JP2019083299A - 光エンジン及び光モジュール - Google Patents

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治 大工原
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Abstract

【課題】マザーボードに、高い信頼性で、高密度に、実装することのできる光エンジンを提供する。【解決手段】接続端子が設けられた基板と、前記基板に搭載された受発光素子と、前記基板を覆うカバーと、を有し、前記接続端子は、他の基板に設けられたコネクタに接続されることを特徴とする光エンジンを提供することにより上記課題を解決する。【選択図】 図2

Description

本発明は、光エンジン及び光モジュールに関する。
スーパーコンピュータ、ハイエンドサーバの高速インターフェースにおける通信では、信号の高速伝送化に対応し、かつ、伝送距離を長くすることが可能な光通信が普及しつつある。
伝送距離が数十mと長い、光通信を用いた次世代インターフェースでは、光ケーブルとサーバ等とを接続して電気信号と光信号とを相互に変換する光モジュールが用いられる。光モジュールは、光ケーブルからの光信号を電気信号に変換してサーバに出力し、サーバからの電気信号を光信号に変換して光ケーブルへと出力する。
光モジュールは、発光素子、受光素子、発光素子を駆動する駆動IC(Integrated Circuit)、電流を電圧に変換するTIA(Trans Impedance Amplifier)等を有する光エンジンにより形成されており、スーパーコンピュータ等の情報処理装置のマザーボードに設置されている。
特開2011−128378号公報 特開2012−181442号公報 国際公開第2013/046416号パンフレット
マザーボードに光モジュールが設置されている場合には、複数の光エンジンが用いられている場合があるが、マザーボードの大きさは限られているため、光エンジンを高い信頼性で高密度に実装することが求められている。
本実施の形態の一観点によれば、接続端子が設けられた基板と、前記基板に搭載された受発光素子と、前記基板を覆うカバーと、を有し、前記接続端子は、他の基板に設けられたコネクタに接続されることを特徴とする。
開示の光エンジンによれば、情報処理装置のマザーボードに、高い信頼性で、高密度に実装することができる。
光エンジンの構造図 第1の実施の形態の光エンジンの構造図 第1の実施の形態の光エンジンのカバーの接続方法の説明図 第1の実施の形態の光エンジンのカバーの他の接続方法の説明図 第1の実施の形態の光モジュールの構造図 第1の実施の形態の光モジュールの分解斜視図 第1の実施の形態の他の光モジュールの構造図 第1の実施の形態の光モジュールの説明図 FPCコネクタに接続された第1の実施の形態の光モジュールの説明図 第2の実施の形態の光モジュールの説明図(1) 第2の実施の形態の光モジュールの説明図(2) 第2の実施の形態の光モジュールの説明図(3) 第3の実施の形態の光モジュールの製造工程の説明図(1) 第3の実施の形態の光モジュールの製造工程の説明図(2) 第3の実施の形態の光モジュールの製造工程の説明図(3) 第4の実施の形態の光モジュールの構造図 第4の実施の形態の光モジュールの説明図(1) 第4の実施の形態の光モジュールの説明図(2) 第4の実施の形態の他の光モジュールの構造図 第4の実施の形態の他の光モジュールの要部拡大図 第4の実施の形態の他の光モジュールの上面図
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
〔第1の実施の形態〕
(光エンジン)
第1の実施の形態による光エンジンについて説明する。光エンジンは、図1に示されるように、フレキシブル基板10の一方の面に発光素子21、受光素子22、駆動IC23、TIA24が設置されており、他方の面に光導波路30が接続されている。光導波路30の他方の側は、光コネクタ40に接続されている。
フレキシブル基板10は、FPC(Flexible Printed Circuits:フレキシブルプリント回路基板)と呼ばれるものであり、配線をポリイミド等により形成された絶縁体のフィルムにより上下より貼り合わせた構造のものである。本実施の形態において、フレキシブル基板10は厚さが50μm以上、150μm以下、例えば、60μmで形成されている。フレキシブル基板10には、不図示のコネクタと接続される複数の接続端子11が設けられている。
発光素子21は、電気信号を光信号に変換し出射するVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER)等により形成されており、受光素子22は、光信号を電気信号に変換するフォトダイオード等により形成されている。
以下、受光あるいは発光の少なくとも一方の機能を備える素子を「受発光素子」と総称する。「受発光素子」と記載されている場合、発光素子、受光素子、あるいは発光及び受光の双方の機能を備える素子の、少なくともいずれか一つが備えられていることを意味する。
光導波路30はフレキシブルなシート状であり、複数のコアの周囲にクラッドが形成されており、光導波路30に入射した光はコア内を伝播する。光コネクタ40は、例えば、互いに接続された状態でクリップにより挟まれ固定されているレンズ付きフェルールとMTフェルールである。
光エンジンでは、光コネクタ40より入射した光は、光導波路30内のコアを伝播し、フレキシブル基板10に搭載されている受光素子22に入射する。受光素子22では入射した光に応じて出力の電流が変化し、電流の変化がTIA24により電圧に変換され、情報処理装置の内部において電気信号として用いることができる。また、情報処理装置の内部の電気信号は、発光素子21において光信号に変換され、光導波路30に向けて出射され、光導波路30のコア内を伝播し、光コネクタ40より光信号として出力される。
本実施の形態による光モジュールでは複数の光エンジンが用いられているが、フレキシブル基板10の厚さが通常のプリント基板と比較して極めて薄いため、複数の光エンジンを高密度に光モジュールに実装することが可能である。ところで、フレキシブル基板10は上記のように極めて薄く撓みやすいため、光エンジンを高密度に実装した場合に隣り合う光エンジン同士が接触したり、フレキシブル基板10が撓むことによりフレキシブル基板10の導電率が変化し、電気信号に影響を及ぼす場合がある。
このため、本実施の形態による光エンジン100では、図2に示すように、フレキシブル基板10を両面より挟むカバー51及びカバー52が設けられている。図2(a)はカバー51及びカバー52が被せられている状態の光エンジンの平面図であり、図2(b)は図2(a)の一点鎖線2A−2Bにおいて切断した断面図である。カバー51及びカバー52は樹脂材料等の絶縁体により形成されており、各々の厚さは約1mmである。光導波路30の厚さは約100μmであり、駆動IC23及びTIA24の厚さは約250μmである。フレキシブル基板10の駆動IC23やTIA24が搭載されている面は全体がカバー51により覆われており、光導波路30が接続されている面はカバー52により覆われている。
本実施の形態では、図3に示すように、カバー51とカバー52はピン60により固定されている。図3は図2(a)における一点鎖線2C−2Dにおいて切断した断面図である。具体的には、カバー51に設けられた穴51aからカバー52に設けられた穴52aに向けてピン60が入れられ、穴51a及び穴52aにピン60が嵌合することでカバー51とカバー52とが固定されている。穴51a及び穴52aの直径は約1mmであり、ピン60が嵌合し固定されるように、ピン60の直径よりも若干小さく形成されている。ピン60の先端60aは、穴51a及び穴52aに入れやすいように尖っている。本実施の形態では、ピン60の先端60aの尖った部分が穴51aと穴52aとの間のフレキシブル基板10を突き破り、これにより、フレキシブル基板10、カバー51及びカバー52が、ピン60により固定される。
図2に示される位置にピン60が設けられているのは、FPCのパッドとなる複数の接続端子11は、コネクタに接続されるものであるため、複数の接続端子11の外側両端において固定し、この部分での位置ずれやFPCの撓みを防ぐためである。
また、本実施の形態による光モジュールは、一方のカバーに、他方のカバーの穴に対応する突起を設けたものであってもよい。図4の例では、カバー51に、カバー52の穴52aに対応する突起51bを設けている。この場合、カバー51の突起51bをカバー52の穴52aに差し込むことにより、カバー51とカバー52とを固定することができる。
(光モジュール)
次に、本実施の形態による光モジュールについて、図5及び図6に基づき説明する。図5は本実施の形態による光モジュールの構造図であり、図6は分解斜視図である。
本実施の形態による光モジュール200は複数の光エンジン100が搭載されるものであり、配線基板110、FPCコネクタ120、放熱部材131、132を有する。配線基板110はプリント基板であり、配線基板110の面110aには複数のFPCコネクタ120が所定の間隔で配置されている。光エンジン100は、フレキシブル基板10の接続端子11を各々のFPCコネクタ120に差し込むことにより、FPCコネクタ120に光エンジン100を接続することができる。図5及び図6に示す場合では、光エンジン100を高密度に実装するため、配線基板110の面110aに対してフレキシブル基板10面を略垂直に設置できるように、FPCコネクタ120が配線基板110に設けられている。
本実施の形態による光エンジン100は、フレキシブル基板10よりも厚く撓みにくいカバー51及びカバー52によりフレキシブル基板10が挟まれている。このため、光エンジン100を取り付ける際や、光エンジン100が取り付けられた後に、光エンジン100に力が加わっても、フレキシブル基板10が撓むことを防ぐことができる。
カバー51及びカバー52は絶縁性を有する樹脂材料により形成されており、カバー51及びカバー52により光エンジン100に搭載されている発光素子21、受光素子22、駆動IC23、TIA24が覆われる。このため、複数の光エンジン100を高密度に光モジュールに設置した場合であっても、各々の光エンジン100に搭載されている発光素子21、受光素子22、駆動IC23、TIA24の端子同士が接触することを防ぐことができる。
本実施の形態による光モジュールでは、FPCコネクタ120に取り付けられた光エンジン100の周囲を囲むように設置される四角形の筒状の放熱部材131と、放熱部材131の上に被せられ、光エンジン100を覆う板状の放熱部材132が取り付けられている。放熱部材131は、光エンジン100の側壁部分に相当するため放熱部材の側壁部と記載し、放熱部材132は、光エンジン100の上面部分に相当するため放熱部材の上面部と記載する場合がある。
このような光モジュール200は、端子のピッチを変換するためのピッチ変換ソケット160を介し、マザーボードとなる配線基板170に接続されている。
本実施の形態による光モジュールでは、図7に示されるように、光エンジン100が、配線基板110の面110aに対し斜めになるように設置されていてもよい。この場合、複数のFPCコネクタ121は、光エンジン100が斜めに取り付けられるように面110aに傾いた状態で取り付けられる。このように光エンジン100を斜めに取り付けることにより、FPCコネクタ121への光エンジン100の着脱がしやすく、また光モジュール200全体の高さを低くすることが可能である。
(光エンジンの接続)
次にFPCコネクタ120への光エンジン100の接続について説明する。
図8(a)は光エンジン100の底面図であり、図8(b)は、図2(a)の一点鎖線2E−2Fにおいて切断した断面図である。図9は、カバー51を外し且つFPCコネクタ120をフレキシブル基板10に平行な面で切断した状態の、FPCコネクタ120に接続されている光エンジン100を示す図である。
本実施の形態においては、図2(a)に示されるように、カバー51及びカバー52には、光エンジン100のフレキシブル基板10よりからFPCコネクタ120側に延びる第1の突起53及び第2の突起54が設けられている。図9に示すように、第1の突起53および第2の突起54は、FPCコネクタ120に形成されている窪みに入り込む。第1の突起53及び第2の突起54はカバー51とカバー52とを接続した状態で形成されるものであり、この状態では、接続端子11は第1の突起53と第2の突起54との間に位置している。
図8(a)に示されるように、第1の突起53は接続端子11よりも図示左側に設けられており、第2の突起54は接続端子11よりも右側に設けられている。第1の突起53及び第2の突起54は異なる形状で形成されており、第2の突起54は第1の突起53よりも厚く形成されている。FPCコネクタ120にも、第1の突起の形状に対応した窪みと、第2の突起の形状に対応した窪みが設けられている。このように、第1の突起53と第2の突起54とを異なる形状で形成することにより、FPCコネクタ120に光エンジン100が逆に差し込まれることを防いでいる。
また、FPCコネクタ120に光エンジンを差し込みやすいように、第1の突起53の外側には、FPCコネクタ120の側に向かって内側に傾斜しているテーパ53aが形成されており、第2の突起54の外側には、FPCコネクタ120の側に向かって内側に傾斜しているテーパ54aが形成されている。
図8に示すように、カバー51および52の接続端子11が設けられている部分には、FPCコネクタ120が入り込む開口55が形成されており、図9のように接続端子11がFPCコネクタ120に接続される。
また、図8に示されるように、開口55は逆台形の形状に形成されており、開口55のカバー51側の辺55aは、カバー52側の辺55bよりも長くなるように形成されている。FPCコネクタも開口55に対応した形状に形成されている。このように、開口55を逆台形に形成することにより、FPCコネクタ120に光エンジン100が逆に差し込まれることを2重に防いでいる。
〔第2の実施の形態〕
次に、第2の実施の形態について説明する。本実施の形態は、光エンジンのカバーにフランジが設けられており、FPCコネクタにはフランジを固定するためのフックが設けられている構造のものである。
図10に基づき、本実施の形態による光エンジン及びFPCコネクタについて説明する。本実施の形態による光エンジン300は、フレキシブル基板10の両面にカバー351及びカバー352が取り付けられている構造のものである。図10等では紙面表側のカバー351のみ示されているが、紙面裏側にも不図示の他方のカバーが設けられており、フレキシブル基板10はカバー351と不図示の他方のカバーとにより挟まれ固定されている。
カバー351や他方のカバーには、FPCコネクタ320に差し込む方向に対し垂直方向に外側に出っ張ったフランジ355、356が設けられている。
また、本実施の形態によるFPCコネクタ320は、本体部321と、フランジ355に対応するフック325と、フランジ356に対応するフック326を有する。フック325は、回転軸325aを中心に回動できるように本体部321に取り付けられており、フック326は、回転軸326aを中心に回動できるように本体部321に取り付けられている。
本実施の形態において、光エンジン300をFPCコネクタ320に取り付ける際には、図10に示す状態から、図11に示すように、光エンジン300の接続端子11が形成されている側をFPCコネクタ320に差し込む。これにより、フランジ355及び356は本体部321の上部と接触する。
この後、図12に示すように、回転軸325aを中心にフック325を約90°時計回りに回動させることにより、フランジ355をフック325により覆い、フック325によりフランジ355を固定する。同様に、回転軸326aを中心にフック326を約90°反時計回りに回動させることにより、フランジ356をフック326により覆い、フック326によりフランジ356を固定する。このようにして、フランジ355及び356はフック325及び326により固定されるため、FPCコネクタ320より光エンジン300が抜けてしまうことを防ぐことができる。
尚、上記以外の内容については、第1の実施の形態と同様である。
〔第3の実施の形態〕
次に、第3の実施の形態について説明する。本実施の形態による光モジュールは、配線基板110、FPCコネクタ120、放熱部材131、132に囲まれた領域の内部を樹脂材料により埋め込んだ構造のものである。本実施の形態における光モジュールの製造工程について、図13〜図15に基づき説明する。
最初に、図13に示すように、各々のFPCコネクタ120に光エンジン100を接続し、これらの周囲を覆う放熱部材131を設置する。
次に、図14に示すように、放熱部材131の内側に樹脂材料180を入れて固める。これにより、各々の光エンジン100を固定することができる。樹脂材料180としてはシリコン樹脂等が挙げられる。本実施の形態においては、光エンジン100にはカバー51及びカバー52が取り付けられているため、放熱部材131の内側に流れ込む樹脂材料180により光エンジン100が撓むことはない。
フレキシブル基板は極めて薄いため、光エンジンにカバー51、52が設けられていない場合には、放熱部材に入る樹脂材料の流れによりフレキシブル基板が押されて撓み、フレキシブル基板の配線の伝導率が変化し光エンジンの特性が変化したり、隣り合う光エンジン100同士が接触する不具合が生じるおそれがある。しかしながら、本実施の形態においては、光エンジン100にはカバー51及びカバー52が設けられているため、光エンジン100は樹脂材料の流れにより撓むことはなく、上記のような不具合が生じることを防ぐことができる。
次に、図15に示すように、硬化させた樹脂材料180の上に板状の放熱部材132を取り付ける。具体的には、放熱部材131の上面と放熱部材132とを接着剤等により接合する。これにより、本実施の形態による光モジュールを製造することができる。
本実施の形態による光モジュールは、FPCコネクタ120に接続されている光エンジン100の周囲を樹脂材料180により埋め込むことにより、光エンジン100がFPCコネクタ120から外れることを防いだり、光エンジン100が動いてしまうことを防ぐことができる。
本実施の形態においては、樹脂材料180は絶縁性を有する樹脂材料が好ましく、更には放熱の観点から熱伝導性の高い樹脂材料が好ましい。
〔第4の実施の形態〕
次に、第4の実施の形態による光モジュールについて説明する。本実施の形態による光モジュールは、光エンジン100で発生した熱の放熱性を高めた構造のものである。光エンジン100を駆動させると、駆動IC23やTIA24が発熱し、放熱が課題となる。
本実施の形態による光モジュールは、図16に示すように、光エンジン100に設けられている駆動IC23やTIA24において生じた熱を効率よく放熱するために、放熱部材430及び放熱部材440を設けた構造のものである。尚、放熱部材430及び放熱部材440は熱伝導性の高い材料、例えば、アルミニウム等の金属材料により形成されているが、放熱効果が得られれば、樹脂などの材料で形成してもよい。
放熱部材430は、放熱部材132に相当する上面431と、上面431の面431aより光エンジン100が接続されている方向に延びる複数の放熱板部432とを有する。放熱部材440はL字状に形成されており、面431aに取り付けられる接続部441と、接続部441に略垂直に接続されている放熱板部442とを有している。本実施の形態では、接続部441が面431aにねじ450により取り付けられている。
本実施の形態においては、カバー51及びカバー52が取り付けられている光エンジン100が放熱板部432と放熱板部442との間に挟まれており、光エンジン100の駆動IC23、TIA24等において生じた熱は、カバー51及びカバー52を介して放熱板部432、442に伝わり、更には放熱部材430の上面431に伝わり面431bより放熱される。
次に、光モジュールにおける放熱部材430及び440の取付方法について、図17及び図18に基づき説明する。本実施の形態においては、各々のFPCコネクタ120に光エンジン100を取り付けた後、放熱部材430を上から被せ、図17に示すように光エンジン100のカバー51と放熱板部432とを接触させる。図17(a)はこの状態の要部の上面図であり、図17(b)は内部の側面図である。
放熱部材430の上面431には放熱部材440を取り付けるための長円状の穴431cが設けられており、放熱部材440は、面431aにねじ450により取り付けられる。ねじ450により面431aに固定される放熱部材440は、図面において左右方向に動かすことができるように取り付けられる。
この後、図18に示すように放熱部材440を右に動かし、カバー52と放熱板部442とを接触させ、その位置でねじ450を締めて放熱部材440を固定する。これにより、光エンジン100は放熱板部432と放熱板部442とにより挟まれた状態で固定されるため、カバー51、52に接触している放熱板部432、442により駆動IC23やTIA24において生じた熱を効率よく放熱することができる。
例えば、光エンジン100と放熱板部432や放熱板部442との間に隙間があると放熱が円滑になされない。本実施の形態では、放熱部材440を放熱部材430に対し動かすことができるため、カバー51と放熱板部432、カバー52と放熱板部442をより確実に接触させることができ、駆動IC23、TIA24等において生じた熱を効率よく放熱することができる。
本実施の形態による光モジュールは、図19から図21に示すように放熱板部461及び放熱板部462の双方を動かすことができるように放熱部材460に、ねじ451により取り付けられているものであってもよい。図19はこの光モジュールの断面図であり、図20は光エンジン100が取り付けられている部分の拡大図であり、図21は、光モジュールの要部を上面から見た図である。尚、図21は、ねじ451により図示右側の放熱板部461、462が止められている状態を示している。
図21に示されるように、放熱部材460にはネジ穴460aが形成されている。また、図20に示すように、放熱板部461および462は上部がL字状に折り曲げられている。放熱板部461の折り曲げられた上部にはネジ穴460aに対応する横長の開口461aが設けられており、同様に放熱板部462の上部にはネジ穴460aに対応する横長の開口462aが設けられている。放熱板部461および462を放熱部材460にネジ止めする際には、開口461a、462aに沿って放熱板部461、462を横方向に動かすことができる。
本実施の形態では、FPCコネクタ120に取り付けられたカバー51に放熱板部461を接触させ、カバー52に放熱板部462を接触させてねじ451を締めることにより、放熱部材460に放熱板部461及び放熱板部462を固定する。この際、放熱板部461、462の双方を開口461a、462aの長さ分だけ横方向に移動させることができるので、異なる幅の光エンジンが用いられても各々の光エンジンに応じて放熱板部461、462をより確実に光エンジンに接触させることが出来る。また、双方の放熱板部461、462を移動させることができるので、放熱板部461、462の位置調整がよりやりやすくなる。
これにより、駆動IC23、TIA24等において生じた熱はカバー51及びカバー52を介し放熱板部461及び放熱板部462に伝わり、更に、放熱板部461及び放熱板部462より放熱部材460に伝わり放熱される。
尚、上記以外の内容については、第1の実施の形態と同様である。
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
10 フレキシブル基板
21 発光素子
22 受光素子
23 駆動IC
30 光導波路
40 光コネクタ
51、52 カバー
60 ピン
100 光エンジン
110 配線基板
120 FPCコネクタ
131、132 放熱部材

Claims (6)

  1. 接続端子が設けられた基板と、
    前記基板に搭載された受発光素子と、
    前記基板を覆うカバーと、
    を有し、
    前記接続端子は、他の基板に設けられたコネクタに接続されることを特徴とする光エンジン。
  2. 前記カバーは、前記基板の一方の面を覆う一方のカバーと、前記基板の他方の面を覆う他方のカバーと、を有し、
    前記一方のカバーと前記他方のカバーは、前記基板を挟んだ状態で固定されていることを特徴とする請求項1に記載の光エンジン。
  3. 複数のコネクタを有する第一の基板と、
    前記コネクタに接続される光エンジンと、を有し、
    前記光エンジンは、
    前記コネクタに接続される接続端子が設けられた、可撓性の第二の基板と、
    前記第二の基板に搭載された受発光素子と、
    前記第二の基板を覆うカバーと、
    を有することを特徴とする光モジュール。
  4. 前記光エンジンは、前記第一の基板に対して垂直方向あるいは傾斜して接続されることを特徴とする、請求項3に記載の光モジュール。
  5. 前記コネクタに接続されている前記光エンジンを覆う放熱部材と、
    前記第二の基板と前記放熱部材により囲まれた領域を埋める樹脂材料と、を有することを特徴とする請求項3または4に記載の光モジュール。
  6. 前記コネクタに接続されている前記光エンジンを覆う放熱部材と、
    前記カバーに接し、前記光エンジンを挟む2つの放熱板部と、
    を有し、
    前記放熱板部は、前記放熱部材と接続されている、または、前記放熱部材の一部であることを特徴とする請求項3または4に記載の光モジュール。
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