JP2010152194A - 光導波路、光配線、光電気混載基板および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、ミラー部での光損失が小さい光導波路を提供すること。
【解決手段】 本発明の光導波路は、第１クラッド層と、光が伝播するコア部と該コア部よりも屈折率の小さいクラッド部とを有するコア層と、第２クラッド層とがこの順に積層され、前記コア部の側方からの入射光を反射させて該コア部に導くための反射部を有する光導波路であって、前記反射部は、第１クラッド層に形成された第１反射面と、コア層に形成された第２反射面と、第２クラッド層に形成された第３反射面とで構成されており、前記入射角の光軸を含む縦断面で切断したときの前記コア部の光軸と、第１反斜面の鋭角側の平均傾斜角をθ１［度］とし、前記光軸と前記第２反射面の鋭角側の平均傾斜角をθ２［度］とし、前記光軸と前記第３反射面の鋭角側の平均傾斜角をθ３［度］としたとき、θ１＜θ２≦θ３またはθ１≦θ２＜θ３となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光導波路、光配線、光電気混載基板および電子機器に関する。

近年、光信号を使用してデータを移送する光通信がますます重要になっている。このような光通信において、光信号を、一地点から他地点に導くための手段として、光導波路が検討されている。

この光導波路は、例えば一対のクラッド層と、一対のクラッド層の間に設けられたコア層とを有している。コア層は、線状のコア部とそれを挟み込むようにコア部の両側に設けられたクラッド部とを有している。コア部は、光信号に対して実質的に透明な材料によって構成され、クラッド層およびクラッド部は、コア部より屈折率が低い材料によって構成されている。

このような光導波路としては、例えば２層のクラッド層（上方クラッド層および下方クラッド層）と、その間に設けられ、ポリシランと有機過酸化物を含むポリシラン組成物を用いて形成されたポリシラン層とを有するポリマー光導波路が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この光導波路では、コア部が、コア部よりも屈折率が低いクラッド層およびクラッド部によって囲まれた構成となっている。したがって、コア部の端部から導入された光は、クラッド層およびクラッド部との境界で反射しながら、コア部の軸に沿って搬送され、光導波路の入射側には、半導体レーザ等の発光素子が配置され、この発光素子から発生した光を光導波路のコア部に入射する。一方、光導波路の出射側には、フォトダイオード等の受光素子が配置され、コア部を伝播してきた光を受光素子により受光することにより、光通信を可能にする。

このような光信号の授受のために、光素子での光の発光、受光等を行っている。この光素子へ光信号を伝播させるために光導波路には光信号を屈曲させるためのミラー面を設けている場合がある。しかし、このようなミラー面を設ける場合、ミラー面での光信号の損失が大きくなる場合があった。

特開２００４−３３３８８３号公報

本発明の目的は、ミラー部での光損失が小さい光導波路を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、上述したような光導波路を用いて性能に優れる光配線、光電気混載基板および電子機器を提供することにある。

このような目的は、下記（１）〜（１０）に記載の本発明により達成される。
（１）第１クラッド層と、光が伝播するコア部と該コア部よりも屈折率の小さいクラッド部とを有するコア層と、第２クラッド層とがこの順に積層され、前記コア部の側方からの入射光を反射させて該コア部に導くための反射部を有する光導波路であって、前記反射部は、第１クラッド層に形成された第１反射面と、コア層に形成された第２反射面と、第２クラッド層に形成された第３反射面とで構成されており、前記入射光の光軸を含む縦断面で切断したときの前記コア部の光軸と、第１反斜面の鋭角側の平均傾斜角をθ１［度］とし、前記光軸と前記第２反射面の鋭角側の平均傾斜角をθ２［度］とし、前記光軸と前記第３反射面の鋭角側の平均傾斜角をθ３［度］としたとき、θ１＜θ２≦θ３またはθ１≦θ２＜θ３となることを特徴とする光導波路。
（２）前記第２反射面の平均傾斜角θ２が、３０〜５０［度］である上記（１）に記載の光導波路。
（３）前記平均傾斜角θ１、平均傾斜角θ２および平均傾斜角θ３が、１．１×θ１＜θ２＜０．９×θ３を満たすものである上記（１）または（２）に記載の光導波路。
（４）前記第１反射面は、第１クラッド層に入射した光がコア部を伝播するように反射させるものである上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の光導波路。
（５）前記第３反射面は、第２クラッド層に入射した光がコア部を伝播するように反射させるものである上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の光導波路。
（６）前記第１反射面、前記第２反射面および前記第３反射面の少なくとも一つが、湾曲面を有しているものである上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の光導波路。
（７）前記第１反射面、前記第２反射面および前記第３反射面の少なくとも一つには、反射膜が形成されている上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の光導波路。
（８）上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の光導波路を有することを特徴とする光配線。
（９）電気配線と、上記（８）に記載の光配線とを、有することを特徴とする光電気混載基板。
（１０）上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の光導波路を備えたことを特徴とする電子機器。

本発明によれば、反射部（ミラー部）での光損失が小さい光導波路を提供することができる。
また、本発明によれば、性能に優れる光配線、光電気混載基板および電子機器を提供することができる。

以下、本発明の光導波路、光配線、光電気混載基板および電子機器について説明する。
本発明の光導波路は、第１クラッド層と、光が伝播するコア部と該コア部よりも屈折率の小さいクラッド部とを有するコア層と、第２クラッド層とがこの順に積層され、前記コア部の側方からの入射光を反射させて該コア部に導くための反射部を有する光導波路であって、前記反射部は、第１クラッド層に形成された第１反射面と、コア層に形成された第２反射面と、第２クラッド層に形成された第３反射面とで構成されており、前記入射角の光軸を含む縦断面で切断したときの前記コア部の光軸と、第１反斜面の鋭角側の平均傾斜角をθ１［度］とし、前記光軸と前記第２反射面の鋭角側の平均傾斜角をθ２［度］とし、前記光軸と前記第３反射面の鋭角側の平均傾斜角をθ３［度］としたとき、θ１＜θ２≦θ３またはθ１≦θ２＜θ３となることを特徴とする。
また、本発明の光配線は、上記に記載の光導波路を有することを特徴とする。
また、本発明の光電気混載基板は、電気配線と、上記に記載の光配線とを、有することを特徴とする。
また、本発明の電子機器は、上記に記載の光導波路を備えたことを特徴とする。

まず、光導波路について好適な図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、光導波路１０の断面図である。図２は、図１中のＡ−Ａ線図である。図３は、各反射面の角度を説明する説明図である。
図１に示すように、光導波路１０は、第１クラッド層１と、コア層２と、第２クラッド層３とがこの順に積層されている。また、図２に示すように、コア層２は、光が伝播するコア部２１と、クラッド部２２とで構成されている。コア部２１は、図２のコア層２中に４本形成されているマルチタイプの光導波路１０となっている。
ここで、コア部２１は、第１クラッド層１、第２クラッド層３およびクラッド部２２のクラッド領域（第１クラッド層１、第２クラッド層３および各クラッド部２２の領域を示す）でその周囲が覆われている。
第１クラッド層１、第２クラッド層３は、コア部２１よりも屈折率が低くなっている。また、クラッド部２２もコア部２１よりも屈折率が低くなっている。
このようなコア部２１とクラッド領域との屈折率差により、光信号がコア部２１のみ伝播して光通信することが可能となっている。すなわち、図１の上側から入射してきた入射光４が、第２反射面５２で反射し、直角方向に屈曲してコア部２１の延在方向（図１中の右側）に向け伝播するようになっている。ここで、上述したようにコア部２１と周囲のクラッド領域とでは屈折率差が設けられているので、コア部２１とクラッド領域との界面で光は反射することによりコア部２１のみを光が伝播するようになっている。

光導波路１０は、図１の上方向から入射してきた入射光４をコア部２１に導くための反射部５を有している。反射部５は、第１クラッド層１に形成された第１反射面５１と、コア層２に形成された第２反射面５２と、第２クラッド層３に形成された第３反射面５３とで構成されている。
ここで、本発明の光導波路１０では、各反射面の傾斜角度は、次のような関係を満たすことを特徴とする。図３に示すように、入射光４の光軸を含む縦断面で切断したときのコア層２のコア部の光軸２２１に平行な線２２２と第１反射面５１との鋭角側の平均傾斜角をθ１［度］とし、同様に光軸２２１に平行な線２２２と第２反射面５２との鋭角側の平均傾斜角をθ２［度］とし、同様に光軸２２１と平行な線２２２と第３反射面５３との鋭角側の平均傾斜角をθ３［度］としたとき、θ１＜θ２≦θ３またはθ１≦θ２＜θ３となる。反射部５を構成する各反射面の傾斜角を上記のような範囲とすることにより、第１反射面５１および第３反射面５３に入射した入射光４を、コア部２１に向けて反射させることができるようになり、それによって反射部５での光損失を低減することができる。

従来の光導波路では、反射面の傾斜角度は一定であり（すなわち、θ１＝θ２＝θ３）、クラッド層に漏れてしまった光はクラッド層を伝播してしまうことになり、光損失の原因、信号ノイズの原因等になっていた。
これに対して、本発明では第１反射面５１の平均傾斜角θ１の角度と、第２反射面５２の平均傾斜角θ２と、第３反射面５３の平均傾斜角θ３とが、θ１＜θ２≦θ３またはθ１≦θ２＜θ３となっている。そのため、θ１＜θ２の場合では、第１クラッド層１に入射してしまった光をコア層２に戻すことができる。また、θ２＜θ３の場合では、第２クラッド層３に入射してしまった光をコア層２に戻すことができる。このように、従来の光導波路では、クラッド層に漏れてしまった光は損失の原因となっていたものを、本発明ではクラッド層に漏れてしまった光をコア層２に戻すことにより光損失を低減させようとするものである。

したがって、各反射面の傾斜角度がθ１＜θ２≦θ３またはθ１≦θ２＜θ３となれば良いが、より好ましくはθ１＜θ２＜θ３である。これにより、第１クラッド層１および第２クラッド層３の両方に漏れてしまった光をコア層２に戻すことができる。

また、前記各反射面の平均傾斜角θ１、平均傾斜角θ２および平均傾斜角θ３が、１．１×θ１＜θ２＜０．９×θ３を満たすものであることがより好ましい。各反射面の傾斜角度が前記関係を満たすことにより、より光損失を低減することができる。

まず、第２反射面５２は、入射光４がコア部２１を伝播するように屈曲させるためのミラー面の役割を果たすものである。このような第２反射面の５２の傾斜角θ２は、特に限定されないが、３０〜５０［度］が好ましく、特に３２〜４８［度］が好ましい。傾斜角θ２が前記範囲内であると、コア部２１に入射した入射光４の進行方向を効率的に屈曲させることができる。

第１反射面５１は、第１クラッド層１に入射した入射光４がコア部２１を伝播するように反射させるものである。
具体的に第１反射面５１の平均傾斜角θ１は、特に限定されないが、２０〜４５［度］が好ましく、特に２５〜３５［度］が好ましい。傾斜角が前記範囲内であると、第１クラッド層１に入射した光をコア部２１に戻す効果が特に優れる。

第３反射面５３は、第３クラッド層３に入射した入射光４がコア部２１を伝播するように反射させるものである。
具体的に第３反射面５３の平均傾斜角θ３は、特に限定されないが、４５〜６０［度］が好ましく、特に５０〜５５［度］が好ましい。傾斜角が前記範囲内であると、第３クラッド層３に入射した光をコア部２１に戻す効果が特に優れる。

上述したような各反射面（５１、５２および５３）を形成する方法としては、例えばダイシングにより反射面を形成する方法、レーザ照射により反射面を形成する方法等が挙げられる。これらの中でもレーザ照射により反射面を形成する方法が好ましい。これにより、ミラー角度の安定性を向上することができる。また、任意の位置にミラーを形成するのが容易となる。

さて、このような光導波路１０を構成する材料は、コア部２１と、クラッド部２２、第１クラッド層１および第３クラッド層３との屈折率差を設けることができるものであれば特に限定されない。
特にコア部２１を形成する方法としては、例えばフォトリソグラフィー等の手法により、凹部が形成されたクラッド領域に、クラッド領域よりも屈折率の高いコア部を構成する材料を埋設し、コア部を覆うようにクラッド領域を設ける方法が挙げられる。この方法であれば、コア部とクラッド領域とは屈折率差を持ち、コア部とクラッド領域との密着性に優れるものが好ましい。

また、コア層２に紫外線、電子線等の活性エネルギー線の照射により屈折率を変化させてコア部２１を形成する方法の場合、活性エネルギー線の照射により屈折率が変化する材料を用いることが要求される。
これらの方法の中でも活性エネルギー線の照射により屈折率を変化させる方法が好ましい。これにより、種々のパターンを有する光導波路を容易に得ることができる。

このように、コア層２に活性エネルギー線を照射することにより、屈折率を変化させてコア部２１とクラッド部２２とを形成する方法に用いる材料としては、例えば活性エネルギー線の照射や加熱により、少なくとも一部の結合が切断したり、少なくとも一部の官能基が脱離したりする等して、化学構造が変化し得る材料が挙げられる。

具体的には、ポリシラン（例：ポリメチルフェニルシラン）、ポリシラザン（例：ペルヒドロポリシラザン）等のシラン系樹脂や、前述したような構造変化を伴う材料のベースとなる樹脂としては、分子の側鎖または末端に官能基を有する以下の（１）〜（６）のような樹脂が挙げられる。（１）ノルボルネン型モノマーを付加（共）重合して得られるノルボルネン型モノマーの付加（共）重合体、（２）ノルボルネン型モノマーとエチレンやα−オレフィン類との付加共重合体、（３）ノルボルネン型モノマーと非共役ジエン、および必要に応じて他のモノマーとの付加共重合体、（４）ノルボルネン型モノマーの開環（共）重合体、および必要に応じて該（共）重合体を水素添加した樹脂、（５）ノルボルネン型モノマーとエチレンやα−オレフィン類との開環共重合体、および必要に応じて該（共）重合体を水素添加した樹脂、（６）ノルボルネン型モノマーと非共役ジエン、または他のモノマーとの開環共重合体、および必要に応じて該（共）重合体を水素添加した樹脂等のノルボルネン系樹脂、その他、光硬化反応性モノマーを重合することにより得られるアクリル系樹脂、エポキシ樹脂などが挙げられる。

なお、これらの中でも特にノルボルネン系樹脂が好ましい。これらのノルボルネン系ポリマーは、例えば、開環メタセシス重合（ＲＯＭＰ）、ＲＯＭＰと水素化反応との組み合わせ、ラジカルまたはカチオンによる重合、カチオン性パラジウム重合開始剤を用いた重合、これ以外の重合開始剤（例えば、ニッケルや他の遷移金属の重合開始剤）を用いた重合等、公知のすべての重合方法で得ることができる。

例えば、比較的低い屈折率を有するノルボルネン系ポリマーとしては、末端にエポキシ構造を含む置換基を有するノルボルネンの繰り返し単位を含むものが好ましい。かかるノルボルネン系ポリマーは、特に低い屈折率を有するとともに、密着性が良好である。

また、ノルボルネン系ポリマーは、アルキルノルボルネンの繰り返し単位を含むものが好ましい。アルキルノルボルネンの繰り返し単位を含むノルボルネン系ポリマーは、柔軟性が高いため、かかるノルボルネン系ポリマーを用いることにより、光導波路１０に高いフレキシビリティ（可撓性）を付与することができる。

アルキルノルボルネンの繰り返し単位が有するアルキル基としては、例えば、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等が挙げられるが、ヘキシル基が特に好ましい。なお、これらのアルキル基は、直鎖状または分岐状のいずれであってもよい。

ヘキシルノルボルネンの繰り返し単位を含むことにより、ノルボルネン系ポリマー全体の屈折率が上昇するのを防止することができる。また、ヘキシルノルボルネンの繰り返し単位を有するノルボルネン系ポリマーは、特に、８５０ｎｍ付近を中心とする波長領域の光に対する透過率が優れることから、例えば６００〜１，５５０ｎｍ程度の波長領域の光を使用したデータ通信において好適に用いられる。

上述したような材料を用い、選択的に活性エネルギー線を照射することによりコア部２１と、コア部２１よりも屈折率が低いクラッド部２２とを得ることができる。

また、第１クラッド層１および第３クラッド層３は、前述したコア部２１よりも屈折率が低く、コア層２と密着性に優れるものであれば特に限定されない。具体的には、前述したコア層２に用いたものと同様の材料を用いることができる。

また、本発明の光導波路１０は、第１反射面５１、第２反射面５２および第３反射面５３の少なくとも一つが湾曲面を有しているものであっても良い。これにより、入射した入射光４をコア部２１に集光する効果に優れる。
より具体的には、第１反射面５１または第３反射面５３のいずれか一方が湾曲面であることが好ましく、より好ましくは第１反射面５１または第３反射面５３の両方が湾曲面であることが好ましい。これにより、第１クラッド層１、第２クラッド層３に漏れてしまった光をコア層２に戻す効果に優れる。

また、本発明の光導波路１０は、第１反射面５１、第２反射面５２および第３反射面５３の少なくとも一つには反射膜が形成されていても良い。これにより、各反射面での光の透過による損失を低減することができる。

（第２実施形態）
図４は、光導波路１０の別の実施態様を示したものである。第１実施形態と異なる部分について説明する。
図４に示す光導波路１０では、入射光４の光軸を含む縦断面で切断したときのコア層２のコア部の光軸２２１に平行な線２２２と第１反射面５１との鋭角側の平均傾斜角をθ１［度］とし、同様に光軸２２１に平行な線２２２と第２反射面５２との鋭角側の平均傾斜角をθ２［度］とし、同様に光軸２２１と平行な線２２２と第３反射面５３との鋭角側の平均傾斜角をθ３［度］としたとき、θ１＝θ２＜θ３となっている。これにより、２つの角度を形成するだけで済むためミラー加工プロセスを削減することができる。また、下部側が基板設置面の場合、密着強度を上げることができる。

（第３実施形態）
図５は、光導波路１０の別の実施態様を示したものである。第１実施形態と異なる部分について説明する。
図５に示す光導波路１０では、入射光４の光軸を含む縦断面で切断したときのコア層２のコア部の光軸２２１に平行な線２２２と第１反射面５１との鋭角側の平均傾斜角をθ１［度］とし、同様に光軸２２１に平行な線２２２と第２反射面５２との鋭角側の平均傾斜角をθ２［度］とし、同様に光軸２２１と平行な線２２２と第３反射面５３との鋭角側の平均傾斜角をθ３［度］としたとき、θ１＜θ２＝θ３となっている。これにより、２つの角度を形成するだけで済むためミラー加工プロセスを削減することができる。

（第４実施形態）
図６は、光導波路１０の別の実施態様を示したものである。第１実施形態と異なる部分について説明する。
図６に示す光導波路１０では、第２反射面５２が湾曲状となっており湾曲面を形成している。これにより、第２反射面での集光効率に優れ、光損失を低減することができる。

また、上述したような各反射面（第１反射面５１、第２反射面５２および第３反射面５３）の少なくともいずれか１つには反射膜が形成されていても良い。これにより、ミラー部での光漏れを低減することができ、それによって光損失を低減することができる。
前記反射膜としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の金属膜や、コア部２１の屈折率およびクラッド部２２の屈折率より低屈折率の材料の膜が挙げられる。このような金属膜の製造方法としては、例えば、真空蒸着のような物理蒸着法、ＣＶＤのような化学蒸着法、めっき法等が挙げられる。

次に、光配線、光電気混載基板について説明する。
本発明の光配線は、例えば光通信に用いることができるものであり、上述したような光導波路１０を有している。これにより、光損失の低減および信号ノイズの低減を図ることができる。
また、上述の光配線と既存の電気配線と共に基板上に混載することにより本発明の光電気混載基板を得ることができる。このような光電気混載基板では、例えば、光配線（光導波路のコア部）で伝送された光信号を、光デバイスにおいて電気信号に変換し、電気配線に伝達する。これにより、光配線の部分で、従来の電気配線よりも高速かつ大容量の情報伝送が可能になる。したがって、例えばＣＰＵやＬＳＩ等の演算装置とＲＡＭ等の記憶装置との間をつなぐバス等に、この光電気混載基板を適用することにより、システム全体の性能を高めるとともに、電磁ノイズの発生を抑制することができる。
このような電子機器としては、具体的には携帯電話、ゲーム機、パソコン、テレビ、ホーム・サーバー等、大容量のデータを高速に伝送する電子機器類を挙げることができる。

図１は、光導波路１０の断面図である。 図２は、図１中のＡ−Ａ線図である。 図３は、各反射面の角度を説明する説明図である。 図４は、光導波路１０の別の実施態様を示したものである。 図５は、光導波路１０の別の実施態様を示したものである。 図６は、光導波路１０の別の実施態様を示したものである。

符号の説明

１ 第１クラッド層
２ コア層
２１ コア部
２２１ 光軸
２２２ 平行な線
２２ クラッド部
３ 第２クラッド層
３１ 絶縁層
４ 入射光
５ 反射部
５１ 第１反射面
５２ 第２反射面
５３ 第３反射面
１０ 光導波路

Claims (10)

1. 第１クラッド層と、光が伝播するコア部と該コア部よりも屈折率の小さいクラッド部とを有するコア層と、第２クラッド層とがこの順に積層され、前記コア部の側方からの入射光を反射させて該コア部に導くための反射部を有する光導波路であって、
   前記反射部は、第１クラッド層に形成された第１反射面と、コア層に形成された第２反射面と、第２クラッド層に形成された第３反射面とで構成されており、
   前記入射光の光軸を含む縦断面で切断したときの前記コア部の光軸と、第１反斜面の鋭角側の平均傾斜角をθ１［度］とし、前記光軸と前記第２反射面の鋭角側の平均傾斜角をθ２［度］とし、前記光軸と前記第３反射面の鋭角側の平均傾斜角をθ３［度］としたとき、θ１＜θ２≦θ３またはθ１≦θ２＜θ３となることを特徴とする光導波路。
2. 前記第２反射面の平均傾斜角θ２が、３０〜５０［度］である請求項１に記載の光導波路。
3. 前記平均傾斜角θ１、平均傾斜角θ２および平均傾斜角θ３が、１．１×θ１＜θ２＜０．９×θ３を満たすものである請求項１または２に記載の光導波路。
4. 前記第１反射面は、第１クラッド層に入射した光がコア部を伝播するように反射させるものである請求項１ないし３のいずれかに記載の光導波路。
5. 前記第３反射面は、第２クラッド層に入射した光がコア部を伝播するように反射させるものである請求項１ないし４のいずれかに記載の光導波路。
6. 前記第１反射面、前記第２反射面および前記第３反射面の少なくとも一つが、湾曲面を有しているものである請求項１ないし５のいずれかに記載の光導波路。
7. 前記第１反射面、前記第２反射面および前記第３反射面の少なくとも一つには、反射膜が形成されている請求項１ないし６のいずれかに記載の光導波路。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の光導波路を有することを特徴とする光配線。
9. 電気配線と、請求項８に記載の光配線とを、有することを特徴とする光電気混載基板。
10. 請求項１ないし７のいずれかに記載の光導波路を備えたことを特徴とする電子機器。

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