JP3833132B2 - 光導波装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気回路基板上の電気チップ間や電気回路基板相互間などにおいて信号を光学的に接続する為の光導波シートなどの光導波路を有する光導波装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータ、セルラー電話やPDA(Personal Digital Assistant)に代表される携帯機器、デジタルAV（オーディオビジュアル）機器などの性能の飛躍的な向上により、その相互接続が、無線、有線を混合してあらゆる周波数帯で実現してきている。そのため、電気基板からの電磁放射ノイズ(Electromagnetic Interference: EMI)や外界からの電波混入に対する耐性(Immunity)、不完全接続による信号の乱れ（Signal Integrity: SI）などによるディジタル機器の誤動作に対する対策が急務となってきている。こうした電磁波問題については、製品出荷前に電波法の規制値をクリアすることが不可欠で、その対策の為の開発コストは年々増加してきており、基本的に電磁無誘導である光配線は、このボトルネックを根本から解消できるものとして期待されている。また、今後、家庭内にも高速接続環境が整備されるため、様々なグランド環境において高速電子機器を自由に接続しても、誤動作、ノイズ混入などを防ぐ必要があり、グランドに対して電気的アイソレーションが簡単にできる光接続は有効な手段の１つである。
【０００３】
その為の光配線手段としては様々の方法が提案されている。例えば、図12に図示の特開2000-199827号公報に開示の光導波装置401では、図12(a)に示す様に電気回路基板402上に光導波路411を形成して光素子421、431を搭載し、高速信号を光で接続できる様にしている。この場合、電気回路基板402は、一般に、電気配線403と絶縁体404の積層された多層配線板となっており、ガラスセラミック、アルミニウムナイトライド(AlN)、アルミナ(Al2O3)などの無機材料からなるセラミック、FR-4などのガラスエポキシ樹脂、ポリイミドフィルムなど、各種材料で構成されている。その回路基板402上に、接着層408を介して、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、エポキシ樹脂、ポリイミドなどでコア454およびクラッド453、455を形成した光導波路411が貼り付けてある。光素子421、431間の入出力は、導波路411端部に形成した45度ミラー411a、411bで光を反射させて行っている。光素子421、431やICチップ425、435などはハンダバンプBPを用いて表面に実装できる様になっている。また、IC425、435の各ポートに対して１つの光導波路が対応するため、図12(b)の様に複数の矩形導波路411’が形成されている。尚、図12(b)において、451は透明基板、452は基板分離層、492は遮光膜である。
【０００４】
以上の従来例は電気回路基板内における電気チップ間の光接続の例であるが、特開平9-270751号公報や特開平10-206677号公報には、情報処理装置1100において複数の電気回路基板間のバス接続に光導波シートを用いる方法が開示されている。その場合、図13に示す様に、光導波シート1101と電気回路基板1120は独立して垂直に結合する様になっており、光素子1132、1142は電気回路基板1120の入出力ポート1130、1140に実装されていて、光導波シート1101とは45度ミラー1133sを介して結合する様になっている。この例では、光導波シート1101は２次元スラブ導波路になっており、積層方向で信号多重化する様になっている。この場合、２次元的に光結合するために面入射した光をあらゆる方向に拡散させるべく、図14の様に円錐状の突起1219を光伝送層1212内に設けることも検討されている。尚、図13において、1123は電気回路、1131、1141は光素子用回路、1133は信号光入射部、1134は信号光出射部であり、図14において、1210は光バス、1213aと1213bは光伝送層1212の表面と裏面のクラッド層、1215は信号光入射部、1218は光拡散体、1270は信号光である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来例において、光素子は、電気回路基板や光導波路に対して光を垂直に出入射させて結合するので、45度ミラーなどの光路変換手段が必要になる。１つの光導波シートなどの光導波路内に複数の光素子を実装して光接続するためには、その該当する位置に複数の光路変換機能手段を備える必要がある。この様な光路変換機能手段を作製するには、型を起こして射出成型する方法や光導波路形成後に機械加工やレーザ加工する方法などがある。前者の場合には、同じ配線形態の光導波路を大量生産する場合には良いが、少量多品種の場合や設計変更が多い場合にはコストが上昇してしまう。一方、後者の場合には、加工スピードや加工精度に問題があってスループットが低下する結果、やはりコストが上昇してしまうという問題があった。また、光路変換機能手段の反射効率を向上させるためにその表面に金属膜を形成する場合には、加工の工程が増加することも問題になっていた。
【０００６】
さらに、図１３の様に多層の光導波シート1101に光結合させる場合には、発光点とシート1101までの高さがチャネルによって異なり、効率良くシート1101に入射させる為にはレンズなどの光学素子が必要になる。また、受光器1142を端面に配置すると実装や配線が複雑になってコストアップにつながる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、光路変換するための構造体を鍍金で形成し、その鍍金構造体を光導波路の任意の位置に配置して比較的容易、低コストで製造可能な光導波装置の製造方法を提供することにある。
【００１１】
また、上記目的を達成する本発明の光導波装置の製造方法は、鍍金構造体を持つ光導波装置の製造方法であって、基板上に電極を形成する工程と、径或いは短辺、厚さとも前記鍍金構造体の径或いは短辺、高さの 1/10 以下の窓パターンを電極上にパターニングする工程と、前記窓パターンに鍍金を行い、前記鍍金構造体を形成する工程と、表面に液状の樹脂材料を塗布する工程とを含むことを特徴とする。より具体的には、略半球状、略半円柱状、或いは横たわった略半円柱状の一部が窪んだ凹面鏡構造の鍍金構造体を持つ光導波装置の製造方法であって、基板上に電極を形成する工程と、径（或いは短辺）、厚さとも前記鍍金構造体の径（或いは短辺）、高さの1/10程度以下で十分小さい（この程度に小さくすると、充分に上方に盛り上がって頂部に平面部のない鍍金構造体を形成できる）鍍金用の略円形、略長方形、或いは長方形の長辺の中央部が窪んだ形の窓パターンを所定の位置にパターニングする工程と、該窓パターンにのみ選択的に鍍金を行う工程と、表面に液状の樹脂材料を塗布する工程とを含むことを特徴とする。ここにおいて、更に、前記樹脂材料を乾燥させて前記基板から剥離することで鍍金構造体を該樹脂材料中に内蔵させる工程を含み得る。また、上記の光導波装置の製造方法において、前記基板は電気回路基板であり、該電気回路基板上に直接鍍金構造体を形成し、前記樹脂材料は剥離しないで電気回路基板と一体化させて光電融合基板を製造することもできる。
【００１２】
より具体的には、基板或いはクラッド層となる部材に光路変換手段となる突起物等をNi、Sn、Cr、Cu、Auなどの鍍金により形成しておき、その上に導波コア層としてディップ法、キャスト法、スピンコート法などにより透明樹脂を形成する。さらに、クラッド層を形成して、素子実装のためのガイド穴をホトリソグラフィとエッチングを使って、または、型形成、レーザ加工などを使って形成する。さらに、素子のフリップチップ実装のための電気配線も形成する。鍍金構造体のある所に光素子を実装し、基板から剥がすと、鍍金構造体も同時に樹脂コア層に埋め込まれたまま剥がすことができる。従って、金属ミラーからなる光路変換機能手段が所望の位置に埋め込まれた光導波装置を簡単なプロセスで低コストで実現できる。
【００１３】
鍍金構造体を光導波路に埋め込んで剥がす以外にも、電気回路基板上に直接鍍金構造体を形成して、その上に光導波路を形成することも勿論可能である。
【００１４】
光導波路として２次元スラブ導波路の光導波シートを用いた場合は、略半球状の鍍金構造体ミラーを用いれば全ての方向で信号の送受信ができ、一方、略半円柱形状を横にした様な鍍金構造体ミラーを用いた場合には特定方向との送受信と混在させられる。
【００１５】
また、２次元スラブ導波路が1層の場合には、基本的に信号多重は時分割すなわちシリアルパラレル変換することになるが、一部に３次元導波路も混在させて、或いは導波体を細い棒状にして横方向の空間分割を行ない、必要なラインだけには各チャネルが独立したパラレル伝送を行うこともできる。
【００１６】
さらに、光導波シート上に電気配線を混在させて、シートを曲げが可能なフレキシブルな構造体で構成すれば、LSIなどが実装された電気ボードの一部の配線を、本発明の光実装体で電気・光混在で配線できて、大きな設計変更もなく安価にEMI対策を行える。
【００１７】
また、複数の信号配線を同時に行うには、本発明による光導波装置を多層にして電気回路基板と集積させればよい。このとき、光素子および光路変換手段は光結合させるべき光導波シートに実装させ、多層光導波シートにビアを開けて導通するための導電体を埋め込めば、素子駆動のための電気配線を形成でき、図１３の従来例の様に光ビームの広がりを制御するための光学素子を必要とせずに低コストな光電融合基板を提供できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を明らかにすべく、具体的な実施例を図面に沿って説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１による光導波装置11の一部の断面図である。光導波シート１、２は、加工の容易性などから透明ポリマーを用いて形成している。これは、屈折率の異なる材料を組み合わせてコア層１（屈折率の比較的大きい部分）と上下クラッド層２（屈折率の比較的小さい部分）を構成し、全体の厚さを数100μm程度にすることで、折り曲げなどが自由な２次元的なフレキシブルなシートにできる。ここでは、屈折率が1.59のZ型ポリカーボネート(PCZ)を厚さ100μmのコア層１に用い、屈折率が1.53のアートンを厚さ100μmのクラッド層２に用いたが、材料や厚さはこれらに限らない。光導波シート１、２の各端面部は、好適には、ここで光が反射して光素子に悪影響を及ぼさない様に、光吸収部や光を散乱する粗面やテーパ形状、無反射コーティング付きなどになっている。
【００２０】
光源としては、LED、面発光レーザなどの面出射型の発光素子６が、その外形と嵌合する様に作られたセルフアライメント用のガイド穴８に実装され、光導波シート上に形成した電極４、５とコンタクトを取って素子駆動を行える様になっている。面発光レーザとしては、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＭＱＷ活性層、１波長共振器を形成するスペーサ層、及びＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲミラー（活性層の両側にある）がＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤ等の結晶成長方法を用いて形成される面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などがある。
【００２１】
面型発光素子６の下部には、鍍金で形成した略半球状の光路変換用の構造体３が光導波シート１、２のコア層１に埋め込まれている。ガイド穴８に発光素子６を実装すれば、光路変換構造体３との位置合わせ及び光導波シート１、２への光入射ができる様になっている。ここでは、略半球状の光路変換構造体３の頂上部の真上に発光素子６の出射中心が合う様にアライメントしてあり、２次元スラブ導波路を構成したシート１、２全体に送信光を伝搬させられる様になっている。
【００２２】
その光導波シート１、２に結合した光の一部は、図１の符号９で示す様な光線となって伝播し、同様にガイド穴８に実装した光検出器７の下部にある光路変換構造体10によりシート１、２上方に反射されて、光検出器７で光信号を受信できる様になっている。この光路変換構造体10も略半球状であれば、光導波シート１、２を伝搬している全方位からの光が光路変換構造体10で上方に光出射されて、光検出器７で受光される。受光素子７としては、Ｓｉ ＰＩＮ フォトダイオード（ＰＤ）などが用いられ得る。
【００２３】
図１では、実装後の光素子６、７の一部が光導波シート１、２の表面よりも若干上に出た形となっているが、光素子の厚さとガイド穴８の深さによっては完全に埋め込むこともできる。
【００２４】
この光導波装置11の全体の概略構成を図２に示す。図１と同じ部分には同じ記号を用いている。光導波装置11の任意の位置に上記の発光素子６、受光素子７および光路変換構造体３が配置されている。ここでは、光導波シート１、２として２次元スラブ導波路を用いているので、光源６からの光は符号14の様に全ての方向に伝播でき、光検出器７をどこに置いてもその情報が読み出せる。一方で、多ビットの同時転送には適用できないので、シリアル信号に変換することになる。しかし、EMI対策の必要な信号線のみをこの光導波シート１、２で対応させる様な回路デザインを構築することで、高機能な光電融合基板が実現できる。図２には複数の光素子の配置の一例が図示されている。
【００２５】
次に、図３に沿って、本実施例の光導波装置の作製工程を説明する。図3(a)において、ガラス基板20の上に鍍金用全面電極として、Cr/Au（それぞれ21、22）を蒸着する。基板はガラスに限るものではなく、Siやセラミック、樹脂などでもよい。図3(b)において、ホトレジスト23をホトリソグラフィによりパターニングを行い、光路変換構造体を形成したい位置に鍍金用の窓24を形成する。ここでは、この窓24のサイズを5〜10μmφとした。図3(c)において、レジスト23を越える厚さまで鍍金を行うと、符号25の様に略半球状に成長する。ここではNiの電解鍍金を行い、光導波シートのコア層厚100μmより若干薄い80μｍの厚さで、すなわち直径160μｍになる様に半球構造25を形成した。このサイズは、シート厚や光源、受光素子の種類に対して最適になる様に鍍金時間等で任意に設定できる。後述する実施例２の図６の符号63で示すような枠を窓24の周りに形成して、鍍金半球構造を比較的上方に盛り上がった形状に制御することもできる。
【００２６】
鍍金としてはCu、Cr、Al、Auなど他の金属或いは化合物でもよく、異種材料が多層構造になっていてもよい。また、鍍金は無電解メッキを用いてもよい。図3(d)において、レジスト23を除去すると、10μmφ程度の土台に160μmφの半球構造25が乗っている様な構造体ができる。この半球構造体25はホトレジスト23のパターニングで所望の数だけ、所望の位置に形成できるが、必要なら一部の半球構造体25をはじき飛ばしたり粘着テープなどに付けて除去することもできる。これにより、同じホトレジストパターニング用マスクを用いても、半球構造体を多様な配置形態で配置できる。
【００２７】
図3(e)において、コア層26となるポリマーをディップ法、キャスト法、塗布法などで半球構造体25を埋め込む様に形成する。次に、図3(f)において、コア層26よりは屈折率の低いクラッド材29を表面に形成し、電極配線27および素子実装用の穴30を形成する。ここでは、レーザ加工などで素子を実装すべき位置にエキシマレーザ加工などで既に穴を開けたアートン（商品名）のシートをコア層26の表面に接着したが、感光性光学樹脂、たとえばSU-8（商品名）、BCBなどを直接パターニングして穴などを形成してもよい。SU-8の場合は屈折率が高いので、素子実装する近辺にのみこれを形成する様にする。或いは、クラッド層29はなくても良く、やはりレーザ加工で深さ制御をして素子実装用の穴30を開けるか、または嵌合用の穴を省略して、フリップチップボンダによるアライメントのみを行って光素子を実装してもよい。
【００２８】
電極ないし電気配線27は、アルミ、銅などの金属配線である。その作製には、真空蒸着とリソグラフィー技術により、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の配線パターンを形成する手法が用いられ得る。他にも、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の導電性ペーストをスクリーン印刷法で基材上に印刷して回路導体パターンを形成した後、導電性ペーストを焼成したり硬化させて回路導体を形成してもよい。また、電解銅箔等の金属箔を積層し、所望のパターンに形成されたエッチングレジストを用いて該金属箔を化学エッチングすることにより、回路導体パターンを形成する手法などもある。さらに、ポリマー導波路と熱膨張係数や弾性係数などの点でマッチングのよい導電性ポリマーを配線に用いても良い。
【００２９】
発光または受光素子28の実装においては、シート上に形成した電極27とコンタクトを取る様にフリップチップボンディングを行うので、Agペーストやクリームハンダなどを印刷或いはディスペンサで所定個所に塗布してから、光素子28をガイド穴30に挿入し、120℃程度で加熱することで光素子を接着する。図3(g)において、超音波処理などをしてシートを基板20から剥がすと、埋め込まれた複数の半球構造体25はリフトオフされて一括して光導波シート内に取り込まれる。さらに、必要であれば下部クラッド層31を形成する。
【００３０】
次に、この様な光路変換構造体41を備えた光導波シートを電気回路基板において使用した例を図４に示す。図４は、携帯電話に代表される小形携帯機器の電気回路基板37の断面図である。本実施例では光導波装置40を折り曲げ可能にしているので、回路基板37上で、フレキシブルプリント回路(FPC)の様に、LSI38の隙間を縫う様に実装できる。この様な実装では、電気回路基板37の設計変更なしに追加配線でき、コストアップすることなくEMC（Electromagnetic Compatibility）対策を行うことが可能である。上で説明した光導波装置40上の電気配線は、携帯機器の電気回路基板37の電気配線34にアライメントされて直接フリップチップボンディング実装されており、簡単に光・電気の混載基板が形成できる。
【００３１】
基板37は、多層ビルドアップになっており、電気配線34やビアホール35が高密度に形成されている。また、符号36は無線通信を行うためのRF回路部であり、電磁干渉を避けるためにシールドカバーで覆われている。従来、RF回路部から信号線を引き出す場合、信号線の長さによってはアンテナになってしまい、コモンモードノイズ輻射のために、自身の回路の誤動作を引き起こしたり、電波法の規格をクリアするために多大の設計時間を要していた。ここでは、本発明による光導波装置40を用いて信号配線すると、アンテナが形成されないために、不要輻射を大幅に低減できる。
【００３２】
光素子32は基板37上に設けた電極とコンタクトして駆動できる様になっている。また、必要に応じて光導波シート上に電気配線39や電気素子チップ33を実装してもよい。すなわち、光導波シートそのものが光電融合基板となり得る。なお、ここでは、フレキブル配線板として使う例を示したが、コア層を例えば１mm程度の厚さで射出成形して、リジット基板として用いることも勿論可能である。
【００３３】
（実施例２）
上記実施例では、光路変換構造体をコア層に埋め込んで剥がすことで光導波装置を作製していたが、本実施例では、電気回路基板上に直接鍍金構造体を形成して光導波シートを作製するものである。図5は実施例２の断面図を示している。
【００３４】
実施例２では、電気配線51、53やビア配線52などが形成された電気回路基板50の表面に、実施例１と同様に鍍金形成された光路変換構造体59が形成されている。電気回路基板50は、ガラスエポキシやポリイミド、セラミックなど通常の基板材として用いられるものでよい。回路基板50上には、実施例１と同様にPCZなどの様な光導波層57となる透明ポリマーが形成されて、電極54とコンタクトを取った発光素子56からの光情報を光導波層57と光路変換構造体59を介して受光素子55によって検出することで光配線手段が融合されたものとなっている。
【００３５】
鍍金形成された構造体のうち一部は光路変換を行うのでなく、符号58で示す様に光導波層57を貫通するビア配線として用いることができる。さらに、符号58’で示す様に、光路変換構造体と光導波層57を貫通するビア配線を兼ねる構造体として用いることもできる。
【００３６】
図６には実施例２の作製プロセスを示した。図6(a)において、表面以外の配線などが既に形成され、光導波層を形成する側にはCuなどの全面電極60がある電気回路基板50上に、実施例１と同様の方法で略半球状の鍍金構造体64を作製する。さらに、鍍金構造体64より若干大きい径（ここでは200μmφとした）で窓開けする様にホトレジスト63でパターニングする。図6(b)において、鍍金構造体64の上にさらに鍍金層65を形成すると、鍍金構造体64の中心部の細い支えが強化されるために鍍金構造体が剥がれ難くなる。図6(c)では、レジスト63を除去したあとに電極パターンの加工を行い、鍍金が形成された表面上にも回路を構成するための電極配線が図5の符号53で示す様に作製できる。
【００３７】
配線が完成したあとに、光導波層66となる光学ポリマーをディップ法、キャスト法、塗布法などで半球構造体65を埋め込む様に形成する。その後、図6(e)において、実施例１と同様な方法で、光素子69を電極配線68付きの素子実装用穴に実装する。既に説明した様に、ビア配線を形成するところには、図6(e’)の様にレーザ加工で穴を開け、貫通電極61および電極パッド62を形成する。このとき、たとえばエキシマレーザ加工では、照射エネルギー密度によって選択的に加工でき、金属材の半球構造体64、65には全く損傷を与えずに、透明ポリマー66だけを穴あけ加工できる。
【００３８】
この様な光導波装置と電気回路基板が融合したボードを小型携帯機器に適用した例を図７に示す。電気配線76やビア配線75が形成された電気回路基板73には、上記の様に直接鍍金により光路変換構造体77やビア配線72が形成された光導波層77が光配線の必要な領域に作製されている。この光導波装置70の上には、光素子を駆動する電極が形成され、基板73からの貫通電極72とコンタクトが取れる様にIC71が実装されている。符号74はRF部である。
【００３９】
今後、無線通信において、IEEE 802.11a（5GHz帯-54Mbps）、Bluetooth（2.4GHz-1Mbps）、第4世代携帯電話（5GHz帯-100Mbps）など複数の高速で周波数の異なる方式が錯綜してくると、小型携帯機器のEMCの設計が重要になってくる。本実施例の様な光導波層一体型の光電融合基板は、その設計の自由度とコストを低減できる。
【００４０】
（実施例３）
今までの実施例では、光導波層の片面にのみ鍍金構造体或いは光素子のある構造であったが、図8(a)の様に光導波シートの両面を使って光導波装置を作製することもできる。この作製では、鍍金構造体を表面に作製した基板を２枚用意しておき、片方の基板の表面に透明ポリマーの溶液を塗布してこれが乾燥しないうちにもう一方の基板を該片方の基板にアライメント（例えば、アライメントマーカを用いる）してかぶせ、透明ポリマー乾燥後に両基板を剥がせばよい。光導波層のコア層80の厚さは両基板を合わせたときに適当に設定すればよい。両基板を剥がした後のクラッド層81、82、素子実装用の穴、電極配線87の形成と光素子85、86の実装は上記実施例で述べた如く行なえばよい。
【００４１】
図8(a)の構造において、発光素子85から出射された光は光路変換構造体84によってコア層80に結合し、その光の一部は符号89の光線の様に別の光路変換構造体83によって反射され、受光素子86によって検出される。本実施例において、両面側に作製された光路変換構造体83、84をアライメントして両基板を合わせれば、上述したビア配線を形成することもできる。
【００４２】
この様な構造により、図8(b)の様に複数の電気回路ボード90a、90bを本実施例による光導波装置91aによってケーブル接続したり、図8(c)の様に電気回路ボード90c、90dで光導波装置91bをサンドイッチする様に接着することが可能である。こうして、高速にボード間を接続するEMIフリーな伝送媒体を実現できる。光接続であるため、複数の基板の電気的アイソレートが可能である。図8(b)の様に接続の途中の光導波装置91a上にIC92を直接実装することもできる。
【００４３】
（実施例４）
今までの実施例では、鍍金のレジストマスクとして円形のものを用いて、略半球形状の構造体を形成していた。よって、光の入出射は２次元スラブ導波路である光導波シートの全方位に対して行っていた。
【００４４】
しかし、実際には光の伝播方向は、配線のアーキテクチャ的にも或る特定の方向であれば良いことが多い。バス配線の場合にも、特定の方向に伝播させて分岐出力させる方が光パワーの有効利用の点からも望ましい。すなわち、２次元状に光を伝播させることで、R(mm)伝播したときの1mmの円弧あたりに受光できる光パワーは、
10・log（1／2πR）+R・α (dB)
（α：光導波シートの伝播損失(dB/mm)）
だけ減衰してしまう。したがって、20mm伝播すればαを無視しても1mm径の受光器で検出した場合に21dBの損失である。そこで、クロック配信の様に1対多の伝送でない時には、指向性のある伝播を用いることが、消費電力やコストの点で有利になる場合がある。
【００４５】
本実施例では、図9(a)の様な細長いスリット状開口を持つマスクパターンや、図9(b)の様に凹部を含む細長いスリット状開口を持つマスクパターンを用いて鍍金し、光導波シート93内の光伝播方向に指向性を持たせる光路変換構造体を作製したものである。
【００４６】
たとえば、5μm×50μmのスリット状開口を持つマスクで80μm厚の鍍金を行った場合には、図９(c)の符号95の様に端が丸まった半円柱を横にした蒲鉾型光路変換構造体が形成できる。これを用いて、発光素子94の出射中心位置を光路変換構造体95の頂点の真上からずらすことで、全ての光が符号96の方向に進み符号97の様なビームパターンにできる。一方、図９(b)の様に長さが100μｍで両端部幅が20μm、中央部幅が2μmの凹部を持つ開口を有するマスクパターンで鍍金を行うと、該凹部が反映されて符号202の様な凹面鏡の光路変換構造体を作製できる。この場合、受光素子98への結合には、伝播光を集光できるので有利である。この凹面鏡型の鍍金構造体202を発光素子94側に用いれば、平行ビームとして伝播させることも可能であり、下記３次元光導波路99の如き導波路構造を設けなくても、スラブ導波路において指向性のある伝送ができる。このことは、1枚のスラブ導波路で多数bitの配線を空間多重で同時に送ることを可能にする。この場合、図9(c)で示している様にクロスで配線することも可能である。
【００４７】
実際には、配線間の距離が数10μm以下で近接している場合にはクロストークの問題があるので、３次元光導波路99を併用する形にしてもよい。３次元導波路パターンの形成には、例えばポリカーボネートZの場合は、モノクロロベンゼンにモノマーも同時に混入させ、塗布した後に図9(c)の符号99の様なパターンを形成したホトマスクで露光を行い、光照射させた領域のみに架橋が起こってポリマー化することを利用する。すると、ポリマー化した部分のみの屈折率が高くなり、導波路が形成される。３次元導波路の形成の仕方は、この様なパターニングによる方法以外にも、加熱して型を押し付けて光導波シート表面に凹凸をつけ、凸部分を導波路とする方法もある。
【００４８】
本実施例の様に２次元シート内で指向性のある伝送を行うことで、パワーロスの少ない光配線装置を実現できる。
【００４９】
（実施例５）
上記の実施例では単層の光導波シートの例を述べてきたが、本実施例は図10に示す様に多層構造にした例に係る。多層にすることで、多ビットの同時光配線が可能となる。図10において、205は多層電気回路基板であり、ビア209、電気配線208が形成され、基板表面にはLSI210や受動素子219が実装されている。
【００５０】
本実施例では、本発明の光導波装置は電気回路基板205と貼り合わされ、LSI210を実装する基板220の下に形成されている。マイクロBGAなどでパッケージ化されたLSI210はボールハンダ211でパッド212にコンタクトする様に実装され、その端子の一部はビア配線214によって光導波装置の受発光素子216と結線して、これを駆動できる様になっている。受発光素子216のもう一方の電極は、各光導波層206を分割して遮光する働きも持つクラッド層207内に形成された配線218によってコモン電極（グランドまたは電源電圧）に接続される。こうした構成により、LSI210からの電気信号は発光素子216で光信号に変換され、該光信号は鍍金構造体217によって反射されて光導波層206を矢印の方向に伝播する。
【００５１】
本実施例では、光導波層206が4層構造になっているが、これに限るものではない。また、下層の光素子への配線は、実施例２で述べた図5の符号58の様な光導波シートを貫通するビア配線を用いる。これがビア配線215である。したがって、もっとも下の層の光素子駆動のためには、鍍金構造体217とビア配線215を3段介して接続することになる。LSI210の配線のうち高速な信号のみ、この様な光配線を行い、一部は符号213で示すの様に電気配線にすることも勿論できる。
【００５２】
図10の構成は、送信側の様子を示しているが、受信側も同様の構成が可能である。また、符号221で示す光路変換構造体を用いて、実施例３の手法で一部の信号を下部基板205に分岐して取り出す様なこともできる。この様な構成は、次世代のPCなどの内部接続或いは記憶装置や映像機器などの周辺機器との接続に用いる高速シリアルバスとして機能できる。
【００５３】
この様な光配線による高速シリアルバスで構成したボードの例を図11に示す。デュアルCPU（231）構成において、CPU231間およびCPU231とメモリ232とのアクセスを本実施例による光導波装置を用いて構成している。光配線234は、図10の様に縦方向に4層をスタックすると同時に、図11に示す様に電気基板230の面内方向にも４つ並列に並べて、4×4で16bitの構成になっている。CPU231とメモリ232とのアクセスは8（4×2）bitずつとなっている。符号233は電気チップである。
【００５４】
CPU231の64bit出力を16bitにパラレルシリアル変換して1bitあたり10Gbpsの光伝送を行うことで、64bitパラレルに換算して1bitあたり2.5GHz動作、1チャンネル全体で160Gbps（20Gバイト/sec）のシリアルバス接続が可能である。この様な高速接続にもかかわらず、EMIノイズの発生は抑えられ、距離の離れた複数のCPU間や周辺機器間を直接ネットワーク接続する様なマルチCPUシステムを構築できる。上記構成ではバス幅を16bitとしたが、この限りではない。
【００５５】
近年の電気配線だけによるビルドアップ基板では、高速信号の伝達配線において、近接配線に起因するクロストークノイズや、インピーダンス不整合に起因する反射などによる信号劣化、その結果として生じる電磁放射ノイズの対策が問題になっている。高速信号の伝達部分に本実施例によるビルドアップ基板対応の多層光導波装置を用いることで、これらを解決できる。また、次世代の高速LSI接続ためのバスとして高速シリアル転送が検討されており、RapidIO（米Motrola他）、Hyper Transport(米AMD)、3GIO(米Intel)などが8bit-1GHzで1Gバイト/secを当面の目標としている。同様の規格で10Gバイト/sec以上がさらに次の世代に必要になると、電磁放射ノイズやボード設計、消費電力の点のおいても、本発明による光導波装置を用いた高速シリアルバスが必須となる。
【００５６】
本実施例では、光導波装置が電気回路基板205、220にサンドイッチされる形であったが、片面だけに電気回路基板がある形、或いは光導波装置と電気回路基板が交互に複数層スタックされた形のものでもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電磁ノイズ対策等に用いられる光導波装置において、光素子を表面実装して面入出射するための光路変換構造体を鍍金を用いて形成するので、これを光導波層の任意の位置に配置した構造を大きな自由度で比較的低コストで実現できる。
【００５８】
光導波シート上に電気配線を混在させて曲げが可能なフレキシブルな構造体を構成することもでき、例えば、LSIなどが実装された電気ボードの一部の配線にこの光導波シートを使用して光電融合基板とすることで、大きな設計変更もなく比較的安価にEMI対策を行なえる。
【００５９】
また、高速マルチCPUシステムを構築する上で、超高速でボード設計の自由度が増すバス配線を本発明による光電融合基板で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施例１の光導波装置の断面図である。
【図２】本発明による実施例１の光導波装置の斜視図である。
【図３】本発明による実施例１の光導波装置を作製プロセスを示す断面図である。
【図４】本発明による実施例１の光導波装置を電気回路と混載させた光電融合基板の断面図である。
【図５】本発明による実施例２の光導波装置の断面図である。
【図６】本発明による実施例２の光導波装置の作製プロセスを示す断面図である。
【図７】本発明による実施例２の光導波装置を電気回路と混載させた光電融合基板の断面図である。
【図８】本発明による実施例３の光導波装置を説明する断面図である。
【図９】本発明による実施例４の光導波装置を説明する図である。
【図１０】本発明による実施例５の多層の光導波装置と電気回路を混載させた光電融合基板の断面図である。
【図１１】本発明による実施例５の多層の光導波装置の高速信号接続を用いた光電融合基板の斜視図である。
【図１２】３次元導波路を用いた光導波装置の従来例を示す図である。
【図１３】２次元導波シートを用いた光導波装置の従来例を示す図である。
【図１４】２次元導波シートに光結合する為の装置の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１、２６、５７、６６、８０、２０６…光導波コア層
２、２９、３１、６７、８１、８２、２０７…クラッド層
３、１０、４１、５９、７７、８３、８４、９５、２０２、２１７、２２１…光路変換構造体
４、５、２７、３９、５４、６８、８７、１１８…光導波シート上電気配線（電極）
６、５６、８５、９４、２１６…発光素子
７、５５、８６、９８…受光素子
８、３０…ガイド穴
９、１４、８９、９６…光線
１１、４０、７０、９１a、９１b、９３、２３４…光導波シート
２０…基板
２１、２２、６０…鍍金用電極
２３、６３…レジスト
２４…鍍金用窓
２５、６４、６５…鍍金構造体
２８、３２、６９…光素子
３３、３８、７１、９２、２１０、２１９、２３３…電気チップ
３４、５１、５３、７６、２０８、２１３、２１８…配線
３５、５２、５８、５８’、６１、７２、７５、２１４、２１５、２０９…ビア配線
３６、７４…RF部
３７、５０、７３、９０a−d、２２０、２０５、２３０…電気回路基板
６２、１１２…電極パッド
９７…光ビームパターン
９９…３次元光導波路
２１１…ハンダボール
２１２…パッド
２３１…CPU
２３２…メモリ
４０１…光導波装置
４０２…多層配線基板
４０３…電気配線
４０４…絶縁体
４０６…接着層
４１１、４１１’…光導波路
４１１a、４１１b…傾斜面
４２１…受光素子
４３１…発光素子
４２５、４３５…ICチップ
４５１…透明基板
４５２…基板分離層
４９２…遮光膜
１１００…情報処理装置
１１０１…光バス
１１２０、１１２０a、１１２０b、１１２０c…回路基板
１１３０…信号光入射端
１１３３…信号光入射部
１１３３ａ…傾斜面
１１３４…信号光出射部
１１４０…信号光出射端
１２１０…光バス
１２１２…光伝送層
１２１３a、１２１３b…クラッド層
１２７０…信号光
１２１８…光拡散体
１２１９…光路変更部
１２１５…信号光入射部
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気回路基板上の電気チップ間や電気回路基板相互間などにおいて信号を光学的に接続する為の光導波シートなどの光導波路を有する光導波装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータ、セルラー電話やPDA(Personal Digital Assistant)に代表される携帯機器、デジタルAV（オーディオビジュアル）機器などの性能の飛躍的な向上により、その相互接続が、無線、有線を混合してあらゆる周波数帯で実現してきている。そのため、電気基板からの電磁放射ノイズ(Electromagnetic Interference: EMI)や外界からの電波混入に対する耐性(Immunity)、不完全接続による信号の乱れ（Signal Integrity: SI）などによるディジタル機器の誤動作に対する対策が急務となってきている。こうした電磁波問題については、製品出荷前に電波法の規制値をクリアすることが不可欠で、その対策の為の開発コストは年々増加してきており、基本的に電磁無誘導である光配線は、このボトルネックを根本から解消できるものとして期待されている。また、今後、家庭内にも高速接続環境が整備されるため、様々なグランド環境において高速電子機器を自由に接続しても、誤動作、ノイズ混入などを防ぐ必要があり、グランドに対して電気的アイソレーションが簡単にできる光接続は有効な手段の１つである。
【０００３】
その為の光配線手段としては様々の方法が提案されている。例えば、図12に図示の特開2000-199827号公報に開示の光導波装置401では、図12(a)に示す様に電気回路基板402上に光導波路411を形成して光素子421、431を搭載し、高速信号を光で接続できる様にしている。この場合、電気回路基板402は、一般に、電気配線403と絶縁体404の積層された多層配線板となっており、ガラスセラミック、アルミニウムナイトライド(AlN)、アルミナ(Al2O3)などの無機材料からなるセラミック、FR-4などのガラスエポキシ樹脂、ポリイミドフィルムなど、各種材料で構成されている。その回路基板402上に、接着層408を介して、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、エポキシ樹脂、ポリイミドなどでコア454およびクラッド453、455を形成した光導波路411が貼り付けてある。光素子421、431間の入出力は、導波路411端部に形成した45度ミラー411a、411bで光を反射させて行っている。光素子421、431やICチップ425、435などはハンダバンプBPを用いて表面に実装できる様になっている。また、IC425、435の各ポートに対して１つの光導波路が対応するため、図12(b)の様に複数の矩形導波路411’が形成されている。尚、図12(b)において、451は透明基板、452は基板分離層、492は遮光膜である。
【０００４】
以上の従来例は電気回路基板内における電気チップ間の光接続の例であるが、特開平9-270751号公報や特開平10-206677号公報には、情報処理装置1100において複数の電気回路基板間のバス接続に光導波シートを用いる方法が開示されている。その場合、図13に示す様に、光導波シート1101と電気回路基板1120は独立して垂直に結合する様になっており、光素子1132、1142は電気回路基板1120の入出力ポート1130、1140に実装されていて、光導波シート1101とは45度ミラー1133sを介して結合する様になっている。この例では、光導波シート1101は２次元スラブ導波路になっており、積層方向で信号多重化する様になっている。この場合、２次元的に光結合するために面入射した光をあらゆる方向に拡散させるべく、図14の様に円錐状の突起1219を光伝送層1212内に設けることも検討されている。尚、図13において、1123は電気回路、1131、1141は光素子用回路、1133は信号光入射部、1134は信号光出射部であり、図14において、1210は光バス、1213aと1213bは光伝送層1212の表面と裏面のクラッド層、1215は信号光入射部、1218は光拡散体、1270は信号光である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来例において、光素子は、電気回路基板や光導波路に対して光を垂直に出入射させて結合するので、45度ミラーなどの光路変換手段が必要になる。１つの光導波シートなどの光導波路内に複数の光素子を実装して光接続するためには、その該当する位置に複数の光路変換機能手段を備える必要がある。この様な光路変換機能手段を作製するには、型を起こして射出成型する方法や光導波路形成後に機械加工やレーザ加工する方法などがある。前者の場合には、同じ配線形態の光導波路を大量生産する場合には良いが、少量多品種の場合や設計変更が多い場合にはコストが上昇してしまう。一方、後者の場合には、加工スピードや加工精度に問題があってスループットが低下する結果、やはりコストが上昇してしまうという問題があった。また、光路変換機能手段の反射効率を向上させるためにその表面に金属膜を形成する場合には、加工の工程が増加することも問題になっていた。
【０００６】
さらに、図１３の様に多層の光導波シート1101に光結合させる場合には、発光点とシート1101までの高さがチャネルによって異なり、効率良くシート1101に入射させる為にはレンズなどの光学素子が必要になる。また、受光器1142を端面に配置すると実装や配線が複雑になってコストアップにつながる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、光路変換するための構造体を鍍金で形成し、その鍍金構造体を光導波路の任意の位置に配置して比較的容易、低コストで製造可能な光導波装置の製造方法を提供することにある。
【００１１】
また、上記目的を達成する本発明の光導波装置の製造方法は、鍍金構造体を持つ光導波装置の製造方法であって、基板上に電極を形成する工程と、径或いは短辺、厚さとも前記鍍金構造体の径或いは短辺、高さの 1/10 以下の窓パターンを電極上にパターニングする工程と、前記窓パターンに鍍金を行い、前記鍍金構造体を形成する工程と、表面に液状の樹脂材料を塗布する工程とを含むことを特徴とする。より具体的には、略半球状、略半円柱状、或いは横たわった略半円柱状の一部が窪んだ凹面鏡構造の鍍金構造体を持つ光導波装置の製造方法であって、基板上に電極を形成する工程と、径（或いは短辺）、厚さとも前記鍍金構造体の径（或いは短辺）、高さの1/10程度以下で十分小さい（この程度に小さくすると、充分に上方に盛り上がって頂部に平面部のない鍍金構造体を形成できる）鍍金用の略円形、略長方形、或いは長方形の長辺の中央部が窪んだ形の窓パターンを所定の位置にパターニングする工程と、該窓パターンにのみ選択的に鍍金を行う工程と、表面に液状の樹脂材料を塗布する工程とを含むことを特徴とする。ここにおいて、更に、前記樹脂材料を乾燥させて前記基板から剥離することで鍍金構造体を該樹脂材料中に内蔵させる工程を含み得る。また、上記の光導波装置の製造方法において、前記基板は電気回路基板であり、該電気回路基板上に直接鍍金構造体を形成し、前記樹脂材料は剥離しないで電気回路基板と一体化させて光電融合基板を製造することもできる。
【００１２】
より具体的には、基板或いはクラッド層となる部材に光路変換手段となる突起物等をNi、Sn、Cr、Cu、Auなどの鍍金により形成しておき、その上に導波コア層としてディップ法、キャスト法、スピンコート法などにより透明樹脂を形成する。さらに、クラッド層を形成して、素子実装のためのガイド穴をホトリソグラフィとエッチングを使って、または、型形成、レーザ加工などを使って形成する。さらに、素子のフリップチップ実装のための電気配線も形成する。鍍金構造体のある所に光素子を実装し、基板から剥がすと、鍍金構造体も同時に樹脂コア層に埋め込まれたまま剥がすことができる。従って、金属ミラーからなる光路変換機能手段が所望の位置に埋め込まれた光導波装置を簡単なプロセスで低コストで実現できる。
【００１３】
鍍金構造体を光導波路に埋め込んで剥がす以外にも、電気回路基板上に直接鍍金構造体を形成して、その上に光導波路を形成することも勿論可能である。
【００１４】
光導波路として２次元スラブ導波路の光導波シートを用いた場合は、略半球状の鍍金構造体ミラーを用いれば全ての方向で信号の送受信ができ、一方、略半円柱形状を横にした様な鍍金構造体ミラーを用いた場合には特定方向との送受信と混在させられる。
【００１５】
また、２次元スラブ導波路が1層の場合には、基本的に信号多重は時分割すなわちシリアルパラレル変換することになるが、一部に３次元導波路も混在させて、或いは導波体を細い棒状にして横方向の空間分割を行ない、必要なラインだけには各チャネルが独立したパラレル伝送を行うこともできる。
【００１６】
さらに、光導波シート上に電気配線を混在させて、シートを曲げが可能なフレキシブルな構造体で構成すれば、LSIなどが実装された電気ボードの一部の配線を、本発明の光実装体で電気・光混在で配線できて、大きな設計変更もなく安価にEMI対策を行える。
【００１７】
また、複数の信号配線を同時に行うには、本発明による光導波装置を多層にして電気回路基板と集積させればよい。このとき、光素子および光路変換手段は光結合させるべき光導波シートに実装させ、多層光導波シートにビアを開けて導通するための導電体を埋め込めば、素子駆動のための電気配線を形成でき、図１３の従来例の様に光ビームの広がりを制御するための光学素子を必要とせずに低コストな光電融合基板を提供できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を明らかにすべく、具体的な実施例を図面に沿って説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１による光導波装置11の一部の断面図である。光導波シート１、２は、加工の容易性などから透明ポリマーを用いて形成している。これは、屈折率の異なる材料を組み合わせてコア層１（屈折率の比較的大きい部分）と上下クラッド層２（屈折率の比較的小さい部分）を構成し、全体の厚さを数100μm程度にすることで、折り曲げなどが自由な２次元的なフレキシブルなシートにできる。ここでは、屈折率が1.59のZ型ポリカーボネート(PCZ)を厚さ100μmのコア層１に用い、屈折率が1.53のアートンを厚さ100μmのクラッド層２に用いたが、材料や厚さはこれらに限らない。光導波シート１、２の各端面部は、好適には、ここで光が反射して光素子に悪影響を及ぼさない様に、光吸収部や光を散乱する粗面やテーパ形状、無反射コーティング付きなどになっている。
【００２０】
光源としては、LED、面発光レーザなどの面出射型の発光素子６が、その外形と嵌合する様に作られたセルフアライメント用のガイド穴８に実装され、光導波シート上に形成した電極４、５とコンタクトを取って素子駆動を行える様になっている。面発光レーザとしては、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＭＱＷ活性層、１波長共振器を形成するスペーサ層、及びＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲミラー（活性層の両側にある）がＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤ等の結晶成長方法を用いて形成される面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などがある。
【００２１】
面型発光素子６の下部には、鍍金で形成した略半球状の光路変換用の構造体３が光導波シート１、２のコア層１に埋め込まれている。ガイド穴８に発光素子６を実装すれば、光路変換構造体３との位置合わせ及び光導波シート１、２への光入射ができる様になっている。ここでは、略半球状の光路変換構造体３の頂上部の真上に発光素子６の出射中心が合う様にアライメントしてあり、２次元スラブ導波路を構成したシート１、２全体に送信光を伝搬させられる様になっている。
【００２２】
その光導波シート１、２に結合した光の一部は、図１の符号９で示す様な光線となって伝播し、同様にガイド穴８に実装した光検出器７の下部にある光路変換構造体10によりシート１、２上方に反射されて、光検出器７で光信号を受信できる様になっている。この光路変換構造体10も略半球状であれば、光導波シート１、２を伝搬している全方位からの光が光路変換構造体10で上方に光出射されて、光検出器７で受光される。受光素子７としては、Ｓｉ ＰＩＮ フォトダイオード（ＰＤ）などが用いられ得る。
【００２３】
図１では、実装後の光素子６、７の一部が光導波シート１、２の表面よりも若干上に出た形となっているが、光素子の厚さとガイド穴８の深さによっては完全に埋め込むこともできる。
【００２４】
この光導波装置11の全体の概略構成を図２に示す。図１と同じ部分には同じ記号を用いている。光導波装置11の任意の位置に上記の発光素子６、受光素子７および光路変換構造体３が配置されている。ここでは、光導波シート１、２として２次元スラブ導波路を用いているので、光源６からの光は符号14の様に全ての方向に伝播でき、光検出器７をどこに置いてもその情報が読み出せる。一方で、多ビットの同時転送には適用できないので、シリアル信号に変換することになる。しかし、EMI対策の必要な信号線のみをこの光導波シート１、２で対応させる様な回路デザインを構築することで、高機能な光電融合基板が実現できる。図２には複数の光素子の配置の一例が図示されている。
【００２５】
次に、図３に沿って、本実施例の光導波装置の作製工程を説明する。図3(a)において、ガラス基板20の上に鍍金用全面電極として、Cr/Au（それぞれ21、22）を蒸着する。基板はガラスに限るものではなく、Siやセラミック、樹脂などでもよい。図3(b)において、ホトレジスト23をホトリソグラフィによりパターニングを行い、光路変換構造体を形成したい位置に鍍金用の窓24を形成する。ここでは、この窓24のサイズを5〜10μmφとした。図3(c)において、レジスト23を越える厚さまで鍍金を行うと、符号25の様に略半球状に成長する。ここではNiの電解鍍金を行い、光導波シートのコア層厚100μmより若干薄い80μｍの厚さで、すなわち直径160μｍになる様に半球構造25を形成した。このサイズは、シート厚や光源、受光素子の種類に対して最適になる様に鍍金時間等で任意に設定できる。後述する実施例２の図６の符号63で示すような枠を窓24の周りに形成して、鍍金半球構造を比較的上方に盛り上がった形状に制御することもできる。
【００２６】
鍍金としてはCu、Cr、Al、Auなど他の金属或いは化合物でもよく、異種材料が多層構造になっていてもよい。また、鍍金は無電解メッキを用いてもよい。図3(d)において、レジスト23を除去すると、10μmφ程度の土台に160μmφの半球構造25が乗っている様な構造体ができる。この半球構造体25はホトレジスト23のパターニングで所望の数だけ、所望の位置に形成できるが、必要なら一部の半球構造体25をはじき飛ばしたり粘着テープなどに付けて除去することもできる。これにより、同じホトレジストパターニング用マスクを用いても、半球構造体を多様な配置形態で配置できる。
【００２７】
図3(e)において、コア層26となるポリマーをディップ法、キャスト法、塗布法などで半球構造体25を埋め込む様に形成する。次に、図3(f)において、コア層26よりは屈折率の低いクラッド材29を表面に形成し、電極配線27および素子実装用の穴30を形成する。ここでは、レーザ加工などで素子を実装すべき位置にエキシマレーザ加工などで既に穴を開けたアートン（商品名）のシートをコア層26の表面に接着したが、感光性光学樹脂、たとえばSU-8（商品名）、BCBなどを直接パターニングして穴などを形成してもよい。SU-8の場合は屈折率が高いので、素子実装する近辺にのみこれを形成する様にする。或いは、クラッド層29はなくても良く、やはりレーザ加工で深さ制御をして素子実装用の穴30を開けるか、または嵌合用の穴を省略して、フリップチップボンダによるアライメントのみを行って光素子を実装してもよい。
【００２８】
電極ないし電気配線27は、アルミ、銅などの金属配線である。その作製には、真空蒸着とリソグラフィー技術により、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の配線パターンを形成する手法が用いられ得る。他にも、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の導電性ペーストをスクリーン印刷法で基材上に印刷して回路導体パターンを形成した後、導電性ペーストを焼成したり硬化させて回路導体を形成してもよい。また、電解銅箔等の金属箔を積層し、所望のパターンに形成されたエッチングレジストを用いて該金属箔を化学エッチングすることにより、回路導体パターンを形成する手法などもある。さらに、ポリマー導波路と熱膨張係数や弾性係数などの点でマッチングのよい導電性ポリマーを配線に用いても良い。
【００２９】
発光または受光素子28の実装においては、シート上に形成した電極27とコンタクトを取る様にフリップチップボンディングを行うので、Agペーストやクリームハンダなどを印刷或いはディスペンサで所定個所に塗布してから、光素子28をガイド穴30に挿入し、120℃程度で加熱することで光素子を接着する。図3(g)において、超音波処理などをしてシートを基板20から剥がすと、埋め込まれた複数の半球構造体25はリフトオフされて一括して光導波シート内に取り込まれる。さらに、必要であれば下部クラッド層31を形成する。
【００３０】
次に、この様な光路変換構造体41を備えた光導波シートを電気回路基板において使用した例を図４に示す。図４は、携帯電話に代表される小形携帯機器の電気回路基板37の断面図である。本実施例では光導波装置40を折り曲げ可能にしているので、回路基板37上で、フレキシブルプリント回路(FPC)の様に、LSI38の隙間を縫う様に実装できる。この様な実装では、電気回路基板37の設計変更なしに追加配線でき、コストアップすることなくEMC（Electromagnetic Compatibility）対策を行うことが可能である。上で説明した光導波装置40上の電気配線は、携帯機器の電気回路基板37の電気配線34にアライメントされて直接フリップチップボンディング実装されており、簡単に光・電気の混載基板が形成できる。
【００３１】
基板37は、多層ビルドアップになっており、電気配線34やビアホール35が高密度に形成されている。また、符号36は無線通信を行うためのRF回路部であり、電磁干渉を避けるためにシールドカバーで覆われている。従来、RF回路部から信号線を引き出す場合、信号線の長さによってはアンテナになってしまい、コモンモードノイズ輻射のために、自身の回路の誤動作を引き起こしたり、電波法の規格をクリアするために多大の設計時間を要していた。ここでは、本発明による光導波装置40を用いて信号配線すると、アンテナが形成されないために、不要輻射を大幅に低減できる。
【００３２】
光素子32は基板37上に設けた電極とコンタクトして駆動できる様になっている。また、必要に応じて光導波シート上に電気配線39や電気素子チップ33を実装してもよい。すなわち、光導波シートそのものが光電融合基板となり得る。なお、ここでは、フレキブル配線板として使う例を示したが、コア層を例えば１mm程度の厚さで射出成形して、リジット基板として用いることも勿論可能である。
【００３３】
（実施例２）
上記実施例では、光路変換構造体をコア層に埋め込んで剥がすことで光導波装置を作製していたが、本実施例では、電気回路基板上に直接鍍金構造体を形成して光導波シートを作製するものである。図5は実施例２の断面図を示している。
【００３４】
実施例２では、電気配線51、53やビア配線52などが形成された電気回路基板50の表面に、実施例１と同様に鍍金形成された光路変換構造体59が形成されている。電気回路基板50は、ガラスエポキシやポリイミド、セラミックなど通常の基板材として用いられるものでよい。回路基板50上には、実施例１と同様にPCZなどの様な光導波層57となる透明ポリマーが形成されて、電極54とコンタクトを取った発光素子56からの光情報を光導波層57と光路変換構造体59を介して受光素子55によって検出することで光配線手段が融合されたものとなっている。
【００３５】
鍍金形成された構造体のうち一部は光路変換を行うのでなく、符号58で示す様に光導波層57を貫通するビア配線として用いることができる。さらに、符号58’で示す様に、光路変換構造体と光導波層57を貫通するビア配線を兼ねる構造体として用いることもできる。
【００３６】
図６には実施例２の作製プロセスを示した。図6(a)において、表面以外の配線などが既に形成され、光導波層を形成する側にはCuなどの全面電極60がある電気回路基板50上に、実施例１と同様の方法で略半球状の鍍金構造体64を作製する。さらに、鍍金構造体64より若干大きい径（ここでは200μmφとした）で窓開けする様にホトレジスト63でパターニングする。図6(b)において、鍍金構造体64の上にさらに鍍金層65を形成すると、鍍金構造体64の中心部の細い支えが強化されるために鍍金構造体が剥がれ難くなる。図6(c)では、レジスト63を除去したあとに電極パターンの加工を行い、鍍金が形成された表面上にも回路を構成するための電極配線が図5の符号53で示す様に作製できる。
【００３７】
配線が完成したあとに、光導波層66となる光学ポリマーをディップ法、キャスト法、塗布法などで半球構造体65を埋め込む様に形成する。その後、図6(e)において、実施例１と同様な方法で、光素子69を電極配線68付きの素子実装用穴に実装する。既に説明した様に、ビア配線を形成するところには、図6(e’)の様にレーザ加工で穴を開け、貫通電極61および電極パッド62を形成する。このとき、たとえばエキシマレーザ加工では、照射エネルギー密度によって選択的に加工でき、金属材の半球構造体64、65には全く損傷を与えずに、透明ポリマー66だけを穴あけ加工できる。
【００３８】
この様な光導波装置と電気回路基板が融合したボードを小型携帯機器に適用した例を図７に示す。電気配線76やビア配線75が形成された電気回路基板73には、上記の様に直接鍍金により光路変換構造体77やビア配線72が形成された光導波層77が光配線の必要な領域に作製されている。この光導波装置70の上には、光素子を駆動する電極が形成され、基板73からの貫通電極72とコンタクトが取れる様にIC71が実装されている。符号74はRF部である。
【００３９】
今後、無線通信において、IEEE 802.11a（5GHz帯-54Mbps）、Bluetooth（2.4GHz-1Mbps）、第4世代携帯電話（5GHz帯-100Mbps）など複数の高速で周波数の異なる方式が錯綜してくると、小型携帯機器のEMCの設計が重要になってくる。本実施例の様な光導波層一体型の光電融合基板は、その設計の自由度とコストを低減できる。
【００４０】
（実施例３）
今までの実施例では、光導波層の片面にのみ鍍金構造体或いは光素子のある構造であったが、図8(a)の様に光導波シートの両面を使って光導波装置を作製することもできる。この作製では、鍍金構造体を表面に作製した基板を２枚用意しておき、片方の基板の表面に透明ポリマーの溶液を塗布してこれが乾燥しないうちにもう一方の基板を該片方の基板にアライメント（例えば、アライメントマーカを用いる）してかぶせ、透明ポリマー乾燥後に両基板を剥がせばよい。光導波層のコア層80の厚さは両基板を合わせたときに適当に設定すればよい。両基板を剥がした後のクラッド層81、82、素子実装用の穴、電極配線87の形成と光素子85、86の実装は上記実施例で述べた如く行なえばよい。
【００４１】
図8(a)の構造において、発光素子85から出射された光は光路変換構造体84によってコア層80に結合し、その光の一部は符号89の光線の様に別の光路変換構造体83によって反射され、受光素子86によって検出される。本実施例において、両面側に作製された光路変換構造体83、84をアライメントして両基板を合わせれば、上述したビア配線を形成することもできる。
【００４２】
この様な構造により、図8(b)の様に複数の電気回路ボード90a、90bを本実施例による光導波装置91aによってケーブル接続したり、図8(c)の様に電気回路ボード90c、90dで光導波装置91bをサンドイッチする様に接着することが可能である。こうして、高速にボード間を接続するEMIフリーな伝送媒体を実現できる。光接続であるため、複数の基板の電気的アイソレートが可能である。図8(b)の様に接続の途中の光導波装置91a上にIC92を直接実装することもできる。
【００４３】
（実施例４）
今までの実施例では、鍍金のレジストマスクとして円形のものを用いて、略半球形状の構造体を形成していた。よって、光の入出射は２次元スラブ導波路である光導波シートの全方位に対して行っていた。
【００４４】
しかし、実際には光の伝播方向は、配線のアーキテクチャ的にも或る特定の方向であれば良いことが多い。バス配線の場合にも、特定の方向に伝播させて分岐出力させる方が光パワーの有効利用の点からも望ましい。すなわち、２次元状に光を伝播させることで、R(mm)伝播したときの1mmの円弧あたりに受光できる光パワーは、
10・log（1／2πR）+R・α (dB)
（α：光導波シートの伝播損失(dB/mm)）
だけ減衰してしまう。したがって、20mm伝播すればαを無視しても1mm径の受光器で検出した場合に21dBの損失である。そこで、クロック配信の様に1対多の伝送でない時には、指向性のある伝播を用いることが、消費電力やコストの点で有利になる場合がある。
【００４５】
本実施例では、図9(a)の様な細長いスリット状開口を持つマスクパターンや、図9(b)の様に凹部を含む細長いスリット状開口を持つマスクパターンを用いて鍍金し、光導波シート93内の光伝播方向に指向性を持たせる光路変換構造体を作製したものである。
【００４６】
たとえば、5μm×50μmのスリット状開口を持つマスクで80μm厚の鍍金を行った場合には、図９(c)の符号95の様に端が丸まった半円柱を横にした蒲鉾型光路変換構造体が形成できる。これを用いて、発光素子94の出射中心位置を光路変換構造体95の頂点の真上からずらすことで、全ての光が符号96の方向に進み符号97の様なビームパターンにできる。一方、図９(b)の様に長さが100μｍで両端部幅が20μm、中央部幅が2μmの凹部を持つ開口を有するマスクパターンで鍍金を行うと、該凹部が反映されて符号202の様な凹面鏡の光路変換構造体を作製できる。この場合、受光素子98への結合には、伝播光を集光できるので有利である。この凹面鏡型の鍍金構造体202を発光素子94側に用いれば、平行ビームとして伝播させることも可能であり、下記３次元光導波路99の如き導波路構造を設けなくても、スラブ導波路において指向性のある伝送ができる。このことは、1枚のスラブ導波路で多数bitの配線を空間多重で同時に送ることを可能にする。この場合、図9(c)で示している様にクロスで配線することも可能である。
【００４７】
実際には、配線間の距離が数10μm以下で近接している場合にはクロストークの問題があるので、３次元光導波路99を併用する形にしてもよい。３次元導波路パターンの形成には、例えばポリカーボネートZの場合は、モノクロロベンゼンにモノマーも同時に混入させ、塗布した後に図9(c)の符号99の様なパターンを形成したホトマスクで露光を行い、光照射させた領域のみに架橋が起こってポリマー化することを利用する。すると、ポリマー化した部分のみの屈折率が高くなり、導波路が形成される。３次元導波路の形成の仕方は、この様なパターニングによる方法以外にも、加熱して型を押し付けて光導波シート表面に凹凸をつけ、凸部分を導波路とする方法もある。
【００４８】
本実施例の様に２次元シート内で指向性のある伝送を行うことで、パワーロスの少ない光配線装置を実現できる。
【００４９】
（実施例５）
上記の実施例では単層の光導波シートの例を述べてきたが、本実施例は図10に示す様に多層構造にした例に係る。多層にすることで、多ビットの同時光配線が可能となる。図10において、205は多層電気回路基板であり、ビア209、電気配線208が形成され、基板表面にはLSI210や受動素子219が実装されている。
【００５０】
本実施例では、本発明の光導波装置は電気回路基板205と貼り合わされ、LSI210を実装する基板220の下に形成されている。マイクロBGAなどでパッケージ化されたLSI210はボールハンダ211でパッド212にコンタクトする様に実装され、その端子の一部はビア配線214によって光導波装置の受発光素子216と結線して、これを駆動できる様になっている。受発光素子216のもう一方の電極は、各光導波層206を分割して遮光する働きも持つクラッド層207内に形成された配線218によってコモン電極（グランドまたは電源電圧）に接続される。こうした構成により、LSI210からの電気信号は発光素子216で光信号に変換され、該光信号は鍍金構造体217によって反射されて光導波層206を矢印の方向に伝播する。
【００５１】
本実施例では、光導波層206が4層構造になっているが、これに限るものではない。また、下層の光素子への配線は、実施例２で述べた図5の符号58の様な光導波シートを貫通するビア配線を用いる。これがビア配線215である。したがって、もっとも下の層の光素子駆動のためには、鍍金構造体217とビア配線215を3段介して接続することになる。LSI210の配線のうち高速な信号のみ、この様な光配線を行い、一部は符号213で示すの様に電気配線にすることも勿論できる。
【００５２】
図10の構成は、送信側の様子を示しているが、受信側も同様の構成が可能である。また、符号221で示す光路変換構造体を用いて、実施例３の手法で一部の信号を下部基板205に分岐して取り出す様なこともできる。この様な構成は、次世代のPCなどの内部接続或いは記憶装置や映像機器などの周辺機器との接続に用いる高速シリアルバスとして機能できる。
【００５３】
この様な光配線による高速シリアルバスで構成したボードの例を図11に示す。デュアルCPU（231）構成において、CPU231間およびCPU231とメモリ232とのアクセスを本実施例による光導波装置を用いて構成している。光配線234は、図10の様に縦方向に4層をスタックすると同時に、図11に示す様に電気基板230の面内方向にも４つ並列に並べて、4×4で16bitの構成になっている。CPU231とメモリ232とのアクセスは8（4×2）bitずつとなっている。符号233は電気チップである。
【００５４】
CPU231の64bit出力を16bitにパラレルシリアル変換して1bitあたり10Gbpsの光伝送を行うことで、64bitパラレルに換算して1bitあたり2.5GHz動作、1チャンネル全体で160Gbps（20Gバイト/sec）のシリアルバス接続が可能である。この様な高速接続にもかかわらず、EMIノイズの発生は抑えられ、距離の離れた複数のCPU間や周辺機器間を直接ネットワーク接続する様なマルチCPUシステムを構築できる。上記構成ではバス幅を16bitとしたが、この限りではない。
【００５５】
近年の電気配線だけによるビルドアップ基板では、高速信号の伝達配線において、近接配線に起因するクロストークノイズや、インピーダンス不整合に起因する反射などによる信号劣化、その結果として生じる電磁放射ノイズの対策が問題になっている。高速信号の伝達部分に本実施例によるビルドアップ基板対応の多層光導波装置を用いることで、これらを解決できる。また、次世代の高速LSI接続ためのバスとして高速シリアル転送が検討されており、RapidIO（米Motrola他）、Hyper Transport(米AMD)、3GIO(米Intel)などが8bit-1GHzで1Gバイト/secを当面の目標としている。同様の規格で10Gバイト/sec以上がさらに次の世代に必要になると、電磁放射ノイズやボード設計、消費電力の点のおいても、本発明による光導波装置を用いた高速シリアルバスが必須となる。
【００５６】
本実施例では、光導波装置が電気回路基板205、220にサンドイッチされる形であったが、片面だけに電気回路基板がある形、或いは光導波装置と電気回路基板が交互に複数層スタックされた形のものでもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電磁ノイズ対策等に用いられる光導波装置において、光素子を表面実装して面入出射するための光路変換構造体を鍍金を用いて形成するので、これを光導波層の任意の位置に配置した構造を大きな自由度で比較的低コストで実現できる。
【００５８】
光導波シート上に電気配線を混在させて曲げが可能なフレキシブルな構造体を構成することもでき、例えば、LSIなどが実装された電気ボードの一部の配線にこの光導波シートを使用して光電融合基板とすることで、大きな設計変更もなく比較的安価にEMI対策を行なえる。
【００５９】
また、高速マルチCPUシステムを構築する上で、超高速でボード設計の自由度が増すバス配線を本発明による光電融合基板で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施例１の光導波装置の断面図である。
【図２】本発明による実施例１の光導波装置の斜視図である。
【図３】本発明による実施例１の光導波装置を作製プロセスを示す断面図である。
【図４】本発明による実施例１の光導波装置を電気回路と混載させた光電融合基板の断面図である。
【図５】本発明による実施例２の光導波装置の断面図である。
【図６】本発明による実施例２の光導波装置の作製プロセスを示す断面図である。
【図７】本発明による実施例２の光導波装置を電気回路と混載させた光電融合基板の断面図である。
【図８】本発明による実施例３の光導波装置を説明する断面図である。
【図９】本発明による実施例４の光導波装置を説明する図である。
【図１０】本発明による実施例５の多層の光導波装置と電気回路を混載させた光電融合基板の断面図である。
【図１１】本発明による実施例５の多層の光導波装置の高速信号接続を用いた光電融合基板の斜視図である。
【図１２】３次元導波路を用いた光導波装置の従来例を示す図である。
【図１３】２次元導波シートを用いた光導波装置の従来例を示す図である。
【図１４】２次元導波シートに光結合する為の装置の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１、２６、５７、６６、８０、２０６…光導波コア層
２、２９、３１、６７、８１、８２、２０７…クラッド層
３、１０、４１、５９、７７、８３、８４、９５、２０２、２１７、２２１…光路変換構造体
４、５、２７、３９、５４、６８、８７、１１８…光導波シート上電気配線（電極）
６、５６、８５、９４、２１６…発光素子
７、５５、８６、９８…受光素子
８、３０…ガイド穴
９、１４、８９、９６…光線
１１、４０、７０、９１a、９１b、９３、２３４…光導波シート
２０…基板
２１、２２、６０…鍍金用電極
２３、６３…レジスト
２４…鍍金用窓
２５、６４、６５…鍍金構造体
２８、３２、６９…光素子
３３、３８、７１、９２、２１０、２１９、２３３…電気チップ
３４、５１、５３、７６、２０８、２１３、２１８…配線
３５、５２、５８、５８’、６１、７２、７５、２１４、２１５、２０９…ビア配線
３６、７４…RF部
３７、５０、７３、９０a−d、２２０、２０５、２３０…電気回路基板
６２、１１２…電極パッド
９７…光ビームパターン
９９…３次元光導波路
２１１…ハンダボール
２１２…パッド
２３１…CPU
２３２…メモリ
４０１…光導波装置
４０２…多層配線基板
４０３…電気配線
４０４…絶縁体
４０６…接着層
４１１、４１１’…光導波路
４１１a、４１１b…傾斜面
４２１…受光素子
４３１…発光素子
４２５、４３５…ICチップ
４５１…透明基板
４５２…基板分離層
４９２…遮光膜
１１００…情報処理装置
１１０１…光バス
１１２０、１１２０a、１１２０b、１１２０c…回路基板
１１３０…信号光入射端
１１３３…信号光入射部
１１３３ａ…傾斜面
１１３４…信号光出射部
１１４０…信号光出射端
１２１０…光バス
１２１２…光伝送層
１２１３a、１２１３b…クラッド層
１２７０…信号光
１２１８…光拡散体
１２１９…光路変更部
１２１５…信号光入射部
Claims (3)
- 鍍金構造体を持つ光導波装置の製造方法であって、
基板上に電極を形成する工程と、
径或いは短辺、厚さとも前記鍍金構造体の径或いは短辺、高さの1/10以下の窓パターンを電極上にパターニングする工程と、
前記窓パターンに鍍金を行い、前記鍍金構造体を形成する工程と、
表面に液状の樹脂材料を塗布する工程と、
を含むことを特徴とする光導波装置の製造方法。 - 前記樹脂材料の光導波層中の前記鍍金構造体上に穴を形成し、前記穴中に貫通電極を設けてビア配線を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項１記載の光導波装置の製造方法。
- 前記鍍金構造体を形成する工程において、略半球状又は蒲鉾型の形状に前記鍍金構造体を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の光導波装置の製造方法。
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