JPWO2009001822A1 - 光モジュール - Google Patents

Abstract

光モジュールは、光が出射又は入射する方向と、光モジュールからの放熱方向とが同じ方向である。光素子と光結合された光伝送路とヒートシンクとは、直接に又は熱良導体を介して接触する。光モジュールから発生する熱が、光伝送路１４及びヒートシンク１９を経由して効果的に放熱される。

Description

本発明は、光モジュールに関し、更に詳しくは、発光素子又は受光素子を有する光モジュールに関する。

近年、ＬＳＩの高速化はますます進展している。しかし、それらＬＳＩ間などを接続する電気配線には、伝送能力の限界があると考えられている。その限界を打破する技術として、光インターコネクションが期待されている。光インターコネクションは、従来の電気配線に代えて、光伝送路を用いる技術であり、近年、研究・開発が進んでいる。光インターコネクションは、送信元でＬＳＩから出力される電気信号を光信号に変換し、光導波路や光ファイバーなどの光伝送路を用いて目的距離を伝送し、受信側で光信号を電気信号に変換し、ＬＳＩの入力ピンに入力するという信号伝送形態を採用する。

高性能のＬＳＩには、１００本以上という多数本の入出力電気端子が備えられており、
光インターコネクションでは、その端子数を全て光信号に置き換える必要がある。また、
１０Ｇｂｐｓ程度の高速信号は、電気配線において損失が大きいため、できるだけ損失しない状況で光信号に変換することが望ましい。多数本の電気信号を、電気配線での損失が少ないうちに光信号に変換するためには、光・電気変換部分をできるだけ小さくし、ＬＳＩの近くに設置することが現実的な解となる。つまり、光・電気変換部品である光モジュールを小型化することが、非常に重要である。

図８は、光インターコネクションの一例である、非特許文献１に記載された光モジュールを示す。同図において、光モジュール３０は、発光機能を有する光素子３２と、光素子３２を駆動するドライバーＩＣ３３と、金属板からなるヒートシンク３４と、光素子３２から出射する光を導くミラー面３５を含むレンズブロック３６とを有する。光素子３２は、セラミックパッケージ３１内に収容され、ヒートシンク３４は、セラミックパッケージ３１の裏面に配置される。

上記光モジュール３０では、光素子３２やドライバーＩＣ３３から見て、信号光の取り出しは下方向、電気信号の伝播は左右方向、放熱（冷却）は上方向と、それぞれ別の方向を向いている。つまり、この構造の光モジュール３０では、光素子３２の光が出射する方向と、光素子へ電気信号が伝搬する方向と、光モジュール３０が放熱（冷却）する方向とが、それぞれ別方向に向いている。この構成によって、光素子から各信号を取り出す部品や放熱部品の配置に関して干渉が避けられる。

特許文献１には、放熱構造を改良した光モジュールが記載されている。この光モジュールを図９に示す。光モジュール４０は、プリント基板４１上に電子部品４２及び発光素子４３を搭載しており、また、プリント基板４１を挟んで上部放熱板４４及び下部放熱板４５を有する。上部放熱板４４には、穴４６が形成されており、発光素子４３の出射光は、
その穴４６を通過して上方に向かう。
上記文献は、以下の通りである。
２００６年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会の光エレクトロニクス分野 Ｃ−３−７１「低背１０Ｇｂｉｔ／ｓＸ４channelパラレル光送受信器」 特開２００４−２００５３３号公報

非特許文献１の構造では、信号光を取り出す部品、電気信号を取り出す部品、及び、放熱部品を、相互の配置干渉を避けるため、光素子から見て異なる方向に配置したので、光モジュールの小型化に限界があった。特に、信号光を取り出す方向には光学レンズやミラーなどの光結合するための部品が配置され、また、光モジュールが放熱（冷却）する方向には金属板などの放熱部品が配置される。これら構成部品が、光モジュールの発光素子又は受光素子から見て逆方向に配置されることから、光モジュールの小型化を妨げていた。

特許文献１に記載の光モジュールの放熱構造は、上部ヒートシンクに穴をあけ、その穴を通過させて発光素子の光を出射させ、信号光の出射方向と放熱方向とを、発光素子から見て同じ側に配置できるので、配置効率が向上し、光モジュールの小型化が可能である。
しかし、発光素子と上部ヒートシンクとは空間を隔てて配置されており、発光素子が発生する熱を、主として輻射や対流によって放散するため、放熱効果の改善は限定的である。

本発明の目的は、上記に鑑み、光素子から見て光の出射又は入射方向と放熱方向とを同じ方向に配置することから、部品の配置効率が高く、且つ、光素子が発生する熱を効率的にヒートシンクに伝達できるように改良された光モジュールを提供することである。

本発明は、発光機能又は受光機能を有する光素子と、光コネクターにより前記光素子と光結合される光伝送路と、前記光素子が発生する熱を放熱するヒートシンクとを備える光モジュールにおいて、
前記光コネクターの少なくとも一部が、熱良導体材料で形成され、且つ、前記ヒートシンクと直接に接触して、又は、熱良導体材料を介して接触していることを特徴とする光モジュールを提供する。

本発明の光モジュールによれば、光モジュールから発生する熱が、熱伝導によって効率良くヒートシンクに伝達され、効率良くヒートシンクから放熱できる。

本発明の上記、及び、他の目的、特徴及び利益は、図面を参照する以下の説明により明らかになる。

第１の実施形態の送信側光モジュールの断面図。 第１の実施形態の受信側光モジュールの断面図。 第２の実施形態の光モジュールの断面図。 第３の実施形態の光モジュールの一例を示す断面図。 第４の実施形態の光モジュールの断面図。 第５の実施形態の光モジュールの断面図。 第６の実施形態の光モジュールの断面図。 従来の光モジュールの断面図。 別の従来の光モジュールの斜視図。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、発明の理解を容易にするために、各実施形態で同様な部品については、同じ参照符号を付して示した。

第１の実施形態
第１の実施形態は、本発明を光ファイバーに接続するタイプの小型の光モジュールに適用した例である。図１及び図２は、それぞれ本実施形態の光モジュールの断面図である。まず、構造について説明する。図１の光モジュールでは、電気配線基板（以下、単に配線基板と呼ぶ）１１上に、光素子を構成する面発光型レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）１２と、光素子駆動ＩＣ（ＶＣＳＥＬドライバー）１３とが搭載される。ＶＣＳＥＬ１２及び光素子駆動ＩＣ１３は、配線基板内の図示しない電気配線と接続されている。面発光型レーザーは、一般にＶＣＳＥＬドライバーと組み合わせて使用され、送信側光モジュールを構成する。図２の光モジュールでは、配線基板１１には、光素子を構成する面受光素子２１と、電気信号を増幅するアンプ（アンプＩＣ）２２とが搭載される。面発光素子２１及びアンプＩＣ２２は、図示しない電気配線によって接続されている。面受光素子は、一般にアンプＩＣと組み合わせて使われ、受信側光モジュールを構成する。

図１及び図２の光モジュール１０、１０Ａでは、光素子１２、２１、光素子駆動ＩＣ１３又はアンプ２２と配線基板１１との間の電気接続は、半田や金などの接続材料で行う。
光素子１２、２１は、単チャンネルのものでも、或いは、１２チャンネル程度の多チャンネルのものでもよい。光素子１２、２１の上部には、光モジュール内に形成された短尺光ファイバー（モジュール内光ファイバー）１４が備えられている。光素子１２、２１の受発光部の中心と短尺光ファイバー１４のコア中心とが位置合わせされており、短尺光ファイバー１４は、シリコンなどの熱伝導性の良好な材料である光ファイバー固定部品１５と、これに支持される蓋１６とで両側から固定されている。

短尺光ファイバー１４は、光モジュール内にのみ形成されており、光ファイバー固定部品１５のシリコンに加工されたＶ溝などを用いて固定されている。短尺光ファイバー１４は、光コネクター１７を用いて、外部光ファイバー１８と接続される。光素子駆動ＩＣ１３及びアンプ２２の上部には、ヒートシンク１９が配置されており、ヒートシンク１９と、光ファイバー固定部品１５とは、接着剤などによって固定されている。ヒートシンク１９は、その下面が光素子駆動ＩＣ１３及びアンプ２２の上面と接触して配置され、且つ、その下面の外縁部の一部が、配線基板１１に固定されている。光素子駆動ＩＣ１３及びアンプ２２と、ヒートシンク１９とは、直接に接触してもよく、或いは、熱伝導率のよいコンパウンド、グリースや放熱シートなどの材料がその間に挿入されても良い。

次に、機能について説明する。図１の送信側光モジュール１０では、モジュール外部（不図示）のＬＳＩからの電気信号が、配線基板１１を介してＶＣＳＥＬドライバー１３に入力する。ＶＣＳＥＬドライバー１３は、ＶＣＳＥＬ１２に駆動電流を供給する。駆動電流の電流量に応じた光強度で、ＶＣＳＥＬ１２から光信号が出力される。光信号は、例えば、光強度が所定値よりも弱いときはデジタル信号“０”に、所定値よりも強いときはデジタル信号“１”に、それぞれ対応する。ＶＣＳＥＬ１２から出力された光信号は、短尺光ファイバー１４に結合し、その先で目的長さの光ファイバー１８に光結合し信号が伝送される。ＶＣＳＥＬドライバー１３が発生する熱は、主としてヒートシンク１９を介して放熱される。ＶＣＳＥＬ１２が発生する熱は、主として熱伝導性の良い光ファイバー固定部品１５を介して、ヒートシンク１９から放熱される。このとき、光ファイバー固定部品１５は、いわゆるヒートスプレッダーとして機能し、ＶＣＳＥＬ１２から発生する熱をＶＣＳＥＬ１２に対して垂直方向に拡散する。このため、冷却効率の高い放熱構造が得られる。この光モジュール１０は、ＶＣＳＥＬドライバー１３とＶＣＳＥＬ１２の合計発熱量が小さな場合には空冷により、また、合計発熱量が大きな場合には水冷により、目的温度にまで冷却される。

図２の受信側光モジュール１０Ａでは、目的長さの光ファイバー１８を経由して送信された光信号が、短尺光ファイバー１４に結合し、その先で面受光素子２１に結合する。面受光素子２１内で、光信号が電気信号に変換され、アンプ２２で電気的に増幅される。増幅された電気信号は、配線基板１１を介して、光モジュール外部のＬＳＩ（不図示）に向けて出力される。受光素子２１とアンプ２２とは、上記の送信側光モジュール１０と同様に冷却される。

配線基板１１には、セラミック基板や、プリント基板などが適している。ヒートシンク１９には、熱伝導性が良好な金属、特に形状加工が容易な、銅、アルミニウムなどが適している。光ファイバー固定部品１５には、Ｖ溝加工が容易で、且つ、熱伝導性が良好なシリコンが特に適している。

次に、製造方法について説明する。送信側光モジュール１０と受信側光モジュール１０Ａの製造方法は同様であるため、送信側光モジュール１０についてのみその製造方法を説明し、受信側光モジュール１０Ａについての説明を省略する。製造方法には以下の２通りがある。

まず、第１の製造方法について説明する。配線基板１１上に、ＶＣＳＥＬ１２とＶＣＳＥＬドライバー１３とを実装する。それとは別に、短尺光ファイバー１４を光ファイバー固定部品１５に位置合わせし、蓋１６をかぶせて固定する。光ファイバー固定部品１５に形成されたＶ溝に、短尺光ファイバー１４を整列させ接着剤などで固定する。短尺光ファイバー１４は、目的に応じて複数本になる場合もある。短尺光ファイバ１４、光ファイバー固定部品１５及び蓋１６の組合せを、光ファイバーユニットと呼ぶ。この光ファイバーユニットをヒートシンク１９に接着し、両者を合わせて「光ファイバー／ヒートシンク・ユニット」と呼ぶ。光ファイバー／ヒートシンク・ユニットを、ＶＣＳＥＬ１２とＶＣＳＥＬドライバー１３とが実装された配線基板１１上に実装する。その際に、ＶＣＳＥＬ１２の発光部と短尺光ファイバー１４のコアとを位置合わせする。ここでする「位置合わせ」とは、ＶＣＳＥＬ１２の光軸と短尺光ファイバー１４の光軸とが、例えば１０μｍ以内で一致し、かつ両部品間の離隔距離が１０〜５０μｍと短いことである。

以下、第２の製造方法について説明する。まず、光ファイバーユニットを組み立て、その光ファイバーの先端にＶＣＳＥＬ１２を接続する。その際にＶＣＳＥＬ１２と短尺光ファイバー１４とを位置合わせすることは上記と同じである。次に、ヒートシンク１９を、光ファイバーユニットに接着する。このＶＣＳＥＬ１２と光ファイバーユニットとヒートシンク１９とが一体化した複合部品を、「光ファイバー／ＶＣＳＥＬ／ヒートシンク・ユニット」と呼ぶ。別にＶＣＳＥＬドライバー１３を配線基板１１に実装しておく。光ファイバー／ＶＣＳＥＬ／ヒートシンク・ユニットを、ＶＣＳＥＬドライバー１３が実装された配線基板１１に実装する。その際に、半田、金バンプなどを用いて、ＶＣＳＥＬ１２の電極と配線基板１１の電極とを接続する。この製造方法は、短尺光ファイバー１４とＶＣＳＥＬ１２とが接着された時点で、光結合効率の検査ができる。このため、良品のみを選別して配線基板に実装できるという利点がある。この製造プロセスでは、信号速度が例えば１０Ｇｂｐｓなどと高速になると、光信号の送受信間のロスバジェットが少なくなるため、ＶＣＳＥＬと光ファイバー間で結合損失を低減できることが重要となる。

第２の実施形態
第２の実施形態は、本発明を光導波路タイプの小型光モジュールに適用した例である。
第２の実施形態の光モジュール１０Ｂは、図１の光モジュール１０において、短尺光ファイバー１４を短尺光導波路（モジュール内光導波路）２３に変更したものであり、図３にその構造を示した。本実施例の光モジュール１０Ｂでは、光信号がシングルモードの場合には、光導波路材料にガラスまたはポリマーを使用することが望ましく、また、マルチモードの場合には、光導波路材料にポリマーを使用することが望ましい。

光モジュール１０Ｂの機能については、先の実施形態における短尺光ファイバー１４の機能を短尺光導波路が受け持つことになる。つまり、光素子を構成するＶＣＳＥＬ１２と短尺光導波路２３とが光結合する。

本実施形態の光モジュールの製造方法には、短尺光導波路２３の形成方法には２通りの方法がある。第１の方法では、まずシリコン基板上に光導波路を形成し、これをダイシングすることにより短尺光導波路２３を製造する。第２の方法では、まず、ポリマー光導波路フィルムを製造し、次いで、そのポリマー光導波路フィルムを光ファイバー固定部品１５であるシリコンに接着する。本実施形態の構造は、多チャンネルの短尺光導波路を作成する場合に特に好適であり、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、複数の短尺光導波路間のピッチを精度よく制御できるという利点をもつ。

第３の実施形態
本実施形態は、本発明を、光素子と短尺光ファイバーとの間に光学レンズを配設した光モジュールに適用した例である。図４は、本実施形態の光モジュールを示す。この光モジュール１０Ｃでは、ＶＣＳＥＬ１２の上部に光学レンズ２４を配設している。この構造では、ガラスや透明樹脂から成る部品としての光学レンズ２４を、ＶＣＳＥＬ１２と短尺光ファイバー１４との間に備える。別の例として、ＶＣＳＥＬ１２自身が光学レンズを有していてもよい。ＶＣＳＥＬ１２自身が光学レンズを有する構造は、例えば、ＶＣＳＥＬ１２のＧａＡｓ基板をエッチングすることにより、光学レンズ形状に加工することで作製する。

本実施形態では、ＶＣＳＥＬ１２からの出射光の拡がりを抑制することができ、これによって、短尺光ファイバーとの光結合効率を上げることができる。放熱構造は、ＶＣＳＥＬ１２と光ファイバーユニットとの間に微少な隙間ができる程度であり、その上下の位置関係も変わらないので、放熱効果にさほど大きな低下はない。

第４の実施形態
本実施形態は、光素子の上部に基板と垂直方向に延びる縦光導波路を形成した光モジュールに、本発明を適用した例である。図５は、この実施形態の光モジュール１０Ｄを示す。まず、構造について説明する。波長８５０nm帯のＶＣＳＥＬや受光素子は、ＧａＡｓ基板を用いて製造される。

ＧａＡｓ基板は、波長８５０nm帯に対して透明ではない。このため、第３の実施形態で採用した、ＶＣＳＥＬ１２が光学レンズを有する構成は、光素子の基板内を光信号が通過し、光信号強度が減衰するため、その波長帯には適していない。このため、その波長帯で作動する従来の光素子では、発光又は受光に必要な数μｍの厚みを残して、残りの光素子部分をガラスで形成する構成を採用する例がある。本実施形態では、そのような構造を採用し、ガラス部分が短尺光ファイバーと同じ方向に光導波路を備えている。

本実施形態の機能としては、送信側光モジュールのＶＣＳＥＬにあっては、出射光がガラス内の縦光導波路２５を伝播し、その先で短尺光ファイバーと結合する。ガラス内縦光導波路を配設しないと、ＶＣＳＥＬ１２を出た時点で光が大きく拡がる場合がある。ガラス内縦光導波路を採用することにより、光導波路幅以上には光サイズが拡がらないので、ＶＣＳＥＬ１２と短尺光ファイバー１４との間で高効率の光結合が可能となる。

本実施形態の製造方法は、例えばフェムト秒レーザーを用いて、ガラス内に光導波路を描画することで作製できる。

第５の実施の形態
本実施形態は、配線基板がキャヴィティを有する光モジュールに、本発明を適用した例である。図６は、この実施形態の光モジュール１０Ｅを示す。配線基板１１がキャヴィティ２６を備えており、そのキャヴィティ２６内に、光素子を構成するＶＣＳＥＬ１２とＶＣＳＥＬドライバー１３とが実装されている。ヒートシンク１９は、配線基板１１の上面に接する下面を有する直方体形状を有する。配線基板１１にはセラミック基板などが、また、ヒートシンク１９にはコバールなどの材料が適している。

上記構造を採用することにより、配線基板１１を構成するセラミックの熱膨張率に近い材料であるコバールを用いたヒートシンク１９を使用して、光モジュールの製造が可能になる。熱膨張率は、セラミックが５．０、コバールが４．７、アルミニウムが２４．０である。セラミックとコバールの熱膨張率はほぼ同じであり、その結果、熱膨張による配線基板とヒートシンクの伸び縮みがほぼ同等となり、その間に生じる熱応力が小さくなる。このため、双方の部品やその接合点における損傷が防止できる。

第６の実施形態
本実施形態は、光素子と光ファイバーとの間に透明樹脂を有する光モジュールに、本発明を適用した例である。図７は、本実施形態の光モジュール１０Ｆを示す。短尺光ファイバー１４と光素子を構成するＶＣＳＥＬ１２との間に空気が介在すると、ＶＣＳＥＬ１２と空気との間、及び、空気と短尺光ファイバー１４との間の２箇所で、反射率が異なる界面が形成され、光損失が発生する。例えば、ＶＣＳＥＬ１２のＧａＡｓ基板（屈折率３．４程度）と屈折率１の空気との間の界面では、１．５ｄＢの損失が生じる。また、空気と短尺光ファイバー１４との間の界面では、０．２ｄＢの損失が生じる。その合計は１．７ｄＢである。

透明樹脂２７を介在させることにより、ＶＣＳＥＬ１２と屈折率１．５の透明樹脂２７との間の界面の損失は０．８ｄＢに低下する。また、透明樹脂２７と短尺光ファイバー１４との間の界面の損失はほぼ０であるため、合計０．８ｄＢの損失となる。つまり、本実施形態では、０．９ｄＢの損失低減が可能になる。

本発明における光素子は、モジュール外部に向けて光を発生するレーザや、外部からモジュール内に光を受光する受光素子、例えば、光変調器などによって構成される。光伝送路は、光ファイバーや光導波路を含むものであり、一部に光分岐器などの光学素子や光デバイスを含んでいてもよい。熱良導体は、金属の他に、セラミック、シリコンなどが含まれる。

本発明を特別に示し且つ例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明は、その実施形態及びその変形に限定されるものではない。当業者に明らかなように、本発明は、添付のクレームに規定される本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、種々の変更が可能である。

本出願は、２００７年６月２６日出願に係る日本特許出願２００７−１６７２８８号を基礎とし且つその優先権を主張するものであり、引用によってその開示の内容の全てを本出願の明細書中に加入する。

Claims (8)

1. 発光機能又は受光機能を有する光素子と、光コネクターにより前記光素子に光結合される光伝送路と、前記光素子が発生する熱を放熱するヒートシンクとを備える光モジュールであって、
   前記光コネクターの少なくとも一部が、熱良導体材料で形成され、且つ、前記ヒートシンクと直接に接触して、又は、熱良導体材料を介して接触していることを特徴とする光モジュール。
2. 前記光伝送路が、モジュール内光ファイバーを含み、該モジュール内光ファイバー及び前記光コネクタを固定する固定部材が、熱良導体材料で形成され、前記ヒートシンクに直接的に又は間接的に接触して配置される、請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記固定部材がシリコンで形成される、請求項２に記載の光モジュール。
4. 前記光素子と前記光コネクターとの間に光学レンズを配置した、請求項１〜３の何れか一に記載の光モジュール。
5. 前記光素子が、前記光コネクターとのインタフェースに光学レンズを備える、請求項１〜３の何れか一に記載の光モジュール。
6. 前記光素子が、ガラス内に形成された光導波路を備え、該光導波路を介して前記光伝送路に光結合される、請求項１〜５の何れか一に記載の光モジュール。
7. 前記光素子が、配線基板の表面に形成されたキャビティの内部に配置され、前記ヒートシンクは前記キャビティの外部で前記配線基板上に固定される、請求項１〜６の何れか一に記載の光モジュール。
8. 前記光素子と前記光伝送路との間に透明樹脂を介在させた、請求項１〜７の何れか一に記載の光モジュール。
   

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