(57)【要約】【課題】高密度実装又は小型化が可能で、しかも光電素子の実装が容易に、且つ低結合損失で行え、信頼性の高い光路変換部品、及び該光路変換部品を用いた光表面実装導波路を提供すること。【解決手段】光路変換部品の伝送路のコア３が、光の入射口５、出射口６、及び反射面４を有し、光の入射口、出射口、及び反射面を除いて、コアより屈折率の低いクラッド２で覆われており、反射面４における反射を利用して、光の光路を所定の角度に変換させること。伝送路のコア及びクラッドの各々の屈折率が、光導波路のコア及びクラッドの各々の屈折率と一致していること。光導波路の所定の位置にホール空間４７を形成し、光路変換部品を埋設し、上部へ光電素子を実装したこと。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアとクラッドで構成された光導波路に光電素子を実装する際に用いられる光路変換部品であって、該光路変換部品の伝送路のコアが、光の入射口、出射口、及び反射面を有し、光の入射口、出射口、及び反射面を除いて、コアより屈折率の低いクラッドで覆われており、該反射面における反射を利用して、入射口からの光の光路を所定の角度に変換して出射口から光を出射させることを特徴とする光路変換部品。
【請求項２】
前記伝送路のコア及びクラッドの材料が、無機材料、金属材料、有機高分子材料、或いはこれらを組み合わせた材料であり、伝送路のコア及びクラッドの各々の屈折率が、前記光導波路のコア及びクラッドの各々の屈折率と概ね一致していることを特徴とする請求項１記載の光路変換部品。
【請求項３】
前記反射面に、金属薄膜の単層、或いは２種以上の金属薄膜の多層が設けられていることを特徴とする請求項１、又は請求項２記載の光路変換部品。
【請求項４】
コアとクラッドで構成された光導波路の所定の位置にホール空間を形成し、該ホール空間へ、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光路変換部品を埋設し、該光路変換部品の上部へ光電素子を実装したことを特徴とする光表面実装導波路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を利用して信号を伝送する交換装置、通信装置、及び情報処理装置等に用いられる光表面実装導波路に関するものであり、特に、光導波路の表面に光電素子を実装するのに有用な光路変換部品、及びそれを用いた光表面実装導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信装置の発展に伴い、これらの装置内に於ける信号配線の容量不足が問題となりつつあり、これを解消するために装置内部のプリント基板の銅による電気配線の一部を光ファイバー又は光導波路に置き換え、電気信号の代わりに光信号を利用することが検討され始めている。
装置内部に於いては装置間を接続する場合と異なり、高密度の光配線を限られたスペースに収容する必要があるため、一般的にはＩＣやマルチチップモジュールと同じようにレーザーダイオードやフォトダイオードの光電素子を基板表面に実装し、電気配線板と同一基板に光配線を積層するなどの方法が検討されている。
【０００３】
光導波路が電気配線と同一の基板上で積層された光・電気配線基板は高密度実装が可能であり、小型化の観点から望ましい構造であるが、光導波路をレーザーダイオードやフォトダイオードといった光電素子と光学的に結合させる為には、光路を９０°変換する光路変換技術が要求される。
【０００４】
９０°光路変換に関しては、光導波路自体へメカニカルな加工装置を用いて斜め４５°の切り込みを入れ、空気との屈折率の違いを利用し９０°全反射面を形成する方法が、例えば、市村他：”光表面実装向け４５°ミラー付き高分子導波路”、回路実装学会誌、Ｖｏｌ１３、Ｎｏ２、ｐｐ９７−１０２、１９９８．に提案されている。
しかしながら、切り込みによる４５°面の形成は、光導波路への切削領域が比較的広範囲に及ぶため高密度実装に不利と指摘されていた。
【０００５】
この問題を解決するための手段として光プリント基板の任意の場所に、局所的にプリズム状の４５°ミラーを設置する方法、或いは、マイクロミラー付きピンを利用する方法が、例えば、佐藤他：”光ＳＭＴ向けマイクロミラー付きピンによる９０°光路変換”、Ｏｐｔｉｃｓ　Ｊａｐａｎ　”９９、２３ｐＢ１８、１９９９．に提案されている。
後者においては、微細に断裁した光ファイバーの端面を４５°加工し、これをマイクロミラー付きのピンとして光電素子との結合に用いている。これらの方法は表面高密度実装の問題を解決できると考えられているが、４５°面での信号の洩れ光などの為に入力信号が５０％以上も損失してしまうなど、データ伝送における信号誤りといった信頼性の点で実用化には課題が残っていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、斯かる従来技術の状況に鑑みてなされたものであり、高密度実装又は小型化が可能で、しかも光電素子の実装が容易に、且つ低結合損失で行え、データ伝送における信号誤りのない信頼性の高い光路変換部品を提供することを課題とするものである。
また、該光路変換部品を用いた光表面実装導波路を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コアとクラッドで構成された光導波路に光電素子を実装する際に用いられる光路変換部品であって、該光路変換部品の伝送路のコアが、光の入射口、出射口、及び反射面を有し、光の入射口、出射口、及び反射面を除いて、コアより屈折率の低いクラッドで覆われており、該反射面における反射を利用して、入射口からの光の光路を所定の角度に変換して出射口から光を出射させることを特徴とする光路変換部品である。
【０００８】
また、本発明は、上記発明による光路変換部品において、前記伝送路のコア及びクラッドの材料が、無機材料、金属材料、有機高分子材料、或いはこれらを組み合わせた材料であり、伝送路のコア及びクラッドの各々の屈折率が、前記光導波路のコア及びクラッドの各々の屈折率と概ね一致していることを特徴とする光路変換部品である。
【０００９】
また、本発明は、上記発明による光路変換部品において、前記反射面に、金属薄膜の単層、或いは２種以上の金属薄膜の多層が設けられていることを特徴とする光路変換部品である。
【００１０】
また、本発明は、コアとクラッドで構成された光導波路の所定の位置にホール空間を形成し、該ホール空間へ、上記いずれかの光路変換部品を埋設し、該光路変換部品の上部へ光電素子を実装したことを特徴とする光表面実装導波路である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による光路変換部品、及び光表面実装導波路を、その実施の形態に基づいて説明する。
図１は、本発明による光路変換部品の一実施例を示す斜視図である。図１に示す光路変換部品は光路を９０°変換する光路変換部品である。
図１に示すように、光路変換部品１は、伝送路のコア３が、光の入射口５、出射口６、及び反射面４を有し、光の入射口５、出射口６、及び反射面４を除いて、コアより屈折率の低いクラッド２で覆われており、該反射面４における反射を利用して、入射口５からの光の光路を所定の角度に変換して出射口６から光を出射させるものである。
【００１２】
すなわち、光を伝搬する屈折率の高い円筒形状のコア３が屈折率の低いクラッド２中に設けられており、このコア３の一部に反射面４が形成されている。光信号を全反射させる為に反射面４には、反射膜としてＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｓｉなどの金属膜や、ＳｉＯ２　、ＳｉＮ、Ａｌ２　Ｏ３　、ＴｉＯ２　、Ｔａ２　Ｏ５　などの誘電体膜などが単独、或いはこれらを組み合わせて成膜することが好ましい。
【００１３】
光路変換部品１は、光信号を外部の光電素子からコア３に入射する入射口５、光路変換部品１内で９０°光路変換された光を出射する出射口６とを備え、例えば、入射口５にＶＣＳＥＬなどの半導体レーザーが、出射口６に光導波路が接続される。
入射口５から入射した伝送路のコア３中の光信号は、反射面４により９０°光路変換され再び伝送路を伝搬し出射口６から光導波路に入射される。この構造により、光導波路に実装する光電素子の光信号を光路変換部品内に閉じ込めたまま、光導波路へ接続できる。従って、表面実装した光電素子と光導波路内を伝搬する光信号とを高い結合効率で、９０°垂直方向に光路変換する事が可能となる。なお、この一実施例では９０°の光路変換を取り上げたが、光路変換の角度は任意に設定することができる。
【００１４】
光導波路と光電素子とを光接続する、本発明による光路変換部品は、ガラス、石英、セラミックなどの無機材料、鉄、アルミ、ステンレスなどの金属材料、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリメチルメタクリレートなどの有機高分子材料、或いはこれらを組み合わせた伝送路の構造である。その伝送路を構成するコア及びクラッドの各々の屈折率は、光路変換部品を埋設する光導波路のコア及びクラッドの各々の屈折率と概ね一致していることが好ましい。
【００１５】
一般に、コア径、屈折率、比屈折率差といった伝送路の構造と信号源の光の波長が与えられた場合、光は伝送路内で任意の伝搬角をとることができず、飛び飛びの伝搬角をとることになる。この形態はモードと呼ばれるが、前記の各々の屈折率が概ね一致していると、光路変換部品内と光導波路内の信号を同じモードで伝送できることになる。
【００１６】
無機材料としては、例えば、鉛カリソーダ、ソーダ石灰、アルカリ亜鉛硼珪酸、アルミノ珪酸、ガラスセラミック、硼珪酸、ソーダ亜鉛、ソーダバリウム、バリウム硼珪酸、高鉛、ソーダバリウム珪酸、９６％珪酸、石英ガラス、チタン珪酸、鉛カリ、鉛珪酸等が挙げられる。
【００１７】金属材料としては、鉄、アルミ、ステンレス、炭素鋼、銅、チタン、コバルト等が挙げられる。また必要に応じてアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、アルチック、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコニウム、ジルコニア、マコール、ホトベール、コージライト、ボロンナイトライド、フォルステライト等のセラミックス材料を用いることも可能である。
【００１８】
本発明に於ける有機高分子材料としては、透明性に優れ、屈折率を自由に制御できるエポキシ樹脂、ポリイミド、ポリカーボネート、（メタ）アクリル樹脂、重水素化ポリフルオロメタクリレート、重水素化ポリメチルメタクリレートなどが挙げられるが、好ましくはフッ素化ポリイミド、脂肪族環状エポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、重水素化ポリメチルメタクリレート等である。
【００１９】
９０°光路変換において、光路変換部品の具体的な形状は、埋設側光導波路の膜厚、コアサイズ、コアピッチに応じて外形サイズが数十μｍ〜数百μｍの四角柱、円柱、多角柱などにする事ができる。
図１中符号２、３は上記のガラス、石英、セラミックなどの無機材料、鉄、アルミ、ステンレスなどの金属材料、フッ素化ポリイミド樹脂、脂肪族環状エポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、重水素化ポリメチルメタクリレートなどの高分子材料からなる。
【００２０】
光路変換部品の製造方法としては、例えば、所望サイズを得るのに研磨や加熱成形によってマイクロガラス柱状に加工を行う。次いで、光路の変換方向に一致させて２軸方向から、マイクロガラス柱内部へレーザ照射、例えば、波長８００ｎｍのフェムト秒レーザーを照射し、直径５〜１００μｍとなるように直接ガラスの屈折率を高くし伝送路を設ける。
或いは、別な方法としては、例えば、マイクロガラス柱へドリルやＣＯ２　、エキシマ等のレーザ照射によって２軸方向からスルーホールを形成し、このスルーホールへ高屈折率のガラス材料、金属材料、或いは、フッ素化ポリイミド樹脂、脂肪族環状エポキシ樹脂、重水素化ポリメチルメタクリレートなどの高分子材料を充填する。こうして伝送路を形成した後、再び研磨によってマイクロガラス柱の傾斜面を形成するといった方法が挙げられる。
【００２１】
図２は、本発明による光路変換部品の一実施例の製造方法を示す斜視図である。図２（ａ）に示すように、先ず、光導波路のクラッド２に相当する、例えば、屈折率１．５１２のホウ珪酸ガラスを縦１００μｍ×横１２０μｍ×高さ７００μｍのサイズに断裁、研磨加工する。次いで、直径４０μｍのダイヤモンドドリルで、光導波路の伝送路方向に対して水平及び垂直の２方向から切削し、径４０μｍのスルーホール７を形成する（図２（ｂ））。
この後、コア３として屈折率１．５３３のエポキシ系紫外線硬化型樹脂を前記スルーホール中へ、１×１０−３ｔｏｒｒの減圧環境下にて充填する（図２（ｃ））。更に、紫外線照射を５分間行い硬化させた後、７０℃で６０分間加熱処理しエポキシ樹脂を安定化させコア３とする。
この後、コア３の交差部に４５°の傾斜面を研磨によって形成し、この傾斜面へ、例えば、Ａｕ属膜を蒸着し反射面４とする（図２（ｄ））。
【００２２】
表面実装される光電素子の半導体レーザをオン・オフして得られる光強度変調信号は、送受システムにおいて損失が大きいと、波形劣化、歪みの原因となりオン・オフ信号を誤って判定し、システム全体の動作の安定性、信頼性に影響を与える。
光導波路へ単に４５°の切り込みを入れた従来の光変換方法では、反射面から数十ミクロン離れた光導波路表面に半導体レーザを設けていたために、光信号が広がってしまい反射面以外への光洩れが極端に多かった。また、反射面−半導体レーザ間は屈折率の低いクラッド層になるためモード変換が避けられなかった。
【００２３】
本発明の光路変換部品を用いたシステムでは、光路変換部品自体が導波路の屈折率に合わせた伝送路構造を有しているためモード変換を解消できる。また、入射口５、出射口６がそれぞれ表面に実装される光電素子、光導波路端面と接触しているために、半導体レーザからの信号を洩れなく９０°光路変換し光導波路へ導入できる。
光導波路を伝送した信号をフォトダイオードで受光する場合は、同様に洩れなく９０°光路変換しフォトダイオードで受光できる。この結果、優れた送受信特性の実現が可能となっている。
【００２４】
光路変換部品が埋設される側の光導波路については、光ファイバで実証済みのように波長１．３μｍにおいて０．１ｄＢ／ｃｍ以下を達成している無機材料系の石英光導波路や、低温プロセスで製造可能な各種高分子材料系光導波路を用いることが可能である。
光導波路の材料は無機材料、高分子材料どちらでもよいが、本発明では高分子からなり、コアとクラッドの屈折率差が０．３乃至２．０％で、トータル膜厚が１０μｍ以上とすることが好ましい。光導波路を構成するコアの形状は円形或いは矩形であり、サイズ５〜１００μｍであることが好ましい。５〜１００μｍ以外になると単一の反射角をもった光信号の伝搬（シングルモード）や複数の反射角をもった光信号の伝搬（マルチモード）の為の、位相条件を満たす事が難しくなるからである。一方、クラッドの膜厚は上部、下部共に５μｍ以上であることが好ましい。膜厚５μｍ以下ではコア内を伝搬する光信号がクラッドへ放射されてしまい易く、損失を招く原因となり易いからである。
【００２５】
上記の光導波路の材料としては、例えば、コアが重水素化ポリメチルメタクリレート（ｄ−ＰＭＭＡ）またはフッ素化ポリメチルメタクリレートであり、クラッドがコアよりも屈折率の低いエポキシ樹脂が好ましい。コアにｄ−ＰＭＭＡを用いた場合にはｄ−ＰＭＭＡ中に多量に含まれるＣＨ基による１．５５μｍ帯における光吸収損失のすそのために光信号の赤外線レーザの伝搬損失が大きくなってしまうが、重水素化する事により両波長での損失は小さくできるからである。
【００２６】
一方、クラッドとして用いるエポキシ樹脂は、ビスフェノールＡとエピクロルヒドリンの縮合生成物、或いはビスフェノールＡに変えてビスフェノールＦやポリグリコール等を基本とした樹脂である。エポキシ樹脂をクラッドに用いる事で、コアとクラッドの屈折率差制御、耐環境性、ハンダ熱耐性、クラッド自体の塗布性など光導波路に対する各種要求特性を満足するように設計できるからである。本実施の形態では必ずしも上記の高分子材料に限定された訳ではなく、吸収損失の小さいその他の高分子材が利用可能である。
【００２７】
高分子光導波路の製造方法としては、例えば、光導波路パターンの形成に、フォトレジストを塗布、パターニングして、反応性イオンエッチングを用いる方法、紫外線で硬化する官能基を有した脂肪族環状エポキシ樹脂を用い紫外線照射により硬化を行い、直接パターニングする方法等が挙げられる。また、光導波路の構造としては埋め込み型が好ましいが、特に限定される訳ではない。
【００２８】
光導波路へ光路変換部品を所定の位置に埋設するために形成するホール空間は、機械的なドリルを用いる事やレーザ（ＣＯ２　、エキシマ、フェムト秒等）照射或いは光導波路表面にフォトレジストを塗布、パターニングして、反応性イオンエッチングする等公知の手法を用いることができる。
【００２９】
本発明の光導波路に実装される光電素子としては高速周波数特性、低電圧特性の、例えば、波長０．８５ｍｍのＶＣＳＥＬ（面発光レーザー）や０．６５ｍｍの半導体レーザー、１．３ｍｍの通信用レーザーを用いることができる。これらにより電気信号を光信号に変換し、光路変換部品を介して光導波路内へ光信号を送信する。
また、光信号を再び電気信号に変換するフォトダイオードは、例えば、光導電効果や光起電力効果で検出するｐｎ接合フォトダイオード、ｐｉｎフォトダイオード、ショットキー障壁型フォトダイオード、アバランシェ増幅型フォトダイオード、及びフォトトランジスタを用いる事ができる。これらもまた各種レーザーと同様に光導波路に実装し、光導波路中の光信号を光路変換部品を介して受光する事ができる。また、場合によって、フォトトランジスタ、ＣｄＳセル（硫化カドミウムセル）などの光導電効果を利用した光センサーを用いても良い。
【００３０】
図３は、本発明の光表面実装導波路に用いる光導波路の作製方法の一例を断面を示す工程図である。任意の基板、例えば、電気配線されたセラミック基板８上に高分子光導波路の下部クラッド用エポキシ樹脂組成物液をスピンコート等の方法により塗布し、これを紫外線照射により硬化させて下部クラッド９を膜厚３０μｍに形成する（図３（ａ））。
次いで、下部クラッドとして用いた高分子より屈折率の高い紫外線硬化型エポキシ樹脂組成物３３を、下部クラッド９を形成したときと同様の方法により塗布、乾燥し４０μｍの膜厚に形成する（図３（ｂ））。次ぎに、コア層に対して窒素気流下、超高圧水銀灯で所望の部位を光伝送路状に露光した後、有機溶剤で直接現像し、所望の部位以外の領域を除去し、更に、加熱処理を行いコアパターン３４を得る（図３（ｃ））。
この後、下部クラッドとして用いた組成物をスピンコート法により塗布し、これを紫外線硬化させて上部クラッド１０を形成する（図３（ｄ））。
【００３１】
光路変換部品を光導波路へ埋設する為のホール空間は、ＫｒＦエキシマレーザで、例えば、ビーム出力１５Ｗ、発振周波数６００ｐｐｓ（Ｐｕｌｓｅ　ＰｅｒＳｅｃｏｎｄ），パルスエネルギー３０ｍＪ／パルス、照射エネルギー密度１Ｊ／ｃｍ２　（結像レンズ０．３８５倍）の条件で、コアサイズ４０μｍ角、上下クラッド厚各３０μｍの光導波路に対して孔径１５０μｍのホール空間４７を形成する。図４は、光導波路へＫｒＦエキシマレーザによりホール空間４７を形成した状態を示す斜視図である。
【００３２】
図５は、光路変換部品１を光導波路１１のホール空間４７へ光学接着剤１２を用いて埋設し、この表面へデータ伝送用の波長８５０ｎｍの垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）１３及び受光径８０μｍＩｎＧａＡｓ−Ｐｉｎフォトダイオード１４を実装した状態を示している。
ＶＣＳＥＬ１３及びフォトダイオード１４はチップ部品型でパッケージ内へ下向きに実装され、電極１７が金錫ペースト１５等でセラミック基板８の電気配線１６と接合されている。
【００３３】
光導波路１１の所定の場所に適度のクリアランスを設けて形成したホール空間４７に、光路変換部品１を直接差し込む手法であることから、光路変換部品１の側面や上面等にアライメントマークを複数形成することで、光導波路１１の縦、横方向、及び深さ方向での光路ずれは埋設の際に最小限になるよう容易に調整できる。
また、９０°光路変換を行う方法においては、従来のミラー反射のみの方式に比べ、光路変換部品１は伝送路の構造を有していることから、光信号を閉じ込めたままの状態を保持できる。これらの結果、光路変換部品自体の損失と接続に伴う損失を合わせても、出力信号が入力信号に対して８０％以上と大幅に改善され、実用化に多大な効果のあることが確められた。これは、光路変換部品の反射面からの不要な光輻射や光電変換素子や光導波路との接続面での放射が大幅に低減した結果に由来しているからである。
【００３４】
なお、本発明において光路変換部品を埋設する光導波路が複数線路で構成されている場合、それぞれの線路に対応させて光路変換部品を設置できるが、部品サイズ自体を拡大し、光信号の変換方向に沿った伝送路を複数有するアレイ状としても特に問題はない。
【００３５】
上記のように、本発明では部品自体が低損失化されるのに加え、局所的に形成した光導波路のホール空間に光路変換部品を精度良く位置あわせ出来ることから、光路ズレに伴う結合損失を最小限に抑えることが可能になる。従って、高密度且つ信頼性の優れた光表面実装導波路、或いは光・電気配線基板の実現が可能になる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、伝送路のコアが、光の入射口、出射口、及び反射面を有し、光の入射口、出射口、及び反射面を除いて、コアより屈折率の低いクラッドで覆われており、該反射面における反射を利用して、入射口からの光の光路を所定の角度に変換して出射口から光を出射させる光路変換部品であるので、高密度実装又は小型化が可能で、しかも光電素子の実装が容易に、且つ低結合損失で行え、信頼性の高い光路変換部品となる。
【００３７】
また、本発明は、局所的に形成した光導波路のホール空間に光路変換部品を精度良く位置あわせ出来ることから、光路ズレに伴う結合損失を最小限に抑え、高密度且つ信頼性の優れた光表面実装導波路を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光路変換部品の一実施例を示す斜視図である。
【図２】本発明による光路変換部品の一実施例の製造方法を示す斜視図である。
【図３】本発明の光表面実装導波路に用いる光導波路の作製方法の一例を断面を示す工程図である。
【図４】光導波路へホール空間を形成した状態を示す斜視図である。
【図５】本発明の光表面実装導波路の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・光路変換部品
２・・・クラッド
３・・・コア
４・・・反射面
５・・・入射口
６・・・出射口
７・・・スルーホール
８・・・基板
９・・・下部クラッド
１０・・・上部クラッド
１１・・・光導波路
１２・・・光学接着剤
１３・・・面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）
１３’・・・発光面
１４・・・フォトダイオード
１４’・・・受光面
１５・・・金錫ペースト
１６・・・電気配線
１７・・・電極
３３・・・紫外線硬化型エポキシ樹脂組成物
３４・・・コアパターン
４７・・・ホール空間
【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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