JP2013012548A - Optical module and photo-electric hybrid board - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、データ処理装置などの機器間又は機器内において、チップ間やボード間で送受信される高速光信号を伝送する際の送受信部となる光モジュールおよび、それを用いてボード上にて光及び電気の信号処理を行う光電気ハイブリッド混載ボードに関する。 The present invention relates to an optical module serving as a transmission / reception unit for transmitting a high-speed optical signal transmitted / received between chips or between boards in a device such as a data processing apparatus, and on the board using the optical module. And an opto-electric hybrid mixed board that performs electrical signal processing.
近年,一般ユーザに向けたFTTH(Fiber To The Home)などの高速ブロードバンドサービスの普及により、ルータ・サーバを代表とするIT機器の高速・大容量化が急速に進められている。このような状況の中で、IT機器間・内で従来用いられてきた電気インターコネクトもチャンネル当り10〜25Gbps以上の伝送が要求されている。しかしながら、高速化による高周波ノイズの発生に起因した機器の誤動作や、高周波信号の伝送損失発生による新たな波形調整素子等の必要性などの要因により、その速度限界が問題になってきている。これに対し、光は無誘導性であるため、光信号の伝送線路間におけるノイズ、クロストークは発生しないとともに、反射や損失についても、その変調周波数と無関係であり、制御も容易である。このように、機器間・内の信号伝送線路を光化することによって、10Gbps以上の高周波信号を低損失で伝播可能となるため、配線本数が少なくすむことと、高周波信号に対しても上記の対策が必要無くなるため有望である。また、上記ルータ/スイッチの他にも、ビデオカメラなどの映像機器やPC、携帯電話などの民生機器においても、今後画像高精細化にあたりモニタと端末間での映像信号伝送の高速・大容量化が求められるとともに、従来の電気配線では信号遅延、ノイズ対策等の課題が顕著となるため、信号伝送線路の光化が有効である。 In recent years, with the spread of high-speed broadband services such as FTTH (Fiber To The Home) for general users, high-speed and large-capacity IT equipment represented by routers and servers has been rapidly promoted. Under such circumstances, electrical interconnects conventionally used between and within IT devices are also required to transmit at 10-25 Gbps or more per channel. However, the speed limit has become a problem due to factors such as malfunction of the device due to the generation of high-frequency noise due to high speed and the necessity of a new waveform adjusting element due to the occurrence of transmission loss of high-frequency signals. On the other hand, since light is non-inductive, noise and crosstalk between optical signal transmission lines are not generated, and reflection and loss are independent of the modulation frequency and are easy to control. Thus, by opticalizing the signal transmission line between and within the equipment, a high-frequency signal of 10 Gbps or more can be propagated with low loss, so that the number of wirings can be reduced and the above-mentioned is also applied to the high-frequency signal. It is promising because no countermeasure is required. In addition to the above routers / switches, video devices such as video cameras and consumer devices such as PCs and mobile phones will increase the speed and capacity of video signal transmission between the monitor and terminals in the future for higher definition images. In addition, since conventional electrical wiring has problems such as signal delay and noise countermeasures, it is effective to make the signal transmission line optical.
このような高速光インターコネクトシステムを実現し、機器間・内に適用するためには、安価な作製手段で性能面、小型・集積化、および部品実装性に優れる光モジュール、回路が必要となる。そこで、配線媒体に従来の光ファイバより安価で高密度化に有利な光導波路を用い、基板上に光学部品と光導波路を集積した小型、高速の光モジュールが提案されている。 In order to realize such a high-speed optical interconnect system and apply it between and within devices, an optical module and a circuit that are excellent in terms of performance, small size, integration, and component mountability are required with inexpensive manufacturing means. Therefore, a small and high-speed optical module has been proposed in which an optical waveguide that is cheaper and more advantageous for higher density than conventional optical fibers is used as a wiring medium, and an optical component and an optical waveguide are integrated on a substrate.
光インターコネクトシステム向け光モジュールの従来方式の例として、光導波路配線基板上に、発光素子アレイと受光素子アレイ、および集積回路がそれぞれ集積された光モジュールを、半田ボールによって実装した形態が特許文献1に開示されている。本例では、光導波路配線基板上に光モジュールを実装した際に、発光素子アレイ或いは受光素子アレイと光導波路間で、基板垂直方向に光の接続が行われると同時に、光モジュールと光導波路配線基板間で電気的な接続が行われる。
As an example of a conventional optical module for an optical interconnect system, a configuration in which an optical module in which a light emitting element array, a light receiving element array, and an integrated circuit are integrated on an optical waveguide wiring board is mounted by solder balls is disclosed in
特許文献1に開示されている光モジュールの実装形態によれば、光モジュールには面発光レーザ(VCSEL)などの表面出射型発光素子や、表面入射型受光素子が実装される。すなわち、光信号がやりとりされる発光面あるいは受光面と、電気信号がやりとりされる電極が、光素子の同一面上に形成されているため、ワイヤボンド実装により光素子と光導波路間の空間的光学距離が増大することになる。これにより、空間部分での光のビーム拡がりによる光素子−光導波路間光接続損失の増大を引き起こすこととなる。特に受光部では、今後の光モジュール高速化(20Gbps/ch以上)に対して、受光素子の受光径が小さく(20μmφ以下)となるため、光のビーム拡がりによる光接続損失増大の影響が益々顕著となる。さらに、今後25Gbps/chや40Gbps/chの伝送速度高速化が進むにつれて、光源素子と面s発光レーザ(VCSEL)等に代表される直接変調方式の限界や、ワイヤボンド実装におけるインダクタンス(L)の影響による電気信号の劣化の影響も顕著となってくると予想される。
According to the mounting form of the optical module disclosed in
上記のことから、今後のボード内・間大容量・省電力信号伝達を低損失、低コストで実現するために、近年、光モジュールの高速・小型集積化が可能となる、Siフォトニクス技術を融合した集積光モジュールが注目されている。本技術では、Siの1チップ上に光素子や光学部品を集積することによって、部品点数・実装工程を大幅に削減できるとともに、チップスケールの光モジュール小型化が可能となる。また、上記Siを用いたチップスケールの光モジュールの実現課題としては、光素子と光導波路間で、基板垂直方向に光の接続を行うために、Siの基板平行方向に伝搬する光を垂直方向に光路変換するミラー構造の作製方法、および光導波路基板とSi光デバイスとを低損失な光結合構造がそれぞれ挙げられる。 Based on the above, in order to realize future high-capacity and power-saving signal transmission within and between boards with low loss and low cost, in recent years, integration of Si photonics technology has become possible, which enables high-speed and compact integration of optical modules. The integrated optical module is attracting attention. In the present technology, by integrating optical elements and optical components on one Si chip, the number of components and the mounting process can be greatly reduced, and a chip-scale optical module can be miniaturized. In addition, the realization problem of the chip-scale optical module using Si described above is that the light propagating in the substrate parallel direction of Si is perpendicular to connect the light between the optical element and the optical waveguide in the substrate vertical direction. And a method for producing a mirror structure that changes the optical path, and a low-loss optical coupling structure between the optical waveguide substrate and the Si optical device.
そこで、本発明の目的は、データ処理装置などの機器間又は機器内において、チップ間やボード間で送受信される高速光信号を伝送する際に、安価な作製手段で伝送速度高速化、小型・集積化、および部品実装性に優れるSi集積の光モジュールおよび、それを用いてボード上基板垂直方向の光素子と光導波路間でやりとりされる光信号の伝達を、低損失且つ高速に行う光電気混載ボードを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to increase the transmission speed with an inexpensive manufacturing means when transmitting a high-speed optical signal transmitted / received between chips or boards between devices such as a data processing apparatus or between devices. Si integrated optical module with excellent integration and component mountability, and optoelectricity that uses it to transmit optical signals exchanged between optical elements and optical waveguides in the direction perpendicular to the board on the board with low loss and high speed The purpose is to provide a mixed board.
上記目的を達するために、本願発明の光モジュールの主なものは、以下の通りである。 In order to achieve the above object, main ones of the optical module of the present invention are as follows.
Si基板上に載置されたレーザ光源素子と、該Si基板の主面に設けられ該レーザ光源素子から出射される光を導波するSi導波路と、Si導波路の光出射端からの光軸延長線上に、レーザ光源素子から放出される光の光路を変換する光路変換部とを具備し、光路変換部は、Si基板の主面に対して第1の傾斜角を有する第1のテーパ面と、該第1のテーパ面と対向する位置にSi基板の主面に対して第2の傾斜角を有する第2のテーパ面と、第1のテーパ面と第2のテーパ面とに狭持されたSi基板で構成された本体部とを有し、Si導波路から出射された光が、光路変換部の第1のテーパ面で屈折され、本体部を伝搬した後、第2のテーパ面で反射されることによって、レーザ光源素子、およびSi導波路と、Si基板外部との間でやりとりされる光信号が、光路変換部およびSi基板内部を介してSi基板の主面に対して垂直方向に光学的に接続されることを特徴とする。 A laser light source element mounted on the Si substrate, a Si waveguide provided on the main surface of the Si substrate for guiding light emitted from the laser light source element, and light from a light emitting end of the Si waveguide An optical path conversion unit that converts an optical path of light emitted from the laser light source element on the axial extension line, and the optical path conversion unit has a first taper having a first inclination angle with respect to the main surface of the Si substrate. A first taper surface, a second taper surface having a second inclination angle with respect to the main surface of the Si substrate at a position facing the first taper surface, and the first taper surface and the second taper surface. And a second taper after the light emitted from the Si waveguide is refracted by the first taper surface of the optical path converter and propagates through the main body. Reflected by the surface, the laser light source element and the Si waveguide are exchanged between the Si substrate and the outside. Optical signals Risa, characterized in that is optically connected to a direction perpendicular to the main surface of the Si substrate through the optical path changing unit and the Si substrate therein.
また、本願発明の光電気混載ボードの主なものは、以下の通りである。 The main components of the opto-electric hybrid board according to the present invention are as follows.
光配線基板上に上述した光モジュールが載置され、光配線基板は、クラッド層に囲まれて該クラッド層よりも屈折率の高い材料からなる配線コアから形成され、配線コアの端部に光路変換ミラー構造を具備する光導波路が設けられ、光モジュールに搭載されたレーザ光源素子と配線コアとの間でやりとりされる光信号が、光モジュールを構成するSi基板を介して該Si基板の主面に対して垂直方向に光学的に接続されることを特徴とする。 The above-described optical module is mounted on an optical wiring board, and the optical wiring board is formed of a wiring core made of a material having a higher refractive index than the cladding layer and surrounded by the cladding layer, and an optical path is formed at the end of the wiring core. An optical waveguide having a conversion mirror structure is provided, and an optical signal exchanged between the laser light source element mounted on the optical module and the wiring core is transmitted through the Si substrate constituting the optical module. Optically connected in a direction perpendicular to the surface.
本発明によれば、光素子と光導波路配線、および光路変換ミラー部がSiの1チップに集積された、小型・高速の光モジュールを得ることができる。また、本発明の光モジュールを、光導波路を設けたボード上に実装することにより、基板垂直方向の光素子と光導波路間でやりとりされる信号が、Si基板を介して高効率に光学接続された光電気混載ボードを提供できる。 According to the present invention, it is possible to obtain a small and high-speed optical module in which an optical element, an optical waveguide wiring, and an optical path conversion mirror portion are integrated on one Si chip. Further, by mounting the optical module of the present invention on a board provided with an optical waveguide, signals exchanged between the optical element in the vertical direction of the substrate and the optical waveguide are optically connected with high efficiency through the Si substrate. Can provide an opto-electric hybrid board.
以下に、図面を用いて、本発明の実施の形態を詳細に述べる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1Aおよび図1Bは、本発明の第一の実施例である光モジュールの概要を示す図である。図1Aの全体、および光路変換部の拡大断面図に示すように、本実施例では、Si材料でできた同一基板100上に、レーザ光源素子101を載置しているとともに、Si基板100上の基板水平方向に直接設けられたSi導波路102で構成されている。また、Si導波路102の光出射端からの光軸延長線上には、基板平行に対して傾斜角を有する第1のテーパ面106と、同第1のテーパ面106と対向する位置に基板平行に対して傾斜角を有する第2のテーパ面107がそれぞれ表面に露呈した光路変換部104が設けられている。なお、第1のテーパ面106と第2のテーパ面107とで挟まれてSi基板で構成された光路変換部104を、以下に便宜上、本体部と称することがある。
1A and 1B are diagrams showing an outline of an optical module according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1A as a whole and an enlarged cross-sectional view of the optical path conversion unit, in this embodiment, the laser
本構造によれば、レーザ光源素子101から出射され、Si導波路102内を伝搬後、一旦Si外部に出射された光は、光路変換部104の第1のテーパ面で外部(例えば空気)とSiとの屈折率差によって屈折された後、Si光路変換内部を伝搬する。さらに、同Si光路変換内部の伝搬光は、第2のテーパ面107にてSi(屈折率約3.5)と外部(例えば空気、屈折率1.0)との屈折率差によって基板垂直下方に反射された後、Si基板100内を通過し、基板外部に出射される。
According to this structure, the light emitted from the laser
上述のように、本構造によって、レーザ光源素子101と、Si基板100上に一体集積されたSi導波路102、光路変換部104をそれぞれSiの1チップに集積することで、光部品をSiウェハプロセスで一括に作製でき、安価且つチップスケールに小型化されるとともに、高密度で大容量の信号伝送を可能とする光モジュール108が実現可能である。
As described above, this structure integrates the laser
なお、Si基板100は、表面Si層の間に酸化膜103を埋め込んだ、Si−on−Insulator(SOI)構造を有する基板としてもよい。SOI基板を用いることで、埋め込み酸化膜103を低屈折率のクラッド層として構成できるため、図1Bのように、Si平面上の配線パタン形成によって、Siウェハプロセスにて容易に埋め込み酸化膜103上のSi層を光導波路102として用いることができる。
Note that the
また、光路変換部104の第1のテーパ面106および第2のテーパ面107は、Si(111)方位面が表面に露呈した構造としてもよい。Si(111)面は、所望の傾斜角度を保って、ダイシングするか、あるいはレーザ光を照射することにより、あるいはエッチングなどの薬品を用いた加工法によって、獲得することができる。エッチングの場合には、アルカリ性ウェットエッチング等の通常用いられるSiウェハプロセスによって容易に作製できる。また同時に、方位面の基板平行面に対する傾斜角が約54.7度で決められるため、作製ばらつきが無く、高精度にテーパ面を作製可能である。勿論、54.7度の必然性は問わないが、Si光導波路102からの出射光を基板垂直下方向に光路変換するために、第1のテーパ面106および第2のテーパ面107は、基板平行面に対しておよそ50〜60度の傾斜角で構成されている事が望ましい。
Further, the
さらに、Si半導体基板100上に載置されるレーザ光源素子101は、インジウム燐(InP)などの化合物半導体材料を用いた基板上に作製されたレーザ素子を用い、その発振波長はSiでの光吸収の問題を回避するため980nm以上の赤外波長帯とするのが良い。
Further, the laser
図2A〜図2Fは、本発明の第二の実施例である光モジュールの、光路変換部の製造方法の一例を示す図である。 2A to 2F are diagrams illustrating an example of a method for manufacturing an optical path conversion unit of the optical module according to the second embodiment of the present invention.
図2Aに示すような、Si基板100とSi薄膜層202間に埋め込み酸化膜103を挿入したSOI基板の表面に、図2Bに示すように、酸化膜200を形成した後、任意の箇所の酸化膜200、Si薄膜層202、および埋め込み酸化膜103をエッチング等により溝部203を形成する。
As shown in FIG. 2B, an
次に図2Cのように、溝部203にSiを再成長などによって埋め込んだ構造とする。Si埋め込み層201の厚みは、最表面酸化膜200部分の高さと同程度で良いが、Si薄膜層202部分の高さよりは高い位置まで埋め込まれていた方が望ましい。
Next, as shown in FIG. 2C, a structure is formed in which Si is buried in the
次に図2Dのように、Si埋め込み層201上の任意の箇所に、フォトリソグラフィなどによってエッチングマスクパターンを形成した後、アルカリ性のエッチング液等を用いて異方性のウェットエッチングを実施し、Si(111)面が表面に露呈したテーパ面106、107を形成する。本手法で作製したSi(111)テーパ面は、実施例1で説明したように、方位面の基板平行面に対する傾斜角が約54.7度で決められる。ここで、図示はしていないが、Si薄膜層202および表面酸化膜200の表面上にフォトリソグラフィなどによってエッチングマスクパターンを形成した後、エッチングによって配線パタン形成することによって、Si導波路パタンを形成できる。
Next, as shown in FIG. 2D, an etching mask pattern is formed at an arbitrary position on the Si buried
次に図2Dのように、Si薄膜層202の末端部分のSi埋め込み層201を、エッチング等によって基板垂直方向に加工することによって、Si導波路102の端面部を設けるとともに、2つのテーパ面106、107を有する光路変換部104が形成される。なお、図2Eのように、Si導波路102上の表面酸化膜200は残しておいても良いし、図2Fに示すように、表面酸化膜200を除去しても良く、どちらも光モジュールの性能に大きく影響する事は無いと考えられる。
Next, as shown in FIG. 2D, the Si buried
本実施例で説明したようなプロセス工程によって、Si基板100上にSi導波路102、光路変換部104をそれぞれSiウェハプロセスで一括に作製でき、安価且つチップスケールに小型化された光モジュールが実現可能である。
Through the process steps as described in the present embodiment, the
図3は、本発明の第三の実施例である光モジュールの全体、および光路変換部の拡大断面図である。本実施例では、光路変換部104の第1および第2のテーパ面106、107の最上部104Aが、Si導波路102の光出射端部よりも高い位置に位置しているとともに、光路変換部104の第1および第2のテーパ面106、107の最下部104Bが、Si導波路102の光出射端部よりも低い位置に位置するように設けた構造としている。本構造とすることで、Si導波路102内を伝搬した光が、Si外部に出射された時に屈折率差によって拡がった場合においても、光路変換部104の第1のテーパ面106に効率良く当てることが出来るため、出射光が光路変換部104のテーパ面106外に放出した際の、過剰光損失を抑制可能である。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the entire optical module and the optical path conversion unit according to the third embodiment of the present invention. In the present embodiment, the
図4は、本発明の第四の実施例である光モジュールの全体、および光路変換部の拡大断面図である。本実施例では、Si導波路102の光出射端と、光路変換部104の間の光路に、空気(1.0)よりも大きく、Si(約3.5)よりも小さい屈折率を有する媒体400を挿入している。同中間屈折率を有する媒体400は、具体的には、使用する光の波長(980nm以上)に対して高い透過率(約80%以上)を有し、屈折率が1.4乃至1.5である誘電体酸化膜や樹脂などが望ましい。実施例2で説明したように、光路変換部104の第1および第2のテーパ面106、107を異方性エッチングによってSi(111)方位面が露呈するように作製すると、基板平行面に対するテーパ面の傾斜角が約54.7度となる。Siの屈折率を3.5とすると、同傾斜角で第1テーパ面106での屈折角および第2テーパ面107でのSi内部反射角を算出すると、同中間屈折率を有する媒体400の屈折率が1.4乃至1.5の場合に、第2テーパ面107で反射した後の光がSi基板100のほぼ垂直下方向に光路変換される。また、1.4乃至1.5の屈折率を有する媒体400は、通常の半導体デバイスに用いられる誘電体酸化膜や樹脂などの材料であり、容易に適用できる。さらに、様々な屈折率を有する媒体400の材料を選択することによって、第1テーパ面106での屈折角を変化させることができる。すなわち、媒体400の屈折率によって、光信号105の光路変換角度を任意に調整可能である。
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the entire optical module and the optical path conversion unit according to the fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, the medium having a refractive index larger than air (1.0) and smaller than Si (about 3.5) in the optical path between the light exit end of the
図5は、本発明の第五の実施例である光モジュールの上面斜視図である。本実施例では、2ch以上(本例では4ch)のレーザ光源素子アレイ500と、Si導波路102アレイがSi基板100上に載置されている。また、Si導波路102アレイの各導波路の光出射端からの光軸延長線上には、基板平行に対して傾斜角を有する第1のテーパ面106と、同第1のテーパ面106と対向する位置に基板平行に対して傾斜角を有する第2のテーパ面107がそれぞれ表面に露呈したSi光路変換部104が設けられている。
FIG. 5 is a top perspective view of an optical module according to a fifth embodiment of the present invention. In this embodiment, the laser light
本構成によって、部品点数と実装工程数を増やすことなく、さらにはチップスケールの小型化を保ちつつ、光モジュールの大容量化が可能である。 With this configuration, it is possible to increase the capacity of the optical module without increasing the number of components and the number of mounting steps, and while keeping the chip scale downsized.
図6は、本発明の第六の実施例である光モジュールの上面斜視図である。本実施例では、実施例5の構造と比較して、Si導波路102アレイの各隣接チャンネルに対して、Si光路変換部104A〜104Dが、Si基板100の平面上でそれぞれ交互に千鳥配置した構成としている。
FIG. 6 is a top perspective view of an optical module according to the sixth embodiment of the present invention. In this embodiment, compared to the structure of the fifth embodiment, Si optical
本構成とすることで、実施例5で説明した構造と比べて、Si導波路102アレイからの出射光の各チャンネル間における光のクロストークを回避しつつ、チャンネル間ピッチを小さくできるため、光モジュールの更なる小型、高密度化が可能となる。また、各Si光路変換部104A〜104Dはフォトリソグラフィとエッチング等によって一括にパタン形成可能であるため、部品点数と実装工程数を増やすことなく、Si基板100平面上の任意の位置に対して容易に形成できる。
Compared with the structure described in the fifth embodiment, this configuration can reduce the pitch between channels while avoiding the light crosstalk between the channels of the light emitted from the
図7は、本発明の第七の実施例である光モジュールの全体、および光路変換部の拡大断面図である。本実施例では、レーザ光源素子101と、Si基板100に直接設けられたSi導波路102、および第1の光路変換部104Aが形成されたSiの同一基板100上に、基板平行に対して傾斜角を有するテーパ面701が表面に露呈した第2の光路変換部104B、および受光素子部700を設けている。
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the entire optical module and the optical path conversion unit according to the seventh embodiment of the present invention. In the present embodiment, the laser
本構成では、Si基板100の外部からSi基板の垂直方向に入射された光105Bが、Si基板100内部を伝搬した後、第2の光路変換部104Bのテーパ面701にて、Si(屈折率約3.5)と外部(例えば空気、屈折率1.0)との屈折率差によって反射された後、Si基板100表面に設けた受光素子部700と光学的に接続される。
In this configuration, after the light 105B incident from the outside of the
なお、第2の光路変換部104Bのテーパ面701は、第1の光路変換部104Aと同様に、実施例2で説明したSiウェハプロセス手法を用いて簡易且つ高精度に作製可能である。また、Si半導体基板100上に形成する受光素子部700は、受光部に980nm以上の赤外波長帯に吸収感度を有し、Siのウェハプロセスにて作製可能なゲルマニウム(Ge)材料を用いるのが望ましい。
The
本構成によって、レーザ光源素子101と、Si基板100上に一体集積されたSi導波路102、光路変換部104A,104B、さらには受光素子部700をそれぞれSiの1チップに集積することで、光部品をSiウェハプロセスで一括に作製でき、安価且つチップスケールに小型化されるとともに、高密度で大容量の信号伝送可能な送受信機能を有する光モジュール108が実現できる。
With this configuration, the laser
図8は、本発明の第八の実施例である光モジュールが実装された光電気混載ボードの断面図である。本実施例では、図80のように、ガラスエポキシなどの基板803上に、クラッド層800に囲まれてクラッド層よりも屈折率の高い材料でできた配線コア801から形成された光導波路配線ボードを設けている。また、配線コア801の端部には光路変換ミラー802を載置している。
FIG. 8 is a cross-sectional view of an opto-electric hybrid board on which an optical module according to an eighth embodiment of the present invention is mounted. In this embodiment, as shown in FIG. 80, an optical waveguide wiring board formed from a
本構成では、レーザ光源素子101から出射され、Si導波路102内を伝搬後、一旦Si外部に出射された光は、光路変換部104によって屈折および基板垂直下方に反射された後、Si基板100内を通過し、基板外部に出射される。さらに、同出射光105は、光導波路配線ボード内に設けられた光路変換ミラー802で基板水平方向に折り曲げられ、配線コア801と光学的に接続されるとともに、コア内を伝搬する。
In this configuration, the light emitted from the laser
なお、配線コア801や光路変換ミラー802はポリマ材料を用いて形成することで、フィルムラミネートやフォトリソグラフィ等のプリント配線基板で一般に用いられる工法を使って、簡易且つ安価に作製できる。
本構成のように、レーザ光源素子101と、Si基板100上に一体集積されたSi導波路102、光路変換部104をそれぞれSiの1チップに集積した光モジュールを、光路変換ミラー構造を具備する光導波路を設けた基板上に実装することにより、光素子と光導波路間でやりとりされる信号が、Si基板を介して高効率に光学接続された高速且つ大容量の光電気混載ボードを実現できる。
Note that the
As in this configuration, an optical module in which the laser
図9は、本発明の第九の実施例である光モジュールの上面斜視図である。本実施例では、Si基板100に設けられたSi光導波路102を、光出射端近傍でテーパ形状900とすることで、光導波路幅を変化させた構成としている。
FIG. 9 is a top perspective view of an optical module according to the ninth embodiment of the present invention. In this embodiment, the Si
本構成によって、Si光導波路102の光出射端近傍の断面積を変えることによって、Si光導波路102の出射ビーム径を調整することができる。すなわち、本構成によって、実施例8で説明したような、配線コア径が約50μm角と大きいマルチモードの光導波路配線ボードと、本光モジュールとを光学接続する場合において、Si光導波路102とマルチモードの光導波路配線のコア径や開口数(numerical aperture, NA)の違いよって生じる、モードミスマッチによる光結合損失の増大を抑制することができる。
With this configuration, the diameter of the outgoing beam of the Si
なお、Si光導波路102の光出射端近傍の断面積は、徐々に小さくしても良いし、反対に大きくしても良く、どちらの場合においてもビーム径を変化することが可能である。
The cross-sectional area in the vicinity of the light emitting end of the Si
100…Si基板、
101…レーザ光源素子、
102…Si光導波路、
103…埋め込み酸化膜、
104、104A、104B、104C、104D…Si光路変換部、
105、105A、105B…光信号
106、107、701…テーパ面、
108…光モジュール、
109…半田、
200…酸化膜、
201…Si再成長層、
202…Si薄膜層、
203…溝部、
400…Siと空気との中間屈折率媒体、
500…レーザ光源素子アレイ、
700…受光素子部、
800…クラッド層、
801…コア層、
802…光路変換ミラー、
803…基板、
804…薄膜層。
100 ... Si substrate,
101 ... Laser light source element,
102 ... Si optical waveguide,
103 ... buried oxide film,
104, 104A, 104B, 104C, 104D ... Si optical path conversion unit,
105, 105A, 105B ...
108: optical module,
109 ... Solder,
200: oxide film,
201 ... Si regrowth layer,
202 ... Si thin film layer,
203 ... groove,
400: Intermediate refractive index medium of Si and air,
500 ... Laser light source element array,
700... Light receiving element portion,
800 ... cladding layer,
801 ... core layer,
802 ... Optical path conversion mirror,
803 ... a substrate,
804: A thin film layer.
Claims (13)
該Si基板の主面に設けられ該レーザ光源素子から出射される光を導波するSi導波路と、
前記Si導波路の光出射端からの光軸延長線上に、前記レーザ光源素子から放出される光の光路を変換する光路変換部とを具備し、
前記光路変換部は、前記Si基板の主面に対して第1の傾斜角を有する第1のテーパ面と、該第1のテーパ面と対向する位置に前記Si基板の主面に対して第2の傾斜角を有する第2のテーパ面と、前記第1のテーパ面と前記第2のテーパ面とに狭持された前記Si基板で構成された本体部とを有し、
前記Si導波路から出射された光が、前記光路変換部の第1のテーパ面で屈折され、前記本体部を伝搬した後、前記第2のテーパ面で反射されることによって、前記レーザ光源素子、および前記Si導波路と、前記Si基板外部との間でやりとりされる光信号が、前記光路変換部および前記Si基板内部を介して前記Si基板の主面に対して垂直方向に光学的に接続されることを特徴とする光モジュール。 A laser light source element mounted on a Si substrate;
A Si waveguide that is provided on the main surface of the Si substrate and guides light emitted from the laser light source element;
An optical path conversion unit that converts an optical path of light emitted from the laser light source element on an optical axis extension line from a light emitting end of the Si waveguide;
The optical path conversion unit includes a first tapered surface having a first inclination angle with respect to the main surface of the Si substrate, and a first taper surface with respect to the main surface of the Si substrate at a position facing the first tapered surface. A second taper surface having an inclination angle of 2, and a main body portion formed of the Si substrate sandwiched between the first taper surface and the second taper surface,
The light emitted from the Si waveguide is refracted by the first taper surface of the optical path conversion unit, propagates through the main body, and then is reflected by the second taper surface, whereby the laser light source element And an optical signal exchanged between the Si waveguide and the outside of the Si substrate is optically perpendicular to the main surface of the Si substrate via the optical path converter and the inside of the Si substrate. An optical module that is connected.
前記複数のSi導波路のそれぞれがアレイ状に載置され、
前記光路変換部は、前記本体部が一体で構成され、前記複数のSi導波路のそれぞれから出射された光を屈折する第1のテーパ面と、前記本体部を伝搬した該光を反射する第2のテーパ面とを有することを特徴とする請求項2に記載の光モジュール。 A laser light source element having a plurality of channels, a plurality of Si waveguides provided corresponding to the respective channels, and an optical path conversion unit for converting an optical path of light emitted from the plurality of Si waveguides ,
Each of the plurality of Si waveguides is placed in an array,
The optical path conversion unit is configured such that the main body unit is integrated, a first taper surface that refracts light emitted from each of the plurality of Si waveguides, and a first taper surface that reflects the light propagated through the main body unit. The optical module according to claim 2, wherein the optical module has two tapered surfaces.
前記Si基板の外部から該Si基板の垂直方向に入射された光が、Si基板内部を伝搬した後、前記別の光路変換部に入射した光が前記第3のテーパ面で反射された後、前記受光素子部と光学的に接続されるように、前記別の光路変換部と前記受光素子部がそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。 On the Si substrate, another optical path conversion unit and a light receiving element unit having a third tapered surface having a third inclination angle with respect to the main surface of the Si substrate are provided,
After light incident in the vertical direction of the Si substrate from the outside of the Si substrate propagates inside the Si substrate, light incident on the other optical path changing unit is reflected by the third tapered surface, 2. The optical module according to claim 1, wherein the another optical path conversion unit and the light receiving element unit are respectively arranged so as to be optically connected to the light receiving element unit.
前記光配線基板は、クラッド層に囲まれて該クラッド層よりも屈折率の高い材料からなる配線コアから形成され、前記配線コアの端部に光路変換ミラー構造を具備する光導波路が設けられ、
前記光モジュールに搭載されたレーザ光源素子と前記配線コアとの間でやりとりされる光信号が、前記光モジュールを構成するSi基板を介して該Si基板の主面に対して垂直方向に光学的に接続されることを特徴とする光電気混載ボード。 The optical module according to claim 2 is placed on an optical wiring board,
The optical wiring board is formed of a wiring core made of a material having a higher refractive index than the cladding layer surrounded by a cladding layer, and an optical waveguide having an optical path conversion mirror structure is provided at an end of the wiring core,
An optical signal exchanged between the laser light source element mounted on the optical module and the wiring core is optically perpendicular to the main surface of the Si substrate via the Si substrate constituting the optical module. An opto-electric hybrid board that is connected to
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