JP2014029466A - 光伝送基板、光伝送モジュールおよび光回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】光素子とコア部材の光結合損失を抑制することが可能な光伝送基板、光伝送モジュールおよび光回路基板を提供する。
【解決手段】光伝送基板は、光素子６が実装される実装領域を上面側に有し、実装領域内に上下方向に貫通する貫通孔を有する基板２と、貫通孔内に位置している、上下方向に貫通する光導波孔を有するクラッド部材３と、光導波孔内に位置している、屈折率がクラッド部材３よりも高いコア部材４と、コア部材４の上側端面４Ａからクラッド部材３の上側端面３Ａの少なくとも一部にかけて設けられた、屈折率がコア部材４と同じかまたは高い導光部材５とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、光伝送基板、光伝送モジュールおよび光回路基板に関するものである。

近年、情報処理能力の向上を図るために、集積回路素子などの電気素子の間の電気伝送を光伝送に変更することが検討されている。そこで、基板の平面方向に設けられた光導波路に光素子を光学的に接続する必要があるが、光素子として面受光素子または面発光素子を用いた場合に、スルーホールを有する光伝送基板を用いて光素子と光導波路を光学的に接続する光伝送モジュールの構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開2004−294857号公報

しかしながら、光素子を光伝送基板に対して、例えば半田などを用いたバンプを用いて実装する場合、光素子の受発光面とコア部材との間の距離が離れていることから、光素子とコア部材との間における光結合損失が大きいという問題があった。

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、光素子とコア部材との間における光結合損失を抑制することが可能な光伝送基板、光伝送モジュールおよび光回路基板を提供することを目的とする。

本発明の光伝送基板は、光素子が実装される実装領域を上面側に有し、該実装領域内に上下方向に貫通する貫通孔を有する基板と、前記貫通孔内に位置している、上下方向に貫通する光導波孔を有するクラッド部材と、前記光導波孔内に位置している、屈折率が前記クラッド部材よりも高いコア部材と、該コア部材の上側端面から前記クラッド部材の上側端面の少なくとも一部にかけて設けられた、屈折率が前記コア部材と同じかまたは高い導光部材とを有する。

また、本発明の光伝送モジュールは、上述の光伝送基板と、前記実装領域に実装された、前記コア部材に光学的に接続された受発光面を有する光素子とを有する。

さらに、本発明の光回路基板は、上述の光伝送モジュールと、該光伝送モジュールが載置された、前記コア部材に光学的に結合された第２コア部材および第２クラッド部材で構成された光導波路が第２基板に形成された光配線基板とを有する。

本発明によれば、光素子とコア部材との間における光結合損失を抑制することが可能な光伝送基板、光伝送モジュールおよび光回路基板を提供することができる。

本発明の実施形態に係る光伝送基板を含む光伝送モジュールの概略構成を示す斜視図である。 図１の光伝送基板の概略構成を示す平面図である。 図１および図２の光伝送基板の断面図であり、図２のＡ−Ａ’線に沿って切断したときの断面に相当する。 図３の光伝送基板の貫通孔の周辺を拡大した拡大断面図である。 図２の光伝送基板の変形例であり、一部を拡大した拡大平面図である。 図２の光伝送基板の変形例であり、図５のＢ−Ｂ’線で切断した断面図である。 図２の光伝送基板の変形例であり、一部を拡大した拡大平面図である。 図７に示す光伝送基板の断面図であり、図７のＣ−Ｃ’線で切断した断面図である。なお、光素子を電極パッドにバンプ導体を介して実装したときの図である。 図１の光伝送基板の変形例に係る光伝送基板を、光配線基板に実装した光回路基板の断面図であり、図７のＣ−Ｃ’線で切断した断面に相当する。 図１に示す光伝送基板のその他の実施形態を示すものであり、図２のＡ−Ａ’線で切断した断面に相当する。 図10に示す光伝送基板の変形例を示すものであり、図２のＡ−Ａ’線で切断したときの断面の一部を拡大したものである。 図１に示す光伝送基板の変形例を示すものであり、図２のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。

＜光伝送基板＞
本発明の一実施形態に係る光伝送基板について、以下説明する。本実施形態に係る光伝送基板１は、図１〜図４に示すように、実装領域Ｒｈに光素子６が実装された光伝送モジュール９として用いられる。光伝送基板１は、図３に示すように、貫通孔２ａを有する基板２、クラッド部材３、コア部材４および導光部材５を有している。

基板２は、クラッド部材３およびコア部材４を支持する機能を担っている。基板２の厚みとしては、例えば0.01ｍｍ以上１ｃｍ以下の範囲が挙げられる。また、基板２の一辺（図２におけるＤ３、Ｄ４方向またはＤ５、Ｄ６方向）は、例えば１ｍｍ以上10ｃｍ以下に設定することができる。基板２は、例えばセラミック材料を焼成させて作製した基板などが使用される。

基板２の材料は、具体的に、例えばジルコニア（熱膨張係数：10×10^−６[１／℃]）、アルミナ（熱膨張係数：８×10^−６[１／℃]）、炭化珪素（熱膨張係数：４×10^−６[１
／℃]）または窒化珪素（熱膨張係数：５×10^−６[１／℃]）などのセラミック材料を用
いることができ、これらを混ぜて用いてもよい。複数のセラミック材料を混ぜて用いた場合、熱膨張係数を調整することができ、材料選択性を向上させることができる。基板２は、単層の基板を用いてもよいし、複数の副基板を積層した積層体を用いてもよい。本実施形態では、図３に示す通り、単層のセラミック材料からなる基板を採用している。また、基板２の材料として、エポキシ樹脂などの有機材料を用いてもよい。

基板２は、実装領域Ｒｈに重なる位置に上下方向に貫通する貫通孔２ａを有している。貫通孔２ａは、平面視したときの面積が、例えば0.01ｍｍ^２以上５ｍｍ^２以下となるように設定することができる。基板２が複数の副基板を積層した積層体である場合には、貫通孔２ａは、副基板に設けられる副貫通孔が連続して構成されている。副貫通孔は、副基板の各々に設ければよく、副基板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。

貫通孔２ａは、基板の上下方向に垂直な方向に切断したときの断面における開口形状は適宜設定することができる。開口形状としては、例えば、多角形状、円形状または楕円形状などを用いることができる。なお「楕円形状」の中には、厳密に楕円となっていなくて
もよく、例えば長方形の角部分を弧状に滑らかにした弧状部を持つような形状も含むものである。本実施形態では、開口形状が、長軸および短軸を持つ四角形状の角部分を弧状にした弧状部を持つ楕円形状で構成されている。

クラッド部材３は、貫通孔２ａ内に位置している。クラッド部材３としては、例えばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂またはアクリル樹脂などを用いることができる。クラッド部材３には、厚み方向に貫通している光導波孔３ａが設けられている。本実施形態では、光導波孔３ａをクラッド部材３に１つだけ有する場合について説明するが、光導波孔３ａは複数であってもよい。

光導波孔３ａの各々の内には、コア部材４が設けられている。コア部材４は、クラッド部材３よりも屈折率が高い材料によって構成されている。具体的に、コア部材４の屈折率としては、クラッド部材３の屈折率に対しての比屈折率差が0.8％以上４％以下の範囲内
に設定することができる。コア部材４の材料としては、クラッド部材４よりも屈折率を高くした、例えばエポキシ樹脂などを用いることができる。コア部材４は、コア部材４の径としては、例えば１μｍ以上100μｍ以下の範囲が挙げられる。なお、このコア部材４は
、光導波孔３ａ内に充填されていることから、光導波孔３ａの径とほぼ同じ径であり、光導波孔３ａの形状、径の大きさによって設定される。

光導波孔３ａは、クラッド部材４に複数有してもよく、その場合、コア部材４は複数の光導波孔３ａ内にそれぞれ位置するように設けられる。このようにクラッド部材３にコア部材４を複数設けることによって、複数の信号を伝送することができるため、光伝送基板１または光伝送モジュール９を小型化することができる。

導光部材５は、図３および図４に示すように、コア部材４の上側端面４Ａからクラッド部材３の上側端面３Ａの少なくとも一部にかけて設けられている。すなわち、導光部材５は、コア部材４の上側端面４Ａ、およびクラッド部材３の上側端面３Ａの少なくとも一部を含む領域に設けられている。導光部材５の厚みは、光素子６の受発光面６Ａとコア部材４の上側端面４Ａとの間隔よりも小さくなるように設ければよく、例えば0.01μｍ以上３μｍ以下となるように設定することができる。

また、導光部材５は、屈折率が、コア部材４の屈折率と同じかまたは高くなるように設定されている。導光部材５は、コア部材４と同じ材料で形成しても良いし、コア部材４と異なる材料で形成しても良い。導光部材５の屈折率を、コア部材４の屈折率よりも高くする場合は、コア部材４の屈折率に対して、例えば0.1％以上0.5％以下高く設定すればよい。

導光部材５を、コア部材４と同じ材料で形成することにより、導光部材５とコア部材４とを一体的に設けることができる。この場合、導光部材５とコア部材４との界面に接合面が形成されにくくして、当該界面で反射されにくくすることができる。導光部材５とコア部材４とを同じ材料で形成することによって、両者の屈折率差を小さくすることができ、両者の界面でさらに反射されにくくすることができる。

導光部材５がコア部材４およびクラッド部材３の上側に設けられている場合について説明したが、導光部材５は、コア部材４およびクラッド部材３の下側に設けられていてもよいし、両側に設けられていてもよい。また、導光部材５は、貫通孔２ａから基板２の上面２Ａまたは下面２Ｂにかけて張り出していてもよく、この場合、例えば導光部材５をソルダレジストとして用いることができる。

本実施形態の光伝送基板は、コア部材４の上側端面４Ａに導光部材５が設けられている
。そのため、光素子６が例えば発光素子である場合、受発光面６Ａから出射した光が導光部材５に入射することとなる。その結果、導光部材５の屈折率が外部の屈折率よりも高いことから、光の広がりを抑えた状態でコア部材４の上側端面４Ａに入射させることができ、光素子６のコア部材４に対する光結合損失を抑制することができる。

また、本実施形態の光伝送基板は、導光部材５の屈折率が、コア部材４の屈折率と同じかそれよりも高くなるように設定されている。そのため、導光部材５に入射した光が、コア部材４に入射する際に、両者の界面で光素子６側に反射されにくくすることができる。その結果、光素子６のコア部材４に対する光結合損失を抑制することができる。

さらに、本実施形態の光伝送基板は、導光部材５が、コア部材４の上側端面４Ａからクラッド部材３の上側端面３Ａの少なくとも一部にかけて設けられている。そのため、外部から光がコア部材４に侵入しようとしても、クラッド部材３の屈折率よりも高い屈折率の導光部材５が設けられていることから、外部と導光部材５との界面で大きく屈折させることによって、コア部材４に侵入しにくくすることができる。その結果、光伝送基板１において、ノイズが信号に混ざることを抑制することができる。

（光伝送基板の変形例１）
クラッド部材３に光導波孔３ａ（およびコア部材４）を複数設けてもよい。複数の光導波孔３ａは、図５に示すように、一方向（図５のＤ３、Ｄ４方向）に配列するように配置されている。その場合には、導波部材５を、図５に示すように、複数のコア部材４の上側端面４Ａからクラッド部材３の上側端面３Ａの少なくとも一部にかけて設ければよい。光導波孔３ａの配列方向における間隔としては、例えば50μｍ以上250μｍ以下の範囲に設
定することができる。

また、光導波孔３ａは、上下方向のいずれか一方の向かうにつれて、径が徐々に小さくなっていてもよい。換言すると、光導波孔３ａは、上下方向のいずれか一方にテーパー形状となっていてもよい。光導波孔３ａをテーパー形状とすることにより、入射光側および出射光側の開口を調整することができる。その結果、この構造の光伝送基板１を用いた光回路基板11において、光素子６および第２コア部材13の光結合損失をさらに抑制することができる。

さらに、複数の光導波孔３ａのうち隣接する２つの光導波孔３ａは、図６に示すように、上下方向において、互いに逆方向に径が徐々に小さくなっていてもよい。隣接する２つの光導波孔３ａにおいて、互いに逆方向に径を徐々に小さくすることによって、隣接する２つの光導波孔３ａの距離を、配列方向（Ｄ３、Ｄ４方向）に小さくすることができるため、光伝送基板１を小型化することができる。

（光伝送基板の変形例２）
光伝送基板１は、図１などに示すように、実装領域Ｒｈ内に光素子６が実装される電極パッド７を設け、電極パッド７に電気的に接続され、且つ実装領域Ｒｈから外側に引き出された配線導体８を基板２の上面２Ａに設けてもよい。その際に、導光部材５は、図７および図８に示すように、貫通孔２ａから電極パッド７を越えて配線導体８にかけて張り出しているとともに、電極パッド７を露出させる接続孔５ａを有していてもよい。本変形例２では、導光部材５が、コア部材４と同じ材料で構成されている場合であり、導光部材５およびコア部材４は一体的に（連続して）設けられている。なお、コア部材４は光導波孔３ａ内に位置する部分を示し、導光部材５はコア部材４の上端面４Ａからクラッド部材３の少なくとも一部に位置する部分を示す。

導光部材５が、貫通孔２ａから電極パッド７を越えて配線導体８にかけて張り出すよう
に設けられており、且つ導光部材５には電極パッド７を露出させる接続孔５ａを有している。そのため、導光部材５を、バンプ導体10に対するソルダレジストとして用いることができる。その結果、光伝送基板１に光素子６が実装された光伝送モジュール９において、光素子６とコア部材４との光結合損失を抑制することができるとともに、配線導体８の電気特性を維持することができる。

＜光伝送モジュール＞
本発明の一実施形態に係る光伝送モジュールについて、以下説明する。光伝送モジュール９は、図１に示すように、光伝送基板１と、光素子６を有するものである。このような光素子６は、基板２上に形成された電極パッド７にバンプ導体10を介して電気的に実装される。

光素子６は、基板２の実装領域Ｒｈに実装され、コア部材４に光学的に接続された受発光面（受光面または発光面）６Ａを有している。光素子６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。光素子６は、コア部材４に光学的に結合するように配置されている。本実施形態の光素子６は、入力された電気信号に応じてコア部材４に光信号を伝送する機能、またはコア部材４を介して入力された光信号に応じて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素子６としては、種々の発光素子または受光素子を適用できる。発光素子としては、例えば垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ；Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を用いることができる。受光素子としては、例えばフォトダイオード（ＰＤ；Photo Diode）などを用いることができる。

バンプ導体10としては、例えばペースト状の半田などを用いることができる。光素子６は、電極パッド７上に塗布した、バンプ導体10となる導電性材料の上に搭載される。その後、光素子６、バンプ導体10となる導電性材料および電極パッド７をリフローすることによって、光素子６が電極パッド７にバンプ導体10を介して固定される。

＜光回路基板＞
本発明の一実施形態に係る光回路基板について、以下説明する。光回路基板11は、図９に示すように、光伝送モジュール９および光配線基板12を有している。図９において、光伝送基板１は、導光部材５が、コア部材４およびクラッド部材３において、上側端面４Ａから上側端面３Ａの少なくとも一部だけでなく、下側端面４Ｂから下側端面３Ｂの少なくとも一部にかけても設けられている場合について説明する。

光配線基板12は、コア部材４に光学的に結合された第２コア部材13および第２クラッド部材14で構成された光導波路が第２基板15に形成されている。第２コア部材13および第２クラッド部材14は、例えば、それぞれコア部材４およびクラッド部材３と同じ材料で形成することができる。第２コア部材13および第２クラッド部材は、第２基板15の平面方向に形成されており、第２コア部材13は第２基板15の主面に沿って設けられている。

第２コア部材13の一部には、光路変換面13ａが設けられている。コア部材４および第２コア部材13は、それぞれ異なる光軸を有していることから、光路変換面13によって、コア部材４および第２コア部材13が光学的に接続される。

また、本実施形態の光回路基板11では、導光部材５が、コア部材４の下側端面４Ｂからクラッド部材３の下側端面３Ｂの少なくとも一部にもかけて設けられている。そのため、コア部材４から出射した光が、導光部材５を通って、第２クラッド部材14を介して第２コア部材13に入射することとなり、コア部材４から出射した光の広がりを抑制することがで
きる。その結果、コア部材４と第２コア部材13との光結合損失を低減することができる。

本発明の光伝送基板、光伝送モジュールおよび光回路基板は、上述の実施形態に限られず、種々の変更を施してもよい。なお、上述では、主に、光素子６が発光素子の場合について説明したが、光素子６が受光素子の場合でも良い。受光素子の場合には、コア部材４から出射した光が横方向に広がるのを抑制して受光素子の受光面６Ａに入射させることができる。また、コア部材４と受光面６Ａとの間に導光部材５が位置していることによって、外部から光が受光面６Ａに侵入しにくくすることができ、ノイズが信号に混ざることを抑制することができる。

光伝送基板１、光伝送モジュール９および光回路基板11は、図１に示すように、回路素子16を有していてもよい。回路素子16は、例えば、上述の基板２に形成された配線導体８に電気的に接続されて実装される。光素子６が発光素子である場合、回路素子16は光素子６に変調した電気信号（変調電圧）を入力して、光素子６の発光強度（ＯＮ−ＯＦＦを含む）を制御する。光素子６が受光素子である場合、回路素子16は、光素子６で受光した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する。

また回路素子16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。光素子６から出力される電気信号が小さい場合、信号を増幅する機能を担っていても良い。また信号増幅機能は、光素子６自体が有していてもよい。さらに回路素子16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。

さらに、光伝送モジュールは、図10に示すように、導光部材がコア部材４の下端面４Ｂ側にのみ設けられていてもよい。以下の説明において、コア部材４の下端面４Ｂ側の導光部材を第２導光部材17と便宜上称する。図10に示す光伝送モジュール90は、第２導光部材17が、コア部材４の下端面４Ｂからクラッド部材３の下端面３Ｂにかけて設けられている。このように第２導光部材17が設けられていると、図９に示すような光回路基板11の構成において、コア部材４と第２コア部材13が光学的な接続をする際に、光結合損失を低減することができる。

図10では、第２導光部材17が、コア体17ａとクラッド体17ｂを有している場合である。第２コア体17ａは、コア部材４と光学的に接続されるように配置される。このように第２導光部材17がコア体17ａとクラッド体17ｂで構成されている場合には、光の導波特性を向上させることができる。その結果、図９に示すような光回路基板11の構造において、コア部材４と第２コア部材13を光学的に接続する際に、光結合損失を抑制することができる。

コア体17ａは、図11に示すように、コア部材４の幅よりも大きく形成されていてもよい。コア体17ａの幅は、例えば、コア部材４の幅以上であって、第２コア部材13の幅以下に設定することができる。コア体17ａをこのような幅に設定することにより、例えば、第２コア部材13から光が入射する際に光の結合損失を抑制することができる。このような図11の構造は、図９の光回路基板11の構造に適用できる。

また光伝送モジュール90は、図12に示すように、下面２Ｂに設けられた、光素子６と電気的に接続される第２電極パッド18をさらに有しており、第２導光部材17は、第２電極パッド18を露出させる第２接続孔17ｃを有していてもよい。

第２接続孔17ｃは、図12において、第２電極パッド18の外縁よりも内側に重なるよう配置されている。このように配置されていることにより、バンプ導体を介して、光回路基板の電気配線に実装する際に、第２電極パッド18よりも外側の基板２の下面２Ｂにバンプ導体が流れることを抑制することができる。バンプ導体としてはボール半田などを用いるこ
とができる。

第２接続孔17ｃの幅は、ボール半田からなるバンプ導体の幅（バンプ導体をリフローする前の状態）よりも大きく設定することができる。また、第２導光部材17の厚みは、例えば、バンプ導体の幅よりも小さく設定される。第２導光部材17の厚みは、バンプ導体の幅に対して、例えば８割以下となるように設定することができる。具体的には、バンプ導体として直径250μｍのボール半田を用いた場合、第２導光部材17の厚みは200μｍに設定することができる。なお、ボール半田は、球体状の半田を主成分とする導体材料である。

また、導光部材５を、例えば図８のように、基板２の上面２Ａ側にも設ける場合には、第２導光部材17の厚みを、導光部材５の厚み（上側端面３Ａからの厚み）よりも厚くなるように設定することができる。すなわち、導光部材５の厚みを、第２導光部材17の厚みよりも薄くすることができ、導光部材５が熱収縮または熱膨張することを抑制することができる。その結果、例えば、光素子６の位置がずれることを抑制することができる。

さらに、図12の光伝送モジュールは、コア体17ａを有していない構造の場合を示しているが、図10または図11の構造のようにコア体17ａおよびクラッド体17ｂを有していてもよい。

１ 光伝送基板
２ 基板
２Ａ 上面
２Ｂ 下面
２ａ 貫通孔
Ｒｈ 実装領域
３ クラッド部材
３Ａ 上側端面
３Ｂ 下側端面
３ａ 光導波孔
４ コア部材
４Ａ 上側端面
４Ｂ 下側端面
５ 導光部材
５ａ 接続孔
６ 光素子
６Ａ 受発光面
７ 電極パッド
８ 配線導体
９ 光伝送モジュール
10 バンプ導体
11 光回路基板
12 光配線基板
13 第２コア部材
13Ａ 光路変換面
14 第２クラッド部材
15 第２基板
16 回路素子
17 第２導光部材
17ａ コア体
17ｂ クラッド体
18 第２電極パッド

Claims (9)

1. 光素子が実装される実装領域を上面側に有し、該実装領域内に上下方向に貫通する貫通孔を有する基板と、
   前記貫通孔内に位置している、上下方向に貫通する光導波孔を有するクラッド部材と、
   前記光導波孔内に位置している、屈折率が前記クラッド部材よりも高いコア部材と、
   該コア部材の上側端面から前記クラッド部材の上側端面の少なくとも一部にかけて設けられた、屈折率が前記コア部材と同じかまたは高い導光部材と、
   を有する光伝送基板。
2. 前記導光部材は、前記コア部材と同じ材料で形成されている請求項１に記載の光伝送基板。
3. 前記クラッド部材は前記光導波孔を複数有するとともに、前記コア部材は複数の前記光導波孔内にそれぞれ位置しており、前記導光部材は、複数の前記コア部材の端面から前記クラッド部材の端面の少なくとも一部にかけて設けられている請求項１または２に記載の光伝送基板。
4. 前記実装領域内に設けられた、前記光素子が実装される電極パッドと、該電極パッドに電気的に接続され、且つ前記実装領域から外側に引き出された配線導体とを有しており、前記導光部材は、前記貫通孔から前記電極パッドを越えて前記配線導体にかけて張り出しているとともに、前記電極パッドを露出させる接続孔を有している請求項１〜３のいずれかに記載の光伝送基板。
5. 前記導光部材が、前記コア部材の下側端面から前記基板の下面の少なくとも一部にかけて設けられた第２導光部材をさらに有する請求項１〜４のいずれかに記載の光伝送基板。
6. 前記基板には、前記下面に設けられた、前記光素子と電気的に接続される第２電極パッドがさらに形成されており、前記第２導光部材は、前記第２電極パッドを露出させる第２接続孔を有している請求項５に記載の光伝送基板。
7. 前記第２導光部材の厚みが、前記導光部材の厚みよりも大きい請求項５または６に記載の光伝送基板。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の光伝送基板と、
   前記実装領域に実装された、前記コア部材に光学的に接続された受発光面を有する光素子と、
   を有する光伝送モジュール。
9. 請求項８に記載の光伝送モジュールと、
   該光伝送モジュールが載置された、前記コア部材に光学的に結合された第２コア部材および第２クラッド部材で構成された光導波路が第２基板に形成された光配線基板と、
   を有する光回路基板。
   

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