JP2007304298A

JP2007304298A - 光能動素子実装基板

Info

Publication number: JP2007304298A
Application number: JP2006132077A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Sakaguchi; 茂樹坂口; Hidetoshi Nanai; 秀寿七井
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2007-11-22

Abstract

【課題】、面受発光型の光能動素子と光導波路との光結合を結合損失とチャンネル間のクロストークを低減し、かつ、製造コストを低減しながら効率的に表面実装する点を解決した表面実装基板がない。
【解決手段】面受発光型光能動素子をその表面に実装するための透明な基板であって、該光能動素子の実装位置において、レンズ効果を生じる曲面が形成され、さらに該曲面が該光能動素子表面に接すること無く形成されており、かつ該曲面と該光能動素子表面との間に形成される空間を該基板とは異なる屈折率を有する透明な樹脂で充填してなることを特徴とする光能動素子実装基板。
【選択図】図１

Description

本発明は、面受発光型光能動素子を表面実装するための実装基板に関する。

近年電子配線基板間や同一配線基板状に実装された電子回路チップ間の信号伝送を光信号を用いて行う光インターコネクション技術の開発が活発化している。これは、金属配線による信号伝送が本質的に有する電気抵抗や容量のために高周波化による伝送速度の高速化に対する制限が顕在化してきたためである。

このような光インターコネクションにおいては、電気信号が光信号に変換されて、光ファイバや平面光導波路等によって伝送され、再び電気信号に変換されて信号処理される。電気信号から光信号への変換は、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）によって、また光信号から電気信号への変換はＰＤ（フォトダイオード）のいわゆる面受発光型光能動素子によってなされるのが通常である。さらにこれらの光能動素子はアレイの形状で用いられることが利点となっている。そのため、複数の伝送チャンネルを用いてパラレル伝送を行うことにより一挙に多量のデータを転送できる利点がある。

このような光能動素子を実装するためには、その実装基板の表面において表面実装できることが不可欠である。さらには、光ファイバや光導波路と光結合させるためには、実装基板に対して垂直な光軸を基板と平行な水平方向へと変換する機能が望まれる。即ち、表面実装によって光能動素子アレイを効率的に実装し、光軸を変換することによって光の伝送路との光結合を容易にする実装基板が必要になっている。

ＶＣＳＥＬやＰＤアレイと複数の光伝送路を結合するためには、結合損失の低減と導波路間のクロストークの低減が必要である。そのためには、アレイを構成する各光素子に対して対を構成するレンズや導波路等を設置する必要があり、これまで光導波路や光ファイバ端面に４５度ミラーを形成したものや垂直光導波路を形成したもの、導波路ではなくレンズを形成することにより光結合系を構成したものが開発されている。

図４に、従来の光導波路端面に形成した４５度ミラーを用いてＶＣＳＥＬと光導波路を光結合する方法を示す。６の光導波路において、７の端面に形成された４５度ミラーによって、５のＶＣＳＥＬが光結合されるものを模式的に示したものである。ＶＣＳＥＬから出射したレーザ光は１０度程度の広がり角を有するため、反射面位置におけるレーザ光の広がりと反射面の投影面積が大きく異なることから、６ａの光導波路コアに対する光結合損失が大きく、また、隣接チャンネルに対しては迷光となってクロストークが大きくなり、並列高速伝送には十分な光学特性が得られない。

これに対して、垂直導波路を具備した光軸変換素子が開発されている（非特許文献１参照）。この素子では垂直導波路を具備することにより、VCSELと光導波路の結合損失やクロストークが大幅に改善され、10Gb/s/ch以上の並列伝送が可能となっている。

さらに、断面が直角三角形状で、直角に交わる面上にレンズを形成し、三角形斜辺に相当する面を反射面とする樹脂製の光軸変換素子が開発されている。
T.Tanaka et al Photonics West, January 21-26, 2007,San Jose, California, 6216-12

しかし、前述した垂直導波路を具備した光軸変換素子では、光学特性は優れているが、垂直導波路を形成するため製造プロセスが複雑となる課題がある。

また、断面が直角三角形状で、直角に交わる面上にレンズを形成し、三角形斜辺に相当する面を反射面とする光軸変換素子では、レンズが平面に対して凸状に形成されており、また、単一樹脂材料により構成されている。そのため、レンズ形成面に直接ＶＣＳＥＬを実装することは不可能であり、また、実装した場合にも、ＶＣＳＥＬと実装面の間に通常用いるアンダーフィルを充填するとレンズ効果が低減してしまうことから結合効率が低減する課題がある。

本発明は、面受発光型光能動素子をその表面に実装するための透明な基板であって、該光能動素子の実装位置において、レンズ効果を生じる曲面が形成され、さらに該曲面が該光能動素子表面に接すること無く形成されており、かつ該曲面と該光能動素子表面との間に形成される空間を該基板とは異なる屈折率を有する透明な樹脂で充填してなることを特徴とする光能動素子実装基板である。

また、該曲面によって生じるレンズ効果に対する光軸上に、該光軸と４５度で交差するミラーを設けたことを特徴とする上記の光能動素子実装基板である。

従来技術において、光導波路が用いられる場合や基板面からレンズ面が突出している光結合法を用いる場合と異なるものである。

本発明によれば、面受発光型の光能動素子と光導波路との光結合を結合損失とチャンネル間のクロストークを低減し、かつ、製造コストを低減しながら効率的に表面実装する点を解決した表面実装基板が提供できる。

図１は、本発明の実施形態の一例を示す図である。光能動素子５は、ハンダバンプ４によって表面実装されている。実装基板１には、能動素子実装位置にレンズ効果を生じるレンズ曲面２が形成されている。この例は、レンズ曲面が凹型であり、能動素子との間の空間は、実装基板より屈折率が相対的に高い透明樹脂３で充填することにより、集光効果を発現させることができる。図には、光線を記入してあるが、コリメート光を形成した場合を示している。

以下、実施例を示す。

実施例１は、先に述べた図１の構成による。

実装基板１には低軟化ガラスを材料とする直径５０ｍｍのガラス基板を用いて、Ｎｉ電鋳法で形成された鋳型をガラス基板を加熱しながら押し付け、所定の曲面２を形成した。基板ガラスは屈折率１．４５、軟化温度３５０度である。加熱温度は３９０度とした。鋳型は、２５０μｍピッチで形成された半径４８μｍで底部の直径が８０μｍの半球状の突起が形成してある。この加工により、ガラス基板には、鋳型とは逆に半球状の凹部（くぼみ）が形成される。

この基板にはフォトリソグラフィーとスパッタ法によりＡｕ電極を形成し（図示せず）、さらにハンダボールグリッドボンダーでハンダボールを形成した。続いて４個の凹部を含む部分を１ユニットとして３ｘ３ｍｍの大きさにチップ化した。

チップ化して実装基板に対して４チャンネルＰＤアレイを画像認識によるチップボンダーで実装した。各ＰＤの受光面の大きさは、直径６０μｍである。さらに、ＰＤと実装基板間の空間に透明樹脂３を充填した。樹脂は高屈折率化されたシリコーン樹脂であり、屈折率は１．６５である。

チップ化した実装基板を配線板に固定し、基板裏面に対して、アレイ化したコア径５０μｍの多モードファイバをバットジョイントした。ファイバの他端から波長８５０ｎｍのレーザ光を入射し、ＰＤからの出力を測定してＰＤ自身の変換効率と比較して光結合特性を調べたところ、結合効率は、４チャンネルの各素子に対して５０％以上が得られた。また、チャンネル間のクロストークは３２ｄＢ以上が得られた。

実施例２の構成を図２に示す。この例はレンズ曲面２を凸状に形成した場合であるが、この場合、実装基板よりも相対的に屈折率の低い樹脂を充填すれば良い。本例では、シリコーン樹脂を用いた。実施例１と同様に、実装基板１には低軟化ガラスを材料とする直径５０ｍｍのガラス基板を用いて、Ｎｉ電鋳法で形成された鋳型をガラス基板を加熱しながら押し付け、所定の曲面２を形成した。

基板の屈折率は、１．６５、軟化温度は、３３０度であり、鋳型成形温度は３６０℃とした。また、鋳型は、直径１６０μｍ、高さ１５μｍの円柱上の突起があり、突起頂部には、半径１６μｍで底部の直径が２８μｍの半球状の凹型のくぼみが形成されている。充填剤に用いたシリコーン樹脂の屈折率は１．４５である。

光線軌跡が示すように、この場合集光系を形成している。能動素子にＶＣＳＥＬアレイを実施例１と同様の手順で実装し、実装基板裏面において、コア径５０μｍの多モードファイバをバットジョイントした。ＶＣＳＥＬは、発光面の直径が１２μｍ、発光波長は８５０ｎｍであり、これを発光させてファイバに入射した。ＶＣＳＥＬの発光効率とファイバからの出力を比較することにより結合効率を調べた。この場合にも、５０％以上の結合効率が得られた。また、クロストークは、２８ｄＢ以上となった。

いずれの場合にも基板と充填剤の屈折率を適宜に選択することにより集光系にもコリメート系にも対応ができる。

実施例１及び２では、基板材料にはガラス材料、充填剤にはシリコーン樹脂を用いたが、この場合、材料を適宜に選択し、曲面の曲率を適宜に選択することに開口数が０．３程度までは可能となっている。充填材料には、いわゆるナノ粒子を分散させたより屈折率の大きいポリシロキサン（シリコーン）樹脂系を用いることにより、より大きな開口数０．８程度が容易に得られる。また、基板材料はガラスに限定されるものではなく、アクリル系やエポキシ系等の樹脂材料も適用できることは勿論である。

図３は、実施例１で示した手順によって作製した実装基板であって、45度面を形成したミラー７を設けた実装基板であって、実装基板に対して垂直な光軸を実装基板表面に対して平行な光軸へと変換した例を示している。ミラーは、Ａｕを蒸着することによって作成した。本実施例では、ミラーによる損失が約０．８ｄＢほど現れたが、実装基板全体としての損失は十分に低い。

本発明は、光通信分野における通信システムはもちろん、評価・測定など光伝送の応用分野にも利用できるものである。

実施例１の、レンズ効果を生じさせる曲面が凹型で屈折率の高い樹脂を充填した場合を示す図である。実施例２の、レンズ効果を生じさせる曲面が凸型で屈折率の低い樹脂を充填した場合を示す図である。実施例３の、曲面によって形成される光軸に対して４５度ミラーを形成して光軸変換機能を持たせた場合を示す図である。従来の、光導波路端面に形成した４５度ミラーを用いてＶＣＳＥＬと光導波路を光結合する方法を示す図である。

符号の説明

１光能動素子実装基板
２ａ，２ｂ曲面
３充填樹脂
４ハンダボール
５面受発光型光能動素子
６光導波路
６ａ光導波路コア
７４５度ミラー
８光線

Claims

面受発光型光能動素子をその表面に実装するための透明な基板であって、該光能動素子の実装位置において、レンズ効果を生じる曲面が形成され、さらに該曲面が該光能動素子表面に接すること無く形成されており、かつ該曲面と該光能動素子表面との間に形成される空間を該基板とは異なる屈折率を有する透明な樹脂で充填してなることを特徴とする光能動素子実装基板。
該曲面によって生じるレンズ効果に対する光軸上に、該光軸と４５度で交差するミラーを設けたことを特徴とする請求項１記載の光能動素子実装基板。