CN113056704A

CN113056704A - 光模块

Info

Publication number: CN113056704A
Application number: CN201980075896.0A
Authority: CN
Inventors: 草山敦; 七海康幸; 木户清; 赤堀裕二
Original assignee: NTT Electronics Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2021-06-29
Also published as: US11333950B2; JP2020086163A; EP3889680A1; US20220019030A1; WO2020110402A1; EP3889680A4; CA3120546A1

Abstract

本发明的目的在于提供一种光模块，具有能够使用市售的电子元件且能够削减电流产生回路和电气布线的数量的结构。本发明的光模块在与包括光开关等光部件的光波回路基板不同的基板上安装电子元件，并且通过引线接合将它们电连接。因此，本光模块能够使用市售的电子元件。此外，本模块是如下结构：将不同时流过电流的光开关的加热器分组，利用一个电开关将来自一个电流产生回路的电流供给到组内的加热器中的任意一个。因此，本光模块不需要准备与加热器的数量相应的电开关和电流产生回路。

Description

光模块

技术领域

本发明涉及一种光模块，该光模块搭载有多个能够通过电流变更路径的光开关。

背景技术

具有一种使用了光波回路基板的光模块，该光波回路基板上集成了利用热光效应的光开关。该光模块具有电流产生回路，该电流产生回路向形成于光波回路基板的加热器供给电流，通过使光波导过热而改变折射率来控制光路。在该结构的光模块中存在的课题是需要多个电流产生回路和将其与加热器电连接的电气布线。

为了解决该课题，专利文献1使驱动电源回路用的供电线在光波回路基板上共用化而使电气布线面积小型化。图1是示意性表示应用了专利文献1的1×8光开关模块的图。此外，通过将驱动用或控制用的IC以裸芯片安装在光波导基板上，减少了引线接合的数量。

现有技术文献

专利文献1：日本专利公开公报特开2004-157332号

在此，在专利文献1中，安装在光波回路基板上的电子元件的电气布线优选使用一层金布线(专利文献1的段落0058等)。即，专利文献1以在基板上形成的一层金布线为前提，而没有以向多层布线基板(例如PCB：Printed Circuit Board印刷电路板)的搭载为前提，因此不能使用市售的电子元件。

此外，为了在光波回路基板上安装多个电子元件并优化加热器的电气端子配置，需要开发专用的电子元件、例如ASIC(Application Specific Integrated Circuit专用集成电路)。但是，ASIC的开发和制造中存在的课题是与使用市售的电子元件的结构相比成本变高。

发明内容

因此，为了解决所述课题，本发明的目的在于提供一种能够使用市售的电子元件且能够削减电气布线的数量的结构的光模块。

为了达成上述目的，本发明的光模块将电流产生回路和电开关不直接安装在光波回路基板上，而安装在多层布线基板等电子元件用的基板上。

具体地说，本发明提供一种光模块，其特征在于包括：

光波回路基板，形成有由电流驱动的多个光开关和输入所述电流的每个所述光开关的输入端；多层布线的电回路基板，搭载有与所述光波回路基板的所述输入端相同数量的输出端和将供给的电流切换到任意一个所述输出端的电开关；以及导线，分别连接所述电回路基板的所述输出端和所述光波回路基板的所述输入端，所述光开关分为一个以上的组，在所述电回路基板上搭载有与所述组的数量相应的所述电开关，所述电开关分别由所述组的所述光开关共用。

本光模块将光开关等光部件安装在光波回路基板上，将电子元件安装在多层布线基板上，通过引线接合将它们电连接。因此，本光模块能够使用市售的电子元件。此外，本模块是如下结构：将不同时流过电流的光开关的加热器分组，利用一个电开关将来自电流产生回路的电流供给到组内的加热器中的任意一个。因此，本光模块不需要准备与光开关(加热器)的数量相应的电流产生回路。

因此，本发明提供一种能够使用市售的电子元件且能够削减电流产生回路和电气布线的数量的结构的光模块。

本发明的光模块的所述电开关的特征在于从电流产生回路通过一根对表面进行了绝缘的电线(以下称为线束)供给电流。通过将电开关和电流产生回路作为一根线束，与未应用本发明的情况相比能够削减该区间的布线数，因此具有容易进行光模块内的基板间的连接且削减光模块内的空间的效果。

本发明的光模块的特征在于，所述光开关是1×2光开关并以树形多级连接，所述组由位于所述多级连接的各级的所述光开关构成。本光模块能够应用于1×N光开关。

本发明能够提供一种能够使用市售的电子元件且能够削减电流产生回路和电气布线的数量的结构的光模块。

附图说明

图1是说明应用了专利文献1的1×8光开关模块的结构的图。

图2是说明作为本发明的光模块的1×8光开关模块的结构的图。

图3是说明作为本发明的光模块的MCS的结构的图。省略了组(#1、#2、#3)和电开关(#1、#2、#3)之间的各引线接合和光波回路基板上的布线。

图4是说明作为本发明的光模块的8×16光开关模块的结构的图。

图5是说明作为本发明的光模块的1×8光开关模块的结构的图。

图6的(A)是说明应用了本发明的1×128光开关的图。(B)是说明应用了专利文献1的1×128光开关的图。

具体实施方式

参照附图对在本发明的各实施方式中共同的基本结构进行说明。以下说明的实施方式是本发明的实施例，本发明不限于以下的实施方式。另外，在本说明书和附图中附图标记相同的构成要素表示相互相同的构成要素。

(概要)

本实施方式的光模块具有光波回路基板、电连接用布线基板和控制基板三个基板，前两者的光波回路基板和电连接用布线基板通过引线接合电连接，后两者的电连接用布线基板和控制基板通过线束电连接。电连接用布线基板和控制基板是电回路基板。

光波回路基板是在石英系光波回路(Planar Lightwave Circuit平面光波导回路)上形成有利用热光效应的多个光开关的基板。

光开关是连接了多个1×2光开关的1×N的光矩阵开关。相当于单位单元的1×2光开关是在两条支路波导中具备热光移相器(薄膜加热器)的马赫曾德尔干涉仪型(MZI光开关)，如果对MZI光开关的热光移相器通电，则能够根据公知的干涉原理切换光的传播路径。另外，光开关根据光模块的目的分为一个以上的组。

此外，光波回路基板具有与加热器的数量相应的用于向各加热器供给电力的输入端。

使用石英系波导的光开关(热光开关)组合火焰沉积法(FHD)或化学气相沉积法(CVD)等玻璃膜沉积技术和反应性离子蚀刻法(RIE)等微细加工技术来制作。具体地说，在硅晶片等基板上，首先沉积成为下部包层的玻璃膜，接着沉积折射率比包层稍高的芯层。并且，通过微细加工技术对成为光回路的芯图案进行图案化，接着，沉积成为上部包层的玻璃膜，最后，形成成为热光移相器的薄膜加热器和对其进行供电的布线或输入端，从而制作成光开关。在该光开关上连接电气布线和光纤，收纳于带散热片的盒，完成光开关模块。

电连接用布线基板是多层布线基板(例如PCB：Printed Circuit Board)以便能够利用市售的电子元件，并且安装有将光波回路基板的光开关的动作进行切换的电开关IC(集成电路)。

安装于电连接用布线基板的电开关具有与光开关的数量相应的独立电开关，各独立电开关具有连接端子(输出端)。该输出端和与加热器相连的布线末端的电极焊盘(输入端)通过引线接合电连接。电开关和电流产生回路通过一根线束电连接。

在控制基板上安装有电流产生回路和控制该电流产生回路的控制回路。

设置于MZI光开关的两条支路的热光移相器(薄膜加热器)的一方的加热器的一端经由输入端、布线和引线接合与对应的独立电开关的输出端连接。此外，加热器的另一端经由共用布线、引线接合和一根线束与电流产生回路电连接。由此仅向由电开关选择的光开关的加热器供给电流，切换该光开关的光路径。

(实施方式1)

图2是以1×8光开关的结构为例对本实施方式的光模块301进行说明的图。光模块301包括光波回路基板11、电连接用布线基板12和控制基板13。另外，电连接用布线基板12和控制基板13是前面所述的电回路基板。

在光波回路基板11中，在石英系光波回路(Planar Lightwave Circuit)上形成有八个1×2光开关21，1×2光开关21使用具有热光移相器(薄膜加热器)的马赫曾德尔干涉仪型光开关(MZI光开关)。在向薄膜加热器的电流的ON/OFF中，1×2光开关21作为ON/OFF开关发挥功能。如果调整对薄膜加热器的驱动量，使马赫曾德尔干涉仪的两条支路波导的光路长度差从零连续变化为半波长，则光的透射量连续变化。即，不仅作为ON/OFF开关而动作，还能够作为模拟开关而动作，因此既能够作为衰减器而动作，也能够作为分支器等而动作。

电连接用布线基板12和控制基板13能够利用层叠了玻璃环氧膜和铜箔的多层印刷基板(PCB)。由此能够将市售的电子元件安装在电连接用布线基板12和控制基板13上。按照该结构，与图1所示的专利文献1的实施方式的1×8光开关的结构相比，位于光波回路基板上的电开关安装在作为PCB的电连接用布线基板上，因此具有能够使用市售的电子元件的优点。

在本实施方式中，将所有的1×2光开关21作为一组，通过使电流流过1×2光开关21的八个加热器中的任意一个，能够将输入到第一端口的光向八个第二端口中的任意一个输出光，或者选择输入到八个第二端口的光中的任意一个并输出到第一端口。在本实施方式的结构中，由于只要八个1×2光开关21中的任意一个动作即可，所以电流无需同时流过多个加热器，使电流流过该组内的1×2光开关21的电流产生回路23可以是一个。对于集中为一组的1×2光开关21，只要具有与其对应的一个电流产生回路23和一个电开关22即可。在本实施方式的结构中，不需要具备与1×2光开关21的数量相应的电流产生回路23和电开关22。因此，能够缩小与电子元件的削减相应的基板面积。

另外，电开关22使用数字回路(例如TTL IC等)集成了八个独立的独立电开关，通过来自控制回路的TTL电平的输入，能够使各独立电开关进行导通/断开(ON/OFF)动作。这些八个独立电开关的一个电极在电开关22中与共同的电极连接，进而与线束连接。另一个电极分别与引线接合连接。另外，集成在电开关IC内的独立电开关的数量根据所连接的加热器的数量来选择。此外，电流产生回路23使用模拟回路，使与来自控制回路的控制信号的电压电平对应的电流流过电流线。

本实施方式在以下方面与现有专利1的现有技术不同。在本实施方式中，在光波回路基板11上搭载有1×2光开关21，电开关22不是安装在光波回路基板11上，而是安装在多层布线的电连接用布线基板12上。此外，电流产生回路23与控制回路24一起搭载在多层布线的控制基板13上。

这是因为由于通用的电开关是多层布线基板用的，能够从多种通用部件中采用最佳的电开关，所以实现了降低产品成本。此外，在将电开关安装在光波回路基板11的情况下，电开关的布局受到光波回路的布局限制，但是在安装到电连接用布线基板12的情况下，电开关的布局的自由度增加，因此能够针对光波回路基板11的1×2光开关的布局将电开关配置在最佳的位置。

电连接用布线基板12能够使用层叠了玻璃环氧膜和铜箔的PCB，因此能够由以向多层布线基板的安装为前提的市售的电子元件构成电开关22。光波回路基板11和电连接用布线基板12之间通过例如使用数毫米长度的金导线的引线接合技术电连接。

电流产生回路23搭载在安装有控制回路24的控制基板13上。控制基板也使用PCB，因此能够由市售的电子元件构成电流产生回路23。电连接用布线基板12和控制基板13通过对表面进行了绝缘的线束连接。由于电开关22将电流分配给各1×2光开关21，所以在此用于电流供给而必要的线束的数量只要是在电开关22的数量上加上共用布线数的数量即可。

具体使用图2对使用电开关的效果进行说明。在现有结构中，由于包括与单位单元的1×2光开关对应的电开关，所以向电开关供给电流用的线束的根数需要八根。另一方面，在本实施方式的光模块301中，由于一个电开关22将电流分配给各1×2光开关21，所以将在图2中标记为电流布线的电流供给用的线束的根数削减为一根。

另外，例如在电流产生回路23根据输入电压值确定施加于1×2光开关的电流值的情况下，控制回路24和电流产生回路23的连接由提供电压值的电气布线和接地布线的两根构成。例如在电开关22按照基于集成电路总线(I2C：Inter-Integrated Circuit)的控制信号，切换使电流产生回路与八个1×2光开关中的哪一个1×2光开关连接的情况下，控制回路24和电开关22的连接使用CS、SCLK和SDI的三根控制信号布线。此外，电开关的电源也从控制回路供给，因此合计使用四根布线。

线束主要用于连接印刷基板(PCB)之间，由于直径粗至1mm左右，所以需要处理空间。因此，如果能够减少线束的数量，则对模块的小型化的贡献非常大。即，本实施方式具有削减线束的数量的效果，因此具有容易进行光模块内的基板间的连接并削减线束配置所需的光模块内的空间的效果。

根据线束的连接工序的容易程度、线束的长度的关系，决定控制基板的配置和安装于控制基板的电流产生回路的布局。例如，在图2中，光波回路基板、电连接用布线基板和控制基板并列配置，但是这些配置、朝向没有特别限定。可以将电连接用布线基板或电连接用布线基板和控制基板配置成与光波回路基板上下重叠，也可以配置成三个基板成为三棱柱的侧面三面。

(实施方式2)

在本实施方式中，在光波回路基板11上形成有多播开关(MCS：Multi-CastSwitch)。MCS是在光通信的中继地点任意连接多个路径和多个收发器的光装置。图3是说明4输入4输出的MCS(4×4MCS)的图。4×4MCS在光波回路基板11上形成有十六个1×2光开关21、四个1×4光耦合器(25a、25b、25c、25d)和将它们耦合的光波导。

在此，如图3所示，1×2光开关21以每组四个被分为四个组。一般来说，在M输入×N输出的MCS的情况下，分组是将不同时导通的串联连接的M个单位单元1×2光开关集中。一个组的四个1×2光开关21串联连接而构成1×4光开关。各1×4光开关具有一个第一端口，分别与收发器连接。各1×4光开关具有四个第二端口，分别与四个1×4光耦合器(25a、25b、25c、25d)连接。1×4光耦合器将未与第二端口连接的一侧与路径连接。

4×4MCS在电连接用布线基板上搭载与各组(1×4光开关)对应的四个电开关。在这些电开关和控制回路之间例如连接有三根控制信号和一根电源。作为控制信号，其如果应用作为公知的通信技术的I2C(Inter-Integrated Circuit)的菊花链连接技术，则能够例示CS、SCLK和SDI的三个。构成4×4MCS的十六个的各1×2光开关21和电开关之间通过十六根(包括返回电流布线时为十七根)导线分别进行引线接合。在图3中省略了组(#1～#3)的各MCS与对应的电开关(#1～#3)之间的布线。各电开关和与其对应的电流产生回路之间通过四根线束(包括返回电流布线时为五根)连接。另一方面，1×2光开关和电开关以1：1对应的现有结构所需的布线数为十六根，包括返回电流布线时为十七根。即，图3的结构的4×4MCS与不使用电开关的现有的结构相比能够减少线束数。

图4是说明16输入8输出的MCS(8×16MCS)的图。8×16MCS在光波回路基板11上形成有十六个在实施方式1中说明的光模块301的1×8光开关、八个1×16光耦合器(25a～25h)和将它们耦合的光波导。在图4中省略了电连接用布线基板和控制基板的记载。

在此，以8×16MCS为例，与不使用电开关的现有技术，比较线束的数量。如图2中说明的那样，1×8光开关串联连接八个1×2光开关21而构成。并且，形成有十六个1×8光开关。因此，8×16MCS在电连接用布线基板上包括十六个电开关。由于包含于1×8光开关(十六个)的1×2光开关21(各八个)连接于一个电开关，所以导线数为16×8＝128根(包括返回电流布线时为144根)。电开关和电流产生回路之间可以是十六根线束(包括返回电流布线时为三十二根)。另一方面，在需要与1×2光开关的数量相应的电流产生回路的现有结构的情况下，线束的数量作为驱动电流用需要与1×2光开关21对应的布线数128根。即，在应用本发明结构的情况下可以是十六根线束，能够使线束数为现有结构的大约1/8。

此外，如果本实施方式的光模块与同样使用电开关的专利文献1相比，则图3的4×4MCS和图4的8×16MCS都不是将电开关和电流产生回路搭载于光波回路基板11而是搭载于电回路基板(12、13)，因此能够使用市售的电子元件，能够以廉价构成。

(实施方式3)

图5是说明本实施方式的光模块303的图。光模块303的光波回路是1×2光开关以多级连接成树形并以位于多级连接的同一级的光开关为组的结构。该图中连接各电开关和控制回路的控制信号和电源的布线与实施方式2同样由四根连接。在由电流产生回路表示的模块中包括三个与图3所示的相同的电流产生回路，各输出与三根电流布线连接，各接地与共同的接地(GND)布线连接。此外，在各电流产生回路中，从控制回路布线有决定电流值的控制信号。该结构与图2的实施方式1相比，能够将单位单元的1×2光开关排列成矩阵状，因此能够实现基板的进一步小型化。

光模块303的光波回路是将1×2光开关三级连接的树形结构的1×8开关。本实施方式的光波回路将一个第一端口通过第一级的1×2光开关21-1分支为两个路径，通过第二级的1×2光开关21-2分支为四个路径，最后通过第三级的1×2光开关21-3分支为八个第二端口。

在该光波回路的结构中，进行将输入到第一端口的光向八个第二端口中的任意一个输出光的开关动作、或选择输入到八个第二端口的光中的任意一个并输出到第一端口的开关动作。为了进行该开关动作，只要向第一级的1×2光开关21-1、第二级的两个1×2光开关21-2中的一个、以及第三级的四个1×2光开关21-3中的一个供给电流即可。即，由于包含于各级的单位单元的1×2光开关不会同时导通，所以只要能够将二级的光开关和三级的光开关分别成组，并且对于成组的两个组分别具备一个光开关即可。

光模块303包括第二级的光开关组用的电开关22-2和第三级的光开关组用的电开关22-3。第一级的光开关仅为一个1×2光开关21-1，所以不需要电开关。

用于从电流产生回路23向各组进行电流供给的线束(电流布线)的数量是与级数相等的三个。另外，在图5中还记载了从1×2光开关返回的电流用的线束(GND)，因此电连接用布线基板12和控制基板13之间的线束为四根。另一方面，如果是在1×2光开关和电流产生回路之间需要与光开关相同数量的电气布线的未使用电开关的现有结构，则连接电流产生回路和光开关的布线是八根。即，光模块303与现有结构相比能够削减布线数。

光开关的级数越增加，该削减效果越大。例如，在七级的树形结构的1×128光开关的情况下，能够将127根必要的电流供给用的布线削减为七根。

图6是示意性表示对七级的树形结构的1×128光开关应用了本发明的技术和专利文献1时的布线的图。图6的(A)是应用了本发明的技术的例子。图6的(B)是应用了专利文献1的技术的例子。在该图中，在由电流产生回路所示的模块中包括七个与图3所示的相同的电流产生回路，各输出与七根电流布线连接，各接地与共同的接地(GND)布线连接。此外，在各电流产生回路中，从控制回路布线有决定电流值的控制信号。如果对两者进行比较，则作为将电流产生回路和布线基板之间电连接的线束的根数，电流布线为七根、GND为一根、以及它们加上都作为相同数量的向电开关的控制信号和电源布线的数量，两者均相同。即，两者都具有削减线束的布线数而使光模块小型化的效果。在该图中，作为向电开关的控制信号，在图6的(A)中，如果其应用作为公知的通信技术的I2C(Inter-Integrated Circuit)的菊花链连接技术，则能够例示CS、SCLK和SDI的三个。作为图6的(B)的控制信号，根据专利文献1的图14的记述，能够例示数据、时钟、锁存的三个。

另一方面，关于将布线基板和光波回路基板电连接的引线接合布线(引线接合)的数量，应用了本发明的光模块(256根)比应用了专利文献1的光模块(12根)多。因此，关于光波回路基板上的电气布线和引线接合用的焊盘的占有面积，应用了专利文献1的光模块的一方较小。但是，在本发明中电开关安装在作为多层布线基板的布线基板上，因此能够应用市售的集成电路而能够廉价地生产。这方面在需要以廉价且在较短的设计、制造期间提供多种光模块的情况下，与使用专利文献1通过将专用的集成电路配置在光波回路基板上来削减布线面积而得到的效果相比，具有较大的优点。

(发明效果)

本发明的光模块通过将电开关安装在电连接用布线基板上，能够使用廉价的市售的电子元件，与专利文献1的光模块相比能够实现低成本化，与未应用本发明结构的光模块相比能够削减布线数。

附图标记说明

11：光波回路基板

12：电连接用布线基板(电回路基板)

13：控制基板

21、21-1、21-2、21-3：1×2光开关

22、22-2、22-3：电开关

23：电流产生回路

24：控制回路

25、25a～25h：光耦合器

300、301、303：光模块

Claims

1.一种光模块，其特征在于包括：

光波回路基板，形成有包括加热器的多个光开关、与所述加热器相连的电气布线、与所述光开关连接的光波导、以及与所述光波导连接的输入输出端；

电连接用布线基板，搭载有选择形成于所述光波回路基板的所述光开关并将电力供给到所述加热器的电开关；

控制基板，搭载有供给所述电力的电流产生回路和控制所述电流产生回路的控制回路；以及

导线，分别连接所述控制基板的所述电流产生回路和所述电连接用布线基板的所述电开关之间、以及所述电连接用布线基板的所述电开关和与形成于所述光波回路基板的所述光开关的所述加热器相连的电气布线之间，

所述光开关分为一个以上的组，

所述电开关和所述组以1：1对应，所述电开关和所述电流产生回路以1：1对应。

2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，

所述光开关是1×2光开关并以树形多级连接，

所述组由树的各级的所述光开关构成。

3.根据权利要求1或2所述的光模块，其特征在于，所述电连接用布线基板是多层布线基板。