JP2009092689A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路のチャンネル間のコアの間隔を小さくすることができるとともに、光結合部におけるクロストークを低減することができる光モジュールを提供する。
【解決手段】基板１には、ＶＣＳＥＬ２０Ａ〜２０Ｄからなる発光素子アレイ２とＰＤ３０Ａ〜３０Ｄからなる受光素子アレイ３０がギャップｇを持たせて素子列が平行になるように対向配置され、かつ、ＶＣＳＥＬ２０Ａ〜２０ＣＤとＰＤ３０Ａ〜３０Ｄのピッチが光導波路７の形成方向と交わる方向に対して重ならないように配置されており、ＶＣＳＥＬ２０Ａ〜２０Ｄ及びＰＤアレイ３０Ａ〜３０Ｄには、光導波路７の発光側のミラーと受光側のミラーとが光結合されている。また、発光側のミラーと受光側のミラーとは、ギャップｇに等しいギャップＧを持たせて交互に配置されている。これにより、光結合部におけるクロストークを低減することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光モジュールに関する。

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、光導波路のチャンネル間のコアの間隔を小さくすることができるとともに、光結合部におけるクロストークを低減することができる光モジュール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、以下の光モジュールを提供する。

［１］発光又は受光を行う複数の光素子からなる第１，第２の光素子アレイと、
それぞれの一端に光路変換部が設けられ、かつ前記複数の光路変換部を前記第１，第２の光素子アレイの前記複数の光素子に光結合させた複数のコアがクラッド中に所定間隔で設けられている光導波路と、を備え、前記第１の光素子アレイと前記第２の光素子アレイは、所定のギャップを有して対向配置されるとともに、前記２つのアレイ間の複数の光素子のピッチが複数のコアの形成方向に交わることなく所定間隔を有するように設けられ、前記複数のコアの形成方向に対して前記第１の光素子アレイに光結合された複数の光路変換部と、前記第２の光素子アレイに光結合された複数の光路変換部とが前記ギャップ分の隔たりを有していることを特徴とする光モジュール。

［２］前記第１の光素子アレイ及び前記第２の光素子アレイは、前記所定間隔として前記複数の光素子を隔てる素子間ピッチの１／２のずれを有することを特徴とする前記[１]に記載の光モジュール。

［３］前記第１の光素子アレイ及び前記第２の光素子アレイは、それぞれの複数の光素子が、前記光導波路の形成方向に対して所定の角度を有するように配置されていることを特徴とする前記[１]又は前記[２]に記載の光モジュール。

［４］前記第１の光素子アレイ及び前記第２の光素子アレイは、素子搭載方向が逆方向となるように配置されることを特徴とする前記[３]に記載の光モジュール。

［５］前記第１の光素子アレイ及び前記第２の光素子アレイは、アレイ状デバイスを隔てる前記ギャップが光素子の整列方向のピッチより大であることを特徴とする前記[４]に記載の光モジュール。

［６］前記光導波路は、前記第１の光素子アレイと前記第２の光素子アレイを搭載する実装基板に内蔵されていることを特徴とする前記[５]に記載の光モジュール。

請求項１の光モジュールによれば、光導波路のチャンネル間のコアの間隔を小さくすることができるとともに、光結合部におけるクロストークを低減することができる。

請求項２の光モジュールによれば、高密度化を図ることができる。

請求項３の光モジュールによれば、チャンネル間のピッチを任意にすることができる。

請求項４の光モジュールによれば、光素子アレイに接続される電子部品等との接続を容易にすることができる。

請求項５の光モジュールによれば、光結合部におけるクロストークを低減することができる。

請求項６の光モジュールによれば、全体の厚みを小さくすることができる。

［第１の実施の形態］
（光モジュールの構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光モジュールを示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は光導波路の部分拡大図である。図２は、図１の光モジュールの平面図、図３は、図１における光導波路の平面図である。

光モジュール１００は、４チャンネルの電気信号を光信号に変換して同時に送信し、また、４チャンネルの光信号を同時に受光して光信号を電気信号に変換する構成を有している。なお、本実施の形態においては、チャンネル数を４としたが、任意のチャンネル数にすることができる。これは、以下の他の実施の形態においても同様である。

光モジュール１００は、図１（ａ），図１（ｂ），及び図２に示すように、光素子を実装する実装基板としての基板１と、基板１に実装された発光素子アレイ２と、発光素子アレイ２に対してギャップｇ（発光素子２０Ａ〜２０Ｄの列と受光素子３０Ａ〜３０Ｄの列との距離）を有して基板１に実装された受光素子アレイ３と、発光素子アレイ２に電気的に接続されて基板１に実装された駆動用ＩＣ４と、受光素子アレイ３に電気的に接続されて基板１に実装された増幅用ＩＣ５と、基板１に実装されたスペーサ６と、スペーサ６上に固定されるとともに一端に光路変換部としての４５度の傾斜面に形成されるミラー７４Ａ〜７４Ｄ，７５Ａ〜７５Ｄを有した光導波路７とを備えて構成されている。

基板１は、例えば、エポキシ樹脂からなり、発光素子アレイ２、受光素子アレイ３、駆動用ＩＣ４及び増幅用ＩＣ５に接続される電極パッド１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを備えている。

（発光素子アレイ２の構成）
発光素子アレイ２は、例えば、４チャンネルの変調光を生成する４つのＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直共振型面発光レーザ）２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを発光素子に用いて構成されている。本実施形態において発光素子アレイ２は、図２に示すように、駆動用ＩＣ４との接続が容易になるように、受光素子アレイ３に対し、素子搭載方向が逆方向となるように配置されている。ここで、素子搭載方向とは、光素子アレイからボンディングワイヤを取り出している方向をいい、本実施形態では、発光素子アレイ２と受光素子アレイ３とで１８０度異なる向きとなっている。

ＶＣＳＥＬ２０Ａ〜２０Ｄ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側電極を積層した層構造の発光部を備えている。なお、ｐ側電極は、ボンディングワイヤ（信号線）２ａによって基板１の電極パッド１１Ｂに接続されている。

（受光素子アレイ３の構成）
受光素子アレイ３は、例えば、４チャンネルの光−電気変換を行う４つのフォトダイオード（ＰＤ）３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄを受光素子に用いて構成されており、特に、ＰＤ３０Ａ〜３０ＤにＧａＡｓ系を用いると、高速応答性が得られるので好ましい。

なお、受光素子アレイ３は、図２に示すように、ＰＤ３０Ａ〜３０Ｄが、発光素子アレイ２のＶＣＳＥＬ２０Ａ〜２０Ｄに対し、ＰＤ３０Ａ〜３０Ｄ及びＶＣＳＥＬ２０Ａ〜２０Ｄの隣接する方向を整列方向とする各ピッチをｐとするとき、コア７１Ａ〜７１Ｄ，７２Ａ〜７２Ｄの形成方向と直交する方向にｐ／２ピッチのずれを持たせて実装されている。

ＰＤ３０Ａ〜３０Ｄは、例えば、ＧａＡｓ基板上に、ＰＩＮ接合されたＰ層、Ｉ層および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。受光素子アレイ３のｐ側電極及びｎ側電極は、ボンディングワイヤ（信号線）３ａによって基板１の電極パッド１１Ｃに接続されている。

（駆動用ＩＣ４、増幅用ＩＣ５及びスペーサ６の構成）
駆動用ＩＣ４は、送信用データに基づいて発光素子アレイ２を電流駆動するための駆動回路から構成されており、本実施形態においては、駆動用ＩＣ４にフラットパッケージ（ＦＰ）型の表面実装型パッケージを用いている。

増幅用ＩＣ５は、例えば、受光素子アレイ３の電流変化を電圧変化に変換するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）及びＴＩＡの出力電圧を一定の出力電圧スイングになるように増幅して出力するリミッティングアンプ（ＬＡ）（いずれも図示せず）を４チャンネル分備えて構成された増幅回路である。本実施形態においては、増幅用ＩＣ５にフラットパッケージ（ＦＰ）型の表面実装型パッケージを用いている。

スペーサ６は、発光素子アレイ２及び受光素子アレイ３と光導波路７との光結合距離が保持されるように光導波路７を位置決め及び固定するもので、例えば、エポキシ樹脂基板、Ｓｉ基板等の絶縁性材料で形成されている。このスペーサ６は、光導波路７と接着剤を用いて接着されているが、嵌合等の他の支持接合構造によって位置決め固定することもできる。

（光導波路７の構成）
光導波路７は、図３に示すように、送信用の光信号を伝搬する４チャンネルのコア７１Ａ〜７１Ｄと、コア７１Ａ〜７１Ｄと交互に配列され、受信用の光信号を伝搬する４チャンネルのコア７２Ａ〜７２Ｄと、コア７１Ａ〜７１Ｄ，７２Ａ〜７２Ｄを囲むようにして設けられたクラッド７３とを備えて構成されている。

コア７１Ａ〜７１Ｄ，７２Ａ〜７２Ｄは、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等からなる。また、クラッド７３は、コア７１Ａ〜７１Ｄ，７２Ａ〜７２Ｄよりも屈折率の小さく、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。

コア７１Ａ〜７１Ｄ，７２Ａ〜７２Ｄの一端（先端）は、図１（ｂ）に示すように、４５度の傾斜面７ａを有するように形成されるとともに、傾斜面７ａにミラー７４Ａ〜７４Ｄ，７５Ａ〜７５Ｄが設けられている。ミラー７４Ａ〜７４Ｄ，７５Ａ〜７５Ｄは、例えば、コア７１Ａ〜７１Ｄ，７２Ａ〜７２Ｄの一端をレーザビームで除去して４５度の傾斜面を形成し、その表面にＡｕ膜等を電子ビームで蒸着することにより設けられている。また、精密金型を用いて設けることも可能である。なお、図３に示すように、ミラー７４Ａ〜７４Ｄとミラー７５Ａ〜７５ＤのギャップＧは、ＶＣＳＥＬ２０Ａ〜２０ＤとＰＤ３０Ａ〜３０Ｄとの間のギャップｇと等しくなるように形成されている。

（光モジュール１００の動作）
次に、光モジュール１００の動作について説明する。駆動用ＩＣ４に送信信号が入力すると、送信信号に応じた変調信号が発光素子アレイ２に印加され、ＶＣＳＥＬ２０Ａ〜２０Ｄに駆動電流が流れる。ＶＣＳＥＬ２０Ａ〜２０Ｄは、駆動電流に応じて発光し、その出力光は、光導波路７のコア７１Ａ〜７１Ｄに設けられているミラー７４Ａ〜７４Ｄに入射する。

ミラー７４Ａ〜７４Ｄに入射した光信号は、ミラー７４Ａ〜７４Ｄで反射して光路変換されることによりコア７１Ａ〜７１Ｄ内に入射する。コア７１Ａ〜７１Ｄに入射した光信号は、コア７１Ａ〜７１Ｄ内を図３の右方向へ伝搬し、コア７１Ａ〜７１Ｄの端部に達した後、図示しない他の光モジュールへ伝送される。

一方、光導波路７のコア７２Ａ〜７２Ｄに光信号が入射すると、コア７２Ａ〜７２Ｄ内を図３の右方向から左方向へ伝搬し、ミラー７５Ａ〜７５Ｄに入射する。ミラー７５Ａ〜７５Ｄに入射した光信号は、ミラー７５Ａ〜７５Ｄで反射して光路変換された後、ＰＤ３０Ａ〜３０Ｄに入射する。

ＰＤ３０Ａ〜３０Ｄは、入射した光信号を電流に変換する。このＰＤ３０Ａ〜３０Ｄからの電気出力は、増幅用ＩＣ５によって電流から電圧に変換されることにより、電気信号が得られ、更に所定の増幅が行われた後、図示しない画像処理用のＩＣに送られる。

なお、第１の実施の形態において説明した、発光素子アレイ２及び受光素子アレイ３の配置は一例であり、発光素子アレイ２と受光素子アレイ３とを入れ代えて基板１上に実装してもよい。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る光モジュールを示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は光導波路の部分拡大図である。図５は、図４の光モジュールの平面図、図６は、図４における光導波路の平面図である。

本実施形態は、第１の実施の形態において、受光素子アレイ３を発光素子アレイ８に代えるとともに増幅用ＩＣ５を駆動用ＩＣ９に代え、光導波路７を送信専用にして８チャンネルの送信を行うようにしたものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

発光素子アレイ８は、図５に示すように、発光素子アレイ２と同様に４チャンネル分のＶＣＳＥＬ８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄを発光素子に用いて構成されており、駆動用ＩＣ９との接続が容易になるように、発光素子アレイ２に対し、素子搭載方向が逆方向となるように配置されている。

ＶＣＳＥＬ８０Ａ〜８０Ｄは、ＶＣＳＥＬ２０Ａ〜２０Ｄと同様の層構造を有し、そのｐ側電極は、ボンディングワイヤ（信号線）８ａによって基板１の電極パッド１１Ｃに接続されている。

光導波路７は、図６に示すように、送信用の光信号を伝搬する８チャンネルのコア７１Ａ〜７１Ｈと、コア７１Ａ〜７１Ｈを囲むようにして設けられたクラッド７３とを備えて構成されている。

コア７１Ａ〜７１Ｈは、第１の実施の形態と同様に、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等からなり、一端には、第１の実施の形態で説明したように、レーザビーム加工及び電子ビーム蒸着により、又は精密金型を用いてミラー７４Ａ〜７４Ｈが設けられている。なお、図６に示すように、ミラー７４Ａ〜７４Ｄとミラー７５Ａ〜７５ＤのギャップＧは、図５に示すＶＣＳＥＬ２０Ａ〜２０ＤとＶＣＳＥＬ８０Ａ〜８０Ｄとの間のギャップｇと等しくなるように形成されている。

なお、第２の実施の形態において、発光素子アレイ２，８をともに受光素子アレイに置き換える構成とすることも可能である。

［第３の実施の形態］
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る光モジュールの側面図、図８は、図７の光モジュールの平面図、図９は、図７における光導波路の平面図である。

本実施形態は、第１の実施の形態において、発光素子アレイ２及び受光素子アレイ３を、光導波路７のコア７１Ａ〜７１Ｄ，７２Ａ〜７２Ｄの端面に対して角度θ、コア７１Ａ〜７１Ｄ，７２Ａ〜７２Ｄの形成方向に対して角度αを持つように配置したものである。発光素子アレイ２と受光素子アレイ３は、ＶＣＳＥＬ２０Ａ〜２０ＤのピッチＰとＰＤ３０Ａ〜３０ＤのピッチＰとが、光導波路７の幅方向に１／２ピッチのずれを有するように配設されている。これにより、光導波路７のコア７１Ａ〜７１Ｄのピッチｐは、ｐ＝（Ｐｃｏｓθ）／２となり、このピッチｐはＶＣＳＥＬ２０Ａ〜２０ＤのピッチＰおよびＰＤ３０Ａ〜３０ＤのピッチＰより狭くなる。

同様に、光導波路７のコア７１Ａ〜７１Ｄ及びコア７２Ａ〜７２Ｄは、それぞれが光導波路７の端面に対して角度θで配列されるようにミラー７４Ａ〜７４Ｄ，７５Ａ〜７５Ｄが設けられている。

駆動用ＩＣ４と増幅用ＩＣ５は、図８に示すように、発光素子アレイ２及び受光素子アレイ３の外側になるように配設し、かつ、発光素子アレイ２及び受光素子アレイ３との接続が最短になるように、発光素子アレイ２及び受光素子アレイ３の角度に従った角度θにより配置している。

［第４の実施の形態］
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る光モジュールを示す断面図である。

本実施形態は、第１の実施の形態において、光導波路７を基板１内に設けるとともにスペーサ６を除去し、更に発光素子アレイ２を基板内配線用にフェイスダウン実装したものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。なお、第４の実施の形態は、第２及び第３の実施の形態にも適用可能である。

光モジュール１００は、光導波路７を内蔵した基板１と、基板１上に実装された発光部２００とを備えて構成されている。

基板１は、絶縁層１ａと、絶縁層１ａ上に設けられるとともに、光導波路７を形成する材料となるクラッド部７０と、クラッド部７０より屈折率が大であるコア部７１と、光導波路７の上面に設けられるとともに電極パッド１２Ａ，１２Ｂが設けられている配線層１ｂとを備えて構成されている。

本実施の形態における光導波路７は、第１の実施の形態で説明したものと同様に、クラッド部７０にコア７１Ａ〜７１Ｄが設けられ、これらコア７１Ａ〜７１Ｄの一端に形成された傾斜面７ａにミラー７４Ａ〜７４Ｄが形成されている。傾斜面７ａおよびミラー７４Ａ〜７４Ｄの部分は、クラッド部７０と同等の屈折率を有する透光性樹脂材料で埋められている。

発光部２００は、裏面に電極パッド２０２Ａ，２０２Ｂを有した配線基板２０１と、電極パッド２０２Ａ，２０２Ｂに実装されたはんだボール２０３と、配線基板２０１の裏面に実装された発光素子アレイ２と、配線基板２０１の表面に実装された駆動用ＩＣ４とを備えて構成されている。

なお、第４の実施の形態は、第２及び第３の実施の形態に適用することができる。この場合、発光素子アレイ２及び受光素子アレイ３は図５及び図８の構成になり、また、光導波路７は、図６及び図９の構成になる。

［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、第１及び第３の実施の形態において、発光側又は受光側の一方のみによる構成も可能である。

また、上記各実施の形態において、基板１は、光導波路７を内蔵するとともに、電気信号伝送用の電気配線層を多層化した構成を有するものであってもよい。

また、上記第１，第３の実施の形態は、発光素子アレイ２と受光素子アレイ３が各１つの組み合わせからなり、上記第２の実施の形態は、２つの発光素子アレイ２から組み合わせなる構成を示したが、各実施の形態において、発光素子アレイ２、受光素子アレイ３を増設した構成とすることも可能である。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光モジュールを示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は光導波路の部分拡大図である。 図２は、図１の光モジュールの平面図である。 図３は、図１における光導波路の平面図である。 図４は、本発明の第２の実施の形態に係る光モジュールを示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は光導波路の部分拡大図である。 図５は、図４の光モジュールの平面図である。 図６は、図４における光導波路の平面図である。 図７は、本発明の第３の実施の形態に係る光モジュールの側面図である。 図８は、図７の光モジュールの平面図である。 図９は、図７における光導波路の平面図である。 図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る光モジュールを示す断面図である。

符号の説明

１ 基板
１ａ 絶縁層
１ｂ 配線層
２，８ 発光素子アレイ
２ａ，３ａ ボンディングワイヤ
３，８ 受光素子アレイ
４，９ 駆動用ＩＣ
５ 増幅用ＩＣ
６ スペーサ
７ 光導波路
１１Ａ〜１１Ｄ，１２Ａ，１２Ｂ 電極パッド
２０Ａ〜２０Ｄ，８０Ａ〜８０Ｄ ＶＣＳＥＬ（発光素子）
３０Ａ〜３０Ｄ ＰＤ（受光素子）
７０ クラッド部
７１ コア部
７１Ａ〜７１Ｈ，７２Ａ〜７２Ｄ コア
７４Ａ〜７４Ｄ，７５Ａ〜７５Ｄ ミラー
７３ クラッド
１００ 光モジュール
２００ 発光部
２０１ 配線基板
２０２Ａ，２０２Ｂ 電極パッド

Claims (6)

1. 発光又は受光を行う複数の光素子からなる第１，第２の光素子アレイと、
   それぞれの一端に光路変換部が設けられ、かつ前記複数の光路変換部を前記第１，第２の光素子アレイの前記複数の光素子に光結合させた複数のコアがクラッド中に所定間隔で設けられている光導波路と、を備え、
   前記第１の光素子アレイと前記第２の光素子アレイは、所定のギャップを有して対向配置されるとともに、前記２つのアレイ間の複数の光素子のピッチが複数のコアの形成方向に交わることなく所定間隔を有するように設けられ、
   前記複数のコアの形成方向に対して前記第１の光素子アレイに光結合された複数の光路変換部と、前記第２の光素子アレイに光結合された複数の光路変換部とが前記ギャップ分の隔たりを有していることを特徴とする光モジュール。
2. 前記第１の光素子アレイ及び前記第２の光素子アレイは、前記所定間隔として前記複数の光素子を隔てる素子間ピッチの１／２のずれを有することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記第１の光素子アレイ及び前記第２の光素子アレイは、それぞれの複数の光素子が、前記光導波路の形成方向に対して所定の角度を有するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
4. 前記第１の光素子アレイ及び前記第２の光素子アレイは、素子搭載方向が逆方向となるように配置されることを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。
5. 前記第１の光素子アレイ及び前記第２の光素子アレイは、アレイ状デバイスを隔てる前記ギャップが光素子の整列方向のピッチより大であることを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
6. 前記光導波路は、前記第１の光素子アレイと前記第２の光素子アレイを搭載する実装基板に内蔵されていることを特徴とする請求項５に記載の光モジュール。

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