JP2006235115A - 光信号入力装置およびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】集光レンズのＮＡを小さくせずに、ミラー面に入射された光信号が全反射条件を満たすことができるようにする。
【解決手段】コリメータレンズ１４２は、発光素子１６１から出力される光信号（レーザ光）１３を、発散光から平行光にする。集光レンズ１０４は、平行光を光導波路１３５の一端側の導波路口１３８に集光する。光導波路１３５は、この導波路口１３８から入力された光信号を、４５゜ミラー面１３５ａで反射し、その長手方向に導波する。集光レンズ１０４の光軸を、コリメータレンズ１４２の光軸に対して、光導波路１３５の他端側（ａ側）に距離ｄだけずらし、コリメータレンズ１４２から出力される平行光を、その主光線位置がレンズ１０４の光軸位置から光導波路１３５の一端側（ｂ側）に距離ｄだけ離間するように、シフトさせる。
【選択図】 図８

Description

この発明は、例えばＬＳＩ(Large Scale Integrated circuit)等の半導体チップ間の信号伝送に適用して好適な光信号入力装置およびそれを用いた電子機器に関する。詳しくは、この発明は、発光素子から出力される光信号をコリメータレンズで発散光から平行光とし、その後この平行光を集光レンズで光導波路の一端側の導波路口に集光させるものにあって、集光レンズの光軸を、コリメータレンズの光軸に対して、光導波路の他端側に所定距離だけずらしたことによって、集光レンズの開口数（ＮＡ：numerical aperture）を小さくせずに、ミラー面に入射された光信号が全反射条件を満たすことができるようにした光信号入力装置等に係るものである。

現在、ＬＳＩチップ内のシリコン上に形成されたトランジスタ、キャパシタなどによりフロントエンドに形成された素子間同士またはこれら素子のブロックの間同士での信号伝播および動作電源供給を行うバックエンドの接続配線は、すべて絶縁膜基板上に形成された金属線を介した電気伝送によりなされている。しかし、昨今のスケールの微細化による素子動作速度の高速化、すなわちＭＰＵ(Micro Processing Unit)高機能化に伴い、チップ内において必要とされるデータ授受量は著しく高速化かつ大容量化し、その動作クロックは著しく高速化している。

なかでも、データや動作クロック信号を電気的に配信するメタル配線には様々な問題が浮上している。それら問題の代表的なものとして、メタル配線の抵抗・寄生容量による信号のＲＣ(register and Capacitor )信号遅延、インピーダンスミスマッチング、ＥＭＣ(ElectroMagnetic Compatibility)／ＥＭＩ(ElectroMagnetic Interference)、クロストークなどによる信号劣化や伝送エラーなどの問題、および著しい微細化による信号伝送に要する消費電力の増大、多層化による配線長の増大や歩留まりの低下などの問題が挙げられる。

上述の問題を解決するための実装技術の1つとして、ボード上のＬＳＩチップ間をダイレクトに光接続する“チップ間光インタコネクション”が挙げられる。このチップ間光インタコネクションを実現するために、面発光レーザ（以下、ＶＣＳＥＬ）から出力されたビームを一度コリメートさせ導波路入力時に集光させるような“光Ｉ／Ｏパッケージ”が提案されている（非特許文献１参照）。

図２５は、この“光Ｉ／Ｏパッケージ”としての光信号入力装置５００の構成を示している。この光信号入力装置５００は、光信号を出力する発光素子としてのＶＣＳＥＬ(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) ５１１、ＶＣＳＥＬ側レンズ基板５１２、ＶＣＳＥＬ５１１から出力される光信号を発散光から平行光にするコリメータレンズ５１３と、コリメータレンズ５１３から出力される平行光を光導波路５３０の一端側の導波路口５３１に集光させるための集光レンズ５２１と、導波路側レンズ基板５２２とからなっている。

ＶＣＳＥＬ５１１から出力される光信号（レーザ光）５４０は、レンズ基板５１２を通じてコリメータレンズ５１３に入射され、発散光から平行光とされる。そして、この平行光は集光レンズ５２１に入射され、レンズ基板５２２を通じて光導波路５３０の一端側の導波路口５３１に集光される。この導波路口５３１から入力された光信号は４５゜の傾斜角を持つミラー面５３２に入射されて反射され、光導波路５３０を通じて導波されていく。

この光信号入力装置５００によれば、例えば、図２６に示すように、製造公差が発生して、ＶＣＳＥＬ側に対して導波路側の位置がずれた場合であっても、集光レンズ５２１に入射された光信号の光路が曲がり、光導波路５３０の導波路口５３１に集光するものであり、製造公差に強く、伝播損失の少ないレンズモジュールを構成することができる。なお、図２６の破線は、製造公差が発生していない場合の、集光レンズ５２１、レンズ基板５２２、光導波路５３０などの位置を示している。

電子情報通信学会論文誌 Ｃ Vol.J64-C No.9 pp.793-799(2001)

図２５に示す光信号入力装置５００は、ＶＣＳＥＬ５１１から光導波路５３０の導波路口５３１までの光信号（レーザ光）の伝播においては、十分な結合効率を得ることが可能である。しかしながら、光導波路５３０内でミラー面５３２に入射する光信号の全反射を考えると、集光レンズ５２１に入射される平行光のシフト方向によっては、ミラー面５３２で光信号の一部が全反射を起こさずにミラー面５３２を透過してしまう場合が考えられる。

例えば、製造公差の発生により、図２７に示すように、集光レンズ５２１に入射される平行光が、ａ方向（図２６のシフト方向ｂとは逆の方向）にシフトした場合を考える。この場合も、ＶＣＳＥＬ５１１から光導波路５３０の導波路口５３１までの光信号（レーザ光）の伝播においては、十分な結合効率を得ることが可能である。

しかし、光導波路５３０内に入力された光信号のミラー面５３２に対する入射角度は、このミラー面５３２に対して９０°に近くなる。ここで、ミラー面５３２で全反射する領域αaが図２８に示すようであるとすると、この領域αaの外にある領域αｂに存在する光は、ミラー面５３２で反射を起こさずに、このミラー面５３２を透過してしまい、光導波路５３０を伝播しない。そのため、領域αb内の光は全て損失となる。つまり、光導波路５３０のミラー面５３２への入射角度が９０°に近くなると、このミラー面５３２での全反射条件を満たすことができずに光量損失が大きくなってしまうという問題がある。

さらに、領域αbから外れる光を少なくするため、光導波路５３０への入力光のＮＡを小さくしたとする。一般的に光源、コリコリメータレンズ、光導波路間の角度ずれを吸収するため、光源とミラーは共役関係（結像関係）となるように設計する。ここで、集光レンズ５２１のＮＡを小さくするためには、この集光レンズ５２１の焦点距離を伸ばす必要がある。

しかし、結像レンズの焦点距離と結像倍率の関係は、結像倍率＝像側焦点距離／物体側焦点距離、で表される（図２９参照）。このように結像レンズの焦点距離（像側焦点距離）と結像倍率は比例の関係にあるので、集光レンズ５２１の焦点距離を大きくすると、ミラー面５３２における光源像の結像倍率が大きくなってしまう。つまり、集光レンズ５２１のＮＡを小さくすると導波路口５３１における光源像のサイズ（以下、「集光径」という）が大きくなってしまう。

図３０は、集光レンズ５２１のＮＡを小さくした場合を示している。この場合、図３１Ａに示すように、光信号５４０の全ての光が領域αa内に存在するようになる。しかしこの場合、集光レンズ５２１のＮＡを小さくしたことから、図３１Ｂに示すように集光径Ｄaは、導波路口５３１に収まらず、光量損失が発生する。なお、図３１Ｂの集光系Ｄbは、図２７の集光レンズ５２１のＮＡにおけるものである。

このように、図２５に示す光信号入力装置５００では、光導波路５３０のミラー面５３２での損失を低減するために集光レンズ５２１のＮＡを小さくすると、導波路口５３１でケラレる光量が増大し、一方導波路口５３１でケラレる光量を低減するために集光レンズ５２１のＮＡを大きくして結像倍率を小さくすると、製造公差の発生時にミラー面５３２で全反射せずに透過する光量が増大するという問題があった。

この発明の目的は、集光レンズのＮＡを小さくせずに、ミラー面に入射された光信号が全反射条件を満たすようにすることにある。

この発明に係る光信号入力装置は、光信号を出力する発光素子と、この発光素子より出力される光信号を発散光から平行光にするコリメータレンズと、このコリメータレンズより出力される平行光を光導波路の一端側の導波路口に集光させる集光レンズとを備える光信号入力装置であって、集光レンズの光軸を、コリメータレンズの光軸に対して、光導波路の他端側に所定距離だけずらしたものである。

また、この発明に係る電子機器は、複数の電子部品からなり、この複数の電子部品に含まれる第１の電子部品と第２の電子部品との間で光信号を用いた信号伝送が行われる電子機器であって、光信号を光導波路に入力するための光信号入力装置が設けられ、この光信号入力装置は、光信号を出力する発光素子と、この発光素子より出力される光信号を発散光から平行光にするコリメータレンズと、このコリメータレンズより出力される平行光を光導波路の一端側の導波路口に集光させる集光レンズとを備え、集光レンズの光軸をコリメータレンズの光軸に対して光導波路の他端側に所定距離だけずらしたものである。

この発明においては、発光素子から出力される光信号はコリメータレンズで発散光から平行光とされる。そして、この平行光が集光レンズで光導波路の一端側の導波路口に集光される。ここで、集光レンズの光軸は、コリメータレンズの光軸に対して、光導波路の他端側に所定距離だけずらされる。この場合、平行光は、その主光線位置が集光レンズの光軸位置から光導波路の一端側に所定距離だけ離間するようにシフトされる。

例えば、所定距離は、導波路口から光導波路内に入力された光信号が入射される傾斜したミラー面に対する臨界角を示す直線とこのミラー面に沿った直線との間の領域を二等分する直線がこのミラー面に入射される光信号の主光線位置となるように設定される。また例えば、所定距離は、導波路口から光導波路内に入力される光信号の主光線の集光レンズの光軸に対する傾きが、導波路口から光導波路内に入力された光信号が入射される傾斜したミラー面に対する臨界角を示す直線とこのミラー面に沿った直線との間の領域を二等分する直線の集光レンズの光軸に対する傾き以下となるように設定される。

このように、集光レンズの光軸を、コリメータレンズの光軸に対して、光導波路の他端側に所定距離だけずらすことで、集光レンズのＮＡを小さくせずに、ミラー面に入射された光信号が全反射条件を満たすようにできる。この場合、集光レンズのＮＡを小さくするものではないので、導波路口での集光径が大きくなってこの導波路口でケラレる光量が増大するということはない。

また、このように集光レンズの光軸を、コリメータレンズの光軸に対して、光導波路の他端側に所定距離だけずらすことで、製造公差の許容範囲を大きくでき、製造公差に強いものとできる。なお、この製造公差の許容範囲を最大とできるのは、ミラー面に対する臨界角を示す直線とこのミラー面に沿った直線との間の領域を二等分する直線が、このミラー面に入射される光信号の主光線位置となる場合である。

この発明によれば、発光素子から出力される光信号をコリメータレンズで発散光から平行光とし、その後この平行光を集光レンズで光導波路の一端側の導波路口に集光させるものにあって、集光レンズの光軸を、コリメータレンズの光軸に対して、光導波路の他端側に所定距離だけずらしたものであり、集光レンズのＮＡを小さくせずに、ミラー面に入射された光信号が全反射条件を満たすようにできる。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態としての光電複合装置１００の概略断面図を示している。

この光電複合装置１００は、プリント配線基板（マザーボード）１０１上に実装されるＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂと、これらＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂに設置されるレンズ一体型の光導波路アレイ１０３とを有している。ＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂは、それぞれ、十字型の溝状の凹部１０２ｄを持つ凹凸構造とされている。ＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂは、従来周知のように、例えば、絶縁性樹脂、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）樹脂などを用い、凹凸構造を有する金型を用いて形成される。

光導波路アレイ１０３は、後述するように、複数チャネル分の光導波路を備えている。この光導波路アレイ１０３は、ＩＣソケット１０２ａとＩＣソケット１０２ｂとの間に架け渡されている。この光導波路アレイ１０３の両端部は、それぞれ、ＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂの溝状の凹部１０２ｄに配置される。この光導波路アレイ１０３は、後述するようにコア層を上下のクラッド層で挟んだ構造とされているが、上側のクラッド層と一体的にレンズ１０４が形成されている。

また、光電複合装置１００は、ＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂの凸面上にそれぞれ固定されるインターポーザ１０５ａ，１０５ｂを有している。インターポーザ１０５ａの裏面には光素子としての発光素子アレイ１０６および受光素子アレイ１０７が実装されており、その表面には半導体チップ１０８ａ、例えばＣＰＵが実装されている。この場合、発光素子アレイ１０６および受光素子アレイ１０７は、インターポーザ１０５ａの内部を介して、半導体チップ１０８ａに接続されている。なお、半導体チップ１０８ａの上面にはヒートシンクとしてのアルミニウム製のフィン１０９が設置されている。

同様に、インターポーザ１０５ｂの裏面には光素子としての発光素子アレイ１０６および受光素子アレイ１０７が実装されており、その表面には半導体チップ１０８ｂが実装されている。この場合、発光素子アレイ１０６および受光素子アレイ１０７は、インターポーザ１０５ｂの内部を介して、半導体チップ１０８ｂに接続されている。

発光素子アレイ１０６は、発光素子、例えば面発光レーザが複数個配列された構成となっている。また、受光素子アレイ１０７は、受光素子、例えばフォトダイオードが複数個配列された構成となっている。上述した光導波路アレイ１０３は、上述した発光素子アレイ１０６の各発光素子、および受光素子アレイ１０７の各受光素子に、それぞれ、各チャネルの光導波路が対向するように設置される。ここで、発光素子は、光導波路に入射する光信号を発光する。受光素子は光導波路から出射された光信号を受光する。

次に、上述した光電複合装置１００におけるインターポーザ１０５ａ，１０５ｂ、および光導波路アレイ１０３の位置決め機構について説明する。

インターポーザ１０５ａ，１０５ｂは、その裏面に下方に向かって植立された位置決め用ピン１１１を有している。この位置決め用ピン１１１は、例えばインターポーザ１０５ａ，１０５ｂの裏面に設けられた金属パッド（図１には図示せず）に半田付けされることで、当該インターポーザ１０５ａ，１０５ｂの裏面に取り付けられている。この位置決め用ピン１１１は、後述する光導波路アレイ１０３に形成されている位置決め用貫通穴１１３を通過できる第１の径の先端部１１１ｔと、その位置決め用貫通穴１１３を通過できない第２の径の基部１１１ｂとからなっている。基部１１１ｂがインターポーザ１０５ａ，１０５ｂに半田付けされている。

また、ＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂの凹部１０２ｄの底面に、上述したインターポーザ１０５ａ，１０５ｂの位置決め用ピン１１１を挿入するための位置決め用穴１１２を有している。この位置決め用穴１１２の径は、位置決め用ピン１１１の先端部１１１ｔの径より若干小さく形成されている。例えば、位置決め用ピン１１１の先端部１１１ｔの直径が２．１mm（φ＝２．１mm）であるとき、位置決め用穴１１２の直径は２．０mm（φ＝２．０mm）とされる。これにより、位置決め用ピン１１１の先端部１１１ｔが位置決め用穴１１２に挿入される際には、位置決め用穴１１２の樹脂変形によって圧入状態となり、位置決め後のガタが抑制される。

また、光導波路アレイ１０３は、両端部に、上述したインターポーザ１０５ａ，１０５ｂの位置決め用ピン１１１を通すための位置決め用貫通穴１１３を有している。この位置決め用貫通穴１１３の径は、上述した位置決め用穴１１２の径と同様に、位置決め用ピン１１１の先端部１１１ｔの径より若干小さく形成されている。例えば、位置決め用ピン１１１の先端部１１１ｔの直径が２．１mm（φ＝２．１mm）であるとき、位置決め用貫通穴１１３の直径は２．０mm（φ＝２．０mm）とされる。これにより、位置決め用ピン１１１の先端部１１１ｔが位置決め用貫通穴１１３を通る際には、位置決め用貫通穴１１３の樹脂変形によって圧入状態となり、位置決め後のガタが抑制される。

インターポーザ１０５ａ，１０５ｂ、および光導波路アレイ１０３の位置決めは、上述したインターポーザ１０５ａ，１０５ｂの位置決め用ピン１１１が、光導波路アレイ１０３の位置決め用貫通穴１１３を貫通してＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂの位置決め用穴１１２に挿入されることで行われる。

この場合、位置決め用ピン１１１の基部１１１ｂおよび先端部１１１ｔの境界の段差部分で光導波路アレイ１０３はＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂの面に押圧された状態となる。これにより、光導波路アレイ１０３がＩＣソケットの面から浮き上がることを防止でき、各光導波路の光入射面や光出射面が傾くことによる光量損失を回避できる。

なお、詳細説明は省略するが、インターポーザ１０５ａ，１０５ｂは、それぞれ、例えばその四隅にＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂ側への付勢力が与えられ、ＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂに押し付けられた状態で、当該ＩＣチケット１０２ａ，１０２ｂ上に固定される。

図２は、上述した光電複合装置１００の概略斜視図を示している。なお、この図２においては、プリント配線基板１０１およびアルミニウム製のフィン１０９の図示は省略している。

次に、上述した光電複合装置１００を構成する各部材について、さらに詳細に説明する。図３Ａ，Ｂは、ＩＣソケット１０２（ＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂのそれぞれに対応）の構成を示している。図３Ａは、ＩＣソケット１０２を表面側から見た概略斜視図であり、図３ＢはＩＣソケット１０２を裏面側から見た概略斜視図である。

ＩＣソケット１０２の表面側は、図３Ａに示すように、十字型の溝状の凹部１０２ｄを持つ凹凸構造とされている。凹部１０２ｄの深さは、光導波路アレイ１０３の厚さよりも大きくされ、実装時に、光導波路アレイ１０３と、発光素子アレイ１０６および受光素子アレイ１０７との間に空間が形成されるようになされる。

このＩＣソケット１０２の凸面には、この凸面上に固定されるインターポーザ１０５ａ，１０５ｂ（図１参照）の裏面に設けられた電極パッド１５１との電気的接触をとるための、棒状、板バネ状、渦巻き状などの電極ピン１２１が複数個設けられている。なお、図３Ａには、棒状の電極ピン１２１を示している。

また、このＩＣソケット１０２の裏面には、図３Ｂに示すように、プリント配線基板１０１（図１参照）上の電極との電気的接続をとるための、例えば半田バンプ等の電極コンタクト１２２が複数個設けられている。この電極コンタクト１２２は、上述の凸面に設けられている電極ピン１２１とＩＣソケット１０２内で電気的に接続されている。

また、このＩＣソケット１０２の凹部１０２ｄの底面には、図３Ａに示すように、上述したインターポーザ１０５ａ，１０５ｂの裏面に設けられた位置決め用ピン１１１を挿入するための位置決め用穴１１２が設けられている。後述するように、インターポーザ１０５ａ，１０５ｂの裏面には、それぞれ８本の位置決め用ピン１１１が設けられているので、位置決め用穴１１２も８個設けられている。なお、図３Ａには、４個のみ示されている。

なお、このＩＣソケット１０２には、十字型の溝状の凹部１０２ｄを利用して、最大４方向から４本の光導波路アレイ１０３（図１参照）を設置できるようになっている。そのため、上述した８個の位置決め用穴１１２のうち、それぞれの方向に対応した２個ずつの位置決め用穴１１２は、それぞれの方向から設置される光導波路アレイ１０３に対応した２本の位置決め用ピン１１１を挿入するために用いられる。

図４Ａ，Ｂは、インターポーザ１０５（インターポーザ１０５ａ，１０５ｂのそれぞれに対応）の構成を示している。図４Ａは、インターポーザ１０５を表面側から見た概略斜視図であり、図４Ｂはインターポーザ１０５を裏面側から見た概略斜視図である。

インターポーザ１０５の表面には、図４Ａに示すように、半導体チップ１０８（半導体チップ１０８ａ，１０８ｂに相当）が実装されている。なお、実装される半導体チップの個数は１個に限られるものではない。また、このインターポーザ１０５の裏面には、図４Ｂに示すように、発光素子アレイ１０６および受光素子アレイ１０７が実装されている。上述したように、インターポーザ１０５には最大４方向から４本の光導波路アレイ１０３を設置できるようになっているので、このインターポーザ１０５の裏面には、それぞれの方向から設置される光導波路アレイ１０３に対応して、４組の発光素子アレイ１０６および受光素子アレイ１０７が実装されている。これら発光素子アレイ１０６および受光素子アレイ１０７は、インターポーザ１０５を介して、半導体チップ１０８に接続されている。

また、このインターポーザ１０５の裏面には、図４Ｂに示すように、上述したＩＣソケット１０２の凸面に設けられた電極ピン１２１（図３参照）との電気的接触をとるための電極パッド１５１が複数個設けられている。

また、このインターポーザ１０５の裏面には、図４Ｂに示すように、金属製の位置決め用ピン１１１が下方に向かって植立されている。この位置決め用ピン１１１は、上述したＩＣソケット１０２に設けられた８個の位置決め用穴１１２に対応して、８本設けられている。

図５Ａ，Ｂは、光導波路アレイ１０３の構成を示している。図５Ａは、光導波路アレイ１０３を表面側から見た概略斜視図であり、図５Ｂは、光導波路アレイ１０３の概略平面図である。

光導波路アレイ１０３の、両端部には、それぞれ、上述したインターポーザ１０５（インターポーザ１０５ａ，１０５ｂ）の位置決め用ピン１１１（図４参照）を通すための位置決め用貫通穴１１３が設けられている。各端部には、位置決め用貫通穴１１３として、第１の穴１１３ｐおよび第２の穴１１３ｑが、幅方向に所定の間隔を空けて設けられている。

ここで、第１の穴１１３ｐは丸穴とされる。例えば、位置決め用ピン１１１の先端部１１１ｔの直径が２．１mmであるとき、この第１の穴１１３ｐはその直径が２．０mmとされる。また、第２の穴１１３ｑは、長径方向が光導波路アレイ１０３の幅方向と一致するように形成された長穴とされる。例えば、位置決め用ピン１１１の先端部１１１ｔの直径が２．１mmであるとき、この第２の穴１１３ｑはその短径が２．０mmとされ、その長径が３．０mmとされる。

この光導波路アレイ１０３の第１の穴１１３ｐにインターポーザ１０５の第１の位置決め用ピン１１１を貫通させるだけでなく、この光導波路アレイ１０３の第２の穴１１３ｑにインターポーザ１０５の第２の位置決め用ピン１１１を貫通させることで、光導波路アレイ１０３の周り止めを行うことができる。また、第２の穴１１３ｑを長穴とすることで、インターポーザ１０５の第１、第２の位置決め用ピン１１１，１１１の幅方向の位置ずれを吸収できる。

次に、図６を参照して、光導波路アレイ１０３、発光素子アレイ１０６および受光素子アレイ１０７の詳細構成について説明する。

図６Ｃは光導波路アレイ１０３を表面側から見た斜視図、図６Ｄは光導波路アレイ１０３を横方向（長手方向）に切った断面図、図６Ｅは光導波路アレイ１０３を縦方向（幅方向）に切った断面図である。図６Ｃは光導波路アレイ１０３の片方の端部のみを示しているが、もう片方の端部も同様に構成されている。

光導波路アレイ１０３は、基本的には、コア層１３１を、上下のクラッド層１３２，１３３で挟み込んだ構造とされている。この場合、コア層１３１の屈折率がクラッド層１３２，１３３の屈折率より高くされることで、光導波路が構成される。例えば、コア層１３１の材料としてＵＶ硬化光学用樹脂（例えば、屈折率は１．６）が使用され、クラッド層１３２，１３３の材料として光学用射出成型樹脂（例えば、屈折率は１．５）が使用される。

コア層１３１には、複数チャネルの光導波路、つまり複数本の送信用光導波路１３５および複数本の受信用光導波路１３６が形成されている。なお、他方の端部では、送信用光導波路１３５は受信用光導波路１３６となり、受信用光導波路１３６は送信用光導波路１３５となる。

この場合、送信用光導波路１３５および受信用光導波路１３６は、光導波路アレイ１０３の幅方向に交互に配置されている。また、光導波路アレイ１０３の幅方向に並ぶ複数本の送信用光導波路１３５の端部位置が長さ方向に順次ずれるようにされている。同様に、光導波路アレイ１０３の幅方向に並ぶ複数本の受信用光導波路１３６の端部位置が長さ方向に順次ずれるようにされている。また、複数本の送信用導波路１３５の端部は、複数本の受信用導波路１３６の端部より、光導波路アレイ１０３の端部側に位置するようにされている。

送信用光導波路１３５の端部１３５ａは４５゜ミラー面とされている。これにより、発光素子アレイ１０６の発光素子で発生された光信号をこの端部１３５ａで光導波路１３５の長手方向側に反射させることができ、当該光信号を効率よく送信できる。また、受信用光導波路１３６の端部１３６ａも４５゜ミラー面とされている。これにより、光導波路１３６で伝送されてきた光信号をこの端部１３６ａで受光素子アレイ１０７の受光素子側に反射させることができ、当該光信号を効率よく受信できる。

また、各送信用光導波路１３５の端部１３５ａおよび各受信用光導波路１３６の端部１３６ａにそれぞれ対応して、上側のクラッド層１３２と一体的にレンズ１０４が形成されている。この場合、送信用光導波路１３５の端部１３５ａに対応したレンズ１０４は、発光素子アレイ１０６の発光素子側からの平行光を当該端部１３５ａに集光する集光レンズの働きをする。一方、受信用光導波路１３６の端部１３６ａに対応したレンズ１０４は、当該端部１３６ａからの発散光を平行光にするコリメータレンズの働きをする。

また、光導波路アレイ１０３の端部において、上側のクラッド層１３２の両側および前側が下方に延長され、両側面および前面に所定の高さの壁板１３７が形成されている。このように壁板１３７が形成されることで、光導波路アレイ１０３がＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂの面に押し付けられた状態でも、光導波路１３５，１３６の部分は、ＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂの面から浮いた状態に置かれ、破損などを良好に回避できる。

なお、位置決め用貫通穴１１３としての第１の穴１１３ｐおよび第２の穴１１３ｑは、上側のクラッド層１３２に形成される。

図６Ａは、発光素子アレイ１０６およびそれに装着されるレンズアレイ１４１（図１には図示せず）を示している。発光素子アレイ１０６は、上述した光導波路アレイ１０３の複数本の送信用光導波路１３５の端部１３５ａに対応して、複数個の発光素子１６１を備えている。この発光素子１６１は例えば面発光レーザであって、下面側から光信号としてのレーザ光が出射される。また、この発光素子アレイ１０６の上面側には、各発光素子１６１に金属配線を介して接続された電極パッド１６２が設けられている。また、レンズアレイ１４１には、発光素子アレイ１０６の複数個の発光素子１６１にそれぞれ対応した複数個のレンズ１４２が形成されている。このレンズ１４２は、発光素子１６１からの発散光を平行光にするコリメータレンズの働きをする。

図６Ｂは、受光素子アレイ１０７およびそれに装着されるレンズアレイ１４３（図１には図示せず）を示している。受光素子アレイ１０７は、上述した光導波路アレイ１０３の複数本の受信用光導波路１３６の端部１３６ａに対応して、複数個の受光素子１６３を備えている。この受光素子１６３は例えばフォトダイオードであって、下面側から光信号としてのレーザ光が入射される。また、この受光素子アレイ１０７の上面側には、各受光素子１６３に金属配線を介して接続された電極パッド１６４が設けられている。また、レンズアレイ１４３には、受光素子アレイ１０７の複数個の受光素子１６３にそれぞれ対応した複数個のレンズ１４４が形成されている。このレンズ１４４は、光導波路アレイ１０３の受信用光導波路１３６側からの平行光を受光素子１６３の光入射面に集光する集光レンズの働きをする。

次に、図１に示す光電複合装置１００の製造方法の一例について説明する。
まず、プリント配線基板１０１上に、ＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂを実装する。この場合、プリント配線基板１０１上の電極とＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂの裏面の電極コンタクト１２２とを位置合わせして、プリント配線基板１０１上の電極とＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂとが電気的に接続されるように実装する。なお、プリント配線基板１０１上には、予めその他の電子部品などの実装および電気配線を行っておく。

次に、ＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂに光導波路アレイ１０３を設置し、これらＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂ間に光導波路アレイ１０３が架け渡された状態とする。この場合、光導波路アレイ１０３の両端部は、それぞれ、ＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂの溝状の凹部１０２ｄに配置される。この場合、ＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂに設置される光導波路アレイ１０３の長さが、これらＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂの距離より長いことが望ましい。これにより、光導波路アレイ１０３を撓ませた状態で固定でき、ＩＣソケット１０２ａ，１０２ｂのプリント配線基板１０１上における位置決め誤差を吸収できる。

次に、ＩＣソケット１０２ａの凸面上にインターポーザ１０５ａを固定する。この場合、インターポーザ１０５ａの裏面に設けられている８本の位置決め用ピン１１１の先端部１１１ｔが、ＩＣソケット１０２ａの凹部１０２ｄの底面に設けられた位置決め用穴１１２に挿入されることで、インターポーザ１０５ａの位置決めが行われる。なおこの場合、光導波路アレイ１０３に対応した２本の位置決め用ピン１１１は、当該光導波路アレイ１０３の位置決め用貫通穴１１３（第１の穴１１３ｐ、第２の穴１１３ｑ）を通された後に、位置決め用穴１１２に挿入される。これにより、光導波路アレイ１０３の位置決めも同時に行われる。

なお、このようにＩＣソケット１０２ａの凸面上にインターポーザ１０５ａが固定されるとき、このインターポーザ１０５ａには、例えばその四隅にＩＣソケット１０２ａ側への付勢力が与えられ、当該インターポーザ１０５ａはＩＣソケット１０２ａに押し付けられた状態とされる。

次に、インターポーザ１０５ａの表面に実装されている半導体チップ１０８ａの上面に、アルミニウム製のフィン１０９を設置する。これにより、半導体チップ１０８ａで発生される熱をフィン１０９を通して効率的に放熱できるようになる。

次に、ＩＣソケット１０２ｂの凸面上にインターポーザ１０５ｂを固定する。この場合、インターポーザ１０５ｂの裏面に設けられている８本の位置決め用ピン１１１の先端部１１１ｔが、ＩＣソケット１０２ｂの凹部１０２ｄの底面に設けられた位置決め用穴１１２に挿入されることで、インターポーザ１０５ｂの位置決めが行われる。なおこの場合、光導波路アレイ１０３に対応した２本の位置決め用ピン１１１は、当該光導波路アレイ１０３の位置決め用貫通穴１１３（第１の穴１１３ｐ、第２の穴１１３ｑ）を通された後に、位置決め用穴１１２に挿入される。これにより、光導波路アレイ１０３の位置決めも同時に行われる。

なお、このようにＩＣソケット１０２ｂの凸面上にインターポーザ１０５ｂが固定されるとき、このインターポーザ１０５ｂには例えばその四隅にＩＣソケット１０２ｂ側への付勢力が与えられ、当該インターポーザ１０５ｂはＩＣソケット１０２ｂに押し付けられた状態とされる。

図７は、ＩＣソケット１０２ａ側におけるインターポーザ１０５ａおよび光導波路アレイ１０３の位置決め機構に係る部分を拡大して示したものである。この図７において、図１、図６と対応する部分には同一符号を付して示している。

インターポーザ１０５ａの表面には半導体チップ１０８ａが実装されている。この場合、インターポーザ１０５ａの表面の電極パッド１５２と半導体チップ１０８ａの下面の電極パッド１８１との間に半田バンプ１５４が介在され、半導体チップ１０８ａはインターポーザ１０５ａの表面に半田付けされる。

また、インターポーザ１０５ａの裏面には発光素子アレイ１０６が実装されている。この場合、インターポーザ１０５ａの裏面の電極パッド１５３と発光素子アレイ１０６の上面の電極パッド１６２との間に半田バンプ１５５が介在され、発光素子アレイ１０６はインターポーザ１０５ａの裏面に半田付けされる。なお、この発光素子アレイ１０６の下面にレンズアレイ１４１が装着されている。

また、光導波路アレイ１０３の端部が、ＩＣソケット１０２ａの溝状の凹部１０２ｄに配置されている。位置決め用ピン１１１は、インターポーザ１０５ａの裏面に設けられた金属パッド１５６に半田付けされることで、当該インターポーザ１０５ａの裏面に、下方に向かって植立されている。この位置決め用ピン１１１の先端部１１１ｔは、光導波路アレイ１０３の位置決め用貫通穴１１３を貫通して、ＩＣソケット１０２ａの位置決め用穴１１２に挿入（圧入）される。これにより、インターポーザ１０５ａおよび光導波路アレイ１０３の双方の位置決めが同時に行われる。

ここで、発光素子アレイ１０６の発光素子１６１からの光信号は、この発光素子アレイ１０６に装着されたレンズアレイ１４１のレンズ（コリメータレンズ）１４２により発散光から平行光とされ、その後この平行光は光導波路アレイ１０３の上面側のクラッド層１３２と一体的に形成されたレンズ（集光レンズ）１０４により送信用光導波路１３５の一端側の導波路口１３８に集光される。そして、この導波路口１３８から光導波路１３５内に入力された光信号はこの光導波路１３５の端部（ミラー面）１３５ａに入射され、この端部１３５ａで光導波路１３５の長手方向側に反射される。

この場合、レンズ（集光レンズ）１０４の光軸は、レンズ（コリメータレンズ）１４２の光軸に対して、光導波路１３５の他端側に所定距離だけずらされ、レンズ１４２から出力される平行光は、その主光線位置がレンズ１０４の光軸位置から光導波路１３５の一端側に所定距離だけ離間するようにシフトされる。これにより、レンズ１０４のＮＡを小さくせずに、ミラー面に入射された光信号が全反射条件を満たすことができるようにされている。なお、ずらし量をどのように設定するかなどについては後述する。

上述の図７はＩＣソケット１０２ａ側におけるインターポーザ１０５ａおよび光導波路アレイ１０３の位置決め機構に係る部分を示したものである。説明は省略するが、ＩＣソケット１０２ｂ側におけるインターポーザ１０５ｂおよび光導波路アレイ１０３の位置決め機構に係る部分についても同様である。

上述した光電複合装置１００（図１、図６、図７参照）の動作を説明する。
ＩＣソケット１０２ａ側で、半導体チップ１０８ａからの電気信号はインターポーザ１０５ａの内部を通ってその裏面に実装された発光素子アレイ１０６の発光素子（例えば面発光レーザ）１６１に供給され、この発光素子１６１からは電気信号に対応して強度変調された光信号が発生される。

この発光素子１６１からの光信号は発光素子アレイ１０６に装着されたレンズアレイ１４１のレンズ１４２により発散光から平行光とされる。この平行光は光導波路アレイ１０３の上面側のクラッド層１３２と一体的に形成されたレンズ１０４により送信用光導波路１３５の一端側の導波路口１３８に集光される。そして、この導波路口１３８から光導波路１３５内に入力された光信号は端部（４５゜ミラー面）１３５ａに入射され、光導波路１３５の長手方向側に反射される。これにより、ＩＣソケット１０２ａ側の発光素子アレイ１０６の発光素子１６１で発生された光信号は、送信用光導波路１３５を通じて、ＩＣソケット１０２ｂ側に送信される。

ＩＣソケット１０２ｂ側で、受信用光導波路１３６（ＩＣソケット１０２ａ側では送信用光導波路１３５）を通じて送られてくる光信号は、端部（４５゜ミラー面）１３６ａで受光素子アレイ１０７の受光素子１６３側に反射される。この反射された光信号は光導波路アレイ１０３の上面側のクラッド層１３２と一体的に形成されたレンズ１０４により発散光から平行光とされる。この平行光は受光素子アレイ１０７に装着されたレンズアレイ１４３のレンズ１４４で集光されて受光素子（例えばフォトダイオード）１６３の光入射面に入射される。

そして、光信号は受光素子１６３で光信号から電気信号に変換される。この電気信号は、インターポーザ１０５ｂの内部を通ってその表面に実装された半導体チップ１０８ｂに供給される。これにより、ＩＣソケット１０２ａ側のインターポーザ１０５ａに実装された半導体チップ１０８ａからの電気信号が、ＩＣソケット１０２ｂ側のインターポーザ１０５ｂに実装された半導体チップ１０８ｂに供給される。

なお、説明は省略するが、ＩＣソケット１０２ｂ側の半導体チップ１０８ｂからＩＣソケット１０２ａ側の半導体チップ１０８ａにも、同様にして電気信号が供給される。

次に、発光素子１６１、レンズ１４２（ここでは、「コリメータレンズ１４２」とする）、レンズ１０４（ここでは、「集光レンズ１０４」とする）を備える光学系である光信号入力装置１０について詳述する。図８は、この光信号入力装置１０の構成を示している。この図８において、図７と対応する部分には同一符号を付し、適宜、その詳細説明を省略する。

この光信号入力装置１０は、光信号を出力する、例えば面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）で構成される発光素子１６１、発光素子側レンズ基板１１、発光素子１６１から出力される光信号を発散光から平行光にするコリメータレンズ１４２と、コリメータレンズ１４２から出力される平行光を送信側光導波路１３５の一端側の導波路口１３８に集光させるための集光レンズ１０４と、導波路側レンズ基板１２とからなっている。

発光素子側レンズ基板１１としては、レンズアレイ１４１の基板部分および発光素子アレイ１０６の発光素子１６１の前面側を覆う保護膜等が対応する。また、導波路側レンズ基板１２としては、集光レンズ１０４が一体的に形成される光導波路アレイ１０３の上面側のクラッド層１３２が対応する。

発光素子１６１から出力される光信号（レーザ光）１３は、レンズ基板１１を通じてコリメータレンズ１４２に入射され、発散光から平行光とされる。そして、この平行光は集光レンズ１０４に入射され、レンズ基板１２２を通じて送信用光導波路１３５の一端側の導波路口１３８に集光される。この導波路口１３８から入力された光信号は４５゜の傾斜角を持つ端部１３５ａ（ここでは、「ミラー面１３５ａ」とする）に入射されて反射され、光導波路１３５を通じて導波されていく。

ここで、集光レンズ１０４の光軸は、コリメータレンズ１４２の光軸に対して、光導波路１３５の他端側（ａ側）に距離ｄだけずらされ、コリメータレンズ１４２から出力される平行光は、その主光線位置が集光レンズ１０４の光軸位置から光導波路１３５の一端側（ｂ側）に距離ｄだけ離間するように、シフトされる。これにより、集光レンズ１０４のＮＡを小さくせずに、ミラー面１３５ａに入射された光信号が全反射条件を満たすことができるようにされている。この場合、集光レンズ１０４のＮＡを小さくするものではなく、導波路口１３８での集光径が大きくなってこの導波路口１３８でケラレる光量が増大するということはない。

上述した光信号入力装置１０の設計手法について説明する。
まず、発光素子側のレンズ系の設計について説明する。発光素子１６１の光信号１３の放射角度とコリメート幅により、レンズ基板１１の厚みを決める。そして、このレンズ基板１１内を広がりながら進む光信号をコリメートするようにコリメータレンズ１４２を設計する。

次に、図９を用いて、導波路側のレンズ系の設計について説明する。光導波路１３５とその周囲の材質から光導波路１３５のミラー面１３５ａで全反射する限界の角度である臨界角θaを算出する。光導波路１３５のミラー面１３５ａに沿った直線Ｌ１と臨界角θａを示す直線Ｌ２との間の領域Ｗaは全反射可能な領域となる。この領域Ｗaを二等分する直線、換言すれば直線Ｌ１，Ｌ２のなす角を二等分する直線である、二等分線Ｌ３を求める。この二等分線Ｌ３が、光信号１３の主光線の理想的な位置となる。この二等分線Ｌ３に光信号１３の主光線がくる場合、光導波路１３５への入射光のＮＡを最も大きくすることができる。なお、図９の直線Ｌ４は、集光レンズ１０４（図８参照）の光軸を示している。

そして、集光レンズ１０４の光軸Ｌ４の、コリメータレンズ１４２の光軸に対するずらし量、すなわち距離ｄを求める。光信号１３の主光線の理想的な位置が二等分線ｌ３に決まったので、図１０に示すように、集光レンズ１０４の光軸に対する光信号１３の傾斜角θbがわかる。この傾斜角θbと集光レンズ１０４の焦点距離Ｆaとから、（１）式により、ずらし量としての距離ｄを求める。
ｄ＝Ｆａ＊tanθb ・・・（１）

そして、上述したように発光素子側のレンズ系と、導波路側のレンズ系のずらし量（距離ｄ）が決まったので、このずらし量を持たせた状態で、導波路口１３８に光信号が集光するように、集光レンズ１０４を設計する。

次に、上述した光信号入力装置１０の設計手法の具体例を説明する。この具体例は、以下の設計仕様に沿ったものである。すなわち、発光素子１６１の光源サイズが３０μｍφ、発光素子１６１の光源放射角度（全角）が２０゜、コリメータレンズ１４２、集光レンズ１０４および光導波路１３５の屈折率が１.５、レンズ基板１１，１２の屈折率が１．４、平行光の幅であるコリメート幅が１７０μｍ以下、導波路口１３８が３０μｍ□である。

最初に従来法によってレンズ系を設計し、その後、集光レンズ１０４の光軸をずらして当該集光レンズ１０４を再設計する。

まず、従来法によるレンズ設計の説明を行う。平行光の幅であるコリメート幅Ｄ（図８参照）を決める。このコリメート幅Ｄは、光導波路１３５の集積度によるコリメータレンズ１４２や集光レンズ１０４のレンズアレイの集積度、製造上のレンズＳＡＧやレンズ径の限界、またはレンズ基板１１，１２のアセンブルに耐える最低限の厚みなど、製造上の規制や仕様により決められる。このコリメート幅Ｄと、発光素子１６１の光源放射角度とから、発光素子側レンズ基板１１の厚みを決める。そして、レンズ基板１１の中を広がりながら進む光信号が発散光から平行光となるようにコリメータレンズ１４２を設計する。

その後、平行光を光導波路１３５の導波路口１３８の大きさに集光するように集光レンズ１０４を設計する。ここで、樹脂と空気の屈折率差より、光導波路のミラー面１３５ａで全反射条件を満たす臨界角θaの位置は、図１１に示すように、集光レンズ１０４の光軸に対して約３．２゜傾いた位置となる。発光素子１６１の光源サイズと導波路口１３８のサイズは共に３０μｍなので等倍のレンズ系となる。つまり、コリメータレンズ１４２と集光レンズ１０４は、焦点距離が同じレンズ系である。

図１２は、この従来法で設計されたレンズ系を示している。発光素子１６１の光源中心から出ている主光線１３Ｃ、上光線１３Ｕ、下光線１３Ｄを実線で示し、発光素子１６１の光源上端から出ている各光線を破線で示している。この場合、導波路口１３８への集光径は約３０μｍであるが、上光線１３Ｕの入射角度は約９．９゜であり、ミラー面１３５ａで透過してしまう（図１１参照）。

次に、集光レンズ１０４の再設計を説明する。集光レンズ１０４の焦点距離が約５００μｍであり、このレンズ系の全反射領域が約４８．２゜（＝４５゜＋３．２゜）の領域であるので（図１１参照）、集光レンズ１０４の光軸のずらし量（距離ｄ）が約２００μｍの場合に、光信号１３の主光線１３Ｃが理想主光線位置にくることになる。仮に、主光線１３Ｃが理想主光線位置にくるようなレンズを設計すると、図１３に示すようなレンズ系となる。

ただし、この図１３からもわかるように、主光線１３Ｃが理想光線位置を通るように集光レンズ１０４を設計すると、レンズの突出高さＳＡＧが深くなり過ぎて、この集光レンズ１０４の製造が困難になる場合も考えられる。

このため、主光線１３Ｃが理想主光線位置を通るずらし量は、ずらし量の上限であるという認識が好ましい。つまり、ずらし量（距離ｄ）は、主光線１３Ｃの集光レンズ１０４の光軸に対する傾きが、上述した二等分線Ｌ３の集光レンズ１０４の光軸に対する傾き以下となるように設定される。

この例では、光線の６．７゜（＝９．９゜−３．２゜）分を全反射領域に入れればよいので、５００μｍ×tan６．７゜＝５８．７μｍ≒５９μｍ以上ずらせばよい。実際は製造公差やビームの強度分布等によりずらし量は最適化される。図１４は、ずらし量（距離ｄ）を７０μｍとした場合のレンズ系を示している。このときの上光線１３Ｕの入射角度は約２．９゜であり、集光径は約３０μｍである。

このように設計されたレンズ系は、導波路口１３８への集光径もミラー面１３５ａでの全反射条件も満たすものとなる。このときのコリメータレンズ１４２および集光レンズ１０４の、（２）式の非球面関数ＳＡＧ（ｈ）の係数を、図１５に示している。

次に、集光レンズ１０４の光軸をずらしたことにより、集光レンズ１０４の径が大きくなってしまった場合について、図１６、図１７、図１８を用いて説明する。

集光レンズ１０４の光軸をずらしたことにより、レンズ径が大きくなってしまい、導波路の集積度が規制されることが考えられる。図１６Ａ，Ｂは、それぞれ、集光レンズ１０４の光軸をずらす前とずらした後における、集光レンズ１０４の径、および平行光（コリメート光）１３が入射される領域を示している。図１６Ａは、集光レンズ１０４の光軸をずらす前の状態を示している。この状態では、集光レンズ１０４の径は小さく、平行光１３はこの集光レンズ１０４の中央領域に入射される。

図１６Ｂは、集光レンズ１０４の光軸をずらした後の状態を示している。この状態では、集光レンズ１０４の径は大きくなり、平行光１３はこの集光レンズ１０４の中央からはずれた領域に入射される。なお、図１６Ｂの破線で示される円は、光軸をずらす前の集光レンズ１０４を比較のために示している。この図１６Ｂからわかるように、集光レンズ１０４の径が大きくなった場合でも、集光レンズ１０４の中で使用する領域で増えたのは、図１６Ｂに一点鎖線の枠Ｐ１で示した領域である。

図１７Ａ，Ｂは、それぞれ、光導波路アレイの各光導波路１３５の端部に対応して、集光レンズ１０４をアレイ状に配置した場合において、集光レンズ１０４の光軸をずらす前とずらした後における、集光レンズ１０４の径、および平行光（コリメート光）１３が入射される領域を示している。図１７Ａは、集光レンズ１０４の光軸をずらす前の状態を示している。この状態では、集光レンズ１０４の径は小さく、集光レンズ１０４同士の位置干渉は生じない。

図１７Ｂは、集光レンズ１０４の光軸をずらした後の状態を示している。この状態では、集光レンズ１０４の径は大きくなり、集光レンズ１０４同士の位置干渉が生じる。しかし、この位置干渉を生じる領域は、図１７Ｂに一点鎖線の枠Ｐ２で示した領域であり、平行光１３が入射されて実際に使用される領域ではないので、何等問題はない。この場合、集光レンズ１０４として平行光１３が入射されて実際に使用される領域のみを成形したものとしてもよく、その場合には集光レンズ１０４同士の位置干渉がなくなる。

このように、集光レンズ１０４の光軸をずらした場合であって、集光レンズ１０４の径が大きくなって、集光レンズ１０４同士の位置干渉が生じても、この位置干渉が生じる領域は平行光１３が入射されて実際に使用される領域ではない。したがって、集光レンズ１０４の光軸をずらすことで集光レンズ１０４の径が大きくなっても、光導波路アレイの光導波路１３５の集積度が低減されることはない。

図１８Ａ，Ｂは、それぞれ、隣接する光導波路１３５の端部位置が長手方向にずれるように配置された、光導波路アレイの各光導波路１３５の端部に対応して、集光レンズ１０４をアレイ状に配置した場合において、集光レンズ１０４の光軸をずらす前とずらした後における、集光レンズ１０４の径、および平行光（コリメート光）１３が入射される領域を示している。詳細説明は省略するが、この図１８Ａ，Ｂの場合においても、上述した図１７Ａ，Ｂの場合と同様のことが言える。

次に、製造公差の許容範囲について説明する。
まず、従来のように集光レンズ１０４の光軸ずらしをしていない場合について、図１９を用いて説明する。この場合、上述の発明が解決しようとする課題の項目でも述べたように、ミラー面１３５ａでの全反射を考慮すると、集光レンズ１０４の光軸のずれの方向によって製造公差に対し脆い場合がある。つまり、集光レンズ１０４の光軸が破線で示すようにａ側にずれる製造公差には強いが、集光レンズ１０４の光軸が一点鎖線で示すようにｂ側にずれる製造公差には弱い。この場合、ａ側にずれる製造公差の許容範囲はｑ１であり、ｂ側にずれる製造公差の許容範囲はｑ２であり、ｑ２＜ｑ１となる。結局、製造公差の許容範囲はｑ２となる。

次に、この発明のように集光レンズ１０４の光軸ずらしをしている場合について、図２０を用いて説明する。この場合、ミラー面１３５ａでの全反射も考慮してずらし量が設計されている。集光レンズ１０４の光軸が破線で示すようにａ側にずれる製造公差の許容範囲ｑ３と、集光レンズ１０４の光軸が一点鎖線で示すようにｂ側にずれる製造公差の許容範囲ｑ４とは等しく、製造公差の許容範囲はｑ４となる。

ただし、ｑ３＝ｑ４となる場合は、光信号１３の主光線１３Ｃを理想主光線位置とするようなずらし量を与えることが可能な場合である（図１３参照）。現実的なずらし量を与える場合においては（図１４参照）、ｑ４＜ｑ３となる、しかし、図１９に示す集光レンズ１０４の光軸ずらしをしていない場合と比較すると、ｑ２＜ｑ４となり、結局集光レンズ１０４の光軸ずらしをしている場合には、製造公差の許容範囲を大きくでき、製造公差に強いものとなる。

上述した光電複合装置１００によれば、レンズ（集光レンズ）１０４の光軸が、レンズ（コリメータレンズ）１４２の光軸に対して、光導波路１３５の他端側に所定距離だけずらされているものであり、レンズ１０４のＮＡを小さくせずに、ミラー面に入射された光信号が全反射条件を満たすことができる。この場合、レンズ１０４のＮＡを小さくするものではなく、導波路口１３８での集光径が大きくなってこの導波路口１３８でケラレる光量が増大するということはない。

また、上述した光電複合装置１００によれば、レンズ（集光レンズ）１０４の光軸が、レンズ（コリメータレンズ）１４２の光軸に対して、光導波路１３５の他端側に所定距離だけずらされているものであり、レンズ１４２の光軸に対してレンズ１０４の光軸がずれる製造公差の許容範囲を大きくでき、製造公差に強いものとできる。

次に、上述した光電複合装置１００を実際に適用し得る電子機器の一例を簡単に説明する。
図２１は、コンピュータシステム２００の構成を示している。このコンピュータシステム２００は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)２０１と、メモリコントローラとしてのノースブリッジ２０２と、ＤＲＡＭ(Dynamic Random Access Memory)２０３と、Ｉ／Ｏコントローラとしてのサウスブリッジ２０４と、バス２０５と、ネットワークインタフェース（ネットワークＩ／Ｆ）２０６と、記憶装置２０７と、その他の入出力装置（Ｉ／Ｏ装置）２０８とを備えている。

ノースブリッジ２０２は、光配線２１１を介してＣＰＵ２０１に接続されている。また、サウスブリッジ２０４は、光配線２１２を介してノースブリッジ２０２に接続されていると共に、さらに光配線２１１を介してＣＰＵ２０１に接続されている。また、ＤＲＡＭ２０３は、光配線２１３を介してノースブリッジ２０２に接続されている。ＣＰＵ２０１は、ＯＳ(Operating System)およびアプリケーションプログラムに基づいて各部を制御する。ノースブリッジ２０２は、メモリ２０３へのアクセスを統括制御する。

バス２０５は電気配線２１４を介してサウスブリッジ２０４に接続されている。また、ネットワークインタフェース２０６、記憶装置２０７およびその他のＩ／Ｏ装置２０８は、それぞれ、バス２０５に接続されている。記憶装置２０７は、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)、ＤＶＤ(Digital Versatile Disk)ドライブ、ＣＤ(Compact Disc)ドライブなどである。Ｉ／Ｏ装置２０８は、ビデオ入出力装置、シリアルやパラレルのインタフェースなどである。

図２２は、光配線２１０（光配線２１１〜２１３のそれぞれに対応している）の構成例を示している。この光配線２１０は、Ｎチャネル分の光伝送系２２０_-1〜２２０_-Nを有している。光伝送系２２０_-1〜２２０_-Nのそれぞれは、第１の回路（第１の電子部品）から第２の回路（第２の電子部品）に光信号を伝送する第１の伝送系２２１と、第２の回路から第１の回路に光信号を伝送する第２の伝送系２２２とからなっている。

第１の伝送系２２１は、パラレル／シリアル変換器（Ｐ／Ｓ変換器）２２１ａ、ドライバアンプ２２１ｂ、発光素子としての半導体レーザ２２１ｃ、光導波路２２１ｄ、受光素子としてのフォトダイオード２２１ｅ、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）２２１ｆ、Ｉ／Ｖ変換アンプ（ＩＶＡ）２２１ｇおよびシリアル／パラレル変換器（Ｓ／Ｐ変換器）２２１ｈを備えている。この場合、Ｐ／Ｓ変換器２２１ａ、ドライバアンプ２２１ｂおよび半導体レーザ２２１ｃは第１の回路側に配置され、フォトダイオード２２１ｅ、ＴＩＡ２２１ｆ、ＩＶＡ２２１ｇおよびＳ／Ｐ変換器２２１ｈは第２の回路側に配置され、光導波路２２１ｄは第１の回路と第２の回路の間に配置される。

同様に、第２の伝送系２２１は、Ｐ／Ｓ変換器２２２ａ、ドライバアンプ２２２ｂ、半導体レーザ２２２ｃ、光導波路２２２ｄ、フォトダイオード２２２ｅ、ＴＩＡ２２２ｆ、ＩＶＡ２２２ｇおよびＳ／Ｐ変換器２２２ｈを備えている。この場合、Ｐ／Ｓ変換器２２２ａ、ドライバアンプ２２２ｂおよび半導体レーザ２２２ｃは第２の回路側に配置され、フォトダイオード２２２ｅ、ＴＩＡ２２２ｆ、ＩＶＡ２２２ｇおよびＳ／Ｐ変換器２２２ｈは第１の回路側に配置され、光導波路２２２ｄは第２の回路と第１の回路の間に配置される。

ここで、Ｓ／Ｐ変換器２２１ａ，２２２ａは、それぞれ、伝送すべきデータ、例えばｂ₀〜ｂ₇の８ビットパラレルデータをシリアルデータに変換する。ドライバアンプ２２１ｂ，２２２ｂは、それぞれ、Ｓ／Ｐ変換器２２１ａ，２２２ａで得られたシリアルデータに基づいて半導体レーザ２２１ｃ，２２２ｃを駆動し、この半導体レーザ２２１ｃ，２２２ｃからシリアルデータに対応した光信号を発生させる。ＴＩＡ２２１ｆ，２２２ｆは、それぞれ、フォトダイオード２２１ｅ，２２２ｅからの光電変換による電流信号を、後続のＩ／Ｖ変換アンプ２２１ｇ，２２２ｇに供給する際に、インピーダンスマッチングをとる。ＩＶＡ２２１ｇ，２２２ｇは、それぞれ、ＴＩＡ２２１ｆ，２２２ｆの出力信号である電流信号を電圧信号に変換する。Ｓ／Ｐ変換器２２１ｈ，２２２ｈは、それぞれ、ＩＶＡ２２１ｇ，２２２ｇの出力信号である、伝送されてきたシリアルデータをパラレルデータに変換する。

第１の回路から第２の回路にデータを伝送する際の動作について説明する。第１の回路側では、伝送すべき８ビットのパラレルデータはＰ／Ｓ変換器２２１ａでシリアルデータに変換され、このシリアルデータはドライバアンプ２２１ｂに供給される。このドライバアンプ２２１ｂにより半導体レーザ２２１ｃが駆動され、この半導体レーザ２２１cからはシリアルデータに対応した光信号が発生される。そして、この光信号が光導波路２２１ｄを通って第２の回路側に伝送される。

第２の回路側では、光導波路２２１ｄで伝送されてきた光信号がフォトダイオード２２１ｅに照射される。このフォトダイオード２２１ｅからの光電変換による電流信号は、インピーダンスマッチング用のＴＩＡ２２１ｆを介してＩＶＡ２２１ｇに供給され、電圧信号に変換される。そして、このＩＶＡ２２１ｇの出力信号である、伝送されてきたシリアルデータはＳ／Ｐ変換器２２１ｈでパラレルデータに変換される。

このようにして、第１の回路から第２の回路にデータの伝送が行われる。なお、詳細説明は省略するが、第２の回路から第１の回路にデータを伝送する際の動作についても同様に行われる。図２２に示す光配線２１０では、Ｎチャネル分の光伝送系２２０_-1〜２２０_-Nを有しているので、Ｎチャネル分のデータ送受信を並行して行うことができる。

上述したコンピュータシステム２００においては、図示しないプリント配線基板（マザーボード）上に、上述した電子部品としてのＣＰＵ２０１、ノースブリッジ２０２、ＤＲＡＭ２０３、サウスブリッジ２０４およびバス２０５をそれぞれ構成する半導体チップが実装される。この場合、ＣＰＵ２０１、ノースブリッジ２０２、ＤＲＡＭ２０３およびサウスブリッジ２０４の部分に、図１に示す光電複合装置１００を適用でき、ＣＰＵ２０１とノースブリッジ２０２の間、ＤＲＡＭ２０３とノースブリッジ２０２の間、ノースブリッジ２０２とサウスブリッジ２０４の間で、光信号を用いた信号伝送を良好に行うことができる。

図２３は、ゲーム機３００の構成を示している。このゲーム機３００は、ゲームアプリケーションプログラム等の各種アプリケーションプログラムに基づいて信号処理や内部構成要素の制御を行うメインＣＰＵ３０１と、画像処理を行うグラフィックプロセッサ（ＧＰ）３０２と、インターネット等のネットワークとのインタフェースを行うためのネットワークインタフェース（ネットワークＩ／Ｆ）３０３と、インタフェース処理を行うＩＯプロセッサ（ＩＯＰ）３０４と、ＤＶＤやＣＤ等の光ディスク３０５の読み出し制御や当該読み出されたデータのデコードを行う光ディスク制御部３０６と、メインＣＰＵ３０１に接続されるメインメモリとしてのＤＲＡＭ３０７と、ＩＯプロセッサ３０４が実行する命令やデータを保持するためのＩＯＰメモリ３０８と、主にオペレーティングシステム用のプログラムが格納されたＯＳ−ＲＯＭ３０９と、音声信号処理を行うサウンドプロセッサユニット（ＳＰＵ）３１０と、圧縮波形データを格納するサウンドバッファ３１１とを基本構成として備えている。

メインＣＰＵ３０１とネットワークＩ／Ｆ３０３は、光配線３１２により接続されている。メインＣＰＵ３０１とグラフィックプロセッサ３０２は、光配線３１３により接続されている。メインＣＰＵ３０１とＩＯプロセッサ３０４は、ＳＢＵＳ３１４により接続されている。ＩＯプロセッサ３０４と、光ディスク制御部３０６、ＯＳ−ＲＯＭ３０９およびサウンドプロセッサユニット３１０は、ＳＳＢＵＳ３１５により接続されている。

メインＣＰＵ３０１は、ＯＳ−ＲＯＭ３０９に格納されたプログラムや、光ディスク３０５から読み出されてＤＲＡＭ３０７にロードされたり、通信ネットワークを介してダウンロードされた、各種のゲームアプリケーションプログラム等を実行する。グラフィックプロセッサ３０２は、例えばビデオゲームにおけるレンダリング処理等を行い、ビデオ信号をディスプレイに出力する。

ＩＯプロセッサ３０４には、コントローラ（図示せず）が接続されるコントローラポート３２１、メモリカード（図示せず）が装填されるメモリカードスロット３２２、ＵＳＢ接続端子３２３およびＩＥＥＥ１３９４接続端子３２４が接続されている。これにより、ＩＯプロセッサ３０４は、コントローラポート３２１を介して接続されたコントローラ、メモリカードスロット３２２を介して接続されたメモリカード、ＵＳＢ接続端子３２３を介して接続された図示しない携帯電話機やパーソナルコンピュータとの間でデータの送受や、プロトコル変換等を行う。

サウンドプロセッサユニット３１０は、サウンドバッファ３１１に格納されている圧縮波形データを、メインＣＰＵ３０１からの命令に基づいて所定のサンプリング周波数で再生することなどにより、様々なサウンドを合成し、オーディオ信号をスピーカに出力する。

なお、光配線３１２，３１３は、それぞれ、上述の図２２に示すように構成されており、メインＣＰＵ３０１とネットワークＩ／Ｆ３０３の間、およびメインＣＰＵ３０１とグラフィックプロセッサ３０２の間では、光信号によってデータの送受信が行われる。

上述したゲーム機３００においては、図示しないプリント配線基板（マザーボード）上に、上述したメインＣＰＵ３０１等の基本構成電子部品としての半導体チップが実装される。

この場合、メインＣＰＵ３０１、グラフィックプロセッサ３０２およびネットワークＩ／Ｆ３０３の部分に、図１に示す光電複合装置１００を適用でき、メインＣＰＵ３０１とネットワークＩ／Ｆ３０３の間、メインＣＰＵ３０１とグラフィックプロセッサ３０２の間で、光信号を用いた信号伝送を良好に行うことができる。

図２４は、サーバ４００の構成を示している。このサーバ４００は、ＣＰＵ４０１，４０２と、チップセット４０３と、ネットワークインタフェース（ネットワークＩ／Ｆ）４０４と、メモリ４０５と、ＰＣＩブリッジ４０６と、ルータ４０７とを基本構成として備えている。

チップセット４０３には、光配線４１１，４１２を介してＣＰＵ４０１，４０２が接続されていると共に、光配線４１３を介して、ネットワークＩ／Ｆ４０４が接続されている。また、チップセット４０３には、電気配線により、メモリ４０５、ＰＣＩブリッジ４０６およびルータ４０７が接続されている。ネットワークＩ／Ｆ４０４は、ネットワークとのインタフェースを行う。チップセット４０３は、ＣＰＵ４０１，４０２、ネットワークＩ／Ｆ４０４、メモリ４０５およびＰＣＩブリッジ４０６などを制御する。

ＰＣＩブリッジ４０６には、ＰＣＩバス４１４を介して、記憶装置などのＰＣＩデバイス４１５〜４１６が接続されている。ルータ４０７は、例えば、スイッチカード４２１およびラインカード４２２〜４２５から構成されている。ラインカード４２２〜４２５は、パケットの前処理を行うプロセッサであり、スイッチカード４２１はパケットの行き先をアドレスに従い切り替えるスイッチである。

なお、光配線４１１〜４１３は、それぞれ、上述の図２２に示すように構成されており、ＣＰＵ４０１，４０１とチップセット４０３の間、およびチップセット４０３とネットワークＩ／Ｆ４０４の間では、光信号によってデータの送受信が行われる。

上述したサーバ４００においては、図示しないプリント配線基板（マザーボード）上に、上述したメインＣＰＵ４０１，４０２、チップセット４０３等の基本構成電子部品としての半導体チップが実装される。

この場合、ＣＰＵ４０１，４０１、チップセット４０３、ネットワークＩ／Ｆ４０４の部分に、図１に示す光電複合装置１００を適用でき、ＣＰＵ４０１，４０１とチップセット４０３の間、およびチップセット４０３とネットワークＩ／Ｆ４０４の間で、光信号を用いた信号伝送を良好に行うことができる。

この発明は、発光素子から出力される光信号をコリメータレンズで発散光から平行光とし、その後この平行光を集光レンズで光導波路の一端側の導波路口に集光させるものにあって、集光レンズのＮＡを小さくせずに、光導波路のミラー面に入射された光信号が全反射条件を満たすことができるようにしたものであり、例えばＬＳＩ等の半導体チップ間の光信号伝送に適用できる。

実施の形態としての光電複合装置の概略断面図である。 実施の形態としての光電複合装置の概略斜視図である。 ＩＣソケットの構成を示す概略斜視図である。 インターポーザの構成を示す概略斜視図である。 光導波路アレイの構成を示す概略斜視図および概略平面図である。 光導波路アレイ、発光素子アレイおよび受光素子アレイの詳細構成を示す図である。 インターポーザおよび光導波路アレイの位置決め機構に係る部分を示す図である。 コリメータレンズ、集光レンズを備える光学系である信号入力装置の構成を示す図である。 光信号の理想主光線位置の求め方を説明するための図である。 集光レンズの光軸のずらし量の求め方を説明するための図である。 この発明のレンズ系の設計手法を説明するための図である。 従来法で設計されたレンズ系の一例を示す図である。 この発明による集光レンズの再設計後のレンズ系の一例を示す図である。 この発明による集光レンズの再設計後のレンズ系の他の例を示す図である。 コリメータレンズ、集光レンズに係る非球面関数の係数の一例を示す図である。 集光レンズの光軸をずらす前とずらした後における、集光レンズの系、平行光の入射領域を示す図である。 集光レンズの光軸をずらす前とずらした後における、集光レンズ同士の位置干渉を説明するための図である。 集光レンズの光軸をずらす前とずらした後における、集光レンズ同士の位置干渉を説明するための図である。 集光レンズの光軸をずらしていない場合における、製造公差の許容範囲を説明するための図である。 集光レンズの光軸をずらしている場合における、製造公差の許容範囲を説明するための図である。 コンピュータシステムの構成を示すブロック図である。 光配線の構成例を説明するための図である。 ゲーム機の構成を示すブロック図である。 サーバの構成を示すブロック図である。 従来のコリメータレンズ、集光レンズを備える光学系である光信号入力装置の構成を示す図である。 製造公差の発生時を説明するための図である。 製造公差の発生時の光量損失を説明するための図である。 全反射領域と透過領域とを説明するための図である。 焦点距離と結像倍率との関係を説明するための図である。 集光レンズのＮＡを小さくした場合を説明するための図である。 集光レンズのＮＡを小さくした場合の光信号の領域と集光系とを説明するための図である。

符号の説明

１０・・・光信号入力装置、１１・・・発光素子側レンズ基板、１２・・・導波路側レンズ基板、１３・・・光信号、１３Ｃ・・・主光線、１３Ｕ・・・上光線、１３Ｄ・・・下光線、１００・・・光電複合装置、１０１・・・プリント配線基板、１０２，１０２ａ，１０２ｂ・・・ＩＣソケット、１０２ｄ・・・凹部、１０３・・・光導波路アレイ、１０４・・・レンズ、１０５，１０５ａ，１０５ｂ・・・インターポーザ、１０６・・・発光素子アレイ、１０７・・・受光素子アレイ、１０８，１０８ａ，１０８ｂ・・・半導体チップ、１１１・・・位置決め用ピン、１１２・・・位置決め用穴、１１３・・・位置決め用貫通穴、１３１・・・コア層、１３２，１３３・・・クラッド層、１３５・・・送信用光導波路、１３５ａ・・・送信用光導波路の端部（４５゜ミラー面）、１３６・・・受信用光導波路、１３６ａ・・・受信用光導波路の端部（４５゜ミラー面）、１３７・・・壁板、１３８・・・導波路口、１４１，１４３・・・レンズアレイ、１４２，１４４・・・レンズ、１６１・・・発光素子、１６３・・・受光素子、２００・・・コンピュータシステム、２１０・・・光配線、３００・・・ゲーム機、４００・・・サーバ

Claims (4)

1. 光信号を出力する発光素子と、
   上記発光素子より出力される光信号を発散光から平行光にするコリメータレンズと、
   上記コリメータレンズより出力される平行光を光導波路の一端側の導波路口に集光させる集光レンズとを備える光信号入力装置であって、
   上記集光レンズの光軸を、上記コリメータレンズの光軸に対して、上記光導波路の他端側に所定距離だけずらした
   ことを特徴とする光信号入力装置。
2. 上記所定距離は、
   上記導波路口から上記光導波路内に入力された光信号が入射される傾斜したミラー面に対する臨界角を示す直線と該ミラー面に沿った直線との間の領域を二等分する直線が該ミラー面に入射される光信号の主光線位置となるように設定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の光信号入力装置。
3. 上記所定距離は、
   上記導波路口から上記光導波路内に入力される光信号の主光線の上記集光レンズの光軸に対する傾きが、上記導波路口から上記光導波路内に入力された光信号が入射される傾斜したミラー面に対する臨界角を示す直線と該ミラー面に沿った直線との間の領域を二等分する直線の上記集光レンズの光軸に対する傾き以下となるように設定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の光信号入力装置。
4. 複数の電子部品からなり、
   該複数の電子部品に含まれる第１の電子部品と第２の電子部品との間で光信号を用いた信号伝送が行われる電子機器であって、
   上記光信号を光導波路に入力するための光信号入力装置が設けられ、
   上記光信号入力装置は、
   光信号を出力する発光素子と、
   上記発光素子より出力される光信号を発散光から平行光にするコリメータレンズと、
   上記コリメータレンズより出力される平行光を上記光導波路の一端側の導波路口に集光させる集光レンズとを備え、上記集光レンズの光軸を上記コリメータレンズの光軸に対して上記光導波路の他端側に所定距離だけずらした
   ことを特徴とする電子機器。
   

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