(57)【要約】【課題】発光受光素子間での光信号の伝送が効率良く行われる光電子基板を得る。【解決手段】多層基板１０の一方の面に一対の面型発光受光素子１２が実装され、一対の面型発光受光素子１２の下にはそれぞれ第１、第２の貫通孔１４ａ、１４ｂが形成されている。多層基板１０の他方の面には非球面鏡２８が、第１、第２の貫通孔１４ａ、１４ｂに対向して設けられ、光導波路２２の端部は非球面鏡２８に対向し、非球面鏡２８により、光路を貫通孔方向または光導波路方向に変換する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板の一方の面と他方の面とを貫通する貫通孔と、上記基板の一方の面に実装され、上記貫通孔を光伝送路とする発光受光素子と、上記基板の他方の面上に設けられ、上記貫通孔と対向する光路変換手段と、一端が上記光路変換手段と対向する光導波路とを備え、上記光路変換手段により、光路を上記貫通孔方向または上記光導波路方向に変換する光電子基板において、上記光路変換手段が複数種の反射面角を有する反射鏡を備えたことを特徴とする光電子基板。
【請求項２】
複数種の反射面角を有する反射鏡が非球面鏡であることを特徴とする請求項１に記載の光電子基板。
【請求項３】
複数種の反射面角を有する反射鏡が多面体鏡であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電子基板。
【請求項４】
複数種の反射面角を有する反射鏡が、金蒸着されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光電子基板。
【請求項５】
複数種の反射面角を有する反射鏡が、光導波路の端面に光導波路と一体に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の光電子基板。
【請求項６】
貫通孔に、光ファイバが保持されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の光電子基板。
【請求項７】
複数種の反射面角を有する反射鏡が、支持部材により固定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の光電子基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号を光路変換して電子回路等に中継する機能を有する光電子基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、特開２０００‐８１５２４号公報に記載された光送受信システムの断面図である。
多層基板１０の上面には、面型発光受光素子１２が受発光面を下向きにして、対をなして実装され、多層基板１０の上面と下面とを貫通する貫通孔１４ａ、１４ｂが設けられているが、面型発光受光素子１２のそれぞれの受発光面の中心と、上記貫通孔の中心とは同一軸上にある。なお、貫通孔１４ａ、１４ｂの内壁は全面を反射材で覆った空洞とするか、光導波路を設けている。
また、多層基板１０の下面には、コア部２４とこのコア部２４の周囲に設けたクラッド部２６からなる光導波路２２が設けられ、この光導波路２２は、一方の貫通孔１４ａから他方の貫通孔１４ｂの真下まで延び、反射ミラー３８ａ、３８ｂは光導波路２２の両端面を４５°カットして作製されている。
【０００３】
上記光送受信システムにおいては、図５に示すように、例えば貫通孔１４ａを伝搬してきた光信号は４５°カットミラー３８ａにより直角に全反射されて、光導波路２２に入射し、光導波路２２のコア部２４内を伝搬する。コア部２４内を伝搬してきた光信号は４５°カットミラー３８ｂにより直角に全反射されて、貫通孔１４ｂに入射して、この貫通孔１４ｂ内を伝搬し、以上により、一対の面型発光受光素子１２間の光信号送受信が行われる。
【０００４】
図６は、特開２０００‐８１５２４号公報に記載された別の光送受信システムの断面図で、多層基板１０の上面には、面型発光受光素子１２が受発光面を下向きにして実装され、貫通孔１４はその中心が、面型発光受光素子１２の受発光面の中心と同一軸上になるように設けられている。
多層基板１０の下面には貫通孔１４の真下まで延びる光導波路２２が設けられ、貫通孔１４の真下には反射ミラー３８が光導波路２２の端面を４５°カットして作製されている。
また、光導波路２２の貫通孔と反対側の端面は、端面型発光受光素子３２と接するように固定されている。
【０００５】
上記光送受信システムにおいては、図６に示すように、例えば貫通孔１４を伝搬してきた光信号は４５°カットミラー３８により直角に全反射されて、光導波路２２に入射し、光導波路２２のコア部２４内を伝搬して、面型発光受光素子１２と端面型発光受光素子３２間の光信号送受信が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図７は、上記図５または図６におけるＡ領域を拡大して、４５°カットミラーによる集光状態を示す説明図であり、図中矢印は光信号の方向を示す。
上記従来の光送受信システムでは、光導波路２２の端面に形成された４５°カットミラー３８により、基板の貫通孔１４を伝送した光信号を反射させて、光導波路のコア部２４に入射させていた。
この場合、図７に示すように、上記貫通孔１４を伝送した光信号は、上記４５°カットミラー３８に、一定の角度で入射するのではないので、上記４５°カットミラー３８を位置精度良く、貫通孔１４の中心軸に対応するように取り付けても、上記４５°カットミラー３８で全反射された反射光が広範囲に散乱してしまう。
つまり、上記４５°カットミラー３８の、信号光をコア部へ導入するための反射鏡としての性能が充分ではないので、コア部２４への光信号の入射損失が高くて入射効率が悪くなり、そのため光信号の伝送損失が高く、光電子基板としての性能が悪くなるという課題があった。
【０００７】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、光信号の伝送が効率良く行われる光電子基板を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の光電子基板は、基板と、この基板の一方の面と他方の面とを貫通する貫通孔と、上記基板の一方の面に実装され、上記貫通孔を光伝送路とする発光受光素子と、上記基板の他方の面上に設けられ、上記貫通孔と対向する光路変換手段と、一端が上記光路変換手段と対向する光導波路とを備え、上記光路変換手段により、光路を上記貫通孔方向または上記光導波路方向に変換する光電子基板において、上記光路変換手段が複数種の反射面角を有する反射鏡を備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係る第２の光電子基板は、上記第１の光電子基板において、複数種の反射面角を有する反射鏡が非球面鏡であることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る第３の光電子基板は、上記第１または第２の光電子基板において、複数種の反射面角を有する反射鏡が多面体鏡であることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明に係る第４の光電子基板は、上記第１ないし第３のいずれかの光電子基板において、複数種の反射面角を有する反射鏡が、金蒸着されたものであることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る第５の光電子基板は、上記第１ないし第４のいずれかの光電子基板において、複数種の反射面角を有する反射鏡が、光導波路の端面に光導波路と一体に設けられていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係る第６の光電子基板は、上記第１ないし第５のいずれかの光電子基板において、貫通孔に、光ファイバが保持されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る第７の光電子基板は、上記第１ないし第６のいずれかの光電子基板において、複数種の反射面角を有する反射鏡が、支持部材により固定されていることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の第１の実施の形態の光電子基板の説明図であり、（ａ）は上記光電子基板の断面図、（ｂ）は上記光電子基板を、図１（ａ）において下側から見た平面図である。
図中、１０は第１〜第４の絶縁層１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが順に積層された多層基板、１２は多層基板２２の一方の面に設けられた面型発光受光素子で対をなして設けられ、１４ａ、１４ｂは多層基板１０の一方の面と他方の面とを貫通する第１、第２の貫通孔である。図は、貫通孔には光ファイバ３０が挿入されている場合を示し、貫通孔で光が散乱されて光伝搬損失が大きくなるのを防止できる。
２８は多層基板２２の他方の面上に設けられた、光路変換手段となる非球面鏡で、複数種の反射面角を有する反射鏡の一例であり、第１、第２の貫通孔１４ａ、１４ｂと対向して設けられ、２９は非球面鏡２８を固定する支持部材である。
２２は上記光路変換手段となる非球面鏡２８と対向する光導波路で、コア部２４とコア部の周囲に設けたクラッド部２６からなる。
なお、本実施の形態における非球面鏡とは、反射面が真球でなく、球面の曲率が球面の各点で必ずしも同一でない球面形状の反射鏡を意味するものとする。
つまり、本実施の形態の光電子基板においては、光路変換手段２８により、上記第１の貫通孔１４ａを出射した光を上記光導波路２２のコア部２４に集光させたり、上記光導波路２２のコア部２４を出射した光を上記第２の貫通孔１４ｂに集光させることができる。
【００１６】
また、図２は、本実施の形態の光電子基板に係わる光路変換手段の斜視図で、非球面鏡が支持部材により固定されたものであり、図３は図１におけるＡ領域を拡大して、非球面鏡による集光状態を示す説明図であり、図中矢印は光信号の方向を示す。
【００１７】
つまり、本実施の形態の光電子基板は、多層基板１０の一方の面、即ち、図１においては上面に、面型発光受光素子１２が受発光面を下向きにして対をなして実装されている。
第１、第２の貫通孔１４ａ、１４ｂは、光ファイバ３０を保持しており、上記光ファイバ３０は、面型発光受光素子１２のそれぞれの受発光面の中心と、上記光ファイバ３０の中心とを同一軸上になるようにして挿入されている。
光導波路２２は多層基板１０の下面に取り付けられており、その両方の端部はそれぞれ非球面鏡２８に対向するように固定され、必要に応じて、紫外線硬化接着剤で接合され、光導波路２２のコア部２４は、それぞれ対をなす面型発光受光素子１２ａ、１２ｂからの光信号と、位置精度良く結合されている。
図１は、非球面鏡２８が支持部材２９により支持されている場合を示し、光路を変換するとともに、さらに上記支持部材２９により光導波路を固定する固定部ともなっている。
【００１８】
図４は本実施の形態の別の光電子基板の説明図であり、（ａ）は上記光電子基板の断面図、（ｂ）は上記光電子基板を、図４（ａ）において下側から見た平面図で、図中３２は端面型発光受光素子である。
【００１９】
つまり、多層基板１０の一方の面、即ち、図４においては上面に、面型発光受光素子１２が受発光面を下向きにして実装され、多層基板１０の他方の面上には光導波路２２が設けられているが、その一端が上記貫通孔１４に対向し、他端が面型発光受光素子３２に接して固定され、必要に応じて紫外線硬化接着剤で接合されている。なお、その他は図１に示す光電子基板と同様である。
【００２０】
本実施の形態においては、光路変換手段として用いる複数種の反射面角を有する反射鏡として、非球面鏡を用いた場合について示すが、そもそも、本発明の光電子基板に係わる光路変換手段に係わる、複数種の反射面角を有する反射鏡は、反射鏡の反射面の角度が複数であるので、それだけ入射角度の多様性に対応でき、入射光を効率良くコア部に入射できるという作用効果を有するものである。
つまり、図７や図８に示すように、上記従来の反射鏡が４５°カットミラー（図７）や、反射面が真球面である反射鏡（図８）では、反射面の角度が一定であるので、一定の角度で入射するのではない光信号を、光導波路のコア部に集光させることが困難であることを改善するものである。なお、図８は比較として示す、反射面が真球面である反射鏡による集光状態を示す説明図で、図中矢印は光信号の方向を示す。
しかしながら、上記複数種の反射面角を有する反射鏡の一例として示す非球面鏡では、図３に示すように、曲率を任意に設定することができるので、貫通孔からの光信号をコア部に効率良く入射させ、集光効率を向上させることができる。また、上記複数種の反射面角を有する反射鏡により、コア部から貫通孔への集光効率も同様に向上させることができる。
さらに、上記非球面鏡を用いると、貫通孔と光導波路の位置がある程度ずれてもコア部に集光することができる。
【００２１】
また、本実施の形態において、複数種の反射面角を有する反射鏡として、多面体鏡を用いても、上記非球面鏡を用いた場合と同様の作用効果を得ることができる。
また、図２に示すように、非球面鏡を保持する支持部材を用いれば、非球面鏡を長期に渡り安定に保持でき、さらに光導波路の位置をも正確に決められるため集光効率がより増大する。
また、非球面鏡の外側に、図２に示すように、反射膜３３を形成することは、反射効率が向上するため望ましい。反射膜としては、基幹光通光として、１．５μｍと１．３μｍが用いられていると、この波長帯域に吸収を持たない、例えば金を蒸着する。
【００２２】
以下に、本実施の形態の光電子基板に係わる非球面鏡の製造方法の一例を図１、図４を参照しながら説明する。
まず、コア部２４の中心部に集光できるような非球面形状の鋳型を、反射面の各点での法線を基準にして、光がコア部に集中するように、光反射の式により曲率を算出して作製する。
次に、上記鋳型を用いてモールド法で非球面鏡を作製するが、例えば、ポリメチルメタクリレート系樹脂、ポリカーボネート系樹脂等を用い、モールド法として、エンボス法、射出成型法またはＵＶ硬化法を用いる。なお、透明性の樹脂であれば他の汎用性ポリマーでも良い。
さらに、上記非球面鏡に反射膜をコートすると、反射効率が向上するために望ましい。
【００２３】
なお、本実施の形態においては、非球面鏡２８を予め製造して、光導波路２２に固定する例を示したが、光導波路の端面を所定の曲率を有する非球面となるようにカットしても良い。
【００２４】
また、図示はしないが、多層基板１０の上面には、面型発光受光素子１２の他に、例えば発光駆動、受光増幅回路、ＬＳＩ回路、インダクタ、キャパシタまたは抵抗などの電子部品がフリップチップ接合法やワイヤボンディング接合法を用いて実装されている。
また、多層基板１０の上面および下面並びに各絶縁層には、各種の電子部品を電気的に接合する配線層が形成され、さらにこれらの配線層は各絶縁層に形成されたビアホールを介して接続され、全体として多層配線構造をなしている。
【００２５】
【実施例】
実施例１．
まず、本発明の実施例に係わる非球面鏡を、ポリメチルメタクリレートを用い、反射鏡面の各点での法線を基準にして、各点での反射光がコア部に入射するように反射光の式から曲率を決め、そのデータをＣＡＤに入力して作製した鋳型を用いて製造し、これに金蒸着する。
【００２６】
表１に、上記のようにして作製した非球面鏡の入射損失を、下記比較例１に示す真球の反射鏡および下記比較例２に示す光導波路の端面を従来のように４５°でカットして形成したミラーと比較して示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１に示すように、本実施例に係わる非球面鏡では、貫通孔から光導波路への入射損失が極めて低い。
【００２９】
次に、上記非球面鏡を支持する支持部材２９を作製する。
つまり、石英ガラスで形成した図２における支持部材２９の形状の型枠に、メチルメタアクリレート（ＭＭＡ）を入れて、７５℃で２５分間、窒素雰囲気中で重合させた。その後、４５℃に加熱して、石英ガラスを暖めて膨張させて隙間を与え、上記重合したポリマーメチルメタアクリレートの支持部材を型枠から取り出した。
取り出した支持部材が、非球面鏡を挟持するところの幅は２２０μｍにした。
さらに、貫通孔の中心軸と、支持部材の中心軸を一致させて固定し、取り付けのために、固定部の周辺部に薄く接着剤を用いた。
【００３０】
一方、ＧａＡｌＡｓ系の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）とアバランシェ型ＰＩＮホトダイオード（ＰＤ）を、フェイスダウン方式で、半田バンプで多層基板の一方の面上に取り付ける。なお、ＶＣＳＥＬの出力は、８５０ｎｍ帯域で１０ｍＡ電流を流して、４．３ｍＷの出力にした。
ＶＣＳＥＬとＰＤの、それぞれの真下には、それぞれの中心軸が一致するように、ポリイミド製の多層基板に貫通孔があけられている。
ＶＣＳＥＬの発光面の直径が３μｍ、広がり角度が２０°であり、半田バンプの厚みは１０μｍに設定したので、両方の貫通孔の直径は、光ファイバが保持できる１３０μｍとし、光ファイバとしては、広げられたレーザ光が完全に入る９．５μｍのコアを有するシングルモードファイバを用いた。
【００３１】
貫通孔は、ＹＡＧ、ＣＯ２またはエキシマーレーザを用いて、通常の半導体技術を用いて、２つの貫通孔の距離は８ｍｍにして開ける。好ましくは、ＹＡＧレーザを用い、ＹＡＧレーザ出力１００Ｗで、照射時間は、基板の厚みによって異なるが、今回は、基板厚み２．５ｍｍであり、３０秒照射して貫通孔を開けた。さらに、信号光の伝送効率を高めるために、貫通孔に上記のシングルモード光ファイバを挿入した。
【００３２】
また、多層基板の他方の面に、フッ素化ポリイミドを用いて通常の方法で光導波路を作製した。
クラッド層の厚みは、上下それぞれ５０μｍで、コア部は、４０μｍ角の、マルチモード型のものを、幅２００μｍ、長さ５ｍｍに切り出した。
このようにして、図１に示すように、２ヶ所に、上記貫通孔に対向するように、支持部材により狭持された非球面鏡を取り付け、次に支持部材に合致するように、上記光導波路を接着剤を極薄く塗りつけて基板に取り付け、本実施例の光電子基板を作製した。
【００３３】
表１に示すように、本実施例に係わる非球面鏡では、貫通孔から光導波路への入射損失が極めて低いので、伝送特性を調べたところ、ＶＣＳＥＬからの４．３ｍＷは、貫通孔に完全に入り、非球面鏡により全反射されて、９．５μｍ径の狭い出射口からでて行くので、全反射されて出射されたレーザ光のプロファイルの広がりも抑えられ、ＰＤでは０．４１ｍＷとして受光された。この時の伝送損失は１０．２ｄＢであり、下記従来のものより少なかった。
【００３４】
比較例１．
実施例１において光路変換手段として用いた非球面鏡の代わりに、上記非球面鏡を作製したのと同じ材料で、図８に示すように、半径が光導波路幅となるようにして作製した真球ミラーを用い、これに金蒸着した他は、実施例１と同様にして、光電子基板を作製したところ、伝送損失は２１．３ｄＢであった。
【００３５】
比較例２．
実施例１において光路変換手段として用いた非球面鏡の代わりに、実施例１における光導波路端面にダイシングにより、４５°カットミラーを形成し、これに金蒸着した他は、実施例１と同様にして、光電子基板を作製したところ、伝送損失は２０．５ｄＢであった。
【００３６】
実施例２．
上記実施例１における反射鏡の鋳型の作製を、反射鏡面の各点での法線を基準にして、各点での反射光がコア部に入射するように反射光の式から微少平面の傾きを決め、そのデータをＣＡＤに入力することにより行い、この鋳型を用いて、実施例１において非球面鏡と同様の材料により、実施例１と同様にして多面体鏡を作製し、金蒸着を施したところ、入射損失は１．０１ｄＢであった。
次に、上記多面体鏡を用いて上記実施例１と同様にして光電子基板を作製したところ、伝送損失は１１．０５ｄＢであった。
【００３７】
実施例３．
ＧａＡｌＡｓ系の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）をフェイスダウン方式で、鉛ボンダーで多層基板上に取り付ける。アバランシェ型ＰＩＮホトダイオード（ＰＤ）を上記多層基板の裏面に直接取り付ける。なお、ＶＣＳＥＬの出力は、８５０ｎｍ帯域で１０ｍＡ電流を流して、４．３ｍＷの出力にした。
実施例１と同様にして、多層基板のＶＣＳＥＬの真下に、光ファイバを有する貫通孔を開け、実施例１と同様のシングルモード光ファイバを収める。
一方、上記実施例１と同様にして、非球面鏡とその支持部材を作製して、上記多層基板に光導波路とともに設け、図４に示すような、本発明の実施例の光電子基板を作製した。
【００３８】
なお、本実施例の非球面鏡の支持部材は、石英ガラスで形成した型枠にメチルメタアクリレート（ＭＭＡ）を入れて、５００ＷのＸｅランプを６０分照射し、窒素雰囲気中で重合させ、その後、４５℃に加熱して、石英ガラスを暖めて膨張させて隙間を与え、上記重合したポリマーメチルメタアクリレートを型枠から取り出すことにより作製した。
【００３９】
本実施例の光電子基板の伝送特性を調べたところ、ＶＣＳＥＬからの４．３ｍＷは、ＰＤでは０．４５ｍＷとして、受光された。伝送損失は９．８ｄＢと少なかった。
【００４０】
実施例４．
実施例３において、支持部材を、石英ガラスで形成した型枠にメチルメタアクリレート（ＭＭＡ）を入れて、初めから、基板に装着して、５００ＷのＸｅランプを６０分照射して、窒素雰囲気中で重合させて作製する他は実施例３と同様にして光電子基板を作製した。
本実施例の光電子基板の伝送特性を調べたところ。ＶＣＳＥＬからの４．３ｍＷは、ＰＤでは０．４６ｍＷとして、受光された。伝送損失は１０．６ｄＢと少なかった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の第１の光電子基板は、基板と、この基板の一方の面と他方の面とを貫通する貫通孔と、上記基板の一方の面に実装され、上記貫通孔を光伝送路とする発光受光素子と、上記基板の他方の面上に設けられ、上記貫通孔と対向する光路変換手段と、一端が上記光路変換手段と対向する光導波路とを備え、上記光路変換手段により、光路を上記貫通孔方向または上記光導波路方向に変換する光電子基板において、上記光路変換手段が複数種の反射面角を有する反射鏡を備えたことを特徴とするもので、光信号の伝送が効率良く行われるという効果がある。
【００４２】
本発明の第２の光電子基板は、上記第１の光電子基板において、複数種の反射面角を有する反射鏡が非球面鏡であることを特徴とするもので、光信号の伝送が効率良く行われるという効果がある。
【００４３】
本発明の第３の光電子基板は、上記第１または第２の光電子基板において、複数種の反射面角を有する反射鏡が多面体鏡であることを特徴とするもので、光信号の伝送が効率良く行われるという効果がある。
【００４４】
本発明の第４の光電子基板は、上記第１ないし第３のいずれかの光電子基板において、複数種の反射面角を有する反射鏡が、金蒸着されたものであることを特徴とするもので、光信号の伝送がより効率良く行われるという効果がある。
【００４５】
本発明の第５の光電子基板は、上記第１ないし第４のいずれかの光電子基板において、複数種の反射面角を有する反射鏡が、光導波路の端面に光導波路と一体に設けられていることを特徴とするもので、製造効率が向上するという効果がある。
【００４６】
本発明の第６の光電子基板は、上記第１ないし第５のいずれかの光電子基板において、貫通孔に、光ファイバが保持されていることを特徴とするもので、光信号の伝送がより効率良く行われるという効果がある。
【００４７】
本発明の第７の光電子基板は、上記第１ないし第６のいずれかの光電子基板において、複数種の反射面角を有する反射鏡が、支持部材により固定されていることを特徴とするもので、より長期に渡り、光信号の伝送が効率良く行われるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の光電子基板の説明図である。
【図２】本実施の形態の光電子基板に係わる光路変換手段の斜視図である。
【図３】図１におけるＡ領域を拡大して、非球面鏡による集光状態を示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の別の光電子基板の説明図である。
【図５】従来の光送受信システムの断面図である。
【図６】従来の光送受信システムの断面図である。
【図７】図５または図６におけるＡ領域を拡大して示す説明図である。
【図８】図８は比較として示す反射面が真球面である反射鏡による集光状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１０　基板、１２　面型発光受光素子、１４ａ、１４ｂ　貫通孔、２２　光導波路、２４　コア部、２８　光路変換手段、２９　支持部材、３３　反射膜。
【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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