JPWO2006025523A1 - 光電気複合モジュール - Google Patents

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Abstract

基板3の上に絶縁層31が積層され、その上に光導波路21を内蔵された絶縁層2が形成され、絶縁層2の上下に下部グランド電極61、上部グランド電極62、導電性ビア71等が電気的に接続され、光導波路21は発光素子と送信LSIを主構成とする送信部11と、受光素子と受信LSIを主構成とする受信部12に結合されている。送信部11で発光素子を駆動すると信号光は光導波路21に結合して光伝播するが、光導波路21に入射されなかった迷光41は電磁波ノイズ42とともに基板3と絶縁層2の内部また空間を伝播するが、導電性ビア71で散乱され、上下グランド電極61、62で反射され、信号光のみが受信部12の受光素子に結合する。

Description

本発明は、光電気複合モジュールに関し、特に発光素子とその駆動LSI及び受光素子とその信号処理LSIなどが光導波路とともに一体的に実装された高速の光電気複合モジュールに関する。
近年、地域内ネットワーク、都市間ネットワーク等に代表される光通信、ならびにサーバ・ルータの装置内・装置間での光リンクなどにおいて用いられる、高速、低コスト、かつ小型な光トランシーバの実現が期待されている。光トランシーバは光送信部と光受信部から構成されているが、その中で光送信部のモジュールは、送信LSI及び半導体レーザなどの発光素子を有し、光受信部のモジュールは、受信LSI及びフォトダイオードのような受光素子を有している。
これまでこの種の光電気複合モジュールは、光導波路が形成された基板上に光素子を搭載し、光導波路と結合することによって光結合系を形成し、光導波路の一端と光ファイバと結合することにより外部との光入出力を行っている。さらに光加入者系では入出力のためのファイバの本数を1本にするため、発光素子と受光素子の信号波長を区別して、途中に光フィルタを挿入することで波長をふりわける構造が採用されている。そして、送受信一体型の光モジュールにおいては迷光と電磁波ノイズを抑制することが必要となるので、従来より種々の低減手段がとられてきた。例えば、特許文献1に記載されている従来の光伝送モジュールでは、発光素子と受光素子の間の光導波路に、孔があいた遮光板を挿入することによって、光導波路近傍は通過し外側は遮光されることにより、発光素子から光導波路に結合されなかった迷光が抑制される構造がとられていた。
また、迷光が抑制できる別の構造として、例えば、特許文献2には、発光素子及び受光素子の周囲を透明樹脂にてドーム状に被覆し、その外側を遮光用樹脂被覆部でコーティングする構造が提案されている。この構造によれば、発光素子からの迷光が外部に漏れでないようにできるとともに外部からの光が受光素子に受光されないようにすることができる。
一方、電磁波ノイズを抑制するための構造としては、発光素子の駆動によって生じる電磁波ノイズが受信側に到達して受信LSIで増幅されることのないように、送信部と受信部の距離を離したり、例えば受信部の素子が搭載された基板全体を電磁波遮蔽用のモジュールパッケージで覆うなどの対策が採られてきた。
特開2001−249241号公報(3−4頁、図1、図2) 特開2001−174675号公報(3頁、図1、図2)
従来の光導波路基板を用いた光モジュールでは、迷光と電磁波ノイズ抑制のために別々の部品に対策を施してきた。しかし個別に対策を施すことで部品点数の低減が難しくなるなど、サイズやコストの低下を阻む要因となっていた。
また、迷光低減のために遮光板を挿入する場合、導波路部分に遮光板の孔部がくるように調整するのでアライメント精度が厳しく、実装コストが高くなるという問題があった。
また、電磁波ノイズ低減のために発光素子と受光素子の距離を離すことによって小型化が阻害されるという問題があった。
また、従来構造では、微細な部分に電磁遮蔽構造を形成することができないため、送信部や受信部などをアレイ化した際に隣接チャンネル間のクロストークを抑制することが困難であった。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、第1に、迷光と電磁波ノイズの抑制を別々の部品ではなく同一部品内(同一基板上)に実現できる構造を有する光電気複合モジュールを提供することであり、第2に、遮光板のような部品を用いずに迷光を抑制でき、実装コストを低減できる構造を有する光電気複合モジュールを提供することであり、第3に、発光素子と受光素子の距離を近づけても電磁波ノイズを低減でき小型化できる構造を有する光電気複合モジュールを提供することであり、第4に、クロストークの抑制された、アレイ化された光電気複合モジュールを提供することである。
上述した目的を達成するため、本発明によれば、送信部及び/又は受信部と、絶縁層内に配置された、少なくとも前記送信部又は前記受信部とに光学的に結合された光導波路とを有する光電気複合モジュールにおいて、前記光導波路の少なくとも一部が、筒状に形成された接地された導電性部材により囲まれていることを特徴とする光電気複合モジュールが提供される。
また、上述した目的を達成するため、本発明によれば、送信部及び/又は受信部と、絶縁層内に配置された、少なくとも前記送信部又は前記受信部とに光学的に結合された光導波路とを有する光電気複合モジュールにおいて、前記絶縁層上・下面にはそれぞれ上部グランド電極と下部グランド電極とが形成され、前記光導波路の少なくとも一部が、上部グランド電極と下部グランド電極の少なくとも一方に接続された、光導波路に沿ってその両側に形成された並行導電性部材と該並行導電性部材と交差する方向に形成された交差導電性部材とによっては“コ”字状又は“ロ”字状に囲まれていることを特徴とする光電気複合モジュールが提供される。
本発明は、基板の上に光導波路を内蔵する絶縁層を配置し、この絶縁層の上面及び下面に形成された導電膜(グランドパターン及び信号配線と電源配線)を遮光用及び電磁波遮蔽用膜として有効活用するとともに、光導波路を、絶縁層内に設置された接地された導電性部材によっては“コ”字状若しくは“ロ”字状に囲み、これにより遮光用及び電磁波遮蔽用作用を担わせるものであるので、本発明によれば、別々の部品でなく同一部品内(同一基板上)で遮光と電磁遮蔽が可能となり、また、送信部と受信部との距離を離す必要がなくなり、部品点数の削減と装置の小型化と低コスト化が可能となる。また、迷光低減のための開孔を有する遮光板が不要になるため、実装コストを抑えることが可能となる。また、微細な部分に電磁遮蔽構造を作り込むことができるため、アレイ化した際に隣接チャンネル間のクロストークを抑制することが可能になる。
本発明の第1の実施の形態の主要部の縦断面図と横断面図。 本発明の第1の実施の形態の動作を説明する模式図。 本発明の第2の実施の形態の主要部の縦断面図と横断面図。 本発明の第3の実施の形態の主要部の縦断面図と横断面図。 本発明の第4の実施の形態の主要部の縦断面図と横断面図。 本発明の第5の実施の形態の縦断面図と上面図と横断面図。
符号の説明
1 光電気複合モジュール
1a 光電気複合モジュールの光伝送部
2 絶縁層
3 基板
8 光ファイバ
9 バンプ
11 送信部
12 受信部
21 光導波路
31 絶縁層
41、43 迷光
411 絶縁層内迷光
412 空間伝播迷光
42 電磁波ノイズ
421 絶縁層伝播電磁波ノイズ
422 空間伝播電磁波ノイズ
423 基板伝播電磁波ノイズ
51 LD
52 送信LSI
53 受信PD
54 受信LSI
55 WDMフィルタ
56 ミラー
61 下部グランド電極
62 上部グランド電極
63 上部電極・配線
64 下部電極・配線
65、66、69 信号線路
67、68 電源線路
71 導電性ビア(導電性材料が充填されたビアホール)
72 導電性側壁
73 導電性正面壁
73a 開口
74 吸収体充填ビア(光吸収性材料が充填されたビアホール)
75 吸収層
76 遮蔽ケース
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態を、特に光導波路の電磁遮蔽ならびに遮光構造に着目して示す要部断面図であって、図1(a)は縦断面図、図1(b)は光導波路を通る面での横断面図である。図1に示される、本実施の形態の光電気複合モジュールの光伝送部1aにおいて、Siからなる基板3の上に絶縁層31が積層され、その上に光導波路21が内蔵された絶縁層2が形成されている。そして、絶縁層2の上・下面にはそれぞれ上部グランド電極62と下部グランド電極61が形成され、絶縁層2内には、上部グランド電極62と下部グランド電極61とに接続された、導電性材料が充填されたビアホール(以下、導電性ビア)71が複数本形成されている。光導波路21は発光素子と送信LSIを主構成要素とする送信部11と、受光素子と受信LSIを主構成要素とする受信部12に光学的に結合されている。
絶縁層2は光導波路21を内蔵しており光導波に適した屈折率構造を有している。絶縁層の材料としては信号波長に対して低損失であり、レーザビームによるビアホールの加工等が可能なポリマ樹脂が好適である。
本実施の形態において、導電性ビア71は、送信部11側に光導波路21を囲むように配置されている。導電性ビア71は、送信部と受信部の間の光導波路21を伝播してくる信号光を吸収又は散乱しない範囲で光導波路21に近接させるとともに、迷光41の主要伝播方向(図の左右方向)対して垂直の方向に並べる。そして、その垂直方向に並ぶ導電性ビア71の列が複数本配置されるようにし、かつ、迷光41の主要伝播方向に導電性ビア71がジグザグに配置されるようにして、迷光41の受信部12方向(図の右方向)への直進が阻害されるようにすると効果的である。図1に示す第1の実施の形態では、送信側からの迷光41と電磁波ノイズ42が外部に漏洩しないようにする構造が示されているが、受信部12側に導電性ビア71を配列することにより、外部からの迷光と電磁波ノイズを受信部に進入させない構造とすることもできる。また、送信部側及び受信部側の双方において光導波路を導電性ビア71で囲った構造としてもよい。
次に、本実施の形態の光電気複合モジュールの動作について図2を参照して説明する。
送信部11で発光素子を駆動すると信号光は光導波路21に入射されて光伝播するが、光導波路21に入射されなかった迷光41のうち、絶縁層2内を伝播する絶縁層内迷光411は絶縁層伝播電磁波ノイズ421とともに導電性ビア71で散乱される。また、空間を伝播する迷光412は空間伝播電磁波ノイズ422とともに上部グランド電極62で反射される。また基板3内を伝播してきた基板伝播電磁波ノイズ423は下部グランド電極61で反射され、基板3に入射した空間伝播迷光412はSi製の基板に大部分吸収され、残りの部分は下部グランド電極61で反射される。このため、迷光は受光部の受光素子に結合されず、受信信号光のみが受信部12の受光素子に結合する。
以上のように、本実施形態の光電気複合モジュールでは、その光伝送部1aにおいて光導波路が通る基板上に遮光と電磁遮蔽をするための導電性ビア列を作りこむことができるので、モジュール全体の構造が簡略化して部品点数を減らすことができ、小型化、低コスト化が可能になる。また、基板や絶縁層の内部に遮断構造が作りこめるため、送信側から受信側に伝播してくる基板や絶縁層の内部の迷光や電磁波ノイズをカットして、遮光や電磁遮蔽効果を高めることが可能になる。
図3は、本発明の第2の実施の形態の要部断面図であって、図3(a)は縦断面図、図3(b)は光導波路を通る面での横断面図である。図3に示される、本実施の形態の光電気複合モジュールの光伝送部1aにおいては、導電性ビアに代え導電性材料を隙間なく埋めた壁状部材を形成して遮光、電磁遮蔽効果を高めている。すなわち、絶縁層2内に、光導波路21を挟んでこれに概略並行の一対の導電性側壁72を設けるとともに、光導波路21をよける導電性正面壁73を導電性側壁72に接続してこれに垂直に形成する。導電性正面壁73には光導波路21を通す開口73aが設けられている。この導電性壁は、導電性ビアのためのビアホールを形成するのに用いられたレーザ加工を繰り返し用いてビアホールを連続した形状に形成しその内部を導電性材料で充填すれば容易に形成が可能である。これにより絶縁層2内を伝播する迷光41ならびに電磁波ノイズ42は導電性側壁72及び導電性正面壁73により反射され、受信部12の受光素子には受信信号光のみが到達する。
図4は、本発明の第3の実施の形態の要部断面図であって、図4(a)は縦断面図、図4(b)は光導波路を通る面での横断面図である。図4に示される、本実施の形態の光電気複合モジュールの光伝送部1aにおいては、導電性ビア71による散乱だけでなく、光吸収体が充填されたビアホール(以下、吸収体充填ビア)74により直接吸収あるいは散乱光吸収により遮光効果を高めている。吸収体充填ビア74は、“コ”字状に配列された導電性ビア71の内側に配置し、迷光4の経路を遮るようにする。これにより絶縁層2内を伝播する迷光41は導電性ビア71に散乱され、さらに吸収体充填ビア74で吸収され、受信部12の受光素子には受信信号光のみが到達するようになる。吸収体材料はポリマ樹脂の中から容易に選択が可能である。
図5は、本発明の第4の実施の形態の要部断面図であって、図5(a)は縦断面図、図5(b)は光導波路を通る面での横断面図である。図5に示される、本実施の形態の光電気複合モジュールの光伝送部1aにおいては、絶縁層2の上部を光吸収性材料からなる吸収層75としたものであり、導電性ビア71による散乱と、吸収体充填ビア74と吸収層75による直接吸収及び散乱光吸収とにより、遮光効果を高めている。ここで、吸収体充填ビア74は、“コ”字状に配列された導電性ビア71の内側に配置し、迷光41の経路を遮断するようにする。これにより絶縁層2内を伝播する迷光41は導電性ビア71に散乱され、さらに吸収体充填ビア74と吸収層75で吸収され、受信部12の受光素子には受信信号光のみが到達するようになる。同様に吸収層75に直接到達した迷光43はそのまま吸収される。光吸収性材料は、ポリマ樹脂の中から容易に選択が可能であり、吸収層75はスピンコートによる形成が可能である。また、吸収層75と絶縁層2とを貫通するビアホールはレーザ加工により容易に形成できる。
なお、第1〜第4の実施の形態においては送信部、受信部及び光導波路を各1個ずつ有する場合について説明したが、送信部又は受信部を複数個アレイ状に配置するようにしてもよい。あるいは送信部、受信部及び光導波路の組を複数個アレイ状に配置するようにしてもよい。本発明によれば、アレイ化した場合でも導電性ビア等は微細な部分に形成が可能なため、個別の光導波路ごとに遮光ならびに電磁遮蔽構造を設置することができ、コンパクトに集積化されたアレイ化モジュールにおいても隣接チャンネル間でのクロストークを抑制することが可能である。
図6は、本発明の第5の実施の形態の光電気複合モジュールの模式図であって、図6(a)は縦断面図、図6(b)は上面図、図6(c)は光導波路を通る面で見た横断面図である。光電気複合モジュール1は、送信部11と、受信部12と、これらの間を光学的に結合する、絶縁層2内に敷設された光導波路21とを有しており、これらは基板3上の絶縁層31上に設置されており、一体型モジュールとして構成されている。絶縁層2の上・下面には、それぞれ上部電極・配線63と下部電極・配線64が形成されており、また絶縁層2内部には導電性ビア71と吸収体充填ビア74とが形成されている。ここで、上部電極・配線63と下部電極・配線64とは、それぞれグランド電極と信号線路と電源線路を含むものである。
送信部11はLD51と送信LSI52で構成されている。LD51は、絶縁層31上に形成された信号線路69上にフリップチップ接続され、送信LSI52からの電流振幅信号をうけて、光信号を生成する。LD51の層構造及び内部構造は光導波路との光結合に適した構造となっている。また、端面発光型に限られず、面発光型のLDを用いてもよい。この場合は、絶縁層2上に搭載し、ミラーにて光路を90度変換してその出射光を光導波路21と結合するようにしてもよい。送信LSI52は、絶縁層2上の上部グランド電極62、電源線路68、信号線路65上にバンプ9でフリップチップ実装されており、外部からの電気信号(規定電圧の変調信号)に応じて、LD51に必要な電流振幅の駆動電流を与える。送信LSI52が接続された信号線路65とLD51が接続された信号線路69とは、絶縁層2を貫通して形成された導電性ビアにより接続されている。
受信部12は受信PD53と受信LSI54で構成されている。受信PD53は絶縁層2上の信号線路66上にフリップチップ接続され、入力信号光を電流振幅信号に変換して、受信LSI54に送信する。受信PD53は面型PDに限られず、端面入射型のPDを用いてもよい。この場合は、PDを下部電極・配線64上に搭載して、光導波路21と直接結合するようにしてもよい。受信LSI54は絶縁層2上の上部グランド電極62、信号線路66、電源線路67上にフリップチップ接続され、受信PD53からの電流振幅信号を規定電圧になるように電圧信号に変換する。受信部12は、上部グランド電極62に接続された金属製の遮蔽ケース76内に収容されている。
本実施の形態においては、信号線路をコプレーナ伝送線路として構成していたが、信号線路を上部グランド電極上にマイクロストリップ線路として形成するようにしてもよい。このようにすることにより、迷光及び電磁波ノイズをより完全に遮蔽することができる。
本実施の形態において、光回路部分として光導波路21が基板3上にV字型になるように敷設されている。基板3の片端には送信部11が形成され、導波路が交わる部分にはWDMフィルタ55が配置され、その後方側に受信部12が設置されている。V字状に開いた光導波路21の一方の端部はLD51と結合され、他方は光ファイバ8と結合されている。
WDMフィルタ55は、2本の導波路がV字に交わる部分に形成された溝に挿入されている。外部からの入力光はWDMフィルタ55を透過した後、ミラー56にて反射されて受信PD53に入射する。送信部11からの信号光はWDMフィルタ55にて反射されて光ファイバ8を介して外部へ出力される。
光ファイバ8は、外部からの光入力を光導波路21を介して受信部12へ導き、そして送信部からの光信号を光導波路21を介して外部へ光出力する。光ファイバ8は基板上に形成されたV溝などにより位置決めされている。
この送受一体型の光電気複合モジュール構成において、送信部11と受信部12との間を光結合する光導波路21が敷設されている絶縁層2では、その送信部側及び受信部側の両方の上・下面に上部グランド電極62と下部グランド電極61が形成され、そして送信部側と受信部側とにそれぞれ導電性ビア71及び吸収体充填ビア74が配置されている。ここで、導電性ビア71は送信部側及び受信部側の両方において光導波路21を囲むように配置されている。さらに、遮蔽ケース76により、送信部11で発生した空間伝播電磁波ノイズの受信部12への伝達が遮断されている。すなわち、下、上部グランド電極61、62、導電性ビア71、遮蔽ケース76によって等電位面が形成され、空間伝播、基板伝播及び絶縁層伝播の各電磁波ノイズを遮蔽することができる。本実施の形態において、遮蔽ケース76は外部からの電磁波ノイズの影響を受けやすい受信部12側に配置したが、送信部11側に配置してもよい。
以上のことから、本発明の第5の実施の形態では、迷光低減のために孔のついた遮光板が不要になるため、実装コストを抑えることが可能である。また、電磁波ノイズ低減のための電磁遮蔽構造を送信側あるいは受信側の近傍にとることができるので送信側と受信側の間の距離を離す必要がなくなり小型化が可能になる。
次に、図6を参照して本発明の実施例1を説明する。LD51は発振波長1310nmの端面発光レーザで、受信PD53は面型のフォトダイオードであって、これらの光素子をフリップチップ実装した。絶縁層2は光導波路の損失が0.5dB/cmであった。送信LSI52は、外部から156Mbit/sの差動入力の電気信号によりLD51の注入電流を制御する。波長1310nmの光信号は光導波路21を介してWDMフィルタ55で反射して、光ファイバ8から外部へ光出力される。一方、波長1550nm、622Mbit/sの光入力は、光ファイバ8、光導波路21を介して伝達され、WDMフィルタ55を透過しミラー56で反射して受信PD53で受光され、受信LSI54で電気信号として出力された。このときのLD51から受信PD53への光のアイソレーションは65dB、電気のアイソレーションは80dBであり、迷光、及び電磁波ノイズを低減する効果が得られた。
本発明の活用例として、地域内ネットワーク、都市間ネットワーク等に代表される光通信、ならびにサーバ・ルータ等装置内・装置間での光リンクに使用される光電気複合モジュールが挙げられる。

Claims (23)

  1. 送信部及び/又は受信部と、絶縁層内に配置された、少なくとも前記送信部又は前記受信部とに光学的に結合された光導波路とを有する光電気複合モジュールにおいて、
    前記光導波路の少なくとも一部が、筒状に形成された接地された導電性部材により囲まれていることを特徴とする光電気複合モジュール。
  2. 送信部及び/又は受信部と、絶縁層内に配置された、少なくとも前記送信部又は前記受信部とに光学的に結合された光導波路とを有する光電気複合モジュールにおいて、
    前記絶縁層上・下面にはそれぞれ上部グランド電極と下部グランド電極とが形成され、
    前記光導波路の少なくとも一部が、上部グランド電極と下部グランド電極の少なくとも一方に接続された、光導波路に沿ってその両側に形成された並行導電性部材と、該並行導電性部材と交差する方向に形成された交差導電性部材とによって“コ”字状又は“ロ”字状に囲まれていることを特徴とする光電気複合モジュール。
  3. 前記絶縁層の上面又は下面の少なくとも一方には、グランド電極と信号配線とが同層に形成されていることを特徴とする請求項2記載の光電気複合モジュール。
  4. 前記並行導電性部材が、導電性ビア列又は導電性壁により構成されていることを特徴とする請求項2記載の光電気複合モジュール。
  5. 前記交差導電性部材が、導電性ビア列又は前記光導波路を通す開口部が開設された導電性壁により構成されていることを特徴とする請求項2記載の光電気複合モジュール。
  6. 前記絶縁層内には、光及び電磁波を反射する反射部材及び/又は光吸収部材がさらに配置されていることを特徴とする請求項1記載の光電気複合モジュール。
  7. 前記絶縁層内には、光及び電磁波を反射する反射部材及び/又は光吸収部材がさらに配置されていることを特徴とする請求項2記載の光電気複合モジュール。
  8. 前記反射部材が前記絶縁層を貫通して形成された、接地された導電性ビアにより構成されていることを特徴とする請求項7記載の光電気複合モジュール。
  9. 前記光吸収部材が前記絶縁層を貫通するビアホールを光吸収材料にて充填してなる吸収体充填ビアにより構成されていることを特徴とする請求項7記載の光電気複合モジュール。
  10. 前記送信部が、発光素子と該発光素子を駆動する送信LSIを有することを特徴とする請求項1記載の光電気複合モジュール。
  11. 前記送信部が、発光素子と該発光素子を駆動する送信LSIを有することを特徴とする請求項9記載の光電気複合モジュール。
  12. 前記送信LSIが前記絶縁層上に搭載されていることを特徴とする請求項11記載の光電気複合モジュール。
  13. 前記受信部が、受光素子と該受光素子の出力信号を処理する受信LSIを有することを特徴とする請求項1記載の光電気複合モジュール。
  14. 前記受信部が、受光素子と該受光素子の出力信号を処理する受信LSIを有することを特徴とする請求項12記載の光電気複合モジュール。
  15. 前記受光素子と前記受信LSIが前記絶縁層上に搭載されていることを特徴とする請求項14記載の光電気複合モジュール。
  16. 前記送信部又は前記受信部の少なくとも一方が遮蔽ケース内に収容されていることを特徴とする請求項1記載の光電気複合モジュール。
  17. 前記送信部又は前記受信部の少なくとも一方が遮蔽ケース内に収容されていることを特徴とする請求項15記載の光電気複合モジュール。
  18. 前記送信部と前記受信部との間には、送信信号光と受信信号光の内のいずれか一方のみを透過させる光フィルタが配置されていることを特徴とする請求項1記載の光電気複合モジュール。
  19. 前記送信部と前記受信部との間には、送信信号光と受信信号光の内のいずれか一方のみを透過させる光フィルタが配置されていることを特徴とする請求項17記載の光電気複合モジュール。
  20. 前記絶縁層の一部の層が迷光を吸収する材料で構成されていることを特徴とする請求項1記載の光電気複合モジュール。
  21. 前記絶縁層の一部の層が迷光を吸収する材料で構成されていることを特徴とする請求項19記載の光電気複合モジュール。
  22. 複数の前記送信部若しくは複数の前記受信部、又は前記送信部、前記受信部及び前記光導波路の複数組がアレイ状に配置されていることを特徴とする請求項1記載の光電気複合モジュール。
  23. 複数の前記送信部若しくは複数の前記受信部、又は前記送信部、前記受信部及び前記光導波路の複数組がアレイ状に配置されていることを特徴とする請求項21記載の光電気複合モジュール。
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