JP2006047764A - 突起状光導波路，その製造方法およびそれを用いた光電気混載基板 - Google Patents

Abstract

【課題】光回路を接続する際に簡便にかつ高効率で光結合するための光導波路を提案することにある。
【解決手段】光電気混載基板１４の光の入出力部にあけておいた穴３に勘合させる形で、突起状光導波路１１を挿入する。面型発光素子１２から発光した光２０は、突起状光導波路内に入り、突起状光導波路から出射され、光電気混載基板１４の光導波路に形成された４５度切断面１５で全反射し、９０度光路変換を行い、光導波路１３内へ導入される。
【選択図】 図２

Description

本発明は高分子光導波路に関し、特に光集積回路、光インターコネクション用光学部品、光電気混載板等を製造する方法に関する。

光部品、あるいは光ファイバの基材としては、光伝搬損失が小さく、伝送帯域が広いという特徴を有する石英ガラスや多成分ガラス等の無機系の材料が広く使用されているが、最近では高分子系の材料も開発され、無機系材料に比べて加工性や価格の点で優れていることから、光導波路用材料として注目されている。例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、あるいは、ポリスチレンのような透明性に優れた高分子をコアとし、そのコア材料よりも屈折率の低い高分子をクラッド材料としたコア−クラッド構造からなる平板型光導波路が作製されている（特許文献１：特開平３−１８８４０２号）。これに対して耐熱性の高い透明性高分子であるポリイミドを用い低損失の平板型光導波路が実現されている（特許文献２：特開平２−１１０５００号）。
低コスト化などの要求から光インターコネクション分野において、面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）や面型受光素子が搭載されようとしている。ＶＣＳＥＬの出射口径および受光素子の受光径はそれぞれ１０ミクロン、１００ミクロン程度である。例えば、６２．５ミクロンのコア径の光ファイバで光結合しようとすると、ＶＣＳＥＬ側で±約２５ミクロン、受光素子側で±約２０ミクロンとなる。電子部品などのはんだ実装精度は高精度装置であっても±５０ミクロンである。よって、位置合わせ精度は二倍以上緩和させる必要がある。

一方、基板に対して垂直方向に出射するレーザ光を基板に対して水平な光導波路に入射するとき、約９０°の光路変換が必要となる。高分子光導波路では、ダイシングソーによって約４５°に切削し、９０°光路変換を可能にしている（特許文献３：特開平１０−３００９６１）。しかしながら、この場合、光路変換のときに光は発散してしまい、ＶＣＳＥＬからの光が光導波路のコアに、あるいは、光導波路からの光が受光素子の受光部に入らない割合が増えてしまう可能性がある。データ通信速さが１ギガビット毎秒を越え、さらに高速になると、受光素子の受光径は１００、８０、６０μｍと小さくなる傾向にある。このとき、光の発散は深刻な問題となる。これを解決するために、別途、光路変換部の上面にレンズなどを形成することが考えられるが、加工コストやレンズの実装コストなどが問題となる。これら光学素子はミクロンオーダの位置精度で実装されなければならない。電子部品などのはんだ実装精度は高精度装置であっても±５０ミクロンである。たとえレンズなどを用いたとしても、全く光が取り出せなくなってしまう可能性がある。

受発光素子と光配線板間を短尺の光導波路で結ぶことも考えられるが、この場合、位置合わせ許容度はほとんど変わらない。また、マルチアレイになった場合、光導波路を入れるためにスリット状の孔を明ける必要がある。アレイ数が大きくなったときに電気配線を切断してしまう可能性がある。
特開平３−１８８４０２号公報 特開平２−１１０５００号公報 特開平１０−３００９６１号公報

本発明の目的は、上記の問題を回避すべく、光回路を接続する際に簡便にかつ高効率で光結合するための光導波路を提案することにある。

本発明者は、鋭意検討した結果、突起状光導波路を用いることにより、前記課題を解決することを見出し、本発明を完成させた。すなわち本発明は、光を導波するコア断面が、出射側のコア断面から入射側のコア断面に向けて連続的に大きくなるテーパ状のコア形状になっており、光導波方向に対して突起形状になっている光導波路である。

また本発明は、上記の突起状光導波路を基材に形成された穴に勘合することによる光学部品の光接続方法である。さらに本発明は、電気回路基板を構成する少なくとも1枚の基板に設けられた穴に上記の光導波路が嵌め込まれている光電気混載基板である。

そして本発明は、基材にエネルギー光を照射してテーパ形状の穴をあけたものを転写型とし、転写型の前記穴にクラッド材料およびコア材料、またはコア材料のみを埋め込み固化して光導波路を形成し、該光導波路を転写型から剥離する上記光導波路の製造方法である。

この光導波路の突起部の径の大きい側にクラッド材またはコア材からなるシート状の鍔を備えると、光導波路をハンドリングしやすく、また基板に実装する際に安定に固定できるので好ましい。

本発明による光導波路および接続方法を用いることにより、従来のはんだ実装装置などを用いて素子を実装しても結合効率が高くかつ簡便に光結合が行える。

以下、本発明を詳細に説明する。ここでは、ポリイミド光導波路を例に挙げて説明するが、光導波路の材料としてポリイミド以外の光学用材料の樹脂を用いることももちろん可能である。
本発明の突起状光導波路の作製方法を図１を用いて詳細に説明する。転写型の基材として１ｍｍ厚のポリイミド基板１を用意する。そこへ上からエネルギー光としてエキシマなどのレーザ光を照射し、穴３を形成する。このとき穴径は下に行くにしたがって小さくなる。例えば上面は径が０．１ｍｍ、下面は径が０．０４ｍｍのように深さ方向にテーパの穴が形成される。このとき、形成された穴は基板を貫通しても良いが、貫通して無いことが好ましい。次に穴３が形成された基板に酸化シリコン２を蒸着によって形成する（図１(a)）。そしてポリイミドの前駆体であるポリアミド酸溶液４を埋め込み、熱処理する(図１(b)）。これがクラッドとなる。続いて、先に埋め込んだポリアミド酸溶液４よりも屈折率の大きいポリアミド酸溶液５を埋め込み熱処理して、コアを得る(図１(c)）。その後、基板をフッ酸水溶液６中に浸漬させ、型からコアとクラッドからなるポリイミド成形体を剥離する（図１(d)）。必要に応じて、ダイシングソーやカッターなどで所望の大きさに切り出す。このようにして、突起状の光導波路が作製できる。コア径の大きい側から光を入射させ、コア径の小さい側から光を出射させることにより、位置合わせ精度が緩和された光結合ができる。必要に応じて図１(c)のように、ポリアミド酸溶液を塗布する際に穴３から一部があふれる程度に過剰塗布することにより、穴の周囲にポリイミドからなる鍔が形成される。

図２に本発明の突起状光導波路１１を用いた面型発光素子１２と光導波路１３間の光結合を示した。あらかじめ電子回路などを搭載した回路基板７と光導波路１３からなる光電気混載基板１４の光の入出力部に穴をあけておく。このとき、穴は光結合させる箇所のみ、突起状光導波路程度の大きさでよい。次に、その穴に勘合させる形で、突起状光導波路１１を挿入する。その後必要であれば、空間を樹脂で充填する。このとき、樹脂の屈折率を転写した樹脂よりも屈折率の低い樹脂を選択するとすれば、転写型からの剥離によって得た突起導波路はコアのみでも構わない。このようにして、面型発光素子と光電気混載基板の光導波路間の光接続構造が形成される。面型発光素子から発光した光２０は、突起状光導波路内に入り、伝搬する。突起状光導波路から出射された光は、光電気混載基板１４の光導波路に形成された４５度切断面１５で全反射し、９０度光路変換を行い、光導波路１３内へ導入される。

図３にしめしたように、突起状光導波路の先端に４５度微小ミラー２１となる形状をダイシングソ−などによって形成しておくことにより、図２と同様に、面発光素子から発光した光２２を光電気混載基板１４の光導波路１３内へ導入できる。図３では、光電気混載基板と光導波路も含めた貫通孔の例を記載しているが、貫通孔でなく、光導波路１３のコア部が切断されていれば良い。また、図３には図示していないが、光導波路１３が電気配線板間に積層されている構造であっても、同様に光結合をすることができる。

一方光導波路を作成する転写型に穴を複数あけて、光導波路の材料を穴を繋ぐように塗布することによって、複数の突起状光導波路が形成されたフィルムあるいはシートを得ることができる。これは複数の光接続点を要する基板にそのまま実装することができる。あるいは適当な大きさに切断すれば鍔付きの突起状光導波路を複数取りすることができる。

引き続いて、いくつかの実施例を用いて本発明を更に詳しく説明する。なお、分子構造の異なる種々の高分子の溶液を用いることにより数限りない本発明の高分子光導波路が得られることは明らかである。したがって、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
厚さ１ｍｍのポリイミド基板を用意した。これは２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物（６ＦＤＡ）と２，２−ビス（トリフルオロメチル）−４, ４' −ジアミノビフェニル（ＴＦＤＢ）からなるポリイミドとした。直径０．１ｍｍの穴を形成する条件で、エキシマレーザを照射させた。縮小光学系・マスク投影方式のＫｒＦエキシマレーザ加工装置を用いた。照射条件は、照射エネルギー０.４ｍＪ/パルス、繰り返し周波数２００パルス／秒で約１５秒間とした。そのとき、基板上面の穴径は約０．１１ｍｍで、下面の穴径は約０．０４ｍｍであった。このとき、穴は貫通させず、約０．０２ｍｍ程度残した。続いて、基板上に酸化シリコン膜を真空蒸着法にて、約３０ｎｍ堆積させた。その後、１０ｗｔ％の６ＦＤＡ／ＴＦＤＢのポリアミド酸溶液をスピンコートによって埋め込み、熱処理をした。熱処理後、６ＦＤＡ／ＴＦＤＢは穴の内側に約３〜４μｍの厚みでコーティングされた。続いて、コアとなる６ＦＤＡと４, ４' −オキシジアニリン（ＯＤＡ）から誘導されるポリイミドの前駆体である２５重量％ポリアミド酸溶液を穴内に充填するようにスピンコートし、熱処理をした。比屈折率差は約３％とした。このとき、穴の無い基板上に塗布した場合のフィルム膜厚が約０．１ｍｍとなる条件でスピンコーティングした。次に、ポリイミド基板ごと５重量％のフッ酸水溶液中に浸漬させた。約３０分後、フィルムが剥離し、直径０．１ｍｍ、高さ約０．９ｍｍの突起状テーパ光導波路が形成された。この突起形状を含むように２ｍｍ角に切り出した。突起部を光電気混載基板にあらかじめ形成しておいた光入出力用の径０．１３ｍｍの孔に差し込み接着剤にて固定した。このとき、突起状光導波路と面型発光素子との位置合わせ精度は±０．０５ｍｍであった。

本発明の突起状光導波路の作製方法の一例を示す図。 本発明の突起光導波路を用いた光結合の一例を示す図。 本発明の突起光導波路を用いた光結合の一例を示す図。

符号の説明

１：基板、 ２：酸化シリコン、３：穴、 ４：ポリアミド酸溶液、
５：ポリアミド酸溶液、 ６：フッ酸水溶液、７：回路基板
１１：突起状光導波路、１２：面型発光素子、 １３：光導波路、
１４：光電気混載基板、１５：切断面、 ２０：光、
２１：微小ミラー、 ２２：光

Claims (4)

1. 光を導波するコア断面が、出射側のコア断面から入射側のコア断面に向けて連続的に大きくなるテーパ状のコア形状になっており、光導波方向に対して突起形状になっていることを特徴とする光導波路。
2. 請求項１記載の突起状光導波路を基材に形成された穴に勘合することによる光学部品の光接続方法。
3. 電気回路基板を構成する少なくとも1枚の基板に設けられた穴に請求項１の光導波路が嵌め込まれている光電気混載基板。
4. 基材にエネルギー光を照射してテーパ形状の穴をあけたものを転写型とし、転写型の前記穴にクラッド材料およびコア材料、またはコア材料のみを埋め込み固化して光導波路を形成し、該光導波路を転写型から剥離することを特徴とする請求項１の光導波路の製造方法。
   

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