JP2020101630A

JP2020101630A - 光モジュール

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Publication number: JP2020101630A
Application number: JP2018238683A
Authority: JP
Inventors: 藍柳原; Ai Yanagihara; 鈴木　賢哉; Masaya Suzuki; 賢哉鈴木; 郷　隆司; Takashi Go; 隆司郷; 慶太山口; Keita Yamaguchi; 祐子河尻; Yuko Kawashiri
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: WO2020129771A1; US11977315B2; JP7119980B2; US20210397065A1

Abstract

【課題】電極パッドの配置位置の自由度が増し、取回し電極配線を削減できるとともに、チップの集積度を増して大規模デバイス（光スイッチ等）の実現を可能とする。【解決手段】本発明の光モジュールは、固定用金属板の上に固定された平面光波回路（ＰＬＣ）を用いて構成されたデバイスを含むチップ、そのチップの上にインターポーザ（上下面に電極ピンがアレイ状についている電気接続仲介部品）、インターポーザの上にデバイス駆動用の制御基板を重ねて配置し、それらを固定ネジ等で機械的に固定して、インターポーザを介して、チップと制御基板との相互の電極パッドを接続する。【選択図】図３

Description

本発明は、光通信で用いられる平面光波路型光デバイスを含む光モジュールに関するものである。

光通信ネットワークの拡大および柔軟性向上に向けて、大規模マトリックス光スイッチが注目されている（非特許文献１）。

石英系ＰＬＣ（ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ)は低伝搬損失であるなど光学特性に優れ、またアレイ集積が容易であることから大規模スイッチの実現に適する。

石英系ＰＬＣによる光スイッチは、熱光学効果を用いたマッハツェンダ干渉計を１つのスイッチ要素として、これを複数個アレイ状に並べることでマトリックススイッチを構成する。（非特許文献２，３）

ここで従来のＰＬＣ光スイッチモジュールの構成について説明する。図１に従来のＰＬＣ光スイッチの構成と、図２にＰＬＣの電気配線のレイアウトを示す。

従来のＰＬＣ光スイッチモジュール１００では、光ファイバ１０２と接続したＰＬＣチップ１０３にマッハツェンダ干渉計１０４をアレイ状に配置している。ＰＬＣ光スイッチモジュール１００は、各マッハツェンダ干渉計１０４を駆動するヒーターに電力を供給する必要がある。そのため、ＰＬＣチップ１０３とＰＬＣチップ１０３を駆動する制御基板１０５を固定板１０６上に固定し、ＰＬＣチップ１０３と制御基板１０５上の電極パッド１０７ａ、１０７ｂをワイヤー１０１によるボンディングを介して接続している。ＰＬＣチップ１０３と制御基板１０５をワイヤー１０１でボンディングするためにＰＬＣチップ１０３の一辺付近に電極パッド１０７ａが並べられている。そのため、各スイッチのヒーターからチップ端に設置された電極パッド１０７まで電気配線を取りまわす必要があった。破線１０８は、ＰＬＣチップ１０３の面内で電気配線を取回す状態を示す。

K. Tanizawa, et. al., Opt. Exp., 2015, Vol. 23, No. 13, pp. 17599-17606 T. Shibata, M. Okuno, T. Goh, T. Watanabe, M. Yasu, M. Itoh, M. Ishii, Y. Hibino, A. Sugita, and A. Himeno"Silica-based waveguide-type 16 x 16 optical switch module incorporating driving circuits"IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, SEPTEMBER 2003, VOL. 15, NO. 9 T. Watanabe, K. Suzuki, T. Goh, K. Hattori, A. Mori， T. Takahashi，T. Sakamoto， K. Morita, S. Sohma, and S. Kamei："Compact PLC-based transponder aggregator for colorless and directionless ROADM," 2011, OFC/NFOEC2011，Paper OTuD3.

本発明が解決しようとする課題

従来のＰＬＣ光スイッチモジュールは、スイッチの大規模化に伴って、チップ内に集積するスイッチ数が増大すると、取回し電気配線の占有面積の拡大が顕著となってしまう。

また、従来のＰＬＣ光スイッチモジュールは位相シフタと電極パッドとをつなぐ電気配線の距離は、位相シフタの配置位置によって異なるため、配線抵抗値が位相シフタごとに異なっていた。そのため、位相シフタごとに駆動電圧が異なり、それぞれ異なる駆動電圧を個別に印加していた。

大規模光スイッチ実現の主な課題はチップ面内に収容している電気配線領域の削減することである。

上記の通り、集積するスイッチ数が増大すると、チップ面内に収容する取回し電気配線の占有面積の拡大が顕著になると、この電気配線がスイッチ要素の高密度集積の律速となる。

またこの電気配線によってチップサイズが大きくなると、ウエハ１枚から作製可能な大規模光スイッチ数が減るので量産性も低減する。またチップコストが高くなる。

よってスイッチの大規模化を実現するためには、チップ面内に収容している電気配線領域を削減し、スイッチを高密度集積する必要がある。

また大規模光スイッチの量産性向上に向けては電気配線占有面積を削減してチップの小型化が必要である。

本発明では、これまでチップ面内に収容していた電気配線をチップ外に取り出して制御ボードと接続する３次元実装方式を提案する。

ＰＬＣ光スイッチモジュールの両面に剣山状に電極ピンの並んだ電気接続仲介部品をＰＬＣチップと制御ボードとで挟むことによって電気接続する。

本発明の光スイッチの一様態は、上面に電極パッドを有する平面光波回路と、前記平面光波回路の駆動用の制御基板であり、前記平面光波回路の上面上に配置され、前記平面光波回路の前記上面に対向する下面に電気パッドを有する、前記制御基板と、前記平面光波回路の前記上面と前記制御基板の前記下面との間に配置された電気仲介部品と、を備え、前記平面光波回路の電極パッドと前記制御基板の電極パッドとが前記電気仲介部品を介して接続されたことを特徴とする。

本発明により電極パッドの配置位置の自由度が増し、取回し電極配線を削減することができるので、スイッチの集積度が増し大規模光スイッチの実現が可能となる。またチップサイズも小さくなり、低コスト化が可能となる。

電気配線領域を削減し、チップを小型にするメリットは下記の通りである。

第一のメリットは、大規模光スイッチを実現できることである。

第二２のメリットは、チップ小型化が可能なことである。これにより１枚のウエハから作製できるチップ数が増えるので、チップコストが安くなり、また量産性が向上する。

第三のメリットは、各スイッチに接続されている電気配線の長さを揃えることができるので、配線抵抗値のばらつきを減らすことができる。

上下方向に電気接続すると、電気配線長が短くなるとともに電極パッドの配置自由度が増すため、各配線の長さを揃えることが可能である。

これにより各位相シフタ駆動時の抵抗値がほぼ等しくなり、全位相シフタを定電圧で駆動することが可能となるので、スイッチ制御が簡易化され、電源制御ボードの簡易化および小型化が可能である。

従来の石英ＰＬＣ光スイッチベアモジュールを示す上面図である。従来のＰＬＣの電気配線のレイアウトを示す図である。（ａ）実施例１の電気実装方式を有する石英ＰＬＣ光スイッチベアモジュールを示す上面図である。（ｂ）実施例１の電気実装方式を有する石英ＰＬＣ光スイッチベアモジュールを示す断面図である。実施例２のＰＬＣ電気配線のレイアウトを示す図である。（ａ）実施例２の電気実装方式を有する石英ＰＬＣ光スイッチベアモジュールを示す上面図である。（ｂ）実施例２の電気実装方式を有する石英ＰＬＣ光スイッチベアモジュールを示す断面図である。実施例３の電気実装方式を有する石英ＰＬＣ光スイッチベアモジュールを示す上面図である。ＰＬＣチップとインターポーザの組み合わせ方の例を示す図である。

以下、本発明の実施例における光デバイスについて説明する。

実施例１では市販のインターポーザ（上下面に電極ピンがアレイ状についている電気接続仲介部品）を用いて面型電気接続構造を実現した１６ｘ１６マルチキャストスイッチについて説明する。

本実施例では平面光波回路のチップの反りに対応するために、インターポーザのリードピンの部分はバネ式になっているものを用いる。

図３（ａ）,（ｂ）にマルチキャストスイッチモジュール３００の上面図、断面図をそれぞれ示す。マルチキャストスイッチモジュール３００は、光ファイバ３０２に接続し、光回路を構成する石英系の平面光波回路（ＰＬＣ、平面光波回路チップ）３０３、光回路を駆動制御する制御基板３０５、ＰＬＣ３０３と制御基板３０５を接続するインターポーザ（インターポーザ部品）３０１を含む。そしてマルチキャストスイッチモジュール３００は、ＰＬＣ３０３、制御基板３０５、及びインターポーザ３０１を固定するための固定板３０６やねじ３０８を含む。なお、制御基板は、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸して形成された絶縁基板でもよい。

図４にＰＬＣの光回路および電気配線のレイアウトの概略図を示す。ＰＬＣにはマッハツェンダー干渉計３０４を含む光スイッチが２５６個含まれている。配列された各光スイッチの近くには電極パッド３０７が配置されていて、マッハツェンダー干渉計３０４内のヒーターと電極パッド３０７は電気配線で接続されている。電極パッド３０７は、例えば、Ａｕを含んでいてもよい。

図２に示した従来の電気配線レイアウトと図４の本実施例の電気配線レイアウトを比較して分かるように、本実施例の電気配線長は従来例よりも大幅に短くなっていて、また電気配線長は全スイッチで等しい。よって、ＰＬＣチップ面内の電気配線を削減できる。

このＰＬＣ光スイッチは非特許文献１〜３に記載されているような一般的な方法で作製できる。

ＰＬＣ端面の入出力部には入力用、出力用合わせて３２芯の光ファイバ３０２が接続されている。固定板３０６の上に接着剤で固定した石英系の平面光波回路（ＰＬＣ）３０３と、ＰＬＣ駆動用の制御基板３０５とがインターポーザ３０１を介してねじ止め固定している。

この時インターポーザ３０１、ＰＬＣ３０２、ＰＬＣ駆動用の制御基板３０５の固定位置はピンを用いて位置合わせされている。このピンはガイドピン３０９であり、ピンはネジが付いていてもいなくてもよい。ガイドピン３０９が、インターポーザ３０１の穴及び制御基板３０５の穴を貫通し、固定板３０６の凹部にはまることにより、位置合わせが可能となる。なお、ガイドピン３０９は、ＰＬＣ３０３を貫通せず、インターポーザ３０１の穴及び制御基板３０５の穴を貫通し、固定板３０６の凹部にはまるところであればどの位置でもよい。

ＰＬＣ駆動用の制御基板３０５の上にはねじ穴の開いたＣｒＣｕ板（不図示）が被せてあり、土台の、例えばＣｕＣｒを含む固定板３０６と最上面のＣｕＣｒ板とをねじ止めする。ねじ止めすることで、バネ式のインターポーザのリードピン（ヒンジ電極）３０１ａをＰＬＣ３０３とＰＬＣ駆動用の制御基板３０５の電極パッド３０５ａに押し付けて接触、および固定している。

モジュールの上面図及び断面図の構成は図３（ａ）, (ｂ)の通りである。固定板３０６上にＰＬＣ３０３が固定されている。ＰＬＣ３０３の上にインターポーザ３０１、ＰＬＣ駆動用の制御基板３０５を重ねて、ＰＬＣ３０３、インターポーザ３０１及びＰＬＣ駆動用の制御基板３０５が機械的に固定されている。固定板３０６とＰＬＣ３０３との固定には接着剤を用いた。固定板３０６、インターポーザ３０１、及びＰＬＣ駆動用の制御基板３０５に穴を設けて（空けて）おくことによって、金属を含む固定板３０６、インターポーザ３０１、及びＰＬＣ駆動用の制御基板３０５を穴を介してネジ３０８で固定した。この時、ＰＬＣ駆動用の制御基板３０５の全面に均一にネジ３０８の押圧が加わるようにＰＬＣ駆動用の制御基板３０５の上に金属板（不図示）を挿入しても良い。またＰＬＣ３０３のパッド電極３０７、インターポーザのリードピン（ヒンジ電極）３０１ｂ、ＰＬＣ駆動用の制御基板３０５の電極パッド３０７の位置合わせをする必要があるが、上記の固定用のネジ３０８に加えてガイドピン３０９を用いて位置を合わせた。インターポーザのリードピン３０１ｂはバネ式になっているものを用いた。

以上の工程により、上面に電極パッドを有する平面光波回路ＰＬＣ３０３と、平面光波回路の駆動用の制御基板３０５であり、平面光波回路の上面上に配置され、平面光波回路の上面に対向する下面に電気パッドを有する、制御基板３０５と、平面光波回路の上面と前記制御基板の下面との間に配置された電気仲介部品、例えば、インターポーサ３０１と、を備え、平面光波回路３０３の電極パッドと制御基板３０５の電極パッドとが電気仲介部品を介して接続されたことを特徴とするマルチキャストスイッチモジュール３００を作製した。

このようにして、作製した１６ｘ１６マルチキャストスイッチモジュールに対して、電気特性および光学特性を評価した。

全端子において導通することが確認でき、抵抗値のばらつきは±０．１Ωであることが分かった。これにより、全端子で均一な接触を確認することができた。この抵抗値のばらつきは、従来の光スイッチ（図１〜２）のワイヤーボンディング接続の時のばらつきよりも小さい。この結果はワイヤーボンディング方式よりも本実施例の方がチップ上の配線長にばらつきが小さいことが主な理由と考えられる。

次に光スイッチの光学特性を評価した。従来のワイヤーボンディング方式の光モジュールと同等の透過損失、消光比等を得ることができた。これにより、インターポーザを電気実装方式に用いた１６ｘ１６ＭＣＳを実現することができた。従来よりも小型のスイッチを実現することができた。

本実施例では、１チップにインターポーザ５０１を４つ用いた３２ｘ３２マルチキャストスイッチについて説明する。

スイッチの集積数の増加に伴って、チップサイズが大きくなると、チップ反りの影響を考慮する必要が生じる。

チップの反りに対応するためにリードピンの部分がバネ式になっているインターポーザを使用する場合があるが、チップの反り量が大きくなると、インターポーザのリードピンのバネだけでは反り量に対応できないことが予想できる。そこで、実施例２では１チップにインターポーザを複数個用いることでチップの反りに対応した電気実装を説明する。

図５に実施例２の３２ｘ３２マルチキャストスイッチ５００を示す。構成部品は実施例１と同じであるが、本実施例ではインターポーザを４つ使用することによって、チップの反りに対応している。

実施例１のスイッチよりも光スイッチの収容数は４倍となっているが、電気配線のレイアウトは実施例１のスイッチと基本的に同じである。そして固定用金属板に固定されたＰＬＣとＰＬＣ駆動用の制御基板とを４つのインターポーザ５０１を介して接続している。組立てたモジュールについて抵抗値を測定したところ、全端子で導通を確認し、抵抗値のばらつき量も±０．１Ωであった。また透過損失、消光比は従来（図１〜２）のワイヤーボンディングを用いた時と同等の値が得られた。よってインターポーザ５０１を用いた電気実装方式を適用させた３２ｘ３２スイッチを実現することができた。

ＰＬＣ上に搭載するインターポーザの個数は４個に限らずいくつでも良い。またその上に重ねるＰＬＣ駆動用の制御基板５０５も複数枚に分割されていても一枚でも良い。

本実施例３では、複数枚のＰＬＣチップの電極同士を、インターポーザ６０１を用いて接続した光スイッチモジュール６００を図６に示す。ここでは１６ｘ１６のマルチキャストスイッチを１ｘ２、１６ｘ８、１６ｘ８の３つのＰＬＣスイッチ６０３ａ、６０３、６０３を組み合わせて構成したマルチキャストスイッチＭＣＳを示す。なお、２つのＰＬＣスイッチ６０３は、分割して形成されてもよい。

１ｘ２ＰＬＣスイッチ６０３ａと１６ｘ８ＰＬＣスイッチ６０３とは光導波路を介して光接続し、１ｘ２ＰＬＣスイッチ６０３ａ、１６ｘ８ＰＬＣスイッチ６０３は、それぞれ、光ファイバ６０２ａ、６０２と接続している。放熱用の基板である固定板６０６上にＰＬＣを用いた１６ｘ８マルチキャストスイッチ６０３と１ｘ２スイッチ６０３ａが固定されている。図６に示すように、複数枚のＰＬＣ６０３上に制御ボードである制御基板６０５が被さるように置かれている。

ＰＬＣ６０３と、制御基板６０５とを仲介するインターポーザ６０１は基板として１枚でも複数枚用いても良い。

ＰＬＣ６０３と制御基板６０５とインターポーザ６０１との固定には実施例１と同様にネジ６０８を用いた。この時、制御基板６０５の両端だけでなく、複数のＰＬＣ６０３で挟まれた中間部分もネジ６０８ａで固定することにより、制御基板６０５およびＰＬＣ６０３の電極パッドへのインターポーザ６０１のリードピンの押し付けが全面で均一になり、制御基板６０５の電極パッドとインターポーザ６０１のリードピンとの電気接続状態が全面で均一に、ＰＬＣ６０３の電極パッドとインターポーザ６０１のリードピンとの電気接続状態が全面で均一にすることができる。

この分割チップをインターポーザで一つにまとめて接続する構成はＲＯＡＤＭシステム用のマルチキャストスイッチにおいて上りと下りのＭＣＳを１つの制御ボードと実装する場合などに有効である。

図６では一つのインターポーザ６０１がＰＬＣ６０３の２チップに重なり、かつ、接続している光スイッチモジュール６００を開示している。一方、図７ではｎ個のｎｘ１スイッチ７０２−１、７０２−２、…７０２−ｎ（ｎは自然数）とｎ個のＭｎ_XＮスイッチ７０３−１、７０３−２、…７０３−ｎ（ｎは自然数）とが光導波路を介して光接続する光スイッチモジュール７００を開示している。固定板（不図示）上に、ｎｘ１スイッチ７０２−１、７０２−２、…７０２−ｎ及びＭｎ_XＮスイッチ７０３−１、７０３−２、…７０３−ｎが形成され、ｎｘ１スイッチ７０２−１、７０２−２、…７０２−ｎ上に重なるように、インターポーザ７０１が形成されている。また、ＭｎｘＮスイッチ７０３−１、７０３−２、…７０３−ｎ上に重なるように、複数のインターポーザ７０１が形成されている。インターポーザ７０１上に制御基板が形成されている。

インターポーザ７０１が重なるＰＬＣチップの数は任意であり、またその上に被せる制御基板の分割方法も任意である。例えば、図７の点線のように、制御基板７０５ａは、Ｍｎ_XＮスイッチ７０３−１及び７０３−２に被さっていてもよいし、また、図７の一点鎖線のように、制御基板７０５ｂは、Ｍｎ_XＮスイッチ７０３−ｎに被さっていてもよいし、さらに、図７の二点鎖線のように、制御基板７０５ｃは、ｎｘ１スイッチ７０２−１、７０２−２、…７０２−ｎに被さっていてもよい。

本発明の実施例１〜３の電気実装方式の応用先は光スイッチのみに限らず、電気駆動を必要とする光モジュールへ適用することが可能である。また平面光波回路の種類も石英ＰＬＣに限らず、ＳｉＰｈ（シリコンフォトニクス）などでもよい。また小規模な光スイッチでもチップサイズを小さくすることができるので有効である。

本発明は、光通信で用いられる平面光波路型光デバイスを含む光モジュールに適用することができる。

３００マルチキャストスイッチモジュール
３０１インターポーザ
３０１ａリードピン（ヒンジ電極）
３０１ｂリードピン（ヒンジ電極）
３０２光ファイバ
３０３平面光波回路（ＰＬＣ）
３０４マッハツェンダー干渉計
３０５制御基板
３０６固定板
３０７電極パッド
３０８ねじ
３０９ガイドピン

Claims

光モジュールであって、
上面に電極パッドを有する平面光波回路と、
前記平面光波回路の駆動用の制御基板であり、前記平面光波回路の上面上に配置され、前記平面光波回路の前記上面に対向する下面に電気パッドを有する、前記制御基板と、
前記平面光波回路の前記上面と前記制御基板の前記下面との間に配置された電気仲介部品と、
を備え、
前記平面光波回路の電極パッドと前記制御基板の電極パッドとが前記電気仲介部品を介して接続されたことを特徴とする光モジュール。
前記電気仲介部品がリードピンを有することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記リードピンの部分がバネ式であることを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
前記電気仲介部品を複数用いて、前記平面光波回路と前記制御基板とが電気接続することを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項に記載の光モジュール。
前記平面光波回路、前記電気仲介部品及び前記制御基板のうち少なくとも一が複数の枚数からなることを特徴とする請求項１乃至４いずれか一項に記載の光モジュール。
前記電気仲介部品は、前記平面光波回路の複数と重なり、かつ、接続していることを特徴とする請求項１乃至４いずれか一項に記載の光モジュール。
複数の前記平面光波回路上に前記制御基板が重なり、
ねじは該平面光波回路間に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光モジュール。
前記電気仲介部品は、インターポーザであることを特徴とする請求項１乃至７いずれか一項に記載の光モジュール。