JP2009069501A - 光電子回路基板及び光伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気から光へ、あるいは光から電気への変換処理を伴った信号を簡単な構成により低損失で伝送することができる光電子回路基板及び光伝送装置を提供する。
【解決手段】第１の基板間光伝送モジュール１は、第１の光電子回路基板１１上に、コネクタ１２、論理ＩＣ１３、及び第１の光モジュール１４を実装して構成されている。第１の光電子回路基板１１の基板部内に積層される光層１１６には、端部にミラー１５３を有した光導波路１５の一端が設けられ、光導波路１５の他端にはＭＴコネクタ１６が取り付けられている。ミラー１５３は、基板部の開口１１８を通してＶＣＳＥＬアレイ１４３Ａの光出射面に対向し、光導波路１５のコア１５１との間に光路を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光電子回路基板及び光伝送装置に関する。

一般に、電子機器は複数の装置から構成される場合が多い。例えば複写機は、画像入力装置と画像出力装置から成り、画像入力装置から入力された画像データはエレキケーブルを介して画像出力装置に送られ、紙等の表示媒体に印刷される。

近年、電子機器の高性能化に伴い、装置間の伝送容量が増大している。従来のパラレル伝送方式で大容量化に対応する為には、チャンネル数の増加や同期クロックの高速化が考えられる。しかし、配線長の違いやタイミングマージンの減少によるチャンネル間スキューによってエラーが発生しやすくなる。そこで、上記の問題を解決する為にデータ信号を１本の伝送路で送るシリアル伝送方式が注目されている。

しかしながら、シリアル伝送では伝送速度が上昇するため、従来のエレキケーブルでは信号品質を維持した状態で信号伝送を実現することが困難になっている。このような問題に対応する手段として、広帯域な信号伝送が可能な光信号の使用が検討されている。

一方で装置内信号伝送においても、例えば、非特許文献１に示すように、両端に光路変換面を有する光導波路が内蔵されたプリント配線板を有し、サブマウントの下面に発光素子が実装され、上面にドライバが実装された発光側光デバイスを、発光素子が一方の光路変換面の直上に位置するように半田ボールによってプリント配線板上に電気的に接続し、サブマウントの下面に受光素子が実装され、上面にレシーバが実装された受光側光デバイスを、受光素子が他方の光路変換面の直上に位置するように半田ボールによってプリント配線板上に電気的に接続した構造が知られている。
エレクトロニクス実装学会誌Ｖｏｌ．８ Ｎｏ．１（２００５）、ｐ２９〜３２

本発明の目的は、電気から光へ、あるいは光から電気への変換処理を伴った信号を簡単な構成により低損失で伝送することができる光電子回路基板及び光伝送装置を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の光電子回路基板及び光伝送装置を提供する。

［１］絶縁層と、前記絶縁層に積層される透光性材料からなる光層と、前記絶縁層との層間及び表面に設けられる電気配線層とを有し、前記光層は、前記絶縁層に設けられる開口を介して入出力される光を前記光層と平行な方向に伝搬させて前記絶縁層との積層構造の外部に取り出す光導波路を含むことを特徴とする光電子回路基板。

［２］前記光導波路は、前記開口が設けられる位置に前記光の光路変換を行うミラーを有する前記［１］に記載の光電子回路基板。

［３］前記光導波路は、前記光層と前記絶縁層との積層構造の端面から露出した部分にコネクタを有する前記［２］に記載の光電子回路基板。

［４］前記光導波路は、前記光層と前記絶縁層との積層構造の端面に一体的にコネクタが設けられている前記［２］に記載の光電子回路基板。

［５］発光素子および受光素子からなる光素子を基板上に搭載する光モジュールと、
絶縁層と、前記絶縁層に積層される透光性材料からなる光層と、前記絶縁層の層間及び表面に設けられる電気配線層とを有し、前記光層は、前記絶縁層に設けられる開口を介して入出力される光を前記光層と平行な方向に伝搬させて前記絶縁層との積層構造の外部に取り出す光導波路を含み、表面の前記絶縁層に設けられる前記電気配線層に前記光モジュールが電気的に接続される第１の光電子回路基板と、
前記絶縁層との積層構造の外部に取り出された前記光導波路に接続される光伝送媒体と、
前記光伝送媒体を介して接続され、絶縁層と、前記絶縁層に積層される透光性材料からなる光層と、前記絶縁層の層間及び表面に設けられる電気配線層とを有し、前記光層は、前記絶縁層に設けられる開口を介して入出力される光を前記光層と平行な方向に伝搬させて前記絶縁層との積層構造の外部に取り出す光導波路を含み、表面の前記絶縁層に設けられる前記電気配線層に前記光モジュールが電気的に接続される第２の光電子回路基板とを有することを特徴とする光伝送装置。

請求項１の光電子回路基板によれば、電気から光へ、あるいは光から電気への変換処理を伴った信号を電気配線構造と積層された光伝送構造により容易かつ低損失で基板外へ伝送することができる。

請求項２の光電子回路基板によれば、絶縁層に搭載した光素子と光導波路との光結合を容易に行うことができる。

請求項３の光電子回路基板によれば、光層に連続した光導波路を設けることができ、電気配線構造を利用しながら光損失の少ないものとできる。

請求項４の光電子回路基板によれば、光層に連続した光導波路を設けることができ、電気配線構造を利用しながらコンパクトで光損失の少ないものとできる。

請求項５の光伝送装置によれば、電気配線構造と積層により一体化された光伝送構造を用いて基板間の高速な光伝送を実現することができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光伝送装置を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線の断面図である。なお、図２においては、基板部分の層構造を明瞭にするため、各層の厚みを大きくして図示している。

（光伝送装置の構成）
光伝送装置１００は、例えば、画像形成装置において、本体ユニットと、画像処理ユニット、スキャナユニット、画像形成ユニット等（いずれも図示せず）を接続する伝送線路の内、電気から光へ，光から電気への変換を必要とする経路に設けられるものである。

この光伝送装置１００は、電気信号を光電変換して光信号として出力する光送信部と、光を電気信号に電光変換して電気信号として出力する光受信部とを有する第１の基板間光伝送モジュール１と、第１の基板間光伝送モジュール１に接続された光伝送媒体としての光ファイバーリボン２と、光ファイバーリボン２に接続されて電気信号を光に変換して出力する光送信部と、光を電気信号に変換して出力する光受信部とを有する第２の基板間光伝送モジュール３とを備えて構成されている。

光ファイバーリボン２は、４チャンネル分の４本の光ファイバー（図示せず）が一体化された帯状の光伝送媒体である。

（第１の基板間光伝送モジュール１の構成）
第１の基板間光伝送モジュール１は、配線パターン１１ａ，１１ｂ、一端が第１の光電子回路基板１１内に介在して第１の光モジュール１４に光結合された光導波路１５、及び光導波路１５の他端に取り付けられるとともに光ファイバーリボン２の一端が接続されるＭＴ（mechanically transferable）コネクタ１６を有した第１の光電子回路基板１１と、第１の光電子回路基板１１の片面（表面）に設けられてメタルケーブル等が接続されるコネクタ１２と、第１の光電子回路基板１１に実装されるとともにコネクタ１２に配線パターン１１ａを介して接続された論理ＩＣ１３と、第１の光電子回路基板１１に実装されるとともに配線パターン１１ｂを介して論理ＩＣ１３に接続されて電気から光へ，光から電気への変換を行う第１の光モジュール１４とを備えて構成されている。

第１の光電子回路基板１１は、図２に示すように、下面に複数の電極パッド１１１ａを有する絶縁層１１１と、絶縁層１１１上に設けられた配線層１１２と、配線層１１２上に設けられた絶縁層１１３と、絶縁層１１３に設けられた配線層１１４と、配線層１１４上に設けられた絶縁層１１５と、絶縁層１１５上に設けられた光層１１６と、光層１１６上に設けられた絶縁層１１７と、絶縁層１１７上に設けられた上記配線パターン１１ａ，１１ｂとを備えて構成されている。ここで、絶縁層１１１，１１３，１１５，１１７、配線層１１２，１１４、及び光層１１６により、基板部が構成されている。

絶縁層１１１，１１３，１１５，１１７は、エポキシ系樹脂等からなり、絶縁層１１７は、第１の光モジュール１４の発光素子搭載部に面した部分に、開口１１８が設けられている。なお、この開口１１８は、光導波路１５及び光ファイバーリボン２を伝送される光の波長において透光性を示す透光性樹脂材料で埋められていてもよい。

光層１１６は、光導波路１５のクラッドと屈折率が等しい透光性材料によって形成されており、絶縁層１１１，１１３，１１５，１１７および配線層１１２，１１４と同一サイズで形成されて基板部に積層されている。また、光層１１６と同一の層に設けられる光導波路１５は、開口１１８が設けられる部分にコア１５１への光結合部が位置するようにミラー１５３が設けられている。

論理ＩＣ１３は、コネクタ１２を介して取り込んだ画像データ（電気信号）に対し、必要に応じて、カラー→白黒、ＣＭＹＫ→ＲＧＢ、標準→拡大／縮小等の画像処理を実行する機能を備えている。

第１の光モジュール１４は、図２に示すように、論理ＩＣ１３からのパラレルの信号を高速なシリアル信号に変換する信号変換用ＩＣ１４１と、信号変換用ＩＣ１４１の出力信号に基づいて駆動用信号を生成する駆動用ＩＣ１４２Ａと、駆動用ＩＣ１４２Ａからの駆動用信号により変調光を発光する光素子であるＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直共振型面発光レーザ）アレイ１４３Ａと、光導波路１５からの光を電流として出力する光素子であるＰＤ（フォトダイオード）アレイ１４３Ｂと、ＰＤアレイ１４３Ｂの出力を電流から電圧に変換して電気信号を生成する増幅用ＩＣ１４２Ｂと、信号変換用ＩＣ１４１、駆動用ＩＣ１４２Ａ、及び増幅用ＩＣ１４２Ｂが表面に実装され、裏面にＶＣＳＥＬアレイ１４３Ａ、ＰＤアレイ１４３Ｂ、及びはんだボール１４４ａが実装された基板１４４とを備えて構成されている。ＶＣＳＥＬアレイ１４３Ａのｐ側電極は、ボンディングワイヤ１４５によって基板１４４の裏面に設けられた配線パターンに接続されており、ｎ側電極は、基板１４４の図示しない配線パターンに接続されている。なお、図２においてはＰＤアレイ１４３Ｂ及び増幅用ＩＣ１４２Ｂについて不図示としている。

ＶＣＳＥＬアレイ１４３Ａは、発光素子としてのチャンネル数分のＶＣＳＥＬからなり、各ＶＣＳＥＬは、例えば、裏面にｎ側電極を有するｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型下部反射鏡層、活性層、電流狭窄層、ｐ型上部反射鏡層、ｐ型コンタクト層、ｐ側電極（ｎ側電極は反対側の面に設けられている）を積層した層構造の発光部を備えて構成されている。

光導波路１５は、図２に示すように、コア１５１と、このコア１５１の周囲に設けられたクラッド１５２と、コア１５１の一端に４５度の傾斜面を有して形成されたミラー１５３からなる。ミラー１５３は、例えば、レーザビームの照射によってコア１５１に４５度の傾斜面を形成し、その表面にＡｕ膜等を電子ビーム蒸着した後、クラッド１５２と同等の樹脂材料でコア１５１の露出部分を埋めることにより形成される。この光導波路１５は、光層１１６と同一面を形成するように絶縁層１１５と絶縁層１１７との間に積層されている。

コア１５１は、例えば、フッ素化ポリイミド、シリコーン系、ポリカーボネート系、ＰＭＭＡ（メタクリル樹脂）系等の高分子材料からなる。また、クラッド１５２は、光層１１６と同じ材料からなり、コア１５１よりも屈折率が小さく、かつ光透過性等の光学的特性、機械的強度、耐熱性、可撓性等を備えたフィルム材を用いることができる。このフィルム材として、例えば、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、オレフィン系樹脂、塩化ビニル系樹脂等がある。

（第２の基板間光伝送モジュール３の構成）
第２の基板間光伝送モジュール３は、配線パターン３０ａ，３０ｂ、光ファイバーリボン２の他端が接続されるＭＴコネクタ３１、及び一端がＭＴコネクタ３１に接続されるとともに他端が第２の光電子回路基板３０内に介在している光導波路３２を有した第２の光電子回路基板３０と、光導波路３２からの光を電気信号に変換する第２の光モジュール３３と、配線パターン３０ａを介して第２の光モジュール３３に接続された論理ＩＣ３４と、配線パターン３０ｂに接続されるとともに他のユニットへデータを伝送するメタルケーブル等が接続されるコネクタ３５とを備えて構成されている。第２の光電子回路基板３０は、図２に示した第１の光電子回路基板１１と同様の層構造をなす基板部を有している。

光導波路３２は、図２に示した光導波路１５と同様に、コアと、このコアの周囲に設けられ、コアよりも屈折率の小さいクラッド（いずれも図示せず）からなる。

第２の光モジュール３３は、図２に示す第１の光モジュール１４と同様に形成されており、論理ＩＣ３４からのパラレルの信号を高速なシリアル信号に変換する信号変換用ＩＣ３３２と、信号変換用ＩＣ３３２の出力信号に基づいて駆動用信号を生成する駆動用ＩＣ３３１Ａと、駆動用ＩＣ３３１Ａからの駆動用信号により変調光を発光する光素子であるＶＣＳＥＬアレイ３３０Ａと、光導波路３２からの光を電流として出力する光素子であるＰＤアレイ３３０Ｂと、ＰＤアレイ３３０Ｂの出力を電流から電圧に変換して電気信号を生成する増幅用ＩＣ３３１Ｂと、信号変換用ＩＣ３３２、駆動用ＩＣ３３１Ａ、及び増幅用ＩＣ３３１Ｂが表面に実装され、裏面にＶＣＳＥＬアレイ３３０Ａ、ＰＤアレイ３３０Ｂ、及びはんだボール３３３ａが実装された基板３３３とを備えて構成されている。

光ＰＤアレイ３３０Ｂは、受光素子としての複数（チャンネル数と同数）のＰＤからなり、各ＰＤは、例えば、高速応答性に優れたＧａＡｓ系により構成されている。その層構造は、例えば、ＧａＡｓ基板上に、ＰＩＮ接合されたＰ層、Ｉ層及びＮ層と、Ｐ層に接続されたｐ側電極と、Ｎ層に形成されたｎ側電極とを備え、ｐ側電極は、開口を有し、開口の内側がレーザ光を受光する受光部となっている。

（光伝送装置の動作）
次に、光伝送装置１００の動作について説明する。以下に、第１の基板間光伝送モジュール１から第２の基板間光伝送モジュール３への光の伝送について説明する。

第１の基板間光伝送モジュール１のコネクタ１２に接続される図示しない信号線から、画像データがパラレル信号入力されると、この画像データは、論理ＩＣ１３に伝送される。論理ＩＣ１３は、入力された画像データに対し、必要に応じて上記した各種の画像処理を施した後、第１の光モジュール１４へ出力する。

第１の光モジュール１４は、まず、信号変換用ＩＣ１４１によって論理ＩＣ１３からのパラレル信号を高速なシリアル信号に変換し、変換されたシリアル信号を駆動用ＩＣ１４２Ａへ出力する。駆動用ＩＣ１４２Ａは、駆動用信号を生成し、これを図２に示すＶＣＳＥＬアレイ１４３Ａへ出力する。ＶＣＳＥＬアレイ１４３Ａは、駆動用ＩＣ１４２Ａからの駆動用信号に基づく変調光を発する。

ＶＣＳＥＬアレイ１４３Ａから出射された光は、図２に示すように、絶縁層１１７に設けられている開口１１８を通して光導波路１５のミラー１５３に入射して光路変換され、コア１５１へ入射する。コア１５１に入射した光は、光層１１６と同一面を形成するように設けられた光導波路１５のコア１５１内を伝搬して第１の光電子回路基板１１の外部に取り出され、光導波路１５の端部に設けられたＭＴコネクタ１６を経て光ファイバーリボン２に伝搬する。

光ファイバーリボン２を伝搬した光は、第２の基板間光伝送モジュール３へ到達し、ＭＴコネクタ３１、光導波路３２を介して第２の光電子回路基板３０に導入される。第２の光電子回路基板３０についても第１の光電子回路基板１１と同様に光層と同一面を形成するように光導波路３２が設けられていることにより、光導波路３２を伝搬した光はコア端面に設けられるミラーに入射して光路変換され、ＰＤアレイ３３０Ｂで受光される。ＰＤアレイ３３０Ｂは、光を電流の変化として出力し、これを入力とする増幅用ＩＣ３３１Ｂによって電圧信号に変換されるとともに、所定のレベルに増幅される。増幅用ＩＣ３３１Ｂの出力信号は、信号変換用ＩＣ３３２に出力され、パラレル信号の画像データに変換される。更に、パラレル信号の画像データに対し、必要に応じて論理ＩＣ３４による処理が施された後、コネクタ３５を経て図示しない信号線を介して他の機能部等へ送られる。

［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る光伝送装置を示す斜視図である。図４は、図１のＢ−Ｂ線の断面図である。なお、図４においては、基板部分の層構造を明瞭にするため、各層の厚みを大きくして図示している。

（光伝送装置の構成）
本実施の形態は、第１の実施の形態において説明したＭＴコネクタ１６，３１を基板１４４，３３３の側面に直接取り付けることによって光導波路１５，３２を短縮したものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

第１の基板間光伝送モジュール１における光導波路１５は、図４に示すように第１の光電子回路基板１１の基板部端面からの突出部長さをＭＴコネクタ１６，３１の長さと等しくし、ＭＴコネクタ端面と電子回路基板端面が接するように構成される。これによって基板部側面方向に光の入出力部をコンパクトに形成でき、光路変換部の設置数を低減することによる光損失の少ない構成が得られる。また、第２の基板間光伝送モジュール３における光導波路３２及びＭＴコネクタ３１についても同様に構成される。なお、ＭＴコネクタ１６，３１は、接着剤等により基板１４４，３３３の側面に接着固定することが望ましい。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、各実施の形態間の構成要素の組合せは任意に行うことができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光伝送装置を示す斜視図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線の断面図である。 図３は、本発明の第２の実施の形態に係る光伝送装置を示す斜視図である。 図４は、図３のＢ−Ｂ線の断面図である。

符号の説明

１ 第１の基板間光伝送モジュール
２ 光ファイバーリボン
３ 第２の基板間光伝送モジュール
１１ 第１の光電子回路基板
１１ａ，１１ｂ 配線パターン
１２ コネクタ
１３，３４ 論理ＩＣ
１４ 第１の光モジュール
１５，３２ 光導波路
１６，３１ ＭＴコネクタ
３０ 第２の光電子回路基板
３０ａ，３０ｂ 配線パターン
３３ 第２の光モジュール
３５ コネクタ
１００ 光伝送装置
１１１，１１３，１１５，１１７ 絶縁層
１１１ａ 電極パッド
１１２，１１４ 配線層
１１６ 光層
１１８ 開口
１４１ 信号変換用ＩＣ
１４２Ａ 駆動用ＩＣ
１４２Ｂ 増幅用ＩＣ
１４３Ａ ＶＣＳＥＬアレイ
１４３Ｂ ＰＤアレイ
１４４，３３３ 基板
１４４ａ，３３３ａ はんだボール
１４５ ボンディングワイヤ
１５１ コア
１５２ クラッド
１５３ ミラー
３３０Ａ ＶＣＳＥＬアレイ
３３０Ｂ ＰＤアレイ
３３１Ａ 駆動用ＩＣ
３３１Ｂ 増幅用ＩＣ
３３２ 信号変換用ＩＣ

Claims (5)

1. 絶縁層と、前記絶縁層に積層される透光性材料からなる光層と、前記絶縁層との層間及び表面に設けられる電気配線層とを有し、前記光層は、前記絶縁層に設けられる開口を介して入出力される光を前記光層と平行な方向に伝搬させて前記絶縁層との積層構造の外部に取り出す光導波路を含むことを特徴とする光電子回路基板。
2. 前記光導波路は、前記開口が設けられる位置に前記光の光路変換を行うミラーを有する請求項１に記載の光電子回路基板。
3. 前記光導波路は、前記光層と前記絶縁層との積層構造の端面から露出した部分にコネクタを有する請求項２に記載の光電子回路基板。
4. 前記光導波路は、前記光層と前記絶縁層との積層構造の端面に一体的にコネクタが設けられている請求項２に記載の光電子回路基板。
5. 発光素子および受光素子からなる光素子を基板上に搭載する光モジュールと、
   絶縁層と、前記絶縁層に積層される透光性材料からなる光層と、前記絶縁層の層間及び表面に設けられる電気配線層とを有し、前記光層は、前記絶縁層に設けられる開口を介して入出力される光を前記光層と平行な方向に伝搬させて前記絶縁層との積層構造の外部に取り出す光導波路を含み、表面の前記絶縁層に設けられる前記電気配線層に前記光モジュールが電気的に接続される第１の光電子回路基板と、
   前記絶縁層との積層構造の外部に取り出された前記光導波路に接続される光伝送媒体と、
   前記光伝送媒体を介して接続され、絶縁層と、前記絶縁層に積層される透光性材料からなる光層と、前記絶縁層の層間及び表面に設けられる電気配線層とを有し、前記光層は、前記絶縁層に設けられる開口を介して入出力される光を前記光層と平行な方向に伝搬させて前記絶縁層との積層構造の外部に取り出す光導波路を含み、表面の前記絶縁層に設けられる前記電気配線層に前記光モジュールが電気的に接続される第２の光電子回路基板とを有することを特徴とする光伝送装置。
   

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