JP2005062581A - 光偏向素子、光偏向器、それを用いた二次元光導波路素子及び光電融合配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】光路変換手段に対する光素子の位置の自由度が比較的大きくできる光偏向素子である。
【解決手段】光偏向素子において、光路変換手段110が変位可能な可動部104、106、108に設けられ、可動部104、106、108に電気信号を与えることで可動部104、106、108を変位させ、光路変換手段110の位置を変化させるようにしている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、光偏向素子、光偏向器、及びそれを用いた二次元光導波素子及び光電融合基板（電気配線層と光配線層が混載された配線基板）に関するものである。

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が克服ないし低減され、かつ高速伝送が可能である光配線技術が期待されている。この光配線の利点を用いた装置として次の様なものがある。

１つの光回路基板では、光配線部と電気配線部を分離し、電子機器からの電圧信号により基体上に設けられた光スイッチ或いは光変調器を駆動させて前記基体上に設けられた光導波路を伝播する光を変調し、こうして電気信号を光信号に変換して伝送し、さらに前記基体或いは他の基体上に設けられた受光素子により光信号を電気信号に変換して、他の電子機器または同一の電子機器に信号を伝達する（特許文献１参照）。また、他の光導波装置においては、光導波路に対して垂直に出入射される光を効率よく結合させるために、線状のポリマー導波路に45度傾いたミラーを形成している（特許文献２参照）。
特開平9-96746号公報 特開2000-199827号公報

上記特許文献１の方法は、電気配線における問題点を光配線で補ったものであるが、光配線が伝送線路（線状のポリマー導波路）であるため、電気／光信号変換或いは光／電気信号変換を行う場所が規定されてしまう。また、上記特許文献２の方法では、端部に45度傾いたミラーを有した線状光導波路に光信号が効率よく結合するように発光素子を実装すること、及び線状光導波路を伝播してきた光信号を効率よく受光するように受光器を実装することは、高度なアライメント精度が要求され、困難である。また、線状の光導波路であるため、複数の光導波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て設計の自由度が少ない。

上記課題に鑑み、本出願に係る第1の発明の光偏向素子は、光路変換手段が変位可能な可動部に設けられ、前記可動部に電気信号を与えることで該可動部を変位させ、前記光路変換手段の位置を変化させるようにしたことを特徴とする。

上記基本構成に基づいて、以下の様な態様の光偏向素子が可能である。
前記可動部は、アクチュエーターとして機能し、該アクチュエーターに設けられた前記光路変換手段とは別に、光素子（発光素子又は受光素子）を有し、該光素子から出射された光が該光路変換手段により反射されるか、又は該光素子とは別の素子から出射され前記光路変換手段により反射された反射光が前記光素子に入射するように構成され、前記アクチュエーターを変位させることで、前記光路変換手段の位置を変化させ、前記光素子から出射された光の方向を変化させるか、又は前記光路変換手段により反射され前記光素子に入射する反射光を変化させる。より具体的には、光路変換構造体を有する可動なアクチュエーターに対して不動な位置に光素子（発光素子又は受光素子）を設け、光素子から出射される光が光路変換構造体に結合することにより光路変換するかまたは光路変換構造体に結合することにより光路変換される光が光素子に入射される様に構成され、アクチュエーターを駆動して光路変換構造体を動かすことにより光素子から出射した光の偏向方向を変化させるかまたは光路変換構造体に結合して光路変換され光素子に入射される光を変化させる。

こうした構成では、基板などに形成されたアクチュエーターを駆動していない中立位置において、光を光路変換構造体で比較的大きく偏向させることができ、アクチュエーターを駆動することで中立位置での偏向方向の周りで光の偏向方向を変化させることができる。また、アクチュエーターの駆動で光路変換構造体の位置を微調整できるので、光素子と光路変換構造体のアライメント精度に対する公差（許容度）や光導波路に光偏向素子を配置する際の位置に対する公差（許容度）を大きくとれる。

たとえば、前記アクチュエーターは圧電アクチュエーターである。また、アクチュエーターは片持ち梁（カンチレバー）形状である。前記光路変換構造体の形状は、球形状、楔形形状、円錐形状、或いは多角錐形状などであってもよく、場合に応じて決めればよい。また、光素子及びアクチュエーターをアレイ状に配置することもできる。

さらに具体的には、基板上に形成された光路変換構造体を有するアクチュエーターに接して或いは近接して半導体レーザを実装し、半導体レーザから出射される光が光路変換構造体に結合することにより光路変換し、アクチュエーターを駆動することにより半導体レーザから出射したレーザ光を偏向させる形態を採り得る。ここにおいて、アクチュエーターは、たとえば、シリコン基板上に駆動電極を有した短冊形の圧電体薄膜であり、駆動電極に電圧を印加することにより、カンチレバーが基板面と垂直方向に振れ、カンチレバー上に形成された光路変換構造体へ結合するレーザ光の反射角が変化して、レーザ光の偏向方向を変更することが可能となる。

また、上記課題に鑑み、本出願に係る第2の発明の光偏向器は、上記の光偏向素子と、該光偏向素子を支持する筐体とを備えることを特徴とする。光偏向素子はブロックの内側などに実装され得る。こうした構成では、ブロックの外面などにバンプなどを設けることで、光偏向器を光導波路層などに対して所望の位置に配置できる。

また、上記課題に鑑み、本出願に係る第3の発明の二次元光導波路素子は、上記の光偏向器と、光導波路層と、前記光偏向器と前記光導波路層間の光路変換を担う第２の光路変換手段とを有することを特徴とする。より具体的には、上記の光偏向器と、光偏向器より出射された光を光導波路層内に結合する為または光導波路層内を伝播した光を光路変換して光偏向器内の光路変換構造体に結合する為の第２の光路変換構造体を有する光導波路層を有する。また、前記光偏向素子に設けられている光路変換手段と、前記第２の光路変換手段を利用して、前記光素子から出射される光を、前記光導波路層内の所望の方向に所望の状態で伝送する様にもできる。こうした構成においては、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を含む光偏向器の配置が制限されることがなく、かつ二次元光導波路層全域を使い柔軟に光信号伝送を再構成できる二次元光導波路素子を実現できる。

また、光導波路層内に配置された第２の光路変換構造体の近傍、かつ光導波路層表面近傍に光偏向器が配置され、光偏向器から出射される光が第２の光路変換構造体により光路変換される態様が、光偏向器から出射される光の偏向量に応じて、光導波路層内の所望の方向に所望の状態で伝播する様に制御され得る構成を採り得る。より具体的には、光偏向器内の光偏向素子の半導体レーザへの注入電流、及び光偏向器内の光偏向素子の圧電アクチュエーターへの印加電圧を制御することにより、指向性を有したビーム光伝播と拡がり角を有した拡散光伝播のいず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ることにより、拡散光伝播の広がり角を変えることができる。このように光偏向器を制御することにより、光信号伝送領域の再構成が可能となる。

光導波路層は、二次元光導波路層（フィルム状の光導波路）、或いはライン導波路（一次元光導波路）、或いは二次元光導波路層（フィルム状の光導波路）とライン導波路（一次元光導波路）の両者を混載した構造を有し得る。

また、上記構成において、光導波路層内に形成された第２の光路変換構造体の形状も、球形状、楔形形状、円錐形状、或いは多角錐形状などであり得る。

また、上記課題に鑑み、本出願に係る第4の発明の光電融合基板は、上記の二次元光導波路素子を電気回路基板と電気的に接続が得られるように形成した光電融合基板であって、電気回路基板の信号の一部または全てを二次元光導波路素子を用いた光信号の授受によって伝送することを特徴とする。こうした構成においても、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を含む光偏向器の配置が制限されることがなく、かつ二次元光導波路層全域を使い柔軟に光信号伝送を再構成できる光電融合基板を実現でき、電気回路基板の信号の一部または全てを二次元光導波路素子を用いた光信号の授受によって配線させて電子機器を動作させることができる。

本発明の光偏向素子の構成によれば、光路変換手段に対する光素子の位置の自由度が比較的大きくできる。また、より具体的な構成によれば、基板などに形成されたアクチュエーターを駆動していない中立位置において、光を光路変換構造体で比較的大きく偏向させることができ、アクチュエーターを駆動することで中立位置での偏向方向の周りで光の偏向方向を変化させることができる光偏向素子を実現できる。こうした光偏向素子は、その特徴を生かして、光偏向器、二次元光導波路素子、光電融合基板などに用い得る。

以下に、添付図面を参照し、実施例を挙げて本発明の実施の形態を具体的に説明する。
（実施例1）
図1は本発明による実施例1である光偏向素子を示した断面図である。図1において、100はシリコン基板、102は酸化シリコン、104はアクチュエーターである圧電ユニモルフの下部電極、106は圧電ユニモルフの圧電体層、108は圧電ユニモルフの上部電極、110はアクチュエーター上に設けられた光路変換構造体、及び112はアクチュエーターに対して不動位置にある半導体レーザである。光路変換構造体110と半導体レーザ112は、半導体レーザ112より出射されたレーザ光が光路変換構造体110に結合し、圧電体層106に電圧が印加されていない中立位置のときほぼ90度光路変換されるような位置関係にある。なお、光路変換構造体110はミラーとして機能させるため、表面は金属膜（Au）である。

次に、本実施例の光偏向素子の作製方法を示す。図2は、この光偏向素子の作製方法を説明する模式断面図である。図2において、200はシリコン(100)基板、202及び204は酸化シリコン、206は圧電ユニモルフの下部電極、208は圧電ユニモルフの圧電体層、210は圧電ユニモルフの上部電極、212は光路変換構造体、214は半導体レーザ、及び216はレジストパターンである。

まず、図2(a)に示すように、シリコン(100)基板200に熱酸化法により酸化シリコン202, 204を1μm形成する。次に、図2(b)に示すように、圧電ユニモルフの下部電極206としてTi/Pt（Tiの厚さ：4nm、Ptの厚さ：150
nm）をスパッタ法により成膜する。続いて、図2(c)に示すように、圧電ユニモルフの圧電体層208としてPZT（Pb(Zr_xTi_1-x)O₃）を3μm成膜する。本実施例においては、圧電体層を単一配向結晶として成膜できたため、優れた圧電特性を示した。次に、図2(d)に示すように、圧電ユニモルフの上部電極210としてTi/Pt（Tiの厚さ：4nm、Ptの厚さ：150
nm）をスパッタ法により成膜する。上部電極形成後、図示しないが、長さ1000μm、幅100μmのエッチングマスクを形成し、両電極206、210をArによるドライエッチング、またPZT208をフッ硝酸溶液によりウエットエッチングし、図2(d)に示す短冊形の圧電ユニモルフを形成する。

続いて、図2(e)に示すように、光路変換構造体212を圧電ユニモルフカンチレバーの先端部に、半導体レーザ214の出射光がこの光路変換構造体212に結合するように実装する。この光路変換構造体212は、例えばシリコンモールドを用いて形成し、一辺80μmの四角錐形状をしている。この光路変換構造体表面はAuで覆われている。他方、半導体レーザ214は別途作製し、図2(e)に示すように実装している。半導体レーザ214は、酸化シリコン膜204上に形成した配線（図示せず）にワイヤボンディングにより接続する。

続いて、図2(f)に示すように、レジストパターン216をフォトリソグラフィー技術により形成する。次に、図2(g)に示すように、CF₄ガスを用いたRIE（Reactive
Ion Etching：反応性イオンエッチング）法により酸化シリコン202をエッチングし、基板200の他の表面がさらされないようにして、110℃に加熱した水酸化カリウム水溶液によりシリコン基板200をウエットエッチングする。次に、図2(h)に示すように、CF₄ガスを用いたRIE法により酸化シリコン204をエッチングし、カンチレバー型のアクチュエーターとした。

ここで、半導体レーザ214の作製方法を述べる（図示せず）。まず、n型GaAs基板上にMOCVD（Metalorganic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長）法により、バッファ層としてのn-GaAs層1μm、クラッド層としてのn-AlGaAs層2μm、n-Al_0.4Ga_0.6As層2μm、活性層としてのノンドープGaAs層100ÅとノンドープAl_0.2Ga_0.8As層30Åを4回繰り返し成長して最後にノンドープGaAs層100Åを成長した多重量子井戸層、クラッド層としてのp-Al_0.4Ga_0.6As層2μm、キャップ層としてのp-GaAs層0.5μmを順次成長する。続いて、電流注入領域を制限するために活性層の手前0.4μmまで、Cl₂ガスを用いたRIBE（Reactive
Ion Beam Etching：反応性イオンビームエッチング）法によりドライエッチングする。その後、エッチングメサの上面が露出するようにポリイミドで埋め込みを行う。そして、アノード電極（Ti/Au：500Å/3000Å）及びカソード電極（AuGe/Au：1000Å/3000Å）を蒸着して熱処理を行う。最後に、共振器長300μmとなるようにして半導体レーザ214を形成する。

本実施例では780 nm帯の半導体レーザを用いたが、これに限定されるものではなく、850 nm帯や1300 nm帯の半導体レーザであってもよい。また、本実施例では半導体レーザ214を酸化シリコン204上に実装したが、これに限定されるものではなく、カンチレバーの不動部分上に実装してもよい。

また、本実施例では、圧電体層208としてPZTを用いたが、これに限定されるものではなく、PMN[Pb(Mg_xNb_1-x)O₃]、PNN[Pb(Nb_xNi_1-x)O₃]、PSN[Pb(Sc_xNb_1-x)O₃]、PZN[Pb(Zn_xNb_1-x)O₃]、PMN-PT{[Pb(Mg_xNb_1-x)O₃]_(1-y)-[PbTiO₃]_y}、PSN-PT{[Pb(Sc_xNb_1-x)O₃]_(1-y)-[PbTiO₃]_y}、PZN-PT{[Pb(Zn_xNb_1-x)O₃]_(1-y)-[PbTiO₃]_y}、LN[LiNbO₃]、KN[KNbO₃]などであってもよい。ここで、xおよびyは1以下で0以上の数である。例えば、PMNの場合xは0.2〜0.5で、PSNではxは0.4〜0.7が好ましく、PMN-PTのyは0.2〜0.4、PSN-PTのyは0.35〜0.5、PZN-PTのyは0.03〜0.35が好ましい。また、PMN-PT、PZN-PT、PNN-PT、PSN-PTにZrがTiに代替されて含まれたPMN-PZT、PZN-PZT、PNN-PZT、PSN-PZT化合物であってもよい。また、圧電体層208は単一組成であっても良いし、2種類以上の組み合わせでもよい。また、上記主成分に微量の元素をドーピングした組成物であってもよい。

本実施例の動作例を説明する。図3は、図1に示した光偏向素子において、圧電ユニモルフ304に電圧を印加して、半導体レーザ302から出射した光を光路変換構造体300で偏向させる様子を示した断面図である。図3(a)はプラス電圧を印加した場合、図3(b)はマイナス電圧を印加した場合を示す。圧電ユニモルフ304の上下電極間に電圧を印加すると、図3に示すように圧電ユニモルフ304は湾曲し、光路変換構造体300により光路変換されるレーザ光の進行方向の角度を変更できる。本実施例で作製した圧電ユニモルフ304のサイズは長さ1000μm、幅100μmであり、上部電極と下部電極の間に±25Vの電圧を印加すると、圧電ユニモルフ304は中立位置を挟んで先端振れ角±5度で振動する。

図3に示すように、光路変換構造体300として四角錐形状のものを用いると、電圧を印加していない中立位置では、半導体レーザ302からの出射光が図中下方にほぼ90度光路変換されていたものが、上部電極と下部電極の間に0Vから±25
Vまでの電圧を印加すると、半導体レーザ302からの出射光はほぼ85度から95度光路変換させることができる。本実施例では印加電圧を±25 Vとしたが、これに限定されるものではなく、例えば±50V印加した場合では、圧電ユニモルフ304は中立位置を挟んで先端振れ角±10度で振動する。

本実施例では、四角錐型の光路変換構造体を用いたが、これに限定されるものではなく、図4に示すように半球状光路変換構造体400などの形状であってもよい。この場合、四角錐形状の光路変換構造体300を用いた場合と比較して、半導体レーザからの出射光をより広い角度範囲で光路変換させられる。

また、本実施例では、圧電ユニモルフのサイズを長さ1000μm、幅100μmとしたが、これに限定されるものではなく、場合に応じて変化させてもよい。作製方法も上記のものに限定されるものではない。圧電体層の厚さも、3μmとしたが、これに限定されるものではなく、場合に応じて変化させてもよい。また、カンチレバー型アクチュエーターを圧電ユニモルフ構造としたが、これに限定されるものではなく、圧電バイモルフ構造などであってもよい。さらに、アクチュエーターと半導体レーザをそれぞれ1つ備える光偏向素子であったが、これに限定されるものではなく、1つのアクチュエーターに対して２つ以上の半導体レーザを有したもの、また多数のアクチュエーターや半導体レーザがアレイ状に実装されたものであってもよい。

（実施例2）
図5は本発明による光偏向素子を用いた二次元光導波路素子である実施例2を示した図である。図5(a)のA-A’断面図が図5(b)である。図5において、500は第1のクラッド層、502はコア層、504は第2のクラッド層、506は光路変換構造体、508は光偏向器、および510は受光素子である。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502とそれを挟む第1および第2のクラッド層500、504より構成される。本実施例においては、コア層502に屈折率1.59のZ型ポリカーボネート（PCZ）120μmを用い、第1のクラッド層500として屈折率1.53のガラス基板、第2のクラッド層504として屈折率1.53のノルボルネン樹脂（アートン）50μmを用いた。

上記のごとく本実施例では、コア層、第1及び第2のクラッド層としてそれぞれ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、これに限定されるものではなく、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それと比較して大きい値であれば、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリシラン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るものではなく、ガラス基板500の代わりに樹脂フィルムを用いて二次元光導波路層の厚みを数百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。

本実施例においては、レーザを備える光偏向器508より出射されたレーザ光が、二次元光導波路層内に形成された光路変換構造体506に上方より結合するように光偏向器508を配置する。本実施例で用いた光偏向器508は、図6に示すように、実施例1で示した光偏向素子600がブロック602に実装されたものであり、ブロック602内に圧電アクチュエーター及び半導体レーザ駆動用の配線がされており、ブロック602外面に複数のバンプ604が形成されている。

次に、光偏向器から出射されたレーザ光の二次元光導波路層への光結合の様子を説明する。図7は、この様子を説明する図である。図7において、700はブロックに光偏向素子が実装された光偏向器、702は二次元光導波路層、704は光路変換構造体、706は光偏向器700より出射されたレーザ光、708は二次元光導波路層702全域に広がる拡散光、及び710は拡がり角を有した拡散光である。二次元光導波路層702内には、半径30μmの半球状の光路変換構造体704が形成してあり、図7に示すように、光偏向器700により偏向されたレーザ光が光路変換構造体704に上方より結合するように光偏向器700が実装されている。光偏向器700の圧電アクチュエーターに電圧を印加せずにレーザ光を光偏向器700から出射させた場合は、図7(a)に示すように、半球状の光路変換構造体704の頂点を中心にビーム径15μmのレーザ光として結合し、二次元光導波路層702内全域に拡散光708として伝播する。他方、図7(b)に示すように、光偏向器700の圧電アクチュエーターに電圧を25V印加した場合は、印加していない場合と比較して図7右方に5度レーザ光が偏向され、半球状の光路変換構造体704の頂点よりずれた位置に結合して、約45度の広がり角を有した拡散光710として二次元光導波路層702内を伝播する。レーザ光のビーム径を小さくすると拡がり角が小さくなり、指向性を有したビーム光として伝播させることもできる。

二次元光導波路層702内を伝搬してきたレーザ光は、受光素子近傍に設けられた光路変換構造体（図5の受光素子510近傍に設けられた光路変換構造体506参照）により上方へ曲げられ、受光素子に結合される。

本実施例では、半径30μmの半球状の光路変換構造体を用いたが、これに限定されるものではなく、本発明の光偏向器により偏向されるレーザ光の角度及びビーム径との兼ね合いにより、任意の大きさを選定することができる。また、光路変換構造体を半球状としたが、これに限定されるものではなく、楔形形状、円錐形状或いは多角錐形状などであってもよい。

また本実施例においては、光導波路層を二次元光導波路層（フィルム状の光導波路）としたが、これに限定されるものではなく、ライン導波路（一次元光導波路）或いは該二次元光導波路層（フィルム状の光導波路）と該ライン導波路（一次元光導波路）の両者を混載した構造を有する光導波路層であってもよい。

次に、本実施例の二次元導波路素子の作製方法を示す。図8は二次元導波路素子の製造方法を説明する模式断面図である。同図において、800はガラス基板、802はメッキ用全面電極、804はフォトレジスト、806はメッキ用窓、808は光路変換構造体、810はコア層、812は第2のクラッド層、814は電極配線、816は本発明の光偏向器、818はバンプ、820は受光素子、および822は第1のクラッド層である。

まず、図8(a)に示すように、ガラス基板800上にメッキ用全面電極としてCr/Au802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804のパターニングを行い、光路変換構造体808を形成したい位置にメッキ用窓806を形成する。次に、図8(b)に示すように、半径30μmの半球形状のメッキ物が形成されるようにNi電解メッキを行う。ここで、フォトレジスト804を除去すると半球状の光路変換構造体808が得られる。次に、図8(c)に示されるように、比較的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810を形成する。続いて、コア層810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812を形成する。

次に、図8(d)に示すように、前記第2のクラッド層812上に電極配線814を形成する。このとき、光路変換構造体808に光偏向器816から出射されたレーザ光が結合するように光偏向器816を実装するための孔が、第2のクラッド層812にレーザ加工により形成してある。同時に、受光素子820を実装するための孔も形成する。続いて、光偏向器816及び受光素子820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。なお、光偏向器816の外面には、他の部分に実装するためのバンプ818が形成されている。次に、図8(e)に示すように、コア層810より上部を剥離する。そして、必要に応じて、図8(f)に示すように、剥離したコア層810より上部を、コア層810より屈折率の値の小さい第1のクラッド層822に貼り合わせる。第1のクラッド層822として、ノルボルネン樹脂フィルムなどを用いることにより、折り曲げ可能なフレキシブルな二次元導波路素子を得られる。

本実施例では、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、これに限定されるものではなく、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のクラッド層および第2のクラッド層は必要ではない。

また、本実施例では、コア層中の光路変換構造体の作製方法としてメッキによる作製を行ったが、これに限定されるものではなく、他の作製方法、例えば熱可塑性の物質をリフローして作製する方法などであってもよい。さらに、光偏向器に1つの光偏向素子を内蔵したものを用いたが、これに限定されるものではなく、光偏向素子がアレイ状に配置されたものを内蔵した光偏向器を用いてもよい。

（実施例3）
実施例3は光電融合基板に関わる。実施例2に示した二次元導波路素子と電気回路基板を組み合わせて作製した本実施例の光電融合基板を図9に示す。図9において、900はCPU、902、904、906および908はRAM、910および912は電子デバイス（LSI）、914は本発明の光偏向器、916は受光素子、918は伝送線路（電気配線）、920はビーム光、922は拡散光、924は二次元光導波路層、926および928は電気回路基板である。図9(a)は、図9(b)の光電融合基板を矢印の方向から見た図であり、図9(a)においては二次元光導波路層924および電気回路基板928は図示していない。

図10は光電融合基板の断面図である。CPU1000は電気回路基板1002上にハンダボール1004を用いてフリップチップボンディングされている。CPU1000と二次元光導波路層1006に内蔵された光偏向器1008との接続は電気回路基板1002に形成された内部配線1010を通して行われている。光偏向器1008は上述したバンプなどで電気回路基板1002に実装されている。

従来の電気配線基板では、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、EMIの影響や配線遅延などにより、常に安定したデータ転送をすることに困難が生じる場合がある。このような場合に、図9に示した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。例えば、CPUからの電気信号を光偏向器914または1008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器へ伝送する信号伝送方法を説明する。図9に示すように、CPU900に電気的に接続された光偏向器914は二次元導波路層内に埋め込まれており、光偏向器914から出射されたレーザ光が光路変換構造体（図示せず）に結合し二次元光導波路層924内を伝播する。このとき光偏向器914内の光偏向素子の半導体レーザの注入電流を制御することにより、指向性を有したビーム光伝播あるいは拡散光伝播を選択でき、また光偏向器914内の光偏向素子の圧電アクチュエーターへの印加電圧を制御することにより二次元光導波路層924内を伝播するレーザ光の伝播方向、伝播状態を制御することができる。このようにして二次元光導波路層924内を伝播したレーザ光は受光素子916近傍に設けられた光路変換構造体（図示せず）に結合し、受光素子916へと導かれる。受光素子916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。

図9においては、光偏向器914内の光偏向素子の半導体レーザへの注入電流及び光偏向器914内の光偏向素子の圧電アクチュエーターへの印加電圧を制御することにより、RAM902へ高速の信号をビーム光914伝播で送信することと、3つのRAM904、RAM906、RAM908へ拡散光922伝播として同時に伝送することを、切り替えて行っている。なお、CPU、RAMおよびLSIはそれぞれ光偏向器およ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。

本実施例でも、光導波路層を二次元光導波路層（フィルム状の光導波路）としたが、これに限定されるものではなく、ライン導波路（一次元光導波路）或いは該二次元光導波路層（フィルム状の光導波路）と該ライン導波路（一次元光導波路）の両者を混載した構造を有する光導波路層であってもよい。

また、本実施例では、光電融合基板は光配線層が電気配線層に挟まれた形状で構成されているが、これに限定されるものではなく、光配線層が電気配線層の上部或いは下部、または電気配線層を光配線層で挟む形状であってもよい。また、本実施例では二次元光導波路層は単層であったが、多層としてもよい。

なお、信号は必ず光により伝送する必要はなく、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。信号を光または電気で伝送するかは伝送を管理するデバイスが決定する。

このように二次元光導波路層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の問題を改善することができる。

また、光偏向器内の光偏向素子の半導体レーザへの注入電流、及び光偏向器内の光偏向素子の圧電アクチュエーターへの印加電圧を制御することにより、ビーム光伝播と拡散光伝播のいず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ることにより、拡散光伝播の広がり角を変えられ、光信号伝送領域の再構成が可能となる。

本発明による実施例1である光偏向素子を説明する断面図である。 実施例1の製造方法を説明する断面図である。 実施例1の駆動の様子を説明する断面図である。 実施例1の変形例を説明する断面図である。 本発明の実施例2である二次元光導波路素子を説明する図である。 実施例2におけるブロックに集積した光偏向器を説明する断面図である。 本発明の実施例2における光偏向器から出射されたレーザ光の二次元光導波路層への光結合の様子を説明する図である。 実施例2の二次元光導波路素子の製造方法を説明する断面図である。 本発明の実施例3である光電融合基板を説明する図である。 実施例3の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、200：シリコン基板
102、202、204：酸化シリコン
104、206：圧電ユニモルフの下部電極
106、208：圧電ユニモルフの圧電体層
108、210：圧電ユニモルフの上部電極
110、212、300、506、704、808：光路変換構造体
112、214、302：半導体レーザ
216：レジストパターン
304：圧電ユニモルフ
400：半球状光路変換構造体
500、822：第1のクラッド層
502、810：コア層
504、812：第2のクラッド層
508、600、816、914、1008：光偏向器
510、820、916：受光素子
602：ブロック
604、818：バンプ
700：ブロックに光偏向素子が実装された光偏向器
702、924、1006：二次元光導波路層
706：光偏向器から出射されたレーザ光
708：全域に広がる拡散光
710、922：広がり角を有した拡散光
800：ガラス基板
802：メッキ用全面電極
804：フォトレジスト
806：メッキ用窓
814：電極配線
900、1000：CPU
902、904、906、908：RAM
910、912：電子デバイス（LSI）
918：伝送線路（電気配線）
920：ビーム光
926、928、1002：電気回路基板
1004：ハンダボール
1010：内部配線

Claims (10)

1. 光路変換手段が変位可能な可動部に設けられ、前記可動部に電気信号を与えることで該可動部を変位させ、前記光路変換手段の位置を変化させるようにしたことを特徴とする光偏向素子。
2. 前記可動部は、アクチュエーターとして機能し、該アクチュエーターに設けられた前記光路変換手段とは別に、光素子を有し、該光素子から出射された光が該光路変換手段により反射されるか、又は該光素子とは別の素子から出射され前記光路変換手段により反射された反射光が前記光素子に入射するように構成され、前記アクチュエーターを変位させることで、前記光路変換手段の位置を変化させ、前記光素子から出射された光の方向を変化させるか、又は前記光路変換手段により反射され前記光素子に入射する反射光を変化させる請求項１に記載の光偏向素子。
3. 前記光素子は、発光素子又は受光素子で構成される請求項２に記載の光偏向素子。
4. 前記アクチュエーターは圧電アクチュエーターである請求項２に記載の光偏向素子。
5. 前記アクチュエーターは片持ち梁（カンチレバー）形状である請求項２に記載の光偏向素子。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光偏向素子と、該光偏向素子を支持する筐体とを備えることを特徴とする光偏向器。
7. 請求項６に記載の光偏向器と、光導波路層と、前記光偏向器と前記光導波路層間の光路変換を担う第２の光路変換手段とを有することを特徴とする二次元光導波路素子。
8. 前記光偏向素子に設けられている光路変換手段又は前記第２の光路変換手段の形状が、球形状、楔形形状、円錐形状、或いは多角錐形状から選択される請求項１に記載の光偏向素子又は請求項７に記載の二次元光導波路素子。
9. 前記光偏向素子に設けられている光路変換手段と、前記第２の光路変換手段を利用して、前記光素子から出射される光を、前記光導波路層内の所望の方向に所望の状態で伝送する請求項７に記載の二次元光導波路素子。
10. 請求項７に記載の二次元光導波路素子を電気回路基板と電気的に接続が得られるように形成した光電融合基板であって、前記電気回路基板の信号の一部又は全てを前記二次元光導波路素子を用いた光信号の授受によって伝送することを特徴とする光電融合配線基板。

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