JP2018091890A - 光電気混載基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】光の伝播損失をさらに小さくすることができる光電気混載基板を提供する。
【解決手段】本発明の光電気混載基板A1,B1は、電気回路基板Eと、上記電気回路基板Eの片面に積層形成され光路用のコア7を有する光導波路Wと、上記電気回路基板Eの、上記光導波路Wと反対側の面に実装された発光素子11,受光素子12とを備え、上記光導波路Wのコア7が、光Lを反射して上記コア7と上記発光素子11,受光素子12との間の光伝播を可能とする光反射面7a,7bが形成された端部と、上記コア7の端部側から上記発光素子11,受光素子12に向かって延設された延設部7A,7Bと、その延設元である主部とを有しており、そのコア7の延設部7A,7Bと、その延設元であるコア7の主部7Dとは、それらの軸方向に直角な断面形状が互いに異なっている。
【選択図】図1

Description

本発明は、電気回路基板と、この電気回路基板に実装された光素子と、上記電気回路基板に積層形成された光導波路と備えた光電気混載基板に関するものである。
最近の電子機器等では、伝送情報量の増加に伴い、電気配線に加えて、光配線が採用されている。そのようなものとして、例えば、つぎのような光電気混載基板(第1の従来例)が提案されている。この光電気混載基板は、絶縁層の表面に電気配線が形成されてなる電気回路基板と、この電気回路基板の上記絶縁層の裏面(電気配線の形成面と反対側の面)に積層された光導波路〔第1クラッド層,コア(光配線),第2クラッド層〕と、上記電気配線の形成面のうち上記光導波路の両端部に対応する部分に実装された発光素子および受光素子とを備えている。この光電気混載基板では、光導波路の両端部が、上記コアの長手方向(光の伝播する方向)に対して45°傾斜した傾斜面に形成され、その傾斜面に位置するコアの部分が光反射面になっている。また、上記絶縁層は、透光性を有しており、上記発光素子と一端部の光反射面との間および上記受光素子と他端部の光反射面との間で、上記絶縁層を通して光が伝播可能となっている。
上記光電気混載基板における光の伝播は、つぎのようにして行われる。まず、発光素子から光が一端部の光反射面に向けて発光される。その光は、上記絶縁層を通過した後、光導波路の一端部の第1クラッド層を通り抜け、コアの一端部の光反射面で反射して(光路を90°変換して)、コア内を、長手方向に進む。そして、そのコア内を伝播した光は、コアの他端部の光反射面で反射し(光路を90°変換し)、受光素子に向けて進む。つづいて、その光は、他端部の第1クラッド層を通り抜けて出射され、上記絶縁層を通過した後、受光素子で受光される。
しかしながら、上記発光素子から発光された光、および他端部の光反射面で反射した光は、拡散する。そのため、一般に、上記発光素子の発光部の発光面は狭く、上記受光素子の受光部の受光面は広く形成されているものの、やはり有効に伝播される光の量が少なく、光の伝播損失が大きい。
そこで、光の伝播損失を小さくすべく、光導波路において、上記光反射面に対応するコアの端部側から上記発光素子,受光素子に向かってコアを延設し、その延設部の先端面と上記発光素子の発光部との間の距離、および上記延設部の先端面と上記受光素子の受光部との間の距離を短くした光電気混載基板(第2の従来例)が提案されている(例えば、特許文献1参照)。すなわち、この光電気混載基板では、上記発光素子の発光部から上記延設部の先端面までの距離を短くしているため、上記発光素子の発光部の発光面から発光された光があまり拡散しないうちに、その光を上記コアの延設部の先端面に入射させることができる。また、同様に、上記延設部の先端面から上記受光素子の受光部までの距離を短くしているため、上記コアの延設部の先端面から出射した光があまり拡散しないうちに、その光を上記受光素子の受光部の受光面で受光することができる。そのため、光の伝播損失を小さくすることができる。
特開2010−140055号公報
しかしながら、最近では、光の伝播損失をさらに小さくすることが求められている。上記特許文献1の光電気混載基板は、その点で改善の予知がある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、光の伝播損失をさらに小さくすることができる光電気混載基板の提供をその目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明の光電気混載基板は、電気回路基板と、上記電気回路基板の片面に積層形成され光路用のコアを有する光導波路と、上記電気回路基板の、上記光導波路と反対側の面に実装された光素子とを備え、上記光導波路のコアが、光を反射して上記コアと上記光素子との間の光伝播を可能とする光反射面に形成された端部と、そのコアの端部側から上記光素子に向かって延設された延設部と、その延設元である主部とを有する光電気混載基板であって、上記コアの延設部と、上記コアの主部とは、それらの軸方向に直角な断面の形状が互いに異なっているという構成をとる。
なお、本発明において、上記断面形状が相似形のものは、断面の寸法が互いに異なることになるから、断面の形状が互いに異なっているものとして扱う。
本発明者らは、上記コアの延設部が形成された光電気混載基板において、光の伝播損失をさらに小さくすべく研究を重ねた。その過程で、上記コアの延設部と、その延設元であるコアの主部との、それらの軸方向に直角な断面の形状を互いに異なるようにすることに着想した。従来は、上記コアの延設部の先端面と光素子との間の距離を短くすることに重点をおいていたため、コアの延設部を、その延設元であるコアの主部と同じ寸法に形成しており、上記のように互いの断面形状が異なるようにする発想には至らなかった。そのため、上記コアの延設部も、その延設元であるコアの主部も、同じ断面形状に形成していた。
そこで、本発明者らの上記着想のように、コアの延設部と、その延設元であるコアの主部とで、互いの断面形状が異なるようにすると、上記コアの延設部の形状の自由度を大きくすることができる。そのため、光素子の種類や光電気混載基板の構造等に応じて、光の伝播損失がさらに小さくなるよう、上記コアの延設部の形状を形成することができることを見出し、本発明に到達した。
例えば、光素子が発光素子であれば、発光素子の発光部から発光された光は拡散することから、その光を入射させる延設部の先端面を広く形成することにより、その先端面に、より多くの光を入射させることができるようになるため、光の伝播損失をさらに小さくすることができる。また、光素子が受光素子であれば、その受光素子側の延設部の先端面から出射する光は拡散することから、その光を出射する延設部の先端面を狭く形成することにより、受光素子の受光部の受光面において、光の広がりをより狭くした状態で受光することができるようになるため、光の伝播損失をさらに小さくすることができる。
本発明の光電気混載基板は、コアの端部側から光素子に向かって延設された延設部が形成されているため、コアの延設部の先端面と光素子との間の距離を短くすることができる。これにより、コアの延設部の先端面と光素子との間で、光があまり拡散しないうちに、光の伝播が可能となるため、有効に伝播される光の量が多く、光の伝播損失を小さくすることができる。さらに、本発明の光電気混載基板は、コアの延設部と、その延設元であるコアの主部とは、それらの軸方向に直角な断面の形状が互いに異なっているため、上記コアの延設部の形状の自由度を大きくすることができる。そのため、光素子の種類や光電気混載基板の構造等に応じて、光の伝播損失がさらに小さくなるよう、上記コアの延設部の形状を形成することができる。
例えば、上記延設部が発光素子側の延設部であれば、その延設部の先端面を広く形成することにより、その先端面に、より多くの光を入射させることができ、光の伝播損失をさらに小さくすることができる。また、上記延設部が受光素子側の延設部であれば、その延設部の先端面を狭く形成することにより、受光素子の受光部の受光面において、光の広がりをより狭くした状態で受光することができるようになるため、光の伝播損失をさらに小さくすることができる。
特に、上記電気回路基板が、透光性を有する絶縁層と、この絶縁層の片面に形成された電気配線とを備え、上記コアの延設部の先端面が、上記絶縁層に当接している場合には、上記延設部の先端面を、上記絶縁層により、物理的にも化学的にも保護することができる。そのため、上記延設部の先端面の状態を適正に維持することができ、光の伝播損失をさらに小さくした状態を維持することができる。
そして、上記光素子が発光素子であり、上記コアの延設部の先端面の面積が、その発光素子の発光部の発光面の面積よりも大きくなっている場合には、発光素子の発光部の発光面から発光された光が拡散しても、上記延設部の先端面(光入射面)が広いことから、その延設部の先端面に、より多くの光を入射させることができるようになる。そのため、光の伝播損失をさらに小さくすることができる。
また、上記光素子が受光素子であり、上記コアの延設部の先端面の面積が、その受光素子の受光部の受光面の面積よりも小さくなっている場合には、上記延設部の先端面から出射された光が拡散しても、その延設部の先端面(光出射面)が狭いことから、受光素子の受光部の受光面において、光の広がりをより狭くした状態で受光することができるようになる。そのため、光の伝播損失をさらに小さくすることができる。
さらに、上記コアの延設部の側周面が、上記光導波路のクラッド層に接触した状態になっており、上記コアの延設部における上記クラッド層との界面部分が、上記コアの形成材料に上記クラッド層の形成材料が混合した混合層に形成されている場合には、上記コアの延設部と上記クラッド層との界面が粗面に形成されていたとしても、上記混合層は粗面に形成されない。そして、上記延設部の中を進む光は、その界面(粗面)で反射するのではなく、上記混合層で反射するため、その反射が適正となる。その結果、光の伝播効率を維持することができ、光の伝播損失をさらに小さくした状態を維持することができる。
そして、上記コアの延設部が、延設方向にいくにつれて徐々に細くなっている場合には、上記延設部の側周面が、傾斜面になっているため、その傾斜面での光の反射により、光を適正に導くことができる。例えば、上記延設部が発光素子側の延設部であれば、その延設部の先端面から入射した光を、上記傾斜面での反射により、効率よくコア端部の光反射面に導くことができる。そのため、光の伝播損失をさらに小さくすることができる。また、上記延設部が受光素子側の延設部であれば、コア端部の光反射面で反射した光を、上記傾斜面での反射により、効率よく上記延設部の先端面に導くことができる。そのため、光の伝播損失をさらに小さくすることができる。
また、上記光反射面の、上記光素子側の端部が、上記コアの延設部の領域に位置している場合には、発光素子側の延設部において、上記光反射面で反射した光を、効率よく上記延設部の先端面に導くことができるため、光の伝播損失をさらに小さくすることができる。
本発明の光電気混載基板の第1の実施の形態を用いた光電気混載モジュールを模式的に示す縦断面図である。 (a)〜(c)は、上記光電気混載基板の電気回路基板の形成工程を模式的に示す説明図であり、(d)は、上記光電気混載基板の金属層の形成工程を模式的に示す説明図である。 (a)〜(d)は、上記光電気混載基板の光導波路の形成工程を模式的に示す説明図である。 (a)は、上記光導波路の形成工程を模式的に示す説明図であり、(b)は、上記光電気混載基板の光素子の実装工程を模式的に示す説明図である。 本発明の光電気混載基板の第2の実施の形態を模式的に示す縦断面図である。 (a),(b)は、上記光電気混載基板の光導波路の形成工程の一部を模式的に示す説明図である。 本発明の光電気混載基板の第3の実施の形態を模式的に示す縦断面図である。 本発明の光電気混載基板の第4の実施の形態を模式的に示す縦断面図である。 上記光電気混載基板の光導波路の形成工程の一部を模式的に示す説明図である。 本発明の光電気混載基板の第5の実施の形態を模式的に示す縦断面図である。 (a)は、従来の光電気混載基板の光導波路における、レーザ加工した光反射面を模式的に示す拡大断面図であり、(b)は、本発明の上記第5の実施の形態の光導波路における、レーザ加工した光反射面を模式的に示す拡大断面図である。
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
図1は、本発明の光電気混載基板の第1の実施の形態を用いた光電気混載モジュールを示す縦断面図である。この実施の形態の光電気混載基板A1,B1は、図1に示すように、光ファイバFの両端部に接続されて使用されるものであり、これら光電気混載基板A1,B1と光ファイバFとで光電気混載モジュールを形成している。各端部の光電気混載基板A1,B1は、電気回路基板Eと、この電気回路基板Eの片面(図1では下面)に積層形成された光導波路Wと、上記電気回路基板Eの、上記光導波路Wと反対側の面(図1では上面)に実装された光素子11,12とを備えている。これら光素子11,12は、一方の端部(図1では、左端部)の光電気混載基板A1に備えられているのが発光素子11であり、他方の端部(図1では、右端部)の光電気混載基板B1に備えられているのが受光素子12である。さらに、この実施の形態では、上記電気回路基板Eと上記光導波路Wとの間のうち、上記発光素子11および上記受光素子12が実装される実装用パッド2aに対応する部分に、補強用の金属層Mが設けられている。
より詳しく説明すると、上記電気回路基板Eは、透光性を有する絶縁層1の表面に、電気配線2と上記実装用パッド2aとが形成され、その電気配線2がカバーレイ3で被覆されたものとなっている。
上記光導波路Wは、光路用のコア7を有しており、そのコア7は、第1クラッド層6と第2クラッド層8とで挟持されている主部7Dと、そのコア7の主部7Dの一端部側から上記発光素子11,上記受光素子12に向かって延設された四角柱状の延設部7A,7Bとを備えている。そして、上記発光素子11および上記受光素子12に対応する、光導波路Wの一端部は、コア7の主部7Dの長手方向に対して45°傾斜した傾斜面に形成されており、その傾斜面に位置するコア7の主部7Dの部分は、光反射面7a,7bになっている。また、上記光導波路Wの他端部(光反射面7a,7bと反対側の端部)は、コア7の長手方向に対して直角な直角面に形成されており、その直角面に位置するコア7の部分は、上記光ファイバFのコア10の端面に接続される接続面7cとなっている。
そして、上記コア7の、光反射面7a,7bの形成部分(端部)を除く主部7Dも延設部7A,7Bも、それらの軸方向に直角な断面は、この実施の形態では、正方形に形成されているものの、主部7Dと延設部7A,7Bとでは、上記断面(正方形)の寸法(一辺の長さ)が互いに異なっている(断面形状が互いに異なっている)。これが、本発明の大きな特徴の一つである。さらに、この実施の形態では、発光素子11側(光電気混載基板A1)の延設部7Aの断面積は、受光素子12側(光電気混載基板B1)の延設部7Bの断面積よりも、大きくなっている。そして、発光素子11側(光電気混載基板A1)の延設部7Aの先端面の面積は、発光素子11の発光部11aの発光面の面積よりも大きくなっており、受光素子12側(光電気混載基板B1)の延設部7Bの先端面の面積は、受光素子12の受光部12aの受光面の面積よりも小さくなっている。この場合、光Lの伝播損失をさらに小さくする観点から、発光素子11側の光電気混載基板A1では、平面視で、発光素子11側の延設部7Aの先端面の領域内に、発光素子11の発光部11aの発光面全体が位置していることが好ましい。同様に、受光素子12側の光電気混載基板B1では、平面視で、受光素子12の受光部12aの受光面の領域内に、受光素子12側の延設部7Bの先端面全体が位置していることが好ましい。なお、発光素子11の発光部11aの発光面は、通常、直径15μm程度の円形であり、受光素子12の受光部12aの受光面は、通常、直径35〜45μm程度の円形である。
また、コア7の延設部7A,7Bの先端面は、この実施の形態では、上記電気回路基板Eの絶縁層1の裏面に当接している。さらに、この実施の形態では、上記延設部7A,7Bの側周面の周りに、空気で満たされた空洞部20が形成されており、上記延設部7A,7Bおよび空洞部20は、上記絶縁層1,金属層M,第1クラッド層6およびコア7の主部7Dにより密閉された状態になっている。
上記金属層Mは、上記電気回路基板Eの絶縁層1と上記光導波路Wの第1クラッド層6との間に配置されている。そして、上記発光素子11と上記光反射面7aとの間に対応する上記金属層Mの部分および上記受光素子12と上記光反射面7bとの間に対応する上記金属層Mの部分に、貫通孔5が形成されている。
上記光電気混載モジュールにおける光伝播は、つぎのようにして行われる。すなわち、まず、一方の端部(図1では、左端部)の光電気混載基板A1において、上記発光素子11の発光部11aの発光面からコア7の延設部7Aの先端面に向かって、光Lが発光される。その光Lは、上記絶縁層1を透過し、上記延設部7Aの先端面から、その延設部7A内に入射する。つづいて、その光Lは、上記コア7の主部7Dの一端部の光反射面7aで反射して、光路を90°変換し、そのコア7の主部7D内を他端部の接続面7cまで伝播した後、その接続面7cから出射する。つづいて、その光Lは、上記光ファイバFのコア10の一端部(図1では、左端部)からその光ファイバFのコア10内に入射し、その光ファイバFのコア10内を他端部(図1では、右端部)まで伝播した後、その他端部から出射する。つづいて、その光Lは、他方の端部(図1では、右端部)の光電気混載基板B1において、コア7の他端部の接続面7cからそのコア7の主部7Dに入射する。つづいて、その光Lは、上記コア7の主部7Dの一端部の光反射面7bまで伝播し、その光反射面7bで反射して、光路を90°変換し、コア7の延設部7Bに伝播する。つづいて、その光Lは、上記延設部7Bの先端面から出射し、上記絶縁層1を透過した後、受光素子12の受光部12aの受光面で受光される。
上記光伝播において、一方の端部(図1では、左端部)の光電気混載基板A1では、コア7の一端部側から発光素子11に向かって延設された延設部7Aが形成されているため、その延設部7Aの先端面と発光素子11の発光部11aとの間の距離を短くすることができる。これにより、発光素子11の発光部11aの発光面から発光された光Lを、その光Lがあまり拡散しないうちに、上記延設部7Aの先端面から入射させることができる。その結果、有効に入射される光Lの量が多くなり、光Lの伝播損失を小さくすることができる。さらに、発光素子11側(光電気混載基板A1)の延設部7Aの先端面(光入射面)の面積が、発光素子11の発光部11aの発光面の面積よりも大きくなっている。そのため、発光素子11の発光部11aから発光された光Lが拡散しても、上記延設部7Aの先端面(光入射面)に、より多くの光Lを入射させることができる。その結果、光Lの伝播損失をさらに小さくすることができる。
また、他方の端部(図1では、右端部)の光電気混載基板B1では、コア7の一端部側から受光素子12に向かって延設された延設部7Bが形成されているため、その先端面7Bと受光素子12の受光部12aとの間の距離を短くすることができる。これにより、上記延設部7Bの先端面から出射した光Lを、その光Lがあまり拡散しないうちに、上記受光素子12の受光部12aの受光面で受光することができる。そのため、有効に受光される光Lの量が多くなり、光Lの伝播損失を小さくすることができる。さらに、受光素子12側(光電気混載基板B1)の延設部7Bの先端面(光出射面)の面積が、受光素子12の受光部12aの受光面の面積よりも小さくなっている。そのため、その延設部7Bの先端面(光出射面)から出射された光Lが拡散しても、受光素子12の受光部12aの受光面において、光Lの広がりをより狭くした状態で受光することができるようになる。その結果、光Lの伝播損失をさらに小さくすることができる。
ここで、上記コア7の延設部7A,7Bの側周面は、空気(空洞部20)に接触している。上記延設部7A,7Bの屈折率は1を超える値であり、上記空気の屈折率は1である。この屈折率差により、上記延設部7A,7Bを伝播する光Lは、延設部7A,7Bの側周面を透過せず、その側周面で反射し、延設部7A,7Bから漏れないのである。
また、上記光反射面7a,7bの外側も、空気であることから、コア7の主部7Dと空気との屈折率差により、光Lは、上記光反射面7a,7bを透過せず、その光反射面7a,7bで反射するのである。
そして、上記光電気混載基板A1,B1では、上記延設部7A,7Bおよび空洞部20が、上記絶縁層1,金属層M,第1クラッド層6およびコア7の主部7Dにより密閉された状態になっているため、上記延設部7A,7Bを物理的にも化学的にも保護することができる。特に、上記延設部7A,7Bの先端面が、上記絶縁層1の裏面に当接しているため、その延設部7A,7Bの先端面も、上記絶縁層1により、物理的にも化学的にも保護することができる。そのため、上記延設部7A,7Bの先端面の状態を適正に維持することができ、光Lの伝播損失をさらに小さくした状態を維持することができる。
つぎに、上記光電気混載基板A1,B1の製法について説明する。なお、上記光電気混載基板A1,B1の製法は、いずれの光電気混載基板A1,B1も同じであるため、その製法を説明する図2〜図4では、受光素子12が実装されている光電気混載基板B1について図示する。
〔光電気混載基板A1,B1の電気回路基板Eの形成〕
まず、上記金属層Mを形成するための金属シート材Ma〔図2(a)参照〕を準備する。この金属シート材Maの形成材料としては、例えば、ステンレス,42アロイ等があげられ、なかでも、寸法精度等の観点から、ステンレスが好ましい。上記金属シート材Ma(金属層M)の厚みは、例えば、10〜100μmの範囲内に設定される。
ついで、図2(a)に示すように、上記金属シート材Maの表面に、感光性絶縁樹脂を塗布し、フォトリソグラフィ法により、所定パターンの絶縁層1を形成する。この絶縁層1の形成材料としては、例えば、ポリイミド,ポリエーテルニトリル,ポリエーテルスルホン,ポリエチレンテレフタレート,ポリエチレンナフタレート,ポリ塩化ビニル等の合成樹脂、シリコーン系ゾルゲル材料等があげられる。上記絶縁層1の厚みは、例えば、10〜100μmの範囲内に設定される。
つぎに、図2(b)に示すように、上記電気配線2と実装用パッド2aとを、例えば、セミアディティブ法,サブトラクティブ法等により形成する。
ついで、図2(c)に示すように、上記電気配線2の部分に、ポリイミド樹脂等からなる感光性絶縁樹脂を塗布し、フォトリソグラフィ法により、カバーレイ3を形成する。このようにして、上記金属シート材Maの表面に、電気回路基板Eを形成する。
〔光電気混載基板A1,B1の金属層Mの形成〕
その後、図2(d)に示すように、上記金属シート材Maにエッチング等を施すことにより、その金属シート材Maの長手方向の先端部(他端部)側部分Sを除去するとともに、その金属シート材Maに貫通孔5を形成する。このようにして、上記金属シート材Maを金属層Mに形成する。
〔光電気混載基板A1,B1の光導波路Wの形成〕
そして、上記電気回路基板Eと上記金属層Mとの積層体の裏面に光導波路W(図1参照)を形成するために、まず、図3(a)に示すように、上記積層体の裏面(図では下面)に、第1クラッド層6の形成材料である感光性樹脂を塗布し、フォトリソグラフィ法により、第1クラッド層6に形成する。この第1クラッド層6は、上記金属層Mの長手方向の先端部(他端部)側部分Sの除去部分を埋めた状態で形成され、上記金属層Mの貫通孔5を埋めない状態で形成される。これにより、その貫通孔5と、その貫通孔5に対応する上記第1クラッド層6の部分(貫通孔6a)と、上記貫通孔5に対応する上記絶縁層1の部分とで、凹部21が形成される。上記第1クラッド層6の厚み(金属層Mの裏面からの厚み)は、例えば、5〜80μmの範囲内に設定される。なお、光導波路Wの形成時(上記第1クラッド層6,下記コア7,下記第2クラッド層8の形成時)は、上記積層体の裏面は上に向けられる。
ついで、図3(b)に示すように、上記凹部21に、コア7の延設部7A,7Bの形成材料である感光性樹脂を充填し、フォトリソグラフィ法により、コア7の延設部7A,7Bを形成する。このとき、その延設部7A,7Bの側周面と上記凹部21の周壁との間に、環状の溝22が形成される。上記延設部7A,7Bの長さは、例えば、20〜300μmの範囲内に設定される。
つぎに、図3(c)に示すように、第1クラッド層6の表面(図では下面)に、コア7の主部7Dの形成材料である感光性ドライフィルムを積層するか、または感光性樹脂を塗布し、フォトリソグラフィ法により、コア7の主部7Dを形成する。これにより、上記環状の溝22の開口面が塞がれ、その溝22が前記空洞部20となる。また、上記コア7の主部7Dの先端部(他端部)は、そのコア7の長手方向に直角な面に形成され、上記光ファイバFのコア10(図1参照)の端面に接続される接続面7cとなっている。また、上記コア7の主部7Dの寸法は、例えば、幅が20〜100μmの範囲内に設定され、厚みが20〜100μmの範囲内に設定され、長さが0.5〜100cmの範囲内に設定される。上記コア7の延設部7A,7Bの屈折率と主部7Dの屈折率は、同じであり、それら屈折率は、上記第1クラッド層6および下記第2クラッド層8〔図3(d)参照〕の屈折率よりも大きくなっている。
そして、図3(d)に示すように、上記コア7の主部7Dを被覆するよう、上記第1クラッド層6の表面(図では下面)に、第2クラッド層8の形成材料を塗布し、フォトリソグラフィ法により、第2クラッド層8を形成する。この第2クラッド層8の厚み〔コア7の頂面(図では下面)からの厚み〕は、例えば、3〜50μmの範囲内に設定される。上記第2クラッド層8の形成材料としては、例えば、上記第1クラッド層6と同様の感光性樹脂があげられる。
その後、図4(a)に示すように、上記コア7の延設部7A,7Bに対応する(図では下方に位置する)コア7の主部7Dの部分(一端部)を、上記第1クラッド層6および上記第2クラッド層8とともに、例えば、レーザ加工等により、コア7の主部7Dの長手方向に対して45°傾斜した傾斜面に形成する。それら傾斜面に位置する上記コア7の主部7Dの部分が光反射面7a,7bとなる。このようにして、上記金属層Mの裏面に、光導波路Wを形成する。
〔光電気混載基板A1,B1の発光素子11および受光素子12の実装〕
そして、図4(b)に示すように、電気回路基板Eの実装用パッド2aに、発光素子11または受光素子12を実装する。このようにして、発光素子11を有する光電気混載基板A1と、受光素子12を有する光電気混載基板B1とを得る。
その後、光ファイバFのコア10の一端部に、発光素子11を有する光電気混載基板A1のコア7の接続面7cを、コネクタ(図示せず)等を介して接続し、その光ファイバFのコア10の他端部に、受光素子12を有する光電気混載基板B1のコア7の接続面7cを、コネクタ(図示せず)等を介して接続する。このようにして、図1に示す光電気混載モジュールを得る。
図5は、本発明の光電気混載基板の第2の実施の形態を示す縦断面図である。この実施の形態の光電気混載基板A2,B2は、図1に示す第1の実施の形態において、コア7の延設部7A,7Bの側周面の周りの空洞部20(図1参照)に、第1クラッド層6が形成されたものとなっている。すなわち、コア7の延設部7A,7Bの側周面は、第1クラッド層6と接触している。それ以外の部分は上記第1の実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
この第2の実施の形態の光電気混載基板A2,B2の作製は、電気回路基板Eの形成工程および金属層Mの形成工程までは、上記第1の実施の形態と同様に行われる〔図2(a)〜(d)参照〕。そして、それにつづく第1クラッド層6の形成工程では、図6(a)に示すように、金属シート材Maに形成された貫通孔5を、コア7の延設部7A,7B(図5参照)に対応する部分(貫通孔6a)を残して第1クラッド層6で埋めた状態となるよう、第1クラッド層6を形成する。これにより、上記貫通孔6aと、この貫通孔6aに対応する上記絶縁層1の部分とで、凹部25が形成される。ついで、図6(b)に示すように、コア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dの形成材料である感光性樹脂を、上記第1クラッド層6の表面(図では下面)に塗布するとともに、上記凹部25に充填し、フォトリソグラフィ法により、コア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dを同時に形成する。その後の第2クラッド層8の形成工程以降は、上記第1の実施の形態と同様に行われる〔図3(d),図4(a),(b)参照〕。
そして、この第2の実施の形態も、上記第1の実施の形態と同様の作用・効果を奏する。また、この第2の実施の形態は、コア7の延設部7A,7Bの側周面が、空洞部20(図1参照)ではなく、第1クラッド層6と接触しているため、上記延設部7A,7Bが第1クラッド層6により補強された状態となっている。
図7は、本発明の光電気混載基板の第3の実施の形態を示す縦断面図である。この実施の形態の光電気混載基板A3,B3は、図5に示す第2の実施の形態において、上記コア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dにおける上記第1クラッド層6との界面部分が、上記コア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dの形成材料に上記第1クラッド層6の形成材料が混合した混合層9に形成されたものとなっている。また、上記コア7の主部7Dにおける上記第2クラッド層8との界面部分も、上記コア7の形成材料に上記第2クラッド層8の形成材料が混合した混合層9に形成されている。その混合層9の屈折率は、コア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dの屈折率よりも小さく、第1クラッド層6および第2クラッド層8の屈折率よりも大きくなっている。それ以外の部分は上記第2の実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
この第3の実施の形態の光電気混載基板A3,B3の作製は、電気回路基板Eの形成工程および金属層Mの形成工程までは、上記第1の実施の形態と同様に行われる〔図2(a)〜(d)参照〕。そして、それにつづく第1クラッド層6の形成工程〔図6(a)参照〕,コア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dの形成工程〔図6(b)参照〕ならびに第2クラッド層8の形成工程〔図3(d)参照〕では、第1クラッド層6,コア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dならびに第2クラッド層8を完全に硬化させず、軟化状態とする。その後、加熱することにより、コア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dに、第1クラッド層6および第2クラッド層8の形成材料が染み込み、上記混合層9が形成される。この混合層9の厚みは、上記コア7等の状態が軟化しているほど厚くなる傾向にあり、また、上記加熱温度が高いほど薄くなる傾向にある。その後の光反射面7a,7bの形成工程以降は、上記第1の実施の形態と同様に行われる〔図4(a),(b)参照〕。
そして、この第3の実施の形態も、上記第2の実施の形態と同様の作用・効果を奏する。また、この第3の実施の形態は、上記コア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dにおける上記第1クラッド層6および第2クラッド層8との界面部分が上記混合層9に形成されていることから、上記界面が粗面に形成されていたとしても、上記混合層9は粗面に形成されない。そのため、上記コア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dの中を進む光Lは、その界面(粗面)で反射するのではなく、上記混合層9で反射するため、その反射が適正となる。その結果、光Lの伝播効率を維持することができ、光Lの伝播損失をさらに小さくした状態を維持することができる。
なお、コア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dの幅に対する上記混合層9の占める割合、ならびにコア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dの厚みに対する上記混合層9の占める割合は、5〜20%の範囲内であることが好ましい。その割合が低すぎると、上記混合層9による光Lの適正反射の効果が充分に発揮されない傾向にあり、上記割合が高すぎると、コア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dにおける光路面積が狭くなり、光Lの伝播損失が高くなる傾向にあるからである。
図8は、本発明の光電気混載基板の第4の実施の形態を示す縦断面図である。この実施の形態の光電気混載基板A4,B4は、図7に示す第3の実施の形態において、上記コア7の延設部7A,7Bが、延設方向(先端面側)にいくにつれて徐々に細くなる四角錘台状に形成されている。それ以外の部分は上記第3の実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
この第4の実施の形態の光電気混載基板A4,B4の作製は、電気回路基板Eの形成工程および金属層Mの形成工程までは、上記第1の実施の形態と同様に行われる〔図2(a)〜(d)参照〕。そして、それにつづく第1クラッド層6の形成工程では、図9に示すように、コア7の延設部7A,7B(図8参照)に対応する部分(貫通孔6a)が、上記のように延設方向(先端面側)にいくにつれて徐々に細くなるよう、階調露光により、第1クラッド層6を形成する。その際、第1クラッド層6を完全に硬化させず、軟化状態とする。その後のコア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dの形成工程以降は、上記第3の実施の形態と同様に行われる〔図6(b),図3(d),図4(a),(b)参照〕。
そして、この第4の実施の形態も、上記第3の実施の形態と同様の作用・効果を奏する。特に、受光素子12側の延設部7Bでは、先端面(光出射面)をより狭くすることができることから、受光素子12の受光部12aの受光面において、光Lの広がりをより狭くした状態で受光することができるようになる。そのため、光Lの伝播損失をさらに小さくすることができる。
また、この第4の実施の形態は、上記延設部7A,7Bの側周面が、傾斜面になっており、その傾斜面7A,7Bでの光の反射により、光Lを適正に導くことができる。例えば、発光素子11側の延設部7Aでは、その延設部7Aの先端面から入射した光Lを、上記傾斜面での反射により、効率よく、光反射面7aに導くことができる。そのため、光Lの伝播損失をさらに小さくすることができる。また、受光素子12側の延設部7Bでは、光反射面7bで反射した光Lを、上記傾斜面での反射により、効率よく、上記延設部7Bの先端面に導くことができる。そのため、光Lの伝播損失をさらに小さくすることができる。
なお、この図8に示す第4の実施の形態では、コア7の延設部7A,7Bおよび主部7Dにおける上記第1クラッド層6および第2クラッド層8との界面部分が混合層9に形成されているが、その混合層9を形成しない光電気混載基板(図示せず)を、他の実施の形態としてもよい。
図10は、本発明の光電気混載基板の第5の実施の形態を示す縦断面図である。この実施の形態は、受光素子12が実装されている側の光電気混載基板B5である。この光電気混載基板B5は、図8に示す第4の実施の形態において、光反射面7bの、上記受光素子12側の端部(図10では上端部)が、上記コア7の延設部7Bの領域に位置したものとなっている。それ以外の部分は上記第4の実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
すなわち、前記第2の従来例の光電気混載基板では、図11(a)に要部を拡大して示すように、光反射面57bの上端部がコア57(第5の実施の形態のコア7の主部7Dに相当)に位置しており、延設部57Bに位置していない。その理由は、上記第2の従来例の光電気混載基板では、光反射面57bの中心と受光素子12の受光部12aの受光面の中心とを結ぶ直線P〔図11(a)では一点鎖線で示す〕に、上記延設部57Bの中心軸Q〔図11(a)では一点鎖線で示す〕を合わせており、しかも、コア57と延設部57Bとを同じ寸法に形成していたからである。このような第2の従来例の光電気混載基板において、レーザ加工により形成された上記光反射面57bは、より詳しく説明すると、第1クラッド層56および第2クラッド層58との界面部分で段部Gが形成される。その理由は、上記光反射面57bをレーザ加工で形成する場合、上記界面部分では、材料(屈折率)が変化することから、レーザ光の進路も変化するためである。そして、上記光反射面57bの上部(第1クラッド層56との界面部分)の段部Gでは、光Lの反射が適正ならず、その反射した光Lは、上記延設部57Bに導かれない。そのため、コア57に位置する上記段部Gが、光Lの伝播損失を大きくする原因となる。なお、図11(a)は断面図であるが、光Lの進路および光反射面57bを明確にするために、ハッチングを施していない。
そこで、この第5の実施の形態では、図11(b)に要部を拡大して示すように、コア7の延設部7Bの厚み〔図11(b)では横方向の寸法〕を厚くし、その延設部7Bの中心軸Rを、光反射面7bの中心と受光素子12の受光部12aの受光面の中心とを結ぶ直線Pよりも、光電気混載基板B5の一端側〔図10,図11(b)では右側〕にずらしたものとしている。それにより、上記のように、光反射面7bの上端部が、上記コア7の延設部7Bの領域に位置している。このような光反射面7bをレーザ加工で形成する場合、その光反射面7bの上端部(第1クラッド層6との界面部分)では段部Gが形成されるものの、その段部Gは、光Lの反射に殆ど影響しないコア7の延設部7Bに位置し、光Lの反射に影響するコア7の主部7Dに位置していない。すなわち、この第5の実施の形態では、上記光反射面7bで反射した光Lを、効率よく上記延設部7Bの先端面に導くことができるため、光Lの伝播損失をさらに小さくすることができる。なお、図11(b)も断面図であるが、光Lの進路および光反射面7bを明確にするために、ハッチングを施していない。
そして、上記のような作用・効果以外にも、この第5の実施の形態では、上記第4の実施の形態と同様の作用・効果を奏する。
なお、この図10に示す第5の実施の形態では、コア7の延設部7Bおよび主部7Dにおける上記第1クラッド層6および第2クラッド層8との界面部分が混合層9に形成されているが、その混合層9を形成しない光電気混載基板(図示せず)を、他の実施の形態としてもよい。また、この図10に示す第5の実施の形態では、上記コア7の延設部7Bが、延設方向(先端面側)にいくにつれて徐々に細くなる四角錘台状に形成されているが、図1,5,7に示すように、延設方向(先端面側)に一定寸法の四角柱状に形成した光電気混載基板(図示せず)を、他の実施の形態としてもよい。
さらに、上記各実施の形態では、発光素子11側の延設部7Aの寸法を、受光素子12側の延設部7Bの寸法よりも大きくしたが、光電気混載基板の構造等により光Lの伝播損失をさらに小さくできる場合は、両者の寸法を同じにしてもよいし、発光素子11側の延設部7Aの寸法を、受光素子12側の延設部7Bの寸法よりも小さくしてもよい。
そして、上記各実施の形態では、発光素子11側の延設部7Aの先端面(光入射面)の面積を、発光素子11の発光部11aの発光面の面積よりも大きくしたが、光電気混載基板の構造等により光Lの伝播損失をさらに小さくできる場合は、両者の寸法を同じにしてもよいし、発光素子11側の延設部7Aの先端面(光入射面)の面積を、発光素子11の発光部11aの発光面の面積よりも小さくしてもよい。
また、上記各実施の形態では、受光素子12側の延設部7Bの先端面(光入射面)の面積を、受光素子12の受光部12aの受光面の面積よりも小さくしたが、光電気混載基板の構造等により光Lの伝播損失をさらに小さくできる場合は、両者の寸法を同じにしてもよいし、受光素子12側の延設部7Bの先端面(光入射面)の面積を、受光素子12の受光部12aの受光面の面積よりも大きくしてもよい。
また、コア7の延設部7A,7Bを、上記第1,第2および第3の実施の形態(図1,5,7参照)では、四角柱状に形成し、上記第4および第5の実施の形態(図8,9参照)では、四角錘台状に形成したが、光電気混載基板の構造等により光Lの伝播損失をさらに小さくできるのであれば、他の形状でもよく、例えば、円柱状,円錐台状等でもよい。さらに、発光素子11側の延設部7Aの形状と、受光素子12側の延設部7Bの形状とが互いに異なるようにしてもよい。
そして、上記各実施の形態では、コア7の延設部7A,7Bの先端面を絶縁層1の裏面に当接させているが、上記延設部7A,7Bの先端面と絶縁層1の裏面との間に隙間を設けてもよい。また、上記延設部7A,7Bに対応する上記絶縁層1の部分に、光路用の貫通孔を形成してもよい。この場合は、上記絶縁層1は透光性を有するものでもよいし、透光性を有さないものでもよい。
さらに、上記各実施の形態では、第1クラッド層6を形成する工程において、コア7の延設部7A,7Bを形成するための貫通孔6aを、フォトリソグラフィ法により形成したが、他の方法でもよく、例えば、上記貫通孔6aを形成しない状態で第1クラッド層6を形成した後、レーザ加工により、上記貫通孔6aを形成してもよい。
また、上記各実施の形態では、光ファイバFの両端部に接続される光電気混載基板A1〜A4,B1〜B5としたが、光ファイバFを介さないものでもよい。すなわち、1個の電気回路基板に、発光素子と受光素子の両方を実装し、その電気回路基板に積層される光導波路のコアの両端部に光反射面を形成した光電気混載基板としてもよい。
つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。但し、本発明は、実施例に限定されるものではない。
〔第1クラッド層および第2クラッド層の形成材料〕
成分a:エポキシ樹脂(三菱化学社製、jER1001)60重量部。
成分b:エポキシ樹脂(ダイセル社製、EHPE3150)30重量部。
成分c:エポキシ樹脂(DIC社製、EXA−4816)10重量部。
成分d:光酸発生剤(サンアプロ社製、CPI−101A)0.5重量部。
成分e:酸化防止剤(共同薬品社製、Songnox1010)0.5重量部。
成分f:酸化防止剤(三光社製、HCA)0.5重量部。
成分g:乳酸エチル(溶剤)50重量部。
これら成分a〜gを混合することにより、第1クラッド層および第2クラッド層の形成材料を調製した。
〔コアの形成材料〕
成分h:エポキシ樹脂(新日鐵化学社製、YDCN−700−3)50重量部。
成分i:エポキシ樹脂(三菱化学社製、jER1002)30重量部。
成分j:エポキシ樹脂(大阪ガスケミカル社製、オグソールPG−100)20重量部。
成分k:光酸発生剤(サンアプロ社製、CPI−101A)0.5重量部。
成分l:酸化防止剤(共同薬品社製、Songnox1010)0.5重量部。
成分m:酸化防止剤(三光社製、HCA)0.125重量部。
成分n:乳酸エチル(溶剤)50重量部。
これら成分h〜nを混合することにより、コアの形成材料を調製した。
〔実施例1〕
上記形成材料を用いて、光素子を未実装の光電気混載基板を作製した。この光電気混載基板は、図1に示すような、コアの延設部の側周面が空気(空洞部)に接触している構造とした。そして、発光素子側の光電気混載基板と受光素子側の光電気混載基板とを、長さ100cmの光ファイバ(三喜社製、FFP-GI20-0500 )を介して、光伝播可能に接続した(図1参照)。また、発光素子側の延設部の断面(厚み30μm×幅30μm)を、受光素子側の延設部の断面(厚み32μm×幅32μm)よりも、僅かに小さく形成した。上記延設部の長さは150μmとした。コアの主部の寸法は、厚み50μm×幅50μm、長さ10cmとした。そして、ステンレス層(金属層)の厚みを20μm、電気回路基板の絶縁層の厚みを20μmとした。また、第1クラッド層の厚み(金属層の裏面からの厚み)を20μm、第2クラッド層の厚み〔コアの頂面(図1では下面)からの厚み〕を30μmとした。
〔実施例2〕
上記実施例1において、発光素子側の延設部の断面(厚み40μm×幅40μm)を、受光素子側の延設部の断面(厚み25μm×幅25μm)よりも、大きく形成した(図1参照)。それ以外の部分は、上記実施例1と同様とした。
〔実施例3〕
上記実施例2において、コアの延設部の側周面が第1クラッド層に接触している構造とした(図5参照)。それ以外の部分は、上記実施例2と同様とした。
〔実施例4〜6〕
上記実施例3において、コアの延設部および主部における上記第1クラッド層および第2クラッド層との界面部分が混合層に形成されている構造とした(図7参照)。コアの延設部および主部の幅または厚みに対する上記混合層の占める割合は、下記の表1のようにした。それ以外の部分は、上記実施例3と同様とした。なお、上記混合層の占める割合は、コアの延設部および主部を切断し、その断面における割合について、側長顕微鏡(ミツトヨ社製、BF-3017D)を用いて算出した。
〔実施例7〜9〕
上記実施例6において、コアの延設部が延設方向(先端面側)にいくにつれて徐々に細く形成されている構造とした(図8参照)。上記延設部の先端面の寸法および側周面の傾斜角度(延設部の軸方向に対する傾斜角度)は、下記の表1のようにした。なお、上記傾斜角度は、レーザ顕微鏡(キーエンス社製、VK-X250 )を用いて測定した。それ以外の部分は、上記実施例6と同様とした。
〔実施例10,11〕
上記実施例9において、受光素子が実装されている側の光電気混載基板について、コアの延設部の厚みを厚くし、その延設部の中心軸を、光反射面の中心と受光素子の受光部の受光面の中心とを結ぶ直線よりも、光電気混載基板の一端側にずらした(オフセットした)。それにより、光反射面の上端部が上記コアの延設部の領域に位置している構造とした〔図10,図11(b)参照〕。そのオフセット量(μm)は、下記の表1のようにした。なお、上記オフセット量は、上記レーザ顕微鏡を用いて測定した。それ以外の部分は、上記実施例9と同様とした。
〔比較例1〕
上記実施例3において、上記コアの延設部が形成されていない構造とした。そして、上記実施例3における延設部に対応する部分を第1クラッド層で埋めた構造とした(第1の従来例)。それ以外の部分は、上記実施例3と同様とした。
〔比較例2〕
上記実施例3において、コアの延設部の寸法(厚み50μm×幅50μm)を、その延設元であるコアの主部と同じ寸法(厚み50μm×幅50μm)とした(第2の従来例)。それ以外の部分は、上記実施例3と同様とした。
〔光伝播損失の測定〕
発光素子(ULM社製、ULM850-10-TT-C0104U )および受光素子(Albis optoelectronics 社製、PDCA04-70-GS)を準備し、上記発光素子で発光された光を直接、上記受光素子で受光した際の光量(M)を測定した。ついで、上記発光素子および上記受光素子を上記実施例1〜11および比較例1,2に実装し、その状態で、上記発光素子で発光された光を、上記受光素子で受光した際の光量(N)を測定した。そして、測定した上記光量から下記の式(1)にしたがって光伝播損失(α)を算出し、下記の表1に示した。
Figure 2018091890
Figure 2018091890
上記表1の結果から、実施例1〜11は、比較例1,2よりも光伝播損失が小さいことがわかる。特に、実施例1〜11において、発光素子側の延設部の寸法が受光素子側の延設部の寸法よりも大きい実施例2〜11は、より光伝播損失が小さくなっていることがわかる。なかでも、コアの延設部および主部に混合層が形成されている実施例4〜11は、より一層光伝播損失が小さく、さらに、コアの延設部が延設方向(先端面側)にいくにつれて徐々に細く形成されている実施例7〜11は、かなり光伝播損失が小さく、そして、光反射面の上端部がコアの延設部の領域に位置している実施例10,11は、特に光伝播損失が小さくなっていることがわかる。
また、上記実施例7〜11において、コアの延設部および主部に混合層が形成されていないものについても、上記実施例7〜11と同様の傾向を示す結果が得られた。さらに、上記実施例10,11において、コアの延設部が延設方向(先端面側)に一定の寸法に形成されたものについても、上記実施例10,11と同様の傾向を示す結果が得られた。
また、1個の電気回路基板に、発光素子と受光素子の両方を実装し、その電気回路基板に積層される光導波路のコアの両端部に光反射面を形成した、光ファイバを介さない光電気混載基板についても、上記実施例1〜11と同様の傾向を示す結果が得られた。
なお、上記実施例1〜11では、コアの主部の寸法を厚み50μm×幅50μmとしたが、その主部の断面形状を、厚みも幅も20〜100μmの範囲内で変えた正方形または長方形としても、上記実施例1〜11と同様の傾向を示す結果が得られた。
本発明の光電気混載基板は、光の伝播損失をさらに小さくする場合に利用可能である。
A1 光電気混載基板
B1 光電気混載基板
E 電気回路基板
L 光
W 光導波路
7 コア
7A 延設部
7B 延設部
7D 主部
7a 光反射面
7b 光反射面
11 発光素子
12 受光素子

Claims (7)

  1. 電気回路基板と、上記電気回路基板の片面に積層形成され光路用のコアを有する光導波路と、上記電気回路基板の、上記光導波路と反対側の面に実装された光素子とを備え、上記光導波路のコアが、光を反射して上記コアと上記光素子との間の光伝播を可能とする光反射面に形成された端部と、そのコアの端部側から上記光素子に向かって延設された延設部と、その延設元である主部とを有する光電気混載基板であって、上記コアの延設部と、上記コアの主部とは、それらの軸方向に直角な断面の形状が互いに異なっていることを特徴とする光電気混載基板。
  2. 上記電気回路基板が、透光性を有する絶縁層と、この絶縁層の片面に形成された電気配線とを備え、上記コアの延設部の先端面が、上記絶縁層に当接している請求項1記載の光電気混載基板。
  3. 上記光素子が発光素子であり、上記コアの延設部の先端面の面積が、その発光素子の発光部の発光面の面積よりも大きくなっている請求項1または2記載の光電気混載基板。
  4. 上記光素子が受光素子であり、上記コアの延設部の先端面の面積が、その受光素子の受光部の受光面の面積よりも小さくなっている請求項1または2記載の光電気混載基板。
  5. 上記コアの延設部の側周面が、上記光導波路のクラッド層に接触した状態になっており、上記コアの延設部における上記クラッド層との界面部分が、上記コアの形成材料に上記クラッド層の形成材料が混合した混合層に形成されている請求項1〜4のいずれか一項に記載の光電気混載基板。
  6. 上記コアの延設部が、延設方向にいくにつれて徐々に細くなっている請求項1〜5のいずれか一項に記載の光電気混載基板。
  7. 上記光反射面の、上記光素子側の端部が、上記コアの延設部の領域に位置している請求項1〜6のいずれか一項に記載の光電気混載基板。
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