JP2005201937A - Optical waveguide array and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光情報処理装置、例えば半導体チップ間の光配線等に用いられる光導波路アレイ及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an optical information processing apparatus, for example, an optical waveguide array used for optical wiring between semiconductor chips, and a manufacturing method thereof.
従来、LSI(大規模集積回路)等の半導体チップ間の信号伝達は、すべて基板配線を介した電気信号によってなされてきた。しかしながら、昨今のMPU(Microprocessor Unit)の高機能化にともない、チップ間にて必要となるデータの授受量は著しく増大し、信号の高速化や信号配線の高密度化が必要となっており、結果として様々な高周波問題が浮上している。それらの代表的なものとして、配線の抵抗と容量による信号遅延、インピーダンスミスマッチ、或いはノイズやクロストークの発生などのEMC/EMI(Electro-Magnetic Compatibility/Interference;電子機器が電磁波妨害を与えたり、受けたりすることを防止する、電磁環境に対する適合性)等が挙げられる。このような問題を解決するため、配線配置の最適化や新素材開発などの様々な手法が開発されてきた。 Conventionally, all signal transmission between semiconductor chips such as LSI (Large Scale Integrated Circuit) has been performed by electric signals via substrate wiring. However, with the recent increase in functionality of MPU (Microprocessor Unit), the amount of data exchanged between chips has increased remarkably, making it necessary to increase the speed of signals and increase the density of signal wiring. As a result, various high frequency problems have emerged. Typical of these are EMC / EMI (Electro-Magnetic Compatibility / Interference) such as signal delay due to wiring resistance and capacitance, impedance mismatch, or noise and crosstalk. For example, compatibility with the electromagnetic environment). In order to solve such problems, various methods such as optimization of wiring arrangement and development of new materials have been developed.
しかし、上記の配線配置の最適化や新素材開発などの効果も物性的限界に阻まれており、さらなるシステムの高機能化を実現するためには単純な半導体チップの実装を前提とした実装ボードの構成そのものを見直す必要が生じてきている。そこで、これら諸問題を解決すべく、例えば、マルチチップモジュール(MCM)化による微細配線結合、ポリイミド樹脂などを用いた二次元的な各種半導体チップの封止・一体化による電気配線結合、基板貼り合わせによる半導体チップの三次元的結合等の開発がなされている。 However, the effects of optimizing the wiring layout and developing new materials are also hampered by physical limitations, and a mounting board that assumes the mounting of a simple semiconductor chip is necessary to achieve higher system functionality. It is necessary to review the structure itself. Therefore, in order to solve these problems, for example, fine wiring bonding by making a multichip module (MCM), electric wiring bonding by sealing and integrating various two-dimensional semiconductor chips using polyimide resin, etc. Developments such as three-dimensional bonding of semiconductor chips by combination have been made.
MCM化による微細配線結合は、高機能チップを、セラミックやシリコンなどの精密実装基板に実装し、従来のマザーボード(多層プリント基板)上では形成不可能な微細配線結合を実現する。これによって配線の狭ピッチ化が可能となり、バス幅を広げることでデータ授受量を飛躍的に増大させることができる。 Fine wiring bonding by MCM realizes fine wiring bonding that cannot be formed on a conventional mother board (multilayer printed circuit board) by mounting a high-performance chip on a precision mounting board such as ceramic or silicon. As a result, the pitch of the wiring can be reduced, and the amount of data exchange can be dramatically increased by widening the bus width.
チップの封止・一体化による電気配線結合は、ポリイミド樹脂などを用いて各種半導体チップなどを二次元的に封止・一体化し、一体化された基板上にて微細配線結合を行う。これによって配線の狭ピッチ化が可能となり、バス幅を広げることでデータ授受量を飛躍的に増大させることができる。 For electrical wiring coupling by chip sealing / integration, various semiconductor chips and the like are two-dimensionally sealed / integrated using polyimide resin or the like, and fine wiring coupling is performed on the integrated substrate. As a result, the pitch of the wiring can be reduced, and the amount of data exchange can be dramatically increased by widening the bus width.
基板貼り合わせによる半導体チップの三次元結合は、各種チップに貫通電極を設け、それぞれを貼り合せることで積層構造とする。これにより、異種チップ間の結線が短縮され、信号遅延などの問題が回避される。但し、積層化による発熱量増加やチップ間熱応力などの新たな問題が生じる。 The three-dimensional bonding of the semiconductor chips by bonding the substrates is a laminated structure in which through electrodes are provided in various chips and bonded to each other. This shortens the connection between different chips and avoids problems such as signal delay. However, new problems such as an increase in the amount of heat generated due to lamination and thermal stress between chips arise.
更に、より根本的に信号授受の高速化および大容量化を実現する技術として、図21に示すような光配線による光信号伝送結合技術が開発されている(例えば、後述の非特許文献1参照。)。この技術は、電気信号を光信号に変換し、チップ間の伝送速度そのものを大幅に向上させるものである。また、光信号は電磁波に関する対策を全く必要とせず、比較的自由な配線設計が可能となる。但し、新たに、変換による時間的ロスや光素子コストなどの問題が生じるので、この対策が重要となる。なお、以下、本明細書において、発光素子および受光素子を区別しない場合に、これらを光素子と呼ぶことがある。
Furthermore, as a technique for realizing fundamentally high speed and large capacity of signal transmission / reception, an optical signal transmission coupling technique using optical wiring as shown in FIG. 21 has been developed (for example, see Non-Patent
チップ間の信号伝送に対応する光配線技術には様々な方式のものが提案されており、例えばアクティブインタポーザー方式(後述の非特許文献1のp.125、図7参照。)、自由空間伝送方式(後述の非特許文献1のp.123、図5参照。)、光コネクタ接続方式(後述の非特許文献1のp.122、図4参照。)、光導波路埋め込み方式(後述の非特許文献1のp.124、図6参照。)および光導波路表面実装方式(後述の非特許文献2参照。)などがある。
Various optical wiring techniques corresponding to signal transmission between chips have been proposed, for example, an active interposer system (see Non-Patent
アクティブインタポーザー方式は、ボード上に光導波路を実装し、光導波路の入射側末端および出射側末端に光ファイバコネクタを取りつけ、ボード間の伝送は光ファイバにて行う。光素子はトランシーバモジュールの裏面に実装し、導波路の45度全反射ミラーに対し精密に位置決めする。 In the active interposer system, an optical waveguide is mounted on a board, optical fiber connectors are attached to the incident side end and the emission side end of the optical waveguide, and transmission between the boards is performed by an optical fiber. The optical element is mounted on the back surface of the transceiver module and precisely positioned with respect to the 45 ° total reflection mirror of the waveguide.
この方式の利点は、既存のボードシステムの上に展開できることや、光ファイバを用いるため、ボード内外を問わず幅広い適用が可能であることである。しかし、構造が大掛かりなためコスト高になること、光軸合わせが困難であること、電気伝送経路の短縮が難しく高周波伝送に不向きであること、そして伝送媒体として光ファイバを採用しているため、多バス化に限界が有ることが問題点である。 The advantage of this method is that it can be deployed on an existing board system, and because it uses an optical fiber, it can be widely applied both inside and outside the board. However, because the structure is large, the cost is high, it is difficult to align the optical axis, the electrical transmission path is difficult to shorten, and it is not suitable for high-frequency transmission, and an optical fiber is used as the transmission medium. The problem is that there is a limit to the number of buses.
自由空間伝送方式は、光伝送路として光配線基板(石英)をボード裏面に実装し、光配線基板内において光をジグザグに反射させ、信号を伝播させる。光軸合わせを容易にするため、数枚のレンズを組み合わせたハイブリッド光学系を構成する。 In the free space transmission system, an optical wiring board (quartz) is mounted on the back surface of the board as an optical transmission path, and light is reflected in a zigzag manner in the optical wiring board to propagate signals. In order to facilitate alignment of the optical axis, a hybrid optical system in which several lenses are combined is configured.
この方式の利点は、光素子アレイと自由空間伝送により、原理的には数千レベルの多チャンネル化(多重伝送)が可能であることや、ハイブリッド光学系を構成しているため光軸合わせが容易であることである。しかし、光配線基板(石英)が高価であることや、反射による信号伝播は、波形が乱れやすく、伝播損失が大きくなることが問題点である。また、新規開発技術が数多く盛り込まれているため、信頼性に関する実績がほとんど無いという問題点もある。 The advantage of this method is that, in principle, multi-channels (multiplex transmission) of several thousand levels are possible by optical element array and free space transmission, and the optical axis alignment is possible because of the hybrid optical system. It is easy. However, there are problems that the optical wiring board (quartz) is expensive and that the signal propagation due to reflection tends to disturb the waveform and increase the propagation loss. In addition, since many newly developed technologies are incorporated, there is also a problem that there is almost no track record regarding reliability.
光コネクタ接続方式は、LSIチップの周囲に小型の光ファイバコネクタを取りつけ、LSIチップ間の伝送は光ファイバにて行い、LSI実装後に光路を自在に設定できる光伝送モジュールシステムを構成する。 In the optical connector connection method, a small optical fiber connector is attached around an LSI chip, transmission between LSI chips is performed by an optical fiber, and an optical transmission module system in which an optical path can be freely set after LSI mounting is configured.
この方式の利点は、光コネクタにより光素子と光路との結合精度が保証されており、コストのかかる光軸合わせ工程が不要であること、光ファイバを用いているため、ボード間などの中距離伝送が可能であること、そして既存のボードシステム上に展開できることである。しかし、光コネクタモジュールの小型化に限界があり、LSIチップと光コネクタとの間の電気配線の短縮化が困難であるため、高周波伝送用としては不向きであることや、伝送媒体として光ファイバを採用しているため、多バス化に限界が有ることや、構成部品数が多く、バス当りのコストダウンが困難であることが問題点である。 The advantage of this method is that the optical connector and the optical path are guaranteed to be coupled with an optical connector, which eliminates the need for a costly optical axis alignment process and uses an optical fiber. Transmission is possible, and it can be deployed on an existing board system. However, there is a limit to miniaturization of the optical connector module, and it is difficult to shorten the electrical wiring between the LSI chip and the optical connector. Therefore, it is not suitable for high-frequency transmission, and an optical fiber is used as a transmission medium. Since it is adopted, there are problems in that there is a limit to the number of buses and that there are many components and it is difficult to reduce the cost per bus.
光導波路埋め込み方式は、光素子をLSI裏面に直接貼り付け、光導波路をプリント基板に埋め込み、既存のボードシステムの形態を維持しながら光配線を設ける方法である。また、光素子と光路との結合にマイクロレンズを採用することで、光軸ずれ許容量を一般実装精度レベルまで緩和させている。 The optical waveguide embedding method is a method in which an optical element is directly attached to the back surface of an LSI, an optical waveguide is embedded in a printed board, and optical wiring is provided while maintaining the form of an existing board system. Further, by adopting a microlens for coupling the optical element and the optical path, the allowable amount of optical axis deviation is relaxed to the general mounting accuracy level.
この方式の利点は、光素子をLSIチップの裏面(電極形成面)に直接実装しているため、LSIチップと光素子との間の電気配線経路を極限まで短くできることや、コリメート光結合により一般実装精度での光軸合わせが可能であることである。しかし、光配線をプリント基板内に設けるため、ボードの製造・コストダウンが困難であること、光素子の放熱対策が不明であること、そしてプリント基板が脆弱であるため、マイクロレンズと光導波路との間の光結合損失が変動する可能性が有ることが問題点である。 The advantage of this method is that the optical element is directly mounted on the back surface (electrode formation surface) of the LSI chip, so that the electrical wiring path between the LSI chip and the optical element can be shortened to the limit, and collimated optical coupling is generally used. The optical axis can be aligned with mounting accuracy. However, since the optical wiring is provided in the printed circuit board, it is difficult to manufacture and reduce the cost of the board, the heat dissipation measures for the optical elements are unknown, and the printed circuit board is fragile. The problem is that the optical coupling loss between the two may vary.
光導波路表面実装方式は、図3および図4に示した後述の本発明の実施の形態1に基づく光配線システムで行われているように、光素子をLSIチップの裏面に固定し、光導波路をプリント基板の表面上に実装し、既存のボード構造をそのまま維持しながら光配線を併設する方法である。また、光素子と光路との結合にマイクロレンズを採用することで、光軸ずれ許容量を一般実装精度レベルまで緩和させている。 In the optical waveguide surface mounting method, the optical element is fixed to the back surface of the LSI chip as in the optical wiring system based on the first embodiment of the present invention shown in FIGS. Is mounted on the surface of a printed circuit board, and optical wiring is provided side by side while maintaining the existing board structure as it is. Further, by adopting a microlens for coupling the optical element and the optical path, the allowable amount of optical axis deviation is relaxed to the general mounting accuracy level.
この方式の利点は、光素子をLSIチップの裏面(電極形成面)に直接実装しているため、LSIチップと光素子との間の電気配線経路を極限まで短くできることや、コリメート光結合により一般実装精度での光軸合わせが可能であることである。また、構造がシンプルであるためコストダウンが可能で、既存のボードシステム上に展開できる利点もある。ただ、若干の懸案点として、光素子をLSIチップに直接貼りつけるため、専用LSIの開発が必要であることや、高温のLSIチップの熱によって光素子が劣化する心配があることが挙げられる。 The advantage of this method is that the optical element is directly mounted on the back surface (electrode formation surface) of the LSI chip, so that the electrical wiring path between the LSI chip and the optical element can be shortened to the limit, and collimated optical coupling is generally used. The optical axis can be aligned with mounting accuracy. In addition, since the structure is simple, the cost can be reduced and there is an advantage that it can be deployed on an existing board system. However, there are some concerns, such as the fact that the optical element is directly attached to the LSI chip, it is necessary to develop a dedicated LSI, and the optical element may be deteriorated due to the heat of the high-temperature LSI chip.
LSIチップ間の光伝送に関して言えば、上記の5つの方式のうち、最後に述べた表面実装方式が最も適当な方式であると考えられる。その理由は、次の5つである。 Regarding optical transmission between LSI chips, the surface mounting method described last is considered to be the most appropriate method among the above five methods. There are five reasons for this.
第1に、既存のボードシステムをそのまま利用できる構造であることである。これまで培われてきたボード構造に変更を加えると、性能、信頼性および高周波性能の確認等に膨大な労力を要する不都合が生じる。よって、光導波路埋め込み型ボードなどのように、既存のボードを流用できない構造は望ましくない。 First, the existing board system can be used as it is. If the board structure cultivated so far is changed, inconveniences that require enormous efforts for confirming performance, reliability and high frequency performance occur. Therefore, a structure in which an existing board cannot be used, such as an optical waveguide embedded board, is not desirable.
第2に、既存の実装プロセスをそのまま利用できる構造であることである。すなわち、はんだリフロー、アンダーフィル樹脂封止等、光素子実装後の高温プロセスを考慮した材料や部品を採用すべきである。 Secondly, the existing mounting process can be used as it is. That is, materials and components that take into consideration high-temperature processes after mounting optical elements such as solder reflow and underfill resin sealing should be adopted.
第3に、大掛かりな構造物を極力排除した構造であることである。この理由は、一般にボード剛性は低いため、大掛かりな部品を設けると、光路構造が外部応力により変形し、光軸ずれを引き起しやすいからである。従って、図21に示したトランシーバモジュールを金属ポスト構造で設ける方式などは避けるべきである。 Third, it is a structure that eliminates a large-scale structure as much as possible. This is because the board rigidity is generally low, and if a large part is provided, the optical path structure is deformed by an external stress, and an optical axis shift is likely to occur. Therefore, the method of providing the transceiver module shown in FIG. 21 with a metal post structure should be avoided.
第4に、高密度化が可能である光配線構造であることである。すなわち、ボード上のチップ間光配線に特化する場合には、高密度化が不可能である光ファイバは採用すべきではないと考えられる。光ファイバを用いた光コネクタ接続方式は、ボード間通信に適したシステムとして考えるべきである。 Fourth, it is an optical wiring structure that can be densified. That is, when specializing in inter-chip optical wiring on a board, it is considered that an optical fiber that cannot be densified should not be adopted. The optical connector connection method using an optical fiber should be considered as a system suitable for inter-board communication.
第5に、LSIチップと光素子との間の配線長を短くできる構造であることである。すなわち、LSIチップと光素子との電気配線を短くできない構造では、高周波電気信号が光素子に到達する前に劣化し、電気信号を光信号に変換する効果が無くなるためである。従って、この電気配線距離を短くできる方式を採用する必要がある。 Fifth, the wiring length between the LSI chip and the optical element can be shortened. That is, in the structure in which the electrical wiring between the LSI chip and the optical element cannot be shortened, the high-frequency electrical signal deteriorates before reaching the optical element, and the effect of converting the electrical signal into an optical signal is lost. Therefore, it is necessary to adopt a method that can shorten the electric wiring distance.
図22は、図3に示した光導波路表面実装方式において、第1の半導体チップ31と第2の半導体チップ32とを光導波路アレイ10Eを用いた光配線によって結合する際の、一般的な構成を示すものである。図22(a)は、プリント配線基板33の側から見た平面図であり、図22(b)は、図22(a)に示したE−E線における断面図であり、図22(c)は、発光素子アレイ6Eと受光素子アレイ8Eとの配置関係、およびこれらのアレイの基板上における発光素子5および受光素子7の位置を示す平面図である。なお、図22(b)では、図3の向きに合わせて、図22(a)とは上下を反転して示している。また、図22(a)では6チャンネルの入出力に相当する光導波路アレイを示したが、この数は作図上の便宜的なものであり、チャンネル数を特に限定するものではない。
FIG. 22 shows a general configuration when the
光導波路アレイ10Eでは、図22(a)に示すように、複数の光導波路2がその幅方向に並置され、図22(b)に示すように、各光導波路2は、両端に光入射端面3と光出射端面4とが45度傾斜反射面として形成され、これらの傾斜反射面に対向して発光素子5と受光素子7とがそれぞれ配置されている。
In the optical waveguide array 10E, as shown in FIG. 22 (a), a plurality of
その動作を説明すると、次の通りである。第1の半導体チップ31から出力された電気信号は、図示を省略した付属回路と発光素子5とによって光信号に変換される。発光素子5からの光信号は、光入射端面3の45度傾斜反射面に入射し、ここで全反射されて光導波路2a内を光出射端面側へ進み、光出射端面4の45度傾斜反射面で再び全反射され、対向して設けられた受光素子7によって受光される。光信号は、受光素子7によって電気信号に変換され、電気信号として第2の半導体チップに伝達される。このように1個の発光素子5と1本の光導波路2と1個の受光素子7とが1組になって1つの信号伝送路を形成している。
The operation will be described as follows. The electrical signal output from the
光導波路アレイ10Eでは、複数(図では12本)の光導波路2が幅方向に並置され、信号伝送路アレイが形成されている。その際、すべての光導波路2の両端面が一直線上に揃った構造になっており、この結果、半導体チップ31と32の上では、すべての発光素子5と受光素子7とが一直線上に配置される。
In the optical waveguide array 10E, a plurality of (in the figure, 12)
更に、図22(c)に示すように、発光素子5と受光素子7とは、それぞれ発光素子5同士が隣接して設けられた発光素子アレイ6E、および受光素子7同士が隣接して設けられた受光素子アレイ8Eとして配置される。この結果、光導波路アレイも2つの領域に二分されており、図の上半分の領域には、光信号が第1の半導体チップ31から第2の半導体チップ32に向けて送信される第1の光導波路2aのみが配置され、下半分の領域には、光信号が第2の半導体チップ32から第1の半導体チップ31に向けて送信される第2の光導波路2bのみが配置されている。
Furthermore, as shown in FIG. 22 (c), the
上記の構造は、光導波路アレイの作製工程上の必要性と、光入射部および光出射部に対向して設置される発光素子および受光素子の作製工程上の必要性とから必然的に生じた構造であり、これが、現在、光導波路を高密度に集積することを困難にする原因になっている。以下、上記の構造が形成される理由と、その結果、生じる不都合について説明する。 The above structure inevitably arises from the necessity in the manufacturing process of the optical waveguide array and the necessity in the manufacturing process of the light emitting element and the light receiving element that are installed opposite to the light incident part and the light emitting part. This is the structure, which currently makes it difficult to integrate optical waveguides with high density. Hereinafter, the reason why the above structure is formed and the resulting disadvantages will be described.
光導波路アレイの作製工程では、光導波路アレイを形成した後、光入射端面および光出射端面として末端部に45度傾斜反射面を形成する。この45度傾斜反射面は、通常、図23(a)に示すように、V字形のブレードを有する円板ブレードソーによる切削などの機械的加工で形成する(後述の非特許文献3参照。)。この機械的加工では、隣接する光導波路は区別されることなく一続きに加工されるので、これらの光導波路の45度傾斜反射面は隣接した位置に形成される。通常は、図23(b)に示すように、光導波路の長さ方向と直交する方向に円板ブレードソーを移動させながら加工を行うので、45度傾斜反射面は光導波路と直交する一本の直線上に形成され、45度傾斜反射面間の距離は光導波路間のピッチと一致する。
In the manufacturing process of the optical waveguide array, after forming the optical waveguide array, a 45-degree inclined reflective surface is formed at the end as the light incident end surface and the light output end surface. As shown in FIG. 23A, the 45-degree inclined reflecting surface is usually formed by mechanical processing such as cutting with a disc blade saw having a V-shaped blade (see
図22(b)を用いて既述したように、光導波路2に光を送り出す発光素子5や、光導波路2から光を受光する受光素子7は、それぞれ、光入射端面3および光出射端面4に対向した位置に近接させて配置することが必要である。従って、傾斜反射面が一直線上に一列に形成されると、発光素子や受光素子もまた、傾斜反射面間の距離と同じピッチで一直線上に一列に配置せざるを得なくなる。
As described above with reference to FIG. 22B, the light-emitting
一方、現在の半導体製造技術によると、特性の異なる発光素子5と受光素子7とを混在させて同一基板上に形成することは好ましくない。従って、発光素子5や受光素子7の多数個を半導体チップ等の上に一列に配置する方法としては、発光素子5が一列に並んだ発光素子アレイ6Eを1つの基板上に形成し、また受光素子7が一列に並んだ受光素子アレイ8Eを別の基板上に形成し、発光素子5と受光素子7とが一列に並ぶようにこれらの基板を固定する方式が好ましい。
On the other hand, according to the current semiconductor manufacturing technology, it is not preferable to mix the
この際、これらの基板もまたダイシング等の機械的加工により直線状に加工されるから、2種類の基板が入り組み合うことが必要な構造、例えば一直線上に発光素子と受光素子とが交互に並ぶ構造は、形成できない。形成できるのは、いくつかの発光素子アレイ6Eと受光素子アレイ8Eとを一列に並べた構造に限られる。その最も簡単な例が図22(c)に示した構造である。 At this time, since these substrates are also processed into a straight line by mechanical processing such as dicing, a structure in which two types of substrates need to be intermingled, for example, light emitting elements and light receiving elements are alternately arranged on a straight line. A structure cannot be formed. It can be formed only in a structure in which several light emitting element arrays 6E and light receiving element arrays 8E are arranged in a line. The simplest example is the structure shown in FIG.
このように、傾斜反射面が一直線上に形成され、それに応じて発光素子5が発光素子5同士が隣接して一列に形成された発光素子アレイ6Eの状態で配置され、その結果、発光素子5に対向して一直線上に隣接して並んでいる傾斜反射面が光入射端面3として用いられることによって、図22(a)および(c)に示した構造が必然的につくられる。この構造をとることで次のような不都合が生じる。
In this way, the inclined reflecting surfaces are formed in a straight line, and accordingly, the
第1は、光入射端面3は、発光素子5からの光信号を効率よく安定して確実に取り込むために、その大きさや形状等を工夫することが望まれるが、光入射端面3同士が隣接して光導波路の幅方向に一列に配置されると、スペース的にそのような工夫を行う余地がなくなり、光入射端面3の幅は光導波路間のピッチの大きさ未満に制限されることである。このため、光入射端面3の幅を確保するために、光導波路間の挟ピッチ化が制限され、光導波路配列の高密度集積化に限界が生じることになる。
First, the light
第2は、発光素子5によって光導波路配列の高密度集積化が制限されることである。光導波路自体は、例えば幅5μmのものを10μmのピッチで形成できるなど、挟ピッチ化に大きな技術的困難はない。一方、発光素子5は、例えば、VCSEL(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser;垂直共振器面発光レーザー)を用いる場合、隣接する発光素子5の間の光干渉や、素子発熱によるクロストークの悪影響を避けるため、発光素子5同士の距離を100μmより小さくすることはできない。ここで、光干渉とは、光が10°程度の広がりをもちつつ進むため隣接する光信号伝送路に信号干渉することであり、また、素子発熱によるクロストークとは、素子が発生した熱が隣接する素子に伝わり、この熱に起因して隣接素子の特性が変化することをいう。
Second, the
上述した構造では、発光素子5が光導波路の幅方向に一列に並んでいるため、発光素子5の配列ピッチはそのまま光導波路間の配列ピッチとなる。このため、発光素子5の配列ピッチとして100μmを確保するために、光導波路を100μm以下のピッチで配列して高密度アレイ化することが不可能となる。この結果、現在、光導波路表面実装方式による半導体チップ間の光伝送チャンネル数は、数十チャンネルレベルにとどまっており、不十分な状態にある。
In the structure described above, since the
第3は、半導体チップの入出力パッドと発光素子5および受光素子7を接続するための電気配線距離が長くなってしまい、高周波対策が困難になることである。
Thirdly, an electrical wiring distance for connecting the input / output pads of the semiconductor chip to the
図22(c)に示すように、例えば半導体チップ31などの半導体チップの端子配列では、一般に、特定の回路に接続する入力パッド37と出力パッド38とは、近接して配置される場合が多い。一方、光素子の配列は、発光素子アレイ6Eと受光素子アレイ8Eとの2つの領域に大きく二分されており、特定の回路に接続する発光素子5と受光素子7とは遠く離れて配置されている(図22(c)において、実際には数十個〜数百個以上の光素子が並ぶので、特定の回路に接続する発光素子5と受光素子7とは遠く離れて配置されることになる)。このため必然的に、入力パッドと受光素子7とを結ぶ電気配線39E、または出力パッドと発光素子5とを結ぶ電気配線40Eのいずれか或いは両方が長くなり、高周波対策が困難になる。
As shown in FIG. 22 (c), for example, in a terminal arrangement of a semiconductor chip such as the
なお、等方エッチング等によって、光導波路アレイの傾斜反射面を各光導波路ごとに選択的に形成する方法も検討されているが、精度や確実性などが不十分であり、現時点では等方エッチング等によって光導波路ごとに傾斜反射面を形成することは量産化不可能であるとみなされている。 A method of selectively forming the inclined reflection surface of the optical waveguide array for each optical waveguide by means of isotropic etching or the like has also been studied, but accuracy and certainty are insufficient, and isotropic etching is currently performed. For example, it is considered that forming an inclined reflecting surface for each optical waveguide by mass production is impossible.
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、光入射端面における導光路(例えばコア)の断面の大きさと隣り合う光入射端面間の距離とが、光導波路間のピッチによって制限されない構造を有し、光導波路配列の挟ピッチ化による高密度集積化を可能にする光導波路アレイ、及びその光導波路アレイを歩留まりよく低コストで大量生産できる製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to determine the size of the cross section of the light guide path (for example, the core) at the light incident end face and the distance between the adjacent light incident end faces between the optical waveguides. To provide an optical waveguide array having a structure that is not limited by the pitch and enabling high-density integration by narrowing the pitch of the optical waveguide array, and a manufacturing method capable of mass-producing the optical waveguide array with a high yield and low cost. is there.
本発明は、光入射部から光出射部へ光を導く導光路を有する光導波路の複数個が並置されている光導波路アレイにおいて、
一辺側において、前記複数の光導波路のうち互いに隣接した光導波路の各光入射部同 士、又は光入射部と光出射部とが互いにずれた位置に配置され、
これらの光導波路の少なくとも一方の前記光入射部において、前記導光路の断面が光 入射端面に向かって拡大されている
ことを特徴とする、光導波路アレイに係わるものである。
The present invention relates to an optical waveguide array in which a plurality of optical waveguides having a light guide that guides light from a light incident part to a light emitting part are juxtaposed.
On one side, the light incident portions of the optical waveguides adjacent to each other among the plurality of optical waveguides, or the light incident portion and the light emitting portion are arranged at positions shifted from each other,
In at least one of the light incident portions of these optical waveguides, a cross section of the light guide path is enlarged toward the light incident end face, and the present invention relates to an optical waveguide array.
また、前記光導波路アレイの製造方法であって、前記導光路に対応した形状を有する型を作製する工程と、前記型を用いて前記導光路を成形する工程とを有する、光導波路アレイの製造方法にも係わるものである。 In addition, the method for manufacturing the optical waveguide array includes: a step of manufacturing a mold having a shape corresponding to the light guide path; and a step of forming the light guide path using the mold. It is also related to the method.
一般に、光導波路のような、同じ長さの細長い線状または棒状の物体の複数個を、両端を揃えて隙間なく集合させると、その物体を最も密に集合させた集合体が得られる。光導波路アレイにおいても、光導波路の実装密度を高めるためにそのような構造を有する集合体とすることが望ましく、例えば、図22に示したような、多数の光導波路を幅方向に並置した面状の光導波路アレイなどが用いられる。 In general, when a plurality of elongated linear or rod-like objects having the same length, such as an optical waveguide, are gathered with their ends aligned and without a gap, an aggregate in which the objects are gathered most closely is obtained. Also in the optical waveguide array, it is desirable to make an assembly having such a structure in order to increase the mounting density of the optical waveguide. For example, a surface in which a large number of optical waveguides are juxtaposed in the width direction as shown in FIG. An optical waveguide array or the like is used.
しかしながら、両端を完全に揃えてしまうと、隙間、つまり、光導波路によって占められていない領域、さらに言いかえれば、何らかの目的に利用可能なスペース領域が全く存在しないため、例えば、前記光入射端面における前記導光路の幅を拡大することなども不可能になってしまう。これは、図22を用いて既述した通りである。 However, if both ends are completely aligned, there is no gap, that is, a region not occupied by the optical waveguide, or in other words, there is no space region that can be used for any purpose. It becomes impossible to enlarge the width of the light guide. This is as described above with reference to FIG.
その逆に、光導波路アレイにおける光導波路の配列に多少のずれを設けると、そのずれた部分に隙間、つまり光導波路によって占められておらず、何らかの目的に利用可能なスペース領域が生成する。例えば、光導波路をその長さ方向に少しずらせると、光導波路アレイの両端部にのみ隙間を形成することができ、光導波路アレイの実装密度を低下させることなく、前記光入射部を光信号を効率よく確実に取り込める形状とするために利用できるスペース領域を生み出すことができる。 On the contrary, when a slight shift is provided in the arrangement of the optical waveguides in the optical waveguide array, a gap region, that is, a space area that is not occupied by the optical waveguide and that can be used for some purpose is generated. For example, if the optical waveguide is slightly shifted in the length direction, a gap can be formed only at both ends of the optical waveguide array, and the light incident portion is transmitted to the optical signal without reducing the mounting density of the optical waveguide array. It is possible to create a space area that can be used to efficiently and reliably capture the shape.
本発明は上記の一般的な考察に基づいており、本発明の光導波路アレイによれば、一辺側において、前記複数の光導波路のうち互いに隣接した光導波路の各光入射部同士、又は光入射部と光出射部とが互いにずれた位置に配置されているので、前記光入射部の周囲には、前記隣接した光導波路あるいはその光入射部または光出射部が配置されないスペース領域が存在し、この領域を利用して、前記光入射部において前記導光路の断面が光入射端面に向かって拡大されるように、前記光入射部が形成されている。前記光入射端面においての前記導光路の前記断面が拡大されていることで、光源からの光が前記導光路に取り込まれる効率や確実性を高めることができる。更に、光軸のずれによる光の損失量が減少し、前記光源と前記光入射部との位置決め誤差の許容度が増すので、前記光源と前記光導波路アレイとのアライメントが容易になり、信頼性や歩留まりや量産性が向上し、低コスト化を実現できる。 The present invention is based on the above general consideration, and according to the optical waveguide array of the present invention, on one side, the light incident portions of the optical waveguides adjacent to each other among the plurality of optical waveguides, or the light incident Since the part and the light emitting part are arranged at positions shifted from each other, there is a space region around the light incident part where the adjacent optical waveguide or the light incident part or the light emitting part is not arranged, Using this region, the light incident part is formed so that a cross section of the light guide path is enlarged toward the light incident end face in the light incident part. Since the cross section of the light guide path at the light incident end surface is enlarged, the efficiency and certainty that light from a light source is taken into the light guide path can be increased. In addition, the amount of light loss due to the deviation of the optical axis is reduced, and the tolerance of positioning error between the light source and the light incident portion is increased. Therefore, the alignment between the light source and the optical waveguide array is facilitated, and reliability is improved. In addition, the yield and mass productivity can be improved and the cost can be reduced.
また、図22に示したように、前記光入射部が隣接する光導波路の光入射部と揃った位置に形成されると、これらの光入射端面間の距離は光導波路間のピッチと同じになるが、本発明の光導波路アレイでは、これら光入射部がずれた位置に形成されているので、このずれ量を大きくすることで、これら光入射端面間の距離を光導波路間のピッチに制限されずに大きくすることができる。これにより、これらの光入射端面に対向して設置される発光素子の間の距離を大きくすることができ、発光素子同士の光干渉やクロストークを抑制することができる。 Also, as shown in FIG. 22, when the light incident part is formed at a position aligned with the light incident part of the adjacent optical waveguide, the distance between these light incident end faces is the same as the pitch between the optical waveguides. However, in the optical waveguide array of the present invention, these light incident portions are formed at positions shifted from each other. By increasing the amount of the shift, the distance between the light incident end faces is limited to the pitch between the optical waveguides. It can be enlarged without being. Thereby, the distance between the light emitting elements installed facing these light incident end faces can be increased, and light interference and crosstalk between the light emitting elements can be suppressed.
以上のように、本発明の光導波路アレイでは、前記光入射端面における前記導光路(例えばコア)の前記断面の大きさと、隣り合う光入射端面間の距離とが、光導波路間のピッチによって制限されないので、これらへの影響を心配せずに、光導波路配列の挟ピッチ化による光導波路アレイの高密度集積化を進めることができる。 As described above, in the optical waveguide array of the present invention, the size of the cross section of the light guide path (for example, the core) at the light incident end face and the distance between adjacent light incident end faces are limited by the pitch between the optical waveguides. Therefore, it is possible to proceed with the high density integration of the optical waveguide array by reducing the pitch of the optical waveguide array without worrying about the influence on them.
本発明の光導波路アレイの製造方法によれば、前記導光路に対応した形状を有する型を作製する工程と、前記型を用いて前記導光路を成形する工程とを有するので、複雑に入り組んだ端部形状を有する前記光導波路アレイを歩留まりよく大量生産することができ、製造コストを低下させることができる。 According to the method for manufacturing an optical waveguide array of the present invention, since the method includes a step of producing a mold having a shape corresponding to the light guide and a step of forming the light guide using the die, the process is complicated. The optical waveguide array having the end shape can be mass-produced with a high yield, and the manufacturing cost can be reduced.
本発明の光導波路アレイに入射される光は、特に限定されるものではないが、例えば、半導体レーザー素子等からのレーザー光を挙げることができる。 The light incident on the optical waveguide array of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include laser light from a semiconductor laser element or the like.
本発明の光導波路アレイにおいて、前記導光路の幅が拡大されることによって、前記断面が拡大されているのがよい。前記断面を拡大する方法としては、前記導光路の高さを高くしてもよいが、前記断面の幅を大きくする方が製造上容易である。この際、前記幅を大きくするやり方は特に限定されるものではないが、直線的に拡大されていると、前記導光路の側面の傾斜が光の進む方向に対して一定であるので、光の損失を生じにくく、好ましい。 In the optical waveguide array of the present invention, it is preferable that the cross section is enlarged by increasing the width of the light guide path. As a method of enlarging the cross section, the height of the light guide path may be increased. However, it is easier in manufacturing to increase the width of the cross section. At this time, the method of increasing the width is not particularly limited. However, if the width is linearly enlarged, the inclination of the side surface of the light guide is constant with respect to the light traveling direction. It is preferable because loss is hardly caused.
また、前記隣接した光導波路の長さ方向において、前記各光入射部同士の位置、又は前記光入射部と光出射部の位置がずれているのがよい。前述したように、光導波路をその長さ方向に少しずらせると、光導波路アレイの実装密度を低下させることなく、光導波路アレイの両端部にのみ隙間を形成することができ、前記光入射部が利用できるスペース領域を得ることができる。 In addition, in the length direction of the adjacent optical waveguides, it is preferable that the positions of the light incident portions or the positions of the light incident portion and the light emitting portion are shifted. As described above, when the optical waveguide is slightly shifted in the length direction, a gap can be formed only at both ends of the optical waveguide array without reducing the mounting density of the optical waveguide array, and the light incident portion Can be used.
更に、長さ方向のずれを大きくすることによって、光導波路間のピッチに制限されずに、前記光入射端面間の距離を大きくすることができる。これにより、これらの光入射端面に対向して設置される発光素子の間の距離を大きくすることができ、発光素子同士の光干渉やクロストークを抑制することができる。 Furthermore, by increasing the displacement in the length direction, the distance between the light incident end faces can be increased without being limited by the pitch between the optical waveguides. Thereby, the distance between the light emitting elements installed facing these light incident end faces can be increased, and light interference and crosstalk between the light emitting elements can be suppressed.
また、前記隣接した光導波路が逆方向に光を導波するのがよい。このようにすると、前記光導波路アレイの端部では、前記光導波路の幅方向に前記光入射部と前記光出射部とが、交互に配置されることになる。この結果、前記光入射部同士の間の距離が大きくなると共に、前記光出射部近傍のスペースをも利用できる利点が生じる。この例のように、前記光入射部と前記光出射部との交互配置を取り入れると、前記光入射部同士のみが隣接して並ぶ場合に比べて、前記光入射部が利用できるスペースは大きくなる。 The adjacent optical waveguides may guide light in the opposite direction. In this way, at the end of the optical waveguide array, the light incident portions and the light output portions are alternately arranged in the width direction of the optical waveguide. As a result, there is an advantage that the distance between the light incident portions is increased and the space near the light emitting portion can be used. When the alternate arrangement of the light incident part and the light emitting part is adopted as in this example, the space available for the light incident part becomes larger than when only the light incident parts are arranged adjacent to each other. .
また、前記光入射端面が傾斜反射面を有し、前記光源からの入射光が、前記傾斜反射面で反射された後に前記導光路を通って前記光出射部へ向かうように構成されているのがよい。このようにすると、前記光源を前記光導波路アレイの長さ方向ではなく底面側で対向する位置に配置することができ、前記光源からの光を、前記隣接する光導波路の前記光入射端面などに邪魔されることなく、前記傾斜反射面に入射させることができる。 In addition, the light incident end surface has an inclined reflection surface, and the incident light from the light source is reflected by the inclined reflection surface and then travels through the light guide path toward the light emitting portion. Is good. In this way, the light source can be arranged at a position facing the bottom surface rather than in the length direction of the optical waveguide array, and the light from the light source is directed to the light incident end surface of the adjacent optical waveguide. The light can enter the inclined reflecting surface without being obstructed.
また、前記導光路の断面の形状が台形であるのがよい。これによって、比較的大きなアスペクト比を有する前記導光路であっても、前記型を用いて射出成形やスタンピング成形によって形成した後、前記型を容易に離型させることができ、前記導光路を射出成形やスタンピング成形によって作製することが可能になる。これにより、前記光導波路アレイの製造コストを低下させることができる。 The cross-sectional shape of the light guide path may be a trapezoid. Accordingly, even if the light guide having a relatively large aspect ratio is formed by injection molding or stamping molding using the mold, the mold can be easily released, and the light guide is ejected. It can be produced by molding or stamping. Thereby, the manufacturing cost of the optical waveguide array can be reduced.
また、前記光導波路がコアとクラッドとの接合体からなるのがよい。この場合には、前記コアが前記導光路に相当する。前記クラッドは、前記コアの1つ1つに独立して設けられていてもよいし、複数の前記コアに対し一体として設けられていてもよい。また、前記クラッドの一部又は全部が省略され、空気層や基板によって代替されていてもよい。 Further, it is preferable that the optical waveguide is a joined body of a core and a clad. In this case, the core corresponds to the light guide path. The clad may be provided independently for each of the cores, or may be provided integrally with a plurality of the cores. Further, a part or all of the cladding may be omitted and replaced with an air layer or a substrate.
また、前記光導波路アレイは、ポリマー系材料によって形成されているのがよい。これは、光導波路の材料としてポリマー系材料を用いることで、射出成形やスタンピング成形による前記導光路、例えばコアの作製が可能になり、従来の石英系光導波路を用いる場合に比べて、前記光導波路アレイの作製プロセスを簡易化できるからである。このように、安価な設備投資と低い製造コストで、光導波路を作製することが可能になり、クラッド材としても有利である。 The optical waveguide array may be made of a polymer material. This is because the use of a polymer material as the material of the optical waveguide makes it possible to produce the light guide, for example, the core, by injection molding or stamping, and the optical waveguide is compared with the case where a conventional quartz optical waveguide is used. This is because the manufacturing process of the waveguide array can be simplified. Thus, it becomes possible to produce an optical waveguide with an inexpensive equipment investment and a low manufacturing cost, which is advantageous as a cladding material.
本発明の光導波路アレイの製造方法は、
基板に感光性樹脂層を形成する工程と、
所定のパターンのマスクを用いてシンクロトロン放射光により前記感光性樹脂層を露 光する工程と、
前記感光性樹脂層の感光した部分を除去する現像工程と、
前記感光性樹脂層の除去された部分に金属を堆積させる工程と、
前記感光性樹脂層の感光していない部分を除去して導光路用金型であるマスタ金型を 形成する工程と、
前記マスタ金型から凹凸形状を転写して、前記マスタ金型に対応するマザー金型を形 成する工程と、
前記マザー金型から凹凸形状を転写して、前記導光路の構成材料を前記導光路アレイ 状に成形する工程と
を有し、
前記マスクを用いて前記感光性樹脂層を露光する工程が、前記感光性樹脂層に対して 傾斜した角度で前記シンクロトロン放射光を照射して前記感光性樹脂層を露光する工程
を含む製造方法であるのがよい。
The method of manufacturing the optical waveguide array of the present invention includes:
Forming a photosensitive resin layer on the substrate;
Exposing the photosensitive resin layer with synchrotron radiation using a mask having a predetermined pattern;
A developing step for removing the exposed portion of the photosensitive resin layer;
Depositing metal on the removed portion of the photosensitive resin layer;
Removing a non-photosensitive portion of the photosensitive resin layer to form a master mold which is a light guide mold;
Transferring a concavo-convex shape from the master mold to form a mother mold corresponding to the master mold;
Transferring the concavo-convex shape from the mother mold, and forming the constituent material of the light guide into the shape of the light guide array,
The method of exposing the photosensitive resin layer using the mask includes a step of exposing the photosensitive resin layer by irradiating the synchrotron radiation at an angle inclined with respect to the photosensitive resin layer. It is good to be.
本発明の光導波路アレイの製造方法によれば、前記型を用いて前記導光路の構成材料を前記導光路アレイ状に成形する。上記の製造方法では、前記感光性樹脂層をシンクロトロン放射光で露光し、現像することで前記型の原型を作製する。この際、前記マスクを用いて前記シンクロトロン放射光を斜め方向から照射することによって傾斜反射面を作製するので、マスク開口部の端部の位置を変えることにより、各導波路ごとに傾斜反射面を所望の位置に設ける工程を一括処理によって行うことができ、能率的である。このような加工は、従来の機械加工では不可能であったものである。 According to the method for manufacturing an optical waveguide array of the present invention, the constituent material of the light guide is formed into the shape of the light guide array using the mold. In the manufacturing method described above, the photosensitive resin layer is exposed to synchrotron radiation and developed to produce a prototype of the mold. At this time, since the inclined reflection surface is produced by irradiating the synchrotron radiation from an oblique direction using the mask, the inclined reflection surface is changed for each waveguide by changing the position of the end of the mask opening. The process of providing the desired position at a desired position can be performed by batch processing, which is efficient. Such processing is impossible with conventional machining.
前記シンクロトロン放射光は、例えばレーザー光と比較するとエネルギーの高い光であり、厚さ10μm程度の前記感光性樹脂層を完全に露光することができ、前記傾斜反射面に相当する傾斜面を有する開口部を、前記感光性樹脂層に高精度に形成することができる。なお、他の光源を用いて露光すると、厚さ10μmの前記感光性樹脂層を貫通して完全に露光することはできない。 The synchrotron radiation is light having a higher energy than, for example, laser light, can completely expose the photosensitive resin layer having a thickness of about 10 μm, and has an inclined surface corresponding to the inclined reflection surface. The opening can be formed in the photosensitive resin layer with high accuracy. In addition, when it exposes using another light source, the said photosensitive resin layer with a thickness of 10 micrometers cannot penetrate and it cannot expose completely.
次に、本発明の好ましい実施の形態を、図面参照下に具体的かつ詳細に説明する。 Next, a preferred embodiment of the present invention will be described specifically and in detail with reference to the drawings.
実施の形態1
図3は、光導波路表面実装方式によって、第1の半導体チップ31と第2の半導体チップ32とを実施の形態1に基づく光導波路アレイ10Aを用いた光配線によって結合する際の、第1の半導体チップ31付近の実装状態を示す斜視図である。図3に示すように、第1の半導体チップ31は、例えばウエハレベルCSP(Chip Scale Package)であり、裏面(電極形成面)ではんだバンプ35などを介してプリント配線板などの実装基板33の上に実装されている。半導体チップ31の裏面(電極形成面)と実装基板33との間は、モールド樹脂36により封止されている。
FIG. 3 shows a first case where the
発光素子アレイ6Aと受光素子アレイ8Aとは、第1の半導体チップ31の裏面に固定される。更に、光導波路アレイ10Aの光入射部および光出射部がこれらの光素子に対向するように、光導波路アレイ10Aが実装基板33の上に固定され、既存の電気配線のボード構造をそのまま維持しながら、光配線が併設されている。
The light emitting
図4は、上記の光配線システムの主要部を、第1の半導体チップ31の裏面側から見た平面図である。なお、図4には15チャンネルの入出力に相当する光導波路アレイが示されているが、この数は作図上の便宜的なものであり、チャンネル数を特に限定するものではない。
FIG. 4 is a plan view of the main part of the optical wiring system as viewed from the back side of the
図1は、光配線システムの主要部の構成をより詳細に示すもので、図1(a)は、第1の半導体チップ31の裏面側から見た平面図であり、図1(b)は、図1(a)に示したA−A線における断面図であり、図1(c)は、発光素子アレイ6Aと受光素子アレイ8Aとの配置関係、およびこれらのアレイ基板上における発光素子5および受光素子7の位置関係を示す平面図である。なお、図1(b)では、前述した図3の向きに合わせて、図1(a)とは上下を反転して示している。また、図1(a)では6チャンネルの入出力に相当する光導波路アレイが示されているが、図4同様、この数は作図上の便宜的なものであり、チャンネル数を特に限定するものではない。
FIG. 1 shows the configuration of the main part of the optical wiring system in more detail. FIG. 1 (a) is a plan view seen from the back side of the
また、図1(a)に示す光導波路は、コア(前記導光路)とクラッドとの接合体からなるものでも、クラッドの一部または全部が省略され、空気層や基板などで代替されているものでもかまわない。そこで、図1(a)では、光導波路として導光路(コア)のみを示し、クラッドは図示を省略している。従って、例えば、図中の2aは、厳密には、「第1の光導波路の導光路(コア)」というべきところであるが、通常は、その機能の観点から「第1の光導波路」と呼び、導光路(コア)そのものを示したい場合にのみ「第1の光導波路の導光路(コア)」と呼ぶことにする。この用語の使い分けは、図1(b)についても同様であり、後述する実施の形態2〜4についても同様である。 Further, the optical waveguide shown in FIG. 1A is composed of a joined body of a core (the light guide path) and a clad, and a part or all of the clad is omitted and is replaced with an air layer or a substrate. It doesn't matter. Therefore, in FIG. 1A, only the light guide (core) is shown as the optical waveguide, and the cladding is not shown. Therefore, for example, 2a in the figure should be strictly called "first optical waveguide (core)", but is usually called "first optical waveguide" from the viewpoint of its function. Only when it is desired to show the light guide (core) itself, it will be referred to as “the light guide (core) of the first optical waveguide”. The use of this term is the same for FIG. 1B, and the same applies to Embodiments 2 to 4 described later.
光導波路アレイ10Aでは、図1(a)に示すように、複数の光導波路2がその幅方向に並置され、図1(b)に示すように、各光導波路2は、両端に光入射端面3と光出射端面4とが45度傾斜反射面として形成され、これらの傾斜反射面に対向して発光素子5と受光素子7とがそれぞれ配置されている。
In the
その動作を説明すると、次の通りである。第1の半導体チップ31から出力された電気信号は、図示を省略した付属回路と発光素子5とによって光信号に変換される。発光素子5からの光信号は、光入射端面3の45度傾斜反射面に入射し、ここで全反射されて光導波路2a内を光出射端面側へ進み、光出射端面4の45度傾斜反射面で再び全反射され、対向して設けられた受光素子7によって受光される。光信号は、受光素子7によって電気信号に変換され、電気信号として第2の半導体チップに伝送される。このように1個の発光素子5と1本の光導波路2と1個の受光素子7とが1組になって1つの信号伝送路を形成している。
The operation will be described as follows. The electrical signal output from the
上記のように、各信号伝送路の基本構成とその機能は、図22(b)に示した従来例と同じである。光導波路アレイ10Aが、図22(a)に示した従来の光導波路アレイ10Eと異なる最も大きな特徴は、第1に、各光導波路2の両端が揃っておらず、光導波路2の長さ方向にずれていることであり、第2に、光が導波される方向が互いに逆向きである光導波路2aと2bとが交互に配置されていることであり、第3に、第1および第2の特徴によって生じた光入射部9の近傍のスペースを利用して、光入射部9の光導波路(導光路)2の幅が拡大されていることである。以下、この構造が可能になった理由と、この構造によって生じる利点について説明する。
As described above, the basic configuration and function of each signal transmission path are the same as those of the conventional example shown in FIG. The greatest feature of the
本実施の形態に基づく光導波路アレイの製造方法では、後述するように、前記型を用いて導光路の構成材料を導光路アレイ状に成形するが、この型の原型を感光性樹脂層をシンクロトロン放射光で露光し、現像することにより作製する。この際、マスクを用いてシンクロトロン放射光を斜め方向から照射することによって傾斜反射面を作製するので、マスク開口部の端部の位置を変えることにより、各導波路ごとに45度傾斜反射面を所望の位置に設けることができる。この点が従来の方法との基本的な相違点である。 In the optical waveguide array manufacturing method according to the present embodiment, as will be described later, the constituent material of the light guide is formed into a light guide array using the mold, and the prototype of this mold is synchronized with the photosensitive resin layer. It is produced by exposing to tron radiation and developing. At this time, since the inclined reflecting surface is produced by irradiating synchrotron radiation from an oblique direction using a mask, the angle of the 45 ° inclined reflecting surface is changed for each waveguide by changing the position of the end of the mask opening. Can be provided at a desired position. This is a fundamental difference from the conventional method.
上記の結果、図1(a)に示すように、各光導波路2の両端、とくに光入射端面3を互いにずらせて形成し、光入射端面3の近傍にスペース領域を生み出すことができる。
As a result, as shown in FIG. 1A, both ends of each
更に、光が導波される方向が逆である2つの光導波路2aと2bとを交互に配置することができる。この構造は、既述したように、各光導波路の45度傾斜反射面が一直線上に形成される従来の光導波路アレイ10Eでは、45度傾斜反射面に対向して発光素子5と受光素子7とを一直線上に交互に配置することができないため、不可能であった構造である。本実施の形態によれば、45度傾斜反射面をずらせて形成するので、発光素子5と受光素子7とを一直線上に配置する必要がなくなり、この構造が可能になる。
Furthermore, two optical waveguides 2a and 2b having opposite directions in which light is guided can be alternately arranged. As described above, in the conventional optical waveguide array 10E in which the 45-degree inclined reflection surfaces of the respective optical waveguides are formed in a straight line as described above, the light-emitting
具体的に説明すると、光導波路2を2つのグループに分け、例えば、図の上から数えて奇数番目のグループは、図の左方向へずらせて、光信号が第1の半導体チップ31から第2の半導体チップ32に向けて送信される第1の光導波路2aとし、偶数番目のグループは図の右方向へずらせて、光信号が第2の半導体チップ32から第1の半導体チップ31に向けて送信される第2の光導波路2bとする。このようにすると、例えば第1の半導体チップ31の側では、光入射端面3は左方向へずれ、光出射端面4は右方向へずれるので、図1(c)に示すように、発光素子アレイ6Aが形成された基板を左側に配置し、受光素子アレイ8Aが形成された基板を右側に配置すれば、光入射端面3に発光素子5を対向させ、光出射端面4に受光素子7を対向させることができる。同様に、第2の半導体チップ32の側では、受光素子アレイ8Aが形成された基板を左側に配置し、発光素子アレイ6Aが形成された基板を右側に配置すれば、
More specifically, the
図1(a)に示すように、光入射端面3と光出射端面4とが交互に配置されると、光出射端面4は拡大する必要がないから、光出射端面4近傍のスペースも、光入射端面3における導光路(コア)2の幅を広げるために利用することができる。
As shown in FIG. 1A, when the light incident end faces 3 and the light exit end faces 4 are alternately arranged, the light exit end faces 4 do not need to be enlarged. It can be used to widen the width of the light guide (core) 2 at the
図2は、図1では模式的に示されている導光路(コア)2の形状を、より実際の形状に近づけて示したもので、図2(a)は、4本の導光路(コア)が並置されている状態を示す平面図であり、図2(b)は、図2(a)に示したX−X線における断面図であり、図2(c)は、図2(a)に示したY−Y線における断面図である。但し、図2(c)は、図2(a)と図2(b)に比べ4倍に拡大して示している。 FIG. 2 shows the shape of the light guide (core) 2 schematically shown in FIG. 1 closer to the actual shape, and FIG. 2 (a) shows four light guides (cores). ) Are juxtaposed, FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line XX shown in FIG. 2A, and FIG. 2C is FIG. It is sectional drawing in the YY line shown to). However, FIG.2 (c) is expanding and showing 4 times compared with FIG.2 (a) and FIG.2 (b).
導光路(コア)2は、例えば、長さが40mm、幅が5μm、高さが15μmの極めて細長い形状を有する。断面の形状は、側壁が垂直方向から5°程度傾斜した台形であるのが、射出成形やスタンパ成形で形成した後、前記型から離型する際の離型性を向上させるのに好適である。 The light guide (core) 2 has, for example, a very elongated shape having a length of 40 mm, a width of 5 μm, and a height of 15 μm. The shape of the cross section is a trapezoid whose side wall is inclined by about 5 ° from the vertical direction, which is suitable for improving the releasability when releasing from the mold after forming by injection molding or stamper molding. .
また、導光路(コア)2の構成材料は、特に限定されるものではないが、PMMA(ポリメチルメタクリレート)などのポリマー系材料であるのがよい。導光路(コア)2の材料としてポリマー系材料を用いることで、射出成形やスタンピング成形による作製が可能になり、従来の石英系光導波路を用いる場合に比べて、光導波路アレイ10Aの作製プロセスを簡易化し、低コスト化することができる。
The constituent material of the light guide (core) 2 is not particularly limited, but may be a polymer material such as PMMA (polymethyl methacrylate). By using a polymer-based material as the material of the light guide (core) 2, it becomes possible to manufacture by injection molding or stamping molding, and the manufacturing process of the
上記の導光路(コア)2の間のピッチは10μmで、隣接する導光路(コア)2の間隔は5μmである。最も近い2つの光入射端面3の間の距離は、発光素子5同士の光干渉やクロストークを抑制するために、100μm以上とすることが必要である。図2(a)から明らかなように、1つの光導波路の光入射端面3と、1つおいて隣接する光導波路の光入射端面3との距離は、導光路(コア)2の長さ方向におけるこれらの光入射端面3の間のずれを大きくすることにより、導光路(コア)2の配列ピッチに制限されることなく、大きくすることができる。
The pitch between the light guide paths (cores) 2 is 10 μm, and the interval between the adjacent light guide paths (cores) 2 is 5 μm. The distance between the two closest light incident end faces 3 needs to be 100 μm or more in order to suppress optical interference and crosstalk between the
導光路(コア)2の両端面は45度傾斜反射面になっており、光出射端面4の投影サイズ(発光素子5または受光素子7が固定されている半導体チップの電極形成面への投影サイズ。以下、同様。)は15μm×5μmである。これに対し、光入射部9において、導光路(コア)2の幅は、近傍のスペースを利用して光入射端面3に向かって直線的に3倍に増加しており、この結果、光入射端面3の投影サイズは15μm×15μmに拡大されている。
Both end faces of the light guide path (core) 2 are inclined reflection surfaces of 45 degrees, and the projection size of the light emitting end face 4 (projection size on the electrode forming surface of the semiconductor chip to which the
光入射部9で導光路(コア)の断面が拡大されている領域の側壁の傾きは、側壁(クラッドとの境界面)で反射されずにクラッドへ透過してしまい、光量の損失や迷光による妨害の原因となる漏れ出し光の発生を抑止できるように、十分小さくする必要がある。その場合でも、導光路(コア)の断面が拡大されている領域の長さは、高々数百μm程度で、導光路(コア)の全長のごく一部に過ぎない。 The inclination of the side wall of the region where the cross section of the light guide path (core) is enlarged in the light incident portion 9 is not reflected by the side wall (boundary surface with the clad) but is transmitted to the clad, resulting in loss of light amount or stray light. It is necessary to make it sufficiently small so that leakage light that causes interference can be suppressed. Even in this case, the length of the region where the cross section of the light guide (core) is enlarged is at most several hundred μm, which is only a part of the entire length of the light guide (core).
図2(c)に示すように、光入射端面3の投影図形は、直径10μm程度の発光素子5を余裕をもって包含している。従って、この発光素子5からの光が平行光束になっていれば、光入射端面3はその光の入射領域を完全にカバーしているばかりでなく、光の広がりや光軸ずれが多少あっても、その影響を受けにくい。一方、導光路の拡大を行わない場合の光入射端面3の投影サイズは15μm×5μmで、直径10μm程度の発光素子5からの光を完全に取り込めないばかりでなく、光源からの光の広がりや光源の位置ずれの影響を強く受けやすい。
As shown in FIG. 2C, the projected pattern of the light
図5は、発光素子5と光導波路2の光入射端面3との間を、直径100μmの凸レンズを用いたコリメート光学系で結合し、実装位置のずれやボード変形による光軸のずれに対する許容度を更に高め、±10μmとした例である。なお、基板1や凸レンズの構成材料は、用いる光を透過するものであればよく、特に限定されるものではないが、通常はガラス基板やプラスチック基板が好適である。
FIG. 5 shows a tolerance for the deviation of the optical axis due to the displacement of the mounting position or the deformation of the board when the
このようにして、本実施の形態によれば、発光素子5からの光が導光路2に取り込まれる効率や確実性を高めることができる。光軸のずれによる光の損失量が減少し、発光素子5と光入射端面3との位置決め誤差の許容度が増すので、発光素子5と光導波路アレイ10Aとのアライメントが容易になり、多数の光素子と光導波路アレイとの間の一括パッシブアライメントが可能になり、量産性や歩留まりが向上する。
In this way, according to the present embodiment, the efficiency and certainty that light from the
本実施の形態に基づく光導波路アレイ10Aは、下記の特徴も有している。
The
図2でもふれたように、1つの光導波路の光入射端面3と、1つおいて隣接する光導波路の光入射端面3とが、光導波路の長さ方向にずれた位置に形成されているので、このずれ量を大きくすることで、これらの光入射端面3の間の距離を光導波路間のピッチに制限されずに大きくすることができる。この操作をn本(図1(a)では3本)の光導波路について行い、1本目の導波路と幅方向の距離が十分取れたら、光入射端面3の長さ方向の位置を1本目と同じ位置に戻せばよい。後はn本を繰り返しの単位として同じ操作を繰り返すだけである。
As mentioned in FIG. 2, the light
この結果、図1(c)と図22(c)とを比べるとわかるように、これらの光入射端面3に対向して設置される発光素子5の間の距離dを十分に大きくすることができ、発光素子同士の光干渉やクロストークを抑制することができる。また、発光素子の性能低下を招かずに、光導波路配列を挟ピッチ化して、光導波路アレイ10Aの高密度集積化を実現することができる。
As a result, as can be seen from a comparison between FIG. 1C and FIG. 22C, the distance d between the
また、半導体チップの入出力パッドと発光素子5および受光素子7を接続するための電気配線距離を短くでき、高周波対策が容易になる。なぜなら、図1(a)に示すように、光導波路アレイ10Aでは、光が導波される方向が逆向きである光導波路2aと2bとが交互に配置されているので、これらの1組を特定の回路に接続する入力と出力に割り当てて、図1(c)に示すように、これに対応する発光素子5と受光素子7とを近接させて配置することができる。この結果、入力パッド37と受光素子7とを結ぶ電気配線39A、および出力パッド38と発光素子5とを結ぶ電気配線40Aのいずれをも短くすることができ、高周波対策が容易になる。
In addition, the distance between the electric wirings for connecting the input / output pads of the semiconductor chip to the
次に、上記の光導波路アレイ10Aの製造方法について、図6〜図9を参照しながら説明する。図6〜図9は、図1(a)のA−A線の位置に相当する断面図である。
Next, a method for manufacturing the
最初に、図6(a)〜図8(h)に示す工程によって、光導波路アレイ10Aを製造するためのマスタ金型13を製造する。
First, the
まず、図6(a)に示すように、基板21の上に感光性樹脂層11を形成する。感光性樹脂層11を構成する感光性樹脂としては、例えばPMMA(ポリメチルメタクリレート)を用いることができる。感光性樹脂層11の膜厚は、形成する光導波路2の高さに相当し、例えば15μm程度とする。
First, as shown in FIG. 6A, the
次に、図6(b)に示すように、感光性樹脂層11の近傍に、各光導波路2のパターンで開口するマスク22を設置する。マスク開口部の長さは、傾斜反射面が形成されている末端部を除いた光導波路2の長さとする。
Next, as shown in FIG. 6B, a
次に、図6(c)に示すように、マスク22を用いて、感光性樹脂層11の表面に対して垂直にシンクロトロン放射光23を照射して感光性樹脂層11を露光する。これにより開口部の下方に感光性樹脂層11の露光領域11aが形成され、マスク22の下方に未露光領域11dが残される。露光領域11aは、傾斜反射面が形成されている末端部を除いた光導波路2に相当する。
Next, as shown in FIG. 6C, the
次に、図7(d)に示すようにして、一方の末端部の傾斜反射面を形成するための露光を行う。即ち、シンクロトロン放射光23を照射する方向を、感光性樹脂層11の表面に垂直な方向から約45°だけ光導波路の長さ方向に傾け、マスク22を用いてシンクロトロン放射光23を照射し、感光性樹脂層11を露光する。実際の操作としては、シンクロトロン放射光23の向きを変える代わりに、基板21の向きを逆向きに約45°傾けて照射を行うのがよい。
Next, as shown in FIG. 7D, exposure is performed to form an inclined reflecting surface at one end. That is, the direction of irradiating the
これにより、マスク22の下方の、光導波路の傾斜反射面を形成する末端部に相当する感光性樹脂層11にシンクロトロン放射光23が照射され、新たな露光領域11bが形成される。露光領域11bと残された未露光領域11eとの境界面は、感光性樹脂層11の表面に対して斜めに45°の角度をもって形成されており、これが傾斜反射面に相当する。
As a result, the
次に、図7(e)に示すようにして、もう一方の末端部の傾斜反射面を形成するための露光を行う。即ち、シンクロトロン放射光23を照射する方向を、感光性樹脂層11の表面に垂直な方向から、図7(d)に示した工程とは逆向きに約45°傾け、マスク22を用いてシンクロトロン放射光23を照射し、感光性樹脂層11を露光する。実際の操作としては、シンクロトロン放射光23の向き変える代わりに、基板21の向きを逆向きに45°傾けて照射を行うのがよい。
Next, as shown in FIG. 7E, exposure is performed to form the inclined reflection surface at the other end. That is, the direction of irradiating the
これにより、マスク22の下方の、光導波路のもう一方の傾斜反射面を形成する末端部に相当する感光性樹脂層11にシンクロトロン放射光23が照射され、新たな露光領域11cが形成される。露光領域11cと残された未露光領域11fとの境界面は、感光性樹脂層11の表面に対して45°の角度をもって形成されており、これがもう一方の傾斜反射面に相当する。
As a result, the
次に、図7(f)に示すように、所定の現像液による現像処理を行い、感光性樹脂層11の露光領域(露光領域11aと露光領域11bと露光領域11c)を除去する。この結果、未露光領域11eおよび11fのみが残され、感光性樹脂層11の露光領域が除去された部分に開口部24が形成される。
Next, as shown in FIG. 7F, development processing with a predetermined developer is performed, and the exposed regions (exposed
次に、図8(g)に示すように、例えばニッケル電鋳メッキ処理などにより、開口部24にニッケルなどの金属を堆積させた後、表面を平坦化して、金属層12を形成する。
Next, as shown in FIG. 8G, after depositing a metal such as nickel in the opening 24 by, for example, nickel electroforming plating, the surface is flattened to form the
次に、図8(h)に示すように、感光性樹脂層11の未露光領域11eおよび11fを溶解除去する。この結果、基板21の上に光導波路2と同一の形状の金属層12が複数形成された、光導波路アレイを製造するためのマスタ金型13が得られる。マスタ金型13において、各光導波路2の45度傾斜反射面となる面は、シンクロトロン放射光23を約45°傾けて斜め方向から露光した際に形成された、露光領域11bと未露光領域11eとの境界面、および露光領域11cと未露光領域11fとの境界面が、それぞれ転写されて形成された面である。
Next, as shown in FIG. 8H, the unexposed areas 11e and 11f of the
次に、図8(i)〜図9(m)に示す工程によって、マスタ金型13から光導波路アレイ10Aを製造する。
Next, the
まず、図8(i)に示すように、例えばニッケル電鋳メッキ処理などにより、基板21およびマスタ金型13の上にマザー金型14を形成する。マザー金型14の表面には、マスタ金型13の凸部が転写されて凹部が形成されている。
First, as shown in FIG. 8I, the mother die 14 is formed on the
次に、図8(j)に示すように、マザー金型14からマスタ金型13および基板21を離型する。この際、マザー金型14とマスタ金型13との界面に予め酸化被膜などを形成しておくことで、両者の界面での剥離をしやすくすることができる。
Next, as shown in FIG. 8J, the
次に、図9(k)に示すように、マザー金型14にクラッド(または基板とその上に形成したクラッドとの複合体)15を密着させる。 Next, as shown in FIG. 9 (k), a clad (or a composite of a substrate and a clad formed thereon) 15 is brought into close contact with the mother mold.
次に、図9(l)に示すように、上記のマザー金型14とクラッド15とを射出成形キャビティ内に固定し、このキャビティ内に、例えば溶融状態のPMMAなどの有機材料を射出して、マザー金型14の凹部が転写された、複数の導光路(コア)2からなる光導波路アレイ10Aを形成する。
Next, as shown in FIG. 9 (l), the
次に、図9(m)に示すように、マザー金型14から光導波路アレイ10Aを離型する。光導波路アレイ10Aは、図1(a)および(b)に示したように構成され、複数の光導波路2が形成され、各光導波路2の両端に45度傾斜反射面からなる光入射端面3および光出射端面4が設けられている。
Next, as shown in FIG. 9 (m), the
各光導波路2において、45度傾斜反射面からなる光入射端面3および光出射端面4は、シンクロトロン放射光23を斜めに45度傾けて照射したときに感光性樹脂層11に形成された露光領域11bと未露光領域11e、および露光領域11cと未露光領域11fとの界面が転写されて形成された面である。なお、本実施の形態では、図7のアンダーカット側に傾斜反射面を形成する露光方法を説明したが、逆に非アンダーカット側に傾斜反射面を形成する露光方法を用いてもよい。
In each
本実施形態に基づく光導波路アレイの製造方法において用いるシンクロトロン放射光23は、光速に近い速度で運動する電子の軌道が磁場により曲げられたときに放射される、赤外から紫外、X線に広い波長分布をもつ電磁波である。シンクロトロン放射光光源としては、軌道の直径が数kmの大型の装置から数mの小型の装置まで用いることができる。
シンクロトロン放射光23は、例えばレーザー光と比較すると強度は低いがエネルギーの高い光であり、厚さが10μm程度の感光性樹脂層11を基板21に達する位置まで完全に露光することができ、45度傾斜反射面に相当する傾斜面を有する開口部24を感光性樹脂層11に高精度に形成することができる。
The
シンクロトロン放射光23ではなく、半導体レーザーやその他の通常の光源を用いて露光すると、10μm程度の厚さのために、感光性樹脂層11を基板21に達する位置まで完全に露光することはできない。
When exposed using a semiconductor laser or other ordinary light source instead of the
以上のように、本実施形態に係る光導波路アレイの製造方法によれば、従来のような円板ブレードソーなどによる機械的加工により45度傾斜反射面を形成する方法では困難であった、光導波路の長さ方向に光入射部または光出射部をずらした微細で複雑な光導波路アレイ10Aを一括処理で容易に能率的に形成することが可能である。この結果、上述した光導波路10Aの高密度集積化に寄与することができる。
As described above, according to the method of manufacturing an optical waveguide array according to the present embodiment, it is difficult to use a conventional method of forming a 45-degree inclined reflective surface by mechanical processing using a disk blade saw or the like. It is possible to easily and efficiently form a fine and complex
また、本実施形態に基づく光導波路アレイの製造方法では、高価な円板ブレードソーなどによる機械的加工工程は不要であり、製造コストを低下させることができる。 In addition, in the method for manufacturing an optical waveguide array according to the present embodiment, a mechanical processing step using an expensive disk blade saw or the like is unnecessary, and the manufacturing cost can be reduced.
実施の形態2
本実施の形態においても、図3に示した光導波路表面実装方式によって、第1の半導体チップ31と第2の半導体チップ32とを光導波路アレイを用いた光配線で結合する。
Also in the present embodiment, the
図10は、実施の形態2に基づく光導波路アレイ10Bを用いる光配線システムの主要部の構成を詳細に示すもので、図10(a)は、第1の半導体チップ31の裏面側から見た平面図であり、図10(b)は、図10(a)に示したB−B線における断面図であり、図10(c)は、発光素子アレイ6Bと受光素子アレイ8Bとの配置関係、およびこれらのアレイ基板上における発光素子5および受光素子7の位置関係を示す平面図である。なお、図10(b)では、図3に対応して、図10(a)とは上下を反転して示している。
FIG. 10 shows in detail the configuration of the main part of the optical wiring system using the optical waveguide array 10B based on the second embodiment. FIG. 10 (a) is viewed from the back side of the
光導波路アレイ10Bでは、図10(a)に示すように、複数の光導波路2がその幅方向に並置され、図10(b)に示すように、各光導波路2は、両端に光入射端面3と光出射端面4とが45度傾斜反射面として形成され、これらの傾斜反射面に対向して発光素子5と受光素子7とがそれぞれ配置されている。
In the optical waveguide array 10B, as shown in FIG. 10 (a), a plurality of
図10(b)に示すように、1個の発光素子5と1本の光導波路2と1個の受光素子7とが1組になって1つの信号伝送路を形成しており、その信号伝送路の基本構成とその機能は、実施の形態1と同じである。その他、光導波路2の構成材料や作製方法なども同様であるので、相違点にのみ注目して下記に説明する。
As shown in FIG. 10 (b), one
光導波路アレイ10Bを、図1(a)に示した光導波路アレイ10Aと比べると、光が導波される方向が逆向きである光導波路2aと2bとが交互に配置されていること、光入射端面3および光出射端面4が光導波路の長さ方向にずれた位置に配置されていること、およびこれによって生じた光入射部9の近傍のスペース領域を利用して、光入射部9の光導波路(導光路)の幅が拡大されていることは共通しているが、光入射部同士の位置が光導波路の長さ方向において揃っていることが異なっている。
When the optical waveguide array 10B is compared with the
従って、光導波路アレイ10Bは、実施の形態1で既述した光導波路アレイ10Aの効果と同様の効果を有するものの、次の2点で劣っている。
Therefore, although the optical waveguide array 10B has the same effect as the
光導波路アレイ10Aや10Bのように、光導波路2aの両側に光導波路2bが配置され、光導波路2aの光入射端面3に比べ光導波路2bの光出射端面4が長さ方向において光導波路アレイの中心側(図の右方向)にずれて形成されると、光出射端面4の延長線上(図の左方向)にスペース領域が形成されるので、このスペース領域を利用して、光導波路2aの光入射端面3における導光路(コア)の幅を拡幅できる。
Like the
一例として、図2に示したように、幅5μmの光導波路(導光路)が、隣接する光導波路(導光路)との間隔も5μm(ピッチは10μm)で配列している場合を考え、スペース領域において拡幅する光導波路(導光路)も、隣接する光導波路(導光路)との間隔が5μmになるまで拡幅できるものとする。この場合、光導波路アレイ10Aの構造では、隣にある光導波路(導光路)2aに限界まで接近すると、最大で25μm(5倍)に拡幅することができる。それに対し、光導波路アレイ10Bの構造では、図10(a)に示すように、拡幅した光導波路(導光路)同士がぶつかり合う関係になるので、拡幅できる導光路の幅は15μm(3倍)に限定される。
As an example, as shown in FIG. 2, a case is considered in which optical waveguides (light guides) having a width of 5 μm are arranged with an interval of 5 μm (pitch is 10 μm) between adjacent optical waveguides (light guides). The optical waveguide (light guide path) that widens in the region can also be widened until the distance from the adjacent optical waveguide (light guide path) becomes 5 μm. In this case, in the structure of the
従って、本実施の形態においても、発光素子5からの光が導光路2に取り込まれる効率や確実性を高めることができ、また、光軸のずれによる光の損失量が減少し、発光素子5と光入射端面3との位置決め誤差の許容度が増すので、発光素子5と光導波路アレイ10Bとのアライメントが容易になるものの、その効果は、実施の形態1に比べれば小さい。
Therefore, also in this embodiment, the efficiency and certainty that the light from the
また、光入射端面3の間の距離は光が、光が導波される方向が逆向きの光導波路2aと2bとが交互に配置されていることで、光導波路間のピッチの2倍になるものの、光導波路間のピッチによって決定される点では従来と同様である。例えば、上記の数値例の場合、光入射端面3の間の距離は20μmになるが、これらに対向して設置される発光素子5の間の光干渉や熱クロストークを抑制するために必要な100μmには足らない。従って、発光素子5の間の光干渉や熱クロストークを十分には抑制できず、発光素子5の間の光干渉や熱クロストークを十分に抑制する必要がある場合には、光導波路間のピッチを大きくすることによって対処するしかなく、発光素子5の間の光干渉や熱クロストークによって、光導波路の実装密度が制限される。
Further, the distance between the light incident end faces 3 is set to be twice the pitch between the optical waveguides by alternately arranging the optical waveguides 2a and 2b in which the light is guided in the opposite direction. However, it is the same as the prior art in that it is determined by the pitch between the optical waveguides. For example, in the case of the above numerical example, the distance between the light incident end faces 3 is 20 μm, which is necessary for suppressing light interference and thermal crosstalk between the
このような問題点があるとしても、光導波路アレイ10Bの利点は、図10(a)に示した簡単な構造で効果が得られる点である。 Even if there is such a problem, the advantage of the optical waveguide array 10B is that the effect can be obtained with the simple structure shown in FIG.
また、光導波路アレイ10Bでは、光導波路アレイ10Aと同様に、光が導波される方向が逆向きの光導波路2aと2bとが交互に配置されているので、これらの1組を入力と出力に割り当てて、対応する発光素子5と受光素子7とを近接させて配置することができる。この結果、入力パッド37と受光素子7とを結ぶ電気配線39B、または出力パッド38と発光素子5とを結ぶ電気配線40Bのいずれをも短くすることができ、高周波対策が容易になる。
Further, in the optical waveguide array 10B, as in the
また、光導波路アレイ10Bは、光導波路アレイ10Aと同様に、前記型を用いた射出成型などによって作製されるから、高価な円板ブレードソーなどによる機械的加工工程は不要であり、製造コストを低下させることができる。また、前記型はシンクロトロン放射光による一括処理によって容易に能率的に形成することが可能である。
Further, since the optical waveguide array 10B is manufactured by injection molding using the mold as in the
実施の形態3
本実施の形態においても、図3に示した光導波路表面実装方式によって、第1の半導体チップ31と第2の半導体チップ32とを光導波路アレイを用いた光配線によって結合する。
Also in the present embodiment, the
図11は、実施の形態3に基づく光導波路アレイ10Cを用いる光配線システムの主要部の構成を詳細に示すもので、図11(a)は、第1の半導体チップ31の裏面側から見た平面図であり、図11(b)は、図11(a)に示したC−C線における断面図であり、図11(c)は、発光素子アレイ6Cと受光素子アレイ8Cとの配置関係、およびこれらのアレイ基板上における発光素子5および受光素子7の位置関係を示す平面図である。なお、図11(b)では、図3に対応して、図11(a)とは上下を反転して示している。
FIG. 11 shows in detail the configuration of the main part of the optical wiring system using the optical waveguide array 10C based on the third embodiment. FIG. 11A is viewed from the back side of the
光導波路アレイ10Cでは、図11(a)に示すように、複数の光導波路2がその幅方向に並置され、図11(b)に示すように、各光導波路2は、両端に光入射端面3と光出射端面4とが45度傾斜反射面として形成され、これらの傾斜反射面に対向して発光素子5と受光素子7とがそれぞれ配置されている。
In the optical waveguide array 10C, as shown in FIG. 11 (a), a plurality of
図11(b)に示すように、1個の発光素子5と1本の光導波路2と1個の受光素子7とが1組になって1つの信号伝送路を形成しており、その信号伝送路の基本構成とその機能は、実施の形態1と同じである。その他、光導波路2の構成材料や作製方法なども同様であるので、相違点にのみ注目して下記に説明する。
As shown in FIG. 11 (b), one
図1(a)に示した光導波路アレイ10Aでは、光が導波される方向が互いに逆向きである光導波路2aと2bとが交互に配置されている。それに対して、図11(a)に示した光導波路アレイ10Cでは、光導波路2a3本(一般的にはn本)が1組になったものと、光導波路2b3本(一般的にはn本)が1組になったものとが、交互に配置されていると見なすことができる。
In the
図11(a)に示すように、光導波路2aが並置されると、光導波路2aの一方の側面(図11(a)では上側側面)は他の光導波路2aで塞がれていて利用できないので、光導波路2aの光入射部9における導光路(コア)は他方側(図11(a)では下側側面)の側壁だけが傾斜をもって作られ、拡幅されている。この際、重要なのは、図示されている3本の光導波路2aの光入射部9はいずれも3本の光導波路2bの光出射端面4の延長線上(図の左側)に形成されたスペース領域に面しており、このスペース領域を利用することで光入射端面3における導光路(コア)の幅を拡幅できること、nの数を大きくすることで(原理的には)いくらでも導光路の幅を拡幅できるスペース領域を形成できることである。
As shown in FIG. 11A, when the optical waveguide 2a is juxtaposed, one side surface of the optical waveguide 2a (the upper side surface in FIG. 11A) is blocked by the other optical waveguide 2a and cannot be used. Therefore, only the side wall on the other side (the lower side surface in FIG. 11A) of the light guide path (core) in the light incident portion 9 of the optical waveguide 2a is inclined and widened. In this case, it is important that the light incident portions 9 of the three optical waveguides 2a shown in the figure are all formed in the space region formed on the extension line (left side of the drawing) of the light emitting
このように、本実施の形態によれば、光入射端面3における導光路(コア)の幅を拡幅し、発光素子5からの光が導光路2に取り込まれる効率や確実性を高めることができる。光軸のずれによる光の損失量が減少し、発光素子5と光入射端面3との位置決め誤差の許容度が増すので、発光素子5と光導波路アレイ10Aとのアライメントが容易になり、多数の光素子と光導波路アレイとの間の一括パッシブアライメントが可能になり、量産性や歩留まりが向上する。この際、図5に示した凸レンズを用いたコリメート光学系で発光素子5と光導波路2の光入射端面3との間を結合するのがよい。
本実施の形態
As described above, according to the present embodiment, the width of the light guide path (core) in the light
This embodiment
本実施の形態に基づく光導波路アレイ10Cは、下記の特徴も有している。 The optical waveguide array 10C according to the present embodiment also has the following characteristics.
図2でもふれたように、1つの光導波路の光入射端面3と、隣接する光導波路の光入射端面3とが、光導波路の長さ方向にずれた位置に形成されているので、このずれ量を大きくすることで、これらの光入射端面3の間の距離を光導波路間のピッチに制限されずに大きくすることができる。この結果、図11(c)と図22(c)とを比べるとわかるように、これらの光入射端面3に対向して設置される発光素子5の間の距離dを十分に大きくすることができ、発光素子同士の光干渉やクロストークを抑制することができる。また、発光素子の性能低下を招かずに、光導波路配列を挟ピッチ化して、光導波路アレイ10Aの高密度集積化を実現することができる。
As described in FIG. 2, the light
また、半導体チップの入出力パッドと発光素子5および受光素子7を接続するための電気配線距離を短くでき、高周波対策が容易になる。なぜなら、図11(a)に示すように、光導波路アレイ10Cでは、光が導波される方向が逆向きである光導波路2aと2bとは光導波路3本分しか離れていないので、これらの1組を特定の回路に接続する入力と出力に割り当てて、図11(c)に示すように、これに対応する発光素子5と受光素子7とを近接させて配置することができる。この結果、入力パッド37と受光素子7とを結ぶ電気配線39A、および出力パッド38と発光素子5とを結ぶ電気配線40Aのいずれをも短くすることができ、高周波対策が容易になる。
In addition, the distance between the electric wirings for connecting the input / output pads of the semiconductor chip to the
また、光導波路アレイ10Cは、光導波路アレイ10Aと同様に、前記型を用いた射出成型などによって作製されるから、高価な円板ブレードソーなどによる機械的加工工程は不要であり、製造コストを低下させることができる。また、前記型はシンクロトロン放射光による一括処理によって容易に能率的に形成することが可能である。
Further, since the optical waveguide array 10C is manufactured by injection molding using the mold as in the
実施の形態4
本発明に基づく光導波路アレイは、信号源からの光を効率よく取り込んでヘッドマウントディスプレイなどのスクリーンに出射する光情報処理装置、例えば、R(赤)、G(緑)およびB(青)の三原色光を表示するフルカラーディスプレイに適用することもできる。
An optical waveguide array according to the present invention efficiently captures light from a signal source and emits it to a screen such as a head mounted display, for example, R (red), G (green) and B (blue). The present invention can also be applied to a full-color display that displays three primary color lights.
図12は、そのような光情報処理装置の主要部の構成を示すもので、図1(a)は、半導体チップ41の裏面側から見た平面図であり、図41(b)は、図41(a)に示したD−D線における断面図である。なお、図41(b)では、図41(a)とは上下を反転して示している。また、図41(a)ではRGB4チャンネル分の出力に相当する光導波路アレイが示されているが、この数は作図上の便宜的なものであり、チャンネル数を特に限定するものではない。
FIG. 12 shows the configuration of the main part of such an optical information processing apparatus. FIG. 1A is a plan view seen from the back side of the semiconductor chip 41, and FIG. It is sectional drawing in the DD line shown to 41 (a). In FIG. 41 (b), it is shown upside down from FIG. 41 (a). FIG. 41 (a) shows an optical waveguide array corresponding to the output of
図12(a)に示した光導波路アレイ10Dでは、R(赤)、G(緑)およびB(青)に対応して、赤色光、緑色光および青色光を導波する光導波路2R、2Gおよび2B各1本で1つの組を構成するように配置し、それぞれの光入射端面3R、3Gおよび3Bにそれぞれ対向して発光素子5R、5Gおよび5Bを配置し、かつ光出射端面4R、4Gおよび4Bからスクリーン42へ各RGB色の信号光を出射し、単位画素を形成する。
In the optical waveguide array 10D shown in FIG. 12A, optical waveguides 2R and 2G that guide red light, green light, and blue light corresponding to R (red), G (green), and B (blue). And 2B are arranged so as to form one set, the light emitting elements 5R, 5G, and 5B are arranged to face the light incident end faces 3R, 3G, and 3B, respectively, and the light emitting end faces 4R, 4G are arranged. The signal light of each RGB color is emitted from 4B to the
この際、光導波路2R、2Gおよび2Bが導波する光の方向は同じであるから、光入射端面3R、3Gおよび3Bにおいて導光路の幅を拡幅できない光導波路が生じる。このような場合、発光素子5R、5Gおよび5Bのうち、最も発光強度の強い発光素子を、この導光路の幅を拡幅できない光導波路に割り当てればよい。 At this time, since the directions of light guided by the optical waveguides 2R, 2G, and 2B are the same, an optical waveguide that cannot increase the width of the light guide path at the light incident end faces 3R, 3G, and 3B is generated. In such a case, among the light emitting elements 5R, 5G, and 5B, the light emitting element having the strongest emission intensity may be assigned to the optical waveguide in which the width of the light guide path cannot be increased.
実施の形態1〜4で説明した、光入射部9で導光路(コア)の断面が拡大されている領域の側壁の傾きは、最適範囲が存在することを指摘しておく。 It should be pointed out that there is an optimum range for the inclination of the side wall in the region where the cross section of the light guide path (core) is enlarged in the light incident portion 9 described in the first to fourth embodiments.
図13は、オキセタン樹脂からなる光導波路において、傾斜した側壁をもつ光導波路内で光が導波される場合の、導光路の長さLと光の損失との関係をシミュレーションして求めた結果を示すグラフである。図13で、Win は光入射端面の幅を示し、200μmから600μmまで100μmずつ変化させた。Wout は光出射端面の幅で、50μmで一定とした。 FIG. 13 shows a result obtained by simulating the relationship between the length L of the light guide and the loss of light when light is guided in an optical waveguide having an inclined side wall in an optical waveguide made of oxetane resin. It is a graph which shows. In Figure 13, W in denotes the width of the light incident end face was changed by 100μm from 200μm to 600 .mu.m. W out is the width of the light emitting end face, and is constant at 50 μm.
図13のグラフからわかるように、どのWin の値でもコアの長さLを小さくしすぎると、急激に損失が増大することがわかる。しかも、この損失の急激な増加が起こる長さLは、Win(正確にはWin−Wout)にほぼ比例する。これは、導光路の側面の傾斜がきつくなり、導光路の側面と導光路の幅方向中心線がなす角(図13に示したα)が大きくなりすぎると、壁面に深い角度で入射して全反射せずにクラッドに漏れ出す光が増えるためと考えられる。シミュレーションによると、オキセタン樹脂からなる光導波路では、光の損失を2dB以内に抑えるには、αは3.5°以下であるのがよい。 As can be seen from the graph of FIG. 13, when any W be a value of in too small a length L of the core, it can be seen that the rapid loss increases. In addition, the length L at which this sudden increase in loss occurs is approximately proportional to W in (exactly W in −W out ). This is because the inclination of the side surface of the light guide becomes tight, and if the angle (α shown in FIG. 13) formed by the side surface of the light guide and the width direction center line of the light guide becomes too large, the light enters the wall at a deep angle. This is thought to be because light that leaks into the cladding without being totally reflected increases. According to the simulation, in the optical waveguide made of oxetane resin, α is preferably 3.5 ° or less in order to suppress the light loss within 2 dB.
一方、傾斜を小さくしすぎると、光入射部や発光素子アレイが不必要に大型化して問題が生じる。従って、光導波路の材質や許容される光の損失に応じて適宜、適切な傾斜を選択する必要がある。 On the other hand, if the inclination is too small, the light incident part and the light emitting element array become unnecessarily large, causing a problem. Therefore, it is necessary to select an appropriate inclination according to the material of the optical waveguide and the allowable loss of light.
実施の形態5
図3に示した実装基板に光導波路アレイを固定する表面実装方式の代わりに、光導波路アレイ10A〜10Cを位置決めして設置するための位置決め手段と設置部とを有し、光導波路2に光入射を行うための発光素子5と、光導波路2からの出射光を受けるための受光素子7との少なくとも一方が光導波路2に対応して配置されるソケットを用い、一対のソケット間に光導波路アレイを架け渡した光電複合装置を形成し、これにより光配線システムを構成する例を下記に説明する。
In place of the surface mounting method of fixing the optical waveguide array to the mounting substrate shown in FIG. 3, the
図14は、ソケットの概略斜視図である。図14(a)は、光導波路2が設置される面側からソケットを見た概略斜視図であり、図14(b)は、図14(a)の反対の面側から見た概略斜視図である。
FIG. 14 is a schematic perspective view of the socket. 14A is a schematic perspective view of the socket as viewed from the surface side on which the
光導波路アレイとして光導波路アレイ10Aを用いるものとすると、図14に示すように、ソケット51には、光導波路アレイ10Aを位置決めして固定するための、凹凸構造からなる位置決め手段が設けられている。具体的には、凹凸構造が、光導波路アレイ10Aを嵌め込んでその幅方向を位置決めするための凹部52と、光導波路アレイ10Aの長さ方向を位置決めするための突起部53とを有している。また、凹部52の深さは、光導波路アレイ10Aの厚さよりも大きい。
Assuming that the
また、ソケット51の凹凸構造の凸面54には、ソケット51の表及び裏面とを導通するための導通手段、例えばターミナルピン55が設けられている。そして、この凹凸構造の凸面54上に、後述するように、発光素子5及び/又は受光素子7が実装されたインターポーザーが固定される。
Further, on the
ソケット51の材質としては絶縁性樹脂であれば、従来公知の材料を用いることができ、例えばガラス入りPES(ポリエチレンスルフィド)樹脂、ガラス入りPET(ポリエチレンテレフタレート)樹脂等が挙げられる。このようなソケット51の材料は、その種類、絶縁性、信頼性等のデータが既に多く存在し、また扱っているメーカーも多岐に渡る。従って、機能、コスト、信頼性等の全てにおいて受け入れ易い構造物であり、既存のプリント配線板実装プロセスとの融合も図り易い。
As the material of the
ソケット51の製造方法は特に限定されないが、例えば、前記凹凸構造を有する金型を用いて成形により容易に作製することができる。
Although the manufacturing method of the
図15は、ソケット51を用いた光電複合装置56の概略斜視図(a)と、図15(a)の分解図(b)とである。
FIG. 15 is a schematic perspective view (a) of the photoelectric
図15に示すように、光電複合装置56は、一対のソケット51と、このソケット51に設置された光導波路アレイ10Aとを有し、この一対のソケット51間に光導波路アレイ10Aが架け渡されている。なお、光導波路アレイ10Aは、ここでは図示省略したが、図1に示したように並列に配置された複数の光導波路2を備える。このとき、光導波路アレイ10Aは、後述するプリント配線板とは非接触となっているので、半導体集積回路チップの放熱により、光導波路アレイ10Aが破壊されるのを効果的に防止することができる。
As shown in FIG. 15, the photoelectric
また、ソケット51の前記凹凸構造の凸面54上に、半導体集積回路チップ71a、71bと、発光素子(図示省略)(例えばレーザー)及び/又は受光素子(図示省略)が実装されたインターポーザー70が固定されている。
Further, an
インターポーザー70は、例えば図16に示すように、一方の面側には半導体集積回路チップ71が実装されており(図16(a))、他方の面側には光導波路アレイ10Aに光入射を行うための発光素子アレイ6A、及び/又は光導波路アレイ10Aからの出射光を受けるための受光素子アレイ8Aが実装され、周辺部には再配線電極72が設けられている(図16(b))。なお、発光素子アレイ6A及び受光素子アレイ8Aは、それぞれ、各光導波路2の光入出射部に対応する位置に配置された複数の発光素子5及び受光素子7を備える(図示省略)。各発光素子5および受光素子7の間隙には、発光素子および受光素子と半導体集積回路チップとの間の電気的接続を行う貫通電極が配置されている(図示省略)。
In the
そして、凹部52に光導波路アレイ10Aが設置されてなる一対のソケット51と、インターポーザー70とを固定するに際し、インターポーザー70の発光素子アレイ6A及び/又は受光素子アレイ8Aが実装された面側をソケット51の凸面54と接するように構成し、またソケット51のターミナルピン55とインターポーザー70の再配線電極72とを電気的に接続するように固定する。
When the pair of
また、前述したように、ソケット51の凹部52の深さを、光導波路アレイ10Aの厚さよりも大きく形成することにより、図15(a)に示すように、光導波路アレイ10Aの一方の面73側と、インターポーザー70の発光素子アレイ6A及び/又は受光素子アレイ8Aが実装されている面側との間に空間を形成することができる。
Further, as described above, by forming the depth of the
上記したように、ソケット51上に、インターポーザー70を介して半導体集積回路チップ71を実装し、光導波路アレイ10Aの一方の面73側と、インターポーザー70の発光素子アレイ6A及び/又は受光素子アレイ8Aが実装されている面側との間に空間75を形成することにより、光電複合装置56の使用時に半導体集積回路チップ71が発熱しても、この熱によって光導波路アレイ10Aが破壊されるのを効果的に防ぐことができる。
As described above, the semiconductor integrated
この動作メカニズムは、次の通りである。一方の半導体チップ71aから発信される電気信号は、発光素子アレイ6Aのこの出力に対応する発光素子5(図示省略)によって光信号に変換され、例えばレーザー光による光信号として出射される。出射された光信号は、光導波路アレイ10Aの対応する光導波路2(図示省略)の光入射部に入射し、この光導波路2の中を伝播し、光導波路2の光出射部から出射される。そして、光導波路2から出射された光信号は、受光素子アレイ8Aのこの出力に対応する受光素子7(図示省略)に受光されて電気信号に変換され、他方の半導体チップ71bに電気信号として伝送される。
This operation mechanism is as follows. An electrical signal transmitted from one semiconductor chip 71a is converted into an optical signal by the light emitting element 5 (not shown) corresponding to this output of the light emitting
光電複合装置56は、光導波路2が光配線として用いられる光配線システムを構成することができる。即ち、この光電複合装置56をプリント配線板に電気的に接続された状態で固定する。
The photoelectric
光電複合装置56によれば、光導波路アレイ10Aがソケット51の凹部52に設置された状態でプリント配線板に電気的に接続することができるので、既存のプリント配線板の実装構造をそのまま利用できる構造である。従って、プリント配線板上にソケット51が設置できる領域を設ければ、その他の一般の電気配線は従来通りのプロセスで形成することが可能である。
According to the photoelectric
また、光導波路2が高温プロセスに弱くても、例えば、プリント配線板にソケット51を固定し、更にはんだリフロー、アンダーフィル樹脂封止などの高温プロセスを含む、全ての実装プロセスを完了した後、ソケット51の凹部52に光導波路アレイ10Aを設置することができるので、光導波路2が高温によるダメージをこうむることなしにその実装を行うことが可能である。
Moreover, even if the
また、プリント配線板と比較して剛性の高い樹脂によってソケット51を作製でき、このソケット51上で、発光素子5及び/又は受光素子7及び光導波路2の間の光結合を行うことができるため、光結合に必要とされる実装精度を容易に確保できる。例えば、現状のモールド技術により、数μmオーダーの組立て精度は確保可能である。従って、光バスの高密度化も可能となる。
Further, since the
さらに、半導体集積回路チップ71と、発光素子アレイ6A及び/又は受光素子アレイ8Aとを、インターポーザー70を介してその上下面に近接させて設置することができるので、半導体集積回路チップ71と、発光素子5及び/又は受光素子7との間の配線長を短くすることができる。従って、電気信号のノイズ対策、クロストーク対策も容易となり、光変調速度も向上させることが可能となる。
Further, since the semiconductor integrated
また、従来例による電気配線構造では、プリント配線板に光導波路を直接設けていたので、半導体集積回路チップ71の高機能化に伴って半導体集積回路チップ71から引き出されるピンや配線数が増大すると、光導波路2によってプリント配線板の設計の自由度を阻害している。これにより、プリント配線板の高機能化が困難となり、結果として、全ての機能をワンチップに納めるSOC(system on chip)化に頼る状況となっていた。これに対し、光電複合装置56によれば、光導波路アレイ10Aがソケット51の凹部52に設置された状態でプリント配線板に電気的に接続することができるので、プリント配線板の高密度配線とその設計の自由度を確保しながら光配線システムを安価かつ高い自由度でプリント配線板上に展開することが可能となり、プリント配線板上での高速分散処理、電子機器トータルでの高機能化、及び開発の短TAT(turn around time)化等が期待できる。
Further, in the electrical wiring structure according to the conventional example, since the optical waveguide is directly provided on the printed wiring board, the number of pins and wirings drawn from the semiconductor integrated
次に、光電複合装置56の製造方法の一例について、図17〜図19を参照して説明する。なお、図17及び図18は、図15(a)に示した光電複合装置56のZ−Z線に相当する位置における断面図である。
Next, an example of a method for manufacturing the photoelectric
まず、図17(a)及び(b)に示すように、プリント配線板61上に、一対のソケット51を実装する。このとき、プリント配線板64上の電極(図示省略)と、ソケット51のターミナルピン55とを位置合わせして、前記電極とソケット51が電気的に接続されるように実装する。
First, as shown in FIGS. 17A and 17B, a pair of
次に、図示省略したが、プリント配線板64上にその他の電子部品等の実装及び電気配線の形成を行う。
Next, although not shown, other electronic components and the like are mounted on the printed
次に、図17(c)に示すように、ソケット51の凹部52に光導波路アレイ10Aを設置し、この一対のソケット51間に光導波路アレイ10Aを架け渡しさせる。このとき、ソケット51に設けられた前記凹凸構造としての突起53により、光導波路アレイ10Aの長さ方向における位置決めは容易に行うことができ、また凹部52によって光導波路アレイ10Aの幅方向における位置決めは容易に行うことができる。なお、ソケット51の凹部52に光導波路アレイ10Aを設置するので、光導波路アレイ10Aとプリント配線板64とは非接触の状態になっている。
Next, as shown in FIG. 17C, the
光導波路アレイ10Aのソケット51への接着固定手段としては、特に限定されるものではないが、例えば接着性樹脂を用いて行うことできる。具体的には、まず図19(a)に示すように、ソケット51の凹部52の底面に溝66を任意の形状で形成する。このとき、溝の端部がソケット51の突起53の周辺部まで位置するように形成する。次に、図19(b)に示すように、ソケット51の凹部52に、複数の光導波路67が並んで配置されてなる光導波路アレイ10Aを設置する。上述したように、光導波路アレイ10Aの長さ方向及び幅方向における位置決めは、ソケット51に設けられた突起53及び凹部52によって容易に行うことができる。ここで、溝66は突起53の周辺部まで位置するように形成されているので、溝66の一部は光導波路アレイ10Aに覆われない状態となる。次に、図19(c)に示すように、光導波路アレイ10Aに覆われていない溝66の一部からディスペンサー68等を用いて接着性の樹脂を注入し、固めることによって、ソケット51の凹部52に光導波路アレイ10Aを接着固定することができる。
The means for fixing the
上記のようにしてソケット51に光導波路アレイ9を設置した後、図18(d)に示すように、ソケット51の凸面54上に、前記半導体集積回路チップとしての例えばMPU71aまたはDRAM(Dynamic Random Access Memory)71bと、発光素子アレイ6A及び/又は受光素子アレイ8Aとが実装されたインターポーザー70を固定する。このとき、インターポーザー70の発光素子アレイ6A及び/又は受光素子アレイ8Aが実装された面側をソケット51の凸面54と接するように構成し、またソケット51の凸面54に露出したターミナルピン(図示省略)とインターポーザー70の再配線電極72とを電気的に接続するように固定する。
After the optical waveguide array 9 is installed in the
次に、図18(e)に示すように、MPU71a、DRAM71b上にそれぞれ、アルミのフィン65を設置する。
Next, as shown in FIG. 18E,
以上のようにして、光電複合装置56を用いて、光導波路67が光配線として用いられる光配線システムを構成することができる。
As described above, an optical wiring system in which the optical waveguide 67 is used as an optical wiring can be configured using the photoelectric
ここで、図20は、光電複合装置56をプリント配線板64上に展開した例を示す模式図である。例えば、光導波路モジュールを規格化することで、4方向に自在に展開することが可能となる。
Here, FIG. 20 is a schematic diagram illustrating an example in which the photoelectric
本実施の形態によれば、光導波路アレイ10Aがソケット51の凹部52に設置された状態でプリント配線板64に電気的に接続することができるので、既存のプリント配線板14の実装構造をそのまま利用することができる。従って、プリント配線板64上にソケット51が設置できる領域を設ければ、その他の一般の電気配線は従来通りのプロセスで形成することが可能である。
According to the present embodiment, the
また、光導波路アレイ10Aが高温プロセスに弱くても、上述したように、プリント配線板64にソケット51を固定し、更にはんだリフロー、アンダーフィル樹脂封止などの高温プロセスを含む、全ての実装プロセスを完了した後、ソケット51の凹部52に光導波路アレイ10Aを設置するので、前記光導波路が高温によるダメージをこうむることなくその実装を行うことが可能である。
Even if the
また、プリント配線板64と比較して剛性の高い樹脂によってソケット51を作製でき、このソケット51上で、前記発光素子及び/又は前記受光素子及び前記光導波路間の光結合を行うことがでるため、光結合に必要とされる実装精度を容易に確保できる。例えば、現状のモールド技術により、数μmオーダーの組立て精度は確保可能である。従って、光バスの高密度化も可能となる。
In addition, since the
また、半導体集積回路チップ71a、71bと、発光素子アレイ6A及び/又は受光素子アレイ8Aとを、インターポーザー70を介してその上下面に近接させて設置することができるので、半導体集積回路チップ71a、71bと、発光素子及び/又は受光素子との間の配線長を短くすることができる。従って、電気信号のノイズ対策、クロストーク対策も容易となり、光変調速度も向上させることが可能となる。
Further, since the semiconductor integrated
また、光導波路アレイ10Aがソケット51の凹部2に設置された状態でプリント配線板64に電気的に接続することができるので、プリント配線板64の高密度配線とその設計の自由度を確保しながら光配線システムを安価かつ高い自由度でプリント配線板上に展開することが可能となり、プリント配線板上での高速分散処理、電子機器トータルでの高機能化、及び開発の短TAT(turn around time)化等が期待できる。
In addition, since the
さらに、ソケット51上に、インターポーザー70を介して半導体集積回路チップ71a、71bを実装し、及び光導波路アレイ10Aの一方の面73側と、インターポーザー70の発光素子アレイ6A及び/又は受光素子アレイ8Aが実装されている面側との間に空間75を形成することにより、光電複合装置56の使用時に半導体集積回路チップ71が発熱しても、この熱によって光導波路アレイ10Aが破壊されるのを効果的に防ぐことができる。
Further, the semiconductor integrated
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these examples at all, and can be suitably changed in the range which does not deviate from the main point of invention.
光導波路アレイの形状や構成等は、光導波路の光入射部が隣接する光導波路の光入射部または光出射部とずれている限りにおいて、その他種々の形態を採用することもできる。例えば、複数の光導波路が、放射状に集合していたり、幅方向に並置された面状の集合体が更に積層されていたりしてもよい。 As long as the light incident portion of the optical waveguide is displaced from the light incident portion or the light emitting portion of the adjacent optical waveguide, various other forms can be adopted as the shape, configuration, and the like of the optical waveguide array. For example, a plurality of optical waveguides may be gathered radially, or planar aggregates juxtaposed in the width direction may be further stacked.
また、光導波路アレイを構成する光学材料は例示したもの以外のものを用いることができる。さらに、上述した光導波路アレイの製造方法は、上記構成の光導波路アレイを製造するための一例であり、これに限定されるものではない。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。 Further, optical materials other than those exemplified can be used as the optical material constituting the optical waveguide array. Furthermore, the manufacturing method of the optical waveguide array mentioned above is an example for manufacturing the optical waveguide array of the said structure, It is not limited to this. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明の光導波路アレイは、電子機器間、電子機器内のボード間、とりわけボード内の半導体チップ間など、種々の箇所に適用可能な光情報処理装置、例えば光配線システムにおいて、その基幹である信号伝送路をなす光導波路アレイ等として好適に用いられ、高速、高密度、低コストの光伝送・光通信システムを構築するのに寄与することができる。これ以外にも、光源等の選択によりディスプレイ用などにも適用可能である。 The optical waveguide array of the present invention is the backbone of an optical information processing apparatus that can be applied to various places such as between electronic devices, between boards in an electronic device, particularly between semiconductor chips in the board, for example, an optical wiring system. It is suitably used as an optical waveguide array or the like that forms a signal transmission path, and can contribute to the construction of a high-speed, high-density, low-cost optical transmission / optical communication system. In addition to this, the present invention can be applied to a display or the like by selecting a light source or the like.
1…基板、2…光導波路(導光路)、2R、2G、2B…光導波路、
2a…第1の光導波路、2b…第2の光導波路、3…光入射端面、
3R、3G、3B…光入射端面、4…光出射端面、4R、4G、4B…光出射端面、
5…発光素子、5R、5G、5B…発光素子、6A〜6E…発光素子アレイ、
7…受光素子、8A〜8E…受光素子アレイ、9…光入射部、
10A〜10E…光導波路アレイ、11…感光性樹脂、
11a、11b、11c…露光領域、11d、11e、11f…未露光領域、
12…金属層、13…マスタ金型、14…マザー金型、15…クラッド、21…基板、
22…マスク、23…シンクロトロン放射光、31…第1の半導体チップ、
32…第2の半導体チップ、33…実装基板(プリント配線板)、34…メタルポスト、35…はんだバンプ、36…モールド樹脂、37…入力パッド、38…出力パッド、
39A〜39E、40A〜40E…電気配線、41…半導体チップ、42…スクリーン、51…ソケット、52…凹部、53…突起、54…凸面、55…ターミナルピン、
56…光電複合装置、64…プリント配線板、65…フィン、66…溝、
68…ディスペンサー、69…インターポーザーの位置決め機構、
70…インターポーザー、71…半導体集積回路チップ、72…再配線電極、75…空間
DESCRIPTION OF
2a ... 1st optical waveguide, 2b ... 2nd optical waveguide, 3 ... Light incident end surface,
3R, 3G, 3B ... light incident end face, 4 ... light exit end face, 4R, 4G, 4B ... light exit end face,
5 ... Light emitting element, 5R, 5G, 5B ... Light emitting element, 6A-6E ... Light emitting element array,
7: Light receiving element, 8A to 8E ... Light receiving element array, 9 ... Light incident part,
10A to 10E: Optical waveguide array, 11: Photosensitive resin,
11a, 11b, 11c ... exposed area, 11d, 11e, 11f ... unexposed area,
12 ... Metal layer, 13 ... Master mold, 14 ... Mother mold, 15 ... Clad, 21 ... Substrate,
22 ... Mask, 23 ... Synchrotron radiation, 31 ... First semiconductor chip,
32 ... second semiconductor chip, 33 ... mounting substrate (printed wiring board), 34 ... metal post, 35 ... solder bump, 36 ... mold resin, 37 ... input pad, 38 ... output pad,
39A to 39E, 40A to 40E ... electric wiring, 41 ... semiconductor chip, 42 ... screen, 51 ... socket, 52 ... concave, 53 ... projection, 54 ... convex surface, 55 ... terminal pin,
56 ... Photoelectric composite device, 64 ... Printed wiring board, 65 ... Fin, 66 ... Groove,
68 ... Dispenser, 69 ... Interposer positioning mechanism,
70 ... Interposer, 71 ... Semiconductor integrated circuit chip, 72 ... Redistribution electrode, 75 ... Space
Claims (11)
一辺側において、前記複数の光導波路のうち互いに隣接した光導波路の各光入射部同 士、又は光入射部と光出射部とが互いにずれた位置に配置され、
これらの光導波路の少なくとも一方の前記光入射部において、前記導光路の断面が光 入射端面に向かって拡大されている
ことを特徴とする、光導波路アレイ。 In the optical waveguide array in which a plurality of optical waveguides having a light guide for guiding light from the light incident part to the light emitting part are juxtaposed,
On one side, the light incident portions of the optical waveguides adjacent to each other among the plurality of optical waveguides, or the light incident portion and the light emitting portion are arranged at positions shifted from each other,
An optical waveguide array, wherein a cross section of the light guide path is enlarged toward a light incident end face in at least one of the light incident portions of the optical waveguides.
所定のパターンのマスクを用いてシンクロトロン放射光により前記感光性樹脂層を露 光する工程と、
前記感光性樹脂層の感光した部分を除去する現像工程と、
前記感光性樹脂層の除去された部分に金属を堆積させる工程と、
前記感光性樹脂層の感光していない部分を除去して導光路用金型であるマスタ金型を 形成する工程と、
前記マスタ金型から凹凸形状を転写して、前記マスタ金型に対応するマザー金型を形 成する工程と、
前記マザー金型から凹凸形状を転写して、前記導光路の構成材料を前記導光路アレイ 状に成形する工程と
を有し、
前記マスクを用いて前記感光性樹脂層を露光する工程が、前記感光性樹脂層に対して 傾斜した角度で前記シンクロトロン放射光を照射して前記感光性樹脂層を露光する工程
を含む、請求項10に記載した光導波路アレイの製造方法。 Forming a photosensitive resin layer on the substrate;
Exposing the photosensitive resin layer with synchrotron radiation using a mask having a predetermined pattern;
A developing step for removing the exposed portion of the photosensitive resin layer;
Depositing metal on the removed portion of the photosensitive resin layer;
Removing a non-photosensitive portion of the photosensitive resin layer to form a master mold which is a light guide mold;
Transferring a concavo-convex shape from the master mold to form a mother mold corresponding to the master mold;
Transferring the concavo-convex shape from the mother mold, and forming the constituent material of the light guide into the shape of the light guide array,
The step of exposing the photosensitive resin layer using the mask includes the step of exposing the photosensitive resin layer by irradiating the synchrotron radiation at an angle inclined with respect to the photosensitive resin layer. Item 11. A method for manufacturing an optical waveguide array according to Item 10.
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