JP2004031508A - 光電気複合モジュールおよびそのモジュールを構成要素とする光入出力装置 - Google Patents

光電気複合モジュールおよびそのモジュールを構成要素とする光入出力装置 Download PDF

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Abstract

【課題】部品数と工程数を減らして実装コストが抑制でき、配線のマージンが狭くて済み、低コストで電磁シールドができ、光出力のばらつきを抑制することが可能で、封止が比較的容易である光電気複合モジュールならびにそのモジュールを構成要素とする光入出力装置を提供する。
【解決手段】外部へ光を出力するための光取り出し部14、配線のための電極16、および電磁シールドのための電極17を有する透明プレート13の下面に、光素子11が光取り出し部14の直下に、ドライバIC12が所望の位置にメタルバンプ15でフリップチップ実装されている。外部からの電気論理信号によりドライバIC12から光素子11を駆動する電流が流れると光素子11から光信号が出射され、光取り出し部14を介して外部へ出力される。光取り出し部14には光結合部材や光軸変換器が設けられていてもよい。
【選択図】   図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電気複合モジュールに関し、特に光素子やドライバICなどが実装された光電気複合モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、通信ネットワークの大容量化に対応して大容量ルータ等の大規模なスイッチングシステムが必要とされている。その場合にその架間や架内部での大容量接続における電気的接続の距離やサイズによる容量の限界が懸念されている。このことはIC、LSI技術の進展によって動作速度や集積規模は向上してきたものの、電気信号配線の高速・高密度化や電気配線における遅延が高性能化を実現する上でのネックとなってきていることによる。この問題を解消する技術として光インターコネクションが注目されている。光インターコネクションを用いた低コストでかつ小型な信号入出力装置の構成として、信号処理はロジックLSIにて行い、外部とのインターフェイスは光電気複合モジュールを用いたものが有効である。
【0003】
これまで、この種の光電気複合モジュールは、光素子とドライバICとを搭載した基板と、レンズ等の光取り出し部を取り付けたケースとを組み合わせることで構成されていた。図9に従来の光電気複合モジュールの模式的側面断面図を示す。層間配線96や上下面に配線パターンが形成された配線基板98上に、光信号を送信あるいは受信したりする光素子91がはんだ固定ならびにメタルワイヤ97で配線電極に接続され、光素子91の電流振幅を調整するドライバIC92(光素子91が受光素子の場合は電気増幅IC)も同様に固定されて、電気接続されている。また、コバール等の金属でできたケース93上には平板マイクロレンズ等の光結合手段94が搭載されている。そして配線基板98にケース93を搭載することにより光結合手段94を介して光素子91と外部との間の光結合が実現される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来の光電気複合モジュールでは、光素子ははんだやワイヤボンディングで、ドライバICははんだづけで配線基板に固定および接続されており、レンズはケースに接着剤等で固定されているなど個別にそれぞれが実装された配線基板とケースとを用いて最後に全体を組立てるので、部品数と工程数が多くなり、実装コストを引き上げるという問題があった。
【0005】
また、配線の引き出しにおいても光素子をワイヤボンディングするためには、配線のマージンを広めに取る必要があるため、搭載部品の高密度実装が難しくなるという問題があった。
【0006】
また、電磁シールドを効果的に行うためには、ケースをコバール等の金属製とすることが好ましいため、コストが引き上げられるという問題があった。
【0007】
また、光の取り出しあるいは取り込みにおいては、レンズと光素子とが別々に実装されているためにレンズ−光素子間の距離や位置のばらつきが大きくなり、これにともなって光出力自体もばらついてしまうという問題があった。
【0008】
さらに、封止という観点から見た場合、ケースと配線基板とに分割されているためにこの2つで構成される分割型パッケージの中空部分に封止材を流し込む必要があるといった問題があり、レンズの固定が接着剤であるため、ハーメチック封止も困難であった。
【0009】
本発明の目的は部品数と工程数を減らし実装コストが抑制された光電気複合モジュールを提供することにある。
【0010】
また、本発明の他の目的は配線のマージンが狭くて済み、搭載部品の高密度実装が可能な光電気複合モジュールを提供することにある。
【0011】
さらに、本発明の他の目的は電磁シールドを低コストで実現できるプレートを有する光電気複合モジュールを提供することにある。
【0012】
本発明の他の目的はレンズ―光素子間の距離のばらつきを抑制し、光出力のばらつきが少ない光電気複合モジュールを提供することにある。
【0013】
また、本発明の他の目的は封止が比較的容易な光電気複合モジュールを提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の光電気複合モジュールは、
光素子と入出力用ICとを有する光電気複合モジュールにおいて、電気配線を有し光取り入れ取り出し機能をもった透明基材に、光素子と入出力用ICとがフリップチップ実装され、透明基材の光入出力部を通じて外部と光素子との間で光の入出力が行われることを特徴とする。
【0015】
透明基材の光素子取付け面とは反対の面に設けられた電気配線が、光素子並びに入出力用ICに対して電磁シールドとして作用してもよい。
【0016】
光素子が発光素子であり、入出力用ICがドライバICであり、透明基材が透明プレートであり、発光素子からの光が透明プレート側から出射されて光出力となってもよく、光素子が受光素子であり、入出力用ICが電気増幅ICであり、透明基材が透明プレートであり、透明プレートの外部からの光入力が透明プレート側から受光素子で受光されて光入力となってもよい。
【0017】
また、光素子が発光素子であり、入出力用ICがドライバICであり、透明基材がフレキシブルシートであり、発光素子からの光がフレキシブルシート側から出射されて光出力となってもよく、光素子が受光素子であり、入出力用ICが電気増幅ICであり、透明基材がフレキシブルシートであり、フレキシブルシートの外部からの光入力がフレキシブルシート側から受光素子で受光されて光入力となってもよい。
【0018】
さらに、光素子および入出力用ICの下部に保持用のインタポーザが取り付けられていてもよく、透明基材が電気配線の内装されている保持枠に固定されていてもよく、透明基材の光入出力部が光結合効率を向上する光結合手段で構成されていてもよく、その光結合手段が透明基材に一体として形成されていてもよく、透明基材の光入出力部が光軸の向きを変換する光軸変換器を有していてもよい。
【0019】
本発明の光入出力装置は、
上述の光電気複合モジュールと光電気複合モジュールに入出力される電気信号を制御するロジックLSIとが同一の基板上に実装されていることを特徴とする。
【0020】
上述のように構成された本発明においては、配線と光取り入れ取り出し機能とを同時に持った透明基材に、光素子と入出力用ICをフリップチップ実装し、光素子からの光をプレート側から出射させ、あるいはプレートの外側からの光を光素子に入射させる構成とするので、部品数と工程数を減らして実装コストが抑制でき、配線のマージンが狭くて済むので搭載部品の高密度実装が可能で、電磁シールドを考慮した低コストプレートを実現でき、光出力のばらつきを抑制することが可能で、封止が比較的容易である。
【0021】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施の形態の光電気複合モジュールの構成を示す模式的側面断面図である。
【0022】
第1の実施の形態の光電気複合モジュールでは、外部と光素子11との間で光を入出力させるための光取り出し部14と上下面に配線された電極16、17とを備えた透明プレート13の下面に、光素子11が光取り出し部14の直下となるように、またドライバIC12が光素子11の近傍に位置するようにメタルバンプ15でフリップチップ実装されている。ここでは透明基材として透明プレート13が用いられている。
【0023】
光素子11は面型の発光素子あるいは受光素子であり、それらの層構造および内部構造は公知のような発光あるいは受光に適した構成となっており、通常は光素子11がアレイ状に形成されている。発光素子である光素子11に対応するドライバIC22は、外部からの規定電圧の変調信号に応じて、光素子11を駆動するのに必要な電流振幅を発光素子に対して与えるもので、光素子数に対応して構成される。受光素子である光素子11に対しては外部へ規定の電圧で信号出力するための調整用の電気増幅IC(トランスインピーダンスアンプやリミッタアンプ等)がドライバIC22に置き換えられて構成される。
【0024】
本発明の光電気複合モジュールには、上述のように発光素子を備えて光素子からの光をプレート側から出射させるモジュールと、受光素子を備えてプレートの外側からの光を光素子に入射させるモジュールとの2種類の構成が含まれているが、光素子と素子に対応する入出力用ICの機能が異なるだけであって、基本的な構成は同じなので、図面を参照して説明される以後の実施の形態を含めて、発光素子とドライバICとを備えた形態を代表例として説明する。しかし、これに限定されるものではなく発光素子を受光素子と読み替え、ドライバICを電気増幅ICと読み替えた形態も本発明の範囲に含まれている。
【0025】
透明プレート13は、光素子の波長に対して透過性の高いガラスやシリコン系などの材料を用いて構成するのが望ましい。光取り出し部14の上面は、光素子11のビーム広がりが小さい場合は平坦面であってもよい。また透明プレート13の上下面に配設されている電極16、17は、それぞれの面に電極材料を成膜後にリソグラフィー技術を用いて形成される。下面側の電極16はおもに光素子11とドライバIC12との間、ならびにドライバIC12と外部との間の電気的接続を行うとともに、メタルバンプ15を用いたフリップチップ実装により光素子11とドライバIC12との高精度な位置決めを行うために形成されている。このようにフリップチップ実装により接続が行われるので、従来ワイヤボンディングで必要とされていた接続用のスペースは不用となり高密度実装が可能となった。一方、上面側の電極17は接地電極として電磁シールドの役割の一部を担うように形成することによって、従来例のような高価な金属パッケージを用いなくともシールド構成が可能になる。また、樹脂封止を行う場合には透明プレート13の下部に実装された素子の周辺のみを封止すればよく、適切な樹脂材料を選び、透明プレート13と光素子11との間に隙間なく樹脂封止されることにより不用意な反射や散乱を取りこむことのない封止が可能となる。これによって、従来の分割型パッケージでは必要であった中空部分全体に樹脂を流し込むことも不要となる。
【0026】
次に、光電気複合モジュール1の動作を光素子11が発光素子の場合について説明する。外部から規定電圧の電気論理信号がドライバIC12に供給され、また同時にドライバIC12に透明プレート13の電極16を介して電源電圧が供給されている。するとドライバIC12から光素子11(この場合は発光素子)を駆動するのに必要な振幅をもち外部電気信号に対応した電流が光素子11に注入される。注入された電流に応じて光素子11から光信号が出射され、光取り出し部14を介して外部へ出力される。
【0027】
光素子11が受光素子の場合には、外部から光取り出し部14を経由して入射された光信号により受光素子である光素子で発生した電流を、ドライバIC12に代わって設けられた電気増幅ICで電圧に変換するとともに規定の電圧で外部に出力する。
【0028】
次に本発明の第2の実施の形態について図面を参照して説明する。図2は本発明の光取り出し部がポッティングレンズなどの光結合部材を有する第2の実施の形態の光電気複合モジュールの構成を示す模式的側面断面図である。透明プレート23それ自体は平坦面で構成されており、光結合手段である光結合部材24としてポッティングレンズが後でその面に形成されるか、または、あらかじめ作製されたマイクロレンズ等が接合される。これらの光結合部材24は実装工程における熱履歴を考慮した場合、熱膨張係数が透明プレート23と近いことが望ましい。また接合面の反射を抑えるため屈折率が透明プレート23に近い方が望ましい。これによってビーム広がりが大きい場合でも効率よく集光することができる。光結合部材24を備えた以外の構成や動作は、第1の実施の形態と同じなので説明を省略する。
【0029】
次に本発明の第3の実施の形態について図面を参照して説明する。図3は本発明の光取り出し部にあらかじめ透明プレートに作製された結合部を有する第3の実施の形態の光電気複合モジュールの構成を示す模式的側面断面図である。透明プレート33はSi基板、ポリマー、ガラス等で構成され、光結合部34はエッチングあるいは機械加工によって透明プレート33自体に形成されたレンズである。この透明プレート33の場合は、光結合手段である光結合部34が一体形成されているため、第2の実施の形態に比べて光結合手段の光軸ずれを十分小さくできることが特徴である。光結合部34を備えた以外の構成や動作は、第1の実施の形態と同じなので説明を省略する。
【0030】
次に本発明の第4の実施の形態について図面を参照して説明する。図4は本発明の光取り出し部において光軸変換器を有する構造の第4の実施の形態の光電気複合モジュールの構成を示す模式的側面断面図である。例えば光軸変換器44はマイクロミラー等を透明プレート43の上に設置したり、あるいは透明プレート43自体を加工してメタルミラーとしたりすることにより、図4のように垂直方向から水平方向に例えば90度光軸を変換させることが可能である。また、光素子41のビーム広がりが問題になるときはミラー部を凹面鏡形状にして集光機能を持たせることも可能である。光軸変換器44を備えた以外の構成や動作は、第1の実施の形態と同じなので説明を省略する。
【0031】
次に本発明の第5の実施の形態について図面を参照して説明する。図5は本発明の透明基材がフレキシブルシートで構成された第5の実施の形態の光電気複合モジュールの構成を示す模式的側面断面図である。光取り出し部54及び光素子51、ドライバIC52の構成は第1〜第4の実施の形態と同じであるが、外部からの電気信号入力(あるいは外部への電気信号出力)が、透明機材であるフレキシブルシート53を介して行なわれることを特徴としている。ここでは第1の実施の形態に対応した構成で示されているが、第2〜第4の実施の形態のように光取り出し部54に光結合部材が設けられていたり、光結合部材が形成されていたり、光軸変換器が設けられていたり形成されていてもよい。また、搭載された光素子51とドライバIC52の個々の高さを揃えることによって下部に光素子51とドライバIC52のヒートスプレッダを兼ねた保持部材であるインタポーザ58を設置することができ、放熱ならびに保持機能が向上する。ここではインタポーザ58が設けられた状態で示されているが、設けられなくてもよい。また、インタポーザを第1〜第4の実施の形態の透明基材が透明プレートである光電気複合モジュールに設けることもできる。透明基材がフレキシブルシートで構成されていることと、放熱ならびに保持機能を有するインタポーザを備えている以外の構成や動作は、第1の実施の形態と同じなので説明を省略する。
【0032】
次に本発明の第6の実施の形態について図面を参照して説明する。図6は本発明の透明プレートが保持枠で固定された第6の実施の形態の光電気複合モジュールの構成を示す模式的側面断面図である。透明プレート63の下側の周辺に光素子61とドライバIC62とを取り囲むように層間配線69を有する保持枠68が取り付けられているが、光の取り出しは第5の実施の形態と同様に第1〜第4の実施の形態と同じである。一方、電気の入出力は保持枠68に内装された層間配線69によって行なわれることを特徴とし、下面から電気的接続が可能である。また、層間配線69に受動部品を組み込み、保持枠62の中に埋め込んでもよい。保持枠62と透明プレート63との固定は、従来技術のような光軸調整が不要で、電気的接続のみによって行うことができる。ここでは透明基材が透明プレート63である例について説明したが、透明基材がフレキシブルシートである光電気複合モジュールについても同様に保持枠を設けることができる。またインタポーザと保持枠とを組み合わせた構成としてもよい。
【0033】
次に本発明の光電気複合モジュールを用いた信号処理モジュールである光入出力装置の第1の実施の形態について図面を参照して説明する。図7は光電気複合モジュールとロジックLSIとで構成される第1の実施の形態の光入出力装置の構成を示す模式的側面断面図である。第1の実施の形態の光入出力装置10では、層間および表面に電極105が配置された基板104の上に、本発明の光電気複合モジュール101と、このモジュールに入出力される電気信号を制御するロジックLSI102とが実装されている。光電気複合モジュール101はここでは上述の第5の実施の形態の光電気複合モジュール5の形態となっており、光電気複合モジュール101とロジックLSI102とはフレキシブルシート103を介して電気的に接続されて電気信号のやりとりが行われる。光電気複合モジュール101の入出力の電圧信号レベルは光電気複合モジュール101内のドライバICによって規定されているため、ロジックLSI102は通常のLSIに近い形で設計が可能である。また図7では1個の光電気複合モジュール101の場合を示しているが、複数個でもよく、ロジックLSI102から各モジュールへの電気的接続は個別にそれぞれのモジュールのフレキシブルシート103で接続される形であってもよい。
【0034】
また、ここでは光電気複合モジュール101としてフレキシブルシートを用いた第5の実施の形態の光電気複合モジュール5を例として説明したが、透明プレートを用いた第1〜第4、第6の実施の形態の光電気複合モジュールを用い、光電気複合モジュールとロジックLSIとの接続はメタルワイヤや基板104内の電極を介した接続としてもよい。
【0035】
次に本発明の光電気複合モジュールを用いた信号処理モジュールである光入出力装置の第2の実施の形態について図面を参照して説明する。図8はロジックLSIの放熱を基板側から取った場合の第2の実施の形態の光入出力装置の構成を示す模式的側面断面図である。第2の実施の形態の光入出力装置20では、基板204のロジックLSI202の下部にビア207等の放熱手段を施すことによって基板側から放熱が可能となっている。光電気複合モジュール201とロジックLSI202との電気的接続は光電気複合モジュール201を構成するフレキシブルシート203を介して接続され、一方ロジックLSI202と基板204の電極205との電気的接続はメタルワイヤ206を介して行われている。ここでも透明プレートを用いた第1〜第4、第6の実施の形態の光電気複合モジュールを用い、光電気複合モジュールとロジックLSIとの接続はメタルワイヤや基板204内の電極を介した接続としてもよい。
【0036】
【実施例】
図1に示す光電気複合モジュール1の具体例を示す。光素子11は、発振波長850nmの面発光型レーザであり、メタルバンプ15にはAuSnはんだを用いて透明プレート13にフリップチップ実装した。透明プレート13は発振波長850nmに対して光透過率の高い透明なものを選択した。ドライバIC12は、外部から3.125Gb/sの差動入力の電気信号により光素子11への注入電流が制御される。電流振幅は数mA程度で、最大出力は−1dBmである。光素子11と光取り出し部14とをフリップチップ実装したことにより、結合効率は−3±0.3dBであった。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による光電気複合モジュールでは、次のような効果が得られた。即ち、
1) 部品数と工程数を減らし実装コストを抑制することができる。これは配線を有し光取り出し機能を同時に持った透明基材に、光素子とドライバICあるいは電気増幅ICをフリップチップ実装した構成としたからである。
2) 配線のマージンが狭くて済み、搭載部品の高密度実装が可能になる。これは光素子とドライバICとをフリップチップ実装したからである。
3) 電磁シールドを低コストで実現できる。これは透明基材に接地電極を形成することにより電磁シールドと兼用できるからである。
4) レンズ−光素子間の距離のばらつきを抑制し、光出力のばらつきを小さくすることができる。これは光取り出し機能を持った透明基材に光素子をフリップチップ実装したからである。
5) 各素子と透明基材との間のみ封止すればよく、封止が比較的容易にできる。これは透明基材に光素子とドライバICとが一括して実装されているからである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の光電気複合モジュールの構成を示す模式的側面断面図である。
【図2】本発明の光取り出し部がポッティングレンズなどの光結合手段を有する第2の実施の形態の光電気複合モジュールの構成を示す模式的側面断面図である。
【図3】本発明の光取り出し部にあらかじめ透明プレートに作製された結合手段を有する第3の実施の形態の光電気複合モジュールの構成を示す模式的側面断面図である。
【図4】本発明の光取り出し部において光軸変換器を有する構造の第4の実施の形態の光電気複合モジュールの構成を示す模式的側面断面図である。
【図5】本発明の透明基材がフレキシブルシートで構成された第5の実施の形態の光電気複合モジュールの構成を示す模式的側面断面図である。
【図6】本発明の透明プレートが保持枠で固定された第6の実施の形態の光電気複合モジュールの構成を示す模式的側面断面図である。
【図7】光電気複合モジュールとロジックLSIとで構成される第1の実施の形態の光入出力装置の構成を示す模式的側面断面図である。
【図8】ロジックLSIの放熱を基板側から取った場合の第2の実施の形態の光入出力装置の構成を示す模式的側面断面図である。
【図9】従来の光電気複合モジュールの構造を示す模式図である。
【符号の説明】
1、2、3、4、5、6、101、201   光電気複合モジュール
10、20  光入出力装置
11、21、31、41、51、61、91  光素子
12、22、32、42、52、62、92  ドライバIC
13、23、33、43、63  透明プレート
14、54、64  光取り出し部
15、25、35、45、55、65  メタルバンプ
16、17、26、27、36、37、46、47、56、57,66、67、105、205  電極
24,94  光結合部材
34  光結合部
44  光軸変換器
53、103,203  フレキシブルシート
58  インタポーザ
68  保持枠
69  層間電極
96  層間配線
97、206  メタルワイヤ
98  配線基板
102、202  ロジックLSI
207  ビア

Claims (12)

  1. 光素子と入出力用ICとを有する光電気複合モジュールにおいて、電気配線を有し光取り入れ取り出し機能をもった透明基材に、前記光素子と前記入出力用ICとがフリップチップ実装され、前記透明基材の光入出力部を通じて外部と前記光素子との間で光の入出力が行われることを特徴とする光電気複合モジュール。
  2. 前記透明基材の前記光素子取付け面とは反対の面に設けられた電気配線が、前記光素子並びに前記入出力用ICに対して電磁シールドとして作用する、請求項1に記載の光電気複合モジュール。
  3. 前記光素子が発光素子であり、前記入出力用ICがドライバICであり、前記透明基材が透明プレートであり、前記発光素子からの光が前記透明プレート側から出射されて光出力となる、請求項1または請求項2に記載の光電気複合モジュール。
  4. 前記光素子が受光素子であり、前記入出力用ICが電気増幅ICであり、前記透明基材が透明プレートであり、前記透明プレートの外部からの光入力が前記透明プレート側から前記受光素子で受光されて光入力となる、請求項1または請求項2に記載の光電気複合モジュール。
  5. 前記光素子が発光素子であり、前記入出力用ICがドライバICであり、前記透明基材がフレキシブルシートであり、前記発光素子からの光が前記フレキシブルシート側から出射されて光出力となる、請求項1または請求項2に記載の光電気複合モジュール。
  6. 前記光素子が受光素子であり、前記入出力用ICが電気増幅ICであり、前記透明基材がフレキシブルシートであり、前記フレキシブルシートの外部からの光入力が前記フレキシブルシート側から前記受光素子で受光されて光入力となる、請求項1または請求項2に記載の光電気複合モジュール。
  7. 前記光素子および前記入出力用ICの下部に保持用のインタポーザが取り付けられている、請求項3から請求項6のいずれか1項に記載の光電気複合モジュール。
  8. 前記透明基材が電気配線の内装されている保持枠に固定されている、請求項3から請求項6のいずれか1項に記載の光電気複合モジュール。
  9. 前記透明基材の前記光入出力部が光結合効率を向上する光結合手段で構成されている、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の光電気複合モジュール。
  10. 前記光結合手段が前記透明基材に一体として形成されている、請求項9記載の光電気複合モジュール。
  11. 前記透明基材の前記光入出力部が光軸の向きを変換する光軸変換器を有する、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の光電気複合モジュール。
  12. 請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の光電気複合モジュールと光電気複合モジュールに入出力される電気信号を制御するロジックLSIとが同一の基板上に実装されていることを特徴とする光入出力装置。
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