JP2009237596A - 光結合構造体および電気配線基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 第1コア端面11aが第1端面12aに露出し、第2コア端面11bが第2端面12bに露出し、第1コア端面11aからミラー面13に至り、ミラー面13で方向を変えられて第2コア端面11bに至る連続した光路を構成するコア11が、クラッド12内に埋設されており、かつコア11の第1コア端面11aおよび第2コア端面11bがそれぞれ第1端面12aおよび第2端面12bに2次元的に配列されている光路変換デバイスと、第1端面あるいは第2端面の複数のコアが複数の導波路コアと相対するように設けられたアレイ型光導波路ユニットと、複数の導波路コアを光デバイスに接続するための光コネクタとを備える。
【選択図】 図1
Description
また、光電変換素子4の素子数の増大に対応するためにコア2を2次元配列した層を多層に配置する構成では、光ピン5の長さはコア層毎に異なり、長尺の光ピン5が必要となる。この光ピン5の長尺化は、光ピン5の反りをもたらし、コア2の光軸に対するマイクロミラー5aの位置精度が悪化してしまい、光結合効率が低下する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る光路変換デバイスを模式的に示す斜視図、図2はこの発明の実施の形態1に係る光路変換デバイスにおける光路変換動作を説明する側面図である。
クラッド12には、第1端面12a、第2端面12bおよび光路変換用のミラー面13が形成されている。そして、コア11の第1コア端面11aがクラッド12の第1端面12aに3列・2行のマトリックス状(2次元的)に配列され、第2コア端面11bがクラッド12の第2端面12bに3列・2行のマトリックス状(2次元的)に配列されている。各コア11は、第1コア端面11aからミラー面13に至る光路と、第2コア端面11bからミラー面13に至る光路とが、光軸をミラー面13上で交差させ、かつ、光軸の交差点におけるミラー面13の垂線に対して対称となるようにL字状に形成されている。そして、6本のコア11は、ミラー面13に直交する同一平面上に平行に配列された2本のコア11を、該平面に直交する方向に平行に所定ピッチで3列に配列して構成されている。なお、ミラー面13には、各コア11の光軸の交差点が3列・2行のマトリックス状(2次元的)に配列されている。
また、コア11およびクラッド12には、屈折率の異なるガラスが用いられている。そして、コア11には、クラッド12のガラスより屈折率の大きいガラスが用いられており、両者の屈折率差は0.1〜1.0%である。
光14は、光路変換デバイス10の第1端面12aからコア11の第1コア端面11a内に入射する。そして、コア11の屈折率>クラッド12の屈折率となっているので、光14は、低損失でコア11内を進んでミラー面13に到達する。そこで、光14は、ミラー面13で反射され、光路を90度変換されて低損失でコア11内を進んで、コア11の第2コア端面11bから出射される。これにより、光14の光路は、光路変換デバイス10により90度変換される。
なお、光14が光路変換デバイス10の第2端面12bからコア11の第2コア端面11b内に入射した場合も、同様に光路を90度変換されて、コア11の第1コア端面11aから出射される。
図3において、アレイ型光電変換素子ユニット20は、面発光型レーザ(VCSEL)および端面発光型レーザ(LD)等の発光素子あるいはフォトダイオード(PD)等の受光素子からなる光電変換素子21が仕様に応じて適宜選択されて2次元に配列されて基板22上に実装されている。ここでは、6つの光電変換素子21が、光路変換デバイス10のコア11の第1コア端面11aと同等の配列ピッチで3列・2行のマトリックスに配列されている。
これにより、光電変換素子21が発光素子の場合、光電変換素子21から出射された光は、光路変換デバイス10により光路を90度変換されて、アレイ型光導波路ユニット25の一端側からコア26に入射する。そして、コア26の屈折率>クラッド27の屈折率となっているので、光は、低損失でコア26内を進み、アレイ型光導波路ユニット25の他端側から出射される。
一方、光電変換素子21が受光素子の場合、アレイ型光導波路ユニット25の他端側からコア26に入射した光は、第2コア端面11bからコア11に入射する。そして、光は、光路変換デバイス10により光路を90度変換されて、第1コア端面11aから出射し、光電変換素子21に受光される。
IC16およびアレイ型光電変換素子ユニット20が半田バンプあるいはワイヤボンディングにより基板17に実装される。また、光路変換デバイス10およびアレイ型光導波路ユニット25がコア11、26を互いに相対するようにして電気配線基板19上に実装される。ついで、光電変換素子21が光路変換デバイス10のコア11の第1コア端面11aに相対するようにして基板17を半田ボール18により電気配線基板19上に実装することで、図3に示される光結合構造が実現される。
そして、例えば、アレイ型光導波路ユニット25のコア26が光スイッチや合分波器等の光デバイスと光コネクタ等により接続され、光通信システムや超並列コンピュータに組み込まれる。
また、アレイ型光電変換素子ユニット20を基板17に半田バンプやワイヤボンディングにより電気的に接続するものとしているが、両者の接続には、導電性接着剤、Pin Grid Array(PGA)、Land Grid Array(LGA)等を用いてもよい。
また、アレイ型光導波路ユニット25は、例えばフッ素化ポリイミド、ポリメチルメタアクリレート、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の接着剤を用いて電気配線基板19に固定できるが、位置決め用の枠体やガイドピンを用いてアレイ型光導波路ユニット25を光路変換デバイス10に固定してもよい。
そこで、従来のマイクロミラー付き光ピン5や光ピン5を嵌め込むためのスルーホール3が不要となり、製造プロセスが簡略化され、低価格化が図られるとともに、スルーホール3の内壁面の凹凸に起因する光結合効率の低下もない。
また、マトリックス状に配列された光素子間を単一の光路変換デバイスで光結合でき、構成が簡素化され、低価格化が図られる。
また、コア11がミラー面13の前後で連続しているので、伝播する光を十分閉じ込めることができ、損失を少なくすることができる。
また、光路変換デバイス10がブロック体であるので、アレイ型光電変換素子ユニット20やアレイ型光導波路ユニット25等の素子と光路変換デバイス10とを光結合を、簡便な方法で精度よく行うことができる。
また、コア11、26内を伝播するモードはシングルモードでも、マルチモードでもよいことは言うまでもないことである。
また、アレイ型光導波路ユニット25は、コア26をクラッド27に埋め込んで構成するものとしているが、コアとクラッドとが一体に作製された複数の光ファイバを束ねてアレイ型光導波路ユニットを構成してもよい。
この実施の形態2では、図5に示されるように、ミラー角度θを45度とする第2ミラー面13aがミラー面13と第2端面12bとの間に形成されている。
このように作製された光路変換デバイス10Aでは、光路を180度変換することができ、複雑な光路変換に対応できる。
なお、この実施の形態2においても、ミラー角度θを適宜設定することにより、光路の変換角度を任意に調整できる。
この実施の形態3では、図6に示されるように、ミラー角度θを45度とする第2ミラー面13bがミラー面13と第2端面12bとの間に形成されている。
このように作製された光路変換デバイス10Bでは、光路をクランク変換(0度変換)することができ、複雑な光路変換に対応できる。
なお、この実施の形態3においても、ミラー角度θを適宜設定することにより、光路の変換角度を任意に調整できる。
図7はこの発明の実施の形態4に係る光路変換デバイスを用いた実装構造を示す模式図である。
この実施の形態4では、図7に示されるように、異なる基板17に実装されたアレイ型光電変換素子ユニット20間の光結合構造を光路変換デバイス10とアレイ型光導波路ユニット25と組み合わせて実現している。
従って、この光路変換デバイス10は、アレイ型光電変換素素子ユニット20とアレイ型光導波路ユニット25との間の光結合、さらにはアレイ型光導波路ユニット25間の光結合に適用することができる。
図8はこの発明の実施の形態5に係る光路変換デバイスを用いた実装構造を示す模式図である。
この実施の形態5では、図8に示されるように、異なる基板17に実装されたアレイ型光電変換素子ユニット20間の光結合構造を光路変換デバイス10Aで実現している。
従って、この光路変換デバイス10Aは、アレイ型光電変換素素子ユニット20間の光結合に適用することができる。
図9はこの発明の実施の形態6に係る光路変換デバイスの製造方法を説明する工程図である。
まず、図9の(a)に示されるように、低屈折率の石英ガラスを用いて、薄板平板状の基板30を作製する。ついで、スパッタ等の真空成膜技術を用いて高屈折率の石英を基板30上に所定厚さに成膜する。そして、高屈折率の石英膜上にフォトレジストを塗布し、写真製版技術を用いてフォトレジストをパターニングした後、反応性イオンエッチング(RIE)により石英膜の不要部分を除去する。ついで、フォトレジストを除去して、同一平面上に形成された高屈折率の石英膜からなる4本のコア31a、31bが得られる。2本のコア31aは平行な直線状に形成され、2本のコア31bは平行な直線状に形成され、コア31aとコア31bとが互いに直交している。なお、コア31a、31bの交差部は直線上に位置し、コア11の折り返し部に相当する。
そして、低屈折率の石英をスパッタ等の真空成膜技術を用いて基板30上に所定厚さに成膜する。これにより、図9の(b)に示されるように、コア31a、31bが低屈折率の石英(クラッド)に埋設されてなる導波路体32が得られる。
ついで、ダイシングにより、導波路ユニット33をコア31a、31bの交差部の一部とともに切断除去し、図9の(d)に示されるように、ミラー面34を形成し、光路変換デバイスを得る。なお、ミラー面34はコア31aの光軸とコア31bの光軸との交点位置を通るように形成されている。
そして、各コア11は、第1コア端面11aからミラー面13(34)に至るコア31aと、第2コア端面11bからミラー面13(34)に至るコア31bとが、ミラー面13(34)上で交差し、かつ、該交差点におけるミラー面13(34)の垂線に対して対称となるように形成されている。そして、8本のコア11は、ミラー面13(34)に直交する同一平面上に平行に配列された2本のコア11を、該平面に直交する方向(積層方向)に平行に4列に配列して構成されている。また、第1コア端面11aおよび第2コア端面11bが、それぞれ第1端面12aおよび第2端面12bに4列・2行のマトリックス状に配列されている。
また、導波路体32に複数本のコア31a、31bを作製できるので、低価格化が図られる。
また、上記実施の形態6では、高屈折率の石英膜を成膜した後、エッチングによりコアを形成するものとしているが、予め所定形状に作製されたコアを基板30上に貼り付けてもよい。
また、上記実施の形態6において、4つの導波路体32を交互にオフセットして貼り合わせれば、第1および第2コア端面11a、11bを千鳥状に配列した2次元的な配列状態が得られる。この場合、各導波路体32におけるコア11を構成するコア31a、31bの光軸の交点を通る直線が、導波路体32の積層方向に重なるように導波路体32を積層する必要がある。
上記実施の形態6では、導波路体32を貼り合わせた後ミラー面34を作製するものとしているが、この実施の形態7では、基板を作製する段階でミラー面を形成するものである。
まず、図10の(a)に示されるように、低屈折率の石英ガラスを用いて、ミラー面34aが形成された薄板平板状の基板30Aを作製する。ついで、スパッタ等の真空成膜技術を用いて高屈折率の石英を基板30A上に所定厚さに成膜する。そして、高屈折率の石英膜上にフォトレジストを塗布し、写真製版技術を用いてフォトレジストをパターニングした後、反応性イオンエッチング(RIE)により石英膜の不要部分を除去する。ついで、フォトレジストを除去して、同一平面上に形成された高屈折率の石英膜からなる4本のコア31a、31bを得る。2本のコア31aは平行な直線状に形成され、2本のコア31bは平行な直線状に形成され、コア31aとコア31bとがミラー面34aで互いに直交している。 そして、低屈折率の石英をスパッタ等の真空成膜技術を用いて基板30A上に所定厚さに成膜する。これにより、図10の(b)に示されるように、コア31a、31bが低屈折率の石英(クラッド)に埋設されてなる導波路体32Aが得られる。
このように、この実施の形態7においても、上記実施の形態6と同様の光路変換デバイスが製造される。
上記実施の形態6では、コアおよびクラッド材として無機材である石英を用いるものとして説明しているが、この実施の形態8では、コアおよびクラッド材として有機材であるフッ素化ポリイミドを用いたものである。
まず、低屈折率の第1フッ素化ポリイミド溶液を石英基板上にスピンコートし、ベーキングして第1クラッド層を形成する。ついで、高屈折率の第2フッ素化ポリイミド溶液をスピンコートし、ベーキングして第1クラッド層上にコア層を形成する。
これにより、コアが第1および第2クラッド層に埋設されてなる導波路体(上述の導波路体32に相当)が得られる。なお、コアは上記実施の形態6におけるコア31a、31bと同様に構成されている。以降、上記実施の形態6と同様に、この導波路体を積層貼り合わせて導波路ユニットを作製し、ミラー面を形成して、光路変換デバイスが得られる。
従って、この実施の形態8においても、上記実施の形態6と同様の効果が得られる。
また、上記実施の形態8では、コア層を反応性イオンエッチングによりパターニングするものとしているが、第2フッ素化ポリイミド溶液に光硬化性を付与すれば、写真製版技術のみでコア層をパターニングでき、製造プロセスの簡略化が図られる。
また、上記実施の形態8では、第2フッ素化ポリイミド溶液を塗布・硬化してコア層を形成した後、エッチングによりコアを形成するものとしているが、予め所定形状に作製されたコアを第1クラッド層上に貼り付けてもよい。
図11はこの発明の実施の形態9に係る光路変換デバイスの製造方法を説明する工程図、図12はコア形成方法を説明する図である。
まず、図11の(a)に示されるように、ハロゲン化ガラスからなる平板状の基板40を作製する。
ついで、図12に示されるように、レーザ発生装置38から出射された810nmのレーザ光を集光レンズ39で集光し、100MJ/cm2のエネルギーとして基板40の所定の深さ位置に照射する。この時、基板40は図12中矢印方向に移動され、1本のコア41bが基板40内のレーザ光の集光位置に形成される。1本のコア41bが形成された後、基板40をコア41bと直交する方向に所定量シフトさせ、同様に基板40を移動させつつ2本目のコア41bを形成する。このようにして、3本のコア41bが基板40内の同一平面上に平行に配列して形成される。
ついで、基板40の位置を90度回転させて、レーザ発生装置38および集光レンズ39を用いて、同様にして6本のコア41aを3列・2層に配列して基板40内に形成する。これにより、図11の(c)に示されるように、コア41aとコア41bとが互いに直角に交差するように形成された基板40(導波路体)を得る。なお、対応するコア41aとコア41bとの交差部は同一平面上に位置している。
ついで、ダイシングにより、基板40をコア41a、41bの交差部の一部とともに切断除去し、図11の(d)に示されるように、ミラー面42を形成し、光路変換デバイスを得る。このミラー面42はコア41aの光軸とコア41bの光軸との交点位置を通るように形成されている。
そして、各コア11は、第1コア端面11aからミラー面13(42)に至るコア41aと、第2コア端面11bからミラー面13(42)に至るコア41bとが、ミラー面13(42)上で交差し、かつ、該交差点におけるミラー面13(42)の垂線に対して対称となるように形成されている。そして、コア11は、ミラー面13(42)に直交する同一平面上に平行に配列された2本のコア11を、該平面に直交する方向に平行に3列に配列して構成されている。
また、上記実施の形態6乃至8による製造方法では、コアは断面矩形に形成されるが、この実施の形態9では、円形断面のコアを形成することができるので、伝播時の損失が少なく、効率的に光結合を行うことができる。
また、上記実施の形態9では、ダイシングにより基板40を切断してミラー面42を作製するものとしているが、ダイシングによる切断後、研磨を施してミラー面42の平面度を高めるようにしてもよい。さらに、ダイシングに代えて、反応性イオンエッチングや研磨によりミラー面を形成するようにしてもよい。
上記実施の形態9では、コア41a、41bが形成された基板40にミラー面42を作製するものとしているが、この実施の形態10では、コア41a、41bの形成前の基板40Aにミラー面42を形成するものである。
まず、図13の(a)に示されるように、ハロゲン化ガラスを用いて、ミラー面42が形成された平板状の基板40Aを作製する。
ついで、レーザ発生装置38から出射された810nmのレーザ光を集光レンズ39で集光し、100MJ/cm2のエネルギーとして基板40Aの所定の深さ位置に照射する。この時、基板40Aは図12中矢印方向に移動され、1本のコア41bが基板40A内のレーザ光の集光位置に形成される。1本のコア41bが形成された後、基板40Aをコア41bと直交する方向に所定量シフトさせ、同様に基板40Aを移動させつつ2本目のコア41bを形成する。このようにして、3本のコア41bが同一平面上に平行に配列して形成された基板40A(導波路体)を得る。
ついで、基板40Aの位置を90度回転させて、レーザ発生装置38および集光レンズ39を用いて、同様にして6本のコア41aを3列・2層に配列して基板40A内に形成する。コア41aは、それぞれの光軸が、図13の(c)に示されるように、対応するコア41bの光軸とミラー面42上で直角に交差するように形成される。
このように、この実施の形態10においても、上記実施の形態9と同様の光路変換デバイスが製造される。
図14はこの発明の実施の形態11に係る光路変換デバイスを示す側面図である。
この実施の形態11による光路変換デバイス10Cは、コア45の光路断面がミラー面13から第1コア端面45aに向かって漸次拡大するように形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
また、上記実施の形態11では、コア45の光路断面がミラー面13から第1コア端面45aに至る全領域において漸次拡大するように形成されているものとしているが、コア45の光路断面は第1コア端面45aの断面積を最大とし、少なくとも第1コア端面45a近傍で第1コア端面45aに向かって漸次拡大するように形成されていればよい。
また、上記実施の形態11では、コア45の光路断面がミラー面13から第1コア端面45aに向かって漸次拡大するように形成されているものとしているが、コア45の光路断面がミラー面13から第2コア端面45bに向かって漸次拡大するように形成されてもよい。
図15はこの発明の実施の形態12に係る光路変換デバイスを示す側面図である。
この実施の形態12による光路変換デバイス10Dは、コア46の光路断面がミラー面13から第1コア端面46aに向かって漸次縮小するように形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態11と同様に構成されている。
また、上記実施の形態12では、コア46の光路断面がミラー面13から第1コア端面46aに向かって漸次縮小するように形成されているものとしているが、コア46の光路断面がミラー面13から第2コア端面46bに向かって漸次縮小するように形成されてもよい。
図16はこの発明の実施の形態13に係る光路変換デバイスを示す側面図である。
この実施の形態13による光路変換デバイス10Eは、分岐コア48a、48bが第2端面12bとミラー面13とのコア47の途中部分から分岐して第2端面12bに露出するように形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
この実施の形態13によれば、コア47が2本の分岐コア48a、48bに分岐しているので、2つの光を1つの光に集合させて出射したり、1つの光を2つの光に分岐して出射したりすることができ、用途を拡大することができる。
なお、この場合、光路変換デバイス10Eの第1端面12aに2次元的に配列された第1コア端面47aの個数と第2端面12bに2次元的に配列された第2コア端面47bの個数とが異なることになる。
また、分岐するコア47の個数は、光結合の仕様に合わせて適宜設定されるものである。また、第1端面12aとミラー面13とのコア47の途中部分から分岐して第1端面12aに露出するようにしてもよい。
また、分岐コア48a、48bの途中にフィルタを形成すれば、分岐コア48a、48bに選択的に光を通すことができる。さらに、分岐コア48a、48bの途中にサーモオプティック(Thermo Optic)スイッチを設ければ、光路を選択的に切り換えることができる。
Claims (2)
- 第1端面、第2端面およびミラー面が形成されたクラッドと、上記クラッドに埋設され、それぞれ第1コア端面が上記第1端面に露出し、第2コア端面が上記第2端面に露出し、該第1コア端面から上記ミラー面に至り、該ミラー面で方向を変えられて該第2コア端面に至る連続した光路を構成する複数のコアとを備え、上記第1コア端面および第2コア端面がそれぞれ上記第1端面および第2端面に2次元的に配列され、上記複数のコアは行方向コアと列方向コアとがマトリックス状に配列され、行方向コアと列方向コアの少なくとも一つは交差している光路変換デバイスと、
上記第1端面あるいは第2端面の上記複数のコアが複数の導波路コアと相対するように設けられたアレイ型光導波路ユニットと、
上記複数の導波路コアを光デバイスに接続するための光コネクタと
を備えたことを特徴とする光結合構造体。 - 第1端面、第2端面およびミラー面が形成されたクラッドと、上記クラッドに埋設され、それぞれ第1コア端面が上記第1端面に露出し、第2コア端面が上記第2端面に露出し、該第1コア端面から上記ミラー面に至り、該ミラー面で方向を変えられて該第2コア端面に至る連続した光路を構成する複数のコアとを備え、上記第1コア端面および第2コア端面がそれぞれ上記第1端面および第2端面に2次元的に配列され、上記複数のコアは行方向コアと列方向コアとがマトリックス状に配列され、行方向コアと列方向コアの少なくとも一つは交差している光路変換デバイスと、
上記第1端面あるいは第2端面の上記複数のコアが複数の導波路コアと相対するように設けられたアレイ型光導波路ユニットと
が実装されたことを特徴とする電気配線基板。
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