JP2004047822A - Optical module and optical module assembly using the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical module and an optical module assembly that are suited to mounting of an optical element of surface type semiconductor element and excel in mass-productivity, and is compact and superior in high-frequency characteristic. <P>SOLUTION: The optical module M1 is provided with a VCSEL 2 and an optical waveguide body (optical fiber 42 and ferrule 41 housing the same) connecting electrically with the VCSEL 2 that is fitted th the arrangement surface 16 side of the VCSEL 2 of a substrate 1 where a wiring is formed to energize the VCSEL 2. Sides excluding the arrangement surface 16 of the VCSEL 2 of the substrate 1 and its rear surface 20, that is, any of sides of the substrate 1 is fixed onto an external circuit substrate (not illustrated) where an external wiring is formed to energize the VCSEL 2, thus electrically connecting the external wiring formed thereon with a wiring formed on the substrate 1. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)、PIN型ホトダーオード、またはアバランシェホトダイオード等の面型光半導体素子の実装に係る技術に関し、例えば、このような面型光半導体素子とそれを作動させるための電子部品とを備え、広帯域で小型にかつ信頼性よく組み立て可能な光モジュール及びこれを外部回路基板に実装した光モジュールアセンブリに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、公衆通信や構内通信(LAN)の分野において、大容量光ファイバ通信が広く普及し発展してきている。それにともない伝送速度が高速化され、500メートル程度までの至近距離においても、光ファイバを用いた高速光伝送が必要とされ、従来から使用されてきた数キロメートル〜数百キロメートルといった距離の光伝送に加えて、超近距離(Very Short Reach;VSR)の光伝送や、ギガビットイーサネット(R)(GbE)と呼ばれる用途の重要性が高まってきている。これら、VSRやGbEの用途では、毎秒10ギガビットの光伝送速度が必要とされつつあり、このような伝送では、不特定多数、多種多様な使用が想定され、従来と比較して大幅な装置の小型化や量産性の向上が産業上重要であると考えられている。
【0003】
従来の光通信システムでは、光ファイバの損失や分散の小さい1.55ミクロンや1.33ミクロン帯の半導体レーザが広く一般に使用されてきたが、LAN等の近距離の分野においては、量産性にすぐれ、特性が安定でしかも高速光伝送可能な新しい光半導体デバイスとして、0.85ミクロン帯のVCSELと呼ばれる面型光発光素子が用いられるようになってきた。一方、受光素子においては、従来と同じように高速光信号を電気変換するためPIN型ホトダイオード、さらには、アバランシェホトダイオード等の受光素子がVCSELの受光素子として使用されている。
【0004】
ギガビットイーサネット(R)が用いられるLAN等においては、例えば特開2000−214351号公報に開示されているように、送信機と受信機が1つにパッケージング搭載された光トランシーバの形態が一般的であり、大きさも規格化されている。近年では、装置全体の小型化のために、光トランシーバの小型化が進み、従来の約半分の大きさであるSFF(Small Form Factor)とよばれる形態に変わってきた。一般に、これら面型光半導体素子は、TO−CANパッケージと呼ばれる金属筐体とリードピンで形成された円筒筐体内に収容され光モジュール化され、光モジュールを制御するための電子回路が搭載される電子回路基板に実装固定されて使用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のTO−CAN型光モジュールパッケージでは、光モジュールパッケージのリードピンで電子回路が搭載される電子回路基板に実装を行う際に、光モジュールパッケージと電子回路基板との間において、リードピンが空中配線されるため、配線の特性インピーダンスの不連続が大きく生じ、高周波特性の劣化を招く。
【0006】
この問題を解決するために、リードピンが空気中にさらされないように、極力リードピンを短くし、電子回路基板に実装することも考えられるが、短いリードピンのみで長期間にわたり光モジュールを支持し、長期間信頼性を確保することは困難であるうえに、リードピン長さのばらつきや、光モジュールの実装固定時におけるはんだ量のばらつきにより、高周波特性が安定せず、量産性に乏しい。さらに、TO−CAN型光モジュールパッケージはφ5.6ミリメートルと規格化されているため、これ以上の小型化は困難である。
【0007】
また、リードピンはパッケージの中心から同心円上に配置されているため、電子回路基板に実装するためには、リードピンの途中でピンを折り曲げ、電子回路基板に穴をあけてリードピンを挿入し、はんだづけを行うといった、電子部品実装プロセスには向かない量産性に乏しい構造であった。
【0008】
そこで、本発明は、上述の諸問題に鑑み提案されたものであり、特に面型光半導体素子の実装に適し、しかも量産性に優れ、小型で高周波特性にも優れ信頼性のある光モジュール及びそれを用いた光モジュールアセンブリを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光モジュールは、面型光半導体素子を配設し該面型光半導体素子に通電するための配線を形成した基体に、前記面型光半導体素子に光接続する光導波体を取り付けてなるとともに、前記基体の前記面型光半導体素子の配設面とその背面とを除く面を、前記面型光半導体素子に通電するための外部配線が形成された外部回路基板に固定し、該外部回路基板に形成された外部配線と前記基体に形成した配線とを電気的に接続できるようにしたことを特徴とする。
【0010】
また、前記構成において、前記基体中に、前記面型光半導体素子と前記外部回路基板に形成された外部配線とを電気的に接続可能とする内部配線を形成するとよい。また、前記基体の面型光半導体素子を配設した面に、前記光導波体を支持するための金属からなる支持体を設けるとよい。
【0011】
また、前記光導波体は、光ファイバと該光ファイバを保持するフェルールとを備えてなるものとする。
【0012】
また、本発明の光モジュールアセンブリは、上記いずれかの光モジュールが前記外部回路基板にはんだを介して実装されていることを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光モジュール及びそれを用いた光モジュールアセンブリの実施形態を模式的に示した図面に基づき詳細に説明する。
【0014】
図1は本発明に係る光モジュールM1の斜視図、図2は光モジュールM1の分解斜視図、図3は本発明に係る光モジュールM1を構成する基体1部分における配線構造等を説明するための透視図、図4は光モジュールM1を構成する面型光半導体素子であるVCSEL2を示す斜視図、図5は光モジュールM1を構成する基体1部分の様子を示す斜視図、図6は図1における光モジュールM1を構成する光導波体の光軸を含む面で切断した断面図である。
【0015】
本発明の光モジュールM1は、VCSEL2を配設しこれに通電するための配線を形成した基体1のVCSEL2の配設面16側に、VCSEL2に光接続する光導波体(主に光ファイバ42とこれを収容し保持するフェルール41で構成)を取り付けてなるものである。そして、基体1のVCSEL2の配設面16とその背面20とを除く面、すなわち、基体1の側面のいずれかの面を、VCSEL2に通電するための外部配線が形成された不図示の外部回路基板に固定し、この外部回路基板に形成された外部配線と基体1に形成した配線とを電気的に接続できるようにしている。
【0016】
また、基体1中には、後記するようにVCSEL2と前記した外部回路基板に形成された外部配線とを電気的に接続可能とする内部配線(12b、13b、13c、12c、13d)を形成している。さらに、基体1は、VCSEL2を配設した面16に、前記光導波体を支持するための金属からなる支持体、すなわち、金属金具17、第1の金属保護体4、及び第2の金属保護体9を設けている。ここで、図示では基体1の前記した外部回路基板に固定する面(光モジュールの外部回路基板への実装面)30に、コプレーナ構造のリード電極14、15a、及び15bを設けているが、これらリード電極の代わりに、グリッド状の複数の端子電極から成る端子電極群を、少なくとも3つの領域に形成してもよい。そして、この端子電極群は光導波体の光軸方向に沿って形成する。
【0017】
具体的には図示されているように、光モジュールM1は、VCSEL2を光部品実装用基体である基体1の一主面16上に配置し、この基体1の同一主面16にVCSEL2を囲い円環状をなす金属金具17を配設して、この金属金具17の上部開口に、球状に形成されたレンズ34が塞がる状態で、このレンズ34を中央部に設けた金属環状体3を金属金具17上に配設してなり、そして金属金具17上に金属環状体3の上方を覆うようにして、円筒状で鍔部4aが一端側に形成された第1の金属保護体4を、鍔部4aが基体1側になるように配設する。さらに、第1の金属保護体4と同様にして円筒状で一端部に鍔部9aが形成された第2の金属保護体9内に、VCSEL2に光接続させる光ファイバ42が内部配置された円柱状のフェルール41を収容して、この第2の金属保護体9を第1の金属保護体4内に収容して構成されている。このように、第1及び第2の金属保護体4、9において鍔部4a、9aを備えることにより、不図示の光コネクタレセプタクルを嵌合できるようにしている。
【0018】
基体1は、VCSEL2の配設面16に、VCSEL2へ電気信号を伝達するための電極パターン12a、13aが形成されている。また、これら電極パターン12a、13aは、基体1の内部に形成された内部配線のビア導体12b、13b、13cにより電気的に接続されている。さらに、基体1を立設する際に下面側となる面30に、外部へ電気接続するための外部パッドであるリード電極14、15a、15bが設けられ、これらリード電極のそれぞれに電気接続される外部導電パターン18,19が基体1の外部回路基板に配設する側の面30に形成されている。そして、これら外部導電パターン18,19のそれぞれは基体1の内部に形成された内部導体パターン12c、13dに接続されており、これら内部導体パターン12c、13dは、ビア導体12b、13b、13cのそれぞれに接続されている。
【0019】
電極パターン12a、13a、ビア導体12b、13b、13c、及び内部導体パターン12c、13d等は、10Gbpsの電気信号が伝送するための高周波線路であり、特に電極パターン12a、13a、内部導体パターン12c、13dは、25Ωもしくは50Ω等にインピーダンス整合されたコプレーナ電気配線であって、リード電極14、15a、15bは、グランド電極、シグナル電極、グランド電極の3つの電極が配列化されたグリッドアレイ化されたコプレーナ電極であることが好適であり、このように構成することにより10GBpsの高速伝送が可能となる。
【0020】
ここで、リード電極14、15a、15bの代わりに、はんだボールを付加したボール状のグリッドアレイとすることにより、光モジュールM1を実装する際の利便性がよりいっそう向上させることができる。
【0021】
基体1はアルミナ、窒化アルミニウム等のセラミックス材料を積層構造とした多層配線構造となっており、電極パターン12a、13a、及び内部導体パターン12c、13dは、Au、Ni、及びW等のいずれかを少なくとも含む導体厚膜を印刷等で形成したり、Cu等のメタライズから成り、ビア導体12b、13b、13cはW等から成る。
【0022】
また、金属金具17はコバール等から成り、これを基体1にろうづけする。さらに、この上にコバールやステンレス等から成るレンズ34を設けた金属環状体3を、VCSEL2を実装した後に、金属金具17に対して抵抗溶接等により容易に気密封止構造としている。これにより、VCSEL2を長寿命に保護することができる。
【0023】
VCSEL2には、表面に発光部である活性層21、及び活性層21に電気信号を印加するために下層/上層でTi/Pt/Auメタル等からなる電極22、23a、23b、また、VCSEL2を基体1に実装するため際に利用するAuメタル等からなるアライメントマーカ24a、24bが形成されている。
【0024】
VCSEL2は、基体1の光半導体素子配設面16に活性層21を上面に実装される。VCSEL2の電極22、23a、23bは、Auリボン等のリボン31、32、33を介して基体1のコプレーナ電気配線である電極パターン12a、13bに電気接続される。これにより、基体1のコプレーナ電極であるリード電極14、15a、15bに電気信号を入力することで活性層21から光信号を発生させることができる。
【0025】
また、第1の金属保護体4,9はコバールやステンレスで構成されている。
【0026】
なお、この実施形態では、VCSELを用いた発光モジュールについて説明をしたが、面型光半導体素子としてPINホトダイオードやアバランシェホトダイオード等の受光用半導体素子を用いることにより、受光モジュールとして機能させることも同様にできる。
【0027】
かくして、本実施形態の光モジュールM1によれば、VCSEL2を配設した基体1に、VCSEL2と光接続する光導波体を取り付けてなり、基体1のVCSEL2の配設面16とその背面20とを除く面を、VCSEL2に通電するための外部配線が形成された外部回路基板に固定し、この外部回路基板に形成された外部配線と基体1に形成した配線とを電気的に接続できるようにしたので、単純な構成とすることができ、組み立てが簡便となり、しかも良好な光接続を効率よく行える。
【0028】
また特に、基体1中に、VCSEL2と外部回路基板に形成された外部配線とを電気的に接続可能とする内部配線(12b、13b、13c、12c、13d)を施したので、電気配線を短尺化することが可能となり、電気伝送損失の低減がはかられ、高出力かつ高速伝送可能な光信号の発・受光が得られる。
【0029】
また特に、基体1のVCSEL2を配設した面16に、光導波体(光ファイバ42とこれを収容したフェルール41)を支持するための金属からなる支持体(金属金具17、金属環状体3、第1の金属保護体4、第2の金属保護体9)を設けたので、光導波体を金属溶接するこことが可能となり、容易に高信頼かつ高効率光結合特性が得られる構造とすることができ、長期にわたり安定した発・受光特性が得られる。
【0030】
また特に、基体1の外部回路基板に固定する面に、リード電極(14、15a、15b)やグリッド状に配置した複数の端子電極から成る端子電極群を、少なくとも3つの領域に形成することにより、グランド(接地用)・シグナル(信号用)・グランド(接地用)のコプレーナ高周波電極構造とすることができ、10GBpsを超える高速光伝送特性が容易に得られる。さらに、前記リード電極や端子電極群を光導波体の光軸方向に沿って形成することにより、光モジュールを実装するための外部回路基板面と光信号を発・受光する位置を同一面にすることができ、小型で低背な光モジュールが得られる。
【0031】
また、前記光導波体は、光ファイバとそれを保持するフェルールからなることにより、光コネクタで着脱・接続するレセプタクル構造を容易に得ることができ光モジュールの操作性に優れる。
【0032】
次に、光モジュールアセンブリについて説明する。図7に示すように、光モジュールアセンブリは、外部回路基板である実装基体8の一端側に、面型光半導体素子としてVCSELが搭載された発光モジュールTと、面型光半導体素子としてPINホトダイオードが搭載された受光モジュールRとを搭載し、さらに、発光モジュールTを駆動するためのドライバIC5受光モジュールRから得られた電気信号を増幅、波形成形するためのTIA(トランスインピーダンスアンプ)6、及びコンデンサや抵抗等の付加電子デバイス7を実装される実装基体8で構成されている。
【0033】
このように、発光モジュールT及び受光モジュールRの光軸と平行な位置に電極を配設した構造とすることにより、実装基体8の実装電極に予めクリームはんだ等のはんだを塗布し、発光モジュールT及び受光モジュールRと、電子デバイス7、ドライバIC5、及びTIA6等を配置させることで、260℃程度のはんだリフロー工程を施すことができ、一括にて実装固定された光モジュールアセンブリが完成される。
【0034】
また、光モジュールと実装基体8とに隙間10(空間)を形成させることにより、この隙間10に絶縁層を形成させてインピーダンス整合を行なわせる必要がない。
【0035】
ここで、図8に示すように、光モジュールM2の基体1に段差部11を形成して、この段差部11を接続させる外部電極パッド82を光軸に略平行に、且つ外部回路基板である実装基体81に対し略水平に、しかも電子デバイス71や制御IC61が実装される実装基体81の一端部に配置させることにより、実装基体81の実装表面と光軸を水平な位置とすることが可能とするだけでなく、より低背化を図った光モジュールアセンブリを提供できる。
【0036】
以上のように、本実施形態の光モジュールアセンブリによれば、光モジュールを外部回路基板に付加電子回路とともにはんだリフロー等により自動化された一括したアセンブルを行うことができ、量産性に優れ、結果的に安価な光モジュールアセンブリを提供することができる。
【0037】
【発明の効果】
本発明の光モジュール及び光モジュールアセンブリによれば、以下に示す顕著な効果を奏することができる。
【0038】
請求項1の光モジュールによれば、面型光半導体素子を配設しこれに通電するための配線を形成した基体に、面型光半導体素子に光接続する光導波体を取り付けてなり、基体の面型光半導体素子の配設面とその背面とを除く面を、面型光半導体素子に通電するための外部配線が形成された外部回路基板に固定し、この外部回路基板に形成された外部配線と前記基体に形成した配線とを電気的に接続できるようにしたので、単純な構成とすることができ、組み立てが簡便となり、しかも良好な光接続を効率よく行える。
【0039】
請求項2の光モジュールによれば、基体中に、面型光半導体素子と外部回路基板に形成された外部配線とを電気的に接続可能とする内部配線を形成したので、電気配線を短尺化することが可能となり電気伝送損失の低減がはかられ、高出力かつ高速伝送可能な光信号の発・受光が得られる。
【0040】
請求項3の光モジュールによれば、基体の面型光半導体素子を配設した面に、光導波体を支持するための金属からなる支持体を設けたので、光導波体を金属溶接するこことが可能となり、容易に高信頼かつ高効率光結合特性が得られる構造とすることができ、長期にわたり安定した発・受光特性が得られる。
【0041】
請求項4の光モジュールによれば、前記光導波体は、光ファイバとそれを保持するフェルールからなることにより、光コネクタで着脱・接続するレセプタクル構造を容易に得ることができ光モジュールの操作性に優れる。
【0042】
請求項5の光モジュールアセンブリによれば、光モジュールを前記外部回路基板に付加電子回路とともにはんだリフロー等により自動化された一括したアセンブルを行うことができ、量産性に優れ、結果的に安価な光モジュールアセンブリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光モジュールの実施形態を模式的に説明する斜視図である。
【図2】図1における光モジュールの分解斜視図である。
【図3】図1における光モジュールを構成する基体部分における配線構造等を説明するための透視図である。
【図4】図1における光モジュールを構成する面型光半導体素子の斜視図である。
【図5】図1における光モジュールを構成する基体部分の斜視図である。
【図6】図1における光モジュールを説明するための図であり、光モジュールを構成する光導波体の光軸を含む面で切断した断面図である。
【図7】本発明に係る光モジュールアセンブリの実施形態を模式的に説明する斜視図である。
【図8】本発明に係る光モジュールアセンブリの他の実施形態を模式的に説明する側面図である。
【符号の説明】
1:基体
2:VCSEL(面型光半導体素子)
3:レンズ
4:第1の金属保護体(支持体を構成)
5:ドライバIC
6:TIA
7、71:電子デバイス
8、81:実装基体(外部回路基板)
9:第2の金属保護体(支持体を構成)
12〜13、18、19:電気配線
12b、13b、13c:内部配線
14〜15、82:外部電極パッド(リード電極)
16:面型光半導体素子の配設面
17:金属金具(支持体を構成)
20:背面
21:活性層
22〜23:電極パターン
24:アライメントマーカ
30:光モジュールの外部回路基板への実装面
31〜33リボン
41:フェルール(光導波体を構成)
42:光ファイバ(光導波体を構成)
61:制御IC
M1、M2:光モジュール
R:受光モジュール(光モジュール)
T:発光モジュール(光モジュール)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology for mounting a surface-type optical semiconductor element such as a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), a PIN type photodiode, or an avalanche photodiode. For example, the present invention relates to such a surface-type optical semiconductor element and its operation. The present invention relates to an optical module having a wide band, small size and high reliability, and an optical module assembly having the electronic component mounted on an external circuit board.
[0002]
[Prior art]
In recent years, large-capacity optical fiber communication has been widely spread and developed in the field of public communication and private communication (LAN). Accordingly, the transmission speed has been increased, and even at close distances of up to about 500 meters, high-speed optical transmission using optical fibers is required. In addition, the importance of very short-range (Very Short Reach; VSR) optical transmission and applications called Gigabit Ethernet (R) (GbE) is increasing. In these applications of VSR and GbE, an optical transmission speed of 10 gigabits per second is being required. In such transmission, an unspecified number and various kinds of uses are assumed, and a large amount of equipment is required as compared with the conventional one. It is considered that miniaturization and improvement of mass productivity are important in industry.
[0003]
In conventional optical communication systems, semiconductor lasers in the 1.55 micron or 1.33 micron band, in which the loss and dispersion of optical fibers are small, have been widely and generally used. As a new optical semiconductor device having excellent characteristics and capable of high-speed optical transmission, a surface light emitting element called VCSEL of 0.85 micron band has been used. On the other hand, a light receiving element such as a PIN photodiode and an avalanche photodiode are used as a light receiving element of a VCSEL in order to electrically convert a high-speed optical signal as in the related art.
[0004]
In a LAN or the like using Gigabit Ethernet (R), a form of an optical transceiver in which a transmitter and a receiver are packaged in one is generally used as disclosed in, for example, JP-A-2000-214351. The size is also standardized. In recent years, downsizing of optical transceivers has been progressing in order to downsize the entire device, and the configuration has been changed to a form called SFF (Small Form Factor) which is about half the size of the conventional one. In general, these surface-type optical semiconductor elements are housed in a cylindrical housing formed by a metal housing called a TO-CAN package and a lead pin to form an optical module, and an electronic module on which an electronic circuit for controlling the optical module is mounted. It is mounted and fixed on a circuit board.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional TO-CAN type optical module package, when the lead pins of the optical module package are mounted on an electronic circuit board on which an electronic circuit is mounted, the lead pins are airborne between the optical module package and the electronic circuit board. Since the wires are wired, the discontinuity of the characteristic impedance of the wires is large, and the high-frequency characteristics are deteriorated.
[0006]
In order to solve this problem, it is conceivable to shorten the lead pins as much as possible so that the lead pins are not exposed to the air and mount them on an electronic circuit board. It is difficult to secure the period reliability, and the high frequency characteristics are not stable due to variations in the length of the lead pins and variations in the amount of solder when the optical module is mounted and fixed, resulting in poor mass productivity. Further, since the TO-CAN type optical module package is standardized to φ5.6 mm, further miniaturization is difficult.
[0007]
Also, since the lead pins are arranged concentrically from the center of the package, in order to mount them on an electronic circuit board, bend them in the middle of the lead pins, make holes in the electronic circuit board, insert the lead pins, and solder them. It is a structure that is not suitable for the electronic component mounting process and has poor mass productivity.
[0008]
Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described problems, and is particularly suitable for mounting a surface-type optical semiconductor element, and has excellent mass productivity, small size, excellent high-frequency characteristics, and a reliable optical module. An object is to provide an optical module assembly using the same.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an optical module according to the present invention comprises: a substrate having a surface-type optical semiconductor element provided thereon and a wiring formed thereon for supplying current to the surface-type optical semiconductor element; In addition to attaching an optical waveguide to be connected, an external wiring for energizing the surface optical semiconductor element was formed on a surface of the base except for the surface on which the surface optical semiconductor element was disposed and the back surface thereof. It is fixed to an external circuit board so that the external wiring formed on the external circuit board and the wiring formed on the base can be electrically connected.
[0010]
In the above structure, it is preferable that an internal wiring is formed in the base so as to electrically connect the surface type optical semiconductor element to an external wiring formed on the external circuit board. Further, it is preferable that a support made of metal for supporting the optical waveguide is provided on the surface of the base on which the planar optical semiconductor element is provided.
[0011]
The optical waveguide includes an optical fiber and a ferrule holding the optical fiber.
[0012]
Further, an optical module assembly according to the present invention is characterized in that any one of the above-mentioned optical modules is mounted on the external circuit board via solder.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of an optical module and an optical module assembly using the same according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings schematically showing the embodiments.
[0014]
FIG. 1 is a perspective view of an optical module M1 according to the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view of the optical module M1, and FIG. 3 is a view for explaining a wiring structure and the like in a base 1 portion constituting the optical module M1 according to the present invention. FIG. 4 is a perspective view, FIG. 4 is a perspective view showing a VCSEL 2 which is a planar optical semiconductor element constituting the optical module M1, FIG. 5 is a perspective view showing a state of a base 1 part constituting the optical module M1, and FIG. It is sectional drawing cut | disconnected by the surface containing the optical axis of the optical waveguide which comprises the optical module M1.
[0015]
The optical module M1 of the present invention includes an optical waveguide (mainly an optical fiber 42 and an optical fiber 42) for optically connecting to the VCSEL 2 on the VCSEL 2 mounting surface 16 side of the base 1 on which the VCSEL 2 is provided and wiring for supplying electricity to the VCSEL 2 is formed. (Consisting of a ferrule 41 for accommodating and holding this). An external circuit (not shown) in which external wiring for supplying current to the VCSEL 2 is formed on a surface of the substrate 1 excluding the surface 16 on which the VCSEL 2 is disposed and the back surface 20, that is, any one of the side surfaces of the substrate 1. It is fixed to a substrate so that the external wiring formed on the external circuit board and the wiring formed on the base 1 can be electrically connected.
[0016]
Further, in the base 1, internal wirings (12b, 13b, 13c, 12c, 13d) for electrically connecting the VCSEL 2 and the external wiring formed on the above-mentioned external circuit board are formed as described later. ing. Further, the base 1 is provided on the surface 16 on which the VCSEL 2 is disposed, with a support made of metal for supporting the optical waveguide, that is, a metal fitting 17, a first metal protector 4, and a second metal protector. A body 9 is provided. Here, in the drawing, the lead electrodes 14, 15a, and 15b having a coplanar structure are provided on the surface 30 of the base 1 that is fixed to the external circuit board (the mounting surface of the optical module on the external circuit board). Instead of the lead electrodes, a terminal electrode group including a plurality of grid-shaped terminal electrodes may be formed in at least three regions. This terminal electrode group is formed along the optical axis direction of the optical waveguide.
[0017]
More specifically, as shown in the figure, in the optical module M1, the VCSEL 2 is disposed on one main surface 16 of the base 1, which is a base for mounting optical components, and the same main surface 16 of the base 1 surrounds the VCSEL 2 and forms a circle. An annular metal fitting 17 is provided, and a metal annular body 3 having the lens 34 provided at the center thereof is attached to the metal fitting 17 in a state in which a spherical lens 34 is closed in an upper opening of the metal fitting 17. The first metal protector 4 having a cylindrical shape and a flange portion 4a formed on one end side is disposed on the metal fitting 17 so as to cover the metal ring 3 over the metal fitting 17. It is arranged so that 4a is on the base 1 side. Further, a circle in which an optical fiber 42 for optically connecting to the VCSEL 2 is disposed inside a second metal protector 9 having a cylindrical shape and a flange 9a formed at one end in the same manner as the first metal protector 4. The columnar ferrule 41 is accommodated, and the second metal protector 9 is accommodated in the first metal protector 4. As described above, the first and second metal protectors 4 and 9 are provided with the flange portions 4a and 9a, so that an optical connector receptacle (not shown) can be fitted.
[0018]
In the base 1, electrode patterns 12a and 13a for transmitting an electric signal to the VCSEL 2 are formed on the arrangement surface 16 of the VCSEL 2. These electrode patterns 12a, 13a are electrically connected by via conductors 12b, 13b, 13c of internal wiring formed inside the base 1. Further, lead electrodes 14, 15a, 15b, which are external pads for electrical connection to the outside, are provided on a surface 30 that is the lower surface side when the base 1 is erected, and are electrically connected to each of these lead electrodes. External conductive patterns 18 and 19 are formed on a surface 30 of the base 1 on the side provided on the external circuit board. Each of these external conductive patterns 18 and 19 is connected to internal conductor patterns 12c and 13d formed inside the base 1, and these internal conductor patterns 12c and 13d are connected to the via conductors 12b, 13b and 13c, respectively. It is connected to the.
[0019]
The electrode patterns 12a and 13a, the via conductors 12b, 13b and 13c, and the internal conductor patterns 12c and 13d are high-frequency lines for transmitting 10 Gbps electric signals. In particular, the electrode patterns 12a and 13a and the internal conductor patterns 12c and 13d is a coplanar electric wiring whose impedance is matched to 25Ω or 50Ω or the like, and the lead electrodes 14, 15a and 15b are formed in a grid array in which three electrodes of a ground electrode, a signal electrode and a ground electrode are arranged. It is preferable to use a coplanar electrode, and this configuration enables high-speed transmission of 10 Gbps.
[0020]
Here, by using a ball-shaped grid array to which solder balls are added instead of the lead electrodes 14, 15a, and 15b, the convenience in mounting the optical module M1 can be further improved.
[0021]
The base 1 has a multilayer wiring structure in which a ceramic material such as alumina or aluminum nitride is laminated, and the electrode patterns 12a and 13a and the internal conductor patterns 12c and 13d are made of Au, Ni, W, or the like. A conductor thick film containing at least is formed by printing or the like, or is made of metallization such as Cu, and the via conductors 12b, 13b, 13c are made of W or the like.
[0022]
The metal fitting 17 is made of Kovar or the like, and is brazed to the base 1. Further, the metal annular body 3 provided with a lens 34 made of Kovar or stainless steel or the like has a hermetically sealed structure easily by resistance welding or the like to the metal fitting 17 after the VCSEL 2 is mounted. Thus, the VCSEL 2 can be protected for a long life.
[0023]
The VCSEL 2 includes an active layer 21 which is a light emitting portion on the surface, and electrodes 22, 23a and 23b made of Ti / Pt / Au metal or the like in a lower layer / upper layer for applying an electric signal to the active layer 21; Alignment markers 24a and 24b made of Au metal or the like used for mounting on the base 1 are formed.
[0024]
The VCSEL 2 has an active layer 21 mounted on the optical semiconductor element mounting surface 16 of the base 1. The electrodes 22, 23a, 23b of the VCSEL 2 are electrically connected to the electrode patterns 12a, 13b, which are coplanar electric wiring of the base 1, through ribbons 31, 32, 33 such as Au ribbons. Thus, an optical signal can be generated from the active layer 21 by inputting an electric signal to the lead electrodes 14, 15a, and 15b, which are coplanar electrodes of the base 1.
[0025]
The first metal protectors 4 and 9 are made of Kovar or stainless steel.
[0026]
In this embodiment, the light emitting module using the VCSEL has been described. However, by using a light receiving semiconductor element such as a PIN photodiode or an avalanche photodiode as a surface type optical semiconductor element, it is also possible to function as a light receiving module. it can.
[0027]
Thus, according to the optical module M1 of the present embodiment, the optical waveguide that is optically connected to the VCSEL 2 is attached to the substrate 1 on which the VCSEL 2 is disposed, and the surface 16 on which the VCSEL 2 is disposed of the substrate 1 and the rear surface 20 thereof are connected. The surface to be removed was fixed to an external circuit board on which external wiring for supplying electricity to the VCSEL 2 was formed, so that the external wiring formed on the external circuit board and the wiring formed on the base 1 could be electrically connected. Therefore, a simple configuration can be achieved, the assembly is simplified, and good optical connection can be efficiently performed.
[0028]
In particular, since the internal wiring (12b, 13b, 13c, 12c, 13d) for electrically connecting the VCSEL 2 to the external wiring formed on the external circuit board is provided in the base 1, the electric wiring is short. It is possible to reduce the electric transmission loss, and to obtain the emission and reception of the optical signal capable of high output and high speed transmission.
[0029]
In particular, a support (metal fitting 17, metal ring 3, metal support) made of metal for supporting an optical waveguide (optical fiber 42 and ferrule 41 accommodating the optical fiber 42) is provided on the surface 16 of the base 1 on which the VCSEL 2 is disposed. Since the first metal protector 4 and the second metal protector 9) are provided, the optical waveguide can be metal-welded, and a structure that can easily obtain high reliability and high efficiency optical coupling characteristics can be obtained. And stable emission / reception characteristics can be obtained over a long period of time.
[0030]
In particular, a terminal electrode group including a plurality of terminal electrodes arranged in a grid shape is formed on at least three regions on the surface of the base 1 fixed to the external circuit board. , Ground (for grounding), signal (for signal), and ground (for grounding), and a high-speed optical transmission characteristic exceeding 10 Gbps can be easily obtained. Further, by forming the lead electrode and the terminal electrode group along the optical axis direction of the optical waveguide, the external circuit board surface for mounting the optical module and the position for emitting and receiving optical signals are flush with each other. Thus, a compact and low-profile optical module can be obtained.
[0031]
In addition, since the optical waveguide is made of an optical fiber and a ferrule for holding the optical fiber, a receptacle structure for attaching and detaching and connecting with an optical connector can be easily obtained, and the operability of the optical module is excellent.
[0032]
Next, the optical module assembly will be described. As shown in FIG. 7, the optical module assembly includes a light emitting module T in which a VCSEL is mounted as a surface optical semiconductor element and a PIN photodiode as a surface optical semiconductor element on one end side of a mounting base 8 which is an external circuit board. A light receiving module R mounted thereon; a driver IC 5 for driving the light emitting module T; a TIA (transimpedance amplifier) 6 for amplifying and waveform shaping an electric signal obtained from the light receiving module R; It comprises a mounting base 8 on which additional electronic devices 7 such as resistors and resistors are mounted.
[0033]
In this manner, by adopting a structure in which the electrodes are arranged at positions parallel to the optical axes of the light emitting module T and the light receiving module R, solder such as cream solder is applied to the mounting electrodes of the mounting base 8 in advance, and the light emitting module T By disposing the light receiving module R, the electronic device 7, the driver IC 5, the TIA 6, and the like, a solder reflow process at about 260 ° C. can be performed, and the optical module assembly mounted and fixed collectively is completed.
[0034]
Further, by forming a gap 10 (space) between the optical module and the mounting base 8, it is not necessary to form an insulating layer in the gap 10 to perform impedance matching.
[0035]
Here, as shown in FIG. 8, a step portion 11 is formed on the base 1 of the optical module M2, and an external electrode pad 82 for connecting the step portion 11 is substantially parallel to the optical axis and is an external circuit board. By disposing it substantially horizontally with respect to the mounting substrate 81 and at one end of the mounting substrate 81 on which the electronic device 71 and the control IC 61 are mounted, the mounting surface of the mounting substrate 81 and the optical axis can be positioned horizontally. In addition, it is possible to provide an optical module assembly with a reduced height.
[0036]
As described above, according to the optical module assembly of the present embodiment, the optical module can be assembled together with the additional electronic circuit on the external circuit board by automated reflow soldering or the like, which is excellent in mass productivity and is consequently excellent in mass productivity. And an inexpensive optical module assembly can be provided.
[0037]
【The invention's effect】
According to the optical module and the optical module assembly of the present invention, the following remarkable effects can be obtained.
[0038]
According to the optical module of the first aspect, an optical waveguide for optically connecting to the surface-type optical semiconductor element is attached to a substrate on which a surface-type optical semiconductor element is provided and wiring for supplying electricity to the surface-type optical semiconductor element is provided. The surface excluding the surface on which the surface-type optical semiconductor element is disposed and the rear surface thereof are fixed to an external circuit board on which external wiring for supplying power to the surface-type optical semiconductor element is formed, and formed on the external circuit board. Since the external wiring and the wiring formed on the base can be electrically connected, a simple configuration can be achieved, the assembly is simple, and good optical connection can be efficiently performed.
[0039]
According to the optical module of the second aspect, the internal wiring is formed in the base so as to electrically connect the surface-type optical semiconductor element and the external wiring formed on the external circuit board. This makes it possible to reduce the electric transmission loss, and to emit and receive an optical signal capable of high output and high speed transmission.
[0040]
According to the optical module of the third aspect, since the support made of a metal for supporting the optical waveguide is provided on the surface of the base on which the surface-type optical semiconductor element is provided, the optical waveguide is subjected to metal welding. This makes it possible to easily obtain a highly reliable and highly efficient optical coupling characteristic, so that stable emission and light reception characteristics can be obtained over a long period of time.
[0041]
According to the optical module of the fourth aspect, since the optical waveguide is made of an optical fiber and a ferrule for holding the optical fiber, a receptacle structure that can be easily attached and detached with an optical connector can be easily obtained. Excellent.
[0042]
According to the optical module assembly of the fifth aspect, the optical module can be assembled on the external circuit board together with the additional electronic circuit by automated reflow by solder reflow or the like, which is excellent in mass productivity and consequently inexpensive. A module assembly can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating an embodiment of an optical module according to the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of the optical module in FIG.
FIG. 3 is a perspective view for explaining a wiring structure and the like in a base portion constituting the optical module in FIG. 1;
FIG. 4 is a perspective view of a surface type optical semiconductor device constituting the optical module in FIG. 1;
FIG. 5 is a perspective view of a base portion constituting the optical module in FIG. 1;
FIG. 6 is a view for explaining the optical module in FIG. 1, and is a cross-sectional view cut along a plane including an optical axis of an optical waveguide constituting the optical module.
FIG. 7 is a perspective view schematically illustrating an embodiment of the optical module assembly according to the present invention.
FIG. 8 is a side view schematically illustrating another embodiment of the optical module assembly according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Base 2: VCSEL (surface type optical semiconductor element)
3: Lens 4: First metal protector (constituting support)
5: Driver IC
6: TIA
7, 71: Electronic device 8, 81: Mounting base (external circuit board)
9: Second metal protector (constituting support)
12 to 13, 18, 19: electric wiring 12b, 13b, 13c: internal wiring 14 to 15, 82: external electrode pad (lead electrode)
16: Arrangement surface of the planar optical semiconductor element 17: Metal fitting (constituting a support)
20: Back surface 21: Active layers 22 to 23: Electrode pattern 24: Alignment marker 30: Mounting surface of optical module on external circuit board 31 to 33 Ribbon 41: Ferrule (constituting optical waveguide)
42: Optical fiber (constituting optical waveguide)
61: Control IC
M1, M2: Optical module R: Light receiving module (optical module)
T: Light emitting module (optical module)

Claims (5)

面型光半導体素子を配設し該面型光半導体素子に通電するための配線を形成した基体に、前記面型光半導体素子に光接続する光導波体を取り付けてなるとともに、前記基体の前記面型光半導体素子の配設面とその背面とを除く面を、前記面型光半導体素子に通電するための外部配線が形成された外部回路基板に固定し、該外部回路基板に形成された外部配線と前記基体に形成した配線とを電気的に接続できるようにしたことを特徴とする光モジュール。An optical waveguide that is optically connected to the surface-type optical semiconductor element is attached to a substrate on which a surface-type optical semiconductor element is provided and wiring for energizing the surface-type optical semiconductor element is formed. The surface excluding the surface on which the surface-type optical semiconductor element is disposed and the rear surface thereof are fixed to an external circuit board on which external wiring for supplying electricity to the surface-type optical semiconductor element is formed, and formed on the external circuit board. An optical module, wherein an external wiring and a wiring formed on the base can be electrically connected. 前記基体中に、前記面型光半導体素子と前記外部回路基板に形成された外部配線とを電気的に接続可能とする内部配線を形成したことを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。2. The optical module according to claim 1, wherein an internal wiring is formed in said base so as to electrically connect said surface type optical semiconductor element and an external wiring formed on said external circuit board. 前記基体の面型光半導体素子を配設した面に、前記光導波体を支持するための金属からなる支持体を設けたことを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。2. The optical module according to claim 1, wherein a support made of metal for supporting the optical waveguide is provided on a surface of the base on which the planar optical semiconductor element is provided. 前記光導波体は、光ファイバと該光ファイバを保持するフェルールとを備えてなることを特徴とする請求項1に記載の光モジュール。The optical module according to claim 1, wherein the optical waveguide includes an optical fiber and a ferrule holding the optical fiber. 請求項1乃至4に記載の光モジュールが、前記外部回路基板にはんだを介して実装されていることを特徴とする光モジュールアセンブリ。5. An optical module assembly, wherein the optical module according to claim 1 is mounted on the external circuit board via solder.
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