することが可能である。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態における光結合器の構成について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

本発明では、光素子を搭載した基板と光導波路を備えた光回路基板との光結合を、光導波路の光軸と直交する方向に光軸を有する光結合器を用いて実現している。本発明の光結合器の第１の実施の形態を、図１を用いて以下に説明する。図１における下側の部分は本発明の光結合器の第１の実施形態を模式的に表した断面図であり、上側の部分は、下側の部分のうち、光素子搭載基板１１、光素子１０、第１の結合路１１０のみを取り出して下方から見た状態を示したものである。

図１において、光回路基板２０は、電気回路基板２１と、これに平行な方向に光を導波させる光導波路２２とを備えており、光導波路２２の所定の位置に反射面２３が設けられている。電気回路基板２１は、絶縁層２１ａを挟んでその両面に導体パターン層２１ｂを備える構造としており、光導波路２２は、光を導波させるコア層２２ａとこれを囲むクラッド層２２ｂを備える構造としている。

光導波路２２の途中に設けられた反射面２３は、光導波路２２の光軸を垂直方向に変更させるものであり、垂直方向に光素子１０を配置することで、光素子１０から出射された光を光導波路２２のコア層２２ａに導波させる、あるいはコア層２２ａを導波して来た光を光素子１０に出射させることができる。

本実施形態の光結合器１００は、光素子１０を搭載した光素子搭載基板１１に固定された第１の結合路１１０と、光回路基板２０に固定された第２の結合路１２０とから構成されている。

第１の結合路１１０は、光素子搭載基板１１の光素子１０が搭載された面上に固定されており、その一方の端面中央部で光素子１０の受発光部を覆うように設置されている。第１の結合路１１０の光軸が光素子１０の光軸と一致するように設置するのが好ましい。また、ここでは第１の結合路１１０の形状を角柱形状としているが、これに限定する必要は無く、いずれの形状であっても、第１の結合路１１０の一方の端面中央部に光素子１０が配置されるように固定するのがよい。

他方、第２の結合路１２０は、光回路基板２０上の反射面２３が設置されている位置に固定されており、第２の結合路１２０の光軸が反射面２３で垂直方向に変更された光導波路２２の光軸と一致するように設置するのが好ましい。第２の結合路１２０の形状は、第１の結合路１１０の形状に合わせて角柱形状としているが、第１の結合路１１０の形状に応じて適宜変更することができる。

第１の結合路１１０及び第２の結合路１２０のそれぞれ光素子搭載基板１１及び光回路基板２０に固定されている一方の端面とは反対側の端面には、それぞれ第１の嵌合部１１１及び第２の嵌合部１２１が形成されている。図１に示す実施形態例では、第１の結合路１１０の端面に断面が凸形状の円筒形状の第１の嵌合部１１１が形成されており、第２の結合路１２０の端面には嵌合部１１１と嵌合する断面が凹形状の第２の嵌合部１２１が形成されている。

上記のように、第１の結合路１１０及び第２の結合路１２０のそれぞれの端面に、第１の嵌合部１１１及び第２の嵌合部１２１を形成し、これらを嵌合することで光素子搭載基板１１を光回路基板２０上に高精度に位置決めして固定させることが可能となっている。

すなわち、光素子１０の光軸に対し第１の嵌合部１１１を高精度に位置決めして第１の結合路１１０を光素子搭載基板１１に固定するとともに、反射面２３で垂直に変更された光導波路２２の光軸に対し第２の嵌合部１２１を高精度に位置決めして第２の結合路１１０を光回路基板２０に固定する。これにより、第１の嵌合部１１１と第２の嵌合部１２１とを嵌合させたとき、光素子１０の光軸と反射面２３で垂直に変更された光導波路２２の光軸とが一致するように位置決めすることが可能となる。

また、第１の結合路１１０及び第２の結合路１２０は、光結合用伝送路であると同時に、光素子搭載基板１１と光回路基板２０との位置決めを行う位置決め部でもあることから、従来のように光結合用伝送路と位置決め部との間で相対位置の誤差が生じるといった問題がなくなる。仮に、光素子搭載基板１１と光回路基板２０とで熱膨張率が異なっている場合でも、熱膨張差による光素子１０と反射面２３との位置ずれを低減することができ、光結合効率の低下を回避することができる。

光素子搭載基板１１は、光回路基板２０の上面に半田１３０を用いて固定されている。この半田１３０は、光素子搭載基板１１と光回路基板２０とを電気的に接続する役割も果たしている。半田１３０で２つの基板を接続する場合、従来はセルフアライメントによって光結合用伝送路で位置ずれが生じてしまう恐れがあったが、本実施形態では、互いに嵌合する第１の結合路と第２の結合路とからなる光結合器１００で光素子１０と光導波路２２との位置決めを行っていることから、セルフアライメントによる位置ずれのおそれはなく、光結合効率の低下を抑えることが可能となっている。

本実施形態の光結合器１００は、所定形状の型材を用いて容易に形成することができる。一例として、光素子搭載基板１１に固定される第１の結合路１１０を形成する方法を、図２を用いて以下に説明する。

図２において、光素子１０が搭載された光素子搭載基板１１の光開口部（伝搬部）に第１の結合路１１０となる樹脂１４０を配置し（図２（ａ））、これが未硬化の状態で所定の凹形状の先端部を有する型材１４１を押し込み、その状態で樹脂１４０を硬化させる（図２（ｂ））。そして、樹脂１４０が硬化した後に型材１４１を取り除くと、光素子搭載基板１１上に固定された第１の結合路１１０が形成される（図２（ｃ））。

第２の結合路１２０も同様に、光回路基板２０の反射面２３が設置された光開口部に第２の結合路１２０となる樹脂を配置し、所定の凸形状の先端部を有する型材を用いることで形成することができる。

あるいは、第１の結合路１１０及び第２の結合路１２０を形成する別の方法として、光素子搭載基板１１または光回路基板２０の光開口部に予め所定の大きさの型枠を配置し、その型枠の内部に樹脂を充填させて形成する方法を用いることもできる。型枠に樹脂を充填させた後、これが未硬化の状態で上記と同様の凹形状または凸形状の先端部を有する型材を押し込み、その状態で樹脂を硬化させて形成することができる。

本実施形態の別の実施例を、図３を用いて以下に説明する。図３における下側の部分は光結合器の模式断面図であり、上側の部分は、下側の部分のうち、光素子搭載基板１１、光素子１０、第１の結合路１５０のみを取り出して下方から見た状態を示したものである。図３に示す実施例では、光結合器１０１の第１の嵌合部及び第２の嵌合部として、図１に示すものと異なる形状のものを用いている。すなわち、光素子搭載基板１１に固定された第１の結合路１５０には、２つの凸部が平行に形成された第１の嵌合部１５１が設けられている。また、光回路基板２０に固定された第２の結合路１６０には、第１の嵌合部１５１と嵌合する形状の凹部が平行に２つ形成された第２の嵌合部１６１が設けられている。

上記のように構成された光結合器１０１を用いた場合には、第１の嵌合部１５１と第２の嵌合部１６１とを嵌合することで、光素子搭載基板１１と光回路基板２０とを高精度に位置決めできるように構成されている。なお、第１の嵌合部１５１及び第２の嵌合部１６１の凸部及び凹部の設置個数には特に制限はなく、２個よりさらに増やしてもよい。また、第１の嵌合部１５１を凹部で形成し、第２の嵌合部１６１を凸部で形成するようにしても良い。

本実施形態では、図１に示した形状の第１の嵌合部１１１と第２の嵌合部１２１、あるいは図３に示した形状の第１の嵌合部１５１と第２の嵌合部１６１に限らず、さらに別の形状のものを用いることも可能である。いずれの形状であっても、第１の嵌合部と第２の嵌合部とを容易に嵌合でき、かつ嵌合させたとき両者の位置決めを高精度に行えるように形成されていれば良い。

また、第１の嵌合部及び第２の嵌合部の設置位置に特に制限はないが、光軸の通る中央部には設けずその周辺部に形成する場合には、第１の嵌合部及び第２の嵌合部で囲まれた中央部を、ともに光軸と垂直に交わるようにするのが好ましい。

本発明の第２の実施形態を、図４を用いて以下に説明する。図４における下側の部分は本発明の光結合器の第２の実施形態を模式的に表した断面図であり、上側の部分は、下側の部分のうち、光素子搭載基板１１、光素子１０、第１の結合路２１０のみを取り出して下方から見た状態を示したものである。本実施形態の光結合器２００では、第１の結合路２１０の端面の光軸と交わる位置に凸形状の第１の嵌合部２１１が形成されており、第２の結合路２２０の端面には凹形状の第２の嵌合部２２１が形成されている。本実施形態の第１の嵌合部２１１及び第２の嵌合部２２１は、嵌合面が曲面形状に形成されており、相互の嵌合面が正確に一致するように形成されている。

本実施形態においても、第１の嵌合部２１１と第２の嵌合部２２１とを嵌合させたとき、光素子１０の光軸と反射面２３で垂直に変更された光導波路２２の光軸とが一致するように、第１の嵌合部２１１及び第２の嵌合部２２１が形成されている。

本実施形態では、さらに第１の結合路２１０の屈折率と第２の結合路２２０の屈折率が異なるようにしており、凸形状に形成された第１の嵌合部２１１を有する第１の結合路２１０の屈折率を第２の結合路２２０の屈折率よりも高くしている。これにより、第１の嵌合部２１１が凸レンズの役割を果たして光軸付近に集光させることができる。

また、第１の嵌合部２１１の凸面を非球面レンズと同様に形成することで、光を１点（焦点）に集光させるようにすることも可能である。この場合、第１の嵌合部２１１の凸面を以下のように形成するのがよい。すなわち、光素子１０が発光素子の場合には、反射面２３上に焦点が位置するように形成し、光素子１０が受光素子の場合には、光素子１０の受光面上に焦点が位置するように形成するのがよい。

図４に示した実施例では、第１の嵌合部２１１を凸形状とし、第２の嵌合部２２１を凹形状としていたが、これとは逆に、第１の嵌合部２１１を凹形状に形成し、第２の嵌合部２２１を凸形状に形成してもよい。この場合には、第２の結合路２２０の屈折率を第１の結合路２１０の屈折率よりも高くすることで、第２の嵌合部２２１が凸レンズの役割を果たすことができる。

本実施形態の別の実施例を、図５を用いて説明する。図５における下側の部分は光結合器の模式断面図であり、上側の部分は、下側の部分のうち、光素子搭載基板１１、光素子１０、第１の結合路２５０のみを取り出して下方から見た状態を示したものである。本実施例では、第１の結合路２５０に設けられた第１の嵌合部２５１の形状が曲面形状ではなく、複数の平面からなる角錐台状に形成されており。これに対応して第２の結合路２６０に設けられた第２の嵌合部２６１も複数の平面からなる凹形状に形成されている。

第１の嵌合部２５１及び第２の嵌合部２６１の形状を、上記のように複数の平面からなる凸形状及び凹形状としても、第１の結合路２５０の屈折率を第２の結合路２６０の屈折率よりも高くすることで、レンズ効果が得られる。ここでは、図５の第１の嵌合部２５１の形状を角錐台状としたが、これに限定されず例えば角錐、円錐、円錐台等の形状とすることも可能である。

上記の通り、本実施形態では、第１の結合路または第２の結合路のいずれか一方において、光軸と交わる位置に凸形状の第１の嵌合部または第２の嵌合部を形成し、凸形状の嵌合部が形成されている側の結合路の屈折率を他方の結合路の屈折率より大きくすることによってレンズ効果が得られるようにしている。

これにより、光結合路を通過する光の広がり角度が大きい場合でも、嵌合界面におけるレンズ効果によって光の広がりを抑えることができ、結合効率を向上させることが可能となる。すなわち、光素子１０が発光素子の場合には、光素子１０から出射された光を反射面２３上に効率よく集光させる一方、光素子１０が受光素子の場合には、光導波路２２を通光して反射面２３で反射された光を効率よく光素子１０に入射させることができる。

本発明の第３の実施形態を、図６を用いて以下に説明する。図６における下側の部分は本発明の光結合器の第３の実施形態を模式的に表した断面図であり、上側の部分は、下側の部分のうち、光素子搭載基板１１、光素子１０、第１の結合路３１０、凸レンズ３３０のみを取り出して下方から見た状態を示したものである。本実施形態の光結合器３００では、第１の結合路３１０の端面及び第２の結合路３２０の端面の光軸と交わるそれぞれの位置に、ともに断面が凹形状の第１の嵌合部３１１及び第２の嵌合部３２１を形成しており、さらに第１の嵌合部３１１と第２の嵌合部３２１との間に凸レンズ３３０を嵌合して挟持している。

凸レンズ３３０は、その屈折率を第１の結合路３１０と第２の結合路３２０の少なくともいずれか一方の屈折率より高くなるようにしている。これにより、第２の実施形態と同様に、凸レンズ３３０による集光効果で光を反射面２３又は光素子１０に効率よく集光させることが可能となる。

また、凸レンズ３３０の屈折率を、第１の結合路３１０及び第２の結合路３２０の両方の屈折率よりも高くした場合には、凸レンズ３３０による集光効果をさらに高めることが可能となる。

上記の通り本実施形態の光結合器３００では、光結合路を通過する光の広がり角度が大きい場合でも、凸レンズ３３０による集光効果により光の広がりを抑えることができ、結合効率を向上させることが可能となる。凸レンズ３３０の屈折率が第１の結合路３１０及び第２の結合路３２０の両方の屈折率よりも高い場合には、より高い集光効果を実現することができる。

本発明の第４の実施形態を、図７を用いて以下に説明する。図７における下側の部分は本発明の光結合器の第４の実施形態を模式的に表した断面図であり、上側の部分は、下側の部分のうち、光素子搭載基板１１、光素子１０、第１の結合路４１０のみを取り出して下方から見た状態を示したものである。本実施形態の光結合器４００では、第１の嵌合部４１１及び第２の嵌合部４２１を、図３に示す第１の実施形態の光結合器１０１と同様に、第１の結合路４１０の端面及び第２の結合路４２０の端面のそれぞれ光軸と交わらない周辺部に設けている。

本実施形態の光結合器４００では、上記の第１の嵌合部４１１及び第２の嵌合部４２１を形成するのに加えて、第１の結合路４１０及び第２の結合路４２０にそれぞれ光を通光させるコア部４１０ａ、４２０ａを形成している。

すなわち、第１の結合路４１０には、光素子１０の受発光部に対向させてこれに垂直にコア部４１０ａを形成している。コア部４１０ａの屈折率を第１の結合路４１０のコア部４１０ａを取り囲む部分（クラッド部４１０ｂ）よりも高くすることで、第１の結合路４１０をコア部４１０ａとクラッド部４１０ｂとを有する光導波路とすることができる。

同様に、第２の結合路４２０にも、第１の結合路４１０のコア部４１０ａの延長上に第２の結合路４２０のコア部４２０ａを形成している。コア部４２０ａの屈折率を第２の結合路４２０のコア部４２０ａを取り囲む部分（クラッド部４２０ｂ）よりも高くすることで、第２の結合路４２０をコア部４２０ａとクラッド部４２０ｂとを有する光導波路とすることができる。

上記のように、本実施形態の光結合器４００を、コア部とクラッド部とを有する光導波路となるように形成することで、光素子１０と光導波路２２との間で効率よく光を導波させることが可能となり、光素子１０と光導波路２２との結合効率を向上させることができる。また本実施形態の光結合器４００によれば、光素子１０と光導波路２２とが離れている場合でも、コア部に光を閉じ込めて効率よく導波させることができ、結合効率の低下を防止することができる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る光結合器の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における光結合器の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の光結合器の第１の実施形態を説明する模式図である。本発明の第１の結合路を形成する方法を説明する図である。本発明の光結合器の第１の実施形態の別の実施例を説明する模式図である。本発明の光結合器の第２の実施形態を説明する模式図である。本発明の光結合器の第２の実施形態の別の実施例を説明する模式図である。本発明の光結合器の第３の実施形態を説明する模式図である。本発明の光結合器の第４の実施の形態を説明する模式図である。従来の光回路基板の位置合せを行う方法を説明するための図である。

符号の説明

１０光素子
１１光素子搭載基板
２０光回路基板
２１電気回路基板
２２光導波路
２３反射面
１００、１０１、２００、３００、４００光結合器
１１０、１５０、２１０、２５０、３１０、４１０第１の結合路
１１１、１５１、２１１、２５１、３１１、４１１第１の嵌合部
１２０、１６０、２２０、２６０、３２０、４２０第２の結合路
１２１、１６１、２２１、２６１、３２１、４２１第２の嵌合部
１３０半田
１４０樹脂
１４１型材
３３０凸レンズ

Claims

光素子搭載基板上に固定された光素子と、光回路基板に形成された光導波路とを、前記光導波路に設けられた反射面で光軸を変更することで光結合させる光結合器であって、
一方の端面が前記光素子の受発光部を覆って前記光素子搭載基板上に固定され、他方の端面には第１の嵌合部が形成された第１の結合路と、
一方の端面が前記反射面で変更された光軸が通過する前記光回路基板上に固定され、他方の端面には第２の嵌合部が形成された第２の結合路と、を備え、
前記第１の嵌合部と前記第２の嵌合部のいずれか一方が凸レンズ形状に形成された単峰の凸部を有し他方が前記凸部と嵌合する凹部を有して前記凸部の屈折率が前記凹部の屈折率よりも高く、
前記凸部と前記凹部とを嵌合させることで前記第１の結合路と前記第２の結合路とを位置決めして光結合している
ことを特徴とする光結合器。