(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置され、コア部を有する光導波路と、
前記光導波路と前記基板との界面であって前記コア部の下方に配置され、前記光導波路の温度を検出するための金属または半導体から成る温度検出素子と、
前記光導波路を前記温度検出素子と挟むように前記コア部の上方に設けられた温度制御用抵抗体と、
を具備する光電子混在基板。
【請求項２】
前記温度検出素子は、薄膜として形成される請求項１記載の光電子混在基板。
【請求項３】
前記温度検出素子の厚みは１０μｍ以下である請求項１または２記載の光電子混在基板。
【請求項４】
前記コアを第１のコア部とし、
前記基板上であって前記第１のコア部に併設された第２のコア部をさらに具備する請求項１乃至３のいずれか記載の光電子混在基板。
【請求項５】
マッハツェンダ型光スイッチとしてはたらく請求項４記載の光電子混在基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信システムやコンピュータ等の電子部品基板間の光通信接続部分あるいは電子部品基板内の素子間の光信号変換領域に使用される光電子混在基板に関し、特に温度検出精度とセンサの生産性を改善した光電子混在基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムやコンピュータ・交換機等の光信号伝送システムに使用される光電子混在基板においては、その特性が温度に依存するデバイスや材料あるいは温度変化を利用した部品が多く用いられている。例えばレーザダイオードは温度により発光のしきい値電流が変化するほか、光導波路を形成する石英や有機系光学材料は温度により屈折率や密度が変化し、これを積極的に利用した光スイッチなども存在する。このように温度は光部品の特性を左右する重要な因子の一つであり、その温度を検出し、温度制御することは光部品の安定な動作のために必要な技術である。
【０００３】
従来、そのような光部品に対して温度センサが使用されているケースは、レーザダイオードの発熱による過度の温度上昇を検出することを目的とするものが主であった。図５はそのような光電気混在基板の従来例を示す斜視図である。
【０００４】
図５に示す光電位混在基板においては、光部品の支持基板であるシリコン基板31上に電気配線と光ファイバ実装用のＶ溝とが形成されており、レーザダイオード32と温度センサとしてのサーミスタ33が実装されて電気的に接続されている。
【０００５】
Ｖ溝には光ファイバ34が実装されており、レーザダイオード32からの光を伝送する。このように、温度の検出には一般的にサーミスタ33が用いられることが多く、光部品の支持基板上に電気配線を形成しておき、それにチップ状等の個別部品の形状をしたサーミスタ33を実装する構成がとられていた。そして、この基板31はペルチェ素子を用いたサーモモジュール上に載置され、主にそのペルチェ素子への熱伝導により下方へ放熱されて使用されている。
【０００６】
一方、光部品である光導波路の材料には石英系と有機系の光学材料が一般的に用いられている。このうち石英系光学材料は火炎堆積法やスパッタリング法または化学気相堆積法等のドライプロセスにより作製されるため、これによる光導波路を形成する基板表面の凹凸の影響を受けやすく、うねりの大きい基板に作製された光導波路は損失が大きくなる傾向にある。これに対し、有機系光学材料は原料を含んだ溶液の塗布と硬化により作製するため、基板表面の凹凸の影響を受けにくい傾向にある。
【特許文献１】特開平１−１５２４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のような個別部品による温度センサを用いた光電子混在基板においては、被測定物（図５の場合はレーザダイオード32）と温度センサ（図５の場合はサーミスタ33）との距離が離れており、被測定物の温度を精度よく測定することが困難であるという問題点があった。特に、レーザダイオード等の発熱量の多い部品による温度上昇の対策として放熱性の良い材料および構造を用いることから、それによる放熱性が高いほど基板上の発熱源の箇所とそれから離れた箇所との温度は温度差が大きくなる傾向にあるため、温度検出センサの位置が離れているために被測定物の温度に近い値を得ることができないという問題点があった。
【０００８】
さらに、サーミスタのようなチップ状の個別部品の温度センサを実装する場合は、チップ状部品の大きさの空間が必要であるために被測定物である光部品からある程度離れた位置に配置して実装する必要があるため、基板上へ実装するための配線と電極を形成し、サーミスタをその電極に半田付けする作業等が必要となり、その加工や実装に手間がかかってしまうという問題点があった。
【０００９】
また、レーザダイオードに限らずほとんどの光学材料が温度依存性を有しており、最適な温度への安定化が光部品の性能を左右する。例えば、熱光学効果を利用した光スイッチは、光導波路の一部を加熱し、その温度上昇による屈折率の変化を利用してスイッチングを行なうものもあり、光導波路の温度を精度良く検出することにより、その温度を制御して、信号光の位相のずれをなくしスイッチング性能を向上させることができる。このような場合も、被測定部から遠く離れた箇所に温度検出素子を配置したのでは、加熱した部分の温度検出が困難であり、測定精度が向上できないという問題点があった。
【００１０】
さらに、温度検出素子を光導波路の下部に近接配置し、石英系の光学材料により光部品として光導波路を作製する場合には、基板上に温度検出素子が形成されることによって凹凸が生じ、その凹凸を反映して光導波路が作製されるために、凹凸の大きい光導波路となって損失が大きくなるという問題点もあった。
【００１１】
本発明は上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、被測定物である光導波路の温度に近い温度を精度よく測定することができるとともに、部品点数を削減し作業工程を少なくして生産性を向上することができる光電子混在基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の光電子混在基板は、基板と、前記基板上に配置され、コア部を有する光導波路と、前記光導波路と前記基板との界面であって前記コア部の下方に配置され、前記光導波路の温度を検出するための金属または半導体から成る温度検出素子と、前記光導波路を前記温度検出素子と挟むように前記コア部の上方に設けられた温度制御用抵抗体と、を具備するものである。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明の第１の光電子混在基板によれば、光導波路に対して、光導波路の被温度測定部に近接配置された金属または半導体から成る温度検出素子を形成したことから、従来の光電子混在基板のようにチップ状の温度センサを実装するための空間を必要としないため、被測定物の非常に近くに温度センサを配置することができ、被測定物に近い位置での精度の良い温度検出が可能となった。また、個別部品としての温度センサの実装を必要としないため、部品点数を削減し作業工程を少なくして生産性を向上することが可能となる。
【００１５】
また、本発明の第２の光電子混在基板によれば、光導波路を有機系光学材料から成るものとし、この下部に金属または半導体から成る温度検出素子を近接配置させたことにより、上記と同様に精度の良い温度検出が可能となり、部品点数を削減し作業工程を少なくして生産性を向上することが可能となるとともに、基板上に温度センサを配設した際に発生する高低差が小さくなるとともにその高低差による光導波路への影響も抑制することができ、光導波路の上下方向の曲がりを少なく抑えた損失の小さい光導波路を有するものとなる。
【００１６】
以上により、本発明によれば、被測定物である光導波路の温度に近い温度を精度よく測定することができるとともに、部品点数を削減し作業工程を少なくして生産性を向上することができる光電子混在基板を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の第１の光電子混在基板によれば、温度を検出する対象である光導波路の一部すなわち被温度測定部の上部または下部等の近傍に近接配置された温度センサである金属または半導体から成る温度検出素子を形成したことにより、従来のようなチップ状の温度センサを実装するための空間を必要としないため、被測定物である光導波路の非常に近くに温度センサを配置することができて精度の良い温度の検出を行なうことができるとともに、個別部品の温度センサの実装を必要とせず、部品点数を削減し作業工程を少なくして生産性を向上することができる光電子混在基板となる。
【００１８】
また、本発明の第２の光電子混在基板によれば、光導波路をシロキサンポリマやポリイミド・ベンゾシクロブテン・ＰＭＭＡ・ポリカーボネート・ノルボルネン樹脂・フッ素樹脂等の有機系光学材料から成るものとするとともに、この光導波路の下部の一部に近接配置された温度センサである金属または半導体から成る温度検出素子を形成したことにより、上記のように精度の良い温度の検出を行なうことができ、部品点数を削減し作業工程を少なくして生産性を向上することができるとともに、基板上に温度センサである温度検出素子を配設した際に発生する高低差を小さくすることができ、その上に基板の凹凸の影響を受けにくい有機系光学材料から成る光導波路が形成されていることから、光導波路の上下方向の曲がりを少なく抑えた損失の小さい光導波路を有する光電子混在基板となる。
【００１９】
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の光電子混在基板の実施の形態の一例としてマッハツェンダ型全光スイッチを形成した光電子混在基板を示す斜視図である。また、図２はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【００２１】
図１および図２に示す光電子混在基板においては、支持基板11上に金属または半導体から成る温度検出素子である薄膜の温度センサ用抵抗体12が形成されており、その上に信号光と制御光を伝送するためのコア部13およびクラッド部14から成る光導波路が、そしてその上に温度制御用抵抗体15が形成されている。16は半導体光増幅素子であって、制御光によって屈折率を変化させて位相の変化によりスイッチングを行なうものである。
【００２２】
ここで、温度を測定し検出すべき箇所は温度制御用抵抗体15の下に位置する光導波路の部分であって、その下に温度検出素子である温度センサ用の抵抗体12が光導波路に近接配置されて形成されている。これにより、被測定物の非常に近い箇所において温度に対する抵抗体12の抵抗値の変化を測定することによって温度を検出することができるようになっている。
【００２３】
光電子混在基板の母材となる基板11は光導波路の支持基板として機能するものであり、光集積回路基板や光電子混在基板等の光信号を扱う基板として使用される種々の基板、例えばシリコン基板やアルミナセラミックス基板・ガラスセラミックス基板・多層セラミック配線基板・プラスチック電気配線基板等が使用できる。
【００２４】
温度検出素子である温度センサ用の抵抗体12は、金属または半導体から成るもので、温度による抵抗値の変化を測定できるものであればよく、側温抵抗体やサーミスタに使用される種々の材料を利用できる。また、異種の金属を接続することによりゼーベック効果により起電力を発生させる熱電対のようなものを利用することも可能である。
【００２５】
温度検出素子に用いる金属には種々の合金も使用できることは言うまでもないが、中でも、白金は化学的・熱的に安定で高純度ものが得られるため側温抵抗材料として適しているものである。白金の特性は、常温において、その抵抗率が1.06×10-7Ωｍ、抵抗温度係数が＋0.392 ％／℃というものである。
【００２６】
温度検出素子の抵抗値は、抵抗値の変化を測定するためにこれに接続する配線導体の抵抗よりも抵抗が高いほど配線抵抗の温度依存性に影響を受けにくいため、1.0 Ω以上であることが望ましい。また、抵抗値が大き過ぎると、抵抗値の検出に高い電圧をかけなければ電流の検出値が小さくなってしまい、検出感度が低くなるとともに、電流および電圧を高い状態にすると抵抗体内部での自己発熱が生じるため、温度検出素子としては適さなくなってしまう。従って、抵抗値は10ｋΩ以下であることが望ましい。
【００２７】
また、温度検出素子は金属または半導体から成る薄膜として形成することが、基板表面の平坦性を良好に保ち、パターニングにより種々の形状とすることも容易である点で好ましい。薄膜として形成する場合は真空蒸着法やスパッタリング法・めっき法・スクリーン印刷等によって作製すればよい。その膜厚は、厚過ぎると下地との高低差を生じるためにその上に光導波路を形成する場合には平面状に作製することが困難になることから薄いほうが好ましく、10μｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
そして、このような温度検出素子を光導波路の一部に近接配置させる場合、光導波路の温度測定の被測定部、特にコア部13に対してその下部に配置しても上部あるいは側部に配置してもよく、非常に近い箇所において温度を測定できる位置であれば、光電子混在基板の仕様や光導波路の形成条件等に応じて適宜配置すればよい。特に、温度検出素子を光導波路のコア部13の下部に配置した場合は、電気配線基板上に電気配線を作製するのと同様な薄膜プロセスにより温度検出素子を基板上に作製できるため、素子と基板との密着性の良い組合せを選択することができる。
【００２９】
また、本発明の第２の光電子混在基板においては、温度検出素子は光導波路の温度の被測定部の下部に近接配置されるが、このように光導波路の下部に近接配置し、すなわち温度検出素子の上部に有機系光学材料から成る光導波路を形成することにより、温度検出素子を下部に近接配置したために生じる凹凸を有機系光学材料のコーティングプロセスにより平坦化することができるために、基板に対して垂直方向に歪みが少なく、従って損失の少ない光導波路を形成することが可能となる。
【００３０】
光導波路のコア部13ならびにクラッド部14は石英系等の無機系ならびに有機系の光学材料を用いることができるが、本発明の第１の光電子混在基板において、また本発明の第２の光電子混在基板において有機系光学材料を用いる場合には、前述のようにシロキサンポリマやポリイミド・ベンゾシクロブテン・ＰＭＭＡ・ポリカーボネート・ノルボルネン樹脂・フッ素樹脂等を用いるとよく、これにより基板表面の凹凸の影響を受けにくい平坦性に優れた光導波路を作製することができる。これらはスピンコート法・ロールコート法・スプレーコート法等により成膜し、コア部13の加工にはフォトリソグラフィ法およびＲＩＥ（Reactive IonEtching）加工を利用すればよい。なお、いずれの光学材料を用いるときでも、コア部13の屈折率がクラッド部14の屈折率よりも大きくなるように選択する。
【実施例】
【００３１】
次に、本発明の光電子混在基板について具体例を説明する。
【００３２】
〔例１〕金属膜から成る抵抗体を温度検出素子として被測定物の下面に配設することにより、本発明の光電子混在基板である図１および図２に示すような基板11と温度センサ用抵抗体12・コア部13およびクラッド部14から成る光導波路・温度制御用抵抗体15・半導体光増幅素子（ＳＯＡ）16から成る構成のマッハツェンダ型全光スイッチＡを作製した。このマッハツェンダ型全光スイッチＡは、外部から光ファイバ等により信号光および制御光を入力し、ＳＯＡ16の屈折率を変化させることによりスイッチングを行なうものである。ここでは、マッハツェンダ型の全光スイッチはその特徴として小型化の長所があるものの、わずかな寸法の位置ずれなどによって位相がずれて損失が増大する可能性があるために、温度制御用抵抗体15として薄膜ヒータを設け、熱光学効果を利用して位相のずれを補正することを試みた。
【００３３】
基板11の寸法は長さ20ｍｍ×幅10ｍｍ×厚み0.5 ｍｍ、基板材料は窒化アルミニウム（熱伝導率：150 Ｗ／ｍ・Ｋ）とし、ＳＯＡ16はサイズが長さ１ｍｍ×幅0.3 ｍｍ×厚み0.15ｍｍのものを２個実装した。ＳＯＡ16には駆動用の配線が２本ずつあり、材料はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成っている。
【００３４】
また、温度制御用抵抗体15である薄膜ヒータの下を通る細い線状の温度センサ用抵抗体12を形成し、温度制御用薄膜ヒータの下の温度検出部の箇所はＴｉ／Ｐｔ、温度検出部以外はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成した。温度検出部の抵抗値は100Ω、それ以外は0.2 Ωである。ＴｉとＰｔの膜厚はそれぞれ0.1 μｍと1.0 μｍとした。
【００３５】
光導波路13は、クラッド部14はシロキサンポリマ、コア部13はシロキサンポリマとテトラ−ｎ−ブトキシチタンの混合液を塗布し、85℃／30分および270℃／30分の熱処理によって形成した。ＳＯＡ実装部および電極は、ＲＩＥ法により光導波路材料を除去した。そして、ＳＯＡ16を光導波路との位置ずれが小さくなるように配置し、半田およびワイヤボンディングにより電気的に接続した。
【００３６】
また、比較例として上記とほぼ同じ構成の、図４に斜視図および図５にそのＢ−Ｂ’線断面図で示す、従来のマッハツェンダ型全光スイッチＢを作製した。ここで、基板21の寸法は長さ20ｍｍ×幅10ｍｍ×厚み0.5 ｍｍ、基板材料は窒化アルミニウム（熱伝導率：150 Ｗ／ｍ・Ｋ）とし、ＳＯＡ26はサイズが長さ１ｍｍ×幅0.3 ｍｍ×厚み0.15ｍｍのものを２個実装した。ＳＯＡ26には駆動用の配線が２本ずつあり、材料はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成っている。本発明の構成のマッハツェンダ型全光スイッチＡと異なり、温度制御用抵抗体の下に位置する光導波路の箇所の付近にサーミスタ22およびサーミスタ22用の電気配線が設けられている。また、駆動配線および温度制御用抵抗体25である薄膜ヒータの下にコア部23およびクラッド部24から成る光導波路が形成されている。この光導波路は、クラッド部24はシロキサンポリマの、コア部23はシロキサンポリマとテトラ−ｎ−ブトキシチタンの混合液を塗布し、85℃／30分および270 ℃／30分の熱処理によって形成した。温度制御用抵抗体25はアルミニウム膜をスパッタリングにより成膜した。ＳＯＡ実装部および電極はＲＩＥ法により光導波路材料を除去した。ＳＯＡ26を光導波路との位置ずれが小さくなるように配置し、半田およびワイヤボンディングにより電気的に接続した。温度検出素子としてのサーミスタ22は表面実装用のものを用い、基板上の電極部分に載置し半田付けをして実装した。
【００３７】
そして、これらマッハツェンダ型全光スイッチＡおよびＢについて、室温23℃において温度制御用抵抗体15・25に電流を流して発熱させて、Ａ・Ｂそれぞれの温度センサ12・22により温度を測定した。これらの発熱量と温度の関係の測定結果を図６に線図で示す。
【００３８】
図６において横軸は発熱量（Ｗ）を、縦軸は温度（℃）を表わし、黒四角および白四角はそれぞれマッハツェンダ型全光スイッチＡおよびＢにおける温度測定結果を示すものである。この結果より、光スイッチＡにおいて薄膜温度センサで測定した温度と比較して、光スイッチＢにおいてサーミスタで測定した温度は発熱量が増大するにつれて光スイッチＡにおける測定結果との温度差が大きくなっていく傾向にあり、検出温度の高い光スイッチＡにおける方がより発熱体の温度に近い温度を測定していることが分かる。これにより、光スイッチＡにおける方が良好な温度測定精度を有していることが確認できた。
【００３９】
また、光スイッチＡにおいては、温度検出素子である薄膜温度センサの作製は薄膜プロセスを用いるだけなので、光スイッチＢにおけるサーミスタのようなチップの部品数を削減できるとともに半田付け等の工程を必要とせず、生産性の点で見ても光スイッチＡの方が優れていた。
【００４０】
これにより、本発明の光電子混在基板は、被測定物の近い位置での温度検出が可能となり、良好な温度測定精度を有する光電子混在基板となることが確認できた。
【００４１】
〔例２〕また、比較例として、上記〔例１〕の光スイッチＡと同じ構成において温度センサ用抵抗体をなくした光電子混在基板であるマッハツェンダ型全光スイッチＣを作製した。
【００４２】
そして、これら光スイッチＡおよびＣについて、パワー10ｄＢｍ・波長1.3 μｍのレーザダイオードからの光をシングルモード光ファイバを通して光導波路に入射し、光導波路の中を伝搬させた。そして、光導波路の他方の端面にシングルモード光ファイバを光接続して出射する光の強度を調べた。その結果、光導波路のからの出射光の強度は誤差の範囲で同等の強度を示した。従って、有機系光学材料であるシロキサンポリマを用いて光導波路を作製したものが下地の平坦性が影響することなく損失が小さく抑えられ、良好な光学特性を有していることが分かった。
【００４３】
これにより、本発明の第２の光電子混在基板は光損失が小さく、良好な光学特性を有する光電子混在基板であることが確認できた。
【００４４】
なお、以上はあくまで本発明の実施の形態の例示であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。例えば、温度検出素子を複数設けて、温度分布を精度良く検出できる光電子混在基板としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の光電子混在基板の実施の形態の一例としてマッハツェンダ型全光スイッチを形成した光電子混在基板を示す斜視図である。
【図２】図１に示す光電子混在基板のＡ−Ａ’線断面図である。
【図３】比較例としてマッハツェンダ型全光スイッチを形成した光電子混在基板を示す斜視図である。
【図４】図３に示す光電子混在基板のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図５】光電気混在基板の従来例を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施例および比較例における発熱量と温度の関係の測定結果を示す線図である。
【符号の説明】
【００４６】
11：基板
12：温度センサ用抵抗体（温度検出素子）
13：光導波路のコア部
14：光導波路のクラッド部
15：温度制御用抵抗体
【図１】
0004531103.tif 000002
【図２】
0004531103.tif 000003
【図３】
0004531103.tif 000004
【図４】
0004531103.tif 000005
【図５】
0004531103.tif 000006
【図６】
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