JP2011154132A - 光伝送基板、それを備えた光伝送装置、及び光伝送基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基材部と屈折率が異なった他の部材を別途用いる必要がない光伝送基板、それを備えた光伝送装置、及び光伝送基板の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】実施例１の光伝送基板（２０）は、基材部（２５）と、基材部（２５）内にレンズ状に形成され、基材部（２５）と屈折率が異なり、基材部（２５）の部分的な変質を利用して形成された屈折率変更部（２６）と、を備えている。基材部（２５）は、結晶質であり、屈折率変更部（２６）は、基材部（２５）よりも屈折率が大きく、非晶質である。
【選択図】図２

Description

本発明は、光伝送基板、それを備えた光伝送装置、及び光伝送基板の製造方法に関する。

特許文献１には、基板の貫通孔内に、屈折率が相違する第１及び第２屈折率体を形成し、貫通孔の出口に、集光レンズが取り付けられた光伝送基板が開示されている。

特開２００９−３１６３３号公報 特開２００５−６２８３２号公報 特表２００５−５１９３１８号公報

光伝送基板では、基板の基材部とは屈折率が異なった１及び第２屈折率体、集光レンズが基板に設けられている。このように、基板とは屈折率が異なった部材を用いているため、このような部材が基板から剥がれ落ちる恐れがある。

本発明は、基材部と屈折率が異なった他の部材を別途用いる必要がない光伝送基板、それを備えた光伝送装置、及び光伝送基板の製造方法を提供することを目的とする。

本明細書に開示の光伝送基板は、基材部と、前記基材部内にレンズ状に形成され、前記基材部と屈折率が異なり、前記基材部の部分的な変質を利用して形成された屈折率変更部と、を備えている。

本明細書に開示の光伝送装置は、上記の光伝送基板と、前記光伝送基板に実装され、前記屈折率変更部へレーザを照射可能な光半導体素子と、を備えている。

本明細書に開示の光伝送基板の製造方法は、結晶質の基材部の内部に、照射される領域がレンズ状となるようにフェムト秒レーザを照射し、前記フェムト秒レーザが照射された領域が非晶質化するまで照射する。

基材部と屈折率が異なった他の部材を別途用いる必要がない光伝送基板、それを備えた光伝送装置、及び光伝送基板の製造方法を提供できる。

図１は、本実施例の光伝送装置をプリント基板に実装した状態の説明図。 図２は、実施例１の光伝送装置の部分拡大図。 図３Ａ、３Ｂは、光伝送基板に対する屈折率変更部の形成方法の説明図。 図４は、実施例２の光伝送装置の説明図。 図５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂは、実施例２の光伝送基板に対する屈折率変更部の形成方法の説明図。 図６Ａ、６Ｂは、実施例２の光伝送基板に対する屈折率変更部の形成方法の説明図。 図７Ａ、７Ｂは、実施例２の光伝送基板に対する屈折率変更部の形成方法の変形例の説明図。 実施例３の光伝送装置の説明図。 実施例４の光伝送装置の説明図。

以下、図面を用いて複数の実施例について説明する。

図１は、本実施例の光伝送装置をプリント基板に実装した状態の説明図である。図１に示すように、プリント基板１０には、本実施例の光伝送装置が実装されている。光伝送装置は、光伝送基板２０、光伝送基板２０に実装された電子部品３０、光半導体素子４０を含む。プリント基板１０、光伝送基板２０、電子部品３０、光半導体素子４０は、例えば、サーバーやスーパーコンピュータなどの電子装置に用いられる。

プリント基板１０は、例えば電子装置のマザーボードとして機能するが、マザーボードに限定されない。光伝送基板２０は、インターポーザとして機能する。光伝送基板２０は、シリコン製である。

電子部品３０は、ＣＰＵ３１、ドライバ３２を含む。ＣＰＵ３１は、プリント基板１０からの電気信号を受信する。ＣＰＵ３１は、受信した電気信号に基づいて、ドライバ３２は光半導体素子４０へ駆動信号を出力する。光半導体素子４０は、入力された駆動信号に基づいて、プリント基板１０に向けてレーザを出射する。光半導体素子４０は、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である発光素子である。なお、光半導体素子４０は、面受光型の半導体受光素子（ＰＤ：Photo Diode）である。

プリント基板１０、電子部品３０は、光伝送基板２０により配線接続されている。電子部品３０、光半導体素子４０は、光伝送基板２０内で配線接続されている。

図２は、実施例１の光伝送装置の部分拡大図である。プリント基板１０内には、光導波路１２、光路変換部１３が形成されている。光導波路１２は、コア部１２ａ、コア部１２ａを取り囲むクラッド部１２ｂ、１２ｃとを含む。コア部１２ａは、クラッド部１２ｂ、１２ｃよりも屈折率が大きい。光路変換部１３は、反射部１３ａが形成されている。反射部１３ａは、光半導体素子４０の光軸に対して傾斜して配置されている。光導波路１２は、プリント基板１０の表面に形成されていてもよい。光半導体素子４０から出射したレーザＬは、光伝送基板２０の厚み方向を通過して反射部１３ａで略直角に反射し、光導波路１２のコア部１２ａ内を通過する。

光伝送基板２０は、シリコン製である。屈折率変更部２６は、表面２１、裏面２２に挟まれるようにして光伝送基板２０の内部に形成されている。屈折率変更部２６は凸レンズ状である。屈折率変更部２６は、基材部２５の部分的な変質を利用して形成されたものである。屈折率変更部２６は、基材部２５よりも屈折率が大きい。また、屈折率変更部２６は、非晶質化されている。基材部２５は、結晶質である。光伝送基板２０は、半田バンプＳＢによりプリント基板１０に実装されている。

光半導体素子４０から照射されたレーザＬは、放射状に広がりながら基材部２５を透過して屈折率変更部２６に入射しする。屈折率変更部２６に入射したレーザＬは、所定の角度で狭まりながら屈折率変更部２６内を進行する。屈折率変更部２６内を進行したレーザＬは、基材部２５と屈折率変更部２６との比屈折率差や屈折率変更部２６の曲面に応じた角度で屈折して屈折率変更部２６から出射される。屈折率変更部２６から出射したレーザＬは、基材部２５を透過して反射部１３ａに向けて集光する。これにより、レーザＬの損失を抑制して効率よく光導波路１２へ導くことができる。光半導体素子４０は、半田バンプＳＢにより光伝送基板２０に実装されている。尚、光半導体素子４０が照射するレーザＬの波長は、光伝送基板２０のバンドギャップ以上の値に設定されている。具体的には、レーザＬの波長は、１．１μ以上に設定されている。これにより、レーザＬはシリコン製の光伝送基板２０を透過する。

次に、光伝送基板２０に対する屈折率変更部２６の形成方法について説明する。図３Ａ、３Ｂは、屈折率変更部２６の形成方法の説明図である。図３Ａは、光伝送基板２０を側面から視た図であり、図３Ｂは、光伝送基板２０を表面２１から視た図である。

図３Ａに示すように、フェムト秒レーザＦＬを集光レンズ５０に向けて照射し、フェムト秒レーザＦＬの焦点位置を基材部２５の内部に設定する。フェムト秒レーザＦＬが照射された基材部２５の領域は、非晶質化される。非晶質化された領域は、結晶質の部分よりも、屈折率が大きくなる。

また、図３Ａ、３Ｂに示すように、照射された領域が両凸レンズ状になるように、フェムト秒レーザＦＬを光伝送基板２０へ照射する。例えば、ＸＹＺ方向にそれぞれ移動可能なステージに光伝送基板２０を載せて、フェムト秒レーザＦＬが照射された領域が両凸レンズ状になるようにステージを移動させる。これにより、フェムト秒レーザＦＬが照射された基材部２５の領域が非晶質化して両凸レンズ状の屈折率変更部２６が形成される。非晶質化された屈折率変更部２６は、結晶質である基材部２５よりも屈折率が大きくなる。尚、厚さや径の大きさなどの屈折率変更部２６の詳細な形状は、レーザＬの出射位置と反射部１３ａとの距離などに応じて適宜変更して形成する。シリコンの屈折率は、約３．８である。

このように屈折率変更部２６は基材部２５が部分的に変質して形成されているので、基材部２５と屈折率が異なった他の部材を用いる必要がない。これにより、基材部２５と屈折率が異なった他の部材を用いることなく、光伝送基板２０を通過したレーザＬを集光させることができる。光伝送基板２０を通過したレーザＬを集光させるために、例えば光伝送基板２０にレンズなどの他の部材を設けた場合、光伝送基板２０からこのような部材が剥がれ落ちる恐れがある。また、光伝送基板２０にこのような他の部材を取り付けた場合、取り付けた後に他の部材の位置がずれて、レーザＬを効率よく集光することができなくなる恐れがある。しかしながら、本実施例のように、他の部材を用いることなく基材部２５内に屈折率が変更された部分を形成することができるので、上記のような問題を防止できる。

また、屈折率変更部２６は、光伝送基板２０の表面２１、裏面２２に挟まれるように基材部２５内に形成されている。従って、光伝送基板２０の平坦性を維持することができる。例えば、基材部２５と屈折率が異なった他の部材を、光伝送基板２０の表面２１又は裏面２２から突出したように光伝送基板２０に取り付けた場合、他の部材が光半導体素子４０又はプリント基板１０と干渉する問題が生じる恐れがある。これにより、プリント基板１０、光伝送基板２０、光半導体素子４０を含む実装高さが大きくなる恐れがある。しかしながら、本実施例のように、光伝送基板２０の平坦性を維持できるので、上記のような問題を防止できる。

また、他の部材を用いる必要がないため製造コスト及び製造工程数が低減されている。

次に、光伝送基板２０の製造方法について簡単に説明する。
シリコン製の基板にエッチングにより貫通孔を形成する。この貫通孔は、ＣＰＵ３１とプリント基板１０とを接続する導通経路を確保するためのものである。次に、シリコン製の基板に熱酸化処理を行いシリコン製の基板の外表面に絶縁性の酸化シリコン被膜を形成する。貫通孔に導電性の材料を充填する。導電性の材料とは例えば銅である。

次に、シリコン製の基板上に、電子部品３０のＣＰＵ３１とプリント基板１０とを接続するための配線パターンと、ドライバ３２と光半導体素子４０とを接続するための配線パターンとを形成する。配線パターンは、フォトリソグラフィにより形成する。また、予めレーザＬが透過する位置を回避して配線パターンを形成する。ＣＰＵ３１とプリント基板１０とを接続するための配線パターンは、シリコン製の基板の貫通孔に充填された導電性の材料と接続される位置に形成する。

この配線パターンが形成されたシリコン基板上にＳｉＯ_２を積層して表面を平坦に研磨する。次に、ＳｉＯ_２層に、ＣＰＵ３１とプリント基板１０とを接続するための配線パターンに至る穴と、ドライバ３２と光半導体素子４０とを接続するための配線パターンに至る複数の穴とを形成する。ＣＰＵ３１とプリント基板１０とを接続するための配線パターンに至る穴は、この配線パターンとＣＰＵ３１とを接続する導通経路を確保するためのものである。また、ドライバ３２と光半導体素子４０とを接続するための配線パターンに至る複数の穴は、この配線パターンとドライバ３２とを接続する導通経路を確保するためのものである。この穴はエッチングにより形成する。この穴に導電製の材料を充填する。または、ＳｉＯ_２の表面の全面に導電性を有する金属を蒸着させて不用部分を除去することにより、この穴に導電性の材料を充填させる。

このようにして、ＣＰＵ３１とプリント基板１０とを接続するための導通経路は、光伝送基板２０の表面２１から裏面２２に至るようにして形成される。また、ドライバ３２と光半導体素子４０とを接続するための導通経路は、光伝送基板２０の表面２１側に形成される。

このようにして形成された光伝送基板２０に対して、電子部品３０、光半導体素子４０を実装する前に、上記方法により屈折率変更部２６を形成する。尚、屈折率変更部２６は、予め配線パターンを回避した位置に形成する。

その後、光伝送基板２０に電子部品３０、光半導体素子４０を実装することにより、実施例１の光伝送装置は製造される。

尚、ドライバ３２と光半導体素子４０とを接続する配線パターンを、光伝送基板２０には形成せずに、プリント基板１０に形成してもよい。この場合、シリコン基板に複数の貫通孔を形成してシリコン基板の外表面に酸化シリコン皮膜を形成する。その後、複数の貫通孔に導電性の材料を充填して、シリコン基板を貫通する電極を形成する。この電極を介して、ドライバ３２とプリント基板１０とを接続し、プリント基板１０と光半導体素子４０とを接続する。

図４は、実施例２の光伝送装置の説明図である。
光伝送基板２０ａ内には、屈折率変更部２６ａが形成されている。屈折率変更部２６ａは、空洞である。屈折率変更部２６ａは、基材部２５よりも屈折率が小さい。詳細には、屈折率変更部２６ａの屈折率は略１である。屈折率変更部２６ａは、光伝送基板２０ａの側面から視て両凹レンズ状である。光半導体素子４０から出射されるレーザＬは、基材部２５から屈折率変更部２６ａを通過して、再び屈折率変更部２６ａから基材部２５へ通過する。レーザＬが屈折率変更部２６ａを通過することにより、レーザＬは反射部１３ａに向けて集光する。

次に、実施例２の光伝送基板２０ａに対する屈折率変更部２６ａの形成方法について説明する。図５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂは、実施例２の光伝送基板２０ａに対する屈折率変更部２６ａの形成方法の説明図である。図５Ｂ、６Ｂは、光伝送基板２０ａを表面２１側から視た図である。図５Ｂに示すように、フェムト秒レーザＦＬを基材部２５内部に出射する。照射領域２６０は、両凹レンズ状の照射領域２６１、照射領域２６１から側面２３にまで照射された照射領域２６３、２６１から側面２４にまで照射された照射領域２６４、を含む。照射領域２６０にフェムト秒レーザＦＬを照射して非晶質化させる。このように、照射領域２６０を変質させる。

次に、照射領域２６０を除去するために、ウェットエッチングを行なう。ウェットエッチングに用いるエッチング液は、例えばフッ化水素酸、硫酸、硝酸、塩酸、燐酸、フッ酸と硝酸と酢酸との混合液、などである。ウェットエッチングにより照射領域２６０が除去され光伝送基板２０ａ内部に空洞の屈折率変更部２６ａが形成される。尚、屈折率変更部２６ａは、両凹レンズ状の中央部２６ａ１、中央部２６ａ１から側面２３にまで延びた延在部２６ａ３、中央部２６ａ１から側面２４にまで延びた延在部２６ａ４、を含む。

次に、実施例２の光伝送基板に対する屈折率変更部の形成方法の変形例について説明する。図７Ａ、７Ｂは、実施例２の光伝送基板に対する屈折率変更部の形成方法の変形例の説明図である。図７Ａに示すように、フェムト秒レーザＦＬを基材部２５内に照射してアブレーションにより基材部２５を部分的に蒸散させて、空洞の屈折率変更部２６ｂを形成する。このように、基材部２５の一部分にフェムト秒レーザＦＬを照射して変質させることにより、空洞である屈折率変更部２６ｂを形成する。図７Ｂに示すように、表面２１側からみて円形の屈折率変更部２６ｂを形成することができる。尚、この場合、図６Ａ、６Ｂに示した屈折率変更部２６ａのように、側面２３、２４まで延びた延在部２６ａ３、２６ａ４は形成されない。

実施例３の光伝送装置について説明する。図８は、実施例３の光伝送装置の説明図である。図８に示すように、光伝送基板２０ｃ内には、光伝送基板２０ｃの厚み方向に並ぶように屈折率変更部２６ｃ１、２６ｃ２が形成されている。屈折率変更部２６ｃ１、２６ｃ２は、基材部２５よりも屈折率が大きい。また、屈折率変更部２６ｃ１、２６ｃ２は、非晶質である。屈折率変更部２６ｃ１、２６ｃ２は、それぞれ平凸レンズ状である。光半導体素子４０側の屈折率変更部２６ｃ１は、凸面が光半導体素子４０側を向いている。プリント基板１０側の屈折率変更部２６ｃ２は、凸面が光伝送基板２０ｃ側を向いている。屈折率変更部２６ｃ１の平面と、屈折率変更部２６ｃ２の平面とは向かい合っている。尚、屈折率変更部２６ｃ１、２６ｃ２も、実施例１の屈折率変更部２６と同様に、フェムト秒レーザＦＬにより形成する。

光半導体素子４０から出射されたレーザＬは、屈折率変更部２６ｃ１に入射するまで放射状に拡散する。屈折率変更部２６ｃ１の凸面に入射したレーザＬは、屈折率変更部２６ｃ１内を進行してレーザＬが略平行な状態で屈折率変更部２６ｃ１の平面から射出する。屈折率変更部２６ｃ１から射出されたレーザＬは基材部２５内を進行して屈折率変更部２６ｃ２の平面に入射する。レーザＬは屈折率変更部２６ｃ２内を進行して、幅が狭くなるようにして屈折率変更部２６ｃ２から出射される。屈折率変更部２６ｃ２から出射されたレーザＬは、反射部１３ａ上で集光して反射する。

このように複数の平凸レンズ状の屈折率変更部２６ｃ１、２６ｃ２を形成することにより、屈折率変更部２６ｃ１、２６ｃ２間を進行するレーザＬを平行にすることができる。これにより、屈折率変更部２６ｃ１、２６ｃ２間を進行するレーザＬが放射状に広がることが防止される。

これにより、例えば複数の出射点からそれぞれレーザＬを平行に出射可能な光半導体素子を用いた場合、光伝送基板の平面方向に並ぶように複数の屈折率変更部を形成すると、出射されるレーザＬの間隔を狭くすることができない。レーザＬは放射状に広がりながら光伝送基板内を進行するので、レーザＬの放射状の広がりを考慮して屈折率変更部の大きさを確保しなければならないからである。従って、このような場合には光伝送基板は平面方向に大型化する。しかしながら、実施例３の光伝送基板２０ｃのように、平凸レンズ状の屈折率変更部２６ｃ１、２６ｃ２を光伝送基板２０の厚み方向に並ぶように形成することにより、レーザＬの放射状の広がりを抑えることができる。これにより、複数の出射点からそれぞれレーザＬを照射可能な光半導体素子を用いた場合であっても、光伝送基板の平面方向での大型化を防止できる。

次に、実施例４の光伝送装置について説明する。
図９は、実施例４の光伝送装置の説明図である。図９に示すように、光伝送基板２０ｄ内には、光伝送基板２０ｄの厚み方向に並ぶように屈折率変更部２６ｄ１、２６ｄ２が形成されている。屈折率変更部２６ｄ１、２６ｄ２は、それぞれ空洞である。屈折率変更部２６ｄ１、２６ｄ２は、基材部２５よりも屈折率が小さい。屈折率変更部２６ｄ１、２６ｄ２は、それぞれ平凹レンズ状である。光半導体素子４０側の屈折率変更部２６ｄ１は、凹面が光半導体素子４０側を向いている。プリント基板１０側の屈折率変更部２６ｄ２は、凹面が光伝送基板２０ｄ側を向いている。屈折率変更部２６ｄ１の平面と、屈折率変更部２６ｄ２の平面とは向かい合っている。

尚、屈折率変更部２６ｄ１、２６ｄ２の形成方法は、フェムト秒レーザＦＬを照射して照射領域を非晶質化してウェットエッチングで除去してもよいし、アブレーションにより形成してもよい。

このように複数の平凹レンズ状の屈折率変更部２６ｄ１、２６ｄ２を形成することにより、屈折率変更部２６ｄ１、２６ｄ２間を進行するレーザＬを平行にすることができる。これにより、屈折率変更部２６ｄ１、２６ｄ２間を進行するレーザＬが放射状に広がることが防止される。従って、複数の出射点からそれぞれレーザＬを照射可能な光半導体素子を用いた場合であっても、光伝送基板の平面方向での大型化を防止できる。

以上本発明の好ましい一実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

光伝送基板２０〜２０ｄの材質としてシリコン（Ｓｉ）を用いたが、その他、ＧａＳａ（ガリウム砒素）、ＩｎＰ（リン化イリジウム）、ＬｉＮｂＯ_３（リチウムナイオベート）、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）の少なくとも一つを含んでもよい。

光伝送基板の製造方法における、光伝送基板内に屈折率変更部２６を形成する以外の工程については、本明細書に開示した工程に限定されない。

１０ プリント基板
１２ 光導波路
２０〜２０ｄ 光伝送基板
２５ 基材部
２６〜２６ｂ、２６ｃ１、２６ｃ２、２６ｄ１、２６ｄ２ 屈折率変更部
３０ 電子部品
３１ ＣＰＵ
３２ ＤＲＶ／ＴＩ
４０ 光半導体素子
Ｌ レーザ
ＦＬ フェムト秒レーザ

Claims (8)

1. 基材部と、
   前記基材部内にレンズ状に形成され、前記基材部と屈折率が異なり、前記基材部の部分的な変質を利用して形成された屈折率変更部と、を備えた光伝送基板。
2. 前記基材部は、結晶質であり、
   前記屈折率変更部は、前記基材部よりも屈折率が大きく、非晶質である、請求項１の光伝送基板。
3. 前記屈折率変更部は、更にウェットエッチングを利用して形成され、前記基材部よりも屈折率が小さく、空間である、請求項１の光伝送基板。
4. 前記基材部の材料は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＬｉＮｂＯ_３、ＳｉＯ_２の少なくとも一つを含む、請求項１乃至４の何れかの光伝送基板。
5. 請求項１乃至４の何れかの光伝送基板と、
   前記光伝送基板に実装された光半導体素子と、を備えた光伝送装置。
6. 結晶質の基材部の内部に、照射される領域がレンズ状となるようにフェムト秒レーザを照射し、
   前記フェムト秒レーザが照射された領域が非晶質化するまで照射する、光伝送基板の製造方法。
7. 前記フェムト秒レーザが照射される領域が前記基材部の側面に至るまで前記フェムト秒レーザを照射し、
   前記フェムト秒レーザが照射された領域をウェットエッチングする、請求項６の光伝送基板の製造方法。
8. 前記フェムト秒レーザが照射された領域が蒸散するまで照射する、請求項６の光伝送基板の製造方法。

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