JP2002258080A - 光・電気複合回路 - Google Patents

光・電気複合回路

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JP2002258080A
JP2002258080A JP2001055027A JP2001055027A JP2002258080A JP 2002258080 A JP2002258080 A JP 2002258080A JP 2001055027 A JP2001055027 A JP 2001055027A JP 2001055027 A JP2001055027 A JP 2001055027A JP 2002258080 A JP2002258080 A JP 2002258080A
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optical
circuit
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dielectric constant
electric
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Katsuyuki Imoto
克之 井本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光回路の利点と電気回路の利点とを損なうこ
となく大容量・高速信号処理を可能にした光・電気複合
回路を提供する。 【解決手段】 比誘電率が2.07以下の低比誘電率層
の中にその低比誘電率層よりも比誘電率が高く、断面が
矩形状で、光が伝搬するコア層のパターンが形成されて
おり、浮遊容量を小さくできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光回路と電気回路
とを複合させた光・電気複合回路に係り、特に、光回路
の利点と電気回路の利点とを損なうことなく大容量・高
速信号処理を可能にした光・電気複合回路に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】インターネット、電子メールなどの爆発
的な普及により、パソコン、携帯電話、通信装置、コン
ピュータなどでの情報処理能力の高速化が求められてい
る。これらの要求に対応してCPUなどの電子LSIの
性能は着実に向上してきているが、これらの電子LSI
を接続するメタル配線が問題になってきている。すなわ
ち、信号速度の高速化に伴ってクロストーク、電磁輻
射、配線の微細化による配線遅延時間の増大、信号伝送
の帯域制限、入出力配線数の増大による配線実装密度の
増大、などの問題がシステムの性能向上のボトルネック
となっている。
【0003】このようなメタル配線の問題を打破する案
として、メタル配線に代わって光配線を導入する研究開
発が活発に行われるようになってきた。
【0004】図5及び図6は、光回路と電気回路とを複
合した光・電気複合回路の従来例である。これらは、基
板(Cu配線層を多層構造基板)50上にLSI51を
複数個、光デバイス52を複数個実装し、これらLSI
51、光デバイス52をメタル配線で相互に接続し、光
デバイス52と光導波路56とを光結合したものであ
る。光導波路56の反対端面には光コネクタ59が設け
られ、この光コネクタ59を介して光ファイバケーブル
58が接続される。
【0005】これらの光・電気複合回路によれば、LS
I51からメタル配線に出力された電気信号は光デバイ
ス52で光信号に変換され、光デバイス52から光導波
路56へ出力された光信号は光ファイバケーブル58へ
と導かれる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の構成
には次のような問題点がある。 (1)現状の導波路型光回路は、光信号処理用のもので
あり、この光回路上にLSI回路を実装し、メタル配線
を行って大容量・高速の光・電気複合回路を実現するこ
とは難しい。なぜならば、前述したようなメタル配線の
問題点があるからである。 (2)逆に、高速信号処理を可能とするLSI回路基板
上に導波路型光回路を形成して大容量・高速の光・電気
複合回路を実現することに関しても、まだ課題がたくさ
んあり、製品化には至っていない。 (3)電子デバイスの利点(演算や記憶回路の優位性)
を生かすと共に、光デバイスの大容量・高速信号伝送の
利点を生かした光・電気複合回路は、まだ実現されては
いない。 (4)Cuとポリイミドからなる多層状基板上にLSI
や光デバイスや光導波路やメタル配線を形成する案が提
案されているが、メタル配線遅延の発生や、浮遊容量が
大きい、などの問題があると共に、光信号を高速で駆動
したり、受信することにも課題がある。
【0007】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、光回路の利点と電気回路の利点とを損なうことなく
大容量・高速信号処理を可能にした光・電気複合回路を
提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、比誘電率が2.07以下の低比誘電率層の
中にその低比誘電率層よりも比誘電率が高く、断面が矩
形状で、光が伝搬するコア層のパターンが形成されてい
るものである。
【0009】上記コア層のパターンは、光配線用、光信
号の分岐或いは合流用、複数波長の光信号の分波或いは
合波用、光信号の光路切換え用などの光信号処理回路を
少なくとも1つ以上形成していてもよい。
【0010】上記低比誘電率層は、メタル層の形成され
た基板上に形成されていてもよい。
【0011】上記低比誘電率層の中及び表面にはメタル
配線パターンが形成されていてもよい。
【0012】上記低比誘電率層若しくは基板、或いはそ
の両方の中か表面には電子デバイスか光デバイス、或い
はその両方が実装されていてもよい。
【0013】上記基板として、半導体、誘電体、高分
子、磁性体、或いはそれらの組み合わせからなる材料を
用いてもよい。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて詳述する。
【0015】図1に本発明の第1実施形態である光・電
気複合回路の側断面を示す。基板1には、Si、GaA
sなどの半導体、ガラス、プラスチックスなどの誘電
体、アルミナ、ルミセラムなどの磁性体、LiNbO
3 、LiTaO5 などの強誘電体、基板の中に電子回路
や電子部品や電気配線或いは光素子の形成されたもの、
ガラスと高分子材料とを複合化したプリント基板、電子
回路や電子部品や電気配線の形成された基板を多層状に
積層化してそれぞれの基板間を電気配線したもの、など
を用いる。
【0016】基板1の上には、電気的接地層となるメタ
ル層2が形成されている。メタル層2の材料としては、
Cu、Alなどを用いることができる。
【0017】上記メタル層2の上には、比誘電率が2.
07以下の第1の低比誘電率層3−1が形成されてい
る。この第1の低比誘電率層3−1の厚みは、5μm以
上、数10μmの範囲が好ましい。第1の低比誘電率層
3−1の上には、断面が略矩形状で比誘電率が2.1以
上で透明な、光の伝搬するコア層4と、その近傍に位置
するメタル配線層(この例では電気ヒータ層)6−1,
6−2とが形成され、これらコア層4とメタル配線層6
−1,6−2との上には、比誘電率が2.07以下の第
2の低比誘電率層3−2が形成されている。これによ
り、コア層4及びメタル配線層6−1,6−2が低比誘
電率層で覆われている。この第2の低比誘電率層3−2
の厚みは、数μmから数10μmの範囲が好ましい。
【0018】7−1,7−2は、メタル貫通配線層であ
る。13−1、13−2は、後述するように、ヒータ駆
動用トランジスタパルス回路からなるIC(集積回路)
である。
【0019】メタル貫通配線層7−1,7−2の材料と
しては、例えば、Cuが用いられる。メタル配線層6−
1,6−2及びメタル貫通配線層7−1,7−2にCu
を用いることにより、低抵抗化を図る。また、浮遊容量
の低減のために低比誘電率層3−1,3−2には、でき
る限り比誘電率が低い低比誘電率材料を用いる。また、
コア層4内に光を効率よく伝搬させるために、低比誘電
率層3−1,3−2には、光透過率のよい材料として、
SiOF、SiO2 とFとを含有した有機材料(例え
ば、F添加シリコーン、F添加脂環式ポリメタクリル酸
メチル、ポリフッ化ビニリデン、など)、超微細な空隙
を有する上記材料、さらには上記材料の組み合わせなど
を用いる。コア層4には、光透過率がよく、比誘電率が
2.08以上の材料、例えば、SiO2 のような無機材
料やシリコーン、ポリシラン、脂環式ポリメタクリル酸
メチル、などの有機材料を用いる。
【0020】図2は、図1のA−A断面を示したもので
ある。コア層4は、Y分岐回路のパターン10に形成さ
れており、矢印8方向に入射した光信号を、ある状態の
ときには矢印9−1方向へ出射させ、別の状態のときに
は矢印9−2方向へ切り換えて出射させるようにした光
スイッチ回路である。この光行路の切り換えはコア層パ
ターン10の側面に形成されたヒータ11−1、11−
2へ電流を流すか、流さないかによって操作する。上記
ヒータ11−1、11−2へ電流を供給する回路は、ヒ
ータ駆動用トランジスタパルス回路13−1、13−2
である。電極部12−1、12−2は、メタル貫通配線
層7−1,7−2を通してメタル層2に接地されてい
る。
【0021】図3に、本発明の第2実施形態である光・
電気複合回路の側断面を示す。この光・電気複合回路
は、LSI15、ICチップ16、電子部品17の電気
回路と、光素子(発光素子或いは受光素子)14の光部
品と、コア層4で構成された光回路とが複合実装された
ものである。図1と同一符号のものは図1と同一部材で
ある。
【0022】LSI15、ICチップ16、電子部品
(抵抗器、コンデンサなど)17は、ハンダ(金属バン
プ)18−1〜18−6によってメタル配線層6−1〜
6−5に接続されている。19は、アンダーフィル樹脂
である。光素子14は、基板(例えば、Si)1上にハ
ンダ固定されている。この光素子14は、コア層4と光
結合されている。また、この光素子14とLSI15と
は、電気配線(図示せず;低比誘電率層3−1或いは3
−2上に配線したパターン)で互いに接続されている。
【0023】図4に、本発明の第3実施形態である光・
電気複合回路を示す。この光・電気複合回路は、波長多
重された光信号を送信する光・電気複合回路と、波長多
重された光信号をそれぞれ分岐して受信する光・電気複
合回路とを一体化したものである。この光・電気複合回
路は、図1、図2のように低比誘電率層3−1上に設け
られている。
【0024】14−1〜14−8は、それぞれ波長λ1
〜λ8 の光信号を送出する半導体レーザであり、それぞ
れの半導体レーザ14−1〜14−8から送出された波
長λ 1 〜λ8 の光信号は光合波フィルタ21で合波さ
れ、矢印22のごとく送出される。他方、矢印23のご
とく送られてきた波長λ9 〜λ16の光信号は光分波フィ
ルタ24でそれぞれの波長に分波され、光受光素子14
−9〜14−16で電気信号に変換され、それぞれのメ
タル配線層6−9〜6−16を通してそれぞれのLSI
15−9〜15−16へ送られ、情報信号が再生され
る。そして、これらの情報信号は、それぞれのメタル配
線層19−9〜19−16を通してアレイ型コネクタ2
0−2へ導かれる。20−1もアレイ型コネクタであ
り、このアレイ型コネクタ20−1を通してそれぞれの
情報信号がメタル配線層19−1〜19−8へ導かれ、
それぞれのLSI15−1〜15−8へ送られる。そし
て、上記それぞれのLSI15−1〜15−8は、それ
ぞれの半導体レーザ14−1〜14−8を駆動する。
【0025】本発明によれば、低比誘電率層上に電気回
路や電子部品やメタル配線を形成するので、浮遊容量を
小さくできる。また、低抵抗メタル配線及び貫通メタル
配線を用いているので配線遅延量を小さくすることがで
きる。そして、低比誘電率層の中に光の伝搬する略矩形
状のコア層で光信号処理回路をパターニングして共存さ
せるようにしている。しかも、上記光信号処理回路内を
伝搬させる光信号を出力するための発光素子や光信号を
受光するための受光素子を実装させ、これらの光素子を
駆動したり電気信号を処理したりする電気回路と光素子
間の電気配線での高速信号の劣化がほとんどないので、
高速で駆動したり、高速信号の光信号を電気的に処理し
たりすることができる。また、上記コア層の比誘電率
2.08よりも少し高い材料を用いるので、光散乱損失
の原因となるドーパント量の添加を少なく抑えることが
できる。また、上記ドーパント量が少なくてすむことか
ら、熱膨張係数を小さくすることができるので、温度変
化に対して安定な光・電気複合回路を実現することがで
きる。
【0026】
【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。
【0027】(1)電気回路と光回路とを一つの基板上
に集積し、それぞれの回路の利点を損なうことなく共存
させた大容量・高速の光・電気複合回路を小型・高密度
実装構造で実現することができる。
【0028】(2)メタル配線による遅延の問題、浮遊
容量の問題、抵抗増大の問題、などを抑制し、光の大容
量・高速信号処理や伝送も行うことができる。
【0029】(3)コア層には比誘電率が2.07より
も少し高い材料を用いることができるので、ドーパント
量の少ない材料、例えば、SiO2 やFを添加したSi
2を用いることができ、光散乱損失を小さくすること
ができる。また、熱膨張係数も小さくすることができる
ので、温度変化に対して安定な光・電気複合回路を実現
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す光・電気複合回路の
側断面図である。
【図2】本発明の一実施形態を示す光・電気複合回路の
平断面図である。
【図3】本発明の一実施形態を示す光・電気複合回路の
側断面図である。
【図4】本発明の一実施形態を示す光・電気複合回路の
平面図である。
【図5】従来の光・電気複合回路の斜視図である。
【図6】従来の光・電気複合回路の斜視図である。
【符号の説明】
1 基板 2 メタル層 3−1、3−2 低比誘電率層 4 コア層 10 コア層のパターン

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 比誘電率が2.07以下の低比誘電率層
    の中にその低比誘電率層よりも比誘電率が高く、断面が
    矩形状で、光が伝搬するコア層のパターンが形成されて
    いることを特徴とする光・電気複合回路。
  2. 【請求項2】 上記コア層のパターンは、光配線用、光
    信号の分岐或いは合流用、複数波長の光信号の分波或い
    は合波用、光信号の光路切換え用などの光信号処理回路
    を少なくとも1つ以上形成していることを特徴とする請
    求項1記載の光・電気複合回路。
  3. 【請求項3】 上記低比誘電率層は、メタル層の形成さ
    れた基板上に形成されていることを特徴とする請求項1
    又は2記載の光・電気複合回路。
  4. 【請求項4】 上記低比誘電率層の中及び表面にはメタ
    ル配線パターンが形成されていることを特徴とする請求
    項1〜3いずれか記載の光・電気複合回路。
  5. 【請求項5】 上記低比誘電率層若しくは基板、或いは
    その両方の中か表面には電子デバイスか光デバイス、或
    いはその両方が実装されていることを特徴とする請求項
    4記載の光・電気複合回路。
  6. 【請求項6】 上記基板として、半導体、誘電体、高分
    子、磁性体、或いはそれらの組み合わせからなる材料を
    用いたことを特徴とする請求項1〜5いずれか記載の光
    ・電気複合回路。
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