JP2005134493A - 光配線板 - Google Patents
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Abstract
【課題】光配線板において、平行光を得るための光出射部/レンズ間の光路長を基板の厚みを増すことなく確保することを可能とする。
【解決手段】光配線板1は、基板2とその内部又は表面に光信号を伝播させる光配線3と、光配線3の光軸の延長上に配される光偏向器4と、基板2の表面に配された光信号を略平行光50とするための凸レンズ5とを備えている。光配線3の、右端側から導波する光は、光配線3の終端から基板2内を広がりながら進み、空気雰囲気の空洞6を進んだ後、光偏向器4に至り、光全体としての進路を90゜偏向して上方の凸レンズ5によって上向きの平行光50となる。光配線板1は、光配線3の終端部(光出射部)に直結することなく光配線3の光軸の延長上に光偏向器4を配する構造により基板の厚みを増すことなく、平行光が得られる。
【選択図】図1
【解決手段】光配線板1は、基板2とその内部又は表面に光信号を伝播させる光配線3と、光配線3の光軸の延長上に配される光偏向器4と、基板2の表面に配された光信号を略平行光50とするための凸レンズ5とを備えている。光配線3の、右端側から導波する光は、光配線3の終端から基板2内を広がりながら進み、空気雰囲気の空洞6を進んだ後、光偏向器4に至り、光全体としての進路を90゜偏向して上方の凸レンズ5によって上向きの平行光50となる。光配線板1は、光配線3の終端部(光出射部)に直結することなく光配線3の光軸の延長上に光偏向器4を配する構造により基板の厚みを増すことなく、平行光が得られる。
【選択図】図1
Description
本発明は、高速信号伝送等の用途において用いられる光配線板に関する。
従来、高速信号伝送等の用途において、光配線と電気配線とが混在する光電気配線基板が用いられている。光電気配線基板は、光配線が施された光配線板と電気配線が施された電気配線板とが一体化して構成されている。例えば、光配線板の表面に電気配線が施される。光配線板の光入出力端と、電気配線板におけるフォトダイオード(PD)やレーザダイオード(LD)等の光電気変換素子の受発光部との間には、光信号接続を行う光電気結合部が設けられている。通常、光配線板の光は光配線板に平行に導波され、また、光電気変換素子の受発光部への光の入出射方向は光配線板に垂直である。そこで、光電気結合部は、光配線の伝播光の光軸を90゜偏向して受発光部へと向かわせる光偏向器と、受発光部の位置決め緩和などのための凸レンズ等で構成される。光電気結合部として、図11に示すように、光配線板90に平行に光を伝搬させるコア91とクラッド92とからなる光導波路に対して傾きを有するミラー94を光導波路端(コア91端)に設けて光偏向器とし、ミラー94の直上に平行光化や集光用のレンズ93を設けて、伝播光の光軸を受発光部へ向かわせるものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2001−166167号公報
しかしながら、上述したような光配線板90や従来の光配線板における光偏向器は、光導波路端に直接、すなわち介在物や介在空間をおかずに導波路の光伝播部分(コア部分)に直結して、形成されている。このような光偏向器では、伝播光の光軸を90゜偏向した後、ミラー直上に形成されたレンズヘと伝播光を導くので、平行ビーム化のために必要な光路長をミラーからレンズまでの光配線板の厚み部分で確保することになり、光配線板が厚くなるという問題がある。光配線板が厚いと、光配線板の反り発生や、光配線板組込機器の小型薄型化阻害などの問題がある。
本発明は、上記課題を解消するものであって、平行光を得るための光出射部/レンズ間の光路長を基板の厚みを増すことなく確保できる光配線板を提供することを目的とする。
上記課題を達成するために、請求項1の発明は、基板と、該基板内部又は表面に光信号を伝播させる光配線とを備えた光配線板において、前記光配線の光軸の延長上に配され、該光配線を伝播する光信号を基板表面へと偏向させる光偏向器と、前記基板表面に配され、前記光偏光器により偏向された光信号を略平行光とするための凸レンズとを備えたことを特徴とする光配線板である。
請求項2の発明は、請求項1に記載の光配線板において、前記凸レンズは、1個で前記光偏向器で偏向された複数の光信号を略平行光とするものである。
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2に記載の光配線板において、前記光偏向器は、凹面ミラーである。
請求項4の発明は、請求項1又は請求項2に記載の光配線板において、光偏向器は、反射面を備え、該反射面の傾斜方向が前記凸レンズの中心部に向かっているものである。
請求項5の発明は、請求項1又は請求項2に記載の光配線板において、前記光偏向器は、反射面を備え、前記光配線の断面径をTf、前記光配線と光偏向器間の距離をLとしたときの前記反射面の径が少なくともTf+0.5×Lで求められる値以上である。
請求項6の発明は、請求項1又は請求項2に記載の光配線板において、前記光配線と光偏向器との間に空洞を備えたものである。
請求項7の発明は、請求項1又は請求項2に記載の光配線板において、前記凸レンズは、前記基板の屈折率よりも小さい屈折率の材料で構成されているものである。
請求項8の発明は、請求項1又は請求項2に記載の光配線板において、光配線の光軸の延長上で光偏向器に至る光路を横切る界面に反射防止膜を備え、該反射防止膜は、光透過性の薄膜であり、かつその膜厚が光信号として用いる光波長の略1/4である。
請求項1の発明によれば、光配線の端部(光出射部)に直結することなく光配線の光軸の延長上に光偏向器を配するので、光偏向器に至る光配線の光軸の延長線上の空間を、平行光を得るための光出射部/レンズ間の光路として用いることができ、従って、基板の厚みを増す必要がない。
請求項2の発明によれば、マイクロレンズアレイのような高価な素子を用いることなく、安価で、扱い易い凸レンズやボールレンズを用いることができ、低コスト化が可能である。また、このようなレンズは、形状精度も高く、光配線板の安定した品質を保つことが可能となる。
請求項3の発明によれば、レンズ機能の一部をミラーに持たせることができるので、レンズの厚みを薄くして高さを低くすることが可能となり、光電気変換素子(PD、LD等)の実装高さを低くして安定した実装が可能となる。
請求項4の発明によれば、レンズの加工精度の高い中心部を使用することになるので、安定したレンズ機能を得ることができる。
請求項5の発明によれば、光配線からの放射光のほとんどを光偏向器の反射面で受けることができるので、光損失がなく、従って最終的な光電気結合効率を向上させることができる。
請求項6の発明によれば、略真空と同等に低い屈折率を有する空気層を光配線と光偏向器との間に設けているので、光偏向器に至る光路中で光をより効果的に広げることができる。
請求項7の発明によれば、凸レンズと基板の屈折率差により、境界面で光の広がり角を大きくでき、結果として、出射光の平行度を効果的に増すことができる。
請求項8の発明によれば、光配線から光偏向器に至る光路における光反射ロスを低減できるので、光電気結合効率を向上させることができる。
以下、本発明の一実施形態に係る光配線板について、図面を参照して説明する。図1(a)(b)は、光配線板1を示す。光配線板1は、基板2とその内部又は表面に光信号を伝播させる光配線3とを備え、光配線3の光軸の延長上に配され光配線3を伝播する光信号を基板2表面へと偏向させる光偏向器4と、基板2の表面に配され前記偏向された光信号を略平行光50とするための凸レンズ5とを備えている。光配線3と光電気変換素子の受発光部(不図示)とを光結合する広い意味の光電気結合部(実際の光電気結合場所は光電気変換素子内部)が、光偏向器4と凸レンズ5により構成されている。基板2は、ベース基板21上に形成されている。また、凸レンズ5は、円形窪み51に配置して、接着樹脂52により固定されている。光配線板1の製造工程は後述される。
光配線板1において、光配線3は、基板2よりも大きな屈折率を有し、基板2の中に埋め込まれて形成されている。光配線3は光ファイバのコアに対応し、また基板2は光ファイバのクラッドに対応している。矩形断面をした光配線3は、基板2の内部で終端している。ここで、光信号を電気信号に変換する場合の、光電気結合部の動作を説明する。光配線3の、図の右端側から導波する光は、図1(b)に示すように、光配線3の終端から基板2内を広がりながら進み、基板2を抜けてさらに広がりながら空気雰囲気の空洞6を進んだ後、反射面からなる光偏向器4に至り、光全体としての進路を90゜偏向して上方の凸レンズ5によって上向きの平行光50となって、図示しない光電気変換素子の受発光部に入射する。
上述のように、光配線板1は、光配線3の終端部(光出射部)に直結することなく光配線3の光軸の延長上に光偏向器4を配して、光偏向器4に至る光配線3の光軸延長上の空間すなわち基板2と空洞6とを、平行光を得るための光出射部/レンズ間の光路としている。このような構成にすると、基板の厚みを増すことなく、光電気結合部を形成することができる。
また、前記光偏向器4を構成する反射面の有効径Dは、光配線3の断面径をTf、光配線3の終端と光偏向器4の間の距離Lとしたとき、D≧(Tf+0.5×L)を満たすようにされている。このような反射面の有効径Dとすることで、光配線3からの放射光のほとんどを光偏向器4の反射面で受けることができる。また、基板2よりも屈折率の低い空気層(空洞6)を光偏向器4と基板2との間に設けることにより、光の広がり角度をより大きくできる。
次に、配線板1の製造工程について説明する。図2(a)〜(f)は、基板2と光配線3とからなる光導波路の形成工程を示し、図3(a)〜(d)は光電気結合部の形成工程を示す。まず、図2(a)に示すように、ベース基板21の上に基板用樹脂20が塗布され、UV光(紫外光、2500mJ/cm2、365nm)により硬化されて、基板2の一部が形成される。
基板用樹脂20は、UV硬化型樹脂であり、例えば、UV硬化エポキシ樹脂OC3514(米EMl社製)、屈折率n=1.50(589nm)が用いられる。ベース基板21は、例えばFR−4基板が用いられる。基板用樹脂20の塗布は、例えば、スピンコータにより、温度/回転数の条件を20℃/700rpm×20sとして行われる。
続いて、図2(b)に示すように、基板2の表面所定位置に直径φ100μmの円形のガイドマークPが、金の蒸着により形成される。ガイドマークPは、後工程における、マスク設定や加工時の位置合わせに用いられる。
続いて、図2(c)(d)に示すように、光配線用樹脂30がスピンコータにより塗布され、マスクM1を介してのUV露光・硬化、さらに現像等のフォトリソグラフイによる光配線3の形成が行われ、パターニングされた光配線3が得られる。図に示す例では、40μm幅、250μmピッチの光配線3が5本並列に形成されている(両側の光配線3はダミーであり、以下において、中央の光配線3のみが用いられる。)。
光配線用樹脂30として、例えば、UV硬化エポキシ樹脂OC3553(米EMI社製)、屈折率n=1.52(589nm)が用いられる。スピンコート条件は、20℃/1400rpm×20sである。露光は、ガイドマークPを用いてマスクM1の位置合わせを行った後、超高圧水銀ランプを用いて投影露光により行われる。未硬化部分が除去され、光透過して硬化した光配線3、及びガイドマーク部が残る。超音波洗浄条件は、花王クリンスルー2倍希釈液で45秒処理、その後、イオン交換水で30秒処理である。
続いて、図2(e)(f)に示すように、上述の光配線3のパターンの上に、再度、基板用樹脂20を塗布して、成型型としてのガラス板Gを所定の高さ(例えば、光配線3の下部から400μm)に保って乗せ、UV光照射により硬化して、ベース基板21の上に、基板2の材料で囲まれた光配線3を有する光導波路が形成される。
UV光照射条件は、2500mJ/cm2(365nm)である。ガラス板Gは、表面にフッ素樹脂「Cytop(旭硝子製)」をスピンコートして、180℃で焼結する離型処理を行ったものが用いられ、ガラス板Gは、基板用樹脂20が硬化後に剥離除去される。
続いて、図3(a)(b)に示すように、前記5本の光配線3のうち中央の配線に合わせ、光配線端部から距離d=0.9mmの位置に、エキシマレーザ光ELを用いて、直径φ0.5mm、深さ0.05mmの円形窪み51を形成する。マスクM2の位置決めには、上述のガイドマークPを用いる。レーザ光ELの条件は、エネルギー10mJ/mm2、ショット数80である。
続いて、図3(b)(c)に示すように、頂角45゜の回転ブレード61を用いて、光偏向器用の斜面62と、空洞6を彫り込む。位置決めには、上述のガイドマークP(図3では表れない)が用いられる。回転ブレード61は、ディスコ社製#5000ブレード(型番B1E863SD5000L100MT38)であり、加工条件は、回転数30000rpm、下降速度0.03mm/s、切り込み深さ400μmである。5本の導波路3の全てを横切るように0.1mm/sの速度で走査して加工した後、ブレードを離脱する。
続いて、図3(c)(d)に示すように、蒸着源41からの金蒸気42を、空洞6の斜面62に蒸着して1700Åの金層からなる反射膜として、光偏向器4を形成する。斜面62に選択的に蒸着するため、メタルマスクM3を用い、さらに、蒸着源41を約10゜傾けて蒸着する。
続いて、図3(d)に示すように、円形窪み51に凸レンズ5を装着する。凸レンズ5は、直径φ0.5mm、材質BK7、屈折率1.517(589nm)、焦点距離1mmの平凸レンズ(夏目光学製)である。凸レンズ5の周囲に前述の基板形成用樹脂30(接着剤52となる)を流してUV照射による硬化・固定して、光配線板1が完成する。
上述の工程によって完成した光配線板1の右端部(光偏向器4と反対側)を研磨して5本の光配線の中央の光配線3の端面から、波長630nmレーザ光を入射させた。光偏向器4と凸レンズ5を通過したレーザ光を計測したところ、拡がり角約3゜、ビーム径約400μmの略平行光の出射を確認できた。入射光パワーに対する出射光パワーの割合は、約70%(1.5dB)であった。光配線板1のベース基板21より上の部分の厚みは450μm(光配線板全体の厚みは約2mm)であった。このように、光配線板1は、光配線3の光出射部から凸レンズ5までの光を広げるための距離を光配線板1の表面に平行な面内で稼いで、光配線層を厚くすることなく平行光を得ることができる。
次に、本発明の他の一実施形態に係る光配線板について説明する。図4は、複数の光配線3に対して共通の光偏向器4と凸レンズ5を用いる光配線板1を示す。光配線3は、例えば、前出の図2(f)に示したのと同様に形成される。図4に示す光配線板1では、前出の図2(e)におけるガラス板Gの所定の高さ400μmからさらに高くして、光配線3の下部から基板2の表面までの高さを1mmとしている。また、光配線3の端部からの距離d=3.5mmの位置に凸レンズ5配置用の円形窪み51が設けている。円形窪み51の径はφ2mm、深さは0.05mmである。また、空洞6を形成するブレードの切り込み深さは1mmである。前述同様に、光偏向器4を形成した後、円形窪み51に凸レンズ5を装着固定した。凸レンズ5は、直径φ2mm、材質BK7(ガラス仕様)、屈折率1.517(589nm)、焦点距離4mmの平凸レンズ(夏目光学製)である。凸レンズ5の周囲に前述の基板形成用樹脂30を流してUV照射による硬化・固定して光配線板1が完成する。
上述の配線板1の右端部を研磨して5本の光配線3の端面から、波長630nmレーザ光を入射させた。光偏向器4と凸レンズ5を通過したレーザ光を計測したところ、全ての光配線3について、拡がり角約3゜、ビーム径が端から順に約300μm、370μm、400μm、370μm、300μmの略平行光の出射を確認できた。このような光配線板1によると、マイクロレンズアレイのような高価な部品ではなく、安価な凸レンズやボールレンズを用いることができる。
次に、本発明のさらに他の一実施形態に係る光配線板について説明する。図5は、凹面ミラーを光偏向器4とした光配線板1を示し、図6は、光配線板1の製造用の金型を示し、図7(a)(b)、乃至図8(a)〜(f)は光配線板1の製造工程を示す。図5に示す光配線板1は、前出の図1に示した光配線板1と異なり、光偏向器4が凹面ミラーで形成され、凹面ミラーは集光機能があるため凸レンズ5の光平行化機能の一部を分担することができる。従って、凸レンズの厚みが、図1のものに比べて薄く(焦点距離が長く)なり、光配線板1の全体の厚みも薄くできる。
上述のような、光偏向器4を形成する凹面ミラーの形成は、前出の光配線板と異なって、ブレードによる切削加工ではなく、例えば、図6(a)(b)に示す金型によって行われる。この金型は、1本の光配線に対応する1個の凹面ミラーを形成するものである。凹部71に形成された凹面72の曲率半径Rは、例えばR=2mmである。以下、この光導波路板1の製造工程を示す。
まず、図7(a)(b)に示すように、金型7の上に、基板用樹脂20を、条件20℃/300rpm×10s、その後1000rpm×60sでスピンコートして、その上からガラス基板25(厚さ5mm)を接着し、ガラス基板25を通して超高圧水銀ランプによるUV光照射(2500mJ/cm2、365nm)を行い、硬化させる。その後、ガラス基板25と一体になった基板2を金型7から剥離する。
続いて、図8(a)に示すように、凹面部分とガイドマーク予定部分に、マスクM4の開口を通して金蒸気42を厚さ1700Å蒸着させ、光偏向器4とガイドマークPを基板2の表面に形成する。さらに、図8(b)〜(e)に示すように、基板用樹脂20の塗布と硬化、光配線用樹脂30の塗布とマスクM5を介してのUV光照射と樹脂硬化、及び光配線3パターンの形成、さらに、光配線3を埋め込むように、基板用樹脂による基板2の形成が行われる。
その後、前述のいずれかと同様に、凸レンズ5の装着が行われて、図8(f)に示すように、光配線板1が完成する。凸レンズ5は、直径φ0.5mm、材質BK7、屈折率1.517(589nm)、焦点距離2mmの平凸レンズ(夏目光学製)である。光配線の一端から、630nmレーザ光を入射させたところ、拡がり角約4゜、ビーム径約380μmの略平行光の出射を確認できた。また、入射光パワーに対する出射光パワーの割合(結合効率)は、約73%(1.4dB)であった。光配線板1のガラス基板25を除く部分の厚みは450μm(光配線板1全体の厚みは約2mm)である。
次に、本発明のさらに他の一実施形態に係る光配線板について説明する。図9(a)(b)は、複数の光配線に対して共通の凸レンズ5を用いる光配線板1を示す。この光配線板1は、前出の図4に示した光配線板と異なり、複数の光配線3のそれぞれに対して光偏向器4の反射面の傾斜方向を凸レンズ5の中心部に向けているので、凸レンズ5の加工精度の高い中心部を使用するようになっている。従って、この光配線板1によって、より安定したレンズ機能により安定した光電気結合を行うことができる。
この光配線板1は、光配線3の下部から基板2の表面までの高さを1mmとし、凸レンズ配置用の円形窪みの位置は、光配線3の部端からの2.5mmであり、円形窪みの直径はφ3mmである。その深さは0.05mmである。光偏向器4の表面は、その表面上に現れる各光配線3からの光のスポット31の位置で、基板2の表面への垂線方向(厚み方向)に対し22.5゜の傾きを有しており、各スポット31から反射する光は、凸レンズ5の中心に向かう配置となっている。この光配線板1の光配線3の端面から波長630nmのレーザ光を入射させたところ、全ての光配線3について、拡がり角が約3゜であり、ビーム径が端から順に約360μm、380μm、400μm、380μm、360μmの略平行光の出射を確認することができた。
次に、本発明のさらに他の一実施形態に係る光配線板について説明する。この光配線板は、前出の図5乃至図8に示した光配線板において、材質BK7の凸レンズの代わりに、直径0.5mm、材質CaF2、屈折率1.434(589nm)、焦点距離2mmの凸レンズ(夏目光学製)を用いた光配線板である。なお、前出の図5に示した光配線板に用いた凸レンズの仕様は、材質BK7、屈折率1.517、焦点距離2mmであり、基板2の屈折率は、1.50である。すなわち、ここで説明する光配線板の凸レンズは、基板の屈折率よりも小さい屈折率の材料で構成されている。
このような光配線板において、光配線の一端から630nmレーザ光を入射させたところ、拡がり角約3゜、ビーム径約450μmの略平行光の出射を確認できた。入射光パワーに対する出射光パワーの割合(結合効率)は、約77%(1.1dB)であった。凸レンズの屈折率を基板の屈折率より低くすることにより、基板2と凸レンズ5の境界面(図5参照)で光の広がり角を大きくでき、出射光の平行度を増すことができる。
次に、本発明のさらに他の一実施形態に係る光配線板について説明する。図10は、光配線の光軸の延長上で光偏向器に至る光路を横切る界面に反射防止膜を備えた光配線板1を示す。この光配線1は、前出の図2、及び図3(a)〜(c)に示した工程と同様に製造が進められる。すなわち、図10(a)に示す光偏向器4の形成工程は、図3(c)に示した工程と同じである。
光偏向器4の形成に引き続いて、図10(b)に示すように、また、空洞6の光配線3側の側壁63にのみに蒸着されるように、蒸着源81を基板2の表面垂直線に対して約10゜傾けて、マスクM3を介して、MgF2を側壁63に蒸着する。その後、図10(c)に示すように、凸レンズ5が装着されて光配線板が完成する。
上述の側壁63に形成されたMgF2薄膜は、屈折率1.377(589nm)、薄膜厚みx=150μmである。この薄膜厚みは、薄膜中での光信号波長λの4分の1、すなわち、真空中の光の波長850nmの光に対して、x=(850/1.377)/4として求められたものである。このように、光透過性の薄膜であり、かつその膜厚が光信号として用いる光波長の略1/4である光反射防止膜を側壁63に設けることで、光配線3から光偏向器4に至る光路において存在する界面である側壁63における光反射ロスを低減できる。
上述の光配線板1の光配線の一端から630nmレーザ光を入射させたところ、拡がり角約3゜、ビーム径約400μmの略平行光の出射を確認できた。入射光パワーに対する出射光パワーの割合(結合効率)は、約77%(1.1dB)であった。この光配線板1のガラス基板25を除く部分の厚みは450μm(光配線板1全体の厚みは約2mm)である。なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。
1 光配線板
2 基板
3 光配線
4 光偏向器
5 凸レンズ
6 空洞
8 反射防止膜
2 基板
3 光配線
4 光偏向器
5 凸レンズ
6 空洞
8 反射防止膜
Claims (8)
- 基板と、該基板内部又は表面に光信号を伝播させる光配線とを備えた光配線板において、
前記光配線の光軸の延長上に配され、該光配線を伝播する光信号を基板表面へと偏向させる光偏向器と、
前記基板表面に配され、前記光偏光器により偏向された光信号を略平行光とするための凸レンズとを備えたことを特徴とする光配線板。 - 前記凸レンズは、1個で前記光偏向器で偏向された複数の光信号を略平行光とすることを特徴とする請求項1に記載の光配線板。
- 前記光偏向器は、凹面ミラーであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光配線板。
- 前記光偏向器は、反射面を備え、該反射面の傾斜方向が前記凸レンズの中心部に向かっていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光配線板。
- 前記光偏向器は、反射面を備え、前記光配線の断面径をTf、前記光配線と光偏向器間の距離をLと置いたときの前記反射面の径が少なくともTf+0.5×Lで求められる値以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光配線板。
- 前記光配線と光偏向器との間に空洞を備えたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光配線板。
- 前記凸レンズは、前記基板の屈折率よりも小さ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又は請求項2に記載の光配線板。
- 前記光配線の光軸の延長上で前記光偏向器に至る光路を横切る界面に反射防止膜を備え、該反射防止膜は、光透過性の薄膜であり、かつその膜厚が光信号として用いる光波長の略1/4であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光配線板。
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