JP6613524B2 - 光電気変換モジュール - Google Patents

Description

本発明は光電素子に関し、特に光学素子および電子部品の間で信号の伝送および変換を行う光電気変換モジュールである。

光束または光信号は通常、電子装置の間、長距離および隣接する回路基板の間でデジタルデータを伝送するのに用いられる。必要に応じて、データ伝送を行う光束は変調することができる。光信号は、位置または運動の検出、測定などを含む、その他の目的にも使用することができる。

通常、典型的な多芯光ファイバコネクタはコネクタスリーブ部品を含み、コネクタカバーの末端を支持する。コネクタスリーブ部品は、シースに取り付ける多芯光ファイバスリーブを含んでよい。スプリングはコネクタハウジングに相対する離れた方に用いられ、これにより前記コネクタスリーブ部品は偏向する。多芯光ファイバスリーブは、複数の光ファイバの端部を支持する。多芯光ファイバスリーブは、該光ファイバの研磨端に位置する末端面を有する。２つの多芯光ファイバコネクタを相互に接続するとき、該多芯光ファイバスリーブの末端面は相対し、それぞれのスプリングにより互いに偏向する。多芯光ファイバ光学コネクタと接続するとき、それぞれの光ファイバは同軸に位置が合わさり、これにより光ファイバの端面は直接互いに相対する。このような方式により、光ファイバの位置が合った端面を通じて、光信号を光ファイバからもう１つの光ファイバに送信することができる。

相互接続させる光ファイバシステムは、通常、操作および光ファイバの正確な定位のために、スリーブ部品の接合を利用する。光ファイバはスリーブの本体内に固定され、各光ファイバの端面は一般的な平らに、またはスリーブ本体の端面からやや突出して定位される。その後、光ファイバの端面または面を、さらに必要な程度まで研磨する。相補するスリーブ部品が取り付けられるとき、スリーブ部品の各光ファイバと、もう１つのスリーブ部品の適合する光ファイバとは同軸に定位される。いくつかの応用において、適合させる光ファイバ対の間の効果的な信号伝送のために、複数の適合させる光ファイバの端面を、物理的に互いに接触させる。これらの応用において、各種要素は光ファイバ対の間の光伝送効率を低下させることができる。

したがって、現代の電子装置において、光学技術は重要な役割を担っており、多くの電子装置に光学素子が採用されている。このような光学素子は光学要素または光源を含んでおり、例えば発光ダイオードおよびレーザ、導波管、光ファイバ、レンズおよびその他の光学部材、光検出器およびその他の光学センサ、感光性半導体およびその他である。

光ファイバを使用するには光電気変換モジュールが必要であり、これにより電気信号を光信号に変換するか、または光信号を電気信号に変換する。この他、光電気変換モジュールは、光ファイバの端部に接続して固定されるか、または光ファイバの端部から接続または取り外すことができる。

本発明は、光電気変換モジュールを提供する。この光電気変換モジュールは２つの部分を含み、インターポーザおよび光学ベンチを含む。少なくとも１つの光学素子がインターポーザ上に配置される。インターポーザは光学ベンチの第１くぼみ部分上に配置される。第１レンズアレイはインターポーザの下に配置されて、該少なくとも１つの光学素子と位置が合わさる。鏡面は第１レンズアレイの下に配置され、光反射面を有する。第２レンズアレイは鏡面の左側に配置される。

本発明の観点によれば、光電気変換モジュールは、光導波路部分およびＶ形溝を有するインターポーザを含み、Ｖ形溝は第１光反射面および第２光反射面を有する。少なくとも１つの光学素子がインターポーザ上に配置される。光学ベンチは第１くぼみ部分を有し、インターポーザは第１くぼみ部分に配置される。少なくとも１つの集積回路チップがインターポーザ上に形成され、インターポーザ上に形成される導電性トレースと結合される。レンズアレイは、光導波路部分と位置が合うように配置される。

本発明のもう１つの観点によれば、光学ベンチは第２くぼみ部分を有し、レンズアレイは第２くぼみ部分に形成される。光導波路部分は可撓性材料からなる。インターポーザは、接着材料により、光学ベンチの第１くぼみ部分上に付着される。

Ｖ形溝の垂直厚さは、光導波路部分の垂直厚さより大きい。導電性トレースはインターポーザ上に形成されて、少なくとも１つの光学素子と結合される。

これらの利点およびその他の利点は、以下の好ましい実施例についての記載および特許請求の範囲から、明確に理解することができる。

以下に記載する本発明についての詳細な説明および実施例の概要図により、本発明をより充分に理解できるものとする。しかしながら、これは本発明の応用を理解するための参考とすることに限定され、本発明は特定の実施例に制限されないことを理解するべきである。

図１は、本発明の一実施例に基づいた光電気変換部材を示す。 図２は、本発明の一実施例に基づいた光電気変換モジュールのインターポーザおよび光学ベンチを示す。 図３は、本発明の一実施例に基づいた光電気変換モジュールを示す。 図４は、本発明の一実施例に基づいた光電気変換モジュールの断面図を示す。 図５は、本発明の一実施例に基づいた光電気変換部材の概要図を示す。 図６は、本発明のもう１つの実施例に基づいた光電気変換部材の概要図を示す。 図７は、本発明のもう１つの実施例に基づいた光電気変換モジュールを示す。 図８は、本発明のもう１つの実施例に基づいた光電気変換部材を示す。

ここで、発明の具体的な実施例およびその観点について詳細な記載を行う。この記載は本発明の構造またはプロセスを説明したものである。説明するためのものであり、本発明の特許請求の範囲を制限するものではない。したがって、明細書中の具体的な実施例および好ましい実施例以外にも、本発明はその他の様々な実施例で幅広く実行することができる。

図１は、本発明の一実施例に基づいた光電気変換部材の概要図を示す。光電気変換部材は光電気変換素子／モジュール１００、光ファイバ素子１８０および光学スリーブ１７０を含む。光電気変換素子／モジュール１００は、単方向または双方向の信号伝送に用いることができる。光電気変換素子／モジュール１００は、高速伝送インターフェースに応用することができ、例えばＵＳＢ、ＨＤＭＩ（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）、ＬｉｇｈｔｉｎｇまたはＴｈｕｎｄｅｒｂｏｌｔインターフェースは、ケーブルの消費者向け製品に用いられる。または伝送インターフェースに応用することができ、例えばファイバチャネル（ＦＣ：Ｆｉｂｅｒ Ｃｈａｎｎｅｌ）、ＳＡＳ、ＰＣＩｅもしくはＳＡＴＡを含むストレージＢＵＳは、光電製品または設備に用いられる。一実施例において、光電気変換モジュール１００は光学送信装置または光学受信装置とすることができ、単方向伝送に有利である。もう１つの実施例において、光電気変換モジュール１００は、光学送受信装置とすることができ、双方向伝送に有利である。光学変換モジュール１００は、光学ベンチ１０１およびインターポーザ（ｉｎｔｅｒｐｏｓｅｒ）１１０を含む。一実施例において、光学素子はインターポーザ１１０上に配置され、例えば光源チップ１４０および光受信素子１５０（例えば光ダイオード、光検出器チップまたは光感知チップ）はインターポーザ１１０上に配置される。一実施例において、集積回路（ＩＣ）１２０および１３０はインターポーザ１１０上に配置され、例えば駆動集積回路（ｄｒｉｖｅｒ ＩＣ）、制御ＩＣまたはトランスインピーダンス増幅器チップ、またはその他の能動素子はインターポーザ１１０上に配置される。この他、受動電子部品もインターポーザ１１０上に配置することができる。一実施例において、集積回路（ＩＣ）１２０および１３０、受動電子部品は、外部のプリント回路基板上に配置することができる。導電性トレース（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｔｒａｃｅ）１６０、１６１、１６２および１６３は、インターポーザ１１０上に形成される。一実施例において、光源チップ１４０、光受信素子１５０、ＩＣ１２０および１３０は、フリップチップ実装工程により、インターポーザ１１０上に実装される。インターポーザ１１０上の導電性トレース１６０および１６１は、外部の電気回路と電気的に接続することができ、例えばワイヤボンディング（ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ）により接続される。インターポーザ１１０上の導電性トレース１６２は、光源チップ１４０およびＩＣ１２０に電気的に接続され、インターポーザ１１０上の導電性トレース１６３は、光受信素子１５０およびＩＣ１３０と電気的に接続される。インターポーザ１１０の材料はシリコン、二酸化ケイ素、セラミックもしくは誘電材料を含むか、またはインターポーザ１１０自体が基板とするフレキシブルプリント回路基板である。一実施例において、光学ベンチ１０１は、射出成形工程、例えばプラスチック射出成形工程を利用し、インターポーザ１１０およびレンズアレイを支持し、集光または導光を行うベンチを形成する。レンズアレイは光学使用効率を上昇させ、光学素子の実装における許容値を増加させることができる。

一実施例において、光ファイバ素子１８０は、リボンファイバ（ｒｉｂｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）またはバンドルファイバ（ｂｕｎｄｌｅ ｆｉｂｅｒ）である。リボンファイバ１８０は光学スリーブ１７０の受孔に嵌入される光ファイバ１９０を有し、インターポーザ１１０上の光学素子に光学連結するのに有利である。光ファイバ１９０は光学スリーブ１７０に嵌入され、光電気変換モジュール１００と連結／接続（接合）される。受孔は円柱形でよい。例を挙げると、光ファイバ１９０はマルチモードファイバまたはシングルモードファイバである。横に並んだ光ファイバ１９０は、光ファイバ素子１８０中に配置されるマルチモードファイバである。各光ファイバ１８０の構造は、その中心に形成されるコア部分（ｃｏｒｅ）と、コア部分を取り囲むクラッド部分（ｃｌａｄｄｉｎｇ）とを有し、他に、クラッド部分の外表面に塗布される塗布層を増やして、コア部分およびクラッド部分を保護することができる。コア部分の屈折率は１．３５〜１．７０であり、クラッド部分の屈折率は１．３５〜１．７０である。光ファイバ１９０は例えば、グレーデッドインデックス型のマルチモードファイバである。

一実施例において、光学スリーブ１７０は、光ファイバ接続部分１７１および光学ベンチ接続部分１７２を含む。光学スリーブ１７０は、外部の光学伝送媒体（光ファイバ）の接続部分とすることができる。上記受孔は光ファイバ接続部分１７１の前部表面から延伸し、光学ベンチ接続部分１７２の後部表面まで貫通する。一実施例において、光ファイバ接続部分１７１および光学ベンチ接続部分１７２は一体成形される。

光学ベンチ接続部分１７２は、光学ベンチ接続部分に形成されて、ガイドピン１０６を受けるガイド孔１０６ｂを含む。光学ベンチ１０１も、光学ベンチに形成されて、ガイドピン１０６を受けるガイド孔１０６ａを含む。図５に示すように、ガイドピン１０６は、光学ベンチ接続部分１７２のガイド孔１０６ｂおよび光学ベンチ１０１のガイド孔１０６ａ中に接合／嵌合することができる。図５に示すように、ガイド孔１０６ａは、光学ベンチ１０１のレンズアレイ１０４に隣接する側方に配置される。一実施例において、ガイド孔１０６ｂは延伸して、光学ベンチ接続部分１７２を貫通するか、または光ファイバ接続部分１７１の前部表面から光学ベンチ接続部分１７２の後部表面まで貫通する。ガイドピン１０６が１対のガイド孔１０６ａおよび１０６ｂと適合するとき、ガイド孔１０６ａおよび１０６ｂは位置が合わさり、ガイドピン１０６を受けるように配置される。これにより、光学ベンチ接続部分１７２（光学スリーブ１７０）および光学ベンチ１０１（光電気変換モジュール１００）の位置を合わせて接続するのに有利である。

一実施例において、マルチチャネル光ファイバ接続部分１７１の長さは１０ミリメートリより短く、マルチチャネル光ファイバ接続部分１７１の厚さは３ミリメートルより薄く、マルチチャネル光ファイバ接続部分１７１の幅は５ミリメートルより短い。したがって、本発明のマルチチャネル光ファイバ接続部分１７１の大きさは、従来のものより際立って小さい。

図２は、本発明に基づいた２つの側面にレンズアレイを有する光電気変換モジュール１００の概要図を示す。光電気変換モジュール１００は、インターポーザ１１０と、２つの側面にレンズアレイ１０３、１０４を有する光学ベンチ１０１とを有する。一実施例において、レンズアレイ１０３の配置方向およびレンズアレイ１０４の配置方向は同じである。光学ベンチ１０１は、インターポーザ１１０を配置／固定することができるくぼみ部分１０１ａを有し、くぼみ部分１０１ａは光学ベンチ１０１の上部に位置する。光学ベンチ１０１はもう１つのくぼみ部分１０２を有し、これは光学ベンチ１０１の前側に位置し、レンズアレイ１０４を形成するのに有利である。一実施例において、レンズアレイ１０３、レンズアレイ１０４および鏡面１０５は、光学ベンチ１０１中で整合／形成される。鏡面または反射面１０５は、光学ベンチ１０１中で整合される。インターポーザ１１０は、接着材料（例えばエポキシ樹脂）により、光学ベンチ１０１のくぼみ部分１０１ａ上に付着させることができ、図３に示す通りである。

鏡面または反射面１０５は、光源チップ１４０から放射される光信号に受動的に用いられ、光信号を非共平面的に転換（光学反射）させることができ、さらに光信号を外部の光伝送媒体、例えば光ファイバ１９０に誘導することができる。反対に、外部の光伝送媒体（光ファイバ１９０）により伝送される光信号を、鏡面１０５により誘導することができ、さらには光受信素子１５０により受信される。鏡面１０５は光学ベンチ１０１またはインターポーザ１１０中に作製され、直接整合させることができる。

図４に示すように、インターポーザ１１０が光学ベンチ１０１のくぼみ部分１０１ａ上に付着されるとき、レンズアレイ１０３は光学ベンチ１０１におけるくぼみ部分１０１ａの底部表面上（または下）に形成され、インターポーザ１１０上の光学素子（光源チップ１４０および光受信素子１５０）と位置が合わさる。レンズアレイ１０３はインターポーザ１１０の下に位置する。レンズアレイ１０４は、光学ベンチ１０１のくぼみ部分１０２の底部表面上（または下）に形成される。鏡面１０５はレンズアレイ１０３の下に位置し、さらにレンズアレイ１０４の右側に位置する。例を挙げると、図４に示すように、光源チップ１４０の放射光はインターポーザ１１０およびレンズアレイ１０３を通り、さらに鏡面１０５からレンズアレイ１０４に反射して、放射した光が集光され、さらに外部伝送媒体（光ファイバ１９０）に送信される。他方、図５に示すように、外部装置が放射する光は光ファイバ１９０に送り込まれ、その後レンズアレイ１０４を通過して、およそのコリメート光が形成され、さらに鏡面１０５の反射により、レンズアレイ１０３およびインターポーザ１１０を通り、その結果、光受信装置１５０が入力光を受信する。

複数の光ファイバ１９０の後端は、光学スリーブ１７０の光学ベンチ接続部分１７２の一端に固定される。光電気変換モジュール１００は、外部の電子装置または設備からの光信号を（複数の光ファイバ１９０を経て）電気信号に変換するか、または複数の光ファイバ１９０を経て、光信号を外部の電子装置または設備に送信する機能を有する。

もう１つの実施例において、光電気変換モジュール１００はインターポーザ１１０ａおよび光学ベンチ１０１を有する。インターポーザ１１０ａは光導波路部分１１１および鏡面１１２を有し、光学ベンチ１０１は単一のレンズアレイ１０４を有し、図６に示す通りである。光学ベンチ１０１はくぼみ構造１０１ｂを有し、インターポーザ１１０ａを配置／固定するのに有利であり、さらにくぼみ構造１０１ｂはインターポーザ１１０ａの上側に位置する。光学ベンチ１０１は、光学ベンチ１０１の前側に位置するもう１つのくぼみ構造１０２を有する。光導波路部分１１１および鏡面１１２は、インターポーザ１１０ａ中で整合される。光導波路部分１１１の屈折率条件は光導波路特性、つまりコア（ｃｏｒｅ）の屈折率値がクラッド（ｃｌａｄ）の屈折率値より高いことを満たす必要がある。光導波路部分１１１は、可撓性材料で構成することができ、例えば高分子材料（ｐｏｌｙｍｅｒ）（屈折率値１．３〜１．７）である。または誘電材料であり、例えばシリコン（屈折率値３．４〜３．５）、二酸化ケイ素（屈折率値１．４〜１．５）である。光導波路部分１１１は、光学導波路として用いられる。インターポーザ１１０ａはくぼみ構造１１３を有し、例えばＶ形溝である。Ｖ形溝１１３の一側（内側）および光導波路部分１１１の後側に、反射表面（鏡面）１１２である光学要素を有し、図７に示す通りである。鏡面１１２は光源チップ１４０および光ダイオードチップ１５０の下に位置し、光源チップ１４０または光ファイバ１９０からの光信号を反射する。鏡面１１２は、特定の角度（例えば４５度角またはその他の角度）を有する。インターポーザ１１０ａのＶ形溝１１３は、特定の深さ（垂直厚さ）を有する。インターポーザ１１０ａのＶ形溝１１３の第１端は、反射表面を構成する。Ｖ形溝１１３は第１反射表面および第２反射表面を有し、このうち第１反射表面は第２反射表面と相対する（反対側である）。Ｖ形溝１１３の垂直厚さは、光導波路部分１１１の厚さより厚く、Ｖ形溝１１３は光導波路部分１１１を突き抜ける。Ｖ形溝１１３の製作端は、基板材料によって決まり、圧印工程、ウェッジカット工程、レーザカット工程またはエッチング工程により形成することができる。光源チップ１４０および光ダイオードチップ１５０は、インターポーザ１１０ａ上に実装される。ＩＣ１２０および１３０は、導電性トレース１６１および１６０を通して、ワイヤボンディングまたはフリップチップオンボード実装（ｆｌｉｐ ｂｏａｒｄ ｍｏｕｎｔｉｎｇ）により、外部装置と電気的に接続される。

一実施例において、例えば駆動ＩＣ、制御ＩＣまたはトランスインピーダンス増幅器チップ、またはその他の能動素子などのＩＣは、インターポーザ上に配置される。駆動ＩＣは、光源チップ（例えば光電素子）を駆動して発光させることができる。本実施例において、インターポーザ１１０ａは導光を行う導波機能を有する。インターポーザ１１０ａは、例えば高分子材料であり、インターポーザ１１０ａ中に嵌入される光導波路部分１１１を含む。一実施例において、インターポーザ１１０ａは可撓性基板、シリコン材料または誘電材料でよい。

光導波路部分１１１は光通信に用いられるレンズアレイ１０４と位置が合わさり、図７に示す通りである。この構造は、光導波路部分１１１を通じて、光信号を受信および送信することができる。光源チップ１４０から生じる光は、光導波路部分１１１の側方の光学マイクロ反射面１１２で反射することができる。光導波路部分１１１中を光路が通過することができ、光源チップ１４０から生じる光または外部素子から生じる光がこの中を通過するのに有利である。光源チップ１４０は、可視光または非可視光を放射することができる。光源チップ１４０は、例えばレーザ光源、赤外光源または発光ダイオード（ＬＥＤ）である。赤外光は赤外光帯域に存在し、レーザまたは発光ダイオードにより放射することができる。

例を挙げると、光源チップ１４０および光検出器１５０は、マイクロ反射表面１１２の近くに位置する（配置される）。したがって、光源チップ１４０から放射される光信号は、Ｖ形溝１１３のマイクロ反射表面１１２により反射され、続いて光導波路部分１１１を通過する。

光導波路部分１１１の材料および厚さは、実際の応用での必要性に基づいて選択することができる。例を挙げると、光導波路部分１１１の材料は高分子材料、誘電体材料を含み、例えばポリイミドである。

インターポーザ１１０ａは、接着材料（例えばエポキシ樹脂）により、光学ベンチ１０１のくぼみ部分１０１ｂ上に付着させることができる。図７および図８に示す通りである。

ＩＣ１２０および１３０は外部装置または設備に電気的に接続され、インターポーザ１１０ａの導電性トレース１６１および１６０により信号を通信する。インターポーザ１１０が光学ベンチ１０１上に付着されるとき、Ｖ形溝１１３はくぼみ部分１０１ｂにおける光学ベンチ１０１の上表面に面する。

インターポーザ上の導電性トレースは、ワイヤボンディングまたはフリップチップオンボードにより、ＩＣまたは回路基板に電気的に接続され、電気信号を通信することができる。

ここで説明する以外の、本発明に記載する実施例および実施方式により達成することができる様々な改良方式は、いずれも本発明の範疇に包含されるべきである。したがって、ここに開示する図および模範事例はいずれも説明するためのものであり、本発明を制限するものではない。本発明の保護の範疇は、いずれもこの後の特許請求の範囲を基準とするべきである。

１００ 光電気変換モジュール
１０１ 光学ベンチ
１０１ａ くぼみ部分
１０１ｂ くぼみ部分
１０２ くぼみ部分
１０２ａ くぼみ部分
１０３ レンズアレイ
１０４ レンズアレイ
１０５ 鏡面
１１２ 鏡面
１０６ ガイドピン
１０６ａ ガイド孔
１０６ｂ ガイド孔
１１０ インターポーザ
１１０ａ インターポーザ
１１１ 光導波路部分
１１３ Ｖ形溝
１２０ 集積回路（ＩＣ）
１３０ 集積回路（ＩＣ）
１４０ 光源チップ
１５０ 光受信素子
１６０ 導電性トレース
１６１ 導電性トレース
１６２ 導電性トレース
１６３ 導電性トレース
１７０ 光学スリーブ
１７１ 光ファイバ接続部分
１７２ 光学ベンチ接続部分
１８０ 光ファイバ素子
１９０ 光ファイバ

Claims (5)

1. インターポーザであって、該インターポーザ上に形成される導電性トレースと少なくとも一つの光学素子を有するインターポーザと、光学ベンチと、を含む光電気変換モジュールであって、
   該光学素子はフリップチップ実装工程により該インターポーザ上に実装され、該インターポーザ上の該導電性トレースと電気的に接続され、
   該光学ベンチは、射出成形工程によって、第１くぼみ部分、および、前記第１くぼみ部分に位置する第１レンズアレイが形成されており、
   インターポーザ上の導電性トレースが、該インターポーザ外部の回路の端子と該インターポーザ表面と同一面上で接続できるように、該インターポーザを該光学ベンチに組み合わせるために、該インターポーザ全体が、該光学ベンチの該第１くぼみ部分内に嵌め込まれ付着されることを特徴とする光電気変換モジュール。
2. さらに第２レンズアレイおよび鏡面を備え、該第１レンズアレイ、該第２レンズアレイ、および該鏡面が該光学ベンチを射出成形する工程によって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の光電気変換モジュール。
3. 該インターポーザ上に形成される少なくとも１つの集積回路チップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の光電気変換モジュール。
4. 該インターポーザがさらに光導波路部分およびＶ形溝を含み、該光導波路部分および該Ｖ形溝が該インターポーザの内部に集積されていることを特徴とする、請求項１に記載の光電気変換モジュール。
5. 該インターポーザ上に形成される少なくとも１つの集積回路チップをさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の光電気変換モジュール。