JP2010062087A - 光電気モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光電気モジュールと光導波路の低背な構造体を実現しながら、光モジュールからの放熱効率を高める構造を提供する。
【解決手段】光モジュールを構成するパッケージの下面に光素子と電極１１０が設けられ、前記パッケージとボードとの間には、光信号を上方におおよそ直角に曲げる機構が設けられた光導波路と、電気コネクタが位置する。押圧部材によってパッケージがボードに押圧されることで、光導波路と前記光素子の光結合が成され、パッケージとボードの電気的導通もなされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信技術を用いて使用される情報処理装置に内包される光電気モジュール及び光導波路構造体に関する。

近年、ルータ、サーバ、パソコン、携帯電話などの情報処理装置の内部では、電子回路等を搭載した複数の基板が搭載されている。これら基板の上には、信号入出力ポートが搭載されており、このポートは、他の情報処理装置や、同じ装置内でも別基板への信号を伝達する役割を担っている。
近年、情報処理装置の高速化と小型化に伴って、基板上に搭載される信号入出力ポートにも以下の要件が必要となってきている。
（１） 高速化に伴い、信号は従来の電気信号だけでなく光信号の入出力も必要になってきている。すなわち、これらポートには、電気信号を光信号に、光信号を電気信号に変換する光モジュールが搭載され、信号伝送媒体としては光ファイバなどの光導波路が用いられる。
（２） 装置の小型化に伴って、特に上記ポートでは低背化が必要となってきている。すなわち光モジュールと光ファイバの構造体は非常に低背にする必要がある。
以上の要件を満たす光モジュールと光導波路の構造体として、例えば特許文献１（特開2003-207694号公報）にその一例が開示されている。
本公知例によれば、光ファイバはミラーの付いた光コネクタに固定されており、パッケージ内には面型光素子アレイが搭載される。光コネクタをパッケージに固定することで、光ファイバと光素子の光学的結合が成される。一方、パッケージとボードの電気的結合は、パッケージの電気端子をボードに固着することで成されている。

特開2003-207694号公報

近年の光モジュールは、交換を容易にするために、挿抜可能な電気コネクタが用いられる。すなわち、本公知例の構造体では、光コネクタ、パッケージ、電気コネクタの高さが全て構造体の高さに加わってしまい、更なる低背化には不適な構造である。

また、本公知例は放熱の観点からも不適である。パッケージには、光素子や電子素子などの発熱体が搭載される。しかしながら、光導波路の材質は、一般的にファイバ、ポリマなどであり、光コネクタはプラスチックなどが一般的に用いられ、いずれも金属などに比べ熱伝導率は著しく悪い。すなわち、パッケージ上面に光コネクタを搭載してしまう本公知例の構造体は放熱性に問題がある。

本発明の目的は、以上の欠点を鑑み、高速・小型な情報処理装置で使用される光電気モジュールと光導波路の構造体を提供することである。

光モジュールを構成するパッケージの下面に光素子と電極１１０が設けられ、前記パッケージとボードとの間には、光信号を上方におおよそ直角に曲げる機構が設けられた光導波路と、電気コネクタが位置する。押圧部材によってパッケージがボードに押圧されることで、光導波路と前記光素子の光結合が成され、パッケージとボードの電気的導通もなされる。

パッケージとボードの間に、光導波路と電気コネクタが位置するため低背化が可能になると共に、パッケージ上面からの放熱効率を高めることが可能となる。

以下、図を用いて、本発明の実施例の一形態を説明する。

図１、２、３に本発明実施形態の一例を示す。図１は光電気モジュールのパッケージ１０１、光導波路１３０、電気コネクタ１２１、ボード１１７を組み立てる前の断面図を示しており、図２は組立てた後の断面図である。図３は組み立てる前の斜視図である。

パッケージ１０１の下面には光素子１０５が搭載されており、IC１０４は発光素子のドライバ、受光素子のアンプなどである。光素子１０５やIC１０４の電気信号は、パッケージ内部配線１０２とパッケージ内ビア１０８などによって電極１１０を通過する。
一方、光導波路１３０は、光導波路コア層１１３と光導波路クラッド層１１４から構成されており、光導波路コア層１１３の端面はミラー面１１５となっており、光信号の光路はおおよそ直角に曲げられている。
電気コネクタ１２１は電極１１９と電極１２２を有しており、ここでは電極１１９は、少なくとも上下方向に弾性を有し、電極固定溝１２０に入れられている。電極１２２は半田ボール１２５によってボード１１７上の電極１２７と固着される。

ボード１１７上には、ボード内配線１１８やボード内ビア１２８と電気的結合をした電極１２６が設けられている。またボード１１７上にはクランプ１１６が取り付けられている。
このクランプ１１６の一部をクランプ溝１０３に嵌合することで、パッケージ１０１とボード１１７が固定されるだけでなく、パッケージ１０１とボード１１７の間に位置する光導波路１３０と電気コネクタ１２１の両方を固定することとなる。すなわち、ボード１１７上に搭載されたパッケージ１０１と光導波路１３０の高さは、およそこの両者の高さの和となり、低背化が実現されている。また、パッケージ１０１の上面には、光導波路１３０が位置することも無いため、放熱フィンや放熱筐体を押し付けることが可能になり、放熱効率を高めることが可能となる。

さて、図面１，２に戻って、パッケージ１０１にはガイド孔１０７が設けられ、光導波路１３０にはガイド孔１１２が設けられており、ガイドピン１１１によって嵌合される。これによりパッケージ１０１と光導波路１３０の左右方向の位置合わせが精度良くなされ、光結合が安定する。

図１，２，３に戻って、電気コネクタ１２１に固定された電極１１９は弾性体となっており、電極１１０に接触することで電気的導通を成している。これは例えば、光導波路１３０の厚さのばらつき、電気コネクタ１２１の厚さばらつき、半田ボール１２５の高さばらつきなどが有っても、電極１１９と電極１１０が離れてしまうことを防ぐことが出来る。以上のばらつき誤差を吸収するためには、電極１１９は数百ミクロン〜数ミリ程度の可動範囲が有れば良い。

図１，２に戻って、パッケージ１０１には電気コネクタガイド機構１０９が取り付けられている。これは、電極１１９と電極１１０が接触のみで取り立てて固定されていないことによる、電気コネクタ１２１のズレを一定の範囲内に抑えることが出来るという利点がある。

図１，２に戻って、パッケージ１０１には光素子１０５より高い台座１０６が取り付けられている。これは光導波路１３０が、直接光素子１０５に触れてしまい、光素子１０５を故障させてしまう恐れを無くすだけでなく、光素子１０５と光導波路１３０との高さを一定に保ち、光結合を安定にさせる効果がある。

図１，２，３に戻って、パッケージ１０１には、クランプ１１６を止めるクランプ溝１０３が設けられている。これは、クランプ１１６がパッケージ１０１よりずれてしまうことを防ぐことが出来る。

図1，２，３に戻って、ボード１１７上には電子素子１２３が搭載されている。これら電子素子１２３は、電子素子１０４や光素子１０５のコントロール回路、電源供給用、信号生成回路、信号処理回路として用いられることがある。このように、光モジュールのパッケージ１０１や光導波路１３０は、ボード１１７の信号入出力ポートとして機能しているのである。

図４，５に本発明実施形態の一例を示す。図４は光コネクタ２０２に固定する光導波路１３０を示した斜視図であり、図５は断面図である。

光導波路１３０には、ミラー面１１５が設けられているが、光導波路コア層１１３とクラッド層１１４をおおよそ４５度程度でカットされた構造となっている。光導波路１３０はポリマやガラスなどによって構成されているため、曲がりやすいという欠点がある。そこで、光導波路１３０は光コネクタ２０２に固定されている。また、光コネクタ２０２にはガイド孔２０１が設けられている。ガイド孔２０１はガイドピン２０１を安定して保持するため、光コネクタ２０２に設けられている方が良い。

図６に本発明実施形態の一例を示す。図６は光コネクタ２０２に固定された光導波路１３０を示した断面図である。光コネクタ２０２にはミラー面３０１が形成されているが、光の反射率を上げるため金などに代表される金属をコーティングしていても良い。

図７に本発明実施形態の一例を表す断面図を示す。光コネクタ４０１は光導波路１３０をおおよそ直角に曲げて保持する機構が設けられている。この場合、光導波路１３０にミラーなどを作る必要性が無くなる。なお光導波路１３０の曲げ半径はおよそ数百ミクロン〜数ミリ程度となる。

図８に本発明実施形態の一例を示す断面図を示す。パッケージ１０１にはガイド孔１０７が設けられ、光コネクタ２０２にはガイド孔２０１が設けられ、ボード１１７にはガイド孔５０３が設けられ、これらガイド孔は同一のガイドピン１１１によって嵌合される。これによって、ガイドピン１１１によって、パッケージ１０１と光コネクタ２０２は位置合わせされるだけでなく、電極１１０と電極１２７の相対的な位置も合わせる事が可能となる。ただし、電極１１０と電極１２７の大きさが５００ミクロン程度であるとすると、電極１１０と電極１２７の相対的な位置合わせ精度は、せいぜい２００ミクロンも有れば充分であるため、ガイド孔５０３の直径は、ガイド孔１０７やガイド孔２０１の直径に比べて４００ミクロン程度まで大きくて良いことになる。

また、ガイド孔５０３を空ける利点はもう一つある。ガイドピン１１１の長さは１ｍｍ以上あった方が製造しやすい。しかし、パッケージ１０１と光コネクタ２０２の厚さは数百ミクロン程度まで薄くすることがあり、この場合、ガイド孔５０３があった方が、ガイドピン１１１の長さをパッケージ１０１や光コネクタ２０２の厚さの和よりも長くすることが出来るというメリットがある。

図８に戻って、電気コネクタ１２１の電極固定用溝５０２には電極５０１が保持されている。電極５０１は弾性を有しており、電極１１０と電極１２７に接触して導通を取る構成となっている。この場合、電極５０１の可動範囲が１ミリ程度であるとすると、光コネクタ２０２などに1ミリ程度の作製ズレがあった場合においても、導通を取ることが出来るというメリットがある。なお電気コネクタガイド機構１０９はボード１１７上に搭載されている。

図９に本発明実施例を示す断面図を示す。電気コネクタA６０１はパッケージ１０１上に搭載されており、電気コネクタB６０４はボード１１７上に搭載されている。そして、パッケージ１０１とボード１１７の電気的結合は、電極ピン６０２を電極ガイド６０３に挿すことによって成される。これは電極ピン６０２の差込が不十分であっても電気的結合が容易に行なえるという利点がある。例えば、電極ガイド６０３の深さが１ｍｍ程度であれば、電極ピン６０２は５００ミクロン程度電極ガイド６０３に挿入されていれば電気的結合が取れることとなる。これは光導波路１３０の厚さ精度、半田ボール１２５の高さ精度にばらつきが合っても、光導波路１１３と光素子１０５の光学的結合を損することなく、パッケージ１０１とボード１１７の電気的結合が出来るという利点がある。

図９に戻って、光素子１０５は、パッケージ１０１と透光性基板６０７によって囲まれる領域に位置している。このような場合、光素子１０５は外気にさらされることが無いように、封止を取ることが可能となる。透光性基板６０７はガラスやセラミックから出来ており、所望の光信号を透過すれば良く、一般的には信号光は５０％以上が透過する。透光性基板６０７は、直接光導波路１３０と突き当てても良く、この場合、光素子１０５と光導波路１３０の高さ方向の位置決めが成されやすく、光結合が安定するという利点を有する。

図９に戻って、クランプ６０５はボード１１７に設けたクランプ用孔６０６に、ボード裏面から挿されており、この場合クランプ６０５の取付強度が向上するという利点がある。

図１０に本発明実施例を示す断面図を示す。光コネクタ７０３には電極固定溝７０２が取り付けられており、この電極固定溝７０２には、電極７０１が取り付けられている。したがって、ガイドピン１１１によってガイド孔１０７、ガイド孔２０１とガイド孔５０３を嵌合するだけで、光素子１０５と光導波路１３０の光結合と、パッケージ１０１とボード１１７の電気的結合が、同時に成されるという利点を有する。

図１１に本発明実施例を示す斜視図を示す。光ファイバ８０３は光コネクタ７０３に固定されており、ミラー３０１によって、光信号は光素子と結合をする。光コネクタ７０３には電極固定溝７０２が設けられ、電極７０１が保持されている。電極７０１はパッケージ１０１とボード１１７の電気的結合を担う。

ところで、ネジ８０７はパッケージ抑え８０４の孔８０５と孔８０２に挿入され、ナット８０１とパッケージ抑え８０４と共に、パッケージ１０１、光コネクタ７０３、ボード１１７の固定をする。パッケージ抑え８０４は熱伝導率の高い金属によって作られていることで、パッケージ１０１からの放熱効率を高めることが可能となる。

高速で小型な情報処理装置内の基板上に搭載されることで、基板からの信号を高速に出力し、基板に信号を高速に入力する目的で使用される。

本発明第１の実施形態を示す断面図である。 本発明第１の実施形態を示す断面図である。 本発明第１の実施形態を示す斜視図である。 本発明第２の実施形態を示す斜視図である。 本発明第２の実施形態を示す断面図である。 本発明第３の実施形態を示す断面図である。 本発明第４の実施形態を示す断面図である。 本発明第５の実施形態を示す断面図である。 本発明第６の実施形態を示す断面図である。 本発明第７の実施形態を示す断面図である。 本発明第８の実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

101…パッケージ、
102…パッケージ内部配線、
103…クランプ溝、
104…電子素子、
105…光素子、
106…台座、
107…ガイド孔、
108…パッケージ内ビア、
109…電気コネクタガイド機構、
110…電極、
111…ガイドピン、
112…ガイド孔、
113…光導波路コア層、
114…光導波路クラッド層、
115…ミラー面、
116…クランプ、
117…ボード、
118…ボード内配線、
119…電極、
120…電極固定溝、
121…電気コネクタ、
122…電極、
123…電子素子、
124…電極、
125…半田ボール、
126…電極、
127…電極、
128…ボード内ビア、
129…ワイヤ、
130…光導波路、
201…ガイド孔、
202…光コネクタ、
301…ミラー面、
401…光コネクタ、
501…電極、
502…電極固定用溝、
503…ガイド孔、
601…電気コネクタA、
602…電極ピン、
603…電極ガイド、
604…電気コネクタB、
605…クランプ、
606…クランプ用孔、
607…透光性基板、
701…電極、
702…電極固定溝、
703…光コネクタ、
801…ナット、
802…孔、
803…光ファイバ、
804…パッケージ抑え、
805…孔、
806…バネ、
807…ネジ。

Claims (14)

1. ボードと、前記ボードと電気的結合を成して搭載される光電気パッケージと、前記光電気パッケージと光結合され、コア層と該コア層を囲むように設けられたクラッド層とを含んでなる光導波路の複数によって構成される光導波路構造体とを具備し、
   前記光電気パッケージの前記ボードと対向する主面には光素子が搭載されると共に第１の電極が設けられ、
   前記光導波路構造体には光信号を前記光電気パッケージの方向へ概ね直角に曲げる手段が設けられ、
   前記第１の電極と前記ボードに設けられた第２の電極パッドとの電気的結合をするための電気コネクタが前記光電気パッケージと前記ボードとの間に設けられ、
   前記光電気パッケージとボードは押圧部材によって固定されることで、前記１の電極と前記第２の電極との導通固定がなされると共に、前記光導波路構造体と前記光電気パッケージ上の光素子との光結合及び固定がなされていることを特徴とする光電気モジュール。
2. 前記光導波路構造体のコア層端面は、概ね４５度でカットされており、光を概ね直角に反射することを特徴とする請求項１記載の光電気モジュール。
3. 前記光導波路構造体の一部は、光コネクタによって固着されていることを特徴とする特徴とする請求項１記載の光電気モジュール。
4. 前記光コネクタの一部には、前記光導波路を通る光信号の光軸を概ね直角に曲げるミラー面が設けられていることを特徴とする請求項３記載の光電気モジュール。
5. 前記光コネクタには、前記光導波路を一定の曲げ半径を伴いながら、概ね直角に曲げる手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光電気モジュール。
6. 前記光電気パッケージには、第１のガイド孔が設けられており、前記光導波路または前記光コネクタには第２のガイド孔が設けられ、同一のガイドピンによって前記第１のガイド孔と前記第２のガイド孔とが嵌合されていることを特徴とする請求項１記載の光電気モジュール。
7. 前記ボードには第３のガイド孔が設けられ、前記第１のガイド孔と前記第２のガイド孔と前記第３のガイド孔は同一のガイドピンによって嵌合されることを特徴とする請求項１記載の構造体。
8. 前記第３のガイド孔の直径は前記第１のガイド孔と前記第２のガイド孔の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の光電気モジュール。
9. 前記電気コネクタは第３の電極と第４の電極を設けており、前記第１の電極と前記第３の電極または前記第２の電極と前記第４の電極は接触して導通されることを特徴とする請求項１記載の光電気モジュール。
10. 前記光電気パッケージまたは前記ボードには、前記電気コネクタを位置合わせする手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光電気モジュール。
11. 前記電気コネクタは、前記光電気パッケージまたは前記ボードの方向へ挿抜をすることで電気的結合が取られることを特徴とする請求項１記載の光電気モジュール。
12. 前記光導波路または前記光コネクタには、導体が保持されており、該導体は前記光電気モジュールまたは前記ボードと電気的結合を成すことを特徴とする請求項１記載の光電気モジュール。
13. 前記光電気パッケージの前記ボードと対向する主面には、少なくとも前記光素子の厚みより厚い台座が取り付けられており、前記台座と前記光導波路が接触するか、前記台座と前記光コネクタが接触することで、前記光素子と前記光導波路の距離が位置決めされていることを特徴とする請求項１記載の光電気モジュール。
14. 前記台座は、前記光素子と前記光導波路との間隙にあり、透光性を有する部材であることを特徴とする請求項１３記載の光電気モジュール。

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