JP2004219882A - 光接続装置、及びそれを用いた光電融合配線基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】電気信号を光信号に変換するための発光素子や光信号を電気信号に変換するための受光素子の配置の自由度が大きく、かつ二次元光導波路層の特性を有効に利用して柔軟に光信号伝送を再構成できる光接続装置である。
【解決手段】光接続装置は、二次元光導波路層１００、１０２、１０４を備え、光導波路層１００、１０２、１０４上ないしは内部に、異なる複数の発振モードを切り替えられる機能を有する半導体レーザ１０８を有する。さらに、半導体レーザ１０８からの出射光の光路を変換する為の光路変換構造体１０６が半導体レーザ１０８近傍に配置されていて、発振モードの切り替えに応じて光導波路層１００、１０２、１０４内における放射角が変化して半導体レーザ１０８からの出射光が光導波路層１００、１０２、１０４を伝播するようになっている。
【選択図】 図１
【解決手段】光接続装置は、二次元光導波路層１００、１０２、１０４を備え、光導波路層１００、１０２、１０４上ないしは内部に、異なる複数の発振モードを切り替えられる機能を有する半導体レーザ１０８を有する。さらに、半導体レーザ１０８からの出射光の光路を変換する為の光路変換構造体１０６が半導体レーザ１０８近傍に配置されていて、発振モードの切り替えに応じて光導波路層１００、１０２、１０４内における放射角が変化して半導体レーザ１０８からの出射光が光導波路層１００、１０２、１０４を伝播するようになっている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号を発信する機能を有した発信ポートと光信号を受信する機能を有した受信ポートの間で二次元光導波路層を介して光による情報伝達を行なう光接続装置、及び電気配線層と光配線層が混載された光電融合配線基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の携帯電話や個人情報端末の急速な普及に伴い、機器の更なる小型・軽量化また高機能化が求められている。しかし、小型・軽量化また高機能化により回路基板の高速化と高集積化が進み、信号遅延、ＥＭＩ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：電磁干渉ノイズ）の発生などの問題への対応が急務となっている。これらの問題を解決する手段として、従来の電気配線において問題となっていた信号遅延、信号劣化、及び配線から放射される電磁干渉ノイズの点について解決され且つ高速伝送が可能である光配線技術が期待されている。
【０００３】
光配線の利点を用いた例として、特許文献１においては、光導波路に対して垂直に出入射される光を効率良く結合させるために、４５度傾いたミラーを用いている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１９９８２７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の光配線技術を用いた装置では、光導波路への結合及び光導波路を伝播してきた光を受光素子に結合させるために４５度ミラーを用いているため、伝送路が線路となり、複数の伝送路を形成する場合には、発光素子及び受光素子の位置が制限され設計の自由度が少ない。すなわち、光導波路の特性を充分利用していなくて、光配線形成の柔軟性が足りなかった。本発明の目的は、二次元光導波路層を用いることにより、電気信号を光信号に変換するための発光素子や光信号を電気信号に変換するための受光素子の配置の自由度が大きく、かつ二次元光導波路層の特性を有効に利用して柔軟に光信号伝送を再構成できる光接続装置、及び電気配線層と光配線層が混載された光電融合配線基板を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光接続装置は、二次元光導波路層を備え、該光導波路層上ないしは内部に、異なる複数の発振モードを切り替えられる機能を有する半導体レーザを有し、さらに、該半導体レーザからの出射光の光路を変換する為の光路変換構造体が、発振モードの切り替えに応じて該光導波路層内における放射角が変化して該半導体レーザからの出射光が光導波路層を伝播するように、該二次元光導波路層内に配置されていることを特徴とする。本発明による光接続装置においては、注入電流などを変えることにより異なる発振モードに切り替えられる半導体レーザを用いているので、この二次元光導波路層内に配置した光路変換構造体に異なるモードの半導体レーザからの出射光を結合させて、二次元光導波路層における光信号伝送において、ビーム光伝播、拡散光伝播などの異なる放射角の伝播状態を選択することが可能となる。こうして、二次元光導波路層の空間的特性を有効に利用して、発光素子や受光素子の配置の自由度を大きくでき、柔軟に光信号伝送を再構成できる。半導体レーザは、確実な光信号伝送を行なうのに充分な光強度を持つレーザ光を発振できる点、実装し易い点、消費電力が充分小さい点等により、本発明の光接続装置において発光素子として用いられる。
【０００７】
上記構成において、半導体レーザは、注入電流や印加電圧の変化による電気的制御、温度制御などの制御により発振モードが切り替えられる半導体レーザであれば、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬなど）、端面発光レーザなど如何なる半導体レーザでもよい。代表的には、前記半導体レーザは、活性層近傍に電流狭搾層を形成した面発光レーザであり、該面発光レーザの発振モードの切り替えが、該電流狭窄層の開口部（電流路）の形状と該面発光レーザの注入電流量の少なくとも一方を制御して遠視野像の放射角を変化させることで行われる。また上記構成において、前記光路変換構造体は、前記半導体レーザからの出射光が結合するようにその近傍に配置された半球形状、楔形形状、円錐形状或いは多角錘形状をなした構造体であり得る。
【０００８】
また、上記目的を達成するために、本発明の光電融合配線基板は、上記の光接続装置を電気回路基板と電気的接続が得られるように形成した光電融合配線基板であって、該電気回路基板の信号の一部または全てを該光接続装置を用いた光信号の授受によって配線させて、これが組み込まれた電子機器を動作させることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を明らかにすべく、具体的な実施例を図面に沿って説明する。
【００１０】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１による光接続装置を示した図である。斜視図である図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図が図１（ｂ）である。図１において、１００は二次元光導波路層の第１のクラッド層、二次元光導波路層の１０２はコア層、１０４は二次元光導波路層の第２のクラッド層、１０６は光路変換構造体、１０８は光出力ポートの発光素子、そして１１０は光入力ポートの受光素子である。シート状の二次元光導波路は、屈折率の異なる材料の組み合わせによりコア層１０２（屈折率の比較的大きい部分）とそれを挟む第１及び第２のクラッド層１００、１０４（屈折率の比較的小さい部分）より構成される。本実施例においては、厚さ１２０μｍのコア層１０２に屈折率１．５９のＺ型ポリカーボネート（ＰＣＺ）を用い、第１のクラッド層１００として屈折率１．５３のガラス基板を用い、厚さ５０μｍの第２のクラッド層１０４として屈折率１．５３のノルボルネン樹脂（アートン（商品名））を用いた。
【００１１】
本実施例では、コア層１０２、第１及び第２のクラッド層１００、１０４としてそれぞれＺ型ポリカーボネート、ガラス及びノルボルネン樹脂を用いたが、これに限定されなく、コア層材料の屈折率が第１及び第２のクラッド層材料と比較して大きい値の材料であれば、ポリイミド樹脂やアクリル樹脂などを用いた組み合わせであってもよい。また、それぞれの層の厚さも本実施例の値に限定されない。例えば、ガラス基板の代わりに樹脂フィルムを用いて二次元光導波層の厚みを数百μｍとすることにより、フレキシブルに扱うことが可能となる。
【００１２】
本実施例においては、発光素子１０８として面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用い、二次元光導波路層中に埋め込むように実装する。本実施例で用いた８５０ｎｍ帯面発光型半導体レーザは、Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層を水蒸気によりウェット酸化して電流狭窄構造を形成している。この面発光型半導体レーザの円形メサ径は２０μｍ、酸化アパーチャー径は４μｍである。また、出射口側の電極は直径８μｍ円の開いた構造となっている。本構造パラメータは、しきい値後の小さい電流領域では、単一横モードかつ単峰性の放射角を得、他の大きい電流領域では双峰性或いはリング状の遠視野像を得るために設定した。本構造では、キャリアの注入による屈折率の変化は考慮する必要はなく、利得の変化により面発光レーザの発振モードの制御を行っている。
【００１３】
この面発光型半導体レーザは、注入電流値を変えることにより遠視野像の放射角を±３°から±２０°まで変えられる。具体的には、注入電流値が０．４ｍＡ以上１．２ｍＡ未満の領域では安定に単一横モード動作し、近視野像及び遠視野像共に単峰性（ガウス分布）を示して放射角は±３°である。一方、注入電流が１．２ｍＡ以上の大電流領域では、高次モードのしきい値利得に達してマルチ横モード動作し、近視野像及び遠視野像共に双峰性を示す。この大電流領域において注入電流を増すことで放射角を±３°から±２０°まで変えられる。
【００１４】
また、二次元光導波路層中には、半径５０μｍの半球状光路変換構造体１０６が発光素子（面発光レーザ）１０８及び受光素子１１０の近傍に設けてある。この光路変換構造体１０６と面型半導体レーザ１０８の位置関係を図２に示す。面発光レーザ１０８の出射口と半球状光路変換構造体１０６の頂点はずれており、図２（ａ）に示すように、放射角±３°のレーザ光が上方から入射された場合は、このレーザ光は頂点からずれて光路変換構造体１０６に結合してほぼ９０°曲げられ、二次元光導波路層内をビーム光２００として伝播する。一方、図２（ｂ）に示すように、放射角±３°以上のレーザ光が上方から入射された場合は、レーザ光は頂点からずれた或る範囲で光路変換構造体１０６に結合してほぼ９０°曲げられ、二次元光導波路層内を最大９０°の広がり角で拡散光２０２として伝播する。そして、二次元光導波路層内を伝搬してきたこれらの光は、受光素子１１０近傍に設けられた光路変換構造体１０６により上方へほぼ９０°曲げられ、受光素子１１０に結合される。
【００１５】
本実施例において８５０ｎｍ帯面発光レーザを用いたが、これに限定されるものではなく、７８０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯など電流狭窄層を制御できる構造の面発光レーザであれば、いかなる波長帯のものであってもよい。また、本実施例において半径５０μｍの半球状光路変換構造体１０６を用いたが、これに限定されるものではなく、レーザ光の遠視野像の放射角、コア層厚、及び光導波路伝播時の広がり角それぞれの兼ね合いにより、任意の大きさを選定することができる。
【００１６】
図３に示すような形態を用いることもできる。この形態では、２×２の面発光レーザアレイ３００を用い、それぞれの出射口と半球状光路変換構造体１０６の頂点を図３（ａ）に示すようにずらして配置することで、図３（ｂ）に示すように二次元光接続装置の全域へ拡散光２０２を伝播できる。もちろん、注入電流を制御することで、図３（ａ）に示すように４つの方向へビーム光伝播２００することもできる。また、それぞれの面発光レーザの注入電流を独立に制御することで、同時にビーム光伝播と拡散光伝播が可能となり、さらに光配線の再構成が可能となる。ここでは、２×２面発光レーザアレイを用いたが、これに限定されなく、より多くの面発光レーザをアレイ化したものを用いてもよい。
【００１７】
次に、本実施例の光接続装置の作製方法を説明する。図４はその製造方法を説明する模式図である。同図において、４００はガラス基板、４０２はメッキ用全面電極、４０４はフォトレジスト、４０６はメッキ用窓、４０８は光路変換構造体、４１０はコア層、４１２は第２のクラッド層、４１４は電極配線、４１６は面発光レーザ、４１８は受光素子、そして４２０は第１のクラッド層である。
【００１８】
まず、図４（ａ）に示すように、第１のクラッド層としてのガラス基板４００上にメッキ用全面電極としてＣｒ／Ａｕ４０２を蒸着する。続いて、フォトリソグラフィーによりフォトレジスト４０４のパターニングを行い、光路変換構造体４０８を形成したい位置にメッキ用窓４０６を適当なパターンで形成する（例えば、複数の微小円形窓を形成する）。次に、図４（ｂ）に示すように、メッキ用窓４０６に形成されるメッキ体が半径５０μｍの半球形状になるようにＮｉ電解メッキを行う。続いて、フォトレジスト４０４を除去すると光路変換構造体４０８が形成される。次に、図４（ｃ）に示すように、ガラス基板４００よりも屈折率の大きいポリカーボネート樹脂を塗布し硬化させて膜厚１２０μｍのコア層４１０を形成する。続いて、コア層４１０よりも屈折率の小さいノルボルネン樹脂を塗布し硬化させて膜厚５０μｍの第２のクラッド層４１２を形成する。
【００１９】
次に、図４（ｄ）に示すように、前記第２のクラッド層４１２上に電極配線４１４を形成する。このとき、前記光路変換構造体４０８に面発光レーザ４１６からの出射ビームが結合するように、面発光レーザ４１６を実装するための孔をレーザ加工により形成してある。同時に、受光素子４１８を実装するための孔も光路変換構造体４０８上にアライメントして形成する。続いて、面発光レーザ４１６及び受光素子４１８を、フリップチップボンダーを用いてそれぞれの実装孔に挿入し、実装する。次に、図４（ｅ）に示すように、コア層４１０より上部をガラス基板４００から剥離する。次に、必要に応じて、図４（ｆ）に示すように、剥離したコア層４１０より上部を、コア層より屈折率の値の小さい第１のクラッド層４２０に貼り合わせる。第１のクラッド層４２０として、ノルボルネン樹脂フィルムなどを用いることで、折り曲げ可能なフレキシブルな二次元光接続装置を得られる。ここでは、第１のクラッド層、コア層、及び第２にクラッド層としてそれぞれノルボルネン樹脂フィルム、Ｚ型ポリカーボネート、及びノルボルネン樹脂を用いたが、これに限定されなく、コア層材料の屈折率が第１及び第２のクラッド層材料の屈折率と比較して大きい値の材料であれば、ポリイミド樹脂やアクリル樹脂などを用いた組み合わせであってもよい。また、必ずしも第１のクラッド層及び第２のクラッド層は必要ではない。
【００２０】
下記の様な形態も可能である。半導体レーザの発振モードを注入電流等により変化させる制御方法には幾つかの方法がある。例えば、屈折率と利得のバランスを調整する方法がある。ＶＣＳＥＬの活性層の近傍に電流狭窄層を形成し、活性層に注入されるキャリアの経路を制限することで、キャリア密度の変化に応じて、屈折率の変化と利得の変化が同時に生じる。この両者のバランスは、電流狭窄層の開口部（電流路）の形状、電流狭窄層と活性層間の距離、電流分布、出射面の形状等によって変化させられる。例えば、上記実施例で述べた様に、或る電流領域では、単一横モードでかつ単峰性の遠視野像を得ることができ、或る電流領域では双峰性の遠視野像が得ることができる。他の方法として、分割電極を用いて電流注入に使う電極部分を変化させることで、活性層に流れ込む電流経路をもっと積極的に変更する方法がある。
【００２１】
また、活性層利得スペクトルの温度依存性を利用して、或る温度領域では基本モード発振、他の或る温度領域では、利得スペクトルと共振器スペクトルのずれによるＬＥＤモードでの発光というように、発光パターンを変化させることも可能である。
【００２２】
また、二次元光導波路中に、半導体レーザ及び光路変換構造体を配置するとき、半導体レーザと光路変換構造体の相対位置を調節することによって、光路変換構造体により変換された光路のパターンを変化させられる。例えば、半導体レーザからの光がガウスビームのとき、上記実施例の様に、発光点から１００μｍ程度（ビームがあまり広がらない距離）の位置に半球状光路変換構造体をその頂点をビーム位置からずらして配置することで、光路変換構造体の側面をミラーとして作用させ、散乱方向を限定することができる。また、半導体レーザからの光が双峰性ないしはリング状の遠視野像を持つ場合には、上記光路変換構造体の配置のままで、３６０度方向へ散乱（拡散伝播）させることができる。
【００２３】
以上のように、電気的制御、温度制御などにより複数の放射角を得られる半導体レーザと光路変換構造体を適切に選ぶことにより、或る場合にはビーム伝播、或るときは拡散伝播等の光伝送を二次元光導波路層を介して行うことができる。
【００２４】
（実施例２）
実施例２は、光路変換構造体として四角錐形状のものを用いたことを特徴とする。その他の構成は実施例１と同じである。図５に、面発光レーザ５００の出射口と四角錐状光路変換構造体５０２の位置関係を示す。四角錐状光路変換構造体５０２の高さは５０μｍである。面発光レーザ５００の出射口と四角錐状光路変換構造体５０２の頂点はずれており、図５（ａ）に示すように放射角±３°のレーザ光が上方から入射された場合は、レーザ光は光路変換構造体５０２に結合してほぼ９０°曲げられ、二次元光導波路層内をビーム光５０４として伝播する。一方、図５（ｂ）に示すように放射角±３°以上のレーザ光が上方から入射された場合は、レーザ光は光路変換構造体５０２の或る領域に結合してほぼ９０°曲げられ、二次元光導波路層内を最大９０°の広がり角で拡散光５０６として伝播する。そして、二次元光導波路層内を伝搬してきた光は、受光素子近傍に設けられた光路変換構造体により上方へほぼ９０°曲げられ、受光素子に結合される（図示せず）。
【００２５】
本実施例においては、高さ５０μｍの四角錐状光路変換構造体５０２を用いたが、これに限定されるものではなく、遠視野像（レーザ光）の放射角、コア層厚、及び光導波路伝播時の広がり角それぞれの兼ね合いにより任意の高さを選定できる。
【００２６】
また、図６に示す形態も可能である。ここでは、２×２の面発光レーザアレイ６００を用い、それぞれの出射口と四角錐状光路変換構造体６０２の頂点をずらして配置することで、図６（ｂ）に示すように、二次元光導波路層内の全域へ拡散光６０４を伝播させられる。もちろん、図６（ａ）に示すように、注入電流を制御して４つの方向へビーム光６０６として伝播することもできる。また、それぞれの面発光レーザの注入電流を独立的に制御することで、同時にビーム光伝播と拡散光伝播が可能となり、さらに光配線の再構成が可能となる。本実施例では、光路変換構造体を四角錐形状としたが、これに限定されなく、楔形形状或いは多角錐形状であってもよい。また、図６の形態では、２×２面発光レーザアレイを用いたが、光路変換構造体の多角錐面に合わせて同数の面発光レーザをアレイ化した発光素子を用いてもよい。
【００２７】
次に、本実施例の光接続装置の作製方法を示す。図７はこの製造方法を説明する模式図である。同図において、７００はガラス基板、７０２はメッキ用全面電極、７０４はフォトレジスト、７０６はメッキ用窓、７０８は半球状光路変換構造体、７１０は四角錐状光路変換構造体、７１２はコア層、７１４は第２のクラッド層、７１６は電極配線、７１８は面発光レーザ、７２０は受光素子、そして７２２は第１のクラッド層である。
【００２８】
まず、図７（ａ）に示すように、第１のクラッド層としてのガラス基板７００上にメッキ用全面電極としてＣｒ／Ａｕ７０２を蒸着する。続いて、フォトリソグラフィーによりフォトレジスト７０４のパターニングを行い、半球状光路変換構造体７０８を形成したい位置にメッキ用窓７０６を形成する。次に、図７（ｂ）に示すように、半径５０μｍの半球形状になるようにＮｉ電解メッキを行う。続いて、フォトレジスト７０４を除去すると光路変換構造体７０８が形成される。また、Ｓｉ（１１１）面を利用して形成したモールドを用いて高さ５０μｍの四角錐状光路変換構造体７１０を形成し、その四角錐状光路変換構造体７１０をメッキ用全面電極７０２上に配置する。次に、図７（ｃ）に示されるように、ガラス基板７００よりも屈折率の大きいポリカーボネート樹脂を塗布して硬化させ、膜厚１２０μｍのコア層７１２を形成する。続いて、コア層７１２よりも屈折率の小さいノルボルネン樹脂を塗布して硬化させ、膜厚５０μｍの第２のクラッド層７１４を形成する。
【００２９】
次に、図７（ｄ）に示すように、前記第２のクラッド層７１４上に電極配線７１６を形成する。このとき、前記光路変換構造体７１０に面発光レーザ７１８からの出射ビームが結合するように、該面発光レーザ７１８を実装するための孔がレーザ加工により形成してある。同時に、受光素子７２０を実装するための孔も形成する。続いて、面発光レーザ７１８及び受光素子７２０を、フリップチップボンダーを用いてそれぞれの実装孔に挿入し、実装する。次に、図７（ｅ）に示すように、コア層７１２より上部をガラス基板７００から剥離する。次に、必要に応じて、図７（ｆ）に示すように、剥離したコア層７１２より上部を、コア層７１２より屈折率の値の小さい第１のクラッド層７２２に貼り合わせる。第１のクラッド層７２２としてノルボルネン樹脂フィルムなどを用いることで、折り曲げ可能なフレキシブルな光接続装置を得ることができる。
【００３０】
本実施例では、光路変換構造体として、半球状光路変換構造体７０８と四角錐状光路変換構造体７１０の２種類を用いたが、全て四角錐状光路変換構造体を用いてもよく、また実施例１のように全て半球状光路変換構造体を用いてもよい。
【００３１】
（実施例３）
実施例１及び２に示した光接続装置と電気回路基板を組み合わせて作製した光電融合基板を図８に示す。図８において、８００はＣＰＵ、８０２，８０４，８０６及び８０８はＲＡＭ、８１０及び８１２は電子デバイス（ＬＳＩ）、８１４は２×２面発光レーザアレイ、８１６は受光素子、８１８は伝送線路（電気配線）、８２０はビーム光、８２２は拡散光、８２４は二次元光導波路層、８２６及び８２８は電気回路基板である。図８（ａ）は、図８（ｂ）の光電融合基板を矢印の方向から見た図であり、図８（ａ）においては二次元光導波路層８２４及び電気回路基板８２８は図示していない。
【００３２】
図９はＣＰＵと接続された面発光レーザアレイ近傍の光電融合基板の断面図である。ＣＰＵ９００は電気回路基板９０２上にハンダボール９０４を用いてフリップチップボンディングされている。ＣＰＵ９００と二次元光導波路層９０６に内蔵された面発光レーザアレイ９０８との接続は電気回路基板９０２に形成された内部配線９１０を通して行われている。
【００３３】
低速でのデータ転送においては問題とならないが、大容量・高速での伝送が必要となる場合には、従来の電気配線では、ＥＭＩの影響が大きく、常に安定したデータ転送をすることが困難となる。このような場合に、図８に示すような光電融合基板を用いることで安定した大容量・高速伝送が可能となる。
【００３４】
例えば、ＣＰＵからの電気信号を面発光レーザを介して光信号に変換し、その信号をＲＡＭやＬＳＩと電気的に接続された受光素子へ伝送する信号伝送方法を説明する。このＣＰＵ８００に接続された２×２面発光レーザアレイ８１４は二次元導波路素子内に埋め込まれており、それぞれの面発光レーザから出射されたビーム光が近傍の光路変換構造体（図示せず）に結合し二次元光導波路基板内を伝播する。このとき、それぞれの面発光レーザの注入電流を制御して、ビーム光伝播或いは拡散光伝播、または両方の伝播を選択することができる。また、拡散伝播時に注入電流を制御することにより、１つの面発光レーザで拡散伝播広がり角を最大９０°まで広げられ、２×２の面発光レーザアレイを用いて二次元光導波路層のほぼ全域に拡散光を伝播することができる。この様にして二次元光導波路層内を伝播した光は受光素子近傍に設けられた光路変換構造体に結合し、受光素子へと導かれる。受光素子は、それぞれのＲＡＭやＬＳＩと接続されており、光信号を電気信号へと変換する。
【００３５】
図８における動作例では、２×２面発光レーザアレイ８００のそれぞれの面発光レーザの注入電流を制御することで、ＲＡＭ８０２へは高速の信号をビーム光伝播で送信し、またＲＡＭ８０４、ＲＡＭ８０６、ＲＡＭ８０８へは拡散光伝播とし３つへ同時に送信している。図示していないが、注入電流を制御することで、拡散光伝播広がり角をさらに広げＬＳＩ８１０及びＬＳＩ８１２へも信号を伝播できる。
【００３６】
なお、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＬＳＩはそれぞれ面発光レーザ及び受光素子と接続されており、それぞれが互いに光信号で送受信を行えるようになっている。本実施例では、２×２面発光レーザアレイを用いたが、より多くの面発光レーザをアレイ化したものを用いてもよい。
【００３７】
また、本実施例では、二次元光導波路層が電気回路基板の間に内蔵された形状となっているが、これに限定されなく、電気回路基板の上部或いは下部、またはそれぞれの組み合わせの形態を取ってもよい。二次元導波路層は単層であったが、多層としてもよい。
【００３８】
さらに、信号は必ず光により伝送される必要はなく、電気配線を介しても伝送できるように選択の柔軟性を持たせてある。信号を光或いは電気の何れで伝送するかは、伝送を管理するデバイスが決定する。
【００３９】
この様に二次元光導波路層（光配線）を用いることにより、従来の信号線で問題となっていた配線自身がアンテナとなりコモンモードノイズ輻射による回路の誤動作などを生じていた電磁放射ノイズを大幅に低減でき、ＥＭＩの問題を改善できる。また、面発光レーザへの注入電流を制御することで発振モードを切り替えられて、ビーム光伝播と拡散光伝播の何れかを選択することが可能となり、ビーム光伝播においては光パワーロスを抑制して高速伝送が可能となり、拡散光伝播では注入電流を変えて拡散光伝播広がり角を変えられて光信号伝送領域の再構成が可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明による光接続装置により、電気的制御等により異なる発振モードに切り替えることのできる半導体レーザと二次元光導波路層の空間的特性を有効に利用し、二次元光導波路層を介して柔軟に光信号伝送回路を再構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施例１の光接続装置の斜視図及び断面図である。
【図２】本発明による実施例１の面発光レーザと光路変換構造体の間の光結合の様子を説明する図である。
【図３】本発明による実施例１の面発光レーザアレイと光路変換構造体の間の光結合の様子を説明する図である。
【図４】本発明による実施例１の光接続装置の製造方法を説明する図である。
【図５】本発明による実施例２における面発光レーザと光路変換構造体の間の光結合の様子を説明する図である。
【図６】本発明による実施例２における面発光レーザアレイと光路変換構造体の間の光結合の様子を説明する図である。
【図７】本発明による実施例２の光接続装置の製造方法を説明する図である。
【図８】本発明の実施例３における光電融合基板を説明する図である。
【図９】本発明の実施例３における光電融合基板の内部を説明する断面図である。
【符号の説明】
１００、４２０、７２２：第１のクラッド層
１０２、４１０、７１２：コア層
１０４、４１２、７１４：第２のクラッド層
１０６、４０８、７０８：半球状光路変換構造体
１０８、４１６、５００、７１８：発光素子（面発光レーザ）
１１０、４１８、７２０、８１６：受光素子
２００、５０４、６０６、８２０：ビーム光
２０２、５０６、６０４、８２２：拡散光
３００、６００、９０８：面発光レーザアレイ
４００、７００：ガラス基板
４０２、７０２：メッキ用全面電極
４０４、７０４：フォトレジスト
４０６、７０６：メッキ用窓
４１４、７１６、８１８：伝送線路（電気配線）
５０２、６０２、７１０：四角錐状光路変換構造体
８００、９００：ＣＰＵ
８０２、８０４、８０６、８０８：ＲＡＭ
８１０、８１２：電子デバイス（ＬＳＩ）
８１４：２×２面発光レーザアレイ
８２４、９０６：二次元光導波路層
８２６、８２８、９０２：電気回路基板
９０４：ハンダボール
９１０：内部配線
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号を発信する機能を有した発信ポートと光信号を受信する機能を有した受信ポートの間で二次元光導波路層を介して光による情報伝達を行なう光接続装置、及び電気配線層と光配線層が混載された光電融合配線基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の携帯電話や個人情報端末の急速な普及に伴い、機器の更なる小型・軽量化また高機能化が求められている。しかし、小型・軽量化また高機能化により回路基板の高速化と高集積化が進み、信号遅延、ＥＭＩ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：電磁干渉ノイズ）の発生などの問題への対応が急務となっている。これらの問題を解決する手段として、従来の電気配線において問題となっていた信号遅延、信号劣化、及び配線から放射される電磁干渉ノイズの点について解決され且つ高速伝送が可能である光配線技術が期待されている。
【０００３】
光配線の利点を用いた例として、特許文献１においては、光導波路に対して垂直に出入射される光を効率良く結合させるために、４５度傾いたミラーを用いている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１９９８２７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の光配線技術を用いた装置では、光導波路への結合及び光導波路を伝播してきた光を受光素子に結合させるために４５度ミラーを用いているため、伝送路が線路となり、複数の伝送路を形成する場合には、発光素子及び受光素子の位置が制限され設計の自由度が少ない。すなわち、光導波路の特性を充分利用していなくて、光配線形成の柔軟性が足りなかった。本発明の目的は、二次元光導波路層を用いることにより、電気信号を光信号に変換するための発光素子や光信号を電気信号に変換するための受光素子の配置の自由度が大きく、かつ二次元光導波路層の特性を有効に利用して柔軟に光信号伝送を再構成できる光接続装置、及び電気配線層と光配線層が混載された光電融合配線基板を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光接続装置は、二次元光導波路層を備え、該光導波路層上ないしは内部に、異なる複数の発振モードを切り替えられる機能を有する半導体レーザを有し、さらに、該半導体レーザからの出射光の光路を変換する為の光路変換構造体が、発振モードの切り替えに応じて該光導波路層内における放射角が変化して該半導体レーザからの出射光が光導波路層を伝播するように、該二次元光導波路層内に配置されていることを特徴とする。本発明による光接続装置においては、注入電流などを変えることにより異なる発振モードに切り替えられる半導体レーザを用いているので、この二次元光導波路層内に配置した光路変換構造体に異なるモードの半導体レーザからの出射光を結合させて、二次元光導波路層における光信号伝送において、ビーム光伝播、拡散光伝播などの異なる放射角の伝播状態を選択することが可能となる。こうして、二次元光導波路層の空間的特性を有効に利用して、発光素子や受光素子の配置の自由度を大きくでき、柔軟に光信号伝送を再構成できる。半導体レーザは、確実な光信号伝送を行なうのに充分な光強度を持つレーザ光を発振できる点、実装し易い点、消費電力が充分小さい点等により、本発明の光接続装置において発光素子として用いられる。
【０００７】
上記構成において、半導体レーザは、注入電流や印加電圧の変化による電気的制御、温度制御などの制御により発振モードが切り替えられる半導体レーザであれば、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬなど）、端面発光レーザなど如何なる半導体レーザでもよい。代表的には、前記半導体レーザは、活性層近傍に電流狭搾層を形成した面発光レーザであり、該面発光レーザの発振モードの切り替えが、該電流狭窄層の開口部（電流路）の形状と該面発光レーザの注入電流量の少なくとも一方を制御して遠視野像の放射角を変化させることで行われる。また上記構成において、前記光路変換構造体は、前記半導体レーザからの出射光が結合するようにその近傍に配置された半球形状、楔形形状、円錐形状或いは多角錘形状をなした構造体であり得る。
【０００８】
また、上記目的を達成するために、本発明の光電融合配線基板は、上記の光接続装置を電気回路基板と電気的接続が得られるように形成した光電融合配線基板であって、該電気回路基板の信号の一部または全てを該光接続装置を用いた光信号の授受によって配線させて、これが組み込まれた電子機器を動作させることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を明らかにすべく、具体的な実施例を図面に沿って説明する。
【００１０】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１による光接続装置を示した図である。斜視図である図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図が図１（ｂ）である。図１において、１００は二次元光導波路層の第１のクラッド層、二次元光導波路層の１０２はコア層、１０４は二次元光導波路層の第２のクラッド層、１０６は光路変換構造体、１０８は光出力ポートの発光素子、そして１１０は光入力ポートの受光素子である。シート状の二次元光導波路は、屈折率の異なる材料の組み合わせによりコア層１０２（屈折率の比較的大きい部分）とそれを挟む第１及び第２のクラッド層１００、１０４（屈折率の比較的小さい部分）より構成される。本実施例においては、厚さ１２０μｍのコア層１０２に屈折率１．５９のＺ型ポリカーボネート（ＰＣＺ）を用い、第１のクラッド層１００として屈折率１．５３のガラス基板を用い、厚さ５０μｍの第２のクラッド層１０４として屈折率１．５３のノルボルネン樹脂（アートン（商品名））を用いた。
【００１１】
本実施例では、コア層１０２、第１及び第２のクラッド層１００、１０４としてそれぞれＺ型ポリカーボネート、ガラス及びノルボルネン樹脂を用いたが、これに限定されなく、コア層材料の屈折率が第１及び第２のクラッド層材料と比較して大きい値の材料であれば、ポリイミド樹脂やアクリル樹脂などを用いた組み合わせであってもよい。また、それぞれの層の厚さも本実施例の値に限定されない。例えば、ガラス基板の代わりに樹脂フィルムを用いて二次元光導波層の厚みを数百μｍとすることにより、フレキシブルに扱うことが可能となる。
【００１２】
本実施例においては、発光素子１０８として面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用い、二次元光導波路層中に埋め込むように実装する。本実施例で用いた８５０ｎｍ帯面発光型半導体レーザは、Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層を水蒸気によりウェット酸化して電流狭窄構造を形成している。この面発光型半導体レーザの円形メサ径は２０μｍ、酸化アパーチャー径は４μｍである。また、出射口側の電極は直径８μｍ円の開いた構造となっている。本構造パラメータは、しきい値後の小さい電流領域では、単一横モードかつ単峰性の放射角を得、他の大きい電流領域では双峰性或いはリング状の遠視野像を得るために設定した。本構造では、キャリアの注入による屈折率の変化は考慮する必要はなく、利得の変化により面発光レーザの発振モードの制御を行っている。
【００１３】
この面発光型半導体レーザは、注入電流値を変えることにより遠視野像の放射角を±３°から±２０°まで変えられる。具体的には、注入電流値が０．４ｍＡ以上１．２ｍＡ未満の領域では安定に単一横モード動作し、近視野像及び遠視野像共に単峰性（ガウス分布）を示して放射角は±３°である。一方、注入電流が１．２ｍＡ以上の大電流領域では、高次モードのしきい値利得に達してマルチ横モード動作し、近視野像及び遠視野像共に双峰性を示す。この大電流領域において注入電流を増すことで放射角を±３°から±２０°まで変えられる。
【００１４】
また、二次元光導波路層中には、半径５０μｍの半球状光路変換構造体１０６が発光素子（面発光レーザ）１０８及び受光素子１１０の近傍に設けてある。この光路変換構造体１０６と面型半導体レーザ１０８の位置関係を図２に示す。面発光レーザ１０８の出射口と半球状光路変換構造体１０６の頂点はずれており、図２（ａ）に示すように、放射角±３°のレーザ光が上方から入射された場合は、このレーザ光は頂点からずれて光路変換構造体１０６に結合してほぼ９０°曲げられ、二次元光導波路層内をビーム光２００として伝播する。一方、図２（ｂ）に示すように、放射角±３°以上のレーザ光が上方から入射された場合は、レーザ光は頂点からずれた或る範囲で光路変換構造体１０６に結合してほぼ９０°曲げられ、二次元光導波路層内を最大９０°の広がり角で拡散光２０２として伝播する。そして、二次元光導波路層内を伝搬してきたこれらの光は、受光素子１１０近傍に設けられた光路変換構造体１０６により上方へほぼ９０°曲げられ、受光素子１１０に結合される。
【００１５】
本実施例において８５０ｎｍ帯面発光レーザを用いたが、これに限定されるものではなく、７８０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯など電流狭窄層を制御できる構造の面発光レーザであれば、いかなる波長帯のものであってもよい。また、本実施例において半径５０μｍの半球状光路変換構造体１０６を用いたが、これに限定されるものではなく、レーザ光の遠視野像の放射角、コア層厚、及び光導波路伝播時の広がり角それぞれの兼ね合いにより、任意の大きさを選定することができる。
【００１６】
図３に示すような形態を用いることもできる。この形態では、２×２の面発光レーザアレイ３００を用い、それぞれの出射口と半球状光路変換構造体１０６の頂点を図３（ａ）に示すようにずらして配置することで、図３（ｂ）に示すように二次元光接続装置の全域へ拡散光２０２を伝播できる。もちろん、注入電流を制御することで、図３（ａ）に示すように４つの方向へビーム光伝播２００することもできる。また、それぞれの面発光レーザの注入電流を独立に制御することで、同時にビーム光伝播と拡散光伝播が可能となり、さらに光配線の再構成が可能となる。ここでは、２×２面発光レーザアレイを用いたが、これに限定されなく、より多くの面発光レーザをアレイ化したものを用いてもよい。
【００１７】
次に、本実施例の光接続装置の作製方法を説明する。図４はその製造方法を説明する模式図である。同図において、４００はガラス基板、４０２はメッキ用全面電極、４０４はフォトレジスト、４０６はメッキ用窓、４０８は光路変換構造体、４１０はコア層、４１２は第２のクラッド層、４１４は電極配線、４１６は面発光レーザ、４１８は受光素子、そして４２０は第１のクラッド層である。
【００１８】
まず、図４（ａ）に示すように、第１のクラッド層としてのガラス基板４００上にメッキ用全面電極としてＣｒ／Ａｕ４０２を蒸着する。続いて、フォトリソグラフィーによりフォトレジスト４０４のパターニングを行い、光路変換構造体４０８を形成したい位置にメッキ用窓４０６を適当なパターンで形成する（例えば、複数の微小円形窓を形成する）。次に、図４（ｂ）に示すように、メッキ用窓４０６に形成されるメッキ体が半径５０μｍの半球形状になるようにＮｉ電解メッキを行う。続いて、フォトレジスト４０４を除去すると光路変換構造体４０８が形成される。次に、図４（ｃ）に示すように、ガラス基板４００よりも屈折率の大きいポリカーボネート樹脂を塗布し硬化させて膜厚１２０μｍのコア層４１０を形成する。続いて、コア層４１０よりも屈折率の小さいノルボルネン樹脂を塗布し硬化させて膜厚５０μｍの第２のクラッド層４１２を形成する。
【００１９】
次に、図４（ｄ）に示すように、前記第２のクラッド層４１２上に電極配線４１４を形成する。このとき、前記光路変換構造体４０８に面発光レーザ４１６からの出射ビームが結合するように、面発光レーザ４１６を実装するための孔をレーザ加工により形成してある。同時に、受光素子４１８を実装するための孔も光路変換構造体４０８上にアライメントして形成する。続いて、面発光レーザ４１６及び受光素子４１８を、フリップチップボンダーを用いてそれぞれの実装孔に挿入し、実装する。次に、図４（ｅ）に示すように、コア層４１０より上部をガラス基板４００から剥離する。次に、必要に応じて、図４（ｆ）に示すように、剥離したコア層４１０より上部を、コア層より屈折率の値の小さい第１のクラッド層４２０に貼り合わせる。第１のクラッド層４２０として、ノルボルネン樹脂フィルムなどを用いることで、折り曲げ可能なフレキシブルな二次元光接続装置を得られる。ここでは、第１のクラッド層、コア層、及び第２にクラッド層としてそれぞれノルボルネン樹脂フィルム、Ｚ型ポリカーボネート、及びノルボルネン樹脂を用いたが、これに限定されなく、コア層材料の屈折率が第１及び第２のクラッド層材料の屈折率と比較して大きい値の材料であれば、ポリイミド樹脂やアクリル樹脂などを用いた組み合わせであってもよい。また、必ずしも第１のクラッド層及び第２のクラッド層は必要ではない。
【００２０】
下記の様な形態も可能である。半導体レーザの発振モードを注入電流等により変化させる制御方法には幾つかの方法がある。例えば、屈折率と利得のバランスを調整する方法がある。ＶＣＳＥＬの活性層の近傍に電流狭窄層を形成し、活性層に注入されるキャリアの経路を制限することで、キャリア密度の変化に応じて、屈折率の変化と利得の変化が同時に生じる。この両者のバランスは、電流狭窄層の開口部（電流路）の形状、電流狭窄層と活性層間の距離、電流分布、出射面の形状等によって変化させられる。例えば、上記実施例で述べた様に、或る電流領域では、単一横モードでかつ単峰性の遠視野像を得ることができ、或る電流領域では双峰性の遠視野像が得ることができる。他の方法として、分割電極を用いて電流注入に使う電極部分を変化させることで、活性層に流れ込む電流経路をもっと積極的に変更する方法がある。
【００２１】
また、活性層利得スペクトルの温度依存性を利用して、或る温度領域では基本モード発振、他の或る温度領域では、利得スペクトルと共振器スペクトルのずれによるＬＥＤモードでの発光というように、発光パターンを変化させることも可能である。
【００２２】
また、二次元光導波路中に、半導体レーザ及び光路変換構造体を配置するとき、半導体レーザと光路変換構造体の相対位置を調節することによって、光路変換構造体により変換された光路のパターンを変化させられる。例えば、半導体レーザからの光がガウスビームのとき、上記実施例の様に、発光点から１００μｍ程度（ビームがあまり広がらない距離）の位置に半球状光路変換構造体をその頂点をビーム位置からずらして配置することで、光路変換構造体の側面をミラーとして作用させ、散乱方向を限定することができる。また、半導体レーザからの光が双峰性ないしはリング状の遠視野像を持つ場合には、上記光路変換構造体の配置のままで、３６０度方向へ散乱（拡散伝播）させることができる。
【００２３】
以上のように、電気的制御、温度制御などにより複数の放射角を得られる半導体レーザと光路変換構造体を適切に選ぶことにより、或る場合にはビーム伝播、或るときは拡散伝播等の光伝送を二次元光導波路層を介して行うことができる。
【００２４】
（実施例２）
実施例２は、光路変換構造体として四角錐形状のものを用いたことを特徴とする。その他の構成は実施例１と同じである。図５に、面発光レーザ５００の出射口と四角錐状光路変換構造体５０２の位置関係を示す。四角錐状光路変換構造体５０２の高さは５０μｍである。面発光レーザ５００の出射口と四角錐状光路変換構造体５０２の頂点はずれており、図５（ａ）に示すように放射角±３°のレーザ光が上方から入射された場合は、レーザ光は光路変換構造体５０２に結合してほぼ９０°曲げられ、二次元光導波路層内をビーム光５０４として伝播する。一方、図５（ｂ）に示すように放射角±３°以上のレーザ光が上方から入射された場合は、レーザ光は光路変換構造体５０２の或る領域に結合してほぼ９０°曲げられ、二次元光導波路層内を最大９０°の広がり角で拡散光５０６として伝播する。そして、二次元光導波路層内を伝搬してきた光は、受光素子近傍に設けられた光路変換構造体により上方へほぼ９０°曲げられ、受光素子に結合される（図示せず）。
【００２５】
本実施例においては、高さ５０μｍの四角錐状光路変換構造体５０２を用いたが、これに限定されるものではなく、遠視野像（レーザ光）の放射角、コア層厚、及び光導波路伝播時の広がり角それぞれの兼ね合いにより任意の高さを選定できる。
【００２６】
また、図６に示す形態も可能である。ここでは、２×２の面発光レーザアレイ６００を用い、それぞれの出射口と四角錐状光路変換構造体６０２の頂点をずらして配置することで、図６（ｂ）に示すように、二次元光導波路層内の全域へ拡散光６０４を伝播させられる。もちろん、図６（ａ）に示すように、注入電流を制御して４つの方向へビーム光６０６として伝播することもできる。また、それぞれの面発光レーザの注入電流を独立的に制御することで、同時にビーム光伝播と拡散光伝播が可能となり、さらに光配線の再構成が可能となる。本実施例では、光路変換構造体を四角錐形状としたが、これに限定されなく、楔形形状或いは多角錐形状であってもよい。また、図６の形態では、２×２面発光レーザアレイを用いたが、光路変換構造体の多角錐面に合わせて同数の面発光レーザをアレイ化した発光素子を用いてもよい。
【００２７】
次に、本実施例の光接続装置の作製方法を示す。図７はこの製造方法を説明する模式図である。同図において、７００はガラス基板、７０２はメッキ用全面電極、７０４はフォトレジスト、７０６はメッキ用窓、７０８は半球状光路変換構造体、７１０は四角錐状光路変換構造体、７１２はコア層、７１４は第２のクラッド層、７１６は電極配線、７１８は面発光レーザ、７２０は受光素子、そして７２２は第１のクラッド層である。
【００２８】
まず、図７（ａ）に示すように、第１のクラッド層としてのガラス基板７００上にメッキ用全面電極としてＣｒ／Ａｕ７０２を蒸着する。続いて、フォトリソグラフィーによりフォトレジスト７０４のパターニングを行い、半球状光路変換構造体７０８を形成したい位置にメッキ用窓７０６を形成する。次に、図７（ｂ）に示すように、半径５０μｍの半球形状になるようにＮｉ電解メッキを行う。続いて、フォトレジスト７０４を除去すると光路変換構造体７０８が形成される。また、Ｓｉ（１１１）面を利用して形成したモールドを用いて高さ５０μｍの四角錐状光路変換構造体７１０を形成し、その四角錐状光路変換構造体７１０をメッキ用全面電極７０２上に配置する。次に、図７（ｃ）に示されるように、ガラス基板７００よりも屈折率の大きいポリカーボネート樹脂を塗布して硬化させ、膜厚１２０μｍのコア層７１２を形成する。続いて、コア層７１２よりも屈折率の小さいノルボルネン樹脂を塗布して硬化させ、膜厚５０μｍの第２のクラッド層７１４を形成する。
【００２９】
次に、図７（ｄ）に示すように、前記第２のクラッド層７１４上に電極配線７１６を形成する。このとき、前記光路変換構造体７１０に面発光レーザ７１８からの出射ビームが結合するように、該面発光レーザ７１８を実装するための孔がレーザ加工により形成してある。同時に、受光素子７２０を実装するための孔も形成する。続いて、面発光レーザ７１８及び受光素子７２０を、フリップチップボンダーを用いてそれぞれの実装孔に挿入し、実装する。次に、図７（ｅ）に示すように、コア層７１２より上部をガラス基板７００から剥離する。次に、必要に応じて、図７（ｆ）に示すように、剥離したコア層７１２より上部を、コア層７１２より屈折率の値の小さい第１のクラッド層７２２に貼り合わせる。第１のクラッド層７２２としてノルボルネン樹脂フィルムなどを用いることで、折り曲げ可能なフレキシブルな光接続装置を得ることができる。
【００３０】
本実施例では、光路変換構造体として、半球状光路変換構造体７０８と四角錐状光路変換構造体７１０の２種類を用いたが、全て四角錐状光路変換構造体を用いてもよく、また実施例１のように全て半球状光路変換構造体を用いてもよい。
【００３１】
（実施例３）
実施例１及び２に示した光接続装置と電気回路基板を組み合わせて作製した光電融合基板を図８に示す。図８において、８００はＣＰＵ、８０２，８０４，８０６及び８０８はＲＡＭ、８１０及び８１２は電子デバイス（ＬＳＩ）、８１４は２×２面発光レーザアレイ、８１６は受光素子、８１８は伝送線路（電気配線）、８２０はビーム光、８２２は拡散光、８２４は二次元光導波路層、８２６及び８２８は電気回路基板である。図８（ａ）は、図８（ｂ）の光電融合基板を矢印の方向から見た図であり、図８（ａ）においては二次元光導波路層８２４及び電気回路基板８２８は図示していない。
【００３２】
図９はＣＰＵと接続された面発光レーザアレイ近傍の光電融合基板の断面図である。ＣＰＵ９００は電気回路基板９０２上にハンダボール９０４を用いてフリップチップボンディングされている。ＣＰＵ９００と二次元光導波路層９０６に内蔵された面発光レーザアレイ９０８との接続は電気回路基板９０２に形成された内部配線９１０を通して行われている。
【００３３】
低速でのデータ転送においては問題とならないが、大容量・高速での伝送が必要となる場合には、従来の電気配線では、ＥＭＩの影響が大きく、常に安定したデータ転送をすることが困難となる。このような場合に、図８に示すような光電融合基板を用いることで安定した大容量・高速伝送が可能となる。
【００３４】
例えば、ＣＰＵからの電気信号を面発光レーザを介して光信号に変換し、その信号をＲＡＭやＬＳＩと電気的に接続された受光素子へ伝送する信号伝送方法を説明する。このＣＰＵ８００に接続された２×２面発光レーザアレイ８１４は二次元導波路素子内に埋め込まれており、それぞれの面発光レーザから出射されたビーム光が近傍の光路変換構造体（図示せず）に結合し二次元光導波路基板内を伝播する。このとき、それぞれの面発光レーザの注入電流を制御して、ビーム光伝播或いは拡散光伝播、または両方の伝播を選択することができる。また、拡散伝播時に注入電流を制御することにより、１つの面発光レーザで拡散伝播広がり角を最大９０°まで広げられ、２×２の面発光レーザアレイを用いて二次元光導波路層のほぼ全域に拡散光を伝播することができる。この様にして二次元光導波路層内を伝播した光は受光素子近傍に設けられた光路変換構造体に結合し、受光素子へと導かれる。受光素子は、それぞれのＲＡＭやＬＳＩと接続されており、光信号を電気信号へと変換する。
【００３５】
図８における動作例では、２×２面発光レーザアレイ８００のそれぞれの面発光レーザの注入電流を制御することで、ＲＡＭ８０２へは高速の信号をビーム光伝播で送信し、またＲＡＭ８０４、ＲＡＭ８０６、ＲＡＭ８０８へは拡散光伝播とし３つへ同時に送信している。図示していないが、注入電流を制御することで、拡散光伝播広がり角をさらに広げＬＳＩ８１０及びＬＳＩ８１２へも信号を伝播できる。
【００３６】
なお、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＬＳＩはそれぞれ面発光レーザ及び受光素子と接続されており、それぞれが互いに光信号で送受信を行えるようになっている。本実施例では、２×２面発光レーザアレイを用いたが、より多くの面発光レーザをアレイ化したものを用いてもよい。
【００３７】
また、本実施例では、二次元光導波路層が電気回路基板の間に内蔵された形状となっているが、これに限定されなく、電気回路基板の上部或いは下部、またはそれぞれの組み合わせの形態を取ってもよい。二次元導波路層は単層であったが、多層としてもよい。
【００３８】
さらに、信号は必ず光により伝送される必要はなく、電気配線を介しても伝送できるように選択の柔軟性を持たせてある。信号を光或いは電気の何れで伝送するかは、伝送を管理するデバイスが決定する。
【００３９】
この様に二次元光導波路層（光配線）を用いることにより、従来の信号線で問題となっていた配線自身がアンテナとなりコモンモードノイズ輻射による回路の誤動作などを生じていた電磁放射ノイズを大幅に低減でき、ＥＭＩの問題を改善できる。また、面発光レーザへの注入電流を制御することで発振モードを切り替えられて、ビーム光伝播と拡散光伝播の何れかを選択することが可能となり、ビーム光伝播においては光パワーロスを抑制して高速伝送が可能となり、拡散光伝播では注入電流を変えて拡散光伝播広がり角を変えられて光信号伝送領域の再構成が可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明による光接続装置により、電気的制御等により異なる発振モードに切り替えることのできる半導体レーザと二次元光導波路層の空間的特性を有効に利用し、二次元光導波路層を介して柔軟に光信号伝送回路を再構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施例１の光接続装置の斜視図及び断面図である。
【図２】本発明による実施例１の面発光レーザと光路変換構造体の間の光結合の様子を説明する図である。
【図３】本発明による実施例１の面発光レーザアレイと光路変換構造体の間の光結合の様子を説明する図である。
【図４】本発明による実施例１の光接続装置の製造方法を説明する図である。
【図５】本発明による実施例２における面発光レーザと光路変換構造体の間の光結合の様子を説明する図である。
【図６】本発明による実施例２における面発光レーザアレイと光路変換構造体の間の光結合の様子を説明する図である。
【図７】本発明による実施例２の光接続装置の製造方法を説明する図である。
【図８】本発明の実施例３における光電融合基板を説明する図である。
【図９】本発明の実施例３における光電融合基板の内部を説明する断面図である。
【符号の説明】
１００、４２０、７２２：第１のクラッド層
１０２、４１０、７１２：コア層
１０４、４１２、７１４：第２のクラッド層
１０６、４０８、７０８：半球状光路変換構造体
１０８、４１６、５００、７１８：発光素子（面発光レーザ）
１１０、４１８、７２０、８１６：受光素子
２００、５０４、６０６、８２０：ビーム光
２０２、５０６、６０４、８２２：拡散光
３００、６００、９０８：面発光レーザアレイ
４００、７００：ガラス基板
４０２、７０２：メッキ用全面電極
４０４、７０４：フォトレジスト
４０６、７０６：メッキ用窓
４１４、７１６、８１８：伝送線路（電気配線）
５０２、６０２、７１０：四角錐状光路変換構造体
８００、９００：ＣＰＵ
８０２、８０４、８０６、８０８：ＲＡＭ
８１０、８１２：電子デバイス（ＬＳＩ）
８１４：２×２面発光レーザアレイ
８２４、９０６：二次元光導波路層
８２６、８２８、９０２：電気回路基板
９０４：ハンダボール
９１０：内部配線
Claims (3)
- 二次元光導波路層を備え、該光導波路層上ないしは内部に、異なる複数の発振モードを切り替えられる機能を有する半導体レーザを有し、該半導体レーザからの出射光の光路を変換する為の光路変換構造体が、発振モードの切り替えに応じて該光導波路層内における放射角が変化して該半導体レーザからの出射光が光導波路層を伝播するように該二次元光導波路層内に配置されていることを特徴とする光接続装置。
- 前記半導体レーザは、活性層近傍に電流狭搾層を形成した面発光レーザであり、該面発光レーザの発振モードの切り替えが、該電流狭窄層の開口部（電流路）の形状と該面発光レーザの注入電流量の少なくとも一方を制御して遠視野像の放射角を変化させることで行われることを特徴とする請求項１記載の光接続装置。
- 請求項１または２に記載の光接続装置を電気回路基板と電気的接続が得られるように形成した光電融合配線基板であって、該電気回路基板の信号の一部または全てを該光接続装置を用いた光信号の授受によって配線させることを特徴とする光電融合配線基板。
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