JP2017167261A - Optical wiring mounting structure, optical module, and optical wiring mounting method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光配線実装構造、光モジュール、及び光配線実装方法に関する。 The present invention relates to an optical wiring mounting structure, an optical module, and an optical wiring mounting method.
サーバやスーパーコンピュータにおけるLSIチップ間のデータ通信では、電気配線による電気信号伝送が行われている。広帯域信号伝送では、長距離であるほど、電気配線での損失やクロストークによる波形劣化のため、伝送が困難になってきている。そこで、電気信号を光信号に変換し、LSIチップ間を光配線で接続する光インターコネクトが注目されている。将来的には、高速電気配線はパッケージ上の配線距離程度に限定されることが予測される。 In data communication between LSI chips in a server or supercomputer, electrical signal transmission is performed by electrical wiring. In broadband signal transmission, transmission becomes more difficult as the distance increases, due to loss in electrical wiring and waveform degradation due to crosstalk. Therefore, an optical interconnect that converts an electrical signal into an optical signal and connects LSI chips with an optical wiring is drawing attention. In the future, high-speed electrical wiring is expected to be limited to the wiring distance on the package.
光インターコネクトの形態としては、微小の光電気変換部品であるチップ形態の光トランシーバをLSIの直近に配置する構造が望ましい。チップ形態の微小光トランシーバを実現する技術として、シリコンフォトニクスと呼ばれる技術が開発されている。これは、微小の光制御機能を有する要素をCMOSプロセスでシリコン基板上へ形成する技術である。光制御機能を有する要素としては、光変調器、光検出器等があり、それらを接続する細線導波路がすでに実現している。細線導波路を外部光配線としての光ファイバとを接続するために、チップ上への光インタフェースの形成技術もいくつかの方式が開発されている。 As a form of the optical interconnect, a structure in which an optical transceiver in the form of a chip, which is a minute photoelectric conversion component, is arranged in the immediate vicinity of the LSI is desirable. A technique called silicon photonics has been developed as a technique for realizing a chip-shaped micro-optical transceiver. This is a technique for forming an element having a minute light control function on a silicon substrate by a CMOS process. Elements having a light control function include an optical modulator, a photodetector, and the like, and a thin wire waveguide connecting them has already been realized. In order to connect the thin waveguide to an optical fiber as an external optical wiring, several methods for forming an optical interface on a chip have been developed.
光インタフェースの一例として、シリコンフォトニクス技術で導波路層に形成された回折格子が用いられる。外部光配線となる光ファイバは、ファイバホルダーを用いて回折格子の回折角度に合わせて保持され、光配線基板上の回折格子に直接接続されている(たとえば、特許文献1参照)。 As an example of the optical interface, a diffraction grating formed in a waveguide layer by silicon photonics technology is used. An optical fiber serving as an external optical wiring is held in accordance with the diffraction angle of the diffraction grating using a fiber holder, and is directly connected to the diffraction grating on the optical wiring substrate (see, for example, Patent Document 1).
図1に示す従来の光ファイバの接続構造では、光コネクタ108に保持された光ファイバ121を、光配線基板112の垂直方向から回折格子115の光入出力位置に高精度に位置合わせする。回折格子115の光の出射角度に合わせて、光コネクタ108を光配線基板112上に立てながら角度および位置を高精度に調整し、光ファイバ121と光導波路114を光学的に接続する。この構成では、位置調整が困難なことに加えて、コンパクトで安定した低背実装の実現が困難である。
In the conventional optical fiber connection structure shown in FIG. 1, the
そこで、高効率の光結合を実現するコンパクトな光配線実装構造と、これを用いた光モジュールの提供を課題とする。 Therefore, it is an object to provide a compact optical wiring mounting structure that realizes high-efficiency optical coupling and an optical module using the same.
1つの態様では、光配線実装構造は、
基板面に対して上方に光を入出射する光入出力部を有する光デバイスに配置される光路変換器と、
光ファイバを搭載する支持プレートを有し、前記光ファイバを前記光路変換器内で保持する光ファイバ取付部材と、
を有し、
前記光路変換器は、前記光ファイバを案内する光ファイバガイドと、前記光ファイバガイドの内壁に形成されたレンズとを有し、
前記支持プレートの少なくとも一部が前記光ファイバガイド内に挿入されて、前記光ファイバの端面が前記レンズの焦点と一致する位置で前記光ファイバを保持する。
In one aspect, the optical wiring mounting structure is:
An optical path changer disposed in an optical device having a light input / output unit for entering and exiting light upward with respect to the substrate surface;
An optical fiber mounting member for holding an optical fiber and holding the optical fiber in the optical path converter;
Have
The optical path changer has an optical fiber guide for guiding the optical fiber, and a lens formed on an inner wall of the optical fiber guide,
At least a part of the support plate is inserted into the optical fiber guide to hold the optical fiber at a position where the end face of the optical fiber coincides with the focal point of the lens.
1つの側面として、コンパクトな光配線実装構造で高効率の光結合が実現する。 As one aspect, highly efficient optical coupling is realized by a compact optical wiring mounting structure.
図2は、実施形態の光配線実装構造が適用される光デバイス10の概略構成を示す三面図である。図2(A)はX−Y面内での上面図、図2(B)はX方向から見た正面図、図2(C)は図2(A)のA−A'断面図である。
FIG. 2 is a three-view diagram illustrating a schematic configuration of the
光デバイス10は、光配線基板12上に形成された光導波路14と、光導波路14の先端に形成された回折格子15を有する。光導波路14は、回折格子15の反対側で光変調器や光検出器を含む光回路に接続されているが、図2ではこれらの光回路は省略する。
The
回折格子15は、光インタフェースあるいは光入出力部として機能し、光配線基板12の表面に対してほぼ垂直方向に光を入出力する。光配線基板12の端面12e側に光ファイバ等の外部光配線が導入され、光導波路14に対して位置合わせされ実装される。光導波路14と外部光配線との間の光インタフェースとして回折格子15を用いることで、ウェハ製造のプロセス中に実際の光を用いて光導波路14の検査をすることができる。ウェハ製造時にチップの不具合がわかるため、プロセス条件の決定の簡易化や、前工程段階での不良品の除外が可能になる。
The diffraction grating 15 functions as an optical interface or an optical input / output unit, and inputs / outputs light in a direction substantially perpendicular to the surface of the
光導波路14と回折格子15は、保護膜19に覆われていてもよい。保護膜19はSiO2やSiONなどの透明な材料で形成される。たとえば、スパッタリング法等により光配線基板12の全面にSiO2膜を形成し、表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)等で平坦化する。保護膜19上で回折格子15と外部光配線との光結合を実現する位置に、後述する光配線実装構造が配置される。
The
図3は、光配線実装構造で用いられる光路変換器30の構成を示す三面図である。図3(A)はX−Y面内での上面図、図3(B)はX方向から見た正面図、図3(C)は図3(A)のA−A'断面図である。
FIG. 3 is a three-view diagram showing the configuration of the
光路変換器30は、光デバイス10上に搭載されて外部光配線である光ファイバを受け取り、光ファイバと回折格子15との間で光路を変換する。光路変換器30は、本体31と、本体31に形成されて光ファイバを受け取る光ファイバガイド305と、光ファイバガイド305の空間内に配置されるレンズ35を有する。
The
光ファイバガイド305の開口305aと反対側の内壁は、光配線基板12に対して傾斜する傾斜面34を有し、傾斜面34に凹面32が形成されている。少なくとも凹面32に沿ってミラー33が配置され、レンズ35が形成される。本体31側から見るとレンズ35は凹レンズであり、光ファイバガイド305の空間(空気層)から見ると、レンズ35は凸レンズである。
An inner wall of the
ミラー33は白金(Pt)、金(Au)、アルミニウム(Al)等の反射率の高い金属膜や、多層の誘電体反射膜で形成される。これらの材料をマスキングシートやドライフィルム等を用いて、リフトオフプロセスでミラー33を形成することができる。ミラー33を反射膜で形成する替わりに、本体31を白金(Pt)、金(Au)、アルミニウム(Al)等の金属材料で形成してレンズ35を実現してもよい。
The
傾斜面34と凹面32が形成された本体31は、たとえばモールドにより一体成型することができる。材料としてPPS(Polyphenylenesulfide:ポリフェニレンサルファイド)、ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene;アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合)樹脂、ポリイミド、アクリル、エポキシ系の樹脂材料や、これらにシリカ等のフィラーが充填された樹脂を用いることができる。あるいは、アモルファスシリカ等のガラスや、金属または合金を成型したものを用いてもよい。
The
光路変換器30は、レンズ35の焦点位置が回折格子15の光出射位置と光ファイバのコア端に一致するように光配線基板12上に配置されている。光路変換器30を用いることで、光ファイバを光デバイス10の主面とほぼ平行な方向から実装することができ、コンパクトな低背実装が実現する。
The
図4は、光路変換器30への光ファイバ21の実装状態を説明する図である。外部光配線として、複数の光ファイバ21が被覆24でリボン状にまとめられたテープファイバ20が用いられる。テープファイバ20の先端の被覆24は剥離され、光ファイバ21の素線が光路変換器30の光ファイバガイド305に挿入される。光ファイバ21の素線ではコア23を取り囲むクラッド22が露出している。
FIG. 4 is a diagram for explaining a mounting state of the
光ファイバガイド305は、光ファイバ21の素線を挿入しやすいように、光ファイバガイド305の内壁と光ファイバ21の間、あるいは光ファイバ21と光配線基板12の間に、一定のクリアランス306を有する。クリアランスの存在とテープファイバ20の重みで、光ファイバガイド305内で光ファイバ21がぐらつき、光ファイバ21のコア23の端面位置が、レンズ35の焦点位置からずれることがある(図4(B)参照)。実施形態では、安定した光接続を実現するために、光路変換器30と光ファイバ取付部材40(図5参照)を組み合わせて、光ファイバ21を光ファイバガイド305内で安定して保持する。光路変換器30と光ファイバ取付部材40の組み合わせについて、図5及び図6を参照して説明する。
The
図5は、実施形態の光配線実装構造50の三面図である。図5(A)はX−Y面内での上面図、図5(B)はX方向から見た正面図、図5(C)は図5(A)のA−A'断面図である。光配線実装構造50は、光路変換器30と光ファイバ取付部材40を有する。光ファイバ取付部材40は、テープファイバ20の端部から露出する光ファイバ21を搭載し、光ファイバ21を光路変換器30の光ファイバガイド305(図4参照)内に導入する。
FIG. 5 is a three-side view of the optical
光ファイバ取付部材40は、光ファイバ21を支持する支持プレート45と、光ファイバ21の素線の根元部分を保持するファイバホルダ41を有する。各光ファイバ21は、接着剤61により光ファイバ取付部材40に固定されている。支持プレート45に光ファイバ21を搭載することで、テープファイバ20の自重による光ファイバ21のぐらつきを防止する。
The optical
支持プレート45はまた、光ファイバ21をレンズ35に対して高さ方向(Z方向)の定位置に維持する機能を有する。光ファイバ21は、支持プレート45によって光ファイバガイド305の上面に押圧されており、テープファイバ20の重みにかかわらず、光ファイバ21をレンズ35に対して適正な位置に保持する。
The
光ファイバ21を搭載した光ファイバ取付部材40を光路変換器30の光ファイバガイド305に挿入することで、各光ファイバ21を適正位置に保持し、光ファイバ21と光導波路14との間の正確で安定した光接続を実現する。
By inserting the optical
図6は、光配線実装構造50における光ファイバ21と回折格子15との間の光結合を説明する図である。上述のように、回折格子15は、光導波路14の入出力部または光インタフェースとして機能する。光導波路14を伝搬してきた光は、回折格子15によって光配線基板12の表面に対して垂直または垂直に近い角度で上方に出射する。出射光は、所定の出射角で空間中に拡がってレンズ35に入射する。レンズ35は、回折格子15からの出射光の光路を光ファイバ21の方向へ変換して、コア23の端面に結像させる。同様に、光ファイバ21を伝搬してきた光は、コア23の端面を出射し、レンズ35によって光路を回折格子15の方向に変換され、回折格子15に結像される。レンズ35によって光路変換と集光が行われ、光ファイバ21と光導波路14が高効率で光結合される。
FIG. 6 is a view for explaining optical coupling between the
たとえば、光導波路14と回折格子15を形成する際に光配線基板12上に位置決めマークを形成しておくことで、光路変換器30を一般的なマウンタの精度で光配線基板12上の所定位置に搭載することができる。光路変換器30が光配線基板12に搭載された状態で、レンズ35は回折格子15上に第1の焦点を有し、光ファイバ21のコア23の端面に第2の焦点を有する。
For example, when the
なお、テープファイバ20の切断後には、各光ファイバ21の先端に長さばらつきが生じることがある。光ファイバ21の先端に10μm程度の長さばらつきがあるとすると、光ファイバ21の挿入方向でコア23の端面位置が10μm程度ずれることになる。したがって、レンズ35を最適化して、光軸方向で10μm以上の焦点距離を持たせるように設計することが望ましい。
In addition, after the
図7は、光ファイバ取付部材40の一例として、光ファイバ取付部材40Aの構成例を三面図で示す。図7(A)はX−Y面内の上面図、図7(B)はX方向から見た正面図、図7(C)はX方向に沿った側面図である。光ファイバ取付部材40Aは、ファイバホルダ41と支持プレート45を有する。
FIG. 7 shows a configuration example of an optical
ファイバホルダ41は、支持プレート45との接合面に、光ファイバ21の数に応じた溝411を有する。支持プレート45も、そのファイバ搭載面45aに光ファイバ21の数に応じたガイド溝451を有する。ファイバホルダ41の溝411と支持プレート45のガイド溝451の一部で、ファイバガイド穴42が形成される。溝411とガイド溝451はこの例では断面が円弧状のU溝であるが、この例に限定されない。ファイバガイド穴42によって、被覆24が剥離された光ファイバ21の素線の根元が保持される。
The
支持プレート45は、ファイバ搭載面45aの反対側に底面45bを有する。底面45bは、光ファイバ取付部材40Aの挿入方向の先端に斜面45cを有する。また、挿入側の先端部のコーナーにテーパ452を有する。斜面45cとテーパ452は、光ファイバ取付部材40Aを光路変換器30の光ファイバガイド305内に挿入しやすくするものである。ただし、テーパ452の形成は任意である。
The
ファイバ搭載面45aも、先端が光配線基板12に対して上側を向くように屈曲または湾曲している。光ファイバ取付部材40を水平面Hに置いたとき、支持プレート45のファイバ搭載面45aと、底面45bの先端の斜面45cとが、水平よりも上側を向くような形状とする。水平面に対して上向きに傾斜するファイバ搭載面45aと斜面45cを有する支持プレート45は、板バネとして機能する。光ファイバ取付部材40Aが光路変換器30の光ファイバガイド305に挿入されたとき、ファイバ搭載面45aは光ファイバ21を光ファイバガイド305の上面に押し当てる。
The
光ファイバ取付部材40Aは、POM(polyoxymethylene;ポリオキシメチレン)、ABS等の比較的柔らかい樹脂で、射出成型等の技術を用いて作製される。柔らかい樹脂を用いることで、光ファイバ21が光ファイバガイド305の上面に押し付けられたときに光ファイバ21の変形を防止する。樹脂変形で応力を吸収して、クリアランスのばらつき影響を低減する。
The optical
図8は、光ファイバ取付部材40Aに光ファイバ21が実装された状態を示す。4心のテープファイバ20の先端は被覆24が剥離され、光ファイバ21の先端はファイバカッターやレーザ加工等により切断されている。光ファイバ21を光ファイバ取付部材40のファイバホルダ41側から同時にファイバガイド穴42に挿入し、ファイバホルダ41の挿入側の面で接着剤61で固定する。図示は省略するが、テープファイバ20の反対側の端部も、別の光ファイバ取付部材40に保持されていてもよい。テープファイバ20の長さは、所望の長さに揃えられる。
FIG. 8 shows a state in which the
光ファイバ21は、支持プレート45のファイバ搭載面45aでZ方向(水平面に対して上向き)の力を受けている。光ファイバ取付部材40Aを用いることで、テープファイバ20で多心の光ファイバ21が用いられる場合も、光ファイバ21のピッチを維持してて各光ファイバ21を光路変換器30にスムースに挿入することができる。光ファイバ21が光ファイバガイド305の内壁に衝突して破損することを防止できる。また、挿入後はファイバ搭載面45aにより各光ファイバ21を光ファイバガイド305に対して押圧保持することができる。
The
図9は、光ファイバ取付部材40Aを用いた光ファイバ実装構造50Aの接続シーケンスを示す。図9(A)で、光配線基板12上で光ファイバ取付部材40を前傾させ、光路変換器30の内部に、光ファイバ21を実装した光ファイバ取付部材40を挿入する。光ファイバ取付部材40の支持プレート45の底面45bの先端が斜面45cとなっていることで、挿入が容易である。また、支持プレーと45の挿入側の先端のコーナーにテーパ452(図7参照)が設けられているときは、幅方向での挿入も容易である。
FIG. 9 shows a connection sequence of the optical
支持プレート45の斜面45cと底面45bの境界線上の辺45dを光配線基板12に接触させながら滑らせることで、光ファイバ取付部材40を光ファイバガイド305の内部へ円滑に挿入することができる。
By sliding the
図9(B)で、光ファイバ取付部材40を挿入しながら、光ファイバ取付部材40を前傾状態からほぼ水平な状態に起こす。これにより、光ファイバ21が光ファイバガイド305の上面に押し当てられる。
In FIG. 9B, while inserting the optical
図9(C)で光ファイバ21が所定位置まで挿入されて、光路変換器30と光ファイバ取付部材40との嵌合が完了する。この状態で、光ファイバ21は支持プレート45のファイバ搭載面45aによって、光ファイバガイド305の上面に押圧保持されている。光ファイバガイド305の内部のクリアランスの存在、またはそのばらつきにかかわらず、光ファイバ21は高さ方向(Z方向)でレンズ35に対して適正位置に保持される。
In FIG. 9C, the
光ファイバ21の配列方向(Y方向)の位置は、光ファイバガイド305と、支持プレート45上のガイド溝451(図7参照)によって規定されている。また、挿入方向(X方向)での位置決めを確実に行うために、光路変換器30にファイバ位置規制手段を設けておいてもよい。挿入方向へのファイバ位置決め手段については後述する。あるいは、光配線基板12の表面に、光ファイバ取付部材40のX方向への侵入を規制する位置規制手段を形成しておいてもよい。
The position of the
図10は、光ファイバ取付部材40の変形例として、光ファイバ取付部材40Bを用いた光配線実装構造50Bを示す。光ファイバ取付部材40Bは、二層構造の支持プレート55を有する。支持プレート55は、形状記憶合金551と基材552の二層で形成されている。形状記憶合金551は、ある温度以上で形状が戻り、熱アクチュエータとして機能する。形状記憶合金としてチタン-ニッケル(Ti-Ni)合金を用いることができる。基材552は、光ファイバ取付部材40Bのファイバホルダ41と同じ樹脂材料である。
FIG. 10 shows an optical
支持プレート55は、図7の構成と同様に、ファイバ搭載面55aと、底面55bと、底面側の斜面55cを有する。光デバイス10の動作時に、ファイバ搭載面55aは、水平面(光配線基板12の表面)よりも上側に向かう付勢力を有し、光ファイバ21を光ファイバガイド305の上面に押し付けている。
The
たとえば、Niの含有量(atm%またはwt%)を調整することで、形状回復温度を室温以上に設計する。室温よりも低い温度で、形状記憶合金551の斜面55cが水平面とほぼ平行となるように変形させる。使用環境で温度が上がると、形状記憶合金551の形状が回復して、光ファイバ21を上方に向けて付勢する。光ファイバ取付部材40Bの最終的な挿入位置で、光路変換器30に形成されたレンズ35により、光路変換と、回折格子15及び光ファイバ21のコア端面への集光が実現する。
For example, the shape recovery temperature is designed to be room temperature or higher by adjusting the Ni content (atm% or wt%). At a temperature lower than room temperature, the
図10は、光ファイバ取付部材40Cを用いた光配線実装構造50Cを示す。光ファイバ取付部材40Cは、二層構造の支持プレート56を有する。支持プレート56は、圧電セラミックス膜561と基材562の二層構造を有する。圧電セラミックス膜561は、電圧の印加により膜が伸縮し、圧電アクチュエータとして機能する。圧電セラミックス膜561として、PZT(Pb(Zr,Ti)O3:チタン酸ジルコン酸鉛)を用いる。基材562は、光ファイバ取付部材40Cのファイバホルダ41と同じ樹脂材料である。
FIG. 10 shows an optical wiring mounting structure 50C using the optical
支持プレート56は、図7の構成と同様に、ファイバ搭載面56aと、底面56bと、底面側の斜面56cを有する。光デバイス10の動作時に、ファイバ搭載面56aは、水平面(光配線基板12の表面)よりも上側に向かう付勢力を有し、光ファイバ21を光ファイバガイド305の上面に押し付けている。
The
圧電セラミックス膜561にあらかじめ電圧を印加して分極し、分極軸の方向を水平面に対して垂直方向とすることで、水平面から上方に向かう付勢力を与える。光ファイバ取付部材40Cの最終的な挿入位置で、光路変換器30に形成されたレンズ35により、光路変換と、回折格子15及び光ファイバ21のコア端面への集光が実現する。
By applying a voltage to the piezoelectric
図12は、光路変換器30の変形例として光路変換器70を示す。図12(A)は光路変換器70の底面図、図12(B)は光路変換器70を底面側から見た斜視図、図12(C)は光ファイバ21の端面の状態を示す図である。光路変換器70は、光ファイバガイド705内に、レンズ75と、光ファイバ21の挿入方向(Y方向)の位置を規制するファイバ突き当て面706を有する。レンズ75は、レンズ35と同様に、光ファイバガイド705の斜面74に一列に形成された凹レンズである。
FIG. 12 shows an
光ファイバガイド705は、開口705a側で光ファイバを受け取る空間705cと、空間705cからレンズ75に向かって延びるガイド溝73と、ガイド溝73のレンズ75に対向する端部でガイド溝73とガイド溝73の間に配置される突起76を有する。ガイド溝73は、たとえばV溝である。光路変換器70の使用時には、ガイド溝73が天井側となり、光ファイバ取付部材40の支持プレート45(または55または56)に搭載された光ファイバ21を、レンズ75に向かって案内する。
The
空間705cは、開口705aからガイド溝73に向かって幅が徐々に減少する第1テーパ部71を有する。第1テーパ部71により、光ファイバ取付部材40の支持プレート45の挿入を容易にする。
The space 705 c has a
各ガイド溝73は、空間705cとの境界からレンズに向かって幅が減少する第2テーパ部72を有する。第2テーパ部72により、各光ファイバ21の素線の案内を容易にする。光ファイバ21は、コア23の中心がガイド溝73の長軸方向の中心に沿った状態でレンズ35に向けて案内される。
Each
ガイド溝73のレンズ75と対向する端部で、隣接するガイド溝73の間に、高さ方向(Z方向)に突き出た突起76が設けられている。突起76のレンズ75と反対側の面、すなわちガイド溝73と隣接する側の面が、ファイバ突き当て面706である。
A
図12(C)に示すように、ファイバ突き当て面706は、光ファイバ21のクラッド22の端面に当接するが、コア23を遮らない。コア23の端面を出射した光は、レンズ75で反射され、光配線基板12上の回折格子15に結像する。回折格子15からの出射光も、レンズ75で反射され、コア23の端面に入射する。各光ファイバ21の先端がファイバ突き当て面706で位置決めされるので、光結合効率が良好である。なお、光ファイバ21の先端に一括切断による長さばらつきがある場合は、最も長い光ファイバ21の先端がファイバ突き当て面706で位置決めされる。レンズ75が光軸方向で10μm以上の焦点距離を有するようにレンズ75を最適化することで、各光ファイバ21のコア23と回折格子15との間の光結合を実現することができる。
As shown in FIG. 12C, the
ファイバ突き当て面706を設けることで、レンズ75の焦点位置にコア23の端面を位置決めする。
By providing the
図12の光路変換器70を、光ファイバ取付部材40、40A〜40Cのいずれかと組み合わせて光配線実装構造50を実現してもよい。この場合、ファイバ突き当て面706によって、光ファイバ21のコア23の挿入方向(X方向)の端面位置が自動的に位置決めされる。
The optical
コア23の高さ方向(Z方向)の位置は、光ファイバガイド705のガイド溝73に対する支持プレート45(または55または56)のZ方向への応力によって規定される。コア23の配列方向(Y方向)の位置は、支持プレート45のファイバ搭載面45aに形成されたガイド溝451で規定される。
The position in the height direction (Z direction) of the
光ファイバ21が搭載された光ファイバ取付部材40(40A〜40Cを含む)を光路変換器70に挿入することで、光配線基板12上の回折格子15に対する光ファイバ21の端面位置が一意に決まる。
By inserting the optical fiber attachment member 40 (including 40A to 40C) on which the
図13は、実施形態の光配線実装構造50(50A、50Bを含む)を用いた光モジュール90の概略図である。光モジュール90は、たとえば、モジュール基板91に搭載された光デバイス10と、光源チップ93と、電気回路チップ92を有する。光デバイス10は、シリコンフォトニクス技術で形成された光導波路14、光インタフェース(図2の回折格子15など)、光回路16を有する。光デバイス10に光配線実装構造50(50A,50Bを含む)が配置され、外部の光デバイスとの間で光通信が行われる。光源チップ93はレーザ素子を有する。電気回路チップ92にはドライバ回路とTIA(トランスインピーダンスアンプ)が形成されている。
FIG. 13 is a schematic diagram of an
光デバイス10、電気回路チップ92、及び光源チップ93は、たとえばBGA(Ball Grid Array:ボールグリッドアレイ)でモジュール基板91に搭載されている。光デバイス10の光回路16は、たとえば図示しないTSV(Through Silicon Via:シリコン貫通ビア)とBGAにより、電気回路チップ92と接続されている。あるいはワイヤボンディング等で電気的に接続してもよい。これにより、ドライバから光回路16内の光変調器に電気駆動信号が供給され、光回路16内の光検出器からTIAに電流信号が供給される。
The
光デバイス10と光源チップ93は、図示しない光ファイバやフレキシブル導波路等を用いて接続され、光源チップ93から出力される連続光が光デバイス10の光変調器に入力される。
The
光モジュール90は、光配線実装構造50を用いて外部のモジュール上の光デバイスとの間でコンパクトで安定した光接続を実現する。光配線実装構造50は、外部光配線(たとえば多心のテープファイバ20)をモジュール基板91に対して平行な方向で光デバイス10に接続するので、低背実装が実現する。また、光ファイバ取付部材40を光路変換器30に挿入することで、回折格子15に対する相対位置が自動的に決まり、実装が容易である。
The
図13(A)に示すように、光配線実装構造50を接着剤63で光デバイス10に接着固定してもよい。光ファイバ取付部材40の挿入方向の後端側だけを接着してもよいし、光路変換器30の内部にも接着剤63を注入して強固な接着固定も可能である。後者の場合は、使用している光の波長で透明な樹脂を接着剤63として用いることが望ましい。透明な接着剤63を、光路変換器30の内部の回折格子15と光ファイバ21の間の間隙に充填する。接着剤63として、たとえば透明なエポキシ等の樹脂を用いることができる。
As shown in FIG. 13A, the optical
図13(B)は、光ファイバ取付部材40にフック81を形成した例を示す。ラッチ形状のフック81を射出成型により光ファイバ取付部材40と一括形成することができる。フック81の爪82を光デバイス10のコーナーにひっかけて、光ファイバ取付部材40を光路変換器30に対して嵌合させるとともに、光配線実装構造50を光デバイス10に固定する。フック81を用いることで、光ファイバ取付部材40を接着剤63で固定する際に、テープファイバ20の自重により光路変換器30から抜け落ちないように押さえなくてもよい。これにより、組み立て工程が簡素化する。また、図13(B)の構成では、必ずしも接着剤63を用いなくてもよいので、テープファイバ20を保持する光ファイバ取付部材40を着脱可能にすることができる。
FIG. 13B shows an example in which a
図14は、光配線実装構造50を有する光モジュール90が用いられるシステムボード1の概略図である。図14(A)はシステムボード1の上面図、図14(B)は図14(A)のB−B'断面図である。
FIG. 14 is a schematic diagram of the
システムボード1は電子機器の一例であり、スーパーコンピュータやサーバ等の大型計算装置に用いられる。この例で、光モジュール90はシステムボード1上で、LSIチップ5を搭載したパッケージ間を接続する光トランシーバとして用いられる。
The
LSIチップ5は電子部品の一例としてパッケージ基板3に搭載され、複数の光モジュール90がLSIチップ5の近傍に配置される。このようなパッケージ基板3は、ボード基板2上に複数実装され、各パッケージ基板3がBGA4でボード基板2に接続されている。あるパッケージ基板3のLSIチップ5から出力される高速電気信号は、同じパッケージ基板3上の光モジュール90で高速変調された光信号として出力される。光信号は、外部光配線となるテープファイバ20で他のパッケージ基板に搭載されたLSI周辺の光モジュールに接続される。光信号は相手方の光トランシーバで再度電気信号に変換され、他のLSIチップと信号のやり取りを行う。
The
図14(B)に示すように、LSIチップ5と光モジュール90の上面にヒートシンク9を搭載してシステムボード1の動作時に冷却を行ってもよい。冷却装置として、ヒートシンク9に限らず、水冷用のクーリングプレート等を用いてもよい。
As shown in FIG. 14B, a heat sink 9 may be mounted on the upper surfaces of the
システムボード1に搭載された各光モジュール90では、テープファイバ20の各光ファイバ21が光デバイス10上の光インタフェース(たとえば回折格子15)に対して簡単かつ高精度に位置決めされている。各光モジュール90での光結合効率が高く、光伝送の品質を向上できる。また、外部光配線としてのテープファイバ20が水平方向で実装されるので、光モジュール90の外形が簡素化され、取り扱いが容易になる。システムボード1に搭載されるときも、テープファイバ20が各光モジュール90からボード基板2と水平な方向に延設される構成となり、システムボード1の取り扱いが容易になる。
In each
以上、実施形態に基づいて本発明を述べてきたが、上述した実施形態に限定されない。実施形態の光配線実装構造は、シングルモードだけでなく、マルチモード伝搬にも適用できる。 As mentioned above, although this invention has been described based on embodiment, it is not limited to embodiment mentioned above. The optical wiring mounting structure of the embodiment can be applied not only to single mode but also to multimode propagation.
光ファイバ取付部材40の支持プレート45は、図7、図10、及び図11に示される構成に限定されない。バイメタルやカンチレバー方式の板バネなど、光ファイバを光路変換器30の光ファイバガイド305、あるいは光路変換器70の光ファイバガイド705の上面に押し当てて保持する任意の構成を採用できる。また、図12のファイバ突き当て面706を有する突起76を、図3の光路変換器30に適用してもよい。
The
これらの適用例でも、コンパクトで安定した光接続が実現する。光デバイス10上の光導波路14と外部光配線である光ファイバ21を、部品の作製精度と搭載精度で簡単かつ高精度に光接続することができる。
Even in these application examples, a compact and stable optical connection is realized. The
以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
(付記1)
基板面に対して上方に光を入出射する光入出力部を有する光デバイスに配置される光路変換器と、
光ファイバを搭載する支持プレートを有し、前記光ファイバを前記光路変換器内で保持する光ファイバ取付部材と、
を有し、
前記光路変換器は、前記光ファイバを案内する光ファイバガイドと、前記光ファイバガイドの内壁に形成されたレンズとを有し、
前記支持プレートの少なくとも一部が前記光ファイバガイド内に挿入されて、前記光ファイバの端面が前記レンズの焦点と一致する位置で前記光ファイバを保持することを特徴とする光配線実装構造。
(付記2)
前記支持プレートの挿入方向の先端部は、前記支持プレートを前記光デバイスの表面に置いたときに前記表面よりも上側を向いていることを特徴とする付記1に記載の光配線実装構造。
(付記3)
前記支持プレートは、前記光ファイバを搭載するファイバ搭載面と、前記ファイバ搭載面と反対側の底面とを有し、
前記底面と前記ファイバ搭載面は、前記挿入方向の先端側で、前記光デバイスの表面に対して上方に傾斜していることを特徴とする付記1または2に記載の光配線実装構造。
(付記4)
前記ファイバ搭載面は、前記光ファイバを保持するガイド溝を有することを特徴とする付記3に記載の光配線実装構造
(付記5)
前記支持プレートは、板バネ状のプレートであることを特徴とする付記1〜4のいずれかに記載の光配線実装構造。
(付記6)
前記支持プレートは、基材と形状記憶合金の二層構造を有することを特徴とする付記1〜4のいずれかに記載の光配線実装構造。
(付記7)
前記支持プレートは、基材と圧電セラミックス膜の二層構造を有することを特徴とする付記1〜4のいずれかに記載の光配線実装構造。
(付記8)
前記支持プレートは、前記挿入方向の先端側の角部にテーパを有することを特徴とする付記1〜7のいずれかに記載の光配線実装構造。
(付記9)
前記光ファイバ取付部材は、前記光デバイスと嵌合するフックを有することを特徴とする付記1〜8のいずれかに記載の光配線実装構造。
(付記10)
前記光ファイバ取付部材は、前記光路変換器に接着剤で固定されていることを特徴とする付記1〜9のいずれかに記載の光配線実装構造。
(付記11)
前記接着剤は透明であり、前記接着剤は前記光入出力部と前記光ファイバの間の空間に充填されていることを特徴とする付記1〜10のいずれかに記載の光配線実装構造。
(付記12)
前記光路変換器は、前記光ファイバガイドの開口と反対側の内壁に傾斜面を有し、前記レンズは前記傾斜面に形成されていることを特徴とする付記1〜11のいずれかに記載の光配線実装構造。
(付記13)
前記光路変換器は、前記レンズと対向する位置に、前記光ファイバの挿入を規制するファイバ突き当て面を有することを特徴とする付記1〜12のいずれかに記載の光配線実装構造。
(付記14)
前記光路変換器は、前記光ファイバガイド内部の上面に前記光ファイバを受け取るガイド溝を有することを特徴とする付記1〜13のいずれかに記載の光配線実装構造。
(付記15)
前記光路変換器は、
前記光ファイバガイドの内部の上面に形成された2以上のガイド溝と、
前記ガイド溝の前記光ファイバの挿入方向の端部で、隣接する前記ガイド溝とガイド溝の間に配置されて前記光ファイバの挿入を規制するファイバ突き当て面と、
を有することを特徴とする付記1〜12のいずれかに記載の光配線実装構造。
(付記16)
モジュール基板と、
前記モジュール基板上に実装される光デバイスと、
前記光デバイスに搭載されて前記光デバイス上の光導波路と外部光配線を接続する光配線実装構造と、
を有し、
前記光配線実装構造は、
前記光デバイス上に配置される光路変換器と、
前記外部光配線を搭載する支持プレートで前記外部光配線を前記光路変換器内で保持する取付部材と、
を有し、
前記光路変換器は、前記外部光配線を案内するガイド空間と、前記ガイド空間の内壁に形成されたレンズとを有し、
前記支持プレートの少なくとも一部は前記ガイド空間内に挿入されて、前記外部光配線の端面が前記レンズの焦点と一致する位置で前記外部光配線が保持される
ことを特徴とする光モジュール。
(付記17)
付記16に記載の光モジュールと、
電子部品と、
が搭載されたパッケージ基板を有する電子機器。
(付記18)
基板面に対して上方に光を入出射する光入出力部を有する光デバイス上の所定の位置に光路変換器を配置し、
支持プレートに光ファイバを搭載し、前記支持プレートを前記光デバイスの表面に滑らせながら前記光ファイバを前記光路変換器内に挿入し、
前記光路変換器内で、前記光ファイバの端面が前記光路変換器の内部に形成されたレンズの焦点と一致する位置で前記光ファイバを保持する、
ことを特徴とする光配線実装方法。
(付記19)
前記支持プレートを先端側に前傾させて前記光路変換器のガイド空間に挿入し、
前記光ファイバを一定量挿入した後に、前記支持プレートを起こして、前記支持プレートの先端で前記光ファイバを前記ガイド空間の上面に対して押圧保持する、
ことを特徴とする付記18に記載の光配線実装方法。
The following notes are presented for the above explanation.
(Appendix 1)
An optical path changer disposed in an optical device having a light input / output unit for entering and exiting light upward with respect to the substrate surface;
An optical fiber mounting member for holding an optical fiber and holding the optical fiber in the optical path converter;
Have
The optical path changer has an optical fiber guide for guiding the optical fiber, and a lens formed on an inner wall of the optical fiber guide,
At least a part of the support plate is inserted into the optical fiber guide, and the optical fiber is held at a position where an end surface of the optical fiber coincides with a focal point of the lens.
(Appendix 2)
2. The optical wiring mounting structure according to
(Appendix 3)
The support plate has a fiber mounting surface for mounting the optical fiber, and a bottom surface opposite to the fiber mounting surface,
The optical wiring mounting structure according to
(Appendix 4)
The optical fiber mounting structure according to
5. The optical wiring mounting structure according to any one of
(Appendix 6)
The optical wiring mounting structure according to any one of
(Appendix 7)
5. The optical wiring mounting structure according to any one of
(Appendix 8)
The optical wiring mounting structure according to any one of
(Appendix 9)
9. The optical wiring mounting structure according to any one of
(Appendix 10)
10. The optical wiring mounting structure according to any one of
(Appendix 11)
11. The optical wiring mounting structure according to any one of
(Appendix 12)
The optical path changer has an inclined surface on an inner wall opposite to the opening of the optical fiber guide, and the lens is formed on the inclined surface. Optical wiring mounting structure.
(Appendix 13)
The optical path mounting structure according to any one of
(Appendix 14)
14. The optical wiring mounting structure according to any one of
(Appendix 15)
The optical path converter is
Two or more guide grooves formed on the upper surface inside the optical fiber guide;
A fiber abutting surface that is disposed between the adjacent guide groove and the guide groove at the end of the guide groove in the insertion direction of the optical fiber and restricts the insertion of the optical fiber;
The optical wiring mounting structure according to any one of
(Appendix 16)
A module board;
An optical device mounted on the module substrate;
An optical wiring mounting structure that is mounted on the optical device and connects an optical waveguide on the optical device and an external optical wiring;
Have
The optical wiring mounting structure is
An optical path changer disposed on the optical device;
A mounting member for holding the external optical wiring in the optical path converter with a support plate for mounting the external optical wiring;
Have
The optical path converter has a guide space for guiding the external optical wiring, and a lens formed on an inner wall of the guide space,
At least a part of the support plate is inserted into the guide space, and the external optical wiring is held at a position where the end surface of the external optical wiring coincides with the focal point of the lens.
(Appendix 17)
The optical module according to
Electronic components,
An electronic device having a package substrate on which is mounted.
(Appendix 18)
An optical path converter is disposed at a predetermined position on an optical device having an optical input / output unit that inputs and emits light upward with respect to the substrate surface,
An optical fiber is mounted on a support plate, and the optical fiber is inserted into the optical path converter while sliding the support plate on the surface of the optical device.
In the optical path converter, the optical fiber is held at a position where an end face of the optical fiber coincides with a focal point of a lens formed inside the optical path converter.
An optical wiring mounting method characterized by the above.
(Appendix 19)
Insert the support plate into the guide space of the optical path converter by tilting it forward to the tip side,
After inserting a certain amount of the optical fiber, raise the support plate, press and hold the optical fiber against the upper surface of the guide space at the tip of the support plate,
Item 18. The optical wiring mounting method according to appendix 18, wherein
1 システムボード(電子機器)
5 LSIチップ(電子部品)
10 光デバイス
12 光配線基板
14 光導波路
15 回折格子(光入出力部または光インタフェース)
20 テープファイバ
21 光ファイバ(外部光配線)
23 コア
30、70 光路変換器
34、74 傾斜面
35、75 レンズ
40 光ファイバ取付部材
41 ファイバホルダ
45 支持プレート
50 光配線実装構造
76 突起
90 光モジュール
305 光ファイバガイド
451 ガイド溝
452 テーパ(支持プレート)
706 ファイバ突き当て面
1 System board (electronic equipment)
5 LSI chip (electronic component)
DESCRIPTION OF
20
23
706 Fiber abutting surface
Claims (8)
光ファイバを搭載する支持プレートを有し、前記光ファイバを前記光路変換器内で保持する光ファイバ取付部材と、
を有し、
前記光路変換器は、前記光ファイバを案内する光ファイバガイドと、前記光ファイバガイドの内壁に形成されたレンズとを有し、
前記支持プレートの少なくとも一部が前記光ファイバガイド内に挿入されて、前記光ファイバの端面が前記レンズの焦点と一致する位置で前記光ファイバを保持することを特徴とする光配線実装構造。 An optical path changer disposed in an optical device having a light input / output unit for entering and exiting light upward with respect to the substrate surface;
An optical fiber mounting member for holding an optical fiber and holding the optical fiber in the optical path converter;
Have
The optical path changer has an optical fiber guide for guiding the optical fiber, and a lens formed on an inner wall of the optical fiber guide,
At least a part of the support plate is inserted into the optical fiber guide, and the optical fiber is held at a position where an end surface of the optical fiber coincides with a focal point of the lens.
前記モジュール基板上に実装される光デバイスと、
前記光デバイスに搭載されて前記光デバイス上の光導波路と外部光配線を接続する光配線実装構造と、
を有し、
前記光配線実装構造は、
前記光デバイス上に配置される光路変換器と、
前記外部光配線を搭載する支持プレートで前記外部光配線を前記光路変換器内で保持する取付部材と、
を有し、
前記光路変換器は、前記外部光配線を案内するガイド空間と、前記ガイド空間の内壁に形成されたレンズとを有し、
前記支持プレートの少なくとも一部は前記ガイド空間内に挿入されて、前記外部光配線の端面が前記レンズの焦点と一致する位置で前記外部光配線が保持される
ことを特徴とする光モジュール。 A module board;
An optical device mounted on the module substrate;
An optical wiring mounting structure that is mounted on the optical device and connects an optical waveguide on the optical device and an external optical wiring;
Have
The optical wiring mounting structure is
An optical path changer disposed on the optical device;
A mounting member for holding the external optical wiring in the optical path converter with a support plate for mounting the external optical wiring;
Have
The optical path converter has a guide space for guiding the external optical wiring, and a lens formed on an inner wall of the guide space,
At least a part of the support plate is inserted into the guide space, and the external optical wiring is held at a position where the end surface of the external optical wiring coincides with the focal point of the lens.
支持プレートに光ファイバを搭載し、前記支持プレートを前記光デバイスの表面に滑らせながら前記光ファイバを前記光路変換器内に挿入し、
前記光路変換器内で、前記光ファイバの端面が前記光路変換器の内部に形成されたレンズの焦点と一致する位置で前記光ファイバを保持する、
ことを特徴とする光配線実装方法。 An optical path converter is disposed at a predetermined position on an optical device having an optical input / output unit that inputs and emits light upward with respect to the substrate surface,
An optical fiber is mounted on a support plate, and the optical fiber is inserted into the optical path converter while sliding the support plate on the surface of the optical device.
In the optical path converter, the optical fiber is held at a position where an end face of the optical fiber coincides with a focal point of a lens formed inside the optical path converter.
An optical wiring mounting method characterized by the above.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016050912A JP2017167261A (en) | 2016-03-15 | 2016-03-15 | Optical wiring mounting structure, optical module, and optical wiring mounting method |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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