光電気混載回路実装基板、光電気変換モジュール、伝送装置及びスイッチモジュール
【課題】 従来の平面配置型光導波路を用いた波長合分波器では、サイズが大きくなるため、波長多重伝送方式を用いた光配線構造において、高密度光配線が困難であった。
【解決手段】 波長多重伝送方式をベースにした光配線において、積層配置方向性結合光導波路を用いた波長合分波器を用いることで、高密度に集積可能な波長合分波器を用いた光配線構造を提供する。
【解決手段】 波長多重伝送方式をベースにした光配線において、積層配置方向性結合光導波路を用いた波長合分波器を用いることで、高密度に集積可能な波長合分波器を用いた光配線構造を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号伝送装置及び信号処理装置内における大容量信号処理を可能にする光電気混載回路実装基板とそれを用いたモジュールや装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、サーバやルータ等の情報処理容量の飛躍的な増加に伴い、電気インターコネクトの高速化に限界が見え始めており、その打開策として、光インターコネクト技術の導入が検討されている。光インターコネクト技術に関しては、光回路実装技術の小型化、低コスト化技術の開発、光デバイス、部品の低コスト化が進み、実用化に近づいて来ている。
【０００３】
インターコネクトは接続（伝送）する距離によって筐体間、カード間（バックプレーン）、チップ間の３つに分けられる。いずれも従来は電気伝送が用いられてきたが、インターコネクトに要求される伝送速度が増すにつれて、伝送距離の長いノード間から光伝送技術が導入され始めてきた。電気伝送は速度が上がるほど伝送距離が短くなり、消費電力も増大する。電気インターコネクトは低誘電率基板の適用やプリエンファシスならびにイコライザーの付加回路によって、これまで伝送速度の適用範囲の拡大を図ってきたが、これら技術を用いても、バックプレーン伝送に相当する伝送速度：１０ Ｇｂｐｓ、 伝送距離：１ ｍ辺りが電気伝送の限界となっており、電気と光の境界線が見えてきている（非特許文献１）。
基幹ルータや大規模サーバの装置内のボード間を接続するバックプレーンの伝送容量は２００８年ころに１Ｔｂｐｓを超え、今後大容量化（１．５倍/年）が予想される。２０１４年には、２０Ｇｂｐｓを超える伝送技術が必要であり、電気バックプレーンの帯域制約が深刻になる。このバックプレーンの帯域ボトルネックを解消する手段として、すでに述べたとおり、光伝送技術の導入が期待されている。光は非干渉性（一方、電気は干渉性）であるため、伝送線路間隔を狭ピッチ化しても線路間相互作用が原因として生ずる雑音ならびにクロストークは発生しない。さらに、光の反射、損失に関しても、周波数依存性がなく、制御が容易である。このように、高周波伝送路の光化は、従来の電気伝送路に比べて、大容量伝送の可能性を秘めており、光配線技術に関する開発が盛んになってきている。
【０００４】
これまで、開発が進められている光配線方式として、大きく分けて、光信号の送受信器を別々にする方式と一体にする方式に分けられる。送受信器を別々にする方式では、発光素子とその駆動電子回路が別々に搭載された送信器と受光素子と信号増幅電子回路が別々に搭載された受信器からなり、その間を光ファイバで接続されている。送受信器一体方式では、発光素子と受光素子、駆動電子回路と信号増幅電子回路が積層構造で同一基板上に搭載されており、光信号の入出力は、光ファイバのみまたは光ファイバと光導波路を組合せた光配線で行われる。送受信器一体方式は、小型化が図れるため、高密度搭載が可能で、大容量信号処理に適している。さらに、送受信器一体方式では、光入出力を光ファイバのみで行う方法と、光ファイバと光導波路を組合せた光配線で行う方法がある。送受信器一体方式で、光ファイバと光導波路を組合せた光配線を用いた場合は、光電子変換部分における光配線密度を上げることが可能で、大容量信号処理に適している。
【０００５】
これまで述べた光配線方式では一本の光ファイバ、一本の光導波路に一波長の信号を伝送し、光ファイバと光導波路の伝送路を複数用いることで伝送容量を増加させる、いわゆる並列信号伝送方式を基本としている。そこで、高密度配線を実現し、伝送容量の増大を図るため、送信器と受信器との一体化、光素子と電子回路の同一基板上搭載、光導波路を用いることによる高密度配線などが採用されている（特許文献１参照）。しかし、本方式のように、空間的な高密度化を基本とした伝送容量の増大には物理的な限界がある。たとえば、光電子変換部分の光導波路の高密度化が図れても、実際は光ファイバと光導波路との接続のための光コネクターのサイズ（または光ファイバの太さ）で伝送線路の本数が制限される。そこで、一本の光ファイバに複数の波長の信号を伝送する多重伝送方式を採用することで、光ファイバの本数を増やすことなく、伝送容量をさらに増大する方式が考えられる（波長多重伝送方式）。この方式では、光ファイバを伝送してきた複数の波長の光信号を、光電子変換部へ入力前に、波長合分波フィルタで分波し、光信号から電気信号への変換を行う。また、電気信号から光信号へ変換された信号を、光ファイバへ入力する前に、波長合分波フィルタで合波する。ここで用いる波長合分波器として、基板への集積化に適している光導波路を用いた方向性結合器型波長合分波器（非特許文献２参照）、またはアレイ光導波路グレーティング型波長合分波器（特許文献２参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−００３２５号公報
【特許文献２】特開平１１−２６６２０７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】小倉：“光インターコネクト用光送受信器の最新技術”、０ ｐｌｕｓ Ｅ、ｐ.１４０ （２００７）．
【非特許文献２】岡本勝就著：「光導波路の基礎」 ４．２章 ｐ.１３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
波長多重伝送方式をベースにした光配線において用いる波長合分波器として、基板への集積化に適している光導波路を用いた方向性結合器型波長合分波器、またはアレイ光導波路グレーティング型波長合分波器が考えられる。従来の方向性結合器型波長合分波器は、基本的に面内に水平方向に並んだ光導波路間の光モード結合を利用することで、波長合分波を行う。このため、合分波する波長数が増えるにつれ、光導波路の数が増え、従って合分波器の面積は増大する。一方、アレイ光導波路グレーティング型波長合分波器は、合分波する波長数によって、そのサイズの増加は少ないが、合分波する波長の分解能を上げるため、面内に水平方向に配置された複数の光導波路からなるグレーティング導波路部と光を空間的に拡げるまたは集光するために必要な比較的大きなスラブ導波路から構成されるため、大型となる。以上より、これら従来の平面配置型方向性結合光導波路を用いた波長合分波器では、サイズが大きくなるため、面内の高密度配線が困難となる。
【０００９】
本発明の目的は、高密度に集積可能な波長合分波器を用いた光配線構造を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、波長多重伝送方式をベースにした光配線において、積層配置方向性結合光導波路を用いた波長合分波器を用いる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高密度配線を有する波長多重光配線構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１に係る、積層配置方向性結合光導波路を用いた波長合分波器を有する光電気混載回路実装基板の断面図である。
【図２】実施例１に係る、積層配置方向性結合光導波路の作製方法を説明した図である。
【図３】実施例１に係る、積層配置方向性結合光導波路を用いた波長合分波器の動作原理（２波長多重の場合）を説明した図である。
【図４】実施例２に係る、平面配置と積層配置を併用した方向性結合光導波路を用いた波長合分波器の斜視図（３波長多重の場合）である。
【図５】実施例３に係る、光路変換ミラーを含む光コネクターと実施例１記載の光電気混載回路実装基板から構成される光電気変換モジュールの断面図である。
【図６】実施例４に係る、９０度曲げ光ファイバを含む光コネクターと実施例１記載の光電気混載回路実装基板から構成される光電気変換モジュールの断面図である。
【図７】実施例５に係る、実施例３，４で記載した光電気変換モジュールを用いて構成されることを特徴とする波長多重光伝送方式を用いた伝送装置の斜視図である。
【図８】実施例６に係る、実施例３、４記載で記載した光電気変換モジュール用いたスイッチ素子の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
これまで述べたように、波長多重伝送方式をベースにした光配線において用いる波長合分波器として、基板への集積化に適している光導波路を用いた方向性結合器型波長合分波器、またはアレイ光導波路グレーティング型波長合分波器が考えられる。しかし、これら従来型波長合分波器は、複数の光導波路を面内に水平に配置した構造を用いているため、面積が大きくなり、高密度配線が困難になる可能性がある。そこで、本発明では、波長合分波器として、積層配置方向性結合光導波路を用いた波長合分波器を提案する。本波長合分波器では、上下（積層）に配置した光導波路間の光モード結合を利用する。有機材料を用いた光導波路では、層に平行な方向に対して、積層された光導波路間の距離を空間的に変化させることが比較的容易にできる。この積層配置方向性結合光導波路を用いた波長合分波器を用いることにより、高密度な波長多重伝送方式を用いた光配線構造を提供できる。
以下実施例により詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
本実施例では、基板と、該基板上に積層された、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コアから形成された光導波路層が複数積層して構成される積層配置方向性結合器型波長合分波器と、該各光導波路の出力端に設けられた光導波方向に対して垂直方向に光路変換するミラーと、前記複数積層された光導波路層の最上層の上面の前記ミラーに対応する位置に搭載された発光素子ならびに受光素子と、前記複数積層された光導波路層の最上層の上面に形成された電気配線パターンとより構成されることを特徴とする光電気混載回路実装基板の実施例について、図１を用いて説明する。
【００１５】
本実施例における光電気混載回路実装基板は、電気配線パターン１０、１１を有するプリント基板１、低屈折率材料で形成された光導波路のクラッド層２と高屈折率材料で形成された光導波路のコア層３と各光導波路端に形成されたミラー８とからなる積層配置方向性結合光導波路を用いた送信部側に配置された波長合波器４、低屈折率材料で形成された光導波路のクラッド層５と高屈折率材料で形成された光導波路のコア層６と各光導波路端に形成されたミラー９とからなる積層配置方向性結合光導波路を用いた受信部側に配置された波長分波器７、電気コネクター１２、１３、積層基板間の電気配線のための配線ビア１４、１５、光素子アレイと光導波路間距離の調整のためのスペーサー層１６、１７、波長λ1の光信号を出力する発光素子アレイ１８、波長λ2の光信号を出力する発光素子アレイ１９、波長λ1の光信号を受光する受光素子アレイ２０、波長λ2の光信号を受光する受光素子アレイ２１、インターポーザ層２２、インターポーザ層上に配置された駆動電子回路とインターポーザ層下に配置された発光素子アレイを電気的に接続するための配線ビア２３、インターポーザ層上に配置された信号増幅電子回路とインターポーザ層下に配置された受光素子アレイを電気的に接続するための配線ビア２４、インターポーザ上に形成された電気配線パターン２５、２６、半田２７で配線パターン２８に接続することでインターポーザ上に搭載された、駆動電子回路、信号増幅電子回路とその他信号処理用電子回路を含む電子回路２９から構成される。本実施例では、２波長（λ１、λ２）の波長合波器を用いたが、方向性結合光導波路を増やすことで、３波長以上の波長合波器も実現可能である。
【００１６】
次に、波長合分波器の基本的な作製方法について２波長合分波器を例にとり、図２を用いて説明する。初めに、基板３０上に、低屈折率有機材料を用いて光導波路のクラッド層３１を形成する（図２（ａ））。次に、さらにクラッド層３１と同じ低屈折率有機材料を用いて光導波路のクラッド層３２を形成し、レジスト３３をパターニングする（図２（ｂ））。その後、クラッド層３２をテーパ状にエッチングし、レジストを除去し（図２（ｃ））、高屈折率有機材料を用いて光導波路の第１コア層３４を形成する（図２（ｄ）；以降、クラッド層３１、３２をまとめて３３と表示）。さらに、第１コア層３４上に、低屈折率有機材料を用いてクラッド層３５を形成し、表面の平坦化を行う（図２（ｅ））。最後に、高屈折率有機材料を用いて第２コア層３６、さらに低屈折率有機材料を用いてクラッド層３７を形成する。
【００１７】
上記方法で作製された波長合分波器の基本動作について図３を用いて説明する。上部光導波路である光導波路１に波長λ１と波長λ２の光信号を入力する。光導波路１と光導波路２は、各々の光導波路の光伝搬定数が波長λ２で一致するよう設計されているため（図３（ｂ））、波長λ２の光信号は光導波路２に結合し伝搬する。波長λ２の信号が光導波路１から光導波路２へ１００%結合するために必要な光の伝搬距離は、光導波路１と光導波路２間の距離に比例する。従って、光導波路１と光導波路２間の距離を近くすればするほど、波長λ2の光信号が光導波路２へ１００%結合するために必要な伝搬距離は短くなる。光導波路２へ１００%結合した後、光導波路１と光導波路２間の距離を広げることで、波長λ２の光信号が光導波路１へ戻るに必要な伝搬距離を長くし、波長λ２の光信号が光素子と結合するまで、光導波路１へ戻らないようにする。波長λ１での光導波路１、２の伝搬定数が異なることから、波長λ１の光信号は、光導波路２に結合することはない（図３（ｂ））。
【００１８】
本実施例で用いた波長合分波器を構成する光導波路は、単一光導波路モードのみが存在するシングルモード光導波路または、複数の光導波路モードが存在するマルチモード光導波路のどちらでもよい。発光素子に関しては、面発光素子または、面発光素子と同様に、素子層構造に対して垂直方向に光出射可能なミラーとレンズが集積化された端面発光素子のどちらでもよい。
【実施例２】
【００１９】
方向性結合光導波路からなる波長合分波器が、積層配置光導波路ならびに平面配置光導波路から構成されることを特徴とする光電気混載回路実装基板の実施例について、図４を用いて説明する。実施例１では、光電気混載回路実装基板において、積層配置方向性結合光導波路を用いた波長合波器について説明した。この場合、波長数が増加するにつれ、積層された光導波路の数も増え、作製工程が増えるなどの懸念がある。そこで、積層光導波路に加えて、平面配置された光導波路も利用した波長合分波器を提案する。図４に、積層光導波路に加えて、平面配置された光導波路も利用した３波長の波長合分波器を示す。本波長合分波器は、基板３８上に形成されたクラッド層３９、第１コア層４０からなる光導波路１、第２コア層４１からなる光導波路２、第３コア層４２からなる光導波路３から構成される。光導波路２に入力された波長λ１、λ２、λ３は、本波長合分波器出力端で、光導波路１から波長λ1、光導波路２から波長λ２、光導波路３から波長λ３が出力される（波長合波器として使う場合は、この逆の過程）。実施例１で説明した光電気混載回路実装基板に本波長合分波器を用いることで、より多くの波長数を多重した伝送が可能となる。
【実施例３】
【００２０】
複数の光ファイバからなるリボン光ファイバと、光導波方向に対して垂直方向に光路変換するミラーと、該光路変換した光を前記基板に形成された光導波路に集光するレンズアレイから構成される光コネクターと、実施例１記載の光電気混載回路実装基板と、前記光発光素子駆動電子回路と、前記光受光素子からの電気信号を増幅する電子回路から構成されることを特徴とする光電気変換モジュールの実施例について、図５を用いて説明する。本電気変換モジュールは、実施例１記載の光電気混載回路実装基板と、波長合分波器４で合波された光信号の光路を光導波方向に対して垂直方向に変換するミラー４３、レンズアレイ４４、ミラー４５と複数の光ファイバからなるリボン光ファイバ４６から構成される光コネクター４７、複数の光ファイバからなるリボン光ファイバ５１とミラー５０から構成される光コネクター５２、レンズアレイ４９、光コネクター５２を通して入力された光信号を波長合分波器７の上部の光導波路に結合させるために必要な光路変換のためのミラー４８から構成される。ここで、光ファイバ４７、５１は、マルチモードファイバでもシングルモードファイバでもよい。また、波長合分波器は、実施例２で述べた積層配置ならびに平面配置を併用した方向性結合光導波路を用いた波長合分波器でもよい。
【実施例４】
【００２１】
光コネクター内で９０度に曲げられた複数の光ファイバからなるリボン光ファイバと該光路変換した光を前記基板に形成された光導波路に集光するレンズアレイから構成される光コネクターと、実施例１記載の光電気混載回路実装基板と、前記光発光素子駆動電子回路と、前記光受光素子からの電気信号を増幅する電子回路から構成されることを特徴とする光電気変換モジュールの実施例について、図６を用いて説明する。本光電気変換モジュールは、実施例１記載の光電気混載回路実装基板と、波長合分波器４で合波された光信号の光路を光導波方向に対して垂直方向に変換するミラー５３、レンズアレイ５４、９０度に曲げられた複数の光ファイバからなるリボン光ファイバ５５を含む光コネクター５６、９０度に曲げられた複数の光ファイバからなるリボン光ファイバ５９を含む光コネクター６０、レンズアレイ５８、光コネクター６０を通して入力された光信号を波長合分波器７の上部の光導波路に結合させるために必要な光路変換のためのミラー５７から構成される。ここで、光ファイバ５５、５９は、マルチモードファイバでもシングルモードファイバでもよい。また、波長合分波器は、実施例２で述べた積層配置ならびに平面配置を併用した方向性結合光導波路を用いた波長合分波器でもよい。
【実施例５】
【００２２】
外部から入力された光信号を処理する第１の光信号処理部を搭載したラインカードと、前記ラインカードから光配線を介して伝送された光信号を処理する第２の光信号処理部を有するスイッチカードと、前記ラインカードと前記スイッチカードとを光学的に接続する光配線で構成されたバックプレーンとを有する伝送装置であって、実施例３，４で記載した光電気変換モジュールを用いて構成されることを特徴とする波長多重光伝送方式を用いた伝送装置の実施例について、図７を用いて説明する。本伝送装置は、複数のラインカード６６とスイッチカード７３とそれらカード間を接続するバックプレーン光ファイバ６８、バックプレーン６７から構成される。ラインカード６６には、バックプレーンコネクター６１、電源コネクター６２、実施例３，４で記載した光電気変換モジュール６３、電子回路６４、インターフェースカード６５が搭載されている。スイッチカード７３には、バックプレーンコネクター６９、電源コネクター７０、実施例３，４で記載した光電気変換モジュール７１、電子回路７２が搭載されている。
【実施例６】
【００２３】
電気信号を空間スイッチするための電子集積回路と、電気信号を光信号へ、または光信号を電気信号へ変換する実施例３、４記載で記載した光電気変換モジュールと、光電気変換モジュールからの光信号を光コネクターに接続するための光導波路と、伝送装置間の光配線用光ファイバを接続する該光コネクターと、より構成されるスイッチモジュールの実施例について、図８を用いて説明する。本スイッチ素子は、光ファイバ７４、光コネクター７５、光導波路７６、実施例３，４記載で記載した光電気変換モジュール７７、スイッチＬＳＩ７８から構成される。
【符号の説明】
【００２４】
１…プリント基板
２…クラッド層
３…コア層
４…波長合波器
５…クラッド層
６…コア層
７…波長分波器
８…ミラー
９…ミラー
１０…電気配線パターン
１１…電気配線パターン
１２…電気コネクター
１３…電気コネクター
１４…配線ビア
１５…配線ビア
１６…スペーサー層
１７…スペーサー層
１８…発光素子アレイ
１９…発光素子アレイ
２０…受光素子アレイ
２１…受光素子アレイ
２２…インターポーザ層
２３…配線ビア
２４…配線ビア
２５…電気配線パターン
２６…電気配線パターン
２７…半田バンプ
２８…配線パターン
２９…電子回路
３０…基板
３１…クラッド層
３２…クラッド層
３３…レジスト
３４…第１コア層
３５…クラッド層
３６…第２コア層
３７…クラッド層
３８…基板
３９…第１コア層
４１…第２コア層
４２…第３コア層
４３…ミラー
４４…レンズアレイ
４５…ミラー
４６…リボン光ファイバ
４７…光コネクター
４８…ミラー
４９…レンズアレイ
５０…ミラー
５１…リボン光ファイバ
５２…光コネクター
５３…ミラー
５４…レンズアレイ
５５…９０度曲げリボン光ファイバ
５６…光コネクター
５７…ミラー
５８…レンズアレイ
５９…９０度曲リボン光ファイバ
６０…光コネクター
６１…バックプレーンコネクター
６２…電源コネクター
６３…光電気変換モジュール
６４…電子回路
６５…インターフェースカード
６６…ラインカード
６７…バックプレーン
６８…バックプレーン光ファイバ
６９…バックプレーンコネクター
７０…電源コネクター
７１…光電気変換モジュール
７２…電子回路
７３…スイッチカード
７４…光ファイバ
７５…光コネクター
７６…光導波路
７７…光電気変換モジュール
７８…スイッチＬＳＩ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号伝送装置及び信号処理装置内における大容量信号処理を可能にする光電気混載回路実装基板とそれを用いたモジュールや装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、サーバやルータ等の情報処理容量の飛躍的な増加に伴い、電気インターコネクトの高速化に限界が見え始めており、その打開策として、光インターコネクト技術の導入が検討されている。光インターコネクト技術に関しては、光回路実装技術の小型化、低コスト化技術の開発、光デバイス、部品の低コスト化が進み、実用化に近づいて来ている。
【０００３】
インターコネクトは接続（伝送）する距離によって筐体間、カード間（バックプレーン）、チップ間の３つに分けられる。いずれも従来は電気伝送が用いられてきたが、インターコネクトに要求される伝送速度が増すにつれて、伝送距離の長いノード間から光伝送技術が導入され始めてきた。電気伝送は速度が上がるほど伝送距離が短くなり、消費電力も増大する。電気インターコネクトは低誘電率基板の適用やプリエンファシスならびにイコライザーの付加回路によって、これまで伝送速度の適用範囲の拡大を図ってきたが、これら技術を用いても、バックプレーン伝送に相当する伝送速度：１０ Ｇｂｐｓ、 伝送距離：１ ｍ辺りが電気伝送の限界となっており、電気と光の境界線が見えてきている（非特許文献１）。
基幹ルータや大規模サーバの装置内のボード間を接続するバックプレーンの伝送容量は２００８年ころに１Ｔｂｐｓを超え、今後大容量化（１．５倍/年）が予想される。２０１４年には、２０Ｇｂｐｓを超える伝送技術が必要であり、電気バックプレーンの帯域制約が深刻になる。このバックプレーンの帯域ボトルネックを解消する手段として、すでに述べたとおり、光伝送技術の導入が期待されている。光は非干渉性（一方、電気は干渉性）であるため、伝送線路間隔を狭ピッチ化しても線路間相互作用が原因として生ずる雑音ならびにクロストークは発生しない。さらに、光の反射、損失に関しても、周波数依存性がなく、制御が容易である。このように、高周波伝送路の光化は、従来の電気伝送路に比べて、大容量伝送の可能性を秘めており、光配線技術に関する開発が盛んになってきている。
【０００４】
これまで、開発が進められている光配線方式として、大きく分けて、光信号の送受信器を別々にする方式と一体にする方式に分けられる。送受信器を別々にする方式では、発光素子とその駆動電子回路が別々に搭載された送信器と受光素子と信号増幅電子回路が別々に搭載された受信器からなり、その間を光ファイバで接続されている。送受信器一体方式では、発光素子と受光素子、駆動電子回路と信号増幅電子回路が積層構造で同一基板上に搭載されており、光信号の入出力は、光ファイバのみまたは光ファイバと光導波路を組合せた光配線で行われる。送受信器一体方式は、小型化が図れるため、高密度搭載が可能で、大容量信号処理に適している。さらに、送受信器一体方式では、光入出力を光ファイバのみで行う方法と、光ファイバと光導波路を組合せた光配線で行う方法がある。送受信器一体方式で、光ファイバと光導波路を組合せた光配線を用いた場合は、光電子変換部分における光配線密度を上げることが可能で、大容量信号処理に適している。
【０００５】
これまで述べた光配線方式では一本の光ファイバ、一本の光導波路に一波長の信号を伝送し、光ファイバと光導波路の伝送路を複数用いることで伝送容量を増加させる、いわゆる並列信号伝送方式を基本としている。そこで、高密度配線を実現し、伝送容量の増大を図るため、送信器と受信器との一体化、光素子と電子回路の同一基板上搭載、光導波路を用いることによる高密度配線などが採用されている（特許文献１参照）。しかし、本方式のように、空間的な高密度化を基本とした伝送容量の増大には物理的な限界がある。たとえば、光電子変換部分の光導波路の高密度化が図れても、実際は光ファイバと光導波路との接続のための光コネクターのサイズ（または光ファイバの太さ）で伝送線路の本数が制限される。そこで、一本の光ファイバに複数の波長の信号を伝送する多重伝送方式を採用することで、光ファイバの本数を増やすことなく、伝送容量をさらに増大する方式が考えられる（波長多重伝送方式）。この方式では、光ファイバを伝送してきた複数の波長の光信号を、光電子変換部へ入力前に、波長合分波フィルタで分波し、光信号から電気信号への変換を行う。また、電気信号から光信号へ変換された信号を、光ファイバへ入力する前に、波長合分波フィルタで合波する。ここで用いる波長合分波器として、基板への集積化に適している光導波路を用いた方向性結合器型波長合分波器（非特許文献２参照）、またはアレイ光導波路グレーティング型波長合分波器（特許文献２参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−００３２５号公報
【特許文献２】特開平１１−２６６２０７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】小倉：“光インターコネクト用光送受信器の最新技術”、０ ｐｌｕｓ Ｅ、ｐ.１４０ （２００７）．
【非特許文献２】岡本勝就著：「光導波路の基礎」 ４．２章 ｐ.１３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
波長多重伝送方式をベースにした光配線において用いる波長合分波器として、基板への集積化に適している光導波路を用いた方向性結合器型波長合分波器、またはアレイ光導波路グレーティング型波長合分波器が考えられる。従来の方向性結合器型波長合分波器は、基本的に面内に水平方向に並んだ光導波路間の光モード結合を利用することで、波長合分波を行う。このため、合分波する波長数が増えるにつれ、光導波路の数が増え、従って合分波器の面積は増大する。一方、アレイ光導波路グレーティング型波長合分波器は、合分波する波長数によって、そのサイズの増加は少ないが、合分波する波長の分解能を上げるため、面内に水平方向に配置された複数の光導波路からなるグレーティング導波路部と光を空間的に拡げるまたは集光するために必要な比較的大きなスラブ導波路から構成されるため、大型となる。以上より、これら従来の平面配置型方向性結合光導波路を用いた波長合分波器では、サイズが大きくなるため、面内の高密度配線が困難となる。
【０００９】
本発明の目的は、高密度に集積可能な波長合分波器を用いた光配線構造を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、波長多重伝送方式をベースにした光配線において、積層配置方向性結合光導波路を用いた波長合分波器を用いる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高密度配線を有する波長多重光配線構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１に係る、積層配置方向性結合光導波路を用いた波長合分波器を有する光電気混載回路実装基板の断面図である。
【図２】実施例１に係る、積層配置方向性結合光導波路の作製方法を説明した図である。
【図３】実施例１に係る、積層配置方向性結合光導波路を用いた波長合分波器の動作原理（２波長多重の場合）を説明した図である。
【図４】実施例２に係る、平面配置と積層配置を併用した方向性結合光導波路を用いた波長合分波器の斜視図（３波長多重の場合）である。
【図５】実施例３に係る、光路変換ミラーを含む光コネクターと実施例１記載の光電気混載回路実装基板から構成される光電気変換モジュールの断面図である。
【図６】実施例４に係る、９０度曲げ光ファイバを含む光コネクターと実施例１記載の光電気混載回路実装基板から構成される光電気変換モジュールの断面図である。
【図７】実施例５に係る、実施例３，４で記載した光電気変換モジュールを用いて構成されることを特徴とする波長多重光伝送方式を用いた伝送装置の斜視図である。
【図８】実施例６に係る、実施例３、４記載で記載した光電気変換モジュール用いたスイッチ素子の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
これまで述べたように、波長多重伝送方式をベースにした光配線において用いる波長合分波器として、基板への集積化に適している光導波路を用いた方向性結合器型波長合分波器、またはアレイ光導波路グレーティング型波長合分波器が考えられる。しかし、これら従来型波長合分波器は、複数の光導波路を面内に水平に配置した構造を用いているため、面積が大きくなり、高密度配線が困難になる可能性がある。そこで、本発明では、波長合分波器として、積層配置方向性結合光導波路を用いた波長合分波器を提案する。本波長合分波器では、上下（積層）に配置した光導波路間の光モード結合を利用する。有機材料を用いた光導波路では、層に平行な方向に対して、積層された光導波路間の距離を空間的に変化させることが比較的容易にできる。この積層配置方向性結合光導波路を用いた波長合分波器を用いることにより、高密度な波長多重伝送方式を用いた光配線構造を提供できる。
以下実施例により詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
本実施例では、基板と、該基板上に積層された、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コアから形成された光導波路層が複数積層して構成される積層配置方向性結合器型波長合分波器と、該各光導波路の出力端に設けられた光導波方向に対して垂直方向に光路変換するミラーと、前記複数積層された光導波路層の最上層の上面の前記ミラーに対応する位置に搭載された発光素子ならびに受光素子と、前記複数積層された光導波路層の最上層の上面に形成された電気配線パターンとより構成されることを特徴とする光電気混載回路実装基板の実施例について、図１を用いて説明する。
【００１５】
本実施例における光電気混載回路実装基板は、電気配線パターン１０、１１を有するプリント基板１、低屈折率材料で形成された光導波路のクラッド層２と高屈折率材料で形成された光導波路のコア層３と各光導波路端に形成されたミラー８とからなる積層配置方向性結合光導波路を用いた送信部側に配置された波長合波器４、低屈折率材料で形成された光導波路のクラッド層５と高屈折率材料で形成された光導波路のコア層６と各光導波路端に形成されたミラー９とからなる積層配置方向性結合光導波路を用いた受信部側に配置された波長分波器７、電気コネクター１２、１３、積層基板間の電気配線のための配線ビア１４、１５、光素子アレイと光導波路間距離の調整のためのスペーサー層１６、１７、波長λ1の光信号を出力する発光素子アレイ１８、波長λ2の光信号を出力する発光素子アレイ１９、波長λ1の光信号を受光する受光素子アレイ２０、波長λ2の光信号を受光する受光素子アレイ２１、インターポーザ層２２、インターポーザ層上に配置された駆動電子回路とインターポーザ層下に配置された発光素子アレイを電気的に接続するための配線ビア２３、インターポーザ層上に配置された信号増幅電子回路とインターポーザ層下に配置された受光素子アレイを電気的に接続するための配線ビア２４、インターポーザ上に形成された電気配線パターン２５、２６、半田２７で配線パターン２８に接続することでインターポーザ上に搭載された、駆動電子回路、信号増幅電子回路とその他信号処理用電子回路を含む電子回路２９から構成される。本実施例では、２波長（λ１、λ２）の波長合波器を用いたが、方向性結合光導波路を増やすことで、３波長以上の波長合波器も実現可能である。
【００１６】
次に、波長合分波器の基本的な作製方法について２波長合分波器を例にとり、図２を用いて説明する。初めに、基板３０上に、低屈折率有機材料を用いて光導波路のクラッド層３１を形成する（図２（ａ））。次に、さらにクラッド層３１と同じ低屈折率有機材料を用いて光導波路のクラッド層３２を形成し、レジスト３３をパターニングする（図２（ｂ））。その後、クラッド層３２をテーパ状にエッチングし、レジストを除去し（図２（ｃ））、高屈折率有機材料を用いて光導波路の第１コア層３４を形成する（図２（ｄ）；以降、クラッド層３１、３２をまとめて３３と表示）。さらに、第１コア層３４上に、低屈折率有機材料を用いてクラッド層３５を形成し、表面の平坦化を行う（図２（ｅ））。最後に、高屈折率有機材料を用いて第２コア層３６、さらに低屈折率有機材料を用いてクラッド層３７を形成する。
【００１７】
上記方法で作製された波長合分波器の基本動作について図３を用いて説明する。上部光導波路である光導波路１に波長λ１と波長λ２の光信号を入力する。光導波路１と光導波路２は、各々の光導波路の光伝搬定数が波長λ２で一致するよう設計されているため（図３（ｂ））、波長λ２の光信号は光導波路２に結合し伝搬する。波長λ２の信号が光導波路１から光導波路２へ１００%結合するために必要な光の伝搬距離は、光導波路１と光導波路２間の距離に比例する。従って、光導波路１と光導波路２間の距離を近くすればするほど、波長λ2の光信号が光導波路２へ１００%結合するために必要な伝搬距離は短くなる。光導波路２へ１００%結合した後、光導波路１と光導波路２間の距離を広げることで、波長λ２の光信号が光導波路１へ戻るに必要な伝搬距離を長くし、波長λ２の光信号が光素子と結合するまで、光導波路１へ戻らないようにする。波長λ１での光導波路１、２の伝搬定数が異なることから、波長λ１の光信号は、光導波路２に結合することはない（図３（ｂ））。
【００１８】
本実施例で用いた波長合分波器を構成する光導波路は、単一光導波路モードのみが存在するシングルモード光導波路または、複数の光導波路モードが存在するマルチモード光導波路のどちらでもよい。発光素子に関しては、面発光素子または、面発光素子と同様に、素子層構造に対して垂直方向に光出射可能なミラーとレンズが集積化された端面発光素子のどちらでもよい。
【実施例２】
【００１９】
方向性結合光導波路からなる波長合分波器が、積層配置光導波路ならびに平面配置光導波路から構成されることを特徴とする光電気混載回路実装基板の実施例について、図４を用いて説明する。実施例１では、光電気混載回路実装基板において、積層配置方向性結合光導波路を用いた波長合波器について説明した。この場合、波長数が増加するにつれ、積層された光導波路の数も増え、作製工程が増えるなどの懸念がある。そこで、積層光導波路に加えて、平面配置された光導波路も利用した波長合分波器を提案する。図４に、積層光導波路に加えて、平面配置された光導波路も利用した３波長の波長合分波器を示す。本波長合分波器は、基板３８上に形成されたクラッド層３９、第１コア層４０からなる光導波路１、第２コア層４１からなる光導波路２、第３コア層４２からなる光導波路３から構成される。光導波路２に入力された波長λ１、λ２、λ３は、本波長合分波器出力端で、光導波路１から波長λ1、光導波路２から波長λ２、光導波路３から波長λ３が出力される（波長合波器として使う場合は、この逆の過程）。実施例１で説明した光電気混載回路実装基板に本波長合分波器を用いることで、より多くの波長数を多重した伝送が可能となる。
【実施例３】
【００２０】
複数の光ファイバからなるリボン光ファイバと、光導波方向に対して垂直方向に光路変換するミラーと、該光路変換した光を前記基板に形成された光導波路に集光するレンズアレイから構成される光コネクターと、実施例１記載の光電気混載回路実装基板と、前記光発光素子駆動電子回路と、前記光受光素子からの電気信号を増幅する電子回路から構成されることを特徴とする光電気変換モジュールの実施例について、図５を用いて説明する。本電気変換モジュールは、実施例１記載の光電気混載回路実装基板と、波長合分波器４で合波された光信号の光路を光導波方向に対して垂直方向に変換するミラー４３、レンズアレイ４４、ミラー４５と複数の光ファイバからなるリボン光ファイバ４６から構成される光コネクター４７、複数の光ファイバからなるリボン光ファイバ５１とミラー５０から構成される光コネクター５２、レンズアレイ４９、光コネクター５２を通して入力された光信号を波長合分波器７の上部の光導波路に結合させるために必要な光路変換のためのミラー４８から構成される。ここで、光ファイバ４７、５１は、マルチモードファイバでもシングルモードファイバでもよい。また、波長合分波器は、実施例２で述べた積層配置ならびに平面配置を併用した方向性結合光導波路を用いた波長合分波器でもよい。
【実施例４】
【００２１】
光コネクター内で９０度に曲げられた複数の光ファイバからなるリボン光ファイバと該光路変換した光を前記基板に形成された光導波路に集光するレンズアレイから構成される光コネクターと、実施例１記載の光電気混載回路実装基板と、前記光発光素子駆動電子回路と、前記光受光素子からの電気信号を増幅する電子回路から構成されることを特徴とする光電気変換モジュールの実施例について、図６を用いて説明する。本光電気変換モジュールは、実施例１記載の光電気混載回路実装基板と、波長合分波器４で合波された光信号の光路を光導波方向に対して垂直方向に変換するミラー５３、レンズアレイ５４、９０度に曲げられた複数の光ファイバからなるリボン光ファイバ５５を含む光コネクター５６、９０度に曲げられた複数の光ファイバからなるリボン光ファイバ５９を含む光コネクター６０、レンズアレイ５８、光コネクター６０を通して入力された光信号を波長合分波器７の上部の光導波路に結合させるために必要な光路変換のためのミラー５７から構成される。ここで、光ファイバ５５、５９は、マルチモードファイバでもシングルモードファイバでもよい。また、波長合分波器は、実施例２で述べた積層配置ならびに平面配置を併用した方向性結合光導波路を用いた波長合分波器でもよい。
【実施例５】
【００２２】
外部から入力された光信号を処理する第１の光信号処理部を搭載したラインカードと、前記ラインカードから光配線を介して伝送された光信号を処理する第２の光信号処理部を有するスイッチカードと、前記ラインカードと前記スイッチカードとを光学的に接続する光配線で構成されたバックプレーンとを有する伝送装置であって、実施例３，４で記載した光電気変換モジュールを用いて構成されることを特徴とする波長多重光伝送方式を用いた伝送装置の実施例について、図７を用いて説明する。本伝送装置は、複数のラインカード６６とスイッチカード７３とそれらカード間を接続するバックプレーン光ファイバ６８、バックプレーン６７から構成される。ラインカード６６には、バックプレーンコネクター６１、電源コネクター６２、実施例３，４で記載した光電気変換モジュール６３、電子回路６４、インターフェースカード６５が搭載されている。スイッチカード７３には、バックプレーンコネクター６９、電源コネクター７０、実施例３，４で記載した光電気変換モジュール７１、電子回路７２が搭載されている。
【実施例６】
【００２３】
電気信号を空間スイッチするための電子集積回路と、電気信号を光信号へ、または光信号を電気信号へ変換する実施例３、４記載で記載した光電気変換モジュールと、光電気変換モジュールからの光信号を光コネクターに接続するための光導波路と、伝送装置間の光配線用光ファイバを接続する該光コネクターと、より構成されるスイッチモジュールの実施例について、図８を用いて説明する。本スイッチ素子は、光ファイバ７４、光コネクター７５、光導波路７６、実施例３，４記載で記載した光電気変換モジュール７７、スイッチＬＳＩ７８から構成される。
【符号の説明】
【００２４】
１…プリント基板
２…クラッド層
３…コア層
４…波長合波器
５…クラッド層
６…コア層
７…波長分波器
８…ミラー
９…ミラー
１０…電気配線パターン
１１…電気配線パターン
１２…電気コネクター
１３…電気コネクター
１４…配線ビア
１５…配線ビア
１６…スペーサー層
１７…スペーサー層
１８…発光素子アレイ
１９…発光素子アレイ
２０…受光素子アレイ
２１…受光素子アレイ
２２…インターポーザ層
２３…配線ビア
２４…配線ビア
２５…電気配線パターン
２６…電気配線パターン
２７…半田バンプ
２８…配線パターン
２９…電子回路
３０…基板
３１…クラッド層
３２…クラッド層
３３…レジスト
３４…第１コア層
３５…クラッド層
３６…第２コア層
３７…クラッド層
３８…基板
３９…第１コア層
４１…第２コア層
４２…第３コア層
４３…ミラー
４４…レンズアレイ
４５…ミラー
４６…リボン光ファイバ
４７…光コネクター
４８…ミラー
４９…レンズアレイ
５０…ミラー
５１…リボン光ファイバ
５２…光コネクター
５３…ミラー
５４…レンズアレイ
５５…９０度曲げリボン光ファイバ
５６…光コネクター
５７…ミラー
５８…レンズアレイ
５９…９０度曲リボン光ファイバ
６０…光コネクター
６１…バックプレーンコネクター
６２…電源コネクター
６３…光電気変換モジュール
６４…電子回路
６５…インターフェースカード
６６…ラインカード
６７…バックプレーン
６８…バックプレーン光ファイバ
６９…バックプレーンコネクター
７０…電源コネクター
７１…光電気変換モジュール
７２…電子回路
７３…スイッチカード
７４…光ファイバ
７５…光コネクター
７６…光導波路
７７…光電気変換モジュール
７８…スイッチＬＳＩ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に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コアから形成された光導波路層が複数積層して構成される積層導波路で構成された方向性結合光導波路からなる波長合分波器と、
該各光導波路の出力端に設けられた光導波方向に対して垂直方向に光路変換するミラーと、
前記複数積層された光導波路層の最上層の上面の前記ミラーに対応する位置に搭載された複数の発光素子及び複数受光素子と、
前記複数積層された光導波路層の最上層の上面に形成された電気配線パターンとを有することを特徴とする光電気混載回路実装基板。
【請求項２】
前記方向性結合光導波路が、積層方向に配置された光導波路で構成されるか、平面方向に配置された光導波路で構成されることを特徴とする請求項１記載の光電気混載回路実装基板。
【請求項３】
前記光導波路は、単一光導波路モードのみが伝搬可能なシングルモード光導波路から構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の光電気混載回路実装基板。
【請求項４】
前記光導波路は、複数の光導波路モードが伝搬可能なマルチモード光導波路から構成される請求項１又は２記載の光電気混載回路実装基板。
【請求項５】
複数の光ファイバからなるリボン光ファイバと、
光導波方向に対して垂直方向に光路変換するミラーと、
該光路変換した光を前記基板に形成された光導波路に集光するレンズアレイから構成される光コネクターと、
請求項１記載の光電気混載回路実装基板と、
前記光発光素子を駆動する前記光発光素子駆動電子回路と、
前記光受光素子からの電気信号を増幅する電子回路から構成されることを特徴とする光電気変換モジュール。
【請求項６】
光コネクター内で９０度に曲げられた複数の光ファイバからなるリボン光ファイバと、
該光路変換した光を前記基板に形成された光導波路に集光するレンズアレイから構成される光コネクターと、
請求項１記載の光電気混載回路実装基板と、
前記発光素子を駆動する前記発光素子駆動電子回路と、
前記受光素子からの電気信号を増幅する電子回路から構成されることを特徴とする光電気変換モジュール。
【請求項７】
外部から入力された光信号を処理する第１の光信号処理部を搭載したラインカードと、
前記ラインカードから光配線を介して伝送された光信号を処理する第２の光信号処理部を有するスイッチカードと、
前記ラインカードと前記スイッチカードとを光学的に接続する光配線で構成されたバックプレーンとを有する伝送装置であって、
請求項５記載の光電気変換モジュール又は請求項６記載の光電気変換モジュールを用いて構成されることを特徴とする波長多重光伝送方式を用いた伝送装置。
【請求項８】
電気信号を空間スイッチするための電子集積回路と、
電気信号を光信号へ、または光信号を電気信号へ変換する請求項５記載の光電気変換モジュール又は請求項６記載の光電気変換モジュールと、
光電気変換モジュールからの光信号を光コネクターに接続するための光導波路と、
伝送装置間の光配線用光ファイバを接続する該光コネクターと、を有するスイッチモジュール。
【請求項１】
基板と、
該基板上に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コアから形成された光導波路層が複数積層して構成される積層導波路で構成された方向性結合光導波路からなる波長合分波器と、
該各光導波路の出力端に設けられた光導波方向に対して垂直方向に光路変換するミラーと、
前記複数積層された光導波路層の最上層の上面の前記ミラーに対応する位置に搭載された複数の発光素子及び複数受光素子と、
前記複数積層された光導波路層の最上層の上面に形成された電気配線パターンとを有することを特徴とする光電気混載回路実装基板。
【請求項２】
前記方向性結合光導波路が、積層方向に配置された光導波路で構成されるか、平面方向に配置された光導波路で構成されることを特徴とする請求項１記載の光電気混載回路実装基板。
【請求項３】
前記光導波路は、単一光導波路モードのみが伝搬可能なシングルモード光導波路から構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の光電気混載回路実装基板。
【請求項４】
前記光導波路は、複数の光導波路モードが伝搬可能なマルチモード光導波路から構成される請求項１又は２記載の光電気混載回路実装基板。
【請求項５】
複数の光ファイバからなるリボン光ファイバと、
光導波方向に対して垂直方向に光路変換するミラーと、
該光路変換した光を前記基板に形成された光導波路に集光するレンズアレイから構成される光コネクターと、
請求項１記載の光電気混載回路実装基板と、
前記光発光素子を駆動する前記光発光素子駆動電子回路と、
前記光受光素子からの電気信号を増幅する電子回路から構成されることを特徴とする光電気変換モジュール。
【請求項６】
光コネクター内で９０度に曲げられた複数の光ファイバからなるリボン光ファイバと、
該光路変換した光を前記基板に形成された光導波路に集光するレンズアレイから構成される光コネクターと、
請求項１記載の光電気混載回路実装基板と、
前記発光素子を駆動する前記発光素子駆動電子回路と、
前記受光素子からの電気信号を増幅する電子回路から構成されることを特徴とする光電気変換モジュール。
【請求項７】
外部から入力された光信号を処理する第１の光信号処理部を搭載したラインカードと、
前記ラインカードから光配線を介して伝送された光信号を処理する第２の光信号処理部を有するスイッチカードと、
前記ラインカードと前記スイッチカードとを光学的に接続する光配線で構成されたバックプレーンとを有する伝送装置であって、
請求項５記載の光電気変換モジュール又は請求項６記載の光電気変換モジュールを用いて構成されることを特徴とする波長多重光伝送方式を用いた伝送装置。
【請求項８】
電気信号を空間スイッチするための電子集積回路と、
電気信号を光信号へ、または光信号を電気信号へ変換する請求項５記載の光電気変換モジュール又は請求項６記載の光電気変換モジュールと、
光電気変換モジュールからの光信号を光コネクターに接続するための光導波路と、
伝送装置間の光配線用光ファイバを接続する該光コネクターと、を有するスイッチモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２５７６６０（Ｐ２０１１−２５７６６０Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３３４９２（Ｐ２０１０−１３３４９２）
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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