JP2010277060A - 光伝送路、光伝送基板および光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 光伝送損失を低減させる光伝送路を提供する。
【解決手段】 光伝送路は、光の進行方向を変換させる光路変換面を有するコアと、前記コアの周囲を覆い、前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドと、透過平面視にて前記光路変換面を含む含前記クラッドの表面が凹部の底面として露出するように、前記クラッド上に設けられた樹脂層と、を具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光路を変換する光接続部を具備する光伝送路、光伝送基板および光モジュールに関する。

近年、コンピュータの情報処理能力の向上化にともなって、マイクロプロセッサとして使用される半導体大規模集積回路素子（ＬＳＩ，ＶＬＳＩ）等の集積回路（ＩＣ）では、トランジスタの集積度が高められており、ＩＣの動作速度は、クロック周波数でＧＨｚのレベルまで達している。それに伴い、電気素子間を電気的に接続する電気配線についても高密度化および微細化されたものが要求されていた。

しかしながら、電気配線の高密度化および微細化は、電気信号のクロストークおよび伝搬損失が生じやすい。このことから、半導体素子に入出力される電気信号を光信号に変換し、さらに、その光信号を実装基板に形成した光導波路などの光配線によって伝送される光伝送技術が検討されている。

光配線を用いた光伝送技術においては、回路基板の表面などに形成される光導波路のように、光を基板に対して略平行に伝送させるだけでなく、例えば、光を基板に対して略垂直に伝送させることで、光信号についても電気信号と同様に三次元的な伝送をおこなう光伝送技術が検討されている。

例えば、特許文献１には、光導波路上にはんだボールを設け、はんだボール上に端子を接続して光電変換素子を実装させることが開示されている。

特開２００１−４８５４号公報

しかし、特許文献１に開示された技術では、光電変換素子を実装する際、熱または振動によって光電変換素子の位置ずれが生じることがあった。また、光電変換素子実装後も、長期の使用により、光電変換素子の位置ずれが生じることがあった。このような位置ずれにより、光電変換素子と光導波路との間で光の伝搬損失が生じる問題があった。

本発明の目的は、光の伝搬損失を低減させた光伝送路、光伝送基板および光モジュールを提供することにある。

本発明の一実施形態にかかる光伝送路は、光の進行方向を変換させる光路変換面を有するコアと、前記コアの周囲を覆い、前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドと、透過平面視にて前記光路変換面を含む前記クラッドの表面が凹部の底面として露出するように、前記クラッド上に設けられた樹脂層と、を具備する。

前記樹脂層は前記クラッドと同じ材料から構成されることが好ましい。

本発明の一実施形態にかかる光伝送基板は、前記光伝送路と、前記光伝送路の下方に設けられた基板と、を具備する。

本発明の一実施形態にかかる光伝送基板は、前記光伝送路と、前記樹脂層が設けられた表面とは反対側の前記クラッドの表面上に設けられた基板と、を具備する。

前記光伝送基板は、前記光伝送路と前記基板との界面に設けられた電気配線をさらに具備し、前記クラッドは、前記電気配線が露出するように、前記凹部の前記底面として露出した前記クラッドの表面から前記基板まで設けられた貫通孔をさらに有することが好ましい。

前記光伝送基板は、前記電気配線と接続し、前記貫通孔の内壁面に設けられた貫通電極をさらに具備することが好ましい。

前記光伝送基板は、前記凹部の底面上に設けられ、前記貫通電極と接続する底面電極をさらに具備することが好ましい。

前記貫通電極は、前記クラッドおよび前記コアの界面に入り込んだ突出部をさらに有することが好ましい。

本発明の一実施形態にかかる光モジュールは、 前記光伝送基板と、前記光伝送路との対向面に発光部または受光部を有し、前記対向面が前記凹部の前記底面として露出した前記クラッドの表面と接触するように、前記凹部内に設けられた光電変換素子と、を具備する。

本発明の一実施形態にかかる光モジュールは、前記光伝送基板と、前記光伝送路との対向面に発光部または受光部を有し、前記対向面が前記凹部の前記底面として露出した前記クラッドの表面と接触するように、前記凹部内に設けられた光電変換素子と、を具備する光モジュールであって、前記貫通孔内には、前記電気配線と前記光電変換素子とを電気的に接続させる電気接続部がさらに設けられる。

本実施形態によれば、クラッドおよび樹脂層がともに、前記クラッド表面のうち透過平面視にて光路変換面を含む表面を底面とした凹部を形成することで、凹部内に光電変換素子などの外部素子を収納することができる。これにより、光電変換素子の位置ずれを抑制して、光電変換素子と光伝送路との間で光の伝搬損失を低減させることができる。

本発明の第１の実施形態の光伝送基板の断面図である。 図１の伝送基板の透過上面図である。 本発明の第１の実施形態の光モジュールの断面図である。 本発明の第２の実施形態の光伝送基板の断面図である。 図４の伝送基板の透過上面図である。 本発明の第２の実施形態の光モジュールの断面図である。 本発明の第２の実施形態の光モジュールの一例を示す拡大断面図である。 図１の光伝送基板の作製工程を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施態様の光伝送路を詳細に説明するが、それらの図面は実施形態の一例に過ぎず、本発明はそれらに限定されるものではない。

図１に示すように、本発明の第１の実施態様の光伝送路は、コア２ａとクラッド２ｂ（上部クラッド２ｂ１および下部クラッド２ｂ２）から構成される光導波路２と、樹脂層６と、を具備する。なお、下部クラッド２ｂ２はコア２ａの下面を覆う部位をいい、上部クラッド２ｂ１はコア２ａの上面および側面を覆う部位をいう。

図１において下部クラッド２ｂ２の厚みよりも上部クラッド２ｂ１の厚みが小さいが、あくまで好適な一例である。通常、上部クラッド２ｂ１の厚みと下部クラッド２ｂ２の厚みとは同等にされるが、上部クラッド２ｂ１の厚みを小さくする（例えば、下部クラッド２ｂ２の厚みの１／２以下）ことで、コア２ａ内への光とじこめ効果を満足させるとともに、後述する光電変換素子７と光導波路２との間の距離を短縮化して光伝搬損失を低減することができる。

コア２ａは、光路変換面４を有する。図１の場合、光路変換面４はコア２ａの端に設けられているが、本発明ではこれに限定されず、例えば、コア２ａの途中に設けられてもよい。

光路変換面４は、図１に示すように、コア２ａの延出方向に対して傾斜した傾斜面であることが好ましい。傾斜面は、外部からの光の進行方向をコア２ａ中の光の進行方向に変換する、あるいは、コア２ａ中の光の進行方向を外部への光の進行方向に変換する役割を果たす。例えば光軸方向に対して４５度に傾斜する傾斜面によって光の光路方向を９０度変更させる。

光路変換面４には、金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ）等の様に、コア２ａを導波する光に対して反射率の高い膜がその表面に形成されていることが好ましい。

光路変換面４の作製において、まず、コア２ａに対して、型押し、エッチング、ダイシングまたはレーザ加工などによって傾斜面を有する溝構造が作製される。そして、傾斜面の上に、反射率の高い膜を形成し、さらに溝構造に、クラッド２ｂよりも屈折率の高い高屈折率体を充填させることにより光路変換面４を作製することができる。

クラッド２ｂ上（図１においては上部クラッド２ｂ１の表面上）には樹脂層６が設けられる。樹脂層６としては、エポキシ樹脂、ポリイミドなどが挙げられる。樹脂層６としては、クラッド２ｂとの接着性に優れることから、クラッド２ｂと同じ材料から構成されることが好ましい。

樹脂層６は、図１に示すように、クラッド２ｂの表面２ｂｃを底面とする凹部３ａを形成する。なお、図２に示すように透過平面視（透過上面視）した場合、クラッド２ｂの表面２ｂｃは、光路変換面４を含む。これにより、図３に示すように、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）またはフォトダイオード（ＰＤ）などの光路変換素子７を凹部３ａ内に設けることができ、光電変換素子７の位置ずれを抑制して、光電変換素子７と光導波路２との間で光の伝搬損失を低減させることができる。

図３に示すように、光電変換素子７の光導波路２との対向面は、クラッド２ｂの表面２ｂｃと接触することが好ましい。これにより、光路変換素子７と光路変換面４との間の距離を通常よりもさらに短縮化することができ、その間の光の伝搬損失を低減させることが可能となる。

凹部３ａの深さ、つまり、樹脂層６の厚みは、光電変換素子７の厚みに対して０．１倍以上であることが好ましい。これにより、光電変換素子７の位置ずれを低減させることができる。例えば、厚みが３００μｍのＶＣＳＥＬの場合、凹部３ａの深さは３０μｍとすることができる。

図２に示すように、光伝送路を平面視した場合、凹部３ａの平面視形状は、光電変換素子７を凹部３ａの内部に収納可能な形状であることが好ましい。例えば、光電変換素子７の平面視形状が矩形状の場合、凹部３ａの平面視形状も矩形状であることが好ましい。

凹部３ａの平面視形状が矩形状である場合、凹部３ａの縦の長さと横の長さは、光電変換素子の縦の長さと横の長さと略等しいことが好ましい。これにより、光電変換素子７の位置ずれを低減させることができる。ここで、「略等しい」とは、それぞれの長さ同士の差が、凹部３ａの長さの１％以内であることをいう。例えば、縦の長さが１０００μｍで横の長さが１０００μｍのＶＣＳＥＬの場合、凹部３ａの縦の長さは１０１０μｍ、横の長さは１０１０μｍとすることができる。

図３には、光電変換素子７として面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用いた場合の光の伝搬方向をＡとして表す。光電変換素子７から出射された光は、光路変換面４で約９０度、光の進行方向が変換され、コア２ａ内を伝搬する。なお、光電変換素子７とコア２ａとの間には少なくとも上部クラッド２ｂ１が介在していることが好ましい。これにより、コア２ａの上部からの光の漏れを抑制できる。

光伝送路は、例えば基板１上に設けられる。図１に示すように、基板１の表面に電気配線５が設けられている場合、クラッド２ｂは、電気配線５が露出するように、凹部３ａの底面となるクラッド２ｂの表面２ｂｃから基板１まで設けられた貫通孔３ｂを有することが好ましい。これにより、図３に示すように、光電変換素子７の電極７ｂと、電気配線５と、の間に、はんだボールなどの電気接続部８を設けることができ、前述したように、発光部または受光部７ａとクラッド２ｂの表面２ｂｃとを接触させることができる。従来であれば、光導波路２の上に設けていた電気接続部８を光導波路２内に設けることができ、光電変換素子７の発光部または受光部７ａと光路変換面４との間の距離を短縮化できる。

なお、電気接続部８としては、高速信号伝送用途として適した導電性部材であれば使用することが可能である。たとえば、金、銀、銅などの金属部材、さらにその形態としてはボールに限らず、柱状、バンプ状などであってもよい。

貫通孔３ｂの深さ（クラッド２ｂの表面２ｂｃから基板１の上面（電気配線５の上面））は、コアの厚みに対して１．２〜２倍であることが好ましい。これにより、光の受発光点７ａと光路変換面との距離の低減できる。

貫通孔３ｂの深さは、例えば、１０〜１００μｍである。

図２に示すように、光伝送路を平面視した場合、貫通孔３ｂの平面視形状は、円形であることが好ましい。これにより、はんだボールなどの電気接続部８と貫通孔３ｂとの等方的な接続信頼性が得られる。

コア２ａおよびクラッド２ｂは、感光性を有するエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂など直接露光法が使用可能な樹脂、または、ポリシランなどの屈折率変化法が使用可能な樹脂などが挙げられる。なお、直接露光法とは、下部クラッド２ｂの形成後、コアの材料を塗工してマスク露光によりコア２ａを形成し、その上面および側面にさらに上部クラッド２ｂ１を塗工形成して光導波路を作製する方法である。また、屈折率変化法とは、ＵＶ（紫外線）照射により屈折率が低下するポリシラン系ポリマー材料等の特性を利用して、コアとなる部位以外にＵＶ照射を行ない、コア２ａとなる部位以外の屈折率を低下させることによって光導波路を作製する方法である。

コア２ａは、クラッド２ｂよりも屈折率が大きく（好ましくはクラッド２ｂの屈折率に対して比屈折率差が１〜３％）、光信号を閉じ込めることができる。また、コア２ａおよびクラッド２ｂの作製は一般的な光導波路の作製方法により行われる。コア２ａの断面サイズとしては、例えば、３５〜１００μｍ角である。光導波路２は、内部にコア２ａが１つ設けられた場合に限定されず、複数個設けられていてもよい。

基板１としては、ビルドアップ基板のような電気配線基板が挙げられる。

図４に、本発明の第２の実施態様の光伝送路を示す。図４に示す光伝送路は、図１に示す光伝送路に対して貫通電極１１および底面電極１２が追加されている。貫通電極１１は、貫通孔３ｂの内壁面に設けられている。また、底面電極１２は、凹部３ａの底面上、つまり、上部クラッド２ｂ１上に設けられている。

図６に示すように、電気配線５と電気接続部８とが接続しているだけでなく、電気配線５と接続した貫通電極１１も電気接続部８と接続している。そのため、光伝送路と光電変換素子７との接続信頼性を向上させることが可能である。

貫通電極１１に対して底面電極１２を設けた場合、底面電極１２は光電変換素子７の電極７ｂと直接接続することが可能となるため、接続信頼性をより向上させることが可能である。

また、底面電極１２を設けることにより、光伝送路に対して光電変換素子７を実装させる場合に、図５に示すように、底面電極１２は実装マーカーとしての役割も果たすため、光伝送路に対する光電変換素子の実装精度が十分に得られる。

図７に示すように、貫通電極１１は、突出部１１ａを有することが好ましい。これにより、貫通電極１１の光伝送路からの剥離を十分に抑制することができる
図７の場合、下部クラッド２ｂ２とコア２ａと界面１３は、貫通孔３ｂまで延長されている。図７に示す突出部１１ａは、この界面１３に入り込むように設けられているため、光伝送路からの剥離抑制効果が十分に得られる。

突出部１１ａは、貫通孔３ｂの加工時に生じるスミアをデスミア処理する際に、界面１３に粗化液が侵入することによって、界面１３に入りこんだ凹部が形成され、その上から貫通電極１１を形成することにより、その凹部内に金属が入り、突出部１１ａが形成される。突出部１１ａの形状は、粗化液の組成、流量を調整することにより選択的に形成することができる。

以下に、図８をもとに図１に示す光導波路２の作製方法の一例を示す。

フォトリソグラフィーにより電気配線基板１に設けられた下部クラッド２ｂ２上にコアパターン９を設けた。そして、コアパターン９にダイシング加工により４５°の傾斜面を形成し、傾斜面上に金属を蒸着することで光路変換面４を形成した（図８（ａ））。

光路変換面４とコアパターン９との間の溝に、コアパターン９と屈折率が略等しく、下部クラッド２ｂ２よりも屈折率が高い高屈折率樹脂１０を充填し、コア２ａを作製した（図８（ｂ））。なお、コア２ａは、コアパターン８と高屈折率樹脂９とを含める。

次に、フォトリソグラフィーを用いて上部クラッド２ｂ１を形成した（図８（ｃ））。この際に、上部クラッド２ｂ１の上面とコア２ａの上面との間の距離は、コア２ａの厚みの１／１０程度とした。

さらに、マスクを用いたフォトリソグラフィーによって、上部クラッド２ｂ１上の所望とする箇所に樹脂層６を形成した。（図８（ｄ））。

最後に、凹部３ａの底面にレーザ加工またはドリル加工により、貫通孔３ｂを形成した（図８（ｅ））。

なお、図８（ｅ）の工程の後に、以下の方法を用いることにより貫通電極１１および底面電極１２を形成して、図４に示す第２の実施形態の光伝送路を作製することが可能である。

貫通電極１１および底面電極１２を形成には、めっき法、金属膜の蒸着法、導電性樹脂の注入法などの方法が用いられる。例えば、次に、パラジウム-錫の錯化合物溶液により、貫通孔３ｂの表面および内壁にＰｄを吸着した上で、ＨＣＨＯ、ＮａＯＨ、ロッシェル塩、ポリエチレングリコール等の混合溶液を用いた無電解めっきを施す事により、光導波路２上面、貫通孔３ｂの内壁に厚み０．３〜３μｍの銅めっきを形成する。

次にラミネート法等によりレジスト層を光導波路上面に形成し、レジスト層をパターニングする事により、貫通孔３ｂ上面に開口部を形成する。次に、硫酸銅、硫酸、塩素イオン、金属銅溶液中でめっき層に電解をかけることにより、貫通孔３ｂの内壁及びレジスト開口部に厚み０．１〜１０μｍ程度の厚みの銅めっきを形成したのち、レジストを除去し、さらに不要部分の無電解銅をプラズマ等によるエッチングで除去する事によって貫通電極１１および底面電極１２を形成する。

本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。

１：基板
２：光導波路
２ａ：コア
２ｂ１：上部クラッド
２ｂ２：下部クラッド
３ａ：凹部
３ｂ：貫通孔
４：光路変換面
５：電気配線
６：樹脂層
７：光電変換素子
７ａ：発光部または受光部
７ｂ：電極
８：電気接続部
９：コアパターン
１０：高屈折率樹脂
１１：貫通電極
１２：底面電極
１３：下部クラッド２ｂ１とコア２ａとの界面

Claims (9)

1. 光の進行方向を変換させる光路変換面を有するコアと、
   前記コアの周囲を覆い、前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドと、
   透過平面視にて前記光路変換面を含む前記クラッドの表面が凹部の底面として露出するように、前記クラッド上に設けられた樹脂層と、
   を具備する光伝送路。
2. 前記樹脂層は前記クラッドと同じ材料から構成される請求項１記載の光伝送路。
3. 請求項１または２記載の光伝送路と、前記樹脂層が設けられた表面とは反対側の前記クラッドの表面上に設けられた基板と、を具備する光伝送基板。
4. 前記光伝送路と前記基板との界面に設けられた電気配線をさらに具備し、
   前記クラッドは、前記電気配線が露出するように、前記凹部の前記底面として露出した前記クラッドの前記表面から前記基板まで設けられた貫通孔をさらに有する、
   請求項３記載の光伝送基板。
5. 前記電気配線と接続し、前記貫通孔の内壁面に設けられた貫通電極をさらに具備する請求項４記載の光伝送基板。
6. 前記凹部の底面上に設けられ、前記貫通電極と接続する底面電極をさらに具備する請求項５記載の光伝送基板。
7. 前記貫通電極は、前記クラッドおよび前記コアの界面に入り込んだ突出部をさらに有する請求項５または６記載の光伝送基板。
8. 請求項３記載の光伝送基板と、
   前記光伝送路との対向面に発光部または受光部を有し、前記対向面が前記凹部の前記底面として露出した前記クラッドの表面と接触するように、前記凹部内に設けられた光電変換素子と、
   を具備する光モジュール。
9. 請求項４乃至７のいずれか記載の光伝送基板と、
   前記光伝送路との対向面に発光部または受光部を有し、前記対向面が前記凹部の前記底面として露出した前記クラッドの表面と接触するように、前記凹部内に設けられた光電変換素子と、
   を具備する光モジュールであって、
   前記貫通孔内には、前記電気配線と前記光電変換素子とを電気的に接続させる電気接続部がさらに設けられた光モジュール。