WO2019107571A1 - 平面光波路型光デバイス - Google Patents

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WO2019107571A1
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electrode pad
electrical connector
optical waveguide
solder
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藍 柳原
鈴木　賢哉
笠原　亮一
和則 妹尾
祐子 河尻
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日本電信電話株式会社
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    • G02F2201/12—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 electrode

Definitions

  • the present invention relates to a planar optical waveguide type optical device used in optical communication.
  • Non-Patent Document 1 a multicast switch using Planar Lightwave Circuit (PLC) technology is an indispensable device, and its cost reduction is desired.
  • PLC Planar Lightwave Circuit
  • the heater mounted on the waveguide applies heat to the waveguide to change the refractive index of the waveguide, thereby changing the interference state of the optical interferometer formed in the PLC, Implement switching.
  • the electric wiring for accessing the heater on the waveguide occupies a large area of the planar lightwave circuit type chip, and the rate-down of the PLC type chip is limited. That is, the electrical wiring is a barrier to the cost reduction of the PLC type optical switch.
  • the problem to be solved by the present invention is to reduce the area of electrical wiring for access to the heater, which has been the rate-limiting factor in the miniaturization of the conventional PLC type switch.
  • FIG. 1 shows the configuration of a conventional PLC type optical switch.
  • an input optical fiber array 103a and an output optical fiber array 103b are connected to both ends of a PLC chip 101 via fiber blocks 104a and 104b, and input and output optical signals.
  • heaters necessary for optical signal processing are electrode pads 110a, 110b... Formed on the side to which the fiber blocks 104a and 104b are not connected in the PLC chip 101, and an electric circuit for driving the heater.
  • the electrode pads 111a, 111b,... Formed on the control substrate 102 including the above are connected via gold thin wires 106 respectively.
  • the PLC chip 101 and the control substrate 102 are fixed by an adhesive or the like on a mount 105 generally made of metal.
  • the position of the control heater is restricted by the layout of the optical circuit and distributed on the PLC chip 101. Therefore, the electrical wiring connecting each heater and the electrode pads 110a, 110b,... Needs to be routed on the chip, and this arrangement is the main factor of expansion of the electrical wiring area in the chip.
  • the wiring width is also required to be at least a certain size, which contributes to an increase in chip area.
  • FIG. 1B is a view showing the relationship between the optical waveguide, the heater, and the wiring in the PLC chip, and is an enlarged view of a dashed dotted line portion 112 in FIG. 1A.
  • a large scale switch is generally realized by combining a plurality of 2 ⁇ 2 switches using a Mach-Zehnder interferometer.
  • the optical signal input to the waveguide 121 is input to the Mach-Zehnder interferometer 122, branched into two by the first directional coupler 128, and by the heater 123 loaded on the upper part of the waveguide arm constituting the Mach-Zehnder interferometer.
  • one of the bifurcated signals is phase-modulated and the interference state is controlled when combining in the second directional coupler 129.
  • an optical signal is routed to the waveguide 130 when power is not applied to the heater 123, power is applied to the heater 123, and the phase of the signal passing through the waveguide below it Is phase-modulated by 180 °, the optical signal is routed to the waveguide 131.
  • a plurality of Mach-Zehnder interferometers are arranged as shown in FIG. 1 (b).
  • Each of the Mach-Zehnder interferometers is provided with a heater for driving, and wirings 124a, 124b, ... for supplying power to them are disposed on the PLC chip, and wirings 124a, 124b, ... for wire bonding. Are drawn to the tip end face.
  • the area required on the PLC for wiring is the sum of the wiring width and the wiring interval multiplied by the number of wirings, and occupies a large area on the PLC chip.
  • the present invention provides means for realizing miniaturization and cost reduction of a PLC type optical device that performs optical signal processing by electrically changing the state of light including an optical switch. More specifically, the present invention provides a method of accessing an electric drive element (heater of electric drive unit) using wire bonding, which is a problem of a PLC type optical device requiring electric drive.
  • the electric drive unit includes a Mach-Zehnder interferometer, and a heater driven directly by electricity is included in the Mach-Zehnder interferometer.
  • the present invention is characterized by having the following configuration in order to achieve the above object.
  • the planar optical waveguide type optical device of the present invention comprises an electrode pad on the surface of a planar lightwave circuit, A solder layer on the electrode pad and in contact with the electrode pad; An electrical connector in contact with the solder layer; It is characterized by having.
  • the electrode pad includes a laminated structure of at least two layers, and the laminated structure includes a barrier layer that improves the adhesion between the solder and the electrical connector.
  • the electrode pad may have a contact layer on the barrier layer.
  • the electrode pad includes a laminated structure of a first adhesion layer and an electrically conductive layer between the upper surface of the planar optical waveguide type optical device and the barrier layer, and a second adhesion layer is formed on the contact layer. May be included.
  • the barrier layer may include Ni or Pt
  • the contact layer may include Au
  • the second adhesion layer may include Ti or Cr
  • the electrically conductive layer may include Au, Ag or Cu.
  • the planar optical waveguide type optical device may be a silica-based optical waveguide composed of a core and a cladding made of a silica-based material formed on a silicon substrate or a quartz substrate, and a silicon-based optical device formed of silicon on a BOX layer on a silicon substrate
  • the waveguide may be a silicon waveguide, or may be a semiconductor waveguide formed on a semiconductor substrate such as InP or GaAs.
  • planar optical waveguide type optical device has a cable for supplying power to the electrical connector, one end of the cable is connected via a second electrical connector fitted to the electrical connector, and the other end is controlled It may be connected to the substrate.
  • FIG. 1A is a top view showing the configuration of a conventional PLC type optical switch.
  • FIG.1 (b) is a figure which shows the relationship between the optical waveguide in the PLC chip of FIG. 1 (a), a heater, and wiring.
  • FIG. 2A is a top view of the planar lightwave circuit type optical device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 (b) is a side view of the planar lightwave circuit type optical device of the present invention. It is the figure which expanded the area
  • FIG. 8A is a top view showing a flat optical waveguide type optical device according to Example 7 of the present invention.
  • B) of FIG. 8 is a cross-sectional view showing a planar optical waveguide type optical device according to a seventh embodiment of the present invention shown in (a) of FIG. Fig.9 (a) is a figure which shows the top view of the electrode pad in the plane optical waveguide type
  • FIG. 9B is a view showing a cross-sectional view along dotted line IXb-IXb in FIG.
  • FIG. 9 (c) is a view showing a cross-sectional view along dotted line IXc-IXc in FIG. 9 (a).
  • FIG. 10A is a top view illustrating the outline of the process of the eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view taken along dotted line Xb-Xb in FIG.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining Example 9;
  • FIG. 12A is a view showing the vicinity of the lead pin 209 connected to the electrode pad 201.
  • FIG. FIG. 12B is an enlarged view of the vicinity of the lead pin 209.
  • FIG. 12 (c) is an enlarged view of a region XIIc.
  • FIG. 13A is a view for explaining a region to which a solder is applied.
  • FIG. 13B is a view for explaining a region where the solder is wet and spread.
  • planar optical waveguide type optical device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
  • the present invention is not limited to the description of the embodiments shown below, and that various changes in form and detail can be made without departing from the spirit of the invention disclosed in the present specification and the like.
  • configurations according to different embodiments can be implemented in combination as appropriate. Note that in the structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
  • FIG. 2 (a) and 2 (b) are structural schematic views of the planar lightwave circuit type optical device of the present invention.
  • 2 (a) is a top view
  • FIG. 2 (b) is a side view.
  • optical fibers (arrays) 204 a and 204 b are connected to the left and right ends of the PLC chip 200 to input and output optical signals.
  • An electrode pad 201 is formed on the top surface of the PLC chip, and an electrical connector 202 is installed on the electrode pad 201 via a solder layer 203.
  • FIG. 2 (a) is a top view of the planar optical waveguide type optical device according to the first embodiment
  • FIG. 2 (b) is a cross-sectional view taken along dotted line IIb-IIb of FIG. 2 (a).
  • Optical fibers 204a and 204b are connected to both ends of a PLC chip 200 having an optical waveguide structure composed of a core and a clad, and input and output of optical signals are performed. Electrode pads 201a-1 to 201a-n and 201b-1 to 201b-n are formed on the top surface of the PLC 200, and electrical connectors 202a and 202b are mounted on the top of the electrode pads. In the planar optical waveguide type optical device of the present invention, the electrical connectors 202a and 202b have a structure to be soldered to the electrical pad.
  • One of the terminal groups of the FPC Flexible Print Circuit cable 205a and 205b is connected to the electrical connectors 202a and 202b, and the other terminal group of the FPC (cable 205a and 205b is the electrical connector 206a and 206b disposed on the control board 207. , And is connected to the control substrate 207.
  • the PLC chip 200 and the control substrate 207 are fixed to the metal mount 208.
  • an electrode pad 201 whose details will be described later is formed on the PLC chip.
  • the lead pin 209 of the electrical connector 202 is fixed by the solder layer 203 so as to be electrically connected to the electrode pad 201.
  • the electrode pad 201 on the surface of the PLC chip 200 plane lightwave circuit
  • the solder layer 203 on the electrode pad 201 and in contact with the electrode pad 201 and the electrical connector in contact with the solder layer 203.
  • a planar optical waveguide type optical device characterized by comprising:
  • FIG. 3 shows the relationship between the optical waveguide structure, the electrode pad, the connector and the like in the first embodiment, and is an enlarged view of the region of the dashed dotted line 219 in FIG.
  • the optical signal input from the input waveguide 210 is input to the Mach-Zehnder interferometer 211 a.
  • the optical waveguide immediately below is heated according to the power applied to the heater 212, and the phase of light is modulated through the thermo-optic effect.
  • the interference state is controlled in the multiplexing unit, and the output port of the optical signal can be changed.
  • FIG. 3 shows one row of the matrix.
  • the electrical connector for connecting the FPC cable often has two rows of terminals (lead pins). Therefore, by connecting every other heater of the Mach-Zehnder interferometer arranged in one row to the two rows of lead pins of the electrical connector, the terminal electrodes of the electrical connector can be effectively used, and the wiring area and the number of connectors, The connector mounting area can be reduced. That is, one end of the heater loaded in the Mach-Zehnder interferometer 211 a is connected to the electrode pad 215 through the wiring 213. The other terminal is connected to the electrode pad 216 via the common wiring 214.
  • one terminal of the heater loaded in the Mach-Zehnder interferometer 211 b is connected to the electrode pad 218 via the wiring 217, and the other terminal is connected to the electrode pad 216 via the common wiring 214.
  • the electrode pad 201 a is an electrode pad 215 connected to the side surface of the electrical connector 202 a and an electrode pad 218 connected to the side surface opposite to the side surface, and the electrode pad 215 is electrically driven including the heater 212.
  • a planar lightwave circuit type optical device connected to a part is obtained.
  • the terminal electrodes of the electrical connector can be effectively used by arranging the electrode pads in two rows on the PLC as shown in FIG. It is possible to reduce the wiring area, the number of connectors, and the connector mounting area.
  • FIG. 4 is a view showing a second example of the relationship between the optical waveguide structure, the electrode pads 415 and 418, the electrical connector 402 and the like.
  • the Mach-Zehnder interferometers are arranged in a matrix.
  • the planar optical waveguide type optical device of Example 3 includes an electrode pad 415 connected to the side surface of the electrical connector 402 and an electrode pad 418 connected to the side surface opposite to the side surface, and the electrode pad 415 is electrically It is characterized in that it is connected to the heater 412 of the drive unit, and the electrode pad 418 is connected to the heater 419 of the electric drive unit.
  • the terminal electrodes of the electrical connector can be effectively used, and the wiring area, the number of connectors, the connector mounting area It is possible to reduce.
  • FIG. 5 is a view showing a third example of the relationship between the optical waveguide structure, the electrode pad, the electrical connector 602 and the like.
  • a connector having a two-row lead pin arrangement is arranged to straddle one Mach-Zehnder interferometer.
  • the heater loaded in each Mach-Zehnder interferometer is, for example, the top heater 612 connects the right electrode (electrode pad 618) to the lead pin of the electrical connector 602 and the left electrode to the common wire 619 in FIG.
  • the right electrode of the second heater is connected to the common wire 620, the left electrode (electrode pad 621) is connected to the lead pin of the connector, and every other terminal of the heater connected to the common wire and individual electrodes is installed differently Do.
  • the planar optical waveguide type optical device of the third embodiment is characterized in that the electrical connector 602 overlaps with the heater 612 of the electrical drive unit.
  • the connector in addition to the Mach-Zehnder interferometer region, a region for arranging the connector is required, whereas in the fourth embodiment, the connector can be arranged in the same region as the Mach-Zehnder interferometer region, Furthermore, the PLC chip can be miniaturized.
  • FIG. 6 is a view relating to the structure of the FPC cables 205a and 205b according to the fifth embodiment.
  • the FPC cables 205a and 205b are inserted in the same direction into the control board 207 and the connector installed on the PLC. That is, the terminals of the FPC cable are formed in the same direction, and the upper surface of the FPC cable has a U-shaped.
  • FIG. 7 relates to an FPC cable connection structure in which the low power consumption of the chip is further enhanced than that of FIG. 6 of the fifth embodiment.
  • the FPC cable is covered with the adjacent FPC connector, the FPC cable connected to the electrical connector is not in contact with the upper surface of the heater of the electrical drive unit, that is, it has a structure not to touch the PLC surface.
  • the optical switch is driven by supplying power and warming a heater.
  • the heat of the heater escapes to the outside, more power needs to be supplied to the heater, leading to an increase in power consumption.
  • the upper part of the heater is covered with a protective film, but when the FPC cable is in contact with the upper part of the heater, the heat of the heater escapes to the FPC cable having a thermal conductivity better than air.
  • a portion of the FPC cable 205a connected to the electrical connector 202a overlaps the adjacent electrical connector 202b, so that the FPC cable 205a has a PLC surface that corresponds to the thickness of the FPC connector. It can be released from Further, the FPC cable 205b inserted in the electrical connector 202b can be prevented from contacting the PLC surface by overlapping the fiber block of the input / output unit.
  • FIGS. 8 (a) and 8 (b) are a top view and a cross-sectional view showing how to install the PLC chip 200 and the control board 207 of the seventh embodiment on the mount 208, respectively.
  • the PLC chip 200 and the control substrate 207 can be designed to be adhesively fixed or screwed to the mount 208.
  • shear stress is steadily applied to the electrical connectors 202a and 202b via the FPC. Is induced.
  • the shear stress induces a creep phenomenon, which causes reliability problems in the solder portions of the electrical connectors 202a and 202b.
  • the seventh embodiment discloses a structure in which a sliding mechanism is provided in either one of the PLC chip 200 or the control substrate 207 to release shear stress.
  • FIG. 8 (b) is a cross-sectional view of VIIIb-VIIIb of FIG. 8 (a).
  • the mount 208 is provided with the fitting portions 210a and 210b, and the control substrate is installed so as to freely move in the direction of the arrow 220 without fixing the control substrate to the mount 208. .
  • the shear stress on the solder portion is reduced, which contributes to the improvement of the reliability.
  • an optical switch for routing an optical signal by a Mach-Zehnder interferometer has been described as an example, but the present invention is not only applied to an optical switch, and an optical device such as an optical variable attenuator or a wavelength variable filter It is clear that is also applicable.
  • FIG. 9A is a view showing a top view of the electrode pad in the planar optical waveguide type optical device of the eighth embodiment.
  • FIG. 9B is a view showing a cross-sectional view along dotted line IXb-IXb in FIG. 9A.
  • FIG. 9 (c) is a view showing a cross-sectional view along dotted line IXc-IXc in FIG. 9 (a).
  • the electrode pad 513 in the planar optical waveguide type optical device according to the eighth embodiment is formed of a metal layer laminated on the cladding layer 502 of the optical waveguide formed on the silicon substrate 501, as shown in FIG.
  • a protective film 506 is formed on the entire surface of the planar optical waveguide type optical device, but the protective film 506 is removed from the electrode pad 513 to form a metal layer.
  • An exposed area 511 to be exposed is provided.
  • the lead pin of the electrical connector is soldered to the exposed area 511.
  • FIGS. 9B and 9C Cross-sectional views along dotted line IXb-IXb and dotted line IXc-IXc shown in the top view shown in FIG. 9A are shown in FIGS. 9B and 9C.
  • the metal layer is composed of a first adhesion layer 503, an electrically conductive layer 504, and a second adhesion layer 505.
  • the first adhesion layer 503 preferably has high adhesion to the cladding layer 502, and the second adhesion layer 505 preferably has high adhesion to the protective film 506.
  • the cladding layer 502 and the protective film 506 are silica glass, chromium can be used.
  • the conductive layer 504 is preferably made of gold or the like having a small electric resistance.
  • Soldering of the connector to the electrode pad 513 is performed in the following steps. That is, a mask is prepared which matches the arrangement of the plurality of electrode pads arranged in the planar optical waveguide type optical device.
  • the mask can use a stainless steel plate etc. which have an opening in the same position as the position of an electrode pad.
  • the position of the electrode pad on the planar optical waveguide type optical device is aligned with the position where the mask is hollowed out, and paste solder such as SnAgCu is squeegeeed and applied from the top of the mask.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the outline of the above-mentioned process.
  • FIG. 10A is a top view illustrating the outline of the process of the eighth embodiment.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view taken along dotted line Xb-Xb in FIG.
  • the mask 521 has an opening 522 in alignment with the electrode pad 513.
  • the opening 522 may have the same size and shape as the exposed area 511 of the electrode pad 513, but in consideration of manufacturing errors of the mask 521 and alignment errors with the electrode pad 513, the opening 522 is considered. Is preferably smaller than the exposed area 511. After aligning the mask 521 as shown in FIG. 10A, paste solder 523 is applied to the opening 522.
  • the mask surface 524 is squeegeeed to place a desired amount of paste solder 523 in the exposed area portion 511 of the electrode pad. Thereafter, the mask 521 is removed. Finally, the electrical connector is mounted in accordance with the arrangement of the electrode pads, and the planar lightwave circuit type optical device is heated to a temperature above the melting point of the solder and cooled to fix the electrical connector.
  • the Sn-based solder such as SnAgCu has a melting temperature of about 217 ° C., and can be soldered at a low temperature.
  • a black pad phenomenon in which gold is corroded by Sn-based solder is generally known.
  • Gold is often used as an electrically conductive layer for the electrode pad of the optical device.
  • FIG. 12 (a) is a photograph of the electrical connector 202 soldered on the PLC chip.
  • FIG. 12B shows XIIb in the vicinity of the lead pin 209 connected to the electrode pad 201 in FIG. 12A, and is an enlarged view in the vicinity of the lead pin 209.
  • FIG. 12B the spread of the solder to the electrical wiring portion is shown in a region XIIc.
  • FIG. 12C is an enlarged view of the area Xc.
  • FIG. 13A is a view for explaining a region to which the solder is applied
  • FIG. 13B is a view for explaining a region in which the solder is wet and spread.
  • the thickness T of the electrically conductive layer 504 is 1 ⁇ m.
  • the volume of the solder application area per electrode pad is approximately Wm ⁇ Lm ⁇ Tm.
  • the volume of gold contained in the electrode pad is W ⁇ L ⁇ T as shown in FIG. 13B, where W is the width of the electrode pad, L is the length, and T is the thickness of the electrically conductive layer.
  • gold is also supplied from the wire 514 having a width Ww.
  • the length of gold supplied to the wiring 514 is also approximately 35 ⁇ m, so the supply of gold from the wiring 514 The amount is predicted to be about Ww ⁇ T ⁇ 35T.
  • the lead pins of the electrical connector are plated with gold and their weight is mc.
  • the weights of the solder and the gold are respectively ss ⁇ Wm ⁇ Lm ⁇ Tm, ⁇ A ⁇ (W ⁇ L ⁇ T + Ww ⁇ 35T ⁇ T) + mc. Therefore, ⁇ A ⁇ (W ⁇ L ⁇ T + Ww ⁇ 35T ⁇ T) + mc ⁇ / ⁇ s ⁇ Wm ⁇ Lm ⁇ Tm ⁇ ⁇ 0.05 Determine the amount of solder to satisfy
  • the cited reference 3 describes that the connection strength decreases when the solder content exceeds 5%, so a value of less than 0.05 is set. From the viewpoint of long-term reliability, it is preferable to limit it to less than 0.03.
  • the control of the amount of solder may be performed by controlling the thickness Tm of the mask.
  • the layer structure of the metal layer will be described in the case where the resistance of the wiring 514 to the heater affects the device performance. If the wiring resistance is a problem, the resistance can be reduced by increasing the thickness of the wiring layer, but the black pad phenomenon becomes remarkable. In this case, a barrier layer 531 may be introduced as shown in FIG.
  • the barrier layer 531 is introduced on the top of the electrically conductive layer 504. Further, an oxidation preventing layer 532 may be introduced on the upper portion of the barrier layer 531.
  • nickel or platinum can be used as the barrier layer 531.
  • the barrier layer 531 also functions as a barrier to the first adhesion layer. That is, when silica-based glass is used as the cladding layer 502, chromium is introduced as a first adhesion layer in order to make gold which is the electric conduction layer 504 adhere well to the cladding layer. However, when the solder erodes gold, the solder and chromium act. Generally, solder and chromium are known to have poor adhesion, which hinders good solder bonding. Therefore, by introducing the barrier layer, both the black pad phenomenon and the action of the solder and the chromium can be prevented, and a good solder joint becomes possible.
  • the cost of the material is excellent.
  • platinum as the barrier layer 531 has process advantages. That is, since platinum is not soluble in strong acid solutions, a mixed solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is used to remove burrs and organic substances at the wiring end generated when forming the electrode pad. It is also possible to pass through washing with (pirana wash). Therefore, using platinum as a barrier layer has an advantage of increasing the degree of freedom of the process.
  • the barrier layer is provided when the black pad phenomenon becomes remarkable, but the barrier layer may not be provided when it is not particularly remarkable.
  • the present invention can be applied to any optical device such as an optical variable attenuator or a wavelength tunable filter.
  • the first advantage is that the chip can be miniaturized.
  • the electrode pads for wire bonding are arranged in a row on one side of the chip to facilitate wire bonding, and it is necessary to lead the electrode wiring in order to align the electrode pads.
  • the area required for the electrode wiring in the chip is increased, in the present invention, since the electrical wiring is taken out from the upper surface of the chip, the electrode pad can be disposed at any position on the chip. Therefore, it is not necessary to lead the electrical wiring, and the area required for the electrode wiring in the chip can be reduced. Therefore, the chip can be miniaturized.
  • the second advantage is the reduction of the implementation cost.
  • the conventional optical switch it is necessary to carry out wire bonding of several hundreds per chip, and the cost for wire bonding is high.
  • general-purpose electrical connectors are generally used for mounting electronic devices. Can be mounted using a general-purpose mounting method.
  • solder paste is automatically screen printed on a printed circuit board, and then electronic devices are arranged on the printed circuit board at high speed and automatically at a speed of several pieces per second using a chip mounter, and then reflowed. It is soldered collectively by passing through the furnace.
  • a chip mounter By adopting the structure of the present invention, it is possible to mount an electrical connector at high speed and automatically using a chip mounter on a wafer, and also to solder in a batch by passing the whole wafer through a reflow furnace.
  • This mounting method not only leads to much faster mass production throughput than conventional wire bonding connections, but also leads to a significant reduction in mounting cost.
  • the wafer can be electrically mounted at the wafer level, the mounting cost can be significantly reduced.
  • the third advantage is the simplification of the inspection process.
  • the FPC for inspection is used as the connector By inserting it, the conduction of a plurality of terminals can be confirmed at one time.
  • the inspection process can be performed with high throughput at the wafer level rather than at the chip level. Therefore, the inspection process can be simplified and shortened. From these effects, the electrode wiring structure in which the electrode wiring of the optical switch is accommodated on the upper surface of the chip using the electrical connector can greatly contribute to the mass productivity improvement of the optical switch.
  • This mounting method not only leads to much faster mass production throughput than conventional wire bonding connections, but also leads to a significant reduction in mounting cost.
  • the present invention can be applied to the technology of a planar optical waveguide type optical device used in optical communication.

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Abstract

プリント配線基板との接続実装を容易とするとともに、デバイスチップの小型化を実現できる平面光波路型光デバイスを提供することを課題とする。本発明の平面光波路型光デバイスは、平面光波回路（ＰＬＣ）を用いて構成されたデバイス中の電気駆動部（ヒータ等）に接続される電気配線の電極パッド上に電気コネクタ（ＦＰＣコネクタ）を半田により実装したことを特徴とする。 を備える。

Description

平面光波路型光デバイス
　本発明は、光通信で用いられる平面光波路型光デバイスに関するものである。
　近年のインターネットトラフィックの増大、たとえばスマートフォンおよびＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）サービスの普及に伴い、通信容量の増加対する要求のみならずネットワークの柔軟化に対する要求も増大しつつある。このような要求に対して、光ネットワークの柔軟性を実現するＣＤＣ－ＲＯＡＤＭシステムの需要が拡大しつつある。ＣＤＣ－ＲＯＡＤＭシステムにおいては、平面光波回路型（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）技術を用いたマルチキャストスイッチが不可欠のデバイスであり、その低廉化が望まれる（非特許文献１）。
　ＰＬＣ型の光スイッチでは、導波路上に装荷したヒータにより導波路に熱を印加することで導波路の屈折率を変化させ、ＰＬＣ内に形成した光干渉計の干渉状態を変更することで、スイッチングを実現する。たとえば、１６ｘ１６規模の光スイッチでは、少なくとも２５６個のヒータを個別に駆動する必要がある（非特許文献２）。したがって、ＰＬＣ型の光スイッチでは、導波路上のヒータにアクセスする電気配線が平面光波回路型チップの大きな面積を占め、ＰＬＣ型チップの小型化を律速する。すなわち、電気配線はＰＬＣ型光スイッチの低廉化の障壁である。
T. Watanabe, K. Suzuki, T. Takahashi，"Silica-based PLC Transponder Aggregators for Colorless, Directionless, and Contentionless ROADM,"OFC/NFOEC Technical Digest 2012 OSA T. Shibata, M. Okuno, T. Goh, T. Watanabe, M. Yasu, M. Itoh, M. Ishii, Y. Hibino, A. Sugita, and A. Himeno "Silica-based waveguide-type 16 x 16 optical switch module incorporating driving circuits" IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, SEPTEMBER 2003, VOL. 15, NO. 9 大澤 直,「はんだ付工学 理論から実践まで」（丸善出版） ２０１２, １２３－１２４頁
　本発明が解決しようとする課題は、従来のＰＬＣ型スイッチの小型化の律速となっていたヒータへのアクセス電気配線面積を削減することである。
　図１は、従来のＰＬＣ型の光スイッチの構成である。
　図１において、ＰＬＣチップ１０１の両端には入力光ファイバアレイ１０３ａ、出力光ファイバアレイ１０３ｂがファイバブロック１０４ａ、１０４ｂを介して接続され、光信号を入出力する。ＰＬＣ型の光スイッチにおいては、光信号処理に必要なヒータは、ＰＬＣチップ１０１においてファイバブロック１０４ａおよび１０４ｂが接続されない辺に形成された電極パッド１１０ａ、１１０ｂ・・・と、ヒータ駆動用の電気回路を含む制御基板１０２上に形成された電極パッド１１１ａ、１１１ｂ・・・とが、それぞれ金の細線ワイヤ１０６を介して接続される。ＰＬＣチップ１０１と制御基板１０２は、一般には金属で作製されたマウント１０５上に接着剤等により固定される。
　この構造において、制御用ヒータの位置は光回路のレイアウトにより制約され、ＰＬＣチップ１０１上に分布する。したがって、各ヒータと電極パッド１１０ａ、１１０ｂ、・・・とをつなぐ電気配線はチップ上で引き回す必要があり、この取り回しがチップ内の電気配線領域が拡大の主要因である。とくに、ＰＬＣ型の光スイッチでは、数百ｍＷの電力を印加して光の干渉状態を変化させるため、大電流を配線に流す必要がある。したがって、配線幅も一定以上必要であり、チップ面積の増大に寄与する。
　図１（ｂ）は、ＰＬＣチップにおける光導波路とヒータ、および配線の関係を示す図であり、図１（ａ）における一点鎖線部１１２を拡大した図である。ＰＬＣ型光スイッチでは、一般にマッハツェンダ干渉計を用いた２ｘ２スイッチを複数組み合わせて大規模なスイッチを実現する。導波路１２１に入力された光信号は、マッハツェンダ干渉計１２２に入力され、第一の方向性結合器１２８により２分岐され、マッハツェンダ干渉計を構成する導波路アームの上部に装荷されたヒータ１２３により、２分岐された信号の一方が位相変調され、第二の方向性結合器１２９で合波する際に干渉状態を制御される。たとえば２つの導波路アームが等長の場合は、ヒータ１２３に電力を印加しない場合は導波路１３０に光信号はルーティングされ、ヒータ１２３に電力を印加しその下の導波路を通過する信号の位相を１８０°位相変調した場合は、導波路１３１に光信号はルーティングされる。
　大規模な光スイッチでは、図１（ｂ）に示すように複数のマッハツェンダ干渉計が配置される。それぞれのマッハツェンダ干渉計には駆動用のヒータが設置され、それらへ電力を供給するための配線１２４ａ、１２４ｂ・・・が、ＰＬＣチップ上に配置され、ワイヤボンディングのため配線１２４ａ、１２４ｂ・・・は、チップ端面まで引き回される。配線の引き回しに必要なＰＬＣ上の面積は、図１（ｂ）に示すように、各配線幅と配線間隔の和に配線本数をかけたものであり、ＰＬＣチップ上の大きな面積を占める。配線領域１２７はたとえば、６４本のヒータに電力を供給する場合、配線幅と配線間隔を１００μｍとしたとき、６４×（１００＋１００）μｍ＝１２．８ｍｍもの幅を占める。
　さらに、上述のワイヤボンディングを用いて各ヒータにアクセスする場合は、大規模な光スイッチ、たとえば、１６ｘ１６などでは、最低でも２５６本のワイヤを接続する必要があり、実装コストの上昇につながるとともに、金ワイヤ自体の材料費も高額である。
　加えて、ＰＬＣ型光スイッチの検査においても、各電極パッド一つ一つにプローバを接触させる、又は多極のピンプローバ等を用いて行う必要があり、前者は工程コストの増大、後者は検査設備のコスト増大につながる。
　本発明では、光スイッチを含む電気的に光の状態を変化させ光信号処理を行うＰＬＣ型光デバイスの小型化、低コスト化を実現する手段を提供する。より具体的には、電気駆動を必要とするＰＬＣ型光デバイスの課題である、ワイヤボンディングを用いた電気駆動素子（電気駆動部のヒータ）へのアクセス方法を提供する。なお、電気駆動部にマッハツェンダ干渉計が含まれ、電気によって直接駆動するヒータはそのマッハツェンダ干渉計に含まれている。
　本発明は、上記目的を達成するために、以下の構成を備えることを特徴とする。
　本発明の平面光波路型光デバイスは、平面光波回路の表面上に電極パッドと、
前記電極パッド上に、かつ、前記電極パッドに接している半田層と、
前記半田層に接している電気コネクタと、
を有することを特徴とする。
　また、前記電極パッドは、少なくとも二層以上の積層構造を含み、前記積層構造は前記半田と前記電気コネクタとの密着性を向上するバリア層を有する。
　また、前記電極パッドは、前記バリア層上にコンタクト層を有してもよい。
　さらに、前記電極パッドは、前記平面光波路型光デバイスの上面と前記バリア層の間に、第一の密着層と電気導通層の積層構造を含み、前記コンタクト層上に第二の密着層を含んでもよい。
　上記の前記バリア層はＮｉ又はＰｔを含み、前記コンタクト層はＡｕを含み、前記第二の密着層はＴｉ又はＣｒを含み、前記電気導通層はＡｕ、Ａｇ又はＣｕを含んでも良い。
　前記平面光波路型光デバイスはシリコン基板又は石英基板上に形成された石英系材料によるコアとクラッドからなる石英系光導波路であってもよく、シリコン基板上のＢＯＸ層上に形成されたシリコンの導波路からなるシリコン導波路であってもよく、ＩｎＰやＧａＡｓなどの半導体基板上の形成された半導体導波路であっても構わない。
　さらに、平面光波路型光デバイスは、前記電気コネクタに電力を供給するケーブルを有し、前記ケーブルの一端は前記電気コネクタに嵌合する第二の電気コネクタを介して接続され、もう一端は制御基板に接続されてもよい。
図１（ａ）は、従来のＰＬＣ型の光スイッチの構成を示す上面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＰＬＣチップにおける光導波路とヒータ、および配線の関係を示す図である。 図２（ａ）は、本発明の実施例１の平面光波回路型光デバイスの上面図である。図２（ｂ）は、本発明の平面光波回路型光デバイスの側面図である。 図２（ａ）の一点鎖線の領域を拡大した図である。 本発明の実施例３の平面光波回路型光デバイスを示す図である。 本発明の実施例４の平面光波路型光デバイスを示す図である。 本発明の実施例５の平面光波路型光デバイスを示す図である。 本発明の実施例６の平面光波路型光デバイスを示す断面図である。 図８（ａ）は、本発明の実施例７の平面光波路型光デバイスを示す上面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の本発明の実施例７の平面光波路型光デバイスを示す断面図である。 図９（ａ）は、本発明の実施例８の平面光波路型光デバイスにおける電極パッドの上面図を示す図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）における点線ＩＸｂ－ＩＸｂにおける断面図を示す図である。図９（ｃ）は、図９（ａ）における点線ＩＸｃ－ＩＸｃにおける断面図を示す図である。 図１０（ａ）は、本発明の実施例８の工程の概略を説明する上面図を示す図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）における点線Ｘｂ－Ｘｂにおける断面図を示す図である。 実施例９を説明する図である。 図１２（ａ）電極パッド２０１に接続されたリードピン２０９付近を示す図である。図１２（ｂ）リードピン２０９付近の拡大図である。図１２（ｃ）領域ＸＩＩｃの拡大図である。 図１３（ａ）は、半田を塗布する領域を説明する図である。図１３（ｂ）は、半田が濡れ広がった領域を説明する図である。
　以下、本発明の平面光波路型光デバイスの形態について、図を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施形態の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施例に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。
　図２（ａ）、図２（ｂ）は、本発明の平面光波回路型光デバイスの構造概略図である。図２（ａ）は上面図であり、図２（ｂ）は側面図である。図２において、ＰＬＣチップ２００の左右両端には光ファイバ（アレイ）２０４ａおよび２０４ｂが接続され、光信号の入出力を行う。ＰＬＣチップの上面には、電極パッド２０１が形成され、電極パッド２０１には半田層２０３を介して電気コネクタ２０２が設置される。
　本実施例１では本願の基本構造を説明する。図２（ａ）は本実施例１の平面光波路型光デバイスの上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の点線ＩＩｂ－ＩＩｂに沿ってみた断面図である。
　コアとクラッドからなる光導波構造を有するＰＬＣチップ２００の両端には、光ファイバ２０４ａおよび２０４ｂが接続され、光信号の入出力が行われる。ＰＬＣ２００の上面には電極パッド２０１ａ－１～２０１ａ－ｎ、２０１ｂ－１～２０１ｂ－ｎが形成され、その上部に電気コネクタ２０２ａおよび２０２ｂが実装される。本発明の平面光波路型光デバイスは、電気コネクタ２０２ａおよび２０２ｂは、電気パッドに半田付けされる構造を有する。電気コネクタ２０２ａおよび２０２ｂには、ＦＰＣＦｌｅｘｉｂｌｅ　Ｐｒｉｎｔ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）ケーブル２０５ａおよび２０５ｂの一方の端子群が接続され、ＦＰＣ（ケーブル２０５ａおよび２０５ｂの他方の端子群は制御基板２０７上に設置された電気コネクタ２０６ａおよび２０６ｂを介して、制御基板２０７に接続される。ＰＬＣチップ２００と制御基板２０７は、金属製のマウント２０８へと固定される。
　図２（ｂ）に示す通り、ＰＬＣチップ上には詳細を後述する電極パッド２０１が形成される。電気コネクタ２０２のリードピン２０９は電極パッド２０１と電気的に導通が取れるよう、半田層２０３で固定される。そうして、ＰＬＣチップ２００（平面光波回路）の表面上に電極パッド２０１と、電極パッド２０１上に、かつ、電極パッド２０１に接している半田層２０３と、半田層２０３に接している電気コネクタ２０２と、を有することを特徴とする平面光波路型光デバイスが得られる。
　本実施例１では、配線ケーブルとしてＦＰＣケーブルを用いる例を示したが、フラットケーブルやバラ線を複数本まとめたケーブル等を用いても構わない。
　図３は、本実施例１における光導波構造と電極パッド、コネクタ等の関係であり、図２の一点鎖線２１９の領域を拡大した図である。入力導波路２１０から入力した光信号はマッハツェンダ干渉計２１１ａへと入力される。ヒータ２１２に印加される電力に応じて、その直下の光導波路が加熱され、熱光学効果を介して光の位相が変調される。マッハツェンダ干渉計では、その合波部において干渉状態が制御され、光信号の出力ポートを変更することが可能である。
　一般に、光スイッチにおいてマッハツェンダ干渉計はマトリックス状に配置されることが多い。図３は、マトリックスの一列を抜き出したものである。また、ＦＰＣケーブルを接続する電気コネクタは、その端子（リードピン）の配列が２列であるものが多い。したがって、一列に配列されたマッハツェンダ干渉計上のヒータを一つおきに、電気コネクタの２列のリードピンへと接続することで電気コネクタの端子電極を有効活用することができ、配線面積やコネクタ個数、コネクタ実装面積の削減が可能である。すなわち、マッハツェンダ干渉計２１１ａに装荷されたヒータは配線２１３を介して、その一端が電極パッド２１５へ接続される。もう一方の端子は共通配線２１４を介して電極パッド２１６へと接続される。また、マッハツェンダ干渉計２１１ｂに装荷されたヒータの一方の端子は、配線２１７を介して電極パッド２１８へと接続され、もう一方の端子は共通配線２１４を介して電極パッド２１６へと接続される。そうして、電極パッド２０１ａは、電気コネクタ２０２ａの側面と接続する電極パッド２１５と、その側面の反対側にある側面と接続する電極パッド２１８であり、電極パッド２１５は、ヒータ２１２を含む電気駆動部に接続している平面光波回路型光デバイスが得られる。上述のように、２列の配列である電気コネクタのリードピン配置に対して、図３のようにＰＬＣ上で２列に電極パッドを配置することで、電気コネクタの端子電極を有効活用することができ、配線面積やコネクタ個数、コネクタ実装面積の削減を図ることができる。
　図４は、光導波路構造と電極パッド４１５, ４１８、電気コネクタ４０２等の関係の第二の例を示す図である。前述のとおり、光スイッチにおいてマッハツェンダ干渉計はマトリックス状に配置される。本実施例３の平面光波路型光デバイスは、電気コネクタ４０２の側面と接続する電極パッド４１５と、前記側面の反対側にある側面と接続する電極パッド４１８とを備え、電極パッド４１５は、電気駆動部のヒータ４１２と接続し、電極パッド４１８は、電気駆動部のヒータ４１９に接続していることを特徴とする。したがって、二つの列のマッハツェンダ干渉計に装荷された複数のヒータ群を一つの電気コネクタで配線することでも電気コネクタの端子電極を有効活用することができ、配線面積やコネクタ個数、コネクタ実装面積の削減を図ることができる。
　図５は、光導波構造と電極パッド、電気コネクタ６０２等の関係の第三の例を示す図である。本実施の形態では、２列のリードピン配置を有するコネクタが１列のマッハツェンダ干渉計をまたぐように配置する。各マッハツェンダ干渉計に装荷されたヒータは、図５において、たとえば一番上のヒータ６１２は右の電極（電極パッド６１８）を電気コネクタ６０２のリードピンに接続し、左の電極を共通配線６１９に、二番目のヒータの右の電極を共通配線６２０に、左の電極（電極パッド６２１）をコネクタのリードピンに接続し、一つ置きに共通配線と個別電極に接続するヒータの端子を異なるように設置する。本実施例３の平面光波路型光デバイスは、電気コネクタ６０２は、電気駆動部のヒータ６１２と重なることを特徴とする。実施例２、３では、マッハツェンダ干渉計領域のほかにコネクタを配置する領域が必要であったのに対して、本実施例４ではマッハツェンダ干渉計領域と同じ領域にコネクタを配置することができ、さらにＰＬＣチップを小型化することができる。
　図６は本実施例５にかかるＦＰＣケーブル２０５ａ, ２０５ｂの構造に関する図である。
　図６では、ＦＰＣケーブル２０５ａ, ２０５ｂが制御基板２０７とＰＬＣ上に設置されたコネクタに対して挿入される向きが同じになる構造である。すなわち、ＦＰＣケーブルの端子が同一方向に形成され、ＦＰＣケーブルの上面は、Ｕの字の形状（Ｕ－ｓｈａｐｅｄ）を有する。ＰＬＣチップ２００および制御基板２０７をマウント２０８へ設置後、ＦＰＣケーブルを挿入する工程において、位置方向から挿入することで作業性の向上に寄与する。
　図７は、本実施例５の図６よりもさらにチップの低消費電力性を高めたＦＰＣケーブルの接続構造に関するものである。ＦＰＣケーブルが隣接するＦＰＣコネクタなどに被さることによって、電気コネクタに接続されたFPCケーブルは電気駆動部のヒータの上面と接しない、すなわち、ＰＬＣ表面に触れない構造となることを特徴とする。
　熱光学効果を利用した光スイッチの場合、電力を供給しヒータを温めることによって光スイッチを駆動する。ヒータの熱が外部へ逃げてしまうと、より多くの電力をヒータに供給する必要があり、消費電力の増大につながる。ヒータの上部は保護膜で覆われているが、その上にＦＰＣケーブルが触れていると、空気よりも熱伝導率の良いＦＰＣケーブルへヒータの熱が逃げてしまう。
　図７に示すように、電気コネクタ２０２ａに接続されているＦＰＣケーブル２０５ａの一部が、隣接する電気コネクタ２０２ｂの上に重なる構造にすることによって、ＦＰＣケーブル２０５ａはＦＰＣコネクタの厚み分だけＰＬＣ表面から離すことができる。また、電気コネクタ２０２ｂに挿入されているＦＰＣケーブル２０５ｂは入出力部のファイバブロックに重なるようにすることで、ＰＬＣ表面と接触するのを防ぐことができる。
　図８（ａ），図８（ｂ）は、それぞれ、本実施例７のＰＬＣチップ２００と制御基板２０７のマウント２０８への設置法を示す上面図及び断面図である。これまでに説明した実施例１から６では、ＰＬＣチップ２００および制御基板２０７は、マウント２０８へ接着固定、又は、ねじ止めして固定する構造が考えられる。しかしながら、ＰＬＣチップ２００および制御基板２０７がマウント２０８へ固定され、ＰＬＣチップ２００および制御基板２０７間の位置が設計位置から誤差を有する場合、ＦＰＣを介して電気コネクタ２０２ａおよび２０２ｂに定常的にせん断応力が誘起される。このせん断応力がクリープ現象を誘起し、電気コネクタ２０２ａおよび２０２ｂの半田部に信頼性上の課題を生じる。
　本実施例７では、ＰＬＣチップ２００又は制御基板２０７のいずれか一方に摺動機構を設け、せん断応力を開放する構造を開示する。図８（ｂ）は図８（ａ）のＶＩＩＩｂ－ＶＩＩＩｂの断面図である。図８（ｂ）に示すように、マウント２０８には嵌合部２１０ａおよび２１０ｂを設け、制御基板をマウント２０８には固定せず、制御基板２０７が矢印２２０の方向に自由に動くように設置する。本実施例７の設置方法により、半田部へのせん断応力が低減され、信頼性の向上に寄与する。
　ここでは同一の極数の電気コネクタ２０２ａおよび２０２ｂを２台実装する例を示したが、異なる極数のコネクタを１台、もしくはさらに複数台実装しても良いことは明らかである。
　本実施例ではマッハツェンダ干渉計による光信号のルーティングを行う光スイッチを例に説明したが、本発明は光スイッチのみに適用されるものではなく、光可変減衰器や波長可変フィルタなのどの光デバイスにも適用可能であることは明らかである。
　本実施例８では、図９を参照して本発明の平面光波路型光デバイスにおける電極パッドの層構造を説明する。図９（ａ）は、本実施例８の平面光波路型光デバイスにおける電極パッドの上面図を示す図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）における点線ＩＸｂ－ＩＸｂにおける断面図を示す図である。図９（ｃ）は、図９（ａ）における点線ＩＸｃ－ＩＸｃにおける断面図を示す図である。
　本実施例８の平面光波路型光デバイスにおける電極パッド５１３は、シリコン基板５０１上に形成された光導波路のクラッド層５０２上に積層された金属層からなり、配線５１４を介して図９（ａ）には表示されていないヒータに接続される配線５１４を保護のため平面光波路型光デバイス全面に保護膜５０６を成膜するが、電極パッド５１３には保護膜５０６を除去して金属層を露出する露出領域５１１を設ける。露出領域５１１に電気コネクタのリードピンが半田付けされる。
　図９（ａ）に示した上面図に記載の点線ＩＸｂ－ＩＸｂおよび点線ＩＸｃ－ＩＸｃにおける断面図を図９（ｂ）および図９（ｃ）に示す。
　金属層は、第一の密着層５０３、電気導通層５０４、第二の密着層５０５からなる。第一の密着層５０３層はクラッド層５０２と密着性の高いものがよく、第二の密着層５０５は保護膜５０６と密着性の高いものが好ましい。たとえば、クラッド層５０２および保護膜５０６が石英系ガラスの場合、クロムを用いることができる。また、電気導通層５０４は金などの電気抵抗の小さいものが好ましい。
　電極パッド５１３へのコネクタの半田付けは以下の工程で行う。すなわち、平面光波路型光デバイスに配置された複数の電極パッドの配置に整合するマスクを用意する。マスクは電極パッドの位置と同様の位置に開口部をもつステンレス板等を用いることができる。マスクのくり抜かれた位置と平面光波路型光デバイス上の電極パッドの位置が合うように配置して、マスクの上からＳｎＡｇＣｕなどのペースト半田をスキージして半田塗布する。
　図１０は上述の工程の概略を説明する図である。図１０（ａ）は、本実施例８の工程の概略を説明する上面図を示す図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）における点線Ｘｂ－Ｘｂにおける断面図を示す図である。マスク５２１は電極パッド５１３に整合するように開口部５２２を有する。ここでは、開口部５２２は電極パッド５１３の露出領域５１１はおなじ大きさ形状を有しても構わないが、マスク５２１の製造誤差や電極パッド５１３との位置合わせ誤差等を考慮すると、開口部５２２は露出領域５１１よりも小さくすることが好ましい。マスク５２１を図１０（ａ）に示す通りに位置合わせした後に、ペースト半田５２３を開口部５２２に塗布する。次にマスク表面５２４をスキージすることで、所望の量のペースト半田５２３を電極パッドの露出領域部５１１に配置する。その後、マスク５２１を除去する。最後に、電気コネクタを電極パッドの配置に合わせて搭載し、平面光波回路型光デバイスを半田の融点以上の温度に加熱し、冷却することで電気コネクタを固定する。
　ＳｎＡｇＣｕなどのＳｎ系の半田は、溶融温度は２１７℃程度であり、低温での半田付けが可能である。しかしながら、Ｓｎ系の半田に金が侵食されてしまうというブラックパッド現象が一般に知られている。光デバイスの電極パッドには、金を電気導通層として用いることが多く、ＳｎＡｇＣｕを用いるとブラックパッド現象により半田がつかないだけではなく、接合部が脆くなり、信頼性上の課題を生じる。
　ＳｎＡｇＣｕ半田を用いる場合は、電気導通層である金の重量比が多い場合は、金が半田に喰われ、良好な半田接合を得ることができない。一般に、金の半田に対する重量比が５％を超えると、信頼性が保てないことが知られている。（引用文献３など）
　塗布する半田量は次に示す通りに決定する。図１２（ａ）は、電気コネクタ２０２をＰＬＣチップ上に半田付けしたものの写真である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）における電極パッド２０１に接続されたリードピン２０９付近ＸＩＩｂを示し、リードピン２０９付近の拡大図である。図１２（ｂ）において、電気配線部への半田の広がりが領域ＸＩＩｃに示されている。図１２（ｃ）は、さらに、領域Ｘｃの拡大図である。図１３（ａ）は、半田を塗布する領域を説明する図であり、図１３（ｂ）は、半田が濡れ広がった領域を説明する図である。図１２（ａ）～（ｃ）に示す観察写真では、電気導通層５０４の厚みＴは１μｍである。
　図１３（ａ）に示すように、開口部５２２の幅をＷｍ、長さをＬｍ、マスクの厚みをＴｍとすると、電極パッドあたりの半田塗布領域の体積はおよそＷｍ×Ｌｍ×Ｔｍである。
　一方、電極パッドに含まれる金の体積は、電極パッドの幅をＷ，長さをＬ、電気導通層の厚みをＴとすると、図１３（ｂ）に示すように、Ｗ×Ｌ×Ｔであるが、幅Ｗｗの配線５１４からも金が供給される。発明者らの検討によれば、図１２（ｃ）に示されるように、配線５１４供給される金の長さはＬｗもおおよそ３５μｍであることが、確認できるので、配線５１４からの金の供給量は、およそＷｗ×Ｔ×３５Ｔ程度と予測される。また、一般に電気コネクタのリードピンは金メッキが施されており、その重量をｍｃとする。
　半田の密度をρｓ、金の密度をρＡとすると、半田及び金の重量は、それぞれ、ρｓ×Ｗｍ×Ｌｍ×Ｔｍ、ρＡ×（Ｗ×Ｌ×Ｔ＋Ｗｗ×３５Ｔ×Ｔ）＋ｍｃである。
　したがって、
　｛ρＡ×（Ｗ×Ｌ×Ｔ＋Ｗｗ×３５Ｔ×Ｔ）＋ｍｃ｝／｛ρｓ×Ｗｍ×Ｌｍ×Ｔｍ｝＜０．０５
を満たすように半田量を決定する。引用文献３には半田含有量が５％を超えると接続強度が低下すると記載されているため、０．０５未満の値を設定する。長期信頼性の観点からすると、０．０３未満に抑えることが好ましい。半田量の制御はマスクの厚みＴｍを制御すればよい。
　以下に数値例を挙げる。金の密度はρＡ＝１９．３２ｇ／ｃｍ３、半田の密度はρＡ＝７．４６ｇ／ｃｍ３である。電極パッド５１３の大きさをＷ＝２２０ μｍ、Ｌ＝７００ μｍ、金の膜厚Ｔ＝１．０ μm、マスクの開口部５２２の大きさをＷｍ＝２２０ μｍ、Ｌｍ＝５６０ μｍとする。また、たとえば電気コネクタとして日本航空電子（ＦＦ０８－７１ＳＡ）を使う場合、リードピン表面のメッキに含まれるＡｕの重量はｍｃ＝４．８×１０－７ｇであるから、
　　　　　　　Ｔｍ＞８５ μｍ
として設定すればよい。 
　本実施例９では、配線５１４のヒータまでの抵抗がデバイス性能に影響を及ぼす場合について金属層の層構造について説明する。配線抵抗が問題となる場合は、配線層厚みを厚くすることで抵抗を下げることができるが、ブラックパッド現象が顕著になる。この場合は、図１１に示すように、バリア層５３１を導入すればよい。
　図１１においては、電気導通層５０４の上部にバリア層５３１を導入する。またバリア層５３１の上部には酸化防止層５３２を導入しても良い。バリア層５３１としては、ニッケルや白金を用いることができる。バリア層５３１は第一の密着層に対するバリアとしても機能する。すなわち、クラッド層５０２として石英系ガラスを用いる場合、電気導通層５０４である金をクラッド層に良好に密着させるため、クロムを第一の密着層として導入する。しかしながら、金に対して半田が侵食すると半田とクロムが作用する。一般に半田とクロムは密着性が悪いことが知られており、良好な半田接合の妨げとなる。したがって、バリア層を導入することで、ブラックパッド現象、半田とクロムの作用の両方を防ぐことができ、良好な半田接合が可能になる。
　バリア層５３１として、ニッケルを用いる場合は、材料の廉価性の点で優れている。
一方、バリア層５３１として白金を用いる場合は、プロセス上の利点がある。すなわち、白金は強酸溶液にも溶けないので、電極パッドを形成時に生じる配線端のバリや有機物の除去のために、硫酸 (Ｈ2ＳＯ4) と過酸化水素 (Ｈ2Ｏ2) の混合溶液を用いた洗浄（ピラニア洗浄）に通すことも可能である。したがって、白金をバリア層に用いることによってプロセスの自由度が上がるメリットがある。
　本実施例のように、ブラックパッド現象が顕著になる場合、バリア層を設けたが、特に顕著にならない場合は、バリア層を設けなくてもよい。
　上記の実施例では、本発明を光スイッチに適用した例を示したが、光可変減衰器や波長可変フィルタなのどの光デバイスにも本発明は適用可能である。
　上記の実施例では、電気コネクタとしてＦＰＣ－基板間接続用の電気コネクタを用いたが、基板-基板間接続用の電気コネクタやケーブル－基板間接続用の電気コネクタを用いることができることは明らかである。
　また、半田としてＳｎＡｇＣｕ半田を用いたが、ＡｕＳｎ半田などを用いても良いことは明らかである。
発明の効果
　光スイッチの電極配線に電気コネクタ（ＦＰＣコネクタ）を用いてチップ上面から電気接続する利点は次の３点が挙げられる。
　一つ目の利点は、チップの小型化が可能な点である。従来の光デバイスの構造において、ワイヤボンディング用の電極パッドは、ワイヤボンディングを容易にするためにチップの一辺に一列に並べられており、また、電極パッドを一列に並べるために電極配線を引き回す必要があり、チップ内の電極配線に必要な面積が増大してしまうが、本発明では、電気配線をチップの上面から取り出すため、電極パッドをチップの任意の位置に配置することができる。そのため電気配線を引き回す必要もなく、チップ内の電極配線に必要な面積も小さくすることができる。したがって、チップの小型化が可能である。
　２つ目の利点は、実装コストの削減である。従来の光スイッチでは１チップあたり数１００本のワイヤボンディングを実施する必要があり、ワイヤボンディングにかかるコストが高いが、本発明の構造では汎用的な電気コネクタを一般に電子デバイスの実装で用いられている汎用的な実装方式を用いて搭載することができる。
　ここで電子デバイスのリフロー実装について簡単に説明する。電子デバイスの組み立てでは、プリント基板上に自動で半田ペーストをスクリーン印刷した後、チップマウンタを用いて一秒間に数個の速さで電子デバイスが高速かつ自動でプリント基板上に並べられ、その後リフロー炉を通ることによって一括ではんだ付けされる。本発明の構造を取ることによって、ウェハ上にチップマウンタを用いて電気コネクタを高速かつ自動で搭載し、さらにウェハごとリフロー炉に通ることによって一括にはんだ付けすることが可能である。この実装方式は従来のワイヤボンディング接続に比べて非常に量産スループットが早いだけでなく、実装コストの大幅な削減につながる。また、ウェハレベルで電気実装することができるので、実装コストを大幅に削減することが可能である。
　３つ目の利点は、検査工程の簡易化である。従来の光スイッチでは各電極の導通試験を実施する際にはパッド一つ一つに針を置いて導通を確かめるが、本発明では、ＦＰＣコネクタを搭載したのちに、検査用のＦＰＣをコネクタに挿しこむことで、一度に複数の端子の導通を確認することができる。さらに検査工程はチップレベルではなくウェハレベルでスループット良く実施することができる。よって検査工程の簡易化、短縮化が可能である。
　これらの効果から、光スイッチの電極配線を電気コネクタを用いてチップ上面に収容する電極配線構造は、光スイッチの量産性向上に大きく貢献することが可能である。
　この実装方式は従来のワイヤボンディング接続に比べて非常に量産スループットが早いだけでなく、実装コストの大幅な削減につながる。
　本発明は、光通信で用いられる平面光波路型光デバイスの技術に適用することができる。

Claims (15)

  1. 　平面光波回路の表面上に複数の電極パッドと、
    前記複数の電極パッド上に、かつ、前記複数の電極パッドに接している半田層と、
    前記半田層に接している電気コネクタと、
    を有することを特徴とする平面光波路型光デバイス。
  2. 　前記複数の電極パッドは、複数の電気駆動部に接続していることを特徴とする請求項１に記載の平面光波路型光デバイス。
  3. 　前記複数の電極パッドは、前記電気コネクタの側面と接続する第一の電極パッド群と、前記側面の反対側にある側面と接続する第二の電極パッド群からなり、
    　前記第一の電極パッド群は、前記複数の電気駆動部の奇数番目に接続し、前記第二の電極パッド群は、前記複数の電気駆動部の偶数番目に接続していることを特徴とする請求項２に記載の平面光波路型光デバイス。
  4. 　前記複数の電極パッドは、前記電気コネクタの側面と接続する第一の電極パッド群と、前記側面の反対側にある側面と接続する第二の電極パッド群であり、
    　前記電気駆動部は、第一の電気駆動部及び第二の電気駆動部であり、
    　前記第一の電極パッド群のうち第一の電極パッドは、第一の電気駆動部と接続し、
    　前記第二の電極パッド群のうち第二の電極パッドとは、第二の電気駆動部に接続していることを特徴とする請求項２に記載の平面光波路型光デバイス。
  5. 　前記電気コネクタは、前記電気駆動部と重なるように配置されることを特徴とする請求項２に記載の平面光波路型光デバイス。
  6. 　前記電気コネクタと接続するＦＰＣケーブルの上面は、Ｕ字の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の平面光波路型光デバイス。
  7. 前記電気コネクタに接続された前記ＦＰＣケーブルは電気駆動部のヒータの上面と接しないことを特徴とする請求項６に記載の平面光波路型光デバイス。
  8. 　前記平面光波回路下のマウントに、嵌合部が設けられていることを特徴とする
    　請求項１に記載の平面光波路型光デバイス。
  9. 　前記電極パッドは、第一の密着層、電気導通層、第二の密着層を含む積層構造を有することを特徴とする請求項１に記載の平面光波路型光デバイス。
  10. 　前記電極パッドは、電気導通層と第二の密着層の間に積層構造を含み、前記積層構造は前記電気コネクタと前記半田層との接続を向上させるためのバリア層を有することを特徴とする請求項１に記載の平面光波路型光デバイス。
  11. 　前記電極パッドは、前記バリア層と前記第二の密着層の間にコンタクト層を有することを特徴とする請求項１０に記載の平面光波路型光デバイス。
  12. 　前記バリア層が、ＮｉまたはＰｔを含み、
    　前記コンタクト層が、Ａｕを含み、
    　前記第二の密着層がＣｒまたはＴｉを含み、
    　前記電気導通層がＡｕを含むことを特徴とする請求項１１に記載の平面光波路型光デバイス。
  13. 　前記電極パッドは、
    （１）前記半田層に接する電気導通層、または
    （２）電気導通層と、前記半田層と前記電気導通層との間にある前記半田層に接するコンタクト層と
    を有し、
    前記半田層はＳｎを含むものであって、
    前記電極パッドの幅をＷ、長さをＬ、前記半田層に接する前記電気導通層または半田層に接するコンタクト層の厚みをＴとし、
    前記半田層の半田の密度をρｓ、前記半田層に接する電気導通層または前記半田層に接するコンタクト層に含まれる金の密度をρとし、
    　前記電極パッドの配置に整合するマスクの開口部の幅をＷｍ、長さをＬｍ、厚みをＴｍ、前記電気コネクタのリードピンのメッキの半田量をｍｃとすると、
    　｛ρＡ×（Ｗ×Ｌ×Ｔ＋Ｗｗ×３５Ｔ×Ｔ）＋ｍｃ｝／｛ρｓ×Ｗｍ×Ｌｍ×Ｔｍ｝＜０．０５
    の式を満たすことを特徴とする請求項９に記載の平面光波路型光デバイス。
  14. 　前記平面光波回路は、
    Ｓｉ基板、ＳｉＯ２層、半導体材料を含む層を含む光導波路と、
    複数の電気配線と、
    を有することを特徴とする請求項１乃至１３いずれか一項に記載の平面光波路型光デバイス。
  15. 　前記電気コネクタは、ＦＰＣ－基板間接続用の電気コネクタ、基板-基板間接続用の電気コネクタ、又はケーブル－基板間接続用の電気コネクタである請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の平面光波路型光デバイス。
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