(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の行および複数の列を有する２次元アレイ状に並んだ複数の光素子と、
前記２次元アレイ状に並んだ複数の前記光素子に対応して設けられた複数の光回路と、
複数の前記光回路を前記２次元アレイ状に並んだ前記各光素子とそれぞれ光学的に接続させるミラーと、を有し、
前記２次元アレイ状に並んだ複数の前記光素子が位置する面は、複数の前記光回路が位置する面と平行であり、
複数の前記光回路が位置する前記面内で、前記光回路は全長にわたって、複数の前記光素子からなる２次元アレイの前記複数の行と前記複数の列のいずれに対しても傾けて配置されており、
複数の前記光回路は、前記２次元アレイ状に並んだ複数の前記光素子が埋め込まれた基板の表面上に形成されている
２次元アレイ状光素子と光回路の接続構造。
【請求項２】
複数の行および複数の列を有する２次元アレイ状に並んだ複数の光素子と、
多層に積層された複数の光回路と、
各層の前記光回路にそれぞれ設けられており、前記２次元アレイ状に並んだ前記各光素子にそれぞれ光結合する複数のミラーと、を有し、
前記２次元アレイ状に並んだ複数の前記光素子が位置する面は、複数の前記光回路のうちの一部の前記光回路が位置する面と平行であり、
前記一部の前記光回路が位置する前記面内で、前記光回路は全長にわたって、複数の前記光素子からなる２次元アレイの前記複数の行と前記複数の列のいずれに対しても傾けて配置されており、
複数の前記光回路は、前記２次元アレイ状に並んだ複数の前記光素子が埋め込まれた基板の表面上に形成されている
２次元アレイ状光素子と光回路の接続構造。
【請求項３】
複数の行および複数の列を有する２次元アレイ状に並んだ複数の光素子と、
前記２次元アレイ状に並んだ複数の前記光素子に対応して設けられた複数の光回路と、
複数の前記光回路を前記２次元アレイ状に並んだ前記各光素子とそれぞれ光学的に接続させるミラーと、を有し、
前記２次元アレイ状に並んだ複数の前記光素子が位置する面は、複数の前記光回路が位置する面と同一の面であり、
前記面内で、前記光回路は全長にわたって、複数の前記光素子からなる２次元アレイの前記複数の行と前記複数の列のいずれに対しても傾けて配置されており、
前記２次元アレイ状に並んだ前記光素子は、前記光回路に設けられたくぼみ内に実装されている
２次元アレイ状光素子と光回路の接続構造。
【請求項４】
複数の行および複数の列を有する２次元アレイ状に並んだ複数の光素子と、
多層に積層された複数の光回路と、
各層の前記光回路にそれぞれ設けられており、前記２次元アレイ状に並んだ前記各光素子にそれぞれ光結合する複数のミラーと、を有し、
前記２次元アレイ状に並んだ複数の前記光素子が位置する面は、複数の前記光回路のうちの一部の前記光回路が位置する面と同一の面であり、
前記面内で、前記光回路は全長にわたって、複数の前記光素子からなる２次元アレイの前記複数の行と前記複数の列のいずれに対しても傾けて配置されており、
前記２次元アレイ状に並んだ前記光素子は、前記光回路に設けられたくぼみ内に実装されている
２次元アレイ状光素子と光回路の接続構造。
【請求項５】
複数の前記光回路は単層に構成されている、請求項１または３に記載の２次元アレイ状光素子と
光回路の接続構造。
【請求項６】
互いに隣接する層の前記光回路同士のクラッド層が共通である、請求項２または４に記載の２次元アレイ状光素子と光回路の接続構造。
【請求項７】
前記光回路は光導波路である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の２次元アレイ状光素子と光回路の接続構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元アレイ状に並んだ光素子と光回路の接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の、半導体チップ、主に高速ＬＳＩの間を光信号で接続する、いわゆる光インターコネクション構造の一例が図１Ａと図１Ｂに示されている。これらの構造では、基板１上のＬＳＩ２同士の間が、ＰＤ（Photo diode：受光素子）３とＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity
Surface-Emitting Laser：垂直共振器面発光レーザー）４を介して、基板１にほぼ平行な薄い光導波路５によって接続されている。図１Ａと図１Ｂに示されている例では、インターポーザー１ａが配置されている。一般的な接続数（並列度）は１００〜１０００程度である。なお、光回路とは、光ファイバ、光導波路、および光ファイバと光導波路とが組み合わされたものを指す総称である。【０００３】
［従来技術１］
従来、多数の光源や受光器の間を光接続する場合には、図２Ａと図２Ｂに示すように、２次元光源アレイ（例えば２次元ＰＤアレイ３）および２次元受光器アレイ（例えば２次元ＶＣＳＥＬアレイ４）に対して垂直に光ファイバアレイ６を結合していた。図２Ａは、基板１上のＬＳＩ２に垂直にそれぞれ配置された２次元ＰＤアレイ３と２次元ＶＣＳＥＬアレイ４を、光ファイバアレイ６で接続する垂直接続構成を示している。図２Ｂは、基板１上のＬＳＩ２に平行にそれぞれ配置された２次元ＰＤアレイ３と２次元ＶＣＳＥＬアレイ４を、光ファイバアレイ６で接続する直接接続構成を示している。これらの構成では、光ファイバアレイ６の最小曲げ半径の制限などのために、接続構造全体が厚くなるという問題があった（電子情報通信学会論文誌  Ｃ、Vol. J84-C、No.9、pp. 807-813、２００１年９月発行、「マイクロオプティカルベンチによる２次元並列光インタコネクトモジュール構成法」参照）。【０００４】
［従来技術２］
１次元アレイと光導波路を用いた接続構造は、１次元に並んだ光源や受光器にしか対応できないため、同時に並列に伝送できる多重度（並列度）に限界があった（２００４年電子情報通信学会総合大会、Ｃ−３−３６、「エキシマレーザーを用いた４５°マイクロミラーの作製と評価」参照）。図２Ｃには、４５度ミラーを用いた、Ｎ×１接続の折り曲げ接続構造が示されている。この構成では、ＶＣＳＥＬ７に対向してマイクロミラー８が配置され、１つの光導波路９に光結合されている。【０００５】
［従来技術３］
図２Ｄは、多層に積層された光導波路の端部の位置に平面ミラーが設けられた構成を示している。図２Ｄの下方に位置するＶＣＳＥＬ７から来た光がミラー１０で反射されて、光導波路１１に入射する。しかし、ミラー１０が１つの反射面のみを有しているため、ＶＣＳＥＬ７のピッチと多層の光導波路１１の厚さを同じにする必要がある。そのことが、光結合部を含む光回路の高密度化を妨げていた。
【発明の開示】
【０００６】
本発明の第１の目的は、前記した従来技術の問題を解決し、従来の１次元アレイを用いた接続構造に存在していた並列度の限界を打破し、並列度を大幅に拡大すること、すなわち接続数を大幅に増やすことができるようにすることである。本発明の第２の目的は、ＬＳＩなどの素子が実装された基板に平行に沿わせることが可能な、薄型の、２次元アレイ状光素子と光回路の接続構造を提供することである。
【０００７】
本発明の２次元アレイ状光素子と光回路の接続構造は、複数の行および複数の列を有する２次元アレイ状に並んだ複数の光素子と、２次元アレイ状に並んだ複数の光素子に対応して設けられた（複数の光素子の間を縫うように延びている）複数の光回路と、複数の光回路を２次元アレイ状に並んだ各光素子とそれぞれ光学的に接続させるミラーと、を有し、２次元アレイ状に並んだ複数の光素子が位置する面は、複数の光回路が位置する面と平行であり、複数の光回路が位置する面内で、光回路は全長にわたって、複数の光素子からなる２次元アレイの複数の行と複数の列のいずれに対しても傾けて配置されており、複数の光回路は、２次元アレイ状に並んだ複数の光素子が埋め込まれた基板の表面上に形成されている。
【０００８】
また、本発明のもう１つの２次元アレイ状光素子と光回路の接続構造は、複数の行および複数の列を有する２次元アレイ状に並んだ複数の光素子と、多層に積層された複数の光回路と、各層の光回路にそれぞれ設けられており、２次元アレイ状に並んだ光素子の各々とそれぞれ光結合する複数のミラーと、を有し、２次元アレイ状に並んだ複数の光素子が位置する面は、複数の光回路のうちの一部の光回路が位置する面と平行であり、一部の光回路が位置する面内で、光回路は全長にわたって、複数の光素子からなる２次元アレイの複数の行と複数の列のいずれに対しても傾けて配置されており、複数の光回路は、２次元アレイ状に並んだ複数の光素子が埋め込まれた基板の表面上に形成されている。この構成では、各光回路（例えば各光導波路）にそれぞれ個別にミラー（マイクロミラー）が設けられている。これは、複数の光回路に共通のミラー（４５度ミラー）が設けられる構成とは明らかに相違するものである。
【０００９】
これらの構成によると従来よりも大きな並列度で、小型でありながら多数の光素子と多数の光回路とを光学的に接続することができる。
【００１０】
光回路が、複数の光素子からなる２次元アレイに対して傾けて配置されていてもよい。
【００１１】
多層の光回路のうち、隣接する層の光回路のクラッド層が共通であってもよい。光回路が、光素子が埋め込まれた基板の表面上に形成されていてもよい。また、光回路に設けられたくぼみ内に光素子が実装されていてもよい。これらの構成によると、一層の薄型化が図れる。
【００１２】
以上説明した構成において、光回路は光導波路であることが好ましい。
【００１３】
本発明によると、２次元アレイ状に並んだ複数の光素子と光回路とを効率よく接続でき、しかも小型化および薄型化が可能な接続構造を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】従来の光インターコネクション構造の模式的斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す従来の光インターコネクション構造の正面図である。
【図２Ａ】従来の、光ファイバによる垂直接続構造を示す模式的正面図である。
【図２Ｂ】従来の、光ファイバによる直接接続構造を示す模式的正面図である。
【図２Ｃ】従来の、４５度ミラーを用いたＮ×１接続の折り曲げ接続構造を示す模式的正面図である。
【図２Ｄ】従来の、多層に積層された光導波路の端部にミラーが設けられた接続構造を示す要部拡大図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態１の接続構造の、２次元アレイ状光素子を示す概略図である。
【図３Ｂ】図３Ａの拡大説明図である。
【図３Ｃ】図３ＢのＡ−Ａ’線で切断した、接続構造の構成図である。
【図３Ｄ】図３ＢのＢ−Ｂ’線で切断した、接続構造の構成図である。
【図３Ｅ】図３Ｄの光素子にレンズが固定された構成を示す断面図である。
【図３Ｆ】図３Ｄの光導波路にレンズが固定された構成を示す断面図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態１の接続構造の２次元アレイ状光素子の他の例を示す概略図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示す２次元アレイ状光素子の、３列アレイの場合の構成について詳細に示す拡大図である。
【図４Ｃ】図４Ａに示す２次元アレイ状光素子に接続される光導波路の構成を示す拡大図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態２の接続構造を示す模式的正面図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態２の接続構造の他の例を示す模式的正面図である。
【図５Ｃ】本発明の実施形態２の接続構造のさらに他の例を示す模式的正面図である。
【図６】本発明の実施形態３の接続構造の、２次元アレイ状の光素子と光導波路の位置関係を示す説明図である。
【図７Ａ】光素子からの出射光の広がりを示す説明図である。
【図７Ｂ】光素子からの出射光の広がりを示すグラフである。
【図８】光導波路内の光の進行を示す説明図である。
【図９Ａ】本発明の、光素子と光導波路の光結合状態を示す模式的正面図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示す光結合状態における、光の伝搬距離と結合損失の関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の光素子と光導波路の光結合による、光の伝搬距離と結合損失の関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の光素子と光導波路の光結合による、光の伝搬距離と結合損失の関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の光素子と光導波路の光結合による、光の伝搬距離と結合損失の関係を示すグラフである。
【図１３Ａ】本発明の光素子と光導波路の光結合による、スポットサイズと比屈折率差と伝搬距離の関係を示すグラフである。
【図１３Ｂ】図１３Ａに示すスポットサイズと比屈折率差と伝搬距離の関係を説明するための説明図である。
【図１４Ａ】本発明の光素子と光導波路の光結合による、スポットサイズと比屈折率差と積層可能な層数の関係を示す表である。
【図１４Ｂ】図１４Ａに示すスポットサイズと比屈折率差と積層可能な層数の関係を説明するための説明図である。
【図１４Ｃ】図１４Ａに示すスポットサイズと比屈折率差と積層可能な層数の関係を説明するための説明図である。
【図１５Ａ】は本発明の実施形態４の接続構造の、多層に積層された各光導波路にクラッドが設けられている構成の模式的正面図である。
【図１５Ｂ】は本発明の実施形態４の接続構造の、多層に積層された光導波路においてクラッドを共通にした構成を示す模式的正面図である。
【図１６Ａ】本発明の実施形態５の接続構造の、基板のくぼみに光素子が埋め込まれた構成の模式的正面図である。
【図１６Ｂ】本発明の実施形態５の接続構造の、基板の厚さが最小限に薄くされた構成の模式的正面図である。
【図１６Ｃ】本発明の実施形態５の接続構造の、多数の光素子が形成された化合物ウエハを含む構成の模式的正面図である。
【図１７Ａ】本発明の実施形態６の接続構造の、光素子が光導波路内に埋め込まれた構成の模式的正面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ａに示す接続構造を多層に積層した構成の模式的正面図である。
【図１８】本発明の実施形態７の接続構造を示す模式的正面図である。
【図１９】本発明の実施形態７の接続構造の、出射光のスポットサイズと伝搬距離の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
［実施形態１］
図３Ａ〜図３Ｄは本発明の実施形態１を示している。図３Ａは２次元アレイ上に並んだ光素子を模式的に表し、図３Ｂは図３Ａの拡大説明図であり、図３Ｃは図３ＢのＡ−Ａ’線断面図、図３Ｄは図３ＢのＢ−Ｂ’線断面図である。【００１６】
本実施形態では、光導波路１２の列が、光源などの光素子１６の２次元アレイの列に対して斜めに傾けられている。それによって、従来は１列のアレイにしか適用できなかった光導波路群との接続を、３列のアレイに適用できるようになった（図３Ｃ参照）。図３Ｄに示すように、光源１６と光導波路１２との接続は、光導波路１２の一部に形成された４５度の平面反射鏡や曲面反射鏡などからなるマイクロミラー１５で、光源（ＶＣＳＥＬ）１６からの光ビームを直角に折り曲げることにより実現している。このように、ＶＣＳＥＬ１６の２次元アレイに対して光導波路１２を斜めに配置し、複数のＶＣＳＥＬ１６の間を縫うように光導波路１２を通すことによって、２５０μｍ程度のピッチの場合、３列のアレイに適用することが可能である。例えば、図３Ｃに示すように５０μｍのコア１３と３０μｍのクラッド１４が並ぶようにすると、各列のピッチを２４０μｍとして３列のアレイを構成することが可能である。【００１７】
図３Ｅ，図３Ｆに示すように、レンズ１７をＶＣＳＥＬ１６側あるいは光導波路１２側に設けることにより、光結合効率を向上することができる。図３Ｅに示す構成のＶＣＳＥＬ１２側のレンズ１７は、基板をエッチングして作製しても良いし、透明樹脂を滴下し硬化させて作成してもよい。【００１８】
図４Ａ〜図４Ｃに示すような構成、すなわち、光素子間のピッチが２５０μｍ、光導波路１２のコア１３の断面サイズが５０μｍ×５０μｍでそのピッチが８０μｍである構成の場合、３列の光素子の間を通して光を取り出すことができる。図４Ａは、Ｍ×Ｎの２次元アレイ構成で、１層（１段）の導波路１２へ、各ＶＣＳＥＬ１６の出射光の隙間を縫って出力する状態を示している。図４Ｂは、３列アレイの場合に８０μｍ間隔で出射光を取り出せることを示している。図４Ｃは、５０μｍのコア１３の両側に１５μｍのクラッド１４が並んでいる光導波路の構成を示している。【００１９】
なお、これらの説明および以下の説明ではＶＣＳＥＬ１６について記載しているが、ＶＣＳＥＬ１６に代えてＰＤを用いる場合にも、光の向きが異なるだけで、同様の構成を実現できる。【００２０】
［実施形態２］
図５Ａは本発明の実施形態２を示す。マイクロミラー１５による１次元アレイと光導波路１２の接続を基本構造とし、それをアレイ１列分ずつずらして積み重ねることにより、２次元アレイ状の光素子１６と光導波路１２の接続を実現している。光導波路１２の厚さは、たとえばコア１３を５０μｍ、クラッド１４を片側２５μｍとすれば、１層（１段）あたり１００μｍである。したがって、光素子１６からの光ビームの形状などを適切に設定することにより、５〜１０層程度の光導波路１２を重ねることが可能である。１列のアレイ数をたとえば２０とすると、１００〜２００程度の、多重の並列光接続が実現できる。この構成でも、多層の光導波路１２全体の厚さは１ｍｍ以下であり、基板にほぼ密着させて這わせることが可能である。したがって、多層化による接続構造全体の厚さの増加はほとんど問題にならない。このようにして、Ｍ層の光導波路１２を積み重ねることによるＭ×Ｎ並列光接続が可能である。この時、層数ＭはＶＣＳＥＬ１６と光導波路１２の結合状態によって決まる。結合効率は、マイクロミラー１５に曲率を付けるか、ＶＣＳＥＬ１６の表面にレンズを付けることで改善する。また、光導波路１２の表面にマイクロレンズを形成して結合効率を改善させることができる。【００２１】
図５Ｂに示す構成のように、光素子（ＶＣＳＥＬ１６）の列数と光導波路１２の層数は同じでなくてもよい。図５Ｂは、ＶＣＳＥＬ１６の列数が３列で、光導波路１２の層数が２層の構成を示している。３列目のＶＣＳＥＬ１６は２層目の光導波路１２と光結合する。ただし、２列目のＶＣＳＥＬ１６と３列目のＶＣＳＥＬ１６は、２層目において別々の光導波路１２に結合する。【００２２】
また、図５Ｃは、ＰＤ１８と光導波路１２が結合している例を示す。この構成では、各層のマイクロミラー１５の曲率半径を変え、各マイクロミラー１５の焦点をＰＤ１８の位置に合うようにすることにより、ＰＤ１８との結合効率が高くなっている。【００２３】
［実施形態３］
図６は本発明の実施形態３を示している。これは、実施形態１の構成を、その並列アレイに対応する量だけずらして多層に重ねたものである。本実施形態によると、実施形態２よりもさらに高密度の並列多重光接続が可能になる。【００２４】
［光結合の解析］
ここで、ＶＣＳＥＬ１６とマイクロミラー１５と光導波路１２の光結合について解析した結果を以下に示す。【００２５】
図７Ａに示すように、ＶＣＳＥＬ１６からの出射光としてガウスビームが出射されているとみなして計算を行った。ＶＣＳＥＬ１６からの出射光のスポットサイズの広がりは図７Ａに示す通りである。ここで、スポットサイズＷ０は図７Ａに示す通り出射光の半径である。スポットサイズＷ（ｚ）は以下の式にて計算される。【００２６】
【数１】
0005240821.tif 000002
図７Ｂは、スポットサイズＷ０が１．５μｍで、出射光が伝搬する光路の屈折率ｎを１．０，１．６，２．０，２．５，３．０，３．５と変化させた場合の、伝搬による光ビームの広がりを示している。【００２７】
次に、ＶＣＳＥＬ１６からの出射光がマルチモード光導波路へ結合するときの損失について解析する。ＶＣＳＥＬ１６からの出射光の電場を記述するエルミートガウス関数をフーリエ変換することにより、電場の広がり角度成分Ｅ（ｐ）（ｘ）を求めた。エルミートガウス関数とフーリエ変換の式については以下に示す。【００２８】
【数２】
0005240821.tif 000003
【００２９】
【数３】
0005240821.tif 000004
また、光導波路１２は、コア１３とクラッド１４の屈折率の差で決まる全反射角で決まる角度範囲内の光が結合できる。この光導波路１２の性質により、光源であるＶＣＳＥＬ１６から光導波路１２までの距離が小さいとき、図８に示す光導波路１２では、全反射角Θｃで決まる角度範囲内の光が結合する。ＶＣＳＥＬ１６から光導波路１２までの距離が大きくなると、ＶＣＳＥＬから拡がりながら放射される光のうち、光導波路のコアに到達した時点で、コアの面積以内に入っている光が結合する。距離が離れれば離れるほど結合損失は増大していく。【００３０】
以上説明したＶＣＳＥＬ１６と光導波路１２の結合について示したのが図９Ａ，９Ｂである。図９Ａに示す構成では、屈折率が３．５で厚さが１００μｍであり、光がＧａＡｓ基板側から出射する構造のＶＣＳＥＬ１６を用いている。光導波路１２のコアとクラッドの比屈折率差が２％で、コアの断面サイズは５０μｍ×５０μｍである。ＶＣＳＥＬ１６のスポットサイズＷ０を１．５μｍ，２．０μｍ，３．０μｍとし、その出射点を座標軸の原点として、伝搬距離と結合損失の関係を示すグラフを図９Ｂに示している。結合損失を１ｄＢ以下にするためには、スポットサイズＷ０＝１．５μｍ，２．０μｍ，３．０μｍのときの最大光導波路厚さは、それぞれ１９０μｍ，２７０μｍ，４２０μｍ程度となる。光導波路１２の１層の厚さを１００μｍ（コア５０μｍ、上部クラッド２５μｍ、下部クラッド２５μｍ）とすると、それぞれ２層，３層，４層の光導波路の積層が可能になる。【００３１】
図１０，１１，１２には、スポットサイズＷ０をそれぞれ１．５μｍ，２．０μｍ，３．０μｍに固定して、光導波路１２の比屈折率差を変えた場合の結合損失について示している。これらの結果をもとに、結合損失が１ｄＢとなる時のＶＣＳＥＬ１６から光導波路１２までの伝搬距離をまとめて３次元のグラフとして、図１３Ａに示している。さらに、この結果を、積層可能な光導波路１２の段数（層数）に換算して図１４Ａに示している。【００３２】
この解析結果より、ＶＣＳＥＬ１６と光導波路１２を直接接続する方式で光導波路を多層化した構成によって、ＶＣＳＥＬのスポットサイズによるが、最大４層程度まで１ｄＢの十分に低い損失で光結合できることが確認できた。【００３３】
［実施形態４］
また、図５Ａ〜５Ｃに示した、多層に積層された光導波路１２を用いた２次元アレイ状光素子１６の光接続構造において、隣接する層の光導波路１２のクラッド層１４を共通化することにより、後述する２つの効果を得ることができる。なお、図１５Ａ，１５Ｂは、２層の光導波路１２の例を示している。図１５Ａに示す構成では各層の光導波路１２がそれぞれクラッド層１４を備えているが、図１５Ｂに示す構成では、１層目と２層目の光導波路１２のクラッド層１４が共通になっている。つまり、図１５Ｂに示す構成では、１層目（光素子（ＶＣＳＥＬ１６）に近い側）の光導波路１２の上部クラッド層１４と、２層目（ＶＣＳＥＬ１６から遠い側）の光導波路１２の下部クラッド層１４が共通になっている。【００３４】
上記したようにクラッド層１４を共通にする構造による第１の効果として、光導波路１２全体の厚さを、通常のクラッド層１４の１層の厚さである２５μｍ程度だけ薄くすることができる。通常の２層の光導波路１２全体の厚さは２００μｍ程度であるため、クラッド層１４を共通にすることによって１２．５％の薄型化が達成できる。また、クラッド層１４が一層減ることにより、材料の量が減り、かつ作製プロセスが簡単になるため、コスト低減効果も生じる。【００３５】
第２の効果として、ＶＣＳＥＬ１６から、２層目の光導波路１２までの距離を短くすることができる。上記の構造では、光素子１６から２層目の光導波路１２のコア１３までの距離を２５μｍ短くできる。このように光路長を短くできるため、光素子と光導波路１２の間の光結合効率が向上する。【００３６】
［実施形態５］
図１６Ａ〜１６Ｃは、光素子（例えばＶＣＳＥＬ１６）が基板１９に埋め込まれ、光素子と基板１９の表面の高さが揃えられ、その上に光導波路１２が形成された構造を示している。光素子の発光面または受光面を光導波路１２側に近づけることにより、結合効率を高くできる。この構造により、以下のような効果を得ることができる。第１の効果として、２次元アレイ状の光素子に接続される光回路の形成方法の選択肢を増やすことができる。図１に示す構成では、光素子間を接続する光回路はフィルム状であることが必須である。しかし、図１６Ａ〜１６Ｃの構成であれば、光回路は基板１９の表面上に配置されるため、フィルム状でなく、例えばスピンコート法等によって基板１９上に直接形成することが可能である。【００３７】
第２の効果として、光回路の全面が基板１９に密着しているため、２次元アレイ状の光素子と接続される光回路全体の構造が安定し、信頼性向上につながる。【００３８】
また、図１６Ｂに示すように、基板１９のうち、光素子の埋め込みに必要な厚さを残して、それ以外の部分を除去した構造にすると、接続構造全体を薄型化することができる。【００３９】
図１６Ｃに示すように、多数の光素子が形成された化合物ウエハ（例えばＧａＡｓウエハ）上に光導波路１２を形成して、光をウエハと平行な方向に引き出す構成にすることもできる。【００４０】
［実施形態６］
図１７Ａ，１７Ｂには、光回路に設けられたくぼみに光素子（例えばＶＣＳＥＬ１６）が実装された構成を示している。図１７Ａは、１層の光導波路１２を有する構成を示している。光導波路１２を多層化することもでき、図１７Ｂには、積層された２層の光導波路１２にそれぞれ光素子が埋め込まれている構成が示されている。これらの構成では、クラッド層１４にくぼみが設けられ、そのくぼみ内に光素子が実装され、光素子と光導波路１２のコア１３がミラー１５を介して近接して光結合している。光素子の発光面と光導波路１２のコア１３との間の光学距離がほぼ０であるため、高効率で光結合できる。【００４１】
これらの構成では、発光点を光素子の端に近いところ（図面中では光素子の右端側）に設け、光導波路１２のコア１３と光素子が結合されたときに、光導波路１２内を光が伝搬する領域では光導波路１２のコア１３がクラッド１４で覆われるようにする。光導波路１２のコア１３の屈折率は１．５程度であり、光素子の屈折率が３程度であるのに比べて小さいため、両者が、光結合する領域以外の部分では互いに接していない方が良好な光伝搬を行うことができる。【００４２】
一例として、光導波路１２のクラッド層１４の厚さが２５μｍで、コア層１３の厚さが５０μｍである場合について計算する。図３に示すように光導波路１２にくぼみがない構成では、光素子と光導波路１２のコア１３の中心までの距離は５０μｍ（クラッド層の厚さ：２５μｍ＋コア層の厚さの半分：２５μｍ）である。それに対して、図１７Ａ，１７Ｂに示す構成では、光素子と光導波路１２のコア１３の中心までの距離が２５μｍである。光素子が、発光直径が１０μｍで光の広がり角が全角２０°であるＶＣＳＥＬ１６である場合には、コア１３の中心位置での光直径は、図３に示す構成の場合には２８μｍ、図１７Ａ，１７Ｂに示す構成の場合には１９μｍである。光導波路１２にくぼみを設けることにより、光導波路１２のコア１３の中心の光直径が９μｍ（＝２８μｍ−１９μｍ）だけ小さくなるため、各部品の位置がずれても光結合効率の低下を抑えることができる。また、光素子を光導波路１２内に内蔵することにより、接合構造全体の厚さを薄くできる。【００４３】
［実施形態７］
図１８には、ＶＣＳＥＬ１６の出射表面にレンズ２０が集積された実施形態が示されている。ＶＣＳＥＬ１６の表面に、屈折率ｎ、厚さ１２０μｍ、曲率半径Ｒのレンズ２０が形成された構成において、ＶＣＳＥＬ１６の出射時のスポットサイズＷ０を１．５μｍとして、レンズ２０の表面から距離ｚだけ離れた点のスポットサイズＷを計算して解析する。伝搬距離ｚの部分は、多層の導波路を横切る個所であり、屈折率ｎ１＝１．６の材料で埋められていると考えられる。実際には、屈折率差が１，２％程度のコア１３とクラッド１４が多層に積み重なられている部分であるが、屈折率差が小さいので平均化してｎ１＝１．６とする。レンズ２０の屈折率はＧａＡｓの屈折率である３．５とする。【００４４】
レンズの曲率半径Ｒをパラメータにして、その解析結果を図１９に示している。Ｒが大きい時（例えばＲ＝２００μｍの場合）には、集束する力が弱いので、スポットサイズＷは伝搬距離ｚとともに単調に増大する。Ｒが小さい時（例えばＲ＝１１０μｍの場合）には、集束する力が強すぎ、ビームは一旦細く絞られた後に急激に広がる。Ｒが適切な値の時（すなわちＲ＝１３０μｍ〜１５０μｍの場合）には、レンズ２０による集束と、均一媒質中のビームの広がりが適当にバランスし、スポットサイズＷは長い距離ｚにわたってあまり変化しない。光導波路１２のコア１３の径を５０μｍとすると、結合損失が１ｄＢとなるスポットサイズＷの大きさは、５０／２ｘ１．０４６＝２６．２μｍである。スポットサイズＷがこの値よりも小さければ、良好な結合が期待できる。なお、スポットサイズＷが小さすぎる時には、大きな角度成分がコア１３とクラッド１４の境界で全反射されずクラッド１４を抜けてしまうので注意が必要であるが、図１９に示した範囲ではその点についてはほぼ問題ないと考えられる。【００４５】
図１９には、結合損失が１ｄＢとなるスポットサイズＷ＝２６．２μｍを一点鎖線で示している。曲率半径Ｒ＝１３０〜１５０μｍのとき、ｚ＝０〜１５００μｍにわたって、スポットサイズＷは、この１点鎖線（１ｄＢ損失限界線）よりも下にある。したがって、レンズ２０の表面から距離１５００μｍの所まで離れても、良好な結合が期待できる。このことは、導波路の１層の厚さが１００μｍであることを考慮すると、１５層程度の導波路を積み重ねた構成が可能であることを意味している。【００４６】
以上説明した各実施形態において、多層の光導波路１２の製造方法は、１層の光導波路１２を作り、それらを多数精密に位置合わせして、透明接着剤（紫外線硬化型接着剤など）で貼り合わせてもよいし、最初から、複数のコア１３を持つ多層の光導波路１２を一括して形成してもよい。後者の場合には、光導波路１２の表面から所望の層の所までを、斜めの刃で切り取るなどの方法で、斜めになったマイクロミラー１５を形成することができる。【００４７】
また、多層の光導波路１２のコア１３のサイズは一様である必要はない。上の段の光導波路１２、すなわちＶＣＳＥＬ１６から遠い方の光導波路１２のコア１３を、下の層の光導波路１２のコア１３よりも大きくすることもできる。この構成を採用することにより結合効率が改善される。【００４８】
ＶＣＳＥＬ１６と光導波路１２の間を、たとえば光導波路１２のクラッド１４とほぼ同じ材料で埋めることも可能である。この構成により、構造的な安定性や光結合効率が改善される。この構成は、ＶＣＳＥＬ１６の表面にレンズ２０を形成する場合にも適用できる。ただし、レンズ２０の屈折率よりも、埋める材料の屈折率が小さい必要がある。たとえば、レンズ２０の屈折率がＧａＡｓの屈折率である３．５である場合には、埋める材料として、屈折率が１．５であるポリマーなどが適している。【００４９】
なお、本発明では、例えば特開２００４−１９８５７９号公報の構成のように多数の光素子を平行四辺形状などの特殊な配置構成にする必要がなく、正方形状に配置できる。したがって、各光素子を最も効率よく隙間なく配置することができ、光素子全体のサイズを小さくし、光素子と光回路との光結合部を小型化できる。また、光素子を平行四辺形状などの特殊な配置構成にする場合には、行数および列数は一定であり、行数または列数が異なる光素子が必要な場合には、全く別に光素子を設計して作製する必要がある。しかし、本発明では、正方形状の配置構成にできるため、行数および列数を増やすことが容易にできる。例えば、ウエハに１００行×１００列の光素子を形成しておき、所望のサイズに適宜切り分けて用いることができる。【００５０】
また、特開２００３−１１４３６５号公報の構成では、第２の光導波路アレイを挿入するために、部品および組立工程が増え、光結合部のコストが高くなる。それに対し本発明の構成では、例えば図３Ｄの横方向に延びる光導波路のみで構成されているため、特開２００３−１１４３６５号公報の構成と比べて部品点数を少なくできる。この構造で、光素子と光導波路は十分に結合できるため、特開２００３−１１４３６５号公報よりも少ない部品点数で、十分な光結合が得られ、低コスト化に寄与することができる。さらに、図１５Ｂに示す構成のように、各層の光導波路のクラッドを共通にすると、光素子と光導波路のコアとの間の距離を短くすることができ、その結果として、結合損失を小さくすることができる。【００５１】
こうして、ＬＳＩ等のチップが搭載されたプリント基板（ボード）上に光回路（光導波路）を形成し、各光回路（各光導波路）の数を１００〜１０００本（１００〜１０００チャンネル）にして、各光回路（各光導波路）を伝送される信号を１０Ｇｂ／ｓ（Giga bit per second）以上にすることができる。【００５２】
本発明では、例えば、光導波路に斜めマイクロミラーを形成し、光を折り曲げることによって、基板に平行な薄型の光導波路を含む接続構造を実現することができる。【００５３】
そして、２次元アレイ状に並んだ光素子（光源または受光器）のアレイと光導波路アレイの相対位置や角度を適切に設定することによって、１層の光導波路アレイにより、２次元アレイ状に並んだ光素子の光接続が可能になる。すなわち、複数の光素子からなる２次元アレイに対して光導波路アレイを傾け、各光素子の間を光導波路が縫うように延びる配置構成にすることによって、２次元接続を実現できる。これによって、１次元アレイの場合よりも並列度を数倍高くできる。【００５４】
さらに、光導波路を厚さ方向に多層に積み重ね、それぞれの光導波路にマイクロミラーを設置することで、２次元的な光接続を実現することができる。各層の光導波路の並びを光素子アレイの１列にそれぞれ対応させる。並列度は、１列の光素子数×層数となる。さらに、光導波路を多層に積み重ねる場合には、アレイに対して導波路を傾ける方向を層毎に交互に逆にすることで並列伝送数を拡大できる。【００５５】
２次元アレイ状に並んだ各導波路の、光素子に対応する位置にそれぞれ、マイクロミラーを設置すると、多層の光導波路全てに共通のミラーを設ける構成よりも、光素子と光導波路の間の距離を小さくでき、結合効率の向上が可能である。  以上説明したように、格子状（２次元アレイ状）に並んだ光素子アレイの格子に対して光導波路を傾けて配置し、格子点の光素子に対応する光導波路のそれぞれの位置にマイクロミラーを形成することにより、１層の光導波路アレイで２次元の光接続を実現できる。並列度は従来の１次元アレイの３〜５倍にできる。さらに、この構造を多段化することによってその３〜５倍、すなわち従来の１次元アレイの１０倍以上の並列度が得られる。【００５６】
光素子アレイの格子に対して光導波路アレイを傾けない場合には、２次元光素子アレイの１列目を光導波路アレイの１層目に対応させ、２次元光素子アレイの２列目を光導波路アレイの２層目に対応させる。この構成でも光素子アレイにレンズを集積することにより、やはり従来の１次元アレイの１０倍以上の並列度が実現できる。
【図１Ａ】
0005240821.tif 000005
【図１Ｂ】
0005240821.tif 000006
【図２Ａ】
0005240821.tif 000007
【図２Ｂ】
0005240821.tif 000008
【図２Ｃ】
0005240821.tif 000009
【図２Ｄ】
0005240821.tif 000010
【図３Ａ】
0005240821.tif 000011
【図３Ｂ】
0005240821.tif 000012
【図３Ｃ】
0005240821.tif 000013
【図３Ｄ】
0005240821.tif 000014
【図３Ｅ】
0005240821.tif 000015
【図３Ｆ】
0005240821.tif 000016
【図４Ａ】
0005240821.tif 000017
【図４Ｂ】
0005240821.tif 000018
【図４Ｃ】
0005240821.tif 000019
【図５Ａ】
0005240821.tif 000020
【図５Ｂ】
0005240821.tif 000021
【図５Ｃ】
0005240821.tif 000022
【図６】
0005240821.tif 000023
【図７Ａ】
0005240821.tif 000024
【図７Ｂ】
0005240821.tif 000025
【図８】
0005240821.tif 000026
【図９Ａ】
0005240821.tif 000027
【図９Ｂ】
0005240821.tif 000028
【図１０】
0005240821.tif 000029
【図１１】
0005240821.tif 000030
【図１２】
0005240821.tif 000031
【図１３Ａ】
0005240821.tif 000032
【図１３Ｂ】
0005240821.tif 000033
【図１４Ａ】
0005240821.tif 000034
【図１４Ｂ】
0005240821.tif 000035
【図１４Ｃ】
0005240821.tif 000036
【図１５Ａ】
0005240821.tif 000037
【図１５Ｂ】
0005240821.tif 000038
【図１６Ａ】
0005240821.tif 000039
【図１６Ｂ】
0005240821.tif 000040
【図１６Ｃ】
0005240821.tif 000041
【図１７Ａ】
0005240821.tif 000042
【図１７Ｂ】
0005240821.tif 000043
【図１８】
0005240821.tif 000044
【図１９】
0005240821.tif 000045