JP2004325636A

JP2004325636A - 光電気複合部品およびその製造方法

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Publication number: JP2004325636A
Application number: JP2003118351A
Authority: JP
Inventors: Daigo Fujita; 大吾藤田; Hideyuki Hosoya; 英行細谷; Toshisada Sekiguchi; 利貞関口
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-04-23
Filing date: 2003-04-23
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】光の伝送損失の増加が抑制され、かつ、製造が容易な光電気複合部品およびその製造方法を提供する。
【解決手段】基板２上または基板２内に位置する光導波路３から、基板２内に、光導波路３と直交するように設けた貫通穴４に出射された光を、貫通穴４内に配置されたミラー１３で反射させ、この反射光を基板２外の受発光素子５へ導くようにした光電気複合部品において、貫通穴４内の反射光が通過する部分を、光導波路３を構成するコア層６と同等の光学特性を有する固体とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線基板において光部品と光配線を接続した、光電気複合部品およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プリント基板には、専ら電気部品のみが搭載されてきた。近年、大規模集積回路（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ、ＬＳＩ）チップにおける伝送速度の高速化に対して、電気配線では電気部品間の伝送距離や、信号の伝送速度の限界などが無視できなくなっている。そのため、信号処理の高速化や、電気ノイズの低減などの効果を見込んで、電気配線の一部を光配線に置き換え、プリント基板に光配線と電気部品を混載することが期待されている。しかも、電気配線に劣らない程度に低コストの光配線技術が求められている。
【０００３】
このような用途には、比較的容易な製造プロセスで作製でき、小型化、集積化が容易であることから、高分子材料からなる平面型光導波路部品を用いるのが好適である。この平面型光導波路は、低屈折率のクラッドの内側に高屈折率のコアが埋め込まれた、埋め込み型の高分子平面型光導波路が主流である。
【０００４】
この高分子平面型光導波路をなす高分子材料としては、種々の透明樹脂を用いることができる。例えば、フッ素化ポリイミドなどの熱硬化性樹脂を用いる場合、フォトリソグラフィとエッチングによる方法や、型抜きによる方法で平面型光導波路を作製することが可能である。また、アクリル系樹脂やエポキシ系樹脂のような紫外線硬化型樹脂を用いる場合、フォトレジストのエッチングマスクを形成する代わりに、コアをなす材料を選択的に露光する方法でコア形状を形成する。
【０００５】
ここで、例えば、垂直共振器型面発光半導体レーザ（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅ−ＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ、ＶＣＳＥＬ）などの面発光素子から発せられた光信号を基板の中に埋め込まれている光導波路で伝送し、例えば、フォトディテクター（ＰＤ）などの受光素子で受光する配線基板について考える。
【０００６】
このような配線基板では、光配線は基板の長手方向に沿って形成されているため、ＶＣＳＥＬから発せられた光信号を光導波路に入射するためには、この光信号の進行方向を９０°曲げなければならない。さらに、光導波路を伝搬した光信号をＰＤで受光する場合にも同様に、基板と垂直な方向に光信号を取り出さなければならない。
【０００７】
上述のような配線基板における光路の変換方法としては、以下のような方法を例示できる。
例えば、特許文献１、特許文献２では、配線基板において、光導波路の長手方向に対して垂直な端面から出射した光信号の光路上に４５°ミラーを設けて、光信号の光路を変換する方法が開示されている。
【０００８】
この方法では、図５に示すような高分子平面型光導波路１００において、光導波路の光路の長手方向と垂直に端面１００ａから、レーザやマイクロドリルを用いて、光路をなすコア１０１と垂直な貫通穴１０２を形成する。そして、この貫通穴１０２内に、先端の光反射部に４５°ミラー１０３が設けられたミラー付き部品１０４を嵌合する。さらに、貫通穴１０２の内側面１０２ａには、コア１０１の端面１０１ａを露出させ、この端面１０１ａから出射される出射光１１０の光路上に４５°ミラー１０３を配置する。これにより、出射光１１０が４５°ミラー１０３で反射して光路が９０°変換し、反射光１１１として受光素子１０５に入射する。
ここでは、ミラー付き部品１０４として、石英系マルチモード光ファイバなどを加工してなるミラー素子が用いられている。
【０００９】
また、特許文献３では、光導波路の端面自体を４５°の光反射部、すなわちミラーに形成し、光路を９０°変換する方法が開示されている。この方法において、光導波路の端面自体を４５°にするには、特許文献４に開示されているようなダイシングマシンによる加工方法や、エッチングによる加工方法が用いられる。
【００１０】
上述の光路の変換方法においては、光の反射率を上げる目的で、ミラーの表面に金属薄膜を形成しておく場合が多い。この金属薄膜は、例えば、クロム、ニッケル、チタンなどからなる下地の表面に、金やアルミニウムなどからなる厚さ少なくとも０．１μｍ程度の薄膜がスパッタリング、真空蒸着、めっきなどにより形成されてなるものである。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−３１１８４６号公報
【特許文献２】
特開２００２−２５８０８１号公報
【特許文献３】
特開２００１−３３６４６号公報
【特許文献４】
特開平６−２６５７３８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１および特許文献２で開示されている方法では、４５°ミラー１０３から受光素子１０５までの間は空間をなしているため、出射光１１０と、反射光１１１は空間を伝搬することになる。この空間における出射光１１０および反射光１１１の損失は、光の伝送距離の二乗に比例して増大する。そのため、積層数の多い平面型光導波路では、積層数の増加に伴う厚みの増加が、出射光１１０および反射光１１１における大きな伝送損失の原因となる。また、この空間が空気層をなしている場合、光部品における温度特性の劣化の原因となる。
【００１３】
また、特許文献３および特許文献４で開示されている方法では、上述の特許文献１および特許文献２で開示されている方法と比較して、光信号が空間を伝搬する距離を短くすることができる。しかしながら、フォトリソグラフィや、エッチングによって加工するため、製造コストが高くなるという問題がある。さらに、ダイシングマシンによる加工を行なう場合、その加工面には研削痕が残るため、この研削痕を除くために加工面を研磨しなければならない。そのため、工程が多く、製造コストが高くなる原因となる。
【００１４】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、光の伝送損失の増加が抑制され、かつ、製造が容易な光電気複合部品およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、基板上または基板内に位置する光導波路から、該基板内に、該光導波路と交差するように設けた空間に出射された光を、該空間内に配置されたミラーで反射させ、この反射光を基板外の受光素子へ導くようにし、または発光素子からの光信号をミラーで反射し光導波路に導くようにした光電気複合部品において、前記空間の前記反射光が通過する部分が、前記光導波路を構成するコアと略同一の光学特性を有する固体である光電気複合部品を提供する。
【００１６】
本発明は、基板上または基板内に位置する光導波路から、該基板内に、該光導波路と交差するように設けた空間に出射された光を、該空間内に配置されたミラーで反射させ、この反射光を基板外の受光素子へ導くようにし、または発光素子からの光信号をミラーで反射し光導波路に導くようにした光電気複合部品の製造方法であって、前記光導波路を内在する基板を用い、該基板内に前記光導波路と交差するように空間を設ける工程と、該空間内に紫外線硬化型樹脂を注入する工程と、該紫外線硬化型樹脂に紫外線を照射する工程と、前記空間内に前記ミラーを先端に有する部材を挿入する工程とを有する光電気複合部品の製造方法を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の光電気複合部品の一実施形態の概略構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の線Ａ−Ａに沿った断面図である。
図１中、符号１は平面型光導波路部品、２は平面型光導波路部品１を構成する基板、３は光導波路、４は平面型光導波路部品１に設けられた光導波路３と直交する貫通穴、５は受発光素子、１０は先端面にミラー１３が設けられたミラー付き部品、１５は光導波路３を構成するコア層と同等の光学特性を有する固体からなる光路部材を示す。
【００１８】
この実施形態の光電気複合部品は、基板２内に位置する光導波路３から、貫通穴４内に出射された出射光を、貫通穴４内に配置されたミラー１３で反射させ、ミラー１３で反射した反射光を、基板２の一方の表面２ａ上に貫通穴４の一方の開口端４ａを塞ぐように配置された受発光素子５へ導くように作製されたものである。さらに、貫通穴４におけるミラー１３と受発光素子５との間の部分、すなわち、上記出射光および反射光が通過（伝搬）する部分には、この反射光の光路となる光路部材１５が設けられている。
【００１９】
平面型光導波路部品１は、基板２と、基板２の上にこれと平行となるように順次形成された下部クラッド層７、コア層６および上部クラッド層８とからなる光導波路３と、光導波路３の上に積層された基板２とから構成されている。また、平面型光導波路部品１のおいて、コア層６の端面６ａは貫通穴４の内側面４ｂに露出している。
【００２０】
基板２は、光導波路３の形成に支障の無い程度に表面が平滑かつ清浄なものであれば材質は特に限定されないが、例えば、シリコン結晶ウエハ、石英ウエハ、半導体ウエハ、多成分ガラス板、セラミック板、金属板などが用いられる。
【００２１】
コア層６、下部クラッド層７および上部クラッド層８をなす材料としては、石英系ガラス、窒化ケイ素、フッ素化ポリイミドなどの熱硬化性樹脂、アクリル系樹脂やエポキシ系樹脂などの紫外線硬化型樹脂などが用いられる。平面型光導波路部品１を小型化、集積化するためには、上記熱硬化性樹脂、紫外線硬化型樹脂などの高分子材料を用いることが望ましい。
【００２２】
なお、この実施形態では、平面型光導波路部品１として、上部クラッド層８の上に基板２を積層したものを示したが、本発明の光電気複合部品はこれに限定されず、平面型光導波路部品は上部クラッド層が露出しているものであってもよい。
【００２３】
受発光素子５としては、例えば、受光素子のフォトディテクター（ＰＤ）や、発光素子のレーザダイオード（ＬＤ）、垂直共振器型面発光半導体レーザ（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅ−ＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ、ＶＣＳＥＬ）などが挙げられる。
【００２４】
図２に示すように、ミラー付き部品１０は、略四角柱状の本体部１１と、本体部１１の後端に垂設された正方形板状の鍔部１２と、本体部１１の先端面１１ａに設けられたミラー１３とから構成されている。
【００２５】
本体部１１は、セラミックス、石英ガラス、ステンレスなどからなり、切削加工や射出成形、またはエッチングなどの方法で所定の形状に加工されてなるものである。
本体部１１の大きさは、貫通穴４の径および平面型光導波路部品１に応じて適宜設定される。通常、貫通穴４の内径は８０μｍ〜２００μｍ程度、平面型光導波路部品１の厚みは２００μｍ〜３００μｍ程度であることから、本体部１１の長さは１００μｍ〜１５００μｍ程度、幅は５０μｍ〜２５０μｍ程度である。特に、本体部１１の長さは、本体部１１を貫通穴４に挿入した際に、その先端面１１ａに設けられたミラー１３が、光導波路３のコア層６から出射される出射光の光路上に配置されるように適宜設定される。
また、本体部１１の先端面１１ａは、本体部１１の後端側に傾斜した斜面であり、先端面１１ａと本体部１１の長手方向とのなす角θが４５°となっている。
【００２６】
なお、この実施形態では、本体部１１として、略四角柱状のものを示したが、本発明の光電気複合部品はこれに限定されず、本体部１１は貫通穴４と嵌合するように、貫通穴４の形状と同形状の側面を有するように形成される。例えば、図１において、線Ａ−Ａに直交する方向に長い四角柱（または板状）にすれば、より強度が高く、扱い易い部品となる。
【００２７】
鍔部１２は、セラミックス、ステンレス、マグネシウムなどからなり、切削加工や射出成形、またはエッチングなどの方法で所定の形状に加工されてなるものである。
鍔部１２の大きさは、貫通穴４の径および本体部１１の大きさに応じて適宜設定されるが、正方形の一辺の長さは貫通穴４の内径よりも少なくとも１００μｍ程度大きくすることが望ましく、厚みは２００μｍ程度とする。
【００２８】
なお、この実施形態では、鍔部１２として、正方形板状のものを示したが、本発明の光電気複合部品はこれに限定されず、鍔部１２は貫通穴４の開口端を塞ぐことができれば、円盤状、三角形板状、長方形板状などであってもよい。
【００２９】
ミラー１３は、本体部１１の先端面１１ａに、スパッタリング、真空蒸着、めっきなどによって形成されたクロム、ニッケル、チタンなどからなる厚さ０．１μｍ〜１μｍ程度の下地の表面に、金やアルミニウムなどからなる厚さ０．１μｍ〜１０μｍ程度の薄膜がスパッタリング、真空蒸着、めっきなどにより形成されてなる金属薄膜である。また、ミラー１３は、本体部１１の先端面１１ａに設けられた金属薄膜であることから、その反射面１３ａは、本体部１１の後端側に傾斜した斜面をなし、ミラー１３の反射面１３ａと本体部１１の長手方向とのなす角θが４５°となっている。
【００３０】
また、ミラー１３の厚みは、これを形成する金属薄膜の応力や成膜に要する時間に応じて適宜設定されるが、光導波路３から、貫通穴４内に出射された出射光を全反射して、ミラー１３で反射した反射光を受発光素子５へ導くためには、１μｍ以上であることが好ましい。
【００３１】
ミラー付き部品１０を、鍔部１２の当接面１２ａが基板２の表面に当接するまで貫通穴４に挿入することにより、本体部１１の先端に設けられたミラー１３の反射面１３ａが、光導波路３のコア層６から出射される出射光の光路上に配置され、かつ、受発光素子５側に貫通穴４の長手方向と４５°の角度をなすように傾斜して配置される。
また、上述のように、本体部１１の形状を四角柱など方向性のある形状とし、貫通穴４の形状も本体部１１と同形状として、貫通穴４に本体部１１を嵌合すれば、ミラー１３が貫通穴４内で回転して、光の反射する方向がずれるのを防止することができる。
【００３２】
ミラー付き部品１０は、本体部１１と、鍔部１２とを別体で形成した後、両者を接着剤などで接合して作製したものであっても、両者を一体に作製したものであってもよい。
【００３３】
光路部材１５を形成しているコア層６と同等の光学特性を有する固体を形成する材料としては、透明な遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂が用いられる。ここで、遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂とは、適切な波長の紫外線を適量照射すると、しばらくの間は流動性を保ち、その後に硬化が進行するという特性を有する樹脂のことである。これは、遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂は、紫外光により重合反応が始まるのではなく、まず、ラジカルを生成する開始反応が光により開始し、その反応がある程度以上進行することにより、エポキシの開環を伴う重合反応が開始できる組み合わせからなるからである。
【００３４】
具体的には、遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂は、エポキシ系樹脂などの高分子材料を主成分とし、反応開始剤、トリアリルスルホン酸塩などの添加剤を含むものである。この遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂に、例えば、高圧水銀灯により波長２００〜４００ｎｍの紫外光を３００ｍＪ／ｃｍ^２程度照射すれば、反応が開始して所定時間経過後に完全に硬化する。
【００３５】
また、遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂は、硬化後に得られる光路部材１５の屈折率や透過率などを、コア層６の屈折率や透過率とほぼ等しくするために、高分子材料の構造や触媒の添加量などが適宜調節されている。また、遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂は、内径８０μｍ〜２００μｍ程度の貫通穴４内に注入されるため、粘度や表面張力なども適宜調整されている。
【００３６】
この実施形態の光電気複合部品では、光導波路３のコア層６から出射された出射光が光路部材１５内を伝搬してミラー１３で反射し、その反射光が出射光の伝搬方向に対して直角に光路部材１５内を伝搬し、受発光素子５に達するから、この光電気複合部品内を伝搬する光は空気に触れることはない。したがって、この実施形態の光電気複合部品は、損失が少なく、温度特性に優れたものとなる。また、平面型光導波路部品１の厚みを薄くすることにより、光の伝送距離を短くすることができるので、伝送損失の増加を抑制することができる。
【００３７】
なお、受発光素子５が受光素子として機能する場合は、光導波路３のコア層６から出射された光が光路部材１５を通過して受発光素子５で受光される。一方、受発光素子５が発光素子として機能する場合は、受発光素子５から出射された光が光路部材１５を通過し、ミラー１３で反射してコア層６に入射し、この入射光がコア層６を通過して、コア層６の端面、すなわち、平面型光導波路部品１の表面に配置される受光素子で受光される。
【００３８】
以下、図１、図３および図４を用いて、この実施形態の光電気複合部品の製造方法について説明する。
まず、図３に示すように、レーザやマイクロドリルを用いて、平面型光導波路部品１に、内部に設けられた光導波路３と直交する貫通穴４を形成する。
次いで、受発光素子５を、はんだや金などの溶融性導体金属２０により、基板２の一方の表面２ａに設けられた電気配線（図示略）と電気的に接続し、貫通穴４の一方の開口端４ａを塞ぐように表面２ａに実装する。
【００３９】
次いで、ディスペンサ（図示略）のノズル２５から貫通穴４内に、遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂２２を適量注入する。この際、貫通穴４内に注入される直前の遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂２２に対して、光源３０から発した紫外線をファイババンドル３１の先端から照射する。または、遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂２２が適量注入された平面型光導波路部品１をステージ上に置き、露光機で露光する。
【００４０】
次いで、図４に示すように、速やかに、貫通穴４にミラー付き部品１０の本体部１１を挿入する。これにより、遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂２２と本体部１１の先端に設けられたミラー１３が接触し、ミラー１３の形状に応じて遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂２２が変形し、両者の接触面は同一形状をなす。
【００４１】
この後、紫外線を照射してから所定時間経過すると、遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂２２が硬化して、貫通穴４に挿入したミラー付き部品１０は固定され、図１に示すような光電気複合部品を得る。
【００４２】
この実施形態の光電気複合部品の製造方法によれば、遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂を用いて、この樹脂が硬化しない内に、この樹脂とミラー付き部品１０の先端に設けられたミラー１３とを接触させるから、両者の接触面を容易に同一形状とすることができる上に、両者を強固に接合することができる。したがって、遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂が硬化してなる光路部材１５と、ミラー１３との界面における損失を低減することができる。また、ミラー付き部品を貫通穴４内に嵌合するだけで、光導波路３のコア層６から出射される出射光の光路上にミラー１３の反射面１３ａを配置することができるから、ミラー１３の位置合わせを行なう必要がなくなり、製造コストを削減することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光電気複合部品によれば、光信号が光導波路のコア層と同等の光学特性を有する固体中を伝搬するから、光信号の損失が低減する。また、光電気複合部品を構成する平面型光導波路部品の厚みが増大しても、損失の増大が抑制される。
また、本発明の光電気複合部品の製造方法によれば、遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂を用いて、この樹脂が硬化しない内に、この樹脂と、ミラー付き部品の先端に設けられたミラーとを接触させるから、両者の接触面を容易に同一形状とすることができる上に、両者を強固に接合することができる。したがって、遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂が硬化してなる光路部材と、ミラーとの界面における損失を低減することができる。また、ミラー付き部品を貫通穴内に嵌合するだけで、光導波路のコア層から出射される出射光の光路上にミラーの反射面を配置することができるから、ミラーの位置合わせを行なう必要がなくなり、製造コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光電気複合部品の一実施形態の概略構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図２】図１に示した光電気複合部品を構成するミラー付き部品を示す概略斜視図である。
【図３】本発明の光電気複合部品の製造方法を説明する模式図である。
【図４】本発明の光電気複合部品の製造方法を説明する模式図である。
【図５】従来の光電気複合部品を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１・・・平面型光導波路部品、２・・・基板、３・・・光導波路、４・・・貫通穴、４ａ・・・開口端、５・・・受発光素子、６・・・コア層、７・・・下部クラッド層、８・・・上部クラッド層、１０・・・ミラー付き部品、１１・・・本体部、１２・・・鍔部、１３・・・ミラー、１５・・・光路部材、２０・・・溶融性導体金属、２２・・・遅延硬化型の紫外線硬化型樹脂、２５・・・ノズル、３０・・・光源、３１・・・ファイババンドル。

Claims

基板上または基板内に位置する光導波路から、該基板内に、該光導波路と交差するように設けた空間に出射された光を、該空間内に配置されたミラーで反射させ、この反射光を基板外の受光素子へ導くようにし、または発光素子からの光信号をミラーで反射し光導波路に導くようにした光電気複合部品において、
前記空間の前記反射光が通過する部分が、前記光導波路を構成するコアと略同一の光学特性を有する固体であることを特徴とする光電気複合部品。
基板上または基板内に位置する光導波路から、該基板内に、該光導波路と交差するように設けた空間に出射された光を、該空間内に配置されたミラーで反射させ、この反射光を基板外の受光素子へ導くようにし、または発光素子からの光信号をミラーで反射し光導波路に導くようにした光電気複合部品の製造方法であって、
前記光導波路を内在する基板を用い、該基板内に前記光導波路と交差するように空間を設ける工程と、該空間内に紫外線硬化型樹脂を注入する工程と、該紫外線硬化型樹脂に紫外線を照射する工程と、前記空間内に前記ミラーを先端に有する部材を挿入する工程とを有することを特徴とする光電気複合部品の製造方法。