(57)【要約】【目的】  本発明は、光通信分野で実用化が期待されている光プリント基板に関し、特に、発光素子と光配線とを光学的に結合し、集積化および多層化を可能とすること。【構成】  電気配線２と光配線４からなる光電子混載基板Ａにおいて、１層以上積層されている光配線４上には、該光配線４上の光軸４ａに直交し、且つ前記光電子混載基板Ａ面に垂直にホール５が複数穿設されていること。該ホール５には一端面を４５度ミラー面７ａとしてカットされた光ピン７が挿入固定され、該両光ピン７の前記両４５度面が前記光配線４上で且つ光軸４ａ上で相対するように設けられていること。前記光ピン７の他端面７ｂは、前記光電子混載基板Ａ上面と同等高さになるように形成されていること。【選択図】      図１
2005266623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気配線と光配線からなる光電子混載基板において、１層以上積層されている光配線上には、該光配線上の光軸に直交し、且つ前記光電子混載基板面に垂直にホールが複数穿設され、該ホールには一端面を４５度ミラー面としてカットされた光ピンが挿入固定され、該両光ピンの前記両４５度面が前記光配線上で且つ光軸上で相対するように設けられてなり、前記光ピンの他端面は、前記光電子混載基板上面と同等高さになるように形成されてなることを特徴とする光プリント基板。
【請求項２】
請求項１において、前記ホ−ルと前記光ピンとの間には、該光ピンや前記光配線と同程度の屈折率を有する接続用合成樹脂が充填されてなることを特徴とする光プリント基板。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記光ピンを光ファイバ又は光導波路としてなることを特徴とする光プリント基板。
【請求項４】
請求項１又は２において、前記光配線を光ファイバ又は光導波路としてなることを特徴とする光プリント基板。
【請求項５】
請求項１，２，３又は４において、前記光ピンの４５度加工面に、反射率の高い金属膜を蒸着したことを特徴とする光プリント基板。
【請求項６】
請求項１，２，３，４又は５において、前記光配線が、２層以上積層されていることを特徴とする光プリント基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信分野で実用化が期待されている光プリント基板に関し、特に、発光素子と光配線とを光学的に結合し、集積化および多層化が可能な光プリント基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここ数年で、バックボーン・メトロ系のインフラは光化が完了し、現在ＦＴＴＨやＦＴＴＢに代表されるアクセス系の光化が商用段階に入っている。交換機などの装置が扱う情報量は増大し続けている。これにともなって、これらの装置を構成している電子回路基板内、基板間での処理速度の高速化が要求されている。しかしながら従来の電気信号においては配線間での信号の干渉や配線距離の長尺化による伝搬遅延の問題が顕著になりつつある。
【０００３】
このような問題を解決する手段として、電子回路基板内、基板間での信号を光化することが注目されてきた。電気信号に比べ、光信号の伝搬には相互干渉の問題がなく、並列実装が行えるため、電子回路基板内、基板間での信号の光化は高速大容量伝送に適したものである。電子デバイスからの電気信号を基板上に実装した発光素子によりＯＥ変換し、光導波路等の光伝送媒体を通して光検出器へ伝送しＯＥ変化する、いわゆる光の回路を構成するものである。
【０００４】
電子の回路の一部を光の回路で置き換えることで高速化を実現するものであるが、キャリアである電子と光子の扱いには大きな違いが存在する。光回路の場合、発光素子から出射された光は広がり、直進するといった性質のため、伝搬する光配線等に対する位置合わせが非常に重要となっている。電子回路の場合、ハンダによって接合してしまえば電子の移動は互いの伝送路の位置ずれに関係なく行われ、信号の送受信はなされる。電子回路基板の場合、電子デバイスとプリント基板との接続には通常、プリント基板か電子デバイス側へハンダバンプを設け、一時的に接着後高温をかけて接着・固定する表面実装型、もしくは電子素子のピンをプリント基板に挿入してハンダ付けするリード挿入型などといった手法が用いられている。装置内および送置間配線の光化を実現するには、これら電子デバイスの接合プロセスを光の接合に積極的に適用していく必要がある。
【０００５】
前記したハンダバンプを用いて結合する表面実装型の特長としては、配線の高密度化が容易、基板からの配線長が短い、ハンダのリフローによるセルフアライメントなどが挙げられる。この特長を利用した表面実装型の光の結合として、レンズを使用した光学モデルが報告されている。これは、実装する発光・受光素子と、光配線との間にアレイ上のレンズ形成をすることにより、高い結合効率を実現し、多チャンネル化に適した光学モデルである（例えばマイクロレンズを用いた光Ｉ／Ｏパッケージ技術等）。用いるレンズは、イオン交換によるものや、ディスペンサ方式、インクジェット方式によって作製したものがあり、レンズを搭載する位置は、発光素子の発光面や発光素子を実装する基板上などである。また、実装する発光素子やドライバなどをインターポーザによってハイブリッドに搭載し、レンズを使用せずに光結合を実現したものがある。例えば、アクティブインタポーザによるチップ間光インタコネクション技術である。いずれの表面実装型の結合においても、実装する発光受光素子と基板内の光軸が互いに直交しているため、９０度光を折り返す４５度ミラーが必要になる。このミラーの作製方法としては、ダイヤモンドブレードなどにより４５度ミラー面を基板内に作製した光配線に作製する方法が一般的である〔図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）及び図１３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）参照〕。
【０００６】
先にも述べた通り、上記表面実装型の光結合方法においては、実装する発光素子や受光素子と光配線は互いの光軸が直交しているため、９０度光を折り返す４５度ミラー面を基板内に設けなければならず、ダイヤモンドブレードなどを用いて作製する。しかしながら、上記の方法では、作製のプロセス上の問題として、光プリント基板中の任意の場所に局所的に４５度ミラー面を形成することが困難であり、近くに配置した配線を断線する懸念がある。
【０００７】
また、上記の方法では光配線層は基板最上面にあることが前提となっており、従来の電子プリント基板のような多層構造を光配線にも適用した例は少ない。光配線間結合は方向性結合器の形を採用しているため、単一モード光導波路を用いている。同一ボード内のチップ間光配線では、アライメント等の点から、マルチモードを用いたデータリンクが一般的である。これは、光配線層を２層以上設ける場合に、下方の光配線までの光路長が大きくなるために、数多くの問題が生じるからである。ここで、基板最上面の光配線層を１階、底面方向に向かって２階、３階…と呼ぶこととする。
【０００８】
現在、短距離通信用光源として、低コスト、アレイ化などに優れた特長をもつＶＣＳＥＬが注目されており、光回路を研究している数多くの研究機関がこの発光素子を光配線用の光源として採用している。上記多層光配線が、このＶＣＳＥＬを電子デバイスからの信号を光に変えるＥ／Ｏ変換用の発光素子として用いたとする。ここで、多層光配線の基板に対する垂直方向のピッチが２５０μｍだとしても、２階の光配線層へは数十μｍの上部クラッドを含めて、光路長が３００μｍ程度となり、以下２５０μｍずつ増えていくことになる。現状で、ＶＣＳＥＬの広がり角は、単一モードＶＣＳＥＬでも半角１５度（＠１／ｅ2）程度もある。発光面からの光路長が３００μｍの場合、広がり角１５度のＶＣＳＥＬのビーム半径は、単純計算で約８０μｍ（３００×ｔａｎ１５°）となり、半径２０〜２５μｍ程度のコアには収まらず、大きな損失が生じてしまう。
【０００９】
この広がりを、レンズを用いて抑制し光路長が長い光学モデルへもＶＣＳＥＬを適用可能にすることが考えられる。しかし、レンズを用いた光学モデルにおいては、光源の位置ずれによって結合効率の変動が大きくなってしまう懸念がある〔図１４（Ａ），（Ｂ）参照〕。これは、レーザなどの発光素子、レンズ、光配線間距離によって決まる横倍率によるものだが、ＶＣＳＥＬなどの発光素子から出射した光を集光する目的でレンズを使用しているため、発光素子とレンズ間の距離は短くなる〔図１４（Ｃ）参照〕。この距離に対して、レンズと光配線間の距離は長いため、必然的に横倍率は大きくなる。この結果、光源の位置ずれは、非常に高い精度が要求されてしまう。このように、光配線の積層化は、光源から光配線までの光路長が長く性質上困難となっている。しかし、従来の電気配線からなるプリント基板は、その層を貼り付けやビルトアップによって何層にも積層させていくことで集積化を実現しており、光配線を実現する上で、この積層による集積化は大きなボトルネックになることが考えられる。
【００１０】
そこで、電子デバイスのピンをプリント基板に挿入してハンダ付けするリード挿入型の接合方法を適用することが考えられている。例えば、光配線を貫通する孔に光ファイバを挿入して光接続を行う光ピンが知られている。前記光ピンを用いた実装例を図１５及び図１６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す。基板中に光配線を形成し、該光配線にホールを設ける。端面を４５度に加工した光ファイバもしくは光配線を、発光素子やドライバを有するパッケージ側へ装着し、その光ピン付きデバイスを実装することにより光ピンがホール挿入され、互いの光軸が直交した基板中の光配線と光結合する光学モデルである〔図１５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）参照〕。又は、ホールの深さにカットした光ピンを挿入し、光ピン上に発光素子などがパッケージされたデバイスを実装することにより、同様の光結合を実現する光学モデルである〔図１６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）参照〕。この方法により、任意の場所で光信号の送受信が可能となる。しかし、１２５μｍ径の光ファイバを使用しているため、折れやすく、組み立て時や挿入時の取り扱いが難しいという難点がある。図１５及び図１６における光ピンの長さは２００μｍ程度を想定しているが、この程度の長さでは、一次元や二次元方向に数本の光ピンを配置し、マルチチャンネル化を考えた場合や多層化を考えた場合、短い光ピンを精度良くパッケージ側に装着することやホールに挿入することは、特にハンドリングの点で困難が予想され、集積化・多層化に対して不向きであり現実的でない。また、特許文献１では多層化できない問題があった。
【特許文献１】特開２００４−３１４５６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、基板内に設けられた光配線上のホールに、端面を４５度に加工した光ピンをあらかじめ挿入・固定しておくことで、従来用いられてきたプリント基板と作製プロセスを共有し、フレキシブルな基板へも光回路の概念を導入することが可能となる光プリント基板を提供するものである。また、積層された光配線上のホールに、長さの異なる端面を４５度に加工した光ピンをあらかじめ挿入・固定しておくことで、従来用いられてきた電子プリント基板の実装プロセスだけでなく、光回路へ多層化の概念を導入することで設計プロセスも共有することが可能となる、多層化できる光プリント基板を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、電気配線と光配線からなる光電子混載基板において、１層以上積層されている光配線上には、該光配線上の光軸に直交し、且つ前記光電子混載基板面に垂直にホールが複数穿設され、該ホールには一端面を４５度ミラー面としてカットされた光ピンが挿入固定され、該両光ピンの前記両４５度面が前記光配線上で且つ光軸上で相対するように設けられてなり、前記光ピンの他端面は、前記光電子混載基板上面と同等高さになるように形成されてなることを特徴とする光プリント基板としたことにより、前記課題を解決した。また、前記構成において、前記ホ−ルと前記光ピンとの間には接続用合成樹脂が充填されてなることを特徴とする光プリント基板としたことにより、前記課題を解決した。
【００１３】
また、前記構成において、前記光ピンを光ファイバ又は光導波路としたり、或いは、前記光配線を光ファイバ又は光導波路としてなることを特徴とする光プリント基板としたことにより、前記課題を解決した。さらに、前記構成において、前記光ピンの４５度加工面に、反射率の高い金属膜を蒸着したことを特徴とする光プリント基板としたことにより、前記課題を解決した。また、前記構成において、前記光配線が、２層以上積層されていることを特徴とする光プリント基板としたことにより、前記課題を解決した。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、光電子混載基盤において、基板内に設けられた光配線上のホールに端面を４５度に加工した光ピンをあらかじめ挿入・固定しておくことで互いの光軸が直交している素子間の光結合を実現することができる光プリント基板の作製が可能となる。また、本発明の多層型の光プリント基板を用いることによって、積層した光配線への選択的な光結合が可能となるとともに、配線の深さに依存することなく安定した光結合効率を得ることができる光プリント基板を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
まず、本発明の概要を説明する。本発明の光プリント基板は、発光面を基板側へ向けて実装した光学素子から出射した光を、基板内に積層された光導波路などの光配線へ選択的に、かつ光学的に結合するために、次のような構成を有する。光導波路などの基板内光配線は、平板状基板内にその基板表面に光軸が平行になるように形成される。且つ前記光導波路の一部は、その光軸に対してレーザやドリルによってホールが作製されている。作製されたホールへ、端面を４５度に加工した光ピンを挿入する。挿入前、もしくは挿入後にホール内へ接続用合成樹脂（熱硬化や光硬化性樹脂）を充填し、光ピンを固定する。該光ピンは、光配線が２層以上積層されている場合、挿入される光ピンは、それぞれの光配線層へ選択的に結合するために、長さが異なる。上記送信側の発光素子は、面発光レーザ等の半導体レーザであり、基板内の光導波路を伝搬してきた光信号を受信する際はフォトダイオードなどの受光素子である。また前記光ピンは、光ファイバもしくは光導波路の端面を、ダイヤモンドブレードなどを用いて４５度にカット加工したものである。かかる構成によって、レンズやプリズムなどの光学系を使用することなく、光ピンのみで表面実装した発光受光素子と光導波路間の光結合が可能となり、従来用いられてきたプリント基板作製とプロセスを共有し、低コストで光プリント基板の提供が可能となる。また、積層された光配線への光結合が可能な多層型の光プリント基板の提供が可能となる。
【００１６】
以下、本発明の第１実施形態について図面に基づいて説明すると、図１（Ｄ）は、本発明の光プリント基板であり、電気配線２，２，…が積層されているプリント基板１上に、光配線４としての光導波路４０を有する光配線層３が設けられている。前記プリント基板１と光配線層３とを総称して光電子混載基板Ａという。前記光配線４の光軸４ａに直交し、且つ前記光配線層３又は前記光電子混載基板Ａ面に垂直に、前記光配線層３に対してホール５が複数穿設され、該ホール５それぞれには一端面を４５度ミラー面７ａとしてカットされた光ピン７が挿入固定されている。該両光ピン７，７の前記両４５度ミラー面７ａ，７ａが前記光配線４上で且つ光軸４ａ上で相対するように設けられて構成されている。前記光ピン７の他端面７ｂは、前記光配線層３又は光電子混載基板Ａの上面と同等高さでなるように形成されている。
【００１７】
本発明の光プリント基板の製造例を示すと、まず、従来の電気配線２，２，…が積層されているプリント基板１上もしくは内部に、光配線４としての光導波路４０を有する光配線層３を設ける。前記プリント基板１の最上面に光配線層３を設ける場合、一度電気配線２のプリント基板１を作製し、そのプリント基板１を土台として感光手法や転写技術を用いて光導波路４０を作製する方法や、光導波路４０とプリント基板１を別に作製し、貼り付ける方法が考えられる。前記光配線層３を、前記プリント基板１内に設ける場合、作製した光導波路４０を、電気配線２が積層されたプリント基板１で挟む。なお、光導波路４０の作製方法は上記に限らず、プリント基板１内もしくはプリント基板１上面にコアとクラッドの導波構造が作製できればいかなる方法であってもよい。作製した光導波路４０がある所定の層まで、レーザやドリルによってホール５が穿孔されている。
【００１８】
図１（Ｄ）に示すように、光配線層３を、前記プリント基板１の最上面に設けた場合、あらかじめ光導波路４０側の所定の位置にレーザやドリルによってホール５を設けておき〔図１（Ａ）参照〕、その光導波路４０を有する光配線層３を、プリント基板１上に貼り付ける〔図１（Ｂ）参照〕。また、図２（Ｄ）に示すように、光配線層３を、上下のプリント基板１，１内部に挟み込み場合、一度上面側のプリント基板１の下側に光配線層３を接合し、レーザやドリルによってホール５を作製してから〔図２（Ａ）参照〕、下面側のプリント基板１を接合する〔図２（Ｂ）参照〕。上記工程により、光ピン挿入用のホール５は光配線層３で底が存在する、ブラインドビアホールの形状を得ることができ、４５度ミラー面７ａと光配線４の高さ方向の位置合わせは、パッシブアライメントとなる。ただし、光ピン挿入時に、光ピン７をハンドリングする冶具を制御し、光ピン７の挿入する長さを調整することが可能であれば、上記ホール５はブラインドビアのような構造を必要とはせず、基板下面まで貫通しているホールでもよい。また、ドリルなどでのホール加工時に、光配線４の上面からホール５までの深さを、精密に制御可能な装置を使用すれば、電気と光の配線層を積層してからホール加工することができる。
【００１９】
次に、光ピン７を光配線層３のホール５へ挿入する工程において、挿入する光ピン７は、冶具などがハンドリング可能な長さ程度であり、先にも述べた通り、ブラインド部に到達するまで挿入するか、もしくは４５度ミラー面７ａと光配線層３が合うように保持する。光ピン固定用には、接続用合成樹脂（熱硬化や光硬化性合成樹脂）６を用いており、挿入する前、もしくは挿入後に前記ホール５に、接続用合成樹脂６を充填し、熱硬化や光硬化することにより光ピン７を固定させる。ここで、ハンドリングを緩和するために、固定された光ピン７は光電子混載基板Ａ上面から光配線層３までの距離より長い（基板上面より余分な部分が出ている）状態としておく。この光ピン７の上端部分を研磨やブレードによりカットすることによって、前記光電子混載基板Ａの上面と同等高さでなるように光ピン７の他端面７ｂとして構成されている。これによって、電気配線２を有するプリント基板１と光配線層３が混載した光電子混載基板Ａなる光プリント基板を製造できる。
【００２０】
多層型の光プリント基板を作製する場合、図１及び図２に示した１層型の光プリント基板の作業を繰り返す。光配線４を最上面に２層以上積層する場合、図１に示した作製方法で光導波路４０と光プリント基板を貼り合わせる前に、光配線４側を多層化しておく。例えば、２層型の多層光プリント基板の場合、地下１階の光配線４へホール５を加工し、その基板を地下２階の光配線層３と積層してから地下２階用のホール５を加工する。この積層された光配線４を電気配線層と積層することにより、光配線層３のホール５には、光ピン７が挿入されたときに受動的に光結合が行われるように底（ブラインドビア形状）がある基板を得ることができる。また、電気配線層と光配線層３を交互に積層する場合、図２に示した作製方法で得られた一層方の光プリント基板を作製し、それらをさらに積層していくことで基板を得ることができる。作製後に光ピン７を挿入し、前述した方法で固定、カット、研磨することで、多層型の光プリント基板を得ることができる。つまり、図１５及び図１６に示した従来の光ピンでは、ハンドリングの問題と共に、各階層へ光結合を行うために、それぞれ長さの異なる光ピンをあらかじめ用意しなければならない欠点があったが、挿入後に表面をカット・研磨する本発明では、用意する光ピン７の長さはハンドリング可能な長さであればよく、精度に対する要求は無い。したがって、部品の共通化が可能となり、低コスト化にもつながる。
【００２１】
光ピン固定の際に接続用合成樹脂６を用いることは、レーザやドリルでのホール加工時に生じる加工荒れによる、伝搬光の反射や散乱などの減衰を軽減できる点でも有効である。しかし接続用合成樹脂６などの光学接着剤をホール全体に充填すると、９０度光路変換に必要な４５度ミラー面７ａでは、屈折率差が無くなってしまうため、光が下方へ直進してしまう。そこで、４５度ミラー面７ａに反射率の高い金属膜を蒸着することにより、強制的に光を折り返す。光ピン７に限らず、端面を４５度に加工したミラー面での光の全反射を用いて９０度光変換を実現する光学モデルにおいては、コアを伝搬してきた光の一部はその全反射条件を満たさず透過光となり、減衰の大きな要因とされている。この金属膜を蒸着した光ピン７（メタルコート光ピン）を使用することにより、その透過光による減衰が改善されるとともに、光ピン固定時に光学接着剤を使用することが可能となる。ただし、４５度ミラー面７ａへ金属膜を蒸着せずに、屈折率差による全反射現象を利用して９０度光路変換を実現する場合、接続用合成樹脂６による接着は光ピン７の４５度ミラー面７ａ以外の所で行う。
【００２２】
図３は、本発明の光プリント基板を用いて、光電子混載基板Ａを作製した実施形態を模式的に示した図である。まず、作製した光プリント基板上には、発光素子、受光素子などの光信号の送受信を行う光学素子と、発光素子を電気信号で駆動、変調を行う電子回路や、受光素子が検出し変換した電気信号を増幅する電子回路とともに、ＬＳＩなどの電子デバイスが実装されている。電子基板上に実装されたＬＳＩなどの電子デバイスからの電気信号は、ドライバを介して発光素子でＥ／Ｏ変換される。発光素子は、光プリント基板内にあらかじめ挿入されている光ピン７の上部に、互いの光軸が一致し、かつ出射面が光ピン側（下面）になるように実装されている。発光素子でＥ／Ｏ変換された光は光ピン７を伝搬して４５度ミラー面７ａで９０度光路変換され、基板内もしくは基板上部に設けられた光導波路４０へ光が結合し、他のデバイスへ光信号が出力される。一方、上記過程を経て光導波路を伝搬されて来た光信号は、光ピン７の４５度ミラー面７ａへ入射し、９０度光路変換され光ピン７を基板上面へ向かって伝搬される。光ピン７端面から出射した光は、受光面が光ピン側（下面）へ向くように、かつ、光ピン７との光軸４ａが一致するように実装された受光素子へ結合され、Ｏ／Ｅ変換される構成である。ここで、図１に示した発光素子と光ピン間の光結合を考えると、互いの光学素子はバンプ厚程度まで近接しており、光ピン上に実装される発光素子の発光面は５〜１０μｍ程度のため、５０μｍφのコアへ光を入射するのは容易であり、レンズを用いた光学モデルなどの実装精度に対する要求に比べれば粗い。なお、受光素子と光ピン間の光結合は、受光面の大きい受光素子を用いることにより、前記発光素子の実装精度よりもさらに粗く済む。
【００２３】
図４及び図５は、本発明である多層型の光プリント基板の実施形態を示したものである。まず、従来の電気配線が積層されているプリント基板上もしくは内部に、光導波路４０を有する多層光配線を設ける。基板最上面に光配線層３が積層されている場合や、電気配線層に多層光配線が挟まれている場合、電気配線層と光配線層３が交互に積層されている場合など、さまざまな構成が考えられるが、いずれの場合でも、まず光配線４の光軸４ａとは直交する形で基板上部から作製した光配線４がある所定の層まで、レーザやドリルによってホール５を作製する。なお、ホール作製方法は、円形や矩形のホール加工が可能であればいかなる方法でもよく、ホール径は、挿入する光ピン７の径より大きいものである。また、実装時に多層型の光プリント基板への大まかな彫心を行うためのガイドピン用ホールも設ける。
【００２４】
図４及び図５に示した光表面実装デバイスとは、多層型の光プリント基板の光ファイバ端面上（カットした基板最上面）に実装する発光・受光素子、電子デバイスや駆動用回路などがパッケージ化されたものである。このパッケージ化された表面実装デバイスは、プアライメント用のガイドピンが設けられており、このガイドピンは、電子デバイスや発光素子の駆動用電気配線も兼ねている。このガイドピンを、前記基板上の設けられたガイドピン用ホールへ挿入することにより、光ピン７は光配線上に設けられたホール５やスリットに挿入され、パッシブアライメントが実現できる。
【００２５】
図６は、本発明の多層型の光プリント基板を、光駆動型へ応用した例を示した模式図である。本発明によって、光配線４の多層化が可能になることにより、発光素子駆動用に用いられてきた電気配線２を光配線４で代替することが可能となる。図３は、電源用光配線に、ＰＯＦ（Plastic Optical Fiber)を適用したモデルである。信号用の光配線層３の下に、電源用のＣＷ発振光が伝搬している層が設けられており、光ピン７を用いて局所的に光を取り出し、受光素子で変換した電気を、電子デバイスや発光素子の駆動用電源とする構成である。従来の電子プリント基板において、積層された電気配線２には、信号層のほかに、電源層やアース層があり、各層が機能するようにバイアホールなどで結ばれている。光電子混載基板Ａを実現する上で、光配線４の積層化だけでなく、機能面での設計プロセスを共有できることは、製品化を考えた場合、評価などの面でも有効である。
【００２６】
図７は、本発明の多層型の光プリント基板を用いて、光信号の階層を変える、もしくは、光信号を各階層に分岐させるモデルを示した図である。図７の場合、１階の光導波路４０を伝搬してきた光信号が、光ピン７で受光素子へ送信され、電子デバイスで信号処理を行った後、発光素子へ伝わる。この発光素子から送信される光信号は、長さの異なる光ピン７に接続するように実装されており、１階の光導波路４０や２階の光導波路４０へと選択的に結合が可能となる。図の発光素子はＺ軸方向に２ｃｈの発光面を有するＶＣＳＥＬを仮定しているが、光配線の積層数に応じてＺ軸やＸ軸方向にＮチャンネルのＶＣＳＥＬを適用すれば、Ｎ×Ｎｃｈのマトリックス状のデータリンクが可能となる。
【００２７】
前記ホール５は、ある所定の傾斜面（以下、テーパー角）が生じるよう、ホール加工されている。ホール内部にテーパー角を設けるのは、光導波路端面における反射光が光学素子に戻って、その光を出射したレーザの活性領域に入射すると、そのレーザの動作が不安定になるのを防ぐためである。ただし、前述した通り、光ピン７の４５度ミラー面７ａへ金属膜を蒸着しホール内を樹脂で充填して固定する方法を採用することにより、反射光の影響は小さくなるため、必ずしもテーパー角が必要とはならない。
【００２８】
上記発光素子は、面発光レーザなどの半導体レーザである。また、上記受光素子はフォトダイオードである。この発光素子、受光素子と光ピン間のギャップは、硬化後の屈折率が光ピンのコアと同じ程度の樹脂で満たされている（アンダーフィル）ことが望ましい。これは、間がエアーギャップの場合、先にも述べた通り、反射光による影響で発光受光素子の動作が不安定になるためである。また、前述した、光ピンカットの際、端面の加工荒れによって光が散乱する懸念があり、これらの雑音要因を防ぐためである。
【００２９】
上記光導波路４０は光ファイバであってもよい。また、該光導波路４０を、光ファイバやフィルム導波路などの曲げやすい素子に置き換えることにより、フレキシブル光プリント基板の実現が可能となる。この場合、光ピン７も同様の特長を有する素子で作製する。また、図３に示した実装例においては、光導波路４０、発光素子、受光素子をＸ軸上にアレイ上に配置することにより、多チャンネル光配線を実現する。
【実施例】
【００３０】
本発明の光プリント基板を用いることにより、どの程度の光結合効率が得られるかを確認するため、実際に光ピンを作製し、光導波路上に作製したホールへ挿入する結合測定を行った。測定系は図８に示した通りである。測定にはＧＩ−ＭＭＦの端面に４５度ミラー加工したものを光ピンとして使用した。光ピンの長さは約１ｍであり、一方にはＦＣコネクタがついている。前述した端面のメタルコーティングによる効果も確認するため、端面にＡｕを蒸着させた光ピン（以下、Ａｕコーティング光ピン。反対に、コーティングを施していない光ピンを、以下、ノンコーティング光ピンとする）も作製した。光導波路の仕様は、コア屈折率：１．４８９、クラッド屈折率：１．４７１、コア径４０×４０μｍである。光ピンを挿入するためのホールは、レーザアブレッションにより作製し、ホール加工後は酸素プラズマアッシングによってクリーニング処理を施した。レーザ照射時に、径が２００μｍのマスクを通して照射しており、作製されたホール径は、上面で２２０μｍ、底面で１９０μｍである。ホールに上記２種類の光ピンを挿入して、送受信の結合損失測定を行った。
【００３１】
ここで、光ピンの上部に発光素子を置くことを想定し、光ピンから光を入射したときを送信、光ピンの上部に受光素子を置くことを想定し、ＭＭＦから光を入射したときを受信としている。測定は、光源の出力を基準とし、９０度光路変換後に光ピンや光導波路を伝搬した光をパワーメーターで観測し結合効率を算出している。Ａｕコーティング光ピンの樹脂充填による効果を確認する実験について、今回は、樹脂の変わりにマッチングオイルを使用した。なお、測定結果は光導波路の伝搬損失、光導波路と入射、受光用ファイバ（ＰＤ受光面を導波路端面に近接できないために用いたＧＩ−ＭＭＦ）との結合損失を考慮している。また、上記測定系と同様の光学モデルを、３次元の光線追跡法を用いて作製し、光結合を行った。ただし、実際に作製したホール内部の形状は、光学的な円筒形状にはなっていないため、モデル化が困難である。そこで、解析の光学モデルのテーパー角は、上記上面ホール径および底面ホール径を基に、理想的なホールと仮定して解析を行った。なお、解析においての結合効率は、光ピンや光導波路側から入射した１０万本の光線を基準に、９０度光路変換後にもう一方の端面に到達した光線から算出している。
【００３２】
実験および解析結果を図９に示す。結果、ノンコーティング光ピンにおいては、解析値と実測値には大きな差が生じている。一方、Ａｕコーティング光ピンにおいても、実測値と解析値には１．６ｄＢ程度の差が生じているが、マッチングオイルを使用した場合の測定値と比較をするとほぼ同等な結果を得ている。これは、解析値は理想的な条件で結合効率を算出しているのに対し、測定値はそうではない。光ピンの煽りなど、アライメントミスによる影響も考えられるが、ホールの加工荒れやホール内部の複雑な形状を、マッチングオイルを使用することにより、ほぼ無視することができ、理想的な光学モデルで行った解析と条件が近づいたためである。
【００３３】
ノンコーティング光ピンではホールのテーパー角や光ピンの煽りによって生じる光ピンの４５度ミラー面と光導波路端面の相対角の違いによって、結合損失は大きく異なる。一方で、Ａｕコーティング光ピンはそれらの影響も受けにくく、硬化後の屈折率が今回使用したマッチングオイルと同等の樹脂を使用することによって、加工したホールの端面形状による影響も小さくなり、前述した通り、４５度ミラー面へ金属膜を蒸着し、樹脂で光ピンを固定することは有効である。
【００３４】
次に、本発明の多層型の光プリント基板が、どの程度有効かを確認するために、３次元の光線追跡法を用いて解析を行った。なお本解析は、前述した、レンズを用いた光学モデルと比較した。これは、先にも述べた通りレンズを用いることで、２階、３階…の光配線へ効率よく光を結合することは可能だが、レンズから光配線層までの光路長が長くなることで、光源の実装精度に対する要求は光学系の横倍率の拡大により厳しくなる。そこで、図１０に示したように、光ピンを用いた場合と、レンズを用いた場合とで、光源の位置ずれに対して光配線に結合する光がどの程度変化するかを解析した。用いたＶＣＳＥＬは、波長８５０ｎｍ、広がり角は１５deg.（半角：＠１／ｅ2)、ビームウエストは５μｍ（半径）である。
【００３５】
図１０の光ピンは、ｌコア径５０μｍのＧＩ型のマルチモードファイバの端面を４５度にカットしたものを想定しており、４５度ミラー面には、反射率１００％の金属膜を有する光学モデルを作成した。コアの屈折率は１．５、クラッドの屈折率は１．４８５で、コアの屈折率分布係数αは２．０である。図１０に示したレンズは、曲率Ｒは４５μｍで、径は４５μｍで、屈折率は１．５とした。なお、９０度光路変換用に反射率１００％のミラーを設置している。図１０のモデル化した光導波路は、コア径４０×４０μｍで、コア屈折率は１．５、クラッド屈折率は１．４５とした。また、ＶＣＳＥＬと光ピン、レンズ間距離は３０μｍ固定とし、光ピン、レンズから、光配線層の中心（光導波路コアの中心）までの距離をＬとし、Ｌを２５０μｍ（１階）、５００μｍ（２階）、７５０μｍ（３階）、１０００μｍ（４階）と変化させ、ＶＣＳＥＬのＸ軸方向の位置ずれに対する結合効率の変化を解析した。なお、光ピンのＬを変化させる場合は、光ピンの長さを変えている。結合効率の算出方法は、ＶＣＳＥＬから出射した１０万本の光線を基準とし、９０度光路変換されて、光導波路の端面に到達した光（Ｎ本）を求め、次式より算出した。
【数１】
2005266623.tif 000003
【００３６】
解析結果を図１１に示す。図１１（Ａ）のＬが２５０μｍ（１階）の場合、レンズを使用した方が結合効率はよいが、ＶＣＳＥＬの位置ずれ量が大きくなるに従って（位置ずれが１０μｍ以上のポイントで）結合効率は光ピンの方がよくなっている。先にも述べた通り、レンズの横倍率によって、光導波路の入射面でのビームが大幅にずれているからである。図１１（Ｂ）のＬが５００μｍ（２階）になると、最大結合効率は光ピンの場合とレンズの場合が同じ程度になり、位置ずれに対する結合効率の減少量もレンズの方が大きい。図１１（Ｃ）のＬが７５０μｍ（３階）、図１１（Ｄ）のＬが１０００μｍ（４階）と長くなるに従ってレンズの最大結合効率は小さくなり、位置ずれに対する結合効率の変化は、光ピンに比べて大幅に小さい。光ピンに関しては、Ｌの変化に対する結合効率の変化はきわめて小さい。これは、ＶＣＳＥＬの広がり角が１５ｄｅｇ. もあり、光ピンのファイバのＮＡを満たさずクラッドへ漏れる光も存在するが、その後光ピンを伝搬する光線の数は変わらないため、ほぼ同じ結合効率が得られたからである。また、光ピンの長さは異なっていても、数ｍｍ以下程度の距離では、距離に対する伝送損失も殆ど無視できる。
【００３７】
上記解析結果は、１層型の光プリント基板にも同様の効果をもたらすことを示しており、１層以上の光プリント基板には、本発明が有効であることが判る。上記のように、本発明の多層光プリント基板を実現することによって、光配線へ従来の電子プリント基板と同様に多層化という概念を導入し、多層化した光配線への選択的な光結合が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の光プリント基板の製造工程の状態図、（Ｄ）は製造完了した本発明の断面図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の別の実施形態の光プリント基板の製造工程の状態図、（Ｄ）は製造完了した本発明の断面図である。
【図３】本発明の光プリント基板を用いた光電子混載基板の実装例を示した模式図である。
【図４】（Ａ）は本発明の多層型の光プリント基板を用いた光電子混載基板の実施形態の製造工程の断面図、（Ｂ）は（Ａ）の斜視図である。
【図５】（Ａ）は本発明の多層型の光プリント基板を用いた光電子混載基板の実施形態の製造工程の断面図、（Ｂ）は（Ａ）の斜視図である。
【図６】本発明の多層型の光プリント基板を応用した光電子混載基板の実施形態を示した第１の模式図である。
【図７】本発明の多層型の光プリント基板を応用した光電子混載基板の実施形態を示した第２の模式図である。
【図８】本発明の光プリント基板を実現するために行った基礎検討の実験、解析方法を示した図である。
【図９】本発明の光プリント基板を実現するために行った基礎検討の実験、解析結果を示した図である。
【図１０】従来の技術を適用した多層型の光配線と、本発明の多層型の光プリント基板の比較を行うために行った解析モデルである。
【図１１】（Ａ）は従来の技術を適用した光配線と、本発明の光プリント基板の比較を行うために行った解析結果、（Ｂ）〜（Ｄ）は従来の技術を適用した多層型の光配線と、本発明の多層型の光プリント基板の比較を行うために行った解析結果である。
【図１２】（Ａ）〜（Ｃ）は光プリント基板における、従来の第１の技術の工程図。
【図１３】（Ａ）〜（Ｃ）は光プリント基板における、従来の第２の技術の工程図。
【図１４】（Ａ）〜（Ｃ）は光プリント基板における、従来の第３の技術の工程図。
【図１５】（Ａ）〜（Ｃ）は光プリント基板における、従来の第４の技術の工程図。
【図１６】（Ａ）〜（Ｃ）は光プリント基板における、従来の第５の技術の工程図。
【符号の説明】
【００３９】
電気配線２、プリント基板１、光配線４、光軸４ａ、光配線層３、ホール５、
接続用合成樹脂６、光ピン７、７ａ…４５度ミラー面、７ｂ…他端面、光導波路４０、
光電子混載基板Ａ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005266623.tif 000006
【図４】
2005266623.tif 000007
【図５】
2005266623.tif 000008
【図６】
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【図７】
2005266623.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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