JP2009139412A - 光配線基板及び光結合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面実装型の発光素子や受光素子等の光学部品を配線基板に実装した光配線基板において、基板上のコア層の形状をテーパー状又はパラボラ状とすることにより光信号の結合や伝搬時の損失等を低減させ、且つ表面実装型の光学部品を配線基板に実装する際において精度良く位置合わせできるようにする。
【解決手段】光学部品と、光路変換部と、光導波路を形成した基板とからから成り、該光路変換部により、光学部品から出射した光が光路変換部で変換されて光導波路に入射する、或いは、光導波路から出射した光が光路変換部で変換されて光学部品に入射するように構成された光配線基板において、前記光学部品は基板に対して表面実装され、且つ光が入出射する前記光導波路のコア端部領域を基板面に平行な面に関し、端部に向けて広がるテーパー状又はパラボラ状としたことを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は光配線基板及び光結合方法に関し、特に受光素子や発光素子等の光学部品を表面実装した配線基板、及び受光素子や発光素子等の光学部品と光ファイバを光結合する方法に関する。

デジタル機器等の信号高速化、高密度化などにともなう電気信号へのノイズ、ＥＭＩ対策として、電気配線の一部を光信号に置き換える光電気混載基板の開発が進められている。

従来、レーザダイオード又はフォトダイオード等の光学部品を光電気混載基板に表面実装する場合において、特に、光が基板の面に対して垂直に入出射する面型光学部品を基板に表面実装する場合には、光学部品と光導波路コアあるいは光路変換部との間に数μｍの光軸のずれが生じた場合は、光結合損失となり、光信号を劣化させてしまう。

このような問題を解決するために、先行技術として従来、次のような提案がなされている。例えば、特開２００１−１４１９６５号公報（特許文献１）では、光デバイス間を効率良く光結合でき、構成がシンプルで、小型化、アレイ化が容易な光結合器として、また生産性良く作製できる方法として、第１の光デバイスと第２の光デバイスとを、ほぼ楕円球の一部で構成された楕円球面ミラーにより光学的に結合した光結合器としている。

この特許文献１の従来技術は、図１に示すように、面発光レーザ１０２を基板１０４に搭載して成る第１の光デバイス１００を、シリコン基板２０２に光導波路２０４及び楕円球状の凹部２０８に形成された反射鏡２０６を有する第２の光デバイス２００に接着剤１５０を介して実装し、面発光レーザ１０２から第２の基板２００に対して垂直にレーザ光を入射させ、光路変換部である楕円球状の反射鏡２０６にて、９０度光路変換し且つ集光し、その焦点近傍に配置された光導波路２０４のコア２０６層に対して光結合させる。

面発光レーザ１０２からは、垂直下方に円錐状に光が出射されるので、光の入射方向で４５度に配置された楕円球状の凹部の反射鏡２０６でもって、９０度の角度で反射され、反射された光も入射光と同様に円錐状となり、光導波路２０４のコア層２０６入射端の近傍で集光し、光導波路２０４へ光伝送される。このような構成により、面発光レーザ１０２（第１の光デバイス）と光導波路（第２の光デバイス）２０４との間の光結合効率を向上させることができる。なお、図１において、２０８は光導波路２０４のクラッド層を示している。

しかしながら、上述の特許文献１の従来技術では、反射鏡２０６を楕円球状の凹部２０８に形成しなければならないため、反射鏡の形成に手間がかかる、楕円球状の凹部をもつ反射鏡の位置決めや配置の制御が困難である、反射鏡のへの光導波路の位置合わせが必要である、等の問題があった。

また、他の先行技術として、特開２００６−４７７６４号公報（特許文献２）に開示されている光電気混載基板においては、光回路を接続する際に簡便にかつ高効率で、光結合するための光導波路が提案されている。これによると、光電気混載基板の光の入出力部にあけておいた穴に勘合させる形で、突起状光導波路を挿入する。面型発光素子から発光した光は、突起状光導波路内に入り、突起状光導波路から出射される。光路変換部が光導波路内に形成されている場合は、図２（ａ）に示すように、面型発光素子からの光を突起状光導波路を介して光導波路のコアへ集光する。また、光路変換部が光導波路内に形成されていない場合は、図２（ｂ）に示すように、面型発光素子からの光を突起状光導波路に形成した微小ミラーで光導波路のコアへ結合させる構造となっている。

なお、図２（ａ）及び（ｂ）において、３０７は回路基板、３１１は突起状光導波路、３１２は面型発光素子、３１３は光導波路、３１４は光電気混載基板、３１５は切断面、３２０は光、３２１は微小ミラー、３２２は光を示している。

特許文献２における光電気混載基板では、突起状光導波路は別工程で作製する必要があるので、量産化、低コスト化に不利である。また、別部品である突起状光導波路をあらかじめ開けておいた穴に実装する必要があるので、工程が増えてしまう。更にまた、突起状光導波路に微小ミラーを形成した場合は、ミラーでの反射光が光導波路コアへ結合するよう、実装時に位置合わせを行う必要がある、等の問題があった。
特開２００１−１４１９６５号公報 特開２００６−４７７６４号公報

上述した特許文献１又は２に記載されているような、従来の光配線基板や光配線基板上での光結合方法によれば、光路変換部構造を形成する為の程が別途必要となることに加えて、これらの光路変換構造それ自体に高い位置合わせの精度が求められる為、量産化、低コスト化に不利である。

そこで、本発明では、表面実装型の発光素子や受光素子等の光学部品を配線基板に実装した光配線基板において、基板上のコア層の形状をテーパー状又はパラボラ状とすることにより光信号の結合や伝搬時の損失等を低減させ、且つ表面実装型の光学部品を配線基板に実装する際において精度良く位置合わせすることのできる光配線基板及び光係合方法を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するために、本発明によれば、光学部品と、光路変換部と、光導波路を形成した基板とからから成り、該光路変換部により、光学部品から出射した光が光路変換部で変換されて光導波路に入射する、或いは、光導波路から出射した光が光路変換部で変換されて光学部品に入射するように構成された光配線基板において、前記光学部品は基板に対して表面実装され、且つ光が入出射する前記光導波路のコア端部領域を基板面に平行な面に関し、端部に向けて広がるテーパー状又はパラボラ状としたことを特徴とする光配線基板が提供される。

前記光学部品は、前記基板面に対し垂直な方向に光を入出射するように、配置されていることを特徴とする。

前記光路変換部は基板に一体的に形成され、基板面に対して４５度の角度のミラーで構成され、前記光路変換部により光路を９０度変換することを特徴とする。

また、本発明によれば、光学部品から出射した光を光路変換部にて変換して光導波路に入射させる、或いは、光導波路から出射した光を光路変換部にて変換して光学部品に入射させる光結合方法において、前記光学部品を基板に位置決めして表面実装し、光が入出射する前記光導波路のコア端部領域を、入出射端部に向けて広がるテーパー状又はパラボラ状としたことを特徴とする光結合方法が提供される。

本発明は、以上述べたように、ミラー近傍のコア形状をテーパー状あるいはパラボラ状にすることにより、実質コア幅が広がるので、ミラー反射光のコア内への結合効率が上がる。また、コア幅が広がることにより、特にミラーと平行な方向の光学部品実装トレランスを緩和できる。また、コア露光時のマスクパターン変更のみで対応できるので、低コストで実現可能である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図３〜図８は本発明の第１実施形態を示すもので、図３は面発光素子を有する基板（面発光素子基板）を搭載した状態の光配線基板の平面図、図４は面発光素子基板の搭載状態の光電気回路混載基板の断面図、図５は面発光素子基板の未搭載状態の光電気回路混載基板の断面図、図６は面発光素子基板の未搭載状態の光電気回路混載基板の平面図、図７は面発光素子基板の未搭載状態の光導波路基板の断面図、図８は面発光素子基板の搭載状態の光導波路基板の断面図である。

まず、図３及び図４において、面発光素子基板１０は、レーザダイオード又はフォトダイオード等の発光素子又は受光素子、例えば、面発光レーザ１２を搭載した例えばＧａＡｓ基板である。面発光素子基板１０は、図３に示した平面図で見た場合に略矩形であって、図４で見て下面の幅方向略中央部に面発光レーザ１２が配置されている。面発光レーザ１２は、面発光素子基板１０に対して長手方向において、等間隔に、アレイ状に例えば４個所にされている。

面発光素子基板１０の下面には、図４に示すように、面発光レーザ１２の両側に端子１４が配置されている。これらの端子１４は、各面発光レーザ１２に対して、前後２個所ずつ、合計４個配置されている。

光導波路基板２０は、光導波路層３０の上面にソルダレジスト層２２を形成したものである。光導波路層３０はコア層３２と、これらのコア層３２の周囲のクラッド層３４から成り、コア層３２は各面発光レーザ１２が配置されている間隔に対応する間隔で平行に延びるように基板の端面まで配置されている。

ソルダレジスト層２２には、面発光素子基板１０が光導波路基板２０に搭載された状態で、各面発光レーザ１２の配列方向に沿って延びた光開口部２４（特に、図６及び図７参照）が形成される。

光開口部２４の下側近くの、光導波路層３０はコア層３２の端部に隣接して、光変換部としての４５度ミラー３６が配置されている。このミラー３６も光開口部２４の延びる方向に延びるように配置されている。４５度ミラー３６は、例えば図７の断面図において、両側に４５度の角度で反射鏡として形成されたものである。

図７及び図８において、ソルダレジスト層２２の、面発光素子基板１０の端子１４に対応する位置に、接続用の穴の底部にパッド２６が形成されている。そして、これらの端子１４及びパッド２６に対応する光導波路層３０の位置に、この光導波路層３０を貫通するビアホールに貫通ビア３８が形成され、パッド２６と電気的に導通される。そして、面発光素子基板１０を光導波路基板２０に実装すると、面発光素子基板１０の端子１４がパッド２６を介して貫通ビア３８に電気的に接続されることとなる。

光導波路層３０としては、例えばポリマー系の材料を用い、クラッド層３４はラミネート等の積層プロセス、コア層３２はフォトリソ法を用いて露光・現像工程により形成する。また、４５度ミラー３６の形成はフォトリソ等で行なわれるが、４５度ミラー３６の形成箇所とコア層３２との位置関係は、コア層の露光時におけるマスクによって決定されるので、基本的には４５度ミラー３６とコア層３２との間の位置合わせは不要となる。

図４及び図５において、電気配線基板４０は光導波路基板２０と一体的に結合される。電気配線基板４０において、４２は接続パッド、４４は導体パターン、４６は接続ビア、４７は貫通ビア、４８は外部接続端子、５０はコア層、５２は樹脂層である。電気配線基板４０と光導波路基板２０との間は、光導波路基板２０の貫通ビア３８が電気配線基板４０の接続パッド４２に接合されることにより、相互に電気的に接続される。

本発明の第１実施形態では、光導波路層３０のコア層３２は、４５度ミラー３６に近い領域において、光導波路層３０の面に平行な面に関し、端部に向けて広がるテーパー状となっている。

すなわち、図６において、４５度ミラー３６に隣接する、テーパー状に広がったコア端部における水平方向の幅Ｗはコア幅ｗより大きい（Ｗ＞ｗ）。ここで、Ｗとｗの比率は通常は２〜３倍程度である。また、このテーパー状領域４０の長さＬは、コア幅ｗに対して５〜１０倍程度である。また、光導波路層３０において、等間隔おきに平行に配置されたコア層３２のピッチＰは約２５０μｍ程度である。

図９〜図１４は本発明の第２実施形態を示すもので、図９は面発光素子を有する基板（面発光素子基板）を搭載した状態の光配線基板の平面図、図１０は面発光素子基板の搭載状態の光電気回路混載基板の断面図、図１１は面発光素子基板の未搭載状態の光電気回路混載基板の断面図、図１２は面発光素子基板の未搭載状態の光電気回路混載基板の平面図、図１３は面発光素子基板の未搭載状態の光導波路基板の断面図、図１４は面発光素子基板の搭載状態の光導波路基板の断面図である。即ち、第２実施形態における図９〜図１４はそれぞれ第１実施形態における図３〜図８にそれぞれ対応する。

従って、図９〜図１４は本発明の第２実施形態では、第１実施形態と相違する点のみについて説明することとする。前述のように、本発明の第１実施形態では、光導波路層３０のコア層３２は、４５度ミラー３６に近い領域において、光導波路層３０の面に平行な面に関し、端部に向けて広がるテーパー状となるように形成したのに対し、本発明の第２実施形態においては、光導波路層３０のコア層３２は、４５度ミラー３６に近い領域において、光導波路層３０の面に平行な面に関し、端部の側に向けて幅広となったパラボラ状に形成した。

すなわち、図１２において、４５度ミラー３６に隣接する、パラボラ状に広がったコア端部における水平方向の幅Ｗはコア幅ｗより大きい（Ｗ＞ｗ）。ここで、Ｗとｗの比率は通常は２〜３倍程度である。また、このパラボラ状領域４０の長さＬは、第１実施形態の場合と同様、コア幅ｗに対して５〜１０倍程度である。

図１５は、面発光素子基板１０を光導波路基板２０に搭載する部分を詳細に示す断面図である。面発光素子基板１０の面発光レーザ１２と光導波路基板２０の４５度ミラー３６との間に、レンズ６０を配置した。このレンズ６０に求められる焦点距離は約０．１ｍｍである。これにより、面発光レーザ１２から光導波路基板２０の面に対して垂直な方向に発光されたレーザ光は、４５度ミラー３６において反射し９０度方向変換され、コア層３２に入射面に焦光されるようになる。

コア層３２に入射されたレーザ光は、光導波路層３０のコア層３２を通過して光伝送される。そして、例えば、光導波路層３０の出射端から、例えば光ファイバ（図示せず）に光結合される。あるいは、別の光導波路（図示せず）に光接合される。

本発明では、４５度ミラー３６の近傍のコア層３２の形状を第１実施形態のようにテーパー状、又は第２実施形態のようにパラボラ状としてコア幅が部分的に広くなるので、面発光レーザ１２のような光学部品と、光導波路層３０との間の結合効率が向上する。また、面発光素子基板１０を光導波路基板２０に表面実装する場合の、実装トレランスを大きくとることができる。即ち、光結合効率の向上、光学部品の表面実装精度についての緩和を達成することができる。

また、光導波路層３０の代表的に作製方法であるフォトリソ法で作製する場合には、コア形成時において、マスクを変更するだけで実現することができ、低コスト可を達成することができる。更に、光結合効率の向上に伴って、テーパー状又はパラボラ状のコア部分に接続される直線導波路のコア幅を小さくしても、対応可能となり、光配線基板の微細化又は光信号の高速化を図ることができる。

以上添付図面を参照して本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神ないし範囲内において種々の形態、変形、修正等が可能である。

例えば、第１実施形態及び第２実施形態においては、面発光素子基板１０として面発光レーザ１２を搭載した場合について説明したが、面発光レーザ１２に代えて、フォトダイオードのような受光素子を搭載しても良い。この場合は、光導波路の側から４５度ミラー３６を介して、受光素子の側へ光伝送することとなる。

本発明は、以上述べたように、ミラー近傍のコア形状をテーパー状あるいはパラボラ状にすることにより、実質コア幅が広がるので、ミラー反射光のコア内への結合効率が上がる。従って、あらゆる光電気混載基板や光配線基板について本発明を利用することができる。

従来の光配線基板を示す。 従来の他の光配線基板を示す。 本発明の第１実施形態で、面発光素子基板を搭載した状態の光配線基板の平面図である。 面発光素子基板の搭載状態の光電気回路混載基板の断面図である。 面発光素子基板の未搭載状態の光電気回路混載基板の断面図である。 面発光素子基板の未搭載状態の光電気回路混載基板の平面図である。 面発光素子基板の未搭載状態の光導波路基板の断面図である。 面発光素子基板の搭載状態の光導波路基板の断面図である。 本発明の第２実施形態における図３対応図である。 本発明の第２実施形態における図４対応図である。 本発明の第２実施形態における図５対応図である。 本発明の第２実施形態における図６対応図である。 本発明の第２実施形態における図７対応図である。 本発明の第２実施形態における図８対応図である。 面発光素子基板の搭載部の詳細断面図である。

符号の説明

１０ 面発光素子基板
１２ 面発光レーザ
１４ 端子
２０ 光導波路基板
２２ ソルダレジスト層
２４ 光開口部
２６ パッド
３０ 光導波路層
３２ コア層
３４ クラッド層
３６ ４５度ミラー
３８ 貫通ビア

Claims (4)

1. 光学部品と、光路変換部と、光導波路を形成した基板とから成り、該光路変換部により、光学部品から出射した光が光路変換部で変換されて光導波路に入射する、或いは、光導波路から出射した光が光路変換部で変換されて光学部品に入射するように構成された光配線基板において、前記光学部品は基板に対して表面実装され、且つ光が入出射する前記光導波路のコア端部領域を基板面に平行な面に関し、端部に向けて広がるテーパー状又はパラボラ状としたことを特徴とする光配線基板。
2. 前記光学部品は、前記基板面に対し垂直な方向に光を入出射するように、配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光配線基板。
3. 前記光路変換部は基板に一体的に形成され、基板面に対して４５度の角度のミラーで構成され、前記光路変換部により光路を９０度変換することを特徴とする請求項２に記載の光配線基板。
4. 光学部品から出射した光を光路変換部にて変換して光導波路に入射させる、或いは、光導波路から出射した光を光路変換部にて変換して光学部品に入射させる光結合方法において、前記光学部品を基板に位置決めして表面実装し、光が入出射する前記光導波路のコア端部領域を、入出射端部に向けて広がるテーパー状又はパラボラ状としたことを特徴とする光結合方法。

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