(57)【要約】  本発明は、光配線モジュール構造に関する。本発明による光配線モジュールは、基板の表面に実装される光源と、光源から出る光のＴＭモードで結合し、長距離表面プラズモンポラリトンを利用する金属光導波路と、光受信素子とを備える。本発明によれば、小型化及び高収率化に適した単純構造の光配線モジュールを提供することができる。
2009545014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から出る光のＴＭ（transverse magnetic）モードで結合し、長距離表面プラズモンポラリトンを利用する金属光導波路と、
を備える光配線モジュール。
【請求項２】
前記光源は、前記ＴＭモードを主に発振する側面放出光源チップを備えることを特徴とする請求項１に記載の光配線モジュール。
【請求項３】
前記光源は、ＴＥ（transverse electric）モードを主に発振する側面放出光源チップと、
前記側面放出光源チップから放出されたＴＥモードの光を前記ＴＭモードの光に変換し、前記金属光導波路に伝達する半波長板と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光配線モジュール。
【請求項４】
前記光源は、ＴＥモードを主に発振する側面放出光源チップを含み、
前記ＴＥモードを主に発振する側面放出光源チップは、基板上に９０度回転して整列装着されることを特徴とする請求項１に記載の光配線モジュール。
【請求項５】
前記光源は、ＴＥモードを主に発振する側面放出光源チップを含み、
前記金属光導波路は、帯状形態の金属線が基板の平面と垂直になるように設けられることを特徴とする請求項１に記載の光配線モジュール。
【請求項６】
前記光源は、基板の表面と直交するように設けられる表面放出光源チップを備えることを特徴とする請求項１に記載の光配線モジュール。
【請求項７】
前記金属光導波路の金属線の厚さは、５乃至２００ｎｍであり、前記金属線の幅は、０．５乃至１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光配線モジュール。
【請求項８】
前記金属光導波路は、前記金属線に接する誘電体層を備え、前記誘電体層は、低損失高分子からなることを特徴とする請求項７に記載の光配線モジュール。
【請求項９】
前記低損失高分子は、ハロゲン元素または重水素を含む高分子からなることを特徴とする請求項８に記載の光配線モジュール。
【請求項１０】
前記金属光導波路の金属線は、金、銀、銅、これらの合金、及びこれらが積層された合金金属線よりなる群から選ばれたいずれか１つからなることを特徴とする請求項１に記載の光配線モジュール。
【請求項１１】
前記金属光導波路を介して伝達される光を受信する光受信素子をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１０に記載の光配線モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＴＭモード（transverse magnetic mode ）型光源と長距離表面プラズモンポラリトン（long-range surface plasmon polariton：ＬＲ−ＳＰＰ）を用いた金属光導波路を利用し、超高速大容量の光信号を処理するための新しい構造の光配線モジュールに関する。
【０００２】
この研究は、韓国における、情報省のＩＴ  Ｒ＆Ｄプログラム及び情報技術振興のコミュニケーション／機関（２００６−Ｓ−０７３−０１，Ｎａｎｏ  ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｏｐｔｏ−ｅｌｅｃｔｉｃ  ＰＣＢ  ｍｏｄｕｌｅ  ｆｏｒ  ｐｏｒｔｂｌｅ  ｄｉｓｐｌａｙ）によって支援された。
【背景技術】
【０００３】
従来、電気配線を光配線に取り替える場合、光伝送媒介体とは別途に、例えば、電気的信号を光信号に変換させる部品であるレーザーダイオード（ＬＤ）及び駆動集積回路（ＩＣ）と、光信号を伝達する光導波路と、検出された光信号をさらに電気的信号に復元させるフォトダイオード（ＰＤ）及び受光集積回路（ＩＣ）が必要である。現在、レーザーダイオード（ＬＤ）としては、表面から光が放出される垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）が多く使用される。垂直キャビティ面発光レーザーは、二次元的なアレイを作ることができ、円形の対称性を有するビーム断面を得ることができ、消費電力が少ない長所を有している。また、垂直キャビティ面発光レーザーは、チップを切断する前にウェーハ上で素子の作動可否を検査することができ、また、単位面積当たりさらに多い素子を製作することができるので、生産コストを低減するのに非常に有利である。光信号を伝達する光導波路としては、光ファイバと誘電体光導波路が多く使用されている。光受信素子としては、ＰＩＮフォトダイオードが多く使用されている。駆動集積回路及び受光集積回路は、コストを低減するために、Ｓｉ  ＣＭＯＳまたはＳｉＧｅ  ＢｉＣＭＯＳのようなＳｉ基盤の回路が使用されている。
【０００４】
一般的に、光配線で光を伝達するために、光ファイバや誘電体光導波路が使用されている。光配線集積モジュールにおいて光信号は、ガラス、シリカ、高分子などの誘電体からなる光導波路によって伝送される。また、現在、小型化、高集積化のために、大部分の光ＰＣＢ（printed circuit board）で内蔵型光導波路が使用されている。しかし、光整列効率及び光ＰＣＢモジュール製作の容易性などのために、主として多重モード光導波路が使用されているが、サイズが比較的大きい内蔵型光導波路は、製作が容易でなく、収率も著しく低い。
【０００５】
また、現在、大部分の光ＰＣＢは、垂直キャビティ面発光レーザーを利用したものである。垂直キャビティ面発光レーザーまたはフォトダイオードは、基板の表面に実装され、この場合、垂直キャビティ面発光レーザーまたはフォトダイオードは、垂直方向に光が入出射するので、光ＰＣＢ内に水平に搭載されている光導波路までの連結のために光の経路を９０度変更するコネクター部品が必要である。現在、９０度経路変更のための４５度ミラーを光導波路の端部に設けるか、または、９０度曲げられた光導波路ブロックなどの適切な部品を研究開発し、使用しているが、未だ確実な方法が出ていないので、光ＰＣＢ活用のためには、１つの先行開発されるべき他の問題として残っている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、ＴＭモード型光源チップと長距離表面プラズモンポラリトン（ＬＲ−ＳＰＰ）を用いた金属光導波路を利用して超高速大容量の光信号を処理することができる光配線モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の好ましい態様によれば、光源と、前記光源から出る光のＴＭモードで結合し、長距離表面プラズモンポラリトンを利用する金属光導波路と、を備える光配線モジュールが提供される。
【０００８】
好ましくは、光源は、ＴＭモードを主に発振する側面放出光源チップを備えることができる。
【０００９】
光源は、ＴＥモードを主に発振する側面放出光源チップと、側面放出光源チップから放出されるＴＥモードの光をＴＭモードの光に変換し、金属光導波路に伝達する半波長板と、を備えることができる。
【００１０】
光源は、基板上に９０度回転して整列装着され、ＴＥモードを主に発振する側面放出光源チップを備えることができる。この場合、ＴＥモードを主に発振する光源チップで発振されるＴＥモードの光は、金属光導波路にＴＭモードで結合される。
【００１１】
光源は、ＴＥモードを主に発振する側面放出光源チップを備えることができ、この時、金属光導波路は、帯状形態の金属線が基板の平面に対して垂直に配列されるように設けられる。
【００１２】
光源は、基板上に９０度に設けられる表面放出光源チップを備えることができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明は、超高速大容量の光信号を処理するための光配線モジュール構造であって、垂直キャビティ面発光レーザーを用いた光配線モジュールが有する９０度入射による工程の難しさ、能動整列、バルキー（bulky）誘電体光導波路の使用などで具現が困難であった従来の光配線モジュールの短所を解決することができ、高収率化、小型化を達成することができる光配線モジュールを提供する。
【００１４】
本発明の上記そしてその他の目的、特徴、利点は添付された図面とともに以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の光配線モジュールの概路図である。
【図２】図１の金属光導波路の斜視図である。
【図３】本発明の第１実施例に係る光配線モジュールの概路図である。
【図４】本発明の第２実施例に係る光配線モジュールの概路図である。
【図５】本発明の第３実施例に係る光配線モジュールの概路図である。
【図６】本発明の第４実施例に係る光配線モジュールの概路図である。
【図７】本発明の第５実施例に係る光配線モジュールの概路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付の図面を参照して本発明による好ましい実施例を詳細に説明する。以下の実施例は、本技術分野における通常的な知識を有する者に本発明を充分に理解するようにするためのものである。
【００１７】
図１は、本発明の光配線モジュールの概路図である。
【００１８】
図１を参照すれば、本発明の光配線モジュールは、光源１０と、ＬＲ−ＳＰＰ（long-range surface plasmon polariton）を用いた金属光導波路２０と、光受信素子とを備える。
【００１９】
本発明では、長距離表面プラズモンポラリトン（ＬＲ−ＳＰＰ）を利用して従来の光ファイバまたは誘電体光導波路を金属光導波路２０に取り替えた。表面プラズモン（ＳＰ）は、誘電定数の実数項が互いに反対符号を有する境界面に沿って閉じ込められて進行する電荷密度の振動波であって、表面電荷密度振動は、縦方向表面閉じ込み波を形成する。また、自由電子が、表面プラズモンと結合した振動に入る入射光の電場によって励起されたとき、その進行の結果生じるエバネッセント波は表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）と呼ばれる。例えば、表面プラズモンポラリトンは、シリカ、ガラスなどの誘電体とこの誘電体の内部に形成された金属薄膜との界面に発生させることができる。しかし、このような表面プラズモンポラリトンは、エバネッセントモードで波数ベクトルが虚数部分を有するので、一定の距離を伝搬し、消滅する。このような表面プラズモンポラリトンは、注入された光によって励起されて進行し、他の部分で光を再放出することができるので、光導波に利用されることができる。しかし、金属導波路を利用する場合、金属の誘電定数の虚数部分が大きくなれば、金属での吸収が大きくなるため、進行距離が数〜数十マイクロメートルと非常に短くて、光導波のために利用されるのに限界がある。このような理由で、大部分の表面プラズモンまたは表面プラズモンポラリトンは、非常に短い距離を利用する光センサーなどに適用される。しかし、長距離表面プラズモンポラリトン（ＬＲ−ＳＰＰ）は、金属と誘電体の２つの境界面で互いに独立して進行するので、表面プラズモンポラリトンは、金属厚さｔ（図２参照）が小さくなるにつれて、金属のオーム抵抗損失も小さくなるだけでなく、金属厚さｔが２つのモードの金属内浸透距離より小さくなるにつれて、互いに影響を及ぼすようになる。金属厚さｔが２つのモードの金属内浸透距離より小さい値を有する場合、各境界に存在する表面プラズモンポラリトンが結合し、ファノ（fano）モードと呼ばれるスーパーモードを形成する。このスーパーモードを利用すれば、理論上、無限な距離を伝送することができる。このスーパーモードは、金属内電場の分布によって対称モードと非対称モードとに分けられるが、長距離伝送が可能なモードは、対称モードであって、一般的に光でＬＲ−ＳＰＰを励起する時は、対称モードだけで励起される。また、ＬＲ−ＳＰＰまたはＳＰＰは、縦方向表面閉じ込み波を形成するため、入射波の電場成分が境界面に垂直な成分を有しなければならないので、ＴＭモードだけがＬＲ−ＳＰＰまたはＳＰＰを励起及び導波させることができる。
【００２０】
光源１０は、電気的信号を光信号に変換させる部品である光送信素子で具現される。光送信素子としては、レーザーダイオード（ＬＤ）のような側面放出光源チップや表面放出光源チップなどが使用されることができる。光源１０は、基板１の表面に実装された駆動集積回路３に電気的に連結される。
【００２１】
光受信素子３０は、金属光導波路２０を介して伝達される光信号をさらに電気的信号に復元させる装置であって、フォトダイオード（ＰＤ）などが使用されることができる。光受信素子３０は、基板１の表面に実装された受光集積回路４に電気的に連結される。
【００２２】
光源１０、金属光導波路２０、光受信素子３０、駆動集積回路３及び受光集積回路４は、絶縁層２が塗布された基板１上にそれぞれ設けられることができる。絶縁層２は、場合によって省略されてもよく、また、他の場合によって基板１及び絶縁層２が一緒に省略されてもよい。基板１は、堅固な基板以外にも柔軟な高分子基板などが使用されることができる。さらに、金属光導波路２０の誘電体層２４は、高分子で形成されることができ、基板１及び絶縁層２を高分子で形成してもよく、それらがない場合、フレキシブル光配線板で製作も可能である。
【００２３】
図２は、図１のＬＲ−ＳＰＰを用いた金属光導波路の斜視図である。
【００２４】
図２を参照すれば、金属光導波路２０は、ＬＲ−ＳＰＰ導波用金属線２２と、このＬＲ−ＳＰＰ導波用金属線２２に接する誘電体層２４とを備える。
【００２５】
ＬＲ−ＳＰＰ導波用金属線２２は、ＬＲ−ＳＰＰを利用して光信号を伝送するために５乃至２００ｎｍの厚さと０．５乃至１００μｍの幅を有することが好ましい。したがって、ＬＲ−ＳＰＰ導波用金属線２２は、略矩形の断面を有する帯状形態を有するようになる。
【００２６】
また、ＬＲ−ＳＰＰ導波用金属線２２は、貴金属系、すなわちＩＢ族元素及びこれらの合金を含むことができる。貴金属系の元素は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）及びこれらの合金を含み、電気伝導性が良く、容易に長距離表面プラズモンポラリトンの発生を誘導することができる。銀（Ａｇ）金属線の場合、誘電定数の吸収係数が小さく、伝送損失が小さい特性を有するが、表面が露出されると退色されやすい特徴がある。銀金属線の退色を防止するために、銀より表面特性が安定的な金（Ａｕ）薄膜を銀金属線の上面または一面に形成した、銀−金が積層された合金金属線を使用するか、または、金薄膜を銀金属線の両面に形成し、対称的な構造を有する金−銀−金積層された合金金属線を使用することができる。
【００２７】
誘電体層２４は、低損失高分子を含む。低損失高分子、すなわち低損失光学高分子は、一般的な高分子においてフッ素などのハロゲン元素または重水素を含むもので、例えば、水素がフッ素置換されたポリアリレンエテル（ＦＰＡＥ；Fluorinated Poly Arylene Ether）などが挙げられる。
【００２８】
図３は、本発明の第１実施例に係る光配線モジュールの概路図である。
【００２９】
図３を参照すれば、本実施例に係る光配線モジュールは、ＴＭモードを主に発振する光源１０ａ、ＬＲ−ＳＰＰを用いた金属光導波路２０及び光受信素子３０を備える。光源１０ａ、金属光導波路２０及び光受信素子３０は、基板１の表面に実装される。ＴＭモードを主に発振する光源１０ａは、側面放出光源チップを含み、側面放出光源チップから出るＴＭモードの光は、直接金属光導波路２０に結合されて伝送される。
【００３０】
本実施例の光配線モジュールでは、ＬＲ−ＳＰＰ金属光導波路２０を用いた光モジュールの構成で競争力を備えるために、ＴＭモードを主に発振する光源１０ａを利用する。現在、主に使用される光源、すなわち側面放出光源チップとしてレーザーダイオードは、ＴＭモードでなく、ＴＥモード（transverse electric mode）が主に発振される。したがって、本実施例では、エピタキシャルの成長過程で引っ張りひずみ（tensile strain）を発生させ、軽い正孔が重い正孔より低いエネルギーを有するようにし、ＴＭモードを主に発振するレーザーダイオードを製作して使用した。
【００３１】
図４は、本発明の第２実施例に係る光配線モジュールの概路図である。
【００３２】
図４を参照すれば、本実施例に係る光配線モジュールは、ＴＥモードを主に発振する光源１０ｂ、ｌ／２波長遅延器、すなわち半波長板１１、ＬＲ−ＳＰＰを用いた金属光導波路２０及び光受信素子３０を備える。前述した光源１０ｂ、半波長板１１、金属光導波路２０及び光受信素子３０は、基板１上に実装される。ＴＥモードを主に発振する光源は、側面放出光源チップの１つであるＴＥモード発振レーザーダイオードを備える。
【００３３】
本発明の光配線モジュールは、ＴＭモードを主に発振するレーザーダイオードを使用する代わりに、一般的なＴＥモードを主に発振するレーザーダイオードを利用して具現することも可能である。この場合、ＴＥモード発振レーザーダイオードから出るＴＥモード波の進行過程に半波長板１１の軸を４５度に配置させることによって、光源１０ｂのＴＥモード波をＴＭモード波に変えて金属光導波路２０に結合させることができる。
【００３４】
図５は、本発明の第３実施例に係る光配線モジュールの概路図である。
【００３５】
図５を参照すれば、本実施例に係る光配線モジュールは、基板上に９０度回転して整列装着パッケージングされ、ＴＥモードを主に発振する光源１０ｂと、ＬＲ−ＳＰＰを用いた金属光導波路２０及び光受信素子３０を備える。前述した光源１０ｂと、金属光導波路２０及び光受信素子３０は、基板１上に実装される。
【００３６】
本実施例では、整列及び装着などのパッケージング時にＴＥモード発振レーザーダイオードを９０度回転して基板上に整列装着パッケージングし、ＬＲ−ＳＰＰ金属光導波路２０の金属線の平面とレーザーダイオードチップとが垂直になるように整列することによって、ＴＥモード発振レーザーダイオードから出る光を金属光導波路２０にＴＭモードで結合させることができる。本実施例によれば、光配線モジュールの光源としてＴＭモード発振レーザーダイオードを代替することができる。
【００３７】
図６は、本発明の第４実施例に係る光配線モジュールの概路図である。
【００３８】
図６を参照すれば、本実施例に係る光配線モジュールは、基板１の表面に実装され、ＴＥモードを主に発振する光源１０ｂと、基板１の表面と垂直になるように装着された帯状形態のＬＲ−ＳＰＰ金属線２２を具備した金属光導波路２０と、光受信素子３０とを備える。
【００３９】
本実施例の光配線モジュールでは、整列及び装着などのパッケージング時にＴＥモードレーザーダイオードチップを一般的な方法で使用し、その代わりに金属光導波路２０において矩形断面を有する帯状形態の金属線２２を基板１の表面、すなわち平面と垂直になるように蒸着またはメッキをする。その結果、光源１０ｂから出る光、すなわち入射波の電磁場成分が金属光導波路２０の境界面と垂直に結合され、金属光導波路２０の金属線２２のＬＲ−ＳＰＰを励起させる。
【００４０】
図７は、本発明の第５実施例に係る光配線モジュールの概路図である。
【００４１】
図７を参照すれば、本実施例に係る光配線モジュールは、基板の平面と垂直になるように装着された表面放出光源チップ１０ｃと、ＬＲ−ＳＰＰを用いた金属光導波路２０と、光受信素子３０とを備える。前述した表面放出光源チップ１０ｃと、金属光導波路２０及び光受信素子３０は、基板１上に実装される。表面放出光源チップ１０ｃは、垂直キャビティ面発光レーザー（vertical-cavity surface-emitting laser、ＶＣＳＥＬ）を備える。
【００４２】
本実施例の光配線モジュールでは、側面放出型ＬＤチップを使用する代わりに、基板上に９０度に設けられる表面放出光源チップ１０ｃで得たＴＭモードを利用して金属光導波路２０でＬＲ−ＳＰＰを励起及び導波させることができる。
【００４３】
本発明は、従来の内蔵型光ファイバ乃至誘電体光導波路の代わりに、長距離表面プラズモンポラリトン型金属光導波路２０を利用して光配線することによって、光導波路工程を単純化するだけでなく、収率をも高めることができる。また、ナノサイズの厚さとマイクロサイズの幅を有する金属光導波路２０を使用することによって、小型化、高集積化などナノ光集積回路を具現することができる。また、垂直に設けられた垂直キャビティ面発光レーザーだけでなく、ＴＭモード発振型側面放出光源と表面型金属光導波路を利用するので、９０度曲げる整列などが不要であり、低コストの受動整列が可能である。また、本実施例は、金属光導波路２０の厚さと幅を顕著に増加させることができるので、さらに容易に整列することができる。
【００４４】
また、本発明は、金属光導波路２０を利用することによって、モードサイズに関係なく、単一モードの伝送が可能であり、距離及び伝送速度においても制約を受けないという長所がある。言い替えれば、本発明は、従来の誘電体光導波路において、整列と工程などが容易であるため、モードサイズを大きくして多重モードを使用するが、多重モード光導波路を利用して伝送する場合、単一モード伝送に比べて多重モード特性上、距離及び伝送速度において大きい制約を受ける問題点を解決することができる。
【００４５】
以上において説明した本発明は、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形及び変更が可能であるので、上述した実施例及び添付された図面に限定されるものではない。
【図１】
2009545014.tif 000003
【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】
2009545014.tif 000009
【国際調査報告】
2009545014.tif 000010
2009545014.tif 000011