JP7027276B2

JP7027276B2 - 光導波路および光回路基板

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Publication number: JP7027276B2
Application number: JP2018140316A
Authority: JP
Inventors: 晃史相良
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2038-07-26
Also published as: KR102245398B1; US10935737B2; KR20200012721A; TW202008018A; TWI693437B; CN110780393A; CN110780393B; US20200033540A1; JP2020016780A

Description

本開示は、光導波路および光導波路を有する光回路基板に関するものである。

サーバーやスーパーコンピューターに代表される電子機器の高機能化に伴い、多くの情報を高速で伝送できる高機能な光導波路、およびこのような光導波路が配線基板上に搭載された高機能な光回路基板の開発が進められている。光導波路は、下部クラッド、コアおよび上部クラッドを有している。光導波路には、垂直共振器面発光レーザーやフォトダイオード等の光素子が実装され、光素子と外部機器との間でコアを介して光信号の伝送が行われる。実装の際は、例えば上部クラッド、下部クラッドまたは配線基板に位置する位置決めマークを基準として、光素子が光導波路に実装される。

特許第２９８５７９１号公報

電子機器の高機能化に伴い、複数の光素子が光導波路に実装されるようになってきている。これに対応して光素子の小型化が進んでおり、実装の際に光素子とコアとの間の位置精度の向上が要求されている。しかしながら、光素子を光導波路に実装するときの位置決めマークがコアから離れた位置にある場合、位置決めマークとコアとの設計上の距離と、両者の実際の距離との誤差が大きくなり位置精度の向上が困難になる虞がある。

本開示における光導波路は、上平面および下平面を有する下部クラッドと、下部クラッドの上平面に位置しており、線状構造を有するとともに線状構造の長手方向に２つの端部を有するコアと、下部クラッドの上平面に、上平面およびコアを被覆する状態で位置している上部クラッドと、を有しており、コアは、線状構造から平面方向に突出した凸構造を有しているとともに、上部クラッドは、平面視でコアの上面およびコアの上面における線状構造と凸構造との交差部を露出する開口を有していることを特徴とするものである。

本開示における光回路基板は、上記構成の光導波路と、配線基板と、を含んでおり、光導波路が、下部クラッドの下平面と配線基板の上面とが重なる状態で配線基板上に位置していることを特徴とするものである。

本開示の光導波路によれば、光素子を光導波路に精度良く実装することが可能になり、高機能な光導波路を提供することができる。

本開示の光回路基板によれば、上記構成の高機能な光導波路を含んでいるため、高機能な光回路基板を提供することができる。

図１は、本開示の光導波路の実施形態例を示す概略断面図である。図２は、本開示の光導波路の実施形態例を示す概略平面図である。図３は、本開示の光導波路の実施形態例の要部を示す概略斜視図である。図４は、本開示の光回路基板の実施形態例を示す概略断面図である。図５は、本開示の光導波路の別の実施形態例の要部を示す概略平面図である。

図１～図３を基にして、本開示の光導波路１の実施形態例を説明する。図１は、図２に示すＸ－Ｘ間を通る断面図である。光導波路１は、下部クラッド２、コア３、および上部クラッド４と、ビアホール５と、反射面６と、を含んでいる。

下部クラッド２は、上平面および下平面を有している。下部クラッド２は、上部クラッド４とともにコア３を被覆する状態で位置しており、コア３内を伝送する光信号が外部に発散することを抑制する機能を有している。下部クラッド２の厚さは、例えば１０～２０μｍに設定されている。

下部クラッド２は、例えばエポキシ樹脂やポリイミド樹脂を含む感光性シートあるいは感光性ペーストを、例えば基板等の上に被着あるいは塗布した後、露光および現像により所定の形状に整形して熱硬化することにより形成される。

コア３は、下部クラッド２の上平面に位置している。コア３は、線状構造３ａを有するとともに、線状構造３ａの長手方向に２つの端部３ｂを有している。線状構造３ａは、四角形状の断面を有している。

コア３の線状構造３ａは、光素子Ｄと外部機器との間で送受信が行われる光信号を伝送する機能を有している。線状構造３ａの厚さおよび幅は、それぞれ例えば２０～４０μｍに設定されている。

また、コア３は、線状構造３ａから平面方向に突出した凸構造３ｃを有している。凸構造３ｃは、ひとつの端部３ｂに近接した個所に位置しており、線状構造３ａを挟んで両側に位置している。凸構造３ｃの厚さおよび幅は、それぞれ例えば２０～４０μｍに設定されている。

凸構造３ｃは、例えば光素子Ｄを光導波路１に実装するときの位置決めマークとして機能する。このような場合、例えば線状構造３ａと凸構造３ｃとの交点を含む個所（本例においては、両者が直角に交わる４つの交差部３ｄ）が、位置決め時に読み取られる。

コア３は、例えばエポキシ樹脂やポリイミド樹脂を含む感光性シートを、真空状態で下部クラッド２の上平面に被着して露光および現像により整形した後、熱硬化することで形成される。

コア３用の感光性シートを構成する樹脂の屈折率は、下部クラッド２および上部クラッド４用の感光性シートやペーストを構成する樹脂の屈折率よりも大きいものを用いる。これにより、光信号が外部に発散することを抑制されて、コア３内を伝送することが可能になる。

上部クラッド４は、下部クラッド２の上平面に、上平面およびコア３を被覆する状態で位置している。上部クラッド４は、上述のように下部クラッド２とともに、コア３内を伝送する光信号が外部に発散することを抑制する機能を有している。

上部クラッド４は、平面視で凸構造３ｃを露出する開口４ａを有している。言い換えれば、凸構造３ｃおよび凸構造３ｃとつながる線状構造３ａの一部は、平面視で開口４ａ内
に位置している。つまり、先述した位置決め箇所となる線状構造３ａと凸構造３ｃとの交点を含む個所（本例においては、両者が直角に交わる４つの交差部３ｄ）が、開口４ａ内に位置している。

開口４ａ内に位置している凸構造３ｃおよび線状構造３ａは、それぞれの上面および側面を露出した状態で位置している。言い換えれば、凸構造３ｃ、線状構造３ａおよび両者の交差部３ｄは、それぞれの上面および側面を上部クラッド４によって被覆されていない状態である。すなわち、凸構造３ｃおよび線状構造３ａの下面のみが下部クラッド２によって被覆されている状態である。

このように、凸構造３ｃ、線状構造３ａおよび交差部３ｄが上部クラッド４によって被覆されていない状態であることから、光素子Ｄを光導波路１に実装するときの位置決め時の読み取り精度の向上に有利である。

開口４ａは、平面視で例えば２つの頂点に対応する部分が曲線である三角形状を有している。言い換えれば、開口４ａの開口径は、開口４ａに近い側に位置するコア３の端部３ｂの方向にかけて縮径している部分を含んでいる。

この場合、例えば後述するビアホール５が、凸構造３ｃに近接して位置している場合であっても、凸構造３ｃを露出する開口４ａを狭小なスペースに設けることが可能になる。開口４ａの内径は、例えば線状構造３ａの長手方向に垂直方向の最大幅が８０～１００μｍ、長手方向に平行方向の最大長さが６０～８０μｍに設定されている。

凸構造３ｃは、開口４ａ内に露出する状態で位置している。これにより、先述したように光素子Ｄを光導波路１に実装するときに、凸構造３ｃを位置決めマークとして認識することが容易になる点で有利である。

上部クラッド４は、コア３の上方において、例えば１０～２０μｍの厚みを有しており、平坦な上面を有している。上部クラッド４の上面において、後述する光素子Ｄの発光部Ｄ１もしくは受光部Ｄ２と対向する領域の表面の粗さは、算術平均粗さＲａが１０ｎｍ以下であれば、光信号が乱反射して拡散することを低減するのに有利である。

また、これ以外の領域の表面の粗さは、算術平均粗さＲａが３０～１００ｎｍであれば、例えば光素子Ｄから上部クラッド４の上面にかけて樹脂で一体的に封止する場合に、樹脂と上部クラッド４の上面との接触面積を増やすことで密着強度を向上させることに有利である。

上部クラッド４は、例えばエポキシ樹脂やポリイミド樹脂から成る感光性シートあるいは感光性ペーストを、コア３を被覆するように下部クラッド２の上平面に被着あるいは塗布して、露光および現像により開口４ａ等を加工した後、熱硬化することで形成される。

ビアホール５は、上面視においてコア３の線状構造３ａの長手方向と垂直な方向に、互いに対向し合う状態で位置している。図２の例では、二つのビアホール５が、コア３を挟んで向かい合っており、コア３に後述する反射面６が位置している。これは、光素子Ｄの二つの電極Ｄ３および光素子Ｄの発光部Ｄ１もしくは受光部Ｄ２の配置と対応している。すなわち、光素子Ｄは、上面視において各電極Ｄ３と各ビアホール５とが重なり、発光部Ｄ１もしくは受光部Ｄ２と反射面６とが重なるように配置される。

コア３からそれぞれのビアホール５までの距離は、互いに同じ程度である。ビアホール５は、光導波路１の上面と下面とを貫通している。言い換えれば、ビアホール５は、上部
クラッド４の上面から下部クラッド２の下面にかけて位置している。

ビアホール５は、例えばレーザー加工やブラスト加工等により形成される。また、ビアホール５は、下部クラッド２および上部クラッド４を形成するときに、露光および現像により形成しても構わない。ビアホール５の開口径は、例えば５０～８０μｍに設定されている。対向し合うビアホール５の開口中心の間隔は、例えば８０～１１０μｍに設定されている。

反射面６は、コア３の線状構造３ａを分断する斜面により構成されている。反射面６は、例えば光導波路１に接続される光素子Ｄの直下に位置する第１反射面６ａ、および光導波路１に接続されるコネクタＣの直下に位置する第２反射面６ｂを含んでいる。

反射面６は、コア３の上面に対して例えば４３～４６度の角度を有している。

反射面６は、光素子Ｄから発光された光信号の向きを変更してコネクタＣに光信号を伝送させる機能を有している。あるいは、コネクタＣから送信された光信号の向きを変更して光素子Ｄに光信号を受光させる機能を有している。

なお、コア３の中心軸と反射面６の中心位置とは一致しており、この中心軸および中心位置を基準にして光信号が伝送される。ここで、中心軸とは、四角形状のコア３の断面の１対の対角線が交わる位置を指す。また、中心位置とは、四角形状の反射面６の１対の対角線が交わる位置を指す。

このような反射面６は、上部クラッド４の上方から斜め方向に例えばレーザー光を照射することで形成される。このとき、上部クラッド４が、凸構造３ｃおよび凸構造３ｃとつながる線状構造３ａの一部を露出する開口４ａを有していると、レーザー光を直接コア３に照射することができるため反射面６の加工が容易になる点で有利である。

なお、レーザー光の照射形状（すなわちレーザー光を平面上に垂直に照射した場合に照射される領域の形状）は、加工する個所の大きさおよび形状等に合わせて適宜変更すればよい。例えば、先述のように開口４ａが三角形状を有している場合、開口４ａの形状に合わせて照射形状を三角形状にすれば加工の自由度を向上することが可能になる。

反射面６に、例えばプラズマ処理や現像液での洗浄等の表面処理を行っても構わない。この表面処理により、反射精度を向上することが可能になる。

上述のように、本開示の光導波路１は、上平面および下平面を有する下部クラッド２と、下部クラッド２の上平面に位置しており、線状構造３ａを有するとともに線状構造３ａの長手方向に２つの端部３ｂを有するコア３と、下部クラッド２の上平面に、上平面およびコア３を被覆する状態で位置している上部クラッド４と、を有している。そして、コア３は、線状構造３ａから平面方向に突出した凸構造３ｃを有しているとともに、上部クラッド４は、平面視で凸構造３ｃを露出する開口４ａを有している。

これにより、例えば光素子Ｄを光導波路１に実装するときに、凸構造３ｃを含む領域（例えば線状構造３ａと凸構造３ｃとが直角に交わる４つの交差部３ｄ）を位置決めマークとして活用することが可能になるとともに、位置決めマークの読み取り（認識）が容易になる。

その結果、光導波路１に光素子Ｄをコア３の反射面６に対して精度良く実装することが可能になる。これにより、光信号の伝送特性に優れた高機能な光導波路を提供することが
可能になる。

また、上部クラッド４が、コア３の一部を露出する開口４ａを有していることから、レーザー光を直接コア３に照射することが可能になる。このため、反射面６の加工性の向上の点でも有利である。

次に、図４を基にして、本開示の光導波路１を有する光回路基板３０の実施形態例を説明する。なお、上述の光導波路１に関しては詳細な説明を省略する。

光回路基板３０は、配線基板２０と、光導波路１と、を備えている。配線基板２０は、光導波路１、光素子ＤおよびコネクタＣを位置決めして固定し、光素子Ｄと外部（マザーボード等）とを電気的に接続する機能を有する。また、光導波路１を介して光素子Ｄと外部機器（光学装置等）との間で光信号が伝送される。光素子Ｄは、例えば垂直共振器面発光レーザーやフォトダイオード等が挙げられ、光信号と電気信号との変換を行う。

配線基板２０は、絶縁基板２１と配線導体２２とを備えている。絶縁基板２１は、コア用の絶縁層２１ａとビルドアップ用の絶縁層２１ｂとを有している。コア用の絶縁層２１ａは、複数のスルーホール２３を有している。

コア用の絶縁層２１ａは、例えば、絶縁基板２１の剛性を確保して平坦性を保持する等の機能を有する。

コア用の絶縁層２１ａは、例えばガラスクロスにエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等を含浸した半硬化状態のプリプレグを、加熱しながら平坦にプレス加工することで形成される。

ビルドアップ用の絶縁層２１ｂは、複数のビアホール２４を備えている。ビルドアップ用の絶縁層２１ｂは、例えば、後で詳しく説明する配線導体２２の引き回し用スペースを確保する等の機能を有する。

ビルドアップ用の絶縁層２１ｂは、例えばエポキシ樹脂やポリイミド樹脂等を含む樹脂フィルムを、真空下でコア用の絶縁層２１ａに貼着して熱硬化することで形成される。

配線導体２２は、コア用の絶縁層２１ａの上面および下面、ビルドアップ用の絶縁層２１ｂの上面または下面、スルーホール２３の内部およびビアホール２４の内部に位置している。

スルーホール２３の内部に位置する配線導体２２は、コア用の絶縁層２１ａの上下表面に位置する配線導体２２間を導通している。

ビアホール２４の内部に位置する配線導体２２は、ビルドアップ用の絶縁層２１ｂの表面に位置する配線導体２２と、コア用の絶縁層２１ａの表面に位置する配線導体２２間を導通している。

配線導体２２は、例えばセミアディティブ法やサブトラクティブ法により、銅めっき等の良導電性金属により形成されている。

配線基板２０は、上面に複数の第１パッド２５を有している。第１パッド２５は、光素子ＤのパッドＤ３と、ビアホール５内の導電材料を介して接続される。導電材料は、例えば半田が挙げられる。また、配線基板２０は、上面に複数の第２パッド２６および下面に
複数の第３パッド２７を有している。第２パッド２６は、例えば半導体素子等の電子部品Ｓと接続される。第３パッド２７は、例えばマザーボードと接続される。

第１パッド２５、第２パッド２６、および第３パッド２７は、配線導体２２の一部から構成されており、配線導体２２の形成時に同時に形成される。

光導波路１は、第１パッド２５が位置する領域を含む配線基板２０の上面に位置している。光導波路１に位置するビアホール５は、第１パッド２５を底面としている。

光導波路１は、上平面および下平面を有する下部クラッド２と、下部クラッド２の上平面に位置しており、線状構造３ａを有するとともに線状構造３ａの長手方向に２つの端部３ｂを有するコア３と、下部クラッド２の上平面に、上平面およびコア３を被覆する状態で位置している上部クラッド４と、を有している。そして、コア３は、線状構造３ａから平面方向に突出した凸構造３ｃを有しているとともに、上部クラッド４は、平面視で凸構造３ｃを露出する開口４ａを有している。

その結果、光導波路１に光素子Ｄをコア３の反射面６に対して精度良く実装することが可能になる。これにより、光信号の伝送特性に優れた高機能な光導波路を提供することが可能になる。

このように、本開示の光回路基板３０は、配線基板２０の上面に高機能な光導波路１を位置させることから光回路基板の高機能化も可能になる。

なお、本開示は、上述の実施形態の一例に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。

例えば、本例においては、開口４ａが三角形状である場合を示したが、図５に示すように、台形状であっても構わない。この場合、台形状の上底（短い辺）がコア３の端部３ｂ側に位置している。このように開口４ａが台形状である場合、例えば三角形状に比べて頂点付近の狭小な領域がないため加工性向上等の点で有利である。

開口４ａの形状は、開口４ａの形成個所の状況に応じて円形状、長円形状、四角形状、楕円形状、または直線と曲線とで構成される任意の形状に設定すればよい。

また、本例においては、開口４ａが、光素子Ｄが搭載される側の上部クラッド４にのみ位置している場合を示したが、コネクタＣが接続される側の上部クラッド４にも位置していても構わない。この場合、レーザー加工により第２反射面６ｂを形成することが容易になる点で有利である。

また、本例においては一つの光導波路１に一つのコア３が位置している場合を示したが、複数のコア３が位置していても構わない。この場合は、より多くの光信号を伝送することが可能になり光導波路１および光回路基板３０のさらなる高機能化に有利である。

また、本例においては、コア３が直線状の線状構造３ａを有している場合を示しているが、曲線状を有していても構わない。この場合、光素子Ｄの配置の自由度が高まる等の点
で有利である。

また、本例では配線基板２０が、ソルダーレジスト層を有していない一例を示したが、配線基板２０が、絶縁基板２１の上面および下面の両方またはいずれか片方の面に、ソルダーレジスト層を有していても構わない。これにより、例えば電子部品Ｓを実装する際の熱処理により、配線導体２２が受けるダメージを軽減できる。

１光導波路
２下部クラッド
３コア
３ａ線状構造
３ｂ端部
３ｃ凸構造
４上部クラッド
４ａ開口
２０配線基板
３０光回路基板

Claims

上平面および下平面を有する下部クラッドと、
該下部クラッドの上平面に位置しており、線状構造を有するとともに該線状構造の長手方向に２つの端部を有するコアと、
前記下部クラッドの上平面に、該上平面および前記コアを被覆する状態で位置している上部クラッドと、を有しており、
前記コアは、前記線状構造から平面方向に突出した凸構造を有しているとともに、前記上部クラッドは、平面視で前記コアの上面および該コアの上面における前記線状構造と前記凸構造との交差部を露出する開口を有していることを特徴とする光導波路。
前記コアは、前記線状構造および前記凸構造が直角に交わる前記交差部を有していることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
前記開口の開口径は、前記開口に近い側に位置する前記コアの端部の方向にかけて縮径している部分を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路と、
配線基板と、を含んでおり、
前記光導波路が、前記下部クラッドの下平面と前記配線基板の上面とが重なる状態で前記配線基板上に位置していることを特徴とする光回路基板。