JP2012226100A - 光回路 - Google Patents

Abstract

【課題】45度ミラーを介して光素子と導波を結合する光回路に関し、部品点数の削減と、低コスト実装、面型光素子と導波路の間の距離の短尺化、結合効率の再現性、面型光素子のはがれにくさ、良好な電気特性をすべて満足できる構造が求められた。
【解決手段】45度ミラーを介してポリマー導波路と面型光素子の間を結合する光回路において、45度ミラーは電気配線基板の一部で構成され、面型光素子の一部が電気配線基板とはんだ、もしくは、バンプを介して接合しており、かつ、ポリマー導波路のコア層表面が、電気配線基板表面の高さに揃っており、ポリマー導波路のコア層と光素子の間が空気の層で形成されることであることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、サーバ、ルータ、HPC（high-performance computing）に適用する光インターコネクション用の光回路に関する。

10Gbps以上のインターコネクションを高速化するにあたって、電気伝送では限界があることが認識されつつある。例えば、電気伝送では、筐体間の伝送距離を確保するために波形整形回路を付加するなどしているが、これが消費電力を増大させるなどの問題を生じさせる。

そこで、光インターコネクションを用いることによって波形整形回路を不要とし、これにより、消費電力を低減することが提案されている。光インターコネクションを用いる場合、光モジュールを使って、電気信号を光信号に変換し、また、光信号を電気信号に変換することが必要である。このような光モジュールの例として、非特許文献1や非特許文献2にはマルチチャンネルの光トランシーバが報告されている。

非特許文献1の図1や非特許文献2の図7、図9に示されるように、光モジュールは、光駆動回路（LDD（レーザー・ダイオード・ドライバー）、TIA（トランスインピーダンスアンプ））と、光素子（発光素子、受光素子）と、レンズと、電気配線と、光配線と、ミラーと、コネクタと、を備える。このような光モジュールでは面発光レーザ（VCSEL；Vertical Cavity Surface Emitting LASER（垂直共振器面発光レーザ））が用いられる。VCSELは端面発光レーザに比べて動作電流が小さく、これを駆動するICの消費電力を抑制できるメリットがある。

面発光レーザでは、チップに対して垂直な方向に光が出射される。このため、非特許文献1のようにポリマー導波路を光信号線路に用いる場合や、非特許文献2のように面発光レーザをＭＭＦ（Multi Mode Fiber、マルチモード光ファイバー）に結合したためにモジュールが実装されるボードとボードとの間隔が狭くなる場合には、45度ミラーとレンズとを介した光回路で光素子と導波路との間の光結合を行なっている。45度ミラーには作製しやすいという利点があるが、光素子と導波路との間の距離が長いとその間を伝播する間に光が広がってしまう。従って、面発光レーザを用いる従来の構成で高効率の光結合を実現するためには、45度ミラーとレンズとを共に使用する必要があった。

ここで、45度ミラーとレンズとの組み合わせを用いないで光路を変換するものとしては、特許文献1の図14や図17に示される光路変換部品がある。この特許文献1の構造においては、光を導波路に閉じ込めたままで45度ミラーによる光路変換が行われるので、光路変換において光が広がることがないという利点がある。特許文献4（特開2005-77640号公報）、特許文献6（特開2009-14859号公報）、特許文献7（特開2001-330746号公報）にも同様の構成が開示されている。

また、特許文献2の図4のようにミラーを形成するとともにコア層に隣接して光素子を配置する構造が提案されている。これによれば、コア層に隣接して光素子を配置することで光が広がることを抑制でき、光素子と光導波路との間において良好な結合が実現できる。

特許文献3では、この文献の図1に示されるように45度ミラーは電気配線基板の一部として構成される。導波路はSi基板上に形成され、そのコア層はプロトンなどをイオン注入されたシリコン酸化膜からなり、下層を金属薄膜、上層を空気、両サイドをシリコン酸化膜からなるクラッド層で囲まれ、光は導波路コアに閉じ込められる。光電子ICチップに搭載された光素子は45度ミラーに対向するように配置され、光素子と光導波路との結合が実現される。特許文献5（特開2009-294657号公報）にも同様の構成が開示されている。

また、非特許文献3の図1のように45度ミラーを介して光素子をポリマー導波路と直接結合する方法も提案されている。この非特許文献3ではビア上に光素子が実装されている。

特開2007-334343号公報 特開2006-178282号公報 特開平5-67770号公報 特開2005-77640号公報 特開2009-294657号公報 特開2009-14859号公報 特開2001-330746号公報

OFC/NFOEC2008 予稿集 OThS4 ECTC2008 予稿集 1838ページ IEEE CPMT Symposium Japan 2010 予稿集 279 ページ

電気伝送を代替するような光インターコネクションには低コストが求められるが、光モジュールの部品コストおよびアセンブリコストが高いためにＨＰＣや高級ルータなどの高価な装置にしか導入が進んでいなかった。非特許文献1や非特許文献2のようにレンズとミラーとを使う光モジュールに対しては、低コスト化に向けて部品点数の削減が必要になる。

レンズを用いない特許文献1、特許文献4、特許文献6、特許文献7のような構造であれば、部品点数を減らすことができる。しかしながら、部材の作製ばらつきを考慮すると光路変換部品と導波路との間の光軸調整が難しく、画像処理などを利用した低コストの実装手法を用いることができないという問題がある。

同じくレンズを用いない特許文献2のような構造でも部品点数を減らすことが可能であると考えられる。しかしながら、導波路に使用されるポリマー材料に対して電極パッドがはがれやすく、光素子がとれやすいという問題がある。特に、静電容量を増加させないように信号線側に使われるパッドを小さくしなければならないので、ますます電極パッドがはがれやすくなるという問題がある。

特許文献3の構成では光素子は光電子ICチップの中にある。光電子ICチップは、導波路を形成したシリコン基板に対して搭載される。導波路を形成したシリコン基板に対して接合するのは光電子ICチップの中央に配置された電子回路部である。したがって、この場合、チップのはがれの問題は生じない。

しかしながら、コア層と光素子との間の距離は、コア層表面とシリコン基板表面との高さの差分がゼロだとしても、シリコン基板表面高さと光電子ICチップ表面との位置の差分、および、光電子ICチップと光素子との高さの差分により決定される。また、製造上のばらつきによって光電子ICチップに反りがある場合も想定されるが、この特許文献3の構成では、コア層と光素子との間の距離ばらつきを小さくするような間接的手段をとることが困難である。このため、光素子と導波路との間の結合損失が大きくなってしまう可能性がある。特許文献5にも同様の問題がある。
また、特許文献3では、発光素子から受光素子の間の光導波路の下層を電源線を兼ねた金属薄膜で構成しており、光導波路が長いとフリーキャリアによる光吸収によって光が大いに減衰してしまうという問題もある。

同じくレンズを用いない非特許文献3のような構造で部品点数を減らすことが可能である。この構造では、光素子はビア上のパッドに接続されるので、素子のはがれの問題もない。
しかし、光素子と導波路との距離はクラッド層およびバンプを介して長くなるので、結合損失が大きい。また、このような構成だとコア層の深さ制御や、上部クラッド層の厚みの作製ばらつきが、結合損失のばらつきに影響するという問題もある。また、光素子と光ＩＣとをともにビアを介して電気配線基板に接続しているので、電気特性の劣化も生じうる。

以上のような問題から、45度ミラーを介して光素子と導波路とを結合する光回路に関し、部品点数の削減、低コスト実装、面型光素子と導波路との間の距離の短尺化、結合効率の再現性、面型光素子のはがれにくさ、および、良好な電気特性、をすべて満足できる構造が求められた。

本発明の光回路は、
45度ミラーを介してポリマー導波路と面型光素子との間を結合する光回路であって、
前記45度ミラーは電気配線基板の一部で構成され、
前記導波路のコア層が前記45度ミラーに接しており、かつ、前記コア層の表面の高さが前記電気配線基板の表面の高さに揃っており、
前記面型光素子は前記45度ミラーの直上において前記電気配線基板と前記コア層とに跨がって配設され、
前記面型光素子の一部が前記電気配線基板とハンダもしくはバンプを介して接合している
ことを特徴とする。

第1実施形態に係る光回路の断面図。 光回路の作製手順を示す図。 光回路の作製手順を示す図。 変形例1を示す図。 変形例2を示す図。 変形例2を示す図。 変形例3を示す図。 変形例4を示す図。

本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第1実施形態）
図1は、第1実施形態に係る光回路100の断面図を示す図である。
光回路100は、電気配線基板103と、45度反射ミラー104と、導波路111と、面型光素子108と、を備える。
電気配線基板103は、基板101と、基板上に配置された電気配線層102と、を有し、電気配線層102に電気配線がなされている。基板101や電気配線層102の材料としては、セラミックス、テフロン（登録商標）のほか、ＦＲ４などのガラスエポキシやＬＴＣＣ、ポリイミドなどが例として挙げられる。基板101と電気配線層102との張り合わせには異種材料を組み合わせてもよい。

電気配線層102の端面が45度の傾斜面1021に形成されており、基板101の上面において電気配線層102に連続するようにポリマー導波路111が形成されている。
ここで、ポリマー導波路111のコア層105の上面の高さは、電気配線層102の上面の高さに揃えられている。そして、45度の傾斜面1021には金属薄膜1041が蒸着されるなどにより反射鏡となっており、これにより45度反射ミラー104が形成されている。45度反射ミラー104として金属薄膜1041を用いる場合、例えばTi、Pt、Au、Ni、Cu、Ag、Sn、およびこれらの組み合わせが適用できる。材料の選定にあたっては、使用する光の波長帯や材料との密着性を考慮して選択する。

ポリマー導波路111は、基板101の上に形成されたクラッド層106と、クラッド層の上に形成されたコア層105と、を有する。
光導波路111に用いるポリマーとしては、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエーテルイミド、シクロオレフィン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルスルフォン、ポリイミド、フッ素化ポリイミド、重水素化ポリイミド、ポリノルボルネン、エポキシ樹脂、エポキシ−ノボラック樹脂、シアネート樹脂、ＢＴ（ビスマレイミド・トリアジン）樹脂、ベンゾシクロブテン、フッ素化ベンゾシクロブテン、ポリシロキサン、重水素化ポリシロキサン、アルキル置換型シロキサン、シリコーン樹脂、重水素化シリコーン樹脂、フッ素化ポリエーテル、ポロフルオロメタクリレート、ＵＶ硬化型エポキシ樹脂、ＵＶ硬化型アクリル樹脂、ＵＶ硬化型ハロゲン化アクリル樹脂、アラミド樹脂、フッ素化アラミド樹脂、スルフォン化アラミド樹脂などが挙げられる。
ポリマー導波路111は、シリコン酸化膜導波路に較べて低温プロセスで形成できるので、高温には耐えられないが低コストである電気配線基板103も用いることができる。

コア層105は、光軸に垂直な断面でみると、左右と下部とをポリマーのクラッド層106によって囲まれており、さらに、コア層105の上部は空気層107となっている。コア層105の屈折率は、クラッド層106および空気層107の屈折率よりも大きく、コア層105に光が閉じ込められる。
ここで、特許文献3（特開平5-67770号公報）の光導波路と較べると、コア層105の下部がポリマーからなるクラッド層106で構成されているのでフリーキャリア吸収に伴う光の減衰が小さくなっている。

面型光素子108は、面発光型の発光素子（面発光レーザ）か、面型のフォトダイオード（面型PIN-PD）である。モノリシックにレンズが形成された面発光レーザや面型ＰＩＮ―ＰＤがあればこれを用いてもよい。面型光素子108は、電気配線基板103とポリマー導波路111とをまたいで配置されている。
詳しくいうと、面型光素子108は、電気配線層102とコア層105とにまたがって配設されている。
このとき、面型光素子108は、前記45度反射ミラー104の直上に位置している。そして、面型光素子（面発光型の発光素子）108から発光された光は45度反射ミラー104を介してポリマー導波路111と結合する。
また、光導波路111からの光は45度反射ミラー104を介して面型光素子（面型フォトダイオード）108に結合する。
面型光素子108は、はんだやバンプ109を介して電気配線基板103上に形成された電極パッド110と接合されている。これにより、面型光素子108がはがれにくくなり、信頼性が高くなる。
なお、裏面発光型の面発光レーザや裏面照射型の面型ＰＤを用いる場合、光素子108と電気配線基板103（電気配線層102）との信号線接続にワイヤーボンディングを用いてもよい。

このような45度反射ミラー104を含む光回路100の作製手順を説明する。
図2、図3の（a）から（ｇ）は、光回路100の作製手順を示す図である。
(a)基板101上に電気配線層102を張り合わせる。電気配線基板103は、例えばFR4（Flame Retardant Type 4）で形成する。電気配線層102の厚みは例えば60μｍとする。
(b)張り合わせた電気配線層102のエッジをダイシングにより45度に加工して傾斜面1021を形成し、さらに、45度面を含め金属薄膜1041を形成する。これにより、45度反射ミラー104が形成される。

(c)ポリマー導波路111の一部となるクラッド層106の材料202を基板101および電気配線層102の全面に形成し、平坦化する。クラッド層106を形成するポリマー材料としては、エポキシ材料202が挙げられ、このエポキシ材料202をスピンコートで全面に120μｍの厚さで形成したあと、平坦化する。

(d)アッシングにより、ポリマー材料202の表面を電気配線層102の表面に一致させる。
(e)コア層105を形成する部分にドライエッチングで溝203を形成する。溝203は、例えば、幅30μｍ、深さ30μｍ、とする。

(f)ポリマー導波路111のコア層105の材料204を全面に形成し、平坦化する。コア層105を形成するポリマー材料としては、エポキシ材料が挙げられる。
(g)アッシングによりポリマー材料204の表面を電気配線層102の表面に一致させる。
これにより、溝203内にコア層105が形成される。

すべてのアッシング工程において、電気配線基板103の表面に対して光を当て、その反射光をモニターすることで、電気配線基板103の表面とポリマー材料202、204の表面との位置あわせが可能となる。
最後に電気配線層102の電極パターンをドライエッチングで復元し、ポリマー導波路111の表面にも面型光素子108を搭載するための電極パターンを形成し、光素子108を搭載して光回路100が完成する。

ここで、面型光素子108を配置実装する際、面型光素子108と45度反射ミラー104との位置関係は、基板面内方向に関して45度の傾斜面の上側の線とコア/クラッド境界とにより特定でき、低コストな画像認識を用いたビジュアルアライメント技術が適用できる。

面型光素子108を配置するにあたっては、45度反射ミラー104を用いているので、面型光素子108を電気配線基板103とポリマー導波路111との境界の直上に配置するのではなく、電気配線基板103とポリマー導波路111との境界よりもポリマー導波路111の側に面型光素子108をずらし、発光エリア中心もしくは光吸収エリア中心がコア/クラッド境界の直上にくるように配置することで最大結合効率が得られる。

ここで、45度反射ミラー104のための45度傾斜面1021は、電気配線層102と基板101とを張り合わせたあとに形成したが、電気配線層102と基板101とを張り合わせる前に電気配線層102のエッジを45度斜面に形成しておいてもよい。
また、45度反射ミラー104を形成する際に全面に金属薄膜1041を蒸着したが、所定箇所に孔が開いた金属マスクを用いることで45度反射ミラー104とする部分にのみ金属薄膜201を形成するようにしてもよい。

ポリマー導波路111を製造するにあたっては、上記の方法に限定されない。たとえば、コア層105の形成方法としては工程(d)でクラッド層106を平坦化した後、コア層105になる部分にドーパントを選択的に拡散させてもよい。

このような構成を備える第１実施形態によれば、次の効果を奏する。
本第1実施形態は、レンズを用いずに面型光素子とポリマー導波路とを結合する構成である。このため、部品が少ない分、コストを削減できる。

また、面型光素子の一部が電気配線基板とハンダもしくはバンプを介して接合している。したがって、面型光素子がポリマー導波路上のみにハンダもしくはバンプを介して接合される場合に比べ、本実施形態の構成の方が面型光素子がはがれにくい構造となる。

また、面型光素子とコア層との間の距離は、はんだもしくはバンプの厚みのみで制御される。例えば、はんだバンプの厚みを制御して、面型光素子108と光導波路111の間隔を20μｍとするなどのように制御できる。はんだもしくはバンプの厚みは電気配線基板の表面位置を基準にして制御できる。

本実施形態によれば、クラッド層106のさらにその上の層に面型光素子を搭載する方法にくらべ、光素子108とコア層105の距離を近づけることができ、高効率の結合が実現できる。さらに、クラッド層106の厚みのばらつきが小さいので、結合効率の再現性も高い。具体的には、面型光素子と光導波路との結合損失は、再現性よく、0.5ｄＢ以下に抑制された。

また、面型光素子と電気配線基板との接続にビアを用いていないので良好な電気特性が期待される。

コア層の屈折率をクラッド層および空気層の屈折率よりも大きくしているので、クラッドの一部が空気層であっても光がコア層に閉じ込められる。面型光素子とコア層との間にはクラッドがないのでその分近づけて、光結合が可能となる。

コア層の厚みばらつきの影響もなく、高効率かつ再現性の高い結合が可能となる。ポリマー導波路はシリコン酸化膜にくらべ形成温度が低いのでSi基板やセラミック上以外のＦＲ４などのガラスエポキシやＬＴＣＣ、ポリイミドなどの上にも形成でき、低コスト材料を用いることができる。

（変形例1）
基板101上に張り合わせる電気配線層102の面積は、基板101の面積に対して50％とするよりも、0％もしくは100％に近いほうがスピンコートなどでポリマーを形成する場合に、これを平坦化しやすい。
例えば、図4に示す電気配線層では、では、LSIや光ICなどの多くの電子部品を搭載することに応じて、FPGAなどのLSIを搭載する領域301、307と、レーザドライバICを搭載する領域302と、面発光レーザアレイを搭載する領域303と、ＰＤアレイを搭載する領域305と、レシーバICを搭載する領域306が確保されている。

そして、図4のように、光が伝播する部分304のみが加工除去されている。これにより、電気配線層102の基板101に対する面積比が高くなることで平坦化が進みやすい。電気配線層102を基板101に張り合わせたあとに４５度面をダイシングで形成し、ミラー電極を蒸着したのちに、前述の手順と同じく、光が伝播する部分304に光導波路111のクラッド層106とコア層105を作製する。

（変形例2）
図5のように、面型光素子108から離れた部分を表面保護層401で覆ってもよい。
これにより導波路111の表面を保護することができる。
表面保護層401の材料は、コア層105より屈折率の小さい材料であればよく、ポリマー材料のほかSiOx、SiOxNy、SiNxなどの誘電体を用いることもできる。
表面保護層401をポリマー材料で形成する場合には、感光性のポリマー材料を用いるとフォトリソグラフィー技術により容易に形成することができる。

表面保護層401を誘電体材料で形成する場合には、形成方法としてはスパッタ、ＣＶＤ、ＰＣＶＤ、Ｅ-gun蒸着などがあり、レジストを用いたリフトオフプロセスや金属マスクでパターン形成することができる。表面保護層401を誘電体材料で形成すると、表面保護層401上の電極パッドの密着性を改善できる利点もある。

表面保護層401をポリマー材料で形成した場合でも、添加物を加えることで電極パッドとの密着性を改善できる場合がある。
しかし、添加物を加えることで光学特性が劣化する場合がある。したがって、添加物の影響を抑えた上でポリマー導波路111を電気配線基板103に形成する場合には、有効であると考えられる。

ポリマーよりも硬度の高い誘電体などで表面保護層401を形成する場合、表面保護層401の厚みは1ミクロン以下としてもよい。
この場合には、表面保護層401が光結合に与える影響は無視できるので、図6のように、表面保護層501を面型光素子108の直下にも形成してもよく、表面保護層501を面型光素子108とコア層105との間まで含めて一体的に形成してもよい。

（変形例3）
図7のように、面型光素子108の近傍では、屈折率がコア層105よりも小さい封止材601をコア層105の上部に流し込んでもよい。これにより、面型光素子108とコア層105との間の光反射を抑制することができる。また、封止材601の屈折率は空気よりも高いので、空気中に較べて光の広がりが抑制される。これにより、面型光素子108と導波路111との間でより高効率の光結合が可能となる。
封止材601の屈折率がコア層105よりも小さいので、封止材601とクラッド層106との間で光が閉じ込められる。したがって、封止材601が広がっても問題はない。
なお、上記封止材601に代えて、屈折率がコア層105よりも小さいマッチングオイルを使用してもよい。

（変形例4）
また、ポリマー導波路111上の金属パッドの密着性をあげるために図8のような構成をとることも可能である。
ここでは説明のために面型光素子108を電気配線基板103に接続する直前の図を示し、図は面型光素子108と電気配線基板103の間に間隙をあけた図となっている。この場合、光が通過する部分以外のコア層105の表面が金属薄膜701で覆われている。45度反射ミラーの直上に位置する金属薄膜701のピンホール702を通して面型光素子108とポリマー導波路111との間で光が結合する。ポリマー導波路111のコア層105は、左右と下部をポリマーのクラッド層106により囲まれ、上部が金属薄膜701で構成されたミラーとなる。

コア層105の上下がクラッド層106と金属薄膜ミラー701となっていることにより光が閉じ込められ、光がコア層105を伝播する。
ただし、金属薄膜で覆われる領域は全体の光導波路の一部であるため、光の減衰は小さい。光素子108を接合するパッドをポリマー導波路111の側にも形成することが必要であるところ、金属薄膜701がポリマー導波路111側に形成されることにより、ポリマー導波路111側のパッドの面積を広くとることができ、これにより、パッド強度を強くすることができる。結果として、面型光素子108がはがれにくくなり、光回路100の信頼性をより高めることができる。

以上説明したように、本発明によれば、45度反射ミラーを介して面型光素子と導波路とを結合する光回路に関し、部品点数および材料コストの削減と、実装作業の低コスト化、面型光素子と導波路の間の距離の短尺化、結合効率の再現性、面型光素子のはがれにくさ、良好な電気特性、をすべて満足できる構造を実現した。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

100…光回路、101…基板、102…電気配線層、103…電気配線基板、104…45度反射ミラー、105…コア層、106…クラッド層、107…空気層、108…面型光素子、109…バンプ、110…電極パッド、111…導波路、201…金属薄膜、202…クラッド層の材料、203…溝、204…コア層の材料、301、307…LSIを搭載する領域、302…レーザドライバICを搭載する領域、303…面発光レーザアレイを搭載する領域、304…光が伝播する部分、401…表面保護層、501…表面保護層。601…封止材、701…金属薄膜、702…ピンホール、1021…傾斜面、1041…金属薄膜。

Claims (6)

1. 45度ミラーを介してポリマー導波路と面型光素子との間を結合する光回路であって、
   前記45度ミラーは電気配線基板の一部で構成され、
   前記導波路のコア層が前記45度ミラーに接しており、かつ、前記コア層の表面の高さが前記電気配線基板の表面の高さに揃っており、
   前記面型光素子は前記45度ミラーの直上において前記電気配線基板と前記コア層とに跨がって配設され、
   前記面型光素子の一部が前記電気配線基板とハンダもしくはバンプを介して接合している
   ことを特徴とする光回路。
2. 請求項1に記載の光回路において、
   前記導波路は、ポリマー材料で構成されたポリマー導波路である
   ことを特徴とする光回路。
3. 請求項1または請求項2に記載の光回路において、
   前記コア層の屈折率は、空気層の屈折率よりも大きく、
   前記コア層と前記面型光素子との間が空気の層で形成されている
   ことを特徴とする光回路。
4. 請求項1または請求項2に記載の光回路において、
   前記コア層の表面には、表面保護層が設けられている
   ことを特徴とする光回路。
5. 請求項1または請求項2に記載の光回路において、
   前記コア層と前記面型光素子とに挟まれた領域において光が通過する部分以外に金属薄膜が設けられ、この金属薄膜は光導波路の一部を覆おうように形成されている
   ことを特徴とする光回路。
6. 請求項1から請求項5のいずれかに記載の光回路において、
   前記コア層と前記面型光素子との間にマッチングオイルまたは封止材が配置され、前記マッチングオイルおよび封止材の屈折率は、前記コア層の屈折率よりも小さい
   ことを特徴とする光回路。

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