JP2004279789A - 多層光配線基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】多層光配線基板に関し、通常では光結合しない上下の光導波路を簡単な構造及び製造工程によって、高い光結合効率で結合する。
【解決手段】複数の光導波路を有する多層光配線基板の上下の光導波路間を接続する光ビア構造となり、光導波路を構成するコア層2,3によって挟まれている領域の平均屈折率をコア層2,3とクラッド層4との中間とし、且つ、光導波路を結ぶ方向において均一な構造とする。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は多層光配線基板に関するものであり、特に、高速、大容量の信号伝送を必要とする情報通信系の装置内において用いられる多層光配線基板の膜厚方向の高さの異なる位置に設けた光導波路間をエバネッセント波の重なりによって移行させるための光ビア構造に特徴のある多層光配線基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光信号は高速、大容量の信号伝送に適しているため、光導波路を基板上に形成した光配線基板の開発が進められているが、光配線基板に多数本の光導波路を形成する場合は、光導波路、即ち、光配線を多層化することが必要になってくる。
特に、光導波路を平面交差させると損失が発生するため、多層化して立体交差にすることが有効となる。
【0003】
このような多層光配線構造とする場合、層間の光接続、即ち、光におけるビア構造が必要になってくる。
これらについてはいくつかの構造が提案されており、45°の傾斜を持つ反射面を利用した45°ミラー、グレーティングカップラを利用した構造、或いは、方向性結合器を利用した構造などである。
【0004】
この内、45°ミラーを用いる構造(例えば、特許文献1,特許文献2参照)は、いずれも基板の表面と裏面に形成した光導波路間を結合するもので、基板のエッジを45°に面取りした構造を利用している。
【0005】
しかし、同一面側に積層された光導波路に適用する場合、本来平面で構成されている光配線に対し、異なった角度を持つ立体構造を導入するため、製造上困難を伴い、また、角度ずれは損失に直結するため、高い精度が必要となる。
【0006】
また、グレーティングカップラは平面的な構造であり、光配線基板との適合性は高いという特徴がある(例えば、非特許文献1参照)。
しかし、グレーティングに高い精度が要求されることと、非常に鋭い波長選択性を有するために波長が少しずれると機能しなくなる問題が生じていた。
【0007】
一方、方向性結合器(例えば、非特許文献2参照)は、光導波路を平行に配置するだけの構造、すなわち光配線基板そのもので良いが、高効率で光が光導波路間を移行するのには、それぞれの光導波路のエバネッセント波に重なりが必要であるため、近接した光導波路間で有効となる。
【0008】
このような条件で上下の光配線基板を作製した場合、上下の光導波路が略平行で同一平面位置に敷設されただけで光結合が生じてしまうため、上下層の光導波路は交差のみが許容されるなどの、光導波路のレイアウトに制限が設けられてしまう。
逆に、光結合が生じないように上下層を離すと、方向性結合器による光ビア構造が成立しなくなる。
【0009】
そこで、通常では光結合しない上下の光導波路(n,n)の間に、クラッド層を介して中間の屈折率を有する小さな光導波路(n)を設け、光をn→n→nへと順番に移行させることも提案されている(例えば、特許文献3或いは特許文献4参照)
【0010】
【特許文献1】
特開昭61−147204号公報
【特許文献2】
特開平05−273419号公報
【特許文献3】
特開2000−339744号公報
【特許文献4】
特開平06−208036号公報
【非特許文献1】
電子情報通信学会論文誌,C−I,Vol.J80−C−I,No.10,pp.46−468,1997
【非特許文献2】
レーザ研究,1999年9月,pp.628−632
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、中間の屈折率を有する小さな光導波路を利用する構造の場合には、上下の光導波路間に少なくとも3層の構造を形成しなければならず、構造及び製造工程が複雑化する問題がある。
【0012】
また、上下の光導波路の間が一つの中間光導波路で結合できない間隔の場合には、さらに、別の中間光導波路を設ける必要が生じ、構造及び製造工程がさらに複雑化するとともに、光結合効率が大幅に低下するという問題がある。
【0013】
したがって、本発明は、通常では光結合しない上下の光導波路を簡単な構造及び製造工程によって、高い光結合効率で結合することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
図1は本発明の原理的構成図であり、この図1を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図における符号1は、ガラス基板等の支持基板である。
図1参照
上記目的を達成するため、本発明は、複数の光導波路を有する多層光配線基板の上下の光導波路間を接続する光ビア構造を有する多層光配線基板において、光導波路を構成するコア層2,3によって挟まれている領域は平均屈折率がコア層2,3とクラッド層4との中間であり、且つ、この領域は光導波路を結ぶ方向において均一な構造であることを特徴とする。
【0015】
通常の状態では、上下の光導波路を構成するコア層2,3は十分離れていて光の結合は起こらないが、上下のコア層2,3の間に平均屈折率がコア層2,3とクラッド層4との中間であり光ビア構造を設けることによって、その方向のエバネッセント波を、もう一方の光導波路の方へ導く働きをする。
即ち、光ビア構造によって、両方の光導波路のエバネッセント波に重なりが生じ、方向性結合器として機能し、光が層間を移行することが可能になる。
【0016】
この場合、光導波路を構成するコア層2,3によって挟まれている領域における主光移行層5は、光導波路を構成するコア層2,3とクラッド層4の中間の屈折率の材料で構成することが望ましい。
また、その場合、主光移行層5の幅は、光導波路を構成するコア層2,3の幅と同じにすれば良い。
【0017】
或いは、光導波路を構成するコア層2,3によって挟まれている領域における主光移行層5を光導波路を構成するクラッド層4よりも高い屈折率の材料、特に、コア層2,3と同じ屈折率の材料で構成しても良く、その場合には、光を移行を高効率で行うためには、光導波路を構成するコア層2,3の幅よりも細い幅にする必要がある。
【0018】
この場合、光導波路を構成するコア層2,3とクラッド層4、及び、上記主光移行層5は、光を照射することで屈折率を制御できる材料で構成することが望ましく、それによって、エッチング工程を要することなく光導波路構造を形成することができるので、平坦化が可能になる。
【0019】
上述の構造の多層光配線基板を形成する際には、光の照射により屈折率が低下するフォトブリーチング現象を示す感光性ポリシランを用いることによって、製造工程を大幅に簡素化することができるとともに、エッチング工程を伴わないので平坦化が容易で、パターン精度を高めることができる。
なお、この様な感光性ポリシランは組成を調整することによって屈折率を任意に調整することができ(例えば、特開2002−309094号公報参照)、この感光性ポリシランを用いて光導波路を形成することも提案されている(例えば、http://www.nipponpaint.co.jp/news/2002/wn0416.html参照)。
【0020】
この場合、コア層2,3を形成する際と、主光移行層5とを形成する際に、互いに異なった屈折率を有する感光性ポリシランを用いることによって、光照射工程を簡素化することができる。
【0021】
或いは、コア層2,3を形成する際と、主光移行層5とを形成する際に、同じ感光性ポリシランを用いても良いものであり、その場合には、主光移行層5を形成する際に二重光照射を行えば良い。
【0022】
【発明の実施の形態】
ここで、図2及び図4を参照して、本発明の第1の実施の形態の多層光配線基板の製造工程を説明するが、説明を簡単にするために、図1に示した上下のコア層が主光移行層で接続された部分、即ち、光ビア構造部のみを説明する。
なお、下記の工程では、感光性ポリシランとして光導波路材料グラシア(日本ペイント製商品名)を用いるものであり、組成を調整することによって所定の範囲において任意を屈折率を得ることができ、また、この材料は、フォトブリーチング現象によって紫外線照射領域の屈折率を低下させることができるため、平面の積層で光導波路を形成できるメリットがあり、多層光導波路に有利である。
【0023】
図2(a)参照
まず、ガラス基板11上に、屈折率nが例えば、n=1.55の第1の感光性ポリシランを塗布し、300〜370℃で加熱硬化させることによって厚さが、例えば、10μmの下層クラッド層12を形成する。
【0024】
図2(b)参照
次いで、下層クラッド層12上に厚さが、例えば、5μmで屈折率n(>n)が例えばn=1.556の第2の感光性ポリシラン13を塗布する。
【0025】
図2(c)参照
次いで、中央部に例えば、幅が5μmの遮光部15を有するガラスマスク14を通して紫外線16を照射し、照射領域の屈折率をnに低下させたのち、300〜370℃で加熱硬化させ、照射領域をクラッド層17とし、非照射領域をコア層18とする。
なお、この場合、n=nになるように、第2の感光性ポリシランの組成を調整することが望ましい。
【0026】
図3(d)参照
次いで、全面に、厚さが、例えば、25μmで屈折率n(n<n<n)が、例えば、n=1.554の第3の感光性ポリシラン19を塗布する。
【0027】
図3(e)参照
次いで、中央部に例えば、幅が5μmで、長さが4.4mmの遮光部21を有するガラスマスク20を通して紫外線22を照射し、照射領域の屈折率をnに低下させたのち、300〜370℃で加熱硬化させ、照射領域をクラッド層23とし、非照射領域を主光移行層24とする。
【0028】
図3(f)参照
次いで、再び、全面に厚さが、例えば、5μmで屈折率n(>n)の第2の感光性ポリシラン25を塗布する。
【0029】
図4(g)参照
次いで、中央部に例えば、幅が5μmの遮光部27を有するガラスマスク26を通して紫外線28を照射し、照射領域の屈折率をnに低下させたのち、300〜370℃で加熱硬化させ、照射領域をクラッド層29とし、非照射領域をコア層30とする。
【0030】
図4(h)参照
最後に、屈折率nの第1の感光性ポリシランを塗布し、300〜370℃で加熱硬化させることによって厚さが、例えば、10μmの上層クラッド層31を形成することによって、多層光配線基板の基本部分が完成する。
【0031】
図5参照
図5は、多層光配線基板の光ビア構造の概略的斜視図であり、25μmの間隔で離れている上下のコア層18,30が、コア層18,30と同じ幅で長さが4.4mmの主光移行層24によって接続された構造となる。
【0032】
図6参照
図6は、図5に示した構造についてビーム伝搬法によるシミュレーション結果を光強度を等高線的に示したものであり、光導波路ピッチが25μmも離れていても、中間屈折率の主光移行層24を経由して光が移行していることが分かる。
【0033】
このように、本発明の第1の実施の形態においては、中間屈折率からなる均一構造の主光移行層24で上下のコア層18,30を接続しているので、簡単な構造によって、光ビア構造を形成することができる。
【0034】
また、本発明の第1の実施の形態においては、紫外線照射量で屈折率を制御できる感光性ポリシランを用いているので、エッチング工程を要することなく平面の積層で光導波路を形成することができるため、製造工程が簡素化されるとともに、パターンの位置合わせが容易になり、多層構造を精度良く形成することができる。
【0035】
次に、図7乃至図9を参照して、本発明の第2の実施の形態の多層光配線基板の製造工程を説明する。
図7(a)参照
まず、ガラス基板41上に屈折率nの第2の感光性ポリシラン42を、厚さが、例えば、10μmに塗布する。
【0036】
図7(b)参照
次いで、全面に紫外線43を照射させて屈折率をnに低下させたのち、300〜370℃で加熱硬化させることによって下層クラッド層44を形成する。
【0037】
図7(c)参照
次いで、下層クラッド層44上に再び厚さが、例えば、5μmで屈折率nの第2の感光性ポリシラン45を塗布する。
【0038】
図8(d)参照
次いで、中央部に例えば、幅が5μmの遮光部47を有するガラスマスク46を通して紫外線48を照射し、照射領域の屈折率をnに低下させたのち、300〜370℃で加熱硬化させ、照射領域をクラッド層49とし、非照射領域をコア層50とする。
【0039】
図8(e)参照
次いで、全面に、厚さが、例えば、25μmで屈折率nの第2の感光性ポリシラン51を塗布したのち、全面に紫外線52を低照射量で照射して屈折率をn(>n)に低下させる。
【0040】
図8(f)参照
次いで、中央部に例えば、幅が5μmで、長さが4.4mmの遮光部54を有するガラスマスク53を通して紫外線55を照射し、照射領域の屈折率をnに低下させたのち、300〜370℃で加熱硬化させ、照射領域をクラッド層56とし、屈折率がnの非照射領域を主光移行層57とする。
【0041】
図9(g)参照
次いで、再び、全面に厚さが、例えば、5μmで屈折率nの第2の感光性ポリシラン58を塗布する。
【0042】
図9(h)参照
次いで、中央部に例えば、幅が5μmの遮光部60を有するガラスマスク59を通して紫外線61を照射し、照射領域の屈折率をnに低下させたのち、300〜370℃で加熱硬化させ、照射領域をクラッド層62とし、非照射領域をコア層63とする。
【0043】
図9(i)参照
最後に、屈折率nの第2の感光性ポリシランを塗布し、次いで、全面に紫外線64を照射させて屈折率をnに低下させたのち、300〜370℃で加熱硬化させることによって厚さが、例えば、10μmの上層クラッド層65を形成することによって、多層光配線基板の基本部分が完成する。
【0044】
このように、本発明の第2の実施の形態においては、光導波路構造を全て同一の感光性ポリシランを用いて形成しているので、複数種の感光性ポリシランを用意する必要がなくなる。
【0045】
次に、図10を参照して、本発明の第3の実施の形態の多層光配線基板を説明するが、製造工程は、上記の第1の実施の形態或いは第2の実施の形態のいずれの工程を用いても良いものである。
例えば、上記の第1の実施の形態と同様の工程で形成する場合には、屈折率がnの第1の感光性ポリシランと屈折率がnの第2の感光性ポリシランを用意すれば良く、また、第2の実施の形態と同様の工程で形成する場合には、屈折率がnの第2の感光性ポリシランのみを用意すれば良い。
【0046】
図10参照
図10は、多層光配線基板の基本部分の概略的斜視図であり、25μmの間隔で離れている屈折率がnの上下のコア層73,75が、コア層73,75より細い幅、例えば、3μmで長さが4.6mmで、コア層73,75と同じ屈折率nの主光移行層74によって接続された構造となる。
なお、図において、71がガラス基板であり、72は屈折率がn(<n)のクラッド層である。
【0047】
図11参照
図11は、図10に示した構造についてビーム伝搬法によるシミュレーション結果を光強度を等高線的に示したものであり、光導波路ピッチが25μmも離れていても、幅細の主光移行層74を経由して光が移行していることが分かる。
【0048】
このように、本発明の第3の実施の形態においては、コア層73,75と同じ屈折率の材料からなる均一構造の主光移行層74で上下のコア層73,75を接続しているが、主光移行層74の幅をコア層73,75より細くしているので、平均屈折率がコアとクラッドの中間になり光の移行が良好に行われることになる。
【0049】
なお、主光移行層74の幅をコア層73,75と同じ幅にした場合には、主光移行層74において上下の光導波路の区別がなくなり、導波光が主光移行層74で拡散するため、光の移行が困難になる。
【0050】
以上、本発明の各実施の形態を説明したが、本発明は各実施の形態に記載した構成及び条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の第1の実施の形態においては、上層クラッド層及び下層クラッド層を屈折率がnの第1の感光性ポリシランを用いて形成しているが、上記の第2の実施の形態と同様に、屈折率がnの第2の感光性ポリシランを用い紫外線照射によって屈折率をnに低下させても良いものである。
【0051】
また、上記の各実施の形態においては、説明を簡単にするために基本要素部である光ビア要素のみを説明しているが、多層プリント配線基板と同様に、上下の光導波路の接続が必要な全ての箇所に設けるものである。
【0052】
また、上記の各実施の形態においては、説明を簡単にするために2層の光導波路構造として説明しているが、3層以上の多層光導波路構造にも適用されることは言うまでもない。
【0053】
また、上記の各実施の形態においては、製造工程を簡素化するために、エッチング工程が不要な感光性ポリシランを用いているが、本発明は、この様な材料に限られるものではなく、フッ素化ポリイミド等の有機材料或いは石英系ガラス等の無機材料を用いても良いものである。
なお、これらの材料の場合には、フォトリソグラフィー工程及びドライ・エッチング工程が必要になる。
【0054】
また、上記の各実施の形態においては、上下の光導波路構造を同じ構造で形成しているが、上下において互いに屈折率の異なるコア層及びクラッド層によって光導波路構造を形成しても良いものである。
【0055】
ここで、再び図1を参照して、改めて本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図1参照
(付記1) 複数の光導波路を有する多層光配線基板の上下の光導波路間を接続する光ビア構造を有する多層光配線基板において、前記光導波路を構成するコア層2,3によって挟まれている領域は平均屈折率がコア層2,3とクラッド層4との中間であり、且つ、前記領域は前記光導波路を結ぶ方向において均一な構造であることを特徴とする多層光配線基板。
(付記2) 上記光導波路を構成するコア層2,3によって挟まれている領域における主光移行層5が、前記光導波路を構成するコア層2,3とクラッド層4の中間の屈折率の材料で構成されていることを特徴とする付記1記載の多層光配線基板。
(付記3) 上記光導波路を構成するコア層2,3によって挟まれている領域における主光移行層5の幅が、前記光導波路を構成するコア層2,3の幅と同じであることを特徴とする付記2記載の多層光配線基板。
(付記4) 上記光導波路を構成するコア層2,3によって挟まれている領域における主光移行層5が、前記光導波路を構成するコア層2,3の幅よりも細い幅で、且つ、前記光導波路を構成するクラッド層4よりも高い屈折率の材料で構成されていることを特徴とする付記1記載の多層光配線基板。
(付記5) 上記光導波路を構成するコア層2,3とクラッド層4、及び、上記主光移行層5が、光を照射することで屈折率を制御できる材料で構成されていることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1に記載の多層光配線基板。
(付記6) 複数の光導波路を有する多層光配線基板の上下の光導波路間を接続する光ビア構造を有する多層光配線基板の製造方法において、第1の感光性ポリシラン層を塗布したのち、コア領域を除く領域に光を照射して屈折率を低下させて非照射領域をコア層2とする第1の工程、コア層2を含む領域に第1の感光性ポリシシランより低屈折率の第2の感光性ポリシラン層を塗布したのち、前記コア層2と投影的に重なる領域の少なくとも一部を除く領域に光を照射して屈折率を低下させて非照射領域を主光移行層5とする第2の工程、前記主光移行層5を含む領域に第2の感光性ポリシシランより高屈折率の第3の感光性ポリシラン層を塗布したのち、前記主光移行層5と投影的に重なる領域を少なくとも含む領域を除くように光を照射して屈折率を低下させて非照射領域をコア層3とする第3の工程とを有することを特徴とする多層光配線基板の製造方法。
(付記7) 複数の光導波路を有する多層光配線基板の上下の光導波路間を接続する主光移行層5を有する多層光配線基板の製造方法において、第1の感光性ポリシラン層を塗布したのち、コア領域を除く領域に光を照射して屈折率を低下させて非照射領域をコア層2とする第1の工程、コア層2を含む領域に第1の感光性ポリシシランを塗布したのち、全面を第1の光照射領域より低照射量で照射し、次いで、前記コア層2と投影的に重なる領域の少なくとも一部を除く領域に光を照射して屈折率を低下させ非照射領域を主光移行層5とする第2の工程、前記主光移行層5を含む領域に第1の感光性ポリシラン層を塗布したのち、前記主光移行層5と投影的に重なる領域を少なくとも含む領域を除くように光を照射して屈折率を低下させて非照射領域をコア層3とする第3の工程とを有することを特徴とする多層光配線基板の製造方法。
【0056】
【発明の効果】
本発明によれば、通常では光結合が起こらない光導波路間において、均一な構造の主光移行層により上下のコア層を接続しているので、簡単な構成により光導波路間のエバネッセント波の重なりを生じさせ、光導波路間で光を移行させることができ、それによって、希望する部分のみを光ビアとして多層光配線基板における各層の光導波路を自由にレイアウトすることができ、高速・大容量光通信の実現・普及に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態の多層光配線基板の途中までの製造工程の説明図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態の多層光配線基板の図2以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態の多層光配線基板の図3以降の製造工程の説明図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態の多層光配線基板の光ビア構造の概略的斜視図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態の多層光配線基板の光ビア構造の光伝播特性の説明図である。
【図7】本発明の第2の実施の形態の多層光配線基板の途中までの製造工程の説明図である。
【図8】本発明の第2の実施の形態の多層光配線基板の図7以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態の多層光配線基板の図8以降の製造工程の説明図である。
【図10】本発明の第3の実施の形態の多層光配線基板の光ビア構造の概略的斜視図である。
【図11】本発明の第3の実施の形態の多層光配線基板の光ビア構造の光伝播特性の説明図である。
【符号の説明】
1 基板
2 コア層
3 コア層
4 クラッド層
5 主光移行層
11 ガラス基板
12 下層クラッド層
13 感光性ポリシラン
14 ガラスマスク
15 遮光部
16 紫外線
17 クラッド層
18 コア層
19 感光性ポリシラン
20 ガラスマスク
21 遮光部
22 紫外線
23 クラッド層
24 主光移行層
25 感光性ポリシラン
26 ガラスマスク
27 遮光部
28 紫外線
29 クラッド層
30 コア層
31 上層クラッド層
41 ガラス基板
42 感光性ポリシラン
43 紫外線
44 下層クラッド層
45 感光性ポリシラン
46 ガラスマスク
47 遮光部
48 紫外線
49 クラッド層
50 コア層
51 感光性ポリシラン
52 紫外線
53 ガラスマスク
54 遮光部
55 紫外線
56 クラッド層
57 主光移行層
58 感光性ポリシラン
59 ガラスマスク
60 遮光部
61 紫外線
62 クラッド層
63 コア層
64 紫外線
65 上層クラッド層
71 ガラス基板
72 クラッド層
73 コア層
74 主光移行層
75 コア層

Claims (5)

  1. 複数の光導波路を有する多層光配線基板の上下の光導波路間を接続する光ビア構造を有する多層光配線基板において、前記光導波路を構成するコア層によって挟まれている領域は平均屈折率がコア層とクラッド層との中間であり、且つ、前記領域は前記光導波路を結ぶ方向において均一な構造であることを特徴とする多層光配線基板。
  2. 上記光導波路を構成するコア層によって挟まれている領域における主光移行層が、前記光導波路を構成するコア層とクラッド層の中間の屈折率の材料で構成されていることを特徴とする請求項1記載の多層光配線基板。
  3. 上記光導波路を構成するコア層によって挟まれている領域における主光移行層の幅が、前記光導波路を構成するコア層の幅と同じであることを特徴とする請求項2記載の多層光配線基板。
  4. 上記光導波路を構成するコア層によって挟まれている領域における主光移行層が、前記光導波路を構成するコア層の幅よりも細い幅で、且つ、前記光導波路を構成するクラッド層よりも高い屈折率の材料で構成されていることを特徴とする請求項1記載の多層光配線基板。
  5. 上記光導波路を構成するコア層とクラッド層、及び、上記主光移行層が、光を照射することで屈折率を制御できる材料で構成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の多層光配線基板。
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