JP2010197675A

JP2010197675A - 光導波路およびそれを具備する光電気混載基板

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Publication number: JP2010197675A
Application number: JP2009042062A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Watanabe; 啓一郎渡辺
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-09-09

Abstract

【課題】光伝送損失増加を抑制する光導波路を提供する。
【解決手段】光導波路は、光を伝送させる柱体の光伝送部と、前記光伝送部の柱体における底面と対向し、頂点が前記底面と離間する又は接する凸曲面と、前記凸曲面の裏側に位置し、前記光伝送部の延出方向に対して傾斜し、外部からの光の進行方向を変換する又は前記光伝送部からの光の進行方向を変換して外部と光伝送部とを光学的に結合させる傾斜面と、外部に露出して前記傾斜面と外部とを光学的に結合させる光入出力面と、を有する光接続部と、前記光伝送部の柱体における底面と前記凸曲面との間に設けられ、前記光伝送部の屈折率および光接続部の屈折率よりも屈折率の低い低屈折率部と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光路を変換する光接続部を具備する光導波路、およびその光導波路を具備する光電気混載基板に関する。

近年、コンピュータの情報処理能力の向上化にともなって、マイクロプロセッサとして使用される半導体大規模集積回路素子（ＬＳＩ，ＶＬＳＩ）等の集積回路（ＩＣ）では、トランジスタの集積度が高められており、ＩＣの動作速度は、クロック周波数でＧＨｚのレベルまで達している。それに伴い、電気素子間を電気的に接続する電気配線についても高密度化および微細化されたものが要求されていた。

しかしながら、電気配線の高密度化および微細化は、電気信号のクロストークおよび伝搬損失が生じやすい。このことから、半導体素子に入出力される電気信号を光信号に変換し、さらに、その光信号を実装基板に形成した光導波路などの光配線によって伝送される光伝送技術が検討されている。

光配線を用いた光伝送技術においては、回路基板の表面などに形成される光導波路のように、光を基板に対して略平行に伝送させるだけでなく、例えば、光を基板に対して略垂直に伝送させることで、光信号についても電気信号と同様に三次元的な伝送をおこなう光伝送技術が検討されている。

例えば、特許文献１には、光半導体素子からの光を垂直方向に伝送させ、さらにその光の進路方向を変更させて光導波路に伝送させる光接続部が開示されている。

特開２００４−９４０７０号公報

しかし、特許文献１における光接続部の光伝送部と光導波路における光伝送部（コア部）とは、同じ半径を有する円柱状であるため、長期にわたり使用することで、温度変化または衝撃により光接続部の光伝送部と光導波路の光伝送部と接触面がずれて、光伝送損失が増加する場合があった。

本発明は以上のような従来の技術における課題を解決すべく案出されたものであり、その目的は、光伝送損失増加を抑制する光導波路を提供することである。

本発明は、光を伝送させる柱体の光伝送部と、前記光伝送部の柱体における底面と対向し、頂点が前記底面と離間する又は接する凸曲面と、前記凸曲面の裏側に位置し、前記光伝送部の延出方向に対して傾斜し、外部からの光の進行方向を変換する又は前記光伝送部からの光の進行方向を変換して外部と光伝送部とを光学的に結合させる傾斜面と、外部に露出して前記傾斜面と外部とを光学的に結合させる光入出力面と、を有する光接続部と、を具備し、前記光伝送部の柱体における底面と前記凸曲面との間に、前記光伝送部の屈折率および光接続部の屈折率よりも屈折率の低い低屈折率領域を有する光導波路に関する。

前記低屈折率領域は、前記底面と前記凸曲面との間に設けられた低屈折率部であるか又は前記底面と前記凸曲面との間の空気で満たされた間隙であることが好ましい。

前記低屈折率部は、前記凸曲面を覆うように設けられることが好ましい。

前記凸曲面は、円柱が有する凸曲面と同一形状であることが好ましい。

前記光入出力面と対向する方向から光入出力面をみたとき、前記光入出力面はその周囲を前記低屈折率部により囲まれていることが好ましい。

前記光入出力面の形状は円であることが好ましい。

前記コアの柱体における底面と前記光入出力面とのなす角が垂直であることが好ましい。

また、本発明は、基板と、
前記基板上に設けられた請求項１乃至６のいずれか記載の光導波路と、前記光導波路上に設けられ、前記光導波路の前記光入出力面上に光半導体素子を設けるための電極と、を具備する、を具備する光電気混載基板に関する。

本発明の実施態様の光導波路は、凸曲面を有する光接続部を具備し、この凸曲面と光伝送部の柱体における底面との間に、光接続部および光伝送部よりも屈折率の低い低屈折率領域が介在することにより、光伝送部の延伸方向と同じ光軸方向を示す光を集光させることができる。

本発明の実施形態の光導波路の透過斜視図である。図１の光導波路の断面図である。（ａ）は、図２の光導波路の透過上面図である。（ｂ）は、（ａ）に示す光導波路とは異なる光導波路の透過上面図である。他の実施形態の光導波路の透過上面図である。（ａ）は、図１における光伝送方向と異なる光伝送方向を示す光導波路の断面図である。（ｂ）は、（ａ）の光導波路の透過上面図である。本発明の他の実施形態を示す光導波路の透過斜視図である。（ａ）〜（ｈ）は、本発明の実施形態の光電気混載基板の製造方法を示す工程ごとの断面図である。本発明の実施態様の光電気混載基板を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施態様の光導波路を詳細に説明するが、それらの図面は実施形態の一例に過ぎず、本発明はそれらに限定されるものではない。

図１に示すように、本発明の実施態様の光導波路１は、光接続部３と光伝送部２と低屈折率部４とを具備する。光接続部３は、凸曲面３ａと傾斜面３ｂと光入出力面３ｃとを有している。光伝送部２の形状は柱体である。そして、光接続部３および光伝送部２の周囲には低屈折率領域の一つとして低屈折率部４が設けられている。ここで、低屈折率部４の屈折率は、光接続部３および光伝送部２の屈折率よりも低く設定されているため、光接続部３および光伝送部２で低損失な伝搬が可能となる。

なお、図１において低屈折率部４は、光伝送部２の柱体における底面２ａと凸曲面３ａとの間だけでなく、光伝送部２の柱体および光接続部３の周囲に設けられているが、本発明において低屈折率部４はこの態様に限定されない。例えば、光伝送部２の柱体における底面２ａと凸曲面３ａとの間の低屈折率部４と、光伝送部２の柱体における側面の周囲に設けられた低屈折率部４と、を別の材質で構成することもできる。

また、図１において、低屈折率部４は底面２ａと凸曲面３ａとの間に設けられているが、本発明において低屈折率領域はこれに限定されない。低屈折率領域としては、例えば、底面２ａと凸曲面３ａとの間が、空気のように、光伝送部２および光接続部３よりも屈折率の低い気体が設けられていてもよい。なお、光導波路１の安定性を考慮すると、低屈折率部４としては、気体よりも固体であるほうが好ましい。

図２には、図１の光導波路１の断面図を示しており、点線の矢印は光軸を示す。図２の場合、外部から光入出力面３ｃに入射した光は、傾斜面３ｂにて光路変換され、凸曲面３ａから、柱体である光伝送部２の底面（この場合の「底面」とは、側面とともに柱体を構成する面を意味する）に向けて出射され、光伝送部２内を伝送する。その際、図３（ａ）の光導波路１の上面図に示すように、凸曲面３ａと低屈折率部４との界面において、光信号（点線の矢印Ｂで示す）は光軸（点線の矢印Ａで示す）の方向に更に集光されて、光伝送部２の底面２ａに到達する。このように、光伝送部２の底面２ａの面積よりも小さく光信号が集光されるため、外部要因等で光接続部３および光伝送部２の位置がずれたとしても、光信号の漏れが小さくなり、光伝送損失を低下させることができる。なお、図３に示すように、上面視したときの凸曲面の形状が円の曲面である場合、光伝送部２に集光させるためには光接続部３の屈折率が、低屈折率部４の屈折率の１．５倍以上であることが好ましい。

図１、図２および図３（ａ）のように、光接続部３の凸曲面３ａと光伝送部２の底面２ａとが離間する場合、凸曲面３ａによって集光された光の集光点が光伝送部２内に位置する範囲内にて離間していればよい。また、光接続部３と光導波路１との距離が近くなり、光伝送部２の底面２に入らない入射光を減少させて光の伝搬損失が低減されるため、図３（ｂ）のように底面２ａと対向する凸曲面３ａの頂点と、底面２ａと、が接していることが好ましい。

光接続部３と光伝送部２との間には、光接続部３から出射したときに光接続部３内の伝搬方向によっては、集光せず広がる光Ｅも多少存在する。このような光をも光伝送部２に伝達させるために、光導波路１を上面視したとき、凸曲面３ａの端から端までの直線長さＣ（図４の場合、光接続部３の上面視構造が円であるため、円の直径）が、光伝送部２ａの長さＤよりも小さいことが好ましい（図４参照）。これにより光接続部３から出たときに広がった光が光伝送部２ａに伝達させやすくなる。

以上のように、外部から光入出力面３ｃに入射した光が、傾斜面３ｂにて光路変換され、凸曲面３ａから、柱体である光伝送部２の底面に伝送される場合を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上述した光の伝送とは逆の場合、つまり、図５（ａ）の光導波路１の断面図に示すように、光伝送部２から低屈折率部４へ出射し、広がった光が凸曲面３ａに入射されたのち、傾斜面３ｂにて光路変換され、光入出力面３ｃから出射される場合も含まれる。図５（ｂ）に示すように、光伝送部２から出射された光は、光伝送部２と低屈折率部４との開口率以下の角度成分で広がるが、凸曲面３ａにより集光されて傾斜面３ｂにて光路変換される。なお、光伝送部２から出射され一度広がった光を集光させる場合、上面視したときの凸曲面の形状が円の曲面である場合、光接続部３の屈折率は、低屈折率部４の屈折率の１．５倍以上であることが好ましい。また、光伝送部２から広がった光Ｂを光接続部３に少ない損失で伝送させるために、光導波路を上面視したとき、凸曲面３ａの端から端までの直線長さＣ（図５（ａ）の場合、光接続部３の上面視構造が円であるため、円の直径）が、光伝送部２ａの長さＤよりも大きいことが好ましい（図５（ｂ）参照）。これにより光接続部３から出たときに広がった光が光伝送部２ａに伝達させやすくなる。

光接続部３は、以上のように光伝送方向の異なる光導波路１の外部と光伝送部２とを光学的に結合させるはたらきを有するだけでなく、光路変換した光信号を集光させるはたらきをも有する。

以下に、光接続部３について説明する。

＜光接続部３＞
光接続部３は、感光性を有するエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂など直接露光法が使用可能な樹脂、または、ポリシランなどの屈折率変化法が使用可能な樹脂などが挙げられる。

光接続部３は、低屈折率部４よりも屈折率が大きく、光信号を閉じ込めることができる。

図１に示すような光接続部３は、円柱を、円柱の底面と側面との稜線から斜めに切り取った形状を示しているが、光接続部３の凸曲面３ａと傾斜面３ｂと光入出力面３ｃとを有しておればこれに限定されない。

光接続部３の先端部（凸曲面３ａと傾斜面３ｂとが交わる稜線、図２参照）は、光導波路１において、光伝送部２と低屈折率部４との界面のうち光入出力面３ｃが設けられた側とは反対側（図２の場合、下側）の界面と同じ高さに位置することが、光伝送損失の低減の効果がより得られることから好ましい。

凸曲面３ａは光信号を集光することができればよく、例えば、円柱の凸曲面の他に、球の凸曲面、楕円柱の凸曲面などが挙げられる。

凸曲面３ａの曲面は、光伝送部２との間の光信号の損失をより低減することができるように設計され、光伝送部２の底面２ａの面積、光伝送部２と凸曲面３ａとの距離、低屈折率部４の屈折率などを勘案して適宜形状を調節することができる。

傾斜面３ｂは、凸曲面３ａの裏側に位置し、光伝送部２の延出方向に対して傾斜した光接続部３の面をいう。傾斜面４は、外部からの光の進行方向を光伝送部２中の光の進行方向に変換する、あるいは、光伝送部２中の光の進行方向を外部への光の進行方向に変換する役割を果たす。

傾斜面３ｂと低屈折率部４との界面には、金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ）等の様にコア５を導波する光に対して反射率の高い膜をその表面に形成することができる。傾斜面３ｂは、光伝送部２の光軸方向に対して傾斜している。例えば光軸方向に対して４５度に傾斜する傾斜面３ｂによって光の光路方向を９０度変換し、光路を変更させる。

なお、図１に示す傾斜面３ｂは低屈折率部４と接しているが、本発明ではこれに限定されず、例えば、後述する図７（ｈ）に示すように、傾斜面３ｂがコア１に作りこまれていてもよい。

光入出力面３ｃは、光導波路１と外部とを光学的に結合させる。

図３〜５において光入出力面３ｃの形状は、光半導体素子または光ファイバ等の円形の開口を持つ外部部品との接続損失を低減するできるため、円状であることが好ましい。なお、円状の場合、直径は約５μｍ〜１００μｍである。

図３〜５のように、光入出力面３ｃを平面視したとき、光入出力面３ｃは低屈折率部４により囲まれており、これにより、外部と光接続部３との間において生じやすい光伝送損失を低減されることができる。

なお、図３〜５において光入出力面３ｃは、外部に向けて露出しているが、本発明の光導波路はこれに限定されず、例えば、光入出力面上に透明な部材が設けられていてもよい。

以下に、光伝送部２および低屈折率部４について説明する。

＜光伝送部２および低屈折率部４＞
光導波路１は、光伝送部２を有し、さらに、凸曲面３ａと底面２ａとの間だけでなく、光伝送部２をを取り囲むように設けられた低屈折率部４を具備することが好ましい。光伝送部２中の光伝搬は、光伝送部２および低屈折率部４のそれぞれの屈折率を調整することで良好な光伝搬が可能となる。

光伝送部２および低屈折率部４としては、感光性を有するエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂など直接露光法が使用可能な樹脂、また、ポリシランなどの屈折率変化法が使用可能な樹脂などが挙げられる。

光伝送部２は低屈折率部４よりも屈折率が高く（好ましくは比屈折率差が１〜３％）、光信号を閉じ込めることができる。

光伝送部２およびその側面を囲む低屈折率部４は同軸構造に構成されている。これらの作製は一般的な光導波路の作製方法により行われる。光伝送部２およびその側面を囲む低屈折率部４のサイズとしては、光伝送部２の断面サイズが３５〜１００μｍ角、低屈折率部４のうち光伝送部２の下に位置する下部の厚みが１５〜２５μｍ、低屈折率部４のうち光伝送部２の上に位置する上部の厚みが１５〜２５μｍである。

本発明の光導波路１は、内部に光伝送部２および光接続部３がそれぞれ１つずつ設けられた場合に限定されず、例えば、図６のように、光導波路１内に、光伝送部２および光接続部３のペアが複数個設けられていてもよい。通常、このように複数の光導波路を設けると、光導波路と光反射面との間にて、光信号が隣の光導波路に漏れ、クロストークが生じる不利益が生じていた。しかし、本発明の実施態様の光導波路１では、それぞれの光接続部３において集光作用を有するため、クロストークの発生を抑制することも可能となる。

以下に、図７にもとづいて光導波路１の作製方法を具体的に示す。

まず、基板５上にフォトリソグラフィを用いて、低屈折率部４の下部を形成する（図７の（ａ）および（ｂ）参照）。

次に、低屈折率部４の下部上に光伝送部２をパターン形成する（図７の（ｃ）参照）。

ダイシング加工またはレーザ加工を用いて、光伝送部２に傾斜面を有する溝７ａを作製する（図７の（ｄ）参照）。

溝７ａの傾斜面に対して金属を蒸着することによって金属反射面６を作製する（図７の（ｅ）参照）。その際、溝７ａにおいて傾斜面と対向する面、つまり、作製後の光導波路において光接続部３と対向する光伝送部２の底面上に蒸着した余分な金属を除去する工程を含むことが好ましい。

フォトリソグラフィを用いて光伝送部２よりも低い低屈折率部４を、光伝送部２および金属反射面６を覆うように設ける（図７の（ｆ）参照）。

フォトリソグラフィのレーザ加工またはドリル加工により低屈折率部４に凹部７ｂを設ける（図７の（ｇ）参照）。その際、金属反射膜６が露出するように、さらに、凹部７ｂの壁面のうち光伝送部２と対向する壁面が凸曲面となるようにする。

最後に、凹部７ｂ内を、低屈折率部４の屈折率よりも高い屈折率を有する透明樹脂材料により充填することによって、光接続部３を作製して光導波路を作製する（図７の（ｈ）参照）。

以下、図８を参照しながら本発明の実施態様の光電気混載基板を詳細に説明するが、それらの図面は実施形態の一例に過ぎず、本発明はそれらに限定されるものではない。

本発明の実施態様の光電気混載基板１１は、前述した光導波路１と基板５と電極１０（バンプ）とを具備する。図８では、基板５として、電気配線９を有する電気配線基板を示す。そして、光導波路１上に設けられた電極１０と基板５とは、低屈折率部４内に設けられたビア導体９により電気的に接続している。

例えば、図８のように、電極１０が光導波路１上に設けられていることにより、光入出力面３ｃ上に光半導体素子８を直接配置することができ、光導波路１と光半導体素子８との間の光損失を低減することができる。なお、図８では光導波路１と光半導体素子８との間は空間が介在しているが、例えば、光導波路１と光半導体素子８との間に透明樹脂を好適に設けることができる。

本発明の実施態様の光電気混載基板１１は、低屈折率部４が絶縁体であるとき、低屈折率部４内にビア導体９のような電気配線を設けることで、光導波路１内に光信号と電気信号とを伝達する機能を両方持たせることができる。これにより、基板５上に設けられる積層数を少なくすることができ、小型化することが可能となる。さらに、基板５が、例えば、基体５ａとビルドアップ層５ｂと電気配線９とから構成されるように、電気配線９を有する場合、基板５上に設けられる積層数をより少なくすることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。

１：光導波路
２：光伝送部
２ａ：光伝送部の底面
３：光接続部
３ａ：凸曲面
３ｂ：傾斜面
３ｃ：光入出力面
４：低屈折率部
５：基板
５ａ：基体
５ｂ：ビルドアップ層
６：金属反射面
７ａ：溝
７ｂ：凹部
８：光半導体素子
９：電気配線
１０：電極
１１：光電気混載基板

Claims

光を伝送させる柱体の光伝送部と、
前記光伝送部の柱体における底面と対向し、頂点が前記底面と離間する又は接する凸曲面と、前記凸曲面の裏側に位置し、前記光伝送部の延出方向に対して傾斜し、外部からの光の進行方向を変換する又は前記光伝送部からの光の進行方向を変換して外部と光伝送部とを光学的に結合させる傾斜面と、外部に露出して前記傾斜面と外部とを光学的に結合させる光入出力面と、を有する光接続部と、を具備し、
前記光伝送部の柱体における底面と前記凸曲面との間に、前記光伝送部の屈折率および光接続部の屈折率よりも屈折率の低い低屈折率領域を有する、
光導波路。
前記低屈折率領域は、前記底面と前記凸曲面との間に設けられた低屈折率部であるか又は前記底面と前記凸曲面との間の空気で満たされた間隙である請求項１記載の光導波路。
前記低屈折率部は、前記凸曲面を覆うように設けられる前記請求項２記載の光導波路。
前記凸曲面は、円柱が有する凸曲面と同一形状である請求項１乃至３のいずれか記載の光伝送基板。
前記光入出力面を平面視したとき、前記光入出力面はその周囲を前記低屈折率領域により囲まれている請求項１乃至４のいずれか記載の光導波路。
前記光入出力面の形状は円である請求項４記載の光導波路。
基板と、
前記基板上に設けられた請求項１乃至６のいずれか記載の光導波路と、
前記光導波路上に設けられ、前記光導波路の前記光入出力面上に光半導体素子を設けるための電極と、
を具備する光電気混載基板。