JP2020181024A

JP2020181024A - Optical transmission module

Info

Publication number: JP2020181024A
Application number: JP2019082252A
Authority: JP
Inventors: 青木　剛; Takeshi Aoki; 剛青木
Original assignee: Fujitsu Ltd; Photonics Electronics Technology Research Association
Current assignee: Fujitsu Ltd; Photonics Electronics Technology Research Association
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2020-11-05

Abstract

To achieve highly efficient optical coupling between an optical waveguide and an optical fiber.SOLUTION: An optical transmission module includes: a base board 110 with a recessed part formed on an end part; a receptacle 150 that has a thermal expansion coefficient smaller than a thermal expansion coefficient of the base board, and is placed in the recessed part formed on the base board and forms a surface flush with the base board; an optical waveguide 140 that is formed on the flush surface formed by the base board and the receptacle, and transmits an optical signal; and a ferrule 160 that is mounted on the receptacle and holds an optical fiber such that ends of the optical fiber 170 oppose ends of the optical waveguide.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光伝送モジュールに関する。 The present invention relates to an optical transmission module.

近年、例えばスーパーコンピュータやサーバを用いる大規模計算システムなどでは、ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）間、ＬＳＩとメモリ間、及びＬＳＩとストレージ間などのデータ通信において、データレートが高速化している。このため、従来の電気伝送では、伝送損失等により著しい波形劣化が発生することがあり、波形歪みを補償するための電力が増大している。そこで、電気信号を光信号に変換し、低損失で通信を行う光インターコネクトがラック間やボード間配線に導入されつつある。 In recent years, for example, in a large-scale computing system using a supercomputer or a server, the data rate has been increased in data communication between LSIs (Large Scale Integrated circuits), LSIs and memories, and LSIs and storages. Therefore, in the conventional electric transmission, remarkable waveform deterioration may occur due to transmission loss or the like, and the power for compensating for the waveform distortion is increased. Therefore, optical interconnects that convert electrical signals into optical signals and perform communication with low loss are being introduced into wiring between racks and boards.

光インターコネクトでは、基板上に搭載された光トランシーバにより電気−光信号変換が行われるのが一般的である。また、例えば基板上の比較的短距離の電気伝送では、データレートの高速化に伴い電気波形の劣化が著しくなるため、将来的に電気−光信号変換を行う光トランシーバをＬＳＩ周辺に高密度及び高集積に実装することが望まれている。 In optical interconnects, electrical-optical signal conversion is generally performed by an optical transceiver mounted on a substrate. Further, for example, in the case of relatively short-distance electrical transmission on a substrate, the deterioration of the electrical waveform becomes remarkable as the data rate increases. It is desired to implement it in high integration.

このような光回路の高密度及び高集積な実装を実現する技術として、例えばシリコンフォトニクスと呼ばれる光集積技術がある。シリコンフォトニクスでは、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）プロセスを用いて、高集積の光制御機能を有する極微小の光回路チップをシリコン基板上に製造することが可能となる。シリコンフォトニクスによって製造された光回路チップは、例えば耐熱性ポリマからなる光導波路によって、パッケージ基板の端部に設けられる光コネクタに接続される。このような構成により、例えば光回路チップから出力される光信号を光コネクタ経由でパッケージ基板の外部の光ファイバなどへ伝送することができる。光導波路と光ファイバを接続する光コネクタ部分では、光導波路及び光ファイバの端面の位置合わせが重要であるため、例えば光導波路が形成されたパッケージ基板上に位置決めのための突起を設け、光ファイバの先端を保持するコネクタを突起に嵌合させる構造などが検討されている。 As a technology for realizing such a high-density and highly integrated mounting of an optical circuit, for example, there is an optical integration technology called silicon photonics. In silicon photonics, for example, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) process can be used to manufacture a very small optical circuit chip having a highly integrated optical control function on a silicon substrate. An optical circuit chip manufactured by silicon photonics is connected to an optical connector provided at an end of a package substrate by, for example, an optical waveguide made of a heat-resistant polymer. With such a configuration, for example, an optical signal output from an optical circuit chip can be transmitted to an optical fiber outside the package substrate via an optical connector. In the optical connector portion that connects the optical waveguide and the optical fiber, it is important to align the end faces of the optical waveguide and the optical fiber. Therefore, for example, a protrusion for positioning is provided on the package substrate on which the optical waveguide is formed, and the optical fiber is provided. A structure in which a connector holding the tip of the light fiber is fitted to a protrusion is being studied.

国際公開第２０１４／０８０６９４号International Publication No. 2014/080694

しかしながら、光コネクタ部分での位置合わせには実装精度の限界があるという問題がある。具体的には、パッケージ基板に搭載される電気部品をはんだ付けするリフロープロセスでは、パッケージ基板が高温にさらされるため、パッケージ基板の反りや変形が生じる。この結果、パッケージ基板上の光導波路や位置合わせのための突起などの位置が維持されず、リフロープロセス後に光ファイバがパッケージ基板に接続される際、光導波路と光ファイバとの位置合わせが困難になる。 However, there is a problem that there is a limit to the mounting accuracy in the alignment at the optical connector portion. Specifically, in the reflow process of soldering the electric components mounted on the package substrate, the package substrate is exposed to a high temperature, so that the package substrate is warped or deformed. As a result, the positions of the optical waveguide and the protrusions for alignment on the package substrate are not maintained, and when the optical fiber is connected to the package substrate after the reflow process, the alignment between the optical waveguide and the optical fiber becomes difficult. Become.

特に、光ファイバ内部での伝搬モードの分散が小さく広帯域で、かつ、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）伝送においても有効なシングルモードのコアでは、光結合時にコア同士で１μｍ以内程度の位置ずれしか許容されず、マルチモードのコアよりも高精度の位置合わせが要求される。これに対して、上述したリフロープロセスで発生するパッケージ基板の反りや変形は、数μｍオーダーで発生する。このため、パッケージ基板端部における光コネクタにおいて、光導波路と光ファイバの位置ずれにより光結合が十分でなく、シングルモード伝送の実現が困難である。 In particular, in a single mode core in which the dispersion of the propagation mode inside the optical fiber is small, the bandwidth is wide, and it is also effective for wavelength division multiplexing (WDM) transmission, the positions of the cores within about 1 μm at the time of optical coupling Only misalignment is allowed, and higher precision alignment is required than with multimode cores. On the other hand, the warp and deformation of the package substrate generated in the above-mentioned reflow process occur on the order of several μm. Therefore, in the optical connector at the end of the package substrate, the optical coupling is not sufficient due to the misalignment between the optical waveguide and the optical fiber, and it is difficult to realize single-mode transmission.

開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、光導波路と光ファイバの間の高効率な光結合を実現することができる光伝送モジュールを提供することを目的とする。 The disclosed technique has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide an optical transmission module capable of realizing highly efficient optical coupling between an optical waveguide and an optical fiber.

本願が開示する光伝送モジュールは、１つの態様において、端部に凹部が形成された基板と、前記基板の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有し、前記基板に形成された凹部に設置されて前記基板と面一の面を形成するレセプタクルと、前記基板及び前記レセプタクルが形成する前記面一の面に形成され、光信号を伝送する光導波路と、前記レセプタクルに搭載され、光ファイバの端部が前記光導波路の端部に対向するように前記光ファイバを保持するフェルールとを有する。 In one embodiment, the optical transmission module disclosed in the present application has a substrate having a recess formed at an end and a thermal expansion coefficient smaller than the thermal expansion coefficient of the substrate, and is installed in the recess formed in the substrate. A receptacle formed on a flush surface with the substrate, an optical waveguide formed on the flush surface formed by the substrate and the receptacle, and transmitting an optical signal, and an optical fiber mounted on the receptacle and formed on the optical fiber. It has a ferrule that holds the optical fiber so that its end faces the end of the optical waveguide.

本願が開示する光伝送モジュールの１つの態様によれば、光導波路と光ファイバの間の高効率な光結合を実現することができるという効果を奏する。 According to one aspect of the optical transmission module disclosed in the present application, there is an effect that highly efficient optical coupling between the optical waveguide and the optical fiber can be realized.

図１は、一実施の形態に係る光伝送モジュールの構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical transmission module according to an embodiment. 図２は、一実施の形態に係る光接続部の構成を示す三面図である。FIG. 2 is a three-view view showing the configuration of the optical connection portion according to the embodiment. 図３は、ファイバ案内部の構成例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of the fiber guide unit. 図４は、一実施の形態に係るフェルールの構成を示す四面図である。FIG. 4 is a four-view view showing the configuration of the ferrule according to the embodiment. 図５は、フェルールに光ファイバを接続した状態を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a state in which an optical fiber is connected to the ferrule. 図６は、一実施の形態に係る光ファイバ接続方法を示すフロー図である。FIG. 6 is a flow chart showing an optical fiber connection method according to an embodiment. 図７は、導波路形成を説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating the waveguide formation. 図８は、フェルール実装を説明する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a ferrule implementation. 図９は、フェルール接着を説明する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating ferrule bonding. 図１０は、透明樹脂塗布を説明する図である。FIG. 10 is a diagram illustrating the coating of the transparent resin. 図１１は、一実施の形態に係る変形例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a modified example according to the embodiment.

以下、本願が開示する光伝送モジュールの一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, an embodiment of the optical transmission module disclosed in the present application will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to this embodiment.

図１は、一実施の形態に係る光伝送モジュールの構成を示す図である。図１に示す光伝送モジュールは、パッケージ基板１１０、ＬＳＩ１２０、光電気変換デバイス１３０、光導波路１４０、レセプタクル１５０、フェルール１６０、テープファイバ１７０及び外部接続フェルール１８０を有する。図１においては、要部構成のみを示して周辺の構成の図示を省略しているが、光伝送モジュールは、信号処理装置の一部を構成するモジュールであり、当該信号処理装置は他の電気部品を有していても良い。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical transmission module according to an embodiment. The optical transmission module shown in FIG. 1 includes a package substrate 110, an LSI 120, an optical electrical conversion device 130, an optical waveguide 140, a receptacle 150, a ferrule 160, a tape fiber 170, and an externally connected ferrule 180. In FIG. 1, only the main part configuration is shown and the peripheral configuration is omitted, but the optical transmission module is a module that constitutes a part of the signal processing device, and the signal processing device is another electric unit. It may have parts.

パッケージ基板１１０は、例えばガラスエポキシ系樹脂などを材料とする基板である。パッケージ基板１１０には、種々の電気部品及び光部品が搭載される。また、パッケージ基板１１０には、光導波路１４０が形成される。パッケージ基板１１０の一端には、レセプタクル１５０を設置するための凹部（リセス）が設けられる。 The package substrate 110 is a substrate made of, for example, a glass epoxy resin. Various electric components and optical components are mounted on the package substrate 110. Further, an optical waveguide 140 is formed on the package substrate 110. A recess (recess) for installing the receptacle 150 is provided at one end of the package substrate 110.

ＬＳＩ１２０は、種々の処理を実行する集積回路である。ＬＳＩ１２０による処理は、電気信号によって実行される。したがって、ＬＳＩ１２０は、電気信号を光電気変換デバイス１３０へ出力し、光電気変換デバイス１３０から出力される電気信号を受信する。 The LSI 120 is an integrated circuit that executes various processes. The processing by the LSI 120 is executed by an electric signal. Therefore, the LSI 120 outputs an electric signal to the optical-electric conversion device 130, and receives the electric signal output from the optical-electric conversion device 130.

光電気変換デバイス１３０は、ＬＳＩ１２０から出力される電気信号を光信号に変換し、光導波路１４０へ出力する。また、光電気変換デバイス１３０は、光導波路１４０から入力される光信号を電気信号に変換し、ＬＳＩ１２０へ出力する。光電気変換デバイス１３０は、例えばシリコンフォトニクスによって製造された光回路チップである。 The optical-electric conversion device 130 converts the electric signal output from the LSI 120 into an optical signal and outputs it to the optical waveguide 140. Further, the optical electrical conversion device 130 converts the optical signal input from the optical waveguide 140 into an electric signal and outputs it to the LSI 120. The photoelectric conversion device 130 is, for example, an optical circuit chip manufactured by silicon photonics.

光導波路１４０は、パッケージ基板１１０及びレセプタクル１５０の上面に形成される光導波路であり、光信号を伝送する。光導波路１４０は、例えば直描露光装置を用いて、感光性樹脂を所望の導波路パターンの形状に露光することにより形成される。このとき、後述するように、レセプタクル１５０の上面に形成されたアライメントマークを基準として導波路パターンが形成される。 The optical waveguide 140 is an optical waveguide formed on the upper surfaces of the package substrate 110 and the receptacle 150, and transmits an optical signal. The optical waveguide 140 is formed by exposing a photosensitive resin to a desired waveguide pattern shape using, for example, a direct drawing exposure apparatus. At this time, as will be described later, a waveguide pattern is formed with reference to the alignment mark formed on the upper surface of the receptacle 150.

レセプタクル１５０は、パッケージ基板１１０の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有し、剛性が高い例えばシリコンなどの材料から形成され、パッケージ基板１１０の端部に設けられた凹部に埋め込まれる。そして、レセプタクル１５０の上面とパッケージ基板１１０の上面とが面一になっている。光導波路１４０は、パッケージ基板１１０とレセプタクル１５０の面一となった上面に形成される。また、レセプタクル１５０は、中央にフェルール１６０を固定するための凹部を有するとともに、光導波路１４０を形成する際の基準となるアライメントマークを有する。レセプタクル１５０の形状については、後に詳述する。 The receptacle 150 has a coefficient of thermal expansion smaller than the coefficient of thermal expansion of the package substrate 110, is formed of a highly rigid material such as silicon, and is embedded in a recess provided at an end portion of the package substrate 110. The upper surface of the receptacle 150 and the upper surface of the package substrate 110 are flush with each other. The optical waveguide 140 is formed on an upper surface that is flush with the package substrate 110 and the receptacle 150. Further, the receptacle 150 has a recess for fixing the ferrule 160 in the center, and also has an alignment mark as a reference when forming the optical waveguide 140. The shape of the receptacle 150 will be described in detail later.

フェルール１６０は、複数の光ファイバの一端を保持し、レセプタクル１５０に固定されることにより、保持した光ファイバの端面と光導波路１４０の端面とを対向させる。すなわち、フェルール１６０は、テープファイバ１７０を構成する複数の光ファイバそれぞれの端面を適切な位置に保持し、レセプタクル１５０の上面に形成された光導波路１４０それぞれの端面に対向させる。フェルール１６０の形状については、後に詳述する。 The ferrule 160 holds one end of a plurality of optical fibers and is fixed to the receptacle 150 so that the end face of the held optical fiber and the end face of the optical waveguide 140 face each other. That is, the ferrule 160 holds the end faces of the plurality of optical fibers constituting the tape fiber 170 at appropriate positions and faces the end faces of the optical waveguides 140 formed on the upper surface of the receptacle 150. The shape of the ferrule 160 will be described in detail later.

テープファイバ１７０は、複数の光ファイバを平行に並べてテープ状にしたものであり、一端がフェルール１６０によって保持され、他端が外部接続フェルール１８０によって保持される。テープファイバ１７０を構成する各光ファイバは、対応する光導波路１４０と光結合し、光信号を伝送する。 The tape fiber 170 is formed by arranging a plurality of optical fibers in parallel to form a tape, one end of which is held by a ferrule 160 and the other end of which is held by an externally connected ferrule 180. Each optical fiber constituting the tape fiber 170 is optically coupled to the corresponding optical waveguide 140 to transmit an optical signal.

外部接続フェルール１８０は、テープファイバ１７０の一端を保持し、他の基板に搭載されたレセプタクルなどに接続する。外部接続フェルール１８０の他の基板への着脱には、例えばＭＴ（Mechanically Transferable）コネクタ又はＭＰＯ（Multifiber Push On）コネクタなどが使用されても良い。 The external connection ferrule 180 holds one end of the tape fiber 170 and connects to a receptacle or the like mounted on another substrate. For example, an MT (Mechanically Transferable) connector or an MPO (Multifiber Push On) connector may be used for attaching / detaching the external connection ferrule 180 to / from another substrate.

図２は、光伝送モジュールの光接続部を拡大して示す三面図である。すなわち、図２は、レセプタクル１５０の周辺の平面図、側方断面図及び正面図を示す。なお、図２に示す側方断面図は、平面図のＡ−Ａ’線における断面を示す。以下の図面においても同様に、側方断面図は、平面図のＡ−Ａ’線における断面を示す。 FIG. 2 is a three-view view showing an enlarged optical connection portion of the optical transmission module. That is, FIG. 2 shows a plan view, a side sectional view, and a front view of the periphery of the receptacle 150. The side sectional view shown in FIG. 2 shows a sectional view taken along the line AA'in the plan view. Similarly in the following drawings, the side sectional view shows a sectional view taken along the line AA'in the plan view.

図２に示すように、レセプタクル１５０は、パッケージ基板１１０の端部に形成された凹部に埋め込まれ、固定樹脂２０１によって固定されている。固定樹脂２０１としては、例えば耐熱性のあるエポキシ系樹脂又はポリイミド系樹脂などを用いることができる。パッケージ基板１１０の凹部に埋め込まれて固定されたレセプタクル１５０の上面の高さは、パッケージ基板１１０の上面の高さと等しい。すなわち、パッケージ基板１１０の上面とレセプタクル１５０の上面とは面一になっている。そして、レセプタクル１５０の中央からパッケージ基板１１０の端部側には、フェルール１６０を固定するための凹部１５１が形成されている。凹部１５１の底面には、光ファイバを案内するためのファイバ案内部１５２が形成される。ファイバ案内部１５２には、それぞれ光ファイバを案内する複数の案内溝が形成される。 As shown in FIG. 2, the receptacle 150 is embedded in a recess formed at the end of the package substrate 110 and fixed by the fixing resin 201. As the fixing resin 201, for example, a heat-resistant epoxy resin or a polyimide resin can be used. The height of the upper surface of the receptacle 150 embedded and fixed in the recess of the package substrate 110 is equal to the height of the upper surface of the package substrate 110. That is, the upper surface of the package substrate 110 and the upper surface of the receptacle 150 are flush with each other. A recess 151 for fixing the ferrule 160 is formed from the center of the receptacle 150 to the end side of the package substrate 110. A fiber guide portion 152 for guiding an optical fiber is formed on the bottom surface of the recess 151. A plurality of guide grooves for guiding the optical fiber are formed in each of the fiber guide portions 152.

具体的には、例えば図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ファイバ案内部１５２には複数の∨字溝１５２ａが形成され、∨字溝１５２ａが光ファイバ１７１の位置を規定する。すなわち、∨字溝１５２ａが形成される位置において光ファイバ１７１が延伸することになるとともに、∨字溝１５２ａの深さ及び幅と光ファイバ１７１の直径とによって、光ファイバ１７１のパッケージ基板１１０上での高さが規定される。光ファイバ１７１のパッケージ基板１１０上での高さは、光ファイバ１７１のコアの高さと光導波路１４０のコアの高さとが一致するように設定される。 Specifically, for example, as shown in FIGS. 3A and 3B, a plurality of ∨-shaped grooves 152a are formed in the fiber guide portion 152, and the ∨-shaped grooves 152a define the position of the optical fiber 171. That is, the optical fiber 171 is stretched at the position where the ∨-shaped groove 152a is formed, and the depth and width of the ∨-shaped groove 152a and the diameter of the optical fiber 171 are determined on the package substrate 110 of the optical fiber 171. The height of is specified. The height of the optical fiber 171 on the package substrate 110 is set so that the height of the core of the optical fiber 171 and the height of the core of the optical waveguide 140 match.

また、例えば図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、ファイバ案内部１５２に複数の矩形溝１５２ｂが形成されても良く、この場合には、矩形溝１５２ｂが光ファイバ１７１の位置を規定する。矩形溝１５２ｂも∨字溝１５２ａと同様に、光ファイバ１７１が延伸する位置及び光ファイバ１７１のパッケージ基板１１０上での高さを規定する。これらの∨字溝１５２ａ及び矩形溝１５２ｂは、例えば異方性ウェットエッチング又はドライエッチングなどにより形成される。 Further, for example, as shown in FIGS. 3C and 3D, a plurality of rectangular grooves 152b may be formed in the fiber guide portion 152, and in this case, the rectangular groove 152b defines the position of the optical fiber 171. To do. Similar to the ∨-shaped groove 152a, the rectangular groove 152b also defines the position where the optical fiber 171 extends and the height of the optical fiber 171 on the package substrate 110. These ∨-shaped grooves 152a and rectangular grooves 152b are formed by, for example, anisotropic wet etching or dry etching.

図２に戻って、レセプタクル１５０のパッケージ基板１１０の上面と面一な上面には、一対のアライメントマーク１５３が形成される。レセプタクル１５０が例えばシリコンなどの熱膨張係数が小さく、かつ剛性が高い材料から形成されるため、たとえ高温にさらされてもレセプタクル１５０が変形することがなく、ファイバ案内部１５２とアライメントマーク１５３の位置関係は変化しない。このため、アライメントマーク１５３の位置を基準としてレセプタクル１５０の上面に光導波路１４０を形成すれば、光導波路１４０とファイバ案内部１５２によって案内される光ファイバとを高精度に位置合わせすることができる。 Returning to FIG. 2, a pair of alignment marks 153 are formed on the upper surface flush with the upper surface of the package substrate 110 of the receptacle 150. Since the receptacle 150 is formed of a material having a small coefficient of thermal expansion and high rigidity such as silicon, the receptacle 150 is not deformed even when exposed to a high temperature, and the positions of the fiber guide portion 152 and the alignment mark 153 are not deformed. The relationship does not change. Therefore, if the optical waveguide 140 is formed on the upper surface of the receptacle 150 with reference to the position of the alignment mark 153, the optical waveguide 140 and the optical fiber guided by the fiber guide portion 152 can be aligned with high accuracy.

レセプタクル１５０の凹部１５１、ファイバ案内部１５２及びアライメントマーク１５３は、例えば高精度ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスによって形成することができる。 The recess 151 of the receptacle 150, the fiber guide 152 and the alignment mark 153 can be formed, for example, by a high precision MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) process.

図４は、一実施の形態に係るフェルール１６０の構成を示す四面図である。すなわち、図４は、フェルール１６０の上面図、側面図、下面図及び正面図を示す。 FIG. 4 is a four-view view showing the configuration of the ferrule 160 according to the embodiment. That is, FIG. 4 shows a top view, a side view, a bottom view, and a front view of the ferrule 160.

フェルール１６０の上面には、テープファイバ１７０をフェルール１６０に接着するための接着固定窓１６１が設けられている。また、フェルール１６０の下面には、レセプタクル１５０のファイバ案内部１５２に当接して、光ファイバの延伸方向におけるフェルール１６０の位置決めをする凸部１６２が形成されている。テープファイバ１７０を接着固定窓１６１から挿入すると、テープファイバ１７０を構成する光ファイバ各々は、フェルール１６０の内部を貫通する貫通孔１６３を挿通し、凸部１６２が無い部分の下面に突出する。凸部が無い部分の下面には、フェルール１６０がレセプタクル１５０に搭載される際に、対向するレセプタクル１５０のファイバ案内部１５２との間で光ファイバを挟持するファイバ案内溝１６４が形成されている。 An adhesive fixing window 161 for adhering the tape fiber 170 to the ferrule 160 is provided on the upper surface of the ferrule 160. Further, on the lower surface of the ferrule 160, a convex portion 162 is formed which abuts on the fiber guide portion 152 of the receptacle 150 and positions the ferrule 160 in the stretching direction of the optical fiber. When the tape fiber 170 is inserted through the adhesive fixing window 161, each of the optical fibers constituting the tape fiber 170 inserts a through hole 163 penetrating the inside of the ferrule 160 and projects to the lower surface of the portion without the convex portion 162. When the ferrule 160 is mounted on the receptacle 150, a fiber guide groove 164 for sandwiching the optical fiber with the fiber guide portion 152 of the opposing receptacle 150 is formed on the lower surface of the portion having no convex portion.

フェルール１６０は、例えばフィラー入りＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ＰＣ（ポリカーボネート）樹脂、又はＰＯＭ（ポリアセタール）などの材料を射出成形して製造される。フェルール１６０の材料としては、射出成形可能な他の樹脂などでも良いが、光伝送モジュールが稼働する環境に耐えられる耐熱性及び耐湿度性を有することが好ましい。 The ferrule 160 is manufactured by injection molding a material such as PPS (polyphenylene sulfide) resin containing a filler, PC (polycarbonate) resin, or POM (polyacetal). The material of the ferrule 160 may be another resin that can be injection-molded, but it is preferable that the ferrule 160 has heat resistance and humidity resistance that can withstand the environment in which the optical transmission module operates.

図５は、フェルール１６０にテープファイバ１７０を接続した状態を示す図である。図５に示すように、テープファイバ１７０は接着固定窓１６１からフェルール１６０の内部に挿入され、各光ファイバの先端は、フェルール１６０の先端から突出する。光ファイバの先端の突出量は、例えば１００μｍ程度である。この状態で、テープファイバ１７０を構成する各光ファイバは、接着固定窓１６１においてフェルール１６０に接着される。 FIG. 5 is a diagram showing a state in which the tape fiber 170 is connected to the ferrule 160. As shown in FIG. 5, the tape fiber 170 is inserted into the ferrule 160 through the adhesive fixing window 161, and the tip of each optical fiber projects from the tip of the ferrule 160. The amount of protrusion at the tip of the optical fiber is, for example, about 100 μm. In this state, each optical fiber constituting the tape fiber 170 is adhered to the ferrule 160 in the adhesive fixing window 161.

次いで、上記のように構成された光伝送モジュールにおける光ファイバの接続方法について、図６に示すフロー図を参照しながら説明する。 Next, a method of connecting the optical fiber in the optical transmission module configured as described above will be described with reference to the flow chart shown in FIG.

パッケージ基板１１０の端部に例えば機械加工により凹部が形成され、この凹部にレセプタクル１５０が固定樹脂２０１によって固定される（ステップＳ１０１）。すなわち、パッケージ基板１１０の凹部にレセプタクル１５０が埋め込まれて固定される。このとき、例えば平滑面を有する部材をパッケージ基板１１０及びレセプタクル１５０の上面から当接させて作業することにより、パッケージ基板１１０及びレセプタクル１５０の上面と固定樹脂２０１が面一になるようにレセプタクル１５０が固定される。 A recess is formed at the end of the package substrate 110 by, for example, machining, and the receptacle 150 is fixed to the recess by the fixing resin 201 (step S101). That is, the receptacle 150 is embedded and fixed in the recess of the package substrate 110. At this time, for example, by abutting a member having a smooth surface from the upper surfaces of the package substrate 110 and the receptacle 150, the receptacle 150 can be flush with the upper surface of the package substrate 110 and the receptacle 150 and the fixing resin 201. It is fixed.

なお、レセプタクル１５０がパッケージ基板１１０に固定される前後には、例えばＬＳＩ１２０などの電気部品がパッケージ基板１１０に搭載され、シリコンフォトニクスによって製造された光電気変換デバイス１３０などがパッケージ基板１１０に実装される。 Before and after the receptacle 150 is fixed to the package substrate 110, for example, an electric component such as an LSI 120 is mounted on the package substrate 110, and an optical electric conversion device 130 manufactured by silicon photonics is mounted on the package substrate 110. ..

そして、光電気変換デバイス１３０からレセプタクル１５０の凹部１５１まで延伸する光導波路１４０が形成される（ステップＳ１０２）。すなわち、例えば図７に示すように、レセプタクル１５０のアライメントマーク１５３を基準とした導波路パターンが形成されることにより、パッケージ基板１１０、固定樹脂２０１及びレセプタクル１５０の上面に光導波路１４０が形成される。上述したように、パッケージ基板１１０、固定樹脂２０１及びレセプタクル１５０の上面が面一になっているため、異なる部材に跨って光導波路１４０を形成することができる。 Then, an optical waveguide 140 extending from the photoelectric conversion device 130 to the recess 151 of the receptacle 150 is formed (step S102). That is, for example, as shown in FIG. 7, the optical waveguide 140 is formed on the upper surfaces of the package substrate 110, the fixing resin 201, and the receptacle 150 by forming the waveguide pattern with reference to the alignment mark 153 of the receptacle 150. .. As described above, since the upper surfaces of the package substrate 110, the fixing resin 201, and the receptacle 150 are flush with each other, the optical waveguide 140 can be formed across different members.

光導波路１４０の各々の導波路は、レセプタクル１５０の凹部１５１の周縁まで延伸している。そして、各々の導波路の終端は、ファイバ案内部１５２に形成された案内溝に対応する位置にある。ここで、各々の導波路の終端の端面を例えばダイシングブレードによって切削することにより、導波路の端面がパッケージ基板１１０の上面に対して垂直になるようにしても良い。こうすることにより、光導波路１４０の端面における入出射光の角度を適切に調整し、光損失の発生を回避することができる。 Each waveguide of the optical waveguide 140 extends to the periphery of the recess 151 of the receptacle 150. The end of each waveguide is at a position corresponding to the guide groove formed in the fiber guide portion 152. Here, the end face of the end of each waveguide may be cut by, for example, a dicing blade so that the end face of the waveguide is perpendicular to the upper surface of the package substrate 110. By doing so, the angle of the incoming / outgoing light on the end face of the optical waveguide 140 can be appropriately adjusted, and the occurrence of light loss can be avoided.

光導波路１４０が形成された後には、リフロープロセスによって電気部品がパッケージ基板１１０に接続される（ステップＳ１０３）。リフロープロセスの際には、パッケージ基板１１０全体がリフロー材料のガラス転移温度付近の高温にさらされる。このため、パッケージ基板１１０の変形などが発生するが、レセプタクル１５０は、パッケージ基板１１０の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有し剛性が高いため、リフロープロセスによる変形を微小に留めることができる。結果として、レセプタクル１５０の上面に形成された光導波路１４０の終端とファイバ案内部１５２の案内溝との位置関係は、リフロープロセスの前後で変化しない。 After the optical waveguide 140 is formed, the electrical components are connected to the package substrate 110 by the reflow process (step S103). During the reflow process, the entire package substrate 110 is exposed to a high temperature near the glass transition temperature of the reflow material. For this reason, the package substrate 110 is deformed, but the receptacle 150 has a coefficient of thermal expansion smaller than the coefficient of thermal expansion of the package substrate 110 and has high rigidity, so that the deformation due to the reflow process can be kept to a minimum. .. As a result, the positional relationship between the end of the optical waveguide 140 formed on the upper surface of the receptacle 150 and the guide groove of the fiber guide portion 152 does not change before and after the reflow process.

リフロープロセスが完了すると、テープファイバ１７０を保持したフェルール１６０がレセプタクル１５０に実装される（ステップＳ１０４）。テープファイバ１７０を構成する光ファイバは、リフロープロセスにおける高温に対する耐性が無いため、テープファイバ１７０を保持するフェルール１６０の実装は、リフロープロセスの後に行われる。 When the reflow process is complete, the ferrule 160 holding the tape fiber 170 is mounted on the receptacle 150 (step S104). Since the optical fibers constituting the tape fiber 170 are not resistant to high temperatures in the reflow process, the ferrule 160 holding the tape fiber 170 is mounted after the reflow process.

具体的には、例えば図８に示すように、テープファイバ１７０を構成する光ファイバ１７１の先端１７１ａがフェルール１６０の先端から突出した状態で、フェルール１６０がパッケージ基板１１０の端部側からレセプタクル１５０の凹部１５１へ挿入される。そして、フェルール１６０を光ファイバ１７１の延伸方向に移動させると、フェルール１６０の下面に形成された凸部１６２がレセプタクル１５０のファイバ案内部１５２に当接し、フェルール１６０の位置が決定される。 Specifically, for example, as shown in FIG. 8, with the tip 171a of the optical fiber 171 constituting the tape fiber 170 protruding from the tip of the ferrule 160, the ferrule 160 is placed on the receptacle 150 from the end side of the package substrate 110. It is inserted into the recess 151. Then, when the ferrule 160 is moved in the extending direction of the optical fiber 171, the convex portion 162 formed on the lower surface of the ferrule 160 comes into contact with the fiber guide portion 152 of the receptacle 150, and the position of the ferrule 160 is determined.

フェルール１６０の位置が決定された状態では、フェルール１６０の下面のファイバ案内溝１６４とレセプタクル１５０のファイバ案内部１５２に形成された案内溝とによって各々の光ファイバ１７１が挟持され、光ファイバ１７１の位置が固定される。また、位置が固定された光ファイバ１７１の先端１７１ａは、フェルール１６０の先端から突出する。このとき、光ファイバ１７１の位置がレセプタクル１５０及びフェルール１６０によって固定されることにより、パッケージ基板１１０上の高さ方向及び光ファイバ１７１の延伸方向に垂直なフェルール１６０の幅方向に関しては、先端１７１ａの位置と光導波路１４０の終端の位置とが一致する。すなわち、光ファイバ１７１の先端１７１ａと光導波路１４０の終端とが位置ずれすることなく、光ファイバ１７１及び光導波路１４０の端面が互いに対向する。結果として、光導波路１４０と光ファイバ１７１の間の高効率な光結合を実現することができ、例えばシングルモード伝送が可能となる。 In the state where the position of the ferrule 160 is determined, each optical fiber 171 is sandwiched between the fiber guide groove 164 on the lower surface of the ferrule 160 and the guide groove formed in the fiber guide portion 152 of the receptacle 150, and the position of the optical fiber 171 is determined. Is fixed. Further, the tip 171a of the optical fiber 171 whose position is fixed protrudes from the tip of the ferrule 160. At this time, since the position of the optical fiber 171 is fixed by the receptacle 150 and the ferrule 160, the tip 171a has a width direction of the ferrule 160 perpendicular to the height direction on the package substrate 110 and the extension direction of the optical fiber 171. The position coincides with the position of the end of the optical waveguide 140. That is, the end faces of the optical fiber 171 and the optical waveguide 140 face each other without the tip 171a of the optical fiber 171 and the end of the optical waveguide 140 being misaligned. As a result, highly efficient optical coupling between the optical waveguide 140 and the optical fiber 171 can be realized, and for example, single mode transmission becomes possible.

このように光導波路１４０と光ファイバ１７１の間の高効率な光結合が可能となるのは、リフロープロセスを経ても、光導波路１４０の終端とファイバ案内部１５２の案内溝との位置関係が変化しないためである。すなわち、光導波路１４０の終端とファイバ案内部１５２の案内溝との位置に誤差が発生しないため、ファイバ案内部１５２の案内溝によって案内される光ファイバ１７１の先端１７１ａと光導波路１４０の終端とを高精度に位置合わせすることができる。 In this way, high-efficiency optical coupling between the optical waveguide 140 and the optical fiber 171 is possible because the positional relationship between the end of the optical waveguide 140 and the guide groove of the fiber guide portion 152 changes even after the reflow process. This is because it does not. That is, since no error occurs in the position between the end of the optical waveguide 140 and the guide groove of the fiber guide portion 152, the tip 171a of the optical fiber 171 guided by the guide groove of the fiber guide portion 152 and the end of the optical waveguide 140 are connected. It can be aligned with high accuracy.

一方、光ファイバ１７１の先端１７１ａの端面と光導波路１４０の終端の端面とは接触することなく離間している。このように、光ファイバ１７１と光導波路１４０の端面が離間するように位置決めされることにより、互いに接触による傷の発生等を回避することができる。 On the other hand, the end face of the tip 171a of the optical fiber 171 and the end face of the end of the optical waveguide 140 are separated from each other without contact. By positioning the end faces of the optical fiber 171 and the optical waveguide 140 so as to be separated from each other in this way, it is possible to avoid the occurrence of scratches due to contact with each other.

フェルール１６０の位置が決定されると、フェルール１６０は、例えば紫外線硬化樹脂又は熱硬化樹脂などからなる接着剤によりレセプタクル１５０に接着される（ステップＳ１０５）。具体的には、図９に示すように、フェルール１６０の幅方向の側方にフィレット２０２が形成されるようにフェルール１６０が接着される。すなわち、光ファイバ１７１の延伸方向であるフェルール１６０の前後方向の端部においてフェルール１６０が接着されるのではなく、フェルール１６０の幅方向の端部においてフェルール１６０が接着される。このため、光ファイバ１７１の先端１７１ａ及び光導波路１４０の終端に接着剤が付着することがない。なお、接着剤としては、例えばエポキシ系の接着剤などを用いることができる。 Once the position of the ferrule 160 is determined, the ferrule 160 is adhered to the receptacle 150 with an adhesive made of, for example, an ultraviolet curable resin or a thermosetting resin (step S105). Specifically, as shown in FIG. 9, the ferrule 160 is adhered so that the fillet 202 is formed on the lateral side of the ferrule 160 in the width direction. That is, the ferrule 160 is not adhered at the end portion in the front-rear direction of the ferrule 160, which is the extending direction of the optical fiber 171, but is adhered at the end portion in the width direction of the ferrule 160. Therefore, the adhesive does not adhere to the tip 171a of the optical fiber 171 and the end of the optical waveguide 140. As the adhesive, for example, an epoxy-based adhesive or the like can be used.

そして、離間する光ファイバ１７１の先端１７１ａと光導波路１４０の終端とを含む部分に透明樹脂が塗布される（ステップＳ１０６）。すなわち、例えば図１０に示すように、光ファイバ１７１の先端１７１ａと光導波路１４０の終端とを含む部分全体に、例えばフッ素化ポリイミドなどの透明樹脂２０３が塗布される。透明樹脂２０３としては、光ファイバ１７１及び光導波路１４０のコアの材料の屈折率に近い屈折率を有する樹脂が用いられる。したがって、例えば上記のフッ素化ポリイミドなど、赤外波長帯域で透明なフッ素化されたポリマが望ましいが、光ファイバ１７１の先端１７１ａと光導波路１４０の終端との離間距離が十分に小さければ、アクリル系の樹脂を使用しても良い。 Then, a transparent resin is applied to a portion including the tip 171a of the optical fiber 171 to be separated and the end of the optical waveguide 140 (step S106). That is, for example, as shown in FIG. 10, a transparent resin 203 such as fluorinated polyimide is applied to the entire portion including the tip 171a of the optical fiber 171 and the end of the optical waveguide 140. As the transparent resin 203, a resin having a refractive index close to that of the material of the core of the optical fiber 171 and the optical waveguide 140 is used. Therefore, a transparent fluorinated polymer in the infrared wavelength band such as the above-mentioned fluorinated polyimide is desirable, but if the separation distance between the tip 171a of the optical fiber 171 and the end of the optical waveguide 140 is sufficiently small, it is acrylic. Resin may be used.

透明樹脂２０３が塗布されることにより、透明樹脂２０３は、レセプタクル１５０のファイバ案内部１５２よりも光導波路１４０側にも充填され、光ファイバ１７１の先端１７１ａ及び光導波路１４０の終端の位置を確実に固定することができる。また、光ファイバ１７１と光導波路１４０の端面の間に透明樹脂２０３が充填されるため、端面の間に空気が存在する場合の反射によるフレネル損失や戻り光を低減することができる。 By applying the transparent resin 203, the transparent resin 203 is also filled on the optical waveguide 140 side of the fiber guide portion 152 of the receptacle 150, and the positions of the tip 171a of the optical fiber 171 and the end of the optical waveguide 140 are ensured. Can be fixed. Further, since the transparent resin 203 is filled between the end faces of the optical fiber 171 and the optical waveguide 140, it is possible to reduce Fresnel loss and return light due to reflection when air is present between the end faces.

以上のように、本実施の形態によれば、パッケージ基板の凹部に熱膨張係数が小さいレセプタクルを埋め込み、パッケージ基板及びレセプタクルの面一になった上面に光導波路を形成するとともに、光ファイバを保持するフェルールをレセプタクル中央の凹部に実装する。このため、例えばリフロープロセスなどによりパッケージ基板が高温処理されてもレセプタクルが変形することはなく、レセプタクルに形成された光導波路とリフロープロセス後にレセプタクルに実装されるフェルールとを高精度に位置合わせすることができる。この結果、フェルールに保持された光ファイバと光導波路の位置ずれを低減することができ、光導波路と光ファイバの間の高効率な光結合を実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, a receptacle having a small coefficient of thermal expansion is embedded in a recess of the package substrate, an optical waveguide is formed on the flush surface of the package substrate and the receptacle, and an optical fiber is held. The ferrule to be used is mounted in the recess in the center of the receptacle. Therefore, the receptacle is not deformed even if the package substrate is subjected to high temperature treatment by, for example, a reflow process, and the optical waveguide formed on the receptacle and the ferrule mounted on the receptacle after the reflow process are aligned with high accuracy. Can be done. As a result, the misalignment between the optical fiber and the optical waveguide held by the ferrule can be reduced, and highly efficient optical coupling between the optical waveguide and the optical fiber can be realized.

なお、上記一実施の形態においては、レセプタクル１５０にフェルール１６０が直接搭載されるものとしたが、レセプタクル１５０とフェルール１６０の間に弾性樹脂を配置して、各部材の寸法公差を吸収しても良い。具体的には、例えば図１１（ａ）に示すように、フェルール１６０の凸部１６２の側方に弾性樹脂２０４を配置し、レセプタクル１５０の上面との間に介在させても良い。同様に、例えば図１１（ｂ）に示すように、レセプタクル１５０の凹部１５１の底面に弾性樹脂２０５を配置し、フェルール１６０の凸部１６２との間に介在させても良い。このようにレセプタクル１５０とフェルール１６０の間に弾性樹脂を介在させることにより、レセプタクル１５０とフェルール１６０が直接接触して破損することなどを防止することができる。弾性樹脂２０４、２０５は、例えばシリコーン系樹脂のように、柔軟かつ使用環境温度での硬化及び軟化が発生しない材料からなる。 In the above embodiment, the ferrule 160 is directly mounted on the receptacle 150, but even if an elastic resin is arranged between the receptacle 150 and the ferrule 160 to absorb the dimensional tolerance of each member. good. Specifically, for example, as shown in FIG. 11A, the elastic resin 204 may be arranged on the side of the convex portion 162 of the ferrule 160 and may be interposed between the elastic resin 204 and the upper surface of the receptacle 150. Similarly, for example, as shown in FIG. 11B, the elastic resin 205 may be arranged on the bottom surface of the concave portion 151 of the receptacle 150 and may be interposed between the convex portion 162 of the ferrule 160. By interposing the elastic resin between the receptacle 150 and the ferrule 160 in this way, it is possible to prevent the receptacle 150 and the ferrule 160 from being directly contacted and damaged. The elastic resins 204 and 205 are made of a material that is flexible and does not undergo curing and softening at the operating environment temperature, such as silicone-based resins.

１１０パッケージ基板
１２０ＬＳＩ
１３０光電気変換デバイス
１４０光導波路
１５０レセプタクル
１５１凹部
１５２ファイバ案内部
１５２ａ ∨字溝
１５２ｂ矩形溝
１５３アライメントマーク
１６０フェルール
１６１接着固定窓
１６２凸部
１６３貫通孔
１６４ファイバ案内溝
１７０テープファイバ
１８０外部接続フェルール
２０１固定樹脂
２０２フィレット
２０３透明樹脂
２０４、２０５弾性樹脂 110 Package board 120 LSI
130 Photoelectric conversion device 140 Optical waveguide 150 Receptacle 151 Recessed 152 Fiber guide 152a ∨ groove 152b Rectangular groove 153 Alignment mark 160 Ferrule 161 Adhesive fixed window 162 Convex 163 Through hole 164 Fiber guide groove 170 Tape fiber 180 External connection ferrule 201 Fixed resin 202 Fillet 203 Transparent resin 204, 205 Elastic resin

Claims

A substrate with recesses formed at the ends and
A receptacle having a coefficient of thermal expansion smaller than the coefficient of thermal expansion of the substrate and being installed in a recess formed in the substrate to form a flush surface with the substrate.
An optical waveguide formed on the flush surface formed by the substrate and the receptacle and transmitting an optical signal.
An optical transmission module mounted on the receptacle and having a ferrule that holds the optical fiber so that the end of the optical fiber faces the end of the optical waveguide.

The receptacle is
The recess on which the ferrule is mounted and
The optical transmission module according to claim 1, further comprising a fiber guide portion formed in the recess and provided with a first groove for guiding the optical fiber.

The receptacle is
The optical transmission module according to claim 1, wherein the surface forming the flush surface has a mark as a reference for a position where the optical waveguide is formed.

The ferrule is
A second groove for guiding the optical fiber is provided on the surface facing the receptacle.
The optical fiber is
The optical transmission module according to claim 2, wherein the optical transmission module is sandwiched between the first groove and the second groove.

The optical transmission module according to claim 1, further comprising a transparent resin arranged at a portion including an end portion of the optical waveguide and an end portion of the optical fiber.

The optical transmission module according to claim 1, further comprising an elastic resin arranged between the receptacle and the ferrule.

A substrate with recesses formed at the ends and
Electrical components that are mounted on the board and perform processing of electrical signals,
An opto-electric conversion component that mutually converts an electric signal and an optical signal processed by the electric component,
A receptacle having a coefficient of thermal expansion smaller than the coefficient of thermal expansion of the substrate and being installed in a recess formed in the substrate to form a flush surface with the substrate.
An optical waveguide extending from the photoelectric conversion component and formed on a flush surface formed by the substrate and the receptacle, and transmitting an optical signal.
A signal processing device mounted on the receptacle and having a ferrule that holds the optical fiber so that the end of the optical fiber faces the end of the optical waveguide.