JP2010277060A - 光伝送路、光伝送基板および光モジュール - Google Patents

光伝送路、光伝送基板および光モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】 光伝送損失を低減させる光伝送路を提供する。
【解決手段】 光伝送路は、光の進行方向を変換させる光路変換面を有するコアと、前記コアの周囲を覆い、前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドと、透過平面視にて前記光路変換面を含む含前記クラッドの表面が凹部の底面として露出するように、前記クラッド上に設けられた樹脂層と、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伝送路、光伝送基板および光モジュールに関する。
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、光導波路上にはんだボールを設け、はんだボール上に端子を接続して光電変換素子を実装させることが開示されている。
特開2001−4854号公報
しかし、特許文献1に開示された技術では、光電変換素子を実装する際、熱または振動によって光電変換素子の位置ずれが生じることがあった。また、光電変換素子実装後も、長期の使用により、光電変換素子の位置ずれが生じることがあった。このような位置ずれにより、光電変換素子と光導波路との間で光の伝搬損失が生じる問題があった。
本発明の目的は、光の伝搬損失を低減させた光伝送路、光伝送基板および光モジュールを提供することにある。
本発明の一実施形態にかかる光伝送路は、光の進行方向を変換させる光路変換面を有するコアと、前記コアの周囲を覆い、前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドと、透過平面視にて前記光路変換面を含む前記クラッドの表面が凹部の底面として露出するように、前記クラッド上に設けられた樹脂層と、を具備する。
前記樹脂層は前記クラッドと同じ材料から構成されることが好ましい。
本発明の一実施形態にかかる光伝送基板は、前記光伝送路と、前記光伝送路の下方に設けられた基板と、を具備する。
本発明の一実施形態にかかる光伝送基板は、前記光伝送路と、前記樹脂層が設けられた表面とは反対側の前記クラッドの表面上に設けられた基板と、を具備する。
前記光伝送基板は、前記光伝送路と前記基板との界面に設けられた電気配線をさらに具備し、前記クラッドは、前記電気配線が露出するように、前記凹部の前記底面として露出した前記クラッドの表面から前記基板まで設けられた貫通孔をさらに有することが好ましい。
前記光伝送基板は、前記電気配線と接続し、前記貫通孔の内壁面に設けられた貫通電極をさらに具備することが好ましい。
前記光伝送基板は、前記凹部の底面上に設けられ、前記貫通電極と接続する底面電極をさらに具備することが好ましい。
前記貫通電極は、前記クラッドおよび前記コアの界面に入り込んだ突出部をさらに有することが好ましい。
本発明の一実施形態にかかる光モジュールは、 前記光伝送基板と、前記光伝送路との対向面に発光部または受光部を有し、前記対向面が前記凹部の前記底面として露出した前記クラッドの表面と接触するように、前記凹部内に設けられた光電変換素子と、を具備する。
本発明の一実施形態にかかる光モジュールは、前記光伝送基板と、前記光伝送路との対向面に発光部または受光部を有し、前記対向面が前記凹部の前記底面として露出した前記クラッドの表面と接触するように、前記凹部内に設けられた光電変換素子と、を具備する光モジュールであって、前記貫通孔内には、前記電気配線と前記光電変換素子とを電気的に接続させる電気接続部がさらに設けられる。
本実施形態によれば、クラッドおよび樹脂層がともに、前記クラッド表面のうち透過平面視にて光路変換面を含む表面を底面とした凹部を形成することで、凹部内に光電変換素子などの外部素子を収納することができる。これにより、光電変換素子の位置ずれを抑制して、光電変換素子と光伝送路との間で光の伝搬損失を低減させることができる。
本発明の第1の実施形態の光伝送基板の断面図である。 図1の伝送基板の透過上面図である。 本発明の第1の実施形態の光モジュールの断面図である。 本発明の第2の実施形態の光伝送基板の断面図である。 図4の伝送基板の透過上面図である。 本発明の第2の実施形態の光モジュールの断面図である。 本発明の第2の実施形態の光モジュールの一例を示す拡大断面図である。 図1の光伝送基板の作製工程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伝送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、本発明の第1の実施態様の光伝送路は、コア2aとクラッド2b(上部クラッド2b1および下部クラッド2b2)から構成される光導波路2と、樹脂層6と、を具備する。なお、下部クラッド2b2はコア2aの下面を覆う部位をいい、上部クラッド2b1はコア2aの上面および側面を覆う部位をいう。
図1において下部クラッド2b2の厚みよりも上部クラッド2b1の厚みが小さいが、あくまで好適な一例である。通常、上部クラッド2b1の厚みと下部クラッド2b2の厚みとは同等にされるが、上部クラッド2b1の厚みを小さくする(例えば、下部クラッド2b2の厚みの1/2以下)ことで、コア2a内への光とじこめ効果を満足させるとともに、後述する光電変換素子7と光導波路2との間の距離を短縮化して光伝搬損失を低減することができる。
コア2aは、光路変換面4を有する。図1の場合、光路変換面4はコア2aの端に設けられているが、本発明ではこれに限定されず、例えば、コア2aの途中に設けられてもよい。
光路変換面4は、図1に示すように、コア2aの延出方向に対して傾斜した傾斜面であることが好ましい。傾斜面は、外部からの光の進行方向をコア2a中の光の進行方向に変換する、あるいは、コア2a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。例えば光軸方向に対して45度に傾斜する傾斜面によって光の光路方向を90度変更させる。
光路変換面4には、金(Au),銀(Ag),白金(Pt),アルミニウム(Al),銅(Cu)等の様に、コア2aを導波する光に対して反射率の高い膜がその表面に形成されていることが好ましい。
光路変換面4の作製において、まず、コア2aに対して、型押し、エッチング、ダイシングまたはレーザ加工などによって傾斜面を有する溝構造が作製される。そして、傾斜面の上に、反射率の高い膜を形成し、さらに溝構造に、クラッド2bよりも屈折率の高い高屈折率体を充填させることにより光路変換面4を作製することができる。
クラッド2b上(図1においては上部クラッド2b1の表面上)には樹脂層6が設けられる。樹脂層6としては、エポキシ樹脂、ポリイミドなどが挙げられる。樹脂層6としては、クラッド2bとの接着性に優れることから、クラッド2bと同じ材料から構成されることが好ましい。
樹脂層6は、図1に示すように、クラッド2bの表面2bcを底面とする凹部3aを形成する。なお、図2に示すように透過平面視(透過上面視)した場合、クラッド2bの表面2bcは、光路変換面4を含む。これにより、図3に示すように、面発光レーザ(VCSEL)またはフォトダイオード(PD)などの光路変換素子7を凹部3a内に設けることができ、光電変換素子7の位置ずれを抑制して、光電変換素子7と光導波路2との間で光の伝搬損失を低減させることができる。
図3に示すように、光電変換素子7の光導波路2との対向面は、クラッド2bの表面2bcと接触することが好ましい。これにより、光路変換素子7と光路変換面4との間の距離を通常よりもさらに短縮化することができ、その間の光の伝搬損失を低減させることが可能となる。
凹部3aの深さ、つまり、樹脂層6の厚みは、光電変換素子7の厚みに対して0.1倍以上であることが好ましい。これにより、光電変換素子7の位置ずれを低減させることができる。例えば、厚みが300μmのVCSELの場合、凹部3aの深さは30μmとすることができる。
図2に示すように、光伝送路を平面視した場合、凹部3aの平面視形状は、光電変換素子7を凹部3aの内部に収納可能な形状であることが好ましい。例えば、光電変換素子7の平面視形状が矩形状の場合、凹部3aの平面視形状も矩形状であることが好ましい。
凹部3aの平面視形状が矩形状である場合、凹部3aの縦の長さと横の長さは、光電変換素子の縦の長さと横の長さと略等しいことが好ましい。これにより、光電変換素子7の位置ずれを低減させることができる。ここで、「略等しい」とは、それぞれの長さ同士の差が、凹部3aの長さの1%以内であることをいう。例えば、縦の長さが1000μmで横の長さが1000μmのVCSELの場合、凹部3aの縦の長さは1010μm、横の長さは1010μmとすることができる。
図3には、光電変換素子7として面発光型レーザ(VCSEL)を用いた場合の光の伝搬方向をAとして表す。光電変換素子7から出射された光は、光路変換面4で約90度、光の進行方向が変換され、コア2a内を伝搬する。なお、光電変換素子7とコア2aとの間には少なくとも上部クラッド2b1が介在していることが好ましい。これにより、コア2aの上部からの光の漏れを抑制できる。
光伝送路は、例えば基板1上に設けられる。図1に示すように、基板1の表面に電気配線5が設けられている場合、クラッド2bは、電気配線5が露出するように、凹部3aの底面となるクラッド2bの表面2bcから基板1まで設けられた貫通孔3bを有することが好ましい。これにより、図3に示すように、光電変換素子7の電極7bと、電気配線5と、の間に、はんだボールなどの電気接続部8を設けることができ、前述したように、発光部または受光部7aとクラッド2bの表面2bcとを接触させることができる。従来であれば、光導波路2の上に設けていた電気接続部8を光導波路2内に設けることができ、光電変換素子7の発光部または受光部7aと光路変換面4との間の距離を短縮化できる。
なお、電気接続部8としては、高速信号伝送用途として適した導電性部材であれば使用することが可能である。たとえば、金、銀、銅などの金属部材、さらにその形態としてはボールに限らず、柱状、バンプ状などであってもよい。
貫通孔3bの深さ(クラッド2bの表面2bcから基板1の上面(電気配線5の上面))は、コアの厚みに対して1.2〜2倍であることが好ましい。これにより、光の受発光点7aと光路変換面との距離の低減できる。
貫通孔3bの深さは、例えば、10〜100μmである。
図2に示すように、光伝送路を平面視した場合、貫通孔3bの平面視形状は、円形であることが好ましい。これにより、はんだボールなどの電気接続部8と貫通孔3bとの等方的な接続信頼性が得られる。
コア2aおよびクラッド2b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。なお、直接露光法とは、下部クラッド2bの形成後、コアの材料を塗工してマスク露光によりコア2aを形成し、その上面および側面にさらに上部クラッド2b1を塗工形成して光導波路を作製する方法である。また、屈折率変化法とは、UV(紫外線)照射により屈折率が低下するポリシラン系ポリマー材料等の特性を利用して、コアとなる部位以外にUV照射を行ない、コア2aとなる部位以外の屈折率を低下させることによって光導波路を作製する方法である。
コア2aは、クラッド2bよりも屈折率が大きく(好ましくはクラッド2bの屈折率に対して比屈折率差が1〜3%)、光信号を閉じ込めることができる。また、コア2aおよびクラッド2bの作製は一般的な光導波路の作製方法により行われる。コア2aの断面サイズとしては、例えば、35〜100μm角である。光導波路2は、内部にコア2aが1つ設けられた場合に限定されず、複数個設けられていてもよい。
基板1としては、ビルドアップ基板のような電気配線基板が挙げられる。
図4に、本発明の第2の実施態様の光伝送路を示す。図4に示す光伝送路は、図1に示す光伝送路に対して貫通電極11および底面電極12が追加されている。貫通電極11は、貫通孔3bの内壁面に設けられている。また、底面電極12は、凹部3aの底面上、つまり、上部クラッド2b1上に設けられている。
図6に示すように、電気配線5と電気接続部8とが接続しているだけでなく、電気配線5と接続した貫通電極11も電気接続部8と接続している。そのため、光伝送路と光電変換素子7との接続信頼性を向上させることが可能である。
貫通電極11に対して底面電極12を設けた場合、底面電極12は光電変換素子7の電極7bと直接接続することが可能となるため、接続信頼性をより向上させることが可能である。
また、底面電極12を設けることにより、光伝送路に対して光電変換素子7を実装させる場合に、図5に示すように、底面電極12は実装マーカーとしての役割も果たすため、光伝送路に対する光電変換素子の実装精度が十分に得られる。
図7に示すように、貫通電極11は、突出部11aを有することが好ましい。これにより、貫通電極11の光伝送路からの剥離を十分に抑制することができる
図7の場合、下部クラッド2b2とコア2aと界面13は、貫通孔3bまで延長されている。図7に示す突出部11aは、この界面13に入り込むように設けられているため、光伝送路からの剥離抑制効果が十分に得られる。
突出部11aは、貫通孔3bの加工時に生じるスミアをデスミア処理する際に、界面13に粗化液が侵入することによって、界面13に入りこんだ凹部が形成され、その上から貫通電極11を形成することにより、その凹部内に金属が入り、突出部11aが形成される。突出部11aの形状は、粗化液の組成、流量を調整することにより選択的に形成することができる。
以下に、図8をもとに図1に示す光導波路2の作製方法の一例を示す。
フォトリソグラフィーにより電気配線基板1に設けられた下部クラッド2b2上にコアパターン9を設けた。そして、コアパターン9にダイシング加工により45°の傾斜面を形成し、傾斜面上に金属を蒸着することで光路変換面4を形成した(図8(a))。
光路変換面4とコアパターン9との間の溝に、コアパターン9と屈折率が略等しく、下部クラッド2b2よりも屈折率が高い高屈折率樹脂10を充填し、コア2aを作製した(図8(b))。なお、コア2aは、コアパターン8と高屈折率樹脂9とを含める。
次に、フォトリソグラフィーを用いて上部クラッド2b1を形成した(図8(c))。この際に、上部クラッド2b1の上面とコア2aの上面との間の距離は、コア2aの厚みの1/10程度とした。
さらに、マスクを用いたフォトリソグラフィーによって、上部クラッド2b1上の所望とする箇所に樹脂層6を形成した。(図8(d))。
最後に、凹部3aの底面にレーザ加工またはドリル加工により、貫通孔3bを形成した(図8(e))。
なお、図8(e)の工程の後に、以下の方法を用いることにより貫通電極11および底面電極12を形成して、図4に示す第2の実施形態の光伝送路を作製することが可能である。
貫通電極11および底面電極12を形成には、めっき法、金属膜の蒸着法、導電性樹脂の注入法などの方法が用いられる。例えば、次に、パラジウム-錫の錯化合物溶液により、貫通孔3bの表面および内壁にPdを吸着した上で、HCHO、NaOH、ロッシェル塩、ポリエチレングリコール等の混合溶液を用いた無電解めっきを施す事により、光導波路2上面、貫通孔3bの内壁に厚み0.3〜3μmの銅めっきを形成する。
次にラミネート法等によりレジスト層を光導波路上面に形成し、レジスト層をパターニングする事により、貫通孔3b上面に開口部を形成する。次に、硫酸銅、硫酸、塩素イオン、金属銅溶液中でめっき層に電解をかけることにより、貫通孔3bの内壁及びレジスト開口部に厚み0.1〜10μm程度の厚みの銅めっきを形成したのち、レジストを除去し、さらに不要部分の無電解銅をプラズマ等によるエッチングで除去する事によって貫通電極11および底面電極12を形成する。
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:基板
2:光導波路
2a:コア
2b1:上部クラッド
2b2:下部クラッド
3a:凹部
3b:貫通孔
4:光路変換面
5:電気配線
6:樹脂層
7:光電変換素子
7a:発光部または受光部
7b:電極
8:電気接続部
9:コアパターン
10:高屈折率樹脂
11:貫通電極
12:底面電極
13:下部クラッド2b1とコア2aとの界面

Claims (9)

  1. 光の進行方向を変換させる光路変換面を有するコアと、
    前記コアの周囲を覆い、前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドと、
    透過平面視にて前記光路変換面を含む前記クラッドの表面が凹部の底面として露出するように、前記クラッド上に設けられた樹脂層と、
    を具備する光伝送路。
  2. 前記樹脂層は前記クラッドと同じ材料から構成される請求項1記載の光伝送路。
  3. 請求項1または2記載の光伝送路と、前記樹脂層が設けられた表面とは反対側の前記クラッドの表面上に設けられた基板と、を具備する光伝送基板。
  4. 前記光伝送路と前記基板との界面に設けられた電気配線をさらに具備し、
    前記クラッドは、前記電気配線が露出するように、前記凹部の前記底面として露出した前記クラッドの前記表面から前記基板まで設けられた貫通孔をさらに有する、
    請求項3記載の光伝送基板。
  5. 前記電気配線と接続し、前記貫通孔の内壁面に設けられた貫通電極をさらに具備する請求項4記載の光伝送基板。
  6. 前記凹部の底面上に設けられ、前記貫通電極と接続する底面電極をさらに具備する請求項5記載の光伝送基板。
  7. 前記貫通電極は、前記クラッドおよび前記コアの界面に入り込んだ突出部をさらに有する請求項5または6記載の光伝送基板。
  8. 請求項3記載の光伝送基板と、
    前記光伝送路との対向面に発光部または受光部を有し、前記対向面が前記凹部の前記底面として露出した前記クラッドの表面と接触するように、前記凹部内に設けられた光電変換素子と、
    を具備する光モジュール。
  9. 請求項4乃至7のいずれか記載の光伝送基板と、
    前記光伝送路との対向面に発光部または受光部を有し、前記対向面が前記凹部の前記底面として露出した前記クラッドの表面と接触するように、前記凹部内に設けられた光電変換素子と、
    を具備する光モジュールであって、
    前記貫通孔内には、前記電気配線と前記光電変換素子とを電気的に接続させる電気接続部がさらに設けられた光モジュール。
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