WO2006093117A1 - ２次元アレイ状光素子と光回路の接続構造 - Google Patents

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WO2006093117A1
WO2006093117A1 PCT/JP2006/303685 JP2006303685W WO2006093117A1 WO 2006093117 A1 WO2006093117 A1 WO 2006093117A1 JP 2006303685 W JP2006303685 W JP 2006303685W WO 2006093117 A1 WO2006093117 A1 WO 2006093117A1
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optical
optical waveguide
connection structure
dimensional array
optical element
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PCT/JP2006/303685
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Mikio Oda
Hikaru Kouta
Kaichirou Nakano
Hisaya Takahashi
Kohroh Kobayashi
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Nec Corporation
Tokyo Institute Of Technology
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Publication date
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    • G02B6/43—Arrangements comprising a plurality of opto-electronic elements and associated optical interconnections

Definitions

  • the present invention relates to a connection structure of optical elements and optical circuits arranged in a two-dimensional array.
  • FIGS. 1A and 1B An example of a so-called optical interconnection structure in which conventional semiconductor chips, mainly high-speed LSIs, are connected by optical signals is shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the LSIs 2 on the substrate 1 are almost connected to the substrate 1 via PD (Photo diode) 3 and VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) 4. They are connected by parallel thin optical waveguides 5.
  • the interposer la is arranged.
  • the general number of connections (parallelism) is about 100 to: L000.
  • the optical circuit is a general term for an optical fiber optical waveguide and a combination of an optical fiber and an optical waveguide.
  • FIG. 2A shows a vertical connection configuration in which a two-dimensional PD array 3 and a two-dimensional VCSEL array 4 respectively arranged perpendicularly to an LSI 2 on a substrate 1 are connected by an optical fiber array 6.
  • FIG. 2B shows a direct connection configuration in which the two-dimensional PD array 3 and the two-dimensional VCSEL array 4 respectively arranged in parallel with the LSI 2 on the substrate 1 are connected by the optical fiber array 6.
  • connection structure using a one-dimensional array and an optical waveguide is a light source arranged in a one-dimensional array.
  • degree of multiplicity parallellism
  • Figure 2C shows a folded connection structure with NX 1 connection using a 45 degree mirror.
  • a micromirror 8 is disposed opposite to the VCSEL 7 and is optically coupled to one optical waveguide 9.
  • FIG. 2D shows a configuration in which a plane mirror is provided at the end position of the optical waveguides stacked in multiple layers.
  • the light coming from VCSEL 7 located below FIG. 2D is reflected by the mirror 10 and enters the optical waveguide 11.
  • the mirror 10 since the mirror 10 has only one reflecting surface, it is necessary to make the pitch of the VCSEL 7 and the thickness of the multilayer optical waveguide 11 the same. That hindered the high density of optical circuits including optical couplings.
  • the first object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, exist in a connection structure using a conventional one-dimensional array, break the limits of parallelism, and greatly increase the parallelism. That is, the number of connections can be greatly increased.
  • a second object of the present invention is to provide a thin two-dimensional arrayed optical element and optical circuit connection structure that can be parallel to a substrate on which an element such as an LSI is mounted.
  • connection structure between the two-dimensional array optical element and the optical circuit of the present invention includes a plurality of optical elements arranged in a two-dimensional array and a plurality of optical circuits extending so as to sew between the plurality of optical elements.
  • Each optical circuit is optically connected to each optical element via a mirror.
  • the optical circuit of each layer extends so as to sew between a plurality of optical elements arranged in a two-dimensional array, and the optical circuit of each layer passes each light through a mirror.
  • Each element is optically connected.
  • another two-dimensional arrayed optical element and optical circuit connection structure of the present invention includes optical circuits stacked in multiple layers, and each of a plurality of optical elements arranged in a two-dimensional array.
  • Each of the optical circuits in each layer is provided with a mirror that is optically coupled to each other.
  • each optical circuit for example, each optical waveguide
  • each optical circuit is provided with a mirror (micromirror) individually. This is clear from the configuration in which a common mirror (45 degree mirror) is provided for multiple optical circuits. It is different.
  • the optical circuit may be arranged to be inclined with respect to the two-dimensional array having a plurality of optical element forces.
  • the clad layers of the adjacent optical circuits may be common.
  • the optical circuit may be formed on the surface of the substrate in which the optical element is embedded.
  • An optical element may be mounted in a recess provided in the optical circuit. According to these configurations, the thickness can be further reduced.
  • the optical circuit is preferably an optical waveguide.
  • FIG. 1A is a schematic perspective view of a conventional optical interconnection structure.
  • FIG. 1B is a front view of the conventional optical interconnection structure shown in FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a schematic front view showing a conventional vertical connection structure using an optical fiber.
  • FIG. 2B is a schematic front view showing a conventional direct connection structure using an optical fiber.
  • FIG. 2C is a schematic front view showing a conventional N X 1 connection bending connection structure using a 45-degree mirror.
  • FIG. 2D is a main part enlarged view showing a conventional connection structure in which a mirror is provided at an end of an optical waveguide laminated in multiple layers.
  • FIG. 3A is a schematic diagram showing a two-dimensional arrayed optical element having a connection structure according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3B is an enlarged explanatory view of FIG. 3A.
  • FIG. 3C is a configuration diagram of a connection structure cut along line AA in FIG. 3B.
  • FIG. 3D is a configuration diagram of a connection structure cut along line BB in FIG. 3B.
  • 3E is a cross-sectional view showing a configuration in which a lens is fixed to the optical element in FIG. 3D.
  • FIG. 3F is a cross-sectional view showing a configuration in which a lens is fixed to the optical waveguide of FIG. 3D.
  • FIG. 4A is a schematic diagram showing another example of the two-dimensional array optical device having the connection structure according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4B is an enlarged view showing in detail the configuration of the two-dimensional array of optical elements shown in FIG. 4A in the case of a three-row array.
  • FIG. 4C is an enlarged view showing a configuration of an optical waveguide connected to the two-dimensional array optical device shown in FIG. 4A.
  • FIG. 5A A schematic front view showing a connection structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5B A schematic front view showing another example of the connection structure of Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5C is a schematic front view showing still another example of the connection structure according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the positional relationship between a two-dimensional array of optical elements and an optical waveguide in a connection structure according to Embodiment 3 of the present invention.
  • [7A] It is an explanatory view showing the spread of the emitted light with the optical element power.
  • FIG. 7B is a graph showing the spread of emitted light with optical element power.
  • FIG. 8 is an explanatory view showing the progress of light in the optical waveguide.
  • FIG. 9A is a schematic front view showing an optical coupling state of an optical element and an optical waveguide according to the present invention.
  • This is a graph showing the relationship between the propagation distance of light and the coupling loss in the optical coupling state shown in FIG. 9A.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the light propagation distance and the coupling loss due to the optical coupling between the optical element of the present invention and the optical waveguide.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between light propagation distance and coupling loss due to optical coupling between the optical element of the present invention and an optical waveguide.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between light propagation distance and coupling loss due to optical coupling between the optical element of the present invention and an optical waveguide.
  • 13A is a graph showing the relationship between the spot size, the relative refractive index difference, and the propagation distance due to the optical coupling between the optical element of the present invention and the optical waveguide.
  • FIG. 13B is an explanatory diagram for explaining the relationship between the spot size, the relative refractive index difference, and the propagation distance shown in FIG. 13A.
  • FIG. 14B is an explanatory diagram for explaining the relationship between the spot size, the relative refractive index difference, and the number of layers that can be stacked shown in FIG. 14A.
  • FIG. 14C is an explanatory diagram for explaining the relationship between the spot size, the relative refractive index difference, and the number of layers that can be stacked shown in FIG. 14A.
  • FIG. 15A is a schematic front view of a configuration in which a cladding is provided in each of optical waveguides stacked in multiple layers in the connection structure of Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 15B is a schematic front view showing a configuration in which a clad is shared in a multilayered optical waveguide of the connection structure according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 16A is a schematic front view of a connection structure of Embodiment 5 of the present invention in which an optical element is embedded in a recess of a substrate.
  • FIG. 16B is a schematic front view of the connection structure according to Embodiment 5 of the present invention in which the thickness of the substrate is reduced to a minimum.
  • FIG. 16C is a schematic front view of a configuration including a composite wafer on which a large number of optical elements are formed, in the connection structure according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 17A is a schematic front view of a connection structure according to a sixth embodiment of the present invention in which an optical element is embedded in an optical waveguide.
  • FIG. 17B is a schematic front view of a configuration in which the connection structure shown in FIG. 17A is stacked in multiple layers.
  • FIG. 18 is a schematic front view showing a connection structure according to the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a graph showing the relationship between the spot size of emitted light and the propagation distance in the connection structure according to Embodiment 7 of the present invention.
  • FIG. 3A to 3D show Embodiment 1 of the present invention.
  • Fig. 3A schematically shows optical elements arranged on a two-dimensional array
  • Fig. 3B is an enlarged illustration of Fig. 3A
  • Fig. 3C is A-
  • FIG. 3D is a cross-sectional view taken along the line A ′
  • FIG. 3D is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 3B.
  • the rows of the optical waveguides 12 are inclined obliquely with respect to the rows of the two-dimensional array of optical elements 16 such as light sources.
  • the connection with two optical waveguides can be applied to a three-row array (see Fig. 3C).
  • the connection between the light source 16 and the optical waveguide 12 is a micromirror 15 having a force such as a 45-degree flat reflector or a curved reflector formed in a part of the optical waveguide 12, and the light source (VCSEL) This is realized by bending the light beam from 16 at a right angle.
  • the optical coupling efficiency can be improved by providing the lens 17 on the VCSEL 16 side or the optical waveguide 12 side.
  • the lens 17 on the VCSEL 12 side having the configuration shown in FIG. 3E may be produced by etching the substrate, or may be produced by dropping and curing a transparent resin.
  • FIG. 4A shows an M X N two-dimensional array configuration in which the output light of each VCSEL 16 is sewn and output to a single-layer (one-stage) waveguide 12.
  • Figure 4B shows that the emitted light can be extracted at 80 / zm intervals for a three-row array.
  • FIG. 4C shows a configuration of an optical waveguide in which a 15 m cladding 14 is arranged on both sides of a 50 / z m core 13.
  • FIG. 5A shows Embodiment 2 of the present invention.
  • the connection between the one-dimensional array by the micromirror 15 and the optical waveguide 12 is the basic structure, and the array is shifted and stacked by one column to realize the connection between the two-dimensional array of optical elements 16 and the optical waveguide 12.
  • the core 13 is 50 m and the cladding 14 is 25 m on one side
  • the thickness of the optical waveguide 12 is 100 / zm. Therefore, by appropriately setting the shape of the light beam from the optical element 16, it is possible to overlap the optical waveguides 12 of about 5 to: L0 layer. If the number of arrays in one column is 20, for example, multiple parallel optical connections of about 100 to 200 can be realized.
  • the entire thickness of the multi-layered optical waveguide 12 is lmm or less, and it is possible to make it almost adhere to the substrate. Therefore, the increase in the thickness of the entire connection structure due to the multi-layer is hardly a problem. In this way, MXN parallel optical connection by stacking M-layer optical waveguides 12 is possible. At this time, the number M of layers is determined by the coupling state of the VCSEL 16 and the optical waveguide 12. The coupling efficiency is improved by applying a curvature to the micromirror 15 and attaching a lens to the surface of VCSEL16. In addition, a coupling lens can be improved by forming a microlens on the surface of the optical waveguide 12.
  • FIG. 5B shows a configuration in which the VCSEL 16 has three columns and the optical waveguide 12 has two layers.
  • the VCSEL 16 in the third row is optically coupled to the optical waveguide 12 in the second layer.
  • the VCSEL 16 in the second row and the VCSEL 16 in the third row are coupled to separate optical waveguides 12 in the second layer.
  • FIG. 5C shows an example in which the PD 18 and the optical waveguide 12 are coupled.
  • the coupling efficiency with the PD 18 is increased by changing the radius of curvature of the micro mirror 15 in each layer so that the focal point of each micro mirror 15 matches the position of the PD 18.
  • FIG. 6 shows Embodiment 3 of the present invention. This is a configuration in which the configuration of Embodiment 1 is shifted by an amount corresponding to the parallel array and stacked in multiple layers. According to the present embodiment, parallel multiple optical connections with higher density than in the second embodiment are possible.
  • spot size W is the radius of the emitted light as shown in Fig. 7A .
  • the spot size W (z) is calculated by the following formula.
  • Figure 7B shows that the spot size W is 1. and the refractive index n of the optical path through which the outgoing light propagates is 1.
  • the spread angle component E (p) (X) of the electric field was obtained by Fourier transforming the Hermitian Gaussian function describing the electric field of the emitted light from VCSEL16.
  • the Hermitian Gaussian function and Fourier transform formula are shown below.
  • the optical waveguide 12 can couple light within an angle range determined by the total reflection angle determined by the difference in refractive index between the core 13 and the clad 14. Due to the property of the optical waveguide 12, when the distance from the light source VCSEL 16 to the optical waveguide 12 is small, light within an angle range determined by the total reflection angle ⁇ c is coupled in the optical waveguide 12 shown in FIG. When the distance from the VCSEL 16 to the optical waveguide 12 is increased, the light that is emitted from the VCSEL while spreading is combined with the light within the core area when it reaches the core of the optical waveguide. The coupling loss increases as the distance increases.
  • FIGS. 9 and 9 show the coupling between the VCSEL 16 and the optical waveguide 12 described above.
  • the configuration shown in FIG. 9A uses a VCSEL 16 having a refractive index of 3.5, a thickness of 100 m, and a structure in which light is emitted from the GaAs substrate side.
  • the specific refractive index difference between the core and the clad of the optical waveguide 12 is 2%, and the cross-sectional size of the core is 50 m ⁇ 50 m.
  • the spot size W of VCSEL16 is 1.5 / zm, 2.0 / zm, 3. and the exit point is the origin of the coordinate axis.
  • FIG. 9B A graph showing the relationship between propagation distance and coupling loss is shown in Figure 9B.
  • the maximum at spot size W 1.5 m, 2.0 m, 3.0 m
  • the optical waveguide thicknesses are about 190 m, 270 ⁇ m, and 420 m, respectively. If the thickness of one layer of the optical waveguide 12 is 100 m (core 50 m, upper cladding 25 m, lower cladding 25 m), it is possible to stack two, three, and four optical waveguides, respectively. .
  • spot size W is 1.5 m, 2. 0 m, 3. to o, respectively.
  • the coupling loss is shown when the relative refractive index difference of the optical waveguide 12 is changed while being fixed. Based on these results, the propagation distance from the VCSEL 16 to the optical waveguide 12 when the coupling loss is ldB is summarized in FIG. 13A as a three-dimensional graph. Further, this result is shown in FIG. 14A in terms of the number of layers (number of layers) of the optical waveguides 12 that can be laminated.
  • the VCSEL 16 and optical waveguide 12 are directly connected to form a multi-layered optical waveguide, so that the force due to the VCSEL spot size can be up to about 4 layers. I was able to confirm that
  • the clad layer 14 of the optical waveguide 12 of the adjacent layer should be shared.
  • 15A and 15B show an example of a two-layer optical waveguide 12.
  • each of the optical waveguides 12 of each layer has a cladding layer 14, but in the configuration shown in FIG. 15B, the cladding layers 14 of the first and second optical waveguides 12 are common. Yes.
  • the configuration shown in FIG. 15A each of the optical waveguides 12 of each layer has a cladding layer 14, but in the configuration shown in FIG. 15B, the cladding layers 14 of the first and second optical waveguides 12 are common.
  • the upper cladding layer 14 of the optical waveguide 12 in the first layer (the side closer to the optical element (VCSEL16)) and the lower portion of the optical waveguide 12 in the second layer (the side far from V CSEL16)
  • the clad layer 14 is common.
  • the entire thickness of the optical waveguide 12 is reduced by about 25 m which is the thickness of one layer of the normal clad layer 14. thing Can do. Since the total thickness of the ordinary two-layer optical waveguide 12 is about 200 / zm, a thickness of 12.5% can be achieved by using the clad layer 14 in common. Further, since the cladding layer 14 is further reduced, the amount of material is reduced and the manufacturing process is simplified, so that the cost can be reduced.
  • the distance from the VCSEL 16 to the second-layer optical waveguide 12 can be shortened.
  • the distance from the optical element 16 to the core 13 of the second-layer optical waveguide 12 can be shortened by 25 / zm. Since the optical path length can be shortened in this way, the optical coupling efficiency between the optical element and the optical waveguide 12 is improved.
  • FIGS. 16A to 16C show a structure in which an optical element (for example, VCSEL16) is embedded in a substrate 19, the heights of the surfaces of the optical element and the substrate 19 are aligned, and the optical waveguide 12 is formed thereon. Coupling efficiency can be increased by bringing the light emitting surface or light receiving surface of the optical element closer to the optical waveguide 12 side. With this structure, the following effects can be obtained. As a first effect, it is possible to increase the options for forming an optical circuit connected to a two-dimensional array of optical elements. In the configuration shown in FIG. 1, the optical circuit connecting the optical elements must be in the form of a film. However, in the configuration of FIGS. 16A to 16C, the optical circuit is disposed on the surface of the substrate 19, and thus can be directly formed on the substrate 19 by, for example, spin coating or the like in the form of a film.
  • an optical element for example, VCSEL16
  • connection structure can be thinned. it can.
  • an optical waveguide 12 is formed on a composite wafer (for example, GaAs wafer) on which a large number of optical elements are formed, and light is extracted in a direction parallel to the wafer. It can be done in a configuration.
  • a composite wafer for example, GaAs wafer
  • FIG. 17A and 17B show an optical element (for example, VCSEL16) in a recess provided in the optical circuit.
  • the mounted configuration is shown.
  • FIG. 17A shows a configuration having one optical waveguide 12.
  • the optical waveguide 12 can be multi-layered
  • FIG. 17B shows a configuration in which optical elements are embedded in two laminated optical waveguides 12 respectively.
  • a depression is provided in the cladding layer 14, an optical element is mounted in the depression, and the optical element and the core 13 of the optical waveguide 12 are optically coupled in close proximity via the mirror 15. . Since the optical distance between the light emitting surface of the optical element and the core 13 of the optical waveguide 12 is almost zero, optical coupling can be performed with high efficiency.
  • the light emitting point is provided near the end of the optical element (the right end side of the optical element in the drawing), and when the core 13 of the optical waveguide 12 and the optical element are coupled, the optical waveguide 12 In the region where light propagates, the core 13 of the optical waveguide 12 is covered with the clad 14.
  • the refractive index of the core 13 of the optical waveguide 12 is about 1.5, which is smaller than the refractive index of the optical element is about 3, so that they are not in contact with each other except in the optical coupling region. Can perform good light propagation.
  • the calculation is performed for the case where the thickness of the cladding layer 14 of the optical waveguide 12 is 25 ⁇ m and the thickness of the core layer 13 is 50 ⁇ m.
  • the distance from the optical element to the center of the core 13 of the optical waveguide 12 is 50 m (cladding layer thickness: 25 / ⁇ ⁇ + core layer thickness) Half of the length: 25 / zm).
  • the distance from the optical element to the center of the core 13 of the optical waveguide 12 is 25 m.
  • the optical element is a VCSEL16 with an emission diameter of 10 ⁇ m and a light spread angle of 20 °
  • the light diameter at the center of the core 13 is 28 for the configuration shown in FIG. m, 19 / zm in the case of the configuration shown in FIGS. 17A and 17B.
  • the thickness of the entire junction structure can be reduced by incorporating the optical element in the optical waveguide 12.
  • FIG. 18 shows an embodiment in which a lens 20 is integrated on the exit surface of the VCSEL 16.
  • the spot size W at the exit of the VCSEL 16 is 1.5 ⁇ m, Calculate and analyze the spot size W at the point z away from the surface 20 of the surface 20 by the distance z.
  • the refractive index of lens 20 is 3.5, which is the refractive index of GaAs.
  • FIG. 19 shows the analysis result with the radius of curvature R of the lens as a parameter.
  • the spot size W increases monotonically with the propagation distance z because the focusing force is weak.
  • the focusing force is too strong, and the beam expands rapidly after being narrowed down.
  • the focusing by the lens 20 and the spread of the beam in a uniform medium are balanced appropriately, and the spot size W is long and the distance z It doesn't change much.
  • a spot size W 26.2 m where the coupling loss is 1 dB is indicated by a one-dot chain line.
  • the method of manufacturing the multilayer optical waveguide 12 includes forming a single-layer optical waveguide 12 and precisely aligning a number of them to form a transparent adhesive (ultraviolet curable adhesive). Etc.), or a multilayer optical waveguide 12 having a plurality of cores 13 may be formed from the beginning. In the latter case, the micromirror 15 that is inclined is removed from the surface of the optical waveguide 12 to the desired layer with an oblique blade. Can be formed.
  • the size of the core 13 of the multilayer optical waveguide 12 does not have to be uniform.
  • the core 13 of the upper optical waveguide 12, that is, the optical waveguide 12 far from the VCSEL 16 can be made larger than the core 13 of the lower optical waveguide 12. Adopting this configuration improves the coupling efficiency.
  • the space between the VCSEL 16 and the optical waveguide 12 with, for example, substantially the same material as the clad 14 of the optical waveguide 12.
  • This configuration improves structural stability and optical coupling efficiency.
  • This configuration can also be applied when the lens 20 is formed on the surface of the VCSEL 16.
  • the refractive index of the material to be filled needs to be smaller than the refractive index of the lens 20.
  • the refractive index of the lens 20 is 3.5, which is the refractive index of GaAs
  • a polymer having a refractive index of 1.5 is suitable as a filling material.
  • a large number of optical elements can be arranged in a square shape without the need for a special arrangement configuration such as a parallelogram shape, for example, as in the configuration of JP-A-2004-198579. Therefore, each optical element can be arranged most efficiently and without a gap, the overall size of the optical element can be reduced, and the optical coupling portion between the optical element and the optical circuit can be miniaturized.
  • the optical elements are arranged in a special configuration such as a parallelogram, the number of rows and the number of columns is constant. It is necessary to design and manufacture the device.
  • the present invention since it can be arranged in a square shape, the number of rows and the number of columns can be easily increased. For example, optical elements of 100 rows ⁇ 100 columns can be formed on a wafer and used by dividing them into desired sizes as appropriate.
  • the distance between the optical element and the core of the optical waveguide can be shortened, and as a result, the coupling loss is reduced. It can be done.
  • an optical circuit (optical waveguide) is formed on a printed circuit board (board) on which a chip such as an LSI is mounted, and the number of each optical circuit (each optical waveguide) is 100 to 1000 (100 to 1000 channels). Therefore, the signal transmitted through each optical circuit (each optical waveguide) can be 10 GbZs (Giga bit per second) or more.
  • connection structure including a thin optical waveguide parallel to the substrate can be realized by forming an oblique micromirror in the optical waveguide and bending the light.
  • a one-layer optical waveguide array Optical connection of optical elements arranged in an array becomes possible. That is, a two-dimensional connection can be realized by tilting the optical waveguide array with respect to a two-dimensional array composed of a plurality of optical elements and extending the optical waveguides so that the optical waveguides sew between the optical elements. As a result, the degree of parallelism can be several times higher than in the case of a one-dimensional array.
  • two-dimensional optical connection can be realized by stacking optical waveguides in multiple layers in the thickness direction and installing a micromirror in each optical waveguide.
  • the alignment of the optical waveguides in each layer corresponds to one row of the optical element array.
  • the degree of parallelism is the number of optical elements in one row X the number of layers.
  • the number of parallel transmissions can be increased by alternately reversing the direction in which the waveguides are inclined with respect to the array.
  • the optical element and the optical waveguide are arranged rather than a configuration in which a common mirror is provided for all the multilayer optical waveguides. And the coupling efficiency can be improved.
  • the optical waveguide is inclined with respect to the lattice of the optical element array arranged in a lattice (two-dimensional array), and the micro wave is positioned at each position of the optical waveguide corresponding to the optical element at the lattice point.
  • the degree of parallelism can be 3 to 5 times that of a conventional one-dimensional array. Furthermore, by making this structure multistage, it is possible to obtain a degree of parallelism of 3 to 5 times, that is, more than 10 times that of a conventional one-dimensional array.
  • the first column of the two-dimensional optical element array is made to correspond to the first layer of the optical waveguide array.
  • Row Correspond to the second layer of the optical waveguide array.

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Abstract

　光素子（光源１６または受光器１８）を２次元アレイ状に並べ、それと光導波路１２との相対的な位置関係を規定して、光導波路１２が２次元アレイ状に並んだ複数の光素子の間を縫って、基板１９にほぼ平行に延びるように配置し、並列度を向上させる。さらに、各光導波路１２に設置されたマイクロミラー１５によって光を９０度曲げることによって、光素子と光導波路１２との高効率の光学結合を実現する。また、光導波路を積層多段化し、その積層面を横切って光ビームをマイクロミラー１５を介して各段の光導波路に結合することによって、２次元アレイと、２次元配列光導波路の並列接続を実現する。こうして、小型かつ高効率で並列度の高い、光素子と光導波路１２の接続構造を提供する。

Description

明 細 書
2次元アレイ状光素子と光回路の接続構造
技術分野
[0001] 本発明は、 2次元アレイ状に並んだ光素子と光回路の接続構造に関する。
背景技術
[0002] 従来の、半導体チップ、主に高速 LSIの間を光信号で接続する、いわゆる光インタ 一コネクション構造の一例が図 1Aと図 1Bに示されている。これらの構造では、基板 1 上の LSI2同士の間が、 PD (Photo diode:受光素子） 3と VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser:垂直共振器面発光レーザー） 4を介して、基板 1にほぼ平行 な薄い光導波路 5によって接続されている。図 1Aと図 1Bに示されている例では、ィ ンターポーザー laが配置されている。一般的な接続数 (並列度）は 100〜： L000程度 である。なお、光回路とは、光フアイノ^光導波路、および光ファイバと光導波路とが 組み合わされたものを指す総称である。
[0003] [従来技術 1]
従来、多数の光源ゃ受光器の間を光接続する場合には、図 2Aと図 2Bに示すよう に、 2次元光源アレイ (例えば 2次元 PDアレイ 3)および 2次元受光器アレイ (例えば 2 次元 VCSELアレイ 4)に対して垂直に光ファイバアレイ 6を結合していた。図 2Aは、 基板 1上の LSI2に垂直にそれぞれ配置された 2次元 PDアレイ 3と 2次元 VCSELァ レイ 4を、光ファイバアレイ 6で接続する垂直接続構成を示している。図 2Bは、基板 1 上の LSI2に平行にそれぞれ配置された 2次元 PDアレイ 3と 2次元 VCSELアレイ 4を 、光ファイバアレイ 6で接続する直接接続構成を示している。これらの構成では、光フ アイバアレイ 6の最小曲げ半径の制限などのために、接続構造全体が厚くなるという 問題があった（電子情報通信学会論文誌 C、 Vol. J84-C、 No.9、 pp. 807-813、 200 1年 9月発行、「マイクロオプティカルベンチによる 2次元並列光インタコネクトモジュ ール構成法」参照)。
[0004] [従来技術 2]
1次元アレイと光導波路を用いた接続構造は、 1次元に並んだ光源ゃ受光器にし か対応できないため、同時に並列に伝送できる多重度（並列度）に限界があった（20 04年電子情報通信学会総合大会、 C 3— 36、 「エキシマレーザーを用いた 45° マイクロミラーの作製と評価」参照)。図 2Cには、 45度ミラーを用いた、 N X 1接続の 折り曲げ接続構造が示されている。この構成では、 VCSEL7に対向してマイクロミラ 一 8が配置され、 1つの光導波路 9に光結合されている。
[0005] [従来技術 3]
図 2Dは、多層に積層された光導波路の端部の位置に平面ミラーが設けられた構 成を示している。図 2Dの下方に位置する VCSEL7から来た光がミラー 10で反射さ れて、光導波路 11に入射する。しかし、ミラー 10が 1つの反射面のみを有しているた め、 VCSEL7のピッチと多層の光導波路 11の厚さを同じにする必要がある。そのこと 力 光結合部を含む光回路の高密度化を妨げていた。
発明の開示
[0006] 本発明の第 1の目的は、前記した従来技術の問題を解決し、従来の 1次元アレイを 用いた接続構造に存在して 、た並列度の限界を打破し、並列度を大幅に拡大するこ と、すなわち接続数を大幅に増やすことができるようにすることである。本発明の第 2 の目的は、 LSIなどの素子が実装された基板に平行に沿わせることが可能な、薄型 の、 2次元アレイ状光素子と光回路の接続構造を提供することである。
[0007] 本発明の 2次元アレイ状光素子と光回路の接続構造は、 2次元アレイ状に並んだ 複数の光素子と、複数の光素子の間を縫うように延びている複数の光回路とを有し、 各光回路がミラーを介して各光素子とそれぞれ光学的に接続されていることを特徴と する。多層に積層された光回路を有し、各層の光回路は、 2次元アレイ状に並んだ複 数の光素子の間を縫うように延びており、各層の光回路がミラーを介して各光素子と それぞれ光学的に接続されて 、てもよ 、。
[0008] また、本発明のもう 1つの 2次元アレイ状光素子と光回路の接続構造は、多層に積 層された光回路を有し、 2次元アレイ状に並んだ複数の光素子の各々と光結合するミ ラーが各層の光回路にそれぞれ設けられていることを特徴とする。この構成では、各 光回路 (例えば各光導波路）にそれぞれ個別にミラー (マイクロミラー）が設けられて いる。これは、複数の光回路に共通のミラー (45度ミラー）が設けられる構成とは明ら かに相違するものである。
[0009] これらの構成によると従来よりも大きな並列度で、小型でありながら多数の光素子と 多数の光回路とを光学的に接続することができる。
[0010] 光回路が、複数の光素子力 なる 2次元アレイに対して傾けて配置されていてもよ い。
[0011] 多層の光回路のうち、隣接する層の光回路のクラッド層が共通であってもよい。光 回路が、光素子が埋め込まれた基板の表面上に形成されていてもよい。また、光回 路に設けられたくぼみ内に光素子が実装されていてもよい。これらの構成によると、 一層の薄型化が図れる。
[0012] 以上説明した構成において、光回路は光導波路であることが好ましい。
[0013] 本発明によると、 2次元アレイ状に並んだ複数の光素子と光回路とを効率よく接続 でき、しかも小型化および薄型化が可能な接続構造を実現できる。
図面の簡単な説明
[0014] [図 1A]従来の光インターコネクション構造の模式的斜視図である。
[図 1B]図 1 Aに示す従来の光インターコネクション構造の正面図である。
[図 2A]従来の、光ファイバによる垂直接続構造を示す模式的正面図である。
[図 2B]従来の、光ファイバによる直接接続構造を示す模式的正面図である。
[図 2C]従来の、 45度ミラーを用いた N X 1接続の折り曲げ接続構造を示す模式的正 面図である。
[図 2D]従来の、多層に積層された光導波路の端部にミラーが設けられた接続構造を 示す要部拡大図である。
[図 3A]本発明の実施形態 1の接続構造の、 2次元アレイ状光素子を示す概略図であ る。
[図 3B]図 3Aの拡大説明図である。
[図 3C]図 3Bの A— A，線で切断した、接続構造の構成図である。
[図 3D]図 3Bの B - B，線で切断した、接続構造の構成図である。
[図 3E]図 3Dの光素子にレンズが固定された構成を示す断面図である。
[図 3F]図 3Dの光導波路にレンズが固定された構成を示す断面図である。 圆 4A]本発明の実施形態 1の接続構造の 2次元アレイ状光素子の他の例を示す概 略図である。
[図 4B]図 4Aに示す 2次元アレイ状光素子の、 3列アレイの場合の構成について詳細 に示す拡大図である。
[図 4C]図 4Aに示す 2次元アレイ状光素子に接続される光導波路の構成を示す拡大 図である。
圆 5A]本発明の実施形態 2の接続構造を示す模式的正面図である。
圆 5B]本発明の実施形態 2の接続構造の他の例を示す模式的正面図である。
圆 5C]本発明の実施形態 2の接続構造のさらに他の例を示す模式的正面図である。
[図 6]本発明の実施形態 3の接続構造の、 2次元アレイ状の光素子と光導波路の位 置関係を示す説明図である。
圆 7A]光素子力もの出射光の広がりを示す説明図である。
[図 7B]光素子力もの出射光の広がりを示すグラフである。
圆 8]光導波路内の光の進行を示す説明図である。
[図 9A]本発明の、光素子と光導波路の光結合状態を示す模式的正面図である。 圆 9B]図 9Aに示す光結合状態における、光の伝搬距離と結合損失の関係を示すグ ラフである。
[図 10]本発明の光素子と光導波路の光結合による、光の伝搬距離と結合損失の関 係を示すグラフである。
[図 11]本発明の光素子と光導波路の光結合による、光の伝搬距離と結合損失の関 係を示すグラフである。
[図 12]本発明の光素子と光導波路の光結合による、光の伝搬距離と結合損失の関 係を示すグラフである。
圆 13A]本発明の光素子と光導波路の光結合による、スポットサイズと比屈折率差と 伝搬距離の関係を示すグラフである。
圆 13B]図 13Aに示すスポットサイズと比屈折率差と伝搬距離の関係を説明するため の説明図である。
圆 14A]本発明の光素子と光導波路の光結合による、スポットサイズと比屈折率差と 積層可能な層数の関係を示す表である。
[図 14B]図 14Aに示すスポットサイズと比屈折率差と積層可能な層数の関係を説明 するための説明図である。
[図 14C]図 14Aに示すスポットサイズと比屈折率差と積層可能な層数の関係を説明 するための説明図である。
[図 15A]は本発明の実施形態 4の接続構造の、多層に積層された各光導波路にクラ ッドが設けられて 、る構成の模式的正面図である。
[図 15B]は本発明の実施形態 4の接続構造の、多層に積層された光導波路において クラッドを共通にした構成を示す模式的正面図である。
[図 16A]本発明の実施形態 5の接続構造の、基板のくぼみに光素子が埋め込まれた 構成の模式的正面図である。
[図 16B]本発明の実施形態 5の接続構造の、基板の厚さが最小限に薄くされた構成 の模式的正面図である。
[図 16C]本発明の実施形態 5の接続構造の、多数の光素子が形成されたィ匕合物ゥェ ハを含む構成の模式的正面図である。
[図 17A]本発明の実施形態 6の接続構造の、光素子が光導波路内に埋め込まれた 構成の模式的正面図である。
[図 17B]図 17Aに示す接続構造を多層に積層した構成の模式的正面図である。
[図 18]本発明の実施形態 7の接続構造を示す模式的正面図である。
[図 19]本発明の実施形態 7の接続構造の、出射光のスポットサイズと伝搬距離の関 係を示すグラフである。
発明を実施するための最良の形態
[0015] [実施形態 1]
図 3 A〜図 3Dは本発明の実施形態 1を示している。図 3 Aは 2次元アレイ上に並ん だ光素子を模式的に表し、図 3Bは図 3Aの拡大説明図であり、図 3Cは図 3Bの A—
A'線断面図、図 3Dは図 3Bの B— B'線断面図である。
[0016] 本実施形態では、光導波路 12の列が、光源などの光素子 16の 2次元アレイの列に 対して斜めに傾けられている。それによつて、従来は 1列のアレイにし力適用できなか つた光導波路群との接続を、 3列のアレイに適用できるようになった（図 3C参照)。図 3Dに示すように、光源 16と光導波路 12との接続は、光導波路 12の一部に形成され た 45度の平面反射鏡や曲面反射鏡など力もなるマイクロミラー 15で、光源 (VCSEL ) 16からの光ビームを直角に折り曲げることにより実現している。このように、 VCSEL 16の 2次元アレイに対して光導波路 12を斜めに配置し、複数の VCSEL16の間を 縫うように光導波路 12を通すことによって、 250 /z m程度のピッチの場合、 3列のァレ ィに適用することが可能である。例えば、図 3Cに示すように 50 mのコア 13と 30 mのクラッド 14が並ぶようにすると、各列のピッチを 240 μ mとして 3列のアレイを構成 することが可能である。
[0017] 図 3E,図 3Fに示すように、レンズ 17を VCSEL16側あるいは光導波路 12側に設 けることにより、光結合効率を向上することができる。図 3Eに示す構成の VCSEL12 側のレンズ 17は、基板をエッチングして作製しても良いし、透明榭脂を滴下し硬化さ せて作成してもよい。
[0018] 図 4A〜図 4Cに示すような構成、すなわち、光素子間のピッチが 250 μ m、光導波 路 12のコア 13の断面サイズが 50 m X 50 mでそのピッチが 80 μ mである構成の 場合、 3列の光素子の間を通して光を取り出すことができる。図 4Aは、 M X Nの 2次 元アレイ構成で、 1層（1段）の導波路 12へ、各 VCSEL16の出射光の隙間を縫って 出力する状態を示している。図 4Bは、 3列アレイの場合に 80 /z m間隔で出射光を取 り出せることを示している。図 4Cは、 50 /z mのコア 13の両側に 15 mのクラッド 14が 並んで 、る光導波路の構成を示して 、る。
[0019] なお、これらの説明および以下の説明では VCSEL16について記載している力 V CSEL16に代えて PDを用いる場合にも、光の向きが異なるだけで、同様の構成を実 現できる。
[0020] [実施形態 2]
図 5Aは本発明の実施形態 2を示す。マイクロミラー 15による 1次元アレイと光導波 路 12の接続を基本構造とし、それをアレイ 1列分ずつずらして積み重ねることにより、 2次元アレイ状の光素子 16と光導波路 12の接続を実現している。光導波路 12の厚 さは、たとえばコア 13を 50 m、クラッド 14を片側 25 mとすれば、 1層（1段）あたり 100 /z mである。したがって、光素子 16からの光ビームの形状などを適切に設定す ることにより、 5〜： L0層程度の光導波路 12を重ねることが可能である。 1列のアレイ数 をたとえば 20とすると、 100〜200程度の、多重の並列光接続が実現できる。この構 成でも、多層の光導波路 12全体の厚さは lmm以下であり、基板にほぼ密着させて 這わせることが可能である。したがって、多層化による接続構造全体の厚さの増加は ほとんど問題にならない。このようにして、 M層の光導波路 12を積み重ねることによる M X N並列光接続が可能である。この時、層数 Mは VCSEL16と光導波路 12の結 合状態によって決まる。結合効率は、マイクロミラー 15に曲率を付ける力、 VCSEL1 6の表面にレンズを付けることで改善する。また、光導波路 12の表面にマイクロレンズ を形成して結合効率を改善させることができる。
[0021] 図 5Bに示す構成のように、光素子 (VCSEL16)の列数と光導波路 12の層数は同 じでなくてもよい。図 5Bは、 VCSEL16の列数が 3列で、光導波路 12の層数が 2層 の構成を示している。 3列目の VCSEL16は 2層目の光導波路 12と光結合する。た だし、 2列目の VCSEL16と 3列目の VCSEL16は、 2層目において別々の光導波路 12に結合する。
[0022] また、図 5Cは、 PD18と光導波路 12が結合している例を示す。この構成では、各層 のマイクロミラー 15の曲率半径を変え、各マイクロミラー 15の焦点を PD18の位置に 合うようにすることにより、 PD18との結合効率が高くなつている。
[0023] [実施形態 3]
図 6は本発明の実施形態 3を示している。これは、実施形態 1の構成を、その並列 アレイに対応する量だけずらして多層に重ねたものである。本実施形態によると、実 施形態 2よりもさらに高密度の並列多重光接続が可能になる。
[0024] [光結合の解析]
ここで、 VCSEL16とマイクロミラー 15と光導波路 12の光結合について解析した結 果を以下に示す。
[0025] 図 7Aに示すように、 VCSEL16からの出射光としてガウスビームが出射されている とみなして計算を行った。 VCSEL16からの出射光のスポットサイズの広がりは図 7A に示す通りである。ここで、スポットサイズ Wは図 7Aに示す通り出射光の半径である 。スポットサイズ W(z)は以下の式にて計算される。
[0026] [数 1]
2z
図 7Bは、スポットサイズ Wが 1. で、出射光が伝搬する光路の屈折率 nを 1.
0
0, 1. 6, 2. 0, 2. 5, 3. 0, 3. 5と変化させた場合の、伝搬による光ビームの広がり を示している。
[0027] 次に、 VCSEL16からの出射光がマルチモード光導波路へ結合するときの損失に ついて解析する。 VCSEL16からの出射光の電場を記述するエルミートガウス関数を フーリエ変換することにより、電場の広がり角度成分 E(p) (X)を求めた。エルミートガウ ス関数とフーリエ変換の式にっ 、ては以下に示す。
[0028] [数 2] エルミートガウス関数
Figure imgf000010_0001
[0029] [数 3] n . „
,■ t = ― sin θ
フーリエ変換 ' ス また、光導波路 12は、コア 13とクラッド 14の屈折率の差で決まる全反射角で決まる 角度範囲内の光が結合できる。この光導波路 12の性質により、光源である VCSEL1 6から光導波路 12までの距離が小さいとき、図 8に示す光導波路 12では、全反射角 Θ cで決まる角度範囲内の光が結合する。 VCSEL16から光導波路 12までの距離が 大きくなると、 VCSELから拡がりながら放射される光のうち、光導波路のコアに到達 した時点で、コアの面積以内に入っている光が結合する。距離が離れれば離れるほ ど結合損失は増大していく。
[0030] 以上説明した VCSEL16と光導波路 12の結合について示したのが図 9Α, 9Βであ る。図 9Aに示す構成では、屈折率が 3. 5で厚さが 100 mであり、光が GaAs基板 側から出射する構造の VCSEL16を用いている。光導波路 12のコアとクラッドの比屈 折率差が 2%で、コアの断面サイズは 50 m X 50 mである。 VCSEL16のスポット サイ Wを 1. 5 /z m, 2. 0 /z m, 3. とし、その出射点、を座標軸の原点、として、
0
伝搬距離と結合損失の関係を示すグラフを図 9Bに示している。結合損失を ldB以 下にするためには、スポットサイズ W = 1. 5 m, 2. 0 m, 3. 0 mのときの最大
0
光導波路厚さは、それぞれ 190 m, 270 ^ m, 420 m程度となる。光導波路 12 の 1層の厚さを 100 m (コア 50 m、上部クラッド 25 m、下部クラッド 25 m)とす ると、それぞれ 2層， 3層， 4層の光導波路の積層が可能になる。
[0031] 図 10, 11, 12に ίま、スポットサイ Wをそれぞれ 1. 5 m, 2. 0 m, 3. に o
固定して、光導波路 12の比屈折率差を変えた場合の結合損失について示している 。これらの結果をもとに、結合損失が ldBとなる時の VCSEL16から光導波路 12まで の伝搬距離をまとめて 3次元のグラフとして、図 13Aに示している。さらに、この結果 を、積層可能な光導波路 12の段数 (層数）に換算して図 14Aに示している。
[0032] この解析結果より、 VCSEL16と光導波路 12を直接接続する方式で光導波路を多 層化した構成によって、 VCSELのスポットサイズによる力 最大 4層程度まで ldBの 十分に低 ヽ損失で光結合できることが確認できた。
[0033] [実施形態 4]
また、図 5A〜5Cに示した、多層に積層された光導波路 12を用いた 2次元アレイ状 光素子 16の光接続構造において、隣接する層の光導波路 12のクラッド層 14を共通 化することにより、後述する 2つの効果を得ることができる。なお、図 15A, 15Bは、 2 層の光導波路 12の例を示している。図 15Aに示す構成では各層の光導波路 12が それぞれクラッド層 14を備えているが、図 15Bに示す構成では、 1層目と 2層目の光 導波路 12のクラッド層 14が共通になっている。つまり、図 15Bに示す構成では、 1層 目（光素子 (VCSEL16)に近い側）の光導波路 12の上部クラッド層 14と、 2層目（V CSEL16から遠 、側）の光導波路 12の下部クラッド層 14が共通になって 、る。
[0034] 上記したようにクラッド層 14を共通にする構造による第 1の効果として、光導波路 12 全体の厚さを、通常のクラッド層 14の 1層の厚さである 25 m程度だけ薄くすること ができる。通常の 2層の光導波路 12全体の厚さは 200 /z m程度であるため、クラッド 層 14を共通にすることによって 12. 5%の薄型化が達成できる。また、クラッド層 14が 一層減ることにより、材料の量が減り、かつ作製プロセスが簡単になるため、コスト低 減効果も生じる。
[0035] 第 2の効果として、 VCSEL16から、 2層目の光導波路 12までの距離を短くすること ができる。上記の構造では、光素子 16から 2層目の光導波路 12のコア 13までの距 離を 25 /z m短くできる。このように光路長を短くできるため、光素子と光導波路 12の 間の光結合効率が向上する。
[0036] [実施形態 5]
図 16A〜16Cは、光素子（例えば VCSEL16)が基板 19に埋め込まれ、光素子と 基板 19の表面の高さが揃えられ、その上に光導波路 12が形成された構造を示して いる。光素子の発光面または受光面を光導波路 12側に近づけることにより、結合効 率を高くできる。この構造により、以下のような効果を得ることができる。第 1の効果と して、 2次元アレイ状の光素子に接続される光回路の形成方法の選択肢を増やすこ とができる。図 1に示す構成では、光素子間を接続する光回路はフィルム状であるこ とが必須である。しかし、図 16A〜16Cの構成であれば、光回路は基板 19の表面上 に配置されるため、フィルム状でなぐ例えばスピンコート法等によって基板 19上に 直接形成することが可能である。
[0037] 第 2の効果として、光回路の全面が基板 19に密着しているため、 2次元アレイ状の 光素子と接続される光回路全体の構造が安定し、信頼性向上につながる。
[0038] また、図 16Bに示すように、基板 19のうち、光素子の埋め込みに必要な厚さを残し て、それ以外の部分を除去した構造にすると、接続構造全体を薄型化することができ る。
[0039] 図 16Cに示すように、多数の光素子が形成されたィ匕合物ウェハ（例えば GaAsゥェ ノ、）上に光導波路 12を形成して、光をウェハと平行な方向に引き出す構成にするこ とちでさる。
[0040] [実施形態 6]
図 17A, 17Bには、光回路に設けられたくぼみに光素子 (例えば VCSEL16)が実 装された構成を示している。図 17Aは、 1層の光導波路 12を有する構成を示してい る。光導波路 12を多層化することもでき、図 17Bには、積層された 2層の光導波路 12 にそれぞれ光素子が埋め込まれている構成が示されている。これらの構成では、クラ ッド層 14にくぼみが設けられ、そのくぼみ内に光素子が実装され、光素子と光導波 路 12のコア 13がミラー 15を介して近接して光結合している。光素子の発光面と光導 波路 12のコア 13との間の光学距離がほぼ 0であるため、高効率で光結合できる。
[0041] これらの構成では、発光点を光素子の端に近いところ（図面中では光素子の右端 側）に設け、光導波路 12のコア 13と光素子が結合されたときに、光導波路 12内を光 が伝搬する領域では光導波路 12のコア 13がクラッド 14で覆われるようにする。光導 波路 12のコア 13の屈折率は 1. 5程度であり、光素子の屈折率が 3程度であるのに 比べて小さいため、両者が、光結合する領域以外の部分では互いに接していない方 が良好な光伝搬を行うことができる。
[0042] 一例として、光導波路 12のクラッド層 14の厚さが 25 μ mで、コア層 13の厚さが 50 μ mである場合について計算する。図 3に示すように光導波路 12にくぼみがない構 成では、光素子と光導波路 12のコア 13の中心までの距離は 50 m (クラッド層の厚 さ： 25 /ζ πι+コア層の厚さの半分： 25 /z m)である。それに対して、図 17A, 17Bに示 す構成では、光素子と光導波路 12のコア 13の中心までの距離が 25 mである。光 素子が、発光直径が 10 μ mで光の広がり角が全角 20° である VCSEL16である場 合には、コア 13の中心位置での光直径は、図 3に示す構成の場合には 28 m、図 1 7A, 17Bに示す構成の場合には 19 /z mである。光導波路 12にくぼみを設けること により、光導波路 12のコア 13の中心の光直径が 9 m( = 28 m—19 m)だけ小 さくなるため、各部品の位置がずれても光結合効率の低下を抑えることができる。ま た、光素子を光導波路 12内に内蔵することにより、接合構造全体の厚さを薄くできる
[0043] [実施形態 7]
図 18には、 VCSEL16の出射表面にレンズ 20が集積された実施形態が示されて いる。 VCSEL16の表面に、屈折率 n、厚さ 120 m、曲率半径 Rのレンズ 20が形成 された構成において、 VCSEL16の出射時のスポットサイ Wを 1. 5 μ mとして、レ ンズ 20の表面カゝら距離 zだけ離れた点のスポットサイズ Wを計算して解析する。伝搬 距離 zの部分は、多層の導波路を横切る個所であり、屈折率 1^ = 1. 6の材料で埋め られていると考えられる。実際には、屈折率差が 1, 2%程度のコア 13とクラッド 14が 多層に積み重なられている部分である力 屈折率差が小さいので平均化して n = 1. 6とする。レンズ 20の屈折率は GaAsの屈折率である 3. 5とする。
[0044] レンズの曲率半径 Rをパラメータにして、その解析結果を図 19に示している。尺が 大きい時 (例えば R= 200 mの場合）には、集束する力が弱いので、スポットサイズ Wは伝搬距離 zとともに単調に増大する。 Rが小さい時 (例えば Κ= 110 /ζ mの場合） には、集束する力が強すぎ、ビームはー且細く絞られた後に急激に広がる。 Rが適切 な値の時（すなわち R= 130 m〜150 mの場合）には、レンズ 20による集束と、 均一媒質中のビームの広がりが適当にバランスし、スポットサイズ Wは長 、距離 zにわ たってあまり変化しない。光導波路 12のコア 13の径を 50 /z mとすると、結合損失が 1 dBとなるスポットサイ Wの大きさは、 50Z2xl. 046 = 26. である。スポットサ ィ W力 の値よりも小さければ、良好な結合が期待できる。なお、スポットサイ W が小さすぎる時には、大きな角度成分がコア 13とクラッド 14の境界で全反射されずク ラッド 14を抜けてしまうので注意が必要である力 図 19に示した範囲ではその点に つ!、てはほぼ問題な!/、と考えられる。
[0045] 図 19には、結合損失が ldBとなるスポットサイ W= 26. 2 mを一点鎖線で示し て ヽる。曲率半径 R= 130〜150 μ mのとき、 ζ = 0〜1500 μ mにわたつて、スポット サイズ Wは、この 1点鎖線（ldB損失限界線)よりも下にある。したがって、レンズ 20の 表面力も距離 1500 mの所まで離れても、良好な結合が期待できる。このことは、導 波路の 1層の厚さが 100 /z mであることを考慮すると、 15層程度の導波路を積み重 ねた構成が可能であることを意味して 、る。
[0046] 以上説明した各実施形態において、多層の光導波路 12の製造方法は、 1層の光 導波路 12を作り、それらを多数精密に位置合わせして、透明接着剤 (紫外線硬化型 接着剤など)で貼り合わせてもよいし、最初から、複数のコア 13を持つ多層の光導波 路 12を一括して形成してもよい。後者の場合には、光導波路 12の表面から所望の 層の所までを、斜めの刃で切り取るなどの方法で、斜めになつたマイクロミラー 15を 形成することができる。
[0047] また、多層の光導波路 12のコア 13のサイズは一様である必要はない。上の段の光 導波路 12、すなわち VCSEL16から遠い方の光導波路 12のコア 13を、下の層の光 導波路 12のコア 13よりも大きくすることもできる。この構成を採用することにより結合 効率が改善される。
[0048] VCSEL16と光導波路 12の間を、たとえば光導波路 12のクラッド 14とほぼ同じ材 料で埋めることも可能である。この構成により、構造的な安定性や光結合効率が改善 される。この構成は、 VCSEL16の表面にレンズ 20を形成する場合にも適用できる。 ただし、レンズ 20の屈折率よりも、埋める材料の屈折率が小さい必要がある。たとえ ば、レンズ 20の屈折率が GaAsの屈折率である 3. 5である場合には、埋める材料とし て、屈折率が 1. 5であるポリマーなどが適している。
[0049] なお、本発明では、例えば特開 2004— 198579号公報の構成のように多数の光 素子を平行四辺形状などの特殊な配置構成にする必要がなぐ正方形状に配置で きる。したがって、各光素子を最も効率よく隙間なく配置することができ、光素子全体 のサイズを小さくし、光素子と光回路との光結合部を小型化できる。また、光素子を平 行四辺形状などの特殊な配置構成にする場合には、行数および列数は一定であり、 行数または列数が異なる光素子が必要な場合には、全く別に光素子を設計して作製 する必要がある。しかし、本発明では、正方形状の配置構成にできるため、行数およ び列数を増やすことが容易にできる。例えば、ウェハに 100行 X 100列の光素子を 形成しておき、所望のサイズに適宜切り分けて用いることができる。
[0050] また、特開 2003— 114365号公報の構成では、第 2の光導波路アレイを挿入する ために、部品および組立工程が増え、光結合部のコストが高くなる。それに対し本発 明の構成では、例えば図 3Dの横方向に延びる光導波路のみで構成されているため 、特開 2003— 114365号公報の構成と比べて部品点数を少なくできる。この構造で 、光素子と光導波路は十分に結合できるため、特開 2003— 114365号公報よりも少 ない部品点数で、十分な光結合が得られ、低コスト化に寄与することができる。さらに 、図 15Bに示す構成のように、各層の光導波路のクラッドを共通にすると、光素子と 光導波路のコアとの間の距離を短くすることができ、その結果として、結合損失を小さ くすることがでさる。
[0051] こうして、 LSI等のチップが搭載されたプリント基板 (ボード)上に光回路 (光導波路） を形成し、各光回路（各光導波路）の数を 100〜1000本（100〜1000チャンネル） にして、各光回路 (各光導波路）を伝送される信号を 10GbZs(Giga bit per second) 以上にすることができる。
[0052] 本発明では、例えば、光導波路に斜めマイクロミラーを形成し、光を折り曲げること によって、基板に平行な薄型の光導波路を含む接続構造を実現することができる。
[0053] そして、 2次元アレイ状に並んだ光素子 (光源または受光器)のアレイと光導波路ァ レイの相対位置や角度を適切に設定することによって、 1層の光導波路アレイにより、 2次元アレイ状に並んだ光素子の光接続が可能になる。すなわち、複数の光素子か らなる 2次元アレイに対して光導波路アレイを傾け、各光素子の間を光導波路が縫う ように延びる配置構成にすることによって、 2次元接続を実現できる。これによつて、 1 次元アレイの場合よりも並列度を数倍高くできる。
[0054] さらに、光導波路を厚さ方向に多層に積み重ね、それぞれの光導波路にマイクロミ ラーを設置することで、 2次元的な光接続を実現することができる。各層の光導波路 の並びを光素子アレイの 1列にそれぞれ対応させる。並列度は、 1列の光素子数 X 層数となる。さらに、光導波路を多層に積み重ねる場合には、アレイに対して導波路 を傾ける方向を層毎に交互に逆にすることで並列伝送数を拡大できる。
[0055] 2次元アレイ状に並んだ各導波路の、光素子に対応する位置にそれぞれ、マイクロ ミラーを設置すると、多層の光導波路全てに共通のミラーを設ける構成よりも、光素子 と光導波路の間の距離を小さくでき、結合効率の向上が可能である。 以上説明した ように、格子状 (2次元アレイ状）に並んだ光素子アレイの格子に対して光導波路を傾 けて配置し、格子点の光素子に対応する光導波路のそれぞれの位置にマイクロミラ 一を形成することにより、 1層の光導波路アレイで 2次元の光接続を実現できる。並列 度は従来の 1次元アレイの 3〜5倍にできる。さらに、この構造を多段化することによつ てその 3〜5倍、すなわち従来の 1次元アレイの 10倍以上の並列度が得られる。
[0056] 光素子アレイの格子に対して光導波路アレイを傾けない場合には、 2次元光素子ァ レイの 1列目を光導波路アレイの 1層目に対応させ、 2次元光素子アレイの 2列目を 光導波路アレイの 2層目に対応させる。この構成でも光素子アレイにレンズを集積す ることにより、やはり従来の 1次元アレイの 10倍以上の並列度が実現できる。

Claims

請求の範囲
[1] 2次元アレイ状に並んだ複数の光素子と、複数の前記光素子の間を縫うように延び ている光回路と、前記光回路を前記各光素子とそれぞれ光学的に接続させるミラー とを有する、 2次元アレイ状光素子と光回路の接続構造。
[2] 複数の前記光回路が多層に積層されている、請求項 1に記載の 2次元アレイ状光 素子と光回路の接続構造。
[3] 2次元アレイ状に並んだ複数の光素子と、多層に積層されている複数の光回路と、 各層の前記光回路にそれぞれ設けられており前記各光素子にそれぞれ光結合する 複数のミラーとを有する、 2次元アレイ状光素子と光回路の接続構造。
[4] 互いに隣接する層の前記光回路同士のクラッド層が共通である、請求項 2または 3 に記載の 2次元アレイ状光素子と光回路の接続構造。
[5] 前記光回路が、複数の前記光素子からなる 2次元アレイに対して傾けて配置されて いる、請求項 1〜4のいずれか 1項に記載の 2次元アレイ状光素子と光回路の接続構 造。
[6] 前記光回路が、前記光素子が埋め込まれた基板の表面上に形成されている、請求 項 1〜5のいずれか 1項に記載の 2次元アレイ状光素子と光回路の接続構造。
[7] 前記光素子が、前記光回路に設けられたくぼみ内に実装されている、請求項 1〜5 のいずれか 1項に記載の 2次元アレイ状光素子と光回路の接続構造。
[8] 前記光回路は光導波路である、請求項 1〜7のいずれ力 1項に記載の 2次元アレイ 状光素子と光回路の接続構造。
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