JP2007199328A

JP2007199328A - 光接続装置

Info

Publication number: JP2007199328A
Application number: JP2006017190A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Ueda; 吉久植田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】
光の伝送効率が高められた光接続装置を提供する。
【解決手段】
光接続装置１において、基板表面と平行に延びる光信号伝送用の導波路が形成された導波路埋込基板１１と、電気信号と光信号との間で変換を担う信号媒体変換素子１２１，１３１を導波路埋込基板１１に作用面を向けた状態に搭載して導波路埋込基板に固定されたインターポーザ１２，１３と、導波路埋込基板１１とインターポーザ１２，１３との間に介在し信号媒体変換素子１２１，１３１を取り囲んで内部空間１６ａ，１７ａを形成する隔壁１４，１５と、内部空間１６ａ，１７ａに充填された光透過性の封止剤１６，１７とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光接続装置に関する。

近年、電気機器における処理速度の高速化の要求は高まる一方であり、これに伴い、これら電気機器に内蔵される電気基板における電気信号の伝送速度の高速化が要求されている。

しかしながら、電気基板上の電気配線間では、電磁干渉や、配線距離の長尺化による電気信号の伝搬遅延等の問題が顕在化することから、近年では、電気信号を光信号に変換し、基板の内部若しくは表面に埋め込まれた光通信用の導波路に伝送させる光接続により伝送速度の高速化が実現されている。

ところで、光接続には、配線距離の長尺化や伝送速度の高速化のため高い伝送効率が求められる。ここで、特許文献１には、光の伝送損失を抑えるため、導波路内において、光路変換用ミラーを基板で囲まれた空間に面するように設けることで、光路変換用ミラーにゴミ等の異物や傷が付くことを防止する技術が開示されている。また、特許文献２には、光半導体の周りにリングを形成して、光半導体を気密封止する技術が開示されており、これによれば光半導体へのゴミの付着が防止される。
特開２００２−３６５４５７号公報特開平７−１３４２２３号公報

しかしながら、特許文献１および２に開示された技術では、導波路と光半導体との間に空気が介在しており、空気と導波路との屈折率差により結合損失が発生し、光の伝送損失が発生する。また、この部分で結露などが生じることで光の伝送損失が増大するおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑み、光の伝送損失が抑えられた光接続装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の光接続装置は、光信号伝送用の導波路が形成された導波路埋込基板と、
電気信号と光信号との間で変換を担う信号媒体変換素子を上記導波路埋込基板に作用面を向けた状態に搭載して上記導波路埋込基板に固定されたインターポーザと、
上記導波路埋込基板と上記インターポーザとの間に介在し上記信号媒体変換素子を取り囲んで内部空間を形成する隔壁と、
上記内部空間に充填された光透過性の封止剤とを有することを特徴とする。

本発明の光接続装置では、導波路埋込基板とインターポーザとの間に介在する隔壁によって形成された、信号媒体変換素子を取り囲む内部空間に封止剤が充填されているため、導波路と信号媒体変換素子との間から空気が排除されている。したがって、本発明の光接続装置によれば、信号媒体変換素子と導波路との間で結露などによる光の伝送損失が抑えられる。

ここで、上記本発明の光接続装置において、上記インターポーザが、上記内部空間に上記封止剤を注入したときの注入孔を有するものであってもよく、あるいは、上記本発明の光接続装置において、上記導波路埋込基板が、上記内部空間に上記封止剤を注入したときの注入孔を有するものであってもよい。

インターポーザまたは導波路埋込基板が注入孔を有することにより、光接続装置を製造する工程では、まず先に、インターポーザと導波路埋込基板とを通常の半田リフロー工程により固定し、この後で、液状の封止剤を注入孔から内部空間に注入することでができる。したがって、封止剤が隙間なく充填された光接続装置の製造が容易である。

また、上記本発明の光接続装置において、上記封止剤は、上記信号媒体変換素子と上記導波路との間の光伝送効率を向上させる屈折率調合剤であることが好ましい。

封止剤として屈折率調合剤が内部空間に充填されることで、導波路および信号媒体変換素子と封止剤の間での伝送損失が低減されるので、光の伝送効率が高められる。

以上説明したように、本発明によれば、光の伝送損失が抑えられた光接続装置が実現する。

以下図面を参照して本発明の光接続装置の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の光接続装置の第１実施形態のマルチチップモジュールの断面図である。

図１に示すマルチチップモジュール１は、導波路埋込基板１１と、導波路埋込基板１１に固定された２つのインターポーザ１２，１３と、導波路埋込基板とそれぞれのインターポーザ１２，１３との間に介在するパッキン１４，１５と、パッキンの内部に充填された封止剤１６，１７とを備えている。

図２は、図１に示すインターポーザ１２の底面図である。

図１および図２を参照して説明すると、インターポーザ１２は、エポキシ樹脂からなる基板であり、インターポーザ１２には、電気信号を光信号に変換する発光ダイオードからなる発光素子１２１と、発光素子１２１に電気信号を供給する半導体素子１２２が搭載されている。インターポーザ１２には複数の端子１２３が形成され、それぞれの端子１２３上には、導波路埋込基板１１と接続するための半田バンプ１２４が設けられている。また、インターポーザ１２には、表面に沿って、またインターポーザ１２を貫通して、図示しない配線が形成されており、これらの配線によって発光素子１２１および端子１２３と半導体素子１２２が接続されている。

一方でインターポーザ１３には、光信号を電気信号に変換する光電素子１３１と、光電素子１３１からの電気信号を受信する半導体素子１３２が搭載されている。インターポーザ１３のその他の構成は、インターポーザ１２と同様であり、複数の端子１３３および半田バンプ１３４が設けられている。発光素子１２１および光電素子１３１のそれぞれは、電気信号と光信号との間で変換を担う本発明の信号媒体変換素子の一例に相当する。

インターポーザ１２に搭載されている半導体素子１２２、およびインターポーザ１３に搭載されている半導体素子１３２は、光信号による通信をしながらマルチチップモジュール１としての機能を実現する。

導波路埋込基板１１は、インターポーザ１２，１３を固定する基板であり、導波路埋込基板１１には、光信号伝送用の導波路１１１が形成されている。導波路１１１は、導波路埋込基板１１の内部を、導波路埋込基板１１が広がる方向と平行に延び、両側の端部１１１ａ，１１１ｂ付近で９０°に折れ曲がって、そこから導波路埋込基板１１の表面まで延びる形状を有している。導波路１１１が折れ曲がる部分には、光を反射するミラー１１２ａ，１１２ｂが形成されており、途中で折れ曲がった導波路の経路に沿って、光信号が伝送される。光信号伝送用の導波路１１１、およびミラー１１２ａ，１１２ｂは、公知の手法によって導波路埋込基板１１に形成することができるものであり、説明は省略する。

インターポーザ１２は、発光素子１２１が光信号を発光する方向に垂直な作用面１２１ａを、導波路埋込基板１１に向けた状態で導波路埋込基板に固定されており、インターポーザ１３もまた、光電素子１３１が光信号を受光する方向に垂直な作用面１３１ａを、導波路埋込基板１１に向けた状態で導波路埋込基板に固定されている。このため、発光素子１２１から発射され導波路１１１の一方の端部１１１ａから入射した光信号は、ミラー１１２ａ，１１２ｂで反射することにより９０°ずつ折れ曲がりながら導波路１１１内を進行し、他方の端部１１１ｂから光電素子１３１に照射される。これにより、半導体素子１２２と半導体素子１３２との間で、発光素子１２１および光電素子１３１を介した光接続が行われる。

パッキン１４，１５は、耐熱性のシリコン樹脂からなる円形リング状の部材であり、導波路埋込基板１１とインターポーザ１２，１３のそれぞれとの間に介在するように配置されている。パッキン１４は、導波路埋込基板１１およびインターポーザ１２とともに、発光素子１２１を取り囲む内部空間１６ａを形成している。内部空間１６ａには封止剤１６が充填されている。パッキン１５もまた、導波路埋込基板１１とインターポーザ１３とによって、光電素子１３１を取り囲む内部空間１７ａを形成しており、内部空間１７ａには封止剤１７が充填されている。パッキン１４，１５は、本発明にいう隔壁の一例に相当する。

封止剤１６としては、光透過性を有し、発光素子１２１と導波路１１１との間の光伝送効率を向上させる屈折率調合剤が用いられている。本実施形態において屈折率調合剤は、より具体的には、マッチングオイル（インデクスマッチングオイル：屈折率整合油）である。マッチングオイルは、エチレングリコールを主成分とし、発光素子１２１および光電素子１３１と導波路１１１との間の光伝送効率を向上させるよう成分が調整されたものが選択される。具体的には、導波路１１１の屈折率がマッチングオイルの屈折率に近似するよう成分調整される。例えば、導波路１１１の屈折率が１．５の場合、マッチングオイルの屈折率は１．５となるよう調整される。なお、マッチングオイルの成分は、基本的には光信号の波長に対する損失が少ないものであればよく、マッチングオイルの主成分は、例えばシリコーンオイルであってもよい。

導波路埋込基板１１には、マルチチップモジュール１を製造する際、内部空間１６ａに液状の封止剤を注入したときの一組の注入孔１１６ａ，１１６ｂと、内部空間１７ａに液状の封止剤を注入したときの一組の注入孔１１７ａ，１１７ｂが形成されている。注入孔１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂは、まず導波路埋込基板１１に注入孔１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂと同一平面形状の底面を有するスリットを形成しておき、この後、スリットの上部から板状の部材を天井部分として嵌め込んで導波路埋込基板１１に接着し、この板状部材の両端に、スリットの底面に達する孔を開口する方法で形成される。なお、注入孔の形成方法はこれに限られるものではなく、例えば導波路埋込基板１１の注入孔１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂの底部に対応する部分にレジストを形成し、この上に半導体プロセスにより半導体層を形成してからレジストを除去することで形成してもよい。

ここで、マルチチップモジュール１の組立工程を説明する。

まずインターポーザ１２には、発光素子１２１、半導体素子１２２、およびパッキン１４が取り付けられ、端子１１３上に半田バンプ１２４が取り付けられる（図２参照）。インターポーザ１３にも同様に、光電素子１３１、半導体素子１３２、およびパッキン１５、半田バンプ１３４が取り付けられる。この後、導波路１１１および注入孔１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂが形成された導波路埋込基板１１の上に、インターポーザ１２およびインターポーザ１３が載せられ、半田リフロー処理が行われる。半田リフロー処理により、半田バンプ１２４，１３４が溶融する。この時、パッキン１４，１５は、インターポーザ１２，１３自身の重量によって、上下方向に押し潰されるとともに導波路埋込基板１１に隙間なく密着する。これにより、内部空間１６ａ，１７ａが形成される。また、パッキン１４，１５により、導波路１１１、発光素子１２１および光電素子１３１への半田フラックスやゴミの付着が防止される。半田リフロー処理の後、半田バンプ１２４，１３４が固化して、インターポーザ１２，１３が導波路埋込基板１１に固定されるとともに、導波路埋込基板１１の端子１１４，１１５と、インターポーザ１２の端子１２３およびインターポーザ１３の端子１３３がそれぞれ接続される。

半田リフローの後、注入孔１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂから内部空間１６ａ，１７ａにマッチングオイルが注入される。一方の注入孔１１６ａがマッチングオイルに浸された状態で、他方の注入孔１１６ｂから内部空間１６ａ内の空気が真空ポンプ等で吸引されることで、マッチングオイルが注入孔１１６ａから注入され、内部空間１６ａに隙間なく充填される。内部空間１７ａについても内部空間１６ａと同様の方法でマッチングオイルが充填される。マッチングオイルの注入後、注入孔１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂの入口部分に、それぞれ樹脂製の蓋１１８ａ，１１８ｂ，１１９ａ，１１９ｂが形成されることで注入孔１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂが塞がれる。このようにして、マッチングオイルからなる封止剤１６，１７が充填されたマルチチップモジュール１が完成する。

このようにして組立てられたマルチチップモジュール１では、導波路埋込基板１１とインターポーザ１２，１３との間に介在するパッキン１４，１５によって形成された、発光素子１２１または光電素子１３１を取り囲む内部空間１６ａに封止剤１６が充填されており、導波路１１１と、発光素子１２１または光電素子１３１との間から空気が排除されている。したがって、マルチチップモジュール１によれば、結露による光の損失が抑えられる。また、導波路埋込基板１１が注入孔１１６ａ，１１６ｂを有することにより、マルチチップモジュール１の製造において、インターポーザ１２，１３と導波路埋込基板１１とを通常の半田リフローで固定した後で、注入孔１１６ａ，１１６ｂから封止剤を内部空間１６ａ，１７ａに注入することができる。したがって、導波路１１１と、発光素子１２１または光電素子１３１との間に封止剤が隙間なく充填されたマルチチップモジュール１が容易に製造できる。また、封止剤１６，１７が光伝送効率を向上させるマッチングオイルであるため、導波路１１と発光素子１２１または光電素子１３１との間の光の伝送効率が高められる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の第２実施形態の説明にあたっては、これまで説明してきた実施形態における各要素と同一の要素には同一の符号を付けて示し、前述の実施形態との相違点について説明する。

図３は、本発明の第２実施形態のマルチチップモジュールを示す断面図である。

図３に示すマルチチップモジュール２では、注入孔２２２ａ，２２２ｂ，２３１ａ，２３１ｂが、導波路埋込基板２１ではなく、インターポーザ２２およびインターポーザ２３に形成されている点が、図１のマルチチップモジュール１と異なる。

図４は、図３に示すインターポーザ２２の底面図である。

図４に示すように、インターポーザ２２には、マルチチップモジュール２を製造する際、内部空間１６ａに液状の封止剤を注入したときの一組の注入孔２２２ａ，２２２ｂが形成されている。注入孔２２２ａ，２２２ｂは、インターポーザ２２を直線状に貫通する、ドリル等で容易に形成可能な形状の孔であり、図１のマルチチップモジュール１における注入孔１１６ａ，１１６ｂとは異なり、天井部材の追加やレジストによる空洞の成形が必要ない。したがって、第２実施形態のマルチチップモジュール２によれば、第２実施形態のマルチチップモジュール１における効果に加え、さらにマルチチップモジュールの製造が容易になる。

なお、上述の実施形態においては、パッキン１４，１５の材質は、例えば弾性を有する耐熱性のシリコン樹脂として説明したが、これに限るものではない。本発明にいう隔壁は、内部空間を外部から隔てるものであれば他の材質であってもよい。

また、封止剤１６，１７としてマッチングオイルの例を説明したがこれに限られるものではなく、本発明の封止剤１６，１７の材質は、高温で液状化し注入孔から注入することができ、室温で固化する樹脂であってもよく、また、注入孔から注入する時点では液状であり、所定の時間が経過すると固化する樹脂であってもよい。本発明の封止剤は、例えば、ポリカーポネートやＰＥＴ等の樹脂であってもよい。これらの樹脂が空気よりも高く、導波路の屈折率により近い屈折率を有することで結露による損失が抑えられるだけでなく光伝送効率が向上する。

また、本実施形態では、マルチチップモジュールの例を説明したが、本発明は、マルチチップモジュールのみに適用されるものではなく、例えば光ケーブルに接続するシングルチップ構成の光接続装置にも適用が可能である。

本発明の光接続装置の第１実施形態のマルチチップモジュールの断面図である。インターポーザの底面図である。本発明の第２実施形態のマルチチップモジュールを示す断面図である。図３に示すインターポーザの底面図である。

符号の説明

１，２マルチチップモジュール（光接続装置）
１１，２１導波路埋込基板
１２，１３，２２，２３インターポーザ
１４，１５パッキン（隔壁）
１６ａ，１７ａ内部空間
１６，１７封止剤
１１１導波路
１１１ａ，１１１ｂ端部
１１６ａ，１１６ｂ，１１７ａ，１１７ｂ注入孔
２２２ａ，２２２ｂ，２３１ａ，２３１ｂ注入孔
１２１発光素子（信号媒体変換素子）
１２１ａ作用面
１３１光電素子（信号媒体変換素子）
１３１ａ作用面
１２２，１３２半導体素子

Claims

光信号伝送用の導波路が形成された導波路埋込基板と、
電気信号と光信号との間で変換を担う信号媒体変換素子を前記導波路埋込基板に作用面を向けた状態に搭載して前記導波路埋込基板に固定されたインターポーザと、
前記導波路埋込基板と前記インターポーザとの間に介在し前記信号媒体変換素子を取り囲んで内部空間を形成する隔壁と、
前記内部空間に充填された光透過性の封止剤とを有することを特徴とする光接続装置。
前記インターポーザが、前記内部空間に前記封止剤を注入したときの注入孔を有するものであることを特徴とする請求項１記載の光接続装置。
前記導波路埋込基板が、前記内部空間に前記封止剤を注入したときの注入孔を有するものであることを特徴とする請求項１記載の光接続装置。
前記封止剤は、前記信号媒体変換素子と前記導波路との間の光伝送効率を向上させる屈折率調合剤であることを特徴とする請求項１記載の光接続装置。