(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に搭載された光を放出する光源素子と、
前記半導体基板に集積された該光を前記半導体基板表面に対して水平方向に導波する導波路と該導波路を通過した光を前記水平方向と異なる方向に進路を変換する光路変換手段とを含む変調器素子部と、前記半導体基板外部より入射する光を受光する受光素子と、前記受光素子を含む光素子を駆動する光素子駆動回路とを有し、
前記光路変換手段を通過した光は、前記半導体基板の一主面から入射し、前記半導体基板内を通過し、前記一主面に対向する他の主面から前記半導体基板外部に出射され、
前記半導体基板は、シリコン材料で構成され、前記光源素子は、化合物半導体に形成されたレーザ光源素子であり、前記光源素子から発振される光の波長が１μｍ以上であり、
前記光路変換手段を通過し、光路変換された光が進行する方向と前記半導体基板の他の主面とが交差する位置を含む領域に設けられたレンズ機能を有する第１の構造体と、
前記半導体基板外部より進入し前記受光素子に入射する光が進む方向と前記半導体基板の他の主面とが交差する位置を含む領域に設けられたレンズ機能を有する第２の構造体とを設けたことを特徴とする光インターコネクトモジュール。
【請求項２】
前記光路変換手段は、前記導波路の一端を３５〜５５度の角度を有するテーパ加工して得られる構造を有することを特徴とする請求項１に記載の光インターコネクトモジュール。
【請求項３】
前記受光素子部は、受光部にゲルマニウム材料を用いることを特徴とする請求項１に記載の光インターコネクトモジュール。
【請求項４】
前記光素子駆動回路は、前記変調器素子部を駆動するドライバ回路と、前記受光素子からの出力電気信号を増幅するトランスインピーダンス増幅回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の光インターコネクトモジュール。
【請求項５】
前記レーザ光源素子と、前記変調器素子部と、前記受光素子部と、前記光素子駆動回路とが、前記半導体基板上にそれぞれ２チャンネル以上のアレイをなすように配置され、
前記変調器素子部で構成された変調器素子部アレイと前記受光素子部で構成された受光素子アレイとが前記半導体基板上で対向するように配置され、
前記変調器素子部アレイと前記受光素子アレイとの間に、前記変調器素子部を駆動するドライバ回路と前記トランスインピーダンス回路がそれぞれ載置されていることを特徴とする請求項４に記載の光インターコネクトモジュール。
【請求項６】
前記半導体基板上に変調器素子部と、前記受光素子部と、前記光素子駆動回路とがそれぞれ２チャンネル以上のアレイをなすように配置され、
前記レーザ光源素子一つに対して前記変調器素子部がＮ個（Ｎ≧２）からなるアレイを有し、
前記レーザ光源素子から放出される光を１：Ｎ（Ｎは、２以上の自然数）に分岐する分岐構造を有する光導波路を介して光学的に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の光インターコネクトモジュール。
【請求項７】
請求項１に記載の光インターコネクトモジュールが搭載された光電気ハイブリッド混載ボードであって、
基板上に設けられたクラッド層と、該クラッド層よりも屈折率の高い材料で囲まれてなる配線コアと、該配線コアの端部に光路変換ミラー構造を具備する光導波路を具備した光配線基板を有し、
前記光インターコネクトモジュールは前記光配線基板上に実装され、
前記光インターコネクトモジュールに設けられたレーザ素子および外部変調器と前記光導波路、または前記光導波路と受光素子部との間でやりとりされる信号が、シリコン基板を介して基板垂直方向で光学的に接続された光電気ハイブリッド混載ボード。
【請求項８】
前記光導波路は、ポリマ材料で形成されていることを特徴とする請求項７に記載の光電気ハイブリッド混載ボード。
【請求項９】
前記光導波路を少なくとも２層以上有し、前記光インターコネクトモジュールと光学的に接続された前記光配線基板において、
前記変調器素子部と光学的に接続された第１の光導波路と、前記受光素子部と光学的に接続された第２の光導波路とが、それぞれ異なる層に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の光電気ハイブリッド混載ボード。
【請求項１０】
前記光インターコネクトモジュール上に電気ビアを具備したインターポーザ基板が設けられ、
該インターポーザ基板上にＬＳＩ回路が載置され、
前記光インターコネクトモジュールに集積された前記変調器素子部、受光素子部、または前記駆動回路と前記ＬＳＩ回路とが前記インターポーザ基板を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の光電気ハイブリッド混載ボード。
【請求項１１】
前記インターポーザ基板は、セラミックまたは半導体材料によって形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の光電気ハイブリッド混載ボード。
【請求項１２】
前記光インターコネクトモジュールに集積されたレーザ光源素子にバイアスを供給する第１の電気配線の引き回し方向と、
前記変調器素子部を駆動するために設けられた第２の電気配線の引き回し方向とは、互いに異なる方向に配線され、
前記第１の電気配線は、前記インターポーザ基板を介して前記光配線基板上と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の光電気ハイブリッド混載ボード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、データ処理装置などの機器間又は機器内において、チップ間やボード間で送受信される高速光信号を伝送する際の送受信部となる光インターコネクトモジュールおよび、それを用いてボード上にて光及び電気の信号処理を行う光電気ハイブリッド混載ボードに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年情報通信分野において、光を用いて大容量のデータを高速でやりとりする情報通信トラフィックの整備が急速に行われつつあり、これまで基幹、メトロ、アクセス系といった数ｋｍ以上の比較的長い距離について光ファイバ網が展開されてきた。今後はさらに、ルータやサーバなどのＩＴ機器間（数ｍ〜数百ｍ）或いは機器内（数ｃｍ〜数十ｃｍ）といった極めて近距離についても、大容量データを遅延なく処理するため、信号配線を光化することが有効である。
【０００３】
機器間／内の光配線化に関して、例えばルータ／スイッチなどの伝送装置では、イーサなど外部から光ファイバを通して伝送された高周波信号をラインカードと呼ばれる回路ボードに入力する。このラインカードは１枚のバックプレーンに対して数枚で構成されており、各ラインカードへの入力信号はさらにバックプレーンを介してスイッチカードと呼ばれる回路ボードに集められ、スイッチカード内のＬＳＩにて処理した後、再度バックプレーンを介して各ラインカードに出力している。ここで、現状の装置では各ラインカードから現状１Ｔｂpｓ以上の信号がバックプレーンを介してスイッチカードに集まる。これを現状の電気配線で伝送するには、伝播損失の関係で配線１本あたり１〜８Ｇｂpｓ程度に分割する必要があるため、１００本以上の配線数が必要となる。
【０００４】
さらに、これら高周波線路に対して波形成形回路や、反射、或いは配線間クロストークの対策が必要である。今後、さらにシステムの大容量化が進み、Ｔｂps以上の情報を処理する装置になると、従来の電気配線では配線本数やクロストーク対策等の課題がますます深刻となってくる。これに対し、装置内ラインカード〜バックプレーン〜スイッチカードのボード間、さらにはボード内チップ間の信号伝送線路を光化することによって、１０Ｇｂｐｓ以上の高周波信号を低損失で伝播可能となるため、配線本数が少なくすむことと、高周波信号に対しても上記の対策が必要無くなるため有望である。また、上記ルータ／スイッチの他にも、ビデオカメラなどの映像機器やＰＣ、携帯電話などの民生機器においても、今後画像高精細化にあたりモニタと端末間での映像信号伝送の高速・大容量化が求められるとともに、従来の電気配線では信号遅延、ノイズ対策等の課題が顕著となるため、信号伝送線路の光化が有効である。
【０００５】
このような高速光インターコネクト回路を実現し、機器間／内に適用するためには、安価な作製手段で性能面、小型・集積化、および部品実装性に優れる光モジュール、回路が必要となる。そこで、配線媒体に従来の光ファイバより安価で高密度化に有利な光導波路を用い、基板上に光学部品と光導波路を集積した小型、高速の光モジュールが提案されている。インターコネクト伝送速度は、現状の１０Ｇｂｐｓ／ｃｈをベースとした光モジュールから、今後更に２５Ｇｂｐｓ／ｃｈや４０Ｇｂｐｓ／ｃｈの高速化が必要になると予想される。これに関し、光インターコネクト向け光源としては、現状面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等に代表される直接変調方式が主流である。しかし、上記２５Ｇｂｐｓ/ｃｈ以上の伝送速度は直接変調方式の限界と予想されるため、今後外部変調方式光源を用いた光モジュールが高速化アプローチの一つになると考えられる。
【０００６】
光インターコネクトモジュールの従来方式の例として、光導波路配線基板上に、発光素子アレイと受光素子アレイ、および集積回路がそれぞれ集積された光モジュールを、半田ボールによって実装する光インターコネクト実装形態が特許文献１に開示されている。本例では、光導波路配線基板上に光モジュールを実装した際に、発光素子アレイ或いは受光素子アレイと光導波路間で、基板垂直方向に光の接続が行われると同時に、光モジュールと光導波路配線基板間で電気的な接続が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２９４２２６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に開示されている光インターコネクトモジュールの実装形態によれば、光モジュールには面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの表面出射型発光素子や、表面入射型受光素子が実装される。すなわち、光信号がやりとりされる発受光面と、電気信号がやりとりされる電極が、光素子の同一面上に形成されているため、ワイヤボンド実装により光素子と光導波路間の空間的光学距離が増大することになる。これにより、空間部分での光のビーム拡がりによる光素子−光導波路間光接続損失の増大を引き起こすこととなる。特に受光部では、今後の光モジュール高速化（２０Ｇｂｐｓ／ｃｈ以上）に対して、受光素子の受光径が小さく（２０μｍφ以下）となるため、光のビーム拡がりによる光接続損失増大の影響が益々顕著となる。さらに、今後２５Ｇｂｐｓ／ｃｈや４０Ｇｂｐｓ／ｃｈの伝送速度高速化が進むにつれて、光源素子と面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等に代表される直接変調方式の限界や、ワイヤボンド実装におけるインダクタンス（Ｌ）の影響による電気信号の劣化の影響も顕著となってくると予想される。
【０００９】
以上より、本発明の目的は、データ処理装置などの機器間又は機器内において、チップ間やボード間で送受信される高速光信号を伝送する際に、安価な作製手段で伝送速度高速化、小型・集積化、および部品実装性に優れる光インターコネクトモジュールおよび、それを用いてボード上にて光及び電気の信号処理を、低損失且つ高速に行う光電気ハイブリッド混載ボードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の光インターコネクトモジュールの主要な構成は、次の通りとなる。
【００１１】
半導体基板上に搭載された光を放出する光源素子と、半導体基板に集積された該光を半導体基板表面に対して水平方向に導波する導波路と該導波路を通過した光を水平方向と異なる方向に進路を変換する光路変換手段とを含む変調器素子部と、半導体基板外部より入射する光を受光する受光素子と、受光素子を含む光素子を駆動する光素子駆動回路とを有し、光路変換手段を通過した光は、半導体基板の一主面から入射し、半導体基板内を通過し、一主面に対向する他の主面から半導体基板外部に出射されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の光電気ハイブリッド混載ボードの主要な構成は、次の通りとなる。
【００１３】
上述の光インターコネクトモジュールが搭載された光電気ハイブリッド混載ボードであって、基板上に設けられたクラッド層と、該クラッド層よりも屈折率の高い材料で囲まれてなる配線コアと、該配線コアの端部に光路変換ミラー構造を具備する光導波路を具備した光配線基板を有し、光インターコネクトモジュールは光配線基板上に実装され、光インターコネクトモジュールに設けられたレーザ素子および外部変調器と光導波路、または光導波路と受光素子部との間でやりとりされる信号が、シリコン基板を介して基板垂直方向で光学的に接続されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光素子と駆動回路がＳｉの１チップに高密度に実装されるとともに、光変調器と受光素子がモノリシックに集積された高速・送受信一体の光インターコネクトモジュールを得ることができる。また、本発明の光インターコネクトモジュールを、光路変換ミラー構造を具備する光導波路を設けた基板上に実装することにより、光素子と光導波路間でやりとりされる信号が、Ｓｉ基板を介して高効率に光学接続された光電気ハイブリッド混載ボードを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】本発明の第一の実施例である光インターコネクトモジュールの断面図である。
【図１Ｂ】本発明の第一の実施例である光インターコネクトモジュールの上面図である。
【図２】本発明の第二の実施例である光インターコネクトモジュールの断面図である。
【図３Ａ】本発明の第三の実施例である光インターコネクトモジュールの製造方法の一例の、半導体基板上に変調器素子部を構成する材料層を形成した図である。
【図３Ｂ】本発明の第三の実施例である光インターコネクトモジュールの製造方法の一例の、半導体基板上に変調器素子部を形成した図である。
【図３Ｃ】本発明の第三の実施例である光インターコネクトモジュールの製造方法の一例の、半導体基板上に光素子駆動回路を形成した図である。
【図３Ｄ】本発明の第三の実施例である光インターコネクトモジュールの製造方法の一例の、半導体基板上に受光素子部を形成した図である。
【図３Ｅ】本発明の第三の実施例である光インターコネクトモジュールの製造方法の一例の、変調器素子部の光出力端に、光路変換部設けた図である。
【図３Ｆ】本発明の第三の実施例である光インターコネクトモジュールの製造方法の一例の、レーザ光源素子を駆動するためのバイアス電源ラインを形成した図である。
【図３Ｇ】本発明の第三の実施例である光インターコネクトモジュールの製造方法の一例の、光インターコネクトモジュールの配線パタン上に、レーザ光源素子を搭載した図である。
【図４】本発明の第四の実施例である光インターコネクションモジュールの上面図である。
【図５】本発明の第五の実施例である光インターコネクトモジュールが実装された光電気ハイブリッド混載ボードの断面図である。
【図６】本発明の第六の実施例である光インターコネクトモジュールが実装された光電気ハイブリッド混載ボードの断面図である。
【図７】本発明の第六の実施例である第一および第二の光インターコネクトモジュールがそれぞれ実装された光電気ハイブリッド混載ボードの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、図面を用いて、本発明の実施の形態を詳細に述べる。
【実施例１】
【００１７】
図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ本発明の第一の実施例である光インターコネクトモジュールの概要を示す断面図および上面図である。図１Ａの断面図に示すように、本実施例では、Ｓｉ材料でできたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｘｉｄｅ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）などの半導体基板１００と、同半導体基板１００上に、レーザ光源素子１０１、および同光源素子１０１と光学的に接続され、基板水平方向にＳｉ導波路で形成した変調器素子部１０２を形成している。ここで、変調器素子部１０２の光出力端には、Ｓｉ導波路の先端部を４５度テーパ加工した光路変換部１１４を設けることによって、基板水平方向にＳｉ導波路内を伝播する光が、基板垂直下方に９０度折り曲げられる構造としている。
【００１８】
本実施例では、一例として、Ｓｉ導波路の先端部のテーパ角度は、４５度の場合を示したが、一般に、加工精度のばらつきは±１０度程度が想定される。従って、実際の仕上がりテーパ角度は、設計上４５度の場合には、３５〜５５度の範囲内で仕上がる。
【００１９】
この程度の角度の範囲内であれば、出射光あるいは入射光の光路、あるいは特性に影響を与える恐れはないものと考えられる。
【００２０】
また、前記同一の半導体基板１００上には受光素子部１０３と、光素子駆動回路１０４Ａがモノリシックに集積されている。光素子駆動回路１０４は、前記変調器素子部１０２を駆動するドライバ回路１０４と、前記受光素子部１０３からの出力電気信号を増幅するトランスインピーダンス増幅回路１１５を構成している。
【００２１】
図１Ｂでは、図１Ａで図示していないバイアス電源ライン１１６ａ、ｂや高周波電気線路１１７ａ〜ｄが示されている。従って、図１Ａにおいても図１Ｂと同様に電気的に配線されているものとする。
【００２２】
本構造によれば、レーザ光源素子１０１から出射された光１０５ａは、変調器素子部１０２と光学接続され、基板水平方向にＳｉ導波路内を伝播する際に高速変調される。この時、変調器素子部１０２は同一の半導体基板１００上に集積されたドライバ回路１０４と電気的に接続されているとともに、ドライバ回路１０４からの高周波電気信号が変調器素子部１０２に入力されている。さらに、Ｓｉ導波路内伝播の変調光は、導波路先端の光路変換部１１４によって、基板垂直下方に９０度折り曲げられた後、Ｓｉ半導体基板１００内を通過し、基板外部に出射される。
【００２３】
同様に、基板下方の外部から、基板垂直方向の上部に向かって入射された光信号は、Ｓｉ半導体基板１００内を通過した後、受光素子部１０３と光学的に接続され電気信号に変換された後、同一の半導体基板１００上に集積されたトランスインピーダンス増幅回路１１５を介して信号出力される。
【００２４】
上述のように、本構造によって、レーザ光源素子１０１と変調器素子部１０２とを集積した光源を適用することにより、光通信や光インターコネクト用の光デバイスとして良く用いられている直接変調型のレーザ素子と比較して、２０Ｇｂｐｓ以上の超高速な光信号伝送が可能となる。さらに、図１Ａのように、変調器素子部１０２、受光素子１０３、駆動回路１０４、１１５をそれぞれＳｉの１チップにモノリシックに集積することで、光デバイスおよび回路をSiウェハプロセスで一括に作製でき、安価且つチップスケールに小型化された光インターコネクトモジュールが実現可能である。
【００２５】
なお、Ｓｉ半導体基板１００上に載置されるレーザ光源素子１０１は、インジウム燐（ＩｎＰ）などの化合物半導体材料を用いた基板上に作製されたレーザ素子を用いる。また、本光インターコネクトモジュールはＳｉ材料を用いた基板および変調器素子部で構成されているため、レーザ光源素子１０１の発振波長はＳｉでの光吸収の問題を回避するため１μｍ以上の赤外波長帯とする。同様に、Ｓｉ半導体基板１００上に形成する受光素子部１０３は、受光部に上記１μｍ以上の赤外波長帯に吸収感度を有し、Ｓｉのウェハプロセスにて作製可能なゲルマニウム（Ｇｅ）材料を用いて形成している。ここで、Ｇｅ材料を用いるのは、言うまでもなく、本発明で使用する光の波長帯域が１μｍ以上であることを鑑みて、赤外波長帯において吸収感度を向上させるためである。
【００２６】
図１Ｂは、本発明の第一の実施例である光インターコネクトモジュールの上面図を示す。図１Ｂのように、Ｓｉ半導体基板１００上に載置されるレーザ光源素子１０１、変調器素子部１０２と、受光素子部１０３、および光素子駆動回路１０４、１１５がそれぞれ２チャンネル以上（ここでは、４チャンネルの場合を示す）のアレイで構成されている。
【００２７】
また、図１Ｂの構成では変調器素子部１０２アレイと受光素子１０３アレイがそれぞれ半導体基板１００上で対向する位置に配置され、同変調器素子部１０２アレイと受光素子１０３アレイとの間に、ドライバ回路１０４とトランスインピーダンス増幅回路１１５をそれぞれ載置している。
【００２８】
さらに、レーザ光源素子１０１を駆動するための電源やグランド（ＧＮＤ）等のバイアス電源ライン１１６ａ、１１６ｂを、レーザ光源素子１０１の光出射面と反対の面の後方部の半導体基板１００上に形成している。また、変調器素子部１０２アレイとドライバ回路１０４間、および受光素子１０３アレイとトランスインピーダンス増幅回路１１５間を繋ぐ、高周波電気線路１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃ、１１７ｄについても半導体基板１００上に形成している。
【００２９】
図１Ｂに示すように、バイアス電源ライン１１６ａ、１１６ｂは、本図の左方に引き出され、一方、高周波電気線路１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃ、１１７ｄは、右方に引き出されていることが分かる。これは、高周波の電気的変動がバイアス電源ラインにノイズとして干渉を生じないように考慮して配置しているからである。高周波電気線路と電源ラインとは、互いに並走して配線することなく、できるだけ距離を離し、かつ、異なる方向に配線を行うことが好ましい。
【００３０】
上述した構成によって、変調器素子部１０２、受光素子１０３、駆動回路１０４、１１５をそれぞれ多チャンネルアレイ形態でＳｉの１チップにモノリシックに集積することで、小型および高密度で大容量の信号伝送を可能とする光インターコネクトモジュールを実現できる。
【実施例２】
【００３１】
図２は、本発明の第二の実施例である光インターコネクトモジュールの断面図である。本実施例では半導体基板１００の表面上に形成している、変調器素子部１０２の前端に設けた光路変換部１１４とは反対の基板面（裏面）の、光路変換部１１４から基板垂直方向に引いた延長線上にレンズ１１３ａを設けた構造としている。
【００３２】
本構造によって、Ｓｉ導波路内伝播の変調光は、導波路先端の光路変換部１１４によって、基板垂直下方に９０度折り曲げられた後、Ｓｉ半導体基板１００内を通過し、基板外部に出射される。この際、基板外部への出射光のビーム拡がりは、基板裏面に設けたレンズ１１３ａによって抑制或いは集光されるため、本光インターコネクトモジュールとその外部の光配線との間の高効率な光接続が可能となる。
【００３３】
また、同様に受光側についても、半導体基板１００の表面上に形成している受光素子部１０３とは反対の基板面（裏面）の、受光素子部１０３から基板垂直方向に引いた延長線上にレンズ１１３ｂを設けた構造としている。本構造によっても、基板外部からの入射光は、基板裏面に設けたレンズ１１３ｂによって集光され、基板表面の受光素子部１０３と高効率に光接続される。なお、上記Ｓｉ半導体基板１００の裏面に設けるレンズは、光源側レンズ１１３ａのような任意の曲率の球面或いは非球面レンズ、若しくは受光側レンズ１１３ｂのようなフレネルレンズ形状のものでも良い。
【００３４】
ここで、光源側レンズ１１３ａに、球面或いは非球面レンズのみならず、フレネルレンズ形状のレンズを適用しても良いし、逆に、受光側レンズ１１３ｂにフレネルレンズ形状のレンズのみならず、球面或いは非球面レンズを適用しても良い。光源側レンズ１１３ａおよび受光側レンズ１１３ｂの両方に上述の同種のレンズを用いても構わない。
【実施例３】
【００３５】
図３Ａ〜図３Ｇは、本発明の第三の実施例である光インターコネクトモジュールの製造方法の一例を示す図である。
【００３６】
先ず、図３Ａに示すように、半導体基板１００に絶縁層（酸化ケイ素層）１０６と、シリコン層などの半導体層が積層されたＳＯＩ基板が用意され、そのＳＯＩ基板上に、変調器素子部１０２を構成する材料層１０２’が形成される。
【００３７】
次に、図３Ｂに示すように、材料層１０２’は、マスクを用いてパターニングされて、変調器素子部１０２に加工される。変調器素子部１０２の材料や作製方法については特に言及しないが、ＳｉやＳｉＯ２、ＳｉＮなどを用いて、エピタキシャル成長や堆積法、或いはエッチング等によって作製可能である。
【００３８】
本実施例では、変調器素子部１０２を半導体基板１００上に形成する構造の例を示したが、用途に応じては、半導体基板１００内に埋め込んで、半導体基板の表面に突出しないような構造とすることができる。その際の形成方法としては、半導体基板１００に溝を形成し、その溝内に変調器素子部を構成する材料を埋め込む方法がある。
【００３９】
引き続いて、図３Ｃのように、半導体基板１００上の変調器素子部１０２の近傍部分に、光素子駆動回路１０４、トランスインピーダンス増幅回路１１５を形成する。この時、光素子駆動回路は後のウェハプロセス工程を考慮して、メタル配線の前段階まで実施しておいても良い。
【００４０】
次に、図３Ｄのように、また、同半導体基板１００上のトランスインピーダンス増幅回路１１５の近傍部分に、受光素子部１０３を形成する。この際も、実施例１で説明したように、受光素子部１０３にゲルマニウム（Ｇｅ）材料を用いて、エピタキシャル成長等のＳｉのウェハプロセスにて基板上に一体作製可能である。
【００４１】
図３Ｃ−３Ｄにおいては、光素子駆動回路１０４、トランスインピーダンス増幅回路１１５、あるいは受光素子部１０３を半導体基板１００内に、拡散層を形成し回路あるいは素子を形成したが、用途に応じては、半導体基板１００上に薄膜を堆積し、それをパターニングし拡散層を形成して回路、あるいは素子を形成することも可能である。
【００４２】
次に、図３Ｅに示すように、変調器素子部１０２の光出力端に、Ｓｉ導波路の先端部を４５度テーパ加工した光路変換部１１４を設けることによって、基板水平方向にＳｉ導波路内を伝播する光が、基板垂直下方に９０度折り曲げられる構造としている。４５度テーパの作製方法としては、ドライエッチングやダイシングなどの物理加工や、異方性ウェットエッチング等を用いることができる。
【００４３】
次に、図３Ｆのように、レーザ光源素子１０１を駆動するための電源やグランド（ＧＮＤ）等のバイアス電源ライン１１６ａ、１１６ｂを、レーザ光源素子１０１の光出射面と反対の面の後方部の半導体基板１００上に形成する。また、変調器素子部１０２アレイとドライバ回路１０４間、および受光素子１０３アレイとトランスインピーダンス増幅回路１１５間を繋ぐ、高周波電気線路１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃ、１１７ｄについても半導体基板１００上に上記バイアス電源ライン１１６ａ、１１６ｂと同時に形成しても良い。また、この際に光素子駆動回路１０４、１１５のメタル配線（未実施であれば）工程を実施しても良い。
【００４４】
最後に、図３Ｇのように、Ｓｉウェハ３００上に複数個配列した各々の光インターコネクトモジュール１０７の配線パタン上に、レーザ光源素子１０１を搭載することによってモジュールが完成される。なお、レーザ光源素子１０１の搭載は、あらかじめＳｉウェハ３００上で実施し、その後各モジュール単位に切削等で分割しても良いし、Ｓｉウェハから各モジュール単位に分割した後、各々のモジュール上にレーザ光源素子１０１を搭載しても良い。
【００４５】
本実施例で説明したようなプロセス工程によって、光デバイスおよび回路をＳｉウェハプロセスで一括に作製でき、安価且つチップスケールに小型化された光インターコネクトモジュールが実現可能である。
【実施例４】
【００４６】
図４は、本発明の第四の実施例である光インターコネクトモジュールの上面図である。本実施例では、Ｓｉの半導体基板１００上に集積された、変調器素子部１０２と、受光素子部１０３、および光素子駆動回路１０４、１１５がそれぞれ４チャンネルアレイで構成されている。また、レーザ光源素子１０１と変調器素子部アレイ１０２との間に、１：Ｎ（Ｎは、２以上の自然数とし、ここではＮ＝４、即ち、１：４とする）の分岐構造を有する光導波路カプラ１３０を設けており、同光導波路カプラ１３０を介してレーザ光源素子１０１と変調器素子部アレイ１０２とが、それぞれ光学的に接続されている形態の光インターコネクトモジュールとしている。光導波路カプラ１３０は変調器素子部１０２と同様のＳｉ、或いはＳｉＯ２、ＳｉＮなどを用いて、エピタキシャル成長や堆積法、またはエッチング等によって作製可能である。また、光導波路カプラ１３０と、レーザ光源素子１０１または変調器素子部アレイ１０２との光接続部分に、入出射光モード結合を低損失で行うためのスポットサイズ変換器構造を設けることも有効である。
【００４７】
本構成によって、部品点数と実装工程を削減し安価にできるとともに、さらなるチップスケールの小型化に優れた光インターコネクトモジュールが実現可能である。
【実施例５】
【００４８】
図５は、本発明の第五の実施例である光インターコネクトモジュールが実装された光電気ハイブリッド混載ボードの断面図である。本実施例では、図５のように、ガラスエポキシなどの基板１１２上に、クラッド層１１１に囲まれてクラッド層よりも屈折率の高い材料でできた配線コア１１０ａ、１１０ｂから形成された光導波路配線ボードを設けている。また、各配線コア１１０ａ、１１０ｂの端部に光路変換ミラー１１３ａ、１１３ｂを載置している。本構成によれば、レーザ光源素子１０１から出射された光１０５ａは、変調器素子部１０２と光学接続され、基板水平方向にＳｉ導波路内を伝播する際に高速変調される。その後、Ｓｉ導波路内伝播の変調光は、導波路先端の光路変換部１１４によって、基板垂直下方に９０度折り曲げられた後、Ｓｉ半導体基板１００内を通過し、基板外部に出射される。さらに、同出射光１１３ａは、Ｓｉ半導体基板１００に集積したレンズ１０５ａによって集光された後、光導波路配線ボード内に設けられた光路変換ミラー１１３ａで基板水平方向に折り曲げられ、配線コア１１０ｂと光学的に接続されるとともに、コア内を伝搬する。
【００４９】
同様に、光導波路配線ボード内の配線コア１１０ａを伝搬する光信号は、光路変換ミラー１１３ａで基板垂直方向に折り曲げられ、光インターコネクトモジュール１０７の基板１００に向かって入射される。その後、レンズ１０５ｂによって集光された後、Ｓｉ半導体基板１００内を通過し、受光素子部１０３と光学的に接続され電気信号に変換された後、トランスインピーダンス増幅回路１１５を介して信号出力される。
【００５０】
なお、前記各配線コア１１０ａ、１１０ｂや光路変換ミラー１１３ａ、１１３ｂはポリマ材料等で形成しても良い。また、図５のように、光導波路の光インターコネクトモジュールと光学的に接続されている部分において、変調器素子部１０２と光学的に接続された光導波路の配線コア１１０ｂと、受光素子部１０３と光学的に接続された光導波路の配線コア１１０ａとを、それぞれ異なる層に形成した構成としても良い。
【００５１】
本構成のように、変調器素子部１０２、受光素子１０３、駆動回路１０４、１１５をそれぞれＳｉ（シリコン）の1チップにモノリシックに集積した光インターコネクトモジュールを、光路変換ミラー構造を具備する光導波路を設けた基板上に実装することにより、光素子と光導波路間でやりとりされる信号が、Ｓｉ基板を介して高効率に光学接続された高速且つ大容量の光電気ハイブリッド混載ボードを実現できる。
【実施例６】
【００５２】
図６および図７は、本発明の第六の実施例である光インターコネクトモジュールが実装された光電気ハイブリッド混載ボードの断面図である。本実施例では、図６のように、光インターコネクトモジュール１０７の直上に電気ビア５００ａ、５００ｂ、５００ｃを具備したインターポーザ基板５０４を設けており、同インターポーザ基板５０４上に、スイッチや論理などのＬＳＩ５０１を載置している。
【００５３】
本構成によれば、光インターコネクトモジュール１０７に集積された変調器素子部１０２、受光素子部１０３、またはドライバ回路１０４とトランスインピーダンス増幅回路１１５とＬＳＩ５０１との間でやりとりされる高周波の電気信号が、インターポーザ基板５０４のビア５００ａ、５００ｂを介して電気的に接続される。また、光インターコネクトモジュール１０７に集積されたレーザ光源素子１０１のバイアスは、インターポーザ基板５０４のビア５００ｅ、および光導波路配線ボードに形成されたビア５００ｆを介して供給される。同様に、ＬＳＩ５０１のバイアスやＧＮＤについても、インターポーザ基板５０４のビア５００ｃや光導波路配線ボードに形成されたビア５００ｄを介して供給される構成としている。
【００５４】
本構成によって、変調器素子部１０２からの光信号の出射方向と、ドライバ回路１０４とＬＳＩ５０１間の高周波電気配線ビア５００ａをそれぞれ上下方向に分離することで、光モジュールを３次元的に高密度の実装が可能となるとともに、ワイヤボンディングによる電気配線部分の離間を必要とせず、光インターコネクトモジュール１０７と光導波路間を近接可能となり、高効率に光学接続できる。さらに、レーザ光源素子１０１のバイアス配線を素子後方のインターポーザ基板５０４で引き回すことで、高周波電気配線（ビア）５００ａと、レーザ光源素子１０１のバイアス配線（ビア）５００ｅを分離でき、高周波電気配線（ビア）５００ａからバイアス配線への高周波信号漏れ込みの抑制が可能となるとともに、ＬＳＩ ５０１から発生する熱と、レーザ光源素子１０１の自己発熱パスをそれぞれ分離できる。
【００５５】
さらに図７は、インターポーザ基板５０４ａとＬＳＩ ５０１ａを搭載した第一の光インターコネクトモジュール１０７ａと、インターポーザ基板５０４ｂとＬＳＩ ５０１ｂを搭載した第二の光インターコネクトモジュール１０７ｂとを、二層構成された配線コア１１０ａ、１１０ｂおよび光路変換ミラー１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄを具備する光導波路配線ボードに搭載した形態の光電気ハイブリッド混載ボードの実装例を示す。
【００５６】
本構成によって、ボード上に実装されたチップ間での、光を用いた高速・大容量の送受信信号伝送が実現できる。
【符号の説明】
【００５７】
１００…半導体基板、
１０１，１０１ａ，１０１ｂ…レーザ光源素子、
１０２，１０２ａ，１０２ｂ…変調器素子部、
１０２’…  変調器素子部を構成する材料層，
１０３，１０３ａ，１０３ｂ…受光素子部、
１０４Ａ…光素子駆動回路、
１０４…ドライバ回路、
１０５ａ，１０５ｂ…光信号
１０６…酸化ケイ素層、
１０７…光インターコネクトモジュール、
１０８…電気配線層、
１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ，１０９ｄ，１１４…光路変換ミラー、
１１０ａ，１１０ｂ…配線コア、
１１１…クラッド層、
１１２…基板、
１１３ａ，１１３ｂ…レンズ、
１１４…光路変換部、
１１５…トランスインピーダンス増幅回路、
１１６ａ，１１６ｂ…バイアス電源ライン、
１１７ａ，１１７ｂ，１１７ｃ，１１７ｄ…高周波電気線路、
１３０…光導波路カプラ、
３００…Ｓｉウェハ、
５００ａ，５００ｂ，５００ｃ，５００ｄ，５００ｅ，５００ｆ…ビア、
５０１，５０１ａ，５０１ｂ…ＬＳＩ、
５０２ａ，５０２ｂ…バンプ、
５０４，５０４ａ，５０４ｂ…インターポーザ基板。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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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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