(57)【要約】【課題】導波路を有する光回路を半導体装置にフリップチップ接続する光回路付半導体装置に関して、外部との光入出力を行う光ファイバとの高効率な接続を可能とする。【解決手段】光信号処理回路付半導体装置１は、半導体装置２と、半導体装置２に接続部４を介して接続された光信号処理回路３とからなる。光信号処理回路３は、光ファイバ２０の端部を収納し、光信号の入・出射を行なう光入・出力部３ａと、光入・出力部３ａに接して形成された光回路３ｂとにより構成される。光入・出力部３ａは、貫通する穴５ａの開けられた基材５と、その穴５ａの中に充填された有機樹脂１２とにより構成され、有機樹脂１２には、成形により、凸レンズ状のビーム形状変換部１０と、光ファイバ２０の位置決めを行う位置決め部１１とが形成されている。光回路３ｂの光導波路６には、光導波路６を通る光を直角に曲げる光路変換部９が設けられている。【選択図】図１
2010286549.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバまたはフェルールを受納する光入・出力部と、前記光入・出力部の一主面上に形成され、前記光入・出力部と光学的に結合された光回路と、を備えた光信号処理回路であって、
前記光入・出力部は、第１主面とこれと平行な第２主面とを有し、貫通穴が形成された基材と、前記基材の前記貫通穴に埋め込まれた成形体とからなり、前記光入・出力部には、前記基材の第２主面側から挿入される光ファイバまたはフェルールを位置決めして受納する位置決め部と、前記成形体からなる、光ファイバから出射されるビームを収束するビーム形状変換部とが形成されており、
前記光回路は前記基材の第１主面側に形成され、該光回路には、光導波路と、該光導波路に光学的に結合された光機能素子と、該光機能素子に接続された電気配線と、前記光導波路の光路を前記ビーム形状変換部側へと変換する光路変換部とが形成されている、
ことを特徴とする光信号処理回路。
【請求項２】
前記基材がシリコンにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光信号処理回路。
【請求項３】
前記成形体が光透過性樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光信号処理回路。
【請求項４】
前記位置決め部は、前記光ファイバまたは前記フェルールを呼び込む面取り部と、該面取り部に続き前記光ファイバまたは前記フェルールの光軸に直角方向の位置を規制するガイド部と、前記光ファイバまたは前記フェルールの先端の光軸方向の位置を規制するストッパ部とからなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光信号処理回路。
【請求項５】
前記位置決め部は、前記基材の前記第２主面側から開けられた前記貫通穴の一部として形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光信号処理回路。
【請求項６】
前記位置決め部は、前記成形体に前記ビーム形状変換部と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光信号処理回路。
【請求項７】
前記光回路には複数の光導波路と複数の光路変換部が設けられており、この複数の光路変換部に対応して前記光入・出力部には前記ビーム形状変換部および前記位置決め部が複数組設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光信号処理回路。
【請求項８】
前記ビーム形状変換部と前記位置決め部との複数組が、同一成形体に一体的に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の光信号処理回路。
【請求項９】
複数の前記位置決め部は、それぞれ前記基材に作り込まれており、複数の前記ビーム形状変換部は同一成形体に一体的に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の光信号処理回路。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載された光信号処理回路と半導体装置とが接続部を介して電気的に接続されていることを特徴とする光信号処理回路付半導体装置。
【請求項１１】
第１主面とこれと平行な第２主面とを有する基材の第１主面上に、光導波路と、該光導波路に光学的に結合された光機能素子と、前記光導波路の光路を前記基材側に変換する光路変換部とを含む光回路を形成する工程と、前記基材の第２主面側から前記光路変換部に対応する位置の前記基材を加工して光ファイバまたはフェルールの位置決めを行う位置決め部を前記基材に形成する工程と、前記位置決め部の底の部分をさらに加工して前記基材を貫通する穴を形成する工程と、前記基材の貫通穴の底部に成形可能材料を供給し、該成形可能材料を成形して前記光路変換部のビーム形状と光ファイバのコアとを整合させるビーム形状変換部を形成する工程と、を具備する光信号処理回路の製造方法。
【請求項１２】
第１主面とこれと平行な第２主面とを有する基材の第１主面上に、光導波路と、該光導波路に光学的に結合された光機能素子と、前記光導波路の光路を前記基材側に変換する光路変換部とを含む光回路を形成する工程と、前記基材の第２主面側から前記光路変換部に対応する位置の前記基材を加工して前記基材を貫通する穴を形成する工程と、前記基材の第２主面側から前記光路変換部に対応する位置の前記基材を加工して光ファイバまたはフェルールの位置決めを行う位置決め部を前記基材に形成する工程と、前記基材の貫通穴の底部に成形可能材料を供給し、該成形可能材料を成形して前記光路変換部のビーム形状と光ファイバのコアとを整合させるビーム形状変換部を形成する工程と、を具備する光信号処理回路の製造方法。
【請求項１３】
第１主面とこれと平行な第２主面とを有する基材の第１主面上に、光導波路と、該光導波路に光学的に結合された光機能素子と、前記光導波路の光路を前記基材側に変換する光路変換部とを含む光回路を形成する工程と、前記基材の第２主面側から前記光路変換部に対応する位置の前記基材を加工して基材を貫通する穴を形成する工程と、前記基材の貫通穴内に成形可能材料を供給し、該成形可能材料を成形して光ファイバまたはフェルールの位置決めを行う位置決め部と、前記光路変換部のビーム形状と光ファイバのコアとを整合させるビーム形状変換部とを形成する工程と、を具備する光信号処理回路の製造方法。
【請求項１４】
前記光回路を形成する工程においては複数の光導波路および複数の光路変換部を形成し、前記基材を加工する工程においては前記複数の光路変換部光導波路に対応して前記基材に複数の穴を開けることを特徴とする請求項１１から１３のいずれかに記載の光信号処理回路の製造方法。
【請求項１５】
第１主面とこれと平行な第２主面とを有する基材の第１主面上に、複数の光導波路と、該光導波路に光学的に結合された光機能素子と、前記光導波路の光路を前記基材側に変換する複数の光路変換部とを含む光回路を形成する工程と、前記基材の第２主面側から前記複数の光路変換部に対応する位置の前記基材を加工し該基材を貫通する、前記複数の光路変換部に共通する穴を形成する工程と、前記基材の貫通穴内に成形可能材料を供給し、該成形可能材料を成形して、前記複数の光路変換部のそれぞれに対応して、光ファイバまたはフェルールの位置決めを行う複数の位置決め部と、前記光路変換部のビーム形状と光ファイバのコアとを整合させる複数のビーム形状変換部とを一括成形する工程と、を具備する光信号処理回路の製造方法。
【請求項１６】
第１主面とこれと平行な第２主面とを有する基材の第１主面上に、複数の光導波路と、該光導波路に光学的に結合された光機能素子と、前記光導波路の光路を前記基材側に変換する複数の光路変換部とを含む光回路を形成する工程と、前記基材の第２主面側から前記複数の光路変換部に対応する位置の前記基材を加工し該基材を貫通する、前記複数の光路変換部に共通する穴を形成する工程と、前記基材の第２主面側から前記複数の光路変換部に対応するそれぞれの位置の前記基材を加工し前記基材に前記光路変換部のそれぞれに対応する位置決め部を形成する工程と、前記基材の貫通穴内に成形可能材料を供給し、該成形可能材料を成形して、前記複数の光路変換部のそれぞれに対応する、前記光路変換部のビーム形状と複数の光ファイバのコアとを整合させる複数のビーム形状変換部とを一括成形する工程と、を具備する光信号処理回路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号処理回路、光信号処理回路付半導体装置および光信号処理回路の製造方法に関し、特に、光ファイバとの間で光信号（連続光を含む）の授受を行うとともに、光信号の伝送、光電気変換・電気光変換処理などを行なう光信号処理回路、この光信号処理回路と半導体装置とが電気的に接続された光信号処理回路付半導体装置、および光信号処理回路の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置においては、扱う信号情報量の増大に対応するため、素子の微細化や配線幅の縮小化を行い、集積度を向上させると共に、多数の信号配線を高密度に配置して、そこに低電圧の高速信号を伝送するようになってきている。
そのため、伝送される電気信号の品質が劣化し、不具合を生じる場合がある。具体的には、信号遅延や信号間のスキュー、ジッターの問題が深刻化し、また、配線間におけるクロストークなどの発生も問題となる。
これらの不具合に対応するため、光信号による伝送をＬＳＩチップ内の信号伝送にも使用する提案がなされている。
【０００３】
図８、図９は、本発明者等が特願２００８−２５８６８３にて開示した光回路付半導体装置の例を示す断面図である。図８において、光回路部５１は、半導体装置部５０に接続部５６を介して電気的に接続されている。光回路部５１には、コア５５ａとクラッド層５５ｂ、５５ｂ’とを有する光導波路５５と、光導波路５５に光学的に結合された光能動素子５２と、光能動素子５２に電気的に接続された電気配線５３とが設けられており、電気配線５３は接続部５６を介して半導体装置部５０に電気的に接続されている。また、光回路部５１の光導波路５５と外部の光ファイバＯＦとの接続は、光回路部５１の端部において、光導波路のコア５５ａと光ファイバのコアＯＦａとを突き合わせることで実現している。ここで、ＯＦｂとＯＦｃは光ファイバＯＦのクラッドと被覆である。
この構成において、半導体装置からの電気信号によって電気光変換素子を駆動して光信号を作る。また、光電気変換素子により、光信号を電気信号に変換して変換した電気信号を半導体装置に伝えることができる。すなわち、ＬＳＩの信号伝送を光信号で行うことができ、信号遅延や信号間のスキュー、ジッターの増加の問題を解決し、また、配線間におけるクロストークを軽減することができる。
【０００４】
図９に示す例では、光回路部５１の中に、光導波路５５の光路を変換するミラーＬＣが設けられており、光路を上方に変換して、光回路部５１の上方において外部の光ファイバ（図示せず）と接続できるようにしている。この例では、光路変換はミラーにより行なっているが、これに代えグレーティング構造とすることも可能である。
【０００５】
図８、図９に開示される先行技術は、光導波路のコアと光ファイバのコアとを付き合わせて光結合を行なうものであるので以下の問題が起こる。小さなＬＳＩチップ内で光信号を伝送するには、電気配線と同様に光導波路の微細化が必要であり、屈折率の高い材料を用いて断面積の小さいコアを形成する必要がある。具体的にはＳｉＯＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉなどの高屈折材料を用いてコアの大きさを１〜２μｍやサブμｍの大きさにしている。一方、外部とのレーザ光の入出力に使用されるのは、汎用のシングルモードファイバであり、このコア径は約１０μｍである。したがって、この光ファイバと光導波路の微細なコアとを直接つき合わせてもコアの大きさが異なるため効率よく結合させるにはできない。
【０００６】
光回路の光導波路と光ファイバとを効率よく結合させようとする提案は従来よりいくつかなされている（例えば、特許文献１、２参照）。
特許文献１には、光導波路のコアの幅をファイバのコア径と同等程度にまで広げ、その拡大された部分に光路を曲げるグレーティングを形成し、そのグレーティング形成箇所に直接ファイバのコアを近接させて結合する構造が提案されている。この構造によると、結合光学系を用いないので大幅な小型化が実現でき、光ファイバも導波路面から略直角方向に伸びるため、光学的結合のためにＬＳＩ周辺部の大きな領域を占有するという問題も解決できる。
一方、特許文献２には、ＩｎＰなどから基板の表面に光導波路を形成し、そのコアにコアを伝播する信号光を基板内方向に反射するミラーを形成した後、基板裏面方向からエッチングして光ファイバを収納するガイド穴を形成し、さらにそのガイド穴の底面をエッチングして凸レンズ面に加工してなる光結合回路が開示されている。特許文献２によると、光ファイバの出射するビームを、光ファイバのコアとはサイズの異なる光導波路のコアに整合させることができ、光ファイバとプレーナ型導波路とを高い効率で結合できる、とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＵＳ２００４/０１５６５８９
【特許文献２】特開平１‐３０７７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の構造によると、導波路のコア径をファイバと同等まで大きくすることにより、必要とされる位置決め精度が緩和されるが、それでも１μｍ程度の位置決め精度は必要であり、ファイバの位置決め調整機構が必要で、その機構を導波路回路上に高精度に形成することは困難である。また、コアに設けられるグレーティングは、光ファイバのコア部と正対させるため、光ファイバのコアと同等以上の大きさが必要であり、これは、サブμｍの導波路のコアに比べると、１桁以上大きく、グレーティングのそばには光配線が配置できず、高密度な光配線を実現できないという問題が起こる。
【０００９】
これに対し、特許文献２に開示された構造では、光ファイバを出射する光はレンズにより収束されて導波路回路に入射されるため、導波路回路に光入・出射のために大きなスペースを割く必要はなく、高密度な光配線を実現できる。しかしながら、特許文献２に記載されたものでは、ガイド穴や凸レンズを形成するためのエッチングマスクを形成する際の位置合わせを、基板裏面側において行なう必要があるところ、基板にはＩｎＰなどの可視光に不透明な材料が用いられているため、加工面側から光路変換部（ミラー）の位置を直接認識することは困難である。そのため、光路変換部の位置を視認できない状態で位置決めを行なわざるを得ず、加工位置誤差が生じて、高効率の光結合を実現することは困難である。その上、微小径の微妙な曲面を有する凸レンズをエッチングにより高精度の形状に形成することは困難であり、このことも光結合の効率劣化を招く。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、第１に、光回路の高密度化・小型化を実現できるようにすることであり、第２に、光ファイバと光回路の導波路との高効率の結合を実現できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、光ファイバまたはフェルールを受納する光入・出力部と、前記光入・出力部の一主面上に形成され、前記光入・出力部と光学的に結合された光回路と、を備えた光信号処理回路であって、前記光入・出力部は、第１主面とこれと平行な第２主面とを有し、貫通穴が形成された基材と、前記基材の前記貫通穴に埋め込まれた成形体とからなり、前記光入・出力部には、前記基材の第２主面側から挿入される光ファイバまたはフェルールを位置決めして受納する位置決め部と、前記成形体からなる、光ファイバから出射されるビームを収束するビーム形状変換部とが形成されており、前記光回路は前記基材の第１主面側に形成され、該光回路には、光導波路と、該光導波路に光学的に結合された光機能素子と、該光機能素子に接続された電気配線と、前記光導波路の光路を前記ビーム形状変換部側へと変換する光路変換部とが形成されている、ことを特徴とする光信号処理回路、が提供される。
【００１１】
そして、好ましくは、前記位置決め部は、光ファイバまたはフェルールを呼び込む面取り部と、該面取り部に続き前記光ファイバまたは前記フェルールの光軸に直角方向の位置を規制するガイド部と、前記光ファイバまたは前記フェルールの先端の光軸方向の位置を規制するストッパ部とからなることを特徴とする。また、好ましくは、前記位置決め部は、前記基材の前記第２主面側から開けられた前記貫通穴の一部として形成されているか、あるいは、前記成形体に前記ビーム形状変換部と一体的に形成されている。
【００１２】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、第１主面とこれと平行な第２主面とを有する基材の第１主面上に、光導波路と、該光導波路に光学的に結合された光機能素子と、前記光導波路の光路を前記基材側に変換する光路変換部とを含む光回路を形成する工程と、前記基材の第２主面側から前記光路変換部に対応する位置の前記基材を加工して光ファイバまたはフェルールの位置決めを行う位置決め部を前記基材に形成する工程と、前記位置決め部の底の部分をさらに加工して前記基材を貫通する穴を形成する工程と、前記基材の貫通穴の底部に成形可能材料を供給し、該成形可能材料を成形して前記光路変換部のビーム形状と光ファイバのコアとを整合させるビーム形状変換部を形成する工程と、を具備する光信号処理回路の製造方法、が提供される。
【００１３】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、第１主面とこれと平行な第２主面とを有する基材の第１主面上に、光導波路と、該光導波路に光学的に結合された光機能素子と、前記光導波路の光路を前記基材側に変換する光路変換部とを含む光回路を形成する工程と、前記基材の第２主面側から前記光路変換部に対応する位置の前記基材を加工して前記基材を貫通する穴を形成する工程と、前記基材の第２主面側から前記光路変換部に対応する位置の前記基材を加工して光ファイバまたはフェルールの位置決めを行う位置決め部を前記基材に形成する工程と、前記基材の貫通穴の底部に成形可能材料を供給し、該成形可能材料を成形して前記光路変換部のビーム形状と光ファイバのコアとを整合させるビーム形状変換部を形成する工程と、を具備する光信号処理回路の製造方法、が提供される。
【００１４】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、第１主面とこれと平行な第２主面とを有する基材の第１主面上に、光導波路と、該光導波路に光学的に結合された光機能素子と、前記光導波路の光路を前記基材側に変換する光路変換部とを含む光回路を形成する工程と、前記基材の第２主面側から前記光路変換部に対応する位置の前記基材を加工して基材を貫通する穴を形成する工程と、前記基材の貫通穴内に成形可能材料を供給し、該成形可能材料を成形して光ファイバまたはフェルールの位置決めを行う位置決め部と、前記光路変換部のビーム形状と光ファイバのコアとを整合させるビーム形状変換部とを形成する工程と、を具備する光信号処理回路の製造方法、が提供される。
【００１５】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、第１主面とこれと平行な第２主面とを有する基材の第１主面上に、複数の光導波路と、該光導波路に光学的に結合された光機能素子と、前記光導波路の光路を前記基材側に変換する複数の光路変換部とを含む光回路を形成する工程と、前記基材の第２主面側から前記複数の光路変換部に対応する位置の前記基材を加工し該基材を貫通する、前記複数の光路変換部に共通する穴を形成する工程と、前記基材の貫通穴内に成形可能材料を供給し、該成形可能材料を成形して、前記複数の光路変換部のそれぞれに対応して、光ファイバまたはフェルールの位置決めを行う複数の位置決め部と、前記光路変換部のビーム形状と光ファイバのコアとを整合させる複数のビーム形状変換部とを一括成形する工程と、を具備する光信号処理回路の製造方法、が提供される。
【００１６】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、第１主面とこれと平行な第２主面とを有する基材の第１主面上に、複数の光導波路と、該光導波路に光学的に結合された光機能素子と、前記光導波路の光路を前記基材側に変換する複数の光路変換部とを含む光回路を形成する工程と、前記基材の第２主面側から前記複数の光路変換部に対応する位置の前記基材を加工し該基材を貫通する、前記複数の光路変換部に共通する穴を形成する工程と、前記基材の第２主面側から前記複数の光路変換部に対応するそれぞれの位置の前記基材を加工し前記基材に前記光路変換部のそれぞれに対応する位置決め部を形成する工程と、前記基材の貫通穴内に成形可能材料を供給し、該成形可能材料を成形して、前記複数の光路変換部のそれぞれに対応する、前記光路変換部のビーム形状と複数の光ファイバのコアとを整合させる複数のビーム形状変換部とを一括成形する工程と、を具備する光信号処理回路の製造方法、が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光信号処理回路によれば、光路変換部は小さくできるので、光配線を高密度に配線でき、光信号処理回路延いては光信号処理回路付半導体装置の伝送容量を大きくすることができる。あるいは光信号処理回路および光信号処理回路付半導体装置を小型化することができる。また、ビーム形状変換部や位置決め部を光回路部の基材に作ることができるので、外部の光ファイバとの結合部を小さくでき、実装時に光回路付半導体装置を高密度に実装できると共に、光回路付半導体装置の上面に放熱用のスペースを確保できる。また、位置決め部により、容易にファイバの位置決めができるので、外部光ファイバとの光結合におけるロスを少なくできる。さらに、ビーム形状変換部や位置決め部の形状を有機材料等の成形材料にて成形できるので、安価な光結合部を高精度に形成することができ、高効率の光結合を実現できる。
本発明の光信号処理回路の製造方法は、第１主面側に光回路を有する基材を第２主面側から加工して基材を貫通する穴を開け、その中に成形材料を供給して、その中に型を押し込むことによりビーム形状変換部や位置決め部を形成するものであるので、ビーム形状変換部や位置決め部を位置精度高くかつ高精度の形状に成形でき、さらに、複数の光導波路に対する複数のビーム形状変換部や位置決め部を一括成形できる等、量産性に優れており、位置精度が高くかつ形状精度に優れた光信号処理回路を安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明するための断面図。
【図２】図１に示す光路変換部を説明するための平面図。
【図３】本発明の第１の実施形態の光信号処理回路の製造方法の工程フロー図。
【図４】本発明の第２の実施形態を説明するための断面図。
【図５】本発明の第２の実施形態の光信号処理回路の製造方法の工程フロー図。
【図６】本発明での基材の加工方法の変更例を説明するための工程順の断面図（その１）。
【図７】本発明での基材の加工方法の変更例を説明するための工程順の断面図（その２）。
【図８】本発明の先行技術の光回路付半導体装置の構造を示す断面図（その１）。
【図９】本発明の先行技術の光回路付半導体装置の構造を示す断面図（その２）。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態の光信号処理回路付半導体装置を示す断面図である。図１に示されるように、光信号処理回路付半導体装置１は、半導体装置２と、半導体装置２に対面して配置され、接続部４を介して半導体装置２と電気に接続された光信号処理回路３とからなる。光信号処理回路３は、光ファイバ２０の端部を収納し、光信号の入・出射を行なう光入・出力部３ａと、光入・出力部３ａに接して形成された光回路３ｂとにより構成される。光入・出力部３ａは、貫通する、円錐台形状の穴５ａの開けられた基材５と、その穴５ａの中に充填された有機樹脂１２とにより構成され、有機樹脂１２には、成形により、凸レンズ状のビーム形状変換部１０と、この変換部１０に隣接して設置される光ファイバ２０の位置決めを行う位置決め部１１とが形成されている。
ここで、位置決め部１１は、光ファイバの挿入を容易にする面取り部１１ａと、光ファイバの光軸に垂直平面内の位置を規制するガイド部１１ｂと、光ファイバ先端部の光軸方向の位置を規制するストッパ部１１ｃとを有している。
【００２０】
光回路３ｂは、光入・出力部３ａの表面（図の下側）上に形成されており、コア６ａおよびクラッド６ｂ、６ｃを有する光導波路６と、光導波路６のコア６ａに光学的に結合された光機能素子７と、光機能素子７に接続された電気配線８と、光導波路６の光路を基材５側へ変換するグレーティング構造の光路変換部９とを有している。光機能素子７には、発光素子、受光素子、光変調素子などが含まれる。図１には受光素子の例が示されている。なお、この光機能素子７に接続される電気配線８は、実際には、図の手前側と奥側に存在しており、光導波路のコア６ａとは接触していない。
【００２１】
図２は、図１に示す光路変換部９を説明するための上方から透視した平面図であり、光路変換部９は、光導波路６のコア６ａが、通常の幅の通常配線部６ａ−１から、順次コア幅が広くなるスポットサイズ変換部６ａ−２に続くコア幅の広い幅広部６ａ−３の部分に設置されている。
光導波路のコアの細い通常配線部６ａ−１に閉じ込められて伝わってきたレーザ光のビーム径は、スポットサイズ変換部６ａ−２でコア幅同様に拡大される。コア幅およびビーム径が拡大された幅広部６ａ−３に設けられた光路を変換するグレーティングである光路変換部９により、レーザ光の光路は基材５側に切り替えられる。切り替えられたレーザ光は、光導波路の基材側のクラッド６ｂを通り、有機樹脂１２の中を伝わっていくが、ここでは光導波路のようなコアが存在しないためビーム径が拡散して行く。ここで、有機樹脂１２の屈折率は、光導波路６のクラッド６ｂと等しく、また、光の透過損失が低い材料であることが好ましい。また、有機樹脂１２は、成形が容易な有機材料が好ましいが、有機と無機のハイブリッド材料でもよく、また、部分的に金属材料が付加されていてもよい。
【００２２】
小さなＬＳＩチップ内で光信号を伝送する光導波路は、ＳｉＯＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉなどの高屈折材料を用いて、好ましくはコアの大きさを１μｍ以下に形成される。クラッドには、低屈折率のＳｉＯ２が用いられるのが一般的であり、部分的には、何も設けず、空気とすることも可能である。
この場合、スポットサイズ変換部を介して拡大されたコア幅は２〜５μｍ程度が好適である。それは、コア幅が狭すぎると位置決め精度が厳しくなりすぎ、コア幅を拡大しすぎると光配線密度を高くできなくなるからである。
光路変換部におけるコア幅を２μｍとすると、レーザ光の波長やクラッド材や有機材料の種類により異なるが、光路が切り替えられたレーザ光は、グレーティングの位置から数十μｍ程度の位置で、光ファイバ２０のコア２０ａと同等のビーム径になる。この位置に、グレーティング９でビームウエストを持ち拡散して行くレーザ光を略平行光に変換するビーム形状変換部１０を設置する。
【００２３】
また、このビーム形状変換部１０に近接して、光ファイバ２０のコア２０ａの先端位置が来るようにストッパ部１１ｃの位置を形成し、また、レーザ光の光軸と光ファイバの光軸が一致するようにガイド部１１ｂが形成されている。
一般に光回路の基材５の厚みは強度の問題もあり２００μｍ以上を確保することが好ましく、この場合、ビーム形状変換部１０は、基材の内部の、しかも光回路３ｂに近い位置となるので、位置決め部１１を設置する厚みを基材５内に確保できる。
基材５の裏面（図の上側の面）から空けられた穴５ａの大きさは、その穴の中にビーム形状変換部１０と位置決め部１１が丁度形成できる大きさにすることが好ましい。必要以上に大きくすると穴の内部に充填する有機樹脂１２の量が多くなり、温度や湿度の変化による膨張・収縮、さらに経年変化などの影響により有機材料の形状が変化する量が大きくなり、効率的なファイバとの結合が阻害される可能性があるためである。
【００２４】
本実施形態では、ビーム形状変換部１０は、凸レンズにより構成していたが、同様の機能を持つフレネルレンズやグレーティング構造のレンズでもよい。また、光路変換部９にグレーティング構造を用いていたが、導波路を略４５度でカットし、切断面に金属をコーティングするなどしてミラーを形成してもよい。また、本実施形態では、ビーム形状変換部１０や位置決め部１１を形成するのに有機材料を用いていたが、これに代え型により成形を行なうことのできる他の材料、例えば低融点ガラスなどを用いてもよい。また、位置決め部１１により光ファイバ２０の外形を直接規制して位置決めしていたが、光ファイバ２０をフェルールに保持固定させ、このフェルールを位置決めするようにしてもよい。また、このフェルールを位置決めするにも、フェルールの外形を規制してもよく、また、フェルールに設けた位置決めピンやピン穴を利用してもよい。
【００２５】
以上の構成により、光ファイバ２０を光信号処理回路３の光入・出力部３ａに設けられた位置決め部１１に挿入すると、面取り部１１ａで正しい位置に呼び込まれ、ガイド部１１ｂで光軸が合わされ、またストッパ部１１ｃで光ファイバのコア２０ａの先端部とビーム形状変換部１０とが近接して位置決めされるので、光導波路６のコア６ａを通るレーザ光を効率よく光ファイバ２０のコア２０ａに導くことができる。また、光ファイバ２０は、光信号処理回路付半導体装置１の上面から上方に引き出されるため、光信号処理回路付半導体装置１を基板に実装した際にも周囲の他の電気部品との干渉を避けることができ、高密度の実装が可能となる。また、光路変換部９は光ファイバのコアより小さいため、光ファイバのコアの下の光路変換部９周辺にも他の光導波路を配置でき、高密度の光配線が実現できる。
【００２６】
また、形状が複雑なビーム形状変換部１０とファイバ位置決め部１１を、成形が容易な有機樹脂１２で成形しているため、安価にかつ設計どおりの形状に作ることができる。また、有機樹脂１２は基材５の穴５ａの中にあり、有機樹脂１２の周囲を基材５が取り囲む構造となるので、有機材料の温度や湿度の変化による膨張・収縮、さらに経年変化などの影響を低減でき、安定した構造を実現できる。
上記説明では、光導波路から光ファイバへの結合を例に説明したが、逆に光ファイバから光導波路への結合も同様に行なわれる。
【００２７】
［第１の実施形態の製造方法］
次に、第１の実施形態での光信号処理回路３の製造方法について、その工程フローを示す図３を参照して説明する。まず、ステップＳ１１にて、基材５上に光回路３ｂを形成する。すなわち、基材５上に、光路変換部９を有する光導波路６を形成し、光導波路６のコアに光学的に結合された光機能素子７を形成し、光機能素子７に接続される電気配線８を形成する。次に、ステップＳ１２にて、基材５の裏面から光路変換部に対応する位置の基材を加工して基材を貫通する穴５ａを形成する。この穴開け工程は、前記光路変換部に対応する位置に開ける必要があるが、高精度に位置決めする必要なく、また、穴の形状や大きさもあまり高精度に管理する必要はない。そのため、加工方法は、ウエットエッチング、ドライエッチング、ミリング、その他機械加工など、基材に合わせて適当な方法を選択することができる。特に基材がＳｉの場合は、ウエットエッチングにより簡易にかつ安価に穴を形成できる。
【００２８】
次のステップＳ１３では、形成した穴の底に有機材料を充填する。この工程では、ディスペンサ等を用いて、穴の中に適量の有機材料を塗布するだけでよい。次に、ステップＳ１４にて、充填した有機材料の中に型を押し込み、光ファイバまたは光ファイバの位置決めを行ないそれを保持固定する位置決め部１１と、光路変換部のビーム形状と光ファイバのコアとを整合させるビーム形状変換部１０とを成形する。この工程で用いる型は、事前に精度よく加工しておく必要があるが、個々の成形時には、型を位置決めして有機材料に押し込むだけでよい。また、位置決めも、ステップＳ１２にて基材が除去されているので、有機材料を充填する工程の前に、裏面（図１の上側）から光導波路の光路変換部を容易に確認でき、容易に精度よく位置決めが可能である。最後に、ステップＳ１５にて、成形した有機材料を固化して、ビーム形状変換部１０と位置決め部１１を完成させる。この工程では、有機材料に熱硬化型の材料を用いた場合は、加熱することで固化する。また、有機材料に紫外線硬化型の材料を用いた場合は、ガラス等の透明材料で型を形成すれば、型上から紫外線を照射して容易に硬化させることができる。また、硬化剤を混合させた材料を用いた場合は、固化するまで型を保持すればよい。また、有機材料に熱可塑性材料を用いた場合は、加熱して軟化した材料を穴の底に充填して、加熱したまま型で成形し、その後冷却する。一般に有機材料が固化するときには体積収縮を起こすが、基材にあける穴を最小限の大きさとして、充填する有機材料の量を少なくすれば、収縮量も小さく、収縮のばらつきも小さくできるので、設計どおりの形状を実現できる。
【００２９】
［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態の光信号処理回路付半導体装置を示す断面図である。本実施形態の光信号処理回路付半導体装置１は、第１の実施形態のそれに比し、光信号処理回路３の光入出力部３ａの構造が異なるのみで、他の部分は同様である。本実施形態においては、位置決め部１１が基材５に作り込まれており、そして有機樹脂１２は、ビーム形状変換部１０を形成するためのみに用いられている。
本実施形態の光信号処理回路では、位置決め部１１が基材５で形成されているため、有機材料に比べて硬く磨耗しにくく、また、熱膨張率も小さいため、温度や湿度の変化による位置ずれが起き難く、長期信頼性に優れている。
【００３０】
［第２の実施形態の製造方法］
次に、第２の実施形態での光信号処理回路３の製造方法について、その工程フローを示す図５を参照して説明する。まず、ステップＳ２１にて、先の説明におけるステップＳ１１と同様にして、基材５上に光回路３ｂを形成する。次に、ステップＳ２２にて、基材５の裏面（図４の上側）から光路変換部９に対応する位置の基材を加工し、光ファイバまたはフェルールの位置決めを行う位置決め部１１を形成する。この工程では、ドライエッチング等を用いて位置決め部を高い精度に形成する。次いで、ステップＳ２３では、位置決め部１１の底の部分をさらに加工して、基材５を貫通する穴５ａを形成する。この工程は、先のステップＳ１２の工程と同様に高い精度は要求されないので、ウエットエッチング、ドライエッチング、ミリング、その他機械加工など、基材に合わせて適当な方法で行なう。次いで、ステップＳ２４にて、加工した穴の底に有機材料を充填する。この工程では、ディスペンサ等を用いて、穴の中に適量の有機材料を供給する。そして、ステップＳ２５にて、充填した有機樹脂の中に型を押し込み、光路変換部９のビーム形状と光ファイバ２０のコア２０ａとを整合させるビーム形状変換部１０を成形する。この工程で使用する型は、事前にビーム形状変換部の形状に精度よく加工したものであり、これを基材裏面（図４の上側）から光導波路の光路変換部９を確認して位置決めして押し込む。最後に、ステップＳ２６にて、成形した有機材料を、その材料に適した硬化／固化方法を用いて固化して、ビーム形状変換部１０を形成する。
【００３１】
上記フローにおいて、ステップＳ２２では、位置決め部の下穴加工と仕上げ加工に分けて行うことも可能である。さらに、図６に示すように、下穴加工と仕上げ加工の間にステップＳ２３の穴開け工程を行なってもよい。つまり、まず基材５に下穴５ｂを形成し〔図６（ａ）〕、下穴５ｂの底面に基材５を貫通する穴５ａを形成した〔図６（ｂ）〕後、基材５に位置決め部１１を加工する〔図６（ｃ）〕。また、図７に示すように、下穴加工により、ステップＳ２３を兼ねることも可能である。つまり、まず基材５に下穴を兼ねる基材貫通穴５ａを開け〔図７（ａ）〕、その後に基材５に位置決め部１１を加工する〔図７（ｂ）〕。
後２者の方法によれば、位置決め部の加工の際に、基材が除去されているので、裏面側から光導波路６の光路変換部９を容易に確認でき、高精度の位置決め加工が可能となる。
また、ステップＳ２５の型押し込み工程では、その位置決めを単に光導波路の光路変換部を確認して行なうだけではなく、ステップＳ２２で形成した位置決め部１１を測定して、位置決め部の加工位置ずれを考慮して型を押し込む位置を補正することも可能である。
【００３２】
［複数の位置決め部１１を有する実施形態］
図１、図４に示した光信号処理回路３は、1つの光ファイバ２０を受納するものであったが、複数の光ファイバ２０を受納するようにすることもできる。すなわち、図の奥行き方向（Ｙ方向）に、複数の光導波路６と光路変換部９を設け、基材５に光路変換部９のそれぞれに対応する位置に複数の穴５ａを開け、それぞれにビーム形状変換部１０と位置決め部１１を設置するようにしてもよい。さらに、図１、図４の左右方向（Ｘ方向）にも複数の光ファイバ２０を受納できるようにして、ビーム形状変換部１０と位置決め部１１がマトリクス状に配列されるようにしてもよい。
【００３３】
また、複数の対になるビーム形状変換部１０とファイバ位置決め部１１を、基材５の裏面側から開けられた１つの穴５ａの中に、有機樹脂１２にて一体成形することもできる。図１を借用してその工程について簡単に説明すると、基材５をその裏面側（図の上側）から加工して図の奥側（Ｙ方向）に長大な穴５ａを開け、その穴に樹脂を充填した後、複数のビーム形状変換部、ファイバ位置決め部を一括成形するための型を押し込み、有機樹脂を固化させて複数組のビーム形状変換部１０とファイバ位置決め部１１を形成する。
【００３４】
また、複数のビーム形状変換部１０は基材５の裏面側から開けられた１つの穴５ａの中に有機樹脂１２にて一体成形し、複数のファイバ位置決め部１１は個別に基材５に形成することもできる。その工程について図６を借用して簡単に説明する。基材５をその裏面側（図の上側）から加工して図の奥側（Ｙ方向）に長大な下穴５ｂを開け〔図６（ａ）〕、その穴の底面にさらに加工を加えて図の奥側（Ｙ方向）に長大な、基材５を貫通する穴５ａを開ける〔図６（ｂ）〕。その後、さらに基材５を加工して、Ｙ方向に複数存在する光路変換部９のそれぞれに対応する位置に、位置決め部１１を形成する〔図６（ｃ）〕。そして、穴５ａの底に樹脂を充填した後、複数のビーム形状変換部を一括成形するための型を押し込み、有機樹脂を固化させて複数のビーム形状変換部１０を一括形成する。
【符号の説明】
【００３５】
１    光信号処理回路付半導体装置
２    半導体装置
３    光信号処理回路
３ａ    光入・出力部
３ｂ    光回路
４    接続部
５    基材
５ａ    穴
５ｂ    下穴
６    光導波路
６ａ    コア
６ａ−１    通常配線部
６ａ−２    スポットサイズ変換部
６ａ−３    幅広部
６ｂ、６ｃ    クラッド
７    光機能素子
８    電気配線
９    光路変換部
１０    ビーム形状変換部
１１    位置決め部
１１ａ    面取り部
１１ｂ    ガイド部
１１ｃ    ストッパ部
１２    有機樹脂
２０    光ファイバ
２０ａ    コア
２０ｂ    クラッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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