JP2020042114A - 光回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ＯＢＯ技術を用いた電気回路および光回路がスタック状に配置された光トランシーバの構成では、光部品はプリント基板側から遠い位置にあるため、光部品側での熱を効率的に外部へ排出することが困難である。ＯＢＯ技術を用いて、光部品を電気部品と一括で実装することができる一方で、不十分な冷却機構のために光部品自身の温度特性により、その性能が制限されていた。【解決手段】本発明は、プリント基板４０１上に電気回路部品および光回路部品がスタック状に集積された光回路４００であり、温度制御素子４１０を用いた温度調整機能と光入出力が可能な光ファイバブロックとを有するリッド４１２ａを備える。電気回路部品および光回路部品は、例えばＯＢＯ技術を用いて予めプリント基板４０１にリフロー工程により実装し、その後に温度制御素子４１０を備えたリッド４１２ａを取り付けることで、光回路素子の温度制御を効率的に行うことができる。【選択図】図４

Description

本発明は、集積化した光回路に関する。より詳しくは、集積化した光回路における光素子の効率的な冷却機構・冷却方法に関する。

ビッグデータの利用などの進展とともにインターネットトラフィックは増加の一途を辿り、光通信ネットワークの高速化、広帯域化そして同時に低消費電力化が求められている。光トランシーバは、通信ネットワークにおいて光信号と電気信号の変換を担う鍵となる装置である。光トランシーバでは、ベンダ間の相互互換性を目的として、サイズ、ピン配置、機能、光／電気コネクタ形状、監視制御インターフェースなどが共通規格として策定されている。例えば、代表的なＣＦＰ（Centum gigabit Form factor Pluggable）規格によって、光トランシーバを構成する部品群は、一定のフォームファクタの中に集積化、実装されて、パッケージ化されている。

図１は、光トランシーバにおけるパッケージ化の概念を説明する図である。図１の（ａ）は、光トランシーバ１００の構成を機能的に示した図である。光トランシーバ１００は、光源１０５、変調器１０３、受光器１０４、これらの制御回路１０６などから構成されている。受信器１０４は光ファイバから入力光信号を受ける入力端子１０２、変調器１０３は光ファイバへ変調光信号を出力する出力端子１０１、電気信号の形態の送信信号および受信信号のための端子１０７、１０８を有している。

図１の（ｂ）は、光通信装置における光トランシーバのパッケージ化の概念を説明する図である。光通信装置１１０は、装置の筐体を上方から見て２次元的に描いたものであって、図１の（ａ）に示した光トランシーバ１００−１〜１００−ｎが装置の筐体の一辺に寄せて配置されている。光トランシーバをパッケージ化する利点は、光通信装置１１０の保守性の高さにある。ＣＦＰ規格でパッケージ化された光トランシーバは、活線挿抜が可能なように構成されている。光通信装置のフロントエンドとして光部品群をパッケージ化して、これらのパッケージ１００−１〜１００−ｎを装置の１つの側（例えば図１の（ａ）の左側）にまとめて一次元的に配置することで、光トランシーバを交換することができる。例えば光トランシーバが故障したり、性能が陳腐化したりするのに応じて、光通信装置１１０の筐体から該当する光トランシーバを取り出し、新たな光トランシーバへと交換することができる。

上述のようなパッケージ化された光トランシーバに対して、オンボードオプティクス(On-board optics; ＯＢＯ)技術を用いた光トランシーバが注目されている。ＯＢＯとは、図１に示したように光トランシーバをパッケージ化せずに、光トランシーバの部品群を通信装置内のプリント基板やボードに直接貼り付ける実装形態である。

図２は、ＯＢＯ技術によって実装した光通信装置の概念図である。光通信装置２１０は、装置筐体を上方から見て２次元的に描いたものであって、装置内部にはプリント基板２０１が備えられている。プリント基板２０１上には、５セットの光トランシーバ２００−１〜２００−５が構成されている。各々の光トランシーバは、図１の（ａ）と同じく光変調器２１３、受光器２１４、光源２１５、制御回路２１６等を備えている。ＯＢＯ技術を使う利点は、光部品のパッケージ化に伴って必要とされた部品が不要となり、部品点数・実装コストの削減により通信機器の低コスト化が期待できることにある。

また、パッケージ化された光トランシーバの形態を採用しない場合、光部品の着脱をしないことになる。したがって図１の（ｂ）に示したように、光通信装置において光トランシーバをボードの端に沿って一列に、一次元的に実装しなければならない配置上の制約が無くなる。逆に、光通信装置における光部品（電気部品）の配置に自由度が増すため、光部品をボード上の任意の箇所に二次元的に配置することが可能となる。結果として、部品の実装密度向上による光通信装置の小型化に役立つ。また、光部品配置の工夫を通じた光通信装置の熱マネジメントによって、光通信装置の低消費電力化にも貢献できる。

ＯＢＯ技術導入のそもそもの動機は、低コスト化を実現することにある。このためには次の２点が重要となる。第１に、光部品をボード上に貼り付けることから各光部品はボールグリッドアレイ（ball grid array：ＢＧＡ）などの平面的なインターフェースを持っている必要がある。第２に、これらの部品がリフロー工程の熱に耐え得ること（リフローラブル）が必要である。またリフロー工程のセルフアライメント効果が精度良く働くことも、部品搭載精度を軽減する観点で重要である。更には、ＢＧＡによる光部品とボードと間の電気的な結合に加えて、光部品とボード間の光学的な結合についても低コストに実現することが求められる。

特開２０１６−５１７７３号 明細書

図３は、ＯＢＯ技術を利用した電気回路および光回路をスタック状に配置した光トランシーバの構成を示す断面図である。光トランシーバ３００は、基板３０１上に、異なる電気回路部３１２−１、３１２−２が構成されている樹脂封止（モールド）材３１０と、Ｓｉ光回路チップ３３０が接着剤３０３よって接続されている。樹脂封止材３１０内の各電気回路部は、貫通配線を経由して、例えば半田ボール３０２などで基板３０１と接続される。樹脂封止材３１０の上には、レーザダイオード３２０を張りつけられている。電気回路部およびレーザダイオードも、貫通配線によって接続されている。Ｓｉ光回路チップ３３０は、光変調器等を含む光制御回路３３３を持っており、レーザダイオード３２０からのレーザ光３２１を受光する。外部との光接続を行う光ファイバ３３１は、モールド材３１０と、Ｓｉ光回路チップ３３０とによって光ファイバ固定構造３３２を挟み込むことで保持して、Ｓｉ光回路チップ３３０との間で光結合を行う。

図３に示した光トランシーバの構成のように、電気回路および光回路をスタック状に集積化することで、電気配線の距離を短くすることが可能であり、高周波電気信号の過剰な損失を回避できる。ここでＯＢＯ技術による光トランシーバの詳細な作製工程については述べないが、少なくとも一部の光回路素子をリフローによって実装し、光回路素子の組み合わせや電気回路部の構成・種類によっては、一括リフローによって実装も可能である。図３に示したような電気回路および光回路をスタック状に集積した構成は、光トランシーバだけに限定されず、光部品および電気部品を組み合わせた様々な機能を実現できる。

図３に示したＯＢＯ技術を用いた光回路の作製にあたっては、次のような問題がある。電気回路および光回路がスタック状に配置された光トランシーバの構成では、実装した光部品の各素子を温度制御して使用することは想定されていない。このため、素子の温度は環境温度や素子自体の発熱の影響を大きく受ける。光部品の下面にある電気部品も発熱するため、通常はプリント基板側にヒートシンク構造等を取り付けることが考えられる。しかしながら、光部品はプリント基板側から遠い位置にあるために、光部品側で生じた熱を効率的に外部へ排出することが困難である。特にレーザ等は温度によって光出力レベルや動作周波数が変化してしまうため、用途によっては高精度での温度調整が必要になる。このため、図３に示した電気回路および光回路がスタック状に配置された光トランシーバの構成では、光部品を電気部品と一括で実装することができる一方で、光部品自身の温度特性により、その性能が制限されてしまう。

特許文献１では、光制御機能を持った部品に温度調整機構が設けられている電気素子パッケージが開示されているが、光回路チップおよび温度調整機能を持つ電気回路チップを、それぞれチップ化した後に組み立てるために、コストが掛かる。特許文献１に開示された構成は、個別のパッケージ内への搭載を前提としているので、図３に示したようなＯＢＯ技術による基板上に配置されたスタック状の光回路構造に適用することはできない。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ＯＢＯ技術を用いて作製された光回路に効率的な温度調整機能を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板の上に、電気回路部および光回路部がスタック状に配置された光回路において、内側に１つ以上の温度制御素子が固定され、当該温度制御素子が前記光回路部に接して、前記光回路の全体を封止するよう配置されたリッドを備えたことを特徴とする光回路である。

請求項２に記載の発明は、請求項１の光回路であって、前記リッドは、前記基板の基板面に平行に、前記光回路部の光導波路との間で光を入出力する少なくとも１組の光ファイバアレイを有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２の光回路であって、前記リッド内の前記温度制御素子は、金属板を介して、前記光回路部に接していることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの光回路であって、前記リッドは、前記光回路部の異なる光回路エレメントに対応する温度制御素子をそれぞれ備え、複数の前記温度制御素子が前記リッドの内側に固定されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４の光回路であって、前記基板の基板面を見て、前記リッドの外周部の側壁が、前記基板面の上に固定されているか、または、前記光回路部の上に固定されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかの光回路であって、前記リッドの上面にフィン構造が備えられていることを特徴とする。

以上説明したように、ＯＢＯ技術を用いて作製された集積化した光回路に効率的な温度調整機能を提供できる。

光トランシーバにおけるパッケージ化を概念的に説明する図である。 ＯＢＯ技術によって実装した光通信装置の概念図である。 ＯＢＯ技術を利用した光トランシーバの構成を示す断面図である。 温度調整機構を備えスタック状に集積された光回路を示す図である。 リッドを実装する前のスタック状に集積された光回路の構成を示す。 スタック状に集積された光回路へ実装するリッドの構成を示す図である。 複数の温度制御素子を含むリッドを実装した光回路の構成を示す図である。

本発明は、プリント基板上に電気回路部品および光回路部品がスタック状に配置されている集積化した光回路において、光部品の動作を安定化させるための温度制御を効率的に行う構成、光部品の実装形態を提供する。

本発明は、プリント基板上に、電気回路部品および光回路部品がスタック状に集積された光回路であって、温度制御（熱電制御）素子を用いた温度調整機能と光入出力が可能な光ファイバブロックと有するリッド（蓋：ｌｉｄ）を備える。電気回路部品および光回路部品は、例えばＯＢＯ技術を用いて予めプリント基板にリフロー工程により実装し、その後、温度制御素子を備えたリッドを取り付けることで、光回路素子の温度制御を効率的に行うことができる。リッドはスタック状に集積された光回路全体を覆う蓋であって、概ね六面体、筒状、他の任意の立体形状であって、一面が開放している封止構造物を言う。

光デバイス等の素子レベルの比較的狭い領域の温度調整には、温度制御（熱電冷却）素子(ペルチェ素子)が用いられている。前述のように、電気部品と一括実装する光部品は、２００°程度のリフロー工程の熱に耐え得ること（リフローラブル）が必要である。しかしながら、現状はペルチェ素子の耐熱性の問題で、ＯＢＯ技術を用いた電気回路部品および光回路部品がスタック状に集積された光回路と一括で実装することは困難である。本発明の光回路では、光部品の継時的特性劣化を防ぐための封止用リッドとペルチェ素子とを組み合わせる。リフロー実装後の光部品に対して、ペルチェ素子を備えたリッドで封止を行うことで、素子の継時的な特性変化を抑えるだけでなく、温度制御が可能で特性の安定した光回路を実現する。

図４は、温度調整機構を備え、電気回路部品および光回路部品がスタック状に集積された本発明の光回路の構成を示す図である。図４に示した集積化した光回路４００は、光トランシーバの構成例を示しているが、電気回路部品および光回路部品がスタック状に集積された光回路であれば、どのような機能の光回路でも良い。基板４０１上に構成された電気回路４０４ａ、４０４ｂを含む樹脂封止された電気回路部４０２と、レーザ４０６および光変調器４０７を含むＳｉ光回路部４０３を備えている。図４では、電気回路部４０２として例示的に２つの電気回路４０４ａ、４０４ｂを含む例を示しているが、２つだけに限定されない。電気回路４０４ａ、４０４ｂは、樹脂封止材によって封止されて、電気回路部４０２を構成している。電気回路部４０２およびＳｉ光回路部４０３は、接着剤４０９によって相互に接着されている。電気信号の入出力や電源の供給が必要な電気回路４０４ａ、４０４ｂは、樹脂材料および接着剤４０９を通る貫通配線４０５ａ、４０５ｂによって基板４０１およびＳｉ光回路部４０３と接続されている。Ｓｉ光回路部４０３のチップの底面から貫通配線４０５ａ、４０５ｂを経由して、電気信号等が印加される。光回路部４０３は、Ｓｉ材料だけでなくＩｎＰなどを材料とする基板によって構成されても良い。上述のように、電気回路４０４ａ、４０４ｂを含む電気回路部４０２およびＳｉ光回路部４０３がスタック状に配置され集積化された光回路は、図３に示した従来技術の構成と同様にＯＢＯ技術によって作製できる。

本発明の光回路４００では、さらに、電気回路部４０２およびＳｉ光回路部４０３がスタック状に配置され集積化された光回路の最上部を覆い、光回路部４０３と接するリッド４１２ａおよび金属板４１２ｂを備える。金属板４１２ｂは、光回路部４０３で生じる熱を移動させる熱伝導体として機能する。金属板４１２ｂは、光回路部４０３の基板上面に接しており、温度制御素子４１０を間に挟んで、封止用のリッド４１２ａと一体に固定されている。リッド４１２ａは、ＯＢＯ技術を用いてスタック状に構成された上述の光回路をその内部に収納するようにプリント基板４０１上に固定され、気密性の高い封止構造を実現する。リッド４１２ａは、熱伝導性の良い材料が望ましく、例えば銅タングステンなどがある。金属板とリッドとの間にある温度制御素子４１０は温度制御が可能である。温度制御素子としては、例えばペルチェなどが最適である。温度制御素子４１０およびリッド４１２ａの間、温度制御素子４１０および金属板４１２ｂの間は、熱伝導を良くするために、それぞれグリスや接着剤を介して接続されることが好ましい。

したがって本発明は、基板の上に、電気回路部および光回路部がスタック状に配置された光回路であって、内側に１つ以上の温度制御素子が固定され、当該温度制御素子が前記光回路部に接して、前記光回路の全体を封止するよう配置されたリッドを備えたものとして実施できる。

図４に示した光回路４００の構成では、温度制御素子４１０（ペルチェ）よりも光回路部４０３のサイズが大きい。このため、光回路部より大きな面積の金属板４１２ｂを温度制御素子４１０の下面に張り付けて、温度制御素子４１０を挟み込むようにリッド全体を形成している。金属板４１２ｂを利用することにより、排熱性の高い構成となる。温度制御素子４１０が光回路部４０３と同等の大きさであれば、金属板なしに、温度制御素子４１０を光回路部４０３に直接接触させる構造で良い。リッド４１２ｂの上面には、より排熱性を高めるため、ペルチェ素子から発生した熱を排出するためのフィン構造４１１を形成するのが好ましい。光回路部４０３からの光出力はリッド４１２ｂの側壁に固定されたファイバブロック４１３を通じて光ファイバへと結合される。また図４には示していないが、温度制御素子へのインターフェースを、リッド４１２ｂを介して行うことができる。

図４に示した温度調整機能付きの光回路４００の詳細な作製方法については説明しないが、大まかに次の手順で作製される。

工程１：光回路部分と電気回路部分を作製し、貼り合わせる。

工程２：貼り合わせた素子をチップ単位に切り出す。

工程３：プリント基板上に上述のチップを搭載して、リフロー工程を通す。

工程４：上述のプリント基板上のチップにペルチェ付のリッドを取り付け、封止するとともに、光結合部を接続する。

上述の工程には、光回路部分と電気回路部分間の貫通配線を構成する工程や、電気回路を樹脂封入するサブ工程などが含まれる。様々な作製工程の異なる順序・組み合わせのバリエーションが可能である。光回路部分と電気回路部分の張り合わせまでの工程の一部またはすべてを、ウェファレベルで実行することもできる。したがって、本発明を適用できる光回路は、基板（ボード）上に光回路（光チップ）を実装するいわゆるＯＢＯ技術を含むものであれば良い。

図５は、リッドを実装する前の上記工程１〜３を終えた時点での、集積化した光回路５００の構成を示す。プリント基板５０１上に、電気回路５０４ａ、５０４ｂを含む樹脂封止された電気回路部５０２、レーザ５０６および光変調器５０７を含む光回路部５０３が、接着剤層５０９を挟んでスタック状に集積されている。光回路部５０３を構成するＳｉ基板の端面５１０に、光導波路５０８のコアが光結合可能な状態で現れている。図５の光回路５００において、光導波路５０８からの光の出力方向はプリント基板５０１と並行である。電気回路部と光回路部は、電気的な接続は、樹脂材料および接着剤５０９を貫いて形成される貫通配線５０５ａ、５０５ｂを通じて行われる。上述のＯＢＯ技術を利用した工程１〜工程３によって、光回路５００が作製される。

図６は、スタック状に配置され集積化された光回路へ実装する前のリッド部の構成を示す図である。図４でも示したように、リッド部６００は、リッド６０１ａおよび金属板６０１ｂ等から構成されている。リッド６０１ａおよび金属板６０１ｂが、温度制御素子６０３を挟んで、保持機構６０２ａ、６０２ｂによって全体が相互に密着するように固定されている。リッド６０１ａおよび金属板６０１ｂは、異なる材料であっても、同じ材料であっても良い。リッド６０１ａは、図５に示したスタック状の光回路５００の上面および側面を覆って、プリント基板５０１と共に光回路５００全体を封止できる構造を持つ。

上述の工程３のリフロー工程を実施して、プリント基板上にスタック状に配置され集積化された光回路を実装した後、さらに図６に示したリッド部６００を実装する。リッド６０１ａにおいては、光回路部５０３の出力コア５１０の位置に合わせて、光ファイバアレイブロック６０４が配置されている。光ファイバアレイブロックは、複数本の光ファイバがガラス材料などで固定されているもので、リッド６０１ａは、光ファイバアレイブロック６０４を機構的に保持するよう構成される。また、リッド部６００のフィン構造および温度制御素子６０３（ペルチェ素子）は、収容する光回路の光回路部５０３の位置に合わせて配置されている。リッド部６００を、プリント基板上の予め設計された位置に配置することによって、光部品の温度制御と外部光ファイバとの光結合を行うことができる。このように、光集積回路および電気回路をリフロー工程によりプリント基板上に実装し、後から温度制御素子を備えたリッドを取り付けることで、温度制御可能な光部品を実現できる。尚、光ファイバアレイブロックを、単に光ファイバアレイと言う場合もある。

図４に示した本発明の温度調整機構を備えた光回路４００では、複数の光回路を含む１つの光回路部チップに対して１つの温度制御素子を備えたリッドを組み合わせた構成であるが、温度制御素子とリッドの他の組み合わせも可能である。例えば、１つの光回路部チップ上に図２に示したように複数の光トランシーバがアレイ状に構成され、対応する電気回路部と共にスタック状に配置される場合は、リッドに複数のペルチェ素子を備えることができる。

図７は、複数の温度制御素子を含むリッドを実装した光回路の構成を示す図である。図７は、図２に示したような光トランシーバの４回路のアレイその配列方向（図２の縦方向）に切った断面を示している。集積化した光回路７００は、光回路部７０３に含まれる光回路エレメント７０５ａ〜７０５ｄ、電気回路部７０２に含まれる対応する電気回路７０４ａ〜７０４ｄの数が、図４の光回路４００の場合と異なっている。光回路部７０３が、例えば４つの光トランシーバ７０５ａ〜７０５ｄを含んでいるとすると、各光トランシーバに接するように対応する温度制御素子７０６ａ〜７０６ｄを備える。４つの温度制御素子７０６ａ〜７０６ｄは、４つの収容空間を持つ１つのリッド７０８によって光回路部７０３の各光トランシーバの上面に密着するように固定される。図７のように、共通の単一のリッドに複数の温度制御素子を組み合わせて温度調整機構を構成しても良い。

すなわち、本発明の光回路におけるリッドは、前記光回路部の異なる光回路エレメントに対応する温度制御素子をそれぞれ備え、複数の前記温度制御素子が前記リッドの内側に固定されていることができる。

図７に示したリッド７０８は、各光トランシーバに対応する温度制御素子をそれぞれ囲む別個の収容空間を形成するように、光回路部７０３の基板面に垂直な壁によって区画する構成となっている。しかしながら、光回路部７０３の基板面を見たときのリッド最外周部にある壁のみを高くして、この外周部の壁によりプリント基板７０１上でリッド全体の固定を行っても良い。したがって本発明の光回路では、光回路の基板の基板面を見て、リッドの外周部の側壁が、前記基板面の上に固定されているか、または、前記光回路部の上に固定されていることができる。図７は、光トランシーバのアレイをその配列方向に沿って（光導波路に概ね垂直方向に）切った断面を示しているので、光ファイバブロックは示されていない。しかしながら、図４に示したように、図７の図面に垂直に出射方向が向くように光ファイバブロックが配置され、これがリッド７０８に保持されて良い。

以上説明したように、本発明によって、ＯＢＯ技術を利用した電気回路部と光回路部をスタック状に配置した光回路に対して、封止用にも使用できるリッドに搭載した温度制御素子によって効率的な温度調整機構を提供する。電気回路部および光回路部がスタック状に集積化された光回路に対して、発熱する光回路素子に温度制御素子を直接接触させるため、温度調整の必要な光回路素子に対して効率的な温度調整が可能となる。

本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。特に、光トランシーバに利用できる。

１００、１００−１〜１００−ｎ、２００−１〜２００−５ 光トランシーバ
１０３、２１３、４０７、５０７ 光変調器
１１０、２１０ 光通信装置
２０１、３０１、４０１、５０１、７０１ 基板（ボード）
３１２−１、３１２−２、４０４ａ、４０４ｂ、５０４ａ、５０４ｂ、７０４ａ〜７０４ｄ 電気回路
３３０、４０３、５０３、７０３ 光回路部
４００、５００、７００ 集積化した光回路
４０２、５０２、７０２ 電気回路部
４０５ａ、４０５ｂ、５０５ａ、５０５ｂ 貫通配線
４０６、５０６ レーザ
４１０、６０３、７０６ａ〜７０６ｄ 温度制御素子（ペルチェ）
４１１ フィン
４１２ａ、６０１ａ、７０８ リッド
４１２ｂ、６０１ｂ 金属板
６００ リッド部
６０４ 光ファイバアレイブロック
７０５ａ〜７０５ｄ 光回路エレメント

Claims (6)

1. 基板の上に、電気回路部および光回路部がスタック状に配置された光回路において、
   内側に１つ以上の温度制御素子が固定され、当該温度制御素子が前記光回路部に接して、前記光回路の全体を封止するよう配置されたリッド
   を備えたことを特徴とする光回路。
2. 前記リッドは、前記基板の基板面に平行に、前記光回路部の光導波路との間で光を入出力する少なくとも１組の光ファイバアレイを有することを特徴とする請求項１に記載の光回路。
3. 前記リッド内の前記温度制御素子は、金属板を介して、前記光回路部に接していることを特徴とする請求項１または２に記載の光回路。
4. 前記リッドは、前記光回路部の異なる光回路エレメントに対応する温度制御素子をそれぞれ備え、複数の前記温度制御素子が前記リッドの内側に固定されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光回路。
5. 前記基板の基板面を見て、前記リッドの外周部の側壁が、
   前記基板面の上に固定されているか、または、
   前記光回路部の上に固定されていること
   を特徴とする請求項４に記載の光回路。
6. 前記リッドの上面にフィン構造が備えられていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の光回路。

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