(57)【要約】【課題】  半導体装置を設けた第１の基板と光導路波基板とを有する光信号入出力装置を提供するに当たり、半導体装置と光導路波基板との実装位置合わせずれに対し、より大きな許容量を確保して量産性に優れた構造を実現すること。【解決手段】  半導体集積回路、面発光素子アレイ、面受光素子アレイを設けた半導体装置基板に対して、光導路波を設けた基板を 相対的に位置決めして固定する際、光送信部上ならびに光受信部上にレンズアレイ対を設け、光送信部上のレンズの口径に対する光受信部上のレンズの口径の比が１．１以上３以下とすることにより、位置合わせずれ許容量が大きく、量産性に優れた高密度光信号入出力装置を実現できる。【選択図】  図５
2007156114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その口径の値がR1である第１のレンズがアレイ状に設けられた第１のレンズアレイを有する第１の平板状部材と、その口径の値がR2である第2のレンズがアレイ状に設けられた第2のレンズアレイを有する第２の平板状部材とを準備し、
前記R1およびR2は関係式である1.1＜R2／R1＜3を満足するものであり、
前記第１のレンズは信号光を出射するものであり、前記第２のレンズは前記出射した信号光を受光するためのものであり、
一の前記第１のレンズからの前記出射光が一の前記第２のレンズに入射するように、前記第１および第２の部材を対向させ、かつ、前記第１および第２の部材の間が所定の間隙を有するように位置決め、固定することを特徴とする光信号入出力装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１および／または第２のレンズは凸レンズ又は平凸レンズであることを特徴とする請求項1記載の光信号入出力装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１の部材は光送信部としての機能を有し、前記第２の部材は光受信部としての機能を有することを特徴とする請求項1記載の光信号入出力装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１の部材には発光素子が設けられ、前記発光素子の出射光を直接、前記第１のレンズを介して第１の部材の外へ導出するか、または、前記出射光は前記第１に部材に設けられた第１の光導波路および前記第１のレンズを介して第１の部材の外へ導出するよう構成され、
前記第２の部材には受光素子が設けられ、前記出射光が前記第２のレンズを介して直接、前記受光素子へ入射するか、または、前記出射光が前記第２の部材に設けられた第２の光導波路を介して前記受光素子へ導入されるよう構成されていることを特徴とする請求項1記載の光信号入出力装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１および第２のレンズアレイは共に、1次元または２次元のアレイ状のものであることを特徴とする請求項1記載の光信号入出力装置の製造方法。
【請求項６】
その上に面発光素子アレイ、半導体回路装置および面受光素子アレイが設けられ、前記面発光素子アレイの各面発光素子上にはその口径の値がR1である第１のレンズが設けられ、前記面受光素子アレイの各面受光素子上にはその口径の値がR4である第4のレンズが設けられた第１の平板状部材を準備し、
その上に第１および第２の光導波路アレイが設けられ、前記第１の光導波路アレイの各光導波路端部上にはその口径の値がR2である第2のレンズが設けられ、前記第2の光導波路アレイの各光導波路端部上にはその口径の値がR3である第3のレンズが設けられた第2の平板状部材を準備し、
前記R1およびR2は関係式である1.1＜R2／R1＜3を満足するものであり、
前記R3およびR4は関係式である1.1＜R4／R3＜3を満足するものであり、
前記第１のレンズは信号光を出射するものであり、前記第２のレンズは前記出射した信号光を受光するためのものであり、
前記第3のレンズは信号光を出射するものであり、前記第4のレンズは前記出射した信号光を受光するためのものであり、
一の前記第１のレンズからの前記出射光が一の前記第２のレンズに入射するように、かつ、一の前記第3のレンズからの前記出射光が一の前記第4のレンズに入射するように前記第１および第２の部材を対向させ、かつ、前記第１および第２の部材の間が所定の間隙を有するように位置決め、固定することを特徴とする光信号入出力装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１乃至第４のレンズは凸レンズ又は平凸レンズであることを特徴とする請求項６記載の光信号入出力装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１の部材は第１の光送信部および第1の光受信部としての機能素子を有し、前記第２の部材は前記第１の光送信部と対になる第２の光受信部および前記第1の光受信部と対になる第2の光受信部としての機能素子を有することを特徴とする請求項6記載の光信号入出力装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１の光送信部には第１の発光素子が設けられ、前記第１の発光素子の第１の出射光を直接、前記第１のレンズを介して第１の部材の外へ導出するか、または、前記第１の出射光は前記第１に部材に設けられた第１の光導波路および前記第１のレンズを介して第１の部材の外へ導出するよう構成され、
前記第２の部材には第1の受光素子が設けられ、前記第１の出射光が前記第２のレンズを介して直接、前記第１の受光素子へ入射するか、または、前記第１の出射光が前記第２の部材に設けられた第２の光導波路を介して前記第１の受光素子へ導入されるよう構成され、
前記第2の光送信部には第2の発光素子が設けられ、前記第2の発光素子の第2の出射光を直接、前記第3のレンズを介して第2の部材の外へ導出するか、または、前記第2の出射光は前記第2に部材に設けられた第3の光導波路および前記第3のレンズを介して第2の部材の外へ導出するよう構成され、
前記第1の部材には第2の受光素子が設けられ、前記第2の出射光が前記第4のレンズを介して直接、前記第2の受光素子へ入射するか、または、前記第2の出射光が前記第1の部材に設けられた第4の光導波路を介して前記第2の受光素子へ導入されるよう構成されていることを特徴とする請求項6記載の光信号入出力装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１乃至第４のレンズは1次元または２次元のアレイ状にそれぞれ構成されていることを特徴とする請求項６記載の光信号入出力装置の製造方法。
【請求項１１】
対向する前記第１および第２の部材を半田バンプで固定する工程を有し、
前記面発光素子アレイ、半導体回路装置および面受光素子アレイ上にはその厚さがt1の第１の基板が設けられ、前記第１および第２の光導波路アレイ状には厚さt2の第２の基板が設けられ、t1と t2との和の値は100μm以上300μm以下（但し、t1と t2の値はそれぞれ０以上である。）であり、かつ、前記半田バンプは前記第１および第２の基板を介することなく前記第１および第２の部材を直接、固定するものであることを特徴とする請求項６記載の光信号入出力装置の製造方法。
【請求項１２】
前記面発光素子アレイは前記第１の平板状部材上に設けられ、前記面受光素子アレイは前記第１および第２の平板状部材とは異なる第３の部材に固定されていることを特徴とする請求項６記載の光信号入出力装置の製造方法。
【請求項１３】
その上に面発光素子アレイ、半導体回路装置および面受光素子アレイが設けられた第１の平板状部材を準備し、
その上に第１および第２の光導波路アレイが設けられた第2の平板状部材を準備し、
信号光の発明の対して透過性を有する材料を有する平板状の基材の一の面に前記透過性の第１の基板が設けられ、他の面に前記透過性の第２の基板が設けられ、前記第１の基板上にはその口径の値がR1である第１のレンズ及びその口径の値がR4である第4のレンズが設けられ、前記第2の基板上にはその口径の値がR2である第2のレンズ及びその口径の値がR3である第3のレンズが設けられた第３の部材を準備し、
前記第１の部材と前記第２の部材間の間隙を第１の所定間隔に保つと共に、前記第３の部材を前記間隙内に設け、前記第１および第３の部材間を第２の所定間隔に、かつ、前記第3および第2の部材間を第3の所定間隔に保つように、及び、
前記面発光素子アレイの一の発光素子と前記第１の光導波路アレイの一の光導波路とは前記第１および第２のレンズを介して光学的に結合し、前記第１の光導波路アレイの一の光導波路と前記面アレイの一の受光素子とは前記第3および第4のレンズを介して光学的に結合するように前記第１乃至第３の部材は位置決め、固定する工程を有することを特徴とする光信号入出力装置の製造方法。
【請求項１４】
前記R1およびR2は関係式である1.1＜R2／R1＜3を満足するものであり、
前記R3およびR4は関係式である1.1＜R4／R3＜3を満足するものであることを特徴とする請求項１３記載の光信号入出力装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光信号入出力装置及びその製造方法に関し、特に半導体装置の入出力に光を用いた光信号入出力装置に関するものであり、また多数の光信号の処理を可能とする光信号入出力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の高速化がＧＨｚ台へと堅調に進む中、中央演算装置やメモリ等の半導体集積回路間の配線が高速化のボトルネックとならぬよう、従来の高周波電気配線に代えて、光配線を用いた光信号入出力装置が盛んに研究開発されている。例えば、図１１および図１１のＡ部の拡大図である図１２に示すような光信号入出力装置が、特開２００１−１８５７５２号公報に開示されている。
【０００３】
図１１に示す従来例では、光信号入出力装置は、半導体集積回路装置１０１と、紙面の奥行き方向に並列配置された面発光素子アレイ１０２、面受光素子アレイ１０３、インターポーザ１０４からなる半導体装置１０５、ならびに光導波路クラッド１０６、光導路波コア１０７から構成される光導路波アレイ（出力側１０８、入力側１０９）、有機基板１１０、出力側光導波路アレイ１０８に入射する光の伝播方向を９０度変換する反射面１１２、入力側光導波路アレイ１０９からの出射光の伝播方向を９０度変換する反射面１１３からなる光導波路基板１１１からなっている。ここで、半導体装置１０５と光導波路基板１１１の間には、面発光素子アレイ１０２の発光面（図１２に１２１として例示）上にレンズアレイ１１４、出力側光導波路アレイ１０８の入射反射面１１２上にレンズアレイ１１５、入力側光導波路アレイ１０９の出射反射面１１３上にレンズアレイ１１６、面受光素子アレイ１０３の受光面上にレンズアレイ１１７を形成している。ここで、レンズアレイ１１４から１１７は平凸レンズをアレイ状に並べたものであり、図１２に示すように、面発光素子アレイ１０２の発光面１２１から出射した光をコリメート光１１９と呼ばれる並行光に変換し、さらに収束光１２０に変換する機能を持たせている。図１１Ａ’部に関する図示は省略するが、レンズアレイ１１６が出射側光導波路アレイ１０９からの出射光をコリメート光に変換し、レンズアレイ１１７が面受光素子アレイ１０３への収束光と変換している点で図１１Ａ部と同様である。
【０００４】
ここで、平凸レンズとはそのレンズの向かい合う面の一方は平面、他方は凸面であるレンズをいう。この両者の面の間には図１５のように厚みがあっても構わない。ここでは、厚さが零に相当する平面と凸面との交線で決まる二次元図形の周辺における任意の２点を結ぶ直線の最大値の１／２を口径と定義し（図１５）、レンズアレイ１１４から１１７の口径をそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４（Ｒ１とＲ２は図１２に図示）と定義すると、従来技術ではそれらの大きさの関係を規定しておらず、例えば、上記引用の従来技術によれば
Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４
であると考えられる。
【０００５】
また、上記従来技術では、レンズアレイ１１４とレンズアレイ１１５との間の空隙、およびレンズアレイ１１６とレンズアレイ１１７との間の空隙に関する記述が特に示されていなかった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１８５７５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術のように、口径の等しいレンズアレイを適用しても、隣り合う面発光素子、面受光素子、光導波路のそれぞれの中心間隔で定義されるピッチが５００μｍ以上と大きな場合には半導体装置１０５と光導波路基板１１１との位置合わせずれ許容度（以下、トレランスと記載）の確保に問題を生じなかった。ところが、大容量化を指向した入出力信号数の増加とともに、狭ピッチ化によるトレランス絶対値減少の避けられない問題が発生してきた。例えば、２５０μｍのピッチにおいて、
Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４
の条件では、半導体装置と光導波路基板との間で、量産に適用可能な±５０μmのトレランスを確保するのが困難であることが実験の結果、明らかとなった。この±５０μｍという値は現状、光導波路基板上に半導体装置をフリップチップ実装する場合の装置（フリップチップボンダ）の精度に依存している。本発明において、該ボンダ精度の向上は望ましいものの、通常の電気入出力半導体集積回路のフリップチップ実装ではボンダ精度向上のニーズは少なく、当面、高精度ボンダの開発される見通しは立っていない。ただし、今後、実装機の精度の向上と、市場ニーズに基づく入出力信号数の増加とは並行して進行するため、実装機の精度に依存せず、より大きなトレランスを確保できるよう、相対するレンズアレイ間の口径の関係を所要に特定することが、入出力数をより大容量化できる点で望ましい。このことを本願発明者らが見出した。
【０００８】
また、上記従来技術においてレンズアレイ１１４・レンズアレイ１１５間、およびレンズアレイ１１６・レンズアレイ１１７間の空隙が空気の場合、埃等の堆積により、半導体装置１０５と光導波路基板１１１の光結合状態が経時変化する問題がある。また、該間隙に透明樹脂を充填した場合には、レンズアレイの曲面と空隙充填物質との屈折率差が小さいため、所望のレンズ効果が得られない問題があった。
【０００９】
本発明は、上述の課題を改善するためになされたものである。
（１）本発明の第１の目的は、例えば、基板上に半導体集積回路装置、半導体発受光素子および第１のレンズアレイを有する半導体装置と、光導波路および第２のレンズアレイを有する光導波路基板とを準備し、第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとが対向して互いに光結合するように位置決めされた光信号入出力装置における、第１および第２のレンズアレイのレンズ口径の関係を特定することにより、光信号入出力装置のトレランス（位置決め精度の余裕度）を向上させることにある。
（２）本発明の第２の目的は次の通りである。半導体回路装置等を有する第１の基板と光導波路基板とを、それぞれの基板を対向させて位置決め、配置する。このとき、両基板の間の空隙には第１の基板上の機能素子等および第２基板上の機能素子素子等が位置するように、両基板を向かい合わせる。両基板を位置決めして固定する際には、最も量産性に優れた半田バンプを用いることが望ましい。このような半田バンプを使用して両基板を使用する場合の、両基板の厚さを特定する。これにより、量産性に優れた高密度光信号入出力装置を実現することできる。
（３）本発明の第３の目的は、相対するレンズアレイ間の空隙に対して部分的に透明樹脂を充填した場合に適したレンズアレイ構造を特定することである。これにより、温度・湿度および経時変化に対する信頼性に優れた光信号入出力装置を実現することを目的とする。
（４）本発明の第４の目的は、上記第１から第３の目的を同時に実現した、量産性ならびに温度・湿度および経時変化に対する信頼性に優れた光信号入出力装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の代表的な構成は次の通りである。
その口径の値がR1である第１のレンズがアレイ状に設けられた第１のレンズアレイを有する第１の平板状部材と、その口径の値がR2である第2のレンズがアレイ状に設けられた第2のレンズアレイを有する第２の平板状部材とを準備し、
前記R1およびR2は関係式である1.1＜R2／R1＜3を満足するものであり、
前記第１のレンズは信号光を出射するものであり、前記第２のレンズは前記出射した信号光を受光するものであり、
一の前記第１のレンズからの前記出射光が一の前記第２のレンズに入射するように、前記第１および第２の部材を対向させ、かつ、前記第１および第２の部材の間が所定の間隙を有するように位置決めすることを特徴とする光信号入出力装置の製造方法。
ここで、第１および／または第２のレンズは凸レンズ又は平凸レンズであることが望ましい。
このように光信号入出力装置の製造することにより、光信号入出力装置のトレランス（位置決め精度の余裕度）を向上させることができる。
【００１１】
本発明の上記第１の目的を達成するために、第1のレンズアレイを有し、該第1のレンズアレイから光が出射する光送信部、ならびに、第２のレンズアレイを有し、該第２のレンズアレイから光が入射する光受信部を備えた光信号入出力装置において、該第１および第２のレンズアレイのうち、該光送信部と該光受信部で相対する位置に設置されたレンズ対の口径をそれぞれＲ１、Ｒ２とした時に、
１．１＜Ｒ２／Ｒ１＜３
の関係を満たすようにしたものである。
【００１２】
上記関係式は今回、種々のＲ１、Ｒ２の値、レンズアレイの種々のピッチのものを用いて、トレランス絶対値（例えば、トレランスが±５０μｍの場合、トレランス絶対値は１００μｍ。）を実験的に評価し、図１０に示すように、ピッチで規格化したトレランス絶対値がＲ２／Ｒ１の関数である、という新たに見出した結果に基づいている。以下、この結果の示す効果を図１３および図１４を用いて説明する。まず、図１３に示した従来の構成(即ち、Ｒ１＝Ｒ２。) における問題点について説明する。面発光素子アレイ１０２と該面発光素子アレイの発光面１２１上に配置された口径Ｒ１のレンズアレイ１１４が、光導波路基板１１１に対して位置ずれした場合、コリメート光１１９がレンズアレイ１１５の外側にまで照射される結果、位置ずれのなかった場合（これを図１２に示す。）のレンズアレイ１１５による収束光１２０の生成効果がほぼ消失してしまう問題があった。それに対し、本発明の実施例によれば、図１４に示すように、面発光素子アレイ１０２と該面発光素子アレイの発光面１２１上に配置された口径Ｒ１のレンズアレイ１１４が、出力側光導波路上レンズアレイ１１５よりも小さな口径であるため、コリメート光１１９がレンズアレイ２による屈折効果とあいまって収束光１２０となって大きなトレランスを確保できる効果がある。
【００１３】
上記ピッチは実装機の精度の絶対値（±５０μｍの場合、５０μｍ）の２倍を超えた値に設定する必要がある。なぜならば、実装時の位置ずれで、隣接チャネルへの光信号が漏洩する可能性があるからである。本発明においては、光信号入出力装置の高密度化を念頭に置いているため、ピッチは最小となる実装機の精度の絶対値の２倍を超える値に設定するのが最も望ましい。このことは、実験的に求められた図１０のカーブにおいて、量産対応可能な規格化トレランス絶対値を０．５以上にすることに相当し、そのためには
Ｒ２／Ｒ１＞１．１  …（１）
という関係式（１）を満たさなければならない。実際、上記関係式を満たすレンズ対を用いた実装工程において、その効果を確認した。一方、Ｒ２／Ｒ１の上限値は３である。なぜならば、図１０から明らかなように、Ｒ２／Ｒ１≧３でピッチ規格化トレランス絶対値が飽和するからである。
【００１４】
なお、本発明では、上記関係式（１）を、上述の光送信部と光受信部の関係において、該光送信部と該光受信部とが、それぞれ、
（１） 面発光素子アレイと光導波路アレイ
（２） 光導波路アレイと面受光素子アレイ
（３） 光導波路アレイ同士
の場合に適用している。
【００１５】
また、本発明の構成上の特徴は次の通りである。上記従来技術の構成のように、１つのパッケージ内に、半導体集積回路と、面発光素子アレイ、面受光素子アレイ、および該面発光素子アレイと該面受光素子アレイとを該半導体集積回路に電気的に接続する半導体装置、ならびに、電気配線、入力光信号を導く入力側光導波路アレイ、該入力側光導波路アレイの端部が入力信号光を前記面受光素子アレイの方向に向けて方向変換する反射面、出力信号光を導く出力側光導波路アレイ、該出力側光導波路アレイの端部が出力信号光を該出力側光導波路の導路方向に向けて方向変換する反射面を設けた光導波路基板とを、電気的に接続した光信号入出力装置を有する。前記面発光素子アレイと前記出力側光導波路アレイ、ならびに前記面受光素子アレイと前記入力側光導路波アレイとが向かい合うように配置されているとともに、該面発光素子アレイの発光面上、該出力側光導波路アレイ上、該入力側光導波路アレイ上、および該面受光素子アレイの受光面上にレンズアレイを有する光信号入出力装置をさらに有しており、上記関係式（１）を対向する一次元アレイおよび二次元アレイが満足するものである。
【００１６】
さらに、本発明では、面発光素子アレイと２種類の光導波路アレイ、面受光素子アレイと２種類の光導波路アレイ、面発光素子アレイ、面受光素子アレイと４種類の光導波路アレイに対しても、対となるレンズアレイの口径が上記関係式（１）を満足するものである。
【００１７】
また、本発明の上記第２の目的を達成するために、半導体装置と光導波路基板との電気的接続をはんだバンプを介して行う場合に対して、面発光素子アレイの発光面上のレンズアレイおよび面受光素子アレイの受光面上のレンズアレイの少なくとも一方を第１の基板上に形成し、出力側光導波路上レンズアレイおよび入力側光導波路上レンズアレイの少なくとも一方を第２の基板上に形成した上で、該第１の基板および該第２の基板の厚さの和を１００μｍ以上３００μｍ以下であるようにしたものである。
【００１８】
これは、半導体装置と光導波路基板の電気的接続をはんだバンプを介して行う場合、使用する半田ボールのサイズの関係から、半導体装置と光導波路基板の間の距離(この距離とは、半導体装置が設けられた第１の基板と、光導波路基板とが対向するように位置決めして配置されたとき、その間の両基板端面の間の距離をいう。また、ここで両基板は互いに平行に位置しており、その間の距離は実質的に一定であるものとする。) は一般的に０．６ｍｍから０．８ｍｍ程度の範囲となる。この寸法条件で半導体装置と光導波路基板との規格化トレランスを０．５以上にできる条件を求めた図１６に示す結果に基づいている。相対する位置に設置されたレンズ対の間の距離が例えば、0.4mm〜0.6mmのとき、面発光素子からの出射光が十分に平行光となって受光部に至る。これによって、上記位置決めトレランスが最適化される。
【００１９】
さらに、本発明の上記第３の目的を達成するために、１つのパッケージ内に、光送信部および光受信部を備えた光信号入出力装置において、該光送信部と該光受信部にそれぞれ平らな基板上に平凸レンズを設け、該平凸レンズの平らな面同士が向かい合うように配置した上で、その間隙に対して部分的に上記光送信部から出射される光の波長における吸収係数が通常の測定装置で検出可能な感度（１０ｃｍ−１）以下である材料よりなる部材を設けるものである。この結果、例えば上述のはんだバンプ実装のように、半導体装置と光導波路基板との距離が０．６ｍｍから０．８ｍｍ程度の範囲であっても、その間での光の損失は実用上無視できる程度にできる。また、該挿入部材が平凸レンズアレイの曲面に接触するのを防ぐため、レンズアレイと面発・受光素子アレイおよびレンズアレイと光導波路アレイとを同一構造物にするとともに、平凸レンズアレイの曲面が空気、窒素、不活性ガスのいずれかに接するようにしたものである。
さらに、本発明の上記第４の目的を達成するために、上記第１から第３の目的を達成するための手段を併用したものである。
【発明の効果】
【００２０】
（１）本発明の実施例によれば、基板上に半導体集積回路および半導体発受光素子を搭載した半導体装置を、光導波路を搭載した光導波路基板上にレンズアレイを介して光結合させる場合に、相対するレンズアレイの口径の大小関係を特定することにより、高密度光信号入出力装置を実現できる効果がある。
（２）また、別の実施例の効果は次の通りである。光導波路基板上に半導体装置を搭載する際、最も量産性に優れた半田バンプを用いる場合を想定し、上記レンズアレイを共通の基板上に形成し、その基板の厚みを特定することにより、量産性に優れた高密度光信号入出力装置を実現できる効果がある。
（３）さらに本発明の他の実施例による効果は次の通りである。相対するレンズアレイ間の空隙に透明樹脂を充填した場合に適したレンズアレイ構造を規定して、温度・湿度および経時変化に対する信頼性に優れた光信号入出力装置を実現できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施の形態を例示し、詳細に説明する。
〔第１の実施の形態〕図１および図２４は、本発明の第１の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す断面図および鳥瞰図である。
【００２２】
紙面奥行き方向に配列されたレンズアレイを有する光送信部９５ならびに光受信部９６を備え、該レンズアレイのうち、該光送信部と該光受信部で相対する位置に設置されたレンズ対９１および９２の口径が、それぞれＲ１、Ｒ２であって、
１．１＜Ｒ２／Ｒ１＜３
の関係を満たすように構成された光信号入出力装置がここでは開示されている。
【００２３】
なお、光送信部95には図示していない発光素子が設けられているか、又は信号光が導波路等でガイドされ、レンズ91を介して出射される。光受信部96には図示していない受光素子が設けられているか、又は導波路が設けられている。入射光がレンズ92を介して入射し、受光素子に入射するか、または導波路に入射する。
例として、ガラスまたはプラスチック材料よりなるレンズアレイ９１および９２において、Ｒ１＝５０μｍ、Ｒ２＝１００μｍを採用したところ、該光送信部９５と該光受信部９６の位置合わせずれが±５０μｍ以下となるものがほぼ１００％になる。換言すれば、本発明を適用した同一物を複数個製造したときの歩留まりがほぼ１００％になる。
【００２４】
本実施例によれば、十分に大きなトレランスを確保した状態で、上記光送信部９５と上記光受信部９６を配置できる結果、高密度光信号入出力装置を実現できる効果がある。
〔第２の実施の形態〕図２は、本発明の第２の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す図である。
【００２５】
実施例１の光送信部９５に面発光素子アレイ９７、光受信部９６に光導波路アレイ９３を用いた。面発光素子アレイ９７は発光面９８を有し、光導波路アレイ９３は光導波路クラッド９９が光導波路コア１００を取り囲む構造となっている。例として、面発光素子アレイ９７にＧａＡｓ基板上に形成し、波長８５０ｎｍで発振する面発光レーザを用い、光導路波アレイ９３にポリマー状の光導波路または複数の光ファイバを有する光導波路シートを採用して、Ｒ１＝５０μｍ、Ｒ２＝１００μｍとしたところ、面発光素子アレイ９７、光導波路アレイ９３、レンズアレイ９１および９２のピッチを２５０μｍとすると、トレランスは±８０μｍとなる。
【００２６】
本実施例によれば、十分に大きなトレランスを確保した状態で、上記面発光素子アレイ９７および光導波路アレイ９３を配置できる結果、高密度光信号入出力装置を実現できる効果がある。
〔第３の実施の形態〕図３は、本発明の第３の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す図である。
【００２７】
実施例１の光送信部９５に光導波路アレイ９３、光受信部９６に面受光素子アレイ９４を用いた。光導波路アレイ９３は光導波路クラッド９９が光導波路コア１００を取り囲む構造となっている。例として、面受光素子アレイ９４にＧａＡｓ基板上に形成したＩｎＧａＡｓ層を用いたｐｉｎフォトダイオードを採用し、Ｒ１＝１００μｍ、Ｒ２＝１２５μｍとした結果、光導波路アレイ９３、面受光素子９４、レンズアレイ９１および９２のピッチを２５０μｍとすると、トレランスは±６５μｍとなる。
【００２８】
本実施例によれば、十分に大きなトレランスを確保した状態で、上記光導波路アレイ９３および面受光素子アレイ９４を配置できる結果、高密度光信号入出力装置を実現できる効果がある。
〔第４の実施の形態〕図４は、本発明の第４の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す図である。
【００２９】
実施例１の光送信部９５および光受信部９６ともに光導波路アレイ９３を用いた。光導波路アレイ９３は光導波路クラッド９９が光導波路コア１００を取り囲む構造となっている。例として、Ｒ１＝１００μｍ、Ｒ２＝１２５μｍを採用し、相対する光導波路アレイ９３、レンズアレイ９１および９２のピッチを２５０μｍとすると、トレランスは±６５μｍとなる。
【００３０】
本実施例によれば、十分に大きなトレランスを確保した状態で、上記光導波路アレイ９３を相対して配置できる結果、高密度光信号入出力装置を実現できる効果がある。
〔第５の実施の形態〕図５、図２５、図２６、並びに図２７は、本発明の第５の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す断面図および鳥瞰図である。
【００３１】
図５に示す光信号入出力装置は、半導体集積回路装置１と、紙面の奥行き方向に並列配置された面発光素子一次元アレイ２、面受光素子一次元アレイ３、インターポーザ４からなる半導体装置５、ならびに光導波路クラッド６、光導路波コア７から構成され、紙面奥行き方向に並列配置された光導路波一次元アレイ（出力側８、入力側９）、有機基板１０、出力側光導波路一次元アレイ８に入射する光の伝播方向を９０度変換する反射面１２、入力側光導波路一次元アレイ９からの出射光の伝播方向を９０度変換する反射面１３からなる光導波路基板１１からなっている。
【００３２】
この様子を鳥瞰図で示したのが図２５である。また、図２５において、半導体装置１０５と光導波路基板１１１の間に仮想的平面１３１を考え、この平面１３１から上方１３２を見た平面図が図２６、平面１３１から下方１３３を見た平面図が図２７である。
【００３３】
ここで、半導体装置５と光導波路基板１１の間には、面発光素子一次元アレイ１２の発光面上にレンズ一次元アレイ１４、出力側光導波路アレイ８の入射反射面１２上にレンズ一次元アレイ１５、入力側光導波路アレイ９の出射反射面１３上にレンズ一次元アレイ１６、面受光素子一次元アレイ１３の受光面上にレンズ一次元アレイ１７を形成している。ここで、レンズ一次元アレイ１４から１７は平凸レンズからなり、全ての相対するレンズの口径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の間には、紙面奥行き方向のピッチＰに対して次の関係が成り立っている。
１．１＜（Ｒ２／Ｒ１）＜３、
かつ
１．１＜（Ｒ４／Ｒ３）＜３。
【００３４】
なお、出射端側のレンズアレイのそれぞれのレンズには発光素子の出射光が入射されるか、又は光導波路からの出射光が入射される。入射端側のレンズアレイのそれぞれのレンズには出射光が例えば、平行光となって入射し、入射端側の各レンズの後ろの受光素子に入射光が入射するか、又は入射端側の各レンズの後ろの光導波路へ入射光が入射する。他の実施例においても同様である。よって、これ以外の実施例での記述は省略する。
【００３５】
例として、インターポーザ４にアルミナを用い、Ｐ１＝Ｐ２＝２５０μｍとした結果、レンズ一次元アレイ１４の口径は全てＲ１＝５０μｍ一定、レンズ一次元アレイ１５の口径は全てＲ２＝１００μｍ一定、レンズ一次元アレイ１６の口径は全てＲ３＝１００μｍ一定、レンズ一次元アレイ１７の口径は全てＲ４＝１２５μｍ一定の条件を採用した結果、半導体装置５と光導波路基板１１の位置合わせずれが±５０μｍ以下となるものがほぼ１００％になる。換言すれば、同一物を複数個製造したときの歩留まりがほぼ100％となる。なお、歩留まりの問題は、以下の実施例においても同様である。よって以下もこれに関する記述は省略する。
【００３６】
本実施例によれば、十分に大きなトレランスを確保した状態で、上記半導体装置５と上記光導路波基板１１を配置できる結果、高密度光信号入出力装置を実現できる効果がある。なお、本実施例の中で特定の数値事例のみ詳述したが、上記関係式を満たす数値群であれば、同様な効果を得ることができる。
〔第６の実施の形態〕図６は、本発明の第６の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す図である。
【００３７】
図６に示す光信号入出力装置は、半導体集積回路装置（素子）２１と、紙面の奥行き方向ならびに水平方向に並列配置された面発光素子二次元アレイ２２、面受光素子二次元アレイ２３、インターポーザ２４からなる半導体装置２５、ならびに光導波路クラッド２６、光導路波コア２７から構成され、紙面奥行き方向と垂直方向に並列配置された光導路波二次元アレイ（出力側２８、入力側２９）、有機基板３０、出力側光導波路二次元アレイ２８に入射する光の伝播方向を９０度変換する反射面３２、入力側光導波路二次元アレイ２９からの出射光の伝播方向を９０度変換する反射面３３からなる光導波路基板３１からなっている。ここで、半導体装置２５と光導波路基板３１の間には、面発光素子二次元アレイ２２の発光面上に紙面奥行き方向と紙面水平方向に配列されたレンズ二次元アレイ３４、出力側光導波路アレイ２８の入射反射面３２上に紙面奥行き方向と紙面水平方向に配列されたレンズ二次元アレイ３５、入力側光導波路アレイ２９の出射反射面３３上に紙面奥行き方向と紙面水平方向に配列されたレンズ二次元アレイ３６、面受光素子二次元アレイ３３の受光面上に紙面奥行き方向と紙面水平方向に配列されたレンズ二次元アレイ３７を形成している。なお、図６ではレンズ二次元アレイ３４−３７は紙面水平方向に２個、光導波路二次元アレイ２８および２９は紙面垂直方向に光導波路コア２７を２列しか図示していないが、それぞれ２以上であれば任意の数で構わない。
【００３８】
ここで、レンズ二次元アレイ３４から３７は平凸レンズからなり、全ての相対するレンズの口径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の間には、紙面奥行き方向のピッチＰ１および紙面水平方向ピッチＰ２のうち小さい値Ｐに対して次の関係が成り立っている。
１．１＜（Ｒ２／Ｒ１）＜３  …（２）
かつ
１．１＜（Ｒ４／Ｒ３）＜３  …（３）
例として、Ｐ１＝Ｐ２＝２５０μｍとし、レンズ二次元アレイ３４の口径は全てＲ１＝５０μｍ一定、レンズ二次元アレイ３５の口径は全てＲ２＝１００μｍ一定、レンズ二次元アレイ３６の口径は全てＲ３＝１００μｍ一定、レンズ二次元アレイ３７の口径は全てＲ４＝１２５μｍ一定の条件を採用した結果、半導体装置２５と光導波路基板３１の位置合わせずれが±５０μｍ以下になるのがほぼ１００％になる。
【００３９】
なお、レンズアレイ中の例えば、R1の値はすべて同じでなくてもよい。R2, R3, R4もそれぞれ同じ値でなくてもよい。それぞれの対となるレンズが上記（２）および（３）の関係を満足すれば十分である。
【００４０】
本実施例によれば、十分に大きなトレランスを確保した状態で、上記半導体装置２５と上記光導路波基板３１を配置できる結果、高密度光信号入出力装置を実現できる効果がある。なお、本実施例の中で特定の数値事例のみ詳述したが、上記関係式を満たす数値群であれば、同様な効果を得ることができる。
〔第７の実施の形態〕
ここで、半田バンプの一般的な高さと一対のレンズ間の距離の大きさとの関係を考える。半田バンプで固定する対向する２つの基板間の距離は、レンズ間距離として必要な値よりも大きくなりすぎる場合がある。この場合には、基板表面にレンズをダイレクトに設けずに、ある厚さの台座のようなものを基板に設けて、その台座の上にレンズを搭載する。これにより基板間距離が大きい場合でも、レンズ間距離を所望値にすることができる。
【００４１】
図７および図２２は、本発明の第７の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す拡大図および全体図である。
【００４２】
レンズを個々の面発光素子、面受光素子、光導波路に個別に形成していては光信号入出力装置の製造に多大な時間を要してしまうため、本実施例では、レンズアレイを形成した第１および第２の基板を用意することにより、製造時間の短縮を図っている。
【００４３】
実施例６のレンズ二次元アレイ３４および３７を、レンズ二次元アレイ３４および３７と同じ材質であるガラスまたはプラスチックからなる厚さｔ１の第１の基板上３８に形成した。また、レンズ二次元アレイ３５および３６を、レンズ二次元アレイ３５および３６と同じ材質であるガラスまたはプラスチックからなる厚さｔ２の第２の基板上３９に形成した。ここで、半導体装置２５と光導波路基板３１の電気的接続をはんだバンプ１２７（バンプ１２７の直径は1ｍｍ程度である。）を介して行う場合、半導体装置２５底面と光導波路基板３１表面の間の最短距離は通常用いられる半田バンプ高さの関係から０．６ｍｍから０．８ｍｍ程度の範囲となるのが一般的である。一対のレンズ間距離が大きくなりすぎて、トレランスが低下してしまうのを回避するために、
１００≦ｔ１＋ｔ２（μｍ）≦３００
としておくことにより、一対のレンズ間の距離が０．４ｍｍから０．６ｍｍ程度となり、このような距離となれば面発光レーザからの出射光は十分に平行光線となる。それゆえ、図１６に示す通り、規格化トレランスを０．５以上にできる効果がある。そこで、本実施例では、ｔ１＝ｔ２＝１００μｍとしてレンズ二次元アレイ３４および３７、ならびにレンズ二次元アレイ３５ならびに３６を一体成型した結果、個々にレンズアレイを実装した場合に比較して、半導体装置２５と光導波路基板３１の実装時間を１／２に低減でき、しかも半導体装置２５と光導波路基板３１の位置ずれが±５０μｍ以下になるものがほぼ１００％となる。
【００４４】
本実施例によれば、レンズアレイを形成する基板の厚みを特定することにより、量産性に優れた高密度光信号入出力装置を実現できる効果がある。なお、本実施例では実施例６で示した二次元配置の例で説明したが、実施例５で示した一次元配置の場合も同様に実施できる。また、本実施例では、レンズアレイ３４と３７を同一基板、レンズアレイ３５と３６を同一基板に形成したが、それぞれ別々の基板上に形成しても、同様に実施できるのは勿論である。
〔第８の実施の形態〕
図８は、本発明の第８の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す図である。
【００４５】
図８は面発光素子アレイ２、および面発光素子アレイ２からの出力信号を導く第１の光導波路アレイ４１ならびに第２の光導波路アレイ４２からなる光信号入出力装置であって、第１の光導波路アレイ４１が面発光素子アレイ２からの出力信号を入射するための反射面５１、および面発光素子アレイ２からの出力信号を出射するための反射面５２を有し、第２の光導波路アレイ４２が第１の光導波路アレイ４１からの出射光を導入するための入射面５３を有していて、面発光素子アレイ２の発光面上に口径Ｒ１、第１の光導波路アレイ４１の入射反射面５１上に口径Ｒ２、第１の光導波路アレイ４１の出射反射面５２上に口径Ｒ３、第２の光導波路アレイ４２の入射面５３上に口径Ｒ４のレンズアレイ６１−６４を有し、該レンズアレイの口径間に
１．１＜Ｒ２／Ｒ１＜３
かつ
１．１＜Ｒ４／Ｒ３＜３
の関係が成立するように構成された光信号入出力装置である。例として、Ｒ１＝５０μｍ、Ｒ２＝Ｒ３＝１００μｍ、Ｒ４＝１２５μｍを採用し、相対する面発光素子アレイ２、第１の光導波路アレイ４１、および第２の光導波路アレイ４２のピッチを２５０μｍとしたところ、面発光素子アレイ２、第１の光導波路アレイ４１、および第２の光導波路アレイ４２の位置合わせずれが±５０μｍ以下のものがほぼ１００％となる。
【００４６】
本実施例によれば、十分に大きなトレランスを確保した状態で、上記面発光素子アレイならびに第１および第２の光導波路アレイを相対して配置できる結果、高密度光信号入出力装置を実現できる効果がある。
〔第９の実施の形態〕図９は、本発明の第９の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す図である。
【００４７】
図９は第３の光導波路アレイ４３、および第３の光導波路アレイ４３からの出力信号を導く第４の光導波路アレイ４４ならびに面受光素子アレイ３からなる光信号入出力装置であって、第３の光導波路アレイ４３が第４の光導波路アレイ４４へ出力信号を導入するための出射面５４、第４の光導波路アレイ４４が第３の光導波路アレイ４３からからの出射光を導入するための反射面５５、第４の光導波路アレイ４４が出力信号を面受光素子アレイ３へ出射するための反射面５６を有していて、第３の光導波路アレイ４３の出射面５４上に口径Ｒ１’、第４の光導波路アレイ４４の入射反射面５５上に口径Ｒ２’、第４の光導波路アレイ４４の出射反射面５６上に口径Ｒ３’、面受光素子アレイ３の受光面上に口径Ｒ４’のレンズアレイ７１−７４を有し、該レンズアレイの口径間に
１．１＜Ｒ２／Ｒ１＜３
かつ
１．１＜Ｒ４／Ｒ３＜３
の関係が成立するように構成された光信号入出力装置である。例として、Ｒ１’＝Ｒ３’＝１００μｍ、Ｒ２’＝Ｒ４’＝１２５μｍを採用し、相対する第３の光導波路アレイ４３、第４の光導波路アレイ４４、面受光素子アレイ３のピッチを２５０μｍとしたところ、第３の光導波路アレイ４３、第４の光導波路アレイ４４、面受光素子アレイ３の位置合わせずれが５０μｍ以下のものがほぼ１００％となる。
【００４８】
本実施例によれば、十分に大きなトレランスを確保した状態で、上記第３の光導波路アレイ４３、第４の光導波路アレイ４４、面受光素子アレイ３を相対して配置できる結果、高密度光信号入出力装置を実現できる効果がある。
〔第１０の実施の形態〕図１７および図２３は、本発明の第１０の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す図である。
【００４９】
図１０は実施例８および実施例９の光信号入出力装置を合わせて有し、さらに面発光素子アレイ２および面受光素子アレイ３との間に半導体集積回路が配置された実施例５から実施例７に示した光信号入出力装置を有する形態となっている。ここで、第１の光導波路アレイ４１と第４の光導波路アレイ４４が第３の基板６０上に、第２の光導波路アレイ４２と第３の光導波路アレイ４３が第４の基板７０上に配置されている。
【００５０】
例として、第３の基板６０および第４の基板７０に有機基板を用い、Ｒ１＝５０μｍ、Ｒ２＝Ｒ３＝１００μｍ、Ｒ４＝１２５μｍ、Ｒ１’＝Ｒ３’＝１００μｍ、Ｒ２’＝Ｒ４’＝１２５μｍを採用した結果、位置合わせずれが±５０μｍ以下のものがほぼ１００％となる。
【００５１】
本実施例によれば、十分に大きなトレランスを確保した状態で、半導体装置、光導波路アレイ等を相対して配置できる結果、図２３に示すような高密度光信号入出力装置からの入出力がさらに光導波路結合により接続された系を実現できる効果がある。
〔第１１の実施の形態〕図１８は、本発明の第１１の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す図である。
【００５２】
図１８は実施例１０に示した第４の基板７０に対し、第３の基板が複数１、光学的に接続された光信号入出力装置となっている。例として、第４の基板１枚をマザーボードとして用い、第３の基板２５枚を光導波路４２および４３と光学的に接続してルータのラックを構成した結果、位置合わせずれが±５０μｍ以下のものがほぼ１００％となる。
【００５３】
本実施例によれば、十分に大きなトレランスを確保した状態で、光導波路アレイを搭載した基板に対し、半導体装置ならびに光導波路アレイを搭載した基板を複数配置できる結果、高密度光信号入出力装置ならびにそれを用いたルータ等の大容量情報機器を実現できる効果がある。
〔第１２の実施の形態〕
図１９は、本発明の第１２の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す図である。
【００５４】
図１９は実施例７の構成において、第１の基板３８およびその上に形成されたレンズアレイ３４あるいは３７と、第２の基板３９およびその上に形成されたレンズアレイ３５あるいは３６を、向かいあわせる向きを逆にしたレンズアレイ８１あるいは８４、ならびにレンズアレイ８２あるいは８３とし、それぞれのレンズアレイが平凸型で、レンズアレイ８１あるいは８４と、レンズアレイ８２あるいは８３の平面同士が向き合うようにした上で、第１の基板３８および第２の基板３９との空隙に、透明な材料８５を充填したものである。
【００５５】
一例として、面発光素子アレイ２にＧａＡｓ基板上に形成され、波長８５０ｎｍで発振する面発光レーザを用い、透明な材料８５に波長８５０ｎｍで吸収係数が１０ｃｍ−１以下の樹脂を用いることができる。
【００５６】
本発明によれば、相対するレンズアレイのレンズ効果を消失させずに、温度・湿度および経時変化に対する信頼性に優れた光信号入出力装置を実現できる効果がある。なお、図１９では一次元アレイの例を示したが、実施例７同様、二次元アレイに対しても実施しても同様な効果があるのは勿論である。
〔第１３の実施の形態〕
実施例１２の図１９中、Ｒ１＝５０μｍ、Ｒ２＝１００μｍ、Ｒ３＝１００μｍ、Ｒ４＝１２５μｍとした結果、半導体装置５と光導波路基板１１を位置合わせずれが±５０μｍ以下のものがほぼ１００％となる。この実施例では、各レンズR1〜R4が先の関係式（２）および（３）を満足することがポイントである。
【００５７】
本実施例によれば、十分に大きなトレランスを確保した状態で、上記半導体装置５と上記光導路波基板１１を配置でき、しかも、相対するレンズアレイのレンズ効果を消失させない結果、量産性ならびに温度・湿度および経時変化に対する信頼性に優れた光信号入出力装置を実現できる効果がある。
〔第１４の実施の形態〕
図２０および２１は、本発明の第１４の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す図である。
【００５８】
図２０は実施例１２の図１９中に支持柱８６を導入し、面発光素子アレイ２および面受光素子アレイ３と、第１の基板３８とを一体の構造物、出力側光導波路８および入力側光導波路９と、第２の基板３９とを一体の構造物であるようにしたものである。
【００５９】
また、図２１は図２０の支持柱８６を蓋状にして、面発光素子アレイ２および面受光素子アレイ３と、第１の基板３８とを一体の構造物、出力側光導波路８および入力側光導波路９と、第２の基板３９とを一体の構造物であるようにしたものである。特に、図２１の構造では、平凸レンズの凸面に透明な充填材料が接触しないことから、相対する平凸レンズの向きを規定する必要がなくなり、図２１に図示した通り、凸面同士が相対しても構わない。
【００６０】
なお、本実施例では、第１の基板３８および第２の基板３９に形成されたレンズアレイの曲面が空気、窒素、または不活性ガスのいずれかに接するようにしている。
【００６１】
本実施例によれば、十分に大きなトレランスを確保した状態で、上記半導体装置５と上記光導路波基板１１を配置でき、しかも、相対するレンズアレイのレンズ効果を消失させずにレンズ曲面を保護できる結果、量産性ならびに温度・湿度および経時変化に対する信頼性に優れた光信号入出力装置を実現できる効果がある。
【００６２】
この実施例においても、上記関係式（２）および（３）を満足することが望ましい。但し、必須ではない。
【００６３】
なお、本願の図面で使用した符号の説明を以下に示す。
１、２１、１０１…半導体集積回路装置、２、２２、９７、１０２…面発光素子アレイ、３、２３、１０３…面受光素子アレイ、４、２４、１０４、１２５…インターポーザ、５、２５、１０５…半導体装置、６、２６、９９、１０６…光導波路クラッド、７、２７、１００、１０７…光導路波コア、８、２８、１０８…出力側光導波路アレイ、９、２９、１０９…入力側光導波路アレイ、１０、３０、１１０、１２６…有機基板、１１、３１、１１１…光導波路基板、１２、３２、１１２…出力側光導波路アレイ反射面、１３、３３、１１３…入力側光導波路アレイ反射面、１４、３４、６１、７１、８１、１１４…面発光素子アレイの発光面上レンズアレイ、１５、３５、６２、７２、８２、１１５…出力側光導波路上レンズアレイ、１６、３６、６３、７３、８３、１１６…入力側光導波路アレイ上レンズアレイ、１７、３７、６４、７４、８４、１１７…面受光素子アレイの受光面上レンズアレイ、１８、１１８…面発光素子アレイからの出射光、１９、１１９…コリメート光、３８…第１の基板、３９…第２の基板、６０…第３の基板、７０…第４の基板、８５…透明樹脂、８６…支持柱、９１…光送信部上レンズアレイ、９２…光受信部上レンズアレイ、９３…光導波路アレイ、９４…面受光素子アレイ、９５…光送信部、９６…光受信部、４１…第１の光導波路アレイ、４２…第２の光導波路アレイ、４３…第３の光導波路アレイ、４４…第４の光導波路アレイ、５１、５５…光信号入射用反射面、５２、５６…光信号出射用反射面、５３…光信号入射面、５４…光信号出射面、１２０…収束光、９８、１２１…面発光素子アレイの発光面、１２２、１２３、１２４…電極パッド、１２７…はんだバンプ、１３１…図２６および図２７と図２５との関係を説明するための仮想的平面、１３２…図２６が図２５中の仮想平面１３１から上方を見た平面図であることを説明するための方位、１３３…図２７が図２５中の仮想平面１３１から下方を見た平面図であることを説明するための方位。
本発明の実施例に関連する技術的事項を以下に示す。
【００６４】
１．レンズアレイを有する光送信部ならびに光受信部を備え、該レンズアレイのうち、該光送信部と該光受信部で相対する位置に設置されたレンズ対の口径が、それぞれＲ１、Ｒ２であって、
１．１＜Ｒ２／Ｒ１＜３
の関係を満たすことを特徴とする光信号入出力装置。
【００６５】
２．上記光送信部には複数の面発光素子を有する面発光素子アレイ、上記光受信部に複数の光導波路を有する光導波路アレイが設けられ、該面発光素子アレイにおいて隣り合う光導波路の中心間隔で定義されるピッチと、該光導波路アレイにおいて隣り合う面発光素子の中心間隔で定義されるピッチとが等しいことを特徴とする上記１に記載の光信号入出力装置。
【００６６】
３．上記光送信部には複数の光導波路を有する光導波路アレイ、上記光受信部に複数の面受光素子を有する面受光素子アレイが設けられ、該光導路波アレイにおいて隣り合う光導波路の中心間隔で定義されるピッチと、該面受光素子アレイにおいて隣り合う面受光素子の中心間隔で定義されるピッチが等しいことを特徴とする上記１に記載の光信号入出力装置。
【００６７】
４．上記光送信部および上記光受信部には共に、複数の光導波路からなる光導波路アレイが設けられ、
光送信部内光導路波アレイと光受信部内光導波路アレイとが直交して光学的に結合しており、該光送信部内光導路波アレイにおいて隣り合う光導波路の中心間隔で定義されるピッチと、該光受信部内光導波路アレイにおいて隣り合う光導波路の中心間隔で定義されるピッチが等しいことを特徴とする上記１に記載の光信号入出力装置。
【００６８】
５．半導体集積回路と、
面発光素子アレイ、面受光素子アレイ、および該面発光素子アレイに通電するための電極と該面受光素子アレイに通電するための電極とを該半導体集積回路素子に電気的に接続する半導体装置、
ならびに、入力光信号を導く入力側光導波路アレイ、該入力側光導波路アレイの端部が入力信号光を前記面受光素子アレイの方向に向けて方向変換する反射面、出力信号光を導く出力側光導波路アレイ、該出力側光導波路アレイの端部が出力信号光を該出力側光導波路の導路方向に向けて方向変換する反射面、および電気配線を設けた光導波路基板とを、該半導体装置と該光導波路基板それぞれに設けられた金属パッド同士を電気的に接続した光信号入出力装置において、
前記面発光素子アレイと前記出力側光導波路アレイ、ならびに前記面受光素子アレイと前記入力側光導路波アレイとがともに等しいピッチで相対して配置されているとともに、該面発光素子アレイの発光面上に口径Ｒ１、該出力側光導波路アレイ上に口径Ｒ２、該入力側光導波路アレイ上に口径Ｒ３、該面受光素子アレイの受光面上に口径Ｒ４のレンズの群を有し、該レンズの口径間に
１．１＜（Ｒ２／Ｒ１）＜３、
かつ
１．１＜（Ｒ４／Ｒ３）＜３
の関係が成立することを特徴とする光信号入出力装置。
【００６９】
６．前記半導体装置と前記光導波路基板との電気的接続は半田バンプを介してなり、前記面発光素子アレイの発光面上のレンズアレイおよび前記面受光素子アレイの受光面上のレンズアレイの少なくとも一方が第１の基板上に形成され、前記出力側光導波路上レンズアレイおよび前記入力側光導波路上レンズアレイの少なくとも一方が第２の基板上に形成された光信号入出力装置であって、該第１の基板および該第２の基板の厚さの和が１００μｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする上記５に記載の光信号入出力装置。
【００７０】
７．面発光素子アレイ、および該面発光素子アレイからの出力信号を導く第１、第２の光導路波アレイからなる光信号入出力装置において、該第１光導路波アレイの光軸方向と、第２の光導路波アレイの光軸方向とが直交し、かつ、この２つのアレイの各光学要素が光学的に結合しており、該第１の光導波路アレイが該面発光素子アレイからの出力信号をアレイ内へ入射するため及びアレイ外へ出射するための反射面、該第２の光導波路アレイが該第１の光導波路アレイからの出射光を導入するための入射面を有するとともに、該面発光素子アレイの発光面上に口径Ｒ１、該第１の光導波路アレイの該入射反射面上に口径Ｒ２、該第１の光導波路アレイの該出射反射面上に口径Ｒ３、該第２の光導波路アレイの入射面上に口径Ｒ４のレンズアレイ状のレンズ群を有し、該レンズアレイの各レンズの口径間に
１．１＜Ｒ２／Ｒ１＜３
かつ
１．１＜Ｒ４／Ｒ３＜３
の関係が成立することを特徴とする光信号入出力装置。
【００７１】
８．第３の光導波路アレイ、該第３の光導波路アレイからの出力信号を導く第４の光導波路アレイ、および該第４の光導波路アレイからの出力信号を受光する面受光素子アレイからなる光信号入出力装置において、該第３、第４の光導路波アレイのそれぞれの光軸が互いに直交しており、かつ、各導波路が光学的に結合しており、該第３の光導波路アレイが光信号を出射するための出射面、該第４の光導波路アレイが該第３の光導波路アレイからの出射光を入射すると共に、該第４の光導波路アレイから出射するための反射面を有するとともに、該第３の光導波路アレイの出射面上に口径Ｒ１、該第４の光導波路アレイの該入射反射面上に口径Ｒ２、該第４の光導波路アレイの該出射反射面上に口径Ｒ３、該面受光素子アレイの受光面上に口径Ｒ４のレンズアレイを有し、該レンズアレイの口径間に
１．１＜Ｒ２／Ｒ１＜３
かつ
１．１＜Ｒ４／Ｒ３＜３
の関係が成立することを特徴とする光信号入出力装置。
【００７２】
９．上記７に記載の光信号入出力装置と上記８に記載の光信号入出力装置とを有し、さらに前記面発光素子アレイと前記面受光素子アレイとの間に半導体集積回路が配置された上記５または６記載の光信号入出力装置を有するとともに、前記第１の光導波路アレイと前記第４の光導波路アレイが第３の基板上に、前記第２の光導波路アレイと前記第３の光導波路アレイが第４の基板上に配置されたことを特徴とする光信号入出力装置。
【００７３】
１０．光送信部および光受信部を備えた光信号入出力装置であって、該光送信部と該光受信部にそれぞれ平らな基板上に形成された平凸レンズを有し、該平凸レンズの平面および凸面が向かい合うように配置されるとともに、該平凸レンズの相対する間隙に上記光送信部から出射される光の波長における吸収係数が１０ｃｍ−１以下である材料が充填されたことを特徴とする光信号入出力装置。
【００７４】
１１．前記光送信部および前記光受信部はレンズアレイを有する光送信部ならびに光受信部であり、該レンズアレイのうち、該光送信部と該光受信部で相対する位置に設置されたレンズ対の口径が、それぞれＲ１、Ｒ２であって、
１．１＜Ｒ２／Ｒ１＜３
の関係を満たすことを特徴とする上記１０に記載の光信号入出力装置。
【００７５】
１２．前記光送信部および前記光受信部は、上記２.から４.の条件を満足する面発光素子アレイ、光導波路アレイ、面受光素子アレイのいずれかであることを特徴とする上記１４に記載の光信号入出力装置。
【００７６】
１３．半導体集積回路と、
面発光素子アレイ、面受光素子アレイ、および該面発光素子アレイと該面受光素子アレイとを該半導体集積回路に電気的に接続する半導体装置、ならびに、
電気配線、入力光信号を導く入力側光導波路アレイ、該入力側光導波路アレイの端部が入力信号光を前記面受光素子の方向に向けて方向変換する反射面、出力信号光を導く出力側光導波路アレイ、該出力側光導波路アレイの端部が出力信号光を該出力側光導波路の導路方向に向けて方向変換する反射面を設けた光導波路基板とを、電気的に接続した光信号入出力装置において、
前記面発光素子アレイと前記出力側光導波路アレイ、ならびに前記面受光素子アレイと前記入力側光導路波アレイとがともに等しいピッチで相対して配置されているとともに、該面発光素子アレイの発光面上に口径Ｒ１、該出力側光導波路アレイ上に口径Ｒ２、該入力側光導波路アレイ上に口径Ｒ３、該面受光素子アレイの受光面上に口径Ｒ４の平凸レンズアレイを有し、該平凸レンズの口径間に
１．１＜Ｒ２／Ｒ１＜３
かつ
１．１＜Ｒ４／Ｒ３＜３
の関係が成立し、かつ、該平凸レンズの相対する間隙に上記面発光素子アレイから出射される光の波長における吸収係数が１０ｃｍ−１以下である材料が充填されたことを特徴とする光信号入出力装置。
【００７７】
１４．前記半導体装置と前記光導波路基板との電気的接続ははんだバンプを介してなり、前記面発光素子アレイの発光面上の平凸レンズアレイおよび前記面受光素子アレイの受光面上の平凸レンズアレイの少なくとも一方が第１の基板上に形成され、
前記出力側光導波路上平凸レンズアレイおよび前記入力側光導波路上平凸レンズアレイの少なくとも一方が第２の基板上に形成された光信号入出力装置であって、
該第１の基板および該第２の基板の厚さの和が１００μｍ以上３００μｍ以下であり、かつ、該平凸レンズの相対する間隙に上記光送信部から出射される光の波長における吸収係数が１０ｃｍ−１以下である材料が充填されたことを特徴とする光信号入出力装置。
【００７８】
１５．前記平凸レンズは平面および凸面が向かい合うように配置されたことを特徴とする上記１３および１４に記載の光信号入出力装置。
【００７９】
１６．前記面発光素子アレイおよび前記面受光素子アレイと、前記第１の基板とが一体の構造物であり、前記出力側光導波路および前記入力側光導波路と、前記第２の基板とが一体の構造物であることを特徴とする上記１０から１５のいずれかに記載の光信号入出力装置。
【００８０】
１７．前記第１の基板および前記第２の基板に形成されたレンズアレイの曲面が空気、窒素、または不活性ガスのいずれかに接していることを特徴とする上記１６に記載の光信号入出力装置。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す模式図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す模式図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示す模式図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態を示す模式図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態を示す模式図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態を示す模式図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態を示す模式図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態を示す模式図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態を示す模式図である。
【図１０】本発明の効果を示す実験結果である。
【図１１】従来技術の実施の形態を示す模式図である。
【図１２】従来技術の実施の形態を示す模式図である。
【図１３】従来技術の問題点を示す模式図である。
【図１４】本発明の効果を示す模式図である。
【図１５】レンズの口径の定義を示す模式図である。
【図１６】本発明の効果を示す実験結果である。
【図１７】本発明の第１０の実施の形態を示す模式図である。
【図１８】本発明の第１１の実施の形態を示す模式図である。
【図１９】本発明の第１２の実施の形態を示す模式図である。
【図２０】本発明の第１４の実施の形態を示す模式図である。
【図２１】本発明の第１４の実施の形態を示す模式図である。
【図２２】本発明の第７の実施の形態を示す模式図である。
【図２３】本発明の第１０の実施の形態を示す模式図である。
【図２４】本発明の第１の実施の形態を示す模式図である。
【図２５】本発明の第５の実施の形態を示す模式図である。
【図２６】本発明の第５の実施の形態を示す模式図である。
【図２７】本発明の第５の実施の形態を示す模式図である。
【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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【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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