JP2012058731A - 光導波路構造を有する電気−光カプラモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路構造の全反射信号伝送技術を利用する、簡単な半導体製造工程により製造でき、簡単に取り付けられ、部品の配置精度を有効に制御できる電気−光カプラモジュールを提供する。
【解決手段】半導体基板と、細長いトレンチ構造と、リフレクタと、薄膜と、光−電気信号変換デバイスと、光導波路構造と、を含む電気−光カプラモジュールである。細長いトレンチ構造は、半導体基板中に形成され、かつリフレクタは、細長いトレンチ構造の一端に形成される。光導波路構造及び薄膜は、細長いトレンチ構造の表面上に形成され、かつ光−電気信号変換デバイスは、細長いトレンチ構造のリフレクタに対応するように半導体基板上に配置される。電気信号を光信号に変換した後、光導波路構造に送信し、リフレクタにより反射された後、光導波路構造に沿って伝送し、又は逆に光導波路構造から送ってきた光信号を受信して電気信号に変換する。
【選択図】図２ｂ

Description

本発明は、光導波路構造を有する電気−光カプラモジュールに関し、特に光導波路構造の全反射信号伝送技術を利用し、電気信号／光信号の変換や伝送に応用する電気−光カプラモジュールに関する。

電気信号を伝送する、又は電子装置を接続する場合は、一般的に金属材料の電線又はケーブルが用いられる。また、デジタル通信に用いられる高性能電子システムにおいて、プロセッサの数が多くなるだけでなく、信号の処理速度も速くなるため、信号又は情報の伝送品質及び速度もより重要になる。しかし、従来の金属線による接続設計は、伝送、発送及び受信の速度を制限する。

一方、光学接続は、伝送線路の材料性質による影響を受けにくく、高い帯域幅容量及び高速な伝送効果が得られるため、電子接続の代わりに光学接続を利用する技術が重要になっている。発光ダイオード（ＬＥＤ）及び半導体レーザーの技術が発展する中、光を媒介として信号を伝送する方式が開発された。主に電気−光カプラにより、電気−光信号又は光-電気信号の変換、送信及び受信を行う。電気−光カプラは、主に、光信号を提供する送信器又は光源デバイスと、光信号を受信する受信器又は光検出デバイスと、送信又は受信した信号を増幅する駆動器又は信号増幅器とを含む。

米国特許第７３０６３７８号には、電気−光カプラが開示されている。図１ａは、結合装置１０１を示す断面概略図である。図１ａに示すように、半導体基板１０３内には、トレンチ構造１０５が形成され、トレンチ構造１０５の一端には、斜めのリフレクタ１０７が定義される。光ファイバー１０９は、トレンチ構造１０５のもう一端に配置されるか又は取り付けられる。また、光デバイス１１１は、リフレクタ１０７に対応するように、半導体基板１０３上に配置される。図１ａに示す構造において、上記光デバイス１１１は、光信号を発する光源や光信号を受信する受信器であり、光デバイス１１１と光ファイバー１０９とを結合するように、光ビームがリフレクタ１０７により反射される。
さらに、信号伝送の部分について、半導体基板１０３は、バンプ１２３を介してプリント基板１１５上に配置されると共に、後でコンタクト１１７に電気的に接続される。また、回路１２５は、半導体基板１２７に含まれ、コンタクト１３１により半導体基板１０３上に配置される。上記回路１２５は、電気的に接続されている場合、上記光デバイス１１１を駆動又は制御することができる。コンタクト１１７から入った電気信号１１９は、上記光デバイス１１１により光信号１１３に変換され、かつ上記リフレクタ１０７により反射されると、上記光ファイバー１０９から出力される。又は、上記光ファイバー１０９から受信された光信号１１３は、上記リフレクタ１０７により反射され、上記光デバイス１１１で受信されると、電気信号１１９に変換され、上記コンタクト１１７において出力される。また、電気絶縁性や干渉防止を実現するため、関連デバイスは、リッド１３３により封止される。

さらに、結合装置１０１は、さらに、複数セットのファイバー１０９、トレンチ構造１０５、リフレクタ１０７、及び光デバイス１１１などの結合構造を含むことができる。図１ｂに示すように、構造が同じ又は類似する結合装置１０１ａ、１０１ｂは、複数セットの上記結合構造を含むと共に、２本の光ファイバー１０９ａ、１０９ｂを介して、実体接続及び信号伝送接続を実現する。

しかし、上記光学結合構造の設計において、関連デバイスのサイズが比較的に小さいという条件下では、光ファイバーを取り付けるか又は上記トレンチ構造内に埋め込むことが比較的困難であり、誤差が生じやすい。そのため、光信号が光ファイバー又は光デバイスに正確に反射されず、光学信号の伝送に対して影響を与える。また、光ファイバーの位置が光学デバイスに近いため、光ファイバーを取り付けるか又は埋め込む時、光学デバイスにダメージを与えやすい。さらに、光ファイバーは、トレンチ構造内で固定された後、繰り返し着脱することができなくなるし、また外部に露出する光ファイバーの後端も、突出しているため使用上不便がある。

光導波路構造の全反射信号伝送技術を利用する電気−光カプラモジュールを提供する。簡単な半導体製造工程により製造することができ、簡単に取り付けられ、部品の配置精度を有効に制御することが可能である。

本発明の目的は、光導波路構造を有する電気−光カプラモジュールを提供することにある。本発明の電気−光カプラモジュールは、半導体製造工程により製造することができる。また、光導波路構造の全反射信号伝送技術を利用することにより、電気信号又は光信号の変換及び伝送を行う。さらに、コネクタに取り付ける、又は繰り返し着脱することができる。

本発明は、プリント基板上に配置され、少なくとも１つの電気信号又は光信号に対する伝送に応用する電気−光カプラモジュールであって、上記プリント基板上に配置される半導体基板と、上記半導体基板中に形成される斜面トレンチ構造と、上記斜面トレンチ構造の第１側壁に形成されるリフレクタと、上記半導体基板中に形成され、かつ第１端が上記斜面トレンチ構造の第２側壁を貫通して上記斜面トレンチ構造と接続する細長いトレンチ構造と、上記半導体基板と、上記斜面トレンチ構造と、上記細長いトレンチ構造との上に形成される薄膜と、上記半導体基板上に配置され、上記電気信号を受信して対応光信号に変換するか、又は上記光信号を受信して対応電気信号に変換し、また位置が上記リフレクタの位置に対応する光−電気信号変換デバイスと、上記細長いトレンチ構造及び一部の上記斜面トレンチ構造内に配置される光導波路構造と、上記プリント基板上に配置され、伝送のため取付けを提供する伝導基部組立てと、を含む電気−光カプラモジュールである。その中、上記対応光信号は、上記光導波路構造の第１端から上記光導波路構造に入り、上記リフレクタにより反射された後、上記光導波路構造の第２端から出力されるか、又は上記光信号は、上記対応光信号の逆方向で伝送される。

本発明のもう１つの態様は、プリント基板上に配置され、少なくとも１つの電気信号又は光信号に対する伝送に応用する電気−光カプラモジュールであって、上記プリント基板上に配置される半導体基板と、上記半導体基板中に形成され、第１側上にリフレクタが形成される少なくとも１つの細長いトレンチ構造と、上記半導体基板と上記細長いトレンチ構造との上に形成される薄膜と、上記半導体基板上に配置され、また位置が上記リフレクタの位置に対応する少なくとも１つの光−電気信号変換デバイスと、上記細長いトレンチ構造内に配置される少なくとも１つの光導波路構造と、上記半導体基板に対応するよう、上記プリント基板上に配置され、伝送のため取付けを提供する伝導基部組立てと、を含む電気−光カプラモジュールである。その中、上記対応光信号は、上記光導波路構造の上記第１端から上記光導波路構造に入り、上記リフレクタにより反射された後、上記光導波路構造の上記第２端から出力されるか、又は上記光信号は、上記対応光信号の逆方向で伝送される。
本発明をより深く理解してもらうため、以下の図面に基づいて説明する。

図１ａは、結合装置１０１を示す断面概略図である。 図１ｂは、結合装置１０１ａ、１０１ｂが光ファイバー１０９ａ、１０９ｂを介して、実体接続及び信号伝送接続を実現する構造を示す概略図である。 図２ａは、本発明の電気−光カプラモジュール２を示す側面概略図である。 図２ｂは、本発明の電気−光カプラモジュール２を示す立体概略図である。 図２ｃは、電気−光カプラモジュール２の一端を示す概略図である。 図３は、電気−光カプラモジュール２が伝導基部組立て２６によりコネクタ３に取り付けられる構造を示す概略図である。 図４は、本発明の電気−光カプラモジュール４を示す側面概略図である。 図５ａは、本発明の電気−光カプラモジュール５を示す側面概略図である。 図５ｂは、本発明の電気−光カプラモジュール５を示す立体概略図である。 図６は、本発明の電気−光カプラモジュール６を示す立体概略図である。 図７は、本発明の電気−光カプラモジュール７を示す立体概略図である。 図８ａは、本発明の電気−光カプラモジュール７'を示す上面概略図である。 図８ｂは、本発明の電気−光カプラモジュール７''を示す上面概略図である。 図９は、本発明の電気−光カプラモジュール８を示す立体概略図である。

本発明が提供する電気−光カプラモジュールは、電気−光信号変換が可能な送信端モジュール、光−電気信号変換が可能な受信端モジュール、又は上記両機能を持つ送受信モジュールに関し、主に光を媒介として信号を伝送することを目的とする。本発明の概念は、主に半導体製造工程及び光導波路の信号伝送技術を利用し、信号伝送品質を確保した上で、光-電気信号又は電気−光信号の変換及び伝送を行うことにより、ハードウェア又は構造の製造又は取付けをしやすくすることを目的とする。

まず、第１実施例を説明する。図２ａ及び図２ｂを同時に参照されたい。図２ａ及び図２ｂは、それぞれ本発明の電気−光カプラモジュール２を示す側面概略図及び立体概略図である。本発明の電気−光カプラモジュール２は、プリント基板２１上に配置されてよい。上記電気−光カプラモジュール２は、主に半導体基板２０と、斜面トレンチ構造Ｔ１１と、細長いトレンチ構造Ｔ１２と、薄膜２２と、光源デバイス２５ａと、光導波路構造Ｇ１１と、伝導基部組立て２６とを含む。その中、半導体基板２０は、プリント基板２１上に配置され、半導体製造工程のエッチングにより、半導体基板２０に斜面トレンチ構造Ｔ１１及び細長いトレンチ構造Ｔ１２を形成する。細長いトレンチ構造Ｔ１２の第１端Ｔ１２ａは、斜面トレンチ構造Ｔ１１の第２側壁Ｔ１１ｂを貫通して斜面トレンチ構造Ｔ１１と接続する。１つの実施例において、斜面トレンチ構造Ｔ１１は、Ｖ字形の断面を有し、また細長いトレンチ構造Ｔ１２は、逆台形の断面を有し、両者の方向は互いに垂直するのが好ましい。

以上より、本発明が提供する電気−光カプラモジュールは、送信端又は受信端に応用され、少なくとも１つの光信号を送信又は受信することができる。したがって、少なくとも１つの光源デバイス／光検出デバイス（光−電気信号変換デバイスと総称する）と対応する光導波路構造との組合せにより伝送を行う。この例において、光導波路構造Ｇ１１は、斜面トレンチ構造Ｔ１１及び一部の細長いトレンチ構造Ｔ１２の空間内に位置される。図２ｂは、４つの同じ細長いトレンチ構造Ｔ１２、Ｔ１４、Ｔ１６、Ｔ１８を示すが、本発明は、それに限定されず、少なくとも１つの細長いトレンチ構造Ｔ１２と斜面トレンチ構造Ｔ１１との組合せにより実施することが可能である。

また、この例において、上記斜面トレンチ構造Ｔ１１の第１側壁Ｔ１１ａの上には、光信号を反射するリフレクタＭ１１がある。エッチングにより上記斜面トレンチ構造Ｔ１１を形成した後、全体の上に薄膜２２を形成した後、第１側壁Ｔ１１ａに対応する箇所に関連の反射材料を積層又は塗布することにより、リフレクタＭ１１を形成する。また、この例において、形成された上記リフレクタＭ１１（又は、第１側壁Ｔ１１ａ）は、プリント基板２１又は半導体基板２０の底面と４５度の夾角をなす。また、斜面トレンチ構造Ｔ１１のもう１つの側壁Ｔ１１ｂは、同じエッチング製造工程で形成することが可能であるため、同様に４５度の傾斜角度をなす。もちろん、他の実施設計において、第２側壁Ｔ１１ｂは、他の傾斜角度をなしてもよいが、主なリフレクタＭ１１があるところの第１側壁Ｔ１１ａは、４５度であることが必要である。

リフレクタＭ１１（又は、第１側壁Ｔ１１ａ）の４５度の傾斜角度は、好適な実施設計であるが、他の的実施方式においては、他の傾斜角度、又は角度範囲（例えば、４５度角±１０又は１５度の範囲）を限定することを利用することもできる。また、この例において、第１リフレクタＭ１１は、薄膜２２上に形成されるが、他の実施方式において、以下のように形成することもできる。すなわち、斜面トレンチ構造Ｔ１１を形成した後、先に第１側壁Ｔ１１ａ上に関連の反射材料を積層又は塗布してリフレクタＭ１１を形成した後、さらにモジュール２の全体の上に上記薄膜２２を塗布する。光信号は、薄膜２２を貫通することが必要になるが、角度の設計上、この設計でも、リフレクタＭ１１が光信号を反射する効果は影響されない。

上記細長いトレンチ構造Ｔ１２の設計は、類似の他の細長いトレンチ構造に類推することができる。図２ｃは、電気−光カプラモジュール２の一端を示す概略図である。図２ｃに示すように、細長いトレンチ構造Ｔ１２（及び他の細長いトレンチ構造Ｔ１４、Ｔ１６、Ｔ１８）の第２端Ｔ１２ｂから見ると、その断面は、逆台形である。電気−光カプラモジュール２は、第２端Ｔ１２ｂでは、比較的に平らな平面となっているため、後での取付けや接続が便利になる。また、示された細長いトレンチ構造Ｔ１２の両側壁も、プリント基板２１と４５度の夾角をなす。それは、主に半導体基板２０に対するエッチング方式で決まるが、他の実施方式においては、垂直又は他の傾斜角度の側壁に設計することもできる。上記トレンチ構造の形状は、後でその中に形成される光導波路の構造に対応し、かつ光導波路の構造は、対応するトレンチ構造をいっぱいに埋めても、いっぱいに埋めなくてもよい。

使用した半導体基板２０は、片面研磨シリコンウエハー（ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ−ｓｉｄｅ ｐｏｌｉｓｈｅｄ）を使用した基板である。また、薄膜２２は、誘電体膜、例えば、二酸化ケイ素である。上記設計の１つの目的は、光信号が伝送過程において電磁気又は電気に干渉されるのを防止することにより、電気絶縁機能を提供し、また下にあるシリコン基材への高周波の電気信号の漏れを阻止することにある。また、もう１つの目的は、光信号が光導波路構造中で伝送される時に全反射効果を奏することにある。

この例において、トレンチ構造をエッチングした後、シリコン基板に対して全体を酸化させることにより、二酸化ケイ素の誘電体膜を形成する。しかし、他の実施方式において、形成された薄膜２２は、酸化物に限定されず、本発明が必要とする屈折率の条件を満たせばよく（以下に説明する）、例えば酸窒化物（ＳｉＮｘ）などの誘電材料であってもよい。また、全体を酸化させる方法で上記薄膜２２を形成する以外にも、金属材料、又は一部の金属に一部の酸化物を加える方法で形成することもできる。金属膜を上記薄膜２２とする場合、光信号の反射効果を向上することができるが、金属材料は一部の光信号を吸収するため、光信号が光導波路構造内で伝送される時に一部が損失する。

以下に説明する送信端モジュールに応用した例では、プリント基板２１は、本発明の送信端モジュールへ電気信号Ｅ１を提供することができる。また、光源デバイス２５ａは、半導体基板２０及び薄膜２２の上に配置され、かつ一部が斜面トレンチ構造Ｔ１１の上に露出し、またその位置はリフレクタＭ１１に対応する。さらに、この例において、光導波路構造Ｇ１１は、材料がポリマーであり、半導体製造工程により、一部の斜面トレンチ構造Ｔ１１と細長いトレンチ構造Ｔ１２との中の薄膜２２の上に形成される。詳しくは、先に薄膜２２の全体の表面上にポリマーの材料を塗布し、続いて露光・現像方法により必要な部位を定義及びエッチングし、図２ｂに示す光導波路構造Ｇ１１を形成する。

この例において、光導波路構造Ｇ１１は、光信号を伝送するため、他の光導波路構造（例えば、Ｇ１２）と平行することが好ましい。詳しくは、光信号は、全反射で対応する細長いトレンチ構造（例えば、Ｔ１２）内の光導波路構造（例えば、Ｇ１１）の中で伝送される。したがって、薄膜２２の屈折率は、その上にある光導波路構造の屈折率よりも小さい必要がある。二酸化ケイ素材料を例とすると、その薄膜２２の屈折率は、約１.４６〜１.５の範囲にあるため、光導波路構造は、屈折率が約１.５６〜１.６の範囲であるポリマーを材料とすることができる。光導波路構造と、隣接する薄膜との屈折率の差異が大きいほど、光信号が全反射される条件の範囲も広くなり、すなわち、大きい角度の光ビームを伝送することができる。

この例において、光源デバイス２５ａは、従来技術の発光ダイオード、半導体レーザー、又は縦型空洞表面放出レーザー（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ、ＶＣＳＥＬと略称する）であってよく、受信した電気信号に基づいて、変換した光ビーム又は光信号を発生又は送信する。詳しくは、図２ａ及び２ｂに示すように、本発明の電気−光カプラモジュール２は、さらに電気信号伝送デバイス２３を含む。電気信号伝送デバイス２３は、薄膜２２上に形成され、かつ光源デバイス２５ａに電気的に接続される。また、電気−光カプラモジュール２は、さらに駆動回路２４を含む。この例において、駆動回路２４は、電気信号伝送デバイス２３上に配置され、かつ電気信号伝送デバイス２３及び後端のプリント基板２１に電気的に接続される。そのため、駆動回路２４は、電気信号伝送デバイス２３を介してプリント基板２１が提供する電気信号Ｅ１を受信し、光源デバイス２５ａを駆動することができる。

この例において、駆動回路２４は、直接半導体基板２０上にフリップチップパッケージされるため、ワイヤーにより各部品を接続する必要がない。他の実施例において、システムインパッケージ（ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｐａｃｋａｇｅ、ＳｉＰと略称する）により、電気−光カプラモジュールとプリント基板との間を電気的に接続することも可能である。プリント基板２１は、必要な回路デバイスを統合することができる。その中の駆動回路は、ワイヤーにより、又は半導体基板２０に金属貫通孔を形成することにより、電気信号伝送デバイス２３に電気的に接続される。

この例において、光源デバイス２５ａは、電気信号Ｅ１を受信し、それを光信号Ｏ１に変換し、続いて光導波路構造Ｇ１１へ送信することができる。光信号Ｏ１は、上記リフレクタＭ１１により反射された後、光導波路構造Ｇ１１の中で伝送される。好適な実施例において、光源デバイス２５ａと光導波路構造Ｇ１１との距離は、近いほどよい。それは、光ビームが光導波路構造Ｇ１１に入りやすくなり、かつ反射された光信号Ｏ１の光学経路が光導波路構造Ｇ１１の軸方向と平行することが確保されるためである。照射上微量に発散する光信号については、光信号が光導波路構造Ｇ１１内で光導波路構造Ｇ１１と薄膜２２との界面に接触する時、その入射角が全反射臨界角よりも大きいため、光信号は、全反射で光導波路構造Ｇ１１において伝送されることになる。したがって、光信号Ｏ１が細長いトレンチ構造Ｔ１２にまだ入っていない時に斜面トレンチ構造Ｔ１１で光導波路構造Ｇ１１を逸脱することのないように、斜面トレンチ構造Ｔ１１のＶ字形断面のサイズ設計を注意しなければならない。

電気−光カプラモジュール２は、同時に他の電気信号を伝送することもできる。例えば、図２ａ〜２ｃに示すように、電気−光カプラモジュール２は、４個の光源デバイスと対応する４個の光導波路構造及びリフレクタとを有する。もう１つの電気信号Ｅ２により説明すると、プリント基板２１が電気信号Ｅ２を提供することにより、駆動回路２４は、光源デバイス２５ｂを駆動する。光源デバイス２５ａ及び２５ｂは、単独に設置されても単一の装置として統合されてもよい。光源デバイス２５ｂは、電気信号Ｅ２を受信してそれを光信号Ｏ２に変換した後に送信する。光源デバイス２５ｂの下にも、対応するリフレクタＭ１３がある。

さらに、上記半導体基板２０には、対応する細長いトレンチ構造Ｔ１４もあり、その一端は、斜面トレンチ構造Ｔ１１の第２側壁Ｔ１１ｂを貫通して斜面トレンチ構造Ｔ１１と接続し、その表面上には薄膜２２がある。細長いトレンチ構造Ｔ１４及び一部の斜面トレンチ構造Ｔ１１の中には、光導波路構造Ｇ１２があるため、光信号Ｏ２は、前述した原理のように、光導波路構造Ｇ１２に入り、リフレクタＭ１３により反射される。１つの実施例において、第１側壁Ｔ１１ａ上の薄膜２２の全体表面に反射材料を塗布することにより、第１側壁Ｔ１１ａの全面にリフレクタを形成することができる。これにより、光源デバイス２５ａ及び２５ｂのそれぞれの位置に対応するリフレクタＭ１１及びＭ１３を提供する。

電気−光カプラモジュール２を外部へ取付けや伝送するため、プリント基板２１上に対応する伝導基部組立て２６を配置する。この例において、伝導基部組立て２６は、主に２つの伝導基部２６１、２６２を有し、かつそのサイズ又は構造は、従来技術のコネクタと組み合わせることができる。例えば、従来技術のサブマウントされたシリコン基板の光学モジュールに対して、外部信号を接続する光ファイバーコネクタ（ｆｉｂｅｒ ｒｉｂｂｏｎ ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）がある。詳しくは、各伝導基部には、コネクタのガイドピンを挿入するための対応する穴（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｈｏｌｅ）がある。同時に図３を参照されたい。図３は、本発明の電気−光カプラモジュール２が伝導基部組立て２６によりコネクタ３に取り付けられる構造を示す概略図である。この例において、伝導基部組立て２６は、上蓋状に設計され、一体成型技術により製造される。

したがって、伝導基部組立て２６のサイズ及び構造は、細長いトレンチ構造Ｔ１２の第２端Ｔ１２ｂ及び光導波路構造Ｇ１１（及び他の細長いトレンチ構造及び光導波路構造）の位置と合致する必要がある。設計上、使用するコネクタ３の規格及びサイズを考慮する必要がある以外、コネクタ３が含む光ファイバーの数も、電気−光カプラモジュール２の光導波路構造の数に対応しなければならない。また、コネクタ３は、伝導基部の穴に対応するガイドピンを有する必要がある。さらに、伝導基部組立て２６は、半導体基板２０のサイズ及び厚さも考慮しなければならない。一般的に、シリコン基板の厚さは、製造工程上で約２５ミクロン程度の精度を実現することができるため、かつ設計された伝導基部組立て２６は、接合又はダイボンドによりプリント基板２１上に配置されたとしても、エッチングを利用するか、又は接合の位置及び厚さを制御することにより、約１〜３ミクロン程度の精度で部品の配置を調整することができる。したがって、本発明は、各方向から伝導基部組立て２６の配置上の誤差を効果的に制御することができる。これにより、光導波路構造と後端の光ファイバーとを正確に接続することができるため、光信号を光ファイバーへ正確かつ効果的に送ることができる。

また、この設計は、繰り返し着脱することを可能にし、かつ取付けを便利にすることができる。モジュール全体の外見は、洗練になるだけでなく、コネクタを着脱してもモジュール内部の部品にダメージを与えることはない。もちらん、他の実施例において、伝導基部組立て２６は、他の設計で形成されてもよい。例えば、一体成型される上蓋状ではなく、２つの伝導基部をそれぞれ製造及び配置することができる。製造及び配置上の複雑度が増加するかもしれないが、それぞれの精度を調整することが可能になる。

一方、この電気−光カプラモジュールを受信端モジュールに応用することができる。図４は、本発明が提供する電気−光カプラモジュール４を示す側面概略図である。詳しくは、上記図２ａ〜２ｃにおける送信端モジュールが光信号Ｏ１を発した後、光信号Ｏ１は、光ファイバーにより伝送されると、図４における電気−光カプラモジュール４により受信、変換、及び伝送される。電気−光カプラモジュール４及び図２ａ〜２ｃにおける電気−光カプラモジュール２は、類似する構造や、部品の材料、機能、電気的な接続関係、配置位置を有する。図４では、対応する部品を類似する符号で示す。例えば、半導体基板４０、プリント基板４１、薄膜４２、電気信号伝送デバイス４３、伝導基部組立て４６、光導波路構造Ｇ１１'、リフレクタＭ１１'、斜面トレンチ構造Ｔ１１'、細長いトレンチ構造Ｔ１２'などがある。両者は、信号伝送及び変換の進行方向及び順番が逆であることのみに差異がある。また、受信端であるという設計目的に基づいて光源デバイスを光検出デバイス４５ａに置き換え、及び駆動回路２４をトランスインピーダンス増幅回路４４に置き換える。

光検出デバイス４５ａは、従来の光受信ダイオード又は光受信器（ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ、ＰＤと略称する）であってよく、受信した光信号に基づいて対応電気信号を生成するか、光信号を対応電気信号に変換する。詳しくは、光検出デバイス４５ａの位置は、リフレクタＭ１１'に対応し、光ファイバーから受信された光信号Ｏ１は、コネクタから光導波路構造Ｇ１１'に入ると、上記リフレクタＭ１１'により反射され、光検出デバイス４５ａに到達し、電気信号Ｅ１'（図２ａに示す電気信号Ｅ１と同じ伝送内容を有してよい）に変換される。類似するように、電気−光カプラモジュールは、プリント基板４１上に配置される。また、トランスインピーダンス増幅回路４４は、電気信号伝送デバイス４３により光検出デバイス４５ａに電気的に接続され、電気信号Ｅ１'を増幅してからプリント基板４１へ出力する。

同様に、電気−光カプラモジュール４は、１つだけでない光信号を同時に受信することができる。複数セットの光導波路構造、リフレクタ、及び光検出デバイスの組合せにより、異なる光信号の受信、変換、及び伝送などの動作を行うことができる。

本発明によれば、光信号は、モジュールにおいて、リフレクタにより反射された後に伝送されるため、光ビームは、非共平面の転向により、対応光導波路構造及び光ファイバーとの光学結合を実現することができる。したがって、本発明の電気−光カプラモジュールは、光信号が回路基板と回路基板との間で、又はチップとチップとの間での信号伝送を効果的に提供することができる。また、光信号の伝送経路は、複数回に反射又は転向されることが可能であるため、光信号を異なる方向にある部品へより効果的に伝送することができる。

以下に第２実施例を挙げて説明する。図５ａ及び５ｂを同時に参照されたい。図５ａ及び５ｂは、それぞれ本発明の電気−光カプラモジュール５を示す側面概略図及び立体概略図である。電気−光カプラモジュール５は、電気−光カプラモジュール２の架構に基づいて変更を加えたものである。両者の差異は、主に上記電気−光カプラモジュール５の半導体基板５０に、もう１つの斜面トレンチ構造Ｔ２３が形成されることにある。細長いトレンチ構造Ｔ２２（及び他の細長いトレンチ構造）の第２端Ｔ２２ｂは、斜面トレンチ構造Ｔ２３の第１側壁Ｔ２３ａを貫通し、かつ互いに接続する。また、好適な設計では、斜面トレンチ構造Ｔ２３と細長いトレンチ構造Ｔ２２とが互いに垂直する。すなわち、２つの斜面トレンチ構造Ｔ２１及びＴ２３は、互いに平行する。さらに、この例において、斜面トレンチ構造Ｔ２３の表面上には、薄膜５２があり、斜面トレンチ構造Ｔ２３の第２側壁Ｔ２３ｂ上の薄膜５２上にも、リフレクタＭ２２がある。細長いトレンチ構造Ｔ２２の光導波路構造Ｇ２１の中で伝送される光信号Ｏ１'は、リフレクタＭ２２により反射されるため、２回目の転向を形成する。このため、半導体基板５０から垂直に射出するという効果を奏する。

一方、この例において、伝導基部組立て５６についても対応するように変更を加える必要がある。図５ｂに示すように、伝導基部組立て５６の配置は、斜面トレンチ構造Ｔ２３内のリフレクタＭ２２の位置に対応する。接続時にコネクタ３が上から挿入されるように、伝導基部が有する穴は、上向きである。この例において、伝導基部組立て５６の２つの伝導基部は、接合又はダイボンドにより、それぞれプリント基板５１上に配置されるか、エッチングにより伝導基部組立て５６の厚さを制御することもできる。上記調整方法により、各光導波路構造とコネクタ３の対応光ファイバーとを正確に接合させることができる。また、この例における伝導基部組立て５６は、上蓋状ではなく、半導体基板５０の側端平面に沿う形であるが、それに限定されない。また、同じ概念及び架構は、受信端モジュールにも応用することができる。

上記第１実施例又は第２実施例に係る電気−光カプラモジュールについては、送信端モジュール又は受信端モジュールのみを説明した。しかし、本発明は、送受信端モジュールにも応用することができる。以下に第３実施例を挙げて説明する。図６は、本発明の電気−光カプラモジュール６を示す立体概略図である。前述した実施例との主な差異は、電気−光カプラモジュール６には、光源デバイス及び光検出デバイスが同時に設けられると共に、対応するリフレクタ及び光導波路構造が組み合わされることにある。電気−光カプラモジュール６は、同時に光信号を送信及び受信することができる。また、上記実施例で言及した配置変更のすべては、この送受信端モジュールに応用することが可能である。

さらに、図６に示す２組の信号伝送に基づいて説明する。光源デバイス６５ａと光検出デバイス６５とは、それぞれ配置されるか、又は一つの光−電気信号変換デバイスに統合されることが可能である。また、光源デバイス６５ａ及び光検出デバイス６５ｂがそれぞれ対応するリフレクタＭ３１、Ｍ３３も、斜面トレンチ構造Ｔ３１の第１側壁Ｔ３１ａ上に形成される。対応する光導波路構造Ｇ３１及びＧ３２は、細長いトレンチ構造Ｔ３２及びＴ３４内に形成されると共に、一部の斜面トレンチ構造Ｔ３１の中（表面上には薄膜６２がある）まで伸びる。後端にある駆動回路６４ａ及びトランスインピーダンス増幅回路６４ｂは、１つの制御回路に統合されると共に、電気信号伝送デバイス６３上に配置され、かつ電気的な接続を実現することが可能である。電気信号Ｅ１に応じて、対応光信号Ｏ１を生成するように光源デバイス６５ａを駆動し、続いて、光導波路構造Ｇ３１により光信号Ｏ１を伝送するか、又は光検出デバイス６５は、光導波路構造Ｇ３２から送ってきた光信号Ｏ２を対応電気信号に変換すると、制御回路は、増幅された電気信号Ｅ２を生成した後に出力する。

上記実施例に対してさらに変更を加えることが可能である。詳しくは、光源デバイス及び光検出デバイスが対応するリフレクタは、異なる斜面トレンチ構造上に形成されてよい。以下に第４実施例を挙げて説明する。図７は、本発明の電気−光カプラモジュール７を示す立体概略図である。その中、半導体基板７０の中で別の斜面トレンチ構造Ｔ４３を形成する。２つの斜面トレンチ構造Ｔ４１及びＴ４３は、位置が前後するため、接続していない。この実施例において、光源デバイス７５ａ及び光検出デバイス７５ｂが対応するリフレクタＭ４１及びＭ４３は、それぞれ斜面トレンチ構造Ｔ４１及びＴ４３の側壁上に形成されるため、対応する光導波路構造Ｇ４１及びＧ４２は、光信号Ｏ１、Ｏ２を伝送するための長さが異なる。

上記電気−光カプラモジュールに対してさらに変更を加えることが可能である。いくつかの上位の応用では、光信号の準位を検出するため、光検出監視デバイス（ｍｏｎｉｔｏｒ ＰＤ、ＭＰＤと略称する）が必要である。もし温度又は環境要因により伝送される光ビームの強度が増減する場合、光検出監視デバイスは、それを検出すると、光信号の強度を維持するため、光源デバイスの出力を調整するように駆動回路に通知することができる。

図８ａは、電気−光カプラモジュール７'を示す上面概略図である。光検出監視デバイス７５ｃ及び光源デバイス７５ａは、光検出デバイス７５ｂと同じように半導体基板上に配置される（簡潔のために、斜面トレンチ構造は未図示である）。細長いトレンチ構造及びその内部の光導波路構造Ｇ４１は、分岐部Ｇ４１ａを有する。分岐部Ｇ４１ａは、転向するように主な光導波路構造Ｇ４１と互いに接続する。これにより、一部の光信号は、分岐部Ｇ４１ａを通して光検出監視デバイス７５ｃに到達することができる。光検出監視デバイス７５ｃの下には、同様にリフレクタ（未図示、４５度の斜面であってよい）がある。

上記分岐部Ｇ４１ａについては、光導波路構造Ｇ４１と同じように、ポリマーを塗布し、また、露光・現像方法により必要な部位を定義及びエッチングすることができる。また、図８ｂに示す電気−光カプラモジュール７''は、他の種類の分岐部Ｇ４１ｂ及び光検出監視デバイス７５ｃの配置変更を示す。

上記第１実施例において、リフレクタを提供するため、斜面トレンチ構造（例えば、Ｔ１１）を利用する。しかし、もし直接斜面を提供することが可能であれば、別に斜面トレンチ構造を形成する必要はない。

以下に第５実施例を挙げて説明する。図９は、本発明の電気−光カプラモジュール８を示す立体概略図である。半導体基板８０には、交差しない細長いトレンチ構造（互いに平行又はほとんど平行する）が形成され、その一端には、対応するリフレクタが形成される。以下にその中の細長いトレンチ構造Ｔ５１に基づいて説明する。上記トレンチ構造Ｔ５１の第１端Ｔ５１ａは、斜面であり、好適な設計では４５度の斜面である。この斜面は、エッチング方法により直接形成することができる。この例において、先にトレンチ構造Ｔ５１の第１端Ｔ５１ａ上に、薄膜８２を形成した後、続いて第１端Ｔ５１ａ上の薄膜８２の上に反射材料を積層又は塗布することにより、リフレクタＭ５１を形成する。さらに、細長いトレンチ構造Ｔ５１内に光導波路構造Ｇ５１を形成すると、上記光導波路構造Ｇ５１の両端は、上記細長いトレンチ構造Ｔ５１の両端に対応するようになる。また、光−電気信号変換デバイス８５ａは、半導体基板８０上に配置されると共に、リフレクタＭ５１上から突出する。光−電気信号変換デバイス８５ａは、光信号を光導波路構造Ｇ５１に送信することができ、光信号は、リフレクタＭ５１により反射される。又は、光−電気信号変換デバイス８５ａは、光導波路構造Ｇ５１から送ってきてリフレクタＭ５１により反射された光信号を受信する。

この実施例における伝導基部組立て８６の配置及び関連変更は、前述した各実施例の説明を参考にすることができるため、ここで更なる説明を省略する。また、この実施例は、送信端、受信端及び送受信端モジュールに応用することができる。

したがって、以上をまとめると、本発明は、半導体製造工程の技術と全反射できる光導波路の信号伝送技術とを利用し、さらに対応するコネクタを組み合わせることにより、取り付ける、及び繰り返し着脱することができる。力をかけて光ファイバーを取り付ける、又はサイズの小さいトレンチ構造に光ファイバーを埋め込む必要がないため、使用上より便利になる上、着脱時に光−電気信号変換デバイスにダメージを与えることを効果的に防止することができる。また、本発明の設計は、配置上の精度をも効果的に制御することができるため、光信号を正確に光ファイバーに導入する、又は光ファイバーから導出し、信号伝送を行うことができる。本発明の概念は、従来技術の関連問題を効果的に解決することができるため、本発明の主な目的を達成することができる。

当業者は、本発明と同じ目的を前提として、本発明が開示した概念及び実施例の変更を利用して設計及び方法改良の基礎とすることが可能である。それらの変更、組み換え及び改良は、特許請求の範囲が限定する保護範囲を逸脱することができない。したがって、本発明に基づいて行った様々な変更もすべて特許請求の範囲の保護範囲に属する。

１０１、１０１ａ、１０１ｂ 結合装置
１０３、１２７ 半導体基板
１０５ トレンチ構造
１０７ リフレクタ
１０９、１０９ａ、１０９ｂ 光ファイバー
１１１ 光学デバイス
１１３ 光信号
１１５ プリント基板
１１７ コンタクト
１１９ 電気信号
１２３ バンプ
１２５ 回路
１３１ コンタクト
１３３ リッド
２、４、５、６、７、７'、７''、８ 電気−光カプラモジュール
３ コネクタ
２０、４０、５０、７０、８０ 半導体基板
２１、４１、５１ プリント基板
２２、４２、５２、６２、８２ 薄膜
２３、４３、６３ 電気信号伝送デバイス
２４、６４ａ 駆動回路
２５ａ、２５ｂ、６５ａ、７５ａ 光源デバイス
２６、４６、５６、８６ 伝導基部組立て
２６１、２６２ 伝導基部
４４、６４ｂ トランスインピーダンス増幅回路
４５ａ、６５ｂ、７５ｂ 光検出デバイス
７５ｃ 光検出監視デバイス
８５ａ 光−電気信号変換デバイス
Ｔ１１、Ｔ１１'、Ｔ１２、Ｔ１２'、Ｔ１４、Ｔ１６、Ｔ１８、Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３、Ｔ３１、Ｔ３２、Ｔ３４、Ｔ４１、Ｔ４３、Ｔ５１ トレンチ構造
Ｔ１１ａ、Ｔ２３ａ、Ｔ３１ａ 第１側壁
Ｔ１１ｂ、Ｔ２３ｂ 第２側壁
Ｔ１２ａ、Ｔ５１ａ 第１端
Ｔ１２ｂ、Ｔ２２ｂ 第２端
Ｍ１１、Ｍ１１'、Ｍ１３、Ｍ２２、Ｍ３１、Ｍ３３、Ｍ４１、Ｍ４３、Ｍ５１ リフレクタ
Ｇ１１、Ｇ１１'、Ｇ１２、Ｇ２１、Ｇ３１、Ｇ３２、Ｇ４１、Ｇ４２、Ｇ５１ 光導波路構造
Ｇ４１ａ、Ｇ４１ｂ 分岐部
Ｅ１、Ｅ１'、Ｅ２ 電気信号
Ｏ１、Ｏ１'、Ｏ２ 光信号

Claims (11)

1. プリント基板上に配置され、少なくとも１つの電気信号又は光信号に対する変換及び伝送に応用する電気−光カプラモジュールであって、
   該プリント基板上に配置される半導体基板と、
   該半導体基板中に形成され、斜面である第１側壁と、第２側壁とを有する斜面トレンチ構造と、
   該斜面トレンチ構造の該第１側壁に形成されるリフレクタと、
   該半導体基板中に形成され、かつ第１端が該斜面トレンチ構造の該第２側壁を貫通して該斜面トレンチ構造と接続する細長いトレンチ構造と、
   該半導体基板と、該斜面トレンチ構造と、該細長いトレンチ構造との上に形成される薄膜と、
   該半導体基板上に配置され、該電気信号を受信して対応光信号に変換するか、又は該光信号を受信して対応電気信号に変換し、また位置が該リフレクタの位置に対応する光−電気信号変換デバイスと、
   該細長いトレンチ構造及び一部の該斜面トレンチ構造内に配置され、かつ該薄膜上に位置され、第１端が該リフレクタに接続される光導波路構造と、
   該光導波路構造の第２端に対応するように該プリント基板上に配置され、伝送のため取付けを提供する伝導基部組立てと、を含み、
   該対応光信号は、該光導波路構造の該第１端から該光導波路構造に入り、該リフレクタにより反射された後、該光導波路構造の該第２端から出力されるか、又は該光信号は、該光導波路構造の該第２端から該光導波路構造に入り、該リフレクタにより反射された後、該光導波路構造の該第１端から該光導波路構造を離れることを特徴とする電気−光カプラモジュール。
2. 該薄膜は、誘電体膜であり、
   該光信号又は該対応光信号が全反射又は反射で該光導波路構造において伝送されるように、該薄膜の屈折率は、該光導波路構造の屈折率より小さいことを特徴とする請求項１に記載の電気−光カプラモジュール。
3. 該リフレクタと該半導体基板の底面との夾角は、４５±１５度であることを特徴とする請求項１に記載の電気−光カプラモジュール。
4. 該斜面トレンチ構造及び該細長いトレンチ構造は、半導体製造工程により該半導体基板をエッチングすることにより形成され、
   該光導波路構造は、半導体製造工程により形成され、
   該光導波路構造の材料は、ポリマーであることを特徴とする請求項１に記載の電気−光カプラモジュール。
5. 該薄膜上に形成され、該光−電気信号変換デバイスに電気的に接続され、該電気信号又は該対応電気信号を伝送する電気信号伝送デバイスをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電気−光カプラモジュール。
6. 該光−電気信号変換デバイスは、光源デバイスであり、
   該光源デバイスは、該電気信号を受信して該対応光信号に変換する発光ダイオード、半導体レーザー、又は縦型空洞表面放出レーザーであり、
   該電気−光カプラモジュールは、駆動回路をさらに含み、
   該駆動回路は、該電気信号伝送デバイス、該薄膜、又は該プリント基板の上に配置され、かつ該電気信号伝送デバイス及び該プリント基板に電気的に接続され、該プリント基板が提供する該電気信号に応じて該光源デバイスを駆動することを特徴とする請求項５に記載の電気−光カプラモジュール。
7. 該光−電気信号変換デバイスは、光検出デバイスであり、
   該光検出デバイスは、該光信号を受信して該対応電気信号に変換する光受信ダイオード又は光受信器であり、
   該電気−光カプラモジュールは、トランスインピーダンス増幅回路をさらに含み、
   該トランスインピーダンス増幅回路は、該電気信号伝送デバイス、該薄膜、又は該プリント基板の上に配置され、かつ該電気信号伝送デバイス及び該プリント基板に電気的に接続され、該対応電気信号を伝送及び増幅することを特徴とする請求項５に記載の電気−光カプラモジュール。
8. 該斜面トレンチ構造の該第１側壁上に形成されるもう１つのリフレクタと、
   該半導体基板中に形成され、第１端が該斜面トレンチ構造の該第２側壁を貫通して該斜面トレンチ構造と接続するもう１つの細長いトレンチ構造と、
   該半導体基板上に配置され、もう１つの電気信号を受信してもう１つの対応光信号に変換するか、又はもう１つの光信号を受信してもう１つの対応電気信号に変換し、かつ位置が該もう１つのリフレクタの位置に対応するもう１つの光−電気信号変換デバイスと、
   該もう１つの細長いトレンチ構造と一部の該斜面トレンチ構造との中に配置され、かつ該薄膜上に位置され、第１端が該もう１つのリフレクタに接続されるもう１つの光導波路構造と、をさらに含み、
   該薄膜は、該もう１つの細長いトレンチ構造上に形成され、
   該もう１つの対応光信号は、該もう１つの光導波路構造の該第１端から該もう１つの光導波路構造に入り、該もう１つのリフレクタにより反射された後、該もう１つの光導波路構造の第２端から出力されるか、又は該もう１つの光信号は、該もう１つの光導波路構造の該第２端から該もう１つの光導波路構造に入り、該もう１つのリフレクタにより反射された後、該もう１つの光導波路構造の該第１端から該もう１つの光導波路構造を離れることを特徴とする請求項１に記載の電気−光カプラモジュール。
9. 該半導体基板中に形成され、斜面である第１側壁と、第２側壁とを有するもう１つの斜面トレンチ構造と、
   該もう１つの斜面トレンチ構造の該第１側壁上に形成されるもう１つのリフレクタと、
   該半導体基板中に形成され、第１端が該もう１つの斜面トレンチ構造の該第２側壁を貫通して該もう１つの斜面トレンチ構造と接続するもう１つの細長いトレンチ構造と、
   該半導体基板上に配置され、もう１つの電気信号を受信してもう１つの対応光信号に変換するか、又はもう１つの光信号を受信してもう１つの対応電気信号に変換し、かつ位置が該もう１つのリフレクタの位置に対応するもう１つの光−電気信号変換デバイスと、
   該もう１つの細長いトレンチ構造と一部の該もう１つの斜面トレンチ構造との中に配置され、かつ該薄膜上に位置され、第１端が該もう１つのリフレクタに接続されるもう１つの光導波路構造と、をさらに含み、
   該薄膜は、該もう１つの斜面トレンチ構造上及び該もう１つの細長いトレンチ構造上に形成され、
   該もう１つの対応光信号は、該もう１つの光導波路構造の該第１端から該もう１つの光導波路構造に入り、該もう１つのリフレクタにより反射された後、該もう１つの光導波路構造の第２端から出力されるか、又は該もう１つの光信号は、該もう１つの光導波路構造の該第２端から該もう１つの光導波路構造に入り、該もう１つのリフレクタにより反射された後、該もう１つの光導波路構造の該第１端から該もう１つの光導波路構造を離れることを特徴とする請求項１に記載の電気−光カプラモジュール。
10. 該光信号の準位を検出する光検出監視デバイスと、
    該光導波路構造に接続される光導波路分岐部と、をさらに含み、
    一部の該光信号が該光導波路分岐部を通過して該光検出監視デバイスに到達することを特徴とする請求項１に記載の電気−光カプラモジュール。
11. プリント基板上に配置され、少なくとも１つの電気信号又は光信号に対する変換及び伝送に応用する電気−光カプラモジュールであって、
    該プリント基板上に配置される半導体基板と、
    該半導体基板中に形成され、第１側上にリフレクタが形成される少なくとも１つの細長いトレンチ構造と、
    該半導体基板と該細長いトレンチ構造との上に形成される薄膜と、
    該半導体基板上に配置され、該電気信号を受信して対応光信号に変換するか、又は該光信号を受信して対応電気信号に変換し、かつ位置が該リフレクタの位置に対応する少なくとも１つの光−電気信号変換デバイスと、
    該細長いトレンチ構造内に配置され、かつ該薄膜上に位置され、第１端が該リフレクタに接続される少なくとも１つの光導波路構造と、
    該光導波路構造の第２端に対応するように該プリント基板上に配置され、伝送のため取付けを提供する伝導基部組立てと、を含み、
    該対応光信号は、該光導波路構造の該第１端から該光導波路構造に入り、該リフレクタにより反射された後、該光導波路構造の該第２端から出力されるか、又は該光信号は、該光導波路構造の該第２端から該光導波路構造に入り、該リフレクタにより反射された後、該光導波路構造の該第１端から該光導波路構造を離れることを特徴とする電気−光カプラモジュール。