JP2004294857A - Optical coupler and optical element built-in substrate - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に基板内、基板間又は装置間等の比較的短距離の光伝送に使用する光結合器及び光素子内蔵基板に関する。
【0002】
【従来の技術】
情報通信技術及び情報処理技術の発達と共にCPUを初めとする半導体装置の高速化及び高密度化が促進されており、それに伴い電気配線による信号の遅延やノイズの問題が大きくなってきている。このような問題を解決するために、電子回路間を光で結合する技術が開発されている(例えば、L. Vanwassenhove, et, al. ”Demonstration of 2−D Plastic Optical Fiber based Optical interconnect between CMOS IC’s”, OFC2001 WDD74(非特許文献1)、エレクトロニクス実装学会誌,Vol.5, No.5, AUG, 2002(非特許文献2)、Real World Computing Project, 次世代情報処理基盤技術開発事業総合報告(非特許文献3)等)。
【0003】
図1は、従来の光結合器の一例を示す模式図である。メイン基板10には無機材料又はポリマーにより光導波路11が形成されている。光導波路11の両端部にはそれぞれ基板面に対し45°の角度で反射ミラー12が配置されており、反射ミラー12の上方にはレンズ13が配置されている。
【0004】
メイン基板10の上にはサブ基板15a,15bがはんだバンプ14により実装されている。サブ基板15aの上側には論理回路が形成されたLSI(Large Scale Integration :大規模集積回路)16aが搭載されており、下側にはVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:面発光レーザ)17及びドライバIC(Integrated Circuit:集積回路)18が搭載されている。また、サブ基板15bの上側には論理回路が形成されたLSI16bが搭載されており、下側にはフォトダイオード19及びレシーバIC20が搭載されている。
【0005】
VCSEL17及びフォトダイオード19の下方にはレンズ21が配置されている。これらのレンズ21は、その光軸がメイン基板10側のレンズ13の光軸と一致するように調整されている。
【0006】
このように構成された光結合器において、VCSEL17は、ドライバIC18から入力された電気信号を光信号に変換して出力する。VCSEL17から出力された光はレンズ21,13を透過して反射ミラー12に到達し、反射ミラー12により反射されて光導波路11内に導入される。そして、光信号は光導波路11内を進行し、光導波路11の他方の端部に配置された反射ミラー12により基板面に対し垂直方向に反射され、レンズ13,21を透過してフォトダイオード19に伝達される。フォトダイオード19は、受光した光信号を電気信号に変換してレシーバIC20に出力する。このようにして、VCSEL17からフォトダイオード19へ光信号が伝送される。
【0007】
光導波路が設けられた基板の替わりに光ファイバを使用し、VCSEL又はフォトダイオードと光ファイバとを光結合する光結合器もある。
【0008】
【非特許文献1】
L. Vanwassenhove, et, al. ”Demonstration of 2−D Plastic Optical Fiber based Optical interconnect between CMOS IC’s”, OFC2001 WDD74
【非特許文献2】
エレクトロニクス実装学会誌,Vol.5, No.5, AUG, 2002
【非特許文献3】
Real World Computing Project, 次世代情報処理基盤技術開発事業総合報告
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明者等は、上述した従来の光結合器には以下に示す問題点があると考える。すなわち、従来の光結合器では、VCSEL17及びフォトダイオード19等の光素子と光導波路11(又は、反射ミラー12)との距離が比較的離れているので、光の結合損失を小さくするためにレンズ13,21が必要になる。従って、従来の光結合器は部品数が多く、製造工程が複雑である。
【0010】
また、従来の光結合器では、VCSEL17及びフォトダイオード19等の光素子と、レンズ13,21と、反射ミラー12との位置合わせを精密に行うことが必要であり、煩雑である。
【0011】
すなわち、通常、これらの位置合わせには、アクティブアライメントと呼ばれる方法が用いられる。アクティブアライメントでは光源(レーザ)から光を出力した状態でレンズ及び反射ミラー等の位置を変化させて、光導波路の出力側端部から出射される光量が最大となる位置を求める。このように、アクティブアライメントは、実際に光源を動作させて位置合わせ作業を行うことが必要であり、処理が複雑である。
【0012】
以上から、本発明の目的は、光素子と光導波路との距離を短くして両者の間にレンズを設ける必要をなくし、光素子と光導波路とを容易に光結合できる光結合器及び光素子内蔵基板を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、光素子が内蔵された板状の光素子内蔵基板と、反射ミラー及び光導波路を有し、前記光素子内蔵基板に密着して配置されて前記反射ミラーが前記光素子と光結合した光導波路基板とを有することを特徴とする光結合器により解決する。
【0014】
前記光素子と前記反射ミラーとの間隔は100μm以下であることが好ましい。
【0015】
前記光素子内蔵基板は、例えば、板状の基板と、この基板に内蔵された光素子と、基板の少なくとも一方の面上に形成されて前記光素子と電気的に接続された端子とを有している。
【0016】
前記光素子内蔵基板には、前記光素子とともに、光素子と接続した集積回路が内蔵されていることが好ましい。
【0017】
前記光素子内蔵基板は、例えば、光素子が実装されたコア基板と、光素子に対応する部分が開口されてコア基板に接合された補強用基板と、該補強用基板の開口部内に充填されて光素子を封止する封止材とにより構成されている。
【0018】
また、前記光素子内蔵基板は、第1の面上に前記光素子が実装され、第2の面に集積回路が実装されたコア基板と、光素子に対応する部分が開口されてコア基板の第1の面に接合された第1の補強用基板と、第1の補強用基板の開口部内に充填されて前記光素子を封止する第1の封止材と、集積回路に対応する部分が開口されてコア基板の第2の面に接合された第2の補強用基板と、前記第2の補強用基板の開口部内に充填されて前記集積回路を封止する第2の封止材とにより構成されていてもよい。
【0019】
光素子として、例えばELO(エピタキシャルリフトオフ)法により形成した半導体レーザ又は受光素子を使用すれば、光素子内蔵基板の厚さを数100μm〜数mmとすることができる。
【0020】
光導波路基板には、例えば基板面に対し45°に配置された反射ミラーと、該反射ミラーに接続して形成された光導波路とが設けられている。光導波路は、光ファイバ又はポリマー光導波路フィルム等により構成されている。反射ミラーは、例えば光導波路の端部をカットしてV溝を形成し、V溝面に金属膜を被着することにより形成することができる。
【0021】
光素子内蔵基板と光導波路基板との間には、屈折率マッチング用の有機材料(屈折率マッチング剤)が充填されていることが好ましい。これにより、基板と空気との屈折率の差による反射を防止することができる。
【0022】
また、光素子内蔵基板及び光導波路基板の所定の位置にそれぞれスルーホールを設けておくことが好ましい。これにより、スルーホールにピンを挿入するだけで光素子と反射ミラーとの位置決めが完了し、アクティブアライメント工程が不要になる。光素子内蔵基板及び光導波路基板のずれか一方に凸部を設け、他方に凹部を設けておいてもよい。この場合も、凹部に凸部を挿入するだけで、光素子と反射ミラーとの位置決めが完了する。
【0023】
本発明においては、半導体レーザ及びフォトダイオード等の光素子を光素子内蔵基板内に内蔵している。従って、光素子内蔵基板の表面は基本的に平坦であり、光素子内蔵基板と光導波路基板とを密着して配置することができる。これにより、光素子と反射ミラーとの距離が例えば100μm以下と極めて短くなり、レンズを用いなくても結合損失を小さくすることができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、添付の図面を参照して説明する。
【0025】
図2は本発明の実施の形態の光結合器を示す模式的断面図、図3は同じくその光結合器の組み立て図である。
【0026】
本実施の形態の光結合器は、VCSEL101及びドライバIC102を内蔵した薄板状の光素子内蔵基板100と、光ファイバ111及び反射ミラー112を有し、光素子内蔵基板100に密着して配置された薄板状の光導波路基板110とにより構成されている。これらの光素子内蔵基板100及び光導波路基板110には位置合わせ用スルーホール108,118が設けられており、ピン120をスルーホール108,118に挿入して、光素子内蔵基板100のVCSEL101と光導波路基板110の反射ミラー112の反射点との位置合わせを行うようになっている。
【0027】
図2に示すように、光素子内蔵基板100は、コア基板100aと補強用基板100bとをプリプレグ105により接合した構造を有している。VCSEL101及びドライバIC102は、コア基板100aの裏面に形成された導電パターン103に電気的に接続されている。本実施の形態では、VCSEL101として光が接続端子側(コア基板側)に出力される裏面発光型VCSELを使用する。また、本実施の形態では、4個のVCSEL101が図2の紙面に垂直な方向に並んで配置されている。VCSEL101及びドライバIC102は、補強用基板100bに設けられた開口部の内側に配置されており、封止材104により封止されている。
【0028】
光素子内蔵基板100の裏面側にはパッド電極106が形成されており、このパッド電極106は補強用基板100bに設けられたビアホール107及び導電パターン103を介してVCSEL101及びドライバIC102に電気的に接続されている。この光素子内蔵基板100はメイン基板(図示せず)に接続され、メイン基板からパッド電極106を介して駆動信号及び駆動電力が供給される。
【0029】
一方、光導波路基板110は、コア基板110aと、コア基板110aに設けられた溝内に配置された光ファイバ111と、光ファイバ111の端部近傍に設けられた反射ミラー112と、コア基板110aを上下方向から挟む2枚の補強用基板113a,113bとにより構成されている。なお、光ファイバ111は、図7(a)に側面図、図7(b)に上面図を示すように、4本の信号伝送用光ファイバ111aと4本のスペーサ用光ファイバ111bとを交互に配置し、テープ状に束ねて構成されている。
【0030】
このように構成された本実施の形態の光結合器において、VCSEL101から出力された光信号はコア基板100aを透過して光導波路基板110に到達し、反射ミラー112により反射されて光ファイバ111内に導入される。
【0031】
光素子内蔵基板100及び光導波路基板110の厚さは、いずれも数100μm〜数mmである。また、VCSEL101と反射ミラー112の反射点との距離は100μm以下である。従って、VCSEL101と反射ミラー112の反射点との間の距離が極めて短く、両者の間にはレンズが設けられていない。
【0032】
上述の如く、本実施の形態では、VCSEL101と反射ミラー112の反射点との距離が100μm以下と小さいので、レンズがなくても結合損失が小さい。但し、結合損失をより小さくするために、光ファイバ111にはコア径が40μm以上のものを使用することが好ましい。
【0033】
以下、本実施の形態の光結合器の製造方法について説明する。
【0034】
光素子内蔵基板100の製造方法について、図4〜図5に示す断面図を参照して説明する。まず、コア基板101aとして、図4(a)に示すように、樹脂厚が47μmの片面銅箔付きアラミドフィルム(例えば、旭化成(株)のアラミカ)を用意する。そして、フォトリソグラフィ法により銅箔をパターニングして、位置合わせ用マーカー、パターン配線及びチップ接合用パッド電極等の導電パターン103を形成する。
【0035】
次に、図4(b)に示すように、マーカーを目印にしてドリル又はレーザにより穴あけを行って、VCSEL搭載部にレーザ光が通るスルーホール131を開口する。但し、コア基板101aのレーザ光に対する透光性が高い場合は、スルーホール131を設けなくてもよい。
【0036】
その後、図4(c)に示すように、PbSb系はんだ、AgSn系はんだ、CuSn系はんだ及びAuSn系はんだ、又はAu/Sn、Ag/Sn及びCu/Sn等の多層薄膜により、VCSEL101及び駆動用ドライバIC102を基板101a上にフリップチップ実装する。
【0037】
なお、VCSEL101及びドライバIC102は厚さが薄いものを使用することが好ましい。例えば、公知のELO(エピタキシャルリフトオフ)法を使用することにより、厚さが10μm程度のVCSELを形成することができる。
【0038】
また、本実施の形態ではVCSEL101及びドライバIC102を基板101a上にフリップチップ実装しているが、TAB(Tape Automated Bonding)又はワイヤボンディングによりVCSEL101及びドライバIC102を基板101aに実装してもよい。更に、VCSEL101は出射ビームの広がりが小さいものを使用することが好ましいが、動作速度なども考慮して選択すればよい。
【0039】
次に、スルーホール131に透光性アンダーフィル132を充填する。透光性アンダーフィル132としては、例えば東レ・ダウコーニング・シリコーン(株)のJCR6122 を使用することができる。なお、本実施の形態においては、VCSEL101から反射ミラー112までの距離が100μm以下と小さいので、透光性アンダーフィル132に高い光透過率を要求する必要はない。
【0040】
次に、図5(a)に示すように、VCSEL101及びドライバIC102に対応する位置に開口部が設けられたプリプレグ105と補強用基板100bとを用意する。補強用基板100bは、例えば厚さが300μmのアラミドフィルム(アラミカ板)である。本実施の形態では、補強用基板100bの両面に銅箔が接合されたアラミドフィルムを使用し、フォトリソグラフィ法により上側の銅箔をパターニングし、配線及び位置合わせ用マーカーとなる導電パターン135を形成している。なお、補強用基板100bは、コア基板100aに実装されたVCSEL101及びドライバIC102等の部品の厚さよりも厚いものを使用する。
【0041】
次いで、図5(b)に示すように、補強用基板100bとコア基板100aとの間にプリプレグ105を配置し、プリプレグ105により補強用基板100bをコア基板100aに接合する。そして、補強用基板100bの開口部に封止材104を充填して、VCSEL101及びドライバIC102を封止する。なお、封止材としては熱導電率が高いものが好ましい。これにより、VCSEL101及びドライバIC102の排熱を促進することができる。
【0042】
その後、UV−YAGレーザで補強用基板100bの下面からコア基板100aの導体パターン103に到達するビアホール107を形成し、銅めっきでビアホール107内に銅を被着する。そして、フォトリソグラフィ法により銅箔をパターニングしてVCSEL101及びドライバIC102に電気的に接続したパッド電極106を形成する。そして、ドリル又はレーザにより、一方の面から他方の面に貫通する位置合わせ用スルーホール108を所定の位置に形成する。これにより、光素子内蔵基板100が完成する。
【0043】
次に、光導波路基板110の製造方法について、図6(a)〜(e)を参照して説明する。まず、図6(a)に示すように、両面に銅箔が接合された有機コア基板110aを用意する。基板110aのサイズは、例えば100×100×0.15mmである。コア基板110aとしては、例えば旭化成(株)の両面銅箔付きアラミドフィルム(商品名:アラミカ)を使用することができる。そして、フォトリソグラフィ法により銅箔をパターニングして、位置合わせ時の目印となるマーカー114を形成する。
【0044】
その後、ダイサを使用し、マーカー114を目印としてコア基板110aの一方の面(図1では下面)側の所定の位置に、深さが125μm、幅が1mmの基板の端部まで延びる直線状の溝115を形成する。
【0045】
一方、コア径が62.5μm、クラッド径が125μmの石英ファイバを用意する。例えば、フジクラ(株)の石英ファイバ(G.62.5/125.3502 )を使用することができる。この石英ファイバには被覆が施されており、直径が約250μmとなっている。
【0046】
信号伝送用に4本の石英ファイバを使用し、スペーサ用に4本の石英ファイバを使用する。スペーサ用の4本の石英ファイバは被覆を剥がし、コア基板110aに形成した溝115と同じ長さに切断しておく。また、信号伝送用の4本のファイバの先端の被覆を剥いておく。
【0047】
その後、図7(a)に側面図、図7(b)に上面図を示すように、平板上に信号伝送用光ファイバ111aとスペーサ用ファイバ111bとを交互に並べて接着剤で固定してテープ状光ファイバ111とする。
【0048】
そして、このテープ状光ファイバ111を図6(b)に示すようにコア基板110aの溝115内に配置して接着剤で接合し、コア基板110aの表面とテープ状光ファイバ111の面とを同一にする。
【0049】
次に、図6(c)に示すように、マーカー114を目印にし、斜め45°の切削面を有するブレードを取り付けたダイサでテープ状ファイバ111を所定の位置でカットして、基板面に対し45°の面を有するV溝を形成する。次いで、V溝の面に厚さが0.05μmのCr(クロム)と厚さが1μmのAl(アルミニウム)とをこの順にスパッタして、金属膜ミラー112を形成する。その後、V溝内に樹脂116を充填して金属膜ミラー112を封止する。
【0050】
次に、図6(d)に示すように、コア基板110aの上下面にそれぞれ補強用樹脂フィルム113a,113bを接合する。補強用樹脂フィルム接合時のプレス条件は、例えば180℃、120分間である。なお、補強用樹脂フィルム113a,113bはアラミドフィルムに限定されるものではなく、例えば、エポキシ樹脂、ポリフェニルエーテル樹脂(PPE)又はビスマレイミドトリアジン樹脂(BT)等を使用してもよい。また、補強用樹脂フィルム126a,126bとして、例えば絶縁層の厚さが26μm、銅箔の厚さが9μm、12μm又は18μmの片面銅箔付きアラミドフィルムを使用し、銅箔をパターニングして、加工時の目印となるマーカーや、はんだ等により光素子内蔵基板100と接合するための導電パターン等を形成してもよい。
【0051】
次いで、図6(e)に示すように、ドリル又はレーザにより、一方の面から他方の面に貫通する位置決め用スルーホール118を所定の位置に形成する。これにより、光導波路基板110が完成する。
【0052】
このようにして、光素子内蔵基板100と光導波路基板110とを製造した後、位置決め用スルーホール108,118にピン120を挿入して、光素子内蔵基板100と光導波路基板110とを重ねる合わせ、接着剤等により固定する。このとき、光素子内蔵基板100と光導波路基板110との間に屈折率マッチング剤を充填して、基板と空気との屈折率の差による反射を防止することが好ましい。
【0053】
上述したように、本実施の形態においては、コア基板100aにVCSEL101及びドライバIC102を搭載し、コア基板100aに補強用基板100bを接合し、補強用基板100bの開口部内に封止材104を充填してVCSEL101を形成する。また、本実施の形態においては、コア基板110aの溝115内にテープ状の光ファイバ111を配置し、光ファイバ111をコア基板110aと一体化する。このようにして形成した光素子内臓基板100及び光導波路基板110は表面が平坦であり、相互に密着して配置することができる。従って、光素子内蔵基板100内のVCSEL101と光導波路基板110の反射ミラー112の反射点との間隔が100μm以下と極めて小さく、両者の間にレンズを設けなくとも結合損失が小さくなる。
【0054】
また、本実施の形態では、ピン108を光素子内蔵基板100及び光導波路基板110のスルーホール108,118に挿入するだけでVCSEL101と反射ミラー112の反射点との位置合わせが完了するので、VCSEL101と反射ミラー112とを光結合する際の作業性が極めて優れている。
【0055】
更に、本実施の形態では、光素子内蔵基板100及び光導波路基板110がいずれも薄板状であるので、取り扱いが容易であるとともに、メイン基板に1又は複数の複数の光素子内蔵基板100又は光導波路基板110を接合することができる。
【0056】
なお、上記実施の形態ではピン120により光素子内蔵基板100と光導波路基板110との位置合わせを行う場合について説明したが、例えば図8に示すように、光導波路基板110の下面にパッド137を設けておき、このパッド137上にはんだボール138を形成し、はんだボール138を光素子内蔵基板100のスルーホール108内に挿入して、光素子内蔵基板100と光導波路基板110との位置決めを行うようにしてもよい。
【0057】
また、上記実施の形態では光素子内蔵基板にVCSEL101及びドライバIC102が内蔵されている場合について説明したが、図9に示すように、フォトダイオード141及びレシーバIC142を内蔵してもよい。また、ドライバIC又はレシーバICを光素子内臓基板100には内蔵せず、光素子内蔵基板100の上又はメイン基板上に搭載してもよい。受光素子は、PIN型及びMSM(Metal−Semiconductor−Metal )型などから選択することができる。
【0058】
更に、上記実施の形態では、コア基板110aとテープ状の光ファイバ111とを一体化して光導波路基板を形成しているが、テープ状光ファイバ111に替えて、ポリマー光導波路フィルムを使用してもよい。
【0059】
更にまた、上記実施の形態では光が接続端子側(コア基板側)に出力される裏面発光型VCSELを使用した場合について説明したが、光が接続端子と反対側に出力される表面発光型VCSELを使用することも可能である。
【0060】
図10は、表面発光型VCSELを用いた光素子内蔵基板の例を示す模式断面図である。コア基板100aの上面には導電パターン156が形成され、下面には導電パターン103が形成されている。コア基板100aの上面側にはVCSEL151が搭載されており、下面側にはドライバIC152が搭載されている。また、コア基板100aの上面側には、VCSEL搭載部が開口された補強用基板100cが接合されており、VCSEL151は補強用基板101cの開口部内に充填された透光性封止材153により封止されている。
【0061】
一方、コア基板100aの下面側には、ドライバIC搭載部が開口された補強用基板101bが接合されており、ドライバIC152は補強用基板100bの開口部内に充填された封止材154により封止されている。補強用基板100bの下面には、メイン基板等に接続するためのパッド電極106が形成されている。この導電パターン106は、補強用基板100b及びコア基板100aに設けられたコンタクトホールを介してVCSEL151及びドライバIC152に電気的に接続されている。
【0062】
このように構成された光素子内蔵基板においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【0063】
(付記1)光素子が内蔵された光素子内蔵基板と、反射ミラー及び光導波路を有し、前記光素子内蔵基板に密着して配置されて前記反射ミラーが前記光素子と光結合した板状の光導波路基板とを有することを特徴とする光結合器。
【0064】
(付記2)前記光素子内蔵基板及び前記光導波路基板にはいずれもスルーホールが設けられており、それらのスルーホールに挿入されたピンにより前記光素子と前記反射ミラーの反射点との位置決めが行われていることを特徴とする付記1に記載の光結合器。
【0065】
(付記3)前記光素子内蔵基板及び前記光導波路基板のいずれか一方の基板は凹部を有し、他方の基板は凸部を有していて、前記凸部が前記凹部内に挿入されて前記光素子と前記反射ミラーの反射点との位置決めが行われていることを特徴とする付記1に記載の光結合器。
【0066】
(付記4)前記反射ミラーが、前記光導波路を斜めにカットした面に形成されていることを特徴とする付記1に記載の光結合素子。
【0067】
(付記5)板状の基板と、前記基板に内蔵された光素子と、前記基板の少なくとも一方の面上に形成されて前記光素子と電気的に接続された端子とを有することを特徴とする光素子内蔵基板。
【0068】
(付記6)前記板状の基板が、前記光素子が実装されたコア基板と、前記光素子に対応する部分が開口されて前記コア基板に接続された補強用基板と、前記補強用基板の開口部内に充填されて前記光素子を封止する封止材とにより構成されていることを特徴とする付記5に記載の光素子内蔵基板。
【0069】
(付記7)前記基板内に、前記光素子と接続した集積回路が内蔵されていることを特徴とする付記5に記載の光素子内蔵基板。
【0070】
(付記8)前記板状の基板が、第1の面に前記光素子が実装され、第2の面に前記集積回路が実装されたコア基板と、前記光素子に対応する部分が開口されて前記コア基板の第1の面に接合された第1の補強用基板と、前記第1の補強用基板の開口部内に充填されて前記光素子を封止する第1の封止材と、前記集積回路に対応する部分が開口されて前記コア基板の第2の面に接合された第2の補強用基板と、前記第2の補強用基板の開口部内に充填されて前記集積回路を封止する第2の封止材とにより構成されていることを特徴とする付記7に記載の光素子内蔵基板。
【0071】
(付記9)前記基板には、前記光素子に入出力される光が通る孔が設けられていることを特徴とする付記5に記載の光素子内蔵基板。
【0072】
(付記10)少なくとも一方の面に銅箔が接合されたコア基板を用意する第1工程と、前記コア基板の銅箔をエッチングして導電性パターンを形成する第2工程と、前記コア基板の一方の面に光素子を実装する第3工程と、前記光素子に対応する開口部が設けられた補強用基板を前記コア基板の一方の面に接合する第4工程と、前記補強用基板の開口部内に封止材を充填して前記光素子を封止する第5工程とを有することを特徴とする光素子内蔵基板の製造方法。
【0073】
(付記11)前記第3工程の前に、前記コア基板に、前記光素子に入出力する光が通る開口部を形成する工程を有することを特徴とする付記10に記載の光素子内蔵基板の製造方法。
【0074】
(付記12)前記第5工程の後に、前記補強用基板の他方の面から前記コア基板の導電パターンに通じるスルーホールを形成する工程を有することを特徴とする付記10に記載の光素子内蔵基板の製造方法。
【0075】
(付記13)前記導電性パターンのうちの少なくとも1つを位置決め用マーカーとすることを特徴とする付記10に記載の光素子内蔵基板の製造方法。
【0076】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光素子が光素子内蔵基板内に内蔵されているので、光素子内蔵基板の光素子と光導波路基板の反射ミラーの反射点との間隔を100μm以下にすることができる。これにより、光素子と反射ミラーとの間にレンズを設けなくとも結合損失を小さくすることができ、製造コストを削減することができる。
【0077】
また、例えば光素子内蔵基板及び光導波路基板の両方の基板の所定の位置にスルーホールを設けておくと、スルーホール内にピンを挿入することで光素子内蔵基板と光導波路基板との位置決めが完了する。従って、アクティブアライメントが不要になり、光素子内蔵基板と光導波路基板とを容易に光結合することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、従来の光結合器の一例を示す模式図である。
【図2】図2は、本発明の実施の形態の光結合器を示す模式的断面図である。
【図3】図3は、同じくその実施の形態の光結合器の組み立て図である。
【図4】図4は、光素子内蔵基板の製造方法を示す断面図(その1)である。
【図5】図5は、光素子内蔵基板の製造方法を示す断面図(その2)である。
【図6】図6は、光導波路基板の製造方法を示す断面図である。
【図7】図7(a)は、テープ状光ファイバの側面図、図7(b)は同じくその上面図である。
【図8】図8は、スルーホールとはんだボールとにより光素子内蔵基板と光導波路基板との位置合わせを行う光結合器を示す模式断面図である。
【図9】図9は、フォトダイオード及びレシーバICを内蔵した光素子内蔵基板を示す模式断面図である。
【図10】図10は、表面発光型VCSELを用いた光素子内蔵基板の例を示す模式断面図である。
【符号の説明】
10…メイン基板、
11…光導波路、
12,112…反射ミラー、
13,21…レンズ、
14…はんだバンプ、
15a,15b…サブ基板、
16a,16b…LSI、
17,101,151…VCSEL、
18,102,152…ドライバIC、
19,141…フォトダイオード、
20,142…レシーバIC、
100…光素子内蔵基板、
100a,110a…コア基板、
100b,113a,113b…補強用基板、
103,135,156…導電パターン、
104,153,154…封止材、
105…プリプレグ、
106…パッド電極、
107…ビアホール、
108,118,131…スルーホール、
110…光導波路基板、
111…光ファイバ、
114…マーカー、
115…溝、
120…ピン、
132…アンダーフィル、
138…はんだボール。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical coupler and an optical element built-in substrate mainly used for relatively short distance optical transmission within a substrate, between substrates, between devices, and the like.
[0002]
[Prior art]
With the development of information communication technology and information processing technology, high speed and high density of semiconductor devices such as CPUs have been promoted, and accordingly, problems of signal delay and noise due to electric wiring have been increasing. In order to solve such a problem, a technique for coupling electronic circuits with light has been developed (for example, L. Vanassenhove, et. Al., "Demonstration of 2-D Plastic Optical Fiber based Optical Interconnect Between CMOS"). 's', OFC2001 WDD74 (Non-Patent Document 1), Journal of Japan Institute of Electronics Packaging, Vol. 5, No. 5, AUG, 2002 (Non-Patent Document 2), Real World Computing Project, Next Generation Information Processing Technology Development Business Report (Non-Patent Document 3) etc.).
[0003]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a conventional optical coupler. An optical waveguide 11 is formed on the
[0004]
[0005]
A
[0006]
In the optical coupler configured as described above, the VCSEL 17 converts an electric signal input from the
[0007]
There is also an optical coupler that uses an optical fiber instead of a substrate provided with an optical waveguide and optically couples a VCSEL or a photodiode with an optical fiber.
[0008]
[Non-patent document 1]
L. Vanwassenhove, et, al. "Demonstration of 2-D Plastic Optical Fiber based Optical interconnect between CMOS IC's", OFC2001 WDD74
[Non-patent document 2]
Journal of Japan Institute of Electronics Packaging, Vol. 5, No. 5, AUG, 2002
[Non-Patent Document 3]
Real World Computing Project, Next-Generation Information Processing Technology Development Business Comprehensive Report
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventors consider that the above-described conventional optical coupler has the following problems. That is, in the conventional optical coupler, the distance between the optical elements such as the VCSEL 17 and the
[0010]
Further, in the conventional optical coupler, it is necessary to precisely align the optical elements such as the VCSEL 17 and the
[0011]
That is, a method called active alignment is usually used for these alignments. In the active alignment, the position of the lens, the reflection mirror, and the like is changed in a state where the light is output from the light source (laser), and the position where the amount of light emitted from the output side end of the optical waveguide is maximized is obtained. As described above, the active alignment requires the actual operation of the light source to perform the alignment work, and the processing is complicated.
[0012]
In view of the above, an object of the present invention is to provide an optical coupler and an optical element that can shorten the distance between an optical element and an optical waveguide and eliminate the need to provide a lens between the two, and can easily optically couple the optical element and the optical waveguide. The purpose is to provide a built-in substrate.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The above-described object is to provide a plate-shaped optical element built-in substrate in which an optical element is embedded, a reflection mirror and an optical waveguide, which are arranged in close contact with the optical element built-in substrate, and wherein the reflection mirror is in optical communication with the optical element. The problem is solved by an optical coupler having a coupled optical waveguide substrate.
[0014]
The distance between the optical element and the reflection mirror is preferably 100 μm or less.
[0015]
The optical element built-in substrate includes, for example, a plate-shaped substrate, an optical element built in the substrate, and a terminal formed on at least one surface of the substrate and electrically connected to the optical element. are doing.
[0016]
It is preferable that an integrated circuit connected to the optical element is incorporated in the optical element built-in substrate together with the optical element.
[0017]
The optical element built-in substrate is, for example, a core substrate on which an optical element is mounted, a reinforcing substrate in which a portion corresponding to the optical element is opened and joined to the core substrate, and filled in the opening of the reinforcing substrate. And a sealing material for sealing the optical element.
[0018]
Further, the optical element built-in substrate has a core substrate in which the optical element is mounted on a first surface and an integrated circuit mounted on a second surface, and a core substrate in which a portion corresponding to the optical element is opened. A first reinforcing substrate bonded to the first surface, a first sealing material filled in an opening of the first reinforcing substrate to seal the optical element, and a portion corresponding to an integrated circuit A second reinforcing substrate, which is opened and joined to the second surface of the core substrate, and a second sealing material that fills the opening of the second reinforcing substrate and seals the integrated circuit And may be configured by:
[0019]
When a semiconductor laser or a light receiving element formed by, for example, an ELO (epitaxial lift-off) method is used as the optical element, the thickness of the optical element built-in substrate can be set to several hundred μm to several mm.
[0020]
The optical waveguide substrate is provided with, for example, a reflection mirror arranged at 45 ° to the substrate surface, and an optical waveguide connected to the reflection mirror. The optical waveguide is composed of an optical fiber, a polymer optical waveguide film, or the like. The reflection mirror can be formed, for example, by cutting the end of the optical waveguide to form a V-groove and applying a metal film to the V-groove surface.
[0021]
An organic material for refractive index matching (refractive index matching agent) is preferably filled between the optical element built-in substrate and the optical waveguide substrate. Thereby, reflection due to a difference in the refractive index between the substrate and air can be prevented.
[0022]
Further, it is preferable to provide through holes at predetermined positions of the optical element built-in substrate and the optical waveguide substrate, respectively. Thus, the positioning of the optical element and the reflection mirror is completed only by inserting the pins into the through holes, and the active alignment step is not required. A projection may be provided on one of the optical element built-in substrate and the optical waveguide substrate, and a recess may be provided on the other. Also in this case, the positioning of the optical element and the reflection mirror is completed only by inserting the convex portion into the concave portion.
[0023]
In the present invention, an optical element such as a semiconductor laser and a photodiode is built in an optical element built-in substrate. Therefore, the surface of the substrate with built-in optical element is basically flat, and the substrate with built-in optical element and the optical waveguide substrate can be arranged in close contact. Thereby, the distance between the optical element and the reflection mirror is extremely short, for example, 100 μm or less, and the coupling loss can be reduced without using a lens.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0025]
FIG. 2 is a schematic sectional view showing an optical coupler according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an assembly diagram of the optical coupler.
[0026]
The optical coupler of the present embodiment has a thin plate-like optical element built-in
[0027]
As shown in FIG. 2, the optical element built-in
[0028]
A
[0029]
On the other hand, the
[0030]
In the optical coupler according to the present embodiment configured as described above, the optical signal output from the
[0031]
The thickness of each of the optical element built-in
[0032]
As described above, in the present embodiment, since the distance between the
[0033]
Hereinafter, a method for manufacturing the optical coupler of the present embodiment will be described.
[0034]
A method for manufacturing the optical element built-in
[0035]
Next, as shown in FIG. 4B, drilling is performed with a marker as a mark by a drill or a laser to open a through
[0036]
Then, as shown in FIG. 4 (c), the
[0037]
It is preferable that the
[0038]
Further, in the present embodiment, the
[0039]
Next, the
[0040]
Next, as shown in FIG. 5A, a
[0041]
Next, as shown in FIG. 5B, the
[0042]
Thereafter, a via
[0043]
Next, a method for manufacturing the
[0044]
Thereafter, using a dicer, a straight line extending to the end of the substrate having a depth of 125 μm and a width of 1 mm is placed at a predetermined position on one surface (the lower surface in FIG. 1) of the
[0045]
On the other hand, a quartz fiber having a core diameter of 62.5 μm and a cladding diameter of 125 μm is prepared. For example, a quartz fiber (G.62.5 / 125.3502) manufactured by Fujikura Ltd. can be used. This quartz fiber is coated and has a diameter of about 250 μm.
[0046]
Four quartz fibers are used for signal transmission, and four quartz fibers are used for spacers. The four quartz fibers for the spacer are stripped of the coating and cut to the same length as the
[0047]
Then, as shown in a side view in FIG. 7 (a) and a top view in FIG. 7 (b), the
[0048]
Then, the tape-shaped
[0049]
Next, as shown in FIG. 6C, the tape-
[0050]
Next, as shown in FIG. 6D, reinforcing
[0051]
Next, as shown in FIG. 6E, a positioning through
[0052]
After the optical device embedded
[0053]
As described above, in the present embodiment, the
[0054]
Further, in this embodiment, the positioning of the
[0055]
Furthermore, in the present embodiment, since both the optical element built-in
[0056]
In the above-described embodiment, the case where the positioning of the optical element built-in
[0057]
Further, in the above embodiment, the case where the
[0058]
Further, in the above-described embodiment, the optical waveguide substrate is formed by integrating the
[0059]
Furthermore, in the above-described embodiment, the case has been described where the back-emitting VCSEL that outputs light to the connection terminal side (core substrate side) is used, but the surface-emitting VCSEL that outputs light to the opposite side to the connection terminal is described. It is also possible to use
[0060]
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an example of an optical element built-in substrate using a surface emitting VCSEL. The
[0061]
On the other hand, a reinforcing substrate 101b having a driver IC mounting portion opened is joined to the lower surface side of the
[0062]
The same effect as in the above embodiment can be obtained in the optical element built-in substrate configured as described above.
[0063]
(Supplementary Note 1) A plate shape having an optical element built-in substrate in which an optical element is embedded, a reflection mirror and an optical waveguide, which are disposed in close contact with the optical element built-in substrate and the reflection mirror is optically coupled to the optical element. An optical coupler comprising: an optical waveguide substrate;
[0064]
(Supplementary Note 2) Both the optical element built-in substrate and the optical waveguide substrate are provided with through holes, and positioning of the optical element and the reflection point of the reflection mirror is performed by pins inserted into the through holes. 2. The optical coupler according to
[0065]
(Supplementary Note 3) One of the optical element built-in substrate and the optical waveguide substrate has a concave portion, and the other substrate has a convex portion, and the convex portion is inserted into the concave portion, and 2. The optical coupler according to
[0066]
(Supplementary Note 4) The optical coupling element according to
[0067]
(Supplementary Note 5) It has a plate-like substrate, an optical element incorporated in the substrate, and a terminal formed on at least one surface of the substrate and electrically connected to the optical element. Optical element built-in substrate.
[0068]
(Supplementary Note 6) The plate-shaped substrate includes a core substrate on which the optical element is mounted, a reinforcing substrate having a portion corresponding to the optical element opened and connected to the core substrate, and a reinforcing substrate. 6. The optical element built-in substrate according to claim 5, further comprising a sealing material filled in the opening to seal the optical element.
[0069]
(Supplementary Note 7) The substrate with a built-in optical element according to Supplementary Note 5, wherein an integrated circuit connected to the optical element is built in the substrate.
[0070]
(Supplementary Note 8) The plate-shaped substrate may include a core substrate on which the optical element is mounted on a first surface, a core substrate on which the integrated circuit is mounted on a second surface, and an opening corresponding to the optical element. A first reinforcing substrate bonded to a first surface of the core substrate, a first sealing material that fills an opening of the first reinforcing substrate and seals the optical element; A second reinforcing substrate having an opening corresponding to an integrated circuit and joined to the second surface of the core substrate; and filling the opening in the second reinforcing substrate to seal the integrated circuit 8. The optical element built-in substrate according to claim 7, comprising a second sealing material.
[0071]
(Supplementary note 9) The optical element built-in substrate according to Supplementary note 5, wherein the substrate is provided with a hole through which light input / output to / from the optical element passes.
[0072]
(Supplementary Note 10) A first step of preparing a core substrate having a copper foil bonded to at least one surface, a second step of etching a copper foil of the core substrate to form a conductive pattern, A third step of mounting an optical element on one surface, a fourth step of joining a reinforcing substrate provided with an opening corresponding to the optical element to one surface of the core substrate, And f. Sealing the optical element by filling the opening with a sealing material.
[0073]
(Supplementary Note 11) The optical device-embedded substrate according to
[0074]
(Supplementary note 12) The substrate with a built-in optical element according to
[0075]
(Supplementary note 13) The method for manufacturing a substrate with a built-in optical element according to
[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the optical element is built in the optical element built-in substrate, the distance between the optical element of the optical element built-in substrate and the reflection point of the reflection mirror of the optical waveguide substrate is 100 μm or less. Can be Thereby, the coupling loss can be reduced without providing a lens between the optical element and the reflection mirror, and the manufacturing cost can be reduced.
[0077]
Also, for example, if a through hole is provided at a predetermined position on both the optical element built-in substrate and the optical waveguide substrate, the positioning of the optical element built-in substrate and the optical waveguide substrate can be performed by inserting a pin into the through hole. Complete. Therefore, active alignment is not required, and the optical element built-in substrate and the optical waveguide substrate can be easily optically coupled.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a conventional optical coupler.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating an optical coupler according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an assembly view of the optical coupler of the embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the optical element-embedded substrate.
FIG. 5 is a sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the optical-element built-in substrate.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the optical waveguide substrate.
FIG. 7A is a side view of a tape-shaped optical fiber, and FIG. 7B is a top view of the same.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an optical coupler for performing alignment between an optical element built-in substrate and an optical waveguide substrate using through holes and solder balls.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an optical element built-in substrate including a photodiode and a receiver IC.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an example of an optical element built-in substrate using a surface-emitting VCSEL.
[Explanation of symbols]
10 ... Main board,
11 ... optical waveguide,
12, 112 ... reflection mirror,
13, 21 ... lens,
14 solder bumps
15a, 15b: Sub-substrate,
16a, 16b ... LSI,
17, 101, 151 ... VCSEL,
18, 102, 152 ... driver IC,
19,141 ... photodiode,
20, 142 ... receiver IC,
100 ... optical element built-in substrate,
100a, 110a ... core substrate,
100b, 113a, 113b ... reinforcing substrate,
103, 135, 156 ... conductive pattern,
104, 153, 154 ... sealing material,
105 ... prepreg,
106 ... pad electrode,
107 ... via hole,
108, 118, 131 ... through-hole,
110 ... optical waveguide substrate,
111 ... optical fiber,
114 ... marker,
115 ... groove,
120 ... pin,
132 ... underfill,
138: Solder ball.
Claims (5)
反射ミラー及び光導波路を有し、前記光素子内蔵基板に密着して配置されて前記反射ミラーが前記光素子と光結合した板状の光導波路基板と
を有することを特徴とする光結合器。An optical element built-in substrate in which the optical element is embedded,
An optical coupler comprising: a reflecting mirror and an optical waveguide; and a plate-shaped optical waveguide substrate disposed in close contact with the optical element built-in substrate and wherein the reflecting mirror is optically coupled to the optical element.
前記基板に内蔵された光素子と、
前記基板の少なくとも一方の面上に形成されて前記光素子と電気的に接続された端子と
を有することを特徴とする光素子内蔵基板。A plate-like substrate,
An optical element built in the substrate,
And a terminal formed on at least one surface of the substrate and electrically connected to the optical element.
前記光素子が実装されたコア基板と、
前記光素子に対応する部分が開口されて前記コア基板に接続された補強用基板と、
前記補強用基板の開口部内に充填されて前記光素子を封止する封止材と
により構成されていることを特徴とする請求項2に記載の光素子内蔵基板。The plate-shaped substrate,
A core substrate on which the optical element is mounted,
A reinforcing substrate having a portion corresponding to the optical element opened and connected to the core substrate,
The optical element built-in substrate according to claim 2, further comprising: a sealing material that fills an opening of the reinforcing substrate and seals the optical element.
第1の面に前記光素子が実装され、第2の面に前記集積回路が実装されたコア基板と、
前記光素子に対応する部分が開口されて前記コア基板の第1の面に接合された第1の補強用基板と、
前記第1の補強用基板の開口部内に充填されて前記光素子を封止する第1の封止材と、
前記集積回路に対応する部分が開口されて前記コア基板の第2の面に接合された第2の補強用基板と、
前記第2の補強用基板の開口部内に充填されて前記集積回路を封止する第2の封止材と
により構成されていることを特徴とする請求項4に記載の光素子内蔵基板。The plate-shaped substrate,
A core substrate on which the optical element is mounted on a first surface and the integrated circuit is mounted on a second surface;
A first reinforcing substrate having an opening corresponding to the optical element and joined to a first surface of the core substrate;
A first sealing material filled in the opening of the first reinforcing substrate to seal the optical element;
A second reinforcing substrate having a portion corresponding to the integrated circuit opened and joined to a second surface of the core substrate;
5. The optical element built-in substrate according to claim 4, further comprising a second sealing material that fills an opening of the second reinforcing substrate and seals the integrated circuit. 6.
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