JP4298134B2 - アクティブ光コネクタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クロックや管理制御などの信号伝送、およびプロセッサ、メモリ、グラフィックスなどのデータ伝送を行うためのモジュール、ケーブル、コネクタなどからなる光配線装置に関するもので、特に、接続を電気で行い、伝送を光で行い、且つ光波長以下の周期を有する多次元屈折率周期構造体すなわちフォトニック構造体を利用したアクティブ光コネクタ（光伝送媒体の両端のコネクタに発光素子及び／又は受光素子及びそれの関連回路を組み込んだもの）に関するものである。
【０００２】
光波長以下の屈折率周期を持つ誘電体多層膜は、ミラーとして優れた特性を有する。この様な構造は１次元フォトニック構造体と位置づけられる。これに対し、２軸方向または３軸方向に光波長以下の屈折率周期を持つ構造体は２次元または３次元フォトニック構造体と呼ばれる。これらの構造体内部では、屈折率と周期によって決定される特定の波長の光波の伝播が禁じられるため、導波路やフィルタ等の光機能素子への応用が期待されている。この禁制帯をフォトニックバンドギャップと呼ぶ。
【０００３】
【従来の技術】
従来、回路ボードやマルチチップモジュールなど実装基板の間を相互接続する配線装置としては電気配線が専ら使われている。しかしながら、実装基板上の搭載部品、なかでもプロセッサ、クロック発振器、グラフィクスLSI、メモリなどからの及び／又はこれらへの信号伝送は、高速広帯域な信号を扱うため、実装上さまざまな制限や問題が生じてきている。たとえば、以下のような制限や問題点がある。
【０００４】
（１）信号伝送の遅延
電気配線では浮遊容量と抵抗の積で決まる時定数だけ信号伝播に遅延が生じる。伝達情報の広帯域化にともない、信号の高周波化が進み、配線間の信号遅延が大きな問題となっている。
【０００５】
（２）伝送距離制限
高周波化にともない伝送損失が大きくなるため、伝送距離を長くできない。
【０００６】
（３）電磁放射の問題
クロック周波数の高周波化にともない、配線からの電磁放射が生じやすくなる。デジタル信号であれば、その高調波も電磁放射の要因となる。そのため、ノイズや信号劣化、外部に対する電磁波障害も起きやすくなる。
【０００７】
（４）消費電力の問題
配線の長距離化とクロック周波数の上昇により配線容量(線路やボンディングパッドの浮遊容量)の充放電エネルギが大きくなり、これが消費電力を支配する状況になってきている。
【０００８】
（５）配線容積／重量の問題
インピーダンス整合や電磁閉じ込めのため、縒り線やツイストペアなど配線に工夫を必要とする。また、配線数の増加にともない、実装、ケーブルの数量が増大、煩雑化している。電気配線においては、上記制限や課題に対して、振幅の小さい差動信号をシールド線で伝送する方法が開発され、１Gbps程度の伝送が可能となっている。しかし、インタフェースICやケーブルが高価であるため使用範囲が限られ、さらにそれ以上の高速化は極めて困難である。
【０００９】
上記（１）ないし（５）に挙げた問題は、情報の高速大容量化および処理の複雑化にともない、今後さらに深刻さを増してくるため、電気信号で伝送を行う限り問題は完全には解決しない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
光を伝送手段として用いれば、上記課題は本質的に改善される。それは、以下の理由による。
【００１１】
（１）低損失・広帯域性
光線路は吸収、反射、散乱による伝播損失はあるものの、インピーダンスを考慮しなければならない電気線路とは伝送特性が異なる。伝送距離と伝送周波数はトレードオフであるが、光線路は電気線路と比較していずれも優位にある。
【００１２】
（２）耐電磁干渉性
光は電磁誘導を生じない。電磁放射も生じない。電磁環境の厳しい条件の下で使用されるのに適している。
【００１３】
（３）グラウンド不要性
光子は電荷を持たず配線容量を充電する必要はない。配線の抵抗と容量で決まる時定数による伝播遅延がなく、線路の充放電にともなう電力消費もない。
【００１４】
（４）小形・軽量
光線路を構成する誘電体あるいは高分子材料は、銅、金、アルミなど電気配線材料に比べて軽い。同じケーブルでも光ファイバは、電気ケーブルとは比較にならないくらい小径かつ軽量になっている。
【００１５】
従来、光伝送を行うため、光ファイバをシリアルインタフェースあるいはパラレルインタフェースとして、単線あるいはアレイ化したモジュールが開発されている。しかしながら、光ファイバないし光導波路からなる光コネクタと、基板ないし装置側に実装された発光／受光素子との光による接続には、高い精度や強い堅牢性が要求され、コスト高、着脱劣化という問題があった。
【００１６】
そこで、線路コネクタ側に電気光相互変換素子を一体化させ、コネクタ端子を電気接続的なものにすれば上記問題は解決する。特開平9-80360号公報では、CW発振の半導体レーザ(LD)の光が導かれた光変調器に、電気コネクタなどからの電気信号が接続され、光信号に変換されている。また、逆に光信号が光検出器(PD)に入射され、増幅器を経て電気コネクタなどへの電気信号に変換されている。しかしながら、LDからの出射光を光変調器につながる光導波路に導入するため、光導波路端面に光を結合する必要があり、レーザ光源と光導波路端面の位置合わせおよびその安定化が難しく、コスト高、大型化につながる。さらに、レーザ出射光を分岐して光変調器に導入するための光分岐路のため、素子自体が大型化する難点があった。
【００１７】
また、１９９６年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイアティ大会、講演番号SC-5-1では、LEDサブモジュール、PDサブモジュール、送信回路、受信回路を実装したアクティブ光コネクタが開示されている。しかしながら、コネクタ内で光ファイバコネクタ、電気コネクタ、各サブモジュールを実装した形態であり、小型化、高速化、低消費電力化などが、各部品の性能で制限されていた。
【００１８】
面入出射型の電気光相互変換素子と光ファイバを接続する構造に関しては、特開平10-223985号公報あるいは特開平10-300961号公報において、光ファイバの出射端に斜め反射鏡を形成して、垂直光路変換を図っている。しかしながら、斜め45度の切削を光接続用導波路ないし光ファイバ端に施す必要があり、経済性、結合性、信頼性に難があった。
【００１９】
本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものである。その目的は、光伝送路を有する配線装置であって、電気コネクタからの信号を発光素子に接続することで電気から光への変換を行い、光伝送路からの光信号を受光素子に結合することで光から電気への変換を行う、電気接続端子および光伝送路を有するアクティブ光コネクタを提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段と作用】
上記目的を達成する本発明のアクティブ光コネクタは、
発光素子からの光を光ファイバに光接続するフォトニック結晶構造体を備えたアクティブ光コネクタであって、
前記発光素子は、基板の上に設けられ、該基板の面に対して垂直方向に光を出射する面発光素子であり、
前記フォトニック結晶構造体が有する欠陥によって形成された光導波路は、前記基板の面に対して垂直方向から入射された前記発光素子からの出射光を導入して直角方向に曲げ、該基板の面内方向に出射するように該発光素子に対して位置決めされて構成され、
前記光ファイバは、該基板の面内方向から入射する該前記フォトニック結晶構造体からの光を導入して前記基板の面内方向に導波するように、光軸を前記基板の面内方向に配置して該基板上に位置決めされて設けられることを特徴とする。
【００２１】
この本発明によるアクティブ光コネクタにおいては、
（１）回路ボードあるいはマルチチップモジュールなどの間を電気コネクタを介して接続できる構造になっているため着脱簡易で、
（２）構成がコンパクトであるのでボード、モジュールなどの上の実装スペースの削減が実現でき、
（３）任意の電気コネクタと互換性を持たせることが可能で、
（４）簡素な構造であるので作製が容易で且つ制御性が高く、
（５）作製容易であるので低コストで、
（６）高速広帯域の配線が可能で、
（７）耐電磁環境性が高い
特徴を有する。
【００２２】
上記の基本構成に基づいて、以下の如き、より具体的な形態が可能である。
前記フォトニック結晶構造体中に形成された光導波路は、前記電気光相互変換素子の一つである発光素子からの出射光を直角方向ないし角度を成す方向に曲げることで前記光伝送用導波媒体へ導入させ、且つ光伝送用導波媒体伝播光を直角方向ないし角度を成す方向に曲げることで前記電気光相互変換素子の一つである受光素子へ入射させる形態を採りうる。この場合、前記光導波路は光路を光損失少なく急激に曲げる構成も採りうるので、構成をコンパクトにできる。
【００２３】
前記光導波路は、３次元的な屈折率周期構造体の内部の一部に、周囲と異なる屈折率領域を設けて成ったり、一部に欠陥部を持つ２次元周期配列された微小球体構造体を積層することで形成されたり、２次元周期配列された微小球体構造体から成る型を用いて形成した一部に欠陥部を持つ周期微小球体構造体を積層することで形成されたりする。
【００２４】
前記電気光相互変換素子に接続され外部接続するコネクタ端子である電気端子を更に有し、前記光伝送用導波媒体は伝送ケーブルである光ファイバである形態も採りうる。
【００２５】
前記電気光相互変換素子は、発光素子である面発光レーザ、受光素子である面受光型の光検出器であったりする。
【００２６】
前記電気光相互変換素子のうち発光素子と隣接もしくは集積されて発光素子用駆動回路が設けられたり、前記電気光相互変換素子のうち受光素子と隣接もしくは集積されて受光素子用駆動回路が設けられたりしてもよい。
【００２７】
アクティブ光コネクタは、典型的には、クロック信号、管理制御信号、及び複数のデータの伝送に充てられる。
【００２８】
前記光伝送用導波媒体である光ファイバの一端に前記フォトニック結晶構造体中に形成された光導波路の一端が接続され該光導波路の他端に前記電気光相互変換素子である発光素子が隣接して配置され、前記光伝送用導波媒体である光ファイバの他端に前記フォトニック結晶構造体中に形成された光導波路の一端が接続され該光導波路の他端に前記電気光相互変換素子である受光素子が隣接して配置され、該発光素子と受光素子が該光ファイバを介して光接続される形態も採りうる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例を説明していく。
【００３０】
（第１実施例）
図1は本発明によるアクティブ光コネクタを構成する光接続構造の第１の実施例を説明する断面図である。
【００３１】
図１において、Si基板101上に実装された電気光相互変換素子の一つである面発光レーザ102上に、３次元屈折率周期構造体から成るフォトニック結晶導波路構造103が接着されている。同じくSi基板101上には、光ファイバ固定用のV溝104に配列された光ファイバ105がその端面をフォトニック結晶導波路構造103に近接して実装されている。フォトニック結晶導波路構造103の内部には、図１でその断面を示すように、面発光レーザ出射窓106からの光を光ファイバコア107へ導波して接続するようにフォトニック結晶欠陥108が形成されている。図示例では、微小球体が各層において１列ないし数列欠いた部分が積層方向に連なってフォトニック結晶欠陥108の導波路を成している。
【００３２】
面発光レーザ102から出射した光は、フォトニック結晶欠陥108に沿って垂直方向から面内方向に光路変換され、光ファイバ105に入射する。面発光レーザ102を面受光素子に置き換えると、光ファイバ105からの光を面受光素子で検出できる構造となる。
【００３３】
図２は上記フォトニック結晶導波路構造体を用いたアクティブ光コネクタの一例を示している。図２において、面発光レーザ201（図示例では４個のアレイ）がSi基板202上に実装されている。Si基板202には更にホトディテクタ203（図示例では４個のアレイ）、レーザ駆動回路204、光検出増幅回路205が集積されている。Si基板202は、パッケージ206上に半田メッキにより実装される。
【００３４】
面発光レーザ201およびホトディテクタ203の上部からは、フォトニック結晶導波路構造体207が接着される。フォトニック結晶導波路構造体207と接して、Si基板202上に同じくSiからなるV溝列208が形成されている。光ファイバ209（図示例では、４本が面発光レーザ201に接続され、４本がホトディテクタ203に接続される）は、該SiからなるV溝列208に配列され、その端面がフォトニック結晶導波路構造体207内のフォトニック結晶欠陥から成る各導波路と結合するように実装される。
【００３５】
Si基板202を実装するパッケージ206の外端部には、レーザ駆動回路204への入力端子および光検出増幅回路205からの出力端子とワイヤボンディングされたプラグ列210が形成されている。プラグ列210の中には、レーザ駆動回路204、光検出増幅回路205への電源供給のための端子も含まれている。図２の左右両側の部分においては、面発光レーザ201とホトディテクタ203が各光ファイバ209で結ばれる様に、対を成す構造となっている。
【００３６】
以上の素子は、図３に示すようにパッケージに固定されてプラグコネクタ301を構成する。このように作製されたアクティブ光コネクタ302は、レセプタクルコネクタ303が実装された回路ボードないしマルチチップモジュール304間の接続に使用される。
【００３７】
面発光レーザ201は、図４にも示すように、垂直共振器構造を持つ。すなわち、高反射率(通常９９%以上)の多層反射膜402、404が活性層403を挟むように成膜されている。よく知られている様に、この構造のために面発光レーザ201においては、活性層403で発生する光のうち多層反射膜402、404で共振される波長の光が増幅されて発振に至り、出射光409を生じる。
【００３８】
本実施例における面発光レーザは、図４に示すように、n-GaAs基板401上に、n-AlAs/AlGaAs ３０組からなる多層反射膜402、AlGaAsスペーサで挟みこまれたGaAs/AlGaAs多重量子井戸からなる活性層403、p-AlAs/A1GaAs ２０組からなる多層反射膜404が一回のエピタキシャル成長で形成されている。本実施例では、発振波長が８３０nmとなるように、活性層403で決まるホトルミネセンス波長と、多層反射膜402、404の反射波長帯と、多層反射膜402、404間の間隔から決まるファブリペロエタロン波長とを制御している。
【００３９】
また、p側の多層反射膜404の最上部は、電極との導通を良好にするためにp-GaAsとしている。更に、内径１０μｍ−φ、外径４０μｍ−φのドーナッツ状に活性層403下部まで反応性イオンエッチング法などで垂直にエッチングを行う。次いで、選択的ウエットエッチングで活性層403をくびらせた後、SiNxで絶縁膜405を成膜した後、ポリイミドからなる埋め込み層406を形成し、ｐ−電極パターン407を形成する。更に、薄片化したn-GaAs基板401の裏面にn−電極408を成膜したのち、アロイ化を行いp−電極407およびｎ−電極408とGaAs層とのオーミック接触を得ている。
【００４０】
フォトニック結晶導波路構造体207は次の様に作製する。図５に示すように、まず、原盤となる光波長以下の粒径を持つ金属などからなる微小球体501を含有した懸濁液を、傾斜させたガラス基板502上に放置する。懸濁液の表面張力と蒸発現象と粒子間の力の働きで、微小球体501は自己組織的に周期的な稠密構造を形成する(図５(a))。以上のように作製した平面的に配列された微小球体501を原盤として型起こしを行う。
【００４１】
まず、原盤である微小球体501に金属メッキを行い型取りを行う。つづいて、原盤501とメッキ体からなる型基板503の剥離を行い、型を作製する(図５(b))。以上の如く作製した型503、504を２枚向かい合わせに張り合わせ、その間隙に紫外線硬化樹脂を充填して、プリベークを行ったのち、片側の型504を剥離する(図５(ｃ))。紫外線硬化樹脂からなる周期的微小球体505を積層することで３次元導波路構造体207が形成されるように、各ホトマスク506にて、各層に来るべき導波路パターンの紫外線照射507を行う(図５(d))。すなわち、導波路コアとなる部分の樹脂が硬化されないように紫外線照射を行う。こうして、型503についた状態で現像を行い、所望の導波コアとなる部分のみ除去された２次元周期微小球体508を形成する。支持基板509に、２次元周期微小球体508を押し付け、型503から転写する(図５(e))。以上の工程を順次行い２次元周期微小球体508を積層していく(図５(f))。上下方向から支持基板509、510で挟み込むことで、３次元方向に欠陥列（光導波路）の形成されたフォトニック結晶導波路構造体511が作製される(図５(ｇ))。
【００４２】
型基板503を形成する為の電気メッキでは、メッキ時間、メッキ温度を制御してメッキ層の厚さを容易に制御することが可能である。主な、メッキ金属としては、単金属では、Ni、Au、Pt、Cr、Cu、Ag、Zn等、合金では、Cu-Zn、Sn-Co、Ni-Fe、Zn-Ni等があるが、他にも電気メッキが可能な材料であれば用いることは可能である。また、メッキ浴にA1203、Ti02、PTFE等の分散粒子を付加することによる分散メッキも利用できる。このように形成した周期的半球体メッキ層を有する基板503上にモールドを形成する。モールドを形成する方法としては、周期的半球体メッキ層を有する基板を向かい合わせた中にモールド材料(樹脂、ガラスなど)を溶融または溶解した液を塗布し、硬化する方法が用いられる。この時、各材料として、モールド材料とメッキ層との剥離性を良くするものを選ぶ。剥離することで周期的微小球体からなるモールド505が形成できる。
【００４３】
剥離を行う方法としては、他に、犠牲層を導入する以下の様な方法がある。型基板は電気メッキにより形成する。その為に、周期的微小球体基板501上に犠牲層を形成する。次に、電気メッキ用の鋳型用電極層を形成する。この鋳型用電極層を陰極として、金属イオンを含むメッキ液中で電気メッキを行い鋳型を形成する。この後に、犠牲層をエッチング除去し、鋳型用電極層を有する鋳型と、周期的微小球体基板501が剥離できる。次に、鋳型用電極層をエッチング除去することで型基板503が形成できる。
【００４４】
上記のフォトニック結晶導波路構造体207において、導波路コアとなる領域には微小球体が形成されていないため、光はこの欠陥領域108に沿って伝播される。欠陥領域108は電気光相互変換素子と光ファイバを結ぶように垂直面内で曲折している（図１参照）。以上のように形成したフォトニック結晶導波路構造体207を面発光レーザ201上に実装する。
【００４５】
光受信側の構成も同様である。図6に概略示すように、光ファイバ601を伝播してきた光602は、フォトニック結晶導波路構造体603に導入され、方向を垂直下方に変えられ、ホトディテクタ604の光吸収層605にて検出される。
【００４６】
以上の構成により、電気光相互変換素子の実装されたSi基板上に、光ファイバを素子と同様に表面実装しても、基板垂直方向に出射する面発光レーザの光を、そのまま光ファイバヘ効率よく結合させることが可能となる。同様に、光ファイバを伝播してくる光は面入射型光検出器にて検出される。そのため、接続端子が一般的な電気端子でありながら伝送を光で行える配線装置を、極めて小型で信頼性高く構成することが可能となり、ボード間、モジュール間の信号・データ伝送を自由に行うことができる。
【００４７】
（第２実施例）
図７および図8を参照して、本発明による第２の実施例を説明する。
【００４８】
アクティブ光コネクタにおいて、図７に示すように、セラミック基板701上に、光ファイバ707を位置決めし固定するSiからなるV溝702と、光の伝播方向を変え且つ電気光相互変換素子708と光ファイバ707を効率よく接続するフォトニック結晶導波路構造体703を支持するSi基板704が実装されている。Si基板704上のフォトニック結晶導波路構造体703は、まずSi基板704上にバッファ層（保護層）としてPSG(燐シリカガラス)層705を成膜し、つづいて、一旦微小球体を配列したものから型起こししたモールド成形用の型から作製した微小球体層を順次積層して作製される。導波路コア709を形作る欠陥は、第１実施例のところで説明した様に、型から微小球体層を作製する段階で一部微小球体を形成しないことで実現している。積層を終えた微小球体層の上部に同じくPSGバッファ層706を形成する。
【００４９】
微小球体の配列周期は、導波コア709の伝搬方向以外に光伝搬が禁止されるようなフォトニックバンドギャップが形成されるような構成となっている。その周期は、実効屈折率をn0、伝播波長をλとして、概略λ/(2 n0)程度となる。このことは他の実施例でも同じである。以上の素子が形成されたセラミック基板701上に、面発光レーザ用駆動ICチップと光検出器用の増幅器ICチップが実装されている。
【００５０】
このフォトニック結晶導波路構造体703により、光ファイバ707と光電変換チップとを光学的に接続する。すなわち、図７に示すように、面発光レーザ708および光検出器(不図示)直下のフォトニック結晶導波路構造体703中に形成した欠陥構造709により、光伝播は面内方向から垂直方向、あるいはその逆方向に折り曲げられる。面発光レーザ708からの光信号は符号710で模式的に示すように、光ファイバ707に導かれその中を伝送する。
【００５１】
面発光レーザ708は、Si基板711上に導電層712、半田メッキ層713（これは導電性）を介して実装される。Si基板711、導電層712、半田メッキ層713には、光入出射用に開口が形成されていて、光ファイバ707との光結合ができるようになっている。受光素子は、発光素子の波長がO.8μｍ帯の場合はSiもしくはGaAsで形成される。Si透過波長である1.3μｍ帯、1.55μｍ帯で設計すれば、Si基板711に開口を開ける必要はなく、受光素子はInGaAsのような材料で作製して、発光素子と同様の手法でSi基板上に実装する。
【００５２】
つづいて、面発光レーザ708をフォトニック結晶導波路構造体703上に接着剤714(たとえばエポキシ)を介して実装する（接着層やバッファ層については、第１実施例のところの基板101と電気光相互変換素子の接着、電気光相互変換素子とフォトニック結晶導波路構造体103の接着においても用いられる）。
【００５３】
図8は、図７で説明したアクティブ光コネクタ801を多層回路ボード802の接続に使用する概観を示している。光電変換チップが実装されたプラグコネクタ803が、ボード上のレセプタクルコネクタ804に電気的に接続される。プロセッサ、メモリ、グラフィックLSIなど様々な搭載部品805が多層回路ボード802には実装されている。面発光レーザ、光検出器など電気光相互変換素子を通して、高速な信号およびデータは光伝送路806上を光にて伝送される。低周波であってもデジタル信号等のおいては、その高調波が電磁ノイズを発生しやすいため、光伝送路を通して伝送することが好ましい。
【００５４】
（第３実施例）
次に、図9を用いて本発明による第３の実施例を説明する。
【００５５】
面発光レーザ901と光吸収層912を持つ光検出器902は、同一ウエハ上に結晶成長されていて、一個おきに配置された光検出器の前面多層膜反射鏡903のみ、反射率を下げる目的でエッチングされている。層構成は第１実施例と同様である。前面多層反射膜903上にはコンタクト層となるp-GaAs層も結晶成長されている。さらに、コンタクト電極904が蒸着されている。ただし、図9においては、n-GaAsウエハ側（後面多層膜反射鏡911側）は省略してある。
【００５６】
フォトニック結晶導波路構造体905、906上には、面発光レーザ901と光検出器902とが実装される位置に、導電層(たとえばAu/Ni/Cu多層薄膜)907が成膜されている。さらに、その上部に半田メッキ層(たとえばAu/Sn共晶半田)908が成膜される。
【００５７】
作製した面発光レーザ901と光検出器902は、表面側を下にして、半田メッキ層908を介してp−電極904側が光導波路構造体905、906上の導電層907に実装される。導電層907および半田メッキ層908には、面発光レーザ901および光検出器902のための透光窓を開けている。フォトニック結晶導波路構造体905、906は、微小球体を一層づつ周期的に配列し、積層していくことで形成される。欠陥領域は各層で微小球体を抜くことで３次元的に形成される。面発光レーザ901および光検出器902を実装する直下に、フォトニック結晶の欠陥列からなる導波路コア909、910が形成されて、これらが光ファイバと接続されている。導波路コア909、910は、微小球体を斜めに欠陥とすることで、斜め上下方向に光の伝播が行える構造となっている。
【００５８】
光検出器902は多層反射膜903、911で挟まれた共振器構造となっているため、伝播波長に強い感度を有する。ただし、光吸収層912の前面に形成された多層反射膜903は反射率を高くしていないため、共振波長の帯域幅は比較的広く、面発光レーザの発振波長が多少変動してもその感度に影響はない。以上の効果で、フォトニック結晶導波路構造体905、906を経た伝播光は、光吸収層912にて検出される。
【００５９】
面発光レーザ901は動作電流がｍＡ程度と低いため、本実施例では、搭載部品のバッファCMOSからの信号およびデータを、直接、面発光レーザに印加することで、光伝送を行っている。さらには、多層反射膜による共振器構造のおかげで光検出器902の検出感度が向上するため、光検出器に生じた電圧変化を検出することで受信を行う。したがって、発光素子用駆動回路および受光素子用増幅回路は不要となる。アクティブ光コネクタにおける電気−光変換は面発光レーザと共振器付き光検出器で達成されるため、アクティブ光コネクタの小型化および省電力化を進めることができる。図１０は本発明によるアクティブ光コネクタをコンピュータ内のボード間1001や、記憶装置との間1002、外部との間1003の配線に用いた例であり、高速なディジタル信号の伝送にもかかわらず、電磁放射ノイズの発生が低く抑えられる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるアクティブ光コネクタを用いることにより、伝送路からの電磁放射ノイズ発生が抑圧され、伝送路の距離にかかわらず、低電力での高速信号伝送が行える。また、本発明によれば、光ファイバなどの光伝送媒体と電気光相互変換素子とを集積実装して、フォトニック結晶導波路構造体を介して容易に結合可能なため、量産性に優れた高効率なアクティブ光コネクタを作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアクティブ光コネクタの第１実施例を構成するフォトニック結晶導波路構造体を説明する断面図である。
【図２】本発明によるアクティブ光コネクタを説明する分解斜視図である。
【図３】本発明によるアクティブ光コネクタのボード間配線への適用例を説明する斜視図である。
【図４】本発明によるアクティブ光コネクタを構成する面発光レーザの構造例を示す断面図である。
【図５】本発明によるアクティブ光コネクタを構成するフォトニック結晶導波路構造体の製造方法例を説明する図である。
【図６】本発明によるアクティブ光コネクタにおける受光素子および光ファイバの結合例を説明する断面図である。
【図７】本発明によるアクティブ光コネクタの第２実施例における発光素子および光ファイバの結合を示す断面図である。
【図８】本発明によるアクティブ光コネクタをボードの配線に使用する他の例を説明する斜視図である。
【図９】本発明によるアクティブ光コネクタの第３実	施例におけるフォトニック結晶導波路構造体と、発光素子および受光素子との結合を説明する断面図である。
【図１０】本発明によるアクティブ光コネクタを機器内および機器外の配線に使用する例を説明する図である。
【符号の説明】
101,202,701,704,711 基板
102,201,708,901 面発光レーザ
103,207,603,703,905,906 フォトニック結晶導波路構造体
104,208,702 V溝
105,209,601,707,806 光ファイバ
106 レーザ出射窓
107 光ファイバコア
108,709,909,910 フォトニック結晶欠陥(導波路コア)
203,604,902 光検出器
204 駆動回路
205 増幅回路
206 パッケージ
210 プラグ
301,803 プラグコネクタ
302,801,1001,1002,1003 アクティブ光コネクタ
303,804 レセプタクルコネクタ
304,802 回路ボード
401 レーザ基板
402,404,903,911 多層反射膜
403 活性層
405 絶縁膜
406 埋込み層
407,408,904 電極
409 出射光
501 ２次元周期微小球体の原盤
502 支持基板
504 型
505 ２次元周期微小球体
506 ホトマスク
507 照射光
508 ２次元フォトニック結晶構造体
509,510 支持基板
511 ３次元フォトニック結晶構造体
602,710 伝播光
605,912 光吸収層
705,706 保護層（バッファ層）
712,907 導電層
713,908 半田メッキ層
714 接着層
805 搭載部品
【発明の属する技術分野】
本発明は、クロックや管理制御などの信号伝送、およびプロセッサ、メモリ、グラフィックスなどのデータ伝送を行うためのモジュール、ケーブル、コネクタなどからなる光配線装置に関するもので、特に、接続を電気で行い、伝送を光で行い、且つ光波長以下の周期を有する多次元屈折率周期構造体すなわちフォトニック構造体を利用したアクティブ光コネクタ（光伝送媒体の両端のコネクタに発光素子及び／又は受光素子及びそれの関連回路を組み込んだもの）に関するものである。
【０００２】
光波長以下の屈折率周期を持つ誘電体多層膜は、ミラーとして優れた特性を有する。この様な構造は１次元フォトニック構造体と位置づけられる。これに対し、２軸方向または３軸方向に光波長以下の屈折率周期を持つ構造体は２次元または３次元フォトニック構造体と呼ばれる。これらの構造体内部では、屈折率と周期によって決定される特定の波長の光波の伝播が禁じられるため、導波路やフィルタ等の光機能素子への応用が期待されている。この禁制帯をフォトニックバンドギャップと呼ぶ。
【０００３】
【従来の技術】
従来、回路ボードやマルチチップモジュールなど実装基板の間を相互接続する配線装置としては電気配線が専ら使われている。しかしながら、実装基板上の搭載部品、なかでもプロセッサ、クロック発振器、グラフィクスLSI、メモリなどからの及び／又はこれらへの信号伝送は、高速広帯域な信号を扱うため、実装上さまざまな制限や問題が生じてきている。たとえば、以下のような制限や問題点がある。
【０００４】
（１）信号伝送の遅延
電気配線では浮遊容量と抵抗の積で決まる時定数だけ信号伝播に遅延が生じる。伝達情報の広帯域化にともない、信号の高周波化が進み、配線間の信号遅延が大きな問題となっている。
【０００５】
（２）伝送距離制限
高周波化にともない伝送損失が大きくなるため、伝送距離を長くできない。
【０００６】
（３）電磁放射の問題
クロック周波数の高周波化にともない、配線からの電磁放射が生じやすくなる。デジタル信号であれば、その高調波も電磁放射の要因となる。そのため、ノイズや信号劣化、外部に対する電磁波障害も起きやすくなる。
【０００７】
（４）消費電力の問題
配線の長距離化とクロック周波数の上昇により配線容量(線路やボンディングパッドの浮遊容量)の充放電エネルギが大きくなり、これが消費電力を支配する状況になってきている。
【０００８】
（５）配線容積／重量の問題
インピーダンス整合や電磁閉じ込めのため、縒り線やツイストペアなど配線に工夫を必要とする。また、配線数の増加にともない、実装、ケーブルの数量が増大、煩雑化している。電気配線においては、上記制限や課題に対して、振幅の小さい差動信号をシールド線で伝送する方法が開発され、１Gbps程度の伝送が可能となっている。しかし、インタフェースICやケーブルが高価であるため使用範囲が限られ、さらにそれ以上の高速化は極めて困難である。
【０００９】
上記（１）ないし（５）に挙げた問題は、情報の高速大容量化および処理の複雑化にともない、今後さらに深刻さを増してくるため、電気信号で伝送を行う限り問題は完全には解決しない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
光を伝送手段として用いれば、上記課題は本質的に改善される。それは、以下の理由による。
【００１１】
（１）低損失・広帯域性
光線路は吸収、反射、散乱による伝播損失はあるものの、インピーダンスを考慮しなければならない電気線路とは伝送特性が異なる。伝送距離と伝送周波数はトレードオフであるが、光線路は電気線路と比較していずれも優位にある。
【００１２】
（２）耐電磁干渉性
光は電磁誘導を生じない。電磁放射も生じない。電磁環境の厳しい条件の下で使用されるのに適している。
【００１３】
（３）グラウンド不要性
光子は電荷を持たず配線容量を充電する必要はない。配線の抵抗と容量で決まる時定数による伝播遅延がなく、線路の充放電にともなう電力消費もない。
【００１４】
（４）小形・軽量
光線路を構成する誘電体あるいは高分子材料は、銅、金、アルミなど電気配線材料に比べて軽い。同じケーブルでも光ファイバは、電気ケーブルとは比較にならないくらい小径かつ軽量になっている。
【００１５】
従来、光伝送を行うため、光ファイバをシリアルインタフェースあるいはパラレルインタフェースとして、単線あるいはアレイ化したモジュールが開発されている。しかしながら、光ファイバないし光導波路からなる光コネクタと、基板ないし装置側に実装された発光／受光素子との光による接続には、高い精度や強い堅牢性が要求され、コスト高、着脱劣化という問題があった。
【００１６】
そこで、線路コネクタ側に電気光相互変換素子を一体化させ、コネクタ端子を電気接続的なものにすれば上記問題は解決する。特開平9-80360号公報では、CW発振の半導体レーザ(LD)の光が導かれた光変調器に、電気コネクタなどからの電気信号が接続され、光信号に変換されている。また、逆に光信号が光検出器(PD)に入射され、増幅器を経て電気コネクタなどへの電気信号に変換されている。しかしながら、LDからの出射光を光変調器につながる光導波路に導入するため、光導波路端面に光を結合する必要があり、レーザ光源と光導波路端面の位置合わせおよびその安定化が難しく、コスト高、大型化につながる。さらに、レーザ出射光を分岐して光変調器に導入するための光分岐路のため、素子自体が大型化する難点があった。
【００１７】
また、１９９６年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイアティ大会、講演番号SC-5-1では、LEDサブモジュール、PDサブモジュール、送信回路、受信回路を実装したアクティブ光コネクタが開示されている。しかしながら、コネクタ内で光ファイバコネクタ、電気コネクタ、各サブモジュールを実装した形態であり、小型化、高速化、低消費電力化などが、各部品の性能で制限されていた。
【００１８】
面入出射型の電気光相互変換素子と光ファイバを接続する構造に関しては、特開平10-223985号公報あるいは特開平10-300961号公報において、光ファイバの出射端に斜め反射鏡を形成して、垂直光路変換を図っている。しかしながら、斜め45度の切削を光接続用導波路ないし光ファイバ端に施す必要があり、経済性、結合性、信頼性に難があった。
【００１９】
本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものである。その目的は、光伝送路を有する配線装置であって、電気コネクタからの信号を発光素子に接続することで電気から光への変換を行い、光伝送路からの光信号を受光素子に結合することで光から電気への変換を行う、電気接続端子および光伝送路を有するアクティブ光コネクタを提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段と作用】
上記目的を達成する本発明のアクティブ光コネクタは、
発光素子からの光を光ファイバに光接続するフォトニック結晶構造体を備えたアクティブ光コネクタであって、
前記発光素子は、基板の上に設けられ、該基板の面に対して垂直方向に光を出射する面発光素子であり、
前記フォトニック結晶構造体が有する欠陥によって形成された光導波路は、前記基板の面に対して垂直方向から入射された前記発光素子からの出射光を導入して直角方向に曲げ、該基板の面内方向に出射するように該発光素子に対して位置決めされて構成され、
前記光ファイバは、該基板の面内方向から入射する該前記フォトニック結晶構造体からの光を導入して前記基板の面内方向に導波するように、光軸を前記基板の面内方向に配置して該基板上に位置決めされて設けられることを特徴とする。
【００２１】
この本発明によるアクティブ光コネクタにおいては、
（１）回路ボードあるいはマルチチップモジュールなどの間を電気コネクタを介して接続できる構造になっているため着脱簡易で、
（２）構成がコンパクトであるのでボード、モジュールなどの上の実装スペースの削減が実現でき、
（３）任意の電気コネクタと互換性を持たせることが可能で、
（４）簡素な構造であるので作製が容易で且つ制御性が高く、
（５）作製容易であるので低コストで、
（６）高速広帯域の配線が可能で、
（７）耐電磁環境性が高い
特徴を有する。
【００２２】
上記の基本構成に基づいて、以下の如き、より具体的な形態が可能である。
前記フォトニック結晶構造体中に形成された光導波路は、前記電気光相互変換素子の一つである発光素子からの出射光を直角方向ないし角度を成す方向に曲げることで前記光伝送用導波媒体へ導入させ、且つ光伝送用導波媒体伝播光を直角方向ないし角度を成す方向に曲げることで前記電気光相互変換素子の一つである受光素子へ入射させる形態を採りうる。この場合、前記光導波路は光路を光損失少なく急激に曲げる構成も採りうるので、構成をコンパクトにできる。
【００２３】
前記光導波路は、３次元的な屈折率周期構造体の内部の一部に、周囲と異なる屈折率領域を設けて成ったり、一部に欠陥部を持つ２次元周期配列された微小球体構造体を積層することで形成されたり、２次元周期配列された微小球体構造体から成る型を用いて形成した一部に欠陥部を持つ周期微小球体構造体を積層することで形成されたりする。
【００２４】
前記電気光相互変換素子に接続され外部接続するコネクタ端子である電気端子を更に有し、前記光伝送用導波媒体は伝送ケーブルである光ファイバである形態も採りうる。
【００２５】
前記電気光相互変換素子は、発光素子である面発光レーザ、受光素子である面受光型の光検出器であったりする。
【００２６】
前記電気光相互変換素子のうち発光素子と隣接もしくは集積されて発光素子用駆動回路が設けられたり、前記電気光相互変換素子のうち受光素子と隣接もしくは集積されて受光素子用駆動回路が設けられたりしてもよい。
【００２７】
アクティブ光コネクタは、典型的には、クロック信号、管理制御信号、及び複数のデータの伝送に充てられる。
【００２８】
前記光伝送用導波媒体である光ファイバの一端に前記フォトニック結晶構造体中に形成された光導波路の一端が接続され該光導波路の他端に前記電気光相互変換素子である発光素子が隣接して配置され、前記光伝送用導波媒体である光ファイバの他端に前記フォトニック結晶構造体中に形成された光導波路の一端が接続され該光導波路の他端に前記電気光相互変換素子である受光素子が隣接して配置され、該発光素子と受光素子が該光ファイバを介して光接続される形態も採りうる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例を説明していく。
【００３０】
（第１実施例）
図1は本発明によるアクティブ光コネクタを構成する光接続構造の第１の実施例を説明する断面図である。
【００３１】
図１において、Si基板101上に実装された電気光相互変換素子の一つである面発光レーザ102上に、３次元屈折率周期構造体から成るフォトニック結晶導波路構造103が接着されている。同じくSi基板101上には、光ファイバ固定用のV溝104に配列された光ファイバ105がその端面をフォトニック結晶導波路構造103に近接して実装されている。フォトニック結晶導波路構造103の内部には、図１でその断面を示すように、面発光レーザ出射窓106からの光を光ファイバコア107へ導波して接続するようにフォトニック結晶欠陥108が形成されている。図示例では、微小球体が各層において１列ないし数列欠いた部分が積層方向に連なってフォトニック結晶欠陥108の導波路を成している。
【００３２】
面発光レーザ102から出射した光は、フォトニック結晶欠陥108に沿って垂直方向から面内方向に光路変換され、光ファイバ105に入射する。面発光レーザ102を面受光素子に置き換えると、光ファイバ105からの光を面受光素子で検出できる構造となる。
【００３３】
図２は上記フォトニック結晶導波路構造体を用いたアクティブ光コネクタの一例を示している。図２において、面発光レーザ201（図示例では４個のアレイ）がSi基板202上に実装されている。Si基板202には更にホトディテクタ203（図示例では４個のアレイ）、レーザ駆動回路204、光検出増幅回路205が集積されている。Si基板202は、パッケージ206上に半田メッキにより実装される。
【００３４】
面発光レーザ201およびホトディテクタ203の上部からは、フォトニック結晶導波路構造体207が接着される。フォトニック結晶導波路構造体207と接して、Si基板202上に同じくSiからなるV溝列208が形成されている。光ファイバ209（図示例では、４本が面発光レーザ201に接続され、４本がホトディテクタ203に接続される）は、該SiからなるV溝列208に配列され、その端面がフォトニック結晶導波路構造体207内のフォトニック結晶欠陥から成る各導波路と結合するように実装される。
【００３５】
Si基板202を実装するパッケージ206の外端部には、レーザ駆動回路204への入力端子および光検出増幅回路205からの出力端子とワイヤボンディングされたプラグ列210が形成されている。プラグ列210の中には、レーザ駆動回路204、光検出増幅回路205への電源供給のための端子も含まれている。図２の左右両側の部分においては、面発光レーザ201とホトディテクタ203が各光ファイバ209で結ばれる様に、対を成す構造となっている。
【００３６】
以上の素子は、図３に示すようにパッケージに固定されてプラグコネクタ301を構成する。このように作製されたアクティブ光コネクタ302は、レセプタクルコネクタ303が実装された回路ボードないしマルチチップモジュール304間の接続に使用される。
【００３７】
面発光レーザ201は、図４にも示すように、垂直共振器構造を持つ。すなわち、高反射率(通常９９%以上)の多層反射膜402、404が活性層403を挟むように成膜されている。よく知られている様に、この構造のために面発光レーザ201においては、活性層403で発生する光のうち多層反射膜402、404で共振される波長の光が増幅されて発振に至り、出射光409を生じる。
【００３８】
本実施例における面発光レーザは、図４に示すように、n-GaAs基板401上に、n-AlAs/AlGaAs ３０組からなる多層反射膜402、AlGaAsスペーサで挟みこまれたGaAs/AlGaAs多重量子井戸からなる活性層403、p-AlAs/A1GaAs ２０組からなる多層反射膜404が一回のエピタキシャル成長で形成されている。本実施例では、発振波長が８３０nmとなるように、活性層403で決まるホトルミネセンス波長と、多層反射膜402、404の反射波長帯と、多層反射膜402、404間の間隔から決まるファブリペロエタロン波長とを制御している。
【００３９】
また、p側の多層反射膜404の最上部は、電極との導通を良好にするためにp-GaAsとしている。更に、内径１０μｍ−φ、外径４０μｍ−φのドーナッツ状に活性層403下部まで反応性イオンエッチング法などで垂直にエッチングを行う。次いで、選択的ウエットエッチングで活性層403をくびらせた後、SiNxで絶縁膜405を成膜した後、ポリイミドからなる埋め込み層406を形成し、ｐ−電極パターン407を形成する。更に、薄片化したn-GaAs基板401の裏面にn−電極408を成膜したのち、アロイ化を行いp−電極407およびｎ−電極408とGaAs層とのオーミック接触を得ている。
【００４０】
フォトニック結晶導波路構造体207は次の様に作製する。図５に示すように、まず、原盤となる光波長以下の粒径を持つ金属などからなる微小球体501を含有した懸濁液を、傾斜させたガラス基板502上に放置する。懸濁液の表面張力と蒸発現象と粒子間の力の働きで、微小球体501は自己組織的に周期的な稠密構造を形成する(図５(a))。以上のように作製した平面的に配列された微小球体501を原盤として型起こしを行う。
【００４１】
まず、原盤である微小球体501に金属メッキを行い型取りを行う。つづいて、原盤501とメッキ体からなる型基板503の剥離を行い、型を作製する(図５(b))。以上の如く作製した型503、504を２枚向かい合わせに張り合わせ、その間隙に紫外線硬化樹脂を充填して、プリベークを行ったのち、片側の型504を剥離する(図５(ｃ))。紫外線硬化樹脂からなる周期的微小球体505を積層することで３次元導波路構造体207が形成されるように、各ホトマスク506にて、各層に来るべき導波路パターンの紫外線照射507を行う(図５(d))。すなわち、導波路コアとなる部分の樹脂が硬化されないように紫外線照射を行う。こうして、型503についた状態で現像を行い、所望の導波コアとなる部分のみ除去された２次元周期微小球体508を形成する。支持基板509に、２次元周期微小球体508を押し付け、型503から転写する(図５(e))。以上の工程を順次行い２次元周期微小球体508を積層していく(図５(f))。上下方向から支持基板509、510で挟み込むことで、３次元方向に欠陥列（光導波路）の形成されたフォトニック結晶導波路構造体511が作製される(図５(ｇ))。
【００４２】
型基板503を形成する為の電気メッキでは、メッキ時間、メッキ温度を制御してメッキ層の厚さを容易に制御することが可能である。主な、メッキ金属としては、単金属では、Ni、Au、Pt、Cr、Cu、Ag、Zn等、合金では、Cu-Zn、Sn-Co、Ni-Fe、Zn-Ni等があるが、他にも電気メッキが可能な材料であれば用いることは可能である。また、メッキ浴にA1203、Ti02、PTFE等の分散粒子を付加することによる分散メッキも利用できる。このように形成した周期的半球体メッキ層を有する基板503上にモールドを形成する。モールドを形成する方法としては、周期的半球体メッキ層を有する基板を向かい合わせた中にモールド材料(樹脂、ガラスなど)を溶融または溶解した液を塗布し、硬化する方法が用いられる。この時、各材料として、モールド材料とメッキ層との剥離性を良くするものを選ぶ。剥離することで周期的微小球体からなるモールド505が形成できる。
【００４３】
剥離を行う方法としては、他に、犠牲層を導入する以下の様な方法がある。型基板は電気メッキにより形成する。その為に、周期的微小球体基板501上に犠牲層を形成する。次に、電気メッキ用の鋳型用電極層を形成する。この鋳型用電極層を陰極として、金属イオンを含むメッキ液中で電気メッキを行い鋳型を形成する。この後に、犠牲層をエッチング除去し、鋳型用電極層を有する鋳型と、周期的微小球体基板501が剥離できる。次に、鋳型用電極層をエッチング除去することで型基板503が形成できる。
【００４４】
上記のフォトニック結晶導波路構造体207において、導波路コアとなる領域には微小球体が形成されていないため、光はこの欠陥領域108に沿って伝播される。欠陥領域108は電気光相互変換素子と光ファイバを結ぶように垂直面内で曲折している（図１参照）。以上のように形成したフォトニック結晶導波路構造体207を面発光レーザ201上に実装する。
【００４５】
光受信側の構成も同様である。図6に概略示すように、光ファイバ601を伝播してきた光602は、フォトニック結晶導波路構造体603に導入され、方向を垂直下方に変えられ、ホトディテクタ604の光吸収層605にて検出される。
【００４６】
以上の構成により、電気光相互変換素子の実装されたSi基板上に、光ファイバを素子と同様に表面実装しても、基板垂直方向に出射する面発光レーザの光を、そのまま光ファイバヘ効率よく結合させることが可能となる。同様に、光ファイバを伝播してくる光は面入射型光検出器にて検出される。そのため、接続端子が一般的な電気端子でありながら伝送を光で行える配線装置を、極めて小型で信頼性高く構成することが可能となり、ボード間、モジュール間の信号・データ伝送を自由に行うことができる。
【００４７】
（第２実施例）
図７および図8を参照して、本発明による第２の実施例を説明する。
【００４８】
アクティブ光コネクタにおいて、図７に示すように、セラミック基板701上に、光ファイバ707を位置決めし固定するSiからなるV溝702と、光の伝播方向を変え且つ電気光相互変換素子708と光ファイバ707を効率よく接続するフォトニック結晶導波路構造体703を支持するSi基板704が実装されている。Si基板704上のフォトニック結晶導波路構造体703は、まずSi基板704上にバッファ層（保護層）としてPSG(燐シリカガラス)層705を成膜し、つづいて、一旦微小球体を配列したものから型起こししたモールド成形用の型から作製した微小球体層を順次積層して作製される。導波路コア709を形作る欠陥は、第１実施例のところで説明した様に、型から微小球体層を作製する段階で一部微小球体を形成しないことで実現している。積層を終えた微小球体層の上部に同じくPSGバッファ層706を形成する。
【００４９】
微小球体の配列周期は、導波コア709の伝搬方向以外に光伝搬が禁止されるようなフォトニックバンドギャップが形成されるような構成となっている。その周期は、実効屈折率をn0、伝播波長をλとして、概略λ/(2 n0)程度となる。このことは他の実施例でも同じである。以上の素子が形成されたセラミック基板701上に、面発光レーザ用駆動ICチップと光検出器用の増幅器ICチップが実装されている。
【００５０】
このフォトニック結晶導波路構造体703により、光ファイバ707と光電変換チップとを光学的に接続する。すなわち、図７に示すように、面発光レーザ708および光検出器(不図示)直下のフォトニック結晶導波路構造体703中に形成した欠陥構造709により、光伝播は面内方向から垂直方向、あるいはその逆方向に折り曲げられる。面発光レーザ708からの光信号は符号710で模式的に示すように、光ファイバ707に導かれその中を伝送する。
【００５１】
面発光レーザ708は、Si基板711上に導電層712、半田メッキ層713（これは導電性）を介して実装される。Si基板711、導電層712、半田メッキ層713には、光入出射用に開口が形成されていて、光ファイバ707との光結合ができるようになっている。受光素子は、発光素子の波長がO.8μｍ帯の場合はSiもしくはGaAsで形成される。Si透過波長である1.3μｍ帯、1.55μｍ帯で設計すれば、Si基板711に開口を開ける必要はなく、受光素子はInGaAsのような材料で作製して、発光素子と同様の手法でSi基板上に実装する。
【００５２】
つづいて、面発光レーザ708をフォトニック結晶導波路構造体703上に接着剤714(たとえばエポキシ)を介して実装する（接着層やバッファ層については、第１実施例のところの基板101と電気光相互変換素子の接着、電気光相互変換素子とフォトニック結晶導波路構造体103の接着においても用いられる）。
【００５３】
図8は、図７で説明したアクティブ光コネクタ801を多層回路ボード802の接続に使用する概観を示している。光電変換チップが実装されたプラグコネクタ803が、ボード上のレセプタクルコネクタ804に電気的に接続される。プロセッサ、メモリ、グラフィックLSIなど様々な搭載部品805が多層回路ボード802には実装されている。面発光レーザ、光検出器など電気光相互変換素子を通して、高速な信号およびデータは光伝送路806上を光にて伝送される。低周波であってもデジタル信号等のおいては、その高調波が電磁ノイズを発生しやすいため、光伝送路を通して伝送することが好ましい。
【００５４】
（第３実施例）
次に、図9を用いて本発明による第３の実施例を説明する。
【００５５】
面発光レーザ901と光吸収層912を持つ光検出器902は、同一ウエハ上に結晶成長されていて、一個おきに配置された光検出器の前面多層膜反射鏡903のみ、反射率を下げる目的でエッチングされている。層構成は第１実施例と同様である。前面多層反射膜903上にはコンタクト層となるp-GaAs層も結晶成長されている。さらに、コンタクト電極904が蒸着されている。ただし、図9においては、n-GaAsウエハ側（後面多層膜反射鏡911側）は省略してある。
【００５６】
フォトニック結晶導波路構造体905、906上には、面発光レーザ901と光検出器902とが実装される位置に、導電層(たとえばAu/Ni/Cu多層薄膜)907が成膜されている。さらに、その上部に半田メッキ層(たとえばAu/Sn共晶半田)908が成膜される。
【００５７】
作製した面発光レーザ901と光検出器902は、表面側を下にして、半田メッキ層908を介してp−電極904側が光導波路構造体905、906上の導電層907に実装される。導電層907および半田メッキ層908には、面発光レーザ901および光検出器902のための透光窓を開けている。フォトニック結晶導波路構造体905、906は、微小球体を一層づつ周期的に配列し、積層していくことで形成される。欠陥領域は各層で微小球体を抜くことで３次元的に形成される。面発光レーザ901および光検出器902を実装する直下に、フォトニック結晶の欠陥列からなる導波路コア909、910が形成されて、これらが光ファイバと接続されている。導波路コア909、910は、微小球体を斜めに欠陥とすることで、斜め上下方向に光の伝播が行える構造となっている。
【００５８】
光検出器902は多層反射膜903、911で挟まれた共振器構造となっているため、伝播波長に強い感度を有する。ただし、光吸収層912の前面に形成された多層反射膜903は反射率を高くしていないため、共振波長の帯域幅は比較的広く、面発光レーザの発振波長が多少変動してもその感度に影響はない。以上の効果で、フォトニック結晶導波路構造体905、906を経た伝播光は、光吸収層912にて検出される。
【００５９】
面発光レーザ901は動作電流がｍＡ程度と低いため、本実施例では、搭載部品のバッファCMOSからの信号およびデータを、直接、面発光レーザに印加することで、光伝送を行っている。さらには、多層反射膜による共振器構造のおかげで光検出器902の検出感度が向上するため、光検出器に生じた電圧変化を検出することで受信を行う。したがって、発光素子用駆動回路および受光素子用増幅回路は不要となる。アクティブ光コネクタにおける電気−光変換は面発光レーザと共振器付き光検出器で達成されるため、アクティブ光コネクタの小型化および省電力化を進めることができる。図１０は本発明によるアクティブ光コネクタをコンピュータ内のボード間1001や、記憶装置との間1002、外部との間1003の配線に用いた例であり、高速なディジタル信号の伝送にもかかわらず、電磁放射ノイズの発生が低く抑えられる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるアクティブ光コネクタを用いることにより、伝送路からの電磁放射ノイズ発生が抑圧され、伝送路の距離にかかわらず、低電力での高速信号伝送が行える。また、本発明によれば、光ファイバなどの光伝送媒体と電気光相互変換素子とを集積実装して、フォトニック結晶導波路構造体を介して容易に結合可能なため、量産性に優れた高効率なアクティブ光コネクタを作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアクティブ光コネクタの第１実施例を構成するフォトニック結晶導波路構造体を説明する断面図である。
【図２】本発明によるアクティブ光コネクタを説明する分解斜視図である。
【図３】本発明によるアクティブ光コネクタのボード間配線への適用例を説明する斜視図である。
【図４】本発明によるアクティブ光コネクタを構成する面発光レーザの構造例を示す断面図である。
【図５】本発明によるアクティブ光コネクタを構成するフォトニック結晶導波路構造体の製造方法例を説明する図である。
【図６】本発明によるアクティブ光コネクタにおける受光素子および光ファイバの結合例を説明する断面図である。
【図７】本発明によるアクティブ光コネクタの第２実施例における発光素子および光ファイバの結合を示す断面図である。
【図８】本発明によるアクティブ光コネクタをボードの配線に使用する他の例を説明する斜視図である。
【図９】本発明によるアクティブ光コネクタの第３実	施例におけるフォトニック結晶導波路構造体と、発光素子および受光素子との結合を説明する断面図である。
【図１０】本発明によるアクティブ光コネクタを機器内および機器外の配線に使用する例を説明する図である。
【符号の説明】
101,202,701,704,711 基板
102,201,708,901 面発光レーザ
103,207,603,703,905,906 フォトニック結晶導波路構造体
104,208,702 V溝
105,209,601,707,806 光ファイバ
106 レーザ出射窓
107 光ファイバコア
108,709,909,910 フォトニック結晶欠陥(導波路コア)
203,604,902 光検出器
204 駆動回路
205 増幅回路
206 パッケージ
210 プラグ
301,803 プラグコネクタ
302,801,1001,1002,1003 アクティブ光コネクタ
303,804 レセプタクルコネクタ
304,802 回路ボード
401 レーザ基板
402,404,903,911 多層反射膜
403 活性層
405 絶縁膜
406 埋込み層
407,408,904 電極
409 出射光
501 ２次元周期微小球体の原盤
502 支持基板
504 型
505 ２次元周期微小球体
506 ホトマスク
507 照射光
508 ２次元フォトニック結晶構造体
509,510 支持基板
511 ３次元フォトニック結晶構造体
602,710 伝播光
605,912 光吸収層
705,706 保護層（バッファ層）
712,907 導電層
713,908 半田メッキ層
714 接着層
805 搭載部品
Claims (3)
- 発光素子からの光を光ファイバに光接続するフォトニック結晶構造体を備えたアクティブ光コネクタであって、
前記発光素子は、基板の上に設けられ、該基板の面に対して垂直方向に光を出射する面発光素子であり、
前記フォトニック結晶構造体が有する欠陥によって形成された光導波路は、前記基板の面に対して垂直方向から入射された前記発光素子からの出射光を導入して直角方向に曲げ、該基板の面内方向に出射するように該発光素子に対して位置決めされて構成され、
前記光ファイバは、該基板の面内方向から入射する該前記フォトニック結晶構造体からの光を導入して前記基板の面内方向に導波するように、光軸を前記基板の面内方向に配置して該基板上に位置決めされて設けられることを特徴とするアクティブ光コネクタ。 - 前記光ファイバからの光を受光素子に光接続することを特徴とする請求項１に記載のアクティブ光コネクタ。
- 前記フォトニック結晶構造は、２次元周期配列された微小球体構造体を積層することで形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のアクティブ光コネクタ。
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