KR101057565B1 - 광 도파로 기판 및 그것을 이용한 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 - Google Patents

광 도파로 기판 및 그것을 이용한 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판 상에 형성한 광 도파로와 광전 변환 소자 또는 광 도파로 어레이 커넥터의 광접속에 있어서, 부품수 및 제조 공정수를 감소시키고, 가장 효율적으로 배선 고밀도화가 가능한 광 도파로 배선 및 광로변환 미러 구조를 갖는 광전기 하이브리드 회로 실장 기판과 장치를 제공한다. 본 발명은 기판 (10) 상에 적층된, 클래드층 (11)에 둘러싸인 배선 코어로부터 형성된 광 도파로층 (12)와, 광 도파로층 (12) 각각의 배선 코어 (13), (14)와 직교하도록 테이퍼면을 갖는 코어 (15), (16)이 배치되고, 테이퍼면 부착 코어 (15), (16)의 테이퍼면 (15a), (16a)는 직교하는 배선부 코어에서 각각 매립되어 있고, 배선부 코어 내의 전파광이 제1 테이퍼면 부착 코어 (15)에서 광로변환되는 제1 코어 (13)과, 제1 테이퍼면 부착 코어 (15) 내를 통과하여 제2 테이퍼면 부착 코어 (16)에서 광로변환되는 제2 코어 (14)가 각각 교대로 배치되는 구성이다.
광 도파로 기판, 광전기 하이브리드 회로 실장 기판, 전송 장치, 광 배선 구조, 광접속부의 실장 방식

Description

광 도파로 기판 및 그것을 이용한 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 {OPTICAL WAVEGUIDE SUBSTRATE AND SUBSTRATE MOUNTING PHOTOELECTRIC HYBRID CIRCUIT}
본 발명은 광 도파로 기판 및 광전기 하이브리드 회로 실장 기판에 관한 것이고, 특히 전송 장치 내에서 보드 간에 송수신되는 대용량 광신호를 일괄 처리하는 광전기 하이브리드 회로 실장 기판의 광 배선 구조와 광접속부의 실장 방식에 관한 것이다.
최근 정보 통신 분야에 있어서, 광을 이용하여 대용량의 데이터를 고속으로 교환하는 통신 트래픽의 정비가 급속히 행해지고 있고, 지금까지 기간, 메트로, 액세스계의 수 km 이상의 비교적 장거리에 대하여 광섬유망이 전개되어 왔다. 이후에는 또한 전송 장치 간(수 m 내지 수백 m) 또는 장치 내(수 cm 내지 수십 cm)라고 하는 매우 근거리에 대해서도, 대용량 데이터를 지연없이 처리하기 위해서 신호 배선을 광화하는 것이 효과적이다.
전송 장치 내의 광 배선화에 대하여, 예를 들면 라우터/스위치 장치에서는, 이더넷(ethernet) 등 외부에서 광섬유를 통해 전송된 고주파 신호를 라인 카드에 입력한다. 이 라인 카드는 1매의 백 플레인에 대하여 수 매로 구성되어 있고, 각 라인 카드에의 입력 신호는 또한 백 플레인을 통해 스위치 카드에 모이고, 스위치 카드 내의 LSI로 처리한 후, 재차 백 플레인을 통해 각 라인 카드로 출력하고 있다. 여기서, 현재의 장치에서는 각 라인 카드로부터 현재 300 Gbit/s 이상의 신호가 백 플레인을 통해 스위치 카드에 모인다. 이것을 현재의 전기 배선으로 전송하기 위해서는, 전파 손실의 관계에서 배선 1개당 1 내지 3 Gbit/s 정도로 분할할 필요가 있기 때문에, 100개 이상의 배선수가 필요하다.
또한, 이들 고주파 선로에 대하여 파형 성형 회로나, 반사 또는 배선 간 크로스토크의 대책이 필요하다. 이후, 또한 시스템의 대용량화가 진행되어 Tbit/s 이상의 정보를 처리하는 장치가 되면, 종래의 전기 배선으로는 배선 개수나 크로스토크 대책 등의 과제가 점점 더 심각해지게 된다. 이에 대하여, 장치 내 라인 카드와 백 플레인과 스위치 카드의 보드 간 신호 전송 선로를 광화함으로써, 10 Gbps 이상의 고주파 신호를 저손실로 전파 가능해지기 때문에, 배선 개수가 적어지는 것과, 고주파 신호에 대해서도 상기 대책이 필요하지 않아 유망하다.
이러한 대용량의 광 상호 접속 회로를 실현하기 위해서는 광 배선의 고밀도화와 제조 방법이 용이한 기판 실장 기술이 필요하다. 배선의 고밀도화에 대하여, 다층의 광 도파로 어레이와 광전 변환 소자 어레이를 고밀도로 광접속시킨 실장 형태의 일례가 특허 문헌 1에 개시되어 있다. 이것을 도 10에 나타낸다. 이 예에서는, 2차원적으로 복수 개 배열된 광 도파로 어레이 등의 광 배선층 (101A), (101B)를 또한 기판의 두께 방향으로 다층의 적층하고, 기판 표면에 탑재한 면 발(수)광형 광전 변환 소자 어레이 (100)과 광접속함으로써 보다 작은 실장 면적에서 배선 의 고밀도화를 도모할 수 있기 때문에 효과적이다. 또한, 상기 광 도파로 어레이 내의 전파광을 기판 수직 방향으로 광로변환시키기 위한 미러부 (106)은, 광 도파로 어레이 (101A), (101B)의 말단부를 동렬로 배치함으로써, 절삭 등에 의해 복수 개의 코어를 통합하여 형성 가능하기 때문에, 이 부분의 제조 공정이 간편하다.
또한, 동층 내에서 광 배선층과 광전 변환 소자 어레이를 고밀도로 광접속한 실장 형태의 다른 예가 특허 문헌 2에 개시되어 있다. 이것을 도 11에 나타낸다. 이 예에서는, 복수 개 배열된 광 도파로 코어 (110)에 있어서, 인접하는 코어 간의 광 입출사부의 위치를 광의 도파 방향으로 어긋나게 배치되어 있다. 동일하게, 코어의 광 입출사부에 대응하여 배치되는 광전 변환 소자 어레이 (112)도 또한 상기 도파 방향으로 어긋나게 배치하여 쌍방을 광접속시킨다. 각각 인접하는 코어 사이 또는 광전 변환 소자 간에서의 크로스토크 등의 영향을 감소시키면서, 광 배선과 광전 변환 소자의 집적 밀도를 보다 향상시킬 수 있다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 제2003-114365호 공보
특허 문헌 2: 일본 특허 공개 제2005-340545호 공보
<발명의 개시>
<발명이 해결하고자 하는 과제>
특허 문헌 1에 개시되는 다층의 광 도파로 어레이와 광전 변환 소자 어레이의 광접속에서는, 동일 영역 내에서 한층 더 고밀도화를 고려한 경우, 광전 변환 소자 어레이 및 광 도파로 어레이의 채널 간 피치를 좁게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 피치를 너무 좁게 하면 각각 인접하는 코어 간 또는 광전 변환 소자 간에서의 광의 크로스토크 등의 영향이 발생하기 때문에, 동 구조에서의 협피치화에는 한계가 있다. 또한, 다른 수단으로서 광 도파로 어레이의 층수를 많게 함으로써 고밀도화가 가능해지지만, 이 경우에 층수를 많게 함으로써 광 도파로와 광전 변환 소자와의 물리적 거리가 멀어지기 때문에, 동 특허 문헌 1에 개시되어 있는 것과 같은 빔 확대에 의한 광접속 손실의 억제 구조를 실시할 필요가 있다. 이에 따라 부품수나 제조 공정의 증대 및 수율 악화의 요인이 되기 때문에, 다층화에도 한계가 있다.
한편, 특허 문헌 2에 개시되는 방식에서, 동층 내에서 광 배선과 광전 변환 소자를 각각 지그재그형으로 배치함으로써 배선의 고밀도화를 도모하고 있지만, 광 도파로 코어의 광로변환 미러를 제조할 때는 상술한 절삭 등으로 복수 개의 코어를 통합하여 형성할 수는 없다. 이 때문에, 각각 도파 방향으로 이동시켜 배치된 코어의 말단부 하나 하나에 대하여 미러부를 제조할 필요가 있고, 이에 의해 부품수나 제조 공정의 증대 및 수율 악화의 요인이 된다. 또한, 상기 절삭 이외에는 미리 별도로 제조한 마이크로 프리즘 미러를 광 도파로 상에 실장하는 방식에 있어서도, 지그재그 배치의 광 도파로에 대해서는 상기와 동일한 문제가 발생한다.
또 다른 방식으로서, 마스크를 이용한 리소그래피에 의해 면 내에 지그재그 배치된 각 광 도파로의 미러부를 일괄 형성하는 것도 가능성 중 하나로서 들 수 있다. 그러나, 상기 방식에서는, 코어에 대하여 비스듬하게 빔을 조사하여 양호한 정밀도로 또한 면 내 균일하게 45° 미러를 형성하는 것이 곤란하다. 또한, 구조적인 과제도 발생한다. 이것을 도 9를 이용하여 설명한다. 도 9와 같이 테이퍼면 부착 코어 (15)와 배선 코어 (14)의 패턴 형성 공정을 각각 나누어 제조하는 경우, 도 9의 A'로 나타내는 테이퍼면 부착 코어 (15)의 폭은 위치 정렬 어긋남을 고려하여 코어 폭 (A)보다 충분히 크게 할 필요가 있기 때문에, 이에 의해 협피치화에 불리하다. 또한, 배선 코어와 테이퍼면 부착 코어 간의 간극 (B)가 접근함으로써 코어 (14)와 테이퍼면 부착 코어 (15)를 클래드 (11)로 매립할 때에 공동 등이 생길 우려가 있고, 수율 악화의 원인이 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 기판 상에 형성한 광 도파로와 광전 변환 소자 또는 광 도파로 어레이 커넥터의 광접속에 있어서, 부품수 및 제조 공정수를 감소시켜 저가격화를 실현할 수 있음와 동시에, 가장 효율적으로 배선 고밀도화가 가능한 광 도파로 배선 및 광로변환 미러 구조를 갖는 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 및 그것을 이용한 장치를 제공하는 것에 있다.
<과제를 해결하기 위한 수단>
본 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위해서, 기판 평면 상에 복수 개의 배선부 코어와 직교하고 기판 수직축에 대하여 광 소자에 대응하는 위치에서 광로를 90° 변환시키는 기능을 갖는 테이퍼면 부착 코어를 설치한다. 즉, 광 도파로의 상면에 배치된 소자, 예를 들면 발광 소자로부터의 출사광은 상기 테이퍼면 부착 코어에서 광로가 90° 변환되어 배선부 코어 내에서 전파된다. 전파된 광은 다른 위치에 설치된 테이퍼면 부착 코어에서 광로가 90° 변환되어 광 도파로의 상면을 향하고, 이 위치의 광 도파로 상면에 설치된 소자, 예를 들면 면 수광 다이오드에서 수광된다. 이 때, 본 발명에서는, 테이퍼면 부착 코어의 테이퍼 표면은 직교하는 배선부 코어에서 각각 매립되어 있고, 배선부 코어 내의 전파광이 제1 테이퍼면 부착 코어에서 광로변환되는 제1 코어와, 제1 테이퍼면 부착 코어 내를 통과하여, 제2 테이퍼면 부착 코어부에서 광로변환되는 제2 코어가 각각 교대로 배치되어 있음으로써, 고밀도로 배치된 복수 개의 배선부 코어 및 광 소자 어레이와의 광 교환이 공통적인 미러 기능을 갖는 부분을 통해 행해지도록 한 것이다.
<발명의 효과>
본 발명에 따르면, 기판 상에 형성한 광 도파로와 광 소자 어레이 또는 광 커넥터의 광접속에 있어서, 부품수 및 제조 공정수를 감소시켜 저가격화를 실현할 수 있음과 동시에, 가장 효율적으로 배선 고밀도화가 가능한 광 도파로 배선 및 광로변환 구조를 갖는 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 및 그것을 이용한 장치를 제공할 수 있다.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
이하에 상세하게 실시예를 설명한다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 제1 실시예인 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (1)의 사시도 및 상면도이다. 10은 유리 에폭시, 세라믹 또는 반도체 등의 재료로 제조된 기판이고, 이 기판 (10) 상에, 각각이 클래드 (11)로 둘러싸인 고굴절률 재료로 이루어지는 복수 개의 배선 코어 (13), (14)로부터 형성된 광 도파로층 (12)와, 각각 의 배선 코어 (13), (14)와 기판 상에서 직교하도록 테이퍼면 (15a), (16a)를 갖는 코어 (15), (16)이 구성되어 있다.
또한, 각 코어 (15), (16)의 테이퍼면 (15a), (16a)의 임의의 장소에 광 반사막 (22), (23)이 형성되어 있고, 또한 동 테이퍼면 (15a), (16a)는 직교하는 배선 코어 (13), (14)에 각각 매립되어 있다. 즉, 도 1과 같이 제1 테이퍼면 부착 코어 (15)의 테이퍼면 (15a)를 통해 광로변환되는 제1 배선 코어 (13)과, 제1 테이퍼면 부착 코어 (15)를 통과하여, 제2 테이퍼면 부착 코어 (16)의 테이퍼면 (16a)에서 광로변환되는 제2 배선 코어 (14)가 각각 기판 상에 지그재그형으로 교대로 설치된 배선 구성을 이루고 있다. 또한, 광 도파로층 (12) 상면의 각 테이퍼면 부착 코어 (15), (16)의 테이퍼면 (15a), (16a)에 대응하는 위치에 광 소자 어레이 (17)이 각각 장착됨으로써, 제1 및 제2 배선 코어 (13), (14)와 광 소자 어레이 (17)과의 광 교환이 제1 및 제2 테이퍼면 부착 코어 (15), (16)을 통해 행해지도록 구성되어 있다. 이에 의해, 도 1에서는 지그재그 배치의 예를 나타내지만, 배선 코어 (13), (14)와 광 소자 어레이 (17)이 공통적인 미러 기능을 갖는 각 테이퍼면 부착 코어 (15), (16)을 통해 동일 면적 내에서 고밀도로 광접속 가능해진다. 또한, 실장 기판 (1)의 상면에는, 도시하지 않지만, 광 소자 어레이 (17)에 필요한 전기 배선 패턴이 실시되어 있다. 이 배선 패턴은 배선 코어 (13), (14)나 테이퍼면 부착 코어 (15), (16) 또는 광 반사막 (22), (23)과 동일하게 리소그래피 기술에 의해, 각각과 위치 정렬을 행하면서 형성되고, 소정의 위치에 장착되는 광 소자 어레이 (17) 및 수광 소자 (28)과 전기적인 접속이 얻어진다. 또한, 여기서 사용 되는 광 소자 어레이 (17)은 플립 칩에 의한 표면 실장에 바람직한 면 발광 또는 면 수광 다이오드가 좋다. 또한, 도시하지 않지만 기판 상면에 장착된 광 소자 어레이 (17)과 대항하는 위치의 테이퍼면 부착 코어 (70), (71)의 상면에 동일한 광 소자 어레이를 장착함으로써, 광 소자 어레이 사이의 신호 교환이 배선 코어 (13), (14) 및 테이퍼면 부착 코어 (70), (71)을 통해 가능해진다.
여기서, 도 1에 나타내는 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (1)의 주요부 크기의 예에 대하여 서술하면 이하와 같다. 코어 (13), (14)의 길이 방향과 직각인 방향에서의 단면은 50 μm×50 μm, 코어 (13)과 코어 (14)의 간격(중심간의 거리)은 각각 125 μm, 광 도파로층 (12)의 클래드의 상하 두께는 25 μm이다. 또한, 테이퍼면 부착 코어의 간격은 250 μm이고, 각 테이퍼 표면에 형성된 광 반사막 (22), (23)은 각각 125 μm 피치로 교대로 배열되어 있다. 여기서, 상기 배선 코어 (13), (14) 및 광 반사막 (22), (23)의 피치를 125 μm로 한 것은, 기판 상면에 장착하는 광 소자 어레이 (17)을 섬유 어레이로 한 경우, 피치가 클래드 직경 125 μm에 의존되기 때문이다. 또한, 광 소자 어레이끼리만의 조합인 경우에는 또한 피치를 125 μm 미만으로 배열 가능하지만, 이 경우에는 채널 간의 광 크로스토크의 영향을 고려하여 피치를 결정할 필요가 있다.
도 2A 내지 도 2G는 도 1에 나타낸 실시예 1의 광전기 하이브리드 회로 실장 기판의 구성 절차의 일례를 설명하는 도면이다.
도 2A는 기판 (10) 상에 클래드층 (11)을 형성하고, 그 위에 클래드층 (25)보다 고굴절률인 코어층 (20)을 도포 또는 접착에 의해 형성한 상태를 나타내는 도 면이다. 여기서는, 클래드층 (11) 및 코어층 (20)의 재료로서, 자외선으로 경화하여 포토리소그래피로써 패터닝 가능한 중합체 등의 수지를 이용하고 있지만, 에칭 등의 다른 공정 방법을 행하는 경우에는 유전막이나 석영이라고 하는 재료를 사용할 수도 있다.
또한, 상술한 크기에 대응하여, 클래드층 (11)은 30 μm, 코어층 (20)은 50 μm로 한다.
다음에 도 2B와 같이, 클래드층 (11) 상면의 코어층 (20)을 포토리소그래피에 의해 직방체 형상으로 패턴 형성한 후, 절삭에 의해 테이퍼면 (15a), (16a)를 설치함으로써 테이퍼면 부착 코어 (15), (16)을 형성한다. 여기서, 테이퍼면 부착 코어 (15), (16)은 배선 코어 (13), (14) 각각에 직교하는 형태로 연결되어 있기 때문에, 테이퍼면 (15a), (16a)를 제조할 때는 상기 절삭 이외에도 에칭 또는 경사 리소그래피라고 하는 수법에 의해서도 일괄적으로 형성할 수 있다. 이에 의해 공정수의 대폭적인 삭감이 가능해진다. 또한, 도 2C와 같이, 상기 코어 (15), (16)의 테이퍼면 (15a), (16a)의 임의의 부분에 광을 고효율로 반사시키기 위해서 Au 등의 금속을 증착이나 도금 등으로 피복한다.
다음에 도 2D와 같이 테이퍼면 부착 코어 (15), (16) 상으로부터 도 2A에서 설명한 절차와 동일하게 코어층을 도포 또는 접착에 의해 형성하고, 포토리소그래피 등에 의해 코어 패턴 (13), (14)를 형성한다. 여기서, 테이퍼면 부착 코어 (15), (16)의 테이퍼면 (15a), (16a)는 코어 패턴 (13), (14)와 교차하는 부분의 한쪽면에만 형성할 수도 있지만, 코어 (13), (14)의 매립성을 고려한 경우, 동 테 이퍼면을 코어의 양면에 형성한 것이 바람직하다. 또한 도 2E와 같이, 패턴 형성된 코어 (13), (14) 상에 클래드층 재료 (11)을 장착한 상태를 나타낸다. 여기서, 클래드층 (11)은 80 μm의 두께이고, 기판 (10)도 포함하여 전체를 조금 가온하여 클래드층 (11)의 재료를 연화시킴과 동시에, 상면으로부터 평탄한 면의 누름판에 의해 가압함으로써, 클래드층 (11)은 코어 (13), (14) 사이의 스페이스 부분을 매립함과 동시에, 코어 (13), (14)를 둘러싼 광 도파로층 (12)를 형성한다.
도 2F는 도 1에 나타내는 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (1)이 완성되는 최종 단계를 나타내는 도면이다. 광 도파로층 (12)의 상면에 광 소자 어레이 (17)에 필요한 전기 배선 패턴을 테이퍼면 부착 코어 (15), (16)과 동일하게 리소그래피 기술에 의해서 테이퍼면 부착 코어 (15), (16)과 위치 정렬을 하면서 형성한다. 이 배선 패턴의 소정 위치에 땜납 범프 (21)과 광 소자 어레이 (17)을 장착하여 전기적인 접속을 얻는다. 이에 의해, 도 1에 나타내는 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (1)이 완성된다.
(본 발명의 효과의 정량적 평가예)
도 3A는 클래드 (11) 상에 배치된 코어 (13) 내에 단부면으로부터 입사광 (30)을 전파시켜 테이퍼면 부착 코어 (15)를 통해 다른 한쪽 단면으로부터 출사시킨 경우의 모식도를 나타낸다. 또한, 도 3B에 도 3A에 나타내는 모델을 이용하여, 코어 전파광의 과잉 손실(입사광 (30) 강도-출사광 (31) 강도)과, 테이퍼면 부착 코어 (15)와 클래드 (11)과의 비굴절률차 ΔA와의 관계에 대하여 광선 추적법에 의해 계산한 결과를 나타내는 도면이다. 여기서는, 코어 (13)은 상술한 바와 같이 50 μm×50 μm의 단면을 가지고, 코어를 둘러싸는 클래드 두께를 25 μm로 하며, 코어 (13) 내를 전파할 때의 재료 손실은 고려하지 않았다. 또한, 코어 (13)과 클래드 (11)의 비굴절률차 ΔB가 1.0 내지 2.5로 가변하였을 때의 의존성에 대해서도 계산하였다. 도 3B의 결과로부터 ΔA가 0 ％, 즉 테이퍼면 부착 코어 (15)와 클래드 (11)의 굴절률이 동일한 경우에는, 코어 (13)의 전파광이 테이퍼면 부착 코어 (15)를 통과할 때에 광이 방사되어, 누설광에 의한 과잉 손실이 커진다. 이에 대하여, 테이퍼면 부착 코어 (15)의 굴절률을 클래드 (11)보다 크게 하는, 즉 ΔA를 크게 함으로써, 상기 코어 (13)의 전파광이 테이퍼면 부착 코어 (15)를 통과할 때에, 테이퍼면 부착 코어 (15)와 클래드 (11)의 굴절률차에 의해 광이 차단되어, 누설광에 의한 과잉 손실을 억제하는 것이 가능하다. 특히 도 3B의 결과에서는 테이퍼면 부착 코어 (15)의 굴절률이 코어 (13)과 동일하거나 또는 그 이상인 경우에 있어서, 과잉 손실 억제 효과로서 충분하다. 이상으로부터 본 발명 구조를 형성하는 경우에는 클래드 (11)의 굴절률을 n1, 배선 코어 (13)의 굴절률을 n2, 테이퍼면 부착 코어 (15)의 굴절률을 n3이라 하였을 때, 각각이 n1<n2≤n3의 관계로 구성하는 것이 과잉 손실 억제의 관점에서 효과적이다.
실시예 2
도 4는 본 발명의 제2 실시예의 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (2)의 사시도 및 상면도이다. 여기서는 제1 실시예의 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (1)에서 나타낸 구조를 2층으로 적층한 예를 나타낸다. 도 4와 같이, 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (1)에서 나타낸 구조와 동일하게 테이퍼면 부착 코어 (43) 의 테이퍼면 (43a)를 통해 광로변환되는 코어 (41)과, 테이퍼면 부착 코어 (43)을 통과하여 테이퍼면 부착 코어 (44)의 테이퍼면 (44a)에서 광로변환되는 코어 (42)가 각각 교대로 설치된 광 도파로층 (40)과 그의 하층인 광 도파로층 (12)를 기판의 두께 방향으로 적층하였고, 광 도파로층 (40)의 상면에 각각의 광 도파로층 (40), (12)에 설치된 테이퍼면 부착 코어의 테이퍼면에 대응하는 위치에 광 소자 어레이 (17)을 장착시켰다. 또한, 본 구조는 도 2A 내지 F에서 설명한 제조 절차를 반복함으로써 형성하였다. 또한, 도 4에서는 2층으로 적층한 예를 나타내지만, 3층 이상의 추가 적층하는 경우에도 동일한 제조 절차와 배선 구성을 쌓아 올림으로써 형성할 수 있다. 본 구조와 같이 동 광 도파로층 내 교대로 배치한 코어 배선을 다층의 적층한 구성으로 함으로써 보다 작은 면적 내에서 가장 효율적으로 배선 고밀도화가 가능해진다.
실시예 3
도 5는 본 발명의 제3 실시예의 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (3)의 사시도이다. 여기서는 제2 실시예의 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (2)에서 나타낸 2층 적층 구조에 있어서, 광 도파로층 (40) 내에 설치된 테이퍼면 부착 코어 (43), (44) 바로 아래의 광 도파로층 (12) 내에 테이퍼면 부착 코어 (15), (16)을 형성한 예를 나타낸다. 도 5와 같이, 도면 중 점선으로 나타내는 광 도파로층 (12) 내의 코어 (14)를 전파한 광이 테이퍼면 부착 코어 (15)의 테이퍼면 (15a)에서 기판 상측으로 광로변환되어, 광 도파로층 (40)에 설치된 테이퍼면 부착 코어 (43) 내를 통과한 후, 테이퍼면 (43a)의 내부에서 기판 평행 방향으로 광로변환된 다. 또한 광로변환된 광은 코어 (41)을 전파한 후 테이퍼면 부착 코어 (44)의 테이퍼면 (44a)에서 기판 상부로 광로변환되어, 도시하지 않지만 기판 상부에 장착된 광 소자 어레이와 광접속된다. 본 구성으로 함으로써, 테이퍼면 부착 코어에 의해 다층간에서도 광의 전파 방향을 자유롭게 변화시킬 수 있기 때문에, 배선 설계의 유연성이 높아진다.
실시예 4
도 6은 본 발명의 제4 실시예의 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (4)의 사시도이다. 여기서는 제1 실시예의 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (1)에서 나타낸 광 도파로층 (12) 상에 광 소자 어레이 (17)과 코어 (13), (14)를 통해 대향하는 위치에 섬유 (60)을 갖는 광 커넥터 (61)을 장착한 예를 나타낸다. 도 6과 같이 광 도파로층 (12)를 설치한 테이퍼면 부착 코어 (43), (44)의 바로 위의 클래드층 (11) 상부에 배선 코어 (13), (14)와 동일하게 교대로 배치한 섬유 (60)을 집적한 광 커넥터 (61)을 장착함으로써, 섬유 (60)으로부터 테이퍼면 부착 코어 (43)의 테이퍼면 (43a) 또는 테이퍼면 부착 코어 (44)의 테이퍼면 (44a)를 향해 출사된 광이 각 테이퍼면 (43a), (44a)에서 기판 수평 방향으로 광로변환되어 코어 (13), (14) 내를 전파한다. 또한, 코어 (13), (14)의 전파광은 테이퍼면 부착 코어 (15)의 테이퍼면 (15a) 또는 테이퍼면 부착 코어 (16)의 테이퍼면 (16a)에서 기판 상부 방향으로 광로변환됨과 동시에 광 소자 어레이 (17)과 광접속된다. 또한, 여기서는 섬유 (60)으로부터의 출사광이 광 도파로층 (12)를 통해 광 소자 어레이 (17)에 입사되는 예를 설명하였지만, 그것과 반대인 광 소자 어레이 (17)로부터의 출사광 이 도파로층 (12)를 통해 섬유 (60)에 입사되는 경우도 본 구조에 의해 동일하게 가능하다. 이 경우, 광 소자 어레이 (17)은 면 발광 다이오드 또는 면 수광 다이오드로 구성되어 있다. 또한, 상기 설명한 섬유 (60)의 교대 배치는 광 커넥터 (61) 내에 섬유를 설치하기 위한 V홈을 층간에 교대로 형성함으로써 가능해진다. 본 구조에 의해서 예를 들면 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (4)의 외부로부터 섬유 (60)을 통해 입출력되는 광신호를 광 소자 어레이 (17)에 전달할 수 있다. 또한, 도시하지 않았지만 광 도파로층 (12) 상에 광 소자 어레이 (17)과 코어 (13), (14)를 통해 대향하는 위치에 동일한 광 소자 어레이를 장착한 조합으로 함으로써, 본 구조에 의해 소자 간의 광신호 전송이 가능해진다.
실시예 5
도 7은 본 발명의 제5 실시예인 광전기 하이브리드 회로 실장 기판의 단면도이다. 구성은 도면과 같이, 기판 (10) 상에 본 발명 구조의 광 도파로층 (12)가 형성되고, 광 도파로층 (12) 상에, 광 커넥터 (61)에 집적된 섬유 (60)으로부터 출사된 광이 테이퍼면 부착 코어 (70), (71) 및 코어 (14), 테이퍼면 부착 코어 (15), (16)을 통해 입사되는 수광 소자 어레이 (73)이 장착되어 있다. 또한, 동일하게 테이퍼면 부착 코어 (43), (14) 및 코어 (14), 테이퍼면 부착 코어 (76), (77)을 통해 광신호를 전달하는 발광 소자 어레이 (73)과 테이퍼면 부착 코어 (78), (79)와 코어 (14)를 내장한 광 커넥터 (700)을 장착한 구성을 이루고 있다. 또한, 수광 소자 어레이 (73) 및 발광 소자 어레이 (73)과 인접하여 각 광 소자 어레이를 구동하기 위한 회로와 크로스 바 스위치나 논리 회로 등이 삽입된 집적 회 로 (74)를 탑재하고 있다. 또한, 도시하지 않았지만 각 광 소자 어레이와 집적 회로 (74)는 광 도파로층 상에 형성한 고주파 전기 배선에 의해 접속되어 있다. 또한 집적 회로 (74)의 전원, 그랜드 등의 전기 배선 (72)는 광 도파로층 (12)를 통해 기판 (10)과 접속되도록 내장되어 있다. 본 구성에 의해, 기판 외부로부터 섬유 (60)을 통해 광 도파로층 (12)를 전송한 광이 수광 소자 어레이 (73)에서 전기 신호로 변환되고, 집적 회로 (74)에서 처리된 전기 신호를 또한 발광 소자 어레이 (74)에서 광신호로 변환되고, 광 도파로층 (12) 및 광 커넥터 (700)에 내장된 테이퍼면 부착 코어 (78), (79)와 코어 (14)를 통해 기판 외부로 전송되는 기능을 갖는다. 또한, 본 발명 구조에 의해서, 보다 작은 실장 면적에서 고밀도인 광전기 하이브리드 회로가 얻어진다.
실시예 6
도 8은 본 발명의 광전기 하이브리드 회로 실장 기판을 응용한 제육 실시예의 개요를 나타내는 도면이다. 여기서는, 백 플레인 (90)에 각각 접속된 도터 보드 (83)에 실시예 5에서 설명한 본 발명의 광전기 하이브리드 회로 실장 기판을 적용한 예를 나타낸다. 도 8와 같이 기판 외부로 전송되는 기능 이더넷 등 보드의 프론트부에서 섬유 (60)을 통해 광 도파로층 (12)를 전송한 광 소자 어레이 (17)에서 전기 신호로 변환되고, 집적 회로 (74)에서 처리한 전기 신호를 또한 광 소자 어레이 (17)에서 광신호로 변환시키고, 광 도파로층 (12)를 통해 백 플레인측의 광 커넥터 (84)와 광접속시켰다. 또한, 각 도터 보드 (83)으로부터의 광신호는 백 플레인의 광 배선 (12)를 통해 스위치 카드 (86)에 모인다. 또한, 스위치 카드 상에 설치한 광 도파로 배선층 (12)를 통해 광 소자 어레이 (17)과 광접속되고, 집적 회로 (74)에서 처리한 신호를 광 소자 어레이 (17)을 통해 재차 각 도터 보드 (83)에 입출력하는 기능을 갖는다.
기판 상에 형성한 광 도파로와 광전 변환 소자 또는 광 도파로 어레이 커넥터의 광접속에서, 부품수 및 제조 공정수를 감소시켜 저가격화를 실현할 수 있음와 동시에, 가장 효율적으로 배선 고밀도화가 가능한 광 도파로 배선 및 광로변환 미러 구조를 갖는 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 및 그것을 이용한 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예인 광전기 하이브리드 회로 실장 기판의 사시도 및 상면도이다.
도 2A는 기판 상에 클래드층을 형성하고, 그 위에 클래드층보다 고굴절률인 코어층을 형성한 상태를 나타내는 도면이다.
도 2B는 클래드층 상면의 코어층을 패턴 형성을 행한 후, 테이퍼면 부착 코어를 형성한 상태를 나타내는 도면이다.
도 2C는 코어의 테이퍼면의 임의의 부분에 광을 고효율로 반사시키기 위한 금속을 피복한 상태를 나타내는 도면이다.
도 2D는 테이퍼면 부착 코어 상에서 코어층을 형성하고, 코어 패턴을 형성한 상태를 나타내는 도면이다.
도 2E는 패턴 형성된 코어 상에 클래드층 재료를 장착한 상태를 나타내는 도면이다.
도 2F는 도 1에 나타내는 광전기 하이브리드 회로 실장 기판이 완성되는 최종 단계를 나타내는 도면이다.
도 3A는 클래드 상에 배치된 코어 내에 단면으로부터 입사광을 전파시켜 테이퍼면 부착 코어를 통해 다른 한쪽 단면으로부터 출사시킨 경우의 모식도를 나타내는 도면이다.
도 3B는 도 3A에 나타내는 모델을 이용하여, 코어 전파광의 과잉 손실과, 테이퍼면 부착 코어와 클래드과의 비굴절률차 ΔA와의 관계에 대하여 광선 추적법에 의해 계산한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예의 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (2)의 사시도 및 상면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예의 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (3)의 사시도이다.
도 6는 본 발명의 제4 실시예의 광전기 하이브리드 회로 실장 기판 (4)의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예인 광전기 하이브리드 회로 실장 기판의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 광전기 하이브리드 회로 실장 기판을 응용한 제6 실시예의 개요를 나타내는 도면이다.
도 9는 지그재그 배치된 배선 코어와 각각에 설치한 광로변환 미러의 구조에 따른 과제를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 다층의 광 도파로 어레이와 광전 변환 소자 어레이를 고밀도로 광접속한 실장 형태의 종래 예를 나타내는 도이다.
도 11은 동층 내에서 광 배선층과 광전 변환 소자 어레이를 고밀도로 광접속한 실장 형태의 종래 예를 나타내는 도이다.
<도면의 주오 부분에 대한 부호의 설명>
1, 2, 3, 4, 5···광전기 하이브리드 회로 실장 기판,
10··· 기판,
11···클래드,
12, 40···광 도파로층,
13, 14, 20, 41, 42···코어,
15, 16, 43, 44, 70, 71, 76, 77, 78, 79···테이퍼면 부착 코어,
15a, 16a···테이퍼면,
17··· 광 소자 어레이,
21···땜납 범프,
22, 23··· 광 반사막,
30, 50, 51··· 입사광,
31···출사광,
60··· 섬유,
61, 84, 700··· 광 커넥터,
72···전기 배선,
73··· 수광 소자 어레이,
74··· 집적 회로,
75···발광 소자 어레이,
80, 81, 82···전자 회로,
83···도터 보드,
85···백 플레인,
86··· 스위치 카드,
100··· 어레이형 광전 변환 소자 유닛,
101A, 101B··· 어레이형 광 도파로 유닛,
104A, 104B··· 어레이형 광 결합용 광 도파로 유닛,
105···코어(광 결합용 광 도파로),
107···광 도파로 단면,
111···클래드,
112···광전 변환 소자 어레이.

Claims (22)

  1. 기판과,
    상기 기판 상에 적층된 클래드층과,
    상기 클래드층 상에 형성되며, 길이 방향의 적어도 한면에 테이퍼면을 갖는 적어도 한 쌍의 제1 테이퍼면 부착 코어와,
    상기 클래드층 상에 형성된 배선 코어를 가지고,
    상기 테이퍼면 상의 소정의 영역에 입사광을 원하는 방향으로 광로변환시키는 반사면을 갖는 반사부와, 상기 배선 코어 내를 전파하여 상기 테이퍼면에 도달한 입사광이 상기 입사광의 진행 방향으로 더 전파되어 상기 제1 테이퍼면 부착 코어를 투과하는 광 투과부를 가지며,
    상기 배선 코어는 상기 반사부 및 상기 광 투과부에서 교차하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 테이퍼면 부착 코어의 각각과 병행하여 상기 클래드층 상에 형성된 적어도 한 쌍의 제2 테이퍼면 부착 코어를 가지고,
    상기 제2 테이퍼면 부착 코어의 각각은 쌍을 이루는 상기 제1 테이퍼면 부착 코어를 사이에 끼우도록 배치되고,
    상기 광 투과부에서 상기 제2 테이퍼면 부착 코어를 향해 연장되어 설치된 상기 배선 코어가, 상기 제2 테이퍼면 부착 코어와 교차하는 영역의 테이퍼면 상에 상기 입사광을 원하는 방향으로 광로변환시키는 제2 반사부를 갖는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  3. 제2항에 있어서, 상기 클래드층의 굴절률을 n1, 상기 배선 코어의 굴절률을 n2, 상기 제1 및 제2 테이퍼면 부착 코어의 굴절률을 n3이라 하였을 때, 각각이 n1<n2≤n3의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 테이퍼면 부착 코어가 각각 일체 성형된 연속체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사부가 각각 금속 재료로 이루어지는 것을 특징으로 히는 광 도파로 기판.
  6. 제2항에 있어서, 상기 배선 코어, 상기 클래드층, 및 상기 제1 및 제2 테이퍼면 부착 코어가 각각 감광성 중합체 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  7. 제2항에 있어서, 상기 테이퍼면이 상기 제1 및 제2 테이퍼면 부착 코어의 양쪽 측면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  8. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 상기 제2 테이퍼면 부착 코어의 상측에 설치된 광 소자 어레이를 가지고,
    상기 배선 코어를 전파하는 광이 상기 제1 반사부 또는 상기 제2 반사부를 통해 상기 광 소자와의 사이에서 광 교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  9. 제8항에 있어서, 상기 광 소자 어레이가 면 발광 다이오드 또는 면 수광 다이오드로 구성되어 있는 광 도파로 기판.
  10. 제8항에 있어서, 상기 광 소자 어레이가 커넥터를 갖는 광섬유로 구성되어 있는 광 도파로 기판.
  11. 기판 상에 형성된 제1 클래드층과, 상기 제1 클래드층 상에 형성되어 입사광을 전파하는 제1 배선 코어를 구비하는 제1 광 도파로층과,
    상기 제1 광 도파로층 상에 형성된 제2 클래드층과, 상기 제2 클래드층 상에 형성되어 입사광을 전파하는 제2 배선 코어를 구비하는 제2 광 도파로층과,
    상기 제1 및 제2 배선 코어에 각각 교차하도록 설치된 길이 방향의 적어도 한면에 테이퍼면을 갖는 적어도 한 쌍의 제1 및 제2 테이퍼면 부착 코어를 각각 가지고,
    상기 제1 및 제2 테이퍼면 부착 코어 각각의 테이퍼면 상에, 입사광을 원하는 방향으로 광로변환시키는 반사면을 갖는 제1 및 제2 반사부와, 상기 제1 및 제2 배선 코어 내를 전파하여 상기 각각의 테이퍼면에 도달한 입사광이 상기 입사광의 진행 방향으로 더 전파되어 상기 제1 및 제2 테이퍼면 부착 코어를 투과하는 제1 및 제2 광 투과부가 설치되고,
    상기 제1 및 제2 배선 코어는 상기 제1 및 제2 반사부 및 상기 제1 및 제2 광 투과부 각각에 있어서 교차하도록 배치되고,
    상기 제1 테이퍼면 부착 코어와 병행하여 상기 제1 클래드층 상에 형성된 제3 테이퍼면 부착 코어와, 상기 제2 테이퍼면 부착 코어와 병행하여 상기 제2 클래드층 상에 형성된 제4 테이퍼면 부착 코어를 각각 적어도 한쌍 가지고,
    상기 제3 테이퍼면 부착 코어는 쌍을 이루는 상기 제1 테이퍼면 부착 코어를 사이에 끼우도록 배치되고,
    상기 제4 테이퍼면 부착 코어는 쌍을 이루는 상기 제2 테이퍼면 부착 코어를 사이에 끼우도록 배치되고,
    상기 제1 광 투과부에서 상기 제3 테이퍼면 부착 코어를 향해 연장되어 설치된 제3 배선 코어가 상기 제3 테이퍼면 부착 코어와 교차하는 영역의 테이퍼면 상에 상기 입사광을 원하는 방향으로 광로변환시키는 제3 반사부를 가지고,
    상기 제2 광 투과부에서 상기 제4 테이퍼면 부착 코어를 향해 연장되어 설치된 제4 배선 코어가 상기 제4 테이퍼면 부착 코어와 교차하는 영역의 테이퍼면 상에 상기 입사광을 원하는 방향으로 광로변환시키는 제4 반사부를 갖는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 클래드층의 굴절률을 n1, 상기 제1 및 제2 배선 코어의 굴절률을 n2, 상기 제1 내지 제4 테이퍼면 부착 코어의 굴절률을 n3이라 하였을 때, 각각이 n1<n2≤n3의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 테이퍼면 부착 코어가 각각 일체 성형된 연속체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 반사부가 각각 금속 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  15. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 배선 코어, 제1 및 제2 클래드층, 및 제1 내지 제4 테이퍼면 부착 코어가 각각 감광성 중합체 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  16. 제11항에 있어서, 상기 테이퍼면이 상기 제1 내지 제4 테이퍼면 부착 코어 각각의 양쪽 측면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  17. 제11항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 반사부의 상측에 있어서 상기 제2 광 도파로층 상에 형성된 제3 클래드층 상에 설치된 광 소자 어레이를 가지고,
    상기 제1 테이퍼면 부착 코어를 전파하는 광이 상기 제1 반사부 또는 상기 제1 광 투과부를 통과하여 상기 제3 반사부를 통해 광로변환되어 상기 광 소자 어레이 사이에서 광 교환이 이루어지거나, 또는 상기 제1 반사부 및 상기 제2 반사부를 통해 상기 제2 테이퍼면 부착 코어를 전파하는 광이 상기 광 소자 어레이 사이에서 광 교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  18. 제17항에 있어서, 상기 광 소자 어레이가 면 발광 다이오드 또는 면 수광 다이오드로 구성되어 있는 광 도파로 기판.
  19. 제17항에 있어서, 상기 광 소자 어레이가 커넥터를 갖는 광섬유로 구성되어 있는 광 도파로 기판.
  20. 제11항에 있어서, 상기 제2 광 도파로층 상에 추가로 광 도파로층이 클래드층을 통해 기판의 두께 방향으로 복수 층 적층되고,
    상기 복수 층 적층된 광 도파로층의 최상층의 상면에 상기 광 도파로층의 각각에 설치된 테이퍼면 부착 코어의 테이퍼면에 대응하는 위치에 광소자 어레이가 각각 장착되고,
    상기 배선 코어와 상기 광 소자 어레이의 광 교환이 상기 테이퍼면 부착 코어를 통해 행해지는 것을 특징으로 하는 광 도파로 기판.
  21. 기판 상에 형성된 클래드층과, 상기 클래드층 상에 형성되며 길이 방향의 한면 이상에 테이퍼면을 갖는 테이퍼면 부착 코어와, 상기 클래드층 상에 형성된 배선 코어를 구비하는 복수 개의 광 도파로층을 가지고,
    상기 테이퍼면 상의 소정의 영역에 입사광을 원하는 방향으로 광로변환시키는 반사면을 갖는 반사부와, 상기 배선 코어 내를 전파하여 상기 테이퍼면에 도달한 입사광이 상기 입사광의 진행 방향으로 더 전파되어 상기 테이퍼면 부착 코어를 투과하는 광 투과부를 구비하고, 상기 배선 코어는 상기 반사부 및 상기 광 투과부에서 교차하도록 상기 클래드층 상에 배치되어 입사광을 전파하며,
    상기 광 도파로층 상에 설치된 수광 소자, 발광 소자 및 집적 회로 소자와,
    상기 집적 회로 소자에 전력을 공급하기 위해 상기 기판에 설치된 전기 배선과,
    상기 복수 개의 광 도파로층 중 하나에 입사광을 도입하는 광섬유를 갖는 입력측 광 커넥터와,
    상기 광 도파로층 상에 추가로 형성되어 상기 복수 개의 광 도파로층의 다른 하나로부터 광을 출력하는 상기 테이퍼면 부착 코어를 포함하는 출력측 광 커넥터를 가지고,
    상기 수광 소자는 상기 복수 개의 광 도파로층의 하나로부터 상기 입사광을 수광하여, 상기 입사광에 따른 전기 신호를 상기 집적 회로 소자에 송신하고,
    상기 발광 소자는 상기 집적 회로 소자로부터 송신되는 전기 신호에 따라서 상기 복수 개의 광 도파로층의 다른 하나에 대하여 광신호를 공급하고, 상기 출력측 광 커넥터를 통해 상기 광신호를 외부로 송신하는 것을 특징으로 하는 광전기 하이브리드 회로 실장 기판.
  22. 제21항에 있어서, 상기 기판 상에 상기 광 도파로층과 상기 클래드층을 교대로 적층하여 형성된 적어도 2층의 광 도파로층을 가지고,
    상기 적층된 광 도파로층의 최상층 상면에 수광 소자, 발광 소자 및 집적 회로 소자를 설치한 것을 특징으로 하는 광전기 하이브리드 회로 실장 기판.
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