JP2022115723A - 光電気モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】冷却を効率的に行うことが可能な光電気モジュールを提供する。【解決手段】光電気モジュールは、電子回路および前記電子回路によって駆動される光回路を備えた光電気混載デバイスであって、第１面および前記第１面と反対側の第２面を有し、前記第１面に前記電子回路との電気入出力部および前記光回路との光入出力部が配置された光電気混載デバイスと、前記光電気混載デバイスの前記第１面側に配置されたインターフェイス基板であって、前記電気入出力部に結合された電気配線と、前記光入出力部に結合された光配線と、前記電気配線に接続されるとともに外部の電気配線に接続可能な電気インターフェイスと、前記光配線に接続されるとともに外部の光配線に接続可能な光インターフェイスと、を備えるインターフェイス基板と、前記光電気混載デバイスの前記第２面に接して配置された放熱部材と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、光電気モジュールに関し、特に、光電気モジュールにおける実装構造に関する。

電子部品および光部品が多数搭載された光電気モジュール（例えば特許文献１、２参照）において、伝送信号の高速化に伴い、各部品からの発熱が増加の一途をたどっている。

国際公開第２０１５／０１２２１３号 国際公開第２０１４／１５６９６２号

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、冷却を効率的に行うことが可能な光電気モジュールを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様は、電子回路および前記電子回路によって駆動される光回路を備えた光電気混載デバイスであって、第１面および前記第１面と反対側の第２面を有し、前記第１面に前記電子回路との電気入出力部および前記光回路との光入出力部が配置された光電気混載デバイスと、前記光電気混載デバイスの前記第１面側に配置されたインターフェイス基板であって、前記電気入出力部に結合された電気配線と、前記光入出力部に結合された光配線と、前記電気配線に接続されるとともに外部の電気配線に接続可能な電気インターフェイスと、前記光配線に接続されるとともに外部の光配線に接続可能な光インターフェイスと、を備えるインターフェイス基板と、前記光電気混載デバイスの前記第２面に接して配置された放熱部材と、を備える光電気モジュールである。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記光電気混載デバイスの前記第２面は段差を有しない平坦な面である、光電気モジュールである。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記放熱部材は前記平坦な第２面の全面に接している、光電気モジュールである。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記光電気混載デバイスは、前記第１面に対し垂直または斜めに配設された光導波路を備え、前記光電気混載デバイスの前記光入出力部は、前記光導波路の前記第１面側の端部である、光電気モジュールである。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記光電気混載デバイスの前記光入出力部と前記インターフェイス基板の前記光配線とを光学的に結合する光結合部を備える、光電気モジュールである。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記光結合部は、前記光配線の端面に形成されたミラーである、光電気モジュールである。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記光結合部は、前記インターフェイス基板に内蔵またはその表面に搭載されたミラーである、光電気モジュールである。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記ミラーは集光ミラーである、光電気モジュールである。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記光結合部は、前記光電気混載デバイスの前記光入出力部と前記インターフェイス基板の前記光配線の端面との間に充填された固体またはゲルの透明媒質を含む、光電気モジュールである。

本発明によれば、光電気モジュールを効率的に冷却することが可能である。

本発明の実施形態に係る光電気モジュールを構成する要素の１つである光電気混載デバイスの断面構成図である。 本発明の実施形態に係る光電気モジュールの構成要素となり得る別の例による光電気混載デバイスの断面構成図である。 本発明の実施形態に係る光電気モジュールの断面構成図である。 本発明の別の実施形態に係る光電気モジュールの断面構成図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る光電気モジュールを構成する要素の１つである光電気混載デバイス１００の断面構成図である。光電気混載デバイス１００は、基板１０２、半導体レーザ１０３、光変調器１０４、第１光導波路１０５、第２光導波路１０６、グレーティングカプラ１０７、ドライバＩＣ１０８、および電気配線１０９を備える。電気配線１０９は、光電気混載デバイス１００の第１面１００Ａ（図１において上側の面）と基板１０２の表面とを導通するためのビア１０９ａと、基板１０２の表面上に形成された電気配線１０９ｂとを含む。図１は光電気混載デバイス１００をその断面方向から見た図であるため１組の半導体レーザ１０３、光変調器１０４、第１光導波路１０５、第２光導波路１０６、グレーティングカプラ１０７、および電気配線１０９しか描かれていないが、複数組の半導体レーザ１０３、光変調器１０４、第１光導波路１０５、第２光導波路１０６、グレーティングカプラ１０７、および電気配線１０９が、図１における断面と垂直な方向に配列されていてもよい。また、光電気混載デバイス１００は、複数のドライバＩＣ１０８を備えていてもよい。

基板１０２は、Ｓｉ（シリコン）基板またはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板であり、その表面に光変調器１０４、第１光導波路１０５、グレーティングカプラ１０７、および電気配線１０９ｂが形成されている。光変調器１０４は、第１光導波路１０５を介してグレーティングカプラ１０７と光学的に接続される。光変調器１０４、第１光導波路１０５（例えばＳｉ導波路）、およびグレーティングカプラ１０７は、シリコンフォトニクス技術を用いて基板１０２の表面に形成することができる。基板１０２の裏面（光変調器１０４、第１光導波路１０５、グレーティングカプラ１０７、および電気配線１０９ｂが形成されているのとは反対側の面）は段差のない平坦な面であり、光電気混載デバイス１００の第２面１００Ｂをなしている。

基板１０２の表面には更に、半導体レーザ１０３およびドライバＩＣ１０８が実装される。半導体レーザ１０３は、その出射光が第１光導波路１０５へ入射するように第１光導波路１０５の一方の端部に近接して配置される。ドライバＩＣ１０８は、ドライバＩＣ１０８側の電気端子（不図示）と基板１０２側の電気配線１０９ｂとを電気的に接続する接続電極１１５（例えばボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）等）を用いて、基板１０２上に実装される。ドライバＩＣ１０８は、電気配線１０９ｂを介して半導体レーザ１０３、光変調器１０４、およびビア１０９ａに接続されており、ビア１０９ａから入力された電気信号に基づいて半導体レーザ１０３および光変調器１０４を駆動するように構成される。

また、基板１０２上には、第２光導波路１０６が、基板１０２に対して垂直または斜めに立設して形成されている。第２光導波路１０６の基板１０２に対する傾斜角は、例えば０～１０°の範囲である。第２光導波路１０６の基板１０２側の端部は、グレーティングカプラ１０７の直上に位置し、第２光導波路１０６の基板１０２と反対側の端部は、光電気混載デバイス１００の第１面１００Ａに位置している。

なお、基板１０２に立設したこのような第２光導波路１０６は、例えば、基板１０２上に所定厚で塗布したＵＶ硬化性樹脂に基板１０２の上方向から細いＵＶ光ビームを照射して、ＵＶ硬化性樹脂を、ＵＶ光ビームが通った部分だけ柱状に硬化させることによって、作製することができる。第２光導波路１０６が基板１０２に対して斜めに立設して形成される態様においては、ＵＶ光ビームが基板１０２表面で斜め方向に反射することによりＵＶ硬化性樹脂の意図しない部分までもが硬化してしまうことを避けるために、好適には、基板１０２の表面に、ＵＶ光ビームを吸収しその反射を抑えるためのＵＶ吸収膜（不図示）があらかじめ形成される。

上記のように構成された光電気混載デバイス１００において、ドライバＩＣ１０８を動作させるための電気信号が、光電気混載デバイス１００の第１面１００Ａを介してビア１０９ａに入力される。ドライバＩＣ１０８は、この電気信号に基づいて半導体レーザ１０３および光変調器１０４を駆動する。半導体レーザ１０３から出射された光は、光変調器１０４によって変調された後、グレーティングカプラ１０７によって回折されその光路を基板１０２にほぼ垂直な方向に変換されて、第２光導波路１０６を通って光電気混載デバイス１００の第１面１００Ａから出力される。このように、光電気混載デバイス１００における電気信号および光信号の入出力は、第１面１００Ａにおいて行われる。

図２は、本発明の実施形態に係る光電気モジュールの構成要素となり得る別の例による光電気混載デバイス１０１の断面構成図である。図２において、前述の図１における構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付す。光電気混載デバイス１０１は、図１の光電気混載デバイス１００における半導体レーザ１０３、光変調器１０４、第１光導波路１０５、およびグレーティングカプラ１０７に代えて、受光素子（フォトダイオード）１１０を基板１０２上の第２光導波路１０６下部に備える。

受光素子１１０は、例えば、シリコンフォトニクス技術を用いて基板１０２の表面に直接形成することもできるし、あるいは別途作製したチップ型の受光素子１１０を基板１０２上に実装してもよい。受光素子１１０は、電気配線１０９ｂを介してドライバＩＣ１０８に接続される。ドライバＩＣ１０８は、受光素子１１０から出力される光電変換された電流信号をＩＶ（電流電圧）変換するためのトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）であってもよい。

図２の構成の光電気混載デバイス１０１において、外部の光配線（図２において不図示）から供給される光信号が、光電気混載デバイス１００の第１面１００Ａを介して第２光導波路１０６に入力され、受光素子１１０へ入射される。受光素子１１０は、光信号を光電変換して電流信号を発生する。電流信号は電気配線１０９ｂを介してドライバＩＣ１０８へ送られ、ドライバＩＣ１０８は、この電流信号をＩＶ変換して電圧信号を生成し出力する。このドライバＩＣ１０８からの電気信号は、ビア１０９ａを通り光電気混載デバイス１００の第１面１００Ａから出力される。このように、図１の光電気混載デバイス１００と同様、光電気混載デバイス１０１における電気信号および光信号の入出力は、第１面１００Ａにおいて行われる。

なお、光電気混載デバイスの構成は、図１および図２に示されるものに限定されない。例えば、図１の光電気混載デバイス１００のような光送信機能と図２の光電気混載デバイス１０１のような光受信機能の両方を備えた光電気混載デバイスが、本発明の実施形態に係る光電気モジュールの構成要素として用いられてもよい。

図３は、本発明の実施形態に係る光電気モジュール１０の断面構成図である。光電気モジュール１０は、図１を参照して説明した光電気混載デバイス１００と、インターフェイス基板２００と、放熱部材３００とを備える。光電気モジュール１０は、図１の光電気混載デバイス１００の代わりに、図２を参照して説明した光電気混載デバイス１０１、あるいは、図１のデバイス１００と図２のデバイス１０１の両方の構成を統合することにより光送受信機能を有する光電気混載デバイスを備えてもよい。なお、以下では、光電気モジュール１０が図１の光電気混載デバイス１００を備えている構成に関して説明する。

インターフェイス基板２００は、電気配線２０２、光配線２０３、電気インターフェイス２０４、および光インターフェイス２０５を備える。インターフェイス基板２００は、リジッド基板またはフレキシブル基板を用いて構成することができる。電気配線２０２は、単層または多層の電気配線であり、電気インターフェイス２０４に電気的に接続されている。電気配線２０２の少なくとも一部はインターフェイス基板２００の表面（図３における上側の面）に露出しており、この露出部分と光電気混載デバイス１００との電気接続が可能となっている。電気インターフェイス２０４は、例えばピングリッドアレイ（ＰＧＡ）であってよく、このＰＧＡをマザーボード４００上に設けられたＩＣソケット４０１に挿入することにより、インターフェイス基板２００をマザーボード４００に機械的かつ電気的に接続することができる。

光配線２０３は、光ファイバまたはポリマー光導波路であってよく、インターフェイス基板２００の、電気配線２０２の一部が露出しているのと同じ側の表面（すなわち図３における上側の面）に敷設されている。光配線２０３の一方端には光結合部２０３ａ（後述）が形成または配置され、他方端には光インターフェイス２０５（光コネクタ）が接続されている。光インターフェイス２０５は、対応する外部の光コネクタ等（不図示）と接続することが可能である。

図３の光電気モジュール１０において、光電気混載デバイス１００は、その第１面１００Ａをインターフェイス基板２００側に向けて、インターフェイス基板２００に実装される（フリップチップ実装）。図１を参照して前述したように、光電気混載デバイス１００の第１面１００Ａには、ビア１０９ａの端部と第２光導波路１０６の端部が位置している。光電気混載デバイス１００のビア１０９ａは、例えばＢＧＡ等の接続電極２５０を介して、インターフェイス基板２００の表面に露出した電気配線２０２に接続される。また、第２光導波路１０６は、光結合部２０３ａを介してインターフェイス基板２００の光配線２０３と光学的に接続される。

光結合部２０３ａは、例えば、光配線２０３（光ファイバまたはポリマー光導波路）の端面をその光軸に対して斜めに形成することによって作製された全反射ミラーとすることができる。全反射ミラー２０３ａの反射面は、平面、球面、または非球面のいずれかであってよい。全反射ミラー２０３ａの反射面が球面または非球面の場合、このミラー２０３ａは集光ミラーとして機能し、光電気混載デバイス１００の第２光導波路１０６から出射された光がミラー２０３ａによって集光されてインターフェイス基板２００の光配線２０３に高効率に結合されるので、好適である。光結合部２０３ａは、光配線２０３の端部に近接してインターフェイス基板２００上に設置されたミラーであってもよい。

上記のように、光電気混載デバイス１００はインターフェイス基板２００にフリップチップ実装されており、そのため、光電気混載デバイス１００の第２面１００Ｂ（すなわち光電気混載デバイス１００を構成している基板１０２の裏面であって段差のない平坦な面）は、インターフェイス基板２００と反対側に向けられている。この光電気混載デバイス１００の第２面１００Ｂに、放熱部材３００が配置される。放熱部材３００は、その放熱面（図３において上側の面）が大きな表面積を有するような形状を備えた金属（銅やアルミニウム）またはセラミック製の部材（ヒートシンク）である。放熱部材３００は、その光電気混載デバイス１００側の面（図３において下側の面）が平坦面として構成され、この平坦面が光電気混載デバイス１００の第２面１００Ｂ（すなわち基板１０２の平坦な裏面）に密接している。両者の接触面の間に、熱伝導性の高いグリースまたは接着剤が設けられてもよい。

本実施形態の光電気モジュール１０では、放熱部材３００が光電気混載デバイス１００の第２面１００Ｂと広い面積で（すなわち基板１０２の裏面全面と）接触していることにより、光電気混載デバイス１００内の電子回路・光回路（例えばドライバＩＣ１０８および半導体レーザ１０３）やその他の発熱部品において発生した熱が、効率良く放熱部材３００に伝達される。そのため、放熱部材３００を介して光電気混載デバイス１００からの熱をより大量に放熱することができ、光電気モジュール１０の冷却性能を高めることができる。

図４は、本発明の別の実施形態に係る光電気モジュール１１の断面構成図である。図４において、前述の図３における構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付す。光電気モジュール１１は、図１を参照して説明した光電気混載デバイス１００と、インターフェイス基板２０１と、放熱部材３００とを備える。前述した光電気モジュール１０と同様、光電気モジュール１１は、図１の光電気混載デバイス１００の代わりに、図２を参照して説明した光電気混載デバイス１０１、あるいは、図１のデバイス１００と図２のデバイス１０１の両方の構成を統合することにより光送受信機能を有する光電気混載デバイスを備えてもよい。なお、以下では、光電気モジュール１１が図１の光電気混載デバイス１００を備えている構成に関して説明する。

インターフェイス基板２０１は、電気配線２０２、光配線２０３、電気インターフェイス２０４、および光インターフェイス２０５を備える。このうち電気配線２０２、電気インターフェイス２０４、および光インターフェイス２０５の構成は、図３におけるインターフェイス基板２００と同じである。インターフェイス基板２０１の光配線２０３は、インターフェイス基板２０１の内部に埋設されている。更に、図４に示されるように、インターフェイス基板２０１は穴２０６を有し、この穴２０６の側壁に、埋設された光配線２０３の一方端が位置している。穴２０６の中の光配線２０３の端部近傍には、ミラー２０７が配置される。また、インターフェイス基板２０１上には、光電気混載デバイス１００が、図３と同様に第１面１００Ａをインターフェイス基板２０１側に向けて、かつ穴２０６の上に第２光導波路１０６の端部が位置するようにして、実装される。

ミラー２０７は、例えば、金属製部材を鏡面研磨したミラー、あるいは樹脂製部材の表面に金属膜または誘電体多層膜を形成したミラーであってよい。ミラー２０７の反射面は、平面、球面、または非球面のいずれかであってよい。ミラー２０７の反射面が球面または非球面の場合、このミラー２０７は集光ミラーとして機能し、光電気混載デバイス１００の第２光導波路１０６から出射された光がミラー２０７によって集光されてインターフェイス基板２０１の光配線２０３に高効率に結合されるので、好適である。

インターフェイス基板２０１の穴２０６の内部、及び穴２０６の上部であってインターフェイス基板２０１に実装された光電気混載デバイス１００の下面よりも下の空間には、固体またはゲルからなる透明媒質２０８が充填されている。光電気モジュール１１は、実使用の際に、発熱するＩＣ等を効率良く冷却するために、不活性液体中に浸漬されることがある（液浸冷却）。光電気混載デバイス１００側の光の出力部からインターフェイス基板２０１側の光の入力部までの空間が固体またはゲルの透明媒質２０８で充填されていることによって、光電気モジュール１１を液浸冷却した場合であってもこの空間に不活性液体が浸入することがなく、光の伝搬に影響が及ぶことはない。したがって、光電気モジュール１１の光学特性を劣化させることなく、光電気モジュール１１を液浸冷却することが可能である。

また、本実施形態の光電気モジュール１１において、光電気混載デバイス１００と放熱部材３００の構成および配置は図３の光電気モジュール１０と同じである。したがって、本実施形態の光電気モジュール１１は、図３の光電気モジュール１０と同様、放熱部材３００が光電気混載デバイス１００の第２面１００Ｂと広い面積で（すなわち基板１０２の裏面全面と）接触していることにより、光電気混載デバイス１００内の電子回路・光回路（例えばドライバＩＣ１０８および半導体レーザ１０３）やその他の発熱部品において発生した熱が、効率良く放熱部材３００に伝達される。そのため、放熱部材３００を介して光電気混載デバイス１００からの熱をより大量に放熱することができ、光電気モジュール１１の冷却性能を高めることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更が可能である。

１０ 光電気モジュール
１１ 光電気モジュール
１００ 光電気混載デバイス
１０１ 光電気混載デバイス
１００Ａ 第１面
１００Ｂ 第２面
１０２ 基板
１０３ 半導体レーザ
１０４ 光変調器
１０５ 第１光導波路
１０６ 第２光導波路
１０７ グレーティングカプラ
１０８ ドライバＩＣ
１０９ 電気配線
１０９ａ ビア
１０９ｂ 電気配線
１１０ 受光素子
１１５ 接続電極
２００ インターフェイス基板
２０２ 電気配線
２０３ 光配線
２０３ａ 光結合部
２０４ 電気インターフェイス
２０５ 光インターフェイス
２０６ 穴
２０７ ミラー
２０８ 透明媒質
２５０ 接続電極
３００ 放熱部材
４００ マザーボード
４０１ ＩＣソケット

Claims (9)

1. 電子回路および前記電子回路によって駆動される光回路を備えた光電気混載デバイスであって、第１面および前記第１面と反対側の第２面を有し、前記第１面に前記電子回路との電気入出力部および前記光回路との光入出力部が配置された光電気混載デバイスと、
   前記光電気混載デバイスの前記第１面側に配置されたインターフェイス基板であって、前記電気入出力部に結合された電気配線と、前記光入出力部に結合された光配線と、前記電気配線に接続されるとともに外部の電気配線に接続可能な電気インターフェイスと、前記光配線に接続されるとともに外部の光配線に接続可能な光インターフェイスと、を備えるインターフェイス基板と、
   前記光電気混載デバイスの前記第２面に接して配置された放熱部材と、
   を備える光電気モジュール。
2. 前記光電気混載デバイスの前記第２面は段差を有しない平坦な面である、請求項１に記載の光電気モジュール。
3. 前記放熱部材は前記平坦な第２面の全面に接している、請求項２に記載の光電気モジュール。
4. 前記光電気混載デバイスは、前記第１面に対し垂直または斜めに配設された光導波路を備え、
   前記光電気混載デバイスの前記光入出力部は、前記光導波路の前記第１面側の端部である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の光電気モジュール。
5. 前記光電気混載デバイスの前記光入出力部と前記インターフェイス基板の前記光配線とを光学的に結合する光結合部を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の光電気モジュール。
6. 前記光結合部は、前記光配線の端面に形成されたミラーである、請求項５に記載の光電気モジュール。
7. 前記光結合部は、前記インターフェイス基板に内蔵またはその表面に搭載されたミラーである、請求項５に記載の光電気モジュール。
8. 前記ミラーは集光ミラーである、請求項６または７に記載の光電気モジュール。
9. 前記光結合部は、前記光電気混載デバイスの前記光入出力部と前記インターフェイス基板の前記光配線の端面との間に充填された固体またはゲルの透明媒質を含む、請求項５から８のいずれか１項に記載の光電気モジュール。

Images