JP2007334343A - 光路変換部品の製造方法及び光路変換部品、それを用いた光電気複合基板とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高密度実装又は小型化が可能で、しかも光電素子の実装が容易に且つ低結合損失で行えるため、光電気複合基板に用いることが出来る光路変換部品の製造方法及び光路変換部品とそれを用いた多層光電気複合基板を提供する。
【解決手段】第１の基板と、コアとクラッドを有する光配線層とスルーホールを形成した第２の基板とを順に積み重ね、第２基板表面に光電変換素子を実装した光電気複合基板において、前記コアとクラッドから構成された光導波路はコア、クラッドが複数層積層した構造の多層光配線であり、該多層光導波路内を伝搬する光信号が、光導波路のスルーホールに埋設された、傾斜面を有するコア及びクラッドからなる９０度光路変換部品内を伝送することを特徴とする光電気複合基板である。
【選択図】図１９

Description

本発明は、光を利用して信号を伝送する交換装置、通信装置、及び情報処理装置等に用いられる光導波路の表面に光電変換素子を実装するために有用な９０度光路変換部品およびその製造方法と、光導波路および９０度光路変換部品を用いて基板表面に光電変換素子を高密度実装し高速大容量伝送が可能な表面実装光電気複合基板に関する。

近年、情報通信装置の進展に伴いこれらの装置内における信号線の容量不足が問題となりつつある。これを解消する為に装置内部のプリント基板の銅による電気配線の一部を光ファイバー又は光導波路に置き換え、電気信号の代わりに光信号を利用する事が検討され始めている。装置内部においては装置間を接続する場合と異なり、高密度光配線を限られたスペースに収容する必要がある為、
一般的にはICやマルチチップモジュールと同じようにレーザダイオードやフォトダイオードなどの光電素子を基板表面に実装し、電気配線板と同一基板に光配線を積層するなどの方法が検討されている。

光導波路が電気配線と同一の基板上で積層された光・電気配線基板は高密度かつ高速動作実装が可能であり、小型化の観点から望ましい構造であるが、光導波路の光軸をレーザダイオードやフォトダイオードなどの光電素子と光学的に結合させる為に、９０°光路変換技術が必要になる。

９０°光路変換に対しては光導波路自体へメカニカルな加工装置を用いて斜め４５°の切り込みを入れ、空気との屈折率の違いを利用し９０°全反射面を形成する方法（例えば、非特許文献１参照）が提案されている。しかしながら、４５°反射面の形成では光導波路への切削領域が広範囲に及ぶ為、高密度実装に不利と指摘されていた。

この問題を解決する為の手段として本発明者等が光プリント基板の任意の場所に、局所的にプリズム状の４５°ミラーを設置することや光ファイバーの先端を微細に断裁したピン状の一方の端面を４５°加工し、これを９０°光路変換の為の反射面として光電素子のとの結合に利用する方法が提案されている（例えば、非特許文献１及び２参照）。これらの方法は表面高密度実装の問題を解決できると考えられているが、４５°反射面での光信号の漏れに起因した損失がまだ十分解決できておらず、信頼性の観点から、実用化するうえで課題となっていた。

以下に公知文献を記す。
特開２０００−３４０９５７号公報 市村他「光表面実装向け４５°ミラー付高分子導波路」、回路実装学会誌、１９９８年Ｖｏｌ １３、Ｎｏ２、ｐ．９７−１０２ 佐藤著「光ＳＭＴ向けマイクロミラー付きピンによる９０°光路変換」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｊａｐａｎ １９９９年 ｐ．２３

本発明は、係る従来技術の状況に鑑みてなされもので、信号損失特性が極めて小さく、表面高密度実装と高速動作可能で、且つ高い生産性を達成できる光路変換部品の製造方法並びにその部品と光表面実装導波路であり、情報伝達の信頼性を確保した高密度実装、小型化が可能な光電気複合基板及びその製造方法を提供する事にある。

上記課題を解決するための請求項１記載の発明は、コアとクラッドを有する２つの光学繊維の一端に略４５度の角度を有する傾斜面を形成する第１の工程と、前記２つの光学繊維を略Ｌ字型に配置し前記傾斜面同士を前記傾斜面に露出した前記コアの位置を一致させて重ね合わせる第２の工程と、前記Ｌ字型の光学繊維の複合体のＬ字の角部の外側部分を前記コアの光軸の交差位置まで除去し前記コアの断面を露出させた反射面を形成する第３の工程と、パルス幅が５０から５００μｓのワンショットのパルス励起レーザ光をレンズにより前記傾斜面に集光することで前記傾斜面を加熱、熔着しＬ字型の光学繊維の複合体を形成する第４の工程とを有することを特徴とする９０度光路変換部品の製造方法である。

また、第２の発明は、コアとクラッドを有する２つの光学繊維の一端に略４５度の角度を有する傾斜面を形成する第１の工程と、前記２つの光学繊維を略Ｌ字型に配置し前記傾斜面同士を前記傾斜面に露出した前記コアの位置を一致させて重ね合わせる第２の工程と、パルス幅が５０から５００μｓのワンショットのパルス励起レーザ光をレンズにより前記傾斜面に集光することで前記傾斜面を加熱、熔着し、Ｌ字型の光学繊維の複合体を形成する第３の工程と、前記Ｌ字型の光学繊維の複合体のＬ字の角部の外側部分を前記コアの光軸の交差位置まで除去し前記コアの断面を露出させた反射面を形成する第４の工程とを有することを特徴とする９０度光路変換部品の製造方法である。

また、第３の発明は、前記反射面へ金属膜を形成する第５の工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の９０度光路変換部品の製造方法である。

また、第４の発明は、コアとクラッドを有し一端にほぼ４５度の角度の傾斜面を有する第１の光学繊維と第２の光学繊維が、概ね９０度の角度で配置され、前記傾斜面同士を重ね合わせてパルス励起レーザ光で前記傾斜面同士が熔着されＬ字型の複合体を成し、前記Ｌ字型複合体の角部の外側部分の一部が前記コアの光軸の交差位置まで除去され前記第１の光学繊維と前記第２の光学繊維の前記コアの断面が露出された反射面を有し、前記反射面に金属膜が形成され、前記金属膜により前記第１の光学繊維と前記第２の光学繊維の前記コアの光路の方向が変換されるように光結合された構造を有することを特徴とする９０度光路変換部品である。

また、第５の発明は、第１の基板上に形成した光導波路の表面に垂直で壁面に前記光導波路のコアの断面が露出する穴を形成する第１の工程と、次に、請求項４に記載の９０度光路変換部品を、該９０度光路変換部品の前記第１の光学繊維のコアの光軸を前記光導波路のコアの光軸に一致させて前記穴へ埋設し光学接着剤により固定する第２の工程と、前記第１の工程および前記第２の工程に並行して、第２の基板に、前記穴に位置を合わせたスルーホールを形成する第３の工程と、次に、前記スルーホールを、前記９０度光路変換部品の前記第２の光学繊維に嵌め合わせるように、前記第２の基板を前記第１の基板に重ね合わせ一体化させる第４の工程とを有することを特徴とする光電気複合基板の製造方法である。

また、請求項６の発明は、第１の基板と、コアとクラッドを有する光導波路の層と、スルーホールを形成した第２の基板を順に積み重ねた構造を有し、前記光導波路が前記スルーホールに位置を合わせた穴を有し、該穴の壁面に前記光導波路のコアの断面を露出させ、かつ、前記スルーホールに位置を合わせた光電変換素子を前記第２の基板に設置し、前記穴と前記スルーホールの中に、請求項４に記載の前記９０度光路変換部品を埋設し、前記９０度光路変換部品の前記第１の光学繊維のコアの光軸と前記光導波路のコアの光軸を一致させて光結合し、前記９０度光路変換部品の前記第２の光学繊維のコアの光軸を前記光電変換素子の光軸に一致させて光結合させた構造を有することを特徴とする光電気複合基板である。

また、請求項７記載の発明は、第１の基板と、コアとクラッドを有する光導波路の層と、スルーホールを形成した第２の基板を順に積み重ね、第２基板表面に光電変換素子を実装した光電気複合基板において、前記光導波路の層は、光配線を複数層積層した構造の多層光導波路であり、該多層光導波路内を伝搬する光信号が、光導波路のスルーホール内に埋設された、傾斜面を有するコア及びクラッドからなる伝送路構造を有する光路変換部品により、略９０°光路変換され、該表面実装光電素子間の光信号を送受信することを特徴とする光電気複合基板である。

また、請求項８記載の発明は、第１の基板と、コアとクラッドを有する前記多層光導波路と、スルーホールを形成した第２の基板を順に積み重ねた構造を有し、前記光導波路が前記スルーホールに位置を合わせた穴を有し、該穴の壁面に前記光導波路のコアの断面を露出させ、かつ、前記スルーホールに位置を合わせた光電変換素子を前記第２の基板に設置し、前記穴と前記スルーホールの中に９０度光路変換部品を埋設し、該９０度光路変換部品の光軸と前記光導波路の光軸を一致させて光結合し、且つ９０度光路変換部品の光軸を前記光電変換素子の光軸に一致させて光結合させた構造を有することを特徴とする光電気複合基板である。

また、請求項９記載の発明は、請求項７ないし８に記載の光電気複合基板において、前記光導波路がシングルモード光配線又は、マルチモード光配線を有する光配線層で積層形成されており、シングルモード光配線及びマルチモード光配線は、光導波路スルーホール内に埋設された、傾斜面を有するコア及びクラッドからなる伝送路構造を有する９０度光路変換部品により光信号が略９０°光路変換され、多層の該光配線層間を信号伝送し、かつ第２の基板表面に実装された光電素子間の光信号を送受信することを特徴とする光電気複合基板である。

また、請求項１０記載の発明は、以下の工程を少なくとも具備することを特徴とする請求項７乃至９の何れか１項に記載の光電気配線基板の製造方法である。
１．基板上に第１のクラッド層を形成する工程
２．前記第１のクラッド層上にコアパターンを形成する工程
３．前記第１のクラッド層とコアパターン上に第２のクラッド層を形成し、第１の光配線層を得る工程
４．１乃至３の工程を必要回数繰り返し、複数の光配線層を得る工程
５．前記複数の光配線層を貼り合わせて多層光配線とする工程
６．９０度光路変換部品を埋設する為のスルーホールを形成し、光路変換部品を埋設する工程
７．前記多層光配線、埋設された前記９０度光路変換部品、および光電変換素子それぞれの光結合部の間で光軸が一致するよう光結合させつつ、前記基板と、上記多層光配線と、スルーホールを形成した第２の基板を順に積み重ね、光電変換素子を設置する工程。

本発明に係る９０度光路変換部品の製造方法によれば、傾斜面を有する光学繊維同士を熱源に非接触で周辺領域に熱ストレスを与える事無く瞬時にスポット溶接できる。また、双方の該光学繊維同士を、光軸を合わせた状態をモニターしながら熔着できる為、光結合の損失を生じる原因になる位置ズレを最小に抑制することが可能であり、光路を９０度変換し光損失が小さな９０度光路変換部品が得られる。更に、粉塵等の発生もなく熔着強度が高い為、高タクトで再現性よい製造が可能になる。すなわち、従来に比べ低コストで製造でき、高い信頼性を有する９０度光路変換部品を提供できる。また、この９０度光路変換部品を埋設して形成した光電気複合基板は、それに電子部品を半田付けする熱ストレスが加わっても容易には光結合が外れない安定した光結合を保持でき、また、低損失な９０度光路変換部品を光電気複合基板の任意の位置に埋設できるため、高密度且つ損失の極めて少ない優れた信頼性を有する光電気複合基板が得られる効果がある。

更に、本発明に係る光路変換部品及び光電気複合配線基板によれば、光配線層を多層化する事によって基板表面に実装される光電変換素子を高密度化することが可能になる。積層によって構成された多層光導波路間の信号伝送は、傾斜面を有するコア及びクラッドからなる伝送路構造を有する光路変換部品により、略９０°光路変換される事から、異なる層間を伝送させても光電素子の光信号を減衰させることなく伝送できる。即ち、高速大容量の情報伝送を高い信頼性で実現できる光電気複合基板を提供できる。

以下に、図面を参照しながら、本実施に係る光路変換部品の製造方法及びその形態について説明する。なお、以下の説明において同一の要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

本発明は光導波路と表面実装光電素子を、低損失で９０度相互に光結合させる為の光路変換部品及びそれを用いた光電気複合基板に係り、該光路変換部品はコア及びクラッドからなる伝送路構造を有する光学繊維同士を熔着して製造されている。本発明では低損失９０度光路変換部品を光導波路の任意の位置に埋設できる為、表面実装する光電素子の高集積化に対応できる。表面高密度実装に関しては、光導波路と光電変換素子と９０度光路変換部品のそれぞれを相互に光軸が合うように実装する。これにより、結合損失や光信号のモード変換を抑制できる。更に、基板表面へ実装する光電変換素子の高密度化においては、光配線層を多層化する事により、基板表面上に配置される光電変換素子の位置レイアウトや実装数量の制約をも解消することが可能になる。本発明の９０度光路変換部品では、伝送路構造を有する為に部品長を長くしても、損失の極めて少ない優れた伝送特性を得ることができる。従って、光配線層を多層化し、９０度光路変換部品が長くなっても、信号の損失が殆ど発生しない利点がある。本９０度光路変換部品、或いは多層光配線層の構造によって高密度且つ高速動作可能な優れた信頼性を有する光電気複合基板の提供が可能になる。

以下に、好ましい実施の形態を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。光表面実装導波路に埋設され、導波路と光電素子とを９０°光接続する本発明の光導波路部品は、第１の光学繊維と第２の光学繊維を結合して構成され、それらの光学繊維は、ガラス、石英、セラミックスなどの無機材料またはポリイミド、エポキシ、ポリメチルメタクリレートなど各種有機材料から構成される光学繊維である。更に、光路変換部品の屈折率を光導波路のコア及びクラッドの屈折率とそれぞれ概ね一致させれば、光路変換部品と光導波路の接続境界において光信号の放射・散乱・反射を解消でき低損失となるため好ましい。

無機材料としては、例えばカリソーダ、ソーダ石灰、アルカリ亜鉛硼珪酸、アルミノ珪酸、ガラスセラミック、硼珪酸、ソーダ亜鉛、ソーダバリウム、バリウム硼珪酸、高鉛、ソーダバリウム珪酸、９６％珪酸、石英ガラス、チタン珪酸、鉛珪酸等が挙げられる。これらは珪石、硼酸、酸化ランタン、酸化ガドリニウム、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化バリウム、ガリウム、ナトリウム、カルシウム、リサージ（一酸化鉛）などを原料とし、屈折率などの光学特性に応じて２~１５種類の範囲で適合したものが利用できる。

本発明に係る光路変換部品を図１に示す。図中符号２は高屈折率繊維、３低屈折率繊維からなり、コア、及びクラッドからなる伝送路構造を有している。

図１は本発明の実施形態である光路変換部品の概略であり、光の進行を９０°変換する状態を示している。本実施の形態の光路変換部品１は、光を伝搬する高屈折率部２が低屈折率部３中に設けられており、この高屈折率部２の一部を含む一角に金属反射面付の反射面４が形成されている。ここで、反射面４は光を全反射させる為に蒸着・スパッタ等によりAu、Ag、Cu、Al、Cr、Rhなどの金属薄膜が成膜処理されている。そして、光路変換部品１は、外部の光電素子からの光信号を入射する入射口５、光路変換部品１内で９０°光路変換された光を出射する出射口６とを備え、入射口５にVCSEL（面発光レーザ）などの半導体レーザが、出射口６に光導波路のコア及びクラッドが接続される。

入射口５から入射した高屈折率部２の光信号は反射面４により９０°光路変換され、再び高屈折率部２を伝搬し出射口６から光導波路に信号を入射する。この構造により、基板表面或いは光導波路表面に実装する光電素子の光信号を光路変換部品内に伝搬させ光導波路へ入射、或いは光導波路からの出射した光信号を光電変換素子へ受信させる事ができる。

また、光配線層を積層する場合において入射口５には、上層に配置される光配線層中の光路変換部品である出射口６からの伝送信号を受け、上下光配線層間で信号伝送が行われる。或いは、下層に位置する光配線中の光路変換部品である出射口６から、上層に位置する光配線層中の光路変換部品である入射口５が伝送信号を受けて、上下光配線層間で信号伝送を行う事ができる。

本発明の９０度光路変換部品の外形・サイズは埋設側光導波路の膜厚、コアサイズ、コアピッチに応じて数十μm〜数百μｍの円柱、四角柱、多角柱など適宜変更して利用可能であるが、これらの少なくとも１部に反射面が設けられている。

光学繊維の形成方法としては、石英ガラス製の種棒の先端を酸素水素火炎により加熱し、火炎中に原料である気化させた四塩化ケイ素と四塩化ゲルマニウムを吹き込み、加水分解反応によってガラス粉を生成させる。種棒の先端にこのガラス粉が除々に付着し溜まるのに従い、種棒を引き上げ成長点を一定に保つようにする。これを続けることで、種棒にガラスの集合体を形成する。この時原料の濃度分布と火炎の温度分布で屈折率を制御するが、光導波路のコア部とクラッド部の比屈折率にそれぞれ一致させる為に、屈折率差は一般に０．３乃至２．０％とする。

次いで、酸素水素火炎中での加水分解反応によって、ガラス微粒粉の間に酸素と水素によってつくられた微量の水分を除去する為、このガラス微粒粉集合体を加熱する。更に、高温に微粒粉集合体を加熱しガラスを融合させ、中心に屈折率の高い部分を持った円柱状の透明な石英ガラスをつくる。更に、この石英ガラスを延ばし、別途溶融石英で作られた石英ガラス管の中に入れ、高温炎であぶり一体化させる。或いは、ガラス状になった原材料ガラスを白金坩堝の溶解炉にて温度１０００℃から１５００℃で一体化した後、徐々に冷却し、塊状や棒状、板状などの溶解方法や炉の種類により形状の異なった塊として取り出す。この他、直接ガラスに電気を通電し溶融する事も可能である。

更に、溶融されたガラスを高温状態のまま金型に収容しガラス繊維の形状を得る。或いは選塊されたガラスを適当な大きさに切り出し再度加熱し柔らかくなったガラスを金型にいれて所望の形状のガラス繊維に加工してもよい（図２）。

次に、本発明の９０度光路変換部品１の製造方法を説明する。上記のような光路変換部品用の光学繊維を例えば酸化セリウムやダイヤモンドパウダー研磨によって少なくとも一端をほぼ４５°の角度を有する傾斜面Ａとする（図３）。ここで、光学繊維としてはコア２の直径が約１０μｍでクラッドの直径が１２５μｍのガラスの光学繊維を用いても良い。この４５°傾斜面を有した光路変換用のガラス材を２つ準備しておき、図４に示すように、その２つの光学繊維、すなわち、第１の光学繊維と第２の光学繊維を、それらの傾斜面同士を重ね合わせるよう、略Ｌ字型に配置し、互いの傾斜面Ａに露出したコア２同士の位置をＸ・Ｙ・Ｚの３方向が一致するように互いに接触させた後、両光学繊維の光軸を合わせた状態をモニターしながら、以下に説明する高出力レーザ光をレンズにより両光学繊維の傾斜面Ａの重ね合わせ部に集光することで、両光学繊維の斜面Ａを加熱し両光学繊維の傾斜面Ａを溶着する。外径の精度が良い光学繊維を用いることで、傾斜面Ａの外周を合わせるだけで良く位置合わせでき、また、レーザにより非接触で接合部のみを加熱できるので接合部の周辺領域へ熱ストレスを与える事なく、位置ズレによる光結合の損失が少ない９０度光路変換部品１が製造できる。高出力レーザには、赤外線を放出するＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ或いはルビーレーザなどの固体レーザを用いる事ができる。具体的にはＮｄ：ＹＡＧレーザ波長１．０６μｍ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザにＫＴＰやＡＤＰなどの非線形結晶を用い発生させる第２高調波（波長０．５３２μｍ）、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ（発振波長２．９４μｍ）、Ｔｍ：ＹＡＧ（波長２．０８μｍ）、Ｈｏ：ＹＡＧ（波長２．０１μｍ）、ＣＯレーザ（波長５．２μｍ）、ＣＯ_２レーザ（波長１０．６μｍ）等があげられる。

これらは、レーザの照射時間（パルス幅）をより高精度に制御する事により、高い出力のレーザの短時間照射が可能となる。パルス幅が５０〜５００μｓ程度のワンショットのパルス励起レーザ光が望ましい。パルス幅が５０μｓ未満の場合は、レーザのエネルギーがパルス幅に比例して減少するため十分な熔着性能が得られない。パルス幅が５００μｓを超える場合は、レーザのエネルギーが飽和し、熔着性能が変わらないので、熔着作業のスループットを上げるため、レーザのパルス幅は５００μｓ以下にすることが望ましい。このレーザの連続発振の為にはアークランプやレーザダイオードで強烈な閃光を与えて励起するのが好ましく、レーザダイオード励起の場合は非常に効率が高いレーザを得ることが可能である。取り出せるレーザ光線の波長は前記の通り赤外線領域となるが、熔着される材料、即ち光路変換用光学繊維が石英系の場合は赤外波長帯の光を吸収するが、該光学繊維の吸収特性に応じて、非線形結晶と呼ばれる光学結晶に通すことにより緑色等に変換しても良い。あるいは、非線形結晶の両端にミラーを設けて増幅させ可視光変換しても良い。またこの場合、レーザの照射時間（パルス幅）をより高精度に制御できる装置を用いる事で、高い出力で短時間照射が可能になる。レーザの出力は、０．１〜数１０Ｊ程度の範囲で設定する事が好ましい。この場合、ピーク出力はワット換算すると瞬間的に数百キロワットから数メガワットものレーザ光となり、レンズで集光しスポット径を数百μｍから数ｍｍの範囲に設定する事により、光学繊維の結着面（第１の光学繊維と第２の光学繊維の傾斜面同士）のみの温度が瞬時に１０００〜１５００℃に達し、光学繊維同士の熔着が可能となる。代表的な工程を挙げれば、Ｘｅフラッシュランプによるパルス光励起で、楕円リフレクターによりＣｒＴｍＨｏ：ＹＡＧ結晶へ効率よく集光させる。フラッシュランプの駆動部分は全半導体化された高電圧充電電源、点燈用高電圧電源、高電圧放電回路からなり、マイクロコンピューターにより制御されパルス動作させる。レーザ出力はパルス幅１５０〜２５０μｓ程度とし、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ波長１．０６μｍで、ビーム出力１５０キロワットの条件で、高屈折率部２のサイズ４０μｍ径、低屈折率部３のサイズ１２５μｍ径の光学繊維同士をＬ字型に熔着製造する（図４）。

本発明のレーザ熔着では、熔着部周辺に熱ストレスを与えない、微細な部分や構造物の熔着が可能で、熔着強度が高くシール性に優れる効果がある。また、高い再現性、粉塵等の発生がない効果がある。特に、本発明ではワンショットで溶着するため量産性に優れる効果がある。

上記熔着としては、前記以外に超音波熔着機・振動熔着機・熱版熔着機・赤外線熔着機を用いることが可能であり、適宜強度を確保しながら高精度熔着を達成できると同時に、高速タクトの安定した生産を実現する事が可能になる。

前記の如く光学繊維同士をＬ字型に接合させた後、Ｌ字型光学繊維のコーナー部を、第１の光学繊維と第２の光学繊維のコア２の光軸の交差位置まで（つまり屈折率の高い伝送路が少なくとも一部露出するまで）再び研磨し反射面４を形成する（図５）。最後に、反射面４へＡｕなどの金属膜を蒸着し、本光路変換部品を完成させる。

尚、２つの光学繊維同士をレーザ熔着する前に機械的にＬ字型に保持したまま、コーナー部を屈折率の高い伝送路が少なくとも一部露出するまで研磨した後、調芯機を用いて双方の光軸が一致するようＸ・Ｙ・Ｚ軸合わせを行い、該傾斜面同士をレーザ熔着、反射面４へ金属膜を蒸着して、本光路変換部品を完成させるといった製造工程を適宜採用してもよい。

傾斜面同士を互いに接触させ、Ｌ字型に接触させたガラス繊維状の光路変換部品は、光導波路や表面実装光電変換部品に応じて、長さの異なる光路変換部品として適宜利用できる（図６〜８）。

また、本発明において光路変換部品を埋設する光導波路が複数線路で構成されている場合、それぞれの線路に対応させて光路変換部品を設置できるが、部品サイズ自体を拡大し、光信号の変換方向にそった伝送路を部品中に複数構成させるアレイ状としても特に問題はない（図９）。

光路変換部品を埋設する側の光導波路については、光ファイバで実証済みのように波長１．３μｍにおいて０．１ｄＢ／ｃｍ以下を達成している無機材料系の石英導波路や、低温プロセスで製造可能な各種高分子材料系導波路を用いることが可能である。本発明において導波路構成は無機材料、高分子材料どちらでもよいが、コア部とクラッド部の比屈折率差が０．３乃至２．０％で、トータル膜厚が１０μｍ以上の高分子材料が好ましい。導波路を構成するコアの形状は円形或いは矩形であり、サイズ５〜１００μｍであることが好ましい。５〜１００μｍ以外になると単一の反射角をもった光信号の伝搬（シングルモード）や複数の反射角をもった光信号の伝搬（マルチモード）の為の位相条件を満たすことが難しくなるからである。一方、クラッド膜厚は上部、下部共に５μｍ以上である事が好ましい。膜厚５μｍ以下ではコア内を伝搬する光信号がクラッドへ放射されてしまい易く、損失を招く原因となるからである。

上記光導波路の具体的な材料としては、例えば、コアが重水素化ポリメチルメタクリレート（ｄ−ＰＭＭＡ）またはフッ素化ポリメチルメタクリレートであり、コア部よりも屈折率が低いクラッドがエポキシ樹脂である。コア部にＰＭＭＡを用いた場合には、ＰＭＭＡ中に多量に含まれるＣＨ基による１．５５μｍ帯における光吸収損失のすそのために光信号の赤外線レーザの伝搬損失が大きくなってしまうが、重水素化することにより両波長での損失は小さくできるからである。

一方、クラッドとして用いるエポキシ樹脂はフェノールＡとエピクロルヒドリンの縮合生成物、或いはビスフェノールＡに代えてビスフェノールＦやポリグリコール等を基本とした樹脂である。エポキシ樹脂をクラッドに用いることで、コアとクラッドの屈折率差制御、耐環境性、ハンダ熱耐性、クラッドとしての塗布性など光導波路に対する各種要求特性を満足できるからである。尚、本実施の形態では必ずしも上記の高分子材料に限定された訳ではなく、吸収損失の小さいその他の高分子材料が利用可能である。

高分子光導波路の製造方法としては、例えば、導波路パターン形成にフォトレジストを塗布して、反応性イオンエッチングを用いる方法、紫外線硬化する官能基を有した脂肪族環状エポキシ樹脂を用い紫外線照射により硬化を行い、直接パターニングする方法が挙げられる。また、導波路構造としては埋め込み型が好ましいが、特に限定される訳ではない。

光電気複合基板に要求される仕様の中には、基板表面に実装される光電素子の高密度実装や、ビットレート（伝送速度）の異なる信号に対応できる事などが挙げられる。光電変換素子の高密度実装に対しては、通常直線で形成される光配線が１層のみだと光配線のコア同士が交差してしまうことから限界がある。また、伝送速度の速い高ビットレートが必要な光配線には、シングルモード光配線が適しており、低ビットレートで良い場合はマルチモード光配線が好ましい。

通常光配線層を形成する場合、光配線として光導波路を用いた場合には、工程上同一層には同種の光導波路を形成するのが一般的である。少なくとも、単一膜をパターニングしてコアを形成する限り、コアの屈折率と高さは同一にせざるを得ない。従って、異種の光配線を設けるには、光配線を多層化しビットレート毎に異なる光配線層を伝送させることが望ましい。

そして、高ビットレートが必要な光配線をシングルモード光配線層に、遅くてよい光配線をマルチモード光配線に配置する。

光導波路へ光路変換部品を任意の位置に埋設するために形成するスルーホール空間は、機械的なドリルを用いることやレーザ（ＣＯ_２、エキシマ、フェムト秒等）照射或いは光導波路表面にフォトレジストパターンを形成して、反応性イオンエッチングする等の手法を用いる事ができる。代表的な工程を挙げればＫｒＦエキシマレーザで、ビーム出力１５Ｗ、発振周波数６００ｐｐｓ（Pulse Per Second）、パルスエネルギー３０ｍＪ／パルス、照射エネルギー密度１Ｊ／ｃｍ^２（結像レンズ０．３８５倍）の条件で、コアサイズ４０μｍ角、上下クラッド厚各３０μｍの光導波路に対して孔径１５０μｍのスルーホール７を形成できる（図１０）。

多層光配線において光路変換部品を任意の位置に埋設する為に形成するスルーホール空間は、シングルモード光配線層とマルチモード光配線を予め別々に形成しておき、それぞれ必要な位置に必要な数量を上記機械的なドリルやレーザ照射によって、任意に形成しておき、光路変換部品の埋め込みを実施する。

その後、９０度光路変換部品が埋設された光配線層どうしの貼合わせを行うことで実現できる。尚、光配線層の貼合わせにおいて上層光配線層と下層光配線層とを９０度光路変換部品を用いて光接続する場合は、表面実装光電変換素子を実装する場合と同様、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の光軸調整を行い多層光配線層内部を自在に信号伝送することが可能になる。

或いは、多層光配線を形成した後、必要な位置に必要な数量のスルーホール空間を形成し９０度光路変換部品を埋設し、基板表面へ光電変換素子を実装することも可能である。

本発明の光導波路表面に実装される光電素子としては高周波数特性、低電圧特性の例えば波長０．８５μｍのVCSEL（面発光レーザ）や０．６５μｍの半導体レーザ、１．３μｍの通信用レーザを用いることが出来る。これらにより電気信号を光信号に変換し、光路変換部品を介して光導波路内へ光信号を送信する。また、光信号を再び電気信号に変換するフォトダイオードは、例えば、光導電効果や光起電力効果で検出するｐｎ接合フォトダイオード、ｐｉｎフォトダイオード、ショットキー障壁型フォトダイオード、アバランシェ増幅型フォトダイオード、及びフォトトランジスタを用いることができる。これらもまた、各種レーザと同様に光導波路表面に実装し、光導波路中の光信号を光路変換部品を介して受光することができる。また、場合によって、ＣｄＳセル（硫化カドミウムセル）などの光導電効果を利用した光センサーを用いても良い。

図１８、図１９、図２０は光路変換部品１を光導波路８のスルーホール７へ光学接着剤１９を用いて埋設し、この表面へデータ伝送用の波長８５０ｎｍの垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）１２及び受光径８０μｍＩｎＧａＡｓ−Ｐｉｎフォトダイオード１３を実装した状態を示している。面発光レーザ１２及びフォトダイオード１３はチップ部品型でパッケージ内へ下向きに実装され、電極１４が金錫ペースト１５等で光導波路８やＬＳＩ１６、セラミック基板１１の電極配線１７と接合されている。

光導波路８の任意の場所に適度のクリアランス領域を設けて形成したスルーホール７に、光路変換部品１を設置する際には、光路変換部品１の側面や上面などに形成されたアライメントマークを頼りに、光導波路８の縦方向、横方向及び深さ方向で光軸すれを生じないように調整する。或いは、調芯器を用い光導波路８と光路変換部品１の光軸を損失が最小になるようにモニタリングしながら位置合わせをした後、光学接着剤などで高精度に固定し、次いで、面発光レーザ、フォトダイオードを実装してもよい。

本実施例によれば、９０度光路変換部品１の内部は、単にミラー面が形成設置されたプリズム部品などに比べ、光伝送構造を有している事から、光信号を外部に漏らさずに伝送でき、表面実装光路変換部品へ送信、受信が可能になる。この結果、９０度光路変換部品での接続損失は、出力信号が入力信号に対して９０％以上となり、従来報告されてきた５０％程度の損失から飛躍的に改善され、実用化に多大な効果があることが確かめられた。また、本実施の形態の９０度光路変換部品は、互いに９０度の角度で配置された第１の光学繊維と第２の光学繊維の傾斜面Ａ同士がレーザ光で溶着されたＬ字型の複合体で、その第１の光学繊維と第２の光学繊維のコア９の光路が、そのＬ字の角部の外側部分を第１の光学繊維と第２の光学繊維のコア９の光軸の交差位置まで除去して形成した反射面４の金属膜で９０度方向変換して光結合させた９０度光路変換部品１を、光導波路８の穴７ａと第２の基板２０のスルーホールに埋設して光導波路８のコア９の光軸と第１の光学繊維の光軸を一致させて両者を光結合させ、光学接着剤１９で接着固定したため、この上に光電変換素子や電子部品をはんだ付けする熱ストレスが加わっても容易には光結合が外れない安定した光結合が得られる効果がある。また、光導波路８の上層に第２の基板２０を設置することで、電子部品を光・電気配線板にはんだ付けする際の熱が光導波路８へ伝わるのを第２の基板２０が遮り光導波路８を保護するので、光導波路８の材料に耐熱性があるポリイミド以外の材料を用いた光・電気配線板でも、電子部品のはんだ付けに耐え、信頼性を高くする効果がある。

（本実施の形態および比較例の９０度光路変換部品の光結合特性）
本発明の光路変換部品を用いた９０°光路変換は低損失な光表面実装が可能になる事から、各種光路変換実装技術と比較した。比較にはＮｏ１として図１１に示すように光導波路自体にセラミックブレードで切れ込みを形成し、切れ込み面で信号を全反射させる実装モデル、Ｎｏ２として図１２に示すように、光導波路８のコア９のパターンが形成された位置のクラッド１０の面に垂直な穴７ａを形成し、その穴７ａ中にプリズム状ミラー２３を設置した実装モデルとした。Ｎｏ３として図１３に示すように、光導波路８のコア９のパターンが形成された位置のクラッド１０の面に垂直な穴７ａを形成し、その穴７ａ中に９０度光路変換部品１を設置した。尚、この９０度光路変換部品１は光学繊維を酸化セリウムやダイヤモンドパウダー研磨によって少なくとも一端をほぼ４５°の角度を有する傾斜面を形成し、この４５°傾斜面を有した光路変換用ガラス材の傾斜面同士をＸ・Ｙ・Ｚの３方向が一致するように互いに光学接着剤で接着し光路変換部品を製造した実装モデルとした。Ｎｏ４は図１４に示す本発明の光路変換部品であり第１の基板２０上に光導波路８のクラッド１０を形成し、その上にコア９のパターンを形成し、そのコア９のパターンを上側のクラッド１０で覆って光導波路８を形成し、その光導波路８のコア９が形成された位置のクラッド１０の面に垂直な上下のクラッド１０とコア９を貫く穴７ａを形成した。本発明のレーザ熔着による９０度光路変換部品１を穴７ａの中に埋設し光学接着剤１９を用いて接着することで固定する。その第１の基板２０と光導波路８と９０度光路変換部品１を嵌め合わせて被せ第１の基板２０と光導波路８と９０度光路変換部品１と第２の基板２０を一体化させた実装モデルにした。Ｎｏ５として図１７に示すように、実装モデルＮｏ４で示した光導波路８を積層した構造とした。但し、光路変換部品１としては４５°反射面が上下２個所に有する１を用いている。以上の５種類の実装モデルを比較した。光導波路、光路変換部品は共に、コア径４０μｍ×４０μｍ、クラッド径１２５μｍ×１２５μｍ、コア屈折率１．４８９、クラッド屈折率１．４７１、比屈折率差１．２％である。送受信ともに光路変換部品および光導波路のコア中を信号光線２１（波長０．８５μｍ）が一様に励振するように入射させ９０°光路変換した後の伝搬光を、光導波路８端面あるいは、光路変換部品１、プリズム２３近傍へ、受光面積４０μｍ×４０μｍのディテクタ２２を設置し、信号強度を測定した。解析結果を表１、図１５、図１６に示す。尚、数値は入射光を１００％に対して、ディテクタ受光光となっている、コア径４０μｍのＭＭＦ−ＳＩ(Multi Mode Fiber-Step Index)を光路変換部品上にＶＣＳＥＬなどの受光素子（波長０．８５μｍ）を搭載し光導波路側面へディテクタ２２を設置した送信の場合、他の部品に比べて各段に損失が小さく９８％を達成できた。本発明の９０度光路変換部品では、導波路構造を有しており、また、４５°傾斜面で光信号が全反射するため、発光素子或いは受光素子、９０度光路変換部品、光導波路それぞれの界面で光信号が損失せずに伝搬できるからである。

以上、本発明の方法によって製造した光路変換部品を導波路の任意の領域に埋設し、その表面に光電素子を実装した光電気複合基板を製造した実装モデルは図１８、図１９、図２０に示したとおりである。

表１、図１５、図１６には本発明の光路変換部品の９０°光路変換の信号伝送特性及び、本発明の多層（２層）光配線層の９０°光路変換の信号伝送特性を測定した結果を示した。光路変換部品上にＶＣＳＥＬなどの発光素子（波長０．８５μｍ）を搭載し導波路側面へディテクタ２２を設置した送信の場合、多層（２層）光配線の信号伝送特性は９４％（送信）を達成する事が出来た。また、多層（2層）光配線において下層に構成された光導波路側面から信号を送信し、光路変換部品１上にディテクタ２２を設け受光した場合も同様に、各段に損失が小さく９６％（受信）を達成する事が出来た。

なお、光路変換部品１は両端を４５°角度を有する傾斜面を形成し、この４５°傾斜面を有した光路変換用のガラス材をＸ・Ｙ・Ｚの３方向が一致するようにレーザ熔着した構造となっている。

本発明の９０度光路変換部品では、導波路構造を有しており、また、４５°傾斜面で光信号が全反射するため、発光素子或いは受光素子、９０度光路変換部品、光導波路それぞれの界面で光信号が損失せずに伝搬できるからである。

以上、多層光配線の任意の位置に本発明の光路変換部品を埋設した光電気複合基板の実装モデルを図１８、図１９に示した。本構造では表面実装光電素子の高密度化によって次世代の高速大容量情報伝送技術の提供が可能になり、情報処理機器や携帯端末機器への高速伝送に普及に寄与できる多層光電気配線複合基板を提供できる。

本発明は、次世代の高速大容量情報伝送技術として、光導波路の表面に光電素子を実装した光電気複合配線板であり、光を利用して信号を伝送する交換装置、通信装置、あるいは高性能化が進む情報処理機器や携帯端末での利用が可能である。また、光情報伝送の損失が極めて小さく、高信頼性で各種ビットレートで高速大容量情報伝送技術の提供が実現できる。

本発明の実施例の形態に係る光路変換部品を示す斜視図である。 本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。 本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。 本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図でる。 本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。 本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。 本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。 本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。 本発明の光路変換部品の製造工程の一実施例を示す斜視図である。 本発明の光電気複合基板において光路変換部品を埋設する為のスルーホール形成斜視図である。 従来の光路変換技術による特性測定図である。 従来の光路変換技術による特性測定図である。 本発明に関係する従来技術による光路変換特性測定図である。 本発明の光路変換技術による特性測定図である。 本発明に係る光電気複合基板の９０°光路変換および比較例の信号強度特性（送信）図である。 本発明に係る光電気複合基板の９０°光路変換および比較例の信号強度特性（受信）図である。 本発明に係る光電気複合基板の９０°光路変換断面図である。 本発明に係る光電気複合基板の一実施例を示す断面図である。 本発明に係る光電気複合基板の一実施例を示す断面図である。 本発明に係る光電気複合基板の一実施例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・光路変換部品
２・・・高屈折率部
３・・・低屈性率部
４・・・反射面
５・・・入射口
６・・・出射口
７・・・スルーホール
７ａ・・穴
８・・・光導波路
９・・・コア
１０・・・クラッド
１１・・・セラミック基板
１２・・・面発光レーザ（VCSEL）
１３・・・フォトダイオード
１４・・・電極
１５・・・金錫ペースト
１６・・・LSI
１７・・・Driver
１８・・・Receiver
１９・・・光学接着剤
２０・・・基板
２１・・・光信号
２２・・・ディテクタ
２３・・・プリズム

Claims (10)

1. コアとクラッドを有する２つの光学繊維の一端に略４５度の角度を有する傾斜面を形成する第１の工程と、前記２つの光学繊維を略Ｌ字型に配置し前記傾斜面同士を前記傾斜面に露出した前記コアの位置を一致させて重ね合わせる第２の工程と、前記Ｌ字型の光学繊維の複合体のＬ字の角部の外側部分を前記コアの光軸の交差位置まで除去し前記コアの断面を露出させた反射面を形成する第３の工程と、パルス幅が５０から５００μｓのワンショットのパルス励起レーザ光をレンズにより前記傾斜面に集光することで前記傾斜面を加熱、熔着しＬ字型の光学繊維の複合体を形成する第４の工程とを有することを特徴とする９０度光路変換部品の製造方法。
2. コアとクラッドを有する２つの光学繊維の一端に略４５度の角度を有する傾斜面を形成する第１の工程と、前記２つの光学繊維を略Ｌ字型に配置し前記傾斜面同士を前記傾斜面に露出した前記コアの位置を一致させて重ね合わせる第２の工程と、パルス幅が５０から５００μｓのワンショットのパルス励起レーザ光をレンズにより前記傾斜面に集光することで前記傾斜面を加熱、熔着し、Ｌ字型の光学繊維の複合体を形成する第３の工程と、前記Ｌ字型の光学繊維の複合体のＬ字の角部の外側部分を前記コアの光軸の交差位置まで除去し前記コアの断面を露出させた反射面を形成する第４の工程とを有することを特徴とする９０度光路変換部品の製造方法。
3. 前記反射面へ金属膜を形成する第５の工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の９０度光路変換部品の製造方法。
4. コアとクラッドを有し一端にほぼ４５度の角度の傾斜面を有する第１の光学繊維と第２の光学繊維が、概ね９０度の角度で配置され、前記傾斜面同士を重ね合わせてパルス励起レーザ光で前記傾斜面同士が熔着されＬ字型の複合体を成し、前記Ｌ字型複合体の角部の外側部分の一部が前記コアの光軸の交差位置まで除去され前記第１の光学繊維と前記第２の光学繊維の前記コアの断面が露出された反射面を有し、前記反射面に金属膜が形成され、前記金属膜により前記第１の光学繊維と前記第２の光学繊維の前記コアの光路の方向が変換されるように光結合された構造を有することを特徴とする９０度光路変換部品。
5. 第１の基板上に形成した光導波路の表面に垂直で壁面に前記光導波路のコアの断面が露出する穴を形成する第１の工程と、次に、請求項４に記載の９０度光路変換部品を、該９０度光路変換部品の前記第１の光学繊維のコアの光軸を前記光導波路のコアの光軸に一致させて前記穴へ埋設し光学接着剤により固定する第２の工程と、前記第１の工程および前記第２の工程に並行して、第２の基板に、前記穴に位置を合わせたスルーホールを形成する第３の工程と、次に、前記スルーホールを、前記９０度光路変換部品の前記第２の光学繊維に嵌め合わせるように、前記第２の基板を前記第１の基板に重ね合わせ一体化させる第４の工程とを有することを特徴とする光電気複合基板の製造方法。
6. 第１の基板と、コアとクラッドを有する光導波路の層と、スルーホールを形成した第２の基板を順に積み重ねた構造を有し、前記光導波路が前記スルーホールに位置を合わせた穴を有し、該穴の壁面に前記光導波路のコアの断面を露出させ、かつ、前記スルーホールに位置を合わせた光電変換素子を前記第２の基板に設置し、前記穴と前記スルーホールの中に、請求項４に記載の前記９０度光路変換部品を埋設し、前記９０度光路変換部品の前記第１の光学繊維のコアの光軸と前記光導波路のコアの光軸を一致させて光結合し、前記９０度光路変換部品の前記第２の光学繊維のコアの光軸を前記光電変換素子の光軸に一致させて光結合させた構造を有することを特徴とする光電気複合基板。
7. 第１の基板と、コアとクラッドを有する光導波路の層と、スルーホールを形成した第２の基板を順に積み重ね、第２基板表面に光電変換素子を実装した光電気複合基板において、前記光導波路の層は、光配線を複数層積層した構造の多層光導波路であり、該多層光導波路内を伝搬する光信号が、光導波路のスルーホール内に埋設された、傾斜面を有するコア及びクラッドからなる伝送路構造を有する光路変換部品により、略９０°光路変換され、該表面実装光電素子間の光信号を送受信することを特徴とする光電気複合基板。
8. 第１の基板と、コアとクラッドを有する前記多層光導波路と、スルーホールを形成した第２の基板を順に積み重ねた構造を有し、前記光導波路が前記スルーホールに位置を合わせた穴を有し、該穴の壁面に前記光導波路のコアの断面を露出させ、かつ、前記スルーホールに位置を合わせた光電変換素子を前記第２の基板に設置し、前記穴と前記スルーホールの中に９０度光路変換部品を埋設し、該９０度光路変換部品の光軸と前記光導波路の光軸を一致させて光結合し、且つ９０度光路変換部品の光軸を前記光電変換素子の光軸に一致させて光結合させた構造を有することを特徴とする光電気複合基板。
9. 請求項７ないし８に記載の光電気複合基板において、前記光導波路がシングルモード光配線又は、マルチモード光配線を有する光配線層で積層形成されており、シングルモード光配線及びマルチモード光配線は、光導波路スルーホール内に埋設された、傾斜面を有するコア及びクラッドからなる伝送路構造を有する９０度光路変換部品により光信号が略９０°光路変換され、多層の該光配線層間を信号伝送し、かつ第２の基板表面に実装された光電素子間の光信号を送受信することを特徴とする光電気複合基板。
10. 以下の工程を少なくとも具備することを特徴とする請求項７乃至９の何れか１項に記載の光電気配線基板の製造方法。
    １．基板上に第１のクラッド層を形成する工程
    ２．前記第１のクラッド層上にコアパターンを形成する工程
    ３．前記第１のクラッド層とコアパターン上に第２のクラッド層を形成し、第１の光配線層を得る工程
    ４．１乃至３の工程を必要回数繰り返し、複数の光配線層を得る工程
    ５．前記複数の光配線層を貼り合わせて多層光配線とする工程
    ６．９０度光路変換部品を埋設する為のスルーホールを形成し、光路変換部品を埋設する工程
    ７．前記多層光配線、埋設された前記９０度光路変換部品、および光電変換素子それぞれの光結合部の間で光軸が一致するよう光結合させつつ、前記基板と、上記多層光配線と、スルーホールを形成した第２の基板を順に積み重ね、光電変換素子を設置する工程。