(57)【要約】【課題】光電気混載基板において、基板厚み方向の光路における光伝播損失低減を図る。【解決手段】光電気混載基板１は、基板２の表面に形成された電気配線３と、基板２の内部に形成された光配線（導波路コア）４と、基板２の厚み方向に光信号を導波させる垂直方向導波路５と、光配線４と垂直方向導波路間５を光結合させる光路変更構造６を備えている。垂直方向導波路５は、電気配線３を位置決めの基準にして、レーザ光ＬＢを照射した点Ｐに部分的な材料改質を行って形成される。光路変更構造６も垂直方向導波路５と同様に形成される。垂直方向導波路５が機械的な除去加工や材料充填を行うことなくを形成され、樹脂充填による気泡発生や樹脂硬化変形等による従来の光伝播損失の発生を低減した光電気混載基板が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成された電気信号を伝播させる電気配線と、基板に形成された光信号を基板面内方向に伝播させる光配線と、前記基板の厚み方向に光信号を導波させる垂直方向導波路とを備えた光電気混載基板において、
前記光配線と前記垂直方向導波路間を光結合させるように光を偏向させる光路変更構造を備え、
前記垂直方向導波路は、前記電気配線を位置決めの基準にして決定した基板上の位置にレーザ光を照射して材料改質を行うことにより形成されていることを特徴とする光電気混載基板。
【請求項２】
前記垂直方向導波路の両端の断面積の大きさが互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の光電気混載基板。
【請求項３】
前記垂直方向導波路の端部は、凸レンズ形状であることを特徴とする請求項１に記載の光電気混載基板。
【請求項４】
前記垂直方向導波路は、フェムト秒レーザ光を照射することにより、基板を材料改質して形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の光電気混載基板。
【請求項５】
前記垂直方向導波路は、屈折率が高い中心部と屈折率が低い外周部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の光電気混載基板。
【請求項６】
前記垂直方向導波路は、複数の光導波路で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光電気混載基板。
【請求項７】
前記垂直方向導波路及び／又は前記光路変更構造の周囲に、レーザ光照射によりフォトニック結晶が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光電気混載基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気配線と光配線が混在する光電気混載基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気配線と光配線（光導波路）が混在する複合基板である光電気混載基板において、基板内部の光導波路から、基板表面に実装した光信号と電気信号間の変換を行う光電気変換素子までの光路や、基板の厚さ方向に離れて存在する光導波路間の光路が形成されて用いられている。このような基板表面に対して垂直方向に光信号を伝播させるための光路（光導波路）を有する光電気混載基板として、例えば、図９に示すものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この従来の光電気混載基板の形成方法を述べる。まず、図９（ａ）に示すように、電気配線基板９０に、光電気変換素子を設置するための電極９１が設けられ、貫通孔９２が形成される。図９（ｂ）に示すように、電気配線基板９０の下面にコア９３、クラッド９４からなる光導波路板が樹脂で形成され、貫通孔にクラッド材９３が充填・硬化され、図９（ｃ）に示すように、さらに、全体を貫通する貫通孔９６が形成される。次に、図９（ｄ）に示すように、貫通孔９６にコア材９７が充填・硬化される。続いて、図９（ｅ）に示すように、基板の下面から、切削加工やエッチング加工によりミラー９８が形成され、基板平面内の方向から基板厚み方向に向かう光導波路が形成される。
【特許文献１】再公表特許ＷＯ０１／００１１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような方法により形成された基板厚み方向の光導波路を有する光電気混載基板においては、基板を構成する部材の一部を除去する工程が必要であり、基板製造上の作業効率が良くない。また、クラッド部に孔をあけて、貫通孔の内部にコア材を充填させて光路を作製する方法では、光路に光伝播損失の原因となる気泡を発生させないようにすることが困難である。また、加工やコア材の硬化等に時間を要する。さらに、充填した樹脂を硬化させたときに収縮が発生すると、光路の伝播損失は著しく低下するという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題を解消するものであって、基板厚み方向の光路における光伝播損失を低減した光電気混載基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するために、請求項１の発明は、基板に形成された電気信号を伝播させる電気配線と、基板に形成された光信号を基板面内方向に伝播させる光配線と、前記基板の厚み方向に光信号を導波させる垂直方向導波路とを備えた光電気混載基板において、前記光配線と前記垂直方向導波路間を光結合させるように光を偏向させる光路変更構造を備え、前記垂直方向導波路は、前記電気配線を位置決めの基準にして決定した基板上の位置にレーザ光を照射して材料改質を行うことにより形成されていることを特徴とする光電気混載基板である。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の光電気混載基板において、前記垂直方向導波路の両端の断面積の大きさが互いに異なるものである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１に記載の光電気混載基板において、前記垂直方向導波路の端部は、凸レンズ形状のものである。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１に記載の光電気混載基板において、フェムト秒レーザ光を照射することにより、基板を材料改質して形成されたものである。
【００１０】
請求項５の発明は、請求項１に記載の光電気混載基板において、前記垂直方向導波路は、屈折率が低い外周部と屈折率が高い中心部とを備えているものである。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項１に記載の光電気混載基板において、前記垂直方向導波路は、複数の光導波路で構成されているものである。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項１に記載の光電気混載基板において、前記垂直方向導波路及び／又は前記光路変更構造の周囲に、レーザ光照射によりフォトニック結晶が形成されているものである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、レーザ光を照射して部分的な材料改質を行うことにより、機械的な除去加工や材料充填を行うことなく垂直方向導波路を形成するので、気泡発生や樹脂硬化変形等による光伝播損失の発生を低減した光電気混載基板が得られる。また、非常に微細な光路を形成することが可能である。さらに、電気配線を位置決めの基準にして垂直方向導波路を形成するので、同様に、電気配線を位置決めの基準にして、光電気変換素子を垂直方向導波路との位置精度良く実装できる。
【００１４】
請求項２又は請求項３の発明によれば、例えば、垂直方向導波路の両端のうち、断面積の大きい方を光入射側として形成することにより、垂直方向導波路における光の入出射時の光学損失を低減することができる。
【００１５】
請求項４の発明によれば、フェムト秒レーザを用いて基板材料の局所的な改質が容易にできるので、垂直方向導波路を容易に形成できる。また、レーザ光を垂直方向に走査しなくても、基板内部の材料改質により垂直方向導波路が形成されるに伴い、レーザ光の自己収束機能により、順次、垂直方向導波路が基板表面側に向かって形成されるようにすることもできる。
【００１６】
請求項５又は請求項６の発明によれば、光路の光伝播損失を低減できる。
【００１７】
請求項７の発明によれば、内部改質部を厳密な連続状態で形成しなくとも、フォトニック結晶で光を光路内に閉じこめることができ、垂直方向導波路を容易に形成できる。また、光路変更構造の周囲にフォトニック結晶を形成することで光路偏向時の光損失低減ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態に係る光電気混載基板について、図面を参照して説明する。図１は、光電気混載基板１とその製造方法を示す。光電気混載基板１は、図１（ａ）に示すように、基板２の表面に形成された電気信号を伝播させる電気配線３と、基板２の内部に形成された光信号を伝播させる光配線（導波路コア）４と、基板２の厚み方向に光信号を導波させる垂直方向導波路５と、光配線４と垂直方向導波路間５を光結合させるように光を偏向させる光路変更構造６を備えている。光配線４は、光配線４より小さい屈折率を有する導波路クラッド４１で囲まれて形成されている。そして、垂直方向導波路５は、基板２の表面から、このクラッド４１の表面に至る、基板２の内部領域に形成されている。
【００１９】
上述の垂直方向導波路５は、電気配線３を位置決めの基準にして決定した基板上の位置に、図１（ｂ）に示すように、レーザ光ＬＢを照射した点Ｐに部分的な材料改質を行うことにより基板の厚み方向に光信号を導波させるように形成されている。光路変更構造６も垂直方向導波路５と同様にレーザ光照射による部分的材料改質によって形成される。
【００２０】
ここで、光電気混載基板１の全体の製造工程の概要を述べる。まず、基板２と内部の光導波路（すなわち光配線４とクラッド４１）が、それぞれの屈折率の異なる基板用、クラッド用、及び光配線用の樹脂を用いて、金型成型やフォトリソグラフィ法により、積層して形成される。次に、内部に導波路を有する基板２の表面に電気配線３が形成される。次に、光配線３の光路上に光路変更構造６がレーザ光を用いて形成され、また、垂直方向導波路５がレーザ光を用いて形成される。なお、これらの製造工程の順番は、適宜入れ替えることができる。
【００２１】
このレーザ光照射による部分的材料改質（光誘起屈折率変化と呼ばれる）は、レーザ光を照射した点Ｐにおいて局所的に行うことができ、また、その照射点をＸＹＺ方向に走査することによって、比較的容易に任意の３次元形状の材料改質領域を形成することができる。光電気混載基板１を形成する上述の各樹脂は、レーザ光照射による材料改質、すなわちレーザ光照射による所望の光誘起屈折率変化をする樹脂を用いる必要がある。
【００２２】
また、光を所望の方向に導波するには、周囲よりも屈折率の大きな線状連続領域（すなわち光路）を作ればよい。そこで、光路形成位置にレーザ光の焦点を合わせ、所望する形成位置に沿ってレーザ光の焦点を移動させながら、レーザ光照射部を改質させることにより屈折率を大きくして、導波路が形成される。焦点の移動速度は、改質領域が途中でとぎれない速度以下にする必要がある。
【００２３】
焦点移動により垂直方向導波路５を形成する方法として、例えば、所望する形成位置の基板内部の所定深さにレーザ光の焦点位置を合わせて改質領域を形成し、必要に応じてその深さにおける面内方向（ＸＹ方向）のレーザ光走査により改質領域を広げ、続いて焦点位置を基板表面側（Ｚ方向）に移動して連続した改質領域をさらに形成する、ということを繰り返す方法としてもよい。この手順を逆に、すなわち、浅い方から深い方に改質部を形成するのは、改質部においてレーザ光が散乱されるので好ましくない。
【００２４】
レーザ光として、レーザ光照射部の周囲に熱影響を殆ど与えないフェムト秒レーザ光などが望ましい。レーザ加工条件は、例えば、レーザ波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ，レーザ繰返し周波数８２ＭＨｚ、レーザ出力１〜７ｎＪ／ｐｕｌｓｅである。なお、レーザ光照射による部分的材料改質について、例えば、本出願人による発明が、特開２００２−１４２４６号公報に開示されている。
【００２５】
このようにして製造された光電気混載基板１は、機械的な除去加工や材料充填を行うことなく垂直方向導波路５を形成するので、従来の機械加工孔に樹脂を充填して垂直方向導波路を形成するのと異なり、気泡発生や樹脂硬化変形等による光伝播損失の発生を低減した垂直方向導波路を備えた光電気混載基板となっている。また、形成方法が機械加工によらないので、より微細な垂直方向導波路５を形成することが可能であり、この光電気混載基板１は、光配線の集積化や基板の小型化に対応できる。
【００２６】
前出の、電気配線３を位置決めの基準にして基板２上の位置決めを行うこと、について説明する。電気信号を伝播させる電気配線３と光信号を伝播させる光配線４とが混在する複合基板（光電気混載基板）では、光配線４を伝播する光信号を垂直方向に取り出し、図１（ａ）に点線で示したように、基板表面に実装されたフォトダイオードなどの光電気変換素子Ｃまで伝播させるか、又は、基板表面に実装された面発光レーザなどから出射された光信号を基板面に平行に設けられた光配線まで伝播させる必要がある。このとき、垂直方向に伝播する光信号の損失（光電気結合損失）は、光が伝播する材料の吸収率や反射率、さらに光の広がり角、伝播距離に依存する。この他、特に、垂直方向導波路５の光入出射端面の位置と、光電気変換素子Ｃの受発光部Ｃ１の位置の位置合わせ精度は、光電気結合損失の大小に大きく影響する。
【００２７】
そこで、電気配線３を位置決めの基準にして垂直方向導波路５を形成し、その後、同様に、電気配線３を位置決めの基準として用いて光電気変換素子Ｃと垂直方向導波路５との位置合わせを行い、光電気変換素子Ｃを実装することで、位置合わせ精度が向上し、光電気結合損失の低減ができるようになる。すなわち、まず、光配線４と光路変更構造６の位置、及び光電気変換素子Ｃが実装される電気配線３の一部であるランド３１の位置を計測する。光電気変換素子Ｃの受発光部Ｃ１の位置は、この計測したランド３１の位置から算出することができる。その算出位置から、垂直方向導波路５を形成する位置（基板２内の空間領域）を求めて、垂直方向導波路５を精度良く形成することができる。
【００２８】
ところで、位置計測の結果、垂直方向導波路５の形成可能な位置が限られるため基板面に対して垂直にできない場合が発生する。この場合は、レーザ光照射による部分的材料改質が３次元的分布領域について可能である特質を活かして、厳密に垂直線に沿った光導波路ではなく、受発光部Ｃ１と光路変更構造６とを結んだ直線又は曲線に沿った、垂直方向導波路５を形成する。このようにして形成された垂直方向導波路５を備えた光電気混載基板１は、光電気結合損失の少ないものとなる。
【００２９】
次に、本発明の他の一実施形態に係る光電気混載基板を、図２により説明する。この光電気混載基板１の垂直方向導波路５は、基板２の表面から、クラッド４１を貫通して光配線４の内部までの領域に形成されている。この光電気混載基板１は、前出の図１に示した光電気混載基板よりも光電気結合損失の少ないものとなる。この垂直方向導波路５の形成に際しては、光路変更構造６にダメージを与えないように注意が払われている。
【００３０】
次に、本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板を、図３により説明する。この光電気混載基板１は、基板２の厚み方向の異なる位置に形成された複数の光配線４の相互間を光結合する垂直方向導波路５０を備えている。上下の対となる光配線４の対応する位置に光路変更構造６が具備され、その間に垂直方向導波路５０が形成されている。光電気混載基板１は、多層光配線構造において、レーザ光照射による部分的材料改質により、光路変更構造６や垂直方向導波路５と同様に層間の垂直方向導波路５０を形成して、層間の光伝播を可能とするものである。
【００３１】
次に、本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板を、図４（ａ）（ｂ）により説明する。これらの光電気混載基板１は、光電気変換素子の受発光部と垂直方向導波路間の光結合損失を低減するものである。図４（ａ）に示すように、基板２の表面の電気配線３に面発光レーザなどの発光する光電気変換素子を実装（不図示）し、基板２の表面から光配線４に光信号を導波する場合、垂直方向導波路５を、基板２の表面側断面が基板内部側断面より大きいテーパ状になるよう形成する。
【００３２】
逆に、図４（ｂ）に示すように、光配線４を伝播する光信号を垂直方向導波路５に伝播させて、基板２のフォトダイオード等（不図示）に光信号を受光させる場合、垂直方向導波路５の基板内部側断面が基板表面側断面より大きいテーパ状になるように形成する。このように両端のサイズが異なる垂直方向導波路５は、断面の大きな部分は、例えば内部側ではレーザ光を広い範囲で走査して、また基板２の表面側ではレーザ光をデフォーカスして加工することができる。
【００３３】
次に、本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板を、図５により説明する。この光電気混載基板１において、垂直方向導波路５の基板内側の端面の形状が凸レンズ状とされている。この端面の凸レンズにより、光配線４と垂直方向導波路５との間の光の入出射時の光学損失を低減させることができる。凸レンズ形状は、レーザ光のエネルギー分布を利用する方法や、凸レンズ部先端のみ、高倍率レンズによりレーザ光を集光して加工する方法によって形成することができる。
【００３４】
次に、本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板を、図６により説明する。この光電気混載基板１の垂直方向導波路５は、屈折率の高い中央のコア５１とその周りの屈折率の低いクラッド５２から構成されている。このような二重構造は、前出の図１に示した光電気混載基板の垂直方向導波路に対し、その垂直方向導波路を形成するのに用いたレーザ光よりも強度の高いエネルギを有するレーザ光を用いて、垂直方向導波路の中央部に材料改質を起こして、さらに屈折率を高くして形成される。先に形成された低屈折率の垂直方向導波路５は、後から形成する高屈折率領域を形成するため、予め広く形成されている。また、レーザ照射により屈折率が低下する材料を用いる場合、予め形成した垂直方向導波路の周囲にレーザ光を照射して屈折率を低下させて、二重構造を形成することができる。
【００３５】
次に、本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板を、図７により説明する。この光電気混載基板１の垂直方向導波路５は、複数の単位導波路５３の集合体として形成されている。個々の単位導波路５３の小さな光入出射端を有する垂直方向導波路５からの光の広がりは、単体の大きな光入出射端を有する垂直方向導波路からの光の広がりと比較すると小さくなる。すなわち、この垂直方向導波路５から光配線４へ光を出射する際、光学損失を低減することができる。この垂直方向導波路５は、レーザ光を絞って形成した個々の単位導波路５３を互いに隣接して形成される。
【００３６】
次に、本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板を、図８により説明する。この光電気混載基板１の垂直方向導波路５は、光信号が導波する領域は基板２の材質のままとして、周囲をレーザ光照射により材料改質して光を垂直方向導波路５内に閉じこめるように形成されている。この場合の材料改質は、改質部にレーザ光の焦点を合わせ、内部加工により、屈折率の異なる物質が周期的に並んだ構造を持つ結晶であるフォトニック結晶を形成するものである。また、フォトニック結晶とされる内部改質部を厳密な連続状態で形成しなくとも、フォトニック結晶で光を光路内に閉じこめることができ、垂直方向導波路を容易に形成できる。さらに、このフォトニック結晶を光路変更構造６の周囲にも形成することにより、光路変更時の光学損失の低減を図ることができる。フォトニック結晶の形成に用いるレーザは、周囲に熱影響をほとんど与えないフェムト秒レーザなどが適している。なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係る光電気混載基板の断面図、（ｂ）は同光電気混載基板の製造方法を示す断面図。
【図２】本発明の他の一実施形態に係る光電気混載基板の断面図。
【図３】本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板の断面図。
【図４】（ａ）（ｂ）は本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板の断面図。
【図５】本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板の断面図。
【図６】本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板の断面図。
【図７】本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板の断面図。
【図８】本発明のさらに他の一実施形態に係る光電気混載基板の断面図。
【図９】（ａ）〜（ｅ）従来の光電気混載基板とその製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１    光電気混載基板
２    基板
３    電気配線
４    光配線
５    垂直方向導波路
６    光路変更構造
５１    中心部
５２    外周部
６３    光導波路
ＬＢ    レーザ光
【図１】
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【図２】
2005134451.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005134451.tif 000008
【図７】
2005134451.tif 000009
【図８】
2005134451.tif 000010
【図９】
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