JP2012128225A - 光伝送基板および光伝送モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 光導波路の設計自由度が高い光伝送基板および光伝送モジュールを提供する。
【解決手段】 発光伝送モジュール１０は、厚み方向Ｄ１，Ｄ２に貫通し且つ第１方向Ｄ３，Ｄ４に延びている貫通孔２１ａを有する基板２１と、貫通孔２１ａの内に設けられている光学部材２２とを有し、貫通孔２１ａは、第１方向Ｄ３，Ｄ４に交差する第２方向Ｄ５，Ｄ６において対向して位置し且つ厚み方向Ｄ１，Ｄ２に沿って延びている突出部２１ｂの対を内周部に有している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光伝送基板および光伝送モジュールに関する。

近年、情報処理能力の向上を図るべく、集積回路素子などの電気素子の間の電気通信を光伝送に変更することが検討されている。例えば、特許文献１には、基板の厚み方向に延びる複数の光導波路を有する光伝送基板に、複数の発光素子などの光電変換素子を実装した光伝送モジュールが開示されている。この光導波路は、基板を厚み方向に貫通する複数の貫通孔の各々に設けられている。また、この光伝送基板では、貫通孔の数と、光導波路の数と、光電変換素子の数とが一致している。

特開２００４−２９４８５７号公報

しかし、特許文献１に記載された光伝送基板では、構成が複雑で光導波路の設計に制約があった。

本発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、光導波路の設計自由度が高い光伝送基板および光伝送モジュールを提供することを目的とする。

本発明の光伝送基板は、厚み方向に貫通し且つ第１方向に延びている貫通孔を有する基板と、前記貫通孔の内に設けられている光学部材とを有し、前記貫通孔は、前記第１方向に交差する第２方向において対向して位置し且つ前記厚み方向に沿って延びている突出部の対を内周部に有している。

本発明の光伝送モジュールは、本発明に係る光伝送基板と、前記第３光学部材に光学的に結合される光素子と、を含んで構成される。

本発明によれば、光導波路の設計自由度が高い光伝送基板および光伝送モジュールを提供することができる。

本発明に係る光伝送モジュールの１つの実施形態の概略構成を示す平面図である。 本発明に係る光伝送基板の１つの実施形態の概略構成を示す平面図である。 図２に示したIII−III線に沿った要部断面図である。 本発明に係る光伝送基板の製造工程の１つの実施形態を示す要部断面図である。 本発明に係る光伝送モジュールの他の実施形態の概略構成を示す平面図である。 図５に示した光伝送モジュールの一部構成を省略した平面図である。 図６に示したVII−VII線に沿った要部断面図である。 （ａ）は図５に示した光伝送モジュールの備える光配線基板の要部を拡大した平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したVIII−VIII線に沿った要部断面図である。

＜光伝送基板および光伝送モジュール＞
以下、本発明に係る光伝送基板および光伝送モジュールの一実施形態として光伝送基板２０および光伝送モジュール１０を例示し、図１〜３を参照しつつ説明する。

図１に示した光伝送モジュール１０は、光伝送基板２０と、光素子としての光電変換素子３０と、回路素子３１とを備えている。

図２，３に示した光伝送基板２０は、主基板２１と、光学部材２２と、電気配線２３とを備えている。

主基板２１は、光学部材２２および電気配線２３を支持する機能を担っている。この主基板２１の厚みとしては、例えば０．１〜２〔ｍｍ〕の範囲が挙げられる。この主基板２１としては、例えばガラス基材エポキシ樹脂基板、ガラス基材銅張基板、ポリイミド樹脂基板、セラミック基板などが使用される。この主基板２１は、単層の基板、または複数の基板を積層した積層体として形成される。本実施形態では、複層のセラミック基板を採用している。本実施形態の主基板２１は、複数の副基板２１１が積層されて構成されている。

この主基板２１は、厚み方向に貫通している貫通孔２１ａを有している。この貫通孔２１ａは、副基板２１１に設けられている副貫通孔２１１ａが連通して構成されている。この副貫通孔２１１ａは、副基板２１１の各々に設けられており、副基板２１１を厚み方向に貫通している。この厚み方向を図３ではＤ１，Ｄ２方向として示している。

この貫通孔２１ａは、主基板２１の面方向のうち、第１の方向に長く延びた構成となっている。この貫通孔２１ａは、第１の方向に延びる壁面から、当該第１の方向と交差する第２の方向に突出する突出部２１ｂを有している。この突出部２１ｂは、第２の方向において互いに対向している。つまり、この突出部２１ｂは、互いに対となっている。本実施形態では、この第１の方向をＤ３，Ｄ４方向とし、第２の方向をＤ５，Ｄ６方向としている。

この貫通孔２１ａの内には、光学部材２２が設けられている。光学部材２２は、光素子３０の発する光路として機能する。この１つの方向を本実施形態では配列方向としている。この配列方向を図１〜３ではＤ３，Ｄ４方向として示している。また、この配列方向は、主基板２１の面方向に延びている。

この光学部材２２は、主基板２１の主面から突出しており、貫通孔２１ａから突き出ている。本実施形態の光学部材２２は、樹脂の前駆体が表面張力によって盛り上がった状態で硬化している。本実施形態の主基板２１は、貫通孔２１ａに突出部２１ｂが設けられているので、樹脂の前駆体の表面張力を高めることができる。このように前駆体の表面張力を利用して、光学部材２２の突出部分をより球面に近づけることができる。この光学部材２２の突出部分は、レンズとして機能する。このレンズは、この光伝送基板２０の光貫通路２２ａの入出端となる。この実施形態では、光学部材２２が主基板２１の両面から突出しているが、一方の面から突出する構成であってもよい。

この光学部材２２には、１つの貫通孔２１ａの内に複数の光貫通路２２ａが設けられているので、１つの貫通孔の内に１つの光貫通路を設ける場合に比べて、中心間の間隔を狭
くすることができる。つまり、本実施形態の光伝送基板２０では、２つの光貫通路２２ａの間に主基板を介在させる場合に比べて中心間の間隔を狭くできる。

本実施形態のように、主基板２１として積層型セラミック基板を採用する際には、いっそう好適である。つまり、本実施形態の光伝送基板２０では、光貫通路２２ａの間に主基板が存在しないので、複数の副基板２１１を積層する際の積層ズレに対する許容誤差を大きくできる。

この光学部材２２を形成する材料としては、種々の樹脂が挙げられ、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂などが含まれる。本実施形態では、光学部材２２を形成する材料として、感光性を有する樹脂を採用している。このように感光性を有する樹脂を採用することで、フォトリソグラフィ技術を採用して光貫通路２２ａを形成できる。

電気配線２３は、光貫通路２２ａに光学的に結合する光電変換素子３０に電気的に接続されている。この電気配線２３は、主基板２１のＤ１方向側の表面に設けられている表面配線層２３１を含んでいる。この電気配線２３は、副基板２１１を貫通して形成されている貫通導体、および２つの副基板２１１の間に形成される中間配線層が含まれていてもよい。この貫通導体としては、中央が中空となった形状でも、また中央が導電ペーストなどにより埋められた構成でもかまわない。この貫通導体は、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を用いて形成できる。

上述のように、電気配線２３の表面配線層２３１には、光電変換素子３０が電気的に接続されている。本実施形態の光電変換素子３０は、電気配線２３の表面配線層２３１に金属バンプ、導電性接着剤などによって実装される。この光電変換素子３０と表面配線層２３１との接続部を除く他の部位は、保護層で覆われていてもよい。

この光電変換素子３０は、入力された電気信号に応じて光を発する機能、または入射された光に応じて電気信号に変換する機能を有している。この光電変換素子３０は、光貫通路２２ａに光学的に結合している。本実施形態の光電変換素子３０は、電気配線２３を介して入力された電気信号に応じて光貫通路２２ａに光信号を伝送する機能、または光貫通路２２ａを介して入力された光信号に応じて電気配線２３に電気信号を伝送する機能を担っている。

上述の光を発する光電変換素子３０としては、種々の発光素子が適用できる。この光電変換素子３０としては、例えば垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ；Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が好ましい。光を受ける光電変換素子３０としては、例えばフォトダイオード（ＰＤ；Photo Diode）など種々の受光素子が適用できる。この受光素子
としてＰＤを採用する場合は、応答速度の速い素子が好ましく、例えばＰＩＮ−ＰＤなどが挙げられる。

光電変換素子３０は、１つの素子に１つの光電変換部を有していても、１つの素子に複数の光電変換部を有していてもよい。本実施形態の光電変換素子３０は、１つの素子に１つの光電変換部を有している。１つの光電変換部は、１つの光貫通路２２ａに対応して配置されている。

回路素子３１は、電気配線２３を介して光電変換素子３０と電気的に接続されている。この回路素子３１は、光電変換素子３０の担う機能によって、担う機能が異なっている。光電変換素子３０が光を発する場合、回路素子３１は、光電変換素子３０に変調された電気信号（変調電圧）を入力して、光電変換素子３０の発光強度を制御している。また、光電変換素子３０が光を受ける場合、回路素子３１は、光電変換素子３０で受光する光信号
強度に応じて出力される電流信号を電圧信号に変換して出力している。また、この回路素子３１は、信号の波形を制御したり、ノイズ成分を除去したりする機能を併せ持っていてもよい。なお、光電変換素子３０で発する電気信号の出力が小さい場合、信号を増幅する機能を担っていても良い。この信号増幅機能は、光電変換素子３０自体が有していてもよい。また、この回路素子３１は、論理演算および数値計算を行う機能を有していてもよい。

＜光伝送基板の製造方法＞
以下、本発明に係る光伝送基板の製造方法の一実施形態として光伝送基板２０の製造方法を例示し、図４〜６を参照しつつ説明する。

まず、主基板２１を準備する。本実施形態の主基板２１は、次の工程を経て製造される。まず、図４（ａ）に示したように、焼成することで副基板２１１となる複数のグリーンシート２１１Ｘを準備する。次に、図４（ｂ）に示したように、このグリーンシート２１１Ｘに副貫通孔２１ａとなるシート孔２１１Ｘａを空ける。このシート孔２１１Ｘａには、突出部２１ｂとなる部位も設けられている。このシート孔２１１Ｘａの形成と併せて、電気配線２３の貫通導体に用いられる貫通孔が必要に応じて形成される。これらの孔空けは、種々の方法で形成でき、例えば、ピンおよび金型でシートを打ち抜いたり、レーザ光で削ったりして形成できる。次に、このグリーンシート２１１Ｘに電気配線２３となる金属ペーストを配置する。この金属ペーストは、例えばスクリーン印刷技術を利用したり、インクジェット印刷技術を採用したりして形成することができる。この電気配線２３となる金属ペーストとしては、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）、銀（Ａｇ）、および銅（Ｃｕ）などの金属を含有させたものが挙げられる。次に、図４（ｂ）に示したように、シート孔２１１Ｘａが連通するようにグリーンシート２１１Ｘを積層する。次に、積層したグリーンシート２１１Ｘを焼成して、図５（ａ）に示したように、貫通孔２１ａを有する主基板２１を形成する。このグリーンシート２１１Ｘの焼成と併せて金属ペーストを焼成し、電気配線２３を形成する。

次に、主基板２１の貫通孔２１ａに、硬化することによって光学部材２２となる透光性材料２２Ｘの液状前駆体を充填する。この透光性材料としては、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、およびポリイミド樹脂などを基材としたものが挙げられる。次に、透光性材料２２Ｘを硬化して、図３に示したように、第１光導波孔２２ａを有する光学部材２２を形成する。

上述の工程を経て、図３に示した光伝送基板２０を製造することができる。

＜光伝送モジュールの第２の形態＞
以下、本発明に係る光伝送モジュールの第２の実施形態として光伝送基板２０Ａおよび光伝送モジュール１０Ａを例示し、図５〜８を参照しつつ説明する。

図５に示した光伝送モジュール１０Ａは、光伝送基板２０Ａと、光素子としての光電変換素子３０と、回路素子３１と、光配線基板４０とを備えている。また、光電変換素子３０は、同様の構成であるので説明を省略する。

図６，７に示した光伝送基板２０Ａは、主基板２１に換えて主基板２１Ａを採用している点において光伝送基板２０と構成が異なっている。この光伝送基板２０Ａの他の構成は、光伝送基板２０と同様であるので説明を省略する。この主基板２１Ａは、軸受け孔２１Ａｂを有している点において主基板２１と構造が異なっている。この光伝送基板２０Ａの他の構造は、光伝送基板２０と同様であるので説明を省略する。

この軸受け孔２１Ａｂは、光貫通路２２ａの光学的な位置合わせの基準となるものである。この軸受け孔２１Ａｂは、主基板２１Ａの両主面のうちＤ１方向側の主面から、Ｄ２方向に窪んでいる部位である。つまり、この軸受け孔２１Ａｂは、光電変換素子３０が配置される側と反対側の主面から窪んでいる部位である。本実施形態の軸受け孔２１Ａｂは、厚み方向に貫通している。なお、この軸受け孔２１Ａｂは、厚み方向に貫通しているものに限られない。

この軸受け孔２１Ａｂは、２つ設けられている。この軸受け孔２１Ａｂの間には、光学部材２２が配置されている。本実施形態では、２つの軸受け孔２１Ａｂと、光学部材２２と、が配列方向に沿って配列されている。

図８に示した光配線基板４０は、支持基板４１と、光学層４２と、光軸部材４３とを有している。この光軸部材４３は、図８において省略し、図６，７に示している。また、この実施形態の光配線基板４０は、光軸部材４３を含んで構成されているが、この光軸部材４３を含んでなくてもよい。

この支持基板４１は、光配線基板４０の他の構成を支える機能を担っている。また、この支持基板４１は、光伝送基板２０Ａと、他の電気素子との電気的な接続も担っていてもよい。このような電気的な接続を担う支持基体４１としては、ベース基体とビルドアップ層とから構成され、貫通導体を有するビルドアップ基板が好適に用いられる。このようにビルドアップ基板に貫通導体を設けることによって、貫通導体を介して良好な放熱が可能となる。このビルドアップ層は、樹脂絶縁層と導電層とから構成される。樹脂絶縁層としては、例えば熱硬化性のエポキシ樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂などが使用される。この樹脂絶縁層の厚みとしては、例えば１０〜７０〔μｍ〕の範囲が挙げられる。この樹脂絶縁層は、レーザで微細な穴あけが可能であることが好ましい。この樹脂絶縁層によってビルドアップ層は、積層して複雑な電気配線パターンを引き回したり、狭い範囲に集約したりすることができる。

この支持基板４１には、Ｄ１方向側の主面からＤ２方向に窪んでいる軸受け穴４１ａが形成されている。この軸受け穴４１ａは、主基板２１Ａの軸受け孔２１Ａと対となる位置に設けられている。この軸受け穴４１ａは、光学層４２と、光学部材２２との光学的な位置合わせの基準となるものである。

光学層４２は、クラッド部４２１と、コア部４２２とを含んで構成されている。このクラッド部４２１は、光学層４２の母体として機能している。このコア部４２２は、クラッド部４２１の中に形成されている。このコア部４２２の屈折率は、クラッド部４２１の屈折率に比べて大きくなっている。クラッド部４２１の屈折率に比べてコア部４２２の屈折率を大きくすることで、光学層４２は、光信号を閉じ込めることができるようになり、光導波路として機能できるようになる。本実施形態のコア部４２２は、一部が光導波路４２２ａとして機能している。このコア部４２２の屈折率の、クラッド部４２１の屈折率に対する比屈折率差としては、例えば０．８〜４〔％〕の範囲内が挙げられる。

このコア部４２２は、クラッド部４２１の中に複数形成されており、各々が延在方向に沿って延びている。ここでは、延在方向をＤ５，Ｄ６方向として示している。この複数のコア部４２２は、上述の配列方向に沿って配列されている。この光配線基板４０では、コア部４２２が延びている延在方向が光伝送方向となる。このコア部４２２の大きさとしては、配列方向と厚み方向とに広がる面方向Ｄ１，Ｄ２−Ｄ３，Ｄ４において、一辺の長さまたは直径が例えば１０〜１００〔μｍ〕の範囲が挙げられる。

このコア部４２２には、光路変更部４２２ｂが形成されている。この光路変更部４２２
ｂは、光導波路４２２ａの端部に形成されている。この光路変更部４２２ｂは、光導波路４２２ａを伝送する光を、光導波路４２２ａの外部に伝送するように光路変換する機能、または光導波路４２２ａの外部から入射される光を光導波路４２２ａの内部へ光路変換する機能を担っている。つまり、このコア部４２２は、光路変更部４２２ｂよりも延在方向におけるＤ５方向側に位置する部位が光導波路４２２ａとして機能し、光路変更部４２２ｂよりも延在方向におけるＤ６方向側に位置する部位が光導波路４２２ａとして機能していない。

本実施形態では、光路変更部４２２ｂとして光反射面が形成されている。この光反射面は、光導波路４２２ａの光軸に対して傾斜しており、光の反射によって光路変更が可能となっている。この光反射面の傾斜角は、光導波路４２２ａの光軸方向と、光路変更する方向との二等分角であることが好ましく、この二等分角から±３度の範囲に形成される。

本実施形態の光学層４２は、上面から窪んでいる窪み部４２ａが形成されている。この窪み部４２ａは、クラッド部４２１およびコア部４２２が内周面に現れている。本実施形態では、窪み部４２ａによって、１つのコア部４２２が２つに分かれている。本実施形態では、この窪み部４２ａの内面に現れているコア部４２２の一部が光反射面として機能している。本実施形態では、この光反射面を光路変更部４２２ｂとしている。この光路変更部４２２ｂの上面を、金属などの反射膜で覆ってもよい。

また、この窪み部４２ａは、光反射面を介して光導波路４２２ａに光を入射する入射口、または光反射面を介して光導波路４２２ａを伝送する光を取り出す出射口として機能している。光反射面は、延在方向および厚み方向に対して、略４５°、具体的には４２°〜４８°の範囲で傾いている。なお、窪み部４２ａは、入射口、出射口として機能する範囲において、中空であっても充填物があっても構わない。

このクラッド部４２１と、コア部４２２とを形成する材料としては、例えば直接露光法が使用可能な樹脂、または屈折率変化法が使用可能な樹脂などが挙げられる。直接露光法が使用可能な樹脂としては、例えば感光性を有する樹脂が挙げられ、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂などが含まれる。また、屈折率変化法が使用可能な樹脂としては、紫外線（Ultra-Violet radiation、ＵＶ線）の照射により屈折率が低下する特性を有する樹脂が挙げられ、例えばポリシランなどの樹脂が含まれる。

なお、直接露光法とは、クラッド部４２１の下部を形成後、コア部４２２の材料を塗工してマスク露光によりコア部４２２を形成し、その上面および側面にさらにクラッド部４２１の材料を塗工形成して光学層４２を作製する方法である。また、屈折率変化法とは、コア部４２２となる部位以外にＵＶ線の照射を行ない、コア部４２２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。

光軸部材４３は、光貫通路２２ａと、光導波路４２２ａとの光学的な位置合わせの基準となる軸部材である。この光軸部材４３は、軸受け孔２１Ａｂおよび軸受け穴４１ａに挿入されている。この光軸部材４３は、直棒状のものが採用される。

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。

上述の光伝送基板２０の製造方法では、主基板２１としてセラミック基板を採用した製造方法を記載しているが、有機基板を採用して光伝送基板を製造してもよい。有機基板を採用して光伝送基板を製造する場合は、副基板の積層後に、基体を打ち抜き加工して、光学貫通孔を形成してもよい。このようにして、副基板を一括で打ち抜く場合は副貫通孔の
位置ズレを低減することができる。

上述の実施形態では、光配線基板４０として支持基板４１を有するものを採用しているが、この構成に限られない。例えば、光学部材２２が直接的に光ファイバーに光学的に接続されていてもよい。

１０・・・光伝送モジュール
２０・・・光伝送基板
２０ａ・・・光導波路
２１・・・主基板
２１ａ・・・貫通孔
２１ｂ・・・突出部
２１１・・・副基板
２１Ｘ・・・グリーンシート
２１１ａ・・・副貫通孔
２１１Ｘａ・・・シート孔
２２・・・光学部材
２２Ｘ・・・感光性材料
２３・・・電気配線
２３１・・・表面配線層
３０・・・光電変換素子
４０・・・光配線基板
４１・・・支持基板
４１ａ・・・軸受け穴
４２・・・光学層
４２ａ・・・窪み部
４２１・・・クラッド部
４２２・・・コア部
４２２ａ・・・光導波路
４２２ｂ・・・光路変更部
４３・・・光軸部材

Claims (4)

1. 厚み方向に貫通し且つ第１方向に延びている貫通孔を有する基板と、前記貫通孔の内に設けられている光学部材とを有し、
   前記貫通孔は、前記第１方向に交差する第２方向において対向して位置し且つ前記厚み方向に沿って延びている突出部の対を内周部に有している、光伝送基板。
2. 前記光学部材は、前記貫通孔から突出している、請求項１に記載の光伝送基板。
3. 前記基板は、厚み方向に貫通している副貫通孔を有する副基板が複数積層されて構成され、且つ前記副貫通孔が連通して前記貫通孔を構成している、請求項１または２に記載の光伝送基板。
4. 請求項１に記載の光伝送基板と、
   該光伝送基板の上に実装される光素子と、を含んで構成される、光伝送モジュール。

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