JP2016031990A - 光電気変換モジュールおよび光電気変換モジュールを用いた伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置ボード上に平面的に高密度に配置が可能で、かつ低背実装が可能な光電気変換モジュールを提供する。
【解決手段】
接続される光伝送体と電気コネクタとの間で信号変換を行う光電気変換モジュールであって、光電気変換モジュールは、電気コネクタを介して装置ボードに取り付けられると装置ボードとの間に光伝送体を取り巻く空隙を形成する形状を有し、光伝送体の延伸方向と交差する方向の光電気変換モジュールの端には、他の光電気変換モジュールと接続される電気コネクタに設けられた突起部と嵌合可能な凹部を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光電気変換モジュールおよび光電気変換モジュールを用いた伝送装置の技術に関する。

特許文献１には、「光トランシーバ・モジュールと共に使用する保護ソケットであって、底部並びに第１、第２、第３及び第４の側壁と、前記保護ソケットの底部の底面上に配置された電気接点の第１のアレイと、前記保護ソケットの前記底部の上面上に配置された電気接点の第２のアレイと、を具備し、前記側壁の各々は、前記底部と接触する第１の側及び該第１の側に平行な第２の側を有し、前記第１の側壁は、前記第２の側壁と前記第４の側壁との間に広がり、前記第２の側壁は、前記第１の側壁と前記第３の側壁との間に広がり、前記第３の側壁は、前記第２の側壁と前記第４の側壁との間に広がり、前記第４の側壁は、前記第１の側壁と前記第３の側壁との間に広がり、前記底部は、底面と上面とを有し、前記保護ソケットの前記側壁と前記底部との組合せは、光トランシーバ・モジュールを保持するレセプタクルを画定し、該レセプタクルは、前記光トランシーバ・モジュールの高さに実質的に等しいため、前記光トランシーバ・モジュールが前記レセプタクルの中に保持される場合、前記保護ソケットの前記側壁及び前記保護ソケットの前記底部は、浮遊微粒子が前記光トランシーバ・モジュールの内部に進入するのを防止又は制限し、前記第１のアレイの電気接点の各電気接点は、前記第２のアレイの電気接点のうちの対応する電気接点に電気的に接続され、前記光トランシーバ・モジュールが前記保護ソケットの前記レセプタクルの中に保持されると、前記光トランシーバ・モジュールの底部上に配置されたそれぞれの電気接点は、前記第２のアレイの電気接点のうちの対応する電気接点と接触する、保護ソケット」と記載されている。

特開２０１１−２５３１８０号公報

上記技術においては、光電気変換を実現できるが、装置ボード上に平面的に高密度に配置する際により低背に実装する点は考慮されていない。

本発明の目的は、装置ボード上に平面的に高密度に配置が可能で、かつ低背実装が可能な光電気変換モジュールを提供することである。

本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下のとおりである。上記課題を解決すべく、本発明に係る光電気変換モジュールは、接続される光伝送体と電気コネクタとの間で信号変換を行う光電気変換モジュールであって、電気コネクタを介して装置ボードに取り付けられると装置ボードとの間に光伝送体を取り巻く空隙を形成する形状を有し、光伝送体の延伸方向と交差する方向の光電気変換モジュールの端には、他の光電気変換モジュールと接続される電気コネクタに設けられた突起部と嵌合可能な凹部を備える。

本発明によると、装置ボード上に平面的に高密度に配置が可能で、かつ低背実装が可能な光電気変換モジュールを提供することが可能となる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態に係る光電気変換モジュールの構成例を示す図である。 光電気変換モジュールが二次元配置された状態を示す図である。 別の実施形態に係る光電気変換モジュールが二次元配置された図である。 別の実施形態に係る光電気変換モジュールが千鳥状に二次元配置された図である。 光電気変換モジュールを伝送装置に二次元配置する例を示す図である。

以下に、図面を用いて、本発明に係る実施形態を説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

近年、サーバーやルーター等の情報処理装置の情報処理容量の飛躍的な増加に伴い、通信トラフィックの高速化が急務となってきている。一方で、光インターコネクト技術は、光回路の小型化、低コスト化が進み、実用化に近づきつつある。

一般に、電気信号伝送においては、低誘電率基板の適用やプリエンファシスならびにイコライザーなどの付加回路によって、これまで伝送速度の増加を図ってきた。電気信号伝送は、伝送の速度が増加するほど伝送損失が大きくなり、その結果として、高速伝送を実現しようとすると伝送可能な距離が短くなる傾向がある。

バックプレーンの光化（光バックプレーン）技術の導入がなされれば、電気伝送に比べて大容量伝送が容易となる。光は電気と異なり、非干渉性であるため、伝送路間隔を狭ピッチ化しても、伝送路間相互作用が原因として生じるクロストークは発生しない。さらに、光の反射による損失や伝送損失に関しても、周波数依存性がなく、制御が容易だからである。

一般に、装置内ボード間光インターコネクト向け光電気変換モジュールは、光サブアセンブリと、光サブアセンブリに搭載されている光素子と光伝送体（光ファイバまたは光導波路）を光学的に結合可能にする光コネクタと、光サブアセンブリに搭載されている電子回路と装置ボードとを電気的に接続する電気コネクタと、を含んで構成される。ここで、装置ボードとは、伝送装置内におけるインターフェースボードとスイッチボードのことをいう。光電気変換モジュールは、この装置ボード上に電気的に接続されて搭載される。

このような光サブアセンブリでは、光信号を発信するレーザーダイオードと、光信号を電気信号に変換する受光素子である光素子と、電気信号を光信号に変換するためにレーザダイオードを駆動するレーザドライバ電子回路と、受光素子からの電気信号を増幅するためのトランスインピーダンス電子回路と、が電気配線用基板に搭載される。

従来の装置ボード上に搭載する光電気変換モジュールの中には、光素子、電子回路、光コネクタが、光サブアセンブリの上面（装置ボードに面する側の反対側の面）に搭載され、その光サブアセンブリを装置ボード面と平行な位置関係で、装置ボード上に設置された二次元電気配線用電気コネクタのソケットに挿入して用いるものがある。

しかし、このような光電気変換モジュールは、放熱を必要とする電子回路および光素子と同じ面上に、光コネクタまでもが搭載されているために、放熱器を配置するスペースを確保し難い。そのため、放熱効率のよい大きな放熱器を使うことが困難となり、放熱効率が悪くなることが多い。また、光素子と電子回路が同一基板面上で近接することとなるため、電子回路からの熱周り込みによって光素子の特性が悪化する懸念がある。一方で、熱周り込みの影響を回避するために光素子と電子回路との距離を離し過ぎると、高周波電気配線部分の信号伝播損失や反射の影響が大きくなってしまう。さらに、このような光電気変換モジュールを集積度高く二次元平面に複数配置した場合、引き回された光ファイバが妨げとなり、一括型放熱器での冷却が困難となることもある。

本発明に係る第一の実施形態について、図１および図２を用いて説明する。第一の実施形態においては、光電気変換モジュールは、光サブアセンブリと、光コネクタと、電気コネクタと、を含んで構成される。光サブアセンブリには、光信号を発信または受信する光素子と、光信号と電気信号を互いに変換する電子回路と、が電気配線用基板に搭載される。電子回路は、電気信号を光信号に変換するために光素子を駆動する。また、電子回路は、光信号から変換された電気信号を増幅する。

光コネクタは、光素子と、光信号を伝送する光伝送体と、を光学的に結合可能とする。電気コネクタは、電気配線用基板と、装置ボードと、を電気的に結合可能とする。光コネクタは、光サブアセンブリの装置ボードと向い合う面に設置される。また、光サブアセンブリの装置ボードと向い合う面に設置される電気コネクタは、光サブアセンブリの少なくとも向い合う側面間において光伝送体を通すことができるように、少なくとも二辺が開放されており、光伝送体を光アセンブリと装置ボード間に上下に重ねて通すことができるように構成されている。

図１に示す光電気変換モジュールでは、少なくとも２チャンネル以上（本実施形態では４チャンネル）の光素子（発光素子または受光素子）を、電気配線用基板１０３の装置ボード１０９と対する面に搭載する。光素子１０１と電子回路１０２（発光素子駆動回路または電気信号増幅回路）は、電気配線用基板１０３にフリップチップ搭載される。また、少なくとも２チャンネル以上に集積された発光素子駆動回路１０２ａおよび電気信号増幅回路１０２ｂは、電気配線用基板１０３の装置ボード側とは反対側の面にフリップチップ搭載される。なお、図１には２つの光電気変換モジュールが示してあるが、下側の光電気変換モジュールは、上側の光電気変換モジュールを矢印Ａ方向から見たものである。

電気配線用基板１０３は、ガラス入りエポキシなどの有機またはアルミナなどのセラミック、或いは光素子１０１からの光を透過させる材料からできている。具体的には、光透過性材料としては、例えば光の波長８５０ｎｍの場合、電気配線用基板１０３の材料としてＳｉ（ケイ素）が用いられる。光素子である発光素子と受光素子の材料として、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）またはＩｎＰ（リン化インジウム）系化合物半導体またはＳｉ、Ｇｅ半導体などが適用できる。電子回路の材料としては、ＳｉまたはＳｉＧｅなどが適用できる。

また、電気配線用基板１０３内の光素子１０１と電子回路１０２間にビア２００が設けられている。発光素子１０１ａアレイまたは受光素子１０１ｂアレイを載置した後、光素子とビア２００をワイヤボンディングすることにより、光素子と電子回路が電気配線用基板１０３を介して電気的に接続される。また、電気コネクタ１０７と電気配線用基板１０３は電極パッド２０１を介して接続される。また、電気コネクタ用ソケット１０８と装置ボード１０９は、電極パッド２０１を介して接続されており、光サブアセンブリの電気コネクタ１０７を電気コネクタ用ソケット１０８に取付けることにより、光素子１０１および電子回路１０２と装置ボード１０９間で電気的接続がなされる。

光コネクタ１０４は、電気配線用基板１０３の装置ボード１０９側の面上のスペーサ２０２を介して、搭載される。なお、スペーサ２０２の代わりに電気配線用基板１０３上に設けられた段差に、光コネクタ１０４を搭載されるものであってもよい。また、本実施形態においては、光コネクタ１０４は、１２チャンネルのリボン光ファイバ１０５、すなわち扁平な光伝送体が載置されたアレイ光コネクタとしている。本実施形態では発光素子１０１ａアレイおよび受光素子１０１ｂアレイのそれぞれと、１つのリボン光ファイバ１０５とが光学的に接続されるように構成されている。光コネクタ１０４は、光路を９０度変換する反射器とレンズをモノリシックに集積化した構造を備えている。このようにすることで、リボン光ファイバ１０５と光素子１０１との光結合が可能となっている。なお、光コネクタ１０４の材料は、ウルテムなどの樹脂またはガラスでもよい。また、リボン光ファイバ１０５はポリマーなどからできた光導波路でもよい。

リボン光ファイバ１０５付き光コネクタ１０４が搭載された光サブアセンブリ１０６（光サブアセンブリ１０６は光素子１０１、電子回路１０２、電気配線用基板１０３を含む）を、光電気変換モジュール筐体１１１内に設置し、光電気変換モジュール筐体１１１上に放熱器１１０が搭載されることにより、光電気変換モジュールが構成される。光電気変換モジュール筐体１１１および放熱器１１０の材料としては、熱伝導性がよく、熱膨張率の小さいタングステン、モリブデンの単体と、タングステン、モリブデンと銅との複合材料及びアルミシリコンカーバイト、窒化アルミニウムセラミックスの複合材料などが適用できる。

光電気変換モジュールは、電気コネクタ１０７を伝送装置内の装置ボード１０９に設置されている電気コネクタ用ソケット１０８に挿入することにより、装置ボード１０９上に設置される。ここで、光コネクタ１０４は電気配線用基板１０３の装置ボード１０９と向い合う面上に搭載され、リボン光ファイバ１０５は光サブアセンブリ１０６と装置ボード１０９の間の空隙を通るように設置される。なお、この空隙は、他の光電気変換モジュールと接続される光伝送体を厚み方向に複数重ねて通すこともできる程度の高さを有する。

また、電気コネクタ用ソケット１０８は、装置ボード１０９と略平行に突出する電気コネクタ用ソケット突起部１０８ａを備える。さらに、複数の光電気変換モジュールを装置ボード１０９上に二次元配置（平面的広がりのある方向に配置）する場合に、電気コネクタ用ソケット突起部１０８ａと嵌合する位置、大きさとなるよう凹部１１１ａが設けられている。すなわち、電気コネクタ用ソケット突起部１０８ａは、光電気変換モジュールが装置ボード１０９に搭載される際に、光電気変換モジュール筐体１１１と接触することとなる。

すなわち、光電気変換モジュールは、電気コネクタを介して装置ボードに取り付けられると装置ボードとの間に光伝送体を取り巻く空隙を形成する形状を有し、光伝送体の延伸方向と交差する方向の光電気変換モジュールの端には、他の光電気変換モジュールと接続される電気コネクタに設けられた突起部と嵌合可能な凹部を備えているといえる。

また、光電気変換モジュールは、電気コネクタおよび光伝送体のコネクタは、空隙の内壁に設けられているという特徴を有するともいえる。さらには、この特徴により、接続された装置ボードと略平行な面であって空隙を形成しない面、例えば図１上の上方向の光電気変換モジュールの外面に、放熱器を取り付けることも可能である。

なお、電気コネクタ用ソケット突起部１０８ａは光電気変換モジュール筐体１１１の凹部１１１ａに嵌合させ易いよう変形可能な程度の柔軟性を備える材質で構成されるか、柔軟性を備えるばね等の形状を有するか、もしくはそれらの両方を備えることが望ましい。本実施形態においては、電気コネクタ用ソケット突起部１０８ａは、突起の基部となる電気コネクタ用ソケット１０８に対して撓む形状あるいは材質とする。しかし、これに関わらず、凹部１１１ａが設けられた光電気変換モジュール筐体１１１の材質を所定以上の柔軟性を有する材質とするようにしてもよい。このようにすることで、嵌合時に撓んで電気コネクタ用ソケット突起部１０８ａの先端部を凹部１１１ａの底部に嵌合させることができる。

以上が、第一の実施形態に係る光電気変換モジュールである。第一の実施形態によると、隣り合って設置される光電気変換モジュールの一方が、他方の光電気変換モジュールを支持する構造とすることが可能となるため、複数の光電気変換モジュールを二次元的に配置する際に、設置強度を高めつつ作業性高く、かつ低背化を実現できる。また、本実施形態に係る光電気変換モジュールによれば、光コネクタの設置部分が障害になること無く、放熱が必要な電子回路に大きな放熱器を載置する事ができ、光モジュールの小型化を保ちつつ高効率に放熱が可能となる。また、ファイバにかかる引っ張り力や振動による電気コネクタ部の嵌合抜けを減らし、電気的接続の信頼性を向上させることができるといえる。

図３は、本発明に係る第二の実施形態に係る光電気変換モジュールが二次元配置された図である。本発明の第二の実施形態について、図３を用いて説明する。本発明に係る第二の実施形態は、第一の実施形態と基本的に同様であるが、その一部を変形させたものである。そのため、以下の説明は、第一の実施形態との相違点を中心に説明する。また、第一の実施形態と同じ符号が付された構成は、同様の構成を備える。

第二の実施形態においては、光電気変換モジュール筐体１１１に、装置ボード１０９と略平行に外部へ突出する光電気変換モジュール筐体突起部１１１ｂを備える。さらに、電気コネクタ用ソケット１０８には、複数の光電気変換モジュールを装置ボード１０９上に二次元配置（平面的広がりのある方向に配置）する場合に、光電気変換モジュール筐体突起部１１１ｂの少なくとも先端部と嵌合する位置、大きさで凹部１０８ｂが設けられている。

すなわち、光電気変換モジュール筐体突起部１１１ｂは、光電気変換モジュールが装置ボード１０９に搭載される際に、電気コネクタ用ソケット１０８と接触し嵌合することとなる。光電気変換モジュール筐体突起部１１１ｂは、電気コネクタ用ソケット１０８の凹部１０８ｂに嵌合させ易いよう変形可能な程度の柔軟性を備える材質で構成されるか、柔軟性を備える形状を有するか、もしくはそれらの両方を備えることが望ましい。本実施形態においては、光電気変換モジュール筐体突起部１１１ｂは、板バネとする。しかし、これに関わらず、凹部１０８ｂが設けられた電気コネクタ用ソケット１０８の材質を所定以上の柔軟性を有する材質とするようにしてもよい。このようにすることで、嵌合時に撓んで光電気変換モジュール筐体突起部１１１ｂの先端部を凹部１０８ｂの底部に嵌合させることができる。

図４は、本発明に係る第三の実施形態に係る光電気変換モジュールが二次元配置された図である。本発明の第三の実施形態について、図４を用いて説明する。本発明に係る第三の実施形態は、第一の実施形態と基本的に同様であるが、その一部を変形させたものである。そのため、以下の説明は、第一の実施形態との相違点を中心に説明する。また、第一の実施形態と同じ符号が付された構成は、同様の構成を備える。

第三の実施形態においては、電気コネクタ用ソケット１０８には、電気コネクタ用ソケット突起部１０８ａが複数（本実施形態においては、２つ）設けられる。具体的には、電気コネクタ用ソケット突起部１０８ａは、装置ボード１０９と略平行な高さに先端を有するよう外部へ突出して複数設けられる。また、光電気変換モジュール筐体の凹部１１１ａも複数設けられる。具体的には、凹部１１１ａは、装置ボード１０９と略平行に複数設けられる。電気コネクタ用ソケット突起部１０８ａと凹部１１１ａとの両者の位置関係は、複数の光電気変換モジュールが一定方向に規則性を持って位置を違えて互い違いになるよう配置される場合に、一つの光電気変換モジュール筐体１１１が複数の電気コネクタ用ソケット１０８の電気コネクタ用ソケット突起部１０８ａと嵌め合わされるように設けられる。すなわち、第三の実施形態に係る光電気変換モジュールは、千鳥状に配置されると、光伝送体の延伸方向と交差する方向に近接する位置にある他の光電気変換モジュールと接続される電気コネクタに設けられた突起部と嵌合可能な位置に凹部を備えるものであるともいえる。

以上が、第三の実施形態である。第三の実施形態によれば、光電気変換モジュールは、他の複数の光電気変換モジュールと嵌合して設置されるため、より安定して装置ボード１０９に設置可能となる。

図５は、第一の実施形態に係る光電気変換モジュールを伝送装置に複数、二次元配置する例を示す図である。図５は、光電気変換モジュールを備えた伝送装置を上から見た図である。装置ボード１０９上に設けられたＬＳＩ１４０２の周囲には、本実施形態に係る光電気変換モジュール１４００が二次元的（平面状）に複数配置される。各光電気変換モジュール１４００に接続されるリボン光ファイバ１０５は、光電気変換モジュールと装置ボード１０９間を通って引き回されて、バックプレーン光コネクタ１４０１に接続される。ＬＳＩ１４０２は、他の装置と情報の送受信をリボン光ファイバ１０５を通じて行う。光電気変換モジュールの表面のうち、リボン光ファイバ１０５のコネクタが接続される面とは反対側に位置し装置ボード１０９と略平行を成す上面側に、水冷式または空冷式の一括型放熱器を設置する。第一の実施形態に係る光電気変換モジュールは、上述の嵌合構造により、集積度高くかつ低背、安定した設置が可能であるため、光ファイバを集積度高く配置することが可能であり、放熱効率を高めることができる。

本発明に係る光電気変換モジュールは、集積度を高めることができるため、信号処理能力の高い伝送装置を実現することが可能となる。

なお、その他、本発明に係る技術は、専ら伝送装置に適用されるものに限られず、モバイル機器、スマートメーター等の家庭内の電力消費量や水道、ガス等の消費量を計測する機器等に適用してもよい。以上、本発明について、実施形態を中心に説明した。

１０１・・・光素子、１０１ａ・・・発光素子、１０１ｂ・・・受光素子、１０２・・・電子回路、１０２ａ・・・発光素子駆動回路、１０２ｂ・・・電気信号増幅回路、１０３・・・電気配線用基板、１０４・・・光コネクタ、１０５・・・リボン光ファイバ、１０６・・・光サブアセンブリ、１０７・・・電気コネクタ、１０８・・・電気コネクタ用ソケット、１０８ａ・・・電気コネクタ用ソケット突起部、１０８ｂ・・・凹部、１０９・・・装置ボード、１１０・・・放熱器、１１１・・・光電気変換モジュール筐体、１１１ａ・・・凹部、１１１ｂ・・・光電気変換モジュール筐体突起部、２００・・・ビア、２０１・・・電極パッド、２０２・・・スペーサ、１４００・・・光電気変換モジュール、１４０１・・・バックプレーン光コネクタ、１４０２・・・ＬＳＩ

Claims (8)

1. 接続される光伝送体と電気コネクタとの間で信号変換を行う光電気変換モジュールであって、
   前記光電気変換モジュールは、前記電気コネクタを介して装置ボードに取り付けられると前記装置ボードとの間に前記光伝送体を取り巻く空隙を形成する形状を有し、
   前記光伝送体の延伸方向と交差する方向の前記光電気変換モジュールの端には、他の光電気変換モジュールと接続される前記電気コネクタに設けられた突起部と嵌合可能な凹部を備える、
   ことを特徴とする光電気変換モジュール。
2. 請求項１に記載の光電気変換モジュールであって、
   前記電気コネクタおよび前記光伝送体のコネクタは、前記空隙の内壁に設けられている、
   ことを特徴とする光電気変換モジュール。
3. 請求項１に記載の光電気変換モジュールであって、
   前記装置ボードと略平行な面であって前記空隙を形成しない面に放熱器を取り付け可能である、
   ことを特徴とする光電気変換モジュール。
4. 請求項１に記載の光電気変換モジュールであって、
   前記凹部は、複数設けられており、前記電気コネクタに複数設けられた前記突起部と嵌合可能である、
   ことを特徴とする光電気変換モジュール。
5. 請求項４に記載の光電気変換モジュールであって、
   所定の方向に互い違いになるよう水平配置されると、前記光伝送体の延伸方向と交差する方向に近接する位置にある他の前記光電気変換モジュールと接続される前記電気コネクタに設けられた突起部と嵌合可能な位置に前記凹部を備える、
   ことを特徴とする光電気変換モジュール。
6. 請求項１に記載の光電気変換モジュールであって、
   前記光伝送体は、扁平な信号線であって、
   前記光電気変換モジュールと前記装置ボードにより形成される空隙に、他の前記光電気変換モジュールと接続される複数の前記光伝送体を厚み方向に重ねて通すことができる、
   ことを特徴とする光電気変換モジュール。
7. 接続される光伝送体と電気コネクタとの間で信号変換を行う光電気変換モジュールであって、
   前記光電気変換モジュールは、前記電気コネクタを介して装置ボードに取り付けられると前記装置ボードとの間に前記光伝送体を取り巻く空隙を形成する形状を有し、
   前記光伝送体の延伸方向と交差する方向の前記光電気変換モジュールの端には、他の光電気変換モジュールと接続される前記電気コネクタに設けられた凹部と嵌合可能な突起部を備える、
   ことを特徴とする光電気変換モジュール。
8. 請求項１に記載の光電気変換モジュールを、前記装置ボード上に複数二次元配列し、前記光電気変換モジュールの表面のうち前記光伝送体のコネクタが接続される面とは反対側に位置し前記装置ボードと略平行を成す面に、水冷式または空冷式の一括型放熱器を設置した伝送装置。

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