JP3708369B2 - 光配線装置、その製造方法及びその製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路を有する基板又は光学素子の光導波路を光ワイヤにより光接続してなる光配線装置、その製造方法及びその製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の電子デバイスの性能向上により、ＬＳＩは飛躍的な高速動作が可能になってきている。
しかしながら、ＬＳＩの内部動作は高速化されているものの、ＬＳＩチップを実装したプリント基板レベルやこのプリント基板を装着したラックでの動作速度はＬＳＩの動作速度より低く抑えられている。この理由は、プリント基板やラックでは、動作周波数を上昇させると電気配線の伝送損失や雑音、電磁障害が増大するため、特に信号を劣化させないために長い配線ほど動作周波数を下げる必要がでてくるためである。従って、電気配線装置では、能動素子であるＬＳＩの動作速度を向上させても、プリント基板やラックにおける問題のために動作速度を向上できないという問題がある。
一方、上述のような電気配線装置の問題を鑑み、ＬＳＩ間を光で接続する光配線装置がいくつか提案されている。光による配線の特徴は、直流から数十ＧＨｚ以上の周波数領域で損失等の周波数依存性が殆ど無く、また、配線経路の電磁障害や接地電位変動雑音が無いため数十Ｇｂｐｓの配線が可能である。
この光配線装置を実現するためには光導波路を用いた配線が必要となる。一般に光導波路の接続は平板光導波路基板の突き合わせや光ファイバの突き合わせで行われ、電気の配線方法に比し汎用性が少ない。このため、光配線装置は電気配線装置に比し一般的ではなく、極限られた特殊装置でのみ用いられている。
【０００３】
しかしながら、ＬＳＩ間を光で接続する光配線装置を実現するために、光導波路を光ワイヤで接続するための提案がいくつかなされている（特開平１−２６９９０３号公報、特開平５−８８０２８号公報、特開平１１−３８２５４号公報）。
これらの提案はガラスや樹脂の光ワイヤ（光導波体）を光素子や光導波路基板に接続する方法に関するものであり、汎用的な光導波路の接続方法が開示されている。しかしながら、これらの提案では効果的な光接続が考慮されておらず、そのままで実用化は困難という問題があった。
例えば特開平１１−３８２５４号公報に記載された方法は、溶融状態の樹脂を硬化させながら吐き出して光ワイヤの形成と光接続を行うものである。このような方法では、光導波路の上部クラッドが空気であるため光導波路表面の塵や湿度で光導波特性が変動するという問題があり、また、溶融樹脂を硬化させながら光ワイヤを形成するため光ワイヤ特性の均一性や再現性に乏しいという問題がある。また特開平５−８８０２８号公報に記載されたものは、光導波路への光ワイヤ結合が導波路突合わせであり、水平方向への配線のほかに入出力部の直角変換が必要となる。通常、このような直角変換を設けるためには３次元的な構成が必要であるため、光導波路基板の作製が容易でなく、従って汎用性も低い。またこの公報中には、光ワイヤを直角に折り曲げて用いており、その曲率が小さいほど導波損失が大きくなる。このため、低損失な直角変換を行うためには非常に大きな曲率が必要であり、光配線基板に必要以上の面積を要するという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の光配線装置は、光導波路特性の安定性、光ワイヤ特性の均一性や再現性、光導波路基板の実装密度などに問題があり、電気配線装置のような汎用性は依然得られないという問題があった。
本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、光導波路特性の安定性や光ワイヤ特性の均一性、再現性、光配線装置の実装密度などの問題が無く、電気配線装置と同等の実装性をもち、且つ光配線の特徴を効果的に発揮できる光配線装置、その製造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、基板と、この基板上に形成されたクラッド層と、このクラッド層中に形成された光導波路と、前記クラッド層の一部が除去され前記光導波路が露出して形成された光コンタクト部と、前記基板および光導波路とは別に予め作成された光を導波する光ワイヤとを備えてなり、前記光ワイヤは、前記光コンタクト部にその側面が当接することにより、前記光導波路の光導波方向に沿うように固着していることを特徴とする光配線装置を提供する。
また、本発明は、基板上に形成されたクラッド層と、このクラッド層中に形成された光導波路と、前記クラッド層の一部が除去され前記光導波路が露出して形成された光コンタクト部とを具備する光配線基板の前記光コンタクト部に、前記基板および光導波路とは別に予め作成された光を導波する光ワイヤを接続するにあたり、前記光コンタクト部に前記光導波路に沿う方向に樹脂製光導波体からなる光ワイヤを配置し、前記光ワイヤ上からコレットを押し付け超音波融着又は熱圧着により前記光ワイヤの先端部をテーパー形状に変形させながら前記光ワイヤの側面を前記光コンタクト部に接続することを特徴とする光配線装置の製造方法を提供する。
【０００６】
また、本発明は、光導波可能な光ワイヤ（光導波路）を第一の接続ポイントから第二の接続ポイントにまたがって形成する装置であって、連続した光ワイヤを収納する収納部と、この光ワイヤの送り出し制御機構と、圧力と超音波を印加して前記光ワイヤを光導波路の光コンタクト部へ固着するコレットとを具備し、前記コレットは前記光ワイヤをその長手方向に分断するように前記光ワイヤの導入側及び送出側に斜面を有し、前記光ワイヤを前記第一または第二の接続ポイントに固着する際に超音波印加又は加熱又はその併用により前記光ワイヤの固着部を前記斜面によりテーパー形状に変形させ、且つ前記第二の接続ポイントに固着する際の光ワイヤの切断時には前記コレットの圧力印加状態で前記送り出し制御機構により前記光ワイヤに張力を与えて前記コレット送出側の斜面において前記光ワイヤを切断する機能を具備することを特徴とする光配線装置の製造装置を提供する。
本発明は、光配線導波路に埋め込み型光導波路を用いることで光導波路特性の安定化を図っている。さらに光ワイヤの接続を光導波路基板平面に沿う方向として光導波路の直角変換部を不要とするため実装密度を高くできる。また、本発明は、コンタクト部で光導波路上部のクラッド層を一部除去するため、光ワイヤとの光結合が容易であり光学的損失がない。また、本発明は、光導波路の光ワイヤ接続部をテーパー形状とすることや光ワイヤの光導波路接続部をテーパー形状とすることで更に光結合を容易にし、光学的損失も低減できる。
【０００７】
本発明は、光ワイヤはあらかじめ別途作製され、光ワイヤ特性の均一性、再現性の向上を図っている。また、本発明は、光ワイヤとして樹脂製光導波体を用い、光導波路への固着を超音波融着、熱圧着により光ワイヤ先端をテーパー形状に変形させながら行うことで製造方法を容易にできる。
また、本発明は、前記光ワイヤの導入側及び送出側に斜面を有するコレットにより超音波印加又は加熱又はその併用により光ワイヤをテーパー形状に変形させ、光ワイヤ切断時にコレットの圧力印加状態で送り出し制御機構により光ワイヤに張力を与えて光ワイヤを切断することにより、さらに光導波路と光ワイヤの接続を容易にできる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の詳細を説明していく。
図１は本発明の光配線装置の断面図であり、図２はその斜視図である。
１は基板、２はクラッド（光閉じ込め部）、３は光導波路、４はクラッド（光閉じ込め部）であり、これらで光配線基板を構成している。光導波路３はクラッド２，４によって埋め込まれた構造となっており、光は光導波路中に閉じ込められて進む。また５ａはコア（光導波路）、５ｂはクラッド（光閉じ込め部）であり、これらで光ワイヤを構成する。
上記光配線基板は光ワイヤ５とのボンディングパッド（コンタクト）６の部分で上部クラッド４が除去されているので、光ワイヤ５と光導波路３は十分に光結合することができ散乱や吸収による損失がない。光ワイヤ５を伝播する光は、通常であれば光ワイヤ５の切断部において光ワイヤ５内の伝播光が感じる実効屈折率と出射媒体の屈折率差に応じて一部反射して一部透過する。しかしながらこの場合、光ワイヤ５の切断部に直接光結合した光導波路コア３が存在するため、光導波路３側に伝播光の一部が引き込まれ、光パッド部６を光が進行する間に徐々に光導波路３側に光分布が移行していく。
【０００９】
通常光配線基板において、光導波路を挟むクラッド層は、光導波路の放射損失等を抑制するため十分な厚さに形成されており、光ワイヤから光導波路への光結合は起こりにくい。本発明では光パッド部６で上部クラッド４が除去され、光導波路コア層３が露出しているため、図１、図２に矢印で示したように光ワイヤ５に入射した信号光は光パッド部６で光導波路３に結合し、光導波路３を伝播するようになる。勿論、これは受動的な光学結合であるため、その逆過程、すなわち矢印の反対方向からの光も損失なく伝播するようになる。
図１、図２の光配線装置では、光ワイヤ５が光パッド部６で厚さが徐々に薄くなる所謂テーパー構成となっているので、光ワイヤ５と光導波路３との光結合をより容易にすることができる。光ワイヤ５が均一の厚さのままの場合、光導波路との重なり長によって光学的共振条件が変わって光結合特性が変わってくるが、テーパー部の先端に行くに従って光導波条件が満たされなくなり、徐々に導波光が光ワイヤ５外に染み出すようになる。結果、光ワイヤ５の周囲が空気の場合、即ち、光導波路３等に接近していない場合には光ワイヤ５を切断した場合と同様な導波光の反射が起きる。本実施例のように光ワイヤ５と光導波路３が直接近接している場合には光ワイヤ５から染み出した光がスムーズに光導波路３側に移行する一種のモード変換が実現する。その結果、コンタクト部６での光ワイヤ５の形状がテーパー型とすることにより、光ワイヤ５と光導波路３の間の光結合効率を高めることができる。
【００１０】
次に図３を用いて本発明の光配線装置の製造方法を説明する。
図３中、７はボンディングコレット、７ａは光ワイヤ５のガイド穴であり、コレット７は光ワイヤ５を固着するための圧力印加と超音波印加が可能なように構成されている。
それぞれの構成例としては、基板１はアルミナや石英、窒化アルミニウム等のセラミック基板、Ｓｉ等の半導体基板、また、ポリイミドやエポキシ等の樹脂基板を用いることができる。
クラッド層２とコア層３は、例えば高純度石英に不純物添加して屈折率を変えたものや多成分ガラス等のガラス材料、あるいは、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、これらの弗素化樹脂等の重合条件や添加物添加で屈折率を変えた樹脂材料等を用いることができる。
コア層３の屈折率はクラッド層２の屈折率より高くなるように設定し、使用する光源の波長や導波モード、即ち、単一モードか多モードか、光導波路損失制限等の条件を考慮して種々の設定が可能である。
クラッド層４は、クラッド層２と同一の材料を用いれば良いが、光パッド６を加工するためにクラッド層４は選択的にエッチング等により除去し易い材料を選択するように、クラッド層２及びコア層３と異種の材料としても良い。光パッド６は光導波路コア３の位置に合わせてエッチングで形成するか、クラッド層４を形成する際に選択マスクで覆ってクラッド層が形成されないようにするなど、種々作成方法を用いて作製することができる。また、光パッド６の領域には、光ワイヤ５と光導波路３の材料に合わせて光ワイヤ５を固定するための密着材を形成しておいても良い。
【００１１】
光ワイヤ５は、超音波印加や加熱で変形、固着できるようにアクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、これらの弗素化樹脂等の樹脂材料の光導波体、例えば、同軸状コアを有する所謂光ファイバーや、平板コアをクラッド材料でラミネートしたリボン状光導波路を用いる。
コレット７は、電気配線装置の金属ワイヤボンディングの場合と同様の材料のものを用いることができ、例えば、タングステン、チタン、モリブデン、またこれらを基材とする化合物（例えばタングステンカーバイド、チタンカーバイドなど）を加工したものを用いれば良い。
光ワイヤ５の接続手順としては、まず、光ワイヤ５をコレット７の所定位置、例えば、コレット７の先端位置に揃えるようにセットする。次に、コレット７を光パッド部に移動し、光ワイヤ５を光パッド６にコレット７ごと押し付け、コレット７の押圧が所定値に達した瞬間にコレット７の上部から超音波を印加する。このときの条件として、例えば、光ワイヤ５が３０μｍ径のアクリル樹脂製光ファイバーで、コレット７の先端と光ワイヤ５との接触長さが５０μｍの場合、コレット７の押圧が２０ｇ、コレット７に印加する超音波が５０ｋＨｚで５Ｗを０．５秒間印加する。
【００１２】
超音波は、電気的接続のための金属（例えば金やアルミニウム）ワイヤボンディングの場合、横振動（コレット７の押圧方向に直交する方向に振動）が多く用いられる。これは金属表面の皮膜を破ることが目的であるが、ここでは、樹脂製光ワイヤ５の超音波溶融を目的とするため、光ワイヤ５と光パッド６の接触面で超音波吸収（熱エネルギー化）が効率よく行われるよう縦振動（コレット７の押圧方向に振動）を用いることが望ましい。
超音波印加中、光ワイヤ５は超音波による光パッド６界面での発熱により軟化（または部分溶融）を起こし、光パッド６への固着とともにコレット７の先端形状に応じた形状変形に至る。特に、光ワイヤ５が熱可塑性樹脂の場合、材料の溶融が可能なためこの過程が容易である。そして超音波印加終了後、再固化して機械的接続が完了する（図３の状態）。
続いて、固着した光ワイヤ５が引き剥がされないよう、光ワイヤ５が自由延長できる状態にしてコレット７を移動して光ワイヤ５と光導波路３との接続が完了する。光ワイヤ５の他端接続については別の実施例で後述する。
尚、上述した光ワイヤ５の接続は、使用する材料の組み合わせにより光配線基板を加熱するだけで超音波印加せずに行える場合もあり、また、超音波印加と基板加熱を併用して用いることも可能である。
【００１３】
図４は、本発明の光配線装置の他の実施例であり、光導波路３の光ワイヤ５との接続部分を、先端にいくにしたがって幅が狭くなるようにテーパー状に加工したものである。この実施例では光導波路３の先端が徐々に狭くなるように形成しており、先に図１、図２で説明した光導波路３と光ワイヤ５の接続で光ワイヤ５のテーパー化と同様な効果を持っている。この構成と図１、図２の実施例で示した光ワイヤ５側のテーパー化と合わせることで、光結合効率を更に高くできるとともに、光ワイヤ５の位置ずれに対する光結合の許容量が大きくなるという効果を持っている。
光導波路３のテーパー化は、光導波路コア３の厚さを徐々に薄くする方法でも良く、この場合光結合効率は最も高い値を示す。しかしながら、この場合、光導波路３の形成が３次元的であるため、光結合は高いものの、作製が容易でないという問題もある。これについては、使用する用途、特に許容コストや目標性能に応じて使い分ければ良い。
図５、図６は、光ワイヤ５の接続部分のテーパー形状を示した図であり、それぞれ（ａ）が上面図、（ｂ）が側面図である。図５は図１、図２で示した実施例に相当するテーパー化の場合であり、側面の形状は徐々に狭くなる形状であるのに対し、上面は徐々に広がる形状であることが分る。このため、側面からみたテーパーにより光の染み出し効果は得られるものの、上面から見た逆テーパーにより逆の効果を生じている。上面から見た逆テーパー化は、光ワイヤ５と光導波路コア３との位置ずれ許容量を大きくする効果をもつが、反面、不要光放射による放射損失増大、即ち、光結合効率の低下をもたらす。
【００１４】
これに対し図６は、コレット７にテーパー凹部を設けて光ワイヤ５を変形させた実施例であり、光ワイヤ５の中央部は側面、上面とも先端が細くなる形状であり、逆テーパー部は均一に薄くなるように押しつぶされている。これにより光ワイヤ５と光導波路３の光結合を高く取ることができ、しかも、光ワイヤ５の接続面への接触面積は余り小さくならない、従って、光ワイヤ５の接続強度は図５とほぼ同等の強度が得られるという効果を持つ。この形状を形成するためには、コレット７の先端形状の変更だけで実施可能という利点も持っている。
図７は、本発明の光配線装置の製造装置を示す概略構成図である。
図７中、７はボンディングコレット、８は光配線基板、９はボンディングステージ、１０は装置本体、１１はボンディングアーム、１２は光ワイヤ送り出し制御アーム、１３は光ワイヤリール（光ワイヤ収納部）である。
ボンディングステージ９は加熱機構を含み、ボンディングアーム１１は超音波発振器と加圧制御機構が付属している。また、送り出し制御アーム１２はボンディングシーケンスに応じて光ワイヤ５の固定と解除、更に光ワイヤ５の張力付加を行う。
【００１５】
この装置による動作を説明する。まず、光配線基板８はボンディングステージ９に機械的な保持機構を用いてセットされ、必要に応じて基板８の加熱が行われている。
次に、光ワイヤ５の先端がコレット７の所定位置に来るよう、送り出し制御アーム１２を微動させてセットする。そしてコレット７を光配線基板８の光パッド部（第一の接続ポイント）に移動し、コレット７を下降させる。このとき、コレット７の移動と同時に光ワイヤ５を固定した送り出し制御アーム１２も平行移動する。
次に、コレット７の先端が光パッドに押し当てられ、所定圧力が加わった時点でボンディングアーム１１の加圧制御機構がトリガーを出し、超音波発振器が所定時間発振するとともに送り出し制御アーム１２が光ワイヤ５の固定を解除する。その後、コレット７を上昇させて第１の光ワイヤ接続工程が終了する。
続いて、送り出し制御機構１２が光ワイヤ５の固定を解除したままコレット７を移動させ、同様にして第二の接続ポイント（光パッド）へ第２の光ワイヤ接続工程（加圧、超音波印加）を行う。この第２の光ワイヤ接続時には、送り出し制御アーム１２が再び光ワイヤ５の固定を行い、超音波印加のトリガーと同時にアームを上方に振って張力を光ワイヤ５に与える。その結果、コレット７の超音波印加部より光ワイヤ５が切断され、光ワイヤ接続が終了する。
【００１６】
この後、コレット７と光ワイヤ５の先端を調整することで、次の光ワイヤ接続に連続して移行することができる。
次に図８から図１１を用いて図７で説明した光配線装置の製造方法のコレット７の部分について詳細に説明する。図８中、７ａは光ワイヤのガイド穴、７ｂ、７ｃはそれぞれ第１、第２の斜面であり、光ワイヤ５の先端をテーパー化するための型である。
先ず、図８に示すように、光ワイヤ５をコレット７の所定位置にセットし、第１の光ワイヤ接続を行った際、光ワイヤ５の先端が薄く潰されるように位置を制御する。
次に、図９に示すように、第１の光ワイヤ接続を行った状態で斜面７ｂを用いて光ワイヤ５の先端をテーパー化する。斜面７ｂは図５に示すようなテーパー形状を形成するように平らな形状でもいいし、図６に示すテーパー形状を形成するように加工された形状でもよい。
次に、図１０に示すように、第２の光ワイヤ接続を行った状態で、斜面７ｃにより、光ワイヤ５の後端を第１の光ワイヤ接続と同様にテーパー化する。また、前述のように、第２の光ワイヤ接続では超音波印加と同時に光ワイヤ５に図１０の矢印方向への張力印加を行う。これにより機械的応力の生じている加圧部（７ｂと７ｃの間）に亀裂が生じ、光ワイヤ５の後方（図１０の右側）が剥離もしくは剥離可能状態に至る。その後、コレット７を光ワイヤ５を保持しながら上昇させることで図１１のように光ワイヤ接続が完了する。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、光導波路特性の安定性や光ワイヤ特性の均一性、再現性、光配線装置の実装密度などの問題が無く、電気配線装置と同等の実装性をもち、且つ光配線の特徴を効果的に発揮できる光配線装置が得られ、非常に高速のシステムを汎用的に構築できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明実施例の光配線装置の光ワイヤ接続部を示す構成図
【図２】 本発明実施例の光配線装置の光ワイヤ接続部を示す構成図
【図３】 本発明実施例の光配線装置の光ワイヤ接続方法を示す構成図
【図４】 本発明実施例の光配線装置の光導波路を示す構成図
【図５】 本発明実施例の光配線装置の光ワイヤを示す構成図
【図６】 本発明実施例の光配線装置の光ワイヤを示す構成図
【図７】 本発明実施例の光配線装置の製造装置を示す構成図
【図８】 本発明実施例の光配線装置の製造装置を示す詳細図
【図９】 本発明実施例の光配線装置の製造装置を示す詳細図
【図１０】 本発明実施例の光配線装置の製造装置を示す詳細図
【図１１】 本発明実施例の光配線装置の製造装置を示す詳細図
【符号の説明】
１ 光配線基板
２ 光導波路クラッド層
３ 光導波路コア層
４ 光導波路クラッド層
５ 光ワイヤ
６ 光パッド
７ コレット
８ 光配線基板
９ ステージ
１０ 装置本体
１１ ボンディングアーム
１２ 送り出し制御アーム
１３ 光ワイヤ収納部
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路を有する基板又は光学素子の光導波路を光ワイヤにより光接続してなる光配線装置、その製造方法及びその製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の電子デバイスの性能向上により、ＬＳＩは飛躍的な高速動作が可能になってきている。
しかしながら、ＬＳＩの内部動作は高速化されているものの、ＬＳＩチップを実装したプリント基板レベルやこのプリント基板を装着したラックでの動作速度はＬＳＩの動作速度より低く抑えられている。この理由は、プリント基板やラックでは、動作周波数を上昇させると電気配線の伝送損失や雑音、電磁障害が増大するため、特に信号を劣化させないために長い配線ほど動作周波数を下げる必要がでてくるためである。従って、電気配線装置では、能動素子であるＬＳＩの動作速度を向上させても、プリント基板やラックにおける問題のために動作速度を向上できないという問題がある。
一方、上述のような電気配線装置の問題を鑑み、ＬＳＩ間を光で接続する光配線装置がいくつか提案されている。光による配線の特徴は、直流から数十ＧＨｚ以上の周波数領域で損失等の周波数依存性が殆ど無く、また、配線経路の電磁障害や接地電位変動雑音が無いため数十Ｇｂｐｓの配線が可能である。
この光配線装置を実現するためには光導波路を用いた配線が必要となる。一般に光導波路の接続は平板光導波路基板の突き合わせや光ファイバの突き合わせで行われ、電気の配線方法に比し汎用性が少ない。このため、光配線装置は電気配線装置に比し一般的ではなく、極限られた特殊装置でのみ用いられている。
【０００３】
しかしながら、ＬＳＩ間を光で接続する光配線装置を実現するために、光導波路を光ワイヤで接続するための提案がいくつかなされている（特開平１−２６９９０３号公報、特開平５−８８０２８号公報、特開平１１−３８２５４号公報）。
これらの提案はガラスや樹脂の光ワイヤ（光導波体）を光素子や光導波路基板に接続する方法に関するものであり、汎用的な光導波路の接続方法が開示されている。しかしながら、これらの提案では効果的な光接続が考慮されておらず、そのままで実用化は困難という問題があった。
例えば特開平１１−３８２５４号公報に記載された方法は、溶融状態の樹脂を硬化させながら吐き出して光ワイヤの形成と光接続を行うものである。このような方法では、光導波路の上部クラッドが空気であるため光導波路表面の塵や湿度で光導波特性が変動するという問題があり、また、溶融樹脂を硬化させながら光ワイヤを形成するため光ワイヤ特性の均一性や再現性に乏しいという問題がある。また特開平５−８８０２８号公報に記載されたものは、光導波路への光ワイヤ結合が導波路突合わせであり、水平方向への配線のほかに入出力部の直角変換が必要となる。通常、このような直角変換を設けるためには３次元的な構成が必要であるため、光導波路基板の作製が容易でなく、従って汎用性も低い。またこの公報中には、光ワイヤを直角に折り曲げて用いており、その曲率が小さいほど導波損失が大きくなる。このため、低損失な直角変換を行うためには非常に大きな曲率が必要であり、光配線基板に必要以上の面積を要するという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の光配線装置は、光導波路特性の安定性、光ワイヤ特性の均一性や再現性、光導波路基板の実装密度などに問題があり、電気配線装置のような汎用性は依然得られないという問題があった。
本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、光導波路特性の安定性や光ワイヤ特性の均一性、再現性、光配線装置の実装密度などの問題が無く、電気配線装置と同等の実装性をもち、且つ光配線の特徴を効果的に発揮できる光配線装置、その製造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、基板と、この基板上に形成されたクラッド層と、このクラッド層中に形成された光導波路と、前記クラッド層の一部が除去され前記光導波路が露出して形成された光コンタクト部と、前記基板および光導波路とは別に予め作成された光を導波する光ワイヤとを備えてなり、前記光ワイヤは、前記光コンタクト部にその側面が当接することにより、前記光導波路の光導波方向に沿うように固着していることを特徴とする光配線装置を提供する。
また、本発明は、基板上に形成されたクラッド層と、このクラッド層中に形成された光導波路と、前記クラッド層の一部が除去され前記光導波路が露出して形成された光コンタクト部とを具備する光配線基板の前記光コンタクト部に、前記基板および光導波路とは別に予め作成された光を導波する光ワイヤを接続するにあたり、前記光コンタクト部に前記光導波路に沿う方向に樹脂製光導波体からなる光ワイヤを配置し、前記光ワイヤ上からコレットを押し付け超音波融着又は熱圧着により前記光ワイヤの先端部をテーパー形状に変形させながら前記光ワイヤの側面を前記光コンタクト部に接続することを特徴とする光配線装置の製造方法を提供する。
【０００６】
また、本発明は、光導波可能な光ワイヤ（光導波路）を第一の接続ポイントから第二の接続ポイントにまたがって形成する装置であって、連続した光ワイヤを収納する収納部と、この光ワイヤの送り出し制御機構と、圧力と超音波を印加して前記光ワイヤを光導波路の光コンタクト部へ固着するコレットとを具備し、前記コレットは前記光ワイヤをその長手方向に分断するように前記光ワイヤの導入側及び送出側に斜面を有し、前記光ワイヤを前記第一または第二の接続ポイントに固着する際に超音波印加又は加熱又はその併用により前記光ワイヤの固着部を前記斜面によりテーパー形状に変形させ、且つ前記第二の接続ポイントに固着する際の光ワイヤの切断時には前記コレットの圧力印加状態で前記送り出し制御機構により前記光ワイヤに張力を与えて前記コレット送出側の斜面において前記光ワイヤを切断する機能を具備することを特徴とする光配線装置の製造装置を提供する。
本発明は、光配線導波路に埋め込み型光導波路を用いることで光導波路特性の安定化を図っている。さらに光ワイヤの接続を光導波路基板平面に沿う方向として光導波路の直角変換部を不要とするため実装密度を高くできる。また、本発明は、コンタクト部で光導波路上部のクラッド層を一部除去するため、光ワイヤとの光結合が容易であり光学的損失がない。また、本発明は、光導波路の光ワイヤ接続部をテーパー形状とすることや光ワイヤの光導波路接続部をテーパー形状とすることで更に光結合を容易にし、光学的損失も低減できる。
【０００７】
本発明は、光ワイヤはあらかじめ別途作製され、光ワイヤ特性の均一性、再現性の向上を図っている。また、本発明は、光ワイヤとして樹脂製光導波体を用い、光導波路への固着を超音波融着、熱圧着により光ワイヤ先端をテーパー形状に変形させながら行うことで製造方法を容易にできる。
また、本発明は、前記光ワイヤの導入側及び送出側に斜面を有するコレットにより超音波印加又は加熱又はその併用により光ワイヤをテーパー形状に変形させ、光ワイヤ切断時にコレットの圧力印加状態で送り出し制御機構により光ワイヤに張力を与えて光ワイヤを切断することにより、さらに光導波路と光ワイヤの接続を容易にできる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の詳細を説明していく。
図１は本発明の光配線装置の断面図であり、図２はその斜視図である。
１は基板、２はクラッド（光閉じ込め部）、３は光導波路、４はクラッド（光閉じ込め部）であり、これらで光配線基板を構成している。光導波路３はクラッド２，４によって埋め込まれた構造となっており、光は光導波路中に閉じ込められて進む。また５ａはコア（光導波路）、５ｂはクラッド（光閉じ込め部）であり、これらで光ワイヤを構成する。
上記光配線基板は光ワイヤ５とのボンディングパッド（コンタクト）６の部分で上部クラッド４が除去されているので、光ワイヤ５と光導波路３は十分に光結合することができ散乱や吸収による損失がない。光ワイヤ５を伝播する光は、通常であれば光ワイヤ５の切断部において光ワイヤ５内の伝播光が感じる実効屈折率と出射媒体の屈折率差に応じて一部反射して一部透過する。しかしながらこの場合、光ワイヤ５の切断部に直接光結合した光導波路コア３が存在するため、光導波路３側に伝播光の一部が引き込まれ、光パッド部６を光が進行する間に徐々に光導波路３側に光分布が移行していく。
【０００９】
通常光配線基板において、光導波路を挟むクラッド層は、光導波路の放射損失等を抑制するため十分な厚さに形成されており、光ワイヤから光導波路への光結合は起こりにくい。本発明では光パッド部６で上部クラッド４が除去され、光導波路コア層３が露出しているため、図１、図２に矢印で示したように光ワイヤ５に入射した信号光は光パッド部６で光導波路３に結合し、光導波路３を伝播するようになる。勿論、これは受動的な光学結合であるため、その逆過程、すなわち矢印の反対方向からの光も損失なく伝播するようになる。
図１、図２の光配線装置では、光ワイヤ５が光パッド部６で厚さが徐々に薄くなる所謂テーパー構成となっているので、光ワイヤ５と光導波路３との光結合をより容易にすることができる。光ワイヤ５が均一の厚さのままの場合、光導波路との重なり長によって光学的共振条件が変わって光結合特性が変わってくるが、テーパー部の先端に行くに従って光導波条件が満たされなくなり、徐々に導波光が光ワイヤ５外に染み出すようになる。結果、光ワイヤ５の周囲が空気の場合、即ち、光導波路３等に接近していない場合には光ワイヤ５を切断した場合と同様な導波光の反射が起きる。本実施例のように光ワイヤ５と光導波路３が直接近接している場合には光ワイヤ５から染み出した光がスムーズに光導波路３側に移行する一種のモード変換が実現する。その結果、コンタクト部６での光ワイヤ５の形状がテーパー型とすることにより、光ワイヤ５と光導波路３の間の光結合効率を高めることができる。
【００１０】
次に図３を用いて本発明の光配線装置の製造方法を説明する。
図３中、７はボンディングコレット、７ａは光ワイヤ５のガイド穴であり、コレット７は光ワイヤ５を固着するための圧力印加と超音波印加が可能なように構成されている。
それぞれの構成例としては、基板１はアルミナや石英、窒化アルミニウム等のセラミック基板、Ｓｉ等の半導体基板、また、ポリイミドやエポキシ等の樹脂基板を用いることができる。
クラッド層２とコア層３は、例えば高純度石英に不純物添加して屈折率を変えたものや多成分ガラス等のガラス材料、あるいは、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、これらの弗素化樹脂等の重合条件や添加物添加で屈折率を変えた樹脂材料等を用いることができる。
コア層３の屈折率はクラッド層２の屈折率より高くなるように設定し、使用する光源の波長や導波モード、即ち、単一モードか多モードか、光導波路損失制限等の条件を考慮して種々の設定が可能である。
クラッド層４は、クラッド層２と同一の材料を用いれば良いが、光パッド６を加工するためにクラッド層４は選択的にエッチング等により除去し易い材料を選択するように、クラッド層２及びコア層３と異種の材料としても良い。光パッド６は光導波路コア３の位置に合わせてエッチングで形成するか、クラッド層４を形成する際に選択マスクで覆ってクラッド層が形成されないようにするなど、種々作成方法を用いて作製することができる。また、光パッド６の領域には、光ワイヤ５と光導波路３の材料に合わせて光ワイヤ５を固定するための密着材を形成しておいても良い。
【００１１】
光ワイヤ５は、超音波印加や加熱で変形、固着できるようにアクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、これらの弗素化樹脂等の樹脂材料の光導波体、例えば、同軸状コアを有する所謂光ファイバーや、平板コアをクラッド材料でラミネートしたリボン状光導波路を用いる。
コレット７は、電気配線装置の金属ワイヤボンディングの場合と同様の材料のものを用いることができ、例えば、タングステン、チタン、モリブデン、またこれらを基材とする化合物（例えばタングステンカーバイド、チタンカーバイドなど）を加工したものを用いれば良い。
光ワイヤ５の接続手順としては、まず、光ワイヤ５をコレット７の所定位置、例えば、コレット７の先端位置に揃えるようにセットする。次に、コレット７を光パッド部に移動し、光ワイヤ５を光パッド６にコレット７ごと押し付け、コレット７の押圧が所定値に達した瞬間にコレット７の上部から超音波を印加する。このときの条件として、例えば、光ワイヤ５が３０μｍ径のアクリル樹脂製光ファイバーで、コレット７の先端と光ワイヤ５との接触長さが５０μｍの場合、コレット７の押圧が２０ｇ、コレット７に印加する超音波が５０ｋＨｚで５Ｗを０．５秒間印加する。
【００１２】
超音波は、電気的接続のための金属（例えば金やアルミニウム）ワイヤボンディングの場合、横振動（コレット７の押圧方向に直交する方向に振動）が多く用いられる。これは金属表面の皮膜を破ることが目的であるが、ここでは、樹脂製光ワイヤ５の超音波溶融を目的とするため、光ワイヤ５と光パッド６の接触面で超音波吸収（熱エネルギー化）が効率よく行われるよう縦振動（コレット７の押圧方向に振動）を用いることが望ましい。
超音波印加中、光ワイヤ５は超音波による光パッド６界面での発熱により軟化（または部分溶融）を起こし、光パッド６への固着とともにコレット７の先端形状に応じた形状変形に至る。特に、光ワイヤ５が熱可塑性樹脂の場合、材料の溶融が可能なためこの過程が容易である。そして超音波印加終了後、再固化して機械的接続が完了する（図３の状態）。
続いて、固着した光ワイヤ５が引き剥がされないよう、光ワイヤ５が自由延長できる状態にしてコレット７を移動して光ワイヤ５と光導波路３との接続が完了する。光ワイヤ５の他端接続については別の実施例で後述する。
尚、上述した光ワイヤ５の接続は、使用する材料の組み合わせにより光配線基板を加熱するだけで超音波印加せずに行える場合もあり、また、超音波印加と基板加熱を併用して用いることも可能である。
【００１３】
図４は、本発明の光配線装置の他の実施例であり、光導波路３の光ワイヤ５との接続部分を、先端にいくにしたがって幅が狭くなるようにテーパー状に加工したものである。この実施例では光導波路３の先端が徐々に狭くなるように形成しており、先に図１、図２で説明した光導波路３と光ワイヤ５の接続で光ワイヤ５のテーパー化と同様な効果を持っている。この構成と図１、図２の実施例で示した光ワイヤ５側のテーパー化と合わせることで、光結合効率を更に高くできるとともに、光ワイヤ５の位置ずれに対する光結合の許容量が大きくなるという効果を持っている。
光導波路３のテーパー化は、光導波路コア３の厚さを徐々に薄くする方法でも良く、この場合光結合効率は最も高い値を示す。しかしながら、この場合、光導波路３の形成が３次元的であるため、光結合は高いものの、作製が容易でないという問題もある。これについては、使用する用途、特に許容コストや目標性能に応じて使い分ければ良い。
図５、図６は、光ワイヤ５の接続部分のテーパー形状を示した図であり、それぞれ（ａ）が上面図、（ｂ）が側面図である。図５は図１、図２で示した実施例に相当するテーパー化の場合であり、側面の形状は徐々に狭くなる形状であるのに対し、上面は徐々に広がる形状であることが分る。このため、側面からみたテーパーにより光の染み出し効果は得られるものの、上面から見た逆テーパーにより逆の効果を生じている。上面から見た逆テーパー化は、光ワイヤ５と光導波路コア３との位置ずれ許容量を大きくする効果をもつが、反面、不要光放射による放射損失増大、即ち、光結合効率の低下をもたらす。
【００１４】
これに対し図６は、コレット７にテーパー凹部を設けて光ワイヤ５を変形させた実施例であり、光ワイヤ５の中央部は側面、上面とも先端が細くなる形状であり、逆テーパー部は均一に薄くなるように押しつぶされている。これにより光ワイヤ５と光導波路３の光結合を高く取ることができ、しかも、光ワイヤ５の接続面への接触面積は余り小さくならない、従って、光ワイヤ５の接続強度は図５とほぼ同等の強度が得られるという効果を持つ。この形状を形成するためには、コレット７の先端形状の変更だけで実施可能という利点も持っている。
図７は、本発明の光配線装置の製造装置を示す概略構成図である。
図７中、７はボンディングコレット、８は光配線基板、９はボンディングステージ、１０は装置本体、１１はボンディングアーム、１２は光ワイヤ送り出し制御アーム、１３は光ワイヤリール（光ワイヤ収納部）である。
ボンディングステージ９は加熱機構を含み、ボンディングアーム１１は超音波発振器と加圧制御機構が付属している。また、送り出し制御アーム１２はボンディングシーケンスに応じて光ワイヤ５の固定と解除、更に光ワイヤ５の張力付加を行う。
【００１５】
この装置による動作を説明する。まず、光配線基板８はボンディングステージ９に機械的な保持機構を用いてセットされ、必要に応じて基板８の加熱が行われている。
次に、光ワイヤ５の先端がコレット７の所定位置に来るよう、送り出し制御アーム１２を微動させてセットする。そしてコレット７を光配線基板８の光パッド部（第一の接続ポイント）に移動し、コレット７を下降させる。このとき、コレット７の移動と同時に光ワイヤ５を固定した送り出し制御アーム１２も平行移動する。
次に、コレット７の先端が光パッドに押し当てられ、所定圧力が加わった時点でボンディングアーム１１の加圧制御機構がトリガーを出し、超音波発振器が所定時間発振するとともに送り出し制御アーム１２が光ワイヤ５の固定を解除する。その後、コレット７を上昇させて第１の光ワイヤ接続工程が終了する。
続いて、送り出し制御機構１２が光ワイヤ５の固定を解除したままコレット７を移動させ、同様にして第二の接続ポイント（光パッド）へ第２の光ワイヤ接続工程（加圧、超音波印加）を行う。この第２の光ワイヤ接続時には、送り出し制御アーム１２が再び光ワイヤ５の固定を行い、超音波印加のトリガーと同時にアームを上方に振って張力を光ワイヤ５に与える。その結果、コレット７の超音波印加部より光ワイヤ５が切断され、光ワイヤ接続が終了する。
【００１６】
この後、コレット７と光ワイヤ５の先端を調整することで、次の光ワイヤ接続に連続して移行することができる。
次に図８から図１１を用いて図７で説明した光配線装置の製造方法のコレット７の部分について詳細に説明する。図８中、７ａは光ワイヤのガイド穴、７ｂ、７ｃはそれぞれ第１、第２の斜面であり、光ワイヤ５の先端をテーパー化するための型である。
先ず、図８に示すように、光ワイヤ５をコレット７の所定位置にセットし、第１の光ワイヤ接続を行った際、光ワイヤ５の先端が薄く潰されるように位置を制御する。
次に、図９に示すように、第１の光ワイヤ接続を行った状態で斜面７ｂを用いて光ワイヤ５の先端をテーパー化する。斜面７ｂは図５に示すようなテーパー形状を形成するように平らな形状でもいいし、図６に示すテーパー形状を形成するように加工された形状でもよい。
次に、図１０に示すように、第２の光ワイヤ接続を行った状態で、斜面７ｃにより、光ワイヤ５の後端を第１の光ワイヤ接続と同様にテーパー化する。また、前述のように、第２の光ワイヤ接続では超音波印加と同時に光ワイヤ５に図１０の矢印方向への張力印加を行う。これにより機械的応力の生じている加圧部（７ｂと７ｃの間）に亀裂が生じ、光ワイヤ５の後方（図１０の右側）が剥離もしくは剥離可能状態に至る。その後、コレット７を光ワイヤ５を保持しながら上昇させることで図１１のように光ワイヤ接続が完了する。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、光導波路特性の安定性や光ワイヤ特性の均一性、再現性、光配線装置の実装密度などの問題が無く、電気配線装置と同等の実装性をもち、且つ光配線の特徴を効果的に発揮できる光配線装置が得られ、非常に高速のシステムを汎用的に構築できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明実施例の光配線装置の光ワイヤ接続部を示す構成図
【図２】 本発明実施例の光配線装置の光ワイヤ接続部を示す構成図
【図３】 本発明実施例の光配線装置の光ワイヤ接続方法を示す構成図
【図４】 本発明実施例の光配線装置の光導波路を示す構成図
【図５】 本発明実施例の光配線装置の光ワイヤを示す構成図
【図６】 本発明実施例の光配線装置の光ワイヤを示す構成図
【図７】 本発明実施例の光配線装置の製造装置を示す構成図
【図８】 本発明実施例の光配線装置の製造装置を示す詳細図
【図９】 本発明実施例の光配線装置の製造装置を示す詳細図
【図１０】 本発明実施例の光配線装置の製造装置を示す詳細図
【図１１】 本発明実施例の光配線装置の製造装置を示す詳細図
【符号の説明】
１ 光配線基板
２ 光導波路クラッド層
３ 光導波路コア層
４ 光導波路クラッド層
５ 光ワイヤ
６ 光パッド
７ コレット
８ 光配線基板
９ ステージ
１０ 装置本体
１１ ボンディングアーム
１２ 送り出し制御アーム
１３ 光ワイヤ収納部
Claims (6)
- 基板と、この基板上に形成されたクラッド層と、このクラッド層中に形成された光導波路と、前記クラッド層の一部が除去され前記光導波路が露出して形成された光コンタクト部と、前記基板および光導波路とは別に予め作成された光を導波する光ワイヤとを備えてなり、前記光ワイヤは、前記光コンタクト部にその側面が当接することにより、前記光導波路の光導波方向に沿うように固着していることを特徴とする光配線装置。
- 前記光ワイヤが、光導波するコアと光閉じ込めするクラッドからなり、前記光ワイヤの側面が前記光コンタクト部において徐々に先端に向かって薄くなるテーパー形状となっており、上面が徐々に広がる逆テーパー形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の光配線装置。
- 前記光ワイヤが、光導波するコアと光閉じ込めするクラッドからなり、前記光ワイヤの中央部がその側面、上面とも先端が細くなる形状となっており、前記中央部周囲の逆テーパー部が薄く押しつぶされている形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の光配線装置。
- 基板上に形成されたクラッド層と、このクラッド層中に形成された光導波路と、前記クラッド層の一部が除去され前記光導波路が露出して形成された光コンタクト部とを具備する光配線基板の前記光コンタクト部に、前記基板および光導波路とは別に予め作成された光を導波する光ワイヤを接続するにあたり、前記光コンタクト部に前記光導波路に沿う方向に樹脂製光導波体からなる光ワイヤを配置し、前記光ワイヤ上からコレットを押し付け超音波融着又は熱圧着により前記光ワイヤの先端部をテーパー形状に変形させながら前記光ワイヤの側面を前記光コンタクト部に接続することを特徴とする光配線装置の製造方法。
- 光導波可能な光ワイヤ（光導波路）を第一の接続ポイントから第二の接続ポイントにまたがって形成する装置であって、連続した光ワイヤを収納する収納部と、この光ワイヤの送り出し制御機構と、圧力と超音波を印加して前記光ワイヤを光導波路の光コンタクト部へ固着するコレットとを具備し、前記コレットは前記光ワイヤをその長手方向に分断するように前記光ワイヤの導入側及び送出側に斜面を有し、前記光ワイヤを前記第一または第二の接続ポイントに固着する際に超音波印加又は加熱又はその併用により前記光ワイヤの固着部を前記斜面によりテーパー形状に変形させ、且つ前記第二の接続ポイントに固着する際の光ワイヤの切断時には前記コレットの圧力印加状態で前記送り出し制御機構により前記光ワイヤに張力を与えて前記コレットへの光ワイヤ導入側の斜面において前記光ワイヤを切断する機能を具備することを特徴とする光配線装置の製造装置。
- 前記超音波印加は、前記コレットの押圧方向に振動する縦振動の超音波であることを特徴とする請求項５に記載の光配線装置の製造装置。
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