(57)【要約】【課題】信号光を効率よく伝搬・光路変換させて、光半導体デバイスと光導波路との光結合の結合効率を高めることができる光結合構造を提供すること。【解決手段】  基板５・７内に設けられた光路変換面３ａに光学的に結合した光導波路４と、基板５上に活性領域を光路変換面３ａに対向させて搭載された光半導体デバイス１とを、基板５の光半導体デバイス１の活性領域および光路変換面３ａの間を貫通するように設けられた、感光性高分子材料で形成された円筒形状の屈折率分布体２を介して光学的に結合したことを特徴とする光結合構造である。光半導体デバイス１と光導波路４との光結合の結合効率を高くすることができ、高品質で高速な信号伝送を高いエネルギー効率で実現することができる。【選択図】図１
2006330697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路と、径方向において中心部から周辺部に向かって屈折率が低くなる円筒形状の屈折率分布体と、前記光導波路と前記屈折率分布体の間で光路を変換させるべく前記光導波路および前記屈折率分布体の双方に対して光学的に結合した光路変換面とを有する光結合構造。
【請求項２】
前記屈折率分布体は、径方向において中心部から周辺部に向かって階段状に低くなるように形成された屈折率分布を具備する、請求項１に記載の光結合構造。
【請求項３】
前記屈折率分布体は、径方向において中心部から周辺部に向かって同心円状に漸次低くなるように形成された屈折率分布を具備する、請求項１に記載の光結合構造。
【請求項４】
前記屈折率分布体は感光性高分子材料で形成され、紫外光の照射によって前記屈折率分布を形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の光結合構造。
【請求項５】
前記光導波路は感光性高分子材料によって形成され、紫外光の照射によってコア部と前記コア部の周囲のクラッド部とが形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の光結合構造。
【請求項６】
前記光路変換面が前記屈折率分布体の光軸に対して傾斜した光反射面を具備し、前記光反射面は前記光導波路のコア部とクラッド部との境界面における屈曲部に形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の光結合構造。
【請求項７】
前記光路変換面は、前記屈折率分布体の光軸に対して４５度傾斜した光反射面を具備する、請求項１〜６のいずれかに記載の光結合構造。
【請求項８】
前記光路変換面と前記光導波路の端部が間隔を空けて対向している、請求項１〜７のいずれかに記載の光結合構造。
【請求項９】
前記屈折率分布体および前記光路変換面を介して前記光導波路に光学的に結合しかつ活性領域を前記屈折率分布体に対向させた光半導体デバイスをさらに有する、請求項１〜８のいずれかに記載の光結合構造。
【請求項１０】
前記光半導体デバイスがそれぞれ面発光型レーザダイオードまたは面受光型フォトダイオードである、請求項９に記載の光結合構造。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれかに記載の光結合構造と、基板とを有し、前記光導波路および前記光路変換面が前記基板上に形成され、前記屈折率分布体が前記基板を貫通して形成されている光伝送機能内蔵基板。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれかに記載の光結合構造と、第１の基板と、前記第１の基板と平行に配置された第２の基板とを有し、前記光導波路および前記光路変換面が前記第１と第２の基板の間に形成され、前記屈折率分布体が前記第１または第２の基板を貫通して形成されている光伝送機能内蔵基板。
【請求項１３】
請求項９または１０に記載の光結合構造と、基板とを有し、前記光導波路および前記光路変換面が前記基板の一方の面上に形成され、前記光半導体デバイスが前記基板の他方の面上に配置され、前記屈折率分布体が前記基板を貫通して形成されている光伝送機能内蔵基板。
【請求項１４】
請求項９または１０に記載の光結合構造と、第１の基板と、前記第１の基板と平行に配置された第２の基板とを有し、前記光導波路および前記光路変換面が前記第１と第２の基板の間に形成され、前記光半導体デバイスが前記第１または第２の基板における前記光導波路および前記光路変換面を形成した面と反対側の面上に配置され、前記屈折率分布体が前記第１または第２の基板を貫通して形成されている光伝送機能内蔵基板。
【請求項１５】
第１の基板と、前記第１の基板と平行に配置された第２の基板と、前記第１と第２の基板の間に形成された光導波路と、前記光導波路上の離間した位置にて前記第１と第２の基板をそれぞれ貫通して形成された第１および第２の屈折率分布体と、前記光導波路と前記第１の屈折率分布体の間で光路を変換させるべく前記光導波路および前記第１の屈折率分布体の双方と光学的に結合した第１の光路変換面と、前記光導波路と前記第２の屈折率分布体の間で光路を変換させるべく前記光導波路および前記第２の屈折率分布体の双方と光学的に結合した第２の光路変換面とを有し、
前記光導波路と、前記第１の屈折率分布体と、前記第１の光路変換面とが請求項１〜１０のいずれかに記載の光結合構造を形成し、かつ
前記光導波路と、前記第２の屈折率分布体と、前記第２の光路変換面とが請求項１〜１０のいずれかに記載の光結合構造を形成する光伝送機能内蔵基板。
【請求項１６】
基板内部に形成された光導波路と、円筒形状の屈折率分布体と、前記光導波路と前記屈折率分布体の間で光路を変換させるべく前記光導波路および前記屈折率分布体の双方に対して光学的に結合した光路変換面とを有し、前記光路変換面が前記屈折率分布体の光軸に対して傾斜した光反射面を具備し、前記光反射面は前記光導波路のコア部とクラッド部の境界面を屈曲させて形成されている光伝送機能内蔵基板の製造方法において、
前記光路変換面を形成する工程が、
コア部を形成した後、前記屈折率分布体の光軸と交わる位置において前記コア部を除去することにより前記コア部の表面に傾斜面を形成する工程と、
前記傾斜面を光反射膜で覆うことにより前記光反射面を形成する工程と、
前記光反射膜上を含む前記コア部上にクラッド部を形成する工程とを含むことを特徴とする光伝送機能内蔵基板の製造方法。
【請求項１７】
基板内部に形成された光導波路と、円筒形状の屈折率分布体と、前記光導波路と前記屈折率分布体の間で光路を変換させるべく前記光導波路および前記屈折率分布体の双方に対して光学的に結合した光路変換面とを有し、前記光路変換面が前記屈折率分布体の光軸に対して傾斜した光反射面を具備し、前記光反射面は前記光導波路のコア部とクラッド部の境界面を屈曲させて形成されている光伝送機能内蔵基板の製造方法において、
前記光路変換面を形成する工程が、
クラッド部を形成するに先立って、前記屈折率分布体の光軸と交わる位置において突起を形成する工程と、
前記突起上に前記突起の外郭形状に沿ってクラッド部を形成することにより前記クラッド部の表面に傾斜面を形成する工程と、
前記傾斜面を光反射膜で覆うことにより前記光反射面を形成する工程と、
前記光反射膜上を含む前記クラッド部上にコア部を形成する工程とを含むことを特徴とする光伝送機能内蔵基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路とこれに垂直な方向に配置される光伝送体とを含む光結合構造、並びにこの光結合構造を具備する光伝送機能内蔵基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報処理における処理量を増加させ処理スピードを向上させるために、半導体デバイスの動作速度および信号の入出力端子数は、将来に渡って増加の傾向にある。同時にその半導体デバイスを搭載する回路基板の信号配線数も著しく増大しており、配線密度も高くなる傾向にある。それに従って、実装基板に形成された電気配線における信号の減衰および隣接する配線間のクロストークが顕著に増加し、深刻な問題となっている。とりわけマイクロプロセッサに代表される大規模な半導体集積回路においては、ＧＨｚレベルの信号を低消費電力で安定して入出力させることが大きな課題である。
【０００３】
その課題を解決するために、半導体デバイスに入出力される電気信号を光信号に変換し、その光信号を搬送する信号光を、実装基板に形成した光導波路等の光配線によって伝送させる光伝送技術が検討されている。
【０００４】
その光信号と電気信号との変換を行なう光電変換部には、送信出力側には主に化合物半導体で構成される半導体レーザ（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）等が用いられ、受信入力側にはシリコン（Ｓｉ）や化合物半導体によるフォトダイオード（ＰＤ）といった光半導体デバイスが用いられる。
【０００５】
ところで、半導体レーザには各種のタイプがあるが、近年ではその結晶成長面で良好な結晶が得られることから、素子基板の主面に対して垂直方向に光を出射させる面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が、高性能かつ低コストな送信用光源として広く用いられつつある。
【０００６】
一方、フォトダイオードも、受光部がその結晶面上にある面受光型のものが一般的に用いられている。
【０００７】
また、信号光を伝搬する光配線としては、コア部となる高屈折率の領域を低屈折率な材料で覆ってクラッド部とした光導波路が、光学ガラス，単結晶あるいは高分子光学材料を用いて作製されている。
【０００８】
これら光半導体デバイスと光導波路との光結合構造においては、信号光の入出力方向と実装基板上に形成された光導波路とがおおよそ交差する位置関係にあるため、高い結合光量を得るために様々な提案がなされている。
【０００９】
図８は従来の光結合構造の代表例を示す断面図であり、特許文献１に開示された光電気配線基板の例である。図８に示す例によれば、基板100上に光配線層103と電気配線105とが形成されている。送信側においては、レーザダイオード101から出射した信号光は、図中に破線で示すように、光配線層103を構成する上部クラッド部103ｂへ垂直に入射し、コアパターン103ａを通過して下部クラッド部103ｃへ入射する。そして、下部クラッド部103ｃ内で光配線層103内に配置されたミラー部材104で伝搬方向を光配線層103の配線方向に変換され、光配線層103のコア部103ａに入射する構成となっている。
【００１０】
一方、受信側においても同様に、光配線層103のコア部103ａを伝搬してきた信号光が一旦下部クラッド部103ｃに至った後にミラー部材104で光配線層103に対して上方へ垂直に方向を変換されて、同様にコア部103ａおよび上部クラッド部103ｂを通過した後にフォトダイオード102へ入射する構成となっている。
【００１１】
また、図示しないが特許文献２には、下部基板と上部基板の間に光導波路が形成され、上部基板上にはレーザダイオードとフォトダイオードの面型光半導体デバイスが設けられている。そして、各デバイスの活性領域が基板面に対向し、各デバイスと光導波路との間に設けられた貫通孔内に透明樹脂が配置されることにより、各デバイスと光導波路とが光学的に結合されている。なお、各デバイスの光軸と光導波路の光軸とは直交するため、４５°の光路変換面を有するミラー部材が光導波路の両端部に形成される。
【特許文献１】特開2003−50329号公報
【特許文献２】特開2004-20767号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、図８に示した光結合構造では、レーザダイオード101およびフォトダイオード102の面型光半導体デバイスと、光配線層103である光導波路との光結合の効率を高くできないという問題点があった。これは、レーザダイオード101から出射する信号光が半値全角（または拡がり角）で数十度程度に広がることに起因する。この結果、光配線層103を通過して直下のミラー部材104に至った時点では、信号光のスポットサイズが出射点の数倍以上に拡大している。
【００１３】
また、ミラー部材104で光路が変換された後も、その反射面を覆って形成されている下部クラッド部103ｃを伝搬する間に信号光は放射状に広がる。そのため、光配線層103のコア部103ａに至った時点では信号光のスポットサイズは、出射点の数倍から数十倍に拡大し、断面サイズを数十μｍ角として形成されるコア部103ａよりもはるかに大きなサイズとなる。その結果、信号光はコア部103ａに効率良く入射せず、光配線層103内の信号光の伝送レベルも自ずと低下してしまい、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）や信号変調のダイナミックレンジが高く取れないという問題点を生じた。
【００１４】
そのような問題点を回避するために信号光の伝送レベルを上げようとすると、レーザダイオード101への注入電流を上げて光出力を上げることが必要になり、そのためにレーザダイオード101での消費電力は増すこととなる。そしてその場合には、信号伝送におけるエネルギー効率が低くならざるを得なくなるという問題点があった。
【００１５】
また同時に、レーザダイオード101への注入電流を上げるとレーザダイオード101における発熱が増加するため、複雑な放熱構造を追加しなければならなくなったり、信頼性を低下させてしまったりすることとなる。さらには、基板100からの放熱がこの光電気配線基板を用いたシステムの動作に悪影響を及ぼしてしまうという問題点もあった。
【００１６】
なお、特許文献２の光結合構造では、光半導体デバイスと光導波路との間の貫通孔内に透明樹脂が充填されているが、この透明樹脂は一様な屈折率であるため、信号光を閉じ込めて全反射させつつ伝搬させる作用が十分ではなく、損失が生じ易い。
【００１７】
また、特許文献２の光結合構造では、光導波路の端部をダイサー式切断機で切断することによって４５°の光路変換面を形成しているが、ダイサー式切断機の刃の加工方向は一定であるため、光導波路に対して発光デバイスと受光デバイスとが常に同じ側に位置することになる。例えば、光導波路が基板内部において基板面に平行に配置されている場合、発光デバイスと受光デバイスは双方とも基板の同じ面上に配置される。つまり、発光デバイスを一方の面上、受光デバイスと他方の面上に配置することはできなかった。従って、従来の電気配線基板で実施されているように、基板の表面と裏面の間、並びに基板内部に含まれる複数の層間において自在に光配線層を配置する設計の自由度が制限されていた。
【００１８】
本発明は上記のような従来の技術における問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、面型光半導体デバイスと光導波路との光結合において、入出力信号光を効率よく伝搬および光路変換させて、面型光半導体デバイスと光導波路との光結合の結合効率を高めることができる光結合構造を提供することにある。
【００１９】
また本発明の他の目的は、本発明の光結合構造を用いた、高性能で高い効率を有するとともに低消費電力となる光伝送機能内蔵基板を実現することにある。
【００２０】
さらに本発明の他の目的は、本発明の光結合構造を、基板の両面間並びに基板内部に自在に配置できる光伝送機能内蔵基板およびその製造方法を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の目的を達成するべく、本発明は以下の構成を提供する。
（１）本発明の光結合構造は、光導波路と、径方向において中心部から周辺部に向かって屈折率が低くなる円筒形状の屈折率分布体と、前記光導波路と前記屈折率分布体の間で光路を変換させるべく前記光導波路および前記屈折率分布体の双方に対して光学的に結合した光路変換面とを有する。
（２）上記光結合構造において、前記屈折率分布体は、径方向において中心部から周辺部に向かって階段状に低くなるように形成された屈折率分布を具備する。
（３）上記光結合構造において、前記屈折率分布体は、径方向において中心部から周辺部に向かって同心円状に漸次低くなるように形成された屈折率分布を具備する。
（４）上記光結合構造において、前記屈折率分布体は感光性高分子材料で形成され、紫外光の照射によって前記屈折率分布を形成されている。
（５）上記光結合構造において、前記光導波路は感光性高分子材料によって形成され、紫外光の照射によってコア部と前記コア部の周囲のクラッド部とが形成されている。
（６）上記光結合構造において、前記光路変換面が前記屈折率分布体の光軸に対して傾斜した光反射面を具備し、前記光反射面は前記光導波路のコア部とクラッド部との境界面における屈曲部に形成されている。
（７）上記光結合構造において、前記光路変換面は、前記屈折率分布体の光軸に対して４５度傾斜した光反射面を具備する。
（８）上記光結合構造において、前記光路変換面と前記光導波路の端部が間隔を空けて対向している。
（９）上記光結合構造において、前記屈折率分布体および前記光路変換面を介して前記光導波路に光学的に結合しかつ活性領域を前記屈折率分布体に対向させた光半導体デバイスをさらに有する。
（１０）上記光結合構造において、前記光半導体デバイスがそれぞれ面発光型レーザダイオードまたは面受光型フォトダイオードである。
（１１）本発明の光伝送機能内蔵基板は、上記光結合構造と、基板とを有し、前記光導波路および前記光路変換面が前記基板上に形成され、前記屈折率分布体が前記基板を貫通して形成されている。
（１２）さらに本発明の光伝送機能内蔵基板は、上記光結合構造と、第１の基板と、前記第１の基板と平行に配置された第２の基板とを有し、前記光導波路および前記光路変換面が前記第１と第２の基板の間に形成され、前記屈折率分布体が前記第１または第２の基板を貫通して形成されている。
（１３）さらに本発明の光伝送機能内蔵基板は、上記光結合構造と、基板とを有し、前記光導波路および前記光路変換面が前記基板の一方の面上に形成され、前記光半導体デバイスが前記基板の他方の面上に配置され、前記屈折率分布体が前記基板を貫通して形成されている。
（１４）さらに本発明の光伝送機能内蔵基板は、上記光結合構造と、第１の基板と、前記第１の基板と平行に配置された第２の基板とを有し、前記光導波路および前記光路変換面が前記第１と第２の基板の間に形成され、前記光半導体デバイスが前記第１または第２の基板における前記光導波路および前記光路変換面を形成した面と反対側の面上に配置され、前記屈折率分布体が前記第１または第２の基板を貫通して形成されている。
（１５）さらに本発明の光伝送機能内蔵基板は、第１の基板と、前記第１の基板と平行に配置された第２の基板と、前記第１と第２の基板の間に形成された光導波路と、前記光導波路上の離間した位置にて前記第１と第２の基板をそれぞれ貫通して形成された第１および第２の屈折率分布体と、前記光導波路と前記第１の屈折率分布体の間で光路を変換させるべく前記光導波路および前記第１の屈折率分布体の双方と光学的に結合した第１の光路変換面と、前記光導波路と前記第２の屈折率分布体の間で光路を変換させるべく前記光導波路および前記第２の屈折率分布体の双方と光学的に結合した第２の光路変換面とを有し、
前記光導波路と、前記第１の屈折率分布体と、前記第１の光路変換面とが上記光結合構造を形成し、かつ
前記光導波路と、前記第２の屈折率分布体と、前記第２の光路変換面とが上記光結合構造を形成する。
（１６）本発明の光伝送機能内蔵基板の製造方法は、基板内部に形成された光導波路と、円筒形状の屈折率分布体と、前記光導波路と前記屈折率分布体の間で光路を変換させるべく前記光導波路および前記屈折率分布体の双方に対して光学的に結合した光路変換面とを有し、前記光路変換面が前記屈折率分布体の光軸に対して傾斜した光反射面を具備し、前記光反射面は前記光導波路のコア部とクラッド部の境界面を屈曲させて形成されている光伝送機能内蔵基板の製造方法において、
前記光路変換面を形成する工程が、
コア部を形成した後、前記屈折率分布体の光軸と交わる位置において前記コア部を除去することにより前記コア部の表面に傾斜面を形成する工程と、
前記傾斜面を光反射膜で覆うことにより前記光反射面を形成する工程と、
前記光反射膜上を含む前記コア部上にクラッド部を形成する工程とを含む。
（１７）本発明の光伝送機能内蔵基板の製造方法は、基板内部に形成された光導波路と、円筒形状の屈折率分布体と、前記光導波路と前記屈折率分布体の間で光路を変換させるべく前記光導波路および前記屈折率分布体の双方に対して光学的に結合した光路変換面とを有し、前記光路変換面が前記屈折率分布体の光軸に対して傾斜した光反射面を具備し、前記光反射面は前記光導波路のコア部とクラッド部の境界面を屈曲させて形成されている光伝送機能内蔵基板の製造方法において、
前記光路変換面を形成する工程が、
クラッド部を形成するに先立って、前記屈折率分布体の光軸と交わる位置において突起を形成する工程と、
前記突起上に前記突起の外郭形状に沿ってクラッド部を形成することにより前記クラッド部の表面に傾斜面を形成する工程と、
前記傾斜面を光反射膜で覆うことにより前記光反射面を形成する工程と、
前記光反射膜上を含む前記クラッド部上にコア部を形成する工程とを含む。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の光結合構造によれば、径方向において中心部から周辺部に向かって屈折率が低くなる円筒形状の屈折率分布体が、光を中心部に閉じ込めつつ伝搬させる光閉じ込め作用をもつ。従って、光導波路と、屈折率分布体と、これらの間で光路を変換させるべく双方に対して光学的に結合した光路変換面とを有する光結合構造においては、屈折率分布体がもつ光閉じ込め作用によって屈折率分布体中を効率よく伝搬してきた光が、光路変換面に効率よく入射し、光路変換面によって光導波路の光軸方向に光路を変換し、さらに光導波路に効率よく入射することができる。また、光導波路を伝搬してきた光は、光路変換面によって屈折率分布体の光軸方向に光路を変換し、屈折率分布体に入射し、その光閉じ込め作用によって屈折率分布体中を効率よく伝搬することができる。
【００２３】
また、本発明の光結合構造において屈折率分布体の屈折率が中心部から周辺部に向かって階段状に低くなっているときには、信号光は屈折率の境界で反射されて中心部の高屈折率領域に閉じ込められて伝搬するので、屈折率分布体が一様な屈折率を持つ場合に比べてより高効率な信号光伝搬を実現することができる。
【００２４】
また、本発明の光結合構造において屈折率分布体の屈折率が中心部から周辺部に向かって同心円状に漸次低くなっているときには、信号光は屈折率分布体の中心部分を蛇行しながら閉じ込められて伝搬するので、より広帯域の信号光伝搬を行なうことができる。
【００２５】
また、本発明の光結合構造において屈折率分布体が感光性高分子材料で形成されることにより、紫外光の照射によって周辺部に低屈折率領域を形成するときには、例えば中央部のみを遮光して周辺部に開口を持ったマスクを上方に配置し、そのマスクを通して紫外光を露光するだけで屈折率分布体が形成できるので、より簡単な製造プロセスで光結合構造を実現することができる。
【００２６】
また、本発明の光結合構造において光導波路が感光性高分子材料で形成されることにより、紫外光の照射によってコア部の周囲に低屈折率領域であるクラッド部を形成するときには、光導波路のコアパターンに対応する部分を遮光する暗部としたフォトマスクを使う露光工程だけで光導波路を形成することができるので、光導波路の製造工程を短時間で済ませることができ、その製造コストを低下させることができる。
【００２７】
また、本発明の光結合構造において光路変換面が光導波路のコア部とクラッド部の境界面を屈曲させて形成される場合には、別個のミラー部材を取り付ける必要がない。また、光導波路が基板内部（または２つの基板の間）に形成される形態としたとき、コア部が上部クラッド部と下部クラッド部に挟まれており、コア部とクラッド部の境界面が２つ存在するから、光導波路の光軸方向に垂直な方向に光路を変換する場合、コア部とクラッド部の一方の境界面側との間で光路を変換する光路変換面と、他方の境界面側との間で光路を変換する光路変換面のいずれも形成することができる。
【００２８】
また、本発明の光結合構造において光路変換面が屈折率分布体の光軸に対して４５度傾斜した光反射面をもつ場合には、光軸に沿って伝搬してきた信号光を屈折率分布体の光軸と直角な方向に反射するので、基板の表面に対して光軸を直角方向にして配置される屈折率分布体の信号光の伝搬方向を、基板の表面に対して光軸を平行にして配置される光導波路の光軸と平行になるように変換することができる。
【００２９】
さらに、本発明の光結合構造において光路変換面と光導波路の端部とが間隔を空けて対向している場合には、光路変換面からの伝搬光を光導波路に対してその端部に直角に入射するように結合させることができるので、光路変換面を介して屈折率分布体と光導波路との間で高効率な光結合を実現することができる。
【００３０】
さらに、本発明の光結合構造において屈折率分布体および光路変換面を介して光導波路に光学的に結合しかつ活性領域を屈折率分布体に対向させた光半導体デバイスを設けた場合には、光半導体デバイスの活性領域からの出力光が、屈折率分布体がもつ光閉じ込め作用によって屈折率分布体を効率よく伝搬して光路変換面に入射し、光路変換面によって光導波路の光軸方向に光路を変え、光導波路に効率よく入射することができる。また、光導波路から光半導体デバイスの活性領域への入力光は、光導波路と光学的に結合した光路変換面によって屈折率分布体の光軸方向に光路を変え、屈折率分布体に入射し、屈折率分布体がもつ光閉じ込め作用によって屈折率分布体を効率よく伝搬して光半導体デバイスの活性領域に入射することができる。
従って、本発明の光結合構造によれば、光閉じ込め作用をもつ屈折率分布体を設けたことにより、従来の構造に対して光半導体デバイスと光導波路との光結合の結合効率を高くすることができ、高品質で高速な信号伝送を高いエネルギー効率で実現することができる。
【００３１】
さらに、本発明の光結合構造において、光半導体デバイスが面発光型レーザダイオードまたは面受光型フォトダイオードである場合には、屈折率分布体にこれらの光半導体デバイスの活性領域を対向させて実装するだけで高効率な光結合が容易に構成できるので、特別な部品を用いずとも高効率な光結合構造を容易に実現することができる。
【００３２】
本発明の光伝送機能内蔵基板によれば、上記の光結合構造と、１または２の基板とを組合せ、基板上および／または基板間に光導波路を設け、１または２の基板の少なくとも１つに屈折率分布体を形成し、かつ／または基板上に光半導体デバイスを配置したことにより、上記の光結合構造について述べた通りの効果を奏することができる。
従って、本発明の光伝送機能内蔵基板によれば、本発明の光結合構造を用いたことによって、高性能で高い効率を有するとともに低消費電力となる光伝送機能内蔵基板を実現することができる。
【００３３】
本発明の光伝送機能内蔵基板の製造方法では、第１の基板と第２の基板の間に形成された光導波路において、第１の基板に形成した屈折率分布体および第２の基板に形成した屈折率分布体のいずれにも光学的に結合させることができる光路変換面を形成することができる。すなわち、光導波路ではコア部が上部クラッド部と下部クラッド部に挟まれており、コア部とクラッド部の境界面が２つ存在するから、光導波路の光軸方向とそれに垂直な方向との間で光路を変換する場合、コア部とクラッド部の一方の境界面側との間で光路を変換する光路変換面と、他方の境界面側との間で光路を変換する光路変換面のいずれも形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の光結合構造並びに光伝送機能内蔵基板およびその製造方法について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は本発明の光結合構造およびそれを用いた本発明の光伝送機能内蔵基板の実施の形態の一例における概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。
【００３５】
図１において、１は光半導体デバイス、２は屈折率分布体、３は光路変換面３ａを有する光路変換体、４は光導波路であり、４ａはコア部、４ｂは上部クラッド部、４ｃは下部クラッド部を示す。また、５は後述する第１の基板上に配置される第２の基板である上部基板、６ａおよび６ｂはそれぞれ上部基板５上に形成された電極および電気配線（（ａ）においては図示を省略している。）を示し、７は第１の基板である下部基板、８は信号光を模式的に表したものである。上部基板５および下部基板７により光伝送機能内蔵基板が構成されている。
【００３６】
図１に示すように、本発明の光結合構造は、光導波路４と、屈折率分布体２と、光導波路４と屈折率分布体２の間で光路を変換させるべく光導波路４および屈折率分布体２の双方に対して光学的に結合した光路変換面３ａとを有する。屈折率分布体２は、円筒形状であり、径方向において中心部から周辺部に向かって屈折率が低くなっている。なお、屈折率分布体２は、光導波路４に対し垂直に延在することが好適であるが、光導波路４と光学的に結合させることができれば垂直でなくともよい。
【００３７】
この光結合構造を用いた光伝送機能内蔵基板は、例えば上部基板５および下部基板７からなる基板内（上部基板５と下部基板７の間）に設けられた光路変換体３の光路変換面３ａに光学的に結合した光導波路４と、上部基板５上に活性領域を光路変換面３ａに対向させて搭載された光半導体デバイス１とを、上部基板５の光半導体デバイス１の活性領域および光路変換面３ａの間を貫通するように設けられた、感光性高分子材料で形成された円筒形状の屈折率分布体２を介して光学的に結合したものである。
【００３８】
光半導体デバイス１は、発光デバイスである半導体レーザや発光ダイオード等、あるいは受光デバイスであるフォトダイオード等である。以下、光半導体デバイス１が発光デバイスである場合を例にとって説明する。
【００３９】
光半導体デバイス１は、上部基板５上に形成された電極６ａ、６ｂ上に活性領域である発光点（図示せず）を上部基板５に向けて搭載され、その電極（図示せず）が電極６ａ、６ｂに接合される。接合材料にはハンダ合金や導電性接着剤を用いることができる。光半導体デバイス１を搭載する際は、屈折率分布体２を介して発光点が光路変換面３ａと光学的に結合するように、光半導体デバイス１を所定の位置に配置する。これを実現するために、画像処理装置等を使って光半導体デバイス１の位置決めを精密に行う。
【００４０】
光半導体デバイス１に対しては、電極６ａ、６ｂを通して、そのアノード電極からカソード電極への順方向に電流が印加される。光半導体デバイス１の下面にアノード電極およびカソード電極の双方がある場合は図１に示したような搭載・接合構造で順方向に電流を流すことができる。また、アノード電極とカソード電極とが光半導体デバイス１の下面と上面とに別々に形成されている場合は、実装面である下面とは反対の上面にある電極に金属細線をボンディングする構造（図示せず）によって、順方向に電流を流すことができる。それにより、発光デバイスである光半導体デバイス１の活性領域から光が出射される。
【００４１】
光伝送機能内蔵基板を構成する上部基板５には、光半導体デバイス１の発光点が対向する位置に、感光性高分子材料で形成された円筒形状の屈折率分布体２が設けられている。また、屈折率分布体２は、光半導体デバイス１の発光点と光路変換体３の光路変換面３ａとの間で上部基板５を貫通している。屈折率分布体２は、図示するように光半導体デバイス１の活性領域および光路変換面３ａに対応する大きさの円筒形状の光導波部材である。屈折率分布体２の直径は、光半導体デバイス１の発光点のサイズおよびそこから放射される出射光に対して十分に大きなものとする。
【００４２】
屈折率分布体２は、その屈折率の分布が径方向において中心部２ａで高く周辺部２ｂで低くなっている。このような同心円状の屈折率の分布は、信号光を中心部に閉じ込める光閉じ込め作用をもっといる。これにより、屈折率分布体２は、中心軸すなわち光軸に沿って信号光を伝搬させる。このような屈折率分布体２としては、大別して２種類ある。１つは、中心部２ａの屈折率が周辺部２ｂに対して例えば数％高く、中心部２ａから周辺部２ｂに向かって階段状に低くなっている階段状屈折率分布体である。もう１つは、中心軸から周辺部に向かって徐々に屈折率が低下していく、屈折率が中心部２ａから周辺部２ｂに向かって漸次低くなっている傾斜状屈折率分布体である。
【００４３】
本発明の光結合構造における屈折率分布体２は、感光性高分子材料によって形成されることが好適である。感光性高分子材料としては、例えば、光を照射すると屈折率が低下するフォトブリーチング現象を生じるポリシラン系ポリマー樹脂、あるいは光を照射した部分の屈折率が高くなる感光性のアクリル系樹脂やエポキシ樹脂がある。この際に用いられる光としては波長が紫外領域である紫外光が用いられる。このような感光性高分子材料を用いることによって、真空プロセスによるコア形状の加工といったような高価で大掛かりな製造装置を用いることなく、所望の屈折率差のある中心部２ａ（コア部）と周辺部２ｂ（クラッド部）を有する屈折率分布体２が形成できる。すなわち、所望の屈折率分布を有する屈折率分布体２を、短時間かつ低コストに形成することができる。
【００４４】
以下、フォトブリーチング現象を生じる感光性高分子材料を用いた場合の屈折率分布体２の作製方法を図２を用いて説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の光結合構造における屈折率分布体２を、上部基板５を貫通した形態で形成する方法の実施形態の一例を示す工程ごとの要部断面図である。
【００４５】
まず、図２（ａ）に示すように、上部基板５を貫通する貫通孔５ａを形成する。貫通孔５ａの位置は、後の工程で搭載される光半導体デバイス１の活性領域の位置と、同じく後の工程で形成される光路変換体３の光路変換面３ａの位置の間に対応させる。
【００４６】
本発明の光伝送機能内蔵基板を構成する上部基板５および下部基板７には、光半導体デバイス１を実装する回路基板として用いられる、有機材料による回路基板、あるいはセラミックスやガラス、シリコンによる回路基板等を用いる。そのような上部基板５に対する貫通孔５ａの形成方法には、例えばドリルによる孔加工や、レーザによる孔加工等を用いればよい。
【００４７】
次に、図２（ｂ）に示すように、その貫通孔５ａに液状の感光性高分子材料２’を充填する。この充填方法にはシリンジによる注入法や真空吸引による吸引法を用いればよい。このように液状の感光性高分子材料２’を貫通孔５ａに充填する際には、液状の感光性高分子材料２’が貫通孔５ａから溢れ出たり、逆に不足したりすることがないように、その上下端面が上部基板５の上下面とそれぞれほぼ同一平面になるように充填する。
【００４８】
次に、それを約100℃で数分間加熱していわゆるプリベークを行なう。それによって感光性高分子材料２’の反応による硬化が進み、固化する。
【００４９】
次に、図２（ｃ）に示すように、フォトマスク９を介して、上部基板５に垂直な方向から紫外光の照射を行なう。フォトマスク９には、例えば貫通孔５ａより小さい径の円形の遮光部９ｂをマスクパターンとして形成したものを用いる。なお、９ａは透光部である。この遮光部９ｂは屈折率分布体２の中心部２ａに対応するマスクパターンとして形成されている。
【００５０】
それによって、図２（ｄ）に示すように、充填した感光性高分子材料２’の周辺部のみに紫外光が照射され、紫外光が照射された周辺部の部分だけ屈折率が低下する。これにより、コア部となる中心部２ａとクラッド部となる周辺部２ｂとを持つ階段状屈折率分布体２が形成される。ここで、紫外光が照射された周辺部２ｂの屈折率の低下は、紫外光の照射時間および光量が大きいほど大きくなる。
【００５１】
最後に、全体を約100℃で数十分間加熱して、いわゆるポストベークを行なう。これによって感光性高分子材料２’の硬化がさらに進み、十分な硬さを持ち特性が安定した屈折率分布体２が完成する。
【００５２】
なお、図２の形成方法により形成される屈折率分布体２は、その屈折率が中心部２ａから周辺部２ｂに向かって階段状に低くなっている階段状屈折率分布体２である。このように屈折率が中心部２ａから周辺部２ｂに向かって階段状に低くなっていることによって、上部基板５に実装した光半導体デバイス１と屈折率分布体２のそれぞれの光軸が同一方向となる。よって、信号光は屈折率分布体２中の屈折率の境界面で反射されながら中心部２ａの高屈折率領域に閉じ込められて伝搬する。なお、階段状の屈折率分布とした場合の方が傾斜状の屈折率分布とした場合に比べて、屈折率分布体２の前後の光結合効率を高くできる。
【００５３】
屈折率分布体の別の形成方法では、紫外光を照射した部分の屈折率が高くなる感光性高分子材料を用いる。そのような感光性高分子材料、例えば、アクリル系樹脂やエポキシ樹脂を用いる場合には、図２に示したフォトブリーチング現象による作製方法とは逆の光透過率をもつフォトマスクを用いる。そのフォトマスクは、屈折率を低くしたい箇所である周辺部２ｂに対応した遮光部を形成されるか、あるいは屈折率を高くしたい箇所である中心部２ａに対応した透光部または開口を形成される。そして、図２と同様の紫外光露光を行なうことで、中心部２ａの屈折率が高い階段状屈折率分布体２を形成できる。あるいは、中心部に対応した開口部から周辺部に向かって徐々に光透過率を低下させたフォトマスクパターンを用いて露光することによって、傾斜状屈折率分布体を形成できる。
【００５４】
図３は、フォトブリーチング現象を生じる感光性高分子材料により傾斜状屈折率分布をもつ屈折率分布体２を形成する方法を示す図である。図３（ａ）および（ｂ）は、図２（ｃ）および（ｄ）と同様の工程ごとの要部断面図であり、図２と同様の箇所には同じ符号を付してある。図３（ａ）に示すように、円形の中央部から周囲に向かって徐々に光透過率を高くした遮光部９ｂをもつマスクパターンのフォトマスク９を用いれば、光透過率に比例した光量の紫外光が感光性高分子材料２’に照射されることとなり、屈折率の低下も半径方向の外側へ行く程大きくなり、結果として図３（ｂ）に示すようなコア部となる中心部２ａおよびクラッド部となる周辺部２ｂからなる傾斜状屈折率分布体２を得ることができる。
【００５５】
なお、この傾斜状屈折率分布体２における直径方向の屈折率分布の例を図３（ｃ）に線図で示す。図３（ｃ）において横軸は屈折率分布体の直径方向ｒを、縦軸は屈折率ｎを表わし、特性曲線は屈折率分布を示している。この例では、屈折率分布体２の中心において最も屈折率が高く、直径方向に沿って周辺部２ｂに向かっていわゆる釣鐘状の特性曲線で屈折率が漸次低くなっている。
【００５６】
傾斜状屈折率分布体２では、信号光は中心部２ａを蛇行しながら閉じ込められて伝搬するので、階段状屈折率分布体に比べて、屈折率の境界面で信号光が反射する際に発生する位相のずれを発生させないようにすることができる。併せて、信号光の伝搬経路差による群速度の差を小さくできるため、より広帯域の信号光の伝搬ができるものとなる。
【００５７】
また、以上のように、屈折率分布体２の周辺部２ｂに低屈折率領域を形成する場合、信号光の閉じ込め作用を高めることができるので、屈折率分布体２の外側への漏れ光を少なくすることができる。また、紫外光の照射によって容易かつ確実に周辺部２ｂに低屈折率領域を形成することができる。
【００５８】
以上の説明では屈折率分布体２を、基板に１つだけ形成する場合を例として説明したが、屈折率分布体２が２つ以上ある場合も、マスクパターンを対応させるだけで同様に実施できる。また、図１（ａ）に示すように屈折率分布体２を１列に複数設ける場合の他に、行列状（マトリクス状）に設けることも、マスクパターンを対応することにより可能である。
【００５９】
次に、下部基板７上には、上部基板５と下部基板７との間すなわち光伝送機能内蔵基板内に位置するように、屈折率分布体２に光学的に結合した光路変換面３ａを有する光路変換体３と、その光路変換面３ａに光学的に結合した光導波路４とが形成されている。これにより、上部基板５上に搭載される光半導体デバイス１と光伝送機能内蔵基板内の光導波路４とが、屈折率分布体２および光路変換面３ａを介して光学的に結合する。なお、図１（ｂ）では、基板内に設けられた光導波路４は基板の面に平行に設けられているが、屈折率分布体２と光学的に結合させることができれば基板の面に平行でなくともよい。
【００６０】
図４（ａ）〜（ｇ）は、光路変換面３ａおよび光導波路４の形成方法の例を工程順に示した要部断面図である。各要部断面図は、左側に図１（ａ）に示したＡ−Ａ’線断面図に相当する要部断面図を、右側にその直交する方向の要部断面図を示している。なお、この例においては、上記の屈折率分布体２の形成方法と同様にフォトブリーチング現象を持つ感光性高分子材料を用いた場合を例として示す。
【００６１】
図４（ａ）に示すように、光路変換体３は、断面が光路変換面３ａを斜辺とする直角二等辺三角形状をした三角柱状であり、ガラス、金属、樹脂等によって形成される。そして、その断面における直角を形成する一方の面を下部基板７上に載置し、断面における斜辺を形成する面を光路となる光導波路側に向けて配置される。光路変換体３を下部基板７上に固定するには、接着剤を用いてもよいし、ハンダ等の金属接合方法を用いてもよい。
【００６２】
下部基板７の上面に対しておおよそ45度の角度となる光路変換体３の斜面には光半導体デバイス１から光導波路４への出射光あるいは光導波路４から光半導体デバイス１への入射光の反射率を高くする光反射膜である金属コーティング（図示せず）が施されており、それによって光路変換体３の斜面が良好な光反射を行なう光路変換面３ａとして機能する。これによって、光路変換体３は信号光の光路変換を行なう機能を有する。すなわち、光路変換体３は、光半導体デバイス１から屈折率分布体２を介して下部基板７に対して垂直に入射した信号光を、下部基板７の上面に平行な方向へ90度方向変換し、下部基板７の上面と平行に光導波路４を進行させる。あるいは、光路変換体３は、光導波路４から下部基板７の上面に平行に進行してきた信号光を下部基板７に対して垂直な方向へ90度方向変換して光導波路デバイス１に向けて屈折率分布体２を進行させる。
【００６３】
なお、光路変換面３ａが、下部基板７の上面に対して45度傾斜した斜面であるときには、下部基板７の上面に対して垂直に配置される屈折率分布体２の光軸に対しても45度傾斜した光反射面となる。このように光路変換面３ａが屈折率分布体２の光軸に対して45度傾斜した光反射面をもつ場合には、屈折率分布体２の光軸に沿って伝搬してきた信号光を屈折率分布体２の光軸と直角な方向に反射する。これにより、光路変換面３ａは、屈折率分布体２の光軸に対して光軸を直角にして配置されている光導波路４の光軸と平行となるように信号光の伝搬方向を変換できることになる。
【００６４】
次に、図４（ｂ）に示すように、光路変換体３が設けられた下部基板７の上面に、屈折率分布体２の形成材料と同様の感光性高分子材料を一定の厚さで塗布し、プリベークを施す。屈折率分布体と同じ材料とすることにより信号光の反射を低減できる。これにより、光導波路４の下部クラッド部４ｃが形成される。
【００６５】
次に、図４（ｃ）に示すように、下部クラッド部４ｃの上に再度、光導波路４のコア部４ａとなる感光性高分子材料を塗布し、プリベークを行なって固化させる。このプリベークは約100℃、数分間でよい。
【００６６】
次に、図４（ｄ）に示すように、光導波路４のコア部４ａの所望するパターに対応する遮光部９ｂを形成したフォトマスク９を介して、上方から紫外光による露光を行なう。これにより、紫外光に露光された部分の屈折率が露光時間および光量に応じて低下する。
【００６７】
こうして、図４（ｅ）に示すようにコア部４ａが形成される。このとき、光導波路４のコア部４ａの端部が、光路変換面３ａに対して所定の間隔を空けて位置するように遮光部９ｂのパターンを形成するとよい。光路変換面３ａと光導波路４の端部とを間隔を空けて対向させることにより、光路変換面３ａからの伝搬光が光導波路４の端部に対して確実に直角に入射することになる。この結果、屈折率分布体２と光導波路４との間で光路変換面３ａを介して高効率な光結合を実現することができる。
【００６８】
次に、図４（ｆ）に示すように、フォトマスクを介さずに感光性高分子材料の全面を紫外光で一定時間露光する。これにより、上面から一定の深さにフォトブリーチング現象を生じさせる。
【００６９】
こうして、図４（ｇ）に示すように上部クラッド部４ｂが形成される。これにより、低屈折率の上部クラッド部４ｂと下部クラッド部４ｃとで周囲を囲まれたコア部４ａを具備する光導波路層４が形成される。
【００７０】
その後、図２または図３に示した方法で屈折率分布体２を形成された上部基板５と、図４に示した方法で光路変換面３ａをもつ光路変換体３及び光導波路４を形成された下部基板７とを互いに位置決めして接着剤等で接合し、一体化する。これにより、本発明の光結合構造を有する本発明の光伝送機能内蔵基板を得ることができる。
【００７１】
再び図１（ｂ）を参照して説明する。上述した本発明の光伝送機能内蔵基板では、光半導体デバイス１が面発光型レーザダイオードの場合は、出射光である信号光は一般に半値全角（拡がり角度）が20度から30度の範囲で放射状に広がる。一方、一般的な電極６ａおよび６ｂの厚みは数μｍなので、出射光のビームスポットとほぼ同じサイズで屈折率分布体２に信号光が入射することとなり、屈折率分布体２の内部で信号光の反射閉込めが行なわれる（階段状屈折率分布体の場合）。もしくは、信号光が屈折率分布体２中を蛇行しながら伝搬する（傾斜状屈折率分布体の場合）。それにより、信号光が屈折率分布体２から周囲に散乱して損失となることによる信号光の減衰量を低減できる。すなわち、光半導体デバイス１が面発光型レーザダイオードの場合は、上部基板５上にこれらの光半導体デバイス１を上部基板５側に活性領域を対向させて実装するだけで容易に光結合が構成できる。従って、特別な部品を用いずとも高効率な光結合構造を容易に実現できる。
【００７２】
また、光導波路４を感光性高分子材料とすることにより、紫外光露光による感光工程のみで光導波路４を形成できるため、製造工程を簡略化でき、製造コストを低下させることができる。
【００７３】
さらに、光導波路４は、紫外光露光によってコア部４ａの周囲に低屈折率領域であるクラッド部４ｂを形成する場合は、光導波路４のコアパターンに対応する部分を遮光する暗部としたフォトマスクを使う露光工程だけで形成できるので、光導波路４の製造工程を短時間で済ませられ、その製造コストを低下させることができる。
【００７４】
屈折率分布体２からの信号光は、屈折率分布体２が階段状屈折率分布体の場合は、その中心部２ａと周辺部２ｂとの屈折率差に応じた角度で拡がることとなる。この場合には、屈折率差を調整することによって拡がり角度を所望の値に制御することができる。また、屈折率分布体２が傾斜状屈折率分布体の場合は、信号光は一定の周期をもって屈折率分布体２中を蛇行することとなる。この場合には、信号光は中心部２ａを蛇行しながら閉じ込められて伝搬するので、屈折率の境界面で信号光が反射する際に発生する位相のずれを発生させないようにすることができ、併せて信号光の伝搬経路差による群速度の差を小さくできるため、より広帯域の信号光の伝搬が可能となる。
【００７５】
そして、屈折率分布体２を通って出射した信号光は、光導波路４の上部クラッド部４ｂを透過して、光路変換体３の光路変換面３ａで進行方向を90度変換され、光導波路４のコア部４ａに入射してその内部を伝搬する。
【００７６】
光導波路４のコア部４ａの端面が信号光の進行方向に対して垂直であって、光路変換体３の極近傍で光路変換面３ａと間隔ｄをおいて対向することにより、光路変換面３ａからの伝搬光は光導波路４に対してその端部に確実に直角に入射する。従って、光路変換面３ａを介し光結合して光導波路４のコア部４ａに入射する信号光量が、特許文献１に示す従来の光結合構造における場合と比較して高くなる。
【００７７】
以上の例においては、光半導体デバイス１が面発光型デバイスの場合について説明した。光半導体デバイス１が面受光型デバイスの場合は、信号光の出射から伝搬、光路変換面３ａにおける反射による光路変換、光導波路４への入射が逆の順序になる。すなわち、光導波路４を伝搬してきた信号光はコア部４ａから出射し、光路変換体３の光路変換面３ａで反射され、光路を90度変換されて屈折率分布体２に入射する。そして、その信号光は、面受光型フォトダイオード等の面受光型光半導体デバイス１の活性領域へと達して受光される。
【００７８】
本発明の光伝送機能内蔵基板において、光半導体デバイス１が面発光型レーザダイオードまたは面受光型フォトダイオードであるときには、上部基板５上にこれらの光導波路デバイス１を活性領域を上部基板５側に対向させて実装するだけで光結合を容易に構成できるので、特別な部品を用いずとも高効率な光結合構造を容易に実現することができるものとなる。
【００７９】
本発明の光伝送機能内蔵基板によれば、以上のような構成により、これら面発光型デバイスの光半導体デバイス１と面受光型デバイスの光半導体デバイス１とを同一基板（例えば、同一の上部基板５）上に搭載固定し、それぞれに対応させて基板（上部基板５と下部基板７とで構成される基板）内に本発明の光結合構造を内在させることによって、基板内での良好な信号光の伝送が可能となる。
【００８０】
図５は、本発明の光結合構造とこれを用いた光伝送機能内蔵基板の別の実施形態を示す概略的な断面図である。
図５に示す光伝送機能内蔵基板は、上部基板５と、上部基板５と平行に配置された下部基板７と、上部基板５と下部基板７の間に形成された光導波路４と、上部基板５を貫通して形成された第１の屈折率分布体２１と、光導波路４及び第１の屈折率分布体２１に光学的に結合し、これらの間で光路を変換させる第１の光路変換面３１ａとを有する。第１の屈折率分布体２１は、上述の実施形態におけるいずれかの屈折率分布体１と同じ構成である。従って、光導波路４と、第１の屈折率分布体２１と、第１の光路変換面３１ａとは、上述の本発明の光結合構造を形成していることになる。
【００８１】
さらに、図５の光伝送機能内蔵基板には、光導波路４上における第１の光路変換面３１ａから離間した位置において、第１の光路変換面３１ａと対向して第２の光路変換面３２ａが設けられている。そして、下部基板７を貫通して第２の屈折率分布体２２が形成されており、第２の光路変換面３２ａは、光導波路４及び第２の屈折率分布体２２に光学的に結合し、これらの間で光路を変換させる。第２の屈折率分布体２２もまた、上述の実施形態におけるいずれかの屈折率分布体１と同じ構成である。従って、光導波路４と、第２の屈折率分布体２２と、第２の光路変換面３２ａとは、上述の本発明の光結合構造を形成していることになる。
なお、図５では、基板内に設けられた光導波路４は基板の面に平行に設けられているが、第１及び第２の屈折率分布体２１、２２と光学的に結合させることができれば基板の面に平行でなくともよい。
【００８２】
図５中の破線は、信号光の光路を模式的に示している。信号光の光路の一つは、第１の屈折率分布体２１を伝搬して第１の光路変換面３１ａにより光導波路４へ光路変換され、光導波路４を伝搬して第２の光路変換面３２ａにより第２の屈折率分布体２２へ光路変換され、第２の屈折率分布体２２を伝搬し、出射するものである。もう一つの光路は、この逆の順路となる。
【００８３】
光導波路４は、上部クラッド部４ｂ、コア部４ａ及び下部クラッド部４ｃを具備する。光導波路４は、感光性高分子材料から形成され、例えば、ポリイミド、エポキシ、アクリル、ポリシランなどである。信号光の波長における透過率が高いものが好適である。コア部４ａの屈折率が、上部クラッド部４ｂ及び下部クラッド部４ｃより数％高く構成されており、その部分を光信号が高効率に伝搬する。
【００８４】
光路変換面３１ａは、コア部４ａと下部クラッド部４ｃの境界面にＶ型またはＵ型の屈曲部４ｄを形成し、その屈曲部４ｄに含まれる傾斜面上を金属材料からなる光反射膜３１で被覆することにより形成される。屈曲部４ｄは、下部クラッド部４ｃからコア部４ａに向かって凸である。光反射膜３１の一表面が光反射面すなわち光路変換面３１ａとなる。また、光路変換面３２ａは、コア部４ａと上部クラッド部４ｂの境界面にＶ型またはＵ型の屈曲部４ｅを形成し、その屈曲部４ｅに含まれる傾斜面上を金属材料からなる光反射膜３２で被覆することにより形成される。屈曲部４ｅは、上部クラッド部４ｂからコア部４ａに向かって凸である。光反射膜３２の一表面が光反射面すなわち光路変換面３２ａを形成する。光反射膜３１、３２用の金属材料としては、信号光の反射率が高いものとして金や銅などを用いるとよい。
【００８５】
図５の形態は、上述の例のように別部材の光路変換体を準備する必要がない。また、光導波路４を下部基板７の上面に形成し、その工程の中で光路変換面３１ａ、３２ａを併せて形成することができる。ここで、従来のようなダイサー切断機を用いた加工方法では、光導波路４と下部クラッド部４ｃとの境界面に光路変換面３１ａを形成することはできなかった。図５に示すように、光路変換面３１ａを形成するためのコア部４ａと下部クラッド部４ｃの境界面の屈曲部４ｄは、下部基板７の上面に突起７ａを配置することにより形成される。この作製方法については、次の図６で詳細に説明する。このように、本発明では、上部クラッド部４ｂ及び下部クラッド部４ｃのいずれについても、コア部４ａとの境界面の任意の位置に光路変換面を形成することができる。
【００８６】
なお、図示しないが、図５の光伝送機能内蔵基板においても、図１（ｂ）に示したように、上部基板５上または下部基板７上に光半導体デバイスを搭載してもよい。その場合、光半導体デバイスの活性領域を第１の屈折率分布体２１または第２の屈折率分布体２２に対向させて光学的に結合させる。
【００８７】
図６（ａ）〜（ｈ）並びに図７（ａ）及び（ｂ）は、図５に示した光伝送機能内蔵基板の製造方法の一例を工程順に示した要部断面図である。
図６（ａ）に示すように下部基板７を準備する。
図６（ｂ）に示すように下部基板７に貫通孔を設け、その内部に屈折率分布体２２を形成する。屈折率分布体２２の形成方法は、上述の図２または図３に示した通りである。  
【００８８】
次に、図６（ｃ）に示すように、下部基板７の上面に突起７ａを作製する。突起７ａの断面形状はおおよそ台形ないしは半楕円形である。突起７ａを設ける位置は、後工程で接合される上部基板５における屈折率分布体２１に対応する位置とする。作製方法は、例えば、下部基板７に貼着した銅や金などの金属膜を盛り上げ成型する方法、または、金属材料や樹脂材料で予め成型したものを基板に接着する方法等を用いる。
【００８９】
次に、図６（ｄ）に示すように、下部基板７の上面に透明高分子材料を一定の厚さで塗布し、プリベークを施して固化させる。透明高分子材料は、屈折率分布体２２の形成材料と同じ感光性高分子材料とすることが、信号光の反射を低減する上で好適である。これにより、光導波路４の下部クラッド部４ｃが形成される。このとき、突起７ａを設けた箇所は、この突起７ａの外郭形状に沿って下部クラッド部４ｃが盛り上がることにより屈曲部４ｄを形成する。
【００９０】
次に、図６（ｅ）に示すように、下部クラッド部４ｃの屈曲部４ｄの表面を光反射膜３１で被覆する。例えば、銅や金などの金属材料を、塗布、メッキもしくは蒸着などの技術により屈曲部４ｄの表面に被覆する。さらに、光反射膜３１の表面は平滑なものとする。これにより光路変換面３１ａが形成される。
【００９１】
次に図６（ｆ）に示すように、光反射膜３１上を含む下部クラッド部４ｃの表面上に下部クラッド部４ｃよりも屈折率が高い透明高分子材料を塗布する。さらに、プリベークを施してこの透明高分子材料を固化させ、所望するコア部４ｃのパターンとなるように適宜切削することによりコア部４ａを形成する。あるいは、上述の図４（ｃ）で示したように感光性高分子材料を塗布し、図４（ｄ）及び（ｅ）に示したように、所望するコア部のパターンに対応したフォトマスクを介して紫外光の露光を行うことによりコア部４ａを形成する。図６（ｆ）に示すように、光路変換面３１ａの部分においてコア部４ａの上面が盛り上がることになるが、コア部４ａから上方へ光路変換する場合にはこの盛り上がりの傾斜に従って光が進むため、有利である。
【００９２】
次に図６（ｇ）に示すように、ダイサー切断機等による切削、あるいは加熱による成型などの手法を用いてコア部４ｃを表面から部分的に除去することにより、屈曲部４ｅを形成する。屈曲部４ｅを設ける位置は、屈折率分布体２２に対応する位置とする。
【００９３】
次に図６（ｈ）に示すように、屈曲部４ｅの表面を光反射膜３２で被覆する。この方法は、上述の図６（ｅ）の光反射膜３１と同様である。これにより光路変換面３２ａが形成される。
【００９４】
次に図６（ｉ）に示すように、光反射膜３２上を含むコア部４ａの表面上に透明高分子材料を塗布し固化させることにより上部クラッド部４ｂを形成する。上部クラッド部４ｂを例えばスピンコートで形成すると、突起７ａによるコア部４ａ上面の凹凸は吸収されて上部クラッド部４ｂの上面はほぼ平坦となる。最後に全体に対してポストベークを適宜行い、硬化促進させることにより光導波路４の作製が完了する。
【００９５】
さらに、図７（ａ）に示すように、下部基板７上に形成された光導波路４の上面に対して、上部基板５を貼り合わせて積層する。図示しないが、この際、上部基板５の下面に接着用の樹脂を塗布しておく。なお、上部基板５には、第１の屈折率分布体２１が上述の図２または図３に示した方法で予め形成されている。第１の屈折率分布体２１の位置は、下部基板７に形成された光路変換面３１ａの位置に対応する。
【００９６】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、上部基板５に屈折率分布体２１を形成した後に、光半導体デバイスの搭載面（上面）とは反対側の面（下面）に感光性樹脂を塗布して光導波路４を形成し、次いで光路変換面を設ける製造手順としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の光結合構造およびそれを用いた本発明の光伝送機能内蔵基板の実施の形態の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の光結合構造における屈折率分布体の形成方法の実施の形態の一例を示す工程ごとの要部断面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の光結合構造における屈折率分布体の形成方法の実施の形態の他の例を示す工程ごとの要部断面図であり、（ｃ）は傾斜状屈折率分布体における直径方向の屈折率分布の例を示す線図である。
【図４】（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ本発明の光結合構造および光伝送機能内蔵基板における光路変換面３ａおよび光導波路４の形成方法の例を工程順に示した要部断面図であり、左側に図１（ａ）に示したＡ−Ａ’線断面図に相当する要部断面図を、右側にその直交する方向の要部断面図を示している。
【図５】本発明の光伝送機能内蔵基板の別の実施形態の断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｉ）は、図５の光伝送機能内蔵基板の製造方法を示す図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、図５の光伝送機能内蔵基板の製造方法を示す図である。
【図８】従来の光伝送機能内蔵基板の断面図である。
【符号の説明】
【００９８】
１  光半導体デバイス
２’  液状の感光性高分子材料
２、２１、２２  屈折率分布体
２ａ  中心部（コア部：高屈折率領域）
２ｂ  周辺部（クラッド部：低屈折率領域）
３  光路変換体
３ａ  光路変換面
４  光導波路
４ａ  コア部
４ｂ  上部クラッド部
４ｃ  下部クラッド部
４ｄ、４ｅ  境界面における屈曲部
５  上部基板
５ａ  貫通孔
６ａ，６ｂ  電極および電気配線
７  下部基板
７ａ  突起
８  信号光
９  フォトマスク
９ａ  透光部
９ｂ  遮光部
３１、３２  光反射膜
３１ａ、３２ａ  光反射面
【図１】
2006330697.tif 000003
【図４】
2006330697.tif 000004
【図５】
2006330697.tif 000005
【図６】
2006330697.tif 000006
【図７】
2006330697.tif 000007
【図２】
2006330697.tif 000008
【図３】
2006330697.tif 000009
【図８】
2006330697.tif 000010