CN101452096A - 光学互连器件 - Google Patents

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CN101452096A CNA2008101845118A CN200810184511A CN101452096A CN 101452096 A CN101452096 A CN 101452096A CN A2008101845118 A CNA2008101845118 A CN A2008101845118A CN 200810184511 A CN200810184511 A CN 200810184511A CN 101452096 A CN101452096 A CN 101452096A
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Abstract

本发明提供了一种光学互连器件。所述光学互连器件包括：光学元件和上面表面安装有光学元件的基板。所述基板包括：光学波导，其形成在所述基板中，并且包括芯层和覆盖所述芯层的包层；以及光路改变部分，其设置在所述光学波导的一个端部附近，用于改变透射通过所述光学波导的光的光路或者通过所述光学元件传播的光的光路。在从与所述基板的表面平行的平面观看时，所述芯层的宽度朝着所述光路改变部分的方向加宽。

Description

光学互连器件
技术领域
本发明涉及光学互连器件。更具体地说，本发明涉及上面安装有诸如光接收元件和光发射元件等光学元件的光学互连器件。
背景技术
随着数字设备的信号速度提高、封装密度提高等，需要抵抗电信号的噪音和EMI的措施。作为这种措施，现在正在研发一种用光学信号代替一部分电配线的光/电混合基板。
在现有技术中，在将诸如激光二极管、光电二极管等光学元件安装在光/电混合基板上的情况下，尤其是在将表面安装光学元件(其中，光沿着垂直于基板表面的方向入射/透射)安装在基板上的情况下，会由于在光学波导核心与光学元件或光路改变部分之间出现的几微米的光轴偏移而导致光耦合损失，因而使光学信号衰减。
为了解决上述问题，例如，JP-A-2001-141965描述了一种光耦合器，该光耦合器可以用简单的结构在光学上有效地耦合光学器件，并且还容易实现尺寸减小和阵列构造。此外，作为以高生产率制造光耦合器的方法，JP-A-2001-141965还描述了一种光耦合器，在该光耦合器中，通过由大致椭球体的一部分构造的椭圆镜来使第一光学器件与第二光学器件光学耦合。
如图1所示，在JP-A-2001-141965中，通过将垂直腔表面发射激光器(VCSEL)102安装在基板104上而构成第一光学器件100。第一光学器件100通过粘合剂150安装在第二光学器件200上。第二光学器件200包括光学波导204和形成在椭圆形凹陷部208中的反射镜206。从VCSEL102发射的激光束沿着与第二光学器件200垂直的方向入射。该激光束的光路被用作光路改变部分的椭圆形反射镜206改变90度并会聚。该激光束与光学波导204的位于反射镜206焦点附近的芯层210光学耦合。
从VCSEL 102发射的激光束类似圆锥形状。因此，这种激光束被反射镜206反射90°角，其中反射镜206类似椭球体形状，并设置为与激光束的入射方向成45°。此外，与入射的激光束类似，被反射的激光束类似圆锥形状。此后，被反射的激光束会聚于光学波导204的芯层210的入射端附近，然后透射通过光学波导204。根据这种构造，可以提高VCSEL 102(第一光学器件)与光学波导204(第二光学器件)之间的光学耦合效率。此外，在图1中，附图标记207表示光学波导204的包层。
然而，在JP-A-2001-141965中，反射镜206必须呈类似椭圆形凹陷部208的形状。因此，需要花费大量时间和劳动来形成反射镜，并且还难以对具有椭圆形凹陷部的反射镜的定位和排列方式进行控制，并且还需要使光学波导与反射镜对准。
此外，作为另一项现有技术，JP-A-2006-47764描述了一种光/电混合基板。在该光/电混合基板中提供了一种光学波导，该光学波导可以在耦合光电路(optical circuit)时简单、高效地提供光学耦合。根据这种构造，凸状光学波导插入到光/电混合基板的孔中。从VCSEL发射的光进入凸状光学波导，然后透射通过该凸状光学波导。如图2A所示，当光学波导中形成有光路改变部分时，从VCSEL发射的光通过凸状光学波导会聚于光学波导的芯层。此外，如图2B所示，当光学波导中没有形成光路改变部分时，从VCSEL发射的光通过形成在凸状光学波导中的微镜耦合到光学波导的芯层。
在图2A和图2B中，307表示电路基板，311表示凸状光学波导，312表示VCSEL，313表示光学波导，314表示光/电混合基板，315表示切割表面，320表示光的传播方向，321表示微镜，322表示光。
在JP-A-2006-47764所述的光/电混合基板中，必须通过单独的工序来制造凸状光学波导，因而这种基板不利于大规模生产和降低成本。此外，凸状光学波导必须装入预先形成的孔中，因而增加了步骤数量。另外，当在凸状光学波导中形成有微镜时，这种微镜在安装时必须精确对准，使得通过该微镜反射的光耦合到光学波导的芯层。
在上述现有技术(JP-A-2001-141965和JP-A-2006-47764)中，需要单独的工序来形成光路改变部分，并且光路改变部分自身也需要高的对准精度。因此，上述光学互连器件及其制造方法不利于大规模生产和降低成本。
发明内容
本发明的示例性实施例针对上述缺点和上文没有描述的其他缺点。然而，并不要求本发明克服上述缺点，因此，本发明的示例性实施例可以不必克服任何上述问题。
本发明的示例性实施例提供了一种光学互连器件，包括：具有光学波导的基板；以及安装在所述基板上的表面安装的光学元件，例如光发射元件或光接收元件。
根据本发明的示例性实施例，形成在所述基板中的芯层呈楔形形状或抛物线形状，从而可以减少因耦合或透射光学信号而引起的光学损失，并且在安装时还可以使表面安装的光学元件与基板高精度地对准。
根据本发明的一个或多个方面，提供了一种光学互连器件。该光学互连器件包括：光学元件；以及基板，所述光学元件表面安装在所述基板上。所述基板包括：光学波导，其形成在所述基板中，并且包括芯层和覆盖所述芯层的包层；以及光路改变部分，其设置在所述光学波导的一个端部附近，用于改变透射通过所述光学波导的光的光路或者通过所述光学元件传播的光的光路。在从与所述基板的表面平行的平面观看时，所述芯层的宽度朝着所述光路改变部分的方向加宽。
根据本发明的一个或多个方面，在从所述平面观看时，所述芯层的一部分朝着所述芯层的另一个端部的方向逐渐变细。
根据本发明的一个或多个方面，所述芯层的一部分呈抛物线形状，并且在从所述平面观看时，所述呈抛物线形状的部分的宽度朝着所述光路改变部分的方向逐渐加宽。
根据本发明的一个或多个方面，所述光学元件安装在所述基板上，使得通过所述光学元件传播的光沿着与所述基板的表面垂直的方向。
根据本发明的一个或多个方面，所述光路改变部分为反射镜，所述反射镜与所述光学波导形成一体并且相对于所述基板的表面成45度角设置；并且所述光路改变部分用于使光路改变90度。
根据本发明的一个或多个方面，所述光学元件为光电二极管。
根据本发明的一个或多个方面，所述光学元件为垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
根据本发明的一个或多个方面，所述芯层的所述部分位于所述光路改变部分附近。
根据本发明的示例性实施例，可以通过使芯层的位于反射镜附近的轮廓形成楔形形状或抛物线形状来明显加宽芯层的宽度。因此，可以提高反射镜与芯层之间的光学偶合效率。此外，由于加宽了芯层宽度，所以可以在与反射镜平行的方向上增加光学元件的安装容差。此外，由于可以仅通过改变用于使芯层曝光的掩模图案来控制芯层宽度的这种变化，所以可以低成本地制造本发明的光学互连器件。
附图说明
在附图中：
图1是示出现有技术的光学互连器件的视图；
图2A和图2B是示出现有技术的光学互连器件的视图；
图3是根据本发明第一示例性实施例的上面安装有表面发射元件基板的光学互连器件的平面图；
图4是根据本发明第一示例性实施例的上面安装有表面发射元件基板的光/电混合基板的剖视图；
图5是根据本发明第一示例性实施例的上面没有安装表面发射元件基板的光/电混合基板的剖视图；
图6是根据本发明第一示例性实施例的上面没有安装表面发射元件基板的光/电混合基板的平面图；
图7是根据本发明第一示例性实施例的上面没有安装表面发射元件基板的光学波导基板的剖视图；
图8是根据本发明第一示例性实施例的上面安装有表面发射元件基板的光学波导基板的剖视图；
图9是根据本发明第二示例性实施例的上面安装有表面发射元件基板的光学互连器件的平面图；
图10是根据本发明第二示例性实施例的上面安装有表面发射元件基板的光/电混合基板的剖视图；
图11是根据本发明第二示例性实施例的上面没有安装表面发射元件基板的光/电混合基板的剖视图；
图12是根据本发明第二示例性实施例的上面没有安装表面发射元件基板的光/电混合基板的平面图；
图13是根据本发明第二示例性实施例的上面没有安装表面发射元件基板的光学波导基板的剖视图；
图14是根据本发明第二示例性实施例的上面安装有表面发射元件基板的光学波导基板的剖视图；以及
图15是示出表面发射元件的安装部分的详细剖视图。
具体实施方式
现在，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。
图3至图8示出了本发明的第一示例性实施例。图3是上面安装有带表面发射元件的基板(以下称为“表面发射元件基板”)的光学互连器件。图4是上面安装有表面发射元件基板的光/电混合基板的剖视图。图5是上面没有安装表面发射元件基板的光/电混合基板的剖视图。图6是上面没有安装表面发射元件基板的光/电混合基板的平面图。图7是上面没有安装表面发射元件基板的光学波导基板的剖视图。图8是上面安装有表面发射元件基板的光学波导基板的剖视图。
首先，在图3和图4中，表面发射元件基板10可以由上面安装有例如激光二极管(例如，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)12)等光发射元件或例如光电二极管等光接收元件的GaAs基板形成。当从图3所示的平面图观看时，表面发射元件基板10大致呈矩形形状，并且当从图4所示的剖视图观看时，VCSEL 12沿着宽度方向设置在下表面的大致中部。VCSEL 12象阵列一样设置在例如沿着表面发射元件基板10的纵向方向等间隔布置的四个位置。
如图4所示，在位于表面发射元件基板10下表面的VCSEL 12的两侧设置有端子14。端子14分别设置在每个VCSEL 12的两个前部位置和两个后部位置，也就是说，为每个VCSEL 12设置总共四个端子14。
通过在光学波导层30的上表面上形成阻焊层22来构造光学波导基板20。光学波导层30由芯层32和覆盖芯层32的包层34组成。芯层32延伸到基板20的端面，并且按照与VCSEL 12的布置间隔对应的间隔平行地设置。
在阻焊层22中形成光学开口部分24(见图6和图7)。在表面发射元件基板10安装在光学波导基板20上的状态下，光学开口部分24在设置VCSEL 12的设置方向上延伸。
大致在光学开口部分24的下方设置有用作光路改变部分的45度反射镜36，45度反射镜36与芯层32的端部相邻。45度反射镜36还设置成在光学开口部分24的延伸方向上延伸。例如，在图7所示的剖视图中，45度反射镜36形成为两侧均为45度角的反射镜。
在图7和图8中，在阻焊层22的与表面发射元件基板10的端子14相对应的部分中形成有焊盘26。此外，在光学波导层30的与端子14和焊盘26相对应的位置中形成有导通孔，这些导通孔形成为穿过光学波导层30，在这些导通孔中分别形成有导通部38，这些导通部与焊盘26电连接。此外，当表面发射元件基板10安装在光学波导基板20上时，表面发射元件基板10的端子14通过焊盘26与导通部38电连接。
例如，光学波导层30由基于聚合物的材料形成，包层34通过例如层压等层叠工序形成，芯层32采用光刻法在曝光/显影工序中形成。此外，45度反射镜36由光刻法等方法形成。在这种情况下，由用于使芯层曝光的掩模来决定45度反射镜36的形成位置与芯层32之间的位置关系。因此，基本上不需要使45度反射镜36与芯层32对准。
在图4和图5中，电配线基板40与光学波导基板20耦合为一体。在电配线基板40中，42表示连接焊盘，44表示导体图案，46表示连接导通部，47表示导通部，48表示外部连接端子，50表示芯层，52表示树脂层。当光学波导基板20的导通部38与电配线基板40的连接焊盘42结合时，电配线基板40与光学波导基板20相互电连接。
在本发明的第一实施例中，在从与光学波导层30的表面平行的平面(光学波导层30的平面方向)观看时，光学波导层30的芯层32从45度反射镜36附近的区域朝着光学波导层30的端部方向逐渐变细。
更具体地说，在图6中，位于45度反射镜36附近的芯层端部的宽度W大于芯层的宽度w(W>w)。通常，宽度W设为宽度w的大约2至3倍。此外，逐渐变细的区域的长度L设为芯层宽度w的大约5至10倍。此外，在光学波导层30中以相等间隔平行设置的芯层32之间的节距P设为大约250μm。
图9至图14示出了本发明的第二示例性实施例。图9是上面安装有带表面发射元件的基板(表面发射元件基板)的光学互连器件的平面图。图10是上面安装有表面发射元件基板的光/电混合基板的剖视图。图11是上面没有安装表面发射元件基板的光/电混合基板的剖视图。图12是上面没有安装表面发射元件基板的光/电混合基板的平面图。图13是上面没有安装表面发射元件基板的光学波导基板的剖视图。图14是上面安装有表面发射元件基板的光学波导基板的剖视图。换句话说，第二实施例的图9至图14分别与第一实施例的图3至图8相对应。
因此，在本发明的第二示例性实施例中，仅参考下面的图9至图14描述与第一示例性实施例不同之处。如上文所述，在本发明的第一示例性实施例中，在从与光学波导层30的表面平行的平面(光学波导层30的平面方向)观看时，光学波导层30的芯层32从45度反射镜36附近的区域朝着光学波导层30的端部方向逐渐变细。相比之下，在本发明的第二示例性实施例中，光学波导层30的芯层32呈抛物线形状，在从与光学波导层30的表面平行的平面观看时，该芯层的宽度在45度反射镜36附近的区域中朝向端部侧加宽。
更具体地说，在图12中，位于45度反射镜36附近的芯层端部的宽度W大于芯层的宽度w(W>w)。通常，宽度W设为宽度w的大约2至3倍。此外，与第一示例性实施例的情况一样，抛物线区域40的长度L设为芯层宽度w的大约5至10倍。
图15是详细示出表面发射元件安装在光学波导基板20上的部分的剖视图。在表面发射元件基板10的VCSEL 12与光学波导基板20的45度反射镜36之间分别设置有透镜60。要求这种透镜60的焦距为大约1mm。因此，激光束沿着与光学波导基板20的表面垂直的方向从VCSEL 12发射，再被45度反射镜36反射，从而方向改变90度，然后会聚到芯层32的入射平面上。
入射在芯层32上的激光束光学透射通过光学波导层30的芯层32。例如，激光束从例如光学波导层30的输出端光学耦合到光纤(未示出)。在其他情况下，激光束光学耦合到另一光学波导(未示出)。
根据本发明的示例性实施例，位于45度反射镜36附近的芯层32呈在第一示例性实施例中示出的楔形形状，或者呈在第二示例性实施例中示出的抛物线形状，使得芯层的宽度可以局部加宽。因此，可以提高在例如VCSEL 12等光学元件与光学波导层30之间的光学耦合效率。此外，当在光学波导基板20上安装表面发射元件基板10时所需的安装容差可以设得很大。换句话说，可以提高光学耦合的效率并且放宽表面安装光学元件时的精度。此外，位于45度反射镜36附近的芯层呈楔形形状或抛物线形状，使得可以在光学波导层30中控制光的横模。
此外，当通过作为典型制造方法的光刻法制造光学波导层30时，可以仅通过改变掩模来形成芯层。因此，可以降低成本。此外，提高了光学耦合效率，使得光学互连器件可以应对以下这种情况，即：与楔形或抛物线形芯层部分连接的线性光学波导的芯层宽度变窄的情况。因此，可以实现光学互连器件的小型化或光学信号的高速化。
此外，在第一示例性实施例和第二示例性实施例中，使用VCSEL12作为表面发射元件基板10。然而，可以使用例如光电二极管等光接收元件来代替VCSEL 12。在这种情况下，光从光学波导侧经由45度反射镜36传播到光接收元件侧。
虽然参考本发明的一些示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种形式和细节上的变化。因此，权利要求书旨在包括落入本发明的精神和范围之内的所有这些变化和修改。
本申请要求2007年12月3日提交的日本专利申请No.2007-312438的优先权，该日本专利申请的全部内容通过引用并入本文。

Claims (9)

1.一种光学互连器件，包括：
光学元件；以及
基板，所述光学元件表面安装在所述基板上，所述基板包括：
光学波导，其形成在所述基板中，并且包括芯层和覆盖所述芯层的包层；以及
光路改变部分，其设置在所述光学波导的一个端部附近，
用于改变透射通过所述光学波导的光的光路或者通过所述光学元件传播的光的光路，
其中，在从与所述基板的表面平行的平面观看时，所述芯层的宽度朝着所述光路改变部分的方向加宽。
2.根据权利要求1所述的光学互连器件，
其中，在从所述平面观看时，所述芯层的一部分朝着所述芯层的另一个端部的方向逐渐变细。
3.根据权利要求1所述的光学互连器件，
其中，所述芯层的一部分呈抛物线形状，并且在从所述平面观看时，所述呈抛物线形状的部分的宽度朝着所述光路改变部分的方向逐渐加宽。
4.根据权利要求2所述的光学互连器件，
其中，所述光学元件安装在所述基板上，使得通过所述光学元件传播的光沿着与所述基板的表面垂直的方向。
5.根据权利要求3所述的光学互连器件，
其中，所述光路改变部分为反射镜，所述反射镜与所述光学波导形成一体并且相对于所述基板的表面成45度角设置，并且
所述光路改变部分用于使光路改变90度。
6.根据权利要求5所述的光学互连器件，
其中，所述光学元件为光电二极管。
7.根据权利要求5所述的光学互连器件，
其中，所述光学元件为垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
8.根据权利要求2所述的光学互连器件，
其中，所述芯层的所述一部分位于所述光路改变部分附近。
9.根据权利要求3所述的光学互连器件，
其中，所述芯层的所述一部分位于所述光路改变部分附近。
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